JP2007017160A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料、ＭＯＸ燃料の燃料集合体において、各燃料棒の燃焼度の分布が平坦となるようにする。
【解決手段】初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料またはＭＯＸ燃料の燃料集合体であって、水平断面が正方形の燃料集合体を２つの直角２等辺三角形に分割したときに、最大４本の例外を除きＢＰクラスタを一方の側の直角２等辺三角形内または該三角形内とその斜辺にのみ配置していることを特徴とする燃料集合体。初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料またはＭＯＸ燃料の燃料集合体であって、水平断面が正方形の燃料集合体を２つの直角２等辺三角形に分割したときに、ＢＰクラスタを一方の側の直角２等辺三角形内または該三角形内とその斜辺にのみ配置していることを特徴とする燃料集合体。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料集合体に関し、特に初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料あるいはＭＯＸ燃料を使用した炉心用の燃料に合せて可燃性毒物棒の配置を偏らせた加圧水型原子炉用の燃料集合体に関する。

加圧水型軽水炉（以下、原則として「ＰＷＲ」と記す）を含む軽水炉においては、化石燃料を使用するボイラや内燃機関と異なり、以下のような特徴がある。
原子炉を停止し、圧力容器を開放しない限り燃料交換ができない。
装荷される炉心内の位置によって燃焼度が異なる。例えば、中性子が外部に漏れにくい炉心中央部ほど燃焼が激しい（厳密には、燃焼ではなく核分裂であるが、慣行に従い「燃焼」と記す）。
新しく装荷された燃料やウランの濃縮度が高い燃料ほど燃焼が激しい。

これらのため、軽水炉においては、安全の確保と燃料の適切な燃焼のため、以下のような工夫が凝らされている。
燃焼の激しい新燃料が過度の速度で燃焼することを抑制し、併せて炉内の中性子分布の平坦化及び減速材温度係数を負に保つため、中性子を吸収する物質（バーナブルポイズン。以下、「可燃性毒物」あるいは「ＢＰ」と記す）を新燃料やその近辺等に配置する。
炉心に装荷する燃料を３ないし４のバッチ（グループ）に分け、各サイクル運転の終了後燃焼の済んだバッチの燃料を取出し、これに替えて新しいバッチの新燃料を装荷し、さらに引続き次のサイクルでも継続して燃やす燃料の炉心内での配置換え（シャッフリング）を行う。

燃焼済みの燃料を取出し、これに換えて新燃料を装荷する際に行う炉内での新燃料の配置や、シャッフリングにおける継続して燃やす燃料の配置は、燃焼の激しい新燃料等は炉心の外周側かつ相互に離して配置し、燃焼の進んだ燃料を炉心の内部側に配置する。
炉心内の中性子分布を可能な限り平坦化するため、燃料の配置は極力いわゆる１／４対称性を保持するようにする。
但し、以上の各事項はあくまでも原則であり、個々には例外がある。

次に、現実の原子炉における新燃料の装荷、シャッフリング、燃焼済みの燃料の取出し等の燃料の取扱いは、多数のペレット状の燃料を積み重ねて充填した燃料棒とシンブル管とをさらに例えば１７×１７の行列状に配置して組立てた燃料集合体を単位として行われる。
なお、シンブル管には多数の制御棒案内シンブル管と１本の炉内計装用案内シンブル管があり、ＢＰは各燃料集合体毎に所定位置の制御棒案内シンブル管内に装荷される（以下、制御棒案内シンブル管に装荷された複数のＢＰをまとめて「ＢＰクラスタ」と記す）。

この配置の様子を、図１に示す。図１は、代表的な３ループのＰＷＲ用の、いわゆる１７×１７配列の３富化度仕様のＭＯＸ燃料集合体において、各種構成要素がどの様に配置されているかを概念的に示す水平断面図である。図１において、何も記載がない正方形は第１種の燃料棒であり、「・」と「○」は各々第２種と第３種の燃料棒であり、これらは燃料集合体内の各燃料棒の出力を平坦化するため核分裂性物質の含有量が相違するものである。また、ＢはＢＰクラスタであり、×は中央の１個が炉内計装用案内シンブル管であり、その他は空の制御棒案内シンブル管である。
なおここで、２０本のＢＰクラスタと５本のシンブル管が燃料集合体の内部寄り側でほぼ対称かつ均等に配置されているのは、燃料集合体内での出力の平坦化を図ったものである。

