特開 2022-185700 燃料集合体および高速炉の炉心

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022185700

(43)【公開日】2022-12-15

(54)【発明の名称】燃料集合体および高速炉の炉心

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/28 20060101AFI20221208BHJP

   G21C 3/30 20060101ALI20221208BHJP

   G21C 5/20 20060101ALI20221208BHJP

【ＦＩ】

G21C3/28 900

G21C3/30 300

G21C5/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021093475

(22)【出願日】2021-06-03

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】藤村 幸治

(72)【発明者】

【氏名】三輪 順一

(57)【要約】

【課題】内部ブランケット領域における平均ＭＡ富化度を容易に調節できる燃料集合体を提供する。
【解決手段】高速炉の炉心の内側炉心領域２に装荷される内側炉心燃料集合体７は、複数の燃料棒１０及び複数の燃料棒１９を有する。燃料棒１０は下部炉心燃料領域１２、内部ブランケット領域１１及び上部炉心燃料領域１３を有する。下部炉心燃料領域１２及び上部炉心燃料領域１３にはＵ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が、内部ブランケット領域１１にはＵ－Ｚｒ金属燃料が配置される。燃料棒１９は下部炉心燃料領域１２、内部ブランケット領域２０及び上部炉心燃料領域１３を有する。燃料棒１９の下部炉心燃料領域１２及び上部炉心燃料領域１３にはＵ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が、内部ブランケット領域２０にはＭＡ－Ｚｒ金属燃料が配置される。燃料棒１０及び１９の各本数を調節することにより、この燃料集合体７の内部ブランケット領域９におけるＭＡ富化度を容易に調節できる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

核燃料物質が存在する核燃料物質領域が形成されて、前記核燃料物質領域の下端から上端に向かって第１下部炉心燃料領域、第１内部ブランケット領域および第１上部炉心燃料領域が、この順番で、前記核燃料物質領域内に形成される燃料集合体であって、
前記核燃料物質が存在する複数の第１燃料棒、および前記核燃料物質が存在する複数の第２燃料棒を有し、
前記第１燃料棒内に、前記第１下部炉心燃料領域に対応する位置に第２下部炉心燃料領域が、前記第１内部ブランケット領域に対応する位置に第２内部ブランケット領域が、前記第１上部炉心燃料領域に対応する位置に第２上部炉心燃料領域がそれぞれ形成され、
前記第２燃料棒内に、前記第１下部炉心燃料領域に対応する位置に第３下部炉心燃料領域が、前記第１内部ブランケット領域に対応する位置に第３内部ブランケット領域が、前記第１上部炉心燃料領域に対応する位置に第３上部炉心燃料領域がそれぞれ形成され、
前記第１燃料棒の前記第２内部ブランケット領域に存在する前記核燃料物質は、マイナーアクチニドを含まずウランを含んでおり、前記第２燃料棒の前記第３内部ブランケット領域に存在する前記核燃料物質は、ウランを含まずマイナーアクチニドを含んでいることを特徴とする燃料集合体。

【請求項2】

前記第２燃料棒の前記第３内部ブランケット領域に存在する前記核燃料物質は、ウランおよびマイナーアクチニド以外にプルトニウムを含んでいる請求項１に記載の燃料集合体。

【請求項3】

前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒のそれぞれの、密封された被覆管内に、中実の形状をした前記核燃料物質が配置され、ボンドナトリウムが前記核燃料物質と前記被覆管の間に充填されている請求項１または２に記載の燃料集合体。

【請求項4】

前記核燃料物質が金属燃料である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料集合体。

【請求項5】

前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒のそれぞれの、密封された被覆管内に、中空の形状をした前記核燃料物質が配置されている請求項４に記載の燃料集合体。

【請求項6】

前記第１内部ブランケット領域におけるマイナーアクチニドの平均富化度は、３．７ｗｔ％以上１２．５ｗｔ％以下の範囲内の富化度である請求項４または５に記載の燃料集合体。

【請求項7】

前記第３内部ブランケット領域に存在する前記核燃料物質のプルトニウム富化度は、０ｗｔ％よりも大きく１３ｗｔ％以下の範囲内のプルトニウム富化度である請求項４ないし６のいずれか１項に記載の燃料集合体。

【請求項8】

前記核燃料物質が酸化物燃料である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料集合体。

【請求項9】

前記第１燃料棒および前記第２燃料棒は、前記燃料集合体の横断面において、混在させて配置される請求項１ないし４及び８のいずれか１項に記載の燃料集合体。

【請求項10】

複数の第１燃料集合体が装荷された内側炉心領域および前記内側炉心領域を取り囲み、複数の第２燃料集合体が装荷された外側炉心領域を有する高速炉の炉心であって、
前記内側炉心領域の下端から上端に向かって、第４下部炉心燃料領域、第４内部ブランケット領域および第４上部炉心燃料領域が、この順番で、前記内側炉心領域内に形成され、
前記第１燃料集合体が、請求項１ないし９のいずれか１項に記載された燃料集合体であり、
前記第２下部炉心燃料領域に対応する位置に前記第４下部炉心燃料領域が、前記第２内部ブランケット領域に対応する位置に前記第４内部ブランケット領域が、前記第２上部炉心燃料領域に対応する位置に前記第４上部炉心燃料領域がそれぞれ形成されることを特徴とする高速炉の炉心。

