(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペブルベッド型の原子炉炉心より排出された多数の燃料球を導入し、前記燃料球の燃焼度を検出する検出手段と、
この検出手段の検出結果に応じて、前記燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を振り分ける第１振り分け手段とを有することを特徴とする原子炉設備。
【請求項２】
請求項１記載の原子炉設備において、前記第１振り分け手段は、相対的に燃焼度が小さい前記燃料球の径方向投入位置を径方向外側に振り分けるとともに、相対的に燃焼度が大きい前記燃料球の径方向投入位置を径方向内側に振り分けることを特徴とする原子炉設備。
【請求項３】
請求項１又は２記載の原子炉設備において、前記第１振り分け手段は、一端部が前記原子炉炉心の上部において互いに異なる径方向位置となるように設けられた複数の燃料球供給管と、前記検出手段の検出結果に応じ、前記燃料球を前記複数の燃料球供給管に選択的に導入する第１選択導入手段とを備えることを特徴とする原子炉設備。
【請求項４】
請求項３記載の原子炉設備において、前記第１選択導入手段は、前記検出手段の下流側に設けられ、前記検出手段で燃焼度検出の済んだ燃料球の導出経路を切り替える切り替え手段を備えることを特徴とする原子炉設備。
【請求項５】
請求項４記載の原子炉設備において、前記切り替え手段は、所定の燃焼度となった前記燃料球を、取り出し側通路に導出することを特徴とする原子炉設備。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の原子炉設備において、前記検出手段は、前記燃料球中に含まれる所定の核種に関する放射線を検出する手段であることを特徴とする原子炉設備。
【請求項７】
ペブルベッド型の原子炉炉心より排出された多数の減速球を導入するとともに、燃料球及び減速球全体に占める前記減速球の混合比を複数の値に切り替え設定するように前記減速球を導出可能な第１導出手段と、
この第１導出手段より導出された前記減速球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記減速球の混合比の設定値ごとに振り分ける第２振り分け手段とを有することを特徴とする原子炉設備。
【請求項８】
請求項７記載の原子炉設備において、前記第２振り分け手段は、前記減速球の混合比が相対的に大きい燃料球及び減速球の群の径方向投入位置を径方向外側に振り分け、前記減速球の混合比が相対的に小さい燃料球及び減速球の群の径方向投入位置を径方向内側に振り分けることを特徴とする原子炉設備。
【請求項９】
請求項７又は８記載の原子炉設備において、前記第２振り分け手段は、一端部が前記原子炉炉心の上部において互いに異なる径方向位置となるように設けられた複数の燃料球供給管と、前記減速球の混合比の設定値に応じ前記燃料球及び前記減速球を前記複数の燃料球供給管に選択的に導入する第２選択導入手段とを備えることを特徴とする原子炉設備。
【請求項１０】
請求項７記載の原子炉設備において、前記原子炉炉心より排出された多数の燃料球を導入し、前記燃料球の燃焼度を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果に応じて、前記燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を振り分ける第１振り分け手段とをさらに有し、前記第１振り分け手段は、相対的に燃焼度が大きい前記燃料球の投入位置を径方向内側及び外側のうち一方側に振り分けるとともに、相対的に燃焼度が小さい前記燃料球の投入位置を径方向内側及び外側のうち他方側に振り分け、前記第２振り分け手段は、前記混合比の設定値が相対的に大きいときの前記減速球の投入位置を前記径方向一方側に振り分けるとともに、前記混合比の設定値が相対的に小さいときの前記減速球の投入位置を前記径方向他方側に振り分けることを特徴とする原子炉設備。
【請求項１１】
ペブルベッド型の原子炉炉心より排出された相対的に粒径の大きな多数の大粒径燃料球及び相対的に粒径の小さい多数の小粒径燃料球を導入するとともに、燃料球全体に占める前記小粒径燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定するように前記小粒径燃料球を導出可能な第２導出手段と、
この第２導出手段より導出された前記小粒径燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記小粒径燃料球の混合比の設定値ごとに振り分ける第３振り分け手段とを有することを特徴とする原子炉設備。
【請求項１２】
請求項１１記載の原子炉設備において、前記第３振り分け手段は、前記小粒径燃料球の混合比が相対的に大きい前記大粒径燃料球及び小粒径燃料球の群の径方向投入位置を径方向外側に振り分け、前記小粒径燃料球の混合比が相対的に小さい前記大粒径燃料球及び小粒径燃料球の群の径方向投入位置を径方向内側に振り分けることを特徴とする原子炉設備。
【請求項１３】
ペブルベッド型の原子炉炉心より排出されたウラン・プルトニウム混合酸化物を核燃料物質とする多数の混合酸化物燃料球及びウラン酸化物を核燃料物質とする多数のウラン燃料球を導入するとともに、燃料球全体に占める前記混合酸化物燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定するように前記混合酸化物燃料球を導出可能な第３導出手段と、
この第３導出手段より導出された前記混合酸化物燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記混合酸化物燃料球の混合比の設定値ごとに振り分ける第４振り分け手段とを有することを特徴とする原子炉設備。
【請求項１４】
請求項１３記載の原子炉設備において、前記第４振り分け手段は、前記混合酸化物燃料球の混合比が相対的に大きい前記混合酸化物燃料球及びウラン燃料球の群の径方向投入位置を径方向内側に振り分け、前記混合酸化物燃料球の混合比が相対的に小さい前記混合酸化物燃料球及び前記ウラン燃料球の群の径方向投入位置を径方向外側に振り分けることを特徴とする原子炉設備。
【請求項１５】
容器の上部から内部に多数の燃料球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、
前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域とに区分したとき、前記内側領域における全ての燃料球の平均燃焼度が前記外側領域における全ての燃料球の平均燃焼度よりも大きくなるように、前記燃料球を投入したことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項１６】
容器の上部から内部に多数の燃料球及び減速球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、
前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域とに区分したとき、前記内側領域における減速球の個数密度が前記外側領域における減速球の個数密度よりも小さくなるように、前記燃料球及び前記減速球を投入したことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項１７】
請求項１６記載の原子炉炉心において、前記容器内に、前記燃料球と前記減速球とを略均一に混合した混合層が互いに異なる混合割合で径方向に複数個形成されるように、前記燃料球及び前記減速球を投入したことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項１８】
容器の上部から内部に多数の燃料球及び減速球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、
前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域との２領域に区分したとき、一方の領域における全ての燃料球の平均燃焼度が他方の領域における全ての燃料球の平均燃焼度よりも大きくなるとともに、前記一方の領域における減速球の個数密度が前記他方の領域における減速球の個数密度よりも大きくなるように、前記燃料球及び減速球を投入したことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項１９】
請求項１８記載の原子炉炉心において、前記燃料球の平均燃焼度分布と前記減速球の個数密度とのいずれが炉心出力に対し支配的に影響を与えるかに応じ、前記平均燃焼度分布が支配的である場合には、前記一方の領域を前記内側領域とするとともに前記他方の領域を前記外側領域とし、前記減速球の個数密度が支配的である場合には、前記一方の領域を前記外側領域とし、前記他方の領域を前記内側領域としたことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項２０】
請求項１８記載の原子炉炉心において、前記一方の領域を前記内側領域とし、前記他方の領域を前記外側領域としたことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項２１】
請求項１８記載の原子炉炉心において、前記一方の領域を前記外側領域とし、前記他方の領域を前記内側領域としたことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項２２】
容器の上部から内部に相対的に粒径の大きい多数の大粒径燃料球及び相対的に粒径の小さい多数の小粒径燃料球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、
前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域とに区分したとき、前記外側領域及び前記内側領域にともに前記大粒径燃料及び前記小粒径燃料球を投入するとともに、前記内側領域よりも前記外側領域の燃料充填率を高めるため、前記内側領域における前記小粒径燃料球の個数密度が前記外側領域における前記小粒径燃料球の個数密度よりも小さくしたことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項２３】
容器の上部から内部にウラン・プルトニウム混合酸化物を核燃料物質とする多数の混合酸化物燃料球及びウラン酸化物を核燃料物質とする多数のウラン燃料球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、
前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域とに区分したとき、前記内側領域における前記混合酸化物燃料球の個数密度が前記外側領域における前記混合酸化物燃料球の個数密度よりも小さくなるように、前記混合酸化物燃料球及び前記ウラン燃料球を投入したことを特徴とする原子炉炉心。
【請求項２４】
請求項２３記載の原子炉炉心において、前記ウラン・プルトニウム混合酸化物に含まれるプルトニウムは、原子炉の使用済み燃料の再処理によって得られたものであることを特徴とする原子炉炉心。
【請求項２５】
ペブルベッド型の原子炉炉心より排出された燃料球の燃焼度を検出し、その検出結果に応じて、前記燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を振り分けることを特徴とする原子炉の運転方法。
【請求項２６】
ペブルベッド型の原子炉炉心に投入される燃料球と減速球との全体に占める前記減速球の混合比を複数の値に切り替え設定し、
