JP2004333432A

JP2004333432A - 原子炉の燃料装荷方法

Info

Publication number: JP2004333432A
Application number: JP2003133189A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Izutsu; 筒定幸井; Yasushi Hirano; 野靖平; Manabu Yoshida; 田学吉
Original assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Current assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】沸騰水型原子炉の炉心において、ＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心における経済性を向上させた燃料装荷方法を提供すること。
【解決手段】ＭＯＸ燃料を含むＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料のみからなるウラン燃料集合体が混在してなる原子炉において、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃料の燃料集合体全体に対する重金属重量割合を１／３より大きくするとともに、ＭＯＸ燃料集合体の平均的な取出燃焼度をウラン燃料集合体の平均的な取出燃焼度より大きくする。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術的分野】
本発明は、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと記す）の燃料装荷方法に係り、特に、ＭＯＸ燃料集合体を装荷する燃料装荷方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ＢＷＲの炉心に装荷される燃料には、種々の異なった形状の燃料集合体や異なった組成の燃料集合体が使用され、これらの複数の種類の燃料集合体を装荷した炉心を混在炉心と呼ぶ。
【０００３】
燃料集合体の形状が異なり、燃料集合体内における水と燃料の体積割合が異なる場合、水対燃料割合が小さいと、一般に燃焼の初期においては、水の量が少なく中性子の減速効果が不足するため、燃料集合体としての反応度が低いが、燃焼が進むにつれて、中性子のエネルギスペクトルが硬いことによりＰｕの蓄積が図られるため、燃料集合体としての反応度低下が抑制される。このため、水対燃料割合が小さい燃料集合体と水対燃料割合が大きい燃料集合体を比較すると、前者は反応度の燃焼変化が相対的に緩慢な燃料集合体となり、後者は反応度の燃焼変化が相対的に急峻な燃料集合体となる。
【０００４】
また、燃料集合体の組成がウラン燃料と異なる場合として、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ＭＯＸ燃料の利用がある。燃料集合体にＭＯＸ燃料を装荷すると、核分裂核種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、プルトニウム２４０による中性子吸収断面積がウラン２３８より大きいことにより、中性子のエネルギスペクトルが硬くなり、ウラン燃料集合体よりもＰｕの蓄積が図られるため、燃焼の進行に伴う反応度低下が抑制される。このため、ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体を比較すると、前者は反応度の燃焼変化が相対的に緩慢な燃料集合体となり、後者は反応度の燃焼変化が相対的に急峻な燃料集合体となる。ＭＯＸ燃料の高燃焼度化を図る場合、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なるため、以上の傾向が強められる。
【０００５】
従って、以上のように異なった形状の燃料集合体や異なった組成の燃料集合体を混在して炉心に装荷する場合、燃料集合体の反応度の燃焼変化が相互に異なることからこれらの特性を考慮した燃料装荷方法が考案されている。
【０００６】
すなわち、特開昭６３−１６２９２号公報（特許文献１）には、燃焼の初期においてはＭＯＸ燃料集合体の反応度がウラン燃料集合体の反応度より低いことから、これらの燃料を新燃料として装荷した炉心における反応度を有効に向上させるため、ＭＯＸ燃料集合体を炉心の周辺領域に、ウラン燃料集合体を炉心の中央領域に装荷率を高めて装荷する燃料装荷方法が記載されている。
【０００７】
また、特開昭６０−２６２０９０号公報（特許文献２）には、ＭＯＸ燃料集合体の新燃料としての装荷体数を低減するため、ＭＯＸ燃料集合体を炉心の外周領域に、ウラン燃料集合体を炉心の中央領域に装荷する燃料装荷方法が記載されている。
【０００８】
さらに、燃料の経済性を向上させるため、燃料交換時にウラン燃料集合体を優先的に取出し、ＭＯＸ燃料集合体を長く炉心内に残すようにして核分裂物質を有効に利用する発明も、特開昭６２−９６８８９号公報（特許文献３）に記載されている。
【０００９】
しかしながら、ＭＯＸ燃料とウラン燃料の混在炉心について、今後それぞれの燃料の高燃焼度化が進展する方向にあり、経済性の観点から各燃料の燃焼度の組み合わせに応じた燃料の最適設計が課題となる。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑み、沸騰水型原子炉の炉心において、ＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心における経済性を向上させた燃料装荷方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭６３−１６２９２号公報
