JP2005091149A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料集合体に装荷される核燃料物質量の減少を招くことなく、良好な核特性を有し、経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供すること。
【解決手段】 沸騰水型原子炉用の混合酸化物燃料集合体１１ｂは、ウラン酸化物燃料棒１ａと混合酸化物燃料棒１ｂとを有する。ウラン酸化物燃料棒１ａは、ウラン酸化物からなるウラン酸化物ペレット１５ａを第１の被覆管６ａに装填してなる。混合酸化物燃料棒１ｂは、ウラン酸化物とプルトニウム酸化物との混合物からなる混合酸化物ペレット１５ｂを第２の被覆管６ｂに装填してなる。第２の被覆管６ｂの外径は第１の被覆管６ａの外径より小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は沸騰水型原子炉で用いられる、混合酸化物燃料棒を含む燃料集合体に関する。

従来の技術を図４から図７を用いて説明する。図４は、燃料集合体の外観図である。図５は、燃料集合体を構成する燃料棒の外観図である。図６は、燃料棒の横断面図である。また、図７は、燃料棒の燃料集合体への配置を示す横断面図である。
沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体１１１は、図４に示すように、多数の燃料棒１０１、これを結束する複数のスペーサ１２、燃料棒１０１を上下方向に支持する上部タイプレート１３ａおよび下部タイプレート１３ｂ、燃料棒１０１の周囲を包囲するチャンネルボックス１４等から形成されている。燃料集合体１１１は多数個、原子炉圧力容器内（図示せず）の所定位置に装荷され、炉心を構成している。

従来、核燃料物質としては、天然ウランを濃縮して得られる濃縮ウランが用いられてきたが、近年では、核燃料リサイクルを図るため、濃縮ウランに加えて、核燃料再処理によって得られたプルトニウムを軽水炉の核燃料物質として用いることが計画されている。すなわち、従来は、ウラン酸化物燃料棒１０１ａだけで構成されたウラン酸化物燃料集合体１１１ａを燃料集合体として使用していたが、これに代えて、ウラン酸化物燃料棒１０１ａと混合酸化物燃料棒１０１ｂとを混合して構成される混合酸化物燃料集合体１１１ｂを燃料集合体として使用しようとするもので、このような燃料をＭＯＸ燃料という。ここで、混合酸化物燃料棒１０１ｂとは、ウラン酸化物、プルトニウム酸化物を混合した材料より構成される燃料棒である。炉心は、ウラン酸化物燃料集合体１１１ａと混合酸化物燃料集合体１１１ｂとを適宜混在させて、または、混合酸化物燃料集合体１１１ｂのみで構成される。

燃料棒１０１の一般的な構造を図５および図６を用いて説明する。図５および図６は、ウラン酸化物燃料棒１０１ａを代表として記載しているが、混合酸化物燃料棒１０１ｂでも同様である。濃縮ウランを用いる場合には、ウラン酸化物の形態で焼結されたウラン酸化物ペレット１１５ａを被覆管１０６の中に多数個装填し、一端をプレナムスプリング１７で押さえ、被覆管１０６の両端を上部端栓１８および下部端栓１９で密封して、ウラン酸化物燃料棒１０１ａを構成する。プルトニウムを用いる場合には、プルトニウム酸化物とウラン酸化物の混合物を焼結した混合酸化物ペレット１１５ｂを被覆管１０６の中に多数個装填し、同様に、一端をプレナムスプリング１７で押さえ、被覆管１０６の両端を上部端栓１８および下部端栓１９で密封して、混合酸化物燃料棒１０１ｂを構成する。すなわち、ウラン酸化物燃料棒１０１ａと混合酸化物燃料棒１０１ｂとは、ペレットの種類が異なるほかは同一の構造である。

図６はウラン酸化物燃料棒１０１ａの横断面図を示す。ウラン酸化物燃料棒１０１ａの最外周部には、ジルコニウム合金からなる中空の被覆管１０６が設けられ、被覆管１０６の内周部は純ジルコニウムの内張り１６１となっている。被覆管１０６の中空部には、ウラン酸化物の形態で焼結されたウラン酸化物ペレット１１５ａが多数装填され、ウラン酸化物ペレット１１５ａと内張り１６１との間には間隙１０７が設けられている。以上の構成は、混合酸化物燃料棒１０１ｂにおいても同様である。

