JP2017116499A

JP2017116499A - 高速炉炉心および高速炉

Info

Publication number: JP2017116499A
Application number: JP2015255010A
Authority: JP
Inventors: 礼木村; Rei Kimura; 靖坪井; Yasushi Tsuboi; 昭浩原; Akihiro Hara; 川島　正俊; Masatoshi Kawashima; 正俊川島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: JP6615605B2

Abstract

【課題】高速炉の制御棒挿入失敗事象の発生時に、炉心へ負の反応度を投入する。
【解決手段】実施形態によれば、高速炉炉心は、複数の炉心燃料集合体と、複数の炉心損傷防止構造体１００と、複数の制御棒集合体とを備える。複数の炉心損傷防止構造体１００のそれぞれは、核***性物質を収納する第１の液体燃料要素１１０ａと、第１の液体燃料要素１１０に連通する流路を介した液体燃料１０８の第１の液体燃料要素１１０ａからの流出を阻止するとともに、事故時にその周囲温度が上昇することにより溶融し液体燃料１０８の流出を許容する溶融プラグを有する。
【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、高速炉炉心および高速炉に関する。

一般的に大型高速炉において、制御棒挿入失敗事象が発生した際には何らかの方法で炉心に負の反応度を投入する必要がある。負の反応度を投入する方法として、原子炉冷却材の温度上昇を利用して中性子吸収材を炉心内に投入する方法がある。さらに、燃料排出ダクトを備えた燃料集合体を用い、溶融した核燃料をダクトから炉心外へ排出する方法がある。

特開２０１３−１２０１１９号公報特開２００９−８５６５０号公報特開２００２−５５１８７号公報特開平０８−２９７１８５号公報

M. Schikorr, E. Bubelis, B. Carluec, J. Champigny, "Assessment of SFR reactor safety issues. Part I: Analysis of the unprotected ULOF, ULOHS and UTOP transients for the SFR (v2b-ST) reactor design and assessment of the efficiency of a passive safety system for prevention of severe accidents" Nuclear Engineering and Design, 285, 249-262 (2015) H. Endo , M. Kawashima and A. Shimizu, "Safety Features of Liquid metal Fueled Core", Potential of Small Nuclear Reactors for Future Clean and Safe Energy Sources (Editor; H. Sekimoto), p273-p282, 1992, ELSEVIER, ISBN-0444894322 M. Kawashima, H. Endo and A. Shimizu, "A Conceptual Study on a Liquid Metallic Fueled Core", p283-p289, 1992, ELSEVIER, ISBN-0444894322 T. Sawada, H. Ninokata, H. Taneichi and H. Endo, "CHARACTERISTICS OF FUEL MELTING AND RELOCATION IN METALLIC=FUELED FAST REACTOR CORE AND ITS FEASIBILITY FOR ELIMINATING RECRITICALITY", Progress in Nuclear Energy, Vol. 37, No. 1-4, p157-162, 2000, Pergamon

上述した高速炉の炉心損傷防止要素の例においては、中性子吸収材が投入されるまでの時間遅れ、あるいは温度上昇による誤作動などや、負の反応度が加わる時点ではすでに燃料が破損した状態となるなどの課題があった。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高速炉の制御棒挿入失敗事象の発生時に、炉心へ負の反応度を投入し、炉心損傷を防止することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る高速炉炉心は、核***性物質を含んだ燃料を有し、液体金属を原子炉冷却材とする高速炉の高速炉炉心であって、互いに並列に配され鉛直方向に延びて固体状の燃料を有する複数の炉心燃料集合体と、前記炉心燃料集合体と並列に配され通常運転時に液体状の燃料を有し鉛直方向に延びる複数の炉心損傷防止構造体と、中性子を吸収する物質を含み、前記複数の炉心燃料集合体および前記複数の炉心損傷防止構造体と並列に配されて上下に移動可能な複数の制御棒集合体と、を備え、前記複数の炉心損傷防止構造体のそれぞれは、鉛直方向に筒状に延びて上下を閉止されて核***性物質を収納する第１の液体燃料要素と、通常運転時には固体状であって前記第１の液体燃料要素に連通する流路を介しての前記液体燃料の前記第１の液体燃料要素からの流出を阻止するとともに、事故時にその周囲温度が上昇することにより溶融し前記液体燃料の流出を許容する溶融プラグと、を有することを特徴とする。

また、本実施形態に係る高速炉は、核***性物質を含んだ燃料を有し、液体金属を原子炉冷却材とする高速炉炉心と、前記高速炉炉心を収納し、前記原子炉冷却材を保持する原子炉容器と、前記原子炉容器の上部を覆い、前記高速炉炉心の反応度を制御する制御棒を駆動する制御棒駆動機構を支持する遮へいプラグと、を備え、前記高速炉炉心は、互いに並列に配され鉛直方向に延びて固体状の前記燃料を有する複数の炉心燃料集合体と、前記炉心燃料集合体と並列に配され液体状の前記燃料を有し鉛直方向に延びる複数の炉心損傷防止構造体と、中性子吸収物質を含み、前記複数の炉心燃料集合体および前記複数の炉心損傷防止構造体と並列に配された複数の制御棒集合体と、を備え、前記複数の炉心損傷防止構造体のそれぞれは、鉛直方向に筒状に延びて上下を閉止されて核***性物質を収納する第１の液体燃料要素と、前記第１の液体燃料要素に連通する流路を介しての前記液体燃料の前記第１の液体燃料要素からの流出を阻止するとともに、その周囲温度がその融点への到達をもたらすまでに上昇することにより溶融し前記液体燃料の流出を許容する溶融プラグと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、高速炉の制御棒挿入失敗事象の発生時に、炉心へ負の反応度を投入し、炉心損傷を防止することができる。

第１の実施形態に係る高速炉の構成を示す立断面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視平面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心燃料集合体の構成を示す立断面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の構成を示す概念的立断面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す平断面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す立断面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体の構成を示す立断面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素との連結部の平面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素との連結部の立断面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体において溶融プラグが開口した時の状態を示す立断面図である。第１の実施形態に係る高速炉炉心の効果を説明するための炉心燃料集合体の炉心損傷防止構造体への置換反応度の例を示すグラフである。第１の実施形態に係る高速炉炉心の効果を説明するための熱膨張による反応度効果の例を示すグラフである。第２の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体の構成を示す立断面図である。第２の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素との連結部の平面図である。第２の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素との連結部の立断面図である。第３の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体の構成を示す立断面図である。第３の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体において溶融プラグが開口した時の状態を示す立断面図である。第３の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体の変形例の構成を示す立断面図である。第４の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す平断面図である。第４の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の構成を示す立断面図である。第４の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素において溶融プラグが開口した時の状態を示す立断面図である。第５の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の結合体の構成を示す立断面図である。第５の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の結合体において溶融プラグが開口した時の状態を示す立断面図である。第６の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す立断面図である。第６の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の変形例の第１の液体燃料要素の結合体の構成を示す立断面図である。第７の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す平断面図である。第７の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の構成を示す立断面図である。第８の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の構成を示す立断面図である。第８の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の溶融プラグセットを示す立断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高速炉炉心および高速炉について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る高速炉の構成を示す立断面図である。高速炉１は、高速炉炉心１０、高速炉炉心１０を支持する炉心支持板４、これらを収納しかつ原子炉冷却材１５０を内部に保持する原子炉容器２、原子炉容器２の上部を覆う遮へいプラグ１１を有する。ここで、原子炉冷却材１５０は、液体金属でありたとえばナトリウム（Ｎａ）である。

