JPS5821189A - 高速増殖炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高速増殖炉の炉心構成に関する。

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
分裂物質を生産する、いわゆる増殖を行なわせ、これに
よって燃料の有効利用が図れる特徴を有する。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
炉心の周囲部を燃料親物質を主成分とする軸方向及び径
方向ブランケットで囲設している。このような炉心構成
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
集合体内の燃料棒中には、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、ブランケットに相当
する燃料集合体内の燃料棒中には、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
のような炉心構成では、上記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、有用な核分裂物質が
生産される。

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、この倍
増時間短縮化が高速増殖炉の改良上量も主眼とされてい
る。

ところで、倍増時間は、一般ピ原子炉の増殖率が高いほ
ど短くなるほか、原子炉の比出力（単位燃料装荷重量当
シの出力）に反比例するという傾向がある。よって、炉
心内の出力分布を平坦化すれば、燃料設計で上限が抑え
られる比出力の最大値を上げずに炉心の平均比出力を上
げることができ倍増時間の短縮が計れる。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図に示すように、炉心１を内側炉心ＩＡと外側
炉心ＩＢの如く、径方向に２〜３領域に分け、外側領域
はど富化度（核分裂物質／核分裂物質＋親物質）の高い
燃料を装荷していたものがある。なお、第１図の２は径
方向ブランケット、３は軸方向ブランケットである。

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１内の中性子束の平均エネルギーが低くなり
、増殖率が低下するという問題がある。

これに対して、従来、例えば第２図に示すように、内側
炉心ＩＡの軸方向中心部に、厚さが一定の円盤状の内部
ブランケット４を挿入したパフニー炉心と呼ばれる炉心
構造を有するものがある。

このものによると、炉心の平均中性子エイ・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し、中性子の吸収及応当たり
の発生数が犬きくなる。一方、内部ブランケット４では
、炉心１に比べると燃料親物質の原子数密度が高く、ま
た中性子の平均エネルギーが低いため燃料親物質の核分
裂反応率は減少し、逆に中性子捕獲反応率は増大する。

すなわち、内部ブランケット領域では、出力は低いが、
増殖作用は増大する。その結果、炉心全体でみた場合、
増殖率が上がるとともに出力分布は平坦化される可能性
がある。ところが、このノくフエー炉心では、燃焼が進
むと、内部ブランケット領域４のない炉心の外側領域Ｉ
Ｂでは、増殖作用が小さいため出力は減少し、逆に内部
ブ２ンケット領域４のちる炉心中央部では増殖作用で新
たに生じる核分裂物質のために出力が増加し、燃焼に伴
なう出力の変動が大きいという問題がある。

本発明の目的は、パフニー炉心の問題点を解決し、かつ
、出力の平坦化による炉心性能向上、とりわけ倍増時間
の短縮化が図れる高速増殖炉を提供することである。

本発明の高速増殖炉の炉心構成では、内部ブランケット
領域をもち、内部ブランケット領域の富化度（核分裂物
質／核分裂物質＋親物質）が互いに異なる複数種の燃料
集合体を、炉心部に混在させることによって、炉心半径
方向の出力分布の平坦化を図る。

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燃
料とし、液体ナトリウムを冷却材とした場合についての
ものである。

第３図に本実施例で装荷する３つの燃料集合体の燃料棒
中の富化度分布を示す。燃料集合体５ば、軸方向に５つ
の領域に分割され、領域８には減損ウランあるいは天然
ウランが装荷され、領域９にには高い富化度をもつ燃料
物質が装荷され、領域１０には、領域９よりも低い富化
度の燃料物質又は、減損ウランあるいは天然ウランが装
荷される。

