JP2018040585A - Nuclear fuel material, fuel rod, fuel assembly, light water reactor core and nuclear fuel material manufacturing method - Google Patents

Nuclear fuel material, fuel rod, fuel assembly, light water reactor core and nuclear fuel material manufacturing method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To curtail a TRU generation amount in a light water reactor so that an environmental load can be reduced.SOLUTION: A nuclear fuel material is used for a light water reactor as a component mainly comprising plutonium and minor actinoid. The ratio of the mass of the minor actinoid against the mass of the plutonium is equal to or higher than the ratio of the mass of minor actinoid against the mass of plutonium when used fuel of the light water reactor where uranium fuel is used is reprocessed and separated. The ratio of the mass of the minor actinoid against the mass of the plutonium may be 0.75 or less.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明の実施形態は、核燃料物質、燃料棒、燃料集合体、これらを用いた軽水炉炉心、および核燃料物質の製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a nuclear fuel material, a fuel rod, a fuel assembly, a light water reactor core using these, and a method for producing the nuclear fuel material.

原子力発電所において発生する高レベル放射性廃棄物の放射性毒性、すなわち高レベル放射性廃棄物中の放射性物質が放出する放射線が人体へ及ぼす影響の程度は、ワンススルーサイクルの場合、10万年以上に亘って自然界より高いレベルにある。この放射性毒性のうち30年程度の時間が経過して以降は、超ウラン(TRU:TRans−Uranic)核種に起因する放射性毒性が支配的となる。TRU核種の長期に亘る放射性毒性はその半減期の長さに起因している。   In the case of a once-through cycle, the radiotoxicity of high-level radioactive waste generated at nuclear power plants, that is, the extent of the radiation emitted by radioactive materials in high-level radioactive waste, has exceeded 100,000 years. At a higher level than nature. After about 30 years of the radiotoxicity, the radiotoxicity caused by the trans-Uranium (TRU) nuclides becomes dominant. The long-term radiotoxicity of TRU nuclides is due to its long half-life.

したがって、TRUを消滅させることが出来れば、500年程度の時間が経過して以降は、高レベル放射性廃棄物の放射性毒性は天然ウラン並に低下し、使用済燃料による環境負荷を低減することができる。   Therefore, if TRU can be extinguished, after about 500 years have passed, the radiotoxicity of high-level radioactive waste will be reduced to the same level as natural uranium, reducing the environmental impact of spent fuel. it can.

高レベル放射性廃棄物は、現状、ガラス固化体として安定化処理させて地層処分される計画であるが、これらを処分するための処分場の確保や長期間の管理が必要となるため、大きな環境負荷となっている。   High-level radioactive waste is currently planned to be stabilized and treated as a solidified glass, but it will be disposed of in geological formations. It is a load.

このため、高レベル放射性廃棄物の管理期間を短縮させて環境への負荷を低減するため、TRU核種を短寿命核種に核変換する研究が従来から進められている。TRU核種を短寿命核種に核変換する代表的な技術として、高速炉で発生する高速中性子を用いて核変換を行う方法や加速器駆動炉(ADS)等の加速器を有する核変換設備によって消滅処理する技術が検討されている。   For this reason, research on transmutation of TRU nuclides to short-lived nuclides has been in progress in order to shorten the management period of high-level radioactive waste and reduce the burden on the environment. As typical technologies for transmuting TRU nuclides to short-lived nuclides, annihilation treatment is performed using a transmutation method using fast neutrons generated in a fast reactor or a transmutation facility having an accelerator such as an accelerator-driven reactor (ADS). Technology is being considered.

しかし、現在並びに今後の原子力発電所に用いられる炉型としては軽水炉が主力であると考えられる。このため、高速炉や加速器駆動炉を用いたTRU核変換の運用が開始するまでに相当量のTRUが蓄積して、核変換に必要な設備の基数が増大する可能がある。また、核変換に必要な設備の建設には、膨大な設備投資が必要となる。   However, light water reactors are considered to be the main reactor types used in current and future nuclear power plants. For this reason, a considerable amount of TRU may accumulate until the operation of TRU transmutation using a fast reactor or an accelerator-driven reactor starts, and the number of facilities necessary for transmutation may increase. In addition, construction of facilities necessary for nuclear transmutation requires enormous capital investment.

このため、軽水炉で発生するTRUを抑制する技術が検討されており、例えばTRUを多重リサイクル可能にプルトニウムの割合と炉心流量を調整して核燃料の燃焼度を高めてTRUの生成量を低減する技術などが知られている。   For this reason, a technique for suppressing TRU generated in a light water reactor has been studied. For example, a technique for increasing the burnup of nuclear fuel and reducing the amount of TRU generated by adjusting the ratio of plutonium and the core flow rate so that TRU can be recycled multiple times. Etc. are known.

特許第5524582号公報Japanese Patent No. 5524582 特開2013−33065号公報JP 2013-33065 A 特開2003−107183号公報JP 2003-107183 A

軽水炉においてTRUを燃焼させる時、ウランを基材に用いる現行燃料設計では、燃焼に伴う無限増倍率の変化が大きい為、無限増倍率の変化を抑制するために、初期反応度の抑制手段として、可燃性毒物を用いる必要がある。可燃性毒物を用いる場合、可燃性毒物の残留により取出し燃焼度が低下し経済性が悪化するという課題や、出力分布の変化が大きいため複雑なプルトニウム富化度分布の設計が必要であるという課題があった。さらには、ウランを基材に用いることにより、ウランの中性子捕獲反応により、新たなTRUが発生するという課題もあった。   In the current fuel design using uranium as a base material when burning TRU in a light water reactor, since the change in infinite multiplication factor accompanying combustion is large, in order to suppress the change in infinite multiplication factor, It is necessary to use a flammable poison. When using flammable poisons, the problem is that the removal burn-up degree decreases due to the residue of the flammable poison and the economic efficiency deteriorates, and the problem is that the design of a complex plutonium enrichment distribution is necessary due to the large change in output distribution was there. Furthermore, there has been a problem that new TRU is generated by uranium neutron capture reaction by using uranium as a base material.

このように、現行技術では、軽水炉でTRUを燃焼させ、減少させることは困難であった。   Thus, with the current technology, it was difficult to burn and reduce TRU in a light water reactor.

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、環境負荷を低減可能とするために、軽水炉においてTRU生成量を抑制することを目的とする。   The embodiment of the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to suppress the TRU generation amount in a light water reactor in order to reduce the environmental load.

上述の目的を達成するため、本実施形態は、プルトニウムとマイナーアクチノイドとを核燃料物質の主たる成分として軽水炉に用いられる核燃料物質であって、前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第1の比は、ウラン燃料を使用する軽水炉の使用済燃料が再処理され分離された場合のマイナーアクチノイドの質量のプルトニウムの質量に対する第2の比と等しいかまたは大きいことを特徴とする。   In order to achieve the above-described object, the present embodiment is a nuclear fuel material used in a light water reactor with plutonium and minor actinoid as main components of nuclear fuel material, wherein the first ratio of the mass of the minor actinide to the mass of the plutonium Is characterized by being equal to or greater than a second ratio of minor actinide mass to plutonium mass when spent fuel in a light water reactor using uranium fuel is reprocessed and separated.

また、本実施形態に係る燃料棒は、軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドとを核燃料物質の主たる成分とし所定の方向に並べられた複数の燃料ペレットと、前記複数の燃料ペレットを収納し前記所定の方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管と、を有し、前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第1の比は、前記再処理において分離されたときの前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第2の比と等しいかまたは大きいことを特徴とする。   Further, the fuel rod according to the present embodiment includes a plurality of fuel pellets arranged in a predetermined direction with plutonium and minor actinoids separated in reprocessing of spent fuel in a light water reactor as main components of nuclear fuel material, and the plurality of fuel pellets A cylindrical tube extending in the predetermined direction and closed at both ends, wherein the first ratio of the mass of the minor actinide to the mass of the plutonium is the reprocessing The mass of the minor actinoid when separated in is equal to or greater than the second ratio of the mass of the plutonium.

