(57)【要約】      （修正有）【課題】金属燃料を使用する高速炉において、ボイド反応度を低減し、安全性が向上する燃料要素、燃料集合体及び炉心を提供する。【解決手段】燃料要素１は、被覆管２と被覆管２に内包される金属燃料３とを有し、金属燃料３の上方であって、被覆管２の内部にガスプレナム領域６が形成され、ガスプレナム領域６に、細径部を有することを特徴とする。また、燃料集合体は、本発明の燃料要素１とこの燃料要素１を取り囲むラッパ管とを有し、燃料要素１と燃料要素１との間に冷却材流路が形成されることを特徴とする。また、炉心は、本発明の燃料集合体を装荷する内側炉心燃料領域と本発明の燃料集合体を装荷する外側炉心燃料領域とを有することを特徴とする。【選択図】図１Ａ
2020180907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆管と前記被覆管に内包される金属燃料を有し、前記金属燃料の上方であって、前記被覆管の内部にガスプレナム領域が形成される燃料要素であって、前記ガスプレナム領域に、細径部を有することを特徴とする燃料要素。
【請求項２】
前記細径部が、前記ガスプレナム領域の冷却材密度係数が正の領域の一部領域に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料要素。
【請求項３】
前記細径部が、前記一部領域から燃料スェリングを吸収する領域を除く領域に形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料要素。
【請求項４】
前記一部領域の縦方向の長さが、前記金属燃料の燃料有効長をＬｆとする場合、（１００／Ｌｆ）２×Ｌｆ×４０／１００であることを特徴とする請求項２に記載の燃料要素。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料要素と前記燃料要素を取り囲むラッパ管とを有し、前記燃料要素と前記燃料要素との間に冷却材流路が形成されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料集合体を装荷する内側炉心燃料領域と、前記燃料集合体を装荷する外側炉心燃料領域と、を有することを特徴とする炉心。
【請求項７】
前記金属燃料がＵ−Ｐｕ−Ｚｒの３元合金であり、外側炉心燃料集合体に使用する請求項３に記載の燃料要素のＰｕ含有率が、内側炉心燃料集合体に使用する前記燃料要素のＰｕ含有率よりも高いことを特徴とする炉心。
【請求項８】
内側炉心燃料集合体における請求項３に記載の燃料要素の燃料有効長が、外側炉心燃料集合体における前記燃料要素の燃料有効長よりも短いことを特徴とする炉心。
【請求項９】
外側炉心燃料集合体で使用する請求項３に記載の燃料要素における細径部が形成される領域の縦方向の長さが、内側炉心燃料集合体で使用する前記燃料要素における細径部が形成される領域の縦方向の長さよりも、短いことを特徴とする炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属燃料を使用する高速中性子炉（以下「高速炉」と称して説明する）において、安全性を向上する燃料要素、燃料集合体及び炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特開２０１１−１３７７３５号公報（特許文献１）がある。この特許文献１には、軽水炉の炉心は、複数の燃料集合体を装荷し、燃料集合体は、下端部が下部タイプレートに支持され、上端部が上部タイプレートに支持される複数の燃料棒を有し、燃料棒は、核燃料物質充填領域の上方にプレナムを形成し、核燃料物質充填領域の上方に中性子吸収材充填領域を形成し、上部タイプレートに取り付けられた中性子吸収部材が、核燃料物質充填領域の上方で、隣接する燃料棒のプレナム相互間に配置されることが記載されている。そして、特許文献１には、仮に炉心が１００％ボイドの状態になったと想定しても、正の反応度が炉心に投入されず、軽水炉の経済性を損なうことなく、安全余裕をさらに増大させることができることが記載されている（要約参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１３７７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、軽水炉の炉心が仮に１００％ボイドの状態になったと想定しても、正の反応度が炉心に投入されず、安全余裕を増大させることができることが記載されている。
