JP2000111679A - Ｍｏｘ燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高燃焼度化を図りつつ、可燃性毒物入りウラン
燃料棒の本数を必要最小限の数まで低減して大きなＭＯ
Ｘ燃料装荷率を確保し、かつ、ＭＯＸ燃料棒の富化度種
類数を低減して成形コストを低減できるＭＯＸ燃料集合
体を提供する。 【解決手段】ＭＯＸ燃料集合体１において、プルトニウ
ム酸化物及びウラン酸化物を充填したＭＯＸ燃料棒２
（燃料棒記号１，２、３）と、ウラン酸化物を充填しか
つガドリニアを含有し、正方格子状配列の４隅位置に配
置された第１の燃料棒２（燃料棒記号４）及び正方格子
状配列の最外周部分が形成する４辺の各辺中点の格子位
置に配置された第２の燃料棒２（燃料棒記号５）を含む
ガドリニア入りウラン燃料棒２とを、９行９列の正方格
子状に配列する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉に
係わり、特にプルトニウムを混入したＭＯＸ燃料棒を有
するＭＯＸ燃料集合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】（１）可燃性毒物による反応度制御 沸騰水型原子炉の炉心には、四角筒型のチャンネルボッ
クスの内部に燃料バンドルを収納した燃料集合体が多数
配置されており、各燃料集合体の燃料バンドルは、ウラ
ンを含む燃料ペレットを封入した多数の燃料棒と、それ
らを上下で支持する上部タイプレートおよび下部タイプ
レートと、燃料棒間の間隔を保持するスペーサ等から構
成されている。この炉心では、燃料集合体間に挿入され
る制御棒と、燃料中に添加される可燃性毒物とによっ
て、余分に発生した中性子を吸収し、これにより運転期
間を通じて原子炉の臨界状態を維持している。可燃性毒
物としては、例えばガドリニア等、熱中性子吸収断面積
の大きな物質が用いられる。この可燃性毒物を備えた燃
料集合体に関する公知技術としては、例えば、特開昭５
８−２１６９８９公報記載の燃料集合体のように、燃料
バンドルの正方格子状配列の最外周にガドリニア入りウ
ラン燃料棒を配置するものがある。

【０００３】このような可燃性毒物による反応度抑制挙
動の一例を図６に示す。図６は、可燃性毒物の一種であ
るガドリニアを混入した燃料集合体の無限増倍率の燃焼
変化の一例を示したものである。横軸には燃焼度を、縦
軸には無限増倍率をとり、また比較のために、可燃性毒
物入り燃料棒の本数を減らした場合の挙動を破線で、可
燃性毒物の濃度を濃くした場合の挙動を一点鎖線で併せ
て示している。図６に示されるように、無限増倍率は、
燃焼度が進み可燃性毒物が燃えるにつれて緩やかに上昇
し、可燃性毒物が燃え尽きたところでピークを迎え、そ
のピークを超えた後は緩やかに下降する。そして、この
特性は、まず、可燃性毒物を混入する燃料棒の本数を増
減させることで制御可能である。すなわち、可燃性毒物
を混入する燃料棒の本数を増加させると、中性子吸収が
増加する分燃焼初期での無限増倍率が減少し、逆に本数
を減少させると、燃焼初期での無限増倍率が増大する
（破線参照）。また、混入する可燃性毒物の濃度の増減
によっても特性の制御が可能であり、濃度を増加させれ
ば、可燃性毒物の燃え尽きる時期を遅らせることが可能
になるため、無限増倍率の最大値を低下させることがで
き（一点鎖線参照）、逆に濃度を減少させれば、無限増
倍率の最大値を増加させることができる。これら可燃性
毒物入り燃料棒本数の増減と可燃性毒物濃度の増減とい
う２つを組み合わせにより、炉心の余剰反応度や軸方向
出力分布を適切に制御することが可能となる。

【０００４】（２）ＭＯＸ燃料 ところで、近年、原子力発電所の核燃料リサイクルを図
る観点から、再処理によって使用済み燃料から取り出さ
れたプルトニウムをウランと混合し、ウラン・プルトニ
ウム混合酸化物燃料（以下適宜、ＭＯＸ燃料という）と
して、軽水炉で利用することが提唱されている。この
際、経済性の向上のために、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化
（例えば、取り出し平均燃焼度４０ＧＷｄ／ｔ以上）や
炉心へのＭＯＸ燃料装荷率増加が考えられている。ここ
において、ＭＯＸ燃料は、その核分裂性物質であるプル
トニウム２３９やプルトニウム２４１の熱中性子吸収断
面積がウラン２３５より大きいこと、及びプルトニウム
２４０による中性子の吸収がウラン２３８より大きいこ
と等により、ウラン燃料よりも熱中性子の割合が減少
し、中性子スペクトルが硬くなるという性質がある。こ
こで、可燃性毒物の燃焼は中性子スペクトルに強く依存
しており、中性子平均エネルギーが低く（中性子スペク
トルが軟らかく）なるほど燃焼が進行して中性子吸収効
果が大きくなる一方、中性子スペクトルが硬くなるほど
中性子吸収効果が小さくなる。そのため、ＭＯＸ燃料を
備えたＭＯＸ燃料集合体では、ウラン燃料のみを備えて
いたウラン燃料集合体よりも可燃性毒物の中性子吸収効
果が低下する。したがって、ＭＯＸ燃料集合体において
は、上記の点に配慮して、通常のウラン燃料集合体にお
ける可燃性毒物の配置をさらに改良し適正化する必要が
ある。

