JP2550136B2 - 高速増殖炉の炉心及び高速増殖炉の燃料装荷方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高速増殖炉の炉心及び高速増殖炉の燃料装
荷方法に関するものである。

〔従来の技術〕

周知のように、高速増殖炉は炉心で核分裂等により発
生する中性子を燃料親物質に吸収させて新しい核分裂性
物質を生産するいわゆる増殖を行わせ、これによつて燃
料の有効利用が図れるという特徴を有する。このような
高速増殖炉の炉心は、一般に、燃料ペレツトを充填した
ステンレス鋼の被覆管を多数束ねてステンレス鋼の六角
管（ラツパー管）で覆つた燃料集合体から円柱状に形成
されている。さらに、この炉心の周囲を燃料親物質から
なる軸方向及び径方向ブランケツトで囲設して増殖性を
向上させている。炉心には燃料物質として核分裂性物
質、例えばプルトニウムを富化したウランが装荷され、
ブランケツトには燃料親物質として、例えば劣化ウラン
が装荷される。この燃料親物質が炉心から洩れ出る中性
子を捕獲することにより、有用な核分裂性物質が生産さ
れる。

高速増殖炉の炉心においてその径方向の出力分布は、
第８図（ａ）に示すように、核分裂性物質の富化度の異
なる燃料集合体を用いて炉心径方向に区分された複数の
炉心領域を構成し、炉心外側に向かつて富化度を高くす
ることにより、平坦化を図ることが多い。このような炉
心を通常、均質炉心と呼んでいる。一方、“Proceeding
s of International Symposium on Fast Breeder
Reactors,IAEA−SM−284/18（1985）．（プロシーデ
イングズ・オブ・インターナシヨナル・シンポジウム・
オン・フアスト・ブリーダー・リアクターズ、アイ・エ
ー・イー・エー−エス・エム−284/18（1985）．）に開
示のように、炉心の中央部に主として燃料親物質から成
る円盤状の内部ブランケツト領域を設けた、いわゆる軸
方向非均質炉心では、第８図（ｂ）に示すように内部ブ
ランケツトの軸方向厚さを炉心径方向外側ほど薄くし
て、燃料集合体の軸方向のスタツク長を変化させること
により、径方向出力分布の平坦化を行つている。軸方向
非均質炉心では軸方向および径方向に中性子束が平坦化
されるため、上記均質炉心に比べ、最大線出力を５％以
上、高速中性子照射量を15％以上低減できること等が知
られている。

このような軸方向非均質炉心の多くの利点を活かし
て、現在運転中あるいは建設中の高速増殖炉の炉心性能
を向上するためには、均質炉心から軸方向非均質炉心へ
移行する有効な手段の開発が重要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

均質炉心から軸方向非均質炉心に移行する場合、炉心
燃料を全て交換することは、燃料の経済性およびプラン
トの利用率を大幅に低下させるという面から実用的でな
い。従つて、均質炉心用の燃料集合体の一部を軸方向非
均質炉心用の燃料集合体で逐次置き換えてゆくことが考
えられる。この場合、出力分布の平坦性を損うことなく
軸方向に非均質な燃料集合体を装荷すること、燃料取替
体数を増大させないこと等が安全性及ご経済性の観点か
ら重要である。

均質炉心と軸方向非均質炉心の中性子束分布は大きく
異なるため、軸方向非均質炉心用の燃料集合体を均質炉
心に均一に分散して装荷すると出力分布の平坦性が劣化
する場合があり、移行に要する燃料集合体の取替体数を
増やすなどの対策が必要となる。

本発明の目的は、均質炉心から軸方向非均質炉心への
移行過程において、十分な熱的余裕を確保しつつ、燃料
集合体の取替体数を抑制できる高速増殖炉の炉心を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は内側炉心領域で外側炉心領域との境界付
近に軸方向の中央部に内部ブランケツト領域を有する燃
料集合体を配置することによつて達成できる。

