JPH03191897A

JPH03191897A - 高速炉の炉心

Info

Publication number: JPH03191897A
Application number: JP1329521A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Kawashima; 克之川島; Hiroko Akagi; 赤木　弘子; Tamotsu Hayase; 保早瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1991-08-21

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に係わり、とくに連続運転期間の長
期化による稼働率の向上、および超ウラン元素（’ｒＲ
Ｕという）核種の消滅による放射性廃棄物貯蔵・管理期
間の低減に好適な高速炉の炉心に関する。

［従来の技術］高速増殖炉の燃料集合体、炉心に関しては、三木良平著
「高速増殖炉」　（三木長平：高速増殖炉。

日刊工業新聞社、１９７２年、ｐ−４４〜５０）に詳細
に記載されている。すなわち、高速増殖炉の燃料集合体
は、濃縮ウランあるいはプルトニウムを富化したウラン
等の核燃料物質を、被覆管に封入して多数束ねた燃料棒
束と、これを取り囲むラッパ管、燃料棒束より上方にあ
る冷却材流出部、および燃料棒束の下方にある中性子し
ゃへい体と冷却材流入部からなっている。高速増殖炉の
炉心は、上記の燃料集合体を円柱形状に多数束ねて形成
され、炉心の径方向中心より遠くの燃料集合体ほど、核
分裂性物質の原子数密度を高くすることにより、径方向
の出力分布を平坦化している０通常、炉心は、富化度の
低い燃料集合体を配置した内側炉心と、富化度の高い燃
料集合体を配置した外側炉心の２領域からなる。

軽水炉等の熱中性子炉の使用済み燃料に含まれた半減期
が非常に長いネプチニウム等の超ウラン元素を、高速増
殖炉の炉心に燃料として混合装荷すると、高速中性子の
核分裂反応による消滅が期待できる。従来は、日本原子
力学会、１９８９年年会要旨集Ｃ−２４（高野ら、核分
裂炉によるＴＲＵ燃料解析１日本原子学会、１９８９年
会要旨集Ｃ−２４，１９８９年４月）に記載のように、
プルトニウムを富化したウラン等の核分裂性物質に超ウ
ラン元素を均一に混合する方法が取られていた。

［発明が解決しようとする課題］原子炉にいったん装荷した燃料集合体において、燃料棒
中の核分裂性物質は、核分裂反応（燃料の燃焼）により
徐々に減少する。すなわち、燃焼と共に燃料集合体の中
性子無限増倍率（核分裂反応での発生中性子数／捕獲中
性子総数）は減少する。

したがって、燃料集合体の出力密度および炉心の反応度
（核分裂反応の起こり易さの度合）は燃焼度（ＧＷｄ／
ｌ）と共に減少し、所定期間が経過すると、新しい燃料
集合体と交換の必要がある。

中性子無限増倍率は、核分裂性物質の富化度に依存し、
富化度が高いほど初期値は高いが、燃焼による減少率も
高くなる。

しかるに、従来技術のように、富化度の低い燃料集合体
を配置した内側炉心と、富化度の高い燃料集合体を配置
した外側炉心の２領域からなる炉心では、外側炉心の中
性子無限増倍率の燃焼による減少率が内側炉心のそれよ
り大きいため、燃焼に伴う燃料集合体出力（とくに外側
炉心の）および反応度の変動が大きくなり、そのため連
続運転期間の長期化が制限されるという問題が生じる。

本発明の目的は、高速増殖炉において、燃焼に伴う出力
分布変動・反応度変動が小さい燃料集合体を備えた高速
炉の炉心を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記の燃料集合体を用いて、超ウ
ラン元素核種の効率的な消滅に好適な高速炉の炉心を提
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炉の炉心の
構成は、プルトニウムなどの核分裂性物質とネプチニウ
ムなどの超ウラン元素核種を富化した燃料を充填した複
数本の燃料棒からなる燃料集合体を、複数本束ねてなる
円柱形状の高速炉の炉心において、炉心全領域における
中性子無限増倍率の変動が、燃焼度に対してほぼ零とな
るように、超ウラン元素装荷量を選定するようにしたこ
とである。

