JP3021283B2 - 高速炉用燃料集合体 - Google Patents
高速炉用燃料集合体Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ナトリウムボンド型の
燃料ピンと水素化物減速材封入ピンとをラッパ管内に装
填した高速炉用燃料集合体に関し、更に詳しく述べる
と、水素化物減速材を炉心上部のみに配置して、水素化
物減速材添加量に対するドップラー効果の最大化を図
り、受動的安全性を強化した燃料集合体に関するもので
ある。
燃料ピンと水素化物減速材封入ピンとをラッパ管内に装
填した高速炉用燃料集合体に関し、更に詳しく述べる
と、水素化物減速材を炉心上部のみに配置して、水素化
物減速材添加量に対するドップラー効果の最大化を図
り、受動的安全性を強化した燃料集合体に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】高速炉の炉心設計において、数多くの受
動的安全性の概念が提案されている。それらは、ＵＬＯ
Ｆ（流量喪失スクラム失敗事象）に代表される設計基準
外事象を想定した場合にも、受動的に炉心出力が減少し
て整定し、安全な炉心冷却を達成しようとするものであ
る。これら従来の受動的安全性を追求した設計例では、
その受動的な出力減少の原動力となる負のフィードバッ
ク反応度として、冷却材温度の上昇に伴う制御棒延長管
の伸び、あるいは炉心燃料集合体の温度上昇に伴う湾曲
や炉心径の膨張にその大部分を期待している。
動的安全性の概念が提案されている。それらは、ＵＬＯ
Ｆ（流量喪失スクラム失敗事象）に代表される設計基準
外事象を想定した場合にも、受動的に炉心出力が減少し
て整定し、安全な炉心冷却を達成しようとするものであ
る。これら従来の受動的安全性を追求した設計例では、
その受動的な出力減少の原動力となる負のフィードバッ
ク反応度として、冷却材温度の上昇に伴う制御棒延長管
の伸び、あるいは炉心燃料集合体の温度上昇に伴う湾曲
や炉心径の膨張にその大部分を期待している。
【０００３】しかし、受動的安全性を追求する設計例に
おいて、前記のような負の反応度要因は原子炉構造に強
く依存するものであり、それらを安全評価に取り入れる
場合には、実証試験の困難さが課題となる。例えば米国
での開発計画例でも原型プラントでの実証研究・開発が
前提となっており、今後の予算の確保等に対して障害と
なっている。
おいて、前記のような負の反応度要因は原子炉構造に強
く依存するものであり、それらを安全評価に取り入れる
場合には、実証試験の困難さが課題となる。例えば米国
での開発計画例でも原型プラントでの実証研究・開発が
前提となっており、今後の予算の確保等に対して障害と
なっている。
【０００４】ところで高速炉においては、核燃料として
一般に酸化物燃料が使用されているが、その他、窒化物
燃料、炭化物燃料、金属燃料も検討されている。これら
の燃料は、重元素密度が高く、熱伝導度も酸化物燃料に
比べて非常に高い。そのため同じ線出力に対して燃料の
温度を下げることができ、高温時における燃料の性質に
対する制限が緩和される利点がある。更に、この利点を
生かすために、被覆管と燃料ペレットとの間隙にナトリ
ウムを充填してギャップコンダクタンスを高くし、熱除
去性能を向上させた「ナトリウムボンド型」の燃料ピン
が考えられている。
一般に酸化物燃料が使用されているが、その他、窒化物
燃料、炭化物燃料、金属燃料も検討されている。これら
の燃料は、重元素密度が高く、熱伝導度も酸化物燃料に
比べて非常に高い。そのため同じ線出力に対して燃料の
温度を下げることができ、高温時における燃料の性質に
対する制限が緩和される利点がある。更に、この利点を
生かすために、被覆管と燃料ペレットとの間隙にナトリ
ウムを充填してギャップコンダクタンスを高くし、熱除
去性能を向上させた「ナトリウムボンド型」の燃料ピン
が考えられている。
【０００５】このようなナトリウムボンド型の燃料ピン
を使用する高速炉のように、通常運転時の燃料温度が低
い場合には、前記のような制御棒延長管の伸びや炉心径
方向膨張等の外部要因による負のフィードバック反応度
に期待しなくとも、受動的安全性を強化することができ
る。
を使用する高速炉のように、通常運転時の燃料温度が低
い場合には、前記のような制御棒延長管の伸びや炉心径
方向膨張等の外部要因による負のフィードバック反応度
に期待しなくとも、受動的安全性を強化することができ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明者は、先
に、ナトリウムボンド型の窒化物燃料を用いる高速炉用
