JP7278937B2 - 核燃料要素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速炉用の燃料集合体、高速炉の炉心及び核燃料要素の製造方法に係り、特に、核燃料物質として金属燃料及び酸化物燃料のいずれかを用いる核燃料要素を有する高速炉用の燃料集合体及び高速炉の炉心、及び金属燃料を用いる核燃料要素の製造方法に関する。

高速炉の燃料集合体及び炉心に関しては、平川直弘、岩崎智彦著「原子炉物理入門」、東北大学出版会、ｐ２７９～２８６、２００３年１０月３０日に記載されている。一般的に、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を含むＵＯ₂）を封入した複数の核燃料要素（燃料棒）、束ねられた複数の核燃料要素を取り囲むラッパ管、これらの核燃料要素の下端部を支持し、さらに、核燃料要素の下方に配置された中性子遮へい体を支持するエントランスノズル、及び各核燃料要素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、内側炉心領域及びこの内側炉心領域を取り囲む外側炉心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領域を取り囲む遮へい体領域を有する。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。

燃料集合体の各核燃料要素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。

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燃料で製造された複数の燃料ペレットが、核燃料要素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、核燃料要素内には、劣化ウランで製造さ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端よりも上方及びその充填領域の下端よりも下方にそれぞれ配置される。内側炉心領域に装荷される内側炉心燃料集合体及び外側炉心領域に装荷される外側炉心燃料集合体のそれぞれは、ＭＯＸ燃料で製造された複数の燃料ペレットを軸方向の中央部に充填し、この中央部の上方及び下方のそれぞれに複数の二酸化ウランペレットを充填した複数の核燃料要素を有する。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、劣化ウランで製造された複数の二酸化ウランペレットを充填した複数の核燃料要素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洩した中性子が、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核燃料要素内の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核燃料要素内において、核分裂性核種であるＰｕ２３９が新たに生成される。

また、制御棒が、高速増殖炉の起動時、停止時及び原子炉出力の調節時に用いられる。制御棒は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の複数のペレットをステンレス製の被覆管内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内に収納して構成される。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制御棒のみで高速増殖炉の緊急停止が可能である。

上記は酸化物燃料を用いた例であるが、一方、Alan E. Walter等編著、高木直行監訳、“高速スペクトル原子炉”ｐ．５６９，ＥＲＣ出版、２０１６年１１月１日には、金属燃料を用いた高速炉の例が記載されている。一般的に、金属燃料を用いる高速炉の炉心は、酸化物燃料（ＭＯＸ）を用いる高速炉と比べると、核燃料物質に軽核種である酸素Ｏ₂が含まれず、重金属の密度も大きいので、炉心の中性子スペクトルが硬く、増殖比が高いなどの利点がある。しかしながら、冷却材であるＮａ（ナトリウム）が仮に沸騰した場合には、炉心に投入されるボイド反応度が大きくなる。スクラム失敗を伴う過渡事象（ＡＴＷＳ）のうち、外部電源喪失などでポンプ流量が低下する冷却材流量喪失（ＵＬＯＦ）に対しては、ボイド反応度を小さく出来れば安全性を向上することが可能となる。

酸化物燃料を用いた高速炉では、核燃料要素に形成されるガスプレナムは、核燃料要素内で軸方向の中央部のＭＯＸ燃料の充填領域の下方に配置された軸方向ブランケット領域の下端よりも下方に形成される。

一方、金属燃料を用いた高速炉では、核燃料要素が１本の丸棒状の金属燃料（燃料スラグ）である。この丸棒状の金属燃料の、中性子照射によるスェリングに伴う半径方向の膨張を吸収するため、その金属燃料棒のスミヤ密度が７５％ＴＤとなるように、核燃料要素の被覆管とこの被覆管内に収納された金属燃料丸棒との間に、比較的大きいギャップが設定され、液体金属Ｎａがそのギャップ内にボンド材として充填される。このような核燃料要素内では、その金属燃料丸棒が液体金属Ｎａ内に浸漬されている。このため、ガスプレナムは核燃料要素内で核燃料物質充填領域よりも上方に形成される。

酸化物燃料を用いた高速炉では、炉心に装荷された各燃料集合体内において、高速炉の原子炉容器内の液体金属Ｎａが存在するＮａプレナム領域が、複数の核燃料要素の上端よりも上方に形成される。このＮａプレナム領域には、核燃料要素束が存在していない。燃料集合体内のＮａプレナム領域は、高速炉の冷却材流量喪失時のＮａ沸騰時に炉心上方に漏れる中性子を増やすことによって、Ｎａボイド反応度を負にするためにもしくは小さくするために形成される。

金属燃料を用いた高速炉では、上述した通り、ガスプレナムが核燃料要素内で核燃料物質充填領域よりも上方に形成されるため、燃料集合体内で核燃料要素の上端よりも上方にＮａプレナム領域を形成したとしても、炉心水平断面における、冷却材である液体金属Ｎａの面積割合が小さいため、Ｎａプレナム領域の形成によるボイド反応度の低減効果は小さい。

特開２０１６－８５１１８号公報は、高速炉に用いられる燃料集合体を記載する。この燃料集合体は、核燃料物質を密封された被覆管内に充填した複数の核燃料要素をラッパ管内に配置しており、ラッパ管内で複数の核燃料要素の上方にＮａプレナム領域が形成される。被覆管内の、核燃料物質が充填された核燃料物質領域の上端と被覆管の上端部を密封する上部端栓との間に、上部ガスプレナム領域が形成されており、この上部ガスプレナム領域内において核燃料物質領域の上端と上部端栓との間に、皿ばねを配置している。皿ばねの配置により、Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合が低減され、この結果、ボイド反応度が低減される。

特開２０１７－２６３７２号公報も、高速炉に用いられる燃料集合体を記載する。この燃料集合体は、被覆管の軸方向に伸びる金属燃料丸棒を被覆管内でこの被覆管の横断面の中央部に配置し、金属燃料粒子を金属燃料丸棒と被覆管の内面の間に形成される環状間隙に充填して構成された複数の核燃料要素を有する。各核燃料要素は、筒状体であるラッパ管内に配置される。ラッパ管内で各核燃料要素の上端よりも上方に、Ｎａプレナム領域が形成されている。金属燃料丸棒のマイナーアクチニド（ＭＡ）含有率は、金属燃料粒子のそれよりも高くなっている。マイナーアクチニド含有率が高い金属燃料丸棒が周囲に充填された金属燃料粒子によって被覆管の内面に接触することを防止し、燃料被覆管の健全性を向上させている。

特開２０１６－８５１１８号公報 特開２０１７－２６３７２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 Alan E. Walter, et al.編著、高木直行監訳、"高速スペクトル原子炉"ｐ．５６９，ＥＲＣ出版、２０１６年１１月１日

特開２０１６－８５１１８号公報及び特開２０１７－２６３７２号公報のそれぞれに記載された各燃料集合体を装荷した炉心では従来の炉心と比べてボイド反応度が大幅に小さいが、冷却材流量喪失時における高速炉の安全性を高めるために、ボイド反応度をさらに低減させることが望まれている。

本発明の目的は、ボイド反応度をさらに低減することができる核燃料要素の製造方法を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、下端部が下部燃料支持部材に取り付けられた筒状体内に配置されて下端部が下部燃料支持部材に支持される複数の核燃料要素を含み、それぞれの核燃料要素が密封された被覆管内に配置された第１核燃料領域及び第２核燃料領域を有しており、第１核燃料領域が第２核燃料領域の上方に配置され、第１核燃料領域及び第２核燃料領域のそれぞれにはＰｕを含む核燃料物質が存在し、第１核燃料領域のＰｕ富化度が第２核燃料領域のＰｕ富化度よりも大きく、前記複数の核燃料要素の上端よりも上方で前記筒状体内に冷却材プレナムが形成され、前記第１核燃料領域が第１燃料中央領域及び前記第１燃料中央領域を取り囲む第１燃料周辺領域を有し、前記第２核燃料領域が第２燃料中央領域及び前記第２燃料中央領域を取り囲む第２燃料周辺領域を有し、前記第１燃料中央領域のＰｕ富化度が前記第２燃料中央領域のそれよりも大きく、前記第１燃料周辺領域のＰｕ富化度が前記第２燃料周辺領域のそれよりも大きい燃料集合体に用いられる前記核燃料要素を製造する方法であって、内部に中間端栓が配置されて前記中間端栓が内面に取り付けられ、一端部が密封された被覆管の、開口している他端部から、上端及び下端が開口している円筒部及び前記円筒部の一端に取り付けられたリング状の台座を有する一個の第１冶具を被覆管内に挿入し、前記第１冶具の前記台座を前記中間端栓上に置き、前記他端部から、前記第１冶具の前記円筒部の内側に複数の金属燃料粒子を充填し、前記他端部から、前記第１冶具の前記円筒部の外面と前記被覆管の内面の間に複数の金属燃料粒子を充填し、前記他端部から前記被覆管内に前記円筒部及び前記台座を有する第２冶具を挿入してこの第２冶具の前記台座を前記第１冶具の前記円筒部の上端に置き、前記他端部から、前記第２冶具の前記円筒部の内側に複数の金属燃料粒子を充填し、前記他端部から、前記第２冶具の前記円筒部の外面と前記被覆管の内面の間に複数の金属燃料粒子を充填し、その後、前記被覆管の前記他端部を密封することにある。

