JP6483389B2 - Fast neutron core design method - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、高速中性子炉心の設計方法に関する。 Embodiments of the present invention relates to a method of designing a high-speed neutrons core.

図21は、従来の高速炉の炉心の構成例を示す平面図である。高速炉炉心103は、中央に配されて核分裂性物質を多く含む炉心燃料集合体16と、さらに、その径方向外側に配されて中性子吸収により核分裂性物質に変換される核分裂性親物質を多く含むブランケット燃料集合体19を有する。炉心燃料集合体16は、中央領域に配された内側炉心燃料集合体17と、その径方向外側に配された外側炉心燃料集合体18を有する。また、内側炉心燃料集合体17が配列されている領域に互いに隣接することなく制御棒案内管20が配されている。   FIG. 21 is a plan view showing a configuration example of a core of a conventional fast reactor. The fast reactor core 103 includes a core fuel assembly 16 disposed in the center and containing a large amount of fissile material, and further includes a large amount of fissile parent material disposed on the outer side in the radial direction and converted into a fissile material by neutron absorption. A blanket fuel assembly 19 is included. The core fuel assembly 16 includes an inner core fuel assembly 17 disposed in the central region, and an outer core fuel assembly 18 disposed radially outside thereof. Further, the control rod guide tube 20 is arranged without being adjacent to each other in the region where the inner core fuel assemblies 17 are arranged.

図21では、内側炉心燃料集合体17は正六角形で表示し、外側炉心燃料集合体18は六角形の中に丸、ブランケット燃料集合体19は六角形の中に二重丸、制御棒案内管20は六角形の中にCを加えて表示している。   In FIG. 21, the inner core fuel assembly 17 is represented by a regular hexagon, the outer core fuel assembly 18 is a circle in the hexagon, and the blanket fuel assembly 19 is a double circle in the hexagon. Reference numeral 20 indicates a hexagonal shape with C added.

図22は、従来の燃料集合体の構成を示す立断面図である。また、図23は、図22のXXIII−XXIII線矢視水平断面図である。内側炉心燃料集合体17および外側炉心燃料集合体18のそれぞれは、図22および図23に示すように、筒状のラッパ管24内に配設された複数の燃料要素27を有する。   FIG. 22 is an elevational sectional view showing the structure of a conventional fuel assembly. FIG. 23 is a horizontal sectional view taken along line XXIII-XXIII in FIG. Each of the inner core fuel assembly 17 and the outer core fuel assembly 18 has a plurality of fuel elements 27 disposed in a tubular trumpet tube 24 as shown in FIGS. 22 and 23.

ラッパ管24の下部には、炉心燃料集合体16を図示しない炉心支持板に固定支持して冷却材の流路を構成するためのエントランスノズル22が設けられている。エントランスノズル22の側壁には、冷却材流入孔21が穿設されている。ラッパ管24の上部には、炉心燃料集合体16を高速炉炉心103内に装荷あるいは高速炉炉心103から取り出す際の把持部となるハンドリングヘッド25が設けられている。   Below the trumpet tube 24, there is provided an entrance nozzle 22 for constituting the coolant flow path by fixing and supporting the core fuel assembly 16 to a core support plate (not shown). A coolant inflow hole 21 is formed in the side wall of the entrance nozzle 22. An upper portion of the trumpet tube 24 is provided with a handling head 25 that serves as a grip when the core fuel assembly 16 is loaded into the fast reactor core 103 or taken out from the fast reactor core 103.

冷却材流入孔21から炉心燃料集合体下部に流れ出た冷却材10は、エントランスノズル22を通過し、熱の発生源である燃料要素27に流入する。冷却材10は、燃料要素27で加熱された後に、ハンドリングヘッド25の中央部にある冷却材流出孔26から流出する。   The coolant 10 flowing out from the coolant inflow hole 21 to the lower part of the core fuel assembly passes through the entrance nozzle 22 and flows into the fuel element 27 that is a heat generation source. The coolant 10 is heated by the fuel element 27 and then flows out from the coolant outlet hole 26 in the center of the handling head 25.

図24は、従来の燃料集合体の燃料要素の立断面図である。また、図25は、図24のXXV−XXV線矢視水平断面図である。燃料要素27は、図24および図25に示すように、燃料の中央部に核分裂性物質を多く含む炉心燃料28を配置し、この炉心燃料28の下部と上部に中性子吸収により核分裂性物質に変換される核分裂性親物質を多く含む下部ブランケット燃料29と上部ブランケット燃料30がそれぞれ配されている。これら燃料を被覆管34に収納し、被覆管34の下部を下部端栓35で密封し、上部を上部端栓36で密封した構造である。炉心燃料28、下部ブランケット燃料29および上部ブランケット燃料30と、被覆管34の間には、隙間が設けられており、酸化物燃料炉心の場合はこの隙間にはヘリウムガスが充填されている。また、被覆管34内の下部ブランケット燃料29の下方、および上部ブランケット燃料30の上方には、燃料が燃焼することで排出されるガスを蓄積するための下部プレナム32および上部プレナム33がそれぞれ形成されている。   FIG. 24 is an elevational sectional view of a fuel element of a conventional fuel assembly. 25 is a horizontal sectional view taken along line XXV-XXV in FIG. As shown in FIGS. 24 and 25, in the fuel element 27, a core fuel 28 containing a large amount of fissile material is disposed in the center of the fuel, and the lower and upper portions of the core fuel 28 are converted into fissile material by neutron absorption. A lower blanket fuel 29 and an upper blanket fuel 30 containing a large amount of fissile parent material are disposed. These fuels are stored in the cladding tube 34, the lower portion of the cladding tube 34 is sealed with the lower end plug 35, and the upper portion is sealed with the upper end plug 36. A gap is provided between the core fuel 28, the lower blanket fuel 29 and the upper blanket fuel 30, and the cladding tube 34. In the case of an oxide fuel core, this gap is filled with helium gas. Further, a lower plenum 32 and an upper plenum 33 for accumulating gas discharged by burning the fuel are formed below the lower blanket fuel 29 and above the upper blanket fuel 30 in the cladding tube 34, respectively. ing.

高速中性子を利用する原子炉において、燃焼反応度を低減することは、サイクル長さの延長による経済性向上、および、制御棒誤引き抜きの挿入反応度の低減による安全性向上に貢献する。ここで、燃焼反応度とは、運転サイクルの開始から終了までの間の燃料の燃焼に伴う反応度の変化である。   In a nuclear reactor using fast neutrons, reducing the combustion reactivity contributes to improving the economy by extending the cycle length and improving the safety by reducing the insertion reactivity of the control rod erroneous pulling. Here, the combustion reactivity is a change in reactivity accompanying combustion of fuel from the start to the end of the operation cycle.

従来の原子炉では、プルトニウム(Pu)富化度を低くして、内部転換比を向上させ、燃焼反応度を小さくする方法がとられていた。この方法では、Pu同位体組成が変動すると、燃焼反応度も大きく変動することが知られている(たとえば、特許文献1参照)。   In a conventional nuclear reactor, a method of reducing the plutonium (Pu) enrichment, improving the internal conversion ratio, and reducing the combustion reactivity has been adopted. In this method, it is known that when the Pu isotope composition varies, the combustion reactivity also varies greatly (see, for example, Patent Document 1).

また、Puを含む超ウラン元素(TRU)燃焼効率を向上させるためのウラン無し燃料の場合も燃焼反応度が大幅に増加する。このため、Pu同位体組成変動、あるいは、ウランの大小に依存しない方法が望まれる。なお、加速器駆動原子炉においても、燃焼反応度による加速器ビーム電流の上昇幅を抑えたいという要求もある。   In addition, in the case of a uranium-free fuel for improving the efficiency of transuranium (TRU) combustion including Pu, the combustion reactivity is greatly increased. Therefore, a method that does not depend on fluctuations in Pu isotope composition or the size of uranium is desired. There is also a demand for an accelerator-driven nuclear reactor to suppress the increase in the accelerator beam current due to the combustion reactivity.

このような要求を解決するため、高速中性子を利用する原子炉において、可燃性毒物を適用した設計例は数件ある(たとえば、特許文献2、非特許文献1および非特許文献2参照)。しかしながら、これらの設計例においては系統的な設計方法は示されていない。   In order to solve such a demand, there are several design examples in which a flammable poison is applied in a nuclear reactor using fast neutrons (see, for example, Patent Document 2, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2). However, a systematic design method is not shown in these design examples.