前記減速球を原子炉炉心へ再投入するときの原子炉炉心の径方向投入位置を、前記減速球の混合比の設定値ごとに振り分けることを特徴とする原子炉の運転方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の原子炉の運転方法において、相対的に燃焼度が大きい前記燃料球の投入位置を径方向内側及び外側のうち一方側に振り分けるとともに、相対的に燃焼度が小さい前記燃料球の投入位置を径方向内側及び外側のうち他方側に振り分け、前記混合比の設定値が相対的に大きいときの前記減速球の投入位置を前記径方向一方側に振り分けるとともに、前記混合比の設定値が相対的に小さいときの前記減速球の投入位置を前記径方向他方側に振り分けることを特徴とする原子炉の運転方法。
【請求項２８】
ペブルベッド型の原子炉炉心に投入される相対的に粒径の大きな大粒径燃料球及び相対的に粒径の小さい小粒径燃料球からなる燃料球全体に占める混合比を複数の値に切り替え設定し、
前記大粒径燃料球及び前記小粒径燃料球のうち少なくとも前記大粒径燃料球を原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記小粒径燃料球の混合比の設定値ごとに振り分け、前記内側領域よりも前記外側領域の燃料充填率を高めることを特徴とする原子炉炉心の運転方法。
【請求項２９】
ペブルベッド型の原子炉炉心に投入されるウラン・プルトニウム混合酸化物を核燃料物質とする混合酸化物燃料球及びウラン酸化物を核燃料物質とするウラン燃料球からなる燃料球全体に占める前記混合酸化物燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定し、前記混合酸化物燃料球を原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記混合酸化物燃料球の混合比の設定値ごとに振り分けることを特徴とする原子炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペブルベッド型の原子炉炉心及びこれを備えた原子炉設備並びにその原子炉の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ペブルベッド型原子炉は、容器の上部から内部に多数の燃料球を投入して炉心を構成し、冷却材としてはヘリウム（Ｈｅ）等の高温ガスが用いられる。
【０００３】
この燃料球は、例えば直径が約６ｃｍであり、燃料領域が黒鉛殻で囲まれた構造となっている。上記燃料領域は、多数の被覆燃料粒子とそれを内包する黒鉛マトリックスとから構成されている。
【０００４】
上記被覆燃料粒子は、直径が０．５〜１．０ｍｍで略球状をしている。この被覆燃料粒子は、その中央に位置するウラン（Ｕ）、プルトニウム（Ｐｕ）、トリウム（Ｔｈ）などの核分裂性物質の酸化物あるいは炭化物あるいはその混合物から構成される直径２００〜６００μｍの燃料核と、この燃料核を多重に被覆する熱分解炭素層、炭化珪素層等とにより構成されている。これら熱分解炭素層及び炭化珪素層等の被覆層は、核分裂生成物の漏洩に対する障壁としての機能をもっており、高温照射下においても核分裂生成ガスを被覆燃料粒子内部にほぼ完全に保持できるようになっている。
【０００５】
一方、ペブルベッド型原子炉の炉心には燃料球とともに減速球が装荷される場合もある。減速球は中性子を減速するために用いられるもので、黒鉛から構成されている。
【０００６】
これらの燃料球及び減速球は、原子炉運転中に連続して炉心上部から投入され、炉心内を炉心上部から炉心下部まで移動し、炉心下部から取り出されるようになっている。このように、原子炉運転中に燃料交換を行えるのがペブルベッド型原子炉の最大の特徴であり、そのための原子炉設備としては、例えばＵＳＰ４３７２９１２号に記載のようなＭＥＤＵＬ方式、あるいはマルチパス方式と呼ばれるペブルベッド型原子炉設備が用いられている。
【０００７】
この方式のペブルベット型原子炉設備は、炉心と、この炉心の下部より取り出された燃料球を破損の有無に応じて選別する破損検出・選別器と、破損していない燃料球の燃焼度を検出する燃焼度検出器と、この燃焼度検出器で検出した燃焼度が所定の燃焼度に達していない燃料球を再び炉心へ投入する燃料投入器とを備えている。これにより、破損がなくかつ所定の燃焼度に達していない燃料球を再び炉心に投入することができる。このようにして、各燃料球の取出燃焼度のばらつきをなくせるとともに、炉心の軸方向における燃料球の平均燃焼度分布を平坦化でき、したがって炉心軸方向の出力ピーキングを低減することができる。
【０００８】
ところで、このようなペブルベッド型原子炉は、他の軽水炉等と同様に原子炉あたりの出力を上げることが発電所全体の経済性の向上につながるのは言うまでもない。ペブルベッド型燃料は約１６００℃までの温度で健全性が保たれるとされており、事故時を仮定しても燃料の最高温度がそれを超えないように炉心の出力密度及び燃料球あたりの最高出力が制限されている。これらの観点から、ペブルベッド型原子炉においては、炉心軸方向の出力ピーキング及び炉心径方向の出力ピーキングを出来るだけ低減することにより、炉心の出力密度を上記の制限範囲に収めつつ原子炉あたりの出力を出来るだけ増加させることが望まれる。
【０００９】
ここで、一般に、ペブルベッド型原子炉は小型で、縦方向に長いという特徴がある。すなわち、炉心直径に対する炉心高さの比が１以上であり、炉心側面からの中性子の漏れが大きいため、出力分布は炉心径方向中央側で大きくなりやすく、径方向出力ピーキングの値が大きくなり易い傾向にある。
【００１０】
しかしながら、上記ＭＥＤＵＬ方式、あるいはマルチパス方式のペブルベッド型原子炉においては、炉心径方向の出力ピーキングの低減については考慮されておらず、上述した発電所全体の経済性向上の観点から見ると充分とは言えなかった。
【００１１】
このような背景から、近年、例えばＩＡＥＡ報告書（ＩＡＥＡ−ＴＥＣＤＯＣ−１１９８）記載のような、上記ＭＥＤＵＬ方式、あるいはマルチパス方式を用いつつ炉心を径方向に２領域に分け、径方向内側に減速球のみ、径方向外側に燃料球のみを装荷したペブルベッド・モジュール型原子炉（以下、ＰＢＭＲと記述）が提唱されている。このＰＢＭＲによれば、燃料球のみで炉心を構成した場合にできる径方向中央の出力ピークを径方向外側に持って行くことができ、軸方向の出力ピーキングを低減しつつ径方向の出力ピーキングをも低減することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によれば、炉心軸方向の出力ピーキング及び径方向の出力ピーキングを共に低減でき、発電所全体の経済性を向上することができる。
【００１３】
ところで、炉心の出力ピークは、燃料球又は減速球の炉心内における配置への依存性が大きい。したがって、炉心軸方向と比較し人為的に燃料球又は減速球の配置を操作しやすい炉心径方向においては、出力ピーキングの低減に更なる改善の余地がある。その意味で、上記従来技術では炉心径方向出力の平坦化が充分とは言えない。
【００１４】
なお、炉心の出力増大化の観点では、例えば特開昭６３−１３３０８４号公報記載のように、炉心を径方向に２領域に分け、径方向内側領域に、径方向外側領域よりも黒鉛の割合を大きくすることで大径とした燃料球を装荷したものがあるが、しかしながら、本従来技術においては炉心径方向の出力ピーキングの低減については特に考慮されていない。すなわち、径方向外側領域と比較して、径方向内側領域の燃料球に含まれる黒鉛の割合が多いことから、出力ピークが炉心径方向中央側に偏る可能性がある。したがって、この従来技術においても炉心径方向出力の平坦化が充分とは言えない。
【００１５】
本発明は、これらの従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、炉心径方向出力の更なる平坦化を図り、経済性を向上することができるペブルベッド型原子炉及びこれを備えた原子炉設備並びにその原子炉の運転方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明の原子炉設備は、ペブルベッド型の原子炉炉心より排出された多数の燃料球を導入し、前記燃料球の燃焼度を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果に応じて、前記燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を振り分ける第１振り分け手段とを有する。
【００１７】
一般に、原子炉の燃料は燃焼が進むに連れてその反応度が低下していくため、燃焼度が小さい燃料では出力が大きく、燃焼度が大きい燃料では出力が小さい傾向がある。
【００１８】
本発明においては、原子炉炉心より排出された燃料球の燃焼度を検出手段で検出し、その検出結果に応じて第１振り分け手段で燃料球再投入時の径方向投入位置を振り分ける。このようにして、例えば原子炉炉心内径方向内側領域における全ての燃料球の平均燃焼度が外側領域における全ての燃料球の平均燃焼度よりも大きくなるような炉心を実現することができる。これにより、炉心径方向外側領域の出力を内側領域よりも相対的に増大させて、通常炉心中央付近の出力が大きくなる傾向となるのを緩和し、炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。また、本発明においては、炉心内を燃料球のみで構成しているため、炉心径方向内側に減速球のみを装荷して径方向出力の平坦化を図ったＰＢＭＲや、炉心径方向内側に黒鉛を含む割合を大きくした大径の燃料球を装荷した従来技術に比べ、燃料球の数を多くすることができる。これら２つにより、燃料球１球あたりの負担する最大出力を相対的に下げることができる。この結果、逆にその１球あたりの最大出力を健全性を維持可能な制限値ぎりぎりまで引き上げることで、炉心あたりの出力を増加させることができる。したがって、経済性を向上することができる。
【００１９】
また、前述のように炉心内を燃料球のみで構成していることにより、減速球を用いる前記従来技術よりも炉心全体の燃料装荷量が大きくなる。したがって燃料経済性が向上し、これによっても原子炉全体で見た経済性向上の効果を得ることができる。
【００２０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１振り分け手段は、相対的に燃焼度が小さい前記燃料球の径方向投入位置を径方向外側に振り分けるとともに、相対的に燃焼度が大きい前記燃料球の径方向投入位置を径方向内側に振り分ける。
【００２１】
（３）上記（１）又は（２）において、また好ましくは、前記第１振り分け手段は、一端部が前記原子炉炉心の上部において互いに異なる径方向位置となるように設けられた複数の燃料球供給管と、前記検出手段の検出結果に応じ、前記燃料球を前記複数の燃料球供給管に選択的に導入する第１選択導入手段とを備える。
【００２２】
（４）上記（３）において、さらに好ましくは、前記第１選択導入手段は、前記検出手段の下流側に設けられ、前記検出手段で燃焼度検出の済んだ燃料球の導出経路を切り替える切り替え手段を備える。
【００２３】
（５）上記（４）において、さらに好ましくは、前記切り替え手段は、所定の燃焼度となった前記燃料球を、取り出し側通路に導出する。
【００２４】
（６）上記（１）〜（５）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、前記検出手段は、前記燃料球中に含まれる所定の核種に関する放射線を検出する手段である。
【００２５】
（７）上記目的を達成するために、また本発明の原子炉設備は、ペブルベッド型の原子炉炉心より排出された多数の減速球を導入するとともに、燃料球及び減速球全体に占める前記減速球の混合比を複数の値に切り替え設定するように前記減速球を導出可能な第１導出手段と、この第１導出手段より導出された前記減速球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記減速球の混合比の設定値ごとに振り分ける第２振り分け手段とを有する。
