JPS636496A

JPS636496A - 高速増殖炉

Info

Publication number: JPS636496A
Application number: JP61149541A
Authority: JP
Inventors: 坂東　勝; 亮司桝見; 栗原　国寿
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1988-01-12
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPH067198B2

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】［産業上の利用分野コ本発明は高速増殖炉に係り、特に燃焼による出力分布の
変動の低減に好適な高速増殖炉に関する。

［従来の技術］周知のように、高速増殖炉は原子炉の炉心で核分裂等に
より発生する中性子を燃料親物質に吸収させて新しい核
分裂性物質を生産する所謂増殖を行わせ、これによって
燃料の有効利用が図れるという特徴を有する。このよう
な高速増殖炉の炉心は一般に円柱状に形成され、この炉
心の周囲を燃料親物質からなる軸方向及び径方向ブラン
ケットで囲設している。このような炉心構成は、複数個
ｇ　″ 匁燃料棒を束ねた燃料集合体を多数個円柱状に配置する
ことによってできる。炉心部に相当する燃料集合体内の
燃料棒には、燃料として濃縮ウランあるいはプルトニウ
ムを富化したウランが装荷され、ブランケットには燃料
親物質として、例えば天然ウランあるいは劣化ウランが
装荷される。この燃料親物質が炉心から洩れ出る中性子
を捕獲することにより、有用な核分裂性物質が生産され
る。

ところで、炉心から取り出し得る熱出力の上限は、最高
温度点の熱的制限に依存する。従って、出力分布を平坦
化して最大線出力密度を低減することにより、炉心の熱
的余裕の増大を図ることができる。このため、エバリュ
ニイション・オブ・ザ・パフェ・ブランケット・コンセ
プト・フォー・ファースト・ブリーダー・リアクターズ
、シー・オー・オー−２２５０−５，エム・アイ・ティ
ー・エヌ・イー　−１５７，マサチューセッツ・インス
ティテユート・オブ・テクノロジー（１９７４）、（＃
Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　ｔｈｅＰａｒｆａｉ
ｔ　　Ｂｌａｎｋｅｔ　　Ｃｏｎｃｅｐｔ　　ｆｏｒ　
　Ｆａｓｔ　　Ｂｒｅｅｄｅｒ　　Ｒｅａｃｔｏｒｓ、
Ｉｆ　　Ｃｏｏ−２２５０−５，ＭＩＴＮＥ−１５７，
ＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　　ｏ
ｆ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（１９７４）、）に記載
のような、パフェ炉心と呼ばれる炉心概念が考案された
。パフェ炉心は、炉心の軸方向中心部に炉心半径方向に
円盤状に広がる内部ブランケット領域を設置し軸方向の
出力分布平坦化を図り、同時に、炉心領域の格分裂性物
質の富化度を半径方向内側で低く、外側で高くして、半
径方向出力分布の平坦化を図ったものである。

また、日本国特許筒７７４，０１３号に記載のような燃
料体積比２領域炉心と呼ばれる炉心概念がある。燃料体
積比２領域炉心は、炉心領域の核分裂性物質の富化度を
一様とし、燃料体の直径あるいは燃料体の配列ピッチを
変化させることによって燃料体積比を炉心の半径方向内
側で小さく。

外側で大きくして、半径方向出力分布の平坦化を図って
いる。また、炉心体積を約１６ｋＱと大きくして中性子
の炉心からの洩れを小さくし、燃料の核分裂性物質の富
化度を約１０％とすることにより反応度の変化を抑え、
出力分布を、燃焼度が０〜約１０００Ｗｄ／ｌまでの間
、はぼ−定になるようにしたものである。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、上記の２つの従来技術は、燃料の燃焼度
が１０００Ｗｄ／を以上と高くなった時の出力分布の平
坦化については、十分には考慮されていない。

第２図は、従来のパフェ炉心の各領域の中性子無限増倍
率の燃焼による変化を示したものである。

燃焼初期においては、各領域の中性子洩れの効果の違い
を、富化度を変化させるとともに内部ブランケットを配
置して中性子無限増倍率に差をつけて相殺し、出力分布
を平坦化している。燃焼により、核分裂性物質密度が、
炉心内側の低富化度領域及び内部ブランケット領域で増
大し、炉心外側の高富化度領域で減少するため、例えば
、燃料のくなり、出力分布平坦化機能が低減する。この
ため、出力分布が大きく変動し、運転期間を通じての出
力分布の平坦化ができなくなり、制御棒挿入等の他の手
段を併用する必要があった。また、出力分布の変動によ
り、隣接した燃料集合体を流れる冷却材の間に温度差が
生じ、炉心上部機構が周期的な熱衝撃を受け（サーマル
・ストライビング）、その寿命が短縮されるという問題
点も生じる。

