(57)【要約】【課題】Ｕ無金属燃料高速炉の炉心において、ドップラー効果を増大させる。【解決手段】実施形態によれば、ＴＲＵを変換する高速炉炉心に用いられる高速炉用燃料集合体１０１は、再処理において分離されるＴＲＵと、実質的に残部である母材とを有する燃料と、これを収納する被覆管とを有する複数の燃料要素１２１と、中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、これを収納する被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素１２２と、複数の燃料要素１２１と複数の中性子スペクトル軟化要素１２２を収納し筒状で両端に開口を有するラッパ管９とを有する。【選択図】図２
2015141086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＲＵをＴＲＵ以外の元素に変換する高速炉炉心に用いられる高速炉用燃料集合体であって、
再処理において分離されるＴＲＵと、実質的に残部である母材とを有し、所定の方向に延びた燃料と、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有する複数の燃料要素と、
中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、前記中性子スペクトル軟化材を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びて両端が閉止されている被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、
前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素を収納し、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素の径方向外側に設けられて長手方向に沿って延びた筒状であって両端に開口を有するラッパ管と、
を備えることを特徴とする高速炉用燃料集合体。
【請求項２】
前記ＴＲＵは、プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウムおよびキュリウムの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の高速炉用燃料集合体。
【請求項３】
前記燃料は、金属の形態のものを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速炉用燃料集合体。
【請求項４】
前記燃料は、酸化物を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の高速炉用燃料集合体。
【請求項５】
前記燃料と前記中性子スペクトル軟化材とは同一の被覆管内に収納されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の高速炉用燃料集合体。
【請求項６】
前記中性子スペクトル軟化材は、酸化ベリリウム、酸化リチウム、炭化ホウ素および水素化ジルコニウムの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の高速炉用燃料集合体。
【請求項７】
格子状に配列された複数の高速炉用燃料集合体を具備し、ＴＲＵをＴＲＵ以外の元素に変換する高速炉炉心であって、
前記高速炉用燃料集合体のそれぞれは、
再処理において分離されるＴＲＵと、実質的に残部である母材とを有し、所定の方向に延びた燃料と、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有する複数の燃料要素と、
中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、前記中性子スペクトル軟化材を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びて両端が閉止されている被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、
前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素を収納し、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素の径方向外側に設けられて長手方向に沿って延びた筒状であって両端に開口を有するラッパ管と、
を備えることを特徴とする高速炉炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超ウラン元素（ＴＲＵ）をＴＲＵ以外の元素に変換する高速炉炉心およびこれに用いられる高速炉用燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、従来の高速炉の構成例を示す立断面図である。一般的な高速炉は、たとえば、図１１に示すように、炉心１は炉心支持板２により支持されている。炉心支持板２の下方には、コアキャッチャ３が配置されている。炉心１、炉心支持板２およびコアキャッチャ３は、原子炉容器４内に格納されている。また、冷却材入口配管３１、冷却材出口配管３２の一部は、同様に原子炉容器４内に格納されている。冷却材入口配管３１から原子炉容器４内の下部空間に流れ出た冷却材１５は、上向きに方向を転じて炉心支持板２を通過し、熱の発生源である炉心１に流入する。冷却材１５は、炉心１で加熱された後に、原子炉容器４の外部で熱交換するために冷却材出口配管３２から流出する。
