JPH02271294A - 高速増殖炉炉心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高速増殖炉炉心に係り、特に炉心出力分布の
平坦化に好適であると共に超ウラン（ＴＲＵ）元素の消
滅に好適な高速増殖炉に関する。

［従来の技術］ 従来の高速増殖炉の炉心については、下記の公知例にし
たがって説明する。ＣＬ　Ｉｎｏｕｅ　ａｔ　ａｌ、Ｐ
ｒｏｃ、Ｉｎｔ、ｓｙｗｐ、ｏｎ　ＦＢＲｓ、ＩＡＥＡ
、１ｉｏｎ、Ｆｒａｎｃｅ２２〜２６　Ｊｕｌｙ１９８
５．ｖｏｌ、１．ｐ２４７〜２６３）第１５図は従来の
炉心構成平面図である。第１５図に示すように炉心中央
部から内側炉心燃料集合体１、外側炉心燃料集合体２、
径方向ブランケット燃料集合体４を配置し、炉心を構成
している。

炉心に装荷される燃料集合体は、第１６図および第１７
図に示すように、６角形状の断面を持つラッパ管７内に
複数本の燃料棒６が束ねられた構造をしている。燃料棒
内には、第１８図に示すように核分裂性物質を富化した
燃料物質（例えば、Ｐｕ−Ｕ燃料）よりなる炉心燃料ベ
レット８が充填され、その軸方向上下部に燃料親物質（
例えば、２３−ｕ）を主成分とする燃料物質よりなるブ
ランケット燃料ベレット９が充填されている。

上記炉心構成においては、外側炉心燃料のＰｕ富化度を
内側炉心燃料よりも高くすることにより、炉心からの中
性子漏洩による外側炉心領域における出力密度の低下を
抑え、炉心内の径方向出力分゛　布を平坦化している。

ｌ　　［発明が解決しようとする課題］上記従来技術で
は、炉心を二頭域に分け、外側炉心のＰｕ富化度を増し
て出力密度を増大させ、炉心の出力分布を平坦化させて
いる。しかし、径方向のブランケット燃料集合体に隣接
する外側炉・　　心燃料集合体では、中性子漏洩による
中性子レベルの低下により出力密度が下がり、燃料の燃
焼効率が低い。また、炉心燃料では、燃焼に伴って核分
裂性物質が消滅するため、燃焼末期の出力密度は低下し
、特に、Ｐｕ富化度の高い外側炉心領域ではその割合が
大きい。燃料の取出燃焼度を増大させて燃料サイクルコ
ストを低減するという観点から、燃焼期間を通して出力
分布を平坦化させることが望まれる。また、出力分布の
平坦化は、炉心の熱的余裕を増大させ、炉心運転期間の
延長や燃料集合体の削減による炉心の小型化なども可能
にする。

本発明の目的は、高速増殖炉において、長半減期の超ウ
ラン元素の消滅をはかると共に、燃焼期間を通して炉心
内の径方向および軸方向の出力分布を平坦化させる高速
増殖炉炉心を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明に係る高速増殖炉炉心
の構成は、Ｐｕ等の核分裂性物質を充填した複数体の炉
心燃料集合体と複数個の制御棒を炉心に配置してなるも
のにおいて、前記炉心の出力密度が低い領域に超ウラン
元素を充填した燃料集合体を装荷するようにしたもので
ある。

［作用］ 主要なＴＲＵ核種”’Ｎｐ、””Ａｍ、”３Ａｍ。

”ｚＣｍ　、　”’　Ｃｍはしきい値を持つ核分裂反応
核種であり、高速中性子により効率的に核分裂を起こす
。すなわち、ＴＲＵ燃料は、Ｐｕ−Ｕ等の燃料を充填し
た炉心燃料領域の周辺部において、炉心中心部からの高
速中性子により核分裂を起こして消滅する。

