JP6719406B2

JP6719406B2 - 熱中性子炉炉心および熱中性子炉炉心の設計方法

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Publication number: JP6719406B2
Application number: JP2017049738A
Authority: JP
Inventors: 礼木村; 怜志和田; 春花梶原; 涼介三浦
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2037-03-15
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Description

本発明の実施形態は、熱中性子炉炉心およびその設計方法に関する。

非常に小型で軽量な原子炉システムには、減速部材として金属水素化物を用いる場合がある。水素化物を減速部材に用いると、温度上昇による中性子エネルギースペクトル変化により炉心の温度反応度係数が正になる場合があることが示されている。
一方、一般的に、原子炉の炉心は、負の温度反応度係数を有することが求められる。したがって、負の温度反応度係数を有しない炉心の場合には、炉心の温度に応じた制御棒操作などが必要となり、炉心の十分な安全性を確保できないことになる。

Investigation of the TOPAZ-II space nuclear reactor moderator thermal transient, Robert D. Rockwell, MIT, 1993 「ＪＥＮＤＬ−４．０データ」２０１６年２月２日、日本原子力研究開発機構、核データ研究グループ

上述したように、金属水素化物を減速部材として用いた炉心では、温度反応度係数が正になることが課題であった。また、炉心の余剰反応度抑制のために、可燃性毒物として一般的なたとえばガドリニウム（Ｇｄ）を用いることにより、更に温度反応度係数が正側に振れるということも課題であった。

本発明の実施形態は上述した課題を解決するためになされたものであり、熱中性子炉炉心について、常温から高温域にわたり温度反応度係数が正とならないようにすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態は、中性子を減速する減速材を含み一方向に延びた固体状の減速部材と、核分裂性物質を含み、前記減速部材に並列に延びて、前記減速部材中に分散して収納された燃料部材と、前記減速部材に並列に延びた複数の冷却管と、を有する熱中性子炉炉心であって、前記減速部材と前記燃料部材のそれぞれは、互いに同軸の円筒層状であり、互いに径方向に交互に配列されており、前記燃料部材の一部が可燃性毒物を含むことにより、運転温度領域において運転温度が増加すると、当該熱中性子炉炉心の実効増倍率ｋｅｆｆが単調に減少する、ことを特徴とする。
また、本実施形態は、中性子を減速する減速材を含み一方向に延びた固体状の減速部材と、核分裂性物質を含み、前記減速部材に並列に延びて、前記減速部材中に分散して収納された燃料部材と、前記減速部材に並列に延びた複数の冷却管と、を有する熱中性子炉炉心であって、前記燃料部材の一部が可燃性毒物を含むことにより、運転温度領域において運転温度が増加すると、当該熱中性子炉炉心の実効増倍率ｋｅｆｆが単調に減少し、前記可燃性毒物は、複数の濃縮した同位体からなる、ことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、熱中性子炉について、常温から高温域にわたり温度反応度係数が正とならないようにすることができる。

本実施形態に係る熱中性子炉炉心の設計方法の手順を示すフロー図である。本実施形態に係る小型炉炉心の構成を示す４分の１横断面図である。本実施形態に係る小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルを示すグラフである。ウラン２３５の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとの対比を示すグラフである。ウラン２３８の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとの対比を示すグラフである。小型炉炉心の核燃料に可燃性毒物を付加しない場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。ガドリニウム１５５の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとを対比を示すグラフである。小型炉炉心の核燃料に可燃性毒物としてガドリニウムを付加した場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。カドミウム１１３の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとを対比を示すグラフである。小型炉炉心の核燃料の可燃性毒物として濃縮カドミウム１１３を用いた場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。ユーロピウム１５１の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとを対比を示すグラフである。小型炉炉心の核燃料の可燃性毒物として濃縮ユーロピウム１５１を用いた場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。本実施形態との比較のために小型炉炉心の核燃料の可燃性毒物としてそれぞれ自然組成のカドミウムおよびユーロピウムを用いた場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。本実施形態に係る小型炉炉心の核燃料の可燃性毒物としてカドミウム１１３およびユーロピウム１５１を用いた場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱中性子炉炉心および熱中性子炉炉心の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。

図１は、本実施形態に係る熱中性子炉炉心の設計方法の手順を示すフロー図である。可燃性毒物を含み、運転温度の増加に従って実効増倍率が単調に減少する熱中性子炉炉心の設計方法について、その手順を示している。