【０００３】
図１２は、従来の高速炉の炉心の構成例を示す水平断面図である。炉心１は、図１２に示すように、核分裂性物質を多く含む炉心燃料集合体５と、中性子吸収により核分裂性物質に変換される核分裂性親物質を多く含む径ブランケット燃料集合体７と、中性子吸収物質を多く含み核分裂反応を制御する制御棒集合体８等により構成されている。炉心燃料集合体５としては、内側炉心燃料集合体５ａおよび外側炉心燃料集合体５ｂがある。ここで、内側炉心燃料集合体５ａは六角形で表示し、外側炉心燃料集合体５ｂは六角形の中に丸、径ブランケット燃料集合体７は六角形の中に二重丸、制御棒集合体８は六角形の中にＣを加えて表示している。
【０００４】
図１３は、従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す縦断面図である。また、図１４は、従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す横断面図である。内側炉心燃料集合体５ａおよび外側炉心燃料集合体５ｂのそれぞれは、図１３および図１４に示すように、筒状のラッパ管９内に配設された複数の燃料要素１０を有する。
【０００５】
炉心燃料集合体５の燃料要素１０は、上部軸ブランケット燃料領域１１、炉心燃料領域１２、下部ブランケット燃料領域１３等により構成された構造となっている。ラッパ管９の上部には、炉心燃料集合体５を炉心１へ装荷或いは炉心１から取出する際の把持部となるハンドリングヘッド１６が設けられている。一方、ラッパ管９の下部には、炉心燃料集合体５を固定指示するためのエントランスノズル１７が設けられている。このエントランスノズル１７の側壁には、冷却材流入口１８が穿設されている。冷却材１５は、冷却材流入口１８より炉心燃料集合体５のラッパ管９内に流入し、ラッパ管９内の冷却材流路１４内を通過し、燃料要素１０で加熱された後にハンドリングヘッド１６の冷却材流路１４から炉心燃料集合体５外に流出する。
【０００６】
図１５は、従来の高速炉の炉心燃料集合体の燃料要素の例を示す横断面図である。燃料要素１０は、円柱状に延びた燃料２２と、燃料２２を収納する被覆管２０を有する。被覆管２０は、ステンレス鋼等の金属材料からなる。燃料２２と被覆管２０の間には、燃料２２が炉心で燃焼することによるスウェリングを吸収するために微小なギャップ２３が存在する。
【０００７】
高速炉の炉心燃料およびブランケット燃料には、軽水炉（ＬＷＲ）の使用済み燃料再処理施設から抽出されるプルトニウム（Ｐｕ）とウラン（Ｕ）濃縮施設からの副産物として生成される劣化ウランを原料として製造される混合酸化物燃料が使用される。
【０００８】
使用済み燃料の再処理廃棄物は、数万年のオーダーの半減期を有するマイナーアクチニド（ＭＡ）や長半減期核分裂生成物（ＬＬＦＰ）を含むことから、高レベル放射性廃棄物（ＨＬＷ）として深地層処分される計画である。しかし、ＭＡやＬＬＦＰは数万年オーダーに亘る半減期を有するため、ＨＬＷの処分は大変な困難性を伴う。原子力の持続的利用のための技術的検討のなかで、Ｐｕを含む超ウラン元素（ＴＲＵ）を核分裂により燃焼すると共に、ＬＬＦＰを中性子核変換により安定あるいは短半減期核種にする検討などが進められている。
【０００９】
これまでも、ＴＲＵやＬＬＦＰを消滅すなわち他の元素への核変換をするための検討がなされているが、主な例では、ＴＲＵやＬＬＦＰの燃焼には高速炉を利用し、燃料はＵとＴＲＵを含むＵ−ＴＲＵ燃料が用いられている（たとえば、特許文献１参照）。しかし、装荷したＴＲＵの燃焼と同時に、Ｕから新たにＴＲＵが生成されるため、ＴＲＵの正味の燃焼量は少ない。たとえば転換比が１の場合、１トンの核分裂性親物質であるＵが、１トンの核分裂性物質であるＴＲＵに転換される。したがって、１トンのＴＲＵ装荷量に対して１トンのＴＲＵ取出量となる。これでは、ＬＷＲからのＴＲＵを燃料に取り込めるのは初装荷時だけになってしまう。
【００１０】
したがって、この方式では、すべてのＬＷＲを高速炉に置きかえなければ、ＬＷＲからのＴＲＵを処理することはできない。そのため、ＬＷＲ主流の時代において、ＬＷＲから発生するＴＲＵが蓄積することなく、燃焼処理するためには、当該燃焼施設のＴＲＵ燃焼量を極大化することが必要である。
【００１１】
ＴＲＵ燃焼量を極大化するためには、当該燃焼施設において、新たなＴＲＵ発生が無いように、Ｕを用いない燃料とする方法が考えられる。すなわち、燃焼施設をＵ無燃料高速炉の炉心とすることにより、新たなＴＲＵの発生がなく、Ｐｕを含むＴＲＵを効率良く核分裂により燃焼させることができる。
【００１２】
