JP2869312B2 - 超長寿命高速炉用炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉寿命期間中（３
０年以上）燃料交換なしに運転でき、且つ長半減期のネ
プツニウム（Ｎｐ）を長期間閉じ込め、消滅させること
のできる小型高速炉用炉心に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超長寿命炉心とは、３０年以上にわたる
プラント寿命中、燃料交換なしで連続運転することがで
きる炉心をいい、燃料サイクルコストの低減、燃料取扱
い系の簡素化などを目指すものである。この超長寿命炉
心は、開発中の高燃焼度用材料の使用を前提として、約
３０年で平均燃焼度を２０万ＭＷd/t にするため及び燃
焼反応度変化を抑制するために、出力密度を従来炉心の
約３〜４分の１に低減している。

【０００３】従来、検討されてきた超長寿命炉心は、Ｍ
ＯＸ（混合酸化物）燃料を使用する大型の炉心であっ
た。大型の炉心を使用することにより、中性子の漏洩を
低減して超長寿命化を図っているのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＭＯＸ燃料だけを用いた超長寿命炉心の場合には、炉心
体積が従来型１００万ＫＷｅ炉心の約４倍になると共
に、燃焼反応度変化も１０％以上にもなり、反応度制御
が困難であることが分かってきた。また、ＭＯＸ燃料を
用いた小型炉心においては、更に反応度変化が大きくな
り、超長寿命炉心は不可能であった。

【０００５】ところで、最近の研究によれば、マイナー
アクチニド核種（ネプツニウムはその１種である）を添
加することにより、従来のＭＯＸ燃料の場合よりも大幅
に燃焼反応度変化を低下できるだけでなく、最適な炉内
装荷法を採用することにより出力変動も抑制できること
が分かってきた。マイナーアクチニド核種は、燃焼初期
ではバーナブルポイズン（可燃性毒物）として作用し、
その後、核分裂性物質として作用するためである。しか
し、マイナーアクチニド核種を添加した１００万ＫＷｅ
級超長寿命炉心では、出力密度を従来のＭＯＸ燃料の超
長寿命炉心と同程度とする必要があり、炉心体積は同一
出力の従来炉の４倍から５倍となっていた。このため、
マイナーアクチニド核種を添加した大型超長寿命炉心に
は、炉容器が大きくなるため炉容器の製造が困難となる
他、炉心の出力歪が大きくなることによる運転制御上の
問題、及びナトリウムボイド反応度の増大による安全上
の問題があった。

【０００６】本発明の目的は、従来の高速炉と同等の原
子炉炉容器の大きさ、運転特性、安全性を確保しつつ、
原子炉寿命期間中（３０年以上）燃料交換なしに運転で
き、且つ長半減期のネプツニウムを長期間閉じ込めて消
滅させることのできる小型高速炉用炉心を提供すること
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成できる
本発明は、ウラン−プルトニウム混合酸化物燃料を用い
る高速炉用炉心において、平均出力密度をほぼ７５Ｗ／
cc、炉心高さを７０〜９０cmとし、燃料中にネプツニウ
ムを炉心平均で２２％添加し、且つ内側炉心と外側炉心
のネプツニウム添加割合をほぼ１対２とする熱出力７０
０ＭＷ級の超長寿命高速炉用炉心である。

【０００８】

【作用】マイナーアクチニド核種の１種であるネプツニ
ウムは、使用済核燃料の再処理法の一つであるピューレ
ックス法によって容易に分離回収できる。そして、この
ネプツニウムは、中性子発生量、ガンマ線量、発熱量が
非常に小さいため、グローブボックス内で取り扱うこと
ができ、それを添加した燃料製造には、通常の燃料製造
設備をそのまま利用できる。

【０００９】本発明では、平均出力密度や炉心高さの規
定と共に、ネプツニウムの添加の仕方（燃料中への平均
添加量、及び内側炉心と外側炉心での添加割合の調整）
の工夫によって、小型炉でありながら超長寿命化を達成
すると同時に、その期間にわたって出力の平坦化を図
り、実際に制御可能な超長寿命高速炉用炉心を実現して
いる。

