JP4098732B2

JP4098732B2 - 反射体制御方式の高速炉およびその中性子反射体

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Application number: JP2004042822A
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Inventors: 光明山岡; 保幸森木; 靖坪井
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Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
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Description

本発明は、反射体制御方式の高速炉およびそのための中性子反射体に関し、特に、液体金属の冷却材に浸された炉心の外側に設置された中性子反射体を上下方向に移動させて炉心からの中性子の漏洩を調整することによって炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉およびそのための中性子反射体に関する。

反射体制御方式の原子炉の従来の一般的な構成を図１２から図１４によって説明する。なお、図１２は従来例を中心部から右半分のみ概略的に示し、図１３は図１２の原子炉の全体横断面を示し、図１４は図１３における燃料集合体の一つを示している（特許文献１および２参照）。

すなわち、図１２に示すように、原子炉容器１の内部には、中央部に位置して炉心２が配置され、この炉心２の周囲を囲撓する位置に中性子遮蔽体３がそれぞれ配置されている。原子炉容器１内はナトリウム等の液体金属冷却材４で満たされている。

炉心２は、図１３に示すように、たとえば六角形状の１８体の燃料集合体５によって構成され、この中央部には、炉心２の反応度制御用で運転時には上方に引き抜かれる中性子吸収棒用のチャンネル６が配置されている。燃料集合体５とチャンネル６は、全体が炉心バレル７によって包囲されている。

この炉心バレル７の外側には、所定間隔離間して冷却材４の流路を分割する隔壁８が配置されている。この炉心バレル７と隔壁８との間に設けられた空間によって、炉心２の運転に使用する中性子反射体９の移動領域１０が形成されている。

冷却材４は、隔壁８の内側を下から上方向に流れ、その途中で炉心２に入り核分裂によって生じた熱を奪って温度が上昇する。そして、この温度が上昇した冷却材４は、図示しない中間熱交換器の内部に流入し、ここで二次系ナトリウムとの熱交換を行なった後、中間熱交換器から下方向に流出する。この熱交換後の冷却された冷却材４は、隔壁８の外側を通って炉心２の下部に回り込み、再び炉心２に導入される。

中性子遮蔽体３は、原子炉容器１の中性子照射量を全プラント寿命にわたって所定値以下に制限するためのものであり、原子炉容器１と隔壁８との間に配置された複数の中性子遮蔽棒１１によって構成されている。中性子遮蔽体３の構成としては、ステンレス鋼等からなる構造体の他に、中性子吸収能力の大きいボロンを含むＢ_４Ｃセラミックを収納したピンを配置したり、またハフニウム、タンタル等の金属またはそれらの化合物を含むようにすることができる。

また、冷却材よりも中性子反射能力が劣る中性子吸収体あるいは中性子透過物質を中性子反射体の上部の領域（キャビティ）２４に配置することにより、中性子反射体９の反応度制御能力を増大させることができる（特許文献３参照）。なお、符号１２は、原子炉容器１の周囲を包囲するガードベッセルである。

燃料集合体５は、たとえば図１４に示すように、ステンレス鋼製で横断面が六角形状のラッパ管１３の内部に多数の燃料ピン１４を規則的に配列するとともに、ラッパ管１３の上部および下部に中性子遮蔽体１５ａ、１５ｂを配置することによって構成されている。同図は、多数の燃料ピン１４のうちの１本を取り出して図示しており、この燃料ピン１４には、燃料部１４ａと核分裂により生じるガス成分を封じ込めるプレナム部１４ｂとが備えられている。また、燃料ピン１４は、ワイヤラップまたはグリッド（図示せず）により冷却材４の混合を促進するとともに、下部端栓部でラッパ管１３に結合固定されている。

燃料集合体５は、小径のエントランスノズル１６を介して炉心支持体１７に差し込み固定されるよう構成されているとともに、冷却材入口１８と冷却材出口１９とが備えられている。

炉心バレル７と隔壁８との間の移動領域１０には、図１２に示すように、中性子反射体９が配置されている。この中性子反射体９は、駆動棒２０の下端に吊り下げ支持され、この駆動棒２０は、原子炉容器１の上端開口部を閉塞する遮蔽プラグ２１を貫いて上方に延び、遮蔽プラグ２１の上面に設置された駆動装置２２によって上下に移動するよう構成されている。すなわち、駆動装置２２の駆動に伴って、駆動棒２０ひいては中性子反射体９が炉心バレル７と隔壁８との間の移動領域１０内をこれに沿って上下方向に移動するようになっている。なお、冷却材４の液面４ａと遮蔽プラグ２１との間は、カバーガスで満たされたカバーガス空間２３である。

