原子炉の炉心および原子炉
【課題】燃料の燃焼とともに燃焼部が新燃料部に向かって移動する原子炉の炉心において、冷却材の温度が上昇したときに炉心に印加される反応度が負になる炉心を提供する。
【解決手段】原子炉の炉心は、燃料集合体２１と、運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置され、複数の燃料集合体２１同士を互いに支持し、燃料集合体２１同士の間隔を定める間隔調整板３１とを備える。間隔調整板３１は、温度が上昇すると膨張する材質で形成されており、炉心の冷却材の温度が上昇したときに間隔調整板３１が膨張し、燃料集合体２１同士の間隔が大きくなる。
【解決手段】原子炉の炉心は、燃料集合体２１と、運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置され、複数の燃料集合体２１同士を互いに支持し、燃料集合体２１同士の間隔を定める間隔調整板３１とを備える。間隔調整板３１は、温度が上昇すると膨張する材質で形成されており、炉心の冷却材の温度が上昇したときに間隔調整板３１が膨張し、燃料集合体２１同士の間隔が大きくなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉の炉心および原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉は、発電設備等に用いられている。原子炉は、高速中性子炉を含む。高速中性子炉は、主に高速中性子により核分裂性核種を核分裂させて出力を発生する原子炉であり、ナトリウム、鉛ビスマス合金等の重金属、またはガス等により炉心が冷却される。従来の技術の原子炉では、炉心全体で核分裂が生じるとともに出力が発生する。
【０００３】
原子炉の炉心の臨界の維持および出力の調整は、例えば制御棒によって行われる。制御棒は、中性子を吸収しやすい物質で形成されている。運転サイクルの初期には制御棒を炉心に挿入しておき、燃焼が進むとともに徐々に制御棒を引き抜くことにより、出力を維持しながら臨界状態を保っている。このように、原子炉の運転においては、原子炉の臨界を維持するための制御が必要である。運転サイクルの初期から運転サイクルの末期まで継続的に臨界の維持のための制御を行っている。
【０００４】
特許第３４６３１００号公報においては、運転サイクルで臨界を維持するための制御が不要な原子炉が開示されている。この原子炉は、ＣＡＮＤＬＥ（Constant Axial Shape of Neutron Flux, Nuclide Densities and Power Shape During Life of Energy Production）燃焼法と呼ばれる燃焼法を採用している。ＣＡＮＤＬＥ燃焼法では、炉心をおおよそ新燃料部、燃焼部、燃焼が進んだ部分に分けることができる。燃焼部は、燃焼とともに、出力に比例した速さで新燃料部に向かって移動する。ＣＡＮＤＬＥ燃焼では、一つの運転サイクルが終了した後、次の運転サイクルを行なうために燃料を交換する。燃料を交換するときには、炉心軸の方向において燃焼の進んだ燃料を取り出し、取り出した側の端部と反対側の端部に新燃料を装荷することができる。
【０００５】
ＣＡＮＤＬＥ燃焼法では、臨界調整を行なわなくてもよく、また、出力分布の調整をしなくても出力分布が、ほぼ一定に保たれる。このため、運転サイクルの初期から末期にわたって、制御棒の操作等のような炉心の反応度制御は行わなくても良いという特徴を有する。また反応度係数も変化せずに、燃焼とともに運転方法を変化させなくても良いという特徴を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４６３１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
原子炉の燃料の燃焼法としてＣＡＮＤＬＥ燃焼法を採用することにより、燃焼が進行しても炉心特性をほぼ一定にすることができて運転制御が簡単になり、事故の発生確率が低い原子炉を提供することができる。また、炉心に制御棒を配置しなくても良いために、運転期間中に制御棒が誤って引き抜かれるような事故の可能性が全くなくなる。また、燃料を取り出すときの燃焼度が高いことから、廃棄物の量を低減できる。
【０００８】
ＣＡＮＤＬＥ燃焼法では、第２サイクル以降の新燃料として、天然ウランまたは劣化ウランだけを用いて運転を行なうことができる。これらの燃料は、未臨界であることから輸送や貯蔵が容易になる。また、濃縮や再処理を行なわずに、ウランのおよそ４０％をエネルギーとして利用できることから、資源の有効利用ができる。また、第２サイクル以降の新燃料は、濃縮や再処理等が不要となることから、核拡散抵抗性が高いなどの特徴を有する。
【０００９】
ところで、原子炉の炉心の温度が上昇する事象が生じたときに、温度上昇が促進されるように設計されていると、炉心の温度が急激に上昇する虞がある。このために、原子炉の炉心は、温度が上昇する事象が生じたときに、自然に温度上昇が抑制される特性を有することが好ましい。特に、炉心内の燃料の温度や冷却材の温度が上昇したときには、負の反応度が印加されるように炉心が設計されることが好ましい。すなわち、炉心における燃料の温度係数および冷却材の温度係数は負であることが好ましい。
【００１０】
燃料の温度係数に関しては、温度が上昇したときに中性子吸収が増加するドップラー効果等により、比較的容易に燃料の温度係数を負にすることができる。一方で、高速中性子を用いて核分裂させる炉心では、冷却材の温度係数が正になりやすい特性を有する。冷却材の温度が上昇すると冷却材の密度が小さくなって中性子の減速効果が小さくなる。このために、主に高速中性子にて核分裂を行う原子炉では、核分裂が促進される傾向が生じる。たとえば、冷却材としてナトリウムを用いてプルトニウムを核分裂する原子炉においては、冷却材の温度係数が正になり易い。このように、高速中性子を用いて核分裂させる炉心においては、冷却材の温度が上昇したときに負の反応度が印加される炉心を設計することが難しいという問題があった。
【００１１】
本発明は、燃料の燃焼とともに燃焼部が新燃料部に向かって移動する炉心であって、冷却材の温度が上昇したときに炉心に印加される反応度が負になる炉心およびこの炉心を備え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】
【００１２】
本発明の原子炉の炉心は、新燃料が装荷されている新燃料部と、新燃料部の一方の側に配置され、中性子を発生して燃料が燃焼する燃焼部とを備え、新燃料は天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方のウランを含み、ウランが中性子を吸収して生成されたプルトニウムが核分裂することにより出力を発生し、運転サイクルの初期から末期にかけて、燃焼部がほぼ一定の形状を保ちながら新燃料部に向かう方向に移動する。原子炉の炉心は、燃料棒または燃料集合体を含む燃料体と、運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置され、複数の燃料体同士を互いに支持し、燃料体同士の間隔を定める間隔調整部材とを備える。間隔調整部材は、温度が上昇すると膨張する材質で形成されており、炉心の冷却材の温度が上昇したときに間隔調整部材が膨張し、燃料体同士の間隔が大きくなる。
【００１３】
上記発明においては、炉心入口から炉心出口に向かって冷却材の温度が上昇する高上昇率領域と、高上昇率領域よりも下流に配置され、高上昇率領域よりも温度の上昇率が小さくなる低上昇率領域とを有し、間隔調整部材は、運転サイクルの初期において低上昇率領域に配置されていることが好ましい。
【００１４】
上記発明においては、間隔調整部材は、穴部を有する間隔調整板を含み、複数の燃料体は、穴部に支持されている。
【００１５】
本発明の原子炉は、上述の炉心と、炉心が内部に配置されている原子炉容器とを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料の燃焼とともに燃焼部が新燃料部に向かって移動する炉心であって、冷却材の温度が上昇したときに炉心に印加される反応度が負になる炉心およびこの炉心を備える原子炉を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態における原子炉の概略図である。
【図２】実施の形態における炉心の４分の１の概略平面図である。
【図３】実施の形態における燃料集合体の概略斜視図である。
【図４】実施の形態における燃料棒の概略斜視図である。
【図５】実施の形態における炉心の燃料の燃焼状態を説明する概略図である。
【図６】実施の形態における燃料の中性子フルエンスに対する無限中性子増倍率の変化を説明するグラフである。
【図７】炉心高さと燃料の無限中性子増倍率との関係を説明するグラフである。
【図８】実施の形態における炉心の出力密度の変化および燃料の取換えを説明する図である。
【図９】実施の形態における炉心の概略部分断面図である。
【図１０】実施の形態における間隔調整部材の拡大概略平面図である。
