JPH03205592A - 高速増殖炉 - 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、原子炉に利用される技術であり、特にその原
子炉が高速増殖炉であってその炉心に係る。

〔従来の技術〕

周知のように、高速増殖炉は原子炉の炉心で核分裂等に
より発生する中性子を燃料親物質に吸収させて新しい核
分裂性物質を生産する所謂増殖を行なわせ、これによっ
て燃料の有効利用が図れる特徴を有する。このような高
速増殖炉の炉心は一般に円柱状に形威され、この炉心の
周囲部を燃料親物質を主或分とする軸方向及び径方向ブ
ランケットで囲設している。炉心には燃料として、濃縮
ウランあるいはプルトニウムを富化したウランが装荷さ
れ、ブランケットには燃料親物質として、例えば天然ウ
ランあるいは減損ウランが装荷される。この燃料親物質
が炉心から漏れ出る中性子を捕獲すること、及び炉心内
の燃料親物質が中性子を捕獲することにより、有用な核
分裂性物質が生産される。

このような増殖作用の定量的な基準値として、増殖率と
倍増時間が挙げられる。増殖率は、核分裂性物質の消費
量に対する新核分裂性物質の生成量の比率で表わされ、
できるだけ高いことが望ましい。また倍増時間は、原子
炉に初めに装荷したのと同量の核分裂性物質を再生産す
るのに要する時間で、これは短いことが望まれこの倍増
時間短縮化が高速増殖炉の改良上最も主眼とされている
。

ところで、倍増時間は、一般に原子炉の比出力（単位燃
料装荷重量当りの出力）に反比例するが、最大値は、燃
料使用限界があって制約される。そこで炉心外周部の出
力低下をおさえ、出力分布を平坦化して最大値を抑えた
まま平均出力密度を増加させることにより短縮化できる
。従って従来から出力分布の平坦化を図る工夫が種々案
出されて来た。

出力分布の平坦化と増殖性の向上策として、従来公知の
ものは特開昭５５−１６０８９７号公報に示されている
。このものは、例えば第１図に示すように、炉心１の軸
方向の中央付近に天然ウランないし減損ウランを主材料
とした円柱状の内部ブランケット４領域を、径方向の炉
心中心付近で厚く、周辺付近で薄くなるように設けたも
のが開発された。

なお、第１図の２は径方向ブランケット、３は軸方向ブ
ランケットである。このものによると、炉心１の平均中
性子エネルギーが高く、炉心工では核分裂性物質の中性
子捕獲反応の核分裂に対する比率が減少し、中性子の吸
収反応当りの発生数が大きくなる。一方、内部ブランケ
ット４では炉心１に比べると天然ウランないし減損ウラ
ン等の原子数密度が高く、中性子平均エネルギーが低い
ために、天然ウランないし減損ウラン等の核分裂反応率
は減少する。この内部ブランケットが軸方向中心付近に
径方向中央で厚く周辺で薄く置かれている結果、径方向
出力分布は平坦化できる。一方、軸方向出力分布は、炉
心１の軸方向中心部に出力密度が低くかつ反応度価値の
小さい内部ブランケット４があることにより、平坦化で
きる。また、ナトリウムボイド反応度が小さいこと、及
び炉心の軸方向中心部に出力密度が低い内部ブランケッ
トがあることにより、安全性が向上する。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、原子炉運転において制御棒を挿入する場合、
制御捧挿入により上記の軸方向出力分布の平坦性が破れ
る。第２図を参照して、この点を説明する。

