JP2002303692A

JP2002303692A - 軽水炉用燃料集合体、軽水炉およびその炉心

Info

Publication number: JP2002303692A
Application number: JP2001105958A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Akiyama; 美映秋山; Tatsuhiro Yoshizu; 達弘吉津; Hiroshi Tochihara; 洋栃原; Tatsuo Kobayashi; 達夫小林; Kunihiro Ito; 邦博伊藤; Koichi Koyama; 好一小山; Yoichiro Shimazu; 洋一郎島津
Original assignee: ENGINEERING KAIHATSU KK; Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Nuclear Development Corp
Current assignee: ENGINEERING KAIHATSU KK; Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Nuclear Development Corp
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2001-04-04
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】軽水炉用燃料集合体の熱容量およびＦＰ閉じ込
め機能を高めること。【解決手段】ウランまたはプルトニウムのうち少なくと
もいずれかを核分裂性物質として含む略球形状の燃料核
２０の外周を、黒鉛を含む複数の層２１〜２３で被覆し
てなる燃料粒子１３と黒鉛粉末とを装填してなる長尺状
の燃料棒２を、複数本規則的に束ねて構成してなる燃料
集合体を装荷する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軽水炉用燃料集合
体、軽水炉およびその炉心に係り、更に詳しくは、黒鉛
で被覆された燃料粒子と黒鉛粉末とを燃料棒に充填して
なる軽水炉用燃料集合体、その軽水炉用燃料集合体を装
荷してなる軽水炉の炉心、同炉心を備えることによって
安全性の向上を図った軽水炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】軽水炉には、沸騰水型原子炉と、加圧水
型原子炉とがある。沸騰水型原子炉では、炉心の冷却に
用いられた軽水は、自身は加熱され沸騰する。そして、
この沸騰によって得られた蒸気を用いてタービンを回転
させることによって発電している。一方、加圧水型原子
炉においても、炉心の冷却に用いられた軽水は、自身は
加熱されるが、原子炉圧力容器の内部が加圧されており
沸騰しない。そして、この加熱された軽水を熱源として
熱交換器において蒸気を発生し、この発生した蒸気を用
いてタービンを回転させることによって発電している。

【０００３】図８は、このような加圧水型原子炉の原子
炉格納容器の内部構成を示す断面図である。

【０００４】加圧水型原子炉の原子炉格納容器３０に
は、原子炉圧力容器３１が備えられている。原子炉圧力
容器３１は、その内部が加圧器３３によって加圧されて
おり、更に、多数の燃料集合体（図示せず）が装荷され
てなる炉心３２が構成されている。炉心３２は、燃料集
合体に含まれる核分裂性物質の核分裂によって発生する
熱によって発熱するが、１次ループ３４内をポンプ３５
によって循環される軽水である１次冷却水によって冷却
される。

【０００５】この１次冷却水は炉心３２の熱を奪って自
身は加熱されるが、熱交換器３６において、２次ループ
３７内を循環する軽水である２次冷却水によって冷却さ
れる。一方、２次冷却水は熱交換器３６において１次冷
却水から熱を奪って自身は蒸気となり、図示しないター
ビン設備に、タービン回転用の蒸気として利用される。

【０００６】ＣＲＤＭ３８は、制御棒駆動機構（Contro
l Rod Drive Mechanism）の略であり、炉心３２の出力
を調整する場合には、中性子を吸収する物質を含んでな
る制御棒（図示せず）を、原子炉圧力容器３１の上部側
から炉心３２に挿入したり、逆に、挿入している制御棒
（図示せず）を上部側へ引抜くための機構である。

【０００７】燃料集合体に含まれる核分裂性物質は、ウ
ランの酸化物（ＵＯ_２）又はプルトニウムの酸化物（Ｐ
ｕＯ_２）を混合して焼結した燃料ペレットを、ジルカロ
イなどの被覆管の中に多数封入して上下を端栓にて密閉
した燃料棒を、複数本正方格子状に束ねてなる。

【０００８】このような燃料集合体は、必ずしも充分な
熱容量をもたないため、仮に１次冷却水の喪失事故など
が生じた場合、外部から緊急に炉心３２を冷却するため
の緊急冷却用の水の注入がないと原子炉停止後の崩壊熱
を除去することが出来ず、いずれ燃料ペレット、被覆管
の溶融に至ることも想定される。

【０００９】そこで、万が一、１次冷却水の喪失事故な
どで炉心３２が１次冷却水から露出した場合のための安
全装置として、炉心に水を供給するための蓄圧注入系３
９と、高圧注入系４０と、低圧注入系４１とが設けられ
ている。高圧注入系４０および低圧注入系４１にはポン
プ４２が設けられている。そして、１次冷却水の喪失事
故等が発生した場合には、蓄圧注入系３９、高圧注入系
４０と、低圧注入系４１から原子炉圧力容器３１に水が
供給され、炉心３２が水で覆われる。更に、原子炉格納
容器３０には、格納容器スプレー系４４が設けられてお
り、ポンプ４５によって昇圧された水が、スプレー４６
から、原子炉格納容器３０の内部へと噴霧されることに
よって原子炉格納容器３０の内部が冷却される。これら
によって、万が一、１次冷却水の喪失事故などが生じた
場合であっても、原子炉停止後の崩壊熱が除去され、燃
料ペレットおよび被覆管が溶融することがないような対
策が講じられている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の軽水炉用燃料集合体、軽水炉およびその炉心
では、以下のような問題がある。

【００１１】すなわち、燃料集合体の燃料ペレット内
に、ＵＯ_２またはＰｕＯ_２の形態で含まれる核分裂性物
質からは、核分裂反応によって、放射能を有する核分裂
生成物（以下、「ＦＰ」と称する。ＦＰとは「Fission
Products」の略である。）が発生する。このようにして
発生したＦＰは、仮に被覆管に破損がある場合、１次冷
却水中に漏出してくる。したがって、万が一、１次ルー
プ３４が破損するなどといった１次冷却水の圧力バウン
ダリの破損が発生すると、ＦＰが原子炉圧力容器３１の
外部に漏出し、放射能汚染をもたらす恐れがあるという
問題がある。

