JPH0464436B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、高速増殖炉に係り、特に非均質炉心
を有する高速増殖炉に関するものである。 〔発明の背景〕 高速増殖炉は、炉心内の核分裂性物質の核分裂
によつて発生する高速中性子を燃料親物質に吸収
させ、これにより新しい核分裂性物質を生産する
ものである。すなわち、高速増殖炉は、核分裂性
物質を核分裂によつて消費する速さよりも新しい
核分裂性物質を生産する速さのほうが大きい。こ
の新しい核分裂性物質の生産、すなわち増殖によ
り、核燃料を有効に利用するこができる。 高速増殖炉の炉心は、一般に円柱状に形成さ
れ、核分裂性物質が存在する炉心領域とこれを取
囲む主として燃料親物質からなるブランケツト領
域から形成されている。ブランケツト領域は、炉
心領域の外周を取囲む半径方向ブランケツト領域
と炉心領域の軸方向の両端に位置している軸方向
ブランケツト領域とを有している。炉心領域に存
在する核分裂性物質は主にプルトニウム―239で
あり、ブランケツト領域に存在する燃料親物質は
主に、ウラン―238である。ウラン―238はプルト
ニウム―239の核分裂で発生する中性子を吸収し
てプルトニウム―239に変化する。 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、原子炉の初めに装荷したの
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る。 ところで、倍増時間は、一般に原子炉の比出力
（単位燃料荷重量当りの出力）に反比例する傾向
にある。比出力を大きくするためには、炉心の出
力分布を平坦化することが必要である。 また、原子炉から取り出し得る出力の最大値は
炉心の最高出力密度と出力ピーキング係数（最
高／平均出力密度）に依存し、最高出力密度を一
定としたときは出力ピーキング係数が小さいほど
（出力分布が平坦なほど）大きくとれる。 そこで、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。 例えば、均質炉心と呼ばれ、多用されている炉
心構造として、第１図および第２図に示すように
炉心を内側炉心１と外側炉心２の如く、ほぼ円柱
状ないし円環状の２領域に分け、中性子束レベル
の低くなる外側領域ほど富化度（核分裂／核分裂
物質＋親物質）の高い燃料を装荷すると共に中性
子吸収材を含む制御棒５，６，７を備えたものが
ある。制御棒は原子炉運転中に失われる反応度の
補償をすると同時に出力分布を平坦化するための
ものである。３は半径方向ブランケツト、４は軸
方向ブランケツトである。 ところが、このような炉心構成では炉を大型化
するにつれ、炉心内の中性子の平均エネルギーが
低くなり増殖率が低下すると共に、出力分布平坦
化のための制御棒が多数本必要になるという問題
がある。 第１図の例は、電気出力100MW級の炉心を対
象とするものであるが、制御棒は全部で31本使用
されている。この内、制御棒５は調整棒と呼ばれ
る制御棒であり、原子炉の運転によつて失われる
反応度を補償すると共に、出力分布平坦化の役割
を担つている。制御棒６は起動棒で、原子炉起動
時の反応度損失を補う。また、制御棒７は後備系
統であり、主系統棒（調整棒および起動棒）とは
独立に、原子炉を停止させるだけの機能を持つて
いる。この例では、調整棒５が18本、起動棒６が
７本、および後備系統棒７が６本である。 調整棒５は、炉心中心付近および内側／外側炉
心領域の境界上に配置され、ほぼふたつの同心円
上にある。調整棒５を挿入したときの出力分布の
