JP2010127718A - 燃料集合体およびそれを装荷した原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】運転サイクル初期の余剰反応度を抑制し、運転サイクル末期の反応度損失を抑制し、かつ、燃料集合体あたりのプルトニウム装荷量を増加させる。
【解決手段】燃料集合体１０の格子状に束ねられた燃料棒に、０．３ｗｔ％以下の濃度のガドリニアとウランおよびプルトニウムの混合酸化物とを含有するＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４を含める。このＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４に含有されるガドリニアの濃度は、高濃度濃縮ウラン燃料棒１５に主として運転サイクル中の反応度制御を目的として含有されるガドリニアのたとえば２ｗｔ％という高濃度と比較して微量である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料集合体およびそれを装荷した原子炉に関する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に装荷される燃料集合体は、核燃料物質としてウランを用いているものが多い。ウランは、その酸化物（ＵＯ_２）を直径約１ｃｍの円柱状に成型し焼結したペレットとして、ジルコニウム合金の被覆管に封入して用いられる。複数のウラン燃料棒は、正方格子状に束ねられて燃料集合体として、原子炉に装荷される。ＢＷＲの燃料集合体は、燃焼効率の向上を図るために、さらなる高燃焼度化に対応した燃料の設計が進められている。

原子炉で燃焼させた使用済の燃料集合体を再処理施設で再処理し余分な核分裂生成物を除去することにより、使用済燃料集合体中の残留ウランや、原子炉での燃焼過程で生成され核燃料物質として利用価値の高いプルトニウムを回収して再利用する核燃料リサイクルが進められている。この核燃料リサイクルの一環として、再処理で回収された二酸化プルトニウム（ＰｕＯ_２）に二酸化ウラン（ＵＯ_２）を混合することにより、混合酸化物燃料（Mixed-OXide fuel：ＭＯＸ燃料）を製造し、軽水炉で利用するプル・サーマル利用（Plutonium thermal utilization）の計画が進められている。こうした核燃料リサイクルにより燃料の経済性を向上させることができる。ＢＷＲで使用されるＭＯＸ燃料は、ウラン燃料の中に含まれるウランペレットの代わりにＭＯＸペレットを封入して製造される。

また、ＢＷＲでは、燃料集合体間に減速材である水が流通する水ギャップが設けられていて、燃料棒付近の減速材分布は一様ではない。また、ＢＷＲでは炉心内で沸騰が生じるため、炉心の軸方向でも減速材分布が均一でない。このため、燃料集合体の径方向および軸方向の出力分布には、歪みが生ずる。よって、ＢＷＲに装荷される燃料では、燃料の径方向および軸方向に関して、ウラン濃縮度（全ウラン中に含まれるウラン２３５含有量の割合）あるいはプルトニウム富化度（ＭＯＸ燃料中のプルトニウムの含有割合）が異なる燃料ペレット数種類を配置することで、出力分布の平坦化を図っている。

さらに、燃焼初期において、余剰の核分裂連鎖反応を抑制し余剰反応度を適切に制御するために、一部の燃料棒には、ＭＯＸに可燃性毒物としてガドリニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）のような中性子吸収体を添加した状態でペレットを成型した濃度（添加重量率）が１ないし数ｗｔ％程度の高濃度可燃性毒物入りペレットが充填されている。このような可燃性毒物入り燃料棒における中性子吸収効果は、燃焼が進むにつれてほぼ直線的に低下する。可燃性毒物の添加量は、燃料経済性の観点から、運転サイクル末期において残留量がほとんどゼロとなるように設定される。

可燃性毒物を含有しない燃料集合体の無限増倍率は、燃焼とともに単調にほぼ直線的に減少していく。このため、可燃性毒物を含有しない燃料集合体を取替燃料として装荷する炉心において、運転サイクル中の余剰反応度は運転サイクル初期で最も大きく、燃焼に伴ってほぼ直線的に減少していく。

一方、可燃性毒物を含有する燃料集合体の無限増倍率は、燃焼とともに一旦上昇して最大値をとった後、ほぼ直線的に減少していく。このため、可燃性毒物を含有する燃料集合体を取替燃料として装荷する炉心では、運転サイクル初期の余剰反応度が小さくなり、運転サイクルを通じて余剰反応度が平坦化される。

