特許 7138082 高速炉の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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-07

(45)【発行日】2022-09-15

(54)【発明の名称】高速炉の燃料集合体および高速炉の炉心

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/28 20060101AFI20220908BHJP

   G21C 5/20 20060101ALI20220908BHJP

【ＦＩ】

G21C3/28 900

G21C5/20

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019109296

(22)【出願日】2019-06-12

(65)【公開番号】P2020201169

(43)【公開日】2020-12-17

【審査請求日】2021-11-24

(73)【特許権者】

【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】伊藤 剛

(72)【発明者】

【氏名】笹平 朗

(72)【発明者】

【氏名】藤村 幸治

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特開平０１－０３２１８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１００２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１２０５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４７１０３４３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２２８３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０５５４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｃ ３／２８

Ｇ２１Ｃ ５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の燃料要素を有し、
前記燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料が存在する第１燃料領域、前記第１燃料領域の上方に配置され、核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が存在する第２燃料領域、および前記第２燃料領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する第３燃料領域を有し、
前記第１燃料領域の上端が前記第２燃料領域の下端に接触しており、前記第２燃料領域の上端が前記第３燃料領域の下端に接触していることを特徴とする高速炉の燃料集合体。

【請求項2】

前記第３燃料領域に存在する前記核燃料物質が、前記燃料要素内に設けられた、複数の貫通孔を有する支持部材上に存在する請求項１に記載の高速炉の燃料集合体。

【請求項3】

吸着材が、前記第３燃料領域よりも上方で前記燃料要素内に配置されている請求項１または２に記載の高速炉の燃料集合体。

【請求項4】

前記液体金属燃料が前記燃料親物質以外に核分裂性物質を含んでおり、
前記液体金属燃料に含まれる前記核分裂性物質の富化度が、前記溶融塩燃料に含まれる前記核分裂性物質の富化度よりも小さい請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高速炉の燃料集合体。

【請求項5】

前記第３燃料領域に存在する前記核燃料物質が、使用済燃料、天然ウラン及び劣化ウランのいずれかである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高速炉の燃料集合体。

【請求項6】

複数の燃料要素を有し、
前記燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料および核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が混合されて充填された核燃料物質充填領域、および前記核燃料物質充填領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する核燃料物質領域を有し、
前記核燃料物質充填領域の上端は前記核燃料物質領域の下端に接触していることを特徴とする高速炉の燃料集合体。

【請求項7】

前記核燃料物質領域に存在する前記核燃料物質が、前記燃料要素内に設けられた、複数の貫通孔を有する支持部材上に存在する請求項６に記載の高速炉の燃料集合体。

【請求項8】

吸着材が、前記核燃料物質領域よりも上方で前記燃料要素内に配置されている請求項６または７に記載の高速炉の燃料集合体。

【請求項9】

請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の複数の燃料集合体が装荷されたことを特徴とする高速炉の炉心。

【請求項10】

前記複数の前記燃料集合体が配置された中央領域、及び燃料親物質を含む液体金属ブランケット燃料が存在する第４燃料領域、及び前記第４燃料領域の上方に配置され、燃料親物質を含む溶融塩ブランケット燃料が存在する第５燃料領域を含む複数のブランケット燃料要素を有する複数のブランケット燃料集合体が配置されて、前記中央領域を取り囲む外周領域を有し、
前記第４領域の上端が前記第５燃料領域の下端に接触している請求項９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、高速炉の燃料集合体および高速炉の炉心に関する。

【背景技術】

【0002】

高速炉は、原子炉容器内に炉心を配置ており、原子炉容器内には冷却材である液体金属、例えば、液体ナトリウム等が充填されている。この炉心には、核分裂性プルトニウム（例えば、²³⁹Ｐｕ）等の核分裂性物質および劣化ウラン（Ｕ）等の燃料親物質が被覆管に封入された複数の燃料要素を有する複数の燃料集合体が装荷される。具体的には、その燃料集合体は、複数の燃料要素、ラッパ管およびエントランスノズルを有する。エントランスノズルは複数の燃料要素の下端部を支持する。各燃料要素の外面には燃料要素に取り付けられたワイヤスペーサが巻き付けられており、燃料要素相互間は、このワイヤスペーサによって所定の間隔に保持される。ラッパ管はエントランスノズルによって支持された複数の燃料要素の束を取り囲んでいる。ラッパ管の下端部は、エントランスノズルに取り付けられる。ラッパ管の上端部には、燃料要素の上方に位置する冷却材流出部が形成される。

【0003】

燃料要素に収納される核燃料物質としては、固体酸化物燃料および固体金属合金燃料が一般的に使用され、実績も豊富である。特開２０１８－７１９９７号公報には、固体酸化物燃料であるウランとプルトニウムを混合した混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）を炉心燃料として用い、他の固体酸化物燃料であるウランとマイナーアクチニドを混合した他の混合酸化物燃料（ＭＡＯｘ燃料）を内部ブランケット燃料として用いた高速炉の炉心を記載している。

【0004】

しかし、核燃料物質として、液体金属合金および溶融塩のような液体燃料を使用する例も存在する。例えば、特開昭６４－３２１８９号公報には、プルトニウム（Ｐｕ）－ウラン（Ｕ）－ビスマス（Ｂｉ）合金等の液体金属燃料を被覆管内に封入し、核燃料物質を含まない溶融塩領域をその液体金属燃料領域の上方で被覆管内に配置した燃料要素が開示されている。また、特開２０１４－１００２２号公報には、トリウム（Ｔｈ）および核分裂性物質（ウラン２３５（²³⁵Ｕ）, プルトニウム２３９（²³⁹Ｐｕ）等）を含むフッ化物溶融塩を被覆管内に封入した燃料要素が開示されている。ただし、特開昭６４－３２１８９号公報および特開２０１４－１００２２号公報に記載されたこれらの燃料要素は、ブランケット燃料を有していない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１８－７１９９７号公報

【文献】特開昭６４－３２１８９号公報

【文献】特開２０１４－１００２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

高速炉の運転により、炉心燃料の主成分である核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）は、核分裂反応（核燃料の燃焼）により消費される。一方、高速炉の炉心内の炉心燃料領域に存在する炉心燃料には、核分裂性物質以外に燃料親物質（²³⁸Ｕ等）も存在しており、炉心燃料に含まれる燃料親物質の中性子捕獲により核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）が新たに生成される。また、炉心燃料領域の上部および下部または炉心燃料領域の周囲にブランケット領域が配置されている場合には、ブランケット領域内のブランケット燃料の主成分である燃料親物質（²³⁸Ｕ等）が炉心燃料領域から漏れてきた中性子を捕獲することにより、核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）が生成される。

【0007】

ここで、ブランケット燃料とは、²³⁹Ｐｕ等の核分裂性物質をほとんど含まず、代わりに²³⁸Ｕ等の燃料親物質を多く含んだ核燃料である。燃料親物質（²³⁸Ｕ等）は、そのままでは高速炉の炉心内での核分裂に寄与しないが、中性子を捕獲する中性子捕獲反応により核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）に変化することによって、高速炉の炉心内で核分裂に寄与する。

【0008】

高速炉における核分裂性物質の生成量の消費量に対する比は、しばしば転換比または増殖比と呼ばれる。ここでは、核分裂性物質である核分裂性Ｐｕについての転換比を以下の３通りに定義する。

【0009】

（１）炉心燃料の転換比
炉心燃料のＰｕ生成量／炉心燃料のＰｕ消費量
（２）ブランケット燃料の転換比
ブランケット燃料のＰｕ生成量／炉心燃料のＰｕ消費量
（３）炉心の転換比
炉心燃料の転換比とブランケット燃料の転換比の合計
一般に、高速炉では、炉心燃料の転換比＜1であるが、ブランケット燃料の転換比を加えることにより、炉心全体で転換比≧1を実現すること（すなわち、燃料増殖）が可能である。この場合、核燃料の燃焼が進むと、ブランケット燃料を含めた炉心全体のＰｕの量は増加するが、炉心燃料に含まれるＰｕの量は次第に減少する。そのため、高速炉の炉心に装荷された燃料集合体は、所定の燃焼期間（運転サイクル長）経過後に燃焼度０ＧＷｄ／ｔの新しい燃料集合体と交換される。炉心の燃料経済性を向上させるためには、燃料集合体の交換頻度が少なくて済む長寿命の燃料集合体が必要とされる。

