JP3433230B2 - Reactor core and nuclear fuel material replacement method in the core - Google Patents
Reactor core and nuclear fuel material replacement method in the coreInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉の炉心およ
びその炉心における核燃料物質の取替方法に係り、更に
詳しくは、制御棒等による燃焼反応度補償手段を不要と
し、可燃性毒物を添加した濃縮ウランと燃焼開始部のみ
を用いて長期間連続運転することが可能な、運転性と安
全性と経済性とに優れた原子炉の炉心およびその炉心に
おける核燃料物質の取替方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a core of a nuclear reactor and a method of replacing a nuclear fuel material in the core, and more specifically, it does not require a combustion reactivity compensating means such as a control rod and adds a burnable poison. The present invention relates to a core of a nuclear reactor excellent in operability, safety, and economic efficiency, which can be continuously operated for a long period using only the enriched uranium and the combustion start part, and a method of replacing nuclear fuel material in the core. is there.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の原子炉における燃焼方法としては
軽水炉、ブロック燃料型高温ガス炉や、高速炉で採用さ
れている方法が最も一般的である。すなわち、この方法
では、約1年間は燃焼制御用の制御棒を炉心に挿入した
り、あるいは炉心に挿入された制御棒を引き抜くことに
よって炉心の臨界を維持している。すなわち核分裂性核
種が多量に炉心に存在する燃焼初期には制御棒を炉心に
挿入し、燃焼とともに核分裂生成物(Fission Product
s、以下「FP」と称する)の増加等により反応度が減
少してくると、挿入している制御棒を炉心から引き抜い
ていく。そして、運転サイクルの終了時にはこれらの制
御棒が抜けているようにする。2. Description of the Related Art As a conventional combustion method in a nuclear reactor, a method adopted in a light water reactor, a block fuel type high temperature gas reactor or a fast reactor is the most general. That is, in this method, the criticality of the core is maintained by inserting a control rod for combustion control into the core or pulling out the control rod inserted into the core for about one year. That is, control rods are inserted into the core at the early stage of combustion when a large amount of fissionable nuclides are present in the core, and fission products (Fission Product
s, hereinafter referred to as “FP”) and the like, the reactivity decreases and the inserted control rod is pulled out from the core. Then, at the end of the operation cycle, these control rods are removed.
【0003】運転サイクルが終了すると、原子炉を停止
し、先ず、最も燃焼の進んだ燃料を炉心から取り出して
新燃料を新たに装荷するのみならず、交換しない燃料も
含めて適当に配置替えすることによって、次の運転サイ
クルにおいても臨界を維持できるようにしている。これ
は、例えば、比較的燃焼の進んだ燃料を炉心外周部に移
動させたり、逆に内側に入れて出力平坦化を図ったり、
炉心内で出力の極端に高い部位が発生しないように新燃
料同士を近接して配置しないようにするなど、ほぼ全て
の燃料を移動させる大掛かりな作業である。When the operation cycle ends, the reactor is shut down, and first, the most burned fuel is taken out from the core and new fuel is newly loaded, and also the fuel, which is not replaced, is appropriately rearranged. As a result, the criticality can be maintained even in the next operation cycle. This is because, for example, fuel with relatively advanced combustion is moved to the outer periphery of the core, or conversely, it is put inside to achieve flat output,
It is a large-scale work to move almost all the fuel, such as not placing new fuels close to each other so that extremely high power parts are not generated in the core.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな原子炉の炉心およびその炉心における核燃料物質の
取替方法では、以下のような問題がある。However, the core of such a nuclear reactor and the method for replacing the nuclear fuel material in the core have the following problems.
【0005】すなわち、軽水炉、ブロック燃料型高温ガ
ス炉、および高速炉の炉心は、上述したように、制御棒
によって中性子を吸収することにより燃焼反応度を補償
しているために、中性子経済上好ましいものとはいえな
い。That is, as described above, the cores of the light water reactor, the block fuel type high temperature gas reactor, and the fast reactor are preferable in terms of neutron economy because they compensate the combustion reactivity by absorbing neutrons by the control rods. Not a thing.
【0006】また、このように制御棒によって燃焼反応
度を補償している炉心は、仮に制御棒駆動系の故障や事
故等によって、挿入されている制御棒が炉心から引き抜
かれてしまうと、炉心に急激に反応度が投入され、出力
が急昇する異常反応度投入事故に至ってしまい一部の燃
料が溶融したりするなどの可能性もあるという問題があ
る。Further, in the core in which the combustion reactivity is compensated by the control rods in this way, if the inserted control rods are pulled out from the core due to a failure of the control rod drive system, an accident, etc. There is a problem that the reactivity may be suddenly injected into the fuel cell, and an abnormal reactivity injection accident may occur in which the output sharply rises and some fuel may be melted.
【0007】制御棒に代えて、炉心外周に、中性子を反
射させて炉心中心側に戻す作用をする反射体を設け、こ
の反射体によって炉心の燃焼反応度を制御する方法も提
案されているが、これでは、制御可能な領域が炉心の外
周部に限られてしまう。In place of the control rods, there has been proposed a method of providing a reflector on the outer periphery of the core for reflecting neutrons and returning it to the center side of the core, and controlling the combustion reactivity of the core by this reflector. However, this limits the controllable region to the outer periphery of the core.
【0008】炉心内には、核分裂によって発生した熱エ
ネルギーを除熱するための冷却材が炉心全体に亘って、
炉心軸方向に沿ってほぼ一定速度で流れている。したが
って、制御棒に代えて、この冷却材の流量を制御して炉
心内の出力を制御することも考えられるが、これらの炉
心では、炉心軸方向に対して直角の方向である炉心径方
向で出力分布を有し、しかも燃焼に伴いその分布が変化
するために、冷却材の流量を調節することにより炉心出
力と冷却との両方を同時に制御するためには、チャンネ
ル毎の冷却材流量配分を変えなければならず困難であ
る。後述するペブルベット燃料型高温ガス炉では、高温
になった冷却材は新燃料側に向かって流れるが、ブロッ
ク燃料型高温ガス炉ではこのようにはいかず、冷却材出
口温度が低くなる。A coolant for removing heat energy generated by nuclear fission is provided in the core throughout the core.
It flows at a substantially constant velocity along the axial direction of the core. Therefore, it is conceivable to control the flow rate of this coolant to control the output in the core instead of the control rods, but in these cores, in the core radial direction which is the direction perpendicular to the core axial direction. Since it has an output distribution and that distribution changes with combustion, in order to control both core power and cooling simultaneously by adjusting the flow rate of the coolant, the coolant flow rate distribution for each channel It has to be changed, which is difficult. In the pebble bed fuel type high temperature gas reactor, which will be described later, the coolant having a high temperature flows toward the new fuel side, but this does not occur in the block fuel type high temperature gas reactor, and the coolant outlet temperature becomes low.
【0009】一方、これらの炉心における核燃料物質の
取替には、上述したように、多大な時間と手間とを要
し、原子炉を再起動するまでの時間が長くなるために、
原子力発電所の稼働率を低下させてしまうという問題が
ある。On the other hand, the replacement of nuclear fuel material in these cores requires a great deal of time and labor as described above, and the time until the reactor is restarted becomes long.
There is a problem of reducing the operating rate of nuclear power plants.
【0010】なお、ペブルベッド型高温ガス炉では、連
続的にボール状燃料を炉心上部に挿入する一方、炉心下
部からは燃焼後のボール状燃料を取り出すことにより、
制御棒のみならず燃料の配置替え作業をも不要としてい
る。しかしながら、このような連続的な燃料の挿入や取
り出しには、種々の困難が伴い、ドイツでの開発ではこ
の部分のトラブルがあった。また、このような炉心で
は、燃料の燃焼状態や、冷却材の流れを制御することが
できない。In the pebble bed type high temperature gas reactor, the ball-shaped fuel is continuously inserted into the upper part of the core, while the burned ball-shaped fuel is taken out from the lower part of the core.
Not only the control rods but also fuel relocation work is unnecessary. However, such continuous insertion and removal of fuel is accompanied by various difficulties, and there were problems in this part in the development in Germany. Further, in such a core, the combustion state of fuel and the flow of coolant cannot be controlled.
【0011】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、その第1の目的は、制御棒によって反応度
を調整しなくても一定出力で核分裂連鎖反応が継続する
ようにし、もって、運転の容易性と安全性との両方に優
れた原子力の炉心を提供することにある。The present invention has been made in view of such circumstances, and a first object thereof is to make a fission chain reaction continue at a constant output without adjusting the reactivity by a control rod. , To provide a nuclear core excellent in both operability and safety.
