JP2022181930A - 軽水炉用燃料集合体および軽水炉炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】アメリシウム２４１の低減および核セキュリティ性・核拡散抵抗性の向上を図る。【解決手段】実施形態によれば軽水炉用燃料集合体は、長手方向に延びて第１の核燃料物質を内蔵し互いに並列に配された複数の軽水炉用燃料棒１１０と、長手方向に延びて第１の核燃料物質より核分裂性物質の濃度が低い第２の核燃料物質と可燃性毒物とを内蔵し軽水炉用燃料棒１１０とともに格子状に配列された複数の可燃性毒物入り燃料棒とを備える。軽水炉用燃料棒は、天然ウランまたは劣化ウランおよびこれに添加されたアメリシウム２４１を含むマイナアクチニドを有し長手方向に積層されて、下部および上部ブランケット領域１０２、１０３をそれぞれ形成する下部および上部ブランケットペレット１１０ｂ、１１０ｃの少なくとも一方と、長手方向に積層されて炉心領域１０１を形成する炉心領域燃料ペレット１１０ａを具備する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、軽水炉用燃料集合体および軽水炉炉心に関する。

発明者を含めたグループは、環境負荷の低減を図るべく、環境負荷低減型軽水炉燃料サイクルの概念を提案している。この概念では、５％超ウラン燃料すなわち５ｗｔ％を超える濃縮度のウラン燃料を用いることによって、長期間にわたり放射性毒性を有するＴＲＵ（ＴＲａｎｓ－Ｕｒａｎｉｕｍ）元素の使用済みウラン燃料中の生成量を抑制するとともに、再処理される混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）用のプルトニウム（Ｐｕ）の組成について核分裂性Ｐｕの割合を高めるものである。

この環境負荷低減型軽水炉燃料サイクル概念による５％超ウラン燃料の使用済み燃料から取り出されたＰｕを使用したＭＯＸ燃料によれば、使用済み燃料中の長期にわたる有害度や発熱量の要因となる高次のマイナアクチニド（ＭＡ：Ｍｉｎｏｒ Ａｃｔｉｎｉｄｅ）を低減することができる。

特開２００５－３０８１７号公報

Ｓａｔｏｓｈｉ Ｗａｄａ, Ｒｅｉ Ｋｉｍｕｒａ, Ｋｅｎｉｃｈｉ Ｙｏｓｈｉｏｋａ, Ｓｈｕｎｇｏ Ｓａｋｕｒａｉ, Ｋｏｕｊｉ Ｈｉｒａｉｗａ, ａｎｄ Ｔｓｕｋａｓａ Ｓｕｇｉｔａ, "Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ Ｄｅｓｉｎｇｎ ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｃｙｃｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌｉｇｈｔ－Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｕｒｌｕｓ Ｅｎｒｉｃｈｅｄ Ｕｒｎｉｕｍｕ ｆｏｒ ＴＲＵ－ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｈｉｂｉｔｉｏｎ", Ｐｒｏｃ．ＰＢＮＣ２０１８，ｐ３０３－３０７，ＰＢＮＣ２０１８，Ｓａｎｆｒａｎｓｉｓｃｏ，ＣＡ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ３０ Ｏｃｔｏｂｅｒ ５（２０１８） Ｃ．Ｇ。Ｂａｔｈｅｋｅ，ｅｔ ａｌ．，"Ｔｈｅ Ａｔｔｒａｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｅｌ Ｃｙｃｌｅｓ ｆｏｒ Ｖａｒｉｏｕｓ Ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｈｅｆｔ Ｓｃｅｎａｒｉｏｓ"，Ｎｕｃｌ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，１７９，ｐｐ５－３０（２０１２）．

図１３に、通常のウラン燃料を使用する燃料サイクルにおける使用済み燃料の発熱量に占める核種ごとの割合を示すグラフである。また、図１４は、５％超ウラン燃料を用いた環境負荷低減型軽水炉燃料サイクルにおける使用済み燃料の発熱量に占める核種ごとの割合を示すグラフである。横軸は、西暦年を示し、縦軸は、発熱量（Ｗ）の積算量を示す。
図１３、１４に示すように、いずれの場合においても、高レベル放射性廃棄物中の長期間の冷却を必要とするアメリシウム２４１（Ａｍ２４１）の積算量はほぼ直線的に増加しており、利用されずに蓄積されてしまうという課題があった。

