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超臨界圧軽水冷却高速炉 - 岡 芳明
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発明の名称 超臨界圧軽水冷却高速炉
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−4774(P2001−4774A)
公開日 平成13年1月12日(2001.1.12)
出願番号 特願平11−212586
出願日 平成11年6月22日(1999.6.22)
代理人
発明者 岡 芳明 / 越塚 誠一
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】冷却材に超臨界圧軽水を用いるとともに貫流型直接サイクルの冷却系を有する超臨界圧軽水冷却高速炉において、炉心の周囲に高速中性子の遮蔽を配置することにより原子炉圧力容器内面の照射脆化を防止しつつ、ブランケット燃料の一部または全部をシード燃料で置き換えることにより炉心の出力を増加させることを特徴とする超臨界圧軽水冷却高速炉。
【請求項2】請求項1に記載の超臨界圧軽水冷却高速炉において、炉心の大型化のために固定減速材をシード燃料とブランケット燃料の間に挿入することを特徴とする超臨界圧軽水冷却高速炉。
【請求項3】請求項1または2に記載の超臨界圧軽水冷却高速炉において、炉心出口平均冷却水温度を上昇させるために、ブランケット燃料集合体を下降流冷却とすることを特徴とする超臨界圧軽水冷却高速炉。
【請求項4】請求項1から3の何れかに記載の超臨界圧軽水冷却高速炉において、核燃料の増殖率を向上させるために、ブランケット燃料集合体の構造として冷却水を複数の管の内側に流しその外側にブランケット燃料を配置することを特徴とする超臨界圧軽水冷却高速炉。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は経済性に優れた原子炉に関する。
【0002】
【従来の技術】超臨界圧軽水冷却炉は、将来型の原子炉としてこれまで設計研究がなされ、公知である。(岡芳明「超臨界圧軽水炉の概念」原子力工業、第38巻11月号、ページ71−77(1992))原子炉の型としては高速炉と熱中性子炉の両者について提案されている。どちらの場合も給水ポンプで超臨界圧まで昇圧された冷却水の全量が原子炉を冷却した後タービンへと向かう貫流型直接サイクルである。そのため、システムの大幅な簡素化が期待でき、経済性に優れた原子炉として注目されている。
【0003】また、原子炉の安全性のため冷却材密度係数を正に保つことが重要であるが、一般的に大型の高速炉ではこの性質を満たすことが困難である。岡芳明「超臨界圧軽水炉の概念」原子力工業、第38巻11月号、ページ71−77(1992)には、固定減速材をシード燃料とブランケット燃料の間に挿入することで、冷却材密度係数を正に保ちながら炉心の大型化が可能であるとの研究成果が示されており、公知の技術である。
【0004】原子炉圧力容器内面は高速中性子の照射によって脆化することが知られており、高速中性子の照射量に制限を課することで健全性を保っている。ブランケット燃料では出力が低いため高速中性子の発生が少ない。そのため、これをシード燃料で置き換えると、原子炉圧力容器内面の高速中性子の照射量が増加するという問題点がある。一般的に、鉄などの遮蔽を施すことで照射量を減らすことができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】これまでの超臨界圧軽水冷却高速炉に関する設計研究では、発電とともに核燃料の増殖の機能も目指していた。そのため、主に出力を発生させる機能を持つシード燃料のとともに、増殖を行うためのブランケット燃料を混在させた炉心構成になっていた。しかしながら、ブランケット燃料は出力が低く、経済性の観点からは好ましくなかった。
【0006】本発明の目的は、核燃料の増殖を目指さないことで低出力のブランケット燃料を高出力のシード燃料に置き換え、原子炉圧力容器内面の高速中性子照射量の増加を防ぎつつ出力の高い超臨界圧軽水冷却高速炉を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するため、本発明は、シード燃料の配置によって増加する高速中性子の照射によって圧力容器内面が脆化することを防ぐため、炉心の周囲に中性子の遮蔽を配置する。こうすることで通常は炉心の外周に数多く配置しなければならないブランケット燃料の一部または全部をシード燃料に置き換えることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】図1、図2、図3を用いて本発明の超臨界圧軽水冷却高速炉の第1の実施形態を示す。図1は原子炉圧力容器内の垂直断面を示す図である。原子炉圧力容器1の中の中央よりやや下に炉心2がありここで発熱する。炉心には上部より複数の制御棒が挿入できるようになっており、これらを制御棒駆動装置3により挿入位置を調節することで炉心の出力を制御する。冷却水は入口ノズル4より原子炉圧力容器の内部に入り、ダウンカマー5および下部プレナム6を通過した後炉心2に流入する。炉心によって加熱された冷却水は上部プレナム7を通り出口ノズル8から原子炉圧力容器外に出る。
【0009】図2は上記超臨界圧軽水冷却高速炉の原子炉圧力容器内の炉心位置における水平断面を示す図である。炉心は六角形の複数の燃料集合体より構成される。燃料集合体は、主に出力を発生させる機能を持つシード燃料集合体12と、出力は低いが主に燃料の増殖の機能を持つブランケット燃料集合体13の2種類が組み合わされたものである。炉心の外側には、内側から順番に炉心バッフル9、炉心槽10、遮蔽11、ダウンカマー5、原子炉圧力容器1が取り囲んでいる。
