(57)【要約】【課題】高速炉において高速炉炉心高さ低減を必ずしも前提とすることなく、ボイド反応度を従来よりも低減可能とする。【解決手段】実施形態によれば、プルトニウムと劣化ウランまたは回収ウランとの混合物を含んだ燃料を有し液体金属を冷却材とする高速炉の高速炉炉心１は、複数の内側炉心燃料集合体要素を有する内側炉心燃料集合体１１０と、複数の外側炉心燃料集合体要素を有する外側炉心燃料集合体１２０とを有する。内側炉心燃料集合体要素内の燃料のプルトニウム富化度は外側炉心燃料集合体要素内のプルトニウム富化度よりも高く、内側炉心燃料集合体１１０一体あたりの燃料装荷重量は外側炉心燃料集合体１２０一体あたりの燃料装荷重量よりも小さい。【選択図】図２
2017015602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プルトニウムと劣化ウランまたは回収ウランとの混合物を含んだ燃料を有し、液体金属を冷却材とする高速炉の高速炉炉心であって、
互いに並列に配され鉛直方向に延びる複数の内側炉心燃料集合体要素を有する内側炉心燃料集合体と、
前記内側炉心燃料集合体の径方向外側に設けられ、互いに並列に配され鉛直方向に延びる複数の外側炉心燃料集合体要素を有する外側炉心燃料集合体と、
を備え、
前記内側炉心燃料集合体要素内の前記燃料のプルトニウム富化度は前記外側炉心燃料集合体要素内の前記燃料のプルトニウム富化度よりも高く、内側炉心燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量は外側炉心燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量よりも小さい、
ことを特徴とする高速炉の高速炉炉心。
【請求項２】
前記外側炉心燃料集合体要素に収納される燃料の実効密度は、前記内側炉心燃料集合体要素に収納される燃料の実効密度より大きいことを特徴とする請求項１に記載の高速炉の高速炉炉心。
【請求項３】
前記内側炉心燃料集合体要素は中空燃料を有し、前記外側炉心燃料集合体要素は中実燃料を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速炉の高速炉炉心。
【請求項４】
前記内側炉心燃料集合体の前記内側炉心燃料集合体要素の数は前記外側炉心燃料集合体の前記外側炉心燃料集合体要素の数と等しく、前記内側炉心燃料集合体要素は中空燃料を内包し、前記外側炉心燃料集合体要素は前記内側炉心燃料集合体要素と同じ高さ範囲に前記内側炉心燃料集合体要素中の中空燃料より燃料重量が小さな中空燃料を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速炉の高速炉炉心。
【請求項５】
前記外側炉心燃料集合体の有する前記外側炉心燃料集合体要素は、前記内側炉心燃料集合体が有する前記内側炉心燃料集合体要素の本数と等しく、前記内側炉心燃料集合体要素に収納される前記内側炉心燃料集合体要素の外径より大きな外径を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速炉の高速炉炉心。
【請求項６】
前記燃料は、酸化物燃料、金属燃料、および窒化物燃料のいずれか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の高速炉炉心。
【請求項７】
前記燃料は、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さらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の高速炉の高速炉炉心。
【請求項８】
プルトニウムと劣化ウランまたは回収ウランとの混合物のみを燃料とすることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の高速炉の高速炉炉心。
【請求項９】
プルトニウムと劣化ウランまたは回収ウランとの混合物を含んだ燃料を有する炉心と、
前記炉心を収納し、冷却材である液体金属を保持する原子炉容器と、
前記原子炉容器の上部を覆い、前記炉心の反応度を制御する制御棒を駆動する制御棒駆動機構を支持する遮へいプラグと、
を備え、
前記炉心は、
互いに並列に配され鉛直方向に延びる複数の内側炉心燃料集合体要素を有する内側炉心燃料集合体と、
前記内側炉心燃料集合体の径方向外側に設けられ、互いに並列に配され鉛直方向に延びる複数の外側炉心燃料集合体要素を有する外側炉心燃料集合体と、