【００１２】上述したような場合であっても、燃料棒お
よび燃料ペレット自体の熱容量が高く、溶融に至るまで
の熱的な余裕が十分にあること、また、ＦＰの閉じ込め
機能が高く、ＦＰを１次冷却水はもとより、被覆管の外
部にも漏出させることのないような燃料集合体とするの
であれば、それを装荷してなる炉心３２、およびこの炉
心３２を備えた軽水炉ともにその安全性が大幅に向上さ
れる。また、これによって、ＰＡ（Public Acceptanc
e）上も大幅に有利となり、このような軽水炉を都市に
近接した場所に立地することも可能となるなどその効用
は極めて大きい。

【００１３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、その第１の目的は、略球形状の燃料物質の
外周を、黒鉛を含む複数の層で被覆してなる燃料粒子を
装填してなる長尺状の燃料棒を、複数本規則的に束ねて
構成することによって、熱容量およびＦＰ閉じ込め機能
を高めた軽水炉用燃料集合体を提供することにある。

【００１４】また、その第２の目的は、このような軽水
炉用燃料集合体を装荷することによって、余剰反応度を
抑えながら良好な炉心特性を実現する軽水炉の炉心を提
供することにある。

【００１５】更に、その第３の目的は、このような軽水
炉の炉心を適用することによって、１次冷却水喪失事象
に対する固有の安全性を高め、もって、１次冷却水喪失
事象対策として備えられている安全装置の構成の簡素化
を図ることが可能な軽水炉を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、以下のような手段を講じる。

【００１７】すなわち、請求項１の発明では、ウランま
たはプルトニウムのうち少なくともいずれかを核分裂性
物質として含む略球形状の燃料物質の外周を、黒鉛を含
む複数の層で被覆してなる燃料粒子、黒鉛粉末を装填し
てなる長尺状の燃料棒を、複数本規則的に束ねて構成す
る。

【００１８】請求項２の発明では、請求項１の発明の軽
水炉用燃料集合体において、燃料物質に対する黒鉛の体
積比を５乃至１５とする。

【００１９】請求項３の発明では、請求項１または請求
項２の発明の軽水炉用燃料集合体において、断面正六角
形状の複数の燃料棒セルを、互いに隣接する燃料棒セル
同士の断面の一辺を共有するように配置し、更に、各燃
料棒セルの中に、長尺状の燃料棒を、その断面中心を、
燃料棒セルの断面中心に一致させて配置する。

【００２０】請求項４の発明では、請求項３の発明の軽
水炉用燃料集合体において、隣接する燃料棒同士の表面
間最短距離を０．５から２ｍｍとする。

【００２１】請求項５の発明では、請求項１乃至４のう
ちいずれか１項の発明の軽水炉用燃料集合体において、
燃料棒に、燃料粒子、黒鉛粉末に加えて可燃性中性子毒
物を混入する。

【００２２】請求項６の発明では、請求項５の発明の軽
水炉用燃料集合体において、可燃性中性子毒物を、ガド
リニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）あるいはエルビア（Ｅｒ_２Ｏ_３）
とする。

【００２３】請求項７の発明では、請求項１乃至６のう
ちいずれか１項の発明の軽水炉用燃料集合体を装荷す
る。

【００２４】請求項８の発明では、請求項７の発明の軽
水炉の炉心を冷却する冷却水である軽水の一部または全
部が喪失した場合に、炉心を冷却するための非常用冷却
水を炉心側に重力落下により供給する非常用冷却水供給
手段と、炉心の冷却のため、自身は加熱され自然対流す
る冷却水または非常用冷却水またはそれらの混合水から
熱を取り出し、配管内を上昇し原子炉建屋外に設けた冷
却器を通して炉心の外部に熱を伝え、その後に重力によ
り炉心に戻る熱除去媒体によって炉心から熱を除去する
炉心熱除去手段と、炉心が格納された格納容器内の内部
空気の熱を、密封されたパイプ内の冷却材の相変化によ
り格納容器の外部に取り出すことによって内部空気を冷
却する内部空気冷却手段とを備える。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００２６】本発明の実施の形態を図１から図７を用い
て説明する。

【００２７】図１は、本発明の実施の形態に係る燃料集
合体の一例を示す外形図（図１（ａ））、および図１
（ａ）中に示すＡ−Ａ線に沿った断面図（図１（ｂ））
である。

【００２８】すなわち、本発明の実施の形態に係る燃料
集合体１は、図１（ａ）に示す通り、複数の燃料棒２
を、その上端部を上部ノズル３に接続し、その下端部を
下部ノズル４に接続し、更に長尺方向（高さ方向）の所
定の位置を複数の支持格子５で支持してなる。

【００２９】また、燃料棒２の断面構成は、図１（ｂ）
に示す通り、断面正六角形状の燃料棒セル７を、互いに
隣接する燃料棒セル７同士の断面の一辺を共有するよう
に配置し、更に、各燃料棒セル７の中に、燃料棒２を、
その断面中心を、燃料棒セル７の断面中心に一致させて
配置してなる。なお、このように構成してなる燃料集合
体１を炉心に装荷する場合、装荷される何体かの燃料集
合体１では、後述するように、一部の燃料棒２（例えば
６本の燃料棒２）の代わりに制御棒を挿入する案内管を
備えている。

【００３０】図２は燃料棒の詳細な構成を示す図であっ
て、図２（ａ）は燃料棒の構成例を示す断面図、図２
（ｂ）は燃料充填部の詳細図（可燃性中性子毒物を混入
しない場合）、図２（ｃ）は可燃性中性子毒物を混入し
た場合の燃料充填部の詳細図、図２（ｄ）は黒鉛被覆燃
料粒子の断面構成図をそれぞれ示す。

