JP2892824B2 - Small reactor - Google Patents

Small reactor

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JP2892824B2
JP2892824B2 JP2327562A JP32756290A JP2892824B2 JP 2892824 B2 JP2892824 B2 JP 2892824B2 JP 2327562 A JP2327562 A JP 2327562A JP 32756290 A JP32756290 A JP 32756290A JP 2892824 B2 JP2892824 B2 JP 2892824B2
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、長寿命反応度を有する小型原子炉に係り、
特に液体金属ナトリウムを冷却材として使用する高速炉
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a small nuclear reactor having a long life reactivity,
In particular, it relates to a fast reactor using liquid metal sodium as a coolant.

(従来の技術) 原子炉の反応度制御は、装荷燃料の富化度を調整し
て、所定の燃焼反応度減少量等の運転サイクル長さ・定
格出力運転に伴なう分を補償し、そのための余剰反応度
は、制御棒等の中性子吸収物質の挿入状態を変更するこ
とにより、臨界調整が行なわれている。制御棒の配置
は、炉停止条件を満足させつつ、出力分布の平坦化等と
併せて最適化される。制御棒の配置は、炉停止条件を満
足させつつ、出力分布の平坦化等と併せて最適化され
る。この方法は、小型から大型炉心まで、広い炉心出力
範囲で採用されている。
(Prior art) Reactivity control of a reactor adjusts the enrichment of the loaded fuel to compensate for the operation cycle length such as a predetermined decrease in combustion reactivity and the amount accompanying the rated output operation, For the excess reactivity for that purpose, the criticality is adjusted by changing the insertion state of the neutron absorbing substance such as a control rod. The arrangement of the control rods is optimized together with the flattening of the power distribution while satisfying the furnace shutdown conditions. The arrangement of the control rods is optimized together with the flattening of the power distribution while satisfying the furnace shutdown conditions. This method has been adopted over a wide core power range from small to large cores.

反応度制御の観点からは、前記制御棒による方法の他
に、中性子の洩れ量を制御する方法が利用されている。
特に、炉心からの中性子の漏れが多い小型炉心では有効
であり、過去には、実験炉SEFORが運転された(SEFOR,
臨界1969年、UO2−PuO2燃料,Na冷却,熱出力20MW,炉心
サイズ約566l)。
From the viewpoint of reactivity control, a method of controlling the amount of neutron leakage is used in addition to the method using the control rod.
In particular, it is effective in a small core where neutrons leak from the core a lot, and in the past, the experimental reactor SEFOR was operated (SEFOR,
Critical 1969, UO 2 -PuO 2 fuel, Na cooling, heat output 20MW, core size about 566l).

SEFOR炉では、炉心の外側にセクタ状に分割された反
射体領域があり、分割された反射体を上下に移動させ、
炉心部との相対位置関係を変更することにより、中性子
の漏れを制御している。
In the SEFOR furnace, there is a reflector area divided into sectors outside the core, and the divided reflector is moved up and down,
The neutron leakage is controlled by changing the relative positional relationship with the core.

また反射体による小型炉心概念の設計例としては、米
国の軍事用の10MWe級プラントの報告が参考文献(IECEC
−87 Intersociety Energy Conversion Engineering Co
nference T.A.Moss and E.B.Baumeister,“A.Liquid−M
etal Reactor/Air Brayton−cycle option for a Multi
megawatt Terrestrial Power(MTP)Plant"Proc.of IEC
EC−87.p1596)に示されている。
As a design example of the concept of a small core using a reflector, a report on a 10MWe-class plant for military use in the United States is referenced (IECEC
−87 Intersociety Energy Conversion Engineering Co
nference TAMoss and EBBaumeister, “A. Liquid-M
etal Reactor / Air Brayton−cycle option for a Multi
megawatt Terrestrial Power (MTP) Plant "Proc.of IEC
EC-87.p1596).

この炉心は、濃縮ウラン酸化物燃料を使用して長寿命
(10年)を狙ったものである。炉心熱出力は55MWth(電
気出力5500KW)という小出力規模である。ただし、炉心
の反応度制御には、炉容器外の反射体を上下することに
より行なっている。そして、炉心長を調整することによ
り、炉心出力密度を調整するという自明のことを利用
し、運転期間をある程度加減できることが示されている
が、ボイド係数低減と反射体長との関係については記述
されていない。また、この報告例では、濃縮ウランを使
用しているため、冷却材のボイド係数が容易に負となる
ようになっている。
This core aims at a long life (10 years) using enriched uranium oxide fuel. The core heat output is 55MWth (electric power 5500KW), a small power scale. However, the reactivity control of the core is performed by raising and lowering the reflector outside the furnace vessel. It has been shown that by adjusting the core length, the operation period can be adjusted to some extent, utilizing the obvious fact that the core power density is adjusted.However, the relationship between the void coefficient reduction and the reflector length is described. Not. In this report, the void coefficient of the coolant is easily negative because enriched uranium is used.

(発明が解決しようとする課題) ところで、プルトニウム(Pu)を利用する高速炉にお
いて、冷却材(Na)の密度係数を正(冷却材密度減少に
伴ない反応度も減少)にするようにすることは、仮想的
に考え得るATWS(スクラムしない過渡変動)事象の緩和
に役立つと考えられる。特に流量低下型事象では、炉心
構成物の温度変化に伴なうフィードバック反応度が負と
なることが自然炉停止能力を向上させることになる。
(Problems to be Solved by the Invention) By the way, in a fast reactor utilizing plutonium (Pu), the density coefficient of the coolant (Na) is set to be positive (the reactivity decreases with the decrease in the coolant density). This may help mitigate virtually possible ATWS (non-scrum transients) events. In particular, in the case of a flow reduction type event, a negative feedback reactivity accompanying a temperature change of a core component improves the natural reactor shutdown capability.

ところが、この特徴を具備する炉心を、Pu燃料を利用
した体系で実現することは、炉の安全性向上の観点から
重要であるが容易ではない。特に、反応度の長寿命化
〔(原子炉出力)×(運転期間)の最大化〕とボイド反
応度の非正化とを両立させることは難しいことが、これ
までの研究例でも数多く示されている。
However, it is important but not easy to realize a core equipped with this feature in a system using Pu fuel from the viewpoint of improving the safety of the reactor. In particular, many studies have shown that it is difficult to achieve both long life of the reactivity (maximization of (reactor power) x (operating period)) and non-correction of the void reactivity. ing.