一方、一般に、原子炉の安全設計では、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度として、炉心燃料による中性子の吸収割合が増大して反応度が低下するドップラー効果を期待している。このドップラー効果は、主に燃料中の２３８Ｕによる共鳴吸収反応が増大していることに起因している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平７−２９４６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
Ｕ無燃料高速炉の燃料形態については、核分裂による燃焼効率が、金属燃料炉心の方がＭＯＸ炉心などの酸化物燃料炉心より優れている。たとえば、ＴＲＵの核分裂と捕獲反応の比率は、混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）に比較して金属燃料の方が高いためである。また、物質密度が高い金属形態とすることで、他の酸化物形態、窒化物形態とする場合よりも、多くのＴＲＵを燃料内に受け入れられる可能性が大きい。
【００１５】
上述したＵを用いない燃料（Ｕ無燃料）の場合は、炉心の臨界量からの制限により、燃料体積比を少なくし、冷却材、構造材を多くする、あるいは、希釈材を添加する必要がある。また、Ｕ無金属燃料高速炉の炉心は、燃料中に２３８Ｕが無いのでドップラー効果は小さくなり、負のフィードバック反応度の絶対値が減少するという課題がある。
【００１６】
なお、Ｕの代わりにトリウム（Ｔｈ）を利用したＰｕ−Ｔｈ／ＴＲＵ−Ｔｈ燃料炉心は、これまでにも多くの公知の検討評価例がある。Ｔｈが燃焼すると同時に、２３３Ｕ、２３２ＵなどのＵ同位体が生成蓄積される。ここでは、「Ｕ無」として、ＴｈまたはＴｈ化合物を用いるものは対象としない。
【００１７】
ドップラー効果の要因である中性子吸収反応（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）は、中性子捕獲反応（ｃａｐｔｕｒｅ）と中性子核分裂反応（ｆｉｓｓｉｏｎ）の２種類の反応からなる。即ち、中性子吸収反応のドップラー効果は、中性子捕獲反応の増加に伴う中性子数の減少と、中性子核分裂反応の増加に伴う中性子数の増加とのバランスによって決まる。なお、中性子核分裂反応による１核分裂あたりの中性子発生数（ν）は約２．９個である。
【００１８】
燃料核種の温度上昇に伴う反応度変化は、上記の中性子吸収の増加と、これに伴う中性子核分裂による中性子の発生の増加とのバランスの変化が主な要因である。その要因をＴＲＵ燃料核種の中性子吸収反応断面積の温度変化に伴う大きさと中性子エネルギーの関係として、図１６ないし図１８に例を示す。なお、ここでは高速炉用に作成された標準７０群の核定数セットを利用した数値例を用いて特徴を説明する。また、温度の基準は常温（２７３Ｋ）から高温（１１００Ｋ）までの変化に着目する。
【００１９】
核種毎の常温（２７３Ｋ）の中性子吸収断面積をσａ（２７３）、中性子核分裂断面積をσｆ（２７３）、また、核分裂あたりの中性子発生数をνと表記する。２７３Ｋから１１００Ｋまでの温度上昇による中性子吸収断面積の変化分をΔσａ（２７３→１１００）、同様に２７３Ｋから１１００Ｋまでの温度上昇による中性子核分裂断面積の変化分をΔσｆ（２７３→１１００）とすると、燃料温度上昇に伴う中性子バランス変動分（変動分）は下記のように表わすことができる。
【００２０】
（変動分）＝Δσａ（２７３→１１００）−νΔσｆ（２７３→１１００）
ここで、基準とした中性子吸収断面積σａ（２７３）を分母として、次のような比の値を「ドップラー効果ポテンシャル」と定義する。
【００２１】
ドップラー効果ポテンシャル＝（変動分）／（基準値）
＝［Δσａ（２７３→１１００）−νΔσｆ（２７３→１１００）］／σａ（２７３）
このドップラー効果ポテンシャルは、核種ごとに定義される。ドップラー効果ポテンシャルを、中性子エネルギーおよび空間で積分して得られた値は、ドップラー反応度係数に対応する。なお、ドップラー効果ポテンシャルの積分値が正の場合は、ドップラー反応度係数は負となる。このドップラー効果ポテンシャルを代表的な核種についてみると次のことが言える。
【００２２】
図１６は、２３８Ｕのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。図中のＵ２３８は２３８Ｕを示す。従来のＵ燃料炉心、Ｐｕ／Ｕ燃料炉心、ＴＲＵ／Ｕ燃料炉心の組成の中で存在割合の大きい２３８Ｕは、ドップラー効果の中心的役割をもっている。図１６は、その２３８Ｕについて、上記のドップラー効果ポテンシャルと中性子エネルギーとの関係を示している。
【００２３】
ドップラー効果が効くエネルギー領域である非分離共鳴吸収反応領域の中性子エネルギー以下では、燃料温度上昇による中性子吸収の増大が、核分裂の増加分より大きくなり、ほとんどの範囲で、ドップラー効果ポテンシャルが正の数値範囲に入っていることが分かる。２３８Ｕは、比較的エネルギーの高い範囲で核分裂し、約０．１ＭｅＶに閾値を持つ核分裂反応であり、０．１ＭｅＶ以下の共鳴吸収反応領域では、実質核分裂反応がないので、温度上昇による吸収断面積の増加が中心となることによる。
【００２４】
