(57)【要約】【課題】燃料無交換反射体制御方式の高速炉において、炉心における燃焼末期の可燃性毒物集合体近傍の燃料ピンの発熱を抑制し、燃料温度上昇を制限する。【解決手段】中性子減速材である水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニウムバナジウムの混合割合を多くし、可燃性毒物であるガドリニウムの混合割合を少なくした混合物質１１を充填した可燃性毒物ピンを可燃性毒物集合体２内の中心部および該中心部に隣接する周囲に装填し、中性子減速材である水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニウムバナジウムの混合割合を少なくし、可燃性毒物であるガドリニウムの混合割合を多くした混合物質１０を充填した可燃性毒物ピンを、可燃性毒物集合体２内の最外周部および該最外周部の内側に装填する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属の冷却材に浸された炉心の外側の中性子反射体を上下方向に移動させて当該炉心からの中性子の漏洩を調整することで炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉であって、
前記炉心の中心部に装荷され、少なくとも高速中性子を吸収する可燃性毒物と前記高速中性子を減速する中性子減速材とを混合した物質の集合体を有し、
前記混合物質集合体内の少なくとも中心部を含む内側部分の混合物質については該混合物質集合体内の最外周部を含む外側部分の混合物質と比較して前記中性子減速材の含有割合を高め、少なくとも最外周部を含む外側部分の混合物質については内側部分の混合物質と比較して前記可燃性毒物の含有割合を高めた炉心を具備したことを特徴とする燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項２】
液体金属の冷却材に浸された炉心の外側の中性子反射体を上下方向に移動させて当該炉心からの中性子の漏洩を調整することで炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉であって、
前記炉心の中心部に装荷され、少なくとも高速中性子を吸収する可燃性毒物と前記高速中性子を減速する中性子減速材とを混合した物質の集合体と、
この炉心中心部の混合物質集合体の周囲に装填され、燃料ペレットを充填した燃料ピンとを有し、
前記炉心に装填した燃料ピン内の燃料ペレットのスミア密度を炉心内の外周部分から中心部に向かうにしたがって低くした炉心を具備したことを特徴とする燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項３】
液体金属の冷却材に浸された炉心の外側の中性子反射体を上下方向に移動させて当該炉心からの中性子の漏洩を調整することで炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉であって、
前記炉心の中心部に装荷され、少なくとも高速中性子を吸収する可燃性毒物と前記高速中性子を減速する中性子減速材とを混合した物質の集合体と、
この炉心中心部の混合物質集合体の各辺に沿って装荷される、当該混合物質集合体と同一多角形の燃料集合体であって、その一辺に沿って配置される燃料ピンの燃料ペレットのスミア密度が他の部分のそれよりも低い燃料集合体と、
前記混合物質集合体の各辺に沿って前記燃料集合体を装荷する際に、当該混合物質集合体の各辺に対応して前記燃料集合体のスミア密度の低い燃料ピンを装填した一辺を隣接して装填するための混合物質集合体の突起部と燃料集合体側の溝からなる装填機構と、
を備えた炉心を具備したことを特徴とする燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項４】
液体金属の冷却材に浸された炉心の外側の中性子反射体を上下方向に移動させて当該炉心からの中性子の漏洩を調整することで炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉であって、
中央部分に高速中性子を吸収する可燃性毒物と前記高速中性子を減速する中性子減速材とを混合した物質を充填したピンを装填し、外周部分に燃料ペレットを充填した燃料ピンを装填し、前記炉心の中心部に装荷される集合体と、
この集合体の周囲に装填され、燃料ペレットを充填した燃料ピンとを有し、
前記集合体内の燃料ピン内の燃料ペレットのスミア密度を前記集合体の周囲に装填される燃料ピン内の燃料ペレットのそれよりも低くした炉心を具備したことを特徴とする燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項５】
前記スミア密度を低くした燃料ピン内の燃料ペレットは、上下に貫通する中心空孔を形成し、スミア密度を低くしたことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項６】
前記スミア密度を低くした燃料ピン内の燃料ペレットは、粉末状の燃料物質を振動充填させて成型し、スミア密度を低くしたことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項７】
前記スミア密度を低くした燃料ピンは、前記炉心に装填したその他の燃料ピンと比較してピン径を細径化し、燃料ピンピッチ／ピン径が大きく成型された燃料ピンであることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項８】
前記スミア密度を低くした燃料ピンは、前記炉心に装填したその他の燃料ピンと比較してプルトニウム富化度あるいはウラン濃縮度が低く成型された燃料ピンであることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項９】