【００２６】
例えば燃料球に含まれる核燃料物質の１つであるウラン２３５（２３５Ｕ）は、スペクトルの柔らかな中性子と衝突して核分裂を起こす性質がある。すなわち、燃料球及び減速球により構成される原子炉炉心内において、減速球の燃料球及び減速球全体に占める混合比が多い領域では、例えば黒鉛により構成される減速球により中性子が充分に減速されてスペクトルが柔らかくなり、ウラン２３５（２３５Ｕ）の核分裂反応が起き易くなる。したがって、減速球が多い領域では、出力が大きくなる傾向がある。
【００２７】
本発明においては、第１導出手段で減速球の混合比を複数の値に切り替え設定しつつ減速球を導出可能とし、第２振り分け手段でその設定値ごとに減速球の再投入時の径方向投入位置を振り分ける。このようにして、例えば原子炉炉心径方向内側領域における減速球の個数密度が外側領域における減速球の個数密度よりも小さくなるような炉心を実現することができる。これにより、上記（１）と同様に、炉心径方向外側領域の出力を内側領域よりも相対的に増大させて、通常炉心中央付近の出力が大きくなる傾向となるのを緩和し、炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。この結果、燃料球１球あたりの負担する最大出力を相対的に下げることができ、炉心あたりの出力を増加させることができるので、原子炉全体の経済性を向上することができる。
【００２８】
（８）上記（７）において、好ましくは、前記第２振り分け手段は、前記減速球の混合比が相対的に大きい燃料球及び減速球の群の径方向投入位置を径方向外側に振り分け、前記減速球の混合比が相対的に小さい燃料球及び減速球の群の径方向投入位置を径方向内側に振り分ける。
【００２９】
（９）上記（７）又は（８）において、また好ましくは、前記第２振り分け手段は、一端部が前記原子炉炉心の上部において互いに異なる径方向位置となるように設けられた複数の燃料球供給管と、前記減速球の混合比の設定値に応じ前記燃料球及び前記減速球を前記複数の燃料球供給管に選択的に導入する第２選択導入手段とを備える。
【００３０】
（１０）上記（７）において、また好ましくは、前記原子炉炉心より排出された多数の燃料球を導入し、前記燃料球の燃焼度を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果に応じて、前記燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を振り分ける第１振り分け手段とをさらに有し、前記第１振り分け手段は、相対的に燃焼度が大きい前記燃料球の投入位置を径方向内側及び外側のうち一方側に振り分けるとともに、相対的に燃焼度が小さい前記燃料球の投入位置を径方向内側及び外側のうち他方側に振り分け、前記第２振り分け手段は、前記混合比の設定値が相対的に大きいときの前記減速球の投入位置を前記径方向一方側に振り分けるとともに、前記混合比の設定値が相対的に小さいときの前記減速球の投入位置を前記径方向他方側に振り分ける。
【００３１】
一般に、中性子スペクトルが硬い（高エネルギー側にシフトする）と、ウラン２３５（２３５Ｕ）等の燃料物質の反応度が小さい（核分裂が起きにくくなる）代わりにウラン２３８（２３８Ｕ）等の親核種物質の中性子吸収率が大きいため、ウラン２３８（２３８Ｕ）よりプルトニウム２３９（２３９Ｐｕ）等の核分裂性物質が生成（転換）され易い。すなわち、転換比が大きい傾向にある。逆に、中性子スペクトルが柔らかい（低エネルギー側にシフトする）と、ウラン２３５（２３５Ｕ）等の燃料物質の反応度が大きい（核分裂が起き易くなる）ため、核分裂性物質は生成され難い。すなわち、転換比が小さい傾向にある。
【００３２】
本発明においては、原子炉炉心より排出された燃料球の燃焼度を検出手段で検出し、その検出結果に応じて第１振り分け手段で燃料球再投入時の径方向投入位置を振り分ける。また、このとき同時に第１導出手段で減速球の混合比を複数の値に切り替え設定しつつ減速球を導出可能とし、第２振り分け手段でその設定値ごとに減速球の再投入時の径方向投入位置を振り分ける。このようにして、炉心の径方向内側領域と外側領域とのうち、一方の領域における全ての燃料球の平均燃焼度が他方の領域における全ての燃料球の平均燃焼度よりも大きくなるとともに、一方の領域における減速球の個数密度が他方の領域における減速球の個数密度よりも大きくなるような炉心を実現することができる。すなわち、平均燃焼度が相対的に小さい燃焼前期である他方の領域において、減速球が相対的に少ない硬い中性子スペクトルとすることで燃料球中における核分裂性物質の転換生成を促進した後、平均燃焼度が相対的に大きい燃焼後期である一方の領域において、減速球が相対的に多い柔らかい中性子スペクトルとすることで、先に転換生成された核分裂性物質の燃焼を促進する。このように燃焼前期で生成されることにより増加した核分裂性物質の反応を燃焼後期で促進させることにより燃料経済性を大きく向上することができる（スペクトルシフト効果）。このとき、通常、核燃料は、上記（１）において説明したように燃焼とともにその出力が低下していくが、このスペクトルシフト効果によってその出力の低下を緩めることができる。
【００３３】
一方、このようにしてスペクトルシフト運転を行う場合、径方向出力平坦化を図る観点では、燃料球の平均燃焼度分布と減速球の個数密度とのいずれが炉心出力に対し支配的に影響を与えるかに応じ２つの方法がある。平均燃焼度分布が支配的である場合には、炉心径方向内側領域における全ての燃料球の平均燃焼度を外側領域における全ての燃料球の平均燃焼度よりも大きくする（併せて、内側領域における減速球の個数密度を外側領域における減速球の個数密度よりも大きくする）。これにより、上記（１）と同様にして炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。減速球の個数密度が支配的である場合には、外側領域における減速球の個数密度を内側領域における減速球の個数密度よりも大きくする（併せて、外側領域における全ての燃料球の平均燃焼度を内側領域における全ての燃料球の平均燃焼度よりも大きくする）。これにより、上記（７）と同様にして炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。
【００３４】
（１１）上記目的を達成するために、また本発明の原子炉設備は、ペブルベッド型の原子炉炉心より排出された相対的に粒径の大きな多数の大粒径燃料球及び相対的に粒径の小さい多数の小粒径燃料球を導入するとともに、燃料球全体に占める前記小粒径燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定するように前記小粒径燃料球を導出可能な第２導出手段と、この第２導出手段より導出された前記小粒径燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記小粒径燃料球の混合比の設定値ごとに振り分ける第３振り分け手段とを有する。
【００３５】
本発明においては、第２導出手段で小粒径燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定しつつ小粒径燃料球を導出し、第３振り分け手段でその設定値ごとに小粒径燃料球の再投入時の径方向投入位置を振り分ける。このようにして、例えば原子炉炉心内内側領域における小粒径燃料球の個数密度が外側領域における小粒径燃料球の個数密度よりも小さくなるような炉心を実現することができる。これにより、炉心外側の燃料充填率を高め相対的に燃料装荷量を多くすることができるので、上記（１）及び（７）と同様に、炉心径方向外側領域の出力を内側領域よりも相対的に増大させて、通常炉心中央付近の出力が大きくなる傾向となるのを緩和し、炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。また、本発明においては、炉心内を燃料球のみで構成しているため、炉心径方向内側に減速球のみを装荷して径方向出力の平坦化を図ったＰＢＭＲや、炉心径方向内側に黒鉛を含む割合を大きくした大径の燃料球を装荷した従来技術に比べ、燃料球の数を多くすることができる。これら２つにより、燃料球１球あたりの負担する最大出力を相対的に下げることができ、炉心あたりの出力を増加させることができるので、原子炉全体の経済性を向上させることができる。また、炉心内を燃料球のみで構成していることにより、減速球を用いる前記従来技術よりも炉心全体の燃料装荷量が大きくなり、特に炉心外側の燃料装荷量を多くすることで外側領域における燃料の炉内滞在年数を増加することができ、燃料経済性は向上する。したがって、これによっても原子炉全体の経済性を向上することができる。
【００３６】
（１２）上記（１１）において、好ましくは、前記第３振り分け手段は、前記小粒径燃料球の混合比が相対的に大きい前記大粒径燃料球及び小粒径燃料球の群の径方向投入位置を径方向外側に振り分け、前記小粒径燃料球の混合比が相対的に小さい前記大粒径燃料球及び小粒径燃料球の群の径方向投入位置を径方向内側に振り分ける。
【００３７】
（１３）上記目的を達成するために、また本発明の原子炉設備は、ペブルベッド型の原子炉炉心より排出されたウラン・プルトニウム混合酸化物を核燃料物質とする多数の混合酸化物燃料球及びウラン酸化物を核燃料物質とする多数のウラン燃料球を導入するとともに、燃料球全体に占める前記混合酸化物燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定するように前記混合酸化物燃料球を導出可能な第３導出手段と、この第３導出手段より導出された前記混合酸化物燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記混合酸化物燃料球の混合比の設定値ごとに振り分ける第４振り分け手段とを有する。
【００３８】
本発明においては、第３導出手段で燃料球全体に占める混合酸化物燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定しつつ混合酸化物燃料球を導出し、第４振り分け手段でその設定値ごとに混合酸化物燃料球の再投入時の径方向投入位置を振り分ける。
【００３９】
ここで、一般に、ペブルベット型原子炉においては、中性子が吸収断面積の小さな黒鉛によって徐々に減速されるため、軽水炉と比べて共鳴を逃れる確率が小さくなる。このため、核燃料物質が劣化ウラン（Ｕ）とプルトニウム（Ｐｕ）の混合酸化物（ＭＯＸ）で、かつプルトニウム（Ｐｕ）の同位体組成が軽水炉取り出し組成の様に親核種であるプルトニウム２４０（２４０Ｐｕ）を比較的多く含む場合には、プルトニウム（Ｐｕ）の富化度（Ｐｕ／（Ｐｕ＋Ｕ））を比較的大きくしたとしても反応度増加割合は比較的小さな値にとどまる。すなわち、混合酸化物に含まれるプルトニウム（Ｐｕ）が例えば軽水炉等の原子炉の使用済み燃料の再処理によって得られたプルトニウム（Ｐｕ）である場合には、この混合酸化物燃料球の反応度はウラン酸化物を核燃料物質とするウラン燃料球に対し小さくなる傾向となる。
【００４０】
本発明においては、上記のように構成することで、例えば原子炉炉心内内側領域における混合酸化物燃料球の個数密度が外側領域における混合酸化物燃料球の個数密度よりも大きくなるような炉心を実現することができる。これにより、上記（１）と同様に、炉心径方向外側領域の出力を内側領域よりも相対的に増大させて、通常炉心中央付近の出力が大きくなる傾向となるのを緩和し、炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。また、本発明においては、炉心内を燃料球のみで構成しているため、炉心径方向内側に減速球のみを装荷して径方向出力の平坦化を図ったＰＢＭＲや、炉心径方向内側に黒鉛を含む割合を大きくした大径の燃料球を装荷した従来技術に比べ、燃料球の数を多くすることができる。これら２つにより、燃料球１球あたりの負担する最大出力を相対的に下げることができ、炉心あたりの出力を増加させることができるので、原子炉全体の経済性を向上することができる。