本発明によれば、高速炉においてボイド反応度を低減することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の燃料集合体に用いられる核燃料要素の縦断面図である。 図１に示される実施例１の燃料集合体の縦断面図である。 図２のIII－III断面図である。 図２に示された燃料集合体が装荷された高速炉の炉心の縦断面図である。 本発明の好適な他の実施例である実施例２の高速炉の炉心である１／２炉心の横断面図である。 図５に示された高速炉の炉心の縦断面図である。 本発明の好適な他の実施例である実施例３の燃料集合体に用いられる核燃料要素の縦断面図である。 図７に示された核燃料要素の製造方法を示す説明図である。 本発明の好適な他の実施例である実施例４の燃料集合体に用いられる核燃料要素の縦断面図である。 本発明の好適な他の実施例である実施例５の燃料集合体の縦断面図である。 図１０のXI－XI断面図である。 図１０に示された燃料集合体が装荷された、高速炉の炉心の縦断面図である。

本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１の燃料集合体を、図１ないし図３を用いて説明する。本実施例の燃料集合体は、高速炉の炉心に装荷される。

図２に示す本実施例の燃料集合体１０は、外面にワイヤスペーサ（図示せず）が巻き付けられた複数の核燃料要素１の束を、横断面が正六角形の筒状の構造物であるラッパ管１２内に配置している。複数の核燃料要素１は、ラッパ管１２内で正三角形格子状に配置される。それぞれの核燃料要素１の下端部は、エントランスノズル（図示せず）によって支持される。ラッパ管１２の下端部が、エントランスノズルに取り付けられる。巻き付けられたワイヤスペーサによって、隣り合う核燃料要素１の相互間に所定幅の間隙が形成される。この間隙は、冷却材である液体金属Ｎａが流れる冷却材通路１３である。エントランスノズルは核燃料要素１の下端部を支持する下部燃料支持部材であり、エントランスノズル内には、エントランスノズルの外部からラッパ管１２内の冷却材通路１３に液体金属Ｎａを導く冷却材流路（図示せず）が形成されている。燃料集合体１０のラッパ管１２内で各核燃料要素１の上端よりも上方に、ナトリウムプレナム（冷却材プレナム）１１が形成される。ナトリウムプレナム１１には、核燃料要素１が存在しない。

核燃料要素１の構造を図１を用いて詳細に説明する。核燃料要素１は、第１核燃料領域２、第２核燃料領域３、被覆管４及び中間端栓７を有する。被覆管４は、上端部が上部端栓５で封鎖され、下端部が下部端栓６で封鎖されて密封されている。複数の貫通孔が形成された中間端栓７が、ステンレス鋼製の被覆管４内に配置されて被覆管４の内面に固定され、被覆管４内を核燃料物質領域９とガスプレナム８に分離している。ガスプレナム８は中間端栓７の下方に形成され、核燃料物質領域９はガスプレナム８の上方であって中間端栓７よりも上方に配置される。中間端栓７に形成された複数の貫通孔は、ガスプレナム８と核燃料物質領域９を連通している。

核燃料物質領域９は、第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３を含んでいる。第２核燃料領域３は中間端栓７上に配置される。第２核燃料領域３には、Ｐｕ富化度がＰｕ３（ｗｔ％）の、３元合金であるＵ-Ｐｕ-Ｚｒの金属燃料粒子が多数充填される。第２核燃料領域３よりも上方に配置された第１核燃料領域２には、Ｐｕ富化度がＰｕ２（ｗｔ％）の、３元合金であるＵ-Ｐｕ-Ｚｒの金属燃料粒子が多数充填される。Ｐｕ２＞Ｐｕ３を満足しており、上方に位置する第１核燃料領域２のＰｕ富化度は、下方に位置する第２核燃料領域３のＰｕ富化度よりも高くなっている。なお、第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３のそれぞれにおけるＭＡ富化度は、０ｗｔ％である。すなわち、第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３は、共に、マイナーアクチニド（ＭＡ）を含んでいない。

なお、Ｐｕ富化度Ｐｕ２（ｗｔ％）及びＰｕ３（ｗｔ％）は燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体１０でのＰｕ富化度であり、ＭＡ富化度０ｗｔ％は燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体１０でのＭＡ富化度である。

第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３のそれぞれに充填された金属燃料粒子のＰｕ富化度が過大となると、被覆管４と被覆管４の内面に接触するそれらの金属燃料粒子との共晶反応により被覆管４の融点が低下して被覆管４の健全性に影響を及ぼす可能性がある。一次冷却材である液体金属Ｎａの温度が５５０℃の場合には、燃焼度０ＧＷｄ／ｔのときの燃料集合体内の金属燃料のＰｕ富化度（＝Ｐｕ／（Ｕ＋Ｐｕ）×１００）の上限は２５ｗｔ％とされている。したがって、Ｐｕ富化度Ｐｕ２の上限は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔのときの燃料集合体において２５．０ｗｔ％である。なお、金属燃料粒子におけるＺｒの含有率が実績の豊富な１０ｗｔ％の条件では、燃焼度０ＧＷｄ／ｔのときの燃料集合体におけるＰｕ富化度２５．０ｗｔ％は、Ｐｕ含有率（＝Ｐｕ／（Ｕ＋Ｐｕ＋Ｚｒ）×１００）で２２．５ｗｔ％に相当する。ここで、Ｐｕ富化度は金属燃料であるＵ-Ｐｕ-Ｚｒに含まれるＵ及びＰｕの核燃料物質の合計重量に対するＰｕの重量割合を意味しており、Ｐｕ含有率は金属燃料全体に対するＰｕの重量割合を意味している。

なお、Ｐｕ富化度の下限は、炉心平均で１２ｗｔ％である。このため、核燃料要素１において、第１核燃料領域２におけるＰｕ富化度の下限値は１３．１ｗｔ％であり、第２核燃料領域３におけるＰｕ富化度の下限値は１０．９ｗｔ％である。

第１核燃料領域２に充填された金属燃料粒子のＰｕ富化度は、２５．０ｗｔ％以下の範囲で、例えば、２３ｗｔ％である。また、第２核燃料領域３に充填された金属燃料粒子の富化度は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔのときの燃料集合体において、第１核燃料領域２に充填された金属燃料粒子のそれよりも低い、例えば、２０ｗｔ％である。第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３のそれぞれにおけるＺｒの含有率は１０ｗｔ％である。なお、燃焼度０ＧＷｄ／ｔのときの燃料集合体において、第２核燃料領域３に充填された金属燃料粒子の富化度の上限値は、第１核燃料領域２に充填された金属燃料粒子のＰｕ富化度の上限値である２５．０ｗｔ％よりも低い。すなわち、第２核燃料領域３に充填された金属燃料粒子の富化度の上限値は２５．０ｗｔ％未満である。

金属燃料粒子の替りに棒状の金属燃料を用い、第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３のそれぞれに棒状の金属燃料を配置してもよい。第１核燃料領域２に配置されるその棒状の金属燃料の軸方向の長さは、第１核燃料領域２の軸方向の長さと同じにし、第２核燃料領域３に配置されるその棒状の金属燃料の軸方向の長さは、第２核燃料領域３の軸方向の長さと同じにする。なお、第１核燃料領域２の軸方向の長さよりも軸方向の長さが短い複数本の棒状の金属燃料を第１核燃料領域２に配置し、第２核燃料領域３の軸方向の長さよりも軸方向の長さが短い複数本の棒状の金属燃料を第２核燃料領域３に配置することも可能である。

