JP6579990B2

JP6579990B2 - 高速炉の炉心

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Publication number: JP6579990B2
Application number: JP2016075742A
Authority: JP
Inventors: 幸治藤村; 克之川島
Original assignee: Hitachi-GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Vernova Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: JP2017187361A

Description

本発明は、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ：ＧＡＳＥｘｐａｎｓｉｏｎＭｏｄｕｌｅ）を炉心に装荷する高速炉の炉心に関する。

高速炉の燃料集合体及び炉心に関しては、非特許文献１に記載されるように、高速増殖炉は、原子炉容器内に炉心を配置しており、冷却材である液体ナトリウムを原子炉容器内に充填している。その炉心に装荷される燃料集合体は、プルトニウムを富化した劣化ウラン（Ｕ−２３８）を封入した複数の燃料棒、束ねられた複数の燃料棒を取り囲むラッパ管、これらの燃料棒の下端部、及び燃料棒の下方に位置する中性子遮へい体を支持するエントランスノズル、及び燃料棒の上方に位置する冷却材流出部を有する。

高速増殖炉の炉心は、内側炉心領域及びこの内側炉心領域を取り囲む外側炉心領域を有する炉心燃料領域、炉心燃料領域を取り囲むブランケット燃料領域及びブランケット領域を取り囲む遮蔽体領域を有する。標準的な均質炉心の場合、外側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度は、内側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度よりも高くなっている。この結果、炉心の半径方向における出力分布が平坦化される。
燃料集合体の各燃料棒に収納される核燃料物質の形態としては、金属燃料、窒化物燃料及び酸化物燃料がある。これらのうち、酸化物燃料が最も実績が豊富である。

Ｐｕ及び劣化ウランのそれぞれの酸化物を混合した混合酸化物燃料、すなわち、ＭＯＸ燃料のペレットが、燃料棒内で軸方向の中央部において８０〜１００ｃｍ程度の高さに充填される。さらに、燃料棒内には、劣化ウランで作られた複数の二酸化ウランペレットを充填した軸方向ブランケット領域が、ＭＯＸ燃料の充填領域の上方及び下方にそれぞれ配置されている。内側炉心領域に装荷される内側炉心燃料集合体及び外側炉心領域に装荷される外側炉心燃料集合体は、そのように、ＭＯＸ燃料の複数のペレットを充填した複数の燃料棒を有する。外側炉心燃料集合体のＰｕ富化度は、内側炉心燃料集合体のそれよりも高くなっている。

炉心燃料領域を取り囲むブランケット燃料領域には、劣化ウランで作られた複数の二酸化ウランペレットを充填した複数の燃料棒を有するブランケット燃料集合体が装荷される。炉心燃料領域に装荷された燃料集合体内で生じる核分裂反応で発生した中性子のうち、炉心燃料領域から漏れた中性子が、ブランケット燃料領域に装荷されたブランケット燃料集合体の各燃料棒内のＵ−２３８に吸収される。この結果、ブランケット燃料集合体の各燃料棒内で核分裂性核種であるＰｕ−２３９が新たに生成される。

また、高速増殖炉の起動時、停止時及び原子炉出力の調節時には、制御棒が用いられる。制御棒は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）ペレットをステンレス製の被覆管に封入した複数の中性子吸収棒を有し、これらの中性子吸収棒を、円管形状の保護管内に収納して構成される。制御棒は、主炉停止系及び後備炉停止系の独立した２系統の構成となっており、主炉停止系及び後備炉停止系のいずれか一方のみで高速増殖炉の緊急停止が可能になる。

