特許 6382685 高速炉用燃料要素、高速炉用燃料集合体および高速炉炉心

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6382685

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】高速炉用燃料要素、高速炉用燃料集合体および高速炉炉心

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/18 20060101AFI20180820BHJP

   G21C 3/16 20060101ALI20180820BHJP

   G21C 3/60 20060101ALI20180820BHJP

   G21C 3/17 20060101ALI20180820BHJP

   G21C 3/32 20060101ALI20180820BHJP

   G21C 5/20 20060101ALI20180820BHJP

【ＦＩ】

   G21C3/18GDF

   G21C3/16 E

   G21C3/60

   G21C3/16 H

   G21C3/32 Z

   G21C5/20

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-225369(P2014-225369)

(22)【出願日】2014年11月5日

(65)【公開番号】特開2016-90396(P2016-90396A)

(43)【公開日】2016年5月23日

【審査請求日】2017年7月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森木 保幸

(72)【発明者】

【氏名】横山 次男

(72)【発明者】

【氏名】山岡 光明

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２９４６７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２１７８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−０５２９００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｃ ３／６０

Ｇ２１Ｃ ３／２８

Ｇ２１Ｃ ３／１６−３／２０

Ｇ２１Ｃ ５／２０

Ｇ２１Ｃ ３／３０−３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、
前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、
前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、
を備えることを特徴とする高速炉用燃料要素。

【請求項2】

前記金属燃料は、ウラニウム、プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウム及びキュリウムの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の高速炉用燃料要素。

【請求項3】

前記ドップラー効果増強材は、酸化ベリリウム、酸化リチウム、炭化ホウ素、水素化ジルコニウム、ベリリウム、黒鉛及び炭化ケイ素の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速炉用燃料要素。

【請求項4】

前記ドップラー効果増強材は、クロム、鉄、ニッケル、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、およびタングステンの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速炉用燃料要素。

【請求項5】

前記ドップラー効果増強材は、バナジウム、マンガン、セリウムおよびチタニウムの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速炉用燃料要素。

【請求項6】

前記希ガスは、ヘリウム、アルゴン、クリプトンおよびキセノンの少なくともいずれか一つ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用燃料要素。

【請求項7】

互いに並列に配されて鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料要素と、
前記複数の高速炉用燃料要素の下方に水平に設置され前記複数の高速炉用燃料要素のそれぞれの下部を支持し冷却材が通過可能に形成された燃料要素支持グリッドと、
前記複数の高速炉用燃料要素および前記燃料要素支持グリッドを収納し、鉛直方向に延びて、下部および上部は冷却材が通過可能に形成されたラッパ管と、
を備える高速炉用燃料集合体であって、
前記高速炉用燃料要素は、
径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、
前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、
前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、
を有することを特徴とする高速炉用燃料集合体。

【請求項8】

互いに平行に配列され鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料集合体と、
前記複数の高速炉用燃料集合体の中に互いに隣接することなく設けられた複数の制御棒集合体と、
前記高速炉用燃料集合体の径方向外側に配されて鉛直方向に延びる複数のブランケット燃料集合体と、
を具備することを特徴とする高速炉炉心であって、
前記高速炉用燃料集合体は、
互いに並列に配されて鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料要素と、
前記複数の高速炉用燃料要素の下方に水平に設置され前記複数の高速炉用燃料要素のそれぞれの下部を支持し冷却材が通過可能に形成された燃料要素支持グリッドと、
前記複数の高速炉用燃料要素および前記燃料要素支持グリッドを収納し、鉛直方向に延びて、下部および上部は冷却材が通過可能に形成されたラッパ管と、
を備え、
前記高速炉用燃料要素は、
径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、
前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、
前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、
を有することを特徴とする高速炉炉心。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、高速炉用燃料要素、高速炉用燃料集合体、およびこれらを有する高速炉炉心に関する。

【背景技術】

【0002】

図１１は、高速炉における従来の炉心燃料集合体の燃料要素の構成例を示す立断面図である。また、図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢視水平断面図である。

【0003】

燃料要素１４０は、図１１および図１２に示すように、その中央部に核分裂性物質を多く含む炉心燃料１４１を配置し、この炉心燃料１４１の下部と上部に中性子吸収により核分裂性物質に変換される核分裂性親物質を多く含む下部ブランケット燃料１４２ａと上部ブランケット燃料１４２ｂを配置している。これらの燃料は、筒状の被覆管１４４に収納されている。被覆管１４４の下部は下部端栓１４５ａで、上部は上部端栓１４５ｂで密封された構造である。