核燃料要素１の第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３のそれぞれにおける金属燃料粒子の充填率は、スエリングによる被覆管４の破損を回避するために約７５％を超えないように、金属燃料粒子の粒径が調整されている。金属燃料粒子は粒子間に間隙を有するため、核分裂によって発生するガス状の核分裂生成物ＦＰ（Fission Product）は、中間端栓７に形成された複数の貫通孔を通して、核燃料物質領域９からガスプレナム８に移動することが可能であるので、本実施例においてガスプレナム８は核燃料物質領域９、すなわち、中間端栓７の下方に配置される。また、第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３内に存在する金属燃料粒子は被覆管４と接触し、核分裂により金属燃料粒子内で発生した熱が、被覆管４を介してラッパ管１２内の核燃料要素１相互間に形成される冷却材通路１３内を上昇する液体金属Ｎａに伝わり、除熱されるため、従来の核燃料要素のように被覆管内にボンドナトリウムを充填する必要がない。

本実施例の燃料集合体１０は、高速炉の原子炉容器（図示せず）内に配置された炉心１４に装荷される。この炉心１４の概略構成を、図４を用いて説明する。複数の燃料集合体１０が装荷された炉心１４には、各燃料集合体１０が複数の核燃料要素１を有する関係上、各核燃料要素１内に存在するガスプレナム８、第２核燃料領域３及び第１核燃料領域２に対応して、下方より上方に向かって、ガスプレナム領域１８、第２核燃料層１７及び第１核燃料層１６が形成されている。すなわち、ガスプレナム領域１８には各核燃料要素１のガスプレナム８が配置され、第２核燃料層１７には各核燃料要素１の第２核燃料領域３が配置され、第１核燃料層１６には各核燃料要素１の第１核燃料領域２が配置される。炉心１４内の炉心燃料領域１５は、第１核燃料層１６及び第２核燃料層１７を含んでいる。当然のことながら、第１核燃料層１６のＰｕ富化度は、第２核燃料層１７のそれよりも高くなっている。炉心１４内で、第１核燃料層１６の上方には、燃料集合体１０に形成されたナトリウムプレナム１１に対応したナトリウムプレナム領域（冷却材プレナム領域）１９が形成される。

高速炉の原子炉容器内には冷却材である液体金属Ｎａが充填され、原子炉容器内に配置された炉心１４は液体金属Ｎａ内に存在する。炉心１４に装荷された各燃料集合体１０は、その液体金属Ｎａに浸漬されている。

高速炉の運転時では、原子炉容器内で炉心１４よりも下方に存在する液体金属Ｎａは、前述のエントランスノズル内に形成された冷却材流路を通して燃料集合体１０のラッパ管１２内に導かれ、核燃料要素１相互間に形成される冷却材通路１３内を上昇する。核燃料要素１の外面に接触して上昇する液体金属Ｎａは、核燃料要素１内の金属燃料粒子に含まれる核分裂性物質（例えば、Ｐｕ２３９）の核分裂によって発生する熱を除去する。この熱除去によって加熱されて温度が上昇した液体金属Ｎａは、冷却材通路１３から、ラッパ管１２内で各核燃料要素１の上端より上方に形成されたナトリウムプレナム１１（図２参照）に排出される。ナトリウムプレナム１１に達した液体金属Ｎａは、燃料集合体１０から排出され、原子炉容器内の、炉心１４よりも上方の領域に達する。

万が一のスクラム失敗と外部電源喪失等によるポンプ停止に起因する冷却材流量喪失が発生した場合には、最も液体金属Ｎａの温度が高いナトリウムプレナム領域１９で液体金属Ｎａの密度の低下、もしくは液体金属Ｎａの沸騰が始まり、炉心燃料領域１５から上方への中性子の漏れ量が増える。このため、金属燃料を用いた従来の高速炉と比べると、本実施例の炉心１４では、反応度の増加、すなわち、原子炉出力の増加が抑制される。

本実施例では、核燃料要素１内で第２核燃料領域３の上方に位置する第１核燃料領域２に存在する金属燃料粒子のＰｕ富化度がその第２核燃料領域３に存在する金属燃料粒子のＰｕ富化度よりも高いので、燃料集合体１０の核燃料物質領域の上端部、すなわち、炉心１４の炉心燃料領域１５の上端部における中性子束が大きくなり、冷却材流量喪失時において、核燃料物質領域９からナトリウムプレナム１１への、すなわち、炉心燃料領域１５からナトリウムプレナム領域１９への中性子の漏れ量が更に増え、ボイド反応度を大幅に低減できる。このため、高速炉の安全性が大幅に向上する。

炉心燃料領域１５からナトリウムプレナム領域１９への中性子の漏れ量の増加は、ナトリウムプレナム領域１９の高さが高いほど多くなる。これは、ナトリウムプレナム領域１９に装荷された各燃料集合体１０において、ナトリウムプレナム１１の高くなるほど、ナトリウムプレナム１１における燃料集合体１０の構造材の体積割合が減少し、核燃料物質領域９からナトリウムプレナム１１に漏洩した中性子が、その構造材によって散乱されて核燃料物質領域９に戻ってくる割合が低下するからである。このため、ナトリウムプレナム１１の高さが高いほど、すなわち、ナトリウムプレナム領域１９の高さが高いほど、中性子の漏洩量が増大し、ボイド反応度を大幅に低減することができる。

本実施例では、第１核燃料領域２に存在する金属燃料粒子のＰｕ富化度が２５．０ｗｔ％以下であるため、被覆管４の、第１核燃料領域２に存在する金属燃料粒子と接触する部分での共晶生成温度の低下が防止される。第２核燃料領域３に存在する金属燃料粒子の富化度が第１核燃料領域２に存在する金属燃料粒子のＰｕ富化度よりも低いため、被覆管４の、第２核燃料領域３に存在する金属燃料粒子と接触する部分での共晶生成温度の低下も防止される。このため、被覆管４の健全性を確保することができる。

本発明の好適な他の実施例である実施例２の高速炉の炉心を、炉心縦断を、図５及び図６を用いて説明する。図５は、本実施例の高速炉の炉心２０の横断面の１／２を示している。

本実施例の高速炉の炉心２０は、図５に示すように、炉心２０の横断面中央部に配置された中央領域２１、この中央領域２１を取り囲むブランケット燃料領域２２及びブランケット燃料領域２２を取り囲む遮へい体領域４７を有する。中央領域２１は、内側炉心燃料領域２３及び外側炉心燃料領域２４を含んでいる。内側炉心燃料領域２３は中央領域２１の横断面中央部に配置され、外側炉心燃料領域２４は内側炉心燃料領域２３の周囲に配置されて内側炉心燃料領域２３を取り囲んでいる。複数の内側炉心燃料集合体２５が内側炉心燃料領域２３に配置され、複数の外側炉心燃料集合体２６が外側炉心燃料領域２４に配置される。内側炉心燃料集合体２５及び外側炉心燃料集合体２６のそれぞれは、実施例１の燃料集合体１０と同様な構成を有し、第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３を含む核燃料物質領域９が被覆管４内に存在する複数の核燃料要素１を有する。第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３のそれぞれには、Ｕ-Ｐｕ-Ｚｒ製の、多数の金属燃料粒子が充填されており、これらの金属燃料粒子のＭＡ富化度は０ｗｔ％である。

炉心２０の半径方向における出力分布を平坦化するため、外側炉心燃料集合体２６の平均Ｐｕ富化度は内側炉心燃料集合体２５の平均Ｐｕ富化度よりも高くなっている。内側炉心燃料集合体２５及び外側炉心燃料集合体２６のそれぞれにおいて、第１核燃料領域２に充填された金属燃料粒子のＰｕ富化度は、第２核燃料領域３のＰｕ富化度よりも高い。また、第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３のそれぞれのＰｕ富化度は、外側炉心燃料集合体２６の方が内側炉心燃料集合体２５よりも高くなっている。具体的には、炉心２０に装荷された燃焼度０ＧＷｄ／ｔの内側炉心燃料集合体２５において、第１核燃料領域２内の金属燃料粒子のＰｕ富化度は、例えば、１９．２ｗｔ％であり、第２核燃料領域３内の金属燃料粒子のＰｕ富化度は、例えば、１６．７ｗｔ％である。また、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの外側炉心燃料集合体２６において、第１核燃料領域２内の金属燃料粒子のＰｕ富化度は、例えば、２３ｗｔ％であり、第２核燃料領域３内の金属燃料粒子のＰｕ富化度は、例えば、２０ｗｔ％である。

