JP2006194588A

JP2006194588A - 短半減期核種燃焼用原子力核燃料集合体

Info

Publication number: JP2006194588A
Application number: JP2005003290A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Shirakawa; 白川利久
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】短半減期核分裂性物質が自然に崩壊する前に核分裂する割合を高くすることにより、燃焼効率を向上させる。
【解決手段】従来の１０分の１の長さの反射体付き細短核燃料棒１３１を多数本配列してなる高出力密度核燃料集合体により、最大線出力密度を維持したまま、従来の沸騰水型原子炉の約10倍の出力密度で燃焼させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、沸騰水型原子炉に装荷せる核燃料集合体に関する。

図１は従来の核燃料棒（３１）の概観図である。ジルカロイ製の被覆管（４１）と、この被覆管（４１）の上下開口端を気密閉塞する上部端栓（４２）及び下部端栓（４３）と、被覆管（４１）内に長さ約370cmに装填される多数個の核燃料ペレット（４４）と、気体の核分裂生成物を蓄積する上部プレナム（４８）の中のスプリング（４５）とから構成されている。核燃料ペレット（４４）は核分裂し易いウラン２３５を濃縮した濃縮ウラニウムの酸化物からなる。
図２は沸騰水型原子炉に装荷せる核燃料物質を内包する従来の核燃料集合体（３０）の概略斜視図である（特許文献1）。核燃料集合体（３０）は、多数本正方格子状に配列された核燃料物質を内封している円柱形状の核燃料棒（３１）と、それ等の上端及び下端を夫々支持する上側結合板（３２）及び下側結合板（３３）と、前記核燃料棒（３１）の高さ途中に位置して核燃料棒（３１）間の間隔を規制する数個のスペーサ（３４）と、これ等を４面で覆う断面の１辺が約14cmのチャンネルボックス（３５）とから構成される。下部端栓（４３）は下側結合板（３３）に開けられた下部端栓差込口（４６）に差し込まれ核燃料棒（３１）の平面位置の固定と重量の支持をする。冷却材は下側結合板（３３）に開けられた冷却材流入口（４７）から流入してくる。核燃料集合体（３０）の移動は上側結合板（３２）に固定された上部トッテ（３６）をクレーン等で吊り下げる。
上部端栓（４２）は上側結合板（３２）の穴に差し込まれ平面位置が固定されている。下側結合板（３３）と上側結合板（３２）は核燃料棒（３１）の内の数本により結合されている。
スペーサ（３４）が位置していない高さでの核燃料集合体（３０）の断面図を図３に示した。核燃料棒（３１）同士は上述のスペーサ（３４）により間隙が確保されている。
：昭61-37591、「核燃料集合体」。

近年、プルトニウムやマイナーアクチニドを経済的に燃焼させることが重要になりだした。燃焼の過程で、寿命は短いが熱中性子に対する核分裂断面積が非常に大きい短半減期核分裂性物質が多く生成される。プルトニウム２４１、ネプツニウム２３６、ネプツニウム２３８、アメリシウム２４２、アメリシウム２４４等である。
出力密度が約50kw/lである現行沸騰水型原子炉で燃焼させると、これ等短半減期核分裂性物質は核分裂することなく自然に消滅してしまう。もし、出力密度が1桁程度高くなれば自然に消滅する前に核分裂して有効な発熱源となる。

冷却材が水である沸騰水型原子炉において、短半減期核分裂性物質を効率的に燃焼させるために、核燃料棒（３１）の有効長さを現行の約370cmから10分の１の約37cmにして、出力密度を現行の約50kw/lから約500kw/lにした。単位長さ当たりの最大線出力密度は現行の約570w/cmに維持するために核燃料棒（３１）直径を細くして単位断面積当たりに装荷せる本数を約10倍にした。