【０００５】（３）ＭＯＸ燃料集合体 ここで、ＭＯＸ燃料集合体の場合、ＭＯＸ燃料棒に可燃
性毒物を混入しようとすると燃料の成型が複雑となり、
技術上の困難やコスト増大等を招くため、通常、ＭＯＸ
燃料棒とウラン燃料棒とを並存させ、ウラン燃料棒にの
み可燃性毒物を混入する。また、ＭＯＸ燃料棒において
プルトニウム富化度を軸方向に分布させようとすると同
様に燃料の成型が複雑になることから、通常、ＭＯＸ燃
料棒のプルトニウム富化度は軸方向一様とする。すなわ
ち、ＭＯＸ燃料集合体において余剰反応度や軸方向出力
分布の制御を行うためには、通常、ウラン燃料棒に可燃
性毒物を含有させるとともに、必要に応じて、そのウラ
ン燃料棒において軸方向にウラン濃縮度分布や可燃性毒
物濃度分布を設ける。このような燃料集合体の例として
は、例えば特開昭６３−１０８２９４公報記載のＭＯＸ
料集合体がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】（４）高燃焼度化・Ｍ
ＯＸ装荷率増加及び富荷度種類数低減のニーズ ところで、このようなＭＯＸ燃料について、経済性の向
上のために高燃焼度化や炉心への装荷率増加が考えられ
ている。まず、高燃焼度化を図るためには燃料の持つ反
応度を高める必要があるが、この増大した反応度を抑制
するためには、可燃性毒物を混入するウラン燃料棒の本
数を増加させる必要がある。そのため、ＭＯＸ燃料装荷
率が低減してしまうという損失が生じる。また、反応度
を高めるためにＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度を増加
させると、中性子スペクトルの硬化がさらに増す傾向と
なるため、これによっても可燃性毒物入りウラン燃料棒
の本数を増加させる必要が生じし、ＭＯＸ燃料装荷率が
低減する。したがって、ＭＯＸ燃料集合体において高燃
焼度化・ＭＯＸ燃料装荷率増大により経済性向上を図り
つつ余剰反応度を制御するためには、最も効果的な位置
に必要最小限の可燃性毒物入り燃料棒を配置する必要が
ある。またこのとき、成形コスト低減の観点から、ＭＯ
Ｘ燃料の富荷度種類数を極力減らしたいというニーズも
ある。

【０００７】ここで、以上のような点にある程度配慮し
たＭＯＸ燃料集合体の公知技術として、例えば特開平４
−２２０５９６号公報記載のものがある。このＭＯＸ燃
料集合体は、ガドリニア入りウラン燃料棒を、９行９列
正方格子状配列中の４隅に隣接する位置と、４隅のうち
３つとに配置することにより、可燃性毒物入りウラン燃
料棒の本数を１１本に低減してＭＯＸ燃料装荷率を比較
的大きく確保し、かつ、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類数は
３種類にまで低減している。しかしながら、ガドリニア
入りウラン燃料棒を４つのコーナー付近に密集して配置
し、各コーナーごとに密集する合計４つのガドリニア入
りウラン燃料棒群を形成している。そのため、各群にお
いて、ある１本のガドリニア入りウラン燃料棒の近傍で
は、そのガドリニアにより比較的低レベルの熱中性子が
ガドリニアに吸収されて周囲の中性子スペクトルが硬く
なり、これによってその群の他のガドリニア入りウラン
燃料棒の吸収効果は薄くなっている。したがって、トー
タルで見るとガドリニア入りウラン燃料棒の中性子吸収
効果が必ずしも十分に発揮されておらず、ガドリニア入
りウラン燃料棒の本数低減に関しまだ改善の余地があ
る。また、富荷度種類数を２種類にまで減らすことはで
きない。