燃料集合体において、水素を含む減速材物質を封入した
ピンを、通常燃料ピンに対して２〜１０％の割合で、ラ
ッパ管内に装填する窒化物燃料集合体を提案した（特願
平５−１３２６２９号参照）。これは、ナトリウムボン
ド型の窒化物燃料と水素を含む減速材物質の添加による
スペクトルシフト（スペクトルの軟化）との組み合わせ
により、受動的安全性を強化する方式である。
に、ナトリウムボンド型の窒化物燃料を用いる高速炉用
燃料集合体において、水素を含む減速材物質を封入した
ピンを、通常燃料ピンに対して２〜１０％の割合で、ラ
ッパ管内に装填する窒化物燃料集合体を提案した（特願
平５−１３２６２９号参照）。これは、ナトリウムボン
ド型の窒化物燃料と水素を含む減速材物質の添加による
スペクトルシフト（スペクトルの軟化）との組み合わせ
により、受動的安全性を強化する方式である。
【０００７】しかし、この炉心概念には一つの弱点があ
る。それは、水素化物減速材の添加量を増加して炉心の
ドップラー係数絶対値を著しく増加する場合には、増殖
性の低下も大きくなることである。
る。それは、水素化物減速材の添加量を増加して炉心の
ドップラー係数絶対値を著しく増加する場合には、増殖
性の低下も大きくなることである。
【０００８】本発明の目的は、上記のようなナトリウム
ボンド型の燃料ピンを用いる燃料集合体において、水素
化物減速材の添加量に対して、ＵＬＯＦ等の過渡時の負
のドップラー反応度フィードバックを増加できる高速炉
用燃料集合体を提供することである。
ボンド型の燃料ピンを用いる燃料集合体において、水素
化物減速材の添加量に対して、ＵＬＯＦ等の過渡時の負
のドップラー反応度フィードバックを増加できる高速炉
用燃料集合体を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、窒化物燃料、
炭化物燃料、又は金属燃料を使用するナトリウムボンド
型の通常燃料ピンと、水素化物減速材を封入したピンと
を、該水素化物減速材封入ピンが、全燃料ピン本数の２
〜１０％の割合となるようにラッパ管内に装填した燃料
集合体である。ここで本発明の特徴は、水素化物減速材
封入ピンにおける水素化物減速材の軸方向封入位置を、
炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の位置を中心とする
炉心上部のみとする点にある。水素化物減速材封入ピン
内は、水素化物減速材の下側に空隙部を設けたものでも
よいし、空隙部に代えて軸ブランケット部又は燃料部と
した構造でもよい。水素化物減速材の上方は上軸ブラン
ケット部であり、空隙部の下方は下軸ブランケット部で
ある。水素化物減速材としては、水素化ジルコニウム、
水素化チタン、又は水素化カルシウムを用いる。
炭化物燃料、又は金属燃料を使用するナトリウムボンド
型の通常燃料ピンと、水素化物減速材を封入したピンと
を、該水素化物減速材封入ピンが、全燃料ピン本数の２
〜１０％の割合となるようにラッパ管内に装填した燃料
集合体である。ここで本発明の特徴は、水素化物減速材
封入ピンにおける水素化物減速材の軸方向封入位置を、
炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の位置を中心とする
炉心上部のみとする点にある。水素化物減速材封入ピン
内は、水素化物減速材の下側に空隙部を設けたものでも
よいし、空隙部に代えて軸ブランケット部又は燃料部と
した構造でもよい。水素化物減速材の上方は上軸ブラン
ケット部であり、空隙部の下方は下軸ブランケット部で
ある。水素化物減速材としては、水素化ジルコニウム、
水素化チタン、又は水素化カルシウムを用いる。
【００１０】
【作用】高速炉において、ＵＬＯＦを想定した時、炉固
有の特性であるドップラー係数のみによって出力を減少
させることが最も有効である。本発明では、ナトリウム
ボンド型の燃料と水素化物減速材によるスペクトルシフ
ト（スペクトルの軟化）とを組み合わせることで、それ
を実現している。ナトリウムボンド型の燃料は、通常運
転時の燃料温度を下げることができる。また水素化ジル
コニウム等の水素化物減速材は、スペクトルを軟化させ
る。両者を組み合わせることで、ＵＬＯＦ時に充分な負
のドップラー反応度フィードバックを付与することがで
き、炉心の出力を減少させ、冷却材ナトリウムの沸騰を
生じることなく安定冷却に至らせることができる。水素
化物減速材封入ピンを、通常燃料ピンに対して２〜１０
％装填するのは、２％未満ではドップラー係数の増大効
果が不十分だからであり、１０％を超えると増殖比の減
少傾向が著しいからである。
有の特性であるドップラー係数のみによって出力を減少
