高速炉の炉心

トップ :: G 物理学 :: G21 核物理;核工学

【発明の名称】	高速炉の炉心
【発明者】	【氏名】藤村幸治【氏名】三田敏男【氏名】花木洋【氏名】水書裕実
【要約】	【課題】高速炉では炉心損傷を想定した場合の再臨界を防止する。【解決手段】炉心燃料集合体下部に高融点、高密度の再臨界緩和材領域を設ける事により、炉心損傷による溶融燃料の中性子を中性子減速部材により減速して、再臨界を防止することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】被覆管内に核燃料物質を有する核燃料物質領域と前記核燃料物質の核分裂ガスを蓄積するガスプレナム領域と再臨界緩和部材領域とを有する燃料要素を、複数本集合する被覆管と被覆管との間に冷却媒体を流通する冷却通路を有する炉心燃料集合体と、前記炉心燃料集合体の外周側に配置された中性子を遮蔽する中性子遮蔽体領域と、前記中性子遮蔽体領域に形成された前記冷却通路と連通する出入口とを備え、前記再臨界緩和部材領域に前記核燃料物質の融点より高く、且つ比重の大きい中性子減速部材を使用することを特徴とする高速炉の炉心。
【請求項２】核燃料物質を被覆管に収納してなる燃料要素と、複数本の前記燃料要素を集合した炉心燃料集合体と、前記炉心燃料集合体を炉心に装荷した炉心燃料領域と、その外周側に配置された中性子を遮蔽する中性子遮蔽体領域と、前記炉心燃料領域の下側と前記中性子遮蔽体領域との間に配置された前記核燃料物質の核分裂ガスを蓄積するガスプレナム領域とを備え、前記ガスプレナム領域と対向する前記中性子遮蔽体領域に前記核燃料物質の融点より高く、且つ比重の大きい中性子減速部材を有する複数の再臨界緩和材領域を設けることを特徴とする高速炉の炉心。
【請求項３】前記炉心燃料領域の上下に配置した天然ウランまたは減損ウランを装荷した上下軸方向ブラケットと、前記上下軸方向ブラケットの外周側に配置された中性子遮蔽体領域と、前記下軸方向ブラケットと前記中性子遮蔽体領域との間に配置された前記核燃料物質の核分裂ガスを蓄積するガスプレナム領域と、前記炉心燃料領域と対向する前記下軸方向ブラケットに分散して設けた前記核燃料物質の融点より高く、且つ比重の大きい中性子減速部材よりなる複数の再臨界緩和材領域とを備えを設けることを特徴とする請求項２に記載の高速炉の炉心。
【請求項４】前記再臨界緩和材としてＷ，ＨｆＯ₂，Ｔａ，ＵＯ₂を使用することを特徴とする請求項１に記載の高速炉の炉心。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は高速炉に係り、特に仮想的な炉心溶融に対する安全性を向上するのに好適な燃料集合体を装荷した炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】（１）従来、高速炉の燃料集合体は、例えば、安成弘著、「高速増殖炉」（同文書院）（昭和５７年発行）の第４５，４６頁に記載された図３．１及び図３．２を用いてその概要を図１０及び図１１に示す。図１０及び図１１は高速炉の炉心燃料集合体２１の縦断面及び水平断面を示す図である。核燃料物質２３を被覆管２２ａに封入して燃料要素２２となし、複数の燃料要素２２を束ねて囲むラッパー管２６に挿入して炉心燃料集合体２１を構成する。ラッパー管２６内には燃料要素２２の上方に上部中性子遮蔽体９及び冷却材流出部４を燃料要素２２の下方に冷却材流入部３を配置している。
【０００３】また、燃料要素２２は、被覆管内に核分裂性物質である核燃料物質２３を富化した炉心燃料ペレット２５、或いは燃料親物質を主成分とするブランケット燃料ペレット２４、及び核分裂反応で生成された気体を収納するためのガスプレナム７からなる。冷却材には、ナトウム等の液体金属がラッパー管２６の冷却材流入部３から冷却通路３ａを介して冷却材流出部４に流れている。
【０００４】図１１に炉心燃料集合体２１を示されるように、燃料要素２２はラッパー管２６内に三角格子状に配置されている。冷却材は被覆管２２ａに取り囲まれるサブチャンネル２０１や被覆管２２ａとラッパー管２６に取り囲まれるサブチャンネル２０２を上流側（集合体下方向）から下流側（集合体上方）に冷却通路３ａを流れている。被覆管２２ａの間隔及びラッパー管２６と被覆管の間隔は被覆管に巻き付けたワイヤスペーサ２０３によって保持されている。
