JPH058797B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

発明の分野 本発明は軽水冷却および減速炉心が規則的な列
に直立位置で配列された核分裂性または親燃料集
合体からなる低減速型の原子炉に関する。 このような原子炉では、炉心は並んで配列され
た角柱形状の燃料集合体からなり、各燃料集合体
は核分裂性または親燃料物質を収容した燃料要素
すなわち「棒」のクラスタを有している。燃料集
合体の各々では、燃料棒はそれらの間に冷却およ
び減速用の水の流路を形成するように横方向に間
隔をへだてている。この間隔は、減速材の容量が
中性子を減速しかつ炉の満足な運転を達成するの
に十分であるように選択される。 炉心内の減速材の容量VMと核分裂性物質の容
量VUとの比に等しい減速比を定める。 従来の加圧水型炉は３つの型式に分類すること
ができる。 在来の加圧軽水型炉（PWR）では、減速比は
中性子を熱スペクトルまで減速するように選択さ
れる。 減速比の減少により、熱中性子のエネルギーと
高速中性子（非冷却型高速炉に使用）のエネルギ
ーとの中間のエネルギーを有する「熱外」中性子
で炉を運転する低減速炉が提案された。 このような炉の炉心の減速比は在来の軽水型炉
のものよりも低い。親燃料の存在とともに、より
高いエネルギーに向う中性子スペクトルの片寄り
により、親燃料物質から核分裂性物質を生じさせ
かつ核燃料を節約することができる。 減速比の減少は炉心内の燃料要素間の間隔を減
少させることによつて得られる。減速比のこの減
少により、親燃料物質を核分裂性物質に転換する
速度が増大する。 この転換速度は例えばウラニウム238のような
親燃料物質での中性子の捕獲数とウラニウム235
またはプルトニウム239のような核分裂性物質で
の中性子の核分裂発生吸収数との比と定義され
る。転換速度は親燃料物質を捕獲によつて核分裂
性物質に転換するための炉の容量を表わす。 転換速度が１を越えるとき、核燃料が節約さ
れ、従つて核燃料を製造するのに使用される原
料、すなわち天然ウランが節約される。 より高いエネルギーに向う中性子スペクトルが
熱外範囲へ移動することにより、ウラニウム238
による中性子の共鳴吸収を促進することができ
る。 低減速炉は、代表的には、２種類の集合体を有
し、核分裂性集合体と呼ばれるものは主として核
分裂性物質を収容し、親燃料集合体と呼ばれる他
のものは、中性子束により核分裂性物質に転換さ
れる物質を収容している。親燃料集合体は一般に
炉の周囲に配列され、かつ核分裂性集合体により
生じた中性子束を吸収する。 減速材流体、代表的には加圧軽水は燃料集合体
の内側に互いに平行に配列された燃料要素の外表
面を流れる。減速流体は熱伝達流体としても働
き、炉心を冷却し、炉心で発生した熱を蒸気発生
器へ運ぶ。 低減速炉では、炉心の集合体の隣接した燃料棒
の間隔は「熱中性子」炉におけるよりも小さく、
従つて燃料棒を取囲む減速材水層は厚さが小さ
い。しかしながら、棒の外表面と接触して流れる
水で棒を確実に冷却するために棒間に一定かつ適
切な間隔を維持しなければならない。燃料集合体
の内側の燃料棒間にこのような小さい間隔を維持
するために、燃料棒のまわりに螺旋状に巻かれた
ワイヤを使用するのがよい。 また、炉心寿命を伸ばすためにスペクトル移動
炉が提案された（例えば、ヨーロツパ特許第
54238号および第108019号）。ヨーロツパ特許第
108019号は、構成が在来のPWRと同様であるが、
中性子スペクトルを移動させかつ燃料消費量およ
び濃縮コストを減少させるための機械装置を備え
たスペクトル移動炉を開示している。このスペク
トル移動装置は天然または減損ウランのような親
燃料物質を収容した棒のクラスタを有し、これら
棒は炉心の寿命中、選択的に炉心の中へ導入され
たり炉心から引き抜かれたりする。親燃料棒のク
ラスタは、炉心集合体に設けられた複数の案内管
のうちのいくつかの中に導入されるとき、案内管