〔作用〕

一般に、出力分布の平坦化が十分図られた均質炉心で
は、第９図に示すように中性子束は富化度の低い炉心径
方向内側で大きく外側で小さくなつている。炉心中心で
均質炉心の中性子束は軸方向非均質炉心より15％以上高
いために、軸方向非均質の燃料集合体を均一に分散して
装荷すると炉心中心付近の燃料集合体で線出力密度が過
大となる。したがつて、軸方向に非均質な燃料集合体は
内側炉心領域の外側寄りに装荷するのが良い。一方、燃
料集合体を炉心外側寄りに配置すると炉心の半径方向出
力分布が偏り外側炉心領域で熱的制限を超えるおそれが
ある。しかし、本発明では外側炉心領域の軸方向出力分
布が平坦化されるため、熱的余裕を確保することができ
る。これは以下の理由による。すなわち、均質炉心の中
性子束分布は炉心径方向内側で大きく外側で小さくなつ
ており、炉心中央から外向きに中性子が流れてくるが、
これに対する内部ブランケツトの遮蔽効果が軸方向中央
部の中性子束の低減に有効に働く結果、軸方向中性子束
分布が平坦化されるためである。

このように、本発明に基づく高速増殖炉の炉心では、
均質炉心の内外炉心領域境界付近の内側炉心領域に軸方
向非均質燃料を装荷することにより、軸方向非均質炉心
へ移行する際に最大線出力は増大せず、十分な熱的余裕
を確保しつつ、取替体数の増大が抑制でき、燃料コスト
の増大を抑制することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に従つて説明する。第１図は、
本発明の第一の実施例を示す炉心の構成を示している。

炉心10は、主として減損ウランにプルトニウムを富化
した混合酸化物燃料を充填してからなる低富化度の燃料
集合体1aが配置された内側炉心領域と、同様な混合酸化
物燃料を充填してなる高富化度の燃料集合体1bが配置さ
れた外側炉心領域とを有している。外側炉心領域は、内
側炉心領域を取囲んでいる。７が両方の炉心領域の境界
である。燃料集合体1a及び1bは、軸方向に均一な富化度
分布を有しており、均質炉心を構成することができる。
内側炉心領域で領域境界７に接する位置には、軸方向付
近に内部ブランケツト（燃料親物質）を有する軸方向に
非均質な燃料集合体2aが配置されている。外側炉心領域
では燃料集合体1bと共に軸方向非均質炉心用の内部ブラ
ンケツト６を含まない燃料集合体2bが配置されている。
それぞれの燃料集合体は、混合酸化物燃料からなる燃料
ペレツトをステンレス鋼の被覆管内に充填してなる多数
の燃料ピンを束ね、この束をステンレス鋼の六角管（ラ
ツパー管）で覆つて構成されている。また、炉心10の外
側には増殖性の向上のため半径方向ブランケツト11及び
軸方向ブランケツト19が設置されている。半径方向ブラ
ンケツト領域11は、外側炉心領域に接してこの領域を取
囲んでいる。さらに、炉心10の余剰反応度を補償し、原
子炉を安全に停止するために、制御棒５が設けられてい
る。本実施例では、１サイクルの運転を終了する度に全
炉心10内の1/3の燃料集合体が新しい燃料集合体と交換
される（燃料交換バツチ数が３）。第１図中の１〜３の
番号が燃料集合体を取り出す順番を表わしている。すな
わち、各サイクル終了後に炉心10から取り出される燃料
集合体は３体に１体の割合で分散して配置されている。

燃料集合体2aを装荷した第１図の炉心での運転サイク
ルでは、番号１の場所にあつた燃料集合体1aが取り出さ
れ、燃料集合体2aは数字に丸印を付した場所に装荷され
ている。丸印のついた番号2,3の場所にあつた燃料集合
体1aは、炉心内側領域の丸印のない番号１の場所に移動
している。丸印の場所に装荷した燃料集合体2aは、次の
運転サイクルが開始される前に、内側炉心領域内に分散
して装荷しなおされる（シヤツフリング）。この時、燃
料集合体2aを装荷するその場所に以前から装荷されてい
た燃料集合体1aが、炉心10外に取り出される。そして、
新しい燃料集合体2aが再び内側炉心領域の領域境界７に
接する部分に装荷される。外側炉心領域では、内部ブラ
ンケツト６を含まない新しい燃料集合体2bが、番号２の
場所にある燃料集合体と交換される。

