ナトリウム冷却高速炉

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【発明の名称】	ナトリウム冷却高速炉
【発明者】	【氏名】佐々木誠【氏名】林秀行
【要約】	【課題】炉心の燃料富化度を低減し、出力分布を平坦化でき、増殖性能を向上できるようにする。【解決手段】多数の炉心燃料集合体の周囲を多数の中性子遮蔽体が取り囲む形式のナトリウム冷却高速炉において、多数の中性子遮蔽体の全部又は一部を、鉛又は鉛を主成分とする合金を構成材とする鉛反射体で置換する。通常、多数の鉛反射体は、燃料集合体領域に隣接して半径方向に配列される。

【特許請求の範囲】
【請求項１】多数の炉心燃料集合体の周囲を多数の中性子遮蔽体が取り囲む形式のナトリウム冷却高速炉において、多数の中性子遮蔽体の全部又は一部を、鉛又は鉛を主成分とする合金を構成材とする鉛反射体で置換したことを特徴とするナトリウム冷却高速炉。
【請求項２】多数の鉛反射体が燃料集合体領域に隣接した半径方向に配列されている請求項１記載のナトリウム冷却高速炉。
【請求項３】六角断面形状をなす多数の炉心燃料集合体の外側を多数の中性子遮蔽体が取り囲む形式のナトリウム冷却高速炉において、多数の中性子遮蔽体の全部又は一部が、鉛又は鉛を主成分とする金属を構成材とする鉛反射体で置換されており、該鉛反射体は、燃料集合体配列ピッチに見合った外側容器と、該外側容器内に隙間をおいて収容される内側容器と、該内側容器内に収容される鉛又は鉛を主成分とする金属と、前記外側容器と内側容器との隙間を満たす冷却材とからなり、鉛又は鉛を主成分とする金属部分での発熱が冷却材によって冷却可能な構造となっていることを特徴とするナトリウム冷却高速炉。
【請求項４】内側容器は密封構造をなし、鉛又は鉛を主成分とする金属がガスと共に該内側容器に封入されている請求項３記載のナトリウム冷却高速炉。
【請求項５】外側容器は密封構造をなし、内側容器は通気孔を有し、それによって内側容器内外でガスの流通を許容する請求項３記載のナトリウム冷却高速炉。
【請求項６】複数層配列された中性子遮蔽体のうちの内層側が鉛反射体で置換されている請求項１乃至５のいずれかに記載のナトリウム冷却高速炉。
【請求項７】ナトリウム冷却高速炉は、多数の炉心燃料集合体の周囲に多数のブランケット燃料集合体が配置され、更にその外側を多数の中性子遮蔽体が取り囲む形式であって、多数の鉛反射体は、炉心燃料集合体領域とブランケット燃料集合体領域との間に配列されている請求項１乃至５のいずれかに記載のナトリウム冷却高速炉。
【請求項８】六角断面形状をなす多数の炉心燃料集合体の外側を多数の中性子遮蔽体が取り囲む形式のナトリウム冷却高速炉において、鉛又は鉛を主成分とする金属を容器内に封入した鉛密封構造物が、炉心燃料の上方及び／又は下方に配置されているナトリウム冷却高速炉。
【請求項９】六角断面形状をなす多数の炉心燃料集合体を配列し、その外側を中性子遮蔽体が取り囲む形式のナトリウム冷却高速炉において、燃料集合体配列ピッチに見合った外側容器の上方で、内側容器内に鉛又は鉛を主成分とする金属を封入した鉛密封構造物が感温型の受動的落下機構によって吊り下げられていて、ＡＴＷＳ時に前記鉛密封構造物が炉心下方に落下する反応度制御機構を有することを特徴とするナトリウム冷却高速炉。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ナトリウム冷却高速炉（高速増殖炉も含む）に関し、更に詳しく述べると、２重容器に収容した鉛又は鉛を主成分とする金属を構成材料とする中性子反射体を用いるナトリウム冷却高速炉、あるいは容器内に鉛又は鉛を主成分とする金属を封入した鉛密封構造物を用いる反応度制御機構を有するナトリウム冷却高速炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ナトリウム冷却高速炉では、多数の炉心燃料集合体の周囲を多数の中性子遮蔽体が取り囲む構造となっている。この中性子遮蔽体には、ステンレス鋼材（ＳＵＳ材）あるいは炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）が用いられている。また、中性子反射体は、ＳＵＳ材で構成している中性子遮蔽体でその機能を兼用している。
