JP2685994B2 - 高速増殖炉の炉心構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は液体金属を冷却材とする
高速増殖炉の炉心構造に係り、特にその炉心構造を改良
した液体金属冷却型高速増殖炉の炉心構造に関する。

【０００３】

【従来の技術】液体金属を冷却材とする高速増殖炉は、
核分裂性物質を充填した多数の燃料集合体を装荷して炉
心を構成しており、主にナトリウムが燃料からの熱除去
を行なう冷却材として使用される。

【０００４】この液体金属冷却型高速増殖炉において
は、何等かの原因により冷却材流量の減少が生じると、
冷却材温度が上昇して冷却材密度が減少し、反応度が投
入される。高速増殖炉の反応度は原子炉の出力規模に依
存し、小型炉では負であるが、中型炉や大型炉では正の
反応度となり冷却材密度の減少により炉出力を上昇させ
るおそれがある。

【０００５】高速増殖炉は、通常冷却材であるナトリウ
ムが蒸発してボイド化することはないが、万一の事故を
想定し、ナトリウムがボイド化した場合でも、原子炉が
安全に停止し、炉心の安全性が保たれる設計となってい
る。

【０００６】冷却材であるナトリウムがボイド化した時
の原子炉の応答としては、炉心が小型の場合は、中性子
の炉心からの洩れが大きいため、上述したように、負の
反応度となって炉心を安全に停止させることができる。

【０００７】これに対し、高速増殖炉の炉心が大型にな
ると、炉心からの中性子洩れが少なくなり、冷却材であ
るナトリウムがボイド化したときの反応度が正となる。
この正の反応度状態のときに、炉心が安全に停止するか
否かは、他の反応度要因を含めて詳細な解析を行なっ
て、炉心の安全性を確認する必要がある。

【０００８】冷却材であるナトリウムによる正の反応度
は、炉心からの中性子洩れの増大や中性子スペクトルの
軟化により低減できる関係上、従来から反応度を抑制し
て小さくするために、炉心内に中性子吸収物質を装荷し
たり、炉心高さを低くして偏平化を図って中性子洩れを
増大させたり、あるいはベリリウムや水素化ジルコニウ
ム等の中性子減速材を装荷して中性子スペクトルを軟化
させる手段が採られてきた。いずれにしても、冷却材で
あるナトリウムのボイド反応度を小さくできれば、炉心
の安全性・信頼性がより一層向上し、原子炉の安全設計
上非常に価値がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高速増殖炉
のような原子力プラントにおいては、プラントの設計
上、炉心安全性の見地から炉心出力を極度に小さく設計
することは、発電コストの点で好ましくない。

【００１０】また、冷却材であるナトリウムが万一ボイ
ド化した場合でも、炉心の反応度を負にするには、炉心
出力を例えば、１００ＭＷｅ程度の小型炉にしなければ
ならず、この炉心出力を上廻るとナトリウムのボイド化
反応度が正になるという問題が生じることになる。

【００１１】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、冷却材による炉心のボイド反応度を零または
負に保ちつつ、より大きな出力の炉心を得ることができ
る高速増殖炉の炉心構造を提供することを目的とする。
〔発明の構成〕

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高速増殖炉
の炉心構造は、上述した課題を解決するために、核分裂
性物質を充填した多数の燃料集合体を装荷して炉心領域
を形成し、この炉心領域の上下に軸ブランケット領域を
備えた高速増殖炉の炉心構造において、前記炉心領域の
燃料集合体間に、内部に筒状の冷却材流路を形成し、不
活性ガス等の封入気体が封入されたキャビティ集合体を
軸ブランケット領域を貫通して装荷するとともに、この
キャビティ集合体は冷却材流路に冷却材を出し入れ可能
な冷却材連通孔を炉心下部の高圧プレナムに開口させて
設け、前記冷却材の圧力変化により冷却材流路の冷却材
液面が炉心軸方向に変動するように設定されたものであ
る。

【００１３】さらに、上述した課題を解決するために、
請求項２に記載したように、キャビティ集合体の冷却材
流路への冷却材連通孔を燃料集合体への冷却材流入孔よ
り上方位置に設けたものである。