また、本実施形態に係る燃料集合体は、軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドとを核燃料物質の主たる成分とし所定の方向に並べられた複数の第1の燃料ペレットと、前記複数の燃料ペレットを収納し前記燃料ペレットの中心軸の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有し、格子状に互いに並列に配されて前記所定の方向に延びる複数の第1の燃料棒と、前記複数の第1の燃料棒を互いに結束する第1の燃料棒結束部材と、を備え、前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第1の比は、前記再処理において分離されたときの前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第2の比と等しいかまたは大きいことを特徴とする。   Further, the fuel assembly according to the present embodiment includes a plurality of first fuel pellets arranged in a predetermined direction with plutonium and minor actinoids separated in the reprocessing of spent fuel in a light water reactor as main components of nuclear fuel material. And a cladding tube that houses the plurality of fuel pellets and extends in the same direction as the direction of the central axis of the fuel pellets and is closed at both ends, and is arranged in parallel with each other in a lattice shape A plurality of first fuel rods extending in a predetermined direction; and a first fuel rod bundling member that binds the plurality of first fuel rods to each other, wherein the mass of the minor actinide relative to the mass of the plutonium The ratio of 1 is equal to or greater than the second ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass when separated in the reprocessing. To.

また、本実施形態は、互いに並列に格子状に配列され上下方向に延びた複数の第1の燃料集合体と、前記複数の第1の燃料集合体の間または前記複数の第1の燃料集合体中に挿抜可能に形成された複数の制御部材と、を具備する軽水炉炉心であって、前記第1の燃料集合体は、軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドとを核燃料物質の主たる成分とし所定の方向に並べられた複数の第1の燃料ペレットと、前記複数の燃料ペレットを収納し前記燃料ペレットの中心軸の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有し、格子状に互いに並列に配されて上下に延びる複数の第1の燃料棒と、前記複数の第1の燃料棒を互いに結束する第1の結束部材と、を備え、前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第1の比は、前記再処理において分離されたときの前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第2の比と等しいかまたは大きいことを特徴とする。   Further, in the present embodiment, a plurality of first fuel assemblies arranged in a lattice form in parallel with each other and extending in the vertical direction, and between the plurality of first fuel assemblies or the plurality of first fuel assemblies. And a plurality of control members formed so as to be insertable / removable in the body, wherein the first fuel assembly includes plutonium and a minor actinide separated in the reprocessing of spent fuel of the light water reactor. And a plurality of first fuel pellets arranged in a predetermined direction as a main component of the nuclear fuel material, and a cylindrical shape that houses the plurality of fuel pellets and extends in the same direction as the central axis direction of the fuel pellets. A plurality of first fuel rods that are arranged in parallel with each other and extend vertically, and a first binding member that binds the plurality of first fuel rods to each other. And the minor First ratio to the mass of the plutonium mass Chinoido is characterized by the or larger equal to the second ratio to the mass of the plutonium mass of minor actinides when said separated in reprocessing.

また、本実施形態に係る核燃料物質の製造方法は、ウラン燃料を使用する軽水炉の使用済燃料の再処理によりプルトニウムとマイナーアクチノイドを分離する分離ステップと、前記分離ステップで分離した前記プルトニウムと前記マイナーアクチノイドの質量比を調整して核燃料物質を製造する核燃料物質製造ステップと、を有し、前記核燃料物質における前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する比は、前記ウラン燃料を使用する軽水炉の使用済燃料が再処理され分離された場合のマイナーアクチノイドの質量のプルトニウムの質量に対する比と等しいかまたは大きいことを特徴とする。   The nuclear fuel material manufacturing method according to the present embodiment includes a separation step of separating plutonium and minor actinides by reprocessing spent fuel in a light water reactor that uses uranium fuel, and the plutonium separated from the minor step and the minor A nuclear fuel material production step for producing a nuclear fuel material by adjusting a mass ratio of the actinide, wherein a ratio of a mass of the minor actinide in the nuclear fuel material to a mass of the plutonium is used in a light water reactor using the uranium fuel. It is characterized by being equal to or greater than the ratio of minor actinide mass to plutonium mass when spent fuel is reprocessed and separated.

本発明の実施形態によれば、環境負荷を低減可能とするために、軽水炉においてTRU生成量を抑制することができる。   According to the embodiment of the present invention, the TRU generation amount can be suppressed in the light water reactor in order to reduce the environmental load.

第1の実施形態に係る軽水炉炉心の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the light water reactor core which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るTRU型燃料集合体の構成を示す立断面図である。1 is an elevational sectional view showing a configuration of a TRU fuel assembly according to a first embodiment. 第1の実施形態に係るTRU型燃料集合体を構成するTRU型燃料棒の構成を示す立断面図である。It is an elevation sectional view showing the composition of the TRU type fuel rod which constitutes the TRU type fuel assembly concerning a 1st embodiment. ウラン型の軽水炉燃料の再処理により得られるTRUの組成の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a composition of TRU obtained by reprocessing of uranium type light water reactor fuel. ウラン型の軽水炉燃料の再処理により得られるTRU中のマイナーアクチノイドの組成の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the composition of the minor actinide in TRU obtained by reprocessing of a uranium type light water reactor fuel. 第1の実施形態に係るTRU型核燃料物質の組成を説明するグラフである。It is a graph explaining the composition of the TRU type nuclear fuel material which concerns on 1st Embodiment. アクチノイド核種の生成崩壊チェーンを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the production | generation decay chain of an actinoid nuclide. 第1の実施形態に係るTRU型核燃料物質の製造方法の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the manufacturing method of the TRU type | mold nuclear fuel material which concerns on 1st Embodiment. マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比をパラメータとした場合の無限増倍率の燃焼度依存性の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the burnup dependence of an infinite multiplication factor when the ratio of minor actinide mass and plutonium mass is used as a parameter. 初期の無限増倍率のマイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比への依存性の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the dependence to the ratio of the minor actinide mass and plutonium mass of an initial infinite multiplication factor. 無限増倍率の変化分のマイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比への依存性の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the dependence to the ratio of the minor actinoid mass of the change of an infinite multiplication factor, and plutonium mass. マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比をパラメータとした場合の局所出力ピーキング係数の燃焼度依存性の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the burnup dependence of the local output peaking coefficient when the ratio of the minor actinide mass and the plutonium mass is used as a parameter. 局所出力ピーキング係数の変化分のマイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比への依存性の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the dependence to the ratio of the minor actinoid mass and the plutonium mass of the change of a local output peaking coefficient. ウラン燃料核種およびTRU核種の共鳴吸収の大きさの比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the magnitude | size of the resonance absorption of a uranium fuel nuclide and a TRU nuclide. 使用済み燃料の環境負荷変化の例を示すグラフであり、アクチノイド核種およびFP核種を対象としている。It is a graph which shows the example of the environmental load change of a spent fuel, and targets actinide nuclide and FP nuclide. 使用済み燃料の環境負荷変化の例を示すグラフであり、アクチノイド核種を対象としている。It is a graph which shows the example of the environmental load change of spent fuel, and targets actinide nuclide. 第2の実施形態に係る軽水炉炉心の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the light water reactor core which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係るウラン型燃料集合体の構成を示す立断面図である。It is a sectional elevation showing the composition of the uranium type fuel assembly concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係るウラン型燃料集合体を構成するウラン型燃料棒の構成を示す立断面図である。FIG. 5 is an elevational sectional view showing a configuration of a uranium fuel rod constituting a uranium fuel assembly according to a second embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る核燃料物質、燃料棒、燃料集合体、軽水炉炉心、および核燃料物質の製造方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。   Hereinafter, a nuclear fuel material, a fuel rod, a fuel assembly, a light water reactor core, and a method for manufacturing a nuclear fuel material according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.

