JP2000258574A

JP2000258574A - 燃料集合体

Info

Publication number: JP2000258574A
Application number: JP11059732A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Kokubu; 毅彦國分; Sadayuki Izutsu; 定幸井筒; Masaru Sasagawa; 勝笹川; Shingo Fujimaki; 真吾藤巻
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、平均プルトニウム富化度が増
加したＭＯＸ燃料集合体において、天然ウランを濃縮す
る課程および使用済み核燃料再処理により生ずる、ウラ
ン２３５の同位体存在比が天然ウランよりも低い劣化ウ
ランの燃料集合体内の使用割合を高めた燃料集合体を提
供することである。【解決手段】ウラン２３５の同位体存在比が天然ウラン
よりも低い劣化ウランを使用し、劣化ウランを母材とし
たガドリニア燃料棒を、中性子減速棒に隣接する位置以
外、燃料棒配列の最外層に隣接する位置以外、及び部分
長燃料棒に隣接する位置以外に配置することにより、ウ
ラン２３５の同位体存在比が天然ウランよりも低い劣化
ウランの燃料集合体内の使用割合を最高１００％まで高
めることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プルトニウムを混
入した燃料棒を有する原子炉用燃料集合体に係わり、特
に天然ウランを濃縮する課程および使用済み核燃料再処
理により生ずる、ウラン２３５の同位体存在比が天然ウ
ランよりも低い劣化ウランを用いた燃料集合体に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の原子炉、例えば沸騰水型原子炉で
は、濃縮ウラン及びガドリニア等の可燃性毒物を有する
燃料集合体を使用している。

【０００３】従来の燃料集合体の例を図１に示す。燃料
集合体１３は、複数燃料棒１１及びチャンネルボックス
１２から構成される。チャンネルボックス１２の外部に
は制御棒１４あるいは中性子検出器計装管１５を配置す
るようにしているため、各燃料集合体１３の間隔は、制
御棒１４等の装置が挿入されるだけ広げられ、周囲は冷
却水で満たされている。燃料棒１１の上下端は、図示さ
れていない上部および下部タイプレートに支持されてい
る。チャンネルボックス１２は、上部タイプレートに固
定され、燃料棒１１の束を取り囲んでいる。１６はウォ
ータロッド、１７は燃料棒間の冷却材の流れる冷却材領
域である。冷却材はチャンネルボックス１２内を下方よ
り上方に向かって流れる。

【０００４】燃焼に伴って炉心内では、主に次のような
現象が起こる。

【０００５】（１）核分裂性物質(ウラン２３５，プル
トニウム２３９，プルトニウム２４１)の消耗。

【０００６】（２）燃料親物質（ウラン２３８，プルト
ニウム２４０）の核分裂性物質への変換。

【０００７】（３）核分裂生成物の蓄積。

【０００８】ウラン及びプルトニウムの核分裂寄与割合
の燃焼変化の一例を図２に示す。図２に示すように燃料
親物質であるウラン２３８は核分裂に直接寄与しない
が、核分裂性物質であるプルトニウム２３９に転換する
ことにより、燃焼末期に大きな核分裂寄与割合を持つよ
うになる。したがって、天然ウラン資源を有効に活用す
るため、沸騰水型原子炉において、天然ウランを濃縮す
る課程および使用済み核燃料再処理により生ずる、ウラ
ン２３８の同位体存在比が天然ウランよりも高く、ウラ
ン２３５の同位体存在比が天然ウランよりも低いウラン
（以下、劣化ウランと称する）を原子炉内に装荷し、利
用することが考えられる。

【０００９】既に、沸騰水型原子炉において劣化ウラン
を使用する特許はいくつか出願されているが、特開平7
−92288号公報に見られる中性子遮蔽への利用，特開平9
− 90077 号に見られる初装荷炉心の制御棒挿入位置へ
の利用等、原子炉内あるいは燃料集合体内に対して一部
の利用を提供するものである。

