JPH03110496A - 原子炉の燃料集合体及び炉心 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は高速増殖炉における原子炉の燃料集合体及び炉
心に関し、特に燃料の長寿命化により高速増殖炉の経済
性を高めた原子炉の燃料集合体及びこれによって構成さ
れる炉心に関する。

［従来の技術］ 高速増殖炉の炉心は、従来一般に、被覆管に封入された
燃料棒を多数揃えて束ね、これをラッパ管で覆って燃料
集合体を作り、更にこの燃料集合体を複数束ねて円柱状
に形成されている。高速増殖炉の炉心には、燃料として
濃縮ウランやプルトニウム等の核分裂性物質を富化した
ウラン（酸化ウラン等）が装荷される。

核分裂物質は燃料の燃焼（核分裂連鎖反応）により徐々
に減少し、また燃焼に伴い核分裂連鎖反応度が低下する
。核分裂連鎖反応を維持できなくなるまでの燃焼時間は
反応度寿命と呼ばれるが、この寿命を増大するには燃焼
に伴う反応度低下を抑止する必要がある。

また、核分裂反応で発生した高速中性子は、被覆管やラ
ッパ管などの炉心構造材に吸収され、構造材中の不純物
との核反応によりヘリウムの気泡を生成し、構造材に体
積膨脹を引き起こす。従って、燃料集合体の機械的寿命
は、上記体積膨脹に起因する被覆管とラッパ管との間の
機械的相互作用、隣接するラッパ管同士の機械的相互作
用によって制約を受け、この機械的寿命を増大するには
高速中性子束を低減する必要がある。

反応度寿命の増大と、燃料集合体の機械的寿命の増大に
関する従来技術を提案するものとしては、トランザクシ
ョン　オブ　アメリカン　ニュークリア　ソサイエティ
、第３０巻、第５７８頁乃至第５７９頁（Ｔｒｃｎｓ＊
ｃｔｉｏｎ　ｏｇＡｍｔｒｉｅｔｎ　！１ｍｃｌｅ１ｒ
Ｓｏｃｉｅｔ７．Ｖｏｌ、３０．　ＰＰ５７８−５７９
　）　、及び特開昭５８−３３１８０号公報が存在する
。これらの従来技術は、いずれも、炉心の中心付近に燃
料親物質を主成分とする円盤状の領域を一層又は多層設
けるように構成されている。燃料親物質の領域では、中
性子の吸収によりある程度のプルトニウムが生成される
ので、このプルトニウムが燃焼に伴う反応度の低下を抑
止することに寄与していた。また、この燃料親物質の領
域では出力密度が低くなるので、その周囲に高出力密度
を得る目的で、高富化度燃料領域が配置されていた。そ
の結果、炉心の中性子束レベルは燃料の富化度が高い程
低くなるので、高速中性子束もある程度低減される効果
が生じていた。

［発明が解決しようとする課題］ 一般に、高速中性子束の量は、出力密度に比例し、かつ
燃料富化度に反比例する。炉心内で、燃料親物質領域や
低富化度燃料領域等の如き出方密度の低い領域の占有体
積を大きくすると、その周囲における高い富化度を有す
る燃料領域の体積が減少することになるので、その富化
度を更に高（する必要がある。このため、高速中性子束
は、燃料親物質領域や低富化度燃料領域の体積を大きく
することにより、−層低減することができる。

しかし、前記の従来技術では、燃料親物質領域又は低富
化度燃料領域の体積比率（炉心全体の体積に対する比率
）を大きくした場合の炉心構成について十分な配慮がな
されておらず、そのため前記体積比率を大きくすると、
燃焼に伴う反応度損失が増大するという問題が生じた。

。このような問題が生じるのは、前記体積比率の増大に
伴い、炉心中心付近の中性子束レベルが低下するため、
炉心中心付近の領域における単位体積当りのプルトニウ
ムの生成量と生成プルトニウムの反応度価値が低下する
ことに起因する。