1サイクルの燃焼反応度減少量を長期化のために低減
することと、ボイド反応度の一般的傾向は、第19図に従
来の円柱状の炉心で得られる傾向として示すように、相
反する要求となっている。これは、第20図に示すよう
に、ボイド係数は低減し、非正とするために、炉心の形
状等を変化させることに伴ない、燃料富化度の上昇(ボ
イド効果のうち、中性子漏れを増大させることにより必
要となる)を必要とし、内部転換化が低下するためであ
る。また、炉心の燃焼度を増大させる場合も、核分裂生
成物(FP)による中性子吸収が増加し、スペクトルが硬
くなってボイド係数を正側にシフトすることになる。ボ
イド反応度を低減するために、高濃度ウランを燃料とす
る領域を設置するか、炉全体領域で利用することは、従
来から、炉心スペクトル、核断面積の比較から知られて
いる。
The general tendency of reducing the amount of combustion reactivity reduction in one cycle for a longer period and the general tendency of void reactivity are shown in Fig. 19 as the tendency obtained with the conventional cylindrical core. It has become. This is because, as shown in Fig. 20, the void coefficient is reduced, and the fuel enrichment is increased (in the void effect, the neutron leakage Is required by increasing the number of the components), and internal conversion is reduced. Increasing the core burnup also increases neutron absorption by fission products (FPs), hardens the spectrum and shifts the void coefficient to the positive side. It has been known from the comparison of the core spectrum and the nuclear cross-section to install a region using high-concentration uranium as fuel or to use it in the entire furnace region in order to reduce the void reactivity.

このように、Pu利用高速炉心では、反応度寿命中ボイ
ド係数を負(非正)とし、長期反応度寿命を達成するに
は特段の工夫が必要となる。特に、小型反射体付炉心で
長寿命化を狙う場合には、反射体で炉心を取囲むことに
より炉心の中性子漏れを抑制することになり、ボイド係
数を寿命中非正とすることと相反する方向となる。
As described above, in the Pu-based fast reactor, the void coefficient is made negative (non-positive) during the reactivity life, and special measures are required to achieve a long reactivity life. In particular, when the life of a core with a small reflector is to be extended, the neutron leakage of the core is suppressed by surrounding the core with the reflector, which is contrary to making the void coefficient non-positive during the life. Direction.

本発明は、このような点を考慮してなされたもので、
燃料にプルトニウムを利用して長寿命化を図る場合に、
寿命中のどの燃焼状態においても、炉心部ボイド係数が
正とならないようにし、仮に炉心の流量が低下しても、
原子炉が固有の反応度フィードバック作用により自然に
炉停止する能力を強化することができる小型原子炉を提
供することを目的とする。
The present invention has been made in consideration of such points,
When using plutonium as fuel to extend the life,
In any combustion state during the life, make sure that the core void coefficient is not positive, and even if the core flow rate decreases,
An object of the present invention is to provide a small nuclear reactor capable of enhancing the ability of a nuclear reactor to shut down naturally by a unique reactivity feedback action.

〔発明の構成〕[Configuration of the invention]

(課題を解決するための手段) 本発明は、前記目的を達成する手段として、プルトニ
ウムを燃料の全部または一部として利用するとともに、
冷却材として液体金属を使用し、かつ炉心反応度を、炉
心外に設置した反射体を駆動することにより制御する小
型原子炉において、炉心燃料部分の高さをH,炉心の等価
直径をD,反射体の有効長をLとしたときに、炉心をH/D
>1を満足する縦長円柱形状に形成し、かつL/Hを0.4〜
0.6の範囲とするようにしたことを特徴とする。
(Means for Solving the Problems) The present invention utilizes plutonium as all or a part of fuel as means for achieving the above object,
In a small nuclear reactor that uses liquid metal as a coolant and controls the reactor reactivity by driving a reflector installed outside the core, the height of the core fuel part is H, the equivalent diameter of the core is D, When the effective length of the reflector is L, the core is H / D
> 1 and the L / H is 0.4 ~
The range is 0.6.

(作 用) 本発明に係る小型原子炉においては、炉心燃料部分の
高さをH,炉心の等価直径をD,反射体の有効長をLとした
ときに、炉心がH/D>1を満足する縦長円柱形状に形成
され、かつL/Hが、0.4〜0.6の範囲になるように設定さ
れている。このため、運転期間中の炉心ボイド係数が零
以下(負)になり、極低頻度事象である定格出力運転中
の流量低下型事象が生じても、炉の健全性を確保したま
ま原子炉を停止することが可能となり、しかも(1バッ
チ炉心の反応度寿命)×(炉出力)の最大化を図って、
炉の反応度寿命を長期化できる。
(Operation) In the small nuclear reactor according to the present invention, when the height of the core fuel portion is H, the equivalent diameter of the core is D, and the effective length of the reflector is L, the core has H / D> 1. It is formed so as to have a satisfactory vertically long cylindrical shape and L / H is in the range of 0.4 to 0.6. For this reason, even if the core void coefficient during the operation period becomes zero or less (negative) and a flow rate reduction event during rated output operation, which is an extremely low frequency event, occurs, It is possible to shut down and maximize (reactivity life of one batch core) x (furnace output)
Furnace reactivity life can be extended.

(実施例) 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本発明の第1実施例に係る小型原子炉を示
すもので、この小型原子炉は、縦長円柱形状をなす炉心
1外に反射体2を設置し、この反射体2を、主として上
下方向(径方向への移動、炉心1との距離の調整の併用
も可能)に移動させることにより、炉の反応度を調整す
るようになっている。
FIG. 1 shows a small nuclear reactor according to a first embodiment of the present invention. In this small nuclear reactor, a reflector 2 is installed outside a reactor core 1 having a vertically long cylindrical shape. The reactivity of the furnace is adjusted mainly by moving the furnace in the vertical direction (moving in the radial direction and adjusting the distance to the reactor core 1 can be used together).