特開2008−216009号公報JP 2008-216009 A 特開2005−24346号公報JP 2005-24346 A

Feasibility of Using Burnable Poisons for Reduction of Coolant Void Reactivity in LMR for TRU Transmutation(PHYSOR 2004)Feasibility of Using Burnable Poisons for Reduction of Coolant Void Reactivity in LMR for TRU Transmutation (PHYSOR 2004) A STUDY ON BURNABLE ABSORBER FOR A FAST SUB-CRITICAL REACTOR HYPER(OECD/NEA 2001)A STUDY ON BURNABLE ABSORBER FOR A FAST SUB-CRITICAL REACTOR HYPER (OECD / NEA 2001)

ところで、上述のような高速中性子を利用する原子炉において、可燃性毒物を適用する場合、中性子の吸収体を混入しただけでは、燃焼変換速度が遅いため、減速材を使って、中性子のエネルギーを高速から減速させて、変換速度を速める方法が知られている。   By the way, in the case of applying a flammable poison in a reactor using fast neutrons as described above, the combustion conversion speed is slow just by mixing a neutron absorber, so the moderator is used to reduce the energy of the neutron. A method of increasing the conversion speed by decelerating from a high speed is known.

本発明の実施形態は、このような減速材および中性子の吸収体を配する体系において、中性子吸収体の燃焼速度をさらに高めることを目的とする。   An object of the embodiment of the present invention is to further increase the burning rate of the neutron absorber in the system in which the moderator and the neutron absorber are arranged.

また、本実施形態に係る高速中性子炉心設計方法は、中性子減速部の厚さを設定する減速部厚さ決定ステップと、中性子吸収部の材質、中性子吸収部の厚さを設定する吸収部設定ステップと、前記減速部厚さ決定ステップおよび前記吸収部設定ステップの後に、体系の中性子束分布を計算する中性子束計算ステップと、前記中性子束計算ステップの後に、前記吸収部設定ステップで設定された中性子吸収部の材質による中性子吸収断面積、前記中性子束計算ステップで得られた中性子束、および運転期間に基づいて、運転期間末期の中性子吸収部の残量を計算する吸収部残量計算ステップと、前記中性子吸収部の残量の初期の量に対する割合が規定値より小さいか否かを判定する判定ステップと、を有し、前記中性子減速部の厚さD1は、減速距離√τよりも大きい、ことを特徴とする。 Further, the fast neutron core design method according to the present embodiment includes a moderator thickness determining step for setting the thickness of the neutron moderator, and an absorber setting step for setting the material of the neutron absorber and the thickness of the neutron absorber. And a neutron flux calculation step for calculating a neutron flux distribution of the system after the moderator thickness determination step and the absorber setting step, and a neutron set in the absorber setting step after the neutron flux calculation step Based on the neutron absorption cross section by the material of the absorber, the neutron flux obtained in the neutron flux calculation step, and the operation period, the absorber remaining amount calculation step for calculating the remaining amount of the neutron absorber at the end of the operation period; the percentage relative to the initial amount of the remaining amount of neutron absorbing portion is closed and a determination step of determining whether less or not than a specified value, the thickness D1 of the neutron moderating portion, reduced Distance larger than √Tau, characterized in that.

本発明の実施形態によれば、減速材および中性子の吸収体を配する体系において、中性子吸収体の燃焼速度をさらに高めることが可能となる。   According to the embodiment of the present invention, in the system in which the moderator and the neutron absorber are arranged, it is possible to further increase the burning rate of the neutron absorber.

第1の実施形態に係る高速中性子原子炉の構成を示す立断面図である。It is a sectional elevation showing the composition of the fast neutron nuclear reactor concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the fast neutron core which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る高速中性子炉心の可燃性毒物集合体の構成を示す立断面図である。It is an elevation sectional view showing the composition of the flammable poison assembly of the fast neutron core according to the first embodiment. 図3のIV−IV線矢視水平断面図である。FIG. 4 is a horizontal sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. 第1の実施形態に係る高速炉炉心の中性子減速材要素の立断面図である。It is an elevation sectional view of a neutron moderator element of a fast reactor core concerning a 1st embodiment. 図5のVI−VI線矢視水平断面図である。FIG. 6 is a horizontal sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5. 第1の実施形態に係る高速炉炉心の中性子吸収体要素の立断面図である。It is an elevation sectional view of the neutron absorber element of the fast reactor core according to the first embodiment. 図7のVIII−VIII線矢視水平断面図である。FIG. 8 is a horizontal sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 7. 可燃性毒物集合体を概念的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the combustible poison aggregate | assembly conceptually. 中性子吸収部の厚さの設定の説明図である。It is explanatory drawing of the setting of the thickness of a neutron absorption part. 中性子のエネルギースペクトルの変化の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the change of the energy spectrum of a neutron. 第1の実施形態に係る高速中性子炉心設計方法の手順を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the procedure of the fast neutron core design method which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る高速中性子炉心と従来の炉心の実効増倍率変化の例を説明するグラフである。It is a graph explaining the example of the effective multiplication factor change of the fast neutron core which concerns on 1st Embodiment, and the conventional core. 第2の実施形態に係る高速中性子炉心用の可燃性毒物集合体の構成を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing the composition of the flammable poison assembly for the fast neutron core according to the second embodiment. 第3の実施形態に係る高速中性子炉心用の中性子減速材集合体と複数の第1の複合燃料集合体の組合せを示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing a combination of a neutron moderator assembly for a fast neutron core according to a third embodiment and a plurality of first composite fuel assemblies. 第4の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the fast neutron core which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る高速中性子炉心の第2の複合燃料集合体の構成を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing the composition of the 2nd compound fuel assembly of the fast neutron core concerning a 4th embodiment. 第4の実施形態に係る高速中性子炉心の第2の複合燃料集合体の複合燃料要素を示す立断面図である。It is an elevation sectional view showing the composite fuel element of the second composite fuel assembly of the fast neutron core according to the fourth embodiment. 第5の実施形態に係る高速中性子炉心の第2の複合燃料集合体の複合燃料要素の変形例を示す立断面図である。It is an elevation sectional view showing a modification of a composite fuel element of a second composite fuel assembly of a fast neutron core according to a fifth embodiment. 第6の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the fast neutron core which concerns on 6th Embodiment. 従来の高速炉の炉心の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of the core of the conventional fast reactor. 従来の燃料集合体の構成を示す立断面図である。It is an elevational sectional view showing the configuration of a conventional fuel assembly. 図22のXXIII−XXIII線矢視水平断面図である。FIG. 23 is a horizontal sectional view taken along line XXIII-XXIII in FIG. 22. 従来の燃料集合体の燃料要素の立断面図である。It is a sectional elevation view of a fuel element of a conventional fuel assembly. 図24のXXV−XXV線矢視水平断面図である。FIG. 25 is a horizontal sectional view taken along line XXV-XXV in FIG. 24.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高速中性子炉心設計方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。なお、以下の説明において、炉心を構成する各要素は、それぞれが炉心に配された状態でそれぞれの上下関係等の姿勢を表現するものとする。 Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a description will be given fast neutron core design method engaged Ru to an embodiment of the present invention. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted. In the following description, each element constituting the core expresses a posture such as a vertical relationship in a state where each element is arranged in the core.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る高速中性子原子炉の構成を示す立断面図である。高速中性子原子炉1は、高速中性子炉心(以下、単に炉心という。)3と、炉心3を内包し底部を有し鉛直方向に延びる円筒状の原子炉容器2と、原子炉容器2の上部の開口を塞ぐように設けられた遮へいプラグ11を有する。炉心3は、炉心支持板4により支持されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an elevational sectional view showing the configuration of the fast neutron reactor according to the first embodiment. The fast neutron reactor 1 includes a fast neutron core (hereinafter simply referred to as a core) 3, a cylindrical reactor vessel 2 that includes the core 3 and has a bottom portion and extends in the vertical direction, and an upper portion of the reactor vessel 2. A shielding plug 11 is provided so as to close the opening. The core 3 is supported by a core support plate 4.

炉心3の上方には、遮へいプラグ11に支持された炉心上部機構7が設けられている。炉心支持板4の下方には、炉心3への冷却材の流量配分機能を有する炉内構造物5、炉心溶融事故時に溶融燃料を保持するコアキャッチャ6が同じ原子炉容器2内に設けられている。炉心3は、後述する複数の炉心燃料集合体16等を構成要素として形成されている。   Above the core 3, a core upper mechanism 7 supported by a shielding plug 11 is provided. Below the core support plate 4, a reactor internal structure 5 having a function of distributing coolant flow to the core 3 and a core catcher 6 for holding molten fuel in the event of a core melting accident are provided in the same reactor vessel 2. Yes. The core 3 is formed with a plurality of core fuel assemblies 16 and the like described later as constituent elements.

