JP2012208125A - Reactor core of light water reactor and fuel assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軽水炉の炉心及び燃料集合体に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な軽水炉の炉心及び燃料集合体に関する。 The present invention relates to a light water reactor core and fuel assembly, and more particularly to a light water reactor core and fuel assembly suitable for application to a boiling water reactor.
多くの同位元素があるアクチニド核種は、軽水炉の炉心内に装荷された燃料集合体内の核燃料物質に富化された状態で炉心内にて燃焼するとき、中性子捕獲や核崩壊等の種々の核反応により、同位元素間を順次移行する。アクチニド核種では、共鳴領域及び熱中性子に対して大きな核分裂断面積を有するいわゆる奇数核、及び高速中性子によってのみ核分裂するいわゆる偶数核が存在するため、一般に燃焼とともに燃料集合体に含まれたアクチニド核種の各同位元素の存在割合が大きく変化する。この存在割合の変化は、炉心内における燃料集合体の装荷位置での中性子エネルギースペクトルに依存することが知られている。 Actinide nuclides with many isotopes are used in various nuclear reactions such as neutron capture and nuclear decay when burned in the core in the state of being enriched with nuclear fuel material in the fuel assemblies loaded in the light water reactor core. To sequentially move between isotopes. In actinide nuclides, there are so-called odd nuclei that have a large fission cross section for the resonance region and thermal neutrons, and so-called even nuclei that fission only by fast neutrons. The abundance of each isotope varies greatly. This change in the existence ratio is known to depend on the neutron energy spectrum at the loading position of the fuel assembly in the core.
現在の軽水炉は、低濃縮ウランを核燃料として使用している。しかしながら、天然のウラン資源には限りがあるので、軽水炉に用いられる燃料集合体を、ウラン濃縮時の残渣である劣化ウラン、天然ウラン、トリウム及び減損ウラン等に、軽水炉の使用済燃料集合体から抽出された超ウラン核種(以下、TRUという)を富化した核燃料物質を用いるリサイクル型燃料集合体に順次置き換えていく必要がある。なお、劣化ウラン、天然ウラン、トリウム、減損ウラン及びTRU等を、核燃料物質と称する。核燃料物質を有する燃料集合体は、軽水炉の炉心に装荷される。商用炉が必要であると予想されるかなり長い期間にわたってTRU及びトリウムに中性子が吸収されて新しく生まれるU−233は有効な資源としてリサイクルされ、その間、常にTRUの量及びU−233が増加するか、ほぼ一定に保たれていることが望ましい。 Current light water reactors use low enriched uranium as nuclear fuel. However, since natural uranium resources are limited, the fuel assemblies used in light water reactors can be used as depleted uranium, natural uranium, thorium, depleted uranium, etc., which are residues of uranium enrichment, from spent fuel assemblies of light water reactors. It is necessary to sequentially replace the extracted super uranium nuclide (hereinafter referred to as TRU) with a recycle type fuel assembly using a nuclear fuel material enriched. Depleted uranium, natural uranium, thorium, depleted uranium, TRU, and the like are referred to as nuclear fuel materials. A fuel assembly having nuclear fuel material is loaded into the core of a light water reactor. Is the newly generated U-233 regenerated as neutrons absorbed by TRU and thorium over a fairly long period of time expected to require a commercial reactor, while the amount of TRU and U-233 always increases? It is desirable to keep it almost constant.
現在商用炉の大部分を占めている軽水炉で、核燃料の燃焼を通じて核分裂性Pu量が増加またはほぼ一定である増殖炉を実現する技術が、特許3428150号公報及びR.TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems. GLOBAL ’95 Versailles, France, September, 1995, P.938に記載されている。特許3428150号公報及びR.TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems. GLOBAL ’95 Versailles, France, September, 1995, P.938に記載されている増殖炉を実現した軽水炉は、複数の燃料棒を三角格子で稠密に配列した、横断面が六角形をしている複数の燃料集合体を、炉心に配置している。この軽水炉の炉心は、燃料棒の稠密配置によって燃料棒周りの水の量を少なくして共鳴及び高速エネルギー中性子の割合を増やすとともに、TRUの混合酸化物燃料領域の高さを低くして、その上下に劣化ウランのブランケット領域を配置し、安全基準である負のボイド係数を維持している。その炉心は、G. A. Ducat et al., “EVALUATION OF THE PARFAIT BLANKET CONCEPT FOR FAST BREEDER REACTORS”, MITNE-157, January, 1974に記載されたパッフェ型炉心の概念を適用して炉心部を二段重ねとして経済性と安全性を確保しつつ、増殖比を1以上にしている。 A technology for realizing a breeding reactor in which the amount of fissile Pu is increased or almost constant through the burning of nuclear fuel in a light water reactor that currently occupies most of commercial reactors is disclosed in Japanese Patent No. 3428150 and R. TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems. GLOBAL '95 Versailles, France, September, 1995, P.938. The breeder reactor described in Japanese Patent No. 3428150 and R.TAKEDA et al., Proc. Of International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems. GLOBAL '95 Versailles, France, September, 1995, P.938 was realized. In a light water reactor, a plurality of fuel assemblies in which a plurality of fuel rods are densely arranged in a triangular lattice and the cross section has a hexagonal shape are arranged in the core. The core of this light water reactor reduces the amount of water around the fuel rods due to the dense arrangement of the fuel rods, increases the proportion of resonance and fast energy neutrons, and lowers the height of the mixed oxide fuel region of the TRU. The blanket areas of depleted uranium are placed above and below to maintain the negative void coefficient, which is a safety standard. The core is made up of two core layers by applying the concept of a puffer core described in GA Ducat et al., “EVALUATION OF THE PARFAIT BLANKET CONCEPT FOR FAST BREEDER REACTORS”, MITNE-157, January, 1974. The growth ratio is set to 1 or more while ensuring economy and safety.
TRUをリサイクルするためには、使用済燃料の再処理が不可欠である。しかしながら、民生用のTRUが大量破壊兵器に転用される恐れから、核不拡散に対する要求がますます厳しくなり、TRUリサイクル時の制約が厳しくなってきている。 In order to recycle TRU, reprocessing of spent fuel is essential. However, due to the fear that civilian TRUs can be diverted to weapons of mass destruction, the demand for nuclear non-proliferation has become increasingly stringent, and restrictions on TRU recycling have become stricter.
また、将来のいつの日かに、核分裂炉に代わるより優れた発電システムが実用化されるときが必ず来るので、その時にはTRUは濃縮ウランに相当するきわめて有用な核燃料から、厄介ものの長寿命廃棄物に成り下がることになる。したがって、ウランを核燃料として用いる軽水炉を広く世界に普及させるためには、使用済核燃料に残されるTRUの処分方法、すなわち、TRUを核分裂させて核分裂生成物にする、いわゆる、TRU消滅炉を準備しておくことが、原子力開発の最重要課題になっている。 Also, sometime in the future, there will always be a better power generation system to replace the fission reactor. At that time, TRUs from troublesome, long-lived waste from highly useful nuclear fuel equivalent to enriched uranium. It will fall to. Therefore, in order to widely disseminate light water reactors that use uranium as nuclear fuel to the world, a method for disposing of TRU remaining in spent nuclear fuel, that is, a so-called TRU extinguishing reactor that fissions TRU into fission products is prepared. This is the most important issue in nuclear development.
特開2008−215818号公報及びR.TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems. GLOBAL ’07 Boise, USA, September, 2007, P.1725は、使用済核燃料を再処理して得られたTRUを、新たな核燃料として再利用するリサイクルを繰り返し行う多重イサイクルを実現するために、TRUの各同位元素の存在割合をほぼ一定に保ってTRUをリサイクルする軽水増殖炉及びTRUを核分裂させるTRU消滅炉を提案している。 JP 2008-215818 and R.TAKEDA et al., Proc. Of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems.GLOBAL '07 Boise, USA, September, 2007, P.1725 reprocesses spent nuclear fuel. In order to realize a multiple cycle in which recycle of the TRU obtained in this way is reused as a new nuclear fuel, a light water breeding reactor that recycles the TRU while maintaining a substantially constant ratio of each TRU isotope, A TRU extinguishing furnace that fissions TRU is proposed.
この軽水増殖炉は、TRU量を一定に保持しもしくは増加する状態で核燃料をリサイクルし、高燃焼度化及び核拡散抵抗性を高めた燃料集合体を装荷した炉心を有している。TRU消滅炉は、軽水炉がその使命を終えるときが近づいたときに、TRUが超寿命放射性廃棄物になることを避けるために、核燃料再処理により回収したTRUを核分裂で減少させながらTRUを順次集約し、最後の一炉心分を除いて全てのTRUを核分裂させる原子炉である。 This light water breeder reactor has a reactor core loaded with a fuel assembly in which nuclear fuel is recycled while maintaining or increasing the amount of TRU, increasing the burnup and increasing the proliferation resistance. TRU extinguishing reactors gradually aggregate TRUs while reducing the TRUs recovered by nuclear fuel reprocessing by nuclear fission in order to avoid the TRUs becoming ultra-life radioactive waste when the time for the light water reactors to finish their mission is approaching In addition, it is a nuclear reactor that fissions all TRUs except for the last core.
R.TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems. GLOBAL ’95 Versailles, France, September, 1995, P.938、及びR.TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems. GLOBAL ’07 Boise, USA, September, 2007, P.1725に記載されている、使用済核燃料から回収されたこれらのTRUをリサイクルする軽水炉では、異常な過渡変化及び事故等の設計基準を満たすために、十分な安全余裕を持ってTRU量を一定に保ってTRUをシード燃料として有効利用し、すべての劣化ウランを燃焼させることにより、エネルギー長期安定供給を実現している。さらに、核分裂炉がその使命を終えてTRUが不要になったときにTRUを全て核分裂させてTRUが超寿命廃棄物になることを防ぐことができるリサイクル炉の実現が可能になった。 R.TAKEDA et al., Proc. Of International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems.GLOBAL '95 Versailles, France, September, 1995, P.938, and R.TAKEDA et al., Proc. Of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems. GLOBAL '07 Boise, USA, September, 2007, P.1725, in light water reactors that recycle these TRUs recovered from spent nuclear fuel, abnormal transients and accidents, etc. In order to meet the design standards of the above, long-term stable supply of energy has been realized by maintaining the TRU amount constant with a sufficient safety margin, effectively using TRU as a seed fuel, and burning all depleted uranium . In addition, when the fission reactor has finished its mission and the TRU is no longer needed, it has become possible to realize a recycle furnace that can fission all the TRU and prevent it from becoming a long-lived waste.
また軽水炉の普及にあたり、軽水炉で新たに作られるTRUが超寿命放射性廃棄物になることへの危惧と、TRUが大量破壊兵器に転用されることへの恐れが、大きな障害となっており、TRUをエネルギー長期安定供給のための劣化ウランを核分裂させるためのシード燃料としての役割を担う前に、軽水炉からのTRUをとにかく核分裂させると共に、核不拡散抵抗性の高い同位元素比の状態でリサイクルを繰り返すことで、最終的に使用済み燃料集合体の体数を出来るだけ少なくする技術を確立して、軽水炉普及のための障害を取り除きたいとの動きが強くなっている。そして、それらの技術は、現在運転中の軽水炉で燃料集合体を取り替えるだけで実施できれば、より望ましいとする、新たなニーズが生じている。 In addition, with the spread of light water reactors, the fear that TRUs newly produced in light water reactors will become long-lived radioactive waste and the fear that TRUs will be diverted to weapons of mass destruction are major obstacles. Before being able to serve as a seed fuel for fissioning depleted uranium for long-term stable supply of energy, the TRU from a light water reactor will be fissioned anyway and recycled with a high non-proliferation resistant isotope ratio. By repeating this, there is a strong movement to establish a technology that ultimately reduces the number of spent fuel assemblies as much as possible and to remove obstacles for the spread of light water reactors. Then, there is a new need that would be more desirable if these technologies could be implemented simply by replacing the fuel assembly in the currently operating light water reactor.
近年、原子炉の安全性に対する考え方を厳しくする動きがある。例えば、何らかの原因で炉心流量が急激に低下した時に制御棒全数挿入不能という複合事象時等の設計基準の枠外の事故(Anticipated Transient Without Scram(ATWS):スクラムなしの過渡事象)にも十分対応できる安全余裕を持つ、より安全ポテンシャルが高い炉心が求められている。 In recent years, there has been a movement to tighten the concept of reactor safety. For example, if the core flow rate suddenly drops for some reason, it is possible to cope with accidents outside of the design criteria such as a combined event where all control rods cannot be inserted (Anticipated Transient Without Scram (ATWS)). There is a need for a core with a safety margin and a higher safety potential.
そこで、発明者らは、最も厳しいと考えられる事象である、炉心全体が蒸気で満たされた状態(炉心全体が100%ボイドになった状態)を想定し、軽水炉固有の安全性に対する余裕のさらなる向上について検討を行なった。仮に炉心全体が100%ボイドになった状態では、炉心に正の反応度が投入される。この正の反応度の投入は避ける必要があり、軽水炉固有の安全性に対する余裕のさらに向上させなければならない。 Therefore, the inventors assumed the most severe event, a state in which the entire core is filled with steam (a state where the entire core is 100% voided), and further allowance for safety inherent in light water reactors. The improvement was examined. If the entire core is 100% voided, positive reactivity is introduced into the core. This positive reactivity input must be avoided and the margin for the safety inherent in light water reactors must be further improved.
本発明の目的は、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる軽水炉の炉心及び燃料集合体を提供することにある。 The objective of this invention is providing the core and fuel assembly of a light water reactor which can further increase a safety margin, without impairing the economical efficiency of a light water reactor.
上記した目的を達成する本発明の特徴は、炉心内に存在して超ウラン核種を含む核燃料物質を有する核燃料物質領域であって高さが20cm〜250cmの範囲にある核燃料物質領域の上方に、中性子吸収部材を配置したことにある。 A feature of the present invention that achieves the above-described object is that a nuclear fuel material region having a nuclear fuel material containing a transuranium nuclide present in the core and having a height in the range of 20 cm to 250 cm is above the nuclear fuel material region. The neutron absorbing member is arranged.
高さが20cm〜250cmの範囲にある核燃料物質領域を有する炉心では、核燃料物質領域から外部に漏洩する中性子の量が多いので、軽水炉の運転中に、何らかの原因で、仮に、炉心全体が100%ボイドの状態になったとき、核燃料物質領域の上方に配置された中性子吸収部材が、核燃料物質領域から漏洩した中性子を吸収する。このため、核燃料物質領域の外部に存在する構造部材に反射して核燃料物質領域に戻される、漏洩した中性子の量が極めて少なくなるので、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときに、核燃料物質領域に正の反応度が投入されない。これは、軽水炉の固有の安全性に対する余裕を向上させることができ、これにより、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 In a core having a nuclear fuel material region whose height is in the range of 20 cm to 250 cm, the amount of neutrons leaking from the nuclear fuel material region is large. Therefore, for some reason during the operation of the light water reactor, the entire core is assumed to be 100%. When it becomes a void state, the neutron absorbing member disposed above the nuclear fuel material region absorbs neutrons leaked from the nuclear fuel material region. For this reason, since the amount of leaked neutrons reflected back to the structural member existing outside the nuclear fuel material region and returned to the nuclear fuel material region is extremely small, if the entire core is in a 100% void state, No positive reactivity is injected into the nuclear fuel material area. This can improve the margin for the inherent safety of the light water reactor, and can thereby further increase the safety margin without damaging the economics of the light water reactor.
炉心内で、核燃料物質が配置されている領域が核燃料物質領域である。核燃料物質領域の高さは、燃料集合体の燃料有効長と同じである。 The region where the nuclear fuel material is disposed in the core is the nuclear fuel material region. The height of the nuclear fuel material region is the same as the effective fuel length of the fuel assembly.
炉心に装荷された燃料集合体に含まれた各燃料棒において、燃料棒の超ウラン核種を含む核燃料物質領域の上方に形成されたプレナムの外径を、3mm以上で核燃料物質領域での燃料棒の外径よりも小さくすることによっても、上記の目的を達成することができる。プレナムの長さは400mm〜2500mmの範囲内にある。 In each fuel rod included in the fuel assembly loaded in the reactor core, the outer diameter of the plenum formed above the nuclear fuel material region containing the super-uranium nuclide of the fuel rod is 3 mm or more and the fuel rod in the nuclear fuel material region The above object can also be achieved by making it smaller than the outer diameter. The length of the plenum is in the range of 400 mm to 2500 mm.
長さが400mm〜2500mmの範囲内に存在する、燃料棒のプレナムの部分での外径を、3mm以上で核燃料物質領域での燃料棒の外径よりも小さくするので、BWRの運転中に何らかの原因で炉心流量が急激に低下し、且つ、全ての制御棒が炉心に挿入されない、設計基準を超える複合事象(後述の第1設計基準外事故)が発生した場合でも、プレナムを画定する構造部材に反射されて核燃料物質充填領域に戻される、漏洩中性子の量が減少する。このため、万が一、第1設計基準外事故が発生した場合でも、BWRの固有の安全性によりボイド係数が負になるので、高圧炉心注水系の作動により燃料棒が冷却可能な出力まで自動的に低下し、炉心の安全余裕が増大する。さらに、プレナムの容積が増大するので、燃料棒の健全性が増大する。したがって、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 The outer diameter of the fuel rod plenum, which is in the range of 400 mm to 2500 mm in length, is 3 mm or more and smaller than the outer diameter of the fuel rod in the nuclear fuel material region. Structural member that delimits the plenum even when a composite event exceeding the design standard (according to the first non-design standard accident described later) occurs in which the core flow rate suddenly decreases and all control rods are not inserted into the core. The amount of leaking neutrons reflected back to the nuclear fuel material filling region is reduced. For this reason, even if an accident outside the first design standard occurs, the void coefficient becomes negative due to the inherent safety of the BWR. Therefore, the operation of the high-pressure core water injection system automatically causes the fuel rod to cool down. The safety margin of the core increases. In addition, the fuel rod health increases as the plenum volume increases. Therefore, the safety margin can be further increased without impairing the economics of the light water reactor.
炉心内の核燃料物質領域内に、炉心の軸方向において、上部ブランケット領域、超ウラン核種を含む核燃料物質が存在する上部燃料領域、内部ブランケット領域、超ウラン核種を含む核燃料物質が存在する下部燃料領域、及び下部ブランケット領域を上方よりこの順番に形成しており、下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウムの割合を、上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウムの割合よりも大きくすることによっても、上記の目的を達成することができる。 In the nuclear fuel material region in the core, in the axial direction of the core, an upper blanket region, an upper fuel region in which nuclear fuel material including super uranium nuclides exists, an inner blanket region, and a lower fuel region in which nuclear fuel materials including super uranium nuclides exist. The lower blanket region is formed in this order from above, and the proportion of fissile plutonium in the total fuel material in the lower fuel region is made larger than the proportion of fissile plutonium in the total fuel material in the upper fuel region. The above object can also be achieved.
下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウムの割合を、上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウムの割合よりも大きくするので、下部燃料領域の熱的余裕が減少し、上部燃料領域での熱的余裕が増大する。上部燃料領域でのボイド率が下部燃料領域でのボイド率よりも大きいので、上部燃料領域での熱的余裕の増加度合いが下部燃料領域での熱的余裕の減少度合いよりも大きくなるので、炉心全体では熱的余裕が増加する。このように、熱的余裕が増加し、安全余裕が増大するので、下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウムの割合が、上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウムの割合よりも大きくすることにより、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 Since the ratio of fissile plutonium in the total fuel material in the lower fuel region is larger than the ratio of fissile plutonium in the total fuel material in the upper fuel region, the thermal margin in the lower fuel region is reduced and the upper fuel region is reduced. The thermal margin at is increased. Since the void rate in the upper fuel region is larger than the void rate in the lower fuel region, the degree of increase in the thermal margin in the upper fuel region is larger than the degree of decrease in the thermal margin in the lower fuel region. Overall, the thermal margin increases. Thus, since the thermal margin increases and the safety margin increases, the proportion of fissile plutonium in the total nuclear fuel material in the lower fuel region is greater than the proportion of fissile plutonium in the total nuclear fuel material in the upper fuel region. By making it large, the safety margin can be further increased without impairing the economics of the light water reactor.
超ウラン核種を含み、超ウラン核種のリサイクルの回数が異なっている複数の燃料集合体が装荷され、これらの燃料集合体のうち、リサイクルの回数が最も少ない超ウラン核種を含む複数の燃料集合体を炉心の中央部に配置し、この中央部と炉心最外層領域の間において、リサイクル回数の多い超ウラン核種を含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置したことは、別の特徴である。 Loaded with multiple fuel assemblies that contain super uranium nuclides and differ in the number of recycles of super uranium nuclides, and among these fuel assemblies, multiple fuel assemblies that contain trans uranium nuclides with the least number of recycles Is located in the center of the core, and between the center and the outermost layer of the core, fuel assemblies containing super-uranium nuclides with a higher number of recycles are placed closer to the outermost layer of the core. is there.
燃料集合体に含まれている超ウラン核種のリサイクルの回数に基づいて上記のように燃料集合体を配置した炉心を構成することによって、使用済燃料集合体の体数を減少させることができる。すなわち、炉心に装荷された複数の燃料集合体のうち、リサイクル回数の多い超ウラン核種を含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置することによって、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になった場合において、炉心中心部への半径方向の出力分布のシフトを緩和することができ、使用済燃料集合体の体数を減少させることができる。 By configuring the core in which the fuel assemblies are arranged as described above based on the number of recycling of the ultra-uranium nuclides contained in the fuel assemblies, the number of spent fuel assemblies can be reduced. That is, among the plurality of fuel assemblies loaded in the core, the fuel assemblies containing super-uranium nuclides with a high number of recycles are arranged on the outermost layer side of the core, so that the entire core is assumed to be 100% voided. In this case, the shift of the power distribution in the radial direction toward the core center can be mitigated, and the number of spent fuel assemblies can be reduced.
原子炉から取り出された使用済燃料集合体に含まれている使用済核燃料に対して核燃料再処理が行われる。この使用済核燃料に対する核燃料再処理によって、使用済核燃料に含まれている超ウラン核種が回収され、回収された超ウラン核種を用いて新たな燃料集合体が製造される。この新たな燃料集合体は、原子炉内に装荷されて所定の運転サイクル数の間、原子炉内で使用され、その後、使用済燃料集合体として原子炉から取り出される。取り出された使用済燃料集合体に含まれた使用済核燃料に対して、核燃料再処理が実行され、超ウラン核種が回収される。このように、超ウラン核種がリサイクルされて使用される。超ウラン核種のリサイクル回数とは、超ウラン核種が核燃料再処理によって使用済核燃料から回収されて新たな燃料集合体に含まれて原子炉で使用される回数である。 Nuclear fuel reprocessing is performed on the spent nuclear fuel contained in the spent fuel assembly removed from the nuclear reactor. By the nuclear fuel reprocessing of the spent nuclear fuel, the transuranium nuclides contained in the spent nuclear fuel are recovered, and a new fuel assembly is manufactured using the recovered transuranium nuclides. This new fuel assembly is loaded into the reactor and used in the reactor for a predetermined number of operating cycles, and then removed from the reactor as a spent fuel assembly. Nuclear fuel reprocessing is performed on the spent nuclear fuel contained in the taken-out spent fuel assembly, and the transuranium nuclide is recovered. Thus, transuranium nuclides are recycled and used. The number of recycles of the super uranium nuclide is the number of times that the super uranium nuclide is recovered from the spent nuclear fuel by nuclear fuel reprocessing and included in a new fuel assembly and used in the nuclear reactor.
(A1)超ウラン核種の複数の同位元素を含む核燃料物質を有する複数の燃料集合体が装荷されており、核燃料物質が存在する核燃料物質領域を有し、核燃料物質領域の高さが20cm〜250cmの範囲にあり、中性子吸収部材が核燃料物質領域の上方に配置されている軽水炉の炉心において、さらに、好ましい構成を以下に説明する。 (A1) A plurality of fuel assemblies having a nuclear fuel material containing a plurality of isotopes of transuranium nuclides are loaded, have a nuclear fuel material region where the nuclear fuel material exists, and the height of the nuclear fuel material region is 20 cm to 250 cm. In the core of the light water reactor in which the neutron absorbing member is disposed above the nuclear fuel material region, a preferable configuration will be described below.
好ましくは、(A2)上記のA1において、燃料集合体が、核燃料物質領域を内部に形成している複数の燃料棒の下端部を支持する下部燃料支持部材、及び複数の燃料棒の上端部を支持する上部燃料支持部材を有し、燃料棒の内部で核燃料物質領域の上方にプレナムが形成されており、中性子吸収部材が、上部燃料支持部材の下方に配置されることが望ましい。 Preferably, (A2) in A1 described above, the fuel assembly includes a lower fuel support member that supports lower end portions of the plurality of fuel rods forming the nuclear fuel material region therein, and upper end portions of the plurality of fuel rods. It is desirable to have an upper fuel support member to support, a plenum is formed above the nuclear fuel material region inside the fuel rod, and the neutron absorbing member is preferably disposed below the upper fuel support member.
好ましくは、(A3)上記のA2において、中性子吸収部材が隣り合う燃料棒のプレナム相互間に配置されることが望ましい。 Preferably, (A3) In the above A2, it is desirable that the neutron absorbing member is disposed between the plenums of adjacent fuel rods.
好ましくは、(A4)上記のA1〜A3のいずれか1つにおいて、中性子吸収部材の、炉心の軸方向における長さが20mm〜700mmの範囲内にあり、核燃料物質領域の上端と中性子吸収部材の下端の間の距離が230mm〜500mmの範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A4) in any one of A1 to A3, the length of the neutron absorbing member in the axial direction of the core is in the range of 20 mm to 700 mm, and the upper end of the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member It is desirable that the distance between the lower ends is in the range of 230 mm to 500 mm.
好ましくは、(A5)上記のA1〜A4のいずれか1つにおいて、全ての中性子吸収部材の横断面積の合計が、燃料集合体格子の横断面積の10〜50%の範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A5) in any one of the above A1 to A4, the total cross-sectional area of all the neutron absorbing members is preferably in the range of 10 to 50% of the cross-sectional area of the fuel assembly lattice. .
好ましくは、(A6)上記のA1において、核燃料物質領域の下方に、他の中性子吸収部材を配置したことが望ましい。 Preferably, (A6) In the above A1, it is desirable that another neutron absorbing member is disposed below the nuclear fuel material region.
好ましくは、(A7)上記のA2またはA3において、中性子吸収材充填領域が、燃料棒内で、核燃料物質領域の下方に形成されることが望ましい。 Preferably, (A7) In the above A2 or A3, it is desirable that the neutron absorber filling region is formed below the nuclear fuel material region in the fuel rod.
好ましくは、(A8)上記のA7において、中性子吸収材充填領域の、炉心(または燃料集合体)の軸方向における長さが10mm〜150mmの範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A8) In A7 described above, the length of the neutron absorber filling region in the axial direction of the core (or fuel assembly) is in the range of 10 mm to 150 mm.
好ましくは、(A9)上記のA7またはA8において、燃料棒の中性子吸収材充填領域の部分での外径が、燃料棒の核燃料物質領域の部分での外径以上で、隣り合う燃料棒の、中性子吸収材充填領域の部分での外面相互間の間隔が1.3mm以上形成される範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A9) in A7 or A8 above, the outer diameter of the fuel rod in the neutron absorber filling region is equal to or greater than the outer diameter in the nuclear fuel material region of the fuel rod, It is desirable that the distance between the outer surfaces in the neutron absorber filling region is within a range in which 1.3 mm or more is formed.
好ましくは、(A10)上記のA2またはA3において、燃料棒の前記プレナムの部分の外径が、燃料棒の核燃料物質領域の部分の外径よりも小さくて3mm以上の範囲内にあり、プレナムの、炉心(または燃料集合体)の軸方向の長さが400mm〜2500mmの範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A10) In the above A2 or A3, the outer diameter of the plenum portion of the fuel rod is within a range of 3 mm or more smaller than the outer diameter of the nuclear fuel material region portion of the fuel rod, The length of the core (or fuel assembly) in the axial direction is preferably in the range of 400 mm to 2500 mm.
好ましくは、(A11)上記のA2またはA3において、プレナムが第1領域及び第1領域の上方に配置された第2領域を含んでおり、燃料棒の第1領域の部分の外径が燃料棒の核燃料物質領域の部分の外径よりも小さくなっており、燃料棒の第2領域の部分の外径が、燃料棒の核燃料物質領域の部分の外径以下で第1領域の部分の外径よりも大きくなっており、中性子吸収部材が第2領域の下端と核燃料物質領域の上端の間に配置されていることが望ましい。 Preferably, (A11) in the above A2 or A3, the plenum includes a first region and a second region disposed above the first region, and an outer diameter of a portion of the first region of the fuel rod is a fuel rod The outer diameter of the portion of the nuclear fuel material region of the fuel rod is smaller than the outer diameter of the portion of the fuel rod in the second region of the fuel rod and less than the outer diameter of the portion of the nuclear fuel material region of the fuel rod. It is desirable that the neutron absorbing member is disposed between the lower end of the second region and the upper end of the nuclear fuel material region.
好ましくは、(A12)上記のA2またはA3において、プレナムが第1領域及び第1領域の上方に配置された第2領域を含んでおり、燃料棒の第1領域の部分の外径が、燃料棒の第2領域の部分の外径よりも大きくて燃料棒の核燃料物質領域の部分の外径よりも小さくなっており、中性子吸収部材が第1領域の上端より上方に配置されていることが望ましい。 Preferably, (A12) in the above A2 or A3, the plenum includes the first region and the second region disposed above the first region, and the outer diameter of the portion of the first region of the fuel rod is the fuel It is larger than the outer diameter of the portion of the second region of the rod and smaller than the outer diameter of the portion of the nuclear fuel material region of the fuel rod, and the neutron absorbing member is disposed above the upper end of the first region. desirable.
好ましくは、(A13)上記のA1ないしA12のいずれか1つにおいて、中性子吸収部材がボロン及びハフニウムのいずれかを含んでいることが望ましい。 Preferably, (A13) In any one of the above A1 to A12, it is desirable that the neutron absorbing member contains either boron or hafnium.
好ましくは、(A14)上記のA7ないしA9のいずれか1つにおいて、中性子吸収材充填領域がボロン及びハフニウムのいずれかを含んでいることが望ましい。 Preferably, (A14) In any one of the above A7 to A9, it is desirable that the neutron absorbing material filling region contains either boron or hafnium.
好ましくは、(A15)上記のA1において、核燃料物質領域が、上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域及び下部燃料領域を含んでおり、上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域及び下部燃料領域が前記炉心の軸方向においてこの順番に配置され、上部燃料領域及び下部燃料領域が複数の同位元素を含んでおり、
燃焼度ゼロの燃料集合体を含んでいる状態で、下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合が、上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合よりも大きくなっていることが望ましい。
Preferably, (A15) in the above A1, the nuclear fuel material region includes an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region and a lower fuel region, and an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region and a lower fuel region. The regions are arranged in this order in the axial direction of the core, and the upper fuel region and the lower fuel region contain a plurality of isotopes,
The ratio of fissile plutonium in the total nuclear fuel material in the lower fuel region is greater than the ratio of fissile plutonium in the total nuclear fuel material in the upper fuel region with the inclusion of fuel assemblies with zero burnup. desirable.
好ましくは、(A16)上記のA15において、燃焼度ゼロの燃料集合体を含んでいる状態で、下部燃料領域の高さと上部燃料領域の高さの合計が350mm〜600mmの範囲にあり、上部燃料領域の高さが下部燃料領域の高さの1.1倍〜2.1倍の範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A16) in the above A15, in which the fuel assemblies having zero burnup are included, the total height of the lower fuel region and the upper fuel region is in the range of 350 mm to 600 mm, and the upper fuel It is desirable that the height of the region is in the range of 1.1 to 2.1 times the height of the lower fuel region.