従来の燃料体積比２領域炉心にも上記と同様の問題点が
あった。第３図は、従来の燃料体積比２領域炉心の各領
域の中性子無限増倍率の燃焼による変化を示したもので
ある。燃焼初期においては、各領域の中性子洩九の効果
の違いを、燃料体積比を変化させ、中性子無限増倍率に
差をつけて相殺し、出力分布を平坦化している。出力密
度を一定とすれば、炉心内側の低燃料体積比領域のほう
が燃焼度が高くなるため、中性子無限増倍率は、炉心外
側の高燃料体積比領域に比べ速く減少する。

従って、燃焼末期では中性子無限増倍率の面領域間の差
が大きくなり過ぎ、運転期間を通じての出力分布の平坦
化ができなかった。

燃料の寿命の決定因子の一つに高速中性子照射による材
料のスウェリングが挙げられる。燃料体積比２領域炉心
では、中性子束の高い炉心中心部の単位体積当りの燃料
の量を少なくして、燃焼度の低い間の出力分布の平坦化
を図るものである。

逆にいえば、出力分布が平坦であれば、中性子束は単位
体積当りの燃料の量の少ない炉心中心部でピークをもち
、十分には平坦化されていない。このことから、燃料寿
命が制限され、燃焼度を高くとることが困難であった。

本発明の目的は、上記従来技術に比べて、最大中性子束
レベルを低減して燃料寿命を延長し、併せて燃焼による
出力分布の変動を低減し、運転期間を通じて平坦で安定
した出方分布をもつ高速増殖炉を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］この目的を達成するため、本発明においては。

炉心の単位体積当りの燃料の量を半径方向内側で少なく
、外側で多くするとともに、炉心の内部に半径方向に広
がる盤状の内部ブランケット領域を設け、かつ、内部ブ
ランケット領域の軸方向厚さを炉心の内側領域で薄く、
外側領域で厚くした構成としている。

［作用コ第４図は、本発明に基づく炉心の各領域の中性子無限増
倍率の燃焼による変化を示したものである。内側の炉心
領域の中性子無限増倍率の減少の度合い（図の破４りは
、従来の燃料体積比２領域炉心と同様に、外側領域より
も大きくなるが、内部ブランケット領域の中性子無限増
倍率の増大により補うため、全体としては、内側領域と
外側領域との中性子無限増倍率の差は運転期間を通じて
ほぼ一定である。これによって各領域の中性子洩れの効
果の違いを相殺するため、出力分布の変動を小さく抑え
ることができる。また、炉心の外側領域の内部ブランケ
ット厚さを内側領域よりも厚くしたことにより、運転期
間中の燃焼による反応得られるので、最大線出力密度を
低減することができる。

本発明に基づく炉心では、内部ブランケットを一般に中
性子束の高くなる炉心の中心部に配置したため、これに
よる中性子の吸収効果が大きく、従来の燃料体積比２領
域炉心に比べ最大高速中性子束を大幅に低減でき、燃料
寿命を延長できる。

［実施例コ以下１本発明を実施例に従って説明する。対象とする炉
心は、プルトニウムとウランの混合酸化物からなる炉心
燃料、及び主として減損ウランからなるブランケット燃
料が装荷され、冷却材としてナトリウムを用いた場合の
ものである。しかし、上記以外の燃料、例えば、混合炭
化物燃料、混合窒化物燃料、金属燃料等を用いても、ま
た、上記以外の冷却材、例えば、ヘリウム、水蒸気、二
酸化炭素等を使用した場合にも本発明は適用可能である
。

料の量の少ない内側炉心１と、その外周にあたる単位体
積当りの燃料の量の多い外側炉心２と内側炉心１の軸方
向中゛心部に円盤状に配置された内部ブランケット３と
で構成される。図中４及び５はそれぞれ径方向及び軸方
向ブランケットである。

従来のパフェ炉心と異なる点の第１は、内側炉心１と外
偏炉°心２とではプルトニウム富化度を同一とし、単位
体積当りの燃料の量を変えたことてある。すなわち、内
側炉心１での単位体積当りの燃料の量は外側炉心２の約
８０％となっている。これを実現するために、ここでは
内側炉心１に中空ペレットを用いている。第２点は、外
側炉心２の中はどまで内部ブランケットを広げ、かつ、
その軸方向厚さを内側炉心に比べて厚くした点である。