遮へいプラグ11の炉心3の上方には、制御棒駆動装置15が設けられており、炉心3の制御棒案内管20(図2)内に、図示しない制御棒を挿入可能に構成されている。また、冷却材入口配管8、冷却材出口配管9が原子炉容器2を気密に貫通し、その一部は、同様に原子炉容器2内に配されている。冷却材入口配管8から原子炉容器2内の下部空間に流れ出た冷却材10は、上向きに方向を転じて炉内構造物5、炉心支持板4を通過し、熱の発生源である炉心3に流入する。冷却材10は、炉心3で加熱された後に、原子炉容器2の外部で熱交換するために冷却材出口配管9から流出する。   A control rod driving device 15 is provided above the core 3 of the shielding plug 11 so that a control rod (not shown) can be inserted into the control rod guide tube 20 (FIG. 2) of the core 3. Moreover, the coolant inlet pipe 8 and the coolant outlet pipe 9 penetrate the reactor vessel 2 in an airtight manner, and a part thereof is similarly arranged in the reactor vessel 2. The coolant 10 that has flowed out from the coolant inlet pipe 8 into the lower space in the reactor vessel 2 turns upward and passes through the in-core structure 5 and the core support plate 4, and the core 3, which is a heat generation source. Flow into. After the coolant 10 is heated in the reactor core 3, it flows out from the coolant outlet pipe 9 for heat exchange outside the reactor vessel 2.

なお、図1では、ループ型の原子炉の例を示したが、これには限定されない。たとえば、以下に述べる特徴をもつ炉心を有していれば、図示しない中間熱交換器を含む1次冷却系等が、炉心を収納する原子炉容器内に収納されるタンク型の原子炉の場合であっても、よい。   Although FIG. 1 shows an example of a loop reactor, the present invention is not limited to this. For example, in the case of a tank-type nuclear reactor in which a primary cooling system including an intermediate heat exchanger (not shown) is housed in a reactor vessel that houses the core if the core has the characteristics described below. It's okay.

図2は、第1の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。炉心3は、全体が平面的にほぼ円形である。炉心3は、中央に複数の内側炉心燃料集合体17が鉛直方向に延びて互いに平行に配列され全体として平面的にはほぼ円形をなしている。   FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the fast neutron core according to the first embodiment. The entire core 3 is substantially circular in plan view. The core 3 has a plurality of inner core fuel assemblies 17 extending in the vertical direction at the center and arranged in parallel to each other, and has a substantially circular shape as a whole.

内側炉心燃料集合体17の径方向外側に内側炉心燃料集合体17を取り巻くように、内側炉心燃料集合体17と平行に外側炉心燃料集合体18が2層をなして配列されている。さらに、その径方向外側に、外側炉心燃料集合体18を取り巻くように、外側炉心燃料集合体18と平行にブランケット燃料集合体19がほぼ3層をなして配列されている。ここで、外側炉心燃料集合体18およびブランケット燃料集合体19の層数は例であって、それぞれ2層および3層の場合に限定されない。   The outer core fuel assemblies 18 are arranged in two layers in parallel with the inner core fuel assemblies 17 so as to surround the inner core fuel assemblies 17 on the radially outer side of the inner core fuel assemblies 17. Further, on the outer side in the radial direction, blanket fuel assemblies 19 are arranged in almost three layers in parallel with the outer core fuel assemblies 18 so as to surround the outer core fuel assemblies 18. Here, the number of layers of the outer core fuel assembly 18 and the blanket fuel assembly 19 is an example, and is not limited to the case of two layers and three layers, respectively.

内側炉心燃料集合体17が配列されている領域には、複数本の制御棒案内管20が互いに隣接することなく内側炉心燃料集合体17と平行に配列されている。また、内側炉心燃料集合体17が配列されている領域には、複数本の可燃性毒物(Burnble Poison)集合体37が互いに隣接することなく内側炉心燃料集合体17と平行に炉心内の複数の局所に配列されている。   In the region where the inner core fuel assemblies 17 are arranged, a plurality of control rod guide tubes 20 are arranged in parallel with the inner core fuel assemblies 17 without being adjacent to each other. Further, in the region where the inner core fuel assemblies 17 are arranged, a plurality of burnable poison assemblies 37 are not adjacent to each other and are parallel to the inner core fuel assemblies 17 in a plurality. Arranged locally.

炉心燃料集合体16、ブランケット燃料集合体19、制御棒案内管20、および可燃性毒物集合体37の正六角柱の各側面は、これらの集合体のそれぞれが隣接する他の集合体の側面と平行に対向して互いに隣接している。   Each side of the regular hexagonal column of the core fuel assembly 16, the blanket fuel assembly 19, the control rod guide tube 20, and the combustible poison assembly 37 is parallel to the side of the other assembly to which each of these assemblies is adjacent. Are adjacent to each other.

炉心燃料集合体16のうち内側炉心燃料集合体17は、図示しない複数の内側燃料要素と、これらを収納し外形が六角柱のラッパ管を有する。内側燃料要素は、鉛直方向下側から配された下部ブランケット燃料、炉心燃料および上部ブランケット燃料と、これらを収納する燃料部被覆管を有する。核分裂により中性子を生ずる部分(以下、燃料部と呼ぶ。)である炉心燃料はたとえば、核分裂性のプルトニウム(Pu)、ウラン(U)、マイナーアクチニド(Np、Am、Cm)あるいはこれらの混合物を含む。   The inner core fuel assembly 17 of the core fuel assembly 16 includes a plurality of inner fuel elements (not shown) and a trumpet cylinder tube that houses them. The inner fuel element has a lower blanket fuel, a core fuel and an upper blanket fuel arranged from the lower side in the vertical direction, and a fuel part cladding tube for storing these. The core fuel, which is a part that generates neutrons by fission (hereinafter referred to as a fuel part) includes, for example, fissile plutonium (Pu), uranium (U), minor actinides (Np, Am, Cm), or a mixture thereof. .

炉心燃料集合体16のうち外側炉心燃料集合体18も、同様に、図示しない複数の外側燃料要素とこれらを収納し外形が六角柱のラッパ管を有する。外側燃料要素の構成も内側燃料要素と同様に、鉛直方向下側から配された下部ブランケット燃料、炉心燃料および上部ブランケット燃料と、これらを収納する燃料部被覆管を有する。内側燃料要素の炉心燃料と、外側燃料要素の炉心燃料とは、Puの富化度あるいはUの濃縮度、すなわち核分裂性物質の濃度を異にしている。   Similarly, the outer core fuel assembly 18 of the core fuel assembly 16 similarly includes a plurality of outer fuel elements (not shown) and a trumpet-shaped trumpet tube. Similarly to the inner fuel element, the outer fuel element has a lower blanket fuel, a core fuel and an upper blanket fuel arranged from the lower side in the vertical direction, and a fuel part cladding tube for storing these. The core fuel of the inner fuel element and the core fuel of the outer fuel element differ in Pu enrichment or U enrichment, that is, the concentration of fissile material.

なお、図2では、2領域炉心の場合を示したがこれには限定されない。炉心領域の各所に可燃性毒物集合体37が配されていれば、たとえば1領域あるいは3領域以上の場合であってもよい。   Although FIG. 2 shows the case of a two-region core, the present invention is not limited to this. As long as the flammable poison assembly 37 is disposed at various locations in the core region, for example, one region or three or more regions may be used.

図3は、可燃性毒物集合体の構成を示す立断面図である。また、図4は、図3のIV−IV線矢視水平断面図である。可燃性毒物集合体37は、互いに平行に配列され鉛直方向に延びた複数の中性子減速材要素38および中性子吸収体要素39と、これらを収納し鉛直方向に延びたラッパ管24を有する。中性子減速材要素38および中性子吸収体要素39は、ラッパ管24の内壁に取付けられた円板状の要素支持グリッド23によりそれぞれの下部を支持されている。要素支持グリッド23には、冷却材が通過できるように複数の流通孔が形成されている。   FIG. 3 is an elevational sectional view showing the configuration of the combustible poison assembly. 4 is a horizontal sectional view taken along the line IV-IV in FIG. The combustible poison assembly 37 includes a plurality of neutron moderator elements 38 and neutron absorber elements 39 that are arranged in parallel to each other and extend in the vertical direction, and a trumpet tube 24 that houses these and extends in the vertical direction. The neutron moderator element 38 and the neutron absorber element 39 are supported at their lower portions by a disk-shaped element support grid 23 attached to the inner wall of the trumpet tube 24. A plurality of flow holes are formed in the element support grid 23 so that the coolant can pass therethrough.