【０００５】
しかし、特許文献１には、高速炉に関しては記載されていない。更に、特許文献１には、金属燃料を使用する高速炉（以下「金属燃料高速炉」と称して説明する場合がある）において、安全性が向上することに関しては記載されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、金属燃料を使用する高速炉において、ボイド反応度を低減し、安全性が向上する燃料要素、燃料集合体及び炉心を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の燃料要素は、被覆管と被覆管に内包される金属燃料を有し、金属燃料の上方であって、被覆管の内部にガスプレナム領域が形成され、ガスプレナム領域に、細径部を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の燃料集合体は、本発明の燃料要素と燃料要素を取り囲むラッパ管とを有し、燃料要素と燃料要素との間に冷却材流路が形成されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の炉心は、本発明の燃料集合体を装荷する内側炉心燃料領域と、本発明の燃料集合体を装荷する外側炉心燃料領域と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、金属燃料を使用する高速炉において、ボイド反応度を低減し、安全性が向上する燃料要素、燃料集合体及び炉心を提供することができる。
【００１１】
なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、下記する実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】実施例１の金属燃料高速炉の燃料要素の縦断面を説明する説明図である。
【図１Ｂ】実施例１の金属燃料高速炉の燃料集合体の水平断面を説明する説明図である。
【図２】実施例１の金属燃料高速炉の高さ方向の冷却材密度係数の分布を説明する説明図である。
【図３】実施例１の金属燃料高速炉の炉心の縦断面を説明する説明図である。
【図４】実施例１の金属燃料高速炉の炉心１／２領域の水平断面を説明する説明図である。
【図５】実施例２の金属燃料高速炉の外側炉心及び内側炉心の燃料要素の縦断面を説明する説明図である。
【図６】実施例２の金属燃料高速炉の炉心の縦断面を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。
【実施例１】
【００１４】
本実施例に記載する高速炉は、原子炉容器の内部に、炉心を配置し、冷却材である液体ナトリウム（Ｎａ）を原子炉容器の内部に充填する。その炉心に装荷される燃料集合体は、金属燃料（プルトニウム（Ｐｕ）とウラン（Ｕ）とが主要な燃料元素である合金）を封入した複数の燃料棒（以下「燃料要素」と称して説明する場合がある）、束ねられた複数の燃料要素を取り囲むラッパ管、これら燃料要素の下方に位置して、中性子遮へい体を支持し、冷却材流入孔を形成するエントランスノズル、これら燃料要素の上方に位置する冷却材流出部、を有する。
【００１５】
また、炉心は、内側炉心燃料集合体が装荷される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集合体が装荷される外側炉心燃料領域を有する炉心燃料領域、この炉心燃料領域を取り囲む燃料集合体が装荷されるブランケット燃料領域、ブランケット領域を取り囲む遮へい体領域を有する。
【００１６】
