JP2004212372A - 原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、原子力発電における液体冷却原子炉の燃料集合体に関するものである。転換比向上を図ったウランとプルトニウムの混合酸化物ＭＯＸ燃料の燃料集合体ボイド反応度係数を負またはゼロにするものである。
【解決手段】燃料集合体（２０）の燃料棒（２３）において、連続して積み重ねられている核分裂性物質ペレット（１５）の堆積の上下端に空隙（２６）を設けて中性子吸収材ペレット（２５）を装荷する。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力発電における原子炉の燃料集合体に関わるものである。特に燃料棒に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に原子炉の核燃料は図１の燃料集合体（１０）に装荷されている。燃料集合体（１０）は燃料が充填されている直径約１０ｍｍ長さ約４ｍの円柱形状燃料棒（１３）を多数本正方格子状（まれに三角格子状）に配列しそれ等をチャンネルボックス（１１）で枠取りしている。燃料棒（１３）の間には熱を原子炉の外に取り出すための液体冷却材（１２）が下から上に流れる。燃料棒（１３）は図２に示すようにウラニウムとプルトニウムの混合酸化物の核分裂性物質ペレット（１５）の連続した堆積、燃料の燃焼に伴って発生する気体を溜めるための上部プレナム（１６）、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積を安定に支持するための上部スプリング（１７）、それ等を封入するジルコニウム合金等の中性子弱吸収材の円筒形鞘である被覆管（１４）、燃料棒（１３）群を下部で固定配列しているステンレス等の下部タイプレート（１９）とから構成されている。核分裂性物質ペレット（１５）を単一で見ると図３に示すように直径約８ｍｍ高さ約１０ｍｍの円柱形をしている。燃料集合体（１０）は下部構造物（１００）によって支えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
原子炉の炉心に装荷されている燃料集合体（１０）で核反応が起こると、核分裂し易い核分裂性物質プルトニウムが消費される。天然ウランやその酸化物または劣化ウランまたはその酸化物等の親物質高含有物の主成分は親物質と呼ばれるウラン２３８であって、ウラン２３８は中性子を吸収してプルトニウムを生成する。親物質高含有物をうまく設計に取り入れることによって発電するほどプルトニウムが増加するようにもできる。出力発生等のために消費されるプルトニウムに対する生成される割合である転換比ＢＲが高くなる。ＢＲを高めて経済性を向上させるものである。効率がよくなり経済性が向上するが、次のような問題が生じる。流入液体冷却材の不足や出力増加等により一部または全部が沸騰して蒸気ボイドが増加すると核分裂が活発になり、ボイド反応度係数が正になる傾向がある。正のフィードバックがかかって出力が加速度的に上昇する恐れがある。液体冷却材の減少による冷却不足によって生じる燃料棒温度上昇と相俟って燃料棒温度が加速度的に上昇する恐れがあるため、時には燃料棒が破損する恐れが生じる。原子炉の安全設計上この係数をゼロまたは負にすることが望ましい。
核分裂し易く出力発生に寄与するプルトニウムにおいて、吸収する一個の中性子当たり発生する中性子数であるＥは速い中性子程大きくなる。Ｅが２．０以上になると炉心内の物質で吸収されるよりも発生する中性子が余分になるため、親物質が余分な中性子を吸収して核分裂し易いプルトニウムを消費量よりも多く生成する可能性が高くなる。冷却材等の軽い物質が沢山あると、核分裂で生じた速度の速い中性子は軽い物質と衝突するたびに速度を落とすためＥが下がりＢＲを高めるには好ましくない。一方、冷却材が不足すると燃料棒温度が過度に上昇する恐れが生じる。