サイクル初期に抑制できる反応度の大きさは、可燃性毒物入り燃料棒の本数にほぼ比例する。また、反応度が抑制される期間の長さは、可燃性毒物の濃度にほぼ比例する。この関係を利用して、可燃性毒物入り燃料棒の本数および濃度は適切に設定される。適切に設定されることにより、炉心の余剰反応度が長期にわたって平坦となって制御棒による反応度制御の操作が簡素化され、また、燃焼末期において可燃性毒物の燃え残りがなくなる。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に装荷される燃料集合体は、たとえば１７行１７列に燃料棒が配置されている。ＰＷＲの燃料集合体では、ウランの濃縮度は、通常、１種類である。また、ＰＷＲの燃料集合体には、ガドリニアなどの可燃性毒物はあまり用いられない。このため、ＰＷＲの燃料集合体の無限増倍率は、寿命初期からほぼ直線的に減少していく。この結果、このような燃料集合体が装荷されたＰＷＲの炉心の余剰反応度は、燃焼とともに直線的に減少していく。ＰＷＲでは、一般的に可溶性ホウ素を炉水中に溶かして反応度を抑制して運転される。
特開平４−２４４９９４号公報 特開平４−２１２０９３号公報

プル・サーマル利用の観点から、ＢＷＲ用ＭＯＸ燃料では大部分の燃料棒をＭＯＸ燃料棒とすることでプルトニウムの装荷量を高めた燃料集合体が開発されている。さらに高燃焼度化を図るためには、各燃料棒のウラン濃縮度やプルトニウム富化度を増加させる必要がある。しかし、燃焼初期の余剰反応度を低く抑制するためには、ガドリニアに代表される可燃性毒物入り燃料棒の本数を増加させる必要がある。

一般にＭＯＸ燃料設計では、特にＭＯＸ燃料の製造工程を簡素化するという観点から、ＢＷＲ用ＭＯＸ燃料でもＭＯＸにガドリニアを混合して成型したペレットを用いたガドリニア入りＭＯＸ燃料棒を採用していない。そこで、運転サイクル中の反応度を制御するために導入するガドリニア入り燃料棒については、従来のウラン燃料設計において使用されているウランにガドリニアを混合して成型したペレットを収納したガドリニア入りウラン燃料棒を採用している。

ＭＯＸ燃料集合体では、特にプルトニウム２４０の共鳴中性子吸収断面積が大きいため、ウラン燃料集合体と比べて中性子束スペクトルが硬くなる傾向があり、ガドリニウム（Ｇｄ）の熱中性子吸収割合が小さい。よって、ＭＯＸ燃料集合体においては、余剰反応度を抑制するために、ウラン燃料集合体の場合と比べてガドリニア入りウラン燃料棒を多く配置する必要がある。

ＭＯＸ燃料集合体において、ウラン酸化物にガドリニアを含有させた燃料棒の本数を増やすと、それに伴いＭＯＸ燃料棒の本数が減少し、燃料集合体当たりのプルトニウム装荷量が減少する。また、ガドリニア入り燃料棒が増加すると、ガドリニア入り燃料棒同士が隣接して配置されることになるため、ガドリニア入り燃料棒１本あたりの中性子吸収効果が低減し、燃焼後のガドリニアの残留量が増加する可能性がある。

運転サイクル初期の余剰反応度を抑制するための補助的方法として、第１サイクル終了時でガドリニアに燃え残りが生じるようにガドリニアの濃度を高める方法がある。このように照射第１サイクル目の終わりの時点でガドリニアが燃え残っていると、第２サイクル初期における燃料集合体の無限増倍率を小さくすることができる。これにより、このような燃料集合体が装荷された炉心全体での余剰反応度が抑制される。しかし、この方法は、第１サイクルの末期におけるＧｄの燃え残りによって反応度損失が生じるから、燃料経済上好ましくない。