なお、標準的な均質炉心の場合、外側炉心燃料領域に装荷される外側炉心燃料集合体のＰｕ富化度は、内側炉心燃料領域に装荷される内側炉心燃料集合体のＰｕ富化度よりも高くなる。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。
【００１７】
また、炉心燃料領域を取り囲むブランケット燃料領域には、複数の燃料要素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る燃料集合体の内部で生じる核分裂反応で発生した中性子のうち、炉心燃料領域に装荷される燃料集合体の各燃料要素から漏れた中性子が、ブランケット燃料領域に装荷されるブランケット燃料集合体の各燃料要素の内部の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要素の内部で、核分裂性核種であるＰｕ−２３９が新たに生成される。
【００１８】
また、高速炉の起動時、停止時及び出力調節時には、制御棒が使用される。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する。これら中性子吸収棒は、内側炉心燃料集合体及び外側炉心燃料集合体と同様に、水平断面（横断面）が正六角形のラッパ管に収納される。制御棒は、主炉停止系及び後備炉停止系の独立した２系統で構成され、主炉停止系及び後備炉停止系のいずれか一方により、高速炉の緊急停止が可能になる。
【００１９】
なお、金属燃料高速炉の炉心は、酸化物燃料の高速炉の炉心と比較して、重金属の密度が大きいため、炉心の中性子スペクトルが硬く、増殖比が高いなどの利点がある。
【００２０】
一方、金属燃料高速炉の炉心は、冷却材である液体Ｎａが、仮に沸騰した場合には、酸化物燃料の高速炉の炉心と比較して、炉心に挿入されるボイド反応度が大きくなる傾向がある。例えば、スクラム失敗を伴う過渡事象（ＡＴＷＳ：Anticipated Transient Without Scram）のうち、外部電源の喪失などによりポンプ流量が低下する冷却材流量喪失（ＵＬＯＦ：Unprotected Loss of Flow）に対しては、ボイド反応度を小さくすることができれば、より安全性を向上させることができる。
【００２１】
金属燃料高速炉では、燃料要素に配置される燃料スラグ（金属燃料）は、１本の丸棒であり、照射に伴う金属燃料のスェリングに伴う半径方向の膨張を吸収するため、金属燃料のスミヤ密度が７５％ＴＤとなるように、金属燃料を内包する被覆管と金属燃料との間に、比較的大きいギャップが形成される。そして、このギャップに、液体Ｎａがボンド材として充填される。つまり、金属燃料はボンドＮaに、浸漬される。
【００２２】
そして、金属燃料の核分裂に伴って発生する核分裂生成物（ＦＰ: Fission Product）の内、気体のもの（ＦＰガス）を保持するため、燃料要素の上部（金属燃料の上方であって被覆管の内部）には、ガスプレナムが配置される。
【００２３】
図１Ａは、実施例１の金属燃料高速炉の燃料要素の縦断面を説明する説明図である。
【００２４】
本実施例に記載する燃料要素１は、３元合金であるＵ−Ｐｕ−Ｚｒ（ウラン−プルトニウム−ジルコニウム）である金属燃料３、金属燃料３を内包する被覆管２、被覆管２に充填され、金属燃料３を浸漬するボンドＮａ（燃料スェリングを吸収する領域のボンドＮａ４及び細径部１２を形成する領域のボンドＮａ５）、上部端栓７、下部端栓８、金属燃料３の上方であって被覆管２の内部に配置されるガスプレナム６、を有する。そして、金属燃料３の核分裂に伴って発生するＦＰガスは、ガスプレナム６に保持される。
【００２５】
図１Ａにおいて、Ｌｆは金属燃料３の縦方向の長さ、Ｌｓは金属燃料３がスェリングによって軸方向に膨張した際に、燃料スェリングを吸収する領域の縦方向の長さ、Ｌはガスプレナム６の直径（以下「径」と称して説明する場合がある）を細くする領域（細径部１２が形成される領域）の縦方向の長さ、Ｌｖは冷却材密度係数（冷却材密度が変化した時、炉心の反応度を冷却材密度の変化割合で割った密度反応度係数）が正の領域の縦方向の長さを示す。ＵＬＯＦ時に冷却材密度が減少すると、冷却材密度係数が正のＬｖの領域では、負の反応度が投入されることになる。
