(57)【要約】【課題】高速炉の燃焼反応度の低減を図ることができる高速炉の炉心を提供する。【解決手段】高速炉の炉心２は、円筒状の炉心バレル４０と、炉心燃料集合体４１と、特殊炉心燃料集合体４２とを備える。炉心燃料集合体４１は、炉心バレル４０内に配置され、炉心燃料集合体ラッパ管４４と炉心燃料集合体ラッパ管４４の内部に配列された炉心燃料集合体燃料ピン４５とを有する。特殊炉心燃料集合体４２は、炉心バレル４０と炉心バレル４０内において最外周側に配置された炉心燃料集合体４１との間に形成される空間に配置され、空間の形状に応じた形状の特殊燃料集合体ラッパ管４６と特殊燃料集合体ラッパ管４６の内部に配列された特殊燃料集合体燃料ピン４７とを有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の炉心バレルと、
前記炉心バレル内に配置され、炉心燃料集合体ラッパ管と前記炉心燃料集合体ラッパ管の内部に配列された炉心燃料集合体燃料ピンとを有する炉心燃料集合体と、
前記炉心バレルと前記炉心バレル内において最外周側に配置された前記炉心燃料集合体との間に形成される空間に配置され、前記空間の形状に応じた形状の特殊燃料集合体ラッパ管と前記特殊燃料集合体ラッパ管の内部に配列された特殊燃料集合体燃料ピンとを有する特殊燃料集合体とを備えたことを特徴とする高速炉の炉心。
【請求項２】
前記特殊燃料集合体ラッパ管は、水平断面における前記炉心バレルと対向する一辺が前記炉心バレルの内周に沿う円弧状である請求項１記載の高速炉の炉心。
【請求項３】
前記炉心燃料集合体ラッパ管は、水平断面が略正六角形であり、
前記炉心燃料集合体は、前記炉心バレルの中心から規則的に配置された請求項１記載の高速炉の炉心。
【請求項４】
前記特殊燃料集合体は、水平断面が略ひし形であるラッパ管を有する大特殊燃料集合体と、水平断面が前記大ラッパ管よりも小さい略ひし形であるラッパ管を有する小特殊燃料集合体とを有し、
前記大特殊燃料集合体は、前記炉心バレル内において最外周側に配置された前記炉心燃料集合体と前記炉心バレルとが形成する空間に配置され、
前記小特殊燃料集合体は、前記大特殊燃料集合体と前記炉心バレルとが形成する空間に配置された請求項１記載の高速炉の炉心。
【請求項５】
前記特殊燃料集合体は、水平断面が略ひし形であるラッパ管を有する大特殊燃料集合体と、水平断面が略扇形であり、前記炉心バレルと対向する一辺が前記炉心バレルの内周に沿う円弧状である小ラッパ管を有する小特殊燃料集合体とを有し、
前記大特殊燃料集合体は、前記炉心バレル内において最外周側に配置された前記炉心燃料集合体と前記炉心バレルとが形成する空間に配置され、
前記小特殊燃料集合体は、前記大特殊燃料集合体と前記炉心バレルとが形成する空間に配置された請求項１記載の高速炉の炉心。
【請求項６】
前記特殊燃料集合体燃料ピンは、外径の異なる複数の燃料ピンである請求項１記載の高速炉の炉心。
【請求項７】
前記特殊燃料集合体ラッパ管は、前記炉心バレルと一体型である請求項１記載の高速炉の炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料インベントリの増大を図ることができる高速炉の炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来的に実用化が構想されている次世代型原子炉の１つに、炉心の外側に中性子反射体を昇降させることにより炉心反応を制御する反射体制御方式の高速炉がある（特許文献１参照）。
【０００３】