なお、以下の本発明の実施形態においては、説明の便宜上、ウラン燃料およびこれを用いた場合と区別するために、核燃料物質、燃料棒、燃料集合体、軽水炉炉心を、それぞれ、TRU型核燃料物質、TRU型燃料棒、TRU型燃料集合体およびTRU型軽水炉炉心と呼ぶこととする。また、ウラン燃料およびこれを用いた場合の核燃料物質、燃料棒、および燃料集合体を、ウラン型核燃料物質、ウラン型燃料棒、およびウラン型燃料集合体と呼ぶことする。   In the following embodiments of the present invention, for convenience of explanation, in order to distinguish from uranium fuel and the case where it is used, a nuclear fuel material, a fuel rod, a fuel assembly, and a light water reactor core are each a TRU nuclear fuel material. And TRU fuel rods, TRU fuel assemblies, and TRU light water reactor cores. Further, uranium fuel and nuclear fuel material, fuel rods, and fuel assemblies when using the uranium fuel are referred to as uranium-type nuclear fuel materials, uranium-type fuel rods, and uranium-type fuel assemblies.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る軽水炉炉心の構成を示す平面図である。以下では、軽水炉として沸騰水型原子炉の場合を例にとって示す。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a light water reactor core according to the first embodiment. In the following, an example of a boiling water reactor as a light water reactor will be described.

本実施形態に係る軽水炉炉心10は、互いに並列に格子状に配列され上下方向に延びた複数のTRU型燃料集合体100と、制御棒5とを有する。制御棒5は、互いに隣接して平面的に1つの正方形のブロックを構成する4体のTRU型燃料集合体100の中央の位置に配され、挿入および引抜きされる。   The light water reactor core 10 according to the present embodiment includes a plurality of TRU fuel assemblies 100 and control rods 5 arranged in parallel with each other in a lattice shape and extending in the vertical direction. The control rod 5 is arranged at a central position of four TRU type fuel assemblies 100 that constitute one square block in plan view adjacent to each other, and is inserted and extracted.

図2は、第1の実施形態に係るTRU型燃料集合体の構成を示す立断面図である。TRU型燃料集合体100は、複数のTRU型燃料棒200、TRU型燃料棒結束部材150、およびチャンネルボックス104を有する。   FIG. 2 is an elevational sectional view showing the configuration of the TRU fuel assembly according to the first embodiment. The TRU type fuel assembly 100 includes a plurality of TRU type fuel rods 200, a TRU type fuel rod binding member 150, and a channel box 104.

TRU型燃料棒200の構造については、図3で説明するが、複数のTRU型燃料棒200は、格子状に互いに並列に配されて上下に延びている。   Although the structure of the TRU type fuel rod 200 will be described with reference to FIG. 3, the plurality of TRU type fuel rods 200 are arranged in parallel with each other in a lattice shape and extend vertically.

TRU型燃料棒結束部材150は、下部格子板102および上部格子板103を有する。下部格子板102は、複数のTRU型燃料棒200のそれぞれの下端を固定し、複数のTRU型燃料棒200を互いに結束する。また、上部格子板103は、複数のTRU型燃料棒200のそれぞれの上端を固定し、複数のTRU型燃料棒200を互いに結束する。   The TRU type fuel rod binding member 150 includes a lower lattice plate 102 and an upper lattice plate 103. The lower lattice plate 102 fixes the lower ends of the plurality of TRU fuel rods 200 and binds the plurality of TRU fuel rods 200 to each other. The upper lattice plate 103 fixes the upper ends of the plurality of TRU fuel rods 200 and binds the plurality of TRU fuel rods 200 to each other.

また、TRU型燃料集合体100は、複数のTRU型燃料棒200が延びる方向の複数個所にそれぞれ配された複数のスペーサ101を有する。スペーサ101は、複数のTRU型燃料棒200相互間の位置決めをするとともに、TRU型燃料棒200の振れ止めとして機能する。   Further, the TRU type fuel assembly 100 has a plurality of spacers 101 respectively arranged at a plurality of locations in the direction in which the plurality of TRU type fuel rods 200 extend. The spacer 101 positions the plurality of TRU fuel rods 200 and functions as a steady rest for the TRU fuel rods 200.

図3は、第1の実施形態に係るTRU型燃料集合体を構成するTRU型燃料棒の構成を示す立断面図である。   FIG. 3 is an elevational sectional view showing the configuration of the TRU fuel rods that constitute the TRU fuel assembly according to the first embodiment.

TRU型燃料棒200は、所定の方向、軸方向を揃えて軸方向に並べられた円柱状の複数のTRU型燃料ペレット20と、これを収納する筒状に延びた被覆管21と、被覆管21の上端を閉止する上部端栓22と、被覆管21の下端を閉止する下部端栓23とを有する。   The TRU type fuel rod 200 includes a plurality of cylindrical TRU type fuel pellets 20 arranged in the axial direction with a predetermined direction and an axial direction aligned, a cladding tube 21 extending in a cylindrical shape for housing the pellets, and a cladding tube The upper end plug 22 that closes the upper end of 21 and the lower end plug 23 that closes the lower end of the cladding tube 21 are provided.

被覆管21、上部端栓22および下部端栓23は、密閉空間を形成し、密閉空間内に複数のTRU型燃料ペレット20が軸方向に積層されている。密閉空間の上部には、TRU型燃料ペレット20により占有されていないガスプレナム25が形成されている。TRU型燃料ペレット20は、ガスプレナム25に設けられたバネ24により抑えられ位置を固定されている。   The cladding tube 21, the upper end plug 22 and the lower end plug 23 form a sealed space, and a plurality of TRU fuel pellets 20 are stacked in the axial direction in the sealed space. A gas plenum 25 that is not occupied by the TRU fuel pellets 20 is formed in the upper part of the sealed space. The TRU type fuel pellet 20 is restrained by a spring 24 provided in the gas plenum 25 and fixed in position.

TRU型燃料ペレット20は、TRU型核燃料物質として、軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウム(Pu)とマイナーアクチノイド(MA)とを核燃料物質の主たる成分としている。ここで、マイナーアクチノイドとは、ウラン(U)およびプルトニウム以外のアクチノイドをいう。また、主たる成分とは、プルトニウムとマイナーアクチノイド以外は、不可避不純物であり意図的に添加するものがないことを意味するものとする。したがって、濃縮ウランを用いる通常のウラン燃料の場合に用いられる可燃性毒物も含んでいない。   The TRU type fuel pellet 20 uses plutonium (Pu) and minor actinoids (MA) separated in reprocessing of spent fuel in the light water reactor as the main components of the nuclear fuel material as the TRU type nuclear fuel material. Here, the minor actinoid refers to an actinoid other than uranium (U) and plutonium. In addition, the main component means that other than plutonium and minor actinoids are unavoidable impurities and there is nothing intentionally added. Therefore, it does not include combustible poisons used in the case of ordinary uranium fuel using enriched uranium.

なお、ここでは、一例として、TRU型核燃料物質として、軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドとを使用している場合を示しているが、これに限定されない。プルトニウムとマイナーアクチノイドであれば、入手方法を問わない。   Here, as an example, the case where plutonium and minor actinoids separated in the reprocessing of spent fuel in a light water reactor is used as a TRU nuclear fuel material is shown, but the present invention is not limited to this. If it is plutonium and a minor actinide, the acquisition method is not ask | required.

ここで、TRU型燃料ペレット20に使用されるTRU型核燃料物質の、マイナーアクチノイドの質量のプルトニウムの質量に対する比に条件が付加されている。以下、この条件について説明する。   Here, a condition is added to the ratio of the mass of the minor actinide to the mass of plutonium of the TRU type nuclear fuel material used for the TRU type fuel pellet 20. Hereinafter, this condition will be described.