【００１４】

【作用】本発明においては、多数の燃料集合体を装荷し
た炉心領域の各燃料集合体間に、内部に筒状の冷却材流
路を形成し、不活性ガス等の封入気体が封入されたキャ
ビティ集合体を装荷し、キャビティ集合体内の冷却材流
路は、冷却材の液面が冷却材の圧力変化により変動する
ようにしたから、冷却材であるナトリウムのボイド反応
度を、キャビティ集合体を装荷しない炉心に較べ低減で
き、安全性や信頼性をより一層向上させることができ
る。

【００１５】冷却材であるナトリウムがボイド化する原
因として、冷却材流量が減少し、ナトリウム温度が上昇
して沸騰する場合と、炉心外で大量の気体が冷却材に混
入し炉心に流れ込む場合が考えられる。

【００１６】冷却材流量減少の場合、キャビティ集合体
内の冷却材圧力の減少により封入気体が膨張し、冷却材
流路の液面が炉心頂部レベルより下部に低下し空洞を形
成する。同時に、または続いて燃料集合体内の冷却材も
冷却材温度の上昇によりボイド化しようとするが、キャ
ビティ集合体の内部がボイド化しているため、燃料集合
体で発生した中性子はキャビティ集合体から主に炉心上
方向に漏洩し、負の反応度となる。

【００１７】炉心外から気体が流入する場合は、キャビ
ティ集合体の冷却材連通孔が燃料集合体の冷却材流入孔
より上方に形成されているので、キャビティ集合体の冷
却材流路に気体が燃料集合体よりも流入することで、冷
却材流量減少の場合と同様の作用となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係る高速増殖炉の炉心構造の
一実施例について添付図面を参照して説明する。

【００１９】図１は、本発明に係る炉心構造を備えた液
体金属冷却型高速増殖炉の一例を示す断面図である。高
速増殖炉は原子炉建屋１のキャビティウォール１ａ内に
設けられた原子炉安全容器２を有し、この安全容器２内
に原子炉容器３が収容され、二重の容器構造に構成され
る。

【００２０】原子炉容器３内には核燃料を装荷した炉心
部４が収容される。炉心部４は原子炉容器３内に満たさ
れた液体金属冷却材であるナトリウム５中に浸漬状態で
設置され、炉心支持構造物６により支持される。原子炉
容器３内はこの支持構造物６を境にして上部プレナム７
と下部プレナム８とに区画される。炉心部４の上方に
は、制御棒駆動機構等を収容した炉心上部機構１０が設
置される一方、炉心部４の周りには一次冷却材と二次冷
却材とを熱交換させる中間熱交換器１１や一次冷却材を
原子炉容器３内で強制循環させる循環ポンプ１２が設置
される。

【００２１】前記中間熱交換器１１や循環ポンプ１２は
原子炉容器の上部を覆う上部蓋１３およびルーフスラブ
１４に吊設状態で支持される。ルーフスラブ１４の中央
部には回転プラク１５が回転自在に設けられ、この回転
プラグ１５の偏心位置に小回転プラグ１６が回転自在に
支持される。符号１７はカバーガス空間であり、この空
間１７内に不活性ガスであるカバーガスが充填される。

【００２２】一方、高速増殖炉の炉心部４は、図２に示
す炉心構成の炉心２０を備えている。この炉心２０は核
分裂性物質を充填した多数の燃料集合体２１（図３およ
び図４参照）を多数装荷した炉心領域２２を中央部に形
成しており、この炉心領域２２の外周側には径方向ブラ
ンケット集合体２３を環状に装荷した径ブランケット領
域２４が形成され、この径ブランケット領域２４の外側
に中性子遮蔽体２５を装荷した中性子遮蔽領域２６が形
成される。

【００２３】炉心領域２２に装荷された燃料集合体２１
は上部に親物質が装荷された上部軸ブランケット領域２
８が、その下部には下部軸ブランケット領域２９がそれ
ぞれ形成され、上部軸ブランケット領域２８の上方にガ
スプレナム領域３０が設けられる。下部軸ブランケット
領域２９の下方はガスプレナム領域あるいは中性子遮蔽
領域３１として構成される。