を具備し、
前記内側炉心燃料集合体要素内の前記燃料のプルトニウム富化度は前記外側炉心燃料集合体要素内の前記燃料のプルトニウム富化度よりも高く、内側炉心燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量は外側炉心燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量よりも小さい、
ことを特徴とする高速炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高速炉炉心およびこれを有する高速炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速炉は、中性子エネルギーを減速させにくいナトリウム等の液体金属冷却材を使用することにより、高速中性子により核分裂を発生させる。このような高速炉は、核分裂性物質の増殖に適しているとともに、軽水炉の使用済燃料の再処理によって取り出されて、数十万年以上の半減期を持つ超ウラン元素（ＴＲＵ）を効率的に燃焼させることができるという特徴がある。
【０００３】
一方で、中型あるいは大型（中大型）の高速炉においては、冷却材の密度低下やボイドの発生に伴う反応度（ボイド反応度）が、軽水炉と異なり正となる。このため、冷却材の密度低下やボイドの発生は、高速炉炉心の出力を上昇させる要因となり、万が一制御棒により原子炉の停止が行われなければ高速炉炉心損傷事故につながる可能性がある。
【０００４】
従来の高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様の例を図１９に示す。
【０００５】
図１９に示すように、ＴＲＵ燃料は内側炉心、外側炉心ともに中実の燃料となっている。また、Ｐｕ富化度は内側炉心が２０重量％（ｗｔ％）、外側炉心で２７ｗｔ％であり、内側炉心の方が低い。さらに、燃料装荷重量は、内側炉心と外側炉心で同一であることとなっている。
【０００６】
一般に、高速炉においては、高速炉炉心中心部領域よりも外側領域からの中性子漏洩が大きいために、外側領域では内側領域よりも出力が小さくなり、径方向の出力分布が歪む。そこで、高速炉炉心の径方向外側の外側炉心燃料のプルトニウム（Ｐｕ）富化度を内側炉心燃料のＰｕ富化度よりも大きくすることにより、径方向の出力分布を平坦化している。
【０００７】
一方、ボイド反応度の要因として大きなものの一つは、ボイド発生による高速炉炉心からの中性子漏えい量の増大であり、負の反応度をもたらす。もう一つは、冷却材による中性子減速の低減に伴う中性子エネルギーの増大であり、正の反応度をもたらす。中大型炉では、前者の負の反応度要因による反応度の絶対値が小さくなるため、全体として正の反応度となる。また、中性子漏洩が小さい内側炉心では、単位冷却材体積当たりの反応度が外側炉心よりも大きくなる。
【０００８】
一方、中性子漏洩がない無限体系において、Ｐｕ富化度とボイド反応度の関係を検討した結果に基づくと、Ｐｕ富化度が低い燃料ほどボイド反応度が大きい。ウラン（Ｕ）では高エネルギー領域での閾値核分裂反応と、中速エネルギー領域での中性子捕獲反応が存在する。冷却材ボイドの発生に伴い中性子スペクトルが硬くなる、すなわち高エネルギー側にシフトすることで、前者の閾値核分裂反応が増大し、後者の中性子捕獲反応が低下する。この結果、Ｐｕ富化度が低い、すなわちＵの割合が大きな燃料では、Ｕが、大きな正の反応度に寄与するため、Ｐｕ富化度が低い燃料ほどボイド反応度が大きいことになる。
【０００９】
以上により、内側炉心に、低いＰｕ富化度の燃料を装荷することによって、内側炉心では単位冷却材体積当たりのボイド反応度が、外側炉心での単位冷却材体積当たりのボイド反応度よりも大きくなりやすい。
【００１０】
冷却材流量喪失などの事故においては、冷却材温度の上昇に伴ってボイド反応度が大きい内側炉心燃料にて大きな反応度が投入され、高速炉炉心損傷につながる可能性がある。そのため、従来から、冷却材の密度低下時やボイド発生時の反応度（以下、ボイド反応度とする）を低減する研究が行われてきた。
【００１１】
ボイド反応度の低減を目的とした研究を分類すると、高速炉炉心からの中性子漏えいの増大、高速炉炉心中性子エネルギーの低減（中性子スペクトルの軟化）がある。
【００１２】
前者の高速炉炉心からの中性子漏えいを増大させるためのアイデアとして、高速炉炉心高さの低減、高速炉炉心内のＰｕ富化度分布の工夫（たとえば、高速炉炉心非均質化など）、中性子吸収体、構造材、冷却材の配置等による工夫などが挙げられる。