これにより、中性子反射体９を、駆動装置２２を介して上下方向に移動させて炉心２からの中性子の漏洩を調整し、これによって炉心２の反応度を制御するようなされている。この反応度の制御は、炉心の起動停止や、燃料の燃焼による炉心反応度の低下を補償するために行なわれる。

この高速炉炉心の特性の一例として、図１５に示す主要特性の高速炉炉心の解析を行なった。すなわち、熱出力約１３０ＭＷ、炉心径約１３０ｃｍ、炉心高さ２００ｃｍで、濃縮ウランの金属化合物Ｕ−Ｚｒを燃料とする高速炉炉心を燃料交換なしで約３０年運転し、かつ、燃料の燃焼による反応度変化を補償するため、長さ２００ｃｍ、厚さ３０ｃｍのステンレス製反射体を一定速度で引き上げて運転すると想定する。このときの原子炉の反応度変化の解析結果を図１６に示す。

この場合、反射体はその下端が炉心下部にあるときは臨界未満で炉停止しており、燃焼初期では反射体を引き上げて炉心下部から上に約７５ｃｍ程度覆ったときに臨界となり、その後、一定出力で運転し、燃焼による反応度低下を反射体上昇で補い、３０年後には反射体が炉心全体を覆うと想定している。この結果では、燃焼中期の約１５年程度までは反応度はほぼ一定か、若干増大していくが、中期以降はしだいに低下し、燃焼末期では燃焼初期よりもかなり低くなる。この傾向を説明するために、図１６では反応度を燃料の燃焼による組成変化に起因する反応度変化分と、反射体の軸方向移動による反応度変化分に分解している。

図１６に示されるように、燃料の燃焼による組成変化に起因する反応度はおおむね一定割合で低下していく傾向を示す。燃料中の核分裂性物質Ｕ−２３５は燃焼により単調に減少するが、Ｕ−２３８から核分裂性物質Ｐｕ−２３９が生成するために、燃焼初期では反応度低下は抑制される。しかし、燃焼とともにＰｕ−２３９がある程度生成すると、Ｐｕ−２３９自体の燃焼ならびに、Ｐｕ−２３９生成の親となるＵ−２３８の減少により、Ｐｕ−２３９生成量が飽和傾向となる。このため、しだいに反応度低下が増大する傾向となる。

一方、反射体の軸方向移動による反応度については、燃焼初期ではほぼ一定の割合で増大するが、燃焼中期以降、反応度増大割合が次第に低下する傾向を示す。その結果、燃料の燃焼効果と反射体の移動効果をたし合わせると、図１６に示す通り、全体の反応度は燃焼中期までは若干増加するが、中期以降は時間とともに低下していくことになる。

ここで、末期で反応度を高めるべく、反射体の反射能力を増大させる（たとえば厚さを増加するなどにより）と、今度は燃焼中期付近で反応度が過大に上昇することとなる。逆に、反射能力を低下させると、中期での反応度増大を抑えられるが、末期の反応度が図１６に示す以上に低下する。

反射体による投入される反応度の傾向について、図１７を用いて詳しく説明する。図１７は、反射体の軸方向移動による反応度変化を示すものである。前述の通り、燃焼初期の運転時は通常約４０％程度の挿入度であり、この状態から挿入度を深くするとほぼ直線的に反応度は増大する。しかし、挿入度が６０％を越えると、反応度増大は頭打ちとなる傾向を示す。このため、図１６に示したように、反射体の反応度の増大割合は燃焼中期以降、末期に近づくほど小さくなる。この傾向を示す理由は、反射体の反応度価値が中性子束の高い炉心中心で最も高いことに起因し、炉心の周辺が新たに反射体に覆われる効果は中心部が新たに覆われる効果よりも小さくなるためである。

以上の理由によって、反射体の上昇速度を一定とする限り、炉心燃料の燃焼による反応度低下を反射体の軸方向移動によって完全に補うことはできない。反応度の低下は熱出力の低下につながるので、時間とともに熱出力を一定に保つことができず、特に燃焼末期近くでは所定より小さい熱出力しか得られず、経済性の悪いプラントとなってしまう。