内の減速材にとつて代わり、それにより炉心内の
減速材の容量および減速比を減少させる。 かくして、炉心の燃焼サイクルすなわち寿命の
初めの部分の間、スペクトル移動クラスタを炉心
内に挿入することによつて、中性子エネルギース
ペクトルをより高いエネルギーに向つて移動させ
かつ核分裂性物質への親燃料物質の転換速度を増
すことができる。炉心燃焼サイクルの第二部分の
間、スペクトル移動クラスタは引き抜かれ、かつ
サイクルの初めの部分の間に形成された核分裂性
物質を部分的に燃焼させる。 かくして、転換速度を在来のPWRと比較して
ほぼ10％だけ増すことによつて燃料の節約が生じ
る。 このようなスペクトル移動炉では、案内管のう
ちのいくつかは、減速比を下げかつエネルギーの
低い（熱）中性子を吸収するための親燃料物質棒
を受け入れるように構成されなければならない。
また、炉心内で熱くなる親燃料棒を冷却するため
に案内管の内側に適切な空間を保たなければなら
ない。 水排出用棒を案内管の中へ挿入可能に設けるこ
とによつて在来のPWRからスペクトル移動炉を
得るときには、構造上の問題に遭遇しない。他
方、低減速炉の列に燃料要素および案内管をより
密に配列すると、親燃料棒のスペクトル移動クラ
スタを案内管の中へ挿入したり案内管から取り出
したりすることが非常に困難になる。より詳細に
は、在来の低減速炉の炉心において、規則的な三
角形または四角形格子に垂直方向に配列された燃
料要素の間隔は例えば約１mmの小さい値を有して
いる。このような小さい値では、燃料要素のさや
および管は中性子照射により或は事故により膨張
しない材料製でなければならない。一次冷却材用
パイプの破損などのある事故中、膨張しやすく、
その結果、燃料要素すなわち棒がそれらの長さの
一部にわたつて接触してしまうような「ジルカロ
イ」ジルコニウム合金のような材料を使用するこ
とはできない。燃料棒間のこのような接触は冷却
材の循環を妨害しかつ炉心の冷却に影響する。 その結果、低減速炉内の燃料要素を被覆するた
めにステンレス鋼が用いられる。しかしながら、
ステンレス鋼は「ジルカロイ」の商品名で知られ
ているもののようなジルコニウム合金よりも大き
い寄生的中性子吸収を有している。大きい寄生的
吸収は転換速度を下げ、燃料の初期濃縮度を高め
る必要があり、これら炉内の核分裂性物質の大変
大きい在庫量を招いてしまう。 他方、被覆材料として「ジルカロイ」を使用す
ることができるが、燃料の線出力定格が低く、こ
れは同等の出力を生じさせるために炉心内の燃料
在庫量の増大を必要とする。 発明の概要 本発明の目的は高い転換速度を有しかつ核燃料
のコストの節約を得ることができる不減速原子炉
を提供することである。このため、本発明によれ
ば、冷却および減速用軽水中に沈められ、直立位
置に並列的に配列された角柱形状の燃料集合体１
を含む炉心を有する低減速原子炉であつて、各々
の燃料集合体１が、同じ直径を有し、規則正しい
配列のノード位置に配列された燃料棒４を収容し
ており、いくつかのノード位置では燃料棒を欠く
低減速原子炉において、この低減速原子炉は、親
物質を含む要素８のクラスタを更に含み、要素８
のクラスタは、要素８のクラスタを、炉心の外の
引き抜き位置と、原子炉の運転の少なくとも或る
段階中前記要素８が炉心に挿入されるときに炉心
において減速材の容量を減少させるため燃料棒を
欠くノード位置７で燃料棒４の間に挿入される位
置との間で移動させる手段と関連しており、燃料
棒４は約9.5mmの直径と２〜３mmの間隔を有し、
それによつて、減速比は、親物質を含む要素８が
炉心の外にあるときにも、熱中性子スペクトルを
もつ原子炉の運転に対応する値よりも低い値にと
どまることを特徴とする低減速原子炉が提供され
る。 この構成により、密に詰められる燃料要素の格
子、および変形しやすい案内管の中を移動でき
る、スペクトル移動炉の水排出用親燃料棒につい
て低減速炉の要件の反対の特性を克服することが
できる。 以下、図面を参照して本発明による低減速型原
