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(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】P2023173029
(43)【公開日】2023-12-07
(54)【発明の名称】高速炉の炉心
(51)【国際特許分類】
G21C 5/00 20060101AFI20231130BHJP
G21C 5/20 20060101ALI20231130BHJP
【ＦＩ】
G21C5/00 A
G21C5/20
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022084988
(22)【出願日】2022-05-25
(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】110000925
【氏名又は名称】弁理士法人信友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】渕田 翔
(72)【発明者】
【氏名】藤村 幸治
(57)【要約】
【課題】ガス膨張モジュールを備える高速炉の炉心において、ULOFの発生を想定した場合であっても正の反応度を抑制する効果を増大しえる、高速炉の炉心を提供する。
【解決手段】一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物である、ガス膨張モジュールが設置された高速炉の炉心であって、炉心の径方向においてガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子を吸収する中性子吸収体、または、中性子の速度を減少させる中性子減速材が、設置されている、高速炉の炉心を構成する。
【選択図】図１
【解決手段】一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物である、ガス膨張モジュールが設置された高速炉の炉心であって、炉心の径方向においてガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子を吸収する中性子吸収体、または、中性子の速度を減少させる中性子減速材が、設置されている、高速炉の炉心を構成する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物である、ガス膨張モジュールが設置された高速炉の炉心であって、
前記炉心の径方向において前記ガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子を吸収する中性子吸収体、または、中性子の速度を減少させる中性子減速材が、設置されている
高速炉の炉心。
前記炉心の径方向において前記ガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子を吸収する中性子吸収体、または、中性子の速度を減少させる中性子減速材が、設置されている
高速炉の炉心。
【請求項2】
請求項１に記載の高速炉の炉心であって、前記ガス膨張モジュールは、炉心燃料領域の径方向の外側に１周連なって設置されている高速炉の炉心。
【請求項3】
請求項１に記載の高速炉の炉心であって、前記炉心の径方向において前記ガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、前記中性子減速材が配され、前記ガス膨張モジュール及び前記中性子減速材に隣接する位置に、前記中性子吸収体が配されている高速炉の炉心。
【請求項4】
請求項１に記載の高速炉の炉心であって、炉心燃料領域と遮へい体領域の間に径方向ブランケット領域を有し、前記炉心燃料領域と前記径方向ブランケット領域の間に前記ガス膨張モジュールを有し、前記中性子吸収体は前記ガス膨張モジュールの径方向外側に隣接する高速炉の炉心。
【請求項5】
請求項１に記載の高速炉の炉心であって、炉心燃料領域の上部にナトリウムプレナムが設置されている高速炉の炉心。
【請求項6】
請求項５に記載の高速炉の炉心であって、炉心燃料領域が内側炉心燃料領域と外側炉心燃料領域を有し、外側炉心燃料領域の上端の位置が内側炉心燃料領域の上端の位置よりも高い高速炉の炉心。
【請求項7】
請求項１に記載の高速炉の炉心であって、前記中性子吸収体の上端部は、主循環ポンプ起動時の前記ガス膨張モジュール内の液位よりも高い位置にあり、前記中性子吸収体の下端部は、主循環ポンプ停止時の前記ガス膨張モジュール内の液位よりも低い位置にある高速炉の炉心。
【請求項8】
請求項７に記載の高速炉の炉心であって、前記中性子吸収体の上端部は、前記ガス膨張モジュール内のガス空間の上端よりも高い位置にある高速炉の炉心。
【請求項9】
請求項１に記載の高速炉の炉心であって、前記ガス膨張モジュールのガス空間の上に、中性子を吸収する中性子吸収体が設置されている高速炉の炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高速炉の液体金属による冷却材の流量喪失事象に対する安全性向上のために、ガス膨張モジュールを備えた、高速炉の炉心に関する。
【背景技術】
【0002】
高速の中性子で核分裂反応を維持する高速炉は、一般的に原子炉容器内に設置された炉心と、原子炉容器内に充填された冷却材（液体金属による冷却材）によって構成されている。高速炉の炉心には、複数の燃料集合体が装荷される。燃料集合体は、束ねられた複数の燃料棒と、それを収めるラッパ管を有する。燃料棒は、核燃料物質とそれを封入する被覆管によって構成される。
【0003】
燃料集合体の燃料棒に封入される核燃料物質の形態として、酸化物燃料、金属燃料、窒化物燃料がある。核燃料物質としては、一般的に、プルトニウム（Ｐｕ）を富化した劣化ウラン（Ｕ－２３８）、核分裂性ウラン（Ｕ－２３５）を天然の同位体比よりも高めた濃縮ウラン燃料がある。
【0004】
高速炉の炉心は、燃料集合体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、及びブランケット燃料領域を取り囲む遮へい体領域を有する。ブランケット燃料領域は省略することもありうる。遮へい体領域には、炉心の中性子経済を高めるためにステンレス鋼製の反射体を有する。
【0005】
