JPS63182594A - 非均質型原子炉 - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、核燃料ペレットを被覆管内に積層封入して
なる核燃料ピンを炉心に装荷するタイプの高速増殖炉、
熱中性子炉、中速中性子炉等の非均質型原子炉に関し、
さらに詳しくは、異常な炉出力上昇時にこれを自動的に
抑制して原子炉暴走を防止することができるようにした
原子炉に関するものである。

〈従来の技術〉 上述したごとき非均質型原子炉として高速増殖炉を例に
挙げて以下に説明する。第２図は通常の高速増殖炉の概
略説明図であって、１は原子炉容器、２は遮蔽プラグ、
３は炉心上部機構、４は炉心をそれぞれ表わし、炉心は
さらにプルトニウム富化度の高い炉心燃料領域５と半径
方向ブランケット燃料領域６とを有している。炉心燃料
領域５とブランケット燃料領域６は、断面六角形の燃料
集合体をその長手方向が垂直になるように多数配列して
構成されており、各集合体は多数の燃料ピンを垂直方向
に配列してつくられている。炉心４での核分裂によって
発生する熱は、炉容器１底部の冷却材入口管７、燃料集
合体下部流入管８を通って各燃料集合体内を流通するナ
トリウム冷却材によって受取られ、冷却材出口管９から
取出される。

炉心燃料領域５を構成する燃料ピンは第３図に拡大して
示すように、円筒形の被覆管１０内の軸方向中央部にプ
ルトニウム富化度の高い炉心燃料ペレット１１を積み重
ね、その上部および下部にウラン−２３８の多い劣化ウ
ランからなるブランケット用燃料ペレット１２を積み重
ね、被覆管両端を下部端栓１３および下部端栓１４で密
封した構造となっている。ペレット積層の最上ペレット
と上部端栓１３との間には通常スプリング１５を装入し
てペレット積層を押圧するようになっており、スプリン
グ１５が設けられている空間は、炉心燃料の核分裂によ
って発生する核分裂生成ガスを溜めるためのガスプレナ
ム１６となる。

一方、ブランケット燃料領域６を構成する燃料ピンは、
被覆管内にブランケット用燃料ペレットのみを積層封入
しであるほかは第３図の燃料ピンと実質的に同様な構造
を有しており、かような燃料ピンから構成されたブラン
ケット燃料集合体を、炉心燃料集合体からなる領域５の
外周に配置して炉心４が形成される。そして炉心燃料領
域５内の炉心燃料ペレットの核分裂により生成する中性
子をブランケット燃料領域６のブランケット用燃料ペレ
ット中のウラン−２３８に吸収させてプルトニウムに転
換できるようになっている。

ところで、一般に大型の発電用高速増殖炉においては、
核分裂が炉心の中央部に集中しないように、炉心燃料領
域５内部にもブランケット燃料を配置している。このブ
ランケット燃料の配置方法には２種類ある。一つの方法
は、プランケラ１〜燃料集合体と同種の集合体を炉心燃
料領域内部の半径方向の適当位置に分散状または円周状
に配置する方法であって、かように配置した炉心は半径
方向非均質炉心と呼ばれる。もう一つは軸方向非均質炉
心と呼ばれるもので、第３図に示したような炉心燃料集
合体を構成する燃料ピン内のプルトニウム富化度の高い
炉心燃料ペレット１１積層部分の中央部にも、ウラン−
２３８を主成分とする内部ブランケット用燃料ペレット
１２ａ（第４図参照）を装入した燃料ピンを使用する。

なお第４図の燃料ピンにおいて、第３図と同じ構成部材
については、同じ参照番号を付すことによって説明を省
略する。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上述したような半径方向非均質炉心あるいは軸方向非均
質炉心のいずれの場合でも、高速増殖炉の熱出力を大き
くするためには炉心を大型にする必要があるが、炉心が
大きくなると原子炉の出力係数が正になる傾向がある。

出力係数か正の場合には、何等かの原因で原子炉出力が
上昇すると制御棒を引き扱かなくても核分裂が増加し、
次第に熱出力が大きくなる現象が認められ、原子炉の安
全性にとって好ましくない。

一方、出力係数が負の場合でも、誤って制御棒を引き扱
くことも考えられ、かような誤操作により異常な出力上
昇が発生する危険もめる。従って、原子炉には異常な炉
出力を自動的に抑える手段を設けておかなくてはならな
い。

