(57)【要約】【課題】  炉心内側領域において冷却材体積比を小さくし、冷却材ボイド反応度を小さくする。【解決手段】  金属燃料を使用し、炉心１０は、出力分布平坦化のために複数の領域に区分されている。金属燃料として、Ｕ−ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ−Ｚｒ三元合金を使用する。そして、全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一とすし、内側炉心燃料ピン２２の方が外側炉心燃料ピン２４よりも金属燃料スラグのＺｒ含有率を大きな値とする。燃料集合体は、ラッパ管内に多数の燃料ピンを同じ配列で装填した構造であり、各燃料ピン同士はワイヤ型スペーサで一定間隔に保たれる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属燃料を使用し、出力分布平坦化のために複数の炉心領域に区分されている高速炉において、金属燃料としてＵ、ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ、及びＺｒからなる三元合金を使用し、全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一であって、金属燃料スラグのＺｒ含有率を変化させることにより領域区分が行われていることを特徴とする金属燃料高速炉。
【請求項２】
金属燃料を使用し、出力分布平坦化のために内側炉心領域と外側炉心領域に区分されている２領域型高速炉において、金属燃料としてＵ、ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ、及びＺｒからなる三元合金を使用し、全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一であって、内側炉心燃料ピンの方が外側炉心燃料ピンよりも金属燃料スラグのＺｒ含有率が大きな値に設定されていることを特徴とする金属燃料高速炉。
【請求項３】
金属燃料を使用し、出力分布平坦化のために内側炉心領域と中間炉心領域と外側炉心領域とに区分されている３領域型高速炉において、金属燃料としてＵ、ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ、及びＺｒからなる三元合金を使用し、全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一であって、中間炉心燃料ピンの方が外側炉心燃料ピンよりも金属燃料スラグのＺｒ含有率が大きな値に設定され、且つ内側炉心燃料ピンの方が中間炉心燃料ピンよりも金属燃料スラグのＺｒ含有率が大きな値に設定されていることを特徴とする金属燃料高速炉。
【請求項４】
炉心領域に装荷される全ての燃料集合体は、ラッパ管内に多数の燃料ピンを同じ配列で装填した構造であり、各燃料ピン同士はワイヤ型スペーサで一定間隔に保たれている請求項２又は３記載の金属燃料高速炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属燃料としてＵ、ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ（超ウラン）、及びＺｒからなる三元合金を使用し、燃料のＰｕ富化度とピン径を単一とし、金属燃料スラグのＺｒ含有率の違いにより複数の炉心領域に区分し、出力分布の平坦化を図った金属燃料高速炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速炉で用いる核燃料物質の形態として、現在はＵ−Ｐｕ混合酸化物が主流であるが、近年、金属燃料についても高燃焼度が達成可能な合金の開発が進んでいる。その代表的な例は、Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金である。この合金は、スエリングや被覆管との共晶反応の緩和の点で優れた特性を有し、また定常照射や炉内過渡試験が実施されており、照射挙動や破損挙動に関する情報も多く整備されている。
【０００３】
ところで、高速炉用の燃料として金属燃料を採用した場合、燃料と被覆管の接触部における液相形成を防止する必要があることから、酸化物燃料を用いた場合と比較して、被覆管最大温度を抑制する必要がある。その結果、原子炉出口温度も低下することから、熱効率の減少が見られる。その弱点補強策として、燃料のＰｕ富化度を単一とし、炉心出力分布平坦化のためにピン径の異なる数種類の燃料ピンを用い、グリッド型スペーサ方式の燃料集合体を採用することが提案されており、それによって冷却材流量配分を合理化でき、酸化物燃料炉心と同等の出口温度達成の見通しが得られている。
【０００４】