前記炉心1の上下端部には、第1図に示すように、上
部反射体領域3および下部反射体領域4がそれぞれ形成
されており、また炉心1の外周部には、内周側から、炉
心バレル5、Naダウンカマ6および炉容器(安全容器)
7がそれぞれ設けられ、炉容器7の外周側には、空隙8
を介して反射体領域9が形成されている。そして、前記
反射体2は、この反射体領域9を昇降するようになって
いる。
As shown in FIG. 1, an upper reflector region 3 and a lower reflector region 4 are formed at the upper and lower ends of the core 1, respectively. Core barrel 5, Na downcomer 6 and furnace vessel (safety vessel)
7 are provided, and a gap 8 is provided on the outer peripheral side of the furnace container 7.
The reflector region 9 is formed through the substrate. The reflector 2 moves up and down the reflector region 9.

この小型原子炉は、熱出力125MWthとし、10年間の反
応度寿命を目指したもので、炉心1の高さHが約3m、炉
心1の等価直径Dが約92cm、反射体2の有効長さLが約
1.7mに設定されている。
This small reactor has a thermal output of 125 MWth and aims for a 10-year reactivity life. The height H of the core 1 is about 3 m, the equivalent diameter D of the core 1 is about 92 cm, and the effective length of the reflector 2 L is about
It is set to 1.7m.

また、寿命初期は、反射体2の上端が下部反射体領域
4にあり、いわゆる“裸の炉心”状態となっており、燃
焼前の最も燃料が多く含まれる場合でも、低温停止時に
は未臨界であることを満足させるよう、炉心1の高さ
H、燃料体積比、燃料体の配置・種類が決められてい
る。例えば、炉心1は、径方向サイズに比べ軸方向サイ
ズが長いので、“裸の炉心”の未臨界度は、実質的に径
方向のサイジング燃料富化度を決める1つの要因とな
る。
In the early stage of the life, the upper end of the reflector 2 is in the lower reflector region 4 and is in a so-called “bare core” state. In order to satisfy certain requirements, the height H of the core 1, the fuel volume ratio, and the layout and type of the fuel body are determined. For example, since the core 1 has an axial size longer than the radial size, the subcriticality of the “bare core” is one factor that substantially determines the radial sizing fuel enrichment.

第2図は、炉心1の水平断面図であり、この炉心1
は、炉心バレル5内に、通常集合体10および特殊形状集
合体11を配して構成され、液体金属を冷却材12として用
いるようになっている。そしてこの炉心1は、径方向の
集合体出力分布を平坦化し、径方向への中性子漏れを増
大させて反射体2の制御能力を増大させ、かつ炉心部全
体の漏洩増大(反射性のない部分からの漏れ)のため、
径方向の富化度分布がつけられている。すなわち、中心
が低富化度、その外周が中富化度、最外周が高富化度と
なっている。
FIG. 2 is a horizontal cross-sectional view of the core 1.
Is constituted by arranging a normal assembly 10 and a special shape assembly 11 in a core barrel 5, and uses a liquid metal as a coolant 12. The core 1 flattens the radial distribution of the aggregate power, increases the neutron leakage in the radial direction, increases the controllability of the reflector 2, and increases the leakage of the entire core (the non-reflective portion). From the leak)
A radial enrichment distribution is given. That is, the center has a low enrichment, the outer periphery has a medium enrichment, and the outermost periphery has a high enrichment.

また、前記各集合体10,11は、第3A図および第3B図に
示すように、燃料ピン13とタイロッド14とから構成さ
れ、かつ反射体2の制御能力の増大およびボイド係数低
減を図るため、いずれの集合体10,11もダクトレス集合
体となっている。
Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, each of the assemblies 10, 11 is composed of a fuel pin 13 and a tie rod 14, and is intended to increase the control ability of the reflector 2 and reduce the void coefficient. Each of the assemblies 10 and 11 is a ductless assembly.

次に、炉心部ボイド係数の“非正(零)”化のため
に、炉心設計の基本仕様設定上重要かつ基本的なパラメ
ータの選定範囲について説明し、経済的でしかも安全性
向上の範囲で成立させる範囲につき説明する。
Next, in order to make the core void coefficient “non-positive (zero)”, the selection range of important and basic parameters in setting the basic specifications of the core design is explained. The range to be satisfied will be described.

第4図は、炉心高さHが炉心径Rに対し、H/R>1が
成立する炉心において、炉心径R、反応度寿命を決める
反射体による反応度印加可能量および燃焼反応度量の関
係を示したものであり、図中、符号Aは、炉心外の反射
体による反射度付加の曲線、符号Bは、炉心サイズによ
る燃焼反応度可能量の曲線、符号Cは、炉心/反射体間
の距離を少なくしたときの反射体印加反応度の曲線をそ
れぞれ示す。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the core diameter R, the amount of reactivity that can be applied by the reflector that determines the reactivity life, and the amount of combustion reactivity in a core where H / R> 1 is satisfied with respect to the core height H with respect to the core diameter R. In the figure, reference symbol A denotes a curve of the addition of the reflectivity by the reflector outside the reactor core, reference symbol B denotes a curve of the amount of combustible reactivity depending on the core size, and reference symbol C denotes a relationship between the reactor core and the reflector. Respectively show the curves of the reactivity applied to the reflector when the distance is reduced.

反応度的にみると、反射体制御炉心では、反射体の引
上等による反射度補償ΔKreflが ΔKreflΔKBurn+ΔK(温度補償分) …(1) の関係式が成立するように、ΔKBurn燃焼に伴なう反応
度減少を補償することができれば、最適化されたと言え
る。
From the viewpoint of the reactivity, in the reflector control core, the reflectance compensation ΔK refl by pulling up the reflector is ΔK refl ΔK Burn + ΔK (for temperature compensation)... (1) If it is possible to compensate for the decrease in reactivity associated with Burn combustion, it can be said that the system has been optimized.

ΔKreflは、炉心外の反射体による印加反応度で、こ
れは、炉心径Rが小さい場合は効果として大きいが、炉
心径Rが大きくなると、動き方は急激に小さくなる。
ΔK refl is the reactivity applied by the reflector outside the core, which is large as the effect is small when the core diameter R is small, but the movement is sharply reduced when the core diameter R is large.