２３８Ｕのドップラー効果の値は負であることが実証されているが、図１７の折れ線と、縦軸のドップラー効果ポテンシャルの値が０の線（縦軸の値Ｙが０に相当する横方向の軸）との間の、エネルギー群毎の面積に、中性子束および随伴中性子束のエネルギー分布で重み付けした特性が、ドップラー効果と比例すると見ることができる。したがって、図１６の折れ線が正の領域にあり、そのＹ＝０の軸との間の面積の合計が、ここでは正値となることが対応している。すなわち、ここでは、負のドップラー係数を与える２３８Ｕは、上記のドップラー効果ポテンシャルの中性子エネルギーの積分値が正値と対応させていることになる。
【００２５】
図１７は、２３９Ｐｕおよび２４０Ｐｕのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。図中のＰｕ２３９は２３９Ｐｕを、Ｐｕ２４０は２４０Ｐｕを示す。Ｐｕ同位体の主成分となる２３９Ｐｕおよび２４０Ｐｕについてドップラー効果ポテンシャルの中性子エネルギー依存性を示している。全エネルギー領域で大きな核分裂断面積を有する２３９Ｐｕは、Ｙ＝０の軸以下の領域の数値が多く、断面積変化量の相対値も小さい傾向にあり、ドップラー係数の値を、負であるが絶対値が小または正とする要因となる可能性がある。
【００２６】
一方、２４０Ｐｕは、上述の２３８Ｕのように低エネルギー領域では核分裂反応を持たないこともあり、共鳴吸収領域でドップラー効果ポテンシャルの値は正であり、ドップラー係数が負のフィードバック要因となる。
【００２７】
そのほかの同位体２４１Ｐｕは２３９Ｐｕと、２４２Ｐｕは２４０Ｐｕと類似のドップラー効果ポテンシャルを有している。Ｐｕの総体としては、使用済み燃料の燃焼度や冷却期間に依存するＰｕ同位体組成比の重みを考慮する必要がある。
【００２８】
図１８は、２３７Ｎｐ、２４１Ａｍ、２４３Ａｍのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。図中のＮｐ２３７は２３７Ｎｐを、Ａｍ２４１は２４１Ａｍを、Ａｍ２４３は２４３Ａｍを示す。ＰｕのほかにＭＡの主成分である２３７Ｎｐ、２４１Ａｍ、２４３Ａｍのドップラー効果ポテンシャルの中性子エネルギー依存性を示している。これらの核種は、２３８Ｕ、２４０Ｐｕと同様に、低エネルギー領域では核分裂反応を持たないこともあり、共鳴吸収領域でドップラー効果ポテンシャルの値は正であり、ドップラー効果として負のフィードバック要因となることが分かる。
【００２９】
また、ドップラー効果ポテンシャルは、２３８Ｕ、２４０Ｐｕよりも低エネルギー側にシフトしていることから、減速材の配置は、Ｕ無高速炉のドップラー効果確保に有効となることが分かる。
【００３０】
以上をまとめると、次のようになる。
【００３１】
ＴＲＵのうち、核分裂性のＰｕである２３９Ｐｕ、２４１Ｐｕについては注意をはらう必要がある。２３９Ｐｕ、２４１Ｐｕのドップラー効果は負の効果としては絶対値が小さくなり、組成・減速材割合によっては正となり得る。このことは、熱中性子スペクトル炉についても同様である。
【００３２】
一方、ＴＲＵの中からＰｕを除いたマイナーアクチニド（ＭＡ；Ｎｐ、Ａｍ、Ｃｍ）の主成分は２３７Ｎｐ、２４１Ａｍ、２４３Ａｍである。これらの核種は高速中性子により核分裂をする特徴がある。中性子吸収断面積のドップラー効果のエネルギー領域（主に１００ｋｅＶ以下）では、中性子捕獲断面積のドップラー効果が中心になり、核分裂断面積のドップラー効果は小さくなる結果、これらのＮｐ、Ａｍのドップラー効果は負のフィードバック要因となる。
【００３３】
図１９は、酸化物燃料炉心、ウランを有する金属燃料炉心、ウラン無金属燃料炉心（Ｕ無金属燃料炉心）のそれぞれのドップラー反応度の解析結果の例を示すグラフである。高速スペクトルの炉心において、ウランとＴＲＵを使用する酸化物燃料炉心と、金属燃料炉心と、ウランを用いないで母材（希釈材）としてジルコニウム（Ｚｒ）を使用したＴＲＵ金属燃料炉心のそれぞれのドップラー反応度の相対値の例を示している。ここでは、酸化物燃料炉心の場合を基準としている。酸化物燃料では燃料全体の７０％ないし８０％を占める２３８Ｕが、負のドップラー効果の要因である。金属燃料についても同様に、２３８Ｕが、負のドップラー効果の主要因であるが、母材Ｚｒ（１０ｗｔ％＝約２９ａｔ％）も負のドップラー効果をもたらしているが絶対値は小さい。
【００３４】
ウラン不使用炉心（Ｕ無炉心）では、このような燃料物質組成と中性子スペクトルの影響を含めた総体的な適正化によって、負のドップラー効果を確保することになる。燃料は、燃料元素と合金などの形態として均質的に混合する母材元素も、核分裂反応の増加による燃料元素の温度上昇と即時的に追随し母材元素の温度上昇が生ずるので、ドップラー効果の要因となる。
【００３５】
図１９に示すように、Ｕ無金属燃料高速炉の炉心は、２３８Ｕがないのでドップラー効果が小さくなり、Ｚｒとマイナーアクチニド（Ｎｐ、Ａｍなど）の中・高速エネルギー領域の共鳴吸収反応の影響により負のフィードバック反応度を有するが、その大きさは小さくなるという課題がある。
【００３６】