本発明の目的は、高速増殖炉の炉心における燃料親物質
の炉心に対する体積比率を大きくとることができ、これ
によって高速中性子束と、燃焼に伴う反応度損失とを大
幅に低減することができる原子炉の燃料集合体及び炉心
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 第１の本発明に係る原子炉の燃料集合体は、プルトニウ
ム等の核分裂物質を富化した燃料物質を充填した燃料棒
を複数本束ねてなる燃料集合体において、燃料棒の軸方
向の中央付近に低富化度燃料領域と高富化度燃料領域と
を交互に複数配置した第１の燃料領域を設け、燃料棒の
軸方向の周辺部に第１の燃料領域を挟むように高富化度
燃料を配置してなる第２の燃料領域を設け、第１の燃料
領域における高富化度燃料領域の軸方向の厚みを少なく
とも中性子の平均自由行程とするように構成される。

また第２の本発明に係る原子炉の燃料集合体は、プルト
ニウム等の核分裂物質を富化した燃料物質を充填した燃
料棒を複数本束ねてなる燃料集合体において、燃料棒の
軸方向の中央付近に燃料の富化度を軸方向に周期的に増
減させた第１の燃料領域を設け、燃料棒の軸方向の周辺
部に前記の燃料領域を挟むように、富化度が第１の燃料
領域の平均富化度よりも高い燃料を配置してなる第２の
燃料領域を設け、第１の燃料領域における高富化度燃料
領域の軸方向の厚みを少なくとも中性子の平均自由行程
とするように構成される。

更に本発明に係る原子炉の炉心は、燃料集合体を複数本
束ねてなる原子炉の炉心において、炉心径方向の中央付
近に第１の炉心領域を設け、炉心径方向の周辺部に第２
の炉心領域を設け、第１の炉心領域に本発明による燃料
集合体を任意に選んで複数本束ねて配置し、第２の炉心
領域に第１の炉心領域の燃料の平均富化度よりも高い富
化度の燃料を装荷した燃料集合体を複数本束ねて配置さ
れるように構成される。

［作用］ 本発明によれば、低富化度燃料領域同士の間に介在され
る高富化度燃料領域の厚みが中性子の平均自由行程以上
あるため、高富化度領域で発生した中性子は核分裂反応
によってその数を増した後低富化度領域に移動し、その
ために低富化度領域の中性子束レベルが高くなり、そこ
での単位体積当りのプルトニウムの生成量が大きくなる
。また前記高富化度燃料領域の厚みを必要最小限とし、
低富化度燃料領域が炉心の中心から大きく遠ざからない
配置とすることにより、低富化度燃料領域で生成するプ
ルトニウムの反応度価値を高くする。

かかる構成によって高速中性子束を低減するために、低
富化度燃料領域の体積比率を大きく取っても低富化度領
域に反応度価値の高いプルトニウムが生成されるため、
燃焼に伴う反応度損失が増大することがない。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図乃至第３図は本発明に係る燃料集合体の第１実施
例を示し、第１図は燃料集合体の横断面図、第２図は燃
料棒が封入された被覆管の縦断面図、第３図は燃料棒中
の燃料配置図である。燃料棒１は、被覆管４により覆わ
れており、ワイヤスペーサ３で所定の間隔を保持されつ
つ複数本束ねられた状態で、ラッパ管２の中に収容され
ている。

多数の燃料棒１が燃料集合体を構成する。燃料棒１内お
ける燃料の配置は、第２図に示されるように軸方向（又
は長手方向）において中央部に燃料領域５が形成され、
燃料領域５の上下に燃料親物質６の領域が形成される。

更に燃料領域５は、第３図に示されるように、中央に低
富化度燃料５ｂ。

その軸方向の周辺側に高富化度燃料５ａ、更にその軸方
向周辺側の位置に再び低富化度燃料５ｂ。

更にその軸方向周辺側に高富化度燃料５ｃの各領域がそ
れぞれ配置される。かかる配置により、燃料５ａ、５ｂ
の配置される領域が第１の燃料領域Ａを形成し、燃料５
ｃの配置される領域が第２の燃料領域Ｂを形成する。第
１及び第２の燃料領域Ａ、Ｂによって炉心が形成される
。また燃料親物質６の配置される領域は、上記炉心の軸
方向外側を囲むように配設される軸方向ブランケットを
形成する。