子炉炉心の実施態様を説明する。 第１図を参照すると、原子炉の炉心は横断面が
六角形の角柱形状の燃料集合体１，２および３か
らなり、これら燃料集合体は直立位置に並んで配
列されて炉心を形成している。 燃料集合体は３つの異なる種類のものである。
集合体１は核分裂性燃料集合体であり、それらの
要素は核分裂性物質がウラニウム235とプルトニ
ウム239とよりなる酸化ウラニウムと酸化プルト
ニウムとの混合物を収容している。集合体２は天
然ウランを主として収容している燃料要素を収容
した親燃料集合体である。集合体３は強力な反応
防止材を炉心に導入することによつて炉を停止さ
せるための追加のシステムの一部を形成する集合
体である。炉の運転中、炉心内の親燃料物質、特
に周囲の親燃料集合体２内に存在する親燃料物質
は炉心の核分裂性燃料部分によつて生じた熱外中
性子によつて核分裂性物質に転換される。 第２図を参照すると、核分裂性燃料集合体１は
規則的な三角形の列に従つて配列された一群の核
分裂性燃料要素４を有している。集合体１の各々
は六角形の横断面を有し、炉心内で他の６個の集
合体で取囲まれている。炉心内の直立燃料集合体
の燃料要素は炉心の任意の水平方向横断面におい
て規則的な三角形模様を形成する。 集合体１を形成する燃料棒４の列では、列のい
くつかのノード、例えばノード６および７は核分
裂性燃料要素４と同じ外径の案内管で占められて
いる。同じ参照マークを使用して位置およびこれ
ら位置に配列された案内管を示す。 18個の案内管６はクラスタを形成するように連
結された中性子吸収材棒を受け入れるように寸法
決めされており、このクラスタを垂直方向に移動
させて吸収材棒を集合体の中に多かれ少なかれ導
入することができる。 炉心内の中性子吸収クラスタにより、炉の熱動
力を制御することができる。 再び第２図を参照すると、集合体１の24個の案
内管７は、少なくとも原子炉の運転サイクルの最
初の部分の間、天然ウランまたはＵ−235の減損
ウランのような親燃料物質を収容する燃料要素を
受け入れるようになつている。 核分裂性燃料要素４は混合されたUO₂−PuO₂
のペレツトを収容するジルコニウム合金のさやを
有している。 親燃料物質を収容する要素８はそれらの上端で
互いに連結されて炉を運転するのに用いられる中
性子吸収要素のクラスタと同様のクラスタを形成
する。親燃料棒８の各クラスタは、例えばヨーロ
ツパ特許第111435号に記載のように、このクラス
タを案内管に沿つて移動させるための機構と関連
している。この引例に記載のように、親燃料要素
のクラスタは同じ燃料集合体内の中性子吸収要素
のクラスタを制御するための装置と関連した機構
によつて移動される。 また、中性子吸収クラスタを移動させるための
機構と完全に独立した、親燃料棒のクラスタを駆
動するための機構を設けることが可能である。中
性子吸収棒のクラスタを移動させるのに必要とさ
れる機構の数を減らすために、少なくとも２つの
集合体のクラスタを共通の駆動機構で作動するこ
とが可能である。 親燃料要素８のクラスタはヨーロツパ特許第
108019号に記載のように中性子エネルギースペク
トルを移動させるための一群の要素を形成する。 表１では、公知型式の低減速炉の炉心の主なデ
ータ（初めの２欄）と、本発明による低減速炉の
炉心の主なデータ（第３欄）とを比較している。

【表】 炉１と称する公知型式の減減速炉の場合、格子
間隔、棒の直径およびこれら棒間の間隔を在来の
PWRのパラメータと比較してかなり減少させた。
事実、このような在来のPWRでは、ジルカロイ
製さやに収容された燃料ペレツトよりなる燃料要
素の直径は9.5mmであり、格子ピツチは12.6mmで
あり、そして燃料要素間の間隔は3.1mmである。
低減速炉１についてのそれらの値は夫々8.65mm、
9.90mm、1.25mmである。炉１の減速比は0.60であ
り、在来の加圧水型炉の場合には減速比は1.66で
ある。これにより、中性子スペクトルがより高い
エネルギーの方にかなり移動し、その結果、転換