また、この環境負荷低減型軽水炉燃料サイクル概念によるウラン燃料から取り出されたＰｕ組成のうち、Ｐｕ２３９が通常の軽水炉燃料に比べて高くなり、その分、核セキュリティ性・核拡散抵抗性が低下することが課題であった。

近年、核セキュリティ性・核拡散抵抗性を評価する指標として、核物質の転用誘引度（Ａｔｔｒａｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）を、米国のロスアラモス国立研究所の提案による転用誘引度指数ＦＯＭ（Ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）を用いて定量化することが行われている。ここで、転用誘引度指数ＦＯＭは、大きいほど転用誘引度が高い、すなわち、核セキュリティ性・核拡散抵抗性が低いことを意味する。

上述した環境負荷低減型軽水炉燃料サイクル概念における５％超ウラン燃料ばかりではなく、たとえば平均３．８％濃縮度程度のウラン燃料を用いた通常の軽水炉燃料の場合も含めて、軽水炉燃料において、核セキュリティ性・核拡散抵抗性を向上させつつ、使用済み燃料から抽出されるＰｕの崩壊熱を高めない手法が望まれる。

本発明の実施形態は、核燃料サイクルで蓄積されるアメリシウム２４１を低減し、かつ、軽水炉燃料の使用済み燃料における核セキュリティ性・核拡散抵抗性を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る軽水炉用燃料集合体は、長手方向に延びて第１の核燃料物質を内蔵し、互いに並列に配された複数の軽水炉用燃料棒と、長手方向に延びて、前記第１の核燃料物質より核分裂性物質の濃度が低い第２の核燃料物質と可燃性毒物とを内蔵し、前記軽水炉用燃料棒とともに格子状に配列された複数の可燃性毒物入り燃料棒と、を備えた軽水炉用燃料集合体であって、前記複数の軽水炉用燃料棒のそれぞれは、天然ウランまたは劣化ウランおよびこれに添加されたアメリシウム２４１を含むマイナアクチニドを有して前記長手方向に積層されて、下部ブランケット領域を形成する下部ブランケットペレットおよび上部ブランケット領域を形成する上部ブランケットペレットの少なくとも一方と、前記長手方向に積層されて炉心領域を形成する炉心領域燃料ペレットと、を具備することを特徴とする。

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。 第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体の構成を示す平断面図である。 第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体の軽水炉用燃料棒の構成を示す部分立断面図である。 第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体１００の場合および初期にＡｍ２４１の添加のない場合についての、Ａｍ２４１量の比較を示すグラフである。 軽水炉用燃料集合体のＡｍ２４１の増加分のＡｍ２４１の添加量への依存性を示すグラフである。 第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体の運転サイクル末期におけるＰｕ全体の生成量およびＰｕ２３８生成量を示すグラフである。 第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体の運転サイクル末期におけるＰｕ２３８の割合を示すグラフである。 軽水炉用燃料集合体の運転サイクル末期におけるＰｕ２３８の割合のＡｍ２４１の添加量への依存性を示すグラフである。 軽水炉用燃料集合体の初期の無限増倍率のＡｍ２４１の添加量への依存性を示すグラフである。 軽水炉用燃料集合体の無限増倍率のＡｍ２４１の添加量ごとの燃焼度に対する変化を示すグラフである。 第２の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体の構成を示す平断面図である。 第２の実施形態に係る軽水炉用燃料棒の構成を示す部分立断面図である。 通常のウラン燃料を使用する燃料サイクルにおける使用済み燃料の発熱量に占める核種ごとの割合を示すグラフである。 ５％超ウラン燃料を用いた環境負荷低減型軽水炉燃料サイクルにおける使用済み燃料の発熱量に占める核種ごとの割合を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体および軽水炉炉心について説明する。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。
［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１の構成を示す平面図である。軽水炉炉心１は、複数の軽水炉用燃料集合体１００および複数の制御棒５を有する。以下は、沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）の場合を例にとって説明する。