蒸気の密度は液体の２０分の１以下と真空に近いため蒸気を敢えて蒸気ボイドと呼んでいる。中性子は液体により散乱されるが同じ厚さの蒸気ボイドによっては殆ど散乱されない。通常時の平均蒸気ボイドは約４０％以下で液体の割合が多い。核分裂で生じた速度の速い中性子は軽い物質である液体と衝突する割合が多いため速度の遅い中性子が多い状態である。液体冷却材流入が減少し蒸気ボイド割合が多くなると、核分裂で生じた速度の速い中性子は液体が減少した分その軽い物質と衝突する割合が減少するため速度を落し難くなり速度の速い中性子が多い状態になる。プルトニウムのＥは速い中性子程大きいため核分裂が活発になり出力が上昇する。これがボイド反応度係数を正にする仕組みでる。
この係数を負にするために、炉心高さを極端に低くした扁平炉心がある。これは、蒸気ボイドが増加した場合燃料集合体上下端への中性子漏洩を極端に増加させてこの係数を負にすると言われている。しかし同一体積に対して面積の増大を招くため建設コスト上昇の問題やボイド反応度係数は若干正になる場合があると考えられる。本発明は上記課題を解決するためになされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
図４は本発明の一実施例を示す燃料集合体（２０）である。本発明の燃料棒（２３）は図５に示すように、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積の上端または下端または両端から空隙支持棒（３０）により空隙（２６）を設けて、図６に示すような形状の中性子吸収材ペレット（２５）を積み重ねたことを特徴とする。中性子吸収材ペレット（２５）１個の寸法としては直径約８ｍｍ、長さは約１０ｍｍである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図７は従来の燃料集合体（１０）における通常運転時での作用を模式的に説明するための図である。燃料棒下部や上部スプリング（１７）は省いて燃料棒（１３）２本の上部のみを模式的に示した。
通常運転時において冷却材である液体が多い時、核分裂性物質ペレット（１５）で発生し上部に漏洩する中性子の一部は、右上向き矢印先端部で燃料棒周囲の液体冷却材（１２）に右下向き矢印方向に散乱されて炉心に戻り核分裂性物質ペレット（１５）による核分裂活発化に寄与する部分がある。
液体冷却材喪失事故等により液体冷却材が少なくなって蒸気ボイドが多くなった時、図８に示すように核分裂性物質ペレット（１５）で発生し上部に漏洩する中性子の一部は、燃料棒周囲の液体冷却材（１２）が少なくなったため液体では散乱されないが、燃料棒の被覆管（１４）で散乱されて炉心に戻り核分裂性物質ペレット（１５）による核分裂活発化に寄与する部分がある。
上記のように上部に漏洩する中性子の一部は蒸気ボイドの増減にも関わらず、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積上端から上の被覆管（１４）による散乱により炉心に戻され核分裂性物質ペレット（１５）により核分裂活発化に寄与する部分がある。このように被覆管による散乱効果は無視しえない。したがって、扁平炉心のように中性子を上部に単に多く漏洩させるだけではボイド反応度係数を負にする効果はそれ程大きなものではない。
図９は本発明の燃料集合体（２０）における通常運転時での作用を模式的に説明するための図である。燃料棒下部や上部スプリング（１７）は省いて燃料棒（２３）２本の上部のみを模式的に示した。核分裂性物質ペレット（１５）で発生し上部に漏洩する中性子の一部は、本発明の中性子吸収材ペレット（２５）に到達する以前に右上向き矢印先端部で燃料棒周囲の液体冷却材（１２）により右下向き矢印方向に散乱されて炉心に戻り核分裂性物質ペレット（１５）により核分裂活発化に寄与する部分がある。このように通常運転時には中性子吸収材ペレット（２５）が存在しても影響は小さい。