混合酸化物燃料集合体１１１ｂにおいては、複数のウラン酸化物燃料棒１０１ａおよび混合酸化物燃料棒１０１ｂが、チャンネルボックス１４の内部に正方格子状に適宜分布して配列される。図７は８行×８列の場合を例示しているが、７行×７列、９行×９列等、他の正方格子であってもかまわない。また、燃料棒の一部はウォータロッド４で置換される場合があるが、この点は後述する。

次に、混合酸化物燃料集合体１１１ｂの炉心内部での挙動を説明する。混合酸化物燃料集合体１１１ｂが炉心に装荷され原子炉が起動すると、ウラン酸化物燃料棒１０１ａおよび混合酸化物燃料棒１０１ｂの周囲を、通常の軽水である冷却水が流れ、除熱および中性子の減速を行う。混合酸化物燃料集合体１１１ｂでは、核分裂性物質である239Ｐｕおよび241Ｐｕの熱中性子吸収断面積が、同じく核分裂性物質である235Ｕより大きいこと、および239Ｐｕによる中性子共鳴吸収が235Ｕより大きいことに起因して、ウラン酸化物燃料棒１０１ａのみから構成されるウラン酸化物燃料集合体１１１ａとに比べ、中性子束の分布がよりエネルギーのより高い方へとシフトする（ウラン酸化物燃料集合体１１１ａの場合に比べ中性子スペクトルが硬くなる。）。この結果、混合酸化物燃料集合体１１１ｂではウラン酸化物燃料集合体１１１ａと比較して、核分裂反応に必要な熱中性子が十分に供給されなくなり、中性子減速効果および反応度利得が低下し、また、ボイド係数絶対値の増加や、制御棒価値の低下による炉停止余裕が減少する。すなわち、核特性が悪化することになる。

このような核特性を改善するためには、混合酸化物燃料集合体１１１ｂの水対燃料比（中性子減速材である水素と、プルトニウムやウランなどの核燃料物質（重金属）との原子数の比）が高くなるようにすればよい。その理由は、水の比率が増加すれば中性子減速材である水素が増加し、核反応に必要な熱中性子がより効率よく供給されるからである。このため、混合酸化物燃料集合体１１１ｂの内部にウォータロッド４を設ける技術が開発されている。ウォータロッド４の内部は空洞となっており、冷却水が通過するため、相対的な水の重量比が増加し、水対燃料比が改善される。また、一般にチャンネルボックス１４の外側は冷却水が非沸騰状態で水密度が大きいため、混合酸化物燃料集合体１１１ｂの外周部に配置された（すなわちチャンネルボックス１４に近い）ウラン酸化物燃料棒１０１ａおよび混合酸化物燃料棒１０１ｂは、水対燃料比が大きく取れる。一方、混合酸化物燃料集合体１１１ｂの内部は、沸騰状態で蒸気泡（ボイド）を含んだ二相流状態となっており、水密度が小さいため、混合酸化物燃料集合体１１１ｂの中心付近にあるウラン酸化物燃料棒１０１ａおよび混合酸化物燃料棒１０１ｂは、水対燃料比が確保しづらい傾向にある。このため、ウォータロッド４は混合酸化物燃料集合体１１１ｂの中心付近に配置される。

最近では、ＭＯＸ燃料を採用した場合の核特性改善のため、混合酸化物燃料集合体１１１ｂを用いた場合の出力運転時の水素対重金属原子数比が、同じ反応度寿命を有するウラン燃料集合体１１１ａよりも５％ないし１５％増となるよう、ウォータロッド４の本数または径をさらに増加させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第２６１０２５４号明細書

近年、原子炉の連続運転期間の延長、燃料資源の有効活用や、燃料サイクルコスト等の経済性の向上が要請されており、そのために、燃料の高燃焼度化が図られる傾向にある。そして、燃料集合体の高燃焼度化のためには核燃料物質の装荷量、すなわち燃料濃縮度を高くすることが望ましい。しかしながら、ウォータロッドを配置するとその分核燃料物質の量が減少することになる。混合酸化物燃料集合体においては、ウラン燃料集合体に存在していた燃料棒の一部がさらにウォータロッドに置き換えられるため、装荷される核燃料物質の量が減少し、高燃焼度燃料の設計にはますます適さない。