【００１３】
後者の高速炉炉心中性子エネルギーの低減のためのアイデアとしては、中性子減速材の高速炉炉心への装荷等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第３０５４４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来のボイド反応度の低減方策では、以下のような問題点がある。
【００１６】
（１）高速炉炉心高さの低減
高速炉炉心高さを低減させるのみでボイド反応度をゼロ以下（ゼロまたは負）とするには、高速炉炉心高さを３０ｃｍ程度以下とする必要がある。
【００１７】
高速炉炉心高さを１００ｃｍ程度とする中大型炉においては、高速炉炉心高さを３０ｃｍと低くすれば、高速炉炉心の直径（高速炉炉心径）は、約８０ｗｔ％増大し、経済性を損なうこととなる。そこで、多くの場合、他の方策と組み合わせて適用する必要がある。
【００１８】
（２）中性子減速材の高速炉炉心への装荷
中性子減速材の高速炉炉心への装荷は高速炉炉心の中性子スペクトルの軟化につながり、増殖比が低下する。また、中性子減速材を装荷した空間分は、燃料の装荷量が減少するか、あるいはその分だけ高速炉炉心体積の増大が必要となる。さらに、減速材の種類にも依存するが、照射特性の検証が必要となる。
【００１９】
（３）Ｐｕ富化度分布の工夫
Ｐｕ富化度分布の工夫に関し、特許文献１では、高速炉炉心高さを４５ｃｍに低減したうえで、軸方向中央部のＰｕ富化度を軸方向上下部よりも大きくして、軸方向の中性子束勾配を増加させることにより、中性子漏洩量を増大させている。
【００２０】
すなわち、この公知例では、高速炉炉心高さ低減と、軸方向のＰｕ富化度分布を組み合わせることによって、ボイド反応度の低減を図っている。しかしながら、高速炉炉心高さの低減により高速炉炉心径が増大し、原子炉容器の径方向サイズに影響することは、経済性へのインパクトが大きい。
【００２１】
そこで、本発明の実施形態は、高速炉において高速炉炉心高さ低減を必ずしも前提とすることなく、ボイド反応度を従来よりも低減可能とする高速炉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】
【００２２】
上述の目的を達成するため、本実施形態は、プルトニウムと劣化ウランまたは回収ウランとの混合物を含んだ燃料を有し、液体金属を冷却材とする高速炉の高速炉炉心であって、互いに並列に配され鉛直方向に延びる複数の内側炉心燃料集合体要素を有する内側炉心燃料集合体と、前記内側炉心燃料集合体の径方向外側に設けられ、互いに並列に配され鉛直方向に延びる複数の外側炉心燃料集合体要素を有する外側炉心燃料集合体と、を備え、前記内側炉心燃料集合体要素内の前記燃料のプルトニウム富化度は前記外側炉心燃料集合体要素内の前記燃料のプルトニウム富化度よりも高く、内側炉心燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量は外側炉心燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量よりも小さい、ことを特徴とする。
【００２３】
また、本実施形態に係る高速炉は、プルトニウムと劣化ウランまたは回収ウランとの混合物を含んだ燃料を有する炉心と、前記炉心を収納し、冷却材である液体金属を保持する原子炉容器と、前記原子炉容器の上部を覆い、前記炉心の反応度を制御する制御棒を駆動する制御棒駆動機構を支持する遮へいプラグと、を備え、前記炉心は、互いに並列に配され鉛直方向に延びる複数の内側炉心燃料集合体要素を有する内側炉心燃料集合体と、前記内側炉心燃料集合体の径方向外側に設けられ、互いに並列に配され鉛直方向に延びる複数の外側炉心燃料集合体要素を有する外側炉心燃料集合体と、を具備し、前記内側炉心燃料集合体要素内の前記燃料のプルトニウム富化度は前記外側炉心燃料集合体要素内の前記燃料のプルトニウム富化度よりも高く、内側炉心燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量は外側炉心燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量よりも小さい、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の実施形態によれば