【0012】また、その第2の目的は、運転サイクル終
了後には、燃焼下流側にある燃え残りのある核燃料物質
を、次の運転サイクルの燃焼開始部として利用するよう
にし、もって、核燃料物質の複雑な配置換えを不要とす
るとともに、核燃料物質を効率的に燃焼させることが可
能な原子炉の炉心における核燃料物質の取替方法を提供
することにある。[0012] The second purpose is to use the unburned nuclear fuel material on the downstream side of the combustion after the operation cycle as the combustion start portion of the next operation cycle. It is an object of the present invention to provide a method of replacing a nuclear fuel material in a core of a nuclear reactor, which makes it possible to efficiently burn the nuclear fuel material without requiring a complicated arrangement.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、以下のような手段を講じる。In order to achieve the above object, the present invention takes the following means.
【0014】すなわち、請求項1の発明の原子炉の炉心
では、上記第1の目的を解決するために、均一濃度で中
性子可燃性毒物が添加された均一濃縮度の濃縮ウランか
らなる核燃料が規則的に配置されてなる核燃料領域と、
核燃料領域の下端部または上端部に備えられ、中性子を
前記核燃料に供給することによって核燃料の核分裂連鎖
反応による燃焼を開始させる燃焼開始部と、燃焼開始部
によって開始された核分裂連鎖反応によって発生した核
分裂エネルギーを受けた核燃料領域および燃焼開始部を
冷却する冷却材とを備え、核分裂連鎖反応を継続する。That is, in the core of a nuclear reactor according to the first aspect of the present invention, in order to solve the first object, the nuclear fuel consisting of enriched uranium of uniform enrichment to which neutron burnable poison is added at a uniform concentration is a rule. The nuclear fuel region that is arranged in a
A combustion initiation part provided at the lower end or the upper end of the nuclear fuel region for starting the combustion of the nuclear fuel by the fission chain reaction by supplying neutrons to the nuclear fuel, and fission generated by the fission chain reaction initiated by the combustion initiation part. The nuclear fuel region that has received energy and a coolant that cools the combustion start portion are provided, and the fission chain reaction is continued.
【0015】従って、請求項1の発明の原子炉の炉心
は、均一濃度で中性子可燃性毒物が添加された均一濃縮
度の濃縮ウランからなるシンプルな核燃料構成とし、燃
焼開始部によって供給される中性子によって核燃料領域
で一旦核分裂連鎖反応が引き起こされると、その後は自
律的に臨界を維持することができる。Therefore, the core of the nuclear reactor according to the invention of claim 1 has a simple nuclear fuel structure consisting of enriched uranium of uniform enrichment to which a neutron burnable poison is added at a uniform concentration, and the neutrons supplied by the combustion initiation part. Once the fission chain reaction is triggered in the nuclear fuel region, the criticality can be maintained autonomously thereafter.
【0016】請求項2の発明の原子炉の炉心では、上記
第1の目的を解決するために、燃焼軸方向に沿って均一
濃度で中性子可燃性毒物が添加された燃焼軸方向に沿っ
て均一濃縮度の濃縮ウランからなる核燃料が規則的に配
置されてなる核燃料領域と、核燃料領域の下端部または
上端部に備えられ、中性子を前記核燃料に供給すること
によって核燃料の核分裂連鎖反応による燃焼を開始させ
る燃焼開始部と、燃焼開始部によって開始された核分裂
連鎖反応によって発生した核分裂エネルギーを受けた核
燃料領域および燃焼開始部を冷却する冷却材とを備え、
核分裂連鎖反応を継続する。In the core of a nuclear reactor according to a second aspect of the present invention, in order to solve the first object, the neutron burnable poison is added at a uniform concentration along the combustion axis direction to a uniform concentration along the combustion axis direction. A nuclear fuel region, in which nuclear fuel composed of enriched uranium with a high degree of enrichment is regularly arranged, is provided at the lower end or the upper end of the nuclear fuel region, and the combustion of the nuclear fuel by the fission chain reaction is started by supplying neutrons to the nuclear fuel. And a coolant for cooling the nuclear fuel region that has received the nuclear fission energy generated by the fission chain reaction initiated by the combustion initiation part and the combustion initiation part,
Continue the fission chain reaction.
【0017】従って、請求項2の発明の原子炉の炉心
は、燃焼軸(核燃料領域の上端部と下端部とを結ぶ軸)
方向に沿って均一濃度で中性子可燃性毒物が添加された
燃焼軸方向に沿って均一濃縮度の濃縮ウランからなるシ
ンプルな核燃料構成とし、燃焼開始部によって供給され
る中性子によって核燃料領域で一旦核分裂連鎖反応が引
き起こされると、その後は自律的に臨界を維持すること
ができる。Therefore, the core of the nuclear reactor of the invention of claim 2 is a combustion axis (an axis connecting the upper end and the lower end of the nuclear fuel region).
A simple nuclear fuel composition consisting of enriched uranium of uniform enrichment along the combustion axis direction with a uniform concentration of neutron burnable poisons added along the direction, and the fission chain once in the nuclear fuel region by the neutrons supplied by the combustion initiation part. When the reaction is triggered, the criticality can be maintained autonomously thereafter.
【0018】請求項3の発明では、上記第1の目的を解
決するために、請求項1または請求項2に記載の原子炉
の炉心において、核分裂連鎖反応による燃焼を、この燃
焼の持続時間である原子炉運転期間に亘って、燃焼開始
部が備えられた核燃料領域の端部側から、核燃料領域の
上端部と下端部とを結ぶ軸に沿って、ほぼ同じ熱出力分
布で移動させる。In order to solve the first object, in the invention of claim 3, in the core of the nuclear reactor according to claim 1 or 2, combustion by a fission chain reaction is performed with the duration of this combustion. Over a certain reactor operation period, the fuel is moved from the end side of the nuclear fuel region provided with the combustion start portion along the axis connecting the upper end portion and the lower end portion of the nuclear fuel region with substantially the same heat output distribution.
【0019】従って、請求項3の発明の原子炉の炉心に
おいては、原子炉運転期間に亘って、燃焼部の軸方向
(鉛直方向)における熱出力分布、すなわち中性子束分
布を一定に保つことができるので、制御棒等による出力
分布調整を行わなくとも原子炉運転期間に亘って一定の
出力分布を維持することができる。Therefore, in the core of the nuclear reactor of the third aspect of the present invention, the heat output distribution in the axial direction (vertical direction) of the combustion section, that is, the neutron flux distribution, can be kept constant over the reactor operation period. Therefore, it is possible to maintain a constant output distribution over the reactor operation period without adjusting the output distribution with a control rod or the like.
【0020】請求項4の発明では、上記第1の目的を解
決するために、請求項3に記載の原子炉の炉心におい
て、核燃料領域の高さを、核燃料領域において熱出力が
発生している熱出力部が軸に沿って移動する移動速度で
除することによって原子炉運転期間を決定する。According to the invention of claim 4, in order to solve the first object, in the core of the nuclear reactor according to claim 3, the height of the nuclear fuel region and the heat output are generated in the nuclear fuel region. The reactor operating period is determined by dividing by the moving speed at which the heat output moves along the axis.
【0021】従って、請求項4の発明の原子炉の炉心に
おいては、核燃料領域の高さを調節することによって、
原子炉運転期間を調節することができる。すなわち、原
子炉運転期間の長い炉心を実現したい場合には、核燃料
領域の高さを高くすれば良く、逆に、核燃料領域の高さ
を低くすれば、原子炉運転期間が短くなる。Therefore, in the reactor core of the invention of claim 4, by adjusting the height of the nuclear fuel region,
The reactor operating period can be adjusted. That is, when it is desired to realize a core having a long reactor operation period, the height of the nuclear fuel region may be increased, and conversely, when the height of the nuclear fuel region is decreased, the reactor operation period may be shortened.
【0022】請求項5の発明では、上記第2の目的を解
決するために、請求項4に記載の原子炉の炉心における
核燃料物質の取替方法であって、熱出力部が、燃焼開始
部が備えられた核燃料領域の端部から、軸に沿って核燃
料領域の他の端部の近傍にまで移動した場合には、核分
裂連鎖反応を停止させ、この停止時における熱出力部に
ある核燃料を次の原子炉運転期間の炉心の燃焼開始部と
して、次の原子炉運転期間の炉心を構成する。According to a fifth aspect of the present invention, in order to solve the second object, there is provided a method for replacing nuclear fuel material in a core of a nuclear reactor according to the fourth aspect, wherein the heat output part is a combustion start part. When it moves from the end of the nuclear fuel region provided with to the vicinity of the other end of the nuclear fuel region along the axis, the nuclear fission chain reaction is stopped, and the nuclear fuel in the heat output part at this stop is removed. The core of the next reactor operation period is configured as a combustion start portion of the core of the next reactor operation period.
