JP6753760B2

JP6753760B2 - 高速炉の炉心

Info

Publication number: JP6753760B2
Application number: JP2016208205A
Authority: JP
Inventors: 幸治藤村; 克之川島
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: JP2018071997A; FR3057988B1; FR3057988A1

Description

本発明は、高速炉において、制御棒誤引抜き事故想定時の炉心損傷を回避して、安全性を向上するための高速炉の炉心に関する。

高速炉の燃料集合体及び炉心に関しては、非特許文献１に記載されるように、高速増殖炉は、原子炉容器内に炉心を配置しており、冷却材である液体ナトリウムを原子炉容器内に充填している。その炉心に装荷される燃料集合体は、プルトニウムを富化した劣化ウラン（Ｕ−２３８）を封入した複数の燃料棒、束ねられた複数の燃料棒を取り囲むラッパ管、これらの燃料棒の下端部、及び燃料棒の下方に位置する中性子遮へい体を支持するエントランスノズル、及び燃料棒の上方に位置する冷却材流出部を有する。

高速増殖炉の炉心は、内側炉心燃料領域及びこの内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域を有する炉心燃料領域、炉心燃料領域を取り囲むブランケット燃料領域及びブランケット燃料領域を取り囲む遮蔽体領域を有する。標準的な均質炉心の場合、外側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度は、内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度よりも高くなっている。この結果、炉心の半径方向における出力分布が平坦化される。
燃料集合体の各燃料棒に収納される核燃料物質の形態としては、金属燃料、窒化物燃料及び酸化物燃料がある。これらのうち、酸化物燃料が最も実績が豊富である。

Ｐｕ及び劣化ウランのそれぞれの酸化物を混合した混合酸化物燃料、すなわち、ＭＯＸ燃料のペレットが、燃料棒内で軸方向の中央部において８０〜１００ｃｍ程度の高さに充填される。さらに、燃料棒内には、劣化ウランで作られた複数の二酸化ウランペレットを充填した軸方向ブランケット領域が、ＭＯＸ燃料の充填領域の上方及び下方にそれぞれ配置されている。内側炉心燃料領域に装荷される内側炉心燃料集合体及び外側炉心燃料領域に装荷される外側炉心燃料集合体は、そのように、ＭＯＸ燃料の複数のペレットを充填した複数の燃料棒を有する。外側炉心燃料集合体のＰｕ富化度は、内側炉心燃料集合体のそれよりも高くなっている。

炉心燃料領域を取り囲むブランケット燃料領域には、劣化ウランで作られた複数の二酸化ウランペレットを充填した複数の燃料棒を有するブランケット燃料集合体が装荷される。炉心燃料領域に装荷された燃料集合体内で生じる核分裂反応で発生した中性子のうち、炉心燃料領域から漏れた中性子が、ブランケット燃料領域に装荷されたブランケット燃料集合体の各燃料棒内のＵ−２３８に吸収される。この結果、ブランケット燃料集合体の各燃料棒内で核分裂性核種であるＰｕ−２３９が新たに生成される。

また、高速増殖炉の起動時、停止時及び原子炉出力の調節時には、制御棒が用いられる。制御棒は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）ペレットをステンレス製の被覆管に封入した複数の中性子吸収棒を有し、これらの中性子吸収棒を、内側炉心燃料集合体及び外側炉心燃料集合体と同様に、横断面が正六角形をしたラッパ管に収納されて構成される。制御棒は、主炉停止系及び後備炉停止系の独立した２系統の構成となっており、主炉停止系及び後備炉停止系のいずれか一方のみで高速増殖炉の緊急停止が可能になる。

さて、一般に高速炉の燃焼反応は３％Δｋ／ｋｋ’程度であり、制御棒の誤引抜きとスクラム失敗を重畳した事故（ＵＴＯＰ：ＵｎｐｒｏｔｅｃｔｅｄＴｒａｎｓｉｅｎｔ
ＯｖｅｒＰｏｗｅｒ、以下、ＵＴＯＰと称する）を想定すると、当該制御棒近傍の出力密度が変化して、線出力が設計許容値を超過する可能性がある。この様なＵＴＯＰ時の線出力の増大を回避できれば、熱的な余裕の増大、ひいては炉心の安全性向上が実現できる。ＵＴＯＰ時の線出力増大を回避するには、燃焼反応度を低減して、燃焼補償用の制御棒１本当りに要求される、制御反応度の低減が有効である。
例えば、特許文献１には、高速炉の炉心に装荷する燃料集合体に収容される燃料要素（燃料ピン）中の燃料物質を、マイナーアクチニド（ＭＡ：ＭｉｎｏｒＡｃｔｉｎｉｄｅ、以下、ＭＡと称する）を含むＴＲＵ（超ウラン元素）の富化度を５％〜３０％とし、核分裂性Ｐｕ富化度を９％〜１２％とする構成が開示されている。これにより、原子力発電所のプラント寿命を通じて、燃料を交換せずに、所定の電気出力が供給できる高速増殖炉が実現可能となり、稼働率が向上し、燃料寿命が長寿命化するため、経済性を大幅に向上することが可能な旨記載されている。