【００２６】
そして、本実施例に記載する燃料要素１は、被覆管２のガスプレナム（ガスプレナム領域）６に、細径部１２（縦方向の長さＬ）を形成する。つまり、本実施例に記載する燃料要素１は、被覆管２と被覆管２に内包される金属燃料３及び冷却材とを有し、金属燃料３の上方であって、被覆管２の内部にガスプレナム（ガスプレナム領域）６が形成される。そして、このガスプレナム領域に、細径部１２が形成される。
【００２７】
この細径部１２は、被覆管２が括（くび）れている部分であり、ガスプレナム（ガスプレナム領域）６が括れている部分である。この括れている部分（細径部１２）は、金属燃料３を内包する被覆管２の径及び上部端栓７に接するガスプレナム６（ガスプレナム６の上方部分）の径よりも、細い径を有する部分である。つまり、ガスプレナム６は、細径部１２と細径部１２よりも太い径を有する部分とを有する。
【００２８】
また、この細径部１２は、冷却材の面積を増加させる部分であり、冷却材（Ｎａ）の量を増加させる部分である。
【００２９】
このように、本実施例によれば、被覆管２のガスプレナム（ガスプレナム領域）６に細径部１２を形成することにより、ボイド反応度を低減し、安全性がより向上する燃料要素１を提供することができる。つまり、本実施例によれば、金属燃料高速炉において、通常運転時の核特性や経済性に優れ、ボイド反応度を低減し、ＵＬＯＦ時における安全性がより向上する燃料要素１を提供することができる。
【００３０】
図１Ｂは、実施例１の金属燃料高速炉の燃料集合体の水平断面を説明する説明図である。
【００３１】
本実施例に記載する燃料集合体９は、燃料要素１、束ねられた複数の燃料要素１を取り囲むラッパ管１０、これら燃料要素１の下方に位置する中性子遮へい体（図示ぜず）を支持すると共に冷却材流入孔（図示せず）を形成するエントランスノズル（図示せず）、これら燃料要素１の上方に位置する冷却材流出部（図示せず）、を有する。そして、燃料要素１と燃料要素１との間には、冷却材流路１１が形成される。
【００３２】
このように、本実施例によれば、被覆管２のガスプレナム（ガスプレナム領域）６に細径部１２を有する燃料要素１を使用することにより、ボイド反応度を低減し、安全性がより向上する燃料集合体９を提供することができる。
【００３３】
図２は、実施例１の金属燃料高速炉の高さ方向（縦方向）の冷却材密度係数の分布を説明する説明図である。
【００３４】
図２において、横軸２３は冷却材（Ｎａ）に対する密度係数（冷却材密度係数）（％Δｋ／ｋｋ`/Δρ/ρ）２２、縦軸２４は金属燃料３の下端からガスプレナム６の上方部分への縦方向の長さ（高さ方向位置）を示す。ここで、ρは冷却材（Ｎａ）の密度である。
【００３５】
本実施例において、電気出力３０万ｋＷｅ、取出平均燃焼度１００ＧＷｄ／ｔ、燃料有効長１００ｃｍの金属燃料３では、金属燃料３の縦方向の長さＬｆは約１００ｃｍ、冷却材密度係数が正の領域の縦方向の長さＬｖは約４０ｃｍとなる。
【００３６】
例えば、最も厳しいＡＴＷＳのうちＵＬＯＦの場合、冷却材の温度が上昇し、密度ρが減少するため、冷却材密度係数（％Δｋ／ｋｋ`/Δρ/ρ）２２は、金属燃料３が配置される金属燃料領域（Ｌｆ：金属燃料３の縦方向の長さ）２５では、冷却材反応度（％Δｋ／ｋｋ`）が正であるために負の値となり、ガスプレナム６が配置されるガスプレナム領域２６の一部領域（Ｌｖ：冷却材密度係数が正の領域の縦方向の長さ）では、冷却材反応度（％Δｋ／ｋｋ`）が負であるために正の値となる。
【００３７】
ＵＬＯＦ時に、冷却材の温度が上昇し、密度ρが減少（Δρ＜0）すると、金属燃料領域２５では正の反応度が挿入され、ガスプレナム領域２６の一部領域では負の反応度が挿入される。
【００３８】
通常、金属燃料高速炉の燃料要素１は、ガスプレナム領域２６の被覆管２の径と金属燃料領域２５の被覆管２の径（金属燃料３を内包する被覆管２の径）とは同じである。ＵＬＯＦ時に、冷却材の温度が上昇し、密度が減少すると、ガスプレナム領域２６の一部領域の冷却材密度係数は正であるため、ガスプレナム領域２６の一部領域では負の反応度が挿入される。