高速炉の起動、停止及び原子炉出力の調整のため、制御棒が用いられる。制御棒は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）ペレットをステンレス鋼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、円環形状の制御棒案内管内に収納して構成される。
【0006】
原子炉容器内の冷却材を循環させるための主循環ポンプ故障等による１次系冷却材の流量喪失時に、制御棒による原子炉停止失敗が重畳した事象（ULOF: Unprotected Loss of Flow）を想定すると、炉心燃料集合体の出力・流量（Ｐ／Ｆ）比に不整合が生じ、炉心近傍の冷却材温度は上昇する。冷却材に液体金属を用いた高速炉では、一般的に、冷却材温度上昇時や冷却材沸騰時に正の反応度が挿入されるため、出力が上昇する。
【0007】
上述したような、万が一に生ずるULOF時の炉心出力増大を回避するために、特許文献１に記載される技術が提案されている。
特許文献１では、炉心燃料領域の最外周燃料集合体の外側に隣接するように、ガス膨張モジュールが配置されている。
そして、定格運転時には、ガス膨張モジュール内のナトリウム液位が炉心燃料領域の上端より上側にあり、ナトリウムの散乱効果によって炉心燃料で発生した中性子の半径方向の漏れが抑制される。
一方、主循環ポンプの故障等によって、ガス膨張モジュール下端のナトリウム入口部の冷却材圧力が低下すると、ガス膨張モジュール内のナトリウム液位は、炉心燃料領域の下端よりも下側に低下して、中性子の半径方向の漏れが増大する。これによって、ULOF時の正の反応度が抑制され、炉心の出力が上昇することが抑えられる。
特許文献１では、炉心燃料領域の最外周燃料集合体の外側に隣接するように、ガス膨張モジュールが配置されている。
そして、定格運転時には、ガス膨張モジュール内のナトリウム液位が炉心燃料領域の上端より上側にあり、ナトリウムの散乱効果によって炉心燃料で発生した中性子の半径方向の漏れが抑制される。
一方、主循環ポンプの故障等によって、ガス膨張モジュール下端のナトリウム入口部の冷却材圧力が低下すると、ガス膨張モジュール内のナトリウム液位は、炉心燃料領域の下端よりも下側に低下して、中性子の半径方向の漏れが増大する。これによって、ULOF時の正の反応度が抑制され、炉心の出力が上昇することが抑えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２０１７－１８７３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献1に記載されている構成は、炉心中心から水平方向に外部に向かう方向で、ガス膨張モジュールの背後に反射体を配する構成である。
このため、主循環ポンプの故障等によってガス膨張モジュール内のナトリウム液位が低下した場合に、炉心の半径方向に漏えいした中性子は、該反射体によって散乱され、一部が炉心燃料領域に再度侵入する。これにより、炉心の出力が下がりにくくなり、ガス膨張モジュールの中性子漏洩効果を抑制してしまう。
このため、主循環ポンプの故障等によってガス膨張モジュール内のナトリウム液位が低下した場合に、炉心の半径方向に漏えいした中性子は、該反射体によって散乱され、一部が炉心燃料領域に再度侵入する。これにより、炉心の出力が下がりにくくなり、ガス膨張モジュールの中性子漏洩効果を抑制してしまう。
【0010】
本発明は、かかる技術的な課題を解決するためになされたもので、ガス膨張モジュールを備える高速炉の炉心において、ULOFの発生を想定した場合であっても、正の反応度を抑制する効果を増大しえる、高速炉の炉心を提供することを目的とする。
【0011】
また、本発明の上記の目的及びその他の目的と本発明の新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の高速炉の炉心は、一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であるガス膨張モジュールが設置された高速炉の炉心である。
そして、本発明の高速炉の炉心は、炉心の径方向においてガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子を吸収する中性子吸収体、または、中性子の速度を減少させる中性子減速材が、設置されている構成である。
そして、本発明の高速炉の炉心は、炉心の径方向においてガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子を吸収する中性子吸収体、または、中性子の速度を減少させる中性子減速材が、設置されている構成である。
【発明の効果】
【0013】
上述の本発明の高速炉の炉心によれば、ガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に配置された、中性子吸収体または中性子減速材によって、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を、抑制することができる。これにより、ガス膨張モジュールによるULOF時の正の反応度抑制効果を増大しえる、高速炉の炉心を提供することができる。
【0014】
なお、上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】実施例１の高速炉の炉心の横断面図である。
【図3】炉心の実施例を適用する高速炉原子力発電システムの一例の全体構成図である。
【図4】実施例２の高速炉の炉心の横断面図である。
【図5】実施例３の高速炉の炉心の縦断面図である。
【図6】実施例４の高速炉の炉心の横断面図である。
【図7】実施例５の高速炉の炉心の横断面図である。
【図8】実施例６の高速炉の炉心の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明に係る実施の形態及び実施例について、文章もしくは図面を用いて説明する。ただし、本発明に示す構造、材料、その他具体的な各種の構成等は、ここで取り上げた実施の形態や実施例に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0017】
本発明の高速炉の炉心は、一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であるガス膨張モジュールが設置された高速炉の炉心である。