一方、ＴＲＵ核種の１つである！！？ＮＰは、軽水炉の
使用済燃料から群分離される核種であるが。

原子炉の炉心内においては、中性子を捕獲して２″１Ｎ
ｐに核変換し、その後、半減期約２日でβ崩壊して、２
３１１ｐｕに変わる。すなわち、１３’ｌＮｐは燃焼に
伴い、正の反応度に寄与する２　３９　ｐ　ｕに核変換
し、燃焼に伴う反応度の劣化を抑制する。さらに、””
Ｐｕの生成は、核分裂率を増し、燃焼に伴う出力密度の
減少も抑え、燃焼期間を通じて炉心内の出力分布を平坦
化する。

［実施例］ 以下、本発明に係る高速増殖炉炉心の１実施例を第１図
を用いて説明する。

第１図は、炉心構成を示す横断面略示図である。

第１図の炉心の構成は、炉心中央部より外周部に向って
内側炉心燃料集合体１、外側炉心燃料集合体２．ＴＲＵ
燃料集合体３、ブランケット燃料集合体４および制御棒
５からなる。

本実施例の炉心の機能は、炉心中心部の炉心燃料集合体
で生ずる中性子が炉心の径方向外側に漏洩し、ＴＲＵ燃
料集合体内３で核分裂を引き起こし、さらに径方向ブラ
ンケット燃料集合体４内で中性子は捕獲され増殖性を向
上するようになっている。なお、ＴＲＵ燃料集合体３の
構造は、前記炉心燃料集合体の仕様と同じであるが、Ｔ
ＲＵ燃料の除熱効率を高めるために燃料棒の外径を従来
技術の炉心燃料の外径の約２／３としている。

次に、本発明の効果について定量的に述べる。

１０００　Ｍ　Ｗ　ｅ級の高速増殖炉の炉心において、
炉心燃料として酸化物のＰｕ−Ｕ燃料を用い、内側炉心
燃料および外側炉心燃料におけるＰｕ富化度はそれぞれ
約１５ｗ１０および約２０ｗ１０である。ＴＲＵ燃料と
しては、軽水炉の使用済燃料の再処理で分離されるＴＲ
Ｕ元索を酸化物燃料として用いる。、（但し、Ｐｕに関
しては、Ｐｕ再処理時の再処理効率を約９７％とし、Ｔ
ＲＵ燃料内に使用済燃料中のＰｕを約３％残存させる（
Ｐｕ富化度約２０ｗ１０）。また、燃料内の熱伝達率を
向上させるためにＭｇＯを希釈材として加えである。

以下、第２図〜第５図を用いて本実施例と従来例を対比
しつつ、より詳細に説明する。

第２図は、本実施例および従来例の炉心の燃焼初期の径
方向出力分布を示す特性図、第３図は。

本実施例のＴＲＵ燃料集合体内の各ＴＲＵ核種の燃焼に
伴う重量変化図、第４図は、本実施例のＴＲＵ燃料と従
来例のＰｕ−Ｕ燃料の核分裂反応率の燃焼特性図、第５
図は、本実施例および従来例の炉心の燃焼末期の径方向
出力分布を示す特性図である。

第２図において、破線は、第１５図に構成を示した従来
技術の炉心の径方向出力分布を示しており、外側炉心燃
料領域で炉心の外側に向かい出力が大きく低下する。こ
れに対して実線は、第１図に構成を示した本発明の炉心
であり、外側炉心燃料集合体のブランケット燃料集合体
に隣接する位置にＴＲＵ燃料集合体を配置したことによ
り、この領域の出力が上昇する。これにより、炉心の径
方向出力分布は平坦化し、出力ビーキング係数（出力の
最高値と平均値の比。原子炉の安全係数の一種で、この
値が小さい炉では出力が平坦化されている。）が従来技
術の炉心に比べて約４％低減し、炉心の熱的余裕が増大
する。

一方、第３図に、燃焼に伴うＴ　ＲＵ燃料集合体内のＴ
ＲＵ元素重量変化を示した。大部分のＴＲＵ元素が燃焼
に伴い消滅するのに対して＋　””　Ｐ　ｕおよび２４
４ｃｍは、他の核種とは逆に増加している。

