JPS5833181A - 核燃料要素 - 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、核燃料要素及び高速増殖炉の改良に関し、と
りわけその炉心性能の向上に関するものである。

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、一般に円柱形状をしており、炉心の周囲には燃
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
が設けられる。炉７シ・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。炉心及びブランケット
における燃料親物質が核分裂反応で発生した中性子を捕
獲することにより、有用な核分裂性物質が生産される。

このような増殖作用の定量的な基準を表わすものとして
、増殖率と倍増時間がるる。増殖率は、核分裂性物質の
消費量に対する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
子炉内に最初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、これは短いほどよく、この倍
増時間の短縮化は面速増殖炉の改良上の主眼となってい
る。

ところで、倍増時間を短縮するためには、増殖率を高く
すると共に、核分裂性物質の装荷量を少なくすることが
必要である。原子炉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（燃料要素の最大単位長出力）に
依存するので、同じ熱出力の炉心でも、出力分布が平坦
なほど炉７シ・体積は小さくてよく、一般に核分裂性物
質装荷量も減少する。従って、倍増時間は、出方分布が
平坦な炉心ほど短縮される。従って従来がら出刃分布の
平坦化を図る工夫が種々提案されてきだ。

例えば、第１図に示すように、炉心１の軸方向の中央付
近に天然ウランないし減損ウランを主材料とした円柱状
の内部ブランケット４を、径方向の炉心中央付近で厚く
、周辺付近で薄くなるように設けたものが開発された。

なお、第１図の２は径方向プランゲット、３は幅方向ブ
ランケットである。このものによると、炉心１の平均中
性子エネルギーが高く、炉心ｌでは核分裂性物質の中性
子捕獲反応の核分裂に対する比率が減少し、中性子の吸
収反応当りの発生数が大きくなる。一方、内部ブランケ
ット４では、炉心に比べると天然ウランないし劣化ウラ
ン等の原子数密度が高く、中性子平均エネルギーが低い
だめに、天然ウランないし劣化ウラ７等の核分裂反応率
は減少する。この内部ブランケットが軸方向中心付近に
置かれている結果、径方向出力分布は平坦化できる。

一方、軸方向出力分布は、炉心１の軸方向中心部に出力
密度が低くかつ反応度制置の小さい内部ブランケット４
があることにより、平坦化できる。

まだ、ナトリウムボイド反応度が小さいこと、及び炉心
の軸方向中心部に出力密度が低い内部ブランケットがあ
ることにより、安全性が向上する。

ところが、原子炉運転においては制御棒が挿入されるの
で、制御棒挿入により上記の軸方向出力分布の平坦性が
破れる。第２図を参照して、この点を説明する。

一般に、高速増殖炉の制御棒は炉心の上側から挿入され
、その挿入の深さは、余剰反応度の高い燃焼初期で最も
大きく、燃焼が進むにつれて減少し、燃焼末期で最小と
なる。燃焼初期から中期に半 おける制御棒を入状態では、制御棒の挿入された上部軸
方向ブランケットと内部ブランケットとの間の燃料領域
である炉心で、制御棒によって中性子が吸収されるだめ
に出力密度が下がり、逆に制御棒から離れた、内部ブラ
ンケットと下部軸方向ブランケットとの間の炉心で出力
密度が上がる。

従って、制御棒の挿入によって軸方向出力分布が大きく
変化する。このような欠点を回避して、炉心構成を決定
する際には、側倒棒挿入による軸方向出力分布の平坦性
が失なわれないようにする必要がある。

本発明の目的は、制御棒挿入時における軸方向出力の平
坦化による炉心性能の向上、とりわけ倍増時間の短縮化
が図れる核燃料要素及び重速増殖炉を提供することにあ
る。

本発明は、高速増殖炉炉上・の軸方向中上・付近に、天
然ウラン、劣化ウラン、低濃縮ウラン、あるいはプルト
ニウム富化度の低いウラン等のような核分裂性物質の富
化度が炉心燃料より低い炉心において、制御棒挿入時の
出力分布の歪みを抑えるために、制御棒が挿入される側
の炉心の富化度を相対的に高くしだものである。

以下、本発明の一実施例を第３図を参照して説明する。

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
であるが、これら以外の燃料、冷却材を使用した炉心に
も本発明を適用することは可能である。なお、以下では
説明の便宜上、制御棒は炉、シ・の上側から挿入される
として説明する。