【００３９】
そこで、本実施例では、この負の反応度が挿入されるガスプレナム領域２６の一部領域の被覆管２の径を、金属燃料領域２５の被覆管２の径よりも細くし、つまり、ガスプレナム領域２６の一部領域に、細径部１２（括れている部分）を形成し、被覆管外側で、ラッパ管に囲まれる冷却材の面積を増加させる。
【００４０】
これにより、ＵＬＯＦ時に挿入される負の反応度を負側に大きくすることができる。そして、燃料要素１、燃料集合体９、及び炉心の冷却材反応度又はボイド反応度を低減することができ、安全性を向上することができる。
【００４１】
一方、ボイド反応度を低減するため、金属燃料領域２５の被覆管２の径よりも、ガスプレナム領域２６の被覆管２の径を一様に細くすると（細径部１２（括れている部分）を形成しない場合）、ガスプレナム領域２６の一部領域を除くガスプレナム領域２６の長さ（Ａ）を、相当に長くする必要がある。例えば、ガスプレナム領域２６の一部領域の被覆管２の径を、金属燃料領域２５の被覆管２の径の１／２とすると、細径部１２を形成しない場合は、細径部１２を形成する場合に比較して、ガスプレナム領域２６の一部領域を除くガスプレナム領域２６の長さ（Ａ）を、核分裂生成物（ＦＰ：Fission product）のうち、気体のものを保持するため、４倍にする必要がある。
【００４２】
しかし、本実施例に記載する燃料要素１は、ガスプレナム領域２６の一部領域を除くガスプレナム領域２６の長さ（Ａ）の長くする割合を小さくすることができ、コンパクト性を維持することができる。その結果炉心領域の圧力損失を低減することができる。
【００４３】
本実施例では、ボイド反応度を低減させる効果がある領域が、ガスプレナ領域２６の一部領域（Ｌｖ）であることに着目する。つまり、本実施例では、ガスプレナ領域２６の一部領域（Ｌｖ）に、細径部１２を形成することにより、コンパクト性を維持しつつ、ボイド反応度を低減する。
【００４４】
本実施例に記載する燃料要素１は、金属燃料３と、金属燃料３を内包する被覆管２と、被覆管２に充填され、金属燃料３を浸漬する冷却材と、金属燃料３の上方に形成されるガスプレナム６（ガスプレナム領域２６）、を有し、このガスプレナ領域２６の一部領域（冷却材密度係数が正の領域）に、細径部１２を形成する。
【００４５】
このように、本実施例に記載する燃料要素１は、被覆管２のガスプレナ領域２６の一部領域に、細径部１２を形成することにより、コンパクト性を維持しつつ、ボイド反応度を低減し、安全性をより向上させることができる。
【００４６】
また、金属燃料３は、中性子の照射に伴い、スェリングし、取出平均燃焼度１５０ＧＷｄ／ｔの条件では、軸方向スェリング率が８％に達するとの知見もある。被覆管２において、金属燃料領域２５の被覆管２の上部（ガスプレナム領域２６の被覆管２の下部）の径を細くすると、軸方向スェリングによって膨張する金属燃料３によって、条件によっては、被覆管２が損傷する可能性がある。
【００４７】
そこで、被覆管２に、軸方向スェリングによって膨張する金属燃料３を吸収する領域（金属燃料３がスェリングによって軸方向に膨張した際に、冷却材を吸収する領域（燃料スェリングを吸収する領域：Ｌｓ）を配置することが好ましい。
【００４８】
本実施例に記載する燃料要素１は、特に、ガスプレナム領域２６の一部領域（Ｌｖ）から、燃料スェリングを吸収する領域（Ｌｓ）を除く領域（Ｌ）に、細径部１２を形成することが好ましい。また、本実施例に記載する燃料要素１は、ガスプレナム領域２６の冷却材密度係数が正の領域（Ｌｖ）から、燃料スェリングを吸収する領域（Ｌｓ）を除く領域（Ｌ）に、細径部１２を形成することが好ましい。
【００４９】
ここで、燃料スェリングを吸収する領域の縦方向の長さ（Ｌｓ）は、金属燃料３の縦方向の長さ（燃料有効長）をＬｆ（ｃｍ）、取出平均燃焼度をＥ（ＧＷｄ／ｔ）とすると、式（１）で表現される。
【００５０】