しかしながら、そのような仕様では内側炉心領域において相対的に細径の燃料ピンを使用することになるため、その領域では燃料ピン間ギャップが大きくなる。その結果、冷却材体積比が大きくなり、炉心安全上重要である冷却材ボイド反応度が大きくなる傾向が生じる。また、グリッド型スペーサ方式については、高速炉での使用実績が殆ど無いことから、工学的成立性のための技術課題の解決が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、内側炉心領域において冷却材体積比が大きくなり、冷却材ボイド反応度が大きくなる点である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、金属燃料を使用し、出力分布平坦化のために複数の炉心領域に区分されている高速炉において、金属燃料としてＵ、ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ、及びＺｒからなる三元合金を使用し、全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一であって、金属燃料スラグのＺｒ含有率を変化させることにより領域区分が行われていることを特徴とする金属燃料高速炉である。
【０００７】
また本発明は、金属燃料を使用し、出力分布平坦化のために内側炉心領域と外側炉心領域に区分されている２領域型高速炉において、金属燃料としてＵ、ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ、及びＺｒからなる三元合金を使用し、全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一であって、内側炉心燃料ピンの方が外側炉心燃料ピンよりも金属燃料スラグのＺｒ含有率が大きな値に設定されていることを特徴とする金属燃料高速炉である。
【０００８】
更に本発明は、金属燃料を使用し、出力分布平坦化のために内側炉心領域と中間炉心領域と外側炉心領域とに区分されている３領域型高速炉において、金属燃料としてＵ、ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ、及びＺｒからなる三元合金を使用し、全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一であって、中間炉心燃料ピンの方が外側炉心燃料ピンよりも金属燃料スラグのＺｒ含有率が大きな値に設定され、且つ内側炉心燃料ピンの方が中間炉心燃料ピンよりも金属燃料スラグのＺｒ含有率が大きな値に設定されていることを特徴とする金属燃料高速炉である。
【０００９】
これらにおいて、炉心領域に装荷される全ての燃料集合体は、ラッパ管内に多数の燃料ピンを同じ配列で装填した構造であり、各燃料ピン同士はワイヤ型スペーサで一定間隔に保たれている構造とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る金属燃料高速炉炉心は、単一Ｐｕ富化度で且つ単一ピン径とし、金属燃料スラグのＺｒ含有率を変化させることにより炉心出力分布を平坦化しているため、炉心内側領域の燃料ピン間ギャップ縮小が図られるので、冷却材体積比が減少し、冷却材ボイド反応度を低減できる。更に、高速炉で使用実績が豊富にあるワイヤ型スペーサの適用が可能となるために、開発課題が大幅に減り、概念の実現性が飛躍的に向上する。また、燃料被覆管が１種類となるので、燃料製造工程の簡素化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、出力分布平坦化のために２〜３の炉心領域に区分されている金属燃料高速炉である。金属燃料としては、Ｕ、ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ、及びＺｒからなる三元合金を使用する。全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一であって、内側の炉心燃料ピンの方が外側の炉心燃料ピンよりも金属燃料スラグのＺｒ含有率が大きな値に設定されている。炉心領域に装荷される全ての燃料集合体は、ラッパ管内に多数の燃料ピンを同じ配列で装填した構造であり、各燃料ピン同士はワイヤ型スペーサで一定間隔に保たれている構造とする。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明に係る金属燃料高速炉の一実施例を示す説明図であり、炉心構成と燃料集合体の横断面を模式的に示している。この高速炉の炉心１０は、金属燃料としてＵ、Ｐｕ、及びＺｒからなる三元合金を使用する。Ｐｕに代えてＰｕを主体とするＴＲＵを用いる場合もある。使用済燃料からＰｕを回収する際に、ＭＡ（マイナーアクチニド）も随伴するからである。炉心１０は、出力分布平坦化のために、内側炉心領域と外側炉心領域との２領域に区分されており、内側炉心領域には内側炉心燃料集合体１２が、外側炉心領域には外側炉心燃料集合体１４が、それぞれ装荷されている。内側炉心燃料集合体１２及び外側炉心燃料集合体１４は、ともに六角筒状のラッパ管１６内に多数の燃料ピンを装填した構造であり、それら全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一で且つピン径も同一（１種類）となっている。従って、炉心領域に装荷される全ての燃料集合体は、ラッパ管内に燃料ピンを同じ配列で装填した構造である（つまり、内側炉心燃料集合体１２と外側炉心燃料集合体１４は、形状的には同一である）。ここでは、燃料集合体内において、燃料ピン同士はワイヤ型スペーサ（図示せず）で一定間隔に保たれており、それらの間が冷却材流路１８となる。