【0023】従って、請求項5の発明の原子炉の炉心に
おける核燃料物質の取替方法においては、残存している
核燃料を次の運転サイクルの燃焼開始部として有効利用
することができる。更に、この取替方法は、核燃料領域
の径方向(平面方向)の配置換えを不要とし、残存して
いる核燃料を軸方向(鉛直方向)に直線的に移動するこ
とにより実現できるので、短時間で行うことができる。
これによって、2回目の運転サイクル以降には燃焼開始
部の製作が不要となる。このような核燃料物質の取替方
法は、ブロック燃料型高温ガス炉に対しては、ほとんど
設計変更することなく適用することが可能である。Therefore, in the method of replacing nuclear fuel material in the core of a nuclear reactor according to the fifth aspect of the present invention, the remaining nuclear fuel can be effectively used as the combustion starting portion of the next operation cycle. In addition, this replacement method does not require radial (planar) rearrangement of the nuclear fuel region, and can be realized by linearly moving the remaining nuclear fuel in the axial direction (vertical direction). Can be done at.
As a result, it is not necessary to manufacture the combustion start portion after the second operation cycle. Such a nuclear fuel material replacement method can be applied to a block fuel type high temperature gas reactor with almost no design change.
【0024】[0024]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0025】本発明の実施の形態を図1から図11を用
いて説明する。An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
【0026】本発明の実施の形態に係る原子炉の炉心
は、ブロック燃料型高温ガス炉に適用した場合をその一
例として説明するものであって、図1は本発明の実施の
形態に係る原子炉の炉心の構成例を示す平断面図、図2
は同炉心を内部に収納する原子炉圧力容器の構成例を示
す立断面図、図3は同炉心に装荷される燃料体の構成例
を示す斜視図、図4は同燃料体を構成している燃料棒の
構成例を示す斜視図、図5は同燃料棒に装填される燃料
コンパクトの構成例を示す斜視図をそれぞれ示す。The core of the nuclear reactor according to the embodiment of the present invention will be explained as an example when it is applied to a block fuel type high temperature gas reactor. FIG. 1 shows the atom according to the embodiment of the present invention. Fig. 2 is a plan sectional view showing a structural example of the core of the reactor.
FIG. 4 is a vertical cross-sectional view showing a structural example of a reactor pressure vessel that houses the core therein, FIG. 3 is a perspective view showing a structural example of a fuel body loaded in the core, and FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a configuration example of a fuel rod, and FIG. 5 is a perspective view showing a configuration example of a fuel compact loaded in the fuel rod.
【0027】炉心1は、図1に示すように、断面が正六
角形状の燃料体2を半径方向に複数装荷するのみなら
ず、図2に示すように、軸方向にも複数積み重ねて装荷
している。更に、図1に示すように炉心1の半径方向外
周側と、図2に示すように炉心1の上下とには、例えば
黒鉛からなる反射体3を備えており、中性子が炉心1内
から炉心1外へと漏洩する効果を小さくしている。As shown in FIG. 1, the core 1 not only loads a plurality of fuel bodies 2 having a regular hexagonal cross section in the radial direction, but also stacks a plurality of fuel bodies 2 in the axial direction as shown in FIG. ing. Further, reflectors 3 made of, for example, graphite are provided on the radially outer side of the core 1 as shown in FIG. 1 and on the upper and lower sides of the core 1 as shown in FIG. 1 The effect of leaking out is reduced.
【0028】原子炉4は、図2に示すように、原子炉圧
力容器5の中に炉心1、反射体3、その他の炉内構造物
を収納している。この原子炉圧力容器5は、その下部に
内管と外管とからなる二重配管7を備えており、図示し
ないブロアによって駆動された冷却材8を、内管と外管
との間隙部から原子炉圧力容器5内に供給する。この冷
却材8は、図2中の矢印に示すように二重配管7の内管
と外管との間隙部から原子炉圧力容器5内に導入され、
容器5の内壁に沿って上昇して炉心1の上部に導かれ、
しかる後に下降し、炉心1を通って二重配管7の内管内
に導入され原子炉圧力容器5外に出るようにしている。
このように冷却材8を循環させることによって炉心1を
冷却している。冷却材8にはヘリウムガスまたは炭酸ガ
スを用いる。As shown in FIG. 2, the reactor 4 has a reactor pressure vessel 5 in which a reactor core 1, a reflector 3 and other internal structures are housed. This reactor pressure vessel 5 is equipped with a double pipe 7 consisting of an inner pipe and an outer pipe in its lower part, and a coolant 8 driven by a blower (not shown) is passed through a gap between the inner pipe and the outer pipe. It is supplied into the reactor pressure vessel 5. This coolant 8 is introduced into the reactor pressure vessel 5 through the gap between the inner pipe and the outer pipe of the double pipe 7 as shown by the arrow in FIG.
Ascend along the inner wall of the vessel 5 and lead to the upper part of the core 1,
After that, it descends, passes through the core 1, is introduced into the inner pipe of the double pipe 7, and goes out of the reactor pressure vessel 5.
By circulating the coolant 8 in this manner, the core 1 is cooled. Helium gas or carbon dioxide gas is used as the coolant 8.
【0029】燃料体2は、図3に示すように、複数の燃
料棒10を保持してなる正六角柱状の黒鉛ブロック11
で構成している。黒鉛ブロック11は、燃料棒10を収
納するための収納口を燃料棒10の本数分備えており、
この収納口に燃料棒10を収納保持する。As shown in FIG. 3, the fuel body 2 is a regular hexagonal columnar graphite block 11 holding a plurality of fuel rods 10.
It consists of. The graphite block 11 has storage openings for storing the fuel rods 10 for the number of the fuel rods 10,
The fuel rod 10 is stored and held in this storage port.
【0030】燃料棒10は、図4に示すように、黒鉛ス
リーブ13と呼ばれる長尺円筒状の筒の中に複数の燃料
コンパクト14を装填し、両端を端栓15で栓すること
によって密封している。As shown in FIG. 4, the fuel rod 10 is sealed by loading a plurality of fuel compacts 14 in a long cylindrical cylinder called a graphite sleeve 13 and plugging both ends with end plugs 15. ing.
【0031】燃料コンパクト14は、図5に示すよう
に、球状の燃料核18と、その外側を覆う低密度熱分解
炭素19と、その外側を覆う高密度熱分解炭素20と、
その外側を覆う炭化ケイ素21と、更にその外側を覆う
高密度熱分解炭素22とからなる被覆燃料粒子17を円
環柱状に固めて形成してなるものである。燃料核18
は、一定濃縮度の濃縮ウランを用いた二酸化ウランと、
所定比率の中性子可燃性毒物(以下、単に「可燃性毒
物」と称する)とを混合焼結して構成している。可燃性
毒物としては例えばガドリニア(Gd2O3)を用い
る。なお、二酸化ウランのみからなる燃料核18と、可
燃性毒物のみからなる燃料核18とをそれぞれ製造して
おき、これらを所定比率で均一混合してから燃料コンパ
クト14を形成するようにしても良い。このようにし
て、燃料コンパクト14は、一定濃縮度の濃縮ウランに
対して、所定比率の可燃性毒物を含むようにしている。As shown in FIG. 5, the fuel compact 14 has a spherical fuel nucleus 18, a low density pyrolytic carbon 19 covering the outside thereof, and a high density pyrolytic carbon 20 covering the outside thereof.
The coated fuel particles 17 composed of silicon carbide 21 that covers the outside thereof and high-density pyrolytic carbon 22 that further covers the outside thereof are solidified and formed into an annular column shape. Fuel core 18
Is uranium dioxide using concentrated uranium with a constant concentration,
A predetermined ratio of neutron burnable poison (hereinafter, simply referred to as "burnable poison") is mixed and sintered. For example, gadolinia (Gd 2 O 3 ) is used as the burnable poison. The fuel core 18 made of only uranium dioxide and the fuel core 18 made of only burnable poisons may be manufactured, and these may be uniformly mixed at a predetermined ratio before the fuel compact 14 is formed. . In this way, the fuel compact 14 contains a predetermined ratio of burnable poison with respect to the enriched uranium having a constant enrichment.
【0032】図6は、可燃性毒物を含まない燃料体2を
上述したような炉心体系において無限個数配置した場合
における燃焼度と無限増倍率との関係を示す図である。
図6中において、燃焼度曲線a0は、濃縮ウランの濃縮
度が低い場合であり、以下b 0、c0、d0となるに従
って濃縮度が高くなる。FIG. 6 shows a fuel body 2 containing no burnable poison.