一般に、異常時の出力抑制手段としては、緊急炉停止装
置を多数系統設置することが従来からなされており、緊
急時に装置が自動的に作動して炉を停止するようになっ
ている。また、原子力施設の安全装置は多重に設置する
ことが望まれており、特に異常時の緊急停止は地震時や
電源喪失時等にも確実に働くことが要求されている。従
って、緊急炉停止手段は異なる原理で作動するものを多
重に設置することになっており、機械装置による炉停止
のほかに、物理現象によって確実に作動する原子炉暴走
抑制手段を準備しておくことが求められている。

そこでこの発明は、上述した軸方向非均質炉心を構成す
る燃料ピンに改良を加えるとことによって、単純な物理
瑛象により異常な出力上昇を自動的に抑制でき、これに
よって炉心全体の安全を確保することができる原子炉を
提供することを目的としてなされたものである。

〈問題点を解決するための手段〉 この発明によれば、第４図に示したごとき軸方向非均質
炉心を構成する燃料ピンを改良することによって上記の
目的を達成している。

すなわちこの発明による非均質型原子炉は、第４図に示
したごとき従来の軸方向非均質炉心用の燃料ピンの内部
ブランケット用燃料ペレット１２ａ積層部分の最下端に
相当する燃料被覆管１０の内径を縮小して内部ブランケ
ット用燃料ペレットが被覆管内を下方に移動しないよう
に支持するとともに、この内部ブランケット用燃料ペレ
ットより下方に積み重ねにれだ炉心燃料ペレット１１お
にびブランケット用燃料ペレット１２の全部または一部
をその中心部に軸方向の空孔を設けた中空ペレットとし
たことを特徴とするものである。

〈作　用〉 何等かの原因によって炉出力が異常に上昇すると、炉心
中央部の温度が上昇してくる。この温度上昇によって、
内部プランケラ１〜用燃料ペレットより下方の炉心燃料
ペレットく中空ペレット）はその中心部空孔の周辺が溶
融し、空孔を通って重力により下方に移動してくる。か
ような核燃料物質の溶融による下方への移動によって、
炉心全体として成立している核分裂連鎖反応は停止され
る。なぜならば、連鎖反応に対する核燃料物質の寄与は
、核燃料物質が炉心の中央部にあるときに大きく、炉心
の周辺部に移動すれば小さくなり、従って後者のような
状況になれば連鎖反応を自動的に停止させる作用が働く
からである。

〈実施例〉 以下に図面に示す実施例を参照してこの発明を詳述する
。第１図はこの発明の原子炉で用いる燃料ピンの部分拡
大図を示すものであって、第４図の従来の軸方向非均質
炉心用の燃料ピンの部材に対応する部材には、第４図と
同じ参照番号を付しである。

この発明にあける燃料ピンが第４図の従来のものと相違
する点は、内部ブランケット用燃料ペレット１２ａの積
層部分の最下端に相当する燃料被覆管１０の部分１０ａ
の内径を縮小して内部ブランケット用燃料ペレット１２
ａが被覆管１０内を下方に移動しないように支持しであ
る点、およびこの内部ブランケット用燃料ペレット１２
ａより下方に積み重ねられた炉心燃料ペレット１１およ
びブランケット用燃料ペレット１２の全部または一部を
中空ペレットとした点である。

被覆管の縮小部分１０ａの内径は、その他の部分の内径
よりも通常は少なくとも約０．１ｍｍ以上小さくする。

被覆管は一般にステンレス鋼製パイプを全体的に絞って
引扱き加工して製造されており、所定の個所でわずかに
絞りを強めれば内径縮小部分１０ａを容易に形成するこ
とができる。なお内径縮小の程度に応じて、内部プラン
ゲット用燃料ペレット１２ａの対応個所を図示実施例の
ようにその周方向に若干削りとってもよい。

また、内部ブランケット用燃料ペレット１２ａより下方
に封入される炉心燃料ペレット１１には、その中心部の
軸方向に垂直の空孔２１を貫通穿設する。図示の実施例
のように、さらに下方のブランケット用燃料ペレット１
２にも空孔２２を貫通穿設しておいてもよいが、最下部
のブランケット用燃料ペレット１２ａにまで空孔を穿設
すると、炉の通常運転時に最下部ペレット１２ｂの空孔
を通って中性子が漏洩するため、図示実施例のように最
下部のブランケット用燃料ペレット１２ｂには空孔のな
いものを封入してあくことが望ましい。