燃料集合体６では、燃料集合体５と同様の構成であるが
、領域１１には、燃料集合体５の領域１０よりも高い富
化度の燃料物質が装荷される。燃料集合体７には減損ウ
ランあるいは天然ウラン８が装荷される。燃料集合体５
．６の領域９が炉心部を構成し、領域８が軸方向ブラン
ケット部、領域１０．１１が内部ブランケットを構成す
る。燃料集合体７は径方向ブランケットを構成する。第
４図に、上記３種の燃料集合体の配置図を示す。燃料集
合体５，６は炉心中央部で混在させる。燃料果合体７は
、周辺部に装荷され径方向ブランケットを構成している
。図中、１２は制御棒をあられす。燃料集合体５および
６の混在の割合は、炉心中央部では燃料果合体５の割合
を多くシ、炉心周辺部に向うにつれて、燃料集合体６の
割合を大きくしていく。第５図に、混在比の径方向分布
を示す。

炉心の設計パラメータ及び炉の運転条件は第１表に示す
通シである。即ち、原子炉熱出力は約２５００ＭＷ、電
気出力は約１０１００Ｏ，等価炉心径と炉心高はそれぞ
れ３２５ｃ７ｎおよび１００ｃＩｎである。軸方同ブラ
ンケットおよび径方向ブランケット厚さは、夫々、３５
ｃｍおよび４０釧である。

燃料スミア密度は、炉心で８７％理論密度、ブランケッ
トで９１％理論密度である。燃料交換期間は１年、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。燃料集合体５、および６の領域９の富化
度は１５％とする。また燃料集合体５の領域１０には、
減損ウランを装荷する。従って富化度は近似的に０％で
ある。燃料集合体６の領域１１の富化度は９％である。

またこの実施例では、内部ブランケットに相当する領域
１．０．１１の厚さは２５ｃｎｎとした。

次に上記構成に基づ゛く効果を説明する。

炉心の軸方向出力分布は、燃料集合体５，６の軸方向中
心部で富化度を低くしているので容易に平坦化される。

一方、径方向出力分布は、軸方向中央部で富化度の小さ
い領域をもつ燃料集合体５を炉心中央部如多く集め、逆
に炉心周辺部に富化度の大きい燃料果合体６をより多く
配置しているので、生方向の平均富化度の分布は、第６
図に示すように炉心中央部で低く周辺部で高くなった分
布になる。第６図は、平衡サイクル初期での径方向平均
富化度分布を示したものである。本発明の特徴は、複数
種の燃料集合体を混在させることにより、径方向平均富
化度分布を、なめらかに変化させている点で、第７図に
示す如く、径方向出力分布は平坦化される。また燃焼に
伴う出力変動も小さくなっている。この理由は、炉心周
辺部において、軸方向中央部で富化度を小さくした燃料
集合体６を配置することで、増殖作用の向上を図シ、燃
焼による出力低下を補なっているためである。

また、この炉心構成は、パフニー炉心がもつ増殖比が大
きいという特長も保持している。すなわち、富化度の小
さい内部ブランケット領域を持つ燃料集合体５を炉心中
央部に多く配置することによシ、内部ブランケット領域
での高速エネルギー中性子束が大きくたるようにしてい
ること、また、燃料親物質と核分裂性物質をある程度炉
心内で分離したことによる中性子スペクトル変化による
増殖性の向上が可能となる。

才た、炉心部の中性子エネルギーが高いこと、及び、炉
心部での出力平坦化に伴なって炉心部とこれを囲む軸方
向ブランケット及び径方向ブランケットとの境界の中性
子束が高いことから、軸方向ブランケットおよび径方向
ブランケットへの中性子の漏洩量が増大する。その結果
、燃料親物質の中性子捕獲反応及び核分裂反応は大幅に
向上し、ブランケット部での増殖作用が増大するという
利点がある。

第８図と第９図に本発明の第２の実施例を示す。

第８図は、本実施例で装荷する４つの燃料集合体の燃料
棒中の富化度分布を示す。本実施例では第１の実施例の
集合体５，６．．７の他に、燃料集合体１３が炉心に装
荷される゛。燃料集合体１３は、集合体５，６の内部プ
ランケ、ット領域ｉｏ、１１を領域９と同じ燃料物質で
置き換えたものである。