また、ＰＷＲでは、一般的に、可溶性ホウ素により余剰反応度を抑制して運転を行う。長期運転サイクルあるいは高燃焼度化に際して、ＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度を高めると、寿命初期の反応度が高くなる傾向となる。このため、新燃料が装荷された直後の運転サイクル初期には、余剰反応度が高くなる傾向となる。しかし、高い余剰反応度を抑制するために可溶性ホウ素の濃度を増すと、減速材温度係数が正方向にシフトしてしまう。

そこで、本発明は、運転サイクル初期の余剰反応度を抑制し、運転サイクル末期の反応度損失を抑制し、かつ、燃料集合体あたりのプルトニウム装荷量を増加させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、複数の燃料棒を格子状に束ねた燃料集合体において、前記燃料棒の少なくとも一部は、ウランおよびプルトニウムの混合酸化物に０．３ｗｔ％以下の濃度のガドリニアを含有させたＭＯＸ燃料棒、であることを特徴とする。

また、本発明は、複数の燃料棒を格子状に束ねた燃料集合体が装荷されてなる原子炉において、前記燃料集合体を構成する前記燃料棒の少なくとも一部は、ウランおよびプルトニウムの混合酸化物に０．３ｗｔ％以下の濃度のガドリニアを含有させたＭＯＸ燃料棒であることを特徴とする。

本発明によれば、運転サイクル初期の余剰反応度を抑制し、運転サイクル末期の反応度損失を抑制し、かつ、燃料集合体あたりのプルトニウム装荷量を増加させることができる。

本発明に係る燃料集合体の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態に用いる燃料棒の縦断面図である。

本実施の形態における燃料棒９９は、被覆管９１と、ペレット９３と、下部端栓９２と、上部端栓９５と、プレナムスプリング９４とを有している。被覆管９１は、ジルコニウム合金で円筒に形成された管である。ペレット９３は、ウランの酸化物などをたとえば高さが１ｃｍ程度の円柱状に焼き固めたものである。被覆管９１の内部には、複数のペレット９３が収納される。被覆管９１の下端には、下部端栓９２が溶接されている。被覆管９１の上端には、上部端栓９５が溶接されている。上部端栓９５とペレット９３の端面との間には、プレナムスプリング９４が配置され、ペレット９３が押圧支持されている。

図３は、本実施の形態の燃料集合体の縦断面図である。

燃料集合体１０は、燃料棒９９とウォータロッド１６とを有している。燃料棒９９およびウォータロッド１６は、上端および下端を上部タイプレート９６および下部タイプレート９７で支持され、また、上部タイプレート９６と下部タイプレート９７との間のたとえば７箇所に設けられたスペーサ９８によって横断面方向の移動が制限されている。燃料棒９９の外側は、冷却材が流れる流路となっている。ウォータロッド１６は、内部に水が流れるようにたとえばジルコニウム合金で形成された管である。本実施の形態の燃料集合体１０は、チャンネルボックス４１を装着された状態で沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に装荷される。

図１は、本実施の形態の燃料集合体の横断面図である。図１には、この燃料集合体を原子炉に装荷した場合の制御棒４０との位置関係をあわせて示した。

図３に９９の符号で示された燃料棒は、収納されるペレット９３の種類に応じて５種類に分けられる。図１では、これらの燃料棒を１１から１５の符号で示した。

７４本の燃料棒１１，１２，１３，１４，１５と２本のウォータロッド１６とは、たとえば９行９列の正方格子状に束ねられている。２本のウォータロッド１６は、燃料集合体１０の横断面の中央付近に、正方格子の７箇所を占める位置に配置される。燃料要素である７４本の燃料棒１１，１２，１３，１４，１５は、残りの正方格子の位置に配置される。

７４本の燃料棒１１，１２，１３，１４，１５は、ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４と、高濃度ガドリニア入り濃縮ウラン燃料棒１５とに分類することができる。ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４には、ウランおよびプルトニウムの混合酸化物に低濃度ガドリニアが添加されたペレット９３が収納されている。ここで、低濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒に添加されるガドリニアの濃度は例えば０．１ｗｔ％に設定されている。一方、高濃度ガドリニア入り濃縮ウラン燃料棒１５は、濃縮ウランに、主として運転サイクル中の反応度制御を目的として、比較的高濃度である１．０ｗｔ％以上、好適な一例を挙げれば２．０ｗｔ％、のガドリニアが添加されたペレット９３を収納している。なお、高濃度ガドリニア入り濃縮ウラン燃料棒１５の代わりに、ＭＯＸの母材に高濃度のガドリニアを添加したペレット９３を収納した燃料棒を用いてもよい。

ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４は、第１のＭＯＸ燃料棒１１と、第２のＭＯＸ燃料棒１２と、第３のＭＯＸ燃料棒１３と、第４のＭＯＸ燃料棒１４と、に分類される。ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４に収納されるペレット９３が含有するプルトニウム富化度は、第１のＭＯＸ燃料棒１１、第２のＭＯＸ燃料棒１２、第３のＭＯＸ燃料棒１３、第４のＭＯＸ燃料棒１４、の順番に小さくなっている。ここで、プルトニウム富化度とは、混合酸化物中のプルトニウム酸化物の割合である。また、混合酸化物中のウランは、濃縮ウランよりも核分裂反応に対する寄与が少ない劣化ウランまたは天然ウランである。

この燃料集合体１０では、ウランおよびプルトニウムの全量に対する核分裂性物質の重量率は約６．０ｗｔ％である。また、核分裂性プルトニウムの重量率は約４．６ｗｔ％である。したがって、燃料集合体１０に含まれるプルトニウム量は、全重金属量の７割以上となる。なお、この場合のプルトニウム富化度は約６．８ｗｔ％である。

図４は、本実施の形態における燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。図５は、本実施の形態の燃料集合体を装荷した炉心の運転サイクル中の余剰反応度の燃焼変化を示すグラフである。図４および図５において、実線は、本実施の形態の燃料集合体１０の無限増倍率、または、本実施の形態の燃料集合体１０を装荷した炉心の余剰反応度を示している。また、図４および図５には、比較のため、本実施の形態の燃料集合体１０のＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４に０．１ｗｔ％のガドリニアを添加しない場合の無限増倍率、または、その燃料集合体を装荷した炉心の余剰反応度を点線で示した。なお、本実施の形態における炉心の運転バッチ数はおよそ４である。

ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４に０．１ｗｔ％のガドリニアを添加しない場合、燃焼初期の余剰反応度は３％Δｋと高い。このため、高濃度ガドリニア入り濃縮ウラン燃料棒１５のガドリニアの濃度を増すだけでは、燃焼初期の反応度を抑えることは困難であることは明らかである。また、高濃度ガドリニア入り濃縮ウラン燃料棒１５の本数を増加させると燃料集合体中に装荷されるＭＯＸ量が減少してしまう。これに対して、本実施の形態のように、ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４に低濃度のガドリニアを含有させた場合、燃焼初期での反応度を抑制することができる。また、この場合、低濃度のＧｄは、燃焼初期で殆ど燃え尽きるので、運転サイクル末期での反応度損失にはほとんど影響しない。

ＭＯＸ燃料集合体において、高燃焼度化を図るためには、各燃料棒のプルトニウム富化度を増加させる必要がある。プルトニウム富化度を増加させると、各燃料集合体の寿命初期の無限増倍率が大きくなる傾向があるため、運転サイクル初期の余剰反応度を低く抑制するためには、ガドリニア入り燃料棒の本数を増加させる必要がある。

また、ＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心では、特にプルトニウム２４０の共鳴中性子吸収断面積が大きいため、ウラン燃料集合体だけの炉心と比べて中性子束スペクトルが硬くなる傾向がある。このため、Ｇｄによる熱中性子吸収割合が小さくなる。よって、ＭＯＸ燃料集合体においては、余剰反応度を抑制するために、ウラン燃料集合体の場合と比べてガドリニア入りウラン燃料棒を多く配置する必要がある。

しかし、主として運転サイクル中の反応度制御を目的として比較的高濃度のガドリニアを添加した燃料棒の本数を多くすると、プルトニウムの装荷量が減少してしまう。また、ガドリニア入り燃料棒が増加すると、ガドリニア入り燃料棒同士が隣接して配置されることになるため、ガドリニア入り燃料棒１本あたりの中性子吸収効果が低減し、運転サイクル末期でのガドリニアの残留量が増加する可能性がある。