最大線出力密度が現行の約570w/cmに維持できたため安全性を損なうことなく出力密度を現行の約10倍の約500kw/lにできたため短半減期核分裂性物質を有効に核分裂させることができる。
出力密度が現行の約50kw/l程度であると短半減期核分裂性物質が核分裂することなく自然崩壊しプルトニウム２４２、ネプツニウム２３７、アメリシウム２４３といった長半減期放射性物質として残り処分費用の増大となるが、出力密度が現行の約１０倍になるとこれ等長半減期放射性物質が少なくなり処分費用が低減されるため発電コストの上昇を抑制することができる。
核燃料棒（３１）の有効長さが約37cmと極端に短くなったためスペーサ（３４）を無くすことができ、核燃料棒（３１）表面の水膜を乱すものがなくなるため冷却水流れが滑らかになり除熱が向上する。更に、スペーサ（３４）が無いことにより流動抵抗が減少するため循環ポンプ停止事故が生じた場合急速な流量低下がなくなるため核燃料棒（３１）からの除熱不十分による核燃料棒（３１）破損を低減できる。削除できたスペーサの分コスト低減もできる。その他、制御棒長さも短くなり制御棒の製造コスト低減に役立つ。また、原子炉圧力容器や原子炉格納容器の高さを極端に低くした新規原子炉を作れば原子力発電コストの大幅な低減になる。

発電コストが安く、安全性の高い核燃料集合体が提供できた。

図４は本発明の反射体付き細短核燃料棒（１３１）の概観図である。細い核燃料ペレット（４４）を被覆管（４１）に長さ約37cm程度積み重ねる。核燃料ペレット（４４）の上端にはペレット延代（１４５）としての空隙があり、その上に斜中空反射体（１５０）が反射体吊棒（１５２）により吊り下げられている。斜中空反射体（１５０）の高さ位置は積層上部結合反射板（１６０）と同じとする。核分裂で生成された気体を蓄積するための上部プレナム（４８）の空隙がある。核分裂で生成された気体は斜中空（１５１）を通って上部プレナム（４８）に達する。核分裂で生成された気体は上部密封蓋（１４８）により密封されている。下端は長尺下部端栓（１４３）により密封されている。長尺下部端栓（１４３）は積層下部結合反射板（１６１）に差し込まれている。スペーサ（３４）は削除した。反射体付き細短核燃料棒（１３１）の全長は約60cm程度である。
図５は本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）の断面図である。短尺チャンネルボックス（１３５）は反射体付き細短核燃料棒（１３１）とほぼ同じ高さであり、対面長さは現行沸騰水型原子炉に装荷できるように15cm以下とする。この中に、長さ約60cmで直径約0.55cmの反射体付き細短核燃料棒（１３１）を４４１本内蔵している。直径を0.4cm程度に小さくすれば１０００本以上装荷でき、最大線出力密度を維持したまま出力密度を従来の20倍にすることができる。そのとき、核燃料棒の実効部長さは約18cmと非常に短いものとなる。水冷却材通路（５１）には中性子減速効果の大きい水が流れている。図６は本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）の概略斜視図である。図中の破線は核燃料棒配列が７×７から２１×２１に増えたことに対応して中間部の核燃料棒配列描写を省略したことを示す。
図７は従来の核燃料集合体（３０）の縦断面模式図であり、図８は本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）の縦断面模式図である。図中の矢印は水冷却材の流れ方向を示す。
本発明の短い反射体付き細短核燃料棒（１３１）の上下端から中性子が漏洩してしまうのを抑制するため斜中空反射体（１５０）を設けた。積層上部結合反射板（１６０）も本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）の上端から中性子が漏洩してしまうのを抑制するためである。積層下部結合反射板（１６１）も本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）の下端から中性子が漏洩してしまうのを抑制するためである。上記各種反射体により反射体付き細短核燃料棒（１３１）の上下端に近い部分の中性子密度が極端に下がることがなく出力分布が平坦になり最大線出力密度は平均線出力密度にほぼ近い値となる。
本発明の反射体付き細短核燃料棒（１３１）は短いためスペーサ（３４）を削除しても
積層上部結合反射板（１６０）と積層下部結合反射板（１６１）により反射体付き細短核燃料棒（１３１）同士は間隙を保持することができる。
斜中空反射体（１５０）に斜中空（１５１）を開けたのは、核分裂で発生した気体が上部プレナム（４８）に通過していけるようにするための穴である。斜め方向に開けたのは、炉心から中性子が漏洩するのを妨げるためである。
水冷却材通路（５１）の水は良好な中性子減速材であるから、短半減期核分裂性物質は速やかに核分裂をするため、自然に崩壊して長半減期放射性物質になる割合が少なくなる。
上記反射材としてはステンレス、ジルコニウム、ジルコニウム合金、炭素、炭化ジルコニウム、炭化珪素がある。反射体付き細短核燃料棒（１３１）の上下端から漏洩しようとした中性子は前記反射材により反射されて核燃料ペレット（４４）と反応し核分裂を起こさせる。したがって、反射体付き細短核燃料棒（１３１）の上下端部の核燃料ペレット（４４）も高さ方向中央部の核燃料ペレット（４４）同様に核分裂による大きな出力が得られる。核燃料ペレット（４４）として、濃縮ウラニウムの酸化物の代わりに、ウラニウムとプルトニウムやネプツニウムやアメリシウムの混合酸化物を用いればより一層の効果がえられる。
従来の原子炉に本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）を装荷するためには、上部格子板を薄くして、かつ、取り付け高さを下げるとか、短尺チャンネルボックス（１３５）の制御棒と反対側の面を従来の上部格子板の高さまで延長すればよい。