【0010】

また、ブランケット燃料で生成されたＰｕを再利用するためには、所定の燃焼期間経過後に高速炉の炉心から使用済燃料集合体として取り出された、炉心燃料及びブランケット燃料を含む燃料集合体を再処理施設に搬送し、再処理施設においてその使用済燃料集合体内の核燃料からＰｕを回収し、さらに、回収した核燃料を炉心燃料に加工するといった一連のリサイクル処理が必要となる。

【0011】

特開昭６４－３２１８９号公報および特開２０１４－１００２２号公報に記載された各燃料要素は、ブランケット燃料を有していない。このため、それぞれの燃料要素を含む各燃料集合体を装荷した高速炉の炉心では、炉心燃料の転換比が1未満となるため、燃料交換を頻繁に行う必要がある。

【0012】

このため、発明者らは、燃料交換の頻度をさらに低減できる長寿命の燃料集合体の開発に取り組んだ。

【0013】

本発明の目的は、炉心に装荷される燃料集合体の交換頻度をさらに低減できる高速炉の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特徴は、
複数の燃料要素を有し、
その燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料が存在する第１燃料領域、第１燃料領域の上方に配置され、核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が存在する第２燃料領域、および第２燃料領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する第３燃料領域を有し、
第１燃料領域の上端が第２燃料領域の下端に接触しており、第２燃料領域の上端が第３燃料領域の下端に接触していることにある。

【0015】

高速炉の運転中では、燃料要素において、第２燃料領域内の燃料親物質が、第２燃料領域から、この第２燃料領域の下方に配置されて第２燃料領域に接触する第１燃料領域に供給され、第１燃料領域において、第２燃料領域から供給された燃料親物質が核分裂性物質に変換され、第１燃料領域で変換により生成されたこの核分裂性物質が第１燃料領域から第２燃料領域に供給され、さらに、第３燃料領域内の核燃料物質に含まれる燃料親物質が第２燃料領域を経て第１燃料領域に供給されて第１燃料領域において核分裂性物質に変換され、この核分裂性物質も第１燃料領域から第２燃料領域に供給されるので、その燃料要素を有する燃料集合体の寿命がさらに長くなり、それだけ、高速炉の炉心に装荷された燃料集合体の交換頻度がさらに低減される。

【0016】

上記した目的は、
複数の燃料要素を有し、
その燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料および核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が混合されて充填された核燃料物質充填領域、およびその核燃料物質充填領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する核燃料物質領域を有し、
その核燃料物質充填領域の上端はその核燃料物質領域の下端に接触していることによっても達成できる。

【0017】

高速炉の運転が開始されて燃料要素内の核燃料物質充填領域に混合されて充填された、燃料親物質を含む液体金属燃料および核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料のそれぞれの燃料が溶融し、燃料要素内に、溶融した液体金属燃料が存在する第１燃料領域、およびこの第１燃料領域の上方に配置されて第１燃料領域に接触される、溶融した溶融塩燃料が存在する第２燃料領域が形成される。この結果、第２燃料領域内の燃料親物質が、第２燃料領域から、この第２燃料領域の下方に配置される第１燃料領域に供給され、第１燃料領域において、第２燃料領域から供給された燃料親物質が核分裂性物質に変換され、第１燃料領域で変換により生成されたこの核分裂性物質が第１燃料領域から第２燃料領域に供給され、さらに、核燃料物質領域内の核燃料物質に含まれる燃料親物質が第２燃料領域を経て第１燃料領域に供給されて第１燃料領域において核分裂性物質に変換され、この核分裂性物質も第１燃料領域から第２燃料領域に供給されるので、その燃料要素を有する燃料集合体の寿命がさらに長くなり、それだけ、高速炉の炉心に装荷された燃料集合体の交換頻度がさらに低減される。

【0018】

燃料集合体における核燃料物質の補給方法の好ましい構成を以下に述べる。

【0019】

（Ａ）複数の燃料要素を有し、その燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料が存在する第１燃料領域、第１燃料領域の上方に配置され、核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が存在する第２燃料領域、および第２燃料領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する第３燃料領域を有し、第１燃料領域の上端が第２燃料領域の下端に接触しており、第２燃料領域の上端が第３燃料領域の下端に接触している高速炉の燃料集合体における核燃料物質の補給方法であって、
第３領域における核燃料物質が消滅したとき、高速炉の炉心に装荷されている燃料集合体を原子炉容器の外に取り出し、
取り出した燃料集合体に含まれている燃料要素の被覆管の上端部を封鎖している上部端栓を取り外し、
その後、被覆管の上端から被覆管内に、燃料親物質を含む核燃料物質を補給して、第２燃料領域の上方に位置する第３燃料領域を形成し、
被覆管の上端を上部端栓によって封鎖する高速炉の燃料集合体における核燃料物質の補給方法。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、炉心に装荷される燃料集合体の交換頻度をさらに低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の好適な一実施例である実施例１の高速炉の燃料集合体に用いられる燃料要素の縦断面図である。

【図2】図１に示す複数の燃料要素を有する燃料集合体の横断面図である。

【図3】図２に示す複数の燃料集合体が装荷された高速炉の炉心の斜視図である。

【図4】図３に示す高速炉の炉心の、中心軸での縦断面図である。

【図5】図２に示す燃料集合体における核燃料物質の補給方法を示す説明図であり、（ａ）は高速炉の起動前における、燃料集合体に含まれる燃料要素の状態を、（ｂ）はその燃料要素内で溶融塩燃料領域の上方に存在する使用済燃料がなくなった状態を、（ｃ）は燃料要素の上部端栓を取り外して被覆管の上端から使用済燃料を被覆管内の補給する状態を、および（ｄ）は使用済燃料の被覆管内への補給が終了した後に被覆管の上端を上部端栓で封鎖した状態を示す説明図である。

【図6】本発明の好適な他の実施例である実施例２の、高速炉の燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体に含まれる燃料要素の縦断面図である。

【図7】本発明の先願である特願２０１７－２３８３７２号の高速炉の燃料集合体に含まれる燃料要素の縦断面図である。

【図8】本発明の好適な他の実施例である実施例３の高速炉の燃料集合体に含まれる燃料要素の縦断面図である。

【図9】図８に示す複数の燃料要素を有する燃料集合体を装荷した高速炉の炉心の、中心軸での縦断面図である。

【図10】本発明の好適な他の実施例である実施例４の高速炉の炉心における、炉心燃料領域を取り囲むブランケット領域に装荷されたブランケット燃料集合体に含まれるブランケット燃料要素の縦断面図である。

【図11】図１０に示される実施例４の高速炉の炉心の、中心軸での縦断面図である。

【図12】本発明の好適な他の実施例である実施例５の高速炉の燃料集合体に含まれる燃料要素の縦断面図である。

【図13】図１に示す複数の燃料要素を有する燃料集合体が装荷された高速炉の炉心の、中心軸での縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

燃料交換の頻度を低減する寿命の長い燃料集合体は、特願２０１７－２３８３７２号により提案されている。この燃料集合体の概要を、図７を用いて以下に説明する。

【0023】

特願２０１７－２３８３７２号により提案された燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体は、図７に示す複数の燃料要素２Ｄの下端部をエントランスノズルによって支持し、エントランスノズルによって支持された複数の燃料要素２Ｄを筒状の構造物であるラッパ管で取り囲んで構成される。ラッパ管の下端部はエントランスノズルに取り付けられる。このような燃料集合体が、複数体、円柱状の高速炉の炉心に装荷され、円柱状の高速炉の炉心が形成される。

【0024】

燃料要素２Ｄは、上端部が上部端栓４で封鎖されて下端部が下部端栓５で封鎖された被覆管３内に、下端から上端に向かって、液体金属燃料領域７及び溶融塩燃料領域６が配置される。溶融塩燃料領域６は液体金属燃料領域７の上方に配置される。被覆管３内で、溶融塩燃料領域６の上方には、ガスプレナム１３が形成されている。溶融塩燃料９、例えば、ＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２が、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの状態で核分裂性物質（例えば、²³⁹Ｐｕ等）および燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）を含み、溶融塩燃料領域６に充填される。液体金属燃料１０、例えば、Ｕ－Ｂｉ合金が液体金属燃料領域７に充填される。その液体金属燃料１０はブランケット燃料である。液体金属燃料１０は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの状態で、核分裂性物質を含まず、燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）を含む。