【００４１】
また、前述のように炉心内を燃料球のみで構成していることにより、減速球を用いる前記従来技術よりも炉心全体の燃料装荷量が大きくなり、さらに軽水炉等の原子炉の使用済み燃料の再処理によって得られたプルトニウムを再利用することでウラン燃料の節約を図ることができ、これらによって燃料経済性を向上することができる。したがって、これによっても原子炉全体の経済性を向上することができる。
【００４２】
（１４）上記（１３）において、好ましくは、前記第４振り分け手段は、前記混合酸化物燃料球の混合比が相対的に大きい前記混合酸化物燃料球及びウラン燃料球の群の径方向投入位置を径方向内側に振り分け、前記混合酸化物燃料球の混合比が相対的に小さい前記混合酸化物燃料球及び前記ウラン燃料球の群の径方向投入位置を径方向外側に振り分ける。
【００４３】
（１５）上記目的を達成するために、本発明は、容器の上部から内部に多数の燃料球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域とに区分したとき、前記内側領域における全ての燃料球の平均燃焼度が前記外側領域における全ての燃料球の平均燃焼度よりも大きくなるように、前記燃料球を投入する。
【００４４】
（１６）上記目的を達成するために、また本発明は、容器の上部から内部に多数の燃料球及び減速球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域とに区分したとき、前記内側領域における減速球の個数密度が前記外側領域における減速球の個数密度よりも小さくなるように、前記燃料球及び前記減速球を投入する。
【００４５】
（１７）上記（１６）において、好ましくは、前記容器内に、前記燃料球と前記減速球とを略均一に混合した混合層が互いに異なる混合割合で径方向に複数個形成されるように、前記燃料球及び前記減速球を投入する。
【００４６】
（１８）上記目的を達成するために、また本発明は、容器の上部から内部に多数の燃料球及び減速球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域との２領域に区分したとき、一方の領域における全ての燃料球の平均燃焼度が他方の領域における全ての燃料球の平均燃焼度よりも大きくなるとともに、前記一方の領域における減速球の個数密度が前記他方の領域における減速球の個数密度よりも大きくなるように、前記燃料球及び減速球を投入する。
【００４７】
（１９）上記（１８）において、好ましくは、前記燃料球の平均燃焼度分布と前記減速球の個数密度とのいずれが炉心出力に対し支配的に影響を与えるかに応じ、前記平均燃焼度分布が支配的である場合には、前記一方の領域を前記内側領域とするとともに前記他方の領域を前記外側領域とし、前記減速球の個数密度が支配的である場合には、前記一方の領域を前記外側領域とし、前記他方の領域を前記内側領域とする。
【００４８】
（２０）上記（１８）において、また好ましくは、前記一方の領域を前記内側領域とし、前記他方の領域を前記外側領域とする。
【００４９】
（２１）上記（１８）において、また好ましくは、前記一方の領域を前記外側領域とし、前記他方の領域を前記内側領域とする。
【００５０】
（２２）上記目的を達成するために、また本発明は、容器の上部から内部に相対的に粒径の大きい多数の大粒径燃料球及び相対的に粒径の小さい多数の小粒径燃料球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域とに区分したとき、前記外側領域及び前記内側領域にともに前記大粒径燃料及び前記小粒径燃料球を投入するとともに、前記内側領域よりも前記外側領域の燃料充填率を高めるため、前記内側領域における前記小粒径燃料球の個数密度が前記外側領域における前記小粒径燃料球の個数密度よりも小さくする。
【００５１】
（２３）上記目的を達成するために、また本発明は、容器の上部から内部にウラン・プルトニウム混合酸化物を核燃料物質とする多数の混合酸化物燃料球及びウラン酸化物を核燃料物質とする多数のウラン燃料球を投入して構成されるペブルベッド型の原子炉炉心において、前記容器内を、径方向に互いに等面積になるように内側領域と外側領域とに区分したとき、前記内側領域における前記混合酸化物燃料球の個数密度が前記外側領域における前記混合酸化物燃料球の個数密度よりも小さくなるように、前記混合酸化物燃料球及び前記ウラン燃料球を投入する。
【００５２】
（２４）上記（２３）において、好ましくは、前記ウラン・プルトニウム混合酸化物に含まれるプルトニウムは、原子炉の使用済み燃料の再処理によって得られたものである。
【００５３】
（２５）上記目的を達成するために、本発明の運転方法は、ペブルベッド型の原子炉炉心より排出された燃料球の燃焼度を検出し、その検出結果に応じて、前記燃料球を前記原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を振り分ける。
【００５４】
（２６）上記目的を達成するために、また本発明の運転方法は、ペブルベッド型の原子炉炉心に投入される燃料球と減速球との全体に占める前記減速球の混合比を複数の値に切り替え設定し、前記減速球を原子炉炉心へ再投入するときの原子炉炉心の径方向投入位置を、前記減速球の混合比の設定値ごとに振り分ける。
【００５５】
（２７）上記（２６）において、好ましくは、相対的に燃焼度が大きい前記燃料球の投入位置を径方向内側及び外側のうち一方側に振り分けるとともに、相対的に燃焼度が小さい前記燃料球の投入位置を径方向内側及び外側のうち他方側に振り分け、前記混合比の設定値が相対的に大きいときの前記減速球の投入位置を前記径方向一方側に振り分けるとともに、前記混合比の設定値が相対的に小さいときの前記減速球の投入位置を前記径方向他方側に振り分ける。
【００５６】
（２８）上記目的を達成するために、また本発明の運転方法は、ペブルベッド型の原子炉炉心に投入される相対的に粒径の大きな大粒径燃料球及び相対的に粒径の小さい小粒径燃料球からなる燃料球全体に占める混合比を複数の値に切り替え設定し、前記大粒径燃料球及び前記小粒径燃料球のうち少なくとも前記大粒径燃料球を原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記小粒径燃料球の混合比の設定値ごとに振り分け、前記内側領域よりも前記外側領域の燃料充填率を高める。
【００５７】
（２９）上記目的を達成するために、また本発明の運転方法は、ペブルベッド型の原子炉炉心に投入されるウラン・プルトニウム混合酸化物を核燃料物質とする混合酸化物燃料球及びウラン酸化物を核燃料物質とするウラン燃料球からなる燃料球全体に占める前記混合酸化物燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定し、前記混合酸化物燃料球を原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を、前記混合酸化物燃料球の混合比の設定値ごとに振り分ける。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原子炉設備及び原子炉炉心並びに原子炉の運転方法の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の原子炉設備及び原子炉炉心並びに原子炉の運転方法の第１の実施の形態を図１乃至図４を参照しつつ以下に説明する。
【００５９】
図１は、本発明の原子炉炉心の第１の実施の形態を備える原子炉の全体構造を模式的に表す側断面図であり、図２は図１中II−II断面による横断面図である。これら図１乃び図２において、図に示す原子炉はペブルベッド型原子炉であり、原子炉容器１に収められた炉心２には、多数の燃料球３が装荷されている。
【００６０】
上記炉心２は、例えば直径が３．５ｍ、高さが８．５ｍあり、炉心直径に対する炉心高さの比は２．４となっている。この炉心２の上部、下部、周囲は黒鉛ブロックにより構成された反射体４（図１には反射体４の装填スペースのみ図示）で覆われ、中性子の外部への漏洩量を極力小さくするようになっている。
【００６１】
また、この炉心２の起動時、停止時、及び過渡時の反応度の制御を行う制御材操作機構５が、原子炉容器１の上鏡部１ａを貫通して炉心２を取り囲むように周方向位置複数箇所に配設されている（図２参照）。
【００６２】
また、炉心２の上・下部には、冷却材入口配管６及び冷却材出口配管７がそれぞれ接続されている。この冷却材入口配管６を通って冷却材であるヘリウムが炉心２の上部から炉心２内へ流入し、炉心２内で加熱されて、炉心２の下部より冷却材出口配管７を通ってタービン（図示せず）へ送られる。その後、タービンより戻ってきたヘリウムは冷却材入口配管６を通って再度炉心２内へ流入するようになっている。
【００６３】
上記燃料球３は直径が約６ｃｍであり、前述した従来のものと同様に、例えばウラン酸化物を核燃料物質とする多数の被覆燃料粒子とそれを内包する黒鉛マトリックスとから構成された燃料領域が黒鉛殻で囲まれた構造となっている。
【００６４】
このように構成された原子炉において、本実施の形態では、前述したＭＥＤＵＬ方式あるいはマルチパス方式と同様に、炉心２下部より取り出された燃料球３の燃焼度を測定し、所定の燃焼度に達していない燃料球３については再び炉心２内へ戻す運転方式を取っている。このような運転を行うための原子炉設備について、以下に説明する。
【００６５】
図３は、本発明の原子炉設備の第１の実施の形態の全体構成を表した概念図である。なお、この図３において、実線（太線）の矢印は燃料球３の流れ、破線の矢印は信号の流れを示している。
【００６６】
図３において、原子炉設備は、多数の燃料球３を装荷された炉心２と、燃料球投入管８と、単一化管９と、選別器１０と、破損燃料貯蔵庫１１と、バッファ管１２と、燃料球３の燃焼度を検出する燃焼度検出器１３と、取出燃料貯蔵庫１４と、燃料投入器１５と、上記取出燃料貯蔵庫１４又は燃料投入器１５への導出経路を切り替える切り替え器１６と、新燃料貯蔵庫１７と、新燃料装荷設備１８と、プロセスコンピュータ１９とを備えている。
【００６７】
上記燃焼度検出器１３は、燃料球３中に含まれる核分裂生成物（ＦＰ）から放射される放射線量を検出することにより、燃料球３の燃焼度を検出するようになっている。
【００６８】
上記プロセスコンピュータ１９は、燃焼度検出器１３から各燃料球３の燃焼度に関する情報を入力され、この入力された燃焼度が所定の燃焼度に達している燃料球３を上記取出燃料貯蔵庫１４に導出し、入力された燃焼度が所定の燃焼度に達していない燃料球３を上記燃料投入器１５に導出するよう上記切り替え器１６を制御するようになっている。またプロセスコンピュータ１９は、例えば炉心２に設けられた各種炉内測定機器（図示せず）より入力される反応度、出力分布等の信号に応じて上記新燃料装荷設備１８を制御し、適宜新たな燃料球３を上記新燃料貯蔵庫１７より取り出して燃焼度検出器１３に投入するようになっている。
【００６９】
このようにして、所定の燃焼度に達していない燃料球３とともに所定の燃焼度に達し取り出された燃料球３と同量分の新たな燃料球３を、再度炉心２へ投入するようになっている。
【００７０】
以上説明したような基本構成の本発明の原子炉炉心及びこれを備えた原子炉設備において、本実施の形態の最も大きな特徴は、燃料球３を炉心２へ再投入する際に、内側領域Ｂにおける全ての燃料球３の平均燃焼度が外側領域Ａにおける全ての燃料球３の平均燃焼度よりも大きくなるようにしたことである。以下、この詳細について説明する。
【００７１】