【請求項11】

前記内側炉心領域の上端の位置を前記外側炉心領域の上端の位置よりも低くする請求項１０に記載の高速炉の炉心。

【請求項12】

第４内部ブランケット領域の、軸方向における真ん中の位置は、前記内側炉心領域の、軸方向における真ん中の位置と、前記内側炉心領域の、軸方向における真ん中の位置よりも下方に５ｃｍずれた位置との間の範囲内に位置させる請求項１０または１１に記載の高速炉の炉心。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料集合体および高速炉の炉心に係り、特に、金属燃料を用いる燃料集合体およびこの燃料集合体が装荷される、の炉心高速炉において、制御棒誤引抜き事故想定時の炉心損傷を回避して、安全性を向上するための炉心に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、高速増殖炉は、炉心が原子炉容器内に配置されており、冷却材である液体ナトリウムを原子炉容器内に充填している。その炉心に装荷される燃料集合体は、プルトニウムを富化した劣化ウラン（Ｕ－２３８）を封入した複数の燃料棒、束ねられた複数の燃料棒を取り囲むラッパ管、これらの燃料棒の下端部、および燃料棒の下方に位置する中性子遮へい体を支持するエントランスノズル、および燃料棒の上方に位置する冷却材流出部を有する。

【0003】

高速増殖炉の炉心は、内側炉心領域およびこの内側炉心領域を取り囲む外側炉心領域を有する炉心燃料領域、炉心燃料領域を取り囲むブランケット燃料領域およびブランケット領域を取り囲む遮へい体領域を有する。標準的な均質炉心の場合、外側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度は、内側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度よりも高くなっている。この結果、炉心の半径方向における出力分布が平坦化される。

【0004】

燃料集合体の各燃料棒に収納される核燃料物質の形態としては、金属燃料、窒化物燃料および酸化物燃料がある。これらのうち、酸化物燃料が最も実績が豊富である。

【0005】

Ｐｕおよび劣化ウランのそれぞれの酸化物を混合した混合酸化物燃料、すなわち、ＭＯＸ燃料のペレットが、燃料棒内で軸方向の中央部において８０～１００ｃｍ程度の高さに充填される。さらに、燃料棒内には、劣化ウランで作られた複数の二酸化ウランペレットを充填した軸方向ブランケット領域が、ＭＯＸ燃料の充填領域の上方および下方にそれぞれ配置されている。内側炉心領域に装荷される内側炉心燃料集合体および外側炉心領域に装荷される外側炉心燃料集合体は、上記のように、ＭＯＸ燃料の複数のペレットを充填した複数の燃料棒を有する。外側炉心燃料集合体のＰｕ富化度は、内側炉心燃料集合体のそれよりも高くなっている。

【0006】

炉心燃料領域を取り囲むブランケット燃料領域には、劣化ウランで作られた複数の二酸化ウランペレットを充填した複数の燃料棒を有するブランケット燃料集合体が装荷される。炉心燃料領域に装荷された燃料集合体内で生じる核分裂反応で発生した中性子のうち、炉心燃料領域から漏れた中性子が、ブランケット燃料領域に装荷されたブランケット燃料集合体の各燃料棒内のＵ－２３８に吸収される。この結果、ブランケット燃料集合体の各燃料棒内で核分裂性核種であるＰｕ－２３９が新たに生成される。

【0007】

また、高速増殖炉の起動時、停止時および原子炉出力の調節時には、制御棒が用いられる。制御棒は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）ペレットをステンレス製の被覆管に封入した複数の中性子吸収棒を有し、これらの中性子吸収棒を、内側炉心燃料集合体および外側炉心燃料集合体と同様に、横断面が正六角形をしたラッパ管に収納されて構成される。制御棒は、主炉停止系および後備炉停止系の独立した２系統の構成となっており、主炉停止系および後備炉停止系のいずれか一方のみで高速増殖炉の緊急停止が可能になる。

【0008】

さて、一般に高速炉の燃焼反応は３％Δｋ／ｋｋ’程度であり、制御棒の誤引抜きとスクラム失敗を重畳した事故（ＵＴＯＰ：Ｕｎｐｒｏｔｅｃｔｅｄ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｏｖｅｒ Ｐｏｗｅｒ）を想定すると、当該制御棒近傍の出力密度が変化して、線出力が設計許容値を超過する可能性がある。このようなＵＴＯＰ時の線出力の増大を回避できれば、熱的な余裕の増大、ひいては炉心の安全性向上が実現できる。ＵＴＯＰ時の線出力増大を回避するには、燃焼反応度を低減して、燃焼補償用の制御棒１本当りに要求される、制御反応度の低減が有効である。