これに対して本実施の形態の燃料集合体１０では、主として運転サイクル中の反応度制御を目的として比較的高濃度のガドリニアを添加した高濃度ガドリニア入り濃縮ウラン燃料棒１５以外の燃料棒に、濃度が低いガドリニアを含有させている。ここで導入される濃度が低いガドリニアは、炉心に装荷されると比較的早期に燃焼してしまう程度の濃度としておくことにより、運転サイクル末期に可燃性毒物であるＧｄが燃え残ることがないようにすることができる。また、このように低濃度のガドリニアを導入することにより、ガドリニアの増加に伴うプルトニウムの装荷量の減少を抑制することができる。一方、低濃度のガドリニアを用いることにより、多くのＭＯＸ燃料棒にガドリニアを含有させて、ガドリニア入り燃料棒同士が隣接して配置されることになっても、比較的早期に可燃性毒物が燃えてなくなることになる。

このように、本実施の形態の燃料集合体１０は、プルトニウムの装荷量を増加させても、運転サイクル初期の余剰反応度を低減させることができ、かつ、運転サイクル末期の可燃性毒物の燃え残りを少なくして反応度損失を低減できる。これにより、燃料サイクルコストを低減することができる。

また、低濃度のガドリニアを混合した後のＭＯＸ粉末は、無限増倍率が低下するため、特に高富化度のＭＯＸ燃料を製造する場合の成型加工や新燃料貯蔵の際の臨界安全管理にも寄与することとなる。

ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４に含有されるガドリニアの量が多すぎると、炉心の運転サイクル初期の反応度が足りずに、運転ができない可能性がある。また、ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４に含有されるガドリニアの量が少なすぎると、炉心の運転サイクル初期の反応度が大きすぎて、制御棒だけでは制御できなくなる可能性がある。そこで、これらの点を勘案して、ＢＷＲに装荷される燃料集合体で、他に主として運転サイクル中の反応度制御を目的として高濃度のガドリニアを含有する燃料棒が導入されている場合には、ＭＯＸ燃料棒１１，１２，１３，１４に含有される微量のガドリニアの濃度を０．１〜０．３ｗｔ％、より好適には、０．１〜０．２ｗｔ％程度、に設定することが望ましい。

なお、本実施の形態では、低濃度のガドリニアをペレット９３に含有させている。ペレット９３中のガドリニアの含有量が微量の場合、ペレット９３内のガドリニアの濃度分布が不均一となる場合が考えられる。そこで、たとえば次のように製造することにより、ペレット９３の原料となるＭＯＸ粉末とガドリニアとを均一に混合することができる。

まず、母材であるウランの少なくとも一部を抜き取りって、ウラン硝酸水溶液を作る。このウラン硝酸水溶液に硝酸ガドリニウム水溶液を加えて均一な混合硝酸水溶液を作る。その後、混合硝酸水溶液に、アンモニアを加えて沈殿させてＧｄを含む重ウラン酸アンモン（ＡＤＵ）とする。このＧｄを含むＡＤＵに、脱水、培焼、還元工程を施すことにより、ガドリニアと二酸化ウランの均一な混合粉末が作られる。この混合粉末を所定の量のＭＯＸ粉末と希釈混合することによって均一な混合酸化物粉末が得られる。

また、ＧｄとＧｄを除く希土類元素との複合酸化物の粉末を製造し、この粉末をＭＯＸ粉末と希釈混合することによっても、均一な混合粉末を得ることができる。複合酸化物の粉末は、たとえば、Ｇｄと、中性子吸収断面積の小さいランタンあるいはセリウムについて、それぞれの硝酸塩水溶液の混合溶液に炭酸アンモニウムを加えて共沈させたものを加熱分解させることによって得られる。

ここで複合酸化物とは、二種類以上の金属酸化物であって、ミクロ構造においても化学量論的な組成を維持している酸化物のことを言う。また、Ｇｄ複合酸化物とは、Ｇｄおよび他の希土類元素Ａとの酸化物であって、希土類元素Ａの原子数に対するＧｄの割合をＸとした場合の化学式が、Ａ_１−ＸＧｄ_ＸＯ_{２−０．５Ｘ}またはＡ_１−ＸＧｄ_ＸＯ_１．５で表わされる酸化物である。希土類元素Ａとしては、たとえばセリウム（Ｃｅ）またはランタン（Ｌａ）を用いることができる。