そして、本発明の高速炉の炉心は、炉心の径方向においてガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子を吸収する中性子吸収体、または、中性子の速度を減少させる中性子減速材が、設置されている構成である。
そして、本発明の高速炉の炉心は、炉心の径方向においてガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子を吸収する中性子吸収体、または、中性子の速度を減少させる中性子減速材が、設置されている構成である。
【0018】
本発明の高速炉の炉心の構成によれば、ガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に配置された、中性子吸収体または中性子減速材によって、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を、抑制することができる。これにより、ガス膨張モジュールによるULOF時の正の反応度抑制効果を増大しえる、高速炉の炉心を提供することができる。
【0019】
また、本発明の高速炉の炉心は、要求されるガス膨張モジュールの反応度が同じ場合で、中性子吸収体または中性子減速材を設けていない従来の炉心と比較すると、ガス膨張モジュールの体数を削減することができる。
【0020】
上記の高速炉の炉心の構成において、中性子を吸収する中性子吸収体には、例えば、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）等を使用することができる。そして、例えば、炭化ホウ素ペレットを被覆管に封入した中性子吸収棒を、ラッパ管内に収納して、中性子吸収体を構成することができる。
【0021】
上記の高速炉の炉心の構成において、中性子の速度を減少させる中性子減速材の材料としては、例えば、水素化ジルコニウム、水素化イットリウム、水素化ハフニウム、水素化カルシウム、ある種の水素化物、炭化ケイ素、ベリリウム、等を使用することができる。
【0022】
上記の高速炉の炉心において、ガス膨張モジュールが、炉心燃料領域の径方向の外側に１周連なって設置されている構成とすることができる。
この構成の場合、ガス膨張モジュールが炉心燃料領域の径方向の外側に１周連なって設置されている炉心においても、中性子吸収体または中性子減速材によって、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を、抑制することができる。
この構成の場合、ガス膨張モジュールが炉心燃料領域の径方向の外側に１周連なって設置されている炉心においても、中性子吸収体または中性子減速材によって、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を、抑制することができる。
【0023】
上記の高速炉の炉心において、炉心の径方向においてガス膨張モジュールの外側に隣接する位置に、中性子減速材が配され、ガス膨張モジュール及び中性子減速材に隣接する位置に、中性子吸収体が配されている構成とすることができる。
この構成の場合、ガス膨張モジュールに隣接して、中性子吸収体と中性子減速材が配されているので、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を抑制する効果を、さらに高めることができる。
この構成の場合、ガス膨張モジュールに隣接して、中性子吸収体と中性子減速材が配されているので、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を抑制する効果を、さらに高めることができる。
【0024】
上記の高速炉の炉心において、炉心燃料領域と遮へい体領域の間に径方向ブランケット領域を有し、炉心燃料領域と径方向ブランケット領域の間にガス膨張モジュールを有し、中性子吸収体はガス膨張モジュールの径方向外側に隣接する構成とすることができる。
この構成の場合、炉心燃料領域と遮へい体領域の間に径方向ブランケット領域を有する炉心においても、中性子吸収体によって、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を、抑制することができる。
この構成の場合、炉心燃料領域と遮へい体領域の間に径方向ブランケット領域を有する炉心においても、中性子吸収体によって、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を、抑制することができる。
【0025】
上記の高速炉の炉心において、炉心燃料領域の上部にナトリウムプレナムが設置されている構成とすることができる。
この構成の場合、炉心燃料領域の上部にナトリウムプレナムが設置されている炉心においても、中性子吸収体または中性子減速材によって、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を、抑制することができる。
この構成の場合、炉心燃料領域の上部にナトリウムプレナムが設置されている炉心においても、中性子吸収体または中性子減速材によって、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を、抑制することができる。
【0026】
この構成において、さらに、炉心燃料領域が内側炉心燃料領域と外側炉心燃料領域を有し、外側炉心燃料領域の上端の位置が内側炉心燃料領域の上端の位置よりも高い構成とすることができる。
外側炉心燃料領域の上端の位置が内側炉心燃料領域の上端の位置よりも高いことにより、外側炉心燃料領域全体の高さが高くなり、外側炉心燃料領域の出力を高めることができる。このため、外側炉心燃料領域の出力と内側炉心燃料領域の出力との差を小さくすることや、外側炉心燃料領域の出力を内側炉心燃料領域の出力と同等とすることが、可能になる。
外側炉心燃料領域の上端の位置が内側炉心燃料領域の上端の位置よりも高いことにより、外側炉心燃料領域全体の高さが高くなり、外側炉心燃料領域の出力を高めることができる。このため、外側炉心燃料領域の出力と内側炉心燃料領域の出力との差を小さくすることや、外側炉心燃料領域の出力を内側炉心燃料領域の出力と同等とすることが、可能になる。
【0027】
