JPH0656426B2

JPH0656426B2 - 高速増殖炉

Info

Publication number: JPH0656426B2
Application number: JP59212532A
Authority: JP
Inventors: 国寿栗原; 克之川島; 亮司桝見; 和雄畦倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1984-10-12
Publication date: 1994-07-27
Anticipated expiration: 2009-07-27
Also published as: US4762672A; EP0178604A1; EP0178604B1; DE3568893D1; JPS6191594A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、高速増殖炉に関するものである。

〔発明の背景〕

液体ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉は、核分裂性
物質であるプルトニウムを富化した燃料物質を装荷した
炉心領域と、その炉心領域を取囲みしかも燃料親物質
（例えばウラン−２３８）を主成分とする燃料物質（例
えば、天然ウランまたは劣化ウラン）を装荷した外部ブ
ランケツト領域とからなる炉心を有している。高速増殖
炉の出力制御は、炉心内に制御棒を出入れすることによ
つて行われる。制御棒は、中性子吸収材であるＢ₄Ｃを
内部に充填した複数の中性子吸収棒を有している。中性
子吸収棒内で中性子吸収材が充填されている領域の高さ
は、前述の炉心領域の高さに等しい。制御棒は、炉心内
に設置された制御棒案内管内を上下に移動する。制御棒
は、その機能上、大きくわけて２種類に分類される。１
つは出力調整棒であり、他の１つは安全棒である。出力
調整棒は、高速増殖炉の運転初期に炉心領域内に挿入さ
れて初期燃焼反応度を抑え、運転の経過に伴つて燃焼反
応度が低下するとそれに応じて炉心領域より引抜かれ、
そして運転末期で炉心領域外に完全に引抜かれる。しか
し、出力調整棒は、高速増殖炉の運転停止時に炉心領域
内に挿入される。安全棒は、高速増殖炉の起動時にすべ
て炉心領域外に引抜かれてその運転中には炉心領域には
挿入されず、高速増殖炉の運転停止時に炉心領域に挿入
される。すなわち、出力調整棒は高速増殖炉の出力調整
及び原子炉停止用としての機能を有し、安全棒は原子炉
停止用としての機能を有している。出力調整棒と安全棒
の本数の比率は、約１：１である。

制御棒の中性子吸収棒は、その内部で上方にＢ_４Ｃが中
性子を吸収することにより発生するＨeガスを溜めるガ
スプレナムを有している（特開昭５０−65794 号公
報）。

本発明に近い公知例として、仏国特許２２８９０３０号
の公報に示された制御棒の構造が有る。この公知例によ
る制御棒は、炉心に対して制御棒が出入りしやすいよう
に、制御棒が複数個のエレメントに分割され、それら各
エレメントの分割端は蓋がされて上下に隣接する各エレ
メントの端部間は間接構造物で一連に連結されている構
成を有し、比較的上方の複数のエレメント内には中性子
吸収材が入れられ、比較的下方の複数のエレメント内は
中空とされている。

このような制御棒は、制御棒の途中に間接機能が有るか
ら、炉心中の制御棒の通路が曲がっていても比較的スム
ーズに炉心に制御棒が出入りできる。そして、制御棒が
上方へ引き抜かれていき、中性子吸収材が詰められたエ
レメントが炉心の上方に抜けると、下方の中空な複数の
エレメントが炉心の中に位置することと成り、中空な複
数のエレメントが炉心の中の冷却材を排斥した分炉心の
中性子経済性を良くすることが出来るものである。

しかし、間接構造物や各エレメントごとに蓋が存在して
上下に制御棒の中空部分を区画するものであるから、そ
れら間接構造物や蓋の構造物が炉心の中性子を吸収する
等の中性子経済性に悪影響が有る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、炉心反応度を増大できる高速増殖炉を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、核分裂性物質が充填された炉心領域及び前記
炉心領域の外部を取囲みしかも大部分が熱料親物質であ
るブランケット領域からなる炉心と、前記炉心領域内に
前記炉心領域の上方から出入れされる複数の制御棒とを
有する高速増殖炉において、前記制御棒が、前記炉心領
域の上下方向寸法と同等又はそれ以上の上下寸法の制御
棒領域内に中性子吸収材を充填してなる複数のアブソー
バロッドと、前記複数のアブソーバロッドにより構成さ
れる中性子吸収材領域を囲うカバーと、前記カバーに設
けられた冷却材の出口と入り口を成す開口と、前記カバ
ーの下部に直列に接続されて不活性ガスが密閉されてい
る中空構造物とからなり、前記中空構造物の中空領域の
上下方向寸法は前記炉心領域の上下方向寸法の１０％よ
り長く構成されたことを特徴とする高速増殖炉である。

