JP2019105542A - 高速炉の燃料要素および高速炉の炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】炉心に装荷される燃料要素の長寿命化を図るとともに、使用済みの燃料要素のリサイクル処理工程を簡素化する。【解決手段】本発明に係る高速炉の炉心１ａの燃料要素１０ａは、核***性物質を富化した溶融塩燃料１２ａが装荷された上部燃料領域１２と、燃料親物質を含んだ液体金属燃料１３ａが装荷された下部燃料領域１３と、からなる２段構造の燃料物質装荷領域１１を有している。この燃料要素１０ａの上部燃料領域１２と下部燃料領域１３との境界では、下部燃料領域１３において燃料親物質の238Ｕから生成された核***性物質の239Ｐｕが上部燃料領域１２の溶融塩燃料１２ａと反応して溶融塩の239Ｐｕとなり、上部燃料領域１２の中に取り込まれる。したがって、上部燃料領域１２における核***性物質が増加するので、燃料要素１０ａの寿命が長くなる。【選択図】図２

Description

本発明は、高速炉の燃料要素および高速炉の炉心に関する。

高速炉は、原子炉容器内に炉心を擁して構成され、原子炉容器内には、冷却材である液体ナトリウムなどが充填されている。この炉心には、複数の燃料集合体が装荷され、それぞれの燃料集合体は、プルトニウム（Ｐｕ）などの核***性物質や劣化ウラン（Ｕ）などの燃料親物質が被覆管に封入された複数の燃料要素により構成される。具体的には、燃料集合体は、複数の燃料要素と、その複数の燃料要素を取り囲むラッパ管と、これらの燃料要素の下端部および下方に位置する中性子遮蔽体を支持するエントランスノズルと、燃料要素の上方に位置する冷却材流出部と、を備えて構成される。

燃料要素に収納される核燃料物質の化学形態としては、固体酸化物や固体金属合金が一般的であり、実績も豊富であるが、液体金属合金や溶融塩のような液体燃料の使用例もある。ちなみに、固体酸化物燃料が装荷された燃料要素としては、ペレット状の酸化物燃料を被覆管に封入した例が非特許文献１に示されている。この燃料要素の例では、炉心燃料としてＵ−Ｐｕ混合酸化物が配置され、炉心燃料領域の上下には燃料親物質からなるブランケット燃料（劣化ウラン酸化物）が配置されている。

例えば、特許文献１には、プルトニウム（Ｐｕ）−ウラン（Ｕ）−ビスマス（Ｂｉ）合金などからなる液体金属燃料を被覆管内に封入した燃料要素の例が開示されている。また、特許文献２には、トリウム（Ｔｈ）および核***性物質（ウラン２３５（²³⁵Ｕ）, プルトニウム２３９（²³⁹Ｐｕ）など）を含むフッ化物溶融塩を被覆管内に封入した燃料要素の例が開示されている。ただし、これらの燃料要素では、ブランケット燃料については記載されていない。

特開昭６４−３２１８９号公報 特開２０１４−１００２２号公報

Alan E. Waltar、他２名、監訳：高木直行、「高速スペクトル原子炉」、ＥＲＣ出版、２０１６年１１月、ｐ．５８３

高速炉の運転により、炉心燃料の主成分である核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）は、核***反応（燃料の燃焼）により消費される。一方、高速炉の炉心燃料は、燃料親物質（²³⁸Ｕなど）を含んでおり、燃料親物質の中性子捕獲により核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）が新たに生成される。また、炉心燃料領域の上部、下部または上下部にブランケット燃料が配置されている場合には、ブランケット燃料の主成分である燃料親物質（²³⁸Ｕなど）が炉心から漏れてきた中性子を捕獲することにより核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）が生成される。

ここで、ブランケット燃料とは、²³⁹Ｐｕなどの核***性物質をほとんど含まず、代わりに²³⁸Ｕなどの燃料親物質を多く含んだ燃料をいう。燃料親物質（²³⁸Ｕなど）は、そのままでは高速炉の燃料とはならないが、中性子を捕獲する中性子捕獲反応により核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）に変化する。そして、この核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）が高速炉の燃料となる。