【0025】

高速炉の運転時において、燃料要素２Ｄの溶融塩燃料領域６では、溶融塩燃料９の主成分である核分裂性物質の²³⁹Ｐｕ等は、自らの核分裂反応（すなわち、核燃料の燃焼）により消費される。さらに、溶融塩燃料９に含まれる燃料親物質である²³⁸Ｕが²³⁹Ｐｕの核分裂反応で発生した中性子を捕獲する中性子捕獲反応により、溶融塩燃料領域６では核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）が新たに生成される。

【0026】

さらに、燃料要素２Ｄの液体金属燃料領域７では、液体金属燃料１０の主成分である燃料親物質の²³⁸Ｕが溶融塩燃料領域６から漏れてくる中性子を捕獲し、その中性子捕獲反応によって核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）に核変換される。すなわち、燃料要素２Ｄの液体金属燃料領域７では、核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）が生成される。

【0027】

ところで、溶融塩燃料領域６と液体金属燃料領域７との境界では、溶融塩燃料９と液体金属燃料１０が溶融状態で互いに接触するため、溶融塩燃料９と液体金属燃料１０が接触した領域では、後述の式（２）に示す化学反応により、溶融塩燃料９に含まれる塩化物の²³⁸Ｕは金属の²³⁸Ｕとなり、液体金属燃料１０に含まれる金属の²³⁹Ｐｕは、塩化物の²³⁹Ｐｕとなる。

【0028】

以上のようにして生成された塩化物の²³⁹Ｐｕは、液体金属燃料１０よりも比重が小さく、逆に、金属の²³⁸Ｕは、溶融塩燃料９よりも比重が大きい。このため、塩化物の²³⁹Ｐｕは溶融塩燃料領域６に存在する炉心燃料である溶融塩燃料９内に拡散し、金属の²³⁸Ｕは液体金属燃料領域７内に存在するブランケット燃料である液体金属燃料１０内に拡散する。

【0029】

溶融塩燃料９と液体金属燃料１０の境界で生じる式（２）の化学反応は、この化学反応に関わる各物質の濃度等が所定の平衡条件に達するまで継続して生じる。このため、式（２）の化学反応が継続する限り、燃料親物質である²³⁸Ｕが、溶融塩燃料（炉心燃料）９が存在する溶融塩燃料領域６から液体金属燃料（ブランケット燃料）１０が存在する液体金属燃料領域７に継続して供給され、逆に、核分裂性物質である²³⁹Ｐｕが、液体金属燃料領域７から溶融塩燃料領域６に継続して供給される。

【0030】

その結果、本実施例では、炉心の実効的な転換比は、下記の式（１）のようにブランケット燃料１０の転換比の分だけ大きくなる。

【0031】

（炉心の実効的な転換比）
＝（炉心燃料の転換比）＋（ブランケット燃料の転換比） …（１）
液体金属燃料領域７及びこの領域7の上方に配置されて液体金属燃料領域７と接触する溶融塩燃料領域６を有する複数の燃料要素２Ｄを含み、高速炉の炉心に装荷される燃料集合体は、各燃料要素２Ｄ内の溶融塩燃料領域６において核分裂性物質である²³⁹Ｐｕが燃焼されるが、溶融塩燃料領域６から液体金属燃料領域７への²³⁸Ｕの供給、および液体金属燃料領域７から溶融塩燃料領域６への核分裂性物質である²³⁹Ｐｕの供給が継続して行われるため、溶融塩燃料領域６での²³⁹Ｐｕ等の核分裂性物質を長期に亘って燃焼させることができる。このため、特願２０１７－２３８３７２号により提案された、複数の燃料要素２Ｄを有する燃料集合体の交換頻度を、低減できる。その結果、複数の燃料要素２Ｄを有する燃料集合体を装荷した高速炉の炉心における燃料の経済性を大きく向上させることができる。

【0032】

発明者らは、特願２０１７－２３８３７２号により提案された複数の燃料要素２Ｄを有する燃料集合体よりも交換頻度をさらに低減できる燃料集合体を実現するために、さらに、種々の検討を行った。この検討の結果、発明者らは、液体金属燃料領域の上方に液体金属燃料領域と接触する溶融塩燃料領域を配置し、燃料親物質を含む核燃料物質を、その溶融塩燃料領域と接触させて溶融塩燃料領域の上方に配置することによって、特願２０１７－２３８３７２号により提案された複数の燃料要素２Ｄを有する燃料集合体よりも交換頻度をさらに低減できることを見出した。

【0033】

溶融塩燃料領域と接触させて溶融塩燃料領域の上方に配置する、燃料親物質を含む核燃料物質として、使用済燃料、劣化ウラン及び天然ウランのいずれかが用いられる。

【0034】

上記した検討結果を反映した本発明の実施例を、以下に説明する。

【実施例1】

【0035】

本発明の好適な一実施例である実施例１の高速炉の燃料集合体を、図１および図２を用いて説明する。

【0036】

本実施例の燃料集合体２４は、外面にワイヤスペーサ（図示せず）が巻き付けられた複数の燃料要素２の束を、横断面が正六角形の筒状の構造物であるラッパ管１４内に配置している。複数の燃料要素２は、ラッパ管１４内で正三角形格子状に配置される。それぞれの燃料要素２の下端部は、エントランスノズル（図示せず）によって支持される。ラッパ管１４の下端部が、エントランスノズルに取り付けられる。巻き付けられたワイヤスペーサによって、隣り合う燃料要素２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である。

【0037】

燃料要素２は、図７に示された特願２０１７－２３８３７２号により提案された燃料集合体の燃料要素２Ｄと同様に、溶融塩燃料領域（第２燃料領域）６および液体金属燃料領域（第１燃料領域）７を、上部端栓４及び下部端栓５で封鎖された被覆管３内に配置している。溶融塩燃料領域６は、液体金属燃料領域７の上端に接触しており、液体金属燃料領域７の上方に配置される。溶融塩燃料領域６に充填された溶融塩燃料９は、例えば、ＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２であり、炉心燃料である。溶融塩燃料９は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体２４において、核分裂性物質（例えば、²³⁹Ｐｕ、²⁴¹Ｐｕ等）および燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）を含んでいる。液体金属燃料領域７に充填された液体金属燃料１０は、例えば、Ｕ－Ｂｉ合金であり、ブランケット燃料である。この液体金属燃料１０は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体２４において、核分裂性物質を含んでいなく、燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）を含んでいる。

【0038】

溶融塩燃料９と液体金属燃料１０は、溶融塩燃料領域６と液体金属燃料領域７の境界の位置で互いに接触している。

【0039】

溶融塩燃料９であるＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２の融点は、８３７℃である。例えば、ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２のモル比を５：５～２：１の範囲にしてＰｕＣｌ_３およびＵＣｌ_３のそれぞれの濃度を下げることにより、ＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２の融点を５００℃以下にすることもできる。ＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２のそれぞれの量を調節することにより、ＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２の融点を望ましい融点にすることができる。また、液体金属燃料１０であるＵ－Ｂｉ合金の融点は８８０℃～１２００℃の範囲にあり、Ｂｉの割合を変えることによって８８０℃～１２００℃の範囲でＵ－Ｂｉ合金の融点を望ましい融点にすることができる。

【0040】

燃料要素２は、燃料要素２Ｄと異なり、多数の貫通した孔が形成された支持部材（例えば、金網）１２が溶融塩燃料領域６の上端の位置に配置されて被覆管３の内面に取り付けられ、さらに、被覆管３内で、燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）を含む核燃料物質である使用済燃料１１を含む使用済燃料領域（核燃料物質領域）（第３燃料領域）１１Ｄをその支持部材１２の上に形成している。使用済燃料１１の比重が溶融塩燃料９および液体金属燃料１０の比重よりも大きいので、支持部材１２は、被覆管３内で、溶融塩燃料領域６の上方から下方に向かって使用済燃料１１が落下しないように、使用済燃料１１を支持している。ガスプレナム１３が、被覆管３内で、使用済燃料領域１１Ｄの上方に形成される。ガスプレナム１３には、不活性ガスが充填される。