一方、液体冷却材喪失事故等で液体冷却材が少なくなって蒸気ボイドが多くなる時は、図１０に示すように核分裂性物質ペレット（１５）で発生し上部に漏洩する中性子の一部は燃料棒周囲の液体冷却材（１２）に散乱されずに中性子吸収材ペレット（２５）の側面または下面に到達し吸収されるか、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積上端から上の被覆管（１４）で散乱されて中性子吸収材ペレット（２５）の上面で吸収されるため炉心に戻ることは殆どできないため核分裂性物質ペレット（１５）に到達しない。空隙（２６）を設けることにより中性子吸収材ペレット（２５）の下面による吸収が有効になる。
上記のように液体冷却材喪失事故等で液体冷却材が少なくなって蒸気ボイド増加により中性子漏洩量が増加し、そして吸収されるためボイド反応度係数が負になる。
空隙（２６）無しに中性子吸収材を直に核分裂性物質ペレット（１５）の堆積に接して装荷した場合は中性子吸収材ペレット（２５）の下面は核分裂性物質ペレット（１５）に遮られるため効果が薄くなる。
【０００６】
【発明の効果】
経済性向上のためにプルトニウムへの転換効率を高める転換比が大きい設計をした燃料集合体において、液体冷却材喪失事故等で液体冷却材が減少し蒸気ボイドが増加しても、ボイド反応度係数が負であるから原子炉出力は低下するため、液体冷却効果減少による燃料棒温度上昇を抑制することができる。燃料棒の健全性が保たれ放射能が燃料棒内部に封入されたままである。原子炉の安全性が保たれたまま、転換比が大きく経済性の良い燃料集合体となる。
【０００７】
【その他実施例１】
核分裂性物質ペレット（１５）として二酸化プルトニウム平均富化度１０ｗｔ％の直径８ｍｍ高さ１ｃｍのウラニウムとプルトニウムの混合酸化物ペレットを長さ１２０ｃｍに積み上げ、燃料棒（１３）の中心間距離１．１ｃｍ、水冷却材通常運転時炉心平均蒸気ボイド４０％、空隙（２６）は上下各０．５ｃｍ〜３ｃｍ、中性子吸収材ペレット（２５）をハフニウムとし長さ０．５ｃｍ〜３ｃｍとした場合に、高いプルトニウム転換比と共にボイド反応度係数が負になる。
空隙（２６）を空けすぎると上部に漏洩した中性子は被覆管（１４）による散乱を多く受けて核分裂性物質ペレット（１５）による核分裂活発化に寄与する割合が多くなる。中性子吸収材ペレット（２５）による中性子吸収効果が相対的に低下する。
なお、高さ中央部３／４の二酸化プルトニウム富化度を９ｗｔ％と平均よりも小さくし上下各１／８を１３ｗｔ％とすると上下の出力が高まり上下端からの中性子漏洩も高まりボイド反応度係数が大きな負になる。
ハフニウムの他にユーロピウムや酸化ハフニウムや酸化ユーロピウムも中性子吸収材として有効である。ハフニウムもユーロピウムも中性子を吸収する性質が高く、かつ中性子を吸収しても気体を発生させないため、ガス溜め上部プレナム（１６）の圧力を上昇させることがなく燃料棒の健全性に変化をもたらさない。
【０００８】
【その他実施例２】
本発明に導入する中性子吸収材ペレット（２５）を親物質高含有物としたことを特徴とする燃料集合体。
通常運転時において、核裂性物質ペレット（１５）から発生した中性子の一部は炉心の外へ漏洩する。中性子吸収材ペレット（２５）として親物質を装荷するとウラン２３８は漏洩した中性子の一部を吸収して核分裂し易いプルトニウムとなる。転換比向上に貢献することができる。プルトニウムの生成増加と同時にボイド反応度係数を負にすることが出きてコスト低減になる。
【０００９】
【その他実施例３】
本発明に導入する空隙（２６）として、中空チューブまたは多孔質棒による空隙中空チューブ（３１）または空隙支持棒（３０）または空隙支持棒（３０）の上下端に図１１のような支持皿（３３）を設けることにより空隙の確保が高信頼で図れる。
【０００１０】
【その他実施例４】
本発明に導入する中性子吸収材ペレット（２５）一個と核分裂性物質ペレット（１５）一個と空隙支持棒（３０）とを図１２のように一体連結する。空隙を確実に確保することができる。
【０００１１】
【その他実施例５】