好ましくは、(A17)上記のA15またはA16において、燃焼度ゼロの燃料集合体を含んでいる状態で、下部燃料領域の全超ウラン核種の核分裂性プルトニウムの富化度及び上部燃料領域の全超ウラン核種の核分裂性プルトニウムの富化度の平均が16%〜20%の範囲内にあり、下部燃料領域の全超ウラン核種の核分裂性プルトニウムの富化度が上部燃料領域の全超ウラン核種の核分裂性プルトニウムの富化度の1.05倍〜1.6倍の範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A17) in the above A15 or A16, in a state where a fuel assembly having a burnup of zero is included, the enrichment of fissile plutonium of all the ultra-uranium nuclides in the lower fuel region and the entire super-fuel region of the upper fuel region The average enrichment of fissile plutonium in uranium nuclides is in the range of 16% to 20%, and the enrichment of fissile plutonium in all super uranium nuclides in the lower fuel region is the same as that of all super uranium nuclides in the upper fuel region. It is desirable to be in the range of 1.05 to 1.6 times the enrichment of fissile plutonium.
好ましくは、(A18)上記のA15ないしA17のいずれか1つにおいて、下部ブランケット領域が核燃料物質領域内で下部燃料領域の下方に配置されたことが望ましい。 Preferably, (A18) In any one of the above A15 to A17, it is desirable that the lower blanket region is disposed below the lower fuel region in the nuclear fuel material region.
好ましくは、(A19)上記のA1ないしA18のいずれか1つにおいて、核燃料物質領域に含まれる全ての超ウラン核種中に占めるプルトニウム−239の割合が、40%〜60%の範囲及び5%以上40%未満の範囲のいずれかの範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A19) In any one of the above A1 to A18, the ratio of plutonium-239 in all the transuranium nuclides contained in the nuclear fuel material region is in the range of 40% to 60% and 5% or more It is desirable to be within any range of less than 40%.
好ましくは、(A20)上記のA1ないしA19のいずれか1つにおいて、単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が、30%〜55%の範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (A20) In any one of the above A1 to A19, the ratio of the cross-sectional area of the fuel pellets to the cross-sectional area of the unit fuel rod lattice is preferably in the range of 30% to 55%.
好ましくは、複数の燃料棒と、複数の燃料棒の下端部を支持する下部燃料支持部材と、複数の燃料棒の上端部を支持する上部燃料支持部材と、中性子吸収部材を備え、複数の燃料棒は、内部に、超ウラン核種の複数の同位元素を含む核燃料物質が存在する、高さが20cm〜250cmの範囲にある核燃料物質領域、及び核燃料物質領域の上方に形成されたプレナムを形成しており、中性子吸収部材が核燃料物質領域の上方に配置されている燃料集合体に、上記した(A1)の軽水炉の炉心に対する(A2)〜(A20)のそれぞれの構成要件を付加することが望ましい。燃料集合体においては、(A15)〜(A17)における「燃焼度ゼロの燃料集合体を含んでいる状態」を「燃焼度ゼロの状態」にする。 Preferably, a plurality of fuel rods, a lower fuel support member that supports lower end portions of the plurality of fuel rods, an upper fuel support member that supports upper end portions of the plurality of fuel rods, and a neutron absorbing member, The rod forms a nuclear fuel material region having a height in the range of 20 cm to 250 cm, in which a nuclear fuel material containing a plurality of isotopes of transuranium nuclides is present, and a plenum formed above the nuclear fuel material region. It is desirable to add the constituent elements (A2) to (A20) for the core of the light water reactor (A1) described above to the fuel assembly in which the neutron absorbing member is disposed above the nuclear fuel material region. . In the fuel assembly, the “state including the fuel assembly with zero burnup” in (A15) to (A17) is changed to “the state with zero burnup”.
(B1)核燃料物質を有する複数の燃料集合体が装荷され、核燃料物質が存在する核燃料物質領域内に、上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域及び下部燃料領域を軸方向においてこの順番に配置し、超ウラン核種の複数の同位元素が上部燃料領域及び下部燃料領域に含まれており、燃焼度ゼロの燃料集合体を含んでいる状態で、下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合を、上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合よりも大きくする軽水炉の炉心において、さらに、好ましい構成を以下に説明する。 (B1) A plurality of fuel assemblies having nuclear fuel material are loaded, and an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region, and a lower fuel region are arranged in this order in the axial direction in the nuclear fuel material region where the nuclear fuel material exists. However, the fissile plutonium occupies the whole nuclear fuel material in the lower fuel region in the state where the plurality of isotopes of the super uranium nuclide are contained in the upper fuel region and the lower fuel region, and the fuel assemblies having zero burnup are included. In the core of the light water reactor in which the ratio is larger than the ratio of fissile plutonium to the total nuclear fuel material in the upper fuel region, a preferable configuration will be described below.
好ましくは、(B2)上記のB1において、燃焼度ゼロの燃料集合体を含んでいる状態で、下部燃料領域の高さと上部燃料領域の高さの合計が350mm〜600mmの範囲にあり、上部燃料領域の高さが下部燃料領域の高さの1.1倍〜2.1倍の範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (B2) in B1 described above, the total of the height of the lower fuel region and the height of the upper fuel region is in the range of 350 mm to 600 mm in a state including a fuel assembly having zero burnup, and the upper fuel It is desirable that the height of the region is in the range of 1.1 to 2.1 times the height of the lower fuel region.
好ましくは、(B3)上記のB1またはB2において、燃焼度ゼロの燃料集合体を含んでいる状態で、下部燃料領域の全超ウラン核種の核分裂性プルトニウムの富化度及び上部燃料領域の全超ウラン核種の核分裂性プルトニウムの富化度の平均が16%〜20%の範囲内にあり、下部燃料領域の全超ウラン核種の核分裂性プルトニウムの富化度が上部燃料領域の全超ウラン核種の核分裂性プルトニウムの富化度の1.05倍〜1.6倍の範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (B3) in B1 or B2 above, in a state where a fuel assembly having a burnup of zero is included, the enrichment of fissile plutonium of all the ultra-uranium nuclides in the lower fuel region and the entire super-fuel region of the upper fuel region The average enrichment of fissile plutonium in uranium nuclides is in the range of 16% to 20%, and the enrichment of fissile plutonium in all super uranium nuclides in the lower fuel region is the same as that of all super uranium nuclides in the upper fuel region. It is desirable to be in the range of 1.05 to 1.6 times the enrichment of fissile plutonium.
好ましくは、(B4)上記のB1ないしB3のいずれか1つにおいて、下部ブランケット領域が核燃料物質領域内で下部燃料領域の下方に配置されたことが望ましい。 Preferably, (B4) in any one of the above B1 to B3, the lower blanket region is disposed below the lower fuel region in the nuclear fuel material region.
好ましくは、(B5)上記のB1ないしB4のいずれか1つにおいて、核燃料物質領域に含まれる全ての超ウラン核種中に占めるプルトニウム−239の割合が、40%〜60%の範囲及び5%以上40%未満の範囲のいずれかの範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (B5) In any one of the above B1 to B4, the ratio of plutonium-239 in all the transuranium nuclides included in the nuclear fuel material region is in the range of 40% to 60% and 5% or more It is desirable to be within any range of less than 40%.
好ましくは、(B6)上記のB1ないしB5のいずれか1つにおいて、単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が、30%〜55%の範囲内にあることが望ましい。 Preferably, (B6) In any one of the above B1 to B5, the ratio of the cross-sectional area of the fuel pellets to the cross-sectional area of the unit fuel rod lattice is in the range of 30% to 55%.
好ましくは、複数の燃料棒と、複数の燃料棒の下端部を支持する下部燃料支持部材と、複数の燃料棒の上端部を支持する上部燃料支持部材と、中性子吸収部材を備え、複数の燃料棒は、内部に、超ウラン核種の複数の同位元素を含む核燃料物質が存在する核燃料物質領域を形成しており、核燃料物質領域が、上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域及び下部燃料領域を含んでおり、上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域及び下部燃料領域が軸方向においてこの順番に配置され、上部燃料領域及び下部燃料領域が複数の同位元素を含んでおり、燃焼度ゼロの状態で、下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合が、上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合よりも大きくなっている燃料集合体に、上記した(B1)の軽水炉の炉心に対する(B2)〜(B6)のそれぞれの構成要件を付加することが望ましい。燃料集合体においては、(B2)及び(B3)における「燃焼度ゼロの燃料集合体を含んでいる状態」を「燃焼度ゼロの状態」にする。 Preferably, a plurality of fuel rods, a lower fuel support member that supports lower end portions of the plurality of fuel rods, an upper fuel support member that supports upper end portions of the plurality of fuel rods, and a neutron absorbing member, The rod forms a nuclear fuel material region in which a nuclear fuel material containing a plurality of isotopes of transuranium nuclides exists, and the nuclear fuel material region includes an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region, and a lower fuel region. The upper blanket region, the upper fuel region, the inner blanket region, and the lower fuel region are arranged in this order in the axial direction, and the upper fuel region and the lower fuel region contain a plurality of isotopes, and the burnup is zero. In this state, the ratio of fissile plutonium in the total fuel material in the lower fuel region is equal to the percentage of fissile plutonium in the total fuel material in the upper fuel region. The fuel assembly which is larger than it is desirable to add the respective configuration requirements for the core of a light water reactor described above (B1) (B2) ~ (B6). In the fuel assembly, the “state including the fuel assembly having zero burnup” in (B2) and (B3) is changed to “the state having zero burnup”.
本発明によれば、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 According to the present invention, the safety margin can be further increased without impairing the economics of the light water reactor.
発明者らは、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる軽水炉の実現を図るために、様々な検討を行なった。この結果、(1)炉心内に存在して超ウラン核種を含む核燃料物質を有する核燃料物質領域であって高さが20cm〜250cmの範囲にある核燃料物質領域の上方に、中性子吸収部材を配置する、(2)核燃料物質領域の上方に形成された長さが400mm〜2500mmの範囲内に存在するプレナムの外径を、3mm以上で核燃料物質領域での燃料棒の外径よりも小さくする、及び(3)下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム(以下、核分裂性Puという)の割合を、上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性Puの割合よりも大きくする、のいずれかの構成を有する炉心において、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができることが分かった。 The inventors have made various studies in order to realize a light water reactor that can further increase the safety margin without impairing the economics of the light water reactor. As a result, (1) the neutron absorbing member is disposed above the nuclear fuel material region that is present in the core and has the nuclear fuel material containing the super uranium nuclide and whose height is in the range of 20 cm to 250 cm. (2) The outer diameter of the plenum formed above the nuclear fuel material region and having a length in the range of 400 mm to 2500 mm is 3 mm or more and smaller than the outer diameter of the fuel rod in the nuclear fuel material region, and (3) Either of the following: the ratio of fissile plutonium (hereinafter referred to as fissile Pu) in the total nuclear fuel material in the lower fuel region is made larger than the ratio of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the upper fuel region It has been found that the safety margin can be further increased in the core having the configuration without impairing the economics of the light water reactor.
さらに、発明者らが、超ウラン核種を含む核燃料物質の多重リサイクルについても、合せて検討した。この結果、(4)超ウラン核種のリサイクルの回数が異なっている複数の燃料集合体のうち、リサイクルの回数が最も少ない超ウラン核種を含む複数の燃料集合体を炉心の中央部に配置し、この中央部と炉心最外層領域の間において、リサイクル回数の多い超ウラン核種を含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置することによって、使用済燃料集合体の体数を低減できることを新たに見出した。なお、核燃料物質は、核分裂性物質(U−235及びPu−239等)、及び親物質(Th−232及びU−238等)を含んでいる。 In addition, the inventors also examined multiple recycling of nuclear fuel materials containing transuranium nuclides. As a result, (4) among the plurality of fuel assemblies having different numbers of recycling of the ultra-uranium nuclides, the plurality of fuel assemblies including the ultra-uranium nuclides having the smallest number of recycling are arranged in the center of the core, A fuel assembly containing super-uranium nuclides with a high number of recycles between the central part and the core outermost layer region can be reduced in number by reducing the number of spent fuel assemblies by placing them on the outermost core region side. I found it. The nuclear fuel material includes a fissile material (such as U-235 and Pu-239) and a parent material (such as Th-232 and U-238).
安全余裕については、安全性のレベルを、以下の三段階に分けて取り扱っている。レベル1は設計基準事故であり、レベル2は第1設計基準外事故であり、レベル3は第2設計基準外事故である。
The safety margin is handled in the following three stages.
設計基準事故は、安全審査の対象となっている事象(異常な過渡変化および事故)である。この設計基準事故に対しては、原子炉固有の安全性及び通常の安全系が作動することにより、「異常な過渡変化」については燃料棒がバーンアウトしない範囲にMCPRの低下が収まるように設計することが求められる。燃料棒は再使用可能である。「事故」では、燃料棒の被覆管最高温度が1200度以下、燃料棒がその形状を維持し、燃料棒の冷却を継続できる範囲に収まるように設計することが求められる。 Design basis accidents are events (abnormal transient changes and accidents) that are subject to safety review. In response to this design basis accident, the reactor's inherent safety and normal safety systems are activated, so that "abnormal transient changes" are designed to keep the MCPR drop within the range where the fuel rod does not burn out. It is required to do. The fuel rod is reusable. In the “accident”, it is required to design the fuel rod so that the maximum cladding tube temperature is 1200 ° C. or less, the fuel rod maintains its shape, and the fuel rod can be continuously cooled.
第1設計基準外事故は、現在安全審査の対象外であるが、軽水炉では設計の際に考慮している事象である。この設計基準外事故において、最も厳しいと考えられている事故は、炉心に冷却材を供給する冷却材供給ポンプ(再循環系ポンプまたはインターナルポンプ)が全数停止し、その際、全制御棒が作動しない事故が同時に起こる複合事象である。この複合事象に対しては、非常用炉心冷却系の高圧炉心注水ポンプ(容量は冷却材供給ポンプの合計容量の5%程度)が作動して、BWRの固有の安全性により負の反応度係数で、高圧注水ポンプの流量で、燃料棒が冷却可能な出力まで自動的に低下するよう設計することが求められる。 The accident outside the first design standard is currently not subject to safety review, but is an event that is considered in the design of light water reactors. The accident that is considered to be the most severe of accidents outside this design standard is that all coolant supply pumps (recirculation pumps or internal pumps) that supply coolant to the core stop, and all control rods are It is a complex event where accidents that do not operate occur simultaneously. For this combined event, the emergency core cooling high-pressure core water injection pump (capacity is about 5% of the total capacity of the coolant supply pump) is activated, and the negative reactivity coefficient due to the inherent safety of the BWR Therefore, it is required to design the fuel rod so that it automatically drops to a coolable output at the flow rate of the high-pressure water injection pump.
第2設計基準外事故は、事故のシナリオとは無関係に、炉心全体が100%ボイド状態になることを仮定する事象である。この設計基準外事故に対しては、正の反応度が投入されないように設計することが求められる。 The accident outside the second design standard is an event that assumes that the entire core is in a 100% void state regardless of the accident scenario. For accidents outside the design standard, it is required to design so that positive reactivity is not input.
上記の(1)はレベル3(第2設計基準外事故)の安全余裕を実現した軽水炉の炉心である。上記の(2)はレベル2(第1設計基準外事故)の安全余裕を実現した軽水炉の炉心である。 The above (1) is a core of a light water reactor that realizes a safety margin of level 3 (accident outside the second design standard). The above (2) is the core of a light water reactor that realizes a safety margin of level 2 (accident outside the first design standard).
上記した(1)〜(4)の各構成を、以下に詳細に説明する。上記した(1)〜(4)の構成のそれぞれは、核燃料の再処理によって使用済核燃料から回収した超ウラン核種を、新たな燃料集合体の各燃料棒に充填してリサイクルする軽水炉に適用される。 Each structure of said (1)-(4) is demonstrated in detail below. Each of the above-described configurations (1) to (4) is applied to a light water reactor that recycles the super uranium nuclide recovered from spent nuclear fuel by reprocessing nuclear fuel into each fuel rod of a new fuel assembly. The
この軽水炉のうち、増殖炉としての性能を向上させた軽水炉の炉心について説明する。例えば、核分裂性Puの残存比が1以上になる沸騰水型増殖炉は、特許3428150号公報で初めて実現された。軽水炉で増殖炉を実現するためには、炉心内の中性子のエネルギーを高く保つ必要がある。しかし、高速増殖炉で、通常、冷却材として使用されるNaの質量に比べて、軽水炉で冷却材として用いられる水を形成している水素原子の質量が小さいため、軽水増殖炉では、中性子が一回の衝突で失うエネルギーが大きく、核燃料物資の単位体積あたりの冷却材の割合を小さくする必要がある。全てのTRU中に占めるPu−239の割合が60%よりも大きな範囲にある核燃料物質でリサイクルを行った場合には、(a)炉心内の核燃料物質に対する冷却能力が不足する、(b)燃料集合体の燃焼度が低くなって燃料経済性が損なわれる、及び(c)燃料集合体を構成する燃料棒間隙が狭くなりすぎて燃料集合体の製作が困難になる、等の不都合が生じる。全てのTRU中に占めるPu−239の割合が40%未満になっている核燃料物質でリサイクルした場合には、(d)核分裂断面積が大きい奇数核種の割合が、核分裂断面積の小さい偶数核種のそれに比べて小さくなって、核分裂性Puの残存比1以上を実現することが困難になる、及び(e)臨界状態を保つために炉心が大きくなって安全性の指標であるボイド係数が悪化する、等の不都合が生じる。したがって、軽水増殖炉では、全TRU中に含まれるPu−239の割合を40%以上60%以下の範囲内にする必要がある。 Of these light water reactors, a core of a light water reactor having improved performance as a breeding reactor will be described. For example, a boiling water breeder reactor in which the remaining ratio of fissile Pu is 1 or more was first realized in Japanese Patent No. 3428150. In order to realize a breeder reactor in a light water reactor, it is necessary to keep the energy of neutrons in the core high. However, in a fast breeder reactor, the mass of hydrogen atoms forming water used as a coolant in a light water reactor is usually smaller than the mass of Na used as a coolant. The energy lost in a single collision is large, and the proportion of coolant per unit volume of nuclear fuel material must be reduced. When recycling is performed with nuclear fuel material in which the proportion of Pu-239 in all TRUs is greater than 60%, (a) the cooling capacity for the nuclear fuel material in the core is insufficient, (b) fuel There are inconveniences such as the burnup of the assembly is lowered and the fuel economy is impaired, and (c) the fuel rod gap constituting the fuel assembly becomes too narrow, making it difficult to manufacture the fuel assembly. When recycled with nuclear fuel material in which the proportion of Pu-239 in all TRUs is less than 40%, (d) the proportion of odd nuclides with a large fission cross-section is the proportion of even nuclides with a small fission cross-section. Compared with that, it becomes difficult to realize a residual ratio of 1 or more of fissile Pu, and (e) the core becomes large in order to maintain the critical state, and the void coefficient which is a safety index is deteriorated. , Etc. occur. Therefore, in the light water breeder reactor, the ratio of Pu-239 contained in all TRUs needs to be in the range of 40% to 60%.
また、全てのTRU中に占めるPu−240の割合が35%より小さな範囲にある核燃料物質でリサイクルを行った場合には、上記した(a)、(b)及び(c)等の不都合が生じる。全てのTRU中に占めるPu−240の割合が45%より大きくなっている核燃料物質でリサイクルした場合には、(d)及び(e)等の不都合が生じる。したがって、軽水増殖炉では、全TRU中に含まれるPu−240の割合を35%以上45%以下の範囲内にする必要がある。 In addition, when recycling is performed with nuclear fuel material in which the proportion of Pu-240 in all TRUs is less than 35%, the above disadvantages (a), (b), and (c) occur. . When recycled with nuclear fuel material in which the proportion of Pu-240 in all TRUs is greater than 45%, inconveniences such as (d) and (e) occur. Therefore, in the light water breeder reactor, the ratio of Pu-240 contained in all TRUs needs to be in the range of 35% or more and 45% or less.
次に、不要になったときに長寿命放射性廃棄物として処分することが検討されているTRUを核燃料物質として利用しつつ最後に一つの炉心分のTRU以外のTRUをすべて核分裂させることを実現する軽水炉(TRU消滅炉)の炉心について説明する。発明者らは、TRUが不要になった場合には、TRUを核分裂させて減少させ、減少量に応じて多くの炉心に分散されていたTRUを集約し、最後は一つの炉心にのみTRUが残されるようにすることを考えた。このとき、TRUが超寿命放射性廃棄物になることを防ぐために、全TRU中に含まれるPu−239の割合が40%以上の状態で核燃料物質をリサイクルする場合には、TRUが減少する速度が遅くTRUを一つの炉心に集約するのに時間がかかりすぎる。また、全TRU中に占めるPu−239の割合が5%未満の核燃料物質を用いてリサイクルした場合には炉心が大きくなってボイド係数が悪化する。したがって、TRU消滅炉では、全TRU中に含まれるPu−239の割合を5%以上40%未満の範囲にする必要がある。 Next, the TRU that is being considered to be disposed of as long-lived radioactive waste when it is no longer needed is used as nuclear fuel material, and finally, all TRUs other than one core TRU are fissioned. The core of the light water reactor (TRU extinguishing reactor) will be described. When the TRU is no longer necessary, the inventors reduce the number of TRUs by fissioning them, aggregate the TRUs distributed in many cores according to the amount of reduction, and finally the TRUs only in one core. I thought about making it remain. At this time, in order to prevent the TRU from becoming a long-lived radioactive waste, when the nuclear fuel material is recycled with a Pu-239 ratio of 40% or more in all TRUs, the rate at which the TRU decreases is reduced. It takes too much time to combine TRUs into one core. In addition, when recycling is performed using nuclear fuel materials in which the proportion of Pu-239 in all TRUs is less than 5%, the core becomes large and the void coefficient deteriorates. Therefore, in the TRU extinguishing furnace, the ratio of Pu-239 contained in all TRUs needs to be in the range of 5% or more and less than 40%.
また、TRUが超寿命廃棄物になることを防ぐために、全TRU中に含まれるPu−240の割合が35%以下の状態で核燃料物質をリサイクルする場合には、TRUが減少する速度が遅くTRUを一つの炉心に集約するのに時間がかかりすぎる。また、全TRU中に占めるPu−240の割合が45%以上の核燃料物質を用いてリサイクルした場合には炉心が大きくなってボイド係数が悪化する。したがって、TRU消滅炉では、全TRU中に含まれるPu−240の割合を35%以上45%以下の範囲にする必要がある。 Also, in order to prevent TRU from becoming a long-lived waste, when the nuclear fuel material is recycled with the ratio of Pu-240 contained in all TRUs being 35% or less, the rate of decrease in TRU is slow. It takes too much time to consolidate them into one core. In addition, when recycling is performed using nuclear fuel material in which the proportion of Pu-240 in the total TRU is 45% or more, the core becomes large and the void coefficient deteriorates. Therefore, in the TRU extinguishing furnace, the ratio of Pu-240 contained in all TRUs needs to be in the range of 35% to 45%.
ここで、軽水炉の炉心の一種であるパッフェ炉心の概要について説明する。パッフェ炉心は、装荷される新燃料集合体(燃焼度がゼロ)として、下端部から上端部に向かって下部ブランケット領域、下部燃料領域、内部ブランケット領域、上部燃料領域及び上部ブランケット領域をこの順で配置した燃料集合体を用いている。このため、パッフェ炉心も、核燃料物質領域の下端から核燃料物質領域の上端に向かって下部ブランケット領域、下部燃料領域、内部ブランケット領域、上部燃料領域及び上部ブランケット領域が形成される。下部燃料領域及び上部燃料領域は、核分裂性物質を含むTRU酸化物燃料(またはTRU酸化物とウラン酸化物の混合酸化物燃料)を有する。下部ブランケット領域、内部ブランケット領域及び上部ブランケット領域は、核分裂性物質の含有量が少なくU−238等の親物質の含有量が多いウラン酸化物燃料を有する。 Here, an outline of a parfait core, which is a kind of core of a light water reactor, will be described. The puffer core is a new fuel assembly to be loaded (with a burnup of zero). The lower blanket region, the lower fuel region, the inner blanket region, the upper fuel region, and the upper blanket region are arranged in this order from the lower end to the upper end. The arranged fuel assembly is used. Therefore, the lower core area, the lower fuel area, the inner blanket area, the upper fuel area, and the upper blanket area are also formed in the parfait core from the lower end of the nuclear fuel material area toward the upper end of the nuclear fuel material area. The lower fuel region and the upper fuel region have TRU oxide fuel (or a mixed oxide fuel of TRU oxide and uranium oxide) containing fissile material. The lower blanket region, the inner blanket region, and the upper blanket region have a uranium oxide fuel with a low content of fissile material and a high content of a parent material such as U-238.
軽水炉の炉心に装荷された燃料集合体に含まれる各燃料棒は、内部にプレナムを形成している。このプレナムは、燃料棒内に充填された核燃料物質に含まれている核分裂性物質の核分裂によって発生した揮発性核分裂生成物(FPガス)を蓄積し、燃料棒の内圧上昇を抑制する。 Each fuel rod included in the fuel assembly loaded in the core of the light water reactor forms a plenum inside. The plenum accumulates volatile fission products (FP gas) generated by fission of fissionable material contained in the nuclear fuel material filled in the fuel rod, and suppresses the increase in internal pressure of the fuel rod.
前述した(1)の構成について説明する。 The configuration (1) described above will be described.
BWRの炉心に装荷された燃料集合体を冷却する冷却水(冷却材)は、5℃〜10℃程度のサブクール水として下方より炉心に流入し、燃料集合体を冷却しながら飽和水、及び蒸気及び水を含む二相流になる。この冷却水は、炉心出口で60%〜90%程度のボイド体積率を有する二相流になっている。したがって、中性子の減速に大きく寄与する水素原子の炉心軸方向の分布は、炉心の下端から炉心の上端に向うにしたがって減少する。このようなBWRは、何らかの原因で炉心の出力の上昇及び炉心流量の低下が生じ、燃料棒の温度が上昇して燃料健全性が損なわれる恐れがある場合においても、炉心出口のボイド率が上昇して炉心上方への中性子漏洩量が増加して負の反応度が炉心に投入され、自動的に原子炉出力が低下して燃料棒の健全性が維持される特徴を有している。 Cooling water (coolant) that cools the fuel assembly loaded in the BWR core flows into the core from below as subcooled water of about 5 ° C. to 10 ° C., saturated water, and steam while cooling the fuel assembly And a two-phase flow containing water. This cooling water is a two-phase flow having a void volume ratio of about 60% to 90% at the core outlet. Therefore, the distribution of hydrogen atoms in the core axis direction, which greatly contributes to neutron deceleration, decreases from the lower end of the core toward the upper end of the core. Such a BWR increases the void ratio at the core outlet even when the core output increases and the core flow rate decreases for some reason, and the fuel rod temperature rises and the fuel integrity may be impaired. As a result, the amount of neutron leakage to the upper part of the core increases and negative reactivity is introduced into the core, and the reactor power is automatically reduced to maintain the fuel rod soundness.
発明者らは、上記した特徴を有するBWRにおいて、更なる安全余裕の向上策を検討した。この検討においては、前述した第2設計基準外事故を考慮した。この検討の概要について説明する。 Inventors examined the improvement plan of the further safety margin in BWR which has the above-mentioned characteristic. In this examination, the above-mentioned accident outside the second design standard was taken into consideration. An outline of this study will be described.
発明者らは、安全余裕の向上策の検討に際し、検討対象となる軽水炉の炉心を、高さが20cm〜250cmの範囲にあって核燃料再処理で得られたTRUを含む核燃料物質領域を有しているBWRの炉心とした。TRUを含んで高さが20cm〜250cmの範囲にある核燃料物質領域を形成しているBWRでは、BWRの運転中においても、核燃料物質領域の上方及び下方に漏洩する中性子の量が多くなる。 The inventors have a nuclear fuel material region including a TRU obtained by nuclear fuel reprocessing at the core of a light water reactor to be studied when examining a measure for improving safety margin. The core of the BWR. In a BWR that includes a TRU and forms a nuclear fuel material region having a height in the range of 20 cm to 250 cm, the amount of neutrons leaking above and below the nuclear fuel material region increases even during operation of the BWR.
核燃料物質領域の高さが20cm未満になると、稠密に燃料棒が配置された炉心であっても、核燃料物質の装荷量が少なくなり、定格出力運転を継続するにあたって燃料集合体を頻繁に交換する必要が生じる。このため、原子力プラントの稼動率が低下し、経済性が損なわれる。核燃料物質領域の高さが250cmより大きくなった場合には、核燃料物質領域から漏洩する中性子が少なくなり、核燃料物質領域の上方に中性子吸収部材を配置しても、炉心全体が100%の状態になった場合には核燃料物質領域に正の反応度が投入される。したがって、核燃料物質領域の高さを、20cm〜250cmの範囲にする。 When the height of the nuclear fuel material region is less than 20 cm, even in a core in which fuel rods are densely arranged, the amount of nuclear fuel material loaded decreases, and the fuel assembly is frequently replaced to continue the rated power operation. Need arises. For this reason, the operation rate of a nuclear power plant falls and economical efficiency is impaired. When the height of the nuclear fuel material region is greater than 250 cm, less neutrons leak from the nuclear fuel material region, and even if a neutron absorbing member is disposed above the nuclear fuel material region, the entire core is 100%. When this happens, a positive reactivity is introduced into the nuclear fuel material region. Therefore, the height of the nuclear fuel material region is set to a range of 20 cm to 250 cm.
仮に何らかの原因で炉心全体が100%ボイドの状態になったとき、BWR固有の安全機能である自己制御機能が阻害される。この自己制御機能は、何らかの原因で炉心流量が急激に低下したとき、核燃料物質領域内のボイド率が急激に上昇して核燃料物質領域の上方に形成される反射体領域における二相流のボイド率も増大し、核燃料物質領域からの中性子漏洩率が増加して核燃料物質領域の中性子実効増倍率の減少することにより、原子炉出力を自動的に低下させる機能である。 If the entire core is in a 100% void state for some reason, the self-control function, which is a BWR-specific safety function, is inhibited. This self-control function allows the void fraction of the two-phase flow in the reflector region that is formed above the nuclear fuel material region when the core flow rate suddenly decreases for some reason and the void rate in the nuclear fuel material region suddenly increases. This increases the neutron leakage rate from the nuclear fuel material region and decreases the neutron effective multiplication factor in the nuclear fuel material region, thereby automatically reducing the reactor power.
核燃料物質領域から上方に向かって漏洩した中性子の一部は、燃料棒のプレナムを画定する構造部材(現在の燃料棒では、ジルコニウム合金製の被覆管の一部)で反射されて核燃料物質領域に戻される。仮に炉心全体が100%ボイドになると、プレナムを画定する構造部材に対する、隣接している燃料棒のそれぞれのプレナム間に存在する二相流の割合が低下し、核燃料物質領域から上方に漏洩する中性子の量も増大する。このため、プレナムを画定する構造部材に反射して核燃料物質領域に戻される中性子の量が増大する。しかし、核燃料物質領域内のボイド率が定格出力運転時の値から上記の100%ボイド状態なったときの無限中性子増倍率の増加量に比べて、核燃料物質領域からの中性子漏洩量の増加量が小さいため、炉心、具体的には核燃料物質領域に正の反応度が投入される。 A part of the neutron leaked upward from the nuclear fuel material region is reflected by a structural member that defines the fuel rod plenum (in the current fuel rod, a part of a cladding tube made of a zirconium alloy) and is reflected in the nuclear fuel material region. Returned. If the entire core becomes 100% void, the ratio of the two-phase flow existing between each plenum of adjacent fuel rods to the structural member defining the plenum decreases, and neutrons leak upward from the nuclear fuel material region. The amount of increases. This increases the amount of neutrons reflected back to the structural member defining the plenum and returned to the nuclear fuel material region. However, the increase in the amount of neutron leakage from the nuclear fuel material region is larger than the increase in the infinite neutron multiplication factor when the void rate in the nuclear fuel material region becomes the above-mentioned 100% void state from the value at the rated power operation. Since it is small, positive reactivity is injected into the core, specifically the nuclear fuel material region.
