高速炉の炉心
【目的】 本発明の目的は、冷却材による炉心のボイド反応度を小さく抑えることにより、異常時に、炉心の正の反応度投入要因を低減することにより、安全性を向上しつつ、より大きな出力の炉心を得ることができる高速炉の炉心を提供することにある。
【構成】 本発明に係る高速炉の炉心20は、核燃料物質を充填した燃料集合体21を装荷して形成した炉心領域22と、この燃料集合体21の間に挿入したボイド化集合体33とから成り、このボイド化集合体33は、容器本体56内部に下部開放容器46を収容し、この下部開放容器46の上部に気体を加圧封入したガスキャビティ容器42を配設し、このガスキャビティ容器42の開閉蓋45を所定温度にて開動作させる形状記憶合金で形成された伸縮金具38を具備して構成される。
【構成】 本発明に係る高速炉の炉心20は、核燃料物質を充填した燃料集合体21を装荷して形成した炉心領域22と、この燃料集合体21の間に挿入したボイド化集合体33とから成り、このボイド化集合体33は、容器本体56内部に下部開放容器46を収容し、この下部開放容器46の上部に気体を加圧封入したガスキャビティ容器42を配設し、このガスキャビティ容器42の開閉蓋45を所定温度にて開動作させる形状記憶合金で形成された伸縮金具38を具備して構成される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、液体金属を冷却する高速増殖炉の炉心に係り、特にその炉心構造を改良した高速増殖炉の炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】液体金属を冷却材とする高速増殖炉は、核燃料物質を充填した多数の燃料集合体を装荷して炉心を構成しており、主にナトリウムが燃料からの熱除去を行う冷却材として使用される。
【０００３】この高速増殖炉においては、何等かの原因により冷却材流量の減少が生じると、冷却材温度が上昇して冷却材密度が減少し、反応度が投入される。高速増殖炉の反応度は、原子炉の出力規模に依存し、小型炉では負になるが、中型炉や大型炉では正の反応度となり、冷却材密度の減少により、炉出力を上昇させるおそれがある。
【０００４】高速増殖炉は、通常冷却材であるナトリウムが蒸発してボイド化することはないが、万一の事故を想定し、ナトリウムがボイド化した場合でも、原子炉が安全に停止し、炉心の安全性が保たれる設計となっている。
【０００５】冷却材であるナトリウムがボイド化した時の原子炉の応答としては、炉心が小型の場合は、中性子の炉心からの漏れが大きいため、上述したように、負の反応度となって炉心を安全に停止させることができる。
【０００６】これに対し、高速炉の炉心が大型になると、炉心からの中性子漏れが少なくなり、冷却材であるナトリウムがボイド化したときの反応度が正となる。この正の反応度状態のときに、炉心が安全に停止するか否かは、他の反応度要因を含めて詳細な解析を行って、炉心の安全性を確認する必要がある。
【０００７】冷却材であるナトリウムによる正の反応度は、炉心からの中性子漏れの増大や中性子スペクトルの軟化により低減できる。このため、従来から反応度を抑制して小さくするために、炉心内に中性子吸収物質を装荷したり、炉心高さを低くして偏平化を図って中性子漏れを増大させたり、あるいはベリリウムや水素化ジルコニウム等の中性子減速材を装荷して中性子スペクトルを軟化させる手段がとられてきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】冷却材であるナトリウムのボイド反応度を小さくできれば、炉心の安全性・信頼性がより一層向上し、原子炉の安全設計上非常に効果がある。
【０００９】ところが、高速炉のような原子力プラントにおいては、プラントの設計上、炉心安全性の見地から炉心出力を極度に小さく設計することは、発電コストの点で好ましくない。
【００１０】また、冷却材であるナトリウムが万一ボイド化した場合でも、炉心の反応度を負にするには、炉心出力を例えば100 ＭＷｅ程度の小型炉にしなければならず、この炉心出力を上廻るとナトリウムのボイド化反応度が正になるという課題が生じることになる。
【００１１】本発明は上記の点を考慮してなされたもので、冷却材による炉心のボイド反応度を小さく抑えることにより、冷却材の流量低下時、炉心の過出力時、炉心への気泡流入時等の異常の場合に、炉心の正の反応度投入要因を低減することにより、安全性を向上しつつ、より大きな出力の炉心を得ることができる高速炉の炉心を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明においては、核分裂性物質を充填した燃料集合体を複数本装荷して形成した炉心領域と、この炉心領域を構成する燃料集合体の間に挿入したボイド化集合体より形成されるボイド化領域とから成り、このボイド化領域を構成するボイド化集合体は、本体内部に下部開放容器を収容し、この下部開放容器内部の上部に気体を加圧封入したガスキャビティ容器を配設し、このガスキャビティ容器の開閉蓋を所定温度にて開動作させる形状記憶合金で形成された開放機構を具備して成ることを特徴とする高速炉の炉心を提供する。
【００１３】
