JPS6367873B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は炉心性能の向上を図つた高速増殖炉に
関する。 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
行なわせ、これによつて燃料の有効利用が図れる
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、この炉心の周囲部を燃料
親物質を主成分とする軸方向及び径方向ブランケ
ツトで囲設している。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、ブランケツトには燃料親物質として、
例えば天然ウランあるいは減損ウランが装荷され
る。この燃料親物質が炉心から漏れ出る中性子を
捕獲すること、及び炉心内の燃料親物質が中性子
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。 このような増殖作用の定量的な基準値として、
増殖率と倍増時間が挙げられる。増殖率は、核分
裂性物質の消費量に対する新核分裂性物質の生成
量の比率で表わされ、できるだけ高いことが望ま
しい。また倍増時間は、原子炉に初めに装荷した
のと同量の核分裂性物質を再生産するのに要する
時間で、これは短いことが望まれこの倍増時間短
縮化が高速増殖炉の改良上最も主眼とされてい
る。 ところで、倍増時間は、一般に原子炉の比出力
（単位燃料装荷重量当りの出力）に反比例するが、
最大値は、燃料使用限界があつて制約される。そ
こで炉心外周部の出力低下をおさえ、出力分布を
平坦化して最大値を抑えたまま平均出力密度を増
加させることにより短縮化できる。従つて従来か
ら出力分布の平坦化を図る工夫が種々案出されて
来た。 出力分布の平坦化と増殖性の向上策として、従
来公知のものは特開昭55―160897号公報に示され
ている。この公知のものをより改良し、本願発明
に近いものとしては、例えば、本願発明者等の一
部が発明者として含まれており、本願の先願に相
当する特願昭56―5013号がある。この先願相当の
ものは、第１図に示すように、炉心１の軸方向の
中央付近に天然ウランないし減損ウランを主材料
とした円柱状の内部ブランケツト４領域を、径方
向の炉心中心付近で厚く、周辺付近で薄くなるよ
うに設けたものが開発された。なお、第１図の２
は径方向ブランケツト、３は軸方向ブランケツト
である。このものによると、炉心１の平均中性子
エネルギーが高く、炉心１では核分裂性物質の中
性子捕獲反応の核分裂に対する比率が減少し、中
性子の吸収反応当りの発生数が大きくなる。一
方、内部ブランケツト４では炉心１に比べると天
然ウランないし減損ウラン等の原子数密度が高
く、中性子平均エネルギーが低いために、天然ウ
ランないし減損ウラン等の核分裂反応率は減少す
る。この内部ブランケツトが軸方向中心付近に置
かれている結果、径方向出力分布は平坦化でき
る。一方、軸方向出力分布は、炉心１の軸方向中
心部に出力密度が低くかつ反応度価値の小さい内
部ブランケツト４があることにより、平坦化でき
る。また、ナトリウムボイド反応度が小さいこ
と、及び炉心の軸方向中心部に出力密度が低い内
部ブランケツトがあることにより、安全性が向上
する。 ところが、原子炉運転において制御棒を挿入す
る場合、制御棒挿入により上記の軸方向出力分布
の平坦性が破れる。第２図を参照して、この点を
説明する。 第２図において、実線は制御棒挿入時の軸方向
距離と相対出力との関係を、破線は制御棒未挿入
時の関係を示している。高速増殖炉の場合、制御
棒は炉心の上側から挿入されることが多く、その
挿入深さは、反応度の高い燃焼初期で最も大き
く、燃焼が進むにつれて減少し、燃焼末期で最小
となる。燃焼初期から中期における制御棒半挿入
状態では、制御棒の挿入された上部軸方向ブラン
ケツトと内部ブランケツトとの間の燃料領域であ
る炉心で、制御棒によつて中性子が吸収されるた
めに出力密度が下がり、逆に制御棒から離れた、
内部ブランケツトと、下部軸方向ブランケツトと
の間の燃料領域である炉心で出力密度が上がる。
従つて制御棒の挿入によつて軸方向出力分布が大
きく変化する。このような欠点を回避して、炉心
構成を決定する際には、制御棒挿入による軸方向