この内２３ｓＰｕの増加は大きく、これはＴＲＵ燃料内
に多量に含まれる２３７Ｎｐが中性子捕獲を通じて２３
８　ｐｕに核変換するためである。この２３”Ｐｕは、
１００ｋｓＶ程度より高いエネルギーを持つ中性子に対
して中性子捕獲断面積σ。に対する核分裂断面積σｆの
割合（σ１／σ。）が１よりも大きくなる。

すなわち、本発明の炉心は１００ｋｅＶ以上の中性子を
６割程有するために２３８Ｐｕは燃焼に伴う核分裂反応
率の低下を抑制すると共に燃焼反応度の劣化を減少させ
る。ＴＲＵ燃料領域における燃焼に伴う核分裂反応率の
変化を、従来技術の炉心と比較して第４図に示した。Ｔ
ＲＵ燃料は、核分裂反応率が大きく、燃焼末期における
反応率の劣化割合も従来技術の炉心の約半分である。第
５図に燃焼末期の径方向出力分布を示す、従来技術の炉
心と比較して本発明の炉心は、燃焼に伴う出方密度の低
下を抑えている。すなわち１本発明は燃焼期間を通じて
炉心内の径方向出力分布を平坦化する。これにより、本
発明のＴＲＵ燃料集合体では従来技術の外側炉心燃料集
合体に比べて燃焼度が約２５％増大し、燃料の炉心平均
取出燃焼度が約５％増大する。

また、本発明の炉心は、ＴＲＵ元素の消滅に関しても効
果を持つ。本発明の炉心に装荷するＮｐ。

Ａｍ、ＣｍなどのＴＲＵ元索の重量は約２ｔてあり、こ
れは１０００　Ｍ　Ｗ　ｅ級の軽水炉約７０基がら１年
間に取り出される量に相当する（１０００ＭＷｅ級軽水
炉１基から年間に約３０ｋｇ取出し）。

本発明の炉心では、上記ＴＲＵ元素を１年間に約２００
ｋｇ（約１０％）消滅する。従って、他の領域で生ずる
ＴＲＵ元素（約３５ｋｇ）を差し引いても１年間で１０
００　Ｍ　Ｗ　ｅ級軽水炉約６基分がら空取り出される
ＴＲＵ元素を、本発明の炉心で消滅することができる。

第６図は１本発明の第２実施例に係る炉心の縦断面略示
図である。この炉心は、炉心中央部に円盤上のブランケ
ット燃料領域１０を有することにより炉心出力分布を平
坦化させる軸方向非均質炉心であり、Ｐｕ−Ｕ燃料より
なる炉心燃料領域１１の周辺部に配置されたＴＲＵ燃料
領域１２により、出力分布を平坦化することができる。

第７図は、本発明の第３実施例に係る炉心の縦断面略示
図、第８図は、同上炉心を構成する炉心燃料集合体内の
燃料棒を示す。この燃料棒は、Ｐｕ、　−Ｕ燃料を富化
した炉心燃料ペレット８の軸方向上下部にＴＲＵ燃料を
富化したＴＲＵ燃料ペレット１３を配置し、さらにその
軸方向上下部にブランケット燃料ペレット９を配置した
構造であり、Ｐｕ−Ｕ燃料の軸方向上下部に配置された
ＴＲＵ燃料により、軸方向出力分布が平坦化する。

第７図の炉心は、第１の実施例の炉心内の炉心燃料集合
体として上記で示した燃料棒（第８図）を複数本束ねた
炉心燃料集合体を用いた炉心である。この炉心は、炉心
内の径方向出力分布を平坦化すると共に、軸方向出力分
布も平坦化する。