図１に戻り、前記燃料球投入管８は、外側投入管８ａと内側投入管８ｂとにより構成されており、これら外・内側投入管８ａ，８ｂは、それぞれの投入口８ａ１，８ｂ１が炉心２の上部において互いに異なる径方向位置となるように設けられている。すなわち、上記外側投入管８ａは炉心２の比較的径方向外側の領域に燃料球３を投入するように設けられ、上記内側投入管８ｂは炉心２の比較的径方向内側の領域に燃料球３を投入するように設けられている。
【００７２】
図４は図１中IV−IV断面による横断面図である。この図４及び前述の図１において、外側投入管８ａは、例えば炉心２の周方向位置９０度おきに４箇所配設され、原子炉容器１の下方から下鏡部１ｂを貫通して原子炉容器１の内周面に沿って炉心２の天板２ａの上方まで立設され、そこから屈曲して天板２ａと略平行に炉心２の径方向中心に向かって延設され、さらにそこから屈曲して天板２ａを上方から下方に向かって貫通して炉心２の比較的径方向外側の領域に投入口８ａ１を下ろすように設けられている。
【００７３】
一方、内側投入管８ｂは、上記外側投入管８ａと４５度ずれた位置に例えば炉心２の周方向位置９０度おきに４箇所配設され、上記外側投入管８ａと同様に原子炉容器１の下方から下鏡部１ｂを貫通して原子炉容器１の内周面に沿って炉心２の天板２ａの上方まで立設され、屈曲して天板２ａと略平行に炉心２の径方向中心に向かって上記外側投入管８ａよりも長く延設され、さらに屈曲して天板２ａを上方から下方に向かって貫通して炉心２の比較的径方向内側の領域に投入口８ｂ１を下ろすように設けられている。
【００７４】
このとき、これら外・内側投入管８ａ，８ｂを介して炉心２に燃料球３を投入する前記燃料投入器１５は、燃料球投入管８と同様に、例えば４台の外側投投入器１５ａと４台の内側投入器１５ｂとにより構成されている。これら外・内側投入器１５ａ，１５ｂには、それぞれに外・内側投入管８ａ，８ｂが接続されている（図３参照。但し図３では繁雑防止のため、外側投入器１５ａを２台と内側投入器１５ｂを１台のみ図示している）。
【００７５】
また、前記プロセスコンピュータ１９は、上述したように切り替え器１６を制御して燃焼度が所定の燃焼度に達していない燃料球３を燃料投入器１５に導出するようになっているが、このとき、さらに相対的に燃焼度の小さい燃料球３を外側投入器１５ａに、また相対的に燃焼度の大きい燃料球３を内側投入器１５ｂに振り分けるように切り替え器１６を制御する。なお、新燃料装荷設備１８より送られる新しい燃料球３については、全て外側投入器１５ａに振り分けるように切り替え器１６を制御する。
【００７６】
このような原子炉設備の構造により、本実施の形態においては、燃焼度が比較的小さい燃料球３を外側投入器１５ａにより外側投入管８ａを介して炉心２の比較的外側の領域に、燃焼度が比較的大きい燃料球３を内側投入器１５ｂにより内側投入管８ｂを介して炉心２の比較的内側の領域に投入して、これによって、図２中破線で示すように、例えば炉心２内を互いに等面積になるように径方向外側領域Ａと内側領域Ｂとに区分したとき、内側領域Ｂにおける全ての燃料球３の平均燃焼度が外側領域Ａにおける全ての燃料球３の平均燃焼度よりも大きくなるようにしつつ運転することが可能なようになっている。
【００７７】
以上において、燃焼度検出器１３は、特許請求の範囲各項記載の燃料球の燃焼度を検出する検出手段を構成する。また、切り替え器１６は、検出手段で燃焼度検出の済んだ燃料球の導出経路を切り替える切り替え手段を構成し、燃料球投入管８は、一端部が原子炉炉心の上部において互いに異なる径方向位置となるように設けられた複数の燃料球供給管を構成し、上記切り替え器１６と燃料投入器１５、及びプロセスコンピュータ１９は、燃料球を複数の燃料球供給管に選択的に導入する第１選択導入手段を構成し、これら燃料投入器１５、切り替え器１６、プロセスコンピュータ１９と上記燃料球投入管８とが、燃料球を原子炉炉心へ再投入するときの径方向投入位置を振り分ける第１振り分け手段を構成する。
【００７８】
次に、上記構成の本発明の原子炉設備の第１の実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
炉心２内に装荷された燃料球３は、原子炉の稼動に伴い連続的に炉心２内を上部から下部へ移動し、炉心２の下部に設けられた単一化管９により１球ずつ選別器１０に送り出される。この選別器１０により破損を検出された燃料球３は破損燃料貯蔵庫１１に送られ、破損を検出されなかった燃料球３はバッファ管１２を介して燃焼度検出器１３に送られる。
【００７９】
この燃焼度検出器１３において各燃料球３はそれぞれの燃焼度を検出され、それらの燃焼度の情報はプロセスコンピュータ１９に信号出力される。このプロセスコンピュータ１９は、この検出された燃焼度が所定の燃焼度に達している場合には、燃料球３を取出燃料貯蔵庫１４に導出するよう切り替え器１６を制御する。これにより所定の燃焼度に達している燃料球３は取出燃料貯蔵庫１４に送られる。
【００８０】
一方、検出された燃焼度が所定の燃焼度に達していない場合には、プロセスコンピュータ１９は、それらの燃料球３のうち相対的に燃焼度の小さい燃料球３を外側投入器１５ａに導出し、相対的に燃焼度の大きい燃料球３を内側投入器１５ｂに導出するよう切り替え器１６を制御する。これにより、所定の燃焼度に達していない燃料球３のうち相対的に燃焼度の小さい燃料球３は、外側投入器１５ａから外側投入管８ａを介して炉心２内の比較的外側の領域へ再投入され、相対的に燃焼度の大きい燃料球３ｂは内側投入器１５ｂから内側投入管８ｂを介して炉心２内の比較的内側の領域へ再投入される。
【００８１】
このようにして、本実施の形態によれば、炉心２内を前述のように区分して見たときの内側領域Ｂにおける全ての燃料球３の平均燃焼度が外側領域Ａにおける全ての燃料球３の平均燃焼度よりも大きくなるような炉心２を実現することができる。これにより、炉心２の外側領域Ａの出力を内側領域Ｂよりも相対的に増大させて、炉心中央付近の出力が大きくなる傾向を緩和し、炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。
【００８２】
また、本実施の形態においては、炉心２内を燃料球３のみで構成しているため、炉心径方向内側に減速球のみを装荷して径方向出力の平坦化を図った前述のＰＢＭＲや、炉心径方向内側に黒鉛を含む割合を大きくした大径の燃料球を装荷した従来技術に比べ、炉心２内に装荷される燃料球３の数を多くすることができる。
【００８３】
このようにして、炉心２内の径方向出力の平坦化を図りつつ燃料球３の装荷数を増加させることにより、燃料球３の１球あたりの負担する最大出力を相対的に下げることができる。この結果、その１球あたりの最大出力を燃料球３の健全性を維持可能な範囲で制限値ぎりぎりまで引き上げることで、炉心２あたりの出力を可能な限り増加させることができる。したがって、原子炉全体の経済性を向上することができる。
【００８４】
さらに、本実施の形態においては、上述したように減速球を用いる前記従来技術と比較し炉心全体の燃料装荷量が大きいため、燃料経済性が向上する。したがって、これによっても原子炉全体で見た経済性向上の効果を得ることができる。
【００８５】
なお、上記本発明の第１の実施の形態においては、炉心２が平衡炉心となっていることを前提に説明をしたが、例えば炉心２の初装荷の際は装荷される燃料球３のすべてが新燃料球であるために、炉心中央部に高い出力ピークができる傾向となる。さらに、燃焼度検出器１３により検出される燃焼度は初期の段階ではほぼ同じであることから、プロセスコンピュータ１９における再投入基準の設定が困難となる。これを回避するために、炉心２の初装荷の際には濃縮度の異なる２種類以上の燃料球３を用いてもよい。すなわち、外側領域Ａには濃縮度の高い燃料球３を、内側領域Ｂには濃縮度の低い燃料球３を配置し、炉心下部において燃焼度とともに濃縮度についても検出するようにし、総合的に反応度の高い燃料球３を外側領域Ａに、反応度の低い燃料球を内側領域Ｂに再投入するようにしてもよい。これにより、炉心２の初装荷時においても、上記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
また、上記本発明の第１の実施の形態においては、炉心２内に燃料球３のみを装荷しているが、これに限らず燃料球３に減速球を混合して装荷してもよい。これによっても、炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。
【００８７】
次に、本発明の原子炉設備及び原子炉炉心並びに原子炉の運転方法の第２の実施の形態を図５乃至図７を参照しつつ説明する。本実施の形態は、減速球を用いて、外側領域Ｃの燃料球３と減速球全体に占める減速球の混合比を内側領域Ｄよりも相対的に大きくしたものである。
【００８８】
図５は、上記本発明の原子炉設備の第２の実施の形態の全体構成を表した概念図である。この図５において、黒の太線の矢印は燃料球３の流れ、白抜きの矢印は減速球２０の流れ、グレーの矢印は燃料球３と減速球２０とが混合したものの流れを示し、また破線の矢印は信号の流れを示している。なお、前述の本発明の第１の実施の形態における図３と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【００８９】
図５において、原子炉設備は、多数の燃料球３及び減速球２０を装荷された炉心２と、炉心２内を径方向に互いに等面積となるように外側領域Ｃと内側領域Ｄとに区分して投入できるように設けられた燃料球投入管８′と、減速球２０を選別する機能を備えた選別器１０′と、減速球２０を所定のペースで導出する減速球導出器２１と、この減速球導出器２１より導出される減速球２０を燃料球３に混合する機能を備えた切り替え器１６′とを備えている。
【００９０】
上記燃料球投入管８′は、外側領域Ｃに燃料球３及び減速球２０を投入できるように設けられた外側投入管８ａ′と、内側領域Ｄに燃料球３及び減速球２０を投入できるように設けられた内側投入管８ｂ′とにより構成されている。
【００９１】
上記減速球２０は黒鉛から構成されており、燃料球３と同等の大きさを有している。また、上記減速球導出器２１及び切り替え器１６′はプロセスコンピュータ１９により制御されており、燃焼度検出器１３より切り替え器１６′に一定のペースで送られる燃料球３に対し、減速球導出器２１はプロセスコンピュータ１９の指示に応じて切り替え器１６′に減速球２０を送るペースを切り替え可能になっており、これらの燃料球３及び減速球２０を切り替え器１６′が混合して、外側投入器１５ａ又は内側投入器１５ｂに選択して送るようになっている。すなわち、減速球導出器２１のペースが比較的速く、燃料球３及び減速球２０全体に占める減速球２０の混合比が大きい場合は外側投入器１５ａに、減速球導出器２１のペースが比較的遅く、燃料球３及び減速球２０全体に占める減速球２０の混合比が小さい場合は内側投入器１５ｂに導出するようになっている。
【００９２】
以上において、減速球導出器２１は、特許請求の範囲各項記載の燃料球及び減速球全体に占める減速球の混合比を複数の値に切り替え設定するように減速球を導出可能な第１導出手段を構成する。また、燃料投入器１５、切り替え器１６′、及びプロセスコンピュータ１９は、減速球の混合比の設定値に応じ燃料球及び減速球を複数の燃料球供給管に選択的に導入する第２選択導入手段を構成し、これらと燃料球投入管８′が、減速球の混合比の設定値ごとに振り分ける第２振り分け手段を構成する。
【００９３】
次に、上記構成の本発明の原子炉設備の第２の実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
炉心２内に装荷された燃料球３と減速球２０の混合物は、原子炉の稼動に伴い連続的に炉心２内を上部から下部へ移動し、炉心２の下部に設けられた単一化管９により１球ずつ選別器１０′に送り出される。この選別器１０′により燃料球３と減速球２０が選別され、減速球２０は減速球導出器２１に送られる。一方で、選別器１０′により破損を検出された燃料球３は破損燃料貯蔵庫１１に送られ、破損を検出されなかった燃料球３はバッファ管１２を介して燃焼度検出器１３に送られる。