出力分布の平坦性が失なわれないようにする必要
がある。 本発明の目的は、軸方向出力の平坦化による炉
心性能向上、とりわけ倍増時間の短縮化が図れる
高速増殖炉を提供することにある。 このような目的を達成する本発明の特徴は、本
願の第１発明にあつては、軸方向及び径方向ブラ
ンケツトで囲設した炉心の内部領域にに内部ブラ
ンケツトを備えた高速増殖炉において、前記内部
ブランケツトの中心を前記炉心の中心よりも下方
になる位置に前記炉心内に前記ブランケツトを備
えたことを特徴とした点にあり、第２発明にあつ
ては、軸方向の各ブランケツトで上部と下部とを
囲んだ燃料を備えた核燃料要素において、前記燃
料の領域の途中に内部のブランケツトを中心が前
記燃料の領域の中心よりも下方に位置して備えた
核燃料要素を高速増殖炉の核燃料要素とした点に
ある。 以下、本発明の一実施例を第３図を参照して説
明する。なお、対象とする炉心は、プルトニウム
とウランの混合酸化物を燃料とし、液体ナトリウ
ムを冷却材とした場合についてのものである。 まず、炉心構成を第３図によつて説明する。円
柱状の炉心５を燃料親物質を主成分とする上部軸
方向ブランケツト９，下部軸方向ブランケツト７
及び径方向ブランケツト８で囲設している。この
炉心５の軸方向中心部と下部軸方向ブランケツト
７との間に天然ウランないみ減損ウラン等を主成
分とする炉心径方向に拡がる円柱状の領域、即ち
内部ブランケツト６を設けている。この内部ブラ
ンケツト６は、径方向の炉心中心付近で厚く、周
辺付近で薄くなつている。また、１０は制御棒で
ある。 核燃料要素における本発明の一実施例を第５図
を参照して説明する。燃料親物質を主成分とする
上部軸方向ブランケツト１３と下部軸方向ブラン
ケツト１６で囲まれた、プルトニウムとウラン混
合酸化物から成る燃料領域である炉心１４におい
て、第４図に示すような天然ウランないし減損ウ
ラン等を主成分とする内部ブランケツト１５の位
置より下方にさげた内部ブランケツトを設ける。
以下では、核燃料要素の集合体である炉心構成に
おける本発明の効果を述べることにより、本発明
の核燃料要素の効果とする。 なお、炉心の設計パラメータ及び炉の運転条件
は第１表に示す通りである。即ち、原子炉熱出力
は約2500MW，電気出力は約1000MW、等価炉心
径と炉心高は夫々325cm及び95cmである。

【表】 上部及び下部軸方向ブランケツト厚は40cm，径
方向ブランケツト厚は40cmである。燃料スミア密
度は、、炉心で87％理論密度、ブランケツトで91
％理論密度である。炉心燃料は富化度（核分裂物
質／核分裂物質＋親物質）が単一であるとし、内
部ブランケツトの燃料には軸方向ブランケツトの
燃料をそのまま使用する。燃料交換期間は１年、
設備利用率は80％、燃料交換バツチ数は炉心，ブ
ランケツト共に３とする。定格時最大線出力密度
は430W／cm、燃焼末期の余剰反応度は乱0.7％で
ある。 次に上記構成に基づく効果を説明する。径方向
出力分布については、内部ブランケツト６を径方
向の中心付近で厚く、周辺部で薄くしたことによ
り、従来と同程度に平坦化される。これは次の理
由による。炉心５の平均中性子エネルギーが高く
なり、炉心では核分裂性物質の中性子捕獲反応の
核分裂に対する比率が減少し、中性子の吸収反応
当りの発生数が大きくなる。一方、内部ブランケ
ツト６では炉心５に比べると天然ウランないし減
損ウラン等の原子数密度が高く、また中性子の平
均エネルギーが低いため天然ウランないし減損ウ
ラン等の核分裂反応は減少するが、中性子捕獲反
応率は増大する。 次に軸方向出力分布を考察する。制御棒１０を
炉心上部から挿入すると制御棒により中性子は吸
収され、それに伴い上部軸方向ブランケツトと内
部ブランケツト間の炉心で核分裂性物質の核分裂
反応は減少し、出力密度が下がるが、下部軸方向
ブランケツトと内部ブランケツト間の炉心で出力
密度が冗がり、軸方向出力分布はピークを持つ。
この出力のピークは、出力密度が低く反応度価値
の小さい内部ブランケツトを、従来の軸方向中心
部より下方にさげることによつて、抑制される。
また内部ブランケツトを軸方向の下方に下げるこ
とにより、上部軸方向ブランケツトと内部ブラン
ケツト間の炉心体積は増加し、この炉心領域から
周囲のブランケツトへの中性子漏洩量の割合は抑
制され、核分裂物質により核分裂反応の割合を上