Ｇｄと複合酸化物を形成する他の希土類元素は、Ｇｄの中性子吸収材としての効果を希釈する希釈材として用いられていることになる。たとえばＣｅあるいはランタンＬａの熱中性子吸収断面積は、１０バーン程度でＧｄのそれよりもはるかに小さい。そのため、ＣｅあるいはＬａを含有するＧｄ複合酸化物の中性子吸収特性は、Ｇｄが支配的となる。また、Ｃｅ、Ｌａよりも中性子吸収断面積は大きいが、これらの代わりにエルビウム（Ｅｒ）を用いてもよい。

このようなＧｄを中性子吸収断面積の小さい希土類元素に希釈させたＧｄ複合酸化物粒子を用いていると、同一のガドリニウム濃度を得るための粉末粒子の数が多くなり、Ｇｄを含有する粒子を均一に分散させることが容易にできる。また、Ｇｄは中性子吸収微視断面積が非常に大きいため、ガドリニアの粒子が大きいほど中性子吸収の自己遮へい効果が増して中性子吸収効率が低下する。このため、Ｇｄを含有する粒子の径はできるだけ小さい方が好ましい。Ｇｄを中性子吸収断面積の小さい希土類元素に希釈させたＧｄ複合酸化物粒子を用いていると、Ｇｄを含有する粒子中のＧｄの密度を小さくして自己遮へい効果を低減して中性子吸収効率の低下を抑えることができる。

Ｇｄ複合酸化物を用いる場合には、プルトニウムの装荷量をできるだけ減らさないためにはＧｄ複合酸化物中の希釈材の割合ができるだけ小さいほうが好ましい。

そこで、Ｇｄ複合酸化物のＭＯＸに対する重量率は０．５ｗｔ％以下とする。本実施の形態において必要なガドリニア濃度は０．１〜０．３ｗｔ％であるから、Ｇｄ複合酸化物のＧｄ重量率は、最大で０．３／０．５＝６０ｗｔ％程度とするとよい。また、過度に希釈すると、Ｇｄ複合酸化物の量が多くなりすぎてＵＯ_２のインベントリを減らしてしまうため、Ｇｄ複合酸化物のＧｄ重量率は１０ｗｔ％以上とすることが好ましい。

そこで、Ｇｄ複合酸化物のＭＯＸに対する重量率は０．１〜０．５ｗｔ％程度、複合酸化物中のＧｄ比率は１０〜６０ｗｔ％程度が好適である。

［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態における横断面図である。

本実施の形態の燃料集合体２０は、３２本の低濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒２１，２２と、２０本のウラン燃料棒２３，２４と、２２本の高濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒２５と、を有している。ウラン燃料棒２３，２４は、濃縮度の違いによって２種類に分類され、一方が１６本の高濃縮ウラン燃料棒２３、他方が高濃縮ウラン燃料棒２３よりも濃縮度が低いウランを含有する４本の低濃縮ウラン燃料棒２４である。

低濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒２１，２２は、プルトニウム富化度の違いによって２種類に分類され、２０本の第１の低濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒２１は、１２本の第２の低濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒２２よりもプルトニウム富化度が小さい。高濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒２５は、第１の実施の形態における高濃度ガドリニア入り濃縮ウラン燃料棒１５（図１参照）の代わりに導入されていて、主として運転サイクル中の反応度制御を目的として、高濃度のガドリニアが添加されたペレット９３（図２参照）を収納している。高濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒２５が含有するガドリニアの濃度は、おおむね１．０ｗｔ％以上であり、たとえば約２．０ｗｔ％である。

このように、本実施の形態では、ＭＯＸ燃料棒２１，２２，２５の種類を、第１の実施の形態の燃料集合体１０（図１参照）の４種類よりも少ない３種類としている。このため、燃料棒製造に要する時間や費用をさらに低減することができる。

