JPH067198B2 - 高速増殖炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高速増殖炉に係り、特に燃焼による出力分布の
変動の低減に好適な高速増殖炉に関する。

［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わせ、これによって
燃料の有効利用が図れるという特徴を有する。このよう
な高速増殖炉の炉心は一般に円柱状に形成され、この炉
心の周囲の燃料親物質からなる軸方向及び径方向ブラン
ケットで囲設している。このように炉心構成は、複数個
の燃料棒を束ねた燃料集合体を多数個円柱状に配置する
ことによってできる。炉心部に相当する燃料集合体内の
燃料棒には、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劣化ウランが
装荷される。この燃料親物質が炉心から洩れ出る中性子
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。

ところで、炉心から取り出し得る熱出力の上限は、最高
温度点の熱的制限に依存する。従って出力分布を平坦化
して最大線出力密度を低減することにより、炉心の熱的
余裕の増大を図ることができる。このためエバリュエイ
ション・オブ・ザ・パフェ・ブランケット・コンセプト
・フォー・ファースト・ブリーダー・リアクターズ，シ
ー・オー・オー−２２５０−５，エム・アイ・ティー・
エヌ・イー−１５７，マサチューセッツ・インスティチ
ュート・オブ・テクノロジー（１９７４）．（“Ｅｖａ
ｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐａｒｆａｉｔ Ｂｌ
ａｎｋｅｔ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｆｏｒ Ｆａｓｔ Ｂｒ
ｅｅｄｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒｓ，”ＣＯＯ−２２５０−
５，ＭＩＴＮＥ−１５７，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（１
９７４）．）に記載のような、パフェ炉心と呼ばれる炉
心概念が考案された。パフェ炉心は、炉心の軸方向中心
部に炉心半径方向に円盤状に広がる内部ブランケット領
域を設置し軸方向の出力分布平坦化を図り、同時に、炉
心領域の各分裂性物質の富化度を半径方向内側で低く、
外側で高くして、半径方向出力分布の平坦化を図ったも
のである。

また、日本国特許第７７４，０１３号に記載のような燃
料体積比２領域炉心と呼ばれる炉心概念がある。燃料体
積比２領域炉心は、炉心領域の核分裂性物質の富化度を
一様とし、燃料棒の直径あるいは燃料棒の配列ピッチを
変化させることによって燃料体積比を炉心の半径方向内
側で小さく、外側で大きくして、半径方向出力分布の平
坦化を図っている。また、炉心体積を約１６Ｋと大き
くして中性子の炉心からの洩れを小さくし、燃料の核分
裂性物質の富化度を約１０％とすることにより反応度の
変化を抑え、出力分布を、燃焼度が０〜約１００ＧＷｄ
／ｔまでの間、ほぼ一定になるようにしたものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記の２つの従来技術は、燃料の燃焼度
が１００ＧＷｄ／ｔ以上と高くなった時の出力分布の平
坦化については、十分には考慮されていない。

第２図は、従来のパフェ炉心の各領域の中性子無限増倍
率の燃焼による変化を示したものである。燃焼初期にお
いては、各領域の中性子洩れの効果の違いを、富化度を
変化させるとともに内部ブランケットを配置して中性子
無限増倍率に差をつけて相殺し、出力分布を平坦化して
いる。燃焼により、核分裂性物質密度が、炉心内側の低
富化度領域及び内部ブランケット領域で増大し、炉心外
側の高富化度領域で減少するため、例えば、燃料の平均
燃焼度が１００Ｗｄ／ｔ以上と高くなる燃焼末期では中
性子無限増倍率の領域間の差が小さくなり、出力分布平
坦化機能が低減する。このため、出力分布が大きく変動
し、運転期間を通じての出力分布の平坦化ができなくな
り、制御棒挿入等の他の手段を併用する必要があった。
また、出力分布の変動により、隣接した燃料集合体を流
れる冷却材の間に温度差が生じ、炉心上部機構が周期的
な熱衝撃を受け（サーマル・ストライピング）、その寿
命が短縮されるという問題点も生じる。