【図１１】実施の形態における炉心の他の概略部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１から図１１を参照して、実施の形態における炉心および原子炉について説明する。本実施の形態における炉心は、主に高速中性子によりプルトニウムの核分裂を発生させる高速中性子炉である。本実施の形態における原子炉は、発電設備に配置されており、原子炉から流出する冷却材の熱を用いて発電を行なっている。
【００１９】
図１は、本実施の形態における原子炉の概略図である。本実施の形態における発電設備は、原子炉１を備える。原子炉１は、原子炉容器９を含む。原子炉１は、原子炉容器９の内部に配置されている炉心１０を含む。原子炉容器９の内部には、冷却材が流れている。本実施の形態における炉心１０の周りには、反射体が配置されていないが、この形態に限られず、炉心１０の周りに反射体が配置されていても構わない。
【００２０】
冷却材は、矢印１１２に示すように、原子炉容器９に流入して、炉心１０の内部を通過する。炉心１０の熱は、冷却材に伝達される。本実施の形態における原子炉１は、冷却材が炉心１０の下側から上側に向かって流れる。炉心１０から流出した冷却材は、矢印１１１に示すように原子炉容器９から流出する。
【００２１】
冷却材は、中性子の減速能力や中性子の吸収能力が小さな材料を用いることができる。本実施の形態においては、鉛−ビスマス冷却材が用いられている。本実施の形態においては、冷却材が反射体の機能を有する。原子炉の冷却材としては、鉛系冷却材（液体金属）の他に、ナトリウムを使用することができる。または、ヘリウム等のガス冷却材を用いることができる。また、鉛系冷却材としては、鉛−ビスマスの他に鉛のみや、同位体分離された鉛２０８を採用することができる。本実施の形態における炉心１０は、鉛直方向が炉心の軸方向に相当する。
【００２２】
図２に、本実施の形態における原子炉の炉心の概略平面図を示す。図２は、炉心の４分の１を示している。本実施の形態における炉心１０は、平面形状がほぼ正六角形状に形成されている。原子炉の炉心は、この形態に限られず、平面視したときに、ほぼ円形となる任意の形状または円形に形成することができる。
【００２３】
本実施の形態における炉心１０は、燃料体としての燃料集合体２１を含む。本実施の形態においては、複数の燃料集合体２１が規則的に配列されている。本実施の形態における複数の燃料集合体２１には、同一の新燃料が装荷されている。本実施の形態においては、新燃料として劣化ウランが装荷されている。
【００２４】
図３に、本実施の形態における燃料集合体の概略斜視図を示す。燃料集合体２１は、複数の燃料棒２２を含む。燃料棒２２は、長手方向の端部がノズル２７により支持されている。または、燃料棒２２は、燃料集合体２１の内部に配置され、ノズル２７に固定されている固定部材により支持されている。また、燃料棒２２は、複数の支持格子２５ａ，２５ｂにより支持されている。支持格子２５ａ，２５ｂは、燃料棒２２同士を互いに離して支持している。冷却材は、燃料棒２２同士の間を流れて燃料棒２２を冷却する。本実施の形態では支持格子により燃料棒同士の間の距離を保っているが、この形態に限られず、支持格子の代わりにワイヤースペーサー等を用いることができる。
【００２５】
図４に、本実施の形態における燃料棒の概略斜視図を示す。図４では、燃料の燃焼が上側から下側に向かって移動する燃料棒を示している。また、被覆材の一部を破断して示している。本実施の形態における燃料棒２２は、被覆材２３を含む。被覆材２３は、筒状に形成されている。被覆材２３は、たとえばステンレス鋼で形成されている。燃料棒２２は、燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃを含む。燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、被覆材２３の内部に配置されている。燃料棒２２は、栓２９により封止されている。燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、コイルスプリング２８により押圧されている。
【００２６】
図４に示す燃料棒は、運転サイクルの初期の状態を示している。複数の燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、新燃料を含む燃料ペレット２４ａ、燃焼途中の燃料ペレット２４ｂ、および燃焼が十分に進んだ燃料ペレット２４ｃの順に配置されている。新燃料を含む燃料ペレット２４ａの部分により、炉心の新燃料部が画定される。燃焼途中の燃料ペレット２４ｂの部分により、炉心の燃焼部が画定される。燃焼が進んだ燃料ペレット２４ｃの部分により、炉心の燃焼が進んだ部分が画定される。
【００２７】
このように、本実施の形態における燃料棒２２には、燃焼度が互いに異なる燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃが配置されている。一つの運転サイクルが終了した後には、たとえば、被覆材２３を剥ぎ取り、燃焼が進んだ部分の燃料ペレットとそれ以外の燃料ペレットとを分離する。次に、新たな被覆材の内部に、新燃料を含む燃料ペレットおよび回収された燃料ペレット等を配置することにより、次の運転サイクルのための燃料棒を形成することができる。
【００２８】
または、燃料ペレットの回収方法としては、それぞれの部分ごとに燃料棒を切断した後に、被覆材２３を剥ぎ取っても構わない。この方法によっても、燃焼部および燃焼が進んだ部分に配置されていた燃料ペレットを回収することができる。
【００２９】
図２から図４を参照して、本実施の形態における燃料集合体２１の新燃料部に配置される燃料ペレットは、劣化ウランを含む。本実施の形態における燃料は、金属燃料であるが、この形態に限られず、例えば、窒化物燃料等を用いることができる。
【００３０】
次に、本実施の形態における炉心の出力運転について説明する。本実施の形態においては、出力運転中に出力がほぼ一定に保たれる例について説明する。
【００３１】
図５に、本実施の形態における炉心の燃焼の進行状況を説明する模式図を示す。図５は、炉心を軸方向に沿って切断したときの概略断面図である。図５は、複数回の運転サイクルを行なった後の第ｎサイクルの初期（ＢＯＣ）の炉心と、第ｎサイクルの末期（ＥＯＣ）の炉心とを示している。また、同一のサイクル長さおよび同一の燃料取替え方法で複数サイクル運転を行なった炉心を示している。径方向の位置ｒが零の軸が炉心軸である。
【００３２】
本実施の形態における原子炉の炉心１０は、運転サイクルの初期から末期にかけて燃焼部１２が、新燃料部１１に向けて移動する。すなわち、本実施の形態における炉心は、ＣＡＮＤＬＥ燃焼を行なう。燃焼部１２の移動する速度は、凡そ出力密度に比例し、燃料原子数密度に反比例する。
【００３３】
本実施の形態における炉心の出力密度は、炉心の中央において高くなる。炉心の外周においては、中性子の漏れが多くなるために、径方向の外側に向かうほど出力密度が小さくなる。このため、燃焼部の軸方向の位置は、径方向の外側に向かうほど遅れた位置に配置される。
【００３４】
本実施の形態における炉心１０は、新燃料部１１、燃焼部１２および燃焼が進んだ部分１３を含む。新燃料部１１は、新燃料が配置されている部分である。燃焼部１２は、自発的に中性子が発生し、燃料の燃焼が生じる部分である。燃焼部１２では、核分裂が発生することにより実質に出力が生じている。燃焼が進んだ部分１３は、燃焼が進んで、ほとんど出力を発生していない部分である。
【００３５】
第ｎサイクルの初期の炉心において、新燃料部１１は、炉心１０の下部に配置されている。燃焼部１２は、新燃料部１１の上側に配置されている。燃焼部１２には、前サイクルで既に燃焼が始まっていた燃料が配置されている。
【００３６】
本実施の形態においては、運転サイクルの初期に配置された燃焼部１２は、燃焼を開始する部分になる。燃焼部１２から燃料の燃焼が開始され、矢印１０１に示すように、新燃料部１１に向かう方向に燃焼が進行する。第ｎサイクルの燃焼が進行して運転サイクルの末期になった場合には、燃焼部１２が炉心１０の下端まで進行する。本実施の形態においては、新燃料部１１がほとんどなくなるまで燃焼を継続している。運転サイクルの末期では、新燃料部１１が残っていても構わない。
【００３７】
図６に、本実施の形態における燃料の中性子フルエンスと無限中性子増倍率との関係を説明するグラフを示す。横軸が、中性子束を時間で積分した中性子フルエンスであり、縦軸が無限中性子増倍率ｋｉｎｆである。中性子フルエンスは、たとえば燃料の燃焼度に対応する量である。本実施の形態においては劣化ウランを燃料としている。劣化ウランは、たとえば、約９９．８％のウラン２３８と、約０．２％のウラン２３５とを含む。ウラン２３８は、中性子を吸収することにより次の数１のように核変換する。ウラン２３８は、プルトニウム２３９に変換される。
【数１】
【００３８】
中性子フルエンスが零の近傍では、ウラン２３８が中性子を吸収してプルトニウム２３９が生成されることにより、無限中性子増倍率が上昇する。所定の中性子フルエンスに達すると、プルトニウム２３９等の存在量のウラン２３８の存在量に対する比が一定に近づき、更に核分裂生成物（ＦＰ）が蓄積して、無限中性子増倍率が徐々に減少する。このように、本実施の形態における燃料は、燃焼の初期において無限中性子増倍率が増加し、その後に徐々に無限中性子増倍率が減少する特性を有する。