炉心燃料集合体３０等で構成される高速炉炉心１０の上方には、遮へいプラグ１１を貫通して、遮へいプラグ１１に支持された炉心上部機構７が、原子炉容器２内に向けて吊り下げられている。炉心上部機構７は、制御棒集合体１５（図２）を駆動する制御棒駆動機構７ａや、図示しない高速炉炉心計装等を有する。

原子炉容器２には、原子炉冷却材１５０を原子炉容器２に送り込む冷却材入口配管８と、原子炉冷却材１５０を原子炉容器２から送り出す冷却材出口配管９とが接続されている。

冷却材入口配管８から原子炉容器２内に流入した原子炉冷却材１５０は、下部プレナム２ａに流入する。下部プレナム２ａに流入した原子炉冷却材１５０は、上方に方向転換した後に、炉心支持板４から高速炉炉心１０に流入し、高速炉炉心１０で熱を受け高速炉炉心１０を通過後に、上部プレナム２ｂに流入する。上部プレナム２ｂに流入した原子炉冷却材１５０は、冷却材出口配管９を通って、外部との熱交換のために原子炉容器２から流出する。

図２は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視平面図である。高速炉炉心１０には、炉心燃料集合体３０、炉心損傷防止構造体１００、制御棒集合体１５、および径方向ブランケット燃料集合体１２、反射体１３、および中性子遮へい体１４が設けられている。これらの要素は、いずれも複数体存在している。

白抜きで表示している炉心燃料集合体３０は、平面的にほぼ円形に配されている。なお、炉心燃料集合体３０は、燃料富化度の異なる２種類として、複数の内側炉心燃料集合体とその径方向外側に複数の外側炉心燃料集合体が径方向に２層に配列、あるいはそれ以上の層で配列されていてもよい。

炉心損傷防止構造体１００は、炉心燃料集合体３０に並行して鉛直方向に延びており、炉心燃料集合体３０が配列されている領域内に分散して配されている。

黒塗りで表示している制御棒集合体１５は、炉心燃料集合体３０が配列されている領域に互いに間をおいて点在するように配置されている。制御棒集合体１５は、高速炉炉心１０への挿入、引き抜きの程度により高速炉炉心１０の出力を制御するとともに、異常時には、高速炉炉心１０に挿入され炉心の反応度を低下させる。

径方向ブランケット燃料集合体１２は、中性子を吸収することにより核***性物質となる燃料親物質を収納し、炉心燃料集合体３０の径方向外側を囲むように配されている。

炉心燃料集合体３０から径方向外側への中性子の漏れを抑制するための反射体１３は、径方向ブランケット燃料集合体１２のさらに径方向外側を囲むように配されている。

高速炉炉心１０の中心側から外部への、中性子の漏えいを抑制するために設けられた中性子遮へい体１４は、反射体１３のさらに径方向外側を囲むように配されている。

図３は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心燃料集合体の構成を示す立断面図である。炉心燃料集合体３０は、複数の炉心燃料要素３２と、これを収納し、径方向に囲むラッパ管３１を有する。炉心燃料集合体３０は、下部にエントランスノズル３３、上部にハンドリングヘッド３４を有する。

エントランスノズル３３およびハンドリングヘッド３４は、ラッパ管３１に接続されており、ラッパ管３１とともに、炉心燃料集合体３０に流入する原子炉冷却材１５０の通路を形成する。エントランスノズル３３から流入した原子炉冷却材１５０は、複数の炉心燃料要素３２のそれぞれの径方向外側を上昇し、炉心燃料要素３２を冷却し自身は温度上昇した後に、ハンドリングヘッド３４に形成された出口開口３４ａから流出する。

それぞれの炉心燃料要素３２は、軸方向の中間部に、たとえば劣化ウランにＰｕ２３９などの核***性プルトニウムを富化したものを主成分とする炉心燃料を収納している。また、それぞれの炉心燃料要素３２は、炉心燃料を有する中間部の軸方向下方に、たとえば劣化ウランなどを主成分とする下部ブランケット燃料を収納している。また、それぞれの炉心燃料要素３２は、炉心燃料を有する中間部の軸方向上方に、たとえば同様に劣化ウランなどを主成分とする上部ブランケット燃料を収納している。

ここで、炉心燃料、下部および上部ブランケット燃料は、それぞれ、複数の焼結ペレットで形成されている。それぞれの燃料の形態は酸化物であるが、炭化物あるいは窒化物でもよい。また、焼結ペレットには限定されない。たとえば、これらが金属燃料であってもよい。金属燃料の場合は、通常、ジルコニウムを付加する。

この結果、複数の炉心燃料要素３２を収納する炉心燃料集合体３０の内部は、炉心燃料要素３２内の収納物に対応して、軸方向に、下側から、下部ブランケット部３０ｂ、炉心燃料部３０ａ、および上部ブランケット部３０ｃに区分できる。

図４は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の構成を示す概念的立断面図である。図４は、円柱形状の炉心をその上下方向に延びる軸中心を含む平面で切断した状態を示している。

中央の領域の径方向外側には、径方向ブランケット領域２３が形成され、その径方向外側には反射体領域２４が形成され、さらにその径方向外側には中性子遮へい体領域２５が形成されている。径方向ブランケット領域２３は径方向ブランケット燃料集合体１２が設けられている領域であり、反射体領域２４は反射体１３が設けられている領域である。また中性子遮へい体領域２５は中性子遮へい体１４が設けられている領域である。

中央の領域は、軸方向の下側から、下部軸方向ブランケット領域２２ａ、燃料領域２１、および上部軸方向ブランケット領域２２ｂに分割されている。これらの領域は、図３で示した炉心燃料集合体３０内の軸方向の領域に対応している。すなわち、下部軸方向ブランケット領域２２ａは下部ブランケット部３０ｂに対応し、燃料領域２１は炉心燃料部３０ａに対応し、また上部軸方向ブランケット領域２２ｂは上部ブランケット部３０ｃに対応する。

すなわち、図４における燃料領域２１は、各炉心燃料集合体３０が収納する炉心燃料を含む領域である。同様に、下部軸方向ブランケット領域２２ａおよび上部軸方向ブランケット領域２２ｂは、それぞれ下部ブランケット燃料および上部ブランケット燃料を含み、かつ、事故時でない正常な状態においては炉心燃料を含まない領域である。

炉心損傷防止構造体１００が収納する燃料部分は、後述するように、軸方向についての燃料領域２１内に存在する。

図５は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す平断面図である。炉心損傷防止構造体１００は、複数の結合体１０５ａおよびこれを収納するラッパ管１０１を有する。それぞれの結合体１０５ａは、第１の液体燃料要素１１０ａ、第２の液体燃料要素１２０ａ、およびこれらを連結する連結部１０６を含む。ラッパ管１０１内の結合体１０５ａの径方向外側には、原子炉冷却材１５０が流れる。

図６は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す立断面図である。図６では、便宜上、結合体１０５ａの１つのみを図示しているが、実際は、図５に示したように、炉心損傷防止構造体１００には、複数の結合体１０５ａが収納されている。