When an infinite number of cores are arranged in the core system as described above
5 is a diagram showing the relationship between the burnup and the infinite multiplication factor in FIG.
In FIG. 6, the burnup curve a0Enriched uranium enriched
If the degree is low, below b 0, C0, D0According to
Therefore, the degree of enrichment increases.
【0033】すなわち、可燃性毒物を含まない場合、燃
料体2の無限増倍率は、図6に示すように、濃縮ウラン
の濃縮度が高くなるに従って高くなる。つまり、濃縮ウ
ランの濃縮度が高い方が炉心1を臨界にし易く、また原
子炉4の運転サイクル長さをより長期化できるようにな
るが、燃焼初期段階(燃焼度が低い段階)において余剰
な反応度を有することになる。燃料体2の無限増倍率
は、燃焼度の増加に対してほぼ直線的に減少する。That is, when the burnable poison is not contained, the infinite multiplication factor of the fuel body 2 increases as the enrichment of enriched uranium increases, as shown in FIG. That is, the higher the enrichment of enriched uranium, the easier it is to make the core 1 critical, and the longer the operating cycle length of the nuclear reactor 4 can be made. However, there is a surplus in the initial stage of combustion (stage with low burnup). Will have reactivity. The infinite multiplication factor of the fuel body 2 decreases almost linearly as the burnup increases.
【0034】一方、図7は、二酸化ウランに対して所定
比率の可燃性毒物を均一に含んだ燃料体2を、上述した
ような炉心体系において無限個数配置した場合における
燃焼度と無限増倍率との関係を示す図である。図7中に
おいて、燃焼度曲線a1は、濃縮ウランの濃縮度が図6
に示す燃焼度曲線a0の燃料の濃縮度と同じである。同
様にb1、c1、d1もまた濃縮ウランの濃縮度が図6
に示す燃焼度曲線b0、c0、d0の燃料の濃縮度とそ
れぞれ同じである。On the other hand, FIG. 7 shows the burnup and the infinite multiplication factor in the case where an infinite number of fuel bodies 2 uniformly containing a combustible poison in a predetermined ratio with respect to uranium dioxide are arranged in the core system as described above. It is a figure which shows the relationship of. In FIG. 7, the burnup curve a 1 indicates the enrichment of uranium enriched in FIG.
It is the same as the fuel enrichment of the burnup curve a 0 shown in FIG. Similarly, b 1 , c 1 , and d 1 also show the enrichment of uranium enriched in FIG.
Is the same as the fuel enrichment of the burnup curves b 0 , c 0 , d 0 shown in FIG.
【0035】図7に示されているように、燃料体2に可
燃性毒物を添加すると、添加された可燃性毒物は、中性
子を吸収するので、これによって燃焼初期段階(燃焼度
が低い段階)における無限増倍率を低下させる。図7中
に点線で示す各燃焼度曲線a 0〜d0は、それぞれ図6
の各燃焼度曲線a0〜d0と同じものであって、可燃性
毒物が添加されていない燃料体2の無限増倍率を示すも
のである。そして、可燃性毒物は、中性子を吸収する
と、中性子を吸収しない物質に変換するので、燃焼度が
高くなるに従って可燃性毒物が減少し、それに伴って無
限増倍率は増加して行き、可燃性毒物が全て他の物質に
変換した後には、図6に示すような可燃性毒物を含まな
い燃料体2と同様に、燃焼度の増加に対してほぼ直線的
に減少するようになる。As shown in FIG.
When the burnable poison is added, the added burnable poison is neutral.
Since it absorbs the child, the initial stage of combustion (burnup
Lower stage) lowers the infinite multiplication factor. In Figure 7
Each burnup curve a shown by the dotted line in 0~ D0Are respectively shown in FIG.
Each burnup curve a0~ D0The same as flammable
It shows the infinite multiplication factor of the fuel body 2 with no poison added.
Of. And burnable poisons absorb neutrons
And converts it to a substance that does not absorb neutrons, so the burnup is
Burnable poisons decrease as the temperature increases, and
The multiplication factor is increasing, and all the burnable poisons are converted to other substances.
After conversion, do not include combustible poisons as shown in Figure 6.
Similar to the fuel unit 2, it is almost linear with increasing burnup.
Will be reduced to.
【0036】すなわち、燃料体2に可燃性毒物を添加す
ることによって、図8中にハッチングで示す領域Aに相
当する燃焼初期段階(燃焼度が低い段階)における無限
増倍率を低減させる効果がある。したがって、原子炉4
の運転サイクル長さをより長期化するために濃縮ウラン
の濃縮度を高め、燃焼初期段階における余剰な反応度を
有することになった場合であっても、可燃性毒物を添加
することによって、燃焼初期段階(燃焼度が低い段階)
における余剰な反応度を減少させ、炉心1の反応度を調
節することを可能としている。That is, the addition of the burnable poison to the fuel body 2 has the effect of reducing the infinite multiplication factor in the initial stage of combustion (the stage where the burnup is low) corresponding to the area A shown by hatching in FIG. . Therefore, the reactor 4
By increasing the enrichment of enriched uranium in order to prolong the operating cycle length of the fuel cell, and even when it has an excessive reactivity in the initial stage of combustion, by adding a burnable poison, Initial stage (stage with low burnup)
It is possible to adjust the reactivity of the core 1 by reducing the excess reactivity in the core.
【0037】また、図9に示すように、炉心1は、濃縮
ウランと可燃性毒物とから構成してなる核燃料物質領域
23の他に、下端部に燃焼開始部24を備えている。こ
の燃焼開始部24は、例えば、プルトニウムを多く含む
燃料体2を用い、炉心1の上端部に備えていてもよく、
中性子を発生することによって核燃料物質領域23にお
ける核分裂連鎖反応による燃焼を開始させるものであ
る。Further, as shown in FIG. 9, the core 1 is provided with a combustion starting portion 24 at the lower end portion in addition to the nuclear fuel material region 23 composed of enriched uranium and combustible poisons. The combustion starting portion 24 may be provided at the upper end portion of the core 1 using, for example, the fuel body 2 containing a large amount of plutonium,
By generating neutrons, combustion by the fission chain reaction in the nuclear fuel material region 23 is started.
【0038】図10は、本発明の実施の形態に係る原子
炉の炉心1における出力および物質収支バランスのイメ
ージを示す概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram showing an image of output and mass balance in the core 1 of the nuclear reactor according to the embodiment of the present invention.
【0039】すなわち、本発明の実施の形態に係る原子
炉の炉心1では、炉心下端部の燃焼開始部24から発生
する中性子によって核分裂連鎖反応が開始されるので、
図10(a)に示すように中性子束φが立ち上がる。以
下、この中性子束φが立ち上がっている部分を燃焼部B
と称する。また、この核分裂によって核燃料物質Mから
FPが発生するので、図10(a)に示すように核燃料
物質Mが炉心下端部側から減少し、FPが炉心下端部側
から蓄積する。That is, in the reactor core 1 according to the embodiment of the present invention, the fission chain reaction is started by the neutrons generated from the combustion start portion 24 at the lower end of the core,
The neutron flux φ rises as shown in FIG. Hereinafter, the part where this neutron flux φ is rising is the combustion part B
Called. Further, since FP is generated from the nuclear fuel material M by this nuclear fission, the nuclear fuel material M decreases from the core lower end side and the FP accumulates from the core lower end side as shown in FIG.
【0040】一方、核分裂すると核燃料物質は減少する
が、この核分裂によって発生した中性子の一部はウラン
238(U−238)に吸収され、このウラン238は
プルトニウム(Pu)に変換する。On the other hand, nuclear fission reduces the amount of nuclear fuel material, but some of the neutrons generated by this fission are absorbed by uranium 238 (U-238), and this uranium 238 is converted to plutonium (Pu).
【0041】燃焼部Bの上部はその下部よりも核燃料物
質Mの量が多いので、燃焼部Bの上部では無限増倍率は
増える。このため、中性子束φが立ち上がり核分裂連鎖
反応が引き起こっている領域は軸に沿って上方に移動す
る。この核分裂によって発生した熱エネルギーは、冷却
材8が除熱する。なお、核分裂連鎖反応が引き起こって
いる領域が軸に沿って下側から上側へと移動する場合に
は、冷却材8もまた炉心1の下側から上側へと流すのが
好ましいが、図2に示すように炉心1の上側から下側へ
と冷却材8を流すようにしても炉心1を冷却することが
可能である。Since the amount of the nuclear fuel material M is larger in the upper part of the combustion part B than in the lower part thereof, the infinite multiplication factor increases in the upper part of the combustion part B. For this reason, the region where the neutron flux φ rises and the fission chain reaction is occurring moves upward along the axis. The heat energy generated by this nuclear fission is removed by the coolant 8. When the region where the fission chain reaction occurs moves from the lower side to the upper side along the axis, it is preferable that the coolant 8 also flows from the lower side to the upper side of the core 1, but FIG. It is also possible to cool the core 1 by flowing the coolant 8 from the upper side to the lower side of the core 1 as shown in FIG.
