JPS62161082A - 高速増殖炉の炉心 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高速増殖炉の炉心に係り、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の炉心に関する。

［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
心の周囲を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。炉心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Ｓ１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、特開昭５
８−２２３７８１号公報に記載のような、同字型炉心と
呼ばれる炉心概念が考案された。同字型炉心は、炉心の
軸方向中心部に炉心半径方向に円盤上に広がる低富化度
領域を設置し、軸方向及び半径方向の出力分布平坦化を
図ったものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来技術は、燃料の燃焼が進んだ時
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、従来技術の炉心領域の各領域での中性
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を、富化
度を変化させ、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。燃焼によって、核分裂性物
質密度が、炉心内側の低富化度領域で増大し、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
焼度が約１２００Ｗｄ／ｌと高くなると中性子無限増倍
率の領域間の差が小さくなり、出力分布平坦化機能が半
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いので、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、隣接して流れる冷却材に温度差が生じ
（サーマル・ストライビング）、炉心上部構造が周期的
な熱衝撃を受け、その寿命が短縮されるという問題点も
生じる。

本発明の目的は、上記従来技術に比べて燃焼による出力
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、炉心領域
が炉心内部領域とそれを取り囲む炉心外部領域を有し、
核分裂性物質を富化した燃料物質を有する炉心内部領域
が、軸方向に炉心領域の高さより小さい厚さを持ちしか
も半径方向の幅が炉心領域の半径方向の幅よりも小さく
、炉心内部領域の体積を炉心領域の体積の３０〜５０％
とするとともに、この炉心内部領域における単位体積当
りの燃料物質のＪよを、炉心外部領域における単位体積
当りの燃料物質の景の７０〜９０％にした構成としてい
る。

［作用］ 第３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。内側領域と
外側領域との中性子無限増倍率の差は燃焼度によらずほ
ぼ一定であり、これによって各領域の中性子洩れの効果
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。

［実施例］ 以下、本発明を実施例に従って説明する。第１図は１本
発明の第一の実施例である高速増殖炉の炉心を示してい
る。高速増殖炉の炉心は、炉心領域と、炉心領域を取り
囲むブランケット領域とを有している。炉心領域は、軸
方向中心部に円盤状に配置された内側炉心１とそれを取
り囲んでいる外側炉心２とで構成される。図中３，４は
、ブランケット領域を構成する径方向及び軸方向ブラン
ケットである。軸方向ブランケット３及び炉心領域に装
荷される燃料集合体は、同一形状であって同じ本数の燃
料ピンを有している。従来の同字型炉心と異なる点は、
内側炉心１と外側炉心２とではプルトニウム富化度は同
一であるが、燃料物質の密度が異なることである。すな
わち、内側炉心１での燃料物質の密度は外側炉心２の燃
料物質の約８０％となっている。これを実現するために
、ここでは炉心内に装荷された燃料集合体の内側炉心１
の部分における燃料ペレットの密度を、燃料集合体の外
側炉心２の部分における燃料ペレットの密度よりも小さ
くしている。すなわち、炉心内に装荷された燃料集合体
の内側炉心１の部分における軸方向の単位長さ当りの燃
料物質の駄は、燃料集合体の外側炉心２の部分における
軸方向の単位長さ当りの燃料物質の歇よりも少なくなっ
ている。このような炉心構成においては、内側炉心１の
体積を炉心領域の体積の３０〜５０％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。

次に、本実施例による炉心領域の径方向出力分布変動特
性を計算した結果を説明する。本実施例における高速増
殖炉の炉心の設計パラメータおよび運転条件を第１表に
示した。即ち、原子炉熱出力は約２６００ＭＷ、電気出
力は約１０１００Ｏ、等価炉心径と炉心高さは夫々３０
０ｃｍおよび１２０ｃｍである。軸方向及び径方向ブラ
ンケット厚は、それぞれ２５ｃｍ及び３０ｃｍである。

燃料交換間隔は１５ケ月、設何利用率は８０％、燃料交
換バッチ数は炉心領域及びブランケット領域共に３とす
る。

上記炉心設計パラメータを用いて計算した本実施例の炉
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、従来の同字
型炉心（内側炉心１と外側炉心２とで燃料密度は一定の
まま、プルトニウム富化度に持たせた炉心）に対する結
果も第７図に示す。これらの結果から明らかなように、
本実施例の炉心では、従来炉心に比べて径方向出力分布
の変動割合が最大約１５％から約１０％に低減されてい
る。その結果、サーマル・ストライビング第１表　主要
設計パラメータ 項　　　　目　　　　　　　　　　　　　仕　　　様原
子炉熱出力　（ＭＷ）　　　　　　約２６００炉心径／
高　（（１ｍ）　　　　　　　３００／１２０ブランケ
ット厚さ　　（ＣＭ） （径方向／軸方向）　　　　　　　　３０／２５炉心体
積　（Ｑ）　　　　　　　　　　　８６００組成体積比
　（％） （燃料／冷却材／構造材） 炉心、軸方向ブランケット　　４０／３６／２３径方向
ブランケツト　　　　　５０／３０／１９燃料 （炉心／ブランケット）　　　　　ＰｕＯ□−ＵＯ７／
減損ＵＯ□ 燃料スミア密度　（％ＴＤ） 高密度領域、軸方向ブランケット　　９２低密度領域　
　　　　　　　　　　　７４径方向ブランケツト　　　
　　　　　９５燃料交換間隔　（月）１５ 稼働率（％）　　　　　８０ 燃料交換バッチ数　　　　　　　　　　３の問題が緩和
される。また、運転時の最大線出力密度が約３％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３％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。