【0041】

なお、使用済燃料１１の替りに、燃料親物質を含む核燃料物質である天然ウランまたは劣化ウランを用いてもよい。天然ウランまたは劣化ウランを用いた場合には、天然ウランまたは劣化ウランも被覆管３内設けた支持部材１２の上に充填される。

【0042】

燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体２４において、燃料要素２の被覆管３内の液体金属燃料領域７には、ペレット状の多数の固体の液体金属燃料１０が充填され、被覆管３内の溶融塩燃料領域６には、ペレット状の多数の固体の溶融塩燃料９が充填され、被覆管３内の使用済燃料領域１１Ｄには、ペレット状の多数の固体の使用済燃料１１が充填されている。使用済燃料１１は、沸騰水型原子炉および加圧型原子炉等の軽水炉、および他の高速炉の炉心から取り出された使用済燃料集合体内の酸化物燃料である。

【0043】

燃料要素２内の液体金属燃料１０、溶融塩燃料領域６および使用済燃料領域１１Ｄが、核燃料物質充填領域８である。この核燃料物質充填領域８の軸方向の長さを燃料有効長という。燃料集合体２４の燃料有効長は、燃料要素２の燃料有効長と同じである。炉心１に装荷された全ての燃料集合体２４において、各燃料要素２内の液体金属燃料領域７と溶融塩燃料領域６の境界の、燃料有効長の下端からの位置は、同じ位置になっている。

【0044】

高速炉の原子炉容器（図示せず）内に配置された炉心１は、図３に示すように、複数の燃料要素２を含む複数の燃料集合体２４を有する。図４に示す一点鎖線は、炉心１の中心軸を示す。図４は、炉心１の、中心軸での縦断面を示している。複数の燃料要素２を含む複数の燃料集合体２４が装荷された炉心１は、軸方向において、下端から上端に向かって液体金属燃料層７Ｂ、溶融塩燃料層６Ｂおよび核燃料物質層１１Ａを形成している。液体金属燃料層７Ｂには、炉心１に装荷された各燃料集合体２４に含まれる各燃料要素２内の液体金属燃料領域７が配置されており、液体金属燃料層７Ｂは、これらの燃料要素２内の液体金属燃料領域７によって形成される。溶融塩燃料層６Ｂには、炉心１に装荷された各燃料集合体２４に含まれる各燃料要素２内の溶融塩燃料領域６が配置されており、溶融塩燃料層６Ｂは、これらの燃料要素２内の溶融塩燃料領域６によって形成される。核燃料物質層１１Ａには、炉心１に装荷された各燃料集合体２４に含まれる各燃料要素２内の、燃料親物質を含む燃料物質である使用済燃料１１が充填された使用済燃料領域（核燃料物質領域）１１Ｄが配置されており、核燃料物質層１１Ａは、これらの燃料要素２内の使用済燃料領域１１Ｄによって形成される。

【0045】

炉心１内の一部の燃料集合体２４は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体である。高速炉の運転が開始される。原子炉容器内に存在する冷却材である液体金属（例えば、液体ナトリウム）が、燃料集合体２４において、エントランスノズルからラッパ管内に供給され、燃料要素２の相互間に形成された冷却材通路内を上昇し、燃料集合体２４の外部に放出される。

【0046】

高速炉の運転中において、燃料集合体２４の各燃料要素２では、溶融塩燃料領域６内において、溶融塩燃料９の主成分である核分裂性物質の²³⁹Ｐｕ等は中性子の捕獲により核分裂し、熱を発生する。発生した熱は、燃料要素２相互間に形成された冷却材通路内を上昇する冷却材である液体金属に伝えられる。この液体金属は燃料要素２を冷却する。発生した熱によって温度が上昇した液体金属（冷却材）は、燃料集合体２４の上端から原子炉容器内に放出される。その核分裂の進行によって、溶融塩燃料９に含まれる核分裂性物質の²³⁹Ｐｕ等は消費される。また、溶融塩燃料９に含まれる²³⁸Ｕが²³⁹Ｐｕの核分裂反応で発生した中性子を捕獲する中性子捕獲反応により、溶融塩燃料領域６では核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）が新たに生成される。

【0047】

高速炉の運転が開始され、各燃料要素２内で²³⁹Ｐｕ等の核分裂性物質の核分裂が生じ、燃料要素２内の温度が溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０の融点よりも高くなったとき、溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０のそれぞれが溶融状態になる。このため、溶融塩燃料領域６と液体金属燃料領域７の境界では、溶融した溶融塩燃料９と溶融した液体金属燃料１０が接触する。溶融した溶融塩燃料９の比重は溶融した液体金属燃料１０の比重よりも小さいため、被覆管３内において、溶融した溶融塩燃料９は溶融した液体金属燃料１０の上方に位置することになる。

【0048】

さらに、燃料要素２の液体金属燃料領域７では、液体金属燃料１０の主成分である燃料親物質の²³⁸Ｕが溶融塩燃料領域６から漏れてくる中性子を捕獲し、その中性子捕獲反応によって核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）に核変換される。すなわち、燃料要素２の液体金属燃料領域７でも、核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）が新たに生成される。

【0049】

溶融塩燃料９と液体金属燃料１０が溶融状態で互いに接触する溶融塩燃料領域６と液体金属燃料領域７との境界付近では、下記の式（２）に示す化学反応により、溶融塩燃料９に含まれる塩化物の²³⁸Ｕは金属の²³⁸Ｕとなり、液体金属燃料１０に含まれる金属の²³⁹Ｐｕは、塩化物の²³⁹Ｐｕとなる。

【0050】

Ｐｕ（金属）＋ＵＣｌ₃（塩化物）→ＰｕＣｌ₃（塩化物）＋Ｕ（金属） …（２）
式（２）で示す化学反応が起きるのは、ＵとＰｕでは、Ｐｕのほうが塩素（Ｃｌ）に結合し易いからである。

【0051】

塩化物の²³⁹Ｐｕは液体金属燃料１０よりも比重が小さく、金属の²³⁸Ｕは、溶融塩燃料９よりも比重が大きいため、塩化物の²³⁹Ｐｕは溶融塩燃料領域６内に拡散し、金属の²³⁸Ｕは液体金属燃料領域７内に拡散する。式（２）の化学反応が継続する限り、金属の²³⁸Ｕが液体金属燃料領域７に継続して供給され、塩化物の²³⁹Ｐｕが溶融塩燃料領域６に継続して供給される。

【0052】

ところで、液体金属燃料領域７では、式（２）の化学反応の結果として、溶融塩燃料９と平衡する量の²³⁹Ｐｕが残る。そして、この液体金属燃料領域７内に残った²³⁹Ｐｕの核分裂反応や、わずかではあるが液体金属燃料領域７内の液体金属燃料１０に含まれる²³⁸Ｕ等の核分裂反応も起きる。

【0053】

各燃料要素２の液体金属燃料領域７内での核分裂反応により生成された核分裂生成核種（以下、ＦＰ（Fission Products）核種という）のうち、白金族ＦＰ核種を除く大部分のＦＰ核種は、液体金属燃料領域７内の液体金属燃料１０よりも比重が小さい。そのため、生成されたＦＰ核種は、溶融塩燃料領域６と液体金属燃料領域７の境界まで上昇し、さらに、溶融塩燃料領域６内の、液体金属燃料１０と接触する溶融塩燃料９の溶融塩成分であるＭｇＣｌ_３（塩化物）との間で、下記に示す式（３）で表される化学反応を起こしてＦＰ塩の形態で溶融塩燃料領域６に拡散する。

【0054】

ＦＰ（単体）＋（３／２）ＭｇＣｌ₃（塩化物）
→ＦＰＣｌ₃（塩化物）＋（３／２）Ｍｇ（金属） …（３）
つまり、使用済みの液体金属燃料１０には、白金族ＦＰ核種を除き、ＦＰ核種はほとんど残らないことになる。したがって、使用済みの液体金属燃料１０からＦＰ核種を回収する処理はほとんど不要となる、すなわち、使用済みの液体金属燃料１０の再処理において、ＦＰ核種を分離するプロセスがほぼ不要となる。よって、使用済みの燃料集合体２４の再処理工程が大幅に簡素化される。