【0009】

特開平５－５２９８１号公報は、高速炉に用いられる燃料集合体を記載している。この燃料集合体は、ＴＲＵ（Ｎｐ，Ｐｕ，ＡｍおよびＣｍ等）を含む混合酸化物燃料が充填された複数の燃料棒を有する。

【0010】

特開２０１８－７１９９７号公報は、内側炉心領域およびこの内側炉心領域を取り囲む外側炉心領域を有する高速炉の炉心を記載する。この炉心においては、内部ブランケット領域が内側炉心領域に配置される。内部ブランケット領域には、マイナーアクチニド（ＭＡ）を含む劣化ウラン燃料酸化物を含む酸化物燃料が存在する。Ｎｐ，ＡｍおよびＣｍ等のＭＡを含む劣化ウラン燃料酸化物を含む酸化物燃料が内部ブランケット領域に存在するため、ボイド反応度を抑制しつつ、燃焼反応度を低減して、ＵＴＯＰ時に炉心に印加される反応度を低減して、安全性を向上させることができる。特開２０１８－７１９９７号公報では、内部ブランケット領域におけるＭＡ含有率が、３５ｗｔ％～４５ｗｔ％の範囲内の値になっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開平５－５２９８１号公報

【特許文献2】特開２０１８－７１９９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

特開２０１８－７１９９７号公報に記載された高速炉の炉心の内部ブランケット領域には、マイナーアクチニドを含む劣化ウラン燃料酸化物を含む酸化物燃料が存在する。使用済燃料の再処理によって使用済燃料から回収されたマイナーアクチニドが使用される。その内部ブランケット領域におけるマイナーアクチニド富化度が容易に調節できることが望まれる。特に、核燃料物質として金属燃料を用いる場合には、マイナーアクチニドのうちアメリシウムおよびキュリウムはウランと均質な合金を形成することができない。このような金属燃料を用いる場合には、内部ブランケット領域における平均マイナーアクチニド富化度を容易に調節できることが望まれる。

【0013】

本発明の目的は、内部ブランケット領域における平均マイナーアクチニド富化度を容易に調節できる燃料集合体および高速炉の炉心を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記した目的を達成する本発明の燃料集合体における特徴は、核燃料物質が存在する核燃料物質領域が形成されて、その核燃料物質領域の下端から上端に向かって第１下部炉心燃料領域、第２内部ブランケット領域および第１上部炉心燃料領域が、この順番で、その核燃料物質領域内に形成される燃料集合体であって、
その核燃料物質が存在する複数の第１燃料棒、およびその核燃料物質が存在する複数の第２燃料棒を有し、
第１燃料棒内に、第１下部炉心燃料領域に対応する位置に第２下部炉心燃料領域が、第１内部ブランケット領域に対応する位置に第２内部ブランケット領域が、第１上部炉心燃料領域に対応する位置に第２上部炉心燃料領域がそれぞれ形成され、
第２燃料棒内に、第１下部炉心燃料領域に対応する位置に第３下部炉心燃料領域が、第１内部ブランケット領域に対応する位置に第３内部ブランケット領域が、第１上部炉心燃料領域に対応する位置に第３上部炉心燃料領域がそれぞれ形成され、
第１燃料棒の第２内部ブランケット領域に存在する核燃料物質は、マイナーアクチニドを含まずウランを含んでおり、第２燃料棒の第３内部ブランケット領域に存在する核燃料物質は、ウランを含まずマイナーアクチニドを含んでいることにある。

【0015】

上記の特徴を有する燃料集合体は、燃料集合体における第１燃料棒及び第２燃料棒のそれぞれの本数を調節することによって、燃料集合体の第１内部ブランケット領域におけるマイナーアクチニドの平均富化度を容易に調節することができる。

【0016】

好ましくは、燃焼度０ＧＷｄｔの燃料集合体の第１内部ブランケット領域におけるマイナーアクチニドの平均富化度を３．７ｗｔ％以上１２．５ｗｔ％以下の範囲内の富化度にすることが望ましい。

【0017】

第１内部ブランケット領域におけるマイナーアクチニドの平均富化度を３．７ｗｔ％以上１２．５ｗｔ％以下の範囲内の富化度にすることによって、制御棒の誤引抜きとスクラム失敗を重畳した事故が万が一発生した場合においても、その制御棒近傍の燃料集合体における線出力の増加はわずかであり、燃料集合体内の燃料棒の健全性が維持され、炉心の安全性が向上する。

【0018】

また、上記の目的を達成する高速炉の炉心における特徴は、複数の第１燃料集合体が装荷された内側炉心領域およびその内側炉心領域を取り囲み、複数の第２燃料集合体が装荷された外側炉心領域を有する高速炉の炉心であって、
内側炉心領域の下端から上端に向かって、第４下部炉心燃料領域、第４内部ブランケット領域および第４上部炉心燃料領域が、この順番で、その内側炉心領域内に形成され、
第１燃料集合体が、前述の特徴を有する燃料集合体であり、
第２下部炉心燃料領域に対応する位置に第４下部炉心燃料領域が、第２内部ブランケット領域に対応する位置に第４内部ブランケット領域が、第２上部炉心燃料領域に対応する位置に第４上部炉心燃料領域がそれぞれ形成されることにある。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、燃焼度０ＧＷｄｔの燃料集合体の内部ブランケット領域における平均マイナーアクチニド富化度を容易に調節することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の好適な一実施例である実施例１の高速炉の炉心の縦断面図である。