また、燃料濃縮度を高くすると、余剰反応度が大きくなるため、その抑制のため中性子毒素を含入することが一般的である。しかし、中性子毒素は熱中性子に対する吸収断面積が大きい（すなわち中性子吸収効果が大きい）ことから、中性子スペクトルが軟らかいほど中性子吸収効果が大きくなり、中性子スペクトルが硬いほど中性子吸収効果は小さくなる。上述のように、混合酸化物燃料集合体ではウラン酸化物燃料集合体と比較して中性子スペクトルが硬く、中性子吸収効果が相対的に悪化するため、余剰反応度を抑えるにはウラン酸化物燃料集合体よりも多くの中性子毒素を添加することが必要となり、結果として燃料濃縮度を十分に高くすることはできなくなる。

このように、ＭＯＸ燃料を採用した場合には、従来のウラン酸化物燃料を用いた場合と比べて、燃料濃縮度を高める上での制約が大きいという課題があった。

本発明の目的は、良好な核特性を確保しつつ、燃料集合体に装荷される核燃料物質量の減少を招くことのない、経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料集合体は、沸騰水型原子炉用の燃料集合体であって、ウラン酸化物からなるウラン酸化物ペレットを第１の被覆管に装填してなるウラン酸化物燃料棒と、ウラン酸化物とプルトニウム酸化物との混合物からなる混合酸化物ペレットを第２の被覆管に装填してなる混合酸化物燃料棒とを有し、第２の被覆管の外径が第１の被覆管の外径より小さいことを特徴としている。これにより、余分なウォータロッドを設けることなく、混合酸化物燃料棒の周辺の水対燃料比を改善することができ、良好な核特性を確保することができる。その結果、燃料集合体の核燃料物質量の減少を招くことなく、高燃焼度燃料設計に適合しやすい燃料集合体を提供することができる。

本発明は、ウラン酸化物ペレットの外径と、混合酸化物ペレットの外径とを略同一となるよう構成することができる。このため、混合酸化物燃料棒の核燃料物質量の減少を招くことなく、高燃焼度燃料設計に適合しやすくなるとともに、製造設備の共用や設計の共通化を図りやすくなる。

本発明は、第２の被覆管の肉厚が、第１の被覆管の肉厚よりも小さくすることができる。これにより、混合酸化物燃料棒の外径をウラン酸化物燃料棒の外径よりも小さくすることができ、混合酸化物燃料集合体に装荷される核燃料物質量を減らすことなく、燃料集合体内の水対燃料比を高くして、良好な核特性を有する混合酸化物燃料集合体を提供することができる。

本発明は、第２の被覆管と混合酸化物ペレットとの間にある間隙が、第１の被覆管とウラン酸化物ペレットとの間にある間隙よりも小さくすることができる。これにより、混合酸化物燃料棒の外径をウラン酸化物燃料棒の外径よりも小さくすることができ、混合酸化物燃料集合体に装荷される核燃料物質量を減らすことなく、燃料集合体内の水対燃料比を高くして、良好な核特性を有する混合酸化物燃料集合体を提供することができる。

以上のように、本発明によれば、混合酸化物燃料棒の外径をウラン酸化物燃料棒の外径より小さくすることにより、混合酸化物燃料棒周辺の水対燃料比を改善することができ、燃料集合体に装荷される核燃料物質量の減少を招くことなく、良好な核特性を有し、経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。図１は本発明による混合酸化物燃料集合体１１ｂの横断面図を示す。混合酸化物燃料集合体１１ｂの外周は、ジルコニウム合金より製造され、四隅を滑らかな形状とした角筒状のチャンネルボックス１４より形成されている。チャンネルボックス１４の内側には、円筒状の混合酸化物燃料棒１ｂと円筒状のウラン酸化物燃料棒１ａが、８行×８列の正方格子状に混在配置されている。燃料棒の配置は９行×９列など他の形式でも可能である。チャンネルボックス１４の中心部には円筒状のウォータロッド４が配置され、運転中にはその内部を冷却水が流れる構造になっている。ウォータロッド４の個数、形状および位置は、図１の実施形態に限定されるものではなく、例えば中央付近に２分割して設置するなど適宜変更可能である。混合酸化物燃料棒１ｂの外側に示してある破線は、ウラン酸化物燃料棒１ａの外径であり、混合酸化物燃料棒１ｂの外径がウラン酸化物燃料棒１ａの外径より小さくなっていることを示すために、説明上挿入したものである。