前記スミア密度を低くした燃料ピンは、前記炉心に装填したその他の燃料ピンと比較してスミア密度が低く、かつ、前記炉心に装填したその他の燃料ピンと比較してプルトニウム富化度あるいはウラン濃縮度が高く成型された燃料ピンであることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項１０】
前記スミア密度を低くした燃料ピンは、核分裂性物質と、ジルコニアまたは非燃料物質を振動充填により混合してなる燃料ペレットが充填された燃料ピンであることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項１１】
前記スミア密度を低くした燃料ピンは、熱中性子吸収体でコーティングしてなる燃料ペレットが充填された燃料ピンであることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項１２】
前記中性子減速材と可燃性毒物とを混合した物質は、水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニウムバナジウムと、ガドリニウム１５７にボロン、ジスプロシア、サマリア、ユーロピアを混合した物質であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【請求項１３】
前記スミア密度を低くした燃料ピンは、この燃料ピン内の軸方向上端部に装填した燃料ペレットのスミア密度が、燃料ピン内のその他の部分に装填した燃料ペレットと比較して低く成型された燃料ペレットが充填された燃料ピンであることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属の冷却材に浸された炉心外側の中性子反射体を上下方向に移動させて炉心からの中性子の漏洩を調整することによって炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉に関し、特に中性子減速材と可燃性毒物とを混合した物質を炉心内に設置し、高速中性子を減速させると共に中性子吸収材に吸収させて中性子吸収能力を高めるとともに、燃料の無交換化による炉心の長寿命化を目指すことのできる反射体制御方式の高速炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速増殖炉において、炉心の寿命を延ばすことを目的とした反射体制御方式の高速増殖炉が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
液体金属を冷却材に用いた反射体制御方式の高速炉の一例を図７に示す。
原子炉容器４６の内部中央には炉心４１がある。炉心４１の周囲は冷却材２５で満たされている。冷却材２５は、例えば液体ナトリウム等の液体金属である。冷却材２５は、電磁ポンプ２６によって原子炉容器４６の内部を循環する。この循環した冷却材２５は、炉心４１に流入し、炉心４１から熱を供給され、この炉心４１から流出する。流出した冷却材２５は、中間熱交換器２７によって２次冷却材２８に熱交換される。
【０００４】
図８は、図７に示す高速炉の横断面図である。
炉心４１には、図８に示すように、例えば六角形状の１８本の燃料集合体２９が設置されている。また、炉心４１の中央には、可燃性毒物集合体４２が設置されている。この可燃性毒物集合体４２は、炉心４１の炉停止に用いられる。可燃性毒物集合体４２は、運転時には上方に引き抜かれる中性子吸収棒を兼用する中性子減速材を含んでいる。また炉心４１は炉心バレル３０によって囲まれている。
【０００５】
この炉心バレル３０の外側には、所定の隙間で冷却材２５の流路を分割する隔壁４４が設置される。炉心バレル３０と隔壁４４との間に設けられた空間には炉心４１の運転に使用する中性子反射体４３の移動領域が形成されている。さらに隔壁４４の外側には中性子しゃへい体４５が設置される。この中性子しゃへい体４５の外側は原子炉容器４６で覆われている。
【０００６】
ここに、冷却材２５は、隔壁４４の内側を下から上方向に流れ、その途中で炉心４１に入り核分裂によって生じた熱を奪って温度が上昇する。そして、この温度が上昇した冷却材２５は、図７に示す中間熱交換器２７の内部に入り、ここで２次冷却材２８との熱交換を行った後、中間熱交換器２７から下方向に流出する。この冷却材２５は、図７に示す電磁ポンプ２６によって昇圧され隔壁４４の外側を通って炉心４１の下部に回り込み、再び炉心４１に導入される。
【０００７】
中性子しゃへい体４５は、原子炉容器４６の中性子照射量を全プラント寿命にわたって所定値以下に制限するためのものであり、原子炉容器４６と隔壁４４との間に設置された複数の中性子しゃへい体４５によって構成される。なお、符番４７は、原子炉容器４６を包囲するガードベッセルである。
【０００８】
そして、炉心バレル３０と隔壁４４との間の移動領域には、図８に示すように中性子反射体４３が設置されているが、この中性子反射体４３は、図７に示す駆動装置３１の駆動に伴って、炉心バレル３０と隔壁４４との間の移動領域内をこれに沿って上下方向に移動する。この中性子反射体４３の移動と、中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体４２によって炉心４１の中性子量を調整し、炉心４１の燃焼による反応度変化を補償する。
【０００９】
図９は金属水素化物からなる中性子減速材とガドリニウムなどの可燃性毒物を混合した物質を混合した可燃性毒物集合体４２の一例を示す図である。
中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体４２は、内部に複数のＳＵＳ等の構造材を材料とした被覆管４９に中性子減速材を混合した可燃性毒物を装填した可燃性毒物ピンの集合体である。被覆管４９の内部には、中性子減速材と可燃性毒物を混合した物質、例えば水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニムバナジウムとガドリニウムを混合した物質５０が含まれている。