特徴は次のようになる。 (a) ふたつの同心円の中間付近で出力ピークが発
生する。 (b) 同心円上に配置された調整棒と調整棒の間で
出力ピークが発生する。 炉心方向の出力分布平坦化は、外側炉心の富化
度を内側炉心より高くしたこと、および調整棒を
適切に分散して配置することにより、達成され
る。調整棒を含む同心円が炉心中心から遠いほど
そこに含める調整棒の本数を多くして、隣り合う
調整棒間の距離を小さくする必要がある。これは
炉心周方向に隣り合う調整棒の間隔が大きすぎる
と、調整棒と調整棒の間の領域に発生する出力ピ
ークが大きくなつて、炉心周方向の出力分布を平
坦化することができなくなるためである。 この例では、最高出力密度を設計許容値以下に
抑えるため、調整棒は集合体第１層に６本、およ
び第10，11層に12本配置されている。 制御棒本数は、次のような理由により、少ない
方がよい。(1)炉心構成を軽量小型化して、プラン
ト建設コストを下げる。(2)タンク型原子列の場合
地震の際炉心に挿入されている制御棒と炉心の間
に相対変動が生じ、周期的に制御棒がわずかに引
き抜かれた状態が生じることによる反応度の挿入
が起る可能性がある。そのため、原子炉運転中に
炉心に挿入されている制御棒の微分ワース（単位
挿入深さ当りの制御棒ワース）を小さくする必要
がある。(3)制御棒本数が少ないほど、炉心平均の
燃料体積率が大きくなり、増殖性が向上する。 増殖率を上げるために従来、例えば第３図およ
び第４図に示すように、内側炉心１の軸方向中心
部に、円盤状の内部ブランケツト４を挿入したパ
フエー炉心と呼ばれる炉心構成を有するものがあ
る。この例は電気出力100MW級の炉心を対象と
している。この炉心では均質炉心よりも、炉心の
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反応に対する
比率が減少するので、中性子の吸収反応当りの発
生数が大きくなる。一方、内部ブランケツト４で
は、炉心１および２に比べると燃料親物質の原子
数密度が高いので増殖作用は大きくなる。その結
果、炉心全体でみると、均質炉心より増殖率は上
がる。しかしながら、出力分布平坦化に必要な制
御棒の本数は均質炉心と本質的に違わない。この
例では調整棒５が18本、起動棒６が６本、および
後備系統棒７が６本の合計30本の制御棒が必要で
ある。 〔発明の目的〕 特許請求の範囲の第１項に記載された第１発明
の目的は、高速増殖炉の制御棒の本数を削減する
ことに有り、特許請求の範囲の第２項に記載され
た第２発明の目的は、高速増殖炉の制御棒の本数
を第１発明の高速増殖炉よりも一層削減すること
に有る。 〔発明の概要〕 第１発明の構成は、核分裂性物質を富化した燃
料を有する炉心領域と、前記炉心領域の外側を取
囲み主として燃料親物質からなる燃料を有する外
部ブランケツト領域と、前記炉心領域に挿入され
る複数の制御棒として、複数の調整棒と複数の起
動棒と複数の後備系統棒とを備えた高速増殖炉に
おいて、前記炉心領域を、第１炉心領域と前記第
１炉心領域の外周を取囲む第２炉心領域とから構
成するとともに、外側に放射状に突出させてなる
複数の突出部を前記第１炉心領域に設け、前記第
１炉心領域の前記核分裂性物質の富化度を前記第
２炉心領域のそれよりも小さくし、前記複数の調
整棒を、前記第１炉心領域と、周方向に隣接して
いる前記第１炉心領域の前記突出部相互間に存在
している前記第２炉心領域の部分とに挿入可能に
分散配置してなる構成であり、この構成により出
力ピークの発生しやすい部分を炉心中心付近と第
２炉心領域の第１炉心領域内に食い込んである部