（１１） 第９図に上記４種の燃料集合体の配置図を示す。

燃料集合体１３は、主に炉心周辺部に装荷される。

燃料集合体１３の平均富化度は、燃料集合体５゜６よシ
も高いので、径方向ブランケット近くに装荷することで
、第７図に示す第１の実施例の出力分布において、径方
向ブランケットに近い部分での出力低下を抑制すること
が出来、炉心出力分布は平坦化される。

第１０図に、本発明の第３の実施例を示す。本実施例で
は、燃料集合体１４．１５の中の内部ブランケット領域
１０．１１を、燃料集合体の燃料部分の長さＬの半分の
位置よりも炉心下方にくるようにしている。高速増殖炉
では、炉心の余剰反応度制御ならびに径方向出力分布平
坦化のために、制御棒１２は炉心上方部から挿入される
。制御棒が挿入されると、制御棒の中性子吸収効果によ
り、軸方向出力分布は、炉心下方に歪み、出力密度のピ
ーク値は炉心下半部で生じる。本実施例の如く内部ブラ
ンケットの位置を下方に配置することにより、制御棒挿
入時の軸方向出力ビーキングの増（１２） 犬を抑制でき、炉心出力分布は平坦化できる。

以上説明したように、本発明によれば、炉心出力分布が
平坦化され、かつ燃焼に伴う出力変動も小さく増殖性能
の良い高速増、動炉が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は均質炉心を示す縦断面図、第２図はノくフエー
炉心を示す縦断面図、第３図は第１の実施例における燃
料集合体の燃料棒中の富化度分布の説明図、第４図は炉
心構成を示す横断面図、第５図は燃料集合体の混在分布
を示す特性図、第６図は径方向富化度分布を示す特性図
、第７図は出力分布を示す特性図、第８図は第２の実施
例における燃料集合体の燃料棒中の富化度分布の説明図
、第９図は炉心構成を示す横断面図、第１０図は第３の
実施例における燃料棒中の富化度分布の説明図である。 １・・・炉心、２・・・径方向ブランケット、３・・・
軸方向ブランケット、４・・・内部ブランケット、５お
よび６・・・燃料集合体。 代理人　弁理士　高橋明夫 第　１　図 鳴　２図 第３図 ５　　　　　　　ｚ　　　　　　　７ 第４図 第５図 距５離（Ｃ１１） 第６図 ０　　　　　　５０　　　　　　　　　　　　　　ｔ５
θ　　　　　２θθ諷離（Ｃ幌２ 第７図 第■ ５　　　　　　　　　　　　　乙　　　　　　　　　　
　　／３　　　　　　　　　　　７第　９　図 箱　７６図 ／、１！　　　　　ｉ５７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炉心高さ中央部に天然ウラン又は減損ウランを主成
   分とする内部ブランケット領域を有し、該内部ブランケ
   ット領域での核分裂物質の富化度が互いに異なる複数種
   の燃料集合体によって炉心部が構成され、前記複数種の
   燃料集合体のうち、内部ブランケット領域の富化度が小
   さい燃料集合体の存在割合が炉心中央部から周辺部に向
   うに従って次第に減少するように前記複数種の燃料集合
   体を混在させたことを特徴とする高速増殖炉。 ２、前記内部ブランケット領域を含む複数種燃料集合体
   の中の一種を、内部ブランケット領域の核分裂物質の富
   化度を内部ブランケット領域上下の高富化度領域の富化
   度と同一としたことを特徴とする特許請求の範囲の第１
   項に記載の高速増殖炉。 ３、前記内部プーランケット領域を含む燃料集合体の内
   部ブランケット領域をその中心部が、炉心軸方向高さの
   １／２よシ下方になるように設置したことを特徴とする
   特許請求の範囲の第１項又は第２項のいずれかに記載の
   高速増殖炉。