JP2008145285A - 大粒径ガドリニア分散燃料ペレット、燃料棒および燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】新しいタイプのGd入り燃料ペレットを用いて、初期Gd反応度や反応度寿命を制御することにより、反応度特性の調整・設計の自由度を拡大し、より好適な反応度特性を有する燃料集合体を設計・提供する。
【解決手段】粒径が３００〜１０００μmガドリニアもしくはガドリニアを主たる成分とする混合物を、ウラニア燃料もしくはウラン・プルトニウム混合酸化物燃料中に分散・混入することにより大粒径ガドリニア分散燃料ペレット形成するとともに、当該燃料ペレットを用いて燃料棒及び燃料集合体を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軽水炉に用いられる燃料集合体およびその構成要素である燃料棒に関し、特に、大粒径ガドリニアが分散された燃料ペレット、燃料棒および燃料集合体に関する。

現在運転されている商用軽水原子炉においては、燃料経済性の向上のために、過去２０数年にわたって段階的に燃料集合体の平均ウラン濃縮度を高められてきており、それにより燃料取出し時における燃焼度を増大させることが進められてきた。なお、燃焼度とは、炉心に装荷された核燃料が中性子との核反応により原子炉から取り出されるまでに消費された割合を、単位ウラン燃料重さあたりの放出エネルギー（単位は、MWd/tやGWd/tなどで表す）で表した量である。

また、近年、出力密度の増加や運転サイクル期間の延長によって、さらに燃料経済性を向上させる必要性が高まってきている。この燃料経済性の向上を実現するには、まず、燃料集合体平均の初期ウラン濃縮度を必然的に高くする必要があるが、それにともない抑制すべき余剰反応度が増大することになる。

軽水炉の余剰反応度の抑制・制御は、基本的には燃料集合体自体の反応度特性を適切に調整・設計することによって行われる。具体的には、燃料集合体の中の一部の燃料棒に可燃性毒物ガドリニウム(Gd)を含むガドリニア(Gd₂O₃)を含有させたGd入り燃料を用いるのが、もっとも一般的な方法である（特許文献１参照）。すなわち、Gdの同位元素Gd-155とGd-157は非常に大きい熱中性子捕獲断面積を持つので、燃料物質中に混入させると当初は強い反応度毒物として働く。そして、原子炉出力運転に伴う中性子照射を受けてガドリニア(Gd₂O₃)の原子個数密度が減少するとともに反応度毒効果が減少し、やがて消失するというメカニズムを利用して、燃料集合体の反応度特性を制御するものである。

このGd入り燃料は、ウラニア(UO₂)燃料母材の中にガドリニア微粉末を均一混合させ、成形・焼結してペレットとし、被覆管の中に封入してGd入り燃料棒とされる。従来のGd入り燃料ペレットでは、ガドリニアがウラニア母材中に均一固溶状態になっていることが理想であり、固溶していない遊離ガドリニア粒の割合と最大サイズには製造スペック上、一定の制限が設けられ、製造管理されている。このようなGd入り燃料棒を装荷した燃料集合体におけるGdの初期反応度効果は、通常使用されている３〜１０重量％のガドリニア濃度の場合には、濃度によってほとんど変わらず、主としてGd入り燃料棒の本数に比例的に変化する。これは、Gd-155とGd-157が極めて大きな熱中性子捕獲断面積を持つため、Gd入り燃料ペレットに入射した熱中性子は、ほとんど表面部分でGdに捕獲・吸収されてしまうことから、Gdの中性子捕獲は表面積に比例する特性となるためである。

一方、上記のガドリニアがウラニア母材中に均一固溶状態になっている燃料ペレットは、熱伝導度が低下し被覆管に悪影響を及ぼすので、それを防止するためにガドリニアをウラニア母材中に分散させるGd入り燃料棒も知られているが（特許文献２又は３）、ガドリニアの初期反応度効果及び熱伝導性等の観点からガドリニアの粒径は比較的小さく設計されている。

ところで、Gd入り燃料棒の燃料集合体内での装荷位置もGd反応度効果に影響を与えるが、例えば、ＢＷＲ用燃料集合体の水ギャップ部に面した場所のような熱中性子が相対的に著しく高くなる場所を除けば、二次的な影響と言える。

一方、Gdが燃え尽きる（Gd反応度が消失する）燃焼度は、初期のGd濃度に比例的であり、燃焼に伴ってほぼ直線的に減少する特性となる。すなわち、Gd入り燃料棒の設計においては、初期の余剰反応度は、Gd入り燃料棒の本数で制御し、Gdによる反応度抑制期間は初期Gd濃度によって制御しているといえる。

図３は、このようなGd反応度の特性変化を模式的に示しており、図中ＡがGdによる初期抑制反応度である。この大きさはGd入り燃料棒の本数に比例するが、現実的には燃料集合体の平均濃縮度が決まれば抑制すべき反応度の大きさが決まるので、Gd入り燃料棒の本数もそれによって定められる。また、図中ＢはGdが燃え尽きるまでの燃焼度期間である。

