(57)【要約】【課題】炉心の出力分布を平坦化および／または最適化できる原子炉を提供すること。【解決手段】この原子炉１は、中性子を反射する反射体２、３を有し、これらの反射体２、３により区画された流路Ｒ内にてぺブル燃料４を流動させつつ核反応させて出力を発生する。また、この原子炉１では、反射体２、３が黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材とを含み組成されると共に、ぺブル燃料４の流路方向に沿って複数の部分に区分けされる。また、反射体２、３の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率がぺブル燃料４の流路方向にかかる炉心の出力分布に応じて規定される。【選択図】        図１
2009036606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子を反射する反射体を有し、前記反射体により区画された流路内にてぺブル燃料を流動させつつ核反応させて出力を発生する原子炉であって、
前記反射体が黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材とを含み組成されると共に前記ぺブル燃料の流路方向に沿って複数の部分に区分けされ、且つ、前記反射体の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が前記ぺブル燃料の流路方向にかかる炉心の出力分布に応じて規定されることを特徴とする原子炉。
【請求項２】
前記反射体が黒鉛のみから成る構成における出力密度を基準とするときに、出力密度が大きい位置にある前記反射体の部分は、出力密度が小さい位置にある前記反射体の部分よりも、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が高く設定される請求項１に記載の原子炉。
【請求項３】
前記ぺブル燃料の流路の上流側に位置する前記反射体の部分は、前記ぺブル燃料の流路の下流側に位置する前記反射体の部分と比較して、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が高く設定される請求項１または２に記載の原子炉。
【請求項４】
前記反射体が内側反射体と炉心を囲む外側反射体とを有すると共に、前記ぺブル燃料の流路が前記内側反射体の外周と前記外側反射体の内周とにより区画されて成り、且つ、前記ぺブル燃料の流路の上流側から少なくとも約３分の１の範囲内にて、前記内側反射体における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が２５［％］以上に設定される請求項１〜３のいずれか一つに記載の原子炉。
【請求項５】
前記ぺブル燃料の流路の上流側から約３分の２の範囲内にて、前記内側反射体における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が２５［％］以上に設定される請求項４に記載の原子炉。
【請求項６】
前記反射体が内側反射体と炉心を囲む外側反射体とを有すると共に、前記ぺブル燃料の流路が前記内側反射体の外周と前記外側反射体の内周とにより区画されて成り、且つ、前記ぺブル燃料の流路の上流側から少なくとも約３分の１の範囲内にて、前記内側反射体および前記外側反射体における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が７５［％］以上に設定される請求項１〜３のいずれか一つに記載の原子炉。
【請求項７】
前記ぺブル燃料の流路の上流側から約３分の１の範囲内にて、前記内側反射体における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が７５［％］以上に設定され、中央約３分の１の範囲内にて、２５［％］以上に設定され、上流側から約３分の１の範囲内にて、前記外側反射体における前記組成比率が２５［％］以上に設定される請求項６に記載の原子炉。
【請求項８】
前記ぺブル燃料の濃縮度調整により炉心の臨界性が調整される請求項１〜７のいずれか一つに記載の原子炉。
【請求項９】
炉心に配置されるブロック燃料を有すると共に前記ブロック燃料に形成された冷却材流路に冷却材を流通させて前記ブロック燃料を冷却する原子炉であって、
黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材とを含み組成される反射体が前記炉心内に配置され、且つ、前記反射体が前記冷却材の流れ方向に沿って複数の部分に区分けされると共に、前記反射体の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が前記冷却材の流れ方向にかかる炉心の出力分布に応じて規定されることを特徴とする原子炉。
【請求項１０】
前記反射体の各部分における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が前記冷却材流路の上流側から下流側に向かって増加するように規定される請求項９に記載の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉に関し、さらに詳しくは、炉心の出力分布を平坦化および／または最適化できる原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペブルベット型の原子炉（ＰＢＲ）は、反射体により区画された流路（燃料領域）内にて球状の燃料体（ペブル燃料）の核燃料物質を核反応させることにより、出力を発生する。また、一般に、原子炉では、安全性などの観点から炉心における出力分布が平坦化されることが好ましい。この点において、上記のペブルベット型の原子炉では、燃料体が流路内を循環して取出・再装荷が繰り返されることにより、原子炉の軸方向（燃料体の流路方向）にかかる出力分布が平坦化される。このため、原子炉の運転時には、燃料体の交換（取出および再装荷）が連続的に行われ、また、これに伴い、取り出された燃料体の検査や新規の燃料体の補充が行われる。