高富化度燃料５ａ、５ｃでは、核分裂物質が多いため、
この領域内の平均の中性子エネルギが高くなり、核分裂
性物質の中性子捕獲反応の、核分裂反応に対する比率が
減少し、中性子吸収反応当りの中性子発生数が大きくな
る。一方、低富化度領域５ｂでは、高富化度燃料５ａに
比較すると燃料親物質の原子密度が高く、また中性子の
平均エネルギが低くなるので、燃料親物質の核分裂反応
は減少し、反対に中性子捕獲反応率は増大する。

この結果、低富化度燃料５ｂではプルトニウムが生成さ
れる。高富化度燃料５ａ１５ｃで発生した中性子は核分
裂連鎖反応によりその数を増し、低富化燃料５ｂに流れ
込む。そのため、低富化度燃料５ｂの中性子束レベルが
高くなり、プルトニウムの生成反応が促進される。すな
わち、低富化度燃料５ｂの領域を複数設けて局在させる
ことにより、低富化燃料５ｂにおけるプルトニウム生成
量が増大する。

低富化度燃料５ｂにて生成されたプルトニウムの反応度
価値（反応度への寄与の度合い）は、炉心の中心に近い
程大きい。従って、低富化度領域は炉心中心付近に集中
させることが望ましい。そのため、高富化度燃料５ａの
軸方向（第３図中上下方向）の厚みは、核分裂連鎖反応
が維持できる程度の大きさ、すなわち中性子の平均自由
行程程度に極小化されている。

前記実施例による燃料集合体によれば、低富化度燃料５
ｂにおいてプルトニウムの生成量が大きくかつプルトニ
ウムの反応度価値が高くなるため、燃焼に伴う反応度損
失が低減される。

第４図は本発明による燃料集合体の燃料棒１の第２実施
例を示す。この燃料棒における燃料５の配置では、低富
化度燃料５ｄとして、軸方向ブランケットである燃料親
物質６と同じ劣化ウランが使用される。他の構成は、第
３図に示された構成と同じである。この構成によれば、
プルトニウムの生成量を更に増大することができる。

第５図は本発明による燃料集合体の燃料棒の第３実施例
を示す。この燃料棒では、低富化度燃料５ｅとして超ウ
ラン元素を使用する。超ウラン元素は、燃料再処理後の
高レベル廃棄物中に含まれるアメリシウム、ネプチニウ
ム等の半減期が極めて長く、かつそれ自身は核分裂を起
こしにくいが、中性子を吸収すると、核分裂しゃすい物
質に転換するという性質を有している。従って、このよ
うな性質を有する超ウラン元素を低富化度燃料５ｅとし
て使用することにより低富化度領域５ｅに核分裂物質が
生成され、これによって反応度の低下を抑止することが
できる。

第６図は本発明による燃料棒の第４実施例を示す。この
実施例では、高富化度燃料５ｃ、５ｇ。

中宮化度燃料５ｈ、低富化度燃料５ｆ、軸方向ブランケ
ットの燃料親物質６の各領域から燃料棒がなっている。

この実施例によれば、中宮化度燃料５ｈが高富化度燃料
５ｇと低富化度燃料５ｆとの間に介在されるため、中性
子束分布が軸方向に平均化され低富化度燃料５ｆの領域
における中性子束レベルが高くなり、プルトニウムの生
成量が増大するという利点がある。低富化度燃料５ｆ同
士の間隔は、高富化度又は中音化度の各領域の中性子の
平均自由行程程度である。また低富化度燃料としては、
前述した燃料親物質、超ウラン元素物質のいずれを使用
しても良い。