分領域に限定し、その限定された領域に対して調
整棒を挿入可能に配備すれば良くなつて、調整棒
の採用本数が減少出来るという効果が得られる。 第２発明の構成は、核分裂性物質を富化した燃
料を有する炉心領域と、前記炉心領域の外側を取
囲み主として燃料親物質からなる燃料を有する外
部ブランケツト領域と、前記炉心領域に挿入され
る複数の制御棒として、複数の調整棒と複数の起
動棒と複数の後備系統棒とを備えた高速増殖炉に
おいて、、前記炉心領域を第１炉心領域と前記第
１炉心領域の外周を取囲む前記第２炉心領域とか
ら構成するとともに、外側に放射状に突出させて
なる複数の突出部を前記第１炉心領域に設け、前
記第１炉心領域に主として燃料親物質からなる内
部ブランケツト領域を配置し、前記複数の調整棒
を、前記第１炉心領域と、周方向に隣接している
前記第１炉心領域の前記突出部相互間に存在して
いる前記第２炉心領域の部分とに挿入可能に分散
配置してなる構成であり、この構成により出力ピ
ークの発生しやすい部分を炉心中心付近と第２炉
心領域の第１炉心領域内に食い込んでいる部分領
域に限定し、その限定された領域に対して調整棒
を挿入可能に配備すれば良くなつて、調整棒の必
要本数が減少出来、更には、炉心中心には内部ブ
ランケツトが存在して炉心中心付近の出力ピーク
を抑制するから、その炉心中心付近である第１炉
心領域内に対する調整棒の採用本数も減少し、よ
り一層の調整棒の必要本数の減少効果が得られ
る。 〔発明の実施例〕 以下、本発明を実施例にて詳細に説明する。な
お、対象とする炉心は、プルトニウムとウランの
混合酸化物を有する炉心燃料、主として減損ウラ
ンを有するブランケツト燃料が装荷され、冷却材
として液体ナトリウムを用いた場合のものであ
る。上記以外の燃料、冷却材を使用した場合にも
本発明を適用することは可能である。 以下に、第１発明の実施例として、少数本の制
御棒で出力分布の平坦化が図れる炉心について説
明する。 第５図に本実施例で装荷する３つの燃料集合体
の燃料組成を示す。燃料集合ＡおよびＢは、夫々
軸方向に３つの領域に分割され、領域Ａ２および
Ｂ２には減損ウラン、領域Ａ１およびＢ１にはプ
ルトニウムを富化した減損ウランが装荷される。
燃料集合体Ｃには減損ウランが装荷されている領
域Ｃ１のみがある。 燃料集合体ＡおよびＢの夫々の領域Ａ１および
Ｂ１が炉心領域８および９を構成し、領域Ａ２お
よびＢ２が軸方向ブランケツト４を構成する。燃
料集合体Ｃは半径方向ブランケツト３を構成す
る。 第６図に、各燃料集合体の配置図を示す。燃料
集合体Ａは、炉心中央部および炉心中央から外側
に６方向に放射状に突出した部分を含む炉心領域
８に装荷される。一方、燃料集合体Ｂは、炉心領
域８の外周に存在する炉心領域９に装荷される。
燃料集合体Ｃは半径方向ブランケツト３として炉
心領域９の外側に装荷される。従つて燃料集合体
Ａを含む炉心領域８と燃料集合体Ｂを含む炉心領
域９との境界と炉心中央との距離は、炉心周方向
に変化する。燃料集合体Ａを含む炉心領域８の外
周は、その間に燃料集合体Ｂを含む炉心領域９を
介在させて、互いに炉心周方に対向していると共
に、半径方向ブランケツト領域３とも対向してい
る。また、制御棒の内、調整棒５は、炉心領域８
内および炉心領域８の放射状に伸びる部分にはさ
まれた炉心領域９の部分に、ほぼ同心円上に配置
されている。 第７図は第６図の―断面を第８図は第６図
の―断面を示している。―断面では、炉
心領域８の燃料集合体Ａの列の数が炉心領域９の
燃料集合体Ｂの列の数より多く、逆に―断面
では炉心領域９の燃料集合体Ｂの列の数が炉心領
域８の燃料集合体Ａの列の数より多い。 炉心の設計パラメータおよび炉の運転条件は第