特開平５―５２９８１号公報

平川直弘、岩崎智彦著「原子炉物理入門」、東北大学出版会、ｐｐ．２７９―２８６、２００３年１０月３０日。

杉野和輝、神智之、羽様平、沼田一幸、：ＪＥＮＤＬ―４．０に基づく高速炉用炉定数ＵＦＬＩＢ.Ｊ４０及びＪＦＳ−３−Ｊ４．０の作成、ＪＡＥＡ−Ｄａｔａ/Ｃｏｄｅ２０１１−０１７，日本原子力研究開発機構（２０１１）。

羽様平、他、"ＳＬＡＲＯＭ−ＵＦ：ＵｌｔｒａＦｉｎｅＧｒｏｕｐＣｅｌｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎＣｏｄｅｆｏｒＦａｓｔＲｅａｃｔｏｒ―Ｖｅｒｓｉｏｎ２００９０１１３−," ＪＡＥＡ−Ｒｅｖｉｅｗ２００９−００３，（２００９）。

Ｔ．Ｒ．Ｆｏｗｌｅｒ，Ｄ．Ｒ．ＶｏｎｄｙａｎｄＧ．Ｗ．Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ：ＮｕｃｌｅａｒＲｅａｃｔｏｒＣｏｄｅＡｎａｌｙｓｉｓＣｏｄｅ：ＣＩＴＡＴＩＯＮ：ＯＲＮＬ／ＴＭ−２４６９Ｒｅｖ．２（１９７１）。

しかしながら、特許文献１の構成では、高速炉の炉心燃料へのＭＡの添加はボイド反応度の大幅な増加をもたらす。また、高速炉の炉心では、ＵＴＯＰ想定時において燃焼反応度の低減が必要となるものの、特許文献１ではこの点について何ら考慮されていない。
そこで本発明は、ボイド反応度増大を抑制しつつ、燃焼反応度を低減して、ＵＴＯＰ時に炉心に印加される反応度を低減して、安全性を向上し得る高速炉の炉心を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る高速炉の炉心は、炉心の半径方向に、内側炉心燃料領域、及び内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域を有し、内側炉心燃料領域及び外側炉心燃料領域のそれぞれにＭＯＸ燃料をラッパ管内に収容する複数の燃料集合体が装荷され、
少なくとも、内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体は、マイナーアクチニドを含有する劣化ウラン酸化物を燃料とする内部ブランケット燃料を、軸方向略中央部に備えており、
外側炉心燃料領域を囲むよう配される径方向ブランケット領域を備え、径方向ブランケット領域と外側炉心燃料領域との間に、一端が閉鎖され他端が開口されている中空な管状構造物であるガス膨張モジュールが配置され、
ガス膨張モジュールは、外側炉心燃料領域の最外周に装荷された燃料集合体と隣接して周方向に複数体配置され、
内側炉心燃料領域に装荷された複数の燃料集合体、及び外側炉心燃料領域の最外周に装荷された燃料集合体を除いた、外側炉心燃料領域に装荷された他の複数の燃料集合体のそれぞれのＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度は、同一であり、
外側炉心燃料領域の最外周に装荷されてガス膨張モジュールに隣接して周方向に配置された複数の燃料集合体のＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度は、外側炉心燃料領域に装荷された他の複数の燃料集合体のＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする。