【図2】図１に示された炉心の内側炉心領域に装荷された燃焼度０ＧＷｄｔの内側炉心燃料集合体の、図１におけるII－II断面図である。

【図3】図１に示された炉心の内側炉心領域に装荷された燃焼度０ＧＷｄｔの内側炉心燃料集合体の、図１におけるIII－III断面図である。

【図4】図１に示された、燃焼度０ＧＷｄｔの内側炉心燃料集合体の縦断面図である。

【図5】図１に示された、燃焼度０ＧＷｄｔの外側炉心燃料集合体の縦断面図である。

【図6】図１に示す高速炉の炉心の１／２横断面図である。

【図7】高速炉の炉心の内側炉心領域の内部ブランケット領域における、燃焼反応度のＭＡ富化度の平均値に対する依存性を示す特性図である。

【図8】本発明の好適な他の実施例である実施例２の高速炉の炉心の内側炉心領域に装荷される燃焼度０ＧＷｄｔの内側炉心燃料集合体の縦断面図である。

【図9】本発明の好適な他の実施例である実施例３の高速炉の炉心の１／２縦断面図である。

【図10】図９に示された炉心の内側炉心領域に装荷された燃焼度０ＧＷｄｔの内側炉心燃料集合体の縦断面図である。

【図11】図９に示された炉心の外側炉心領域に装荷された燃焼度０ＧＷｄｔの外側炉心燃料集合体の縦断面図である。

【図12】本発明の好適な他の実施例である実施例４の高速炉の炉心の内側炉心領域に装荷された燃焼度０ＧＷｄｔの内側炉心燃料集合体の縦断面図である。

【図13】実施例４の高速炉の炉心の外側炉心領域に装荷された燃焼度０ＧＷｄｔの外側炉心燃料集合体の縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の実施例を以下に説明する。

【実施例0022】

本発明の好適な一実施例である実施例１の高速炉の炉心を、図１～図６に基づいて説明する。

【0023】

本実施例における高速炉の炉心１は、図１および図６に示すように、炉心１の中央に内側炉心領域２を配置し、さらに、内側炉心領域２を取り囲む外側炉心領域３、外側炉心領域３を取り囲む径方向ブランケット領域２５、および径方向ブランケット領域２５を取り囲む反射体領域２６を有する。複数の内側炉心燃料集合体７が内側炉心領域２に装荷され、複数の外側炉心燃料集合体２１が外側炉心領域３に装荷される。複数のブランケット燃料集合体２７が径方向ブランケット領域２５に装荷され、複数の中性子反射体２８が反射体領域２６に装荷される。炉心１は、内側炉心領域２に内部ブランケット領域６を形成した軸方向非均質炉心である。内側炉心領域２には、内部ブランケット領域６以外に、内部ブランケット領域６の上方に位置する上部炉心燃料領域４、および内部ブランケット領域６の下方に位置する下部炉心燃料領域５が存在する。

【0024】

複数の制御棒集合体２９が、内側炉心領域２および外側炉心領域３に配置され、内側炉心燃料集合体７の相互間および外側炉心燃料集合体２１の相互間に挿入される。複数の制御棒集合体２９は、主炉停止系制御棒（調整棒）及び後備炉停止系制御棒（安全棒）の独立した２系統の制御棒を含んでいる。主炉停止系制御棒は、核燃料物質の燃焼に伴う反応度の変化、及び出力分布の調整に用いられる。後備炉停止系制御棒は、主炉停止系制御棒が万一故障した場合のバックアップのために設置されている。高速炉は、主炉停止系制御棒及び後備炉停止系制御棒のいずれか一方により緊急停止が可能である。

【0025】

内側炉心燃料集合体７は、複数の燃料棒１０及び複数の燃料棒１９を有する（図４参照）。燃料棒１０及び燃料棒１９のそれぞれは、外面にワイヤスペーサ（図示せず）が巻き付けられ、横断面が正六角形の筒状の構造物である、ステンレス鋼製のラッパ管３０内に配置される。ワイヤスペーサによって、隣接する燃料棒の相互間には、冷却材である液体ナトリウムが上昇する冷却材通路が形成される。燃料棒１０及び燃料棒１９のそれぞれはラッパ管３０内で正三角形格子状に配置され（図２および図３参照）、それぞれの燃料棒の下端部は、ラッパ管３０の下端部に取り付けられたエントランスノズル（図示せず）によって支持される。巻き付けられたワイヤスペーサによって、隣り合う燃料棒の相互間に所定幅の間隙が形成される。この間隙は、冷却材である液体金属が流れる冷却材通路となる。

