JPS62297782A - 高速増殖炉の炉心構造 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、使用済燃料を原子炉容器内で冷却貯蔵する
構成の高速増殖炉の炉心構造に関する。

（従来の技術） 第６図に示すように、原子炉容器１内にはポンプ３およ
び中間熱交換器５が垂設される。ざらに原子炉容器１内
には炉心７が収容され、−次冷ｌＤ材としての液体金属
ナトリウム（ｊス下甲にす１ヘリウムという）８が充填
される。炉心７は、第７図および第３図に示すように、
炉心燃料集合体が多数装荷された炉心燃料集合体領域９
の外側に径ブランケット燃料集合体領域１１、反射体領
域１３、内側中性子遮蔽体調［１５、使用済燃１１炉内
貯蔵槽（ＩＶＳ）１７および外側中性子遮蔽領域１９が
順次配設されて構成される。さらに、外側中性子遮蔽体
領域１９の外側には炉心支持枠２１が設けられる。

これらのうち、径ブランケット燃料集合体領域１１は、
多数の径ブランケット燃料集合体から成る。各径ブラン
ケット燃料集合体は、ステンレス（ＳＬＪＳ）被覆管内
に二酸化ウラン（ＵＯ２）を主成分とするペレットが充
填されたものである。

この桿ブランケッ］・燃料集合体は、炉心燃料集合体領
域９にて生じた中性子を吸収して、核分裂し易いプル１
〜ニウム（Ｐ　ＬＪ　’）を生成し、増殖機能を架す。

また、反射体領域１３は不銹鋼例えばステンレス（ＳＬ
ＪＳ）を主成分とする多数の反射体から成る。各反射体
は、径ブランケット燃料集合体領域１１を貫通した中性
子を径ブランケット燃料集合体領域１１へ反射させて、
プルトニウム生成を促進させるものである。

内側中性子遮蔽体領域１５は多数の内側中性子遮蔽体か
ら成り、各内側中性子遮蔽体は炭素（Ｃ）、炭化ホウ素
（Ｂ４Ｃ）またはステンレス（ＳＬＪＳ）を主成分とし
て構成される。この内側中性子遮蔽体は、反射体領域１
３を貫通した中性子を減速させかつ吸収して、使用済燃
料炉内貯ｊｉ！１１７へ至る中性子を減衰させ、その結
果、使用済燃ｒ１炉内貯藏槽１７内の使用済燃料の核分
裂を抑制するものである。

使用済燃料炉内貯蔵槽（ＴＶＳ）１７は、上述のように
使用済の炉心燃料集合体を主に冷却し貯蔵する槽である
。また、外側中性子遮蔽体領域１９は多数の外側中性子
遮蔽体から成り、各外側中性子遮蔽体は炭素（Ｃ）また
は炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）等の中性子減速効果の強い物質
から構成される。この外側中性子遮蔽体は、使用済燃料
炉内貯蔵槽１７内の使用済炉心燃料が核分裂することに
よって発生した高速中性子を減速し、かつ吸収するもの
である。その結果、第８図に示すように、外側中性子遮
蔽体領域１９において高速および低速中性子が著しく減
少する。

（発明が解決しＪ：うとする問題点） ところで、中間熱交換器５内を流れる二次冷却材として
のナトリウムは、原子炉容器１内、１７）　−次冷却材
としてのナトリウムから低速中性子を吸収して放）１化
され、　Ｎａと成る。この２４Ｎａはγ線を放出するた
め、中間熱交換器５の接続配管２３に放射線遮蔽をｍづ
必要がある。

したがって、二次冷却材としてのナトリウムの放射化を
防止するために、内側および外側中性子遮蔽体領域１５
．１９を大容積化して中性子吸収能力を高めている。し
かし、このように内側および外側中性子遮蔽体領域１５
．１９を大容積化すると、径ブランケット燃料集合体領
域１１の直径が約３′ｒｒＬであるにも拘らず炉心支持
枠２１までの直径が約６〜８ｍとなり、炉心７が大型化
し原子炉容器１が大容量となって建設］ス１−が上背す
るという欠点を生ずる。