【００３９】
また、劣化ウランの未臨界度は大きいために、炉心の一部分を臨界以上にするためには、多くの中性子をウラン２３８に吸収させる必要がある。本実施の形態においては、このような条件を満たすように炉心の大きさを選定するとともに燃料集合体や燃料棒を設計している。
【００４０】
上記のような炉心の構成を採用することにより、ＣＡＮＤＬＥ燃焼を実施することができる。すなわち、炉心の径方向の全体にわたって出力が生じ、炉心の軸方向の一部の領域において燃焼部が生成される炉心を形成することができる。
【００４１】
図７に、炉心高さを無限大にして燃焼を行なっているときの無限中性子増倍率のグラフを示す。横軸が炉心高さであり、縦軸が燃料の無限中性子増倍率を示している。本実施の形態においては、矢印１０１に示すように、燃焼部が新燃料部に向かって移動する。燃焼部は、無限中性子増倍率が１を超える領域を含む。実際の原子炉の炉心の高さは有限であり、この場合には、炉心の端部での無限中性子増倍率は、図７に示すグラフから僅かにずれる場合がある。
【００４２】
図８に、本実施の形態における炉心の燃焼が進行する状態および燃料取り換えを説明するグラフを示す。図８には、第ｎサイクルの炉心の初期および末期のグラフと、第（ｎ＋１）サイクルの炉心の初期および末期のグラフが示されている。それぞれのグラフにおいては、炉心軸における出力密度、ウラン２３８の数密度および核分裂生成物の数密度が示されている。
【００４３】
図７および図８を参照して、出力密度の最大点は、矢印１０１に示すように、新燃料部１１が配置されている炉心下部に向けて移動する。本実施の形態における燃焼は、炉心の上端から下端に向かう方向に移動する。燃焼部が移動していく速度、すなわち、出力密度の最大点が移動する速度は、例えば、１年間に数ｃｍである。このように、ゆっくりと燃焼部が移動する。ウラン２３８の数密度は、核変換されることにより燃焼部の下流側で小さくなる。また、核分裂生成物の数密度は、核分裂が生じることにより燃焼部の下流側で大きくなる。本実施の形態においては、燃焼部が、炉心のほぼ下端に達したときに燃焼を終了している。
【００４４】
第ｎサイクルが終了すると燃焼が進んだ部分の一部の燃料を取り出す。第（ｎ＋１）サイクルの初期の炉心では、矢印１１７に示すように、第ｎサイクルにおいて炉心の下部に配置されている燃焼部を炉心の上部に配置して、燃焼を開始する部分として使用する。第（ｎ＋１）サイクルの炉心においては、炉心の下部に新たな新燃料部１１を配置する。このような燃料交換を行なうことにより、第（ｎ＋１）サイクルの炉心においても、第ｎサイクルの炉心と同様の燃焼を行なうことができる。
【００４５】
図９に、本実施の形態における炉心の概略部分断面図を示す。本実施の形態における炉心１０は、バッフル板３４の内部に配置されている。燃料集合体２１は、長手方向が炉心１０の軸方向とほぼ平行になるように配置されている。炉心１０の下端部には、集合体下端支持部材３２が配置されている。燃料集合体２１の下端は、集合体下端支持部材３２に固定されている。集合体下端支持部材３２は、燃料集合体２１を固定すればよいために、構造材として優れた材質を採用することができる。炉心１０の上端部には、集合体上端支持部材３３が配置されている。集合体上端支持部材３３は、燃料集合体２１の上端を移動可能に支持するように形成されている。燃料集合体２１の上端は、外側に向かって移動可能なように集合体上端支持部材３３に支持されている。
【００４６】
本実施の形態における炉心１０は、複数の燃料集合体２１同士を互いに支持する間隔調整部材としての間隔調整板３１を備える。間隔調整板３１は、複数の支持格子２５ａ，２５ｂのうち、支持格子２５ａの部分に配置されている（図３参照）。間隔調整板３１が配置されていない部分においては、互いに隣り合う燃料集合体２１の支持格子２５ｂ同士の間には隙間が形成されている。
【００４７】
図１０に、本実施の形態における間隔調整板の概略平面図を示す。図９および図１０を参照して、間隔調整板３１は、燃料集合体２１が挿入される穴部３１ａを有する。間隔調整板３１の穴部３１ａは、燃料集合体２１の支持格子２５ａに嵌合するように形成されている。本実施の形態における間隔調整板３１は、炉心１０に含まれる全ての燃料集合体２１を支持するように形成されている。穴部３１ａに、燃料集合体２１の支持格子２５ａが配置されることにより、隣り合う燃料集合体２１同士を互いに拘束することができる。複数の燃料集合体２１同士の間隔が定められる。
【００４８】
本実施の形態における間隔調整板３１は、温度が上昇すると膨張する材質により形成されている。間隔調整板３１は、熱膨張率が大きな材質にて形成されている。また、本実施の形態における間隔調整板３１は、集合体下端支持部材３２よりも熱膨張率の大きな材質にて形成されている。熱膨張率の大きな材質としては、ステンレス鋼を例示することができ、たとえばステンレス鋼のうちＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６（日本工業規格（ＪＩＳ）に基づく）を採用することができる。
【００４９】
図９には、炉心の概略図に加えて、炉心の軸方向の出力密度および冷却材温度が示されている。実線により運転サイクルの初期（ＢＯＣ）の状態が示されており、破線により運転サイクルの末期（ＥＯＣ）の状態が示されている。出力密度の分布および冷却材温度の分布は、運転サイクルの初期から末期にかけて、矢印１０１に示すように、炉心の下端に向かって移動する。冷却材の温度は、炉心１０の下端から上端に向かうにつれて上昇している。
【００５０】
本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期に燃焼部の領域に配置されている。特に、本実施の形態においては、運転サイクルを通して燃焼部の領域に配置されている。すなわち、間隔調整板３１は、運転サイクルの初期においても末期においても、燃焼部の領域の内部に配置されている。間隔調整板３１は、運転サイクルの期間中を通して冷却材の温度が高くなる領域に配置されている。
【００５１】
更に、本実施の形態における間隔調整板３１は、炉心の軸方向において、運転サイクルの初期に出力密度がほぼ最大になる位置に配置されている。または、本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期において、炉心入口から炉心出口に向かう方向の冷却材の温度上昇が緩やかになった位置に配置されている。
【００５２】
図１１に、本実施の形態における炉心の他の概略部分断面図を示す。炉心１０においては、冷却材が間隔調整板３１に接触する。このため、冷却材の温度上昇に伴って、間隔調整板３１の温度も上昇する。間隔調整板３１は、温度が上昇すると矢印１２０に示すように、径方向の外側に向かって膨張する。
【００５３】
燃料集合体２１は、間隔調整板３１により拘束されている。また、本実施の形態の炉心１０は、燃料集合体２１の下端が集合体下端支持部材３２に固定されている。間隔調整板３１が膨張すると、矢印１２１に示すように、燃料集合体２１の上端が径方向の外側に向かう。それぞれの燃料集合体２１の上端の移動距離は、炉心軸（ｒ＝０）を中心として、径方向の外側に向かうにつれて徐々に大きくなる。
【００５４】
このように、冷却材の温度が上昇すると、それぞれの燃料集合体２１同士の間隔が大きくなるために中性子の漏れが多くなる。炉心１０の実効中性子増倍率を１未満にすることができて、炉心１０に印加される反応度を負にすることができる。すなわち、本実施の形態における炉心１０では、冷却材の温度が上昇したときには負の反応度が印加される。
【００５５】
また、冷却材の温度が下降したときには、それぞれの燃料集合体２１同士の間隔が小さくなるために中性子の漏れが少なくなる。炉心１０には正の反応度が印加される。このように、本実施の形態における炉心１０は、冷却材に関する温度係数を負にすることができる。
【００５６】
燃料の温度係数は、ドップラー効果等により容易に負になるが、その絶対値は小さい。本実施の形態における冷却材に関する温度係数は、絶対値の大きな負の値にすることができる。本実施の形態の冷却材に関する温度係数は、燃料の温度係数よりも非常に大きな負の値にすることができる。このために、他の構造材等の温度係数が正であっても、炉心全体の温度係数を容易に負にすることができる。
【００５７】
また、本実施の形態における炉心は、炉心の形状を変化させて冷却材に関する温度係数を小さくしているために、燃料集合体の本数が多い大型の炉心においても、冷却材に関する温度係数を負にすることができる。
【００５８】
図９を参照して、本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置されている。この構成により、出力や冷却材流量等が変化して冷却材の温度が変化したときに、冷却材の温度変化幅の大きな領域に間隔調整板３１を配置することができて、間隔調整板３１の膨張量を大きくすることができる。間隔調整板３１が膨張したときの燃料集合体２１同士の間隔を大きくすることができて、冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。
