JP2502173B2 - 高速炉炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速炉炉心に係わり、特に冷却材ナトリウム
がボイド化した時における正の反応度挿入を抑制して安
全性の向上および健全性の維持を図るようにした高速炉
炉心に関する。

〔従来の技術〕

高速炉炉心は一般に円柱状に形成され、炉心に燃料と
して核分裂性物質と燃料親物質を混合したものを用いて
おり、核分裂性物質としては、主にプルトニウムー23
9、ウランー235、あるいは両者を混合したものが用いら
れる。

一般的な高速炉炉心としては均質炉心と呼ばれて炉心
領域を同心状に内側炉心領域と外側炉心領域に分割した
ものがある。このように炉心を分割した場合、核分裂性
物質の富化度（核分裂性物質の量／（核分裂性物質の量
＋燃料親物質の量））は、外側の炉心領域ほど高くなっ
ている。これは、出力分布の平坦化を図り、増殖性等の
炉心性能を高めるためである。

ところで、従来のプルトニウム燃料を装荷した高速炉
炉心は、なんらかの原因で冷却材ナトリウムにボイドが
発生すると、炉心の中央ではナトリウムボイドの反応度
が正（中性子の発生割合と吸収割合の差）となる。この
反応度は炉心が小型になるほど小さくなる。これは、小
型炉心ほどナトリウムにボイドが発生したときに外側炉
心領域での中性子の洩れが増大して反応度が下がるため
であるが、炉心中心部では依然として正である。

一方、濃縮ウラン燃料を装荷した高速炉炉心では、炉
心中心部でもナトリウムボイド反応度が負になり得る。
これは、プルトニウムー239とウランー235の核断面積の
中性子エネルギーによる変化が異なるためである。第10
図に両者のη値（中性子１個の吸収当たりの核分裂によ
り発生する中性子の個数の期待値）の中性子エネルギー
による変化を示す。プルトニウムー239とウランー235の
η値は1keV以上では、いずれもエネルギーの増加ととも
に増加するが、その増加割合はプルトニウムー239の方
が大きい。このため、ナトリウムにボイドが発生し、中
性子エネルギースペクトルが硬化するとプルトニウムー
239を用いた方がより正の反応度が入ることになる。

また、一般に、ボイドが発生すると中性子の洩れが大
きくなり、この効果はボイド反応度を小さくする。とこ
ろが炉心が大きくなると、炉心から洩れる中性子の割合
が相対的に小さくなり、ボイド反応度は大型炉ほど大き
くなる傾向がある。そこで、大型炉では炉心全体でボイ
ド反応度を負にすることは難しいが、小型炉心では炉心
全体でもボイド反応度を負にできる可能性がある。

そこで、以下では炉心全体でボイド反応度を負にする
可能性が大きいやや小型の10万kWe級高速炉炉心のナト
リウムボイド反応度について定量的に説明する。

第１図及び第２図は10万kWe級高速炉の均質炉心を示
す図で、第１図は概略構成を示す縦方向断面図、第２図
はそのＡ−Ａ断面図である。

図において、炉心領域の径方向は内側炉心燃料集合体
11が装荷された内側炉心領域１と、外側炉心燃料集合体
12が装荷された外側炉心領域２の二領域に分割され、外
側炉心領域２が内側炉心領域１の周囲を取り囲んでい
て、その外側を径方向ブランケット燃料集合体14よりな
る径方向ブランケット領域４、径方向反射体15よりなる
径方向反射体領域５が取り囲んでいる。原子炉は内側炉
心領域１に挿入された制御棒16の操作により制御され
る。

まず、従来例の１つとして、プルトニウム−239を富
化した燃料を装荷した炉心のナトリウムボイド反応度に
ついて述べる。この場合、炉心寸法は、第１図でＨ＝60
cm、D₁＝105cm、D₂＝150cmである。