図９は本発明の反射体端栓細短核燃料棒（１３２）の断面図である。被覆管（４１）上端の上に被覆管（４１）直径よりも細い中空上部密封栓（１４９）を溶接する。中空上部密封栓（１４９）の下端は斜中空（１５１）が開いている斜中空反射体（１５０）となっている。溶接線（２００）は積層上部結合反射板（１６０）よりも下である。被覆管（４１）の熱膨張による延びを考慮して被覆管延代（１４６）があいている。
本実施例は、中空上部密封栓（１４９）が被覆管（４１）直径よりも細いため積層上部結合反射板（１６０）に十分な強度を持たせることができる。

近年、余剰プルトニウムの燃焼消滅が喫緊の課題となっている。短半減期核分裂性物質を有効に核分裂燃焼させ、かつ、長半減期放射性物質を減少させることができる本発明により、発電コストが下がるだけでなく、貯蔵し難いプルトニウムや長半減期放射性物質が燃焼により減っていくため貯蔵費用削減となる。混合酸化物を燃料とすれば高価な濃縮ウランが不要になる。
従来の原子炉に装荷し易い核燃料集合体である。スペーサ（３４）の削除や被覆管の短尺化やチャンネルボックスの短尺化は製造コストの低下となる。

従来の核燃料棒（３１）の概観図。従来の核燃料集合体（３０）の概略斜視図。従来の核燃料集合体（３０）におけるスペーサ（３４）が位置していない高さでの断面図。本発明の反射体付き細短核燃料棒（１３１）の概観図。本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）の断面図。本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）の概略斜視図。従来の核燃料集合体（３０）の縦断面模式図。本発明の高出力密度核燃料集合体（１３０）の縦断面模式図。本発明の反射体端栓細短核燃料棒（１３２）の断面図。

符号の説明

３０は従来の核燃料集合体。
３１は核燃料棒。
３２は上側結合板。
３３は下側結合板。
３４はスペーサ。
３５はチャンネルボックス。
３６は上部トッテ。
４１は被覆管。
４２は上部端栓。
４３は下部端栓。
４４は核燃料ペレット。
４５はスプリング。
４６は下部端栓差込口。
４７は冷却材流入口。
４８は上部プレナム。
５１は水冷却材通路。
１３０は高出力密度核燃料集合体。
１３１は反射体付き細短核燃料棒。
１３２は反射体端栓細短核燃料棒。
１３５は短尺チャンネルボックス。
１４３は長尺下部端栓。
１４５はペレット延代。
１４６は被覆管延代。
１４８は上部密封蓋。
１４９は中空上部密封栓。
１５０は斜中空反射体。
１５１は斜中空。
１５２は反射体吊棒。
１６０は積層上部結合反射板。
１６１は積層下部結合反射板。
２００は溶接線。

Claims

核燃料ペレット（４４）を被覆管（４１）に長さ40cm以下に積み重ね、核燃料ペレット（４４）の上端にペレット延代（１４５）を設け、その上に斜中空（１５１）部のある斜中空反射体（１５０）を設け、上部密封蓋（１４８）と長尺下部端栓（１４３）により密封されている反射体付き細短核燃料棒（１３１）を断面の１辺が15cm以下の短尺チャンネルボックス（１３５）の中に４００本以上を積層上部結合反射板（１６０）と積層下部結合反射板（１６１）とにより集合構成せしめたことを特長とする沸騰水型原子炉に装荷せるスペーサ（３４）無しの高出力密度核燃料集合体（１３０）。