JPH065319B2 - 原子炉燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子炉の燃料集合体に係り、特に、燃料転換
比が高く、燃料経済性向上に好適な燃料集合体に関す
る。

〔従来の技術〕

液体ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉は、核分裂性
物質であるプルトニウムを富化した燃料物質を装荷した
炉心領域と、その炉心領域を取囲みしかも燃料親物質
（例えば、ウラン−２３８）を主成分とする燃料物質
（例えば、天然ウランまたは劣化ウラン）を装荷した外
部ブランケツト領域とからなる炉心を有している。この
ことは、動力炉技報No.４７（１９８３．９）動力炉・
核燃料事業団などで参照できる。炉心は、多数の燃料集
合体から構成されており、高速増殖炉の燃料集合体は、
冷却材の流路を形成する角筒と、その内部に燃料物質を
充填した燃料棒を多数束ねた構造である。燃料棒は、Ｓ
ＵＳ等の金属で作られた円管状の被覆管の内部に、燃料
物質が燃料ペレツトの形で充填されている。軸方向のほ
ぼ中央部にプルトニウムを富化した燃料ペレツトを充填
して炉心部を形成し、その上下に燃料親物質から成る燃
料ペレツトを充填して軸方向ブランケツト部を形成して
いる。

高速増殖炉は、エネルギーの高い中性子を利用できるの
で、燃料親物質にこの中性子を吸収させて新しい核分裂
性物質（プルトニウム−２３９，−２４１等）を生成す
る割合、即ち、転換比が軽水炉などに比べて大きい。上
記の軸方向ブランケツト燃料や炉心の径方向外側に装荷
されている径方向ブランケツト燃料は、この特長を利用
して燃料の増殖を行うためのものである。

特開昭55−160897号公報などで示される従来技術では、
上記の高速増殖炉の特長をより一層強調するために、中
性子束レベルの最も高い、炉心の中央部に燃料親物質か
らなる内部ブランケツト領域を設けて、炉心領域の転換
比を高め、増殖性を向上している。また、この内部ブラ
ンケツトの設置により、炉心の燃焼反応度劣化を低減
し、出力分布を平坦化し、出力変動を低減するなどの効
果も得ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一般に、炉心の増殖性及び燃焼反応度劣化は、内部ブラ
ンケツトの体積を増大すると改善されてゆくが、出力分
布の平坦化及び出力変動の低減については、内部ブラン
ケツトの体積割合に最適な点が存在する。上記の従来技
術では、内部ブランケツトの体積割合が、出力分布を平
坦化し、出力変動を低減するという観点からは最適化さ
れているが、炉心の増殖性の増大及び燃焼反応度劣化の
低減という面では十分配慮されておらず、燃料経済性及
び運転性の面で改善の余地がある。

本発明の目的は、出力分布の平坦化及び出力変動の低減
を実現しつつ、炉心の転換比を高めて増殖性を高めると
共に燃焼反応度劣化を低減することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、内部ブランケツトの体積及び形状を出力分
布平坦化、出力変動低減を実現するよう最適化したま
ま、内部ブランケツトに充填する燃料親物質の量を炉心
部の燃料物質の量より多くすることにより、達成され
る。即ち、燃料集合体の燃料棒に充填する内防ブランケ
ツト燃料ペレツトの燃料密度を上下の炉心部に充填する
燃料ペレツトの燃料密度より大きくする。

〔作用〕

燃料集合体の軸方向ほぼ中央部に位置する内部ブランケ
ツト部では、上下の炉心部で核分裂により生成した中性
子が流入するため中性子束レベルが高くなつており、そ
の位置に充填された高密度の燃料ペレツトは、燃料親物
質による中性子吸収効果と、それに伴う核分裂性物質の
生成効果を強調するように働く。その結果、内部ブラン
ケツト部の転換比が大きくなり、炉心の増殖性が増大す
ると共に燃焼反応度劣化も低減できる。この領域の燃料
密度を増やしても、本来、核分裂による熱の発生が炉心
部よりはるかに小さいので燃料ペレツトの熱膨張による
変形、あるいは、気体状の核分裂性生成物による内圧の
上昇などによる燃料被覆管への影響は小さい。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図，第２図，第３図は、本発明を高速増殖炉の燃料
集合体に適用する為の実施例であり、６角形状のラツパ
管２の内部に多数の燃料棒１を３角メツシユ状に束ねた
構造をしており、燃料棒の間隙を冷却材であるナトリウ
ム５が下部のエントランスノズル４の穴から流入し、上
部のハンドリングヘツド３の所から集合体上部に流出す
る。燃料棒は、下部のプレナムスプリング１０の上に、
中実のブランケツト燃料ペレツト７、つづいて、中空の
炉心燃料ペレツト８、中実の内部ブランケツト燃料ペレ
ツト９、中空の炉心燃料ペレツト８、および中実のブラ
ンケツト燃料ペレツト７の順で、被覆管６の内部に充填
された構造をしている。炉心部の軸方向のほぼ中央に、
中空の炉心燃料ペレツト８に対して、燃料密度の高い中
実の内部ブランケツト燃料ペレツト９を配置したことが
本発明の特長である。