【０００３】
ここで、例えば、１７万［ｋＷ］級の原子炉では、４１万５千個の燃料体が使用され、１日当たり６０００個の燃料体が原子炉から取り出されて検査される。そして、約６００個の燃料体が新規のものに交換されて補充され、これらと残りの約５４００個の燃料体とが原子炉に再装荷される。また、通常は、燃料体の平均寿命が約２年であり、平均で約９回程度の再装荷が行われる。
【０００４】
しかしながら、燃料体の交換回数が増加すると、運転上の負担（燃料体の検査や補充にかかる負担）が増加して、発電コストが増加する。このため、燃料体の交換回数を増加させることなく原子炉の出力分布を平坦化できることが好ましい。
【０００５】
なお、ペブルベット型を採用する従来の原子炉には、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の原子炉（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移動し、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振り分け手段とを有することを特徴とする。
ブロック型の原子炉では、六角柱の形状からなる燃料体に燃料コンパクトを収納する。この燃料コンパクトには黒鉛を母材とし、被覆粒子燃料（約１ｍｍの粒）が充填されており、これに含まれる核燃料物質が核反応することにより出力を発生する。出力の軸方向分布を平坦化あるいは最適化させるため、たとえば１２種類の濃縮度の異なる濃縮ウランを使用する。しかしながら、濃縮ウランを多数調達あるいは製造することは燃料製造コストを高くする。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２２６９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、炉心の出力分布を平坦化および／または最適化できる原子炉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】
【０００８】
上記目的を達成するため、この発明にかかる原子炉（ペブルベッド型原子炉）は、中性子を反射する反射体を有し、前記反射体により区画された流路内にてぺブル燃料（燃料体）を流動させつつ核反応させて出力を発生する原子炉であって、前記反射体が黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材とを含み組成されると共に前記ぺブル燃料の流路方向に沿って複数の部分に区分けされ、且つ、前記反射体の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が前記ぺブル燃料の流路方向にかかる炉心の出力分布に応じて規定されることを特徴とする。
【０００９】
この原子炉（ペブルベッド型原子炉）では、反射体の組成比率（特に、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率）が炉心の出力分布に応じて規定されているので、ぺブル燃料の流路の各位置における中性子の減速の程度が調整される。これにより、炉心の出力分布の調整が可能となるので、炉心の出力分布の平坦化が可能となる利点がある。
【００１０】
また、この発明にかかる原子炉（ペブルベッド型原子炉）は、前記反射体が黒鉛のみから成る構成における出力密度を基準とするときに、出力密度が大きい位置にある前記反射体の部分は、出力密度が小さい位置にある前記反射体の部分よりも、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が高く設定される。
【００１１】
この原子炉（ペブルベッド型原子炉）では、出力密度が大きい位置にある反射体の部分は黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が高く設定されるので、中性子スペクトル（中性子エネルギー分布）がエネルギーの高い側にシフトし、核反応が生じ難くなり、この部分の出力密度が小さくなる。これにより、ぺブル燃料の流動方向にかかる炉心の出力分布が効果的に平坦化される利点がある。
【００１２】
また、この発明にかかる原子炉（ペブルベッド型原子炉）は、前記ぺブル燃料の流路の上流側に位置する前記反射体の部分は、前記ぺブル燃料の流路の下流側に位置する前記反射体の部分と比較して、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が高く設定される。
【００１３】
この原子炉（ペブルベッド型原子炉）では、流路の上流側にて中性子の減速の程度が低下して、出力密度が抑制される。すると、炉心全体の出力を一定に保つ条件のもとでは上流側で抑制された出力の分だけ、流路の下流側にて出力密度が増加する。これにより、ぺブル燃料の流動方向にかかる炉心の出力分布が効果的に平坦化される利点がある。
【００１４】
また、この発明にかかる原子炉（ペブルベッド型原子炉）は、前記反射体が内側反射体と炉心を囲む外側反射体とを有すると共に、前記ぺブル燃料の流路が前記内側反射体の外周と前記外側反射体の内周とにより区画されて成り、且つ、前記ぺブル燃料の流路の上流側から少なくとも約３分の１の範囲内にて、前記内側反射体における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が２５［％］以上に設定される。
【００１５】
この原子炉（ペブルベッド型原子炉）では、流路の上流側にて中性子の減速の程度が低下して出力密度が抑制される。すると、炉心全体の出力を一定に保つ条件のもとでは上流側で抑制された出力の分だけ、流路の下流側にて出力密度が増加する。これにより、ぺブル燃料の流動方向にかかる炉心の出力分布が効果的に平坦化される利点がある。
【００１６】