【００１０】また、沸騰水型原子炉では、中性子が核分
裂性物質に吸収されて核分裂が起こり、この際にエネル
ギーとともに放出される中性子が次の核分裂を引き起こ
す連鎖反応によりエネルギーを出し続ける。原子炉を構
成する燃料集合体には、燃焼初期からある量の核分裂性
物質が装荷されており、燃料集合体が炉心に装荷されて
からその燃焼期間を終えて炉心から取り出されるまでの
燃料集合体の寿命は、その燃料集合体に含まれる核分裂
性物質によってほぼ定められている。

【００１１】燃料集合体の燃焼の指標として、燃焼度と
いうものが用いられるが、これは燃料集合体に含まれる
燃料単位重量当たり発生する熱量で定められている。原
子炉に装荷される燃料の経済性を向上させるためには、
できるだけ原子炉内に装荷される期間を長くして燃焼度
を増加させることが必要となる。燃料集合体に含まれる
核燃料物質が多いほど、燃料集合体の燃焼度は増加する
ことになるので、燃料の燃焼度を高めて経済性を向上さ
せるためには、燃料集合体に含まれる核分裂性物質を増
加させること、すなわち、燃料物質の平均濃度を増加す
ることが行われてきた。

【００１２】高燃焼度化に伴う、燃料集合体平均取出燃
焼度に対する、燃料集合体におけるガドリニア燃料棒の
体積割合の推移を図３に示す。同図に示すように、燃料
集合体のウラン２３５の平均濃縮度の増加に伴い、燃焼
初期における反応度が増加するため、炉停止余裕及び熱
的余裕を確保するために、可燃性毒物であるガドリニア
を含有する燃料棒（以下、ガドリニア燃料棒と称する）
の装荷割合も増加する傾向となる。

【００１３】一方、原子力発電所の核燃料リサイクルと
して、再処理によって取り出されたプルトニウムをウラ
ンと混合したウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以
下、ＭＯＸ燃料と呼ぶ）の利用がある。本燃料の経済性
の向上を図るため、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化やＭＯＸ燃
料の装荷率を高めるニーズがある。

【００１４】燃料集合体にＭＯＸ燃料を装荷すると、核
分裂物質であるプルトニウム２３９やプルトニウム２４
１の熱中性子吸収断面積がウラン２３５より大きいこ
と、プルトニウム２４０による中性子吸収がウラン２３
８より大きいこと等により、ウラン燃料集合体よりも、
中性子のエネルギスペクトルが硬くなる。

【００１５】燃料の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ことから、ＭＯＸ燃料の
プルトニウム富化度を増加させることによって、中性子
エネルギスペクトルの硬化が増す。

【００１６】このように中性子エネルギスペクトルが硬
くなると、燃料親物質であるウラン２３８の核分裂性物
質であるプルトニウム２３９への転換が促進される一
方、ボイド反応度係数絶対値の増大による過渡時の熱的
余裕の低下、制御棒価値の反応度抑制効果の低下等が生
じる。ボイド反応度係数絶対値の増大を防ぐ手段の公知
例としては、特開平5−232273 号公報に記されているよ
うに、燃料棒有効長の短い燃料棒（以下部分長燃料棒と
呼ぶ。）を水ギャップ部に近い燃料集合体の最外周に配
置することにより、燃料集合体上部（部分長燃料棒の位
置には燃料がない部分）での実効的な中性子減速効果を
向上さることによりボイド反応度係数絶対値を低減する
例がある。

【００１７】原子炉における反応度制御は、制御棒によ
る反応度抑制効果に加えて、燃料棒にガドリニア等の可
燃性毒物を混入することによる反応度抑制効果が使用さ
れている。

【００１８】従って、高燃焼度化に伴い、燃料のウラン
濃縮度やプルトニウム富化度が増加すると燃料の反応度
が増大するため、反応度を抑制するために可燃性毒物を
混入する燃料棒の本数や可燃性毒物量が増加する傾向に
なる。