げ、制御棒の中性子吸収による出力の低下と相殺
される。内部ブランケツトを下方に上げたことに
より、下部軸方向ブランケツトと内部ブランケツ
ト間の炉心体積は減少し、この炉心領域から周囲
のブランケツトへの中性子漏洩量の割合は増大
し、出力の上昇を抑制する。その結果、制御棒挿
入時においても、軸方向出力分布は平坦化でき
る。 このような軸方向及び径方向出力分布の平坦化
は増殖性の向上、すなわち倍増時間の短縮が図れ
るものである。つまり、炉心５の中性子エネルギ
ーが高いこと、及び出力分布の平坦性から炉心５
とこれを囲う上部軸方向ブランケツト９，下部軸
方向ブランケツト７，径方向ブランケツト８との
境界の中性子束が高い。そのために、上部軸方向
出力分布，下部軸方向ブランケツト７，径方向ブ
ランケツト８への中性子の漏洩量が増大し、燃料
親物質の中性子捕獲反応及び核分裂反応は大幅に
向上する。 なお、前記実施例では、内部ブランケツトの肉
厚が径方向にステツプ状に変化し、内部ブランケ
ツトが径方向ブランケツトに接しないで離れた炉
心構造の場合であつたが、これに限らず、第６図
に示すように内部ブランケツト１９の肉厚が径方
向にステツプ状に変化し、内部ブランケツト１９
が径方向ブランケツトに接する炉心構造の場合に
も、第７図に示すように内部ブランケツト１９を
下向にさげることにより前記実施例と略同様の効
果が得られる。 第８図に示すように内部ブランケツト２１の肉
厚を徐々に変化させ、内部ブランケツト２１が径
方向ブランケツト２２に接しないで離れた炉心構
造の場合にも、第９図に示すように内部ブランケ
ツト２１を下向にさげることにより前記実施例と
略同様の効果が得られる。 第１０図に示すように内部ブランケツト２３の
肉厚を徐々に変化させ、内部ブランケツト２３が
径方向ブランケツト２４に接する炉心構造の場合
にも、第１１図に示すように内部ブランケツト２
３を下向にさげることにより前記実施例と略同様
の効果が得られる。 第１２図に示すように単一富化度の炉心２５の
軸方向中心部に炉心径方向に拡がる円柱状の内部
ブランケツトを持つ炉心構造の場合、第１３図に
示すように内部ブランケツト２６を下向にさげる
ことにより前記実施例と略同様の効果が得られ
る。 第１４図に示すように、炉心を内側炉心２８Ａ
と外側炉心２８Ｂに分けるかあるいは径方向に内
側炉心２８Ａと外側炉心２８Ｂとの間に別の炉心
を設けることにより、径方向に２〜３領域に分
け、外側領域ほど富化度の高い燃料を装荷したも
のの軸方向中心部に、炉心径方向で内側炉心内に
拡がる円柱状の内部ブランケツト２９を持つ場
合、第１５図に示すように内部ブランケツト２９
を下向にさげることにより前記実施例と略同様の
効果が得られる。 第１６図に示すように、単一富化度である炉心
の軸方向中心部に炉心径方向で径方向ブランケツ
トに接する所まで拡がつた円柱状の内部ブランケ
ツト３１を持つ炉心構造の場合、第１７図に示す
ように内部ブランケツトを下向にさげることによ
り前記実施例と略同様の効果が得られる。 第１８図に示すように、炉心を内側炉心３３Ａ
と外側炉心３３Ｂに分けるかあるいは径方向に内
側炉心３３Ａと外側炉心３３Ｂとの間に別の炉心
を設けることにより、径方向に２〜３領域に分
け、外側領域ほど富化度の高い燃料を装荷したも
のの軸方向中心部に、炉心径方向で径方向ブラン
ケツトに接するまで拡がつた円柱状の内部ブラン
ケツト３４を持つ炉心構造の場合、第１９図に示
すように内部ブランケツト３４を下向にさげるこ
とにより前記実施例と略同様の効果が得られる。 いずれの実施例においても、 (1)炉心を燃料親物質を主成とする軸方向及び径
方向ブランケツトで囲設してなる高速増殖炉にお
いて、天然ウランないし減損ウラン等を主成分と
する炉心径方向に拡がる円柱状の領域である内部
ブランケツトを、炉心内においてその軸方向の中
心が炉心の軸方向に中心より下になるように設け
てあるが、(2)内部ブランケツトの軸方向中心部が
炉心の軸方向中心部より下になるように設けた内
部ブランケツトに、初装荷時に核分裂性物質濃度
をわずかに富化した燃料を装荷し、燃料交換時に
天然ウランないし減損ウラン等で置き換えていく
ことを行えば、内部ブランケツトの中性子吸収能
がすこしへることにより、初装荷炉心の出力分布
