JPH0565033B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、炉心および炉心上部機構の熱的余裕
を増大するのに好適な高速増殖炉の炉心およびそ
の燃料装荷方法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
反応によつて発生する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炉心内に
生産するものである。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
ることができる。 高速増殖炉の炉心は、一般に円柱状に形成さ
れ、核分裂性物質の富化された炉心燃料集合体よ
りなる炉心領域および燃料親物質を主成分とする
ブランケツト領域とから形成されている。また、
炉心の周囲には、軸方向および径方向ブランケツ
トが設けられている。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、ブランケツトには、燃料親物質とし
て、例えば、天然ウランあるいは劣化ウランが装
荷される。そして、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により有用な核分裂
性物質が生産される。 高速増殖炉においても、出力運転中は、炉心領
域の核分裂性物質の燃焼により反応度が失われ
る。この反応度損失を補償するために、燃焼初期
の反応度を大きくとり、所定期間、高速増殖炉が
所定の出力を維持できるように考慮している。高
速増殖炉にあらかじめ付加する反応度を余剰反応
度といつている。余剰反応度に見合つた期間だけ
燃料の燃焼が進むと、燃料の一部（例えば全体の
１／３）は新しい燃料と交換される。これを部分
的分散バツチ式交換と称し、１回の燃料交換当
り、３バツチ式なら炉心の１／３の燃料集合体が
新燃料と交換される。１つの燃料交換から次の燃
料交換までの期間を燃焼サイクル長さといい、燃
料は（バツチ数）×（燃焼サイクル長さ）の間、炉
内に滞在する。したがつて、炉心には、炉内滞在
期間の異なる燃料、すなわち燃焼度の異なる燃料
がバツチ数の種類だけ存在することになる。従
来、炉心に装荷された燃料は寿命（バツチ数×燃
料サイクル長さ）の間、炉心内の同一場所に滞在
せしめられるのが普通である。 核燃料サイクル費を低減するためには、炉心燃
料の炉内滞在期間を長期化して、燃料の平均取出
燃焼度を高くすることが必要である。この場合、
炉心内の燃料集合体の間で炉内滞在期間のばらつ
きが大きくなるので、燃料集合体出力のばらつき
が大きくなる（出力のミスマツチフアクターが増
大する）。 出力ミスマツチフアクターが大きくなると、次
の２つの問題が生じる。 (1) 炉心の熱的余裕の減少： 原子炉から取り出し得る出力は燃料の最大出
力密度に依存するので、出力分布を可能な限り
平坦化することは重要である。出力ミスマツチ
フアクターが大きいと、最大出力密度が、炉心
燃料ペレツトの熱的制限に基づく許容値により
近づくために、炉心の熱的余裕が減少すること
になる。 (2) 炉心上部構造の寿命短縮： 燃料集合体を通る冷却材の流量は、その燃料
集合体が炉内で発息する最大出力に応じて決定
される。したがつて、ミスマツチフアクターが
大きいと、集合体出力の最大値と最小値の差が
大きくなるために、集合体出力が小さい間、そ
の集合体は過冷却（over cooling）状態とな
り、集合体の出口温度が低くなる。隣接する集
合体の一方が過冷却、他方が正常の冷却状態に
あると、夫々の集合体の出口からは、温度の異
なる冷却材が流出することになる。これらの冷
却材は、容易に混合せずに、層を成して流れる
ことが知られており（サーマル・ストライピン
グ：Thermal stripingと呼ばれる）、このため
炉心の上部構造には熱的な繰り返し応力が加わ
る。これは、炉心上部構造の寿命を短縮させる
ことになる。 従来より、高速増殖炉の炉心の熱的余裕を増
大するための工夫がなされて来た。例えば特開
昭58−19591には、炉心の軸方向中心付近に、
核分裂性物質の混入率が炉心燃料より低い燃料
を装荷し、かつその混入率を炉心径方向周辺部
ほど高くすることが、炉心の分布平坦化に効果
的であることが開示されている。しかし、この
技術は使用する燃料の種類が増えるという問題
がある他、燃焼サイクル長期化による出力ミス
マツチフアクター増大を防止するための方策を
認識していない。また、炉心上部構造の寿命を
短縮させるサーマルスイライピングを、長期燃
焼サイクル時に緩和するため方策についての開
示がない。 〔発明の目的〕 本発明は上記に鑑みてなされてたもので、その
目的とするところは、高速増殖炉の出力ミスマツ
チフアクターを低減することにより、炉心の熱的
余裕の増大および炉心上部構造の寿命短縮の防止
が可能な高速増殖炉炉心およびそれを実現するた
めの燃料装荷方法を提供することにある。 〔発明の概要〕 本発明によれば、内部ブランケツトを形成する
ための軸方向区画部を有する多数本の燃料集合体
の束で構成され、それにより径方向に拡がる円盤
状の内部ブランケツトを具備する円柱状の高速増
殖炉炉心であつて、内部ブランケツトを有する炉
心領域のうち径方向中央領域に装荷されている燃
