JP7297699B2 - 高速炉の炉心および高速炉の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉の構造とその制御に係り、特に、高速炉に適用して有効な技術に関する。

一般的に、高速増殖炉では、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（Ｐｕ）を富化した劣化ウラン（Ｕ－２３８）を封入した複数の燃料棒や、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へい体領域を有する。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、上記のような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。そして、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劣化ウラン（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、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、主炉停止系制御棒は燃焼に伴う反応度の変化や出力分布の調整に用いられる。後備炉停止系制御棒は、主炉停止系制御棒が万一故障した場合のバックアップのために設置されている。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。

一般に高速炉の炉心燃料領域のボイド反応度は正であり、外部電源喪失などによる１次冷却系ポンプの停止と万一のスクラム失敗を同時に想定すると、冷却材温度が上昇し炉心損傷に至る可能性がある。受動的な対策として、冷却材出口温度が上昇すると、制御棒を保持する磁力が喪失し自動的に制御棒が落下して原子炉を停止させる自己作動型の原子炉停止系SASS（Slf-Actuatd Shutdown System）が検討されている。

また、高速炉の炉心燃料の上部にラッパ管と流動ナトリウムのみで構成され燃料棒束が無いＮａプレナム付き炉心が検討されている。例えば特許文献１では、Ｎａプレナム付き高速炉の炉心において、燃料棒の上部ガスプレナムで用いられるスプリングをコイルばねから皿ばねに変更することによってＮａプレナム領域の構造材の体積割合を小さくして、ボイド反応度低減を図っている。これは、Ｎａプレナム領域の冷却材がボイド化した場合に、炉心から上方に漏れた中性子の一部がＦｅ等の構造材の原子核に散乱されて、炉心の燃料に吸収されるため、構造材の割合が小さい程、Ｆｅ等に散乱されて炉心の燃料に吸収される確率が減るためである。

特開２０１６－８５１１８号公報

高速増殖炉などの高速炉では、安全性を考慮して、ボイド反応度を一定の範囲内に収めることが求められる。上記特許文献１では、Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合を小さくすることでボイド反応度を低減しているが、燃料棒の構造や収納される核燃料物質によっては、その効果が限定的となる場合が想定される。

特許文献１では言及されていないが、Ｎａプレナム領域を設置した炉心では、Ｎａプレナム領域に挿入される制御棒の吸収材の待機位置を見直すことによって、ボイド反応度をより確実に低減できる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、炉心燃料の上部にナトリウムプレナムを設置した高速炉の炉心において、より確実にボイド反応度を低減可能な高速炉の炉心およびその運転方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、炉心燃料の上部にナトリウムプレナムを設置した高速炉の炉心であって、主炉停止系制御棒の先端を炉心燃料領域に挿入し、後備炉停止系制御棒の先端を前記炉心燃料領域の上端よりも上方、かつ、前記ナトリウムプレナムの上端と略同一の位置に配置して運転することを特徴とする。

また、本発明は、炉心燃料の上部にナトリウムプレナムを設置した高速炉の運転方法であって、主炉停止系制御棒の先端を炉心燃料領域に挿入し、後備炉停止系制御棒の先端を前記炉心燃料領域の上端よりも上方、かつ、前記ナトリウムプレナムの上端と略同一の位置に配置して運転することを特徴とする。

本発明によれば、炉心燃料の上部にナトリウムプレナムを設置した高速炉の炉心において、より確実にボイド反応度を低減可能な高速炉の炉心およびその運転方法を実現することができる。

これにより、高速炉の更なる信頼性向上が図れる。

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。

本発明の実施例１に係る炉心の縦断面構造及び制御棒の挿入位置を示す図である。 本発明の実施例２に係る炉心の縦断面構造及び制御棒の挿入位置を示す図である。 本発明の実施例３に係る炉心の縦断面構造及び制御棒の挿入位置を示す図である。 本発明の実施例３に係る内側炉心燃料集合体及び外側炉心燃料集合体の断面構造を示す図である。 本発明の実施例３に係る炉心の水平断面構造を示す図である。 炉心平均の中性子束の軸方向分布を示す図である。 本発明の実施例４に係る炉心の縦断面構造及び制御棒の挿入位置を示す図である。 本発明の実施例４に係る炉心の水平断面構造を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１及び図６を参照して、本発明の実施例１の高速炉の炉心とその運転方法について説明する。図１は、本実施例の炉心の縦断面構造及び制御棒の挿入位置を示している。また、図６は、高速炉運転時における炉心平均の軸方向の中性子束分布を示している。