【作用】このように構成された高速炉の炉心においては、核分裂性物質を充填した燃料集合体複数本間にボイド集合体が挿入される。このボイド化集合体は、本体内部に下部開放容器を収容し、この下部開放容器内部の上部に気体を加圧封入したガスキャビティ容器が配設される。このガスキャビティ容器に開閉蓋が設置されている。この開閉蓋は、所定温度にて開動作する形状記憶合金で形成された開放機構により開放される。この開放と同時に、前記の加圧封入気体が開封される。この開封された気体により、ボイド化集合体内の冷却材液面が押下げられる。この押下げられた冷却材液面が、前記炉心領域の上面よりも少なくとも下部に来るように調整されている。
【００１４】原子炉の冷却材が異常に減少した場合、ボイド化集合体の内部に流入する冷却材の流量も減少し、冷却材の温度が通常運転時の温度に比べ異常に上昇する。この温度上昇により、形状記憶合金から形成される開放機構が異常に加熱される。このような異常加熱により形状記憶合金から形成される開放機構が本来の記憶形状を回復し、この開放機構が開放動作を行う。この場合、ボイド化集合体内の冷却材液面より上部に、封入気体によるガスキャビティが形成される。このガスキャビティを介して、燃料集合体で発生した中性子は炉心上部に漏洩する。この中性子の漏洩により、炉心に負の反応度が投入される。このように炉心の正の反応度投入要因を低減することにより、安全性を向上しつつ、より大きな出力の炉心を得ることができる高速炉の炉心を提供できる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明に係る高速炉の炉心の一実施例について添付図面を参照して説明する。
【００１６】図１は、本発明に係る炉心構造を備えた高速増殖炉の一例を示す断面図である。高速増殖炉は、原子炉建屋１のキャビティウォール１の内に設けられた安全容器２を有し、この安全容器２内に原子炉容器３が収容され、二重の容器構造に構成される。
【００１７】原子炉容器３には、核燃料を装荷した炉心部４が収容される。炉心部４は、原子炉容器３内に満たされた液体金属冷却材であるナトリウム５中に浸漬状態で設置され、炉心支持構造物６により支持される。原子炉容器３内は、この炉心支持構造物６によって、上部プレナム７と下部プレナム８とに区画される。炉心部４の上方には、図示しない制御棒駆動機構等を収容した炉心上部機構10が設置される。一方、炉心部４の周囲には、一次冷却材と二次冷却材とを熱交換させる中間熱交換器11や一次冷却材を原子炉容器３内で強制循環させる循環ポンプ12が設置される。
【００１８】前記中間熱交換器11や循環ポンプ12は原子炉容器３の上部を覆う上部蓋13およびルーフスラブ14に吊設状態で支持される。ルーフスラブ14の中央部には回転プラグ14が回転自在に設けられ、この回転プラグ15の偏心位置に小回転プラグ16が回転自在に支持される。前記上部プレナム７の上方にはカバーガス空間17が形成される。この空間17内には不活性ガスであるカバーガスが充填される。
【００１９】図２は、本発明に係る高速炉の炉心の第１の実施例を示す炉心構成図である。図３は、図２に示す高速炉の炉心を示す横断面図である。高速炉の炉心部４は、図２に示す炉心構成の炉心20を備えている。この炉心20は核分裂性物質を充填した多数の燃料集合体21を多数装荷した炉心領域22を中央部に形成しており、この炉心領域22の外側には径方向23を環状に装荷した径ブランケット領域24が形成され、この径ブランケット領域24の外側に中性子遮蔽体25を装荷した中性子遮蔽領域26が形成される。
【００２０】炉心領域22に装荷された燃料集合体21の上部に親物質が装荷された上部軸ブランケット領域28が、その下部には下部軸ブランケット領域29がそれぞれ形成され、上部軸ブランケット領域28の上方にガスプレナム領域30が設けられる。下部軸ブランケット領域29の下方はガスプレナム領域あるいは中性子遮蔽領域31として構成される。また、炉心領域22の各燃料集合体21の間には、ボイド化集合体33が複数本装荷されている。さらに炉心領域22には制御棒52が水平方向に分散して配置されている。
【００２１】図４は、図２に示す高速炉の炉心の燃料集合体21とボイド化集合体33の関係を示す構造図である。なお、図中ＵＰは炉心上端位置（炉心領域の上面位置）、ＬＰは炉心下端位置をそれぞれ示す。燃料集合体21及びボイド化集合体33は、炉心支持板34の上部支持板35上に支持され、この上部支持板35と下部支持板36との間に高圧プレナム37が形成される。高圧プレナム37には、循環ポンプから吐出される一次冷却材であるナトリウム５が供給されるようになっている。
【００２２】前記ボイド化集合体33の容器本体56の内部には、下端に開口部を有する筒状の下部開放容器46が内蔵されている。この容器本体56及び下部開放容器46の内部には、冷却材流路40が形成される。この下部開放容器46の上部には、ガスキャビティ41が構成される。このガスキャビティ41は、ガスキャビティ容器42に収容されることにより形成される。このガスキャビティ容器42の内部には、加圧された封入気体が封入される。この封入気体は、アルゴン等の不活性ガスが適当であるが、特に制限はない。また、ガスキャビティ容器42には、フック39、39が設置される。このフック39は、その一方がガスキャビティ容器42に、もう一方が開閉蓋45に設置される。この開閉蓋45の周囲は、その肉厚がガスキャビティ容器42の肉盛より薄くなる様にＶ字形溝57を有している。前記フック39、39の間には、形状記憶合金から成る伸縮金具38が設置され、結合される。この形状記憶合金から成る伸縮金具38は、通常運転時の温度では記憶形状に回復しない合金から形成される。このため伸縮金具38は、本来の記憶形状に比べ伸長された状態でフック39、39の間を結合するように形成される。