、高速炉において、高速炉炉心高さ低減を必ずしも前提とすることなく、ボイド反応度を従来よりも低減可能な高速炉炉心を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施形態に係る高速炉の構成を示す立断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る高速炉炉心の構成を示す水平断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の構成を示す立断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の構成を示す水平断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す水平断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る高速炉炉心の外側炉心燃料集合体の構成を示す水平断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る高速炉炉心の外側炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す水平断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様を示す表である。
【図９】第１の実施形態に係る高速炉炉心のボイド反応度と出力ピーキング係数の比較を示す表である。
【図１０】第１の実施形態に係る高速炉炉心の燃料集合体の変形例の場合の主要仕様を示す表である。
【図１１】第２の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の構成を示す水平断面図である。
【図１２】第２の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す水平断面図である。
【図１３】第２の実施形態に係る高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様を示す表である。
【図１４】第３の実施形態に係る高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様を示す表である。
【図１５】第４の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の構成を示す水平断面図である。
【図１６】第４の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す水平断面図である。
【図１７】第４の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の全空要素の構成を示す水平断面図である。
【図１８】第４の実施形態に係る高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様を示す表である。
【図１９】従来の高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様の例を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高速炉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。
【００２７】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る高速炉の構成を示す立断面図である。高速炉３００は、高速炉炉心１、高速炉炉心１を支持する炉心支持板２、これらを収納しかつ原子炉冷却材を内部に保持する原子炉容器６、原子炉容器６の上部を覆う遮へいプラグ５を有する。ここで、原子炉冷却材は、液体金属でありたとえばナトリウム（Ｎａ）である。
【００２８】
高速炉炉心１の上方には、遮へいプラグ５を貫通して、遮へいプラグ５に支持された炉心上部機構４が、原子炉容器６内に向けて吊り下げられている。炉心上部機構４は、制御棒集合体１１（図２）を駆動する制御棒駆動機構１３や、図示しない高速炉炉心計装等を有する。
【００２９】
原子炉容器６内の高速炉炉心１の下方にコアキャッチャ３が設けられている。また、原子炉容器６には、原子炉冷却材を原子炉容器６に送り込む冷却材入口配管８と、原子炉冷却材を原子炉容器６から送り出す冷却材出口配管９とが接続されている。