従来の燃料体積比２領域炉心にも上記と同様の問題点が
あった。第３図は、従来の燃料体積比２領域炉心の各領
域の中性子無限増倍率の燃焼による変化を示したもので
ある。燃焼初期においては、各領域の中性子洩れの効果
の違いを、燃料体積比を変化させ、中性子無限増倍率に
差をつけて相殺し、出力分布を平坦化している。出力密
度を一定とすれば、炉心内側の低燃料体積比領域のほう
が燃焼度が高くなるため、中性子無限増倍率は、炉心外
側の高燃料体積比領域に比べ速く減少する。従って、燃
焼末期では中性子無限増倍率の両領域間の差が大きくな
り過ぎ、運転期間を通じての出力分布の平坦化ができな
かった。

燃料の寿命の決定因子の一つに高速中性子照射による材
料のスウエリングが挙げられる。燃料体積比２領域炉心
では、中性子束の高い炉心中心部の単位体積当りの燃料
の量を少なくして、燃焼度の低い間の出力分布の平坦化
を図るものである。逆にいえば、出力分布が平坦であれ
ば、中性子束は単位体積当りの燃料の量の少ない炉心中
心部でピークをもち、十分には平坦化されていない。こ
のことから、燃料寿命が制限され、燃焼度を高くとるこ
とが困難であった。

本発明の目的は、上記従来技術に比べて、最大中性子束
レベルを低減して燃料寿命を延長し、併せて燃焼による
出力分布の変動を低減し、運転期間を通じて平坦で安定
した出力分布をもつ高速増殖炉を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ この目的を達成するため、本発明においては、炉心の単
位体積当りの燃料の量を半径方向内側で少なく、外側で
多くするとともに、炉心の内部に半径方向に広がる盤状
の内部ブランケット領域を設け、かつ、内部ブランケッ
ト領域の軸方向厚さを炉心の内側領域で薄く、外側領域
で厚くした構成としている。

［作用］ 第４図は、本発明に基づく炉心の各領域の中性子無限増
倍率の燃焼による変化を示したものである。内側の炉心
領域の中性子無限増倍率の減少の度合い（図の破線）
は、従来の燃料体積比２領域炉心と同様に、外側領域よ
りも大きくなるが、内部ブランケット領域の中性子無限
増倍率の増大により補うため、全体としては、内側領域
と外側領域との中性子無限増倍率の差は運転期間を通じ
てほぼ一定である。これによって各領域の中性子洩れの
効果の違いを相殺するため、出力分布の変動を小さく抑
えることができる。また、炉心の外側領域の内部ブラン
ケット厚さを内側領域よりも厚くしたことにより、運転
期間中の燃焼による反応度劣化が低減するとともに、運
転初期の出力ピークが下がり、運転期間を通じて平坦な
出力分布が得られるので、最大線出力密度を低減するこ
とができる。

本発明に基づく炉心では、内部ブランケットを一般に中
性子束の高くなる炉心の中心部に配置したため、これに
よる中性子の吸収効果が大きく、従来の燃料体積比２領
域炉心に比べ最大高速中性子束を大幅に低減でき、燃料
寿命を延長できる。

［実施例］ 以下、本発明を実施例に従って説明する。対象とする炉
心は、プルトニウムとウランの混合酸化物からなる炉心
燃料、及び主として減損ウランからなるブランケット燃
料が装荷され、冷却材としてナトリウムを用いた場合の
ものである。しかし、上記以外の燃料、例えば、混合炭
化物燃料、混合窒化物燃料、金属燃料等を用いても、ま
た、上記以外の冷却材、例えば、ヘリウム、水蒸気、二
酸化炭素等を使用した場合にも本発明は適用可能であ
る。

第１図は、本発明の第一の実施例を示す高速増殖炉炉心
の垂直断面図であり、単位体積当りの燃料の量の少ない
内側炉心１と、その外周にあたる単位体積当りの燃料の
量の多い外側炉心２と内側炉心１の軸方向中心部に円盤
状に配置された内部ブランケット３とで構成される。図
中４及び５はそれぞれ径方向及び軸方向ブランケットで
ある。従来のパフェ炉心と異なる点の第１は、内側炉心
１と外側炉心２とではプルトニウム富化度を同一とし、
単位体積当りの燃料の量を変えたことである。すなわ
ち、内側炉心１での単位体積当りの燃料の量は外側炉心
２の約８０％となっている。これを実現するために、こ
こで内側炉心１に中空ペレットを用いている。第２点
は、外側炉心２の中ほどまで内部ブランケットを広げ、
かつ、その軸方向厚さを内側炉心に比べて厚くした点で
ある。