まず、炉心構成を第３図によって説明する。円柱状の炉
心１を、燃料親物質を主成分とする径方向ブランケット
２及び軸方向ブランケット３が取り囲んでいる。この炉
心の軸方向中心付近に天然ウランないし劣化ウラン等を
主成分とする炉心径方向に拡がる円柱状の領域、即ち内
部ブランケット４を設けている。この内部ブランケット
４は、径方向の炉心中心付近で厚く、周辺付近で薄くし
ている。なお、５は制御棒である。炉心１の核分裂性物
質富化度（核分裂性物質量／（核分裂性物質量＋親物質
量））を制御棒が挿入される側（本図では上部）で尚＜
シたものである。この実施例では炉心中心より上部１ａ
の富化度が１５．３％、下部１ｂの富化度が１４３％で
ある。この炉心では、制御棒半挿入時に炉心上部と下部
の最大単位長出力（最大線出力密度）はほぼ一致する。

第　　１　　表 なお、炉心の設計パラメータおよび炉の運転条件は第１
表に示す通りである。すなわち原子炉熱出力は約２５０
０ＭＷ、電気出力は約１０１００Ｏ。

炉心径と炉心高は各々３２５ｃｒｒ＋、９５ｃｒｎであ
る。

燃料交換期間は１年、設備利用率は８０％、燃料交換パ
ンチ数は炉心、プラ／ケノト共に３とする。

定格最大線出力密度は４３０Ｗ／ｃｙｎＴある。内部ブ
ランクノド厚は中心付近で２２Ｃｒｎ、周辺部で１２Ｃ
ｒｎである。

核燃料要素における本発明の一実施例を第４図に示す。

構造は従来の核燃料要素と同一であり、燃料親物質を主
成分とする蝿方向プランケット燃料ペレット９で囲まれ
た上部炉心燃料ペレット６、内部ブランケット燃料ペレ
ット８及び下部炉心燃料ペレット７から成る。炉心燃料
ペレット６．７′はプルトニウムとウラン混合庁化物か
ら成り、上部炉心ペレット６の方が富化度が高い。内部
ブランケット燃料ペレットは天然ウランないし劣化ウラ
ン等を主成分とする。１１はガスブレナム、１２は被覆
管、１３は押えバネ、１０は端栓である。

以下では、この核燃料要素からなる燃料集合体で炉心が
構成されたときの効果について述べる。

その−？ｌＪとして、第３図の炉心構成に基づく効果に
ついて次に説明する。

径方向出力分布については、内部ブランケット４を径方
向の中心付近で厚く、周辺部で薄くしたことにより、次
の理由により平坦化きれる。炉心１の平均中性子エネル
ギーが高くなり、炉心では核分裂性物質の中性子捕獲反
応の核分裂に対する比率が減少し、中性子の吸収反応当
りの発生数が大きくなる。一方、内部ブランケット４で
は炉心１に比べると天然ウランないし劣化ウラン等の原
子数密度が高く、また中性子の平均エネルギーが低いた
め天然ウランないし劣化ウラン等の核分裂反応は減少す
るが、中性子捕獲反応率が増大し、核分裂性物質の生産
量が増大する。

次に軸方向出力分布を考察する。制御棒５を炉心上部か
ら挿入すると制御棒により中性子が吸収され、それに伴
い上部軸方向ブランケットと内部ブランケット間の上部
炉心１ａで核分裂性物質の核分裂反応は減少し、出力密
度が下がる。それに伴い、下部軸方向ブランケットと内
部ブランケット間の下部炉ｒ７２　ａでの出力密度が上
がり、軸方向出力分布の最大ピークが発生する。この出
力の最大ピークは、下部炉心１ｂの富化度を下げること
によって、抑制され、上部炉心１　、ａでの出力のピー
クと同程度となる。その結果、制御棒挿入時において、
軸方向出力分布は平坦化できる。

このような軸方向及び径方向出力分布の平坦化は増殖性
の向上、すなわち倍増時間の短縮が図れるものである。

つまり、炉心１の中性子エネルギーが高いこと、及び出
力分布の平坦性から炉心ｌとこれを囲む軸方向ブランケ
ット３、径方向ブランクノド２との境界の中性子束が高
い。そのために、上記ブランケット２，３への中性子の
漏洩量が増大し、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する。

なお、前記実施例では、炉心１の富化度は炉心軸方向中
心面を境として上下で変化させたが、これに限らず、第
５図に示すように中心面以外を境として変化させた場合
にも前記実施例と略同様の効果が得られる。特に、制唾
棒の挿入度が半挿入からずれている場合には有効である
。