【００９４】
この燃焼度検出器１３において各燃料球３はそれぞれの燃焼度を検出され、一定のペースで切り替え器１６′に送られる。ここで、燃焼度検出器１３により検出された燃焼度が所定の燃焼度に達している燃料球３については、前述の第１の実施の形態と同様に取出燃料貯蔵庫１４に導出される。
【００９５】
このとき、プロセスコンピュータ１９の制御により、減速球導出器２１が減速球２０の導出ペースを大きくして切り替え器１６′での燃料球３と減速球２０全体に占める減速球２０の混合比が相対的に大きくなったときは、切り替え器１６′はその混合物を外側投入器１５ａに送る。一方、減速球導出器２１が減速球２０の導出ペースを遅くして切り替え器１６′での減速球２０の混合比が相対的に小さくなったときは、切り替え器１６′はその混合物を内側投入器１５ｂに送る。これにより、減速球２０の混合比が相対的に大きい燃料球３と減速球２０との混合物は、外側投入器１５ａから外側投入管８ａ′を介して炉心２内の外側領域Ｃへ再投入され、減速球２０の混合比が相対的に小さい燃料球３と減速球２０との混合物は、内側投入器１５ｂから内側投入管８ｂ′を介して炉心２内の内側領域Ｄへ再投入される。
なお、上記原子炉設備において、減速球２０は、破損がなければ全てが炉心２０へ再投入されるようになっている。
【００９６】
このようにして、本実施の形態によれば、図６に示すように、外側領域Ｃの燃料球３と減速球２０全体に占める減速球２０の混合比を内側領域Ｄよりも相対的に大きくした炉心を実現することができる。
【００９７】
これにより、前述の第１の実施の形態と同様に、炉心２の外側領域Ｃの出力を内側領域Ｄよりも相対的に増大させて、炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。
【００９８】
また、本実施の形態においては、燃料球３の燃焼度による投入位置の振り分けを行っていないため、前述の第１の実施の形態の変形例において説明したような炉心２の初装荷の際においても減速球２０の混合比の振り分けによって対応することができ、濃縮度の異なる燃料球を用意する必要がない。したがって、燃料経済性を向上する効果を得ることができる。
【００９９】
なお、上記本発明の第２の実施の形態においては、炉心２内を径方向に互いに等面積となるように区分した外側領域Ｃと内側領域Ｄとに減速球２０の混合比が大きい群、小さい群を外・内側投入管８ａ′，８ｂ′を介し振り分けて供給したが、これに限らない。すなわち、図７に示すようにそれぞれが異なる面積を有するように区分した外側領域Ｃ′と内側領域Ｄ′とに減速球２０の混合比が大きい群、小さい群を振り分けて供給するようにしてもよい。この場合でも、炉心２内を径方向に互いに等面積となるように外側領域Ｃと内側領域Ｄとに区分して見たとき、外側領域Ｃと内側領域Ｄとの間で上述の関係が満たされてさえいれば、、上記本発明の第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１００】
次に、本発明の原子炉設備及び原子炉炉心並びに原子炉の運転方法の第３の実施の形態を図８、図９、及び前述の図５を参照しつつ説明する。本実施の形態は、外側領域Ｃの全ての燃料球３の平均燃焼度が内側領域Ｄよりも小さくなるようにしつつ、外側領域Ｃの燃料球３と減速球２０全体に占める減速球２０の混合比を内側領域Ｄよりも相対的に小さくしたものである。
【０１０１】
上記本発明の原子炉設備の第３の実施の形態の構成は、前述の本発明の第２の実施の形態において図５で説明した構成と同様であるため、説明を省略する。
【０１０２】
次に、本発明の原子炉設備の第３の実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
炉心２内に装荷された燃料球３と減速球２０の混合物は、原子炉の稼動に伴い連続的に炉心２内を上部から下部へ移動し、炉心２の下部に設けられた単一化管９により１球ずつ選別器１０′に送り出される。この後は前述の第２の実施の形態と同様にして、燃料球３と減速球２０が選別されて減速球２０は減速球導出器２１に送られ、破損を検出された燃料球３は破損燃料貯蔵庫１１に送られ、破損を検出されなかった燃料球３はバッファ管１２を介して燃焼度検出器１３に送られる。この燃焼度検出器１３により検出された燃焼度が所定の燃焼度に達している燃料球３については、前述の第１の実施の形態と同様に取出燃料貯蔵庫１４に導出される。
【０１０３】
このとき、プロセスコンピュータ１９の制御により、検出された燃焼度が所定の燃焼度に達していない燃料球３のうち相対的に燃焼度の小さい燃料球３については、減速球導出器２１は減速球２０の導出ペースを遅くして切り替え器１６′での燃料球３と減速球２０全体に占める減速球２０の混合比を相対的に小さくなるようにし、切り替え器１６′はその混合物を外側投入器１５ａに送る。一方、検出された燃焼度が所定の燃焼度に達していない燃料球３のうち相対的に燃焼度の大きい燃料球３については、減速球導出器２１は減速球２０の導出ペースを大きくして切り替え器１６′での減速球２０の混合比を相対的に大きくなるようにし、切り替え器１６′はその混合物を内側投入器１５ｂに送る。
これにより、燃料球３の燃焼度が相対的に小さくかつ減速球２０の混合比が相対的に小さい燃料球３と減速球２０との混合物は、外側投入器１５ａから外側投入管８ａ′を介して炉心２内の外側領域Ｃへ再投入され、燃料球３の燃焼度が相対的に大きくかつ減速球２０の混合比が相対的に大きい燃料球３と減速球２０との混合物は、内側投入器１５ｂから内側投入管８ｂ′を介して炉心２内の内側領域Ｄへ再投入される。
【０１０４】
このようにして、本実施の形態によれば、図８に示すように、外側領域Ｃの全ての燃料球３の平均燃焼度が内側領域Ｄよりも小さくかつ外側領域Ｃの燃料球と減速球全体に占める減速球の混合比を内側領域Ｄよりも相対的に小さくした炉心を実現することができる。
【０１０５】
ここで、通常、燃料球３の平均燃焼度分布の方が減速球２０の個数密度よりも炉心２の出力に対し支配的に影響を与える。すなわち、本実施の形態のように、平均燃焼度の小さい燃料球３に対し減速球２０の混合比を相対的に小さくし（前者）、平均燃焼度の大きい燃料球３に対し減速球２０の混合比を相対的に大きくする（後者）構成としても、依然として前者の方が出力が大きくなる傾向がある。
【０１０６】
本実施の形態によれば、上記炉心構成とすることにより、この出力が大きくなる前者を炉心２内の外側領域Ｃに配置するので、前述の本発明の第１の実施の形態と同様に、炉心中央付近の出力が大きくなる傾向を緩和して炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。
【０１０７】
さらに、上記炉心構成とすることにより、平均燃焼度が相対的に小さい燃焼前期である外側領域Ｃにおいて、減速球２０が相対的に少ない硬い中性子スペクトルとすることで燃料球３中における核分裂性物質の転換生成を促進した後、平均燃焼度が相対的に大きい燃焼後期である内側領域Ｄにおいて、減速球２０が相対的に多い柔らかい中性子スペクトルとすることで、先に転換生成された核分裂性物質の燃焼を促進することができる。このようにして、燃焼前期で転換生成されることにより増加した核分裂性物質の反応を燃焼後期で促進させることによるスペクトルシフト効果により、燃料経済性を大きく向上することができる。
【０１０８】
なお、上記本発明の第３の実施の形態においては、炉心２が平衡炉心となっていることを前提に説明をしたが、例えば炉心２の初装荷の際は装荷される燃料球３のすべてが新燃料球である上に内側領域Ｄの減速球２０の混合比が大きいために、炉心中央部に高い出力ピークができる傾向が一層強くなる。これを回避するために、前述の本発明の第１の実施の形態と同様に炉心２の初装荷の際には濃縮度の異なる２種類以上の燃料球３を用いるようにしてもよい。これにより、炉心２の初装荷時においても、上記第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０９】
また、上記本発明の第３の実施の形態においては、炉心２内を径方向に互いに等面積となるように区分した外側領域Ｃと内側領域Ｄとに燃料球３の燃焼度が小さくかつ減速球２０の混合比が小さい群、燃料球３の燃焼度が大きくかつ減速球２０の混合比が大きい群を外・内側投入管８ａ，８ｂを介し振り分けて供給したが、これに限らない。すなわち、前述の本発明の第２の実施の形態において説明したように、それぞれが異なる面積を有するように区分した領域に振り分けて、燃料球３の燃焼度が小さくかつ減速球２０の混合比が小さい群、燃料球３の燃焼度が大きくかつ減速球２０の混合比が大きい群を供給するようにしてもよい。この場合でも、炉心２内を径方向に互いに等面積となるように外側領域Ｃと内側領域Ｄとに区分して見たとき、外側領域Ｃと内側領域Ｄとの間で上述の関係が満たされてさえいれば、上記本発明の第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１０】
また、上記本発明の第３の実施の形態においては、燃料球３の平均燃焼度分布の方が減速球２０の個数密度よりも炉心２の出力に対し支配的に影響を与えることを前提に、炉心２の外側領域Ｃの全ての燃料球３の平均燃焼度が内側領域Ｄよりも小さくかつ外側領域Ｃの燃料球３と減速球２０全体に占める減速球２０の混合比を内側領域Ｄよりも相対的に小さくする構成としたが、これに限らず、例えば減速球２０の個数が比較的多いとき等、減速球２０の個数密度の方が燃料球３の平均燃焼度分布よりも炉心２の出力に対し支配的に影響を与える場合には、上記と逆の配置の構成にしてもよい。すなわち、図９に示すように、外側領域Ｃの全ての燃料球３の平均燃焼度が内側領域Ｄよりも大きくかつ外側領域Ｃの燃料球３と減速球２０全体に占める減速球２０の混合比を内側領域Ｄよりも相対的に大きくした構成としてもよい。これによって、上記第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる上に、上記した炉心２の初装荷時においても濃縮度の異なる燃料球３を使用せずに径方向出力の平坦化を可能とするので、燃料経済性をさらに向上することができる。
【０１１１】
また、前述の第２の実施の形態及び上記第３の実施の形態においては、燃料球３と減速球２０の選別を選別器１０′が行うようにしたが、これに限らずこの燃料球３と減速球２０の選別機能を燃焼度検出器１３に持たせてもよい。
【０１１２】
次に、本発明の原子炉設備及び原子炉炉心並びに原子炉の運転方法の第４の実施の形態を図１０及び図１１を参照しつつ説明する。本実施の形態は、相対的に粒径の大きい大径燃料球及び相対的に粒径の小さい小粒径燃料球を用いて、外側領域Ｃに大粒径燃料球と小粒径燃料球の混合物を投入し、内側領域Ｄに大粒径燃料球のみを投入するようにしたものである。
【０１１３】
図１０は、上記本発明の原子炉設備の第４の実施の形態の全体構成を表した概念図である。この図１０において、黒の太線の矢印は大粒径燃料球３ａの流れ、白抜きの矢印は小粒径燃料球３ｂの流れ、グレーの矢印は大粒径燃料球３ａと小粒径燃料球３ｂとが混合したものの流れを示し、また破線の矢印は信号の流れを示している。なお、前述の本発明の第２の実施の形態における図５と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【０１１４】