高速炉における核***性物質の生成量の消費量に対する比は、しばしば転換比または増殖比と呼ばれる。ここでは、核***性Ｐｕについての転換比を以下の３通りに定義する。
（１）炉心燃料の転換比
＝炉心燃料のＰｕ生成量／炉心燃料のＰｕ消費量
（２）ブランケット燃料の転換比
＝ブランケット燃料のＰｕ生成量／炉心燃料のＰｕ消費量
（３）全体の転換比
＝炉心燃料の転換比＋ブランケット燃料の転換比

一般に、高速炉では、炉心燃料の転換比＜1であるが、ブランケット燃料の転換比を追加することにより、全体の転換比≧1とすること（すなわち燃料増殖）が可能である。この場合、燃料の燃焼が進むと、ブランケット燃料を含めた全体のＰｕの量は増加するが、炉心燃料内に残存するＰｕの量は次第に減少していく。そのため、炉心燃料は、一定の燃焼期間（運転サイクル長）経過後に新しい燃料と交換される。炉心燃料の経済性を向上させるためには、燃料交換頻度が少なくて済む長寿命の燃料要素が必要とされる。

また、ブランケット燃料で生成されたＰｕを再利用するためには、使用済み燃料として原子炉から取り出して、炉外に設けた再処理施設でＰｕを回収し、さらに、それを炉心燃料に加工するといった一連のリサイクル処理が必要となる。

非特許文献１に示された燃料要素では、炉心燃料領域の上部および下部にブランケット燃料が配置されている。この場合、全体の転換比は１をわずかに超えるが、炉心燃料の転換比＜1であるため、燃料交換を頻繁に行うことが必要となる。また、ブランケット燃料で生成される²³⁹Ｐｕを回収・再利用するためのリサイクル処理工程が必要である。

特許文献１および２に記載の燃料要素は、ブランケット燃料を有していない。したがって、非特許文献１に記載の燃料要素と同様に、炉心燃料の転換比＜1となるため、燃料交換を頻繁に行うことが必要となる。

本発明の目的は、炉心に装荷される燃料要素の長寿命化を図るとともに、使用済みの燃料要素のリサイクル処理工程を簡素化することが可能な高速炉の燃料要素および高速炉の炉心を提供することにある。

本発明に係る高速炉の燃料要素は、核***性物質と燃料親物質とを含有した液体燃料が装荷されてなる高速炉の燃料要素であって、溶融塩燃料が装荷された上部燃料領域と液体金属燃料が装荷された下部燃料領域とからなる２段構造の燃料物質装荷領域を有することを特徴とする。

本発明によれば、炉心に装荷される燃料要素の長寿命化を図るとともに、使用済みの燃料要素のリサイクル処理工程を簡素化することが可能な高速炉の燃料要素および高速炉の炉心が提供される。

本発明の実施形態に係る高速炉の炉心の概略の構成を模式的に示した図であり、（ａ）は、炉心の概略構造を斜視図で示した例、（ｂ）は、炉心を構成する燃料集合体の水平断面構造の例を示した図、（ｃ）は、燃料集合体を構成する燃料要素の垂直断面構造の例を示した図である。 第１の実施例に係る燃料要素および炉心の垂直断面構造を模式的に示した図であり、（ａ）は、燃料要素の垂直断面構造の例、（ｂ）は、炉心全体の垂直断面構造の例である。 第２の実施例に係る燃料要素および炉心の垂直断面構造を模式的に示した図であり、（ａ）は、燃料要素の垂直断面構造の例、（ｂ）は、炉心全体の垂直断面構造の例である。 図４は、第３の実施例に係るブランケット燃料要素および炉心の垂直断面構造を模式的に示した図であり、（ａ）は、炉心で用いられるブランケット燃料要素の垂直断面構造の例、（ｂ）は、炉心全体の垂直断面構造の例である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る高速炉の炉心１の概略の構成を模式的に示した図である。図１において、（ａ）は、炉心１の概略構造を斜視図で示した例、（ｂ）は、炉心１を構成する燃料集合体２の水平断面構造の例を示した図、（ｃ）は、燃料集合体２を構成する燃料要素１０の垂直断面構造の例を示した図である。なお、図１（ａ）には、炉心１の中に数体の燃料集合体２しか描かれてないが、炉心１は、数１０から数１００体に及ぶ複数の燃料集合体２によって構成され、その全体は、円筒形状を呈する。