発明者らは、種々検討した結果、核燃料物質領域の上方に中性子吸収材(例えば、B4C及びHf等)を配置することにより、核燃料物質領域から上方へ漏洩した中性子がその中性子吸収部材によって吸収されるので、仮に炉心全体が100%ボイドになった状態でも炉心に正の反応度が入らないことを新たに確認した。上記のような中性子吸収材の配置により、正の反応度の投入が阻止できるので、BWRの固有の安全性に対する余裕が向上し、結果として、BWRの安全余裕が向上する。したがって、(1)の構成を軽水炉の炉心に適用することによって、TRUの増殖比を保ちつつ多重事故時においても安全余裕を向上できるという新たな知見が発明者らによって見出された。 As a result of various studies, the inventors have arranged a neutron absorber (for example, B 4 C and Hf) above the nuclear fuel material region, so that neutrons leaked upward from the nuclear fuel material region are caused by the neutron absorbing member. Since it was absorbed, it was newly confirmed that no positive reactivity was entered into the core even when the entire core was 100% voided. Since the arrangement of the neutron absorber as described above can prevent the positive reactivity from being input, the margin for the inherent safety of the BWR is improved, and as a result, the safety margin of the BWR is improved. Accordingly, the inventors have found a new finding that by applying the configuration of (1) to the core of a light water reactor, the safety margin can be improved even in multiple accidents while maintaining the TRU breeding ratio.
以上に述べた検討結果を詳細に説明する。 The examination results described above will be described in detail.
発明者らが軽水増殖炉の炉心を対象に行った検討結果を以下に説明する。検討対象とした軽水増殖炉は、例えば、電気出力が1350MWで、炉心に装荷されている720体の燃料集合体及び燃料集合体当たり271本の燃料棒を有する増殖比1.01のBWR炉心である。各燃料集合体は、核燃料再処理で得られた、TRUを含む核燃料物質を有しており、且つ燃焼度ゼロの時点で含まれる全てのTRU中に占めるPu−239の割合を40
%〜60%の範囲内の値にしている。
The results of studies conducted by the inventors on the core of a light water breeder reactor will be described below. The light water breeding reactor to be studied is, for example, a BWR core having a breeding ratio of 1.01 having an electric output of 1350 MW, 720 fuel assemblies loaded in the core, and 271 fuel rods per fuel assembly. is there. Each fuel assembly has nuclear fuel material including TRU obtained by nuclear fuel reprocessing, and the ratio of Pu-239 in all TRUs included at the time of zero burnup is 40%.
The value is in the range of 60% to 60%.
発明者らは、上記の(1)の構成に関する知見に基づいて、燃料集合体において、中性子吸収部材(例えば、B4C及びHf等を含む)を、燃料集合体の軸方向においてプレナムの位置で各燃料棒相互間に配置した(例えば、図18、図21及び図22等を参照)。各燃料棒において、プレナムは燃料有効長(核燃料物質領域)の上端よりも上方に位置している。このため、中性子吸収材は、核燃料物質領域より上方で、各燃料棒の上端部を保持する、燃料集合体の上部燃料支持部材(例えば、上部タイプレート)の下端よりも下方で、プレナム相互間に配置される。B4Cを用いる場合には、例えば、B4Cを密封容器内に充填して構成された中性子吸収部材をプレナム相互間に配置する。Hfを用いる場合には、金属であるHfを、例えば、板状又は棒状にし、中性子吸収部材としてプレナム相互間に配置する。 Based on the knowledge about the configuration of (1) above, the inventors set the neutron absorbing member (including B 4 C, Hf, etc.) in the fuel assembly to the position of the plenum in the axial direction of the fuel assembly. (See, for example, FIGS. 18, 21, and 22). In each fuel rod, the plenum is located above the upper end of the effective fuel length (nuclear fuel material region). For this reason, the neutron absorber is located above the nuclear fuel material region and below the lower end of the upper fuel support member (for example, the upper tie plate) of the fuel assembly that holds the upper end of each fuel rod. Placed in. In the case of using B 4 C, for example, a neutron absorbing member configured by filling B 4 C in a sealed container is disposed between the plenums. When Hf is used, the metal Hf is formed into a plate shape or a rod shape, for example, and disposed between the plenums as a neutron absorbing member.
BWRの運転時では、燃料集合体内で、プレナムの位置で燃料棒相互間に気液二相流が流れる。BWRの運転停止時においても、炉心内に冷却水が存在する。核燃料物質領域よりも上方で燃料棒間に存在する二相流または冷却水が中性子の反射体として機能する。このため、中性子吸収材は、核燃料物質領域の上方で反射体内に配置されているとも言える。核燃料物質領域よりも上方で二相流または冷却水が存在する領域を反射体領域という。 During the operation of the BWR, a gas-liquid two-phase flow flows between the fuel rods at the plenum position in the fuel assembly. Even when the BWR is stopped, cooling water exists in the core. A two-phase flow or cooling water existing between the fuel rods above the nuclear fuel material region functions as a neutron reflector. For this reason, it can be said that the neutron absorber is disposed in the reflector above the nuclear fuel material region. A region where the two-phase flow or cooling water exists above the nuclear fuel material region is referred to as a reflector region.
発明者らは、中性子吸収部材の、プレナムの位置における燃料棒相互間への配置について検討した。図1は、核燃料物質領域の上端と、プレナム相互間に配置した中性子吸収部材の下端との間の距離(核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離)による、仮に炉心全体が100%ボイドになった状態における炉心への投入反応度及びボイド係数のそれぞれの変化を示している。特性Aが核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離と、ボイド係数の関係を示し、特性Bがその距離と投入反応度の関係を示している。核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離は、炉心軸方向における距離である。特性A,Bは、図18に示すように各燃料棒に隣接して長さ500mmの中性子吸収部材を配置した燃料集合体を装荷した軽水増殖炉の炉心を対象に得られた特性である。 The inventors examined the arrangement of the neutron absorbing member between the fuel rods at the plenum position. FIG. 1 shows that the entire core is 100% void by the distance between the upper end of the nuclear fuel material region and the lower end of the neutron absorbing member disposed between the plenums (the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member). The changes in the reactivity of the reactor core and the void coefficient are shown. Characteristic A shows the relationship between the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member and the void coefficient, and property B shows the relationship between the distance and the input reactivity. The distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member is a distance in the core axis direction. Characteristics A and B are characteristics obtained for the core of a light water breeding reactor loaded with a fuel assembly in which a neutron absorbing member having a length of 500 mm is arranged adjacent to each fuel rod as shown in FIG.
中性子吸収部材の下端が核燃料物質領域の上端に近づきすぎると、BWRの運転時には、中性子吸収部材の影響により中性子を核燃料物質領域に反射させる効果が小さくなる。この結果、核燃料物質領域の実効中性子増倍率が低下し、この低下を補償するために核燃料物質領域の高さを高くする必要があり、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときに炉心への投入反応度が大きくなる。核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離が230mmより短くなると、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったとき、炉心に正の反応度が投入される。このため、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときに、炉心における正の反応度の投入を避けるために、核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離は230mm以上にしなければならない。 If the lower end of the neutron absorbing member is too close to the upper end of the nuclear fuel material region, the effect of reflecting neutrons to the nuclear fuel material region will be reduced during operation of the BWR due to the influence of the neutron absorbing member. As a result, the effective neutron multiplication factor of the nuclear fuel material region is reduced, and it is necessary to increase the height of the nuclear fuel material region in order to compensate for this reduction. If the entire core becomes 100% voided, the core Increases the reactivity to the input. When the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member is shorter than 230 mm, if the entire core is in a 100% void state, positive reactivity is introduced into the core. For this reason, if the entire core is in a 100% void state, the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member must be 230 mm or more in order to avoid the introduction of positive reactivity in the core.
また、特性Bによれば、核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離が短くなると、核燃料物質領域と中性子吸収部材の間での二相流領域(反射体領域)の体積が小さくなって、炉心ボイド率の変化による実効中性子増倍率の変化が小さくなってボイド係数が悪化する。核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離が長くなりすぎると、反射体領域の核燃料物質領域への影響が小さくなる。このため、反射体領域に漏洩した中性子が再び核燃料物質領域に戻る確率が高くなって、ボイド係数が悪化する。核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離が500mmを超えると、ボイド係数が−1×10−4%Δk/k/%void以下となり、炉心過渡特性上不具合(例えば、MCPRの制約条件を満足することができなくなる事象)が生じる可能性がある。以上のことから、好ましくは、炉心軸方向における核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離を、230mm〜500mmの範囲にすれば良い。 Further, according to the characteristic B, when the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member is shortened, the volume of the two-phase flow region (reflector region) between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member is reduced, The change in effective neutron multiplication factor due to the change in core void fraction becomes smaller and the void coefficient worsens. If the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member becomes too long, the influence of the reflector region on the nuclear fuel material region becomes small. For this reason, the probability that the neutron leaked to the reflector region will return to the nuclear fuel material region again increases, and the void coefficient deteriorates. When the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member exceeds 500 mm, the void coefficient becomes −1 × 10 −4 % Δk / k /% void or less, and there is a problem in the core transient characteristics (for example, satisfying the constraints of MCPR) Event that cannot be performed). From the above, it is preferable that the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member in the core axis direction is in the range of 230 mm to 500 mm.
なお、BWRの定格運転時にも、反射体領域に配置した中性子吸収部材は核燃料物質領域から上方へ漏洩する中性子を吸収する。中性子吸収部材を核燃料物質領域の上端に近づきすぎると、中性子吸収部材の中性子吸収機能により、原子炉の定格運転時において、反射体領域から核燃料物質領域に戻される中性子の量が少なくなる。このため、核燃料物質領域の上端部での原子炉出力が減少する。核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離を230mm以上にすることによって、このような問題が発生しなくなる。 Even during the rated operation of the BWR, the neutron absorbing member disposed in the reflector region absorbs neutrons leaking upward from the nuclear fuel material region. If the neutron absorbing member is too close to the upper end of the nuclear fuel material region, the amount of neutrons returned from the reflector region to the nuclear fuel material region is reduced during the rated operation of the reactor due to the neutron absorbing function of the neutron absorbing member. This reduces the reactor power at the upper end of the nuclear fuel material region. Such a problem does not occur when the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member is set to 230 mm or more.
次に、発明者らは、中性子吸収部材の、燃料集合体の軸方向における長さについて検討した。中性子吸収部材の長さと、投入反応度、及び核燃料物質領域の上端と中性子吸収部材の上端の間における圧力損失の関係を図2に示す。特性Cは中性子吸収部材の長さによる投入反応度の変化を示している。この投入反応度は、特性Dは中性子吸収部材の長さによる核燃料物質領域の上端と中性子吸収部材の上端の間における圧力損失の変化を示している。特性C,Dは核燃料物質領域の上端と中性子吸収部材の上端の間の距離が300mmであるときの特性である。 Next, the inventors examined the length of the neutron absorbing member in the axial direction of the fuel assembly. FIG. 2 shows the relationship between the length of the neutron absorbing member, the input reactivity, and the pressure loss between the upper end of the nuclear fuel material region and the upper end of the neutron absorbing member. Characteristic C shows the change in the input reactivity depending on the length of the neutron absorbing member. In this input reactivity, the characteristic D indicates the change in pressure loss between the upper end of the nuclear fuel material region and the upper end of the neutron absorbing member due to the length of the neutron absorbing member. Characteristics C and D are characteristics when the distance between the upper end of the nuclear fuel material region and the upper end of the neutron absorbing member is 300 mm.
中性子吸収部材の長さが20mm未満になると、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったとき、炉心に正の反応度が投入される(図2の特性C参照)。このため、中性子吸収部材の長さは20mm以上にする。中性子吸収部材の長さが700mmを超えた場合には、二相流の流動により発生する、核燃料物質領域と中性子吸収部材の間における圧力損失の増加分が、全炉心の圧力損失の20%以上になる。このような核燃料物質領域と中性子吸収部材の間における圧力損失の増大が炉心特性に与える影響を無視できなくなる。このため、中性子吸収部材の長さを700mm以下にする。 When the length of the neutron absorbing member is less than 20 mm, if the entire core is in a 100% void state, positive reactivity is introduced into the core (see characteristic C in FIG. 2). For this reason, the length of a neutron absorption member shall be 20 mm or more. When the length of the neutron absorbing member exceeds 700 mm, the increase in pressure loss between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member generated by the flow of the two-phase flow is 20% or more of the pressure loss of the entire core. become. The influence of the increase in pressure loss between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member on the core characteristics cannot be ignored. For this reason, the length of the neutron absorbing member is set to 700 mm or less.
したがって、好ましくは、中性子吸収部材の長さを20mm〜700mmの範囲に設定する。 Therefore, Preferably, the length of a neutron absorption member is set to the range of 20 mm-700 mm.
中性子吸収部材を核燃料物質領域の下方に配置してもよい。中性子吸収部材を核燃料物質領域の下方に配置した場合には、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったとき、核燃料物質領域から下方へ漏洩する中性子をその中性子吸収部材によって吸収することができる。このため、核燃料物質領域の下方に中性子吸収部材を配置することによって、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったとき、核燃料物質領域の下方に漏洩して核燃料物質領域に戻される中性子の量が非常に少なくなる。これによっても、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときに、正の反応度が炉心に投入されない。 The neutron absorbing member may be disposed below the nuclear fuel material region. When the neutron absorbing member is disposed below the nuclear fuel material region, if the entire core is in a 100% void state, neutrons leaking downward from the nuclear fuel material region can be absorbed by the neutron absorbing member. . For this reason, by disposing the neutron absorbing member below the nuclear fuel material region, if the entire core is in a 100% void state, the amount of neutrons leaking below the nuclear fuel material region and returning to the nuclear fuel material region Is very low. This also prevents positive reactivity from being introduced into the core when the entire core is in a 100% void state.
核燃料物質領域の下方に中性子吸収部材を配置するには、燃料集合体に含まれる各燃料棒の下端部に中性子吸収部材を配置すれば良い。具体的には、燃料棒の被覆管内でその下端部に中性子吸収材(例えば、B4C及びHf等)を充填する(例えば、図17及び図27等を参照)。TRUを含む複数の燃料ペレットが、その中性子吸収材充填領域の上方で被覆管内に充填される。燃料棒下端部の、中性子吸収材充填領域が存在する部分での外径は、中性子吸収材充填領域より上方での燃料棒の外径と同じである。中性子吸収材充填領域の長さは、10mm〜150mmの範囲内にある。核燃料物質領域の下方に漏洩した中性子の、核燃料物質領域に戻る量を最も少なくするためには、中性子吸収材充填領域の上端を核燃料物質領域の下端に接触させることが好ましい。しかしながら、中性子吸収材充填領域の上端と核燃料物質領域の下端を最大5mm離しても、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときでも、炉心に正の反応度が投入されることを回避できる。核燃料物質領域の下方に配置した中性子吸収材充填領域の上端は核燃料物質領域の下端から下方に離すことによって、中性子吸収材充填領域で中性子が吸収されることによる核燃料物質領域の下端部における出力への悪影響を低減できる。中性子吸収材充填領域は、下方から炉心に挿入される制御棒とは別に設けられる。 In order to dispose the neutron absorbing member below the nuclear fuel material region, the neutron absorbing member may be disposed at the lower end of each fuel rod included in the fuel assembly. Specifically, a neutron absorbing material (for example, B 4 C and Hf) is filled in the lower end portion of the cladding tube of the fuel rod (see, for example, FIGS. 17 and 27). A plurality of fuel pellets containing TRU are filled into the cladding tube above the neutron absorber filling region. The outer diameter of the lower end portion of the fuel rod where the neutron absorber filling region exists is the same as the outer diameter of the fuel rod above the neutron absorber filling region. The length of the neutron absorber filling region is in the range of 10 mm to 150 mm. In order to minimize the amount of neutrons leaking below the nuclear fuel material region and returning to the nuclear fuel material region, it is preferable that the upper end of the neutron absorber filling region is in contact with the lower end of the nuclear fuel material region. However, even if the upper end of the neutron absorber filling region and the lower end of the nuclear fuel material region are separated by a maximum of 5 mm, even if the entire core is in a 100% void state, it is avoided that positive reactivity is introduced into the core. it can. The upper end of the neutron absorber filling region arranged below the nuclear fuel material region is separated downward from the lower end of the nuclear fuel material region, so that the neutron is absorbed in the neutron absorber filling region to the output at the lower end of the nuclear fuel material region. The adverse effect of can be reduced. The neutron absorber filling region is provided separately from the control rod inserted into the core from below.
BWRでは、制御棒が、炉心の下方から、炉心に装荷された燃料集合体間に挿入される。このため、核燃料物質領域から下方では、制御棒以外に、中性子吸収材が配置される。核燃料物質領域の下方に中性子吸収部材を配置することは、核燃料物質領域の下方に漏洩した中性子が核燃料物質領域に戻されることを著しく抑制できる。 In BWR, control rods are inserted between the fuel assemblies loaded in the core from below the core. For this reason, in addition to the control rod, a neutron absorber is disposed below the nuclear fuel material region. Arranging the neutron absorbing member below the nuclear fuel material region can remarkably suppress neutrons leaking below the nuclear fuel material region from returning to the nuclear fuel material region.
次に、R.TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems. GLOBAL ’07 Boise, USA, September, 2007, P.1725に記載されているTRU消滅炉の炉心を対象とした発明者らの検討結果について説明する。検討の対象としたTRU消滅炉の炉心は、例えば、電気出力が1350MWで、燃料集合体1体当たり397本の燃料棒を有する720体の燃料集合体が装荷されているBWRの炉心である。 Next, the core of the TRU extinguishing reactor described in R.TAKEDA et al., Proc. Of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems.GLOBAL '07 Boise, USA, September, 2007, P.1725 The examination results of the inventors will be described. The core of the TRU extinguishing reactor to be studied is, for example, a BWR core in which 720 fuel assemblies having an electrical output of 1350 MW and 397 fuel rods per fuel assembly are loaded.
TRUを減少させる目的でTRUのリサイクルを繰り返す場合、すなわち、核燃料再処理で得られた、TRUを含む核燃料物質を有して、燃焼度ゼロの時点で含まれる全TRU中に占めるPu−239の割合が5%以上40%未満の範囲内にある燃料集合体の炉心への装荷を、運転サイクルごとに繰り返す場合は、増殖比1の炉心に比べて、高速中性子束による反応率割合が大きいので、核燃料物質領域の上方に配置する中性子吸収部材は、増殖比1近傍の炉心よりも太くしなければならない場合がある。この場合は、当然、燃料棒のプレナム部分の外径は、燃料棒の、プレナムよりも下方の部分での外径よりも細くなる。しかしながら、TRU消滅炉の炉心でも、好ましくは、核燃料物質領域と中性子吸収部材との間の距離を230mm〜500mmの範囲にし、中性子吸収部材の長さを20mm〜700mmの範囲にするとよい。 When TRU recycling is repeated for the purpose of reducing TRU, that is, Pu-239 of nuclear fuel material containing TRU obtained by nuclear fuel reprocessing and occupied in all TRUs included at the time of zero burnup When loading fuel assemblies with a ratio in the range of 5% or more and less than 40% to the core in every operation cycle, the reaction rate ratio due to fast neutron flux is larger than that of the core with a growth ratio of 1. In some cases, the neutron absorbing member disposed above the nuclear fuel material region must be thicker than the core near the growth ratio of 1. In this case, as a matter of course, the outer diameter of the plenum portion of the fuel rod is smaller than the outer diameter of the fuel rod at the portion below the plenum. However, in the core of the TRU extinguishing reactor, preferably, the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member is set in the range of 230 mm to 500 mm, and the length of the neutron absorbing member is set in the range of 20 mm to 700 mm.
TRU消滅炉の炉心においても、軽水増殖炉と同様に、核燃料物質領域の下方に中性子吸収部材(B4CまたはHf)を配置しても良い。TRU消滅炉においても、制御棒は下方より炉心に挿入される。軽水増殖炉と同様に、核燃料物質領域の下方で燃料棒の下端部に中性子吸収部材配置する場合において、中性子吸収部材による必要かつ十分な効果を得るためには、内部に中性子吸収材充填領域が形成された、燃料棒下端部の外径を、中性子吸収材充填領域よりも上方における燃料棒の外径よりも太くすることが望ましい場合がある。しかしながら、燃料集合体の圧力損失を考慮し、中性子吸収材充填領域が形成された、燃料棒下端部では、燃料棒相互間に形成される間隙の幅が1.3mm以下にならないようにする。 Also in the core of the TRU extinguishing reactor, a neutron absorbing member (B 4 C or Hf) may be disposed below the nuclear fuel material region as in the light water breeder reactor. In the TRU extinguishing furnace, the control rod is inserted into the core from below. As in the light water breeder reactor, when the neutron absorbing member is disposed at the lower end of the fuel rod below the nuclear fuel material region, in order to obtain the necessary and sufficient effect by the neutron absorbing member, the neutron absorber filling region is provided inside. It may be desirable to make the outer diameter of the lower end of the formed fuel rod larger than the outer diameter of the fuel rod above the neutron absorber filling region. However, considering the pressure loss of the fuel assembly, the width of the gap formed between the fuel rods should not be less than 1.3 mm at the lower end of the fuel rods where the neutron absorber filling region is formed.
軽水増殖炉と同様に、中性子吸収材充填領域の長さを、10mm〜150mmの範囲内にする。中性子吸収材充填領域の上端と核燃料物質領域の下端は最大で5mm離すことも可能である。 Similar to the light water breeder reactor, the length of the neutron absorbing material filling region is set in the range of 10 mm to 150 mm. The upper end of the neutron absorber filling region and the lower end of the nuclear fuel material region can be separated by a maximum of 5 mm.
発明者らは、仮に何らかの原因で炉心全体が100%ボイドの状態になったときにおける軽水炉の炉心の様々な特性を検討した。まず、核燃料物質領域の軸方向における、軸方向の出力分布及び軸方向のボイド率分布を、図3を用いて説明する。図3において、特性Eは、原子炉の定格出力運転時での炉心軸方向の平均出力分布を示している。特性Fは、設計基準外事故として最も厳しい複合事象の1つである、定格出力運転時に仮に何らかの原因で炉心全体が100%ボイドの状態になったときにおける炉心軸方向の平均出力分布を示している。特性Gは、特性Eの出力分布に対応した炉心軸方向での平均ボイド率分布を示している。図3に示された各特性はTRU消滅炉を対象にして得たものであるが、軽水増殖炉においても図3に示す各特性と同様な傾向を示すそれぞれの特性を得ることができた。 The inventors examined various characteristics of the core of a light water reactor when the entire core is in a 100% void state for some reason. First, the axial power distribution and the axial void ratio distribution in the axial direction of the nuclear fuel material region will be described with reference to FIG. In FIG. 3, characteristic E shows the average power distribution in the core axis direction during the rated power operation of the reactor. Characteristic F shows the average power distribution in the core axis direction when the entire core is in a state of 100% void for some reason during rated power operation, which is one of the most severe complex events as an accident outside the design criteria. Yes. A characteristic G represents an average void ratio distribution in the core axis direction corresponding to the power distribution of the characteristic E. Each characteristic shown in FIG. 3 was obtained for the TRU extinguishing furnace, but each characteristic showing the same tendency as each characteristic shown in FIG. 3 could be obtained also in the light water breeding reactor.
図3に基づけば、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときに、炉心軸方向の出力分布が核燃料物質領域の下端側にシフトし、核燃料物質領域の下方に存在する下部反射体領域が、その事故時に発生した余剰中性子のダンプタンクの役割を果たしていることが分る。下部反射体領域は、核燃料物質領域の下方に存在し、核燃料物質領域の下端よりも下方で燃料棒相互間に形成された間隙、及び下部タイプレート内の、下部タイプレートの燃料保持部よりも下方の冷却水が存在する領域である。 Based on FIG. 3, if the entire core is in a 100% void state, the power distribution in the axial direction of the core shifts to the lower end side of the nuclear fuel material region, and the lower reflector region exists below the nuclear fuel material region. However, it turns out that it plays the role of the dump tank of surplus neutrons generated at the time of the accident. The lower reflector region is located below the nuclear fuel material region, below the lower end of the nuclear fuel material region, and between the fuel rods in the lower tie plate and below the lower tie plate fuel holder. This is the area where the cooling water below exists.
全制御棒が核燃料物質領域から全引き抜きされた状態、すなわち、核燃料物質領域の下方でこの領域の下端付近に制御棒の中性子吸収材充填領域の上端が配置された状態で下部ブランケット領域を有しない核燃料物質領域において、仮に何らかの原因で炉心全体が100%ボイドの状態になったときの炉心軸方向の熱中性子束分布が、図4において特性Hで表される。図4の特性Jは、燃料棒内で、核分裂物質領域より下方の部分に中性子吸収材を配置し、中性子吸収材を充填した部分での燃料棒の外径が中性子吸収材を充填した部分より上方での燃料棒の外径と同じである場合での炉心軸方向の熱中性子束分布を示している。図4の特性Kは、燃料棒内で、核分裂物質領域より下方の部分に中性子吸収材を配置し、中性子吸収材を充填した部分での燃料棒の外径が中性子吸収材を充填した部分より上方での燃料棒の外径よりも大きい場合での炉心軸方向の熱中性子束分布を示している。特性J及びKは、いずれも、特性Hが得られた制御棒の引抜き状態及び核燃料物質領域で、仮に何らかの原因で炉心全体が100%ボイドの状態になったときの炉心軸方向の熱中性子束分布を表している。特性J及びKの熱中性子束分布が特性Hのそれよりも著しく低下しているので、核燃料物質領域の下方に中性子吸収材を配置することにより、仮に何らかの原因で炉心全体が100%ボイドの状態になったときにも、核燃料物質領域よりも下方に存在する下部反射体領域が中性子のダンプタンクの役割を果たしている。このため、余剰反応度の発生を未然に防ぐことができる。 A state in which all the control rods are completely extracted from the nuclear fuel material region, that is, the upper end of the neutron absorber filling region of the control rod is arranged near the lower end of this region below the nuclear fuel material region, and there is no lower blanket region In the nuclear fuel material region, the thermal neutron flux distribution in the core axis direction when the entire core is in a 100% void state for some reason is represented by the characteristic H in FIG. The characteristic J in FIG. 4 is that the neutron absorber is disposed in a portion below the fission material region in the fuel rod, and the outer diameter of the fuel rod in the portion filled with the neutron absorber is larger than the portion filled with the neutron absorber. The thermal neutron flux distribution in the core axis direction in the case where the outer diameter of the upper fuel rod is the same is shown. Characteristic K in FIG. 4 is that the neutron absorber is disposed in the fuel rod below the fission material region, and the outer diameter of the fuel rod in the portion filled with the neutron absorber is larger than the portion filled with the neutron absorber. The distribution of thermal neutron flux in the core axis direction when the outer diameter of the upper fuel rod is larger is shown. The characteristics J and K are the control rod drawing state and the nuclear fuel material region in which the characteristic H is obtained. The thermal neutron flux in the axial direction of the core when the entire core becomes 100% void for some reason. Represents the distribution. The thermal neutron flux distribution of characteristics J and K is significantly lower than that of characteristic H. By placing a neutron absorber below the nuclear fuel material region, the entire core is 100% voided for some reason. Even in this case, the lower reflector region located below the nuclear fuel material region serves as a neutron dump tank. For this reason, generation | occurrence | production of a surplus reactivity can be prevented beforehand.
燃料集合体格子の横断面積に対する、核燃料物質領域の下方での中性子吸収材充填領域の横断面積の割合と、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときに炉心に投入される反応度との関係を、図5に示す。その割合が35%以上になると、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときでも炉心に正の反応度が投入されなくなる。このため、核燃料再処理で得られた、TRUを含む核燃料物質を有し、且つ燃焼度ゼロの時点で含まれる全TRU中に占めるPu−239の割合が5%以上40%未満の範囲内にある燃料集合体が装荷された軽水炉の炉心において、安全余裕を向上させることができる。 The ratio of the cross-sectional area of the neutron absorber filling region below the nuclear fuel material region to the cross-sectional area of the fuel assembly lattice, and the reactivity that is input to the core when the entire core becomes 100% void This relationship is shown in FIG. When the ratio is 35% or more, even if the entire core is in a 100% void state, no positive reactivity is introduced into the core. For this reason, the ratio of Pu-239 in all TRUs that have nuclear fuel materials including TRUs obtained by nuclear fuel reprocessing and are included at the time of zero burnup is within the range of 5% or more and less than 40%. The safety margin can be improved in the core of a light water reactor loaded with a certain fuel assembly.
炉心内に存在して超ウラン核種を含む核燃料物質を有する核燃料物質領域であって高さが20cm〜250cmの範囲にある核燃料物質領域の上方に、中性子吸収部材を配置したことによって、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。TRUの多重リサイクルも継続することができる。好ましくは、炉心軸方向における核燃料物質領域と中性子吸収部材の間の距離を230mm〜500mmの範囲にし、中性子吸収部材の長さを20mm〜700mmの範囲にすることが望ましい。 By arranging a neutron absorbing member above a nuclear fuel material region that has a nuclear fuel material containing a super-uranium nuclide in the core and has a height in the range of 20 cm to 250 cm, the economy of a light water reactor The safety margin can be further increased without impairing the performance. Multiple recycling of TRUs can also be continued. Preferably, the distance between the nuclear fuel material region and the neutron absorbing member in the core axis direction is in the range of 230 mm to 500 mm, and the length of the neutron absorbing member is in the range of 20 mm to 700 mm.
核燃料物質領域の上方に中性子吸収部材を配置し、さらに、核燃料物質領域の下方に、中性子吸収材充填領域を配置することによって、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったとき、炉心に投入される反応度をさらに負にすることができる。 A neutron absorbing member is disposed above the nuclear fuel material region, and further, a neutron absorber filling region is disposed below the nuclear fuel material region, so that if the entire core becomes 100% voided, it is introduced into the core. The reactivity can be further negative.
軽水増殖炉及びTRU消滅炉も、チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレット(燃料棒内に充填)の横断面積の割合が55%を超えると燃料棒相互間の感激が1mm未満になるので、燃料集合体の組み立てが極めて困難になる。このため、単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は、55%以下にする必要がある。その面積割合が30%未満になると、燃料棒が細くなりすぎて横断面での核燃料物質の量が少なくなるので、燃料棒の長さを長くする必要があり、ボイド係数が正になる。したがって、その面積割合は30%以上にしなければならない。 In the light water breeding reactor and TRU extinguishing reactor, if the ratio of the cross-sectional area of fuel pellets (filled in the fuel rods) to the cross-sectional area of the unit fuel rod lattice in the channel box exceeds 55%, the sensitivity between the fuel rods is 1 mm As a result, the assembly of the fuel assembly becomes extremely difficult. For this reason, the ratio of the cross-sectional area of the fuel pellets to the cross-sectional area of the unit fuel rod lattice needs to be 55% or less. If the area ratio is less than 30%, the fuel rods become too thin and the amount of nuclear fuel material in the cross section decreases, so the length of the fuel rods needs to be increased and the void coefficient becomes positive. Therefore, the area ratio must be 30% or more.
さらに、発明者らは、核燃料物質領域の上方に、燃料集合体格子当たりどの程度の中性子吸収部材を配置すればよいか検討した。中性子吸収部材は、核燃料物質領域と上部燃料支持部材(例えば、上部タイプレート)の間で、燃料棒内に形成されたプレナム部に隣接して配置される。仮に何らかの原因で炉心全体が100%ボイドの状態になったときに、炉心に正の反応度が投入されないようにするためには、核燃料物質領域の上方に配置された全中性子吸収部材の横断面積の合計を、燃料集合体格子の横断面積の10%以上にする必要がある。燃料集合体格子は、炉心内に配置されたある1つの燃料集合体を、隣り合う燃料集合体間に形成される間隙(BWRでは水ギャップ)の1/2の幅で取り囲んだ環状領域、及びその1つの燃料集合体の横断面を含む領域である。燃料集合体格子の横断面積は、その環状領域の横断面積と燃料集合体の横断面積を合計した値となる。 Furthermore, the inventors examined how many neutron absorbing members should be arranged per fuel assembly lattice above the nuclear fuel material region. The neutron absorbing member is disposed adjacent to the plenum formed in the fuel rod between the nuclear fuel material region and the upper fuel support member (eg, upper tie plate). In order to prevent positive reactivity from being introduced into the core when the entire core becomes 100% void for some reason, the cross-sectional area of all neutron absorbing members arranged above the nuclear fuel material region Must be 10% or more of the cross sectional area of the fuel assembly lattice. The fuel assembly lattice includes an annular region that surrounds one fuel assembly disposed in the core with a width that is half of a gap (water gap in BWR) formed between adjacent fuel assemblies, and This is a region including the cross section of the one fuel assembly. The cross sectional area of the fuel assembly lattice is the sum of the cross sectional area of the annular region and the cross sectional area of the fuel assembly.