第２図において、実線は制御棒挿入時の軸方向距離と相
対出力との関係を、破線は制御捧未挿入時の関係を示し
ている。高速増殖炉の場合、制御捧は炉心の上側から挿
入されることが多く、その挿入深さは、反応度の高い燃
焼初期で最も大きく、燃焼が進むにつれて減少し、燃焼
末期で最小となる。燃焼初期から中期における制御棒半
挿入状態では、制御捧の挿入された上部軸方向ブランケ
ットと内部ブランケットとの間の燃料領域である炉心で
、制御棒によって中性子が吸収されるために出力密度が
下がり、逆に制御棒から離れた、内部ブランケットと下
部軸方向ブランケットとの間の燃料領域である炉心で出
力密度が上がる。従って制御棒の挿入によって軸方向出
力分布が大きく変化する．このような欠点を回避して、
炉心構成を決定する際には，制御棒挿入による軸方向出
力分布の平坦性が失なわれないようにする必要がある。

本発明の目的は、出力の平坦化による炉心性能向上、と
りわけ倍増時間の短縮化が図れる高速増殖炉を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達或する第１の手段は、軸方向及び径方向ブ
ランケットで囲設した炉心の内部領域に内部ブランケッ
トを備えた高速増殖炉において、前記内部ブランケット
の中心が前記炉心の中心よりも下方になる位置の前記炉
心内に前記内部ブランケットを備え、前記内部ブランケ
ットは炉心軸方向の厚みが炉心径方向の中央で厚く周辺
で薄い炉心構成による。上記目的を達或する第２の手段
は、第１手段の内部ブランケットの周辺は径方向ブラン
ケットから炉心の内部領域内側に離されていることを特
徴とした炉心構戊による。

〔作用〕

第１の手段によれば、炉心内に存在する核分裂反応率の
低い内部ブランケットが径方向の中央で厚く周辺で薄く
分布するから、炉心中央で高く周辺で低い径方向出力分
布が平坦化される。さらには、制御棒が炉心に半挿入さ
れた状態においては、軸方向出力分布のピークが下方に
下がるが、核分裂反応率の低い内部ブランケットが炉心
中心より下げて炉心内に内蔵されているから、そのピー
クは抑制される一方、内部ブランケットが炉心中心より
下かで内部ブランケットより上の上部炉心領域の体積が
下部よりも相対的に増加し、それが為にその増加した上
部炉心領域内に挿入されている制御捧による出力低下を
補うように出来、出力分布の落ちこみを抑制する。これ
らの相乗効果により、軸方向の出力分布は平坦化する。

このために、軸方向と径方向との立体的な方向において
炉心出力分布を平坦化し、もって増倍時間等の炉心性能
の向上作用が得られる。

第２手段によれば、第１手段による作用に加えて、内部
ブランケットの周辺部が径方向ブランケットから離され
て炉心領域内において内部ブランケットの出力低減効果
が径方向中心（内部ブランケット厚みが最大）から周辺
（内部ブランケットが存在しない領域）へとなだらかに
作用して燃焼期間中の出力変動が少なくなり、出力分布
のより一層の平坦化がなされる。さらには、炉心出力は
径方向ブランケットに近づくほどに出力は低下するが、
その低下が極端に起こらないように内部ブランケットと
径方向ブランケットの間に炉心領域を残存させ得る。そ
のために、増倍時間もより一層短縮できる作用が得られ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図を参照して説明する。

なお、対象とする炉心は、プルトニウムとウランの混合
酸化物を燃料とし、液体ナトリウムを冷却材とした場合
についてのものである。

まず、炉心構戒を第３図によって説明する。円柱状の炉
心５を燃料親物質を主成分とする上部軸方向ブランケッ
ト９，下部軸方向ブランケット７及び径方向ブランケッ
ト８で囲設している。この炉心５の軸方向中心部と下部
軸方向ブランケット７との間に天然ウランないし減損ウ
ラン等を主成分とする炉心径方向に拡がる円柱状の領域
、即ち内部ブランケット６を設けている。この内部ブラ
ンケット６は、径方向の炉心中心付近で厚く、周辺で薄
くなっている。その周辺と径方向ブランケット８との間
は炉心５とされている。また、１０は制御棒である。