ラッパ管24内では中性子減速材要素38および中性子吸収体要素39が平面的に三角配列に並んで収納されている。また、ラッパ管24内では、中央に平面的にほぼ円形に中性子減速材要素38が配されており、中性子吸収体要素39が、中性子減速材要素38の径方向外側を覆うように2層に配列されている。なお、2層には限定されない。   In the trumpet tube 24, the neutron moderator element 38 and the neutron absorber element 39 are accommodated in a triangular arrangement in a plane. Further, in the trumpet tube 24, the neutron moderator element 38 is arranged in a substantially circular shape in a plane in the center, and the neutron absorber element 39 is formed in two layers so as to cover the radially outer side of the neutron moderator element 38. It is arranged. The number of layers is not limited.

ラッパ管24は、外形が六角柱の筒状である。ラッパ管24の下部のエントランスノズル22は、その下部が細径の円筒状に形成され、下端は閉止されている。円筒状の部分には側面に複数の冷却材流入孔21が形成されている。ラッパ管24の上端は開放され冷却材流出孔26が形成されている。また、ラッパ管24の上部には、上方からたとえば燃料交換機で取り扱うためのハンドリングヘッド25が形成されている。冷却材10は、エントランスノズル22の冷却材流入孔21から流入し、ラッパ管24内を上昇し、中性子減速材要素38および中性子吸収体要素39の径方向外側を通過し、冷却材流出孔26から上方に流出する。   The trumpet tube 24 has a cylindrical shape whose outer shape is a hexagonal column. The lower part of the entrance nozzle 22 of the trumpet tube 24 is formed in a thin cylindrical shape, and the lower end is closed. A plurality of coolant inflow holes 21 are formed on the side surface of the cylindrical portion. The upper end of the trumpet tube 24 is opened and a coolant outflow hole 26 is formed. In addition, a handling head 25 is formed on the upper portion of the trumpet tube 24 to be handled by, for example, a fuel changer from above. The coolant 10 flows in from the coolant inflow hole 21 of the entrance nozzle 22, rises in the trumpet tube 24, passes through the radially outer side of the neutron moderator element 38 and the neutron absorber element 39, and reaches the coolant outflow hole 26. From above.

図5は、中性子減速材要素の立断面図である。また、図6は、図5のVI−VI線矢視水平断面図である。中性子減速材要素38は、中性子を減速する部分(以下、中性子減速部と呼ぶ。)である中性子減速材40と、中性子減速材40を収納する中性子減速部被覆管34aを有する。   FIG. 5 is a sectional elevation view of the neutron moderator element. 6 is a horizontal sectional view taken along the line VI-VI in FIG. The neutron moderator element 38 includes a neutron moderator 40 that is a portion for decelerating neutrons (hereinafter referred to as a neutron moderator), and a neutron moderator cladding tube 34 a that houses the neutron moderator 40.

中性子減速材40は、中性子減速部被覆管34aの内壁に取付けられた円板状の支持板31aにより下端を支持されている。中性子減速部被覆管34aは上下が開放された円筒状であり、下端の開口は下部端栓35aにより閉止され、上端の開口は上部端栓36aにより閉止され、密閉空間が形成されている。密閉空間のうち、中性子減速材40の下方には下部プレナム32aが、また、中性子減速材40の上方には上部プレナム33aが形成されている。なお、中性子減速材は、液体、あるいは、紛体形状で中性子減速材要素に詰めても良い。   The neutron moderator 40 is supported at its lower end by a disc-like support plate 31a attached to the inner wall of the neutron moderator cladding tube 34a. The neutron moderator cladding tube 34a has a cylindrical shape whose upper and lower sides are open, the lower end opening is closed by a lower end plug 35a, and the upper end opening is closed by an upper end plug 36a to form a sealed space. In the sealed space, a lower plenum 32 a is formed below the neutron moderator 40, and an upper plenum 33 a is formed above the neutron moderator 40. The neutron moderator may be packed in the neutron moderator element in liquid or powder form.

中性子減速材40の材料は、水素、リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素を含む化合物(単体、酸化物、炭化物、水酸化物)のいずれか、あるいはこれらの組合せを含むものとする。例えば、水素化ジルコニウム、リチウム(Liを濃縮)、酸化リチウム(Liを濃縮)、水酸化リチウム(Liを濃縮)、ベリリウム、酸化ベリリウム、黒鉛、炭化ホウ素(B11を濃縮)、炭化ケイ素等である。 The material of the neutron moderator 40 includes any one of compounds containing hydrogen, lithium, beryllium, boron, and carbon (single element, oxide, carbide, hydroxide), or a combination thereof. For example, zirconium hydride, lithium (concentrate Li 6 ), lithium oxide (concentrate Li 6 ), lithium hydroxide (concentrate Li 6 ), beryllium, beryllium oxide, graphite, boron carbide (concentrate B 11 ), carbonized Silicon and the like.

図7は、中性子吸収体要素の立断面図である。また、図8は、図7のVIII−VIII線矢視水平断面図である。中性子吸収体要素39は、中性子を吸収する部分(以下、中性子吸収部と呼ぶ。)である中性子吸収体41と、中性子吸収体41を収納する中性子吸収部被覆管34bを有する。   FIG. 7 is a sectional elevation view of the neutron absorber element. FIG. 8 is a horizontal sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. The neutron absorber element 39 includes a neutron absorber 41 that is a portion that absorbs neutrons (hereinafter referred to as a neutron absorber), and a neutron absorber cladding tube 34 b that houses the neutron absorber 41.

中性子吸収体41は、中性子吸収部被覆管34bの内壁に取付けられた円板状の支持板31bにより下端を支持されている。中性子吸収部被覆管34bは上下が開放された円筒状であり、下端の開口は下部端栓35bにより閉止され、上端の開口は上部端栓36bにより閉止され、密閉空間が形成されている。密閉空間のうち、中性子吸収体41の下方には下部プレナム32bが、また、中性子吸収体41の上方には上部プレナム33bが形成されている。なお、中性子吸収体は、液体、あるいは、紛体形状で中性子吸収体要素に詰めても良い。   The lower end of the neutron absorber 41 is supported by a disk-shaped support plate 31b attached to the inner wall of the neutron absorber-covering tube 34b. The neutron absorber covering tube 34b has a cylindrical shape whose upper and lower sides are open, the lower end opening is closed by a lower end plug 35b, and the upper end opening is closed by an upper end plug 36b to form a sealed space. In the sealed space, a lower plenum 32 b is formed below the neutron absorber 41, and an upper plenum 33 b is formed above the neutron absorber 41. The neutron absorber may be packed in the neutron absorber element in the form of liquid or powder.

中性子吸収体41の材料は、リチウム、ホウ素、インジウム、カドミウム、サマリウム、ガドリニウム、ハフニウム、ユウロピウムおよびエルビウムを含む化合物(単体、酸化物、炭化物、水酸化物)のいずれか、あるいはこれらの組合せを含むものとする。例えば、酸化リチウム(天然、あるいは、Liを濃縮)、水酸化リチウム(天然、あるいは、Liを濃縮)、炭化ホウ素(天然、あるいは、B10を濃縮)、酸化サマリウム、酸化ガドリニウム、酸化ユウロピウム、酸化エルビウム等である。 The material of the neutron absorber 41 includes any one of compounds containing lithium, boron, indium, cadmium, samarium, gadolinium, hafnium, europium and erbium (single element, oxide, carbide, hydroxide), or a combination thereof. Shall be. For example, lithium oxide (natural or concentrated Li 7 ), lithium hydroxide (natural or concentrated Li 7 ), boron carbide (natural or concentrated B 10 ), samarium oxide, gadolinium oxide, europium oxide Erbium oxide and the like.

図9は、可燃性毒物集合体を概念的に示した説明図である。本実施形態に係る可燃性毒物集合体37においては、図4で説明したように、中央に中性子減速部である中性子減速材要素38が配され、その径方向外側に中性子吸収部である中性子吸収体要素39が配されている。また可燃性毒物集合体37の径方向外側には燃料部である内側炉心燃料集合体17(図2参照)が配されている。   FIG. 9 is an explanatory diagram conceptually showing a flammable poison assembly. In the combustible poison assembly 37 according to the present embodiment, as described with reference to FIG. 4, the neutron moderator element 38 that is a neutron moderator is arranged at the center, and the neutron absorption that is a neutron absorber at the outside in the radial direction. A body element 39 is arranged. Further, an inner core fuel assembly 17 (refer to FIG. 2), which is a fuel portion, is disposed on the radially outer side of the combustible poison assembly 37.