軽水炉の運転中において、隣り合う燃料棒のそれぞれのプレナム部とプレナム部間に配置された中性子吸収部材の間を所定流量の二相流を流す必要があるため、全中性子吸収部材の横断面積の合計を、燃料集合体格子の横断面積の50%以下にしなければならない。 During the operation of the light water reactor, it is necessary to flow a two-phase flow with a predetermined flow rate between the neutron absorbing members disposed between the plenum portions of the adjacent fuel rods. The sum should be no more than 50% of the cross-sectional area of the fuel assembly lattice.
以上の検討結果に基づいて、全中性子吸収部材の横断面積の合計を、燃料集合体格子の横断面積の10〜50%の範囲内に設定することが好ましい。 Based on the above examination results, it is preferable to set the total cross-sectional area of all neutron absorbing members within a range of 10 to 50% of the cross-sectional area of the fuel assembly lattice.
核燃料物質領域の下方でも、制御棒の横断面積を除いて、燃料集合体内に形成された全中性子吸収材充填領域の横断面積の合計を、燃料集合体格子の横断面積の10〜50%の範囲内に設定することが好ましい。 Even below the nuclear fuel material region, excluding the control rod cross-sectional area, the total cross-sectional area of all neutron absorber filling regions formed in the fuel assembly is in the range of 10 to 50% of the cross-sectional area of the fuel assembly lattice. It is preferable to set within.
(1)の構成に(2)の構成を加えることも可能である。すなわち、炉心内に存在して超ウラン核種を含む核燃料物質を有する核燃料物質領域であって高さが20cm〜250cmの範囲にある核燃料物質領域の上方に、中性子吸収部材を配置し、核燃料物質領域の上方に形成された長さが400mm〜2500mmの範囲内に存在するプレナムの外径を、3mm以上で核燃料物質領域での燃料棒の外径よりも小さくする。これにより、仮に炉心が100%ボイドの状態になっても核燃料物質領域に正の反応度が投入されることを避けることができ、燃料棒の健全性が増大する。プレナムの外径を、3mm以上で核燃料物質領域での燃料棒の外径よりも小さくなるので、隣接する燃料棒のプレナム相互間に配置される中性子吸収部材の量(例えば、中性子吸収部材の厚み)を増加することができる。これにより、仮に炉心が100%ボイドの状態になったとき、核燃料物質領域に投入される反応度をさらに負にすることができる。 It is also possible to add the configuration (2) to the configuration (1). That is, a neutron absorbing member is disposed above a nuclear fuel material region that is present in the core and has a nuclear fuel material containing a super-uranium nuclide and has a height in the range of 20 cm to 250 cm. The outer diameter of the plenum existing in the range of 400 mm to 2500 mm formed above is made 3 mm or more smaller than the outer diameter of the fuel rod in the nuclear fuel material region. As a result, even if the core is in a 100% void state, it is possible to prevent positive reactivity from being introduced into the nuclear fuel material region, and the soundness of the fuel rod is increased. Since the outer diameter of the plenum is 3 mm or more and smaller than the outer diameter of the fuel rod in the nuclear fuel material region, the amount of the neutron absorbing member disposed between the plenums of adjacent fuel rods (for example, the thickness of the neutron absorbing member) ) Can be increased. As a result, if the core is in a 100% void state, the reactivity introduced into the nuclear fuel material region can be made more negative.
クラスター制御棒が、炉心に装荷された燃料集合体内に設けられた複数のガイドチューブ内に炉心の上方から挿入される加圧水型原子炉(PWR)、及び制御棒が上方より炉心に挿入される高速増殖炉(FBR)においても、炉心内にTRUを含む核燃料物質領域を形成し、核燃料物質領域の上方及び下方に中性子吸収部材を配置してもよい。 A pressurized water reactor (PWR) in which cluster control rods are inserted from above the core into a plurality of guide tubes provided in a fuel assembly loaded in the core, and a high speed at which control rods are inserted into the core from above Also in the breeder reactor (FBR), a nuclear fuel material region including TRU may be formed in the core, and neutron absorbing members may be disposed above and below the nuclear fuel material region.
前述した(2)の構成について説明する。 The configuration (2) described above will be described.
軽水炉の炉心、例えば、BWRの炉心に装荷された燃料集合体に含まれた燃料棒は、内部に、TRUを含む複数の燃料ペレットを収納している。この燃料ペレットからの揮発性核分裂生成物の放出率が酸化ウランペレットの場合より高くなった場合においても、燃料棒の健全性を確保しつつ、BWRの安全ポテンシャルを十分保ちながらTRUのリサイクルを続けるためには、燃料棒内に形成されたプレナムの容積を増加させ、かつボイド係数を所定の範囲に保つ必要がある。また、実用化される商用炉では、燃料経済性の観点から揮発性核分裂生成物の発生量が増大する燃料集合体の高燃焼度化が求められるので、燃料棒内のプレナムの容積を増加しなければならない。 A fuel rod included in a fuel assembly loaded in a core of a light water reactor, for example, a BWR core, contains therein a plurality of fuel pellets including TRU. Even when the release rate of volatile fission products from this fuel pellet is higher than that of uranium oxide pellets, TRU recycling continues while maintaining the safety potential of the BWR while ensuring the integrity of the fuel rods. For this purpose, it is necessary to increase the volume of the plenum formed in the fuel rod and to keep the void coefficient within a predetermined range. Also, commercial reactors that are put into practical use require higher burnup of fuel assemblies that increase the amount of volatile fission products generated from the viewpoint of fuel economy, so the volume of the plenum in the fuel rod is increased. There must be.
燃料棒の上部に設けたプレナムの容積を大きくした場合には、BWR固有の安全機能である自己制御機能が阻害される。プレナムの容積が大きくなると、何らかの原因で第1設計基準外事故が生じた場合において、その自己制御機能が阻害される。 When the volume of the plenum provided at the upper part of the fuel rod is increased, the self-control function which is a safety function unique to the BWR is hindered. When the volume of the plenum is increased, the self-control function is hindered when an accident outside the first design standard occurs for some reason.
何らかの原因で第1設計基準外事故、すなわち、炉心に冷却材を供給する冷却材供給ポンプ(再循環系ポンプまたはインターナルポンプ)が全数停止し、その際、全制御棒が作動しない事故が同時に起こる複合事象が発生した場合でも、BWRの炉心の安全余裕を向上させる必要がある。 For some reason, accidents outside the first design standard, that is, all coolant supply pumps (recirculation system pumps or internal pumps) that supply coolant to the core stop, and all control rods do not operate at the same time. Even when a composite event occurs, it is necessary to improve the safety margin of the BWR core.
発明者らは、(1)の構成を用いないでも、第1設計基準外事故が発生したときに、軽水炉の炉心の安全余裕を向上できる安全余裕の向上策を検討した。この検討の対象に用いた軽水炉の炉心は、高さが20cm〜250cmの範囲にあって核燃料再処理で得られたTRUを含む核燃料物質領域を有しているBWRの炉心である。第1設計基準外事故が発生した場合には、非常用炉心冷却系の高圧炉心注水系が作動できるようになっている。 The inventors examined a safety margin improvement measure that can improve the safety margin of the core of a light water reactor when an accident outside the first design standard occurs even without using the configuration of (1). The core of the light water reactor used for this examination is a BWR core having a nuclear fuel material region including TRUs having a height in the range of 20 cm to 250 cm and obtained by nuclear fuel reprocessing. When an accident outside the first design standard occurs, the high pressure core water injection system of the emergency core cooling system can be operated.
発明者らの検討の結果、燃料棒内のプレナムの容積を増加した場合でも、燃料棒のプレナム部の外径を、燃料棒の、プレナム部の下方の核燃料物質充填領域での外径よりも小さくすることによって、第1設計基準外事故が発生した場合に炉心に投入される反応度が小さくなるという新たな知見を見出した。この新たな知見に基づいて、発明者らは、核燃料物質領域の上方に形成された長さが400mm〜2500mmの範囲内に存在するプレナムの外径を、3mm以上で核燃料物質領域での燃料棒の外径よりも小さくすればよいとの結論に達した。 As a result of the study by the inventors, even when the volume of the plenum in the fuel rod is increased, the outer diameter of the plenum portion of the fuel rod is made larger than the outer diameter of the fuel rod in the nuclear fuel material filling region below the plenum portion. As a result of the reduction, the inventors discovered a new finding that when an accident outside the first design standard occurs, the reactivity introduced into the core is reduced. Based on this new knowledge, the inventors set the outer diameter of the plenum formed above the nuclear fuel material region in the range of 400 mm to 2500 mm to be 3 mm or more and the fuel rod in the nuclear fuel material region. The conclusion was reached that the outer diameter should be smaller than the outer diameter.
このように(2)の構成を適用することによって、第1設計基準外の複合事象が発生した場合でも、プレナムを画定する構造部材に反射されて核燃料物質充填領域に戻される、漏洩中性子の量が減少し、プレナムの容積の増大によって燃料棒の健全性が増大する。したがって、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 By applying the configuration of (2) in this way, the amount of leaked neutrons that are reflected back to the structural member defining the plenum and returned to the nuclear fuel material filling region even when a composite event outside the first design standard occurs. And increasing the plenum volume increases fuel rod health. Therefore, the safety margin can be further increased without impairing the economics of the light water reactor.
以上に述べた検討結果を詳細に説明する。発明者らは、核燃料再処理で得られたTRUを含む核燃料物質領域を有する軽水炉の炉心を対象に検討を行った。この炉心の核分裂性Puの増倍比が1.01である。 The examination results described above will be described in detail. The inventors examined the core of a light water reactor having a nuclear fuel material region including TRU obtained by nuclear fuel reprocessing. The multiplication ratio of the nuclear fissionable Pu is 1.01.
図6は、その検討によって得られた結果を示しており、プレナム長さに対する投入反応度の変化を示している。この投入反応度は、炉心全体がボイド状態になったときの投入反応度である。 FIG. 6 shows the result obtained by the examination, and shows the change in the input reactivity with respect to the plenum length. This input reactivity is the input reactivity when the entire core is in a void state.
水素の散乱断面積は、500keV以下のエネルギー領域では比較的大きいが、1Mevに近づくに従って急激に減少するため、1MeV以上の高速中性子が核燃料物質領域から反射体領域にディープ・ペネトレーションで貫いて往く。一方、燃料集合体を通過する二相流を構成する水素原子の質量は中性子とほぼ同じであるため、中性子が、水素原子との一度の衝突によって、エネルギーを大きく失う。このため、核燃料物質領域の上方に存在する上部反射体が水及びこの蒸気を含む二相流だけで構成される場合、核燃料物質領域からひとたび上部反射体に漏洩した高速中性子が、再び、核燃料物質領域に戻る確率は小さい。しかし、燃料棒内のプレナムを画定している構成部材(例えば、ジルカロイ製のチューブ)が上部反射体領域に存在する場合には、ジルカロイ製のチューブのジルコニウム原子の質量は中性子質量に比べて大きく、中性子が、ジルコニウム原子との一度の衝突によって失うエネルギーは極めて小さい。このため、中性子がジルコニウム原子と何度か衝突を繰り返す間に、核燃料物質領域に再び戻る中性子も出てくる。 The hydrogen scattering cross-section is relatively large in the energy region of 500 keV or less, but rapidly decreases as it approaches 1 Mev. Therefore, fast neutrons of 1 MeV or more penetrate from the nuclear fuel material region to the reflector region by deep penetration. On the other hand, since the mass of hydrogen atoms constituting the two-phase flow passing through the fuel assembly is almost the same as that of neutrons, the neutrons lose a lot of energy by one collision with hydrogen atoms. For this reason, when the upper reflector existing above the nuclear fuel material region is composed only of a two-phase flow containing water and this vapor, the fast neutrons once leaked from the nuclear fuel material region to the upper reflector again become nuclear fuel material. The probability of returning to the region is small. However, if the component that defines the plenum in the fuel rod (eg, Zircaloy tube) is present in the upper reflector region, the zirconium atom mass in the Zircaloy tube is greater than the neutron mass. The energy that neutrons lose due to a single collision with a zirconium atom is extremely small. For this reason, while the neutrons collide with the zirconium atom several times, some neutrons return to the nuclear fuel material region.
図6において、特性Lは、燃料棒内に形成されるプレナムの部分の外径が、燃料棒の、プレナム部より下方の核燃料物質充填領域の部分の外径と同じ場合における、プレナム長さに対する投入反応度の変化を示している。特性Mは、燃料棒内に形成されるプレナムの部分の外径が、燃料棒の、プレナム部より下方の核燃料物質充填領域の部分の外径よりも小さい場合における、プレナム長さに対する投入反応度の変化を示している。具体的には、プレナム部の横断面積が、燃料棒の核燃料物質充填領域の部分の横断面積の半分である。 In FIG. 6, characteristic L is relative to the plenum length when the outer diameter of the portion of the plenum formed in the fuel rod is the same as the outer diameter of the portion of the nuclear fuel material filling region below the plenum portion of the fuel rod. The change in input reactivity is shown. Characteristic M indicates the input reactivity with respect to the plenum length when the outer diameter of the portion of the plenum formed in the fuel rod is smaller than the outer diameter of the portion of the nuclear fuel material filling region below the plenum portion of the fuel rod. Shows changes. Specifically, the cross-sectional area of the plenum portion is half the cross-sectional area of the nuclear fuel material filling region portion of the fuel rod.
何らかの原因で炉心に冷却材を供給する冷却材供給ポンプの全数が停止し、さらに全制御棒が作動しない複合事象(第1設計基準外事故)が発生することにより、出力が上昇して燃料棒内の燃料ペレットの温度が上昇し、揮発性核分裂生成物の燃料ペレットからの放出率が増加する。さらに、燃料棒の被覆管の内圧が上昇し、被覆管と燃料ペレットの間の間隙が広くなって燃料ペレットから被覆管への熱伝達率が低下し、燃料ペレットの温度がさらに上昇する。上記の複合事象の発生は、そのような正のフィードバック状態を引き起こす。しかしながら、プレナム長さを長くしてプレナム容量を増加させることにより、そのような正のフィードバック状態の発生を防ぐことができ、燃料棒の健全性を向上できる。 For some reason, the total number of coolant supply pumps that supply coolant to the reactor core stops, and a combined event (all accidents outside the first design standard) that prevents all control rods from operating causes an increase in output and fuel rods. As the temperature of the fuel pellets increases, the rate of release of volatile fission products from the fuel pellets increases. Furthermore, the internal pressure of the fuel rod cladding tube increases, the gap between the cladding tube and fuel pellets widens, the heat transfer rate from the fuel pellets to the cladding tube decreases, and the temperature of the fuel pellets further increases. The occurrence of the above composite event causes such a positive feedback condition. However, by increasing the plenum length by increasing the plenum length, it is possible to prevent the occurrence of such a positive feedback state and improve the fuel rod soundness.
図6の特性Mで示すように、燃料棒内に形成されるプレナムの部分の外径が、燃料棒の、プレナム部より下方の核燃料物質充填領域の部分の外径よりも小さい場合には、炉心全体が100%ボイドの状態になったときに、核燃料物質領域に投入される反応度が1ドル以下になる。このため、燃料棒内の、プレナムの部分の外径が、燃料棒の、核燃料物質充填領域の部分の外径よりも小さい場合には、第1設計基準外事故の複合事象が発生しても、高圧炉心注水系の作動により、炉心に注水される冷却水の流量で燃料棒が冷却可能な出力まで、出力が自動的に低下してBWRの安全性が保たれる。したがって、プレナムの部分の外径が、核燃料物質充填領域の部分の外径よりも小さくなることによって、BWRの炉心の安全余裕を向上させることができる。 As shown by the characteristic M in FIG. 6, when the outer diameter of the portion of the plenum formed in the fuel rod is smaller than the outer diameter of the portion of the nuclear fuel material filling region below the plenum portion of the fuel rod, When the entire core is in a 100% void state, the reactivity introduced into the nuclear fuel material region is less than $ 1. For this reason, if the outer diameter of the plenum portion in the fuel rod is smaller than the outer diameter of the fuel rod in the nuclear fuel material filling region, even if a composite event of an accident outside the first design standard occurs By the operation of the high-pressure core water injection system, the output is automatically reduced to the output at which the fuel rod can be cooled with the flow rate of the cooling water injected into the core, and the safety of the BWR is maintained. Therefore, the safety margin of the BWR core can be improved by making the outer diameter of the plenum portion smaller than the outer diameter of the nuclear fuel material filling region.
燃料棒において、プレナムの部分の外径が核燃料物質充填領域の部分の外径と同じである場合にはプレナムの長さを200mm程度、プレナム部より下方の核燃料物質充填領域の部分の外径よりも小さくする場合にはプレナムの長さを200〜300mm程度にすることによって、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときでも、正の反応度の投入を避けることができる。 In the fuel rod, when the outer diameter of the plenum portion is the same as the outer diameter of the nuclear fuel material filling region portion, the length of the plenum is about 200 mm, from the outer diameter of the nuclear fuel material filling region portion below the plenum portion. However, if the length of the plenum is about 200 to 300 mm, it is possible to avoid the introduction of positive reactivity even when the entire core is in a state of 100% void.
前述した(3)の構成について説明する。 The configuration (3) described above will be described.
核燃料再処理で得られたTRUを多重リサイクルすることが提案されている(特開2008−215818号公報及びR.TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems. GLOBAL ’07 Boise, USA, September, 2007, P.1725参照)。TRUの多重リサイクルを実現するためには、様々な軽水炉(BWR及びPWR)から発生した使用済核燃料から回収した核燃料物質を使用する必要がある。 It has been proposed to multiplex-recycle TRUs obtained by nuclear fuel reprocessing (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-215818 and R. TAKEDA et al., Proc. Of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycles and Systems. Boise, USA, September, 2007, P.1725). In order to realize multiple recycling of TRU, it is necessary to use nuclear fuel material recovered from spent nuclear fuel generated from various light water reactors (BWR and PWR).
軽水炉でもBWRとPWRでは、炉心内に存在する核燃料物質に含まれた核分裂性物質が燃焼するときの中性子エネルギースペクトルが異なる。また、発生した使用済燃料集合体が、炉心から取り出されて間もない使用済燃料集合体、及び燃料貯蔵プール内で長期間に亘ってわたり貯蔵された使用済燃料集合体と様々なものがある。燃料貯蔵プール内に貯蔵された使用済燃料集合体に含まれた使用済核燃料も、使用済燃料集合体の貯蔵期間の違いにより、同位元素の核崩壊も異なっており、含まれるTRUの組成が異なっている。 Even in light water reactors, BWR and PWR have different neutron energy spectra when the fissile material contained in the nuclear fuel material existing in the core burns. In addition, there are various types of spent fuel assemblies that have just been removed from the reactor core and spent fuel assemblies that have been stored for a long time in the fuel storage pool. is there. The spent nuclear fuel contained in the spent fuel assembly stored in the fuel storage pool is also different in the nuclear decay of the isotope due to the difference in the storage period of the spent fuel assembly, and the composition of the contained TRU is different. Is different.
このような様々な使用済核燃料から、核燃料再処理によって回収されたTRUを含む核燃料物質を用いて製造された新たな複数の燃料集合体を、一つの軽水炉の炉心に装荷しなければならない。回収された、TRUを含む核燃料物質でのTRUの組成が異なることに起因し、製造されて炉心に装荷された燃料集合体ごとの出力のばらつきが大きくなり、炉心の熱的余裕が小さくなる恐れがある。このため、軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることが望まれている。 From such various spent nuclear fuels, a plurality of new fuel assemblies manufactured using nuclear fuel materials including TRU recovered by nuclear fuel reprocessing must be loaded into the core of one light water reactor. Due to the difference in the composition of the TRUs in the recovered nuclear fuel material containing TRU, there is a risk that the variation in output of each fuel assembly manufactured and loaded in the core will increase, and the thermal margin of the core will be reduced There is. For this reason, it is desired to increase the thermal margin of the core of the light water reactor.
発明者らは、熱的余裕が増大する軽水炉の炉心を実現するために、種々の検討を行った。この検討の結果、発明者らは、核燃料物質領域に形成された下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性Puの割合を、核燃料物質領域に形成された上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性Puの割合よりも大きくすることによって、軽水炉の経済性を損なうことなく軽水炉の炉心の熱的余裕を増大できることを見出した。(3)の構成によって、燃料棒線出力密度、燃料棒中心温度及びMCPR等の熱的余裕を増大させることができる。さらに、TRUの多重リサイクルも実現できる。 The inventors have made various studies in order to realize a core of a light water reactor with an increased thermal margin. As a result of this examination, the inventors determined that the ratio of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the lower fuel region formed in the nuclear fuel material region is the fission in the total fuel material in the upper fuel region formed in the nuclear fuel material region. It has been found that the thermal margin of the core of the light water reactor can be increased without impairing the economics of the light water reactor by making it larger than the ratio of the characteristic Pu. With the configuration (3), it is possible to increase the thermal margin of the fuel rod power density, the fuel rod center temperature, the MCPR, and the like. Furthermore, multiple recycling of TRUs can be realized.
(3)の構成は、核燃料物質領域の下端から核燃料物質領域の上端に向かって下部ブランケット領域、下部燃料領域、内部ブランケット領域、上部燃料領域及び上部ブランケット領域が順に形成されたパッフェ炉心によって実現できる。 The configuration of (3) can be realized by a parfait core in which a lower blanket region, a lower fuel region, an inner blanket region, an upper fuel region, and an upper blanket region are formed in order from the lower end of the nuclear fuel material region toward the upper end of the nuclear fuel material region. .
このような熱的余裕の増大には、炉心内の核燃料物質領域の高さを高くする、すなわち、燃料棒の軸方向の全長を長くすることが望ましい。BWRは、炉心内で、核燃料物質領域の下端から核燃料物質領域の上端に向うに従って,中性子減速材である冷却水の密度が低下する。このため、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富化度を下げて上部燃料領域の高さを高くし、上部燃料領域よりも冷却水の密度が高い下部燃料領域における全核燃料物質中の核分裂性Puの富化度を上げて中性子の利用率を良くする。炉心の増殖比及びボイド係数は悪化しない。 In order to increase the thermal margin, it is desirable to increase the height of the nuclear fuel material region in the core, that is, to increase the total length of the fuel rod in the axial direction. In the BWR, the density of cooling water, which is a neutron moderator, decreases in the reactor core from the lower end of the nuclear fuel material region toward the upper end of the nuclear fuel material region. Therefore, the nuclear fuel material in the lower fuel region in the lower fuel region where the enrichment of the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region is lowered to increase the height of the upper fuel region and the cooling water density is higher than that in the upper fuel region. Increase the enrichment of fissionable Pu in the neutron and improve the utilization rate of neutrons. The core growth ratio and void coefficient do not deteriorate.
下部燃料領域における全核燃料物質中の核分裂性Puの富化度の増大は、下部燃料領域の高さを低減することになる。しかしながら、上部燃料領域の高さの増加幅が下部燃料領域の高さの減少幅よりも大きいので、結果として、核燃料物質領域の高さが増加する。 Increasing the enrichment of fissile Pu in the whole fuel material in the lower fuel region will reduce the height of the lower fuel region. However, the increase in the height of the upper fuel region is larger than the decrease in the height of the lower fuel region, and as a result, the height of the nuclear fuel material region increases.
核燃料物質領域に形成された下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性Puの割合を、核燃料物質領域に形成された上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性Puの割合よりも大きくした、熱的余裕が増大した軽水炉の炉心は、もし、何らかの原因で第1設計外事故が発生したとしても、非常用炉心冷却系の高圧炉心注水系から供給が可能な冷却材の容量によって炉心内の燃料集合体を冷却できる出力まで自動的に出力を低下させることができる。さらに、そのような軽水炉の炉心は、仮に何らかの原因で仮に炉心全体が100%ボイドの状態になった場合でも、正の反応度が投入されることがない。 The ratio of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the lower fuel region formed in the nuclear fuel material region is larger than the ratio of the fissile Pu in the total nuclear fuel material in the upper fuel region formed in the nuclear fuel material region. The core of a light water reactor with an increased margin is the fuel in the core depending on the capacity of coolant that can be supplied from the high-pressure core injection system of the emergency core cooling system, even if an accident outside the first design occurs for some reason. The output can be automatically reduced to an output that can cool the assembly. Further, the core of such a light water reactor is not charged with a positive reactivity even if the entire core is in a 100% void state for some reason.
(3)の構成を有する軽水炉の炉心は、熱的余裕が増大するので、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 In the core of the light water reactor having the configuration of (3), the thermal margin is increased, so that the safety margin can be further increased without impairing the economics of the light water reactor.
発明者らは、(3)の構成を実現する具体的な構成として、以下に述べる(I)の構成と(II)の構成を考え出した。(I)の構成は、核燃料物質領域の下部燃料領域の高さと上部燃料領域の高さの和を350mm以上600mm以下の範囲内にし、及び上部燃料領域の高さを下部燃料領域の高さの1.1〜2.1倍の範囲内にする。(II)の構成は、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富化度、及び上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富化度の平均が14〜22%の範囲内にし、及び下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富化度を上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富化度の1.05〜1.6倍の範囲内にする。(I)及び(II)のいずれの構成によっても、軽水炉の経済性を損なうことなく熱的余裕をさらに増大させることができる。 The inventors have devised the following configurations (I) and (II) as specific configurations for realizing the configuration (3). In the configuration (I), the sum of the height of the lower fuel region and the height of the upper fuel region in the nuclear fuel material region is within a range of 350 mm to 600 mm, and the height of the upper fuel region Within the range of 1.1 to 2.1 times. The configuration of (II) is such that the average of the enrichment degree of fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region and the enrichment degree of fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region is 14 to 22%. And the enrichment of the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region is within a range of 1.05 to 1.6 times the enrichment of the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region. To do. With either of the configurations (I) and (II), the thermal margin can be further increased without impairing the economics of the light water reactor.
以上に述べた検討結果を詳細に説明する。 The examination results described above will be described in detail.
上記の検討は、軽水増殖炉の炉心、例えば、電気出力が1350MWで、炉心に装荷されている720体の燃料集合体及び燃料集合体当たり271本の燃料棒を有する増殖比1.01のBWR炉心を対象にして行った。 The above discussion is based on a light water breeder reactor core, for example, a BWR with a growth ratio of 1.01 having an electrical power of 1350 MW, 720 fuel assemblies loaded into the core and 271 fuel rods per fuel assembly. This was done for the core.
軽水増殖炉では、臨界性の制約条件である実効中性子増倍率1の下で、増殖比、熱的余裕及び安全上の重要な指標の一つである負のボイド係数をバランスよく満足させることが重要である。 In light water breeder reactors, under the effective neutron multiplication factor of 1, which is a critical constraint, it is possible to satisfy a well-balanced negative void coefficient, which is one of important indicators for breeding ratio, thermal margin and safety. is important.
上記の検討対象のBWRの炉心について行った発明者らの検討の結果、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を下げ、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を高くすることにより、上記したように、増殖比及びボイド係数を悪化させることなく炉心の熱的余裕を増大させることができることが分かった。 As a result of the investigations by the inventors conducted on the core of the BWR to be examined above, the enrichment of the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region is lowered, and the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region is reduced. It has been found that by increasing the enrichment, as described above, the thermal margin of the core can be increased without deteriorating the growth ratio and void coefficient.
一般的には、核分裂性Pu富加度を上昇させた場合には、核分裂性物質が存在する燃料領域の中性子スペクトルが高エネルギー側にシフトし、TRUが核分裂したときに発生する中性子数が増加するとともに親物質のU−238等の高速核分裂が増加する。このため、燃料領域からブランケット領域に漏洩する中性子数が増加して増殖比の増加に寄与する。しかし、炉心を臨界に保つのに必要な燃料領域の高さが減少するので、燃料棒の全長が短くなり、熱的余裕が減少する。一方、炉心の負のボイド係数の絶対値が大きくなり、安全余裕は増大する。 In general, when the fissile Pu enrichment is increased, the neutron spectrum in the fuel region where the fissile material is present is shifted to a higher energy side, and the number of neutrons generated when the TRU undergoes fission increases. At the same time, fast fission of the parent substance, such as U-238, increases. For this reason, the number of neutrons leaking from the fuel region to the blanket region increases, contributing to an increase in the growth ratio. However, since the height of the fuel region necessary to keep the core critical is reduced, the overall length of the fuel rod is shortened, and the thermal margin is reduced. On the other hand, the absolute value of the negative void coefficient of the core increases, and the safety margin increases.
しかしながら、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を下げ、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を高くした場合には、前述したように、核燃料物質領域の高さを高くすることができる。このため、炉心の熱的余裕が増大する。 However, if the enrichment of fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region is lowered and the enrichment of the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region is increased, as described above, the nuclear fuel material region The height of can be increased. For this reason, the thermal margin of the core increases.
発明者らは、下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性Puの割合を、核燃料物質領域に形成された上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性Puの割合よりも大きくする炉心について検討した。図7は、この検討結果の1つを示している。 The inventors examined a reactor core in which the ratio of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the lower fuel region is larger than the ratio of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the upper fuel region formed in the nuclear fuel material region. . FIG. 7 shows one of the examination results.
軽水増殖炉の平衡炉心に装荷する新燃料集合体において、下部燃料領域の核分裂性Puの富加度に対する上部燃料領域の核分裂性Puの富加度の比(以下、単に、核分裂性Puの富加度の比という)を変えたときにおける、上部燃料領域、下部燃料領域及び核燃料物質領域のそれぞれの高さの変化について調べた。図7は、核分裂性Puの富加度の比と各領域の高さの関係を示している。特性Pは、核分裂性Puの富加度の比による上部燃料領域の高さの変化を示している。特性Qは、核分裂性Puの富加度の比による下部燃料領域の高さの変化を示している。特性Rは、核分裂性Puの富加度の比による核燃料物質領域の高さの変化を示している。 In the new fuel assembly loaded in the equilibrium core of the light water breeder reactor, the ratio of the enrichment of the fissile Pu in the upper fuel region to the enrichment of the fissionable Pu in the lower fuel region (hereinafter simply referred to as the fissionable Pu enrichment). The change in the height of the upper fuel region, the lower fuel region, and the nuclear fuel material region when the ratio was changed was investigated. FIG. 7 shows the relationship between the ratio of enrichment of fissile Pu and the height of each region. The characteristic P shows the change in the height of the upper fuel region according to the ratio of the enrichment of fissile Pu. The characteristic Q shows the change in the height of the lower fuel region depending on the ratio of the enrichment of fissile Pu. The characteristic R shows the change in the height of the nuclear fuel material region depending on the ratio of the enrichment of fissile Pu.
炉心の臨界性、及び炉心軸方向における出力分布の平坦化等を考慮すると、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度が17%、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度が19%のとき、上部燃料領域の高さが下部燃料領域の高さの約1.1倍になる。上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度が14%、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度が22%のとき、上部燃料領域の高さが下部燃料領域の高さの約2.1倍になる。図11に示された各特性は、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度と下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度の平均が18%の場合の評価結果である。これらの富加度の平均を16%から20%の間で変化させても、核分裂性Puの富加度の比に対する上部燃料領域の高さ及び下部燃料領域の高さが、その富化どの平均が18%の場合と同様に変化した。 Considering the criticality of the core and the flattening of the power distribution in the axial direction of the core, the enrichment of the fissionable Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region is 17%, and the fissionability in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region When the enrichment of Pu is 19%, the height of the upper fuel region is about 1.1 times the height of the lower fuel region. When the enrichment of the fissile Pu in the total nuclear fuel material in the upper fuel region is 14% and the enrichment of the fissile Pu in the total nuclear fuel material in the lower fuel region is 22%, the height of the upper fuel region is the lower fuel region. About 2.1 times the height of Each characteristic shown in FIG. 11 is evaluated when the average of the enrichment degree of fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region and the enrichment degree of fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region is 18%. It is a result. Even if the average of these enrichments is varied between 16% and 20%, the height of the upper fuel region and the height of the lower fuel region relative to the ratio of fissile Pu enrichment is determined by the average of the enrichment. The change was the same as in the case of 18%.