以上の下で、原子炉の各サイクルの運転毎に、経済面、安全面等から最適な燃料の交換や配置が検討されることとなる。
検討される事項は、炉全体としては、炉心が成立すること、炉内全体の中性子分布が平坦であること、各燃料集合体の燃焼度が安全面から定まる最高燃焼度を超えないこと、減速材等の温度係数が負である（温度が上昇すれば、反応度が低下する）こと等である。
各燃料集合体については、その燃料集合体を構成する各燃料棒が安全面から定まる最高燃焼度を超えないこと等である。
なお本明細書では、「安全面から定まる最高燃焼度を超えない」とは、バーンアウトの防止から定まる最高燃焼度のことではなく、各サイクルにおける燃焼度の累積値が予め定められている最高燃焼度を超えないことを指す。

しかしながら、近年１サイクルの期間の延長に併せての高濃縮度ウラン燃料の使用と資源の有効活用としてのＭＯＸ燃料（混合酸化物燃料）の使用が計画されあるいは既に実施されつつあるが、これらの燃料の場合には、ＢＰクラスタをただ単に燃料集合体内で対称かつ均等に配置するだけでは不十分である。
即ち、高濃縮度ウラン燃料は従来の燃料よりも運転期間（炉内で燃焼に使用される期間）が長く、ＭＯＸ燃料は、隣接するウラン燃料からの中性子の流れ込みを考慮して、燃料集合体の外周側の燃料棒はプルトニウムの富化度を内部側より低くされており、その結果各燃料棒の燃焼度の不均一性が大きくなるからである。

この様子を図２に概念的に示す。図２は、Ｍの位置におかれた３富化度仕様のＭＯＸ燃料集合体内における最初のサイクルにおける各燃料棒の燃焼の相違を概念的に示す図である。図２の上側の図はこの燃料集合体が装荷された位置を１／４炉心図で示すものである。この燃料集合体は、水平断面が正方形の燃料集合体の２辺が炉外に面する位置に配置されている。
また、下側の図は、この燃料集合体の、各頂点に最も近い位置にある４つの第１種の燃料棒の最初のサイクルにおける燃焼度を、数値（単位は、ＧＷｄ／ｔ）で示すものである。この下側の図に示すように、同じ燃料集合体内の燃料棒であっても、炉心の最外周側となる位置ではわずか６ＧＷｄ／ｔしか燃焼していないのに、真反対側の頂点近くの位置では１８ＧＷｄ／ｔも燃焼している。
そしてこのことは、第２サイクル目以降の燃焼に際して、対象とする燃料の隣接する２辺に非常に燃焼の進んだ燃料を配置し、残り２辺に新燃料を配置した場合等でも同様である。

ところで、累積燃焼度の制限は、燃料集合体を構成する各燃料棒の１本でも燃料棒の最高燃焼度に到達することにより定まるため、常に（燃料棒の燃焼度制限）＞（燃料集合体の燃焼度制限）である。このため、当該第１回目のサイクルあるいはさらに第２回目のサイクルにおける燃焼で、各燃料棒の燃焼度に大きな不均一が生じれば、燃料集合体の最大燃焼度は第１回目あるいは第２回目のサイクルで最も燃焼の進んだ極少数の燃料棒の最大燃焼度から定まってしまうこととなる。

その結果、まだ燃焼が進んでいない燃料棒が多数あっても、当該燃料集合体はそれ以上燃焼させることが出来ず、燃料集合体全体としての到達燃焼度は低くなってしまい、大きな不経済が発生することとなる。
このため、高濃縮度ウラン燃料、ＭＯＸ燃料の燃料集合体において、各燃料棒の燃焼が均一となり、燃料集合体全体としての燃焼度を高くすることが可能な技術の開発が望まれていた。
さらに、これらの燃料集合体においては、通常の燃料を使用している炉心に始めて装荷された等種々の理由のために、最初のサイクルで各燃料棒の燃焼度に大きな不均一がついてしまうことがあるが、後のサイクルの燃焼においてその不均一性を極力少なくする技術の開発も望まれていた。
また、初装荷炉心のウラン燃料においても従来のように一様に配置したままでは同様な不均一性が生じ得るので、その場合においても各燃料棒が均一に燃焼する技術の開発が望まれていた。

本発明はかかる課題を解決すべく鋭意研究した結果なしたものであり、ＢＰを中性子分布が密となる部分に集中しかつ円弧上に配置することにより、燃料集合体内の燃焼度分布が平坦化することを見出したものである。以下、各請求項の発明を説明する。

請求項１に記載の発明は、
初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料またはＭＯＸ燃料の燃料集合体であって、
水平断面が正方形の燃料集合体を２つの直角２等辺三角形に分割したときに、最大４本の例外を除きＢＰクラスタを一方の側の直角２等辺三角形内または該三角形内とその斜辺にのみ配置していることを特徴とする燃料集合体である。