【００５９】
例えば、間隔調整板３１を炉心１０の下端の近傍に配置した場合には、運転サイクルの初期において間隔調整板３１が燃焼部の外側に配置される。炉心１０の下端の近傍では、核分裂による熱が冷却材に伝達されていないために、冷却材の温度変化幅が小さくなる。このために、間隔調整板３１を十分に膨張させることができない。本実施の形態のように、間隔調整板３１を燃焼部の領域に配置することにより、冷却材の温度が比較的高い領域に間隔調整板３１を配置することができる。この領域では、冷却材の温度変化幅が大きくなるために、間隔調整板３１を大きく膨張させることができる。冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。
【００６０】
また、間隔調整板３１を燃焼部の領域に配置することにより、冷却材の温度変化幅が大きくなるために、間隔調整板３１の体積が変化する速度が速くなる。冷却材の温度変化に応答性良く追従して、燃料集合体２１同士の間隔を大きくしたり小さくしたりすることができる。すなわち、冷却材の温度変化に対する反応度の応答速度を向上させることができる。
【００６１】
更に、本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期において冷却材温度が炉心出口の冷却材温度に近い値になる炉心の軸方向の位置に配置されている。冷却材温度は、主に燃焼部の出力密度が高くなる領域において、炉心入口から炉心出口に向けて大きく上昇する。図９を参照して、炉心は、炉心入口から炉心出口に向かって冷却材の温度が上昇する高上昇率領域１３１と、高上昇率領域１３１よりも温度の上昇率が小さくなる低上昇率領域１３２とを有する。低上昇率領域１３２は、高上昇率領域１３１よりも下流に配置される。図９には、運転サイクルの初期の高上昇率領域１３１および低上昇率領域１３２が示されている。本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期において冷却材の温度上昇が緩やかになる低上昇率領域１３２に配置されている。この構成を採用することにより、運転サイクルの初期から末期にかけて、間隔調整板３１を低上昇率領域１３２内に配置することができる。運転サイクルの期間中に燃焼部が移動しても、間隔調整板３１における冷却材温度があまり変化せず、膨張量も変化しない。このため、燃料の燃焼に伴う実効中性子増倍率の変化を抑制することができて、理想的なＣＡＮＤＬＥ燃焼を実現できる。また、燃料の燃焼に伴う冷却材に関する温度係数の変化を小さくすることができる。
【００６２】
更に、間隔調整板３１は、冷却材温度が炉心出口の冷却材温度に近い値になる範囲のうち、燃料集合体２１同士の間隔が不変の集合体下端支持部材３２に近い位置に配置することが好ましい。本実施の形態においては、炉心入口に近い位置に配置することが好ましい。たとえば、間隔調整板３１は、運転サイクルの初期において低上昇率領域１３２の炉心入口側の端部に配置されることが好ましい。この構成により、間隔調整板３１が膨張したときに燃料集合体同士の間隔を大きくすることができて、冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。なお、間隔調整板３１の位置は、この形態に限られず、たとえば、炉心出口に配置されていても構わない。
【００６３】
本実施の形態における炉心は、燃料集合体の下端が集合体下端支持部材により固定されているが、この形態に限られず、燃料集合体体の下端は、燃料集合体の上端と同様に、径方向に移動可能に支持されていても構わない。たとえば、集合体下端支持部材は、冷却材の温度に応じて熱膨張するように形成されていても構わない。燃料集合体の下端に配置される集合体下端支持部材は、間隔調整部材と同様の材質で形成されていても構わない。
【００６４】
本実施の形態において、間隔調整部材により間隔が調整される燃料体は燃料集合体を含むが、この形態に限られず、燃料体として燃料棒が採用されていても構わない。燃料棒を束にした燃料集合体が構成されておらずに、冷却材の流路が確保されるように燃料棒が直接的に間隔調整部材に支持されていても構わない。また、本実施の形態における間隔調整部材は、炉心に含まれる複数の燃料体のうち、全ての燃料体を支持するように形成されているが、この形態に限られず、一部の燃料体を支持するように形成されていても構わない。
【００６５】
本実施の形態における間隔調整部材は、板状に形成されている間隔調整板を含むが、この形態に限られず、間隔調整部材は、互いに隣り合う燃料体同士の距離を温度に応じて調整するように形成されていれば構わない。たとえば、間隔調整部材は、線状に形成されたワイヤ等の部材を含んでいても構わない。または、間隔調整部材は、燃料集合体に取り付けられた熱膨張する塊状の部材であっても構わない。たとえば、間隔調整部材は、支持格子の外面に取り付けられた直方体状の部材を含み、燃料集合体が炉心に装荷されたときに、隣り合う燃料集合体の直方体状の部材同士が接触するように形成することができる。
【００６６】
また、本実施の形態においては、炉心の軸方向の１箇所の位置に間隔調整板が配置されているが、この形態に限られず、複数の位置に間隔調整部材が配置されていても構わない。
【００６７】
本実施の形態における燃料は、炉心に装荷する新燃料として劣化ウランを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方を用いて、ＣＡＮＤＬＥ燃焼を達成することができる。または、ＣＡＮＤＬＥ燃焼を行なうことができる任意の高速中性子炉に、本発明を適用することができる。
【００６８】
本実施の形態においては、運転サイクルの初期において前サイクルの燃焼部を新燃料部の上側に配置したが、この形態に限られず、新燃料部は、炉心の軸方向のうち、燃焼部のいずれか一方の端部に配置することができる。さらには、燃焼部の両側に新燃料部が配置されていても構わない。
【００６９】
また、本実施の形態においては、運転サイクルの初期の燃焼を開始する部分は、前サイクルの運転サイクルの末期において、炉心の下部に配置されている燃料を使用しているが、この形態に限られず、運転サイクルの初期における燃焼を開始する部分は、中性子を自発的に発生するように形成されていれば構わない。たとえば、所定の濃度のプルトニウムや濃縮ウランなどを含む燃料が配置されていても構わない。更には、外部から中性子が供給されることにより、燃焼が開始されても構わない。
【００７０】
また、本実施の形態における炉心は、炉心の軸方向が鉛直方向と平行になっているが、この形態に限られず、炉心の軸方向は水平方向と平行になっていても構わない。すなわち、本実施の形態における炉心を横置きにしても構わない。
【００７１】
本実施の形態においては、発電設備に用いられる原子炉の炉心を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の設備の原子炉に本発明を適用することができる。たとえば、船舶等の動力源として本発明の原子炉を用いることができる。
【００７２】
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。
【符号の説明】
【００７３】
１ 原子炉
１０ 炉心
１１ 新燃料部
１２ 燃焼部
１３ 燃焼が進んだ部分
２１ 燃料集合体
２２ 燃料棒
２５ａ，２５ｂ 支持格子
３１ 間隔調整板
３１ａ 穴部
３２ 集合体下端支持部材
１３１ 高上昇率領域
１３２ 低上昇率領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉の炉心および原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉は、発電設備等に用いられている。原子炉は、高速中性子炉を含む。高速中性子炉は、主に高速中性子により核分裂性核種を核分裂させて出力を発生する原子炉であり、ナトリウム、鉛ビスマス合金等の重金属、またはガス等により炉心が冷却される。従来の技術の原子炉では、炉心全体で核分裂が生じるとともに出力が発生する。
【０００３】
原子炉の炉心の臨界の維持および出力の調整は、例えば制御棒によって行われる。制御棒は、中性子を吸収しやすい物質で形成されている。運転サイクルの初期には制御棒を炉心に挿入しておき、燃焼が進むとともに徐々に制御棒を引き抜くことにより、出力を維持しながら臨界状態を保っている。このように、原子炉の運転においては、原子炉の臨界を維持するための制御が必要である。運転サイクルの初期から運転サイクルの末期まで継続的に臨界の維持のための制御を行っている。
【０００４】