軽水増殖炉の平衡炉心に装荷する新燃料集合体において、核分裂性Puの富加度の比を変えたときにおける、ボイド係数、及び仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときにおいて炉心に投入される反応度の変化について検討した。この検討の結果得られた図8は、核分裂性Puの富加度の比とボイド係数、及び炉心全体が100%ボイドの状態になったときにおける投入反応度の関係を示している。特性Sは、核分裂性Puの富加度の比によるボイド係数の変化を示している。特性Tは、核分裂性Puの富加度の比によるその投入反応度の変化を示している。 In the new fuel assembly loaded in the equilibrium core of the light water breeder reactor, the void coefficient when the ratio of enrichment of fissile Pu is changed, and when the entire core is in the state of 100% void, it is thrown into the core Changes in reactivity were examined. FIG. 8 obtained as a result of this examination shows the relationship between the ratio of enrichment of fissile Pu, the void coefficient, and the input reactivity when the entire core is in a 100% void state. Characteristic S shows a change in the void coefficient depending on the ratio of enrichment of fissile Pu. Characteristic T shows a change in the input reactivity depending on the ratio of enrichment of fissile Pu.
BWRでは、炉心軸方向において、中性子の減速機能を担う水素原子の密度分布を有するので、水素原子密度の高い下部燃料領域における核分裂性Puの富加度は、水素原子密度の低い上部燃料領域におけるその富加度よりも高くすることが望ましい。核分裂性Puの富加度を22%よりも高くし過ぎると、共鳴エネルギー領域での各種のTRUの自己遮蔽効果により、核分裂性Puの富加度の増大効果が薄れてしまう。このため、炉心を臨界に保つのに必要な核分裂性Puの量がいたずらに増大し、BWRの経済性が損なわれる。また、核分裂性Pu富加度を14%よりも低くし過ぎると、中性子エネルギースペクトルが低エネルギー側に移行して増殖比が低下するとともに、ボイド係数の悪化が10%を越え、BWRの経済性及び安全性を損なう恐れがある。 The BWR has a density distribution of hydrogen atoms responsible for the neutron moderation function in the core axis direction. Therefore, the enrichment of the fissionable Pu in the lower fuel region where the hydrogen atom density is high is that in the upper fuel region where the hydrogen atom density is low. It is desirable to make it higher than the degree of enrichment. If the enrichment of fissionable Pu is set higher than 22%, the effect of increasing the enrichment of fissionable Pu is diminished by the self-shielding effect of various TRUs in the resonance energy region. For this reason, the amount of fissile Pu necessary to keep the core critical is unnecessarily increased, and the economics of the BWR are impaired. Moreover, if the fissile Pu enrichment is made lower than 14%, the neutron energy spectrum shifts to the low energy side, the growth ratio decreases, the void coefficient worsens by more than 10%, and the economics of BWR and There is a risk of sacrificing safety.
しかしながら、図8の特性Tで表されるように、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度が下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度の1.05(19/16)倍よりも小さくなると、炉心全体が100%ボイドの状態になったと仮定したときの投入反応度が1ドル(約0.34%ΔK)を超えて即発臨界領域に入る。即発臨界領域に入ることは避けなければならない。このため、万が一、第1設計基準外事故が発生して高圧炉心注水系が作動する場合に対応して、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度の1.05倍以下にしなければならない。上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度が、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度の1.6(22/14)倍を超えた場合には、負のボイド係数の絶対値が小さくなり、異常な過渡変化や事故の種類によっては安全基準を満たすのが困難な場合が生じる可能性がある。このため、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度の1.6倍以下にする。 However, as represented by characteristic T in FIG. 8, the enrichment of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the upper fuel region is 1.05 (the enrichment of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the lower fuel region. If it is smaller than 19/16), the input reactivity when it is assumed that the entire core is in a state of 100% void exceeds 1 dollar (about 0.34% ΔK) and enters the prompt critical region. Entering the prompt critical region must be avoided. For this reason, in the unlikely event that an accident outside the first design standard occurs and the high-pressure core water injection system is activated, the enrichment of the fissionable Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region is reduced to the entire lower fuel region. It must be less than 1.05 times the enrichment of fissile Pu in nuclear fuel material. If the enrichment of fissile Pu in the total fuel material of the upper fuel region exceeds 1.6 (22/14) times the enrichment of fissile Pu in the total fuel material of the lower fuel region, The absolute value of the void coefficient may be small, and it may be difficult to meet safety standards depending on abnormal transient changes and accident types. For this reason, the enrichment of the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region is made 1.6 times or less than the enrichment of the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region.
図8に示す特性Tに基づけば、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度の1.25(20/16)倍以上にすることによって、仮に何らかの原因で炉心全体が100%ボイドの状態になったとしても、炉心に正の反応度が入ることを避けることができる。 Based on the characteristic T shown in FIG. 8, the enrichment of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the upper fuel region is 1.25 (20/16) of the enrichment of fissile Pu in the total nuclear fuel material in the lower fuel region. ) By multiplying it by a factor of 2 or more, even if the entire core becomes 100% voided for some reason, it is possible to avoid a positive reactivity from entering the core.
このため、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度の1.05〜1.6の範囲内にすることによって、炉心の熱的余裕を増大させることができる。結果として、炉心の経済性を損なうことなく、炉心の安全余裕を向上することができる。好ましくは、上部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度を、下部燃料領域の全核燃料物質中の核分裂性Puの富加度の1.25〜1.6の範囲内にすることが望ましい。以上は平衡炉心についての検討結果を示したが、初装荷炉心、及び平衡炉心に至る移行炉心についても、同様のことが言える。 For this reason, by making the enrichment of fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region within the range of 1.05 to 1.6 of the enrichment of the fissile Pu in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region. The thermal margin of the core can be increased. As a result, the safety margin of the core can be improved without impairing the economics of the core. Preferably, the enrichment of fissile Pu in the total fuel material of the upper fuel region is within the range of 1.25 to 1.6 of the enrichment of fissile Pu in the total fuel material of the lower fuel region. desirable. The above shows the result of the study on the equilibrium core, but the same can be said for the initial loading core and the transition core that reaches the equilibrium core.
前述した(4)の構成について説明する。 The configuration (4) described above will be described.
軽水炉から大量に発生する使用済燃料集合体に含まれる使用済核燃料は、核燃料再処理を行ってTRUをリサイクルする方法、及び使用済燃料集合体を直接地層処分する方法のいずれかで対応することが考えられている。しかしながら、使用済燃料集合体の地層処分地がなかなか決まらないので、使用済燃料集合体の中間貯蔵の道も考えられている。一方、軽水炉の運転によって新たに生成されるTRUが超寿命放射性廃棄物になることへの危惧が、軽水炉増設の妨げになることが懸念されている。そこで、軽水炉の普及のための当面の対策として、発明者らは、現在運転中のBWRを用いてTRUを核分裂させ、使用済燃料集合体数を大幅に削減することを検討した。 Spent nuclear fuel contained in spent fuel assemblies generated in large quantities from light water reactors shall be handled either by reprocessing nuclear fuel and recycling TRUs, or by direct geological disposal of spent fuel assemblies Is considered. However, since it is difficult to determine the geological disposal site of the spent fuel assembly, an intermediate storage path for the spent fuel assembly is also considered. On the other hand, there is concern that the fear that TRU newly generated by the operation of the light water reactor will become a long-lived radioactive waste hinders the addition of the light water reactor. Therefore, as an immediate measure for the popularization of light water reactors, the inventors studied to fission the TRU using the BWR currently in operation to greatly reduce the number of spent fuel assemblies.
現在運転中の軽水炉でTRUをリサイクルした例としては、いわゆるPuサーマル利用といわれるTRUのうちPuだけを、しかも一度だけリサイクルすることがヨーロッパ等で実施されている。しかしながら、TRUのリサイクルを繰り返して継続する場合には、安全上の制約条件を守れなくなるので、安全上の制約条件を守りつつ、TRUの多重リサイクルを繰り返し、使用済燃料集合体の体数を大幅に減らすことが必要である。 As an example of recycling TRUs in currently operating light water reactors, only Pu among TRUs that are so-called Pu thermal use is recycled in Europe and the like once. However, if you continue to recycle TRUs, you will not be able to comply with safety constraints, so you will need to repeat TRU multiple recycling while keeping the safety constraints, greatly increasing the number of spent fuel assemblies. It is necessary to reduce it.
発明者らは、使用済燃料集合体の体数を減らすことができる対策を検討した。この結果、発明者らは、超ウラン核種を含み、超ウラン核種のリサイクルの回数が異なっている複数の燃料集合体が装荷され、これらの燃料集合体のうち、リサイクルの回数が最も少ない超ウラン核種を含む複数の燃料集合体を炉心の中央部に配置し、この中央部と炉心最外層領域の間において、リサイクル回数の多い超ウラン核種を含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置する((4)の構成)ことによって、使用済燃料集合体の体数を低減できることを見出した。 The inventors examined measures that can reduce the number of spent fuel assemblies. As a result, the inventors have loaded a plurality of fuel assemblies that contain super uranium nuclides and have different numbers of recycles of the super uranium nuclides, and among these fuel assemblies, the ultra uranium nuclides with the least number of recycles. A plurality of fuel assemblies containing nuclides are arranged in the center of the core, and the fuel assemblies containing super-uranium nuclides that are recycled many times between the center and the outermost layer of the core are arranged on the outermost layer side of the core. It was found that the number of spent fuel assemblies can be reduced by doing (configuration (4)).
(4)の炉心構成は、例えば、以下のようにして実現できる。すなわち、リサイクル回数の異なるTRUが別々の燃料集合体に含まれ、これらの燃料集合体が一つの軽水炉の炉心に装荷される。燃焼度がゼロのときに同じリサイクル回数のTRUが富化されて炉心滞在期間が異なる各燃料集合体は、炉心内で、互いに隣接して装荷される。リサイクルの回数が最も少ない超ウラン核種を含む複数の燃料集合体を炉心の中央部に配置し、この中央部と炉心最外層領域の間において、リサイクル回数の多い超ウラン核種を含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置する。 The core configuration (4) can be realized, for example, as follows. That is, TRUs with different numbers of recycles are included in separate fuel assemblies, and these fuel assemblies are loaded into the core of one light water reactor. When the burnup is zero, the fuel assemblies that are enriched with the same number of recycles of TRUs and have different core stay periods are loaded adjacent to each other in the core. Multiple fuel assemblies containing ultra-uranium nuclides with the least number of recycles are arranged in the central part of the core, and between these central parts and the outermost layer of the core, fuel assemblies containing ultra-uranium nuclides with the highest number of recycles , Arranged on the outermost layer region side of the core.
リサイクル回数の異なるTRUは、混ぜ合わせることなく、別々に異なる燃料集合体に装荷する必要がある。低濃縮ウラン及びTRUを核燃料として用いる軽水炉で発生した使用済核燃料を再処理して得られるTRUをウランに富加して多重リサイクルする際に、同じリサイクル数のTRUを含む燃料集合体ごとに、同じリサイクル数のTRUを含み炉心滞在年数の異なるすべての燃料集合体の無限実効増倍率の平均値がほぼ同じ値になるように新燃料集合体のTRU装荷量を定めるとよい。 TRUs with different numbers of recycles need to be loaded separately into different fuel assemblies without mixing. The same for every fuel assembly containing the same number of TRUs when TRU is enriched in uranium and multiple-recycled TRUs obtained by reprocessing spent nuclear fuel generated in light water reactors using low-enriched uranium and TRUs as nuclear fuel It is preferable to determine the TRU loading amount of the new fuel assembly so that the average value of the infinite effective multiplication factor of all the fuel assemblies including the recycle number of TRUs and having different core residence years is substantially the same value.
リサイクル数の多いTRUほど、TRU中のPu−239の割合が小さくなる。したがって、(4)の構成は、TRUを多重リサイクルした場合において、TRU中のPu−239の割合が最も高い核燃料物質を含む複数の燃料集合体を炉心の中央部に配置し、この中央部と炉心最外層領域の間において、TRU中のPu−239の割合が小さい核燃料物質を含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置することと同じである。 The higher the number of recycled TRUs, the smaller the percentage of Pu-239 in the TRUs. Therefore, in the configuration of (4), when TRU is subjected to multiple recycling, a plurality of fuel assemblies containing nuclear fuel material having the highest ratio of Pu-239 in the TRU are arranged in the central portion of the core. A fuel assembly containing nuclear fuel material having a smaller ratio of Pu-239 in the TRU between the core outermost layer regions is the same as that disposed on the core outermost layer region side.
(4)の構成の採用によって、核燃料再処理によって得られたTRUを含む核燃料物質を利用するリサイクル型軽水炉の安全性向上、熱的余裕の増大、及び使用済燃料集合体の体数の削減を目指すことができる。 By adopting the configuration of (4), it is possible to improve the safety of recycled light water reactors that use nuclear fuel materials including TRU obtained by nuclear fuel reprocessing, increase the thermal margin, and reduce the number of spent fuel assemblies. You can aim.
以上に述べた検討を詳細に説明する。この検討は、現在運転中のABWRの炉心を対象に行なった。対象にしたABWRの炉心は、例えば、電気出力が1350MWで、炉心に装荷されている872体の燃料集合体及び燃料集合体当たり74本の燃料棒を有する平均濃縮度4.8%の低濃縮ウランを使った炉心である。 The examination described above will be described in detail. This study was conducted on the core of ABWR currently in operation. The target ABWR core has a low enrichment with an average enrichment of 4.8%, for example, with an electric power of 1350 MW, 872 fuel assemblies loaded in the core and 74 fuel rods per fuel assembly. It is a core using uranium.
低濃縮ウランを核燃料物質として用いた燃料集合体が、例えば、ABWRの炉心に装荷される。このABWRで発生した使用済燃料集合体内の使用済核燃料を再処理して回収されたPuだけを劣化ウラン、天然ウランまたは減損ウラン等に富加して得られた核燃料物質を用いて製造された新燃料集合体を装荷した、例えば、BWRの炉心を、一般にPuサーマル炉心と称している。Puサーマル炉のうち、低濃縮ウランを含む燃料集合体が全く装荷されていなく、装荷された全ての燃料集合体が核燃料再処理で回収されたPuを含む核燃料物質を有する燃料集合体である炉心を、Full MOX炉心と称する。 A fuel assembly using low-enriched uranium as a nuclear fuel material is loaded, for example, in the core of ABWR. Newly manufactured using nuclear fuel material obtained by enriching only the Pu recovered by reprocessing the spent nuclear fuel in the spent fuel assembly generated in this ABWR with depleted uranium, natural uranium or depleted uranium, etc. For example, a BWR core loaded with a fuel assembly is generally called a Pu thermal core. Of the Pu thermal furnace, a core that is a fuel assembly having no nuclear fuel material containing low enriched uranium and having a nuclear fuel material containing Pu recovered by nuclear fuel reprocessing. Is referred to as a Full MOX core.
Puだけではなく核燃料再処理で回収された全TRUを含む核燃料物質を有する燃料集合体を装荷する軽水炉の炉心において、リサイクル回数が一回のTRUを含む燃料集合体のみが装荷された炉心をTRU第一世代リサイクル炉心と呼ぶ。このTRU第一世代リサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体に含まれた使用済核燃料を再処理して得られたリサイクル回数2回のTRUを含む燃料集合体が装荷された炉心を、TRU第二世代リサイクル炉心と呼ぶ。このTRU第二世代リサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体に含まれた使用済核燃料を再処理して得られたリサイクル回数3回のTRUを含む燃料集合体が装荷された炉心を、TRU第三世代リサイクル炉心と呼ぶ。このように、リサイクル数が多くなったTRUを含む燃料集合体が装荷されるほど、炉心の世代数も増加する。 In a core of a light water reactor loaded with not only Pu but also a fuel assembly having nuclear fuel material including all TRUs recovered by nuclear fuel reprocessing, the core loaded with only the fuel assembly including TRU that has been recycled once is TRU. Called the first generation recycling core. A core loaded with a fuel assembly including a TRU having a recycle count of 2 times obtained by reprocessing spent nuclear fuel contained in the spent fuel assembly taken out of the TRU first generation recycling core Called the second generation recycling core. A reactor core loaded with a fuel assembly including a TRU of 3 recycles obtained by reprocessing the spent nuclear fuel contained in the spent fuel assembly taken out of the TRU second generation recycling core This is called the third generation recycling core. In this way, the number of generations of the core increases as the fuel assembly including the TRU having increased in the number of recycles is loaded.
このように、TRUのリサイクル数を重ねていくと、TRU中の偶数核の核種の割合が増加して、負のボイド係数の絶対値が小さくなる。このため、炉心の安全余裕がなくなって、TRUの多重リサイクルが継続できなくなる。W.S.Yang et al., A Metal Fuel Core Concept for 1000MWt Advanced Burner Reactor GLOBAL' 07 Boise, USA, September, 2007, P.52によると、FBRにおいて、上記のリサイクル方式よりもTRUのリサイクル世代を長くできる方式が検討されている。Advanced Burner Reactor(ABR)は、TRU第一世代リサイクルにおいて、軽水炉の使用済燃料を再処理して得られたTRUを含む劣化ウランを核燃料物質として使用する。TRU第二世代リサイクルにおいて、TRU第一世代リサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体に含まれる使用済核燃料を再処理して得られたTRUを、全量、燃料集合体に充填してリサイクルするとともに、TRU第一世代リサイクル炉心での燃焼により減少したTRUの不足分を、軽水炉の使用済核燃料を再処理して得られたTRUによって補うことが試行されている。 As described above, when the number of TRUs recycled is increased, the proportion of even-numbered nuclides in the TRU increases, and the absolute value of the negative void coefficient decreases. For this reason, there is no safety margin in the core, and TRU multiple recycling cannot be continued. According to WSYang et al., A Metal Fuel Core Concept for 1000MWt Advanced Burner Reactor GLOBAL '07 Boise, USA, September, 2007, P.52 Is being considered. The Advanced Burner Reactor (ABR) uses depleted uranium containing TRU obtained by reprocessing spent fuel in a light water reactor as nuclear fuel material in TRU first generation recycling. In TRU second generation recycling, all the TRUs obtained by reprocessing spent nuclear fuel contained in the spent fuel assemblies taken out from the TRU first generation recycling core are filled into the fuel assemblies and recycled. At the same time, attempts have been made to make up for the shortage of TRU, which has decreased due to combustion in the TRU first-generation recycling core, with TRU obtained by reprocessing spent nuclear fuel in light water reactors.
このように、軽水炉とABRを並行に運転し続ける限りにおいては、軽水炉で発生した使用済核燃料からのTRUを、軽水炉の炉心及び燃料サイクル施設に収容し続けることになる。このため、当面において、TRUの原子炉外での貯蔵を避けることができる。このABRの考え方をABWRで試行したところ、Full MOXの多重リサイクル炉心よりもTRUの多重リサイクルを長く継続することができた。しかしながら、TRUの多重リサイクルはTRU第四世代リサイクル炉心までが限界であるが、TRUのリサイクルを行わない場合に比べて、発生する使用済燃料集合体の体数が、十分の一程度に削減される。(4)の構成を適用することにより、TRU第八世代リサイクル炉心までTRUの多重リサイクルを継続した場合には、発生する使用済燃料集合体の体数が、TRUのリサイクルを行わない場合に発生するその体数の1%未満まで低減することができる。 Thus, as long as the light water reactor and the ABR are operated in parallel, TRUs from spent nuclear fuel generated in the light water reactor will continue to be accommodated in the core of the light water reactor and the fuel cycle facility. For this reason, storage outside the reactor of the TRU can be avoided for the time being. When this concept of ABR was tried at ABWR, it was possible to continue the multiple recycling of TRUs longer than the multiple MOX multiple recycling core. However, although multiple TRU recycling is limited to the TRU 4th generation recycling core, the number of spent fuel assemblies generated is reduced by a factor of 10 compared to when TRU recycling is not performed. The When the configuration of (4) is applied and multiple TRU recycling is continued up to the TRU 8th generation recycling core, it occurs when the number of spent fuel assemblies generated does not recycle TRU. It can be reduced to less than 1% of its body number.
通常のFull MOXのTRU多重リサイクル炉心を対象にした発明者らの検討の結果、TRUをリサイクルし続けたときにボイド係数が正側に移行する原因として、(I)TRU中の偶数核の割合が増加する、及び(II)炉心内のボイド率が上昇するにつれて、半径方向の出力分布が炉心中心部で高く、周辺部で低くなる方向に移行する、ことの2つあることが分った。 As a result of investigations by the inventors for the TRU multiple recycle core of a normal Full MOX, the cause of the void coefficient shifting to the positive side when the TRU is continuously recycled is as follows: (I) The ratio of even-numbered nuclei in the TRU As the void ratio in the core increases and the void ratio in the core increases, it has been found that the radial power distribution is higher in the core and lower in the periphery. .
図9において、特性Vが、BWRの定格出力運転時における炉心半径方向出力分布を示しており、特性Xが、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときにおける炉心半径方向の出力分布を示している。TRUリサイクル炉のリサイクル世代が進むにつれて、冷却材のボイド率が増加したときの燃料集合体の無限中性子増倍率の上昇割合が増加する。この現象を利用して、超ウラン核種を含み、超ウラン核種のリサイクルの回数が異なっている複数の燃料集合体が装荷され、これらの燃料集合体のうち、リサイクルの回数が最も少ない超ウラン核種を含む複数の燃料集合体を炉心の中央部に配置し、この中央部と炉心最外層領域の間において、リサイクル回数の多い超ウラン核種を含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置することにより、炉心中心部への半径方向の出力分布のシフトを緩和することが可能になった。これにより、安全基準を満たしつつTRUの多重リサイクルが可能になり、且つ発生する使用済燃料集合体の体数を低減することができる。 In FIG. 9, the characteristic V indicates the power distribution in the core radial direction during the rated power operation of the BWR, and the characteristic X indicates the power distribution in the core radial direction when the entire core is 100% voided. Show. As the recycling generation of the TRU recycling furnace progresses, the rate of increase of the infinite neutron multiplication factor of the fuel assembly when the void ratio of the coolant increases increases. Utilizing this phenomenon, a plurality of fuel assemblies containing super uranium nuclides and different numbers of recycles of super uranium nuclides are loaded, and among these fuel assemblies, the ultra uranium nuclides with the least number of recycles Are arranged in the center of the core, and between the center and the outermost layer region of the core, the fuel assemblies containing the most uranium nuclides are arranged closer to the outermost layer region of the core. This makes it possible to alleviate the shift of the power distribution in the radial direction toward the core center. As a result, multiple recycling of TRUs is possible while meeting safety standards, and the number of spent fuel assemblies generated can be reduced.
炉心中心部への出力分布シフトの緩和について、具体的に説明する。仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときに核燃料物質領域に大きな正の反応度が投入される主要な原因の一つは、BWRの定格出力におけるボイド分布の状態から、炉心全体が100%ボイド率の状態に移行した時に半径方向の出力分布が中性子インポータンスの高い炉心中央部にシフトすることあることを、発明者らが見出した。TRUの多重リサイクルを行うとき、TRUのリサイクル回数が増えるにしたがって全TRU中のPu−239の割合が順次減少し、ボイド率が増加したときにTRUを含む燃料集合体の無限中性子増倍率の増加量が大きくなる。そこで、炉心の中央部にリサイクル回数が少ないTRUを含む燃料集合体を装荷し、炉心の周辺部にリサイクル回数が多いTRUを含む燃料集合体を装荷することによって、定格出力運転時のボイド分布の状態から、炉心全体が100%ボイド率の状態への移行時に生じる半径方向の出力分布の炉心中央部へのシフトを緩和することができる。このため、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったときでも、正の反応度が投入されない炉心が実現できる。なお、炉心の半径方向における出力分布の平坦化は、リサイクル回数が異なるTRUを含む燃料集合体の間で、装荷する体数の割合を調整することによって行われる。 The mitigation of the power distribution shift to the core center will be specifically described. If the entire core becomes 100% void, one of the main reasons for the large positive reactivity being introduced into the nuclear fuel material region is that the entire core is 100 from the state of void distribution at the rated power of the BWR. The inventors have found that the power distribution in the radial direction may shift to the central part of the core where the neutron importance is high when shifting to the state of the% void fraction. When multiple TRU recycling is performed, the proportion of Pu-239 in all TRUs decreases sequentially as the number of TRU recycling increases, and the infinite neutron multiplication factor of the fuel assembly containing TRU increases when the void ratio increases The amount increases. Therefore, by loading a fuel assembly containing TRU with a small number of recycles in the center of the core and loading a fuel assembly containing TRU with a high number of recycles in the periphery of the core, the void distribution during rated power operation is reduced. It is possible to mitigate the shift of the radial power distribution to the center of the core that occurs when the entire core shifts from the state to the state of 100% void ratio. For this reason, even when the entire core is in a 100% void state, a core in which no positive reactivity is introduced can be realized. Note that the power distribution in the radial direction of the core is flattened by adjusting the ratio of the number of loaded bodies among fuel assemblies including TRUs with different numbers of recycles.
(4)の構成を適用した軽水炉の炉心の例で、運転サイクル開始時における状態を図10に示す。この軽水炉の炉心には、リサイクル回数が一回のTRUを含む複数の燃料集合体Aからリサイクル回数が八回のTRUを含む複数の燃料集合体までの、リサイクル数が一回から八回までの各回数のTRUを別々に含んでいる燃料集合体A〜Hが装荷されている。図10において、アルファベットのA,B,C,D,E,F,G及びHは、TRUのリサイクル回数を示している。図10において、アルファベットの後に付された数字1,2,3,4,5は、該当する燃料集合体の、炉心内に滞在する期間(運転サイクル数)を示している。例えば、燃料集合体B3は、リサイクル回数が二回のTRUを含み、炉心に装荷されてから3つ目の運転サイクルでの運転を経験しつつある燃料集合体である。数字の「5」は、5つ目の運転サイクルを経験しつつある燃料集合体である。
FIG. 10 shows an example of the core of a light water reactor to which the configuration (4) is applied, and the state at the start of the operation cycle. In the core of this light water reactor, the number of recycles from one to eight times from a plurality of fuel assemblies A including a TRU that is recycled once to a plurality of fuel assemblies that include a TRU that is recycled eight times. Fuel assemblies A to H, each containing a number of TRUs, are loaded. In FIG. 10, alphabets A, B, C, D, E, F, G, and H indicate the number of times TRU is recycled. In FIG. 10,
燃料集合体A〜C、及び燃料集合体Dの一部は、炉心に装荷されてから4つ目の運転サイクルの運転が終了した後、使用済燃料集合体として、原子炉から外部に取り出される。燃料集合体Dの残り、及び燃料集合体F〜Hは、炉心に装荷されてから5つ目の運転サイクルでの運転が終了するまで、炉心内に滞在する。 The fuel assemblies A to C and a part of the fuel assembly D are taken out from the reactor as spent fuel assemblies after the operation of the fourth operation cycle is completed after being loaded on the core. . The rest of the fuel assembly D and the fuel assemblies F to H stay in the core until the operation in the fifth operation cycle is completed after being loaded in the core.
平衡炉心においては、炉心から使用済燃料集合体として取り出された燃料集合体A4に含まれる使用済核燃料を再処理して回収されたTRUの全量が、新たに製造された複数の燃料集合体B1に分散して充填される。炉心から使用済燃料集合体として取り出された燃料集合体B4に含まれる使用済核燃料を再処理して回収されたTRUの全量が、新たに製造された複数の燃料集合体C1に分散して充填される。同様に、炉心から取り出された燃料集合体C4に含まれる使用済核燃料から回収されたTRUの全量が複数の新燃料集合体D1に分散して充填され、炉心から取り出された燃料集合体E5に含まれる使用済核燃料から回収されたTRUの全量が複数の新燃料集合体F1に分散して充填される。燃料集合体G5に含まれる使用済核燃料から回収されたTRU全量が、複数の新燃料集合体H1に分散して充填され、最終的に燃料集合体H5のみが使用済燃料集合体として残される。 In the balanced core, the total amount of TRU recovered by reprocessing spent nuclear fuel contained in the fuel assembly A4 taken out from the core as a spent fuel assembly is a plurality of newly produced fuel assemblies B1. Are dispersed and filled. The total amount of TRU recovered by reprocessing spent nuclear fuel contained in the fuel assembly B4 taken out from the core as a spent fuel assembly is dispersed and filled in a plurality of newly manufactured fuel assemblies C1. Is done. Similarly, the total amount of TRU recovered from spent nuclear fuel contained in the fuel assembly C4 taken out from the core is dispersed and filled in a plurality of new fuel assemblies D1, and the fuel assembly E5 taken out from the core is loaded. The total amount of TRU recovered from the contained spent nuclear fuel is distributed and filled in a plurality of new fuel assemblies F1. The total amount of TRU recovered from the spent nuclear fuel contained in the fuel assembly G5 is distributed and filled in a plurality of new fuel assemblies H1, and finally only the fuel assembly H5 remains as a spent fuel assembly.
燃料集合体A〜Hの各燃料集合体の体数は、炉心の半径方向の出力分布を平坦に保てるように、それぞれの燃料集合体の無限実効増倍率がほぼ同じになるように決められる。図10に示す炉心では、燃焼度ゼロの時点での燃料集合体A〜Hの各体数は、それぞれ100体、40体、24体、16体、12体、8体、4体、4体である。同じリサイクル数のTRUを含む複数の燃料集合体は、炉心滞在期間が異なる燃料集合体を隣接するように配置される。 The number of fuel assemblies of the fuel assemblies A to H is determined so that the infinite effective multiplication factor of each fuel assembly is substantially the same so that the power distribution in the radial direction of the core can be kept flat. In the core shown in FIG. 10, the number of fuel assemblies A to H at the time of zero burnup is 100, 40, 24, 16, 12, 12, 8, 4, respectively. It is. A plurality of fuel assemblies including the same number of recycles of TRUs are arranged adjacent to fuel assemblies having different core stay periods.
リサイクル回数の多いTRUを含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置することによって、リサイクル回数が同じであるTRUを含む燃料集合体のみが装荷された炉心に比べて、炉心のボイド率が上昇したときに、炉心中心部での無限中性子実効増倍率の上昇が、炉心周辺部での無限中性子実効増倍率の上昇より相対的に小さくなる。このため、半径方向の出力分布の炉心中央部へのシフトが小さくなる。結果として、リサイクル回数が八回までの各TRUを別々に含む核燃料集合体が装荷された炉心であるにもかかわらず、ボイド係数を−4×10−4%Δk/%voidに保って軽水炉を運転することが可能になる。この炉心は、TRUをリサイクルしなかった場合に比べて、使用済燃料集合体の体数を0.5%以下に減少させることが出来ることが分かる。 By placing fuel assemblies containing TRUs with a higher number of recycles on the outermost layer region side of the core, the void ratio of the core is lower than in a core loaded with only fuel assemblies containing TRUs with the same number of recycles. When it rises, the increase of the infinite neutron effective multiplication factor at the core center becomes relatively smaller than the increase of the infinite neutron effective multiplication factor at the core periphery. For this reason, the shift of the power distribution in the radial direction to the center of the core is reduced. As a result, despite the core loaded with a nuclear fuel assembly that contains each TRU that has been recycled up to eight times, the light water reactor is maintained with a void coefficient of -4 × 10 −4 % Δk /% void. It becomes possible to drive. It can be seen that this core can reduce the number of spent fuel assemblies to 0.5% or less compared to the case where TRU is not recycled.
リサイクル回数が1回のTRUを含む燃料集合体からリサイクル回収が八回のTRUを含む燃料集合体までの各燃料集合体を一つの炉心に共存させた場合を例に説明したが、以下のような炉心構成にしてもよい。例えば、燃料集合体としてリサイクル回数が1回のTRUを含む燃料集合体のみを装荷した炉心、リサイクル回数が1回のTRUを含む燃料集合体及びリサイクル回数が2回のTRUを含む燃料集合体を装荷した炉心、及びリサイクル回数が1回のTRUを含む燃料集合体、リサイクル回数が2回のTRUを含む燃料集合体、及びリサイクル回数が3回のTRUを含む燃料集合体を装荷した炉心等が考えられる。 The case where each fuel assembly from a fuel assembly including a TRU with one recycling to a fuel assembly including a TRU with eight recyclings coexists in one core has been described as an example. A suitable core configuration may be used. For example, a core loaded with only a fuel assembly including a TRU with one recycle as a fuel assembly, a fuel assembly including a TRU with one recycle, and a fuel assembly including a TRU with two recycles A loaded core, a fuel assembly including a TRU with one recycling, a fuel assembly including a TRU with two recyclings, a core loaded with a fuel assembly including a TRU with three recyclings, etc. Conceivable.