【００１９】可燃性毒物の反応度抑制の様子を図４を用
いて示す。図４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例を示して
いる。一般に、可燃性毒物を混入する燃料棒の本数を増
加させれば、燃焼初期での無限増倍率が低下する。ま
た、混入する可燃性毒物の濃度を増加させれば、ガドリ
ニアの燃え尽きる時期を遅らせることが可能になり、そ
の結果、無限増倍率の最大値を抑えることが可能とな
る。これらの効果を用いることで、可燃性毒物が混入し
た燃料棒の本数とその混入濃度の組み合わせにより、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。

【００２０】ＭＯＸ燃料集合体の場合、ＭＯＸ燃料棒に
おいてガドリニア等の可燃性毒物を混入することは、燃
料の成型が複雑になるため、濃縮ウラン燃料棒にのみガ
ドリニア等の可燃性毒物を混入することを考えると、高
燃焼度化に伴い可燃性毒物を混入した燃料棒本数が増加
するとウラン使用量が増加することになる。このため、
燃料集合体あたりのウラン使用量を少なくする観点か
ら、ガドリニア燃料棒のウラン濃縮度はできるだけ小さ
くすることが望まれる。

【００２１】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ることによっても、燃料の成
型が複雑になるため、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化
度は軸方向一様とすることが望ましい。このように、Ｍ
ＯＸ燃料集合体の反応度や軸方向出力分布の制御のため
には、ウラン燃料棒にガドリニアを含有させ、必要に応
じ、ウラン燃料棒において軸方向にガドリニア濃度を分
布させた設計が用いられる。

【００２２】以上のような、ＭＯＸ燃料集合体でガドリ
ニアを含有したウラン燃料棒において軸方向のガドリニ
ア濃度分布を使用した例としては、特開昭63−108294号
公報に燃料集合体が記載されている。

【００２３】これらのＭＯＸ特有のニーズを踏まえて、
ＭＯＸ燃料集合体に対する、可燃性毒物入りウラン燃料
棒の配置について最適化を図る必要がある。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ＭＯＸ
燃料の経済性を向上させるために、取出燃焼度を高めよ
うとすると、燃料集合体の平均プルトニウム富化度が増
加し、中性子スペクトルが硬化する。本発明の目的は、
平均プルトニウム富化度が増加したＭＯＸ燃料集合体に
おいて、天然ウランを濃縮する課程および使用済み核燃
料再処理により生ずる、ウラン２３５の同位体存在比が
天然ウランよりも低い劣化ウランの使用割合を高める燃
料集合体を提供することである。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は以下の特徴を備える。

【００２６】（１）燃料集合体において、燃料集合体内
のガドリニア等の可燃性毒物を含有する燃料ペレット
に、天然ウランを濃縮する課程および使用済み核燃料再
処理により生ずる、ウラン２３５の同位体存在比が天然
ウランよりも低い劣化ウランを使用する。

【００２７】（２）可燃性毒物入りウラン燃料棒のウラ
ン濃度が劣化ウランのように低い場合、ガドリニアが燃
え尽きた後の燃料棒の反応度が小さくなるため、燃焼末
期の燃料反応度が小さくなる。このため、劣化ウランに
大量に含まれるウラン２３８のプルトニウム２３９への
転換を促進する。このために中性子スペクトルの比較的
柔らかい領域にはＭＯＸ燃料棒を装荷し、中性子スペク
トルの硬い領域に劣化ウランを母材としたガドリニア棒
を装荷する。

【００２８】（３）中性子スペクトルが比較的柔らか
い、燃料棒配列の最外層に隣接する燃料棒にはＭＯＸ燃
料棒を装荷する。

【００２９】（４）減速材横断面が単位燃料格子の横断
面より大きな中性子減速棒が存在する場合、ＭＯＸ燃料
棒を中性子スペクトルが比較的柔らかい中性子減速棒に
隣接するように配置する。