核燃料要素における本発明の一実施例を第５図を参照し
て説明する。燃料親物質を主或分とする上部軸方向ブラ
ンケット１３と下部軸方向ブランケット１６で囲まれた
、プルトニウムとウラン混合酸化物から或る燃料領域で
ある炉心１４において、第４図に示すような天然ウラン
ないし減損ウラン等を主或分とする内部ブランケットｌ
５の位置を下方にさげた内部ブランケットを設ける。以
下では、核燃料要素の集合体である炉心構或における本
発明の効果を述べることにより、本発明の核燃料要素の
効果とする。

なお、炉心の設計パラメータ及び炉の運転条件は第１表
に示す通りである。即ち、原子炉熱出力は約２５００Ｍ
Ｗ，電気出力は約１０００ＭＷ、等価炉心径と炉心高は
夫々３２５（１）及び９５ａｌ１である。

第１表 主要設計パラメータ 上部及び下部軸方向ブランケット厚は４０（７）、径方
向ブランケット厚は４０ａｎである。燃料スミア密度は
、炉心で８７％理論密度、ブランケットで９１％理論密
度である。炉心燃料は富化度（核分裂物質／核分裂物質
十親物質）が単一であるとし、内部ブランケットの燃料
には軸方向ブランケットの燃料をそのまま使用する。燃
料交換期間は１年、設備利用率は８０％、燃料交換バッ
チ数は炉心、ブランケット共に３とする。定格時最大線
出力密度は４３０Ｗ／（１）、燃焼末期の余剰反応度は
約０．７％である。

次に上記構成に基づく効果を説明する。径方向出力分布
については，内部ブランケット６を径方向の中心付近で
厚く、周辺部で薄くしたことにより、平坦化される。こ
れは次の理由による。炉心５の平均中性子エネルギーが
高くなり、炉心では核分裂性物質の中性子捕獲反応の核
分裂に対する比率が減少し、中性子の吸収反応当りの発
生数が大きくなる。一方、内部ブランケット６では炉心
５に比べると天然ウランないし減損ウラン等の原子数密
度が高く、また中性子の平均エネルギーが低いため天然
ウランないし減損ウラン等の核分裂反応は減少するが、
中性子捕獲反応率は増大する。

このような特性の内部ブランケット６が上下厚みを径方
向中央で厚く周辺で薄い分布とされるので、この分布と
逆分布の径方向出力分布を平坦方向へ修正できる。又、
その内部ブランケット６の周辺より径方向外側には炉心
５が存在するからその部分、即ち径方向ブランケット８
に近接した部分の出力低下が極端ではなく、より平坦と
なる上に中性子の内部及び径方向ブランケットへの供給
も多くなり、増殖効果が良い。

次に軸方向出力分布を考察する。制御棒１０を炉心上部
から挿入すると制御棒により中性子は吸収され、それに
伴い上部軸方向ブランケットと内部ブランケット間の炉
心で核分裂物質の核分裂反応は減少し、出力密度が下が
るが、下部軸方向ブランケットと内部ブランケット間の
炉心で出力密度が上がり、軸方向出力分布はピークを持
つ。この出力のピークは、出力密度が低く反応度価値の
小さい内部ブランケットを、従来の軸方向中心部より下
方にさげることによって、抑制される。また内部ブラン
ケットを軸方向の下方に下げることにより、上部軸方向
ブランケットと内部ブランケット間の炉心体積は増加し
、この炉心領域から周囲のブランケットへの中性子漏洩
量の割合は抑制され、核分裂物質による核分裂反応率の
割合を上げ、制御捧の中性子吸収による出力の低下と相
殺される。内部ブランケットを下方に下げたことにより
、下部軸方向ブランケットと内部ブランケット間の炉心
体積は減少し、この炉心領域から周囲のブランケットへ
の中性子漏洩量の割合は増大し、出力の上昇を抑制する
。その結果、制御棒挿入時においても、軸方向出力分布
は平坦化できる。

