JPH0337719B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は軽水により減速されかつ冷却される原
子炉の作動法に関し、より詳細には、使用される
原子炉燃料の反応度が高い場合に高速中性子の方
向に転位させられるスペクトルの原子炉の炉心の
作動段階を包含する方法に関する。

原子炉の炉心は所定の時間間隔で取換えられる
燃料集合体で構成されている。連続した２つの再
装荷の間に、原子炉の完全作動が行なわれる。

加圧軽水により減速されかつ冷却される周知の
原子炉では、サイクルの開始時の核分裂連鎖反応
の始動は、核燃料の濃縮率に応じて過渡の反応度
の発生を伴い、これは原子炉の「暴走」を回避す
るために制限されなければならない。普通採用さ
れる在来制御手段は、冷却水に溶解されるか又は
消費しうる毒物の形態の、即ち、一定の寿命を有
するかのいずれかの中性吸収毒物の提供から成
り、又は、中性子を吸収する棒の使用から成り、
この棒は次に炉心の出力レベルを制御するのに使
用される。

それ故に、これは、核分裂性燃料、たとえばプ
ルトニウムの生産のような有益な目的に使用され
るエネルギ損失を生じさせ、ウランの必要及びそ
の濃縮費用を減じることができる。

従来、炉心の減速材―冷却材によつて中性子の
減速率を減少させることにより、かくして高エネ
ルギの状態で放出される中性子が、燃料に含まれ
た親原子に遭遇することができるような方法で反
応の開始に生じる過度の反応度を利用することが
提案された。その際、親物質によるこれらの高エ
ネルギ中性子の吸収により、この親物質は核分裂
性になることができ、かくして、燃料の量の増加
を達成することができ、それによつて天然ウラン
の消費が改善される。

高エネルギの方向への中性子スペクトルの転位
は、減速挙動が高速中性子の進路をできるだけ妨
害しないように減速材の量を減ずることによつて
達成された。減速材の量のこの減少のために、燃
料の寿命の開始時に加圧水ボイラ内の冷却材兼減
速材を構成する軽水の一部を或る量の重水に代え
る技術を利用することが知られている。重水は軽
水よりも減速能力が低いので、したがつてその使
用により、原子炉は増大スペクトル、すなわち、
高エネルギ中性子が核分裂性物質、例えばプルト
ニウム239への親物質例えばウラン238の転換に使
用されるスペクトルで作動することができる。こ
れらの原子炉では、燃料が消耗するのに比例し
て、すなわちその反応度が減少するとき、軽水の
量が増やされそれ故重水の量が減じられ、したが
つて、核分裂性物質に対する減速材の量の比率が
核分裂連鎖反応の自己維持と両立するようにスペ
クトルが低エネルギ（熱中性子）の方向に軟化さ
れるので減速材の減速作用は増大する。

重水の導入さらにまたその抜き取りによる減速
材の量の変更のこの作業は、重水それ自身の費用
及び希釈・回復作業のための追加の高価な回路を
備える必要により費用の相当な増加を必要とす
る。加圧水冷却原子炉において減速材の量を変更
する別の方法が提案された。すなわち、この方法
は冷却材・減速材が燃料集合体の案内管に入り込
むのを阻止するために上記案内管の一部に導入さ
れる中性子にとつて透過性の物質（ジルコニウム
合金）の棒の束を使用することである。

スペクトル変化棒のこれらの束は、炉心の寿命
の開始の際、案内管に挿入されたままであり、か
くして、減速材の減速作用を弱めることにより中
性子が高エネルギの状態で吸収されるのを可能に
する。作動中、これらの束は抜出されかくして減
速材−冷却材を案内管に入り込ませることがで
き、したがつて、低エネルギに向う滑りが、現在
知られた軽水発電用原子炉のエネルギスペクトル
と同一のエネルギスペクトル（熱中性子）で作動
し続けるような方法で達成される。

それにもかかわらず、重水／軽水希釈による変
更とは全く異なるこの機械的な変更は設備の点で
わずかな要求しか課さない。したがつて、設備の
追加の費用を埋め合わせるためには、核分裂性物
質への親物質の転換の可能な最もよい効果を達成
することが必要である。