させることが最も有効である。本発明では、ナトリウム
ボンド型の燃料と水素化物減速材によるスペクトルシフ
ト（スペクトルの軟化）とを組み合わせることで、それ
を実現している。ナトリウムボンド型の燃料は、通常運
転時の燃料温度を下げることができる。また水素化ジル
コニウム等の水素化物減速材は、スペクトルを軟化させ
る。両者を組み合わせることで、ＵＬＯＦ時に充分な負
のドップラー反応度フィードバックを付与することがで
き、炉心の出力を減少させ、冷却材ナトリウムの沸騰を
生じることなく安定冷却に至らせることができる。水素
化物減速材封入ピンを、通常燃料ピンに対して２〜１０
％装填するのは、２％未満ではドップラー係数の増大効
果が不十分だからであり、１０％を超えると増殖比の減
少傾向が著しいからである。
【００１１】この種の高速炉では、過渡事象時に炉心上
部で燃料温度上昇量が大きい。そこで、温度上昇量が大
きい炉心上部に水素化物減速材を添加すると、その部分
のドップラー係数絶対値が重点的に増加し、水素化物添
加量当たりの負のドップラー反応度フィードバックを最
大化できる。
部で燃料温度上昇量が大きい。そこで、温度上昇量が大
きい炉心上部に水素化物減速材を添加すると、その部分
のドップラー係数絶対値が重点的に増加し、水素化物添
加量当たりの負のドップラー反応度フィードバックを最
大化できる。
【００１２】
【実施例】図１は本発明に係る高速炉用燃料集合体の概
念を表しており、Ａは燃料集合体全体の垂直断面を、Ｂ
はそのＸ−Ｘ位置（燃料ピンバンドル部）での水平断面
を示している。燃料集合体１０は、ラッパ管１２と、そ
の上部に位置するハンドリングヘッド１４と、下部に設
けたエントランスノズル１６、及びラッパ管１２内に装
填する多数本の燃料ピン１８よりなる。本発明では、ラ
ッパ管１２内に装填する燃料ピン１８は、通常燃料ピン
１８ａと水素化物減速材を封入した水素化物減速材封入
ピン１８ｂの２種類あり、水素化物減速材封入ピン１８
ｂの本数が、全燃料ピン本数の２〜１０％の割合となる
ように設定する。図１のＢに示す実施例では、燃料ピン
総数３３１本のうち、２１本が（●印が水素化物減速材
を封入したピンを表している）水素化物減速材封入ピン
１８ｂとなっている。
念を表しており、Ａは燃料集合体全体の垂直断面を、Ｂ
はそのＸ−Ｘ位置（燃料ピンバンドル部）での水平断面
を示している。燃料集合体１０は、ラッパ管１２と、そ
の上部に位置するハンドリングヘッド１４と、下部に設
けたエントランスノズル１６、及びラッパ管１２内に装
填する多数本の燃料ピン１８よりなる。本発明では、ラ
ッパ管１２内に装填する燃料ピン１８は、通常燃料ピン
１８ａと水素化物減速材を封入した水素化物減速材封入
ピン１８ｂの２種類あり、水素化物減速材封入ピン１８
ｂの本数が、全燃料ピン本数の２〜１０％の割合となる
ように設定する。図１のＢに示す実施例では、燃料ピン
総数３３１本のうち、２１本が（●印が水素化物減速材
を封入したピンを表している）水素化物減速材封入ピン
１８ｂとなっている。
【００１３】図２は燃料ピンの構成を示しており、Ａは
通常燃料ピン、Ｂ〜Ｄはそれぞれ水素化物減速材封入ピ
ンの例である。通常燃料ピン１８ａは、被覆管内の中央
部に燃料部２０があり、その上方には上軸ブランケット
部２２が、また下方には下軸ブランケット部２４があ
る。上軸ブランケット部２２の上方は核分裂生成ガスプ
レナム部２６である。被覆管の上端と下端には、それぞ
れ上部端栓２８及び下部端栓２９が設けられている。こ
の通常燃料ピン１８ａで使用する燃料は、窒化物燃料、
炭化物燃料、又は金属燃料のペレットであり、被覆管と
のギャップ間の熱伝達をよくするためにナトリウムを充
填する、所謂ナトリウムボンド型の燃料ピン構成となっ
ている。
通常燃料ピン、Ｂ〜Ｄはそれぞれ水素化物減速材封入ピ
ンの例である。通常燃料ピン１８ａは、被覆管内の中央
部に燃料部２０があり、その上方には上軸ブランケット
部２２が、また下方には下軸ブランケット部２４があ
る。上軸ブランケット部２２の上方は核分裂生成ガスプ
レナム部２６である。被覆管の上端と下端には、それぞ
れ上部端栓２８及び下部端栓２９が設けられている。こ
の通常燃料ピン１８ａで使用する燃料は、窒化物燃料、
炭化物燃料、又は金属燃料のペレットであり、被覆管と
のギャップ間の熱伝達をよくするためにナトリウムを充
填する、所謂ナトリウムボンド型の燃料ピン構成となっ
ている。
【００１４】さて水素化物減速材封入ピンは３種類あり
（図２のＢ〜Ｄ）、それらは通常燃料ピンの燃料部２０
の部分の構造のみが異なり、その他の部分は同一構成で
あるので、対応する部分に同一符号を付し説明は省略す