【0004】

炉心燃料１４１と被覆管１４４の間には、隙間が設けられており、金属燃料炉心の場合は、通常、この隙間には燃料から冷却材への熱伝達を促進するためのボンドナトリウム４９ａが充填されている。また、被覆管１４４内の燃料の上方には、燃料が燃焼することで排出されるクリプトン（Ｋｒ）やゼノン（Ｘｅ）などの核分裂生成物のガスを蓄積するための上部ガスプレナム１４３ｂを設けている。

【0005】

金属燃料は、酸化物燃料に比べて燃料の密度が高く、金属燃料炉心は増殖性能が良いことから燃焼反応度が小さい。そのため、制御棒に必要な反応度を小さくできるので、制御棒の誤引抜時に投入される反応度を小さく抑えられ、安全性の向上を図ることができる。

【0006】

一方、原子炉の急激な出力上昇時の燃料温度変化に対応して原子炉出力を抑制するドップラー効果（反応度フィードバック効果）は、安全性を確保する上で重要な特性の一つであるが、金属燃料炉心は、中性子を減速する効果の高い酸素等の軽い元素が含まれていないので、酸化物燃料炉心に比べて中性子スペクトルが硬くドップラー係数の絶対値が小さくなる。また、金属燃料は、燃料の熱伝導率が高く、しかも前述したように、燃料と被覆管の隙間にボンドナトリウムを充填しているので燃料から冷却材への熱伝達が良好であり、炉心出力が上昇した場合でも燃料要素からの熱除去が速く燃料の温度上昇量が小さい。

【0007】

これらのことから、金属燃料炉心は、出力上昇時の温度変化に対する負の反応度変化（ドップラー反応度）が小さくなり原子炉の安全性が低下する可能性がある。

【0008】

これまでも、超ウラン元素の燃焼量を増大させるためにドップラー効果の向上策が検討されているが、ドップラー係数の絶対値の増大のみを目的としている（たとえば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平７−２９４６７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上述のような原子炉の燃料は、中性子照射による燃料の体積増加（スウェリング）が生じる。金属燃料では、このスウェリングが大きいので、燃料と被覆管の機械的相互作用による被覆管の破損を防止するために、燃料のスミア密度をたとえば約７５％程度に低くしている。ここで、スミア密度は、被覆管の内部を燃料が占める体積割合を言う。

【0011】

また、前記のように、金属燃料は、ナトリウムとの共存性が良いことを利用して、燃料と被覆管の間隙にナトリウム（ボンドナトリウム）を充填して、燃料棒から冷却材への熱伝達を促進している。

【0012】

一方、ドップラー効果の寄与率は、たとえば、燃料が約８５％で構造材が約１５％であるので、ドップラー反応度を大きくするには、燃料が溶融しない範囲で出力上昇時の燃料の温度変化量を大きくすれば効果的である。

【0013】

図１３は、従来の高速炉用の燃料要素の径方向の温度分布の例を示すグラフである。横軸は燃料要素中心からの距離であり、縦軸は温度であり、燃料と被覆管の隙間をナトリウムボンドとした場合（破線Ｙ）とヘリウムボンド（実線Ｘ）とした場合の燃料要素の温度分布の例を示した図である。

【0014】

金属燃料は、密度が高く熱伝導は良いため、ナトリウムボンドの場合は、燃料要素の中心温度は冷却材温度より１００℃程度しか高くない。一方、ヘリウムボンドの場合は、間隙での温度勾配が大きく、従来の燃料と被覆管の隙間間隔の場合、燃料温度が１５００℃を超えている。金属燃料は、融点が低いので、従来の燃料と被覆管の隙間間隔の場合、燃料と被覆管の間隙をヘリウムボンドにすると、燃料温度が上がりすぎて溶融する可能性がある。

【0015】

そこで本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたもので、中性子の照射による金属燃料のスウェリングを吸収し、あるいはドップラー反応度の増大のための燃料温度の適切な上昇を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る高速炉用燃料要素は、径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、を備えることを特徴とする。