まず、熱中性子炉炉心の体系を設定する（ステップＳ０１）。すなわち、熱中性子炉炉心の主要な仕様として、核燃料の種類、形態、減速材の種類、形態、熱中性子炉炉心の冷却方式、炉心の径および高さなどの主要寸法等を設定する。なお、この際、核燃料は可燃性毒物が添加されていないものとする。

以下、熱中性子炉炉心として、小型炉炉心の場合を例にとって示す。

図２は、本実施形態に係る小型炉炉心の構成を示す４分の１横断面図、すなわち、小型炉炉心１の周方向の４分の１セクターを示す。

小型炉炉心１は、全体として円柱状であり、燃料部材２、減速部材３、反射体４、中性子増倍部材５、冷却管６を有する。なお、図示しないが、小型炉炉心１は、反応度制御機能を有する装置を有する。ここで、反応度制御の方式は、中性子吸収材を挿抜する方法、炉心部分にボイドを形成、消滅させる方法、反射体を移動させる方法等のいずれの方法でもよい。

小型炉炉心１は、原子炉容器８内に収納されている。燃料部材２と減速部材３とは、径方向に互いに交互に層状に配され、径方向中央の減速部材３は円柱状の領域を有し、その径方向外側の燃料部材２および減速部材３は円筒状の領域を有し、いずれも軸方向に延びている。径方向の最外周には、円筒状の領域を有する反射体４が配されている。

また、燃料部材２が配されている領域の径方向の内側面および径方向の外側面のそれぞれに隣接して、円筒状の領域を有する中性子増倍部材５が配されている。

燃料部材２の層には、周方向に互いに間隔をおいて、冷却管６が配されている。冷却管６は、小型炉炉心１の中心軸に平行に、小型炉炉心１内に延びている。

図２に示す例では、中央には減速部材３が配されて、その径方向外側の燃料部材２および減速部材３が３層の場合を示しているが、これに限定されない。中心部に燃料部材２が配されていてもよい。また、減速部材３および燃料部材２のそれぞれの径方向の厚み、層数は、それぞれ設計上適切に選定すればよい。また、冷却管６のサイズ、本数も、発熱分布等に応じて選定すればよい。

冷却管６は、たとえば、ヒートパイプの吸熱部である。なお、水などの冷却媒体用の配管であってもよい。また、配管が炉心を貫通する方式であってもよい。

燃料部材２は、少なくともウラン、トリウムあるいは超ウラン元素等の核分裂性物質を含む。以下は、ウランを核分裂性物質として含む場合を例にして説明する。また、燃料部材２の形態は、たとえば金属であるが、これには限定されない。たとえば、酸化物、窒化物、あるいは炭化物等でもよい。燃料部材２は、核分裂性物質の反応で生ずる核分裂生成物を封じ込めるために、核燃料物質の周囲を覆う金属の被覆部（図示せず）を有する。

減速部材３は、たとえば金属水素化物であり、固体状である。金属水素化物としては、たとえば、水素化カルシウム（ＣａＨ_２）あるいは水素化ジルコニウム（ＺｒＨ_２）などを用いることができる。本実施形態では、減速部材３にＣａＨ_２を用いた場合を例にとって示す。

中性子増倍部材５は、中性子を増倍する機能を有する材料により、燃料部材２で発生する１次中性子から核反応により２次中性子を生成する。

反射体４および中性子増倍部材５には、たとえばベリリウム（Ｂｅ）を用いることができる。本実施形態ではＢｅを用いた場合を例にとって示す。

原子炉容器８は、円筒形であり、両端が閉止部（図示せず）により閉止された密閉構造である。閉止部の一方あるいは両方を冷却管６が貫通する。

また、金属の水素化物は、高温で水素が解離するという特性がある。このため、運転可能温度には、金属の水素化物の水素が解離しないための上限がある。以下、運転温度としては、常温すなわち３００Ｋ程度から１０００Ｋ程度までの領域を考える。

本実施形態に係る小型炉炉心１は、以上のような構成を有し、また、燃料部材２の少なくとも一部には、可燃性毒物を含む。可燃性毒物の種類、濃度等は、本実施形態に係る熱中性子炉炉心の設計方法に基づいて、以下の例のように設定される。このような炉心が、本来の本実施形態に係る小型炉炉心１であるが、以下では、可燃性毒物の設定前の段階でも、可燃性毒物の内容を除いて、同一の構成を有するものは、本実施形態に係る小型炉炉心１と呼ぶこととする。