炉心損傷防止構造体１００は、ラッパ管１０１の下方に設けられたエントランスノズル１０３、およびラッパ管１０１の上方に設けられたハンドリングヘッド１０４を有する。また、炉心損傷防止構造体１００内には、複数の結合体１０５ａを下方から支持し、かつ、下方からの原子炉冷却材１５０を通過させる支持板１０２が設けられている。

原子炉冷却材１５０は、エントランスノズル１０３から、炉心損傷防止構造体１００内部に流入し、結合体１０５ａを冷却しながら上昇し、ハンドリングヘッド１０４に形成された出口開口１０４ａから上方に流出する。

結合体１０５ａの第１の液体燃料要素１１０ａには液体燃料１０８が収納され、また、第２の液体燃料要素１２０ａには液体燃料１０８が収納されている。

炉心損傷防止構造体１００内で、各第１の液体燃料要素１１０ａ内の液体燃料１０８および各第２の液体燃料要素１２０ａ内の液体燃料１０８が収納されている軸方向の領域である液体燃料部１００ａの軸方向の範囲は、炉心燃料集合体３０内の炉心燃料部３０ａの軸方向の範囲と実質的に同じ範囲となっている。したがって、炉心損傷防止構造体１００内の液体燃料部１００ａは、図４の概念的立断面図における燃料領域２１の範囲に存在している。

なお、後述するように、第１の液体燃料要素１１０ａ内の液体燃料１０８の上方、および各第２の液体燃料要素１２０ａ内の液体燃料１０８の上方は、それぞれガスプレナムが形成されているので、これに対応して、炉心損傷防止構造体１００内の液体燃料部１００ａの上方には上部空間部１００ｃが形成されている。また、炉心損傷防止構造体１００内の液体燃料部１００ａの下方には、図６で示すように、入口空間部１００ｂが形成されている。

図７は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体の構成を示す立断面図である。

結合体１０５ａの第１の液体燃料要素１１０ａと第２の液体燃料要素１２０ａとは、それぞれの下部において連結部１０６により連結されている。連結部１０６には、第１の液体燃料要素１１０ａと第２の液体燃料要素１２０ａとを連通する流路となる連通孔１０６ｆが形成されている。

第１の液体燃料要素１１０ａは、鉛直上方に延びた第１要素液体燃料管１１１と、その上端に接続し鉛直上方に延びた第１要素ガス管１１２とを有する。第１要素液体燃料管１１１内の空間と第１要素ガス管１１２内の空間とは、連通孔１１３により連通している。第１要素ガス管１１２の上端は、閉止されている。第１要素液体燃料管１１１は、その下端で連結部１０６の流路である連通孔１０６ｆと連通している。

第１要素液体燃料管１１１内は、液体燃料１０８で満たされている。ここで、液体燃料１０８としては、核***性核種を有する元素の合金であって、融点が、通常運転中の周囲の温度より低く、かつ沸点が、事故時の周囲の温度より高い合金である必要がある。このような合金としては、たとえば、融点が約４１０℃のプルトニウムと９．５％の鉄との合金（Ｐｕ−９．５Ｆｅ）、融点が約４０５℃のプルトニウムと１２％のコバルトとの合金（Ｐｕ−１２Ｃｏ）、融点が約５５２℃のプルトニウムと１．５％のマグネシウムとの合金（Ｐｕ−１．５Ｍｇ）などがある。

第２の液体燃料要素１２０ａは、鉛直上方に延びた第２要素液体燃料管１２１と、その上端に接続し鉛直上方に延びた第２要素ガス管１２２とを有する。第２要素液体燃料管１２１の外径および内径は、第１要素液体燃料管１１１の外径および内径と等しい。第２要素ガス管１２２の上端は、閉止されている。図７に示すように、第２要素ガス管１２２は、第２要素液体燃料管１２１より大きい内径を有する。

また、第２要素ガス管１２２内には、その下端から鉛直上方に延びた内管１２４が設けられている。第２要素液体燃料管１２１内の空間と第２要素ガス管１２２内の空間とは、内管１２４により連通している。第２要素液体燃料管１２１は、その下端で連結部１０６の連通孔１０６ｆと連通している。第２要素液体燃料管１２１内は、液体燃料１０８で満たされている。内管１２４、第２要素液体燃料管１２１、および連通孔１０６ｆは、後述する事故時の状態では、第１要素液体燃料管１１１の液体燃料１０８が第２要素液体燃料管１２１内の空間に、あるいは第２要素液体燃料管１２１内の液体燃料１０８が第２要素ガス管１２２内の空間に移動する際の流路となる。

第２要素ガス管１２２内には、溶融プラグ１２３が第２要素ガス管１２２内を上下に仕切るように設けられている。第２要素ガス管１２２内の空間は、溶融プラグ１２３によって、下側の第２燃料要素第１空間１２５と、上側の第２燃料要素第２空間１２６の２つの空間に分割されている。

ここで、溶融プラグ１２３は、高速炉炉心１０の通常状態においては、第１要素液体燃料管１１１内および第２要素液体燃料管１２１内の液体燃料１０８の移動を阻止するとともに、事故時には溶融して液体燃料１０８の移動を許容するように働く必要がある。したがって、溶融プラグ１２３の材料としては、融点が、高速炉炉心の通常状態における周囲温度よりも十分に高く、かつ、事故時の周囲温度よりも十分に低いことが必要である。このような材料としては、マグネシウム、ストロンチウム、アルミニウム等の金属、あるいはこれらと他の元素との合金、塩化物塩、フッ化物塩などがある。

第１要素ガス管１１２内の圧力と、第２燃料要素第１空間１２５の圧力は、等しくなるようにそれぞれのガス圧力が調整されている。また、第２燃料要素第２空間１２６の圧力は、第１要素ガス管１１２内および第２燃料要素第１空間１２５の圧力より低くなるようにガス封入時の圧力が調整されている。

図８は、第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素との連結部の平面図である。また、図９は、立断面図である。連結部１０６は、第１要素液体燃料管用下部端栓１０６ｂおよび第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｃを有する。第１要素液体燃料管用下部端栓１０６ｂの上部および第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｃの上部は、互いに結合部材１０６ｄにより結合されている。

第１要素液体燃料管用下部端栓１０６ｂは、第１要素液体燃料管１１１の下端に接続して、第１要素液体燃料管１１１の下部端栓としての機能を有する。第１要素液体燃料管用下部端栓１０６ｂの下部は、径が縮小した円柱状で、支持板１０２（図６）に形成された挿入孔に挿入可能に形成されている。

第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｃも同様に、第２要素液体燃料管１２１の下端に接続して、第２要素液体燃料管１２１の下部端栓としての機能を有する。第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｃの下部は、径が縮小した円柱状で、支持板１０２（図６）に形成された挿入孔に挿入可能に形成されている。

第１要素液体燃料管用下部端栓１０６ｂ、結合部材１０６ｄ、および第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｃを通じて、連通孔１０６ｆが形成されている。