今、ウラン燃料を使用する軽水炉の使用済燃料が再処理され分離された場合を考える。この場合の、マイナーアクチノイドの質量MA0と、プルトニウムの質量PU0の比R0をとる。すなわち、R0=MA0/PU0とする。   Consider a case where spent fuel in a light water reactor that uses uranium fuel is reprocessed and separated. In this case, the ratio R0 of the mass MA0 of the minor actinoid and the mass PU0 of the plutonium is taken. That is, R0 = MA0 / PU0.

図4は、ウラン燃料を使用する軽水炉燃料の再処理により得られるTRUの組成の例を示すグラフである。TRUの合計質量を100%としている。   FIG. 4 is a graph showing an example of TRU composition obtained by reprocessing light water reactor fuel using uranium fuel. The total mass of TRU is 100%.

この例では、Pu239が43.1%、Pu240が26.2%、Pu241が12.3%、Pu242が7.7%、Np237が5.0%、Pu238が2.1%、Am243が1.6%、Np239が0.7%、その他、Cm244が0.6%、Am241が0.5%等となっている。   In this example, Pu239 is 43.1%, Pu240 is 26.2%, Pu241 is 12.3%, Pu242 is 7.7%, Np237 is 5.0%, Pu238 is 2.1%, and Am243 is 1. 6%, Np239 is 0.7%, Cm244 is 0.6%, Am241 is 0.5%, etc.

図5は、図4のTRU中のマイナーアクチノイドの組成の例を示すグラフである。マイナーアクチノイドの合計質量を100%としている。   FIG. 5 is a graph showing an example of the composition of minor actinoids in the TRU of FIG. The total mass of minor actinoids is 100%.

この例では、Np237が58.6%、Am243が18.4%、Np239が7.8%、Cm244が6.6%、Am241が5.7%、Cm242が2.3%等となっている。   In this example, Np237 is 58.6%, Am243 is 18.4%, Np239 is 7.8%, Cm244 is 6.6%, Am241 is 5.7%, Cm242 is 2.3%, etc. .

図4および図5の例では、マイナーアクチノイドの合計質量はTRU中のプルトニウムの合計質量の9.4%と、約10%程度のオーダとなっている。すなわち、前述のR0は約0.1程度である。   In the examples of FIGS. 4 and 5, the total mass of minor actinides is about 9.4% of the total mass of plutonium in TRU, on the order of about 10%. That is, the aforementioned R0 is about 0.1.

図6は、第1の実施形態に係るTRU型核燃料物質の組成を説明するグラフである。   FIG. 6 is a graph for explaining the composition of the TRU nuclear fuel material according to the first embodiment.

一方、本実施形態におけるTRU型燃料ペレット20に用いられる核燃料物質中のマイナーアクチノイドの質量MAと、プルトニウムの質量PUの比Rをとる。すなわち、R=MA/PUとする。本実施形態においては、R≧R0である。   On the other hand, the ratio R of the mass MA of the minor actinide and the mass PU of plutonium in the nuclear fuel material used for the TRU fuel pellet 20 in the present embodiment is taken. That is, R = MA / PU. In the present embodiment, R ≧ R0.

また、後述するように、マイナーアクチノイドの割合が大きくなると、無限増倍率は低下する。運転サイクル終了時にも臨界体系を維持できる反応度が必要であり、このためには、初期炉心における反応度は所定の値以上である必要がある。すなわち、マイナーアクチノイドの割合Rには、上限Rmaxがある。   Further, as will be described later, the infinite multiplication factor decreases as the proportion of minor actinoids increases. The reactivity is required to maintain the critical system even at the end of the operation cycle. For this purpose, the reactivity in the initial core needs to be a predetermined value or more. That is, the minor actinide ratio R has an upper limit Rmax.

すなわち、本実施形態におけるTRU型燃料ペレット20に用いられる核燃料物質中のマイナーアクチノイドの質量MAと、プルトニウムの質量PUの比Rは、次の条件を満たす必要がある。
Rmax ≧ R ≧ R0 …(1)
That is, the ratio R of the mass MA of the minor actinide and the mass PU of plutonium in the nuclear fuel material used for the TRU fuel pellet 20 in the present embodiment must satisfy the following condition.
Rmax ≧ R ≧ R0 (1)

図7は、アクチノイド核種の生成崩壊チェーンを示す説明図である。それぞれの丸の中には、各核種の原子記号と質量数が表示されている。図の横方向に並ぶ各行は、それぞれ、同じ原子記号に属する核種である。また、縦に並ぶ列は、それぞれ、質量数の同じ核種である。   FIG. 7 is an explanatory diagram showing a production and decay chain of actinoid nuclides. In each circle, the atomic symbol and mass number of each nuclide are displayed. Each row in the horizontal direction in the figure is a nuclide belonging to the same atomic symbol. In addition, the vertical columns are nuclides having the same mass number.

それぞれの核種から上向きの矢印はベータ崩壊を示し、原子番号の1つ大きな核種に移行する。右向きの矢印は中性子捕獲を示し、同じ原子番号の質量数が1つ大きな核種に移行する。下向きの矢印は軌道電子捕獲を示し、原子番号の1つ小さな核種に移行する。左下方向の矢印はアルファ壊変を示し、原子番号が2つ小さく質量数が4つ小さな核種に移行する。左方向の矢印は中性子放出を示し、同じ原子番号の質量数が1つ小さな核種に移行する。   An upward arrow from each nuclide indicates beta decay and moves to the nuclide with one atomic number higher. The arrow pointing to the right indicates neutron capture and moves to a nuclide with the same atomic number and one larger mass number. The downward arrow indicates orbital electron capture and moves to the nuclide with the smallest atomic number. The arrow in the lower left direction indicates alpha decay, and it moves to a nuclide whose atomic number is 2 smaller and whose mass number is 4 smaller. The arrow to the left indicates neutron emission and moves to a nuclide with the same atomic number and a smaller mass number.

ウラン、プルトニウムの場合は、奇数核のU235、Pu239、およびPu241などが核分裂性の核種である。一方、アメリシウムに関しては、偶数核であるAm242やAm244が核分裂性の核種である。また、キュリウムに関しては、奇数核であるCm243が核分裂性の核種である。   In the case of uranium and plutonium, the odd nuclei U235, Pu239, Pu241 and the like are fissile nuclides. On the other hand, Am242 and Am244, which are even nuclei, are fissile nuclides for americium. Regarding curium, Cm243, which is an odd-numbered nucleus, is a fissile nuclide.

また、右向きの太い矢印は、特に熱中性子吸収断面積あるいは共鳴領域の中性子吸収断面積の大きな反応である。このように、熱中性子あるいは共鳴領域の中性子の吸収により、主として、ウラン、プルトニウムから順次、アメリシウム、キュリウムに移行していく。この過程において、熱中性子あるいは共鳴領域の中性子の吸収断面積が大きな核種は、ガドリニウム(Gd155、Gd157)やエルビウム(Er167)などのような可燃性毒物と同様の作用をするとともに、核分裂性物質に転換することになる。   The thick arrow pointing to the right is a reaction with a particularly large thermal neutron absorption cross section or a neutron absorption cross section in the resonance region. In this way, by the absorption of thermal neutrons or neutrons in the resonance region, mainly uranium and plutonium sequentially shift to americium and curium. In this process, nuclides with a large absorption cross section of thermal neutrons or neutrons in the resonance region function in the same manner as flammable poisons such as gadolinium (Gd155, Gd157) and erbium (Er167) and Will be transformed.

図8は、第1の実施形態に係るTRU型核燃料物質の製造方法の手順を示すフロー図である。   FIG. 8 is a flowchart showing the procedure of the method for manufacturing the TRU-type nuclear fuel material according to the first embodiment.