【００２３】前記下部開放容器46の下部には、発熱物質47が設置される。発熱物質47は、中性子吸収あるいはガンマ線吸収により発熱する物質、例えば炭化硼素やタングステン、タンタル等の物質で形成される。発熱物質47は、冷却材と化学反応を起こさないように、必要に応じてステンレス鋼等の冷却材５と化学反応の小さい物質により被覆される。
【００２４】ボイド化集合体33の冷却材流路40は、容器本体56の脚部であるエントランスノズル部43に形成された冷却材連通孔44を介して高圧プレナム37に連通している。また、冷却材流路40は、ボイド化集合体33に形成された冷却材流出孔48により上部プレナム７に連通している。
【００２５】図５に示すように、ガスキャビティ容器42内の封入気体の圧力は、ガスキャビティ容器42内の封入気体が下部開放容器46の内部に開放された場合、下部開放容器46内の冷却材液面が、炉心領域22の上面（ＵＰ）よりも少なくとも下部に来るように設定される。またボイド化集合体33の冷却材連通孔44は、燃料集合体21の冷却材連通孔53に比べ、鉛直方向上部に形成される。次にこのような構成から成る本実施例の作用について説明する。
【００２６】高速増殖炉においては、冷却材であるナトリウムがボイド化する要因として、冷却材流量の減少によりナトリウム温度が上昇して沸騰する場合、炉心出力の異常な上昇即ち過出力が生じナトリウム温度が上昇して沸騰する場合又は炉心外で大量のカバーガス等の気体が冷却材に流入して炉心20に流れ込む場合が考えられる。
【００２７】通常運転時においては、冷却材５は高圧プレナム37からエントランスノズル部43に形成された冷却材連通孔44を介してボイド化集合体33の内部に流入する。ボイド化集合体33の内部に流入した冷却材５は、発熱物質47にて加熱された後、冷却材流路40の内部を上昇して伸縮金具38を加熱し、冷却材流出孔48から上部プレナム７へ流出する。
【００２８】これに対し、原子炉の冷却材流量が異常に減少した場合には、ボイド化集合体33の内部に流入する冷却材５の流量も同様に減少する。この結果、発熱物質47にて加熱される冷却材５の温度が、通常の運転温度に比べ異常に上昇する。異常に加熱された冷却材５は、冷却材流路40の内部を上昇して伸縮金具38を異常に加熱する。この伸縮金具38は、本来の記憶形状を回復し、通常運転時の長さに比べ短縮化される。この伸縮金具38が短縮化されると、その両端に結合されるフック39、39が相互に引き寄せられる。フック39の一方は、開閉蓋45に設置されているため、この開閉蓋45はガスキャビティ容器42の外側へと引張られる。この開閉蓋45の周囲はＶ字形溝57により形成され、ガスキャビティ容器42の他の部分に比べ構造強度が低下しているので、開閉蓋45の周囲のＶ字形溝57が切断され、開閉蓋45が開放される。この開放により、ガスキャビティ容器42内の封入気体が下部開放容器46の内部に開放される。このガスキャビティ容器42の封入気体は、図５に示すように、ガスキャビティ容器42内の封入気体が下部開放容器46の内部に開放された場合に、下部開放容器46内の冷却材液面が、炉心領域22の上面ＵＰよりも少なくとも下部に来るように設定されている。したがって、この場合、ボイド化集合体33の内部の下部開放容器46内の冷却材液面は、炉心領域22の上面ＵＰよりも少なくとも下部にくる。このようにして、冷却材流路40内の冷却材液面より上部には、封入気体によるボイド空間54が形成される。この結果、燃料集合体21で発生した中性子は、ボイド化集合体33の冷却材流路40内に形成されたボイド空間を介して炉心上部へ漏洩し、高速炉の炉心に負の反応度が投入される。
【００２９】また、原子炉の出力が異常に上昇した場合には、発熱物質47の発熱量が同様に上昇する。この結果、発熱物質47にて加熱される冷却材５の温度が、通常運転時の温度に比べ異常に上昇する。従って、この場合にも、前記の原子炉の冷却材流量が異常に減少した場合と全く同様の作用が得られる。
【００３０】更に、炉心外から流入した気体が冷却材５が混入して炉心に流入する場合には、冷却材５に混入して炉心に流入する気体は、冷却材に比べ比重が軽いため、上部支持板35の下部に蓄積される。一方、ボイド化集合体33の冷却材連通孔44は、燃料集合体21の冷却材連通孔53に比べ、鉛直方向上部に形成される。この結果、上部支持板35の下部に蓄積された気体は、燃料集合体21に流入する前にボイド化集合体33に流入する。このボイド化集合体33内に流入した気体は、冷却材に比べ比重が軽いため、下部開放容器46内の冷却材流路40の上部に蓄積される。即ち、この場合にも、冷却材流路40の上部に図５に示すようなボイド空間54が形成される。従って、前記の原子炉の冷却材流量が異常に減少した場合と全く同様の作用が得られる。