本請求項の発明においては、１個の燃料集合体を取ってきたときに（着目したときに）ＢＰクラスタを従来のように一様に配置したのでは（そのままでは）中性子の分布が密となる側、具体的には一般的には炉心寄り側、その他隣接する２辺に非常に燃焼の進んだ燃料が配置され残り２辺に新燃料が配置された場合における新燃料側等に配置できるため、反応度が大きい高濃縮度ウラン燃料、中性子の放出が多いＭＯＸ燃料の燃料集合体、その他初装荷炉心において、中性子の分布が密となる側の燃料棒のみが過度に燃焼することを抑制できる。
また、第１サイクルで従来技術のＢＰクラスタの配置を採用して燃焼させたため、各燃料棒の燃焼度に大きな差が生じた燃料集合体において、第２サイクルでその差を小さくすることも可能になる。この場合には、前のサイクルでよく燃えた燃料棒を次のサイクルではさほど燃えない様にして燃料集合体内の各燃料棒の燃焼度分布を改善することとなる。このため例えば、前のサイクルでよく燃えた燃料棒は中性子密度が疎となる位置にあり、また燃焼が進んでいるため元々燃焼が進み難いが、この部分の近くにＢＰクラスタを集中配置してさらに燃焼を落とさせることもなされる。また、理論上は、ＢＰクラスタが集中配置される側は、そうでない側に比較して、中性子分布が同じあるいは低い側であることもあり得る。
なおまた、ここに「高濃縮度ウラン燃料」とは、現在ＰＷＲに使用されている通常のウラン燃料の濃縮度（ウラン２３５のウラン全体に対する割合）が４．１ｗｔ％であるのに対して、４．６ｗｔ％以上である燃料を指す。

ここに、最大で４本の例外を定めているのは、従来の燃料から高濃縮度ウラン燃料またはＭＯＸ燃料への移行時の場合、長サイクル運転であるため炉内には高濃縮度ウラン燃料のみが装荷されている場合、第１サイクルにおいて炉内側に配置される場合等の各種の条件の如何によっては、ＢＰクラスタの配置に多少の変動があり得、また本数も例えば２０本と多くなったりすることがあり得るが、そのような場合には最大で４本の例外があり得ることを考慮したものである。
なお、ＢＰクラスタが２０本でなく９〜１０本になるときには、例外は最大でも２本程度となる。

請求項２に記載の発明は、
初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料またはＭＯＸ燃料の燃料集合体であって、
水平断面が正方形の燃料集合体を２つの直角２等辺三角形に分割したときに、ＢＰクラスタを一方の側の直角２等辺三角形内または該三角形内とその斜辺にのみ配置していることを特徴とする燃料集合体である。

本請求項の発明は、請求項１の発明における配置の例外がない場合であり、このため、本発明においても、かかる運転条件で先の請求項１の発明と同じ作用、効果が得られる。

請求項３に記載の発明は、前記の燃料集合体であって、
ＢＰクラスタは、ほぼ円弧状に配列されていることを特徴とする燃料集合体である。

本請求項の発明においては、ＢＰクラスタはそのままでは中性子分布が密であるため燃焼が激しくなる側やそのままでは燃焼が必要以上に進むのでその速度を落としたい側に（１、２本の例外はあり得るが）ほぼ１列に並んで、かつ直角２等辺三角形の等辺に沿いかつ等辺の両端では多少辺から離れて、結果的にほぼ（半円より多少大きな）円弧状に配列されている。このため、その近傍における燃料棒の過度の燃焼が抑制される。
なお、中性子分布が密である側の頂点、例えばケースによっては炉心側の頂点から見たときに、ＢＰクラスタは部分的に重なることがあっても、完全に重なることがないように並んでいるのが好ましい。
なお、炉の外周側には（最大４本の例外を除いて）ＢＰクラスタは配置されていないこととなるが、この部分は中性子の漏洩が多いだけでなく、炉心側の燃焼が抑制されるためその部分からの中性子の供給が減少し、適度の燃焼がなされる。

請求項４に記載の発明は、前記の燃料集合体であって、
ＢＰの装荷されていない制御棒案内シンブル管は、ほぼ正方形状に分布しかつＢＰの装荷されている制御棒案内シンブル管側の反対側寄りに配置されていることを特徴とする燃料集合体である。

