JP2012220325A

JP2012220325A - 高速炉

Info

Publication number: JP2012220325A
Application number: JP2011085755A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Yamaoka; 光明山岡; Yasuyuki Moriki; 保幸森木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】ウラン濃度を低くして軽水炉よりも発電量当りのウラン所要量を少なくするとともに、燃料交換なしで長時間運転が可能な高速炉を提供する。
【解決手段】高速炉は、濃縮度が１１％〜１３％の範囲に設定された濃縮ウランを主成分とする炉心燃料２５と、トリウム、劣化ウラン又は天然ウランもしくはこれらの組み合わせを主成分とするブランケット２６と、炉心燃料２５の上下にブランケット２６（２６ａ，２６ｂ）を配置する燃料棒２２と、水平断面における炉心燃料２５の空間占有率と対理論密度比の積が０．３５以上となるように複数の燃料棒２２を配置する燃料集合体２０と、燃料集合体２０が複数配置されるとともに炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）が４〜７の範囲にある炉心部１０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、高速炉の炉心に関する。

世界的な原子力発電の拡大傾向の中、ウラン資源の需要増大に対処することが重要な課題となっている。低速中性子によりウランを核***させる軽水炉に対し、高速増殖炉は、高速中性子によりプルトニウムを増殖させ核燃料とするものである。この高速増殖炉の実用化は、前記した課題の解決策の一つである。

高速炉は、水を冷却材とする軽水炉と異なり、ナトリウムを冷却材として用いている。これにより核燃料が核***して発生した中性子は、エネルギーを落とさずに次の核***を起こし、さらにプルトニウムを増殖させる。

これまで開示されている高速炉として次のようなものがある。
濃縮ウランから劣化ウランへ中性子を供給して核***性物質を生成し、炉心端部まで燃焼したところで燃料を取り替えて、長期間運転を可能にした高速炉が開示されている（例えば、特許文献１）。
また、反射体により炉心からの中性子漏洩を制御することで長期運転を可能にした高速炉が開示されている（例えば、特許文献２）。
また、炉心中央部に濃縮ウランを、外側にブランケットを配置し、このブランケットにプルトニウムが蓄積したところで、濃縮ウランの集合体とブランケットとの配置を交換する。このように、核***性物質が減少した濃縮ウランの集合体の交換を繰り返すことで長期間運転を可能にした高速炉が開示されている（例えば、非特許文献１）。

特許第３４６３１００号公報特許第２８９２８２４号公報

Tyler Ellis et al: "Traveling-Wave Reactors: A Truly Sustainable and Full-Scale Resource for Global Energy Needs"(Paper 10189), Proceedings of ICAPP ’10, San Diego, CA, USA, June 13-17, 2010.

ところで、プルトニウムの利用が可能な国は限られているために、今後も濃縮ウランの需要は大幅に伸びると考えられている。
そこで、高速炉の実用化がすすめば、ウラン資源の節約が可能と考えられる。しかし、前記した従来の高速炉においては、必要とされるウラン濃縮度が高いために、軽水炉よりも、発電量当りの天然ウラン所要量が増大する課題があった。
これは高速炉では、中性子のエネルギーが高いために、臨界とするのに必要なウラン濃縮度が、軽水炉のときよりも大幅に高くなるためである。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ウラン濃度を低くして軽水炉よりも発電量当りのウラン所要量を少なくするとともに、燃料交換なしで長時間運転が可能な高速炉を提供することを目的とする。

高速炉において、濃縮度が１１％〜１３％の範囲に設定された濃縮ウランを主成分とする炉心燃料と、トリウム、劣化ウラン又は天然ウランもしくはこれらの組み合わせを主成分とするブランケットと、前記炉心燃料の上下に前記ブランケットを配置する燃料棒と、水平断面における前記炉心燃料の空間占有率と対理論密度比の積が０．３５以上となるように複数の前記燃料棒を配置する燃料集合体と、前記燃料集合体が複数配置されるとともに炉心直径と前記炉心燃料の高さとの比が４〜７の範囲にある炉心部と、を備えることを特徴とする。