また、この発明にかかる原子炉（ペブルベッド型原子炉）は、前記ぺブル燃料の流路の上流側から約３分の２の範囲内にて、前記内側反射体における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が２５［％］以上に設定される。
【００１７】
この原子炉（ペブルベッド型原子炉）では、上記の構成と比較して、ぺブル燃料の流動方向にかかる炉心の出力分布がより効果的に平坦化される利点がある。
【００１８】
また、この発明にかかる原子炉（ペブルベッド型原子炉）は、前記反射体が内側反射体と炉心を囲む外側反射体とを有すると共に、前記ぺブル燃料の流路が前記内側反射体の外周と前記外側反射体の内周とにより区画されて成り、且つ、前記ぺブル燃料の流路の上流側から少なくとも約３分の１の範囲内にて、前記内側反射体および前記外側反射体における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が７５［％］以上に設定される。
【００１９】
この原子炉（ペブルベッド型原子炉）では、流路の上流側にて、中性子の減速の程度が低下して出力密度が抑制される。また、内側反射体および外側反射体の双方により中性子が減速されるので、出力密度が効率的に抑制される。そして、炉心全体の出力を一定に保つ条件のもとでは上流側で抑制された出力の分だけ、流路の下流側にて出力が増加する。これにより、ぺブル燃料の流動方向にかかる炉心の出力分布が効果的に平坦化される利点がある。
【００２０】
また、この発明にかかる原子炉（ペブルベッド型原子炉）は、前記ぺブル燃料の流路の上流側から約３分の１の範囲内にて、前記内側反射体における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が７５［％］以上に設定され、中央約３分の１の範囲内にて、２５［％］以上に設定され、上流側から約３分の１の範囲内にて、前記外側反射体における前記組成比率が２５［％］以上に設定される。
【００２１】
この原子炉（ペブルベッド型原子炉）では、上記の構成と比較して、ぺブル燃料の流動方向にかかる炉心の出力分布がより効果的に平坦化される利点がある。
【００２２】
また、この発明にかかる原子炉（ペブルベッド型原子炉）は、前記ぺブル燃料の濃縮度調整により炉心の臨界性が調整される。
【００２３】
この原子炉（ペブルベッド型原子炉）では、ぺブル燃料の濃縮度の調整により炉心の臨界性が調整されるので、出力が保持される。
【００２４】
また、この発明にかかる原子炉（ブロック型原子炉）は、炉心に配置されるブロック燃料を有すると共に前記ブロック燃料に形成された冷却材流路に冷却材を流通させて前記ブロック燃料を冷却する原子炉であって、黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材とを含み組成される反射体が前記炉心内に配置され、且つ、前記反射体が前記冷却材の流れ方向に沿って複数の部分に区分けされると共に、前記反射体の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が前記冷却材の流れ方向にかかる炉心の出力分布に応じて規定されることを特徴とする。
【００２５】
この原子炉（ブロック型原子炉）では、反射体の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が炉心の出力分布を最適化するよう規定されているので、冷却材流路の各位置における炉心の出力密度が調整される。これにより、炉心の出力分布の調整が可能となるので、炉心の出力分布の平坦化および／または最適化が可能となる利点がある。
【００２６】
また、この発明にかかる原子炉（ブロック型原子炉）は、前記反射体の各部分における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が前記冷却材流路の上流側から下流側に向かって増加するように規定される。
【００２７】
この原子炉（ブロック型原子炉）では、冷却材流路の下流側（炉心の下側）にて黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が高く設定されて最大出力密度および／または燃料最高温度が抑えられる。これにより、炉心の出力分布の調整が可能となるので、冷却材の流れ方向にかかる炉心の出力分布が下流に向かって出力密度が下がるように効果的に最適化される利点がある。
【発明の効果】
【００２８】
この発明にかかる原子炉は、反射体の組成比率（特に、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率）が炉心の出力分布を最適化するよう規定されているので、燃料体の流路の各位置における中性子の減速の程度が調整される。これにより、炉心の出力分布の調整が可能となるので、炉心の出力分布の最適化が可能となる利点がある。
【００２９】
この発明にかかる原子炉は、反射体の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が炉心の出力分布を最適化するよう規定されているので、冷却材流路の各位置における炉心の出力密度が調整される。これにより、炉心の出力分布の調整が可能となるので、炉心の出力分布の平坦化および／または最適化が可能となる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。
【実施例１】
【００３１】
図１は、この発明の実施例１にかかる原子炉を示す構成図である。図２は、図１に記載した原子炉の外側反射体および内側反射体を示す説明図である。図３は、ぺブル燃料を示す説明図であり、図４は、被覆燃料粒子を示す説明図である。図５は、図１に記載した原子炉の燃料交換に係る燃料の炉内での移動の様子を示す説明図である。図６は、図１に記載した原子炉の反射体の具体例１を示す構成図である。図７は、図６に記載した原子炉の出力分布を示すグラフである。図８は、図１に記載した原子炉の反射体の具体例２を示す構成図である。図９は、図８に記載した原子炉の出力分布を示すグラフである。図１８および図１９は、従来の原子炉の中性子束分布を示す説明図である。