本請求項の発明においては、ＢＰの装荷されていない制御棒案内シンブル管がＢＰの装荷されている制御棒案内シンブル管側の反対側寄りに、従って原則として中性子の分布が疎となる側、例えば外周寄りあるいは非常に燃焼の進んだ燃料寄り側に配置されている分、当該部分あるいはその近傍の中性子の吸収による密度の低下がなく、その近傍の燃料棒は適度に燃焼が進むこととなる。その結果、各燃料棒の適度の燃焼が担保される。
なお、「ほぼ正方形状」とは、配置の外縁に位置する各スリーブ管の包絡線が、２、３の頂点部や辺部に多少の凹凸があるかも知れないが、全体としてみれば正方形と成っていることを指す。

請求項５に記載の発明は、前記の燃料集合体であって、
燃料集合体は、
１７×１７配列であり、シンブル管は２５本でありその内ＢＰクラスタは９本であることを特徴とする燃料集合体である。

本請求項の発明においては、初装荷炉心のウラン燃料、そして特に高濃縮度ウラン燃料、ＭＯＸ燃料における燃料集合体内の各燃料棒の燃焼度の平坦化がなされる。燃料集合体の燃焼度の大小の差（傾き）が生じ易い１７×１７配列においてＢＰクラスタが例えば９本の場合では、条件にもよるがおおよそ１２ＧＷｄ／ｔから８ＧＷｄ／ｔへと約４ＧＷｄ／ｔ程度少なくなり、結果的に燃料集合体の燃焼度の向上に大きく寄与する。

本発明においては、初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料やＭＯＸ燃料を使用する燃料集合体において、ＢＰクラスタをそのままでは中性子の分布が密になるため燃焼が進みすぎることとなる側寄りに集中してかつ円弧状に配列しているため、燃料集合体内の各燃料棒の燃焼度に大きな差がつかず、燃焼度の均一性が良好となる。また、先のサイクルで燃焼度に大きな差がついていても、次のサイクルで平坦化することが可能になる。
それらの結果、特にそのままでは全体の出力は問題にならないくらい低いが各燃料棒の燃焼度の偏りのみが大きくなる燃料集合体に対して、燃焼度が大きくなる燃料棒の燃焼を抑制して、全体の燃焼度が均一となるようにすることが可能となる。
ひいては、燃料棒の燃焼度の上限値に対して余裕が増加するため、燃料集合体の燃焼度を増加させることが可能になり、燃料サイクルコストと発電コストの低下が可能となる。

以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
｛第１の実施の形態｝
（燃料集合体）
本発明の実施の形態のＰＷＲ用の燃料集合体の燃料棒、ＢＰクラスタ、シンブル管の配置を図３に示す。なお、各升目内の記号等の意味は、図１と同じである。

この燃料集合体も、燃料棒、ＢＰクラスタ、シンブル管を１７×１７の行列状に配置しているのは、図１に示す従来の燃料集合体と同じである。しかし、ＢＰクラスタは総数が９本と従来のものに比べて１１本少なく、さらに水平断面が正方形の燃料集合体を各々炉心側半分と外周側半分を占める２つの２等辺三角形に分けたときに、炉心側の三角形内またはその斜辺上に配置しており、さらに１列かつほぼ円弧状に配置している。また、ＢＰクラスタが少なくなった分、空の制御棒案内シンブル管は１６本と多くなり、さらに中心より外周側に、配置の外縁線がおおよそ正方形をなし、しかもその正方形内ではほぼ均等となるように、配置されている。

さらに、ＢＰクラスタが配置されている場所と空の制御棒案内シンブル管が配置されている場所とは、区分けがなされている。
燃料棒は、第１種、第２種、第３種の燃料棒とも、本数および配置は図１に示す従来のものと同じである。

（装荷するＰＷＲ）
前記の燃料集合体を装荷するＰＷＲは、以下の要目である。
ループ数： ３
サイクル長： １５．２ＧＷｄ/ｔ
ＢＰ燃料装荷タイプ： １サイクル燃焼済みＭＯＸ燃料（炉心最外周装荷）
ＭＯＸ燃料装荷位置： 図４に示す。
図４において、１は１サイクル目にＭＯＸ燃料が装荷される位置を示し、２は２サイクル目にＭＯＸ燃料が装荷される位置を示す。また、他の升目は従来技術の燃料集合体が装荷されている。なお、ＭＯＸ燃料の配置される位置は、図２と図４では相違するが、いずれの位置も隣接する２辺が外周に面していることもあり燃料集合体内における各燃料棒の燃焼度の不均一性はほぼ同じである。