Ｌｓ＝（０．０８／１５０×Ｅ）×Ｌｆ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
なお、これは取出平均燃焼度１５０ＧＷｄ／ｔの条件で、軸方向スェリング率が８％に達するとの知見に基づくものである。
【００５１】
本実施例では、Ｅ＝１００ＧＷｄ／ｔ、Ｌｆ＝１００ｃｍであり、Ｌｓ＝５．３（四捨五入あり）ｃｍとなる。そして、本実施例では、ガスプレナム領域２６の冷却材密度係数が正の領域（ガスプレナム領域２６の一部領域）の長さ（Ｌｖ）が４０ｃｍであり、ガスプレナム領域２６の冷却材密度係数が正の領域（ガスプレナム領域２６の一部領域）（Ｌｖ）から、燃料スェリングを吸収する領域の縦方向の長さ（Ｌｓ）を除く領域の縦方向の長さ（Ｌ）は、Ｌ＝Ｌｖ−Ｌｓ＝４０−５．３＝３４．７ｃｍとなる。
【００５２】
このように、本実施例では、特に、燃料スェリングを吸収する領域（Ｌｓ）を配置して、長さがＬの細径部１２を形成することにより、コンパクト性を維持しつつ、ボイド反応度を低減し、安全性をより向上させることができると共に、被覆管２が損傷する可能性も払拭することができる。
【００５３】
図３は、実施例１の金属燃料高速炉の炉心の縦断面（垂直断面）を説明する説明図である。
【００５４】
本実施例に記載する炉心３１は、内側炉心燃料領域３２に配置される内側炉心燃料集合体３５のＰｕ富化度を、外側炉心燃料領域３３に配置される外側炉心燃料集合体３６のＰｕ富化度よりも低くし、炉心３１の半径方向の出力分布を平坦化する、いわゆる均質炉心である。
【００５５】
つまり、本実施例に記載する炉心３１は、金属燃料のＰｕ含有率が低い内側炉心燃料集合体３５を装荷する内側炉心燃料領域３２と、金属燃料のＰｕ含有率が高い外側炉心燃料集合体３６を装荷する外側炉心燃料領域３３と、これら領域の上方に配置されるガスプレナム領域３４とを有する。なお、これら燃料集合体は、図１Ｂに示すものである。
【００５６】
図４は、実施例１の金属燃料高速炉の炉心１／２領域の水平断面（横断面）を説明する説明図である。
【００５７】
本実施例に記載する炉心４１は、内側炉心燃料領域４２と、内側炉心燃料領域４２を取り巻く外側炉心燃料領域４３と、外側炉心燃料領域４３の外周側に１層配置される径方向ブランケット集合体領域４４と、径方向ブランケット集合体領域４４を取り巻く２層の径方向遮へい体集合体領域４５とを有する。また、これら炉心燃料領域には、制御棒集合体４６が配置される。
【００５８】
このように、本実施例によれば、コンパクト性を維持しつつ、圧力損失を低減し、ボイド反応度を低減し、特に、ＵＬＯＦに対する安全性をより向上させることができると共に、被覆管２の損傷の可能性を払拭し、経済性を向上させることができる燃料要素、燃料集合体及び炉心を提供することができる。
【実施例２】
【００５９】
図５は、実施例２の金属燃料高速炉の外側炉心及び内側炉心の燃料要素の縦断面を説明する説明図である。
【００６０】
本実施例に記載する炉心は、金属燃料３がＵ−Ｐｕ−Ｚｒの３元合金であり、外側炉心燃料集合体に使用する燃料要素５１のＰｕ含有率を、内側炉心燃料集合体に使用する燃料要素５６のＰｕ含有率よりも高くし、内側炉心燃料集合体を装荷する内側炉心燃料領域の半径方向の外側に、外側炉心燃料集合体を装荷する外側炉心燃料領域を配置する、いわゆる均質炉心ある。
【００６１】
そして、本実施例に記載する炉心は、内側炉心燃料集合体４２（図４参照）における燃料要素５６の燃料有効長（炉心高さ）５７が、外側炉心燃料集合体４３（図４参照）における燃料要素５１の燃料有効長（炉心高さ）５２よりも、短いことを特徴とする。これは、内側炉心燃料集合体４２が、外側炉心燃料集合体４３よりも、ボイド反応度への寄与が大きいためである。
【００６２】
ここでは、燃料有効長（金属燃料３の縦方向の長さ）Ｌｆが相違する２種類の燃料要素（燃料集合体）の炉心を使用するため、燃料有効長の相違による燃料要素の仕様について検討する。
【００６３】