図２（ａ）はウラン酸化物燃料棒１ａの横断面を、図２（ｂ）は混合酸化物燃料棒１ｂの横断面を示す。ウラン酸化物燃料棒１ａの最外周部には、ジルコニウム合金からなる中空の第１の被覆管６ａが設けられている。混合酸化物燃料棒１ｂの最外周部には、ジルコニウム合金からなる中空の第２の被覆管６ｂが設けられている。第１の被覆管６ａの内周部は純ジルコニウムの内張り６１ａとなっており、内張り６１ａを除いた第１の被覆管６ａの厚さと第２の被覆管６ｂの厚さとは同一である。混合酸化物燃料棒１ｂには、このような内張りは設けられていない。第１の被覆管６ａの中空部には、ウラン酸化物の形態で焼結されたウラン酸化物ペレット１５ａが多数装填されている。また、第２の被覆管６ｂの中空部には、プルトニウム酸化物とウラン酸化物の混合物を焼結した混合酸化物ペレット１５ｂが同様に装填されている。ウラン酸化物ペレット１５ａと混合酸化物ペレット１５ｂの外径は同じである。また、ウラン酸化物ペレット１５ａと内張り６１ａとの間には間隙７ａが設けられている。同様に、混合酸化物ペレット１５ｂと第２の被覆管６ｂとの間には間隙７ｂが設けられている。本実施形態では、間隙７ａの幅と間隙７ｂの幅は同一寸法である。

上記のように、混合酸化物燃料棒１ｂでは純ジルコニウムの内張り６１を廃止しているので、第２の被覆管６ｂの肉厚は第１の被覆管６ａよりも薄くなっており、これに伴い、混合酸化物燃料棒１ｂの外径（すなわち第２の被覆管６ｂの外径）は、ウラン酸化物燃料棒１ａの外径よりも小さくなっている。本実施形態では、内張り６１ａは厚さ約０．１ｍｍ、ウラン酸化物燃料棒１ａの外径は約１２．３ｍｍである。また、混合酸化物燃料棒１ｂの外径は約１２．１ｍｍである。

以上から分かるとおり、本実施形態と従来技術との違いは混合酸化物燃料棒１ｂの違いにあり、ウラン酸化物燃料棒１ａは従来技術と同一である。また、混合酸化物燃料棒１ｂのその他の構成は従来技術と同様であり、図５に示すように、一端をプレナムスプリング１７で押さえ、被覆管１６の両端を上部端栓１８、下部端栓１９で密封して構成される点も従来技術と同様である。

ここで、混合酸化物燃料棒１ｂにおいて、内張りを不要とすることができる理由を説明する。一般に燃料棒設計では、次のような配慮を行っている。炉心に装荷された酸化物ペレットは、照射の影響および発熱に伴う温度上昇の影響により、熱膨張、スエリングが生じて体積が膨張する。膨張したペレットが、それらが装填された被覆管を内側から押し、被覆管に過度な引張応力が発生すると、被覆管の健全性に悪影響を及ぼす可能性があるため、燃料集合体の使用末期においても過度な応力が発生しないように、被覆管の肉厚および被覆管とペレットの初期の間隙を適切に設定している。そして、それだけでなく、ジルコニウム合金製の被覆管の内壁に、ジルコニウム合金より強度が低い純ジルコニウムを内張りすることにより、燃料ペレットが被覆管を内側から押しても、純ジルコニウムが変形して応力を緩和するようにしている。

このように、ペレットは核分裂反応の進展とともに熱膨張、スエリングといった体積膨張が発生するが、一方膨張したペレットが被覆管の内壁に接触し、被覆管を押し広げようとすると、その反力によりペレットには圧縮応力が働き、ペレットはクリープ変形して応力が緩和される。このクリープ変形特性に関して、混合酸化物ペレット１５ｂはウラン酸化物ペレット１５ａに比較してクリープ変形量が大きい。クリープ変形が大きければ、混合酸化物ペレット１５ｂが膨張して第２の被覆管６ｂの内壁に接触し、第２の被覆管６ｂを押し広げようとしても、混合酸化物ペレット１５ｂのクリープ変形により、応力が緩和されるため、第２の被覆管６ｂに発生する引張応力は小さくなる。従って、混合酸化物燃料棒１ｂでは、従来のウラン酸化物燃料棒１ａで必要とされていた内張り６１を不要とすることが可能となるのである。