【００１０】
図１０は、図７に示す高速炉の燃焼中の各種反応度変化例を示す図である。  図１０では、燃料集合体の燃焼反応度変化３２、反射体による中性子吸収反応度効果３３、可燃性毒物集合体による中性子反射反応度３４および中性子吸収反応度効果３３と中性子反射反応度効果３４との合計３５を示す。３０年間の燃焼による燃料集合体２９の余剰の反応度変化が大きく、中性子吸収反応度効果３３の変化だけでは初期の燃料反応変化３２をキャンセルすることができない。つまり、図９に示す燃焼反応変化３２をもった３０年間の長寿命炉心を構成すると、反射体制御だけでは初期炉心の中性子増倍率が大きすぎる。即ち、初期炉心構成で大きく臨界を超過してしまうので運転できない。
【００１１】
これに中性子を吸収する可燃性毒物集合体４２、例えばガドリニウムを炉内に挿入しておけば、燃料集合体２９の初期の余剰な反応度をキャンセルし、さらに燃焼によってガドリニウムの中性子吸収効果は減少するため、燃料の燃焼反応度変化３２の減少と共に、可燃性毒物集合体の反応度変化３４も減少し、反射体制御による中性子反射体４３の反応度変化３３と可燃性毒物集合体の反応度変化３４と合わせて長寿命の燃焼制御が可能となる。また当炉心のような高速炉では、可燃性毒物であるガドリニウムとともに中性子減速材である例えば水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニウムバナジウムを混合した物質を炉内に設置すれば、中性子を減速させて効果的な中性子の吸収が可能となる。これによって燃料無交換の超長寿命な炉心が実現できる。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００１−２３５５７４号公報。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来技術では、中性子減速材と可燃性毒物を混合した可燃性毒物集合体４２を炉心４１内に設置し、燃焼初期に中性子吸収能力を高めたことによって、炉心寿命を向上できる。しかしながら、本炉心では燃焼末期に、可燃性毒物による中性子吸収効果が小さくなると、中性子減速材を混合した可燃性毒物近傍は中性子減速効果のみが卓越し、熱中性子が増加し、可燃性毒物近傍の燃料集合体の燃料ピンの発熱が大きくなり燃料温度が上昇する問題が生じる。
【００１４】
本発明は前記課題に鑑みなされたもので、燃焼末期の可燃性毒物近傍の燃料ピンの発熱を抑制して燃料温度上昇を制限することが可能な、燃料無交換反射体制御方式の高速炉を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る燃料無交換反射体制御方式の高速炉は、液体金属の冷却材に浸された炉心の外側の中性子反射体を上下方向に移動させて当該炉心からの中性子の漏洩を調整することで炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉であって、前記炉心の中心部に装荷され、少なくとも高速中性子を吸収する可燃性毒物と前記高速中性子を減速する中性子減速材とを混合した物質の集合体を有し、前記混合物質集合体内の少なくとも中心部を含む内側部分の混合物質については該混合物質集合体内の最外周部を含む外側部分の混合物質と比較して前記中性子減速材の含有割合を高め、少なくとも最外周部を含む外側部分の混合物質については内側部分の混合物質と比較して前記可燃性毒物の含有割合を高めた炉心を具備したことを特徴とする。
【００１６】
このような構成とすれば、燃焼初期は、炉心から中性子減速材と可燃性毒物を混合した物質の集合体に入ってくる高速中性子は、混合物質の集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。減速した中性子は混合物質集合体内にある可燃性毒物によって吸収される。これに対し、燃焼末期には、炉心から混合物質集合体に入ってくる中性子は、燃焼初期と同様に混合物質集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。ただし、混合物質集合体内の可燃性毒物が燃焼により少なくなっているため、減速した中性子はあまり吸収されず、炉心に戻ろうとする。しかし、混合物質集合体中央に減速材が多いため、熱中性子は混合物質集合体内中央では多いが、外周部には中性子吸収効果が残存しているため、その外側から炉心燃料内に出て行く量は小さくなる。このため燃焼末期でも混合物質集合体周囲の炉心燃料集合体の熱中性子量は小さくなり、結果として燃焼末期の熱中性子による部分的な大きな出力ピークの発生による燃料温度上昇を防止することができる。
【００１７】
また、前記目的を達成するため、本発明の請求項２に係る燃料無交換反射体制御方式の高速炉は、液体金属の冷却材に浸された炉心の外側の中性子反射体を上下方向に移動させて当該炉心からの中性子の漏洩を調整することで炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉であって、前記炉心の中心部に装荷され、少なくとも高速中性子を吸収する可燃性毒物と前記高速中性子を減速する中性子減速材とを混合した物質の集合体と、この炉心中心部の混合物質集合体の周囲に装填され、燃料ペレットを充填した燃料ピンとを有し、前記炉心に装填した燃料ピン内の燃料ペレットのスミア密度を炉心内の外周部分から中心部に向かうにしたがって低くした炉心を具備したことを特徴とする。
【００１８】