【００１３】
本発明では、内側炉心燃料ピン２２におけるＵ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金中のＺｒの含有率が、外側炉心燃料ピン２４におけるＵ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金中のＺｒの含有率よりも大きな値に設定されている。内側炉心燃料ピン２２と外側炉心燃料ピン２４におけるＵ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金中のＺｒの含有率の関係を、図２の円グラフで示す。Ａは内側炉心燃料であり、Ｂは外側炉心燃料である。
【００１４】
図２に示すように、金属燃料スラグのＺｒ含有率を変化させることにより、ラッパ管内に多数の燃料ピンを同じ配列で装填した構造の燃料集合体を用いても炉心出力分布を平坦化できる。この結果、ピン径の異なる２種類の燃料ピンを用いた場合と比較して、内側炉心燃料集合体における燃料ピン間ギャップ縮小を図ることができるので、冷却材体積比が減少し、冷却材ボイド反応度を低減できる。それに加えて、高速増殖炉で使用実績が豊富にあるワイヤ型スペーサの適用が可能になるために、開発課題が大幅に減り、概念の実現性が飛躍的に向上する。更に、燃料被覆管が１種類で済むので、燃料製造工程を簡素化できる。
【００１５】
本発明を適用した中型の内外２領域型炉心について、具体的な燃料仕様、炉心仕様、及び核特性評価結果の一例を以下に示す。表１は燃料仕様を示している。この仕様に基づいた解析により、表２に示すような所要の炉心特性が得られた。出力分布の平坦化が十分に図られ、原子炉出入口温度を酸化物燃料炉心並に設定できる見通しが得られた。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
2005083966.tif 000004
【００１８】
なお本発明において、Ｐｕ富化度は炉心サイズに依存し、炉心が大型化するほどＰｕ富化度は減少するが、およそ１０〜１５ｗｔ％である。表１−２に示す中規模の炉心では、１２ｗｔ％程度としている。
【００１９】
また本発明において、中性子経済を良くし核特性を向上させるためには、Ｚｒ含有率をできるだけ低く抑えることが望ましい。しかし、Ｕ−ＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ−Ｚｒ三元合金が燃料として十分な強度をもつためには、Ｚｒ含有率を１０ｗｔ％以上とする必要がある。そこで表１に示す燃料仕様では、外側炉心燃料のＺｒ含有率を１０ｗｔ％とし、内側炉心燃料のＺｒ含有率は出力分布が適切となるように調整している。ここでは内側炉心燃料のＺｒ含有率を１４．４ｗｔ％に設定している。
【００２０】
上記の実施例は２領域型の場合であったが、内側炉心領域と中間炉心領域と外側炉心領域との３領域型であってもよい。その場合には、中間炉心燃料ピンにおける金属燃料スラグのＺｒ含有率（Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金中のＺｒの含有率）を、外側炉心燃料ピンにおける金属燃料スラグのＺｒ含有率よりも大きな値に設定し、且つ内側炉心燃料ピンにおける金属燃料スラグのＺｒ含有率を、中間炉心燃料ピンにおける金属燃料スラグのＺｒ含有率よりも大きな値に設定する。
【００２１】
なお、上記の実施例ではワイヤ型スペーサを用いており、高速炉で使用実績が豊富にあるために、開発課題が大幅に減り概念の実現性が飛躍的に向上するが、場合によってはグリッド型スペーサを使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る金属燃料高速炉の一実施例を示す説明図。
【図２】内側／外側炉心燃料のＺｒ含有率を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２３】
１０  高速炉の炉心
１２  内側炉心燃料集合体
１４  外側炉心燃料集合体
１６  ラッパ管
１８  冷却材流路
２２  内側炉心燃料ピン
２４  外側炉心燃料ピン
【図１】
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【図２】
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