本発明によれば、ボイド反応度増大を抑制しつつ、燃焼反応度を低減して、ＵＴＯＰ時に炉心に印加される反応度を低減して、安全性を向上し得る高速炉の炉心を提供することが可能となる。
例えば、炉心の構成を軸方向非均質炉心とし、内部ブランケット燃料にＭＡを添加し、その含有率を最適化することによって、燃焼反応度の絶対値を１＄（ドル）以下として、ＵＴＯＰ想定時に、印加反応度の絶対値を減少することができ、炉心安全性を向上できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る実施例１の高速炉の炉心の縦断面図であって、１／２炉心を示す図である。図１に示す高速炉の炉心の横断面図であって、１／２炉心を示す図である。本発明の一実施形態に係る高速炉の炉心を有する高速炉原子力発電システムの全体構成図である。内部ブランケット燃料にＭＡを含有させた高速炉の炉心において、燃焼反応度の内部ブランケットのＭＡ含有率依存性を示す図である。図１に示す高速炉の炉心の変形例の縦断面図であって、１／２炉心を示す図である。本発明の他の実施例に係る実施例２の高速炉の炉心の縦断面図であって、１／２炉心を示す図である。図６に示す高速炉の炉心の横断面図であって、１／２炉心を示す図である。

図３は、本発明の一実施形態に係る高速炉の炉心を有する高速炉原子力発電システムの全体構成図である。図３に示すように、高速炉原子力発電システム１は、原子炉容器２、原子炉容器２内に収納された核分裂性物質を含む炉心３、原子炉容器２から一次冷却系配管４ａを介して順に接続された中間熱交換器５及び一次主循環ポンプ７ａ、中間熱交換器５より二次冷却系配管４ｂを介して順に接続された蒸気発生器８及び二次主循環ポンプ７ｂを有する。また、蒸気発生器８にて発生した蒸気を高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂに送る主蒸気系配管９ａ、高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂを経由した後の蒸気を凝縮して水に戻す復水器１３、復水器１３にて凝縮した水を蒸気発生器８に戻す給復水系配管９ｂ、高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂの軸に連結された発電機１２、復水器１３の下流側で給復水系配管９ｂに連結された給水ポンプ１４及び給水加熱器１５から構成される。

そして、高速炉原子力発電システム１では、炉心３にて加熱された一次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）を中間熱交換器５に通して二次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）を加熱し、さらに二次系冷却材を蒸気発生器８に通して主蒸気系配管９ａに蒸気を発生させ、この蒸気を高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂに導いて、発電機１２により発電を行う。発電に使用された蒸気は、沸騰水型（ＢＷＲ）又は加圧水型（ＰＷＲ）軽水炉原子力発電システムと同様に、復水器１３で凝縮されて水となり、その後、給水ポンプ１４及び給水加熱器１５を通ってそれぞれ加熱及び昇圧され、蒸気発生器８に給水される。

炉心３には、後述する複数の炉心燃料集合体、制御棒が装荷されている。炉心３を収納する原子炉容器２内は一次冷却材で満たされ、一次冷却材は、炉心３の下部より炉心３内に入り炉心燃料集合体に沿って上昇し、一次主循環ポンプ７ａにより原子炉容器２の外部に設けられた中間熱交換器５へと一次冷却系配管４ａを介して流入する。これによりループ型の高速炉を構成している。なお、本明細書ではループ型の高速炉を例に説明するが、これに限られず、原子炉容器２、一次主循環ポンプ７ａ及び中間熱交換器５を１つのタンクに収容するタンク型の高速炉にも適用できる。
以下、図面を用いて本発明の実施例に係る高速炉の炉心について説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の高速炉の炉心の縦断面図であって、１／２炉心を示す図であり、図２は、図１に示す高速炉の炉心の横断面図であって、１／２炉心を示す図であり、図４は、内部ブランケット燃料にＭＡを含有させた高速炉の炉心において、燃焼反応度の内部ブランケットのＭＡ含有率依存性を示す図である。
図２では、上下対称のため、１／２部分のみを示している。本実施例における高速炉の炉心１０は、高速炉の原子炉容器２（図３）内に配置され、半径方向に内側炉心燃料領域２１と、内側炉心燃料領域２１を取り囲む外側炉心燃料領域２２とにより炉心燃料領域が構成されている。炉心燃料領域には、複数の制御棒集合体２４が配されている。また、高速炉の炉心１０は、外側炉心燃料領域２２を取り囲むよう径方向ブランケット燃料領域２３、径方向ブランケット燃料領域２３の外側に反射体領域２５及び遮蔽体領域２６を有する。高速炉の炉心１０の半径方向において、反射体領域２５が径方向ブランケット燃料領域２３を取り囲んで径方向ブランケット燃料領域２３と隣り合っており、遮蔽体領域２６が反射体領域２５を取り囲んでいる。本実施例の高速炉の炉心１０は、炉心燃料領域を構成する内側炉心燃料領域２１に後述する内部ブランケット燃料を配置した軸方向非均質炉心である。