【００３１】なお、炉心領域22の各燃料集合体21間にボイド化集合体33を装荷することにより、燃料集合体21で生じた中性子がボイド化集合体33の軸方向上部のガスキャビティ41への漏洩を助長するため、このガスキャビティ41の上部に、中性子吸収体49を図４に示すように配置してもよい。また、発熱物質を、符号47に示す様に下部開放容器46内に設置する代りに、符号55のように、容器本体56の下部に設置することも可能である。このように本実施例によれば、高速炉の炉心のナトリウムボイド反応度は、ボイド化集合体のない炉心に比べて低減でき零または負にすることができる。
【００３２】例えば、炉心高さが60cm、炉心直径が約300cm の偏平炉心の場合、キャビティ集合体が無い場合の 365日燃焼後の炉心高さ部におけるナトリウムボイド反応度は約３ドルである。ボイド化集合体33を図３のように配置した場合の同一サイズの炉心でのナトリウムボイド反応度は、ボイド化集合体が上部軸ブランケット領域（厚35cm）30の高さから炉心中心高さまでボイド化し、燃料集合体21が炉心高さまでボイド化した場合には約−0.5 ドルとなる。ボイド化集合体33が上部軸ブランケット領域28の高さよりさらに30cm上部までボイド化し、燃料集合体21が炉心高さまでボイド化した場合には、−２ドルとなる。従って、冷却材の流量低下時、過出力時、炉心への気泡流入時等の異常時において、炉心の負の反応度が得られ、安全性が向上する。
【００３３】なお、万が一、燃料の溶融が生じ、炉心部の燃料が下方に落下するような事故が発生した場合でも、ボイド化集合体内の下部に配置した発熱物質が多くの中性子を吸収するため、燃料溶融後の体系を未臨界に維持することができ、事故の拡大防止に役立つ。
【００３４】次に、本発明の他の実施例を図６および図７R>７を参照して説明する。図６は、本発明に係る高速炉の炉心の第２の実施例を示す炉心構成図である。図７は、図６に示す高速炉の炉心を示す横断面図である。この実施例に示す高速炉の炉心は、図２及び図３に示した炉心構造に加えて多数の燃料集合体21を装荷して構成される炉心領域22の中央部にボイド化集合体33を複数本まとめて集中的に配置したものである。他の炉心構成は、図２及び図３に示すものと基本的には異ならないので、同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】図７に示す高速炉の炉心においては、炉心中心部に炉心軸方向にまとめて配置されるボイド化集合体33により、冷却材であるナトリウムのボイド時に、炉心中心方向への中性子漏洩効果が助長される構成となっている。
【００３６】さらに、ボイド化集合体33を偏平炉心の炉心領域22に配置される制御棒52に隣接して装荷したり、周方向に沿って環状に装荷することにより、制御棒52方向への中性子漏洩を積極的に利用することも考えられる。この際、図６に示すように燃料集合体21の上部ブランケット領域50と炉心領域22の中間にプレナム領域51を配置するか、または軸方向ブランケット領域50を削除すると、上部方向への漏洩した中性子がプレナム領域を通してより漏洩しやすくなる。
【００３７】なお、本発明の実施例では、炉心領域の各燃料集合体間にボイド化集合体を配置した例を示したが、ボイド化集合体の配置や、ボイド化集合体内の構成は上記の例に限られるものではない。ボイド化集合体の配置は冷却材であるナトリウムのボイド時にナトリウムボイド反応度が小さくなるように配置されればよく、その形状、構成は、上記作用を満足するように設定されていれば良い。また、本発明は大型炉のみならず、元来ボイド反応度が小さい小型炉においても、安全性向上効果が上記同様に得られる。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、冷却材による炉心の反応度を小さく抑えることにより、冷却材の流量低下時、炉心の過出力時、炉心への気泡流入時等の異常の場合に、炉心の正の反応度投入要因を低減することにより、安全性を向上しつつ、より大きな出力の炉心を得ることができる高速炉の炉心を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炉心を備えた高速炉の一実施例を示す縦断面図。
【図２】本発明に係る高速炉の炉心の第１実施例を示す炉心構成図。
【図３】図２に示す高速炉の炉心を示す横断面図。
【図４】図２に示す炉心の燃料集合体とボイド化集合体の関係を示す構成図。
【図５】図４に示すボイド化集合体のガスキャビティ容器の開放状態を示す構成図。
【図６】本発明に係る高速炉の炉心の第２実施例を示す炉心構成図。
【図７】図６に示す高速炉の炉心を示す横断面図。
【符号の説明】
５…ナトリウム 20…炉心
21…燃料集合体 22…炉心領域
24…径ブランケット領域 26…中性子遮蔽領域
28、50…上部軸ブランケット領域
29…下部軸ブランケット領域
30、51…ガスプレナム領域
31…ガスプレナム領域又は中性子遮蔽領域
33…ボイド化集合体 38…伸縮金具
40…冷却材流路 41…ガスキャビティ
42…ガスキャビティ容器 45…開閉蓋
46…下部開放容器 56…容器本体
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、液体金属を冷却する高速増殖炉の炉心に係り、特にその炉心構造を改良した高速増殖炉の炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】液体金属を冷却材とする高速増殖炉は、核燃料物質を充填した多数の燃料集合体を装荷して炉心を構成しており、主にナトリウムが燃料からの熱除去を行う冷却材として使用される。