内側炉心燃料領域２３及び内側炉心燃料領域２３を取り囲む外側炉心燃料領域２４のそれぞれには、複数の制御棒集合体２８が挿入される（図５参照）。各制御棒集合体２８は、中性子吸収材、例えば、ボロンカーバイト（Ｂ₄Ｃ）を内部に充填した複数の中性子吸収棒を有する。

中央領域２１、すなわち、外側炉心燃料領域２４を取り囲むブランケット燃料領域２２には、複数のブランケット燃料集合体２７が配置される。ブランケット燃料集合体２７は、図２に示す燃料集合体１０と同様に、複数の核燃料要素を有する。ブランケット燃料集合体２７の各核燃料要素（図示せず）は、燃料集合体１０の核燃料要素１と同様に、密封された被覆管４内に中間端栓７を設けている。ブランケット燃料集合体２７の核燃料要素には、被覆管４内で中間端栓７よりも上方に、劣化ウランの多数の金属燃料粒子を充填している。この金属燃料粒子は、Ｕ－Ｚｒ製の金属燃料粒子であり、Ｐｕは実質的に含まれていない。

さらに、ブランケット燃料領域２２を取り囲む遮へい体領域４７には、横断面が正六角形である複数の遮へい体集合体４８が配置される。遮へい体集合体４８はステンレス鋼で製作される。また、遮へい体集合体４８は炭化ホウ素を封入して構成してもよい。

内側炉心燃料集合体２５及び外側炉心燃料集合体２６のそれぞれの核燃料要素１では、中間端栓７が、核燃料要素１の軸方向で同じ位置に配置されている。このため、内側炉心燃料集合体２５の各核燃料要素１における第２核燃料領域３の下端は、外側炉心燃料集合体２６の各核燃料要素１における第２核燃料領域３の下端と同じ位置にある。内側炉心燃料集合体２５の各核燃料要素１における第２核燃料領域３の軸方向における長さは、外側炉心燃料集合体２６の各核燃料要素１における第２核燃料領域３のその長さよりも短くなっている。また、内側炉心燃料集合体２５の各核燃料要素１における第１核燃料領域２の軸方向における長さも、外側炉心燃料集合体２６の各核燃料要素１における第１核燃料領域２のその長さよりも短い。このため、内側炉心燃料集合体２５の各核燃料要素１における核燃料物質領域９の軸方向における長さは、外側炉心燃料集合体２６の各核燃料要素１における核燃料物質領域９の軸方向における長さよりも短く、内側炉心燃料集合体２５の各核燃料要素１における核燃料物質領域９の上端は外側炉心燃料集合体２６の各核燃料要素１における核燃料物質領域９の上端よりも下方に位置する。内側炉心燃料集合体２５内で各核燃料要素１よりも上方に形成されるナトリウムプレナム１１の軸方向の長さは、外側炉心燃料集合体２６内で各核燃料要素１よりも上方に形成されるナトリウムプレナム１１の軸方向の長さよりも長くなっている。

ブランケット燃料領域２２に装荷されたブランケット燃料集合体２７は、内側炉心燃料集合体２５及び外側炉心燃料集合体２６と異なり、ナトリウムプレナム１１を形成していない。

内側炉心燃料集合体２５及び外側炉心燃料集合体２６のそれぞれが装荷された中央領域２１の、炉心２０の軸方向における構成を、図６を用いて説明する。

複数の内側炉心燃料集合体２５が配置された内側炉心燃料領域２３には、内側炉心燃料領域２３の下端から内側炉心燃料領域２３の上端に向かって、ガスプレナム８が存在するガスプレナム領域３３Ａ、第２核燃料領域３が存在する第２核燃料層３０、第１核燃料領域２が存在する第１核燃料層２９、及びナトリウムプレナム１１が存在するナトリウムプレナム領域１９Ａが形成される。複数の外側炉心燃料集合体２６が配置された外側炉心燃料領域２４には、外側炉心燃料領域２４の下端から外側炉心燃料領域２４の上端に向かって、ガスプレナム８が存在するガスプレナム領域３３Ｂ、第２核燃料領域３が存在する第２核燃料層３２、第１核燃料領域２が存在する第１核燃料層３１、及びナトリウムプレナム１１が存在するナトリウムプレナム領域１９Ａが形成される。内側炉心燃料領域２３における炉心燃料領域（第１炉心燃料領域）１５Ａは第１核燃料層２９及び第２核燃料層３０を含んでおり、外側炉心燃料領域２４における炉心燃料領域（第２炉心燃料領域）１５Ａは第１核燃料層３１及び第２核燃料層３２を含んでいる。内側炉心燃料領域２３の第１炉心燃料領域の高さ（第１炉心燃料領域の炉心２０の軸方向の長さ）は、外側炉心燃料領域２４の第２炉心燃料領域の高さ（第２炉心燃料領域の炉心２０の軸方向の長さ）よりも低くなっている。

第２核燃料層３２の上端は第２核燃料層３０の上端よりも上方に位置しており、第１核燃料層３１の上端は第１核燃料層２９の上端よりも上方に位置している。第２核燃料層３２の高さは、第２核燃料層３０の高さよりも高い。第１核燃料層３１の高さは、第１核燃料層２９の高さよりも高い。また、外側炉心燃料領域２４におけるナトリウムプレナム領域１９Ａの高さ（外側炉心燃料領域２４におけるナトリウムプレナム領域１９Ａの炉心２０の軸方向における長さ）は、内側炉心燃料領域２３におけるナトリウムプレナム領域１９Ａの高さ（外側炉心燃料領域２４におけるナトリウムプレナム領域１９Ａの炉心２０の軸方向における長さ）よりも高い。

このため、内側炉心燃料領域２３において第１核燃料層２９の上端と中央領域２１の上端との間に形成されるナトリウムプレナム領域１９Ａの高さは、外側炉心燃料領域２４において第１核燃料層３１の上端と中央領域２１の上端との間に形成されるナトリウムプレナム領域１９Ａの高さよりも高くなっている。

高速炉の炉心２０の熱出力は１０００ＭＷｔであり、中央領域２１に装荷された内側炉心燃料集合体２５の取出平均燃焼度は外側炉心燃料集合体２６のそれよりも高くなっている。内側炉心燃料集合体２５の取出平均燃焼度は約１１０ＧＷｄ／ｔであり、外側炉心燃料集合体２６の取出平均燃焼度は約９０ＧＷｄ／ｔである。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例では、前述したように、内側炉心燃料領域２３でのナトリウムプレナム領域１９Ａの高さが外側炉心燃料領域２４でのナトリウムプレナム領域１９Ａの高さよりも高くなっているため、内側炉心燃料領域２３における炉心燃料領域１５Ａからナトリウムプレナム領域１９Ａへの中性子の漏洩量が、外側炉心燃料領域２４における炉心燃料領域１５Ａからナトリウムプレナム領域１９Ａへのそれよりも多くなる。本実施例における第１核燃料層３１の上端の、炉心の軸方向における位置が実施例１における第１核燃料層１６の上端の、炉心の軸方向における位置と同じであるため、本実施例における第１核燃料層２９の上端の、炉心の軸方向における位置が実施例１における第１核燃料層１６の上端の、炉心の軸方向における位置よりも低くなっている分、すなわち、本実施例における内側炉心燃料領域２３のナトリウムプレナム領域１９Ａの高さが実施例１におけるナトリウムプレナム領域１９の高さよりも高くなっている分、本実施例は、実施例１に比べてボイド反応度を負側により小さくすることができる。

内側炉心燃料領域２３における炉心燃料領域１５Ａの高さが外側炉心燃料領域２４における炉心燃料領域１５Ａの高さよりも低く、内側炉心燃料領域２３よりも外側炉心燃料領域２４において燃料集合体一体当りの出力も小さくなるため、本実施例における炉心２０の半径方向の出力分布が実施例１における炉心のその出力分布よりも平坦化される。

