JP2018071997A - Fast reactor core - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高速炉において、制御棒誤引抜き事故想定時の炉心損傷を回避して、安全性を向上するための高速炉の炉心に関する。 The present invention relates to a fast reactor core for improving safety by avoiding core damage when a control rod erroneous pull-out accident is assumed in a fast reactor.
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。 Regarding the fuel assembly and core of the fast reactor, as described in Non-Patent Document 1, in the fast breeder reactor, the core is disposed in the reactor vessel, and liquid sodium as a coolant is placed in the reactor vessel. Is filled. The fuel assembly loaded in the core includes a plurality of fuel rods encapsulating plutonium-enriched depleted uranium (U-238), a trumpet tube surrounding the bundled fuel rods, and lower ends of these fuel rods. , And an entrance nozzle for supporting the neutron shield located below the fuel rod, and a coolant outflow portion located above the fuel rod.
高速増殖炉の炉心は、内側炉心燃料領域及びこの内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料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燃料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、内側炉心燃料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。
The core of the fast breeder reactor has a core fuel region having an inner core fuel region and an outer core fuel region surrounding the inner core fuel region, a blanket fuel region surrounding the core fuel region, and a shield region surrounding the blanket fuel region. In the case of a standard homogeneous core, the Pu enrichment of the fuel assemblies loaded in the outer core region is higher than the Pu enrichment of the fuel assemblies loaded in the inner core fuel region. As a result, the power distribution in the radial direction of the core is flattened.
Examples of the form of nuclear fuel material stored in each fuel rod of the fuel assembly include metal fuel, nitride fuel, and oxide fuel. Of these, oxide fuels have the greatest track record.
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。内側炉心燃料領域に装荷される内側炉心燃料集合体及び外側炉心燃料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。 A mixed oxide fuel obtained by mixing the oxides of Pu and depleted uranium, that is, a pellet of MOX fuel, is filled in a fuel rod at a height of about 80 to 100 cm in the center in the axial direction. Further, in the fuel rod, axial blanket regions filled with a plurality of uranium dioxide pellets made of deteriorated uranium are respectively arranged above and below the MOX fuel filling region. The inner core fuel assembly loaded in the inner core fuel region and the outer core fuel assembly loaded in the outer core fuel region thus have a plurality of fuel rods filled with a plurality of pellets of MOX fuel. The Pu enrichment of the outer core fuel assembly is higher than that of the inner core fuel assembly.
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。 A blanket fuel assembly having a plurality of fuel rods filled with a plurality of uranium dioxide pellets made of deteriorated uranium is loaded in the blanket fuel region surrounding the core fuel region. Among the neutrons generated by the fission reaction generated in the fuel assembly loaded in the core fuel region, the neutrons leaking from the core fuel region are U-238 in each fuel rod of the blanket fuel assembly loaded in the blanket fuel region. To be absorbed. As a result, Pu-239 which is a fissile nuclide is newly generated in each fuel rod of the blanket fuel assembly.
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(B4C)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、内側炉心燃料集合体及び外側炉心燃料集合体と同様に、横断面が正六角形をしたラッパ管に収納されて構成される。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。 Control rods are used when the fast breeder reactor is started, stopped, and when the reactor power is adjusted. The control rod has a plurality of neutron absorber rods in which boron carbide (B 4 C) pellets are sealed in a stainless steel cladding tube, and these neutron absorber rods are similar to the inner core fuel assembly and the outer core fuel assembly. The cross section is housed in a trumpet having a regular hexagonal shape. The control rod has two independent systems, the main reactor shutdown system and the after-furnace reactor shutdown system, and the fast breeder reactor can be stopped urgently by either one of the main reactor shutdown system or the after-furnace reactor shutdown system. .
さて、一般に高速炉の燃焼反応は3%Δk/kk’程度であり、制御棒の誤引抜きとスクラム失敗を重畳した事故(UTOP:Unprotected Transient
Over Power、以下、UTOPと称する)を想定すると、当該制御棒近傍の出力密度が変化して、線出力が設計許容値を超過する可能性がある。この様なUTOP時の線出力の増大を回避できれば、熱的な余裕の増大、ひいては炉心の安全性向上が実現できる。UTOP時の線出力増大を回避するには、燃焼反応度を低減して、燃焼補償用の制御棒1本当りに要求される、制御反応度の低減が有効である。
例えば、特許文献1には、高速炉の炉心に装荷する燃料集合体に収容される燃料要素(燃料ピン)中の燃料物質を、マイナーアクチニド(MA:Minor Actinide、以下、MAと称する)を含むTRU(超ウラン元素)の富化度を5%〜30%とし、核分裂性Pu富化度を9%〜12%とする構成が開示されている。これにより、原子力発電所のプラント寿命を通じて、燃料を交換せずに、所定の電気出力が供給できる高速増殖炉が実現可能となり、稼働率が向上し、燃料寿命が長寿命化するため、経済性を大幅に向上することが可能な旨記載されている。
Now, the combustion reaction of the fast reactor is generally about 3% Δk / kk ′, and an accident (UTOP: Unprotected Transient) that overlaps the erroneous extraction of the control rod and the scram failure.
