JPS603585A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、炉心とブランケットと制御棒または炉心と制
御棒を有する高速増殖炉に関するものである。

〔発明の背景〕

一般に原子炉は、原子炉起動時の出力上昇および定格出
力達成後の燃料の燃焼により、その反応度が失われる。

したがって、それらの反応度損失を補償するため、通常
は燃焼初期に原子炉に燃料を余分に装荷することによシ
反応度を大きくとり・所定の燃焼期間経過後に行なわれ
る燃料交換によって新燃料が炉心に装荷される壕での間
、反応度が下がシ過ぎて原子炉が停止することのないよ
うにしている。

一方・原子炉運転中は核暴走の起らないように・原子炉
をちょうど臨界に保つことが必要である。

そのため原子炉には中性子をよく吸収する物質を含んだ
制御棒が備えてあシ、これを炉心に挿入して余分な反応
度を減じ・原子炉がちょうど臨界になるようにしている
。

高速増殖炉の炉心には、燃料として核分裂性物質および
燃料親物質が装荷され、その形状は通常、円柱形状をし
ている。第１図および第２図は、その−例を示すもので
、第１図（ａ）は垂直断面図、同の）は水平断面図（６
０°断面）である。第２図は制御棒を挿入した状態を示
す垂直断面図である。

この炉心は内側炉心１１と外側炉心１２で示す濃縮度の
異なる炉心燃料領域と・これを取り囲む軸方向ブランケ
ット領域１３と径方向ブランケット領域１４とで構成さ
れ、上部の軸方向ブランケット側から制御棒が挿脱され
るようになっている。

高速増殖炉の制御棒は、この例のように炉心の上側から
挿入される（制御棒駆動機構も炉心の上側にある）場合
が多いが、その挿入深さは原子炉起動時が最も大きく、
定格出力達成後、燃焼が進むと共に減少し、燃焼末期で
最小となる。

従来の原子炉炉心では定格出力達成後の燃焼初期に、は
ぼ燃焼による反応度損失を補償するに足る反応度価値を
持つ燃料が装荷されると同時に、その反応度の余剰分を
減殺するための制御棒が挿入されている。この場合、制
御棒による強い中性子の吸収があるため、制御棒に隣接
する燃料領域の出力密度は、炉心の平均出力密度（定格
出力運転中は、はぼ一定）よシ大幅に小さいが、制御棒
から離れた燃料領域では、逆に出力密度が大きくなる。

この制御棒挿入による出力分布の歪の度合は、制御棒吸
収物質の濃度に大きく依存し、高濃度の中性子吸収物質
を使うほど、出力分布の歪は大きくなる。

原子炉から取り出し得る出力は、燃料の最大出力密度に
依存するので、出力分布を可能な限り平坦化することが
重要である。制御棒の構成あるいは挿入パターンを決定
する際は、制御棒挿入状態における最大出力密度が、炉
心構造材の熱的制限に基ずく許容値を越えないようにす
ることが必要である。

また、燃焼初期の反応度余剰分が大きいと、核分裂性物
質装荷量が増大し・燃料濃縮度も高くなる。核分裂性物
質装荷量および燃料濃縮度は、炉心特性とりわけ燃料増
殖特性向上の観点から低いほどよく、従って燃焼初期の
反応度余剰分を可能な限り小さくすることが必要である
。

第２図に示した高速増殖炉（従来例の）の場合。

燃焼による反応度損失を燃焼初期の余剰反応度だけで補
償している。その結果、燃料装荷量が多く鬼なり、また
炉心に挿入する中性子吸収物質も高濃縮となるため、出
力分布の歪が一層大きくなるという問題がある。

燃焼初期の反応度余剰分を低減するための方策として、
次の公知例がある。これを第３（ａ）図に示す。この高
速増殖炉（従来例■）の構成は、制御棒１５を除けば、
第２図の例と同様であり、内側炉心、外側炉心および外
部ブランケットから成っている。制御棒には、通常の中
性子吸収物質領域１６の下側に中性子を増倍する物質（
濃縮した核分裂性物質が主成分）領域１７が付加されて
いる。

この高速増殖炉の場合、燃焼による反応度損失の補償は
、燃焼初期の余剰反応度だけでなく、制御棒に付加した
、前記中性子増倍物質領域の炉心への挿入反応度によっ
ても行なう。すなわち、（燃焼による反応度損失）＝（
燃焼初期の余剰反応度）十制御棒に付加した中性子増倍
物質領域の反応度） であるから、従来例■と比べると、燃焼による反応度損
失が等しければ、従来例■の方が燃焼初期の余剰反応度
は小さくなり、炉心部に限れば核分裂性物質装荷量は少
なくてよい。従って、燃焼初期に挿入される中性子吸収
物質濃度は低くてよいと期待される。