【００３０】
冷却材入口配管８から原子炉容器６内に流入した原子炉冷却材は、コアキャッチャ３が設けられている下部プレナム８ａに流入する。下部プレナム８ａに流入した原子炉冷却材は、上方に方向転換した後に、炉心支持板２から高速炉炉心１に流入し、高速炉炉心１を通過後に、上部プレナム９ａに流入する。上部プレナム９ａに流入した原子炉冷却材は、冷却材出口配管９を通って、外部との熱交換のために原子炉容器６から流出する。
【００３１】
図２は、高速炉の高速炉炉心の構成を示す水平断面図である。高速炉炉心１には、炉心燃料集合体１００、制御棒集合体１１、および遮へい体１２が設けられている。炉心燃料集合体１００は、鉛直方向に延びて互いに並列に配された複数の内側炉心燃料集合体１１０と、内側炉心燃料集合体１１０の径方向外側に内側炉心燃料集合体１１０と並列に配された複数の外側炉心燃料集合体１２０とを含む。
【００３２】
制御棒集合体１１は、炉心燃料集合体１００が配列されている領域に互いに間をおいて点在するように配置されている。遮へい体１２は、外側炉心燃料集合体１２０の径方向外側に配されている。
【００３３】
なお、高速炉で増殖炉の場合は、通常、外側炉心燃料集合体１２０が配されている領域の外側には、径方向ブランケット燃料が配される。本実施形態は、超ウラン元素（ＴＲＵ）を燃焼させる目的の高速炉炉心の場合を示している。したがって、本実施形態における高速炉炉心１にはブランケット燃料は設けられていない。
【００３４】
図３は、内側炉心燃料集合体の構成を示す立断面図である。また、図４は、水平断面図である。内側炉心燃料集合体１１０は、鉛直方向に延びて互いに並列に配された複数の内側炉心燃料集合体要素（燃料要素）２１０を有する。燃料要素２１０は、三角配列で、全体として六角形の断面を形成する。
【００３５】
また、内側炉心燃料集合体１１０は、燃料要素２１０の径方向外側を覆う六角筒状のラッパ管１０１、ラッパ管１０１の下部に接続するエントランスノズル１０２、およびラッパ管１０１の上部に接続するハンドリングヘッド１０３を有する。ハンドリングヘッド１０３は、中央に原子炉冷却材の流出用の冷却材流出口１０３ａが形成されており、また、図示しない燃料取扱装置による取り扱いが可能な形状に形成されている。
【００３６】
燃料要素２１０は、支持板１０５に支持されている。エントランスノズル１０２には、冷却材流入口１０２ａが形成されている。また、エントランスノズル１０２の内側で支持板１０５の下側には、エントランスノズル１０２に支持された遮へい体１０４が設けられている。
【００３７】
ラッパ管１０１内の燃料要素２１０間の間隙は、原子炉冷却材の流路となっている。原子炉冷却材は、エントランスノズル１０２の冷却材流入口１０２ａから流入し、各燃料要素２１０の外側の流路を、各燃料要素２１０を冷却しながら上昇する。温度上昇して燃料要素２１０から流出した原子炉冷却材は、ハンドリングヘッド１０３の冷却材流出口１０３ａから内側炉心燃料集合体１１０の外部に流出する。
【００３８】
図５は、内側炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す水平断面図である。燃料要素２１０は、被覆管２０１およびＴＲＵ燃料２１１を有する。ＴＲＵ燃料２１１は、被覆管２０１内に収納されており、棒状またはペレット状である。棒状またはペレット状のＴＲＵ燃料２１１は、中空棒または中空ペレット（すなわち中空燃料ｗｔ％）である。
【００３９】
ＴＲＵ燃料２１１は、プルトニウムと、劣化ウランまたは回収ウランとの混合物を含む。プルトニウムは、核燃料リサイクルプロセスにおいて、Ｐｕ、ネプツニウム（Ｎｐ）、アメリシウム（Ａｍ）およびキュリウム（Ｃｍ）の一部または全部の元素を混合した状態で混合ＴＲＵを主成分として回収される。また、ウランは、プルトニウム等と分離されない状態で回収されてもよいし、別に回収された物を混合してもよい。
【００４０】
ＴＲＵ燃料２１１の形態としては、たとえば、これらとともに、実質的に残部である母材を有する金属形態の金属燃料である。母材としては、たとえばジルコニウム（Ｚｒ）を用いている。
【００４１】
図６は、外側炉心燃料集合体の構成を示す水平断面図である。外側炉心燃料集合体１２０は、内側炉心燃料集合体１１０と同様の構成であり、三角配列された外側炉心燃料集合体要素（燃料要素）２２０を有する。また、内側炉心燃料集合体１１０と同様に六角筒状のラッパ管１０１、エントランスノズル１０２（図３）、およびハンドリングヘッド１０３（図３）を有する。