まず、軽水炉の使用済燃料の再処理によりプルトニウムおよびマイナーアクチノイドをそれぞれ分離する(ステップS01)。ここで、軽水炉の使用済燃料としては、ウラン燃料を用いた軽水炉の核燃料であってもよいし、本実施形態による燃料を用いた軽水炉の核燃料であってもよい。なお、ここでは、一例として、TRU型核燃料物質として、軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドとを使用している場合を示しているが、これに限定されない。プルトニウムとマイナーアクチノイドであれば、入手方法を問わない。   First, plutonium and minor actinoids are separated by reprocessing spent fuel in the light water reactor (step S01). Here, the spent fuel of the light water reactor may be a nuclear fuel of a light water reactor using uranium fuel, or a nuclear fuel of a light water reactor using a fuel according to the present embodiment. Here, as an example, the case where plutonium and minor actinoids separated in the reprocessing of spent fuel in a light water reactor is used as a TRU nuclear fuel material is shown, but the present invention is not limited to this. If it is plutonium and a minor actinide, the acquisition method is not ask | required.

次に、分離されたプルトニウムおよびマイナーアクチノイドから、マイナーアクチノイドの質量のプルトニウムの質量に対する質量比R1を調整してTRU型核燃料物質を製造する(ステップS02)。ここで、プルトニウムおよびマイナーアクチノイドは、1つの軽水炉と1対1に対応するのではなく、複数の軽水炉のそれぞれの使用済燃料から分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドのそれぞれを集積した状態で、必要な質量のプルトニウムと、必要な質量のマイナーアクチノイドを取り出して使用する方法がある。   Next, the mass ratio R1 of the mass of minor actinoid to the mass of plutonium is adjusted from the separated plutonium and minor actinoid to produce a TRU nuclear fuel material (step S02). Here, plutonium and minor actinides do not correspond to one light water reactor on a one-to-one basis, but are necessary in a state where each of plutonium and minor actinides separated from spent fuel in a plurality of light water reactors is accumulated. There is a method of extracting and using a mass of plutonium and a necessary mass of minor actinides.

ただし、この方法に限定されない。たとえば、TRUに、マイナーアクチノイドの必要質量を加えることにより行う方法でもよい。この場合は、プルトニウムとマイナーアクチノイドとの分離すべき量が減少する。   However, it is not limited to this method. For example, the method may be performed by adding the necessary mass of minor actinoids to TRU. In this case, the amount to be separated between plutonium and minor actinides is reduced.

次に、TRU型核燃料物質を用いてTRU型燃料ペレット20を製造する(ステップS03)。このTRU型燃料ペレット20を使用して、TRU型燃料棒200を製造する(ステップS04)。さらに、TRU型燃料棒200を用いて、TRU型燃料集合体100を製造する(ステップS05)。次に、製造したTRU型燃料集合体100を軽水炉炉心10に装荷する(ステップS06)。このようにして、TRU型核燃料物質を用いた軽水炉炉心10が形成される。   Next, the TRU type fuel pellet 20 is manufactured using the TRU type nuclear fuel material (step S03). The TRU fuel rod 200 is manufactured using the TRU fuel pellet 20 (step S04). Further, the TRU type fuel assembly 100 is manufactured using the TRU type fuel rod 200 (step S05). Next, the manufactured TRU type fuel assembly 100 is loaded into the light water reactor core 10 (step S06). Thus, the light water reactor core 10 using the TRU type nuclear fuel material is formed.

図9は、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比をパラメータとした場合の無限増倍率の燃焼度依存性の例を示すグラフである。横軸は、燃焼度(GWd/t)である。縦軸は、無限増倍率である。   FIG. 9 is a graph showing an example of the burnup dependence of the infinite multiplication factor when the ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass is used as a parameter. The horizontal axis represents the burnup (GWd / t). The vertical axis represents an infinite multiplication factor.

本実施形態に係るTRU型核燃料物質を用いた場合について、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rの値が、0.12、0.34、0.67、および1.12と順次増加する4つのケースを示している。また、比較のために、ウラン燃料を用いた場合について示している。   When the TRU type nuclear fuel material according to the present embodiment is used, the value of the ratio R of the minor actinide mass to the plutonium mass is sequentially increased to 0.12, 0.34, 0.67, and 1.12. Shows the case. For comparison, the case where uranium fuel is used is shown.

ウラン燃料を用いた場合は、初期反応度が過剰に大きくならないように可燃性毒物を用いている。燃焼初期には、可燃性毒物の減少とともに無限増倍率が増加していく。その後、可燃性毒物が殆ど燃焼した後は、ほぼ、ウラン燃料の燃焼による低下特性に従って無限増倍率が減少していく。   When uranium fuel is used, a flammable poison is used so that the initial reactivity is not excessively increased. In the early stages of combustion, the infinite multiplication factor increases as the combustible poison decreases. After that, after most of the combustible poison is burned, the infinite multiplication factor decreases almost in accordance with the deterioration characteristics due to the combustion of uranium fuel.

一方、本実施形態による場合は、ウラン燃料と異なり、ガドリニウムなどの可燃性毒物を含まないため、ピークが発生しない。   On the other hand, in the case of the present embodiment, unlike uranium fuel, no flammable poison such as gadolinium is included, and therefore no peak is generated.

また、Rの値がいずれのケースにおいても、無限増倍率の減少の傾きが小さい。これは、プルトニウム燃料の燃焼に伴って、図7に示したように、マイナーアクチノイド核種が生成されるが、マイナーアクチノイド核種の中には、前述のように核分裂性の核種が含まれるため、それらの核種が無限増倍率に寄与しているためである。   Moreover, the slope of the decrease of the infinite multiplication factor is small regardless of the value of R. This is because minor actinide nuclides are generated as shown in FIG. 7 as plutonium fuel burns, and these minor actinoid nuclides contain fissionable nuclides as described above. This is because these nuclides contribute to the infinite multiplication factor.

また、本実施形態による場合は、Rの値が増加するに従って、無限増倍率は低下する。これは、前述のように、中性子吸収断面積の大きな核種の割合が増加するためである。   In the case of this embodiment, the infinite multiplication factor decreases as the value of R increases. This is because the ratio of nuclides having a large neutron absorption cross section increases as described above.

図10は、初期の無限増倍率のマイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比への依存性の例を示すグラフである。横軸は、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rである。縦軸は、図9に示した特性の初期の無限増倍率である。前述のように、初期の無限増倍率は、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rの増加に従って減少する。   FIG. 10 is a graph showing an example of the dependence of the initial infinite multiplication factor on the ratio of minor actinide mass to plutonium mass. The horizontal axis represents the ratio R between the minor actinide mass and the plutonium mass. The vertical axis represents the initial infinite multiplication factor of the characteristics shown in FIG. As described above, the initial infinite multiplication factor decreases as the ratio R of the minor actinide mass to the plutonium mass increases.

ここで、通常、燃焼初期において必要な無限増倍率は、1.2程度と考えられる。図10の実線矢印で示すように、初期の無限増倍率1.2を確保するには、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rは、0.75以下である必要がある。したがって、前述の式(1)におけるRmaxは、0.75程度である。   Here, normally, the infinite multiplication factor required in the early stage of combustion is considered to be about 1.2. As shown by the solid line arrow in FIG. 10, in order to ensure the initial infinite multiplication factor 1.2, the ratio R of the minor actinide mass to the plutonium mass needs to be 0.75 or less. Therefore, Rmax in the above equation (1) is about 0.75.

これは、必要最低限の条件であるが、現行設計等で通常使用している初期の無限増倍率は1.3程度である。図10の破線矢印で示すように、初期の無限増倍率1.3を確保するには、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rは、0.5以下である必要がある。したがって、前述の式(1)におけるRmaxは、0.5程度である。   This is the minimum necessary condition, but the initial infinite multiplication factor normally used in the current design is about 1.3. As indicated by the broken line arrow in FIG. 10, in order to secure the initial infinite multiplication factor 1.3, the ratio R of the minor actinide mass to the plutonium mass needs to be 0.5 or less. Therefore, Rmax in the above formula (1) is about 0.5.