軽水炉用燃料集合体１００は、互いに並列に格子状に配列されており、全体としてほぼ円形の軽水炉炉心１の形状を形成している。また軽水炉用燃料集合体１００は、一部、軽水炉炉心１の径方向の周辺部に配されているものを除いては、各４本ずつで１組の正方状の格子を形成し、それぞれの正方状の格子の中央には、制御棒５が挿抜可能に配されている。なお、後述するように、軽水炉用燃料集合体１００の本数は、炉心の出力等の基本仕様に基づいて設定される。たとえば、改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）の場合を例にとると、燃料集合体本数は８７２体である。

図２は、第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体１００の構成を示す平断面図である。軽水炉用燃料集合体１００は、複数の軽水炉用燃料棒１１０、複数の可燃性毒物入り燃料棒１２０、２本のウォータロッド１３０、およびチャンネルボックス１４０を有する。

白抜きで示す複数の軽水炉用燃料棒１１０と斜線で示す複数の可燃性毒物入り燃料棒１２０とは、互いに並列に格子状に配列されている。また、配列の中央には、運転時に内部に冷却材が流れる２本のウォータロッド１３０が配されている。格子状の配列は、断面がほぼ正方形の四角柱の形状を形成しており、径方向外側に設けられたチャンネルボックス１４０内に収納されている。

なお、図２には軽水炉用燃料集合体１００の代表的な例として、９×９配列で円筒状のウォータロッドを有する場合を示したが、これに限定されない。これより少ない配列数でもこれより多い配列数でもよい。また、たとえば断面が四角形のウォータロッドでもよい。また、可燃性毒物入り燃料棒１２０の数および配置も、図２に示したものに限定されない。

図３は、第１の実施形態に係る軽水炉用燃料棒１１０の構成を示す部分立断面図である。軽水炉用燃料棒１１０は、燃料棒ペレット１１１およびこれを収納する被覆管１１２を有する。被覆管１１２の下端は下部端栓１１３により、また上端は上部端栓１１４により閉止され、内部が密閉されている。被覆管１１２の材質は、ＢＷＲの場合は、たとえばジルカロイ－２である。なお、ＰＷＲの場合は、たとえばジルカロイ－４である。ここで、被覆管１１２の材質は、これに限定されず、たとえばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）製でもよい。

燃料棒ペレット１１１は、長手方向に積層された複数の炉心燃料ペレット１１１ａ、炉心燃料ペレット１１１ａの下方に隣接して長手方向に積層された複数の下部ブランケットペレット１１１ｂ、および炉心燃料ペレット１１１ａの上方に隣接して長手方向に積層された複数の上部ブランケットペレット１１１ｃを有する。なお、下部ブランケットペレット１１１ｂおよび上部ブランケットペレット１１１ｃのうちのいずれかのみを有する場合であってもよい。

複数の炉心燃料ペレット１１１ａ、複数の下部ブランケットペレット１１１ｂ、および複数の上部ブランケットペレット１１１ｃは、それぞれ、軽水炉炉心１および軽水炉用燃料集合体１００における炉心領域１０１、下部ブランケット領域１０２、および上部ブランケット領域１０３に対応する高さ位置に配列されている。言い換えれば、軽水炉炉心１および軽水炉用燃料集合体１００における炉心領域、下部ブランケット領域１０２、および上部ブランケット領域１０３は、それぞれ、軽水炉用燃料集合体１００の各軽水炉用燃料棒１１０において配されている複数の炉心燃料ペレット１１１ａ、複数の下部ブランケットペレット１１１ｂ、および複数の上部ブランケットペレット１１１ｃと、後述する可燃性毒物入り燃料棒１２０においてこれらに対応する各要素の領域によって形成されている。

複数の炉心燃料ペレット１１１ａは、それぞれが、たとえば二酸化ウランの粉末を焼結した円柱状であり、上下に積層されている。ウランの濃縮度すなわちウラン中のウラン２３５の割合は、たとえば、燃料集合体平均で、たとえば従来の３．８％程度でもよいし、さらに高くたとえば１０％程度であってもよい。また、炉心燃料ペレット１１１ａは、二酸化ウランに限定されず、炭化ウランあるいは窒化ウランでもよい。