さて、一般に高速炉の炉心領域のボイド反応度は正であり、主循環ポンプの故障等による冷却材の流量喪失とスクラム失敗を重畳した事故（ＵＬＯＦ：ＵｎｐｒｏｔｅｃｔｅｄＬｏｓｓｏｆＦｌｏｗＡｃｃｉｄｅｎｔ）を想定すると、炉心燃料集合体の出力／流量（Ｐ／Ｆ）比に不整合が生じ、冷却材であるナトリウム（Ｎａ）の温度が上昇すると、正の反応度が印加され、炉心の出力が増大する。この様な万が一に生ずるＵＬＯＦ時の炉心の出力増大を回避するために、特許文献１に記載される技術が提案されている。特許文献１では、半径方向のＰｕ富化度２領域の均質炉心において、外側炉心領域の最外周燃料集合体の外側に隣接するようガス膨張モジュール（ＧＥＭ）が配置されている。定格運転時にはガス膨張モジュール（ＧＥＭ）内のナトリウム（Ｎａ）の液位が炉心燃料領域の上端より上側にあり、ナトリウム（Ｎａ）の散乱効果によって炉心燃料で発生した中性子の半径方向の漏れが抑制される。一方、主循環ポンプの故障等によってガス膨張モジュール（ＧＥＭ）下端のナトリウム（Ｎａ）入り口部の冷却材の圧力が低下すると、ナトリウム（Ｎａ）の液位が低下して炉心燃料領域の下端よりも下側に下がり、中性子の半径方向の漏れが増大する。これによって、ＵＬＯＦ時の正の反応度の印加が抑制され、炉心の出力増大が抑えられる。

特開平１０−１５３６７７号公報

平川直弘、岩崎智彦著「原子炉物理入門」、東北大学出版会、ｐｐ．２７９―２８６、２００３年１０月３０日

しかしながら、特許文献１に記載される構成では、外側炉心領域の最外周燃料集合体の外側に隣接するようガス膨張モジュール（ＧＥＭ）を配する構成であり、且つ、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）に隣接する複数の最外周燃料集合体は、Ｐｕ富化度が異なる。よって、特許文献１に記載される高速炉の炉心構成では、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）近傍の半径方向（径方向）の中性子束分布の勾配が小さくなり、中性子漏洩効果を増大することが困難となる。

そこで本発明は、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）近傍の半径方向の中性子束分布の勾配を大きくすることにより、ＵＬＯＦの発生を想定した場合であっても、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）による負の印加反応度の絶対値を増大し得る高速炉の炉心を提供する。

上記課題を解決するため、本発明の高速炉の炉心は、一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であるガス膨張モジュールを、炉心に装荷する高速炉の炉心であって、前記ガス膨張モジュールに隣接する燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記ガス膨張モジュールに隣接しない燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする。
また、本発明の高速炉の炉心は、一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であるガス膨張モジュールを、炉心に装荷する高速炉の炉心であって、前記ガス膨張モジュールに隣接する複数体の燃料集合体のプルトニウム富化度は同一であって、炉心に装荷される複数の燃料集合体のうち最も高いことを特徴とする。

本発明によれば、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）近傍の半径方向の中性子束分布の勾配を大きくすることにより、ＵＬＯＦの発生を想定した場合であっても、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）による負の印加反応度の絶対値を増大し得る高速炉の炉心を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る実施例１の高速炉の炉心の横断面図である。図１に示す高速炉の炉心の縦断面図である。本発明の一実施形態に係る高速炉の炉心を有する高速炉原子力発電システムの全体構成図である。高速炉の炉心の縦断面の１／２領域における炉心径方向位置と中性子束との関係を示す図である。本発明の他の実施例に係る実施例２の高速炉の炉心の横断面図である。本発明の他の実施例に係る実施例３の高速炉の炉心の横断面図である。本発明の他の実施例に係る実施例４の高速炉の炉心の縦断面図である。

図３は、本発明の一実施形態に係る高速炉の炉心を有する高速炉原子力発電システムの全体構成図である。図３に示すように、高速炉原子力発電システム１は、原子炉容器２、原子炉容器２内に収納された核分裂性物質を含む炉心３、原子炉容器２から一次冷却系配管４ａを介して順に接続された中間熱交換器５及び一次主循環ポンプ７ａ、中間熱交換器５より二次冷却系配管４ｂを介して順に接続された蒸気発生器８及び二次主循環ポンプ７ｂを有する。また、蒸気発生器８にて発生した蒸気を高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂに送る主蒸気系配管９ａ、高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂを経由した後の蒸気を凝縮して水に戻す復水器１３、復水器１３にて凝縮した水を蒸気発生器８に戻す給復水系配管９ｂ、高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂの軸に連結された発電機１２、復水器１３の下流側で給復水系配管９ｂに連結された給水ポンプ１４及び給水加熱器１５から構成される。