【特許文献２】
特開昭６０−２６２０９０号公報
【特許文献２】
特開昭６２−９６８８９号公報
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、複数の燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列したＭＯＸ燃料を含むＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料のみからなるウラン燃料集合体が混在してなる原子炉の燃料装荷方法において、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃料の燃料集合体全体に対する重金属重量割合を１／３より大きくするとともに、ＭＯＸ燃料集合体の平均的な取出燃焼度をウラン燃料集合体の平均的な取出燃焼度より大きくすることを特徴とする。
【００１３】
第２の発明は、複数の燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列したＭＯＸ燃料を含むＭＯＸ燃料集合体からなる原子炉の燃料装荷方法において、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃料の燃料集合体全体に対する重金属重量割合を１／３以下とし、ＭＯＸ燃料集合体の平均的な取出燃焼度を代替ウラン燃料集合体の平均的な取出燃焼度より大きくすることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、燃料集合体の概略構成を示す一部縦断側面図であって、燃料集合体１１は、燃料棒１２、水ロッド１３、上部タイプレート１４、下部タイプレート１５、燃料スペーサ１６及びチャンネルボックス１７から構成されている。スペーサ１６は、燃料棒１２の軸方向に幾つか配置され、燃料棒１２及び水ロッド１３の相互間の間隙を適切に保持しており、その燃料棒１２及び水ロッド１３の上下端部は、上部タイプレート１４及び下部タイプレート１５で保持されている。チャンネルボックス１７は、上部タイプレート１５に取り付けられ、スペーサ１７で保持された燃料棒１２の束の外周を取り囲んでいる。
【００１６】
図２は、沸騰水型原子炉の概略構成を示す平面図であり、炉心内には上述のように構成された複数の燃料集合体１１が格子状に装荷されており、４体の燃料集合体１１の中央部に十字型の制御棒１８が配設されている。また、炉心内には中性子束を検出するために複数個の局部出力領域モニタ１９が配置されている。
【００１７】
ところで、プルトニウムをウランと混合したＭＯＸ燃料を装荷した燃料集合体を用いる場合には、プルトニウムの特性としてボイド係数が負値で大きくなるためプラントの過渡特性が厳しくなることから、一般的には炉心中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合を１／３以下程度に制限することが行われている。
【００１８】
一方、ＭＯＸ燃料とウラン燃料の混在炉心においては、各燃料の高燃焼度化に対応して燃料の経済性を高める必要がある。
【００１９】
図３は、ＭＯＸ燃料集合体の平均取出燃焼度の変化に対する経済性の変化を示す図であり、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃料の重金属重量割合が０．４０の場合及び０．８５の場合について、ウラン燃料集合体の平均取出燃焼度に対するＭＯＸ燃料集合体の平均取出燃焼度の比を変化したときの経済性指標の変化を示している。
【００２０】
ここでの経済性指標として、一定のプルトニウムを使用するとし、炉心中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合を１／３以下に制限する１／３ＭＯＸ炉心を前提とした場合、次式を選定することができる。

【００２１】
但し、図３では、ＭＯＸ燃料集合体及びウラン燃料集合体の１体当たりのコストは同等としている。
【００２２】
図３より、ＭＯＸ燃料集合体の平均取出燃焼度と経済性指標との間に次の関係があることが分かる。
【００２３】
（１）ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が一定であれば、実線或いは点線で示すように、ＭＯＸ燃料集合体の平均取出燃焼度が大きいほど経済性が高くなる。
（２）ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度がウラン燃料集合体の取出平均燃焼度より大きい場合には、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が小さいほど、経済性が良くなる。
【００２４】
ここで、炉心中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合を１／３以下に制限する１／３ＭＯＸ炉心を前提とした場合、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の燃料集合体全体に対する重金属重量割合が１／３より大きい場合は、１つの炉心にＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体が必ず混在して装荷されることとなる。したがって、上記（１）の関係からすれば、ＭＯＸ燃料集合体の平均取出燃焼度をウラン燃料集合体の平均取出燃焼度より大きくした場合に、ＭＯＸ燃料集合体数の低減効果により経済性がよいこととなる。