本発明により、ウラン濃度を低くして軽水炉よりも発電量当りのウラン所要量を少なくするとともに、燃料交換なしで長時間運転が可能な高速炉が提供される。

本発明に係る高速炉の第１実施形態を示す炉心部の１／６水平断面図。（Ａ）各実施形態における燃料集合体の外観図、（Ｂ）燃料棒の縦断面図、（Ｃ）燃料棒の水平断面図。第１実施形態における炉心部の縦断面図。炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比がそれぞれ１．６７（比較例）及び６．６７（実施例）である場合の運転期間に対する実効増倍率を示すグラフ。炉心直径と炉心燃料の高さとの比（Ｄ／Ｈ）に対し、実効増倍率の変動量を示すグラフ。炉心直径と炉心燃料の高さとの比（Ｄ／Ｈ）に対し、初期臨界を達成させるのに必要なウラン濃縮度を示すグラフ。第２実施形態に係る高速炉で用いられる燃料棒の縦断面図。第２実施形態の高速炉における炉心部の縦断面図。第３実施形態の高速炉における炉心部の縦断面図。（Ａ）第１実施形態の高速炉における炉心部の径方向出力分布を示すグラフ、（Ｂ）第１実施形態の高速炉において炉心部内側よりも外側のウラン濃度を高くした場合の径方向出力分布を示すグラフ、（Ｃ）第３実施形態の高速炉における炉心部の径方向出力分布を示すグラフ。（Ａ）第４実施形態の高速炉における炉心部の縦断面図、（Ｂ）第１実施形態及び第４実施形態の高速炉における炉心部の径方向出力分布を示すグラフ。第５実施形態の高速炉における燃料集合体の移動方法の説明図。比較例として高速炉の従来形態を示す炉心部の１／６水平断面図。

本発明の実施形態を説明するのに先立って、比較例として従来の高速炉を説明する。
図１３は、従来の高速炉の炉心部３５の中心Ｏで交わる半径で区画された１／６水平断面を示している。そして、表１の比較例１の欄にこの従来の高速炉の仕様を示す。
この高速炉は、電気出力が約３０万ｋＷｅの原型炉級高速炉である。その炉心３５は、ウラン濃縮度が内側と外側で異なる燃料集合体３０と、出力調整用の制御棒３１と、炉停止用の制御棒３２と、径方向ブランケット３４と、径方向反射体３３とから構成されている。また、図示を省略しているが、燃料集合体３０に配置されている炉心燃料の上下には軸方向ブランケットが設けられている。

燃料集合体３０に配置されている炉心燃料のウラン濃縮度は、中心Ｏに向かって内側と外側でそれぞれ２４％，３０％である。そして、約５ヶ月の運転サイクルごとに５分の１の燃料を交換する。そして、従来の高速炉における発電量あたり天然ウラン所要量は、１３０万ｋＷｅ軽水炉の約４倍となる。

これは１３０万ｋＷｅ軽水炉（ウラン濃縮度約４％）に比べて、従来の高速炉（ウラン濃縮度が炉心平均で約２６％）では、要求されるウラン濃縮度を達成するのに必要な天然ウランが多くなるためである。この理由は、高速炉では、中性子スペクトルが硬いため、核***を起こす割合が軽水炉よりも小さく、原子炉を臨界とするためのＵ−２３５を軽水炉よりも多く必要とするからである。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態における高速炉の炉心部１０の中心Ｏで交わる半径で区画された１／６水平断面を示している。
表１の実施例１の欄に示すように、この高速炉の熱出力と電気出力はそれぞれ７５０ＭＷｔｈ及び３００ＭＷｅである。
炉心部１０は、濃縮ウランが装荷されている燃料集合体２０と、出力調整用の制御棒１１と、炉停止用の制御棒１２と、径方向反射体１３とから構成されている。