【0026】

燃料棒１０及び燃料棒１９のそれぞれは、下端部が下部端栓１７によって封鎖されて上端部が上部端栓１８によって封鎖され、密封されたステンレス鋼製の被覆管１４を有する。金属燃料物質が被覆管１４内に配置される。燃料棒１０は、金属燃料物質として、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料およびＵ－Ｚｒ金属燃料を用いている。燃料棒１０の被覆管１４内には、被覆管１４の下部端栓１７から上方に向かって、下部炉心燃料領域１２、内部ブランケット領域１１および上部炉心燃料領域１３が配置される。下部炉心燃料領域１２および上部炉心燃料領域１３のそれぞれには、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が配置される。内部ブランケット領域１１にはマイナーアクチニド（ＭＡ）を含まないＵ－Ｚｒ金属燃料が配置される。燃料棒１０内における下部炉心燃料領域１２、内部ブランケット領域１１および上部炉心燃料領域１３のそれぞれの位置は、内側炉心領域２における下部炉心燃料領域５、内部ブランケット領域６および上部炉心燃料領域４のそれぞれの位置に一致している。

【0027】

燃料棒１９は、下部端栓１７および上部端栓１８によって密封された被覆管１４内に、下部端栓１７から上方に向かって、下部炉心燃料領域１２、内部ブランケット領域２０および上部炉心燃料領域１３が配置されている。下部炉心燃料領域１２および上部炉心燃料領域１３のそれぞれには、燃料棒１０と同様に、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が配置される。内部ブランケット領域２０にはＭＡ－Ｚｒ金属燃料が配置される。燃料棒１９内における下部炉心燃料領域１２、内部ブランケット領域２０および上部炉心燃料領域１３のそれぞれの位置は、内側炉心領域２における下部炉心燃料領域５、内部ブランケット領域６および上部炉心燃料領域４のそれぞれの位置と一致する。

【0028】

前述のＵ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料、Ｕ－Ｚｒ金属燃料およびＭＡ－Ｚｒ金属燃料は、中実の円柱状の形状をしている。

【0029】

図３に示されるように、内側炉心燃料集合体７の横断面において、複数の燃料棒１０及び複数の燃料棒１９は、互いに混在して、具体的には、燃料棒１９の相互間に燃料棒１０が存在するように混在して配置される。

【0030】

内側炉心燃料集合体７は、内側炉心領域２の下部炉心燃料領域５、内部ブランケット領域６および上部炉心燃料領域４と対応する下部炉心燃料領域８Ｂ、内部ブランケット領域９および上部炉心燃料領域８Ａを有する（図１参照）。内側炉心燃料集合体７において、下部炉心燃料領域８Ｂは燃料棒１０および１９それぞれの下部炉心燃料領域１２に相当し、内部ブランケット領域９は燃料棒１０の内部ブランケット領域１１および燃料棒１９の内部ブランケット領域２０のそれぞれに相当し、および上部炉心燃料領域８Ａは燃料棒１０および１９それぞれの上部炉心燃料領域１３に相当する。

【0031】

内側炉心燃料集合体７の内部ブランケット領域９では、燃料棒１０の、Ｕ－Ｚｒ金属燃料を含む内部ブランケット領域１１と燃料棒１９の、ＭＡ－Ｚｒ金属燃料を含む内部ブランケット領域２０が混在するように、燃料棒１０および１９が配置される（図３参照）。内側炉心燃料集合体７の上部炉心燃料領域８Ａでは、燃料棒１０および１９それぞれの、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料を含む上部炉心燃料領域１３が配置される（図２参照）。内側炉心燃料集合体７の下部炉心燃料領域８Ｂでは、燃料棒１０および１９それぞれの、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料を含む下部炉心燃料領域１２が配置される。

【0032】

炉心１の下端から上端までの高さは、例えば、１００ｃｍである。内側炉心領域２における下部炉心燃料領域５、内部ブランケット領域６および上部炉心燃料領域４のそれぞれの寸法の一例について説明する。下部炉心燃料領域５の下端は炉心１の下端と一致しており、下部炉心燃料領域５の、炉心１の軸方向における長さ４０ｃｍである。内部ブランケット領域６は炉心１の下端から４０ｃｍの位置と炉心１の下端から６０ｃｍの位置の間に位置しており、内部ブランケット領域６の、の炉心１の軸方向に置ける長さは２０ｃｍである。上部炉心燃料領域４は炉心１の下端から６０ｃｍの位置と炉心１の上端の間に位置しており、上部炉心燃料領域４の、炉心１の軸方向における長さは４０ｃｍである。内部ブランケット領域６の、軸方向における真ん中の位置は、例えば、炉心１の、軸方向における真ん中の位置と一致している。