このような軸方向及び径方向出力分布の平坦化は増殖性
の向上、すなわち倍増時間の短縮が図れるものである。

つまり、炉心５の中性子エネルギーが高いこと、及び出
力分布の平坦性から炉心５とこれを囲う上部軸方向ブラ
ンケット９，下部軸方向ブランケット７，径方向ブラン
ケット８との境界の中性子束が高い。そのために、上部
軸方向ブランケット９，下部軸ブランケット７，径方向
ブランケット８への中性子の漏洩量が増太し、燃料親物
質の中性子捕獲反応及び核分裂反応は大幅に向上する。

なお、前記実施例では、内部ブランケットの肉厚が径方
向にステップ状に変化し、内部ブランケットが径方向ブ
ランケットに接しないで離れた炉心構造の場合であった
が、これに限らず、第６図に示すように内部ブランケッ
ト１９の肉厚が径方向にステップ状に変化し、内部ブラ
ンケット１９が径方向ブランケットに接する炉心構造の
場合にも、第７図に示すように内部ブランケット１９を
下向にさげることにより前記実施例とくらべて、燃焼期
間中の変動が大きいが略同様の効果が得られる。

第８図に示すように内部ブランケット２１の肉厚を徐々
に変化させ、内部ブランケット２１が径方向ブランケッ
ト２２に接しないで離れた炉心構造の場合には、第９図
に示すように内部プランケット２１を下向にさげること
により前記実施例と略同様の効果が得られる。

第１０図に示すように内部ブランケット２３の肉厚を徐
々に変化させ、内部ブランケット２３が径方向ブランケ
ット２４に接する炉心構造の場合にも、第１１図に示す
ように内部ブランケット２３を下向にさげることにより
前記実施例とくらべて、燃焼期間中の変動が大きいが略
同様の効果が得られる。

いずれの実施例においても、 （１）炉心を燃料親物質を主或とする軸方向及び径方向
ブランケットで囲設してなる高速増殖炉において、天然
ウランないし減損ウラン等を主戊分とする炉心径方向に
拡がる円柱状の領域である内部ブランケットを、炉心内
においてその軸方向の中心が炉心の軸方向に中心より下
になるように設けてあるが、（２）内部ブランケットの
軸方向中心部が炉心の軸方向中心部より下になるように
設けた内部ブランケットに、初装荷時に核分裂性物質濃
度をわずかに富化した燃料を装荷し、燃料交換時に天然
ウランないし減損ウラン等で置き換えていくことを行え
ば、内部ブランケットの中性子吸収能がすこしへること
により、初装荷炉心の出力分布平坦化が上記（１）に示
すものよりも良好となる。

又、（３）として（２）の内容で、内部ブランケットの
軸方向中心部が炉心の軸方向中心部より下になるように
設けた内部ブランケットに、初装荷時に天然ウランない
し減損ウラン等のかわりに軽水炉の使用済燃料を加工し
た燃料物質を使用すれば、上記（２）に加えるに、使用
済燃料を再使用することで経済性が高くなる。

又、（４）として（２）の内容で、内部ブランケットの
軸方向中心部が炉心の軸方向中心部より下になるように
設けた内部ブランケットに、初装荷時に天然ウランない
し減損ウラン等のかわりに、高速増殖炉の使用済ブラン
ケット燃料を加工した燃料物質を使用すれば、上記（３
）と同じく、再使用による経済性向上が望める。

又、（５）として（２）の内容で、内部プランケツトの
軸方向中心部が炉心の軸方向中心部より下になるように
設けた内部ブランケットに、初装荷されて燃料のうち後
半で取り出される燃料は天然ウランないし減損ウラン等
を使用することによれば、初装荷時に採用した内部ブラ
ンケット内の燃料を後半で使用せずに出力平坦化を成す
ので、（２）の効果に加えるに燃料物質のせつやくと出
力平坦化とが戊立する。