【０００８】本発明の目的は、高燃焼度化を図りつつ、
可燃性毒物入りウラン燃料棒の本数を必要最小限の数ま
で低減して大きなＭＯＸ燃料装荷率を確保し、かつ、Ｍ
ＯＸ燃料棒の富化度種類数を低減して成形コストを低減
できるＭＯＸ燃料集合体を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、プルトニウム酸化物及びウラン酸
化物を充填した複数のＭＯＸ燃料棒と、ウラン酸化物を
充填し可燃性毒物を含有した複数の可燃性毒物入りウラ
ン燃料棒とｎ行ｎ列の正方格子状に配列したＭＯＸ燃料
集合体において、前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料
棒は、前記正方格子状配列の４隅位置に配置された第１
の燃料棒と、前記正方格子状配列の最外周部分が形成す
る４辺の各辺中点の格子位置又は各辺中点に最も近い格
子位置に配置された第２の燃料棒とを含む。一般に、沸
騰水型原子炉の燃料集合体においては、減速材である水
に近い燃料棒ほど熱中性子束が大きく、逆に他の燃料棒
に取り囲まれている燃料棒ほど熱中性子束が小さくなる
ので、正方格子状配列最外周の燃料棒は特に熱中性子束
が大きくなる。その最外周の中でも、正方格子状配列の
隅になるほど大きな水ギャップ領域が近くに存在するこ
とから、熱中性子束は正方格子状配列の４隅位置が最も
大きくなるが、このとき、４隅より離れた、正方格子状
配列最外周部分が形成する４辺の各辺中点近傍の格子位
置ではあまり熱中性子束は変わらないが、４隅に近づく
ほど急激に増大する傾向を示す。このような熱中性子束
の差に応じ、通常、ＭＯＸ燃料集合体では、局所出力ピ
ーキングを減少して出力分布の平坦化を図り熱的余裕を
確保する観点から、水に近い燃料棒のプルトニウム富化
度を比較的低くし、水から遠い燃料棒のプルトニウム富
化度を比較的高くする等の富化度分布をつけることが行
われる。このとき、正方格子状配列の最外周では、上記
したような正方格子状配列の４隅に近づくほど急激に熱
中性子束が大きくなる特性に対応して、少なくとも４隅
位置のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富荷度を、それ以外
の位置のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富荷度と区別され
た最も低い富荷度とし、合計で少なくとも２種類のプル
トニウム富荷度とすることが多い。ところで、可燃性毒
物の燃焼は中性子スペクトルに強く依存し、中性子平均
エネルギーが低く（中性子スペクトルが軟らかく）なる
ほど燃焼が進行して中性子吸収効果が大きくなる。した
がって、中性子平均エネルギーが比較的低い熱中性子束
が最も大きい場所ほど、可燃性毒物の中性子吸収効果は
有効に発揮される。そこで、本発明においては、最も熱
中性子束が大きい正方格子状配列の４隅位置に、可燃性
毒物入りウラン燃料棒（第１の燃料棒及び第２の燃料
棒）をそれぞれ配置する。これにより、これら４つの可
燃性毒物入りウラン燃料棒が中性子吸収効果を最も有効
に発揮することができる。また、ＭＯＸ燃料棒でなくウ
ラン燃料棒とすることで、４隅位置のＭＯＸ燃料棒のた
めに１種類の富荷度（最低富荷度）が必要であったのを
省略することができるので、富荷度種類数を１種類低減
することができる。一方、高燃焼度化を図る場合には増
大した反応度を抑制するために４隅位置以外にさらに可
燃性毒物入りウラン燃料棒を配置する必要があるが、上
記のように熱中性子束が最も大きい場所ほど可燃性毒物
の中性子吸収効果が有効に発揮されるという観点から
は、従来構造のように、４隅位置の次に熱中性子束が大
きい４隅位置隣接位置に配置するのが好ましいことにな
る。しかしながら、可燃性毒物入り燃料棒を近接して密
集配置すると、ある１本の可燃性毒物入りウラン燃料棒
の近傍では、その可燃性毒物により比較的低レベルの熱
中性子が吸収されて周囲の中性子スペクトルが硬くな
り、これによって他の可燃性毒物入りウラン燃料棒の吸
収効果は薄くなり、トータルで見ると可燃性毒物入りウ
ラン燃料棒の中性子吸収効果が必ずしも十分に発揮され
ないという弊害が生じる。そこで、本発明においては、
可燃性毒物入りウラン燃料棒を、正方格子状配列の最外
周部分が形成する４辺の各辺中点の格子位置又は各辺中
点に最も近い格子位置に配置する。これにより、正方格
子状配列最外周部分において、可燃性毒物入りウラン燃
料棒は、４隅位置それぞれと、４辺の各辺中点付近それ
ぞれとの、合計８箇所に分散して存在することとなるの
で、これらが互いに中性子吸収効果を有効に発揮するこ
とができる。以上のように、本発明においては、可燃性
毒物入りウラン燃料棒を、トータル的にみて中性子吸収
効果が最も効果的に発揮されるように配置するので、そ
の本数を必要最小限にすることができる。したがって、
例えば取り出し平均燃焼度４０ＧＷｄ／ｔ以上といった
高燃焼度化を図る場合にも可燃性毒物入りウラン燃料棒
の本数を十分に低減し、ＭＯＸ燃料装荷率を大きく確保
することができる。また、４隅位置に可燃性毒物入りウ
ラン燃料棒を配置するので、ＭＯＸ燃料棒の富荷度種類
数を例えば３種類以下に低減することができる。したが
って、成形コストを低減することができる。

【００１０】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記正方格子状配列中に設けられた少なくとも１本の水
ロッドをさらに有し、かつ、前記複数の可燃性毒物入り
ウラン燃料棒は、前記水ロッドに隣接する格子位置に配
置された第３の燃料棒を含む。熱中性子束の大きい水ロ
ッド隣接位置にも可燃性毒物入りウラン燃料棒（第３の
燃料棒）を配置することにより、それらの可燃性毒物の
中性子吸収効果を有効に発揮させることができる。した
がって、さらに可燃性毒物本数の低減を図ることができ
る。

【００１１】（３）上記（１）において、また好ましく
は、前記複数のＭＯＸ燃料棒は、燃料有効長が他のもの
よりも短い複数の第４の燃料棒を含んでおり、かつ、こ
れら複数の第４の燃料棒を、前記正方格子状配列の最外
周から２層目で前記第１の燃料棒に最も近い格子位置及
び前記第２の燃料棒に最も近い格子位置に配置する。こ
れにより、第１及び第２の燃料棒の正方格子状配列内側
に広い水の領域を作り出し、さらに中性子スペクトルを
軟らかくすることができるので、それら第１及び第２の
燃料棒の可燃性毒物の中性子吸収効果をさらに発揮させ
ることができる。したがって、さらに可燃性毒物本数の
低減を図ることができる。

【００１２】（４）上記（１）において、また好ましく
は、前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒に備えられ
たウランは、濃縮ウランである。この場合、ＭＯＸ燃料
集合体内おいて、ＭＯＸ燃料棒と可燃性毒物入りウラン
燃料棒との反応度差を比較的小さくできるので、ＭＯＸ
燃料棒のプルトニウム富化度の種類を例えば２種類以下
とすることが可能となる。

【００１３】（５）上記（１）において、また好ましく
は、前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒に備えられ
たウランは、天然ウラン又は燃料再処理工程において回
収された回収ウランである。この場合、ＭＯＸ燃料集合
体内おいて、ＭＯＸ燃料棒と可燃性毒物入りウラン燃料
棒との反応度差が比較的大きくなるが、それでも、ＭＯ
Ｘ燃料棒のプルトニウム富化度の種類を例えば３種類以
下とすることが可能である。