この高速炉は、燃料の燃焼による反応度の低下（以下、「燃焼反応度」という。）に対し反射体を挿入することで反応度（以下、「反射体反応度」という。）を回復させる。高速炉の炉心の寿命は、燃焼反応度と反射体反応度の収支で決まる。すなわち、高速炉は、燃焼反応度の低減により炉心の寿命が延び、経済性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−５１０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、小型炉心は、炉心からの中性子の漏れが大きく中性子経済が悪く、燃焼反応度は大きくなるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高速炉の燃焼反応度の低減を図ることができる高速炉の炉心を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高速炉の炉心は、上述した課題を解決するために、円筒状の炉心バレルと、前記炉心バレル内に配置され、炉心燃料集合体ラッパ管と前記炉心燃料集合体ラッパ管の内部に配列された炉心燃料集合体燃料ピンとを有する炉心燃料集合体と、前記炉心バレルと前記炉心バレル内において最外周側に配置された前記炉心燃料集合体との間に形成される空間に配置され、前記空間の形状に応じた形状の特殊燃料集合体ラッパ管と前記特殊燃料集合体ラッパ管の内部に配列された特殊燃料集合体燃料ピンとを有する特殊燃料集合体とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に高速炉の炉心によれば、高速炉の燃焼反応度の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態における高速炉の炉心が適用される反射体制御方式の高速炉の縦断面図。
【図２】図１の高速炉のII−II間の水平断面図。
【図３】図２の特殊燃料集合体を特に示す水平断面図。
【図４】第１実施形態における炉心を適用した高速炉の反応度収支（燃焼反応度と反射体反応度の収支）を従来の炉心を適用した高速炉の反応度収支と比較したグラフ。
【図５】図２に対応する従来の炉心の水平断面図。
【図６】第１実施形態における高速炉の炉心の第１の変形例としての円形の特殊燃料集合体の水平断面図。
【図７】第１実施形態における高速炉の炉心の第２の変形例としての楕円形の特殊燃料集合体の水平断面図。
【図８】第１実施形態における高速炉の炉心の第３の変形例としての炉心の水平断面図。
【図９】図８の特殊燃料集合体を特に示す水平断面図。
【図１０】第２実施形態における高速炉の炉心の水平断面図。
【図１１】図１０の特殊燃料集合体を特に示す水平断面図。
【図１２】第２実施形態における高速炉の炉心の変形例としての特殊燃料集合体の水平断面図。
【図１３】図１２の特殊燃料集合体を特に示す水平断面図。
【図１４】第２実施形態における高速炉の炉心の水平断面図。
【図１５】図１４の特殊燃料集合体を特に示す水平断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る高速炉の炉心の各実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態における高速炉の炉心が適用される反射体制御方式の高速炉１の縦断面図である。
【００１２】
図２は、図１の高速炉１のII−II間の水平断面図である。なお、図２においては炉心バレル４０よりも外側の構造は省略し炉心２のみを示す。
【００１３】
一次冷却材２１が注入された原子炉容器６は、ガードベッセル７に覆われ、下部に炉心支持板１０が取り付けられる。この炉心支持板１０上には、エントランスモジュール１１が設置される。
【００１４】
エントランスモジュール１１は、複数の燃料集合体で構成された炉心２を搭載する。炉心２は、内部を通過可能に炉停止棒３１ａが設けられる。炉停止棒３１ａは上方の炉停止棒駆動装置３２と接続される。炉心２は、炉心支持板１０上面に取り付けられた炉心槽３によって外周を取り囲まれる。
【００１５】
反射体４は、炉心２を取り囲むように配置される。反射体４は、中性子反射部４ａ、キャビティ部４ｂで構成される。反射体４は、上方の反射体駆動装置９によって上下動する。キャビティ部４ｂは中空の箱体である。キャビティ部４ｂの中空部は、一次冷却材２１よりも中性子反射能力が劣るガス雰囲気か、あるいは真空である。
【００１６】