比が１より大きくなり（1.06）、それにより炉心
に存在する親燃料物質の転換によつて核分裂性物
質を得ることができる。 しかしながら、棒間のこのような小さい間隔で
は、照射により膨張を受けるジルカロイのような
さや材を用いた場合に生じる加圧水冷却材および
減速材の循環の制限を回避するためにさや材とし
てステンレス鋼を用いることが必要である。 一方さや材としてステンレス鋼を使用すると、
核分裂性燃料の初めの濃縮度を比較的高くする必
要がある（8.5％）。 公知型式の低減速炉の場合、燃料要素の直径
は在来のPWRの燃料要素の直径と同じ（9.5mm）
であるが、格子間隔および棒間の間隔はかなり小
さい（11.15mmおよび1.65mm）。 減速比は0.70であり、これにより転換比が1.06
となる。 燃料要素の間隔は炉におけるよりもわずかに
大きく、これによりさや材としてジルカロイを用
いることができ、他方、「ジルカロイ」の過度の
膨張を補うために炉心の線出力を減じなければな
らない。 7.2％の初期Ｕ−235含有量を有する濃縮燃料を
使用しなければならない。 本発明の上記実施態様による低減速炉は、直径
9.5mmの核分裂性燃料要素を有し、これら核分裂
性燃料要素はノード間のピツチを12mmとした格子
に従つて配列されており、これにより隣接した要
素間に2.5mmの間隔を設けることができる。この
間隔は在来のPWRの燃料要素間の間隔（3.1mm）
よりも小さいが、炉およびのような公知型式
の低減速炉における間隔（1.25および1.65mm）よ
りも実質的に大きい。 ２〜３mmのこの比較的大きい間隔により、炉心
の線出力を減少させないでさや材としてジルコニ
ウム合金を用いることができる。 核分裂性物質中の燃料のより低い初期濃縮度
（５％）を用いる。 親燃料棒を引き抜いた本発明による原子炉の減
速比は公知型式の不減速炉の減速比よりも高い
（0.60および0.70の代わりに1.02）。しかしながら、
炉の運転サイクルの初めの部分の間、親燃料物質
のクラスタは燃料集合体内に完全に挿入されたま
まであり、かくして減速比は在来の低減速炉で得
られる値と有利に匹敵する値に維持される。 その結果、従来の低減速炉の転換比に全く匹敵
する転換比（1.06）が得られる。 公知型式あるいは本発明による低減速炉では、
親燃料物質のブランケツト層が炉心の下と上で炉
心（親燃料集合体２）の周囲に配置される。その
結果、低減速炉で得られる転換比は潜在核燃料ブ
ランケツト層の転換を考慮する。 しかしながら、本発明による低減速型炉では、
炉心寿命の初めの部分（この期間は全寿命の約
４／５である）の間に炉心に導入された親燃料棒
８は、減速比を減少させるばかりではなく、親燃
料物質を熱外中性子の発生帯域内に導入すること
によつて転換比を増すこともできる。これは、よ
り高い減速比にもかかわらず、低減速炉の転換比
に同等な転換比が何故得られるかを説明してい
る。 燃料サイクルすなわち炉心寿命の第二部分（全
期間の５分の１）の間、生じた核分裂性物質を燃
焼させるのがよく、結局これにより炉心での燃料
の使用を節約することができる。 本発明による低減速炉の場合、公知型式の不減
速炉の炉燃焼度と同等の炉燃焼度（約0.85）が得
られる。 本発明による原子炉の明らかな利点は在来の熱
中性子炉と比較して高い転換比および高い燃料の
節約を得ることができることである。有利な燃料
使用条件は低い初期の濃縮度を有する燃料で得ら
れる。 本発明は以上説明した特定の実施態様に限定さ
れない。例えば、従来の低減速炉のために許容さ
れる値（１mmよりもわずかに大きい）と、在来の
熱中性子炉における値（３mmをわずかに越える）
との間にあるかぎり、2.50mmと異なる棒間隔を使
用することができる。この間隔は代表的には２な
いし３mmである。 親燃料棒のクラスタの構造については、減速比
に及ぼすこれらクラスタの効果が適切であれば、
どの構造も使用することができる。潜在核燃料棒
