JPS63293487A - 燃料集合体 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、高速増殖炉に配置される燃ｆＩ集合体に関す
る。

（従来の技術） 一般に、高速増殖炉では、燃料要素を燃料被覆管内に封
入して燃料棒を構成し、この燃料棒を多数本束ねて燃料
集合体を構成する。なお、この燃料集合体は、断面六角
形状のラッパー管内に収容されたものが多い。

そして、上記燃料集合体を原子炉容器内に多数配置して
、炉心を構成する。

上述の燃料要素として、酸化物燃料要素と、金属燃料要
素とがある。金属燃料要素は、酸化物燃料要素に比べて
熱伝導が良好であるという利点と、ナトリウムとの共存
性が良いので燃料と被覆管との間にナトリウムを充填し
燃料と被覆管との間の熱伝導性を向上させることができ
るという利点と、密度を大きくすることができるという
利点があるが、燃料被覆管と反応して、融点の低い共晶
合金が生成されるという問題があった。一方、酸化物燃
料要素は、金属燃料要素に比べて熱伝導が悪く、燃料要
素の温度が冷却材温度よりかなり高くなるが、上述のよ
うな問題がなく、このため、一般には酸化物燃料要素が
多く使用されている。しかしながら最近では、例えばＵ
−Ｐｕ−Ｚｒ合金等、ジルコニウムを１０％程度加えた
合金とすることにより、共晶合金が生成される温度を８
００℃程度まで上昇させることが可能となり、金属燃料
要素を用いた燃料集合体でも、上述の欠点を解消するこ
とが可能となった。

（発明が解決しようとする問題点） 一般に高速増殖炉では、炉心の温度が上昇した場合、主
に、冷却材である液体ナトリウムの密度変化による正の
反応度と、原子核の熱振動によるドツプラー効果による
負の反応度とが印加される。これらは炉心の燃焼度、炉
心の構造等に依存することの少ない基本的な反応度係数
であり、炉心の温度変化に伴なう反応度変化（等温係数
、出力係数）を構成する重要な因子である。その他の因
子は、燃料体自身の軸方向膨張、被覆管の膨張、炉心支
持板の膨張、制御棒延長管と炉容器の相対差による吸収
体膨張効果、集合体湾曲効果等がある。

原子炉の安全性を考えると等温係数、出力係数は、それ
ぞれの温度範囲で負であることが必要である。ここで等
温係数は原子炉が出力運転にはいる前の炉心温度が一様
で変化する場合である。出力係数は炉心出力上昇、下降
による炉心各構成要素の温度変化による反応度変化であ
る。

ドツプラー効果と冷却材密度効果以外のフィードバック
効果は、炉心構造、炉心の燃焼状態により影響され、炉
心設計等によって正、負のいずれのフィードバックとな
り得るものといえる。

酸化物燃料を用いた燃料集合体から構成される炉心では
、このうちドツプラー効果による負の反応度印加が、液
体ナトリウムの密度変化による正の反応度印加よりも充
分大きいため、等温係数、出力係数の主要因子であるこ
れらの２つの効果による成分は負となり、この炉固有の
安全性は確保される。

しかしながら、上記説明の金属燃料要素を用いた燃料集
合体で構成される炉心では、縦軸を中性子束、横軸をエ
ネルギーとした第５図のグラフに曲１１ａで示すように
、曲線すで示す酸化物燃料を用いた燃料集合体で構成さ
れる炉心の場合に較べて炉心内の中性子スペクトルが硬
くなる。

このことから炉心内の中性子のうちドツプラー効果に寄
与する共鳴領域の中性子の割合が少なくなり、ドツプラ
ー係数が小さくなる。一方、スペクトルが硬くなること
によって冷却材のボイド係数は酸化物燃料炉心に較べて
大きくなる。

また、縦軸を温度、横軸を炉下部からの軸方向位置とし
た第６図のグラフに、曲線Ｃで示すように、金属燃料要
素を用いた場合熱伝導が良いので、酸化物燃料要素に対
するものと同じ線出力、冷却材流量条件のもとでは、酸
化物燃料要素の場合と異なり曲線ｄで示す冷却材温度と
ほぼ同様に炉心下部から炉心上部へ向けてその温度が高
くなる。

また、その温度も、酸化物燃料要素の場合の軸方向中央
付近の温度約２０００℃に較べて６５０℃程度と低い。

さらに、縦軸を出力、横軸を炉下部からの軸方向位置と
した第７図のグラフに曲線ｅで示すように出力のピーク
は、通常は軸方向の燃料富化度一様の状態を仮定すると
酸化物燃料要素の場合と同様に、軸方向中央付近にある
。

したがって、前述のように、炉心の温度が上昇した場合
に、ドツプラー効果による負の反応度の印加が少なくな
り、冷却材の密度効果が大きくなるので、ドツプラー効
果と冷却材密度効果の打消し合いの結果、原子炉構造、
炉心の燃焼度状態に依存しない本質的な炉心固有の反応
度変化要因からなるフィードバック係数の負であること
を確保し、炉固有の安全性の確保が充分でなくなる可能
性が生ずるという問題がある。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので
、従来に較べてドツプラー効果による負の反応度の印加
を増大させることができ、従来に較べて炉心運転に関す
る安全性を向上させることのできる燃料集合体を提供し
ようとするものである。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） すなわち本発明は、燃料被覆管内に金属燃料要素が封入
された燃料棒が、複数本束すられて構成された燃料集合
体において、少なくとも一部の前記燃料棒内の前記金属
燃料要素の上部に、少なくとも中性子減速材を含む物質
を配置して中性子減速層を設けたことを特徴とする。