【００１０】

【実施例】図１に、ネプツニウム（Ｎｐ）の添加割合を
炉心平均で約１０％及び約２０％とした場合の小型超長
寿命炉心の実効増倍率（ｋeff ）の変化を示す。ネプツ
ニウムの添加割合が約１０％の場合、初期反応度は５％
Δk/kk' 以上となり、また炉心寿命も２０年程度にとど
まる（２０年で実効増倍率が１未満となる）。これに対
してネプツニウムの添加割合が約２０％の場合には、反
応度変化を３４年間にわたって３％Δk/kk' 以下に抑え
ることができる。反応度３％Δk/kk' 以下という範囲
は、高速炉を安全に制御するために必要な条件である
（反応度がそれよりも大きくなると高速炉の制御が困難
になり、安全性の面で問題が生じる）。このことから、
小型超長寿命炉心を反応度的に成立させるためには、ネ
プツニウムの添加割合を炉心平均で約２０％程度にする
必要がある。

【００１１】図２は、ネプツニウムの添加割合を炉心平
均で約２２％とし、炉心高さ（ｈ）をパラメータとした
場合の小型超長寿命炉心の実効増倍率の変化を示すもの
である。炉心高さｈ＝１００cmでは、燃焼とともに反応
度が増大し、燃焼期間１５年から２０年にかけて最大反
応度約４．５％となった後、反応度は減少し、３０年後
の反応度は約２％となっている。これに対して、炉心高
さを低減していくと、燃焼による初期の反応度上昇率が
小さくなり、３０年間の反応度変化が小さくなる。但
し、炉心高さｈ＝６０cmの場合には、寿命は２０数年と
なってしまう。これは、炉心高さが高いほどプルトニウ
ム（Ｐｕ）富化度を小さくでき、内部転換比が高くなる
ことによる。そして炉心高さｈ＝１５０cmでは、初期の
内部転換比が高すぎ、また炉心高さｈ＝６０cmでは、逆
にこれが十分大きくないことが原因となっている。炉心
高さｈ＝８０cmの場合には、３０年以上にわたって高速
炉を運転できる反応度を確保でき、且つ、その反応度変
化を３４年間で３％Δk/kk'以下に抑えることができて
いる。このことから、炉心高さが７０cmから９０cmの間
であれば、３０年以上にわたって反応度変化を３％Δk/
kk' 以下にすることが可能であることが分かる。

【００１２】超長寿命炉心を核的な観点から成立させる
ためには、その寿命期間中を通して出力変動が制御でき
る範囲内にあることも必要である。図３に内側炉心と外
側炉心のネプツニウムの添加割合をパラメータにした場
合の燃焼に伴う無限増倍率の変化を示す。全炉心にネプ
ツニウムを一様に添加した場合には、内側炉心と外側炉
心の無限増倍率の変化が大きく、これにより出力変動も
大きくなり、制御が難しくなる。これに対して内側炉心
と外側炉心のネプツニウムの添加割合を１：２とした場
合、内側炉心と外側炉心の無限増倍率の変化が小さくな
り、出力変動抑制が可能である。

【００１３】また小型超長寿命炉心の寿命は平均出力密
度にも関係し、平均出力密度を７５Ｗ／ccから１００Ｗ
／ccまで上げた場合には、炉心は約３０％程度小型化で
きるが、寿命は５年程度短くなってしまう。

【００１４】以上のことから、反応度変化と出力変動の
観点により、３０年以上の寿命を確保できること、経済
的観点から炉心径は小さい方が望ましいが、ネプツニウ
ムの添加によるナトリウムボイド反応度増大を抑制する
には炉心高さが低い方がよいこと、高速中性子フルエン
ス抑制の観点からはあまり炉心高さが高いことは避ける
べきであること、等を考慮し、これらの要求をバランス
良く満足する小型超長寿命炉心の条件は、次のようにな
る。 平均出力密度・・・７５Ｗ／cc 炉心高さ・・・７０cm〜９０cm 炉心平均のネプツニウムの添加率・・・２２％ 内側炉心と外側炉心のネプツニウムの添加割合・・・
１：２