ここで、燃料集合体２とは、炉心１への装荷および取り出しに際して、一体として取り扱うことが可能な燃料要素１０の集合体をいう。燃料集合体２は、図１（ｂ）に示すように、ラッパ管４によって束ねられた数１０ないし数１００の複数の燃料要素１０によって構成される。そして、ラッパ管４の中では、互いに隣接する燃料要素１０同士の間には所定の大きさの間隙が設けられており、その間隙には液体ナトリウムなどの冷却材５が充填されている。

燃料要素１０は、被覆管１７の中に燃料となる核***性物質および燃料親物質が装荷されて構成されたいわゆる燃料棒ということができる。この円筒状の被覆管１７の中は、とくに仕切りがあるわけではないが、ガスプレナム１４と燃料物質装荷領域１１とに分けられる。さらに、燃料物質装荷領域１１は、上部燃料領域１２と下部燃料領域１３との２段構造となっている。

このとき、上部燃料領域１２には、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）を含んだ溶融塩からなる炉心燃料が装荷され、下部燃料領域１３には、燃料親物質（²³⁸Ｕなど）を含んだ液体金属からなるブランケット燃料が装荷される。そして、これらの燃料物質が装荷され、さらにガスプレナム１４に不活性ガスが充填されたうえで、被覆管１７の上端および下端が上部端栓１５および下部端栓１６によって密封される。

続いて、燃料要素１０の上部燃料領域１２および下部燃料領域それぞれに装荷される炉心燃料およびブランケット燃料のいくつかの実施例について説明する。

≪第１の実施例≫
図２は、第１の実施例に係る燃料要素１０ａおよび炉心１ａの垂直断面構造を模式的に示した図であり、（ａ）は、燃料要素１０ａの垂直断面構造の例、（ｂ）は、炉心１ａ全体の垂直断面構造の例である。なお、図２（ｂ）中に示された一点鎖線は、炉心１ａの中心軸を示す。また、図２（ｂ）では、燃料集合体２ａおよび燃料要素１０ａの概念は捨象されており、図示が省略されている。

本実施例では、燃料要素１０ａの上部燃料領域１２には、炉心燃料としてＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌ，ＭｇＣｌ_２などからなる溶融塩燃料１２ａが装荷されている。また、下部燃料領域１３には、ブランケット燃料としてＵ−Ｂｉ合金などからなる液体金属燃料１３ａが装荷されている。なお、炉心燃料の溶融塩燃料１２ａは、所定の期間は交換されることなく炉心燃料として燃え続ける必要がある。そのため、溶融塩燃料１２ａは、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）の富化度が高められたものが用いられる。

高速炉の運転時において、燃料要素１０ａの上部燃料領域１２では、溶融塩燃料１２ａの主成分である核***性物質の²³⁹Ｐｕは、自らの核***反応（すなわち、燃料の燃焼）により消費される。さらに、この溶融塩燃料１２ａには、燃料親物質である²³⁸Ｕが含まれている。そのため、この²³⁸Ｕが²³⁹Ｐｕの核***反応で発生した中性子を捕獲する中性子捕獲反応により、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）が新たな生成される。すなわち、上部燃料領域１２では、²³⁸Ｕは、²³⁹Ｐｕに核変換され燃料となる。

また、燃料要素１０ａの下部燃料領域１３では、液体金属燃料１３ａの主成分である燃料親物質の²³⁸Ｕは、上部燃料領域１２から漏れてくる中性子を捕獲し、その中性子捕獲反応によって核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）に核変換する。すなわち、燃料要素１０ａの下部燃料領域１３では、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）が生成される。

ところで、上部燃料領域１２と下部燃料領域１３との境界では、溶融塩燃料１２ａと液体金属燃料１３ａとが溶融状態で互いに接することとなる。このような場合、溶融塩燃料１２ａと液体金属燃料１３ａとが接した領域では、液体金属燃料１３ａに含まれる²³⁸Ｕから核変換した金属の²³⁹Ｐｕと、溶融塩燃料１２ａに含まれる塩化物の²³⁸Ｕとの間で、次の式（１）に示す化学反応が起きる。

Ｐｕ（金属）＋ＵＣｌ_３（塩化物）→ＰｕＣｌ_３（塩化物）＋Ｕ（金属） （１）

すなわち、液体金属燃料１３ａに含まれる金属の²³⁹Ｐｕは、塩化物の²³⁹Ｐｕとなり、溶融塩燃料１２ａに含まれる塩化物の²³⁸Ｕは、金属の²³⁸Ｕとなる。このような化学反応が起きるのは、ウラン（Ｕ）とプルトニウム（Ｐｕ）では、Ｐｕのほうが塩素（Ｃｌ）に結合し易いからに他ならない。