【0055】

本実施例の燃料集合体２４では、各燃料要素２内に、溶融塩燃料領域６の上方に核燃料物質領域である、使用済燃料１１を含む使用済燃料領域１１Ｄが存在する。この使用済燃料領域１１Ｄ内の使用済燃料１１の作用を以下に説明する。

【0056】

高速炉の運転中では、溶融した溶融塩燃料９が、支持部材１２の多数の貫通孔を通して支持部材１２上の使用済燃料１１と接触している。燃料要素２の溶融塩燃料領域６内のウラン濃度が高速炉の運転中に核反応により低下したとき、使用済燃料１１は接触している溶融した溶融塩燃料９に溶け出す。このため、溶融塩燃料領域６内のウラン濃度が均一に保たれる。

【0057】

溶融した溶融塩燃料９に溶け出した使用済燃料１１に含まれている燃料親物質である²³⁸Ｕ（金属）は、その溶融塩燃料９が存在する溶融塩燃料領域６内に拡散する。溶融塩燃料領域６内に拡散した²³⁸Ｕ（金属）の一部は、溶融塩燃料領域６において中性子を捕獲して核分裂性物質である²³⁹Ｐｕに変換される。この²³⁹Ｐｕは溶融塩燃料領域６内で塩化物の²³⁹Ｐｕとなる。

【0058】

また、溶融塩燃料領域６内に拡散した²³⁸Ｕ（金属）の大部分を占める²³⁸Ｕ（金属）の残りは、溶融塩燃料領域６内を²³⁸Ｕ（金属）のまま溶融した液体金属燃料１０が存在する液体金属燃料領域７まで下降する。液体金属燃料領域７まで下降した²³⁸Ｕ（金属）は、液体金属燃料領域７において溶融塩燃料領域６から漏れてくる中性子を捕獲し、²³⁹Ｐｕに変換される。溶融塩燃料領域６と液体金属燃料領域７との境界付近では、前述の式（２）に示す化学反応により、支持部材１２上の使用済燃料１１から溶融塩燃料領域６内に拡散して液体金属燃料領域７まで下降した前述の²³⁸Ｕ（金属）から変換された²³⁹Ｐｕも、液体金属燃料領域７内で塩化物の²³⁹Ｐｕとなる。液体金属燃料領域７内で生成された塩化物の²³⁹Ｐｕは、液体金属燃料１０よりも比重が小さいため、溶融塩燃料領域６内に拡散する。また、その化学反応により、溶融塩燃料９に含まれる塩化物の²³⁸Ｕは金属の²³⁸Ｕとなり、この²³⁸Ｕは液体金属燃料領域７内に拡散する。上記のように、液体金属燃料領域７内で、使用済燃料１１に含まれている燃料親物質である²³⁸Ｕ（金属）から変換された²³⁹Ｐｕは、溶融塩燃料領域６に供給される。

【0059】

燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体２４において、支持部材１２上の使用済燃料１１は、燃料親物質以外に、核分裂性Ｐｕ（²³⁹Ｐｕ等）およびマイナーアクチニド（以下、ＭＡという）を含んでいる。ＭＡとしては、²³⁷Ｎｐ，²⁴¹Ａｍ，^242MＡｍ，²⁴³Ａｍ，²⁴³Ｃｍ，²⁴⁴Ｃｍ，²⁴⁵Ｃｍおよび²⁴⁶Ｃｍ等がある。溶融した溶融塩燃料９に溶け出した使用済燃料１１に含まれている核分裂性ＰｕおよびＭＡは、溶融塩燃料領域６内に拡散する。溶融塩燃料領域６内に拡散したその核分裂性Ｐｕは、溶融塩燃料領域６内で中性子を捕獲して核分裂する。この核分裂により、使用済燃料１１に含まれる核分裂性Ｐｕも消費される。溶融塩燃料領域６内に拡散したそのＭＡも、中性子を捕獲して核分裂する。この核分裂により、使用済燃料１１に含まれるＭＡも溶融塩燃料領域６内で消費され、やがて消滅する。溶融塩燃料領域６における核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）の核分裂に伴って生成されたＭＡも、中性子を捕獲して核分裂し、消滅する。

【0060】

燃料要素２内の使用済燃料１１が充填された使用済燃料領域１１Ｄに存在する²³⁸Ｕの一部は、溶融塩燃料領域６から漏れてくる中性子を捕獲して²³⁹Ｐｕに変換される。この変換によって生じた²³⁹Ｐｕも、溶融した溶融塩燃料９に溶け出した使用済燃料１１に含まれている。使用済燃料領域１１Ｄで生成されたその²³⁹Ｐｕも、溶融塩燃料領域６内で中性子を捕獲して核分裂する。

【0061】

本実施例は、液体金属燃料１０が存在する液体金属燃料領域７及びこの領域7の上方に配置されて液体金属燃料領域７と接触し、溶融塩燃料９が存在する溶融塩燃料領域６を有する複数の燃料要素２を含み、高速炉の炉心１に装荷される燃料集合体は、各燃料要素２内の溶融塩燃料領域６において核分裂性物質である²³⁹Ｐｕが燃焼されるが、溶融塩燃料領域６から液体金属燃料領域７への燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）の供給、および液体金属燃料領域７から溶融塩燃料領域６への核分裂性物質である²³⁹Ｐｕの供給が継続して行われるため、溶融塩燃料領域６での²³⁹Ｐｕ等の核分裂性物質を長期に亘って燃焼させることができる。このため、高速炉の炉心１に装荷された本実施例の燃料集合体２４は、特願２０１７－２３８３７２号により提案された、複数の燃料要素２Ｄを有する燃料集合体と同様に、交換頻度を低減することができる。

【0062】

本実施例の燃料集合体２４では、液体金属燃料領域７内の液体金属燃料１０、すなわち、ブランケット燃料を再処理することなく、高速炉の運転中において、液体金属燃料領域７内で燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）から変換されて生成された核分裂性物質（例えば、²³⁹Ｐｕ）を溶融塩燃料領域６へ継続して供給することができ、溶融塩燃料領域６での核分裂性物質の核分裂が長期に亘って持続される。

【0063】

本実施例では、燃料要素２内で溶融塩燃料領域６の上方に使用済燃料１１が存在する使用済燃料領域１１Ｄが形成されており、前述したように、その使用済燃料領域１１Ｄ、溶融塩燃料領域６および液体金属燃料領域７のそれぞれにおいて、使用済燃料１１に含まれる燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）が中性子を捕獲して核分裂性物質（例えば、²³⁹Ｐｕ）に変換される。使用済燃料領域１１Ｄ及び液体金属燃料領域７のそれぞれで使用済燃料１１に含まれる燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）から変換されたそれぞれの核分裂性物質（例えば、²³⁹Ｐｕ）は、溶融塩燃料領域６に供給され、溶融塩燃料領域６内で使用済燃料１１に含まれる燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）から変換された核分裂性物質（例えば、²³⁹Ｐｕ）と共に、溶融塩燃料領域６内での核分裂に貢献する。

【0064】

このように、本実施例の燃料集合体２４では、使用済燃料１１が存在する使用済燃料領域１１Ｄを燃料要素２内に形成しているため、特願２０１７－２３８３７２号により提案されている燃料要素２Ｄを有する燃料集合体に比べて、燃料集合体２４は、実質的に、その使用済燃料１１に含まれる燃料親物質（例えば、²³⁸Ｕ）の量だけ、核分裂性物質（例えば、²³⁹Ｐｕ）の量を増大させることができる。このため、本実施例の燃料集合体２４は、特願２０１７－２３８３７２号により提案されている燃料要素２Ｄを有する燃料集合体よりも寿命が長くなり、それだけ、燃料要素２Ｄを有する燃料集合体よりも交換頻度が低減される。本実施例は、高速炉の実効的な運転サイクルの長さを伸ばすことができる。燃料集合体２４を装荷した高速炉の炉心１における燃料の経済性を、さらに向上させることができる。