【0042】燃焼と共に濃縮ウラン燃料の核種割合が変
化していく様子を図11に示す。濃縮ウランの濃縮度と
して例えば5重量%としたとき、新燃料の状態では図1
1(a)に示すように、ウラン235(U−235)と
ウラン238(U−238)は重量比で5:95であっ
たものが、下方から中性子を吸収するようになると、図
11(b)に示すように先ず、可燃性毒物が減少する。
更に可燃性毒物が減少し、ウラン235の一部が核分裂
によりFPに変換するとともに、別の一部が中性子捕獲
によりウラン236に変換する。ウラン238の一部が
高速中性子を捕獲し、更に2度のβ崩壊を介してプルト
ニウム239となる。核分裂性核種の数は全体として減
少してゆく。FIG. 11 shows how the ratio of nuclides in the enriched uranium fuel changes with combustion. When the enrichment of enriched uranium is, for example, 5% by weight, the state of fresh fuel is as shown in FIG.
As shown in FIG. 1 (a), uranium 235 (U-235) and uranium 238 (U-238) had a weight ratio of 5:95, but when they began to absorb neutrons from below, FIG. First, as shown in b), burnable poisons are reduced.
Further, the burnable poison is reduced, and a part of uranium 235 is converted into FP by fission, and another part is converted into uranium 236 by neutron capture. A part of uranium 238 captures fast neutrons, and becomes plutonium 239 through two β-decays. The number of fissile nuclides decreases as a whole.
【0043】更に燃焼が進行すると、図11(c)に示
すように、更に可燃性毒物が減少し、ウラン235が更
にFPとウラン236に変換する。また、ウラン238
からは上述したようにしてプルトニウム239が生成す
る一方、既に生成しているプルトニウム239からは、
核分裂によりFPが発生するとともに、中性子の捕獲に
よりプルトニウム240が生成する。核分裂性核種の数
は全体として減少してゆく。As the combustion progresses further, as shown in FIG. 11 (c), the burnable poison is further reduced, and the uranium 235 is further converted into FP and uranium 236. Also, uranium 238
, While plutonium 239 is generated as described above, from the already generated plutonium 239,
FP is generated by fission, and plutonium 240 is generated by neutron capture. The number of fissile nuclides decreases as a whole.
【0044】更に燃焼が進行すると、図11(d)に示
すように、可燃性毒物は無くなる。ウラン235は更に
FPとウラン236に変換する。また、ウラン238か
らは上述したようにしてプルトニウム239が生成する
一方、既に生成しているプルトニウム239からは、核
分裂によりFPが発生するとともに、中性子の捕獲によ
りプルトニウム240が生成する。核分裂性核種の数は
全体として減少する。As the combustion progresses further, the burnable poisons disappear as shown in FIG. 11 (d). Uranium 235 further converts to FP and uranium 236. Plutonium 239 is generated from uranium 238 as described above, while FP is generated from fission 239 that has already been generated due to fission, and plutonium 240 is generated due to neutron capture. The number of fissile nuclides decreases as a whole.
【0045】更に燃焼が進行すると、図11(e)に示
すように、ウラン235が更にFPとウラン236に変
換し、その量が減少する。ウラン238からは上述した
ようにしてプルトニウム239が生成するが、核分裂性
核種の数は減少する。When combustion further progresses, as shown in FIG. 11 (e), the uranium 235 is further converted into FP and uranium 236, and the amount thereof is reduced. Plutonium 239 is produced from uranium 238 as described above, but the number of fissile nuclides is reduced.
【0046】燃焼の進行と共に、核分裂性核種の量は減
少するとともに、ウラン235や、プルトニウム239
やプルトニウム241等の核分裂によりFPが生成され
蓄積して行く。FPの中には中性子をよく吸収する物質
も含まれているので、図11(f)に示すように、FP
の量がある程度以上になると、この部分ではもはや核分
裂連鎖反応の継続が困難となり、中性子束φレベルは低
下し、核反応も起こらなくなり、核種割合もほとんど変
化しなくなる。As the combustion progresses, the amount of fissile nuclides decreases, and uranium 235 and plutonium 239
FP is generated and accumulated by nuclear fission of or plutonium 241 or the like. Since FP also contains a substance that absorbs neutrons well, as shown in FIG.
When the amount of is higher than a certain level, it becomes difficult to continue the fission chain reaction in this part, the neutron flux φ level decreases, the nuclear reaction does not occur, and the nuclide ratio hardly changes.
【0047】炉心1においては図11(b)から図11
(e)に対応する領域で臨界を維持しているが、これら
の領域のうち図11(e)に対応する部分はやがて図1
1(f)の状態となり、臨界を維持する領域から抜けて
いく。In the core 1, FIG. 11 (b) to FIG.
Although the criticality is maintained in the region corresponding to (e), the portion of these regions corresponding to FIG.
The state becomes 1 (f), and the region where the criticality is maintained is exited.
【0048】一方、図11(a)に対応する部分はやが
て図11(b)の状態となり、臨界を維持する領域に入
ってくる。図11(a)に対応する部分は燃料体2の上
部であり、図11(f)に対応する部分は燃料体2の下
部であることから、中性子束φが立ち上がっている燃焼
部Bは、燃焼と共に上方へと移動していく。On the other hand, the portion corresponding to FIG. 11 (a) eventually becomes the state of FIG. 11 (b), and enters the criticality maintaining region. Since the portion corresponding to FIG. 11A is the upper portion of the fuel body 2 and the portion corresponding to FIG. 11F is the lower portion of the fuel body 2, the combustion portion B in which the neutron flux φ rises is It moves upward as it burns.
【0049】このようにして、本発明の実施の形態に係
る原子炉の炉心1では、中性子束φが立ち上がっている
燃焼部Bが、図10(a)および図10(b)に示すよ
うに炉心1の軸方向に沿って上方に移動することによっ
て燃焼が進行して行く。そして、中性子束φが立ち上が
っている燃焼部Bが、炉心1の上端部にまで移動した場
合には、その上部にはもはや核燃料物質Mは存在しない
ので核分裂連鎖反応が停止し、運転サイクルが終了す
る。つまり、運転サイクルの長さは、炉心1の高さによ
って決定するので、炉心1の高さを高くするほど、炉心
1の運転サイクル長さが長くなる。As described above, in the core 1 of the nuclear reactor according to the embodiment of the present invention, the combustion part B in which the neutron flux φ rises is as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). Combustion proceeds by moving upward along the axial direction of the core 1. Then, when the combustion part B in which the neutron flux φ rises moves to the upper end part of the core 1, the nuclear fuel material M is no longer present in the upper part, so that the nuclear fission chain reaction stops and the operation cycle ends. To do. That is, since the length of the operation cycle is determined by the height of the core 1, the higher the height of the core 1, the longer the operation cycle length of the core 1.
【0050】燃焼部Bが炉心1の上端部に至った場合、
臨界を維持できなくなり、中性子束φが立ち上がってい
る燃焼ピーク部は炉心1の上端部までに至ることはな
い。このため、図10(b)に示すように、炉心1の上
端部近傍では、核燃料物質Mおよび可燃性毒物BPとも
に残存している。When the combustion section B reaches the upper end of the core 1,
The criticality cannot be maintained and the combustion peak where the neutron flux φ is rising does not reach the upper end of the core 1. Therefore, as shown in FIG. 10B, both the nuclear fuel material M and the burnable poison BP remain in the vicinity of the upper end of the core 1.
