JP2015184130A - 燃料集合体及び原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炉心運転サイクルの初期に炉心の反応度を適切に調整できると共に、炉心運転サイクルの末期における炉心の反応度損失を抑制できる燃料集合体、及びこの燃料集合体を備えた原子炉を提供する。【解決手段】核分裂性物質を含んだペレットが充填された燃料棒２１、２２、２３が束ねられて構成された燃料集合体であって、可燃性で且つ中性子を吸収する可能性毒物として、ガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれかとボロンが用いられたことを特徴とするものである。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、燃料集合体、及びこの燃料集合体が装架された炉心を有する原子炉に関する

現在、小型炉（ＳＭＲ）の開発が各国で行われている。小型炉は、炉心が小さく大型炉に比べ炉心からの中性子漏れが大きいため、同炉に装荷される燃料集合体の反応度を高くする必要がある。また、運転管理の容易さや稼働率向上を目指して炉心運転サイクルの長期化が図られている。

このように燃料集合体の反応度を高め且つ炉心運転サイクルの長期化を実現するために、燃料集合体における燃料のウラン濃縮度を高めると、炉心運転サイクルの初期の反応度が過剰に上昇してしまう。

この初期反応度の過剰な上昇を抑制するために、燃料集合体の構成要素として、可燃性毒物であるガドリニウム（Ｇｄ）が用いられる。ところが、ガドリニウムは燃焼後も一部が燃え残り、炉心運転サイクルの末期に炉心に反応度損失を発生させてしまう。しかも、この反応度損失は、ガドリニウム濃度が高く（濃く）なるほど大きくなるという課題がある。

この課題を解決するために、ガドリニウムとガドリニウム以外の可燃性毒物とを組み合わせて、ガドリニウム濃度を低下させる手法がある。つまり、複数の可燃性毒物を組み合わせることで燃料集合体の反応度を制御する方法として、ガドリニウムとエルビニウム（Ｅｒ）とを組み合わせた例が特許文献１に開示されている。また、ガドリニウムと希土類元素（エルビニウムが含まれる）とを組み合わせた例が特許文献２に開示されている。

特開２０１１−２３７３４３号公報 特開２０１０−１２２０６３号公報

しかしながら、可燃性毒物としてのガドリニウムと組み合わされて用いられるエルビニウム等の希土類元素においても、炉心運転サイクルの末期に燃え残りが生じ、炉心に反応度損失を生じさせてしまう。

本発明における実施形態の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、炉心運転サイクルの初期に炉心の反応度を適切に調整できると共に、炉心運転サイクルの末期における炉心の反応度損失を抑制できる燃料集合体、及びこの燃料集合体を備えた原子炉を提供することにある。

本発明の実施形態における燃料集合体は、核分裂性物質を含んだペレットが充填された燃料棒が束ねられて構成された燃料集合体であって、前記燃料棒に、可燃性で且つ中性子を吸収する可燃性毒物として、ガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンが用いられたことを特徴とするものである。

また、本発明の実施形態における原子炉は、前記発明の実施形態に記載の燃料集合体が装荷されて構成された炉心を有することを特徴とするものである。

上述の如く説明した実施形態によれば、炉心運転サイクルの初期に炉心の反応度を適切に調整できると共に、炉心運転サイクルの末期における炉心の反応度損失を抑制できる。

本発明の一実施形態における燃料集合体が装架された炉心を有する加圧水型原子炉を示す縦断面図。 図１の炉心に装荷される燃料集合体を示す斜視図。 図２の燃料集合体における横断面図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態における燃料集合体が装架された炉心を有する加圧水型原子炉を示す縦断面図である。加圧水型原子炉１０は、原子炉容器１１内に炉心１２及び一次冷却材１３が収容されて構成される。炉心１２の出力は、原子炉容器上蓋１４に設置された制御棒駆動機構１５により、制御棒（不図示）が駆動されることで制御される。

一次冷却材１３は、原子炉容器入口ノズル１６から原子炉容器１１内へ供給され、炉心１２内を上昇する間に加熱されて高温となり、原子炉容器出口ノズル１７を経て図示しない高温側配管へ送給される。この高温の一次冷却材１３は、図示しない蒸気発生器に流入して二次冷却材に熱を伝え、発電機タービンを駆動する蒸気を発生させた後、蒸気発生器から原子炉容器入口ノズル１６を経て原子炉容器１１内に戻される。