図１に示すように、高速炉の炉心１０は、内側炉心燃料領域２１（図２）の上部燃料３２と下部燃料３３、及び外側炉心燃料領域２２（図２）の外側炉心燃料３４は、いずれも劣化ウラン酸化物（ＵＯ２）にプルトニウム酸化物（ＰｕＯｘ）を混合したＭＯＸ燃料であり、いずれも同一のＰｕ富化度である。内部ブランケット燃料３１の燃料は劣化ウラン酸化物（ＵＯ２）にＭＡ酸化物（ＭＡＯｘ）を混合している。また、軸方向上部ブランケット燃料３５、軸方向下部ブランケット燃料３６、及び径方向ブランケット燃料３７は、いずれも燃料は劣化ウラン酸化物（ＵＯ２）である。
なお、図１に示すように、内側炉心燃料領域２１（図２）においては、軸方向に下部より上部へと（一次冷却材である液体ナトリウムの流れの方向に沿って上流側から下流側へと）、順に、軸方向下部ブランケット燃料３６、下部燃料３３、内部ブランケット燃料３１、上部燃料３２、及び軸方向上部ブランケット燃料３５が配されている。例えば、軸方向下部ブランケット燃料３６は軸方向において約３０ｃｍの高さ（軸方向に沿った長さ）を有し、下部燃料３３は４０ｃｍ、内部ブランケット燃料３１は２０ｃｍ、上部燃料３２は４０ｃｍ、及び、軸方向上部ブランケット燃料３５は３０ｃｍの高さ（軸方向に沿った長さ）を有する。よって、下部燃料３３、内部ブランケット燃料３１、及び上部燃料３２の軸方向における合計の高さ（軸方向に沿った長さの合計）は、約１００ｃｍとなる。一方、外側炉心燃料領域２２（図２）においては、軸方向に下部より上部へと（一次冷却材である液体ナトリウムの流れの方向に沿って上流側から下流側へと）、順に、軸方向下部ブランケット燃料３６、外側炉心燃料３４、及び軸方向上部ブランケット燃料３５が配されている。外側炉心燃料３４は軸方向において約１００ｃｍの高さ（軸方向に沿った長さ）を有する。また、径方向ブランケット燃料領域２３（図２）の径方向ブランケット燃料３７は、例えば、軸方向において約１６０ｃｍの高さ（軸方向に沿った長さ）を有する。