１表に示す通りである。すなわち、原子炉熱出力
は約2500MW、電気出力は約1000MW、等価炉心
領域の径と炉心領域高はそれぞれ325cmおよび100
cmである。軸方向ブランケツトおよび

【表】

【表】 半径方向ブランケツト厚さは、それぞれ35cmおよ
び40cmである。燃料スミア度は炉心領域（軸方向
ブランケツト集合体を含む）で87％理論密度、半
径方向ブランケツト領域で91％理論密度である。
燃料交換間隔は１年、設備利用率は80％、燃料交
換バツチ数は炉心領域、半径方向ブランケツト領
域共に３である。燃料集合体Ａ及びＢの領域Ａ１
およびＢ１の核分裂性物質（Pu）富化度は、
夫々12％および15％である。各々の燃料集合体の
本数、燃料集合体Ａが258本、燃料集合体Ｂが162
本、制御棒本数が25本、およぴ半径方向ブランケ
ツト領域３の燃料集合体Ｃの本数が250本である。 次に本実施例の炉心構成に基づく効果を説明す
る。 炉心の径方向出力分布は、次のようにして平坦
化される。第６図の―断面では、核分裂性物
質富化度の低い燃料集合体Ａが大部分を占め、富
化度の高い燃料集合体Ｂは最外周の２列である。
従つて、―断面では、出力ピークは炉心中心
付近に生じ、これを抑えるための炉心中心付近に
多くの調整棒が挿入される。また、第６図の―
断面では富化度の低い燃料集合体Ａは炉心中心
付近だけに存在し、富化度の高い燃料集合体Ｂが
残りを占めている。この場合、制御棒が引き抜か
れた状態では、出力ピークは、炉心領域８と炉心
領域９の境界のすぐ外側で生じるので、そこに調
整棒を挿入することにより、出力分布が平坦化さ
れる。すなわち、炉心領域８の外側に放射状に突
出している部分に挾れて存在する炉心領域９の部
分に調整棒５が挿入され、出力分布の平坦化が図
れている。従つて、本実施例の炉心では出力分布
平坦化に必要な調整棒５は、炉心領域８の中心付
近および炉心領域８と炉心領域９の境界のすぐ外
側の炉心領域９の部分（前述の炉心領域８内に入
込んだ部分）に配置され、ほぼふたつの同心円上
にある。調整棒５の本数は、炉心領域８上に６
本、炉心領域９に６本の合計12本である。 これに対して、従来炉心（第１図）では、夫々
６本および12本の合計18本の調整棒５が配置され
る。両炉心を比較すると、外側同心円上の調整棒
本数は、本実施例による炉心では従来炉心の半分
でよい。これは、本実施例の炉心では、外側にあ
る。（炉心領域９にある）調整棒５の円周方向に
隣り合う２つの調整棒５の間に核分裂性物質富化
度の低い燃料集合体Ａで構成する炉心領域８が存
在するため、この炉心領域８の放射状に突出した
部分に調整棒５を挿入しなくとも、炉心周方向の
出力分布を平坦化できるからである。 結局、この炉心構成では、調整棒５が12本、起
動棒６が７本、後備系統棒７が６本と、合計25本
となり、従来炉心の31本より約２％削減されたこ
とになる。主系統制御棒（調整棒および起動棒）
本数は、従来炉心の25本に対して19本であるが、
次の理由により、従来炉心の25本相当の制御棒ワ
ースを確保できる。 (1) 出溶分布が平坦化されているため、制御棒１
本当りのワースを大きくとれる。 (2) 炉心領域で、制御棒の占める体積が減少して
燃料体積比が大きくなつたことにより、燃焼反
応度が減少する。これは制御棒の必要ワースを
減少させる。 炉心の主な核特性を第２表に示す。従来炉心よ
り、本実施例の炉心（実施例１）の方が制御棒本
数が減り、燃料体積比が大きくなつたので増殖性
能、燃焼反応度劣化についても優れている。

〔発明の効果〕

第１発明によれば、高速増殖炉の増殖性能に大