【0033】

内側炉心燃料集合体７内の燃料棒１０および１９のそれぞれにおける、金属燃料が配置された核燃料物質充填領域の軸方向の長さ、すなわち、燃料有効長の下端から燃料有効長の上端までの、軸方向における長さは、炉心１の、軸方向における長さと同じ１００ｃｍである。燃料棒１０および１９のそれぞれにおいて、下部炉心燃料領域１２の、軸方向における長さは、下部炉心燃料領域５のそれと同じ４０ｃｍである。内部ブランケット領域１１および２０のそれぞれの、軸方向における長さは、内部ブランケット領域６のそれと同じ２０ｃｍである。上部炉心燃料領域１３の、軸方向における長さは、上部炉心燃料領域４のそれと同じ４０ｃｍである。

【0034】

内側炉心燃料集合体７における燃料棒１０及び１９の被覆管１４内に、液体金属ナトリウムであるボンドナトリウム１５が充填されている。燃料棒１０では、ボンドナトリウム１５は、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料およびＵ－Ｚｒ金属燃料のそれぞれと被覆管１４の内面との間に形成される間隙に充填される。燃料棒１９では、ボンドナトリウム１５は、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料およびＭＡ－Ｚｒ金属燃料のそれぞれと被覆管１４の内面との間に形成される間隙に充填される。燃料棒１０及び１９のそれぞれにおいて、ガスプレナム１６は、被覆管１４内で、ボンドナトリウム１５が充填された領域の上方に形成される。

【0035】

外側炉心領域３に装荷された外側炉心燃料集合体２１は、複数の燃料棒２２をラッパ管３０内に配置している。各燃料棒２２の下端部が、ラッパ管３０の下端部に設けられたエントランスノズル（図示せず）によって支持されている。燃料棒２２の被覆管１４も、下端部が下部端栓１７で封鎖されて上端部が上部端栓で封鎖され、密封されている。この燃料棒２２の被覆管１４内の炉心燃料領域２３には、金属燃料物質であるＵ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が充填されている。外側炉心燃料集合体２１における燃料棒２２の被覆管１４内にも、液体金属ナトリウムであるボンドナトリウム１５が充填されている。燃料棒２２でも、ボンドナトリウム１５は、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料と被覆管１４の内面との間に形成される間隙に充填される。燃料棒２２においても、ガスプレナム１６が、被覆管１４内で、ボンドナトリウム１５が充填された領域の上方に形成される。燃焼度が０ＧＷｄ/ｔの外側炉心燃料集合体２１における燃料棒２２の被覆管１４内の炉心燃料領域２３のプルトニウム富化度（＝Ｐｕ／（Ｐｕ＋Ｕ））は、１３ｗｔ％～２５ｗｔ％の範囲内の、例えば、２５ｗｔ％である。

【0036】

外側炉心燃料集合体２１内の燃料棒２２における燃料有効長の下端から燃料有効長の上端までの高さは、炉心１の高さと同じ１００ｃｍである。

【0037】

燃料棒１０，１９および２２のそれぞれにおける、金属燃料物質の充填領域の軸方向の長さ、すなわち、燃料有効長は、同じである。

【0038】

内側炉心領域２における下部炉心燃料領域５、内部ブランケット領域６および上部炉心燃料領域４のそれぞれは、前述したように、内側炉心領域２に装荷された内側炉心燃料集合体７に含まれる各燃料棒１０および各燃料棒１９によって形成される。燃焼度が０ＧＷｄ/ｔの内側炉心燃料集合体７における燃料棒１０および１９のそれぞれの下部炉心燃料領域１２および上部炉心燃料領域１３のそれぞれのプルトニウム富化度も、１３ｗｔ％～２５ｗｔ％の範囲内の、例えば、２５ｗｔ％である。さらに、燃焼度が０ＧＷｄ/ｔの内側炉心燃料集合体７における燃料棒１０の内部ブランケット領域１１はＭＡを含んでいないＵ－Ｚｒ金属燃料が配置され、その燃料集合体７における燃料棒１９の内部ブランケット領域２０はＭＡを含むＭＡ－Ｚｒ金属燃料が配置される。このような内側炉心燃料集合体７の内部ブランケット領域９の平均ＭＡ富化度は、後述する３．７ｗｔ％～１２．５ｗｔ％の範囲内の、例えば、８．０ｗｔ％である。

【0039】

炉心１を有する高速炉の電気出力は、例えば、７５万ｋＷｅで、連続運転期間は２３ヶ月であり、炉心１に装荷された燃料集合体の炉心燃料の平均取出し燃焼度は約１００ＧＷｄ／ｔである。炉心１に装荷された燃料集合体の、炉心１からの取出しは、例えば、３バッチで行われる。すなわち、炉心１に装荷された燃料集合体７および２１のそれぞれは、１サイクルの運転サイクルにおける高速炉の運転が終了した後の運転停止期間において、炉心１に装荷された、それぞれの全燃料集合体の１／３（３サイクルでの運転を経験した燃料集合体７および２１の１／３）ずつが、炉心１から取り出される。そして、替りに、０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体７および２１のそれぞれが炉心１に装荷される。