図１３に示すように空隙中空チューブ入り燃料棒（４３）として、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積の下端に空隙中空チューブ（３１）と中性子吸収材ペレット（２５）を装荷し、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積の上端に空隙（２６）を設けて中性子吸収材ペレット（２５）を装荷する。
本実施例によれば、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積を信頼性高く支えることができる。
【０００１２】
【その他実施例６】
図１４は、本実施例における被覆管２領域燃料棒（５３）である。被覆管２領域燃料棒（５３）は、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積全長よりも空隙（２６）分長い中性子弱吸収材の核分裂性物質ペレットを納める被覆管（１４０）と、中性子吸収の強い材質の中性子強吸収被覆管（１５１）と、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積を支える空隙中空チューブ（３１）からなる。２分割で製造した後、溶接箇所（１５４）で接続する。下部タイプレート（１９）のステンレスの中に中性子を強く吸収するハフニウムまたはその酸化物またはタンタルまたはその酸化物または硼素を含有させるかまたは下部タイプレート（１９）の材質をステンレスの代わりに中性子を強く吸収する高ニッケル鋼の強吸収下部タイプレート（１９０）によって中性子吸収材ペレット（２５）を補助することができる。
本実施例によれば、上方向に漏洩した中性子の一部は中性子強吸収被覆管（１５１）で吸収され、下方向に漏洩した中性子の一部は強吸収下部タイプレート（１９０）によって吸収されてしまうため、核分裂性物質ペレット（１５）に到達しない。被覆管２領域燃料棒（５３）からなる燃料集合体はボイド反応度係数が負になる。その上、強吸収下部タイプレート（１９０）は下部構造物（１００）劣化の１要因である放射線を遮蔽し長期健全性にも役立つ。
なお、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積の上端または下端から空隙支持棒（３０）または空隙中空チューブ（３１）を設けて親物質高含有物質を装荷すると燃料集合体はボイド反応度係数が更に負になると共に転換比が向上する。
【０００１３】
【その他実施例７】
図１５は本実施例における中性子強吸収材張り燃料棒（６３）である。ジルコニウム合金等の中性子弱吸収材の被覆管（１４）の上部と下部に中性子強吸収材（２５１）で内張りまたは外張りを施した。
本実施例によれば、上下端に漏洩した中性子は中性子強吸収材（２５１）によって吸収されるため中性子強吸収材張り燃料棒（６３）からなる燃料集合体はボイド反応度係数が負になる。
【０００１４】
【その他実施例８】
図１６は本実施例における中間親物質高含有燃料棒（７３）である。燃料棒高さ中央の核分裂性物質ペレット（１５）の代わりに中間親物質高含有物質（３６）を上下に中間空隙（２８）を設けて装荷した。
一実施例として、中間親物質高含有物質（３６）の厚さは炉心長さの約１／２０、中間空隙（２８）は０．５ｃｍから３ｃｍが適切である。
親物質は中性子を強く吸収する。中性子は塊状の親物質の芯まで侵入するのは困難である。親物質は中性子を表面で吸収してしまい、表面積吸収が主体である。
中間空隙（２８）に面した核分裂性物質ペレット（１５）の表面から出た中性子は、液体の多い通常運転時では液体冷却材（１２）に散乱されて核分裂性物質ペレット（１５）の核分裂活発化に寄与するものがあるが、液体が少なくなった時には液体冷却材（１２）に散乱されることなく中間親物質高含有物質（３６）の側面または上面または下面で吸収されるため核分裂反応は抑制される。中間空隙（２８）を設けることにより、核分裂性物質ペレット（１５）により遮られる事なく中間親物質高含有物質（３６）の上面と下面が有効になるため、本実施例の中間親物質高含有燃料棒（７３）からなる燃料集合体はボイド反応度係数が負である。