このような構成とすれば、燃焼初期は、炉心から中性子減速材と可燃性毒物を混合した物質の集合体に入ってくる高速中性子は、混合物質集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。減速した中性子は混合物質集合体内にある可燃性毒物によって吸収される。これに対し、燃焼末期には、炉心から混合物質の集合体に入ってくる中性子は、燃焼初期と同様に混合物質集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。ただし、混合物質集合体内の可燃性毒物が燃焼により少なくなっているため、減速した中性子はあまり吸収されず、炉心に戻ろうとする。しかし、混合物質の集合体周囲の炉心燃料集合体の燃料ピン内の燃料ペレットのスミア密度が低いため、核分裂が少なく、燃焼末期でも混合物質の集合体周囲の炉心燃料集合体の熱中性子量は小さくなり、結果として燃焼末期の熱中性子による部分的な大きな出力ピークの発生による燃料温度上昇を防止することができる。
【００１９】
また、前記目的を達成するため、本発明の請求項３に係る燃料無交換反射体制御方式の高速炉は、液体金属の冷却材に浸された炉心の外側の中性子反射体を上下方向に移動させて当該炉心からの中性子の漏洩を調整することで炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉であって、前記炉心の中心部に装荷され、少なくとも高速中性子を吸収する可燃性毒物と前記高速中性子を減速する中性子減速材とを混合した物質の集合体と、この炉心中心部の混合物質集合体の各辺に沿って装荷される、当該混合物質集合体と同一多角形の燃料集合体であって、その一辺に沿って配置される燃料ピンの燃料ペレットのスミア密度が他の部分のそれよりも低い燃料集合体と、前記混合物質集合体の各辺に沿って前記燃料集合体を装荷する際に、当該混合物質集合体の各辺に対応して前記燃料集合体のスミア密度の低い燃料ピンを装填した一辺を隣接して装填するための混合物質集合体の突起部と燃料集合体側の溝からなる装填機構とを備えた炉心を具備したことを特徴とする。
【００２０】
このような構成とすれば、燃焼初期は、炉心から中性子減速材と可燃性毒物を混合した物質の集合体に入ってくる高速中性子は、混合物質集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。減速した中性子は混合物質集合体内にある可燃性毒物によって吸収される。これに対し、燃焼末期には、炉心から中性子減速材を混合した混合物質集合体に入ってくる中性子は、燃焼初期と同様に混合物質集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。ただし、混合物質集合体内の可燃性毒物が燃焼により少なくなっているため、減速した中性子はあまり吸収されず、炉心に戻ろうとする。しかし、炉心燃料集合体内のスミア密度が低い燃料ペレットを充填した燃料ピンを、装填機構により混合物質集合体周囲に設置するので、核分裂が少なく、燃焼末期でも混合物質集合体周囲の炉心燃料集合体の熱中性子量は小さくなり、結果として燃焼末期の熱中性子による部分的な大きな出力ピークの発生による燃料温度上昇を防止することができる。
【００２１】
また、前記目的を達成するため、本発明の請求項４に係る燃料無交換反射体制御方式の高速炉は、液体金属の冷却材に浸された炉心の外側の中性子反射体を上下方向に移動させて当該炉心からの中性子の漏洩を調整することで炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉であって、中央部分に高速中性子を吸収する可燃性毒物と前記高速中性子を減速する中性子減速材とを混合した物質を充填したピンを装填し、外周部分に燃料ペレットを充填した燃料ピンを装填し、前記炉心の中心部に装荷される集合体と、この集合体の周囲に装填され、燃料ペレットを充填した燃料ピンとを有し、前記集合体内の燃料ピン内の燃料ペレットのスミア密度を前記集合体の周囲に装填される燃料ピン内の燃料ペレットのそれよりも低くした炉心を具備したことを特徴とする。
【００２２】
このような構成とすれば、燃焼初期は、炉心から中性子減速材と可燃性毒物を混合した物質の集合体に入ってくる高速中性子は、混合物質集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。減速した中性子は混合物質集合体内にある可燃性毒物によって吸収される。これに対し、燃焼末期には、炉心から中性子減速材を混合した混合物質集合体に入ってくる中性子は、燃焼初期と同様に混合物質集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。ただし、混合物質集合体内の可燃性毒物が燃焼により少なくなっているため、減速した中性子はあまり吸収されず、炉心に戻ろうとする。しかし、混合物質集合体内の外周部にスミア密度を低くした炉心燃料集合体を設置したため、核分裂が少なく、燃焼末期でも熱中性子量は小さくなり、結果として燃焼末期の熱中性子による部分的な大きな出力ピークの発生による燃料温度上昇を防止することができる。
【００２３】
また、前記目的を達成するため、本発明の請求項５に係る燃料無交換反射体制御方式の高速炉は、請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の燃料無交換反射体制御方式の高速炉であって、前記スミア密度を低くした燃料ピン内の燃料ペレットは、上下に貫通する中心空孔を形成し、スミア密度を低くしたことを特徴とする。
【００２４】
