JPH04335189A - 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】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は液体金属を冷却材とする
高速増殖炉の炉心構造に係り、特に高速増殖炉の炉心構
造を改良した液体金属冷却型高速増殖炉の炉心構造に関
する。

【０００３】

【従来の技術】液体金属を冷却材とする高速増殖炉は、
核分裂性物質を充填した多数の燃料集合体を装荷して炉
心を構成しており、主にナトリウムが燃料からの熱除去
を行なう冷却材として使用される。

【０００４】この液体金属冷却型高速増殖炉においては
、何等かの原因により冷却材流量の減少が生じると、冷
却材温度が上昇して冷却材密度が減少し、反応度が投入
される。高速増殖炉の反応度は原子炉の出力規模に依存
し、小型炉では負であるが、中型炉や大型炉では正の反
応度となり冷却材密度の減少により炉出力を上昇させる
おそれがある。

【０００５】高速増殖炉は、通常冷却材であるナトリウ
ムが蒸発してボイド化することはないが、万一の事故を
想定し、ナトリウムがボイド化した場合でも、原子炉が
安全に停止し、炉心の安全性が保たれる設計となってい
る。

【０００６】冷却材であるナトリウムがボイド化した時
の原子炉の応答としては、炉心が小型の場合は、中性子
の炉心からの洩れが大きいため、上述したように、負の
反応度となって炉心を安全に停止させることができる。

【０００７】これに対し、高速増殖炉の炉心が大型にな
ると、炉心からの中性子洩れが少なくなり、冷却材であ
るナトリウムがボイド化したときの反応度が正となる。 この正の反応度状態のときに、炉心が安全に停止するか
否かは、他の反応度要因を含めて詳細な解析を行なって
、炉心の安全性を確認する必要がある。

【０００８】冷却材であるナトリウムによる正の反応度
は、炉心からの中性子洩れの増大や中性子スペクトルの
軟化により低減できる関係上、従来から反応度を抑制し
て小さくするために、炉心内に中性子吸収物質を装荷し
たり、炉心高さを低くして偏平化を図って中性子洩れを
増大させたり、あるいはベリリウムや水素化ジルコニウ
ム等の中性子減速材を装荷して中性子スペクトルを軟化
させる手段が採られてきた。いずれにしても、冷却材で
あるナトリウムのボイド反応度を小さくできれば、炉心
の安全性・信頼性がより一層向上し、原子炉の安全設計
上非常に価値がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高速増殖炉
のような原子力プラントにおいては、プラントの設計上
、炉心安全性の見地から炉心出力を極度に小さく設計す
ることは、発電コストの点で好ましくない。

【００１０】また、冷却材であるナトリウムが万一ボイ
ド化した場合でも、炉心の反応度を負にするには、炉心
出力を例えば、１００ＭＷｅ程度の小型炉にしなければ
ならず、この炉心出力を上廻るとナトリウムのボイド化
反応度が正になるという問題が生じることになる。

【００１１】一方、大きな出力を持つ高速増殖炉の炉心
において、冷却材であるナトリウムのボイド反応度を零
または負にする方法として、核分裂性物質を多く含む多
数の燃料集合体を周方向に多環状に配列したアニュラー
型炉心が考えられるが、このアニュラー型炉心では炉心
部からの中性子の洩れを増大させるために、炉心表面積
を大きくする必要があり、炉心サイズが増大し、経済性
が低下する問題がある。

【００１２】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、大出力炉心においても冷却材のボイド反応度
を零または負に保ち、経済性の低下を抑制した高速増殖
炉の炉心構造を提供することを目的とする。

【００１３】本発明の他の目的は、アニュラー型炉心の
中央部の未使用領域を有効かつ積極的に活用して経済性
を向上させた高速増殖炉の炉心構造を提供するにある。 〔発明の構成〕

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高速増殖炉
の炉心構造は、上述した課題を解決するために、核分裂
性物質を装荷した多数の燃料集合体を多環状に配置して
炉心領域を形成し、この炉心領域の燃料集合体の内周側
に中性子吸収物質を装荷した多数の吸収集合体を配置し
た中性子吸収領域を設けたものである。