特許第３４６３１００号公報においては、運転サイクルで臨界を維持するための制御が不要な原子炉が開示されている。この原子炉は、ＣＡＮＤＬＥ（Constant Axial Shape of Neutron Flux, Nuclide Densities and Power Shape During Life of Energy Production）燃焼法と呼ばれる燃焼法を採用している。ＣＡＮＤＬＥ燃焼法では、炉心をおおよそ新燃料部、燃焼部、燃焼が進んだ部分に分けることができる。燃焼部は、燃焼とともに、出力に比例した速さで新燃料部に向かって移動する。ＣＡＮＤＬＥ燃焼では、一つの運転サイクルが終了した後、次の運転サイクルを行なうために燃料を交換する。燃料を交換するときには、炉心軸の方向において燃焼の進んだ燃料を取り出し、取り出した側の端部と反対側の端部に新燃料を装荷することができる。
【０００５】
ＣＡＮＤＬＥ燃焼法では、臨界調整を行なわなくてもよく、また、出力分布の調整をしなくても出力分布が、ほぼ一定に保たれる。このため、運転サイクルの初期から末期にわたって、制御棒の操作等のような炉心の反応度制御は行わなくても良いという特徴を有する。また反応度係数も変化せずに、燃焼とともに運転方法を変化させなくても良いという特徴を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４６３１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
原子炉の燃料の燃焼法としてＣＡＮＤＬＥ燃焼法を採用することにより、燃焼が進行しても炉心特性をほぼ一定にすることができて運転制御が簡単になり、事故の発生確率が低い原子炉を提供することができる。また、炉心に制御棒を配置しなくても良いために、運転期間中に制御棒が誤って引き抜かれるような事故の可能性が全くなくなる。また、燃料を取り出すときの燃焼度が高いことから、廃棄物の量を低減できる。
【０００８】
ＣＡＮＤＬＥ燃焼法では、第２サイクル以降の新燃料として、天然ウランまたは劣化ウランだけを用いて運転を行なうことができる。これらの燃料は、未臨界であることから輸送や貯蔵が容易になる。また、濃縮や再処理を行なわずに、ウランのおよそ４０％をエネルギーとして利用できることから、資源の有効利用ができる。また、第２サイクル以降の新燃料は、濃縮や再処理等が不要となることから、核拡散抵抗性が高いなどの特徴を有する。
【０００９】
ところで、原子炉の炉心の温度が上昇する事象が生じたときに、温度上昇が促進されるように設計されていると、炉心の温度が急激に上昇する虞がある。このために、原子炉の炉心は、温度が上昇する事象が生じたときに、自然に温度上昇が抑制される特性を有することが好ましい。特に、炉心内の燃料の温度や冷却材の温度が上昇したときには、負の反応度が印加されるように炉心が設計されることが好ましい。すなわち、炉心における燃料の温度係数および冷却材の温度係数は負であることが好ましい。
【００１０】
燃料の温度係数に関しては、温度が上昇したときに中性子吸収が増加するドップラー効果等により、比較的容易に燃料の温度係数を負にすることができる。一方で、高速中性子を用いて核分裂させる炉心では、冷却材の温度係数が正になりやすい特性を有する。冷却材の温度が上昇すると冷却材の密度が小さくなって中性子の減速効果が小さくなる。このために、主に高速中性子にて核分裂を行う原子炉では、核分裂が促進される傾向が生じる。たとえば、冷却材としてナトリウムを用いてプルトニウムを核分裂する原子炉においては、冷却材の温度係数が正になり易い。このように、高速中性子を用いて核分裂させる炉心においては、冷却材の温度が上昇したときに負の反応度が印加される炉心を設計することが難しいという問題があった。
【００１１】
本発明は、燃料の燃焼とともに燃焼部が新燃料部に向かって移動する炉心であって、冷却材の温度が上昇したときに炉心に印加される反応度が負になる炉心およびこの炉心を備え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】
【００１２】
本発明の原子炉の炉心は、新燃料が装荷されている新燃料部と、新燃料部の一方の側に配置され、中性子を発生して燃料が燃焼する燃焼部とを備え、新燃料は天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方のウランを含み、ウランが中性子を吸収して生成されたプルトニウムが核分裂することにより出力を発生し、運転サイクルの初期から末期にかけて、燃焼部がほぼ一定の形状を保ちながら新燃料部に向かう方向に移動する。原子炉の炉心は、燃料棒または燃料集合体を含む燃料体と、運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置され、複数の燃料体同士を互いに支持し、燃料体同士の間隔を定める間隔調整部材とを備える。間隔調整部材は、温度が上昇すると膨張する材質で形成されており、炉心の冷却材の温度が上昇したときに間隔調整部材が膨張し、燃料体同士の間隔が大きくなる。
【００１３】
上記発明においては、炉心入口から炉心出口に向かって冷却材の温度が上昇する高上昇率領域と、高上昇率領域よりも下流に配置され、高上昇率領域よりも温度の上昇率が小さくなる低上昇率領域とを有し、間隔調整部材は、運転サイクルの初期において低上昇率領域に配置されていることが好ましい。
【００１４】
上記発明においては、間隔調整部材は、穴部を有する間隔調整板を含み、複数の燃料体は、穴部に支持されている。
【００１５】
本発明の原子炉は、上述の炉心と、炉心が内部に配置されている原子炉容器とを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料の燃焼とともに燃焼部が新燃料部に向かって移動する炉心であって、冷却材の温度が上昇したときに炉心に印加される反応度が負になる炉心およびこの炉心を備える原子炉を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態における原子炉の概略図である。
【図２】実施の形態における炉心の４分の１の概略平面図である。
【図３】実施の形態における燃料集合体の概略斜視図である。
【図４】実施の形態における燃料棒の概略斜視図である。
【図５】実施の形態における炉心の燃料の燃焼状態を説明する概略図である。
【図６】実施の形態における燃料の中性子フルエンスに対する無限中性子増倍率の変化を説明するグラフである。
【図７】炉心高さと燃料の無限中性子増倍率との関係を説明するグラフである。
【図８】実施の形態における炉心の出力密度の変化および燃料の取換えを説明する図である。
【図９】実施の形態における炉心の概略部分断面図である。
【図１０】実施の形態における間隔調整部材の拡大概略平面図である。
【図１１】実施の形態における炉心の他の概略部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１から図１１を参照して、実施の形態における炉心および原子炉について説明する。本実施の形態における炉心は、主に高速中性子によりプルトニウムの核分裂を発生させる高速中性子炉である。本実施の形態における原子炉は、発電設備に配置されており、原子炉から流出する冷却材の熱を用いて発電を行なっている。
【００１９】
図１は、本実施の形態における原子炉の概略図である。本実施の形態における発電設備は、原子炉１を備える。原子炉１は、原子炉容器９を含む。原子炉１は、原子炉容器９の内部に配置されている炉心１０を含む。原子炉容器９の内部には、冷却材が流れている。本実施の形態における炉心１０の周りには、反射体が配置されていないが、この形態に限られず、炉心１０の周りに反射体が配置されていても構わない。
【００２０】
冷却材は、矢印１１２に示すように、原子炉容器９に流入して、炉心１０の内部を通過する。炉心１０の熱は、冷却材に伝達される。本実施の形態における原子炉１は、冷却材が炉心１０の下側から上側に向かって流れる。炉心１０から流出した冷却材は、矢印１１１に示すように原子炉容器９から流出する。
【００２１】
冷却材は、中性子の減速能力や中性子の吸収能力が小さな材料を用いることができる。本実施の形態においては、鉛−ビスマス冷却材が用いられている。本実施の形態においては、冷却材が反射体の機能を有する。原子炉の冷却材としては、鉛系冷却材（液体金属）の他に、ナトリウムを使用することができる。または、ヘリウム等のガス冷却材を用いることができる。また、鉛系冷却材としては、鉛−ビスマスの他に鉛のみや、同位体分離された鉛２０８を採用することができる。本実施の形態における炉心１０は、鉛直方向が炉心の軸方向に相当する。
【００２２】
図２に、本実施の形態における原子炉の炉心の概略平面図を示す。図２は、炉心の４分の１を示している。本実施の形態における炉心１０は、平面形状がほぼ正六角形状に形成されている。原子炉の炉心は、この形態に限られず、平面視したときに、ほぼ円形となる任意の形状または円形に形成することができる。
【００２３】
本実施の形態における炉心１０は、燃料体としての燃料集合体２１を含む。本実施の形態においては、複数の燃料集合体２１が規則的に配列されている。本実施の形態における複数の燃料集合体２１には、同一の新燃料が装荷されている。本実施の形態においては、新燃料として劣化ウランが装荷されている。
【００２４】