従来の高速増殖炉の炉心反応度をいかにして高めること
が可能であるかを発明者等が種々検討し、その結果に基
づいて本発明はなされたのである。以下に、その検討内
容について説明する。

従来の高速増殖炉は、冷却材として液体金属であるナト
リウムを用いている。ナトリウムは、当然のことながら
炉心に装荷された多数の燃料集合体及び制御棒案内管を
流れている。制御棒内にも、中性子吸収棒の冷却のため
にナトリウムが流れている。制御棒が炉心領域より引抜
かれると、制御棒より下方の制御棒案内管内は、ナトリ
ウムのみが充満している。ナトリウムは、第１１図に示
すように３ＫｅＶ（Ａ点）近傍に大きな共鳴散乱断面積
を持つている。このため、ナトリウムは、中性子エネル
ギのソフト化に大きく寄与している。

発明者等は、制御棒案内管内のナトリウムを排除してガ
ス（ボイド）を充填した場合の効果を検討した。制御棒
案内管内のナトリウムをボイドに置換することによつて
３ＫｅＶ近傍の大きな共鳴散乱断面積がなくなり、中性
子エネルギのソフト化の効果がなくなる。このため、中
性子エネルギのスペクトルがハードになり、中性子の平
均エネルギが高くなる。²³⁹Ｐｕ，²⁴¹Ｐｕ及び²³⁸Ｕな
どの燃料物質の核分裂断面積は、中性子の高エネルギ領
域程大きな値を持つている。従つて、中性子のエネルギ
スペクトルがハードになる程、核分裂の割合が大きくな
り、炉心反応度が増大する。この現象をスペクトルシフ
トの効果と呼ぶ。したがつて、本発明は、スペクトルシ
フトの効果を有効に活用して炉心特性の向上を実現した
ものである。

本発明は、上記スペクトルシフトの効果を利用するため
に、中性子吸収材よりも制御棒の先端側にガス領域を設
けたものである。

以上本発明の原理に関する基本的な説明を行つた。しか
し、上記スペクトルシフトの効果により正の炉心反応度
を得るためには、本発明における中性子吸収材領域より
も制御棒の先端側にあるガス領域の軸方向の長さを所定
値以上にすることが不可欠である。その点について以下
で定量的に述べる。第１２図に、炉心軸方向の各点にお
けるボイド反応度係数を炉心領域の軸方向中心より上半
分に対して示した。ここで、炉心軸方向の各点における
ボイド反応度係数とは、その点において単位置のナトリ
ウムをガス（ボイド）で置換したときの反応度の変化で
ある。ボイド反応度係数の定義については、例えば、
「原子力用語辞典」第３版（日刊工業新聞社、昭和５８
年７月３０日発行）の第３７３頁にボイド係数として記
述されている。対象とした炉心は、後述する第６図に示
す均質炉心であり、炉心領域の高さは１００cmである。
外部ブランケツト領域と接する炉心領域上端から炉心領
域の軸方向中心に向つて炉心領域高さの約５％の位置ま
での領域では、ボイド反応度係数は負の値となる。しか
し、その領域よりも下方の炉心領域ではボイド反応度係
数が正の値となり、下方にいく程その絶対値は徐々に増
大してゆき、炉心領域の軸方向中心で最大となる。炉心
領域上端近傍でボイド反応度係数が負となる理由は、こ
の領域では炉心領域からの中性子もれに起因する反応度
を負にする影響が相対的に大きいため、ナトリウムがボ
イドに置換されたことによるスペクトルシフトの効果に
基づく正のボイド反応度係数の寄与を打消すためであ
る。炉心領域上端部から炉心領域の軸方向中心にゆくに
つれて中性子もれの影響が相対的に小さくなるので、ボ
イド反応度係数は第１２図のように炉心領域の軸方向中
心に向うほど正で絶対値が増大してゆく。なお、第１２
図は炉心領域の上半分に対して示したものであるが、炉
心領域の下半分のボイド反応度係数は同じ理由により炉
心領域の軸心に垂直な面に対して上半分と対称な特性と
なる。