本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高速炉の炉心において、原子炉の安全設計で期待している炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果を増大させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上述の目的を達成するため、本実施形態は、ＴＲＵをＴＲＵ以外の元素に変換する高速炉炉心に用いられる高速炉用燃料集合体であって、再処理において分離されるＴＲＵと、実質的に残部である母材とを有し、所定の方向に延びた燃料と、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有する複数の燃料要素と、中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、前記中性子スペクトル軟化材を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びて両端が閉止されている被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素を収納し、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素の径方向外側に設けられて長手方向に沿って延びた筒状であって両端に開口を有するラッパ管と、を備えることを特徴とする。
【００３８】
また、本実施形態は、格子状に配列された複数の高速炉用燃料集合体を具備し、ＴＲＵをＴＲＵ以外の元素に変換する高速炉炉心であって、前記高速炉用燃料集合体のそれぞれは、再処理において分離されるＴＲＵと、実質的に残部である母材とを有し、所定の方向に延びた燃料と、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有する複数の燃料要素と、中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、前記中性子スペクトル軟化材を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びて両端が閉止されている被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素を収納し、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素の径方向外側に設けられて長手方向に沿って延びた筒状であって両端に開口を有するラッパ管と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の実施形態によれば、高速炉の炉心において、原子炉の安全設計で期待している炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心を模式的に示す水平断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体を示す横断面図である。
【図３】第１の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す横断面図である。
【図４】第１の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の中性子スペクトル軟化要素の構成を示す横断面図である。
【図５】第１の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心と従来の炉心の中性子スペクトルを示すグラフである。
【図６】第１の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心における中性子スペクトル軟化材に対するドップラー反応度を示す棒グラフである。
【図７】第１の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体における各中性子スペクトル軟化材の割合とドップラー反応度との関係を示すグラフである。
【図８】第２の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の構成を示す横断面図である。
【図９】第３の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の構成を示す横断面図である。
【図１０】第３の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の燃料要素を示す横断面図である。
【図１１】従来の高速炉の構成例を示す立断面図である。
【図１２】従来の高速炉の炉心の構成例を模式的に示す水平断面図である。
【図１３】従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す縦断面図である。
【図１４】従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す横断面図である。
【図１５】従来の高速炉の炉心燃料集合体の燃料要素の例を示す横断面図である。