以下に、以上のように構成された本実施形態に係る高速炉炉心の作用を説明する。

高速炉炉心１０において、想定すべき事象としては、反応度挿入型の事象と、流量喪失型の事象とがある。

反応度挿入型の事象は、制御棒の誤引抜きに加えて制御棒挿入失敗など、何らかの原因により高速炉炉心１０に過大な反応度が付加された場合を想定している。この場合は、高速炉炉心１０からの発熱量が急激に増加するという特徴がある。すなわち、炉心燃料集合体３０の炉心燃料部３０ａおよび炉心損傷防止構造体１００の各第１の液体燃料要素１１０ａおよび各第２の液体燃料要素１２０ａ内の液体燃料１０８における発熱量が急激に増加する。

このため、発熱部分からの熱伝導により、炉心燃料集合体３０および炉心損傷防止構造体１００内の各部の温度が急激に上昇する。また、発熱量の急激な増加により、高速炉炉心１０を通過する原子炉冷却材１５０の温度が、急激に増加する。

流量喪失型の事象は、何らかの原因により、高速炉炉心１０を通過する原子炉冷却材１５０の循環の外部駆動力が喪失し、自然循環力のみとなる場合を想定している。この場合は、高速炉炉心１０からの発熱の急激な増加のような現象はないが、崩壊熱に対して十分な原子炉冷却材１５０が確保されないため、高速炉炉心１０を通過する原子炉冷却材１５０の温度は、高速炉炉心１０の入り口から出口に移動するに従って、温度上昇幅が通常に比べて大幅に増加することになる。この結果、高速炉炉心１０出口の原子炉冷却材１５０の温度が上昇する。この温度が上昇した原子炉冷却材１５０が再び高速炉炉心１０に流入する段階になると、高速炉炉心１０の入口側の温度も上昇する。

図７に示したように、炉心損傷防止構造体１００内に設けられた各結合体１０５ａにおいて、溶融プラグ１２３は、原子炉冷却材１５０の流れ方向について、発熱部である第１要素液体燃料管１１１および第２要素液体燃料管１２１の下流側にある第２要素ガス管１２２内に設けられている。すなわち、図４の高速炉炉心１０の概念的立断面図における発熱領域である燃料領域２１の下流側（図４において燃料領域２１の上側）の領域（以下、高温領域ともいう。）に存在する。

反応度挿入型の事象および流量喪失型の事象のいずれの場合においても、高速炉炉心１０の発熱領域を通過する原子炉冷却材１５０の温度は、上昇する。溶融プラグ１２３が設けられている第２要素ガス管１２２の径方向外側には、直接、原子炉冷却材１５０が流れている。したがって、溶融プラグ１２３は、原子炉冷却材１５０の温度上昇に伴って、溶融する。

図１０は、溶融プラグが開口した時の状態を示す立断面図である。

高温領域に設けられた溶融プラグ１２３（図７）が溶融することにより、第２要素ガス管１２２内の第２燃料要素第１空間１２５と第２燃料要素第２空間１２６とが連通する。連通する前は、第２燃料要素第１空間１２５内の圧力は、第２燃料要素第２空間１２６内の圧力より高かったため、連通することによって第２燃料要素第１空間１２５内の圧力は低下する。

この結果、第２燃料要素第１空間１２５内の圧力が第１要素ガス管１１２内の圧力より低くなる。このため、第２燃料要素第１空間１２５内の圧力と第１要素ガス管１１２内の圧力とがバランスするまで、第１要素液体燃料管１１１内および第２要素液体燃料管１２１内の液体燃料１０８は、連結部１０６の連通孔１０６ｆを含めた流路を、第２燃料要素第１空間１２５側に移動する。

移動した液体燃料１０８は、内管１２４内を通過して第２燃料要素第１空間１２５内に流出し、第２燃料要素第１空間１２５内の第２要素ガス管１２２の内壁と内管１２４の外壁間の環状の空間部分に保有される。

この状態は、図４の高速炉炉心の概念的立断面図において、燃料領域２１内にあった液体燃料部１００ａの一部の液体燃料１０８が、燃料領域２１から上部軸方向ブランケット領域２２ｂに移動した状態である。

これは、液体燃料１０８の一部が、相対的に、核***反応に対する中性子インポータンスの低い領域に移動したことになる。燃料領域２１と上部軸方向ブランケット領域２２ｂとを比較すれば、燃料領域２１内の中性子束レベルの方が上部軸方向ブランケット領域２２ｂ内の中性子束レベルよりも高い。したがって、言い換えれば、液体燃料１０８の一部が、相対的に中性子束レベルの低い領域に移動したことになる。この結果は、高速炉炉心１０の反応度の低下をもたらす。

図１１は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の効果を説明するための炉心燃料集合体の炉心損傷防止構造体への置換反応度の例を示すグラフである。すなわち、炉心損傷防止構造体１００が作動して、図１０の状態になった場合の例を示す。横軸は、高速炉炉心１０において、炉心燃料集合体３０から炉心損傷防止構造体１００に置換した体数の、炉心燃料集合体３０と炉心損傷防止構造体１００の合計体数に対する割合（％）である。縦軸は、置換したことにより、高速炉炉心に付加された反応度（＄）である。なお、１＄は、反応度ρが遅発中性子割合βの値に等しい場合の反応度の大きさである。

今、図２で示した場合の炉心において、炉心損傷防止構造体１００が全くない場合の炉心燃料集合体３０の本数は２８６体である。ここで、炉心燃料集合体３０のうち、図２に示すような分散ケースで、１６体を炉心損傷防止構造体１００に置換した場合、図１１の点Ｄ１に示すように、置換により加えられた負の反応度は約マイナス５．５ドル（＄）である。また、同じく分散ケースで、炉心損傷防止構造体１００に置換する炉心損傷防止構造体１００の体数を１０体とした場合は、図１１の点Ｄ２に示すように、置換により加えられた負の反応度は約マイナス３．４ドル（＄）である。

一方、中央に集中させた中央集中ケースで、１６体を炉心損傷防止構造体１００に置換した場合、図１１の点Ｃ１に示すように、置換により加えられた負の反応度は約マイナス３．１ドル（＄）である。

高速炉の場合、低温炉停止状態から出力運転状態へ移行するために制御棒挿入深度を調整し、温度補償・出力補償反応度を与えている。この補償反応度の大きさは、炉心燃料仕様の違いなどによりいくらかの変動はあるが、通常、従来の酸化物燃料炉心の大型高速炉の場合、約３＄程度の大きさである。

健全状態の炉心で、たとえば、制御棒挿入ではなく、この約マイナス３＄分に相当するように、炉心燃料の一部が炉心領域から排出されることを想定したとき、炉心全体は低温停止状態に戻り、多くの炉心燃料の健全性が維持されることになる。

炉停止失敗事象の発生を想定した安全解析時において、炉心が損傷しても臨界が維持された状態で出力が発生して、固体燃料が高温になり溶融プール状態となる場合においても、マイナス３＄分の燃料が排出されると、燃料温度状態が下がり、たとえ正の反応度が印加されても、炉停止が達成される例が、非特許文献２，３に示されている。したがって、マイナス３＄程度を確保すれば、炉停止可能と考えられる。

前述のように、炉心損傷防止構造体１００を分散させた方が、反応度低減効果がある。また、たとえば、絶対値にして３ドル以上の反応度低減効果を確保するには、１０体すなわち５％ないし６％程度の割合で置換すればよいということが分かる。