制御棒の中性子吸収材領域の先端側端を外部ブランケツ
ト領域とが炉心領域との境界に位置させ（すなわち、中
性子吸収材領域を炉心領域から完全に引抜いた状態）、
制御棒のガス領域の長さを炉心領域下端に向つて徐々に
長くした場合を考える。その場合におけるガス領域によ
る反応度投入効果は、ボイド反応度係数の定義により、
炉心軸方向の各点におけるボイド反応度係数を、ガス領
域の長さにわたり、軸方向に積分した値で与えられる。
従って、ガス領域の長さが炉心領域高さの１０％のとき
の反応度投入効果は、第１２図における斜線部の面積で
表わされる。すなわち、ガス領域の長さが、炉心領域高
さの５％以下に対応する斜線部の面積とガス領域の長さ
が炉心領域高さの５％から１０％までに対応する斜線部
の面積の合計となる。第１２図で明らかのように、両者
の面積はほぼ等しい。しかるに、ガス領域の長さが炉心
領域高さの５％以下に対応する斜線部の面積は負（この
領域ではボイド反応度係数が負であるため）であるのに
対し、ガス領域の長さが炉心領域高さの５％から１０％
までに対応する斜線部の面積は正（この領域ではボイド
反応度係数が正であるため）と考えるべきである。従っ
て、第１２図における斜線部の面積の合計、すなわち、
ガス領域の長さが炉心領域高さの１０％のときの反応度
投入効果はほぼ零となる。それ故、反応度投入効果は、
ガス領域の長さが炉心領域高さの１０％より短いと負と
成り、その長さが炉心領域高さの１０％より長くなると
正と成る。従つて、制御棒の中性子吸収材領域が炉心領
域から完全に引抜かれた状態（中性子吸収材領域の制御
棒先端側の端が外部ブランケツト領域と炉心領域との境
界に位置している）を考慮してガス領域の軸方向長さを
炉心領域高さの１０％よりも長くする必要がある。この
ように制御棒のガス領域の軸方向長さを炉心領域高さの
１０％よりも長くすると、スペクトルシフトの効果を有
効に利用できる。

このような検討に基づいてなされた本発明を実施例に基
づいてより詳細に説明する。

〔発明の実施例〕

本発明の好適な一実施例を第１図〜第１０図に基づいて
説明する。

本実施例の高速増殖炉は、上端部を回転プラグ２にて封
鎖された原子炉容器１、原子炉容器１内に設けられた炉
心支持板４、多数の燃料集合体１０から構成される炉心
５及び炉心５内に挿入される制御棒を有している。燃料
集合体１０は、炉心支持板４に取付けられる流量調整管
４０内に燃料集合体１０の下端部にあるエントランスノ
ズル２０を挿入することにより保持される。燃料集合体
１０の構造を第５図に示す。燃料集合体１０は、ラツパ
管１８の両端を下部遮蔽体１９と上部遮蔽体２２に取付
け、ラツパ管１８内に配置される多数の燃料ピン１１を
下部遮蔽体１９に取付けて構成される。冷却材であるナ
トリウムが流入する開口２１を有するエントランスノズ
ル２０が、下部遮蔽体１９の下部に設けられる。

中間熱交換器（図示せず）にて冷却された冷却材である
ナトリウムは、入口ノズル３Ａより原子炉容器２１内の
下部のプレナム４４内に流入する。その後、ナトリウム
は、開口４３を通つて高圧プレナム４２内に流入し、さ
らに、流量調整管４０に設けらた開口および開口２１を
通つて燃料集合体１０内に導かれる。ナトリウムは、燃
料集合体１０内で燃料ピン１１によつて加熱され、昇温
する。高温のナトリウムは、出口ノズル３Ｂから原子炉
容器１外に流出し、前述の中間熱交換器に送られる。

多数の燃料集合体１０によつて構成される炉心５の縦断
面の概略構造を第６図に示す。第６図では、制御棒の記
載が省略されている。炉心５は、炉心領域７及びそれを
取囲む外部ブランケツト領域を有している。炉心領域７
は、内側炉心領域６Ａ及び内側炉心領域６Ａの半径方向
でその領域６Ａの周囲を取囲む外側炉心領域６Ｂからな
つている。内側炉心領域６Ａ及び外側炉心領域６Ｂは、
核分裂性物質であるプルトニウム２３９が富化されてい
る。プルトニウム２３９の富化度は、炉心領域７の半径
方向の出力平坦化のために内側炉心領域６Ａよりも外側
炉心領域６Ｂで高くなつている。外部ブランケツト領域
は、内側炉心領域６Ａ及び外側炉心領域６Ｂの上下端に
それぞれ接して配置される軸方向ブランケツト領域９Ａ
及び９Ｂ、及び外側炉心領域６Ｂ及び軸方向ブランケツ
ト領域９Ａ及び９Ｂの周囲を取囲む（半径方向で）半径
方向ブランケツト領域８からなつている。半径方向ブラ
ンケツト領域８及び軸方向ブランケツト領域９Ａ及び９
Ｂは、燃料親物質であるウラン２３８を主成分とする燃
料物質（例えば、天然ウランまたは劣化ウラン）が装荷
されている。

