JP2632726B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、沸騰水型原子炉（BWR）の燃料集合体に係
り、更に詳細には、二酸化ウラン燃料棒とプルトニウム
富化燃料棒とを混在した燃料集合体におけるプルトニウ
ムの有効利用に関するものである。

［従来の技術］ 第４図には、従来よりBWRで実用に供されている８×
８型燃料集合体が炉心に装荷された状態の横断面図で示
されている。

図において、全体を符号80で示される８×８型燃料集
合体は、計62本の燃料棒81と、内部に燃料物質を含まず
中空で冷却水を流通する２本のウォータロッド（中空管
状要素）wrとを８行８列の正方格子状に配列し、その外
周をジルカロイ製のチャネルボックス10で囲んで構成さ
れている。ここで、燃料棒81に装填される核燃料につい
ては後述する。

このように構成された８×８型燃料集合体80は、図示
の如く十字形制御棒１の中性子吸収材が装填された制御
板（制御ブレード）1aに二辺を隣接させて装荷される。

そして原子炉の出力運転中は、減速材を兼ねる冷却水
が燃料下部から上部に向って流れ、燃料棒81の発生熱を
除去する。その際、チャネルボックス10の外側のバイパ
ス領域（制御棒１や計装管ｉ等が配置される水ギャップ
部）Ｂではボイドが発生しないが、チャネルボックス10
の内側の冷却水流路（インチャンネル領域）Ｉではボイ
ドが発生する。

従って、第４図に示すような横断面内の冷却水（減速
材）の密度分布は一様ではなく、バイパス領域Ｂでは密
度が高く、インチャンネル領域Ｉでは密度が低くなって
いる。このため、燃料集合体80の横断面内の熱中性子束
分布も一様ではない。即ち、減速材密度の高いバイパス
領域Ｂに面する集合体周辺部では熱中性子束が高く、逆
に減速材密度の低い集合体中心部では熱中性子束が低
く、中性子の平均エネルギーが高くなっている。

次に、上記のような８×８型燃料80にプルトニウム富
化燃料を装荷した従来例について説明する。尚、以下の
説明では、プルトニウム富化燃料の一例として、ウラン
・プルトニウム混合酸化物（MOX）燃料を用いることと
する。

上記第４図における８×８型燃料80には、例えば特開
昭60−242391号公報に開示されたアトール型燃料集合体
の燃料捧配置構成も併せて示されている。

第４図中の燃料棒81において、円内に記号Ｐを記入し
たものは、核燃料としてMOX燃料が装填された燃料棒
（以下、“MOX核燃料”と称す）を示し、同様に記号Ｕ
を記入したものは、核燃料として主に低濃縮ウランを使
用した二酸化ウラン（UO₂）燃料が装填された燃料棒
（以下、“UO₂燃料棒”と称す）を示す。

このアトール型燃料集合体80の例では、集合体の比較
的周辺部に計32本のMOX燃料棒が配置され、その他の領
域（集合体の比較的中央部）には計30本のUO₂燃料棒が
配置されている。従って、集合体一体当りの全燃料棒に
占めるMOX燃料棒の割合は、 （32/62）×100％＝52％ であり、約半数を占めることになる。

また、この他の従来例としては、MOX燃料棒を集合体
中央の一部の領域のみに配置し、それを囲むようにUO₂
燃料棒を配置したアイランド型燃料集合体や、全ての燃
料棒をMOX燃料棒とするディスクリート型燃料集合体な
どが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来例のうち、アイランド型燃料においては、MO
X燃料棒の配置位置が制御棒から遠くなるため、後述の
制御棒の反応度制御効果（制御棒価値）の低下を防止で
きる。しかしながら、そのMOX燃料棒の配置位置は集合
体中央の一部の領域のみであるから、結果として集合体
一体当りのプルトニウムの装荷量が少くなる。従って、
熱中性子炉でプルトニウムを積極的に利用していこうと
する近年のプル・サーマル利用の要求には必ずしもそぐ
わない。

一方、ディスクリート型燃料やアトール型燃料80にお
いては、多くのプルトニウムを装荷できるものの、制御
棒の近傍にMOX燃料棒が位置するための制御棒価値が低
下してしまう。これは、プルトニウムはウランに比べて
熱中性子吸収断面積が大きく、熱中性子束が小さくなる
からである。