前記のように構成した本発明によれば、燃焼初期は、炉心から中性子減速材をと可燃性毒物を混合した物質の集合体に入ってくる中性子は、混合物質集合体内において、特に混合物質集合体中央で減速される。減速した中性子は混合物質集合体内にある可燃性毒物によって吸収される。これに対し、燃焼末期には、炉心から中性子減速材を混合した混合物質集合体に入ってくる中性子は、燃焼初期と同様に混合物質集合体内において減速するが、混合物質集合体内の可燃性毒物が燃焼により少なくなっているため、あまり吸収されず、炉心に戻る。しかし、本発明では燃料ペレットに中心空孔を設けて燃料物質のスミア密度を低くしたため、核分裂が少なく、燃焼末期でも炉心燃料集合体の熱中性子量は小さくなり、結果として燃焼末期の熱中性子による部分的な大きな出力ピークの発生による燃料温度上昇を防止することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係わる反射体制御方式の高速炉の横断面図である。なお、以下に示す各実施形態において、図１に示される構成要素と同一部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１に示すように、炉心１には、複数の燃料集合体１ａが装荷される。ただし、炉心１の中央には可燃性毒物集合体２が装荷される。可燃性毒物集合体２は、少なくとも中性子減速材と可燃性毒物とを混合した物質を充填したピン（以下、可燃性毒物ピンと称する）の集合体である。中性子減速材と可燃性毒物とを混合した物質とは、例えば水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニウムバナジウムとガドリニウムを混合した物質である。炉心１の外側には中性子反射体３が配置される。中性子反射体３は、カバーガス空間を含む、例えばグラファイトあるいはＳＵＳ等の構造材で構成され、例えば長さ約２００ｃｍ、厚さ約１５ｃｍのものが使用されている。中性子反射体３の外側には隔壁４が設けられる。隔壁４の外側には中性子しゃへい体５が装荷される。さらに、原子炉容器６の外側にはガードベッセル７が設けられる。
【００２６】
図２は、図１に示す可燃性毒物集合体２の一例を示す図である。
図２に示すように、中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２には、ＳＵＳ等の構造材を材料とした複数の被覆管９が装填される。被覆管９の内部には混合物質１０または１１が含まれる。混合物質１０、１１は、中性子減速材と可燃性毒物とを混合した物質である。混合物質１１を含んだ被覆管９は、可燃性毒物集合体２内に装填される各可燃性毒物ピンの中性子減速材および可燃性毒物の混合割合を均一にした場合（以下、従来装填時と称する）と比較して、中性子減速材である水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニウムバナジウムの含有量を多くし、可燃性毒物であるガドリニウムの含有量を少なくした高濃度減速材混合の可燃性毒物ピンである。つまりこの高濃度減速材の混合物質１１を含んだ可燃性毒物ピンでは、中性子減速材と可燃性毒物との合計量が従来装填時と同じである場合と比較して、中性子減速材の含有割合を高くしてある。
【００２７】
また、混合物質１０を含んだ被覆管９は、従来装填時と比較して、中性子減速材である水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニウムバナジウムの含有量を少なくし、可燃性毒物であるガドリニウムの含有量を多くした低濃度減速材混合の可燃性毒物ピンである。つまりこの低濃度減速材混合の混合物質１０を含んだ可燃性毒物ピンでは、中性子減速材と可燃性毒物との合計量が従来装填時と同じである場合と比較して可燃性毒物の含有割合を高くしてある。なお、本実施形態において、混合物質１０および１１内の中性子減速材および可燃性毒物の混合割合の具体的な数値については特に限定されるものではない。
【００２８】
混合物質１１を含んだ可燃性毒物ピン９は、図２に示すように可燃性毒物集合体２の中心部および該中心部に隣接する外側に装填される。また、混合物質１０を含んだ可燃性毒物ピン９は、図２に示すように、可燃性毒物集合体２内の最外周部および該最外周部に隣接する内側に装填される。つまり、可燃性毒物集合体２内の外側部分においては中心部と比較して中性子減速材の混合割合が少ない低濃度減速材の混合物質１０が充填され、中心部においては、外側部分と比較して中性子減速材の混合割合が高い高濃度減速材の混合物質１１が充填される。
【００２９】
なお、可燃性毒物集合体２において、混合物質１０を含む可燃性毒物ピン９の数および混合物質１１を含む可燃性毒物ピン９の数の比については特に限定されるものではない。つまり、混合物質１１を含む可燃性毒物ピン９が少なくとも可燃性毒物集合体２の中心部に装填され、混合物質１０を含む可燃性毒物ピン９が少なくとも可燃性毒物集合体２の最外周部に装填されていればよい。
【００３０】
次に、前記第１実施形態における反射体制御方式の高速炉の作用について説明する。
図３は、図１に示す炉心１の燃焼末期状態における中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２内外の熱中性子分布例を示す図である。
燃焼末期では、炉心１内の可燃性毒物であるガドリニウムの燃焼により、ガドリニウムの熱中性子吸収効果が小さくなり、中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２内の熱中性子は増加する。中性子減速材と可燃性毒物の混合比を均一にした場合は、点線で示すように、可燃性毒物集合体２内の外側で熱中性子が増加し、可燃性毒物集合体２に隣接する燃料集合体１ａ内の熱中性子量も増加する。このため燃焼末期では中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２に隣接する燃料集合体１ａ内の燃料ピンの発熱量が増大し、燃料温度が上昇してしまう。しかし、熱中性子は飛程が小さいので、実線で示すように可燃性毒物集合体２内の外側に装填される可燃性毒物ピンに充填される物質１０として中性子減速材の混合割合が小さい低濃度減速材とすると、可燃性毒物集合体２中心部では熱中性子が増加するが、外側部分は熱中性子が減少して、可燃性毒物集合体２に隣接する燃料集合体１ａ内ではほとんど熱中性子が増加しない。このため、燃焼末期の熱中性子の増加による、部分的な発熱ピークは小さくなり、燃料温度上昇が小さくなる。
【００３１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