Assuming Over Power (hereinafter referred to as UTOP), the output density near the control rod may change, and the line output may exceed the design tolerance. If such an increase in line output during UTOP can be avoided, an increase in thermal margin and, in turn, an improvement in core safety can be realized. In order to avoid an increase in line output at the time of UTOP, it is effective to reduce the combustion reactivity and to reduce the control reactivity required per control rod for combustion compensation.
For example, Patent Document 1 includes a minor actinide (hereinafter referred to as MA) as a fuel material in a fuel element (fuel pin) housed in a fuel assembly loaded in the core of a fast reactor. A configuration is disclosed in which the TRU (transuranic element) enrichment is 5% to 30% and the fissile Pu enrichment is 9% to 12%. This makes it possible to realize a fast breeder reactor that can supply the specified electric power without changing the fuel throughout the life of the plant of the nuclear power plant, improving the operating rate and extending the fuel life. It is described that it is possible to improve significantly.
しかしながら、特許文献1の構成では、高速炉の炉心燃料へのMAの添加はボイド反応度の大幅な増加をもたらす。また、高速炉の炉心では、UTOP想定時において燃焼反応度の低減が必要となるものの、特許文献1ではこの点について何ら考慮されていない。
そこで本発明は、ボイド反応度増大を抑制しつつ、燃焼反応度を低減して、UTOP時に炉心に印加される反応度を低減して、安全性を向上し得る高速炉の炉心を提供する。
However, in the configuration of Patent Document 1, the addition of MA to the core fuel of the fast reactor results in a significant increase in void reactivity. Further, in the core of the fast reactor, although it is necessary to reduce the combustion reactivity when UTOP is assumed, Patent Document 1 does not consider this point at all.
Therefore, the present invention provides a fast reactor core capable of improving safety by reducing combustion reactivity while suppressing increase in void reactivity and reducing reactivity applied to the core during UTOP.
上記課題を解決するため、本発明に係る高速炉の炉心は、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を有し、前記内側炉心燃料領域及び外側炉心燃料領域にMOX燃料をラッパ管内に収容する燃料集合体が装荷され、 少なくとも、前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体は、マイナーアクチニドを含有する劣化ウラン酸化物を燃料とする内部ブランケット燃料を、軸方向略中央部に備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a core of a fast reactor according to the present invention has an inner core fuel region and an outer core fuel region surrounding the inner core fuel region in a radial direction of the core, and the inner core fuel region and A fuel assembly containing MOX fuel in a trumpet tube is loaded in the outer core fuel region, and at least the fuel assembly loaded in the inner core fuel region is fueled with depleted uranium oxide containing minor actinides. A blanket fuel is provided in a substantially central portion in the axial direction.
本発明によれば、ボイド反応度増大を抑制しつつ、燃焼反応度を低減して、UTOP時に炉心に印加される反応度を低減して、安全性を向上し得る高速炉の炉心を提供することが可能となる。
例えば、炉心の構成を軸方向非均質炉心とし、内部ブランケット燃料にMAを添加し、その含有率を最適化することによって、燃焼反応度の絶対値を1$(ドル)以下として、UTOP想定時に、印加反応度の絶対値を減少することができ、炉心安全性を向上できる。
According to the present invention, there is provided a fast reactor core capable of improving safety by reducing combustion reactivity while suppressing increase in void reactivity and reducing reactivity applied to the core during UTOP. It becomes possible.
For example, the core configuration is an axially inhomogeneous core, MA is added to the internal blanket fuel, and the content ratio is optimized so that the absolute value of the combustion reactivity is 1 dollar ($) or less, and when UTOP is assumed The absolute value of the applied reactivity can be reduced, and the core safety can be improved.