【0065】

本実施例によれば、燃料集合体２４に含まれる各燃料要素２内に使用済燃料１１を充填しているため、この使用済燃料１１の再処理を高速炉の運転中において燃料集合体２４内で実施することができる。

【0066】

本実施例の燃料集合体２４において、核燃料物質、すなわち、使用済燃料を各燃料要素２内に補給することによって、燃料集合体２４の寿命をさらに延ばすことができる。燃料集合体２４における核燃料物質の補給方法を、図５を用いて具体的に説明する。図５において、（ａ）は高速炉の起動前における、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体２４に含まれる燃料要素２の状態を示し、（ｂ）はその燃料要素２内で溶融塩燃料領域６の上方に存在する使用済燃料１１が消滅した状態を示し、（ｃ）は燃料要素２の上部端栓４を取り外して被覆管３の上端から使用済燃料１１を被覆管３内の補給する状態を示し、および（ｄ）は使用済燃料１１の被覆管３内への補給が終了した後に被覆管３の上端を上部端栓４で封鎖した状態を示している。

【0067】

図５（ａ）に示す高速炉の起動前における、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体２４に含まれる燃料要素２では、ペレット状の多数の固体の液体金属燃料１０が液体金属燃料領域７に充填され、ペレット状の多数の固体の溶融塩燃料９が溶融塩燃料領域６に充填され、ペレット状の多数の固体の使用済燃料１１が使用済燃料領域１１Ｄに充填されている。溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０は有していない。

【0068】

高速炉の運転が開始されて燃料要素２内の核燃料物質の温度が溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０の融点よりも高くなったとき、燃料要素２において溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０が溶融する。溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０が溶融しても、燃料要素２内での溶融塩燃料領域６および液体金属燃料領域７の配置は、図５（ａ）に示すように保たれる。高速炉の運転時間が経過すると、やがて、燃料集合体２４の燃料要素２内に充填された使用済燃料１１が溶融塩燃料領域６内の溶融塩燃料９に溶出することにより、その使用済燃料１１が消滅する（図５（ｂ）参照）。

【0069】

燃料要素２内の使用済燃料１１が消滅したとき、高速炉の運転が停止される。高速炉の炉心１に装荷されて燃料要素２内の使用済燃料１１が消滅した燃料集合体２４が、高速炉の原子炉容器の外部に取り出される。原子炉容器から取り出された燃料集合体２４は、核燃料物質（例えば、使用済燃料１１）の補給を実施する補給エリアまで搬送される。

【0070】

この補給エリアでは、燃料集合体２４の解体工程が実施される。この工程において、燃料集合体２４のラッパ管がエントランスノズルから取り外され、各燃料要素２の下部端栓５がエントランスノズルから取り外される。燃料要素２の被覆管３の外面に巻き付けられたワイヤスペーサが取り外される。上部端栓４を被覆管３の上端部から取り外す。上部端栓４の取り外し後、被覆管３の上端部に開口が形成される（図５（ｃ）参照）。

【0071】

燃料集合体２４の解体工程が終了した後に、被覆管３内への使用済燃料１１の補給工程が実施される。すなわち、被覆管３の上端部に形成された開口から、ペレット状の多数の固体の使用済燃料１１が被覆管３内に充填される。充填された使用済燃料１１の所定数のペレットが、溶融塩燃料領域６の上方に位置する支持部材（例えば、金網）１２の上に置かれる。上部端栓４が被覆管３の上端部に取り付けられ、被覆管３が密封される（図５（ｄ）参照）。

【0072】

その後、補給エリアにおいて、燃料集合体２４の再組み立て工程が実施される。すなわち、ワイヤスペーサの一端部が下部端栓５に取り付けられ、ワイヤスペーサが密封された被覆管３の外面にワイヤスペーサが巻き付けられて、ワイヤスペーサの他端部が上部端栓４に取り付けられる。各燃料要素２の下部端栓５がエントランスノズルに取り付けられ、燃料要素２の束がラッパ管内に挿入される。燃料要素２の束を取り囲むラッパ管の下端部がエントランスノズルに取り付けられる。

【0073】

燃料集合体２４の解体工程、使用済燃料１１の補給工程及び燃料集合体２４の再組み立て工程は、補給エリア内の密封された領域で遠隔操作により行われる。

【0074】

なお、使用済燃料１１の替りに燃料親物質を含む核燃料物質である天然ウランまたは劣化ウランを用いた場合には、上記の使用済燃料１１の補給工程（核燃料物質の補給工程）では、被覆管３の上端部に形成された開口から、ペレット状の多数の固体の天然ウランまたは劣化ウランが被覆管３内に充填される。

【0075】

再組立てされた燃料集合体２４は、高速炉の炉心１内に再度装荷される。そして、高速炉は、再起動される。再起動後、再装荷された燃料集合体２４に含まれる各燃料要素２内の溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０は溶融する。燃料要素２内の補給された使用済燃料１１が消滅するまで、燃料集合体２４を炉心１に装荷した高速炉の運転が継続される。使用済燃料１１を補給した燃料要素２を有する燃料集合体２４の寿命はさらに伸び、燃料集合体２４の交換頻度はさらに低減される。

【実施例2】

【0076】

本発明の好適な他の実施例である実施例２の高速炉の燃料集合体を、図６を用いて説明する。

【0077】

実施例２の燃料集合体は、図６に示す複数の燃料要素２Ａを有する。燃料要素２Ａでは、粒子状（または粉状）の溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０が、混合されて支持部材（例えば、金網）１２よりも下方に充填される。燃料要素２Ａの被覆管３内で、使用済燃料１１が支持部材１２の上方に充填される。燃料要素２Ａにおいて、支持部材１２よりも下方の、混合された粒子状（または粉状）の溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０が充填された領域を核燃料物質充填領域という。核燃料物質領域は使用済燃料１１と接触している。
混合された被覆管３内における粒子状（または粉状）の溶融塩燃料９と粒子状（または粉状）の液体金属燃料１０の混合割合は、実施例１の燃料集合体２４の燃料要素２における溶融塩燃料領域６内の溶融塩燃料９と液体金属燃料領域７内の液体金属燃料１０の割合と同じである。

【0078】

燃料要素２Ａを有する燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体では、燃料要素２Ａ内の粒子状（または粉状）の溶融塩燃料９及び粒子状（または粉状）の液体金属燃料１０は溶融していない。その燃料集合体が高速炉の炉心に装荷された後、高速炉の運転が開始される。燃料要素２Ａ内の溶融塩燃料９に含まれている核分裂性物質（239Ｐｕ等）の核分裂によって燃料要素２Ａの温度が溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０のそれぞれの融点よりも上昇したとき、溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０が溶融し、溶融した溶融塩燃料９と溶融した液体金属燃料１０が支持部材１２よりも下方で分離される。この結果、実施例１の燃料集合体２４の燃料要素２と同様に、燃料要素２Ａ内に、溶融塩燃料９が存在する溶融塩燃料領域６および液体金属燃料１０が存在する液体金属燃料領域７が形成され、溶融塩燃料領域６が液体金属燃料領域７と接触して液体金属燃料領域７の上方に形成される。

【0079】

燃料要素２Ａを有する本実施例の燃料集合体は、実施例１で得られる各効果を得ることができる。

【実施例3】

【0080】

本発明の好適な他の実施例である実施例２の高速炉の燃料集合体を、図８および図９を用いて説明する。

【0081】

本実施例の燃料集合体は、図８に示す燃料要素２Ｂを複数本有する。燃料要素２Ｂは、実施例１で用いられる燃料要素２と、溶融塩燃料が存在する溶融塩燃料領域および液体金属燃料が存在する液体金属燃料領域が異なっているだけで、他の構成は燃料要素２と同じである。すなわち、燃料要素２Ｂは、溶融塩燃料９Ａが存在する溶融塩燃料領域６Ａおよび液体金属燃料１０Ａが存在する液体金属燃料領域７Ａを有する。燃料要素２Ｂを有する、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体では、溶融塩燃料領域６Ａに、高富化度の核分裂性Ｐｕ（例えば、²³⁹Ｐｕ）を含む溶融塩燃料９Ａが存在し、液体金属燃料領域７Ａに、低富化度の核分裂性Ｐｕ（例えば、²³⁹Ｐｕ）を含む液体金属燃料１０Ａが存在する。液体金属燃料１０Ａの核分裂性Ｐｕの富化度は、溶融塩燃料９Ａの核分裂性Ｐｕの富化度よりも小さい。高富化度の核分裂性Ｐｕを含む溶融塩燃料９Ａは、具体的には、ＰｕＣｌ_３，ＵＣｌ_３，ＮａＣｌ，ＭｇＣｌ_２を含んでいる。低富化度の核分裂性Ｐｕを含む液体金属燃料１０Ａは、具体的には、Ｐｕ－Ｕ－Ｂｉ合金を含んでいる。本実施例の燃料要素２Ｂが実施例１の燃料要素２と大きく異なる点は、燃料要素２Ｂの液体金属燃料領域に核分裂性Ｐｕ（例えば、²³⁹Ｐｕ）が含まれていることである。