【0017】

また、本実施形態は、互いに並列に配されて鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料要素と、前記複数の高速炉用燃料要素の下方に水平に設置され前記複数の高速炉用燃料要素のそれぞれの下部を支持し冷却材が通過可能に形成された燃料要素支持グリッドと、前記複数の高速炉用燃料要素および前記燃料要素支持グリッドとを収納し、鉛直方向に延びて、下部および上部は冷却材が通過可能に形成されたラッパ管と、を備える高速炉用燃料集合体であって、前記高速炉用燃料要素は、径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、を有することを特徴とする。

【0018】

また、本実施形態は、互いに平行に配列され鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料集合体と、前記複数の高速炉用燃料集合体の中に互いに隣接することなく設けられた複数の制御棒集合体と、前記高速炉用燃料集合体の径方向外側に配されて鉛直方向に延びる複数のブランケット燃料集合体と、を具備することを特徴とする高速炉炉心であって、前記高速炉用燃料集合体は、互いに並列に配されて鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料要素と、前記複数の高速炉用燃料要素の下方に水平に設置され前記複数の高速炉用燃料要素のそれぞれの下部を支持し冷却材が通過可能に形成された燃料要素支持グリッドと、前記複数の高速炉用燃料要素および前記燃料要素支持グリッドとを収納し、鉛直方向に延びて、下部および上部は冷却材が通過可能に形成されたラッパ管と、を備え、前記高速炉用燃料要素は、径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明の実施形態によれば、中性子の照射による金属燃料のスウェリングを吸収し、あるいはドップラー反応度の増大のための燃料温度の適切な上昇を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１の実施形態に係る高速炉炉心を有する高速炉の構成例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例を示す平面図である。

【図3】第１の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の構成例を示す立断面図である。

【図4】図３のＩＶ−ＩＶ線矢視水平断面図である。

【図5】第１の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。

【図6】図５のＶＩ−ＶＩ線矢視水平断面図である。

【図7】第１の実施形態に係る高速炉用燃料要素の定格時の径方向の温度分布の例を示すグラフである。

【図8】第１の実施形態に係る高速炉用燃料要素の過渡時の径方向の温度分布の例を示すグラフである。

【図9】第２の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。

【図10】第３の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。

【図11】従来の炉心燃料集合体の燃料要素の構成例を示す立断面図である。

【図12】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢視水平断面図である。

【図13】従来の高速炉用の燃料要素の径方向の温度分布の例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高速炉用燃料要素、高速炉用燃料集合体および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。なお、以下、高速炉用燃料要素、高速炉用燃料集合体および高速炉炉心は、原子炉容器内に設置された状態で上下関係を表現している。

【0022】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る高速炉炉心を有する高速炉の構成例を示す立断面図である。高速炉１は、高速炉炉心３と、高速炉炉心３を内包し底部を有し鉛直方向に延びる円筒状の原子炉容器２と、原子炉容器２の上部の開口を塞ぐように設けられた遮へいプラグ１１を有する。高速炉炉心３は、炉心支持板４に支持されている。高速炉炉心３は、後述する複数の高速炉用燃料集合体２０のそれぞれの炉心部分を構成要素として形成されている。遮へいプラグ１１の高速炉炉心３の上方には、制御棒駆動装置１５が設けられており、高速炉炉心３に図示しない制御棒を挿入可能に構成されている。冷却材１０は、たとえば液体金属ナトリウムであって、冷却材入口配管８より原子炉容器２内に流入し、冷却材出口配管９より流出する。

【0023】

図２は、第１の実施形態に係る高速炉炉心の構成例を示す平面図である。高速炉用燃料集合体２０は、内側炉心燃料集合体２０ａおよび外側炉心燃料集合体２０ｂからなる。高速炉炉心３は、複数の内側炉心燃料集合体２０ａ、複数の外側炉心燃料集合体２０ｂ、複数のブランケット燃料集合体３１、複数の制御棒集合体３２を有する。内側炉心燃料集合体２０ａ、外側炉心燃料集合体２０ｂ、ブランケット燃料集合体３１、および制御棒集合体３２は、それぞれ断面は外側が六角形に形成されており、同一断面内で互いに稠密に配列される。

【0024】

高速炉炉心３においては、径方向中央のほぼ円形の領域に互いに平行に鉛直方向に延びた複数の内側炉心燃料集合体２０ａが配列されている。制御棒集合体３２は、互いに隣接することなく複数の内側炉心燃料集合体２０ａが配列されている中に散在、すなわち互いに隣接することなく配されて、内側炉心燃料集合体２０ａに平行に鉛直方向に延びている。複数の外側炉心燃料集合体２０ｂは、内側炉心燃料集合体２０ａの径方向外側に２層をなして環状に配列されており、それぞれが内側炉心燃料集合体２０ａに平行に鉛直方向に延びている。