ところが、従来例■では、制御棒に付加した核分裂性物
質まで考えると、全体の核分裂性物質装荷量は、従来例
■より大きくなるという問題があるＯ また、従来例■で中性子吸収物質領域が、中途挿入の状
態（従って、中性子増倍物質も中途挿入状態にある。第
３図（ｂ）参照）を考えると、この場合、制御棒を取り
囲んでいる炉心燃料集合体の軸方向出力分布の平坦性は
、従来例のと比べて必ずしも改善されない。これは、中
性子吸収物質領域の周囲では中性子束が低くなるのに対
し、制御棒に付加された中性子増倍物質領域の周囲では
中性子束が高くなるので、炉心軸方向の出力分布の平坦
性が損なわれるためである。

また、制御棒に付加する核分裂性物質として・プルトニ
ウム（主としてｐ　ｕｍ８０　）を使用した場合、プル
トニウム取扱い上の問題（作業員が直接１手で扱えない
）が生じ・製造工程を複雑化する要因となる。

〔発明の目的〕

本発明は、このような制御棒挿入時の出力分布の歪を小
さくし、出力分布の平坦性の維持を容易にすると共に、
燃焼初期の過剰な燃料装荷計も低減させる（即ち反応度
余剰分の低減）ことが可能な高速増殖炉を提供すること
を目的としている。

〔発明の概要〕

本発明に基ずく高速増殖炉は、従来と同様、炉心、ブラ
ンケットおよび制御棒を有するが、制御棒が炉心４１１
１方向に分割された。制御棒駆動機構に近い第１の領域
と、遠い第２の領域より成る。第１の領域には中性子吸
収物質が装荷される。第２の領域には燃焼初期で中性子
無限増倍率（ｋ−）が１より小さく、中性子のよい吸収
体であるが、ある程度燃焼が進むとｋｏｏが１より大き
くなり、中性子を増倍するような物質（例えば、ウラン
２３８、トリウム２３２等の燃料親物質）と、中性子を
減速する物質（例えば炭素、べＩＪ　ＩＪウム等）とが
混在して装荷されるものである。

〔発明の実施例〕

実施例を第４図に示す。本発明の基本原理は、中性子吸
収物質領域に付加した上記混在物質領域中の燃料親物質
が燃焼初期では中性子吸収材、燃焼末期になるほど中性
子増倍材となること、およびその中性子吸収材から中性
子増倍材への転換がこの領域内の中性子スペクトルを軟
化する減速材の存在により促進されることに着目したも
のである。

第４（ａ）図は、燃焼初期であり、制御棒は中性子吸収
物質領域が１００チ挿入、これに付加した上記混在物質
領域が炉心の下側に舒かれた状態になっている。第４（
ｂ）図は、燃焼中期を示し、制御棒は中性子吸収物質領
域と上記混在物質領域が、夫々、一部分だけ挿入されて
いる。第４（Ｃ）図は、燃焼末期を示し・制御棒は上記
混在物質領域が１００チ挿入され、中性子吸収物質領域
は炉心上方に引き抜かれている。　１ 第４（ｂ）図のように、制御棒が中途挿入されている場
合でも、上記混在物質は燃焼のあまり進まない間は中性
子吸収材となるから、従来例■でみられた顕著な出力分
布の歪は小さくなる。また、燃焼が進むにつれて、この
混在物質領域では燃料親物質が中性子を吸収して核分裂
性物質に転換されてゆくので、この領域は徐々に中性子
増倍材としての性質を示すようになるが・この頃になる
と。

中性子吸収物質領域は炉心の上方に大部分が引抜かれて
いるから、従来例■でみられたような出力分布の平坦性
が損なわれることはない。

上記混在物質中の減速材の占める体積は、全炉心体積の
高々４ｑ６（電気出力１０１００Ｏクラスの高速増殖炉
の場合）であり、これが炉心特性に及ぼす影響は無視で
きる大きさである。

電気出力１０１００Ｏのナトリウム冷却型高速増殖炉を
対称として、本発明と従来例との比較を次に示す。第５
図、第６図および第７図は、夫々従来例■、従来例■、
および本発明における炉心軸方向の出力分布を示したも
のである。いずれも燃焼初期に、制御棒の中性子吸収物
質領域を５０チ挿入とし、これに付加された中性子増倍
物質領域（従来例■の場合）、あるいは上記混在領域（
本発明）も５０チ挿入した状態を考えた。この状態で、
出力ビーキング係数（最大出力密度／平均出力密度）は
最大となる。第８図は２本発明による２分割型制御棒に
おける減速材と燃料親物質の混在例を示したものである
。

第１表　制御棒の必要反応度（係Δｋ）Ａ：燃焼反応度 Ｂ：燃焼途中での挿入反応度 Ｃ：燃焼初期余剰反応度 第２表　制御棒反応度価値（チ△ｋ） 第３表　中性子吸収物質濃度（％） 第１表には、本発明および従来例■、■に対する制御棒
の必要反応度を示した。また、第２表と第３表には、各
々に対する制御棒反応度価値の内訳および中性子吸収物
質の濃縮度を示した。