【０００３】従来、ＳＵＳ材が用いられているのは、核的に大きな中性子反射効果を有し、炉内で錆びず、中性子照射を受けても適切な強度が確保でき、且つ製造時の加工性がよいためである。ＳＵＳ遮蔽体の構造としては、中央に冷却材通過孔を有する円筒体をラッパ管に収容したもの、円柱状のＳＵＳ棒を複数本束ねてラッパ管に収容したものなどがある。これらの場合、ＳＵＳ自体は無垢のまま使用されている。
【０００４】また、ナトリウム冷却高速炉の反応度制御機構としては、炉心内に設置される炭化ホウ素からなる制御棒、または炉心外周に設置される冷却材（ナトリウム）とガス（ヘリウム）からなるＧＥＭ（Gas Expansion Module：ガス膨張モジュール）が利用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、従来技術では、中性子反射体と反応度制御機構を同一機器で構成できない。
【０００６】また、ステンレス鋼を構成材とする中性子反射体では、炉心の性能向上にも限界がある。
【０００７】本発明の目的は、炉心の燃料富化度を低減し、出力分布を平坦化でき、増殖性能を向上できるナトリウム冷却高速炉を提供することである。本発明の他の目的は、中性子反射体と同一機器で構成できる反応度制御機構を備えたナトリウム冷却高速炉を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、多数の炉心燃料集合体の周囲を多数の中性子遮蔽体が取り囲む形式であって、多数の中性子遮蔽体の全部又は一部を、鉛又は鉛を主成分とする合金を構成材とする鉛反射体で置換したナトリウム冷却高速炉である。多数の鉛反射体は、炉心燃料集合体領域に隣接して半径方向に配列される。
【０００９】ここで、鉛反射体は、例えば燃料集合体配列ピッチに見合った外側容器と、該外側容器内に隙間をおいて収容される内側容器と、該内側容器内に収容される鉛又は鉛を主成分とする金属と、前記外側容器と内側容器との隙間を満たす冷却材とからなり、鉛又は鉛を主成分とする金属部分での発熱が冷却材によって冷却可能な構造となっている。外側容器は、案内管やラッパ管などである。内側容器が密封構造をなし、鉛又は鉛を主成分とする金属がガスと共に前記内側容器に封入されている構造でもよいし、外側容器が密封構造をなし、内側容器は通気孔を有し、それによって内側容器内外でガスの流通を許容する構造でもよい。
【００１０】径方向フランケット燃料集合体を有しない炉心では、鉛反射体は炉心燃料集合体の外側に配置する。中性子遮蔽体が複数層配列されていて、その一部を置換する場合には、複数層のうちの内層側を鉛反射体で置換する。径方向ブランケット燃料集合体を有する炉心では、多数の鉛反射体は、炉心燃料集合体領域とブランケット燃料集合体領域との間に配列する。
【００１１】炉心の軸方向においては、鉛又は鉛を主成分とする金属を容器内に封入した鉛密封構造物を、炉心燃料の上方及び／又は下方に配置する構成も可能である。軸方向ブランケットを有する場合には、炉心燃料とブランケット燃料との間に鉛密封構造物を配置することになる。
