JPH0462497A - 高速炉炉心 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速炉炉心に係わり、特に冷却材ナトリウムか
ボイド化した時における正の反応度挿入を抑制して安全
性の向上および健全性の維持を図るようにした高速炉炉
心に関する。

〔従来の技術〕

高速炉炉心は一般に円柱状に形成され、炉心に燃料とし
て核分裂性物質と燃料親物質を混合したものを用いてお
り、核分裂性物質としては、主にプルトニウム−２３９
、ウラン−２３５、あるいは両者を混合したものか用い
られる。

−船釣な高速炉炉心としては均質炉心と呼ばれて炉心領
域を同心状に内側炉心領域と外側炉心領域に分割したも
のかある。このように炉心を分割した場合、核分裂性物
質の富化度（核分裂性物質の量／（核分裂性物質の量＋
燃料親物質の量））は、外側の炉心領域はど高くなって
いる。これは、出力分布の平坦化を図り、増殖性等の炉
心性能を高めるためである。

ところで、従来のプルトニウム燃料を装荷した高速炉炉
心は、なんらかの原因で冷却材ナトリウムにボイドか発
生すると、炉心の中央ではナトリラムボイドの反応度が
正（中性子の発生割合と吸収割合の差）となる。この反
応度は炉心か小型になるほと小さくなる。これは、小型
炉心はどナトリウムにボイドか発生したときに外側炉心
領域での中性子の洩れが増大して反応度が下がるためで
あるか、炉心中心部では依然として正である。

一方、濃縮ウラン燃料を装荷した高速炉炉心ては、炉心
中心部でもナトリウムボイド反応度か負になり得る。こ
れは、プルトニウム−２３９とウラン−２３５の核断面
積の中性子エネルギーによる変化か異なるためである。

第１０図に両者のη値（中性子１個の吸収当たりの核分
裂により発生する中性子の個数の期待値）の中性子エネ
ルギーによる変化を示す。プルトニウム−２３９とウラ
ン−２３５のη値は１ｋｅＶ以上ては、いずれもエネル
ギーの増加とともに増加するか、その増加割合はプルト
ニウム−２３９の方か大きい。このため、ナトリウムに
ボイドか発生し、中性子エネルギースペクトルか硬化す
るとプルトニウム−２３９を用いた方かより正の反応度
か入ることになる。

また、一般に、ボイドか発生すると中性子の洩れか大き
くなり、この効果はボイド反応度を小さくする。ところ
が、炉心か大きくなると、炉心から洩れる中性子の割合
か相対的に小さくなり、ボイド反応度は大型炉はど大き
くなる傾向かある。

そこで、大型炉では炉心全体てボイド反応度を負にする
ことは難しいが、小型炉心では炉心全体でもボイド反応
度を負にてきる可能性がある。

そこで、以下では炉心全体てボイド反応度を負にする可
能性か大きいやや小型のｌＯ万ｋＷｅ級高速炉炉心のナ
トリウムボイド反応度について定量的に説明する。

第１図及び第２図はｌＯ万ｋＷｅ級高速炉の均質炉心を
示す図で、第１図は概略構成を示す縦方向断面図、第２
図はそのＡ−Ａ断面図である。

図において、炉心領域の径方向は内側炉心燃料集合体１
１か装荷された内側炉心領域１と、外側炉心燃料集合体
１２か装荷された外側炉心領域２の三領域に分割され、
外側炉心領域２か内側炉心領域ｌの周囲を取り囲んでい
て、その外側を径方向ブランケット燃料集合体１４より
なる径方向ブランケット領域４、径方向反射体１５より
なる径方向反射体領域５か取り囲んでいる。原子炉は内
側炉心領域１に挿入された制圓棒１６の操作により制御
される。

まず、従来例の１つとして、プルトニウム−２３９を富
化した燃料を装荷した炉心のナトリウムボイド反応度に
ついて述べる。この場合、炉心寸法は、第１図てＨ＝６
０ａｎ、　Ｄ、　＝１０５ｃｍ＋　、　Ｄ２　＝１５０
ｃｍである。