これまでに設計された他の原子炉では、高エネ
ネギ中性子スペクトル、即ち、高速中性子を炉心
の作動期間の間中、利用することも知られてお
り、従つて、炉心は高転換率を有し、それ故に、
新しい燃料を装荷する際に使用される非常に多量
の核分裂性物質を生産する。この目的のために、
親物質の棒又は要素の集合体は恒久的に、核分裂
性物質で構成された燃料集合体内か、一層頻繁で
あるが、核分裂性物質で構成された帯域の周囲か
のいずれかに取付けられる。

上述の先行技術によれば、全ての設計は遊離し
た中性子を高速中性子スペクトルの状態で吸収す
ることが、プルトニウムのような核分裂性物質へ
の転換に関して可能な限り最も生産的であるよう
に、放射された中性子の利用の最適化に向けられ
た。原子炉の開始時における原子炉のスペクトル
の転位に関する先行技術は原子炉の寿命の第２部
分の間に消費されるプルトニウムの生産に関して
実質的な効果を達成するけれども、原子炉が熱中
性子スペクトルの状態で作動しているときには、
原子炉が高速中性子の方向に転位したスペクトル
の状態で作動する限り、低速中性子によつて局部
的に生じた多数の過剰核分裂物質のために、中性
子のバランスの実質的な制限は依然そのままであ
ろう。

したがつて本発明の目的は、減速軽水の中に沈
められ、また、少なくとも一部が、原子炉の作動
サイクルに一致する所定の時間間隔で取換えられ
る燃料集合体で構成された炉心を有する軽水によ
り減速されかつ冷却される原子炉の作動方法を提
案するにあり、この作動方法では、炉心内の減速
材の量と核分裂性物質の量の比率を減じて中性子
のエネルギスペクトルを高エネルギの方向に転位
させるような方法で、中性子のエネルギスペクト
ルを変化させる棒をサイクルの第１段階で炉心の
内部に導入し、第２段階でスペクトル変化棒を抜
出して、核分裂物質への親物質の転換を増加さ
せ、また、炉心の中性子流束を最大限利用する。

この目的のために炉心内に均等的に分布したス
ペクトル変化棒の集合体は、スペクトルの転位の
最大及び核分裂性燃料物質への親燃料物質の大幅
な転換を局部的に達成するように、低エネルギ中
性子を吸収する物質で作られる。

さらに詳細には、この方法は、スペクトル変化
棒の吸収物質が核分裂連鎖反応を維持するのに必
要な過剰低速中性子の吸収を行なうように選択さ
れることを特徴とする。

本発明は以下の説明と添付図面の実施態様によ
つて一層よく理解されよう。

曲線Ａを観察すると、曲線Ａは今、問題にして
いる加圧水型の原子炉の炉心を構成する集合体の
燃料棒に含まれた核分裂性物質によつて放出され
た中性子のスペクトルを示している。高速中性子
減速材によつて減速され、核分裂反応を維持する
ために必要な中性子群（単位体積当り）は本質的
に、第１ａ図のA₁で概略的に示すようにエネル
ギが0.025eVに近い熱中性子で構成されているの
が分かる。

曲線Ｂは、中性子にとつて透過性の物質のスペ
クトル変化棒の使用により、Ｄで示すように減速
材の量を減ずることによつて中性子の減速率が減
じられた先行技術の原子炉の中性子スペクトルを
示している。中性子エネルギの転位がB₁で示さ
れている。

より高いエネルギ中性子の方向へのこの転位
は、第１ｃ図のB₁で示すように、転換率を増大
させ、その結果、初期の燃料内で消費するのに必
要な核分裂性物質の量を減じてプルトニウムの収
量を増加させることができるスペクトルの硬化に
相当する。

連鎖反応はウラン235の原子の核分裂によつて
つくり出されたプルトニウム239の一部の核分裂
によつて共同で維持されるが、それでもやはり、
「熱化（thermalised）」される中性子群の一部が
依然残る。吸収されまた核分裂性物質への親物質
の転換に関与するにはエネルギが高すぎる多数の
中性子は減速材を通過するとき減速されるので中
性子群の前記一部は熱化される。これは、低速中
性子群が、燃料の反応度が高い場合や消費しうる
大量の毒物を使用するのに依然として必要な増倍
率と常に同一である増倍率を保持するために過剰
であるのが知られているという結果を有す。