【００１２】更に本発明は、六角断面形状をなす多数の炉心燃料集合体を配列し、その外側を中性子遮蔽体が取り囲む形式であって、燃料集合体配列ピッチに見合った外側容器の上方で、内側容器内に鉛又は鉛を主成分とする金属を封入した鉛密封構造物が感温型の受動的落下機構によって吊り下げられていて、ＡＴＷＳ（Anticipated Trangent Without Scram：制御棒スクラム不作動時の過渡変化）時に前記鉛密封構造物が炉心下方に落下する反応度制御機構を有するナトリウム冷却高速炉である。受動的落下機構には、低融点金属を用いる方式やキュリー点磁石を用いる方式などがある。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１に従来のナトリウム冷却高速炉配置の例を示し、図２～図４に本発明に係る炉心配置の例を示す。ここでは、いずれも基本的には多数の内側炉心燃料集合体と外側炉心燃料集合体を配列した２領域炉心構成となっている。従来例では、図１に示すように、炉心領域の周囲を１層のＳＵＳ遮蔽体と、更に２層のＢ₄Ｃ遮蔽体が取り囲む構造であった。
【００１４】図２に示す例は、多数の中性子遮蔽体の一部を、鉛又は鉛を主成分とする合金を構成材とする鉛反射体で置換した炉心配置を示している。これは、図１に示す従来例のＳＵＳ遮蔽体を全て鉛反射体で置換した体系であり、複数層（ここでは３層）の中性子遮蔽体のうちの内層側１層が鉛反射体で置換されている。
【００１５】図３に示す例は、多数の中性子遮蔽体の全てを、鉛又は鉛を主成分とする合金を構成材とする鉛反射体で置換した炉心配置を示している。これは、図１に示す従来例のＳＵＳ遮蔽体及びＢ₄Ｃ遮蔽体を全て鉛反射体で置換した体系である。
【００１６】図４に示す例は、内側及び外側の炉心燃料集合体の周囲にブランケット燃料集合体が配置され、更にその外側を多数の中性子遮蔽体が取り囲む形式のナトリウム冷却高速炉である。多数の鉛反射体は、炉心燃料集合体領域とブランケット燃料集合体領域との間に１層配列されている。その外側はＢ₄Ｃ遮蔽体で取り囲まれている。
【００１７】鉛反射体は、燃料集合体配列ピッチに見合った外側容器（案内管又はラッパ管など）の中に、鉛又は鉛を主成分とする金属を内側容器内に収容した鉛構造物を入れて構成する。外側容器と内側容器との隙間には冷却材が存在しており、鉛又は鉛を主成分とする金属部分での発熱が隙間の冷却材によって冷却可能な構造となっている。この場合、鉛構造物の外側に存在する冷却材は、下部から上部に向かう炉心冷却材の一部が流れ込む方式の他、内側容器が破損しても炉心冷却材への鉛の流入を防止するため、上記外側容器を密封構造にしてその内部に封じ込める場合もある。
【００１８】鉛は、遮蔽体に使用されているステンレス鋼や炭化ホウ素に比べて中性子の吸収断面積が小さいが（中性子透過性が高いが）、高エネルギーでの非弾性散乱断面積が大きい特性を持っている。本発明は、これを利用して中性子反射体及び受動的炉停止機構を構成している。
【００１９】鉛を主成分とする金属としては、活字合金のように鉛に極少量のアンチモンや錫を添加するものがある。また、鉛・ビスマス合金とすると、鉛の溶融・固化温度（３２７℃）を１２５℃程度まで下げることができる。鉛反射体を構成する鉛の体積割合は、その性能を発揮させるため、７０％以上とすることが望ましい。鉛反射体における鉛又は鉛を主成分とする金属部分の正味の高さは、最低炉心高さか、あるいはこれより若干短い程度とする。最大長さは、燃料集合体全長とする。外側容器や内側容器などの構造材は、鉛溶融時の体積収縮あるいは鉛凝固時の体積膨張にも耐えられるように考慮する必要があり、その点で機械的強度が強く錆難いステンレス鋼が適切である。半径方向に設置する鉛反射体は、通常の中性子遮蔽体のように、炉下部構造物である炉心支持板上に装荷・固定される。