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。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
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。
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a fast reactor nuclear power generation system having a fast reactor core according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, a fast reactor nuclear power generation system 1 includes a reactor vessel 2, a core 3 containing a fissile material housed in the reactor vessel 2, and a primary
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。
In the fast reactor nuclear power generation system 1, the primary coolant (for example, liquid sodium) heated in the core 3 is passed through the
炉心3には、後述する複数の炉心燃料集合体、制御棒が装荷されている。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。
The core 3 is loaded with a plurality of core fuel assemblies and control rods to be described later. The reactor vessel 2 that houses the reactor core 3 is filled with a primary coolant, and the primary coolant enters the reactor core 3 from the lower part of the reactor core 3 and rises along the reactor core fuel assembly, and is atomized by the primary
Hereinafter, the core of a fast reactor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施例に係る実施例1の高速炉の炉心の縦断面図であって、1/2炉心を示す図であり、図2は、図1に示す高速炉の炉心の横断面図であって、1/2炉心を示す図であり、図4は、内部ブランケット燃料にMAを含有させた高速炉の炉心において、燃焼反応度の内部ブランケットのMA含有率依存性を示す図である。
図2では、上下対称のため、1/2部分のみを示している。本実施例における高速炉の炉心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とにより炉心燃料領域が構成されている。炉心燃料領域には、複数の制御棒集合体24が配されている。また、高速炉の炉心10は、外側炉心燃料領域22を取り囲むよう径方向ブランケット燃料領域23、径方向ブランケット燃料領域23の外側に反射体領域25及び遮蔽体領域26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25が径方向ブランケット燃料領域23を取り囲んで径方向ブランケット燃料領域23と隣り合っており、遮蔽体領域26が反射体領域25を取り囲んでいる。本実施例の高速炉の炉心10は、炉心燃料領域を構成する内側炉心燃料領域21に後述する内部ブランケット燃料を配置した軸方向非均質炉心である。
1 is a longitudinal sectional view of a core of a fast reactor according to an embodiment 1 of the present invention, showing a 1/2 core, and FIG. 2 is a core of the fast reactor shown in FIG. 4 is a diagram showing a half core, and FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the combustion reactivity on the MA content of the internal blanket in a fast reactor core containing MA in the internal blanket fuel. FIG.
In FIG. 2, only a half portion is shown because of vertical symmetry. The
図1に示すように、高速炉の炉心10は、内側炉心燃料領域21(図2)の上部燃料32と下部燃料33、及び外側炉心燃料領域22(図2)の外側炉心燃料34は、いずれも劣化ウラン酸化物(UO2)にプルトニウム酸化物(PuOx)を混合したMOX燃料であり、いずれも同一のPu富化度である。内部ブランケット燃料31の燃料は劣化ウラン酸化物(UO2)にMA酸化物(MAOx)を混合している。また、軸方向上部ブランケット燃料35、軸方向下部ブランケット燃料36、及び径方向ブランケット燃料37は、いずれも燃料は劣化ウラン酸化物(UO2)である。
なお、図1に示すように、内側炉心燃料領域21(図2)においては、軸方向に下部より上部へと(一次冷却材である液体ナトリウムの流れの方向に沿って上流側から下流側へと)、順に、軸方向下部ブランケット燃料36、下部燃料33、内部ブランケット燃料31、上部燃料32、及び軸方向上部ブランケット燃料35が配されている。例えば、軸方向下部ブランケット燃料36は軸方向において約30cmの高さ(軸方向に沿った長さ)を有し、下部燃料33は40cm、内部ブランケット燃料31は20cm、上部燃料32は40cm、及び、軸方向上部ブランケット燃料35は30cmの高さ(軸方向に沿った長さ)を有する。よって、下部燃料33、内部ブランケット燃料31、及び上部燃料32の軸方向における合計の高さ(軸方向に沿った長さの合計)は、約100cmとなる。一方、外側炉心燃料領域22(図2)においては、軸方向に下部より上部へと(一次冷却材である液体ナトリウムの流れの方向に沿って上流側から下流側へと)、順に、軸方向下部ブランケット燃料36、外側炉心燃料34、及び軸方向上部ブランケット燃料35が配されている。外側炉心燃料34は軸方向において約100cmの高さ(軸方向に沿った長さ)を有する。また、径方向ブランケット燃料領域23(図2)の径方向ブランケット燃料37は、例えば、軸方向において約160cmの高さ(軸方向に沿った長さ)を有する。