このような炉心構成においては、内側炉心１の等価直径
を炉心の等価直径の０．６〜０．８倍程度にし、外側領
域の内部ブランケットの軸方向厚さを内側領域の１．５
〜２．５倍程度にすることによって、燃焼期間を通じて
出力分布の平坦化が実現する６第５図に、内部ブランケ
ットの外側領域の厚さに対する内側領域の厚さの比を変
えた場合の、最大線出力の変化を示した。

次に、本発明による炉心の径方向出力分布変動特性を計
算した結果を説明する。炉心の設計パラメータおよび運
転条件を次頁の第１表に示した。

即ち、原子炉熱出力は約２，６００ＭＷ、電気出力は約
１．ＯＯＯＭＷ、等価炉心径と炉心高さはそれぞれ３０
０ｃｍ及び１２０ｃｍである。軸方向及び径方向ブラン
ケット厚さは、それぞれ２５ｃｍ及び３０ｃｍである。

燃料交換間隔は１５ケ月、設備利用率は８０％、燃料交
換バッチ数は炉心、ブランケット共に３とする。

第１表第１表（つづき）上記炉心設計パラメータを用いて計算した本発明の炉心
（第１図）の平衡サイクル初期および末期における径方
向出力分布を第６図に示す。比較のため、従来のパフェ
炉心に対する結果を第７図に、従来の燃料体積比２領域
炉心に対する結果を第８図に示す。これらの結果から明
らかなように、本発明の炉心では、従来炉心に比へて径
方向出力分布の変動割合が最大１／２から１／３に低減
されている。その結果、サーマル・ストライビングの問
題が緩和される。また、運転時の最大線出力密度が約１
３％低減され、炉心の熱的余裕が増大する。あるいは、
最大線出力密度を一定とすると、従来炉心に比べて炉心
燃料集合体数を約１３％削減することが可能となり、燃
料の製造コストをそれだけ低減できることになる。また
、最大高速中性子束を従来の燃料体積比２領域炉心に比
べ約２０％低減でき、燃料寿命をそれだけ延長できる。

第９図に示す第２の実施例では、内部ブランケット３の
中心を炉心の軸方向中心より下方に配置している。原子
炉の運転中は制御棒が炉心上端部から挿入されるが、本
実施例のように内部ブランケットを下方に配置すること
により、中途挿入状態で運転する場合の制御棒挿入によ
る出力分布の歪みを軽減することができる。また、第１
０図に示す実施例のように、内部ブランケット３の中心
を炉心の軸方向中心より下へ配置することの代わりに、
内部ブランケット３の形状を軸方向に非対称とし、下側
の体積を大きくした構成によっても、制御捧甲途挿入に
よる出力分布の歪みを軽減することができる。

第１１図の実施例は、炉心の内側領域軸方向上部および
下部に外側領域と同じ単位体積当たりの燃料の量が多い
領域を設けたものである。この実施例では、出力分布が
軸方向により一層平坦化されるため最大線出力低減の効
果が大きい。

また、第１２図に示すように、内部ブランケットに低濃
縮ウラン、Ｐｕ等の核分裂性物質を僅かに富化した低富
化度領域６とすることによっても同様に本発明の効果を
得ることができる。例えば、初装荷炉心の出力分布の平
坦化を強調することができる。

以上の実施例では、領域間で単位体積当りの燃＝、−：
ｂ斗の量に違いを持たせるために内側炉心１の燃料（：
　刀− 一′　　に中空ペレットを用いた。上記以外の方法とし
て、内側炉心１で燃料ペレットの焼結密度を小さくする
ことが考えられる。また、内側炉心１では細径燃料棒を
、外側炉心２では太径燃料棒を使用すること、あるいは
、燃料棒配列ピッチを、内側炉心１では大きく、外側炉
心２では小さくすることによっても単位体積当りの燃料
の量を領域毎に変化させることはできる。また、内側炉
心１では酸化物燃料を、外側炉心２では金属燃料、炭化
物燃料、あるいは窒化物燃料を使用することも可能であ
る。

さらに、内側炉心１で、各燃料ペレット間に構造材のペ
レットをはさませる方法、燃料ペレット内に中性子吸収
の小さい物質を混入させる方法なども考えられる。

以上の実施例では、内側炉心１と外側炉心２の核分裂性
物質の富化度は一様としたが、内側炉心１の富化度を僅
かに下げ、内部ブランケット３の厚さを薄くすること、
あるいは、内側炉心１の富化度を僅かに上げ、内部ブラ
ンケット３の厚さを厚くすることによっても本発明の効
果は得られる。