上記の高速炉の炉心において、中性子吸収体の上端部が、主循環ポンプ起動時のガス膨張モジュール内の液位よりも高い位置にあり、中性子吸収体の下端部が、主循環ポンプ停止時のガス膨張モジュール内の液位よりも低い位置にある構成とすることができる。
この構成の場合、主循環ポンプ起動時及び主循環ポンプ停止時のいずれの状態でも、中性子吸収体をガス膨張モジュールのガス空間に対向させることができ、ガス空間を通過した中性子を中性子吸収体によって吸収することができる。
この構成の場合、主循環ポンプ起動時及び主循環ポンプ停止時のいずれの状態でも、中性子吸収体をガス膨張モジュールのガス空間に対向させることができ、ガス空間を通過した中性子を中性子吸収体によって吸収することができる。
【0028】
この構成において、さらに、中性子吸収体の上端部が、ガス膨張モジュール内のガス空間の上端よりも高い位置にある構成とすることができる。ガス膨張モジュール内のガス空間の上端よりも高い位置にあることにより、中性子吸収体がガス空間全体をカバーして、ガス空間を通過した中性子を確実に吸収することができる。
【0029】
上記の高速炉の炉心において、ガス膨張モジュールのガス空間の上に、中性子を吸収する中性子吸収体が設置されている構成とすることができる。
この構成の場合、ガス膨張モジュールのガス空間の上にも、中性子吸収体が設置されているので、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を抑制する効果を、さらに高めることができる。
この構成の場合、ガス膨張モジュールのガス空間の上にも、中性子吸収体が設置されているので、ガス膨張モジュール作動時に漏えいした中性子の炉心燃料領域への散乱を抑制する効果を、さらに高めることができる。
【実施例0030】
続いて、高速炉の炉心の具体的な実施例を説明する。
【0031】
（高速炉型原子力発電システムの構成）
まず、炉心の実施例の説明に先立ち、炉心の実施例を適用する、高速炉原子力発電システムの一例を説明する。
炉心の実施例を適用する、高速炉原子力発電システムの一例の全体構成図を、図３に示す。
まず、炉心の実施例の説明に先立ち、炉心の実施例を適用する、高速炉原子力発電システムの一例を説明する。
炉心の実施例を適用する、高速炉原子力発電システムの一例の全体構成図を、図３に示す。
【0032】
図３に示す高速炉原子力発電システム１は、原子炉容器２、炉心３、中間熱交換器５、一次主循環ポンプ７a、二次主循環ポンプ７ｂ、及び、蒸気発生器８を有する。
また、高速炉原子力発電システム１は、主蒸気系配管９ａ、高圧タービン１１ａ、低圧タービン１１ｂ、発電機１２、復水器１３、給復水系配管９ｂ、給水ポンプ１４、及び、給水加熱器１５を有する。
また、高速炉原子力発電システム１は、主蒸気系配管９ａ、高圧タービン１１ａ、低圧タービン１１ｂ、発電機１２、復水器１３、給復水系配管９ｂ、給水ポンプ１４、及び、給水加熱器１５を有する。
【0033】
炉心３は、核分裂性物質を含み、原子炉容器２内に収納されている。
中間熱交換器５及び一次主循環ポンプ７ａは、原子炉容器２から一次冷却系配管４ａを介して順に接続されている。
二次主循環ポンプ７ｂ及び蒸気発生器８は、中間熱交換器５より二次冷却系配管４ｂを介して順に接続されている。
中間熱交換器５及び一次主循環ポンプ７ａは、原子炉容器２から一次冷却系配管４ａを介して順に接続されている。
二次主循環ポンプ７ｂ及び蒸気発生器８は、中間熱交換器５より二次冷却系配管４ｂを介して順に接続されている。
【0034】
主蒸気系配管９ａは、蒸気発生器８にて発生した蒸気を、高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂに送る。
高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂは、送られてきた蒸気によって、タービンを回転させる。
発電機１２は、低圧タービン１１ｂの軸に連結されている。また、発電機１２は、図示しないが、高圧タービン１１ａの軸にも連結されている。
復水器１３は、高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂを経由した後の蒸気を凝縮して水に戻す。
給復水系配管９ｂは、復水器１３にて凝縮した水を、蒸気発生器８に戻す。
給水ポンプ１４及び給水加熱器１５は、復水器１３の下流側で給復水系配管９ｂに連結されている。
高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂは、送られてきた蒸気によって、タービンを回転させる。
発電機１２は、低圧タービン１１ｂの軸に連結されている。また、発電機１２は、図示しないが、高圧タービン１１ａの軸にも連結されている。
復水器１３は、高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂを経由した後の蒸気を凝縮して水に戻す。
給復水系配管９ｂは、復水器１３にて凝縮した水を、蒸気発生器８に戻す。
給水ポンプ１４及び給水加熱器１５は、復水器１３の下流側で給復水系配管９ｂに連結されている。
【0035】
そして、高速炉原子力発電システム１は、炉心３にて加熱された一次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）を中間熱交換器５に通して、二次系冷却材（例えば、液体ナトリウム）を加熱する。
さらに、高速炉原子力発電システム１は、二次系冷却材を蒸気発生器８に通して、主蒸気系配管９ａに蒸気を発生させ、この蒸気を高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂに導いて、発電機１２により発電を行う。
発電に使用された蒸気は、沸騰水型（ＢＷＲ）または加圧水型（ＰＷＲ）軽水炉原子力発電システムと同様に、復水器１３で凝縮されて水となり、その後、給水ポンプ１４及び給水加熱器１５を通ってそれぞれ加熱及び昇圧され、蒸気発生器８に給水される。
さらに、高速炉原子力発電システム１は、二次系冷却材を蒸気発生器８に通して、主蒸気系配管９ａに蒸気を発生させ、この蒸気を高圧タービン１１ａ及び低圧タービン１１ｂに導いて、発電機１２により発電を行う。
発電に使用された蒸気は、沸騰水型（ＢＷＲ）または加圧水型（ＰＷＲ）軽水炉原子力発電システムと同様に、復水器１３で凝縮されて水となり、その後、給水ポンプ１４及び給水加熱器１５を通ってそれぞれ加熱及び昇圧され、蒸気発生器８に給水される。