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 1, in the inner core fuel region 21 (FIG. 2), from the lower part to the upper part in the axial direction (from the upstream side to the downstream side along the flow direction of the liquid sodium as the primary coolant). In this order, an axial
原子炉の電気出力は75万kWeで、連続運転期間は約20ヶ月、6バッチ燃料取り替えで、炉心燃料の取出し平均燃焼度は約150GWd/tである。本実施例の炉心10の内部ブランケット燃料31に含有するMAの含有率(wt%)をパラメータとして、燃焼反応度(%Δk/kk’)のMA含有率(wt%)を計算によって評価した。
評価に当たり、以下に示す通り、高速炉の標準的な解析手法を用いている。我が国の最新の核データライブラリー、JENDL−4.0に基づく高速炉用の70群の核データセット(非特許文献2参照)を用いて、高速炉の実効断面積計算用のプログラムであるSLAROM−UF(非特許文献3参照)で中性子のエネルギー群数70群の実効断面積を計算した。この実効断面積を用いて、中性子拡散計算プログラムCITATION(非特許文献4参照)の2次元RZ炉心体系モデルで平衡サイクル計算を行い、中性子実効増倍率(keff)を求めて、あるMA含有率(wt%)に対して、所定の取出燃焼度で平衡サイクル末期に臨界となる様な内側炉心燃料21に装荷される内側炉心燃料集合体と外側炉心燃料領域22に装荷される外側炉心燃料集合体のPu富化度を求める。この時に、平衡サイクル初期と平衡サイクル末期の中性子実効増倍率(keff)を用いて、燃焼反応度(%Δk/kk’)を計算する。上記の計算を、いくつかのMA含有率に対して繰り返して、燃焼反応度(%Δk/kk’)のMA含有率(wt%)依存性のカーブをプロットする。なお、上述の高速炉の標準的な解析手法は、高速炉を模擬した臨界実験や、高速炉実機で十分検証されている。
図4に評価結果を示す。図4は、高速炉の炉心10において、燃焼反応度の内部ブランケット燃料のMA含有率依存性を示す図である。図4において、横軸に内部ブランケット燃料におけるMAの含有率(wt%)を、縦軸に燃焼反応度(%Δk/kk’)を取り、燃焼反応度の内部ブランケット燃料のMA含有率依存性を示している。MAは取出燃焼度60GWd/tの軽水炉の使用済燃料に含まれるNp,Am,Cmである。図4に示すように、燃焼反応度(%Δk/kk’)は、内部ブランケット燃料31におけるMA含有率(wt%)の増加に伴って減少し、MA含有率が40wt%近傍でほぼゼロとなり、さらにMA含有率(wt%)が増えると負の値となる。ここで、MA含有率が40wt%近傍を超えると燃焼反応度(%Δk/kk’)が負の値となっているが、これれは、平衡サイクル初期における反応度よりも平衡サイクル末期における反応度の方が大きいことによる。MA含有率(wt%)が35wt%で燃焼反応度が1$となり、MA含有率(wt%)が45wt%で燃焼反応度が−1$以下となる。すなわち。内部ブランケット燃料31のMA含有率(wt%)が35wt%から45wt%の範囲において、燃焼反応度の絶対値は1$以下となり、制御棒の誤引抜きとスクラム失敗を重畳した事故(UTOP:Unprotected Transient Over Power)を想定した場合でも、当該制御棒集合体24近傍の燃料集合体における線出力の増加がわずかとなり、燃料の健全性が維持される。ここで、燃焼反応度の絶対値が1$とは、実行遅発中性子の発生割合が約0.3%であることを意味する。
The electrical output of the reactor is 750,000 kWe, the continuous operation period is about 20 months, 6 batch fuel replacements, the core fuel removal average burnup is about 150 GWd / t. Using the MA content (wt%) contained in the
In the evaluation, the standard analysis method of the fast reactor is used as shown below. SLAROM is a program for calculating the effective cross section of fast reactors using 70 nuclear data sets for fast reactors based on JENDL-4.0, the latest nuclear data library in Japan (see Non-Patent Document 2). The effective area of 70 energy groups of neutrons was calculated with -UF (see Non-Patent Document 3). Using this effective cross-sectional area, the equilibrium cycle calculation is performed with the two-dimensional RZ core system model of the neutron diffusion calculation program CITATION (see Non-Patent Document 4), and the neutron effective multiplication factor (keff) is obtained. wt%), the inner core fuel assembly loaded in the