炉心10及び燃料の仕様を第１表に示す。すなわち、原
子炉熱出力は約2,600MW、電気出力は約1,000MW、炉心等
価径と炉心高さはそれぞれ330cm及び100cmである。軸方
向及び径方向ブランケツト19及び11の厚さは、それぞれ
35cm及び30cmである。運転期間は12ケ月である。燃料交
換バツチ数は、炉心10で３、半径方向ブランケツト11で
４としている。燃料の組成は、燃料集合体1aでプルトニ
ウム富化度が約16％、燃料集合体1bでプルトニウム富化
度が約20％となつている。また取替え燃料集合体は、す
べて軸方向非均質炉心用の内部ブランケツトを含んで軸
方向に非均質な燃料集合体2aまたは軸方向非均質炉心用
の内部ブランケツト６を含まない燃料集合体2bであり、
富化度は共に約21％である。燃料集合体2aには、軸方向
中央部に減損ウランを主成分とする厚さ約20cmの内部ブ
ランケツト６がある。

第10図に、本実施例の炉心10における軸方向最大線出
力の半径方向分布を、軸方向に非均質な燃料集合体2aを
半径方向に均一に分散装荷した場合（従来例と呼ぶ）と
比較して示す。従来例では、炉心中心部の中性子束の高
い領域に装荷された燃料集合体2aの出力が高くなるのに
対し、本実施例では、燃料集合体2aを中性子束の比較的
低い内側炉心領域の周辺部に装荷したため、最大線出力
を約８％低減することができる。均質炉心と比較すると
本実施例による最大線出力の低減効果は約３％である。

第２図は、本発明の第２の実施例である炉心10Aの構
成を示している。本実施例では、第１の実施例におい
て、内側炉心領域の燃料集合体を１つのサイクルの運転
終了毎に中心方向に順次シヤツフリングしていく構成と
したものである。このようにしても第１の実施例と同様
に最大線出力を低減することができる。

第３図は、本発明の第３の実施例を示す炉心10Bの水
平断面図である。内側炉心領域のうち、領域境界７に近
く、かつ、運転中に炉心10Bに挿入される制御棒５から
離れた領域に装荷された燃料集合体1aが燃料集合体2aで
置き換えられ、制御棒５に近い領域に装荷された燃料集
合体1aが軸方向非均質炉心用の内部ブランケツト６を含
まない燃料集合体2bで置き換えられている。外側炉心領
域では、領域境界７に近くてかつ、制御棒５から離れた
領域に装荷された燃料集合体1bが燃料集合体2aで置き換
えられ、その他の領域では燃料集合体1bの一部が軸方向
非均質炉心用の内部ブランケツトを含まない燃料集合体
2bで置き換えた構成となつている。上記の構成により、
運転初期に少数本の制御棒５を炉心に挿入した場合にお
ける炉心径方向及び周方向の出力分布の平坦化が可能と
なる。

第４図は、本発明の第４の実施例を示す炉心10cの構
成図である。炉心10cの仕様は第１の実施例と同様であ
る。本実施例では、燃料集合体が全て新燃料集合体であ
る初装荷サイクルに均質炉心となつており、第２サイク
ルから軸方向非均質炉心用の燃料集合体を装荷する場合
を対象としている。

燃料集合体の取替えが十分に繰り返され、炉心特性が
前後のサイクルでほぼ一定となる、いわゆる平衡炉心と
比べ、炉心のすべてに新燃料集合体が装荷される初装荷
炉心では、通常、プルトニウム富化度の低い燃料集合体
が使用される。ところが、初装荷炉心から平衡炉心に至
る移行過程では、プルトニウム富化度の低い燃料集合体
が多数残存するため、炉心反応度が不足する。移行用取
替燃料集合体に平衡炉心用の燃料集合体よりも高富化度
の燃料集合体を使用すると、反応度不足を解消できるも
のの、プルトニウム富化度の低い燃料集合体が多数残存
する中に高富化度の燃料集合体が存在するため、高富化
度の燃料集合体の線出力密度が過大となり、十分な熱的
余裕を確保するためには、取替える移行用の燃料集合体
の体数を増大させる必要がある。