複数の下部ブランケットペレット１１１ｂおよび複数の上部ブランケットペレット１１１ｃは、それぞれが、天然ウラン（以下、Ｕ）あるいは劣化ウランと、これに添加されアメリシウム２４１（Ａｍ２４１）を含むマイナアクチニドとの混合粉末を焼結した円柱状である。

ここで、マイナアクチニドは、Ａｍ２４１以外のＡｍの同位体をさらに含んでもよい。また、キュリウム（Ｃｍ）などマイナアクチニドにおける他の核種をさらに含むものであってもよい。すなわち、ＡｍとＣｍの分離を必ずしも必要としない。

Ａｍ２４１の濃度、すなわち、マイナアクチニドとＵの合計重量中のＡｍ２４１の重量割合（ｗｔ％）については、後に、図５、図８、および図１０を引用しながら説明するが、１ｗｔ％あるいは２ｗｔ％程度以上が好ましい。後述するようにＡｍ２４１の重量割合（ｗｔ％）に上限はないが、５％程度を超えると、Ａｍ２４１の重量割合（ｗｔ％）の増加に対する効果の増加の程度が、５ｗｔ％程度以下の場合に比べて鈍化する。したがって、Ａｍ２４１の添加量の効果に対する効率の上からは、Ａｍ２４１の重量割合（ｗｔ％）は、１ｗｔ％ないし５ｗｔ％、あるいは２ｗｔ％ないし５ｗｔ％の範囲がさらに好ましい。

１ｗｔ％未満では、下部ブランケット領域１０２および上部ブランケット領域１０３に生成されるＰｕ２３８による後述するＦＯＭの値の低減効果が十分ではない。また、５ｗｔ％を超えると、Ａｍによる中性子吸収効果が顕著となり炉心反応度を低下させ好ましくない。

燃料棒ペレット１１１の領域の高さＬＴを、均等に、複数領域、たとえば２４ノードに分割した場合、下部ブランケット領域１０２および上部ブランケット領域１０３は、１または２ノード分の高さである。すなわち、下部ブランケット領域１０２の高さＬＬＢおよび上部ブランケット領域１０３の高さＬＵＢは、２４ノードの場合はＬＴの１／２４～２／２４である。なお、下部ブランケット領域１０２または上部ブランケット領域１０３のいずれかが存在しない場合であってもよい。燃料棒ペレット１１１の領域のうち、下部ブランケット領域１０２および上部ブランケット領域１０３を除く領域が炉心領域１０１である。

可燃性毒物入り燃料棒１２０は、軽水炉用燃料棒１１０の下部ブランケット領域１０２および上部ブランケット領域１０３に対応する高さ領域に、軽水炉用燃料棒１１０と同様に、下部ブランケット領域１０２および上部ブランケット領域１０３が形成され、それぞれが、天然ウラン、および天然ウランに添加されてＡｍ２４１を含むマイナアクチニドを有するブランケットペレットを有する。また、軽水炉用燃料棒１１０の炉心領域１０１に対応する高さ領域に、可燃性毒物領域を有する。

可燃性毒物領域は、ウランおよびこれに添加された可燃性毒物を有する。ウランは、軽水炉用燃料棒１１０の炉心領域１０１のウラン濃縮度よりも低い濃縮度である。また、可燃性毒物として、たとえばガドリニアすなわち酸化ガドリニウムを含む。可燃性毒物の可燃性毒物領域における濃度は、たとえば４．０ｗｔ％程度である。

以上のように、軽水炉用燃料棒１１０および可燃性毒物入り燃料棒１２０の同じ高さ領域に、下部ブランケット領域１０２および上部ブランケット領域１０３が形成されている。

ここで、燃料棒ペレット１１１についての上述のノードは、軽水炉用燃料集合体１００についてのノードに対応するものとする。したがって、炉心領域１０１、下部ブランケット領域１０２、および上部ブランケット領域１０３のノードは、軽水炉用燃料集合体１００および軽水炉炉心１の炉心領域、下部ブランケット領域、および上部ブランケット領域のノードに対応する。