【０００３】この高速増殖炉においては、何等かの原因により冷却材流量の減少が生じると、冷却材温度が上昇して冷却材密度が減少し、反応度が投入される。高速増殖炉の反応度は、原子炉の出力規模に依存し、小型炉では負になるが、中型炉や大型炉では正の反応度となり、冷却材密度の減少により、炉出力を上昇させるおそれがある。
【０００４】高速増殖炉は、通常冷却材であるナトリウムが蒸発してボイド化することはないが、万一の事故を想定し、ナトリウムがボイド化した場合でも、原子炉が安全に停止し、炉心の安全性が保たれる設計となっている。
【０００５】冷却材であるナトリウムがボイド化した時の原子炉の応答としては、炉心が小型の場合は、中性子の炉心からの漏れが大きいため、上述したように、負の反応度となって炉心を安全に停止させることができる。
【０００６】これに対し、高速炉の炉心が大型になると、炉心からの中性子漏れが少なくなり、冷却材であるナトリウムがボイド化したときの反応度が正となる。この正の反応度状態のときに、炉心が安全に停止するか否かは、他の反応度要因を含めて詳細な解析を行って、炉心の安全性を確認する必要がある。
【０００７】冷却材であるナトリウムによる正の反応度は、炉心からの中性子漏れの増大や中性子スペクトルの軟化により低減できる。このため、従来から反応度を抑制して小さくするために、炉心内に中性子吸収物質を装荷したり、炉心高さを低くして偏平化を図って中性子漏れを増大させたり、あるいはベリリウムや水素化ジルコニウム等の中性子減速材を装荷して中性子スペクトルを軟化させる手段がとられてきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】冷却材であるナトリウムのボイド反応度を小さくできれば、炉心の安全性・信頼性がより一層向上し、原子炉の安全設計上非常に効果がある。
【０００９】ところが、高速炉のような原子力プラントにおいては、プラントの設計上、炉心安全性の見地から炉心出力を極度に小さく設計することは、発電コストの点で好ましくない。
【００１０】また、冷却材であるナトリウムが万一ボイド化した場合でも、炉心の反応度を負にするには、炉心出力を例えば100 ＭＷｅ程度の小型炉にしなければならず、この炉心出力を上廻るとナトリウムのボイド化反応度が正になるという課題が生じることになる。
【００１１】本発明は上記の点を考慮してなされたもので、冷却材による炉心のボイド反応度を小さく抑えることにより、冷却材の流量低下時、炉心の過出力時、炉心への気泡流入時等の異常の場合に、炉心の正の反応度投入要因を低減することにより、安全性を向上しつつ、より大きな出力の炉心を得ることができる高速炉の炉心を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明においては、核分裂性物質を充填した燃料集合体を複数本装荷して形成した炉心領域と、この炉心領域を構成する燃料集合体の間に挿入したボイド化集合体より形成されるボイド化領域とから成り、このボイド化領域を構成するボイド化集合体は、本体内部に下部開放容器を収容し、この下部開放容器内部の上部に気体を加圧封入したガスキャビティ容器を配設し、このガスキャビティ容器の開閉蓋を所定温度にて開動作させる形状記憶合金で形成された開放機構を具備して成ることを特徴とする高速炉の炉心を提供する。
【００１３】
【作用】このように構成された高速炉の炉心においては、核分裂性物質を充填した燃料集合体複数本間にボイド集合体が挿入される。このボイド化集合体は、本体内部に下部開放容器を収容し、この下部開放容器内部の上部に気体を加圧封入したガスキャビティ容器が配設される。このガスキャビティ容器に開閉蓋が設置されている。この開閉蓋は、所定温度にて開動作する形状記憶合金で形成された開放機構により開放される。この開放と同時に、前記の加圧封入気体が開封される。この開封された気体により、ボイド化集合体内の冷却材液面が押下げられる。この押下げられた冷却材液面が、前記炉心領域の上面よりも少なくとも下部に来るように調整されている。
【００１４】原子炉の冷却材が異常に減少した場合、ボイド化集合体の内部に流入する冷却材の流量も減少し、冷却材の温度が通常運転時の温度に比べ異常に上昇する。この温度上昇により、形状記憶合金から形成される開放機構が異常に加熱される。このような異常加熱により形状記憶合金から形成される開放機構が本来の記憶形状を回復し、この開放機構が開放動作を行う。この場合、ボイド化集合体内の冷却材液面より上部に、封入気体によるガスキャビティが形成される。このガスキャビティを介して、燃料集合体で発生した中性子は炉心上部に漏洩する。この中性子の漏洩により、炉心に負の反応度が投入される。このように炉心の正の反応度投入要因を低減することにより、安全性を向上しつつ、より大きな出力の炉心を得ることができる高速炉の炉心を提供できる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明に係る高速炉の炉心の一実施例について添付図面を参照して説明する。