【０００１５】
【その他実施例９】
前記全実施例における空隙（２６）または中間空隙（２８）において、空隙の代わりに酸化カルシウムまたはアルミナまたはマグネシアまたは酸化珪素とすると重量に耐えられる空隙を得ることができる。これ等の物質は中性子散乱割合が小さいため空隙とみなせる。また、空隙支持棒（３０）が不要となり製造コスト低減をもたらす。
【０００１６】
【その他実施例１０】
前記全実施例の空隙（２６）または中間空隙（２８）において、空隙の代わりに酸化カリウムまたは酸化ニッケルまたは窒化珪素とすると重量に耐えられる空隙を得ることができるばかりでなく、ボイド反応度係数を更に負にすることができる。これ等の物質は１０ｋｅＶ以上の速度の中性子に対し中性子速度が大きくなるほど中性子を吸収する割合が大きくなるため冷却材減少事故等により液体が減少すれば中性子速度は１０ｋｅＶ以上になり、酸化ニッケル等は中性子をより多く吸収して核分裂反応を抑制する。また、空隙支持棒（３０）が不要となり製造コスト低減をもたらす。
上部スプリング（１７）をニッケル合金とするとボイド反応度係数を更に負にする燃料集合体となる。
【０００１７】
【その他実施例１１】
ウランとプルトニウムの混合酸化物の代わりに濃縮ウランまたはその酸化物の燃料集合体においても、濃縮ウランまたはその酸化物の核分裂性物質ペレット（１５）堆積の上下端に空隙（２６）または中間空隙（２８）を設けて中性子吸収材ペレット（２５）を装荷すればボイド反応度係数を負にすることができる。濃縮ウランはプルトニウムに比べて加工使用に厳しい規制がかからないため取り扱い易くコストが安くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の燃料集合体の概観図
【図２】従来の燃料棒の概観図
【図３】従来の核分裂性物質ペレット概観図
【図４】本発明の燃料集合体の概観図
【図５】本発明の燃料棒の概観図
【図６】本発明に用いられる中性子吸収材物質ペレット概観図
【図７】従来での通常運転時作用図
【図８】従来でのボイド増加時作用図
【図９】本発明での通常運転時作用図
【図１０】本発明でのボイド増加時作用図
【図１１】支持皿付き空隙棒概要図
【図１２】ペレット一体型空隙棒概要図
【図１３】空隙中空チューブ入り燃料棒
【図１４】被覆管２領域燃料棒
【図１５】中性子強吸収材張り燃料棒
【図１６】中間親物質高含有燃料棒
【符号の説明】
１０は燃料集合体
１１はチャンネルボックス
１２は液体冷却材
１３は燃料棒
１４は被覆管
１５は核分裂性物質ペレット
１６は上部プレナム
１７は上部スプリング
１９は下部タイプレート
２０は本発明の燃料集合体
２３は本発明の燃料棒
２５は中性子吸収材ペレット
２６は空隙
２８は中間空隙
３０は空隙支持棒
３１は空隙中空チューブ
３３は支持皿
３６は中間親物質高含有物質
４３は空隙中空チューブ入り燃料棒
５３は被覆管２領域燃料棒
６３は中性子強吸収材張り燃料棒
７３は中間親物質高含有燃料棒
１００は下部構造物
１４０は核分裂性物質ペレットを納める被覆管
１５１は中性子強吸収被覆管
１５４は溶接箇所
１９０は強吸収下部タイプレート
２５１は中性子強吸収材

Claims (17)

1. 液体冷却原子炉の核燃料における、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積を内蔵する燃料棒（２３）を複数本結束してなる燃料集合体（１０）において、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積の上端または下端又は両端から空隙（２６）を設けて中性子吸収材ペレット（２５）を積み重ねたことを特徴とする燃料集合体。