炉心支持板１０の上面には隔壁５が取り付けられており、この隔壁５は反射体４を取り囲む。隔壁５の上端付近の原子炉容器６内壁には、中間熱交換器１３が設けられる。この中間熱交換器１３は、二次冷却材入口ノズル１４、二次冷却材出口ノズル１５を備え、原子炉容器６の内部で一次冷却材２１と二次冷却材の熱交換を行う。
【００１７】
中間熱交換器１３の下部には、電磁ポンプ１２が取り付けられる。電磁ポンプ１２は、中間熱交換器１３内で熱交換を行った一次冷却材２１を下方へ噴出する。
【００１８】
原子炉容器６の上部には、中性子遮蔽層、熱遮蔽層を有する上部プラグ８が設置される。上部プラグ８は、反射体駆動装置９、炉停止棒駆動装置３２を支持する。また、反射体駆動装置９と炉停止棒駆動装置３２とは、格納ドーム３３によって覆われ、この格納ドーム３３は台座３４に支持される。
【００１９】
一次冷却材２１の流れについて詳細に説明する。図１中の矢印は一次冷却材２１の流れる方向を示す。一次冷却材２１は、炉心２で加熱され上昇する。一次冷却材２１は隔壁５の上を通過し、中間熱交換器１３に流入する。中間熱交換器１３において、一次冷却材２１は二次冷却材と熱交換を行って冷却され、中間熱交換器１３下部の電磁ポンプ１２によって電磁ポンプ１２の下方へ吐出される。電磁ポンプ１２から吐出された一次冷却材２１はさらに下降し、炉心支持板１０を通過して原子炉容器６の底部に達する。
【００２０】
その後、一次冷却材２１は、炉心支持板１０、エントランスモジュール１１を経由して再び炉心２へ流入する。一次冷却材２１はこの一連の流れを繰り返し、高速炉１内を循環する。なお、冷却材として例えばナトリウムを用いた場合、一次冷却材２１の温度は、炉心２の通過後で約５００℃、中間熱交換器１３の通過後で約３５０℃と想定される。
【００２１】
図２に示すように、炉心２は、円筒状の炉心バレル４０により包囲され、炉心バレル４０内に配置される。炉心２は、炉心燃料集合体４１と、特殊燃料集合体４２と、炉心２の中央部に配置され炉心２の反応度制御用の炉停止棒３１ａおよび固定吸収体３１ｂとを有する。
【００２２】
炉心燃料集合体４１は、水平断面が略正六角形状のラッパ管（炉心燃料集合体ラッパ管）４４と、このラッパ管４４の内部に規則的に配列された多数の燃料ピン（炉心燃料集合体燃料ピン）４５とを有する。炉心燃料集合体４１は、炉停止棒３１ａおよび固定吸収体３１ｂを中心に略正六角形状のラッパ管４４の形状に伴って規則的に配置される。
【００２３】
特殊燃料集合体４２は、炉心バレル４０と炉心燃料集合体４１とが形成する空間の形状に応じた形状のラッパ管（特殊燃料集合体ラッパ管）４６と、このラッパ管４６の内部に規則的に配列された多数の燃料ピン（特殊燃料集合体燃料ピン）４７とを有する。特殊燃料集合体４２は、炉心バレル４０と炉心バレル４０内において最外周側に配置された炉心燃料集合体４１との隙間を埋めるように配置される。
【００２４】
図３は、図２の特殊燃料集合体４２を特に示す水平断面図である。
【００２５】
特殊燃料集合体４２（ラッパ管４６）は、炉心燃料集合体４１の辺長とほぼ同様の長さを有する二辺と、この二辺とそれぞれ所定角度（約１２０度）で交わり炉心バレル４０方向に延びる二辺と、この二辺を直線的に結ぶ一辺とを水平断面の外形とする。すなわち、特殊燃料集合体４２の水平断面外形は、略正六角形状の炉心燃料集合体４１を所定の位置で直線的に切断し五角形とした形状である。
【００２６】
図４は、第１実施形態における炉心２を適用した高速炉１の反応度収支（燃焼反応度と反射体反応度の収支）を従来の炉心を適用した高速炉の反応度収支と比較したグラフである。
【００２７】
図５は、図２に対応する従来の炉心５２の水平断面図である。
【００２８】
従来の炉心５２は、炉心バレル４０と最外周の炉心燃料集合体４１との間に空間があり、一次冷却材２１はこの領域を流れていた。
【００２９】
第１実施形態における高速炉１の炉心２は、従来の一次冷却材２１が流れる領域に特殊燃料集合体４２を装荷する。高速炉１は、炉心２の燃料インベントリ（燃料集合体内に含まれる核燃料の総重量）が増大し増殖性が向上すると共に、中性子の漏れを抑制できる。この結果、従来の炉心５２に比べて燃焼反応度を約２０％低減することができ、炉心の寿命を延ばすことが可能である。この低減効果は炉心寿命の約６年分に相当し、経済性の向上を図ることができる。