【0036】
炉心３には、後述する複数の炉心燃料集合体、制御棒及びガス膨張モジュール（ＧＥＭ）が装荷されている。
炉心３を収納する原子炉容器２内は一次冷却材で満たされている。一次冷却材は、炉心３の下部より炉心３内に入り、炉心燃料集合体に沿って上昇し、一次主循環ポンプ７ａにより、一次冷却系配管４ａを介して原子炉容器２の外部に設けられた中間熱交換器５へと流入する。これにより、ループ型の高速炉を構成している。
炉心３を収納する原子炉容器２内は一次冷却材で満たされている。一次冷却材は、炉心３の下部より炉心３内に入り、炉心燃料集合体に沿って上昇し、一次主循環ポンプ７ａにより、一次冷却系配管４ａを介して原子炉容器２の外部に設けられた中間熱交換器５へと流入する。これにより、ループ型の高速炉を構成している。
【0037】
なお、本明細書では、ループ型の高速炉を例に説明するが、これに限られず、原子炉容器２、一次主循環ポンプ７ａ及び中間熱交換器５を１つのタンクに収容するタンク型の高速炉にも適用できる。
【0038】
（実施例）
続いて、高速炉の炉心の実施例を説明する。
続いて、高速炉の炉心の実施例を説明する。
【0039】
（実施例１）
図１は、実施例１の高速炉の炉心の横断面図である。
図１は、実施例１の高速炉の炉心の横断面図である。
【0040】
図１に示すように、本実施例の高速炉の炉心１０は、図３に示した高速炉の原子炉容器２内に配置されるものであり、半径方向に炉心燃料領域２１と、炉心燃料領域２１を取り囲むように、反射体領域２２が配置されている。
また、炉心燃料領域２１と反射体領域２２に隣接する位置に、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２３が設置されている。ガス膨張モジュール２３は、具体的には、六角形状の炉心１０の6箇所の角部付近に１個ずつ、合計６個配置されている。
また、炉心燃料領域２１と反射体領域２２に隣接する位置に、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２３が設置されている。ガス膨張モジュール２３は、具体的には、六角形状の炉心１０の6箇所の角部付近に１個ずつ、合計６個配置されている。
【0041】
炉心燃料領域２１には、原子炉の起動時、停止時、及び出力の調整時に用いる、制御棒２５が配置されている。制御棒２５は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）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円環形状の保護管内に収納して、構成される。制御棒２５は、主炉停止系及び後備炉停止系の独立した２系統の構成となっているが、図１ではこれらを区別せずに記載している。
【0042】
なお、図１の高速炉の炉心１０の横断面図は、炉心１０の炉心燃料領域２１に装荷される複数の燃料集合体と複数のガス膨張モジュール２３との配置関係を示すものであり、説明の便宜上、炉心１０の炉心燃料領域２１に装荷される燃料集合体の体数及びガス膨張モジュール２３の体数については、特に問わず簡略化して示している。
【0043】
ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２３は、一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物であり、外見は炉心燃料領域２１に装荷される燃料集合体のラッパ管と同様である。
【0044】
さらに、本実施例の高速炉の炉心１０は、炉心の中心から径方向外側に向かってガス膨張モジュール２３の径方向外側に隣接する位置に、中性子を吸収する機能を持つ中性子吸収体２４を有する。
中性子吸収体２４は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）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、炉心燃料領域２１に装荷される燃料集合体と同様のラッパ管内に収納して構成される。
中性子吸収体２４は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）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、炉心燃料領域２１に装荷される燃料集合体と同様のラッパ管内に収納して構成される。
【0045】
図２は、図１に示す高速炉の炉心１０の、ガス膨張モジュール２３と中性子吸収体２４とを含む縦断面図である。
図２の左側の領域１０１は、図３に示した一次主循環ポンプ７ａの流量が定格運転時の状態を示す。
また、図２の右側の領域１０２は、電源喪失等による一次主循環ポンプ７ａの停止に伴う冷却材の流量喪失とスクラム失敗を重畳した事故（前述したULOF）とが発生した時の状態を示す。
図２の左側の領域１０１は、図３に示した一次主循環ポンプ７ａの流量が定格運転時の状態を示す。
また、図２の右側の領域１０２は、電源喪失等による一次主循環ポンプ７ａの停止に伴う冷却材の流量喪失とスクラム失敗を重畳した事故（前述したULOF）とが発生した時の状態を示す。
【0046】
図２に示すように、ガス膨張モジュール２３は、一端が閉鎖され、他端が開口されている中空な管状構造物を縦に配置して、上端が閉鎖され、下端が開口されている構成としている。そして、管状構造物の中空の空間に、冷却材ナトリウム（Ｎａ）２６と、不活性ガスアルゴン（Ａｒ）２７とが、収容されている。
冷却材ナトリウム（Ｎａ）２６は、液体であって、ガス膨張モジュール２３の管状構造物の開口されている下端において、管状構造物に対する出入りが可能となっている。
不活性ガスアルゴン（Ａｒ）２７は、冷却材ナトリウム（Ｎａ）２６の液面の上と、ガス膨張モジュール２３の管状構造物の閉鎖されている上端との間に、収容されている。
冷却材ナトリウム（Ｎａ）２６は、液体であって、ガス膨張モジュール２３の管状構造物の開口されている下端において、管状構造物に対する出入りが可能となっている。
不活性ガスアルゴン（Ａｒ）２７は、冷却材ナトリウム（Ｎａ）２６の液面の上と、ガス膨張モジュール２３の管状構造物の閉鎖されている上端との間に、収容されている。