かような燃料ピンを数十水ないし数百本集めて炉心燃料
集合体とし、さらにこの炉心燃料集合体を多数本配列す
ることによって大型高速増殖炉の炉心燃料領域が形成さ
れる。

上述したごとき燃料ピンを有するこの発明の炉の出力が
何かの原因によって異常に上昇する場合を想定すると、
出力の異常上昇によって先ず炉心中央部の温度が上昇し
てくる。温度が約２７００’Ｃ以上になると、被覆管内
の内部プランケラ１〜用燃料ペレット１２ａより下方に
位置する炉心燃料ペレット１１の中心部、すなわち空孔
２１の周辺が溶融し始め、溶融した核燃料物質は重力に
よってペレット空孔２１，２２を通って次第に下方へ移
動する。かくして核燃料物質が炉心中央部から周辺に移
動するに従って、核分裂連鎖反応に対する寄与が小さく
なるため、連鎖反応は自動的に停止へと向うことになる
。

このとき内部ブランケット用燃料ペレット１２ａは核分
裂による発熱が少ないので溶融することなく、従って被
覆管の内径縮小部分１０ａによって支持されているため
、炉心上部の核燃料物質が炉心中央部に落下してきて核
分裂を加速する危険はなく、専ら炉心下部の核燃料物質
の溶融落下によって連鎖反応が停止することになる。

上記したような炉出力の異常上昇による炉心中央部の温
度上昇、さらにはこの温度上昇によって生成する核燃料
物質溶融物の重力による炉心下部への移動は、いずれも
明白な物理現象である。それ故、この発明による原子炉
の炉心が不測の出力上昇事故を起し、かつ他の炉停止装
置が不作動であっても、上記物理現象のみで核分裂連鎖
反応を自動的に確実に停止させることができるわけであ
る。

なお、この発明において使用する燃料ピンの内部ブラン
ケット用燃料ペレット１２ａ下方の炉心燃料ベレン１〜
１１は中空ペレットとするため、その分だけ通常運転時
における核分裂による発熱量が少なくなるという不利が
生ずる。これを避けるためには、中空ペレットの空孔部
分の体積比だけ核燃料物質中のプルトニウム冨化度を高
めておけばよい。

〈発明の効果〉 この発明は以上説明したような構成の燃料ピンを有する
原子炉であるから、炉出力の異常上昇時に単純な物理現
象のみで炉心核燃料物質の核分裂連鎖反応を自動的かつ
確実に停止、抑制することが可能であり、これによって
炉心全体の安全性を著しく向上させることができるもの
である。

以上この発明を高速増殖炉を例にとって説明したが、同
様な構成をその他の非均質型原子炉、例えば熱中性子炉
あるいは中速中性子炉に適用した場合にも同様な効果が
得られることは、当業者にとって容易に理解できるであ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による原子炉の炉心燃料領域で使用す
る燃料ピンの部分拡大断面図、第２図は代表的非均質型
原子炉である高速増殖炉の概略説明図、第３図は高速増
殖炉の炉心燃料領域で使用する一般的な燃料ピンの断面
図、および第４図は従来の軸方向非均質炉心用の燃料ピ
ンの断面図である。 １０・・・燃料被覆管、１０ａ・・・被覆管の内径縮小
部分、１１・・・炉心燃料ペレット、１２・・・ブラン
ケット用燃料ペレット、１２ａ・・・内部プランケラト
用燃料ペレット、２１．２２・・・空孔。 第１図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃料被覆管内の軸方向中央部にプルトニウム富化度
   の高い炉心燃料ペレットを積み重ね、その上部および下
   部にブランケット用燃料ペレットを積み重ね、さらに前
   記炉心燃料ペレット積層部分の中央部に内部ブランケッ
   ト用燃料ペレットを装入してなる燃料ピンを有する非均
   質型原子炉において、前記内部ブランケット用燃料ペレ
   ット積層部分の最下端に相当する燃料被覆管部分の内径
   を縮小して内部ブランケット用燃料ペレットが被覆管内
   を下方に移動しないように支持するとともに、この内部
   ブランケット用燃料ペレットより下方に積重ねられた炉
   心燃料ペレットおよびブランケット用燃料ペレットの全
   部または一部をその中心部に軸方向の空孔を貫通穿設し
   た中空ペレットとしたことを特徴とする非均質型原子炉
   。