燃料棒ペレット１１１の上方には、上部プレナム１１５が形成され核分裂生成物のガスの貯留空間を形成している。また、上部プレナム１１５内には、燃料棒ペレット１１１を下方に抑えるバネ１１６が設けられている。

次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態に係る軽水炉用燃料集合体の効果を示す際に用いた条件は、以下のとおりである。

炉心領域は、ウラン（Ｕ）濃縮度が１０％としている。

ブランケット領域は、天然ウランに所定の濃度のＡｍ２４１が添加されているとしている。

炉心領域およびブランケット領域の高さについては、２４ノードに分割し、下部ブランケット領域は最下部の第１ノードであるＮＯＤＥ０１、上部ブランケット領域は最上部の第２４ノードであるＮＯＤＥ２４、炉心領域は、これ以外のＮＯＤＥ０２～ＮＯＤＥ２３としている。

図４は、第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体１００の場合および初期にＡｍ２４１の添加のない場合についての、Ａｍ２４１量の比較を示すグラフである。ここで、軽水炉用燃料集合体１００の場合の初期のＡｍ２４１の添加量を１ｗｔ％としている。

図４の縦軸は、燃料集合体の１体あたりのＡｍ２４１量であり、Ａｍ２４１量は、燃料集合体内の重金属重量に対する割合（ｗｔ％）で表示している。

図４において、本実施形態に係る軽水炉用燃料集合体１００の場合を斜線で表示しており、ブランケット領域にＡｍを添加しない通常型ウラン燃料集合体の場合を、薄く塗って表示している。

横軸は、左から順に、初期のＡｍ２４１添加量、Ａｍ２４１取り出し量すなわち炉内で燃焼後の燃料集合体中のＡｍ２４１の量、および、燃料集合体の燃焼によるＡｍ２４１の増加量すなわち燃料集合体のＡｍ２４１の燃焼後の量から燃焼前の量を差し引いた値である。

なお、初期のＡｍ２４１添加量は、上下の１ノード、すなわちＮＯＤＥ０１およびＮＯＤＥ２４に１ｗｔ％ずつであることから、２ｗｔ％／２４ノードで０．０８３ｗｔ％となっている。

Ａｍを添加することによって取出し量も一見多くなるが、増加量は、図４に示すように、本実施形態では、初期にＡｍ２４１を添加しない場合に対して約１／６に低減しており、ブランケット領域にＡｍ２４１を添加することによるＡｍ２４１の低減効果が顕著に表れている。

図５は、軽水炉用燃料集合体１００のＡｍ２４１の増加分のＡｍ２４１の添加量への依存性を示すグラフである。横軸は、ブランケット領域における天然ウランへのＡｍ２４１の添加割合（ｗｔ％）を示す。なお、１００％とは、天然ウランに代えて全量がＡｍ２４１であることを意味する。縦軸は、燃料集合体の燃焼によるＡｍ２４１の増加分すなわち燃料集合体のＡｍ２４１の燃焼後の量から燃焼前の量を差し引いた値である。また、添加量が０ｗｔ％の場合は、比較として表示している。

図４で示したケースであるＡｍ添加割合が１ｗｔ％の場合は、図５に示すように、添加しない場合と比べて、Ａｍ２４１割合の増加分は急激に減少している。また、Ａｍ添加割合が２ｗｔ％の場合は、Ａｍ２４１割合の増加分は負に転じており、燃焼後のＡｍ２４１は、燃焼前に添加した量より減少している。したがって、Ａｍ添加割合は、１ｗｔ％あるいは２ｗｔ％程度以上が好ましい。

Ａｍ添加割合が約５ｗｔ％以上では、Ａｍ添加割合の増加に応じて、Ａｍ２４１割合の減少分は直線的に増加する。すなわち、５％程度を超えると、Ａｍ２４１の初期の添加割合（ｗｔ％）の増加に対しての、燃焼後のＡｍ２４１の減少の程度が、５ｗｔ％程度以下の場合に比べて鈍化する。したがって、Ａｍ２４１の添加量の効果に対する効率の上からは、Ａｍ２４１の重量割合（ｗｔ％）は、１ｗｔ％ないし５ｗｔ％、あるいは２ｗｔ％ないし５ｗｔ％の範囲がさらに好ましい。