本実施例の高速炉の炉心１は、図１に示すように、プルトニウム（Ｐｕ）を装荷した炉心燃料領域２と、図中には示していないが、炉心燃料領域２の上部に設置されたラッパ管と流動ナトリウム（Ｎａ）より構成され、燃料棒束を有しないＮａプレナム領域３、及び炉心燃料領域２の下部に設置されて燃料の核分裂によって発生する核分裂生成物FP（Fission Product）の内の気体状のFPを保持するためのガスプレナム領域４を有する。

本実施例においては、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）のペレットを内包する複数の制御棒要素を束ねステンレス製のラッパ管で収納された制御棒集合体と、この制御棒集合体を炉上部に駆動可能に支持し駆動制御する制御棒駆動機構を用いて、炉心燃料領域２の上方から制御棒案内管内５，６を出し入れして炉心の反応度を制御する。

制御棒は２系統から成り、図中の符号８は主炉停止系制御棒（PCR：Primary Control Rod）集合体であり、６はその案内管である。PCR８は高速炉の運転に伴う燃焼反応度と出力分布を制御する機能を有し、図１に示す通り、運転中に先端を炉心燃料領域２に挿入した状態で使用する。

図中の符号７は後備炉停止系制御棒（BCR：Backup Control Rod）集合体であり、従来の通常運転状態においては、符号５で示す案内管内で先端が丁度炉心燃料領域２の上端となる位置まで５の案内管の内部に挿入される。

本実施例では、図１に示す通り、BCR７の先端はＮａプレナム領域３内において、炉心燃料領域２より上側に挿入されている。なお、本発明は、ATWS（スクラム失敗過渡事象）時の安全性向上を目的としており、特に最も厳しいULOF（流量喪失過渡事象）時には制御棒が炉心燃料領域２に挿入されないので、BCR７の先端が炉心燃料領域２の先端位置よりも上側にあっても、ULOFへの影響はない。

図６に、高速炉運転時の炉心平均の中性子束の軸方向分布を示す。符号６１は炉心１の軸方向座標（Z軸）、符号６２は炉心平均の中性子束の相対値、符号６５は炉心燃料領域２の下端位置、符号６６は炉心燃料領域２の上端位置、符号６７はＮａプレナム領域３の上端位置である。また、符号６３はBCR７の先端が炉心燃料領域２の上端位置に挿入された場合の軸方向の中性子束分布であり、符号６４はBCR７の先端が炉心燃料領域２の上端位置よりも上側にある場合の軸方向の中性子束分布である。

図６より、BCR７の先端を炉心燃料領域２の上端から上方に引き抜くことによって、炉心１の上端側の中性子束が増大することが分かる。

これにより、ULOF時にＮａの密度が低下、もしくは沸騰した場合に炉心１の上方に位置するＮａプレナム領域３方向への中性子の漏れ量が増大するので、Ｎａプレナム領域３の負のボイド反応度がより負側の値となり、炉心全体のボイド反応度が減少する。

さらに、BCR７の中性子吸収量が減少するので、所要のＰｕ富化度が減少し、燃焼反応度が減少する。そのため、UTOP（スクラム失敗を伴う制御棒誤引き抜き事象）時の安全性も向上する。

以上説明したように、本実施例の高速炉では、主炉停止系制御棒（PCR）８の先端を炉心燃料領域２に挿入し、後備炉停止系制御棒（BCR）７の先端を炉心燃料領域２の上端よりも上方に配置して運転する。言い換えると、後備炉停止系制御棒（PCR）８の先端を炉心燃料領域２の上端とナトリウムプレナム（Ｎａプレナム領域３）の上端の間に配置して運転する。