【0025】

ブランケット燃料集合体３１は、外側炉心燃料集合体２０ｂの径方向外側に３層をなして環状に配列されており、それぞれが外側炉心燃料集合体２０ｂに平行に鉛直方向に延びている。なお、内側炉心燃料集合体２０ａの本数、外側炉心燃料集合体２０ｂおよびブランケット燃料集合体３１それぞれの層数、あるいは制御棒集合体３２の本数は、それぞれの炉心の出力、得るべき特性等を踏まえて適切に決定されればよい。

【0026】

図３は、第１の実施形態に係る高速炉用燃料集合体２０の構成例を示す立断面図である。また、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視水平断面図である。以下の説明は、内側炉心燃料集合体２０ａおよび外側炉心燃料集合体２０ｂに共通である。

【0027】

高速炉用燃料集合体２０は、複数の高速炉用燃料要素４０、複数の高速炉用燃料要素４０を下方から支持する燃料要素支持グリッド２３、およびこれらを収納するラッパ管２４を有する。

【0028】

複数の高速炉用燃料要素４０は、互いに平行に三角格子状に配列され鉛直方向に延びている。高速炉用燃料要素４０のそれぞれを下方から支持する燃料要素支持グリッド２３は、水平に設置されラッパ管２４の内面に取付けられている。燃料要素支持グリッド２３には、高速炉用燃料要素４０のそれぞれに供給される冷却材が下方から上方に通過するために複数の開口が形成されている。

【0029】

高速炉用燃料要素４０を三角格子状に稠密に配列することによって冷却材割合が減るので、冷却材の減速効果が小さいのが一般的に高速炉の特徴である。３角配列ゆえに冷却材が少ない体系において、後述する減速材を導入することによって、その効果が顕著に表れることから、三角配列のように高速炉用燃料要素４０を稠密に配列することが好ましい。

【0030】

ラッパ管２４は、水平断面が六角形の筒状であり、鉛直方向に延びている。ラッパ管２４内には、前述のように、複数の高速炉用燃料要素４０が三角配列で稠密に収納されている。高速炉用燃料要素４０の側面には、たとえば図示しないワイヤスペーサがスパイラルに巻かれており、ワイヤスペーサによって互いに隣接する高速炉用燃料要素４０間の間隙が確保され、冷却材の流路が確保される。ラッパ管２４は、下部に円筒状で下端が閉止されたエントランスノズル２１を有する。エントランスノズル２１の側面には、複数の冷却材流入孔２２が形成されている。また、ラッパ管２４は上部にハンドリングヘッド２５を有し、ハンドリングヘッド２５には径方向の中心に冷却材流出孔２６が形成されている。

【0031】

図５は、第１の実施形態に係る高速炉用燃料要素４０の構成を示す立断面図である。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線矢視水平断面図である。高速炉用燃料要素４０は、炉心燃料４１、下部ブランケット燃料４２ａ、上部ブランケット燃料４２ｂ、燃料棒支持板４８、およびこれらを収納する被覆管４４を有する。

【0032】

下部ブランケット燃料４２ａ、炉心燃料４１および上部ブランケット燃料４２ｂは、いずれも高い熱伝導率および高い燃料密度を有する金属燃料である。金属燃料は、ウラニウム、プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウムおよびキュリウム、あるいは、これらの少なくともいずれか一つを含む合金である。下部ブランケット燃料４２ａ、炉心燃料４１および上部ブランケット燃料４２ｂは、それぞれ、円筒状であり鉛直方向に延びている。詳細は後述する。また、下部ブランケット燃料４２ａ、炉心燃料４１および上部ブランケット燃料４２ｂは、この順番に下側から積み上げられている。下部ブランケット燃料４２ａは、被覆管４４に取付けられた燃料棒支持板４８に下端を支持されている。

【0033】

被覆管４４は、円筒状で鉛直方向に延びている。被覆管４４は、下部に下部端栓４５ａを有し、下部端栓４５ａによって下端を閉止されている。下部端栓４５ａは先端が細径となっている。また、被覆管４４は上部に上部端栓４５ｂを有し、上部端栓４５ｂによって上端を閉止されている。この結果、被覆管４４内は密閉空間が形成されている。