炉心５は、均質炉心である。第６図でＨ_１＝１７０cm，
Ｈ_２＝１００cm，Ｄ_１＝４０５cm，Ｄ_２＝３２５cm及び
ｄ_１＝２４３cmである。

炉心５は、第７図に示すように内側炉心領域６Ａ及び軸
方向ブランケツト領域９Ａ及び９Ｂを含み中央部の第Ｉ
層を形成する燃料集合体１０Ａ、外側炉心領域６Ｂ及び
軸方向ブランケツト領域９Ａ及び９Ｂを含み第Ｉ層の外
周を取囲む第II層を形成する燃料集合体１０Ｂ、半径方
向ブランケツト領域８を含み第II層の外周を取囲む第II
I層を形成する燃料集合体１０Ｃから構成される。

第Ｉ層，第II層及び第III層に装荷される燃料集合体の
構造を第８Ａ図及び第８Ｂ図に基づいて説明する。第Ｉ
層に装荷される燃料集合体１０Ａは、第５図に示す燃料
集合体１０内の燃料ピン１１として、第８Ａ図に示す燃
料ピン１１Ａを用いたものである。燃料ピン１１Ａは、
端栓４５及び４６にて両端を密封した被覆管４７内に２
種類の燃料ペレツト、すなわち、炉心燃料ペレツトおよ
びブランケツト燃料ペレツトを充填したものである。被
覆管４７内には、上方、すなわち、端栓４５側より上部
ブランケツト領域１５Ａ、炉心領域１４及び下部ブラン
ケツト領域１５Ｂが順に配置される。下部ブランケツト
領域１５Ｂの下方には、核分裂によつて生じる核分裂生
成ガスを蓄えるガスプレナム１７が存在する。上部ブラ
ンケツト領域１５Ａ及び下部ブランケツト領域１５Ｂ
は、ウラン−２３８を多量に含む天然ウランよりなるブ
ランケツト燃料ペレツトが充填されている。炉心領域１
４は、プルトニウム−２３９が富化されたＰuＯ_３−Ｕ
Ｏ_２からなる炉心燃料ペレツトが充填されている。上部
ブランケツト領域１５Ａ上端から下部ブランケツト領域
１５Ｂ下端までの長さは、１７５cm（Ｈ_１）である。ワ
イヤスペーサ１が、被覆管４７の外周に取付けられる。

第II層の燃料集合体１０Ｂは、構造上、燃料ピン１１Ａ
と同じ燃料ピンを有しているが、炉心領域１４のプルト
ニウム２３９の富化度が高くなつている。

第III層に装荷される燃料集合体１０Ｃは、第８Ｂ図の
燃料ピン１１Ｂを用いたものである。燃料ピン１１Ｂ
は、被覆管４７内のガスプレナム１７より上方にブラン
ケツト燃料ペレツトのみを充填したブランケツト領域１
６を有している。