【0040】

高速炉の運転中において、燃料棒１０および燃料棒１９内の金属燃料に含まれた核分裂性物質（例えば、Ｐｕ－２３９）の核分裂によって生成された、気体状の核分裂生成物（ＦＰ）は、それぞれの燃料棒内に存在するガスプレナム１６内に蓄えられる。各燃料棒内でのガスプレナム１６の形成は、気体状の核分裂生成物の生成によって燃料棒内の圧力の上昇を抑制する。

【0041】

燃焼度が０ＧＷｄ/ｔである内側炉心燃料集合体７では、前述したように、ＭＡを含まないＵ－Ｚｒ金属燃料を含む内部ブランケット領域１１を有する燃料棒１０、およびＵを含まないＭＡ－Ｚｒ金属燃料を含む内部ブランケット領域２０を有する燃料棒１９が混在している。このように、内側炉心燃料集合体７において、燃料棒１０と燃料棒１９を混在させる理由は、金属燃料を用いる場合、マイナーアクチニドのうちアメリシウム（Ａｍ）およびキュリウム（Ｃｍ）はウラン（Ｕ）と均質な合金を形成することができないためである。ＭＡを含まないでＵ－Ｚｒ金属燃料を含む内部ブランケット領域１１を有する燃料棒１０、およびＭＡ－Ｚｒ金属燃料を含む内部ブランケット領域２０を有する燃料棒１９を、内側炉心燃料集合体７内で混在させることによって、内側炉心燃料集合体７において、金属燃料のウランおよび金属燃料のマイナーアクチニドを含む内部ブランケット領域９を容易に形成することができる。燃料棒１０の本数および燃料棒１９の本数を調節することによって、すなわち、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである内側炉心燃料集合体７の内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの富化度を容易に調節することができる。このため、内側炉心領域２における内部ブランケット領域６におけるマイナーアクチニドの富化度も容易に調節することができる。

【0042】

発明者らは、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである内側炉心燃料集合体７の内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの平均富化度（＝ＭＡ／（Ｕ＋ＭＡ））による炉心１の燃焼反応度の変化について検討した。この検討によって得られた、内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの平均富化度による炉心１の燃焼反応度の変化を図７に示す。図７において、横軸は燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである内側炉心燃料集合体７の内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの平均富化度（ｗｔ％）を示しており、縦軸はその内側炉心燃料集合体７における燃焼反応度（＄）を示している。ここで、マイナーアクチニドは、取出燃焼度６０ＧＷｄ／ｔの軽水炉の使用済燃料集合体内の使用済核燃料に含まれるＮｐ，ＡｍおよびＣｍである。

【0043】

図７に示すように、燃焼反応度は、内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの平均富化度が増加するのに伴って減少し、マイナーアクチニドの平均富化度が８．０ｗｔ％近傍になるとほぼゼロとなり、さらに、マイナーアクチニドの平均富化度が増加すると負の値となる。このように、燃焼反応度が負の値になるのは、平衡サイクルの初期よりも平衡サイクルの末期の方が、反応度が大きいからである。

【0044】

図７に示すように、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである内側炉心燃料集合体７の内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの平均富化度が、３．７ｗｔ％～１２．５ｗｔ％（３．７ｗｔ％以上１２．５ｗｔ％以下）の範囲内のマイナーアクチニドの平均富化度であることによって、燃焼反応度の絶対値は１＄以下となる。さらに、内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの平均富化度を３．７ｗｔ％～１２．５ｗｔ％（３．７ｗｔ％以上１２．５ｗｔ％以下）の範囲にすることによって、制御棒の誤引抜きとスクラム失敗を重畳した事故（ＵＴＯＰ：Ｕｎｐｒｏｔｅｃｔｅｄ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｏｖｅｒ Ｐｏｗｅｒ）を想定した場合でも、当該制御近傍の燃料集合体における線出力の増加がわずかとなり、燃料棒の健全性が維持され、炉心の安全性が向上する。

【0045】

ウランを含む金属燃料とＭＡを含む金属燃料は均質に混合しないため、ウラン及びＭＡを含む金属燃料は製造できない。本実施例では、内側炉心燃料集合体７が、マイナーアクチニドを含まずウランを含む金属燃料が存在する内部ブランケット領域１１を有する複数の燃料棒１０、およびウランを含まずマイナーアクチニドを含む金属燃料が存在する内部ブランケット領域２０を有する複数の燃料棒１９を含んでいる。燃料棒１０および１９のそれぞれの本数を調節することによって、金属燃料を用いた内側炉心燃料集合体７であっても、この燃料集合体の内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの富化度を容易に調節することができる。また、複数の内側炉心燃料集合体７が炉心１の内側炉心領域２に装荷されているため、炉心１の内部ブランケット領域６におけるマイナーアクチニドの富化度も容易に調節することができる。