【００１４】（６）上記（１）において、また好ましく
は、前記第１の燃料棒のウラン濃縮度は、前記第２の燃
料棒のウラン濃縮度よりも低くなっている。

【００１５】（７）上記（１）において、また好ましく
は、前記第１の燃料棒の可燃性毒物濃度は、前記第２の
燃料棒の可燃性毒物濃度より高くなっている。

【００１６】（８）上記（１）において、また好ましく
は、ｎ≧９である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。本発明の第１の実施形態を図１〜
図３により説明する。本実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の全体構造を表す側断面図を図２に、図２中Ｉ−Ｉ断
面による横断面図を図１（ａ）に、各種燃料棒の軸方向
プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図を
図１（ｂ）に示す。

【００１８】これら図１（ａ）、図１（ｂ）、及び図２
において、本実施形態による燃料集合体１は、核分裂性
物質を焼結した燃料ペレットを封入した多数の燃料棒２
と、燃料集合体中央部の中性子スペクトルを改善する中
性子減速棒として設けられ、冷却材流路を形成する中空
管である水ロッド３と、燃料棒２及び水ロッド３を軸方
向複数箇所で適切な間隔に保持するスペーサ４と、これ
ら燃料バンドルを上端及び下端でそれぞれ保持する上部
タイプレート５および下部タイプレート６とを備えてお
り、それらのまわりを四角筒型のチャンネルボックス７
で取り囲んでいる。

【００１９】水ロッド３は、燃料集合体径方向の熱中性
子束平坦化を目的に燃料集合体中央部の７本の燃料棒２
を置き換えるように配置されており、燃料物質を充填せ
ず、内部を沸騰しない冷却水が通過するようになってい
る。

【００２０】チャンネルボックス７は、上部タイプレー
ト５に取り付けられており、これに隣接するように横断
面十字型の制御棒８が挿入されるようになっている。

【００２１】燃料棒２は、全部で７４本が９行９列の正
方格子状に配列されている。各燃料棒２は、特に詳細を
図示しないが、上部端栓及び下部端栓により両端を密封
された被覆管内に多数の燃料ペレット（プルトニウム酸
化物及びウラン酸化物、もしくはウラン酸化物）を充填
し、被覆管内のガスプレナム領域に配置されたスプリン
グでそれら燃料ペレットを上下に押圧した構造となって
いる。また各燃料棒２は、ペレットの種類や燃料有効長
が互いに異なる５種類が配置されており、それぞれ燃料
棒記号１，２，３，４，５で表す。

【００２２】燃料棒記号１，２，３の燃料棒２は、ペレ
ットとして、プルトニウム酸化物及びウラン酸化物から
なるＭＯＸ燃料ペレットを充填するＭＯＸ燃料棒であ
る。このＭＯＸ燃料ペレットは、燃料物質であるＰｕＯ
２及び燃料母材であるＵＯ２にて構成され、核分裂物質
である２３９Ｐｕ、２４１Ｐｕ及び２３５Ｕを含んでい
る。このとき燃料棒記号１，２の燃料棒２のプルトニウ
ム富化度は、図１（ｂ）に示すように、燃料有効長の全
域（下端基準０／２４ノード〜２３／２４ノード部分）
において軸方向に一様に、それぞれＡ［ｗｔ％］，Ｂ
［ｗｔ％］（但しＡ＞Ｂ）となっている。また燃料棒記
号３の燃料棒は、燃料有効長が他のものよりも短い部分
長燃料棒（短尺燃料棒）となっており、プルトニウム富
化度は、その燃料有効長の全域（下端基準１／２４ノー
ド〜１５／２４ノード部分）において軸方向に一様にＢ
［ｗｔ％］となっている。燃料棒記号４，５の燃料棒２
は、ペレットとして、濃縮ウラン酸化物に可燃性毒物と
してのガドリニアを添加したガドリニア入りウラン燃料
ペレットを充填するガドリニア入りウラン燃料棒であ
る。このガドリニア入りウラン燃料ペレットは、燃料物
質であるＵＯ２及びこれに含有した可燃性毒物であるガ
ドリニアにて構成され、核分裂物質である２３５Ｕを含
んでいる。このとき燃料棒記号４，５の燃料棒２のウラ
ン濃縮度は、図１（ｂ）に示すように、燃料有効長の全
域（下端基準０／２４ノード〜２４／２４ノード部分）
において軸方向に一様に、それぞれＥ［ｗｔ％］，Ｄ
［ｗｔ％］（但しＤ＞Ｅ）となっている。またガドリニ
ア濃度は、それぞれＧ［ｗｔ％］，Ｈ［ｗｔ％］（但し
Ｇ＞Ｈ）となっている。

【００２３】このような燃料棒２は、燃料棒記号１が３
２本、燃料棒記号２が２４本、燃料棒板棒３が８本、燃
料棒記号４が４本、燃料棒記号５が６本、それぞれ図１
（ａ）に示すように配置されている。すなわち、ガドリ
ニア入りウラン燃料棒である燃料棒記号４，５の燃料棒
２のうち、ウラン濃縮度が低くガドリニア濃度が高い燃
料棒記号４の燃料棒２は、正方格子状配列の４隅位置に
それぞれ１本ずつ配置され、ウラン濃縮度が高くガドリ
ニア濃度が低い燃料棒記号５の燃料棒２は、正方格子状
配列の最外周部分が形成する４辺の各辺中点の格子位置
にそれぞれ１本ずつ４本と、２本の水ロッド３，３に挟
まれるように隣接する位置に２本が配置されている。