第９図は１本発明の第４実施例に係る炉心の縦断面略示
図、第１０図は、同上炉心を構成する炉心燃料集合体内
の燃料棒を示す。この燃料棒は、Ｐｕ−Ｕ燃料を富化し
た炉心燃料ペレット８の軸方向中央部にＴＲＵ燃料を富
化したＴＲＵ燃料ペレット１３を配置した構造であり、
上記ＴＲＵ燃料のＰｕ富化度は、上記Ｐｕ−Ｕ燃料のＰ
ｕ富化度よりも低いか、あるいはＰｕ富化度ゼロの燃料
であり、燃焼初期の出力密度の増大を抑えている。

Ｐｕ−Ｕ燃料の中央部に配置されたＴＲＵ燃料により、
燃焼期間を通じて軸方向出方分布が平坦化する。

第９図の炉心は、第２の実施例の炉心内の炉心燃料集合
体として、炉心燃料の中央部にブランケット燃料領域を
有する燃料集合体として上記で示した燃料棒（第１０図
）を複数本束ねた炉心燃料集合体を用いた炉心である。

この炉心は、炉心内の径方向出力分布を平坦化すると共
に、軸方向出力分布も平坦化する。

第１１図は、軸方向上部の炉心燃料ペレット８の上端に
ＴＲＵ燃料ペレット１３を配置し、軸方向下部の炉心燃
料ペレット８の下端にＴＲＵ燃料ペレット１３を配置し
た構造であり、軸方向出力分布を平坦化することができ
る。

本発明の第５実施例に係る炉心の構成は、上記第２の実
施例の炉心内の炉心燃料集合体として。

炉心燃料の中央部にブランケット燃料領域を有する燃料
集合体として上記第１１図で示した燃料棒を複数本束ね
た炉心燃料集合体を用い２上記第２の実施例の炉心内の
炉心燃料集合体として炉心燃料の中央部にブランケット
燃料領域を有しない燃料集合体として上記第８図で示し
た燃料棒を複数本束ねた炉心燃料集合体を用いた炉心で
あるにの炉心は、炉心内の径方向出力分布を平坦化する
と共に、軸方向出力分布も平坦化する。

つぎに、炉心内の径方向出力分布を平坦化する方法とし
て、燃料集合体内の燃料棒の種類と配置を変え、かつ、
炉心内の装荷位置を変えることによって、目的を達成す
る実施例を第１２図〜第１４図示す。

第１２図は、本発明の第６実施例に係る炉心に装荷され
る燃料集合体の水平断面略示図である。

第１２図の燃料集合体におりいては、ＴＲＵ元素を充填
したＴＲＵ燃料棒１４とＰｕ−Ｕ燃料を充填したＰｕ−
Ｕ燃料棒１５を複数本束ねて構成され、燃料棒の配置は
、炉心中心に近い位置はどＰｕ−Ｕ燃料棒の本数が多く
、炉心外側に向かうほどＴＲＵ燃料燃料水数が多い、こ
の燃料棒の配置によりＴＲＵ燃料集合体の出力が平坦化
する。

第１３図は、本発明の第７実施例に係る炉心に装荷され
る燃料集合体、の水平断面略示図である。

第１３図の燃料集合体においては、ＴＲＵ燃料燃料４と
燃料親物質よりなるブランケット燃料を充填したブラン
ケット燃料棒１６を複数本束ねて構成され、燃料棒の配
置は、炉心中心に近い位置はどＴＲＵ燃料燃料水数が多
く、炉心外側に向かうほどブランケット燃料棒の本数が
多い。

第１４図は、本発明の第８実施例に係る炉心に装荷され
る燃料集合体の水平断面略示図である。

第１４図の燃料集合体において、Ｐｕ−Ｕ燃料棒１５と
ＴＲＵ燃料燃料４とブランケット燃料棒１６を複数本束
ねて構成され、燃料棒の配置は、炉心中心に近い位置は
ど炉心燃料棒の本数が多く、炉心外側に向かうほどブラ
ンケット燃料棒の本数が多く、ＴＲＵ燃料燃料水の中間
付近に多く配置される。