制御棒は、第７図に示すように調整棒２３Ａ、安全棒２
３Ｂおよび後備安全棒２３Ｃの３種類がある。安全棒２
３Ｂと後備安全棒２３Ｃを合せた本数は、調整棒２３Ａ
の本数に等しい。いずれの制御棒も、中性子吸収材とし
てＢ_４Ｃを用いている。調整棒２３Ａは、燃料消費に伴
う原子炉出力低下の補償等の高速増殖炉の運転中におけ
る原子炉出力を制御するものである。調整棒２３Ａは、
高速増殖炉の運転が経過するに従つて炉心領域７より徐
々に引抜かれる。安全棒２３Ｂは、高速増殖炉の運転を
停止させるものである。安全棒23Ｂは、高速増殖炉の起
動とともに炉心領域７から完全に引抜かれ、高速増殖炉
の通常運転時には炉心領域７から引抜かれたままであ
る。高速増殖炉の保守点検時および燃料交換時または事
故発生によるスクラム時等のように高速増殖炉の運転を
停止する場合には、安全棒２３Ｂは炉心領域７内へ完全
に挿入される。高速増殖炉を停止させる場合には、当然
のことながら調整棒２３Ａも炉心領域７内に完全に挿入
される。後備安全棒２３Ｃは、機能的には安全棒２３Ｂ
と同じである。後備安全棒２３Ｃは安全棒２３Ｂの駆動
機構と異なつた駆動機構を有し、安全棒２３Ｂをバツク
アツプするものである。すなわち、後備安全棒２３Ｃ
は、安全棒２３Ｂの炉心領域７内への挿入が不可能にな
つた時、安全棒１０Ｂに代つて炉心領域７内に挿入され
て高速増殖炉を停止させる。安全棒２３Ｂおよび後備安
全棒２３Ｃは、原子炉停止用制御棒である。これに対し
て調整棒２３Ａは、原子炉停止用としての機能も有して
はいるが主として原子炉出力調整用制御棒である。

調整棒２３Ａの構造を第１図〜第３図に基づいて説明す
る。安全棒２３Ｂ及び後備安全棒２３Ｃの構造も、調整
棒２３Ａと同じである。調整棒２３Ａは、複数のアブソ
ーバロツド２４、上部タイプレート４８、下部タイプレ
ート２６、及びガス領域である中空部２９を内部に構成
する上部中性子遮蔽体（例えばＳＵＳにて構成）２７、
下部中性子遮蔽体２８及び円筒スリーブ４９を有してい
る。アブソーバロツド２４は、両端を密封された被覆管
内にＢ_４Ｃペレツトを充填したものである。アブソーバ
ロツド２４内の上端部（中性子吸収材領域の上方）に核
分裂生成ガスを溜るガスプレナムが形成されている。Ｂ
_４Ｃペレツトが充填されてなる中性子吸収領域の軸方向
の高さは、炉心領域７の高さＨ_２に等しい。中性子吸収
材領域のボロン１０の濃度は、軸方向に一様であり、従
来の制御棒に等しい。アブソーバロツド２４の両端部
は、上部タイプレート４８および下部タイプレート２６
にて保持される。上部タイプレート４８および下部タイ
プレート２６は、円筒カバー２５にて連結される。各々
のアブソーバロツド２４は、円筒カバー２５内に配置さ
れる。上部タイプレート４８は、その上端部に連結部
（図示せず）を有する。また、下部タイプレート２６
に、上部中性子遮蔽体２７が取付けられる。下部中性子
遮蔽体２８は、円筒スリーブ４９を介して上部中性子遮
蔽体２７に取付けられる。中空部２９は、上部中性子遮
蔽体２７、下部中性子遮蔽体２８及び円筒スリーブ４９
に取囲まれて形成される。本実施例では、中性子吸収材
領域よりも、制御棒先端側に配置された中空部２９の軸
方向の長さｈは、炉心領域７の高さＨ_１に等しい。下部
中性子遮蔽体２８は、緩衝装置を構成するダツシユラム
５４を下端部に有する。

円筒状の複数の下部案内管３２が、炉心５内の燃料集合
体１０間に配置される。下部案内管３２の下部構造を第
１図により説明する。下部案内管３２の下端部に設けら
れたエントランスノズル３３が、流量調整管４０内に挿
入されることによつて炉心支持板４に支持される。ダツ
シユポツトを有する緩衝器３５が、下部案内管３２内の
下端部に配置され、支持部材５２によつて下部案内管３
２に固定されている。上部案内管３６は、第４図に示す
ように下部案内管３２の延長線上でそれの上方に配置さ
れる。上部案内管３６は、回転プラグ２に固定される。

調整棒２３Ａは、下部案内管３２および上部案内管３６
内を移動する。制御棒駆動装置３９Ａ及び３９Ｂは、回
転プラグ２に設置される。制御棒駆動装置３９Ａよりそ
の下方に延びる駆動延長軸３８は、上部案内管３６内を
通つて調整棒２３Ａの連結部と着脱可能に結合される。
円筒ベローズ３７の両端が、上部案内管３６と駆動延長
軸３８に取付けられる。円筒ベローズ３７は、上部案内
管３６内を上昇するナトリウムベーパの上方への移行を
阻止している。