一方、本発明を応用することにより、特別な移行用の
燃料集合体を用いなくとも平衡炉心用の燃料集合体だけ
で十分な炉心反応度と熱的余裕を持つ炉心を構成するこ
とができる。第４図の炉心10cは第２サイクルの炉心を
表わしている。第２サイクルにおいて新しい燃料集合体
2aは、初装荷炉心の領域境界７寄りに層状に装荷され、
この燃料集合体2aと領域境界７の間に内部ブランケツト
６を含まない燃料集合体2bが装荷されている。

第５図は、本発明の第４の実施例の初装荷炉心10Dを
示している。初装荷炉心10Dの低富化度の燃料集合体1a
の内、３分の１より多い数が第２サイクルにおいて新し
い燃料集合体2aと軸方向非均質でない新しい燃料集合体
2bで置き換えられ、高富化度の燃料集合体1bの内３分の
１より少ない量が新しい燃料集合体2bで置換される。

このように、初装荷炉心の構成を第５図、移行過程で
の燃料取替え方法を第４図のようにすることにより、第
２サイクルに残存する初装荷の燃料集合体の内で富化度
の低い燃料集合体を数多く取出し、新しい燃料集合体を
炉心内側に数多く装荷することができるので、取替え燃
料集合体の富化度を高くすることなく炉心反応度を確保
できる。このとき、内部ブランケツトのない燃料集合体
2bは、初装荷の高富化度の燃料集合体1bより炉心中央寄
りに位置するが、前記した本発明に基づく出力分布平坦
化効果により、熱的余裕を確保でき、燃料取替体数の増
大を防ぐことができる。

第２表に、本発明の第４の実施例の炉心10Dにおけ
る、燃料取替体数の変化を示す。比較のため、移行サイ
クルに高富化度の燃料集合体を分散して装荷する場合に
ついても合わせて示す。高富化度の燃料集合体を装荷す
る炉心では、Pu富化度と装荷燃料集合体数は炉心の最大
線出力が許容値以下で十分な炉心反応度を持つように決
定されている。第２表から明らかなように、高富化度の
燃料集合体を装荷する炉心では、移行期間（第１〜第３
サイクル）中に取替える燃料集合体数は炉心の３分の１
ずつ交換する平衡炉心の場合より21体増加する。これに
対して第４図の実施例の炉心では、増加は６体であり、
高富化度の燃料集合体を装荷する炉心に比べ取替体数は
15体減少する。

このように、初装荷炉心から平衡炉心への移行過程に
本発明を適用することにより、移行過程で増大する燃料
集合体の取替対数を低減することができ、燃料コストを
低減できる。

上記の４つの実施例では、燃料集合体のシヤフリング
を前提としたが、シヤフリングを実施しない場合にも、
本発明を適用することができる。

第６図は、本発明の第５の実施例を示す炉心10Eの水
平断面図である。均質炉心において、炉心中心付近に装
荷された低富化度の燃料集合体1aの約1/3が燃料集合体2
aで置き換えられ、内側炉心の外側よりに装荷された燃
料集合体1aの約1/2が燃料集合体2aで置き換えられ、外
側炉心領域では、均一に分散した場所の燃料集合体1b
（全体数の約1/3）を軸方向非均質炉心用の内部ブラン
ケツトを含まない燃料集合体2bで置き換えた構成となつ
ている。次のサイクルにおいては、内側炉心領域の番号
２の位置には燃料集合体2aが、外側炉心領域の番号２の
位置には内部ブランケツトを含まない燃料集合体2bが装
荷され、その次のサイクルにおいては、番号３の位置に
同様に燃料集合体2a及び2bが装荷される。このような構
成により、はじめに、、内側炉心領域に一様に燃料集合
体2aを装荷する場合に比べ、炉心径方向の中性子束分布
が平坦化されるので、出力分布も平坦化され、炉心の熱
的余裕を増大できる。