【００１５】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る高速増殖炉の炉心構造は、多数の吸収集合体
を環状に配置して中性子吸収領域を構成し、各吸収集合
体の内周側に、請求項２に記載したように、複数の内側
燃料集合体を配置し、上記内側燃料集合体の核分裂性物
質の軸方向有効装荷長は炉心領域の燃料集合体の軸方向
有効装荷長より短かくしたり、また、請求項３に記載し
たように、マイナーアクチノイド核種を有するＴＲＵ燃
料集合体を配置したり、さらに、請求項４に記載したよ
うに、使用済みの燃料集合体を配置してもよい。

【００１６】

【作用】本発明に係る高速増殖炉の炉心構造においては
、多数の燃料集合体を多環状に配置した炉心領域の内周
側に、中性子吸収物質を含む吸収集合体を配置すること
により、炉心の表面積が比較的小さい炉心においても炉
心部からの中性子の洩れを増やすことができ、ひいては
大出力炉心でも炉心サイズ増大を抑制することができる
。

【００１７】また、吸収集合体の中性子吸収領域の半径
方向厚さがある程度以上になると前記吸収集合体を配置
する効果は飽和する傾向がある。したがって、前記吸収
集合体の装荷数はナトリウムのボイド反応度の低減効果
および炉心サイズの増大抑制の観点から決められ、この
場合、前記吸収集合体が配置される中性子吸収領域の内
側に未使用領域が生ずる。

【００１８】この未使用領域に、（１）前記燃料集合体
における核分裂性物質の軸方向有効装荷長よりも短かい
軸方向有効装荷長を有する複数の内側燃料集合体や、（
２）ネプチニウム、アメリシウム、キューリウムなどマ
イナーアクチノイド核種を有するＴＲＵ燃料集合体、あ
るいは、（３）使用済みの燃料集合体を配置することに
より未使用領域の有効利用を図ることができ、結果的に
は、経済性が向上する。

【００１９】

【実施例】以下、本発明に係る高速増殖炉の炉心構造の
一実施例について添付図面を参照して説明する。

【００２０】図１（Ａ）および（Ｂ）は本発明に係る高
速増殖炉の炉心構造の一例を示す断面図および縦断面図
であり、この高速増殖炉はアニュラー型炉心１を備えた
ものである。

【００２１】アニュラー型炉心１は核分裂性物質を装荷
した多数の燃料集合体（外側燃料集合体）２を同心円を
有する多環状に配置してアニュラー状の炉心領域３を形
成している。燃料集合体２の上部にはガスプレナム領域
４が設けられる一方、その下部に親物質からなる軸ブラ
ンケット領域５が形成される。この炉心領域３には冷却
材であるナトリウムのボイド反応度を低減させ、炉出力
を制御する制御棒６やナトリウムを流さないキャビティ
チャンネル７が配置される。キャビティチャンネル７は
周方向に沿って列状（環状）に配置され、炉心部からの
中性子洩れを増大させるべく、炉心表面積の増大を図っ
ている。アニュラー状炉心領域３の外周側に径ブランケ
ット領域８が形成され、この径ブランケット領域８に径
方向ブランケット燃料集合体９が周方向に列状に配置さ
れる。

【００２２】また、アニュラー状炉心領域２に装荷され
る燃料集合体３の内周側に多数の吸収集合体１０が環状
に配置され、アニュラー状の中性子吸収領域１１が形成
される。この中性子吸収領域１１の領域幅は、冷却材で
あるナトリウムのボイド反応度低減効果や炉心サイズの
増大抑制の観点から適宜定められ、中性子吸収領域１１
の内側に未使用領域が形成される。

【００２３】この未使用領域である内側炉心領域１２に
多数の内側燃料集合体１３が配置される。内側燃料集合
体１３は核分裂性物質の炉心軸方向有効装荷長が外側燃
料集合体２の炉心軸方向有効装荷長より短かい偏平構造
とされる。この内側炉心領域１２の偏平化により中性子
洩れに有効な炉心表面積を増大させることができる。ま
た、内側炉心領域１２には多数の制御棒６が分散配置さ
れる。

【００２４】内側炉心領域１２の上部は、ナトリウムプ
レナム領域４として、その下部は下部軸ブランケット領
域５としてそれぞれ形成される。

【００２５】高速増殖炉の炉心構造においては、冷却材
であるナトリウムのボイド反応度を低減させるために、
炉心部からの中性子洩れを増大させる必要があり、中性
子洩れに有効な炉心の表面積を増大させることが要求さ
れる。