このように、中性子吸収部を挟んで、燃料部と中性子減速部が配されている基本的な構成において、中性子減速部の厚さD1と中性子吸収部の厚さD2、および中性子吸収部の材料の選定の方法を、以下に説明する。ここで、中性子減速部の厚さD1および中性子吸収部の厚さD2は、それぞれ、最も近い位置にある燃料部側からみた厚さである。なお、中性子減速部、中性子吸収部が中心から同心円状に配置されない場合の中性子減速部の径方向の厚さD1、中性子吸収部の厚さD2は、中性子吸収体要素39、中性子減速材要素38の配置に基づく等価的な値である。   In this way, in the basic configuration in which the fuel part and the neutron moderation part are arranged with the neutron absorption part interposed therebetween, the thickness D1 of the neutron moderation part, the thickness D2 of the neutron absorption part, and the material of the neutron absorption part The method of selection of will be described below. Here, the thickness D1 of the neutron moderating portion and the thickness D2 of the neutron absorption portion are thicknesses as viewed from the fuel portion side at the closest position. When the neutron moderator and the neutron absorber are not arranged concentrically from the center, the radial thickness D1 of the neutron moderator and the thickness D2 of the neutron absorber are the neutron absorber element 39 and the neutron moderator element 38. It is an equivalent value based on the arrangement of.

換言すると、以下に説明する条件にて中性子減速部の径方向の等価的な厚さD1、中性子吸収部の等価的な厚さD2を定め、定まった厚さD1、D2に基づいて図4で示した可燃性毒物集合体37内の中央に配置される中性子減速要素38、およびその径方向外側に配置される中性子吸収体要素39の具体的な配置を定めればよい。   In other words, an equivalent thickness D1 in the radial direction of the neutron moderating portion and an equivalent thickness D2 of the neutron absorbing portion are determined under the conditions described below, and based on the determined thicknesses D1 and D2 in FIG. The specific arrangement of the neutron moderating element 38 arranged at the center in the combustible poison assembly 37 shown and the neutron absorber element 39 arranged outside in the radial direction may be determined.

まず、中性子減速部の厚さD1は、中性子減速部において高速中性子が所定のエネルギー領域まで減速されるという条件から決定する。ここで、中性子の吸収等の反応付断面積は、中性子のエネルギーが低いほど大きくなる。したがって、中性子吸収部によって中性子が有効に吸収されるためには、所定のエネルギー以下の領域である必要がある。以下、このエネルギー領域を、低エネルギー領域と呼ぶこととする。   First, the thickness D1 of the neutron moderator is determined from the condition that fast neutrons are decelerated to a predetermined energy region in the neutron moderator. Here, the cross-sectional area with reaction such as neutron absorption becomes larger as the energy of neutron is lower. Therefore, in order for neutrons to be effectively absorbed by the neutron absorber, it is necessary to be in a region having a predetermined energy or less. Hereinafter, this energy region is referred to as a low energy region.

中性子吸収が有効に行われる中性子の吸収断面積は、たとえば100barn(1barn=10−24cm)程度以上である。この吸収断面積に対応する中性子のエネルギーはおおよそ1eV程度以下である。したがって、この場合は、低エネルギー領域は、1eV程度以下のエネルギー領域となる。 The neutron absorption cross section where neutron absorption is effectively performed is, for example, about 100 barn (1 barn = 10 −24 cm 2 ) or more. The energy of the neutron corresponding to this absorption cross section is about 1 eV or less. Therefore, in this case, the low energy region is an energy region of about 1 eV or less.

低エネルギー領域の中性子を中性子吸収部において有効に吸収させるためには、燃料部で発生した高速中性子を、中性子減速部で低エネルギー領域まで減速する必要がある。このためには、燃料部で発生した高速中性子を中性子減速部において十分に減速させるために、中性子減速部の厚さD1を確保することが有効である。   In order to effectively absorb neutrons in the low energy region in the neutron absorption part, it is necessary to decelerate fast neutrons generated in the fuel part to the low energy region in the neutron moderation part. For this purpose, it is effective to secure the thickness D1 of the neutron moderator in order to sufficiently slow down the fast neutrons generated in the fuel unit in the neutron moderator.

以上のことから、中性子減速部の厚さD1を、減速距離(slowing−down length)より大きくする。すなわち、次の式(1)を条件としてD1を決定する。
D1>√τ (1)
ここで、なお、τはフェルミ年齢、√τは減速距離である。
From the above, the thickness D1 of the neutron moderator is made larger than the slowing-down length. That is, D1 is determined on condition of the following formula (1).
D1> √τ (1)
Here, τ is the Fermi age, and √τ is the deceleration distance.

次に、中性子吸収部の厚さD2の設定方法を説明する。図10は、中性子吸収部の厚さの設定の説明図である。図10は、横軸は、中性子吸収部の中性子減速部に面している面からの距離である。中性子減速部に面した面から低エネルギー領域の中性子が中性子吸収部に流入する状態を考える。   Next, a method for setting the thickness D2 of the neutron absorbing portion will be described. FIG. 10 is an explanatory diagram for setting the thickness of the neutron absorber. In FIG. 10, the horizontal axis is the distance from the surface of the neutron absorber that faces the neutron moderator. Consider a state where neutrons in the low energy region flow into the neutron absorber from the surface facing the neutron moderator.

縦軸は、中性子の中性子吸収部への吸収反応の反応率である。中性子吸収部の材料物質の中性子吸収断面積をσ、それぞれの位置における中性子束をΦとすれば、中性子吸収反応の反応率は、σΦである。なお、通常、反応率は各エネルギーにおける中性子吸収断面積と中性子束のエネルギー積分値として与えられるものである。 The vertical axis represents the reaction rate of the absorption reaction of neutrons to the neutron absorption part. If the neutron absorption cross section of the material substance in the neutron absorbing portion is σ a and the neutron flux at each position is Φ, the reaction rate of the neutron absorption reaction is σ a Φ. Usually, the reaction rate is given as an energy integral value of the neutron absorption cross section and neutron flux at each energy.

中性子吸収部の中性子減速部に面している面、すなわち図10の左側から中性子が流入してくる。中性子のエネルギーが低ければ、低いほど、中性子は中性子吸収部に吸収されるため、図10の右方向に移動するにしたがって低エネルギーの中性子の反応は減少し、高エネルギーの中性子の反応だけが残る形となり、実線のA曲線、すなわち中性子吸収反応曲線のように徐々に減少する。中性子の分布は、表面からの距離が離れると減少傾向が鈍ってくる。すなわち、中性子吸収部が厚くなるほど、中性子の反応量は減少するが、厚くしてもその効果は減少してくる。炉心の寸法は、たとえば径が大きくなれば、原子炉容器の径、原子炉容器の外側の遮へい構築物の径が大きくなる。この結果、原子炉施設全体の配置にも影響してくる。   Neutrons flow from the surface of the neutron absorber that faces the neutron moderator, that is, from the left side of FIG. The lower the neutron energy, the more neutrons are absorbed by the neutron absorber, so the reaction of low energy neutrons decreases as it moves to the right in FIG. 10, and only the reaction of high energy neutrons remains. It becomes a shape and gradually decreases like a solid A curve, that is, a neutron absorption reaction curve. The distribution of neutrons decreases with decreasing distance from the surface. That is, the thicker the neutron absorption portion, the less the reaction amount of neutrons, but the effect decreases even if the thickness is increased. For example, if the diameter of the core is increased, the diameter of the reactor vessel and the diameter of the shielding structure outside the reactor vessel are increased. As a result, it also affects the layout of the entire nuclear reactor facility.

したがって、中性子吸収部の厚さD2の設定に際しては、厚さの確保の効力が大きい範囲で厚さD2を確保することが有効である。中性子吸収反応率曲線Aにおいて、中性子吸収部が中性子減速部に面する面(距離ゼロ)で最大傾斜となる。破線Bのようにこの傾斜を延長すると、中性子吸収反応率がゼロとなる距離Lが求められる。この距離Lは、中性子吸収部の吸収機能が有効に生かせる厚みの目安として有効である。したがって、D2は、L以上の厚みに設定する。   Therefore, when setting the thickness D2 of the neutron absorbing portion, it is effective to secure the thickness D2 within a range where the effectiveness of securing the thickness is large. In the neutron absorption reaction rate curve A, the neutron absorption part has the maximum inclination on the surface (distance zero) facing the neutron moderating part. When this inclination is extended as shown by the broken line B, the distance L at which the neutron absorption reaction rate becomes zero is obtained. This distance L is effective as a measure of the thickness that can effectively utilize the absorption function of the neutron absorbing portion. Therefore, D2 is set to a thickness equal to or greater than L.