図６は、第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体の運転サイクル末期におけるＰｕ全体の生成量およびＰｕ２３８生成量を示すグラフである。

図６の縦軸は、各ノードにおけるＰｕ２３８量および全Ｐｕ量であり、それぞれ、燃料集合体内の重金属総重量に対する割合（ｗｔ％）を示す。

図６において、Ｐｕ２３８量を斜線で表示しており、全Ｐｕ量を、薄く塗って表示している。本実施形態は、軽水炉用燃料棒１１０の炉心燃料ペレット１１１ａとして濃縮ウランを用いた軽水炉用燃料集合体１００であり、炉心に装荷時、すなわち燃焼前においては、すべてのノードでＰｕ量はゼロである。

図６に示すように、全ノードにおいてＰｕは生成されるが、炉心領域１０１に対応するＮＯＤＥ０２～ＮＯＤＥ２３では、Ｐｕ２３８の生成量は小さい。一方、下部ブランケット領域１０２に対応するＮＯＤＥ０１および上部ブランケット領域１０３に対応するＮＯＤＥ２４においては、Ｐｕ２３８が炉心領域１０１に比べて多く生成されている。

図７は、第１の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体の運転サイクル末期におけるＰｕ２３８の割合を示すグラフである。全体が１００ｗｔ％になるように規格化している。図７に示すように、全体の約８５ｗｔ％が、Ａｍ２４１が添加された下部ブランケット領域１０２に対応するＮＯＤＥ０１および上部ブランケット領域１０３に対応するＮＯＤＥ２４において生成されている。

ここで、Ｐｕ２３８は、Ｕ２３５の中性子捕獲によりＮｐ２３７を経由して生じたＮｐ２３８のβ崩壊によりＰｕ２３８が生成されるパスがある。

また、Ａｍ２４１の中性子捕獲およびガンマ崩壊により生じたＡｍ２４２のβ崩壊によりＣｍ２４２が生成され、Ｃｍ２４２のα崩壊によりＰｕ２３８が生成されるパスがある。

下部ブランケット領域１０２および上部ブランケット領域１０３においては、後者のパスによる生成が主体である。

図８は、軽水炉用燃料集合体１００の運転サイクル末期におけるＰｕ２３８の割合のＡｍ２４１の添加量への依存性を示すグラフである。横軸は、ブランケット領域における天然ウランへのＡｍ２４１の添加割合（ｗｔ％）を示す。縦軸は、全Ｐｕ中のＰｕ２３８の割合（ｗｔ％）を示す。前述のように、この全Ｐｕ中のＰｕ２３８の割合（ｗｔ％）は、ブラケット領域に生成されたＰｕ２３８が主体である。

図８に示すように、Ａｍ添加割合が１ｗｔ％あるいは２ｗｔ％の場合は、添加しない場合と比べて、全Ｐｕ中のＰｕ２３８の割合（ｗｔ％）は急激に増加している。また、Ａｍ添加割合が約５ｗｔ％以上では、Ａｍ添加割合の増加に応じて、ブラケット領域に生成されたＰｕ２３８を主体とする全Ｐｕ中のＰｕ２３８の割合（ｗｔ％）は直線的に増加する。すなわち、５％程度を超えると、Ａｍ２４１の初期の添加割合（ｗｔ％）の増加に対しての、燃焼後のＰｕ２３８の割合（ｗｔ％）の増加の程度が、５ｗｔ％程度以下の場合に比べて鈍化する。したがって、Ａｍ２４１の添加割合に対してのＰｕ２３８生成の効率の上からは、Ａｍ２４１の重量割合（ｗｔ％）は、１ｗｔ％ないし５ｗｔ％、あるいは２ｗｔ％ないし５ｗｔ％の範囲がさらに好ましい。