上記第６．７．８実施例のような燃料集合体をブランケ
ット燃料集合体に隣接する炉心燃料集合体の位置に装荷
することにより、炉心内の径方向出力分布が平坦化する
。

また、他の炉心出力分布を平坦化する方法として、以下
のようなものがある。

第８図に示した燃料棒とＰｕ−Ｕ燃料棒とを複数本束ね
て構成する燃料集合体を、上記第１図。

第７図で示す炉心燃料集合体として用いるものであり、
燃料集合体内の燃料棒の本数が、炉心中心に近い位置は
どＰｕ−Ｕ燃料棒の本数が多く、炉心外側に向うほど上
記第８図の燃料棒の本数が多く配置される。この炉心燃
料集合体の配置により、炉心燃料の軸方向上下部のＴＲ
Ｕ燃料領域における径方向の出力分布は平坦化する。

さらに、上記第１図の実施例の炉心において、上記第１
の実施例のＴＲＵ燃料集合体の径方向炉心中心側に隣接
する位置に上記ＴＲＵ燃料集合体よりも超ウラン元素の
充填量が少ないＴＲＵ燃料集合体を配置した炉心である
。このＴＲＵ燃料集合体の配置により出力分布は平坦化
する。

なお、Ｐｕ−Ｕ燃料としてＰｕ−Ｕ−Ｚｒａ元合金の金
属燃料を用いた炉心がある。金属燃料を用いた炉心は燃
料核種密度を高くでき、中性子スペクトルが酸化物燃料
よりも硬くなる。すなわちＴＲＵ元素の消滅効率を増大
させることができる。

上記のＴＲＵ燃料としてＴＲＵを成分とする固溶体型合
金の金属燃料を用いた炉心が有効である。

［発明の効果］ 本発明の高速増殖炉炉心によれば、以下のような効果が
ある。

（１）燃料棒に充填するＴＲＵ元素の位置を軸方向に変
えることにより、およびまたは、ＴＲＵ元素を充填した
燃料棒を束ねた燃料集合体の炉内燃料領域内の配置を変
えることにより、炉心内出力分布を軸方向および半径方
向に平坦化することができる。その結果、燃料の取出燃
焼度を増大できるので、燃料サイクルコストの低減をは
かることができる。　　。