燃焼反応度は、同一出力密度では、炉心径Rが小さく
なれば富化度が高くなり、運転サイクル長は、炉心径R
が小さくなると急激に大きくなり、炉心径Rが大きくな
ると富化度が低くなり小さくなる。
At the same power density, the combustion reactivity becomes higher as the core diameter R becomes smaller, and the operating cycle length becomes the core diameter R
Becomes small, the enrichment decreases and the enrichment decreases as the core diameter R increases.

炉出力一定ならば、出力密度低減効果もあり、炉心径
Rが大きくなるに従って、燃焼反応度は低減する。第4
図の曲線A,Bの関係とボイド係数との観点から、前記
(1)式が成立するように最適化される。
If the furnace power is constant, there is also a power density reduction effect, and the combustion reactivity decreases as the core diameter R increases. 4th
From the viewpoint of the relationship between the curves A and B in the figure and the void coefficient, the optimization is performed so that the above-mentioned equation (1) is satisfied.

以上のことから、炉心径Rの下限は、設計目標寿命、
炉心径Rの上限は、“裸の炉心”の臨界(未臨界要求条
件)性、反射体による反応度印加量によって主として支
配される。
From the above, the lower limit of the core diameter R is the design target life,
The upper limit of the core diameter R is mainly governed by the criticality (subcritical requirement) of the "bare core" and the amount of reactivity applied by the reflector.

反射体による反射度調整可能量の大きさには、炉心と
反射体までの距離、反射体がカバーする範囲の広さが重
要なパラメータとなるが、本実施例では、全周方向をカ
バーしている。
In the magnitude of the reflectivity adjustment amount by the reflector, the distance between the reactor core and the reflector, the width of the range covered by the reflector are important parameters, but in the present embodiment, the entire circumferential direction is covered. ing.

炉心外周と反射体との間の構造物は、炉心からの中性
子を遮蔽するので、反射体の効果も減少することにな
る。したがって、炉心および炉心周辺の構成要素、炉容
器を含めた構造材のステンレス鋼の厚さを約10cmとして
いる。
The structure between the core periphery and the reflector shields neutrons from the core, thus reducing the effectiveness of the reflector. Therefore, the thickness of the stainless steel of the structural material including the core, the components around the core, and the furnace vessel is set to about 10 cm.

炉心性能目標(炉の精算出力の最大化)には炉容器外
に反射体を設置する場合には、炉容器への中性子照射条
件等からの要求事項、制約事項を考慮する必要がある。
一般的には、炉精算出力の最大化と炉心径Rとの関係
は、第5図に示すようになる。
When installing a reflector outside the reactor vessel, it is necessary to consider the requirements and restrictions from the neutron irradiation conditions on the reactor vessel for the core performance target (maximizing the precision calculation power of the reactor).
Generally, the relationship between the maximization of the furnace refining calculation power and the core diameter R is as shown in FIG.

炉心径Rの拡大は、炉出力当りの炉からの中性子漏れ
を減少させ、構造物への照射量の制約の範囲で、燃焼反
応減少による反応度寿命長期化に有効となる。
Increasing the core diameter R reduces neutron leakage from the furnace per furnace power, and is effective in prolonging the reactivity life by reducing the combustion reaction within the range of the irradiation limit to the structure.

以上のことから、炉心径Rに関した大筋が決められる
が、次の燃料基本仕様として、燃料体積比について説明
する。これは、主として炉心ボイド係数に対する目標性
能(ボイド係数零化)と関係している。
From the above, the outline regarding the core diameter R is determined. The fuel volume ratio will be described as the next basic fuel specification. This is mainly related to the target performance (void coefficient nullification) for the core void coefficient.

第1図に示す炉心を運転していく場合、運転中の制御
用反射体の概略軸方向レベルと炉寿命中のボイド係数と
の関係を第6図に示す。
When the core shown in FIG. 1 is operated, the relationship between the approximate axial level of the control reflector during operation and the void coefficient during the life of the furnace is shown in FIG.

燃焼の進んでいない初期は、反応体の炉心燃料部分の
重なりは少なく、燃焼が進むに従って、反射度の補償の
ために、反射体と炉心との重なりが増加していく。
In the early stage in which combustion is not progressing, the overlap of the core fuel portion of the reactant is small, and as the combustion progresses, the overlap between the reflector and the core increases to compensate for the reflectivity.

第6図に示す例(炉出力125MWth)では、運転開始後
約8年で反射体が炉心部と完全に重なるようになり、8
〜12年では、反射体長さは炉心部高さの範囲に含まれ
る。
In the example shown in Fig. 6 (reactor power 125 MWth), the reflector completely overlaps the reactor core approximately eight years after the start of operation.
For ~ 12 years, reflector lengths fall within the core height range.

このような反射体の動きと、炉心燃焼状態との関連を
示すために、第7図に中心軸の軸方向出力分布を示す。
第7図において、曲線BOCは燃焼初期の場合、曲線MOCは
燃焼中期の場合、曲線EOCは燃焼末期の場合をそれぞれ
示す。
FIG. 7 shows the axial power distribution of the central axis in order to show the relationship between the movement of the reflector and the core combustion state.
In FIG. 7, a curve BOC shows a case in the early stage of combustion, a curve MOC shows a case in the middle stage of combustion, and a curve EOC shows a case in the last stage of combustion.

第7図からも明らかなように、反射体位置に従って、
軸方向出力ピーク位置が軸方向に変化している様子が判
る。このピーク値は、核分裂反応を維持させる中性子束
分布のピーク位置と重なっているので、反射体が重なっ
ている軸方向範囲が、実質的な炉心部分となっているこ
とを示している。また、第7図の出力分布で示されてい
るように、燃料インベントリの多い初期は、反射体のカ
バーしていない領域でも、出力分担を比較的多く持って
いる。このことは、径方向の中性子漏れを考えたときに
は、反射体との重なりのない部分からの中性子漏れが多
いことを意味し、第6図の下段に示すボイド係数の図で
示すように、運転初期ほど“負”となっている。
As is clear from FIG. 7, according to the reflector position,
It can be seen that the axial output peak position changes in the axial direction. Since this peak value overlaps with the peak position of the neutron flux distribution for maintaining the fission reaction, it indicates that the axial range where the reflectors overlap is a substantial core portion. Further, as shown by the power distribution in FIG. 7, in the early stage when the fuel inventory is large, even in the area not covered by the reflector, the power share is relatively large. This means that when considering neutron leakage in the radial direction, there is a large amount of neutron leakage from a portion that does not overlap with the reflector, and as shown in the figure of the void coefficient shown in the lower part of FIG. The initial stage is “negative”.