また、本実施の形態の燃料集合体２０では、ウラン燃料棒２３，２４のウラン濃縮度およびＭＯＸ燃料棒２１，２２，２５のプルトニウム富化度を増加させることにより、例えば第１の実施の形態に説明した場合から約２〜３割程度増加させることにより、取出燃焼度を増大させたとしても、これに対応して、低濃度ガドリニア入りＭＯＸ燃料棒２１，２２に添加するガドリニアの濃度を、例えば第１の実施の形態においてより好適な範囲として説明した０．１〜０．２ｗｔ％程度から、０．２〜０．３ｗｔ％程度にまで増加させると、運転サイクル初期の余剰反応度を十分抑制することができる。このため、第１の実施の形態における運転サイクルの長さを変えずに、運転バッチ数をおよそ４からおよそ５に増すことができる。

したがって、本実施の形態では、第１の実施の形態とほぼ同様の反応特性および効果が得られると同時に、燃料交換に要する時間を低減することができる。また本実施の形態においては、第１の実施形態における運転バッチ数を変えずに運転サイクルの長さを増すことも可能である。

なお、本実施の形態における低濃度のガドリニアを添加したペレットの製造方法に関しては、第１の実施の形態において説明した手法、物質、Ｇｄ複合酸化物のＧｄ重量率とほぼ同様の設定によって実現できることはいうまでもない。

［第３の実施の形態］
図７は、本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における横断面図である。

本実施の形態の燃料集合体３０は、加圧水型原子炉に装荷されるものである。この燃料集合体３０は、２６４本のＭＯＸ燃料棒３１を１７行１７列の正方格子状に束ねて、３４個の格子位置に制御棒案内シンブル３３を配置し、中央の格子位置に炉内計装用案内シンブル３４を配置したものである。ＭＯＸ燃料棒３１は、ＭＯＸに微量のガドリニアを添加したペレット９３（図２参照）を収納している。ＭＯＸ燃料棒３１に添加されるガドリニアの量は、０．０１から０．０３ｗｔ％程度である。

図８は、本実施の形態の燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。図８において、実線は、本実施の形態の燃料集合体３０の無限増倍率を示している。ここで、ガドリニアの添加量は０．０１ｗｔ％とした。また、図８には、比較のため、本実施の形態の燃料集合体３０のＭＯＸ燃料棒３１にガドリニアを添加しない場合の無限増倍率を点線で示した。

ＰＷＲでは、一般的に、可溶性ホウ素により余剰反応度を抑制して運転を行う。長期運転サイクルあるいは高燃焼度化に際して、ＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度を高めると、寿命初期の反応度が高くなる傾向となる。このため、新燃料が装荷された直後の運転サイクル初期には、余剰反応度が高くなる傾向となる。しかし、高い余剰反応度を抑制するために可溶性ホウ素の濃度を増すと、減速材温度係数が正方向にシフトしてしまう。

しかし、本実施の形態では、図８に示すとおり、たとえばＭＯＸ燃料棒３１に０．０１ｗｔ％という微量のガドリニアを添加することにより、燃料集合体３０の寿命初期の無限増倍率を２％Δｋ低下させることができる。これにより、運転サイクル初期の余剰反応度も抑制され、運転サイクル初期の可溶性ホウ素の濃度の上昇を抑制することができ、減速材温度係数が正方向にシフトする可能性を低減することができる。

ＭＯＸ燃料棒３１に含有されるガドリニアの量が多すぎると、炉心の運転サイクル初期の反応度が足りずに、運転ができない可能性がある。また、ＭＯＸ燃料棒３１に含有されるガドリニアの量が少なすぎると、炉心の運転サイクル初期の反応度が高くなりすぎる可能性がある。そこで、これらの点を勘案して、ＰＷＲに装荷される燃料集合体では、ＭＯＸ燃料棒３１に含有される微量のガドリニアの濃度は、０．０１から０．０３ｗｔ％程度が好適である。

特許文献２には、寿命初期の無限増倍率を抑制するためエルビア（Ｅｒ_２Ｏ_３）を燃料ペレットに添加して用いることが考案されている。中性子吸収体であるＥｒは共鳴中性子吸収の微視断面積が大きい。このため、特にＭＯＸ燃料が装荷された炉心の場合のように中性子スペクトルが硬化したときに中性子吸収効果が大きくなる。