【0082】

燃料要素２Ｂの溶融塩燃料領域６Ａには、ペレット状の多数の固体の液体金属燃料１０が充填され、被覆管３内の溶融塩燃料領域６には、ペレット状の多数の固体の溶融塩燃料９が充填され、被覆管３内の使用済燃料領域１１Ｄには、ペレット状の多数の固体の使用済燃料１１が充填されている。

【0083】

溶融塩燃料９Ａにおける核分裂性Ｐｕの富化度は、実施例１の燃料集合体２４に含まれる燃料要素２内の溶融塩燃料９における核分裂性Ｐｕの富化度と同じであってもよい。

【0084】

本実施例の燃料要素２Ｂを有する複数の燃料集合体が装荷された高速炉の炉心１Ａを、図９を用いて説明する。複数の燃料要素２Ｂを含む複数の燃料集合体が装荷された炉心１Ａは、軸方向において、下端から上端に向かって液体金属燃料層７Ｃ、溶融塩燃料層６Ｃおよび核燃料物質層１１Ａを形成している。液体金属燃料層７Ｃには、炉心１Ａに装荷された各燃料集合体に含まれる各燃料要素２Ｂ内の液体金属燃料領域７Ａが配置されており、液体金属燃料層７Ｃは、これらの燃料要素２Ｂ内の液体金属燃料領域７Ａによって形成される。溶融塩燃料層６Ｃには、炉心１Ａに装荷された各燃料集合体に含まれる各燃料要素２Ｂ内の溶融塩燃料領域６Ａが配置されており、溶融塩燃料層６Ｃは、これらの燃料要素２Ｂ内の溶融塩燃料領域６Ａによって形成される。核燃料物質層１１Ａは、炉心１の核燃料物質層１１Ａと同じである。

【0085】

本実施例の燃料集合体でも、燃料要素２Ｂ内において、実施例１の燃料集合体２４における燃料要素２のように、溶融塩燃料領域６Ａにおいて²³⁹Ｐｕの核分裂反応が生じ、液体金属燃料領域７Ａにおいて²³⁸Ｕの中性子捕獲反応により²³⁹Ｐｕが生成される。

【0086】

さらには、溶融塩燃料領域６Ａと液体金属燃料領域７Ａの境界付近では、実施例１と同様に、式（２）で表される化学反応が生じる。このため、この化学反応によって、燃料要素２Ｂ内においても、塩化物となった²³⁹Ｐｕが液体金属燃料領域７Ａから溶融塩燃料領域６Ａ内に拡散し、金属となった²³⁸Ｕが溶融塩燃料領域６Ａから液体金属燃料領域７Ａ内に拡散する。

【0087】

燃料要素２Ｂ内で支持部材１２の上に充填された使用済燃料１１も、実施例１の燃料集合体２４における燃料要素２内の使用済燃料１１と同様に作用する。

【0088】

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。さらに、本実施例は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体の燃料要素２Ｂにおいて、液体金属燃料領域７Ａ内の液体金属燃料１０Ａが低富化度の核分裂性Ｐｕを含んでいるので、液体金属燃料領域７Ａから溶融塩燃料領域６Ａへの²³⁹Ｐｕの供給は、高速炉の運転開始後の早い時点で開始される。また、その供給される²³⁹Ｐｕの量は実施例１よりも多くなる。このため、本実施例における炉心の実効的な転換比は実施例１よりも大きくなる。

【0089】

また、本実施例では、液体金属燃料領域７Ａに存在する、低富化度の核分裂Ｐｕを含む液体金属燃料１０Ａの再処理では、²³⁹Ｐｕを液体金属燃料１０Ａに残したまま、白金族ＦＰ核種のような少種類のＦＰ核種だけを除去すればよい。すなわち、液体金属燃料１０Ａは、再処理ではなく、精製すればよいので、リサイクル工程が大きく簡素化される。

【実施例4】

【0090】

本発明の好適な他の実施例である、実施例４の高速炉の炉心を、図１０および図１１を用いて説明する。

【0091】

本実施例の高速炉の炉心である炉心１Ｂは、図１１に示すように、中央領域２１および中央領域２１を取り囲む環状の外周領域２２を有する。この外周領域２２はブランケット領域である。中央領域２１には、実施例１で用いられる複数の燃料集合体２４が装荷され、外周領域２２には、図１０に示された複数のブランケット燃料要素１６を有する複数のブランケット燃料集合体（図示せず）が装荷される。

【0092】

ブランケット燃料集合体は、外面にワイヤスペーサ（図示せず）が巻き付けられた複数のブランケット燃料要素１６の束を、図２のように、ラッパ管１４内に配置している。複数のブランケット燃料要素１６は、ラッパ管１４内で正三角形格子状に配置される。それぞれのブランケット燃料要素１６の下端部は、エントランスノズル（図示せず）によって支持される。ラッパ管１４の下端部が、エントランスノズルに取り付けられる。巻き付けられたワイヤスペーサによって、隣り合う燃料要素２の相互間に、所定幅の間隙である、冷却材である液体金属が流れる冷却材通路が形成されるである。

【0093】

ブランケット燃料要素１６は、上部端栓４及び下部端栓５で上下端部が密封された被覆管３内に、溶融塩ブランケット燃料１９が存在する溶融塩ブランケット燃料領域１７および液体金属ブランケット燃料２０が存在する液体金属ブランケット燃料領域１８が形成される。溶融塩ブランケット燃料領域１７は、液体金属ブランケット燃料領域１８の上方に配置されており、液体金属ブランケット燃料領域１８の上端に接触している。溶融塩ブランケット燃料１９はＵＣｌ_３，ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２を含有する溶融塩ブランケット燃料である。液体金属ブランケット燃料２０はＵ－Ｂｉ合金を含有する液体金属ブランケット燃料である。

【0094】

具体的には、ブランケット燃料要素１６において、被覆管３内の溶融塩ブランケット燃料領域１７には、ペレット状の多数の固体の溶融塩ブランケット燃料１９が充填され、被覆管３内の液体金属ブランケット燃料領域１８には、ペレット状の多数の固体の液体金属ブランケット燃料２０が充填される。

【0095】

ブランケット燃料要素１６では、溶融塩ブランケット燃料領域１７および液体金属ブランケット燃料領域１８が、核燃料物質充填領域８Ａである。この核燃料物質充填領域８Ａの軸方向の長さを燃料有効長という。ブランケット燃料要素１６を有するブランケット燃料集合体の燃料有効長は、ブランケット燃料要素１６の燃料有効長と同じである。炉心１Ｂに装荷された全てのブランケット燃料集合体において、各ブランケット燃料要素１６内の溶融塩ブランケット燃料領域１７と液体金属ブランケット燃料領域１８の境界の、燃料有効長の下端からの位置は、同じ位置になっている。

【0096】

ブランケット燃料要素１６を有する燃焼度０ＧＷｄ／ｔのブランケット燃料集合体では、溶融塩ブランケット燃料領域１７に充填される溶融塩ブランケット燃料１９および液体金属ブランケット燃料領域１８に充填される液体金属ブランケット燃料２０は、共に、固体である。燃焼度０ＧＷｄ／ｔの状態で、溶融塩ブランケット燃料１９および液体金属ブランケット燃料２０は、燃料親物質（²³⁸Ｕ等）を含んでいるが、核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）を含んでいない。