料集合体よりも径方向周辺寄りの領域に装荷され
ている集合体の方が、高い燃焼度を有しているこ
とを特徴とする高速増殖炉炉心が提供される。 また、本発明によれば、かかる高速増殖炉炉心
は、内部ブランケツトを有する炉心領域へ装荷す
る燃料集合体を、その燃焼度の低い間は該炉心領
域の径方向中央領域に装荷し、その燃焼度が所定
値より高くなつたとき径方向周辺寄りの領域に装
荷し直すことを特徴とする燃料装荷方法により実
現することができる。 本発明の原理は次のようである。 (1) 炉心径方向中心付近の燃料集合体の出力は燃
焼とともに内部ブランケツトに蓄積する核分裂
性物質により大きく変動する。そこで、炉心中
心付近の領域に始めに装荷された燃料集合体
を、従来のように寿命の末期（バツチ数×燃焼
サイクル長さ）まで同一場所に滞在させるとい
うことはせず、その燃焼度が低い間だけそこに
滞在させるとともに、残りの期間は内部ブラン
ケツトを有する炉心周辺寄りの領域に装荷し直
す。これにより、炉心径方向中心付近の領域に
装荷された燃料集合体の燃焼に伴なう出力変動
を低減すると共に出力ミスマツチフアクターも
極めて小さくできる。 (2) 最大出力密度を低減して炉心の熱的余裕を増
大するためには、出力ピーキング係数を小くす
る必要がある。軸方向出力ピーキング係数は、
炉心の軸方向中心部に出力密度が小さく、また
反応度の低い内部ブランケツトを置くことによ
つて従来と同様小さくできる。一方、径方向出
力ピーキングについては、上記(1)で説明したよ
うな、燃焼度の高い燃料を、内部ブランケツト
を有する炉心周辺寄りの領域に装荷していくこ
とにより、従来より小さくすることが可能であ
る。これは、燃焼度の高い燃料ほど内部ブラン
ケツトに蓄積した核分裂性物質の量が多く、こ
れが炉心径方向の出力の落ち込みを緩和するこ
とによる。 以上の原理に基づき、本発明によれば出力のミ
スマツチフアクターおよび最大出力密度を低減す
ることが可能となる。 〔発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を詳細に説明する。な
お、ここで対象とする炉心にはプルトニウムとウ
ランの混合酸化物を燃料とし、劣化ウラン酸化物
をブランケツト燃料とし、液体ナトリウムを冷却
材として使用するものをとり上げる。 本実施例の炉心の縦断面概念図を第２図に、炉
心の水平断面図を第３図に示す。第２図と第３図
において、部分領域１１Ａ，１１Ｂおよび１１Ｃ
よりなる円柱状の炉心（その全体を符号１１で表
わす）の周囲には、燃料親物質を主成分とする径
方向ブランケツト１２および上部、下部軸方向ブ
ランケツト１３，１４が設置してある。炉心１１
は富化度１種類の燃料によつて構成してある。炉
心１１の内部には、燃料親物質を主成分とする炉
心径方向に拡がる円盤状の内部ブランケツト１５
が設けてある。従つて、燃料集合体は、内部ブラ
ンケツトを有するものと、内部ブランケツトを有
しないものと２種類がある。すなわち、炉心１１
において、内部ブランケツト１５の存する領域１
１Ａおよび１１Ｂには、軸方向中央部に内部ブラ
ンケツトを構成する燃料親物質を主成分とする軸
方向区画部を有する燃料集合体が装荷され、内部
ブランケツトの存しない領域１１Ｃには軸方向中
央部にそのような区画部を有しない燃料集合体が
装荷される。内部ブランケツト厚さは径方向に一
定されている。 炉心径方向中心付近の領域１１Ａに装荷されて
いる燃料集合体の燃焼度は、それよりも炉心周辺
寄りの領域１１Ｂに装荷されている燃料集合体の
燃焼度より低くなつている。すなわち、内部ブラ
ンケツトを有する燃料集合体は、まず炉心領域１
１Ａに装荷され、燃焼度がある程度高くなつたと
ころで、炉心領域１１Ｂに装荷し直される。従つ
て、燃焼度は１１Ａより１１Ｂの方が高い。一
方、周辺の炉心領域１１Ｃは通常の３バツチ分散
装荷であつて、燃焼度の異る燃料集合体が混在し
ている。 すなわち第１図は本実施例の燃料集合体の装荷
パターンを示すものである。但し本図は図示の簡
略化のため炉心およびブランケツトの１／６象限
について示したものであるが、他の５／６象限も
同様である。図中の各六角形は各燃料集合体を示
しており、その中に記入された数字は、交換バツ
チ番号、すなわちその燃料集合体の炉心中での滞
在が何年目であるかを示している。同一の交換バ
ツチ番号の燃料集合体は同一時に交換または再装
荷される。また黒丸で示したものは制御棒であ
る。本図からわかるように、炉心領域１１Ａには
滞在１年目および２年目の燃料集合体のみが存
し、炉心領域１１Ｂには滞在３年目の燃料集合体
のみが存する。すなわち、炉心領域１１Ａに２年
間滞在した燃料要素は３年目に炉心領域１１Ｂに
移され、その跡に新しい１年目の燃料集合体が装
荷され、また炉心領域１１Ｂで３年目の滞在を終
えた燃料集合体は炉外へ取出される。他方、炉心
領域１１Ｃにおいては、通常の３バツチ分散装荷
がなされ、そこでは各燃料集合体は３年間同一場
所に留る。 本実施例における炉心の設計パラメータおよび
運転条件は第１表に示す通りである。原子炉熱出
力は約2500MW、燃料交換間隔（燃焼サイクル長
さ）は１年、燃料交換バツチ数は３である。炉心
燃料スミア密度は87％理論密度、内部ブランケツ
ト燃料には軸方向ブランケツトの燃料をそのまま
使用するものとする。