【００２４】また、上記以外の格子位置には、ＭＯＸ燃
料棒である燃料棒記号１，２，３の燃料棒２が配置され
ている。すなわち、それら燃料棒記号１，２，３の燃料
棒２のうち、プルトニウム富化度が低い燃料棒記号２の
燃料棒２が、熱中性子束が高く出力が高くなる正方格子
状配列の最外周部分に配置され、これによって燃焼初期
の局所出力ピーキングを抑えるようになっている。また
部分長燃料棒である燃料棒記号３の燃料棒２が、正方格
子状配列の最外周から２層目であってかつ燃料棒記号
４，５の燃料棒２に最も近い格子位置に配置されてい
る。その他の位置は、すべてプルトニウム富化度が高い
燃料棒記号１の燃料棒２が配置されている。なお、上記
構成において、燃料棒記号４の燃料棒２が、正方格子状
配列の４隅位置に配置された第１の燃料棒を構成し、燃
料棒記号５の燃料棒２が、正方格子状配列の最外周部分
が形成する４辺の各辺中点の格子位置に配置された第２
の燃料棒及び水ロッドに隣接する格子位置に配置された
第３の燃料棒を構成し、燃料棒記号３の燃料棒２が、燃
料有効長が他のものよりも短い第４の燃料棒を構成す
る。

【００２５】次に、以上のように構成した本実施形態の
作用を説明する。 （１）正方格子状配列最外周でのガドリニア入りウラン
燃料棒の配置による作用 燃料集合体１においては、通常の沸騰水型原子炉の燃料
集合体と同様、減速材である水に近い燃料棒２ほど熱中
性子束が大きく、逆に他の燃料棒２に取り囲まれている
燃料棒２ほど熱中性子束が小さくなるので、正方格子状
配列最外周の燃料棒２は特に熱中性子束が大きくなる。
その最外周の中でも、正方格子状配列の隅になるほど大
きな水ギャップ領域が近くに存在することから、熱中性
子束は正方格子状配列の４隅位置が最も大きくなる。こ
のとき、４隅より離れた、正方格子状配列最外周部分が
形成する４辺の各辺中点近傍の格子位置ではあまり熱中
性子束は変わらないが、４隅に近づくほど急激に増大す
る傾向を示すことが知られている。このような熱中性子
束の差に応じる形で、従来のＭＯＸ燃料集合体では、局
所出力ピーキングを減少して出力分布の平坦化を図り熱
的余裕を確保する観点から、通常、水に近い燃料棒のプ
ルトニウム富化度を比較的低くし、水から遠い燃料棒の
プルトニウム富化度を比較的高くする等の富化度分布を
つけることが行われている。このとき、正方格子状配列
の最外周では、上記したような正方格子状配列の４隅に
近づくほど急激に熱中性子束が大きくなる特性に対応し
て、少なくとも４隅位置のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム
富荷度を、それ以外の位置のＭＯＸ燃料棒のプルトニウ
ム富荷度と区別された最も低い富荷度とし、合計で２種
類以上の富荷度とすることが多い。ところで、一般に、
ガドリニア等の可燃性毒物の燃焼は中性子スペクトルに
強く依存し、中性子平均エネルギーが低く（中性子スペ
クトルが軟らかく）なるほど燃焼が進行して中性子吸収
効果が大きくなることが知られている。したがって、中
性子平均エネルギーが比較的低い熱中性子束が最も大き
い場所ほど、可燃性毒物の中性子吸収効果は有効に発揮
される。そこで、本実施形態の燃料集合体１において
は、最も熱中性子束が大きい正方格子状配列の４隅位置
に、ガドリニア入りウラン燃料棒である燃料棒記号４の
燃料棒２を配置する。これにより、これら４つの燃料棒
２（燃料棒記号４）が中性子吸収効果を最も有効に発揮
することができる。また、ＭＯＸ燃料棒でなくウラン燃
料棒とすることで、従来、４隅位置のＭＯＸ燃料棒のた
めに１種類の富荷度（最低富荷度）が必要であったのを
省略することができるので、富荷度種類数を１種類低減
することができる。一方、高燃焼度化を図る場合には増
大した反応度を抑制するために４隅位置以外にさらに可
燃性毒物入りウラン燃料棒を配置する必要があるが、上
記のように熱中性子束が最も大きい場所ほど可燃性毒物
の中性子吸収効果が有効に発揮されるという観点から
は、特開平４−２２０５９６号に開示された従来構造の
ように、４隅位置の次に熱中性子束が大きい４隅位置隣
接位置にガドリニア入りウラン燃料棒を配置するのが好
ましいことになる。しかしながら、ガドリニア入り燃料
棒を近接して密集配置すると、ある１本のガドリニア入
りウラン燃料棒の近傍では、そのガドリニアにより比較
的低レベルの熱中性子が吸収されて周囲の中性子スペク
トルが硬くなり、これによって他のガドリニア入りウラ
ン燃料棒の吸収効果は薄くなり、トータルで見るとガド
リニア入りウラン燃料棒の中性子吸収効果が必ずしも十
分に発揮されないという弊害が生じる。そこで、本実施
形態においては、ガドリニア入りウラン燃料棒である燃
料棒記号５の燃料棒２を、正方格子状配列の最外周部分
が形成する４辺の各辺中点の格子位置に配置する。これ
により、図１（ａ）に示すように、正方格子状配列最外
周部分において、可燃性毒物入りウラン燃料棒は、４隅
位置それぞれと（燃料棒記号４）、４辺の各辺中点付近
それぞれ（燃料棒記号５）との、合計８箇所に分散して
存在することとなるので、これらがすべて中性子吸収効
果を有効に発揮することができる。