きな悪影響をおよぼすことなく調整棒の必要本数
を減らすことが出来るから、その調整棒を含んで
全制御棒の必要本数が減少できる高速増殖炉が提
供できる効果が得られる。 第２発明によれば、炉心内の内部ブランケツト
を利用して第１発明による場合よりもより一層全
制御棒の必要本数が減少できる高速増殖炉が提供
できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の高速増殖炉の炉心
（均質炉心）の水平断面図および垂直断面図、第
３図及び第４図は従来の高速増殖炉の炉心（パフ
エー炉心）の水平断面図および垂直断面図、第５
図は本発明の好適な一実施例である高速増殖炉に
用いられる燃料集合体の構成図、第６図は第５図
の燃料集合体にて構成された本発明の好適な一実
施例である高速増殖炉の炉心の水平断面図、第７
図は第６図の―断面図、第８図は第６図の
―断面図、第９図は本発明の他の実施例である
高速増殖炉に用いられる燃料集合体の構成図、第
１０図は本発明の他の実施例である高速増殖炉の
炉心の水平断面図、第１１図は第１０図のXI―XI
断面図、第１２図は第１０図のXII―XII断面図であ
る。 ３…半径方向ブランケツト領域、４…軸方向ブ
ランケツト領域、５…調整棒、６…起動棒、７…
後備系統棒、８，９，１１…炉心領域、１０…領
域、１２…内部ブランケツト領域、Ａ，Ｂ，Ｃ…
燃料集合体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 核分裂性物質を富化した燃料を有する炉心領
   域と、前記炉心領域の外側を取囲み主として燃料
   親物質からなる燃料を有する外部ブランケツト領
   域と、前記炉心領域に挿入される複数の制御棒と
   して、複数の調整棒と複数の起動棒と複数の後備
   系統棒とを備えた高速増殖炉において、前記炉心
   領域を、第１炉心領域と前記第１炉心領域の外周
   を取囲む第２炉心領域とから構成するとともに、
   外側に放射状に突出させてなる複数の突出部を前
   記第１炉心領域に設け、前記第１炉心領域の前記
   核分裂性物質の富化度を前記第２炉心領域のそれ
   よりも小さくし、前記複数の調整棒を、前記第１
   炉心領域と、周方向に隣接している前記第１炉心
   領域の前記突出部相互間に存在している前記第２
   炉心領域の部分とに挿入可能に分散配置してなる
   ことを特徴とする高速増殖炉。 ２ 核分裂性物質を富化した燃料を有する炉心領
   域と、前記炉心領域の外側を取囲み主として燃料
   親物質からなる燃料を有する外部ブランケツト領
   域と、前記炉心領域に挿入される複数の制御御棒
   として、複数の調整棒と複数の起動棒と複数の後
   備系統棒とを備えた高速増殖炉において、前記炉
   心領域を第１炉心領域と前記第１炉心領域の外周
   を取囲む前記第２炉心領域とから構成するととも
   に、外側に放射状に突出させてなる複数の突出部
   を前記第１炉心領域に設け、前記第１炉心領域に
   主として燃料親物質からなる内部ブランケツト領
   域を配置し、前記複数の調整棒を、前記第１炉心
   領域と、周方向に隣接している前記第１炉心領域
   の前記突出部相互間に存在している前記第２炉心
   領域の部分とに挿入可能に分散配置してなること
   を特徴とする高速増殖炉。 ３ 前記第１及び第２炉心領域の核分裂性物質の
   富化度を等しくした特許請求の範囲第２項記載の
   高速増殖炉。 ４ 前記第１炉心領域の核分裂性物質の富化度を
   前記第２炉心領域のそれよりも小さくした特許請
   求の範囲第２項記載の高速増殖炉。