曲線Ｃは本発明において使用された中性子スペ
クトルを示し、これらの中性子のエネルギはC₁
のところに指示されている。

プルトニウムの生産は転換率に依存するという
事実をもとにして、本発明は過剰低速中性子の進
路に劣化酸化ウラン棒を配置することによつて過
剰低速中性子の数をさらに一層減じようとしてい
る。上述の過剰低速中性子の進路に劣化酸化ウラ
ン棒を配置することの目的は、この劣化酸化ウラ
ン棒が局部的に前記低速中性子の吸収に寄与する
ことにあり、劣化酸化ウラン棒は相関的に、全中
性子分布に関してより高いエネルギ中性子の比率
を局部的に増大させるという効果を有し、かくし
てスペクトルをさらに一層硬化させ、すなわち、
エネルギが第１ａ図のＦで示したエネルギよりも
高いエネルギの中性子の助けで核分裂を生じさせ
るという効果を有している。

燃料集合体への劣化酸化ウランの棒の一時的な
挿入による局部的硬化作用は、第１ｃ図（個所；
C₁）に示すようにプルトニウム239への集合体に
含まれたウラン238の転換率を実質的に増大させ
る。というのは炉心のこれらの棒の均質分布が原
子炉の炉心全体のスペクトルの全体的硬化を必然
的に伴わせる効果を有しているからである。

加うるに、これらの棒は、それら自身高速中性
子流束を受け、それらが集合体の中に挿入される
とき核分裂反応の維持に寄与するプルトニウムの
追加の生成を引起す。プルトニウム239のこの生
成はこれらの棒に含まれ、吸収された低速中性子
の作用を受けるウラン235のうちの微量の転換に
よつて補われる。

第２図に示す曲線は、第１ａ図に示した別々の
スペクトルに対して表わされた、燃料が同一の最
初の濃縮率を有する炉心の別々の劣化を示してい
る。

曲線Ａは熱中性子スペクトルで作動する炉心の
理論上100％の劣化を示している。

曲線Ｂは全く同一の炉心の劣化を示している
が、この劣化については、スペクトルの硬化が核
分裂プロセスの最初の部分の間、ジルコニウム合
金の棒の束の助けで減速材の量Ｄの減少によつて
のみ達成されている。曲線の最初の部分は、棒が
燃料集合体の中に挿入される期間に相当してお
り、それは曲線の初めのところに示された反応度
の損失を説明している。

第１ｂ図で分かるようにスペクトルの硬化がウ
ラン235の有効核分裂横断面の減少を必然的に伴
わせることは注目されるべきである。それにもか
かわらず、転換率の増大のために多量のプルトニ
ウム239が生成する。第１ｂ図に示すように、考
察するエネルギ帯では、プルトニウム239の有効
核分裂横断面は実質的にウラン235のよりも大き
く、それによつて燃料の全体的な反応度は改善さ
れる。

かくして、第２図の曲線Ｂの最初の部分は曲線
Ａより急でない劣化勾配を有している。

増倍率が、連鎖反応を維持するのに必要な値、
即ち、放出された中性子の数がもはや十分でなく
なる値以下になる反応度から始まつてＧで示すよ
うな反応度の限界に近づいたとき、棒を案内管か
ら引出す。

棒の抜出しによつて冷却・減速材が案内管の中
に侵入することができ、かくして減速能力を増大
させまた中性子スペクトルを低エネルギ帯の方向
に転位させることによつて中性子スペクトルを軟
化させる。この抜出しは反応度を回復させる。と
いうのは、第１ｂ図で分かるようにウラン235及
びプルトニウム239の有効核分裂横断面が拡大さ
れるからである。

加うるに、作動の初期段階の間に生成した核分
裂性物質は、同じ初期の濃縮についてＨで示すよ
うに長期間維持される核分裂反応を達成させるこ
とができる。

曲線Ｃは本発明による全く同一の炉心の劣化を
示している。

したがつて、ジルコニウム合金被覆内に収容さ
れた劣化酸化ウランのペレツトで構成された棒の
案内管への導入は、減速材の量（第１ａ図におい
てＤで示されている）の減少及びスペクトルの局
部的硬化を引起こす低速中性子の吸収を達成させ
ることができる。