【０００５】図１２は電気出力１００万ｋＷ級の大型高速炉の炉心に関する断面図を示した図である。炉心は、炉心燃料ペレットを装荷した炉心燃料集合体２１の複数個を束ねた炉心燃料領域３２と、これを取り囲むブランケット燃料ペレットを装荷したブランケット燃料集合体を複数個束ねた径方向ブランケット領域３３、更にそれを取り囲み、ステンレス棒とこれを取り囲むラッパー管２６とそれらの間を下方ら上方に向かって流れる冷却材Ｎａからなる中性子遮蔽体を装荷した領域３４と、反応度及び出力分布を制御するための２４本の制御棒３５から構成される。
【０００６】炉心燃料集合体２１ａ，２１ｂのピッチは約１６ｃｍであり、燃料体積の割合は約４０％である。尚、炉心燃料集合体のうち外側２１ｂのプルトニウム富化度は半径方向の出力分布を平坦化するために内側２１ａのプルトニウムの富化度より高くしている。
【０００７】高速炉においては、万一異常が発生しても制御棒３５が速やかに炉心に全数挿入され（スクラム）、核分裂反応が停止し、安全性は確保される。原子炉に異常が発生した場合に、制御棒３５が挿入されないか、或いは制御棒３５が挿入されるが、冷却性能が確保されないような仮想的な事態を想定すると、最終的には炉心溶融に至り、溶融燃料が集中して反応度が増大する（再臨界）可能性が生じる。このような万一の事態を仮定しても、原子炉の安全性と経済性を両立して確保することが出来れば、高速炉の安全性はより強固なものとなる。
【０００８】仮想的な炉心溶融に伴う再臨界を防止する方策が種々提案されている。
【０００９】（２）特開平１０－２２７８８４号公報には制御棒案内管に開口部を備えることによって、溶融燃料を炉心から排出する制御棒集合体が示されている。
【００１０】（３）日本原子力学会「１９９９秋の大会」Ｇ３５には大型の燃料集合体内部に内部ダクトを設置して溶融燃料を排出する燃料集合体が示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術（２）では、炉心燃料集合体内部で溶融した燃料が、開口部を通じて制御棒の案内管内側に流れ込み、更にその案内管内側を通って冷却材入口プレナムに移行する必要があるが、ダッシュポット等の内部構造物の部位にて閉塞する可能性が考えられる。
【００１２】また、従来技術（３）では、大型の燃料集合体が用いられ、厚肉の外部ダクトを有し、この外部ダクトが溶融損傷する前に溶融燃料が内部ダクトを溶かして、集合体下部のプレナムに移行する事が期待されており、大型の燃料集合体の取り扱い技術や厚肉の外部ダクトの設置による経済性や炉心性能への影響が課題と考えられている。いずれにしろ、炉心燃料集合体内部で溶融し再臨界を生じないことが要望されている。
【００１３】本発明の目的は、炉心性能を損なわずに、再臨界を生じない高速炉の炉心を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明の高速炉の炉心では、ガスプレナム領域と対向する中性子遮蔽体領域に核燃料物質の融点より高く、且つ比重の大きい中性子減速部材を有する再臨界緩和材領域を設けることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、発明の第１の実施形態を図１ないし５を用いて説明する。
【００１６】図１は本発明になる高速炉の炉心燃料集合体１１の概念を示す図である。図１は縦断面図、図２は水平断面図である。炉心燃料集合体１１は多数本の燃料要素１と６本のタイロッド２、及びこのタイロッド２によって支持され燃料要素１の間隔を保持するための７段のグリッドスペーサ５より構成される。燃料要素１は被覆管１ａ内に炉心燃料物質１ｂを収納して構成している。炉心燃料集合体１１は複数の燃料要素１を束ねて構成し、燃料要素１と燃料要素１との間に冷却材流入部３及び冷却材流出部４とに連通するＮａの流通路３ａを形成している。炉心燃料物質１ｂはプルトニウムを富化した混合酸化物燃料（ＰｕＯ₂＋ＵＯ₂）である。炉心燃料集合体１１のピッチは従来技術（１）と同様約１６ｃｍである。また、本実施の形態になる炉心燃料集合体１１にはラッパー管及びワイヤスペーサは設置されていない。
【００１７】図３は、本実施の形態になる電気出力１００万ｋＷ級の高速炉の炉心における垂直断面図である。炉心燃料領域６は内側炉心燃料領域６ａと外側炉心燃料領域６ｂの２領域に分割されており、外側炉心燃料領域６ｂのプルトニウム富化度を内側炉心燃料領域６ａのそれより高くして半径方向の出力平坦化を計かっている。外側炉心燃料領域６ｂは中性子遮蔽体領域４２に取り囲まれている。炉心燃料領域６の下側と中性子遮蔽体領域４２との間にはガスプレナム７を配置している。ガスプレナム７と中性子遮蔽体領域４２との間に再臨界緩和材領域８を配置している。