次に前記構成を有する本発明の燃料集合体を装荷した高
速増殖炉の炉心の構造について説明する。

第７図は本発明による炉心の第１実施例を示す横断面図
であり、第８図はこの炉心に装荷される各種燃料集合体
及び径方向ブランケットの燃料配置構造を径方向の配列
順序に従って対比して示した図である。炉心には燃料集
合体１１．１２及び径方向ブランケット１３が装荷され
る。燃料集合体１１は、第３図で説明された燃料配置構
造を有する燃料棒からなる燃料集合体であり、この燃料
集合体は炉心中央部に装荷される。燃料集合体１２は、
高富化度燃料５Ｃを充填した燃料棒からなる燃料集合体
で、この燃料集合体１２は周辺部に装荷される。更に、
燃料集合体１２の周囲を、燃料親物質６からなる径方向
ブランケット１３が取り囲んでいる。第７図中１６は制
御棒である。この実施例による炉心構成によれば、核分
裂性物質の炉心径方向の平均富化度は、炉心中央部で低
く、周辺部で高くなり、そのため出力分布が径方向に平
坦化されるという利点がある。

第９図は本発明による炉心の第２実施例を示す横断面図
であり、第１０図はこの炉心に使用される燃料集合体等
の燃料配置構造を炉心径方向の配列順序に従って対比し
て示した図である。この実施例では、第１０図に示され
るように第４図で説明された燃料構造を有する燃料棒か
らなる燃料集合体１４を炉心の中心部に装荷し、その周
囲に前記燃料集合体１１、更にその外側周面に前記燃料
集合体１２がそれぞれ装荷される。燃料集合体１２の周
囲には前記径方向ブランケット１３が取り囲んでいる。

この炉心構成によれば、炉心径方向の平均富化度が３段
階に変り、そのため、出力分布は更に平均化される。

第１１図は本発明による炉心の第３実施例を示す横断面
図であり、第１２図はこの炉心に装荷される燃料集合体
等の燃料配置構造をその炉心怪力４゜ 向の順序に従って対比して示した図である。この実施例
では、前記燃料集合体１１が炉心中心部に装荷され、そ
の周囲に、燃料集合体１１の燃料棒と燃料配置は同じで
あるが、第１の燃料領域Ａの軸方向の厚みがより小さい
燃料棒からなる燃料集合体１５が装荷される。燃料集合
体１５の周囲は更に、燃料集合体１２、径方向ブランケ
ット１３によって取り囲まれている。この炉心構成によ
れば、前記実施例と同様に、炉心径方向の平均富化度を
、炉心中心部で低く、周辺部で高くし、もって出力分布
を径方向で平坦化することができる。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように本発明によれば、高速中性
子を低減できると共に燃焼に伴う反応度損失を低減でき
るため、高速増殖炉の反応度寿命及び燃料集合体の機械
的寿命を大幅に増大することができ、高速増殖炉の経済
性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料集合体の横断面図、第２図は
燃料棒の縦断面図、第３図は燃料棒における燃料配置の
第１実施例を示す配置図、第４図は燃料配置の第２実施
例を示す配置図、第５図は燃料配置の第３実施例を示す
配置図、第６図は燃料配置の第４実施例を示す配置図、
第７図は本発明に係る炉心の第１実施例を示す横断面図
、第８図は第１実施例の炉心に使用される燃料棒及び径
方向ブランケットを示す図、第９図は本発明に係る炉心
の第２実施例を示す横断面図、第１０図は第２実施例の
炉心に使用される燃料棒及び径方向ブランケットを示す
図、第１１図は本発明に係る炉心の第３実施例を示す横
断面図、第１２図は第３実施例の炉心に使用される燃料
棒及び径方向ブランケットを示す図である。 ［符号の説明］ １・・・燃料棒 ２・・・ラップ管 ３・・・ワイヤスペーサ ５・・・燃料 ６・・・燃料親物質 ５ａ。 ５ｂ。 ５ｈ　・ １１゜ １３　・ １６　・ ５ｃ、５ｇ・・・高富化度燃料 ５ｄ、５ｅ、５ｆ・・・低富化度燃料 ・・中宮化度燃料 １２．１４，１５・・・燃料集合体 ・・径方向ブランケット ・・制御棒