（作　用） 本発明の燃料集合体では、金属燃料要素が封入された燃
料棒の少なくとも一部の上部に、たとえば、軸方向の厚
さが１０ｃｎ以下とされたベリリウム等の中性子減速材
を含む物質が配置され、中性子減速層が設けられている
。

したがって、特に、燃料温度が高くドツプラー効果の影
響が大きくなる炉心上部の中性子スペクトルが軟化し、
ドツプラー効果による負の反応度印加を高めることがで
きるので、従来に較べて等温係数、出力係数において負
のフィードバック効果分を増強させることができ、炉の
運転に関する安全性の向上を図ることができる。

（実施例） 以下本発明の燃料集合体を図面を参照して一実施例につ
いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例の燃料集合体の要部を示す
もので、燃料棒１は、たとえば断面六角形状のラッパー
管（図示せず）内等に六方格子状に規則正しく多数配列
されている。

上記燃料棒１は、中空円筒状に形成された燃料被覆管２
と、この燃料被覆管２内に収容された金属燃料要素３と
、金属燃料要素３の上部に配置されたベリリウム等の中
性子減速材を含む物質４とからその主要部分が構成され
ている。なお、中性子減速材を含む物質４の上部は、プ
レナム部５とされている。

上記構成のこの実施例の燃料集合体は、高速増殖炉の圧
力容器内に規則正しく多数配列され、炉心を構成する。

そして、炉心内には、下方から上方へ向けて液体ナトリ
ウム等の冷却材が流通され、金属燃料要素３内で生じる
核分裂により発生する熱エネルギーが、冷却材の流れに
よって炉心外へ導出される。

この時、冷却材が下方から上方へ向けて流通されるので
、前述の第６図のグラフに示したように、炉心内の金属
燃料要素３の温度は、下部が低温、上部が窩部となる。

また、燃料集合体の上部に中性子減速材を含む物質４か
らなる層が配置されているので、炉心上部における中性
子スペクトルは、中性子減速材を含む物質４が配置され
ていない場合に較べて低エネルギ側（共鳴領域側）にシ
フトする。

縦軸をドツプラー効果の増加分およびその相対値とし、
横軸をベリリウム層の厚さとした第２図のグラフに示す
曲線ｆは、中性子減速材を含む物質４としてベリリウム
を用いた場合のベリリウム層の厚さによるドツプラー効
果の違いを示している。

このグラフかられかるように、中性子減速材を含む物質
４としてベリリウムを用い、この層の厚さをたとえば５
ｃｎ〜１０ｃＩｌとすることにより、ドツプラー効果を
１．５倍以上に増加させることができる。なお、このベ
リリウム層の厚さが１０ｃｍ１を越えるとドツプラー効
果の増加は、はぼ飽和する傾向にある。したがって、ベ
リリウムを用いた場合、中性子減速材を含む物質４の厚
さは、１０ｃｍ以下とすることが好ましい。

すなわち、この実施例の燃料集合体では、特に、温度が
高くドツプラー効果の影響が大きくなる炉心上部の中性
子スペクトルを軟化させることにより、ドツプラー効果
による負の反応度印加を高めることができ、炉固有の安
全性を確保することができる。

なお、上記実施例では、燃料集合体内の全ての燃料棒１
の上部に一様な厚さの中性子減速材を含む物質４を配置
した例について説明したが、たとえば、第３図に示すよ
うに、燃料集合体内の一部の燃料棒１の上部に中性子減
速材を含む物質４を配置してもよい、また、中性子減速
材を含む物質４の厚さは、たとえば第４図に示すように
、厚さの異なる中性子減速材を含む物質４を配置しても
よい。

さらに、中性子減速材を含む物質４は、カプセル状の容
器内に収容して、燃料被覆管２内に配置してもよく、中
性子減速材を含む物質４は、金属燃料要素３の上部のみ
でなく、金属燃料要素３の上部および下部に配置しても
よい。

［発明の効果コ 上述のように、本発明の燃料集合体では、特に、温度が
高くドツプラー効果の影響が大きくなる炉心上部の中性
子スペクトルを軟化させることにより、ドツプラー効果
による負の反応度印加を高めることができるので、従来
に較べて等温係数、出力係数において負のフィードバッ
ク効果骨を増強させることができ、炉の運転に関する安
全性の向上を図ることことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体の要部を示す縦
断面図、第２図はベリリウム層の厚さとドツプラー効果
の関係を示すグラフ、第３図および第４図は第１図に示
す燃料集合体の変形例を示す縦断面図、第５図は炉内の
中性子スペクトルを示すグラフ、第６図は軸方向の温度
分布を示すグラフ、第７図は炉出力の軸方向分布を示す
グラフである。 １・・・・・・・・・・・・・・・燃料棒２・・・・・
・・・・・・・・・・燃料被覆管３・・・・・・・・・
・・・・・・金属燃料要素４・・・・・・・・・・・・
・・・中性子減速材を含む物質５・・・・・・・・・・
・・・・・ブレナム部出願人　　　　　　日本原子力事
業株式会社出願人　　　　　　株式会社　東　芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− ’ｈ　ｌトー８畔（Ｉ！ｔｃ葉ジ） ← −ト覧トー８味Ｃ饗屓４５ 第３図 第４図 ０．１ 工卑ルキ°（ＭｅＶ）→ 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料被覆管内に金属燃料要素が封入された燃料棒
   が、複数本束ねられて構成された燃料集合体において、
   少なくとも一部の前記燃料棒内の前記金属燃料要素上部
   に、少なくとも中性子減速材を含む物質を配置して中性
   子減速層を設けたことを特徴とする燃料集合体。
2. （２）中性子減速材は、ベリリウムである特許請求の範
   囲第１項記載の燃料集合体。
3. （３）中性子減速層の軸方向の厚さは、１０ｃｍ以下で
   ある特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。