【００２０】鉛反射体の例を図５に模式的に示す。図５の（ａ）に示す例では、密封構造の外側容器１０内に隙間をおいて内側容器１２が収容される。内側容器１２も密封構造をなし、該内側容器１２内に鉛又は鉛を主成分とする金属１４がガス（ヘリウムや窒素など）１６と共に封入される。前記外側容器１０と内側容器１２との隙間には冷却材１８としてナトリウムが入れられている。鉛は溶解時に体積が膨張し、逆に固化時には体積が収縮する。内側容器１２中に鉛又は鉛を主成分とする金属１４と共に封入されているガス１６は圧力調整の機能を果たす。外側容器１０と内側容器１２との隙間に入れる冷却材１８はガス（ヘリウムや窒素など）でもよいが、ナトリウムの方が伝熱的特性が良好なため好ましい。この場合、外側容器は密封構造でなくてもよく（案内管など）、冷却材は原子炉一次冷却材を利用してもよい。
【００２１】図５の（ｂ）に示す例では、密封構造の外側容器２０内に隙間をおいて内側容器２２が収容される。内側容器２２は上方に通気孔２３が設けられていて、該内側容器２２内に鉛又は鉛を主成分とする金属２４が収容されている。前記外側容器２０と内側容器２２との隙間には冷却材２８としてナトリウムが入れられていて、それと共にガス２６が封入されている。従って、ガス２６は、通気孔２３によって内側容器内外を自由に流通できる構造である。この例では、溶解時と固化時の鉛の体積変化を吸収するための圧力変化を内側容器２２だけで受け止めるのではなく、通気孔２３によって外側容器２０と内側容器２２との両方で圧力変化を緩和している。
【００２２】鉛反射体の水平断面形状の例を図６の（ａ）～（ｄ）に示す。各図の右側に燃料集合体配列ピッチと示しているが、これは鉛反射体間に、鉛反射体を装荷するための余裕の空間として、且つ冷却材の流路として、高速炉の燃料集合体・ＳＵＳ遮蔽体等と同様の炉心内配置を想定しているためである。鉛又は鉛を主成分とする金属を内側容器内に収容した鉛構造物は、円筒形状又は燃料集合体に合わせた六角形状等とする。（ａ）に示す例は、鉛又は鉛を主成分とする金属３０を円筒形状の内側容器３２内に収容し、その鉛構造物３４を外側容器（六角形状のラッパ管）３６内に収めた構造である。また（ｂ）に示す例は、鉛又は鉛を主成分とする金属４０を六角筒形状の内側容器４２内に収容し、その鉛構造物４４を外側容器（六角形状のラッパ管）３６内に収めた構造である。いずれも内側容器と外側容器の間にナトリウム（又はガス）が入れられる。内側容器の寸法形状により、鉛の量を調整できる構造である。（ｃ）に示す例は、鉛の発熱が大きい場合に、効率よく除熱できるようにした構造である。水平断面で見て外面が六角形で内面が円形の外側容器４６内に、同じく水平断面で見て円環状の内側容器４８を収容し、該内側容器４８の円環状空間に鉛又は鉛を主成分とする金属５０を入れ、鉛構造物の内側にも冷却材が流れるように構成している。更に（ｄ）に示す例は、水平断面で見て外面が六角形で内面が円形の外側容器５２内に、同じく水平断面で見て円筒状の内側容器３２を収容し、該内側容器３２内に鉛又は鉛を主成分とする金属３０を入れた構造である。このような構造は、鉛構造物３４の強度を必要とする場合に有効である。
【００２３】六角断面形状をなす多数の炉心燃料集合体の外側を多数の中性子遮蔽体が取り囲む形式のナトリウム冷却高速炉において、鉛又は鉛を主成分とする金属を容器内に封入した鉛密封構造物を、炉心燃料の上方及び／又は下方に配置してもよい。軸方向にブランケットが設けられている場合には、鉛密封構造物は炉心燃料と軸方向ブランケットの間に配置する。