【００３１】図２（ａ）に示すように、燃料棒２は、例
えばジルカロイによって製造されてなる長尺円筒状の被
覆管９の下端部を下部端栓１０によって栓し、下部端栓
１０の上部に形成される燃料充填部１１に、図２（ｂ）
に示すように黒鉛被覆燃料粒子１３および黒鉛粉末１４
を充填する。なお、図２（ｃ）に示すように燃料充填部
１１に黒鉛被覆燃料粒子１３および黒鉛粉末１４に加
え、ガドリニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）あるいはエルビア（Ｅｒ
_２Ｏ_３）からなる可燃性中性子毒物微小球１５も混入す
る場合がある。

【００３２】上述したような燃料充填部１１の上端部
を、プレナムスプリング１６によって押圧し、更に、こ
のプレナムスプリング１６を上部端栓１８で押圧し、こ
の上部端栓１８が被覆管９の上端部を栓することによっ
て、燃料充填部１１を密閉すると共に、プレナム部１７
を形成する。このプレナム部１７には、通常はヘリウム
ガスなどを封入している。

【００３３】黒鉛被覆燃料粒子１３は、図２（ｄ）に示
すように、従来技術の軽水炉で適用されていたような燃
料ペレット（ＵＯ_２またはＰｕＯ_２）のように焼結した
酸化物ではなく、ＵＯ_２、ＰｕＯ_２、またはＵＯ_２とＰ
ｕＯ_２との混合酸化物であるＭＯＸ（Mixed Oxide）か
らなる微小球である燃料核２０の外周を、低密度パイロ
カーボン層２１、高密度パイロカーボン層２２、ＳｉＣ
層２３など、黒鉛を含む複数の層で何重にも被覆してな
る。

【００３４】上述したような黒鉛被覆燃料粒子１３を、
黒鉛粉末１４、あるいは可燃性中性子毒物微小球１５と
ともに、振動充填方法、圧縮充填方法、焼き固め等を採
用することによって燃料充填部１１に充填することによ
って、図２（ｂ）あるいは図２（ｃ）に示すような稠密
充填を実現する。

【００３５】黒鉛は熱伝導度が高いことから、黒鉛被覆
燃料粒子１３の熱伝導度は、従来技術の軽水炉で用いら
れている燃料形態である燃料ペレットよりも高い。した
がって、従来技術の軽水炉では、通常運転時における燃
料ペレットの燃料平均温度は約700℃であったが、黒鉛
被覆燃料粒子１３を用いて同様の条件の運転を行った場
合、黒鉛被覆燃料粒子１３の燃料平均温度は約300℃ま
で下がる。

【００３６】また、黒鉛は熱容量が高い。燃料棒２は、
黒鉛被覆燃料粒子１３を、黒鉛粉末１４をともに充填し
ていることによって、その単位長さあたりの熱容量は、
従来技術による燃料棒、すなわち、燃料ペレットを装填
してなる燃料棒よりも約５倍大きい。

【００３７】上述したような黒鉛被覆燃料粒子１３は、
ガス炉で既に使用されており、ガス炉における運転実績
から、燃料核２０における核分裂によって生成するガス
状の核分裂生成物（以下、「ＦＰガス」と称する。Fiss
ion Products Gas）が、黒鉛被覆燃料粒子１３外に放出
する放出率が１０^−８程度と極めて小さいことを確認し
ている。ガス炉の運転時においては、黒鉛被覆燃料粒子
１３の燃料平均温度が約1,200℃であり、上述した軽水
炉の運転条件における黒鉛被覆燃料粒子１３の燃料平均
温度の約300℃に比べて極めて高いことを勘案すれば、
黒鉛被覆燃料粒子１３を軽水炉に適用した場合には、Ｆ
Ｐガスの放出率は更に小さくなる。

【００３８】１次冷却水の喪失事故等により黒鉛被覆燃
料粒子１３の温度が異常に上昇した場合、1,900℃程度
以下であれば黒鉛被覆燃料粒子１３は破損しないことが
知られている。従来技術による加圧水型の軽水炉では、
万が一、１次冷却水の喪失事故が生じても、燃料（被覆
管）の温度は1,200℃以下になることが確認されてい
る。

【００３９】上述したように、従来技術による加圧水型
の軽水炉では、通常運転時における燃料平均温度が約70
0℃であったのに対し、黒鉛被覆燃料粒子１３を用いて
同様の条件の運転を行った場合、黒鉛被覆燃料粒子１３
の燃料平均温度は約300℃まで下がることから、万が
一、１次冷却水の喪失事故が生じても、黒鉛被覆燃料粒
子１３の温度は1,200℃よりも十分低くなるために、破
損することはない。

【００４０】なお、図２（ｃ）に示すように、黒鉛被覆
燃料粒子１３および黒鉛粉末１４に加え、例えばガドリ
ニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）からなる可燃性中性子毒物微小球１
５を混入する場合も同様の方法によって稠密充填を行
う。なお、可燃性中性子毒物とは、中性子を吸収する効
果が大きく、かつ、中性子を一旦吸収すると、他の物質
に変換する物質である。このような物質としては、ガド
リニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）が広く用いられている。

【００４１】次に、上述したような燃料集合体１を構成
してなる軽水炉の炉心について説明する。

【００４２】図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る
軽水炉の炉心２５の一例を示す燃料集合体１の配置断面
図である。図３（ａ）に示す例は、図１（ｂ）に示すよ
うにその断面が略正六角形状をなす燃料集合体１を、炉
心断面形状が略円形状になるように８５体装荷してなる
炉心２５である。このような炉心２５に装荷されている
燃料集合体１のうち燃料集合体１（＃ａ）は、図３
（ｂ）に示すように、全ての燃料棒セル７に燃料棒２を
配置してなる。一方、燃料集合体１（＃ｂ）は、図３
（ｃ）に示すように、可燃性中性子毒物微小球１５を含
む燃料棒２（＃ｂ）を１２本配置している。