本発明の効果を明らかにするために行つた炉心設計解析
結果について述べる。電気出力１００万ＫＷクラスの大
型高速増殖炉を対象として、炉心高さを１５０cm、内部
ブランケツト厚さを２０cmとし、中空の炉心燃料の穴の
直径をペレツト径の５０％（体積比２５％）、プルトニ
ウム富化度を１６ｗ％、内部ブランケツト燃料を劣化ウ
ランとして計算した結果を第４図に示す。炉心燃料に対
する内部ブランケツト燃料の燃料密度化を変えて、炉心
の転換比及び燃焼反応度劣化の割合を示している。内部
ブランケツトの燃料密度を増やすと、転換比が増大し、
燃焼反応度劣化が低減してゆき、本発明の効果が得られ
ることが分る。上記の中空の炉心燃料ペレツト（中空部
の体積２５％）と中実の内部燃料ペレツトとの組合せで
は、燃料密度比が１．２５となり、転換比が約３％向上
し、燃焼反応度劣化が約２０％低減できる。

本実施例の燃料集合体を装荷した炉心構成の１例を第５
図に示す。この炉心は、特開昭57−119280号等に記載さ
れているもので、中空炉心燃料１１からなる炉心領域の
中央部に、径方向中央部で厚く周辺部で薄いブランケツ
ト燃料１２を配置して、軸方向及び径方向の出力分布を
平坦化すると同時に、本発明の燃料集合体による効果、
即ち、転換比の向上と燃焼反応度劣化の低減とを実現す
る。

本実施例の燃料集合体の装荷した炉心構成の他の例を第
６図に示す。この炉心では、炉心の径方向中央部に本発
明の燃料集合体を装荷し、その周辺部に中実炉心燃料１
５を充填した燃料集合体を装荷している。このように、
炉心径方向に燃料密度を変えることにより（内側で低
く、外側で高くする）、径方向出力分布の平坦化と燃焼
に伴う出力変動の低減とを実現できる。さらに、これら
に加えて、本発明の効果である炉心の転換比改善による
増殖性の増大、燃焼反応度劣化の低減などの効果が得ら
れる。

本発明の他の実施例を、第７図に示す。この図は、燃料
集合体の軸方向の燃料ペレツト充填法を模擬的に示した
ものであるが、炉心部の軸方向中央部に燃料親物質を主
成分とし、口径の小さい穴を有する中空内部ブランケツ
ト燃料ペレツト１７を充填し、その上下には、核分裂性
物質を富化し口径の大きい穴を有する中空炉心燃料ペレ
ツトを充填している。この実施例では、炉心領域及び内
部ブランケツト領域の燃料密度を中空部の口径を変える
ことにより調節している。

第８図に示す他の実施例では、炉心軸方向の中央部に高
密度・低富化度燃料ペレツト１９を充填し、その上下に
低密度・高富化度燃料ペレツト１８を充填したものであ
る。第１図や第５図に示した実施例において、内部ブラ
ンケツト部に核分裂性物質を炉心部より少な目に富化し
たことが特徴であり、これらの実施例とほぼ同様な効果
が得られる。燃料密度を変化させる方法としては、上記
のように、中空ペレツトと中実ペレツトを併用したり、
中空部の口径を変える方法のほか、燃料ペレツトの密度
そのものを変える方法や中実ペレツトと中空ペレツトと
の混合割合を変える方法、あるいは燃料以外の物質の混
合割合を変える方法などがある。

以上の実施例では、燃料棒に充填する燃料の種類を一種
類としており、それらが、酸化物燃料，炭化物燃料，窒
化物燃料，あるいは金属燃料のいずれであつても、同様
な効果が得られる。

第９図に示した実施例は、２種類の燃料を使つた場合で
あり、炉心部には高富化度酸化物燃料ペレツト２０を充
填し、中央部には低富化度（あるいはブランケツト）金
属燃料ペレツト２１を充填している。金属燃料では燃料
の含有割合が酸化物燃料よりも大きいことを利用したも
のであり、同様の特性を持つ炭化物燃料や窒化物燃料を
金属燃料の代りに使用しても同等な効果が得られる。

第１０図に示す実施例は、第１図〜第３図に示した実施
例の１変形であつて、軸方向出力分布平坦化機能をより
一層高めたものである。即ち、炉心部の上下端に、第１
０図に示すように、中空炉心燃料ペレツト８の燃料富化
度以上の高富化度中実炉心燃料ペレツト２２を充填して
おり、炉心上下端から炉心外部への中性子漏洩による出
力の低下を核分裂性物質の量を増やすことで補償し、軸
方向出力分布を平坦化している。