この第２実施形態が、第１実施形態と異なる点は、以下の通りである。即ち、中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２の代わりに、中性子減速材と可燃性毒物との混合割合分布を均一とした可燃性毒物集合体を用いる。そして炉心１内に装荷している燃料集合体１ａ内の燃料ピン内の燃料ペレットのスミア密度を、第１実施形態で用いた燃料集合体１ａのスミア密度と比較して低くする。本実施形態において、燃料ペレットのスミア密度を、例えば、炉心１内の外周部分から中心部に向かうにしたがって低くする。これによって、特に炉心１中心部に隣接した箇所における出力運転時の発熱密度が下がり、燃焼末期の熱中性子束上昇による燃料温度の上昇を制限することができる。
【００３２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図４は、本発明の第３実施形態に係わる反射体制御方式の高速炉の可燃性毒物集合体２ａとそれに隣接する燃料集合体１２を示す図である。
この第３実施形態は、第１実施形態の変形例の一例であり、第２実施形態をより具体化したものである。第３実施形態が第１実施形態と異なる点は、以下の通りである。即ち、第１実施形態で用いた可燃性毒物集合体２の代わりに、図４に示すように、中性子減速材と可燃性毒物を混合した物質内の混合割合の分布を均一とした可燃性毒物集合体２ａを用いる。また、可燃性毒物集合体２ａに隣接する燃料集合体として、第１実施形態で用いた燃料集合体１ａの代わりに燃料集合体１２を用いる。
【００３３】
燃料集合体１２内には、燃料ピン１３および燃料ピン１４が装填される。ただし、燃料ピン１３は可燃性毒物集合体２ａに近隣した箇所に装填された燃料ピンであり、燃料ピン１４は、燃料集合体１２内のその他の箇所に装填された燃料ピンである。燃料ピン１４の燃料ペレットのスミア密度は、第１実施形態で用いた燃料集合体１ａ内に装填される燃料ピンの燃料ペレットのスミア密度と同じであるが、燃料ピン１３の燃料ペレットのスミア密度を燃料ピン１４の燃料ペレットのスミア密度と比較して低くする。これにより定格時の発熱密度が下がる。したがって燃焼末期に熱中性子束が上昇しても燃料温度の上昇を制限することができる。
【００３４】
図５は本発明の第３実施形態の変形例を示す図である。同図（ａ）は、本実施形態で用いる可燃性毒物集合体２ａおよび該可燃性毒物集合体２ａに隣接する燃料集合体１５の平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示した可燃性毒物集合体２ａに対する燃料集合体１５のセルフオリエンテーション機構１８を示す側面図である。
【００３５】
既に説明した第３実施形態においては、中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２ａには、必ずスミア密度を低くした燃料ピン１３を隣接させる必要がある。このために、図４で説明した燃料集合体１２の代わりに燃料集合体１５を用いた例を説明する。この燃料集合体１５には、燃料集合体１２と比較して、その一角に溝１６が設けられている。溝１６は、例えば図５に示すように、燃料集合体１５の長軸方向に沿って形成される。
【００３６】
また、この変形例においては、図４で説明した可燃性毒物集合体２ａの代わりに可燃性毒物集合体２ｂを用いる。この可燃性毒物集合体２ｂには、可燃性毒物集合体２ａと比較して、複数のハンドリングヘッドキー１７を取り付ける。ハンドリングヘッドキー１７は可燃性毒物集合体２ｂのハンドリングヘッドに取り付けられる。ハンドリングヘッドキー１７は、燃料集合体１５の溝１６と嵌合させるものである。なお、図５においては、図示している燃料集合体１５の溝１６と対応するハンドリングヘッドキー１７のみを図示している。
【００３７】
そして、燃料集合体１５にはセルフオリエンテーション機構（装填機構）１８が設けられる。このセルフオリエンテーション機構１８は、燃料集合体１５を炉内に挿入した場合にこれを可燃性毒物集合体２ｂのハンドリングヘッドキー１７に沿って回転させる機構である。燃料集合体１５の回転方向については特に限定されるものではない。セルフオリエンテーション機構１８を用いることで、炉心１に可燃性毒物集合体２ｂを装荷した後に燃料集合体１５を装荷する際に、これを可燃性毒物集合体２ｂのハンドリングヘッドキー１７に沿って回転させることができる。そして、回転させた燃料集合体１５の溝１６を可燃性毒物集合体２ｂのハンドリングヘッドキー１７と嵌合させる。すると、燃料集合体１５は可燃性毒物集合体２ｂに固定される。
【００３８】
これにより、燃料集合体１５内の溝１６を設けた面に沿わせて装填した燃料ピンを必ず可燃性毒物集合体２ａの一辺に沿って隣接させることができる。つまり、燃料集合体１５の溝１６を可燃性毒物集合体２ｂのハンドリングヘッドキー１７に嵌合させたときに当該燃料集合体１５における可燃性毒物集合体２ｂに隣接する面にスミア密度の低い燃料ピン１３が設置されるように予め構成しておくことで、当該燃料集合体１５内のスミア密度が低い燃料ピン１３を意図的に可燃性毒物集合体２ｂに隣接させることができるようになる。溝１６およびハンドリングヘッドキー１７を設ける箇所および形状については特に限定されるものではなく、セルフオリエンテーション機構１８により、可燃性毒物集合体２ｂの溝１６と燃料集合体１５のハンドリングヘッドキー１７とが嵌合して、燃料集合体１５の燃料ピン１３が可燃性毒物集合体２ｂに隣接できるような箇所および形状であればよい。
【００３９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図６は、本発明の第４実施形態の特徴を示す図である。