このような炉心構成においては、内側炉心１の等価直径
を炉心の等価直径の０．６〜０．８倍程度にし、外側領
域の内部ブランケットの軸方向厚さを内側領域の１．５
〜２．５倍程度にすることによって、燃焼期間を通じて
出力分布の平坦化が実現する。第５図に、内部ブランケ
ットの外側領域の厚さに対する内側領域の厚さの比を変
えた場合の、最大線出力の変化を示した。

次に、本発明による炉心の径方向出力分布変動特性を計
算した結果を説明する。炉心の設計パラメータおよび運
転条件を次頁の第１表に示した。即ち、原子炉熱出力は
約２，６００ＭＷ、電気出力は約１，０００ＭＷ、等価
炉心径と炉心高さはそれぞれ３００cm及び１２０cmであ
る。軸方向及び径方向ブランケット厚さは、それぞれ２５cm及
び３０cmである。燃料交換間隔は１５ケ月、設備利用率
８０％、燃料交換バッチ数は炉心、ブランケット共に３
とする。

上記炉心設計パラメータを用いて計算した本発明の炉心
（第１図）の平衡サイクル初期および末期における径方
向出力分布を第６図に示す。比較のため、従来のパフェ
炉心に対する結果を第７図に、従来の燃料体積比２領域
炉心に対する結果を第８図に示す。これらの結果から明
らかなように、本発明の炉心では、従来炉心に比べて径
方向出力分布の変動割合が最大１／２から１／３に低減
されている。その結果、サーマル・ストライピングの問
題が緩和される。また、運転時の最大線出力密度が１３
％低減され、炉心の熱的余裕が増大する。あるいは、最
大線出力密度を一定とすると、従来炉心に比べて炉心燃
料集合体数を約１３％削減することが可能となり、燃料
の製造コストをそれだけ低減できることになる。また、
最大高速中性子束を従来の燃料体積比２領域炉心に比べ
約２０％低減でき、燃料寿命をそれだけ延長できる。

第９図に示す第２の実施例では、内部ブランケット３の
中心を炉心の軸方向中心より下方に配置している。原子
炉の運転中は制御棒が炉心上端部から挿入されるが、本
実施例のように内部ブランケットを下方に配置すること
により、中途挿入状態で運転する場合の制御棒挿入によ
る出力分布の歪みを軽減することができる。また、第１
０図に示す実施例のように、内部ブランケット３の中心
を炉心の軸方向中心より下へ配置することの代わりに、
内部ブランケット３の形状を軸方向に非対称とし、下側
の体積を大きくした構成によっても、制御棒中途挿入に
よる出力分布の歪みを軽減することができる。

第１１図の実施例は、炉心の内側領域軸方向上部および
下部に外側領域と同じ単位体積当たりの燃料の量が多い
領域を設けたものである。この実施例では、出力分布が
軸方向により一層平坦化されるため最大線出力低減の効
果が大きい。

また、第１２図に示すように、内部ブランケット低濃縮
ウラン、Ｐｕ等の核分裂性物質を僅かに富化した低富化
度領域６とすることによっても同様に本発明の効果を得
ることができる。例えば、初装荷炉心の出力分布の平坦
化を強調することができる。

以上の実施例では、領域間で単位体積当りの燃料の量に
違いを持たせるために内側炉心１の燃料に中空ペレット
を用いた。上記以外の方法として、内側炉心１で燃料ペ
レットの焼結密度を小さくすることが考えられる。ま
た、内側炉心１では細径燃料棒を、外側炉心２では太径
燃料棒を使用すること、あるいは、燃料棒配列ピッチ
を、内側炉心１では大きく、外側炉心２では小さくする
ことによっても単位体積当りの燃料の量を領域毎に変化
させることはできる。また、内側炉心１では酸化物燃料
を外側炉心２では金属燃料、炭化物燃料、あるいは窒化
物燃料を使用することも可能である。さらに、内側炉心
１で、各燃料ペレット間に構造材のペレットをはさませ
る方法、燃料ペレット内に中性子吸収の小さい物質を混
入させる方法なども考えられる。