上記の燃焼による反応度変化の傾向は、炉心の設計により異なってくる。ただし、従来例で示したような、燃料の種類が濃縮ウランでなく、プルトニウムの場合であっても、また、運転期間によって左右される炉心長さと反射体長さの関係が上記従来例と異なり、反射体の長さが炉心よりも長い、または短い場合であっても、燃焼末期近くで全体の反応度が低下する傾向はおおむね不変であることがわかっている。

これを改善するための一つの方策は、反射体の引き上げ速度を時間とともに制御することである。しかし、この引き上げ速度を制御することは、制御装置の誤作動や故障による過度の反応度添加に基づく事故の可能性を生じさせる。これを回避するため、特許文献４に示すごとく、蒸気発生器への給水流量制御により、冷却材入口温度を変動させることで生じる反応度フィードバックを利用して、出力を一定に保つことが提案されている。この特許文献４では、蒸気発生器の熱出力に応じて給水流量が制御され、二次冷却材、中間熱交換器、一次冷却材を通して、一次冷却材入口温度が制御される。この温度フィードバックにより、炉心出力を一定に保つものである。
特許第２８３５１６１号公報特許第２８９２８２４号公報特許第３１２６５０２号公報特許第３１３１５１２号公報

しかしながら、蒸気発生器への給水流量制御で制御できる熱出力の範囲は限定されており、反射体のみによる反応度制御によって熱出力の変動範囲が小さく抑えられていることが前提である。これに対して、図１６に示したような反応度変化を有する長期運転の反射体制御方式の高速炉では、反応度の変化が末期で１％Δｋ／ｋにも及ぶため、これにより制御できる範囲を大幅に越えている。

また、このような制御を行なわず、反射体の上昇速度を制御する方式を取る場合においても、安全上の観点から、できるだけ制御が必要な期間と、制御する速度の範囲を小さく抑えることが肝要である。このためには、やはり反射体のみによる反応度制御によって熱出力の変動範囲が小さく抑えられていることが前提である。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、反射体の上昇速度の制御や給水流量の制御に頼ることなく、反射体制御による高速炉の反応度の時間変化を低減、特に、燃焼末期近くでの反応度低下や燃焼中期近くでの反応度上昇を抑制することにより、炉心全体の反応度を一定に保ち、熱出力が一定で効率良いプラントとするための反射体制御方式の高速炉およびその中性子反射体を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では燃焼による反応度変化を極力抑えるように、反射体を工夫する。具体的には、反射体を軸方向に複数の領域分割し、各領域ごとに高速中性子反射能力を調整する。それを具体的に示すにあたり、反射体の特性について評価した結果を示す。

図１８は、フェライト系ステンレス鋼（例として９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）を反射体とする場合の代表的な反射体反応度の中性子エネルギー依存性を解析計算により求めて示したものである。炉心の仕様は図１５に示すものである。

図１８から示されるように、反射体反応度は、中性子のエネルギーとしては１０^７ｅＶ（＝１０ＭｅＶ）から１０^４ｅＶ（＝１０ｋｅＶ）までの寄与が大きく、特に、１０^６ｅＶ（＝１ＭｅＶ）から１０^５ｅＶ（＝０．１ＭｅＶ）までの寄与が支配的である。反射体反応度は中性子の反射能力を表すものである。中性子の反射は中性子の散乱により生じるので、中性子の吸収断面積が非常に大きいものを除いては中性子散乱断面積により中性子反射能力がおおむね決定される。特に、図１８から１０^６ｅＶ（１ＭｅＶ）から１０^５ｅＶ（＝０．１ＭｅＶ）までの中性子散乱断面積が大きい物質ほど反射体としての能力が高いと予想される。

図１９は、反射体の候補材料であるフェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼の主成分元素の鉄、クロム、ニッケルおよび、やはり反射体の候補材料である黒鉛の高速エネルギー領域の中性子散乱断面積を比較したものである。これより、１０^６ｅＶ（１ＭｅＶ）から１０^５ｅＶ（＝０．１ＭｅＶ）においては鉄よりもクロムやニッケルの中性子散乱断面積が大きいこと、さらに、平均的にはクロムやニッケルよりも黒鉛の方が中性子散乱断面積が大きいことがわかる。よって、鉄、クロム、ニッケルを主成分とするフェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼では、クロム、ニッケルの含有量が多いほど中性子反射能力が高いこと、さらに黒鉛の方がフェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼よりも中性子反射能力が高いことが予測される。