る。水素化物減速材３０は、水素化物減速材封入ピンの
軸方向において、炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の
位置を中心とする炉心上部のみに封入されている。増殖
性に対する要求に応じて、水素化物減速材３０の下方
に、空隙部３２を配置する構成（図２のＢ）、下軸ブラ
ンケット部２４を配置する構成（図２のＣ）、燃料部３
６を配置する構成（図２のＤ）がある。下方が空隙部３
２の場合は、水素化物減速材３０の下側は中間端栓３８
とする。また下方がブランケット部２４又は燃料部３６
の場合は、ナトリウムと親和性を有するセラミックス等
からなるサーマルインシュレータ３９により断熱を図る
構造とする。水素化物減速材３０としては、安定な水素
化物である水素化ジルコニウム、水素化チタン、又は水
素化カルシウムを用いる。水素化物減速材は、温度を低
く保持するのが好ましいことから、ナトリウムボンド型
が好ましい。
（図２のＢ〜Ｄ）、それらは通常燃料ピンの燃料部２０
の部分の構造のみが異なり、その他の部分は同一構成で
あるので、対応する部分に同一符号を付し説明は省略す
る。水素化物減速材３０は、水素化物減速材封入ピンの
軸方向において、炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の
位置を中心とする炉心上部のみに封入されている。増殖
性に対する要求に応じて、水素化物減速材３０の下方
に、空隙部３２を配置する構成（図２のＢ）、下軸ブラ
ンケット部２４を配置する構成（図２のＣ）、燃料部３
６を配置する構成（図２のＤ）がある。下方が空隙部３
２の場合は、水素化物減速材３０の下側は中間端栓３８
とする。また下方がブランケット部２４又は燃料部３６
の場合は、ナトリウムと親和性を有するセラミックス等
からなるサーマルインシュレータ３９により断熱を図る
構造とする。水素化物減速材３０としては、安定な水素
化物である水素化ジルコニウム、水素化チタン、又は水
素化カルシウムを用いる。水素化物減速材は、温度を低
く保持するのが好ましいことから、ナトリウムボンド型
が好ましい。
【００１５】水素化物減速材封入ピンは、上記のように
３種類あるが、本発明では、それらのうちのどれか１種
を選択して装填することになる。各水素化物減速材封入
ピンは、それぞれ次のような得失があるので、どの種の
水素化物減速材封入ピンを使用するかは、それらを考慮
して決定する。
３種類あるが、本発明では、それらのうちのどれか１種
を選択して装填することになる。各水素化物減速材封入
ピンは、それぞれ次のような得失があるので、どの種の
水素化物減速材封入ピンを使用するかは、それらを考慮
して決定する。
【００１６】（１）水素化物減速材の下部を空隙部とす
る場合 使用するのは劣化ウランのみであるので、コールドに
近い施設で水素化物減速材封入ピンを製作できる。 水素化物減速材を低温に保持する上で最も有利であ
る。この構造では、上軸ブランケット部、水素化物減速
材部、下軸ブランケット部を別々に製作して、接合する
ことにより製造できる。また中間の水素化物減速材部の
みナトリウムボンド構造とすることが可能である。この
ように、製作性の点では融通性に富む。 しかし、増殖性を上げる観点では、空隙部とするのは
不利である。 核計算上は、炉心下半分の非均質性が小さく、不確か
さが小さい。
る場合 使用するのは劣化ウランのみであるので、コールドに
近い施設で水素化物減速材封入ピンを製作できる。 水素化物減速材を低温に保持する上で最も有利であ
る。この構造では、上軸ブランケット部、水素化物減速
材部、下軸ブランケット部を別々に製作して、接合する
ことにより製造できる。また中間の水素化物減速材部の
みナトリウムボンド構造とすることが可能である。この
ように、製作性の点では融通性に富む。 しかし、増殖性を上げる観点では、空隙部とするのは
不利である。 核計算上は、炉心下半分の非均質性が小さく、不確か
さが小さい。
【００１７】（２）水素化物減速材の下部をブランケッ
ト部（劣化ウランペレット）とする場合 使用するのは劣化ウランのみであるので、コールドに
近い施設で水素化物減速材封入ピンを製作できる。 水素化物減速材を低温に保持する上では比較的容易で
あると考えられるが、ガス状核分裂生成物プレナムが上
部に共通にあり、ピン全体をナトリウムボンドとする
他、ブランケットペレットと水素化物減速材の間にナト
リウムの流通を許す断熱材を配置する必要がある。ただ
し、ブランケット部の温度はあまり高くないので断熱性
に対する要求は小さい。 ブランケットペレットを増やすことになり、増殖性の