図３に、本実施の形態における燃料集合体の概略斜視図を示す。燃料集合体２１は、複数の燃料棒２２を含む。燃料棒２２は、長手方向の端部がノズル２７により支持されている。または、燃料棒２２は、燃料集合体２１の内部に配置され、ノズル２７に固定されている固定部材により支持されている。また、燃料棒２２は、複数の支持格子２５ａ，２５ｂにより支持されている。支持格子２５ａ，２５ｂは、燃料棒２２同士を互いに離して支持している。冷却材は、燃料棒２２同士の間を流れて燃料棒２２を冷却する。本実施の形態では支持格子により燃料棒同士の間の距離を保っているが、この形態に限られず、支持格子の代わりにワイヤースペーサー等を用いることができる。
【００２５】
図４に、本実施の形態における燃料棒の概略斜視図を示す。図４では、燃料の燃焼が上側から下側に向かって移動する燃料棒を示している。また、被覆材の一部を破断して示している。本実施の形態における燃料棒２２は、被覆材２３を含む。被覆材２３は、筒状に形成されている。被覆材２３は、たとえばステンレス鋼で形成されている。燃料棒２２は、燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃを含む。燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、被覆材２３の内部に配置されている。燃料棒２２は、栓２９により封止されている。燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、コイルスプリング２８により押圧されている。
【００２６】
図４に示す燃料棒は、運転サイクルの初期の状態を示している。複数の燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、新燃料を含む燃料ペレット２４ａ、燃焼途中の燃料ペレット２４ｂ、および燃焼が十分に進んだ燃料ペレット２４ｃの順に配置されている。新燃料を含む燃料ペレット２４ａの部分により、炉心の新燃料部が画定される。燃焼途中の燃料ペレット２４ｂの部分により、炉心の燃焼部が画定される。燃焼が進んだ燃料ペレット２４ｃの部分により、炉心の燃焼が進んだ部分が画定される。
【００２７】
このように、本実施の形態における燃料棒２２には、燃焼度が互いに異なる燃料ペレット２４ａ，２４ｂ，２４ｃが配置されている。一つの運転サイクルが終了した後には、たとえば、被覆材２３を剥ぎ取り、燃焼が進んだ部分の燃料ペレットとそれ以外の燃料ペレットとを分離する。次に、新たな被覆材の内部に、新燃料を含む燃料ペレットおよび回収された燃料ペレット等を配置することにより、次の運転サイクルのための燃料棒を形成することができる。
【００２８】
または、燃料ペレットの回収方法としては、それぞれの部分ごとに燃料棒を切断した後に、被覆材２３を剥ぎ取っても構わない。この方法によっても、燃焼部および燃焼が進んだ部分に配置されていた燃料ペレットを回収することができる。
【００２９】
図２から図４を参照して、本実施の形態における燃料集合体２１の新燃料部に配置される燃料ペレットは、劣化ウランを含む。本実施の形態における燃料は、金属燃料であるが、この形態に限られず、例えば、窒化物燃料等を用いることができる。
【００３０】
次に、本実施の形態における炉心の出力運転について説明する。本実施の形態においては、出力運転中に出力がほぼ一定に保たれる例について説明する。
【００３１】
図５に、本実施の形態における炉心の燃焼の進行状況を説明する模式図を示す。図５は、炉心を軸方向に沿って切断したときの概略断面図である。図５は、複数回の運転サイクルを行なった後の第ｎサイクルの初期（ＢＯＣ）の炉心と、第ｎサイクルの末期（ＥＯＣ）の炉心とを示している。また、同一のサイクル長さおよび同一の燃料取替え方法で複数サイクル運転を行なった炉心を示している。径方向の位置ｒが零の軸が炉心軸である。
【００３２】
本実施の形態における原子炉の炉心１０は、運転サイクルの初期から末期にかけて燃焼部１２が、新燃料部１１に向けて移動する。すなわち、本実施の形態における炉心は、ＣＡＮＤＬＥ燃焼を行なう。燃焼部１２の移動する速度は、凡そ出力密度に比例し、燃料原子数密度に反比例する。
【００３３】
本実施の形態における炉心の出力密度は、炉心の中央において高くなる。炉心の外周においては、中性子の漏れが多くなるために、径方向の外側に向かうほど出力密度が小さくなる。このため、燃焼部の軸方向の位置は、径方向の外側に向かうほど遅れた位置に配置される。
【００３４】
本実施の形態における炉心１０は、新燃料部１１、燃焼部１２および燃焼が進んだ部分１３を含む。新燃料部１１は、新燃料が配置されている部分である。燃焼部１２は、自発的に中性子が発生し、燃料の燃焼が生じる部分である。燃焼部１２では、核分裂が発生することにより実質に出力が生じている。燃焼が進んだ部分１３は、燃焼が進んで、ほとんど出力を発生していない部分である。
【００３５】
第ｎサイクルの初期の炉心において、新燃料部１１は、炉心１０の下部に配置されている。燃焼部１２は、新燃料部１１の上側に配置されている。燃焼部１２には、前サイクルで既に燃焼が始まっていた燃料が配置されている。
【００３６】
本実施の形態においては、運転サイクルの初期に配置された燃焼部１２は、燃焼を開始する部分になる。燃焼部１２から燃料の燃焼が開始され、矢印１０１に示すように、新燃料部１１に向かう方向に燃焼が進行する。第ｎサイクルの燃焼が進行して運転サイクルの末期になった場合には、燃焼部１２が炉心１０の下端まで進行する。本実施の形態においては、新燃料部１１がほとんどなくなるまで燃焼を継続している。運転サイクルの末期では、新燃料部１１が残っていても構わない。
【００３７】
図６に、本実施の形態における燃料の中性子フルエンスと無限中性子増倍率との関係を説明するグラフを示す。横軸が、中性子束を時間で積分した中性子フルエンスであり、縦軸が無限中性子増倍率ｋｉｎｆである。中性子フルエンスは、たとえば燃料の燃焼度に対応する量である。本実施の形態においては劣化ウランを燃料としている。劣化ウランは、たとえば、約９９．８％のウラン２３８と、約０．２％のウラン２３５とを含む。ウラン２３８は、中性子を吸収することにより次の数１のように核変換する。ウラン２３８は、プルトニウム２３９に変換される。
【数１】
【００３８】
中性子フルエンスが零の近傍では、ウラン２３８が中性子を吸収してプルトニウム２３９が生成されることにより、無限中性子増倍率が上昇する。所定の中性子フルエンスに達すると、プルトニウム２３９等の存在量のウラン２３８の存在量に対する比が一定に近づき、更に核分裂生成物（ＦＰ）が蓄積して、無限中性子増倍率が徐々に減少する。このように、本実施の形態における燃料は、燃焼の初期において無限中性子増倍率が増加し、その後に徐々に無限中性子増倍率が減少する特性を有する。
【００３９】
また、劣化ウランの未臨界度は大きいために、炉心の一部分を臨界以上にするためには、多くの中性子をウラン２３８に吸収させる必要がある。本実施の形態においては、このような条件を満たすように炉心の大きさを選定するとともに燃料集合体や燃料棒を設計している。
【００４０】
上記のような炉心の構成を採用することにより、ＣＡＮＤＬＥ燃焼を実施することができる。すなわち、炉心の径方向の全体にわたって出力が生じ、炉心の軸方向の一部の領域において燃焼部が生成される炉心を形成することができる。
【００４１】
図７に、炉心高さを無限大にして燃焼を行なっているときの無限中性子増倍率のグラフを示す。横軸が炉心高さであり、縦軸が燃料の無限中性子増倍率を示している。本実施の形態においては、矢印１０１に示すように、燃焼部が新燃料部に向かって移動する。燃焼部は、無限中性子増倍率が１を超える領域を含む。実際の原子炉の炉心の高さは有限であり、この場合には、炉心の端部での無限中性子増倍率は、図７に示すグラフから僅かにずれる場合がある。
【００４２】
図８に、本実施の形態における炉心の燃焼が進行する状態および燃料取り換えを説明するグラフを示す。図８には、第ｎサイクルの炉心の初期および末期のグラフと、第（ｎ＋１）サイクルの炉心の初期および末期のグラフが示されている。それぞれのグラフにおいては、炉心軸における出力密度、ウラン２３８の数密度および核分裂生成物の数密度が示されている。
【００４３】
図７および図８を参照して、出力密度の最大点は、矢印１０１に示すように、新燃料部１１が配置されている炉心下部に向けて移動する。本実施の形態における燃焼は、炉心の上端から下端に向かう方向に移動する。燃焼部が移動していく速度、すなわち、出力密度の最大点が移動する速度は、例えば、１年間に数ｃｍである。このように、ゆっくりと燃焼部が移動する。ウラン２３８の数密度は、核変換されることにより燃焼部の下流側で小さくなる。また、核分裂生成物の数密度は、核分裂が生じることにより燃焼部の下流側で大きくなる。本実施の形態においては、燃焼部が、炉心のほぼ下端に達したときに燃焼を終了している。
【００４４】
第ｎサイクルが終了すると燃焼が進んだ部分の一部の燃料を取り出す。第（ｎ＋１）サイクルの初期の炉心では、矢印１１７に示すように、第ｎサイクルにおいて炉心の下部に配置されている燃焼部を炉心の上部に配置して、燃焼を開始する部分として使用する。第（ｎ＋１）サイクルの炉心においては、炉心の下部に新たな新燃料部１１を配置する。このような燃料交換を行なうことにより、第（ｎ＋１）サイクルの炉心においても、第ｎサイクルの炉心と同様の燃焼を行なうことができる。