また、上述のように外側中性子遮蔽領域４１９は、中性
子減速作用が強い。したがって、使用済燃料炉内貯蔵槽
１７内の使用済炉心燃料集合体が分裂して発生した高速
中性子は、外側中性子遮蔽体領域１９内で低速中性子に
変り、第８図に示すように、外側中性子遮蔽体領域１９
の外側へ放出される低速中性子が増加する。その結果、
−次冷却材としてのナトリウム８を介して二次冷却材と
してのナトリウムが放射化される恐れがある。

さらに、炉心燃料集合体、径ブランケット燃料集合体お
よび内側中性子遮蔽体の各被覆管はそれぞれ屓なった径
に形成される。例えば、炉心燃料集合体の被覆管は直径
約８＃ｌｌｌ１１径ブランケット燃料集合体の被覆管は
直径約１１Ｍ、内側中性子燃料集合体の被覆管は直径約
１１＃ＩＩＩＩ以上にそれぞれ形成される。したがって
、被覆管の種類が多く被覆管の製造が煩雑となってコス
ト上昇の一因となっている。

この発明は、上記事実を考慮してなされたものであり、
二次冷却材としてのナトリウムの放射化を抑止しつつ、
炉心構造をコンパクト化し、建設コストの低減を図るこ
とができる高速増殖炉の炉心構造を提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） この発明は、炉心燃料集合体領域の外側に径ブランケッ
ト燃料集合体領域、中性子遮蔽体領域、使用済燃料炉内
貯蔵槽およびｆ」設中竹子吸収体領域が順次配設され、
」二記径ブランケット燃利集合体領域を構成する径ブラ
ンケット燃料集合体はへ酸化三ウランＵ３Ｏ８を主成分
として形成され、上記中性子遮蔽体領域を構成する中性
子遮蔽体は炭化ホウ素Ｂ４Ｃを主成分として形成され、
−ト記付設中付子吸収体領域を構成する中性子吸収体は
質量が大きく中性子吸収作用の強い物質を主成分として
形成されたものである。

（作用） したがって、この発明に係る高速増殖炉の炉心構造は次
のように作用する。

まず、中性子遮蔽体が炭化ホウ素（８４Ｃ）で構成され
たことから、径プランケッ］−燃料東合体を貫通した高
速中性子の殆どを減速して低速中性子とし、この低速中
性子の殆どを吸収する。したがって、使用済燃料炉内貯
蔵槽へ至る中性子を大幅に減少させて、この使用済燃料
炉内貯蔵槽内の使用済燃料集合体の核分裂を抑制し、こ
の核分裂によって生ずる高速中性子を減少させる。その
ため、使用済燃料炉内貯蔵槽の外側に従来のような外側
中性子遮蔽体を配置する必要がない。また、径ブランケ
ットを八酸化三ウラン（Ｕ２Ｏ５）で構成したことから
、炉心燃料集合体からの高速中−〇　　　　− 竹子の殆どを減速して低速中性子とＪる。したがって、
高速中性子を反射させる従来の反射体が不必要どなる。

このように、外側中性子遮蔽体および反射体を取り除い
たことから、炉心を７１ンパクトな構造とすることがで
きる。

さらに、付設中性子吸収体は質量が大ぎくかつ中性子吸
収作用の強い物質から構成されたことから、使用済燃料
炉内貯蔵槽内の使用済燃料集合体の核分裂によって発生
した高速中性子が低速中性子に変化せず、高速中性子は
低速中性子とともに、付設中性子吸収体によって吸収さ
れる。したがって、付設中性子吸収体の外側へ放出され
る中性子が減少され、−次および二次冷却材としてのナ
トリウムの放射化を防止することができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図はこの発明に係る高速増殖炉の炉心構造の一実施
例を適用した高速増殖炉を示す断面図である。