安全棒２３Ｂおよび後備安全棒２４Ｃも、下部案内管３
２および上部案内管３６内を移動する。安全棒２３Ｂ
は、制御棒駆動装置３９Ｂから下方に延びる駆動延長軸
３８に着脱可能に結合される。制御棒駆動装置３９Ａ及
び３９Ｂは、モータ（図示せず）の回転力を用いて駆動
延長軸３８を上下に移動させるものである。制御棒駆動
装置３９Ａは、高速増殖炉の起動時及び停止時はもとよ
り運転中の出力調整時にも駆動される。制御棒駆動装置
３９Ｂは、高速増殖炉の起動時および停止時に駆動され
るが、運転中の出力調整時には駆動されない。後備安全
棒２３Ｃは、制御棒駆動装置３９Ｂとは異なる機構、例
えば流体圧にて上下に駆動される。

高圧プレナム４４内のナトリウムは、流量調整管４０に
設けられた開口及び下部案内管３２の開口３４を通つて
エントランスノズル３３内に流入する。このナトリウム
は、支持部材５２間を通抜け、下部案内管３２内を上昇
する。ナトリウムは、開口３０を通つて下部タイプレー
ト２６と上部中性子遮蔽体２７との間の内部空間５０及
びアブソーバロツド２４の相互間の流路を経て上部タイ
プレート４８の内部空間５３に到達し、やがて開口５１
を通つて調整棒２３Ａの外部に流出する。アブソーバロ
ツド２４は、ナトリウムにより冷却される。

本実施例における制御棒操作による高速増殖炉の運転に
ついて説明する。第９図(A)は、調整棒２３Ａの中性子
吸収材領域５５Ａ及び安全棒23Ｂの中性子吸収材領域５
５Ｂが完全に炉心領域７内に挿入され、高速増殖炉の運
転が停止されている状態を示している。中性子吸収材領
域５５Ａ及び５５Ｂは、調整棒２３Ａ及び安全棒２３Ｂ
内でＢ_４Ｃペレツトが充填されている領域である。調整
棒２３Ａの中空部２９Ａ及び安全棒２３Ｂの中空部２９
Ｂは、炉心領域７より下方の軸方向ブランケツト領域９
Ｂ及びガスプレナム１７の間に挿入されている。図示さ
れていないが、後備安全棒２３Ｃも、安全棒２３Ｂと同
様に炉心５内に挿入されている。

第９図(B)は、高速増殖炉が起動された運転初期の状態
を示している。制御棒駆動装置３９Ｂの駆動により、安
全棒２３Ｂの中性子吸収材領域55Ｂは、炉心領域７より
上方に完全に引抜かれている。安全棒２３Ｂの中空部２
９Ｂ全体は、炉心領域７内に位置している。後備安全棒
２３Ｃも、図示されていないが、安全棒２３Ｂと同じ状
態にある。調整棒２３Ａは、第９図(A)と同じ状態であ
る。高速増殖炉の運転初期においては、炉心領域７の部
分での下部案内管３２内に安全棒２３Ｂの中空部２９Ｂ
及び後備安全棒２３Ｃの中空部が存在する。中空部２９
Ｂ等内には、中性子吸収材が存在しなく、空気またはヘ
リウム等のガスが存在する。このため、安全棒２３Ｂ及
び後備安全棒２３Ｃが移動する下部案内管３２の炉心領
域７に位置する部分では、大部分のナトリウムが排除さ
れ、ガス領域が存在することになる。炉心領域７内にガ
ス領域に存在すると、前述したように中性子エネルギス
ペクトルがハード（平均中性子エネルギが高くなる）に
なり、炉心反応度を高める。また、中性子エネルギが高
いために、軸方向ブランケツト領域９Ａ及び９Ｂに達す
る高速中性子量が増大するので、軸方向ブランケツト領
域９Ａ及び９Ｂのウラン２３８がプルトニウム２３９に
転換する比率が増大する。すなわち、増殖率が高くな
る。

