JPH0640142B2 - 高速増殖炉の炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高速増殖炉の炉心に係り、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の炉心に関する。

［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***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
***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。炉心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、特開昭５
８−２２３７８１号公報に記載のような、回字型炉心と
呼ばれる炉心概念が考案された。回字型炉心は、炉心の
軸方向中心部に炉心半径方向に円盤上に広がる低富化度
領域を設置し、軸方向及び半径方向の出力分布平坦化を
図ったものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来技術は、燃料の燃焼が進んだ時
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、従来技術の炉心領域の各領域での中性
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を、富化
度を変化させ、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。燃焼によつて、核***性物
質密度が、炉心内側の低富化度領域で増大し、炉心外側
の高富化度領域で減少するため、例えば、燃料の平均燃
焼度が約１２０ＧＷｄ／ｔと高くなると中性子無限増倍
率の領域間の差が小さくなり、出力分布平坦化機能が半
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いので、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、隣接して流れる冷却材に温度差が生じ
（サーマル・ストライピング）、炉心上部構造が周期的
な熱衝撃を受け、その寿命が短縮されるという問題点も
生じる。

本発明の目的は、上記従来技術に比べて燃焼による出力
分布の変動を低減し、運転期間を通じて平坦で安定した
出力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、核***性
物質を富化した燃料物質を有する炉心領域と、燃料親物
質を主成分として前記炉心領域を取り囲んでいるブラン
ケツト領域とを有する高速増殖炉の炉心において、前記
炉心領域が炉心内部領域とそれを取り囲む炉心外部領域
を有し、前記核***性物質を富化した燃料物質を有する
前記炉心内部領域が、軸方向に前記炉心領域の高さより
小さい厚さを持ちしかも半径方向の幅が前記炉心領域の
半径方向の幅よりも小さくするとともに、この炉心内部
領域における単位体積当りの前記燃料物質の量を、前記
炉心外部領域における単位体積当りの前記燃料物質の量
よりも小さくした高速増殖炉の炉心構成を手段としてい
る。

［作用］ 第３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。内側領域と
外側領域との中性子無限増倍率の差は燃焼度によらずほ
ぼ一定であり、これによって各領域の中性子洩れの効果
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。

［実施例］ 以下、本発明を実施例に従って説明する。第１図は、本
発明の第一の実施例である高速増殖炉の炉心を示してい
る。高速増殖炉の炉心は、炉心領域と、炉心領域を取り
囲むブランケツト領域とを有している。炉心領域は、軸
方向中心部に円盤状に配置された内側炉心１とそれを取
り囲んでいる外側炉心２とで構成される。図中３，４は
ブランケツト領域を構成する径方向及び軸方向ブランケ
ットである。軸方向ブランケツト３及び炉心領域に装荷
される燃料集合体は、同一形状であつて同じ本数の燃料
ピンを有している。従来の回字型炉心と異なる点は、内
側炉心１と外側炉心２とではプルトニウム富化度は同一
であるが、燃料物質の密度が異なることである。すなわ
ち、内側炉心１での燃料物質の密度は外側炉心２の燃料
物質の約８０％となっている。これを実現するために、
ここでは炉心内に装荷された燃料集合体の内側炉心１の
部分における燃料ペレットの密度を、燃料集合体の外側
炉心２の部分における燃料ペレットの密度よりも小さく
している。すなわち、炉心内に装荷された燃料集合体の
内側炉心１の部分における軸方向の単位長さ当りの燃料
物質の量は、燃料集合体の外側炉心２の部分における軸
方向の単位長さ当りの燃料物質の量よりも少なくなつて
いる。このような炉心構成においては、単位体積当りの
燃料の炉心内／外部領域の比に応じて、従来技術の炉心
内／外部領域のプルトニウム富化度に差をつけた炉心
（特開昭５８−２２３７８１号公報に記載の炉心）と同
様に、炉心内部領域の体積を炉心領域の体積の３０〜５
０％程度とすることによって燃焼を通じて出力分布が平
坦化が実現する。本実施例では、上記単位体積当りの燃
料の炉心内／外部領域の比を約８０％としたので、この
ときに最も出力分布を平坦化できる炉心内部領域の体積
として、炉心領域の体積の約４０％とした。なお、上記
単位体積当りの燃料の炉心内／外部領域の比をさらに小
さくしても、出力分布を平坦化することは可能である。
この場合には、炉心内部領域の体積をさらに大きくする
必要がある。逆に、上記単位体積当りの燃料の炉心内／
外部領域の比を大きくしても、出力分布を平坦化するこ
とは可能である。この場合には、炉心内部領域の体積を
更に小さくする必要がある。

次に、本実施例による炉心領域の径方向出力分布変動特
性を計算した結果を説明する。本実施例における高速増
殖炉の炉心の設計パラメータおよび運転条件を第１表に
示した。即ち、原子炉熱出力は約２６００ＭＷ、電気出
力は約１０００ＭＷ、等価炉心径と炉心高さは夫々３０
０cmおよび１２０cmである。軸方向及び径方向ブランケ
ツト厚は、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
数は炉心領域及びブランケツト領域共に３とする。