−０一 原子炉容器２５内には炉心２７が収納され、−次冷却材
としてのナトリウム２９が収容される。

また、原子炉容器２５内にはポンプ３１および中間熱交
換器３３が垂設される。ポンプ３１は一次冷却材たるナ
トリウムを循環させるものであり、また中間熱交換器３
３は一次冷却材の熱を二次冷却材たるナトリウムへ伝達
するものである。

一方、上記炉心２７は、第２図および第３図に示すよう
に、炉心燃料集合体調１３５およびイの外側に径ブラン
ケット燃料集合体領域３７、中性子遮蔽体領域３９、使
用済燃料炉内貯蔵槽（ＩＶＳ）４１、付設中性子吸収体
領域４３が順次配設して構成される。使用済燃料炉内貯
蔵槽４１の外側には炉心支持枠４５が取り付けられて、
その内側の炉心燃料集合体領域等３５．３７．３９．４
１が支持される。また、付設中性子吸収体領域４３は、
支持棒４７を介して炉心支持枠４５に取り付けられる。

炉心燃料集合体領域３５は、多数の炉心燃料集合体から
構成される。各炉心燃料集合体は、プル］ヘニウムｐｕ
とウランとの混合酸化物（Ｐｕ、Ｕ）０２から成るペレ
ットをステンレス（ＳＩＪＳ）被覆管中に充填したもの
であり、熱源、中性子源およびガンマ線源である。

径ブランケット燃料集合体領域３７は、内側径プランケ
ラｔ・燃料集合体調１ｊ！３７Ａおよび外側径ブランケ
ット燃料集合体領域３７Ｂから構成され、各領域３７Ａ
、Ｂの厚さが共に約１５ｃｍに設定される。また、各領
域３７Ａ、１３は多数の径ブランケット燃料集合体から
構成される。これらの径ブランケット燃料集合体は、八
酸化三ウラン（Ｊ３０８を主成分どしたペレットがステ
ンレス（Ｓ　ＬＪ　Ｓ　）被覆管中に充填されて構成さ
れる。このへ酸化三ウランＵ３Ｏ８は、従来の径ブラン
ケット燃料集合体領域１１の主成分たる二酸化ウランＵ
Ｏ２に比べ含有酸素量が多い。酸素は比較的軽い物質で
あるため、高速中性子が衝突するとこの高速中性子を減
速させる作用が強く、したがって炉心燃料集合体領域３
５からの高速中性子の殆どを低速中性子に変える。低速
中性子は反射作用が弱いので、従来のような反射材１３
が不必要となる。上述のように、径ブランケット燃料集
合体領域３７が内側および外側径プランケット燃料集合
体領域３７Ａ、Ｂの２層とされ、従来の径プランケラ１
〜燃料集合体領域１１より厚い構造とされるのは、従来
の反射体１３の存在領域に外側径ブランケット燃料集合
体領域３７が配設されたことによる。

また、径ブランケット燃料集合体領域３７において変換
されて生じた低速中性子は吸収され易いため、中性子遮
蔽体領域３９の構成部材たる中性子遮蔽体（後述）によ
ってその殆どが吸収される。

さらに、径ブランケット燃料集合体調１ｉｉ！３７で変
換されて生じた低速中性子は径ブランケット燃料集合体
の主成分たるへ酸化三ウランＵ３ｏ８にも吸収され易い
。低速中性子が八酸化三ウラン（）。

０８のウランＵに吸収されると、プル］・ニウムＰ【１
が生成される。したがって、低速中性子が増大すると径
ブランケット燃料集合体領域３７の増殖利得が増大する
ことになる。ここで、上述のように、内側および外側径
ブランケット燃料集合体領域３７Ａ、Ｂのそれぞれの厚
さを約１５ｃｔｎとし、径ブランケット燃料集合体領域
３７全体の厚さを約３０　ｃｍとしたのは、プルトニウ
ムρ（ｊの増殖利得を増大させるためである。つまり、
第４図に示すように、径ブランケット燃料集合体領域３
７の厚さが約１５ＣＩＩ＋までは増殖利得が大幅に増大
し、約３０ｃ＃Ｉでは飽和する。３０　ｃｍ以上では、
低速中性子がウランＵに吸収されて減少してしまい、プ
ルトニウム生成割合が低減する。そこで、径ブランケッ
ト燃料集合体領域３７を約３０ｃｍの厚さとしたのであ
る。