式（１）に示すように、取出平均燃焼度Ｅが同一の場合、燃料有効長Ｌｆを短くすると、燃料スェリングを吸収する領域の縦方向の長さ（軸方向スェリングによって膨張する金属燃料３を吸収する領域の縦方向の長さ）Ｌｓを短くすることができる。一方、燃料有効長Ｌｆを短くすると、炉心からの軸方向への中性子の漏れ割合が増加するため、ボイド反応度が小さくなり、冷却材密度係数が正の領域の縦方向の長さＬｖが長くなる。
【００６４】
ここで、中性子束をφ（１／ｃｍ２・ｓ）、形状バックリングをＢｇ２とすると、炉心からの中性子の漏れ量は、φ×Ｂｇ２に比例する。炉心からの軸方向（１次元方向）への中性子の漏れ量を考慮すると、Ｂｇ２は、式（２）で表現される。
【００６５】
Ｂｇ２＝（π／Ｌｆ）２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
燃料有効長（炉心高さ）Ｌｆが１００ｃｍの場合、中性子の漏れ量が、冷却材密度係数に、顕著に影響する長さＬｖは４０ｃｍとなる。このように、中性子の漏れ量は、バックリングＢｇ２に比例し、燃料有効長（炉心高さ）Ｌｆの２乗に反比例する。
【００６６】
また、燃料有効長（炉心高さ）Ｌｆの場合、冷却材密度係数が正の領域の縦方向の長さＬｖは、式（３）で表現される。
【００６７】
Ｌｖ＝（１００／Ｌｆ）２×Ｌｆ×４０／１００・・・・・・・・・・・・・・（３）
なお、（１００／Ｌｆ）２の項は、中性子の漏れ量を規定する項であり、Ｌｆ×４０／１００の項は、Ｌｆが約１００ｃｍ、Ｌｖが約４０ｃｍの場合に比例することを規定する項である。
【００６８】
式（１）と式（３）とにより、炉心高さＬｆ及び取出平均燃焼度Ｅに対する、Ｌｖ（冷却材密度係数が正の領域の縦方向の長さ（ガスプレナム領域のボイド反応度への寄与が大きな領域の縦方向の長さ））、Ｌｓ（燃料スェリングを吸収する領域の縦方向の長さ）、Ｌ（ガスプレナム６の径を細くする領域の縦方向の長さ）が決定する。
【００６９】
なお、代表的な３つのケースについて、炉心高さ及び取出平均燃焼度に対する、本実施例の燃料要素の各領域の縦方向の長さを、表（１）に示す。
表１  炉心高さ及び取出平均燃焼度に対する、本実施例の燃料要素の各領域の縦方向の長さ
2020180907.tif 000003
【００７０】
本実施例に記載する炉心は、外側炉心燃料集合体で使用する燃料要素５１と、内側炉心燃料集合体で使用する燃料要素５６と、を有する。
【００７１】
そして、燃料要素５１における炉心高さ（燃料有効長）５２（Ｌｆ）は１００ｃｍ、燃料要素５６における炉心高さ（燃料有効長）５７（Ｌｆ）は８０ｃｍであり、燃料要素５１は、表（１）のケース３に対応し、燃料要素５６は、表（１）のケース２に対応する。
【００７２】
したがって、燃料要素５１の各領域の縦方向の長さは、Ｌｖ（５５）４０ｃｍ、Ｌｓ（５３）５．３ｃｍ、Ｌ（５４）３４、７ｃｍとなり、燃料要素５６の各領域の縦方向の長さは、Ｌｖ（６０）５０ｃｍ、Ｌｓ（５８）４．３ｃｍ、Ｌ（５９）４５、７ｃｍとなる。
【００７３】
本実施例において、取出平均燃焼度Ｅを一定とする。
【００７４】
そして、外側炉心燃料集合体で使用する燃料要素５１の炉心高さをＬｆ５１、燃料要素５１の冷却材密度係数が正の領域の縦方向の長さをＬｖ５１、燃料要素５１の燃料スェリングを吸収する領域の縦方向の長さをＬｓ５１、燃料要素５１のガスプレナム６の径を細くする領域の縦方向の長さをＬ５１とする。
【００７５】
そして、内側炉心燃料集合体で使用する燃料要素５６の炉心高さをＬｆ５６、燃料要素５６の冷却材密度係数が正の領域の縦方向の長さをＬｖ５６、燃料要素５６の燃料スェリングを吸収する領域の縦方向の長さをＬｓ５６、燃料要素５６のガスプレナム６の径を細くする領域の縦方向の長さをＬ５６とする。
【００７６】
この場合、Ｌｆ５１＞Ｌｆ５６、Ｌｓ５１＞Ｌｓ５６、Ｌｖ５６＞Ｌｖ５１、Ｌ５６＞Ｌ５１となる。
【００７７】
また、外側炉心燃料集合体で使用する燃料要素５１のガスプレナム領域２６の一部領域（細径部１２が形成される領域）を除くガスプレナム領域２６の長さをＡ５１６とする。
【００７８】
また、内側炉心燃料集合体で使用する燃料要素５６のガスプレナム領域２６の一部領域（細径部１２が形成される領域）を除くガスプレナム領域２６の長さをＡ５６６とする。