図２（Ａ）は、各実施形態における燃料集合体の外観図を示し、図２（Ｂ）は燃料棒の縦断面図を示し、図２（Ｃ）は燃料棒の水平断面図を示している。
図２に示すように、高速炉は、濃縮度が１１％〜１３％の範囲に設定された濃縮ウランを主成分とする炉心燃料２５と、トリウム、劣化ウラン又は天然ウランもしくはこれらの組み合わせを主成分とするブランケット２６と、炉心燃料２５の上下にブランケット２６（２６ａ，２６ｂ）を配置する燃料棒２２と、水平断面における炉心燃料２５の空間占有率と対理論密度比の積が０．３５以上となるように複数の燃料棒２２を配置する燃料集合体２０と、燃料集合体２０が複数配置されるとともに炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）が４〜７の範囲にある炉心部１０（図３）と、を備えている。

燃料集合体２０は、ラッパ管とよばれる六角形の中空管２１に、燃料棒２２を、多数（２７１本）束ねて収納したものである。
燃料棒２２は、外径１４ｍｍ、内径１２ｍｍの中空の被覆管２３の中央部に高さ６０ｃｍの炉心燃料２５、その上下にそれぞれ高さ６０ｃｍのブランケット２６（２６ａ，２６ｂ）が配置されている。そして、上部のブランケット２６ｂの上にはガスプレナム２７が配置され、燃料棒２２の下端と上端は端栓２４（２４ａ，２４ｂ）で密封されている。
なお、実施例の燃料棒２２の外径及び内径は、比較例の二倍になっている。

炉心燃料２５は、ウラン濃縮度１２%（重量割合）の金属形態のウランとジルコニウムをそれぞれ重量割合９：１で混合した合金燃料である。
ここで、ウラン濃縮度の好ましい範囲は、１１％〜１３％であり、濃縮度が１１％より低いと初期臨界に到達するのが困難になり、濃縮度が１３％より高いとウラン所要量の低減を図る目的に反することになる。

ブランケット２６は、天然ウランよりも低濃縮度である濃縮度０．２％（重量割合）の金属形態の劣化ウランとジルコニウムをそれぞれ重量割合９：１で混合したものである。このブランケット２６は、核***はほとんどおこさないが中性子を捕獲してプルトニウムを増殖する。

そして、ウランに対するジルコニウムの重量割合は、前記した比率で炉心部１０の水平断面を均一に設定するほかに、炉心部１０の径方向外側を小さく設定する場合がある。
つまり、実施例１では、すべての炉心燃料２５及びブランケット２６において、ウラン−ジルコニウム組成におけるジルコニウムの重量割合を１０％としたが、径方向内側の燃料集合体２０ではジルコニウムの重量割合１０％とし、径方向外側の燃料集合体２０ではジルコニウムの重量割合５％と低く設定してもよい。これにより、径方向外側の炉心燃料２５では核***性物質であるウランが多くなるため、その領域の出力が相対的に増大する。これにより、径方向炉心出力分布の平坦化を図ることができる。

また、ブランケット２６は、前記した組成に限定されることはなく、トリウム、トリウムと劣化ウランの混合体、またはトリウムと天然ウランの混合体とすることができる。トリウムは、核***しないが、ウランと同様に中性子を吸収して核***性物質を生成する。

表２に炉心燃料２５の代表的な組成及び物性値について記す。
炉心燃料２５及びブランケット２６は、ウランが実施例１に記載したような金属形態である場合に限定されず、窒化物、炭化物及び珪化物のうちいずれかにすることもできる。

表１に、実施例２として、窒化物燃料を使用した高速炉の炉心部の仕様を示す。
窒化物燃料の特徴は、金属燃料と同様に、酸化物燃料よりも燃料単位体積当たりのウラン重量が大きいことである。実施例２は、実施例１に比べて、ウラン濃縮度が高くなる結果、発電量当たりの天然ウラン所要量が若干大きくなる（０．５→０．６）。
実施例１，２では、軽水炉の場合に比べ、発電量当たりの天然ウラン所要量を半分程度にすることができる。さらに５０年の長期運転が可能となる。
炭化物燃料、珪化物燃料、酸化物燃料については、詳細な仕様の記載を省略するが、燃料単位体積当たりのウラン重量が大きいので、金属や窒化物と同様の炉心特性を得ることができる。