【００１５】図４及び図５に、これらの条件を満足する
小型超長寿命炉心の炉心配置図と炉心縦断面図を示す。
内部中央に内側炉心１０が位置し、その外側を外側炉心
１２が取り囲む。そして、更に外周を径ブランケット１
４が取り囲み、上下方向には軸ブランケット１６が配置
されている。これらは、１５１体の内側炉心燃料集合
体、１６８体の外側炉心燃料集合体、７２体のブランケ
ット燃料集合体、２４体の主炉停止系制御棒、及び６体
の後備炉停止系制御棒で構成される。

【００１６】このようにして選定した炉心の炉心仕様と
主要核特性を表１に示す。また燃焼による集合体出力の
変化を図６に示す。図６において、左側が炉心中心、右
側が炉心外側を示し、符号ＣＲは制御棒を示している。
選定炉心では、反応度寿命を３５年とすることが可能で
あり、この間の反応度変化は２．５％Δk/kk' と小さく
なっている。平均燃焼度は３４年後で約２０万ＭＷd/t
、高速フルエンスは約６．７×１０²³nvt である。集
合体出力の燃焼に伴う変化を図７に示す。炉中心付近３
列分の集合体出力は全体での数％の出力に過ぎず、全体
の被覆管温度への影響はそれほど大きくない。

【００１７】

【表１】

【００１８】ネプツニウムの添加量は９．６トンであ
り、そのうち約５５％の５．３トンが消滅する。ナトリ
ウムボイド反応度は約２．４％Δρで、１００万ｋＷｅ
クラス超長寿命炉心のナトリウムボイド反応度より大幅
に低減している。これは、大型炉と比べて、炉心径の削
減（５００cmから４１０cm）と炉心高さの低減（１８０
cmから８０cm）により中性子漏洩が増大したためであ
る。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、上記のように構成した高速炉
用炉心であるから、従来の高速炉と同等の原子炉容器の
大きさ、運転特性、安全性を確保しつつ、３０年以上に
わたる原子炉寿命期間中、燃料交換なしに運転すること
が可能となる。しかも、使用済み燃料から分離抽出され
る大量の長半減期のネプツニウムを、長期間閉じ込めた
まま消滅させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃焼に伴う実効増倍率の変化（パラメータ：Ｎ
ｐ添加割合）を示すグラフ。

【図２】燃焼に伴う実効増倍率の変化（パラメータ：炉
心高さ）を示すグラフ。

【図３】燃焼に伴う内側炉心と外側炉心の無限増倍率の
変化（パラメータ：Ｎｐ添加割合）を示すグラフ。

【図４】７００ＭＷｔクラス小型超長寿命炉心の炉心配
置図。

【図５】７００ＭＷｔクラス小型超長寿命炉心の炉心縦
断面図。

【図６】本発明に係る炉心の燃焼に伴う実効増倍率の変
化を示すグラフ。

【図７】本発明に係る炉心の燃焼による集合体出力の変
化を示すグラフ。

【符号の説明】

１０ 内側炉心 １２ 外側炉心 １４ 径ブランケット １６ 軸ブランケット

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−52981（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−299287（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−191897（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−271294（ＪＰ，Ａ) 若林利男他，「高速炉によるＴＲＵ消 滅」，日本機械学会シンポジウム講演論 文集［動力・エネルギー技術の最前線’ 92］ｐ．275−279（1992) 若林利男他，「高速炉及び加速器によ る核変換研究の現状」，動燃技報，82 巻，ｐ．96−103（1992) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21C 5/12 GDF G21C 5/00 GDF G21C 5/18 GDF ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウラン−プルトニウム混合酸化物燃料を
   用いる高速炉用炉心において、平均出力密度をほぼ７５
   Ｗ／cc、炉心高さを７０〜９０cmとし、燃料中にネプツ
   ニウムを炉心平均で２２％添加し、且つ内側炉心と外側
   炉心のネプツニウム添加割合をほぼ１対２とすることを
   特徴とする熱出力７００ＭＷ級の超長寿命高速炉用炉
   心。