【００４５】
図９に、本実施の形態における炉心の概略部分断面図を示す。本実施の形態における炉心１０は、バッフル板３４の内部に配置されている。燃料集合体２１は、長手方向が炉心１０の軸方向とほぼ平行になるように配置されている。炉心１０の下端部には、集合体下端支持部材３２が配置されている。燃料集合体２１の下端は、集合体下端支持部材３２に固定されている。集合体下端支持部材３２は、燃料集合体２１を固定すればよいために、構造材として優れた材質を採用することができる。炉心１０の上端部には、集合体上端支持部材３３が配置されている。集合体上端支持部材３３は、燃料集合体２１の上端を移動可能に支持するように形成されている。燃料集合体２１の上端は、外側に向かって移動可能なように集合体上端支持部材３３に支持されている。
【００４６】
本実施の形態における炉心１０は、複数の燃料集合体２１同士を互いに支持する間隔調整部材としての間隔調整板３１を備える。間隔調整板３１は、複数の支持格子２５ａ，２５ｂのうち、支持格子２５ａの部分に配置されている（図３参照）。間隔調整板３１が配置されていない部分においては、互いに隣り合う燃料集合体２１の支持格子２５ｂ同士の間には隙間が形成されている。
【００４７】
図１０に、本実施の形態における間隔調整板の概略平面図を示す。図９および図１０を参照して、間隔調整板３１は、燃料集合体２１が挿入される穴部３１ａを有する。間隔調整板３１の穴部３１ａは、燃料集合体２１の支持格子２５ａに嵌合するように形成されている。本実施の形態における間隔調整板３１は、炉心１０に含まれる全ての燃料集合体２１を支持するように形成されている。穴部３１ａに、燃料集合体２１の支持格子２５ａが配置されることにより、隣り合う燃料集合体２１同士を互いに拘束することができる。複数の燃料集合体２１同士の間隔が定められる。
【００４８】
本実施の形態における間隔調整板３１は、温度が上昇すると膨張する材質により形成されている。間隔調整板３１は、熱膨張率が大きな材質にて形成されている。また、本実施の形態における間隔調整板３１は、集合体下端支持部材３２よりも熱膨張率の大きな材質にて形成されている。熱膨張率の大きな材質としては、ステンレス鋼を例示することができ、たとえばステンレス鋼のうちＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６（日本工業規格（ＪＩＳ）に基づく）を採用することができる。
【００４９】
図９には、炉心の概略図に加えて、炉心の軸方向の出力密度および冷却材温度が示されている。実線により運転サイクルの初期（ＢＯＣ）の状態が示されており、破線により運転サイクルの末期（ＥＯＣ）の状態が示されている。出力密度の分布および冷却材温度の分布は、運転サイクルの初期から末期にかけて、矢印１０１に示すように、炉心の下端に向かって移動する。冷却材の温度は、炉心１０の下端から上端に向かうにつれて上昇している。
【００５０】
本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期に燃焼部の領域に配置されている。特に、本実施の形態においては、運転サイクルを通して燃焼部の領域に配置されている。すなわち、間隔調整板３１は、運転サイクルの初期においても末期においても、燃焼部の領域の内部に配置されている。間隔調整板３１は、運転サイクルの期間中を通して冷却材の温度が高くなる領域に配置されている。
【００５１】
更に、本実施の形態における間隔調整板３１は、炉心の軸方向において、運転サイクルの初期に出力密度がほぼ最大になる位置に配置されている。または、本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期において、炉心入口から炉心出口に向かう方向の冷却材の温度上昇が緩やかになった位置に配置されている。
【００５２】
図１１に、本実施の形態における炉心の他の概略部分断面図を示す。炉心１０においては、冷却材が間隔調整板３１に接触する。このため、冷却材の温度上昇に伴って、間隔調整板３１の温度も上昇する。間隔調整板３１は、温度が上昇すると矢印１２０に示すように、径方向の外側に向かって膨張する。
【００５３】
燃料集合体２１は、間隔調整板３１により拘束されている。また、本実施の形態の炉心１０は、燃料集合体２１の下端が集合体下端支持部材３２に固定されている。間隔調整板３１が膨張すると、矢印１２１に示すように、燃料集合体２１の上端が径方向の外側に向かう。それぞれの燃料集合体２１の上端の移動距離は、炉心軸（ｒ＝０）を中心として、径方向の外側に向かうにつれて徐々に大きくなる。
【００５４】
このように、冷却材の温度が上昇すると、それぞれの燃料集合体２１同士の間隔が大きくなるために中性子の漏れが多くなる。炉心１０の実効中性子増倍率を１未満にすることができて、炉心１０に印加される反応度を負にすることができる。すなわち、本実施の形態における炉心１０では、冷却材の温度が上昇したときには負の反応度が印加される。
【００５５】
また、冷却材の温度が下降したときには、それぞれの燃料集合体２１同士の間隔が小さくなるために中性子の漏れが少なくなる。炉心１０には正の反応度が印加される。このように、本実施の形態における炉心１０は、冷却材に関する温度係数を負にすることができる。
【００５６】
燃料の温度係数は、ドップラー効果等により容易に負になるが、その絶対値は小さい。本実施の形態における冷却材に関する温度係数は、絶対値の大きな負の値にすることができる。本実施の形態の冷却材に関する温度係数は、燃料の温度係数よりも非常に大きな負の値にすることができる。このために、他の構造材等の温度係数が正であっても、炉心全体の温度係数を容易に負にすることができる。
【００５７】
また、本実施の形態における炉心は、炉心の形状を変化させて冷却材に関する温度係数を小さくしているために、燃料集合体の本数が多い大型の炉心においても、冷却材に関する温度係数を負にすることができる。
【００５８】
図９を参照して、本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置されている。この構成により、出力や冷却材流量等が変化して冷却材の温度が変化したときに、冷却材の温度変化幅の大きな領域に間隔調整板３１を配置することができて、間隔調整板３１の膨張量を大きくすることができる。間隔調整板３１が膨張したときの燃料集合体２１同士の間隔を大きくすることができて、冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。
【００５９】
例えば、間隔調整板３１を炉心１０の下端の近傍に配置した場合には、運転サイクルの初期において間隔調整板３１が燃焼部の外側に配置される。炉心１０の下端の近傍では、核分裂による熱が冷却材に伝達されていないために、冷却材の温度変化幅が小さくなる。このために、間隔調整板３１を十分に膨張させることができない。本実施の形態のように、間隔調整板３１を燃焼部の領域に配置することにより、冷却材の温度が比較的高い領域に間隔調整板３１を配置することができる。この領域では、冷却材の温度変化幅が大きくなるために、間隔調整板３１を大きく膨張させることができる。冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。
【００６０】
また、間隔調整板３１を燃焼部の領域に配置することにより、冷却材の温度変化幅が大きくなるために、間隔調整板３１の体積が変化する速度が速くなる。冷却材の温度変化に応答性良く追従して、燃料集合体２１同士の間隔を大きくしたり小さくしたりすることができる。すなわち、冷却材の温度変化に対する反応度の応答速度を向上させることができる。
【００６１】
更に、本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期において冷却材温度が炉心出口の冷却材温度に近い値になる炉心の軸方向の位置に配置されている。冷却材温度は、主に燃焼部の出力密度が高くなる領域において、炉心入口から炉心出口に向けて大きく上昇する。図９を参照して、炉心は、炉心入口から炉心出口に向かって冷却材の温度が上昇する高上昇率領域１３１と、高上昇率領域１３１よりも温度の上昇率が小さくなる低上昇率領域１３２とを有する。低上昇率領域１３２は、高上昇率領域１３１よりも下流に配置される。図９には、運転サイクルの初期の高上昇率領域１３１および低上昇率領域１３２が示されている。本実施の形態における間隔調整板３１は、運転サイクルの初期において冷却材の温度上昇が緩やかになる低上昇率領域１３２に配置されている。この構成を採用することにより、運転サイクルの初期から末期にかけて、間隔調整板３１を低上昇率領域１３２内に配置することができる。運転サイクルの期間中に燃焼部が移動しても、間隔調整板３１における冷却材温度があまり変化せず、膨張量も変化しない。このため、燃料の燃焼に伴う実効中性子増倍率の変化を抑制することができて、理想的なＣＡＮＤＬＥ燃焼を実現できる。また、燃料の燃焼に伴う冷却材に関する温度係数の変化を小さくすることができる。
【００６２】