以上のようにして生成された塩化物の²³⁹Ｐｕは、液体金属燃料１３ａよりも比重が小さく、逆に、金属の²³⁸Ｕは、溶融塩燃料１２ａよりも比重が大きい。そのため、塩化物の²³⁹Ｐｕは、炉心燃料である溶融塩燃料１２ａの中に拡散してゆき、金属の²³⁸Ｕは、ブランケット燃料である液体金属燃料１３ａの中に拡散していく。

そして、溶融塩燃料１２ａと液体金属燃料１３ａとの境界では、式（１）に示した化学反応は、この化学反応に関わる各物質の濃度などが所定の平衡条件に達するまで継続して起きる。したがって、式（１）の化学反応が続く限り、液体金属燃料１３ａ（ブランケット燃料）側から溶融塩燃料１２ａ（炉心燃料）側に、燃料である²³⁹Ｐｕが次々に供給されることとなる。

その結果として、本実施例では、炉心燃料の実効的な転換比は、次の式（２）のようにブランケット燃料の転換比相当分だけ大きくなる。

（炉心燃料の実効的な転換比）
＝（炉心燃料の転換比）＋（ブランケット燃料の転換比相当分） （２）

したがって、本実施例に係る炉心１ａでは、燃料要素１０の長寿命化を実現することができる。その結果、炉心１ａにおいて燃料要素１０または燃料集合体２を新しいものと交換する頻度を少なくすることができる。したがって、本実施例では、高速炉における燃料の経済性を大きく向上させることができる。

ところで、ブランケット燃料（液体金属燃料１３ａ）では、式（１）の化学反応の結果として、炉心燃料（溶融塩燃料１２ａ）と平衡する量の²³⁹Ｐｕが残る。そして、この残った²³⁹Ｐｕの核***反応や、わずかではあるがブランケット燃料に含まれる²³⁸Ｕなどの核***反応も起きる。

これらのブランケット燃料の中での核***反応により生じた核***生成核種（以下、ＦＰ（Fission Products）核種という）のうち、白金族ＦＰ核種を除く大部分のＦＰ核種は、ブランケット燃料の液体金属燃料母材もより比重が小さい。そのため、これらのＦＰ核種は、ブランケット燃料と炉心燃料の境界まで浮き上がり、さらに、炉心燃料の溶融塩との間で、次の式（３）に示す化学反応を起こしてＦＰ塩の形態で炉心燃料側に拡散する。

これらのＦＰ核種は、ブランケット燃料と炉心燃料の境界まで浮き上がり、さらに、炉心燃料の溶融塩との間で、次の式（３）に示す化学反応を起こしてＦＰ塩の形態で炉心燃料側に拡散する。

ＦＰ（単体）＋（３／２）ＭｇＣｌ_３（塩化物）
→ＦＰＣｌ_３（塩化物）＋（３／２）Ｍｇ（金属） （３）

つまり、使用済みのブランケット燃料には、白金族ＦＰ核種を除き、ＦＰ核種はほとんど残らないことになる。したがって、使用済みのブランケット燃料からＦＰ核種を回収する処理は、ほとんど不要となる、すなわち、使用済みのブランケット燃料の再処理において、ＦＰを分離するプロセスがほぼ不要となる。よって、使用済みの燃料要素１０ａの再処理工程が大幅に簡素化されることとなる。

以上、本発明に係る燃料要素１０ａおよび炉心１ａによれば、ブランケット燃料（液体金属燃料１３ａ）側から炉心燃料（溶融塩燃料１２ａ）側に燃料となる²³⁹Ｐｕが供給されるので、炉心燃料の実効的な転換比を向上させることができる。その結果、炉心１ａにおける燃料要素１０ａや燃料集合体２の交換頻度を少なくすることができ、高速炉の実効的な運転サイクル長を伸ばすことができる。

よって、炉心１ａを備えた高速炉の稼働率が高くなり、その経済性を大きく向上させることができる。また、使用済みの燃料要素１０ａの再処理工程が大幅に簡素化され、このことも炉心１ａを備えた高速炉の経済性の向上に寄与する。