【００３０】
なお、特殊燃料集合体４２は、炉心バレル４０と炉心燃料集合体４１とが形成する空間に配置可能であれば、以下に示す形状をはじめとする各種形状でもよい。
【００３１】
図６は、第１実施形態における高速炉１の炉心２の第１の変形例としての円形の特殊燃料集合体１４２の水平断面図である。
【００３２】
図７は、第１実施形態における高速炉１の炉心２の第２の変形例としての楕円形の特殊燃料集合体２４２の水平断面図である。
【００３３】
これら特殊燃料集合体１４２、２４２は、図３の特殊燃料集合体４２と同様に炉心バレル４０と炉心燃料集合体４１とが形成する空間の大きさに合わせて円形および楕円形に形成されたラッパ管１４６、２４６を有する。
【００３４】
図８は、第１実施形態における高速炉１の炉心２の第３の変形例としての炉心３０２の水平断面図である。
【００３５】
図９は、図８の特殊燃料集合体３４２を特に示す水平断面図である。
【００３６】
特殊燃料集合体３４２は、炉心バレル４０内に配置された際に炉心バレル４０と対向する一辺が炉心バレル４０の内周に沿う円弧状であるラッパ管３４６を有する。このため、炉心３０２は、炉心燃料集合体４１と炉心バレル４０との間の空間に特殊燃料集合体３４２を効率よく搭載でき、第１実施形態に比べてより燃料インベントリの増大を図ることができる。この結果、第１実施形態の炉心２以上に燃焼反応度の低減が図れ、炉心２の寿命を延ばすことが可能である。
【００３７】
［第２実施形態］
本発明に係る高速炉の炉心の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態における高速炉の炉心は、特殊燃料集合体の形状が異なるのみで高速炉の構成については第１実施形態とほぼ同様であるため、対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３８】
図１０は、第２実施形態における高速炉の炉心４０２の水平断面図である。
【００３９】
図１１は、図１０の特殊燃料集合体４４２を特に示す水平断面図である。
【００４０】
特殊燃料集合体４４２は、大特殊燃料集合体４４２ａと小特殊燃料集合体４４２ｂとである。大特殊燃料集合体４４２ａは、水平断面が炉心燃料集合体４１の一辺とほぼ同様の長さの四辺を有する略ひし形（四角形）状であるラッパ管４４６ａを有する。大特殊燃料集合体４４２ａは、最外周側に配置された互いに隣接する２つの炉心燃料集合体４１と炉心バレル４０とが形成する空間に、炉心燃料集合体４１と隣接して配置される。
【００４１】
小特殊燃料集合体４４２ｂは、水平断面が大特殊燃料集合体４４２ａよりも小さい略ひし形（四角形）状であるラッパ管４４６ｂを有する。小特殊燃料集合体４４２ｂは、互いに隣接する２つの大特殊燃料集合体４４２ａと炉心バレル４０とが形成する空間に配置される。
【００４２】
第２実施形態における高速炉の炉心４０２によれば、第１実施形態で奏する効果に加え、炉心燃料集合体４１や炉心バレル４０の寸法に応じて柔軟に寸法設計ができ、効果的に燃料インベントリの増加を図ることができる。
【００４３】
なお、第２実施形態における高速炉の炉心４０２の特殊燃料集合体４４２は、以下に示す形状をはじめとする各種形状でもよい。
【００４４】
図１２は、第２実施形態における高速炉の炉心４０２の変形例としての特殊燃料集合体５４２の水平断面図である。
【００４５】
図１３は、図１２の特殊燃料集合体５４２を特に示す水平断面図である。
【００４６】
変形例としての特殊燃料集合体５４２が図１０および図１１の特殊燃料集合体４４２と異なる点は、小特殊燃料集合体５４２ｂが略扇形である点である。小特殊燃料集合体５４２ｂは、炉心バレル４０と対向する一辺が炉心バレル４０の内周に沿う円弧状であるラッパ管５４６ｂを有する。
【００４７】