そして、高速炉原子力発電システム１では、炉心３にて加熱された一次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）を中間熱交換器５に通して二次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）を加熱し、さらに二次系冷却材を蒸気発生器８に通して主蒸気系配管９ａに蒸気を発生させ、この蒸気を高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂに導いて、発電機１２により発電を行う。発電に使用された蒸気は、沸騰水型（ＢＷＲ）又は加圧水型（ＰＷＲ）軽水炉原子力発電システムと同様に、復水器１３で凝縮されて水となり、その後、給水ポンプ１４及び給水加熱器１５を通ってそれぞれ加熱及び昇圧され、蒸気発生器８に給水される。

炉心３には、後述する複数の炉心燃料集合体、制御棒及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）が装荷されている。炉心３を収納する原子炉容器２内は一次冷却材で満たされ、一次冷却材は、炉心３の下部より炉心３内に入り炉心燃料集合体に沿って上昇し、一次主循環ポンプ７ａにより原子炉容器２の外部に設けられた中間熱交換器５へと一次冷却系配管４ａを介して流入する。これによりループ型の高速炉を構成している。なお、本明細書ではループ型の高速炉を例に説明するが、これに限られず、原子炉容器２、一次主循環ポンプ７ａ及び中間熱交換器５を１つのタンクに収容するタンク型の高速炉にも適用できる。
以下、図面を用いて本発明の実施例に係る高速炉の炉心について説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の高速炉の炉心の横断面図であり、図２は、図１に示す高速炉の炉心の縦断面図である。図１に示すように、本実施例の高速炉の炉心１０は、高速炉の原子炉容器２（図３）内に配置され、半径方向に内側炉心領域燃料領域２１と、内側炉心燃料領域２１を取り囲む外側炉心燃料領域２２の２つの炉心燃料領域より構成され、外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度が内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高い均質炉心である。また、高速炉の炉心１０には、外側炉心燃料領域２２を取り囲むようガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４が装荷されており、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の外側に反射体領域２６及び遮蔽体領域２７を有する。高速炉の炉心１０の半径方向において、反射体領域２６がガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を取り囲んでガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４と隣り合っており、遮蔽体領域２７が反射体領域２６を取り囲んでいる。また、高速炉の炉心１０は、外側炉心燃料領域２２の最外周部に装荷される燃料集合体であって、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接し、且つ、プルトニウム富化度が最も高い高プルトニウム富化度燃料集合体２３を有する。すなわち、内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度Ｐｕ（Ｉ）、外側炉心燃料領域２３に装荷される外側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度Ｐｕ（Ｏ１）、及び外側炉心燃料領域２２の最外周部に装荷される高プルトニウム富化度燃料集合体２３のプルトニウム富化度Ｐｕ（Ｏ２）は、Ｐｕ（Ｏ２）＞Ｐｕ（Ｏ１）＞Ｐｕ（Ｉ）の関係にある。

内側炉心燃料領域２１には、原子炉の起動時、停止時及び出力の調節時に用いる制御棒２５が配されている。制御棒２５は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）ペレットをステンレス製の被覆管に封入した複数の中性子吸収棒を有し、これらの中性子吸収棒を円管形状の保護管内に収納して構成される。制御棒２５は、主炉停止系及び後備炉停止系の独立した２系統の構成となっているが、図１ではこれらを区別せず記載している。

なお、高速炉の炉心１０を有する原子炉の出力は、例えば、約６０万ｋＷであり、図１に示す高速炉の炉心１０の横断面図は、炉心１０の炉心燃料領域に装荷される複数の燃料集合体と複数のガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４との配置関係を示すものであり、説明の便宜上、炉心１０の炉心燃料領域に装荷される燃料集合体の体数及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の体数についは、特に問わず簡略化して示している。
ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４は、一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であり、外見は内側炉心燃料領域２１及び外側炉心燃料領域２２に装荷される燃料集合体のラッパ管と同様である。

図２の左側に示すように、一次主循環ポンプ７ａ（図３）の流量が定格運転時には、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の入口部（下端）の冷却材ナトリウム（Ｎａ）２８の圧力が増加する。そのため、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４内の冷却材ナトリウム（Ｎａ）の液位は、内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体、外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体、及び高プルトニウム富化度燃料集合体２３の炉心燃料上端部よりも高い位置にある。この時、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４内の冷却材ナトリウム（Ｎａ）２８は中性子の散乱効果によって反射体の役割を果たすため、炉心１０からの中性子の漏洩量は小さく抑えられる。