FIG. 4 shows the evaluation results. FIG. 4 is a diagram showing the MA content rate dependence of the internal blanket fuel in the combustion reactivity in the
図5は、図1に示す高速炉の炉心の変形例の縦断面図であって、1/2炉心を示す図である。図5に示すように、変形例の高速炉の炉心10aは、外側炉心燃料領域22(図2)の外側炉心燃料34であって、内側炉心燃料領域21(図2)の内部ブランケット燃料31に隣接する領域より径方向に所定の長さ(距離)、且つ、軸方向において略中央部に内部ブランケット燃料31aを有する。この外側炉心燃料領域22の外側炉心燃料34における内部ブランケット燃料31aは、内側炉心燃料領域21の内部ブランケット燃料31と同様に、劣化ウラン酸化物(UO2)にマイナーアクチニド(MA)酸化物(MAOx)を混合している。よって、外側炉心燃料領域22の外側炉心燃料34における内部ブランケット燃料31aにおいても、MA含有率(wt%)が35wt%から45wt%とするのが好ましく、MA含有率(wt%)が、内側炉心燃料領域22の内部ブラケット燃料31と外側炉心燃料領域22の外側炉心燃料34における内部ブランケット燃料31aとで、同一とすることが望ましい。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a modified example of the core of the fast reactor shown in FIG. 1 and shows a 1/2 core. As shown in FIG. 5, the modified
以上のとおり、本実施例によれば、ボイド反応度増大を抑制しつつ、燃焼反応度を低減して、UTOP時に炉心に印加される反応度を低減して、安全性を向上し得る高速炉の炉心を提供することが可能となる。
より具体的には、炉心の構成を軸方向非均質炉心とし、内部ブランケット燃料にMAを添加し、その含有率を最適化することによって、燃焼反応度の絶対値を1$(ドル)以下として、UTOP想定時に、印加反応度の絶対値を減少することができ、炉心安全性を向上できる。
As described above, according to the present embodiment, a fast reactor capable of improving safety by reducing combustion reactivity while suppressing increase in void reactivity and reducing reactivity applied to the core during UTOP. It is possible to provide a core of
More specifically, the absolute value of the combustion reactivity is set to 1 dollar ($) or less by making the core structure an axially inhomogeneous core, adding MA to the internal blanket fuel, and optimizing its content. When the UTOP is assumed, the absolute value of the applied reactivity can be reduced, and the core safety can be improved.
図6は、本発明の他の実施例に係る実施例2の高速炉の炉心の縦断面図であって、1/2炉心を示す図であり、図7は、図6に示す高速炉の炉心の横断面図であって、1/2炉心を示す図である。実施例1では、図1に示すように、内側炉心燃料領域21及び外側炉心燃料領域22において、軸方向上部ブランケット燃料35及び軸方向下部ブランケット燃料36を配する構成とした。これに対し本実施例は、軸方向上部ブランケット燃料35及び軸方向下部ブランケット燃料36を配することなく、上部燃料42及び外側炉心燃料44の軸方向上部にナトリウムプレナム領域45を配する構成とした点が実施例1と異なる。また、外側炉心燃料44と径方向ブランケット燃料47の間にガス膨張モジュール(GEM:Gas Expansion Module、以下、GEMと称する)46を配する構成とした点が実施例1と異なる。
6 is a longitudinal sectional view of the core of the fast reactor of the second embodiment according to another embodiment of the present invention, showing a half core, and FIG. 7 is a diagram of the fast reactor shown in FIG. It is a cross-sectional view of a core, and is a diagram showing a ½ core. In the first embodiment, as shown in FIG. 1, an axial
図7では、上下対称のため、1/2部分のみを示している。本実施例における高速炉の炉心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とにより炉心燃料領域が構成されている。炉心燃料領域には、複数の制御棒集合体24が配されている。また、高速炉の炉心20には、外側炉心燃料領域22を取り囲むようガス膨張式モジュール(GEM)38が装荷されており、ガス膨張モジュール(GEM)38の外側に径方向ブランケット燃料領域23、反射体領域25、及び遮蔽体領域26を有する。高速炉の炉心20の半径方向において、径方向ブランケット燃料領域23がガス膨張モジュール(GEM)38を取り囲んで、ガス膨張モジュール(GEM)38と隣り合っており、遮蔽体領域26が反射体領域25を取り囲んでいる。ここで、ガス膨張モジュール(GEM)38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。本実施例の高速炉の炉心20は、炉心燃料領域を構成する内側炉心燃料領域21に後述する内部ブランケット燃料を配置した軸方向非均質炉心である。