プルトニウム富化度は、内側炉心領域が１８．４％、外
側炉心領域が２５．７％である。第１１図は、上記炉心
中央部のナトリウムボイド反応度の径方向分布を示す図
である。この反応度は、漏洩成分（図の一点鎖線）と非
漏洩成分（図の破線）に分けることができる。漏洩成分
は中性子の漏洩に関するもので、ナトリウムのボイド化
により中性子漏洩か増すためにその効果は常に負である
。非漏洩成分は吸収成分とスペクトル成分から成り、ボ
イド化により、ナトリウムによる中性子の吸収か減少す
るため吸収成分は常に正で、スペクトル成分は第１０図
のη値のエネルギーによる変化に関連する。第１１図よ
り、プルトニウム−２３９燃料を装荷した場合の炉心内
では非漏洩成分は常に正であり、漏洩成分は負てあり炉
心の外側部分へ行くほど小さくなる。このため、この合
計の反応度は炉心中央部で正、外側領域で負となる。ま
た、この反応度の軸方向分布は、中性子の漏洩効果のた
め中心から離れるにつれて小さくなる。

第１２図及び第１３図はそれぞれ濃縮ウラン燃料及び濃
縮ウランとプルトニウムを混合した燃料（以下、混合燃
料と言う）を装荷した場合のナトリウムボイド反応度の
径方向分布を示す図である。

炉心寸法は前記プルトニウム−２３９燃料装荷炉心と同
一である。濃縮ウラン燃料炉心のウラン濃縮度は、内側
炉心領域か１９．５％、外側炉心領域か２８．４％であ
る。混合燃料炉心のウラン濃縮度及びプルトニウム富化
度は、それぞれ内側炉心領域か１０．３％及び９，６％
、外側炉心領域か１５．０％及び１３．８％である。第
１２図より、濃縮ウラン燃料炉心ではナトリウムボイド
反応度か全炉心領域で負であることが分かる。また、第
１３図より、混合燃料炉心では漏洩成分は前記２炉心（
プルトニウム−２３９燃料炉心と濃縮ウラン燃料炉心）
とほぼ同じであり、非漏洩成分が２炉心のほぼ平均の値
となり、この合計の反応度は炉心中央領域では正となっ
ている。なお、漏洩成分が３炉心でほぼ等しいのは、出
力分布平坦化するように濃縮度と富化度を決定したため
に中性子束分布が似ているためである。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように濃縮ウラン燃料のみの炉心では、ナトリウム
ボイド反応度は全炉心領域で負となるか、炉心の一部又
は全部に均等にプルトニウム燃料を用いた場合ではｌＯ
万ｋＷｅ程度のやや小型の炉心でも炉心の中央部で正と
なり、なんらかの原因でナトリウムのボイド反応度が正
となるため安全性を損なわれる可能性がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、
プルトニウム燃料を用いた炉心でも正の反応度を抑制し
、中小型炉心では全炉心領域でナトリウムボイドによる
反応度を負にして、万一炉心にボイドか発生しても炉心
出力に大きな影響を与えず、その健全性の維持を図るこ
とか可能な高速炉炉心を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の高速炉炉心は、核分裂性物質からなる燃料集合
体を装荷した炉心を有する高速炉において、核分裂性物
質かウラン−２３５を主成分とする燃料物質からなる内
側領域と、内側領域を囲み、核分裂性物質かプルトニウ
ム−２３９を主成分とする燃料物質からなる外側領域と
により炉心を構成したことを特徴とする。

〔作用〕

本発明による高速炉炉心は、内側炉心領域はウラン−２
３５を主成分とした燃料集合体を装荷し、外側炉心領域
はプルトニウム−２３９を主成分とした燃料集合体を装
荷することにより、プルトニウム富化燃料または混合燃
料からなる炉心に比へて、同規模の炉心において、炉心
領域のナトリウムボイド反応度を大幅に低減化すること
ができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

まず、第１．　２．　３．　４図を参照して本発明の第
１の実施例を説明する。本実施例では炉心の内側炉心領
域ｌを構成する内側炉心燃料集合体１１はウラン−２３
５を主成分とし、外側炉心領域２を構成する外側炉心燃
料集合体１２は、プルトニウム−２３９を主成分として
いる。

以上の構成を基にその作用を説明する。前述の従来例と
の対比を考えて、炉心寸法をＨ＝６０ｃｍ。

Ｄ＋　＝１０５ｃ＋ｎ　ＳＤ！　＝１５０ｃｍとした場
合のナトリウムボイド反応度の計算結果を第３図と第４
図に示す。なお、第３図は本炉心のナトリウムボイド反
応度の炉心中央部における径方向分布で、漏洩成分と非
漏洩成分に分離した各成分の分布を示している。