以上は、溶融プラグ１２３が開口したことにより、一部の液体燃料１０８が、燃料領域２１から上部軸方向ブランケット領域２２ｂに移動した場合であるが、溶融プラグ１２３の開口を伴わない場合についても、次の様に同様のことが言える。

すなわち、高速炉炉心１０の温度が上昇した場合、炉心燃料集合体３０の発熱部である炉心燃料部３０ａは熱膨張する。同様に、炉心損傷防止構造体１００の液体燃料部１００ａも熱膨張する。ところで、液体燃料１０８、たとえば液体金属ウランの熱膨張率（線膨張率）は、約２．２４×１０^−５［１／Ｋ］程度であり、固体の金属ウランの熱膨張率（線膨張率）が約２．００^５［１／Ｋ］程度であるのに比べて大きい値である。

一方、ＭＯＸ（混合酸化物燃料）のペレットでは１５００℃において熱膨張率（線膨張率）は約１．５０×１０^−５［１／Ｋ］程度であり、また、被覆管たとえばオーステナイト系ステンレス鋼では、約１．８０×１０^−５［１／Ｋ］程度であり、いずれも液体金属ウランの熱膨張率（線膨張率）よりも小さい。

したがって、液体燃料１０８の方が、熱膨張によって燃料領域２１（図４）よりはみ出す割合が大きくなる。また、被覆管の材料として熱膨張率の小さな物を用いた場合には、たとえば、極端な仮定として熱膨張率がゼロであれば、液体燃料１０８の径方向の熱膨張は被覆管により完全に拘束されるので、液体燃料１０８は、軸方向（鉛直方向）に線膨張率の３倍の値の膨張率で膨張することになる。

このため、液体燃料部１００ａでの液体燃料１０８のより大きな熱膨張により、温度上昇だけの場合でも、全ての炉心損傷防止構造体１００について、液体燃料１０８の一部が図４で示す燃料領域２１の外側に移動する。したがって、高速炉炉心１０の温度が上昇した場合にも、液体燃料１０８が、燃料領域２１から上部軸方向ブランケット領域２２ｂに移動し、高速炉炉心１０の反応度を低下させる効果をもたらす。

なお、液体燃料部１００ａでの液体燃料１０８の熱膨張とともに、中性子を吸収する成分も熱膨張する。これは反応度を増加させる効果をもたらす。したがって、これらの効果の総合的な効果が反応度を減少させる方向か、増加させる方向かは、中性子を吸収する成分に対する液体燃料１０８中の核***性物質の割合に依存する。

図１２は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の効果を説明するための熱膨張による反応度効果の例を示すグラフである。横軸は、核***性物質の割合であり、核***性物質割合ｍで表示している。高速炉炉心１０内の燃料親物質の全質量をＭ_ｆｔ、核***性物質の全質量をＭ_ｆｓとすると、核***性物質割合ｍは、ｍ＝Ｍ_ｆｓ／（Ｍ_ｆｓ＋Ｍ_ｆｔ）で与えられる。すなわち、核***性物質割合ｍは、富化度に対応する値である。縦軸は、膨張反応度であり、高速炉炉心１０の温度が１Ｋ上昇した場合に付加される反応度である。

図１２に示すように、核***性物質割合ｍが小さい領域では、反応度の増加方向の効果が大きく、膨張反応度は正である。核***性物質割合ｍが十分に大きくなると、反応度の減少方向の効果が大きく、膨張反応度は負である。膨張反応度が、正から負に転ずる核***性物質割合ｍは、通常の炉心では、たとえば１０％程度である。このように、１０％程度の富化度であれば、膨張反応度を負とすることが可能である。

以上のように、本実施形態による高速炉炉心１０にあっては、制御棒挿入失敗事象のような反応度挿入型の事象の発生時、あるいは、流量喪失型の事象の発生時に、炉心へ負の反応度を投入することができる。

［第２の実施形態］
図１３は、第２の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

本第２の実施形態における炉心損傷防止構造体１００の結合体１０５ｄには、第２の液体燃料要素１２０ｂの第２要素ガス管１２２の下部と、連結部１０６ａとを接続し、液体燃料１０８が排出される際の流路となる排出管１２７が設けられている。また、第２要素ガス管１２２内の排出管１２７への流出口には、溶融プラグ１２８が設けられている。

図１４は、第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素との連結部の平面図であり、図１５は、立断面図である。連結部１０６ａにおいて、第１の実施形態における連結部１０６と異なる部分は、第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｇの部分である。

第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｇには、液体燃料１０８が排出される際の流路となる排出孔１０６ｈが形成されており、第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｇの上端から下端に貫通している。排出孔１０６ｈの上端部は、排出管１２７に接続しており、下端部は、外部配管１０９に接続している。

外部配管１０９は、収納容器１０９ａに接続されている。収納容器１０９ａは、たとえば、下部プレナム２ａ（図１）内に設置されている。なお、収納容器１０９ａの設置場所は、下部プレナム２ａ以外でもよいが、外部配管１０９の引き回しを含めて、炉心損傷防止構造体１００から自然落下により移行可能な位置である必要がある。収納容器１０９ａの形状は、たとえば、扁平な形状であるなど、再臨界防止を考慮した形状である。収納容器１０９ａは、収納容器１０９ａ内に収納された液体燃料１０８が、原子炉容器２（図１）内の原子炉冷却材１５０に拡散しないように、たとえば密閉構造とする。

なお、収納容器１０９ａは、事故時における核燃料の広がりの範囲を極力制限するための目的で設置するものである。したがって、外部配管１０９による排出先が、核燃料の広がりが制限されるような場所である場合には、収納容器１０９ａを設置しなくともよいとさる場合もあり得る。

以上のように構成された本実施形態においては、排出管１２７内は、通常時は、第２の液体燃料要素１２０ｂの第２要素ガス管１２２内とは溶融プラグ１２８により区画されている。事故時に、溶融プラグ１２８が溶融すると、第２の液体燃料要素１２０ｂの第２要素液体燃料管１２１内の液体燃料１０８が、内管１２４を経由して第２要素ガス管１２２内に流入し、第２要素ガス管１２２の底部に移行する。このため、溶融プラグ１２８は高温の液体燃料１０８に接して溶融し、液体燃料１０８は排出管１２７から第２要素液体燃料管用下部端栓１０６ｇ内の排出孔１０６ｈを経由して外部配管１０９に流出する。

このように、本実施形態においては、排出された液体燃料を所定の排出先に導くことができる。所定の排出先に流出した液体燃料は炉心損傷防止構造体１００内で保持され、プラント内に拡散されず、炉心の反応度低下に伴い固化され、再臨界防止を達成する。

［第３の実施形態］
図１６は、第３の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素構成の結合体の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。結合体１０５ｂは、第１の液体燃料要素１１０ｂおよび第２の液体燃料要素１２０ａを有する。

第１の液体燃料要素１１０ｂの第１要素ガス管１１２内には、溶融プラグ１１４が第１要素ガス管１１２内の空間を上下に仕切るように設けられている。この結果、第１要素ガス管１１２内の空間は、下側の第１燃料要素第１空間１１５と上側の第１燃料要素第２空間１１６とに分離されている。第１燃料要素第２空間１１６内の圧力は、第１燃料要素第１空間１１５内の圧力より高くなるようにそれぞれガスが封入されている。