【００２６】（２）水ロッド隣接位置へのガドリニア入
りウラン燃料棒の配置による作用 中性子束の大きい水ロッド３の隣接位置にもガドリニア
入りウラン燃料棒である燃料棒記号５の燃料棒２を配置
することにより、それらの可燃性毒物の中性子吸収効果
についても有効に発揮させることができる。

【００２７】（３）部分長燃料棒配置による作用 部分長燃料棒である燃料棒記号３の燃料棒２を、正方格
子状配列最外周から２層目のうち、最外周にあるガドリ
ニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号４，５）に最も近
い格子位置に配置することにより、それら燃料棒２（燃
料棒記号４，５）の正方格子状配列内側に広い水の領域
を作り出し、さらに中性子スペクトルを軟らかくするこ
とができるので、それら燃料棒２（燃料棒記号４，５）
のガドリニアの中性子吸収効果をさらに発揮させること
ができる。

【００２８】（４）ウランペレットに濃縮ウランを用い
ることによる作用 上記したように、一般にＭＯＸ燃料集合体では、局所出
力ピーキングを減少して出力分布の平坦化を図り熱的余
裕を確保する観点から、熱中性子束の差に応じる形で、
通常、水に近い燃料棒のプルトニウム富化度を比較的低
くし、水から遠い燃料棒のプルトニウム富化度を比較的
高くする等の富化度分布をつけることが行われている。
そのため、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類数の低減を図ろう
とする場合、熱中性子束の差にかかわらず同一の富化度
となる場合が多くなり、各ＭＯＸ燃料棒の出力差のばら
つきが大きくなって局所出力ピーキングが増大する傾向
となる。また、ＭＯＸ燃料棒とウラン燃料棒とでは、Ｍ
ＯＸ燃料棒のほうが出力が大きくなるが、その出力差が
大きくなることによっても局所出力ピーキングが増大す
る傾向となる。すなわち、ウラン燃料棒のウラン濃縮度
が低いとＭＯＸ燃料棒との出力差が大きくなり、すべて
の燃料棒における出力差が一層拡大するため、一定の局
所出力ピーキングを維持するにはＭＯＸ燃料棒の富化度
種類数を多めに設定せざるを得なくなる。逆に、ウラン
燃料棒のウラン濃縮度が高いとＭＯＸ燃料棒との出力差
が小さくなって全燃料棒における出力差が縮小するた
め、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類数を少なくすることがで
きる。このことを図３により説明する。図３は、ガドリ
ニア入り燃料棒のウラン濃縮度をパラメータとした局所
出力ピーキングとプルトニウム富化度種類数との関係の
一例を示したものである。この図３において、はガド
リニア入りウラン燃料棒のウランが濃縮ウランの場合
（２３５Ｕの濃縮度が例えば数％）、はガドリニア入
りウラン燃料棒のウランが回収ウランまたは天然ウラン
の場合（２３５Ｕの濃縮度が例えば１％程度以下）を示
している。例えばある局所出力ピーキングを実現するた
めに、濃縮ウランを用いたにおいて必要なプルトニウ
ム富化度種類数のほうが、回収ウラン又は天然ウランを
用いたにおいて必要なプルトニウム富化度種類数より
も、１種類少なくてすむことがわかる。例えば、濃縮ウ
ランを用いたにおいて必要なプルトニウム富化度種類
数が２種類であった場合（図３中Ａで示す）、回収ウラ
ン又は天然ウランを用いたにおいて必要なプルトニウ
ム富化度種類数は３種類となる（図３中Ｂで示す）。本
実施形態においては、ガドリニア入りウラン燃料棒であ
る燃料棒記号４，５の燃料棒２に含まれるウランとし
て、濃縮度Ｅ，Ｄの濃縮ウランを用いる。これにより、
ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１，２，３）のプルトニウ
ム富化度種類数をＡ，Ｂの２種類としても、所定の局所
出力ピーキングを実現可能となっている。

【００２９】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号４，
５）を、トータル的にみて中性子吸収効果が最も効果的
に発揮されるように配置するので、その本数を必要最小
限の１０本にすることができる。したがって、例えば取
り出し平均燃焼度４０ＧＷｄ／ｔ以上といった高燃焼度
化を図る場合にもガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料
棒記号４，５）の本数を十分に低減し、ＭＯＸ燃料装荷
率を大きく確保することができる。また、ＭＯＸ燃料棒
２（燃料棒記号１，２，３）の富荷度種類数をＡ，Ｂの
２種類に低減することができるので、成形コストを低減
することができる。

【００３０】本発明の第２の実施形態を図４により説明
する。本実施形態は、ガドリニア入りウラン燃料棒のウ
ランとして回収ウラン又は天然ウランを用いた場合の実
施形態である。第１の実施形態と同等の部分には同一の
符号を付し、適宜説明を省略する。本実施形態によるＭ
ＯＸ燃料集合体の要部構造を表す横断面図を図４（ａ）
に、各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃
縮度分布を表す説明図を図４（ｂ）に示す。この図４
（ａ）（ｂ）は、第１の実施形態の図１（ａ）（ｂ）に
それぞれ対応する図である。

【００３１】これら図４（ａ）及び図４（ｂ）におい
て、燃料棒２は、全部で７４本が９行９列の正方格子状
に配列されている。各燃料棒２は、ペレットの種類や燃
料有効長が互いに異なる６種類が配置されており、それ
ぞれ燃料棒記号１，２，３，４，５，６で表す。