次に、炉心体系設定ステップで設定された小型炉炉心１の体系に基づいて、運転温度範囲にわたる小型炉炉心１の中性子エネルギースペクトルの変化を確認する（ステップＳ０２）。

図３は、本実施形態に係る小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルを示すグラフである。横軸は中性子エネルギー（ｅＶ）である。縦軸は、それぞれの中性子エネルギーにおける中性子束Φ（ｎ／ｍ^２）である。小型炉炉心１の運転温度により３つの中性子エネルギースペクトルが示されている。実線の曲線ａは温度が３００Ｋの場合、点線の曲線ｂは温度が６００Ｋの場合、また、破線の曲線ｃは温度が１０００Ｋの場合を示す。

小型炉炉心１は、減速部材３を有する熱中性子炉の炉心であるので、小型炉炉心１の温度と熱平衡状態にある熱中性子領域において、小型炉炉心１の温度の影響を受ける。一方、中性子エネルギーが数ｅＶ以上の領域においては、温度の変化に対して中性子エネルギースペクトルはほとんど変化がない。

具体的には、約０．０１ｅＶないし約１ｅＶの熱中性子領域において中性子エネルギースペクトルに違いが生じている。中性子エネルギーが１ｅＶ程度を超える領域では、ほとんど差が生じていない。

中性子エネルギースペクトルにおいて、曲線ａで示す３００Ｋの場合は０．０８ｅＶ付近に、曲線ｂで示す６００Ｋの場合は０．２ｅＶ付近に、また、曲線ｃで示す１０００Ｋの場合は０．３ｅＶ付近に、それぞれピークがある。すなわち、小型炉炉心１の温度上昇により、中性子エネルギースペクトルは、熱中性子領域でエネルギーの高い側にシフトしている。

次に、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆの小型炉炉心１の温度への依存性を確認する（ステップＳ０３）。まず、燃料部材２を構成する核分裂性核種であるウラン２３５（Ｕ２３５）および親物質であるウラン２３８（Ｕ２３８）の各断面積を説明した上で、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆの算出の例を示す。

図４は、ウラン２３５の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとの対比を示すグラフである。横軸は、ＮｅｕｔｒｏｎＥｎｅｒｇｙ，すなわち中性子エネルギー（ｅＶ）である。縦軸は、ＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ、すなわち断面積（ｂａｒｎｓ）であり、断面積の単位である１ｂａｒｎは、１０^−２４ｃｍ^２すなわち１０^−２８ｍ^２である。この断面積の図は、非特許文献２から抜粋したものである。

図４において、実線で示す曲線ＣＴ１は全断面積、１点鎖線で示す曲線ＣＦ１は核分裂反応の断面積σｆ、２点鎖線で示す曲線ＣＣ１は中性子捕獲反応の断面積σｃ、破線で示す曲線ＣＥ１は中性子弾性散乱の断面積σｅ、を示す。また、以下の各断面積に関する図においても同様であるが、オーバプロットされた中性子エネルギースペクトルは、図３に示すものと同じ内容であり、縦軸は表示していないが、相対値として読めばよい。

小型炉炉心の温度が３００Ｋから６００Ｋに上昇したときに、エネルギー範囲Aとして示す領域の中性子束Φが大幅に増加する。一方、エネルギー範囲Aにおける中性子エネルギーの増加に対しての１点鎖線で示すＵ２３５の核分裂断面積σｆの変化割合は、エネルギー範囲Aにおける中性子エネルギーの増加に対しての中性子束Φの変化割合ほどには変化しない。このため結果としては、核分裂反応率σｆ・Φは、増加する。

図５は、ウラン２３８の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとの対比を示すグラフである。横軸および縦軸は、図４と同様である。また、図５において、実線で示す曲線ＣＴ２は全断面積、破線で示す曲線ＣＥ２は弾性散乱の断面積、２点鎖線で示す曲線ＣＣ２は中性子捕獲反応の断面積σｃ、１点鎖線で示す曲線ＣＦ２は核分裂反応の断面積σｆを示す。この断面積の図は、非特許文献２から抜粋したものである。