一方、図２の右側に示すように、電源喪失等による一次主循環ポンプ７ａの停止に伴う冷却材の流量喪失とスクラム失敗を重畳した事故（ＵＬＯＦ）を想定すると、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４入口部の冷却材ナトリウム（Ｎａ）２８の圧力が低下するため、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４内の冷却材ナトリウム（Ｎａ）２８の液位は、内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体、外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体、及び高プルトニウム富化度燃料集合体２３の炉心燃料下端部よりも低い位置となる。この時、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４内は、不活性ガスアルゴン（Ａｒ）２９が膨張することで満たされるが、不活性ガスアルゴン（Ａｒ）２９の密度が低下し、中性子の散乱効果は小さくなる。従って、炉心１０からの中性子の漏洩量は大きくなる。以上から、ＵＬＯＦ時にはガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４によって、炉心１０には負の印可反応度がもたらされる。
従って、ＵＬＯＦ時に、内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体、外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体、及び高プルトニウム富化度燃料集合体２３における冷却材ナトリウム（Ｎａ）の流量減少により、燃料集合体の出力／流量（Ｐ／Ｆ）比が不整合となり、冷却材ナトリウム（Ｎａ）温度の上昇と冷却材ナトリウム（Ｎａ）密度の低下をもたらし、炉心１０に正の印加反応度がもたらされても、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４による負の印加反応度によって、炉心１０の出力の増加が抑制される。すなわち、ＵＬＯＦ時の炉心１０の安全性が向上する。

本実施例のガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４による負の印加反応度の絶対値は、従来のプルトニウム富化度が異なる２つの領域、すなわち、内側炉心燃料領域２１及び外側炉心燃料領域２２にて炉心燃料領域を構成し、外側炉心燃料領域２２の外周にガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を設置する場合よりも大きい。その理由を、図４を用いて以下に説明する。図４は、高速炉の炉心の縦断面の１／２領域における炉心径方向位置と中性子束との関係を示す図である。図４では、縦軸に中性子束（ａｕ）を、横軸に炉心径方向位置（ｃｍ）を取り、炉心１０の縦断面の１／２領域４１を示している。
図４では、炉心の中心から半径方向外側へと、内側炉心燃料領域２１、外側炉心燃料領域２２、及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を有する従来の均質炉心の中性子束分布を実線４２で示している。また、炉心中心から半径方向外側へと、内側炉心燃料領域２１、外側炉心燃料領域２２、高プルトニウム富化度燃料集合体２３、及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を有する本実施例の均質炉心の中性子束分布を点線４３で示している。

図４に示すように、従来の均質炉心では、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４内において炉心径方向位置内側から外側へと向かい中性子束分布が比較的緩やかに低下するプロファイルを示す。すなわち、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に対し、炉心径方向位置内側に隣接する外側炉心燃料領域２２の最外周に配される最外周燃料集合体を含め、中性子束分布４２の勾配は小さい。
これに対し、本実施例の均質炉心の場合は、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４内において炉心径方向位置内側から外側へと向かい中性子束分布が急激に低下するプロファイルを示す。すなわち、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の近傍を含み、中性子束分布４３の勾配は、従来の均質炉心の中性子束分布４２の勾配に対し明らかに増大している。これにより、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４への中性子漏洩量が増加し、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の反応度が増大する。なお、ここで、漏洩する中性子は、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を介して、上述の図１に示した反射体領域２６及び遮蔽体領域２７を介して径方向に漏洩する中性子と、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４内を軸方向上方へと漏洩する中性子が存在する。

以上の通り本実施例によれば、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）近傍の半径方向の中性子束分布の勾配を大きくすることにより、ＵＬＯＦを想定しても、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）による負の印加反応度の絶対値を増大し得る高速炉の炉心を実現できる。
更に具体的には、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を、外側炉心燃料領域２２を取り囲むよう周方向に装荷し、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接し、且つ、外側炉心燃料領域２２の最外周部にプルトニウム富化度が最も高い高プルトニウム富化度燃料集合体２３を装荷することで、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４近傍の半径方向の中性子束分布の勾配を増大できる。これにより、冷却材の流量喪失とスクラム失敗を重畳した事故（ＵＬＯＦ）の発生を想定した場合においても、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４による負の印加反応度の絶対値を増大することができ炉心安全性を向上できる。