一方、第２の液体燃料要素１２０ａの第２要素ガス管１２２内には、溶融プラグは設けられておらず、第２要素ガス管１２２の内部は、第２燃料要素第１空間１２５のみが形成されている。第２要素ガス管１２２の内部のガスの圧力は、第１燃料要素第１空間１１５内の圧力と等しくなるようにガスが封入されている。

図１７は、結合体において溶融プラグが開口した時の状態を示す立断面図である。高温領域に設けられた溶融プラグ１１４（図１６）が溶融し、低圧側の第１燃料要素第１空間１１５が高圧側の第１燃料要素第２空間１１６と連通する。この結果、低圧側の第１燃料要素第１空間１１５のガス圧力が上昇し、第２燃料要素第１空間１２５内のガス圧力より高くなる。

このため、第２燃料要素第１空間１２５内の圧力と第１要素ガス管１１２内の圧力とがバランスするまで、第１要素液体燃料管１１１内および第２要素液体燃料管１２１内の液体燃料１０８は、連結部１０６の連通孔１０６ｆを含めた流路を、第２燃料要素第１空間１２５側に移動する。この結果は、第１の実施形態での説明における図１０の場合と同様の結果となる。

図１８は、第３の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素と第２の液体燃料要素の結合体の変形例の構成を示す立断面図である。この変形例による結合体１０５ｃにおいては、第１の液体燃料要素１１０ｂの第１要素ガス管１１２内に溶融プラグ１１４が設けられており、かつ、第２の液体燃料要素１２０ａの第２要素ガス管１２２内に溶融プラグ１２３が設けられている。

第１要素ガス管１１２内の溶融プラグ１１４より下方の空間の圧力と、第２要素ガス管１２２内の溶融プラグ１２３より下方の空間の圧力とは、均圧である。第１要素ガス管１１２内の溶融プラグ１１４より上方の空間の圧力は、この均圧の圧力より高圧に設定されている。第２要素ガス管１２２内の溶融プラグ１２３より上方の空間の圧力は、この均圧の圧力より低圧に設定されている。

このような変形例においては、溶融プラグ１１４と溶融プラグ１２３のいずれかが溶融すれば、液体燃料の移動がなされる。このため、さらに確実な効果が得られる。

以上のように、本第３の実施形態およびその変形例においても、第１の実施形態と同様に、制御棒挿入失敗事象のような反応度挿入型の事象の発生時、あるいは、流量喪失型の事象の発生時に、炉心へ負の反応度を投入することができる。

［第４の実施形態］
図１９は、第４の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

炉心損傷防止構造体２１０は、鉛直方向に互いに並列に配された複数の第１の液体燃料要素１１０ｃと、これらを収納するラッパ管１０１を有する。すなわち、本実施形態における炉心損傷防止構造体２１０のラッパ管１０１内に収納されている液体燃料要素は第１の液体燃料要素１１０ｃの１種類である。

図２０は、第４の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の構成を示す立断面図である。第１の液体燃料要素１１０ｃは、第１要素液体燃料管１１１および第１要素液体燃料管１１１の上部に結合した第１要素ガス管１１２を有する。第１要素液体燃料管１１１内の空間および第１要素ガス管１１２内の空間は、連通孔１１３により連通している。

第１要素液体燃料管１１１の下部には、下部端栓１０７が結合されている。下部端栓１０７には、その上面から下部に向かって、事故時に液体燃料１０８が排出される際の流路となる排出孔１０７ａが形成されている。下部端栓１０７の下端には、外部配管１０９が接続されている。排出孔１０７ａは、外部配管１０９内の流路に連結している。

第１要素液体燃料管１１１の内部には、両端が開放された内管１１７が設けられている。内管１１７の一方の端部は、その内部が排出孔１０７ａに連通するように、下部端栓１０７の上面に接続されている。また、内管１１７の他方の端部は、第１要素液体燃料管１１１の内部の空間内の最下部近傍に開口している。

また、内管１１７は、一方の端部から他方の端部に至る経路が、第１要素液体燃料管１１１の内部の空間内の上部を経由するように形成されている。すなわち、内管１１７は、第１要素液体燃料管１１１の内部において、下部端栓１０７との接続部から上方に向かって延びて、最上部に達した後に、下方に方向を転じて下方に向かって延びている。

内管１１７の最上部の近傍において、内管１１７内に溶融プラグ１１４ａが流路を塞ぐように設けられている。ここで、溶融プラグ１１４ａが設けられている高さ方向の位置は、内管１１７の最上部であり、これは第１要素液体燃料管１１１の内部の最上部付近でもある。第１要素液体燃料管１１１が占める高さ方向の範囲は、図４の高速炉炉心１０の概念的立断面図における燃料領域２１の高さ方向の範囲と同じ範囲である。したがって、第１要素液体燃料管１１１の内部の最上部付近の高さ位置は、発熱部である燃料領域２１の最上部近傍である。

前述のように、燃料領域２１の上方は、発熱部を通過した原子炉冷却材１５０の温度が高い領域であり、高温領域と呼んだ。一方、発熱部である燃料領域２１の最上部近傍における原子炉冷却材１５０の温度は、発熱部を通過した原子炉冷却材１５０の温度に比べれば若干低いが、発熱部である燃料領域２１の入口における温度上昇前の原子炉冷却材１５０の温度に比べれば十分に高い。溶融プラグ１１４ａが、事故時にこの領域の原子炉冷却材１５０の温度上昇により溶融するならば、この領域を含めて高温領域と改めて呼ぶこととする。すなわち、高温領域の高さ範囲は、溶融プラグ１１４ａの融点に対応して決まるものである。

図２１は、第４の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素において溶融プラグが開口した時の状態を示す立断面図である。事故時に、高温領域の温度が上昇すると、第１要素液体燃料管１１１内部の温度が上昇し、溶融プラグ１１４ａが溶融する。第１要素液体燃料管１１１内に収納されていた溶融燃料１０８は、第１要素ガス管１１２内のガスの圧力により押し出され、内管１１７から外部配管１０９に流出する。

本実施形態においては、溶融プラグ１１４ａを高温領域に設けていることから、事故時に、溶融プラグ１１４ａが溶融することにより、液体燃料を燃料領域２１（図４）から排出し、負の反応度を投入することができる。また、液体燃料１０８に囲まれた内管１１７の周囲温度が上昇し、溶融プラグ１１４ａが溶融し、負の反応度が投入される。

［第５の実施形態］
図２２は、第５の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の結合体の構成を示す平面図である。本実施形態は、第４の実施形態の変形である。炉心損傷防止構造体２２０は、鉛直方向に互いに並列に配された複数の第１の液体燃料要素１１０ｃと、これらを収納するラッパ管１０１を有する。互いに隣接する２つの第１の液体燃料要素１１０ｃは、連結部２２１で互いに結合されている。

図２３は、第５の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の結合体において溶融プラグが開口した時の状態を示す立断面図である。液体燃料要素１１０ｃの構成は第３に実施形態の場合と同一である。

本第５の実施形態の結合体１０５ｆにおいては、個々の下部端栓に代えて、連結部２２１が設けられており、互いに隣接する２つの液体燃料要素１１０ｃを接続している。なお、２つに限定されず、連結される液体燃料要素１１０ｃは３つ以上の場合であってもよい。連結部２２１の内部には、排出孔１０７ａが形成されており、互いに結合された液体燃料要素１１０ｃ同士を連通するとともに、１本の液体燃料要素１１０ｃの下部から、外部配管１０９に延び、溶融プラグ１１４ａが溶融したときに、液体燃料１０８を、外部配管１０９を経由して収納容器１０９ａに排出可能となっている。