【００２４】また、炉心領域２２の各燃料集合体２１間
には、図１および図２に示すようにキャビティ集合体３
３が複数体装荷される。燃料集合体２１およびキャビテ
ィ集合体３３は炉心支持板３４の上部支持板３５上に支
持され、この上部支持板３５と下部支持板３６との間に
高圧プレナム３７が形成される。高圧プレナム３７には
循環ポンプから吐出される一次冷却材であるナトリウム
５が供給されるようになっている。

【００２５】前記キャビティ集合体３３には、内部に筒
状の冷却材流路４０が形成されるとともに、この流路４
０の上方には封入気体が封入されたキャビティチャンネ
ル４１として形成される。封入気体はアルゴン等の不活
性ガスが適当であるが特に制限はない。

【００２６】キャビティ集合体３３の冷却材流路４０は
その脚部（エントランスノズル部）４３に形成された冷
却材連通孔４４を介して高圧プレナム３７に連通してお
り、この冷却材連通孔４４は燃料集合体２１のエントラ
ンスノズル部４５に形成された冷却材流入孔４６より上
方に形成される。

【００２７】キャビティ集合体３３の冷却材流路４０に
流入された冷却材の液面（自由液面）は、高圧プレナム
３７内の冷却材の圧力により炉心軸方向に変動せしめら
れるが、高速増殖炉の通常運転時には冷却材液面の高さ
は、炉心頂部レベル（炉心領域２２の上端）より高く、
冷却材の流量低下事故時には、冷却材液面が低くなるよ
うに冷却材流路４０の内部形状や封入気体の量が設定さ
れる。具体的な冷却材流路４０の冷却材液面は、定常運
転時には上部軸ブランケット領域２８より上部とし、冷
却材流量低下時には、炉心２０の軸方向中心部付近に位
置するように設定することで、燃料集合体２１からキャ
ビティ集合体３３への中性子洩れを増大させ、負の反応
度効果を大きくできるが、特に制限はない。

【００２８】なお、図３において、ＵＰは炉心上端位置
（炉心領域の上面位置）、ＣＰは炉心中心位置、ＬＰは
炉心下端位置をそれぞれ示す。

【００２９】次に、本実施例の作用を説明する。

【００３０】高速増殖炉においては、冷却材であるナト
リウムがボイド化する要因として、冷却材流量の減少に
よりナトリウム温度が上昇して、沸騰する場合と、炉心
外で大量のカバーガス等の気体が冷却材に流入して炉心
２０に流れ込む場合が考えられる。

【００３１】冷却材流量が減少した場合、高圧プレナム
３７内の冷却材圧力が減少し、この圧力減少に伴ってキ
ャビティ集合体３３内の冷却材圧力も減少し、封入気体
が膨脹する。この封入気体の膨脹により冷却材流路４０
の液面が炉心頂部レベルより下方に移動し、キャビティ
チャンネル４１が増大する。

【００３２】この場合、キャビティ集合体３３内部の冷
却材圧力の減少に伴ってキャビティ集合体３３内部が最
初にボイド化する。このボイド化と同時あるいは続いて
燃料集合体２１内も冷却材温度の上昇によりボイド化す
る。

【００３３】しかし、キャビティ集合体３３内の冷却材
流路４０がボイド化しているため、燃料集合体２１で発
生した中性子は、キャビティ集合体３３からキャビティ
チャンネル４１を介して炉心上部方向に漏洩し、負の反
応度効果が得られる。

【００３４】次に、炉心外から流入した気体が冷却材に
混入して炉心に流れ込む場合を考える。

【００３５】この場合、図３に示すように、キャビティ
集合体３３の冷却材連通孔４４が燃料集合体２１の冷却
材流入孔４６よりも鉛直方向上方に設けられている。一
方、循環ポンプ１２から高圧プレナム３７に吐出された
冷却材に混入する気体は、冷却材より軽いため、上部支
持板３５付近の下部に蓄積される。