【図１６】２３８Ｕのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。
【図１７】２３９Ｐｕ、２４０Ｐｕのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。
【図１８】２３７Ｎｐ、２４１Ａｍ、２４３Ａｍのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。
【図１９】酸化物燃料炉心、ウランを有する金属燃料炉心、Ｕ無金属燃料炉心のそれぞれのドップラー反応度の解析結果の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るＵ無金属燃料集合体およびＵ無金属燃料炉心について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００４２】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心を模式的に示す水平断面図である。Ｕ無金属燃料炉心１００は、鉛直方向に互いに平行に配列された炉心燃料集合体１０１と、その径方向外側に配列された径ブランケット燃料集合体７を有する。炉心燃料集合体１０１は、内側炉心燃料集合体１０１ａおよび外側炉心燃料集合体１０１ｂを有する。内側炉心燃料集合体１０１ａは中央領域に配列され、その径方向外側に外側炉心燃料集合体１０１ｂが配列されている。炉心燃料集合体１０１が配列されている領域には、制御棒集合体８が点在するように配されている。
【００４３】
図２は、Ｕ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体を示す横断面図である。炉心燃料集合体１０１は、互いに平行して三角配列に配置された燃料要素１２１および中性子スペクトル軟化要素１２２と、燃料要素１２１および中性子スペクトル軟化要素１２２の径方向外側に設けられたラッパ管９とを有する。配列の中心に１本の中性子スペクトル軟化要素１２２が配され、その周囲に燃料要素１２１と中性子スペクトル軟化要素１２２それぞれの環状列が径方向に交互に配されている。その最終の環状列の径方向外側に６角筒形状のラッパ管９が設けられている。ラッパ管９内の燃料要素１２１および中性子スペクトル軟化要素１２２間の空間は、冷却材１５の流路となっている。
【００４４】
なお、図２では、中心の中性子スペクトル軟化要素１２２の周囲に、燃料要素１２１が４列、中性子スペクトル軟化要素１２２が３列、それぞれ交互に配されている場合を示したがこれに限定されない。列数がこれより少ない場合、あるいは多い場合でもよい。また、燃料要素１２１と中性子スペクトル軟化要素１２２の配列の方法は、図３に示すような環状列を交互に繰り返す方法でなく、たとえば、互いに平行する列内に燃料要素１２１と中性子スペクトル軟化要素１２２を交互に配する方法でもよい。また、全体として三角配列の場合を示したが、正方格子に配列され、ラッパ管も正方形の筒状の場合であってもよい。
【００４５】
また、図２は、炉心燃料集合体１０１の構成を模式的に示したものであり、具体的には、内側炉心燃料集合体１０１ａおよび外側炉心燃料集合体１０１ｂのそれぞれが、図２に示す構成を有している。
【００４６】
図３は、Ｕ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す横断面図である。燃料要素１２１は、円柱状に延びたＴＲＵ燃料１２１ａと、ＴＲＵ燃料１２１ａの径方向周囲に設けられた被覆管１２１ｂを有する。被覆管１２１ｂは、円筒状で両端が閉止されている。ＴＲＵ燃料１２１ａは、核燃料リサイクルプロセスにおいて、Ｐｕ、Ｎｐ、ＡｍおよびＣｍの一部または全部の元素を混合状態で回収される混合ＴＲＵを主成分として、実質的に残部である母材とを有する金属形態の金属燃料である。ここで、母材としては、たとえばジルコニウム（Ｚｒ）などがある。
【００４７】
なお、実際のＴＲＵ燃料１２１ａには、回収される混合ＴＲＵに移行した少量のＵも含まれることになるが、本実施形態の効果への影響は小さい。すなわち、各実施形態の、「ウラン無金属燃料」、「ＴＲＵ燃料」、「Ｕ無金属燃料」、「Ｕ無燃料」等の用語については、リサイクルプロセスでウランの分離工程を経た後のＴＲＵを主な燃料物質とする燃料のことを指しており、リサイクルプロセスでのウランの分離工程を経ても分離し切れなかったウランを含有するものも「ウラン無金属燃料」、「ＴＲＵ燃料」、「Ｕ無金属燃料」、「Ｕ無燃料」に含まれる。
【００４８】
図４は、Ｕ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の中性子スペクトル軟化要素の構成を示す横断面図である。中性子スペクトル軟化要素１２２は、円柱状に延びた中性子スペクトル軟化材１２２ａと、中性子スペクトル軟化材１２２ａの径方向周囲に設けられた被覆管１２２ｂを有する。被覆管１２２ｂは、円筒状で両端が閉止されている。中性子スペクトル軟化材１２２ａとしては、中性子捕獲断面積が小さく、原子番号の比較的若い元素を含むものとして、たとえば、ＬｉＨ、Ｂ４Ｃ、ＢｅＯ、ＺｒＨ２などがある。ここで、Ｌｉは７Ｌｉ、Ｂは１１Ｂである。また、ＨやＢｅに比べると中性子の減速能力が低下するが、炭素（Ｃ）をグラファイトやＳｉＣの形態で中性子スペクトル軟化材１２２ａとして使用してもよい。さらには、マグネシウム（Ｍｇ）合金などでもよい。