中性子遮蔽体領域３９は多数の中性子遮蔽体から構成さ
れる。各中性子遮蔽体は、均化ホウ素Ｂ４Ｃを主成分と
したペレットをステンレス（ＳＵＳ）被覆管に充填して
構成されたものである。

この炭化ホウ素Ｂ４Ｃ中のホウ素Ｂは質量が軒いので、
従来の内側中性子遮蔽体１５中の炭素Ｃやステンレス（
ＳＵＳ）に比べ、高速中性子を減速させる作用が強い。

と同時に、ホウ累日は速鎖の遅い中性子はど強（吸収す
る性質がある。したがって、径ブランケット燃料集合体
領域３７を貫通した高速中性子はこの中性子遮蔽体によ
って低速中性子に変換され、径ブランケット燃料集合体
領域３７を貫通した低速中性子とともに中性子遮蔽体に
よって吸収される。そのため、使用済燃料炉内貯蔵槽４
１へ至る中性子が大幅に低減され、この炉内貯蔵槽４１
内における使用済燃料集合体の核分裂割合が抑制される
。その結果、この核分裂によって生ずる高速中性子が減
少し、従来の外側中性子遮蔽体１９が不必要となる。ま
た、炭化ホウ素Ｂ４Ｃが中性子を吸収したときに発生す
るヘリウムＨｅガスは、−次冷却材としてのナトリウム
中へ放出するよう構成される。

使用済燃料炉内貯蔵槽４１は、使用済燃料集合体を収容
して崩壊熱が減衰するまで使用済燃料集合体を冷却し貯
蔵するものである。収容される燃料集合体は主に炉心燃
料集合体であるが、希に径ブランケット燃料集合体が収
容されることもある。

付設中性子吸収体領域４３は多数の中性子吸収体から構
成される。各中性子吸収体は、質量が大きく中性子吸収
作用の強い物質、例えば銀ＡＵ、インジウムＩｎ１カド
ニウムＣｄおよびタングステンＷの混合物、あるいはホ
ウ素Ｂ含有の不銹鋼を主成分として構成される。これら
の混合物や不銹鋼等は高速から中速までの広範囲の中性
子を吸収するため、使用済燃料炉内貯蔵槽４１を貫通し
た中性子も、使用済燃料炉内貯蔵槽４１内におＧｉる使
用済燃料集合体の核分裂によって発生した中性子も、共
に中性子吸収体によって吸収される。

その結果、付設中性子吸収体調ｋ１３の外側へ放出され
る低速中性子が減少し、−次および二次冷部材としての
ナトリウムを放射化させることがない。さらに、上記混
合物や不銹鋼等は質量が大きく、高速中性子の減速作用
が弱いことから、使用済燃料炉内貯蔵槽４１内の使用済
燃料が核分裂して生じた高速中性子を低速中性子に変換
することも極めて少ない。したがって、低速中性子への
変換が少ないことからも、−次および二次冷却材どして
のナトリウムを放射化させることがない。

次に、作用、効宋を説明する。

第５図に示すように、炉心燃料集合体領域３５から放出
された高速中性子は、その多くが径ブランケット燃料集
合体領域３７にて低速中性子に変換される。この低速中
性子は、炉心燃料集合体調ＩＩ！１３５からの低速中性
子とともに中性子遮蔽体領域３９にて吸収される。した
がって、使用済燃１１１炉内貯蔵Ｍｉ４１内の使用済燃
料の核分裂が抑制され、核分裂によって生ずる中性子が
減少する。この核分裂によって生じた少数の高速中性子
はず１設中竹子吸収体領域４３の中性子吸収体によって
低速中性子に変換されることなく、核分裂より発生した
少数の低速中性子とともに付設中性子吸収体領域４３の
中性子吸収体により吸収される。これらの結果、付設中
性子吸収体領域４３の外側へ放出される低速中性子が減
少し、−次冷却材としてのナトリウム２９が放射化され
ることが少ない。