【0051】本発明の実施の形態に係る原子炉では、次
の運転サイクルに移行するために、図10(b)および
図10(c)に示すように、該運転サイクルで炉心1の
最上段に装荷されていた燃料体2を、炉心1から取り出
す。そして、その他の燃料体2を、使用済み燃料として
炉心1から取り出した後に、該運転サイクルで最上段に
装荷されていた燃料体2を、炉心1の最下段に装荷し、
次の運転サイクルのための燃焼開始部24として利用す
る。つまり、該運転サイクルで最上段に装荷されていた
燃料体2は、燃焼領域となっているのでこの燃料体2を
次の運転サイクルの燃焼開始部24として有効利用す
る。燃焼開始部24として用いる燃料体2の上には、上
述したようにして交換用の燃料体2を積み上げることに
よって次の運転サイクルの炉心1を構成する。In the nuclear reactor according to the embodiment of the present invention, in order to shift to the next operation cycle, as shown in FIGS. 10 (b) and 10 (c), the uppermost stage of the core 1 is moved in the operation cycle. The fuel body 2 loaded in the core is taken out from the core 1. Then, after the other fuel bodies 2 are taken out from the core 1 as spent fuel, the fuel bodies 2 loaded on the uppermost stage in the operation cycle are loaded on the lowermost stage of the core 1,
It is used as the combustion starter 24 for the next operation cycle. That is, the fuel body 2 loaded in the uppermost stage in the operation cycle is in the combustion region, so that the fuel body 2 is effectively used as the combustion start portion 24 in the next operation cycle. The replacement fuel body 2 is stacked on the fuel body 2 used as the combustion starting portion 24 as described above to form the core 1 for the next operation cycle.
【0052】このようにして構成された炉心1もまた、
図10(c)および図10(d)に示すように、図10
(a)および図10(b)に示すのと同様に、その燃焼
部Bが炉心1の軸方向に沿って上方に移動していく。The core 1 thus constructed also has
As shown in FIG. 10C and FIG.
As shown in FIGS. 10A and 10B, the combustion part B moves upward along the axial direction of the core 1.
【0053】次に、以上のように構成した本発明の実施
の形態に係る原子炉の炉心の作用について説明する。Next, the operation of the core of the nuclear reactor according to the embodiment of the present invention configured as described above will be described.
【0054】燃焼開始部24の中性子源から中性子が発
せられると、この中性子によってこの燃料体2(燃焼開
始部24)に含まれている燃料の核分裂が引き起り、図
10(a)に示すように中性子束φが立ち上がる。When neutrons are emitted from the neutron source of the combustion start portion 24, the neutrons cause nuclear fission of the fuel contained in the fuel body 2 (combustion start portion 24), as shown in FIG. 10 (a). The neutron flux φ rises at.
【0055】また、この核分裂によって核燃料物質Mは
FPに変化するので、図10(a)に示すように核燃料
物質Mが炉心下端部側から減少し、FPが炉心下端部側
から蓄積する。可燃性毒物BPは、核分裂によって生成
した中性子を吸収して他の物質に変換するので炉心下端
部側から減少する。Since the nuclear fuel material M is changed to FP by this nuclear fission, the nuclear fuel material M decreases from the core lower end side and the FP accumulates from the core lower end side as shown in FIG. 10 (a). The burnable poison BP absorbs neutrons generated by nuclear fission and converts them into other substances, and thus decreases from the core lower end side.
【0056】FPの中には中性子をよく吸収する物質も
含まれているので、図11(f)に示すように、FPの
量がある程度以上になると、この部分ではもはや核分裂
連鎖反応の継続が困難となり、中性子束φレベルは低下
し、核反応も起こらなくなり、核種割合もほとんど変化
しなくなる。炉心1においては図11(b)から図11
(e)に対応する領域で臨界を維持しているが、これら
の領域のうち図11(e)に対応する部分はやがて図1
1(f)の状態となり、臨界を維持する領域から抜けて
いく。Since FP also contains a substance that absorbs neutrons well, as shown in FIG. 11 (f), when the amount of FP exceeds a certain level, the fission chain reaction is no longer continued in this part. It becomes difficult, the neutron flux φ level decreases, nuclear reaction does not occur, and the nuclide ratio hardly changes. 11 (b) to FIG. 11 in the core 1.
Although the criticality is maintained in the region corresponding to (e), the portion of these regions corresponding to FIG.
The state becomes 1 (f), and the region where the criticality is maintained is exited.
【0057】一方、図11(a)に対応する部分はやが
て図11(b)の状態となり、臨界を維持する領域に入
ってくる。図11(a)に対応する部分は燃料体2の上
部であり、図11(f)に対応する部分は燃料体2の下
部であることから、中性子束φが立ち上がっている燃焼
部Bは燃焼と共に上方へと移動していく。On the other hand, the portion corresponding to FIG. 11 (a) eventually becomes the state of FIG. 11 (b), and enters the region where the criticality is maintained. Since the portion corresponding to FIG. 11 (a) is the upper portion of the fuel body 2 and the portion corresponding to FIG. 11 (f) is the lower portion of the fuel body 2, the combustion portion B in which the neutron flux φ rises burns. With it moves upwards.
【0058】このようにして、本発明の実施の形態に係
る原子炉の炉心1では、中性子束φが立ち上がっている
燃焼部Bが、炉心1の軸方向に沿って上方に向かって移
動し、燃焼部Bの上段に配置された燃料体2に移行す
る。そして、燃焼部Bの上段に配置された燃料体2にお
いても、上述したようにして可燃性毒物が減少し、更に
その上段に配置された燃料体2に燃焼部Bが移行して行
く。As described above, in the core 1 of the nuclear reactor according to the embodiment of the present invention, the combustion part B in which the neutron flux φ rises moves upward along the axial direction of the core 1, The fuel body 2 moves to the upper stage of the combustion section B. Also in the fuel body 2 arranged in the upper stage of the combustion section B, the combustible poison is reduced as described above, and the combustion section B moves to the fuel body 2 arranged in the upper stage.
【0059】このようにして、本発明の実施の形態に係
る原子炉の炉心1では、図10(a)および図10
(b)に示すように、出力分布(中性子束φの分布)の
形を維持したまま、燃焼部Bが炉心1の上下端部を結ぶ
軸に沿って移行して行く。したがって、一度冷却材8の
流量およびその冷却チャンネル毎の配分を最適化して運
転サイクルを開始すると、該運転サイクルが終了するま
でその流量を変更する必要がない。また、炉心高さを高
くすることによって、運転サイクルの長期化がなされ
る。In this way, in the reactor core 1 of the reactor according to the embodiment of the present invention, as shown in FIGS.
As shown in (b), the combustion part B moves along the axis connecting the upper and lower ends of the core 1 while maintaining the shape of the power distribution (distribution of neutron flux φ). Therefore, once the flow rate of the coolant 8 and its distribution for each cooling channel are optimized and the operation cycle is started, it is not necessary to change the flow rate until the operation cycle ends. Further, by increasing the height of the core, the operation cycle is lengthened.
【0060】なお、1回の核分裂あたり平均して200
MeV(1eVは約1.6×10− 19J)のエネルギ
ーが放出される。この核分裂エネルギーは、燃料体2の
温度を上昇させるが、燃料体2の外周を流れているヘリ
ウムガスあるいは炭酸ガスが用いられた冷却材8によっ
て除熱される。It should be noted that an average of 200 per nuclear fission
MeV (1 eV to about 1.6 × 10 - 19 J) energy is released. This nuclear fission energy raises the temperature of the fuel body 2, but is removed by the coolant 8 using the helium gas or carbon dioxide gas flowing on the outer periphery of the fuel body 2.
【0061】燃焼部Bが炉心1の上端部にまで移行する
ことによって該運転サイクルが終了する。そして、該運
転サイクルで炉心1の最上段に装荷されていた燃料体2
が、炉心1から取り出される。この燃料体2には、核燃
料物質Mおよび可燃性毒物BPともに残存しているとと
もに、プルトニウムが蓄積しているので、その他の燃料
体2が炉心1から使用済み燃料として取り出され後に、
炉心1の最下段に再装荷され、次の運転サイクルの燃焼
開始部24として用いられる。燃焼開始部24として用
いられる燃料体2の上部には、交換用の燃料体2が積み
上げられることによって次の運転サイクルの炉心1が構
成される。The operation cycle is completed by moving the combustion section B to the upper end of the core 1. The fuel body 2 loaded on the uppermost stage of the core 1 in the operation cycle
Are taken out of the core 1. Since both the nuclear fuel material M and the burnable poison BP remain in this fuel body 2 and plutonium is accumulated, after the other fuel bodies 2 are taken out from the core 1 as spent fuel,
It is reloaded to the lowermost stage of the core 1 and used as the combustion start portion 24 in the next operation cycle. The replacement fuel bodies 2 are stacked on the fuel body 2 used as the combustion start portion 24 to form the core 1 for the next operation cycle.