また、軽水炉から取り出された各使用済燃料集合体から回収された全TRUをリサイクルする場合について論じてきたが、回収されたTRUのうち、Puのみをリサイクルする場合、TRU中のいくつかの核種を特定してPuと一緒にリサイクルする場合も、全TRUをリサイクルする場合の概念を、そのまま適用することができる。 Also, the case of recycling all TRUs recovered from each spent fuel assembly taken out of the light water reactor has been discussed. However, when only Pu among the recovered TRUs is recycled, some nuclides in the TRU In the case of specifying and recycling together with Pu, the concept of recycling all TRUs can be applied as it is.
(1)、(2)及び(3)の各構成のうちの幾つかの構成を組み合せることによって、安全余裕をさらに向上させることができる。例えば、(1)に(2)を組み合せた場合には(1)単独よりも安全余裕がさらに高くなり、(1)及び(2)の組み合せに(3)をさらに組み合せた場合には(1)及び(2)の組み合せよりも安全余裕がさらに向上する。これらは、(2)を含む他の2つの構成の組み合せ、及び(3)を含む他の2つの構成の組み合せに対しても言えることである。 The safety margin can be further improved by combining some of the configurations (1), (2), and (3). For example, when (2) is combined with (1), the safety margin is higher than that of (1) alone, and when (3) is further combined with (1) and (2) (1) ) And (2), the safety margin is further improved. These are also true for the combination of the other two configurations including (2) and the combination of the other two configurations including (3).
以上に述べた概念を適用した本発明の実施例を、図面を用いて以下に詳細に説明する。 An embodiment of the present invention to which the concept described above is applied will be described in detail below with reference to the drawings.
本発明の好適な一実施例である実施例1の軽水炉の炉心を、図11〜図20及び表1を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉の炉心20は、前述した(1)、(2)及び(3)の構成を備えている。
The core of the light water reactor according to
軽水炉の炉心20は、電気出力1350MW用の炉心であるが、出力規模はこれに限定されるものではない。炉心20に装荷された燃料集合体の体数を変更する等によって、本実施例が適用できる他の出力規模の炉心を実現することができる。
The
本実施例の炉心20が適用される電気出力1350MW用の軽水炉である沸騰水型原子炉(BWR)の概要を、図11に基づいて説明する。BWR1は、原子炉圧力容器27内に、炉心20、気水分離器21及び蒸気乾燥器22を配置している。炉心20は、原子炉圧力容器27内で炉心シュラウド25によって取り囲まれている。炉心20の下端に配置された炉心支持板17が、炉心シュラウド25内に配置されて炉心シュラウド25に設置される。炉心20の上端に配置された上部格子板18が、炉心シュラウド25内に配置されて炉心シュラウド25に設置される。複数の制御棒42が炉心20に挿入可能な位置に配置されている。これらの制御棒42は下方より炉心に挿入される。気水分離器21は炉心20の上方に配置され、蒸気乾燥器22は気水分離器21の上方に配置される。複数のインターナルポンプ26が原子炉圧力容器27の底部に設置され、インターナルポンプ26のインペラが原子炉圧力容器27と炉心シュラウド25との間に形成されるダウンカマ29内に配置される。主蒸気配管23及び給水配管24が原子炉圧力容器27に接続される。BWR1には何らかの原因で炉心に供給される冷却材が喪失した場合の非常用炉心冷却系として低圧炉心注水系31と高圧炉心注水系32を備えている。
An outline of a boiling water reactor (BWR), which is a light water reactor for electric power 1350 MW, to which the
炉心20には、図12に示すように、720体の燃料集合体41が装荷されている。3体の燃料集合体41に1本の割合でY字型の制御棒42が設けられ、223本の制御棒42が配置されている。それぞれの制御棒42は原子炉圧力容器27の底部に設けられた別々の制御棒駆動装置に連結されている。制御棒駆動装置は、モータ駆動であり、軸方向における制御棒42の移動を微調整することができる。制御棒駆動装置が、制御棒42の炉心からの引き抜き、及び制御棒42の炉心への挿入の各操作を実行する。223本の制御棒42の約1/5が、運転中のBWR1の炉心に挿入したり引き抜いたりすることにより原子炉の出力を調整する制御棒であり、残り約4/5が、運転中のBWR1の炉心から引き抜かれた状態で、原子炉を停止するときに炉心内に挿入される制御棒42である。
As shown in FIG. 12, 720
燃料集合体41は核燃料物質が装荷されている核燃料物質領域16を有し、この核燃料物質領域16内で、上から上部ブランケット領域5、上部燃料領域6、内部ブランケット領域7、下部燃料領域8及び下部ブランケット領域9の5つの領域を順次形成している。また、燃料集合体41は、上部ブランケット領域5の上方に、炉心20内に装荷された状態で上部反射体領域10を形成する領域を有し、さらに下部ブランケット領域9の下方に、炉心20内に装荷された状態で下部反射体領域11を形成する他の領域を有する(図16参照)。
The
炉心20は、核燃料物質を含んでいる核燃料物質領域12、上部反射体領域10A及び下部反射体領域11Aを有する。上部反射体領域10Aは、核燃料物質領域12の上方に形成されており、炉心20に装荷された全燃料集合体41の上部反射体領域10によって形成される。下部反射体領域11Aは、核燃料物質領域12の下方に形成されており、炉心20に装荷された全燃料集合体41の下部反射体領域11によって形成される。
The
炉心20の核燃料物質領域12は、全燃料集合体41の核燃料物質領域16によって構成される。この核燃料物質領域12が、上部ブランケット領域5によって形成される上部ブランケット領域5A、上部燃料領域6によって形成される上部燃料領域6A、内部ブランケット領域7によって形成される内部ブランケット領域7A、下部燃料領域8によって形成される下部燃料領域8A及び下部ブランケット領域9によって形成される下部ブランケット領域9Aの5領域を有している。上部ブランケット領域5A、上部燃料領域6A、内部ブランケット領域7A、下部燃料領域8A及び下部ブランケット領域9Aが、核燃料物質領域12の上端から核燃料物質領域12の下端に向ってこの順に配置される。炉心20はパッフェ炉心である。領域10A、5A、6A、7A、8A、9A及び11Aは、炉心20の高さ方向において、燃料集合体41のそれぞれの領域10、5、6、7、8、9及び11と同じ位置にある。
The nuclear
燃料集合体41の核燃料物質が装荷されている領域の横断面は、図13に示すように、六角形の筒であるチャンネルボックス13内に、外径10.1mmの271本の燃料棒44を正三角形格子に配置している。燃料集合体41の横断面の形状は六角形をしており、燃料集合体41に含まれた複数の燃料棒44の相互間の間隙が1.3mmである。最外層の燃料棒列の一辺には9本の燃料棒44が配置される。横断面がY字型の制御棒42は、中心に位置するタイロッドから外側に向かって伸びる3枚の翼を有する。各翼は、中性子吸収材であるB4Cが充填された複数の中性子吸収部材3を備えており、タイロッドの周囲に120度の間隔を持って配置される。制御棒42は、軽水より減速能が小さい物質である炭素で構成されたフォロアー部を、炉心に最初に挿入される挿入端部に設けている。
As shown in FIG. 13, the cross section of the region of the
各燃料集合体41の構成を、図17を用いて説明する。燃料集合体41は、上部タイプレート(上部燃料支持部材)14、下部タイプレート(下部燃料支持部材)15、複数の中性子吸収部材(例えば、中性子吸収棒)3、複数の燃料棒44、及びチャンネルボックス13を有する。各燃料棒44の下端部が下部タイプレート15で支持され、各燃料棒44の上端部が上部タイプレート14で支持される。各燃料棒44は、密封されたジルコニウム合金製の被覆管を有し、燃料棒44の被覆管内に、軸方向において、上端から下方に向かって、プレナム2、核燃料物質領域16及び中性子吸収材充填領域4をこの順に配置している。中性子吸収材であるB4Cが充填された中性子吸収材充填領域4の上方に位置する核燃料物質領域(燃料有効長)16には、核燃料物質を含む複数の燃料ペレットが充填されている。中性子吸収材充填領域4にはハフニウム棒を配置してもよい。チャンネルボックス13内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が53%である。
The configuration of each
中性子吸収材充填領域4及び核燃料物質領域16のそれぞれの位置での燃料棒44の外径(被覆管の外径)は、共に10.1mmで同じである。プレナム2の位置での燃料棒44の外径(被覆管の外径)は、5.8mmであって、核燃料物質領域16の位置での燃料棒44の外径よりも小さくなっている。プレナム2の長さは、1100mmである。プレナム2は、燃料棒44内において、中性子吸収材充填領域4及び核燃料物質領域16と連通している。
The outer diameter of the fuel rod 44 (outer diameter of the cladding tube) at the respective positions of the neutron
各燃料棒44は、核燃料物質領域16において、軸方向の数箇所で燃料スペーサ(図示せず)によって保持される。これらの燃料スペーサは、燃料棒44相互間の間隔を所定幅に保持する。各燃料棒44のプレナム2の部分も、燃料スペーサ33によって、三箇所ほど、支持される。
Each
各中性子吸収部材3が、ジルコニウム合金製の支持棒(支持部材)45によって上部タイプレート14に保持される。中性子吸収部材3は、6mmの外径を有する密封されたチューブ内にB4Cペレットを充填している。このチューブが支持棒45に取り付けられている。中性子吸収部材3はチューブ内にハフニウム棒を充填して構成してもよい。各中性子吸収部材3が隣り合う燃料棒44のプレナム2の相互間に配置され、中性子吸収部材3が1本の燃料棒44に1本の割合で設けられる(図18参照)。各中性子吸収部材3は、核燃料物質領域12の上端、すなわち、核燃料物質領域16の上端と上部タイプレート14の下端との間に配置される。中性子吸収部材3の長さは500mmであり、核燃料物質領域16の上端と中性子吸収部材3の下端との間の距離は300mmである。本実施例では、燃料集合体格子の横断面積に対する全ての中性子吸収部材3の合計横断面積の割合が、16.8%である。燃料集合体格子の横断面積に対する全ての中性子吸収材充填領域3の合計横断面積の割合が、49.3%である。この49.3%には、制御棒42の横断面積が含まれていない。
Each
BWR1が運転されているとき、インターナルポンプ26の回転によってダウンカマ29内の冷却水が加圧されて炉心20に供給される。炉心20内に供給された冷却水は、各燃料集合体41内に導かれ、核分裂性物質の核分裂によって発生する熱で加熱されて一部が蒸気になる。このため、冷却水及び蒸気を含む気液二相流が、燃料集合体41内の上部反射体領域10内を上昇する。この気液二相流が炉心20から気水分離器21に導かれて蒸気が分離される。分離された蒸気は、蒸気乾燥器22によって湿分がさらに除去される。湿分が除去された蒸気は、主蒸気配管23を通ってタービン(図示せず)に供給され、タービンを回転させる。タービンに連結された発電機(図示せず)が回転され、電力が発生する。タービンから排出された蒸気は、復水器(図示せず)で凝縮されて凝縮水となる。この凝縮水は、給水として、給水配管24を通って原子炉圧力容器27内に導かれる。気水分離器22で分離された冷却水は、ダウンカマ29内で上記の給水と混合され、再び、インターナルポンプ26で加圧される。
When the
平衡状態にある炉心の燃料集合体41の配置を、図14及び図15を用いて説明する。炉内滞在期間が最も長い、運転サイクルが第5サイクル目の燃料集合体41Eが、中性子インポータンスの低い炉心20に配置される。中性子無限増倍率が最も高い、炉内滞在期間が最も短い第1サイクル目の燃料集合体41Aが、炉心20の炉心最外層領域46の内側に位置する炉心外側領域48に装荷されており、炉心の半径方向における出力分布の平坦化を図っている。炉内滞在期間が第2、第3、及び第4サイクル目の各燃料集合体41B、41C、及び41Dが、炉心外側領域48の内側に存在する炉心内側領域50に、それぞれ配置されている。このような配置によって、炉心内側領域50における出力分布の平坦化を図っている。
The arrangement of the
燃料集合体41A、41B、41C、41D、及び41Eは、それぞれ、図13及び後述の図19及び図20に示す燃料集合体41である。これらの燃料集合体の下部タイプレート15は、炉心支持板17に設けられる複数の燃料支持金具(図示せず)に支持される。燃料集合体41に冷却水を導く冷却材通路が燃料支持金具内に形成されており、燃料支持金具に設置されたオリフィス(図示せず)がその冷却材通路の入口部に配置される。炉心20は、半径方向において炉心最外層領域46、炉心外側領域48及び炉心内側領域50の3領域が形成される(図15参照)。燃料集合体41の出力が最も小さい炉心最外層領域46に位置するそのオリフィスの口径が最も小さく、炉心外側領域48位置するオリフィス及び炉心内側領域50に位置するオリフィスの順に口径が大きくなるように設定する。炉心内側領域50に位置するオリフィスの口径が最も大きい。
The
燃料集合体41の核燃料物質領域16におけるそれぞれの領域の高さは、図16に示すように、以下の通りである。上部ブランケット領域5(上部ブランケット領域5A)の高さは70mmであり、上部燃料領域6(上部燃料領域6A)の高さは283mmであり、内部ブランケット領域7(内部ブランケット領域7A)の高さは520mmであり、下部燃料領域8(下部燃料領域8A)の高さは194mmであり、下部ブランケット領域9(下部ブランケット領域9A)の高さは280mmである。さらに、核燃料物質領域16の上端から上方に向かって1100mmの長さを有する上部反射体領域10(上部反射体領域10A)が形成される。この上部反射体領域10は、各燃料棒41のプレナム2の相互間に存在する冷却水(BWR1の運転中では気液二相流)を含んでいる。核燃料物質領域6の下端から下方に向かって70mmの長さを有する下部反射体領域11(下部反射体領域11A)が形成される。この下部反射体領域11は、各燃料棒41の中性子材充填領域6の相互間に存在する冷却水を含んでいる。上部反射体領域10の長さ及び下部反射体領域11の各長さの数値は、燃料集合体内に配置された燃料棒の軸方向の長さの中での長さを示している。後述の各実施例における。上部反射体領域10の長さ及び下部反射体領域11の各長さも同様である。
As shown in FIG. 16, the height of each region in the nuclear
中性子吸収部材3及び支持棒45が、上部反射体領域10(上部反射体領域10A)内に配置されている。
The
燃料集合体41が燃焼度ゼロのとき、その燃料集合体41の全ての燃料棒44(図19に示された燃料棒44A〜44E)は、3つのブランケット領域である上部ブランケット領域5、内部ブランケット領域7及び下部ブランケット領域9に劣化ウランを充填し、上部燃料領域6にはTRUの重量を100としたときに劣化ウランを重量213の割合で混合した核分裂性Pu富化度15.7wt%の混合酸化物燃料を充填し、下部燃料領域8にはTRUの重量を100としたときに劣化ウランを重量143の割合で混合した核分裂性Pu富化度20.2wt%の混合酸化物燃料を充填している。上部ブランケット領域5、内部ブランケット領域7及び下部ブランケット領域9は、TRUを含んでいない。上部燃料領域6及び下部燃料領域8の平均核分裂性Pu富化度は17.5wt%である。TRUは、使用済燃料集合体として原子炉圧力容器27から取り出された燃料集合体41に含まれている核燃料物質(使用済核燃料)から、核燃料再処理によって回収された物質である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。なお、各ブランケット領域には劣化ウランのかわりに、天然ウランや、使用済み燃料集合体から回収される減損ウランを用いてもよい。
When the
燃料集合体41は、燃料棒44としてそれぞれ複数の燃料棒44A〜44Eを有しており、これらの燃料棒を図19及び図20のように配置している。図19は燃料集合体41の上部燃料領域6での横断面を示し、図20は燃料集合体41の下部燃料領域8での横断面を示している。燃料棒44A〜44Eのそれぞれの上部燃料領域6に充填された混合酸化物燃料は、燃焼度ゼロの状態において、以下に示す核分裂性Pu富化度を有している(図19参照)。燃料棒44Aでは核分裂性Pu富化度が8.4wt%、燃料棒44Bでは核分裂性Pu富化度が11.2wt%、燃料棒44Cでは核分裂性Pu富化度が14.5wt%、燃料棒44Dでは核分裂性Pu富化度が15.9wt%及び燃料棒44Eでは核分裂性Pu富化度が17.2wt%となっている。
The
燃料棒44A〜44Eのそれぞれの下部燃料領域8に充填された混合酸化物燃料は、燃焼度ゼロの状態において、以下に示す核分裂性Pu富化度を有している(図20参照)。燃料棒44Aでは核分裂性Pu富化度が13.1wt%、燃料棒44Bでは核分裂性Pu富化度が15.9wt%、燃料棒44Cでは核分裂性Pu富化度が19.2wt%、燃料棒44Dでは核分裂性Pu富化度は20.7wt%及び燃料棒44Eでは核分裂性Pu富化度が21.4wt%となっている。
The mixed oxide fuel filled in the
燃料棒44A〜44Eの各ブランケット領域にはTRUが存在しないが、それぞれの燃料棒44A〜44Eの上部燃料領域6及び下部燃料領域8の各混合酸化物燃料は表1に示す組成のTRUを含んでいる。燃料集合体41は、燃焼度ゼロの状態で、全TRU中のPu−239の割合が44wt%である。表1は、燃料集合体41が炉心20から取り出された後、燃料貯蔵プール及び燃料再処理施設に2年、燃料製造施設に1年、合計3年間の間、原子炉外に滞在し、使用済燃料集合体内の核燃料物質の再処理で得られた、炉心に装荷される燃料集合体に含まれる核燃料物質に存在するTRUの組成を示している。
Although no TRU exists in each blanket region of the
BWR1の運転中、各燃料棒44内で核分裂性物質の核分裂によって発生した揮発性核分裂生成物が、プレナム2内に貯蔵される。このプレナム2は、1100mmの長さを有しているので、核分裂性物質の核分裂によって発生する揮発性核分裂生成物の十分な量を貯蔵することができる。このため、燃料棒44の健全性を確保できる。
During operation of the
本実施例によれば、核燃料物質領域12の上端よりも上方へ300mmの位置に、長さ500mmの複数の中性子吸収部材3を配置し、核燃料物質領域12の下端よりも下方に複数の中性子吸収材充填領域4を配置しているので、ABWRでは起因事象として起こりえない事象である、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったと想定しても、核燃料物質領域12から上方及び下方に漏洩する中性子を、中性子吸収部材3及び中性子吸収材充填領域4で吸収することができる。このため、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったとしても、核燃料物質領域12に正の反応度が投入されることを回避することができる。その状態になったときには、核燃料物質領域12に負の反応度が投入される。
According to this embodiment, a plurality of
さらに、炉心20は、核分裂性Pu富化度15.7wt%、高さ283mmの上部燃料領域6、及び核分裂性Pu富化度20.2wt%、高さ194mmの下部燃料領域8を有する。上部燃料領域6及び下部燃料領域8の平均核分裂性Pu富化度が17.5wt%である。下部燃料領域8の高さと上部燃料領域6の高さの和は477mm、上部燃料領域6の高さは下部燃料領域8の高さの1.46倍、下部燃料領域8の核分裂性Pu富化度は上部燃料領域6の核分裂性Pu富化度の1.29倍となる。このため、炉心20は、増殖比1以上であり、熱的余裕をさらに増大させることができる。この結果、本実施例の炉心20は、最大線出力密度を上下燃料領域の核分裂性Pu富化度が同一だった場合と比較して2%低減でき、ボイド係数が負である。このような炉心20を有するBWR1はTRU多重リサイクルを継続できる。
Further, the
本実施例は、(1)、(2)及び(3)の構成を有しているので、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になった場合にも核燃料物質領域12に正の反応度が投入されなく、燃料棒の健全性が増大し、熱的余裕が増大する。したがって、本実施例は、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。
Since the present embodiment has the configurations of (1), (2) and (3), even if the entire core is in a 100% void state, the nuclear
本実施例の炉心20では、現行のABWRとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器27を用いてABWRと同じ電気出力1350MWを発生させたとき、上部ブランケット領域5A及び下部ブランケット領域9Aを除く上部燃料領域6A、下部燃料領域8A及び内部ブランケット領域7Aを含む核燃料物質領域12の取り出し燃焼度が53GWd/tになり、上部ブランケット領域5A及び下部ブランケット領域9Aを含んだ核燃料物質領域12の取り出し燃焼度が45GWd/tになる。その炉心20では、ボイド係数が−3×10−4Δk/k/%void、及びMCPRが1.3になる。このため、炉心20において、TRUの各同位元素の割合を上記したように実質的に一定に保った状態で1.01の増殖比が実現できる。
In the
本実施例では、上部反射体領域10に中性子吸収部材3を配置するため、図17のII−II断面における燃料棒44のプレナム2相互間に形成される気液二相流の流路面積が狭くなり、上部反射体領域10における圧力損失が増大する。上部反射体領域10の圧力損失は炉心20の圧力損失に比べて小さいため、特に問題はない。上部ブランケット領域5及び上部反射体領域10において、チャンネルボックス13の側壁に貫通した複数の開口部を形成することによって、上部反射体領域10の圧力損失を低減することができる。
In this embodiment, since the
図17及び図18に示す中性子吸収部材3の替りに、図21に示す中性子吸収部材3A、及び図22に示す中性子吸収部材3Bを用いてもよい。図21に示す燃料集合体41Fは、図17に示す燃料集合体41において中性子吸収部材3を中性子吸収部材3Aに替えた構成を有する。燃料集合体41Fの他の構成は燃料集合体41と同じである。中性子吸収部材3Aは、環状体であって、それぞれの燃料棒44のプレナム2を取り囲んで配置されている。中性子吸収部材3Aは、燃料棒44の外面を取り囲んで配置された外径8.8mmの環状の密封容器38を燃料棒44の外面に取り付け、燃料棒44の外面と密封容器の間に形成される環状領域内にB4Cを充填して構成される。密封容器の上端及び下端が密封されている。中性子吸収部材3Aを適用する場合には、指示棒45は不要になる。
Instead of the
図22に示す燃料集合体41Gは、図17に示す燃料集合体41において中性子吸収部材3を中性子吸収部材3Bに替えた構成を有する。燃料集合体41Gの他の構成は燃料集合体41と同じである。中性子吸収部材3Bは、Hf板であって、各燃料棒44配列の間に配置される。厚みが1.5mmである各Hf板の両端が、横断面が六角形をした枠部材5に取り付けられる。枠部材5は、チャンネルボックス13の内面に沿って配置され、複数の支持棒45によって上部タイプレート14に取り付けられる。のプレナム2を取り囲んで配置されている。中性子吸収部材3Aは、環状で外径8.8mmの密封容器内にB4Cを充填している。この密封容器が支持棒45に取り付けられるので、燃料集合体41と同様に、中性子吸収部材3Aが上部タイプレート14に保持される。
A
中性子吸収部材3A,3Bを用いても、実施例1と同様な効果を得ることができる。
Even if the
本発明の他の実施例である実施例2の軽水炉の炉心を、図23〜図27及び表2を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉の炉心20Aは、前述した(1)及び(2)の構成を備えている。
The core of the light water reactor according to
軽水炉の炉心20Aは、実施例1の炉心20において燃料集合体41を燃料集合体41Hに替えた構成を有する。炉心20Aの他の構成は炉心20と同じである。炉心20Aが炉心20と異なる部分について説明する。炉心20Aは、炉心20と同じく、パッフェ炉心である。炉心20Aが適用される軽水炉であるBWRは、BWR1において炉心20を炉心20Aに置き換えた構成を有する。このBWRは、炉心20以外はBWR1と同じ構成を有し、炉心20Aを備えたTRU消滅炉である。
The core 20A of the light water reactor has a configuration in which the
炉心20Aに装荷された燃料集合体41H(図23及び図25参照)は、チャンネルボックス13内に、外径7.2mmの397本の燃料棒44Fを正三角形格子に配置している。燃料棒44Fの相互間の間隙が2.2mmであり、最外層の燃料棒列の一辺には11本の燃料棒44Fが配置される。チャンネルボックス13内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が36%である。炉心20Aは、平衡炉心の状態において図24に示すように、経験した運転サイクル数が異なる燃料集合体41A〜41Dを配置している。運転サイクル数が第4サイクル目の燃料集合体41Dは、炉心最外層領域46(図15参照)に配置される。炉心外側領域48には運転サイクル数が第1サイクル目の燃料集合体41Aが配置され、炉心内側領域50には運転サイクル数が第2〜第4サイクル目の各燃料集合体41B、41C、41Dがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域50と炉心外側領域48の間に、複数の燃料集合体41Bが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心の半径方向における出力分布がより平坦化される。
図24に示された燃料集合体41A〜41Eは、それぞれ、燃料集合体41Hである。
In the
Each of the
燃料集合体41Hの核燃料物質が存在する核燃料物質領域16A(図26参照)は、燃料集合体41から下部ブランケット9を取り除いた構成となっている。核燃料物質領域16Aでは、図26に示すように、上部ブランケット領域5の高さが20mm、上部燃料領域6の高さが218mm、内部ブランケット領域7の高さが560mm、及び下部燃料領域8の高さが224mmである。また、上部ブランケット領域5の上方に形成された上部反射体領域10の高さが1100mm、下部燃料領域8の下方に形成された下部反射体領域11の高さは70mmである。
The nuclear
炉心20Aの核燃料物質領域12は下部ブランケット領域9Aを有していない。この核燃料物質領域12は、上部ブランケット領域5、上部燃料領域6、内部ブランケット領域7及び下部燃料領域8のそれぞれの高さと同じ高さを有する上部ブランケット領域5A、上部燃料領域6A、内部ブランケット領域7A及び下部燃料領域8Aを含んでいる。
The nuclear
各燃料集合体41Hの構造を、図25を用いて説明する。燃料集合体41Hは、燃料集合体41の燃料棒44を燃料棒44Fに替えた以外は、燃料集合体44と同じ構成を有する。燃料棒44Fは、前述した核燃料物質領域16Aを有し、核燃料物質領域16Aの上方にプレナム2、及び核燃料物質領域16Aの下方に中性子吸収材充填領域4Aを有している。プレナム2の外径が3.7mmであり、プレナム2の長さが1100mmである。燃料棒44Fの核燃料物質領域16Aには、上部ブランケット領域5、上部燃料領域6、内部ブランケット領域7及び下部燃料領域8が存在する。燃料棒44Fの、中性子吸収材充填領域4Aの部分での外径は、8.1mmであって、燃料棒44Fの、核燃料物質領域16Aの部分の外径よりも大きくなっている(図25及び図27参照)。外径6.2mmの中性子吸収部材3が、プレナム2間に配置される。燃料集合体格子の横断面積に対する全ての中性子吸収材充填領域3の合計横断面積の割合が、44.0%である。この44.0%には、制御棒42の横断面積が含まれていない。
The structure of each
燃料集合体41Hが燃焼度ゼロのとき、その燃料集合体41Hの全ての燃料棒44F(図19に示された燃料棒44A〜44E)は、上部ブランケット領域5及び内部ブランケット領域7に劣化ウランを充填し、上部燃料領域6及び下部燃料領域8には燃焼度ゼロの状態で表2に示された組成のTRUを含むTRU酸化物燃料を充填している。このTRU酸化物燃料の核分裂性Pu富化度は13.0wt%であり、TRU中のPu−239の割合は8.5wt%である。燃料集合体41Hに用いられるTRUは、使用済燃料集合体に含まれた使用済核燃料を再処理することによって得られる。各ブランケット領域は、その混合酸化物燃料を充填していなく、TRUを含んでいない。なお、各ブランケット領域には劣化ウランのかわりに、天然ウランや、使用済み燃料集合体から回収される減損ウランを用いてもよい。
When the
BWRの運転中、各燃料棒44F内で核分裂性物質の核分裂によって発生した揮発性核分裂生成物の十分な量を、1100mmの長さを有するプレナム2に貯蔵することができる。このため、燃料棒44の健全性が増大する。
During operation of the BWR, a sufficient amount of volatile fission products generated by fission of fissionable material within each
本実施例によれば、核燃料物質領域12の上端よりも上方へ300mmの位置に、500mmの長さを有する複数の中性子吸収部材3を配置し、核燃料物質領域12の下端よりも下方に複数の中性子吸収材充填領域4Aを配置しているので、ABWRでは起因事象として起こりえない事象である、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったと想定しても、核燃料物質領域12に正の反応度が投入されることを回避することができる。その状態になったときには、核燃料物質領域12に負の反応度が投入される。
According to the present embodiment, a plurality of
さらに、本実施例は実施例1で生じる効果を得ることができる。本実施例は、(1)及び(2)の構成を有しているので、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になった場合にも核燃料物質領域12に正の反応度が投入されなく、燃料棒の健全性が増大する。したがって、本実施例は、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。
Furthermore, the present embodiment can obtain the effects produced in the first embodiment. Since the present embodiment has the configurations of (1) and (2), even if the entire core is in a 100% void state, no positive reactivity is introduced into the nuclear
本実施例の炉心20Aでは、現行のABWRとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器27を用いてABWRと同じ電気出力1350MWを発生させたとき、取り出し燃焼度が65GWd/t、ボイド係数が−3×10−4Δk/k/%void、MCPRは1.3になる。炉心20Aでは、TRU同位元素の割合保持を実現しつつ、燃料集合体41Hが使用済燃料集合体として炉心20Aから取り出されてから3年後の、使用済燃料集合体内の使用済核燃料の再処理で得られるTRUの重量を、炉心に新たに装荷される燃料集合体41HのTRU重量から8.3%減少させることができる。また、燃料集合体41Hが炉心20Aに装荷されてから取り出されるまでの期間において、燃料集合体41H内の核燃料物質の全核分裂重量に占めるTRUの核分裂重量の割合であるTRU核分裂効率は55%である。なお、TRU同位元素の割合保持とは、nTRUリサイクル世代と(n+1)nTRUリサイクル世代でTRU同位元素の割合が同じであることを意味する。
In the
本実施例においても、中性子吸収部材3の替りに、中性子吸収部材3A及び3Bのいずれかを用いてもよい。
Also in this embodiment, any one of the
本発明の他の実施例である実施例3の軽水炉の炉心を、図28を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心は、実施例1の炉心20と同様に、前述した(1)、(2)及び(3)の構成を備えている。
A core of a light water reactor according to
本実施例の炉心は、実施例1の炉心20において燃料集合体41を燃料集合体41Iに替えた構成を有する。本実施例の炉心の他の構成は炉心20と同じである。燃料集合体41Iは燃料集合体41において燃料棒44を燃料棒44Gに替えた構成を有する。燃料集合体41Iの他の構成は燃料集合体41と同じである。
The core of the present embodiment has a configuration in which the
燃料集合体41Iに含まれる燃料棒44Gは燃料棒44のプレナム2をプレナム2Aに替えた構成を有する。燃料棒44Gは、プレナム2A、燃料棒44と同様な核燃料物質領域16及び中性子吸収材充填領域4を有している。プレナム2Aが核燃料物質領域16の上方に配置され、中性子吸収材充填領域4が核燃料物質領域16の下方に配置される。燃料棒44Gの核燃料物質領域16及び中性子吸収材充填領域4のそれぞれの部分の外径が10.1mmである。チャンネルボックス13内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が53%である。
The
プレナム2Aは第1領域35A及び第2領域35Bを有する。プレナム2Aの、第1領域35Aの部分での外径が4.8mm、プレナム2Aの、第2領域35Bの部分での外径が4.4mmである。第1領域35Aの部分での外径が第2領域35Bの部分での外径よりも大きくなっている。第1領域35Aが太径部で第2領域35Bが細径部である。第2領域35Bが第1領域35Aの上方に位置している。第1領域35Aの長さは300mmであり、第1領域35Aの上端は核燃料物質領域16の上端から上方に300mm離れた位置(中性子吸収部材3の下端)に位置している。第2領域35Bの下端は第1領域35Aの上端と同じ位置にある。
The plenum 2A has a
中性子吸収部材3が、隣り合う燃料棒44Gの、細径部である第2領域35Bの相互間に配置される。中性子吸収部材3の外径は、実施例1で用いられる中性子吸収部材3の外径(6mm)よりも大きくて7.4mmである。燃料集合体格子の横断面積に対する全ての中性子吸収部材3の合計横断面積の割合が、26.7%である。
The
本実施例の軽水炉の炉心は、全ての制約条件を満たして増殖比1.01を維持することができる。さらに、本実施例は、ABWRでは起因事象として起こりえない、仮に炉心全体が100%ボイド状態になったと想定した場合でも、炉心に正の反応度が投入されない。特に、本実施例では中性子吸収部材3の外径が実施例1における中性子吸収部材3の外径よりも大きいので、仮に炉心全体が100%ボイド状態になったとした場合において、本実施例で炉心に投入される反応度は、実施例1でそのときに投入される反応度よりも負になる。
The core of the light water reactor according to the present embodiment can satisfy all the constraints and maintain the breeding ratio of 1.01. Furthermore, in the present embodiment, even when it is assumed that the entire core is in a 100% void state, which cannot occur as an originating event in ABWR, no positive reactivity is input to the core. In particular, in this embodiment, since the outer diameter of the
さらに、本実施例は実施例1で生じる効果を得ることができる。本実施例は、(2)及び(3)の構成を有するので、燃料棒の健全性が増大し、熱的余裕が増大する。 Furthermore, the present embodiment can obtain the effects produced in the first embodiment. Since the present embodiment has the configurations (2) and (3), the soundness of the fuel rods is increased and the thermal margin is increased.