【００２４】次に、反応度制御機構の一例を図７に示す。（ａ）に示すように、燃料集合体配列ピッチに見合った外側容器（案内管又はラッパ管など）６０の内部上方で、内側容器６２内に鉛又は鉛を主成分とする金属６４を封入した鉛密封構造物６５が、炉上部機構に設置されている感温型の受動的落下機構から吊り下げられている。感温型の受動的落下機構は、低融点金属あるいはキュリー点磁石などを組み込み、（ｂ）に示すように、ＡＴＷＳ時に冷却材温度上昇に伴い、低融点金属の溶融あるいはキュリー点磁石の磁性喪失により前記鉛密封構造物６５が自重で炉心下方に落下する機構である。中性子反射機能が喪われることにより、炉心に負の反応度が挿入されるため、固有の安全性を有する反応度制御機構とすることができる。低融点金属の溶融温度あるいは磁石のキュリー温度は、定常の冷却材最高温度より余裕をもって１５０℃程度高く、６５０℃程度とする。例えば、図２に示す炉心配置において、鉛反射体の部分に、このような反応度制御機構を組み込む。受動的安全機能を持たせる場合には図８のような構造でもよい。外側容器７０は上部開放構造とし、それに上方の鉛密封構造物７０が落下する。つまり、外側容器７０は密封構造でなくてもよい。これらにおいて、鉛密封構造物の落下を受ける衝撃緩和機構を設けることで、落下時の破損を防止できる。
【００２５】
【実施例】（中性子反応度性能）半径方向ブランケットを有しないナトリウム冷却高速炉を前提として、ＳＵＳ及びＢ₄Ｃ遮蔽体の代わりに鉛反射体（体積割合８０％）を１層（ケースＡ：図２参照）、２層（ケースＢ）、３層（ケースＣ：図３参照）配置した炉心と、ＳＵＳ及びＢ₄Ｃ遮蔽体を有する炉心（基準炉心：図１参照）との炉心基本特性の比較を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】得られた結果は以下の通りである。
（１）ＳＵＳ遮蔽体及びＢ₄Ｃ遮蔽体を鉛反射体に置換しても、炉心平均燃焼度は変わらない。
（２）ＳＵＳ遮蔽体を鉛反射体に置換することによって、炉心平均Ｐｕ富化度は０．１３ｗ／ｏ低減する。鉛反射体を３層（最大）と増加させることにより、炉心平均Ｐｕ富化度は最大０．６８ｗ／ｏ低減する。
（３）サイクル中期での増殖比は、基準炉心の１．０２６から、鉛反射体１層とすることによって１．０３３となり、０．００７増加する。鉛反射体３層の体系では１．０４８となり、０．０２２増加する。
（４）炉心、軸方向ブランケットの出力分担率は若干変化する。これに比べ、最大線出力密度は、鉛反射体層の増加と共に低下する。基準炉心の３９９／３９５ｗ／cm（燃焼初期）に比べ、鉛反射体３層の場合、３８５／３８４ｗ／cmと、内側炉心、外側炉心それぞれ約５％、３％低下する。
（５）鉛反射体を挿入することにより、炉心内の出力平坦化、中性子束分布の平坦化が図れていることが分かる。
（６）中性子束分布の平坦化に伴い、最大高速中性子束も低下する傾向を示す。
【００２８】（反応度制御機構性能）鉛密封構造物を自重落下させ、炉心高さ部分の物質を冷却材（ナトリウム）に置換した場合の、投入反応度を表２に示す。この結果、実証炉の炉外ＧＥＭ反応度制御能力（１．５＄）以上の性能が得られる。
【００２９】
【表２】

【００３０】
【発明の効果】本発明は上記のように、ナトリウム冷却高速炉において、従来の中性子遮蔽体の一部又は全部を鉛又は鉛を主成分とする金属を構成材とする中性子反射体で置き換えたことにより、炉心燃料の燃料富化度を低減し、炉内出力分布を平坦化でき、増殖性能を向上することができる。
【００３１】また、鉛又は鉛を主成分とする金属を構成材とする中性子反射体を固有の安全性を有する炉心停止機構として用い、感温型の受動的落下機構で吊り下げることにより、ＡＴＷＳ時に炉を安全に停止させることができる。

【出願人】	【識別番号】０００２２４７５４【氏名又は名称】核燃料サイクル開発機構【識別番号】０００２３０９４０【氏名又は名称】日本原子力発電株式会社
【出願日】	平成１２年６月２０日（２０００．６．２０）
【代理人】	【識別番号】１０００７８９６１【弁理士】【氏名又は名称】茂見穰
【公開番号】	特開２００２－６０７４（Ｐ２００２－６０７４Ａ）
【公開日】	平成１４年１月９日（２００２．１．９）
【出願番号】	特願２０００－１８５３０３（Ｐ２０００－１８５３０３）