【0034】

被覆管４４内の燃料棒支持板４８の下方は空間となっており、下部ガスプレナム４３ａを形成する。また、上部ブランケット燃料４２ｂの上方は空間となっており、上部ガスプレナム４３ｂを形成する。被覆管４４内には、希ガス４９ｂが封入されている。希ガス４９ｂは、たとえば、ヘリウム、アルゴン、クリプトンおよびキセノンのいずれか、あるいは、これらの混合物である。

【0035】

下部ブランケット燃料４２ａ、炉心燃料４１および上部ブランケット燃料４２ｂのそれぞれには、径方向中心に、鉛直方向に貫通する中央孔４６ａが形成されている。すなわち、下部ブランケット燃料４２ａ、炉心燃料４１および上部ブランケット燃料４２ｂのそれぞれは中空燃料棒４６である。また、中央孔４６ａには、中央孔４６ａの内面とは間隙を有しながら中実棒４７が設けられている。ここで、中実棒４７は、後述するドップラー効果増強材を材料として用いている。

【0036】

ここで、Ｃｉを燃料被覆管内径、Ｓｏを中空燃料棒外径、Ｓｉを中空燃料棒内径、Ｍｏを中実減速棒外径とした場合、其々の寸法は、次の条件を満たしている。
０．６＜（（Ｓｏ^２−Ｓｉ^２）／（Ｃｉ^２−Ｍｏ^２））＜０．８

【0037】

金属燃料は、特に中性子照射によりスウェリングすることが知られている。スミア密度を上げすぎると、ギャップ体積が減りキャップが小さくなるために、短期間の運転で、酸化物燃料が被覆管側に膨張し、被覆管とのコンタクトが問題となり、また寿命が短くなる。スウェリングによる中空燃料棒４６の膨張力が被覆管４４に過大な応力を生じないように、ある程度の空隙を中空燃料棒４６と被覆管４４の内面間に設けなければならない。

【0038】

一方、空隙が大きすぎると中空燃料棒４６中の核分裂性物質の富化度が大きくなり炉心の核的性能が劣化する。すなわち同じ運転期間での燃焼度が大きくなる。また、それとともに燃料温度が空隙の温度上昇により過度に高温になる可能性がある。

【0039】

以上により、被覆管と中実管に挟まれた領域における中空燃料の体積占有率、すなわちスミア密度は、６０％程度より大きく、かつ８０％程度よりは小さい値が適切である。

【0040】

水平断面において、被覆管４４内の全面積から中実棒４７の面積を除いた面積Ｓ１に対して、中空燃料棒４６が初期に占める面積Ｓ２の割合は、充填率である。また、Ｓ１からＳ２を減じた面積は、中空燃料棒４６がスウェリングした時に占め得る面積となる。

【0041】

これらを勘案し、スウェリング前の中空燃料棒４６の充填率を、概ね６０％ないし８０％とすることにより、被覆管４４の過度な応力発生を防止でき、また、燃料体積比の低下による炉心性能の劣化や過度な燃料温度上昇が防止できる。

【0042】

中実棒４７に用いるドップラー効果増強材は、過渡的な事象が発生した場合に、ドップラー効果を大きくして、反応度の上昇を抑制するためのものである。ドップラー効果増強材としてこの目的を果たす機能を有する材料としては、具体的には、以下のいずれかのものがある。

【0043】

ドップラー効果増強材としての第１の材料は、通常、減速材に用いられる材料、たとえば、酸化ベリリウム、酸化リチウム、炭化ホウ素、水素化ジルコニウム、ベリリウム、黒鉛および炭化ケイ素などのいずれかを少なくとも一つを含む材料である。

【0044】

これらのドップラー効果増強材としての減速材は、中性子の散乱断面積の絶対値は大きいが、散乱断面積の中性子エネルギー依存性は比較的小さい。このため、あるエネルギーの範囲の中性子が衝突して一様に減速するので、この結果、中性子の最終的なエネルギースペクトルは、低エネルギー側にピークを持つ。また、散乱効果の温度依存性も小さい。

【0045】

ドップラー効果の要因である中性子吸収反応（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）は、中性子捕獲反応（ｃａｐｔｕｒｅ）と中性子核分裂反応（ｆｉｓｓｉｏｎ）の２種類の反応からなる。中性子の増減は、中性子捕獲反応の増加に伴う中性子数の減少と中性子核分裂反応の増加に伴う中性子数の増加のバランスにより決まる。なお、中性子核分裂反応による１核分裂あたりの中性子発生数（ν）はたとえば約２．９個である。