図１０において、原子炉設備は、多数の大粒径燃料球３ａ及び小粒径燃料球３ｂを装荷された炉心２と、小粒径燃料球３ｂを選別する機能を加えた選別器１０″と、小粒径燃料球３ｂの燃焼度を検出する小粒径用燃焼度検出器２２と、小粒径燃料球３ｂを所定のペースで導出する小粒径燃料球導出器２３と、この小粒径燃料球導出器２３より導出される小粒径燃料球３ｂを大粒径燃料球３ａに混合する機能を加えた切り替え器１６″と、新しい大粒径燃料球３ａの貯蔵庫である大粒径用新燃料貯蔵庫１７ａと、この新しい大粒径燃料球３ａを燃焼度検出器１３に投入する大粒径用新燃料装荷設備１８ａと、新しい小粒径燃料球３ｂの貯蔵庫である小粒径用新燃料貯蔵庫１７ｂと、この新しい小粒径燃料球３ｂを上記小粒径用燃焼度検出器２２に投入する小粒径用新燃料装荷設備１８ｂとを備えている。
【０１１５】
上記大粒径燃料球３ａ及び小粒径燃料球３ｂは、前記の燃料球３と同様に、それぞれ例えばウラン酸化物を核燃料物質とする多数の被覆燃料粒子とそれを内包する黒鉛マトリックスとから構成された燃料領域が黒鉛殻で囲まれた構造となっている。このとき、大・小粒径燃料球３ａ，３ｂの直径をそれぞれｄ１，ｄ２とすると、このｄ１とｄ２は例えばｄ２≦（２√３／３−1）ｄ１を満たす関係にある。これにより、小粒径燃料球３ｂは、稠密に配置された大粒径燃料球３ａの間隙に入り込むことができるようになっている。なお、大粒径燃料球３ａの直径ｄ１は従来のものと同様に約６ｃｍとなっている。
【０１１６】
燃焼度検出器１３及び上記小粒径用燃焼度検出器２２は、選別器１０″で選別された大・小粒径燃料球３ａ，３ｂの燃焼度をそれぞれ検出してプロセスコンピュータ１９に出力し、プロセスコンピュータ１９は、その入力された燃焼度が所定の燃焼度に達している大・小粒径燃料球３ａ，３ｂについては取り出し燃料貯蔵庫１４に送るように切り替え器１６″を制御するようになっている。
【０１１７】
一方、燃焼度が所定の燃焼度に達していない大・小粒径燃料球３ａ，３ｂについては、燃焼度検出器１３より切り替え器１６″に一定のペースで送られる大粒径燃料球３ａに対し、小粒径燃料球導出器２３はプロセスコンピュータ１９の指示に応じて切り替え器１６″に小粒径燃料球３ｂを送るペースを切り替え可能になっており、これらの大粒径燃料球３ａ及び小粒径燃料球３ｂを切り替え器１６″が混合して、外側投入器１５ａ又は内側投入器１５ｂに送るようになっている。すなわち、大粒径燃料球３ａ及び小粒径燃料球３ｂ全体に占める小粒径燃料球３ｂの混合比を複数の値に切り替え設定でき、それを外側投入器１５ａ又は１５ｂに選択して送ることができるようになっている（但し、本実施の形態では内側投入器１５ｂへ送る場合は混合比０、すなわち燃焼度検出器１３から送られる大粒径燃料球３ａのみが内側投入器１５ｂへ送られるようになっている）。
【０１１８】
以上において、小粒径燃料球導出器２３は、特許請求の範囲各項記載の燃料球全体に占める小粒径燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定するように小粒径燃料球を導出可能な第２導出手段を構成する。また、燃料球投入管８′、燃料投入器１５、切り替え器１６″、及びプロセスコンピュータ１９は、小粒径燃料球の混合比の設定値ごとに振り分ける第３振り分け手段を構成する。
【０１１９】
次に、上記構成の本発明の原子炉設備の第４の実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
炉心２内に装荷された大粒径燃料球３ａと小粒径燃料球３ｂは、原子炉の稼動に伴い連続的に炉心２内を上部から下部へ移動し、炉心２の下部に設けられた単一化管９により１球ずつ選別器１０″に送り出される。この選別器１０″において、大粒径燃料球３ａ及び小粒径燃料球３ｂのうち破損したものが選別され、破損燃料貯蔵庫１１に送られる。一方、破損していないものは大粒径燃料球３ａと小粒径燃料球３ｂとに選別され、小粒径燃料球３ｂは小粒径用燃焼度検出器２２に、大粒径燃料球３ａはバッファ管１２を介して燃焼度検出器１３に送られる。
【０１２０】
これら燃焼度検出器１３及び小粒径用燃焼度検出器２２において検出された燃焼度が所定の燃焼度に達していない大・小粒径燃料球３ａ，３ｂについては、プロセスコンピュータ１９の制御により、大粒径燃料球３ａ及び小粒径燃料球３ｂ全体に占める小粒径燃料球３ｂの混合比が所定の値となるように切り替え器１６″において混合され、外側投入器１５ａに送られる。また、内側投入器１５ｂには大粒径燃料球３ａのみが送られる。これにより、所定の混合比で混合された大粒径燃料球３ａ及び小粒径燃料球３ｂは、外側投入器１５ａから外側投入管８ａ′を介して炉心２内の外側領域Ｃへ再投入され、大粒径燃料球３ａのみが内側投入器１５ｂから内側投入管８ｂ′を介して炉心２内の内側領域Ｄへ再投入される。
【０１２１】
このようにして、本実施の形態によれば、図１１に示すように、外側領域Ｃに所定の混合比で混合した大粒径燃料球３ａと小粒径燃料球３ｂの混合物を投入し、内側領域Ｄには大粒径燃料球３ａのみを投入した炉心を実現することができる。これにより、外側領域Ｃの燃料充填率を高め内側領域Ｄと比較し相対的に燃料装荷量を多くすることができるので、外側領域Ｃの出力を内側領域Ｄよりも相対的に増大させることができ、したがって前述の本発明の第１の実施の形態と同様に炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。
【０１２２】
また、本実施の形態によれば、外側領域Ｃの燃料装荷量を多くすることで炉心２の外側領域Ｃにおける燃料の炉内滞在年数を増加することができ、燃料経済性を向上することができる。
【０１２３】
なお、上記本発明の第４の実施の形態においては、炉心２内を径方向に互いに等面積となるように区分した外側領域Ｃと内側領域Ｄとに小粒径燃料球３ｂの混合比が大きい群、小さい群を外・内側投入管８ａ′，８ｂ′を介し振り分けて供給したが、これに限らない。すなわち、前述の第３の実施の形態において説明したように、それぞれが異なる面積を有するように区分した領域に小粒径燃料球３ｂの混合比が大きい群、小さい群を振り分けて供給するようにしてもよい。この場合でも、炉心２内を径方向に互いに等面積となるように外側領域Ｃと内側領域Ｄとに区分して見たとき、外側領域Ｃと内側領域Ｄとの間で上述の関係が満たされてさえいれば、上記本発明の第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２４】
また、上記本発明の第４の実施の形態においては、内側領域Ｄには大粒径燃料球のみを投入したが、これに限らない。すなわち、外・内側領域Ｃ，Ｄのどちらにも小粒径燃料球３ｂを混合し、外側領域Ｃの大・小粒径燃料球３ａ，３ｂ全体に占める小粒径燃料球３ｂの混合比を内側領域Ｄよりも相対的に大きくするようにしてもよい。これによっても、上記本発明の第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２５】
次に、本発明の原子炉設備及び原子炉炉心並びに原子炉の運転方法の第５の実施の形態を図１２及び図１３を参照しつつ説明する。本実施の形態は、ウラン酸化物を核燃料物質とするウラン燃料球とウラン・プルトニウム混合酸化物を核燃料物質とする混合酸化物燃料球を用いて、外側領域Ａの燃料球全体に占める混合酸化物燃料球の混合比を内側領域Ｂよりも相対的に小さくしたものである。
【０１２６】
図１２は、上記本発明の原子炉設備の第５の実施の形態の全体構成を表した概念図である。この図１２において、黒の太線の矢印はウラン燃料球２４の流れ、白抜きの矢印は混合酸化物燃料球２５の流れ、グレーの矢印はウラン燃料球２４と混合酸化物燃料球２５とが混合したものの流れを示し、また破線の矢印は信号の流れを示している。なお、前述の本発明の第４の実施の形態における図１０と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【０１２７】
図１２において、原子炉設備は、多数のウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５が装荷された炉心２と、前述の本発明の第１の実施の形態と同様に炉心２内の比較的径方向外側の領域と比較的内側の領域とに区分して投入できるように設けられた燃料球投入管８と、ウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物の破損を検出する選別器１０と、ウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物の燃焼度を検出する燃焼度検出器１３と、この燃焼度検出器１３により検出された燃焼度が所定の燃焼度に達していないウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物の中から混合酸化物燃料球２５を選別する混合酸化物燃料球検出器２６と、この混合酸化物燃料球検出器２６により選別された混合酸化物燃料球２５を所定のペースで導出する混合酸化物燃料球導出器２７と、この混合酸化物燃料球導出器２７より導出される混合酸化物燃料球２５をウラン燃料球２４に混合する機能を備えた切り替え器１６'''と、新たに投入するウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物を貯蔵する混合物用新燃料貯蔵庫１７′と、これらのウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物を燃焼度検出器１３に投入する混合物用新燃料装荷設備１８′とを備えている。
【０１２８】
上記ウラン燃料球２４は、例えばウラン酸化物を核燃料物質としており、上記混合酸化物燃料球２５は、例えば軽水炉等の原子炉の使用済み燃料の再処理によって得られたプルトニウムを用いたウラン・プルトニウム混合酸化物を核燃料物質としている。
【０１２９】
燃焼度検出器１３は、選別器１０により選別された破損のないウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物の燃焼度を検出してプロセスコンピュータ１９に出力し、プロセスコンピュータ１９はその入力された燃焼度が所定の燃焼度に達しているウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物については、切り替え器１６'''を制御して取り出し燃料貯蔵庫１４に送るようになっている。
【０１３０】
一方、燃焼度が所定の燃焼度に達していないウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物については、燃焼度検出器１３より混合酸化物燃料球検出器２６に送られる。この混合酸化物燃料球検出器２６は、燃料球中のプルトニウム（特にＰｕ２４０）からの中性子線強度を検出することにより、ウラン燃料球２４と混合酸化物燃料球２５とを選別するようになっている。この混合酸化物燃料球検出器２６で選別されたウラン燃料球２４は一定のペースで切り替え器１６'''に送られ、また混合酸化物燃料球２５は混合酸化物燃料球導出器２７に送られる。すなわち、混合酸化物燃料球検出器２６より切り替え器１６'''に一定のペースで送られるウラン燃料球２４に対し、混合酸化物燃料球導出器２７はプロセスコンピュータ１９の指示に応じた所定のペースで切り替え器１６'''に混合酸化物燃料球２５を送り、これらのウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５を切り替え器１６'''が混合して、外側投入器１５ａ又は内側投入器１５ｂに選択して送るようになっている。このようにして、ウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５全体に占める混合酸化物燃料球２５の混合比が相対的に小さい場合は外側投入器１５ａに、ウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５全体に占める混合酸化物燃料球２５の混合比が相対的に大きい場合は内側投入器１５ｂに導出するようになっている。
【０１３１】