【００７９】
この場合、Ａ５１６＜Ａ５６６となる。
【００８０】
特に、本実施例に記載する炉心は、外側炉心燃料集合体で使用する燃料要素５１における金属燃料３が配置される領域の被覆管２の径よりも細くしたガスプレナム領域（細径部１２が形成される領域）の縦方向の長さ５４（Ｌ５１）が、内側炉心燃料集合体で使用する燃料要素５６における金属燃料３が配置される領域の被覆管２の径よりも細くしたガスプレナム領域（細径部１２が形成される領域）の縦方向の長さ５９（Ｌ５６）よりも、短いことを特徴とする。
【００８１】
図６は、実施例２の金属燃料高速炉の炉心の縦断面（垂直断面）を説明する説明図である。
【００８２】
本実施例に記載する炉心６１は、内側炉心燃料領域６２に配置される炉心高さが低い内側炉心燃料集合体６５と、外側炉心燃料領域６３に配置される炉心高さが高い外側炉心燃料集合体６６とを、有する。
【００８３】
つまり、本実施例に記載する炉心６１は、炉心高さが低い内側炉心燃料集合体６５を装荷する内側炉心燃料領域６２と、炉心高さが高い外側炉心燃料集合体６６を装荷する外側炉心燃料領域６３と、これら領域の上方に配置されるガスプレナム領域６４とを有する。
【００８４】
このように、本実施例に記載する炉心は、燃料要素５６の燃料有効長（炉心高さ）５７が、燃料要素５１の燃料有効長（炉心高さ）５２よりも、短いことを特徴とする。これは、内側炉心燃料集合体４２が、外側炉心燃料集合体４３よりも、ボイド反応度への寄与が大きいためである。
【００８５】
本実施例によれば、コンパクト性を維持しつつ、圧力損失を低減し、ボイド反応度を、より低減する。特に、ＵＬＯＦに対する安全性をより向上させることができると共に、被覆管２の損傷の可能性を払拭し、経済性を向上させることができる燃料要素、燃料集合体及び炉心を提供することができる。
【００８６】
なお、実施例１及び実施例２では、金属燃料３として、ウラン、プルトニウム及びジルコニウムの三元合金を使用するが、ウラン、ＴＲＵ（超ウラン元素）及びジルコニウムの合金を、使用してもよい。また、ウランについては、劣化ウランや濃縮ウランを、使用してもよい。また、冷却材として、ナトリウムを使用するが、水、鉛、鉛ビスマス、溶融塩などを使用してもよい。
【００８７】
また、本実施例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有す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と他の構成の一部とを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。
【符号の説明】
【００８８】
１…燃料要素、２…被覆管、３…金属燃料、４…ボンドＮａ、５…ボンドＮａ、６…ガスプレナム、７…上部端栓、８…下部端栓、９…燃料集合体、１０…ラッパ管、１１…冷却材流路、１２…細径部、２２…冷却材密度係数、２３…冷却材密度係数、２４…高さ方向位置、２５…金属燃料領域、２６…ガスプレナム領域、３１…炉心、３２…内側炉心燃料領域、３３…外側炉心燃料領域、３４…ガスプレナム領域、３５…内側炉心燃料集合体、３６…外側炉心燃料集合体、４１…炉心、４２…内側炉心燃料領域、４３…外側炉心燃料領域、４４…径方向ブランケット燃料集合体領域、４５…径方向遮へい体集合体領域、４６…制御棒集合体、５１、５６…燃料要素、５２、５７…燃料有効長、５３、５８…燃料スェリングを吸収する領域の縦方向の長さ、５４、５９…ガスプレナム６の径を細くする領域の縦方向の長さ、５５、６０…冷却材密度係数が正の領域の縦方向の長さ、６１…炉心、６２…内側炉心燃料領域、６３…外側炉心燃料領域、６４…ガスプレナム領域、６５…内側炉心燃料集合体、６６…外側炉心燃料集合体。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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