本発明の好適な他の実施例である実施例３の燃料集合体を、図７を用いて説明する。本実施例の燃料集合体は、高速炉の炉心に装荷される。

軽水炉の炉心から取り出された使用済燃料集合体に含まれている使用済核燃料は核燃料再処理が施され、核分裂性のウラン２３５及び核分裂性のプルトニウム等の核分裂性物質が回収され、回収された核分裂性物質を用いて燃焼度０ＧＷｄ／ｔの新たな燃料集合体が製造される。この新たな燃料集合体は、軽水炉及び高速炉等の炉心に装荷されて再利用される。しかしながら、その使用済核燃料の再処理によって、高レベル放射性廃棄物が発生する。この高レベル放射性廃棄物に含まれるマイナーアクチニド（ＭＡ）、具体的には、ネプチニウム（Ｎｐ）、アメリシウム（Ａｍ）及びキュリウム（Ｃｍ）等が存在し、超半減期の放射性核種も含まれている。このマイナーアクチニドを、プルトニウムと共に、高速炉の炉心に装荷する燃料集合体の核燃料物質として用い、マイナーアクチニドを高速炉内で消費して環境負荷の低減を図ることが検討されている。

金属燃料は、酸化物燃料に比べて、燃料密度が高く、中性子を減速する酸素を含まないため核分裂により生成される中性子の平均エネルギーが高いので、マイナーアクチニド核変換の効率が高い。このため、マイナーアクチニドの効率良く消費させるためには、金属燃料を用いることが好ましい。

金属燃料を用いて高速炉でマイナーアクチニドを燃焼させるためには、比較的高い富化度のマイナーアクチニドを含有する合金であるＵ-Ｐｕ-ＭＡ-Ｚｒを用いる必要がある。ところが、マイナーアクチニドの富化度が高い金属燃料が核燃料要素の被覆管の内面に接触すると、マイナーアクチニドとステンレス鋼製の被覆管の主成分である鉄との共晶反応の発生によって、金属燃料と接触する部分での被覆管の融点が低下し、被覆管の健全性が確保できなくなる可能性がある。

このような問題を解消するために、その対応策として、特開２０１７－２６３７２号公報には、核燃料要素の横断面の中央部にマイナーアクチニド含有率が高い金属燃料を配置し、その中央部と核燃料要素の被覆管の内面の間の周辺部に、中央部に配置された金属燃料よりもマイナーアクチニド含有率が低い金属燃料を配置することが開示されている。

図７に示された核燃料要素１Ａは本実施例の燃料集合体に用いられる。核燃料要素１Ａの構造を、以下に詳細に説明する。

核燃料要素１Ａは、実施例１と同様に、上端部が上部端栓５で封鎖され、上端部が上部端栓５で封鎖され、下端部が下部端栓６で封鎖されて密封されたステンレス鋼製の被覆管４、及び被覆管４内に設けられた中間端栓７を有する。ガスプレナム８が、被覆管４内で中間端栓７よりも下方に形成される。

第１核燃料領域２Ａ及び第２核燃料領域３Ａを含む核燃料物質領域９Ａが、被覆管４内で中間端栓７の上方に配置される。第２核燃料領域３Ａが中間端栓７上に存在し、第１核燃料領域２Ａが第２核燃料領域３Ａよりも上方に存在する。第１核燃料領域２Ａでは、燃料中央領域２Ｂが核燃料要素１Ａの横断面の中央部に配置され、燃料周辺領域２Ｃが燃料中央領域２Ｂを取り囲んでその横断面の周辺部に配置される。第２核燃料領域３Ａでは、燃料中央領域３Ｂがその横断面の中央部に配置され、燃料周辺領域３Ｃが燃料中央領域３Ｂを取り囲んでその横断面の周辺部に配置される。燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれには、マイナーアクチニド（ＭＡ）を含む合金、すなわち、Ｕ-Ｐｕ-ＭＡ-Ｚｒで作られた、図８において被覆管４の右側に記載された金属燃料粒子４１が充填されている。

核燃料要素１Ａの製造方法、特に、核燃料要素１Ａの被覆管４内への金属燃料粒子の充填方法を、図８を用いて説明する。下端部が下部端栓６で封鎖されて中間端栓７が内面に取り付けられた被覆管４内に、金属燃料粒子４１が充填される。金属燃料粒子４１を充填する前に、図８に示された冶具３５及び３８のそれぞれを、被覆管４の解放された上端から被覆管４内に挿入する。冶具３５及び３８は、既存の高速炉に用いられる低密度の燃料ペレットの製造に使用された実績のある結晶セルロースを用いて作られる。結晶セルロースは、原子炉起動後の高温状態で分解されるが、核燃料物質及び炉心特性には影響を与えない。冶具３５は、上端及び下端が解放された円筒部３６及び円筒部３６の下端に取り付けられて円筒部３６を取り囲むリング状の薄い台座３７を有している。冶具３８も、冶具３５と同じ構成を有しており、上端及び下端が解放された円筒部３９及び円筒部３９の下端に取り付けられて円筒部３９を取り囲むリング状の薄い台座４０を有している。冶具３５の円筒部３６の高さは第２核燃料領域３Ａの高さと同じであり、円筒部３６の内径は第２核燃料領域３Ａの燃料中央領域３Ｂの直径と同じである。冶具３８の円筒部３９の高さは第１核燃料領域２Ａの高さと同じであり、円筒部３９の内径は第１核燃料領域２Ａの燃料中央領域２Ｂの直径と同じである。

まず、冶具３５が、上方より、上端が解放された被覆管４内に挿入されて、台座３７が中間端栓７の上面に置かれた状態で中間端栓７上に配置される。前述の金属燃料粒子４１が、被覆管４の上方から冶具３５の円筒部３６内に供給され、円筒部３６内で円筒部３６の上端まで充填される。円筒部３６内が金属燃料粒子４１で満たされた後、円筒部３６の外面と被覆管４の内面との間に形成される環状空間に、金属燃料粒子４１が充填される。金属燃料粒子４１が円筒部３６の外面と被覆管４の内面との間で円筒部３６の上端まで充填されたとき、円筒部３６の外面と被覆管４の内面との間への金属燃料粒子４１の充填が停止される。このようにして、燃料中央領域３Ｂが円筒部３６内に形成されて燃料周辺領域３Ｃが被覆管４内で円筒部３６の外側に形成され、第２核燃料領域３Ａの形成が終了する。

第２核燃料領域３Ａが被覆管４内に形成された後、冶具３８が、上方より、上端が解放された被覆管４内に挿入されて、台座４０が燃料周辺領域３Ｃの上端に置かれた状態で冶具３５上に配置される。冶具３８の円筒部３９の下端が冶具３５の円筒部３６の上端に接触している。金属燃料粒子４１が、被覆管４の上方から冶具３８の円筒部３９内に供給され、円筒部３９内で円筒部３９の上端まで充填される。円筒部３９内が金属燃料粒子４１で満たされた後、円筒部３９の外面と被覆管４の内面との間に形成される環状空間に、金属燃料粒子４１が充填される。金属燃料粒子４１が円筒部３９の外面と被覆管４の内面との間で円筒部３９の上端まで充填されたとき、円筒部３９の外面と被覆管４の内面との間への金属燃料粒子４１の充填が停止される。このようにして、燃料中央領域２Ｂが円筒部３９内に形成されて燃料周辺領域２Ｃが被覆管４内で円筒部３９の外側に形成され、第１核燃料領域２Ａの形成が終了する。

第１核燃料領域２Ａの形成が終了した後、被覆管４の上端が上部端栓５によって封鎖される。以上の工程により、核燃料要素１Ａの製造が終了する。

燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３ＣのそれぞれのＰｕの富化度（ｗｔ％）及びマイナーアクチニド（ＭＡ）の富化度（ｗｔ％）は、表１の通りである。