【0047】
また、図２に示すように、ガス膨張モジュール２３の最上部、すなわち、ガス膨張モジュール２３の管状構造物の上端の上には、ステンレス鋼製の中性子遮へい体２８が配置されている。
中性子遮へい体２８は、中性子を遮蔽して、外部への漏洩を低減する特性を有する。
中性子遮へい体２８は、中性子を遮蔽して、外部への漏洩を低減する特性を有する。
【0048】
そして、図２の左側の領域１０１に示すように、一次主循環ポンプ７ａの流量が定格運転時には、ガス膨張モジュール２３の入口部（下端）の冷却材ナトリウム（Ｎａ）２６の圧力が増加する。そのため、ガス膨張モジュール２３内の冷却材ナトリウム２６の液位は、炉心燃料領域２１に装荷される炉心燃料集合体の炉心燃料の上端部よりも高い位置にある。この時、ガス膨張モジュール２３内の冷却材ナトリウム２６は、中性子の散乱効果によって反射体の役割を果たすため、炉心１０からの中性子の漏洩量は小さく抑えられる。
【0049】
一方、ULOF時には、燃料集合体の出力／流量（Ｐ／Ｆ）比が不整合となり、冷却材ナトリウム２６の温度の上昇と冷却材ナトリウム２６の密度の低下をもたらし、ガス膨張モジュール２３の入口部の冷却材ナトリウム２６の圧力が低下する。このため、図２の右側の領域１０２に示すように、ガス膨張モジュール２３内の冷却材ナトリウム２６の液位は、炉心燃料領域２１に装荷される炉心燃料集合体の炉心燃料の下端部よりも低い位置となる。この時、ガス膨張モジュール２３内は、不活性ガスアルゴン（Ａｒ）２７が膨張することで満たされるが、不活性ガスアルゴン２７の密度が小さいため、中性子の散乱効果は小さくなる。従って、炉心１０からの中性子の漏洩量は大きくなる。
【0050】
以上から、ULOF時には、ガス膨張モジュール２３によって、炉心１０に負の印可反応度がもたらされる。
従って、ULOF時に、炉心燃料領域２１の炉心燃料集合体における冷却材ナトリウム２６の流量減少により、炉心１０に正の印加反応度がもたらされても、ガス膨張モジュール２３による負の印加反応度によって、炉心１０の出力の増加が抑制される。すなわち、ULOF時の炉心１０の安全性が向上する。
従って、ULOF時に、炉心燃料領域２１の炉心燃料集合体における冷却材ナトリウム２６の流量減少により、炉心１０に正の印加反応度がもたらされても、ガス膨張モジュール２３による負の印加反応度によって、炉心１０の出力の増加が抑制される。すなわち、ULOF時の炉心１０の安全性が向上する。
【0051】
さらに、本実施例の炉心１０では、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に、中性子を吸収する中性子吸収体２４を配することによって、ULOF時に、ガス膨張モジュール２３によって炉心燃料領域２１から漏洩した中性子の捕獲量を増大している。従って、ガス膨張モジュール２３を有し、その径方向外側に中性子吸収体を設けない従来の炉心と比較して、ガス膨張モジュール２３の冷却材ナトリウム２６の液位が低下した際の、炉心燃料領域２１への中性子の散乱が抑えられ、正味の中性子漏洩量が増大する。
【0052】
また、図２に示すように、中性子吸収体２４の上端部が、主循環ポンプ起動時１０１のガス膨張モジュール２３内の液位よりも高い位置にあり、中性子吸収体２４の下端部が、主循環ポンプ停止時１０２のガス膨張モジュール２３内の液位よりも低い位置にある。
これにより、主循環ポンプ起動時１０１及び主循環ポンプ停止時１０２のいずれの状態でも、中性子吸収体２４を不活性ガスアルゴン２７のガス空間に対向させることができ、ガス空間を通過した中性子を中性子吸収体２４によって吸収することができる。
これにより、主循環ポンプ起動時１０１及び主循環ポンプ停止時１０２のいずれの状態でも、中性子吸収体２４を不活性ガスアルゴン２７のガス空間に対向させることができ、ガス空間を通過した中性子を中性子吸収体２４によって吸収することができる。
【0053】
さらに、図２に示すように、中性子吸収体２４の上端部が、ガス膨張モジュール２３内の不活性ガスアルゴン２７のガス空間の上端よりも高い位置にある。
これにより、中性子吸収体２４がガス空間全体をカバーして、ガス空間を通過した中性子を確実に吸収することができる。
これにより、中性子吸収体２４がガス空間全体をカバーして、ガス空間を通過した中性子を確実に吸収することができる。
【0054】
以上の通り、本実施例によれば、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に隣接する位置に中性子吸収体２４を配することで、ULOF時を想定しても、ガス膨張モジュール２３による負の印加反応度の絶対値を増大し得る高速炉を実現できる。
【0055】
なお、図１では、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に１体の中性子吸収体２４が配されているが、ガス膨張モジュール２３に隣接する２体の中性子反射体２２を中性子吸収体２４に代えることも可能である。この場合は、ガス膨張モジュール２３による負の印加反応度の絶対値がさらに向上する。また、炉心部の冷却材沸騰時や冷却材密度低下時において、正味の中性子漏洩量が増大する。
【0056】
また、中性子吸収体２４に代えて、中性子の速度を減少させる中性子減速材を配した場合も、ガス膨張モジュール２３による負の印加反応度の絶対値がさらに向上する。
この中性子減速材の材料としては、前述した、水素化ジルコニウム、水素化イットリウム、水素化ハフニウム、水素化カルシウム、ある種の水素化物、炭化ケイ素、ベリリウム、等を使用することができる。
この中性子減速材の材料としては、前述した、水素化ジルコニウム、水素化イットリウム、水素化ハフニウム、水素化カルシウム、ある種の水素化物、炭化ケイ素、ベリリウム、等を使用することができる。
【0057】
【0058】
実施例１の高速炉の炉心１０は、ガス膨張モジュール２３を、炉心燃料領域２１の外側に離散的に装荷し、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に中性子吸収体２４を配した。
これに対し、本実施例の炉心２０は、ガス膨張モジュール２３を、炉心燃料領域２１を取り囲むように周方向に装荷し、そのガス膨張モジュール２３を取り囲むように周方向に中性子吸収体２４を配する構成とした点で、実施例１の炉心１０と異なる。