又、（６）として上記（１）又は（２）の内容において
、径方向あるいは軸方向ブランケットの炉心に近い部分
にも、核分裂性物質を初装荷時に混入し、燃料交換時に
核分裂性物質を混合しない燃料と置き換えることにすれ
ば、初装荷炉心の最高出力密度が低くなるので、出力平
坦化と増倍時間との向上に加えて燃料の熱的よゆうが増
大して安全である。

又、（７）として上記（６）の内容に加えるに、内部ブ
ランケットの軸方向中心部が炉心の軸方向中心部より下
になるように設けた内部ブランケットに、初装荷時に炉
心部と同じ燃料物質を装荷し、燃料交換時に、天然ウラ
ンないし減損ウラン等で置き換えていくことを行えば、
上記（６）の効果に加えるに、上Ｅ（２）と同様な効果
が得れる。

又、（８）として、核燃料要素の構成は、燃料親物質を
主成分とする軸方向ブランケットで上部と下部を囲まれ
た燃料から戊る核燃料要素において、燃料領域の中に天
然ウランないし減損ウラン等を主取分とする内部ブラン
ケットを、内部ブランケットの中心が燃料の中心より下
になるように設けることで、この要素の集合体である炉
心を上記（１）の構或のようにすることができ、出力分
布平坦化と増倍時間の向上が或せる。

又、（９）として上記（８）の内容において、内部ブラ
ンケットの中心が燃料の中心より下になるように設けた
内部のブランケットに、天然ウランないし減損ウラン等
のかわりに、軽水炉の使用済燃料を加工した燃料物質を
使用すること、あるいは（１０）として（８）の内容に
おいて、内部ブランケットの中心が燃料の中心より下に
なるように設けた内部ブランケットに、天然ウランない
し減損ウラン等のかわりに、高速増殖炉の使用済ブラン
ケット燃料を加工した燃料物質を使用することにすれば
、（８）に示した効果に加えるに使用済燃料の再利用と
いう観点で経済性が高くなる。

〔発明の効果〕

特許請求の範囲の第１項の発明によれば、高速増殖炉の
増殖性、とりわけ径方向と軸方向との両方向において出
力分布の平坦化が良く威されて、倍増時間の大幅な短縮
が可能となり、燃料経済上で多大な効果を奏する。

特許請求の範囲の第２項の実施態様によれば、特許請求
の範囲第１項の発明による効果に加えて、より一層の増
殖性の向上効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高速増殖炉の炉心の模式的縦断面図、第
２図は従来の高速増殖炉の炉心における軸方向出力分布
図、第３図は本発明による炉心構或の模式的縦断面図、
第４図は従来例における核燃料要素の縦断面図、第５図
は本′発明に採用される核燃料要素の縦断面図、第６図
は従来例による炉心の模式的縦断面図、第７図は第６図
の炉心に本発明を採用した場合の炉心の模式的縦断面図
、第８図は第６図の従来炉心を改良した型式の炉心の模
式的縦断面図、第９図は第８図の炉心に本発明を採用し
た場合の炉心の模式的縦断面図、第１０図は第６図の従
来炉心を改良した他の型式の炉心の模式的縦断面図、第
１１図は第１０図の炉心に本発明を採用した場合の炉心
の模式的縦断面図である。 ５・・・炉心、６・・・内部ブランケット、７・・・下
部軸方向ブランケット、８・・径方向ブランケット、９
・・・上部軸方向ブランケット、１０・・・制御棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸方向及び径方向ブランケットで囲設した炉心の内
   部領域に内部ブランケットを備えた高速増殖炉において
   、前記内部ブランケットの中心が前記炉心の中心よりも
   下方になる位置の前記炉心内に前記内部ブランケットを
   備え、前記内部ブランケットは炉心軸方向の厚みが炉心
   径方向の中央で厚く周辺で薄いことを特徴とした高速増
   殖炉。 ２、特許請求の範囲の第１項において、内部ブランケッ
   トの周辺は径方向ブランケットから炉心の内部領域内側
   に離されていることを特徴とした高速増殖炉。