【００１８】再臨界緩和材領域８は図４に示すようにガスプレイナム領域７と対向する中性子遮蔽体領域４２に分散して核燃料物質の融点より高く、且つ比重の大きい中性子減速部材を有する複数の再臨界緩和材領域８を設けている。この実施例では中性子減速部材としてタングステンＷを使用している。また他の中性子減速部材として、核燃料物質の融点及び比重よりも高いハフニヤ（ＨｆＯ₂、融点２７６０℃）、タンタニウム（Ｔａ、同２９９６℃）或いは劣化ウラン（ＵＯ₂）を用いても同様の効果が得られる。
【００１９】また図３に示すように炉心燃料集合体１１は炉心燃料領域６及びガスプレイナム領域７と再臨界緩和材領域８とを有し、この炉心燃料集合体１１の複数本を中性子遮蔽体領域４２内に配置して構成されている。炉心燃料集合体１１内の流通路３ａは冷却材流入部３と冷却材流出部４とに連通しており、冷却材流入部３及び冷却材流出部４は中性子遮蔽体領域４２に形成されている。
【００２０】炉心燃料領域６の等価直径は３．３ｍである。炉心燃料領域６の長さは１００ｃｍ、ガスプレナム領域７の長さは約１００ｃｍである。再臨界緩和材領域８（Ｗ）の長さは約２５ｃｍである。
【００２１】本実施の形態の高速炉に装荷する燃料集合体にはラッパー管が設置されておらず、従来技術（１）の燃料集合体よりも燃料体積割合が大きく（約４５％）、高反応度化されているので、所要のプルトニウム富化度が１４ｗｔ％程度と低く、内部転換比が１を上回るので、径方向及び軸ブランケットを設置しなくても燃料増殖が可能である。
【００２２】ブランケット燃料は炉心燃料と比べて発熱密度が小さいため燃料温度が低く、炉心燃料の溶融を仮定した場合でも、溶融が遅れて炉心の溶融燃料が下方に移動するのを阻止する傾向が強い。従って、従来技術（１）の様に軸方向ブランケットが設置されていると、炉心燃料領域の下端部に溶融燃料が留まってプールが形成され、再臨界に至る可能性が生じる。
【００２３】本発明では軸方向ブランケットが無いので、溶融燃料は直ちに下方に移行する。また、従来技術（１）と比べてプルトニウム富化度が低いため、炉心燃料領域６が溶融して、コンパクションを起こしたと仮定した場合の実効増倍率の増加量（反応度増加量）が小さく、再臨界緩和材領域８を小さく出来る。更に、燃料集合体下部に比重が大きな再臨界緩和材領域８を設ける事によって、燃料集合体の重量が増加するので、ラッパー管を削除した場合に課題となる燃料集合体の浮き上がりを防止することができる。
【００２４】この炉心において、仮に炉心燃料が溶融して炉心燃料領域６の構造材（ステンレス）と冷却材が蒸発し、炉心燃料物質のみが高さ約４５ｃｍの円筒状に集中（コンパクション）すると、実効増倍率は１を超え、再臨界に至る。
【００２５】本実施例においては、図４，５に示す様に、炉心燃料領域６の溶融燃料５１が溶融して下方に流れると、その一部は融点約３４００℃で燃料物質（２７００℃以下）よりも高いタングステンＷからなる再臨界緩和材領域８に流れるが、再臨界緩和材領域８を複数に分散した再臨界緩和材領域８間の隙間８ｂに保持される。保持された溶融燃料５１の中性子が再臨界緩和材領域８、例えばタングステンＷに衝突するとその減速効果によって、この付近の核分裂作用が抑制されて、反応温度の上昇が抑えられ未臨界が維持される。また残りの溶融燃料５１は隙間８ｂに吸収された分だけ実線５１ａから鎖線５１ｂに低下し、再臨界緩和材領域８の上部に偏平な溶融燃料プール８ｂを円筒状に形成するが、反応温度の上昇に至らず、再臨界を防止できる。
【００２６】更に、再臨界緩和材領域８は炉心燃料領域６より離れた中性子遮蔽体領域４２に設置したので、再臨界緩和材領域８によって、炉心燃料領域６の中性子を減速する恐れが少なく、炉心燃料領域６の核分裂性能を損なうことがない。尚、定格運転時において再臨界緩和材領域８はガスプレナム領域７よりも下方に位置しており、炉心の核的な性能への影響は無視し得る程小さい。
【００２７】更に、本発明では上述の実施例を次のように言替えることができる。即ち、被覆管１ｂに核燃料物質１ａと核燃料物質１ａの核分裂ガスを蓄積するガスプレイナム領域７と再臨界緩和部材領域８とを収納して燃料要素１となし、燃料要素１の複数本を集合して束ねた炉心燃料集合体１１を構成し、被覆管１ｂと被覆管１ｂとの間に冷却媒体３ｂを流通する冷却通路３ａを形成する。炉心燃料集合体１１の外周側に中性子を遮蔽する中性子遮蔽体領域４２を配置し、中性子遮蔽体領域４２に冷却通路３ａと連通する出入口３，４を形成する。再臨界緩和部材領域８には核燃料物質１ａの融点及び比重より大きい再臨界緩和部材を使用する。