【００３０】（５）燃料有効長が短い部分長燃料棒が存
在する場合、ＭＯＸ燃料棒を中性子スペクトルが比較的
柔らかい部分長燃料棒に隣接するように配置する。

【００３１】（６）可燃性毒物入りウラン燃料棒のウラ
ン濃度が劣化ウランのように低い場合、燃料集合体内の
各燃料棒の反応度差が比較的大きいため、燃料棒の出力
差が大きくなり局所出力ピーキングが増大するため、一
定の局所出力ピーキングに対応した富化度種類数が設定
される。図５に、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富化度種類数
の関係例を示す。図５において、はガドリニア入りウ
ランが濃縮ウランの場合（２３５Ｕの濃縮度が％のオー
ダ）、はガドリニア入りウランが劣化ウランの場合
（２３５Ｕの濃縮度が０.７％程度以下）、はガドリ
ニア入りウランが劣化ウランの場合（２３５Ｕの濃縮度
が０.３％程度以下）であり、同程度の局所出力ピーキ
ングを実現するのに必要なＰｕ富化度種類数が、の場
合に２、の場合に３、の場合に３以上であることを
示している。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を記載す
る。

【００３３】（実施例１）本発明による実施例の燃料集
合体を図７に示す。また、垂直方向の外観図を図６に示
す。本実施例の燃料集合体１３は、燃料棒１１，チャン
ネルボックス１２，水ロッド１６，上部タイプレート１
９，下部タイプレート２０及び燃料スペーサ１８等から
なっている。燃料棒１１及び水ロッド１６の上下端部
は、上部タイプレート及び下部タイプレートで保持され
る。スペーサ１６は、燃料棒１１の軸方向に幾つか配置
され、燃料棒１１及び水ロッド１６の相互間の間隙を適
切な状態に保持している。チャンネルボックス１２は、
上部タイプレート１９に取り付けられ、スペーサ１８で
保持された燃料棒１１の束の外周を取り囲んでいる。十
字型の制御棒１４は、チャンネルボックス１２に隣接す
る。燃料棒１１ａ及び１１ｂは、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
を充填したものである。このうち燃料棒１１は部分長
(短尺)燃料棒であり、通常長さの(長尺)燃料棒１１ａに
比べ燃料の有効長が短い。

【００３４】ＭＯＸ燃料ペレットは、燃料物質であるＰ
ｕＯ₂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。また、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。スプリングが被覆管内のガスプレナム領域
に配置され、燃料ペレットを上下に押圧している。水ロ
ッド１６は、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。

【００３５】部分長燃料棒の軸方向位置は、ガドリニア
入りウラン燃料棒の長さである燃料有効長の下端から、
燃料有効長の１／２４〜１４／２４の範囲に設けられ
る。また、部分長燃料棒の水平方向位置は、中心の水ロ
ッドに隣接して２本、燃料棒配列における外層から２層
目にコーナ部を含む１２本が設けられている。

【００３６】燃料集合体１３を構成する燃料棒１１は、
図７に示すように、燃料棒番号１〜７の７種類のものが
ある。これらの燃料棒番号１〜７が図７に示されるよう
に、チャンネルボックス１２の内で、燃料集合体横断面
に配置されている。正方格子状の燃料棒配列は、１０行
×１０列である。燃料棒１〜６がガドリニアを含有しな
いＭＯＸ燃料棒であり、この内、燃料棒番号１〜４が長
尺燃料棒、燃料棒番号５，６が短尺燃料棒である。燃料
棒番号７がガドリニアを含有したウラン燃料棒である。