【００４３】なお、このような可燃性中性子毒物微小球
１５を含む燃料棒２（＃ｂ）の本数、配置場所、可燃性
中性子毒物の全重金属重量に対する重量割合は、出力分
布が極端に歪まないこと、後述するように余剰の反応度
を運転期間に亘って適切に制御できるように設定するこ
とができるように決定するものであって、図３（ｃ）に
示す配置場所に限定されるものでもない。

【００４４】更に、燃料集合体１（＃ｃ）は、図３
（ｄ）に示すように、最外周の６つの燃料棒セル７を除
いた燃料棒セル７には燃料棒を配置しているが、最外周
の６つの燃料棒セル７には、制御棒案内管２７を配置し
ている。この制御棒案内管２７は、図８に示すようなＣ
ＲＤＭ３８によって上下に駆動される制御棒を挿入する
ためのものである。なお、図３（ｄ）に示すような燃料
棒案内管２７を配置している燃料集合体１（＃ｃ）の一
部の燃料棒２に可燃性中性子毒物微小球１５を混入して
も良い。

【００４５】また、図４は、図３に示すような構成の炉
心２５の仕様例をまとめたものである。すなわち、炉心
熱出力は５０ＭＷであって、約３年間の継続運転を行
う。燃料棒２の燃料充填部１１の高さに相当する炉心有
効長は約1.8ｍ、また、炉心２５の等価直径も同様に約
1.8ｍである。炉心２５に装荷される燃料集合体１の体
数は上述したように８５体であって、この８５体の燃料
集合体１に含まれるウランおよびプルトニウムの合計重
量である重金属装荷量は約2.5ton（約2500kg）である。
また、炉心２５を冷却する１次冷却水の平均温度は250
℃である。

【００４６】燃料棒２に関連する仕様としては、隣接す
る燃料棒２同士の中心間距離である燃料棒配列ピッチが
30ｍｍ、被覆管９の外径が29ｍｍである。すなわち、隣
接する燃料棒２同士の最小間隙は1ｍｍである。なお、
被覆管９の肉厚は1.5ｍｍである。核燃料としては、濃
縮度5.0wt%のウラン（U-235が重量割合で5％まで濃縮さ
れたウラン）の酸化物であるＵＯ_２を用い、黒鉛被覆燃
料粒子１３と黒鉛粉末を含めたＵＯ_２と黒鉛との体積比
は１：９である。

【００４７】被覆管９の材質はジルカロイであり、燃料
棒配列すなわち燃料棒セル７の断面形状は六角である。
燃料集合体１には、制御棒案内管２７を備えていない燃
料集合体１（＃ａ）と、６本の制御棒案内管２７を備え
た燃料集合体１（＃ｃ）とがあり、前者の燃料集合体１
（＃ａ）は３７本の燃料棒２を、後者の燃料集合体１
（＃ｂ）は３１本の燃料棒２を備えている。制御棒案内
管２７を備えていない燃料集合体１（＃ａ）、および制
御棒案内管２７を備えている燃料集合体１（＃ｂ）のう
ちのそれぞれ何体かの一部の燃料棒２に、可燃性中性子
毒物微小球１５を混入しても良い。

【００４８】なお、図示しない制御棒にはＢ_４Ｃ（ボロ
ンカーバイド）を中性子吸収材として用いている。Ｂ
（ボロン）にはB-10とB-11の２つの同位体があり、うち
B-10が中性子を良く吸収する。天然ボロンにはB-10が重
量比で約20％しか含まれていないので、ここでは、全ボ
ロンに対するB-10の重量比を高めた濃縮ボロンを用いて
いる。

【００４９】また、制御棒体数は１５本である。すなわ
ち、炉心２５には、制御棒案内管２７を備えている燃料
集合体１（＃ｂ）を１５体装荷している。炉心２５にお
ける平均線出力密度は9.1ｋＷ／ｍ、減速材温度係数、
ボイド係数は十分負となる。

【００５０】以上のように構成してなる本実施の形態に
係る軽水炉の炉心２５の特性について以下に説明する。

【００５１】図５は、黒鉛／ＵＯ_２体積比を変化させた
場合のボイド係数（左縦軸）およびＫ-inf（無限増倍
率：右縦軸）を示す図である。図５において曲線ａは、
炉心２５に供給される冷却水のうちのＨ（水素）の体積
と重金属ＨＭ（この場合、ウラン）との原子数の比（Ｈ
／ＨＭ）が0.5の場合におけるボイド係数である。以
下、曲線ｂはＨ／ＨＭ＝2.0、曲線ｃはＨ／ＨＭ＝4.0、
曲線ｄはＨ／ＨＭ＝6.0の場合におけるボイド係数であ
る。

【００５２】増倍率とは、中性子の消滅率に対する中性
子の発生率の比である。無限増倍率とは、特にこの場
合、炉心２５の体系が無限に繰り返される無限体系にお
ける増倍率に相当する。したがって、炉心２５における
臨界状態を保つ、言い換えれば核分裂連鎖反応を維持す
るためには、少なくとも無限増倍率を1.0以上としなけ
ればならない。

【００５３】ボイド係数とは、冷却水にボイドが発生し
た場合における増倍率の変化率を示す係数であって、ボ
イド係数が負の値の場合、冷却水にボイドが発生する
と、増倍率の値は小さくなる。

【００５４】また、曲線ｅはＨ／ＨＭ＝0.5の場合にお
ける無限増倍率、同様に、曲線ｆはＨ／ＨＭ＝2.0、曲
線ｇはＨ／ＨＭ＝4.0、曲線ｈはＨ／ＨＭ＝6.0の場合に
おける無限増倍率である。図５において、図４にその仕
様を示す炉心は、Ｈ／ＨＭ＝約１０、黒鉛／ＵＯ_２体積
比＝約１０の場合、すなわちボイド係数の場合は曲線
ｃ、無限増倍率の場合は曲線ｆにそれぞれほぼ相当す
る。なお、図４に示す仕様においてＵＯ_２黒鉛体積比＝
１：９と記載しているが、これは黒鉛被覆燃料粒子１３
と燃料充填部１１に混入されている黒鉛粉末１４を含め
た場合の値である。図５における黒鉛／ＵＯ_２体積比
も、この黒鉛粉末１４も含んでいる。

