JPS62159091A - スペクトルシフト原子炉を運転する方法および水置換クラスタを用いる原子炉 - Google Patents

スペクトルシフト原子炉を運転する方法および水置換クラスタを用いる原子炉

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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】 産業上の利用分野 本発明は、軽水によって減速かつ冷却される原子炉に関
し、又、実質的に熱中性子のエネルギースペクトルをも
つ段階の前に、核燃料の反応度が高い間は「硬化した」
中性子のエネルギースペクトルをもつ第１段階を含むシ
ーケンスでかかる炉を運転する方法に関する。
先行技術 フランス特許第２５３５５０９号は、軽水に沈められ、
一定時間（炉の運転サイクルに相当する）ごとに少な（
とも部分的に交換される燃料集合体によって形成された
炉心を含み、軽水によって減速かつ冷却される原子炉の
運転方法を記載している。炉心での減速材の体積と核分
裂性物質の体積との比率を小さくするために、運転サイ
クルの第１段階中、低エネルギー中性子を吸収する物質
のバーが炉心に導入されて中性子のエネルギースペクト
ルを変え、中性子のエネルギースペクトルを高いエネル
ギーに向かってシフトさせる。スペクトルシフトバーは
、サイクルの第２段階中は取り出される。
スペクトルシフトバーの物質は、中性子の作用によって
分裂性核に変換され親核を含む。かかる物質は、Ｕ２３
５減損酸化ウランであるのがよい。
親ウラン２３８の核が中性子を捕獲することによってプ
ルトニウムが生じるが、このプルトニウムは、スペクト
ルシフトバーを再処理することによって抽出することが
できる。バーは、サイクルの第１段階中は炉の炉心の中
に留まっているに過ぎず次いで炉の上側内部へ取り出さ
れるので、運転サイクルに続く無負荷即ち第１段階の時
のバーの平均照射は、燃料集合体の平均照射よりはるか
に小さい。従って、バーに含まれるプルトニウムは、燃
料から得られるプルトニウムよりはるかに良い質をもつ
。これは、多量のＰｕ２３９と、「連鎖端同位体」と呼
ばれる小量の同位体例えばＰｕ２４１およびＰｕ２４２
とによって代表される。その結果、フランス特許２５３
５５０９号に記載された運転方法、増殖を引き起す可能
がある。化学抽出プラントの建設が、同位体分離プラン
トの建設よりも技術的かつ経済的な問題を引き起すこと
がはるかに少ない。
親物質として、減損ウランの代わりにトリウムを用いる
ことによって、実質的に同じ問題が起こってくる。なぜ
ならば、中性子を吸収する際、トリウム２３２は、核分
裂性で、かつ、化学的抽出によりこのトリウムから分離
することができるウラン２３３を生じるからである。
発明の概要 本発明の目的は、運転サイクルの第１段階中、中性子反
応に悪影響を及ぼすことなく、炉心内の減速用水の量を
少なくするために親物質を含むバーを用いてスペクトル
シフト炉の運転と関連して起こる増殖の危険を小さくす
ることである。この目的のために、フランス特許第２５
３５５０９号に記載されている種類の方法であって、ス
ペクトルシフトバーの親物質が、トリウムと減損ウラン
との混合物を含み、ウランとトリウムの総量に対するウ
ランの割合を代表的には２重量％乃至２０重量％にした
ことを特徴とする方法を提供する。
実際上、減損ウランは、通常、約０．２％の残留Ｕ２３
５の含有量を有する燃焼済の核燃料を再処理することに
よって得られ、これに対して、燃料集合体に含まれる物
質は、ウラン２３５が４．２重量％にまで濃縮されたウ
ランである。天然の含有量よりほんのわずか多いＵ２３
５の含有量を有するウランを用いることを可能にするた
めにウラン２３５の一部を、プルトニウムで置き換えて
も良い。ウランとトリウムは、物理的に分離することが