図２０は、元素組成の異なるフェライト系ステンレス鋼（例として９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）、オーステナイト系ステンレス鋼（例としてＴｙｐｅ３１６鋼）と黒鉛の反射体反応度を比較したものである。ただし、数値の幅は、炉心や反射体の仕様に依存する。図２１はフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼の組成を示す（ただし、Ｃ、Ｓｉなど、１重量％以下の微量元素の表示は省略している）。炉心の寸法、組成、反射体の寸法などの仕様により異なるが、上記の予測通り、反射体反応度は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼ではクロム、ニッケルの含有量が多いほど大きいこと、さらに黒鉛は最も大きな反射体反応度を有することがわかる。

オーステナイト系ステンレス鋼よりもニッケル含有量が多い高ニッケル鋼の代表的組成を図２２に示す。これはスペシャルメタル社（Special Metals Corporation, USA/UK）が開発・製造するＰＥ１６という合金であり、クロムとニッケルの合計含有量は６０％前後にも達しており、反射体反応度の観点からはさらに有利であるといえる。なお、図２２で、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｂ、Ｚｒなど（最大重量比０．０３３程度）が含まれるが表示を省略している（http://www.specialmetals.com/minonpe16.htm参照）。

図２３は反射体の径方向厚さと反射体反応度の関係を示し、反射体材質に係らず、厚さが厚くなるほど反射体反応度は大きいことがわかる。また、密度が高くなったり、低くなったりする効果については、物理的に厚さの増減と同じ効果になり、同一組成で同一厚さの場合は、密度が高いほど反射体反応度が高くなることがわかっている。

なお、ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼に関しては、高速中性子の照射による原子のはじき出しが原因でボイドが形成され、照射量が増加すればするほどボイドが成長して、スエリング（膨張）という現象が顕著に生じることが知られている。これは材料劣化にもつながるため、照射量が大きい場合は対策が必要となってくる。一方、フェライト系ステンレス鋼ではオーステナイト系ステンレス鋼に比べてスエリングが小さいことが知られており、前述のように反射体反応度は劣るものの、スエリング特性がよいために従来例では反射体材料として採用されている。しかしながら、クロム、ニッケルの割合が多いオーステナイト系ステンレス鋼を部分的に利用することにより、反射体反応度の軸方向依存性を変えることができるというメリットがある。

本発明は、以上の検討結果に基づいて前記課題を解決するものであって、請求項１に記載の発明は、液体金属の冷却材に浸された炉心の外側に設置された中性子反射体を上下方向に移動させて炉心からの中性子の漏洩を調整することによって炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉において、前記中性子反射体は、燃料の燃焼による反応度変化に合わせて徐々に上方向に移動されるものであって、上部反射体と下部反射体とに分割されており、前記下部反射体は前記上部反射体に比べて高速中性子の反射能力が高いこと、を特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、液体金属の冷却材に浸された炉心の外側に設置された中性子反射体を上下方向に移動させて炉心からの中性子の漏洩を調整することによって炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉に用いる中性子反射体において、燃料の燃焼による反応度変化に合わせて徐々に上方向に移動されるものであって、上部反射体と下部反射体とに分割されており、前記下部反射体は前記上部反射体に比べて高速中性子の反射能力が高いこと、を特徴とする。

本発明によれば、反射体制御による高速炉において、反射体の上昇速度を一定に保った場合に生じる反応度の時間変化を低減できる。特に、燃焼末期近くでの反応度低下や燃焼中期近くでの反応度上昇を抑制することにより、反応度をできるだけ一定に保つことで、給水流量制御による反応度制御を行なうことなく、あるいはその制御幅を小さく抑えつつ、熱出力が一定で効率良いプラントできる。反射体の上昇速度の制御が不要となるために、制御装置の故障による反応度投入を原理的になくすことにより、安全性も向上できる。上昇速度の制御を行なう場合においても、その制御幅を小さくすることができるので、制御装置の故障による反応度投入を小さく抑えることができ、やはり、安全性の向上が可能となる。

