JPS61196195A - 高速増殖炉 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、高速増殖炉、特に軸方向非均質炉心を有する
高速増殖炉に関するものである。

〔発明の背景〕

高速増殖炉の炉心は、一般に円柱状に形成され、核分裂
性物質が存在する炉心領域と、この外側を取囲んで主と
して燃料親物質からなるブランケット領域とから形成さ
れている。ブランケット領域は、炉心領域の外周を取囲
む半径方向ブランケット領域と炉心領域の軸方向の両端
に位置している軸方向ブランケット領域とを有している
。炉心領域に存在する核分裂性物質は主にプルトニウム
−２３９であり、ブランケット領域に存在する燃料親物
質は主としてウラン−２３８である。ウラン−２３８は
、プルトニウム−２３９の核分裂によって発生する高速
中性子を吸収してプルトニウム−２３９に変化する。

一般的な高速増殖炉の炉心としては、均質炉心と呼ばれ
て炉心領域を同心円状に内側炉心領域と外側炉心領域に
分割したものがある。このように炉心領域を分割した場
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、外側炉心領域で
高くなっている。即ち、炉心領域の富化度を２種類とし
て、径方向出力分布を平坦化している。

軸方向非均質炉心は、炉心領域の核分裂性物質の富化度
を１種類のままで出力分布を平坦化する高速増殖炉の炉
心（ケー・イノウニ他（Ｋ、　■ｎｏｗｅ　。

ｅｔａｌｌ：ｒ大型液体金属冷却高速増殖炉の軸方向非
均質炉心概念とその仮想的炉心崩壊事故における挙動Ｊ
　（”’Ａｎ　Ａｘｉａｌｌｙ　Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅ
ｏｕｓＣｏｒｅ　Ｃｏｎｃｅｐｔ　ｆｏｒ　Ｌａｒｇｅ
　ＬＭＦＢＲ８２ｎｄＩｔｓ　ＨＣＤＡ　Ｂｅｈａｖｉ
ｏｒ”１　、　Ｎｕｃｌ、Ｔｅｃｈ、６３゜２１５　（
１９８３）参照）で、第２図はこの炉心の垂直断面図を
示し、１は炉心領域、２は径方向ブランケット、３は軸
方向ブランケット、４は内部ブランケットを示している
。この炉心は径方向ブランケット２および軸方向ブラン
ケット３に取囲まれた炉心領域１の軸方向の中心部に内
部ブランケット４を配電し、内部ブランケット４の周辺
部の軸方向の厚さを内部ブランケット４領域の中心部で
の軸方向の厚さよりも薄くしである。この形状の内部ブ
ランケット４を配電することにより、径方向および軸方
向の出力分布を同時に平坦化しており、炉心領域の富化
度は１種類のままで均質炉心より低い最大線出力を実現
している。このように熱的余裕が増大し、炉心小型化が
実現できるという特徴の他に１この炉心は、燃焼反応度
が小さくて制御棒本数を低減でき、高速中性子束ノベル
が低くて料燃寿命を長期化でき、増殖率が向上して燃料
倍増゛時間を短縮でき、地震時の制御棒上下、振動許容
変動幅が低減でき、仮想事故時の炉心放出エネルギーが
低減できるなど、経済性、増殖性および安全性を向上す
る上での多くの優れた特徴を持っている。

しかし、軸方向非均質炉心の内部ブランケットの形状は
、前述のように、多くの炉心特性を同時に向上させるよ
うに最適化されているが、出力分布平坦化の面からみる
と、さらに改善の余地が残されている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、軸方向非均質炉心の増殖性。

安全性などの面における高性能を維持しつつ、出力分布
を平坦化して炉心の熱的余裕の増大、あるいは炉心の小
型化が実現できる高速増殖炉を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、核分裂性物質を有する炉心領域と、前記炉心
領域の外側を取囲んで燃料親物質を主成分とし径方向ブ
ランケット領域と軸方向ブランケット領域とよりなる外
部ブランケット領域と、前記炉心領域内に配置され燃料
親物質を主成分とする内部ブランケット領域とからなる
炉心を内蔵する高速増殖炉において、前記内部ブランケ
ットを含む前記炉心領域の軸方向の高さが炉心半径方向
で異なり、外側領域ｔ１ど高くなっていることを特徴と
する本のである。