【００３２】燃料棒記号１，２，３，４の燃料棒２はＭ
ＯＸ燃料棒である。燃料棒記号１，２，３の燃料棒２の
プルトニウム富化度は、図４（ｂ）に示すように、燃料
有効長の全域（下端基準０／２４ノード〜２３／２４ノ
ード部分）において軸方向に一様に、それぞれＡ［ｗｔ
％］，Ｂ［ｗｔ％］，Ｃ［ｗｔ％］（但しＡ＞Ｂ＞Ｃ）
となっている。また燃料棒記号４の燃料棒２は、燃料有
効長が他のものよりも短い部分長燃料棒（短尺燃料棒）
となっており、プルトニウム富化度は、その燃料有効長
の全域（下端基準１／２４ノード〜１５／２４ノード部
分）において軸方向に一様にＢ［ｗｔ％］となってい
る。燃料棒記号５，６の燃料棒２はガドリニア入りウラ
ン燃料棒である。それぞれのウランは、いわゆる回収ウ
ラン又は天然ウランであり、その濃縮度は、図４（ｂ）
に示すように、燃料有効長の全域（下端基準０／２４ノ
ード〜２４／２４ノード部分）において軸方向に一様に
ともにＦ［ｗｔ％］となっている（但しＦは例えば１以
下）。またガドリニア濃度は、それぞれＧ［ｗｔ％］，
Ｈ［ｗｔ％］（但しＧ＞Ｈ）となっている。

【００３３】このような燃料棒２は、燃料棒記号１が３
２本、燃料棒記号２が１６本、燃料棒板棒３が８本、燃
料棒記号４が８本、燃料棒記号５が４本、それぞれ図４
（ａ）に示すように配置されている。すなわち、ガドリ
ニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５，６）は、それ
ぞれ、第１の実施形態の燃料棒記号４，５の燃料棒２と
同様、正方格子状配列の４隅位置と、正方格子状配列の
最外周部分が形成する４辺の各辺中点の格子位置及び２
本の水ロッド３，３に隣接する位置とに配置されてい
る。

【００３４】また、残りのＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号
１，２，３，４）のうち、プルトニウム富化度が最も低
い燃料棒記号３の燃料棒２が、熱中性子束が高く出力が
高くなる正方格子状配列の最外周部分の中でもさらに熱
中性子束が高い側である４隅隣接位置に配置されてお
り、残りの最外周部分の格子位置にその次にプルトニウ
ム富化度が低い燃料棒記号２の燃料棒２が配置されてお
り、これらによって燃焼初期の局所出力ピーキングを抑
えるようになっている。また、部分長燃料棒である燃料
棒記号４の燃料棒２は、第１の実施形態の燃料棒記号３
の燃料棒２同様、正方格子状配列の最外周から２層目で
あってかつ燃料棒記号５，６の燃料棒２に最も近い格子
位置に配置されている。その他の位置は、すべてプルト
ニウム富化度が最も高い燃料棒記号１の燃料棒２が配置
されている。なお、上記構成において、燃料棒記号５の
燃料棒２が、正方格子状配列の４隅位置に配置された第
１の燃料棒を構成し、燃料棒記号６の燃料棒２が、正方
格子状配列の最外周部分が形成する４辺の各辺中点の格
子位置に配置された第２の燃料棒及び水ロッドに隣接す
る格子位置に配置された第３の燃料棒を構成し、燃料棒
記号４の燃料棒２が、燃料有効長が他のものよりも短い
第４の燃料棒を構成する。

【００３５】以上のように構成した本実施形態によって
も、上記第１の実施形態と同様の効果を得る。すなわ
ち、高燃焼度化を図る場合にもガドリニア入りウラン燃
料棒２（燃料棒記号４，５）の本数を１０本まで低減
し、ＭＯＸ燃料装荷率を大きく確保することができる。
また、ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１，２，３，４）の
富荷度種類数を低減することができる。なおこのとき、
第１の実施形態と異なり、ガドリニア入りウラン燃料棒
２（燃料棒記号４，５）のウランとして濃縮度の低い回
収ウラン又は天然ウランを用いるため、前述した図３で
説明した原理によりＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１，
２，３）の富荷度種類数がＡ，Ｂ，Ｃと第１の実施形態
よりは増えるが、これら３種類まで低減することはでき
るので、その限りにおいては成形コストを低減すること
ができる。

【００３６】本発明の第３の実施形態を図５により説明
する。本実施形態は、燃料棒を１０行１０列に配列した
場合の実施形態である。第１の実施形態と同等の部分に
は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。本実施形態
によるＭＯＸ燃料集合体の要部構造を表す横断面図を図
５（ａ）に、各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・
ウラン濃縮度分布を表す説明図を図５（ｂ）に示す。こ
れら図５（ａ）（ｂ）は、第１の実施形態の図１（ａ）
（ｂ）にそれぞれ対応する図である。

【００３７】これら図５（ａ）及び図５（ｂ）におい
て、燃料棒２は、全部で９２本が１０行１０列の正方格
子状に配列されており、また２本の水ロッド３が燃料棒
２の８本分のスペースにそれらを置き換えるように配置
されている。各燃料棒２は、ペレットの種類や燃料有効
長が互いに異なる５種類（燃料棒記号１，２，３，４，
５）があるが，その軸方向プルトニウム富化度・ウラン
濃縮度分布等は、図１（ｂ）に示した第１の実施形態の
燃料棒２（燃料棒記号１，２，３，４，５）と全く同一
であるので説明を省略する。