高速増殖炉の運転経過に伴つて原子炉出力が低下する。
この原子炉出力の低下を補償するために、調整棒２３Ａ
の中性子吸収材領域５５Ａが炉心領域７より徐々に上方
に引抜かれる。中性子吸収材領域５５Ａが炉心領域７か
ら引抜かれるとともに、中空部２９Ａが下方より炉心領
域７内に挿入される。第９図(C)は、調整棒２３Ａの中
性子吸収材領域５５Ａが炉心領域７から半分引抜かれた
運転中期の状態を示している。調整棒２３Ａを引抜くこ
とによつて、中性子吸収材領域５５Ａが炉心領域７から
引抜かれることによつて投入される正の反応度に加え、
新たに、下部案内管３２内のナトリウムが排除されるこ
とによつて投入される正の反応度が加わる。後者の反応
度は、本実施例によつて新たに生じるものである。すな
わち、中性子吸収材領域５５Ａが引抜かれた部分に、従
来では中性子を吸収するナトリウムが入込むのに対し
て、本実施例では中性子をほとんど吸収しない中空部２
９Ａが入込むために、後者の反応度投入が新たに生じ
る。調整棒２３Ａは、中空部２９Ａを設けることによつ
て従来の調整棒よりも少ない引抜き量で従来と同じ正の
反応度を投入することができる。本実施例では、調整棒
２３Ａの中性子吸収材領域５５Ａを炉心領域７から引抜
くことによつて炉心領域７の下部の中性子エネルギスペ
クトルが、安全棒２３Ｂ及び後備安全棒２３Ｃの中空部
が炉心領域７内に挿入された第９図(B)の状態よりも平
均的に硬くなるので、軸方向ブランケツト領域９Ｂにお
けるプルトニウム２３９への転換比が増大する。

第９図(C)の状態からさらに運転時間が経過して高速増
殖炉の運転末期になると、調整棒２３Ａの中性子吸収材
領域５５Ａは炉心領域７から完全に引抜かれてしまい、
第９図(D)のように中空部29Ａ全体が炉心領域７内に挿
入される。このため、炉心領域７の上部における中性子
エネルギスペクトルも、第９図(B)及び(C)の状態より硬
くなる。従つて、軸方向ブランケツト領域９Ａにおける
プルトニウム２３９への転換比がより増大する。

高速増殖炉の運転を停止する場合は、第９図(D)の状態
からすべての制御棒の中性子吸収材領域が、炉心領域７
内に挿入される。

本実施例では、調整棒２３Ａの中性子吸収材領域５５Ａ
が炉心領域７から引抜かれるとともに中空部２９Ａが炉
心領域７内に挿入されるので、第１０図に示すように高
速増殖炉の運転期間を１０％延長できる。これは、従
来、ナトリウムに吸収されていた中性子の有効な利用
（中性子経済の向上）及び前述のスペクトルシフトによ
る反応度利得により、燃焼反応度の低下が緩やかになる
ためである。全部の調整棒２３Ａの中空部２９Ａが炉心
領域７内に完全に挿入された運転末期（第９図(D)）に
おける反応度利得は、０．２％Δｋであり、運転期間は
前述のように１０％延長される。通常の１年サイクル運
転（１０ケ月運転、２ケ月定期検査）では、約１ケ月間
運転を延長できる。

安全棒２３Ｂ及び後備安全棒２３Ｃの中空部は、前述の
如く運転初期以降、炉心領域７内に完全に挿入されてい
る。従つて、これらの安全棒の中空部が挿入されたこと
に基づくスペクトルシフトの効果により、従来の高速増
殖炉に比べ約０．２％Δｋの反応度利得が得られ、燃料
(プルトニウム)装荷量を低減できる。また、中性子経済
が向上すると共にプルトニウム転換比が増大し、出力ミ
スマツチが低減し、出力分布が平坦化される効果があ
る。

上記の中性子経済の向上、プルトニウム転換比の増大、
および出力分布平坦化の効果は、調整棒２３Ａによつて
も実現でき、運転と共に中空部２９Ａが炉心領域７に挿
入されるにつれて大きくなり、運転末期で最大の効果と
なる。

本実施例の大きな効果の１つは、安全性の向上である。
まず、炉心領域７内のナトリウムを中空部２９で置換す
ることにより、正のボイド反応度係数が８〜１５％程度
小さくなるため、例え何らかの原因で異常な過渡事象が
生じた場合でも、出力あるいは燃料温度の増大を小さく
抑えることができる。また、従来のように中性子吸収材
からなる制御棒が炉心領域に挿入された状態で地震等に
より振動が生ずると制御棒の上下動により反応度が変動
し、炉心出力や燃料温度が不安定になる。しかし、本実
施例の如く制御棒の中空部２９が炉心領域７に挿入され
た状態では震動に伴なう反応度変化が殆んどないため、
炉心を安定に運転できる。さらに、緊急炉停止時には、
まず正の反応度をそれまで投入していた中空部２９が炉
心領域から抜けて（負の反応度投入に相当）、その後に
中性子吸収材領域による負の反応度が投入されることに
なり、従来の炉心に比べ制御棒の利きが良くなる。すな
わち、制御棒の反応度価値が高くなる。