【００３２】
［ペブルベット型原子炉］
この原子炉１は、例えば、ペブルベット型原子炉に適用される（図１参照）。この原子炉１は、外側反射体２および内側反射体３を有し、これらの反射体２、３により区画された流路（燃料領域）Ｒ内にてぺブル燃料（燃料体）４の核燃料物質を核反応（核分裂反応あるいは捕獲反応）させることにより、出力を発生する。また、この原子炉１では、ぺブル燃料４が流路Ｒ内を循環することにより、炉心の軸方向（ぺブル燃料４の流路方向）の出力分布が平坦化される。このため、原子炉１の運転時には、ぺブル燃料４の交換（取出および再装荷）が連続的に行われ、また、これに伴って、取り出されたぺブル燃料４の検査や新規のぺブル燃料４の補充が行われる。なお、この原子炉１では、ヘリウムガスが冷却材として用いられる。
【００３３】
外側反射体２は、黒鉛（Ｃ）および炭化珪素（ＳｉＣ）から成る筒状部材であり、炉心の外周壁を構成する（図１および図２参照）。この外側反射体２は、ぺブル燃料４から放射される中性子を炉心の外周にて反射して遮蔽する機能を有する。内側反射体３は、黒鉛（Ｃ）（および炭化珪素（ＳｉＣ））から成る柱状部材であり、外側反射体２の中心軸上に配置される。この内側反射体３は、ぺブル燃料４から放射される中性子を炉心の中央にて反射する機能を有する。また、内側反射体３は、この中性子を減速させる減速材としても機能する。また、これらの外側反射体２および内側反射体３は、ぺブル燃料４の流路Ｒを区画する。この流路Ｒは、球状のペブル燃料のギャップに形成され、炉心の軸方向に延在する。
【００３４】
燃料体（ぺブル燃料）４は、黒鉛殻４１と、この黒鉛殻４１内に収容される多数の被覆燃料粒子４２とから成る（図３参照）。黒鉛殻４１は、半径約３［ｃｍ］の球殻である。被覆燃料粒子４２は、半径約０．４６［ｍｍ］の燃料粒子であり、黒鉛殻４１の中心部（半径約２．５［ｃｍ］の範囲内）に点在する。また、１つの黒鉛殻４１内には、多数の被覆燃料粒子４２が収容される。また、被覆燃料粒子４２は、半径約０．２５［ｍｍ］の燃料核４２１と、ギャップ４２２、低密度熱分解炭素（ＰｙＣ）バッファ層４２３およびシール層４２４を併せた半径方向厚さ計０．０９５［ｍｍ］の層と、半径方向厚さ約０．０４０［ｍｍ］の高密度熱分解炭素（ＰｙＣ）内層４２５と、半径方向厚さ約０．０３５［ｍｍ］の炭化珪素層４２６と、半径方向厚さ約０．０４０［ｍｍ］の高密度熱分解炭素（ＰｙＣ）外層４２７とから成る（図４参照）。また、被覆燃料粒子４２は、これらの要素４２１〜４２６が燃料核４２１をコアとして上記の順に積層されて構成される。なお、燃料核４２１には、濃縮度約８［ｗｔ％］のウラン２３５（２３５Ｕ）が採用される。
【００３５】
この原子炉１では、運転時にて、まず、ぺブル燃料４が原子炉１の上側から連続して炉心に装荷される（図５参照）。次に、ぺブル燃料４が炉心内の流路Ｒを流動しつつ核反応することにより、熱エネルギーが発生する。そして、流路Ｒを通過したぺブル燃料４が原子炉１の下側から取り出される。次に、取り出されたぺブル燃料４について燃焼度や性状に関する所定の検査が行われる。そして、再装荷が可能なぺブル燃料４は、原子炉１の上側から再び炉心に装荷され、また、所定の燃焼度（例えば、８０［ＧＷｄ／ｔ］以上）を超えたぺブル燃料４あるいは性状が健全でないぺブル燃料４は、除外されて保管される。なお、図５では、ぺブル燃料４のバッチ（ぺブル燃料の集まり）が流路Ｒ内のゾーンに沿って原子炉１の上側から下側に移動する様子が示されている。また、同図中の矢印は、単位時間あたりのぺブル燃料４の移動量を示している。
【００３６】
［反射体の組成］
一般に、ペブルベット型の原子炉では、安全性などの観点から、炉心における径方向および軸方向の出力分布（中性子束の分布）が平坦化されることが好ましい。例えば、黒鉛のみから成る反射体を採用する原子炉では、図１８に示す炉心の径方向中性子分布から黒鉛領域の近傍にて出力密度のピークが生じる。また、炉心の軸方向（ぺブル燃料４の流動方向）の中性子束出力分布では、炉心の中央でピークが生じる（図１９参照）。これは、ぺブル燃料４に含まれるウラン２３５は、スペクトルが硬い中性子束よりもスペクトルが軟らかい中性子束と衝突して核分裂反応を起こし易い性質があり、また、かかる中性子束のスペクトルの軟化（熱中性子化）は、黒鉛のみから成る反射体によって促進されるためである。
【００３７】
また、一般に、炭化珪素の組成比率が高く黒鉛の組成比率が低い反射体（ＳｉＣ／Ｃ反射体）では、中性子が減速され難く遠くまで拡散する。逆に、黒鉛の組成比率が高い反射体（Ｃ反射体あるいはＳｉＣ／Ｃ反射体）では、中性子が良好に減速されて熱化され易いため、この中性子（熱中性子）が核燃料物質と良好に反応して核分裂反応が生じ易い。
【００３８】
そこで、この原子炉１では、外側反射体２および内側反射体３（少なくとも内側反射体３）が黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材（例えば、炭化珪素）とを含み組成されると共にぺブル燃料４の流路Ｒ方向に沿って複数の部分に区分けされ、且つ、これらの反射体２、３の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率がぺブル燃料４の流路Ｒ方向にかかる炉心の出力分布に応じて規定されている（図２参照）。例えば、内側反射体３がぺブル燃料４の流路Ｒ方向に対して上部３１、中央部３２および下部３３に区分され、各部分３１〜３３における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が炉心の出力分布に応じて規定される（図６〜図９参照）。
【００３９】