以上において、混合酸化物燃料球導出器２７は、特許請求の範囲各項記載の燃料球全体に占める混合酸化物燃料球の混合比を複数の値に切り替え設定するように混合酸化物燃料球を導出可能な第３導出手段を構成する。また、燃料球投入管８、燃料投入器１５、切り替え器１６'''、及びプロセスコンピュータ１９は、混合酸化物燃料球の混合比の設定値ごとに振り分ける第４振り分け手段を構成する。
【０１３２】
次に、上記構成の本発明の原子炉設備の第５の実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
炉心２内に装荷されたウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５は、原子炉の稼動に伴い連続的に炉心２内を上部から下部へ移動し、炉心２の下部に設けられた単一化管９により１球ずつ選別器１０に送り出される。この選別器１０において、ウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５の混合物のうち破損したものが選別され、破損燃料貯蔵庫１１に送られる。一方、破損していないものはバッファ管１２を介して燃焼度検出器１３に送られる。
【０１３３】
この燃焼度検出器１３で検出された燃焼度が所定の燃焼度に達していないウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５については混合酸化物燃料球検出器２６に送られ、ここでウラン燃料球２４と混合酸化物燃料球２５とに選別されて、ウラン燃料球２４は一定のペースで切り替え器１６''’に、混合酸化物燃料球２５は混合酸化物燃料球導出器２７により所定のペースで切り替え器１６''’に送られる。このとき、プロセスコンピュータ１９の制御により、ウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５全体に占める混合酸化物燃料球２５の混合比が相対的に小さい場合は外側投入器１５ａに送られ、ウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５全体に占める混合酸化物燃料球２５の混合比が相対的に大きい場合は内側投入器１５ｂに送られる。これにより、相対的に混合酸化物燃料球２５の混合比が小さいウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５は、外側投入器１５ａから外側投入管８ａを介して炉心２内の比較的径方向外側の領域へ再投入され、相対的に混合酸化物燃料球２５の混合比が大きいウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５は、内側投入器１５ｂから内側投入管８ｂを介して炉心２内の比較的径方向内側の領域へ再投入される。
【０１３４】
このようにして、本実施の形態によれば、図１３に示すように、炉心２内を前述の第１の実施の形態と同様に例えば径方向に等面積となるように区分して見たときの外側領域Ａのウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５全体に占める混合酸化物燃料球２５の混合比を内側領域Ｂよりも相対的に小さくした炉心を実現することができる。
【０１３５】
ここで、前述したように混合酸化物燃料球２５の反応度はウラン燃料球２４に対し小さくなる傾向がある。すなわち、本実施の形態によれば上記構成とすることで、前述の本発明の第１の実施の形態と同様に、外側領域Ａの出力を内側領域Ｂよりも相対的に増大させて、炉心径方向出力の平坦化を図ることができる。
【０１３６】
また、本実施の形態によれば、混合酸化物燃料球２５を用いることにより上述したように軽水炉等の原子炉の使用済み燃料の再処理によって得られたプルトニウムを再利用しているので、ウラン燃料球２４の節約を図ることができ、これによって燃料経済性を向上することができる。
【０１３７】
なお、以上説明してきた本発明の原子炉炉心の各実施の形態においては、炉心２内を外側領域と内側領域の２つの領域に区分するように燃料球投入管８を設けたが、これに限らず、３以上の領域に区分できるようにしてもよい。この場合においても、炉心２内を径方向に互いに等面積となるように外側領域Ａ（又はＣ）と内側領域Ｂ（又はＤ）とに区分してみたとき、上記各実施の形態で規定するような関係を満たしてさえいれば、各実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３８】
また、以上説明してきた本発明の原子炉炉心の各実施の形態においては、炉心２内において燃料球（又は減速球）は投入位置から水平方向にほとんど動くことなく炉心軸方向下方にのみ移動することから炉心２内にしきりを設けていないが、これに限らず、仕切りを設けて炉心２内の領域を区分してもよい。これによっても、上記本発明の各実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３９】
また、以上説明してきた本発明の原子炉設備の各実施の形態においては、燃焼度検出器１３（又は小粒径用燃焼度検出器２２）が検出した燃焼度に応じて切り替え器１６（又は切り替え器１６′、又は切り替え器１６'''）が燃料球３（又は大・小粒径燃料球３ａ，３ｂ、又はウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５）の取出燃料貯蔵庫１４又は燃料投入器１５への導出経路を切り替えているが、これに限らず、この導出経路の切り替え機能を燃料投入器１５に一元化して持たせてもよい。また、上記本発明の原子炉設備の各実施の形態においては、新たな燃料球３（又は大・小粒径燃料球３ａ，３ｂ、又はウラン燃料球２４及び混合酸化物燃料球２５）を新燃料装荷設備１８（又は大・小粒径用新燃料装荷設備１８ａ，１８ｂ、又は混合物用新燃料装荷設備１８′）から燃焼度検出器１３（又は小粒径用燃焼度検出器２２）に投入するようにしたが、これに限らず、燃料投入器１５に直接投入するようにしてもよい。これらの場合も、上記本発明の各実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
また、以上説明してきた本発明の原子炉炉心の各実施の形態においては、冷却材としてヘリウムを用いるようにしたが、これに限らず、炭酸ガス（ＣＯ２）、又は窒素、又はネオン・アルゴン等の不活性ガスを用いてもよい。また、冷却材にガスを用いず、水、あるいはナトリウムや鉛のような液体金属を用いてもよい。
【０１４１】
また、以上説明してきた本発明の原子炉炉心の各実施の形態においては、燃料としてウラン又はプルトニウムを用いたが、これに限らずトリウムを用いてもよい。
【０１４２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ペブルベッド型原子炉炉心より排出された燃料球の燃焼度を検出手段で検出し、その検出値に応じて第１振り分け手段により径方向外側における燃焼度が径方向内側に対し相対的に小さくなるように燃料球の径方向投入位置を振り分け再投入するので、炉心径方向出力を平坦化できる。したがって、経済性を向上することができる。
【０１４３】
請求項７記載の発明によれば、ペブルベッド型原子炉炉心より排出された燃料球及び減速球を、第２振り分け手段により径方向外側における燃料球及び減速球の群に占める減速球の混合比が径方向内側に対し相対的に大きくなるように燃料球及び減速球の群の径方向投入位置を振り分け再投入するので、炉心径方向出力を平坦化できる。したがって、経済性を向上することができる。
【０１４４】
請求項１０記載の発明によれば、ペブルベッド型原子炉炉心より排出された燃料球及び減速球を、燃料球の燃焼度の検出値に応じて第１振り分け手段により径方向外側における燃焼度が径方向内側に対し相対的に小さくなるように燃料球の径方向投入位置を振り分けとともに、第２振り分け手段により径方向外側における燃料球及び減速球の群に占める減速球の混合比が径方向内側に対し相対的に小さくなるように燃料球及び減速球の群の径方向投入位置を振り分け再投入する。これにより、炉心径方向出力を平坦化できると共に燃料経済性を向上することができる。したがって、経済性を一層向上することができる。
【０１４５】
請求項１１記載の発明によれば、ペブルベッド型原子炉炉心より排出された大粒径燃料球及び小粒径燃料球を、第３振り分け手段により径方向外側における大粒径燃料球及び小粒径燃料球の群に占める小粒径燃料球の混合比が径方向内側に対し相対的に大きくなるように大粒径燃料球及び小粒径燃料球の群の径方向投入位置を振り分け再投入する。これにより、炉心径方向出力を平坦化でき、したがって経済性を向上することができる。
【０１４６】
請求項１３記載の発明によれば、炉心より排出されたウラン燃料球及び混合酸化物燃料球を、第４振り分け手段により径方向外側における混合酸化物燃料球及びウラン燃料球の群に占める混合酸化物燃料球の混合比が径方向内側に対し相対的に小さくなるように混合酸化物燃料球及びウラン燃料球の群の径方向投入位置を振り分け再投入する。これにより、炉心径方向出力を平坦化でき、したがって経済性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原子炉炉心の第１の実施の形態を備える原子炉の全体構造を模式的に表す側断面図である。
【図２】図１中II−II断面による横断面図である。
【図３】本発明の原子炉設備の第１の実施の形態の全体構成を表した概念図である。
【図４】図１中IV−IV断面による横断面図である。
【図５】本発明の原子炉設備の第２の実施の形態の全体構成を表した概念図である。
【図６】本発明の原子炉炉心の第２の実施の形態の炉心構成を表す横断面図である。
【図７】本発明の原子炉炉心の第２の実施の形態の変形例の炉心構成を表す横断面図である。
【図８】本発明の原子炉炉心の第３の実施の形態の炉心構成を表す横断面図である。
【図９】本発明の原子炉炉心の第３の実施の形態の変形例の炉心構成を表す横断面図である。
【図１０】本発明の原子炉設備の第４の実施の形態の全体構成を表した概念図である。
【図１１】本発明の原子炉炉心の第４の実施の形態の炉心構成を表す横断面図である。
【図１２】本発明の原子炉設備の第５の実施の形態の全体構成を表した概念図である。
【図１３】本発明の原子炉炉心の第５の実施の形態の炉心構成を表す横断面図である。
【符号の説明】
２          炉心
３          燃料球
３ａ        大粒径燃料球
３ｂ        小粒径燃料球
８          燃料球投入管（燃料球供給管；第１振り分け手段；第４振り分け手段）
８′        燃料球投入管（第２振り分け手段；第３振り分け手段）
１３        燃焼度検出器（検出手段）
１５        燃料投入器（第１選択導入手段；第１振り分け手段；第２選択導入手段；第２振り分け手段；第３振り分け手段；第４振り分け手段）
１６        切り替え器（切り替え手段；第１選択導入手段；第１振り分け手段）
１６′      切り替え器（第２選択導入手段；第２振り分け手段）
１６″      切り替え器（第３振り分け手段）
１６'''     切り替え器（第４振り分け手段）
１９        プロセスコンピュータ（第１選択導入手段；第１振り分け手段；第２選択導入手段；第２振り分け手段；第３振り分け手段；第４振り分け手段）
２０        減速球
２１        減速球導出器（第１導出手段）
２３        小粒径燃料球導出器（第２導出手段）
２４        ウラン燃料球
２５        混合酸化物燃料球
２７        混合酸化物燃料球導出器（第３導出手段）
【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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