なお、中性子減速部の厚さD1および中性子吸収部の厚さD2は、燃料部からみた最短の部分の厚さとして設定してよい。   Note that the thickness D1 of the neutron moderating portion and the thickness D2 of the neutron absorbing portion may be set as the thickness of the shortest portion viewed from the fuel portion.

図11は、中性子のエネルギースペクトルの変化の例を示すグラフである。燃料部では、核分裂により生じた中性子は、曲線Fで示すような100keV前後でピークをもつ高速のスペクトルを有する。この高速中性子が、減速されていくにつれて、中性子のエネルギースペクトルは、曲線M1、曲線M2と変化し、曲線M3のようにほぼフラットで高速成分の少ない中性子エネルギースペクトルとなる。   FIG. 11 is a graph showing an example of changes in the energy spectrum of neutrons. In the fuel part, neutrons generated by fission have a high-speed spectrum having a peak around 100 keV as shown by curve F. As the fast neutrons are decelerated, the energy spectrum of the neutrons changes to curves M1 and M2, and becomes a neutron energy spectrum that is almost flat and has few high-speed components as shown by curve M3.

図12は、第1の実施形態に係る高速中性子炉心設計方法の手順を説明するフロー図である。まず、運転期間Tの条件を設定する(ステップS01)。ここで、中性子吸収部は、運転期間Tが終了したときにその役割を終えるものとする。次に、中性子減速部の厚さD1を式(1)により決定する(ステップS02)。   FIG. 12 is a flowchart for explaining the procedure of the fast neutron core design method according to the first embodiment. First, conditions for the operation period T are set (step S01). Here, the neutron absorber is assumed to finish its role when the operation period T ends. Next, the thickness D1 of the neutron moderating portion is determined by equation (1) (step S02).

次に、中性子吸収部の材料物質、および中性子吸収部の厚さD2を設定する(ステップS03)。ステップS01ないしステップS03で体系の条件が決まるので、この体系における中性子束Φの分布を計算する(ステップS04)。   Next, the material substance of the neutron absorber and the thickness D2 of the neutron absorber are set (step S03). Since system conditions are determined in steps S01 to S03, the distribution of neutron flux Φ in this system is calculated (step S04).

ステップS04で中性子束Φの分布が計算されたら、運転期間Tの末期における中性子吸収材の残量の初期の量に対する割合rを次の式(2)によって計算する(ステップS05)。
r=e−σaΦT (2)
When the distribution of the neutron flux Φ is calculated in step S04, the ratio r to the initial amount of the remaining amount of neutron absorber at the end of the operation period T is calculated by the following equation (2) (step S05).
r = e −σaΦT (2)

次に、ステップS05で得られた残量割合が規定値以下であるか否かを判定する(ステップS06)。たとえば、規定値が10%であるとすれば、次の式(3)となり、その結果、式(4)の条件となる。
r=e−σaΦT<0.1 (3)
σΦT>log10 (4)
ここで、log10は、10の自然対数を示し、約2.3である。
Next, it is determined whether or not the remaining amount ratio obtained in step S05 is equal to or less than a specified value (step S06). For example, if the specified value is 10%, the following expression (3) is obtained, and as a result, the condition of expression (4) is satisfied.
r = e− σaΦT <0.1 (3)
σ a ΦT> log e 10 (4)
Here, log e 10 indicates a natural logarithm of 10, which is approximately 2.3.

すなわち、中性子束がΦ、運転期間がTの場合、運転期間終了時に中性子吸収部の材料物質の残量を1/10以下とするには、中性子吸収断面積σが、2.3/(ΦT)よりも大きい必要がある。 That is, when the neutron flux is Φ and the operation period is T, the neutron absorption cross section σ a is 2.3 / ( Needs to be larger than (ΦT).

中性子吸収部の材料物質の残量が規定値よりも大きい(ステップS06 NO)場合は、ステップS03に戻り、中性子吸収部の材料物質の選定、中性子吸収部の厚さD2の設定を再度行い、ステップS03以降を繰り返す。中性子吸収部の材料物質の残量が規定値よりも小さい(ステップS06 YES)場合は、その時点での、中性子減速部の厚さD1、中性子吸収部の材料物質、中性子吸収部の厚さD2を用いて、体系を決定する。   When the remaining amount of the material substance in the neutron absorption part is larger than the specified value (NO in step S06), the process returns to step S03, the selection of the material substance in the neutron absorption part, and the setting of the thickness D2 of the neutron absorption part are performed again. Steps S03 and after are repeated. If the remaining amount of the material substance in the neutron absorber is smaller than the specified value (YES in step S06), the thickness D1 of the neutron moderator, the material substance of the neutron absorber, and the thickness D2 of the neutron absorber at that time Use to determine the system.

図13は、第1の実施形態に係る高速中性子炉心と従来の炉心の実効増倍率変化の例を説明するグラフである。グラフの横軸は、燃焼日数(日)であり、実際の運転日数を、定格出力の場合の日数に換算したものである。縦軸は、実効増倍率である。この場合の実効増倍率は、可燃性毒物(BP)が含まれている場合は、BPの効果を含んでいる。   FIG. 13 is a graph for explaining an example of the effective multiplication factor change of the fast neutron core according to the first embodiment and the conventional core. The horizontal axis of the graph is the number of days of combustion (days), and the actual number of days of operation is converted to the number of days in the case of rated output. The vertical axis is the effective multiplication factor. The effective multiplication factor in this case includes the effect of BP when flammable poison (BP) is included.

図13に示すように、可燃性毒物を有さないBP集合体無炉心の場合、破線のように燃料集合体の核分裂性物質の消費と核分裂による毒物の生成により、実効増倍率は単調に減少する。この結果、図示のように、燃焼期間前後の実効増倍率の差は、約0.06である。   As shown in FIG. 13, in the case of a BP assembly core without flammable poison, the effective multiplication factor decreases monotonously due to the consumption of fissile material in the fuel assembly and the generation of poison by fission as shown by the broken line. To do. As a result, as shown in the figure, the difference in effective multiplication factor before and after the combustion period is about 0.06.

一方、BP集合体有炉心と表記された実線で示す本実施形態による高速中性子炉心の場合は、核燃料物質の消費による減少と、毒物質の消費による減少がうまくマッチして、おり、燃焼期間前後の実効増倍率の差は、約0.02である。   On the other hand, in the case of the fast neutron core according to the present embodiment indicated by the solid line indicated as the BP assembly core, the decrease due to the consumption of nuclear fuel material and the decrease due to the consumption of poisonous substance are well matched, and before and after the combustion period The difference in effective multiplication factor is about 0.02.

燃焼反応度に換算すると、可燃性毒物を有さないBP集合体無炉心の場合は、5.8%Δρ、可燃性毒物を有するBP集合体有炉心の場合は、2.2%Δρであり、本実施形態においては、燃焼反応度が大幅に減少している。   When converted to combustion reactivity, it is 5.8% Δρ in the case of a BP assembly core without flammable poison, and 2.2% Δρ in the case of a BP assembly core with flammable poison. In this embodiment, the combustion reactivity is greatly reduced.

この結果、制御棒が担うべき反応度価値についての負担が軽減され、図2で示す高速中性子炉心のように、制御棒集合体の本数の削減、あるいは、制御棒1本の反応度価値を減少させることにより、制御棒後引抜事故の条件の大幅な緩和を図ることができる。   As a result, the burden on the reactivity value that the control rod should bear is reduced, and the number of control rod assemblies is reduced or the reactivity value of one control rod is reduced as in the fast neutron core shown in FIG. By doing so, the conditions of the control rod pull-out accident can be greatly eased.

[第2の実施形態]
図14は、第2の実施形態に係る高速中性子炉心用の可燃性毒物集合体の構成を示す水平断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第2の実施形態における可燃性毒物集合体37aは、第1の実施形態における可燃性毒物集合体37と同様に、複数の中性子減速材要素38および中性子吸収体要素39を有する。
[Second Embodiment]
FIG. 14 is a horizontal sectional view showing a configuration of a combustible poison assembly for a fast neutron core according to the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. The combustible poison assembly 37 a in the second embodiment includes a plurality of neutron moderator elements 38 and neutron absorber elements 39, similarly to the combustible poison assembly 37 in the first embodiment.

本実施形態における可燃性毒物集合体37aにおいては、水平断面の中央に中性子減速材要素38、その径方向外側に中性子吸収体要素39が配され、そのさらに径方向外側に中性子減速材要素38と、中性子減速材要素38と中性子吸収体要素39が互いに交互に層状に配列されている。   In the combustible poison assembly 37a in the present embodiment, a neutron moderator element 38 is disposed at the center of the horizontal cross section, a neutron absorber element 39 is disposed on the radially outer side, and the neutron moderator element 38 is further disposed on the radially outer side. The neutron moderator elements 38 and the neutron absorber elements 39 are alternately arranged in layers.