また、以上の実施例では、単位体積当りの燃料の量を２
つの領域で変化させたが、３領域以上でこれを実施する
ことも可能である。第１３図は、炉心を半径方向に３領
域に分け、外側はど単位体積当りの燃料の量を増加した
例で、この場合も外側はど内部ブランケット３の軸方向
厚さを厚くして、出力分布を平坦にできる。第１３図は
、半径方向及び軸方向の両方で３領域とした例である。

現行の設計では、燃料集合体は、燃料ピン・バンドルを
六角形のラッパ管内に装荷する構造となっている。ラッ
パ管の主な機能の一つは、燃料集合体毎に冷却材の流量
配分を行うことである。本発明に基づく炉心によれば、
運転期間を通じて平坦で安定した出力分布が実現できる
ので、流量配分が不要となりラッパ管を削除できる可能
性が得られる。この場合には、内側炉心１の燃料集合体
をラッパ管の無い構造とし、外側炉心２の燃料集合体を
ラッパ骨付の構造とすることにより、単位体積当りの燃
料の量を、内側炉心で少なく、外側炉心で多くすること
が考えられる。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明の炉心では、従来のパフェ
炉心及び燃料体積比２領域炉心に比べ、（１）運転時の
出力分布変動かに低減でき、炉心上部機構に対するサー
マル・ストライビングの効果が緩和される。（２）運転
時の最大線出力密度を小さくでき、炉心の熱的余裕が増
大する。あるいは（３）炉心燃料を約削減でき、燃料の
製造コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す炉心の垂直断面図
、第２図、第３図は各種従来の炉心内側領域及び外側領
域における中性子無限増倍率の燃焼による変化を示す特
性図であり、第４図は本発明の一実施例による炉心の炉
心内側領域及び外側領域における中性子無限増倍率の燃
焼による変化を示す特性図であり、第５図は本発明を説
明する図であり、内部ブランケット形状による最大線出
力の変化を示す特性図、また、第６図は本発明に基づく
炉心の、第７図及び第８図は従来炉心の径方向出力分布
を示す特性図である。第９図、第１０図、第１１図、第
１２図、第１３図、第１４図は本発明の各地の実施例を
一図一例にて示した炉。心の垂直断面図である。１・・・内側炉心、２・・・外側炉心、３・・・内部ブ
ランケット、４・・・径方向ブランケット、５・・・軸
方向プランケラｂ、６・・・低富化度領域、７・・・燃
料低密度領域、８・・・燃料中密度領域、９・・・燃料
高密度領域。第１図１・・・内側炉心、２・・・外側炉心、３・・・内部ブ
ランケット、４・・・径方向ブランケット、５・・・軸
方向ブランケット。第２図第３図（υ）ＩＩＪＪ　）→運転期間→　　　（末１υ１）第
４図第５図２＋、いζ−１５の（ハ）員；１ブランケツト１すざに
メ’ｆＥ勺几第７図　　　　　　　　　第８図第６図（炉中心）　　怪方向位ＰＩ第１１図第１２図第１３図第１４図

Claims

【特許請求の範囲】１、核分裂性物質を富化した燃料を主成分とする円柱状
の炉心と前記炉心の内部にあって燃料親物質を主成分と
する盤状の内部ブランケット領域を有する高速増殖炉に
おいて、前記炉心の単位体積当りの燃料の量を炉心半径
方向内側で少なく、外側で多くし、炉心径方向内側領域
から外側領域まで広がる盤状の前記内部ブランケット領
域の軸方向厚さを、炉心内側領域で薄く、外側領域で厚
くしたことを特徴とする高速増殖炉。２、特許請求の範囲第１項において、内部ブランケット
領域の軸方向中心を炉心の軸方向中心より下方としたこ
とを特徴とする高速増殖炉。３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、炉心内
側領域軸方向上部及び下部に、外側領域と同じ単位体積
当りの燃料の量の多い領域を設けたことを特徴とする高
速増殖炉。４、特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項におい
て、内部ブランケット領域の幾何形状を軸方向非対称と
し、前記内部ブランケット領域の体積を軸方向下側で大
きくしたことを特徴とする高速増殖炉。５、特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項又は第
４項において、前記内部ブランケット領域に核分裂性物
質を富化したことを特徴とする高速増殖炉。６、特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項又は第
４項又は第５項において、単位体積当りの燃料の量の異
なる領域数を炉心の半径方向または軸方向または両方向
に３領域以上としたことを特徴とする高速増殖炉。７、特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項又は第
４項又は第５項又は第６項において、炉心内側領域と外
側領域とで核分裂性物質の富化度を変えたことを特徴と
する高速増殖炉。