第７図は、本発明の第６の実施例を示す炉心10Fの水
平断面図である。内側炉心領域のうち、炉心中心付近及
び運転中に炉心に挿入される制御棒５から離れた領域に
装荷された燃料集合体1aの一部が燃料集合体2aで置き換
えられ、制御棒５に近い領域に装荷された燃料集合体1a
の一部が軸方向非均質炉心用の内部ブランケツトを含ま
ない燃料集合体2bで置き換えられている。外側炉心領域
では、制御棒５から離れた領域に装荷された燃料集合体
1bの一部が燃料集合体2aで置き換えられ、その他の領域
では燃料集合体1bの一部が軸方向非均質炉心用の内部ブ
ランケツトを含まない燃料集合体2bで置き換えた構成と
なつている。上記の構成により、運転初期に制御棒を炉
心に挿入した場合における炉心径方向及び周方向の出力
分布を平坦化できる。

なお、以上の実施例では、燃料物質としてウランとプ
ルトニウムの混合酸化物を、構造材としてステンレス鋼
を、冷却材としてナトリウムを用いているが、その他の
燃料、構造材、冷却材を使用した場合にも、本発明は適
用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の炉心では、均質炉心か
ら軸方向非均質炉心への移行過程において熱的余裕を確
保し、燃料取替体数の増大を抑制することができ、燃料
製造コストをそれだけ低減できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である炉心の局部水平
断面図、第２図〜第４図、第６図及び第７図は本発明の
他の実施例である炉心の水平断面図、第５図は第４図に
示す炉心に対応する初装荷炉心の水平断面図、第８図は
均質炉心と軸方向非均質炉心の構成を示す水平および垂
直断面図、第９図は均質炉心の半径方向の中性子束分布
の特性図、第10図は本発明の炉心における径方向出力分
布特性図である。 1a,1b,2a,2b……燃料集合体、５……制御棒、６……内
部ブランケツト、７……領域境界、10,10A〜10E……炉
心、11……半径方向ブランケツト、19……軸方向ブラン
ケツト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川島 克之 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社 日立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−160897（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−231483（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−62284（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−6490（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核分裂性物質を富化した燃料親物質を有し
   て軸方向に均質な燃料集合体が装荷され、前記燃料集合
   体に含まれる核分裂性物質の富化度を内側炉心領域より
   も外側炉心領域で高くした高速増殖炉の炉心において、
   前記内側炉心領域で前記外側炉心領域との境界付近に、
   軸方向の中央部に燃料親物質からなる内部ブランケット
   領域を有する燃料集合体を配置したことを特徴とする高
   速増殖炉の炉心。
2. 【請求項２】核分裂性物質を富化した燃料親物質を有し
   て軸方向に均質な燃料集合体が装荷されると共に前記燃
   料集合体に含まれる核分裂性物質の富化度を内側炉心領
   域よりも外側炉心領域で高くした炉心内の前記燃料集合
   体であつて前記内側炉心領域で前記外側炉心領域との境
   界付近に装荷されている前記燃料集合体を取出し、その
   位置に、軸方向の中央部に内部ブランケツト領域を有す
   る新しい燃料集合体を装荷する高速増殖炉の燃料装荷方
   法。
3. 【請求項３】前記内側炉心領域に装荷された前記燃料集
   合体を、軸方向に非均質な前記燃料集合体で一回に置き
   換える体数の割合を、前記境界に近い領域ほど多くした
   請求項第２項の高速増殖炉の燃料装荷方法。
4. 【請求項４】前記境界付近にあつて、かつ、運転中に炉
   心内部に挿入される制御棒から離れた位置に装荷された
   前記燃料集合体を軸方向に非均質な前記燃料集合体に置
   き換える請求項第２項の高速増殖炉の燃料装荷方法。
5. 【請求項５】前記境界と装荷されている軸方向に非均質
   な前記燃料集合体の間に軸方向に均質な燃料集合体を装
   荷する請求項第２項、第３項または第４項の高速増殖炉
   の燃料装荷方法。