炉心１２は、複数の燃料集合体が装架されて構成される。この燃料集合体の詳細を図２に示す。燃料集合体２０は、複数本の燃料棒２１、２２及び２３、並びに複数本の制御棒案内シンブル管２４などが、１７×１７の正方格子状に配列され、支持格子２５を用いて束ねられたものであり、上端に上部ノズル２６が、下端に下部ノズル２７がそれぞれ配置される。

各燃料棒２１、２２、２３は、核分裂性物質としてのウランを含んだペレットが被覆管（共に図示せず）内に充填され、両端が端栓で封じられて構成されたものである。図３は、図２の燃料集合体２０における横断面を示すものである。図３に示すように、これらの燃料棒２１、２２、２３、制御棒案内シンブル管２４は、燃料集合体２０内において分散して配置される。

本実施形態では、炉心１２の反応度を高め、更に炉心運転サイクルの長期化を図るために、燃料棒２１、２２、２３におけるウラン濃縮度が高められている。そして、これによる炉心運転サイクルの初期の反応度が過剰なことを抑制するために、本実施形態の燃料集合体２０では、可燃性で且つ中性子を吸収する可燃性毒物として、ガドリニウム（Ｇｄ）またはエルビニウム（Ｅｒ）とボロン（Ｂ）とが組み合わされて用いられている。

つまり、燃料棒２１は、可燃性毒物が添加されずウランのみを含むペレットが充填された燃料棒であるが、燃料棒２２は、可燃性毒物としてのガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンがウランに混合して添加されたペレットが少なくとも一部に充填された燃料棒である。また、燃料棒２３は、可燃性毒物としてボロンのみがウランに添加されたペレットが少なくとも一部に充填された燃料棒である。尚、制御棒案内シンブル管２４は、制御棒を案内する管であって、ウランを含むペレットが存在しない。

ここで、ガドリニウムには質量数が１５４、１５５、１５６、１５８と異なる同位体元素（以下、順にＧｄ−１５４、Ｇｄ−１５５、Ｇｄ−１５６、Ｇｄ−１５７、Ｇｄ−１５８と記載する）が存在している。このうち、Ｇｄ−１５７は、熱中性子領域での中性子吸収断面積が１０^５バーン以上と大きく、効率良く中性子を吸収して炉心１２の反応度を抑制する。

これに対し、Ｇｄ−１５６は、熱中性子領域における中性子吸収断面積が１０バーン程度であって長期間中性子を吸収し続け、中性子を吸収するとＧｄ−１５７に変化するので、炉心運転サイクルの末期に炉心１２の反応度損失の原因になってしまう。また、Ｇｄ−１５５は、熱中性子領域における中性子吸収断面積が１０^４バーン程度であるため、Ｇｄ−１５７に比べて長期間中性子を吸収し続け、中性子を吸収するとＧｄ−１５６を経てＧｄ−１５７に変化するため、この場合にも、炉心運転サイクルの末期に炉心１２に反応度損失を生じさせてしまう。

このガドリニウムによる炉心１２の反応度損失は初期のカドリニウム濃度に比例して大きくなるため、炉心運転サイクルの長期化に合わせてガドリニウム濃度を高く（濃く）設定すると、特にＧｄ−１５５及びＧｄ−１５６が原因となって炉心１２の反応度損失を増大させてしまう。このため、ガドリニウム濃度は低く設定する必要がある。

また、エルビニウムについても、質量数が１６６、１６７、１６８と異なる同位体元素（以下、順にＥｒ−１６６、Ｅｒ−１６７、Ｅｒ−１６８と記載する）が存在する。これらのＥｒ−１６６、Ｅｒ−１６７、Ｅｒ−１６８は、熱中性子領域における中性子吸収断面積がそれぞれ１００バーン程度、１０^３バーン程度、１０バーン程度であって、長期間中性子を吸収し続けるため燃え残りが発生し、炉心運転サイクルの末期に炉心１２に反応度損失を生じさせてしまう。このため、このエルビニウムについても、エルビニウム濃度を低く設定する必要がある。

また、ボロンは、燃え残りによっても炉心１２に反応度損失を生じさせ難い性質を有し、しかも、ガドリニウムまたはエルビニウムと共に存在すると、ガドリニウムまたはエルビニウムよりも多く中性子を吸収して、ガドリニウムまたはエルビニウムに中性子を吸収させ難くする中性子遮蔽効果を備える。このため、このボロンの存在によって、その分、ガドリニウムまたはエルビニウムの濃度を低下させることが可能になる。尚、このボロンにあっても、中性子の吸収によってヘリウムを生じさせて、燃料棒２２、２３のペレットを膨張させたり熱伝導度を低下させる不具合があるため、ボロンの濃度にも上限がある。