しかしながら、図３に示すように、ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度がウラン燃料集合体の取出平均燃焼度より低い場合は、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が大きい場合、すなわち、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が０．８５の場合に経済性が良いが、ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度がウラン燃料集合体の取出平均燃焼度より大きい場合には、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が０．４０の場合の方が、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が０．８５の場合に比し、ウラン炉心に対する経済性指標の低下幅が２倍程度良好である。すなわち、ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度がウラン燃料集合体の取出平均燃焼度より高い場合は、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が小さい方が経済性が良い。これは、基本的にＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が小さい場合に、ＭＯＸ燃料集合体をより多く製造し、炉心により多く装荷可能であることに基づいている。
【００２５】
このようなことから、第１の発明は、ＭＯＸ燃料を含むＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料のみからなるウラン燃料集合体が混在する原子炉に於いては、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃料の燃料集合体全体に対する重金属重量割合を１／３より大きくするとともに、ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度がウラン燃料集合体の取出平均燃焼度より大きくする。
【００２６】
一方、炉心中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合を１／３以下に制限する１／３ＭＯＸ炉心を前提とした場合、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が１／３以下の場合には、１つの炉心がＭＯＸ燃料集合体のみで装荷され得ることから、ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度を代替ウラン燃料集合体の取出平均燃焼度より大きくすることにより、ＭＯＸ燃料集合体数の低減効果により経済性をよくすることができる。
【００２７】
そこで、第２の発明は、ＭＯＸ燃料を含むＭＯＸ燃料集合体からなる原子炉において、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃料の燃料集合体全体に対する重金属重量割合を１／３以下とするとともに、ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度を代替ウラン燃料集合体の取出平均燃焼度より大きくする。
【００２８】
図４は、本発明の第１の発明に係る燃料集合体の構成を示す図であり、燃料ペレットが燃料物質であるＵＯ_２及びＰｕＯ_２の混合物（ＭＯＸ）にて構成され、核分裂物質である^２３９Ｐｕ、^２４１Ｐｕ及び^２３５Ｕを含んでいる燃料棒Ｃ（記号Ｍ）、燃料ペレットが燃料物質であるＵＯ_２（ウラン）のみにて構成され、核分裂物質である^２３５Ｕを含んでいるが、ＰｕＯ_２を含んでいない燃料棒ｄ（無記号）、及び燃料ペレットがガドリニア入りウラン燃料ペレットとして、燃料物質であるＵＯ_２及びこれに含有した可燃性毒物であるガドリニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）にて構成される燃料棒ｅ（記号Ｇ）からなり、ＭＯＸ燃料集合体として構成されている。また、燃料棒配列における外層から２層目には、コーナ部を含んで８本の短尺燃料棒（部分長燃料棒）２０（記号Ｐ）が設けられている。この短尺燃料棒２０の有効長は、長尺燃料棒の１４／２４としてある。使用されているガドリニア入りウラン燃料棒（記号Ｇ）の本数は１２本であり、一部は最外周にも配置されている。ここで燃料棒ｃの本数は３０本であり、ＭＯＸ燃料集合体当りの重金属重量割合は、短尺燃料棒の体積も考慮し、約４２％としてある。
【００２９】
図４のＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体を混在して炉心に装荷するに際し、ＭＯＸ燃料集合体におけるＰｕ富化度を高めることにより反応度を高め、取出平均燃焼度を５５ＧＷｄ／ｔとし、ウラン燃料集合体の取出平均燃焼度を４５ＧＷｄ／ｔとする。サイクル長さを約１３ケ月とし、サイクル当りの増分燃焼度を約１０ＧＷｄ／ｔとすると、ＭＯＸ燃料集合体の平衡炉心取替バッチ数は５．５、ウラン燃料集合体の平衡炉心取替バッチ数は４．５となる。
【００３０】
一方、炉心中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合を１／３以下に制限する１／３ＭＯＸ炉心を前提とした場合、ＭＯＸ燃料棒割合を炉心中で１／３以下とすることから、全燃料集合体数が７６４体における炉心構成例では、ＭＯＸ燃料集合体数が６００体（〜７６４／３／０．４２）、ウラン燃料集合体数が１６４体となる。このため、ＭＯＸ燃料集合体ａの新燃料体数を１１２体（〜６００／５．５）、ウラン燃料集合体ｂの新燃料体数を３６体（〜１６０／４．５）とする。
【００３１】