【００３７】ここで、ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係
は、Ｐｕ富化度の大きい方から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％
であり、軸方向に一様なＰｕ富化度となっている。本実
施例では、全体の富化度種類数を４種類とし、短尺燃料
棒のＰｕ富化度を長尺燃料棒の１番目と２番目に大きい
Ｐｕ富化度に一致させている。また、ガドリニア入りウ
ラン燃料棒は、ウラン２３５の同位体存在比が天然ウラ
ンよりも低い劣化ウランを燃料物質として、ウラン濃縮
度がＦ重量％（劣化ウラン）、ガドリニア濃度がＧ重量
％であり、軸方向に一様なウラン濃縮度，ガドリニア濃
度となっている。ガドリニア入りウラン燃料棒は、全部
で１０本であり、ＭＯＸ燃料棒に隣接した位置に配置す
る。

【００３８】本発明では、減速材領域近傍の中性子スペ
クトルの柔らかい領域にＭＯＸ燃料棒を配置し、さらに
ガドリニア入り劣化ウラン燃料棒をＭＯＸ燃料に隣接す
ることにより、劣化ウラン中のウラン２３８のプルトニ
ウム２３９への転換を促進している。

【００３９】本発明により、全てのＭＯＸ燃料ペレット
に劣化ウランを使用することにより、全燃料棒の母材を
劣化ウランとし劣化ウラン使用割合を１００％にでき
る。

【００４０】（実施例２）本発明による実施例の燃料集
合体を図８に示す。

【００４１】燃料集合体１３を構成する燃料棒１１は、
図８に示すように、燃料棒番号１〜６の６種類のものが
ある。これらの燃料棒番号１〜６が図８に示されるよう
に、チャンネルボックス１２の内で、燃料集合体横断面
に配置されている。正方格子状の燃料棒配列は、９行×
９列である。燃料棒１〜５がガドリニアを含有しないＭ
ＯＸ燃料棒であり、この内、燃料棒番号１〜４が長尺燃
料棒、燃料棒番号５が短尺燃料棒である。燃料棒番号６
がガドリニアを含有したウラン燃料棒である。また、短
尺燃料棒の水平方向位置は、外周部の中央に４本が設け
られている。

【００４２】ここで、ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係
は、Ｐｕ富化度の大きい方から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％
であり、軸方向に一様なＰｕ富化度となっている。本実
施例では、全体の富化度種類数を４種類とし、短尺燃料
棒のＰｕ富化度を長尺燃料棒の２番目に大きいＰｕ富化
度に一致させている。また、ガドリニア入りウラン燃料
棒は、ウラン２３５の同位体存在比が天然ウランよりも
低い劣化ウランを燃料物質として、ウラン濃縮度がＦ重
量％（劣化ウラン）、ガドリニア濃度がＧ重量％であ
り、軸方向に一様なウラン濃縮度，ガドリニア濃度とな
っている。

【００４３】ガドリニア入りウラン燃料棒は、全部で１
６本であり、ＭＯＸ燃料棒に隣接した位置に配置する。

【００４４】本発明では、減速材領域近傍の中性子スペ
クトルの柔らかい領域にＭＯＸ燃料棒を配置し、さらに
ガドリニア入り劣化ウラン燃料棒をＭＯＸ燃料に隣接す
ることにより、劣化ウラン中のウラン２３８のプルトニ
ウム２３９への転換を促進している。

【００４５】本発明により、全てのＭＯＸ燃料ペレット
に劣化ウランを使用することにより、全燃料棒の母材を
劣化ウランとし劣化ウラン使用割合を１００％にでき
る。

【００４６】（実施例３）本発明による実施例の燃料集
合体を図９に示す。

【００４７】燃料集合体１３を構成する燃料棒１１は、
図９に示すように、燃料棒番号１〜６の６種類のものが
ある。これらの燃料棒番号１〜６が図９に示されるよう
に、チャンネルボックス１２の内で、燃料集合体横断面
に配置されている。正方格子状の燃料棒配列は、９行×
９列である。燃料棒１〜５がガドリニアを含有しないＭ
ＯＸ燃料棒であり、この内、燃料棒番号１〜４が長尺燃
料棒、燃料棒番号５が短尺燃料棒である。燃料棒番号６
がガドリニアを含有したウラン燃料棒である。また、短
尺燃料棒の水平方向位置は、燃料棒配列における外層か
ら２層目にコーナ部を含む８本が設けられている。