以下、本発明に係る反射体制御方式の高速炉の実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、第１の実施の形態を説明する。図１は第１の実施の形態である反射体制御方式の高速炉の縦断面図である。この断面図は従来例である図１２とは上部反射体２５と下部反射体２６のみが異なっており、従来例では反射体は分割されておらず、軸方向に同一のもので構成されている。その他の符号のついた部分は図１２と同じなので説明を省略する。

図２は炉心２と上部反射体２５、下部反射体２６の関係を拡大して示したものである。上部反射体の高さＨ１はたとえば１２０ｃｍ、下部反射体の高さＨ２はたとえば８０ｃｍであり、合計の高さＨ＝Ｈ１＋Ｈ２は２００ｃｍで、炉心２の高さと同一となっている。上部反射体２５および下部反射体２６の厚さＴは３０ｃｍとし、炉心半径Ｒは６０ｃｍとする。

上部反射体２５はフェライト系ステンレス鋼、下部反射体２６はオーステナイト系ステンレス鋼である。図２１に示すように、これらは、ともに鉄を主成分とするが、クロムとニッケルの合計の割合は、上部反射体２５（フェライト系ステンレス鋼）が９％、下部反射体２６（オーステナイト系ステンレス鋼）が３１％と後者が大幅に多くなっている。図２０に示すように、クロムとニッケルの割合が多いオーステナイト系ステンレス鋼はフェライト系ステンレス鋼よりも反射体反応度が大きくなっている。

図１９に示す反射体構成物質の散乱断面積のグラフから、中性子エネルギー１ＭｅＶ〜０．１ＭｅＶの間でクロムとニッケルは鉄よりも散乱断面積が大きい。よって、クロムとニッケルの含有量が大きく高速中性子の反射能力がフェライト系ステンレス鋼より大きいオーステナイト系ステンレス鋼が反射体下端から５分の２までの領域を構成し、その上部領域を高速中性子の反射能力が小さいフェライト系ステンレス鋼が構成していることになる。

図３は運転期間中の反射体の移動を模式的に示したもので、反射体の上方への挿入度を炉心高さに対する相対割合で示すと、燃焼初期は約４０％、燃焼中期は７０％、燃焼末期は１００％となっており、反射体の移動速度は一定としている。

図４は反射体の挿入深さと反応度の関係を示すものである。反射体が１種類の組成でフェライト系ステンレス鋼からなる従来例では燃焼末期の反射体による反応度増加が鈍化している。この理由は前述の通りである。一方、本実施の形態では挿入深さ７０％近辺から反応度増大が大きくなっていることがわかる。これは挿入深さ７０％近辺から炉心に接し始めるクロム、ニッケルの割合が多いオーステナイト系ステンレス鋼の影響である。

図５は第１の実施の形態の運転期間中の高速炉の反応度変化を示したものである。従来例では運転期間１５年以降反応度は低下しているが、本実施の形態により反応度低下が抑制されている。これによって、反応度低下に基づく炉心熱出力の低下が抑制されているため、蒸気流量制御や反射体移動速度の制御を緩和、あるいは不要とすることができ、簡素な運転で安全性も高く、効率も良い高速炉を提供することができる。

次に、第２の実施の形態を説明する。図６は第２の実施の形態である反射体制御方式の高速炉の縦断面図で、特に炉心２と反射体２５、２６、２７の部分を拡大したものであり、第１の実施の形態である高速炉の縦断面図である図１に対応するものは省略しているが、反射体の部分が図６のものになる以外は図１と同一である。上部反射体２５、中央部反射体２７、下部反射体２６の高さＨ３、Ｈ４、Ｈ５がそれぞれ、たとえば、Ｈ３＝７０ｃｍ、Ｈ４＝６０ｃｍ、Ｈ５＝７０ｃｍである。

また、それぞれの組成は、上部反射体２５がオーステナイト系ステンレス鋼、中央部反射体２７がフェライト系ステンレス鋼、下部反射体２６が黒鉛となっている。図２０よりわかるように、反射体反応度は、大きい方から黒鉛、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼の順である。これにより、図７に示すように、第１の実施の形態と同様、燃焼末期での反応度低下を抑制できるだけでなく、燃焼中期の反応度増加をも抑制できるために、運転期間中の反応度変化を第１の実施の形態以上に抑制でき、単一の組成（フェライト系ステンレス鋼）からなる従来例の反射体に比べて、大幅に反応度変化を抑制できる。