【００１６】図１は、本発明に係る炉心構造を備えた高速増殖炉の一例を示す断面図である。高速増殖炉は、原子炉建屋１のキャビティウォール１の内に設けられた安全容器２を有し、この安全容器２内に原子炉容器３が収容され、二重の容器構造に構成される。
【００１７】原子炉容器３には、核燃料を装荷した炉心部４が収容される。炉心部４は、原子炉容器３内に満たされた液体金属冷却材であるナトリウム５中に浸漬状態で設置され、炉心支持構造物６により支持される。原子炉容器３内は、この炉心支持構造物６によって、上部プレナム７と下部プレナム８とに区画される。炉心部４の上方には、図示しない制御棒駆動機構等を収容した炉心上部機構10が設置される。一方、炉心部４の周囲には、一次冷却材と二次冷却材とを熱交換させる中間熱交換器11や一次冷却材を原子炉容器３内で強制循環させる循環ポンプ12が設置される。
【００１８】前記中間熱交換器11や循環ポンプ12は原子炉容器３の上部を覆う上部蓋13およびルーフスラブ14に吊設状態で支持される。ルーフスラブ14の中央部には回転プラグ14が回転自在に設けられ、この回転プラグ15の偏心位置に小回転プラグ16が回転自在に支持される。前記上部プレナム７の上方にはカバーガス空間17が形成される。この空間17内には不活性ガスであるカバーガスが充填される。
【００１９】図２は、本発明に係る高速炉の炉心の第１の実施例を示す炉心構成図である。図３は、図２に示す高速炉の炉心を示す横断面図である。高速炉の炉心部４は、図２に示す炉心構成の炉心20を備えている。この炉心20は核分裂性物質を充填した多数の燃料集合体21を多数装荷した炉心領域22を中央部に形成しており、この炉心領域22の外側には径方向23を環状に装荷した径ブランケット領域24が形成され、この径ブランケット領域24の外側に中性子遮蔽体25を装荷した中性子遮蔽領域26が形成される。
【００２０】炉心領域22に装荷された燃料集合体21の上部に親物質が装荷された上部軸ブランケット領域28が、その下部には下部軸ブランケット領域29がそれぞれ形成され、上部軸ブランケット領域28の上方にガスプレナム領域30が設けられる。下部軸ブランケット領域29の下方はガスプレナム領域あるいは中性子遮蔽領域31として構成される。また、炉心領域22の各燃料集合体21の間には、ボイド化集合体33が複数本装荷されている。さらに炉心領域22には制御棒52が水平方向に分散して配置されている。
【００２１】図４は、図２に示す高速炉の炉心の燃料集合体21とボイド化集合体33の関係を示す構造図である。なお、図中ＵＰは炉心上端位置（炉心領域の上面位置）、ＬＰは炉心下端位置をそれぞれ示す。燃料集合体21及びボイド化集合体33は、炉心支持板34の上部支持板35上に支持され、この上部支持板35と下部支持板36との間に高圧プレナム37が形成される。高圧プレナム37には、循環ポンプから吐出される一次冷却材であるナトリウム５が供給されるようになっている。
【００２２】前記ボイド化集合体33の容器本体56の内部には、下端に開口部を有する筒状の下部開放容器46が内蔵されている。この容器本体56及び下部開放容器46の内部には、冷却材流路40が形成される。この下部開放容器46の上部には、ガスキャビティ41が構成される。このガスキャビティ41は、ガスキャビティ容器42に収容されることにより形成される。このガスキャビティ容器42の内部には、加圧された封入気体が封入される。この封入気体は、アルゴン等の不活性ガスが適当であるが、特に制限はない。また、ガスキャビティ容器42には、フック39、39が設置される。このフック39は、その一方がガスキャビティ容器42に、もう一方が開閉蓋45に設置される。この開閉蓋45の周囲は、その肉厚がガスキャビティ容器42の肉盛より薄くなる様にＶ字形溝57を有している。前記フック39、39の間には、形状記憶合金から成る伸縮金具38が設置され、結合される。この形状記憶合金から成る伸縮金具38は、通常運転時の温度では記憶形状に回復しない合金から形成される。このため伸縮金具38は、本来の記憶形状に比べ伸長された状態でフック39、39の間を結合するように形成される。
【００２３】前記下部開放容器46の下部には、発熱物質47が設置される。発熱物質47は、中性子吸収あるいはガンマ線吸収により発熱する物質、例えば炭化硼素やタングステン、タンタル等の物質で形成される。発熱物質47は、冷却材と化学反応を起こさないように、必要に応じてステンレス鋼等の冷却材５と化学反応の小さい物質により被覆される。
【００２４】ボイド化集合体33の冷却材流路40は、容器本体56の脚部であるエントランスノズル部43に形成された冷却材連通孔44を介して高圧プレナム37に連通している。また、冷却材流路40は、ボイド化集合体33に形成された冷却材流出孔48により上部プレナム７に連通している。
【００２５】図５に示すように、ガスキャビティ容器42内の封入気体の圧力は、ガスキャビティ容器42内の封入気体が下部開放容器46の内部に開放された場合、下部開放容器46内の冷却材液面が、炉心領域22の上面（ＵＰ）よりも少なくとも下部に来るように設定される。またボイド化集合体33の冷却材連通孔44は、燃料集合体21の冷却材連通孔53に比べ、鉛直方向上部に形成される。次にこのような構成から成る本実施例の作用について説明する。