数十ｅＶ以上の領域において、複数の大きな捕獲断面積σｃのピークが存在する。小型炉炉心１の温度が上昇すると、図５で示すエネルギー範囲Ｂにおける中性子Φが、エネルギーの高い側にシフトする。一方、小型炉炉心１の温度が上昇すると、ドップラー効果によりウラン２３８の捕獲断面積σｃのピークが広がり、エネルギー範囲Ｂのスペクトル変化に係らず小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆを抑制する。

図６は、小型炉炉心の核燃料に可燃性毒物を付加しない場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。横軸は、小型炉炉心１の温度である。縦軸は、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆである。

小型炉炉心１の温度反応度係数は、小型炉炉心１の温度Ｔに対する反応度ρの微分値である。また、反応度ρは実効増倍率ｋｅｆｆから次の式（１）により与えられ、実効増倍率ｋｅｆｆと一対一に対応する。
ρ＝（ｋｅｆｆ−１）／ｋｅｆｆ・・・（１）

したがって、小型炉炉心１の温度Ｔに対する実効増倍率ｋｅｆｆの微分値の正負は、温度反応度係数の正負と一致する。したがって、温度反応度係数の正負を評価してもよいが、以下のように、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆの温度依存性に基づいて評価することでもよい。

前述のように、小型炉炉心１の温度が３００Ｋ程度から６００Ｋ程度の領域では、Ｕ２３５の核分裂反応率σｆ・Φが増加するため、小型炉炉心１の温度の上昇に対して、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆは増加する。一方、小型炉炉心１の温度が６００Ｋ程度から１０００Ｋ程度の領域では、エネルギー範囲Ｂの中性子束Φは増加するものの、ドップラー効果によりＵ２３８による中性子捕獲反応率σｃ・Φの寄与が増加する。

この結果、小型炉炉心１の温度に対して、実効増倍率ｋｅｆｆは６００Ｋ程度の温度でピークを有するように変化する。このため、３００Ｋから６００Ｋ程度の温度領域では温度反応度係数は正となり、６００Ｋ程度から１０００Ｋ程度までは温度反応度係数が負となる。

次に、中性子エネルギースペクトルの変化にもとづいて、可燃性毒物を選定する（ステップＳ０４）。この場合、熱中性子領域における捕獲断面積のピークの有無、中性子エネルギーの変化に対する捕獲断面積の変化の傾向等を考慮する。

以下に、可燃性毒物の例として、従来通常用いられているガドリニウム（Ｇｄ）を選定した場合、カドミウム（Ｃｄ）を選定した場合、ユーロピウム（Ｅｕ）を選定した場合、およびＣｄとＥｕの組合せを選定した場合を例にとって順次説明する。

図７は、ガドリニウム１５５の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとを対比を示すグラフである。横軸、縦軸は、図４，５と同様である。図７において、実線で示す曲線ＣＴ３は全断面積、２点鎖線で示す曲線ＣＣ３は中性子捕獲反応の断面積σｃ、点線で示す曲線ＣＥ３は弾性散乱の断面積σｅを示す。この断面積の図は、非特許文献２から抜粋したものである。

図７に示されるように、エネルギー範囲Aにおける中性子エネルギーの増加に対して、Ｇｄ１５５の中性子捕獲断面積σｃは単調に大きく減少する。一方、小型炉炉心の温度が、３００Ｋから６００Ｋ、さらに１０００Ｋへと上昇すると、エネルギー範囲Ａにおいては、中性子束Φが高エネルギー側にシフトする。

この結果、小型炉炉心１の温度の上昇により、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆのマイナス側の因子であるＧｄ１５５の捕獲反応率σｃ・Φは減少する。

図８は、小型炉炉心の核燃料に可燃性毒物としてガドリニウムを付加した場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。横軸は小型炉炉心１の温度（Ｋ）である。縦軸は、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆである。

実線で示す曲線Ａは、核燃料に可燃性毒物を付加しない場合の実効増倍率ｋｅｆｆの温度依存性であり図６に示すものと同じ内容である。

実線で示す曲線ＢＴは、小型炉炉心１の核燃料に可燃性毒物を付加した場合の実効増倍率ｋｅｆｆの温度依存性を示す。核燃料に可燃性毒物としてガドリニウム（Ｇｄ）を付加した場合には、温度の３００Ｋから１１００Ｋまでの増加に対して、実効増倍率ｋｅｆｆは、単調に増加する。すなわち、温度反応度係数は正である。また、実効増倍率ｋｅｆｆの増加の傾きも、ガドリニウム（Ｇｄ）を付加しない場合の３００Ｋから４００Ｋ程度までの実効増倍率ｋｅｆｆの増加の傾きに比べて大きい。