このような、Ｐｕ２３８の生成による転用誘引度指数ＦＯＭへの効果を以下に説明する。

転用誘引度指数ＦＯＭは、以下の式（１）により与えられる。

（１）
ここで、Ｍは裸球の臨界質量（ｋｇ）、ｈは単位体積当たりの発熱量（Ｗ／ｋｇ）、Ｓは自発核分裂による中性子発生率（ｎ／ｓ／ｋｇ）、Ｄは０．２Ｍの質量から１ｍの位置での被ばく線量の評価値である。

式（１）に示されるように、転用誘引度指数ＦＯＭは、臨界質量、崩壊熱、自発核分裂中性子発生数、被ばく線量によって構成される。ここで臨界質量は主にＰｕ２３９とＰｕ２４１の組成比が、崩壊熱はＰｕ２３８の組成比が、自発核分裂はＰｕ２４１の組成比が、また、被ばく線量はＰｕ２３８の組成比が支配的なパラメータとなる。

ＦＯＭが２以上の場合は核物質の転用誘引度（Ａｔｔｒａｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）が高い、ＦＯＭが１以上かつ２未満の場合は核物質の転用誘引度が中程度、ＦＯＭが０以上かつ１未満の場合は核物質の転用誘引度が低い、ＦＯＭが０未満の場合は核物質の転用誘引度が極めて低い、とそれぞれ判定される。

図６に示されるように、Ａｍが添加された上下天然ウランブランケット領域で燃焼終了時にＰｕ２３８の割合が高くなることによって、再処理後のプルトニウムの核拡散抵抗性が向上する。

Ａｍ２４１は、熱中性子エネルギー領域での中性子吸収断面積が大きいことから、炉心中心から離れたブランケット領域であっても、軽水炉炉心１の性能への影響が懸念されることから、この影響を確認する。

図９は、軽水炉用燃料集合体１００の初期の無限増倍率のＡｍ２４１の添加量への依存性を示すグラフである。横軸は、Ａｍ２４１の添加割合（ｗｔ％）の各ケースであり、ケースの名称の数値はｗｔ％を意味する。縦軸は、軽水炉用燃料集合体１００の無限増倍率である。
図９に示すように、Ａｍ２４１の添加割合（ｗｔ％）の増加に対して無限増倍率が、極端に減少するようなことはない。

図１０は、軽水炉用燃料集合体１００の無限増倍率のＡｍ２４１の添加量ごとの燃焼度に対する変化を示すグラフである。横軸は、軽水炉炉心１内での軽水炉用燃料集合体１００の燃焼度（Ｍｗｄ／ｔ）である。縦軸は、軽水炉用燃料集合体１００の無限増倍率である。
図１０に示すように、Ａｍ２４１の添加割合（ｗｔ％）の増加の無限増倍率への影響はほとんどないことが示されている。すなわち、Ａｍ２４１の添加割合（ｗｔ％）に上限を設ける必要はない。

以上のように、本実施形態による軽水炉用燃料集合体１００では、上部ブランケット領域１０２、下部ブランケット領域１０３の少なくともいずれかにＡｍ２４１を添加することによって、核燃料サイクルで蓄積されるＡｍ２４１を低減し、かつ、軽水炉燃料の使用済み燃料における核セキュリティ性・核拡散抵抗性を向上させることができる。
［第２の実施形態］

図１１は、第２の実施形態に係る軽水炉用燃料集合体２００の構成を示す平断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形であり、軽水炉用燃料集合体２００は、第１の実施形態における軽水炉用燃料棒としての軽水炉用燃料棒１１０に代えて、軽水炉用燃料棒としての軽水炉用燃料棒２１０を有する。

図１２は、第２の実施形態に係る軽水炉用燃料棒２１０の構成を示す部分立断面図である。

軽水炉用燃料棒２１０は、第１の実施形態における軽水炉用燃料棒１１０と、炉心領域１０１における組成が異なる。すなわち、第１の実施形態における燃料棒ペレット１１１に代えて、燃料棒ペレット２１１を有する。燃料棒ペレット２１１は、ウランとプルトニウムの混合酸化物からなる炉心燃料ペレット２１１ａと、第１の実施形態と同様の下部ブランケットペレット１１１ｂおよび上部ブランケットペレット１１１ｃを有する。なお、第１の実施形態と同様に、下部ブランケットペレット１１１ｂおよび上部ブランケットペレット１１１ｃのうちのいずれかのみを有する場合であってもよい。