上記条件で１サイクル燃焼後燃焼度分布に傾きを持ったＭＯＸ燃料に対して、２サイクル目に従来通りのＢＰクラスタを配置した場合とＢＰクラスタをほぼ円弧状に配置した場合の集合体内の燃料棒の燃焼度の分布を比較した。その結果を、図５に概念的に示す。図５の上の（ａ）は、ＢＰクラスタを図１に示すように配置した燃料集合体の各燃料棒の燃焼度を示すものであり、下の（ｂ）が図４に示す実施の形態の燃料集合体の各燃料棒の燃焼度を示すものである。
（ａ）と（ｂ）において、左側の図は、各々図１と図３に示す燃料集合体におけるＢＰクラスタ等の配置を簡略化した図であり、比較、参照の便宜のため付したものである。これらの図において、太い黒線と黒丸がＢＰクラスタの概略の配置を示し、×印が空の制御棒案内シンブル管と炉内計装用案内シンブル管の概略の配置を示す。

（ａ）と（ｂ）において、右側の図は、左側の図面に対応する燃料集合体の各燃料棒の概略の燃焼度を示すものである。右側の図において、黒く塗りつぶした場所は、燃料棒の燃焼度が大きな場所であり、斜線部は黒く塗りつぶした場所の８６〜７３％の燃焼度の場所であり、点線部は同じく７２〜６７％の燃焼度の場所であり、同じく白い場所は６６〜４７％の燃焼度の場所である。但し、図５は、あくまでも概念的に示すものであり、実際には例えば（ａ）において、点線で示す場所に白い場所が複雑に入り込んでいる等多少の相違はある。

（ａ）に示す従来のＢＰクラスタの配置の燃料集合体では、炉心側に位置する一部の燃料棒は燃焼度が大きく、この一方で燃焼の進んでいない燃料棒も多数ある。一方、（ｂ）に示す本発明の実施の形態の配置の燃料集合体では、黒く塗りつぶした部分がないことからも判るように、燃焼度が大きい燃料棒はなく、また燃焼が進んでいない燃料棒はほとんどない。すなわち、燃焼度がはるかに平坦になっているのが判る。
この結果、以降のサイクルにおいても、燃料集合体の各燃料棒の燃焼度の分布が平坦となるだけでなく、燃料集合体全体としての燃焼度も向上することとなる。
また、最初のサイクルでの燃焼度の分布が不均一であっても、２サイクル目で平坦とされているため、以降のサイクルでの炉内での配置も容易になる。

｛第２の実施の形態｝
図３に示すＢＰクラスタ配置の燃料集合体を図２に示す位置に装荷して燃焼させた。
この場合には、図２の６、１０、１２で示す燃焼度の燃料棒の燃焼度はほぼ同じであり、１８で示す燃焼度の燃料棒は１４ＧＷｄ／ｔ程度に減少した。このため、燃料棒の燃焼度の不均一性は大幅に改善された。

１７×１７のＭＯＸ燃料集合体において、ＢＰクラスタ等の配置を概念的に示す図である。 従来通りにＢＰクラスタ等を配置したＭＯＸ燃料の燃料集合体内において、各燃料棒の燃焼度の平坦性が大きく損われる様子を概念的に示す図である。 実施の形態のＭＯＸ燃料集合体におけるＢＰクラスタ等の配置を概念的に示す図である。 実施の形態のＭＯＸ燃料集合体が炉内で配置される位置を示す図である。 ＭＯＸ燃料集合体において、従来どおりの配置と実施の形態の配置における燃焼度の平坦性を比較して示す図である。

Claims (5)

1. 初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料またはＭＯＸ燃料の燃料集合体であって、
   水平断面が正方形の燃料集合体を２つの直角２等辺三角形に分割したときに、最大４本の例外を除きＢＰクラスタを一方の側の直角２等辺三角形内または該三角形内とその斜辺にのみ配置していることを特徴とする燃料集合体。
2. 初装荷炉心のウラン燃料、高濃縮度ウラン燃料またはＭＯＸ燃料の燃料集合体であって、
   水平断面が正方形の燃料集合体を２つの直角２等辺三角形に分割したときに、ＢＰクラスタを一方の側の直角２等辺三角形内または該三角形内とその斜辺にのみ配置していることを特徴とする燃料集合体。
3. 前記ＢＰクラスタは、ほぼ円弧状に配列されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料集合体。
4. ＢＰの装荷されていない制御棒案内シンブル管は、ほぼ正方形状に分布しかつＢＰの装荷されている制御棒案内シンブル管側の反対側寄りに配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料集合体。
5. 燃料集合体は、
   １７×１７配列であり、シンブル管は２５本でありその内ＢＰクラスタは９本であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料集合体。
   

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