原子炉の電気出力は７５万ｋＷｅで、連続運転期間は約２０ヶ月、６バッチ燃料取り替えで、炉心燃料の取出し平均燃焼度は約１５０ＧＷｄ／ｔである。本実施例の炉心１０の内部ブランケット燃料３１に含有するＭＡの含有率（ｗｔ％）をパラメータとして、燃焼反応度（％Δｋ／ｋｋ’）のＭＡ含有率（ｗｔ％）を計算によって評価した。
評価に当たり、以下に示す通り、高速炉の標準的な解析手法を用いている。我が国の最新の核データライブラリー、ＪＥＮＤＬ−４．０に基づく高速炉用の７０群の核データセット（非特許文献２参照）を用いて、高速炉の実効断面積計算用のプログラムであるＳＬＡＲＯＭ−ＵＦ（非特許文献３参照）で中性子のエネルギー群数７０群の実効断面積を計算した。この実効断面積を用いて、中性子拡散計算プログラムＣＩＴＡＴＩＯＮ（非特許文献４参照）の２次元ＲＺ炉心体系モデルで平衡サイクル計算を行い、中性子実効増倍率（ｋｅｆｆ）を求めて、あるＭＡ含有率（ｗｔ％）に対して、所定の取出燃焼度で平衡サイクル末期に臨界となる様な内側炉心燃料２１に装荷される内側炉心燃料集合体と外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体のＰｕ富化度を求める。この時に、平衡サイクル初期と平衡サイクル末期の中性子実効増倍率（ｋｅｆｆ）を用いて、燃焼反応度（％Δｋ／ｋｋ’）を計算する。上記の計算を、いくつかのＭＡ含有率に対して繰り返して、燃焼反応度（％Δｋ／ｋｋ’）のＭＡ含有率（ｗｔ％）依存性のカーブをプロットする。なお、上述の高速炉の標準的な解析手法は、高速炉を模擬した臨界実験や、高速炉実機で十分検証されている。
図４に評価結果を示す。図４は、高速炉の炉心１０において、燃焼反応度の内部ブランケット燃料のＭＡ含有率依存性を示す図である。図４において、横軸に内部ブランケット燃料におけるＭＡの含有率（ｗｔ％）を、縦軸に燃焼反応度（％Δｋ／ｋｋ’）を取り、燃焼反応度の内部ブランケット燃料のＭＡ含有率依存性を示している。ＭＡは取出燃焼度６０ＧＷｄ／ｔの軽水炉の使用済燃料に含まれるＮｐ，Ａｍ，Ｃｍである。図４に示すように、燃焼反応度（％Δｋ／ｋｋ’）は、内部ブランケット燃料３１におけるＭＡ含有率（ｗｔ％）の増加に伴って減少し、ＭＡ含有率が４０ｗｔ％近傍でほぼゼロとなり、さらにＭＡ含有率（ｗｔ％）が増えると負の値となる。ここで、ＭＡ含有率が４０ｗｔ％近傍を超えると燃焼反応度（％Δｋ／ｋｋ’）が負の値となっているが、これれは、平衡サイクル初期における反応度よりも平衡サイクル末期における反応度の方が大きいことによる。ＭＡ含有率（ｗｔ％）が３５ｗｔ％で燃焼反応度が１＄となり、ＭＡ含有率（ｗｔ％）が４５ｗｔ％で燃焼反応度が−１＄以下となる。すなわち。内部ブランケット燃料３１のＭＡ含有率（ｗｔ％）が３５ｗｔ％から４５ｗｔ％の範囲において、燃焼反応度の絶対値は１＄以下となり、制御棒の誤引抜きとスクラム失敗を重畳した事故（ＵＴＯＰ：ＵｎｐｒｏｔｅｃｔｅｄＴｒａｎｓｉｅｎｔＯｖｅｒＰｏｗｅｒ）を想定した場合でも、当該制御棒集合体２４近傍の燃料集合体における線出力の増加がわずかとなり、燃料の健全性が維持される。ここで、燃焼反応度の絶対値が１＄とは、実行遅発中性子の発生割合が約０.３％であることを意味する。

図５は、図１に示す高速炉の炉心の変形例の縦断面図であって、１／２炉心を示す図である。図５に示すように、変形例の高速炉の炉心１０ａは、外側炉心燃料領域２２（図２）の外側炉心燃料３４であって、内側炉心燃料領域２１（図２）の内部ブランケット燃料３１に隣接する領域より径方向に所定の長さ（距離）、且つ、軸方向において略中央部に内部ブランケット燃料３１ａを有する。この外側炉心燃料領域２２の外側炉心燃料３４における内部ブランケット燃料３１ａは、内側炉心燃料領域２１の内部ブランケット燃料３１と同様に、劣化ウラン酸化物（ＵＯ２）にマイナーアクチニド（ＭＡ）酸化物（ＭＡＯｘ）を混合している。よって、外側炉心燃料領域２２の外側炉心燃料３４における内部ブランケット燃料３１ａにおいても、ＭＡ含有率（ｗｔ％）が３５ｗｔ％から４５ｗｔ％とするのが好ましく、ＭＡ含有率（ｗｔ％）が、内側炉心燃料領域２２の内部ブラケット燃料３１と外側炉心燃料領域２２の外側炉心燃料３４における内部ブランケット燃料３１ａとで、同一とすることが望ましい。

以上のとおり、本実施例によれば、ボイド反応度増大を抑制しつつ、燃焼反応度を低減して、ＵＴＯＰ時に炉心に印加される反応度を低減して、安全性を向上し得る高速炉の炉心を提供することが可能となる。
より具体的には、炉心の構成を軸方向非均質炉心とし、内部ブランケット燃料にＭＡを添加し、その含有率を最適化することによって、燃焼反応度の絶対値を１＄（ドル）以下として、ＵＴＯＰ想定時に、印加反応度の絶対値を減少することができ、炉心安全性を向上できる。