なお、下部反射体２６の黒鉛の代わりに、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を用いても同様な効果を得ることができる。ただし、炭化ホウ素の場合、炭素と結合しているボロンはＢ−１０を１０％程度含む天然ボロンではなくて、Ｂ−１０を濃縮した後に残るＢ−１１が主成分でなければならない。Ｂ−１０は中性子吸収が大きいので、反射体反応度が大幅に低下するためである。

次に、第３の実施の形態を説明する。図８は第３の実施の形態である反射体制御方式の高速炉のうち、反射体の縦断面図である。反射体の組成はフェライト系ステンレス鋼で一様であるが、反射体下部領域において、図８（ａ）では下方に向かって徐々に厚くなっており、図８（ｂ）では一様に厚くなっている。図２３に示したごとく、厚さが厚いほど反射体能力は高くなるので、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。図８（ｃ）は中央部よりも上部の厚さが厚く、また下部が最も厚さが厚くなっており、第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

各反射体の寸法例をここに示す。図８（ａ）の例では、上部の厚さＴ１は２５ｃｍ、下部の高さＨ２＝９０ｃｍの部分で次第に厚くなって下端部の厚さＴ２は４５ｃｍとする。図８（ｂ）の例では、上部の厚さＴ１は２５ｃｍ、下部の高さＨ３＝８０ｃｍの部分の厚さＴ３は４０ｃｍとする。図８（ｃ）の例では、上部の高さＨ４＝７０ｃｍの部分の厚さＴ４は３０ｃｍ、中間部の高さＨ５＝６０ｃｍの部分の厚さＴ５は２５ｃｍとし、下部の高さＨ６＝７０ｃｍの部分の厚さＴ６は４０ｃｍとする。

次に、第４の実施の形態を説明する。第４の実施の形態の反射体制御方式の高速炉のうち、反射体の縦断面図はそれぞれ図６と同一であるが、反射体材料はフェライト系ステンレス鋼（９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼）で一定であるが、実効密度が変化している。たとえば、実効密度を、上部反射体２５で９０％、中央部反射体２７で８５％、下部反射体２６で１００％とする。

このように反射体材料であるフェライト系ステンレス鋼を配置する密度を領域ごとに変化させる方法として、薄肉のフェライト系ステンレス鋼板材を縦方向に重ねる構造として、下部反射体２６では隙間なく重ねて、上部反射体２５、中央部反射体２７では所定の実効密度となるように、スペーサを各板材の間にはさんでいる。

次に、第５の実施の形態を説明する。図９は第５の実施の形態である反射体制御方式の高速炉のうち、反射体の縦断面図である。図９（ａ）に示す例では、第１の実施の形態の上部反射体２５および下部反射体２６（図２）が、反射体外枠２８に包囲されている。反射体外枠２８は、たとえばフェライト系ステンレス鋼で構成される。反射体外枠２８の厚さはたとえば約３ｃｍであり、上部反射体２５、中央部反射体２７、下部反射体２６を所定の位置に保持する役目を果たす。それと同時に、中性子照射によるスエリング特性が良好なフェライト系ステンレス鋼を最も照射量の厳しい外側におくことにより、反射体のスエリング特性を良好なものとしつつ、反応度変化を低減している。

図９（ｂ）の例は、反射体外枠２８を第２の実施の形態の反射体（図６）に適用した場合を示している。この場合は、上部反射体２５、中央部反射体２７、下部反射体２６が、反射体外枠２８に包囲されている。反射体外枠２８の構成や作用は図９（ａ）の場合と同様である。

次に、第６の実施の形態を説明する。図１０は第６の実施の形態である反射体制御方式の高速炉の炉心および反射体を含む水平断面図である。炉心２の周囲は周方向に６分割されており、３種類の反射体２９、３０、３１が交互に配置されている。