燃焼中期の反射体の重なりの多くなった状態では、実
質炉心部が反射体との重なり領域とほぼ一致する。この
場合には、径方向反射効率が大きいことは、実質的に径
方向への中性子漏れが減少することになる。また、軸方
向への中性子漏れも相対的に減少することが、出力分布
の曲線BOC,MOCの比較から理解される。
In the state where the reflectors overlap in the middle stage of combustion, the substantial core substantially coincides with the overlapping area with the reflectors. In this case, high radial reflection efficiency substantially reduces neutron leakage in the radial direction. It is also understood from the comparison between the power distribution curves BOC and MOC that the neutron leakage in the axial direction is relatively reduced.

反射体が炉心の上部に配置される燃焼末期(EOC)で
は、第6図に示すようにボイド係数がほぼ最大となる。
これは、燃焼が進んだ燃焼末期では、実質の炉心部の燃
料インベントリが減少しており、反射体による反応度回
復が特に重要となるので、反射度寿命の長期化のために
は反射体の長さが重要となる。第6図に示すボイド係数
も、燃焼末期では増加する。その理由は、核分裂生成物
(EP)が増加しているので、スペクトル効果もあり、燃
焼初期(BOC)より増加するという本質的なものである
が、燃焼中期(MOC)に比べ燃焼末期(EOC)は出力分布
が若干急となっているにもかかわらず、ボイド係数は両
者ほとんど一致している。燃焼末期のボイド反応度が
“非正”となることに反射体長さとは関係がある。した
がって、可動反射体の長さは、反射体位置に決めた後で
は、寿命ボイド係数の点で炉心の基本仕様となる重要な
ものである。
At the end of combustion (EOC) in which the reflector is arranged at the upper part of the core, the void coefficient becomes almost maximum as shown in FIG.
This is because at the end of combustion, where combustion has progressed, the fuel inventory in the actual core has decreased, and the recovery of reactivity by the reflector is particularly important. Length is important. The void coefficient shown in FIG. 6 also increases at the end of combustion. The reason is that the fission products (EP) are increasing, and there is also a spectral effect, which is essentially higher than the early stage of combustion (BOC). ), Although the output distribution is slightly steep, the void coefficients are almost the same. The fact that the void reactivity at the end of combustion becomes “non-positive” is related to the reflector length. Therefore, the length of the movable reflector is important as a basic specification of the core in terms of the life void coefficient after being determined at the reflector position.

本発明が目標とするプルトニウム利用炉心で、ボイド
反応度を“非正”とする長尺炉心における反射体の長さ
の最適化については後に詳述するが、まず炉心径Rの決
定と関係する燃料体積化について、ボイド係数の観点か
ら説明する。
The optimization of the length of the reflector in the long core in which the void reactivity is "non-positive" in the plutonium utilization core targeted by the present invention will be described in detail later, but first, it is related to the determination of the core diameter R. Fuel volumeization will be described from the viewpoint of void coefficient.

第8図は、炉心半径および高さを、第1図で説明した
値に設定したときの燃焼末期の炉心ボイド係数と燃料体
積比(スメア)との関係および反応度寿命を示す。第8
図において、曲線Dは燃料体積比とボイド係数との関係
を示し、また曲線Eは、燃料体積比と反応度寿命との関
係を示す。
FIG. 8 shows the relationship between the core void coefficient and the fuel volume ratio (smear) at the end of combustion and the reactivity life when the core radius and height are set to the values described in FIG. 8th
In the figure, curve D shows the relationship between the fuel volume ratio and the void coefficient, and curve E shows the relationship between the fuel volume ratio and the reactivity life.

スメア燃料体積比は、ピン内側半径をdi、ピン本数を
N、炉心の断面積をSとしたとき、 π・di 2・N/S …(2) で定義される値であり、炉心の断面積に対する燃料部分
の断面積の比である。そして、この半径di内に実効スメ
ア密度Piの燃料が入る。
Smear fuel volume ratio, when the pin inner radius and d i, pin number to N, the cross-sectional area of the core is S, a value defined by π · d i 2 · N / S ... (2), the core Is the ratio of the cross-sectional area of the fuel portion to the cross-sectional area of. Then, the fuel effective smear density P i fall within the radius d i.

燃料体積比が大きいと、高い密度を有する燃料シート
が多くなるので、平均自由工程が小さくなり、径方向の
漏れが減少してボイド係数は正となるが、この例で示さ
れる35%程度では、ボイド係数が“非正”となることが
示されている。原子炉反応度寿命長期化のためには、燃
料体積比は大きい方がよいが、ボイド反応度低減のため
には、上限として約35%のスメア燃料体積比が見積ら
れ、よって、第8図に示すように、スメア燃料体積比を
20〜38%の範囲に設定する、好ましくは約35%程度に設
定することが好適である。
When the fuel volume ratio is large, the number of fuel sheets having a high density increases, so that the mean free path is reduced, the radial leakage is reduced, and the void coefficient is positive, but at about 35% shown in this example, , The void coefficient becomes “non-positive”. To extend the reactor reactivity life, the larger the fuel volume ratio, the better. However, to reduce the void reactivity, an upper limit of about 35% of the smear fuel volume ratio is estimated. As shown in the figure, the smear fuel volume ratio
It is suitable to set the range of 20 to 38%, preferably about 35%.