図６は、本発明の他の実施例に係る実施例２の高速炉の炉心の縦断面図であって、１／２炉心を示す図であり、図７は、図６に示す高速炉の炉心の横断面図であって、１／２炉心を示す図である。実施例１では、図１に示すように、内側炉心燃料領域２１及び外側炉心燃料領域２２において、軸方向上部ブランケット燃料３５及び軸方向下部ブランケット燃料３６を配する構成とした。これに対し本実施例は、軸方向上部ブランケット燃料３５及び軸方向下部ブランケット燃料３６を配することなく、上部燃料４２及び外側炉心燃料４４の軸方向上部にナトリウムプレナム領域４５を配する構成とした点が実施例１と異なる。また、外側炉心燃料４４と径方向ブランケット燃料４７の間にガス膨張モジュール（ＧＥＭ：ＧａｓＥｘｐａｎｓｉｏｎＭｏｄｕｌｅ、以下、ＧＥＭと称する）４６を配する構成とした点が実施例１と異なる。

図７では、上下対称のため、１／２部分のみを示している。本実施例における高速炉の炉心２０は、高速炉の原子炉容器２（図３）内に配置され、半径方向に内側炉心燃料領域２１と、内側炉心燃料領域２１を取り囲む外側炉心燃料領域２２とにより炉心燃料領域が構成されている。炉心燃料領域には、複数の制御棒集合体２４が配されている。また、高速炉の炉心２０には、外側炉心燃料領域２２を取り囲むようガス膨張式モジュール（ＧＥＭ）３８が装荷されており、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）３８の外側に径方向ブランケット燃料領域２３、反射体領域２５、及び遮蔽体領域２６を有する。高速炉の炉心２０の半径方向において、径方向ブランケット燃料領域２３がガス膨張モジュール（ＧＥＭ）３８を取り囲んで、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）３８と隣り合っており、遮蔽体領域２６が反射体領域２５を取り囲んでいる。ここで、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）３８は、一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であり、外見は内側炉心燃料領域２１及び外側炉心燃料領域２２に装荷される燃料集合体のラッパ管と同様である。本実施例の高速炉の炉心２０は、炉心燃料領域を構成する内側炉心燃料領域２１に後述する内部ブランケット燃料を配置した軸方向非均質炉心である。

図６に示すように、高速炉の炉心２０は、内側炉心燃料領域２１（図７）の上部燃料４２と下部燃料４３、及び外側炉心燃料領域２２（図７）の外側炉心燃料４４は、いずれも劣化ウラン酸化物（ＵＯ２）にプルトニウム酸化物（ＰｕＯｘ）を混合したＭＯＸ燃料であり、いずれも同一のＰｕ富化度である。内部ブランケット燃料４１は劣化ウラン酸化物（ＵＯ２）にＭＡ酸化物（ＭＡＯｘ）を３５ｗｔ％混合した燃料である。また、内側炉心燃料領域２１（図７）の上部燃料４２及び外側炉心燃料領域２２（図７）の外側炉心燃料４４の軸方向上部には、ナトリウムプレナム領域４５が配されている。ここで、ナトリウムプレナム領域４５は、炉心燃料（上部燃料４２、外側炉心燃料４４）の上部にラッパ管の内壁面にて画定される空間である。また、外側炉心燃料４４の径方向外側には、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）４６が配され、更に、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）４６の径方向外側に径方向ブランケット燃料４７が配されている。
なお、電源喪失等による一次主循環ポンプ７ａ（図３）の停止に伴う冷却材の流量喪失とスクラム失敗を重畳した事故（ＵＬＯＦ：ＵｎｐｒｏｔｅｃｔｅｄＬｏｓｓｏｆＦｌｏｗＡｃｃｉｄｅｎｔ、以下、ＵＬＯＦと称する）を想定した場合、ボイド反応度が増大しても、発生したボイドは炉心燃料（上部燃料４２、外側炉心燃料４４）よりも上部に位置するナトリウムプレナム領域４５内に収容されること及び、内部ブランケット燃料４１により、制御棒集合体２４の近傍の燃料集合体の線出力の増加が抑制される。従って、必ずしもガス膨張モジュール（ＧＥＭ）４６を外側炉心燃料領域２２（図７）の最外周に装荷される燃料集合体に隣接するよう配置する構成を含めなくとも、ナトリウムプレナム領域４５を有することにより、実施例１では奏し得ない上述の作用効果を奏することが可能となる。