なお、図８における核燃料にＧｄを付加した場合の実効増倍率ｋｅｆｆの値は、核燃料に可燃性毒物を付加しない場合の実効増倍率ｋｅｆｆに基づいて、可燃性毒物を付加したことによる実効増倍率ｋｅｆｆの低下分を加味した値である。すなわち、温度変化に対する実効増倍率ｋｅｆｆの変化の傾向を確認する目的からは十分であるため、再度、炉心臨界条件に基づく実効増倍率ｋｅｆｆの調整は行っていない。

温度反応度係数を正とする要因を明確にするために、要素ごとの温度変化に対する実効増倍率ｋｅｆｆの変化を確認する。破線で示す曲線Ｂ１は、減速材すなわち金属水素化物のみの温度変化の場合を示す。この場合、温度上昇に対して実効増倍率ｋｅｆｆは増加している。次に、二点鎖線で示す曲線Ｂ２は、増倍材、反射体のみの温度変化の場合を示す。この場合は、温度変化に対して実効増倍率ｋｅｆｆはほぼ一定である。次に、点線で示す曲線Ｂ３は、燃料物質すなわちウランのみの温度変化の場合を示す。この場合は、温度上昇に対して実効増倍率ｋｅｆｆは減少している。したがって、核燃料に可燃性毒物としてＧｄを付加した場合に、温度反応度係数を正とする原因は、破線Ｂ１で示す減速材の温度上昇による実効増倍率ｋｅｆｆの増加であることが確認できる。

これは、図７で示したように、図７のエネルギー範囲Ａにおける中性子エネルギーの増加に対して、Ｇｄ１５５の中性子捕獲断面積σｃは単調に大きく減少する結果、実効増倍率ｋｅｆｆに負側に寄与する中性子捕獲反応の反応率σｃ・Φは減少することによる。

図９は、カドミウム１１３の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとを対比を示すグラフである。横軸、縦軸については、図７と同様である。図９において、実線で示す曲線ＣＴ４は全断面積、２点鎖線で示す曲線ＣＣ４は中性子捕獲反応の断面積σｃ、点線で示す曲線ＣＥ４は弾性散乱の断面積σｅを示す。この断面積の図は、非特許文献２から抜粋したものである。

Ｃｄ１１３については、同位体濃縮製品を利用することができる。図９に示すように、Ｃｄ１１３は、熱中性子エネルギー領域の０．２ｅＶ付近に中性子捕獲断面積σｃのピークを有する。このため、熱中性子領域では中性子エネルギーが０．２ｅＶ程度までは、中性子エネルギーの増加に対して中性子捕獲断面積σｃは増加し、０．２ｅＶ程度を超えると、中性子エネルギーの増加に対して中性子捕獲断面積σｃは減少する。

一方、小型炉炉心の温度の変化に対する中性子エネルギースペクトルの熱中性子領域の状況は、図３についての説明で述べたように、小型炉炉心の温度が３００Ｋの場合は０．０８ｅＶ付近に、また、６００Ｋの場合は０．２ｅＶ付近にピークがある。

したがって、小型炉炉心の温度が３００Ｋから６００Ｋに変化すると、Ｃｄ１１３の中性子捕獲断面積σｃが増加する。ただし、小型炉炉心の温度が６００Ｋから１０００Ｋに変化すると、Ｃｄ１１３の中性子捕獲断面積σｃは減少する。この結果、小型炉炉心の温度が３００Ｋから６００Ｋへ、さらに１０００Ｋに変化すると、実効増倍率ｋｅｆｆを減少させる効果を有する中性子捕獲反応率σｃ・Φは、増加した後に減少する。

図１０は、小型炉炉心の核燃料の可燃性毒物として濃縮カドミウム１１３を用いた場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。横軸は小型炉炉心の温度（Ｋ）であり、縦軸は小型炉炉心の実効増倍率ｋｅｆｆである。