プルトニウム富化度は、内側炉心領域が18.4％、外側
炉心領域が25.7％である。第11図は、上記炉心中央部の
ナトリウムボイド反応度の径方向分布を示す図である。
この反応度は、漏洩成分（図の一点鎖線）と非漏洩成分
（図の破線）に分けることができる。漏洩成分は中性子
の漏洩に関するもので、ナトリウムのボイド化により中
性子漏洩が増すためにその効果は常に負である。非漏洩
成分は吸収成分とスペクトル成分から成り、ボイド化に
より、ナトリウムによる中性子の吸収が減少するため吸
収成分は常に正で、スペクトル成分は第10図のη値のエ
ネルギーによる変化に関連する。第11図より、プルトニ
ウムー239燃料を装荷した場合の炉心内では非漏洩成分
は常に正であり、漏洩成分は負であり炉心の外側部分へ
行くほど小さくなる。このため、この合計の反応度は炉
心中央部で正、外側領域で負となる。また、この反応度
の軸方向分布は、中性子の漏洩効果のため中心から離れ
るにつれて小さくなる。

第12図及び第13図はそれぞれ濃縮ウラン燃料及び濃縮
ウランとプルトニウムを混合した燃料（以下、混合燃料
と言う）を装荷した場合のナトリウムボイド反応度の径
方向分布を示す図である。

炉心寸法は前記プルトニウムー239燃料装荷炉心と同
一である。濃縮ウラン燃料炉心のウラン濃縮度は、内側
炉心領域が19.5％、外側炉心領域が28.4％である。混合
燃料炉心のウラン濃縮度及びプルトニウム富化度は、そ
れぞれ内側炉心領域が10.3％及び9.6％、外側炉心領域
が15.0％及び13.8％である。第12図より、濃縮ウラン燃
料炉心ではナトリウムボイド反応度が全炉心領域で負で
あることが分かる。また、第13図より、混合燃料炉心で
は漏洩成分は前記２炉心（プルトニウムー239燃料炉心
と濃縮ウラン燃料炉心）とほぼ同じであり、非漏洩成分
が２炉心のほぼ平均の値となり、この合計の反応度は炉
心中央領域では正となっている。なお、漏洩成分が３炉
心でほぼ等しいのは、出力分布平坦化するように濃縮度
と富化度を決定したために中性子束分布が似ているため
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように濃縮ウラン燃料のみの炉心では、ナトリウ
ムボイド反応度は全炉心領域で負となるが、炉心の一部
又は全部に均等にプルトニウム燃料を用いた場合では10
万kWe程度のやや小型の炉心でも炉心の中央部で正とな
り、なんらかの原因でナトリウムのボイド反応度が正と
なるため安全性を損なわれる可能性がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであ
り、プルトニウム燃料を用いた炉心でも正の反応度を抑
制し、中小型炉心では全炉心領域でナトリウムボイドに
よる反応度を負にして、万一炉心にボイドが発生しても
炉心出力に大きな影響を与えず、その健全性の維持を図
ることが可能な高速炉炉心を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の高速炉炉心は、核分裂性物質からなる燃料集
合体を装荷した炉心を有する高速炉において、核分裂性
物質がウランー235を主成分とする燃料物質からなる内
側領域と、内側領域を囲み、核分裂性物質がプルトニウ
ムー239を主成分とする燃料物質からなる外側領域とに
より炉心を構成したことを特徴とする。

〔作用〕

本発明による高速炉炉心は、内側炉心領域はウランー
235を主成分とした燃料集合体を装荷し、外側炉心領域
はプルトニウムー239を主成分とした燃料集合体を装荷
することにより、プルトニウム富化燃料または混合燃料
からなる炉心に比べて、同規模の炉心において、炉心領
域のナトリウムボイド反応度を大幅に低減化することが
てきる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

まず、第1,2,3,4図を参照して本発明の第１の実施例
を説明する。本実施例では炉心の内側炉心領域１を構成
する内側炉心燃料集合体11はウランー235を主成分と
し、外側炉心領域２を構成する外側炉心燃料集合体12
は、プルトニウムー239を主成分としている。

以上の構成を基にその作用を説明する。前述の従来例
との対比を考えて、炉心寸法をＨ＝60cm、D₁＝105cm、D
₂＝150cmとした場合のナトリウムボイド反応度の計算結
果を第３図と第４図に示す。なお、第３図は本炉心のナ
トリウムボイド反応度の炉心中央部における径方向分布
で、漏洩成分と非漏洩成分に分離した各成分の分布を示
している。