増加が見込める。 炉心下半分については、プルトニウム燃料とブランケ
ット燃料とが混在しており、核計算上の非均質性を考慮
する必要がある。そのため計算上の不確かさが増加す
る。
ト部（劣化ウランペレット）とする場合 使用するのは劣化ウランのみであるので、コールドに
近い施設で水素化物減速材封入ピンを製作できる。 水素化物減速材を低温に保持する上では比較的容易で
あると考えられるが、ガス状核分裂生成物プレナムが上
部に共通にあり、ピン全体をナトリウムボンドとする
他、ブランケットペレットと水素化物減速材の間にナト
リウムの流通を許す断熱材を配置する必要がある。ただ
し、ブランケット部の温度はあまり高くないので断熱性
に対する要求は小さい。 ブランケットペレットを増やすことになり、増殖性の
増加が見込める。 炉心下半分については、プルトニウム燃料とブランケ
ット燃料とが混在しており、核計算上の非均質性を考慮
する必要がある。そのため計算上の不確かさが増加す
る。
【００１８】（３）水素化物減速材の下部を燃料部（プ
ルトニウムペレット）とする場合 プルトニウムペレットを用いることから、プルトニウ
ム燃料製造施設内で製作する必要が生じる。 ガス状核分裂生成物プレナムが上部に共通にあり、ピ
ン全体をナトリウムボンドとする他、プルトニウムペレ
ットと水素化物減速材の間にナトリウムの流通を許す断
熱材を配置する必要がある。また、断熱性能への要求が
厳しくなる。 燃料の炉心内装荷量が増加するので、プルトニウム富
化度を幾分下げることができ、増殖性が向上する。 炉心下半分については、通常燃料ピンと同じであり、
核計算上の不確かさが小さい。
ルトニウムペレット）とする場合 プルトニウムペレットを用いることから、プルトニウ
ム燃料製造施設内で製作する必要が生じる。 ガス状核分裂生成物プレナムが上部に共通にあり、ピ
ン全体をナトリウムボンドとする他、プルトニウムペレ
ットと水素化物減速材の間にナトリウムの流通を許す断
熱材を配置する必要がある。また、断熱性能への要求が
厳しくなる。 燃料の炉心内装荷量が増加するので、プルトニウム富
化度を幾分下げることができ、増殖性が向上する。 炉心下半分については、通常燃料ピンと同じであり、
核計算上の不確かさが小さい。
【００１９】図３は、１３０万ＫＷｅ級の大型高速炉の
炉心配置の一例であり、Ａは水平断面図、Ｂは垂直断面
図である。高速炉は、内側炉心４０、外側炉心４２、ブ
ランケット４４、主系制御棒４６及び後備系制御棒４８
などからなる。炉心の大きさは、軸方向高さが約９０c
m、直径が約４ｍである。本発明では、図３のＢに示す
ように、炉心の上端から炉心高さのほぼ１／４の位置を
中心とする炉心上部のみ（ここでは炉心上半分）を水素
化物減速材添加領域（斜線で示す部分）としている。こ
れによって、中性子スペクトルが軟化し、その炉心上部
のドップラー係数絶対値が増大する。
炉心配置の一例であり、Ａは水平断面図、Ｂは垂直断面
図である。高速炉は、内側炉心４０、外側炉心４２、ブ
ランケット４４、主系制御棒４６及び後備系制御棒４８
などからなる。炉心の大きさは、軸方向高さが約９０c
m、直径が約４ｍである。本発明では、図３のＢに示す
ように、炉心の上端から炉心高さのほぼ１／４の位置を
中心とする炉心上部のみ（ここでは炉心上半分）を水素
化物減速材添加領域（斜線で示す部分）としている。こ
れによって、中性子スペクトルが軟化し、その炉心上部
のドップラー係数絶対値が増大する。
【００２０】図４〜図７は、窒化物燃料を用いた通常の
燃料ピンのみを装填した燃料集合体による概略計算結果
を示しており、この計算結果に対する考察から、本発明
の有用性を導き出せる。図４には、窒化物燃料をナトリ
ウムボンド型として用い、通常時の燃料平均線出力を２
３０Ｗ／cm（軸方向ピークは２８０Ｗ／cm）とした時の
燃料平均温度（燃料ペレット径方向平均値；一点鎖線）
と冷却材温度（実線）について、その炉心部軸方向分布
の概略が示されている。ナトリウム冷却高速炉では、通
常、炉心入口温度は３９０℃程度、冷却材温度上昇量は
１２０℃〜１５０℃程度が選定されている。図４の例で
は、冷却材の炉心出入口温度を５１０℃／３９０℃と想
定している。図４に示すように、燃料平均温度は炉心上
部から炉心高さの１／３程度のところで最大となり、５
６０℃程度である。
燃料ピンのみを装填した燃料集合体による概略計算結果
を示しており、この計算結果に対する考察から、本発明
の有用性を導き出せる。図４には、窒化物燃料をナトリ
ウムボンド型として用い、通常時の燃料平均線出力を２
３０Ｗ／cm（軸方向ピークは２８０Ｗ／cm）とした時の