図11は、無限増倍率の変化分のマイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比への依存性の例を示すグラフである。横軸は、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rである。縦軸は、TRU型燃料集合体の装荷時の無限増倍率とTRU型燃料集合体の取出時の無限増倍率の差、すなわち、燃焼による無限増倍率の減少分である。この減少分は、Rの値が増加するほど小さい、すなわち、マイナーアクチノイドの割合が大きくなるほど、無限増倍率は減少する程度が少なくなることを示している。   FIG. 11 is a graph showing an example of the dependency on the ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass for the change in the infinite multiplication factor. The horizontal axis represents the ratio R between the minor actinide mass and the plutonium mass. The vertical axis represents the difference between the infinite multiplication factor when the TRU fuel assembly is loaded and the infinite multiplication factor when the TRU fuel assembly is taken out, that is, the decrease of the infinite multiplication factor due to combustion. This decrease is smaller as the value of R increases, that is, the greater the ratio of minor actinoids, the less the infinite multiplication factor decreases.

図12は、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比をパラメータとした場合の局所出力ピーキング係数の燃焼度依存性の例を示すグラフである。横軸は、燃焼度(GWd/t)である。縦軸は、局所出力ピーキング係数である。   FIG. 12 is a graph showing an example of the burnup dependence of the local output peaking coefficient when the ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass is used as a parameter. The horizontal axis represents the burnup (GWd / t). The vertical axis represents the local output peaking coefficient.

マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rの値が、0.12、0.34、0.67、および1.12と順次増加するにしたがって、燃焼初期の局所出力ピーキング係数は大きくなる。ただし、Rが0.67より上は、飽和している。   As the value of the ratio R of the minor actinide mass to the plutonium mass sequentially increases to 0.12, 0.34, 0.67, and 1.12, the local output peaking coefficient at the beginning of combustion increases. However, when R is higher than 0.67, it is saturated.

また、燃焼が進む、すなわち燃焼度が大きくなるにつれて、いずれのケースにおいても、局所出力ピーキング係数は単調に減少するが、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rの値が大きい方が、減少の傾きは、大きくなる。   Also, as the combustion progresses, that is, as the burnup increases, the local output peaking coefficient monotonously decreases in any case, but the larger the ratio R of the minor actinoid mass to the plutonium mass, the smaller the slope of the decrease. Will grow.

図13は、局所出力ピーキング係数の変化分のマイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比への依存性の例を示すグラフである。図12で説明したように、局所出力ピーキング係数は単調に減少するが、マイナーアクチノイド質量とプルトニウム質量の比Rの値が大きい方が減少の傾きは大きくなる。その減少の程度が図13であり、Rが0.12の場合に比べて、Rが1.12の場合は減少程度が約2倍である。   FIG. 13 is a graph showing an example of the dependency of the change in the local output peaking coefficient on the ratio between the minor actinide mass and the plutonium mass. As described with reference to FIG. 12, the local output peaking coefficient decreases monotonously, but the slope of decrease increases as the ratio R of the minor actinide mass to the plutonium mass increases. The degree of the reduction is shown in FIG. 13, and when R is 1.12, the degree of reduction is about twice that when R is 0.12.

図14は、ウラン燃料核種およびTRU核種の共鳴吸収の大きさの比較を示すグラフである。横軸は、核種を、縦軸は、それぞれの共鳴吸収の大きさ(barn)を示す。ウラン燃料の場合には、U238等の共鳴吸収の存在により十分に負、すなわち負でかつ絶対値が大きいドップラー係数を確保することができる。図14に示すように、プルトニウム240、プルトニウム242、Am241、およびAm243の共鳴吸収の大きさは、U238よりも数倍から数十倍大きい。したがって、これらの核種が存在することにより、ウランが無くとも十分に負のドップラー係数を確保することができる。   FIG. 14 is a graph showing a comparison of the magnitude of resonance absorption between uranium fuel nuclides and TRU nuclides. The horizontal axis indicates the nuclide, and the vertical axis indicates the magnitude of each resonance absorption (barn). In the case of uranium fuel, the presence of resonance absorption such as U238 can ensure a sufficiently negative, that is, negative, large Doppler coefficient. As shown in FIG. 14, the magnitude of resonance absorption of plutonium 240, plutonium 242, Am241, and Am243 is several times to several tens of times larger than U238. Therefore, the presence of these nuclides makes it possible to secure a sufficiently negative Doppler coefficient even without uranium.

次に、JAEA―Data/Code 2010−012「使用済燃料の潜在的放射性毒性評価のためのデータベース」(日本原子力開発機構)から図を引用しながら、本実施形態による環境負荷の低減効果を説明する。   Next, the environmental impact reduction effect according to the present embodiment will be described with reference to a figure from JAEA-Data / Code 2010-012 “Database for Assessment of Potential Radiotoxicity of Spent Fuel” (Japan Atomic Energy Agency). To do.

図15は、使用済み燃料の環境負荷変化の例を示すグラフであり、アクチノイド核種およびFP核種を対象としている。図15に示すように、使用済み燃料の取出し後30年程度以上経過すると、それまで支配的だったFP核種による寄与が減少し、アクチノイド核種に起因する放射性毒性が支配的となる。   FIG. 15 is a graph showing an example of a change in environmental load of spent fuel, and targets actinide nuclides and FP nuclides. As shown in FIG. 15, when about 30 years or more have passed after the spent fuel is taken out, the contribution by the FP nuclide that has been dominant until then decreases, and the radiotoxicity caused by the actinoid nuclide becomes dominant.

図16は、使用済み燃料の環境負荷変化の例を示すグラフであり、アクチノイド核種、すなわちウランおよび超ウラン(TRU:TRans−Uranic)核種を対象としている。使用済み燃料の取出し後30年程度以上経過すると支配的となるアクチノイド核種の内容をみると、図16に示すようにウランではなく、TRU核種が特に支配的である。これは、TRU核種の長期に亘る放射性毒性はその半減期の長さに起因している。したがって、TRUを減少させることによって、使用済燃料による環境負荷を低減することができる。   FIG. 16 is a graph showing an example of a change in the environmental load of spent fuel, and targets actinide nuclides, that is, uranium and trans-uranic (TRU) nuclides. Looking at the contents of the actinide nuclides that become dominant when more than 30 years have passed since the removal of spent fuel, the TRU nuclides, not uranium, are particularly dominant as shown in FIG. This is because the long-term radiotoxicity of TRU nuclides is due to their long half-life. Therefore, it is possible to reduce the environmental load due to spent fuel by reducing TRU.

以上、本第1の実施形態によるTRU型核燃料物質を用いた場合の特性を説明したが、炉心体系を構成可能であることが示されている。この結果、TRUの生成量を抑制することが可能であり、これによって環境負荷の低減を図ることができる。   As mentioned above, although the characteristic at the time of using the TRU type | mold nuclear fuel material by this 1st Embodiment was demonstrated, it has shown that a core system can be comprised. As a result, it is possible to suppress the amount of TRU generated, thereby reducing the environmental load.

[第2の実施形態]
本実施形態は、第1の実施形態の変形である。図17は、第2の実施形態に係る軽水炉炉心の構成を示す平面図である。本実施形態に係る軽水炉炉心10aは、その構成要素として、TRU型燃料集合体100に加えてさらにウラン型燃料集合体300を有する。
[Second Embodiment]
This embodiment is a modification of the first embodiment. FIG. 17 is a plan view showing a configuration of a light water reactor core according to the second embodiment. The light water reactor core 10 a according to the present embodiment further includes a uranium fuel assembly 300 as a constituent element in addition to the TRU fuel assembly 100.