以上から、本実施例ではULOF（流量喪失過渡事象）時およびUTOP（スクラム失敗を伴う制御棒誤引き抜き事象）時の安全性が向上する。

図２を参照して、本発明の実施例２の高速炉の炉心とその運転方法について説明する。図中の符号２１が本実施例における高速炉の炉心である。本実施例では、後備炉停止系制御棒（BCR）２２の先端は、ちょうどＮａプレナム領域３の上端位置としている。

本実施例（図２）のように、高速炉運転時にBCR２２の先端をＮａプレナム領域３の上端位置と略同一に配置することで、実施例１（図１）よりも、BCR２２の先端が炉心燃料領域２の上端から遠くなり、図６に示す炉心燃料領域２の上端における炉心平均の中性子束６４の値がより大きくなる。従って、ボイド反応度をより負側に大きくすることができる。

図３から図５を参照して、本発明の実施例３の高速炉の炉心とその運転方法について説明する。図３において、符号３０は本実施例における高速炉の炉心である。

図３に示すように、本実施例においては、炉心燃料領域が炉心３０の半径方向で中心側の内側炉心燃料領域３１と周辺側の外側炉心燃料領域３２の２つの領域で構成されており、炉心３０の軸方向において内側炉心燃料領域３１の高さが外側炉心燃料領域３２の高さよりも低い。併せて、Ｎａプレナム領域３の高さ（炉心３０の軸方向における長さ）が、内側炉心燃料領域３１で高く（長く）、外側炉心燃料領域３２で低い（短い）。内側炉心燃料領域３１には、主炉停止系制御棒（PCR）３６とその制御棒案内管３３及び後備炉停止系制御棒（BCR）３７とその制御棒案内管３４が設置されている。

本実施例では、内側炉心の主炉停止系制御棒（PCR）３６は内側炉心燃料領域３１の上部に挿入されており、内側炉心の後備炉停止系制御棒（BCR）３７はＮａプレナム領域３の上端位置まで引き抜かれている。また、外側炉心の主炉停止系制御棒（PCR）３８は外側炉心燃料領域３２の上部に挿入されている。

図４に炉心燃料集合体の構造を示す。符号４０は図３の内側炉心燃料領域３１に装荷される内側炉心燃料集合体の縦断面図である。燃料物質はＰｕを含むMOX燃料であり、Ｐｕもしくは超ウラン元素（TRU：Trans-Uranium）の酸化物と劣化ウラン（Ｕ－２３８）の酸化物を混合したペレット状の燃料を内包した内側炉心燃料棒４１をラッパ管４２の内部に複数本束ねて構成される。図４には示していないが、内側炉心燃料棒４１の間隔はステンレス製のワイヤスペーサで保持される。

燃料棒束の上部にはラッパ管４２と流動Ｎａのみで構成されるＮａプレナム４３が設けられている。内側炉心燃料集合体４０のＡ－Ａ’断面における水平断面図（図４の左下図）に示す通り、ラッパ管４２は正六角形形状であり、冷却材である流動Ｎａ４８がラッパ管４２の内側の燃料棒と燃料棒の間を垂直方向の下方から上方に流れている。

符号４４は図３の外側炉心燃料領域３２に装荷される外側炉心燃料集合体の縦断面図である。外側炉心燃料棒４５の構造や内包するMOX燃料の構成は内側炉心燃料棒４１と同様であるが、燃料棒の長さは外側炉心燃料棒４５の方が内側炉心燃料棒４１よりも長い。その結果、外側炉心燃料集合体４４のＮａプレナム４６の高さ（燃料集合体の軸方向における長さ）は内側炉心燃料集合体４０のＮａプレナム４３よりも低い（短い）。外側炉心燃料集合体４４のＢ－Ｂ’断面における水平断面図（図４の右下図）は、内側炉心燃料集合体４０の水平断面図４７と形状は同じである。