【0097】

炉心１Ｂを有する高速炉の運転が開始されると、まず、中央領域２１内に存在する燃料要素２の溶融塩燃料領域６内で、核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）の核分裂反応が生じる。燃料集合体２４の燃料要素２内の温度が、溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０の融点よりも高くなったとき、溶融塩燃料９及び液体金属燃料１０のそれぞれが溶融状態になる。また、ブランケット燃料要素１６内の温度が、溶融塩ブランケット燃料１９および液体金属ブランケット燃料２０の融点よりも高くなったとき、溶融塩ブランケット燃料１９および液体金属ブランケット燃料２０のそれぞれも溶融状態になる。

【0098】

溶融塩ブランケット燃料領域１７と液体金属ブランケット燃料領域１８の境界では、溶融した溶融塩ブランケット燃料１９と溶融した液体金属ブランケット燃料２０が接触する。溶融した溶融塩ブランケット燃料１９の比重は溶融した液体金属ブランケット燃料２０の比重よりも小さいため、被覆管３内において、溶融した溶融塩ブランケット燃料１９は溶融した液体金属ブランケット燃料２０の上方に位置することになる。

【0099】

中央領域２１に装荷された各燃料集合体２４では、実施例１で述べたように、金属の²³⁸Ｕの溶融塩燃料領域６から液体金属燃料領域７への供給、塩化物の²³⁹Ｐｕの液体金属燃料領域７から溶融塩燃料領域６への供給が行われ、さらに、使用済燃料領域１１Ｄ内の使用済燃料１１に含まれる²³⁸Ｕの、使用済燃料領域１１Ｄ、溶融塩燃料領域６および液体金属燃料領域７での²³⁹Ｐｕへの変換が行われる。

【0100】

ブランケット燃料集合体の各ブランケット燃料要素１６内においても、溶融塩ブランケット燃料領域１７および液体金属ブランケット燃料領域１８のそれぞれに存在する燃料親物質（²³⁸Ｕ等）も、燃料要素２の溶融塩燃料領域６から漏れてくる中性子を捕獲して、核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）に核変換される。このようにして生成された核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）は、溶融塩ブランケット燃料領域１７および液体金属ブランケット燃料領域１８内で核分裂することにより燃焼する。

【0101】

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。さらに、本実施例では、炉心１Ｂが中央領域２１を外周領域２２で取り囲んでいるため、炉心１Ｂの全体の転換比は、中央領域２１における炉心燃料（溶融塩燃料９）の転換比、中央領域２１におけるブランケット燃料（液体金属燃料１０）の転換比、および外周領域２２における溶融塩ブランケット燃料１９および液体金属ブランケット燃料２０のそれぞれの転換比を合計したものとなる。

【0102】

このため、本実施例では、実施例１に比べて炉心の実効的な転換比を大きく増大させることができ、さらには、燃料要素２を有する燃料集合体２４を長寿命化させることができるので、高速炉の燃料経済性の向上させることができる。

【0103】

ブランケット燃料要素１６でも、液体金属ブランケット燃料２０における核分裂性物質（²³⁹Ｐｕ等）の核分裂反応により、多くの核分裂生成核種（ＦＰ核種）が生成される。これらのＦＰ核種は、白金族ＦＰ核種を除き、液体金属ブランケット燃料２０の比重よりも小さい。このため、白金族ＦＰ核種を除いたＦＰ核種は、溶融塩ブランケット燃料領域１７と液体金属ブランケット燃料領域１８の境界まで上昇する。溶融塩ブランケット燃料領域１７と液体金属ブランケット燃料領域１８の境界まで上昇したＦＰ核種は、溶融塩ブランケット燃料１９との間で、式（３）で表された化学反応を生じ、ＦＰ塩となる。生成されたこのＦＰ塩は、溶融塩ブランケット燃料領域１７内に拡散していく。

【0104】

したがって、使用済みの液体金属ブランケット燃料２０には、白金族ＦＰ核種を除き、ＦＰ核種はほとんど残らないことになる。したがって、使用済みの液体金属ブランケット燃料２０からＦＰ核種を回収する処理は、ほとんど不要となるため、使用済みの液体金属ブランケット燃料２０の再処理工程が大幅に簡素化されることとなる。

【0105】

本実施例の炉心１Ｂの中央領域２１には、実施例１の燃料集合体２４の替りに、実施例２の燃料要素２Ａを有する燃料集合体、実施例３の燃料要素２Ｂを有する燃料集合体、および後述の実施例５の燃料要素２Ｃを有する燃料集合体のいずれかを装荷してもよい。

【実施例5】

【0106】

本発明の好適な他の実施例である実施例５の高速炉の燃料集合体を、図１２および図１３を用いて説明する。

【0107】

実施例５の燃料集合体は、図１２に示す複数の燃料要素２Ｃを有する。燃料要素２Ｃは、実施例１の燃料集合体２４に用いられる燃料要素２にＦＰ核種を吸着する吸着材２３を追加した構成を有する。この吸着材２３は、燃料要素２Ｃの被覆管３の内面に設置されて使用済燃料領域１１Ｄの上方に配置される。吸着材２３は、具体的には、ガスプレナム１３内に配置される。燃料要素２Ｃの他の構成は、燃料要素２と同じである。

【0108】

複数の燃料要素２Ｃを有する燃料集合体が装荷された高速炉の炉心１Ｃは、図１３に示すように、実施例１の燃料集合体２４を装荷した高速炉の炉心１に吸着材層２３Ａを付加した構成を有する。炉心１Ｃの吸着材層２３Ａには、燃料集合体２４に用いられる燃料要素２Ｃ内の吸着材２３が配置されている。

【0109】

複数の燃料要素２Ｃを有する燃料集合体が炉心に装荷された高速炉の運転が開始されると、燃料要素２Ｃ内では、実施例１における燃料集合体２４の燃料要素２内で生じる、金属の²³⁸Ｕの溶融塩燃料領域６から液体金属燃料領域７への供給、塩化物の²³⁹Ｐｕの液体金属燃料領域７から溶融塩燃料領域６への供給が行われ、さらに、使用済燃料領域１１Ｄ内の使用済燃料１１に含まれる²³⁸Ｕの、使用済燃料領域１１Ｄ、溶融塩燃料領域６および液体金属燃料領域７での²³⁹Ｐｕへの変換が行われる。

【0110】

²³⁹Ｐｕの核分裂反応で生じたＣｓ等のＦＰ核種は、溶融塩燃料領域６からガスプレナム１３に達する。ガスプレナム１３内のＣｓ等のＦＰ核種は、吸着材２３に吸着され除去される。

【0111】

本実施例で燃料要素２Ｃ内に設けられた吸着材２３は、実施例２の燃料集合体に用いられる燃料要素２Ａ、および実施例３の燃料集合体に用いられる燃料要素２Ｂのそれぞれに適用してもよい。

【0112】

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。さらに、本実施例は、燃料要素２Ｃ内で使用済燃料領域１１Ｄの上方に吸着材２３が配置されているため、²³⁹Ｐｕの核分裂反応で生じたＣｓ等のＦＰ核種を吸着材２３で吸着し除去することができるので、被覆管３内の圧力上昇を抑制することができる。

【符号の説明】

【0113】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…炉心、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…燃料要素、３…被覆管、６，６Ａ…溶融塩燃料領域、６Ｂ，６Ｃ…溶融塩燃料層、７，７Ａ…液体金属燃料領域、７Ｂ，７Ｃ…液体金属燃料層、８，８Ａ…核燃料物質充填領域、９，９Ａ…溶融塩燃料、１０，１０Ａ…液体金属燃料、１１…使用済燃料、１１Ａ…核燃料物質層、１１Ｄ…使用済燃料領域（核燃料物質領域）、１２…支持部材、１３…ガスプレナム、１６…ブランケット燃料要素、１７…溶融塩ブランケット燃料領域、１８…液体金属ブランケット燃料領域、１９…溶融塩ブランケット燃料、２０…液体金属ブランケット燃料、２１…中央領域、２２…外周領域、２３…吸着材、２４…燃料集合体。

【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】