燃料中央領域２Ｂでは、Ｐｕ富化度がＰｕ２１（ｗｔ％）であり、ＭＡ富化度がＭＡ２１（ｗｔ％）であり、体積がＶｏｌ２１（ｃｍ^３）になっている。燃料周辺領域２Ｃでは、Ｐｕ富化度がＰｕ２２（ｗｔ％）であり、ＭＡ富化度がＭＡ２２（ｗｔ％）であり、体積がＶｏｌ２２（ｃｍ^３）になっている。燃料中央領域３Ｂでは、Ｐｕ富化度がＰｕ３１（ｗｔ％）であり、ＭＡ富化度がＭＡ３１（ｗｔ％）であり、体積がＶｏｌ３１（ｃｍ^３）になっている。燃料周辺領域２Ｃでは、Ｐｕ富化度がＰｕ３２（ｗｔ％）であり、ＭＡ富化度がＭＡ３２（ｗｔ％）であり、体積がＶｏｌ３２（ｃｍ^３）になっている。

Ｐｕ富化度は金属燃料であるＵ-Ｐｕ-ＭＡ-Ｚｒに含まれるＵ，Ｐｕ及びＭＡの核燃料物質の合計重量に対するＰｕの重量割合を意味しており、ＭＡ富化度はＵ-Ｐｕ-ＭＡ-Ｚｒに含まれるＵ，Ｐｕ及びＭＡの核燃料物質の合計重量に対するＭＡの重量割合を意味している。

Ｐｕ富化度Ｐｕ２１（ｗｔ％）、Ｐｕ２２（ｗｔ％）、Ｐｕ３１（ｗｔ％）及びＰｕ３２（ｗｔ％）、及びＭＡ富化度ＭＡ２１（ｗｔ％）、ＭＡ２２（ｗｔ％）、ＭＡ３１（ｗｔ％）及びＭＡ３２（ｗｔ％）のそれぞれは、０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体に対する値である。

燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれでは、Ｐｕ富化度及びＭＡ富化度のそれぞれが上記した通りであるが、実質的には、燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに充填された各金属燃料粒子のＰｕ富化度及びＭＡ富化度である。

核燃料要素１を有する燃料集合体１０と同様に、ラッパ管１２内で正三角形格子状に配置された複数の核燃料要素１Ａによって、燃料集合体が構成される。複数の核燃料要素１Ａは、ラッパ管１２の下端部に取り付けられたエントランスノズルによって支持される。燃料集合体のラッパ管１２内で各核燃料要素１Ａの上端よりも上方に、核燃料要素１Ａが存在しないナトリウムプレナム１１が形成される。

そのような複数の燃料集合体が炉心に装荷され、図４に示す実施例１における、ナトリウムプレナム領域１９が形成された高速炉の炉心１４（図４）が構成される。ナトリウムプレナム領域１９の負のボイド反応度効果を増大させるために、各核燃料要素１Ａ内の燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれにおける金属燃料粒子のＰｕ富化度は、以下の（１）式及び（２）式を満足する必要がある。

Ｐｕ２１ ＞ Ｐｕ３１ …（１）
Ｐｕ２２ ＞ Ｐｕ３２ …（２）
より具体的には、第１核燃料領域２Ａの平均のＰｕ富化度を第２核燃料領域３Ａの平均のＰｕ富化度よりも大きくする必要があり、以下の（３）式を満足する必要がある。

（Ｐｕ２１×Ｖｏｌ２１＋Ｐｕ２２×Ｖｏｌ２２）／（Ｖｏｌ２１＋Ｖｏｌ２１） ＞
（Ｐｕ３１×Ｖｏｌ３１＋Ｐｕ３２×Ｖｏｌ３２）／（Ｖｏｌ３１＋Ｖｏｌ３２）
………（３）
実施例１で述べたように、金属燃料粒子のＰｕ富化度が過大になると、ステンレス鋼製の被覆管とこの被覆管の内面に接触する金属燃料粒子との共晶反応によりその被覆管の融点が低下し、被覆管の健全性に影響を及ぼす可能性がある。一次冷却材である液体金属Ｎａの温度が５５０℃の場合には、Ｐｕ富化度の上限は２５ｗｔ％とされている。

また、ＭＡを含んでいる金属燃料粒子と被覆管との共晶反応を回避するために、燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに充填された各金属燃料粒子のＭＡ富化度は、（４）式及び（５）式の関係を満足する必要がある。

ＭＡ２１ ＞ ＭＡ２２ …（４）
ＭＡ３１ ＞ ＭＡ３２ …（５）
被覆管との共晶反応を回避する観点から、金属燃料粒子のＭＡ富化度は５ｗｔ％以下であることが望ましい。本実施例では、より具体的には、燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれにおける各金属燃料粒子のＭＡ富化度は、以下の（６）式を満足している。

ＭＡ２１＝ＭＡ３１ ＞５ｗｔ％ ≧ ＭＡ２２＝ＭＡ３２ …（６）
なお、本実施例では、核燃料要素１Ａを有する燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体において、燃料中央領域２Ｂ及び燃料周辺領域２ＣのそれぞれのＰｕ富化度は、例えば、２３ｗｔ％であり、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３ＣのそれぞれのＰｕ富化度は、例えば、２０ｗｔ％である。このため、第１核燃料領域２Ａの平均Ｐｕ富化度は２３ｗｔ％であり、第２核燃料領域３Ａの平均Ｐｕ富化度は２０ｗｔ％である。また、燃料中央領域２Ｂ及び燃料中央領域３ＢのそれぞれのＭＡ富化度は、例えば、１０ｗｔ％であり、燃料周辺領域２Ｃ及び燃料周辺領域３ＣのそれぞれのＭＡ富化度は、例えば、４ｗｔ％である。

燃料中央領域２ＢのＭＡ富化度ＭＡ２１（ｗｔ％）及び燃料中央領域３ＢのＭＡ富化度ＭＡ３１（ｗｔ％）の上限値は、２０ｗｔ％である。ＭＡ富化度が２０ｗｔ％を超えた場合には、マイナーアクチニドの崩壊熱が大きいため、核燃料要素１Ａ及び、核燃料要素１Ａを有する燃料集合体の製造時には、強制的に徐熱する必要がある。このため、ＭＡ富化度ＭＡ２１及びＭＡ３１の各上限値は、２０ｗｔ％とする。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例によれば、第１核燃料領域２Ａ及び第２核燃料領域３Ａのそれぞれにおいて、燃料周辺領域（２Ｃ，３Ｃ）に充填された金属燃料粒子のＭＡ富化度が、燃料中央領域（２Ｂ，３Ｂ）に充填された金属燃料粒子のＭＡ富化度よりも小さく、例えば、５ｗｔ％以下であるため、燃料周辺領域２Ｃ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに存在する金属燃料粒子が被覆管の内面と接触する部分での共晶生成温度の低下が防止される。このため、高速炉の運転中においても、被覆管４の健全性を確保することができる。

燃焼度０ＧＷｄ／ｔの、高速炉の炉心に装荷された本実施例の燃料集合体内の核燃料要素１Ａは、第１核燃料領域２Ａ及び第２核燃料領域３Ａのそれぞれにマイナーアクチニドを含んでいるため、高速炉から取り出された使用済燃料集合体内の使用済核燃料に含まれていて核燃料再処理により回収されたそのマイナーアクチニドを、その炉心内で燃焼させることができ、そのマイナーアクチニドの量を炉心内で低減することができる。

本実施例では、冶具３５及び３８を用いているため、燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに金属燃料粒子４１を充填した核燃料要素１Ａの製造が容易になる。

本実施例における核燃料要素１Ａを有する燃料集合体は、図４に示す炉心１４ではなく、図５に示す実施例２における高速炉の炉心２０において、内側炉心燃料領域２３に内側炉心燃料集合体２５として、そして、外側炉心燃料領域２４に外側炉心燃料集合体２６として装荷してもよい。

本発明の好適な他の実施例である実施例４の燃料集合体を説明する。本実施例の燃料集合体に用いられる核燃料要素を、図９を用いて以下に説明する。本実施例の燃料集合体は、冷却材として液体金属Ｎａを用いる高速炉の炉心に装荷される。

その核燃料要素１Ｂは、実施例１の核燃料要素１と同様に、上端部が上部端栓５で封鎖され、下端部が下部端栓６で封鎖されて密封されたステンレス鋼製の被覆管４、及び被覆管４内に設けられた中間端栓７を有する。ガスプレナム８が、被覆管４内で中間端栓７よりも下方に形成される。第１核燃料領域２Ｄ及び第２核燃料領域３Ｄを含む核燃料物質領域９Ｂが、被覆管４内で中間端栓７の上方に配置される。第２核燃料領域３Ｄが中間端栓７上に存在し、第１核燃料領域２Ｄが第２核燃料領域３Ｄよりも上方に存在する。