以上の実施例では、内側炉心１と外側炉心２の核分裂性
物質の富化度は一様としたが、内側炉心１の富化度を僅
かに下げ、内部ブランケット３の厚さを薄くすること、
あるいは、内側炉心１の富化度を僅かに上げ、内部ブラ
ンケット３の厚さを厚くすることによっても本発明の効
果は得られる。

また、以上の実施例では、単位体積当りの燃料の量を２
つの領域で変化させたが、３領域以上でこれを実施する
ことも可能である。第１３図は、炉心を半径方向に３領
域に分け、外側ほど単位体積当りの燃料の量を増加した
例で、この場合も外側ほど内部ブランケット３の軸方向
厚さを厚くして、出力分布を平坦にできる。第１３図
は、半径方向及び軸方向の両方で３領域とした例であ
る。現行の設計では、燃料集合体は、燃料ピン・バンド
ルを六角形のラッパ管内に装荷する構造となっている。
ラッパ管の主な機能の一つは、燃料集合体毎に冷却材の
流量配分を行うことである。本発明に基づく炉心によれ
ば、運転期間を通じて平坦で安定した出力分布が実現で
きるので、流量配分が不要となりラッパ管を削除できる
可能性が得られる。この場合には、内側炉心１の燃料集
合体をラッパ管の無い構造とし、外側炉心２の燃料集合
体をラッパ管付の構造とすることにより、単位体積当り
の燃料の量を、内側炉心で少なく、外側炉心で多くする
ことが考えられる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の炉心では、従来のパフェ
炉心及び燃料体積比２領域炉心に比べ、（１）運転時の
出力分布変動がに低減でき、炉心上部機構に対するサー
マル・ストライピングの効果が緩和される。（２）運転
時の最大線出力密度を小さくでき、炉心の熱的余裕が増
大する。あるいは（３）炉心燃料を約削減でき、燃料の
製造コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す炉心の垂直断面
図、第２図，第３図は各種従来の炉心内側領域及び外側
領域における中性子無限増倍率の燃焼による変化を示す
特性図であり、第４図は本発明の一実施例による炉心の
炉心内側領域及び外側領域における中性子無限増倍率の
燃焼による変化を示す特性図であり、第５図は本発明を
説明する図であり、内部ブランケット形状による最大線
出力の変化を示す特性図、また、第６図は本発明に基づ
く炉心の、第７図及び第８図は従来炉心の径方向出力分
布を示す特性図である。第９図，第１０図，第１１図，
第１２図，第１３図，第１４図は本発明の各他の実施例
を一図一例にて示した炉心の垂直断面図である。 １…内側炉心、２…外側炉心、３…内部ブランケット、
４…径方向ブランケット、５…軸方向ブランケット、６
…低富化度領域、７…燃料低密度領域、８…燃料中密度
領域、９…燃料高密度領域。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核分裂性物質を富化した燃料を主成分とす
   る円柱状の炉心と前記炉心の内部にあって燃料親物質を
   主成分とする盤状の内部ブランケット領域を有する高速
   増殖炉において、前記炉心の単位体積当りの燃料の量を
   炉心半径方向内側で少なく、外側で多くし、炉心径方向
   内側領域から外側領域まで広がる盤状の前記内部ブラン
   ケット領域の軸方向厚さを、炉心内側領域で薄く、外側
   領域で厚くしたことを特徴とする高速増殖炉。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、内部ブラ
   ンケット領域の軸方向中心を炉心の軸方向中心より下方
   としたことを特徴とする高速増殖炉。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項におい
   て、炉心内側領域軸方向上部及び下部に、外側領域と同
   じ単位体積当りの燃料の量の多い領域を設けたことを特
   徴とする高速増殖炉。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３
   項において、内部ブランケット領域の幾何形状を軸方向
   非対称とし、前記内部ブランケット領域の体積を軸方向
   下側で大きくしたことを特徴とする高速増殖炉。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３
   項又は第４項において、前記内部ブランケット領域に核
   分裂性物質を富化したことを特徴とする高速増殖炉。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３
   項又は第４項又は第５項において、単位体積当りの燃料
   の量の異なる領域数を炉心の半径方向または軸方向また
   は両方向に３領域以上としたことを特徴とする高速増殖
   炉。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３
   項又は第４項又は第５項又は第６項において、炉心内側
   領域と外側領域とで核分裂性物質の富化度を変えたこと
   を特徴とする高速増殖炉。