本実施形態においては、中性子減速材要素38のそれぞれの1層分が、D1の条件をそれぞれ満たすのではなく、1つの可燃性毒物集合体37aを径方向外側の燃料部から見て、複数の層の全体として等価的に、D1の条件を満たすようにすればよい。中性子吸収体要素39についても同様に、複数の層全体として、D2の条件を満たすようにすればよい。   In the present embodiment, each layer of the neutron moderator element 38 does not satisfy the condition of D1, but a plurality of flammable poison assemblies 37a are viewed from the radially outer fuel portion, The layer D1 may be equivalently satisfied as a whole. Similarly, the neutron absorber element 39 may satisfy the condition of D2 as a whole of the plurality of layers.

以上のように構成された本実施形態により、中性子エネルギーが低エネルギー領域まで低下する途中のエネルギー領域においても中性子吸収部での吸収を行うことができる。これは、特に共鳴吸収領域を利用できる効果がある。   According to the present embodiment configured as described above, absorption in the neutron absorbing portion can be performed even in the energy region where the neutron energy is reduced to the low energy region. This is particularly effective in utilizing the resonance absorption region.

[第3の実施形態]
図15は、第3の実施形態に係る高速中性子炉心用の中性子減速材集合体と複数の第1の複合燃料集合体の組合せを示す水平断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形であるが、炉心3において、局所的に中性子減速部を配し、それぞれの中性子減速部の周囲に中性子吸収部、さらにその周囲に燃料部を配する基本的な配置を、別の形で具体化したものである。
[Third Embodiment]
FIG. 15 is a horizontal sectional view showing a combination of a neutron moderator assembly for a fast neutron core according to the third embodiment and a plurality of first composite fuel assemblies. This embodiment is a modification of the first embodiment. In the core 3, a neutron moderator is locally arranged, a neutron absorber is arranged around each neutron moderator, and a fuel unit is arranged around the neutron absorber. The basic arrangement to do is embodied in another form.

中性子減速部として、中性子減速材集合体43が設けられている。中性子減速材集合体43は、複数の中性子減速材要素38を有する。   A neutron moderator assembly 43 is provided as a neutron moderator. The neutron moderator assembly 43 has a plurality of neutron moderator elements 38.

中性子減速材集合体43の径方向の周囲には、6体の第1の複合燃料集合体42が配されている。それぞれの第1の複合燃料集合体42は、複数の基本燃料要素27aと複数の中性子吸収体要素39を有する。中性子吸収体要素39は、1つの辺に層状に配されている。また、6体の第1の複合燃料集合体42は、それぞれの有する中性子吸収体要素39が中性子減速材集合体43と隣接するような向きに並べられている。   Six first composite fuel assemblies 42 are arranged around the radial direction of the neutron moderator assembly 43. Each first composite fuel assembly 42 includes a plurality of basic fuel elements 27 a and a plurality of neutron absorber elements 39. The neutron absorber elements 39 are arranged in layers on one side. In addition, the six first composite fuel assemblies 42 are arranged in such a direction that the neutron absorber elements 39 included therein are adjacent to the neutron moderator assembly 43.

以上のような構成による本実施形態においては、局所的に配される中性子減速部として中性子減速材集合体43、その周囲に配される中性子吸収部として6つの第1の複合燃料集合体42のそれぞれの2層の中性子吸収体要素39、およびその周囲に配される燃料部として第1の複合燃料集合体42の残りの構成要素である基本燃料要素27aの形で、構成されている。基本燃料要素27aは燃料部とこれを内包する基本燃料部被覆管とを有する。なお、中性子吸収体要素39は2層には限定されない。   In the present embodiment having the above-described configuration, the neutron moderator assembly 43 serves as a locally disposed neutron moderator, and the six first composite fuel assemblies 42 serve as neutron absorbers disposed around the neutron moderator. Each of the two layers of neutron absorber elements 39 and a fuel part disposed around the two neutron absorber elements 39 are configured in the form of a basic fuel element 27a which is the remaining component of the first composite fuel assembly 42. The basic fuel element 27a has a fuel part and a basic fuel part cladding tube containing the fuel part. The neutron absorber element 39 is not limited to two layers.

以上のように構成された本実施形態により、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。   According to the present embodiment configured as described above, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

[第4の実施形態]
本第4の実施形態においては、中性子減速部の周囲に中性子吸収部、さらにその周囲に燃料部を配する基本的な配置を、軸方向について実現している。
[Fourth Embodiment]
In the fourth embodiment, a basic arrangement in which the neutron absorbing portion is arranged around the neutron moderating portion and the fuel portion is arranged around the neutron absorbing portion is realized in the axial direction.

図16は、第4の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。中央領域の内側炉心燃料集合体17に代えて、第2の複合燃料集合体44が配されている。なお、第2の複合燃料集合体44を、すべての内側炉心燃料集合体17および外側炉心燃料集合体18に代えて設けることでもよい。   FIG. 16 is a plan view showing a configuration of a fast neutron core according to the fourth embodiment. Instead of the inner core fuel assembly 17 in the central region, a second composite fuel assembly 44 is arranged. The second composite fuel assembly 44 may be provided in place of all the inner core fuel assemblies 17 and the outer core fuel assemblies 18.

図17は、第2の複合燃料集合体44の構成を示す水平断面図である。第2の複合燃料集合体44は、ラッパ管24内に互いに平行に配列された複数の複合燃料要素45および複数の基本燃料要素27aを有する。水平断面において、複合燃料要素45は中心領域に配されている。複合燃料要素45の径方向外側を囲むように基本燃料要素27aが配されている。なお、複合燃料要素45を、すべての基本燃料要素27aに代えて設けることでもよい。   FIG. 17 is a horizontal sectional view showing the configuration of the second composite fuel assembly 44. The second composite fuel assembly 44 includes a plurality of composite fuel elements 45 and a plurality of basic fuel elements 27 a arranged in parallel in the trumpet tube 24. In the horizontal section, the composite fuel element 45 is arranged in the central region. A basic fuel element 27 a is disposed so as to surround the radially outer side of the composite fuel element 45. The composite fuel element 45 may be provided in place of all the basic fuel elements 27a.

図18は、第2の複合燃料集合体の複合燃料要素を示す立断面図である。第2の複合燃料集合体44の中央領域に配された複合燃料要素45は、中性子減速材40、その上下に配された中性子吸収体41、さらにその上下にインシュレータ46を介して配された炉心燃料28、およびこれらを収納する複合部被覆管45aを有する。下部に配された炉心燃料28の下部には下部ブランケット29が配されている。また、上部に配された炉心燃料28の上部には上部ブランケット30が配されている。下部ブランケット29と下部端栓35間には下部プレナム32が形成されている。また、上部ブランケット30と上部端栓36間には上部プレナム33が形成されている。   FIG. 18 is an elevational sectional view showing the composite fuel element of the second composite fuel assembly. A composite fuel element 45 disposed in the central region of the second composite fuel assembly 44 includes a neutron moderator 40, a neutron absorber 41 disposed above and below the neutron moderator 40, and a core disposed above and below the insulator 46. It has the fuel 28 and the composite part cladding tube 45a which accommodates these. A lower blanket 29 is disposed below the core fuel 28 disposed below. An upper blanket 30 is disposed on the upper portion of the core fuel 28 disposed on the upper portion. A lower plenum 32 is formed between the lower blanket 29 and the lower end plug 35. An upper plenum 33 is formed between the upper blanket 30 and the upper end plug 36.

以上のように構成された本第4の実施形態においては、中性子減速部の厚さD1は、複合燃料要素45における中性子減速材40の軸方向の高さに対応する。また、中性子吸収部の厚さD2は、複合燃料要素45における中性子吸収体41の軸方向の高さに対応する。   In the fourth embodiment configured as described above, the thickness D1 of the neutron moderator corresponds to the axial height of the neutron moderator 40 in the composite fuel element 45. Further, the thickness D2 of the neutron absorbing portion corresponds to the axial height of the neutron absorber 41 in the composite fuel element 45.