実施例３の燃料集合体に用いられる核燃料要素１Ａでは、図８に示すように、粒径が同じである１種類の金属燃料粒子を被覆管４内に充填している。しかしながら、核燃料要素１Ａ内の第１核燃料領域２Ａ及び第２核燃料領域３Ａのそれぞれの高さ、及びそれぞれの核燃料領域に充填される金属燃料粒子の粒径によっては、第１核燃料領域２Ａ及び第２核燃料領域３Ａのそれぞれにおいて、所定の燃料充填率を達成できず、核燃料物質のスミヤ密度が設定値を下回る可能性がある。

このため、核燃料要素１Ｂでは、第１核燃料領域２Ｄ及び第２核燃料領域３Ｄのそれぞれに、粒径が異なる２種類の金属燃料粒子が充填される。第１核燃料領域２Ｄ及び第２核燃料領域３Ｄのそれぞれの金属燃料粒子の充填状態を、第１核燃料領域２ＤのＢ部及び第２核燃料領域３ＤのＡ部について説明する。第１核燃料領域２Ｄの全域ではＢ部のように２種類の金属燃料粒子が充填され、第２核燃料領域３Ｄの全域ではＡ部のように２種類の金属燃料粒子が充填されている。

第１核燃料領域２ＤのＢ部では、図９の核燃料要素１Ｂの右側に示されたＢ部の拡大図のように、大きな粒径の複数の金属燃料粒子４４及び金属燃料粒子４４よりも粒径が小さい複数の金属燃料粒子４５が充填されている。金属燃料粒子４５は、隣り合う金属燃料粒子４４相互間に形成される隙間に収まる程度の小さい粒径を有する。また、第２核燃料領域３ＤのＡ部では、図９の核燃料要素１Ｂの右側に示されたＡ部の拡大図のように、大きな粒径の複数の金属燃料粒子４２及び金属燃料粒子４２よりも粒径が小さい複数の金属燃料粒子４３が充填されている。金属燃料粒子４３は、隣り合う金属燃料粒子４２相互間に形成される隙間に収まる程度の小さい粒径を有する。各金属粒子は、Ｐｕ及びＭＡを含んでいる。

第１核燃料領域２ＤのＰｕ富化度は、例えば、２３ｗｔ％であり、第２核燃料領域３ＤのＰｕ富化度は２０ｗｔ％である。すなわち、金属燃料粒子４４及び４５の各Ｐｕ富化度は２３ｗｔ％である。また、金属燃料粒子４２及び４３の各Ｐｕ富化度は２０ｗｔ％である。第１核燃料領域２Ｄ及び第２核燃料領域３Ｄの各ＭＡ富化度は５ｗｔ％以下の、例えば、４ｗｔ％である。具体的には、金属燃料粒子４４，４５，４２及び４３の各ＭＡ富化度は４ｗｔ％である。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は、第１核燃料領域２Ｄ及び第２核燃料領域３Ｄのそれぞれに、粒径が異なる２種類の金属燃料粒子が充填される、具体的には、第１核燃料領域２Ｄに粒径の大きな複数の金属燃料粒子４４及び金属燃料粒子４４相互間の隙間に収まる粒径の小さな複数の金属燃料粒子４５を充填し、第２核燃料領域３Ｄに粒径の大きな複数の金属燃料粒子４２及び金属燃料粒子４２相互間の隙間に収まる粒径の小さな複数の金属燃料粒子４３を充填しているため、燃料集合体内の核燃料要素１Ｂにおいて、核燃料物質の充填率を向上させることができ、核燃料物質の所定の充填率を実現することができる。これによって、高速炉の炉心の中性子経済が改善され、取出燃焼度及び所要のＰｕ及びＭＡそれぞれの富化度を維持することができ、経済性が向上する。

本実施例の核燃料要素１Ｂを有する燃料集合体は、実施例１の高速炉の炉心１４に装荷される燃料集合体１０として、また、実施例２の高速炉の炉心２０に装荷される内側炉心燃料集合体２５及び外側炉心燃料集合体２６として用いてもよい。さらに、実施例３の燃料集合体に用いられる核燃料要素１Ａの第１核燃料領域２Ａにおける燃料中央領域２Ｂ及び燃料周辺領域２Ｃ、及び第２核燃料領域３Ａにおける燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃに、本実施例の燃料集合体に用いられる核燃料要素１Ｂと同様に、粒径の大きな金属燃料粒子及びこの金属粒子相互間に形成される隙間に収まる粒径の小さい金属粒子を充填してもよい。

さらに、実施例３における核燃料要素１Ａ（図７）において、前述の金属燃料粒子４４及び４５のそれぞれを、図９のＢ部に示すように、第１核燃料領域２Ａの燃料中央領域２Ｂ及び燃料周辺領域２Ｃのそれぞれに充填してもよい。また、その核燃料要素１Ａにおいて、前述の金属燃料粒子４２及び４３のそれぞれを、図９のＡ部に示すように、第２核燃料領域３Ａの燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに充填してもよい。

以上に述べた実施例１ないし４では、核燃料物質として、劣化ウラン、プルトニウム及びＺｒの合金、及び劣化ウラン、ＴＲＵ（超ウラン元素）及びＺｒの合金のいずれかを用いたが、濃縮ウラン、プルトニウム及びＺｒの合金、及び濃縮ウラン、ＴＲＵ及びＺｒの合金のいずれかを用いてもよい。なお、ＴＲＵはＰｕ及びＭＡを含む。

本発明の好適な他の実施例である実施例５の燃料集合体を説明する。本実施例の燃料集合体を、図１０及び図１１を用いて以下に説明する。本実施例の燃料集合体は、冷却材として液体金属Ｎａを用いる高速炉の炉心に装荷される。

図１０に示す本実施例の燃料集合体４５は、燃料集合体１０（実施例１）と同様に、外面にワイヤスペーサ（図示せず）が巻き付けられた複数の核燃料要素４６の束を、横断面が正六角形の筒状の構造物であるラッパ管１２内に配置している。複数の核燃料要素４６は、図１１に示すように、ラッパ管１２内で正三角形格子状に配置される。それぞれの核燃料要素４６の下端部は、エントランスノズル（図示せず）によって支持される。ラッパ管１２の下端部が、エントランスノズルに取り付けられる。巻き付けられたワイヤスペーサによって、隣り合う核燃料要素４６の相互間に所定幅の間隙が形成される。この間隙は、冷却材である液体金属Ｎａが流れる冷却材通路１３である。エントランスノズルは核燃料要素４６の下端部を支持する下部燃料支持部材であり、エントランスノズル内には、エントランスノズルの外部からラッパ管１２内の冷却材通路１３に液体金属Ｎａを導く冷却材流路（図示せず）が形成されている。燃料集合体４５のラッパ管１２内で各核燃料要素４６の上端よりも上方に、ナトリウムプレナム１１が形成される。ナトリウムプレナム１１には、核燃料要素４６が存在しない。

核燃料要素４６は、燃料集合体１０における核燃料要素１の核燃料物質領域９に含まれる第１核燃料領域２及び第２核燃料領域３のそれぞれに、金属燃料粒子の替りに酸化物燃料、例えば、混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）で製造された、複数のＭＡを含んでいない燃料ペレットを充填している。核燃料要素４６において、第１核燃料領域２に充填された燃料ペレットのＰｕ富化度は、第２核燃料領域３に充填された燃料ペレットのＰｕ富化度よりも大きくなっている。第１核燃料領域２に充填されるＭＯＸ燃料のＰｕ富化度の上限は２５ｗｔ％である。このため、第１核燃料領域２に充填されるＭＯＸ燃料のＰｕ富化度は２５ｗｔ％以下にする必要がある。その第１核燃料領域２に充填された燃料ペレットのＰｕ富化度は、例えば、２３ｗｔ％であり、その第２核燃料領域３に充填された燃料ペレットのＰｕ富化度は、例えば、２０ｗｔ％である。