【００２８】（実施の形態２）以下、発明の第２の実施形態を図６，７，８を用いて説明する。
【００２９】図６は本発明になる高速炉の炉心燃料集合体６１の概念を示す縦断面図である。図７は水平断面図である。炉心燃料集合体６１は、炉心燃料領域２５と、その両端部に設置され減損ウランまたは天然ウランよりなる燃料親物質を主成分とする上部軸ブランケット燃料領域２４ａ及び下部軸ブランケット領域２４ｂと、下部軸ブランケット領域２４ｂの下方に設置したガスプレナム領域７より構成される多数個の燃料要素６２と、それらを内包するラッパー管２６、また図中には示していないが燃料要素の間隔を保持するワイヤスペーサより構成されている。ラッパー管２６の内面の炉心燃料領域２５と下部軸ブランケット領域２４ｂとの間に再臨界緩和材領域８が設置されている。つまり、ラッパー管２６の内周面に沿って再臨界緩和材領域８が設置されている。
【００３０】図８は、上記炉心燃料集合体６１を装荷した電気出力１００万ｋＷ級の大型高速炉の縦断面図である。炉心燃料領域２５は、内側炉心燃料領域２５ａと外側炉心燃料領域２５ｂの２領域に分割されており、外側炉心燃料領域２５ｂのプルトニウム富化度を内側炉心燃料領域２５ａのそれより高くして半径方向の出力平坦化をはかっている。炉心燃料領域２５は、減損ウランまたは天然ウランよりなる燃料親物質を主成分とする径方向ブランケット燃料領域７１と上部軸ブランケット燃料領域２４ａ、下部軸ブランケット燃料領域２４ｂ及びブランケット領域外側は中性子遮蔽体領域４２に取り囲まれている。
【００３１】炉心燃料領域２５の下端部と下部軸ブランケット燃料領域２４ｂの上端との間に再臨界緩和材領域８が設置されている。下部軸ブランケット領域２４ｂの下方にはガスプレナム領域７が設置されており、増殖比は約１．２である。仮想的に炉心損傷事象が発生し、炉心燃料が溶融した場合の炉心燃料領域２５の概念図を図９に示す。炉心損傷事象が発生する前の、炉心燃料領域２５を点線８１で、また同じく上部軸ブランケット領域２４ａを一点鎖線７２で示している。
【００３２】実施の形態１でも述べたように、上部軸ブランケット領域２４ａ及び下部軸ブランケット２４ｂに使用されるブランケット燃料は、炉心燃料領域２５の炉心燃料と比べて発熱密度が小さいため燃料温度が低く、炉心燃料の溶融を仮定した場合でも、溶融が遅れて炉心の溶融燃料が下方に移動するのを阻止する傾向が強い。従って、軸方向ブランケットが設置されている標準的な炉心では、炉心燃料領域の下端部に溶融燃料が留まってプールが形成され、再臨界に至る可能性が生じる。
【００３３】一方、本実施の形態では、万一の炉心損傷を想定した場合でも、下部軸ブランケット２４ｂの上端位置に融点が燃料物質よりも高い再臨界緩和材領域８を配置し、再臨界緩和材領域８はラッパー管２６の内周面に沿って複数に分散して配置されているので、溶融燃料８２の中性子の一部は燃料物質の融点より高く、且つ比重の大きい中性子減速部材例えばタングステンＷの中性子減速効果によって、反応温度の上昇が抑えられ再臨界を防止できる。
【００３４】その結果、実施の形態１と同じ原理によって、未臨界が維持される。本実施の形態で採用しているラッパー管付き燃料集合体は、既存の高速炉における使用実績が豊富であり、実施の形態１で採用しているラッパー管削除型の燃料集合体と比較して、開発要素が少ない利点を有する。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、炉心性能を維持しつつ、再臨界を防止することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００５１０８【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】	平成１２年９月１８日（２０００．９．１８）
【代理人】	【識別番号】１０００６８５０４【弁理士】【氏名又は名称】小川勝男（外２名）
【公開番号】	特開２００２－９０４８９（Ｐ２００２－９０４８９Ａ）
【公開日】	平成１４年３月２７日（２００２．３．２７）
【出願番号】	特願２０００－２８６８７１（Ｐ２０００－２８６８７１）