（２）長半減期の有害なＴＲＵ元素を消費することによ
り、地球上に蓄積するＴＲＵを逐次消滅させることがで
きる。

（３）炉内でＴＲＵ元素に中性子をあてて核変換するこ
とにより、不要物を熱エネルギー資源として再利用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す炉心の炉心構成平面図、
第２図は、本発明および従来技術の炉心の燃焼初期の径
方向出力分布を示す特性図、第３図は本発明のＴＲＵ燃
料集合体内の各’Ｉ”　ＲＵ核種核の重量の燃焼特性図
、第４図は、本発明のＴＲＵ燃料と従来技術のＰｕ−Ｕ
燃料の核分裂反応率の燃焼特性図、第５図は１本発明お
よび従来技術の炉心の？８焼末期の径方向出力分布を示
す特性図。 第６図は１本発明の他の実施例を示す炉心の垂直断面図
、第７図は本発明の他の実施例を示す炉心の垂直断面図
、第８図は、第７図の炉心構成要素の燃料棒、第９図は
、本発明の他の実施例を示す炉心の垂直断面図、第１０
図および第１１図は本発明の他の実施例を示す燃料棒の
垂直断面図、第１２図、第１３図および第１４図は本発
明の他の実施例を示すＴＲＵ燃料集合体の水平断面図、
第１５図は、従来例の炉心構成平面図、第１６図は、従
来例の燃料集合体模式図、第１７図は、従来例の燃料集
合体平面図、第１８図は、従来例の燃料棒模式図である
。 く符号の簡弔な説明〉 １・・・内側炉心燃料集合体、２・・・外側炉心燃料集
合体、３・・・ＴＲＵ燃料集合体、４・・・ブランケッ
ト燃料集合体、５・・・制御棒、６・・・燃料棒、７・
・・ラッパ管、８・・・炉心燃料ベレット、９・・・ブ
ランケット燃料ペレット、１０・・・ブランケット燃料
領域、１１・・・炉心燃料領域、１２・・・ＴＲＵ燃料
領域、１３・・・ＴＲＵ燃料ベレット、１４・・・ＴＲ
Ｕ燃料燃料１５・・・Ｐｕ−Ｕ燃料棒、１６・・・ブラ
ンケット燃料棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｐｕ等の核分裂性物質を充填した複数体の炉心燃料
   集合体と複数個の制御棒を炉心に配置してなるものにお
   いて、前記炉心の出力密度が低い領域に超ウラン元素を
   充填した燃料集合体を装荷したことを特徴とする高速増
   殖炉炉心。 ２、請求項１、において、当該超ウラン元素はＮｐ、Ａ
   ｍ、Ｃｍの単体またはこれらの二つ以上を組合せた混合
   物であることを特徴とする高速増殖炉炉心。 ３、請求項１、において、当該超ウラン元素を充填した
   燃料集合体をＰｕ等の核分裂物質を充填した複数体の炉
   心燃料集合体と複数個の制御棒からなる炉心燃料領域の
   外側周辺部に装荷したことを特徴とする高速増殖炉炉心
   。 ４、請求項１、において使用されるものであって、超ウ
   ラン元素をその一部または全部に充填してなることを特
   徴とする燃料棒。 ５、請求項４、において、その軸方向の上部及び下部に
   超ウラン元素を充填してなることを特徴とする燃料棒。 ６、請求項４、においてその軸方向の中央部に超ウラン
   元素を充填してなることを特徴とする燃料棒。 ７、請求項４、５、及び６、の燃料棒を一部または全部
   の燃料棒として組み込むことを特徴とする燃料集合体。 ８、請求項７、の燃料集合体を使用することを特徴とす
   る請求項１、の高速増殖炉炉心。 ９、燃料棒の内部に充填される物質がペレットに成形さ
   れたものが被覆管内に装填されたものである請求項４、
   ５、及び６、の燃料棒。 １０、請求項９、の燃料棒を使用することを特徴とする
   請求項７、の燃料集合体。 １１、請求項１０の燃料集合体を使用することを特徴と
   する請求項１、の高速増殖炉炉心。 １２、請求項４、５、及び６、において、その一部が燃
   料親物質よりなるブランケット燃料物質であることを特
   徴とする燃料棒。 １３、請求項１２、の燃料棒を一部または全部として使
   用することを特徴とする請求項７、及び１０、の燃料集
   合体。 １４、請求項１３、の燃料集合体を使用することを特徴
   とする請求項１、の高速増殖炉炉心。 １５、組み込まれる請求項４、５、６、９、及び１２の
   燃料棒の数が多い請求項７、１０、および１３、の燃料
   集合体が炉心の径方向の外側に配置されることを特徴と
   する請求項１の高速増殖炉炉心。 １６、請求項１、において、炉心の径方向の外側に配置
   される燃料集合体に充填される超ウラン元素の重量が内
   側のそれよりも多いことを特徴とする高速増殖炉。 １７、請求項３、において、超ウラン元素を充填した燃
   料集合体の外側にブランケット燃料集合体を配置してな
   ることを特徴とする高速増殖炉炉心。 １８、使用済み燃料から分離された超ウラン元素を使用
   することを特徴とする請求項４、５、６、９、及び１２
   、の燃料棒。 １９、請求項１８、の燃料棒を使用することを特徴とす
   る請求項７、１０、及び１３、の燃料集合体。 ２０、請求項１９、の燃料集合体を使用することを特徴
   とする請求項１、２、３、８、１１、１４、１５、１６
   、及び１７、の高速増殖炉炉心。 ２１、使用済み燃料から分離された超ウラン元素を高速
   増殖炉の炉心の出力密度が低い炉心領域に装荷される燃
   料集合体に充填し使用することを特徴とする超ウラン元
   素の処理方法。