In FIG. 7, only a half portion is shown because of vertical symmetry. The
図6に示すように、高速炉の炉心20は、内側炉心燃料領域21(図7)の上部燃料42と下部燃料43、及び外側炉心燃料領域22(図7)の外側炉心燃料44は、いずれも劣化ウラン酸化物(UO2)にプルトニウム酸化物(PuOx)を混合したMOX燃料であり、いずれも同一のPu富化度である。内部ブランケット燃料41は劣化ウラン酸化物(UO2)にMA酸化物(MAOx)を35wt%混合した燃料である。また、内側炉心燃料領域21(図7)の上部燃料42及び外側炉心燃料領域22(図7)の外側炉心燃料44の軸方向上部には、ナトリウムプレナム領域45が配されている。ここで、ナトリウムプレナム領域45は、炉心燃料(上部燃料42、外側炉心燃料44)の上部にラッパ管の内壁面にて画定される空間である。また、外側炉心燃料44の径方向外側には、ガス膨張モジュール(GEM)46が配され、更に、ガス膨張モジュール(GEM)46の径方向外側に径方向ブランケット燃料47が配されている。
なお、電源喪失等による一次主循環ポンプ7a(図3)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:Unprotected Loss of Flow Accident、以下、ULOFと称する)を想定した場合、ボイド反応度が増大しても、発生したボイドは炉心燃料(上部燃料42、外側炉心燃料44)よりも上部に位置するナトリウムプレナム領域45内に収容されること及び、内部ブランケット燃料41により、制御棒集合体24の近傍の燃料集合体の線出力の増加が抑制される。従って、必ずしもガス膨張モジュール(GEM)46を外側炉心燃料領域22(図7)の最外周に装荷される燃料集合体に隣接するよう配置する構成を含めなくとも、ナトリウムプレナム領域45を有することにより、実施例1では奏し得ない上述の作用効果を奏することが可能となる。
As shown in FIG. 6, the
When an accident (ULOF: Unprotected Loss of Flow Accident, hereinafter referred to as ULOF) is assumed in which the loss of the flow rate of the coolant accompanying the stoppage of the primary
図6に示すように、内側炉心燃料領域21(図7)においては、軸方向に下部より上部へと(一次冷却材である液体ナトリウムの流れの方向に沿って上流側から下流側へと)、順に、下部燃料43、内部ブランケット燃料41、上部燃料42、及びナトリウムプレナム領域45が配されている。例えば、下部燃料43は軸方向において約35cmの高さ(軸方向に沿った長さ)を有し、内部ブランケット燃料41は20cm、上部燃料42は45cm、及び、ナトリウムプレナム領域45は40cmの高さ(軸方向に沿った長さ)を有する。よって、下部燃料43、内部ブランケット燃料41、及び上部燃料42の軸方向における合計の高さ(軸方向に沿った長さの合計)は、約100cmとなる。一方、外側炉心燃料領域22(図7)においては、軸方向に下部より上部へと(一次冷却材である液体ナトリウムの流れの方向に沿って上流側から下流側へと)、順に、外側炉心燃料44及びナトリウムプレナム領域45が配されている。外側炉心燃料44は軸方向において約100cmの高さ(軸方向に沿った長さ)を有する。また、ナトリウムプレナム領域45は、例えば、軸方向において約40cmの高さ(軸方向に沿った長さ)を有する。
As shown in FIG. 6, in the inner core fuel region 21 (FIG. 7), from the lower part to the upper part in the axial direction (from the upstream side to the downstream side along the flow direction of the liquid sodium as the primary coolant). In this order, a
本実施例における高速炉の炉心20は、上述のように実施例1の炉心において、軸方向ブランケット燃料(軸方向上部ブランケット燃料35及び軸方向下部ブランケット燃料36)を無くして、その代わりに、炉心燃料の上部にナトリウムプレナム領域45を設置し、さらに内側炉心燃料領域21及び外側炉心燃料領域22よりなる炉心燃料領域の外周、すなわち、外側炉心燃料領域22に装荷される燃料集合体のうち、最外周に装荷される燃料集合体に隣接し囲むようガス膨張モジュール(GEM)46を配する構成としている。
As described above, the
本実施例の高速炉の炉心20は、実施例1と同様に、UTOP時の炉心燃料の健全性が確保されると共に、ボイド反応度が同じ出力規模の高速炉と比べて、大幅に小さく、2〜3$程度である。また、電源喪失等による一次主循環ポンプ7aの停止に伴う一次系冷却材(例えば、液体ナトリウム)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、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における一次系冷却材(例えば、液体ナトリウム)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、一次系冷却材(例えば、液体ナトリウム)の温度上昇が生じる。しかし、本実施例の高速炉の炉心20の構成では、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からナトリウムプレナム領域45及びガス膨張モジュール(GEM)46への中性子の漏洩量が大きく、負の反応度が印加されることにより、一次系冷却材(例えば、液体ナトリウム)の沸騰を回避できると共に炉心出力の増加も抑制でき、炉心燃料の健全性が維持される。
The