図４において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
これに対し、本実施例の炉心２０は、ガス膨張モジュール２３を、炉心燃料領域２１を取り囲むように周方向に装荷し、そのガス膨張モジュール２３を取り囲むように周方向に中性子吸収体２４を配する構成とした点で、実施例１の炉心１０と異なる。
図４において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
【0059】
本実施例の炉心２０は、図３に示した高速炉の原子炉容器２内に配置されるものである。そして、本実施例の炉心２０は、図４に示すように、半径方向に炉心燃料領域２１と、炉心燃料領域２１を取り囲むガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２３と、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ）２３を取り囲む中性子吸収体２４を有している。
【0060】
本実施例の炉心２０は、ガス膨張モジュール２３を、炉心燃料領域２１を取り囲むように、最大限に配する。これにより、ULOF時にガス膨張モジュール２３から漏洩する中性子を最大化し、隙間なく配置された中性子吸収体２４で、漏洩した中性子を吸収することができるため、実施例１と同様の効果をさらに高めることが可能になる。また、炉心部の冷却材沸騰時や冷却材密度低下時において、正味の中性子漏洩量が増大する。
【0061】
なお、中性子遮へいの観点から、図示しないが中性子吸収体２４の径方向外側に、さらに、ステンレス鋼または炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）よって構成される、中性子遮へい体を配しても良い。
【0062】
また、図４の中性子吸収体２４に代えて、中性子減速材を配しても良い。この場合には、ガス膨張モジュール２３による負の印加反応度の絶対値がさらに向上する。
【0063】
【0064】
実施例１の炉心１０は、ガス膨張モジュール２３のガス空間の上の最上部に、ステンレス鋼製の中性子遮へい体２８を有していた。
これに対し、本実施例の炉心３０は、ガス膨張モジュール２３のガス空間の上の最上部に、中性子を吸収する中性子吸収体２９を有している点で、実施例１の炉心１０と異なる。
図５において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
これに対し、本実施例の炉心３０は、ガス膨張モジュール２３のガス空間の上の最上部に、中性子を吸収する中性子吸収体２９を有している点で、実施例１の炉心１０と異なる。
図５において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
【0065】
図５に示す中性子吸収体２９には、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に配した中性子吸収体２４と同様の材料や、その他の中性子を吸収する特性を有する材料を、使用することができる。
【0066】
本実施例によれば、ガス膨張モジュール２３のガス空間の上に、中性子吸収体２９を有している。これにより、散乱した中性子を中性子吸収体２９が吸収することで、炉心燃料領域２１に散乱する中性子を低減できるため、実施例１の炉心１０と同様の効果をさらに高めることが可能になる。
【0067】
なお、図５の中性子吸収体２９に替えて、中性子減速材を配しても良く、その場合には、ガス膨張モジュールによる負の印加反応度の絶対値がさらに向上する。
【0068】
【0069】
実施例１の炉心１０は、炉心燃料領域２１の外側に接して、反射体領域２２を配した。
これに対し、本実施例の炉心４０は、炉心燃料領域２１と反射体領域２２との間に、ブランケット領域３１を配し、中性子吸収体２４の外側に接して反射体領域２２を配し、中性子吸収体２４の横にブランケット領域３１を配する。
図６において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
これに対し、本実施例の炉心４０は、炉心燃料領域２１と反射体領域２２との間に、ブランケット領域３１を配し、中性子吸収体２４の外側に接して反射体領域２２を配し、中性子吸収体２４の横にブランケット領域３１を配する。
図６において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
【0070】
図６に示すように、本実施例の炉心４０は、炉心燃料領域２１と反射体領域２２との間に、ブランケット領域３１を配する。
ブランケット領域３１としては、例えば、前述した特許文献１の［０００５］に記載されているように、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た構成を採用することができる。
ブランケット領域３１としては、例えば、前述した特許文献１の［０００５］に記載されているように、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た構成を採用することができる。
【0071】
本実施例の炉心４０は、炉心燃料領域２１と反射体領域２２との間に、ブランケット領域３１を配する。これにより、ブランケット領域３１において、劣化ウラン等を燃料として使用することができる。
本実施例の炉心４０の構成から、炉心燃料領域２１の外側にブランケット領域３１を設けた炉心４０においても、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に中性子吸収体２４を配して、実施例１の炉心１０と同様の効果が得られる。
本実施例の炉心４０の構成から、炉心燃料領域２１の外側にブランケット領域３１を設けた炉心４０においても、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に中性子吸収体２４を配して、実施例１の炉心１０と同様の効果が得られる。
【0072】
また、図６の中性子吸収体２４に代えて、中性子減速材を配しても良い。この場合には、ガス膨張モジュール２３による負の印加反応度の絶対値がさらに向上する。
【0073】
【0074】
実施例１の炉心１０は、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に、１個の中性子吸収体２４を配した。