【００５５】図５に示すように、無限増倍率の黒鉛／Ｕ
Ｏ_２体積比による変化は小さいが、ボイド係数は黒鉛／
ＵＯ_２体積比ともにその値が大きくなる。無限増倍率が
大きくなるということは、炉心２５を臨界に保つために
は好ましい特性である。一方、ボイド係数が大きくなる
ということは安全上からは好ましくない。特に、ボイド
係数が正の値となると、仮に炉心２５の発熱量が、１次
冷却水によって冷却される冷却能力を超えて、１次冷却
水である水が沸騰しボイドが発生した場合、正の反応度
が炉心２５に投入され、炉心２５における核分裂がます
ます促進されてしまうからである。ところで、黒鉛／Ｕ
Ｏ_２体積比が大きくなるということは、黒鉛被覆燃料粒
子１３における黒鉛の量を増加すること、あるいは、燃
料充填部１１に充填される黒鉛粉末１４の量を増加する
ことであり、これは炉心２５のサイズの大型化をもたら
し経済的に不利となる。

【００５６】この観点から、黒鉛／ＵＯ_２体積比は５乃
至１５の範囲が妥当である。この範囲では無限増倍率が
1.0以上であり、ボイド係数も確実に負となる。よっ
て、本発明の実施の形態に係る炉心２５では、黒鉛／Ｕ
Ｏ_２体積比を約１０としている。黒鉛／ＵＯ_２体積比が
約１０という燃料棒２では、単位長さ当たりのＵＯ_２量
を従来の加圧水型原子炉の燃料棒と等しくする場合、燃
料棒２の体積を約１０倍、即ち外径寸法を約３倍にする
必要がある。従来技術による燃料ペレットを被覆管に装
填してなる燃料棒２は、その外径が約10ｍｍあるので、
その約３倍である29ｍｍを、本発明の実施の形態では燃
料棒２の外径としている。

【００５７】また、黒鉛／ＵＯ_２体積比が約１０という
燃料棒２では、図５に示すように、Ｈ／ＨＭが大きい方
が無限増倍率が高い。Ｈ／ＨＭを更に大きな値とすれば
無限増倍率もまた高くなるものと予想される。しかしな
がら、無限増倍率は曲線ｆに示すＨ／ＨＭ＝4.0の場合
で既に十分高いこと、また、Ｈ／ＨＭを高めると、燃料
棒セル７における燃料棒２以外の領域である冷却水領域
を大きく確保せねばならず、これもまた炉心２５のサイ
ズの大型化をもたらし経済的に不利となる。

【００５８】したがって、本発明の実施の形態では、Ｈ
／ＨＭ＝約１０としている。そして、このＨ／ＨＭ＝約
１０を達成するために、図１（ｂ）に示すように、その
断面が正六角形状になるように燃料棒２を束ね、更に隣
接する燃料棒２同士の最短間隔が１ｍｍとなるように、
すなわち燃料棒２の配列ピッチが30ｍｍとなるようにし
ている。なお、本発明の実施の形態では、図１（ｂ）に
示すように、その断面が正六角形状になるように燃料棒
２を束ねてなる燃料集合体１を一例として示している
が、炉心２５のサイズに余裕があれば、黒鉛／ＵＯ_２体
積比が約１０であれば、たとえばその断面形状を正方形
とするなど、その他の断面形状をしてなる燃料集合体を
用いても良い。

【００５９】図６は、図４に示すような仕様をしてなる
本発明の実施の形態の炉心２５における燃焼度と実効増
倍率（Ｋ-eff）との関係を示す曲線ｉと、比較炉心にお
ける燃焼度と実効増倍率（Ｋ-eff）との関係を示す曲線
ｋとをあわせて示した図である。ここで、実効増倍率と
は、炉心２５のサイズを考慮した増倍率のことである。
無限増倍率の場合、炉心２５は無限体系とみなしている
ので、体系からの中性子の漏れが全くない。しかしなが
ら、現実的には、炉心２５は有限体系であるので、炉心
２５から漏れ出る中性子もある。実効増倍率とは、この
ように、炉心２５のサイズを考慮し、炉心から漏れ出る
中性子も含めて考慮した場合における増倍率のことであ
る。したがって、実効増倍率が1.0以上の場合、炉心２
５の臨界状態を保つことができ、核分裂連鎖反応を維持
することができる。

【００６０】本発明の実施の形態の炉心２５は、図３
（ｃ）に示すように可燃性中性子毒物微小球１５を混在
した１２本の燃料棒２を備えている燃料集合体１（＃
ｂ）である。曲線ｉは、このような炉心２５の実効増倍
率の特性を示す図である。

【００６１】一方、曲線ｋのような実効増倍率特性を示
す炉心は、図３（ｃ）に示すような可燃性中性子毒物微
小球１５が混入された燃料棒２（＃ｂ）を含まない燃料
集合体１のみが装荷されてなる炉心である。すなわち、
曲線ｋのような実効増倍率特性を示す炉心は、どの燃料
集合体１にも、全く可燃性中性子毒物微小球１５は含ま
れていない。このような炉心の場合、未燃焼時（０ＭＷ
ｄ/ｔ）の実効増倍率が1.25と、臨界の維持に必要な実
効増倍率である1.0に比べて高い。原子力発電所におい
て熱出力を一定に制御するためには、核分裂を一定の割
合で発生させる必要があるが、これは実効増倍率＝1.0
の場合に実現される。したがって、余剰反応度（ΔＫ-e
ff=0.25）を抑えるために多数の制御棒を炉心２５に挿
入しなければならず、運転操作の煩雑をもたらす。