かかる構成では、反射体２、３の組成比率（特に、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率）が炉心の出力分布に応じて規定されているので、ぺブル燃料４の流路Ｒの各位置における中性子の減速の程度が調整される。例えば、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が高く設定される位置では、中性子の減速の程度が小さくなるため出力密度が抑えられる。逆に、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が低く設定される位置では、中性子の減速の程度が高くなるため出力密度が高められる。これにより、炉心の出力分布の調整が可能となるので、炉心の出力分布の平坦化が可能となる利点がある。
【００４０】
また、炉心の出力分布が平坦化されれば、炉心の軸方向の組成を平均化するためのぺブル燃料４の交換回数（再装荷および取出の回数）を減少できる。これにより、ぺブル燃料４の交換に伴う運転上の負担（ぺブル燃料４の検査やぺブル燃料４の補充にかかる負担）が低減される利点がある。また、原子炉１の経済的な運転が可能となるので、発電コストが低減される利点がある。また、ぺブル燃料４の再装荷の回数が減少するので、再装荷時における不純物の混入の危険性が低下するので、原子炉１の信頼性が向上する利点がある。
【００４１】
なお、この原子炉１では、反射体を組成する黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材として炭化珪素が採用される。しかし、これに限らず、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材として、例えば、タングステン、モリブデン、炭化珪素以外の高温強度に優れる炭化物などが採用されても良い。また、黒鉛の密度の小さいものを利用することもできる。
【００４２】
上記の構成では、例えば、反射体２、３が黒鉛のみから成る構成における出力密度を基準とするときに、出力密度が大きい位置にある反射体２、３の部分は、出力密度が小さい位置にある反射体２、３の部分よりも、炭化珪素（黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材）の組成比率が高く設定されることが好ましい。すなわち、炉心の最大出力密度を抑えたい（発生する出力密度が大きい）位置では、反射体２、３における炭化珪素の組成比率が高く（黒鉛の組成比率が低く）設定される。逆に、出力密度を高めたい（発生する出力密度が小さい）位置では、反射体２、３における黒鉛の組成比率が高く（炭化珪素の組成比率が低く或いはゼロに）設定される。すると、中性子スペクトル（中性子エネルギー分布）がエネルギーの高い側にシフトし、核反応が生じ難くなり、この部分の出力が小さくなる。これにより、炉心の出力分布の調整が可能となるので、ぺブル燃料４の流動方向にかかる炉心の出力分布が効果的に平坦化される利点がある。
【００４３】
また、ペブルベット型の原子炉１では、炉心の上側から新規なぺブル燃料４が装荷されるため、流路Ｒの上流側の方が下流側よりも発生する出力密度が大きい傾向にある。そこで、ぺブル燃料４の流路Ｒの上流側に位置する反射体２、３の部分は、ぺブル燃料４の流路Ｒの下流側に位置する反射体２、３の部分と比較して、炭化珪素の組成比率が高く設定されることが好ましい。かかる構成では、流路Ｒの上流側にて中性子の減速の程度が低下して、炉心の最大出力密度が抑制される。すると、上流側で抑制された出力の分だけ、流路Ｒの下流側にて出力密度が増加する。これにより、ぺブル燃料４の流動方向にかかる炉心の出力分布が効果的に平坦化される利点がある。
【００４４】
［反射体の具体例１］
また、この原子炉１では、上記のように反射体２、３が外側反射体２および内側反射体３から成る構成（図１および図２参照）において、ぺブル燃料４の流路Ｒの上流側から少なくとも約３分の１の範囲内（少なくとも内側反射体３の上部３１。この例では、約３分の１）にて、内側反射体３における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材（炭化珪素）の組成比率が２５［％］以上に設定されることが好ましい（図６および図７参照）。かかる構成では、流路Ｒの上流側にて中性子の減速の程度が低下して最大出力密度が抑制される。すると、上流側で抑制された出力の分だけ、流路Ｒの下流側にて出力が増加する。これにより、ぺブル燃料４の流動方向にかかる炉心の出力分布が効果的に平坦化される利点がある。
【００４５】
また、この原子炉１では、さらに、ぺブル燃料４の流路Ｒの上流側から約３分の２の範囲内（内側反射体３の上部３１および中央部３２）にて、内側反射体３における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が２５［％］以上に設定されることが好ましい（図６および図７参照）。これにより、上記の構成と比較して、ぺブル燃料４の流動方向に対する炉心の出力分布がより効果的に平坦化される利点がある。なお、この実施例１では、反射体２、３の組成比率が体積比により規定される。
【００４６】
例えば、図６に示す反射体の構成と図７に示す炉心の出力分布において、従来例の原子炉は、内側反射体および外側反射体の双方が黒鉛のみにより構成される。
【００４７】
一方、発明例１の原子炉１では、内側反射体３が流路Ｒの上流側から順に上部３１、中央部３２および下部３３に三等分されて区分される。そして、内側反射体３の上部３１および中央部３２における炭化珪素（黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材）と黒鉛との組成比率が２５：７５に設定される。また、内側反射体３の下部３３および外側反射体２が、黒鉛のみにより構成される。
【００４８】
また、発明例２の原子炉１では、内側反射体３の上部３１および中央部３２における炭化珪素と黒鉛との組成比率が５０：５０に設定される。また、内側反射体３の下部３３および外側反射体２が、黒鉛のみにより構成される。
【００４９】