本実施例におけるサーベイ解析の結果は、反射体長お
よび燃料体積比(スメア)について炉心ボイド(EOC)
係数の“非正”化目標および炉心反応度寿命長期化目標
の達成範囲を第9図に示す。第9図において、曲線F
は、ボイド係数零の成立範囲を示し、また曲線Gは、反
応度寿命10年の曲線を示し、さらに曲線Hは、反応度寿
命12年の曲線を示す。
The results of the survey analysis in this example show the core void (EOC) for reflector length and fuel volume ratio (smear).
FIG. 9 shows the achievement range of the “non-corrected” coefficient target and the core reactivity life extension target. In FIG. 9, curve F
Indicates a range in which the void coefficient is zero, curve G indicates a curve having a reactivity life of 10 years, and curve H indicates a curve having a reactivity life of 12 years.

燃料体積比が大きい場合は、寿命中のボイド係数を
“非正”化するためには、軸方向への漏れを増大させる
ために反射体長さは短くする必要がある。一方、炉の反
応度寿命増大のためには、反射体は長くする方が有効で
あるという傾向があるので、この両者を成立させる範囲
が限定される。本実施例では、燃料体積比約35%、反射
体長さ/炉心長さの比約0.6が選定される。
If the fuel volume ratio is large, the reflector length must be shortened in order to increase the leakage in the axial direction in order to make the void coefficient during the life "non-positive". On the other hand, a longer reflector tends to be more effective for increasing the reactivity life of the furnace, so the range in which both are satisfied is limited. In this embodiment, a fuel volume ratio of about 35% and a reflector length / core length ratio of about 0.6 are selected.

次に、第2図に示すように燃料富化度に径方向分布を
つける効果と、ボイド係数低減と、反応度寿命のサーベ
イ結果を第10図に示す。
Next, FIG. 10 shows the effect of giving a radial distribution to the fuel enrichment, the reduction of the void coefficient, and the survey result of the reactivity life as shown in FIG.

反射体に近い側の燃料富化度を高くすることで、反射
体による反応度印加効果を増大させることになる。この
とき、燃焼初期の“裸の炉心”の未臨界度を確保する範
囲で成立することが確認されている。ボイド係数につい
ては、炉心の内側領域については、中性子漏れによるボ
イド係数を負にする成分が減少するが、富化度を高くし
た外側領域では、外側への中性子漏れ成分が増大し、全
体として燃焼末期のボイド係数が低減し、第10図に示す
ように、初期富化度が径方向に一様の場合にわずかに正
のボイド係数であっても、富化度比(外側富化度ε2/平
均富化度ε)が約1.2の場合に、ボイド係数が負にな
っている。
Increasing the fuel enrichment on the side closer to the reflector increases the reactivity application effect of the reflector. At this time, it has been confirmed that the condition is satisfied within a range that ensures the subcriticality of the “bare core” at the beginning of combustion. Regarding the void coefficient, the component that makes the void coefficient negative due to neutron leakage decreases in the inner region of the core, but the neutron leakage component to the outside increases in the outer region where the enrichment is increased, and the overall combustion As shown in FIG. 10, even when the initial enrichment is slightly radially uniform and the void enrichment is slightly positive, the enrichment ratio (outer enrichment ε When the average enrichment ε 1 ) is about 1.2, the void coefficient is negative.

この出力分布の平坦化は、一般にはボイド係数を正側
にシフトさせる傾向を有するが、前述のように、反応度
寿命の長期化およびボイド係数の低減が両立すること
は、一般に偏平型炉心(H/D<1)では難しい。第10図
のように、反応度寿命増大とボイド係数低減が両立する
のは、小型炉心に特徴的なものである。
The flattening of the power distribution generally has a tendency to shift the void coefficient to the positive side. However, as described above, the compatibility between the prolongation of the reactivity life and the reduction of the void coefficient is generally caused by the flat core ( Difficult with H / D <1). As shown in FIG. 10, it is a characteristic of the small core that both the reactivity life increase and the void coefficient reduction are compatible.

次に、炉の出力の増大または反応度寿命の増大のため
に、炉心を第1図に示す例(炉心高さ3m)からさらに長
大化し、6mとした場合の反射体長さとの関係を第11図に
示す。第11図において、曲線Iは3m炉心当りの反応度寿
命、曲線Jは3m炉心の場合のL/H、曲線Kは6m炉心の場
合のL/Hをそれぞれ示す。
Next, in order to increase the power of the furnace or increase the reactivity life, the relationship between the core length and the reflector length when the core length is set to 6 m and that of the example shown in FIG. Shown in the figure. In FIG. 11, curve I shows the reactivity life per 3 m core, curve J shows L / H for a 3 m core, and curve K shows L / H for a 6 m core.

同一出力の場合、径方向サイズ、燃料仕様を同一にし
たときには、反応度寿命はほぼ倍増することが確認され
ている。第11図の曲線Iは、3m当りの反応度寿命に換算
したが、炉心長を増大させてもこの割合はほぼ同一で、
プラスαの効果は顕著ではなかった。
In the case of the same output, it has been confirmed that the reactivity life is almost doubled when the radial size and the fuel specification are the same. The curve I in FIG. 11 was converted to the reactivity life per 3 m, but this ratio was almost the same even when the core length was increased.
The effect of plus α was not significant.

燃焼末期に“非負”ボイド係数達成目標については、
炉心の長大化によって成立範囲が第11図の曲線Kのよう
になり、反射体長さL/炉心高さHの値で0.4から0.6とな
った。そして、径方向の富化度比の調整を行なうことに
より、寿命の長期化の若干の改善とL/Hを0.6に近付ける
ことができた。
The goal of achieving a “non-negative” void coefficient at the end of combustion is
Due to the increase in the length of the core, the range of formation was as shown by a curve K in FIG. 11, and the value of the reflector length L / core height H was 0.4 to 0.6. Then, by adjusting the enrichment ratio in the radial direction, it was possible to slightly improve the prolongation of the service life and make L / H close to 0.6.

したがって、本方式では、L/H=0.4〜0.6とすること
が反射体長と炉心高さの最適化範囲となる。
Therefore, in the present method, L / H = 0.4 to 0.6 is an optimization range of the reflector length and the core height.