【００６２】一方、曲線ｉに示す本発明の実施の形態の
炉心では、可燃性中性子毒物微小球１５を混入した燃料
棒２（＃ｂ）を備えた燃料集合体１を何体か装荷してい
るために、未燃焼時（０ＭＷｄ/ｔ）の実効増倍率を1.1
5とし、余剰反応度を低減することを可能としている。
すなわち、余剰反応度（ΔＫ-eff=0.25）を抑えるため
に必要な制御棒の本数は、曲線ｉに示す炉心ほど必要で
はなくなるために、運転操作はさほど煩雑ではない。

【００６３】未燃焼時である0ＭＷｄ/ｔから燃焼ととも
に実効増倍率が減少し、燃焼度が約23,000Ｗｄ/ｔで1.0
となる。この燃焼度は運転期間に換算すると約３年とな
る。

【００６４】すなわち、本発明の実施の形態に係る炉心
２５は、約３年間の連続運転を可能としている。なお、
可燃性中性子毒物の消費による実効増倍率の変化挙動
は、可燃性中性子毒物の消費と、核分裂性物質の消費と
のバランスによって決定されるものであり、燃料集合体
１における可燃性中性子毒物微小球１５を混入した燃料
棒２（＃ｂ）の本数、その燃料棒２（＃ｂ）の配置場
所、可燃性中性子毒物微小球１５を混入した燃料棒２
（＃ｂ）を含む燃料集合体１（＃ｂ）の体数、および炉
心２５における装荷場所によって任意性を持つ。

【００６５】次に、本発明の実施の形態の炉心２５を適
用してなる軽水炉の構成について図７を用いて説明す
る。図７は、本発明の実施の形態の炉心２５を適用して
なる加圧水型の軽水炉の一例を示す構成図である。

【００６６】すなわち、本発明の実施の形態の炉心を適
用してなる加圧水型の軽水炉の構成は、図８に示す従来
技術の加圧水型の軽水炉に備えられていた蓄圧注入系３
９、高圧注入系４０、低圧注入系４１、格納容器スプレ
ー系４４およびそれらに付随する機器であるポンプ４
２、ポンプ４５、スプレー４６を省略する一方、重力注
水タンク５０、ヒートパイプ５３、二相自然循環伝熱ル
ープ６０およびそれらに付随する配管、タンク等を付加
してなる。なお、図７中に示す符号は、図８と同一部分
については同一符号を付している。同一符号を付した機
器については重複説明を避ける。

【００６７】従来技術の加圧水型の軽水炉に備えられて
いた蓄圧注入系３９、高圧注入系４０、低圧注入系４
１、格納容器スプレー系４４は、１次冷却水の喪失事故
等が発生した場合に原子炉圧力容器３１に水を供給した
り原子炉格納容器の内圧を減少させるための非常用の設
備であり、沸騰水型の軽水炉にも同等の設備が設けられ
ている。本発明の実施の形態に係る加圧水型の軽水炉で
は、１次冷却水の喪失事故等が発生した場合における非
常用の設備として、これら蓄圧注入系３９、高圧注入系
４０、低圧注入系４１、格納容器スプレー系４４に代え
て、重力注水タンク５０、ヒートパイプ５３、二相自然
循環伝熱ループ６０を用いる。

【００６８】重力注水タンク５０は、炉心２５を冷却す
るための非常用冷却水を、配管５１を介して重力落下に
より炉心２５側に供給する。

【００６９】１次冷却水の喪失事故等が発生した場合、
原子炉冷却材の原子炉格納容器への放出に伴い、原子炉
格納容器３０の内部の温度も上昇する。取出パイプ５２
は、密封されたパイプであり、この中の冷却材は格納容
器３０からの熱により蒸気に相変化し、原子炉格納容器
３０外での凝縮により熱を原子炉格納容器３０の外部に
取り出す。凝縮された水は再び取出しパイプを通り原子
炉格納容器３０内に戻されるようにしている。

【００７０】炉心２５の冷却のため、熱交換器５５の冷
却材は加熱された自然対流する１次冷却水、または重力
注水タンク５０によって供給された非常用冷却水、また
はそれらの混合水から熱を熱交換部５５取出し蒸発す
る。熱交換器５５で生じた蒸気は、自然循環によって配
管５６内を上昇し、気水分離タンク５８に到達する。気
水分離タンク５８で分離された蒸気は配管５９内を上昇
して外部熱交換器６０に到達する。外部熱交換器６０
は、配管５９をスパイラル状に形成してなるものであっ
て、スパイラル状に形成された配管５９の内部を蒸気が
流れ、該配管５９の外側を空冷する。これによって、該
配管５９の内部を流れる蒸気は冷却され凝縮して水に戻
る。凝縮された水は、自然循環によって戻りの配管６１
内を下降し、再び炉心２５側に戻されるようにしてい
る。

【００７１】次に、以上のように構成した本発明の実施
の形態に係る燃料集合体、燃料集合体を装荷してなる軽
水炉の炉心、および軽水炉の作用について説明する。

【００７２】本発明の実施の形態に係る燃料集合体１
は、燃料充填部１１に、黒鉛被覆燃料粒子１３と黒鉛粉
末１４とを充填してなる燃料棒２が複数本規則的に束ね
て構成される。また、この黒鉛被覆燃料粒子１３は、略
球形状である燃料核２０の外周が、低密度パイロカーボ
ン層２１、高密度パイロカーボン層２２、ＳｉＣ層２３
など、黒鉛を含む複数の層で何重にも被覆される。

【００７３】黒鉛は、熱伝導度が高いことから、本発明
の実施の形態に係る燃料集合体１を適用した軽水炉を運
転した場合、黒鉛被覆燃料粒子１３の燃料平均温度が約
300℃に抑えられる。すなわち、燃料ペレットを用いた
従来技術による軽水炉を運転した場合における燃料平均
温度である約700℃よりも大幅に燃料平均温度が下がる
ので、熱的安全性が高められる。