【００４８】ここで、ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係
は、Ｐｕ富化度の大きい方から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％
であり、軸方向に一様なＰｕ富化度となっている。本実
施例では、全体の富化度種類数を４種類とし、短尺燃料
棒のＰｕ富化度を長尺燃料棒の２番目に大きいＰｕ富化
度に一致させている。また、ガドリニア入りウラン燃料
棒は、ウラン２３５の同位体存在比が天然ウランよりも
低い劣化ウランを燃料物質として、ウラン濃縮度がＦ重
量％（劣化ウラン）、ガドリニア濃度がＧ重量％であ
り、軸方向に一様なウラン濃縮度，ガドリニア濃度とな
っている。

【００４９】ガドリニア入りウラン燃料棒は、全部で８
本であり、ＭＯＸ燃料棒に隣接した位置に配置する。

【００５０】本発明では、減速材領域近傍の中性子スペ
クトルの柔らかい領域にＭＯＸ燃料棒を配置し、さらに
ガドリニア入り劣化ウラン燃料棒の周囲にＭＯＸ燃料を
配置することにより、劣化ウラン中のウラン２３８のプ
ルトニウム２３９への転換を促進している。

【００５１】本発明により、全てのＭＯＸ燃料ペレット
に劣化ウランを使用することにより、全燃料棒の母材を
劣化ウランとし劣化ウラン使用割合を１００％にでき
る。

【００５２】（実施例４）本発明による実施例の燃料集
合体を図１０に示す。

【００５３】燃料集合体１３を構成する燃料棒１１は、
図１０に示すように、燃料棒番号１〜５の５種類のもの
がある。これらの燃料棒番号１〜５が図１０に示される
ように、チャンネルボックス１２の内で、燃料集合体横
断面に配置されている。正方格子状の燃料棒配列は、９
行×９列である。燃料棒１〜４がガドリニアを含有しな
いＭＯＸ燃料棒である。燃料棒番号５がガドリニアを含
有したウラン燃料棒である。また、２１はウオータボッ
クスである。

【００５４】ここで、ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係
は、Ｐｕ富化度の大きい方から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％
であり、軸方向に一様なＰｕ富化度となっている。本実
施例では、全体の富化度種類数を４種類としている。ま
た、ガドリニア入りウラン燃料棒は、ウラン２３５の同
位体存在比が天然ウランよりも低い劣化ウランを燃料物
質として、ウラン濃縮度がＦ重量％（劣化ウラン）、ガ
ドリニア濃度がＧ重量％であり、軸方向に一様なウラン
濃縮度，ガドリニア濃度となっている。

【００５５】ガドリニア入りウラン燃料棒は、全部で１
６本であり、ＭＯＸ燃料棒に隣接した位置に配置する。

【００５６】本発明では、減速材領域近傍の中性子スペ
クトルの柔らかい領域にＭＯＸ燃料棒を配置し、さらに
ガドリニア入り劣化ウラン燃料棒をＭＯＸ燃料に隣接す
ることにより、劣化ウラン中のウラン２３８のプルトニ
ウム２３９への転換を促進している。

【００５７】本発明により、全てのＭＯＸ燃料ペレット
に劣化ウランを使用することにより、全燃料棒の母材を
劣化ウランとし劣化ウラン使用割合を１００％にでき
る。

【００５８】（実施例５）本発明による圧力管型原子炉
における実施例の燃料集合体を図１１に示す。

【００５９】燃料集合体１３は、重水減速材２２と、そ
れを隔てるカランドリア管２３，エアギャップ２４，圧
力管２５の中に装荷される。燃料集合体１３を構成する
燃料棒１１は、図１１に示すように、燃料棒番号１〜４
の４種類のものがある。これらの燃料棒番号１〜４が図
１１に示されるように、燃料集合体横断面に配置されて
いる。燃料棒は同心円状に配列され、同心円上の燃料棒
本数は内側から６本，１２本，１８本，２４本である。
燃料棒１〜３がガドリニアを含有しないＭＯＸ燃料棒で
ある。燃料棒番号４がガドリニアを含有したウラン燃料
棒である。また、２６は燃料棒と同等の直径を持つスペ
ーサタイロッドであり、内部を沸騰しない冷却水が通過
するが、中性子減速効果はほとんどない。