【0010】図3は上記超臨界圧軽水冷却高速炉の燃料集合体の水平断面を示す図である。シード燃料集合体およびブランケット燃料集合体の中には複数の燃料棒14が六角格子状に配列されており、これらをチャンネルボックス15が取り囲んでいる。シード燃料集合体の燃料棒の中にはシード燃料が存在する。シード燃料は核分裂性核種の密度が高く従って出力密度が高くなる。ブランケット燃料集合体の燃料棒の中にはブランケット燃料が存在する。ブランケット燃料は核分裂性核種の密度が低く従って出力密度が低くなる。ただし、核分裂性核種の密度が低いと核分裂性核種の増殖には有利である。
【0011】本発明では、ブランケット燃料集合体13をできる限り減らし、そのかわりにシード燃料集合体12を増やして炉心の出力を増加させる。その際に、シード燃料集合体12より放出される高速中性子の増加による原子炉圧力容器内面の脆化を防ぐため、炉心を取り囲むように遮蔽11を配置する。
【0012】上記実施形態では、遮蔽11を炉心槽10の外側に配置しているが、内側に配置しても良い。
【0013】次に図4を用いて本発明の超臨界圧軽水冷却高速炉の第2の実施形態を示す。この実施形態は第1の実施形態の超臨界圧軽水冷却高速炉において、固定減速材をシード燃料とブランケット燃料の間に挿入することで減速材密度係数を正に保ちながら高速炉の炉心を大型化することにより、さらに炉心出力を増加させたものである。図4は固定減速材を挿入した炉心の垂直断面を示す図である。シード燃料集合体12とブランケット燃料集合体13の間に水素化ジルコニウムのような固定減速材が16が配置されている。
【0014】この構成では、シード燃料で発生した高速中性子が固定減速材を通過する際に減速され、そのためにブランケット燃料における中性子吸収が増加する、という原理により、冷却材密度係数を正に保つことができる。
【0015】上記実施形態では、燃料集合体の間に固定減速材を配置する構造となっているが、シード燃料集合体12あるいはブランケット燃料集合体13の内部に配置することもできる。また、固定減速材の両側にステンレスなどの遮蔽を配置すれば固定減速材に隣接する燃料の局所的な出力上昇を抑制することができ、炉心の性能が向上する。
【0016】次に図5を用いて本発明の超臨界圧軽水冷却高速炉の第3の実施形態を示す。この実施形態は第1または第2の実施形態の超臨界圧軽水冷却高速炉において、ブランケット燃料集合体を下降流冷却としたものである。図5は下降流冷却方式ブランケット燃料集合体を備えた超臨界圧軽水冷却高速炉の原子炉圧力容器内の垂直断面を示す図である。冷却水は入口ノズル4より原子炉圧力容器の内部に入り、一部は上部ヘッド17へ向かい残りはダウンカマー5を下降する。上部ヘッドを通過した冷却水は制御棒案内管18を通り下降流冷却方式ブランケット燃料集合体19に上部より流入し下部プレナム5に流出し、ダウンカマーを下降した残りの冷却水と合流する。その後に冷却水の全量はシード燃料集合体12の中を上昇し、上部プレナム7を通り出口ノズル8から原子炉圧力容器外に出る。
【0017】この構成では、出力の低いブランケット燃料集合体の出口より放出される比較的低温の冷却水が、出力の高いシード燃料集合体の出口より放出される高温の冷却水と上部プレナムにおいて混合するのを避けることができ、炉心出口平均冷却水温度を上昇させることができる。
【0018】次に図6を用いて本発明の超臨界圧軽水冷却高速炉の第4の実施形態を示す。この実施形態は第1から第3までの実施形態の超臨界圧軽水冷却高速炉において、ブランケット燃料集合体の構造を改善したものである。図6は改善されたブランケット燃料集合体の水平断面を示す図である。ブランケット燃料集合体内に複数の冷却管20が配置され、その内部に冷却水が流れる。その外側にブランケット燃料21が配置されている。
【0019】この構成では、ブランケット燃料集合体におけるブランケット燃料の体積が増加するので、燃料の増殖性能が向上する。
【0020】本実施形態によるブランケット燃料集合体は、従来のペレット形状の燃料では製作が困難であるが、粉末状燃料の震動充填などの手段により容易にかつ低コストで製作が可能である。
【0021】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、これまでの超臨界圧軽水冷却高速炉の出力を高くし、経済性を向上することことができる。具体的な例として、図7および図8を用いてその効果を説明する。図7は従来の超臨界圧軽水冷却高速炉の炉心構成を示す図である。炉心最外周部がブランケット燃料集合体により構成されており、そこでは出力が低くなっている。図8は本発明により改善された超臨界圧軽水冷却高速炉の炉心構成を示す図である。最外周部がシード燃料集合体になっており、そこでは出力を高くすることができる。この例では、燃料集合体の総数を変化させずに炉心の全出力を約17%程度増加させることができる。
【0022】請求項2の発明によれば、請求項1の発明による超臨界圧軽水冷却高速炉よりもさらに出力の高い超臨界圧軽水冷却高速炉を提供することができる。
【0023】請求項3の発明によれば、請求項1または請求項2の発明による効果に加えて、炉心出口平均冷却水温度を上昇させ、熱効率の向上を通じてさらに出力の高い超臨界圧軽水冷却高速炉を提供することができる。
【0024】請求項4の発明によれば、請求項1から請求項3までの発明による効果に加えて、増殖性能の向上した超臨界圧軽水冷却高速炉を提供することができる。




 

 


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