図２（Ｃ）の水平断面図に示すように燃料棒２２は、棒状の炉心燃料２５の外径に対し、被覆管２３の内径が大きく設定されている。これにより、照射により膨張する炉心燃料２５の逃げのスペースが被覆管２３との間に形成される。この被覆管２３の内径で定められる断面積において炉心燃料２５は約７５％を占めており、残りの２５％のスペースにはナトリウムが充填されている。

実施例１において、水平断面に占める燃料棒２２の空間占有率は約３８％である。なお、実施例１の炉心燃料２５は、金属形態であるので対理論密度比は１である。残りの６２％は被覆管２３やラッパ管２１の構造材と、被覆管２３の内部に充填されたナトリウムやラッパ管２１の内部及び外部を冷却するナトリウムとで占められる。
なお、水平断面における炉心燃料２５の空間占有率と対理論密度比の積の好ましい範囲は０．３５以上である。この値が０．３５より小さいと低いウラン濃縮度で炉心を臨界とするのが困難となる。

ここで、比較例と実施例１とを対比すると、燃料組成が比較例では二酸化ウラン等の酸化物であるのに対し実施例１では金属ウランである点で相違する。
酸化物燃料と金属燃料を比較すると、単位体積当たりの燃料重量は金属燃料の方が１．３倍であり、さらに空間占有率と対理論密度比の積も約１．３倍であるため、燃料集合体の単位断面積当たりに含まれるウラン重量が約１．７倍となる。

なお、実施例１において燃料の空間占有率が大きいのは、燃料棒２２の直径が従来例の場合よりも大きいため、相対的に構造材や冷却材の空間占有率が小さくなることに関連している。

このように、燃料集合体２０の単位断面積当たりに含まれるウラン重量を増大させることにより、炉心を臨界とするのに必要なウラン濃縮度を低減することができる。
なお、比較例の燃料を単に酸化物燃料から金属燃料に変更しただけでは、燃料集合体の単位断面積当たりに含まれるウラン重量の増大は約１．３倍にとどまる。

次に、炉心部１０における炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨの関係について検討する。
図３は、炉心部１０の縦断面を示し、炉心燃料２５及びブランケット２６の領域以外のラッパ管２１、燃料棒２２、冷却材等の構造物の記載を省略している。
各実施形態において、炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）は、４〜７の範囲に設定されている。ここでＤ／Ｈが４よりも小さいと、後述するように実効増倍率の変動量が大きくなる（図５）。そして、Ｄ／Ｈが７よりも大きいと、後述するように初期臨界を達成させるのに必要なウラン濃縮度を高くする必要がある（図６）。

実施例１では、燃料棒２２の直径が、比較例よりも大きいため、燃料集合体２０のサイズが大きくなる。このため、実施例１は、燃料集合体２０の数が比較例と同一の１９８本であるが、炉心直径Ｄは従来例の２００ｃｍよりも大きい約４００ｃｍとなる。
このために、炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨの比（Ｄ／Ｈ）が、比較例では２００／１００＝２であるのに対し、実施例１では４００／６０＝６．６７と大きくなる。
この差異に基づき、後述する理由により、実施例１の高速炉では燃料交換をせずに５０年間運転することが可能となる。

図４のグラフは、炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比がそれぞれ１．６７（比較例２）及び６．６７（実施例１）である場合、横軸に運転期間（年）をとり縦軸に実効増倍率の変化を計算した結果である。
このグラフは、全ての制御棒を引き抜いた条件で計算されている。実施例１の実効増倍率は、５０年間の運転において、臨界である１を若干上回る程度の極めて少ない変動といえる。このために、実施例１では、制御棒のわずかな操作により５０年間運転することが可能である。
一方、比較例２（Ｄ/Ｈ＝１．６７；Ｄ＝２５０,Ｈ＝１５０)では、運転１５年まで実効増倍率が増大し、その後減少して運転４０年で実行増倍率が１を下回り、実施例１と比較して臨界状態の安定性に欠ける挙動を示している。