図５は、本発明の他の実施例に係る実施例２の高速炉の炉心の横断面図である。実施例１では、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を、外側炉心燃料領域２２を取り囲むよう周方向に装荷し、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接し、且つ、外側炉心燃料領域２２の最外周部にプルトニウム富化度が最も高い高プルトニウム富化度燃料集合体２３を装荷する構成としたのに対し、本実施例では、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を、外側炉心燃料領域２２の外側に離散的に装荷し、この離散的に装荷されるガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を囲むよう高プルトニウム富化度燃料集合体２３を外側炉心燃料領域２２に装荷する構成とした点が異なる。実施例１と同様の構成要素に同一の符号を付している。

図５に示すように、本実施例の炉心２０は、高速炉の原子炉容器２（図３）内に配置され、半径方向に内側炉心領域燃料領域２１と、内側炉心燃料領域２１を取り囲む外側炉心燃料領域２２の２つの炉心燃料領域より構成され、外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度が内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高い均質炉心である。また、高速炉の炉心２０を有する原子炉の出力は、例えば、約３０万ｋＷであり、上述の実施例１に示した原子炉の出力よりも小さい小型原子炉の炉心である。

また、図５に示すように、小型原子炉の炉心２０には、外側炉心燃料領域２２と外側炉心燃料領域２２を取り囲む反射体領域２６との間に、離散的に６本のガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４が装荷され、反射体領域２６を取り囲むよう遮蔽体領域２７を有する。これは、上述の通り、本実施例の高速炉の炉心２０は小型原子炉の炉心であることから、ボイド反応度が小さいため、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の装荷本数を上述の実施例１よりも少なくしている。また、内側炉心燃料領域２１には、原子炉の起動時、停止時及び出力の調節時に用いる制御棒２５が配されている。制御棒２５は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）ペレットをステンレス製の被覆管に封入した複数の中性子吸収棒を有し、これらの中性子吸収棒を円管形状の保護管内に収納して構成される。制御棒２５は、主炉停止系及び後備炉停止系の独立した２系統の構成となっているが、図５ではこれらを区別せず記載している。

周方向に離散的に装荷される６本のガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４のうち、周方向に離間する２本のガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の間には、外側炉心燃料領域２２の最外周部に装荷される４体の最外周燃料集合体が存在し、そのうち２体の最外周燃料集合体は、各ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接する高プルトニウム富化度燃料集合体２３である。また、周方向に離散的に装荷される６本のガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に、それぞれ隣接し、且つ、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４よりも１層内側に高プルトニウム富化度燃料集合体２３が計６体装荷されている。すなわち、各ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４は、横断面六角形の６面の側面のうち、炉心２０の内側寄りの３面の側面がそれぞれ高プルトニウム富化度燃料集合体２３と隣接する。従って、炉心２０には、
ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接して１８体の高プルトニウム富化度燃料集合体２３が装荷されている。

実施例１と同様に、内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度Ｐｕ（Ｉ）、外側炉心燃料領域２３に装荷される外側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度Ｐｕ（Ｏ１）、及び外側炉心燃料領域２２の最外周部に装荷される高プルトニウム富化度燃料集合体２３のプルトニウム富化度Ｐｕ（Ｏ２）は、Ｐｕ（Ｏ２）＞Ｐｕ（Ｏ１）＞Ｐｕ（Ｉ）の関係にある。

本実施例によれば、実施例１の効果に加え、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）に隣接して装荷される高プルトニウム富化度燃料集合体の体数比が実施例１よりも小さいため、高プルトニウム富化度の燃料集合体の装荷に伴う、増殖比低下への影響を相対的に小さくすることが可能となる。

図６は、本発明の他の実施例に係る実施例３の高速炉の炉心の横断面図である。実施例１では、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を、外側炉心燃料領域２２を取り囲むよう周方向に装荷し、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接し、且つ、外側炉心燃料領域２２の最外周部にプルトニウム富化度が最も高い高プルトニウム富化度燃料集合体２３を装荷すると共に、外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度が内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高い均質炉心とした。これに対し、本実施例では、炉心の最外層から２層目にガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を離散的に装荷し、この離散的に装荷されるガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の６面の側面すべてに隣接するよう高プルトニウム富化度燃料集合体２３を装荷すると共に、プルトニウム富化度が１種類の炉心燃料集合体及び内部ブランケット集合体を装荷する径方向非均質炉心である点が異なる。実施例１と同様の構成要素に同一符号を付している。