［作用］本発明に基づく燃料集合体では、上記の燃料集合体およ
び炉心の構成が以下のように機能する。

主要な超ウラン元素核種であるネプチニウムー２３７は
、炉心内で中性子を捕獲してネプチニウムー２３８に核
変換し、その後、半減期約２日でβ崩壊して、プルトニ
ウム−２３８に変わる。ここで生成されたプルトニウム
−２３８は核分裂性物質であり、初期に装荷された核分
裂性物質の燃焼による損失を補う。プルトニウム−２３
８の生成量は、ネプチニウム−２３７の初期装荷量に比
例するから、核分裂性物質の富化度に応じて超ウラン元
素核種の富化度を変えることにより、炉心の各領域にお
いて、燃焼期間を通じて、核分裂性物質の量が減少する
のを抑制できる。すなわち、燃焼に伴う中性子の無限増
倍率の変動を、炉心の各領域においてほぼ零とすること
ができる。

第２図に、燃焼に伴う中性子無限増倍率の変化の例を、
超ウラン元素核種富化度をパラメータとした計算結果の
１例を示すものである。この場合は、核分裂性物質（プ
ルトニウム−２３９およびプルトニウム−２４１）富化
度を１８％とした。

超ウラン元素核種の富化度をＯ１５，１０，１５および
２０％とすると、燃焼に伴う中性子無限増倍率の変化は
、図示の如くに変動する。ＴＲＵ富化度を２０％にする
と増倍率は、燃焼度（ＧＷｄ／１）に対してほぼ一定値
となる。

なお、Ｐｕ富化度（％）と、ＴＲＵ富化度（％）を、相
対的にバランスさせて無限増倍率を一定に保ようにする
ことができる。

以上の機能により、燃焼に伴う出力分布変動・反応度変
動を小さくすることが可能となる。

また、はとんどの超ウラン元素核種（ネプチニウム−２
３７、アメリシウム−２４１，アメリシウム−２４３、
キュリウム−２４２、キュリウム−２４４など）は、し
きい値を持つ核分裂性核種であり、核分裂反応で発生し
た高速中性子（エネルギーが０．ＩＭｅＶ以上）による
核分裂を起こし、消滅する。

［実施例］以下本発明の実施例を第１〜６図を用いて説明する。

第１図は、本発明の第１実施例の炉心平面図である。

第１図の構成は、炉心中心よりの内側炉心１１とそこに
配置する燃料集合体２１．外側炉心１２とそこに配置す
る燃料集合体２２、径方向ブランケット１３とそこに配
置する燃料集合体２３、および制御棒２４からなる。内
側炉心と外側炉心の体積比率はほぼ１：１である。炉心
の等価径は約３．３ｍ、高さ１ｍである。燃料集合体２
１．２２には、プルトニウムと超ウラン元素核種を富化
したウラン、燃料集合体２３には減損ウラン、制御棒２
４には炭化はう素を充填している。連続運転期間は１２
ケ月とした。

超ウラン元素核種の組成は、軽水炉の使用済み燃料を再
処理してえられる核種を想定（ネプチニウム−２３７：
８０％、アメリシウム−２４３＝１０％、アメリシウム
−２４１、キュリウム−２４２、キュリウム−２４４：
合せて１０％）し、その酸化物を使用する。プルトニウ
ム富化度は、内側炉心で１５％、外側炉心で２０％であ
り、超ウラン元素核種富化度は、内側炉心で１０％、外
側炉心で３０％である。

プルトニウム富化度は、燃焼初期の余剰反応度の確保お
よび内側炉心と外側炉心の夫々の最大出力密度を等しく
するという観点から定めた。これに対して、超ウラン元
素核種の富化度は、内側炉心と外側炉心の夫々で、第２
図に示したように多くの計算を実施した上、燃焼に伴う
中性子無限増倍率の変動がほぼ零となるように選定した
。