TRU型燃料集合体100およびウラン型燃料集合体300のそれぞれの本数および配置については、軽水炉炉心の目的および所期の特性に応じて設定可能である。   The number and arrangement of the TRU type fuel assemblies 100 and the uranium type fuel assemblies 300 can be set in accordance with the purpose and intended characteristics of the light water reactor core.

図18は、第2の実施形態に係るウラン型燃料集合体の構成を示す立断面図である。ウラン型燃料集合体300は、複数のウラン型燃料棒310、スペーサ301、ウラン型燃料棒結束部材350としての下部格子板302および上部格子板303、およびチャンネルボックス304を有する。   FIG. 18 is an elevational sectional view showing the configuration of the uranium fuel assembly according to the second embodiment. The uranium fuel assembly 300 includes a plurality of uranium fuel rods 310, a spacer 301, a lower lattice plate 302 and an upper lattice plate 303 as uranium fuel rod binding members 350, and a channel box 304.

ウラン型燃料棒310の構造については、図19で説明するが、複数のウラン型燃料棒310は、格子状に互いに並列に配されて上下に延びている。   The structure of the uranium fuel rod 310 will be described with reference to FIG.

ウラン型燃料棒結束部材350は、下部格子板302および上部格子板303を有する。下部格子板302は、複数のウラン型燃料棒310のそれぞれの下端を固定し、複数のウラン型燃料棒310を互いに結束する。また、上部格子板303は、複数のウラン型燃料棒310のそれぞれの上端を固定し、複数のウラン型燃料棒310を互いに結束する。   The uranium type fuel rod binding member 350 has a lower lattice plate 302 and an upper lattice plate 303. The lower lattice plate 302 fixes the lower ends of the plurality of uranium fuel rods 310 and binds the plurality of uranium fuel rods 310 to each other. The upper lattice plate 303 fixes the upper ends of the plurality of uranium fuel rods 310 and binds the plurality of uranium fuel rods 310 to each other.

また、ウラン型燃料集合体300は、複数のウラン型燃料棒310が延びる方向の複数個所にそれぞれ配された複数のスペーサ301を有する。スペーサ301は、複数のウラン型燃料棒310相互間の位置決めをするとともに、ウラン型燃料棒310の振れ止めとして機能する。   The uranium fuel assembly 300 includes a plurality of spacers 301 respectively disposed at a plurality of locations in the direction in which the plurality of uranium fuel rods 310 extend. The spacer 301 functions as a steady stop for the uranium fuel rods 310 while positioning the uranium fuel rods 310 among the plurality of uranium fuel rods 310.

図19は、第2の実施形態に係るウラン型燃料集合体を構成するウラン型燃料棒の構成を示す立断面図である。   FIG. 19 is an elevational sectional view showing the configuration of the uranium fuel rods constituting the uranium fuel assembly according to the second embodiment.

ウラン型燃料棒310は、所定の方向、軸方向を揃えて軸方向に並べられた円柱状の複数のウラン型燃料ペレット320と、これを収納する筒状に延びた被覆管321と、被覆管321の上端を閉止する上部端栓322と、被覆管21の下端を閉止する下部端栓323とを有する。   The uranium fuel rod 310 includes a plurality of cylindrical uranium fuel pellets 320 arranged in the axial direction with the predetermined direction and the axial direction aligned, a cladding tube 321 extending in a cylindrical shape for housing the pellets, and a cladding tube The upper end plug 322 that closes the upper end of 321 and the lower end plug 323 that closes the lower end of the cladding tube 21 are provided.

被覆管321、上部端栓322および下部端栓323は、密閉空間を形成し、密閉空間内に複数のウラン型燃料ペレット320が軸方向に積層されている。密閉空間の上部には、ウラン型燃料ペレット320により占有されていないガスプレナム325が形成されている。ウラン型燃料ペレット320は、ガスプレナム25に設けられたバネ324により抑えられ位置を固定されている。   The cladding tube 321, the upper end plug 322, and the lower end plug 323 form a sealed space, and a plurality of uranium fuel pellets 320 are stacked in the axial direction in the sealed space. A gas plenum 325 that is not occupied by the uranium fuel pellets 320 is formed in the upper part of the sealed space. The uranium type fuel pellet 320 is restrained by a spring 324 provided in the gas plenum 25 and fixed in position.

ウラン型燃料ペレット320は、ウラン燃料を含む核燃料物質を使用するウラン燃料材である。ウラン燃料材としては、たとえば、3%ないし5%程度のウラン濃縮度の核燃料物質を用いる燃料材、あるいは、たとえば4%ないし9%程度のプルトニウム富化度のウランを基材とした核燃料物質、すなわちMOX燃料を用いる燃料材などがある。   The uranium fuel pellet 320 is a uranium fuel material that uses a nuclear fuel material containing uranium fuel. As the uranium fuel material, for example, a fuel material using a nuclear fuel material with a uranium enrichment of about 3% to 5%, or a nuclear fuel material based on a uranium enrichment of about 4% to 9% plutonium, for example, That is, there is a fuel material using MOX fuel.

本実施形態によれば、たとえば、TRU型核燃料物質の導入に際して、全てにTRU型核燃料物質を使用した炉心を構成する前に、部分的にTRU型燃料集合体を有する炉心を構成する場合にも適用可能である。   According to the present embodiment, for example, when introducing a TRU type nuclear fuel material, a core having a TRU type fuel assembly is partially constructed before a core using the TRU type nuclear fuel material is used. Applicable.

[その他の実施形態]
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention.

たとえば、実施形態では、軽水炉として沸騰水型原子炉の場合を例にとって示したが、これには限定されない。たとえば、加圧水型原子炉の場合であっても本発明は適用可能である。   For example, in the embodiment, the case of a boiling water reactor is shown as an example of the light water reactor, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a pressurized water reactor.

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第1の実施形態におけるTRU型燃料棒と、第2の実施形態におけるウラン型燃料棒とを組み合わせた燃料集合体としてもよい。   Moreover, you may combine the characteristic of each embodiment. For example, the fuel assembly may be a combination of the TRU type fuel rod in the first embodiment and the uranium type fuel rod in the second embodiment.

さらに、これらの実施形態は、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る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。   Furthermore, these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

2…ウラン型燃料集合体、5…制御棒(制御部材)、10、10a…軽水炉炉心、20…TRU型燃料ペレット(第1の燃料ペレット)、21…被覆管、22…上部端栓、23…下部端栓、24…バネ、25…ガスプレナム、100…TRU型燃料集合体(第1の燃料集合体)、101…スペーサ、102…下部格子板、103…上部格子板、104…チャンネルボックス、150…TRU型燃料棒結束部材(第1の結束部材)、200…TRU型燃料棒(第1の燃料棒)、300…ウラン型燃料集合体(第2の燃料集合体)、301…スペーサ、302…下部格子板、303…上部格子板、304…チャンネルボックス、310…ウラン型燃料棒(第2の燃料棒)、320…ウラン型燃料ペレット(第2の燃料ペレット)、321…被覆管、322…上部端栓、323…下部端栓、324…バネ、325…ガスプレナム、350…ウラン型燃料棒結束部材(第2の結束部材)   2 ... Uranium type fuel assembly, 5 ... Control rod (control member), 10, 10a ... Light water reactor core, 20 ... TRU type fuel pellet (first fuel pellet), 21 ... Cladding tube, 22 ... Upper end plug, 23 ... Lower end plug, 24 ... Spring, 25 ... Gas plenum, 100 ... TRU type fuel assembly (first fuel assembly), 101 ... Spacer, 102 ... Lower lattice plate, 103 ... Upper lattice plate, 104 ... Channel box, 150... TRU type fuel rod bundling member (first bundling member), 200... TRU type fuel rod (first fuel rod), 300... Uranium type fuel assembly (second fuel assembly), 301. 302 ... Lower lattice plate, 303 ... Upper lattice plate, 304 ... Channel box, 310 ... Uranium fuel rod (second fuel rod), 320 ... Uranium fuel pellet (second fuel pellet), 321 ... Cladding tube 322 ... upper end plug, 323 ... lower end plug, 324 ... spring 325 ... gas plenum, 350 ... uranium fuel rods binding member (the second binding member)