図６に示すように、内側炉心燃料領域２１（図７）においては、軸方向に下部より上部へと（一次冷却材である液体ナトリウムの流れの方向に沿って上流側から下流側へと）、順に、下部燃料４３、内部ブランケット燃料４１、上部燃料４２、及びナトリウムプレナム領域４５が配されている。例えば、下部燃料４３は軸方向において約３５ｃｍの高さ（軸方向に沿った長さ）を有し、内部ブランケット燃料４１は２０ｃｍ、上部燃料４２は４５ｃｍ、及び、ナトリウムプレナム領域４５は４０ｃｍの高さ（軸方向に沿った長さ）を有する。よって、下部燃料４３、内部ブランケット燃料４１、及び上部燃料４２の軸方向における合計の高さ（軸方向に沿った長さの合計）は、約１００ｃｍとなる。一方、外側炉心燃料領域２２（図７）においては、軸方向に下部より上部へと（一次冷却材である液体ナトリウムの流れの方向に沿って上流側から下流側へと）、順に、外側炉心燃料４４及びナトリウムプレナム領域４５が配されている。外側炉心燃料４４は軸方向において約１００ｃｍの高さ（軸方向に沿った長さ）を有する。また、ナトリウムプレナム領域４５は、例えば、軸方向において約４０ｃｍの高さ（軸方向に沿った長さ）を有する。

本実施例における高速炉の炉心２０は、上述のように実施例１の炉心において、軸方向ブランケット燃料（軸方向上部ブランケット燃料３５及び軸方向下部ブランケット燃料３６）を無くして、その代わりに、炉心燃料の上部にナトリウムプレナム領域４５を設置し、さらに内側炉心燃料領域２１及び外側炉心燃料領域２２よりなる炉心燃料領域の外周、すなわち、外側炉心燃料領域２２に装荷される燃料集合体のうち、最外周に装荷される燃料集合体に隣接し囲むようガス膨張モジュール（ＧＥＭ）４６を配する構成としている。

本実施例の高速炉の炉心２０は、実施例１と同様に、ＵＴＯＰ時の炉心燃料の健全性が確保されると共に、ボイド反応度が同じ出力規模の高速炉と比べて、大幅に小さく、２〜３＄程度である。また、電源喪失等による一次主循環ポンプ７ａの停止に伴う一次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）の流量喪失とスクラム失敗を重畳した事故（ＵＬＯＦ）を想定すると、内側炉心燃料領域２１及び外側炉心燃料領域２２に装荷される燃料集合体における一次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）の流量減少により、燃料集合体の出力／流量（Ｐ／Ｆ）比が不整合となり、一次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）の温度上昇が生じる。しかし、本実施例の高速炉の炉心２０の構成では、内側炉心燃料領域２１及び外側炉心燃料領域２２に装荷される燃料集合体からナトリウムプレナム領域４５及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）４６への中性子の漏洩量が大きく、負の反応度が印加されることにより、一次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）の沸騰を回避できると共に炉心出力の増加も抑制でき、炉心燃料の健全性が維持される。

なお、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）４６に隣接するよう周方向に複数体配され、外側炉心燃料領域２２の最外周に装荷される燃料集合体のＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度（Ｐｕ富化度）を最も高くしても良い。すなわち、外側炉心燃料領域２２の最外周に装荷される燃料集合体（最外周燃料集合体）を除く、外側炉心燃料領域２２に装荷される燃料集合体及び内側炉心燃料領域２１に装荷される燃料集合体のＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度（Ｐｕ富化度）は同一であり、これら、外側炉心燃料領域２２に装荷される燃料集合体及び内側炉心燃料領域２１に装荷される燃料集合体のＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度（Ｐｕ富化度）よりも最外周燃料集合体のＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度（Ｐｕ富化度）が高い。

以上のとおり本実施例によれば、実施例１のＵＴＯＰ想定時の効果に加え、ナトリウムプレナム領域４５を配する構成であることにより、電源喪失等による一次主循環ポンプ７ａ（図３）の停止に伴う冷却材の流量喪失とスクラム失敗を重畳した事故（ＵＬＯＦ）を想定した場合、高速炉の炉心内にナトリウムプレナム領域４５及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）４６を配する構成であることから、内側炉心燃料領域２１及び外側炉心燃料領域２２に装荷される燃料集合体からナトリウムプレナム領域４５及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）４６への中性子の漏洩量が大きく、負の反応度が印加されることにより、一次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）の沸騰を回避できると共に炉心出力の増加も抑制でき、炉心燃料の健全性を維持することが可能となる。