【００７４】また、黒鉛は、熱容量が高いことから、黒
鉛被覆燃料粒子１３を黒鉛粉末１４とともに充填してな
る燃料棒２の単位長さあたりの熱容量は、従来技術によ
る燃料棒、すなわち、燃料ペレットを装填してなる燃料
棒よりも約５倍大きくなる。これによって、万が一、１
次冷却水の喪失等によって炉心２５の冷却機能が低下し
た場合であっても、黒鉛被覆燃料粒子１３の温度上昇
は、従来技術で用いられていた燃料ペレットの場合より
も緩和される。

【００７５】更に、黒鉛被覆燃料粒子１３はＦＰガスに
対して高い閉じ込め機能を有していることがガス炉にお
いて確認されているので、黒鉛被覆燃料粒子１３を適用
している本発明の実施の形態に係る軽水炉においても、
ＦＰガスに対して高い閉じ込め効果が得られる。ガス炉
における黒鉛被覆燃料粒子１３の燃料平均温度である約
1,200℃に対し、本発明の実施の形態に係る軽水炉にお
ける黒鉛被覆燃料粒子１３では、上述したように燃料平
均温度が約300℃であることを勘案すると、ＦＰガスに
対する閉じ込め効果は更に高められる。

【００７６】上述したような燃料集合体１を装荷してな
る炉心２５は、黒鉛／ＵＯ_２体積比が約１０、Ｈ／ＨＭ
が約１０になるように仕様が調整されている。このよう
な条件の場合、炉心のサイズが、従来技術による炉心と
同等となり、かつ、ボイド係数も十分な負の値となり、
無限増倍率も1.0より十分に大きな値となり、優れた炉
心性能が得られる。黒鉛／ＵＯ_２体積比を約１０とする
ためには、燃料棒２の外径が、従来技術による燃料棒２
の外径よりも約３倍大きくなる。このため、図１（ｂ）
に示すように、互いにハニカム状に配置された多数の燃
料棒セル７の中に燃料棒２を配置してなる燃料集合体１
を、更に、図３（ａ）に示すようにハニカム状に装荷し
てなる炉心２５が適用されている。燃料棒２は、燃料集
合体１においてこのようにハニカム状に配置されること
によって、隣接する燃料棒２同士の最短間隔が１ｍｍと
なるほどに稠密配置がなされ、Ｈ／ＨＭが約１０に抑え
られる。

【００７７】また、この炉心２５は、ウラン２３５（U-
235）の全ウランに対する重量割合が５wt%（重量％）ま
でに濃縮された濃縮ウランを用いて燃料核２０を形成
し、炉心熱出力50ＭＷで運転した場合、約３年間の連続
運転が可能となる。上述したような炉心２５の仕様にお
いて、ウラン２３５（U-235）の濃縮度が５wt%（重量
％）までに濃縮された濃縮ウランを用いて燃料核２０を
形成した場合、未燃焼時における実効増倍率は1.25とな
り、余剰反応度が極めて大きい。しかしながら、本発明
の実施の形態に係る軽水炉の炉心２５では、一部の燃料
集合体１の一部の燃料棒２の燃料充填部１１に、例えば
ガドリニアのような可燃性中性子毒物微小球１５が混入
されている。これによって、燃焼初期における余剰反応
度が抑えられ、必要とされる制御棒の数を最小とするこ
とができる。

【００７８】本発明の実施の形態に係る軽水炉では、１
次冷却水の喪失事故時に炉心２５および原子炉圧力容器
３１を冷却するために、従来技術の軽水炉で適用されて
いた蓄圧注入系３９、高圧注入系４０、低圧注入系４
１、格納容器スプレー系４４、およびこれらに付随する
機器であるポンプ４２、ポンプ４５、スプレー４６を不
要とし、代わりに、重力注水タンク５０、ヒートパイプ
５３、二相自然循環伝熱ループ６０およびこれらに付随
する配管を適用している。

【００７９】重力注水タンク５０、ヒートパイプ５３、
二相自然循環伝熱ループ６０はいずれも動的機器である
ポンプを用いずに、自然循環等の静的作用が利用されて
いる。ポンプを用いていないために、炉心２５側に高圧
で非常用冷却水を供給することはできないが、本発明で
は大量の黒鉛を燃料棒２の燃料充填部１１内に含有して
いるので、熱容量が大きく、仮に１次冷却水の喪失があ
っても、約３時間以上に亘り、被覆管９の温度は熱損傷
温度以下に保たれる。また、黒鉛被覆燃料粒子１３が被
覆管９内に封入されていることから、黒鉛被覆燃料粒子
１３は１次冷却水と反応しない。また、黒鉛被覆燃料粒
子１３にＦＰガスが閉じ込められるために、燃料棒２か
らのＦＰガス漏出もない極めて安全な燃料となっている
ためである。

【００８０】このような理由によって、本発明の実施の
形態に係る軽水炉は、１次冷却水の喪失事故時に炉心２
５および原子炉圧力容器３１を冷却するための設備とし
て、ポンプ等の動的機器が不要で、構成が簡素な重力注
水タンク５０、ヒートパイプ５３、二相自然循環伝熱ル
ープ６０を適用することが可能となる。これによって、
構成が簡素化されるのみならず、ポンプ等の動的機器に
必要であったメンテナンスや動作確認等も不要となる。
これは、建設費の低減を図ることが可能となるのみなら
ず、固有の安全性を備えて極めた安全な原子炉として都
市近接への立地対応におけるＰＡ上も有利である。さら
に、この軽水炉を熱利用に用いた場合、都市近接立地が
可能であることは、コスト低減の観点からも極めて有利
であり、原子力エネルギーの利用範囲の拡大に資するこ
とも可能となる。

【００８１】以上、本発明の好適な実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかか
る構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技
術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更
例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及
び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと
了解される。すなわち、本実施の形態では、加圧水型の
軽水炉を例に説明したが、本発明は軽水炉一般に適用可
能なものであり、加圧水型の原子炉に限らず沸騰水型の
原子炉においても同様に適用可能なものである。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
略球形状の燃料物質の外周を、黒鉛を含む複数の層で被
覆してなる燃料粒子を装填してなる長尺状の燃料棒を、
複数本規則的に束ねて構成することによって、熱容量お
よびＦＰ閉じ込め機能を高めた軽水炉用燃料集合体を実
現することが可能となる。