第４図に示す第２の実施例は、さらに、出力分布を平坦
化するために領域形状の適正化を図ったもので、内側炉
心１は炉心領域の半径方向中心付近で厚く１周辺で薄く
なっている。この内側炉心１の直径は、厚い部分Ｄ１が
炉心領域直径Ｄ３の０゜６倍、薄い部分Ｄ２が炉心領域
直径Ｄ３の０．８倍になっている。また、低密度領域の
厚さは炉心中央部Ｈｌが炉心領域高さＨ３の０．７５倍
、炉心周辺部Ｈ２が炉心領域高さＨ３の０．５倍になっ
ている。内側炉心１の体積は炉心領域の体積の約４０％
である。このような炉心構成にすると燃焼期間を通じて
出力分布は第１図の炉心よりさらに平坦化され、最大線
出力密度の低減が可能になる。

この他に、制御棒が炉心上端部から挿入されることを考
慮し、制御棒挿入による出力分布の歪みを軽減するため
に、低密度領域である内側炉心１を炉心領域の中心軸方
向中央部より下へ配置することも考えられる。第３図に
示す実施例がその一つである。

以上の実施例では、領域間で燃料物質の密度に違いを持
たせるために燃料ペレットの焼結密度に違いを持たせた
。上記以外の方法として、内側炉心１で燃料体積比を小
さくするために、内側炉心１に中空ペレットを充填して
外側炉心２には中実ペレットを充填すること（炉心内に
装荷された燃料集合体の内側炉心１の部分における燃料
ペレットを中空ペレットに、燃料集合体の外側炉心２の
部分における燃料ペレットを中実ペレット）、及び内側
炉心１に外径の小さな燃料ペレットを充填して外側炉心
２には外径の大きな燃料ペレットを充填すること（炉心
内に装荷された燃料集合体の内側炉心１の部分における
燃料ペレットの外径を、燃料集合体の外側炉心２の部分
における燃料ペレットの外径よりもちいさくする）こと
が考えられる。これにより、炉心内に装荷された燃料集
合体の内側炉心１の部分における軸方向の単位長さ当り
の燃料物質の量は、燃料集合体の外側炉心２の部分にお
ける°軸方向の単位長さ当りの燃料物質の）−二よりも
少なくなる。また、内側炉心１では酸化物燃料を、外側
炉心２では金属燃料あるいは炭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。

発明の詳細 な説明したように、本発明の炉心では、従来の同字型炉
心に比べ、１）運転時の出力分布変動が約２／３に低減
でき、炉心上部機構に対するサーマル・ストライビング
の効果が緩和される。２）運転時の最大線出力を３％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３％削減できる。

【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縦断面図、第
２図および第３図は炉心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、第５図
は本発明の第２、第３の実施例を示す炉心縦断面図であ
る６また、第６図、第７図はそれぞれ本発明に〕ルづく
炉心および従来の同字型炉心の径方向出力分布を示す特
性図である。また、第１表は本発明の実施例における設
計パラメータをしめす。 １・・・内側炉心（低密ＰＬ）、２・・・外側炉心（高
密度）３・・・径方向ブランケット、４・・・軸方向プ
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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核分裂性物質を富化した燃料物質を有する炉心領域
   と、燃料親物質を主成分として前記炉心領域を取り囲ん
   でいるブランケツト領域とを有する高速増殖炉の炉心に
   おいて、前記炉心領域が炉心内部領域とそれを取り囲む
   炉心外部領域を有し、前記核分裂性物質を富化した燃料
   物質を有する前記炉心内部領域が、軸方向に前記炉心領
   域の高さより小さい厚さを持ちしかも半径方向の幅が前
   記炉心領域の半径方向の幅よりも小さく、前記炉心内部
   領域の体積を前記炉心領域の体積の３０〜５０％とする
   とともに、この炉心内部領域における単位体積当りの前
   記燃料物質の量を、前記炉心外部領域における単位体積
   当りの前記燃料物質の量の７０〜９０％にしたことを特
   徴とする高速増殖炉の炉心。 ２、前記炉心内部領域の軸方向厚さを、炉心半径方向の
   中心付近で厚く、周辺部で薄くした特許請求の範囲第１
   項記載の高速増殖炉の炉心。 ３、前記炉心内部領域の軸方向中心を前記炉心領域の軸
   方向中心より下方とした特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の高速増殖炉の炉心。 ４、前記炉心内部領域における燃料ペレツトを中空ペレ
   ツトとし、前記炉心外部領域における燃料ペレツトを中
   実ペレツトとした特許請求の範囲第１項記載の高速増殖
   炉の炉心。 ５、前記炉心内部領域における燃料ペレツトの外径を、
   前記炉心外部領域における燃料ペレツトの外径よりも小
   さくした特許請求の範囲第１項記載の高速増殖炉の炉心
   。 ６、前記炉心内部領域における燃料物質の密度を、前記
   炉心外部領域における燃料物質の密度よりも小さくした
   特許請求の範囲第１項記載の高速増殖炉の炉心。