これは初期のGd濃度に比例するが、ガドリニア・ウラニア混合燃料の熱的、材料的特性がガドリニア混合比を増加させると劣化することから、現状では10%以下に留められているので、結果としてGdの反応度寿命の上限値が決まってしまう。
特公昭５０−２７１５２号公報 特開２０００−２９２５７６号公報 特開２００３−１６７０８４号公報

上述したように、燃料集合体の反応度特性を調整・設計する際に、Gd入り燃料棒本数とGd濃度という二つの設計パラメータだけでは設計自由度が大きく制限されるので、今後計画されている運転サイクル長期化及び燃料の高濃縮度化に伴う燃料の高燃焼度化に対応できないものである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、大粒径のGd入り燃料ペレットを用いて、初期Gd反応度や反応度寿命を制御することにより、反応度特性の調整・設計の自由度を拡大し、最適化設計が容易で、かつ好適な反応度特性を有する燃料集合体を提供することを目的としている。

本発明者による鋭意研究の結果、本発明者は、ガドリニア粒を分散・混入した燃料の粒径や粒個数密度がGd入り燃料の新たな設計パラメータになることを見出したものである。 すなわち、本発明は、粒径が３００〜１０００μmのガドリニア又はガドリニアを主成分とする混合物を、ウラニア燃料又はウラン・プルトニウム混合酸化物燃料中に分散・混入したこと（以下、このタイプのGd入り燃料を「Gd₂O₃分散燃料」という。）を特徴とする。

本発明によれば、従来のGd入りの燃料に比べて、初期のGd反応度を減少させ、Gd反応度寿命を延長した核的特性が得られる。このGd入り燃料の新たな設計パラメータとして、Gd₂O₃粒の粒径と個数密度を加えることは、今後に計画されている運転サイクル長期化等の高燃焼度化・最適化に向けて、有効な手段となる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、図４を用いてGd の自己遮蔽効果について説明する。
Gdの同位元素の中のGd-155とGd-157は熱中性子に対して非常に大きな捕獲断面積を持っている。このような大きな捕獲断面積を持つ物質を高濃度で集めた場合、一般的にその中で中性子束が強く凹み、実効的に捕獲反応量が減少する効果がある。これを通常「自己遮蔽効果」という。例えば、球形のガドリニア粒を考えたとき、その表面中性子束に対する粒内平均の中性子束の比（ｆ：遮蔽因子）は、近似的に次式で表される。

ここで、Σ_c(E)は、中性子エネルギーEに対するガドリニア粒の巨視的捕獲断面積、dは粒径である。

今、ガドリニア粒の密度を５[g/cm³]とすると、Σ_c(E)値は、熱中性子エネルギー領域において、中性子エネルギーが小さくなるに伴い1.5〜500 [/cm]と大きく変化するので、上式の遮蔽因子f(E,d)も、粒径(d)の値が大きいほど大きく変化する。熱中性子エネルギー領域での平均のｆ値（ｆ）を、次式のように、ガドリニア粒の中性子捕獲反応率（Σ_c(E)φ(E)）を重みとして求めて、ガドリニア粒径ｄに対して図示したのが、図４である。

この図４より自己遮蔽効果はガドリニア粒径が大きくなるにつれて強くなっていくことが分かる。このことから例えペレットあたり同量のガドリニア量でも、粒径を変えることによって、Gdの初期の反応度効果や反応度寿命を調整・制御できると考えられる。

次に、図５乃至図９を用いて上記Gd₂O₃分散燃料を燃料集合体に適用した例について、従来の均一固溶タイプのものと比較しつつ定量的に説明する。

図５は、図７に示す長期サイクル用の取替え燃料集合体において、Gd入り燃料を従来の均一固溶Gd入り燃料とした場合の無限増倍率の燃焼変化と、Gd総量を同一に保ったまま前記均一固溶Gd入り燃料を本発明に係るGd₂O₃分散燃料に替え、その粒径をd=100,200,300,500,750,1000μmと系統的に変えた場合の無限増倍率の燃焼変化とを比較したものである。

また、図６は、前記図５における各Gd₂O₃分散燃料を用いた燃料集合体の無限増倍率と均一固溶Gd入り燃料を用いた燃料集合体の無限増倍率の差を図示したものであり、これによって均一固溶Gd入り燃料をGd₂O₃分散燃料に替えたときの反応度効果が分かる。

図５、図６から、粒径を大きくしていくと初期のGd反応度は減少し、逆に燃え尽きる燃焼度、すなわちGdの反応度寿命の方は延びていくことが確認できる。いずれの場合も有意な反応度効果の違いがあり、Gd₂O₃分散燃料の粒径や粒個数密度が新たなGd入り燃料の設計パラメータとしてGdの初期反応度と反応度寿命を変化させるのに有効な手段であることを示している。そして、図５、図６から、粒径が３００μm未満では、燃焼度が約１０GWd/tを越えると均一固溶Gd入り燃料と無限増倍率の差異が小さくなり、反応度効果が小さくなる。