本炉心は、内側炉心領域のウラン濃椿度は１８．４％で
あり、外側炉心領域のプルトニウム富化度は２６．３％
である。炉心中央部における径方向の反応度はすへて正
で炉心外側領域で増大している。しかし、前述の第１３
図の混合燃料炉心の結果と比へると、はぼ同じ量の燃料
を用いているにもかかわらず、内側炉心領域において大
幅にナトリウムボイド反応度（図の実線）は低減してい
る。これは、炉心中央部では中性子束及び随伴中性子ス
ペクトルか濃縮ウラン燃料炉心に近いため非漏洩成分か
小さな値となるためである。また、漏洩成分は中性子束
分布か似ているため、前述の他の従来炉心と類似してい
る。

第４図は、燃料集合体当たりのボイド反応度に相当する
ボイド反応度を軸方向に積分した単位断面積当たりの値
を示す。同図より、本炉心では全燃料集合体に置き換え
てみると、反応度は負になることか分かる。つまり、実
際の炉心では、ボイドか発生すると、正の反応度となる
燃料集合体中心付近にボイドか静止することはなく、軸
方向の下から上ヘホイドか移動するので、ボイドか発生
しても全体としては本炉心では負の反応度となることを
示している。

また、第４図には、プルトニウム燃料炉心（破線）と濃
縮ウラン燃料炉心（−点鎖線）についても示す。

第４図からプルトニウム燃料炉心では、内側炉心領域１
の全部と外側炉心領域２の一部の燃料集合体は、炉心領
域のナトリウムにボイドが発生すると正の反応度が挿入
され、濃縮ウラン燃料炉心は全炉心で負であることか分
かる。

次に、前記第１の実施例をもとにして、ナトリウムボイ
ド反応度を低減する他の実施例を説明する。

第３図の実線より分かるように、第１の実施例ては外側
炉心領域２てボイド反応度か最大となっている。そこで
、第２の実施例は、プルトニウム燃料からなる外側炉心
領域２０体積比を少なくしたものであり、これにより全
体としてボイド反応度を小さく抑えることかできる。

例えば、第１図でり、　＝１２５ｃｍとし、内側炉心の
ウラン濃縮度２０．２％、外側炉心プルトニウム富化度
３４．１％として外側炉心領域２の体積比を少なくする
と、全体にボイド反応度か低減し、全炉心て負にするこ
とができる。

また、第３の実施例は、第１図と同じ構成で内側炉心の
ウラン濃縮度を相対的に上げるようにしたものである。

このような構成にすると、内側及び外側炉心全体での中
性子量は同じであるため、内側（ウラニウムの領域）の
中性子量か増加し、外側炉心での中性子束の傾き（径方
向に対する中性子束の変化度合）か大となり、外側へ漏
洩する中性子量か増加してボイド反応度を低減させるこ
とかできる。

また、第４の実施例として第５図のごとく外側炉心領域
２の内側に内部ブランケット領域（ウラン−２３８）７
を装荷した、いわゆる径方向非均質炉心にすると、ボイ
ド反応度のピークが低減するとともに全体にボイド反応
度か低減する。

次に、さらにボイド反応度を低減する第５の実施例を第
６図に示す。これは第１の実施例の径方向ブランケット
領域４の内側の１層を不活性アルゴンガス封入体１７で
アルゴンガス領域とした構成であり、第３図の如く負の
漏洩成分（絶対値）か増大する。アルゴンガス領域の具
体的構造としては、燃料集合体と同一形状のラッパ管内
にアルゴンガスを密封する方式かもっとも簡易な方式で
ある。本炉心のナトリウムボイド反応度の炉心中央での
径方向分布を第７図に示すか、大幅にボイド反応度は低
減して全炉心領域て負である。

次に、第５の実施例をもとにした第６の実施例について
説明する。

第８図は第６の実施例の平面図で、図中、２３は中性子
吸収体案内管であり、その概念図を第９図に示す。これ
は第６図のアルゴンガス封入体１７を円環状の中性子吸
収体案内環２３に置換したものである。この案内環２２
の内部に液体中性子吸収体２４が封入されており、下部
のアルゴンガス２３のガス圧をガス圧調整機構２５によ
り調整して、中性子吸収体２４を任意の位置に停止させ
る。出力運転時にはガス圧により中性子吸収体２４は中
性子吸収体収納タンク２６に浮上しており、第６図と同
様にガス領域となり、ボイド反応度は大幅に低減されて
いる。液体中性子吸収体としてリチウム−６（９０％濃
縮）を採用すると、４％Δに／ｋｋ’　以上の制御棒反
応度か確保され、炉心領域内の制御棒を削除することか
できる。