前述のように、小型炉炉心の温度が３００Ｋから６００Ｋへ、さらに１０００Ｋに変化すると、実効増倍率ｋｅｆｆを減少させる効果を有するＣｄ１１３の中性子捕獲反応率σｃ・Φは、増加した後に減少する。この結果、小型炉炉心の実効増倍率ｋｅｆｆは、逆に、図１０に示すように、減少した後に増加するように変化する。この場合、小型炉炉心の温度が、１０００Ｋに近い領域で温度反応度が正となってしまう点を改善する必要がある。

図１１は、ユーロピウム１５１の反応断面積のスペクトルと、小型炉炉心の中性子エネルギースペクトルとを対比を示すグラフである。図１１において、実線で示す曲線ＣＴ５は全断面積、２点鎖線で示す曲線ＣＣ５は中性子捕獲反応の断面積σｃ、点線で示す曲線ＣＥ５は弾性散乱の断面積σｅを示す。この断面積の図は、非特許文献２から抜粋したものである。

Ｅｕについても、同位体濃縮製品を利用することができる。図１１に示すように、Ｅｕ１５１は、約０．４ｅＶのエネルギーにおいて中性子捕獲断面積σｃの共鳴吸収のピークを有し、約０．２ｅＶから約０．３ｅＶにかけて中性子捕獲断面積σｃが増加する。

図１２は、小型炉炉心の核燃料の可燃性毒物として濃縮ユーロピウム１５１を用いた場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。横軸は、小型炉炉心１の温度である。縦軸は、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆである。

図１２に示すように、約５００Ｋ未満の領域では、温度上昇に対して実効増倍率ｋｅｆｆは増加する、すなわち温度反応度係数は正である。一方、約５００Ｋ以上の温度領域では、温度上昇に対して実効増倍率ｋｅｆｆは減少する、すなわち温度反応度係数は負となっている。

以上に示したように、Ｃｄ１１３を微量添加した場合は低温側の領域で、Ｅｕ１５１を微量添加した場合は高温側の領域で、それぞれ温度反応度係数が負となる。

図１３は、本実施形態との比較のために小型炉炉心の核燃料の可燃性毒物としてそれぞれ自然組成のカドミウムおよびユーロピウムを用いた場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。

自然組成のカドミウムの同位体組成は、おおよそ、Ｃｄ１１４が２８．７％、Ｃｄ１１２が２４．１％、Ｃｄ１１１が１２．８％、Ｃｄ１１０が１２．５％、Ｃｄ１１３が１２．２％、Ｃｄ１１６が７．５％、Ｃｄ１０６が１．３％、Ｃｄ１０８が０．９％である。

また、自然組成のユーロピウムの同位体組成は、おおよそ、Ｅｕ１５３が５２．２％、Ｅｕ１５１が４７．８％である。

自然組成のカドミウムおよびユーロピウムを用いた場合の小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆは、小型炉炉心１の温度が３００Ｋから５００Ｋ程度までは、温度の上昇に対して増加する。また、小型炉炉心１の温度が５００Ｋ程度から１０００Ｋ程度までは、温度の上昇に対して、小型炉炉心１の実効増倍率ｋｅｆｆは減少する。

すなわち、温度反応度係数は、小型炉炉心１の温度が３００Ｋから５００Ｋ程度までは正、５００Ｋ程度から１０００Ｋ程度までは負である。

熱中性子炉炉心の設計方法としての、次のステップは、選定された可燃性毒物についてそれぞれの割合を変化させて熱中性子炉炉心の実効増倍率の変化をサーベイし（ステップＳ０５）、運転温度領域に亘り温度反応度係数が負の合格ケースがあるか否かを判定する（ステップＳ０６）ことになる。

次に示すカドミウム１１３およびユーロピウム１５１の組合せを用いた場合は、この合格ケースに該当する。

図１４は、小型炉炉心の核燃料の可燃性毒物としてカドミウム１１３およびユーロピウム１５１を用いた場合の実効増倍率の温度依存性を示すグラフである。

すなわち、所定の量の濃縮Ｃｄと所定の量の濃縮Ｅｕとを核燃料物質に添加した場合の実効増倍率ｋｅｆｆの温度依存性を示している。ここで、所定の量の濃縮Ｃｄは、Ｃｄ１１３の濃縮度９６％で、Ｃｄの核燃料物質に対する個数密度割合が０．００７２％である。また、所定の量の濃縮Ｅｕは、Ｅｕ１５１の濃縮度９６％で、Ｅｕの核燃料物質に対する個数密度割合が０．０２％である。