図５に炉心３０の水平断面を示す。なお、図５では炉心３０の半分（１／２炉心）の水平断面５０として示している。上述したように、炉心燃料領域は中心側の内側炉心燃料領域とその周辺に配置される外側炉心燃料領域の２つの領域で構成されており、内側炉心燃料領域には炉心高さが低い内側炉心燃料集合体４０が装荷され、外側炉心燃料領域には炉心高さが高い外側炉心燃料集合体４４が装荷されている。図３では省略されているが、外側炉心燃料領域３２の外側１列は径方向ブランケット領域であり、径方向ブランケット燃料集合体５３が装荷され、その外側２列は遮へい体領域であり、遮へい体集合体５４が装荷されている。

また、上述したように、内側炉心燃料領域には、主炉停止系制御棒（PCR）３６と後備炉停止系制御棒（BCR）３７が配置され、外側炉心燃料領域には、主炉停止系制御棒（PCR）３８が配置されている。

本実施例では、ボイド反応度への寄与が大きな内側炉心燃料領域３１の高さを外側炉心燃料領域３２の高さより低く構成しており、実施例２の高速炉の炉心よりもさらにボイド反応度を小さくすることができる。

図７及び図８を参照して、本発明の実施例４の高速炉の炉心とその運転方法について説明する。図７において、符号７１は本実施例における高速炉の炉心である。また、図８において、符号８１は本実施例の高速炉の炉心（１／２炉心）の水平断面である。

図３及び図５に示す実施例３との違いは、外側炉心燃料領域３２と径方向ブランケット領域５３との間にガス膨張式モジュール（GEM：Gas Expansion Module）集合体７２が１列配置される点である。GEM集合体７２は炉心燃料集合体のラッパ管の上部を塞いだ構造を有し、下部には冷却材の流入孔があり、内側の上端にはアルゴン（Ａｒ）ガスが封入されており、内部に冷却材Ｎａの液面が形成される。

GEM下端の流入孔における静圧と燃料集合体のバンドル部の圧損、及びGEM内部のアルゴンガスの圧力がバランスしており、通常運転時にはGEM内部のＮａ液面がＮａプレナムの上端位置にある。この状態ではＮａは中性子の反射体としての機能を有するため、炉心の核特性への影響は小さい。

ULOF（流量喪失過渡事象）時に１次系ポンプが停止して冷却材流量が減少すると、ポンプ動圧の喪失に起因してGEM下端の流入孔における圧力バランスが変化して、GEM内部のＮａ液面が炉心燃料領域の下端位置まで下がるため、炉心燃料領域から半径方向外側への中性子の漏洩量が増大し、負の反応度が挿入される。

従って、本実施例のように構成することで、ULOF時にはＮａプレナム領域の負のボイド反応度とGEM集合体７２の負の反応度によって、炉心全体の正味のボイド反応度を負にすることができ、安全性が飛躍的に向上する。

以上説明したように、本発明の各実施例によれば、Ｎａプレナムを有する高速炉の炉心において、２系統の制御棒のうち、後備炉停止系の制御棒のみをＮａプレナム上部まで引き抜くことによって炉心燃料上端の中性子束を増加させ、冷却材ボイド時の炉心燃料からＮａプレナムへの中性子の漏れを増加させて、ボイド反応度を低減することができる。さらに、後備炉停止系の制御棒による中性子の吸収が減少するので、所要のＰｕ富化度を低減でき、燃焼反応度も低減できる。

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、上記の実施例は本発明に対する理解を助け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、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１，２１，３０，７１…（高速炉の）炉心、２…炉心燃料領域、３…Ｎａプレナム領域、４…ガスプレナム領域、５…後備炉停止系制御棒（BCR）の案内管、６…主炉停止系制御棒（PCR）の案内管、７，２２…後備炉停止系制御棒（BCR）、８，２３…主炉停止系制御棒（PCR）、３１…内側炉心燃料領域、３２…外側炉心燃料領域、３３…（内側炉心の）主炉停止系制御棒（PCR）の案内管、３４…（内側炉心の）後備炉停止系制御棒（BCR）の案内管、３５…（外側炉心の）主炉停止系制御棒（PCR）の案内管３６…（内側炉心の）主炉停止系制御棒（PCR）、３７…（内側炉心の）後備炉停止系制御棒（BCR）、３８…（外側炉心の）主炉停止系制御棒（PCR）、４０…内側炉心燃料集合体、４１…内側炉心燃料棒、４２…ラッパ管、４３…（内側炉心燃料集合体の）Ｎａプレナム、４４…外側炉心燃料集合体、４５…外側炉心燃料棒、４６…（外側炉心燃料集合体の）Ｎａプレナム、４７…燃料集合体の水平断面、４８…流動Ｎａ（冷却材）、５０…炉心の水平断面（１／２炉心）、５３…径方向ブランケット燃料集合体（径方向ブランケット領域）、５４…遮へい体集合体、６１…炉心の軸方向座標（Z軸）、６２…炉心平均の中性子束の相対値、６３…BCRの先端が炉心燃料領域に挿入された時の炉心平均の軸方向中性子束分布、６４…BCRの先端が炉心燃料領域の上端よりも上側にある時の軸方向の中性子束分布、６５…炉心燃料領域の下端位置、６６…炉心燃料領域の上端位置、６７…Ｎａプレナム領域の上端位置、７２…ガス膨張式モジュール（GEM）集合体、８１…炉心の水平断面（１／２炉心）。