できないようにバーの中で完全に混合されなければなら
ない。このことは、ウランとトリウムの酸化物の完全な
混合物を焼結することによって得られるペレットを用い
ることによって達成される。
ウラン２３８とトリウムは混合されているので、核分裂
性同位体Ｕ２３３を照射済親物質から化学的に分離する
ことはできない。スペクトルシフトバーのウラン含有量
がより少ないときには、バーのプルトニウム２３９の自
己遮蔽が大変小さくなるから、Ｐｕ２４０およびＰｕ２
４２の比率が高くなるために代表的な照射率後に得られ
るプルトニウムは、質が落ちる。一般的にそれは、親物
質の減損ウランの含有量を約１０％まで減らすことで十
分になる。しかしながら、プルトニウムの質をさらに劣
化させたければ、減損ウランの含有量をより低い水準、
例えば５％又はそれ以下まで減らすのがよい。５％の含
有量では、残留ウラン２３８に対するウラン２３３の割
合は、プルトニウムの質がもはや増殖問題を引き起さな
いほど小さいままである。
本発明によれば、上述した方法を実行するための炉をも
提供する。この炉では、スペクトルシフトバーがそれぞ
れ、燃料集合体の案内管の中を移動できる棒の束によっ
て形成され、各棒は、Ｕ２３５減損ウランとトリウムの
混合物によって形成された親物質を含み、このとき、：
ｌ＃、損ウランの含有量は２０％以、下である。減損ウ
ランのパーセンテージは、異なるパラメータ、特に、ス
ペクトルシフトバーの取出し前の照射率、バーに用いら
れるウランの減損量、および所望のプルトニウムの劣化
に応じて選択される。
本発明は、例示として与えられる特定な実施例の以下の
説明、および先行技術との比較からさらによく理解され
るのであろう。
本発明を、加圧木型原子炉に適用するものとして説明す
るが、この加圧木型原子炉は、フランス特許第２５３５
５０８号に記載された一般構造を有するのがよい。かか
る炉の炉心は、下側炉心板に載る並置した燃料集合体か
らなり、燃料集合体の上に上側内部が設けられている。
各燃料集合体は、間隔を隔てていて、かつ、規則的な配
列をなして置かれた燃料棒の束を含む。この規則的な配
列は、正方形又は三角形であるのがよい。第１の場合に
は、集合体は正方形断面を有し、第２の場合には六角形
断面を有する。配列のいくつかの節点では、燃料棒は案
内管で置き換えられ、案内管は制御クラスタかスペクト
ルシフトクラスタのどちらかに属する棒を摺動自在に受
は入れる。各クラスタは「バー」を構成している。クラ
スタは、棒が炉心に挿入される位置と、棒が炉の容器の
ふたを貫ぬいて突出する加圧管の中に配置された制御機
構によって上側内部にある位置との間を移動することが
できる。代表的な実施例では、燃料集合体のいくつかだ
け（フランス特許 第２５３５５０８号では２つのうちの１つ）が制御クラ
スタとスペクトルシフトクラスタの両方を有する。他の
集合体の案内管はプラグで閉鎖される。制御機構は、フ
ランス特許第２５３７７６４号に記載されたものである
のがよい。２つのうち１つの燃料集合体だけがクラスタ
を備えているから、必要とされる挿入数は著しく減少さ
れる。
制御クラスタの棒は中性子毒物質を含み、この毒物質は
、中性子の放出および核分裂性物質の形成をしない高い
寄生中性子吸収断面を有する物質である。他方、スペク
トルシフトバーの棒は、高い割合の同位体を含んだ親物
質を含み、この同位体は中性子を吸収する際に核分裂性
同位体に変換される。
フランス特許第２５３５５０９号は、かかる炉の運転方
法を記載している。燃料棒はウランを含むが、このウラ
ンのＵ２３５（又はＰｕ）の濃縮は、中性子が熱中性子
であるような減損率であるときに炉心が臨界に必要な反
応度を実質的に越える反応度を有するような濃縮である
。各々Ｕ２３５Ｎ損酸化ウランを含む棒のクラスタによ
って形成されたスペクトルシフトバーは運転サイクルの
第１段階中は炉心の中に保持され、次いで、第２段階の