このため、炉心５０２は、炉心燃料集合体４１と炉心バレル４０との空間に特殊燃料集合体５４２を効率よく搭載できる。
【００４８】
［第３実施形態］
本発明に係る高速炉の炉心の第３実施形態について説明する。なお、第３実施形態における高速炉の炉心は、特殊燃料集合体の形状が異なるのみで高速炉の構成については第１実施形態とほぼ同様であるため、対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４９】
図１４は、第２実施形態における高速炉の炉心６０２の水平断面図である。
【００５０】
図１５は、図１４の特殊燃料集合体６４２を特に示す水平断面図である。
【００５１】
第１および第２の実施形態の炉心は、外径が同一の燃料ピンがラッパ管内部に規則的に配列されている。しかし、ラッパ管と燃料ピンとの大きさの関係から、ラッパ管内にある程度の隙間が生じる場合がある。
【００５２】
そこで、第３実施形態における炉心６０２の特殊燃料集合体６４２は、外径が異なる複数の燃料ピン６４７をラッパ管内に規則的に配列した。具体的には、特殊燃料集合体６４２は、炉心燃料集合体４１の燃料ピン４５と外径が等しい大燃料ピン６４７ａと、この大燃料ピン６４７ａよりも外径が小さい小燃料ピン６４７ｂをラッパ管６４６に配列する。小燃料ピン６４７ｂは、例えば大燃料ピン６４７ａが配置された後、この大燃料ピン６４７ａとラッパ管６４６との間の空間に配列される。
【００５３】
なお、特殊燃料集合体６４２の燃料ピン６４７は、２種類のみならず、３種類以上の外径を有する燃料ピンをラッパ管６４６に配列してもよい。
【００５４】
第３実施形態における高速炉の炉心６０２は、第１実施形態が奏する効果に加え、ラッパ管６４６内の隙間を考慮したことによりさらに燃料インベントリの増大を図ることができる。
【００５５】
本発明の第１〜第３の実施形態につい説明したが、本発明は各実施形態に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を採ることができる。また、上述した各実施形態を組み合わせて適用することも考えられる。当業者にあっては、具体的な実施形態において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種種の変形・変更を加えることが可能である。
【００５６】
また、本発明は、燃料インベントリを増加させる効果は同じであるので、反射体制御方式の高速炉だけではなく、反射体が固定の高速炉でも同様に適用可能である。
【００５７】
さらに、各実施形態はラッパ管内に燃料ピンを規則的に配列している多角形状、円形状、楕円形状の特殊燃料集合体を備えた高速炉の炉心を対象としているが、炉心燃料集合体と炉心バレルの間にバレル一体型の特殊燃料集合体を装荷した炉心構成であってもよい。すなわち、この炉心構造は、炉心バレルと特殊燃料集合体のラッパ管が一体になり、そのラッパ管内に燃料ピンを規則的に配列したものである。上記各実施形態と同様に、燃料インベントリの増大を図ることができ、燃焼反応度の低減が図れ、この低減分だけ炉心の寿命を延ばすことができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  高速炉
２、５２、３０２、４０２、５０２、６０２  炉心
３  炉心槽
４  反射体
６  原子炉容器
２１  一次冷却材
３１ａ  炉停止棒
３１ｂ  固定吸収体
４０  炉心バレル
４１  炉心燃料集合体
４２、１４２、２４２、３４２、６４２  特殊燃料集合体
４４  ラッパ管
４５  燃料ピン
４６、１４６、３４６、４４６、５４６、６４６  ラッパ管
４７  燃料ピン
４４２ａ  大特殊燃料集合体
４４２ｂ、５４２ｂ  小特殊燃料集合体
６４７ａ  大燃料ピン
６４７ｂ  小燃料ピン
【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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