Claims (9)

プルトニウムとマイナーアクチノイドとを核燃料物質の主たる成分として軽水炉に用いられる核燃料物質であって、
前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第1の比は、ウラン燃料を使用する軽水炉の使用済燃料が再処理され分離された場合のマイナーアクチノイドの質量のプルトニウムの質量に対する第2の比と等しいかまたは大きいことを特徴とする核燃料物質。
Nuclear fuel material used in light water reactors with plutonium and minor actinides as the main components of nuclear fuel material,
The first ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass is a second ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass when the spent fuel of a light water reactor using uranium fuel is reprocessed and separated; Nuclear fuel material characterized by being equal or greater.
前記第1の比は、0.75以下であることを特徴とする請求項1に記載の核燃料物質。   The nuclear fuel material of claim 1, wherein the first ratio is 0.75 or less. 前記第1の比は、0.5以下であることを特徴とする請求項1に記載の核燃料物質。   The nuclear fuel material of claim 1, wherein the first ratio is 0.5 or less. 軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドとを核燃料物質の主たる成分とし所定の方向に並べられた複数の燃料ペレットと、
前記複数の燃料ペレットを収納し前記所定の方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管と、
を有し、
前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第1の比は、前記再処理において分離されたときの前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第2の比と等しいかまたは大きいことを特徴とする燃料棒。
A plurality of fuel pellets arranged in a predetermined direction with plutonium and minor actinides separated in the reprocessing of spent fuel in a light water reactor as main components of nuclear fuel material;
A cladding tube containing the plurality of fuel pellets and extending in the predetermined direction and closed at both ends;
Have
The first ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass is equal to or greater than a second ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass when separated in the reprocessing. Fuel rod to do.
軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドとを核燃料物質の主たる成分とし所定の方向に並べられた複数の第1の燃料ペレットと、前記複数の燃料ペレットを収納し前記燃料ペレットの中心軸の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有し、格子状に互いに並列に配されて前記所定の方向に延びる複数の第1の燃料棒と、
前記複数の第1の燃料棒を互いに結束する第1の燃料棒結束部材と、
を備え、
前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第1の比は、前記再処理において分離されたときの前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第2の比と等しいかまたは大きいことを特徴とする燃料集合体。
A plurality of first fuel pellets arranged in a predetermined direction with plutonium and minor actinides separated in the reprocessing of spent fuel in a light water reactor as main components of nuclear fuel material, the fuel pellets containing the plurality of fuel pellets A plurality of first fuel rods having a cylindrical tube extending in the same direction as the central axis of the pellet and closed at both ends, and arranged in parallel to each other in a lattice shape and extending in the predetermined direction When,
A first fuel rod binding member that binds the plurality of first fuel rods to each other;
With
The first ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass is equal to or greater than a second ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass when separated in the reprocessing. Fuel assembly.
濃縮ウランを核燃料物質の主たる成分とし所定の方向に延びた第2の燃料ペレットと、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有し、格子状に配列され互いに平行に前記所定の方向に延びる複数の第2の燃料棒を、さらに備えることを特徴とする請求項5に記載の燃料集合体。   A second fuel pellet having enriched uranium as a main component of nuclear fuel material and extending in a predetermined direction; and a cladding tube containing the fuel and extending in the same direction as the predetermined direction and closed at both ends. 6. The fuel assembly according to claim 5, further comprising a plurality of second fuel rods that are arranged in a lattice pattern and extend in parallel to each other in the predetermined direction. 互いに並列に格子状に配列され上下方向に延びた複数の第1の燃料集合体と、
前記複数の第1の燃料集合体の間または前記複数の第1の燃料集合体中に挿抜可能に形成された複数の制御部材と、
を具備する軽水炉炉心であって、
前記第1の燃料集合体は、
軽水炉の使用済燃料の再処理において分離されたプルトニウムとマイナーアクチノイドとを核燃料物質の主たる成分とし所定の方向に並べられた複数の第1の燃料ペレットと、前記複数の燃料ペレットを収納し前記燃料ペレットの中心軸の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有し、格子状に互いに並列に配されて上下に延びる複数の第1の燃料棒と、
前記複数の第1の燃料棒を互いに結束する第1の結束部材と、
を備え、
前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第1の比は、前記再処理において分離されたときの前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する第2の比と等しいかまたは大きいことを特徴とする軽水炉炉心。
A plurality of first fuel assemblies arranged in a grid in parallel with each other and extending in the vertical direction;
A plurality of control members formed to be insertable / removable between the plurality of first fuel assemblies or in the plurality of first fuel assemblies;
A light water reactor core comprising:
The first fuel assembly is
A plurality of first fuel pellets arranged in a predetermined direction with plutonium and minor actinides separated in the reprocessing of spent fuel in a light water reactor as main components of nuclear fuel material, the fuel pellets containing the plurality of fuel pellets A plurality of first fuel rods extending in the vertical direction with a cylindrical tube extending in the same direction as the central axis of the pellet and closed at both ends, arranged in parallel with each other in a lattice shape;
A first binding member for binding the plurality of first fuel rods to each other;
With
The first ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass is equal to or greater than a second ratio of the minor actinide mass to the plutonium mass when separated in the reprocessing. Light water reactor core.
濃縮ウランを核燃料物質の主たる成分とし所定の方向に延びた第2の燃料ペレットと、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有し、格子状に配列され互いに平行に上下に延びる複数の第2の燃料棒と、
前記複数の第2の燃料棒を互いに結束する第2の燃料棒結束部材と、
を備え、
前記第1の燃料集合体と並列に格子状に配列され上下方向に延びた第2の燃料集合体、をさらに具備することを特徴とする請求項7に記載の軽水炉炉心。
A second fuel pellet having enriched uranium as a main component of nuclear fuel material and extending in a predetermined direction; and a cladding tube containing the fuel and extending in the same direction as the predetermined direction and closed at both ends. A plurality of second fuel rods arranged in a lattice and extending vertically in parallel with each other;
A second fuel rod binding member for binding the plurality of second fuel rods to each other;
With
The light water reactor core according to claim 7, further comprising a second fuel assembly arranged in a grid in parallel with the first fuel assembly and extending in the vertical direction.
ウラン燃料を使用する軽水炉の使用済燃料の再処理によりプルトニウムとマイナーアクチノイドを分離する分離ステップと、
前記分離ステップで分離した前記プルトニウムと前記マイナーアクチノイドの質量比を調整して核燃料物質を製造する核燃料物質製造ステップと、
を有し、
前記核燃料物質における前記マイナーアクチノイドの質量の前記プルトニウムの質量に対する比は、前記ウラン燃料を使用する軽水炉の使用済燃料が再処理され分離された場合のマイナーアクチノイドの質量のプルトニウムの質量に対する比と等しいかまたは大きいことを特徴とする核燃料物質の製造方法。
A separation step of separating plutonium and minor actinides by reprocessing spent fuel in a light water reactor using uranium fuel;
A nuclear fuel material production step of producing a nuclear fuel material by adjusting a mass ratio of the plutonium and the minor actinide separated in the separation step;
Have
The ratio of the mass of the minor actinide in the nuclear fuel material to the mass of the plutonium is equal to the ratio of the mass of the minor actinide to the mass of the plutonium when the spent fuel of the light water reactor using the uranium fuel is reprocessed and separated. A method for producing nuclear fuel material characterized in that it is large or large.
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