本実施形態による混合酸化物燃料集合体１１ｂの反応度利得は、混合酸化物燃料棒１ｂの外径がウラン酸化物燃料棒１ａの外径と等しい従来の混合酸化物燃料集合体と比べて、０．２％Δｋ向上することが確認された。その理由は、混合酸化物燃料棒１ｂの内部の水体積が増え、水対燃料比が改善されたことにある。このため、本実施形態による混合酸化物燃料集合体１１ｂは、従来の混合酸化物燃料集合体と比較して、より高燃焼度まで、あるいは同一燃焼度であればより低いプルトニウム富化度で設計することが可能となり、燃料の経済性が向上する。また本実施形態では、第２の被覆管６ｂの純ジルコニウム製の内張りを廃止したため、第２の被覆管６ｂの構造が単純になり、安価で簡便に被覆管を製造することが可能になる。

図３は本発明の第２の実施形態であり、図３（ａ）はウラン酸化物燃料棒１ａの横断面を、図３（ｂ）は混合酸化物燃料棒１ｃの横断面を示す。なお、本実施形態においては、燃料集合体内における燃料棒の配置は図１と同様であり、またウラン酸化物燃料棒の横断面は第１の実施形態と同様である。したがって、以下では混合酸化物燃料棒１ｃの構成を中心に説明する。

混合酸化物ペレット１５ｃは第１の実施形態と同様であり、その外径はウラン酸化物ペレット１５ａの外径と同じである。本実施形態では、第２の被覆管６ｃは内張り６１ｃを有している。内張り６１ｃの厚さは内張り６１ａと同じである。一方、混合酸化物ペレット１５ｃと内張り６１ｃとの間の間隙７ｃは、ウラン酸化物ペレット１５ａと内張り６１ａとの間の間隙７ａより狭くなっている。その理由は、第１の実施形態で説明したとおり、混合酸化物ペレット１５ｃはウラン酸化物ペレット１５ａに比較してクリープ変形量が大きいことから、間隙７ｃが小さくても、混合酸化物ペレット１５ｃのクリープ変形により、第２の被覆管６ｃの引張応力が緩和されるためである。以上のように構成することで、混合酸化物燃料棒１ｃの外径をウラン酸化物燃料棒１ａの外径より小さくすることができ、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されることはなく、被覆管の健全性が確保されることを条件に、例えば第１の実施形態と第２の実施形態を組み合わせた実施形態、すなわち、混合酸化物燃料棒において内張りを削除し、かつ間隙を狭めるような実施形態も可能である。また、被覆管自体の肉厚をさらに減少させることも可能である。

本発明の第１の実施形態による燃料集合体の横断面図である。 図１に示す燃料集合体の、ウラン酸化物燃料棒および混合酸化物燃料棒の横断面図である。 本発明の第２の実施形態による、ウラン酸化物燃料棒および混合酸化物燃料棒の横断面図である。 従来の燃料集合体の外観図である。 従来の燃料棒の外観図である。 従来の燃料棒の横断面図である。 従来の燃料棒の燃料集合体への配置を示す横断面図である。

符号の説明

１ａ ウラン酸化物燃料棒
１ｂ 混合酸化物燃料棒
４ ウォータロッド
６ａ 第１の被覆管
６ｂ、６ｃ 第２の被覆管
７ａ、７ｂ、７ｃ 間隙
１１ｂ 混合酸化物燃料集合体
１２ スペーサ
１３ａ 上部タイプレート
１３ｂ 下部タイプレート
１４ チャンネルボックス
１５ａ ウラン酸化物ペレット
１５ｂ、１５ｃ 混合酸化物ペレット
１７ プレナムスプリング
１８ 上部端栓
１９ 下部端栓
６１ａ、６１ｃ 内張り

Claims (4)

1. 沸騰水型原子炉用の燃料集合体であって、
   ウラン酸化物からなるウラン酸化物ペレットを第１の被覆管に装填してなるウラン酸化物燃料棒と、
   ウラン酸化物とプルトニウム酸化物との混合物からなる混合酸化物ペレットを第２の被覆管に装填してなる混合酸化物燃料棒とを有し、
   前記第２の被覆管の外径が前記第１の被覆管の外径より小さい燃料集合体。
2. 前記ウラン酸化物ペレットの外径と、前記混合酸化物ペレットの外径とが略同一である、請求項１に記載の燃料集合体。
3. 前記第２の被覆管の肉厚が、前記第１の被覆管の肉厚よりも小さい、請求項１または２に記載の燃料集合体。
4. 前記第２の被覆管と前記混合酸化物ペレットとの間にある間隙が、前記第１の被覆管とウラン酸化物ペレットとの間にある間隙よりも小さい、請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料集合体。

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