以上、第4図で説明したように、炉心半径が大きい方
が寿命長期化に一般に有利となる傾向があるが、例えば
炉心半径を小さくした場合には、ボイド係数の低減には
有利となる。このときの反射体長さとの関係を第12図に
示す。第12図からも明らかなように、径が小さい場合に
は、反射体位置についての条件を同一にすると、(反応
度寿命)×(出力)値については低下する傾向にある
が、ボイド係数を負とすることは容易となる。
As described above with reference to FIG. 4, a larger core radius tends to be generally advantageous for prolonging the service life. For example, when the core radius is reduced, it is advantageous for reducing the void coefficient. FIG. 12 shows the relationship with the reflector length at this time. As is clear from FIG. 12, when the diameter is small, if the condition for the reflector position is the same, the value of (reactivity life) × (output) tends to decrease, but the void coefficient is reduced. It is easy to make it negative.

しかして、第13図に示すように、ATWS流量低下型事象
時においても、負のフィードバックのみを有し、低流量
時にも冷却材の温度上昇が小さく、炉の固有の特性を行
って安全に炉を停止させることができる。
Therefore, as shown in Fig. 13, even during the ATWS flow reduction type event, it has only negative feedback, the coolant temperature rise is small even at low flow rates, The furnace can be shut down.

第14図ないし第16図は、本発明の第2実施例を示すも
ので、以下これについて説明する。
FIG. 14 to FIG. 16 show a second embodiment of the present invention, which will be described below.

反射体を炉容器外に設置する場合は、炉心と反射体と
の間に構造材を多く入れることは、反射体印加反応度を
小さくし寿命低減につながる。したがって、構造材を少
なくすることを狙うが、そのために炉容器のフルエンス
は高くなる。これを低減する方策としては、第14図に示
すように、軸方向の富化度分布を設置する方法がある。
When the reflector is installed outside the furnace vessel, inserting a large amount of structural material between the reactor core and the reflector reduces the reactivity applied to the reflector and leads to a shorter life. Therefore, the aim is to reduce the amount of structural material, but the fluence of the furnace vessel is thereby increased. As a measure to reduce this, there is a method of setting an enrichment distribution in the axial direction as shown in FIG.

すなわち、従来は、第14図(a)に示すように、燃料
の軸方向富化度分布が一様であったものを、第14図
(b)に示すように、炉心下端より炉心有効長の約1/3
の位置を中心にして、幅約50cmの天然ウラン(ブランケ
ット)領域を設けるようにする。この領域は、NU(天然
ウラン)の他に、DU(劣化ウラン)、NP(ネプチニウ
ム)を含んでいてもよい。
That is, in the prior art, as shown in FIG. 14 (a), the distribution of the enrichment in the axial direction of the fuel was uniform, but as shown in FIG. About 1/3 of
A natural uranium (blanket) area of about 50 cm in width will be provided centering on the position. This region may contain DU (depleted uranium) and NP (neptinium) in addition to NU (natural uranium).

このようにすることにより、第14図(c)に示すよう
に、高速中性子積分照射量の最大値が下がり、炉容器フ
ルエンスを低減することができる。
By doing so, as shown in FIG. 14 (c), the maximum value of the fast neutron integral irradiation dose decreases, and the reactor vessel fluence can be reduced.

軸方向に富化度を変更する場合には、第15図(a)に
示すように、反射体に近い最外周の集合体(図中縦線で
示した。)のみを、第14図(b)に示す集合体構造とす
る方法と、第15図(b)に示すように、天然ウラン領域
の設置位置を、最外周(図中斜線で示した。)とその内
側とで異ならしめる方法とがある。すなわち、第15図
(b)の場合は、最外周の集合体は、第16図(a)に示
すように、天然ウラン領域が中心レベルよりも下方に設
置され、それ以外の集合体は、第16図(b)に示すよう
に、天然ウラン領域が中心レベルよりも上方に設置され
ている。
When the enrichment is changed in the axial direction, as shown in FIG. 15 (a), only the outermost aggregate (shown by a vertical line in the figure) near the reflector is shown in FIG. 14 ( 15 (b) and the method of making the installation position of the natural uranium region different between the outermost periphery (shown by oblique lines in the figure) and the inside as shown in FIG. 15 (b). There is. That is, in the case of FIG. 15 (b), the outermost aggregate is such that the natural uranium region is located below the central level as shown in FIG. 16 (a), and the other aggregates are: As shown in FIG. 16 (b), the natural uranium region is located above the central level.

第17図および第18図は、本発明の第3実施例を示すも
ので、中性子遮蔽体21を、炉心1とともに炉心バレル5
内に配したり(第17図参照)、あるいは炉心バレル5外
に配したり(第18図参照)して炉容器内に設置し、一方
反応度調整用運転反射体は炉容器外に設置するようにし
たものである。
17 and 18 show a third embodiment of the present invention, in which the neutron shield 21 is provided together with the core 1 in the core barrel 5.
Inside (see Fig. 17) or outside the core barrel 5 (see Fig. 18) and installed inside the furnace vessel, while the operating reflector for reactivity adjustment is installed outside the furnace vessel It is something to do.

前記中性子遮蔽体21は、炉容器へのフルエンスを低減
させるために設置されるもので、第17図(a)、第18図
(a)に示すように、部分的な遮蔽体開口部22を有し、
この遮蔽体開口部22に対応する外側反射体を操作する。
この遮蔽体開口部22の炉容器フルエンスが設計制限値に
達したら、第17図(b),第18図(b)に示すように、
遮蔽体開口部22を変更するよう中性子遮蔽体21を移動操
作し、次の運転を行なう。
The neutron shield 21 is provided to reduce the fluence to the furnace vessel, and as shown in FIGS. 17 (a) and 18 (a), a partial shield opening 22 is formed. Have
The outer reflector corresponding to the shield opening 22 is operated.
When the furnace vessel fluence of the shield opening 22 reaches the design limit value, as shown in FIGS. 17 (b) and 18 (b),
The neutron shield 21 is moved to change the shield opening 22, and the next operation is performed.