開始時に取り出される。
次いで、もし燃料棒に含まれる燃料が、初めにＵ２３５
の４．２重量％まで濃縮された酸化ウランであり、これ
に対してスペクトルシフトクラスタが０．２％のＵ２３
５含有量を有する酸化ウランを含むとすると、クラスタ
を取出す際の親物質の照射率は約１００００ＭｌＩＤ／
Ｔ　　（メガワット・日／メトリック・トン）である。
Ｕ２３８の核の最初数とＰｕ２３９の核の数との比率は
約０．７％である。
燃料物質の最終状態における重い核の総数のパーセンテ
ージとして表わされる照射後の同位体の組成は以下のと
おりである。
表■ Ｐｕ２３９の割合が高いプルトニウム（化学工程でウラ
ンから分離できる）が形成されていることがわかる。
本発明の観点によれば、プルトニウムの質は、代表的に
は酸化物の形のウランとプルトニウムの混合物である親
物質を用いて、同位体２３９を犠牲にして「連鎖端」２
４１および２４２のプルトニウム含有量を増大させるこ
とによって劣化される。スペクトルシフトクラスタは２
５０００ＭＷＤ／　　　−Ｔの平均照射量後に取り出さ
れるが、親クラスタの組成のこの変更はかかる照射後燃
料の特性を目立つ程度化させないことを指摘しておくこ
とは重要である。しかし、親物質の同位体の組成は変更
される。親物質が０．２％Ｕ２３５含有量を有する酸化
ウランと酸化トリウムとの混合物で形成されているとき
には、親物質の１００００ＭＨＤ／Ｔの照射率後の同位
体の組成は以下のとおりである。
表■ Ｐｕ２３９の専有量は今や６５．２％に過ぎない。
対照的に、Ｐｕ２４１とＰｕ２４２を足し合わせた含有
量は１４．４％（表■）から２１．２％に増大している
。逆説的に言えば、Ｐｕ２４１のパーセンテージの増大
に不都合はない。なぜなら、Ｐｕ２４１は、高い吸収断
面を存する有毒物質である娘核種Ａｍ２４１に徐々に変
換されるからである。そのことによって、将来の使用の
ためにプルトニウムを長期間貯蔵することはできない。
燃料棒から抽出することができるプルトニウムの量は、
Ｐｕ２３９乃至Ｐｕ２４１の数と最初の重い核（Ｖ、Ｔ
ｈ）の数との比率が０．８％から０．２％へと低くなる
ために相当減少することがさらにわかるであろう。
減損ウランの含有量をさらに少なくすることによってプ
ルトニウムの劣化を増大させることができる。
かかる劣化に不利はなく、減損ウランの含有量が減少す
ることでウラン２３８の自己防護が減少し、対照的にＵ
２３８からＰｕ２３９への変換率が増大するから、ます
ますかかる劣化に不利はない。
減損ウランだけを用いるとき、上記の例では、Ｕ２３８
からＰｕ２３８への変換率のパーセンテージは０．７％
の代わりに１．９％に達する。
最後に、スペクトルシフトバーに含まれるウランの核分
裂性同位体（主としてＵ２３３）の量は、増殖のいかな
る危険を生じないほど小さいままであることがわかるで
あろう。
上記の比較は、概ね炉心での２つの次々のサイクル中に
受けた中性子フラックスに略相当する照射率が約１００
００ＭＷＤ／Ｔの減損ウラン（表■）又は減損ウランと
トリウムの混合物（表■）からなる親物質に関するもの
である。
照射率が１０００　ＭＷＤ／Ｔのとき、親物質の２種類
のプルトニウム同位体の組成は以下のとおりになる。
表■ 親物質がトリウムと減損ウランの混合物からなるならば
、より少ない減損ウラン含有量はＵ２３８の自己防護を
小さくする利点を有し、それによって、Ｕ２３８からＰ
ｕ２３９への変換率を大きくし、Ｐｕ２３９の劣化を加
速する。その結果、低い照射率では減損酸化ウランから
なる親物質と比較すると、Ｐｕ２３９の含有量は９１．
７９％から８５．６４％へと小さくなり、Ｐｕ２４１お
よびＰ２４２の含有量は１．７２％から４．８５％へと
増加していることがわかる。次いで、プルトニウムの劣
化は増殖を回避するほどに速い。
実際問題として、本発明を実施するのに適する減損ウラ
ンの最小含有量は、スペクトルシフトバーのＵ２３３／