本発明は、軸方向非均質炉心の炉心外側領域の軸方向の
高さを、炉心内側領域の軸方向高さより高くすることＫ
よって、出力ピークの生じる炉心内側領域の出力分担割
合が下がり炉心外側領域と均一に分担するようにして、
出力分布の平坦化を可能とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、実施例について説明する。

第１図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ一実施例の高速増殖
炉の炉心の水平断面及び手直断面を示し、第２図と同一
部分又は対応する部分には同一符号が付してあり、５は
制御棒、６は燃料集合体を示している。この炉心は、第
１図（ａ）に示す如く、六角断面形状を持つ燃料集合体
５と制御棒６を多数本装荷してなシ、第１図（ｂ）に示
す如く、炉心領域１の囲いを径方向ブランケット２およ
び軸方向ブランケット３が取囲んでおシ、炉心領域の軸
方向中央部に内部ブランケット４が位置し、内部ブラン
ケット４の軸方向厚さは炉心中央部で厚く、炉心周辺部
で薄くなっており、かつ上、下の軸方向ブランケット３
．３領域の軸方向の厚さが炉心半径方向で異なり外側領
域で薄くなっている。

第３図はこの実施例の炉心の炉心各領域のピーク線出力
及び領域平均出力を炉心径方向に対して示したもので、
第２図に示した従来の場合と比較して示したもので、横
軸には炉心半径（ｍ）、縦軸にはピーク線出力（Ｗ　／
ｃｍ　ｌ及び領域平均出力（相対値）がとってあり、炉
心半径には内部ブランケットの位置を示してあり、Ａ、
Ｃでこの実施例の場合、Ｂ、Ｄで従来の場合を示してい
る。第２図に示した従来の軸方向非均質炉心では、領域
平均出力は破線りで示されるように、炉心の外部へゆく
ほど減少しており、内部ブランケット４の存在しない外
側領域では非常に小さくなっている。

これは、高速増殖炉では、中性子の平均エネルギーが高
く、平均移動距離が大きいため、炉心領域からの中性子
のもれの効果が大きい外側領域では中性子束が大きく減
少し、出力も下がるためである。そのため、ピーク線出
力を示す破線Ｂは、内部ブランケットの存在する内側領
域で最大値を持つことになり、外側領域のピーク線出力
は相対的に小さい。これに対して、この実施例ではこの
問題を解消するため外側領域の炉心軸方向の高さを高く
して、実線Ｃで示すように、外側領域の平均出力を高め
、内側領域の平均出力を相対的に低くしている。その結
果、内側領域のピーク線出力は実線Ａで示すように小さ
くすることができ、炉心の最大線出力が低減することに
なる。即ち、従来の軸方向非均質炉心では、各炉心領域
の出力分担割合が不均一であったためて生じていた出力
ピークを、この実施例では、外側領域の出力分担割合を
高めて炉心全体として均一化して低減するものである。

以上のように、この実施例では、炉心軸方向の高さを高
くした外側領域の出力ピークはほとんど増大せず、内側
領域の出力ピークが大きく低減する。次にこの点につい
て詳細に説明する。第４図は炉心の外側領域で燃料奥合
体出力の最も大きい最内層燃料集合体の軸方向出力分布
を示すもので、従来の場合と重ねて示してあり、横軸に
炉心高さ、縦軸に軸方向出力がとってあり、Ｅ、Ｆけそ
れぞれ°この実施例の場合、従来の場合を示し、炉心高
さけそれぞれ炉心とブランケットで示しである。