第６図に示すように炉心を富化度の異なる４領域に分け
、それらの富化度は中央部で低く、軸方向ブランケット
に接する領域で高くシ、かつ炉心軸方向中心面を境にし
て上側で相対的に高くする。

例えば、第６図の炉心部の上から順に、つまり、ＩＣ，
ｌｄ、ｌｅ、１ｆ１７）富化度ケそれぞれ、１７．１％
、１３．５％、１２．６％、１６．０％とする。

果が得られる。

第７図乃至第１０図は内部ブランケットの形状を前記実
施例から変形させたもので前記実施例と略同様の効果が
得られる。

なお、前記実施例では内部ブランケットは天然ウランな
いし劣化ウラン等を主成分としたが、そのかわりに低濃
縮ウラン、あるいはプルトニウム富化度の低いウラン等
のようなし分裂性物質の富化度が低い燃料を使用しても
、また軽水炉の使用済燃料を加工した燃料物質、あるい
は高速増殖炉の使用済ブランケット燃料を加工した燃料
物質を使用しても前記実施例と略同様の効果が得られる
。

本発明の核燃料要素及び高速増殖炉しこよれば１、増殖
性、とりわけ軸方向出力分布平坦化によシ倍増時間の大
幅な短縮が可能となり、燃料経済上の効果大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示すもので、炉心縦断面図、第２図は
原子炉の軸方向出力分布を示す時性図、第３図は炉心構
成を示す縦断面図、第４図は核燃料要素の構成を示す図
、第５図乃至第１０図は本発明の他の実施例を示す炉心
の縦断面図である。 １・・・炉心、２・・・径方向ブランクノド、３・・・
軸方同ブランケット、４・・・内部ブランケット、５・
・・制御華由方向距彎径　　（ｃｔｙｉン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、濃縮ウランまたはプルトニウムを富化したウランを
   主体とした炉心燃料を燃料親物質を主成分とするブラン
   ケット燃料で上下を囲んだ燃料から成る核燃料要素にお
   いて、前記炉心燃料の中心付近に天然ウラン、劣化ウラ
   ン、低濃縮ウラン、あるいはプルトニウム富化度の低い
   ウラン等のような核分裂性物質の富化度が炉心燃料より
   低い内部プランケット燃料を装荷し、かつ前記炉心燃料
   の上下方向の富化度（核分裂性物質量／（核分裂性物質
   量＋親物質量））を制御棒が挿入される側で相対的に高
   くしたことを特徴とする核燃料要素。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記内部ブランケ
   ットに、天然ウラン、劣化ウラン等のかわりに、軽水炉
   の使用済燃料を加工した燃料物質を使用することを特徴
   とする核燃料要素。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記内部ブランケ
   ットに、天然ウラン、劣化ウラン等のかわりに、高速増
   殖炉の使用済プランケット燃料を加工した燃料物質を使
   用することを特徴とする核燃料要素。 ４、＃縮つランまたはプルトニウムを富化したウランが
   主要燃料として装荷されている円柱状の炉心を燃料親物
   質を主成分とする軸方向及び径方向プランケットで囲設
   してなる高速増殖炉において、炉心軸方向中心付近に天
   然ウラン、劣化ウラン、低濃縮ウラン、あるいはプルト
   ニウム富化度の低いウラン等のような核分裂物質の富化
   度が炉心燃料より低い物質から成る炉心径方向に拡がる
   円柱状の内部ブランケット領域を有し、かつ前記炉心の
   軸方向の富化度（核分裂性物質／（核分裂性物質＋親物
   質））を制御棒が挿入される側で相対的に高くしたこと
   を特徴とする 特許 ランケットに、初装荷時に核分裂性物質濃度をわずかに
   富化した燃料を装荷し、燃料交換時に天然ウランないし
   劣化ウラン等で置き換えていくことを特徴とする ６、特許請求の範囲第４項において、上記内部ブランケ
   ットに、軽水炉の使用済燃料を加工した燃料物質を使用
   することを特徴とする 特許 ランケットに、高速増殖炉の使用済ブランケット燃料を
   加工した燃料物質を使用することを特徴とする ８、特許請求の範囲第５項において、初装荷された燃料
   のうち後半で取出される燃料は内部ブランケットとして
   天然ウランないし劣化ウラン等を使用することを特徴と
   する