図６に示すように、高速炉の炉心３０は、プルトニウム富化度が１種類の炉心燃料集合体３１、劣化ウランを用いる内部ブランケット集合体３２、制御棒２５及び最外層に配される遮蔽体領域２７より構成され、炉心３０の最外層から２層目にガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４が装荷されている。高速炉の炉心３０の中心に１本の燃料棒２５が配され、当該燃料棒２５の６面の側面全てに隣接するよう６体の内部ブランケット集合体３２がリング状に配され、このリング状に配された６体の内部ブランケット集合体３２の外側を取り囲むよう１２体の炉心燃料集合体３１が配されている。更に、上記１２体の炉心燃料集合体３１の外側を取り囲むよう１８体の内部ブランケット集合体３２がリング状に配され、これらリング状に配される１８体の内部ブランケット集合体３２の外側で隣接し、且つ、相互に離間して６本の制御棒２５が配されている。

また、図６に示すように、高速炉の炉心３０は、最外層から２層目であって周方向に相互に離間し６本のガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４が装荷され、各ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の６面の側面すべてに隣接するよう高プルトニウム富化度燃料集合体２３が装荷されている。従って、炉心３０には、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接して３６体の高プルトニウム富化度燃料集合体２３が装荷されている。各ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接して配される６体の高プルトニウム富化度燃料集合体２３のうち、径方向内側に配される２体の高プルトニウム富化度燃料集合体２３は、リング状に配される内部ブランケット集合体３２と隣接する。なお、高プルトニウム富化度燃料集合体２３のプルトニウム富化度は、炉心燃料集合体３１のプルトニウム富化度よりも高い。

本実施例では、比較的、高速炉の炉心３０の中心よりに内部ブランケット集合体３２がリング状に配され、炉心中心付近の出力が低く、径方向外側よりの出力が最外周に向かうに従い高い。従って、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を取り囲むように高プルトニウム富化度燃料集合体２３を配することにより、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の周りの中性子束がガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の中心（軸心）に向かって減少し、その勾配も大きくなる。これによりガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の負の反応度の絶対値を増大できる。
より詳細には、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を、最外層より２層径方向内側に装荷すると共に、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の周囲に高プルトニウム富化度燃料集合体２３が装荷されている。高速炉の炉心３０の縦断面の１／２領域における炉心径方向位置と中性子束との関係を考慮した場合、中性子束分布は、径方向において、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の中心（軸心）に向かい低下し、中心（軸心）を過ぎると最外周部に装荷される高プルトニウム富化度燃料集合体２３の影響により、中性子束分布は再び上昇するプロファイルを示す。これは、高速炉の炉心３０の中心より径方向にガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４へと漏洩してくる中性子と、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の外周側に配される高プルトニウム富化度燃料集合体２３よりガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４へと向かい（炉心中心へと向かう方向）漏洩してくる中性子が存在するためである。

本実施例によれば、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）近傍の半径方向の中性子束分布の勾配を大きくすることにより、ＵＬＯＦの発生を想定した場合であっても、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）による負の印加反応度の絶対値を増大し得る径方向非均質炉心を実現できる。

図７は、本発明の他の実施例に係る実施例４の高速炉の炉心の縦断面図である。本実施例では、内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体、外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体、及び高プルトニウム富化度燃料集合体２３のそれぞれの上部にラッパ管にて区画化されたナトリウムプレナム領域４５を設けた点が実施例１と異なる。実施例１と同様の構成要素に同一符号を付している。

図７に示すように、本実施例の高速炉の炉心４０は、上述の実施例１の高速炉の炉心において、内側炉心燃料領域２１に装荷される内側炉心燃料集合体、外側炉心燃料領域２２に装荷される外側炉心燃料集合体、及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４に隣接するよう装荷される高プルトニウム富化度燃料集合体２３の燃料領域上部に、ラッパ管により区画化され、冷却材ナトリウム（Ｎａ）を収容し得るナトリウムプレナム領域４５を設けている。図７では、上記各燃料集合体のナトリウムプレナム領域をあたかも一体化したように、簡易的に示している。