【0062】本発明の実施の形態に係る原子炉の炉心1
では、このような核燃料物質の取替方法を採用している
ので、核燃料物質を有効に利用することができる。さら
にこの取替方法は、炉心1の径方向の燃料体2の配置換
えを不要とし、軸方向のみに直線的に移動することによ
り実現できるので、短時間で行うことができる。また、
このようにして構成された次の運転サイクルの炉心1を
再起動する場合には、特別な燃焼開始部24は不要とな
る。Reactor core 1 according to an embodiment of the present invention
Since such a method of replacing the nuclear fuel material is adopted, the nuclear fuel material can be effectively used. Furthermore, this replacement method can be implemented in a short period of time because it does not require relocation of the fuel body 2 in the radial direction of the core 1 and can be realized by linearly moving only in the axial direction. Also,
When the core 1 of the next operation cycle configured in this way is restarted, the special combustion start part 24 becomes unnecessary.
【0063】上述したように、本発明の実施の形態に係
る原子炉の炉心1においては、燃焼開始部24として用
いる燃料体2以外の全ての燃料体2は、単一濃縮度の濃
縮ウランに単一割合で可燃性毒物を混合することによっ
て構成することができるのみならず、制御棒を必要とし
ないために、その構成を極めて簡素化することが可能と
なるのみならず、異常反応度投入事故をなくすことがで
きる。As described above, in the reactor core 1 according to the embodiment of the present invention, all the fuel bodies 2 other than the fuel body 2 used as the combustion start portion 24 are enriched uranium having a single enrichment. Not only can it be constructed by mixing combustible poisons in a single ratio, but since it does not require a control rod, its configuration can be extremely simplified, and abnormal reactivity is injected. You can eliminate accidents.
【0064】また、原子炉の運転時には、図10(a)
および図10(b)に示すように、出力分布は、その形
を変えずに炉心1の軸方向に沿って移動するだけである
ので、運転サイクルの開始時に一旦冷却材流量を最適化
すると最後までそれを変更することなく運転を容易に継
続することができる。しかも運転サイクル中は、ペブル
ベット型高温ガス炉のような燃料の出し入れを必要とし
ないので、制御棒を必要としないこととも相俟って運転
を極めて簡素化することが可能となる。Further, when the reactor is in operation, FIG.
And as shown in FIG. 10 (b), the power distribution only moves along the axial direction of the core 1 without changing its shape. Therefore, once the coolant flow rate is optimized at the start of the operation cycle, You can easily continue driving without changing it until. Moreover, during the operation cycle, it is not necessary to take in and out the fuel unlike the pebble bed type high temperature gas furnace, so that the operation can be extremely simplified in combination with not requiring the control rod.
【0065】また、反応度等の炉心特性も燃焼が進んで
も変化しない。この特徴により、運転の方法や事故時に
おける対応も、燃焼によって変化することが無くなり、
簡単となる。特にプルトニウム燃焼炉等では、ウラン2
38等の親物質を炉心に入れないので、負の反応度係数
を可燃性毒物に期待している。この場合、燃焼が進む
と、負の反応度の絶対値が小さくなってきて、原子炉が
危険側にシフトする。よって、プルトニウム燃焼炉等で
は、これに対する対策を講じておかねばならないが、本
発明の実施の形態に係る原子炉の炉心では、このような
対策は不要となる。Further, the core characteristics such as reactivity are not changed even if combustion progresses. With this feature, the driving method and the response at the time of the accident will not change due to combustion,
It will be easy. Especially in plutonium combustion furnaces, uranium 2
Since the parent substances such as 38 cannot be put into the core, we expect a negative reactivity coefficient for burnable poisons. In this case, as the combustion progresses, the absolute value of the negative reactivity becomes smaller and the reactor shifts to the dangerous side. Therefore, in a plutonium combustion reactor or the like, measures must be taken against this, but in the reactor core of the reactor according to the embodiment of the present invention, such measures are unnecessary.
【0066】更に、炉心1の高さを高くすることによっ
て運転サイクルの長さを容易に長くすることができる。
すなわち、実質的に運転サイクルの長さを原子力発電所
のプラント寿命と同等にすることができるので、燃料交
換を不要とすることも可能となる。これによって、原子
炉圧力容器5の蓋を開けることもなくなり、発展途上国
のようなところでの建設をも期待することができる。Further, by increasing the height of the core 1, the length of the operation cycle can be easily lengthened.
That is, since the length of the operation cycle can be made substantially equal to the life of the plant of the nuclear power plant, it becomes possible to eliminate the need for refueling. As a result, the lid of the reactor pressure vessel 5 will not be opened, and construction in a developing country can be expected.
【0067】上述した本発明の実施の形態に係る原子炉
の炉心1は、固体燃料を炉心1に装荷するタイプのほと
んどの原子炉に適用することができる。特に米国で実用
化直前にあり、日本でも運転が開始されたブロック燃料
型高温ガス炉に適用するにはほとんどその設計変更を要
しない。また、軽水炉のように、炉心1のサイズや、燃
料体2、反射体3、あるいは冷却材8といった仕様の相
違によって中性子の利用効率がブロック燃料型高温ガス
炉よりも低い炉心であっても、濃縮ウランの濃縮度を高
め、可燃性毒物を適切に添加し運転サイクル初期の余剰
の反応度を下げることによって炉心1を成立させること
が可能となる。The reactor core 1 of the reactor according to the above-described embodiment of the present invention can be applied to most reactors of the type in which solid fuel is loaded in the core 1. In particular, the design change is hardly required to apply it to the block fuel type high temperature gas reactor, which is in the stage of practical use in the United States and has been put into operation in Japan. Further, even in a light water reactor, the neutron utilization efficiency is lower than that of the block fuel type high temperature gas reactor due to the difference in the size of the core 1, the specifications of the fuel body 2, the reflector 3, or the coolant 8, The core 1 can be established by increasing the enrichment of uranium enrichment, appropriately adding a combustible poison, and reducing the excess reactivity at the beginning of the operation cycle.
【0068】更に、本発明の実施の形態に係る原子炉の
炉心1は、前の運転サイクルにおいて残存している濃縮
ウランや、蓄積したプルトニウムを含む燃料体2を次の
運転サイクルの燃焼開始部24として用いるので、核燃
料物質を有効に利用することができる。また、運転サイ
クル開始前に行われる燃料の取替は、前の運転サイクル
において装荷されていた燃料体2を燃焼開始位置に移動
させるだけの軸方向のみの移動であり、径方向への移動
を伴わないので、短時間で行うことが可能である。Further, in the reactor core 1 according to the embodiment of the present invention, the fuel body 2 containing the enriched uranium remaining in the previous operation cycle and the accumulated plutonium is used for the combustion start portion of the next operation cycle. Since it is used as 24, the nuclear fuel material can be effectively used. Further, the fuel replacement performed before the start of the operation cycle is a movement only in the axial direction that moves the fuel body 2 loaded in the previous operation cycle to the combustion start position, and does not move in the radial direction. Since it is not accompanied, it can be performed in a short time.
【0069】以上、本発明の好適な実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかか
る構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技
術的思想の範嬢において、当業者であれば、各種の変更
例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及
び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと
了解される。The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such configurations. In the scope of the technical idea described in the claims, those skilled in the art can come up with various modifications and modifications, and those modifications and modifications are also technical aspects of the present invention. It is understood that it belongs to the range.
【0070】[0070]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
制御棒によって反応度を調整しなくても一定出力で核分
裂連鎖反応を継続することができる。以上により、運転
の容易性と安全性との両方に優れた原子力の炉心を実現
することができる。As described above, according to the present invention,
The fission chain reaction can be continued at a constant output without adjusting the reactivity by the control rod. As described above, it is possible to realize a nuclear core excellent in both operability and safety.
【0071】また、本発明によれば、運転サイクル終了
後には、燃焼下流側にある燃え残りのある核燃料物質
を、次の運転サイクルの燃焼開始部として利用すること
ができる。以上により、核燃料物質の複雑な配置換えを
不要とするとともに、核燃料物質を効率的に燃焼させる
ことが可能な原子炉の炉心における核燃料物質の取替方
法を実現することができる。Further, according to the present invention, after the end of the operation cycle, the unburned nuclear fuel substance on the downstream side of the combustion can be used as the combustion start portion of the next operation cycle. As described above, it is possible to realize a method of replacing a nuclear fuel material in a core of a nuclear reactor, which does not require complicated arrangement of the nuclear fuel material and can efficiently burn the nuclear fuel material.
【図1】本発明の実施の形態に係る原子炉の炉心の構成
例を示す平断面図FIG. 1 is a plan sectional view showing a configuration example of a core of a nuclear reactor according to an embodiment of the present invention.
【図2】同実施の形態に係る原子炉の炉心を内部に収納
する原子炉圧力容器の構成例を示す立断面図FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing a configuration example of a reactor pressure vessel that internally houses the reactor core of the same embodiment.
【図3】同実施の形態に係る原子炉の炉心に装荷される
燃料体の構成例を示す斜視図FIG. 3 is a perspective view showing a configuration example of a fuel body loaded in a core of a nuclear reactor according to the same embodiment.