【００３６】このため、上部支持板３５の下部に蓄積さ
れた気体は燃料集合体２１に流入する前にキャビティ集
合体３３内に流入し、内部の冷却材流路４０をボイド化
させる。続いて、燃料集合体２１にも冷却材に混入して
気体が流入するが、冷却材流量の減少の場合と同様の作
用効果を奏する。

【００３７】炉心外で冷却材への気体混入を考慮しない
場合には、キャビティ集合体３３の冷却材連通孔４４と
燃料集合体２１の冷却材流入孔４６は位置関係は問われ
ない。

【００３８】また、炉心領域２２の各燃料集合体２１間
にキャビティ集合体３３を装荷することにより、燃料集
合体２１で生じた中性子がキャビティ集合体３３の軸方
向上部のキャビティチャンネル４１への漏洩を助長する
ため、キャビティチャンネル４１の上部に中性子吸収体
４８を図３に示すように配置するようにしてもよい。

【００３９】この結果、本実施例の炉心のナトリウムボ
イド反応度はキャビティ集合体の無い炉心に較べ低減で
き零または負になる。

【００４０】例えば、炉心高さが６０cm、炉心直径が約
３００cmの偏平炉心の場合、キャビティ集合体が無い場
合の３６５日燃焼後の炉心高さ部におけるナトリウムボ
イド反応度は約３＄であるが、キャビティ集合体３３を
図４に示すように配置した場合の同一サイズの炉心での
ナトリウムボイド反応度はキャビティ集合体が上部軸ブ
ランケット領域（厚さ３５cm）３０の高さから炉心中心
高さまでボイド化し、燃料集合体２１が炉心高さまでボ
イド化した場合には約−０．５＄、キャビティ集合体３
３が上部軸ブランケット領域３０の高さよりさらに３０
cm上部までボイド化し、燃料集合体２１が炉心高さまで
ボイド化した場合には約−２＄となる。符号４９は炉心
領域２２に分散配置される制御棒である。

【００４１】次に、本発明の他の実施例を図５および図
６を参照して説明する。

【００４２】この実施例に示された液体金属冷却型高速
増殖炉の炉心構造は、図４に示された炉心構造に加えて
多数の燃料集合体２１を装荷して構成される炉心領域２
２の中央部にキャビティ集合体３３を複数体まとめて集
中的に配置したものである。他の炉心構成は、図２およ
び図４に示すものと基本的に異ならないので同一符号を
付して説明を省略する。

【００４３】図５に示す高速増殖炉の炉心構造において
は、炉心中心部に炉心軸方向にまとめて配置されるキャ
ビティ集合体３３により、冷却材であるナトリウムのボ
イド時に、炉心中心方向への中性子漏洩効果が助長され
る構成となっている。

【００４４】さらに、キャビティ集合体３３を偏平炉心
の炉心領域２２に配置される制御棒９に隣接して装荷し
たり、周方向に沿って環状に装荷することにより、制御
棒方向への中性子漏洩を積極的に利用することも考えら
れる。その際、図６に示すように燃料集合体２１の上部
軸ブランケット領域５０と炉心領域２２の中間にガスプ
レナム領域５１を配置するか、または軸方向ブランケッ
ト領域５０を削除すると、上部方向への漏洩した中性子
がプレナム領域を通してより漏洩しやすくなる。

【００４５】なお、本発明の実施例では、炉心領域の各
燃料集合体間にキャビティ集合体を配置した例を示した
が、キャビティ集合体の配置や、キャビティ集合体内の
構成は上記の例に限られるものではない。キャビティ集
合体の配置は冷却材であるナトリウムのボイド時にナト
リウムボイド反応度をほぼ零または負になるように配置
されればよく、その形状、構成は上記作用を満足するよ
うに設定されていれば良い。