上記炉心設計パラメータを用いて計算した本実施例の炉
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、従来の回字
型炉心（内側炉心１と外側炉心２とで燃料密度は一定の
まま、プルトニウム富化度に持たせた炉心）に対する結
果も第７図に示す。これらの結果から明らかなように、
本実施例の炉心では、従来炉心に比べて径方向出力分布
の変動割合が最大約１５％から約１０％に低減されてい
る。その結果、サーマル・ストライピング 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３％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。

第４図に示す第２の実施例は、さらに出力分布を平坦化
するために領域形状の適正化を図ったもので、内側炉心
１は炉心領域の半径方向中心付近で厚く、周辺で薄くな
っている。この内側炉心１の直径は、厚い部分Ｄ１が炉
心領域直径Ｄ３の0.６倍，薄い部分Ｄ２が炉心領域直径
Ｄ３の0.８倍になっている。また、低密度領域の厚さは
炉心中央部Ｈ１が炉心領域高さＨ３の0.７５倍，炉心周
辺部Ｈ２が炉心領域高さＨ３の0.５倍になっている。内
側炉心１の体積は炉心領域の体積の約４０％である。こ
のような炉心構成にすると燃焼期間を通じて出力分布は
第１図の炉心よりさらに平坦化され、最大線出力密度の
低減が可能になる。

この他に、制御棒が炉心上端部から挿入されることを考
慮し、制御棒挿入による出力分布の歪みを軽減するため
に、低密度領域である内側炉心１を炉心領域の中心軸方
向中央部より下へ配置することも考えられる。第３図に
示す実施例がその一つである。

以上の実施例では、領域間で燃料物質の密度に違いを持
たせるために燃料ペレットの焼結密度に違いを持たせ
た。上記以外の方法として、内側炉心１で燃料体積比を
小さくするために、内側炉心１に中空ペレットを充填し
て外側炉心２には中実ペレツトを充填すること（炉心内
に装荷された燃料集合体の内側炉心１の部分における燃
料ペレットを中空ペレットに、燃料集合体の外側炉心２
の部分における燃料ペレットを中実ペレツト）、及び内
側炉心１に外径の小さな燃料ペレツトを充填して外側炉
心２には外径の大きな燃料ペレツトを充填すること（炉
心内に装荷された燃料集合体の内側炉心１の部分におけ
る燃料ペレットの外径を、燃料集合体の外側炉心２の部
分における燃料ペレットの外径よりもちいさくする）こ
とが考えられる。これにより、炉心内に装荷された燃料
集合体の内側炉心１の部分における軸方向の単位長さ当
りの燃料物質の量は、燃料集合体の外側炉心２の部分に
おける軸方向の単位長さ当りの燃料物質の量よりも少な
くなる。また、内側炉心１では酸化物燃料を、外側炉心
２では金属燃料あるいは炭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。

発明の効果 以上説明したように、本発明の炉心では、従来の回字型
炉心に比べ、１）運転時の出力分布変動が低減でき、炉
心上部機構に対するサーマル・ストライピングの効果が
緩和される。２）運転時の最大出力を小さくでき、炉心
の熱的余裕が増大する。あるいは３）炉心燃料を削減で
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縦断面図、第
２図および第３図は炉心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、第５図
は本発明の第２、第３の実施例を示す炉心縦断面図であ
る。また、第６図、第７図はそれぞれ本発明に基づく炉
心および従来の回字型炉心の径方向出力分布を示す特性
図である。また、第１表は本発明の実施例における設計
パラメータをしめす。 １……内側炉心（低密度）、２……外側炉心（高密度） ３……径方向ブランケット、４……軸方向ブランケッ
ト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂東 勝 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 渡 孔男 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核***性物質を富化した燃料物質を有する
   炉心領域と、燃料親物質を主成分として前記炉心領域を
   取り囲んでいるブランケツト領域とを有する高速増殖炉
   の炉心において、前記炉心領域が炉心内部領域とそれを
   取り囲む炉心外部領域を有し、前記核***性物質を富化
   した燃料物質を有する前記炉心内部領域が、軸方向に前
   記炉心領域の高さより小さい厚さを持ちしかも半径方向
   の幅が前記炉心領域の半径方向の幅よりも小さくすると
   ともに、この炉心内部領域における単位体積当りの前記
   燃料物質の量を、前記炉心外部領域における単位体積当
   りの前記燃料物質の量よりも小さくしたことを特徴とす
   る高速増殖炉の炉心。
2. 【請求項２】前記炉心内部領域の軸方向厚さを、炉心半
   径方向の中心付近で厚く、周辺部分で薄くした特許請求
   の範囲第１項記載の高速増殖炉の炉心。
3. 【請求項３】前記炉心内部領域の軸方向中心を前記炉心
   領域の軸方向中心より下方とした特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の高速増殖炉の炉心。
4. 【請求項４】前記炉心内部領域における燃料ペレツトを
   中空ペレツトとし、前記炉心外部領域における燃料ペレ
   ツトを中実ペレツトとした特許請求の範囲第１項記載の
   高速増殖炉の炉心。
5. 【請求項５】前記炉心内部領域における燃料ペレツトの
   外径を、前記炉心外部領域における燃料ペレツトの外径
   よりも小さくした特許請求の範囲第１項記載の高速増殖
   炉の炉心。
6. 【請求項６】前記炉心内部領域における燃料物質の密度
   を、前記炉心外部領域における燃料物質の密度よりも小
   さくした特許請求の範囲第１項記載の高速増殖炉の炉
   心。