燃料平均温度（燃料ペレット径方向平均値；一点鎖線）
と冷却材温度（実線）について、その炉心部軸方向分布
の概略が示されている。ナトリウム冷却高速炉では、通
常、炉心入口温度は３９０℃程度、冷却材温度上昇量は
１２０℃〜１５０℃程度が選定されている。図４の例で
は、冷却材の炉心出入口温度を５１０℃／３９０℃と想
定している。図４に示すように、燃料平均温度は炉心上
部から炉心高さの１／３程度のところで最大となり、５
６０℃程度である。
【００２１】ナトリウムボンド型燃料とスペクトルシフ
トによる受動的安全性強化の具体的な設計目標は、ＵＬ
ＯＦを想定しても、冷却材沸騰を生じず、最終的に炉心
出力が崩壊熱除去系の除熱容量程度まで減少することで
ある。このためには、流量が減少して冷却材温度が沸点
近くまで上昇した場合には出力が十分に低下する炉心特
性を持つ必要がある。十分な出力低下量としては、通常
運転時出力の１０％程度が目安となる。従って本発明で
は、通常運転時の温度状態から、冷却材最高温度が沸点
に近く、また通常運転時の１０％程度の出力での燃料温
度状態への変化を想定した時に、十分な負のドップラー
反応度を生ずるように水素化物減速材を配置する必要が
ある。
トによる受動的安全性強化の具体的な設計目標は、ＵＬ
ＯＦを想定しても、冷却材沸騰を生じず、最終的に炉心
出力が崩壊熱除去系の除熱容量程度まで減少することで
ある。このためには、流量が減少して冷却材温度が沸点
近くまで上昇した場合には出力が十分に低下する炉心特
性を持つ必要がある。十分な出力低下量としては、通常
運転時出力の１０％程度が目安となる。従って本発明で
は、通常運転時の温度状態から、冷却材最高温度が沸点
に近く、また通常運転時の１０％程度の出力での燃料温
度状態への変化を想定した時に、十分な負のドップラー
反応度を生ずるように水素化物減速材を配置する必要が
ある。
【００２２】図４には、通常運転時の燃料及び冷却材平
均温度に加えて、更に冷却材最高温度が沸点近くにあ
り、１０％出力時の燃料（太い破線）及び冷却材平均温
度（細い破線）の概略を書き加えてある。ここでは径方
向出力ピーキング係数を考慮して、過渡時の炉心出口冷
却材平均温度を８００℃と想定している。
均温度に加えて、更に冷却材最高温度が沸点近くにあ
り、１０％出力時の燃料（太い破線）及び冷却材平均温
度（細い破線）の概略を書き加えてある。ここでは径方
向出力ピーキング係数を考慮して、過渡時の炉心出口冷
却材平均温度を８００℃と想定している。
【００２３】図５は図４から、ＵＬＯＦにおける燃料温
度変化量の軸方向分布を表したものである。図６は、通
常の均質炉心におけるドップラー係数の軸方向分布を示
している。図５の燃料温度変化量の軸方向分布、及び図
６のドップラー係数の軸方向分布から、ＵＬＯＦ時のド
ップラー反応度の軸方向分布を求めたのが図７である。
図７に示されるように、ＵＬＯＦ時の負のドップラー反
応度の軸方向分布は大きく炉心上部に偏っていることが
分かる。つまり、炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の
位置で、ドップラー効果の寄与が最大であり、その位置
から上下に離れるに従って寄与が小さくなっている。こ
のことから、同一の水素化物減速材の添加で、負のドッ
プラー反応度をより強調しようとする場合、あるいは、
増殖性の低下を避けるために水素化物減速材添加量を減
少させたい場合には、水素化物減速材を炉心上部に重点
的に添加するのが好ましい。
度変化量の軸方向分布を表したものである。図６は、通
常の均質炉心におけるドップラー係数の軸方向分布を示
している。図５の燃料温度変化量の軸方向分布、及び図
６のドップラー係数の軸方向分布から、ＵＬＯＦ時のド
ップラー反応度の軸方向分布を求めたのが図７である。
図７に示されるように、ＵＬＯＦ時の負のドップラー反
応度の軸方向分布は大きく炉心上部に偏っていることが
分かる。つまり、炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の
位置で、ドップラー効果の寄与が最大であり、その位置
から上下に離れるに従って寄与が小さくなっている。こ
のことから、同一の水素化物減速材の添加で、負のドッ
プラー反応度をより強調しようとする場合、あるいは、
増殖性の低下を避けるために水素化物減速材添加量を減
少させたい場合には、水素化物減速材を炉心上部に重点
的に添加するのが好ましい。
【００２４】そこで本発明では、図８に示すように、炉
心５０内の水素化物減速材添加領域５２（斜線で示す部
分）を、炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の位置を中