図５は、上記ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体を混在して炉心に装荷した場合の炉心における燃料集合体の配置図であり、４分の１象限のみを示し、他は省略してある。図５において、符号１は炉内滞在１サイクル目の燃料集合体、以下２〜６は、それぞれ炉内滞在サイクル２〜６目の燃料集合体を示す。また、図５に於いて符号を○で囲んだものはウラン燃料集合体であり、その他はＭＯＸ燃料集合体である。
【００３２】
この結果、ＭＯＸ燃料集合体の混在装荷により、ウラン燃料集合体のみで構成された炉心よりも高燃焼度化による経済性の高い炉心が構成される。
【００３３】
図６は、第２の発明に係る燃料集合体の構成を示す図であり、燃料ペレットが燃料物質であるＵＯ_２及びＰｕＯ_２の混合物（ＭＯＸ）にて構成され、核分裂物質である^２３９Ｐｕ、^２４１Ｐｕ及び^２３５Ｕを含んでいる燃料棒ｃ（記号Ｍ）、燃料ペレットが燃料物質であるＵＯ_２（ウラン）のみにて構成され、核分裂物質である^２３５Ｕを含んでいるが、ＰｕＯ_２を含んでいない燃料棒ｄ（無記号）及び燃料ペレットがガドリニア入りウラン燃料ペレットとして、燃料物質であるＵＯ_２及びこれに含有した可燃性毒物であるガドリニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）にて構成される燃料棒ｅ（記号Ｇ）からなる。使用されているガドリニア入りウラン燃料棒（記号Ｇ）の本数は、１２本であり、一部は最外周にも配置されている。ここで燃料棒ｃの本数は１６本であり、ＭＯＸの燃料集合体当りの重金属重量割合は、短尺燃料棒の体積も考慮し、約２３％である。
【００３４】
図６のＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体を混在して炉心に装荷するに際し、ＭＯＸ燃料集合体におけるＰｕ富化度を高めることにより反応度を高め、取出平均燃焼度を５５ＧＷｄ／ｔとし、必要に応じ混在装荷される代替ウラン燃料集合体の取出平均燃焼度を４５ＧＷｄ／ｔとする。サイクル長さを約１３ケ月とし、サイクル当りの増分燃焼度を約１０ＧＷｄ／ｔとすると、ＭＯＸ燃料集合体の平衡炉心取替バッチ数は５．５、ウラン燃料集合体の平衡炉心取替バッチ数は４．５となる。
【００３５】
一方、炉心中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合を１／３以下に制限する１／３ＭＯＸ炉心を前提とした場合、ＭＯＸ燃料棒割合を炉心中で１／３以下とすることから、全燃料集合体数が７６４体における炉心構成例では、ＭＯＸ燃料集合体数が７６４体となり、全ての燃料集合体をＭＯＸ燃料集合体とすることが可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、炉心中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合を１／３以下に制限する１／３ＭＯＸ炉心において、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が１／３より大きい場合には、ＭＯＸ燃料集合体の平均的な取出燃焼度がウラン燃料集合体の平均的な取出燃焼度より大きくすることにより、ＭＯＸ燃料集合体数の低減効果により経済性を良くすることができる。また、ＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料の重金属重量割合が１／３以下の場合には、１つの炉心がＭＯＸ燃料集合体のみで装荷され得ることから、ＭＯＸ燃料集合体の平均的な取出燃焼度を代替ウラン燃料集合体の平均的な取出燃焼度より大きくすることにより、ＭＯＸ燃料集合体数の低減効果により経済性を良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰水型原子炉の燃料集合体を示す構成図。
【図２】沸騰水型原子炉の概略構成を示す平面図。
【図３】本発明の燃料装荷法の原理を示す構成図。
【図４】第１の発明に係る燃料集合体を示す構成図。
【図５】本発明の燃料装荷法の第１の実施例を示す図。
【図６】第２の発明に係る燃料集合体を示す構成図。
【符号の説明】
１１燃料集合体
１２燃料棒
１３水ロッド
１４上部タイプレート
１５下部タイプレート
１６ススペーサ
１７チャンネルボック
１８十字型制御棒
２０短尺燃料棒
ａＭＯＸ燃料集合体（５．５バッチ）
ｂウラン燃料集合体（４．５バッチ）
ｃＭＯＸ燃料棒
ｄウラン燃料棒
ｅＧｄ入りウラン燃料棒

Claims

複数の燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列したＭＯＸ燃料を含むＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料のみからなるウラン燃料集合体が混在してなる原子炉の燃料装荷方法において、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃料の燃料集合体全体に対する重金属重量割合を１／３より大きくするるとともに、ＭＯＸ燃料集合体の平均的な取出燃焼度をウラン燃料集合体の平均的な取出燃焼度より大きくすることを特徴とする原子炉の燃料装荷方法。
複数の燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列したＭＯＸ燃料を含むＭＯＸ燃料集合体からなる原子炉の燃料装荷方法において、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃料の燃料集合体全体に対する重金属重量割合を１／３以下とするとともに、ＭＯＸ燃料集合体の平均的な取出燃焼度を代替ウラン燃料集合体の平均的な取出燃焼度より大きくすることを特徴とする原子炉の燃料装荷方法。