また、発明例３の原子炉１では、内側反射体３の上部３１および中央部３２における炭化珪素と黒鉛との組成比率が７５：２５に設定される。また、内側反射体３の下部３３および外側反射体２が、黒鉛のみにより構成される。
【００５０】
また、発明例４の原子炉１では、内側反射体３の上部３１および中央部３２が炭化珪素のみにより構成される。また、内側反射体３の下部３３および外側反射体２が、黒鉛のみにより組成される。
【００５１】
図７の計算結果に示すように、発明例１〜４の原子炉では、従来例の原子炉と比較して、流路Ｒの上流側における出力密度が抑えられ、その分だけ流路Ｒの下流側にて出力密度が増加していることが分かる。例えば、従来例と発明例４とを比較すると、最大出力密度が約３分の１に抑えられている。なお、図７に示す計算結果は、炉心の軸方向位置と炉心の径方向内側近傍における最大出力密度との関係を示している。
【００５２】
［反射体の具体例２］
また、この原子炉１では、ぺブル燃料４の流路Ｒの上流側から約３分の１の範囲内にて、内側反射体３および外側反射体２における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が２５［％］以上に設定されることが好ましい（図８および図９参照）。かかる構成では、流路Ｒの上流側にて、中性子の減速の程度が低下して、その近傍の出力密度が抑制される。また、内側反射体３および外側反射体２の双方により中性子の減速の程度が調整されるので、出力密度が効果的に抑制される。そして、上流側で抑制された出力の分だけ、流路Ｒの下流側にて出力が増加する。これにより、ぺブル燃料４の流動方向にかかる炉心の出力分布が効果的に平坦化される利点がある。
【００５３】
また、この原子炉１では、さらに、ぺブル燃料４の流路Ｒの上流側から約３分の２の範囲内にて、内側反射体３における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が２５［％］以上に設定されることが好ましい（図８および図９参照）。これにより、上記の構成と比較して、ぺブル燃料４の流動方向にかかる炉心の出力分布がより効果的に平坦化される利点がある。
【００５４】
また、この原子炉１では、ぺブル燃料４の濃縮度（ウラン濃縮度）の調整により臨界性が調整される。
【００５５】
例えば、図８に示す反射体の構成および図９に示す出力分布において、発明例５の原子炉１では、内側反射体３が流路Ｒの上流側から順に上部３１、中央部３２および下部３３に三等分されて区分される。また、外側反射体２が流路Ｒの上流側から順に上部２１、中央部２２および下部２３に三等分されて区分される。そして、内側反射体３の上部３１および外側反射体２の上部２１における炭化珪素（黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材）と黒鉛との組成比率が７５：２５に設定される。また、内側反射体３の中央部３２および下部３３ならびに外側反射体２の中央部２２および下部２３が、黒鉛のみにより構成される。
【００５６】
また、発明例６の原子炉１では、内側反射体３の上部３１が黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材のみにより構成される。また、外側反射体２の上部２１における炭化珪素と黒鉛との組成比率が７５：２５に設定される。また、内側反射体３の中央部３２および下部３３ならびに外側反射体２の中央部２２および下部２３が、黒鉛のみにより構成される。
【００５７】
また、発明例７の原子炉１では、内側反射体３の上部３１および外側反射体２の上部２１における炭化珪素と黒鉛との組成比率が７５：２５に設定される。また、内側反射体３の中央部３２における炭化珪素と黒鉛との組成比率が２５：７５に設定される。また、内側反射体３の下部３３ならびに外側反射体２の中央部２２および下部２３が、黒鉛のみにより構成される。
【００５８】
また、発明例８の原子炉１では、発明例７の原子炉１の構成において、ぺブル燃料４のウラン濃縮度の調整により臨界性が保持されている。
【００５９】
図９の計算結果に示すように、発明例５〜８の原子炉では、従来例の原子炉と比較して、流路Ｒの上流側における出力密度が抑えられ、その分だけ流路Ｒの下流側にて出力密度が増加していることが分かる。例えば、従来例と発明例９とを比較すると、最大出力密度が約３分の１以下に抑えられている。なお、図９に示す出力分布は、炉心の軸方向位置と炉心の径方向内側近傍における最大出力密度との関係を示している。
【実施例２】
【００６０】
図１０は、この発明の実施例２にかかる原子炉を示す構成図である。図１１は、図１０に記載した原子炉の炉心を示す説明図である。図１２〜図１４は、図１０に記載した原子炉に使用されるブロック燃料（燃料体）を示す斜視図（図１２）、平面図（図１３）およびＡ−Ａ視断面図（図１４）である。図１５は、従来の原子炉の炉心を示す構成図である。図１６は、図１０に記載した原子炉の炉心の具体例を示す構成図である。図１７は、図１６に記載した原子炉の出力分布の結果を示すグラフである。
【００６１】
［ブロック型高温ガス炉］
この原子炉１０は、例えば、ブロック型高温ガス炉に適用される（図１０参照）。この原子炉１０は、鋼製の原子炉容器１１と、炉心１２と、この炉心１２を支持する炉内構造物１３と、冷却材が流通する冷却系配管１４とを有する。この原子炉１０では、炉心１２および炉内構造物１３が原子炉容器１１内に収容されている。また、冷却材として、例えば、ヘリウムガスが採用される。
【００６２】
炉心１２は、外側反射体１２１、ブロック燃料（燃料体）１２２、制御棒案内カラム１２３、照射試験用カラム１２４、内側反射体（黒鉛反射体カラム）１２５などにより構成される（図１１および図１２参照）。外側反射体１２１は、ブロック状の黒鉛から成り、環状に配列されて炉心１２の外周部を構成する。ブロック燃料１２２、制御棒案内カラム１２３、照射試験用カラム１２４および内側反射体１２５は、六角柱形状を有し、その長手方向（軸方向）を炉心１２の軸方向に向けつつ外側反射体１２１の内側に配列される。なお、この原子炉１０では、炉心１２が径方向に４つの領域に区画されて、領域別燃料装荷方法が採用される（図１１参照）。これにより、燃料温度分布が最適化されて、燃料最高温度が極力低く抑えられている。