しかし、一方では、熱中性子吸収の微視断面積がＥｒ−１６７で６４０バーンとＧｄ−１５７の２５４，０８０バーンに比べてはるかに小さく、運転サイクル末期においてＥｒが残留して炉心の反応度損失が生ずることは避けられない。

そこで、ＭＯＸ燃料にエルビアを用いる場合には、本実施の形態のように微量のＧｄをＭＯＸに添加することより、エルビアの添加量を減らすことができる。これにより、運転サイクル末期における炉心の反応度損失を低減することができる。

ＭＯＸ燃料にＥｒとＧｄの両方を用いる場合には、第２の実施の形態で述べたとおり、Ｇｄ複合酸化物として用いてもよい。これにより、Ｇｄが複合酸化物に均一に希釈されてＧｄを含有する粒子の自己遮蔽効果が抑制される。また、Ｇｄを含有する粒子数が増加する。即ち、微量のＧｄと、Ｅｒの複合酸化物を構成する場合には、Ｇｄを母材のＥｒに均一に希釈した中性子吸収体が得られる。このような高品質の燃料を用いることにより、炉心の反応度制御を円滑に行うことができる。

また、以上述べた微量のＧｄ複合酸化物をＭＯＸ燃料に含有させることによって製造工程において、臨界安全管理に寄与する。

［その他の実施の形態］
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態の横断面図である。 本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態に用いる燃料棒の縦断面図である。 本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態の縦断面図である。 本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。 本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を装荷した炉心の運転サイクル中の余剰反応度の燃焼変化を示すグラフである。 本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態における横断面図である。 本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における横断面図である。 本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。

符号の説明

１０…燃料集合体、１１…燃料棒、１２…燃料棒、１３…燃料棒、１４…燃料棒、１５…燃料棒、１６…ウォータロッド、２０…燃料集合体、２１…燃料棒、２２…燃料棒、２３…燃料棒、２４…燃料棒、２５…燃料棒、３０…燃料集合体、３１…ＭＯＸ燃料棒、３３…制御棒案内シンブル、３４…炉内計装用案内シンブル、４０…制御棒、４１…チャンネルボックス、９１…被覆管、９２…下部端栓、９３…ペレット、９４…プレナムスプリング、９５…上部端栓、９６…上部タイプレート、９７…下部タイプレート、９８…スペーサ、９９…燃料棒

Claims (6)

1. 複数の燃料棒を格子状に束ねた燃料集合体において、前記燃料棒の少なくとも一部は、
   ウランおよびプルトニウムの混合酸化物に０．３ｗｔ％以下の濃度のガドリニアを含有させたＭＯＸ燃料棒、
   であることを特徴とする燃料集合体。
2. 前記ＭＯＸ燃料棒に含有されるガドリニアは、ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Ａとの化学式Ａ_１−ＸＧｄ_ＸＯ_{２−０．５Ｘ}または化学式Ａ_１−ＸＧｄ_ＸＯ_１．５で表わされるＧｄ複合酸化物として存在することを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
3. 前記希土類元素Ａは、エルビウムとランタンとセリウムとから選択される１以上の元素であ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. 前記ＭＯＸ燃料棒に含有されるガドリニアの濃度は０．１ｗｔ％以上であって、１ｗｔ％以上の濃度のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒をさらに有し、沸騰水型原子炉に装荷され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１項に記載の燃料集合体。
5. 前記ＭＯＸ燃料棒に含有されるガドリニアの濃度は０．０１ｗｔ％以上０．０３ｗｔ以下であって、加圧水型原子炉に装荷され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１項に記載の燃料集合体。
6. 複数の燃料棒を格子状に束ねた燃料集合体が装荷されてなる原子炉において、前記燃料集合体を構成する前記燃料棒の少なくとも一部は、
   ウランおよびプルトニウムの混合酸化物に０．３ｗｔ％以下の濃度のガドリニアを含有させたＭＯＸ燃料棒
   であることを特徴とする原子炉。

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