これにより、本発明に基づく炉心では、高速炉開発初期
の炉心（超ウラン元素核種を富化しない燃料を装荷）と
比べ、燃焼に伴う反応度の変動を半分以下に、燃料集合
体出力の変動を１／３程度に低減できる。したがって、
燃焼に伴う反応度・出力変動を、従来の炉心程度に許容
した場合、連続運転期間を２倍すなわち２４ケ月と倍増
することが可能である。なお、その後の研究成果を反映
して開発された炉心で、超ウラン元素核種を富化した燃
料を均一に装荷した場合、内側炉心と外側炉心の夫々で
、燃焼に伴う中性子無限増倍率の変動がほぼ零とならな
いため、燃焼に伴う燃料集合体出力の変動が大きく、連
続運転期間の長期化は制限される。

本発明の炉心は、超ウラン元素核種の消滅に関しても効
果的である。この炉心に装荷する超ウラン元素核種の量
は１年当たり約２１−ンであり、その１０％（約２００
Ｋｇ）が消滅される。電気出力１０１００Ｏ級の軽水炉
からは、年間約３０Ｋｇの超ウラン元素核種が取り出さ
れるので、本発明の炉心により、１年間に軽水炉７基分
から取り出される超ウラン元素核種を消滅できることに
なる。

なお、本実施例の場合には、電気出力１０１００Ｏ級の
高速増殖炉を対象とし、超ウラン元素核種を富化した燃
料として、ウランとプルトニウムの混合酸化物、冷却剤
には液体す１−リウム、炉心構造材にはフェライト鋼を
使用するものとする。

すなわち、第１実施例はＰｕとＴＲＵ核種の富化度を、
径方向に対して変えたものである。

つぎに、本発明の第２実施例を、第３図（ａ）、（ｂ）
、（ｃ）、第４図を用いて説明する。

第３図（ａ）は、燃料集合体の説明用斜視図、第３図（
ｂ）は、燃料集合体の横断面図、第３図（ｃ）は、燃料
集合体を構成する燃料棒の縦断面図である。

以下第３図（ａ）、（ｂ）、（Ｑ）の構成について説明
する。

２０は、燃料集合体、３０は、ラッパ管、３１は、冷却
材流出部、３２は、燃料棒束、３３は、中性子連へい体
、３４は、冷却材流入部、４０は、燃料棒、４１は、上
部端栓、４２は、スプリング、４３ａは、上部燃料領域
、４３ｂは、中央燃料領域、４３ｃは、下部燃料領域、
４４は、下部端栓、４５は被覆管である。

第４図は、第３図の燃料集合体で構成した炉心の縦断面
略示図である。その構成は、第３図（ｃ）の上部、中央
、下部燃料領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃに対応する夫々
上部炉心領域１０ａ、中央炉心領域１０ｂ、下部炉心領
域１０ｃおよび径方向ブランケット領域１３からなる。

上部炉心領域１０ａ、中央炉心領域１０ｂ、下部炉心領
域１０ｃの体積比率は、１：３：１である。

燃料領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃには、プルトニウムと
超ウラン元素核種を富化したウランを充填する。プルト
ウム富化度は、燃料領域４３ａ、４３ｃで２０％、燃料
領域４３ｂで１６％であり。

超ウラン元素核種富化度は、燃料領域４３ａ、４３ｃで
３０％、燃料領域４３ｂで１１％である。

プルトニウム富化度は、燃焼初期の余剰反応度の確保お
よび炉心領域１０ａ、ｌｏｂ、ｌｏｃの夫々の最大出力
密度を等しくするという観点から定めた。これに体して
、超ラウン元素核種の富化度は、炉心領域１０ａ、１０
ｂ、１．　Ｏｃの夫々で燃焼に伴う中性子無限増倍率の
変動がほぼ零となるように選定したものである。