【００２６】高速増殖炉においては、冷却材であるナトリウムがボイド化する要因として、冷却材流量の減少によりナトリウム温度が上昇して沸騰する場合、炉心出力の異常な上昇即ち過出力が生じナトリウム温度が上昇して沸騰する場合又は炉心外で大量のカバーガス等の気体が冷却材に流入して炉心20に流れ込む場合が考えられる。
【００２７】通常運転時においては、冷却材５は高圧プレナム37からエントランスノズル部43に形成された冷却材連通孔44を介してボイド化集合体33の内部に流入する。ボイド化集合体33の内部に流入した冷却材５は、発熱物質47にて加熱された後、冷却材流路40の内部を上昇して伸縮金具38を加熱し、冷却材流出孔48から上部プレナム７へ流出する。
【００２８】これに対し、原子炉の冷却材流量が異常に減少した場合には、ボイド化集合体33の内部に流入する冷却材５の流量も同様に減少する。この結果、発熱物質47にて加熱される冷却材５の温度が、通常の運転温度に比べ異常に上昇する。異常に加熱された冷却材５は、冷却材流路40の内部を上昇して伸縮金具38を異常に加熱する。この伸縮金具38は、本来の記憶形状を回復し、通常運転時の長さに比べ短縮化される。この伸縮金具38が短縮化されると、その両端に結合されるフック39、39が相互に引き寄せられる。フック39の一方は、開閉蓋45に設置されているため、この開閉蓋45はガスキャビティ容器42の外側へと引張られる。この開閉蓋45の周囲はＶ字形溝57により形成され、ガスキャビティ容器42の他の部分に比べ構造強度が低下しているので、開閉蓋45の周囲のＶ字形溝57が切断され、開閉蓋45が開放される。この開放により、ガスキャビティ容器42内の封入気体が下部開放容器46の内部に開放される。このガスキャビティ容器42の封入気体は、図５に示すように、ガスキャビティ容器42内の封入気体が下部開放容器46の内部に開放された場合に、下部開放容器46内の冷却材液面が、炉心領域22の上面ＵＰよりも少なくとも下部に来るように設定されている。したがって、この場合、ボイド化集合体33の内部の下部開放容器46内の冷却材液面は、炉心領域22の上面ＵＰよりも少なくとも下部にくる。このようにして、冷却材流路40内の冷却材液面より上部には、封入気体によるボイド空間54が形成される。この結果、燃料集合体21で発生した中性子は、ボイド化集合体33の冷却材流路40内に形成されたボイド空間を介して炉心上部へ漏洩し、高速炉の炉心に負の反応度が投入される。
【００２９】また、原子炉の出力が異常に上昇した場合には、発熱物質47の発熱量が同様に上昇する。この結果、発熱物質47にて加熱される冷却材５の温度が、通常運転時の温度に比べ異常に上昇する。従って、この場合にも、前記の原子炉の冷却材流量が異常に減少した場合と全く同様の作用が得られる。
【００３０】更に、炉心外から流入した気体が冷却材５が混入して炉心に流入する場合には、冷却材５に混入して炉心に流入する気体は、冷却材に比べ比重が軽いため、上部支持板35の下部に蓄積される。一方、ボイド化集合体33の冷却材連通孔44は、燃料集合体21の冷却材連通孔53に比べ、鉛直方向上部に形成される。この結果、上部支持板35の下部に蓄積された気体は、燃料集合体21に流入する前にボイド化集合体33に流入する。このボイド化集合体33内に流入した気体は、冷却材に比べ比重が軽いため、下部開放容器46内の冷却材流路40の上部に蓄積される。即ち、この場合にも、冷却材流路40の上部に図５に示すようなボイド空間54が形成される。従って、前記の原子炉の冷却材流量が異常に減少した場合と全く同様の作用が得られる。
【００３１】なお、炉心領域22の各燃料集合体21間にボイド化集合体33を装荷することにより、燃料集合体21で生じた中性子がボイド化集合体33の軸方向上部のガスキャビティ41への漏洩を助長するため、このガスキャビティ41の上部に、中性子吸収体49を図４に示すように配置してもよい。また、発熱物質を、符号47に示す様に下部開放容器46内に設置する代りに、符号55のように、容器本体56の下部に設置することも可能である。このように本実施例によれば、高速炉の炉心のナトリウムボイド反応度は、ボイド化集合体のない炉心に比べて低減でき零または負にすることができる。
【００３２】例えば、炉心高さが60cm、炉心直径が約300cm の偏平炉心の場合、キャビティ集合体が無い場合の 365日燃焼後の炉心高さ部におけるナトリウムボイド反応度は約３ドルである。ボイド化集合体33を図３のように配置した場合の同一サイズの炉心でのナトリウムボイド反応度は、ボイド化集合体が上部軸ブランケット領域（厚35cm）30の高さから炉心中心高さまでボイド化し、燃料集合体21が炉心高さまでボイド化した場合には約−0.5 ドルとなる。ボイド化集合体33が上部軸ブランケット領域28の高さよりさらに30cm上部までボイド化し、燃料集合体21が炉心高さまでボイド化した場合には、−２ドルとなる。従って、冷却材の流量低下時、過出力時、炉心への気泡流入時等の異常時において、炉心の負の反応度が得られ、安全性が向上する。
【００３３】なお、万が一、燃料の溶融が生じ、炉心部の燃料が下方に落下するような事故が発生した場合でも、ボイド化集合体内の下部に配置した発熱物質が多くの中性子を吸収するため、燃料溶融後の体系を未臨界に維持することができ、事故の拡大防止に役立つ。