故に二次冷却材としてのナトリウムも、中１１１熱交換
器３３において熱交換される際、放射化が抑制される。

＋　　ｒ）　　　　　− また、径ブランケット燃料集合体領域３７は内側および
外側径ブランケット燃料集合体領域３７Ａ、Ｂから構成
される。径プランケラ１〜燃料集合体の交換時には、ま
ず内側径プランゲット燃１′＋１集合体領域３７Ａの径
ブランケット燃料集合体を抜き取り、次に外側径ブラン
ケット燃料集合体領域３７Ｂの径ブランケット燃料集合
体を１８０°反転して内側径ブランケット燃料集合体領
域３７Ａ内に装荷する。そして、外側径ブランケット燃
料集合体領域３７Ｂに新しい径ブランケット燃料集合体
を装荷する。したがって、外側径ブランケット燃料集合
体領域３７Ｂは常に内側燃料集合体領域３７Δよりプル
トニウムｐｕの蓄［ｉが少なく、核分裂割合が低い。そ
のため、外側燃料集合体領域３７Ｂからの高速中性子の
発生量が減少し、その公使用済燃料炉内貯蔵槽４１へ到
達する高速中性子が減少する。その結果、−次および二
次冷却材としてのナトリウムの放射化が抑制される。

径ブランケット燃料集合体の主成分たるへ酸化三ウラン
Ｕ３Ｏ８によって、炉心燃料集合体領域−１ｔｊ　　　
− ３５からの高速中性子の殆どを吸収され易い低速中性子
とするように構成した。さらに、中性子遮蔽体の主成分
たる炭化ホウ素Ｂ４Ｃによって、径ブランケット燃料集
合体領域３７を具通した高速中性子を低速中性子とする
とともに、この低速中性子を径ブランケット燃料集合体
調ｈ！３７によって変換された低速中性子とともに吸収
するように構成した。これらのことから、使用済燃料炉
内貯蔵Ｉ！！４１内へ至る中性子が減少し、この炉内貯
蔵槽４１内の使用済燃料集合体の核分裂が抑制される。

その結果、従来の外側中性子遮蔽体１９を取り除くこと
ができる。また、径プランケット燃１１集合体のへ酸化
三ウランＵ３Ｏ８にＪ：つて高速中性子の殆どが反射作
用の弱い低速中性子に変換されることから、従来の反射
体１３が不要となる。

このように、外側中性子遮蔽体および反射体が取り除か
れたことから、炉心２７の構造をコンパクト化すること
ができ、併せて原子炉容器２５も小型化することができ
るため、高速増殖炉のｌ！設ココスト低減することがで
きる。

径ブランケット燃料集合体領域３７の径ブランケット燃
料がへ酸化三ウランＵ３Ｏ８を主成分として構成された
ことから、炉心燃料集合体領域３５から放出された高速
中性子の殆どを低速中性子とすることができる。この低
速中性子は八酸化三ウランＵ３Ｏ８のウランＵに吸収さ
れ易く、そのためプルトニウムｐ　ｕの生成量が増大す
る。その結果、径ブランケット燃料集合体調１ｇ３７の
増殖利得が増大する。さらに、従来の反射材１３の存在
領域に外側径ブランケット燃ｆ１集合体領域３７Ｂを配
設して径ブランケット燃料集合体領域３７を厚く構成し
たことから、プル１〜ニウムｐｕの生成量を一層増大さ
せることができ、増殖利得をより一層大きくすることが
できる。