心とする炉心上部のみとする。そして、図８のＡ〜Ｃに
示すように、ドップラー係数の増加の要求に応じて、そ
の厚みを上下に増加する。
心５０内の水素化物減速材添加領域５２（斜線で示す部
分）を、炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の位置を中
心とする炉心上部のみとする。そして、図８のＡ〜Ｃに
示すように、ドップラー係数の増加の要求に応じて、そ
の厚みを上下に増加する。
【００２５】以上の燃料温度等の概略計算は窒化物燃料
について行ったものであるが、炭化物燃料あるいは金属
燃料についても、定性的には同じ挙動を呈すると判断し
て差し支えない。何れの燃料についてもナトリウムボン
ド型で用いることを前提としているので、燃料温度の違
いは燃料ペレットの熱伝導度の差のみにより決まる。窒
化物燃料との比較では、炭化物燃料は５％程度小さく、
金属燃料は＋３０％から−２０％（燃焼による変化が大
きい）である。この違いは、酸化物燃料が、その熱伝導
度が窒化物燃料の熱伝導度の１／８程度であり、ヘリウ
ムボンド型で用いることから燃料温度が非常に高くなる
（同じ条件では通常運転時の燃料温度の軸方向最高温度
は１４００℃程度になる）という状況と比べれば小さな
変化であり、窒化物燃料、炭化物燃料、金属燃料の３種
の燃料の挙動は同じであるといってかまわない。図４〜
図７は、炭化物燃料や金属燃料を用いた場合も、ほぼ同
様の曲線となる。これらの理由で、本発明では、これら
３種の燃料を用いる燃料集合体に共通に適用できる。
について行ったものであるが、炭化物燃料あるいは金属
燃料についても、定性的には同じ挙動を呈すると判断し
て差し支えない。何れの燃料についてもナトリウムボン
ド型で用いることを前提としているので、燃料温度の違
いは燃料ペレットの熱伝導度の差のみにより決まる。窒
化物燃料との比較では、炭化物燃料は５％程度小さく、
金属燃料は＋３０％から−２０％（燃焼による変化が大
きい）である。この違いは、酸化物燃料が、その熱伝導
度が窒化物燃料の熱伝導度の１／８程度であり、ヘリウ
ムボンド型で用いることから燃料温度が非常に高くなる
（同じ条件では通常運転時の燃料温度の軸方向最高温度
は１４００℃程度になる）という状況と比べれば小さな
変化であり、窒化物燃料、炭化物燃料、金属燃料の３種
の燃料の挙動は同じであるといってかまわない。図４〜
図７は、炭化物燃料や金属燃料を用いた場合も、ほぼ同
様の曲線となる。これらの理由で、本発明では、これら
３種の燃料を用いる燃料集合体に共通に適用できる。
【００２６】なお炉心上半分にのみ水素化物減速材を添
加した場合、ＵＬＯＦ時における炉心挙動が、炉心高さ
方向全体に水素化物減速材を添加した場合とほぼ同等と
なることは、炉心動特性解析で確認されている。
加した場合、ＵＬＯＦ時における炉心挙動が、炉心高さ
方向全体に水素化物減速材を添加した場合とほぼ同等と
なることは、炉心動特性解析で確認されている。
【００２７】
【発明の効果】本発明は、通常運転時の燃料温度が低い
ナトリウムボンド型の燃料と水素化物減速材とを組み合
わせたことにより、ＵＬＯＦ時においても固有の特性で
あるドップラー係数のみによって出力が減少し、冷却材
ナトリウムの沸騰を生じることなく安定冷却に至る特性
を炉心に付与することができる。そのため、高速炉の受
動的安全性の確保の考え方が著しく簡明になり、原子炉
構造をも含めた実証が不要となる。この燃料集合体を使
用した高速炉において、必要な研究・開発項目は、核設
計精度を確認するための臨界実験程度で充分であり、経
済的効果は極めて大きい。
ナトリウムボンド型の燃料と水素化物減速材とを組み合
わせたことにより、ＵＬＯＦ時においても固有の特性で
あるドップラー係数のみによって出力が減少し、冷却材
ナトリウムの沸騰を生じることなく安定冷却に至る特性
を炉心に付与することができる。そのため、高速炉の受
動的安全性の確保の考え方が著しく簡明になり、原子炉
構造をも含めた実証が不要となる。この燃料集合体を使
用した高速炉において、必要な研究・開発項目は、核設
計精度を確認するための臨界実験程度で充分であり、経
済的効果は極めて大きい。
【００２８】更に、本発明では上記のように、過渡時に
燃料温度上昇量が大きくなる炉心上部のみに水素化物減
速材を添加するので、炉心上部のドップラー係数絶対値
が重点的に増加し、水素化物減速材の添加量当たりの負
のドップラー反応度フィードバックを最大化することが
でき、同時に増殖性の低下量を最小限にすることができ
る。
燃料温度上昇量が大きくなる炉心上部のみに水素化物減