図５のグラフは、炉心燃料の体積を一定とした条件で、横軸に炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）をとり、縦軸に５０年間における実効増倍率の変動量を示したものである。
このグラフから、炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）を４〜９とすることにより、実効増倍率の変化が小さくなることが判る。つまり、実施例１の炉心部１０における炉心燃料２５の形状は、炉心直径Ｄ＝４００ｃｍ、炉心燃料の高さＨ＝６０ｃｍといった扁平形状であるために、軸方向（上下）のブランケット２６（２６ａ，２６ｂ）に向かう中性子の量が増大する。このため、ブランケット２６において、Ｕ-２３８からプルトニウムへの変換量が増大し、炉心燃料２５におけるＵ-２３５の燃焼量の減少を相殺することになる。このため、実施例１では、長期に渡って臨界状態が安定的に維持されることになる。

一方、比較例２において、実施例１よりも臨界状態の安定性が欠ける理由は、炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨの比（Ｄ／Ｈ）が小さいために、炉心燃料２５から軸方向（上下）のブランケット２６（２６ａ，２６ｂ）に向かう中性子の量が少なくなるためと考えられる。

図６のグラフは、炉心燃料の体積を一定とした条件で、炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）に対し、初期臨界を達成させるのに必要なウラン濃縮度を示している。
このグラフに示すように、Ｄ／Ｈ比が小さくなるに従い初期臨界を達成させるのに必要なウラン濃縮度は単調減少する。
比較例２（Ｄ／Ｈ＝１．６７）の場合、初期臨界を達成させるのに必要なウラン濃縮度は約１１％である。このウラン濃縮度が低いほど、Ｕ−２３５／Ｕ−２３８の比が小さくなるために、炉心燃料２５におけるＵ−２３５の消費量に対する炉心部１０におけるＵ−２３８からプルトニウムへの変換量が増大する。

これにより、比較例２（Ｄ／Ｈ＝１．６７）では、図４に示すように、初期の実効増倍率が増大する傾向を示す。しかし、軸方向のブランケット２６に向かう中性子の量が少なく、この領域でのプルトニウム生成が少なくなる。このために、長期的にはプルトニウムの生成量が不足し、実効増倍率はピークを迎えた後に次第に減少していく傾向を示し、運転４０年以降は臨界に至らず運転不能となる。

図５より、実効増倍率の変動量を最小化するには、炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）を４〜９程度とするのが良い。一方、図６からは、ウラン濃縮度を低減するには炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）ができるだけ小さい方が良い。
そこで、実効増倍率の変動量の最小化とウラン濃縮度の低減とを両立させるため、炉心直径と炉心燃料の高さとの比（Ｄ／Ｈ比）を４〜７の範囲に設定する。
この範囲の設定の根拠は、実効増倍率の変動量が最小化する炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ＝７）を上限とし、ウラン濃縮度の低減と実効増倍率の変動量の低減が両立する炉心直径Ｄと炉心燃料の高さＨとの比の小さい側（Ｄ／Ｈ＝４）を下限に選定したことによる。

表１に示すように、発電量当りの天然ウラン所要量を、電気出力１３０万ｋＷ級軽水炉において１とした場合、実施例１では０．５に低下している。さらに臨界とするのに必要なウラン濃縮度を比較例１（炉心平均２６％）と比較しても、実施例１では１２％と小さいことが判る。さらに、運転サイクルを比較しても、比較例１が０．５年であるのに対し、実施例１では５０年と長い。

以上より、実施形態に係る高速炉では、従来の軽水炉や高速炉よりも天然ウランの節約が可能で燃料コストの大幅な低減も可能である。さらに、最初に装荷した燃料だけで燃料交換せずに５０年間運転できるため、稼働率の向上や運転の簡素化に貢献する。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る高速炉で用いられる燃料棒２２の縦断面図である。図８は、第２実施形態の高速炉における炉心部１０の縦断面図である。図７及び図８において図２（Ｂ）及び図３と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第２実施形態では、図７に示すように、燃料棒２２は、炉心燃料２５（２５ａ，２５ｂ）の各々が、軸方向においてブランケット２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）に挟まれて２段となっている。
そして、図８に示すように、炉心部１０を縦断面視した場合、炉心燃料２５（２５ａ，２５ｂ）の層が複数形成され（図面では２層）、各々の炉心燃料２５の層の上下にブランケット２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）の層が形成されている。
そして、炉心直径Ｄと各々の炉心燃料２５の高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）が４〜７の範囲に設定されている。