更に、間隔調整板３１は、冷却材温度が炉心出口の冷却材温度に近い値になる範囲のうち、燃料集合体２１同士の間隔が不変の集合体下端支持部材３２に近い位置に配置することが好ましい。本実施の形態においては、炉心入口に近い位置に配置することが好ましい。たとえば、間隔調整板３１は、運転サイクルの初期において低上昇率領域１３２の炉心入口側の端部に配置されることが好ましい。この構成により、間隔調整板３１が膨張したときに燃料集合体同士の間隔を大きくすることができて、冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。なお、間隔調整板３１の位置は、この形態に限られず、たとえば、炉心出口に配置されていても構わない。
【００６３】
本実施の形態における炉心は、燃料集合体の下端が集合体下端支持部材により固定されているが、この形態に限られず、燃料集合体体の下端は、燃料集合体の上端と同様に、径方向に移動可能に支持されていても構わない。たとえば、集合体下端支持部材は、冷却材の温度に応じて熱膨張するように形成されていても構わない。燃料集合体の下端に配置される集合体下端支持部材は、間隔調整部材と同様の材質で形成されていても構わない。
【００６４】
本実施の形態において、間隔調整部材により間隔が調整される燃料体は燃料集合体を含むが、この形態に限られず、燃料体として燃料棒が採用されていても構わない。燃料棒を束にした燃料集合体が構成されておらずに、冷却材の流路が確保されるように燃料棒が直接的に間隔調整部材に支持されていても構わない。また、本実施の形態における間隔調整部材は、炉心に含まれる複数の燃料体のうち、全ての燃料体を支持するように形成されているが、この形態に限られず、一部の燃料体を支持するように形成されていても構わない。
【００６５】
本実施の形態における間隔調整部材は、板状に形成されている間隔調整板を含むが、この形態に限られず、間隔調整部材は、互いに隣り合う燃料体同士の距離を温度に応じて調整するように形成されていれば構わない。たとえば、間隔調整部材は、線状に形成されたワイヤ等の部材を含んでいても構わない。または、間隔調整部材は、燃料集合体に取り付けられた熱膨張する塊状の部材であっても構わない。たとえば、間隔調整部材は、支持格子の外面に取り付けられた直方体状の部材を含み、燃料集合体が炉心に装荷されたときに、隣り合う燃料集合体の直方体状の部材同士が接触するように形成することができる。
【００６６】
また、本実施の形態においては、炉心の軸方向の１箇所の位置に間隔調整板が配置されているが、この形態に限られず、複数の位置に間隔調整部材が配置されていても構わない。
【００６７】
本実施の形態における燃料は、炉心に装荷する新燃料として劣化ウランを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方を用いて、ＣＡＮＤＬＥ燃焼を達成することができる。または、ＣＡＮＤＬＥ燃焼を行なうことができる任意の高速中性子炉に、本発明を適用することができる。
【００６８】
本実施の形態においては、運転サイクルの初期において前サイクルの燃焼部を新燃料部の上側に配置したが、この形態に限られず、新燃料部は、炉心の軸方向のうち、燃焼部のいずれか一方の端部に配置することができる。さらには、燃焼部の両側に新燃料部が配置されていても構わない。
【００６９】
また、本実施の形態においては、運転サイクルの初期の燃焼を開始する部分は、前サイクルの運転サイクルの末期において、炉心の下部に配置されている燃料を使用しているが、この形態に限られず、運転サイクルの初期における燃焼を開始する部分は、中性子を自発的に発生するように形成されていれば構わない。たとえば、所定の濃度のプルトニウムや濃縮ウランなどを含む燃料が配置されていても構わない。更には、外部から中性子が供給されることにより、燃焼が開始されても構わない。
【００７０】
また、本実施の形態における炉心は、炉心の軸方向が鉛直方向と平行になっているが、この形態に限られず、炉心の軸方向は水平方向と平行になっていても構わない。すなわち、本実施の形態における炉心を横置きにしても構わない。
【００７１】
本実施の形態においては、発電設備に用いられる原子炉の炉心を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の設備の原子炉に本発明を適用することができる。たとえば、船舶等の動力源として本発明の原子炉を用いることができる。
【００７２】
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。
【符号の説明】
【００７３】
１ 原子炉
１０ 炉心
１１ 新燃料部
１２ 燃焼部
１３ 燃焼が進んだ部分
２１ 燃料集合体
２２ 燃料棒
２５ａ，２５ｂ 支持格子
３１ 間隔調整板
３１ａ 穴部
３２ 集合体下端支持部材
１３１ 高上昇率領域
１３２ 低上昇率領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
新燃料が装荷されている新燃料部と、新燃料部の一方の側に配置され、中性子を発生して燃料が燃焼する燃焼部とを備え、新燃料は天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方のウランを含み、ウランが中性子を吸収して生成されたプルトニウムが核分裂することにより出力を発生し、運転サイクルの初期から末期にかけて、燃焼部がほぼ一定の形状を保ちながら新燃料部に向かう方向に移動する原子炉の炉心であって、
燃料棒または燃料集合体を含む燃料体と、
運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置され、複数の燃料体同士を互いに支持し、燃料体同士の間隔を定める間隔調整部材とを備え、
間隔調整部材は、温度が上昇すると膨張する材質で形成されており、
炉心の冷却材の温度が上昇したときに間隔調整部材が膨張し、燃料体同士の間隔が大きくなることを特徴とする、原子炉の炉心。
【請求項２】
炉心入口から炉心出口に向かって冷却材の温度が上昇する高上昇率領域と、高上昇率領域よりも下流に配置され、高上昇率領域よりも温度の上昇率が小さくなる低上昇率領域とを有し、
間隔調整部材は、運転サイクルの初期において低上昇率領域に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の原子炉の炉心。
【請求項３】
間隔調整部材は、穴部を有する間隔調整板を含み、
複数の燃料体は、穴部に支持されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の原子炉の炉心。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の原子炉の炉心と、
炉心が内部に配置されている原子炉容器とを備える、原子炉。
【請求項１】
新燃料が装荷されている新燃料部と、新燃料部の一方の側に配置され、中性子を発生して燃料が燃焼する燃焼部とを備え、新燃料は天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方のウランを含み、ウランが中性子を吸収して生成されたプルトニウムが核分裂することにより出力を発生し、運転サイクルの初期から末期にかけて、燃焼部がほぼ一定の形状を保ちながら新燃料部に向かう方向に移動する原子炉の炉心であって、
燃料棒または燃料集合体を含む燃料体と、
運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置され、複数の燃料体同士を互いに支持し、燃料体同士の間隔を定める間隔調整部材とを備え、
間隔調整部材は、温度が上昇すると膨張する材質で形成されており、
炉心の冷却材の温度が上昇したときに間隔調整部材が膨張し、燃料体同士の間隔が大きくなることを特徴とする、原子炉の炉心。
【請求項２】
炉心入口から炉心出口に向かって冷却材の温度が上昇する高上昇率領域と、高上昇率領域よりも下流に配置され、高上昇率領域よりも温度の上昇率が小さくなる低上昇率領域とを有し、
間隔調整部材は、運転サイクルの初期において低上昇率領域に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の原子炉の炉心。
【請求項３】
間隔調整部材は、穴部を有する間隔調整板を含み、
複数の燃料体は、穴部に支持されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の原子炉の炉心。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の原子炉の炉心と、
炉心が内部に配置されている原子炉容器とを備える、原子炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１６７９５３（Ｐ２０１２−１６７９５３Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７４８３（Ｐ２０１１−２７４８３）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
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