のクラスタを炉心の特定の燃料集合体と関連させ
ても良いし或は燃料集合体の構造に関係なく燃料
要素間の炉心位置へ挿入しうるようにしても良
い。 制御機構を、各々集合体と関連した複数のクラ
スタと関連させても良い。 燃料集合体では、案内管を、これら集合体の横
断面を考慮する任意の方法で親燃料棒のクラスタ
を受け入れるように構成するのがよく、これら案
内管は集合体の構造を強化するのに寄与しても、
しなくてもよい。 親燃料棒のクラスタをスペクトル移動について
制御するための機構を、炉の精密な制御に用いら
れる吸収材のクラスタの機構と関連させてもよい
し、あるいはその反対にこれら機構と完全に独立
させてもよく、かかる機構は実際には当業者に周
知の多数の型式のうちのいずれものでもよい。 減速比を減少させるために炉心に導入される棒
は非親燃料物質、例えば、「ジルカロイ」のよう
な中性子吸収物質または中性子透過物質のもので
あるのがよい。エネルギーの低い中性子を吸収す
る物質、特に親燃料物質を使用すれば、転換比に
関しては追加の利得が生じる。エネルギーの低い
中性子を吸収するその物質は中性子スペクトルを
さらに「硬く」し、親燃料物質は核分裂性物質に
転換される親燃料物質の量を増す。 本発明は核分裂性または親燃料要素を規則的な
列で垂直方向に配列する任意の軽水冷却および減
速型原子炉に適用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は低減速原子炉炉心の横方向平面の断面
図；および第２図は第１図に示す炉心の核分裂性
燃料集合体の横断面図である。 １…核分裂性燃料集合体、２…親燃料集合体、
３…追加の集合体、４…群の核分裂性燃料要素、
６，７…案内管、８…親燃料要素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷却および減速用軽水中に沈められ、直立位
   置に並列的に配列された角柱形状の燃料集合体１
   を含む炉心を有する低減速原子炉であつて、各々
   の燃料集合体１が、同じ直径を有し、規則正しい
   配列のノード位置に配列された燃料棒４を収容し
   ており、いくつかのノード位置では燃料棒を欠く
   低減速原子炉において、この低減速原子炉は、親
   物質を含む要素８のクラスタを更に含み、要素８
   のクラスタは、要素８のクラスタを、炉心の外の
   引き抜き位置と、原子炉の運転の少なくとも或る
   段階中前記要素８が炉心に挿入されるときに炉心
   において減速材の容量を減少させるため燃料棒を
   欠くノード位置７で燃料棒４の間に挿入される位
   置との間で移動させる手段と関連しており、燃料
   棒４は約9.5mmの直径と２〜３mmの間隔を有し、
   それによつて、減速比は、親物質を含む要素８が
   炉心の外にあるときにも、熱中性子スペクトルを
   もつ原子炉の運転に対応する値よりも低い値にと
   どまることを特徴とする低減速原子炉。 ２ 親物質を含む要素８は天然または減損ウラン
   を酸化物の形態で含有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の低減速原子炉。 ３ 上記燃料棒４はジルコニウム合金製のさや内
   の核分裂性燃料物質のペレツトよりなり、上記要
   素８はジルコニウム合金製のさや内の親燃料物質
   のペレツトよりなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の低減速原子炉。 ４ 上記親物質を含む要素８は燃料集合体の列の
   ノード位置で燃料棒に代る案内管に沿つて直線的
   に移動できることを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項に記載の低減速原子炉。 ５ 燃料棒間の間隔はほぼ2.5mmであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低減速原
   子炉。