この図から分るように、この燃料集合体で出力ピーりの
生じる軸方向中央部は炉心内側領域の内部ブランケット
に隣接しているため、内部ブランケット領域への中性子
のもれ込み効果により出力ピークが低減されている。し
たがって、この実施例のように炉心軸方向高さを高くし
ても、軸方向中央部の出力ピークはほとんど増大しない
で、炉心上部および下部の出力が増大して平坦な軸方向
出力分布を形成して、この領域の出力を分担している。

この実施例の示すこのような効果の得られるのが、本発
明の利点の一つである。なお、例えば、前述の均質炉心
と同じように炉心軸方向高さを変えないで炉心外側領域
の核分裂性物質の富化度を高めて出力分担割合を増やす
場合には第５図に示すようになる。この図の横軸には炉
心高さ、縦軸たけ軸方向出力（相対値）がとってあシ、
炉心高さは炉心とブランケットで示しである。この図で
Ｇは高富化度の場合、Ｈは従来例の場合を示している。

この図のＧが示すように高富化度の場合には、出力は軸
方向に一様に増加するため出力ピークも大幅に増大する
ことになる。これは、出方ピークの生じる軸方向中央部
でも、他の場所と同様に、核分裂性物質の含有割合が増
えることによって核分裂によシ発生する熱出力が増加す
るからで、前述の如き本発明のような効果は得られない
。

また、第６図に示すように炉心領域１、径方向ブランケ
ット領域２、軸方向ブランケット領域３よりなシ、炉心
領域の軸方向高さを外側領域はど高くする炉心がエッチ
・スペンジ（Ｈ，８ｐｅｎｋｅ　）：「高速増殖炉Ｊ　
（＠ｐａｓｔ−ｂｒｅｅｄｅｒ　ｎｇＰｃｌｅａｒｒ　
ｅ　ａ　ｃ　ｔＡｒ”ｌ　　、　Ｕ、Ｓ、Ｐａｔｅｍｔ
　８２００３８（１９６９１に提案されている。この炉
心は、主としてナトリウム・ボイド反応度係数を低減す
る目的で考案されたもので、炉心領域からの中性子のも
れの効果を炉心径方向に一様にするために、もれの寄与
が小さい炉心中央部はど炉心領域の軸方向高さを低くし
て中性子のもれを大きくしたものである。このように１
中性子の炉心領域からのもれの効果を均一化することは
出力分布の平坦化の面でも効果的であるが、内部ブラン
ケットとの隣接による出力ピーク低減効果を有効に活用
する本発明の効果は期待できない。また、内部ブランケ
ットを配置することによる軸方向非均質炉心における前
記の増殖性、安全性等に関する高性能が実現できないこ
とはもちろんである。

次に、この実施例における炉心内側領域と外側領域の境
界の決定方法について述べる。第７図は、内側および外
側領域の境界を変化させた場合の各炉心領域の最高の燃
料集合体出力および最外周燃料集合体出力を示したもの
である。この図の横軸。

縦軸にはそれぞれ炉心内側領域半径／炉心外側領域半径
（外周）、燃料集合体出力（相対値）がとってあり、Ｉ
、Ｊ、にはそれぞれ内側領域最高集合体、外側領域最高
集合体、最外周集合体の場合を示している。最外周燃料
集合体の出力は炉心の最小集合体出力に対応しているの
で、最高燃料集合体出力との差から炉内の集合体出力の
変動幅が分る。冷却材であるナトリウムの各集合体への
流量配分を決定する際、この集合体出力変動幅が大きく
なると、流量配分の幅も拡大し炉心下部構造あるいは集
合体下部構造が複雑となシ製造コストが増大する。そこ
で、集合体出力の変動幅を増大させないという条件から
境界を決定すると、第７図から分るように炉心領域の半
径の７０優よシ外側となる。したがって、経済性を損な
うことなく本発明の効果である出力分布平坦化を実現す
るには、炉心軸方向高さを炉心領域半径の７０係を越え
る領域まで一定とし、その外側領域で高くすれば良ｂ０ 電気出力１００１００Ｏ，燃料集合体数３３６体。