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）プルトニウム等の核分裂物質を富化した燃料物質
   を充填した燃料棒を複数本束ねてなる燃料集合体におい
   て、前記燃料棒の軸方向の中央付近に低富化度燃料領域
   と高富化度燃料領域とを交互に複数配置した第１の燃料
   領域を設け、前記燃料棒の軸方向の周辺部に前記第１の
   燃料領域を挟むように高富化度燃料を配置してなる第２
   の燃料領域を設け、前記第１の燃料領域における前記高
   富化度燃料領域の軸方向の厚みを少なくとも中性子の平
   均自由行程としたことを特徴とする燃料集合体。
2. （２）プルトニウム等の核分裂物質を富化した燃料物質
   を充填した燃料棒を複数本束ねてなる燃料集合体におい
   て、前記燃料棒の軸方向の中央付近に燃料の富化度を軸
   方向に周期的に増減させた第１の燃料領域を設け、前記
   燃料棒の軸方向の周辺部に前記第１の燃料領域を挟むよ
   うに、富化度が前記第１の燃料領域の平均富化度よりも
   高い燃料を配置してなる第２の燃料領域を設け、前記第
   １の燃料領域における前記高富化度燃料領域の軸方向の
   厚みを少なくとも中性子の平均自由行程としたことを特
   徴とする燃料集合体。
3. （３）請求項１項において、前記第１の燃料領域の高富
   化度燃料の富化度と前記第２の燃料領域の燃料の富化度
   とが等しいことを特徴とする燃料集合体。
4. （４）請求項２において、前記第１の燃料領域で富化度
   が最も高い燃料の富化度と前記第２の燃料領域の燃料の
   富化度とが等しいことを特徴とする燃料集合体。
5. （５）請求項１又は３において、前記第１の燃料領域の
   低富化度燃料を、プルトニウム以外の超ウラン元素物質
   としたことを特徴とする燃料集合体。
6. （６）請求項２又は４において、前記第１の燃料領域で
   最も富化度の低い燃料を、プルトニウム以外の超ウラン
   元素物質としたことを特徴とする燃料集合体。
7. （７）請求項１又は３において、前記第１の燃料領域で
   、低富化度燃料を燃料親物質としたことを特徴とする燃
   料集合体。
8. （８）請求項２又は４において、前記第１の燃料領域で
   、富化度の最も低い燃料を燃料親物質としたことを特徴
   とする燃料集合体。
9. （９）燃料集合体を複数本束ねてなる原子炉の炉心にお
   いて、炉心径方向の中央付近に第１の炉心領域を設け、
   炉心径方向の周辺部に第２の炉心領域を設け、前記第１
   の炉心領域に請求項１乃至８のいずれかの燃料集合体を
   任意に選んで複数本束ねて配置し、前記第２の炉心領域
   に前記第１の炉心領域の燃料の平均富化度よりも高い富
   化度の燃料を装荷した燃料集合体を複数本束ねて配置し
   たことを特徴とする原子炉の炉心。
10. （１０）請求項９において、前記第１の炉心領域に配置
    する燃料集合体に装荷した燃料の富化度の最大値と、前
    記第２の炉心領域に配置する燃料集合体に装荷した富化
    度とを等しくしたことを特徴とする原子炉の炉心。
11. （１１）請求項９又は１０において、前記第１の炉心領
    域に、請求項１乃至８のいずれかの燃料集合体を２種類
    以上複数本混在させて配置したことを特徴とする原子炉
    の炉心。
12. （１２）請求項９乃至１１のいずれかにおいて、前記第
    １の炉心領域に配置する前記燃料集合体のうち、炉心径
    方向の周辺に近い燃料集合体ほど、前記第１の燃料領域
    の軸方向の厚みを小さくしたことを特徴とする原子炉の
    炉心。