【００２６】本実施例においては、炉心領域３の各外側
燃料集合体２の内周側にアニュラー形状の中性子吸収領
域１１を形成することにより、この中性子吸収領域１１
で炉心領域３からの中性子洩れを吸収し、中性子洩れに
有効な炉心の表面積を増大させることができる。

【００２７】本実施例では、アニュラー形状の中性子吸
収領域１１の内側に内側炉心領域１２を形成し、この内
側炉心領域１２を核分裂性物質の炉心軸方向有効装荷長
が短かい内側燃料集合体１３を配置したので、中性子の
洩れに有効な炉心の表面積を一層増大させることができ
る。

【００２８】さらに、アニュラー状の炉心領域３に多数
のキャビティチャンネル７を例えば１列の環状に配置す
ることにより、炉心の表面積をより増大させることがで
きる。

【００２９】このアニュラー型炉心１においては、アニ
ュラー状炉心領域３のナトリウムのボイド反応度は大幅
に低減され、内側炉心領域１１のナトリウムのボイド反
応度は、内側燃料集合体１２内の核分裂性物質の軸方向
装荷長さが短かい偏平化のために大幅に低減され、かつ
また、内側炉心領域１１においても熱の発生があるため
、アニュラー状炉心領域３における発熱量は少なくて済
み、ひいては、アニュラー炉心領域３のサイズを小さく
することができる。

【００３０】図２は本発明に係る高速増殖炉の炉心構造
の第２実施例を示すものである。

【００３１】この高速増殖炉の炉心構造は、アニュラー
型炉心１Ａであり、基本的な構成は第１実施例のアニュ
ラー型炉心１と異ならない。同じ構成には同一符号を付
して説明を省略する。

【００３２】図１に示したアニュラー型炉心１と基本的
に異なる構成は、内側炉心領域１２Ａに、マイナーアク
チノイド核種を有する超ウラン元素の燃料集合体（以下
、ＴＲＵ燃料集合体という。）２０を多数配置する点で
ある。マイナーアクチノイド核種は、ネプチウム−２３
７（　２３７Ｎｐ）やアメリシウム−２４１（　２４１
Ａｍ）、アメリシウム−２４３（　２４３Ａｍ）、キュ
ーリウム−２４２（　２４２Ｃｍ）、キューリウム−２
４４（　２４４Ｃｍ）等の超ウラン元素（ＴＲＵ）の各
核種からプルトニウム（Ｐｕ）を除いたものである。

【００３３】このアニュラー型炉心１Ａにおいては、内
側炉心領域１２ＡにＴＲＵ燃料集合体２０を配置する一
方、内側炉心領域１２Ａの反応度を制御するために、例
えば主にステンレス鋼からなる希釈燃料集合体２１が内
側炉心領域１２Ａに分散配置される。さらに、炉心の増
殖特性を向上させるために、親物質を充填した多数のブ
ランケット集合体２２，２２を環状の中性子吸収領域１
１Ａの吸収集合体１０をサンドイッチするように周方向
に列状に配置したものである。

【００３４】このアニュラー型炉心１Ａにおいても、一
実施例で示したものと同様、アニュラー状炉心領域３の
冷却材であるナトリウムのボイド反応度を大幅に低減さ
せることができると共に、従来のアニュラー型炉心の場
合未使用であった内側炉心領域１２Ａに、アニュラー状
炉心領域３で発生した中性子が到達し、ＴＲＵ燃料集合
体２０内の半減期の長い放射性廃棄物であるマイナーア
クチノイドが中性子と反応し、半減期の短かい放射性物
質として消滅処理させることを発電と共に行なうことが
できる。

【００３５】図３は本発明に係る高速増殖炉の炉心構造
の第３実施例を示すものである。

【００３６】この実施例に示されたアニュラー型炉心１
Ｂの基本的炉心構造は、第１実施例に示したものと異な
らず、実質的に異なる構成は、内側炉心領域１２Ｂに崩
壊熱の低下を待つために使用済みの燃料集合体２５を配
置しており、核反応を防止するために使用済み燃料集合
体２５を装荷した内側炉心領域１２Ｂに吸収集合体２６
を分散配置している点である。