炉心軸方向高さ１ｍの大型高速増殖炉の軸方向非均質炉
心において、本発明を適用して外側領域の炉心軸方向高
さを３０ｃｒ！１高＜１．３ｍとした場合、最大線出力
は７％低減した。したがって、熱的余裕が７係増大して
炉心の運転が楽になると共に燃料の健全性が向上する。

また、この出力分布平坦化効果を炉心の小型化、即ち燃
料集合体体数の削減に利用すると全炉心の７憾の燃料集
合体を減らすことができ、高速増殖炉の建設コストの低
減および燃料サイクルコストの低減に効果が大きい。

また、本発明のその他の効果としては、燃焼及応変の減
少による制御棒本数の低減、ドツプラー係数の増大およ
びす）　ＩＪウム・ボイド係数の減少による安全性の向
上がある。

なお、以上述べた本発明の効果は、従来の軸方向非均質
炉心と比較して得られる効果であるが、前述の軸方向非
均質炉心が持つ増殖性、安全性等に関する高性能は本発
明の炉心でも同様に実現できる。即ち、本発明では、高
増殖性、高安全性等を実現する軸方向非均質炉心の特性
に加えて上記の改善効果が得られる。

次にその他の実施例の高速増殖炉の炉心をその垂直断面
図を示す第８図〜第１３図によって説明する。何れの図
においても、第１図と同一部分又は対応する部分には同
一符号が付しである。

第８図で示した実施例は、第１図で示した実施例の変形
で、内部ブランケット４の周辺部の軸方向厚さの薄い部
分を炉心領域一杯に拡大したものであり、第９図で示し
た実施例は、同じく第１図で示した実施例の変形で、内
部ブランケット４の軸方向厚さを半径方向に一様とした
場合であシ、内部ブランケット庫さと外側領域の境界と
を最適化したもので、何れの場合にも前述の実施例と同
様の効果を得ることができる。

第１０図で示した実施例は、内部ブランケット４の半径
をｌＫ１図で示した実施例よシは小さくし、その外側に
炉心軸方向高さを変えない領域を設けたものである。こ
の場合にも、径方向出力分布は三領域、即ち、内部ブラ
ンケットの存在する中央領域、内部ブランケットがなく
炉心軸方向高さが同じ領域および炉心軸方向高さが高い
領域で構成されるため、径方向出力分布平坦化は第１図
で示した実施例と同様に実現できる。外側領域が内部ブ
ランケットと隣接しなくなるので前述の隣接効果による
軸方向出力ピーク低減機能が小さくなるが、外側領域の
境界を僅か外部に移せばこの領域に最大線出力が発生す
ることを防ぐことができる。

以上の炉心構成最適化を行えば、この実施例においても
第１図で示した実施例と同等な出力分布平担化を実現で
きる。第１１図で示した実施例は第１０図で示した実施
例の変形で、外側領域の炉心軸方向高さを二段階に変え
た場合で、燃料集合体の種類が１種類増えるが、出力分
布の平坦化割合はさらに向上する。

さらに、外側領域の高さを三段以上変えることも出力分
布平坦化には効果的である。また、この構造は、第１図
で示した実施例にも、後に述べる第１２図で示した実施
例に対しても適用できる。

第１２図で示した実施例は、炉心上部から挿入される制
御棒が半挿入状態で運転される時の出力分布の平坦化に
効果的である。制御棒半挿入状態では、軸方向出力分布
は炉心下部に出力ピークを発生するので、その出力ピー
クを低減するために内部ブランケットを軸方向中心位置
より僅か下げて配置したものである。第１３図で示した
実施例は、第１２図で示した実施例の変形で、第１２図
の実施例と同様に１制御棒半挿入時の出力分布平坦化を
実現するものであるが、内部ブランケット４は軸方向中
央から下げないで、外側領域の炉心上部の軸方向高さの
みを高くするものであり、同様な出力分布平坦化効果が
得られる。