(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、燃料にプルトニ
ウムを利用して長寿命化を図る場合に、寿命中のどの燃
焼状態においても、炉心部ボイド係数が正とならないよ
うにし、仮に炉心の流量が低下しても、原子炉が固有の
反応度フィードバック作用により自然炉停止する能力を
強化することができる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, when plutonium is used for fuel to extend the life, the core void coefficient is prevented from being positive in any combustion state during the life. Even if the flow rate of the core is reduced, the ability of the reactor to shut down the natural reactor by the inherent reactivity feedback action can be enhanced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1実施例に係る小型原子炉を示す炉
心概念図、第2図は炉心の水平断面図、第3A図は通常の
燃料集合体の構成図、第3B図は特殊形状の燃料集合体の
構成図、第4図は円柱炉心における炉心半径、反射体に
よる印加反応度、および燃焼反応度の関係を示すグラ
フ、第5図は原子炉積算出力と原子炉直径との関係を示
すグラフ、第6図は燃焼制御反射体の位置変動とNaボイ
ド係数との関係を示すグラフ、第7図は燃焼初、中、末
期における軸方向出力分布を示すグラフ、第8図は燃料
体積比、ボイド反応度、および反応度寿命の関係を示す
グラフ、第9図は反射体有効長、燃料体積比、ゼロボイ
ド領域、および反応度寿命長期化の関係を示すグラフ、
第10図は径方向富化度とボイド係数との関係を示すグラ
フ、第11図はボイド反応度と反射体長さ/炉心高さの比
との関係を示すグラフ、第12図は炉半径とボイド係数
“非負”のためのL/Hとの関係を示すグラフ、第13図は
サイクル末期における流量低下型事象の反応度印加の様
子を示すグラフ、第14図(a)〜(c)はそれぞれ本発
明の第2実施例を示す説明図、第15図(a),(b)は
軸方向に富化度分布を設けた集合体の炉心配置をそれぞ
れ示す説明図、第16図(a)は第15図(b)の炉心にお
ける最外周の集合体の富化度分布の状態を示す模式図、
第16図(b)は第15図(b)の炉心における中心側の集
合体の富化度分布の状態を示す模式図、第17図(a),
(b)および第18図(a),(b)は本発明の第3実施
例をそれぞれ示す説明図、第19図はPu利用高速炉の炉心
ボイド係数と反応度減少量との関係を示すグラフ、第20
図はPu利用高速炉の炉心ボイド係数と内部転換比の傾向
例を示すグラフである。 1……炉心、2……反射体、7……炉容器、H……炉心
の高さ、D……炉心の等価直径、L……反射体の有効長
さ、R……炉心径。
FIG. 1 is a conceptual view of a core showing a small nuclear reactor according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a horizontal sectional view of the core, FIG. 3A is a configuration diagram of a normal fuel assembly, and FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the core radius in a cylindrical core, the reactivity applied by the reflector, and the combustion reactivity, and FIG. 5 is a graph showing the relationship between the reactor integrated output and the reactor diameter. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the position variation of the combustion control reflector and the Na void coefficient, FIG. 7 is a graph showing the axial output distribution at the beginning, middle, and end of combustion, and FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the fuel volume ratio, the void reactivity, and the reactivity life, FIG. 9 is a graph showing the relationship between the reflector effective length, the fuel volume ratio, the zero void region, and the reactivity life extension;
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the radial enrichment and the void coefficient, FIG. 11 is a graph showing the relationship between the void reactivity and the ratio of the reflector length / core height, and FIG. FIG. 13 is a graph showing the relationship between L / H for the void coefficient “non-negative”, FIG. 13 is a graph showing the reactivity application at the end of the cycle, and FIG. 14 (a) to FIG. FIGS. 15 (a) and 15 (b) are explanatory views showing a second embodiment of the present invention, and FIGS. 15 (a) and 15 (b) are explanatory views showing a core arrangement of an assembly having an enrichment distribution in the axial direction, respectively, and FIGS. ) Is a schematic diagram showing the state of the enrichment distribution of the outermost aggregate in the core of FIG. 15 (b),
FIG. 16 (b) is a schematic diagram showing the state of the enrichment distribution of the central assembly in the core of FIG. 15 (b), and FIGS.
(B) and FIGS. 18 (a) and (b) are explanatory diagrams showing a third embodiment of the present invention, respectively, and FIG. 19 shows the relationship between the core void coefficient of a Pu-based fast reactor and the decrease in reactivity. Graph, 20th
The figure is a graph showing an example of the tendency of the core void coefficient and internal conversion ratio of a Pu-based fast reactor. 1 ... core, 2 ... reflector, 7 ... furnace vessel, H ... core height, D ... equivalent diameter of core, L ... effective length of reflector, R ... core diameter.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯田 正明 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平4−52593(JP,A) 特開 平3−282397(JP,A) 特開 平3−282396(JP,A) 特開 平2−222861(JP,A) 特開 平63−269093(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G21C 1/02 G21C 7/28 G21C 5/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Masaaki Iida 1 Toshiba, Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture (56) References JP-A-4-52593 (JP, A) JP-A Heisei JP-A-3-282396 (JP, A) JP-A-2-2222861 (JP, A) JP-A-63-269093 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G21C 1/02 G21C 7/28 G21C 5/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】プルトニウムを燃料の全部または一部とし
て利用するとともに、冷却材として液体金属を使用し、
かつ炉心反応度を、炉心外に設置した反射体を駆動する
ことにより制御する小型原子炉において、炉心燃料部分
の高さをH、炉心の等価直径をD、反射体の有効長をL
としたときに、炉心をH/D>1を満足する縦長円柱形状
に形成し、L/Hを0.4〜0.6の範囲とするとともに、スメ
ア燃料体積比を20%〜38%の範囲に設定したことを特徴
とする小型原子炉。
(1) using plutonium as all or a part of a fuel, using liquid metal as a coolant,
In a small nuclear reactor in which the core reactivity is controlled by driving a reflector installed outside the core, the height of the core fuel portion is H, the equivalent diameter of the core is D, and the effective length of the reflector is L.
The core was formed into a vertically long cylindrical shape satisfying H / D> 1, L / H was set in the range of 0.4 to 0.6, and the smear fuel volume ratio was set in the range of 20% to 38%. A small nuclear reactor characterized by the above.
【請求項2】前記炉心の下端より炉心有効長の1/3の位
置を含む領域を、天然ウラン領域とすることを特徴とす
る請求項1記載の小型原子炉。
2. The small nuclear reactor according to claim 1, wherein a region including a position that is one third of the effective length of the core from a lower end of the core is a natural uranium region.
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