［第６の実施形態］
図２４は、第６の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第５の実施形態の変形である。

すなわち、本第６の実施形態においては、炉心損傷防止構造体２４０内に、収納部１０９ｂおよび連結管１０９ｃを有する。収納部１０９ｂは、円筒形の容器であり、炉心損傷防止構造体２４０の入口空間部１００ｂ内に設けられている。収納部１０９ｂの径方向の中央部は、原子炉冷却材１５０の流路となっており、下方から流入した原子炉冷却材１５０が、上方の支持板１０２に流入する。連結管１０９ｃは、連結部１０６に形成された排出孔と、収納部１０９ｂとを接続している。

以上のように構成した本第６の実施形態においては、液体燃料１０８の排出時には、液体燃料１０８は、接続管１０９ｃを経由して、収納部１０９ｂに収納される。このように、事故時において、燃料領域２１から流出した液体燃料１０８は、炉心損傷防止構造体１００内にとどまることになる。

この結果、事故の収束後、高速炉炉心から燃料を取り出す際にも、液体燃料１０８は、それぞれの炉心損傷防止構造体１００内で、炉心損傷防止構造体１００と一体で取り扱うことができる。

図２５は、第６の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の変形例の第１の液体燃料要素の結合体の構成を示す立断面図である。本変形例の結合体１０５ｅにおいては、第１の液体燃料要素１１０ｅの下部端栓部を形成する部分の上方に、収納部１０９ｄが形成されている。本変形例では、燃料部２１（図４）から排出された液体燃料１０８は、第１の燃料要素１１０ｅの外部に流出せずに、第１の燃料要素１１０ｅの内部にとどまり、事故後の液体燃料１０８の閉じ込めについて、さらに高い信頼性が確保される。

［第７の実施形態］
図２６は、第７の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の構成を示す平断面図である。本実施形態は、第４の実施形態の変形である。炉心損傷防止構造体２３０は、鉛直方向に互いに並列に配された複数の第１の液体燃料要素１１０ｄと、これらを収納するラッパ管１０１を有する。すなわち、本実施形態における炉心損傷防止構造体２３０のラッパ管１０１内に収納されている液体燃料要素は第１の液体燃料要素１１０ｄの１種類である。

図２７は、第７の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の構成を示す立断面図である。

第１の液体燃料要素１１０ｄは、第１要素液体燃料管１１１および第１要素液体燃料管１１１の上部に結合した第１要素ガス管１１２を有する。第１要素液体燃料管１１１内の空間および第１要素ガス管１１２内の空間は、連通孔１１３により連通している。

第１要素液体燃料管１１１の下部には、下部端栓１０７が結合されている。下部端栓１０７には、その上面から下部に向かって排出孔１０７ａが形成されている。下部端栓１０７の下端には、外部配管１０９が接続されている。排出孔１０７ａは、外部配管１０９内の流路に連結している。

第１要素液体燃料管１１１内の最下部の下部端栓１０７の排出孔１０７ａの上部入口には、溶融プラグ１１４ｂが流路を塞ぐように設けられている。ここで、溶融プラグ１１４ｂが設けられている高さ方向の位置は、第１要素液体燃料管１１１の内部の最下部である。すなわち、溶融プラグ１１４ｂは、発熱部である燃料領域２１（図４）の最下部に設けられている。

反応度挿入型の事象が発生した場合には、高速炉炉心１０の発熱部である燃料領域２１からの発熱量が急激に増加する。このため、燃料領域２１の温度が急激に高くなる。燃料領域２１の温度が急激に高くなった結果、燃料領域２１の最下部の音度が、溶融プラグ１１４ｂの融点を超えたら、溶融プラグ１１４ｂが溶融する。

溶融プラグ１１４ｂが溶融すると、第１要素ガス管１１２内のガス圧が高いため、このガスに押し出され、第１要素液体燃料管１１１の内部の液体燃料１０８が、下部端栓１０７の排出孔１０７ａを経由して、外部配管１０９に流出する。

［第８の実施形態］
図２８は、第８の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の第１の液体燃料要素の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第７の実施形態の変形である。本実施形態においては、第１要素液体燃料管１１１内の最下部の下部端栓１０７の排出孔１０７ａの上部入口には、溶融プラグセット１３０が流路を塞ぐように設けられている。

図２９は、第８の実施形態に係る高速炉炉心の炉心損傷防止構造体の溶融プラグセットを示す立断面図である。溶融プラグセット１３０は、溶融プラグ１３１および溶融プラグ１３１の径方向外側に設けられた発熱体１３２を有する。なお、発熱体１３２は、溶融プラグ１３１の径方向外側に限定されず、溶融プラグ１３１を加熱可能な形態であれば、たとえば溶融プラグの中央にあってもよい。

溶融プラグ１３１は、通常運転時の燃料領域２１（図４）の入口温度以上の融点であり、かつ融点の低い材料である。溶融プラグ１３１の材料は、たとえば、マグネシウム、ストロンチウム、アルミニウムなどの金属あるいはこれらの合金、塩化物塩、フッ化物塩などがある。

発熱体１３２は、中性子を吸収して発熱する材料を用いる。このような材料としては、ホウ素１０を含むホウ素化合物、ハフニウム合金・化合物、ガドリニウム合金・化合物、核***性物質を含む材料などがある。

反応度挿入型の事象が発生した場合には、高速炉炉心の反応度が上昇した結果、燃料領域２１（図４）における中性子束レベルが上昇する。この結果、発熱体１３２の中性子との反応量が増加し、発熱体１３２の発熱量が増加する。この結果、溶融プラグ１３１は溶融し、溶融プラグ１３１の上下が連通する。

例えば、一般的な高速炉の制御棒の材料であるＢ_４Ｃを用いた場合を想定すると、通常運転時の発熱が１００Ｗ／ｇ程度である。反応度挿入事象により高速炉炉心１０の出力が１．５倍となった場合を考える。いま、原子炉冷却材１５０の流量が一定のままだとすると、高速炉炉心１０の内部に蓄積される熱量は、５０（＝１００＊１．５−１００）Ｗ／ｇとなる。Ｂ_４Ｃの比熱は０．９５Ｊ／ｍ^３であるので、温度上昇速度は５２．６［℃／ｓ］である。このように、溶融プラグ１３１の温度は急速に上昇する。

以上のように、溶融プラグ１３１および発熱体１３２を有する溶融プラグセット１３０を用いることにより、さらに確実に液体燃料１０８を燃料領域２１から排出し負の反応度を挿入することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

たとえば、実施形態においては、径方向ブランケット、軸方向の上部および下部ブランケットを有する場合を例にとって説明したが、アクチニド元素の燃焼を目的とする炉心のように、増殖を行わない炉心の場合は、これらのブランケット部はなくともよい。

また、実施形態では、炉心損傷防止構造体は、液体燃料要素のみを有する場合を例にとって説明したがこれに限定されない。たとえば、ラッパ管内には、液体燃料要素と通常の燃料要素とが混在している場合であってもよい。ここで、通常の燃料要素とは、炉心燃料集合体に用いられている燃料要素である。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