前述したそれぞれの実施例では、炉心領域の外側領域の
炉心軸方向高さを高くすることによりこの領域の出力分
担割合を相対的に増やして炉心内側領域との間の出力分
担を均一化して出力ピークを低減している。このように
、炉心領域の軸方向高さを変えるという簡単な原理で出
力分布の平坦化を実現するため、燃料集合体や富化度の
種類は従来の軸方向非均質炉心と同一であシ燃料製造コ
スト等も変わらない。さらに、軸方向非均質炉心の大き
な特徴である高増殖性、高経済性および高安全性を損う
ことなく、本発明の効果を追加することができる。

したがって、本発明の高速増殖炉によれば、簡単な炉心
構成の変更により出力分布を平坦化できるので、高増殖
性、高経済性および高安全性に加えて、炉心の熱的余裕
の改善による燃料健全性および運転融通性の向上、ある
いは燃料集合体体数ト を削減する炉心小型化によるプフンコストおよび燃料サ
イクルコストの低減が実現できる。

〔発明の効果〕

本発明は、軸方向非均質炉心の増殖性、安全性などの面
における高性能を維持しつつ、出力分布を平坦化して炉
心の熱的余裕の増大、あるいは炉心の小型化が実現でき
る高速増殖炉を提供可能とするもので、産業上の効果の
大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高速増殖炉の一実施例の炉心の構成の
説明図、第２図は従来の高速増殖炉の炉心の垂直断面図
、第３図は第１図の炉心の炉心半径とピーク線出力及び
領域平均出力との関係を示す線図、第４図は第１図の炉
心の炉心高さと軸方向出力との関係を第２図の従来の炉
心の場合と比較して示す線図、第５図は炉心外側領域の
富化度を高くした炉心の炉心高さと軸方向出力との関係
を第２図の従来の炉心の場合と比較して示す線図。 第６図は他の従来の高速増殖炉の炉心の垂直断面図、第
７図は第１図の炉心における炉心内側領域半径と炉心外
側領域半径の比と燃料集合体出力との関係を示す線図、
第８図〜第１３図は本発明の高速増殖炉のそれぞれ異な
る他の実施例の炉心の垂直断面図である。 １・・・炉心領域、２・・・径方向ブランケット頭載、
３・・・軸方向ブランケット領域、４・・・内部プラン
ヶッ１！７１　図 （ａ） 第２　閏 腎・　　　　第３回 θ　　　　５σ　　　ｌθσ　　　／９（すｌＬ：）　
　　炉！じ半径（Ｃ岬 第４図 （丁１過１〕　　　　　　　　　ｇｔｔ：、ｌ−ｒ　２
　　　　　　　　　　　　　（ｋ４）第５図 （丁塙）　　　　ダリ’１７２　　　　　　　（鵬）躬
７　図 σ・５　　　ａ−１σ７　　σ・８ａｑ　　　ｌ。 炸塙絢Ｑ１翫欄噸域俺 第８起 ′ｆ７９聞 １７１１　　団 第　１２図 ｖ７１３　回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核分裂性物質を有する炉心領域と、前記炉心領域の
   外側を取囲んで燃料親物質を主成分とし径方向ブランケ
   ット領域と軸方向ブランケット領域とよりなる外部ブラ
   ンケット領域と、前記炉心領域内に配置され燃料親物質
   を主成分とする内部ブランケット領域とからなる炉心を
   内蔵する高速増殖炉において、前記内部ブランケットを
   含む前記炉心領域の軸方向の高さが炉心半径方向で異な
   り外側領域ほど高くなつていることを特徴とする高速増
   殖炉。 ２、前記軸方向ブランケット領域が、その内側領域半径
   方向において内側領域最高集合体と外側領域最高集合体
   の燃料集合体出力が等しくなるまでは軸方向の高さが等
   しくなつている特許請求の範囲第１項記載の高速増殖炉
   。