本炉心は、内側炉心領域のウラン濃縮度は18.4％であ
り、外側炉心領域のプルトニウム富化度は26.3％であ
る。炉心中央部における径方向の反応度はすべて正で炉
心外側領域で増大している。しかし、前述の第13図の混
合燃料炉心の結果と比べると、ほぼ同じ量の燃料を用い
ているにもかかわらず、内側炉心領域において大幅にナ
トリウムボイド反応度（図の実線）は低減している。こ
れは、炉心中央部では中性子束及び随伴中性子スペクト
ルが濃縮ウラン燃料炉心に近いため非漏洩成分が小さな
値となるためである。また、漏洩成分は中性子束分布が
似ているため、前述の他の従来炉心と類似している。

第４図は、燃料集合体当たりのボイド反応度に相当す
るボイド反応度を軸方向に積分した単位断面積当たりの
値を示す。同図より、本炉心では全燃料集合体に置き換
えてみると、反応度は負になることが分かる。つまり、
実際の炉心では、ボイドが発生すると、正の反応度とな
る燃料集合体中心付近にボイドが静止することはなく。
軸方向の下から上へボイドが移動するので、ボイドが発
生しても全体としては本炉心では負の反応度となること
を示している。

また、第４図には、プルトニウム燃料炉心（破線）と
濃縮ウラン燃料炉心（一点鎖線）についても示す。

第４図からプルトニウム燃料炉心では、内側炉心領域
１の全部と外側炉心領域２の一部の燃料集合体は、炉心
領域のナトリウムにボイドが発生すると正の反応度が挿
入され、濃縮ウラン燃料炉心は全炉心で負であることが
分かる。

次に、前記第１の実施例をもとにして、ナトリウムボ
イド反応度を低減する他の実施例を説明する。

第３図の実線より分かるように、第１の実施例では外
側炉心領域２でボイド反応度が最大となっている。そこ
で、第２の実施例は、プルトニウム燃料からなる外側炉
心領域２の体積比を少なくしたものであり、これにより
全体としてボイド反応度を小さく抑えることができる。

例えば、第１図でD₁＝125cmとし、内側炉心のウラン
濃縮度20.2％、外側炉心プルトニウム富化度34.1％とし
て外側炉心領域２の体積比を少なくすると、全体にボイ
ド反応度が低減し、全炉心で負にすることができる。

また、第３の実施例は、第１図と同じ構成で内側炉心
のウラン濃縮度を相対的に上げるようにしたものであ
る。このような構成にすると、内側及び外側炉心全体で
の中性子量は同じであるため、内側（ウラニウムの領
域）の中性子量が増加し、外側炉心での中性子束の傾き
（径方向に対する中性子束の変化度合）が大となり、外
側へ漏洩する中性子量が増加してボイド反応度を低減さ
せることができる。

また、第４の実施例として第５図のごとく外側炉心領
域２の内側に内部ブランケット領域（ウランー238）７
を装荷した、いわゆる径方向非均質炉心にすると、ボイ
ド反応度のピークが低減するとともに全体にボイド反応
度が低減する。

次に、さらにボイド反応度を低減する第５の実施例を
第６図に示す。これは第１の実施例の径方向ブランケッ
ト領域４の内側の１層を不活性アルゴンガス封入体17で
アルゴンガス領域とした構成であり、第３図の如く負の
漏洩成分（絶対値）が増大する。アルゴンガス領域の具
体的構造としては、燃料集合体と同一形状のラッパ管内
にアルゴンガスを密封する方式がもっとも簡易な方式で
ある。本炉心のナトリウムボイド反応度の炉心中央での
径方向分布を第７図に示すが、大幅にボイド反応度は低
減して全炉心領域で負である。