【００６３】
また、ブロック燃料１２２は、六角柱状の黒鉛ブロック１２２１と、この黒鉛ブロック１２２１に挿入されて保持される燃料棒１２２２と、バーナブルポイズン棒１２２３と、冷却材流路１２２５とを有する（図１３参照）。また、ブロック燃料１２２は、円筒形の黒鉛スリーブ中に燃料コンパクトが封入されて構成される。この燃料コンパクトは、円筒形状を有し、多数の被覆燃料粒子が黒鉛から成る素地（黒鉛素地）に分散されて構成される。また、被覆燃料粒子は、二酸化ウラン（ＵＯ２）の燃料核が熱分解炭素（ＰｙＣ）および炭化珪素（ＳｉＣ）から成る薄い層により三重に被覆されて構成される。
【００６４】
また、ブロック燃料１２２では、複数の冷却材流路１２２５がブロック燃料１２２の長手方向に沿って形成されている（図１４参照）。この冷却材流路１２２５には、冷却材（ヘリウムガス）が炉心１２の上側から下側に向かって流れる。図１４では、この冷却材の流れ方向が矢印により示されている。なお、冷却材は、ブロック燃料１２２を冷却した後、冷却系配管１４から原子炉容器１１の外部に回収される（図１０参照）。
【００６５】
［従来のブロック型炉心］
一般に、ブロック型高温ガス炉では、安全性などの観点から、炉心における軸方向の出力分布（中性子束の分布）が燃料最高温度を低減するように最適化されることが好ましい。従来の構成では、炉心の燃料が多数のウラン濃縮度のもの（ここでは１２種類）を使用されることにより、軸方向の出力分布が最適化されている（図１５参照）。
【００６６】
かかる構成では、炉心１２の各部分における核燃料の濃縮度が炉心の出力分布に応じて規定されるので、炉心１２の各位置におけるブロック燃料１２２の核燃料物質の核反応が調整される。例えば、核燃料の濃縮度が高く設定される位置では、核反応が増加して出力密度が高められる。逆に、核燃料の濃縮度が低く設定される位置では、核反応が減少して出力密度が抑えられる。これにより、炉心１２の出力の調整が可能となるので、炉心１２の出力分布の最適化が可能となる利点がある。
【００６７】
具体的には、炉心１２の各部分における核燃料の濃縮度が冷却材流路１２２５の上流側から下流側に向かって（炉心１２の上側から下側に向かって）減少するように規定される（図１５参照）。すなわち、炉心１２の上流側（炉心１２の上側）では、核燃料の濃縮度が高く設定されて出力が高められ、逆に、炉心１２の下流側（炉心１２の下側）では、核燃料の濃縮度が低く設定されて出力密度が抑えられる。これにより、冷却材の流れ方向にかかる炉心の出力分布が効果的に最適化され、燃料最高温度が低く抑えられる。なお、図１５に示すブロック燃料１２２中の数値は、核燃料の濃縮度を示している。
【００６８】
また、上記の構成では、中性子を反射する内側反射体（黒鉛反射体カラム）１２５が炉心１２内であってブロック燃料１２２よりも炉心１２の径方向内側に配置されることが好ましい（図１５参照）。かかる構成では、炉心１２の径方向内側に配置された内側反射体１２５が、中性子を反射して減速する。これにより中性子が効果的に減速されると共に、減圧事故時などにて炉心中央に生じる燃料最高温度が低減される利点がある。なお、図１５に示すブロック燃料１２２中の数値は、核燃料のウラン濃縮度を示している。
【００６９】
例えば、図１５および図１６に示す例において、従来例の原子炉では、炉心１２の各部分における核燃料の濃縮度が炉心１２の上流側から下流側に向かって（炉心１２の上側から下側に向かって）減少するように規定されており、且つ、内側反射体１２５が炉心１２内であってブロック燃料１２２よりも炉心１２の径方向内側に配置されている。
【００７０】
［炉心の具体例］
ここで、この原子炉１０では、黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材（例えば、炭化珪素）とを含み組成される反射体１２６が炉心１２内に配置され、且つ、この反射体１２６が冷却材の流れ方向に沿って複数の部分に区分けされると共に、反射体１２６の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が冷却材の流れ方向にかかる炉心１２の出力分布に応じて規定されることが好ましい（図１６参照）。
【００７１】
かかる構成では、反射体１２６の各部分における黒鉛と炭化珪素（黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材）との組成比率が炉心の出力分布に応じて規定されているので、炉心１２の各位置における出力密度が調整される。例えば、炭化珪素の組成比率が高く設定される位置では、中性子の減速の程度が低くなるため出力密度が抑えられる。逆に、炭化珪素の組成比率が低く設定される位置では、中性子の減速が進んで出力密度が高められる。これにより、炉心１２の出力分布の調整が可能となるので、炉心１２の出力分布の最適化が可能となる利点がある。
【００７２】
また、この原子炉１０では、反射体１２６の各部分における黒鉛と黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材との組成比率が、炉心１２の上流側から下流側に向かって（炉心１２の上側から下側に向かって）増加するように規定されることが好ましい（図１６参照）。すなわち、炉心１２の上流側（炉心１２の上側）では、黒鉛の組成比率が高く設定されて炉心１２の出力が高められ、逆に、炉心１２の下流側（炉心１２の下側）では、黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材の組成比率が高く設定されて出力密度が抑えられる。これにより、炉心１２の出力分布の調整が可能となるので、冷却材の流れ方向にかかる炉心１２の出力分布が効果的に最適化される利点がある。