このように構成される第２実施形態の高速炉では、第１実施形態と同様に５０年の長期運転を可能にしつつ、発電量当たりの天然ウラン所要量を軽水炉の半分程度にすることができる。さらに、炉心直径Ｄを増大させることなく、高速炉の出力を２倍に増大することができる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態の高速炉における炉心部の縦断面図である。なお、図９において図３と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第３実施形態の高速炉では、炉心部１０の径方向外側において炉心燃料２５が高く設定されている。
つまり、図９に示すように、炉心燃料の高さＨ１＝７０ｃｍの炉心燃料２５ｃを炉心部１０の外側に配置し、炉心燃料の高さＨ２＝５０ｃｍの炉心燃料２５ｄを炉心部１０の内側に配置する。

第１実施形態（図３）の高速炉によれば、径方向外側の炉心燃料２５から放出される中性子は、外側に漏洩し易いために、径方向外側は径方向内側よりも出力が低下する傾向がある。これに対し、第３実施形態の高速炉によれば、径方向外側の炉心燃料２５ｃから放出される中性子が増加するために径方向出力分布が平坦化する。
比較例１で示した従来例では、表１に示すように、ウラン濃縮度が内側２４％に対し外側３０％に増加させていた。この比較例１では、燃焼初期では出力は平坦化するが、運転が長期化すると、ウラン濃縮度の高い外側において核***性物質の消費が増加する。その結果、炉心部１０の外側の出力が低下し、相対的に内側の出力が増大して、出力分布に大きな変動をもたらす。

これに対し、第３実施形態では、ウラン濃縮度を一種類とするが、径方向外側の炉心燃料の高さＨ１を、内側の炉心燃料の高さＨ２よりも高くすることで、外側の出力を相対的に増大させることができる。これによって、炉心全体の出力分布の平坦化をはかることができ、さらにウラン濃縮度が均一であるために核***性物質の消費も均一となり、運転が長期化しても出力分布はさほど変動しない。

図１０（Ａ）のグラフは、第１実施形態の高速炉における炉心部１０の径方向出力分布を示し、図１０（Ｂ）のグラフは、第１実施形態の高速炉の径方向内側よりも外側においてウラン濃度が高くなるようにした場合の径方向出力分布を示している。
ここで、横軸の番号１は炉心部１０の中心Ｏ（図１）における制御棒１１の位置を示し、番号２以降はそれぞれ燃料集合体２０の位置を示している。

図１０（Ａ）に示すように、第１実施形態では、炉心部１０の出力分布は、燃焼初期と燃焼末期との間でほとんど変化がないといえる。これに対し、図１０（Ｂ）では、ウラン濃縮度を二段とした結果、燃焼初期の出力分布は平坦化するが、燃焼末期では内側の出力が低下し外側の出力が増大して平坦化のくずれが観測される。

図１０（Ｃ）のグラフは、第３実施形態の高速炉（図９）における燃料集合体の径方向出力分布を示している。
図１０（Ｃ）に示すように、第３実施形態では、径方向の出力分布の平坦化と、燃焼初期から末期にわたる出力分布の変化抑制とが共に達成されている。このように、第３実施形態では、運転期間全体にわたって出力分布の平坦化を図ることができる。これにより、燃料寿命や燃料健全性に影響を及ぼす最大線出力や燃焼度を低減し、さらに被覆管や燃料の最高温度を低下させることができ、運転期間の長期化に貢献する。

（第４実施形態）
図１１（Ａ）は、第４実施形態の高速炉における炉心部の縦断面図である。なお、図１１（Ａ）において図３と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第４実施形態の高速炉では、炉心燃料の高さＨを一定とし、炉心部１０の径方向外側においてブランケット２６が高く設定されている。
このように、径方向外側のブランケット２６ａ，２６ｂを内側のブランケット２６ｄ，２６ｅよりも高くすることで、炉心燃料２５の外側の領域から漏洩する中性子の量を減少させることができる。このため、この外側の領域における出力密度を増大させることができる。