【００４２】
図７は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の外側炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す水平断面図である。燃料要素２２０は、被覆管２０１およびＴＲＵ燃料２２１を有する。ＴＲＵ燃料２２１は、被覆管２０１内に収納されており、中実の棒状またはペレット状である。
【００４３】
図８は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様を示す表である。内側炉心燃料集合体１１０と外側炉心燃料集合体１２０を対比させている。以下、それぞれの主要仕様を説明する。なお、原子炉出力は、７００ＭＷｔである。
【００４４】
まず、内側炉心燃料集合体１１０については、被覆管外径および内径はそれぞれ６．５ｍｍおよび５．５６ｍｍ、燃料組成はＴＲＵ−Ｕ−Ｚｒ、ＴＲＵ燃料の外径は４．８ｍｍ、内径すなわち孔径は３．４ｍｍ、燃料実効密度は１１．８ｇ／ｃｃ、集合体当たりの燃料数は１６９本、Ｐｕ富化度は４１ｗｔ％、集合体１体あたりの燃料装荷重量の相対値は外側炉心燃料集合体１２０の１に対してその１／２の０．５である。
【００４５】
次に、外側炉心燃料集合体１２０については、被覆管外径および内径は内側炉心燃料集合体１１０に同じ、燃料組成も内側炉心燃料集合体１１０に同じ、ＴＲＵ燃料の外径も同様に４．８ｍｍ、孔は無く、燃料実効密度および集合体当たりの燃料数も内側炉心燃料集合体１１０に同じ、Ｐｕ富化度は２５ｗｔ％、集合体１体あたりの燃料装荷重量の相対値は１である。
【００４６】
このように、Ｐｕ富化度は、外側炉心燃料集合体１２０が装荷されている外側炉心よりも、内側炉心燃料集合体１１０が装荷されている内側炉心において高く設定されている。
【００４７】
一方、内側炉心の燃料要素２１０のＴＲＵ燃料２１１は外形４．８ｍｍで内径３．４ｍｍの中空であり、外形４．８ｍｍで中実の外側炉心の燃料要素２２０のＴＲＵ燃料２２１よりも、集合体水平断面における単位軸方向長さ当たり燃料装荷重量、あるいは燃料集合体一体あたりの燃料装荷重量が低くなっている。
【００４８】
図９は、第１の実施形態に係る高速炉炉心のボイド反応度と出力ピーキング係数の比較を示す表である。以上のように構成した高速炉の高速炉炉心１の性能と、図１９に示した主要仕様を有する従来の高速炉炉心の性能を比較している。
【００４９】
図１９に示した主要仕様を有する従来の高速炉炉心では、ボイド反応度は、内側炉心が１．６５、外側炉心が０．００、合計１．６５である。また、出力ピーキング係数は、高速炉炉心全体で１．６０である。一方、本実施形態による高速炉炉心１では、ボイド反応度は、内側炉心が０．９２、外側炉心が−０．１０、合計０．８２である。また、出力ピーキング係数は、高速炉炉心全体で１．７２である。ただし、表記を省略しているボイド係数の数値は、全領域ボイド化時の投入反応度（単位は＄）である。
【００５０】
すなわち、低減を目的としているボイド反応度は、内側炉心で１．６５から０．９２に大幅に減少し、また、外側炉心では、０．０から−０．１０と負に転じている。この結果、高速炉炉心１の全体では、１．６５が０．８２と半減している。このように、本実施形態によって大幅に低下している。
【００５１】
一方、出力ピーキング係数は、高速炉炉心１の全体で、１．６０から１．７２に増加している。出力ピーキング係数は、出来る限り増加幅を小さくすることが好ましい。このため、出力ピーキング係数の増加を抑えるには、高速炉炉心１の径を３ないし４ｗｔ％程度増大させる、あるいは、多少、ボイド反応度係数の低減効果は減少するが高速炉炉心１の高さを増加させる、などにより平均出力密度を低減することによりピーク出力密度を抑えるという方法をとることができる。
【００５２】
このように、内側炉心のＰｕ富化度を従来の高速炉炉心よりも高くし、相対的にウラン２３８の割合を低減させることにより、ボイド係数をマイナス側にし、あるいはマイナス側に近づけている。また、燃料装荷重量を低減することにより、内側炉心の核分裂性物質の量の増大を抑制し、内側炉心と外側炉心の出力分布のバランスを確保することにより、出力ピーキング係数の増大を低く抑えている。すなわち、出力ピーキング係数、炉心の大きさ等に大きな影響を生ずることなく、ボイド係数の低減を図ることができる。
【００５３】