したがつて、この作用は高エネルギ（第１図に
おいてＦで示すように）の方向へ中性子スペクト
ルを全体的に転位させる。というのは、劣化した
二酸化ウラン棒が炉心を構成する集合体の中に分
布されているからである。

さらに、転換率が高い（第１ｃ図の個所C₁）
ので、この段階の間に核分裂反応の維持にも関与
もする多量のプルトニウム239が生産され、その
ことは増倍率を核分裂反応の維持に必要な値に維
持するために、最初の燃料がＣで示すように熱ス
ペクトル（曲線Ａ）及びＢで示したスペクトルに
おけるよりはすみやかでないように「劣化」され
る。

棒が抜出される（第２図の個所；Ｉ）と、スペ
クトルは熱中性子の方向に戻され、またＪで示す
ようにウラン235及びプルトニウム239の有効横断
面の増加から生じる反応度の回復分が消費され
る。

したがつて、スペクトルを高速中性子の方向に
転位させるサイクルの全部分の間、原子炉の作動
及び制御を保証するのを可能にする中性子のバラ
ンスを保持しながら転換率を出来るだけ増大させ
る方法でスペクトルをさらに一層転位させること
により、すなわちスペクトルを局部的に硬化させ
ることにより中性子にとつて透過性の棒を使用す
ることよりも実質的に大きな増加を達成すること
が可能である。

さらに、プルトニウム239の生産を増加させて
もつと先のサイクルのために燃料として再使用す
ることができる。事実、いつたん抜出せばこれら
の棒はもはや連鎖反応に関与しない。というの
は、これらの棒は炉心上方にある設備に収容され
その結果劣化しないからである。

本発明は、説明し、劣化ウランを吸収物質とし
て使用する実施態様に制限されるものではない。
親物質を含む又は含まない他の吸収物質を使用す
るのが可能である。かくして、ウラン233の形態
の核分裂性物質を生産するトリウム232を親物質
として使用することができる。

本発明は中性子スペクトルバリエーシヨン棒を
使用する任意の水減速型原子炉に適用しうる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図、第１ｂ図、第１ｃ図はそれぞれ、中
性子エネルギに対して描かれた中性子スペクトル
の曲線、核分裂性物質として使用されるウラン
235及びプルトニウム239の有効核分裂横断面を中
性子エネルギに対して描いた曲線、プルトニウム
への転換率を中性子エネルギに対して描いた曲線
を示す。第２図は、使用された別々のエネルギス
ペクトルに従つて、炉心の作動サイクル中燃料の
核分裂性物質の劣化を表示する一連の曲線を示
す。第１ａ図は、連鎖反応を維持するのに必要な
中性子群を中性子エネルギ（縦座標：流速、横座
標：エネルギ）に対して描いた図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 減速冷却軽水に沈められ且つ原子炉の作動サ
   イクルに応じて所定の時間間隔で少なくとも部分
   的に取り換えられる燃料集合体で構成された炉心
   を有する、軽水により減速されかつ冷却される原
   子炉の作動法であつて、 作動サイクルの第１段階において、炉心内の減
   速材の量と核分裂物質の量との比率を減じて中性
   子のエネルギスペクトルを高エネルギの方向に転
   位させることができるように、炉心内で均等に分
   布配置された中性子エネルギスペクトル変化棒を
   炉心内部に導入維持し、 作動サイクルの第２段階において、低エネルギ
   スペクトルで作動するように、中性子エネルギス
   ペクトル変化棒を炉心から抜き出す方法におい
   て、 中性子エネルギスペクトルの高エネルギ方向へ
   の転位を増大させて親燃料物質の核分裂性燃料物
   質への大幅な変換を局部的に達成するように、上
   記中性子エネルギスペクトル変化棒は低エネルギ
   中性子を吸収する親燃料物質を含んでいる、こと
   を特徴とする作動法。 ２ 上記中性子エネルギスペクトル変化棒は、少
   なくともアイソトープ劣化したウラン235又はト
   リウムを含むことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の作動法。 ３ 上記中性子エネルギスペクトル変化棒は、燃
   料集合体内に設けられた案内管から取り出すこと
   によつて作動サイクルの第２段階において炉心か
   ら抜き出される、親燃料物質を含んだ棒の束で構
   成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項又は第２項に記載の作動法。