本実施形態では、上述のようなガドリニウム、エルビニウム、ボロンの性質を勘案して、燃料集合体２０において用いる可燃性毒物を、ガドリニウムまたはエルビニウムとボロンとのいずれかとするのではなく、ガドリニウムまたはエルビニウムとボロンとの両者を組み合わせている。特に、炉心運転サイクルの末期における炉心１２の反応度損失を確実に抑制するために、ガドリニウムまたはエルビニウムを含むペレットが充填された燃燃料棒２２の本数は、ボロンのみがウランに添加されたペレットを充填した燃料棒２３の本数よりも少なく設定されている。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（３）を奏する。
（１）燃料集合体２０に可燃性毒物として、ガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンとが組み合わされて用いられたことから、これらのガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンによって、炉心運転サイクルの初期における炉心１２の反応度を適切に調整できる。

（２）ガドリニウムまたはエルビニウムは炉心１２の反応度損失が生じ易いものの、ボロンは炉心１２の反応度損失が生じ難く、しかもガドリニウムまたはエルビニウムに対して中性子遮蔽効果を有するので、ガドリニウムまたはエルビニウムの中性子吸収を減少させることができ、その分、ガドリニウムまたはエルビニウムの濃度を低く設定できる。このように、炉心１２の反応度損失を生じさせ易いガドリニウムまたはエルビニウムの濃度を低下させ、且つ炉心１２の反応度損失が生じ難いボロンを用いることで、炉心運転サイクルの末期における炉心１２の反応度損失を抑制できる。

（３）燃料集合体２０に可燃性毒物として、ボロンと、ガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれかとが組み合わされて用いられたので、ボロンの添加量（濃度）を低く設定できる。この結果、ボロンが中性子を吸収することで生ずるヘリウムの発生量を抑制できるので、燃料棒２２及び２３のペレットの膨張や熱伝導度の低下を回避できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、燃料棒２２は、可燃性毒物としてガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれかとボロンとが混合して添加されたペレットを有するが、可燃性毒物としてボロンが添加されず、ガドリニウムまたはエルビニウムのみが添加されたペレットを有するものでもよい。この場合であっても、燃料棒２３には、可燃性毒物としてボロンのみがウランに添加されたペレットが充填されているため、燃料集合体２０全体としては、可燃性毒物としてガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンが添加されたこととなる。

また、燃料棒２２に用いられるペレットにガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンの全てを混合して添加する以外にも、複数あるペレットのうち一部のペレットにガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれかを添加し、別の一部のペレットにボロンを添加し、これらの一部のペレットおよび別の一部のペレットを充填することで燃料棒２２に全体としてガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンが添加されるようにしてもよい。

また、燃料集合体２０の横断面形状は四角形状に限らず、六角形状であってもよい。更に、燃料集合体２０は、燃料棒２１、２２及び２３等が正方格子状に束ねられた外側にチャンネルボックスが装着された沸騰水型原子炉の燃料集合体であってもよい。

１０ 加圧水型原子炉
２０ 燃料集合体
２１、２２、２３ 燃料棒
２４ 制御棒案内シンブル管

Claims (5)

1. 核分裂性物質を含んだペレットが充填された燃料棒が束ねられて構成された燃料集合体であって、
   前記燃料棒に、可燃性で且つ中性子を吸収する可燃性毒物として、ガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンが用いられたことを特徴とする燃料集合体。
2. 前記可燃性毒物として、ガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれか、およびボロンを含むペレットが充填された燃料棒を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
3. 前記可燃性毒物としてガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれかを含むペレットが充填された燃料棒と、前記可燃性毒物としてボロンのみを含むペレットが充填された燃料棒と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料集合体。
4. 前記ガドリニウムおよびエルビニウムの少なくともいずれかを含むペレットが充填された燃料棒の本数が、前記ボロンのみを含むペレットが充填された燃料棒の本数よりも少なく構成されたことを特徴とする請求項３に記載の燃料集合体。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料集合体が装荷されて構成された炉心を有することを特徴とする原子炉。

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