これに対し、本実施例の炉心５０は、ガス膨張モジュール２３の外側に、２個の中性子吸収体２４と、１個の中性子減速材３２を配する。
図７において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
これに対し、本実施例の炉心５０は、ガス膨張モジュール２３の外側に、２個の中性子吸収体２４と、１個の中性子減速材３２を配する。
図７において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
【0075】
図７に示すように、本実施例の炉心５０は、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に、１個の中性子減速材３２を配し、ガス膨張モジュール２３の外側であってガス膨張モジュール２３及び中性子減速材３２に接して、中性子吸収体２４を配する。すなわち、本実施例の炉心５０は、中性子吸収体２４と中性子減速材３２を併用している。
【0076】
中性子減速材３２の材料としては、水素化ジルコニウム、水素化イットリウム、水素化ハフニウム、水素化カルシウム、ある種の水素化物、炭化ケイ素、ベリリウム、等の材料を使用することができる。
【0077】
本実施例の炉心５０は、炉心燃料領域２１の外側に、中性子吸収体２４と中性子減速材３２を配し、中性子吸収体２４と中性子減速材３２を併用している。これにより、中性子吸収体２４単独よりも、ガス膨張モジュール２３による負の印加反応度の絶対値を、さらに向上することができる。
【0078】
【0079】
実施例１の炉心１０は、一定の高さの炉心燃料領域２１を有していた。
これに対し、本実施例の炉心６０は、炉心燃料領域２１を高さの異なる内側炉心燃料領域２１Ａと外側炉心燃料領域２１Ｂに分け、さらに、炉心燃料領域２１の上にナトリウムプレナム３３を配する。
図８において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
これに対し、本実施例の炉心６０は、炉心燃料領域２１を高さの異なる内側炉心燃料領域２１Ａと外側炉心燃料領域２１Ｂに分け、さらに、炉心燃料領域２１の上にナトリウムプレナム３３を配する。
図８において、実施例１の炉心１０と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
【0080】
図８に示すように、本実施例の炉心６０は、炉心燃料領域２１を、内側炉心燃料領域２１Ａと外側炉心燃料領域２１Ｂに分けており、さらに、外側炉心燃料領域２１Ｂは、内側炉心燃料領域２１Ａよりも、上端の位置が高くなっている。
【0081】
実施例１の炉心１０では、図２に示したように、炉心燃料領域２１が一定の高さであるため、炉心燃料領域２１の内側よりも外側では出力が小さくなる。
これに対し、本実施例の炉心６０では、外側炉心燃料領域２１Ｂが内側炉心燃料領域２１Ａよりも上端の位置が高く、下端は同じ高さであるため、外側炉心燃料領域２１Ｂの全体の高さが高くなり、外側炉心燃料領域２１Ｂの出力を高めることができる。これにより、外側炉心燃料領域２１Ｂの出力と内側炉心燃料領域２１Ａの出力との差を小さくすることや、外側炉心燃料領域２１Ｂの出力を内側炉心燃料領域２１Ａの出力と同等とすることが、可能になる。
これに対し、本実施例の炉心６０では、外側炉心燃料領域２１Ｂが内側炉心燃料領域２１Ａよりも上端の位置が高く、下端は同じ高さであるため、外側炉心燃料領域２１Ｂの全体の高さが高くなり、外側炉心燃料領域２１Ｂの出力を高めることができる。これにより、外側炉心燃料領域２１Ｂの出力と内側炉心燃料領域２１Ａの出力との差を小さくすることや、外側炉心燃料領域２１Ｂの出力を内側炉心燃料領域２１Ａの出力と同等とすることが、可能になる。
【0082】
ナトリウムプレナム３３としては、例えば、前述した特許文献１に記載されているように、燃料棒束が無い燃料集合体内の上部において、ラッパ管にて区画化され、冷却材ナトリウムを収容し得る、構成を採用することができる。
【0083】
本実施例の炉心６０は、実施例１の炉心１０と同様に、ガス膨張モジュール２３の径方向外側に中性子吸収体２４を配しているので、実施例１の炉心１０と同様の効果が得られる。
また、本実施例の炉心６０は、内側炉心燃料領域２１ａよりも外側炉心燃料領域２１ｂが、上端の位置が高くなっていることにより、外側炉心燃料領域２１Ｂの全体の高さが高くなり、外側炉心燃料領域２１Ｂの出力を高めることができる。
また、本実施例の炉心６０は、炉心燃料領域２１（２１Ａ，２１Ｂ）の上にナトリウムプレナム３３を設けたことにより、ナトリウムのボイド反応度を低減することができる。
また、本実施例の炉心６０は、内側炉心燃料領域２１ａよりも外側炉心燃料領域２１ｂが、上端の位置が高くなっていることにより、外側炉心燃料領域２１Ｂの全体の高さが高くなり、外側炉心燃料領域２１Ｂの出力を高めることができる。
また、本実施例の炉心６０は、炉心燃料領域２１（２１Ａ，２１Ｂ）の上にナトリウムプレナム３３を設けたことにより、ナトリウムのボイド反応度を低減することができる。
【0084】
なお、本発明は、上述した実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した各実施の形態及び実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【0085】
１…高速炉原子力発電システム、２…原子炉容器、３，１０，２０，３０，４０，５０，６０…炉心、４ａ…一次冷却系配管、４ｂ…二次冷却系配管、５…中間熱交換器、７ａ…１次主循環ポンプ、７ｂ…２次主循環ポンプ、８…蒸気発生器、９ａ…主蒸気系配管、９ｂ…給復水系配管、１１ａ…高圧タービン、１１ｂ…低圧タービン、１２…発電機、１３…復水器、１４…給水ポンプ、１５…給水加熱器、２１…炉心燃料領域、２１Ａ…内側炉心燃料領域、２１Ｂ…外側炉心燃料領域、２２…反射体領域、２３…ガス膨張モジュール、２４,２９…中性子吸収体、２５…制御棒、２６…冷却材ナトリウム、２７…不活性ガスアルゴン、２８…中性子遮へい体、３１…ブランケット領域、３２…中性子減速材、３３…ナトリウムプレナム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】