さらに、上述の炉心燃料集合体、径ブランケット燃料集
合体および中性子遮蔽体の被覆管はそれぞれ同一径に製
造される。したがって、各被覆管を異なった径に製造す
る場合に比べ被覆管の製造が容易となり、炉心燃料集合
体等の製造コストを低減することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係る高速増殖炉の炉心構造に
よれば、炉心燃料集合体領域の外側に径ブランケット燃
料集合体領域、中性子遮蔽体領域、使用済燃料炉内貯蔵
槽および付設中性子吸収体領域が順次配設され、径ブラ
ンケット燃料集合体領域を構成する径ブランケット燃料
集合体はへ酸化三ウランＵ３Ｏ８を主成分として形成さ
れ、中性子遮蔽体領域を構成する中性子遮蔽体は炭化ホ
１り素Ｂ４Ｃを主成分として形成され、付設中性子吸収
体領域を構成する中性子吸収体は質量が大きく中性子吸
収作用の強い物質を主成分として形成されたことから、
二次冷却材としてのナトリウムの放射化を抑止しつつ炉
心構造をコンパクト化して建設コストの低減を図ること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る高速増殖炉の炉心構造の一実施
例を適用した高速増殖炉を示す断面図、第２図は第１図
の炉心構造を片側だけ示す構成図、第３図はこの実施例
の構成を従来例と比較して示す図、第４図は径ブランケ
ット燃料集合体領域の厚さと増殖利得との関係を示すグ
ラフ、第５図はこの実施例の炉心における中性子遮蔽効
果を解析したグラフ、第６図は従来の炉心構造を備えた
高速増殖炉の断面図、第７図は第６図の炉心構造を片側
だけ示す構成図、第８図は従来の炉心における中性子遮
蔽効果を解析したグラフである。 ２５・・・原子炉容器、２７・・・炉心、３５・・・炉
心燃料集合体領域、３７・・・径ブランケット燃料集合
体領域、３７Ａ・・・内側径プランケラ１〜燃料集合体
領域、３７Ｂ・・・外側径ブランケット燃料集合体領域
、３９・・・中性子遮蔽体領域、４１・・・使用済燃料
炉内貯蔵槽、４３・・・付設中性子吸収体領域。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久１５ｃｒｎ　　
　　３０ｃｍ 第４図 １５図 第６図 ○ 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炉心燃料集合体領域の外側に径ブランケット燃料集
   合体領域、中性子遮蔽体領域、使用済燃料炉内貯蔵槽お
   よび付設中性子吸収体領域が順次配設され、上記径ブラ
   ンケット燃料集合体領域を構成する径ブランケット燃料
   集合体は八酸化三ウランＵ＿３Ｏ＿８を主成分として形
   成され、上記中性子遮蔽体領域を構成する中性子遮蔽体
   は炭化ホウ素Ｂ＿４Ｃを主成分として形成され、上記付
   設中性子吸収体領域を構成する中性子吸収体は質量が大
   きく中性子吸収作用の強い物質を主成分として形成され
   たことを特徴とする高速増殖炉の炉心構造。 ２、付設中性子吸収体は銀Ａｇ、インジウムＩｎ、カド
   ニウムＣｄ、タングステンＷを主成分として構成された
   特許請求の範囲第１項記載の高速増殖炉の炉心構造。 ３、付設中性子吸収体はホウ素Ｂ含有の不銹鋼から構成
   された特許請求の範囲第１項記載の高速増殖炉の炉心構
   造。 ４、径ブランケット燃料集合体領域は外側と内側の２層
   から成り、径ブランケット燃料集合体の交換時には、内
   側径ブランケット燃料集合体領域に外側径ブランケット
   燃料集合体領域の径ブランケット燃料集合体が装荷され
   、外側径ブランケット燃料集合体領域には新しい径ブラ
   ンケット燃料集合体が装荷された特許請求の範囲第１項
   〜第３項のいずれかに記載した高速増殖炉の炉心構造。 ５、炉心燃料集合体、径ブランケット燃料集合体、中性
   子遮蔽体は同一径の被覆管から構成された特許請求の範
   囲第１項〜第４項のいずれかに記載した高速増殖炉の炉
   心構造。