第６図〜第９図より、軸方向出力ビーキング係数を比較
すると、従来例■で１．３２１．従来例ので１．３１６
１本発明では１．２７９である。本発明の方が従来例よ
り、約０．０４減少し、制御棒挿入時の出力分布の平坦
性の維持を容易に打力うことができる。

炉心特性の比較を第４表に示す。

第４表　炉心特性の比較 従来例■では、制御棒に中性子増倍物質として炉心燃料
を付加したため、トータルの核分裂性物質装荷量は、従
来例のより増大する。ただ、炉心燃料の濃縮度が低くな
るため、燃料の増殖性では、従来例■よりすぐれている
。

本発明に基ずく炉心では、従来例■のように余分の核分
裂性物質が不要であるため、核分裂性物質装荷量は最小
となり、増殖性および出力分布平　１坦性においても、
従来炉心を上回っている。

第９図は１本発明の別の実施例である。同図（ａ）。

（ｂ）、（Ｃ）は、夫々燃焼初期、中期および末期に対
応し、制御棒１５は、燃焼が進むにつれて引抜かれてゆ
く。基本的な構成は、前記の実施例と同様であるが、こ
の実施例では、中性子吸収物質領域１６に付加した燃料
親物質と減速材の混在領域１８において、減速材の濃度
を炉心軸方向に変化させていることが特徴である。この
場合、減速材の濃度分布は、中性子吸収物質領域に近い
ほど高くするのがよい。これは、制御棒が徐々に引抜か
れてゆくとき、中性子吸収物質領域に近い側の混在物質
はど早く炉心内に引き上げられるため、この領域の減速
材の濃度を高くすることにより、燃料親物質から核分裂
性物質への転換を加速することができるからである。ま
た・混在物質領域の下端に近い領域は、かなシ燃焼が進
んでから炉心内に引き上げられるので、燃料親物質から
核分裂性物質への転換が十分進んでいるので、この領域
の減速材濃度は低くてよい。

第１０図に、本発明による２分割型制御棒の構造と減速
材・親物質混在領域における、混在パターンの１実施例
を示す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明による高速増殖炉では、制
御棒挿入時の出力分布の歪を極小化し、出力分布の平坦
性の維持を容易に行なうことができるとともに、燃料装
荷量を低減させ、さらに増殖性向上を図ることが可能で
あり、産業上の効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）とΦ）は従来の高速増殖炉の炉心の垂直断
面図および水平断面図、第２図は、同じく制御棒を挿入
した状態を示す垂直断面図、（従来例の）。 第３図（ａ）、（ｂ）は従来の高速増殖炉炉心の垂直断
面図（従来例■）、第４図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）
は本発明の高速増殖炉炉心の垂直断面図、第５図は従来
例■の軸方向出力分布を表わす線図、第６図は従来例■
の軸方向出力分布を表わす線図、第７図は本発明の軸方
向出力分布を表わす線図、第８図（ａ）は本発明の２分
割型制御棒の構造を示し、Φ）は制御棒用ビンに、おけ
る中性子吸収材領域、減速利と燃料親物質の混在領域を
示す構成図、第９図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）は本発
明の他の実施例の高速増殖炉炉心の垂直断面図、第１０
図（ａ）は本発明の２分割型制御朴の構造を示し、（ｈ
）は制御棒用ビンにおける中性子吸収材領域、減速材と
燃料親物質の混在パターンの一実施例を示す構成図であ
る。 １・・・制御棒ラッパー管、２・・・制御棒用ピン、３
・・・第　ｌ　目 第　２　図 第　３　図 （０−） １５　（ｂ） 第　４　図 （ｂ） ＝」且止 第　５　口 かＩヒ旦が旨からの正崗象（Ｃ列〕 第　６　目 人大Ｉじ且ｉ島からのｘｈ＃＜ｃ列っ 第　７　凶 幻勺し、ｌ：を都ケらの距酷（Ｃ孕〕 第　８　図 （α）　（ｂ） 第　９　目 （Ｆ）） （Ｃ，） 第　７０　図 （α）（ｂ） 手続補正書（方式） ％式％ 事件の表示 昭和５８年特許願第　１１０７９２　号発明　の名　称
　高速増殖炉 補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称＋５１０＋株式会社　日　立製イ乍所代　理　人 居　所（〒１００）東京都千代田区丸の内−丁目５番１
号補正の　内容　別゛紙゛の通り（・第１図（ａ）　、
　（ｂ）　）４６７− 第　ｌ　図 （０−） （シ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、炉心とブランケットと制御棒、あるいは炉心と制御
   棒とをセ°する高速増殖炉において、前記制御棒が炉心
   軸方向に分割された、制御棒駆動機械に近い第１の領域
   と、遠い第２の領域より成り、第１の領域には中性子吸
   収物質が、第２の領域には中性子減速物質、および燃料
   親物質のような燃焼初期では中性子吸収材であるが、燃
   焼が進むにつれて中性子増倍材になる物質が混在して装
   荷されていることを特徴とする高速増殖炉。