【００３４】次に、本発明の他の実施例を図６および図７R>７を参照して説明する。図６は、本発明に係る高速炉の炉心の第２の実施例を示す炉心構成図である。図７は、図６に示す高速炉の炉心を示す横断面図である。この実施例に示す高速炉の炉心は、図２及び図３に示した炉心構造に加えて多数の燃料集合体21を装荷して構成される炉心領域22の中央部にボイド化集合体33を複数本まとめて集中的に配置したものである。他の炉心構成は、図２及び図３に示すものと基本的には異ならないので、同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】図７に示す高速炉の炉心においては、炉心中心部に炉心軸方向にまとめて配置されるボイド化集合体33により、冷却材であるナトリウムのボイド時に、炉心中心方向への中性子漏洩効果が助長される構成となっている。
【００３６】さらに、ボイド化集合体33を偏平炉心の炉心領域22に配置される制御棒52に隣接して装荷したり、周方向に沿って環状に装荷することにより、制御棒52方向への中性子漏洩を積極的に利用することも考えられる。この際、図６に示すように燃料集合体21の上部ブランケット領域50と炉心領域22の中間にプレナム領域51を配置するか、または軸方向ブランケット領域50を削除すると、上部方向への漏洩した中性子がプレナム領域を通してより漏洩しやすくなる。
【００３７】なお、本発明の実施例では、炉心領域の各燃料集合体間にボイド化集合体を配置した例を示したが、ボイド化集合体の配置や、ボイド化集合体内の構成は上記の例に限られるものではない。ボイド化集合体の配置は冷却材であるナトリウムのボイド時にナトリウムボイド反応度が小さくなるように配置されればよく、その形状、構成は、上記作用を満足するように設定されていれば良い。また、本発明は大型炉のみならず、元来ボイド反応度が小さい小型炉においても、安全性向上効果が上記同様に得られる。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、冷却材による炉心の反応度を小さく抑えることにより、冷却材の流量低下時、炉心の過出力時、炉心への気泡流入時等の異常の場合に、炉心の正の反応度投入要因を低減することにより、安全性を向上しつつ、より大きな出力の炉心を得ることができる高速炉の炉心を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炉心を備えた高速炉の一実施例を示す縦断面図。
【図２】本発明に係る高速炉の炉心の第１実施例を示す炉心構成図。
【図３】図２に示す高速炉の炉心を示す横断面図。
【図４】図２に示す炉心の燃料集合体とボイド化集合体の関係を示す構成図。
【図５】図４に示すボイド化集合体のガスキャビティ容器の開放状態を示す構成図。
【図６】本発明に係る高速炉の炉心の第２実施例を示す炉心構成図。
【図７】図６に示す高速炉の炉心を示す横断面図。
【符号の説明】
５…ナトリウム 20…炉心
21…燃料集合体 22…炉心領域
24…径ブランケット領域 26…中性子遮蔽領域
28、50…上部軸ブランケット領域
29…下部軸ブランケット領域
30、51…ガスプレナム領域
31…ガスプレナム領域又は中性子遮蔽領域
33…ボイド化集合体 38…伸縮金具
40…冷却材流路 41…ガスキャビティ
42…ガスキャビティ容器 45…開閉蓋
46…下部開放容器 56…容器本体
【特許請求の範囲】
【請求項１】 核分裂性物質を充填した燃料集合体を複数本装荷して形成した炉心領域と、この炉心領域を構成する燃料集合体の間に挿入したボイド化集合体より形成されるボイド化領域とから成り、このボイド化領域を構成するボイド化集合体は、本体内部に下部開放容器を収容し、この下部開放容器内部の上部に気体を加圧封入したガスキャビティ容器を配設し、このガスキャビティ容器の開閉蓋を所定温度にて開動作させる形状記憶合金で形成された開放機構を具備して成ることを特徴とする高速炉の炉心。
【請求項１】 核分裂性物質を充填した燃料集合体を複数本装荷して形成した炉心領域と、この炉心領域を構成する燃料集合体の間に挿入したボイド化集合体より形成されるボイド化領域とから成り、このボイド化領域を構成するボイド化集合体は、本体内部に下部開放容器を収容し、この下部開放容器内部の上部に気体を加圧封入したガスキャビティ容器を配設し、このガスキャビティ容器の開閉蓋を所定温度にて開動作させる形状記憶合金で形成された開放機構を具備して成ることを特徴とする高速炉の炉心。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開平５−１６４８７３
【公開日】平成５年（１９９３）６月２９日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−３３１０５６
【出願日】平成３年（１９９１）１２月１６日
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成５年（１９９３）６月２９日
【国際特許分類】
【出願日】平成３年（１９９１）１２月１６日
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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