なお、この考え方は、第５図から第７図までに示した他
の実施例に対しても同様に適用でき、上下端の一定領域
の富化度を高めるか、燃料密度を高めることにより軸方
向の出力分布を平坦化できる。

以上述べてきた実施例は、炉心部の上部及び下部にブラ
ンケツト燃料ペレツトを充填した燃料集合体であつた
が、これらのブランケツト燃料を取除いた場合でも、本
発明の効果は同様に実現できる。また、第２図に示した
ようなラツパ管付きの燃料集合体だけではなく、ラツパ
管を削除して燃料経済性を向上した燃料集合体に対して
も、本発明は適用できる。また、上記実施例では、冷却
材としてナトリウムを使用した場合について述べたが、
それ以外の冷却材、例えば、ヘリウム，水蒸気，軽水，
重水等を使用した場合にも本発明は適用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原子炉燃料集合体の転換比を高くでき
るので、炉心の増殖性が増大し燃料経済性が向上する。
また、燃焼反応度劣化を低減できるので、制御棒挿入量
が減つて出力分布が平坦になり炉心の小型化による建設
費低減の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による燃料棒の縦断面図、第
２図は第１図の燃料棒の集合体から成る集合体外観斜視
図、第３図は第２図のＡ−Ａ矢視断面図、第４図は転換
比及び燃焼反応度劣化との燃料密度（内部ブランケツト
／炉心）に対する変化特性グラフ図、第５図と第６図と
はいずれも本発明を採用できる炉心の構成図、第７図は
本発明の他実施例による燃料棒の各部の模擬的レイアウ
ト図、第８図は同じくさらに他の実施例によるレイアウ
ト図、第９図は同じくより一層他の実施例によるレイア
ウト図、第１０図は同じくさらにより一層他の実施例に
よるレイアウト図である。 １…燃料棒、２…ラツパ管、３…ハンドリングヘツド、
４…エントランスノズル、５…ナトリウム、６…被覆
管、７…ブランケツト燃料ペレツト、８…中空炉心燃料
ペレツト、９…中実内部ブランケツト燃料ペレツト、１
０…プレナムスプリング、１１…中空炉心燃料、１２…
内部ブランケツト燃料、１３…軸方向ブランケツト燃
料、１４…径方向ブランケツト燃料、１５…中実炉心燃
料、１６…中空炉心燃料ペレツト（大口径）、１７…中
空内部ブランケツト燃料ペレツト（小口径）、１８…低
密度・高富化度燃料ペレツト、１９…高密度・低富化度
燃料ペレツト、２０…高富化度酸化物燃料ペレツト、２
１…低富化度金属燃料ペレツト、２２…高富化度中実燃
料ペレツト。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被覆管内に燃料物質を充填した燃料棒を多
   数本束ねて構成される原子炉燃料集合体において、前記
   燃料棒に核分裂性物質を含有する炉心燃料を充填し、前
   記炉心燃料の軸方向中央部に主として燃料親物質よりな
   るブランケツト燃料を充填し、前記ブランケツト燃料の
   燃料密度を前記炉心燃料の燃料密度より高くしたことを
   特徴とする原子炉燃料集合体。
2. 【請求項２】前記ブランケツト燃料を、前記炉心燃料よ
   り核分裂性物質の富化度の低い低富化度燃料とし、前記
   低富化度燃料の燃料密度を前記炉心燃料より高くしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の原子炉燃料
   集合体。
3. 【請求項３】前記炉心燃料として中空ペレツトを充填
   し、前記ブランケツト燃料あるいは前記低富化度燃料と
   して中実ペレツトを充填することにより、燃料密度を変
   えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の原子炉燃料集合体。
4. 【請求項４】前記ブランケツト燃料あるいは前記低富化
   度燃料として中空ペレツトを充填し、中空部の体積割合
   を前記炉心燃料中空ペレツトの中空部体積割合より小さ
   くしたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の原
   子炉燃料集合体。
5. 【請求項５】前記炉心燃料の核分裂性物質の富化度ある
   いは燃料密度を前記炉心燃料充填部の軸方向上下端領域
   で高く、内側領域で低くしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の原子炉燃料集合体。
6. 【請求項６】前記炉心燃料として中空ペレツトを充填す
   るとともに、その中空部の体積割合を前記炉心燃料充填
   部の軸方向上下端領域で小さく、内側領域で大きくした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項または第４項記
   載の原子炉燃料集合体。
7. 【請求項７】前記炉心燃料充填部の軸方向上側または下
   側あるいは上下両側に、前記ブランケツト燃料を充填し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第６項ま
   でのいずれか１項記載の原子炉燃料集合体。