実施例における高速炉の電気出力は約７５万ｋＷである。高プルトニウム富化度燃料集合体２３を有さない従来の均質炉心の場合のガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の反応度は約−１．９＄である。これに対し、本実施例の高プルトニウム富化度燃料集合体２３を有する高速炉の炉心４０では、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の反応度はおよそ５０％増加して約−２．９＄となる。
一方、ナトリウムプレナム領域４５を設置した炉心の、燃料集合体及びナトリウムプレナム領域４５で冷却材ナトリウム（Ｎａ）が沸騰した場合のボイド反応度は＋２．６＄である。

従って、従来の均質炉心にガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を設置した場合の、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４を含む全炉心のボイド反応度は＋２．６＄−１．９＄≒＋０．７＄と正の値であるのに対して、本実施例の高速炉の炉心４０の場合では、＋２．６＄−２．９＄≒−０．３＄と負の値となる。
以上より、本実施例の高速炉の炉心４０に装荷されるガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２４の負の反応度効果とナトリウムプレナム領域４５によるボイド反応度低減効果を併せると、冷却材ナトリウム（Ｎａ）が沸騰した場合であっても、炉心４０に印加される反応度を負の反応度とすることができる。これにより、炉心安全性を更に向上することが可能となる。

本実施例によれば、実施例１の効果に加え、実施例１と比較し更に炉心安全性を向上することが可能となる。

上述の各実施例では、炉心の燃料は、劣化ウラン酸化物とプルトニウム酸化物を混合した混合酸化物（ＭＯＸ）燃料を想定していたが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、金属燃料や窒化物燃料を用いても良い。また、冷却材として、ナトリウムに代えて、鉛や鉛・ビスマス等の液体重金属を用いても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１・・・高速炉原子力発電システム
２・・・原子炉容器
３・・・炉心
４ａ・・・一次冷却系配管
４ｂ・・・二次冷却系配管
５・・・中間熱交換器
７ａ・・・一次主循環ポンプ
７ｂ・・・二次主循環ポンプ
８・・・蒸気発生器
９ａ・・・主蒸気系配管
９ｂ・・・給復水系配管
１０，２０，３０，４０・・・炉心
１１ａ・・・高圧タービン
１１ｂ・・・低圧タービン
１２・・・発電機
１３・・・復水器
１４・・・給水ポンプ
１５・・・給水加熱器
２１・・・内側炉心燃料領域
２２・・・外側炉心燃料領域
２３・・・高プルトニウム富化度燃料集合体
２４・・・ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）
２５・・・制御棒
２６・・・反射射体領域
２７・・・遮蔽体領域
２８・・・冷却材ナトリウム（Ｎａ）
２９・・・不活性ガス（Ａｒ）
３１・・・炉心燃料集合体
３２・・・内部ブランケット集合体
４１・・・炉心の縦断面の１／２領域
４２・・・均質炉心の外周にＧＥＭを設置した場合の半径方向中性子束分布
４３・・・均質炉心の外側炉心燃料領域とＧＥＭの間に高プルトニウム富化度燃料集合体を設置した場合の半径方向中性子束分布
４５・・・ナトリウムプレナム領域