なお、本実施形態ではブランケットを削除してＴＲＵ燃焼を目的とする高速炉炉心の場合を示している。これを従来のブランケット無の従来高速炉炉心と比較すると、ＴＲＵ燃焼量は、従来高速炉炉心では約３０ｋｇ／サイクル、本実施形態では約５０ｋｇ／サイクルとなり、約７０ｗｔ％増加している。これはＰｕ富化度を増大させることで、ウランを減少させてウランからのＰｕ生成を抑制しているためである。よって、本実施形態によれば、ＴＲＵの焼効率の増大も図ることができる。
【００５４】
以上、本実施形態では、内側炉心燃料集合体１１０の燃料要素２１０のＴＲＵ燃料２１１が中空ペレットまたは中空棒（すなわち中空燃料）であり、外側炉心燃料集合体１２０の燃料要素２２０のＴＲＵ燃料２２１が中実ペレットまたは中実棒（すなわち中実燃料）である場合を示したが、いずれも中空ペレットまたは中空棒（中空燃料）の場合でも、両者の関係が成立していればよい。
【００５５】
図１０は、変形例の場合の主要仕様を示す表である。図１０の表では、内側炉心燃料集合体１１０の燃料要素２１０のＴＲＵ燃料２１１では外径が４．８ｍｍ、内径が３．６ｍｍの中空ペレットまたは中空棒（中空燃料）であり、外側炉心燃料集合体１２０の燃料要素２２０のＴＲＵ燃料２２１では外径が４．８ｍｍ、内径が１．７５ｍｍの中空ペレットまたは中空棒（中空燃料）である場合を示している。
【００５６】
この場合、内側炉心燃料集合体１１０の燃料要素２１０のＴＲＵ燃料２１１の重量は、外側炉心燃料集合体１２０の燃料要素２２０のＴＲＵ燃料２２１の重量の１／２である。
すなわち、図８で示した第１の実施形態と同様の条件となっていることから、この変形例についても、図９に示すボイド反応度と出力ピーキング係数となる。
【００５７】
以上のように、本実施形態およびその変形例によれば、高速炉炉心高さの低減に頼ることなく、ボイド反応度を従来よりも低減することが可能である。
【００５８】
［第２の実施形態］
図１１は、第２の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の構成を示す水平断面図である。本実施形態は第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態に係る内側炉心燃料集合体１３０は、内側炉心燃料集合体要素（燃料要素）２３０を有する。外側炉心燃料集合体１２０は、第１の実施形態と同一である。
【００５９】
図１２は、内側炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す水平断面図である。燃料要素２３０は、被覆管２０１内に、顆粒状のＴＲＵ燃料が充填されている。
【００６０】
図１３は、第２の実施形態に係る高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様を示す表である。内側炉心燃料集合体１３０の燃料要素２３０のＴＲＵ燃料が第１の実施形態の場合には中空である代わりに、実効密度が５．９ｇ／ｃｃの顆粒状態である点のみが異なる。
【００６１】
外側炉心燃料集合体１２０（図６）の燃料要素２２０のＴＲＵ燃料２２１の実効密度は１１．８ｇ／ｃｃであるので、内側炉心燃料集合体１３０の燃料要素２３０のＴＲＵ燃料２３１の実効密度は、この１／２である。この結果、集合体１体あたりの燃料装荷重量も１／２となり、第１の実施形態と同様である。内側炉心燃料集合体１３０の燃料要素２３０内のＴＲＵ燃料２３１、外側炉心燃料集合体１２０（図６）の燃料要素２２０内のＴＲＵ燃料２２１（図７）のそれぞれのＰｕ富化度は第１の実施形態と同じである。
【００６２】
したがって、第１の実施形態と同じ高速炉炉心特性となり、同じボイド反応度および出力ピ−キング係数が得られる。
【００６３】
［第３の実施形態］
図１４は、第３の実施形態に係る高速炉炉心の燃料集合体の主要仕様を示す表である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態では、外側炉心燃料集合体１２０は、第１の実施形態と同一であるが、内側炉心燃料集合体の燃料要素が異なる。具体的には、集合体当たりの燃料本数は１６９本で、第１の実施形態と同様であるが、被覆管およびＴＲＵ燃料の寸法が異なる。
【００６４】
内側炉心燃料集合体の燃料要素の被覆管外径および内径は、それぞれ４．６ｍｍおよび３．９ｍｍであり、外側炉心燃料集合体の燃料要素の被覆管の外径６．５ｍｍおよび内径５．５６ｍｍに対して約３０ｗｔ％減少した細径である。また、同様に、ＴＲＵ燃料の外径も、外側炉心燃料集合体の燃料要素内の４．８ｍｍに対して、内側炉心燃料集合体の燃料要素内は約３０ｗｔ％減少した３．４ｍｍである。