これらの点以外においては、第１の実施形態と同様である。

このように、炉心領域１０１について、濃縮ウランに代えてＭＯＸを用いた場合であっても、下部ブランケット領域１０２および上部ブランケット領域１０３において、天然ウランにＡｍ２４１が含有されていることにより、第１の実施形態と同様に、核燃料サイクルで蓄積されるＡｍ２４１を低減し、かつ、軽水炉燃料の使用済み燃料における核セキュリティ性・核拡散抵抗性を向上させる効果を得ることができる。
［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。たとえば、実施形態では、ＢＷＲの場合を例にとって示したが、これに限定されず、軽水炉はＰＷＲの場合であってもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。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。

１…軽水炉炉心、５…制御棒、１００…軽水炉用燃料集合体、１０１…炉心領域、１０２…下部ブランケット領域、１０３…上部ブランケット領域、１１０…軽水炉用燃料棒、１１１…燃料棒ペレット、１１１ａ…炉心燃料ペレット、１１１ｂ…下部ブランケットペレット、１１１ｃ…上部ブランケットペレット、１１２…被覆管、１１３…下部端栓、１１４…上部端栓、１１５…上部プレナム、１１６…バネ、１２０…可燃性毒物入り燃料棒、１３０…ウォータロッド、１４０…チャンネルボックス、２００…軽水炉用燃料集合体、２１０…軽水炉用燃料棒、２１１…燃料棒ペレット、２１１ａ…炉心燃料ペレット

Claims (7)

1. 第１の核燃料物質を内蔵する複数の軽水炉用燃料棒と、
   前記第１の核燃料物質より核分裂性物質の濃度が低い第２の核燃料物質と可燃性毒物とを内蔵する複数の可燃性毒物入り燃料棒と、
   を備えた軽水炉用燃料集合体であって、
   前記複数の軽水炉用燃料棒および前記複数の可燃性毒物入り燃料棒は、当該軽水炉用燃料集合体の長手方向に延びて互いに並列に格子状に配されて、
   前記複数の軽水炉用燃料棒のそれぞれは、
   天然ウランまたは劣化ウランおよびこれに添加されたアメリシウム２４１を含むマイナアクチニドを有して前記長手方向に積層されて、下部ブランケット領域を形成する下部ブランケットペレットおよび上部ブランケット領域を形成する上部ブランケットペレットの少なくとも一方と、
   前記長手方向に積層されて炉心領域を形成する炉心領域燃料ペレットと、
   を具備することを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
2. 前記複数の可燃性毒物入り燃料棒のそれぞれは、前記軽水炉用燃料棒に対応する前記下部ブランケット領域および前記上部ブランケット領域の少なくとも一方において、天然ウランまたは劣化ウランおよびこれに添加されたアメリシウム２４１を含むマイナアクチニドを有することを特徴とする請求項１に記載の軽水炉用燃料集合体。
3. 前記下部ブランケット領域、前記上部ブランケット領域、および前記炉心領域の全体の前記長手方向の長さを複数ノードに分割した場合に、
   前記下部ブランケット領域は、最下部の１または２ノードに配され、
   前記上部ブランケット領域は、最上部の１または２ノードに配されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軽水炉用燃料集合体。
4. 前記アメリシウム２４１は、母材である天然ウランまたは劣化ウランに対し、１ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軽水炉用燃料集合体。
5. 前記アメリシウム２４１は、母材である天然ウランまたは劣化ウランに対し、５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項４に記載の軽水炉用燃料集合体。
6. 前記マイナアクチニドは、アメリシウム２４１以外のアメリシウムの同位体、およびキュリウムを含むマイナアクチニドの他の核種の少なくともいずれかも含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の軽水炉用燃料集合体。
7. 互いに並列に格子状に配列された請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の軽水炉用燃料集合体と、
   前記複数の軽水炉用燃料集合体の配列内にそれぞれ配された複数の制御棒と、
   を備えることを特徴とする軽水炉炉心。

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