上記構成によると、第５の実施例と同様の効果を得るこ
とかできるのはもとより、さらに次のような効果を得る
ことかできる。１つは、液体中性子吸収体２４の採用に
より制御棒挿入の信頼性か向上して大幅に安全性か向上
できる。他の１つは、炉心領域の制御棒を不要とするこ
とができるため、制御棒挿入による局所的な出力分布歪
みを無くすことかでき、炉心設計上熱的に余裕のある設
計か可能となる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明による高速炉炉心によると、
プルトニウム燃料を使用してもナトリウムボイド反応度
か低減でき、特に中小型高速炉の場合には全炉心てボイ
ド反応度を負にすることか可能となり、万一ボイドが発
生しても炉心の出力が大幅に上昇することもなく、炉心
ひいてはプラントの健全性および安全性の向上を図るこ
とかできる等その効果は大である。また、中小型の２次
系削除プラントにおいて、万一伝熱管が破損して水素ガ
スか炉心に移行するようなことか起きても負の反応度に
なるため、原子炉を安全に停止させることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、１０万ｋＷｅ級の高速炉の本発明
の第１の実施例および従来の均質炉心の概略構成を示す
断面図及び平面図、第３図は本発明の第１の実施例によ
る炉心中央のナトリウムボイド反応度とその成分の径方
向分布を示す図、第４図は本発明の第１の実施例と従来
炉心の炉心領域の単位断面接当たりのナトリウムボイド
反応度（軸方向積算）の径方向分布を示す図、第５図は
第４図の実施例の炉心の断面図、第６図は第５図の実施
例の炉心の平面図、第７図は第５図の実施例の炉心の第
３図と同様の径方向分布を示す図、第８図及び第９図は
第６図の実施例の炉心の平面図及び概念図、第１０図は
中性子エネルギに対するη値分布を示す図、第１１図は
プルトニウム燃料炉心の炉心中央部におけるナトリウム
ボイド反応度とその成分の径方向分布を示す図、第１２
図及び第１３図はそれぞれ濃縮ウラン燃料炉心と混合燃
料炉心のナトリウムボイド反応度の径方向分布を示す図
である。 １・・・内側炉心領域、２・・・外側炉心領域、３・・
軸方向ブランケット、４・・・径方向ブランケット領域
、５・・径方向反射体領域、６・・・径方向反射体領域
、７・・・内部ブランケット領域、１１　・内側炉心燃
料集合体、１２・・・外側炉心燃料集合体、１４・・・
径方向ブランケット燃料集合体、１５・・・径方向反射
体、１６・・・制御棒、１７・・・アルゴンガス封入体
、２１炉心燃料領域、２２　中性子吸収体案内管、２３
・・・アルゴンガス、２４・・・液体中性子吸収体、２
５・・ガス圧調整機構、２６・・・中性子吸収体収納タ
ンク。 出　　願　　人　　動力炉・核・燃料開発事業団代理人
　弁理士　　蛭　川　昌　信（外７名）実Ｐノ巳手栢ε
（ａｍ） 第３図 ス′戸　ノ［ニー＋怪（Ｃｍ） 第４図 第７図 中４・生−ナロ丈じ（４ト、ヰん季内夕゛　ン父 Ｘ戸）Ｌユｊ１−イうト弘（Ｃゴ１））０．０１ ０．１ １に １０に １００に ０Ｍ 中１１生子エキルキ゛−（ｅＶ） 第１０図 ２１”　ノＬ＋、４−￥辷、（Ｃｍ） 第１２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）核分裂性物質からなる燃料集合体を装荷した炉心
   を有する高速炉において、核分裂性物質がウラン−２３
   ５を主成分とする燃料物質からなる内側領域と、内側領
   域を囲み、核分裂性物質がプルトニウム−２３９を主成
   分とする燃料物質からなる外側領域とにより炉心を構成
   したことを特徴とする高速炉炉心。
2. （２）請求項１記載の炉心において、外側領域の周囲に
   ガス領域を設けたことを特徴とする高速炉炉心。
3. （３）請求項２記載の炉心において、ガス領域内に中性
   子吸収体を軸方向に移動可能に配置したことを特徴とす
   る高速炉炉心。