【００６５】
内側炉心燃料集合体の燃料要素内のＴＲＵ燃料、外側炉心燃料集合体の燃料要素内のＴＲＵ燃料のそれぞれのＰｕ富化度は第１の実施形態と同じである。
【００６６】
この結果、燃料集合体１体位あたりの燃料装荷重量は、第１の実施形態と同様に、内側炉心燃料集合体は外側炉心燃料集合体の１／２である。したがって、第１の実施形態と同様の高速炉炉心特性が得られる。
【００６７】
［第４の実施形態］
図１５は、第４の実施形態に係る高速炉炉心の内側炉心燃料集合体の構成を示す水平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第４の実施形態においては、外側炉心燃料集合体１２０は、第１の実施形態と同一である。内側炉心燃料集合体１４０は、第１の実施形態における内側炉心燃料集合体１１０と同数の内側炉心燃料集合体要素（燃料要素）を有する。内側炉心燃料集合体１４０は、燃料要素として、複数の燃料要素２４０および複数の全空要素２５０を有する。複数の燃料要素２４０および複数の全空要素２５０は、ほぼ、交互に径方向に層状に配列されている。
【００６８】
図１６は、燃料要素２４０の構成を示す水平断面図である。被覆管２０１の内部には、中実のＴＲＵ燃料２４１が収納されている。また、図１７は、全空要素２５０の構成を示す水平断面図である。被覆管２０１の内部にはＴＲＵ燃料はなく、空間となっている。
【００６９】
図１８は、燃料集合体の主要仕様を示す表である。内側炉心燃料集合体１４０の燃料要素２４０は１６９本、全空要素２５０は１６２本である。燃料要素２４０および全空要素２５０ともに、被覆管外径が４．６ｍｍ、被覆管内径が３．９ｍｍであり、外側炉心燃料集合体１２０の燃料要素の６．５ｍｍおよび５．５６ｍｍに比べて細径である。同様に、内側炉心燃料集合体１４０の燃料要素２４０内のＴＲＵ燃料２４１の外径は３．４ｍｍであり、外側炉心燃料集合体１２０（図６）の燃料要素２２０内のＴＲＵ燃料２２１の４．８ｍｍ比べ細径である。
【００７０】
内側炉心燃料集合体１４０の燃料要素２４０内のＴＲＵ燃料２４１、外側炉心燃料集合体の燃料要素内のＴＲＵ燃料のそれぞれのＰｕ富化度は第１の実施形態と同じである。
【００７１】
この結果、Ｐｕ富化度と燃料装荷重量の相対値は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と同様の高速炉炉心特性が得られる。
【００７２】
［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。
【００７３】
たとえば、実施形態では、金属燃料の場合を示しているが、これには限定されない。燃料要素が酸化物燃料や窒化物燃料であってもほぼ同様な効果が得られる。また、ＰｕやＵ以外のＮｐ、Ａｍ、Ｃｍなどの含有量にかかわらず、ほぼ同様な効果が得られる。
【００７４】
さらに、実施形態では、ブランケットが削除され、ＴＲＵ燃焼を主目的とする高速炉の高速炉炉心の場合を示しているが、ブランケット燃料を設けた燃料増殖型高速炉炉心に適用する場合でも、ほぼ同様な効果が得られる。
【００７５】
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。
【００７６】
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】
【００７７】
１…高速炉炉心、２…炉心支持板、３…コアキャッチャ、４…炉心上部機構、５…遮へいプラグ、６…原子炉容器、８…冷却材入口配管、８ａ…下部プレナム、９…冷却材出口配管、９ａ…上部プレナム、１１…制御棒集合体、１２…遮へい体、１３…制御棒駆動機構、１００…炉心燃料集合体、１０１…ラッパ管、１０２…エントランスノズル、１０２ａ…冷却材流入口、１０３…ハンドリングヘッド、１０３ａ…冷却材流出口、１０４…遮へい体、１０５…支持板、１１０、１３０、１４０…内側炉心燃料集合体、１２０…外側炉心燃料集合体、２００、２１０、２２０、２３０、２４０…燃料要素、２０１…被覆管、２５０…全空要素、２１１、２２１、２３１、２４１…ＴＲＵ燃料、３００…高速炉
【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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