【００４９】
なお、ＴＲＵ燃料１２１ａおよび中性子スペクトル軟化材１２２ａは円柱状で、被覆管１２１ｂおよび被覆管１２２ｂは円筒状の場合を示したが、これに限定されず多角形形状であってもよい。
【００５０】
図５は、Ｕ無金属燃料炉心と従来の炉心の中性子スペクトルを示すグラフである。横軸は中性子エネルギー（ｅＶ）、縦軸は、中性子スペクトル（φｉ／φｔ）を示す。ただし、φｉはそれぞれの中性子エネルギーにおける中性子束、φｔは、φｉの全エネルギーにわたる積分値である。すなわち、縦軸の値は、全エネルギーにわたる積分値が１となるように規格化されている。また、横軸および縦軸の値の表示のたとえば１．０Ｅ＋０１は、１．０×１０＋０１を表す。以下同様である。
【００５１】
図５に示すように、従来の炉心の中性子のエネルギースペクトルに比べて、本実施形態によるＵ無金属燃料炉心の中性子のエネルギースペクトルは、１００ｋｅＶ前後のエネルギーにおけるピークが低くなっており、代わりに、数ｅＶないし数ｋｅＶオーダーにおける分布が大きくなっている。すなわち、１００ｋｅＶ前後のエネルギー領域の中性子が減速され、中性子スペクトルが軟化、すなわちエネルギーの低い方向にシフトしている。
【００５２】
図６は、Ｕ無金属燃料炉心における中性子スペクトル軟化材に対するドップラー反応度を示す棒グラフである。横軸は、大別して、酸化物燃料炉心の例としてＭＯＸ燃料炉心、およびＵ無金属燃料炉心を示す。また、Ｕ無金属燃料炉心については、中性子スペクトル軟化材がない場合とある場合とを示す。
【００５３】
ここで、中性子スペクトル軟化材がないＵ無金属燃料は、ＴＲＵと母材としてのＺｒとからなる材料である。中性子スペクトル軟化材がある場合については、中性子スペクトル軟化材が、それぞれ、ＬｉＨ、Ｂ４Ｃ、ＢｅＯ、ＺｒＨ２の場合を示す。縦軸は、それぞれの場合の、ドップラー反応度の相対値を示し、ＭＯＸ燃料炉心の場合を１としている。
【００５４】
図６に示すように、Ｕ無金属燃料炉心で中性子スペクトル軟化材がない場合には、ドップラー反応度は、ＭＯＸ燃料炉心の場合の約１／３に低下する。Ｕ無金属燃料炉心に中性子スペクトル軟化材としてＬｉＨを加えると、ドップラー反応度は、ＭＯＸ燃料炉心の場合の約１／２となる。Ｕ無金属燃料炉心に中性子スペクトル軟化材としてＢ４ＣあるいはＢｅＯを加えると、ドップラー反応度は、ＭＯＸ燃料炉心の場合の２倍を超える値となる。Ｕ無金属燃料炉心に中性子スペクトル軟化材としてＺｒＨ２を加えた場合は、ドップラー反応度は、ＭＯＸ燃料炉心の場合の３倍を超える値となる。
【００５５】
図７は、Ｕ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体における各中性子スペクトル軟化材の割合とドップラー反応度との関係を示すグラフである。横軸は、燃料集合体中の燃料と中性子スペクトル軟化材の合計重量に対する中性子スペクトル軟化材の重量の割合（％）である。軟化材は、破線で示す酸化ベリリウムＢｅＯ、二点鎖線で示す水素化リチウムＬｉＨ、一点鎖線で示す炭化ホウ素Ｂ４Ｃ、および実線で示す水素化ジルコニウムＺｒＨ２の場合の例を示している。縦軸は、図６と同様に、ドップラー反応度を示し、ＭＯＸ燃料炉心の場合を１とした相対値である。
【００５６】
前述のように、図６に示す母材としてＺｒを使用し中性子スペクトル軟化材を有さないＵ無金属燃料炉心の場合、ドップラー反応度（相対値）はＭＯＸ燃料炉心の場合の約１／３である。この場合に比べてドップラー反応度（相対値）を有意に大きくする、たとえば、１／２とするには、中性子スペクトル軟化材としてＢｅＯを用いた場合、中性子スペクトル軟化材の割合は約２０％である。したがって、中性子スペクトル軟化材としてＢｅＯを用いた場合、本実施形態の効果を生ずるためには、重量の割合（％）は２０％以上であることが必要である。
【００５７】
一方、中性子スペクトル軟化材の割合の最大値は、炉心の臨界量から制約を受ける。中性子スペクトル軟化材としてＢｅＯを用いた場合、炉心が臨界となる中性子スペクトル軟化材の割合は、約８０％であり、中性子スペクトル軟化材の割合がこれより大きくなると、炉心は未臨界となる。したがって、中性子スペクトル軟化材としてＢｅＯを用いた場合、中性子スペクトル軟化材の割合は８０％以下であることが必要である。
【００５８】
従って、本実施形態においては、中性子スペクトル軟化材要素の本数割合、或いは、中性子スペクトル軟化材の添加割合は、中性子スペクトル軟化材としてＢｅＯを用いた場合を例として、約２０％以上、かつ約８０％以下となるように構成されている。
【００５９】
他の中性子スペクトル軟化材を使用する場合についても、同様の考え方でスペクトル軟化材の割合の範囲を適切に決定することができる。
【００６０】
以上のように、本実施形態に係る高速炉用燃料集合体、すなわち炉心燃料集合体１０１を用いた高速炉炉心は、ＴＲＵのうち高速核分裂をする核種の核分裂反応のドップラー効果が効く高いエネルギー領域側から、中性子捕獲反応のドップラー効果が効く相対的に低いエネルギー領域である共鳴吸収領域側に、中性子エネルギースペクトルをシフトさせることにより、負のドップラー効果を増大させることができる。