Claims

一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であるガス膨張モジュールを、炉心に装荷する高速炉の炉心であって、
前記ガス膨張モジュールに隣接する燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記ガス膨張モジュールに隣接しない燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項１に記載の高速炉の炉心において、
炉心の半径方向に、内側炉心燃料領域と、前記内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域と、前記外側炉心燃料領域を取り囲む反射体領域を備え、
前記ガス膨張モジュールは、前記外側炉心燃料領域と前記反射体領域との間であって、前記外側炉心燃料領域の全周を囲むよう複数本装荷され、
前記外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高く、
前記外側炉心燃料領域の最外周部に装荷され前記ガス膨張モジュールに隣接する燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項１に記載の高速炉の炉心において、
炉心の半径方向に、内側炉心燃料領域と、前記内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域と、前記外側炉心燃料領域を取り囲む反射体領域を備え、
前記ガス膨張モジュールは、前記外側炉心燃料領域と前記反射体領域との間であって、周方向に離散的に複数本装荷され、
離散的に装荷される前記ガス膨張モジュールに隣接する燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記ガス膨張モジュールに隣接しない燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項３に記載の高速炉の炉心において、
前記ガス膨張モジュールは横断面六角形状を成し、
各ガス膨張モジュールの側面のうち、前記外側炉心燃料領域側の３面の側面に隣接する３体の燃料集合体のプルトニウム富化度が、炉心に装荷される複数の燃料集合体の中で最も高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項１に記載の高速炉の炉心において、
前記炉心は、劣化ウランを用いる内部ブランケット集合体及び炉心燃料集合体が装荷される径方向非均質炉心であって、
前記ガス膨張モジュールは、炉心の半径方向外側であって、周方向に離散的に複数本装荷され、
離散的に装荷される前記ガス膨張モジュールに隣接する炉心燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記ガス膨張モジュールに隣接しない燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項５に記載の高速炉の炉心において、
前記ガス膨張モジュールは横断面六角形状を成し、
各ガス膨張モジュールの全ての側面に隣接する６体の炉心燃料集合体のプルトニウム富化度が、炉心に装荷される複数の炉心燃料集合体の中で最も高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項２に記載の高速炉の炉心において、
前記外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体及び前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体並びに前記外側炉心燃料領域の最外周部に装荷され前記ガス膨張モジュールに隣接する燃料集合体の燃料領域上部に、ラッパ管により区画化されたナトリウムプレナム領域を有することを特徴とする高速炉の炉心。
一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であるガス膨張モジュールを、炉心に装荷する高速炉の炉心であって、
前記ガス膨張モジュールに隣接する複数体の燃料集合体のプルトニウム富化度は同一であって、炉心に装荷される複数の燃料集合体のうち最も高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項８に記載の高速炉の炉心において、
炉心の半径方向に、内側炉心燃料領域と、前記内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域と、前記外側炉心燃料領域を取り囲む反射体領域を備え、
前記ガス膨張モジュールは、前記外側炉心燃料領域と前記反射体領域との間であって、前記外側炉心燃料領域の全周を囲むよう複数本装荷され、
前記外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高く、
前記外側炉心燃料領域の最外周部に装荷され前記ガス膨張モジュールに隣接する燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項８に記載の高速炉の炉心において、
炉心の半径方向に、内側炉心燃料領域と、前記内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域と、前記外側炉心燃料領域を取り囲む反射体領域を備え、
前記ガス膨張モジュールは、前記外側炉心燃料領域と前記反射体領域との間であって、周方向に離散的に複数本装荷され、
離散的に装荷される前記ガス膨張モジュールに隣接する燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記ガス膨張モジュールに隣接しない燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項１０に記載の高速炉の炉心において、
前記ガス膨張モジュールは横断面六角形状を成し、
各ガス膨張モジュールの側面のうち、前記外側炉心燃料領域側の３面の側面に隣接する３体の燃料集合体のプルトニウム富化度が、炉心に装荷される複数の燃料集合体の中で最も高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項８に記載の高速炉の炉心において、
前記炉心は、劣化ウランを用いる内部ブランケット集合体及び炉心燃料集合体が装荷される径方向非均質炉心であって、
前記ガス膨張モジュールは、炉心の半径方向外側であって、周方向に離散的に複数本装荷され、
離散的に装荷される前記ガス膨張モジュールに隣接する炉心燃料集合体のプルトニウム富化度が、前記ガス膨張モジュールに隣接しない燃料集合体のプルトニウム富化度よりも高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項１２に記載の高速炉の炉心において、
前記ガス膨張モジュールは横断面六角形状を成し、
各ガス膨張モジュールの全ての側面に隣接する６体の炉心燃料集合体のプルトニウム富化度が、炉心に装荷される複数の炉心燃料集合体の中で最も高いことを特徴とする高速炉の炉心。
請求項９に記載の高速炉の炉心において、
前記外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体及び前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体並びに前記外側炉心燃料領域の最外周部に装荷され前記ガス膨張モジュールに隣接する燃料集合体の燃料領域上部に、ラッパ管により区画化されたナトリウムプレナム領域を有することを特徴とする高速炉の炉心。