【図4】同実施の形態に係る原子炉の炉心に装荷される
燃料体を構成している燃料棒の構成例を示す斜視図FIG. 4 is a perspective view showing a configuration example of a fuel rod which constitutes a fuel body loaded in a core of a nuclear reactor according to the same embodiment.
【図5】同実施の形態に係る原子炉の炉心に装荷される
燃料体を構成している燃料棒に装填される燃料コンパク
トの構成例を示す斜視図FIG. 5 is a perspective view showing a configuration example of a fuel compact loaded in a fuel rod which constitutes a fuel body loaded in a core of a nuclear reactor according to the same embodiment.
【図6】可燃性毒物を含まない燃料体の炉心体系におけ
る無限増倍率と燃焼度との関係図FIG. 6 is a diagram showing the relationship between infinite multiplication factor and burnup in a core system of a fuel body containing no combustible poison.
【図7】核燃料物質に対して所定比率の可燃性毒物を均
一に含んだ燃料体の炉心体系における無限増倍率と燃焼
度との関係図FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the infinite multiplication factor and the burnup in a core system of a fuel body that uniformly contains a burnable poison in a predetermined ratio with respect to a nuclear fuel material.
【図8】可燃性毒物を含む燃料体と、含まない燃料体と
の無限増倍率と燃焼度との関係を示す比較図FIG. 8 is a comparative diagram showing the relationship between infinite multiplication factor and burnup between a fuel body containing burnable poison and a fuel body not containing burnable poison.
【図9】炉心における核燃料物質と中性子源との配置関
係を概念図FIG. 9 is a conceptual diagram showing the arrangement relationship between the nuclear fuel material and the neutron source in the core.
【図10】同実施の形態に係る原子炉の炉心における出
力および物質収支バランスのイメージを示す概念図FIG. 10 is a conceptual diagram showing an image of output and mass balance in the core of the nuclear reactor according to the same embodiment.
【図11】ウラン、プルトニウム、FPの核種割合の変
化を示す模式図FIG. 11 is a schematic diagram showing changes in the ratio of nuclides of uranium, plutonium, and FP.
A…領域 B…燃焼部 M…核燃料物質 BP…可燃性毒物 φ…中性子束 1…炉心 2…燃料体 3…反射体 4…原子炉 5…原子炉圧力容器 7…二重配管 8…冷却材 10…燃料棒 11…黒鉛ブロック 13…黒鉛スリーブ 14…燃料コンパクト 15…端栓 17…被覆燃料粒子 18…燃料核 19…低密度熱分解炭素 20…高密度熱分解炭素 21…炭化ケイ素 22…高密度熱分解炭素 23…核燃料物質領域 24…燃焼開始部 A ... area B ... Combustion section M ... Nuclear fuel material BP ... Combustible poison φ ... Neutron flux 1 ... core 2 ... Fuel 3 ... Reflector 4 ... Reactor 5 ... Reactor pressure vessel 7 ... Double piping 8 ... Coolant 10 ... Fuel rod 11 ... Graphite block 13 ... Graphite sleeve 14 ... Fuel compact 15 ... End plug 17 ... Coated fuel particles 18 ... Fuel core 19 ... Low density pyrolytic carbon 20 ... High-density pyrolytic carbon 21 ... Silicon Carbide 22 ... High-density pyrolytic carbon 23 ... Nuclear fuel material area 24 ... Combustion start part
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G21C 3/32 G (56)参考文献 Hiroshi Sekimoto, Kohichi Ryuu,Demon strating the Feasi bility of the CAND LE Burnup Scheme f or Fast Reactors,T ransaction of Amer ican Nuclear Socie ty,米国,2000年12月12日,83,45 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G21C 1/02 G21C 5/00 G21C 3/326 G21C 3/328 G21C 5/18 Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI G21C 3/32 G (56) References Hiroshi Sekimoto, Kohichi Ryuu, Demonstracing the Feasir reef feat. American Nuclear Society, December 12, 2000, 83, 45 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G21C 1/02 G21C 5/00 G21C 3/326 G21C 3/328 G21C 5/18
Claims (5)
た均一濃縮度の濃縮ウランからなる核燃料が規則的に配
置されてなる核燃料領域と、 前記核燃料領域の下端部または上端部に備えられ、中性
子を前記核燃料に供給することによって前記核燃料の核
分裂連鎖反応による燃焼を開始させる燃焼開始部と、 前記燃焼開始部によって開始された核分裂連鎖反応によ
って発生した核分裂エネルギーを受けた前記核燃料領域
および前記燃焼開始部を冷却する冷却材とを備え、前記
核分裂連鎖反応を継続するようにした原子炉の炉心。1. A nuclear fuel region in which a nuclear fuel composed of enriched uranium with a uniform enrichment to which a neutron burnable poison is added at a uniform concentration is regularly arranged, and a nuclear fuel region is provided at a lower end or an upper end of the nuclear fuel region, A combustion initiation part for initiating combustion of the nuclear fuel by a fission chain reaction by supplying neutrons to the nuclear fuel; the nuclear fuel region and the combustion receiving the fission energy generated by the fission chain reaction initiated by the combustion initiation part. A core of a nuclear reactor, comprising a cooling material for cooling a starting part, and adapted to continue the fission chain reaction.
燃性毒物が添加された前記燃焼軸方向に沿って均一濃縮
度の濃縮ウランからなる核燃料が規則的に配置されてな
る核燃料領域と、 前記核燃料領域の下端部または上端部に備えられ、中性
子を前記核燃料に供給することによって前記核燃料の核
分裂連鎖反応による燃焼を開始させる燃焼開始部と、 前記燃焼開始部によって開始された核分裂連鎖反応によ
って発生した核分裂エネルギーを受けた前記核燃料領域
および前記燃焼開始部を冷却する冷却材とを備え、前記
核分裂連鎖反応を継続するようにした原子炉の炉心。2. A nuclear fuel region in which nuclear fuel composed of enriched uranium of uniform enrichment is regularly arranged along the combustion axis direction, in which neutron burnable poison is added at a uniform concentration along the combustion axis direction, A combustion start part provided at the lower end or the upper end of the nuclear fuel region to start the combustion of the nuclear fuel by a fission chain reaction by supplying neutrons to the nuclear fuel, and a fission chain reaction started by the combustion initiation part. A nuclear reactor core provided with the nuclear fuel region that has received the generated nuclear fission energy and a coolant that cools the combustion start portion, and that continues the nuclear fission chain reaction.
燃焼の持続時間である原子炉運転期間に亘って、前記燃
焼開始部が備えられた前記核燃料領域の端部側から、前
記核燃料領域の上端部と下端部とを結ぶ軸に沿って、ほ
ぼ同じ熱出力分布で移動させるようにした請求項1また
は請求項2に記載の原子炉の炉心。3. Combustion by the nuclear fission chain reaction is performed from the end side of the nuclear fuel region where the combustion initiation part is provided to the upper end of the nuclear fuel region over the reactor operation period which is the duration of the combustion. The core of the nuclear reactor according to claim 1 or 2, wherein the core is moved with substantially the same heat output distribution along an axis connecting the lower portion and the lower portion.
域において熱出力が発生している熱出力部が前記軸に沿
って移動する移動速度で除することによって前記原子炉
運転期間を決定するようにした請求項3に記載の原子炉
の炉心。4. The nuclear reactor operating period is determined by dividing the height of the nuclear fuel region by the moving speed at which the heat output portion generating heat output in the nuclear fuel region moves along the axis. The core of the nuclear reactor according to claim 3, wherein
核燃料物質の取替方法であって、 前記熱出力部が、前記燃焼開始部が備えられた前記核燃
料領域の端部から、前記軸に沿って前記核燃料領域の他
の端部の近傍にまで移動した場合には、前記核分裂連鎖
反応を停止させ、この停止時における熱出力部にある核
燃料を次の原子炉運転期間の炉心の燃焼開始部として、
前記次の原子炉運転期間の炉心を構成するようにした原
子炉の炉心における核燃料物質の取替方法。5. The method of replacing nuclear fuel material in a core of a nuclear reactor according to claim 4, wherein the heat output portion is provided from an end portion of the nuclear fuel region where the combustion initiation portion is provided to the shaft. When it moves to the vicinity of the other end of the nuclear fuel region along with, the nuclear fission chain reaction is stopped, and the nuclear fuel in the heat output part at the time of this shutdown is burned in the core during the next reactor operation period. As a starting point,
A method for replacing nuclear fuel material in a core of a nuclear reactor, which is configured to form a core during the next reactor operation period.
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