なお、上述の実施例１及び実施例２では、炉心の燃料として、劣化ウラン酸化物（ＵＯ２）とプルトニウム酸化物（ＰｕＯｘ）を混合した混合酸化物（ＭＯＸ）燃料を用いる場合を一例として説明したがこれに限られるものではない。例えば、金属燃料或いは窒化物燃料を用いても良く、また、冷却材（一次冷却材）についてもナトリウムに代えて、鉛や鉛・ビスマス等の液体重金属を用いる構成としても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

１・・・高速炉原子力発電システム
２・・・原子炉容器
３・・・炉心
４ａ・・・一次冷却系配管
４ｂ・・・二次冷却系配管
５・・・中間熱交換器
７ａ・・・一次主循環ポンプ
７ｂ・・・二次主循環ポンプ
８・・・蒸気発生器
９ａ・・・主蒸気系配管
９ｂ・・・給復水系配管
１０，１０ａ，２０・・・炉心
１１ａ・・・高圧タービン
１１ｂ・・・低圧タービン
１２・・・発電機
１３・・・復水器
１４・・・給水ポンプ
１５・・・給水加熱器
２１・・・内側炉心燃料領域
２２・・・外側炉心燃料領域
２３・・・径方向ブランケット燃料領域
２４・・・制御棒集合体
２５・・・反射体領域
２６・・・遮蔽体領域
３１，３１ａ・・・内部ブランケット燃料
３２・・・上部燃料
３３・・・下部燃料
３４・・・外側炉心燃料
３５・・・軸方向上部ブランケット燃料
３６・・・軸方向下部ブランケット燃料
３７・・・径方向ブランケット燃料
３８・・・ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）
４１・・・内部ブランケット燃料
４２・・・上部燃料
４３・・・下部燃料
４４・・・外側炉心燃料
４５・・・ナトリウムプレナム領域
４６・・・ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）
４７・・・径方向ブランケット燃料

Claims

炉心の半径方向に、内側炉心燃料領域、及び前記内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域を有し、前記内側炉心燃料領域及び前記外側炉心燃料領域のそれぞれにＭＯＸ燃料をラッパ管内に収容する複数の燃料集合体が装荷され、
少なくとも、前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体は、マイナーアクチニドを含有する劣化ウラン酸化物を燃料とする内部ブランケット燃料を、軸方向略中央部に備えており、
前記外側炉心燃料領域を囲むよう配される径方向ブランケット領域を備え、前記径方向ブランケット領域と前記外側炉心燃料領域との間に、一端が閉鎖され他端が開口されている中空な管状構造物であるガス膨張モジュールが配置され、
前記ガス膨張モジュールは、前記外側炉心燃料領域の最外周に装荷された燃料集合体と隣接して周方向に複数体配置され、
前記内側炉心燃料領域に装荷された複数の前記燃料集合体、及び前記外側炉心燃料領域の前記最外周に装荷された前記燃料集合体を除いた、前記外側炉心燃料領域に装荷された他の複数の燃料集合体のそれぞれの前記ＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度は、同一であり、
前記外側炉心燃料領域の前記最外周に装荷されて前記ガス膨張モジュールに隣接して周方向に配置された複数の前記燃料集合体の前記ＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度は、前記外側炉心燃料領域に装荷された他の複数の前記燃料集合体の前記ＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項１に記載の高速炉の炉心において、
前記内部ブランケット燃料は、マイナーアクチニドの含有率が３５ｗｔ％から４５ｗｔ％であることを特徴とする高速炉の炉心。
請求項２に記載の高速炉の炉心において、
前記内側炉心燃料領域に装荷される前記燃料集合体は、前記内部ブランケット燃料の上方に、前記ＭＯＸ燃料を有する上部燃料及び前記劣化ウラン酸化物を燃料とする軸方向上部ブランケット燃料、及び、前記内部ブランケット燃料の下方に、前記ＭＯＸ燃料を有する下部燃料及び前記劣化ウラン酸化物を燃料とする軸方向下部ブランケット燃料を有することを特徴とする高速炉の炉心。
請求項１に記載の高速炉の炉心において、
前記内側炉心燃料領域及び外側炉心燃料領域のそれぞれに装荷される前記燃料集合体は、前記ＭＯＸ燃料の軸方向上部に前記ラッパ管の内壁面にて画定されるナトリウムプレナム領域を有することを特徴とする高速炉の炉心。