【００６１】
すなわち、Ｕ無金属燃料高速炉の炉心であっても、従来のＭＯＸ燃料炉心に比べて負のドップラー反応度の絶対値を大きく確保できる。この結果、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果が増大するので、炉心の安全性が確保される。
【００６２】
［第２の実施形態］
図８は、第２の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の構成を示す横断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。炉心燃料集合体１０２は、燃料要素１２１、中性子スペクトル軟化要素１２２、および酸化物燃料要素１２３を有する。第１の実施形態との違いは、燃料要素１２１の一部を酸化物燃料要素１２３に置き換えた点である。酸化物燃料要素１２３は、最外周の燃料要素１２１に代わって１つまたは２つおきに、合計１８個が配されている。
【００６３】
なお、酸化物燃料要素１２３の配置が最外周で、個数が１８の場合を示したが、これには限定されない。さらに内側にも配されてもよい。また、最外周をすべて酸化物燃料要素１２３に置き換えることでもよい。燃料要素１２１を酸化物燃料要素１２３に置き換える割合は、金属燃料と酸化物燃料のそれぞれの核熱的特徴を考慮して適切に決定する。
【００６４】
炉心燃料集合体１０２の要素として、酸化物燃料要素１２３を加えることによって、さらに中性子のエネルギースペクトルを軟化させ、負のドップラー効果をさらに大きくする効果がある。
【００６５】
［第３の実施形態］
図９は、第３の実施形態に係るＵ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の構成を示す横断面図である。炉心燃料集合体１０３は、燃料要素１２４と、ラッパ管９を有する。第１の実施形態では、炉心燃料集合体１０１は、ラッパ管９内には、燃料要素１２１および中性子スペクトル軟化要素１２２を有しているが、本実施形態における炉心燃料集合体１０３は、代わりに後述する混合燃料１２４ａ（図１０参照）を材料とする燃料要素１２４を有する。
【００６６】
図１０は、Ｕ無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の燃料要素を示す横断面図である。燃料要素１２４は、円柱状に延びた混合燃料１２４ａと、混合燃料１２４ａの径方向周囲に設けられた被覆管１２４ｂを有する。被覆管１２４ｂは、円筒状で両端が閉止されている。
【００６７】
混合燃料１２４ａは、主成分である混合ＴＲＵと母材とからなる金属燃料に、中性子スペクトル軟化材を添加した材料からなる。
【００６８】
このように構成された本実施の形態によれば、第１および第２の実施形態と同様に、０．１ＭｅＶ前後のエネルギー領域の中性子が減速され、中性子スペクトルが軟化、すなわちエネルギーの低い方向にシフトする効果がある。この結果、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果が増大すし、炉心の安全性が確保される。
【００６９】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態においては、内側炉心燃料集合体の装荷されている領域と外側炉心燃料集合体の装荷されている領域の２つの領域を有するいわゆる２領域炉心の場合を示したがこれに限定されない。たとえば、１領域炉心の場合、あるいは３領域以上の炉心の場合であっても、本発明は適用できる。
【００７０】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７１】
１…炉心、２…炉心支持板、３…コアキャッチャ、４…原子炉容器、５…炉心燃料集合体、５ａ…内側炉心燃料集合体、５ｂ…外側炉心燃料集合体、７…径ブランケット燃料集合体、８…制御棒集合体、９…ラッパ管、１０…燃料要素、１１…上部ブランケット燃料領域、１２…炉心燃料領域、１３…下部ブランケット燃料領域、１４…冷却材流路、１５…冷却材、１６…ハンドリングヘッド、１７…エントランスノズル、１８…冷却材流入口、１９…反射体、２０…被覆管、２２…燃料、２３…ギャップ、３１…冷却材入口配管、３２…冷却材出口配管、１００…Ｕ無金属燃料炉心、１０１…炉心燃料集合体、１０１ａ…内側炉心燃料集合体、１０１ｂ…外側炉心燃料集合体、１０２、１０３…炉心燃料集合体、１１０…Ｕ無金属燃料集合体、１２１…燃料要素、１２１ａ…ＴＲＵ燃料、１２１ｂ…被覆管、１２２…中性子スペクトル軟化要素、１２２ａ…中性子スペクトル軟化材、１２２ｂ…被覆管、１２３…酸化物燃料要素、１２４…燃料要素、１２４ａ…混合燃料、１２４ｂ…被覆管
【図１】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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