【表】 これに対して、従来例に基づく高速増殖炉の炉
心の縦断面概念図、水平断面図および燃料装荷パ
ターン（１／６象限）を夫々第４図、第５図およ
び第６図に示す。図示の如く、炉心は内部ブラン
ケツトを有する領域２１Ａとその外側の、内部ブ
ランケツトを有しない２１Ｂとからなつていて、
炉心の全領域について３バツチ分散装荷がなされ
ており、内部ブランケツトを有する炉心燃料集合
体は、燃焼度が高くなつても装荷場所は、変わら
ず、寿命を全うするまで最初の場所にとどまる。
すなわち、全ての領域で燃焼度の異なる燃料を混
在させている。 内部ブランケツトを含む燃料集合体の燃料交換
方式を前記本発明実施例と従来例とで比較すると
次の第２表のようになる。内部ブランケツトを含
まない燃料集合体については従来例と本発明実施
例は同じである。

【表】 したがつて、従来例が炉心の全領域にわたり、
３バツチ交換となるのに対し、本発明実施例の炉
心では、内部ブランケツトを有する燃料集合体に
ついては炉心径方向中心付近の領域１１Ａでは２
バツチ交換、内部ブランケツトを有する炉心周辺
寄りの領域１１Ｂでは１バツチ交換となる。すな
わち本発明実施例の炉心では、新燃料はまず、炉
心径方向中心付近の領域１１Ａに装荷され、そこ
で２年間燃焼し、次に内部ブランケツトを有する
炉心周辺寄りの領域１１Ｂに装荷し直され、そこ
で１年間燃焼した後、炉心から引抜かれ、再処理
施設へ送られるわけである。 平衡サイクルの初期および末期での本発明実施
例における出力の径方向分布を第７図に、従来例
におけるそれを第８図に示す。出力は軸方向積分
値のバツチ平均値（燃焼度の異なる燃料集合体出
力の平均値に相当する）として表わした。図中の
実線および破線は夫々サイクルの初期と末期を表
わす。出力の径方向分布の平坦性は、本発明実施
例の炉心の方が従来例より優れている。 第３表には、燃焼サイクル初期における出力ピ
ーキング係数と燃料集合体の燃焼による最大の出
力変動を本発明と従来例とで比較した。

【表】

【表】 燃料寿命中の集合体出力の最大と最小の
差
＊

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料親物質を主成分とする内部ブランケツト
   を形成するための軸方向区画部を有する多数本の
   燃料集合体の束で構成され、それにより径方向に
   拡がる円盤状の内部ブランケツトを具備する円柱
   状の高速増殖炉炉心であつて、内部ブランケツト
   を有する炉心燃料集合体のうち、径方向中央領域
   に装荷されている燃料集合体よりも径方向周辺寄
   りの領域に装荷されている燃料集合体の方が、高
   い燃焼度を有していることを特徴とする高速増殖
   炉炉心。 ２ 燃料親物質を主成分とする内部ブランケツト
   を形成するための軸方向区画部を有する多数本の
   燃料集合体の束で構成され、それにより径方向に
   拡がる円盤状の内部ブランケツトを具備する円柱
   状の高速増殖炉炉心の燃料装荷方法であつて、内
   部ブランケツトを有する炉心領域へ装荷する燃料
   集合体を、その燃焼度の低い間は該炉心領域の径
   方向中央領域に装荷し、その燃焼度が所定値より
   高くなつたとき径方向周辺寄りの領域に装荷し直
   すことを特徴とする高速増殖炉炉心の燃料装荷方
   法。