次に、第５の実施例をもとにした第６の実施例につい
て説明する。

第８図は第６の実施例の平面図で、図中、23は中性子
吸収体案内管であり、その概念図を第９図に示す。これ
は第６図のアルゴンガス封入体17を円環状の中性子吸収
体案内環23に置換したものである。この案内環22の内部
に液体中性子吸収体24が封入されており、下部のアルゴ
ンガス23のガス圧をガス圧調整機構25により調整して、
中性子吸収体24を任意の位置に停止させる。出力運転時
にはガス圧により中性子吸収体24は中性子吸収体収納タ
ンク26に浮上しており、第６図と同様にガス領域とな
り、ボイド反応度は大幅に低減されている。液体中性子
吸収体としてリチウム−６（90％濃縮）を採用すると、
４％Δk/kk′以上の制御棒反応度が確保され、炉心領域
内の制御棒を削除することができる。

上記構成によると、第５の実施例と同様の効果を得る
ことができるのはもとより、さらに次のような効果を得
ることができる。１つは、液体中性子吸収体24の採用に
より制御棒挿入の信頼性が向上して大幅に安全性が向上
できる。他の１つは、炉心領域の制御棒を不要とするこ
とができるため、制御棒挿入による局所的な出力分布歪
みを無くすことができ、炉心設計上熱的に余裕のある設
計が可能となる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明による高速炉炉心によると
プルトニウム燃料を使用してもナトリウムボイド反応度
が低減でき、特に中小型高速炉の場合には全炉心でボイ
ド反応度を負にすることが可能となり、万一ボイドが発
生しても炉心の出力が大幅に上昇することもなく、炉心
ひいてはプラントの健全性および安全性の向上を図るこ
とができる等その効果は大である。また、中小型の２次
系削除プラントにおいて、万一伝熱管が破損して水素ガ
スが炉心に移行するようなことが起きても負の反応度に
なるため、原子炉を安全に停止させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、10万kWe級の高速炉の本発明の第
１の実施例および従来の均質炉心の概略構成を示す断面
図及び平面図、第３図は本発明の第１の実施例による炉
心中央のナトリウムボイド反応度とその成分の径方向分
布を示す図、第４図は本発明の第１の実施例と従来炉心
の炉心領域の単位断面積当たりのナトリウムボイド反応
度（軸方向積算）の径方向分布を示す図、第５図は第４
図の実施例の炉心の断面図、第６図は第５図の実施例の
炉心の平面図、第７図は第５図の実施例の炉心の第３図
と同様の径方向分布を示す図、第８図及び第９図は第６
図の実施例の炉心の平面図及び概念図、第10図は中性子
エネルギに対するη値分布を示す図、第11図はプルトニ
ウム燃料炉心の炉心中央部におけるナトリウムボイド反
応度とその成分の径方向分布を示す図、第12図及び第13
図はそれぞれ濃縮ウラン燃料炉心と混合燃料炉心のナト
リウムボイド反応度の径方向分布を示す図である。 １……内側炉心領域、２……外側炉心領域、３……軸方
向ブランケット、４……径方向ブランケット領域、５…
…径方向反射体領域、６……径方向反射体領域、７……
内部ブランケット領域、11……内側炉心燃料集合体、12
……外側炉心燃料集合体、14……径方向ブランケット燃
料集合体、15……径方向反射体、16……制御棒、17……
アルゴンガス封入体、21……炉心燃料領域、22……中性
子吸収体案内管、23……アルゴンガス、24……液体中性
子吸収体、25……ガス圧調整機構、26……中性子吸収体
収納タンク。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核分裂性物質からなる燃料集合体を装荷し
   た炉心を有する高速炉において、核分裂性物質がウラン
   ー235を主成分とする燃料物質からなる内側領域と、内
   側領域を囲み、核分裂性物質がプルトニウムー239を主
   成分とする燃料物質からなる外側領域とにより炉心を構
   成したことを特徴とする高速炉炉心。
2. 【請求項２】請求項１記載の炉心において、外側領域の
   周囲に不活性ガス領域を設けたことを特徴とする高速炉
   炉心。
3. 【請求項３】請求項２記載の炉心において、不活性ガス
   領域内に中性子吸収体を軸方向に移動可能に配置したこ
   とを特徴とする高速炉炉心。