【0046】

本実施例の燃料集合体に用いられる金属燃料は、特開２０１８－７１９９７号公報に記載された燃料集合体で用いられる酸化物燃料に比べて密度が大きく、しかも、中性子散乱効果がある酸素を含んでいないため、中性子スペクトルが硬く、内部転換比が大きくなる。金属燃料の燃焼反応度が、酸化物燃料のそれよりも小さくなる。この結果、本実施例の燃焼度が０ＧＷｄｔである内側炉心燃料集合体７の、燃焼反応度を低減させる内部ブランケット領域９の平均ＭＡ富化度を、特開２０１８－７１９９７号公報に記載された燃料集合体の内部ブランケット領域の平均ＭＡ富化度よりも低くすることができる。本実施例の内側炉心燃料集合体７において、内部ブランケット領域９の平均ＭＡ富化度を低下させた場合でも、所定の燃焼反応度を得ることができる。

【0047】

ＭＡの富化度が高くなると、ＭＡの崩壊熱が増加するため、燃料製造の難易度（燃料製造時の除熱の課題）が増加する。本実施例によれば、燃焼度が０ＧＷｄｔである内側炉心燃料集合体７の内部ブランケット領域９の平均ＭＡ富化度を特開２０１８－７１９９７号公報に記載された燃料集合体の内部ブランケット領域の平均ＭＡ富化度よりも低くすることができるため、本実施例で用いる燃料の製造性が向上する。

【実施例0048】

本発明の好適な他の実施例である実施例２の高速炉の炉心を、図８を用いて説明する。

【0049】

本実施例における高速炉の炉心では、実施例１で用いられた内側炉心燃料集合体７の替りに、図８に示された内側炉心燃料集合体７Ａが用いられる。本実施例の高速炉の炉心における内側炉心燃料集合体７Ａ以外の他の構成は、実施例１の高速炉の炉心１の構成と同じである。内側炉心燃料集合体７Ａは、本実施例に炉心１の内側炉心領域２に装荷される。

【0050】

内側炉心燃料集合体７Ａは、複数の燃料棒１０Ａおよび複数の燃料棒１９Ａを有する。内側炉心燃料集合体７Ａの、燃料棒１０Ａおよび１９Ａ以外の構成は、実施例１で用いられる内側炉心燃料集合体７の構成と同じである。燃料棒１０Ａおよび１９Ａも、被覆管１４の下端部及び上端部が下部端栓１７および上部端栓１８によって密封されている。

【0051】

燃料棒１０Ａは、金属燃料物質として、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料およびＵ－Ｚｒ金属燃料を用いている。燃料棒１０Ａは、被覆管１４内に、下部炉心燃料領域１２および上部炉心燃料領域１３を燃料棒１０と同様に形成しており、内部ブランケット領域１１Ａが下部炉心燃料領域１２と上部炉心燃料領域１３の間に形成されている。下部炉心燃料領域１２および上部炉心燃料領域１３にはＵ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が配置され、内部ブランケット領域１１ＡにはＵ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が配置される。

【0052】

燃料棒１９Ａは、金属燃料物質として、Ｕ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料およびＵ－Ｚｒ金属燃料を用いている。燃料棒１９Ａは、被覆管１４内に、下部炉心燃料領域１２および上部炉心燃料領域１３を燃料棒１０と同様に形成しており、内部ブランケット領域２０Ａが下部炉心燃料領域１２と上部炉心燃料領域１３の間に形成されている。下部炉心燃料領域１２および上部炉心燃料領域１３にはＵ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が配置され、内部ブランケット領域２０ＡにはＭＡ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料が配置される。

【0053】

本実施例における前述のＵ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料およびＭＡ－Ｐｕ－Ｚｒ金属燃料も、中実の円柱状の形状を有している。

【0054】

燃焼度０ＧＷｄｔの内側炉心燃料集合体７Ａの各燃料棒の内部ブランケット領域１１Ａおよび２０Ａにおけるプルトニウム富化度は、０ｗｔ％よりも大きく１３ｗｔ％以下の範囲内のプルトニウム富化度、例えば、１０ｗｔ％にするとよい。その範囲内のプルトニウム富化度にすることによって、本実施例の、高速炉の炉心における出力分布の時間変動および空間分布をできる限り平坦化することができ、目標の炉心反応度を達成することができる。

【0055】

本実施例においても、燃焼度０ＧＷｄｔである内側炉心燃料集合体７Ａの、内部ブランケット領域９におけるマイナーアクチニドの平均富化度が、３．７ｗｔ％～１２．５ｗｔ％（３．７ｗｔ％以上１２．５ｗｔ％以下）の範囲内のマイナーアクチニドの平均富化度である。

【0056】

本実施例における内側炉心燃料集合体７Ａに用いられる燃料棒１０Ａおよび１９Ａのそれぞれの内部ブランケット領域の構成を表１に示す。ここで、内側炉心燃料集合体７Ａ内における燃料棒１０Ａの本数はＮ５２、および燃料棒１９Ａの本数はＮ５４である。

【0057】

【表1】

【0058】

なお、表１内の「３．７≦Ｎ５４×１００／（Ｎ５４＋Ｎ５２）≦１２．５」は、内側炉心燃料集合体７Ａの内部ブランケット領域９の平均ＭＡ富化度が３．７～１２．５ｗｔ％の範囲となる条件である。

【0059】

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。