【0046】

すなわち、燃料核種の温度上昇に伴う反応度変化は、上記の中性子吸収の増加とそれに伴う中性子核分裂により発生する中性子のバランスの変化が主な要因である。燃料の中心に配置される中実棒４７のドップラー効果増強材を中性子減速材とすることで、炉心の中性子スペクトルが低エネルギー側へシフトし、燃料核種の中性子捕獲反応が増加するのでドップラー効果が増大する。

【0047】

ドップラー効果増強材としての第２の材料は、高い中性子エネルギー領域の中性子吸収断面積の温度依存性の効果が大きな材料である。たとえば、クロム、鉄、ニッケル、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、およびタングステンなどのいずれかを少なくとも一つを含む材料である。

【0048】

これらのドップラー効果増強材を用いた場合も、減速材と同様に、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果が増大するので、炉心の安全性が確保される。

【0049】

ドップラー効果増強材としての第３の材料は、中性子共鳴散乱断面積の大きい材料である。たとえば、バナジウム、マンガン、セリウムおよびチタニウムなどのうち少なくともいずれか一つを含む材料である。

【0050】

これらの材料は、いずれも燃料のドップラー効果が顕著な中速程度の概ね１０ｅＶから１０ｋｅＶのエネルギー領域において、中性子散乱断面積が中性子吸収断面積よりも顕著に大きい。このため、これらの減速材の付近では、ドップラーエネルギー領域の付近のエネルギーにピークを有する中性子エネルギースペクトルとなる。すなわち、このエネルギー領域では散乱中性子による中性子束が増加する。このため、燃料のドップラー効果もその他の減速材の場合よりも大きくなる傾向がある。したがって、このような中速散乱用材を用いた場合も、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果が増大する。

【0051】

以上のように、ドップラー効果増強材としての第１ないし第３の材料の少なくともいずれかを含む材料を、中実棒４７のドップラー効果増強材として用いることによって、ドップラー効果が増大し、反応度の抑制効果が得られる。

【0052】

次に、以上のように構成された本実施形態の作用を説明する。

【0053】

図７は、第１の実施形態に係る高速炉用燃料要素の定格時の径方向の温度分布の例を示すグラフである。横軸は中空燃料棒４６である炉心燃料４１の径方向中心からの距離である。縦軸は、定格出力で運転されている状態における炉心燃料４１の径方向各部の温度である。実線Ｘは、被覆管４４内に希ガスが封入されている、すなわちガスボンドの場合である。また、破線Ｙは、被覆管４４内にボンド材であるナトリウム（ボンドナトリウム）４９ａが封入され、中空燃料棒４６がボンドナトリウム４９ａに浸されている、すなわちナトリウムボンドの場合である。

【0054】

図７に示すように、定格運転時では、ナトリウムボンドの場合が約５３５℃、ガスボドであっても約７７０℃にとどまっている。なお、中空部に配置する中実棒４７は燃料ではないので中性子との反応による発熱は少なく燃料温度への影響もほとんどないので、ここでは中実棒４７の温度は図示していない。

【0055】

図８は、第１の実施形態に係る高速炉用燃料要素の過渡時の径方向の温度分布の例を示すグラフである。具体的には、線出力が定格出力時の２倍となった場合の、過渡時の温度が最も上昇した時点の温度分布である。中空燃料棒４６の内面の温度は上昇するが、ナトリウムボンドの場合で約５７５℃（温度上昇約４０℃）、ガスボンドの場合で約１０５０℃（温度上昇約２７５℃）程度にとどまっている。

【0056】

中空燃料棒４６では、スウェリング時の変形を中空燃料棒４６の内側と外側の両方で吸収することができる。このため中実燃料の場合に比べて、中空燃料では外側の変形量が減少するので、燃料と被覆管の隙間を小さくすることができる。したがって、ガスボンド型のため間隙での温度勾配が大きくとも、間隙の寸法を小さくすることができた効果によって、間隙での温度差は従来の場合（図１３参照）に比べて小さくなり、燃料温度は低く抑えられる。具体的には、図７および図８に示すように燃料温度が金属燃料の融点の約１１００℃を超えることはない。