したがって、本実施例は、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 Therefore, this embodiment can further increase the safety margin without impairing the economics of the light water reactor.
本発明の他の実施例である実施例4の軽水炉の炉心を、図29及び図30を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心は、実施例1の炉心20と同様に、前述した(1)及び(3)の構成を備えている。
A core of a light water reactor according to
本実施例の炉心は、実施例1の炉心20において燃料集合体41を燃料集合体41Jに替えた構成を有する。本実施例の炉心の他の構成は炉心20と同じである。燃料集合体41Jは燃料集合体41において燃料棒44を燃料棒44Hに替えた構成を有する。燃料集合体41Jの他の構成は燃料集合体41と同じである。
The core of the present embodiment has a configuration in which the
燃料集合体41Jに含まれる燃料棒44Hは燃料棒44のプレナム2をプレナム2Bに替えた構成を有する。燃料棒44Hは、プレナム2B、燃料棒44と同様な核燃料物質領域16及び中性子吸収材充填領域4を有している。プレナム2Bが核燃料物質領域16の上方に配置され、中性子吸収材充填領域4が核燃料物質領域16の下方に配置される。燃料棒44Hの核燃料物質領域16及び中性子吸収材充填領域4のそれぞれの部分の外径が10.1mmである。チャンネルボックス13内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が53%である。プレナム2Bは第1領域35C及び第2領域35Dを有する。プレナム2Bの、第1領域35Cの部分での外径が5.8mm、プレナム2Bの、第2領域35Dの部分での外径が7.4mmである。第2領域35Dの部分での外径が第1領域35Cの部分での外径よりも大きくなっている。第1領域35Cが細径部で第2領域35Dが太径部である。第2領域35Dが第1領域35Cの上方に位置している。第1領域35Cの長さは800mmであり、第2領域35Dの長さは300mmである。第2領域35Dの下端は、核燃料物質領域16の上端から上方に800mm離れた位置(中性子吸収部材3の上端)にあり、第1領域35Cの上端と同じ位置にある。
The
外径6mmの中性子吸収部材3が、隣り合う燃料棒44Hの、細径部である第1領域35Cの相互間に配置される。
The
本実施例の軽水炉の炉心は、全ての制約条件を満たして増殖比1.01を維持することができる。本実施例では、中性子吸収部材3の上端よりも上方に存在するプレナム2Bの第2領域35Dが、太径部になっているので、プレナム2Bの容積が実施例1におけるプレナム2のそれよりも大きくなっている。このため、燃料棒44H内の圧力がさらに低減され、本実施例で用いられる燃料棒44Hの健全性が実施例1で用いる燃料棒44よりも増大する。
The core of the light water reactor according to the present embodiment can satisfy all the constraints and maintain the breeding ratio of 1.01. In the present embodiment, since the second region 35D of the
さらに、本実施例は実施例1で生じる効果を得ることができる。本実施例は、(1)及び(3)の構成を有するので、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったとしても、炉心に正の反応度を投入することを避けることができ、且つ熱的余裕が増大する。したがって、本実施例は、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 Furthermore, the present embodiment can obtain the effects produced in the first embodiment. Since the present embodiment has the configurations of (1) and (3), even if the entire core is in a 100% void state, it is possible to avoid introducing positive reactivity into the core, and Thermal margin increases. Therefore, this embodiment can further increase the safety margin without impairing the economics of the light water reactor.
本発明の他の実施例である実施例5の軽水炉の炉心を、図31及び表2を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心は、前述した(1)及び(3)の構成を備えている。本実施例の軽水炉の炉心が適用される軽水炉は、TRU消滅炉である。
The core of a light water reactor according to
本実施例の軽水炉の炉心は、実施例2の炉心20Aにおいて燃料集合体41Hを燃料集合体41Kに替えた構成を有する。本実施例の炉心の他の構成は炉心20Aと同じである。燃料集合体41Kは燃料集合体41Hにおいて燃料棒44Fを燃料棒44Iに替えた構成を有する。燃料集合体41Kの他の構成は燃料集合体41Hと同じである。チャンネルボックス13内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が36%である。
The core of the light water reactor according to the present embodiment has a configuration in which the
燃料集合体41Kに含まれる燃料棒44Iは燃料棒44Fのプレナム2をプレナム2Bに替えた構成を有する。燃料棒44Jは、プレナム2B、燃料棒44と同様な核燃料物質領域16及び中性子吸収材充填領域4Aを有している。実施例4における第1領域35C及び第2領域35Dを有するプレナム2Bが核燃料物質領域16の上方に配置され、中性子吸収材充填領域4Aが核燃料物質領域16の下方に配置される。プレナム2Bの、第1領域35Cの部分での外径が3.7mm、プレナム2Bの、第2領域35Dの部分での外径が5.6mmである。第2領域35Dの部分での外径が第1領域35Cの部分での外径よりも大きくなっている。第2領域35Dが第1領域35Cの上方に配置される。第2領域35Dの下端は、核燃料物質領域16の上端から上方に800mm離れた位置(中性子吸収部材3の上端)にあり、第1領域35Cの上端と同じ位置にある。
The fuel rod 44I included in the
外径8.1mmの中性子吸収部材3が、隣り合う燃料棒44Iの、細径部である第1領域35Cの相互間に配置される。
The
本実施例の軽水炉の炉心は、全ての制約条件を満たして増殖比1.01を維持することができる。本実施例では、中性子吸収部材3の上端よりも上方に存在するプレナム2Bが、第2領域35Dを有しているので、プレナム2Bの容積が実施例2で用いられる燃料棒44Fのプレナム2の容積よりも大きくなる。このため、燃料棒44I内の圧力を低減させることができ、本実施例で用いられる燃料棒44Iの健全性が実施例2で用いられる燃料棒44Fよりも増大する。
The core of the light water reactor according to the present embodiment can satisfy all the constraints and maintain the breeding ratio of 1.01. In the present embodiment, since the
さらに、本実施例は実施例2で生じる効果を得ることができる。本実施例は、(1)及び(3)の構成を有するので、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったとしても、炉心に正の反応度を投入することを避けることができ、且つ熱的余裕が増大する。したがって、本実施例は、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 Further, the present embodiment can obtain the effects produced in the second embodiment. Since the present embodiment has the configurations of (1) and (3), even if the entire core is in a 100% void state, it is possible to avoid introducing positive reactivity into the core, and Thermal margin increases. Therefore, this embodiment can further increase the safety margin without impairing the economics of the light water reactor.
本発明の他の実施例である実施例6の軽水炉の炉心を、図32〜図34及び表2を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心20Bは、前述した(1)及び(2)の構成を備えている。本実施例の軽水炉の炉心が適用される軽水炉は、TRU消滅炉である。
A core of a light water reactor according to
本実施例炉心20Bは、実施例2の炉心20Aにおいて燃料集合体41Hを燃料集合体41Lに替えた構成を有する。本実施例の炉心20Bの他の構成は炉心20Aと同じである。燃料集合体41Lは燃料集合体41Hにおいて燃料棒44Fを燃料棒44Jに替えた構成を有する。燃料集合体41Lの他の構成は燃料集合体41Hと同じである。燃料集合体41Lの縦断面の形状は、燃料集合体41Hの、図25に示された縦断面の形状と同じである。
The core 20B of the present embodiment has a configuration in which the
本実施例の炉心20Bは、電気出力が450MWの一領域炉心であり、TRU消滅炉に適用される炉心である。炉心20Bに装荷された燃料集合体41Lは、チャンネルボックス13内に、外径8.7mmの331本の燃料棒44Jを正三角形格子に配置している。燃料棒44Jの相互間の間隙が1.6mmであり、最外層の燃料棒列の一辺には10本の燃料棒44Jが配置される。チャンネルボックス13内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が46%である。炉心20Bは、平衡炉心の状態において図33に示すように、経験した運転サイクル数が異なる燃料集合体41A〜41Dを配置している。運転サイクル数が第4サイクル目の燃料集合体41Dは、炉心最外層領域46に配置される。炉心外側領域48には運転サイクル数が第1サイクル目の燃料集合体41Aが配置され、炉心内側領域50には運転サイクル数が第2〜第4サイクル目の各燃料集合体41B、41C、41Dがそれぞれ分散して配置されている。炉心内側領域50と炉心外側領域48の間に、複数の燃料集合体41Bが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心20Bの半径方向における出力分布がより平坦化される。図33に示した燃料集合体41A〜41Dは、それぞれ、燃料集合体41Lである。
The core 20B of the present embodiment is a one-region core having an electric output of 450 MW, and is a core applied to a TRU extinguishing reactor. In the
燃料集合体41Lの核燃料物質が存在する核燃料物質領域16B(図34参照)は、上部ブランケット領域5、燃料領域34及び下部ブランケット領域9を有する。上部ブランケット領域5の上端より上方に上部反射体領域10が存在し、下部ブランケット領域9の下端より下方に下部反射体領域11が存在する。上部ブランケット領域5の高さが20mm、燃料領域34の高さが201mm、及び下部ブランケット領域9の高さが20mmである。また、上部反射体領域10の高さが1100mm、及び下部反射体領域11の高さが70mmである。
The nuclear fuel material region 16B (see FIG. 34) where the nuclear fuel material of the
炉心20Bの核燃料物質領域12は、図示されていないが、上部ブランケット領域5、燃料領域34及び下部ブランケット領域9のそれぞれの高さと同じ高さを有する上部ブランケット領域5A、燃料領域34A及び下部ブランケット領域9Aを含んでいる。上部ブランケット領域5A、燃料領域34A及び下部ブランケット領域9Aは、炉心20Bの軸方向にこの順に配置される。
Although the nuclear
燃料棒44Jの、プレナム2の部分での外径が4.2mmであり、中性子吸収部材3の外径が6.7mmである。燃料棒44Jの、中性子吸収材充填領域4Aの部分での外径が9.0mmである。燃料集合体格子の横断面積に対する全ての中性子吸収部材3の合計横断面積の割合が、26.0%である。燃料集合体格子の横断面積に対する全ての中性子吸収材充填領域4Aの合計横断面積の割合が、46.7%である。
The outer diameter of the
燃料集合体41Lが燃焼度ゼロのとき、その燃料集合体41Lの全ての燃料棒44J(図19に示された燃料棒44A〜44E)は、上部ブランケット領域5及び下部ブランケット領域9に劣化ウランを充填し、燃料領域34には燃焼度ゼロの状態で表3に示す組成のTRUを含むTRU酸化物燃料を充填している。このTRU酸化物燃料の核分裂性Pu富化度は7.4wt%であり、TRU中のPu−239の割合は4.0wt%である。燃料集合体41Lに含まれたTRUは、使用済燃料集合体に含まれた使用済核燃料を再処理することによって得られる。各ブランケット領域は、その混合酸化物燃料を充填していなく、TRUを含んでいない。なお、各ブランケット領域には劣化ウランのかわりに、天然ウランや、使用済み燃料集合体から回収される減損ウランを用いてもよい。
When the
本実施例の炉心20Bを適用した軽水炉の運転中、各燃料棒44J内で核分裂性物質の核分裂によって発生した揮発性核分裂生成物の十分な量を、1100mmの長さを有するプレナム2に貯蔵することができる。このため、燃料棒44の健全性を確保できる。
During operation of a light water reactor to which the core 20B of the present embodiment is applied, a sufficient amount of volatile fission products generated by fission of fissionable material in each
本実施例によれば、核燃料物質領域12の上端よりも上方へ300mmの位置に、500mmの長さを有する複数の中性子吸収部材3を配置し、核燃料物質領域12の下端よりも下方に複数の中性子吸収材充填領域4Aを配置しているので、ABWRでは起因事象として起こりえない事象である、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になったと想定しても、核燃料物質領域12に正の反応度が投入されることを回避することができる。その状態になったときには、核燃料物質領域12に負の反応度が投入される。
According to the present embodiment, a plurality of
さらに、本実施例は実施例2で生じる効果を得ることができる。本実施例は、(1)及び(2)の構成を有しているので、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。 Further, the present embodiment can obtain the effects produced in the second embodiment. Since the present embodiment has the configurations (1) and (2), the safety margin can be further increased without impairing the economics of the light water reactor.
本実施例の炉心20Bでは、現行のABWRとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器を用いて、電気出力450MWを発生させたとき、取り出し燃焼度が75GWd/t、ボイド係数が−3×10−5Δk/k/%void、MCPRが1.3になる。炉心20Bでは、TRU同位元素の割合保持を実現しつつ、燃料集合体41Lが使用済燃料集合体として炉心20Bから取り出されてから3年後の、使用済燃料集合体内の使用済核燃料の再処理で得られるTRUの重量を、炉心に新たに装荷される燃料集合体41LのTRU重量から7.4%減少させることができる。また、燃料集合体41Lが炉心20Bに装荷されてから取り出されるまでの期間において、燃料集合体41L内の核燃料物質の全核分裂重量に占めるTRUの核分裂重量の割合であるTRU核分裂効率は80%である。
In the core 20B of the present embodiment, when an electric output of 450 MW is generated using a reactor pressure vessel having the same size as that of the current ABWR, the take-off burnup is 75 GWd / t and the void coefficient is −3 × 10−. 5Δk / k /% void, MCPR becomes 1.3. Reactor of spent nuclear fuel in the spent
本発明の他の実施例である実施例7の軽水炉の炉心を、図10、図35、図36及び表4を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心20Cは、(4)の構成を有する。本実施例の軽水炉の炉心20Cは、電気出力が1350MWで、872体の燃料集合体41Mが装荷された、ABWRの炉心である。横断面が十字型の複数の制御棒47が、原子炉出力を制御するために、炉心20Cに出し入れされる。
A core of a light water reactor according to
1体の燃料集合体41Mは74本の燃料棒を有しており、燃料集合体41Mの横断面は正方形をしている。燃料集合体41Mは、図36に示すように、横断面が正方形状の筒であるチャンネルボックス13A内に、外径11.2mmの74本の燃料棒44Mを配置している。これらの燃料棒44Kは正方格子状に配置されている。2本の水ロッド39が、燃料集合体41Mの横断面の中央部に配置している。
One
炉心20Cの核燃料物質が装荷されている核燃料物質領域の高さが3.71mである。炉心20Cに装荷された複数の燃料集合体41Jは、図10に示すように、燃料集合体A,B,C,D,E,F,G,Hを含んでいる。これらの燃料集合体は、リサイクル回数の異なるTRUを核燃料物質として燃料棒44Kに充填している。
The height of the nuclear fuel material region in which the nuclear fuel material of the core 20C is loaded is 3.71 m. The plurality of
具体的には、燃焼度ゼロの燃料集合体Aの各燃料棒44Kは、平衡炉心から取り出された使用済燃料集合体の使用済核燃料を再処理して得られたTRU(リサイクル回数が1回のTRU)を充填している。燃焼度ゼロの燃料集合体Bの各燃料棒44Kは、平衡炉心から取り出された使用済燃料集合体である燃料集合体Aの使用済核燃料を再処理して得られたTRU(リサイクル回数が2回のTRU)を充填している。燃焼度ゼロの燃料集合体Cの各燃料棒44Kは、平衡炉心から取り出された使用済燃料集合体である燃料集合体Bの使用済核燃料を再処理して得られたTRU(リサイクル回数が3回のTRU)を充填している。同様に、燃焼度ゼロの燃料集合体Dの各燃料棒44Kは燃料集合体Cの使用済核燃料から得られたTRU(リサイクル回数が4回のTRU)を充填し、燃焼度ゼロの燃料集合体Eの各燃料棒44Kは燃料集合体Dの使用済核燃料から得られたTRU(リサイクル回数が5回のTRU)を充填している。燃焼度ゼロの燃料集合体Fの各燃料棒44Kは燃料集合体Eの使用済核燃料から得られたTRU(リサイクル回数が6回のTRU)を充填し、燃焼度ゼロの燃料集合体Gの各燃料棒44Kは燃料集合体Fの使用済核燃料から得られたTRU(リサイクル回数が7回のTRU)を充填し、燃焼度ゼロの燃料集合体Hの各燃料棒44Kは燃料集合体Gの使用済核燃料から得られたTRU(リサイクル回数が7回のTRU)を充填している。燃料集合体Aの各燃料棒44Kに充填されるTRU(リサイクル回数が1回のTRU)は、燃焼度ゼロのときにTRUを含まない、低濃縮ウランを燃料棒に充填した燃料集合体の使用済核燃料から回収される。リサイクル回数の異なるTRUは、混合されることなく、別々に、異なる燃料集合体(例えば、燃料集合体A,B,C等)の燃料棒に充填される。
Specifically, each
炉心20Cでは、TRUのリサイクルの回数が異なっている燃料集合体A〜Hのうち、リサイクルの回数が最も少ないTRUを含む複数の燃料集合体Aを中央部に配置し、この中央部と炉心最外層領域の間において、リサイクル回数の多いTRUを含む燃料集合体ほど、炉心最外層領域側に配置される。具体的には、燃料集合体B,C,D,E,F,G及びHの各燃料集合体が、アルファベットの順に、燃料集合体Aを配置した中央部と炉心最外層領域に向って配置される。 In the core 20C, among the fuel assemblies A to H having different TRU recycling numbers, a plurality of fuel assemblies A including the TRU having the lowest number of recyclings are arranged in the central portion. Between the outer layer regions, the fuel assemblies including TRUs that are recycled more frequently are arranged on the outermost layer region side of the core. Specifically, the fuel assemblies B, C, D, E, F, G, and H are arranged in alphabetical order toward the central portion where the fuel assemblies A are arranged and the core outermost layer region. Is done.
炉心20Cでは、燃料集合体A1が100体、燃料集合体B1が40体、燃料集合体C1が24体、燃料集合体D1が16体、燃料集合体E1が12体、燃料集合体F1が8体、燃料集合体G1が4体、及び燃料集合体H1が4体である。これらの体数は、各燃料集合体A1、B1,C1,D1,E1,F1,G1,H1が燃焼度ゼロであるときの体数である。 In the core 20C, there are 100 fuel assemblies A1, 40 fuel assemblies B1, 24 fuel assemblies C1, 16 fuel assemblies D1, 12 fuel assemblies E1, and 8 fuel assemblies F1. Body, four fuel assemblies G1, and four fuel assemblies H1. These numbers are the numbers when the fuel assemblies A1, B1, C1, D1, E1, F1, G1, and H1 have a burnup of zero.
炉心20Cに装荷された燃料集合体A〜Hは、それぞれ、炉内滞在期間(運転サイクル数)が異なる燃料集合体を含んでいる。リサイクル回数の異なるTRUを含んでいる燃料集合体を識別するアルファベット(例えば、燃料集合体の次に記載されたA〜H)の後に付された数字1,2,3,4,5は、該当する燃料集合体(例えば、燃料集合体A、燃料集合体B等)の、炉内滞在期間(運転サイクル数)を示している。その数字が大きいほど、炉内滞在期間が長いことを意味している。「1」が付された燃料集合体は炉内滞在期間が第1サイクル目の燃料集合体であり、「5」が付された燃料集合体は炉内滞在期間が第5サイクル目の燃料集合体である。
Each of the fuel assemblies A to H loaded in the core 20C includes fuel assemblies having different in-reactor stay periods (number of operation cycles). The
例えば、燃料集合体A1は、リサイクル回数が一回のTRUを含み、炉心20Cに装荷されてから1つ目の運転サイクルでの運転を経験しつつある燃料集合体である。燃料集合体E5は、リサイクル回数が五回のTRUを含み、炉心20Cに装荷されてから5つ目の運転サイクルでの運転を経験しつつある燃料集合体である。燃料集合体A〜C、及び燃料集合体Dの一部は、炉心20Cに装荷されてから4つ目の運転サイクルの運転が終了した後、使用済燃料集合体として、原子炉から外部に取り出される。燃料集合体Dの残り、及び燃料集合体F〜Hは、炉心20Cに装荷されてから5つ目の運転サイクルでの運転が終了した後、使用済燃料集合体として、原子炉から外部に取り出される。 For example, the fuel assembly A1 is a fuel assembly that includes a TRU that is recycled one time and is experiencing operation in the first operation cycle after being loaded in the core 20C. The fuel assembly E5 includes a TRU that is recycled five times, and is a fuel assembly that is experiencing operation in the fifth operation cycle after being loaded in the core 20C. The fuel assemblies A to C and a part of the fuel assembly D are taken out from the reactor as spent fuel assemblies after the operation of the fourth operation cycle is completed after being loaded on the core 20C. It is. The rest of the fuel assembly D and the fuel assemblies F to H are taken out from the reactor as spent fuel assemblies after the operation in the fifth operation cycle is completed after being loaded on the core 20C. It is.
同じリサイクル回数のTRUを含む複数の燃料集合体では、炉内滞在期間が異なる燃料集合体同士を隣接させて配置する。例えば、ある燃料集合体A1では、図10の左右に燃料集合体A4を隣接させ、図10の上下に燃料集合体A3を隣接させて配置している。 In a plurality of fuel assemblies including TRUs having the same number of recycles, fuel assemblies having different residence times in the furnace are arranged adjacent to each other. For example, in a certain fuel assembly A1, the fuel assemblies A4 are disposed adjacent to the left and right of FIG. 10, and the fuel assemblies A3 are disposed adjacent to the top and bottom of FIG.
表4には、燃料集合体A〜H及び使用済燃料集合体として取り出された燃料集合体のそれぞれのTRUの重量及びTRUの組成が示されている。表4に示されたA〜Hが燃料集合体A〜Hに相当する。使用済燃料集合体として取り出された燃料集合体は、燃料集合体H5である。 Table 4 shows the TRU weight and TRU composition of each of the fuel assemblies A to H and the fuel assemblies taken out as spent fuel assemblies. A to H shown in Table 4 correspond to the fuel assemblies A to H. The fuel assembly taken out as a spent fuel assembly is a fuel assembly H5.
本実施例の炉心20Cによれば、炉心20Cのボイド率が上昇したときに、炉心20Cの中心部における無限中性子実効増倍率の上昇が、炉心最外層領域における無限中性子実効増倍率の上昇より相対的に小さくなる。このため、出力分布の炉心中央部へのシフトが小さくなる(図9参照)。したがって、炉心20Cに、リサイクル回数が8回のTRUを含む燃料集合体H1〜H5が装荷されているのにもかかわらず、使用済燃料集合体として炉心20Cから取り出された燃料集合体H5の取り出し燃焼度が45GWd/tになり、炉心20Cのボイド係数が−4×10−4%Δk/%voidになる。炉心20Cは、TRUをリサイクルしなかった場合に比べて、使用済燃料集合体の発生体数を0.5%以下に減少させることができる。 According to the core 20C of the present embodiment, when the void ratio of the core 20C increases, the increase of the infinite neutron effective multiplication factor at the center of the core 20C is relative to the increase of the infinite neutron effective multiplication factor in the core outermost layer region. Become smaller. For this reason, the shift of the power distribution toward the center of the core is reduced (see FIG. 9). Therefore, the fuel assembly H5 taken out from the core 20C as a spent fuel assembly is taken out even though the fuel assemblies H1 to H5 including the TRU that is recycled eight times are loaded on the core 20C. The burnup is 45 GWd / t, and the void coefficient of the core 20C is −4 × 10−4% Δk /% void. The core 20C can reduce the number of spent fuel assemblies generated to 0.5% or less compared to the case where the TRU is not recycled.
本実施例の炉心20Cに装荷された燃料集合体では、核燃料物質として、TRUと劣化ウランの混合酸化物燃料を用いたが、劣化ウランのかわりに、天然ウラン、及び使用済燃料集合体から回収される減損ウランを用いてもよい。また、TRUの替りに、TRUから抽出したPuや、TRU中のいくつかのマイナーアクチノイド核種とPuを用いてもよい。 In the fuel assembly loaded in the core 20C of the present embodiment, the mixed oxide fuel of TRU and deteriorated uranium was used as the nuclear fuel material. However, instead of the deteriorated uranium, recovered from the natural uranium and the spent fuel assembly. Depleted uranium may be used. Instead of TRU, Pu extracted from TRU, or some minor actinide nuclides and Pu in TRU may be used.
本発明の他の実施例である実施例8の軽水炉の炉心を、図37及び図38を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心は、実施例1の炉心20と同様に、前述した(1)、(2)及び(3)の構成を備えている。
A core of a light water reactor according to
本実施例の炉心は、実施例1の炉心20において燃料集合体41を燃料集合体41Nに替えた構成を有する。本実施例の炉心の他の構成は炉心20と同じである。燃料集合体41Nは燃料集合体41において燃料棒44を燃料棒44Lに替えた構成を有する。燃料集合体41Nの他の構成は燃料集合体41と同じである。
The core of the present embodiment has a configuration in which the
燃料集合体41Nに含まれる燃料棒44Lは、燃料集合体41に含まれる燃料棒44と同様に、プレナム2、核燃料物質領域16及び中性子吸収材充填領域4を有する。燃料棒44Lの、プレナム2、核燃料物質領域16及び中性子吸収材充填領域4のそれぞれの部分の外径は、燃料棒44の、それらの部分の外径と同じである。
The
燃料集合体41Nの核燃料物質が存在する核燃料物質領域16は、図37に示すように、上部ブランケット領域5、上部燃料領域6、内部ブランケット領域7、下部燃料領域8及び下部ブランケット領域9を有する。上部ブランケット領域5の上端より上方に上部反射体領域10が存在し、下部ブランケット領域9の下端より下方に下部反射体領域11が存在する。上部ブランケット領域5の高さが70mm、上部燃料領域6の高さが242mm、内部ブランケット領域7の高さが520mm、下部燃料領域8の高さが220mm、下部ブランケット領域9の高さが280mmである。下部燃料領域8の高さと上部燃料領域6の高さの和は462mm、上部燃料領域6の高さは下部燃料領域8の高さの1.10倍である。上部反射体領域10の高さが1100mmで、下部反射体領域11の高さが70mmである。本実施例では、燃料棒44Lの上部燃料領域6に充填された燃料ペレットは、他の実施例と異なり、全て中空ペレットになっている。燃料棒44L内で、上部燃料領域6以外の上部ブランケット領域5、内部ブランケット領域7、下部燃料領域8及び下部ブランケット領域9のそれぞれに充填された全ての燃料ペレットは、他の実施例で用いられる中実ペレットである。
The nuclear
燃料集合体41Nが燃焼度ゼロのとき、その燃料集合体41Nの全ての燃料棒44Lは、3つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域6及び下部燃料領域8に混合酸化物燃料を充填している。燃料集合体41Nの上部燃料領域6及び下部燃料領域8では、TRUの重量を100としたときに劣化ウランを重量173の割合で混合した核分裂性Puの富化度が、それぞれ18.0wt%である。TRUは、使用済燃料集合体である燃料集合体41Nに含まれている使用済核燃料から再処理によって回収される。各ブランケット領域は、その混合酸化物燃料を充填していなく、TRUを含んでいない。なお、各ブランケット領域には劣化ウランのかわりに、天然ウラン、及び使用済燃料集合体から回収される減損ウランを用いてもよい。
When the
燃料集合体41N内に配置される燃料棒44Lとして、燃料棒44N〜44Rが用いられる。燃料棒44N〜44Rが、図32に示すように、チャンネルボックス13内に配置される。燃焼度ゼロの燃料集合体41Nにおいて、上部燃料領域6及び下部燃料領域8のそれぞれにおける核分裂性Pu富化度が、燃料棒44Nで10.7wt%、燃料棒44Oで13.5wt%、燃料棒44Pで16.8wt%、燃料棒44Qで18.2wt%及び燃料棒44Rで19.5wt%である。
本実施例は、実施例1で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、(1)、(2)及び(3)の構成を有しているので、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になった場合にも核燃料物質領域12に正の反応度が投入されなく、燃料棒の健全性が増大し、熱的余裕が増大する。したがって、本実施例は、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。
In the present embodiment, each effect produced in the first embodiment can be obtained. Since the present embodiment has the configurations of (1), (2) and (3), even if the entire core is in a 100% void state, the nuclear
本実施例の炉心は、全ての制約条件を満たし増殖比1.01を維持できる。さらに、本実施例では、燃料集合体41Nにおける燃料棒44N〜44Rのそれぞれの上部燃料領域6及び下部燃料領域8で、核分裂性Pu富化度を等しくしている。このため、本実施例では、上部燃料領域6と下部燃料領域8で核分裂性Pu富化度が異なっている実施例1で用いられる燃料集合体41と比較して、核分裂性Pu富化度の種類を9種類から5種類に減らすことができ、それだけ、製造すべき燃料ペレットの種類を低減できる。
The core of the present embodiment satisfies all the constraints and can maintain a growth ratio of 1.01. Further, in this embodiment, the fissionable Pu enrichment is made equal in each of the
本発明の他の実施例である実施例9の軽水炉の炉心を、図39を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心は、前述した(2)の構成を備えている。 A core of a light water reactor according to embodiment 9, which is another embodiment of the present invention, will be described with reference to FIG. The core of the light water reactor of the present embodiment has the configuration (2) described above.
本実施例の炉心は、実施例1の炉心20において燃料集合体41を燃料集合体41Qに替えた構成を有する。本実施例の炉心の他の構成は炉心20と同じである。燃料集合体41Qは燃料集合体41において中性子吸収部材3及び中性子吸収材領域4を取り除いた構成を有する。燃料集合体41Qの他の構成は燃料集合体41と同じである。燃料集合体41Qは複数の燃料棒44Lを有する。燃料棒44Sは、実施例1で用いられる燃料棒44から中性子吸収材領域4を取り除いた構成を有する。
The core of the present embodiment has a configuration in which the
本実施例は、燃料棒44Sの、プレナム2の部分での外径が5.8mmでありプレナム2の長さが1100mmである。燃料棒44Sの、核燃料物質領域16の部分での外径が10.1mmである。チャンネルボックス13内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が53%である。
In this embodiment, the outer diameter of the fuel rod 44S at the
このため、プレナム2の容積が増大するので、燃料棒の健全性を増大することができる。さらに、燃料棒44S内に形成されるプレナム2の部分の外径が、燃料棒44Sの、プレナム部より下方の核燃料物質充填領域16の部分の外径よりも小さくなっているので、炉心全体が100%ボイドの状態になったときに、核燃料物質領域12に投入される反応度が1ドル以下になる。このため、第1設計基準外事故の複合事象が発生しても、高圧炉心注水系の作動により、炉心に注水される冷却水の流量で燃料棒が冷却可能な出力まで、出力が自動的に低下してBWRの安全性が保たれる。したがって、本実施例は、軽水炉の経済性を損なうことなく安全余裕をさらに増大させることができる。
For this reason, since the volume of the
本実施例の炉心は、全ての制約条件を満たし増殖比1.01を維持できる。 The core of the present embodiment satisfies all the constraints and can maintain a growth ratio of 1.01.