【００３７】このアニュラー型炉心１Ｂにおいても、ア
ニュラー状炉心領域のナトリウムのボイド反応度は大幅
に低減されると共に、従来の炉心構造の場合、使用済み
燃料集合体２５は炉心部の外側に配置するためにその分
原子炉容器の径が増大していたのに対して、本実施例の
アニュラー型炉心においては、原子炉容器の径が増大す
ることなく原子炉容器内にて使用済み燃料集合体２５を
貯蔵することができる。

【００３８】本発明に係る高速増殖炉の炉心構造におけ
る炉心構成は、上述した各実施例に限られるものではな
く、冷却材のボイド時にナトリウムのボイド反応度をほ
ぼ零または負になるよう配置する炉心構成であればよい
。

【００３９】

【発明の効果】本発明に係る高速増殖炉の炉心構造にお
いては多数の燃料集合体を多環状に配置した炉心領域の
内周側に、中性子吸収物質を含む吸収集合体を配置して
中性子吸収領域を設けたので、炉心の表面積が比較的小
さな炉心においても、炉心部からの中性子を吸収して中
性子洩れを増やすことができ、ひいては大出力炉心でも
炉心サイズの増大を抑制することができる。

【００４０】また、多数の吸収集合体を装荷した中性子
吸収領域の内側に未使用状態が生じるが、この未使用状
態は内側炉心領域として積極的に利用し、この内側炉心
領域に、（１）燃料集合体における核分裂性物質の軸方
向有効装荷長よりも短かい軸方向有効装荷長を有する複
数の内側燃料集合体や、（２）ネプチニウム、アメリシ
ウム、キューリウムなどマイナーアクチノイド核種を有
するＴＲＵ燃料集合体、あるいは、（３）使用済みの燃
料集合体を配置することにより未使用領域の有効利用を
図ることができ、結果的には、経済性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）および（Ｂ）は本発明に係る高速増殖炉
の炉心構造の第１実施例を示す横断面図および縦断面図
。

【図２】本発明に係る高速増殖炉の炉心構造の第２実施
例を示す横断面図。

【図３】本発明に係る高速増殖炉の炉心構造の第３実施
例を示す横断面図。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ　　アニュラー型炉心 ２　　燃料集合体（外側燃料集合体） ３　　炉心領域 ４　　ナトリウムプレナム領域 ５　　軸ブランケット領域 ６　　制御棒 ７　　キャビティチャンネル ８　　径ブランケット領域 ９　　径方向ブランケット集合体 １０　　吸収集合体 １１　　中性子吸収領域 １２，１２Ａ，１２Ｂ　　内側炉心領域１３　　内側燃
料集合体 ２０　　ＴＲＵ燃料集合体 ２１　　希釈集合体 ２２　　ブランケット集合体 ２５　　使用済み燃料集合体 ２６　　吸収集合体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　核分裂性物質を装荷した多数の燃料集
   合体を多環状に配置して炉心領域を形成し、この炉心領
   域の燃料集合体の内周側に中性子吸収物質を装荷した多
   数の吸収集合体を配置した中性子吸収領域を設けたこと
   を特徴とする高速増殖炉の炉心構造。
2. 【請求項２】　　中性子吸収領域は、多数の吸収集合体
   を環状に配置して構成され、各吸収集合体の内周側に核
   分裂性物質を装荷した複数の内側燃料集合体を配置し、
   上記内側燃料集合体に装荷される核分裂性物質の軸方向
   有効装荷長は炉心領域の燃料集合体の軸方向有効装荷長
   より短かくした請求項１記載の高速増殖炉の炉心構造。
3. 【請求項３】　　中性子吸収領域は、多数の吸収集合体
   を環状に配置して構成され、各吸収集合体の内周側にマ
   イナーアクチノイド核種を有するＴＲＵ燃料集合体を配
   置した請求項１記載の高速増殖炉の炉心構造。
4. 【請求項４】　　中性子吸収領域は、多数の吸収集合体
   を環状に配置して構成され、各吸収集合体の内周側に使
   用済みの燃料集合体を配置した請求項１記載の高速増殖
   炉の炉心構造。