一方、粒径が１０００μm以上になると、例えば３重量％相当のガドリニア量を使う場合、Gd₂O₃粒の個数密度は１２０個／ｃｍ^３程度となり、同一仕様のペレット間の統計的バラツキが無視できなくなり、核的性能の安定性が損なわれる可能性がある。

このような事情を勘案すると、粒径については、３００〜１０００μmの範囲とするのが実用上好ましい。

図８は、図７の長期サイクル用の取替え燃料集合体において、従来の均一固溶タイプのGd入り燃料の場合と、Gd総量を同一に保ったまま前記均一固溶Gd入り燃料を粒径d=500μmのGd₂O₃分散燃料に換えた場合の比較（図５の一部を再掲）に加えて、粒径は500μmのままGd量（粒個数密度）を10%減少させた効果、および図９のようにGd入り燃料（均一固溶型）を２本減少させた効果を比較したものである。

これらの図から、粒径d=500μmのGd₂O₃分散燃料に換えた場合の初期反応度変化は均一固溶Gd入り燃料棒を２本削減した効果に匹敵する大きさとなっていることが分かる。また、Gd₂O₃分散燃料でGd量を10%減少する効果は運転初期からGdが燃え尽きる燃焼度までほぼ一定の反応度差をもたらす特性となることが分かる。

以上からわかるように、Gd₂O₃分散燃料は粒径や個数密度などの設計変量を変化させることによってGd反応度効果の振る舞いを制御できる新たな設計パラメータであり、中でもGd反応度寿命の延長と初期Gd反応度の減少に大きな効果を持ち、より好適な特性を有する燃料集合体の設計に活用できる。

本発明の実施の形態に係る具体例を図１、図２に示す。
図１は、本発明のGd₂O₃分散燃料ペレットの概念図である。同図において、１はガドリニアの細粒、２はUO2燃料である。すなわちGd₂O₃分散燃料ペレットは反応度毒であるGd₂O₃細粒をUO₂燃料２の中に一様に分散・混入させた非均質な構造となっている。この非均質性のためにGd₂O₃細粒に自己遮蔽効果が働き、均一固溶した場合に比べて初期Gd反応度を減少させ、Gd反応度寿命を延長する効果が生じる。効果の大きさはGd₂O₃細粒の粒径や粒個数密度に依存する。粒径については、３００μm以上の大きさでないと有意な効果が期待できない。

通常ジルコニウム合金からなる燃料被覆管内に多数の核燃料ペレットが装填され燃料棒が形成されるが、Gd入り燃料棒は、少なくともその一部が上記Gd₂O₃分散燃料ペレットからなっている。

図２は、前記Gd₂O₃分散燃料を用いた長期サイクル向け燃料集合体の例である。図中G1, G2で示されているのがGd₂O₃分散燃料である。

本発明の実施形態に係る分散Gd₂O₃燃料ペレットの概念図。 本発明の実施形態に係る分散Gd₂O₃分散燃料を用いた燃料集合体の燃料棒配置図。 Gd反応度変化を示す模式図。 ガドリニア粒の自己遮蔽因子の粒径依存性を示す図。 本発明の実施形態に係る燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を示す図。 従来の均一固溶Gd入り燃料を本発明に係るGd₂O₃分散燃料に替えた場合の燃料集合体の無限増倍率の変化を比較した図。 従来の均一固溶Gd入り燃料を用いた燃料集合体の燃料棒配置図。 従来の均一固溶Gd入り燃料を用いた燃料集合体と本発明に係るGd₂O₃分散燃料を用いた燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を比較した図。 図７の燃料集合体から２本のGd入り燃料棒の削減した燃料集合体の燃料棒配置図。

符号の説明

１…Gd₂O₃細粒、２…UO₂燃料、３…UO₂燃料棒、４…Gd入り燃料棒、５…チャンネルボックス。

Claims (3)

1. 粒径が３００〜１０００μmのガドリニア又はガドリニアを主たる成分とする混合物を、ウラニア燃料又はウラン・プルトニウム混合酸化物燃料中に分散・混入したことを特徴とする大粒径ガドリニア分散燃料ペレット。
2. ジルコニウム合金からなる燃料被覆管の中に多数の核燃料ペレットを積層・収納して構成される核燃料棒において、少なくともその一部が請求項１に記載の大粒径ガドリニア分散燃料ペレットからなることを特徴とする核燃料棒。
3. 複数の核燃料棒を格子状に束ねて構成される燃料集合体において、少なくとも一部の核燃料棒が請求項２記載の核燃料棒であることを特徴とする燃料集合体。

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