速材を添加するので、炉心上部のドップラー係数絶対値
が重点的に増加し、水素化物減速材の添加量当たりの負
のドップラー反応度フィードバックを最大化することが
でき、同時に増殖性の低下量を最小限にすることができ
る。
【図１】本発明に係る燃料集合体の一実施例を示す説明
図。
図。
【図２】それに組み込む燃料ピンの説明図。
【図３】本発明に係る燃料集合体を用いる高速炉の説明
図。
図。
【図４】通常時とＵＬＯＦ時の燃料温度を示すグラフ。
【図５】ＵＬＯＦ時の燃料温度変化量を示すグラフ。
【図６】ドップラー係数の軸方向分布を示すグラフ。
【図７】ＵＬＯＦ時ドップラー反応度の軸方向分布のグ
ラフ。
ラフ。
【図８】水素化物減速材の添加領域の例を示す説明図。
１０ 燃料集合体 １２ ラッパ管 １８ａ 通常燃料ピン １８ｂ 水素化物減速材封入ピン ２０ 燃料部 ２２ 上軸ブランケット部 ２４ 下軸ブランケット部 ３０ 水素化物減速材 ３２ 空隙部 ３６ 燃料部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ２１Ｃ 3/30 Ｔ 3/32 Ｇ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21C 3/28 G21C 3/30 G21C 5/00
Claims (3)
- 【請求項１】 窒化物燃料、炭化物燃料、又は金属燃料
を使用するナトリウムボンド型の通常燃料ピンと、水素
化物減速材を封入したピンとを、該水素化物減速材封入
ピンが、全燃料ピン本数の２〜１０％の割合となるよう
にラッパ管内に装填する燃料集合体において、水素化物
減速材封入ピンでの水素化物減速材の軸方向封入位置
を、炉心上端から炉心高さのほぼ１／４の位置を中心と
する炉心上部のみとすることを特徴とする高速炉用燃料
集合体。 - 【請求項２】 水素化物減速材封入ピン内は、水素化物
減速材の下側が、空隙部、軸ブランケット部、又は燃料
部となっている請求項１記載の高速炉用燃料集合体。 - 【請求項３】 水素化物減速材が、水素化ジルコニウ
ム、水素化チタン、又は水素化カルシウムである請求項
１又は２記載の高速炉用燃料集合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6121885A JP3021283B2 (ja) | 1994-05-11 | 1994-05-11 | 高速炉用燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6121885A JP3021283B2 (ja) | 1994-05-11 | 1994-05-11 | 高速炉用燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07306283A JPH07306283A (ja) | 1995-11-21 |
| JP3021283B2 true JP3021283B2 (ja) | 2000-03-15 |
Family
ID=14822328
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6121885A Expired - Fee Related JP3021283B2 (ja) | 1994-05-11 | 1994-05-11 | 高速炉用燃料集合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3021283B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3025650A1 (fr) * | 2014-09-10 | 2016-03-11 | Commissariat Energie Atomique | Reacteur a neutrons rapides, a cœur contenant des elements combustibles a basse temperature de fonctionnement nominal, et preferablement de faible diametre, et un materiau moderateur |
-
1994
- 1994-05-11 JP JP6121885A patent/JP3021283B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07306283A (ja) | 1995-11-21 |
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