図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、反射体２９、３０、３１の縦断面図である。反射体２９は上部反射体３２、下部反射体３３から構成され、反射体３０は上部反射体３４、下部反射体３５から構成され、反射体３１は上部反射体３６、下部反射体３７から構成されている。上部反射体３２、３４、３６はフェライト系ステンレス鋼、下部反射体３３、３５、３７はオーステナイト系ステンレス鋼である。第１の実施の形態と比べると、軸方向の組成も含めて反射体の材質は同一である。ただし、周方向に反射体が３種類、６個に分割されており、軸方向の材質の境界が、周方向の２種類の反射体ごとに少しずつずれて設定されていることである。たとえば、上部反射体３２、３４、３６の高さは、それぞれ、Ｈ８＝１３０ｃｍ、Ｈ９＝１４０ｃｍ、Ｈ１０＝１５０ｃｍとなっていて１０ｃｍずつ高さがずれている。

このように軸方向組成の変更位置を周方向に分割された反射体ごとに少しずつ変えることにより、組成の変わり目で反射体反応度が大きく増大する傾向を軸方向に分散して、反射体反応度の変化を滑らかにすることができる。

次に、第７の実施の形態を説明する。この実施の形態は第１の実施の形態と同様であるが、下部反射体２６が図２４に示すチタン添加のオーステナイト系ステンレス鋼の改良３１６鋼であることのみ異なる。これにより、高速中性子の照射によるスエリングを抑制できるので、長期間の照射においても構造健全性を高く保つことができ、反射体交換回数の低減、あるいは無交換とすることができ、経済性を向上できる。なお、図２４の改良オーステナイト鋼を採用することにより、クロム、ニッケルの含有量およびチタンの添加量が改良３１６鋼よりも多く、反射体反応度、スエリングの両方の観点からさらに優れたものとできる。

次に、第８の実施の形態を説明する。この実施の形態では第５の実施の形態と同様であるが、反射体外枠２８が図２２に示すチタン添加のオーステナイト系ステンレス鋼の改良オーステナイト鋼であることのみ異なる。これにより、高速中性子の照射によるスエリングを抑制できるので、長期間の照射においても構造健全性を高く保つことができ、反射体交換回数の低減、あるいは無交換とすることができ、経済性を向上できる。なお、さらにオーステナイト系ステンレス鋼からなる上部反射体２５を図２４の改良３１６鋼や改良オーステナイト鋼とすることにより、反射体全体をスエリングの低い優れたものとできる。なお、図２４では省略しているが、ここに記載された元素のほかに、Ｃ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｐ、Ｂなどが含まれるが表示を省略している（ＡＳＴＭ−ＳＴＰ１１７５参照）。

以上説明した各実施の形態の反射体で、高速中性子の反射能力の高い部分（下部反射体２６，３３，３５，３７）は、反射体の下端から１／４ないし１／２までの範囲内にあれば、反応度変化の緩和に効果がある。

本発明に係る高速炉の第１の実施の形態の右半分を示す縦断面図。図１の炉心および反射体の縦断面図。第１の実施の形態の高速炉の運転期間中の反射体の動きを模式的に示す説明図。第１の実施の形態の高速炉における反射体挿入深さと反射体反応度の関係を示すグラフ。第１の実施の形態の高速炉における運転期間と反射体反応度の関係を示すグラフ。本発明に係る高速炉の第２および第４の実施の形態の炉心および反射体の縦断面図。第２の実施の形態の高速炉における運転期間と反射体反応度の関係を示すグラフ。本発明に係る高速炉の第３の実施の形態の反射体の縦断面図であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、異なる例を示す。本発明に係る高速炉の第５の実施の形態の反射体を示す縦断面図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、異なる例を示す。本発明に係る高速炉の第６の実施の形態の炉心および反射体の水平断面図。図１０の反射体の縦断面図であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、異なる部分の断面を示す。従来の高速炉の右半分を示す縦断面図。図１２の高速炉の水平断面図。図１２の高速炉の燃料集合体付近の縦断面図。反射体制御方式の高速炉主要仕様例を示す表。従来の高速炉における運転期間と反応度の関係を示すグラフ。従来の高速炉における反射体挿入深さと反応度の関係を示すグラフ。従来の高速炉における反射体反応度のエネルギー依存性を示すグラフ。反射体構成物質の中性子エネルギーと中性子散乱断面積の関係を示すグラフ。代表的反射体材料の反射体反応度を示す表。代表的なステンレス鋼の組成（重量比）を示す表。代表的な高ニッケル鋼の組成（重量比）を示す表。代表的反射体材料の反射体反応度の径方向厚さ依存性を示すグラフ。代表的なチタン添加のオーステナイト系ステンレス鋼の組成（重量比）を示す表。