調整棒及び安全棒の一方を第１図に示す制御棒の構成に
した場合でも、両者をそれにした場合よりも劣るが前述
した各々の効果を得ることができる。

本実施例の中性子吸収材領域及び中空部２９の軸方向の
長さは、炉心領域７の高さＨ_２に等しい。

なお、本実施例においては、中空部２９の上下にＳＵＳ
からなる上部及び下部中性子遮蔽体を設けている。中空
部２９が炉心領域７に完全に挿入された場合に、上部中
性子遮蔽体２７の下面が軸方向ブランケツト領域９Ａと
炉心領域７との境界に、下部中性子遮蔽体２８の上面が
軸方向ブランケツト領域９Ｂと炉心領域７との境界にそ
れぞれ位置している。これらの中性子遮蔽体は、反射体
の機能を有するので、中空部２９が完全に炉心領域７に
挿入された場合に炉心領域７より外部に向う中性子を炉
心領域７内に反射させるので、炉心領域７における正の
ボイド反応度効果がより高められる。

本実施例の一変形として、中空部２９に通常は閉じられ
ているナトリウム流入口を設けておき、緊急時にはその
流入口を開いて中空部２９内にナトリウムを入れて炉心
反応度を下げることにより炉心の安全性を一層高めるこ
とも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、制御棒による広範囲な炉心制御や制御
棒の健全性を損なうこと無く核分裂により発生するエネ
ルギの高い高速中性子を有効に利用して炉心反応度を著
しく増大できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である高速増殖炉に用
いられる調整棒の縦断面図、第２図は第１図のII−II断
面図、第３図は第１図のIII−III断面図、第４図は本発
明の好適な一実施例である高速増殖炉の縦断面図、第５
図は第４図に示す高速増殖炉の炉心に装荷された燃料集
合体の構造図、第６図は第４図の高速増殖炉の炉心の概
略縦断面図、第７図は第４図及び第６図のVII−VII断面
図、第８図(A)及び第８図(B)は第５図の燃料集合体内に
装填される燃料ピンの縦断面図、第９図は本実施例にお
ける制御棒操作の状態を示すものであつて(A)は炉停止
時、(B)は運転初期、(C)は運転中期及び(D)は運転末期
におけるそれぞれの制御棒の状態を示す説明図、第１０
図は第１図の制御棒を用いた第４図の実施例における運
転期間延長度合いを示す特性図、第１１図は中性子エネ
ルギと中性子束との関係を示す特性図、第１２図は炉心
領域の軸方向におけるボイド反応度係数分布を示す特性
図である。１……原子炉容器、５……炉心、７……炉心領域、８…
…半径方向ブランケツト領域、９Ａ，９Ｂ……軸方向ブ
ランケツト領域、１０……燃料集合体、１１，１１Ａ，
１１Ｂ……燃料ピン、１７……ガスプレナム、２３Ａ…
…調整棒、２３Ｂ……安全棒、２４，５８，６４……ア
ブソーバロツド、２６……下部タイブレート、２７……
上部中性子遮蔽体、２８……下部中性子遮蔽体、２９…
…中空部、３２……下部案内管、３９Ａ，３９Ｂ……制
御棒駆動装置、４８……上部タイプレート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者畦倉和雄茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献特開昭58−66895（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−71990（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−39988（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−173786（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−81494（ＪＰ，Ａ) 実開昭51−17700（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核分裂性物質が充填された炉心領域及び前
記炉心領域の外部を取囲みしかも大部分が熱料親物質で
あるブランケット領域からなる炉心と、前記炉心領域内
に前記炉心領域の上方から出入れされる複数の制御棒と
を有する高速増殖炉において、前記制御棒が、前記炉心
領域の上下方向寸法と同等又はそれ以上の上下寸法の制
御棒領域内に中性子吸収材を充填してなる複数のアブソ
ーバロッドと、前記複数のアブソーバロッドにより構成
される中性子吸収材領域を囲うカバーと、前記カバーに
設けられた冷却材の出口と入り口を成す開口と、前記カ
バーの下部に直列に接続されて不活性ガスが密閉されて
いる中空構造物とからなり、前記中空構造物の中空領域
の上下方向寸法は前記炉心領域の上下方向寸法の１０％
より長く構成されたことを特徴とする高速増殖炉。