図１１（Ｂ）のグラフは、第４実施形態の高速炉における燃料集合体の径方向出力分布に第１実施形態の結果を重ね書きした結果である。
このように、第４実施形態では、第１実施形態の場合と比較して径方向の集合体出力分布が平坦化されることが判る。

（第５実施形態）
図１２を参照して、第５実施形態の高速炉における燃料集合体の移動方法を説明する。なお、図１２において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第５実施形態の高速炉においては、炉心燃料の燃焼が進んだ後に、燃焼度の高い燃料集合体２０を炉心部１０の径方向外側へ、燃焼度の低い燃料集合体２０を径方向内側へ移動させる。

図１２に示されるように、炉心部１０は、水平断面視において、中心Ｏから同心状に（１）〜（４）のゾーンに分類される。そして、予め定められているシャッフリング計画に基づいて、同じゾーンの燃料集合体２０をまとめて他のゾーンへ周期的に移動する。
一般に、炉心部１０は、径方向内側ほど出力が高いことから、径方向内側に位置する燃料集合体２０ほど、燃料寿命を決定付ける燃焼度や照射量が高くなる。このため、一定の燃焼期間が経過した後に、ゾーン１の燃料集合体２０をゾーン２へ、ゾーン２のものをゾーン３へ、ゾーン３のものをゾーン４へ、ゾーン４のものをゾーン１へといった具合に移動する。このような移動を定期的に繰り返すことにより、全ての燃料集合体２０の燃焼度や照射量を均一化する。

本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。

１０…炉心部、１１…出力調整用の制御棒、１２…炉停止用の制御棒、１３…径方向反射体、２０…燃料集合体、２１…ラッパ管（中空管）、２２…燃料棒、２３…被覆管、２４…端栓、２５（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）…炉心燃料、２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ）…ブランケット、２７…ガスプレナム、３０…燃料集合体、Ｄ…炉心直径、Ｈ…炉心燃料の高さ。

Claims

濃縮度が１１％〜１３％の範囲に設定された濃縮ウランを主成分とする炉心燃料と、
トリウム、劣化ウラン又は天然ウランもしくはこれらの組み合わせを主成分とするブランケットと、
前記炉心燃料の上下に前記ブランケットを配置する燃料棒と、
水平断面における前記炉心燃料の空間占有率と対理論密度比の積が０．３５以上となるように複数の前記燃料棒を配置する燃料集合体と、
前記燃料集合体が複数配置されるとともに炉心直径と前記炉心燃料の高さとの比が４〜７の範囲にある炉心部と、を備えることを特徴とする高速炉。
請求項１に記載の高速炉において、
前記炉心部を縦断面視した場合、
前記炉心燃料の層が複数形成され、各々の前記炉心燃料の層の上下に前記ブランケットの層が形成され、
前記炉心直径と前記各々の炉心燃料の高さとの比が前記４〜７の範囲にあることを特徴とする高速炉。
請求項１又は請求項２の高速炉において、
前記炉心燃料及び前記ブランケットは、金属、窒化物、炭化物及び珪化物のうち少なくとも一つから構成されることを特徴とする高速炉。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高速炉において、
前記炉心部の径方向外側において前記炉心燃料の高さが高く設定されることを特徴とする高速炉。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高速炉において、
前記炉心部の径方向外側において前記ブランケットの高さが高く設定されることを特徴とする高速炉。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の高速炉において、
前記炉心燃料の燃焼が進んだ後に、燃焼度の高い前記燃料集合体を前記炉心部の径方向外側へ、燃焼度の低い燃料集合体を径方向内側へ移動させることを特徴とする高速炉。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の高速炉において、
前記炉心燃料と前記ブランケットは、ウランがジルコニウムとの合金であり、前記炉心部の径方向外側において前記ジルコニウムの重量割合が小さいことを特徴とする高速炉。