符号の説明

１…原子炉容器、２…炉心、３…中性子遮蔽体、４…冷却材、４ａ…冷却材液面、５…燃料集合体、６…中性子吸収棒用のチャンネル、７…炉心バレル、８…隔壁、９，２９，３０，３１…中性子反射体、１０…中性子反射体の移動領域、１１…中性子遮蔽棒、１２…ガードベッセル、１３…ラッパ管、１４…燃料ピン、１４ａ…燃料部、１４ｂ…プレナム部、１５ａ…上部中性子遮蔽体、１５ｂ…下部中性子遮蔽体、１６…エントランスノズル、１７…炉心支持体、１８…冷却材入口、１９…冷却材出口、２０…駆動棒、２１…遮蔽プラグ、２２…駆動装置、２３…カバーガス空間、２４…キャビティ、２５，３２，３４，３６…上部反射体、２６，３３，３５，３７…下部反射体、２７…中央部反射体、２８…反射体外枠。

Claims

液体金属の冷却材に浸された炉心の外側に設置された中性子反射体を上下方向に移動させて炉心からの中性子の漏洩を調整することによって炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉において、
前記中性子反射体は、燃料の燃焼による反応度変化に合わせて徐々に上方向に移動されるものであって、上部反射体と下部反射体とに分割されており、前記下部反射体は前記上部反射体に比べて高速中性子の反射能力が高いこと、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項１に記載の反射体制御方式の高速炉において、前記炉心の長さが前記中性子反射体の長さに等しく、かつ、燃焼初期から燃焼末期にかけて前記中性子反射体を引き上げて、燃焼末期には炉心長さ全体を反射体が覆うように制御するものであって、前記下部反射体は前記中性子反射体の下端から１／４ないし１／２までの範囲内であること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項１または２に記載の反射体制御方式の高速炉において、前記下部反射体に、エネルギーが１ＭｅＶから０．１ＭｅＶまでの高速中性子の中性子散乱断面積が上部反射体に比べて大きい材料が配置されていること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項１ないし３のいずれかに記載の反射体制御方式の高速炉において、前記中性子反射体は、クロムまたはニッケルの少なくとも一方を含む鋼から構成され、前記下部反射体は前記上部反射体に比べてクロムまたはニッケルの含有率が高いこと、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項１ないし３のいずれかに記載の反射体制御方式の高速炉において、前記下部反射体は炭化物を有し、前記上部反射体はクロムまたはニッケルの少なくとも一方を含む鋼から構成されていること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項１または２に記載の反射体制御方式の高速炉において、前記下部反射体は前記上部反射体に比べて厚く構成されていること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項１または２のいずれかに記載の反射体制御方式の高速炉において、前記下部反射体は前記上部反射体に比べて、中性子反射体材料の実効的な密度が高くなるように構成されていること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項１ないし７のいずれかに記載の反射体制御方式の高速炉において、前記中性子反射体は、クロムまたはニッケルの少なくとも一方を含む鋼から構成された外枠部分に囲まれて形成されていること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項１ないし８のいずれかに記載の反射体制御方式の高速炉において、前記中性子反射体は前記炉心を囲むように配置され、かつ、前記上部反射体と下部反射体それぞれが周方向に分割されており、前記上部反射体と下部反射体との境界の軸方向位置が周方向の位置によって異なること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項４または５に記載の反射体制御方式の高速炉において、前記中性子反射体の少なくとも一部は、鉄、クロムおよびニッケルを主成分とし、さらにチタンを添加した低スエリング特性を有するオーステナイト系ステンレス鋼からなること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
請求項８に記載の反射体制御方式の高速炉において、前記外枠部分の少なくとも一部は、鉄、クロムおよびニッケルを主成分とし、さらにチタンを添加した低スエリング特性を有するオーステナイト系ステンレス鋼からなること、を特徴とする反射体制御方式の高速炉。
液体金属の冷却材に浸された炉心の外側に設置された中性子反射体を上下方向に移動させて炉心からの中性子の漏洩を調整することによって炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉に用いる中性子反射体において、
燃料の燃焼による反応度変化に合わせて徐々に上方向に移動されるものであって、上部反射体と下部反射体とに分割されており、前記下部反射体は前記上部反射体に比べて高速中性子の反射能力が高いこと、を特徴とする中性子反射体。