プルトニウムと超ウラン元素核種の富化度を、第１の実
施例では炉心の径方向に変えたのに対し、第２の実施例
では炉心の軸方向に変えたことが特徴である。第２の実
施例においても、第１の実施例と同様、燃焼に伴う反応
度・出力変動が小さいため、連続運転期間の長期化が可
能であり、また超ウラン元素核種の消滅に関しても効果
的である。

本発明の第３実施例を第５の図（ａ）、（ｂ）および第
６図を用いて説明する。

第５図（ａ）、（ｂ）は夫々、内側炉心および外側炉心
に装荷する燃料集合体を構成する燃料棒の縦断面図であ
る。第５図（ａ）の符号は、第３図（Ｃ）と同一である
。第５図（ｂ）の４３ｄは、燃料領域、５０は、燃料棒
であり、その他符号は、第５図（ｂ）と同一である。

第６図は、第５図の燃料集合体で構成した炉心の縦断面
略示図である。第６図の構成は、燃料領域４３ａ、４３
ｂ、４３ｃに対応する内側炉心の上部領域１０ａ、中央
領域１０ｂ、下部領域１０Ｃ１燃料領域４３ｄに対応す
る外側炉心領域１０ｄおよび径方向ブランケット領域１
３からなる。

内側炉心と外側炉心の体積比率は、１：１、炉心領域１
０　ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの体積比率は、１：３
：１：５である。

燃料領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃおよび４３ｄには、プ
ルトニウムと超ウラン元素核種を富化したウランを充填
する。プルトニウム富化度は、燃料領域４３ａ、４’３
ｃ、４３ｄで２０％、燃料領域４３ｂで１２％であり、
超ウラン元素核種富化度は、燃料領域４３ａ、４３ｃ、
４３ｄで３０％。

燃料領域４３ｂで８％である。プルトニウム富化度は、
燃焼初期の余剰反応の確保および炉心領域１、０　ａ、
１０ｂ、１０ｃ、ｌｏｄの夫々の最大出力密度をほぼ等
しくするという観点から定めた。

これに対して、超ウラン元素核種の富化度は、炉心領域
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの夫々で、燃焼に伴う
中性子無限増倍率の変動がほぼ零となるように選定した
。

プルトニウムと超ウラン元素核種の富化度を、第１の実
施例では炉心の径方向に変え、第２の実施例では炉心の
軸方向に変えたにの対して、この第３実施例では炉心の
径方向と軸方向の両方で変えたことが特徴である。本実
施例においても、第１、第２の実施例と同様、燃焼に伴
う反応度・出力変動が小さいため、連続運転期間の長期
化が可能であり、また超ウラン元素核種の消滅に関して
も効果的である。

なお、燃料としてウランとプルトニウムの混合酸化物、
冷却材には液体ナトリウム、炉心構造材にはフェライト
鋼を使用したが、その他の燃料、材料を使用の場合にも
本発明は適用可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明により、高速増殖炉の炉心
において、超ラウン元素核種を効率的に消滅できるだけ
でなく、燃焼に伴う反応度変動と出力分布変動の大幅な
低減が可能となり、連続運転期間の長期化が図れる。こ
れにより、高速増殖炉の稼働率の向上および放射性廃棄
物の貯蔵・管理期間の大幅な短縮が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の第１実施例の高速炉の炉心平面図、
第２図は、燃焼度に伴い中性子無限増倍率の変化を、Ｔ
ＲＵ核種富化度をパラメータとした例示図、第３図（ａ
）は、第２実施例の燃料集合体の説明用斜視図、第３図
（ｂ）は、同上の横断面図、第３図（、）は、同上の燃
料棒縦断面図、第４図は、第３図（ａ）で構成した炉心
の縦断面略示図、第５図（ａ）は、第３実施例の内側炉
心用燃料集合体の燃料棒の縦断面略示図、第５図（ｂ）
は、同上の外側炉心用燃料集合体の燃料棒の縦断面略示
図、第６図は、第５図（、）、（ｂ）および径方向ブラ
ンケット燃料棒からなる炉心の縦断面略示図である。く符号の説明〉１０ａ・・・上部領域ｂ’、　１０　ｂ・・・中央領域
、１０ｃ・・・下部領域、１１・・・内側炉心領域、１
２・・・外側炉心領域、１３・・・径方向ブランケット
領域、２１・・・内側炉心集合体、２２・・・外側炉心
集合体、２３・・・ブランケット集合体、２４・・・制
御棒、４０・・・燃料棒（Ｉ）、５０・・・燃料棒（■
）