なお、ガス膨張モジュール(GEM)46に隣接するよう周方向に複数体配され、外側炉心燃料領域22の最外周に装荷される燃料集合体のMOX燃料のプルトニウム富化度(Pu富化度)を最も高くしても良い。すなわち、外側炉心燃料領域22の最外周に装荷される燃料集合体(最外周燃料集合体)を除く、外側炉心燃料領域22に装荷される燃料集合体及び内側炉心燃料領域21に装荷される燃料集合体のMOX燃料のプルトニウム富化度(Pu富化度)は同一であり、これら、外側炉心燃料領域22に装荷される燃料集合体及び内側炉心燃料領域21に装荷される燃料集合体のMOX燃料のプルトニウム富化度(Pu富化度)よりも最外周燃料集合体のMOX燃料のプルトニウム富化度(Pu富化度)が高い。
It should be noted that a plutonium enrichment degree (Pu enrichment degree) of the MOX fuel of the fuel assembly that is arranged in the circumferential direction so as to be adjacent to the gas expansion module (GEM) 46 and is loaded on the outermost circumference of the outer
以上のとおり本実施例によれば、実施例1のUTOP想定時の効果に加え、ナトリウムプレナム領域45を配する構成であることにより、電源喪失等による一次主循環ポンプ7a(図3)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)を想定した場合、高速炉の炉心内にナトリウムプレナム領域45及びガス膨張モジュール(GEM)46を配する構成であることから、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からナトリウムプレナム領域45及びガス膨張モジュール(GEM)46への中性子の漏洩量が大きく、負の反応度が印加されることにより、一次系冷却材(例えば、液体ナトリウム)の沸騰を回避できると共に炉心出力の増加も抑制でき、炉心燃料の健全性を維持することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, in addition to the effect at the time of assuming the UTOP of the first embodiment, the
なお、上述の実施例1及び実施例2では、炉心の燃料として、劣化ウラン酸化物(UO2)とプルトニウム酸化物(PuOx)を混合した混合酸化物(MOX)燃料を用いる場合を一例として説明したがこれに限られるものではない。例えば、金属燃料或いは窒化物燃料を用いても良く、また、冷却材(一次冷却材)についても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る構成としても良い。 In the first and second embodiments described above, the case where a mixed oxide (MOX) fuel in which deteriorated uranium oxide (UO2) and plutonium oxide (PuOx) are mixed is used as an example of the core fuel. Is not limited to this. For example, metal fuel or nitride fuel may be used, and the coolant (primary coolant) may be configured to use liquid heavy metal such as lead, lead / bismuth or the like instead of sodium.
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。 In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
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
10,10a,20・・・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・・・径方向ブランケット燃料領域
24・・・制御棒集合体
25・・・反射体領域
26・・・遮蔽体領域
31,31a・・・内部ブランケット燃料
32・・・上部燃料
33・・・下部燃料
34・・・外側炉心燃料
35・・・軸方向上部ブランケット燃料
36・・・軸方向下部ブランケット燃料
37・・・径方向ブランケット燃料
38・・・ガス膨張モジュール(GEM)
41・・・内部ブランケット燃料
42・・・上部燃料
43・・・下部燃料
44・・・外側炉心燃料
45・・・ナトリウムプレナム領域
46・・・ガス膨張モジュール(GEM)
47・・・径方向ブランケット燃料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fast reactor nuclear power generation system 2 ... Reactor vessel 3 ...
41 ...
47 ... Radial blanket fuel
Claims (9)
少なくとも、前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体は、マイナーアクチニドを含有する劣化ウラン酸化物を燃料とする内部ブランケット燃料を、軸方向略中央部に備えることを特徴とする高速炉の炉心。 A fuel assembly having an inner core fuel region and an outer core fuel region surrounding the inner core fuel region in a radial direction of the core, and containing MOX fuel in a wrapper tube in the inner core fuel region and the outer core fuel region. Loaded,
At least the fuel assembly loaded in the inner core fuel region comprises an internal blanket fuel fueled by depleted uranium oxide containing minor actinides at a substantially central portion in the axial direction. .