本実施例の燃料集合体４５は、高速炉の原子炉容器（図示せず）内に配置された炉心１４Ａに装荷される。この炉心１４Ａの概略構成を、図１２を用いて説明する。複数の燃料集合体４５が装荷された炉心１４Ａには、各燃料集合体４５が複数の核燃料要素４６を有する関係上、各核燃料要素４６内に存在するガスプレナム８、第２核燃料領域３及び第１核燃料領域２に対応して、下方より上方に向かって、ガスプレナム領域１８、第２核燃料層１７Ａ及び第１核燃料層１６Ａが形成されている。すなわち、ガスプレナム領域１８には各核燃料要素４６のガスプレナム８が配置され、第２核燃料層１７Ａには各核燃料要素４６の第２核燃料領域３が配置され、第１核燃料層１６Ａには各核燃料要素４６の第１核燃料領域２が配置される。炉心１４Ａ内の炉心燃料領域１５Ｂは、第１核燃料層１６Ａ及び第２核燃料層１７Ａを含んでいる。第１核燃料層１６ＡのＰｕ富化度は、第２核燃料層１７Ａのそれよりも高くなっている。炉心１４Ａ内で、第１核燃料層１６Ａの上方には、燃料集合体４５に形成されたナトリウムプレナム１１に対応したナトリウムプレナム領域１９が形成される。

高速炉の原子炉容器内には冷却材である液体金属Ｎａが充填され、原子炉容器内に配置された炉心１４Ａは液体金属Ｎａ内に存在する。炉心１４Ａに装荷された各燃料集合体４５は、その液体金属Ｎａに浸漬されている。

本実施例の燃料集合体に用いられる核燃料要素４６の核燃料物質領域９にはＭＯＸ燃料が充填されているが、本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例の燃料集合体では、実施例１の燃料集合体１０と同様に、核燃料物質領域９、具体的には、第１核燃料領域２から本実施例の燃料集合体におけるナトリウムプレナム１１へ漏洩する中性子の量が増大する。このため、高速炉の炉心におけるボイド反応度を幅に低減することができ、高速炉の安全性が向上する。

本実施例の燃料集合体４５は、図５に示す実施例２における高速炉の炉心２０において、内側炉心燃料領域２３に内側炉心燃料集合体２５として、そして、外側炉心燃料領域２４に外側炉心燃料集合体２６として装荷してもよい。

また、本実施例の燃料集合体４５の核燃料要素４６において、核燃料要素４６において、核燃料物質領域９を前述の実施例３における核燃料要素１Ａ（図７）の核燃料物質領域９Ａに変更してもよい。核燃料要素４６内の中間端栓７上に核燃料物質領域９Ａを形成する場合には、実施例３のように金属燃料粒子ではなく酸化物燃料、例えば、ＭＯＸ燃料がその核燃料物質領域９Ａに充填される。核燃料物質領域９Ａに含まれる第１核燃料領域２Ａの燃料中央領域２Ｂ及び燃料周辺領域２Ｃのそれぞれに、ＭＯＸ燃料で製造された複数の燃料ペレットが充填される。核燃料物質領域９Ａで第１核燃料領域２Ａの下方に配置された第２核燃料領域３Ａの燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれにも、ＭＯＸ燃料で製造された複数の燃料ペレットが充填される。燃料中央領域２Ｂ及び燃料中央領域３Ｂのそれぞれには円柱状の燃料ペレットが配置され、燃料周辺領域２Ｃ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれには円柱状の燃料ペレットが配置される。

燃料中央領域２Ｂ及び燃料周辺領域２Ｃのそれぞれに充填されたＭＯＸ燃料製の燃料ペレットのＰｕ富化度は、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに充填されたＭＯＸ燃料製の燃料ペレットのＰｕ富化度よりも大きい。また、燃料中央領域２Ｂ、燃料周辺領域２Ｃ、燃料中央領域３Ｂ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに充填されたその燃料ペレットは、マイナーアクチニドを含んでおり、燃料周辺領域２Ｃ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに充填されたその燃料ペレットのＭＡ富化度は５ｗｔ％以下である。燃料中央領域２Ｂ及び燃料中央領域３Ｂのそれぞれに充填されたその燃料ペレットのＭＡ富化度は、燃料周辺領域２Ｃ及び燃料周辺領域３Ｃのそれぞれに充填されたその燃料ペレットのＭＡ富化度よりも大きい。

また、前述の各実施例では、冷却材として液体金属Ｎａを用いているが、高速炉において、冷却材として鉛、鉛ビスマス及び溶融塩のいずれかを用いてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ，４６…核燃料要素、２，２Ａ，２Ｄ…第１核燃料領域、２Ｂ，３Ｂ…燃料中央領域、２Ｃ，３Ｃ…燃料周辺領域、３，３Ａ，３Ｄ…第２核燃料領域、４…被覆管、７…中間端栓、８…ガスプレナム、９，９Ａ，９Ｂ…核燃料物質領域、１０，４５…燃料集合体、１１…ナトリウムプレナム、１２…ラッパ管、１４，２０…炉心、１５，１５Ａ，１５Ｂ…炉心燃料領域、１６，１６Ａ，２９，３１…第１核燃料層、１７，１７Ａ，３０，３２…第２核燃料層、１８，３３Ａ，３３Ｂ…ガスプレナム領域、１９，１９Ａ…ナトリウムプレナム領域、２１…中央領域、２３…内側炉心燃料領域、２４…外側炉心燃料領域、２５…内側炉心燃料集合体、２６…外側炉心燃料集合体、３５，３８…冶具、４１，４２，４３，４４，４５…金属燃料粒子。

Claims (2)

1. 下端部が下部燃料支持部材に取り付けられた筒状体内に配置されて下端部が前記下部燃料支持部材に支持される複数の核燃料要素を含み、それぞれの前記核燃料要素が密封された被覆管内に配置された第１核燃料領域及び第２核燃料領域を有しており、前記第１核燃料領域が前記第２核燃料領域の上方に配置され、前記第１核燃料領域及び前記第２核燃料領域のそれぞれにはＰｕを含む核燃料物質が存在し、前記第１核燃料領域のＰｕ富化度が前記第２核燃料領域のＰｕ富化度よりも大きく、前記複数の核燃料要素の上端よりも上方で前記筒状体内に冷却材プレナムが形成され、前記第１核燃料領域が第１燃料中央領域及び前記第１燃料中央領域を取り囲む第１燃料周辺領域を有し、前記第２核燃料領域が第２燃料中央領域及び前記第２燃料中央領域を取り囲む第２燃料周辺領域を有し、前記第１燃料中央領域のＰｕ富化度が前記第２燃料中央領域のそれよりも大きく、前記第１燃料周辺領域のＰｕ富化度が前記第２燃料周辺領域のそれよりも大きい燃料集合体に用いられる前記核燃料要素を製造する方法であって、
   内部に中間端栓が配置されて前記中間端栓が内面に取り付けられ、一端部が密封された被覆管の、開口している他端部から、上端及び下端が開口している円筒部及び前記円筒部の一端に取り付けられたリング状の台座を有する一個の第１冶具を被覆管内に挿入し、前記第１冶具の前記台座を前記中間端栓上に置き、前記他端部から、前記第１冶具の前記円筒部の内側に複数の金属燃料粒子を充填し、前記他端部から、前記第１冶具の前記円筒部の外面と前記被覆管の内面の間に複数の金属燃料粒子を充填し、前記他端部から前記被覆管内に前記円筒部及び前記台座を有する第２冶具を挿入してこの第２冶具の前記台座を前記第１冶具の前記円筒部の上端に置き、前記他端部から、前記第２冶具の前記円筒部の内側に複数の金属燃料粒子を充填し、前記他端部から、前記第２冶具の前記円筒部の外面と前記被覆管の内面の間に複数の金属燃料粒子を充填し、その後、前記被覆管の前記他端部を密封することを特徴とする核燃料要素の製造方法。
2. 前記金属燃料粒子として第１金属粒子及び隣り合う前記第１金属粒子間に形成される隙間に収まる大きさの第２金属燃料粒子を、前記第１冶具の前記円筒部の内側、前記第１冶具の前記円筒部の外面と前記被覆管の内面の間、前記第２冶具の前記円筒部の内側、前記第２冶具の前記円筒部の外面と前記被覆管の内面の間のそれぞれに充填する請求項１に記載の核燃料要素の製造方法。

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