平坦化が上記(1)に示すものよりも良好となる。 又、(3)として(2)の内容で、内部ブランケツトの
軸方向中心部が炉心の軸方向中心部より下になる
ように設けた内部ブランケツトに、初装荷時に天
然ウランないし減損ウラン等のかわりに軽水炉の
使用済燃料を加工した燃料物質を使用すれば、上
記 (2)に加えるに、使用済燃料を再使用することで
経済性が高くなる。 又、(4)として(2)の内容で、内部ブランケツトの
軸方向中心部が炉心の軸方向中心部より下になる
ように設けた内部ブランケツトに、初装荷時に天
然ウランないし減損ウラン等のかわりに、高速増
殖炉の使用済ブランケツト燃料を加工した燃料物
質を使用すれば、上記(3)と同じく、再使用による
経済性向上が望める。 又、(5)として(2)の内容で、内部ブランケツトの
軸方向中心部が炉心の軸方向中心部より下になる
ように設けた内部ブランケツトに、初装荷されて
燃料のうち後半で取り出される燃料は天然ウラン
ないし減損ウラン等を使用することによれば、初
装荷時に採用した内部ブランケツト内の燃料を後
半で使用せずに出力平坦化を成すので、(2)の効果
に加えるに燃料物質のせつやくと出力平坦化とが
成立する。 又、(6)として上記(1)又は(2)の内容において、径
方向あるいは軸方向ブランケツトの炉心に近い部
分にも、核分裂性物質を初装荷時に混入し、燃料
交換時に核分裂性物質を混合しない燃料と置き換
えることにすれば、初装荷炉心の最高出力密度が
低くなるので、出力平坦化と増倍時間との向上に
加えて燃料の熱的よゆうが増大して安全である。 又、(7)として上記(6)の内容に加えるに、内部ブ
ランケツトの軸方向中心部が炉心の軸方向中心部
より下になるように設けた内部ブランケツトに、
初装荷時に炉心部と同じ燃料物質を装荷し、燃料
交換時に天然ウランないし減損ウラン等で置き換
えていくことを行えば、上記(6)の効果に加える
に、上記(2)と同様な効果が得られる。 又、(8)として、核燃料要素の構成は、燃料親物
質を主成分とする軸方向ブランケツトで上部と下
部を囲まれた燃料から成る核燃料要素において、
燃料領域の中に天然ウランないし減損ウラン等を
主成分とする内部ブランケツトを、内部ブランケ
ツトの中心が燃料の中心より下になるように設け
ることで、この要素の集合体である炉心を上記(1)
の構成のようにすることができ、出力分布平坦化
と増倍時間の向上が成せる。 又、(9)として上記(8)の内容において、内部ブラ
ンケツトの中心が燃料の中心より下になるように
設けた内部のブランケツトに、天然ウランないし
減損ウラン等のかわりに、軽水炉の使用済燃料を
加工した燃料物質を使用すること、あるいは(10)と
して(8)の内容において、内部ブランケツトの中心
が燃料の中心より下になるように設けた内部ブラ
ンケツトに、天然ウランないし減損ウラン等のか
わりに、高速増殖炉の使用済ブランケツト燃料を
加工した燃料物質を使用することにすれば、(8)に
示した効果に加えるに使用済燃料の再利用という
観点で経済性が高くなる。 本発明の高速増殖炉によれば、増殖性、とりわ
け軸方向出力分布の平担化により倍増時間の大幅
な短縮が可能となり、燃料経済上で多大な効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は炉心縦断面図、第２図は原子炉の軸方
向出力分布を示す特性図、第３図は炉心構成を示
す縦断面図、第４図および第５図は核燃料要素の
構造を示す縦断面図、第６図乃至第１９図は炉心
縦断面図である。 ５…炉心、６…内部ブランケツト、７…下部軸
方向ブランケツト、８…径方向ブランケツト、９
…上部軸方向ブランケツト、１０…制御棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸方向及び径方向ブランケツトで囲設した炉
   心の内部領域にに内部ブランケツトを備えた高速
   増殖炉において、前記内部ブランケツトの中心を
   前記炉心の中心よりも下方になる位置に前記炉心
   内に前記ブランケツトを備えたことを特徴とした
   高速増殖炉。 ２ 軸方向の各ブランケツトで上部と下部とを囲
   んだ燃料を備えた核燃料要素において、前記燃料
   の領域の途中に内部のブランケツトを中心が前記
   燃料の領域の中心よりも下方に位置して備えたこ
   とを特徴とした高速増殖炉の核燃料要素。