Ｕ２３８の同位体比が十分に小さくなるのに必要な量で
ある。減損ウランの含有量は代表的には２％を越えるべ
きである。
さらに、スペクトルシフトバーは、第１段階の全時間と
比較して短い時間の第１段階の最初９部分中に炉心の過
剰な反応度を吸収するために、少量の燃焼可能な毒物質
を含むのがよい。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）軽水に沈められ、炉の運転サイクルに相当する一
    定時間ごとに少なくとも部分的に交換される燃料集合体
    によって形成された炉心を含む軽水型減速冷却原子炉の
    運転方法であって、炉心での減速材の体積と核分裂性物
    質の体積との比率を小さくするために、サイクルの第１
    段階中、低エネルギー中性子を吸収する物質を含むバー
    が炉心の中に維持されて中性子エネルギースペクトルを
    硬化させ、かつ、前記バーは集合体の交換前同じサイク
    ルの第２段階中は取り出される方法において、スペクト
    ルシフトバーの親物質はトリウムと減損ウランとの混合
    物であることを特徴とする運転方法。
  2. （２）ウランおよびトリウム含有量全体に対するウラン
    含有量の比率（Ｕ／Ｕ＋Ｔｈ）が、５重量％乃至２０重
    量％であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
    に記載の運転方法。
  3. （３）ウラン含有量が約１０重量％であることを特徴と
    する特許請求の範囲第（２）項に記載の運転方法。
  4. （４）減損ウランが、０．２％の残留Ｕ２３５含有量を
    有し、これに対して燃料集合体に含まれる物質はウラン
    ２３５に関し４．２重量％まで濃縮されたウランである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項乃至第（３
    ）項に記載の運転方法。
  5. （５）軽水に沈められ、かつ、炉の運転サイクルに相当
    する一定時間ごとに定期的に交換されるようにされた燃
    料集合体からなる炉心と、炉の運転を制御するための炉
    心に出入れ可能な制御バーと、炉心に挿入されて水を炉
    心から置換する位置と炉心の上のもう１つの位置との間
    を移動可能なスペクトルシフトバーとを含む炉において
    、各スペクトルシフトバーは燃料集合体の案内管の中を
    移動できる一束の棒を含み、各棒は、Ｕ２３５減損ウラ
    ンとトリウムとの混合物を含み、減損ウラン含有量は、
    ２０重量％より少ないことを特徴とする炉。
  6. （６）ウランとトリウムとは、混合されたウランおよび
    トリウムの酸化物のペレットの形になっていることを特
    徴とする特許請求の範囲第（５）項に記載の炉。
  7. （７）前記スペクトルシフトバーの各々は、棒が炉心に
    挿入される下位置と棒が炉の上側内部にある位置との間
    で燃料集合体の案内管の中を摺動できる棒のクラスタに
    よって形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
    第（５）項に記載の炉。
  8. （８）炉心の２つの燃料集合体のうち少なくとも１つの
    燃料集合体が、制御クラスタとスペクトルシフトクラス
    タの両方を備えていることを特徴とする特許請求の範囲
    第（７）項に記載の炉。
JP61315911A 1985-12-30 1986-12-27 スペクトルシフト原子炉を運転する方法および水置換クラスタを用いる原子炉 Expired - Lifetime JPH0658420B2 (ja)

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