たとえば、第６の実施形態あるいはその変形例による排出された液体燃料の収納部の設置を、第２、第４、第５、第７あるいは第８の実施形態と組み合わせてもよい。

また、第１ないし第７の実施形態において、それぞれの炉心損傷防止構造体には複数の溶融プラグが設置されているが、炉心損傷防止構造体の設置体数に余裕をもたせれば、一部の溶融プラグが溶融しなくとも、所定の量の負の反応度の挿入が可能となる。また、複数設置されている溶融プラグのうちのある割合を、第８の実施形態における溶融プラグセットに置き換えてもよい。溶融プラグと溶融プラグセットの２種類の手段を備えることにより、共通原因による作動不良を回避して、負の反応度挿入の信頼性をさらに向上させる可能性が得られる。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…高速炉、２…原子炉容器、２ａ…下部プレナム、２ｂ…上部プレナム、４…炉心支持板、７…炉心上部機構、７ａ…制御棒駆動機構、８…冷却材入口配管、９…冷却材出口配管、１０…高速炉炉心、１１…遮へいプラグ、１２…径方向ブランケット燃料集合体、１３…反射体、１４…中性子遮へい体、１５…制御棒集合体、２１…燃料領域、２２ａ…下部軸方向ブランケット領域、２２ｂ…上部軸方向ブランケット領域、２３…径方向ブランケット領域、２４…反射体領域、２５…中性子遮へい体領域、３０…炉心燃料集合体、３０ａ…炉心燃料部、３０ｂ…下部ブランケット部、３０ｃ…上部ブランケット部、３１…ラッパ管、３２…炉心燃料要素、３３…エントランスノズル、３４…ハンドリングヘッド、３４ａ…出口開口、１００…炉心損傷防止構造体、１００ａ…液体燃料部、１００ｂ…入口空間部、１００ｃ…上部空間部、１０１…ラッパ管、１０２…支持板、１０３…エントランスノズル、１０４…ハンドリングヘッド、１０４ａ…出口開口、１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅ、１０５ｆ…結合体、１０６、１０６ａ…連結部、１０６ｂ…第１要素液体燃料管用下部端栓、１０６ｃ…第２要素液体燃料管用下部端栓、１０６ｄ…結合部材、１０６ｆ…連通孔、１０６ｇ…第２要素液体燃料管用下部端栓、１０６ｈ…排出孔、１０７…下部端栓、１０７ａ…排出孔、１０８…液体燃料、１０９…外部配管、１０９ａ…収納容器（排出先）、１０９ｂ…収納部（排出先）、１０９ｃ…連結管、１０９ｄ…収納部（排出先）、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ…第１の液体燃料要素、１１１…第１要素液体燃料管、１１２…第１要素ガス管、１１３…連通孔、１１４、１１４ａ、１１４ｂ…溶融プラグ、１１５…第１燃料要素第１空間、１１６…第１燃料要素第２空間、１１７…内管、１２０ａ、１２０ｂ…第２の液体燃料要素、１２１…第２要素液体燃料管、１２２…第２要素ガス管、１２３…溶融プラグ、１２４…内管、１２５…第２燃料要素第１空間、１２６…第２燃料要素第２空間、１２７…排出管、１２８…溶融プラグ、１３０…溶融プラグセット、１３１…溶融プラグ、１３２…発熱体、１５０…原子炉冷却材、２１０、２２０、２３０、２４０…炉心損傷防止構造体、２２１…連結部

Claims

核***性物質を含んだ燃料を有し、液体金属を原子炉冷却材とする高速炉の高速炉炉心であって、
互いに並列に配され鉛直方向に延びて固体状の燃料を有する複数の炉心燃料集合体と、
前記炉心燃料集合体と並列に配され通常運転時に液体状の液体燃料を有し鉛直方向に延びる複数の炉心損傷防止構造体と、
中性子を吸収する物質を含み、前記複数の炉心燃料集合体および前記複数の炉心損傷防止構造体と並列に配されて上下に移動可能な複数の制御棒集合体と、
を備え、
前記複数の炉心損傷防止構造体のそれぞれは、
鉛直方向に筒状に延びて上下を閉止されて核***性物質を収納する第１の液体燃料要素と、
通常運転時には固体状であって前記第１の液体燃料要素に連通する流路を介しての前記液体燃料の前記第１の液体燃料要素からの流出を阻止するとともに、事故時にその周囲温度が上昇することにより溶融し前記液体燃料の流出を許容する溶融プラグと、
を有することを特徴とする高速炉炉心。
前記溶融プラグは、通常運転時に当該高速炉炉心において比較的温度が高い高温領域内に配されていることを特徴とする請求項１に記載の高速炉炉心。
前記溶融プラグは、前記中性子との反応により発熱し前記溶融プラグに熱を与える発熱体をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速炉炉心。
前記第１の液体燃料要素に隣接し前記第１の液体燃料要素と連通し鉛直方向に延びる第２の液体燃料要素をさらに備え、
前記第２の液体燃料要素は、前記第１の液体燃料要素からの前記液体燃料の流出に伴い移動した場合に前記液体燃料を収納する空間を有し、前記溶融プラグは、前記空間と前記液体燃料とを分離するように配されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項に記載の高速炉炉心。
前記第２の液体燃料要素は、移動した前記液体燃料を排出する排出先に接続されており、前記溶融プラグは、前記排出先と前記第２の液体燃料要素とを分離するように配されていることを特徴とする請求項４に記載の高速炉炉心。
前記第１の液体燃料要素は、流出する前記液体燃料を排出する排出先に接続されており、前記溶融プラグは、前記排出先と前記第１の液体燃料要素とを分離するように配されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項に記載の高速炉炉心。
当該高速炉炉心は、原子炉容器内に設置され、
前記排出先は、前記原子炉容器内であって前記炉心損傷防止構造体の下方に設けられた密閉容器であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の高速炉炉心。
前記排出先は、前記炉心損傷防止構造体の入口空間内に設けられた収納部であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の高速炉炉心。
核***性物質を含んだ燃料を有し、液体金属を原子炉冷却材とする高速炉炉心と、
前記高速炉炉心を収納し、前記原子炉冷却材を保持する原子炉容器と、
前記原子炉容器の上部を覆い、前記高速炉炉心の反応度を制御する制御棒を駆動する制御棒駆動機構を支持する遮へいプラグと、
を備え、
前記高速炉炉心は、
互いに並列に配され鉛直方向に延びて固体状の前記燃料を有する複数の炉心燃料集合体と、
前記炉心燃料集合体と並列に配され液体状の前記燃料を有し鉛直方向に延びる複数の炉心損傷防止構造体と、
中性子吸収物質を含み、前記複数の炉心燃料集合体および前記複数の炉心損傷防止構造体と並列に配された複数の制御棒集合体と、
を備え、
前記複数の炉心損傷防止構造体のそれぞれは、
鉛直方向に筒状に延びて上下を閉止されて核***性物質を収納する第１の液体燃料要素と、
前記第１の液体燃料要素に連通する流路を介しての前記液体燃料の前記第１の液体燃料要素からの流出を阻止するとともに、事故時にその周囲温度が上昇することにより溶融し前記液体燃料の流出を許容する溶融プラグと、
を有することを特徴とする高速炉。