【００８３】また、このような軽水炉用燃料集合体を装
荷することによって、余剰反応度を抑えながら良好な炉
心特性を実現する軽水炉の炉心を実現することが可能と
なる。

【００８４】更に、このような軽水炉の炉心を適用する
ことによって、１次冷却水喪失事象に対する固有の安全
性を高めることができ、もって、１次冷却水喪失事象対
策のための安全装置の構成の簡素化を図ることが可能な
軽水炉を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る燃料集合体の一例を
示す外形図および断面図

【図２】燃料棒の構成を示す詳細図

【図３】同実施の形態に係る軽水炉の炉心の一例を示す
燃料集合体の配置断面図

【図４】同実施の形態に係る炉心の仕様例

【図５】黒鉛／ＵＯ_２体積比とボイド係数（左縦軸）お
よびＫ-inf（無限増倍率：右縦軸）との関係を示す図

【図６】炉心における燃焼度と実効増倍率（Ｋ-eff）と
の関係を示す図

【図７】同実施の形態の加圧水型原子炉の構成例を示す
断面図

【図８】従来技術による加圧水型原子炉の構成を示す断
面図

【符号の説明】

１…燃料集合体２…燃料棒３…上部ノズル４…下部ノズル５…支持格子７…燃料棒セル９…被覆管１０…下部端栓１１…燃料充填部１３…黒鉛被覆燃料粒子１４…黒鉛粉末１５…可燃性中性子毒物微小球１６…プレナムスプリング１７…プレナム部１８…上部端栓２０…燃料核２１…低密度パイロカーボン層２２…高密度パイロカーボン層２３…ＳｉＣ層２５、３２…炉心２７…制御棒案内管３０…原子炉格納容器３１…原子炉圧力容器３３…加圧器３４…１次ループ３５、４２、４５…ポンプ３６…熱交換器３７…２次ループ３８…ＣＲＤＭ３９…蓄圧注入系４０…高圧注入系４１…低圧注入系４４…格納容器スプレー系４６…スプレー５０…重力注水タンク５１、５６、５９、６１…配管５２…取出パイプ５３…ヒートパイプ５４…戻りパイプ５５…取出口５８…バッファタンク６０…二相自然循環伝熱ループ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ２１Ｃ 15/18 Ｇ２１Ｃ 3/30 ＸＴ (71)出願人 501137555 島津洋一郎北海道札幌市中央区南４条西13丁目１−11 −1006 (72)発明者秋山美映東京都千代田区丸の内二丁目５番１号三菱重工業株式会社内 (72)発明者吉津達弘兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者栃原洋神奈川県横浜市西区みなとみらい三丁目３番１号エンジニアリング開発株式会社内 (72)発明者小林達夫神奈川県横浜市西区みなとみらい三丁目３番１号エンジニアリング開発株式会社内 (72)発明者伊藤邦博茨城県那珂郡東海村舟石川622番地12 ニュークリア・デベロップメント株式会社内 (72)発明者小山好一茨城県那珂郡東海村舟石川622番地12 ニュークリア・デベロップメント株式会社内 (72)発明者島津洋一郎北海道札幌市中央区南４条西13丁目１−11 −1006

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウランまたはプルトニウムのうち少なく
ともいずれかを核分裂性物質として含む略球形状の燃料
物質の外周を、黒鉛を含む複数の層で被覆してなる燃料
粒子と黒鉛粉末とを装填してなる長尺状の燃料棒を、複
数本規則的に束ねて構成してなる軽水炉用燃料集合体。
【請求項２】請求項１に記載の軽水炉用燃料集合体に
おいて、前記燃料物質に対する前記黒鉛の体積比を５乃至１５と
したことを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の軽水炉
用燃料集合体において、断面正六角形状の複数の燃料棒セルを、互いに隣接する
燃料棒セル同士の断面の一辺を共有するように配置し、
更に、前記各燃料棒セルの中に、前記長尺状の燃料棒
を、その断面中心を、前記燃料棒セルの断面中心に一致
させて配置してなることを特徴とする軽水炉用燃料集合
体。
【請求項４】請求項３に記載の軽水炉用燃料集合体に
おいて、前記隣接する燃料棒同士の表面間最短距離を０．５から
２ｍｍとしたことを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
【請求項５】請求項１乃至４のうちいずれか１項に記
載の軽水炉用燃料集合体において、前記燃料棒に、前記燃料粒子に加えて可燃性中性子毒物
を混入したことを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
【請求項６】請求項５に記載の軽水炉用燃料集合体に
おいて、前記可燃性中性子毒物を、ガドリニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）あ
るいはエルビア（Ｅｒ _２Ｏ_３）としたことを特徴とする
軽水炉用燃料集合体。
【請求項７】請求項１乃至６のうちいずれか１項に記
載の軽水炉用燃料集合体を装荷してなることを特徴とす
る軽水炉の炉心。
【請求項８】請求項７に記載の軽水炉の炉心を冷却す
る冷却水である軽水の一部または全部が喪失した場合
に、前記炉心を冷却するための非常用冷却水を前記炉心側に
重力落下により供給する非常用冷却水供給手段と、炉心の冷却のため、自身は加熱され自然対流する前記冷
却水または前記非常用冷却水またはそれらの混合水から
熱を取り出し、配管内を上昇し原子炉建屋外に設けた冷
却器を通して前記炉心の外部に熱を伝えたのち重力によ
り前記炉心に戻る熱除去媒体によって前記炉心から熱を
除去する炉心熱除去手段と、前記炉心が格納された格納容器内の内部空気の熱を、密
封されたパイプ内の冷却材の相変化により前記格納容器
の外部に取り出すことによって前記内部空気を冷却する
内部空気冷却手段とを備えたことを特徴とする軽水炉。