Claims

【特許請求の範囲】１、プルトニウムなどの核分裂性物質とネプチニウムな
どの超ウラン元素核種をウラン等に富化した燃料を充填
した複数本の燃料棒からなる燃料集合体を、複数体束ね
てなる円柱形状の高速炉の炉心において、炉心全領域に
おける中性子無限増倍率の変動が、燃焼度に対してほぼ
零となるように、超ウラン元素装荷量を選定することを
特徴とする高速炉の炉心。２、請求項１、記載の炉心において、炉心中心から遠い
領域ほど、超ウラン元素装荷量を大きくすることを特徴
とする高速炉の炉心。３、請求項１、記載の炉心において、プルトニウム富化
度の高い領域ほど、超ウラン元素装荷量を大きくするこ
とを特徴とする高速炉の炉心。４、請求項１、記載の炉心において、超ウラン元素核種
の主成分が、ネプチニウム、アメリシウム、キュリウム
およびこれら元素の混合物であることを特徴とする高速
炉の炉心。５、プルトニウムなどの核分裂性物質とネプチニウムな
どの超ウラン元素核種を富化した燃料を充填した複数本
の燃料棒からなる燃料集合体において、炉心燃料の軸方
向中心から遠い領域ほど、超ウラン元素核種の装荷量を
大きくすることを特徴とする燃料集合体。６、請求項５、記載の燃料集合体において、プルトニウ
ム富化度の高い領域ほど、超ウラン元素核種の装荷量を
大きくすることを特徴とする燃料集合体。７、請求項５、記載の燃料集合体において、超ウラン元
素核種の主成分が、ネプチニウム、アメリシウム、キュ
リウムおよびこれら元素の混合物であることを特徴とす
る燃料集合体。８、プルトニウムなどの核分裂性物質とネプチニウムな
どの超ウラン元素核種を富化した燃料を充填した複数本
の燃料棒からなる燃料集合体を、複数体束ねてなる円柱
形状の高速炉の炉心において、炉心の軸方向中心より遠
くの燃料領域ほど、超ウラン元素核種の原子数密度が高
く、炉心の径方向中心より遠くの燃料集合体ほど、超ウ
ラン元素核種の原子数密度の平均値が高いことを特徴と
する高速炉の炉心。９、請求項８、記載の炉心において、超ウラン元素核種
の原子数密度の異なる各炉心領域で、燃焼に伴う中性子
無限増倍率の変動がほぼ零であることを特徴とする高速
炉の炉心。１０、請求項８、記載の炉心において、超ウラン元素核
種の主成分が、ネプチニウム、アメリシウム、キュリウ
ムおよびこれら元素の混合物であることを特徴とする高
速炉の炉心。１１、プルトニウムなどの核分裂性物質とネプチニウム
などの超ウラン元素核種を富化した燃料を充填した複数
本の燃料棒からなる燃料集合体を、複数体束ねてなる円
柱形状の高速炉の炉心において、中性子束レベルの低い
燃料集合体ほど、超ウラン元素核種の原子数密度を高く
したことを特徴とする高速炉の炉心。１２、プルトニウムなどの核分裂性物質とネプチニウム
などの超ウラン元素核種を富化した燃料を充填した複数
本の燃料棒からなる燃料集合体において、中性子束レベ
ルの低い燃料領域ほど、超ウラン元素核種の原子数密度
が高いことを特徴とする燃料集合体。