2. 請求項１において、空隙（２６）を０．５ｃｍから３ｃｍとしたことを特徴とする燃料集合体。
3. 請求項２において、中性子吸収材ペレット（２５）の長さを０．５ｃｍから３ｃｍとしたことを特徴とする燃料集合体。
4. 請求項１から請求項３において、空隙支持棒（３０）と核分裂性物質ペレット（１５）１個と中性子吸収材ペレット（２５）１個を１体化したことを特徴とする燃料集合体。
5. 請求項１から請求項３において、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積の下端に空隙中空チューブ（３１）と中性子吸収材ペレット（２５）を装荷し、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積の上端に空隙（２６）を設けて中性子吸収材ペレット（２５）を装荷した空隙中空チューブ入り燃料棒（４３）で構成したことを特徴とする燃料集合体。
6. 請求項１から請求項３において、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積全長よりも空隙（２６）分長い中性子弱吸収材の核分裂性物質ペレットを納める被覆管（１４０）と、中性子吸収の強い材質の中性子強吸収被覆管（１５１）と、核分裂性物質ペレット（１５）の堆積を支える空隙中空チューブ（３１）からなる被覆管２領域燃料棒（５３）と、下部タイプレート（１９）のステンレスの中に中性子を強く吸収するハフニウムまたはその酸化物またはタンタルまたはその酸化物または硼素を含有させるかまたは下部タイプレート（１９）の材質をステンレスの代わりに中性子を強く吸収する高ニッケル鋼の強吸収下部タイプレート（１９０）によって構成したことを特徴とする燃料集合体。
7. 請求項１から請求項３において、ジルコニウム合金等の中性子弱吸収材の被覆管（１４）の上部と下部に中性子強吸収材（２５１）で内張りまたは外張りを施した中性子強吸収材張り被覆管燃料棒（６３）で構成したことを特徴とする燃料集合体。
8. 請求項６および請求項７において、中性子強吸収被覆管（１５１）または中性子強吸収材（２５１）をニッケル合金としたことを特徴とする燃料集合体。
9. 請求項１から請求項８において、高さ中央部３／４の二酸化プルトニウム富化度を平均よりも小さくすることを特徴とする燃料集合体。
10. 請求項１から請求項９において、高さ中央部の炉心長さの約１／２０を核分裂性物質ペレット（１５）の代わりに中間親物質高含有物（３６）とし、その上下に０．５ｃｍから３ｃｍの中間空隙（２８）を設けた中間親物質高含有燃料棒（７３）で構成したことを特徴とする燃料集合体。
11. 請求項１から請求項１０において、空隙（２６）または中間空隙（２８）確保のために中空チューブまたは多孔質からなる空隙支持棒（３０）または空隙中空チューブ（３１）を装荷したことを特徴とする燃料集合体。
12. 請求項１から請求項１０において、空隙（２６）または中間空隙（２８）の代わりに酸化カルシウムまたはアルミナまたはマグネシアまたは酸化珪素としたことを特徴とする燃料集合体。
13. 請求項１から請求項１０において、空隙（２６）または中間空隙（２８）の代わりに酸化ニッケルまたは窒化珪素または酸化カリウムとしたことを特徴とする燃料集合体。
14. 請求項１から請求項１３において、中性子吸収材ペレット（２５）をハフニウムまたはユーロピウムまたはそれ等酸化物としたことを特徴とする燃料集合体。
15. 請求項１から請求項１３において、中性子吸収材ペレット（２５）を親物質高含有物としたことを特徴とする燃料集合体。
16. 請求項１から請求項１５において、上部スプリング（１７）をニッケル合金としたことを特徴とする燃料集合体。
17. 請求項１から請求項１６において、ウラニウムとプルトニウムの混合酸化物燃料の代わりに濃縮ウランまたはその酸化物としたことを特徴とする燃料集合体。

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