図１４に示すように、小型炉炉心の温度が３００Ｋから４００Ｋに増加するときには、実効増倍率ｋｅｆｆはわずかに増加する。したがって温度反応度係数はその絶対値は小さいが負である。また、小型炉炉心の温度が、４００Ｋから１０００Ｋ強までに増加する場合は、実効増倍率ｋｅｆｆは顕著に減少している。したがって、温度反応度係数は負である。

このように、Ｃｄ１１３とＥｕ１５１の２種類の同位体を核燃料に微量添加することにより、３００Ｋから１０００Ｋまでの領域で、小型炉炉心の温度反応度係数を負とすることができる。

判定の結果、合格ケースがあるとされた（ステップＳ０６ＹＥＳ）場合、この合格ケースに基づいて、臨界条件および燃焼条件により合格ケースの可燃性毒物の濃度を決定する（ステップＳ０７）。Ｃｄ１１３が９６％濃縮のＣｄを核燃料物質に対する個数密度割合が０．００７２％と、Ｅｕ１５１が９６％濃縮のＥｕを核燃料物質に対する個数密度割合が０．０２％は、臨界条件および燃焼条件を成立させるように調整された結果である。また、図１４の縦軸の実効増倍率ｋｅｆｆも、この調整された結果である。

なお、判定の結果、合格ケースが無いとされた（ステップＳ０６ＮＯ）場合には、可燃性毒物の選定から判定までを繰り返す。

以上のように、本実施形態によれば、熱中性子炉について、常温から高温域にわたり温度反応度係数が正とならないようにすることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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、実施形態では、カドミウム１１３とユーロピウム１５１とを可燃性毒物として用いる場合を示したが、これに限定されない。すなわち、複数種類の中性子吸収効果のある同位体の組合せが、運転温度範囲にわたり温度上昇に対して中性子捕獲断面積が減少するようなものであれば、実施形態に示した例と同様の効果を有する。

また、実施形態では、金属水素化物を減速材として使用する小型熱中性子炉に適用した場合に特に有効であるため、これを例にとって示したが、これに限定されない。すなわち、他の減速材を使用する場合でも、減速材を有する熱中性子炉であれば、実施形態と同様の方法の対象としてよい。

さらに、実施形態では、核燃料がウラン燃料である場合を示したが、これに限定されない。すなわち、ウランおよびプルトニウムで構成される燃料、たとえば混合酸化物燃料の場合でもよい。

また、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。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。

１…小型炉炉心（熱中性子炉炉心）、２…燃料部材、３…減速部材、４…反射体、５…中性子増倍部材、６…冷却管、８…原子炉容器

Claims

中性子を減速する減速材を含み一方向に延びた固体状の減速部材と、
核分裂性物質を含み、前記減速部材に並列に延びて、前記減速部材中に分散して収納された燃料部材と、
前記減速部材に並列に延びた複数の冷却管と、
を有する熱中性子炉炉心であって、
前記減速部材と前記燃料部材のそれぞれは、互いに同軸の円筒層状であり、互いに径方向に交互に配列されており、
前記燃料部材の一部が可燃性毒物を含むことにより、運転温度領域において運転温度が増加すると、当該熱中性子炉炉心の実効増倍率ｋｅｆｆが単調に減少する、
ことを特徴とする熱中性子炉炉心。
前記減速材は金属水素化物であることを特徴とする請求項１に記載の熱中性子炉炉心。
前記可燃性毒物は、少なくとも一つの濃縮した同位体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱中性子炉炉心。
中性子を減速する減速材を含み一方向に延びた固体状の減速部材と、
核分裂性物質を含み、前記減速部材に並列に延びて、前記減速部材中に分散して収納された燃料部材と、
前記減速部材に並列に延びた複数の冷却管と、
を有する熱中性子炉炉心であって、
前記燃料部材の一部が可燃性毒物を含むことにより、運転温度領域において運転温度が増加すると、当該熱中性子炉炉心の実効増倍率ｋｅｆｆが単調に減少し、
前記可燃性毒物は、複数の濃縮した同位体からなる、
ことを特徴とする熱中性子炉炉心。
前記複数の濃縮した同位体は、濃縮したカドミウム１１３および濃縮したユーロピウム１５１であることを特徴とする請求項４に記載の熱中性子炉炉心。
前記燃料部材と前記減速部材との間に配されて、中性子を増倍する中性子増倍部材をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の熱中性子炉炉心。
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