なお、ブランケット燃料から炉心燃料側に移行する²³⁹Ｐｕの量は、ブランケット燃料の転換比で調整することができる。また、ブランケット燃料の転換比は、ブランケット燃料および炉心燃料それぞれの仕様や配置に基づき、炉心燃料からブランケット燃料への中性子の漏洩量を適切に設定し、制御することにより調整することができる。

≪第２の実施例≫
図３は、第２の実施例に係る燃料要素１０ｂおよび炉心１ｂの垂直断面構造を模式的に示した図であり、（ａ）は、燃料要素１０ｂの垂直断面構造の例、（ｂ）は、炉心１ｂ全体の垂直断面構造の例である。なお、図３（ｂ）中に示された一点鎖線は、炉心１ｂの中心軸を示す。また、図３（ｂ）では、燃料集合体２ｂおよび燃料要素１０ｂの概念は捨象されており、図示が省略されている。

図３に示すように、本実施例に係る燃料要素１０ｂおよび炉心１ｂにおける燃料物質の配置構成は、第１の実施例（図２参照）とほとんど同じである。以下、両者の相違点についてのみ説明する。

第１の実施例との相違は、上部燃料領域１２および下部燃料領域１３のそれぞれに装荷される燃料にある。本実施例では、上部燃料領域１２には、炉心燃料として核***性物質濃度の高い高富化度溶融塩燃料１２ｂが装荷され、下部燃料領域１３には、ブランケット燃料として核***性物質濃度の低い低富化度液体金属燃料１３ｂが装荷される。すなわち、上部燃料領域１２には、ＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌ，ＭｇＣｌ_２などからなる高富化度溶融塩燃料１２ｂが装荷され、下部燃料領域１３には、Ｐｕ−Ｕ−Ｂｉ合金などからなる低富化度液体金属燃料１３ｂが装荷される。

ここで、上部燃料領域１２に装荷される高富化度溶融塩燃料１２ｂは、第１の実施例で上部燃料領域１２に装荷される溶融塩燃料１２ａと実質的には同じであってもよい。また、下部燃料領域１３に装荷される低富化度液体金属燃料１３ｂは、第１の実施例で下部燃料領域１３に装荷される液体金属燃料１３ａとほとんど同じともいえるが、核***性物質である²³⁹Ｐｕが含まれている点で相違している。ただし、その富化度は低いものであってもよい。

本実施例でも、第１の実施例と同様に、炉心燃料（高富化度溶融塩燃料１２ｂ）には²³⁹Ｐｕが含まれ、ブランケット燃料（低富化度液体金属燃料１３ｂ）には²³⁸Ｕが含まれている。したがって、炉心燃料で²³⁹Ｐｕの核***反応が起きることや、ブランケット燃料での²³⁸Ｕの中性子捕獲反応により²³⁹Ｐｕが生成されることは、第１の実施例の場合と同じである。

さらには、炉心燃料とブランケット燃料との境界において式（１）の化学反応が起きることも、第１の実施例の場合と同じである。そのため、この化学反応によって塩化物となった²³⁹Ｐｕが炉心燃料の高富化度溶融塩燃料１２ｂの中に拡散し、金属となった²³⁸Ｕがブランケット燃料の低富化度液体金属燃料１３ｂの中に拡散することも第１の実施例の場合と同じである。

したがって、本実施例でも第１の実施例とほとんど同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施例でも、炉心燃料の実効的な転換比を向上させることができ、炉心１ｂにおける燃料要素１０ｂや燃料集合体２ｂの交換頻度を少なくすることができる。そして、その結果として、高速炉の運転サイクル長を伸ばすことができるので、炉心１ｂを備えた高速炉の稼働率が高くなり、その経済性を大きく向上させることができる。

なお、本実施例では、第１の実施例と異なり、ブランケット燃料の低富化度液体金属燃料１３ｂには、予め²³⁹Ｐｕが含まれている。そのため、低富化度液体金属燃料１３ｂから炉心燃料である高富化度溶融塩燃料１２ｂへの²³⁹Ｐｕの移行は、運転開始後、早く開始され、また、移行する量は、第１の実施例の場合よりも多くなる。したがって、本実施例では、炉心燃料の実効的な転換比を第１の実施例より大きくすることができる。

また、本実施例では、下部燃料領域１３に装荷された低富化度液体金属燃料１３ｂの再処理では、²³⁹Ｐｕを低富化度液体金属燃料１３ｂに残したまま白金族ＦＰ核種のような少種類のＦＰ核種だけを除去すればよい。すなわち、低富化度液体金属燃料１３ｂは、再処理ではなく精製すればよいので、リサイクル工程が大きく簡素化される。