【００３８】これら燃料棒２は、燃料棒記号１が４２
本、燃料棒記号２が２４本、燃料棒板棒３が１２本、燃
料棒記号４が４本、燃料棒記号５が１０本、それぞれ図
５（ａ）に示すように配置されている。ガドリニア入り
ウラン燃料棒である燃料棒記号４，５の燃料棒２のう
ち、ウラン濃縮度が低くガドリニア濃度が高い燃料棒記
号４の燃料棒２は、第１の実施形態同様、正方格子状配
列の４隅位置にそれぞれ１本ずつ配置されている。一
方、ウラン濃縮度が高くガドリニア濃度が低い燃料棒記
号５の燃料棒２は、正方格子状配列の最外周部分が形成
する４辺の各辺中点に最も近い２つの格子位置に２本ず
つ８本と、２本の水ロッド３，３に挟まれるように隣接
する位置に２本が配置されている。

【００３９】また、残りのＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号
１，２，３）のうち、プルトニウム富化度が低い燃料棒
記号２の燃料棒２が、第１の実施形態同様、熱中性子束
が高く出力が高くなる正方格子状配列の最外周部分に配
置されており、これによって燃焼初期の局所出力ピーキ
ングを抑えるようになっている。また、部分長燃料棒で
ある燃料棒記号３の燃料棒２が、第１の実施形態同様、
正方格子状配列の最外周から２層目であってかつ燃料棒
記号４，５の燃料棒２に最も近い格子位置に配置されて
いる。その他の位置は、すべてプルトニウム富化度が高
い燃料棒記号１の燃料棒２が配置されている。なお、上
記構成において、燃料棒記号４の燃料棒２が、正方格子
状配列の４隅位置に配置された第１の燃料棒を構成し、
燃料棒記号５の燃料棒２が、正方格子状配列の最外周部
分が形成する４辺の各辺中点に最も近い格子位置に配置
された第２の燃料棒及び水ロッドに隣接する格子位置に
配置された第３の燃料棒を構成し、燃料棒記号３の燃料
棒２が、燃料有効長が他のものよりも短い第４の燃料棒
を構成する。

【００４０】以上のように構成した本実施形態によって
も、上記第１の実施形態と同様、高燃焼度化を図る場合
にもガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号４，
５）の本数を十分に低減し、ＭＯＸ燃料装荷率を大きく
確保することができる。また、ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒
記号１，２，３）の富荷度種類数をＡ，Ｂの２種類に低
減することができるので、成形コストを低減することが
できる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、高燃焼度化を図りつ
つ、可燃性毒物入りウラン燃料棒の本数を必要最小限の
数まで低減して大きなＭＯＸ燃料装荷率を確保し、か
つ、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類数を低減して成形コスト
を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の要部横断面図、及び各種燃料棒の軸方向プルトニウ
ム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図である。

【図２】図１に示したＭＯＸ燃料集合体の全体構造を表
す側断面図である。

【図３】ガドリニア入り燃料棒のウラン濃縮度をパラメ
ータとした局所出力ピーキングとプルトニウム富化度種
類数との関係の一例を示した図である。

【図４】本発明の第２の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の要部構造を表す横断面図、及び各種燃料棒の軸方向
プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図で
ある。

【図５】本発明の第３の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の要部構造を表す横断面図、及び各種燃料棒の軸方向
プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図で
ある。

【図６】可燃性毒物の一種であるガドリニアを混入した
燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化の一例を示した図で
ある。

【符号の説明】

１ 燃料集合体 ２ 燃料棒 ３ 水ロッド

フロントページの続き (72)発明者 藤田 聡志 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 笹川 勝 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 国分 毅彦 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プルトニウム酸化物及びウラン酸化物を充
   填した複数のＭＯＸ燃料棒と、ウラン酸化物を充填し可
   燃性毒物を含有した複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒
   とをｎ行ｎ列の正方格子状に配列したＭＯＸ燃料集合体
   において、 前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒は、前記正方格
   子状配列の４隅位置に配置された第１の燃料棒と、前記
   正方格子状配列の最外周部分が形成する４辺の各辺中点
   の格子位置又は各辺中点に最も近い格子位置に配置され
   た第２の燃料棒とを含むことを特徴とするＭＯＸ燃料集
   合体。
2. 【請求項２】請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、前記正方格子状配列中に設けられた少なくとも１本
   の水ロッドをさらに有し、かつ、前記複数の可燃性毒物
   入りウラン燃料棒は、前記水ロッドに隣接する格子位置
   に配置された第３の燃料棒を含むことを特徴とするＭＯ
   Ｘ燃料集合体。
3. 【請求項３】請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、前記複数のＭＯＸ燃料棒は、燃料有効長が他のもの
   よりも短い複数の第４の燃料棒を含んでおり、かつ、こ
   れら複数の第４の燃料棒を、前記正方格子状配列の最外
   周から２層目で前記第１の燃料棒に最も近い格子位置及
   び前記第２の燃料棒に最も近い格子位置に配置したこと
   を特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
4. 【請求項４】請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒に備えられ
   たウランは、濃縮ウランであることを特徴とするＭＯＸ
   燃料集合体。
5. 【請求項５】請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒に備えられ
   たウランは、天然ウラン又は燃料再処理工程において回
   収された回収ウランであることを特徴とするＭＯＸ燃料
   集合体。
6. 【請求項６】請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、前記第１の燃料棒のウラン濃縮度は、前記第２の燃
   料棒のウラン濃縮度よりも低くなっていることを特徴と
   するＭＯＸ燃料集合体。
7. 【請求項７】請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、前記第１の燃料棒の可燃性毒物濃度は、前記第２の
   燃料棒の可燃性毒物濃度より高くなっていることを特徴
   とするＭＯＸ燃料集合体。
8. 【請求項８】請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、ｎ≧９であることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。