Claims (8)

1. 炉心燃料の上部にナトリウムプレナムを設置した高速炉の炉心であって、
   主炉停止系制御棒の先端を炉心燃料領域に挿入し、後備炉停止系制御棒の先端を前記炉心燃料領域の上端よりも上方、かつ、前記ナトリウムプレナムの上端と略同一の位置に配置して運転することを特徴とする高速炉の炉心。
2. 請求項１に記載の高速炉の炉心であって、
   前記炉心の径方向において、前記炉心燃料領域は中心側に配置される内側炉心燃料領域と前記内側炉心燃料領域の周囲に配置される外側炉心燃料領域で構成され、
   前記炉心の軸方向において、前記内側炉心燃料領域に装荷される内側炉心燃料集合体の燃料棒の長さは前記外側炉心燃料領域に装荷される外側炉心燃料集合体の燃料棒よりも短く、かつ、前記内側炉心燃料集合体上のナトリウムプレナムの長さは前記外側炉心燃料集合体上のナトリウムプレナムの長さよりも長いことを特徴とする高速炉の炉心。
3. 請求項２に記載の高速炉の炉心であって、
   前記外側炉心燃料領域の径方向外側に径方向ブランケット領域を有し、
   前記径方向ブランケット領域の径方向外側に遮へい体領域を有することを特徴とする高速炉の炉心。
4. 請求項３に記載の高速炉の炉心であって、
   前記外側炉心燃料領域と前記径方向ブランケット領域の間にガス膨張式モジュール集合体を有することを特徴とする高速炉の炉心。
5. 炉心燃料の上部にナトリウムプレナムを設置した高速炉の運転方法であって、
   主炉停止系制御棒の先端を炉心燃料領域に挿入し、後備炉停止系制御棒の先端を前記炉心燃料領域の上端よりも上方、かつ、前記ナトリウムプレナムの上端と略同一の位置に配置して運転することを特徴とする高速炉の運転方法。
6. 請求項５に記載の高速炉の運転方法であって、
   前記高速炉の炉心の径方向において、前記炉心燃料領域は中心側に配置される内側炉心燃料領域と前記内側炉心燃料領域の周囲に配置される外側炉心燃料領域で構成され、
   前記炉心の軸方向において、前記内側炉心燃料領域に装荷される内側炉心燃料集合体の燃料棒の長さは前記外側炉心燃料領域に装荷される外側炉心燃料集合体の燃料棒よりも短く、かつ、前記内側炉心燃料集合体上のナトリウムプレナムの長さは前記外側炉心燃料集合体上のナトリウムプレナムの長さよりも長いことを特徴とする高速炉の運転方法。
7. 請求項６に記載の高速炉の運転方法であって、
   前記外側炉心燃料領域の径方向外側に径方向ブランケット領域を有し、
   前記径方向ブランケット領域の径方向外側に遮へい体領域を有することを特徴とする高速炉の運転方法。
8. 請求項７に記載の高速炉の運転方法であって、
   前記外側炉心燃料領域と前記径方向ブランケット領域の間にガス膨張式モジュール集合体を有することを特徴とする高速炉の運転方法。

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