この第４実施形態は、第１実施形態の変形例である。第４実施形態が、第１実施形態と異なる点は、以下の通りである。つまり、例えば第１実施形態で用いた可燃性毒物集合体２の代わりに図６に示す可燃性毒物集合体２０を用いる。この可燃性毒物集合体２０には、中性子減速材を混合した可燃性毒物を充填した可燃性毒物ピン１９と、スミア密度を低くした燃料ピン１３（図４参照）とがともに装填される。可燃性毒物ピン１９における中性子減速材と可燃性毒物の混合割合の分布は均一である。可燃性毒物集合体２０内の外側つまり最外周部および該最外周部に隣接する箇所にはスミア密度を低くした燃料ピン１３を装填し、それ以外の中央部分には可燃性毒物ピン１９を装填する。可燃性毒物集合体２０において、燃料ピン１３は、図６に示した箇所に限らず、少なくとも可燃性毒物集合体２０の最外周部の箇所に装填されていればよい。
【００４０】
これにより燃焼初期は低い出力で発熱する。また、燃焼末期には、可燃性毒物が燃焼により減少するため集合体内の熱中性子が増加し、中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２０内の燃料ピン１３の発熱が上昇する。しかし、燃料ピン１３は通常の燃料よりスミア密度が低いので、熱中性子束増加にもかかわらず燃料温度の上昇を制限することができる。
【００４１】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
この第５実施形態は、第２〜第４実施形態の変形例を説明するものである。つまり、例えば第３および第４実施形態で用いたスミア密度の低い燃料ピン１３の代わりに、燃料ピン１４の燃料ペレットに中心空孔を設けた燃料ピンを用いることでスミア密度を低くしている。これにより発熱密度が低くなり、燃焼末期の熱中性子束の増加にもかかわらず、燃料温度の上昇を制限することができる。
【００４２】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。
この第６実施形態は、第２〜第４実施形態の変形例を説明するものである。つまり、例えば第３および第４実施形態で用いた燃料ピン１３の代わりに粉末状の燃料物質を振動充填した燃料ピンを用いることでスミア密度を低くしている。これにより発熱密度が下がり、燃焼末期の熱中性子束の増加にもかかわらず燃料温度の上昇を制限することができる。
【００４３】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。
この第７実施形態は、第２〜第４実施形態の変形例を説明するものである。つまり、例えば第３および第４実施形態で用いた燃料ピン１３の代わりに、燃料ピン１４の径を細径化し、線出力を下げ、ピンピッチ／ピン径が大きく成型された燃料ピンを用いる。これにより燃料密度が低くなるため冷却材圧力損失が低減して、定格時の燃料温度、冷却材出口温度が下がる。したがって燃焼末期の熱中性子束の増加による燃料温度の上昇を制限できる。
【００４４】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態について説明する。
この第８実施形態は、第２〜第４実施形態の変形例を説明するものである。つまり、例えば第３および第４実施形態で用いた燃料ピン１３の代わりに、燃料ピン１４のプルトニウム富化度あるいはウラン濃縮度が低く成型された燃料ピンを用いる。プルトニウム富化度あるいはウラン濃縮度を下げると核分裂数が低下するので発熱密度が低下する。これにより燃焼末期の熱中性子束の増加にもかかわらず燃料温度の上昇を制限することができる。
【００４５】
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態について説明する。
この第９実施形態は、第２〜第４実施形態の変形例を説明するものである。つまり、例えば第３および第４実施形態で用いた燃料ピン１３の代わりに、燃料ピン１４と同様にスミア密度が低く、かつプルトニウム富化度あるいはウラン濃縮度が高く成型された燃料ピンを用いる。このようにプルトニウム富化度あるいはウラン濃縮度を上げることにより、中性子減速材を混合した可燃性毒物近傍の燃料ピンのスミア密度を下げたことによる燃焼初期の発熱密度の低下が緩和される。燃焼末期には、核分裂性物質は減少しており、スミア密度も低い。このため、熱中性子束が増加していても、発熱量の増加は制限され、燃料温度上昇は制限される。これにより寿命中の発熱をできるだけ一定にさせることができる。
【００４６】
（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態について説明する。
この第１０実施形態は、第２〜第４実施形態の変形例を説明するものである。つまり、例えば第３および第４実施形態で用いた、中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２近傍の燃料ピン１３に代えて、核分裂性物質と、ジルコニアまたは非燃料物質を振動充填により混合した燃料物質を燃料ペレットの代替物として充填した燃料ピンを用いる。核分裂性物質は、例えば、酸化プルトニウムあるいは濃縮した酸化ウラニウムである。非燃料物質は、例えば、マグネシアあるいはアルミナ等である。これにより、燃焼初期は、酸化プルトニウムあるいは酸化ウラン内の核分裂性物質の燃焼により発熱させる。燃焼末期には、核分裂性物質は減少し、発熱量は低下する。燃焼末期は可燃性毒物集合体２内の可燃性毒物は減少しており、中性子減速材により熱中性子束が増加する。熱中性子束は増加するが、核分裂性物質は大きく減少しており、発熱密度の増加は制限され、燃料温度上昇は制限される。これにより寿命中の発熱が一定に保持される。
【００４７】
（第１１実施形態）
次に、本発明の第１１実施形態について説明する。
この第１１実施形態は、第２〜第４実施形態の変形例を説明するものである。つまり、例えば第３および第４実施形態で用いた燃料ピン１３を用いる代わりに、内部の燃料物質を熱中性子吸収体にてコーティングして成型された物質を燃料ペレットとして充填した燃料ピンを用いる。熱中性子吸収体は、例えば、ホウ素化ジルコニウム（ＺｒＢ２）である。これにより、燃焼末期の中性子減速材と可燃性毒物の近傍における熱中性子束増加に対しても、燃料物質をコーティングしている熱中性子吸収体により、熱中性子が吸収され、発熱密度の増加が制限され、燃料温度の上昇が制限される。