≪第３の実施例≫
図４は、第３の実施例に係るブランケット燃料要素１０ｃおよび炉心１ｃの垂直断面構造を模式的に示した図であり、（ａ）は、ブランケット燃料要素１０ｃの垂直断面構造の例、（ｂ）は、炉心１ｃ全体の垂直断面構造の例である。なお、図４（ｂ）中に示された一点鎖線は、炉心１ｃの中心軸を示す。また、図４（ｂ）では、燃料集合体２ｃ、ブランケット燃料要素１０ｃのなどの概念は捨象されており、図示が省略されている。

図４（ｂ）に示すように、本実施例に係る炉心１ｃは、第１の実施例で用いられた燃料要素１０ａ（図２（ａ）参照）が配置される中央領域５１と、図４（ａ）に示されたブランケット燃料要素１０ｃが配置される外周領域５２とに分けられる。すなわち、本実施例に係る炉心１ｃは、いわば、第１の実施形態に係る炉心１ａ（図２（ｂ）参照）の外周部に複数のブランケット燃料要素１０ｃがさらに配置されたものとなっている。なお、ブランケット燃料要素１０ｃの配置も、図１を用いて説明したように、数１０ないし数１００の複数のブランケット燃料要素１０ｃが束ねられて構成された燃料集合体２を単位として行われる。

ブランケット燃料要素１０ｃは、燃料親物質は装荷されるが、核***性物質は装荷されないブランケット専用の燃料棒である。図４（ａ）に示すように、ブランケット燃料要素１０ｃは、上部燃料領域１２に燃料親物質を含んだ溶融塩ブランケット燃料１２ｃが装荷され、下部燃料領域１３に燃料親物質を含んだ液体金属ブランケット燃料１３ｃが装荷されて構成される。すなわち、上部燃料領域１２には、ＵＣｌ_３，ＮａＣｌ，ＭｇＣｌ_２などからなる溶融塩ブランケット燃料１２ｃが装荷され、下部燃料領域１３には、Ｕ−Ｂｉ合金などからなる液体金属ブランケット燃料１３ｃが装荷される。

図４（ｂ）に示した炉心１ｃにおいて、最初から核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）が含まれているのは、中央領域５１に配置された燃料要素１０ａの上部燃料領域１２の溶融塩燃料１２ａだけである。したがって、炉心１ｃの運転の開始時には、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）の核***反応は、まず、中央領域５１の燃料要素１０ａの上部燃料領域１２で開始される。

これに対し、燃料要素１０ａの液体金属燃料１３ａには、燃料親物質（²³⁸Ｕなど）が含まれており、この燃料親物質（²³⁸Ｕなど）は、燃料要素１０ａの上部燃料領域１２から漏れてくる中性子を捕獲して、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）に核変換する。こうして生成された核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）は、核***することにより燃焼する。これらの反応は、第１の実施例の場合と同じである。

同様に、ブランケット燃料要素１０ｃの溶融塩ブランケット燃料１２ｃおよび液体金属ブランケット燃料１３ｃにも、燃料親物質（²³⁸Ｕなど）が含まれている。この燃料親物質（²³⁸Ｕなど）も、燃料要素１０ａの上部燃料領域１２から漏れてくる中性子を捕獲して、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）に核変換する。こうして生成された核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）は、核***することにより燃焼する。

図４（ｂ）に示すように、本実施例に係る炉心１ｃでは、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）を含んだ液体金属燃料１３ａは、液体金属燃料１３ａだけでなく、溶融塩ブランケット燃料１２ｃおよび液体金属ブランケット燃料１３ｃによって取り囲まれている。そのため、炉心１ｃの炉心燃料の全体の転換比は、液体金属燃料１３ａの転換比相当分だけでなく、溶融塩ブランケット燃料１２ｃおよび液体金属ブランケット燃料１３ｃの転換比相当分が加算されたものとなる。

よって、本実施例では、実施例１に比べても、実効的な転換比を大きく増大させることができ、さらには、燃料要素１０ａを長寿命化させることができるので、高速炉の燃料経済性の向上を図ることができる。