【００６０】ここで、ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係
は、Ｐｕ富化度の大きい方から、Ａ，Ｂ，Ｃ重量％であ
り、軸方向に一様なＰｕ富化度となっている。本実施例
では、全体の富化度種類数を３種類としている。また、
ガドリニア入りウラン燃料棒は、ウラン２３５の同位体
存在比が天然ウランよりも低い劣化ウランを燃料物質と
して、ウラン濃縮度がＦ重量％（劣化ウラン）、ガドリ
ニア濃度がＧ重量％であり、軸方向に一様なウラン濃縮
度，ガドリニア濃度となっている。

【００６１】ガドリニア入りウラン燃料棒は、全部で１
２本であり、燃料集合体中心から１層目の燃料棒層に６
本、３層目の燃料棒に６本配置する。

【００６２】本発明では、減速材領域に近い外層領域に
ＭＯＸ燃料棒を配置し、さらにガドリニア入り劣化ウラ
ン燃料棒をＭＯＸ燃料に隣接することにより、劣化ウラ
ン中のウラン２３８のプルトニウム２３９への転換を促
進している。

【００６３】本発明により、全てのＭＯＸ燃料ペレット
に劣化ウランを使用することにより、全燃料棒の母材を
劣化ウランとし劣化ウラン使用割合を１００％にでき
る。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、高燃焼度化にともない
平均プルトニウム富化度が増加し、中性子スペクトルが
硬化したＭＯＸ燃料集合体において、天然ウランを濃縮
する課程および使用済み核燃料再処理により生ずる劣化
ウラン母材としたガドリニア燃料棒を、中性子減速棒に
隣接する位置以外に配置すること、前記正方格子状の燃
料棒配列の最外層に隣接する位置以外に配置すること、
及び前記第２燃料棒に隣接する位置以外に配置すること
の組み合わせにより、天然ウランを濃縮する課程および
使用済み核燃料再処理により生ずる、ウラン２３５の同
位体存在比が天然ウランよりも低い劣化ウランの燃料集
合体内の使用割合を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の燃料集合体の横断面図。