本発明の他の実施例である実施例11の軽水炉の炉心を、図40及び表5を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心は、実施例2の炉心20Aと同様に、前述した(1)、(2)及び(3)の構成を備えている。
A core of a light water reactor according to
本実施例の炉心は、実施例2において燃料集合体41Hを燃料集合体41R(図41参照)に替えた構成を有する。本実施例の炉心の他の構成は炉心20Aと同じである。
The core of the present embodiment has a configuration in which the
本実施例の炉心に装荷された燃料集合体41Rにおける核燃料物質領域16Aは、燃料集合体41Hと同様に、上部ブランケット領域5、上部燃料領域6、内部ブランケット領域7及び下部燃料領域8を有する。上部ブランケット領域5の高さが50mm、上部燃料領域6の高さが183mm、内部ブランケット領域7の高さが560mm、下部燃料領域8の高さが173mmである。上部ブランケット領域5の上方に高さ1100mmの上部反射体領域10が存在し、下部燃料領域8の下方に高さ70mmの下部反射体領域11が存在する。上部燃料領域6の高さは、下部燃料領域8の高さの1.06倍である。
The nuclear
燃料集合体41Rは、チャンネルボックス13内に、外径7.6mmの397本の燃料棒を正三角形格子に配置している。燃料棒の相互間の間隙が1.8mmであり、最外層の燃料棒列の一辺には11本の燃料棒が配置される。燃料集合体41Rが燃焼度ゼロのとき、その燃料集合体41Rの全ての燃料棒は、上部ブランケット領域5及び内部ブランケット領域7に劣化ウランを充填し、上部燃料領域6及び下部燃料領域8には燃焼度ゼロの状態で表5に示す組成のTRUを含むTRU酸化物燃料を充填している。このTRU酸化物燃料の核分裂性Pu富化度は18.0wt%であり、TRU中のPu−239の割合は13.4wt%である。
In the
本実施例は、実施例2で生じる各効果を得ることができる。本実施例の炉心は、実施例2の炉心20Aに装荷された燃料集合体41HのTRU組成とは異なるTRU組成においても、TRUを効率良く消滅させることができる。
In the present embodiment, each effect produced in the second embodiment can be obtained. The core of the present embodiment can efficiently extinguish TRU even with a TRU composition different from the TRU composition of the
本発明の他の実施例である実施例11の軽水炉の炉心を、図41及び表6を用いて説明する。本実施例の軽水炉の炉心は、実施例2の炉心20Aと同様に、前述した(1)及び(2)の構成を備えている。
A core of a light water reactor according to
本実施例の炉心は、実施例2において燃料集合体41Hを燃料集合体41S(図41参照)に替えた構成を有する。本実施例の炉心の他の構成は炉心20Aと同じである。
The core of the present embodiment has a configuration in which the
本実施例の炉心に装荷された燃料集合体41Sにおける核燃料物質領域16Aは、燃料集合体41Hと同様に、上部ブランケット領域5、上部燃料領域6、内部ブランケット領域7及び下部燃料領域8を有する。上部ブランケット領域5の高さが20mm、上部燃料領域6の高さが217mm、内部ブランケット領域7の高さが560mm、下部燃料領域8の高さが224mmである。また、上部反射体領域10の高さが1100mm、下部反射体領域11の高さが70mmである。
The nuclear
燃料集合体41Sの横断面は図23と同じである。燃料集合体41Sが燃焼度ゼロのとき、その燃料集合体41Sの全ての燃料棒は、上部ブランケット領域5及び内部ブランケット領域7に酸化トリウムを充填する。本実施例の炉心20Aに装荷する燃料集合体41Sの上部燃料領域6及び下部燃料領域8が、燃料集合体41Sが燃焼度ゼロのとき、現行のABWR炉心から取り出された取り出し燃焼度45GWd/tの使用済燃料集合体(低濃縮ウランを含む)を再処理して得られた表6の組成を有するTRU(以下、現行炉排出TRUという)、及びトリウムの混合酸化物燃料を含んでいる。燃焼度ゼロの燃料集合体41Sを装荷した炉心は、TRU第1世代リサイクル炉心(以下、RG1炉心という)である。その現行のABWR炉心には、低濃縮ウランを含む燃料集合体が装荷される。RG1炉心から使用済燃料集合体として取り出された燃料集合体41Sを再処理して得られたTRUに、表6に示す組成を有する現行炉排出TRUを、炉心が臨界になる量だけ追加する。この追加によって得られたTRU、及びトリウムの混合酸化物燃料を、上部燃料領域6及び下部燃料領域8に含む燃焼度ゼロの燃料集合体41Sを装荷した炉心が、TRU第2世代リサイクル炉心(以下、RG2炉心)である。以後、TRUのリサイクルを繰り返す毎に、各世代のTRUリサイクル炉心から発生する使用済燃料集合体である燃料集合体41Sを再処理して得られるTRUに、現行炉排出TRUを、炉心が臨界になる量だけ追加し、この追加により得られたTRU及びトリウムの混合酸化物燃料を上部燃料領域6及び下部燃料領域8に含む燃焼度ゼロの燃料集合体41Sを炉心20Aに装荷し、この炉心20Aから取り出された使用済燃料集合体である燃料集合体41Sを再処理して得られるTRUの組成がほぼ一定になるまで繰り返される。
The cross section of the fuel assembly 41S is the same as FIG. When the fuel assembly 41S has a burnup of zero, all the fuel rods of the fuel assembly 41S fill the
図42には、各リサイクル世代のリサイクル炉心に装荷された燃焼度ゼロの新燃料集合体に追加した現行炉排出TRUの重量が特性54に、これらのリサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体に含まれるTRUの重量が特性53にそれぞれ示されている。図43には、各リサイクル世代のリサイクル炉心に装荷された燃焼度ゼロの燃料集合体内のTRUに含まれるPu−239の重量割合割合が特性55に、これらのリサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体中のTRUに含まれるPu−239の重量割合が特性56にそれぞれ示される。各ブランケット領域は、その混合酸化物燃料が充填されていなく、TRUを含んでいない。
In FIG. 42, the weight of the current reactor discharge TRU added to the new fuel assemblies with zero burnup loaded in the recycle cores of each recycle generation is shown as characteristic 54, and the spent fuel assemblies taken out from these recycle cores are shown in FIG. The weights of the TRUs contained in are shown in the
RG1炉心からRG10炉心までの各リサイクル世代の炉心は、現行炉排出TRUを含み取り出し燃焼度が65GWd/tの燃料集合体が装荷されている。これらのリサイクル世代の炉心では、現行炉排出TRUが核分裂される。本実施例では、これらのリサイクル世代の炉心において、図44に示す特性57のようにボイド係数が負で、特性58のようにBWRでは起因事象として起こりえない、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になった場合で、さらに全ての制御棒が作動しないと仮定した場合であっても、正の反応度が投入されることはない。 Each recycle generation core from the RG1 core to the RG10 core is loaded with a fuel assembly including the current reactor discharge TRU and a removal burnup of 65 GWd / t. In these recycled generation cores, the current reactor discharge TRU is fissioned. In this embodiment, in the cores of these recycle generations, the void coefficient is negative as shown by the characteristic 57 shown in FIG. 44, and it cannot occur as a cause event in the BWR as shown by the characteristic 58. Even if it is assumed that all the control rods do not operate in this state, no positive reactivity is input.
本実施例は、実施例2で生じる各効果を得ることができる。本実施例により、実施例2とは異なるTRU組成の核燃料物質においても、TRUを効率良く消滅させることができる。 In the present embodiment, each effect produced in the second embodiment can be obtained. According to the present embodiment, TRU can be efficiently extinguished even in a nuclear fuel material having a TRU composition different from that of the second embodiment.
W.S.Yang et al., A Metal Fuel Core Concept for 1000MWt Advanced Burner Reactor. GLOBAL ’07 Boise, USA, September, 2007, P.52には、軽水炉の使用済核燃料を再処理して回収されたTRUを核分裂させて減量するナトリウム冷却型のABRの概念が記載されている。さらに、この文献は、現在運転中の軽水炉とABRを共存させて運転することにより、軽水炉から発生するTRUを、軽水炉、ABR及び燃料サイクル施設内に閉じ込めることができ、TRUを原子炉外に貯蔵する必要がなくなり、長寿命放射性廃棄物の量を大幅に削減できることができることについても記載している。 WSYang et al., A Metal Fuel Core Concept for 1000MWt Advanced Burner Reactor. In GLOBAL '07 Boise, USA, September, 2007, P.52, fission of TRU recovered by reprocessing spent nuclear fuel in LWR The concept of sodium-cooled ABR that is reduced in weight is described. Furthermore, this document shows that the TRU generated from the light water reactor can be confined in the light water reactor, the ABR and the fuel cycle facility by operating the light water reactor and the ABR in operation at the same time, and the TRU is stored outside the reactor. It also describes that the amount of long-lived radioactive waste can be greatly reduced.
しかし、ABRは、劣化ウランにTRUを富化した核燃料物質を使用し、冷却材としてNaを使用するので、炉心内の中性子エネルギーが高くなる。このため、富加したTRUが核分裂して削減されると同時に、U−238から新たに作られるTRUも多い。現在運転中の軽水炉からのTRUの全量をABRに収容するためには、軽水炉一基あたりABR一基の割合で建設する必要がある。ABRは軽水炉に比べて発電コストが高くなると予想されるので、軽水炉のみの運転の場合に比べて、経済性が損なわれる恐れがある。 However, since ABR uses nuclear fuel material enriched in TRU for depleted uranium and Na as a coolant, the neutron energy in the core increases. For this reason, enriched TRUs are reduced by fission, and at the same time, many TRUs are newly made from U-238. In order to accommodate the total amount of TRUs from the currently operating light water reactor in the ABR, it is necessary to construct one ABR per light water reactor. Since ABR is expected to have a higher power generation cost than a light water reactor, there is a risk that the economic efficiency is impaired as compared with the case of operating only a light water reactor.
そこで、劣化ウランにTRUを富加する替りに、TRUが新たに発生しないトリウムにTRUを富加した核燃料物質を含む燃料集合体を、炉心内の中性子エネルギーの低い、特開P2008−215818号公報に記載されたTRU消滅炉に装荷して運転することにより、TRUの新たな発生を防ぎ、TRUの核分裂効率を促進することができる。このため、軽水炉三基分のTRUを本実施のTRU消滅炉一基で核分裂させることが可能になって、発電コストの高いNa冷却のABRが不要となり、大幅に経済性が向上する。 Therefore, instead of enriching depleted uranium with TRU, a fuel assembly containing nuclear fuel material with TRU enriched in thorium that does not newly generate TRU is disclosed in JP 2008-215818 A, which has a low neutron energy in the core. By loading and operating the TRU extinguishing furnace, it is possible to prevent new generation of TRU and promote TRU fission efficiency. For this reason, it becomes possible to fission the TRUs for three light water reactors with one TRU extinguishing reactor of the present embodiment, eliminating the need for Na-cooled ABR with high power generation costs, and greatly improving the economic efficiency.
本発明の他の実施例である実施例12の軽水炉の炉心を、図45から図46、表7及び表8を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の炉心は、実施例7と同様な炉心20Cであり、現在運転中の電気出力が1350MWで、炉心に装荷されている872体の燃料集合体及び燃料集合体当り74本の燃料棒を有するABWRの炉心である。この炉心は、TRU消滅炉の炉心である。本実施例の構成は、実施例7と異なる部分について説明し、実施例7と同じ構成の説明は省略する。
The core of a light water reactor according to
本実施例の炉心20Cの横断面は図35と同じであり、この炉心20Cに装荷する燃料集合体41Mの横断面は図36と同じである。この炉心20Cには、核燃料物質領域の高さが3.71mの燃料集合体41Mが装荷されている。また、PWRの炉心には、低濃縮ウランを含む燃料集合体が装荷されている。PWRの炉心から取り出された取り出し燃焼度50GWd/tの使用済燃料集合体を再処理して得られた表7の組成を有するTRU(以下、現行炉排出TRU)、及び劣化ウランの混合酸化物燃料を有する燃焼度ゼロの燃料集合体を装荷した炉心が、TRU第1世代リサイクル炉心(以下、RG1炉心という)である。このRG1炉心から取り出された使用済燃料集合体を再処理して得られるTRUに、表7に示す組成を有する現行炉排出TRUを、炉心が臨界になる量だけ追加する。この追加によって得られたTRU及び劣化ウランの混合酸化物燃料を有する燃焼度ゼロの燃料集合体を装荷した炉心が、TRU第2世代リサイクル炉心(以下、RG2炉心)である。以後、TRUのリサイクルを繰り返す毎に、各世代のリサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体を再処理して得られるTRUに、現行炉排出TRUを炉心が臨界になる量だけ追加し、得られたTRU及び劣化ウランの混合酸化物燃料を有する燃焼度ゼロの燃料集合体を、炉心に装荷する。
The cross section of the core 20C of the present embodiment is the same as in FIG. 35, and the cross section of the
表8に、RG1炉心からRG8炉心までの各リサイクル世代のリサイクル炉心における燃焼度ゼロの燃料集合体に含まれるTRU組成、及びRG8炉心から取り出した使用済燃料集合体に含まれるTRUの組成を示す。図45には、RG1炉心からRG8炉心までの各リサイクル世代のリサイクル炉心に装荷される燃焼度ゼロの燃料集合体に追加した現行炉排出TRUの重量が特性60に、これらのリサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体に含まれたTRUの重量が特性59にそれぞれ示される。図46には、RG1炉心からRG8炉心までの各リサイクル世代のリサイクル炉心に装荷される燃焼度ゼロの燃料集合体中のTRUに含まれるPu−239の重量割合が特性61に、これらのリサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体中のTRUに含まれるPu−239の重量割合が特性62にそれぞれ示される。
Table 8 shows the TRU composition contained in the zero burnup fuel assemblies and the composition of the TRU contained in the spent fuel assemblies taken out of the RG8 core in each of the recycle generation cores from the RG1 core to the RG8 core. . In FIG. 45, the weight of the current reactor discharge TRU added to the zero burnup fuel assemblies loaded in the recycle cores of each recycle generation from the RG1 core to the RG8 core is extracted from these recycle cores to the characteristic 60. The weights of TRUs contained in the spent fuel assemblies are shown in
RG1炉心からRG8炉心までの各リサイクル世代の炉心は、現行炉排出TRUを含み取り出し燃焼度が45GWd/tの燃料集合体が装荷されている。これらのリサイクル世代の炉心では、現行炉排出TRUが核分裂される。本実施例では、これらのリサイクル世代の炉心において、図47に示す特性63のようにボイド係数が負で、特性64のようにBWRでは起因事象として起こりえない、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になった場合で、さらに全ての制御棒が作動しないと仮定した場合であっても、RG7炉心までは正の反応度が投入されることはない。RG8炉心においては、1ドル以下の正の投入反応度であるが、安全上十分な負のボイド係数を有している。 Each recycle generation core from the RG1 core to the RG8 core is loaded with a fuel assembly including the current reactor discharge TRU and a removal burnup of 45 GWd / t. In these recycled generation cores, the current reactor discharge TRU is fissioned. In this embodiment, in the cores of these recycle generations, the void coefficient is negative as shown by the characteristic 63 shown in FIG. 47 and cannot be caused as a cause event in the BWR as shown by the characteristic 64. Even when it is assumed that all control rods do not operate in this state, no positive reactivity is introduced up to the RG7 core. The RG8 core has a positive input reactivity of less than $ 1 but has a negative void coefficient sufficient for safety.
本実施例では、RG1炉心からRG7炉心までの使用済燃料集合体はすべて再処理され、排出したTRUは現行炉排出TRUと共に次のリサイクル世代の炉心に引き継がれる。従って、RG1炉心からRG8炉心で、使用済燃料集合体として残されるのは、RG8炉心から毎年取り出される208体のみである。一方、RG1炉心からRG8炉心までに使用されるTRU約14トンを供給するには、ABWRで現在使用されている低濃縮ウランの燃料集合体に換算してその使用済燃料集合体約8000体を再処理する必要がある。本実施例のABWRと現在運転中の低濃縮ウランを使用しているABWRを併用することにより、残される使用済燃料集合体数は、低濃縮ウラン燃料を使用したABWRのだけを運転する場合の約2.6%に大幅に減少させることが出来る。 In this embodiment, all spent fuel assemblies from the RG1 core to the RG7 core are reprocessed, and the discharged TRU is transferred to the core of the next recycling generation together with the current reactor discharge TRU. Accordingly, in the RG8 core from the RG1 core, only 208 bodies that are taken out from the RG8 core every year are left as spent fuel assemblies. On the other hand, in order to supply about 14 tons of TRU used from the RG1 core to the RG8 core, about 8000 spent fuel assemblies are converted into low enriched uranium fuel assemblies currently used in ABWR. It needs to be reprocessed. By using the ABWR of this embodiment in combination with the ABWR that uses the currently operating low enriched uranium, the number of spent fuel assemblies that remain is the case of operating only the ABWR that uses the low enriched uranium fuel. It can be greatly reduced to about 2.6%.
本発明の他の実施例である実施例13の軽水炉の炉心を、図48から図50、及び表6を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の炉心は、実施例12と同様な炉心20Cであり、現在運転中の電気出力が1350MWで、炉心に装荷されている872体の燃料集合体及び燃料集合体当り74本の燃料棒を有するABWRの炉心である。この炉心は、TRU消滅炉の炉心である。本実施例の構成は、実施例12と異なる部分について説明し、実施例12と同じ構成の説明は省略する。
The core of a light water reactor according to
本実施例の炉心20Cには、核燃料物質領域の高さが3.71mの燃料集合体41Mが装荷されている。また、PWRの炉心には、低濃縮ウランを含む燃料集合体が装荷されている。炉心20Eの核燃料物質が装荷されている。また、ABWRの炉心には、低濃縮ウランを含む燃料集合体が装荷されている。ABWRの炉心から取り出された取り出し燃焼度45GWd/tの使用済燃料集合体を再処理して得られた表6の組成を有するTRU(以下、現行炉排出TRU)、及びトリウムの混合酸化物燃料を有する燃焼度ゼロの燃料集合体を装荷した炉心が、TRU第1世代リサイクル炉心(以下、RG1炉心という)である。このRG1炉心から取り出された使用済燃料集合体を再処理して得られるTRUに、表6に示す組成を有する現行炉排出TRUを、炉心が臨界になる量だけ追加する。この追加によって得られたTRU及びトリウムの混合酸化物燃料を有する燃焼度ゼロの燃料集合体を装荷した炉心が、TRU第2世代リサイクル炉心(以下、RG2炉心)である。以後、TRUのリサイクルを繰り返す毎に、各世代のリサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体を再処理して得られるTRUに、現行炉排出TRUを炉心が臨界になる量だけ追加し、得られたTRU及びトリウムの混合酸化物燃料を有する燃焼度ゼロの燃料集合体を、炉心に装荷する。
In the core 20C of the present embodiment, a
図48には、各リサイクル世代のリサイクル炉心に装荷される燃焼度ゼロの燃料集合体に追加した現行炉排出TRUの重量が特性66に、これらのリサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体中のTRUの重量が特性65にそれぞれ示されている。図49には、各リサイクル世代のリサイクル炉心に装荷される燃焼度ゼロの燃料集合体中のTRUに含まれるPu−239の重量割合が特性67に、これらのリサイクル炉心から取り出された使用済燃料集合体中のTRUに含まれるPu−239の重量割合が特性68にそれぞれ示されている。 In FIG. 48, the weight of the current reactor discharge TRU added to the fuel assemblies of zero burnup loaded in the recycle cores of each recycle generation is shown as characteristic 66 in the spent fuel assemblies taken out from these recycle cores. The weight of each TRU is shown in characteristic 65, respectively. In FIG. 49, the weight ratio of Pu-239 contained in the TRU in the fuel assembly of zero burnup loaded in the recycling core of each recycling generation has a characteristic 67, and the spent fuel taken out from these recycling cores The weight percentages of Pu-239 contained in the TRUs in the aggregate are shown in characteristic 68, respectively.
RG1炉心からRG4炉心までの各リサイクル世代の炉心は、現行炉排出TRUを含み取り出し燃焼度が45GWd/tの燃料集合体が装荷されている。これらのリサイクル世代の炉心では、現行炉排出TRUが核分裂される。本実施例では、これらのリサイクル世代の炉心において、図50に示す特性69のようにRG3まではボイド係数が負で、図50に示す特性70のように、ABWRでは起因事象として起こりえない、仮に炉心全体が100%ボイドの状態になった場合で、さらに全ての制御棒が作動しないと仮定した場合であっても、RG3までは正の反応度が投入されることはない。 Each recycle generation core from the RG1 core to the RG4 core is loaded with a fuel assembly including the current reactor discharge TRU and a removal burnup of 45 GWd / t. In these recycled generation cores, the current reactor discharge TRU is fissioned. In this embodiment, in the cores of these recycle generations, the void coefficient is negative up to RG3 as shown by the characteristic 69 shown in FIG. 50, and cannot occur as an initiating event in ABWR as shown by the characteristic 70 shown in FIG. Even when the entire core is in a 100% void state and all control rods are assumed not to operate, no positive reactivity is introduced until RG3.
本実施例では、RG4以降のTRU多重リサイクルは安全上の課題が解決する必要があるが、ABRや他の実施例に比べてRG1の現行炉排出TRUの使用量が大きい。トリウムを含む燃料集合体の再処理技術が確立されるまでRG2炉心以降は当面実施しないとして、RG1炉心と現在の低濃縮ウランを使用しているABWRを併用する場合を評価する。RG1炉心から毎年取り出される使用済燃料集合体は208体である。一方、RG1炉心で使用されるTRU約5.7トンを供給するには、ABWRで現在使用されている低濃縮ウラン燃料集合体の使用済燃料集合体約3200体を再処理する必要がある。RG1炉心のABWRと現在運転中の低濃縮ウランを使用しているABWRを併用することにより、残される使用済み燃料体数は低濃縮ウラン燃料を使用したABWRだけを運転する場合の約6.5%に大幅に減少させることが出来る。本実施例は、現在運転中のABWRにおいて燃料集合体を変更するだけで使用済燃料集合体数の大幅削減を実現できる方法の一つである。また現在TRU処分の選択肢の一つとして考えられている使用済燃料集合体をそのまま地層処分する場合には、TRUとウランの混合酸化物燃料ペレットよりTRUとトリウムの混合酸化物燃料ペレットの方が化学的にはるかに安定であると考えられているので、トリウムを含む燃料集合体の再処理技術が確立されるまでの有効な方法となる。 In this embodiment, the TRU multiple recycling after RG4 needs to solve the safety problem, but the amount of the current furnace discharge TRU of RG1 is larger than that of ABR and other embodiments. Assume that the RG1 core and ABWR using the current low enriched uranium are used together, assuming that the RG2 core will not be implemented for the time being until the reprocessing technology of the fuel assembly containing thorium is established. 208 spent fuel assemblies are taken out from the RG1 core every year. On the other hand, in order to supply about 5.7 tons of TRU used in the RG1 core, it is necessary to reprocess about 3200 spent fuel assemblies of low enriched uranium fuel assemblies currently used in ABWR. By using the ABWR of the RG1 core and the ABWR using the low enriched uranium currently in operation, the number of remaining spent fuel bodies is approximately 6.5 when operating only the ABWR using the low enriched uranium fuel. % Can be significantly reduced. This embodiment is one of the methods that can realize a significant reduction in the number of spent fuel assemblies simply by changing the fuel assemblies in the currently operating ABWR. When the spent fuel assembly currently considered as one of the options for TRU disposal is to be disposed of as it is, the mixed oxide fuel pellet of TRU and thorium is better than the mixed oxide fuel pellet of TRU and uranium. Since it is considered to be much more chemically stable, it is an effective method until a reprocessing technique for a fuel assembly containing thorium is established.
1…沸騰水型原子炉、2,2A,2B…プレナム、3,3A,3B…中性子吸収部材、4…中性子吸収材充填領域、5,5A…上部ブランケット領域、6,6A…上部燃料領域、7,7A…内部ブランケット領域、8,8A…下部燃料領域、9,9A…下部ブランケット領域、10…上部反射体領域、11…下部反射体領域、12,16,16A…核燃料物質領域、14…上部タイプレート、15…下部タイプレート、20,20A…炉心、25…炉心シュラウド、27…原子炉圧力容器、34…燃料領域、35A,35C…第1領域、35B,35D…第2領域、41,41A〜41N,41Q〜41S…燃料集合体、42,47…制御棒、44,44A〜44N,44P〜44S…燃料棒。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
燃焼度ゼロの前記燃料集合体を含んでいる状態で、前記下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウムの割合を、前記上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウムの割合よりも大きくすることを特徴とする軽水炉の炉心。 A plurality of fuel assemblies having nuclear fuel material are loaded, and an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region, and a lower fuel region are arranged in this order in the axial direction in the nuclear fuel material region where the nuclear fuel material exists. In the core of the light water reactor in which a plurality of isotopes of transuranium nuclides are included in the upper fuel region and the lower fuel region,
The ratio of fissile plutonium in the total nuclear fuel material in the lower fuel region is larger than the ratio of fissile plutonium in the total nuclear fuel material in the upper fuel region in a state including the fuel assembly having zero burnup. A light water reactor core characterized by
燃焼度ゼロの前記燃料集合体を含んでいる状態で、前記下部燃料領域の高さと前記上部燃料領域の高さの合計が350mm〜600mmの範囲にあり、前記上部燃料領域の高さが前記下部燃料領域の高さの1.1倍〜2.1倍の範囲内にあることを特徴とする軽水炉の炉心。 A plurality of fuel assemblies having nuclear fuel material are loaded, and an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region, and a lower fuel region are arranged in this order in the axial direction in the nuclear fuel material region where the nuclear fuel material exists. In the core of the light water reactor in which a plurality of isotopes of transuranium nuclides are included in the upper fuel region and the lower fuel region,
In a state including the fuel assembly having zero burnup, the total height of the lower fuel region and the upper fuel region is in the range of 350 mm to 600 mm, and the height of the upper fuel region is the lower fuel region. A light water reactor core characterized by being in a range of 1.1 to 2.1 times the height of the fuel region.
燃焼度ゼロの前記燃料集合体を含んでいる状態で、前記下部燃料領域の全核燃料物質の核分裂性プルトニウムの富化度及び前記上部燃料領域の全核燃料物質の核分裂性プルトニウムの富化度の平均が16%〜20%の範囲内にあり、前記下部燃料領域の全核燃料物質の核分裂性プルトニウムの富化度が前記上部燃料領域の全核燃料物質の核分裂性プルトニウムの富化度の1.05倍〜1.6倍の範囲内にあることを特徴とする軽水炉の炉心。 A plurality of fuel assemblies having nuclear fuel material are loaded, and an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region, and a lower fuel region are arranged in this order in the axial direction in the nuclear fuel material region where the nuclear fuel material exists. In the core of the light water reactor in which a plurality of isotopes of transuranium nuclides are included in the upper fuel region and the lower fuel region,
The average of the fissile plutonium enrichment of the whole fuel material in the lower fuel region and the fissile plutonium enrichment of the whole fuel material in the upper fuel region, including the fuel assembly having zero burnup Is within the range of 16% to 20%, and the enrichment of the fissile plutonium in the whole nuclear fuel material in the lower fuel region is 1.05 times the enrichment of the fissile plutonium in the whole nuclear fuel material in the upper fuel region A core of a light water reactor characterized by being in a range of up to 1.6 times.
前記複数の燃料棒は、内部に、超ウラン核種の複数の同位元素を含む核燃料物質が存在する核燃料物質領域を形成しており、
前記核燃料物質領域が、上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域及び下部燃料領域を含んでおり、前記上部ブランケット領域、前記上部燃料領域、前記内部ブランケット領域及び前記下部燃料領域が軸方向においてこの順番に配置され、前記上部燃料領域及び前記下部燃料領域が前記複数の同位元素を含んでおり、
燃焼度ゼロの状態で、前記下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合が、前記上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合よりも大きくなっていることを特徴とする燃料集合体。 A plurality of fuel rods, a lower fuel support member that supports lower end portions of the plurality of fuel rods, an upper fuel support member that supports upper end portions of the plurality of fuel rods, and a neutron absorbing member,
The plurality of fuel rods form a nuclear fuel material region in which a nuclear fuel material containing a plurality of isotopes of super uranium nuclides exists,
The nuclear fuel material region includes an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region, and a lower fuel region, and the upper blanket region, the upper fuel region, the inner blanket region, and the lower fuel region are arranged in the axial direction. Arranged in order, the upper fuel region and the lower fuel region contain the plurality of isotopes,
A fuel assembly characterized in that, in a state of zero burnup, a ratio of fissile plutonium in total nuclear fuel material in the lower fuel region is larger than a ratio of fissile plutonium in total nuclear fuel material in the upper fuel region. body.
ており、前記核燃料物質が存在する核燃料物質領域を有する軽水炉の炉心において、
前記核燃料物質領域の高さが20cm〜250cmの範囲にあり、中性子吸収部材が前
記核燃料物質領域の上方に配置され、
前記核燃料物質領域が、上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域及び下部燃料領域を含んでおり、前記上部ブランケット領域、前記上部燃料領域、前記内部ブランケット領域及び前記下部燃料領域が前記炉心の軸方向においてこの順番に配置され、前記上部燃料領域及び前記下部燃料領域が前記複数の同位元素を含んでおり、
燃焼度ゼロの前記燃料集合体を含んでいる状態で、前記下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合が、前記上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合よりも大きくなっていることを特徴とする軽水炉の炉心。 In a light water reactor core having a nuclear fuel material region in which a plurality of fuel assemblies having nuclear fuel materials containing a plurality of isotopes of transuranium nuclides are loaded and the nuclear fuel material is present,
A height of the nuclear fuel material region is in a range of 20 cm to 250 cm, and a neutron absorbing member is disposed above the nuclear fuel material region;
The nuclear fuel material region includes an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region, and a lower fuel region, and the upper blanket region, the upper fuel region, the inner blanket region, and the lower fuel region are shafts of the core. Arranged in this order in the direction, the upper fuel region and the lower fuel region include the plurality of isotopes,
In a state including the fuel assembly having zero burnup, the ratio of fissile plutonium in the total nuclear fuel material in the lower fuel region is larger than the ratio of fissile plutonium in the total nuclear fuel material in the upper fuel region. A light water reactor core characterized by
の燃料棒の上端部を支持する上部燃料支持部材と、中性子吸収部材を備え、
前記複数の燃料棒は、内部に、超ウラン核種の複数の同位元素を含む核燃料物質が存在
する、高さが20cm〜250cmの範囲にある核燃料物質領域、及び前記核燃料物質領
域の上方に形成されたプレナムを形成しており、
前記中性子吸収部材が前記核燃料物質領域の上方に配置され
前記核燃料物質領域が、上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域及び下部燃料領域を含んでおり、前記上部ブランケット領域、前記上部燃料領域、前記内部ブランケット領域及び前記下部燃料領域が軸方向においてこの順番に配置され、前記上部燃料領域及び前記下部燃料領域が前記複数の同位元素を含んでおり、
燃焼度ゼロの状態で、前記下部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合が、前記上部燃料領域の全核燃料物質に占める核分裂性プルトニウム割合よりも大きくなっていることを特徴とする燃料集合体。 A plurality of fuel rods, a lower fuel support member that supports lower end portions of the plurality of fuel rods, an upper fuel support member that supports upper end portions of the plurality of fuel rods, and a neutron absorbing member,
The plurality of fuel rods are formed above a nuclear fuel material region having a height in a range of 20 cm to 250 cm, in which a nuclear fuel material containing a plurality of isotopes of super uranium nuclides is present. Form a plenum
The neutron absorbing member is disposed above the nuclear fuel material region, and the nuclear fuel material region includes an upper blanket region, an upper fuel region, an inner blanket region, and a lower fuel region, the upper blanket region, the upper fuel region, The inner blanket region and the lower fuel region are arranged in this order in the axial direction, and the upper fuel region and the lower fuel region contain the plurality of isotopes,
A fuel assembly characterized in that, in a state of zero burnup, a ratio of fissile plutonium in total nuclear fuel material in the lower fuel region is larger than a ratio of fissile plutonium in total nuclear fuel material in the upper fuel region. body.
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