なお、ブランケット燃料要素１０ｃでも、液体金属ブランケット燃料１３ｃにおける核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）の核***反応により、多くの核***生成核種（ＦＰ核種）が生成される。これらのＦＰ核種は、白金族ＦＰ核種を除き、液体金属ブランケット燃料１３ｃの比重よりも小さい。そのため、溶融塩ブランケット燃料１２ｃと液体金属ブランケット燃料１３ｃとの境界まで浮き上がる。

溶融塩ブランケット燃料１２ｃと液体金属ブランケット燃料１３ｃとの境界まで浮き上がったＦＰ核種は、溶融塩ブランケット燃料１２ｃとの間で、式（３）と同様の化学反応を起こしＦＰ塩となる。そして、このＦＰ塩は、溶融塩ブランケット燃料１２ｃの中に拡散していく。

したがって、使用済みの液体金属ブランケット燃料１３ｃには、白金族ＦＰ核種を除き、ＦＰ核種はほとんど残らないことになる。したがって、使用済みのブランケット燃料からＦＰ核種を回収する処理は、ほとんど不要となるため、使用済みの液体金属ブランケット燃料１３ｃの再処理工程が大幅に簡素化されることとなる。

なお、以上に説明した第３の実施例では、炉心１ｃの中央領域５１には、第１の実施例で説明した燃料要素１０ａが配置されるものとしたが、第２の実施例で説明した燃料要素１０ｂが配置されるものとしてもよい。その場合には、第２の実施例の場合と同様に、炉心燃料の実効的な転換比を増加させるなどの効果を期待することができる。

また、第３の実施例では、ブランケット燃料要素１０ｃに事前に装荷される溶融塩ブランケット燃料１２ｃおよび液体金属ブランケット燃料１３ｃのいずれにも、核***性物質（²³⁹Ｐｕなど）は含まれないものとしたが、多少の量が含まれるものであってもよい。

なお、本発明は、以上に説明した実施形態および実施例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や実施例の構成の一部を、他の実施形態や実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や実施例の構成に他の実施形態や実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や実施例の構成の一部について、他の実施形態や実施例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 炉心
２ 燃料集合体
４ ラッパ管
５ 冷却材
１０，１０ａ，１０ｂ 燃料要素
１０ｃ ブランケット燃料要素
１１ 燃料物質装荷領域
１２ 上部燃料領域
１２ａ 溶融塩燃料
１２ｂ 高富化度溶融塩燃料
１２ｃ 溶融塩ブランケット燃料
１３ 下部燃料領域
１３ａ 液体金属燃料
１３ｂ 低富化度液体金属燃料
１３ｃ 液体金属ブランケット燃料
１４ ガスプレナム
１５ 上部端栓
１６ 下部端栓
１７ 被覆管
５１ 中央領域
５２ 外周領域

Claims (6)

1. 核***性物質と燃料親物質とを含有した液体燃料が装荷されてなる高速炉の燃料要素であって、
   溶融塩燃料が装荷された上部燃料領域と液体金属燃料が装荷された下部燃料領域とからなる２段構造の燃料物質装荷領域を有すること
   を特徴とする高速炉の燃料要素。
2. 前記上部燃料領域には、前記核***性物質を富化した溶融塩燃料が装荷され、
   前記下部燃料領域には、前記燃料親物質を含んだ液体金属燃料が装荷されていること
   を特徴とする請求項１に記載の高速炉の燃料要素。
3. 前記上部燃料領域には、前記核***性物質を富化した溶融塩燃料が装荷され、
   前記下部燃料領域には、前記上部燃料領域に装荷された溶融塩燃料よりも富化度の低い液体金属燃料が装荷されていること
   を特徴とする請求項１に記載の高速炉の燃料要素。
4. 前記上部燃料領域には、前記燃料親物質を含んだ溶融塩燃料が装荷され、
   前記下部燃料領域には、前記燃料親物質を含んだ液体金属燃料が装荷されていること
   を特徴とする請求項１に記載の高速炉の燃料要素。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高速炉の燃料要素をそれぞれ複数本束ねて構成された複数の燃料集合体からなり、前記複数の燃料集合体が全体として円筒形状を呈するように配置されて構成されることを特徴とする高速炉の炉心。
6. 請求項４に記載の高速炉の燃料要素がそれぞれ複数本束ねられて構成された複数の燃料集合体が請求項５に記載の高速炉の炉心の外周部を取り囲むように配置されていることを特徴とする高速炉の炉心。

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