前記内部ブランケット燃料は、マイナーアクチニドの含有率が35wt%から45wt%であることを特徴とする高速炉の炉心。 In the core of the fast reactor according to claim 1,
The core of a fast reactor, wherein the inner blanket fuel has a minor actinide content of 35 wt% to 45 wt%.
前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体は、前記内部ブランケット燃料の上方に、MOX燃料を有する上部燃料及び劣化ウラン酸化物を燃料とする軸方向上部ブランケット燃料、及び、前記内部ブランケット燃料の下方に、MOX燃料を有する下部燃料及び劣化ウラン酸化物を燃料とする軸方向下部ブランケット燃料を有することを特徴とする高速炉の炉心。 In the core of the fast reactor according to claim 2,
The fuel assembly loaded in the inner core fuel region includes an upper fuel with MOX fuel and an axial upper blanket fuel with depleted uranium oxide as fuel above the inner blanket fuel, and the inner blanket fuel. A fast reactor core comprising a lower fuel having MOX fuel and an axial lower blanket fuel having deteriorated uranium oxide as a fuel below.
前記MOX燃料は、劣化ウラン酸化物にプルトニウム酸化物を混合した燃料であって、前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体の上部燃料及び下部燃料、並びに前記外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のMOX燃料のプルトニウム富化度が同一であることを特徴とする高速炉の炉心。 In the core of the fast reactor according to claim 3,
The MOX fuel is a fuel in which plutonium oxide is mixed with deteriorated uranium oxide, and is loaded in the upper and lower fuels of the fuel assembly loaded in the inner core fuel region and in the outer core fuel region. A fast reactor core characterized in that the plutonium enrichment of the MOX fuel in the fuel assembly is the same.
前記内側炉心燃料領域及び外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体は、前記MOX燃料の軸方向上部に前記ラッパ管の内壁面にて画定される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。 In the core of the fast reactor according to claim 1,
The fuel assembly loaded in the inner core fuel region and the outer core fuel region has a sodium plenum region defined by an inner wall surface of the trumpet tube at an upper portion in the axial direction of the MOX fuel. Core.
前記外側炉心燃料領域を囲むよう配される径方向ブランケット領域を備え、前記径方向ブランケット領域と前記外側炉心燃料領域との間に、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配することを特徴とする高速炉の炉心。 In the core of the fast reactor according to claim 5,
A hollow tubular structure including a radial blanket region disposed so as to surround the outer core fuel region and having one end closed and the other end opened between the radial blanket region and the outer core fuel region. A core of a fast reactor characterized by arranging a gas expansion module.
前記ガス膨張モジュールは、前記外側炉心燃料領域の最外周に装荷される燃料集合体と隣接するよう周方向に複数体配されることを特徴とする高速炉の炉心。 In the core of the fast reactor according to claim 6,
A core of a fast reactor, wherein a plurality of the gas expansion modules are arranged in a circumferential direction so as to be adjacent to a fuel assembly loaded on an outermost periphery of the outer core fuel region.
前記MOX燃料は、劣化ウラン酸化物にプルトニウム酸化物を混合した燃料であって、前記内側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体の上部燃料及び下部燃料、並びに前記外側炉心燃料領域に装荷される燃料集合体のMOX燃料のプルトニウム富化度が同一であることを特徴とする高速炉の炉心。 In the core of the fast reactor according to claim 7,
The MOX fuel is a fuel in which plutonium oxide is mixed with deteriorated uranium oxide, and is loaded in the upper and lower fuels of the fuel assembly loaded in the inner core fuel region and in the outer core fuel region. A fast reactor core characterized in that the plutonium enrichment of the MOX fuel in the fuel assembly is the same.
前記ガス膨張モジュールに隣接するよう周方向に複数体配され、前記外側炉心燃料領域の最外周に装荷される燃料集合体のMOX燃料のプルトニウム富化度が最も高いことを特徴とする高速炉の炉心。 In the core of the fast reactor according to claim 7,
A fast reactor having a highest plutonium enrichment of MOX fuel in a fuel assembly arranged in a circumferential direction adjacent to the gas expansion module and loaded on the outermost periphery of the outer core fuel region. Core.
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