【0057】

以上の結果から明らかなように、本実施形態によれば、ガスボンドであっても原子炉の急激な出力上昇時にも、燃料温度が金属燃料の融点を超えることがない。また、ガスボンドとしたことにより、原子炉の急激な出力上昇時の燃料温度変化が大きくなり、原子炉出力を抑制するドップラー効果（反応度フィードバック効果）が増大するので、原子炉の反応度の過渡的な上昇を抑制することができる。

【0058】

また、ナトリウムボンド型では炉心燃料がボンドナトリウム４９ａに浸漬するために炉心燃料１４１（図１１）の下部にガス空間を確保できないが、本実施形態では、ガスボンド型とすることで炉心燃料４１の下部にも下部ガスプレナム４３ａを設けることが可能となり、被覆管４４内のガス内圧を低く抑えることができる。

【0059】

即ち、被覆管４４への内圧荷重が減少し、被覆管４４の肉厚を薄くすることが可能となり、燃料集合体当りの燃料体積比を増加させることができる。この結果、増殖比が向上し燃焼反応度が小さくなり、運転期間を延長できることになり、経済性が向上する。

【0060】

以上のように、本発明の実施形態によれば、中性子の照射による金属燃料のスウェリングを吸収し、かつドップラー反応度の増大のための適切な燃料温度の上昇を図ることができる。

【0061】

［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、炉心燃料４１のみ中空燃料棒４６であって、下部ブランケット燃料４２ａおよび上部ブランケット燃料４２ｂは中空燃料棒４６ではなく中実の燃料である。したがって、ドップラー効果増強材の中実棒４７は、炉心燃料４１の中央孔４６ａ内にのみ設けられている。

【0062】

下部ブランケット燃料４２ａおよび上部ブランケット燃料４２ｂについては、核分裂性物質が少なく、ドップラー効果増強材の中実棒４７を設けない場合でも、過渡時のドップラー効果を向上させる効果を減らす影響は小さい。すなわち、過渡時のドップラー効果を向上させる効果は、主に炉心燃料４１によって得られることになる。

【0063】

このように、上下の軸ブランケット燃料、すなわち下部ブランケット燃料４２ａおよび上部ブランケット燃料４２ｂを中実とすることによって、増殖比が増大し、経済性が向上する。

【0064】

［第３の実施形態］
図１０は、第３の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第３の実施形態においては、下部ガスプレナム４３ａを設けずに、上部ガスプレナム４３ｂを広くしている。

【0065】

この場合、従来のナトリウムボンドの炉心燃料集合体と同じ位置に炉心燃料４１が設けられることになる。このため、高速炉炉心の中で、一部の燃料集合体を、本実施形態の燃料集合体に交換した場合でも、炉心が一部ずれてしまうということがない。すなわち、従来の燃料集合体を、本実施形態の高速炉用燃料集合体２０に交換する場合、全炉心分を一挙に交換しなくとも、一部を順次交換していくことが可能となる。

【0066】

［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。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。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】

【0067】

１…高速炉、２…原子炉容器、３…高速炉炉心、４…炉心支持板、８…冷却材入口配管、９…冷却材出口配管、１０…冷却材、１１…遮へいプラグ、１５…制御棒駆動装置、２０…高速炉用燃料集合体、２０ａ…内側炉心燃料集合体、２０ｂ…外側炉心燃料集合体、２１…エントランスノズル、２２…冷却材流入孔、２３…燃料要素支持グリッド、２４…ラッパ管、２５…ハンドリングヘッド、２６…冷却材流出孔、３１…ブランケット燃料集合体、３２…制御棒集合体、４０…高速炉用燃料要素、４１…炉心燃料、４２ａ…下部ブランケット燃料、４２ｂ…上部ブランケット燃料、４３ａ…下部ガスプレナム、４３ｂ…上部ガスプレナム、４４…被覆管、４５ａ…下部端栓、４５ｂ…上部端栓、４６…中空燃料棒、４６ａ…中央孔、４７…中実棒、４８…燃料棒支持板、４９ａ…ボンドナトリウム、４９ｂ…希ガス、１４０…燃料要素、１４１…炉心燃料、１４２ａ…下部ブランケット燃料、１４２ｂ…上部ブランケット燃料、１４３ｂ…上部ガスプレナム、１４４…被覆管、１４５ａ…下部端栓、１４５ｂ…上部端栓

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】