【００４６】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る高速
増殖炉の炉心構造においては、多数の燃料集合体を装荷
して炉心領域を形成し、この炉心領域の燃料集合体間
に、内部に筒状の冷却材流路を形成し、不活性ガス等の
封入気体が封入されたキャビティ集合体を装荷するとと
もに、このキャビティ集合体は冷却材流路に冷却材を出
し入れ可能な冷却材連通孔を設け、前記冷却材の圧力変
化により冷却材流路の冷却材液面が炉心軸方向に変動す
るように設定したので、原子炉容器内を循環する冷却材
流量が減少すると、冷却材圧力が減少し、キャビティ集
合体内の冷却材圧力が低下して封入気体が膨脹し、キャ
ビティ集合体内が初めにボイド化して冷却材流路の液面
が低下する。この液面低下により、燃料集合体で発生し
た中性子はキャビティ集合体から炉心上方向に主に漏洩
し、冷却材によるナトリウムホイド反応度を零または負
に保つことかができ、より大きな出力の炉心を得ること
ができるとともに、大型炉心であっても炉の安全性や健
全性を充分に保つことができる。

【００４７】また、キャビティ集合体の冷却材流路への
冷却材連通孔を燃料集合体への冷却材流入孔より上方位
置に設けると、炉心外のカバーガス等の気体が冷却材に
混入する場合でも、混入された気体は冷却材との密度差
により上方に貯溜され、キャビティ集合体の冷却材連通
孔から燃料集合体よりも前に流入するので、冷却材流量
減少の場合と同様な作用効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る炉心構造を備えた液体金属冷却型
高速増殖炉を示す縦断面図。

【図２】本発明に係る高速増殖炉の炉心構造の一実施例
を示す炉心構成図。

【図３】図２に示す炉心構造の燃料集合体とキャビティ
集合体の関係を示す図。

【図４】本発明に係る高速増殖炉の炉心構造を示す横断
面図。

【図５】本発明に係る高速増殖炉の炉心構造の他の実施
例を示す横断面図。

【図６】図５に示す高速増殖炉の炉心構造を示す炉心の
配置構成図。

【符号の説明】 １ 原子炉建屋 ３ 原子炉容器 ４ 炉心部 ５ ナトリウム（冷却材） ７ 上部プレナム ８ 下部プレナム １０ 炉心上部機構 １１ 中間熱交換器 １２ 循環ポンプ １３ 上部蓋 １４ ルーフスラブ １５ 回転プラグ ２０ 炉心 ２１ 燃料集合体 ２２ 炉心領域 ２４ 径ブランケット領域 ２６ 中性子遮蔽領域 ２８ 上部軸ブランケット領域 ２９ 下部軸ブランケット領域 ３０ ガスプレナム領域 ３１ ガスプレナム領域または中性子遮蔽領域 ３３ キャビティ集合体 ３４ 炉心支持板 ３５ 上部支持板 ３６ 下部支持板 ３７ 高圧プレナム ４０ 冷却材流路 ４１ ガスキャビティ ４４ 冷却材連通孔 ４６ 冷却材流入孔 ４８ 中性子吸収体 ４９ 制御棒 ５０ 軸方向ブランケット ５１ ガスプレナム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 亀井 孝信 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 鈴木 聖夫 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝 横浜事業所内 (56)参考文献 特開 昭56−21089（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−14192（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−335190（ＪＰ，Ａ) 特公 昭49−8678（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭42−17907（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核分裂性物質を充填した多数の燃料集合体
   を装荷して炉心領域を形成し、この炉心領域の上下に軸
   ブランケット領域を備えた高速増殖炉の炉心構造におい
   て、前記炉心領域の燃料集合体間に、内部に筒状の冷却
   材流路を形成し、不活性ガス等の封入気体が封入された
   キャビティ集合体を軸ブランケット領域を貫通して装荷
   するとともに、このキャビティ集合体は冷却材流路に冷
   却材を出し入れ可能な冷却材連通孔を炉心下部の高圧プ
   レナムに開口させて設け、前記冷却材の圧力変化により
   冷却材流路の冷却材液面が炉心軸方向に変動するように
   設定されたことを特徴とする高速増殖炉の炉心構造。
2. 【請求項２】 キャビティ集合体の冷却材流路への冷却
   材連通孔を燃料集合体への冷却材流入孔より上方位置に
   設けた請求項１記載の高速増殖炉の炉心構造。