【図２】ウラン及びプルトニウムの核分裂寄与割合の燃
焼変化例を示す特性図。

【図３】燃料集合体平均取出燃焼度に対する燃料集合体
におけるガドリニア燃料棒の体積割合の例を示す特性
図。

【図４】可燃性毒物の反応度抑制の様子を示す特性図。

【図５】局所出力ピーキングと富化度種類の関係を示す
特性図。

【図６】燃料集合体の外観断面図。

【図７】第１の実施例による燃料濃縮度及びガドリニア
分布の例を示す構成図。

【図８】第２の実施例による燃料濃縮度及びガドリニア
分布の例を示す構成図。

【図９】第３の実施例による燃料濃縮度及びガドリニア
分布の例を示す構成図。

【図１０】第４の実施例による燃料濃縮度及びガドリニ
ア分布の例を示す構成図。

【図１１】第５の実施例による燃料濃縮度及びガドリニ
ア分布の例を示す構成図。

【符号の説明】

１〜７…燃料棒タイプ、１１…燃料棒、１２…チャンネ
ルボックス、１３…燃料集合体、１４…制御棒、１５…
中性子検出器計装管、１６…ウォータロッド、１７…冷
却材領域、１８…スペーサ、１９…上部タイプレート、
２０…下部タイプレート、２１…ウォータボックス、２
２…重水減速材、２３…カランドリア管、２４…エアギ
ャップ、２５…圧力管、２６…スペーサタイロッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井筒定幸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)発明者藤巻真吾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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉の炉心部に装荷される、核燃料物質
を内蔵し、複数の燃料棒を有する燃料集合体において、
複数の燃料棒のうち少なくとも１本は可燃性毒物である
ガドリニア等を含有する燃料物質を充填した燃料棒を含
み、燃料集合体内の可燃性毒物であるガドリニア等を含
有する燃料物質を充填した燃料棒の燃料ペレットに、天
然ウランを濃縮する課程および使用済み核燃料再処理に
より生ずる、ウラン２３５の同位体存在比が天然ウラン
よりも低い劣化ウランを使用することを特徴とする燃料
集合体。
【請求項２】請求項１において、前記燃料集合体はウラ
ン及びプルトニウムを含む燃料物質が充填された燃料棒
と、燃料集合体内の可燃性毒物であるガドリニア等を含
有する燃料物質が充填された燃料棒からなり、ウラン及
びプルトニウムを含む燃料ペレット全数に、天然ウラン
を濃縮する課程および使用済み核燃料再処理により生ず
る劣化ウランを使用することを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】請求項１又は２において、前記燃料集合体
は複数本の燃料棒の配列からなり、前記燃料棒配列の最
外層に隣接する燃料棒にはウラン及びプルトニウムを含
む燃料物質が充填され、他の燃料棒の少なくとも１本に
は燃料集合体内の可燃性毒物であるガドリニア等を含有
する燃料物質が充填されていることを特徴とする燃料集
合体。
【請求項４】請求項１から３のいずれか１項において、
前記燃料集合体は正方格子状に配列された多数の燃料棒
と、減速材横断面が単位燃料格子の横断面より大きな少
なくとも１本の中性子減速棒とを有し、前記中性子減速
棒に隣接する燃料棒、及び前記正方格子状の燃料棒配列
の最外層に隣接する燃料棒にはウラン及びプルトニウム
を含む燃料物質が充填され、他の燃料棒の少なくとも１
本には燃料集合体内の可燃性毒物であるガドリニア等を
含有する燃料物質が充填されていることを特徴とする燃
料集合体。
【請求項５】請求項１から４のいずれか１項において、
前記燃料棒は、複数の第１燃料棒と、燃料有効長が第１
燃料棒より短い第２燃料棒とを含み、前記中性子減速棒
に隣接する燃料棒、前記正方格子状の燃料棒配列の最外
層に隣接する燃料棒、及び前記第２燃料棒に隣接する燃
料棒にはウラン及びプルトニウムを含む燃料物質が充填
され、他の燃料棒の少なくとも１本には燃料集合体内の
可燃性毒物であるガドリニア等を含有する燃料物質が充
填されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】請求項１から５のいずれか１項において、
前記燃料集合体を構成する燃料棒が、９行９列の格子状
に配置され、その中央部の燃料７本が配置可能な領域
に、２本の中性子減速棒が配置されていることを特徴と
する燃料集合体。
【請求項７】請求項１から６のいずれか１項において、
前記第２燃料棒は燃料棒配列の最外層に隣接した１層に
配置されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項８】請求項１から６のいずれか１項において、
前記第２燃料棒は燃料棒配列の最外周の中央に配置する
ことを特徴とする燃料集合体。
【請求項９】請求項１から４のいずれか１項において、
前記燃料集合体を構成する燃料棒が、９行９列の格子状
に配置されその中央部の燃料９本が配置可能な領域に、
１本の中性子減速棒が配置されていることを特徴とする
燃料集合体。
【請求項１０】請求項１から５のいずれか１項におい
て、前記燃料集合体を構成する燃料棒が、１０行１０列
の格子状に配置されていることを特徴とする燃料集合
体。