【００７３】
例えば、図１６に示す発明例１１では、内側反射体１２６が冷却材の流れ方向（炉心１２の軸方向）に沿って５つの部分に区分けされ、各部分における炭化珪素の組成比率が炉心１２の上側から下側に向かって２５［％］ずつ増加するように規定される。また、反射体１２６は、炉心１２の径方向の第２層および第５層に配置される。このため、複数の反射体１２６が炉心１２の径方向の内側および外側からブロック燃料１２２を挟み込むように、且つ、ブロック燃料１２２の近傍に配置される。
【００７４】
なお、図１６では、ブロック燃料１２２中の数値が核燃料の濃縮度を示しており、内側反射体１２６中の数値が黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材（炭化珪素）の組成比率を示している。例えば、反射体１２６中の数値が２５［％］の場合には、この部分における黒鉛よりも小さな減速能を有する減速材と黒鉛との組成比率が２５：７５で有ることを示している。なお、この実施例２では、内側反射体１２６の組成比率が体積比により規定される。
【００７５】
図１７の計算結果に示すように、従来例と発明例１１とを比較すると、発明例１１の原子炉１０では、冷却材の流れ方向にかかる炉心１２の出力分布がより最適化されていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上のように、本発明にかかる原子炉は、何回もぺブル燃料を再装荷することなく（ペブルベット炉心）、あるいは、多数の種類のウラン濃縮度の燃料を用意することなく（ブロック型炉心）、炉心の出力分布を平坦化および／または最適化できる点で有益である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】この発明の実施例１にかかる原子炉を示す構成図である。
【図２】図１に記載した原子炉の外側反射体および内側反射体を示す説明図である。
【図３】図１に記載した原子炉に使用されるぺブル燃料を示す説明図である。
【図４】図１に記載した原子炉に使用される被覆燃料粒子を示す説明図である。
【図５】図１に記載した原子炉の一般的作用を示す説明図である。
【図６】図１に記載した原子炉の反射体の具体例１を示す構成図である。
【図７】図６に記載した原子炉の出力分布を示すグラフである。
【図８】図１に記載した原子炉の反射体の具体例２を示す構成図である。
【図９】図８に記載した原子炉の出力分布を示すグラフである。
【図１０】この発明の実施例２にかかる原子炉を示す構成図である。
【図１１】図１０に記載した原子炉の炉心を示す説明図である。
【図１２】図１０に記載した原子炉に使用されるブロック型燃料ブロック（マルチホール型燃料体）を示す斜視図である。
【図１３】図１０に記載した原子炉に使用されるブロック型燃料ブロック（マルチホール型燃料体）を示す平面図である。
【図１４】図１０に記載した原子炉に使用されるブロック型燃料ブロック（マルチホール型燃料体）を示すＡ−Ａ視断面図である。
【図１５】従来の原子炉の炉心を示す構成図である。
【図１６】図１０に記載した原子炉の炉心の具体例を示す構成図である。
【図１７】図１６に記載した原子炉の出力分布の結果を示すグラフである。
【図１８】従来の原子炉（ペブルベッド型）の軸方向中性子束の中性子束スペクトルを示す説明図である。
【図１９】従来の原子炉（ペブルベッド型）の軸方向中性子束の中性子束スペクトルを示す説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１       原子炉（ぺブルベッド型）
２       外側反射体
２１     外側反射体の上部
２２     外側反射体の中央部
２３     外側反射体の下部
３       内側反射体
３１     内側反射体の上部
３２     内側反射体の中央部
３３     内側反射体の下部
４       ぺブル燃料
４１     黒鉛殻
４２     被覆燃料粒子
４２１   燃料核
４２２   ギャップ
４２３   バッファ層
４２４   シール層
４２５   内層
４２６   炭化珪素層
４２７   外層
１０     原子炉（ブロック型）
１１     原子炉容器
１２     炉心
１２１   外側反射体
１２２   ブロック燃料
１２２１ 黒鉛ブロック
１２２２ 燃料棒
１２２３ バーナブルポイズン棒
１２２４ ダウエルピン
１２２５ 冷却材流路
１２３   制御棒案内カラム
１２３１ 黒鉛ブロック
１２３２ 燃料棒
１２３３ バーナブルポイズン棒
１２３４ ダウエルピン
１２３５ 制御棒
１２３６ 冷却材流路
１２４   照射試験用カラム
１２５   内側反射体
１２６   反射体
１３     炉内構造物
１４     冷却系配管
Ｒ       流路
【図１】
2009036606.tif 000003
【図２】
2009036606.tif 000004
【図３】
2009036606.tif 000005
【図４】
2009036606.tif 000006
【図５】
2009036606.tif 000007
【図６】
2009036606.tif 000008
【図７】
2009036606.tif 000009
【図８】
2009036606.tif 000010
【図９】
2009036606.tif 000011
【図１０】
2009036606.tif 000012
【図１１】
2009036606.tif 000013
【図１２】
2009036606.tif 000014
【図１３】
2009036606.tif 000015
【図１４】
2009036606.tif 000016
【図１５】
2009036606.tif 000017
【図１６】
2009036606.tif 000018
【図１７】
2009036606.tif 000019
【図１８】
2009036606.tif 000020
【図１９】
2009036606.tif 000021