【００４８】
（第１２実施形態）
次に、本発明の第１２実施形態について説明する。
この第１２実施形態は、第１および第２実施形態の変形例を説明するものである。つまり、例えば第１実施形態で用いた可燃性毒物集合体２の代わりに、中性子減速材、例えば水素化ジルコニウムまたは水素化ジルコニウムバナジウムと可燃性毒物として濃縮したガドリニウム１５７と、ボロンまたは希土類酸化物のジスプロシア、サマリア、ユーロピアを混合した物質である。濃縮したガドリニウム１５７は、第１実施形態で用いたガドリニウムと比較して、中性子を吸収し易い。これにより、長期間の吸収反応度の低下を滑らかにする。したがって、燃焼末期の熱中性子増加による燃料温度の上昇を防ぐことができる。
【００４９】
（第１３実施形態）
次に、本発明の第１３実施形態について説明する。
この第１３実施形態は、第２実施形態の変形例を説明するものである。つまり、第２実施形態で用いた炉心１内の燃料集合体１ａの代わりに、該燃料集合体１ａと比較して、燃料ピン内において、炉心１の軸方向上端部に充填される燃料ペレットのスミア密度が、炉心１の軸方向上端部以外に充填される燃料ペレットのスミア密度と比較して低く成型された燃料ペレットを用いる。これにより、燃焼初期は、炉心１から中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２に入ってくる中性子は、可燃性毒物集合体２内において、特に可燃性毒物集合体２の中央で減速される。減速した中性子は可燃性毒物集合体２内にある可燃性毒物によって吸収される。これに対し、燃焼末期には、炉心１から中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体２に入ってくる中性子は、可燃性毒物集合体２内において減速するが、可燃性毒物集合体２内には可燃性毒物が燃焼により少なくなっているため、あまり吸収されず、炉心１に戻る。しかし、本発明では燃焼末期に燃焼する炉心上部の燃料ペレットのスミア密度が低いため、核分裂が少なく、燃焼末期でも炉心燃料集合体の熱中性子量は小さくなる。その結果として燃焼末期の熱中性子による部分的な大きな出力ピークの発生による燃料温度上昇を防止することができる。また、燃焼初期は、可燃性毒物集合体２の周囲で熱中性子が吸収され、少なくなっていても、軸方向下部のスミア密度は高いため、燃料温度を寿命期間中を通じて一定状態に近づけることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、燃焼末期の熱中性子による部分的な大きな出力ピークの発生による燃料温度上昇を防止することができ、燃料無交換の超長寿命な炉心を持つ高速炉が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる反射体制御方式の高速炉の横断面図。
【図２】図１に示す可燃性毒物集合体の一例を示す図。
【図３】図１に示す炉心の燃焼末期状態における中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体内外の熱中性子分布例を示す図。
【図４】本発明の第３実施形態に係わる反射体制御方式の高速炉の可燃性毒物集合体とそれに隣接する燃料集合体を示す図。
【図５】本発明の第３実施形態の変形例を示す図。
【図６】本発明の第４実施形態の特徴を示す図。
【図７】液体金属を冷却材に用いた反射体制御方式の高速炉の一例を示す図。
【図８】図７に示す高速炉の横断面図。
【図９】金属水素化物からなる中性子減速材とガドリニウムなどの可燃性毒物を混合した物質を混合した可燃性毒物集合体の一例を示す図。
【図１０】図７に示す高速炉の燃焼中の各種反応度変化例を示す図。
【符号の説明】
１…炉心、２…中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体、３…反射体、４…隔壁、５…中性子しゃへい体、６…原子炉容器、７…ガードベッセル、９…被覆管（可燃性毒物ピン）、１０…中性子減速材の含有量を減らした混合物質、１１…中性子減速材の含有量を増やした混合物質、１２…中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体に隣接する燃料集合体、１３…燃料スミア密度を低くした燃料ピン、１４…燃料ピン、１５…中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体に隣接する燃料集合体、１６…中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体に隣接する燃料集合体の溝、１７…中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体のキー、１８…セルフオリエンテーション機構、１９…中性子減速材を混合した可燃性毒物ピン、２０…スミア密度を低くした燃料ピンを含んだ中性子減速材を混合した可燃性毒物集合体、２５…冷却材、２６…電磁ポンプ、２７…中間熱交換器、２８…２次冷却材、２９…燃料集合体、３０…炉心バレル、３１…反射体駆動機構、３２…燃焼反応度変化、３３…可燃性毒物中性子吸収反応度変化、３４…反射体による中性子反射反応度変化、３５…可燃性毒物中性子吸収反応度変化と反射体による中性子反射反応度変化の合計、４１…炉心、４２…可燃性毒物集合体、４３…中性子反射体、４４…隔壁、４５…中性子しゃへい体、４６…原子炉容器、４９…被覆管（可燃性毒物ピン）、５０…中性子減速材および可燃性毒物の混合物質。
【図１】
2005024346.tif 000003
【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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