以上のように、本第4の実施形態によって、中性子減速部の周囲に中性子吸収部、さらにその周囲に燃料部を配する基本的な配置の実現を、径方向のみならず、軸方向にも実現することによって、高速中性子炉心の構成要素の組合せの選択の幅を広げ、安全性の向上等の設計の柔軟性を向上させることができる。   As described above, according to the fourth embodiment, the realization of the basic arrangement in which the neutron absorbing part is arranged around the neutron moderating part and the fuel part is arranged around the neutron absorbing part can be realized not only in the radial direction but also in the axial direction. By realizing it, the selection range of the combination of the components of the fast neutron core can be expanded, and the design flexibility such as the improvement of safety can be improved.

[第5の実施形態]
図19は、第5の実施形態に係る高速中性子炉心の第2の複合燃料集合体の複合燃料要素の変形例を示す立断面図である。本実施形態は、第4の実施形態の変形である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 19 is an elevational sectional view showing a modification of the composite fuel element of the second composite fuel assembly of the fast neutron core according to the fifth embodiment. This embodiment is a modification of the fourth embodiment.

本第5の実施形態における第2の複合燃料集合体44の複合燃料要素45は、中性子減速材40の上下に中性子吸収体41が配され、さらにその上下に中性子減速材40が配されるというように、中性子減速材40と中性子吸収体41が軸方向に交互に配されている。   In the composite fuel element 45 of the second composite fuel assembly 44 in the fifth embodiment, the neutron absorber 41 is disposed above and below the neutron moderator 40, and the neutron moderator 40 is disposed above and below the neutron moderator 40. Thus, the neutron moderator 40 and the neutron absorber 41 are alternately arranged in the axial direction.

このように中性子減速材40と中性子吸収体41を軸方向に交互に配することによって、第2の実施形態と同様に、中性子エネルギーが低エネルギー領域まで低下する途中のエネルギー領域においても中性子吸収部での吸収を行うことができ、共鳴吸収領域を利用できる効果がある。   In this way, by alternately arranging the neutron moderator 40 and the neutron absorber 41 in the axial direction, as in the second embodiment, the neutron absorbing portion also in the energy region where the neutron energy is reduced to the low energy region. Can be absorbed, and the resonance absorption region can be used.

[第6の実施形態]
図20は、第6の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。本実施形態は、第4の実施形態の変形である。第4の実施形態においては、第2の複合燃料集合体44を、中央領域の内側炉心燃料集合体に代えて配している。一方、本第6の実施形態においては、第2の複合燃料集合体44を複数個所に分散させている。なお、分散させる範囲は、内側炉心燃料集合体17の領域内には限定されない。たとえば、外側炉心燃料集合体18の領域まで広がった範囲において分散配置してもよい。
[Sixth Embodiment]
FIG. 20 is a plan view showing a configuration of a fast neutron core according to the sixth embodiment. This embodiment is a modification of the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the second composite fuel assembly 44 is arranged in place of the inner core fuel assembly in the central region. On the other hand, in the sixth embodiment, the second composite fuel assemblies 44 are dispersed at a plurality of locations. The range to be dispersed is not limited to the region of the inner core fuel assembly 17. For example, it may be distributed in a range that extends to the region of the outer core fuel assembly 18.

このように構成された本実施形態は、高速中性子炉心の配置計画に多様性を提供し、選択の幅を広げ安全性の確保上の設計の柔軟性を向上することができる。   The present embodiment configured as described above can provide diversity in the arrangement plan of the fast neutron core, can expand the range of selection, and can improve the flexibility of design in ensuring safety.

[その他の実施形態]
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、高速中性子を利用する炉心として、高速炉の場合を例にとって示したが、高速炉に限定されない。たとえば、軸方向ブランケット、径方向ブランケット等のブランケットを設けない高速炉の炉心、あるいは減速材の量を制限して中性子スペクトルを高速側にシフトした低減速炉心とよばれる炉心、あるいは加速器駆動の原子炉の炉心などでもよい。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. For example, as a core using fast neutrons, a fast reactor is shown as an example, but the core is not limited to a fast reactor. For example, a fast reactor core without a blanket such as an axial blanket or a radial blanket, or a core called a reduced fast core in which the amount of moderator is limited and the neutron spectrum is shifted to the high speed side, or an accelerator driven atom The core of the reactor may be used.

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。   Moreover, you may combine the characteristic of each embodiment. Furthermore, these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention.

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…高速中性子原子炉、2…原子炉容器、3…高速中性子炉心、4…炉心支持板、5…炉内構造物、6…コアキャッチャ、7…炉心上部機構、8…冷却材入口配管、9…冷却材出口配管、10…冷却材、11…遮へいプラグ、15…制御棒駆動装置、16…炉心燃料集合体,17…内側炉心燃料集合体、18…外側炉心燃料集合体、19…ブランケット燃料集合体、20…制御棒案内管、21…冷却材流入孔、22…エントランスノズル、23…要素支持グリッド、24…ラッパ管、25…ハンドリングヘッド、26…冷却材流出孔、27…燃料要素、27a…基本燃料要素、28…炉心燃料、29…下部ブランケット燃料、30…上部ブランケット燃料、31…支持板、32、32a、32b…下部プレナム、33、33a、33b…上部プレナム、34…被覆管、34a…中性子減速部被覆管、34b…中性子吸収部被覆管、35…下部端栓、36…上部端栓、37、37a…可燃性毒物集合体、38…中性子減速材要素、39…中性子吸収体要素、40…中性子減速材、41…中性子吸収体、42…第1の複合燃料集合体、43…中性子減速材集合体、44…第2の複合燃料集合体、45…複合燃料要素、45a…複合部被覆管、46…インシュレータ、103…高速炉炉心   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fast neutron reactor, 2 ... Reactor vessel, 3 ... Fast neutron core, 4 ... Core support plate, 5 ... Core structure, 6 ... Core catcher, 7 ... Core upper mechanism, 8 ... Coolant inlet piping, DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Coolant outlet piping, 10 ... Coolant, 11 ... Shield plug, 15 ... Control rod drive device, 16 ... Core fuel assembly, 17 ... Inner core fuel assembly, 18 ... Outer core fuel assembly, 19 ... Blanket Fuel assembly, 20 ... Control rod guide tube, 21 ... Coolant inflow hole, 22 ... Entrance nozzle, 23 ... Element support grid, 24 ... Trumpet tube, 25 ... Handling head, 26 ... Coolant outflow hole, 27 ... Fuel element 27a ... Basic fuel element, 28 ... Core fuel, 29 ... Lower blanket fuel, 30 ... Upper blanket fuel, 31 ... Support plate, 32, 32a, 32b ... Lower plenum, 33, 33a, 33b ... Upper RENAM, 34 ... cladding tube, 34a ... neutron moderator coating tube, 34b ... neutron absorber coating tube, 35 ... lower end plug, 36 ... upper end plug, 37, 37a ... flammable poison assembly, 38 ... neutron moderator Element 39 ... Neutron absorber element 40 ... Neutron moderator 41 ... Neutron absorber 42 ... First composite fuel assembly 43 ... Neutron moderator assembly 44 ... Second composite fuel assembly 45 ... Composite fuel element, 45a ... Composite part cladding tube, 46 ... Insulator, 103 ... Fast reactor core

Claims (1)

中性子減速部の厚さを設定する減速部厚さ決定ステップと、
中性子吸収部の材質、中性子吸収部の厚さを設定する吸収部設定ステップと、
前記減速部厚さ決定ステップおよび前記吸収部設定ステップの後に、体系の中性子束分布を計算する中性子束計算ステップと、
前記中性子束計算ステップの後に、前記吸収部設定ステップで設定された中性子吸収部の材質による中性子吸収断面積、前記中性子束計算ステップで得られた中性子束、および運転期間に基づいて、運転期間末期の中性子吸収部の残量を計算する吸収部残量計算ステップと、
前記中性子吸収部の残量の初期の量に対する割合が規定値より小さいか否かを判定する判定ステップと、
を有し、
前記中性子減速部の厚さD1は、減速距離√τよりも大きい、
ことを特徴とする高速中性子炉心設計方法
A moderator thickness determining step for setting a thickness of the neutron moderator,
Absorber setting step for setting the material of the neutron absorber, the thickness of the neutron absorber,
A neutron flux calculating step for calculating a neutron flux distribution of the system after the deceleration portion thickness determining step and the absorbing portion setting step;
After the neutron flux calculation step, based on the neutron absorption cross section by the material of the neutron absorber set in the absorber setting step, the neutron flux obtained in the neutron flux calculation step, and the operation period, the end of the operation period Absorber remaining amount calculating step for calculating the remaining amount of the neutron absorbing portion of,
A determination step of determining whether a ratio of the remaining amount of the neutron absorber to an initial amount is smaller than a specified value;
Have
The thickness D1 of the neutron moderator is larger than the deceleration distance √τ,
A fast neutron core design method characterized by that.
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