更に、アイランド型燃料やディスクリート型燃料では
集合体中央部にMOX燃料棒を配置しているが、上記従来
技術で述べた通り、減速材密度の低い集合中央部の中性
子の平均エネルギーは高く、中性子経済性が悪化するた
め、このような配置はプルトニウムの有効利用には好ま
しくない。

本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、中性子経済性
を悪化させることなく、プルトニウムを有効に利用でき
るBWR用燃料集合体を提供することである。また、このB
WR用燃料集合体において、制御棒価値の低下を防ぐこと
も本発明の課題の一部である。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るBWR用燃料集合体は、減速材で満たされ
る中空管状要素と、未燃焼状態の核燃料としてプルトニ
ウム富化燃料が装填された複数の第１の燃料棒と、未燃
焼状態の核燃料として二酸化ウラン燃料が装填された複
数の第２の燃料棒とを９行９列の正方格子状に配列して
外周をチャンネルボックスで囲んだものにおいて、前記
中空管状要素として、前記配列中央部の燃料複数本分に
相当する一本または複数本の大口径ウォータロッド、或
いは大口径ウォータチャンネル等の大口径中空管状要素
を用い、前記配列内の前記チャンネルボックスに隣接す
る周辺部及び前記大口径中空管状要素に隣接する内周部
には前記第１の燃料棒を配置し、他の部位には前記第２
の燃料棒を配置したことにより上記課題を達成したもの
である。

この場合、前記周辺部に配置された第１の燃料棒のう
ち、前記周辺部のうちの前記チャンネルボックスの外部
に挿入される十字形制御棒の制御板に対面する行または
列に配置された第１の燃料棒の一部または全部を、前記
第２の燃料棒に置換えた構成を採っても良い。

また、前記第１の燃料棒に装填されたプルトニウム富
化燃料は、代表的にはウラン・プルトニウム混合酸化物
燃料である。

尚、「未燃焼状態の核燃料」とは、第１と第２の燃料
棒の製造時に装填された核燃料を意味し、これらの燃料
棒の燃焼に伴ない生成される核分裂性物質の種類につい
ては、特に限定しないものとする。また、核燃料への可
燃性毒物等の添加についても任意である。

［作 用］ ウランとプルトニウムの核的特性 本発明の作用の説明に先だって、UO₂燃料とMOX燃料と
の核的特性について述べる。

第５図には、UO₂燃料及びMOX燃料に含まれる同位体の
特性がグラフで示されている。

図において、各グラフ（ａ），（ｂ），（ｃ）の横軸
は中性子エネルギー、縦軸はそれぞれ核分裂断面積，吸
収断面積，単位中性子吸収あたりの中性子発生個数
（η）を採ってある。

MOX燃料に含まれるプルトニウム同位体のうち、熱中
性子により核分裂を起す核分裂性物質は²³⁹Pu及び²⁴¹Pu
であるが、第５図から明らかなように、²³⁹Puの核分裂
断面積及びη値は、UO₂燃料に含まれる²³⁵Uのそれより
も大きい。従って、同炉心内の同燃焼度の燃焼を経験し
た（換言すれば核分裂量が同じ）燃料同志を比較する
と、最適な減速状態においては、MOX燃料は、UO₂燃料よ
り大きな無限増倍率を得られるという利点がある。

一方、²⁴⁰Puは、熱中性子による核分裂は起さないう
えに、第５図のグラフ（ｂ）から明らかなように、大き
な共鳴吸収のピークが発生するエネルギー領域（以下、
“共鳴吸収エネルギー領域”と称す）を有している。

また、²³⁹Puも0.3eV付近に共鳴吸収エネルギー領域が
存在するため、²³⁹Puのη値は、そこで急激に低下す
る。

９×９型燃料集合体 次に、本発明を適用すべき燃料集合体の型式及びその
熱中性子束について述べる。

近年は、上記従来の８×８型燃料に代る高燃焼度の燃
料（例えば平均取出燃焼度を従来の30〜32Gwd/tから45G
wd/t程度に高めたもの）として、９×９型燃料集合体の
開発が進められている。この９×９型燃料の横断面の構
成例を第６図に示す。この種の９×９型燃料では、上記
８×８型燃料80と比べて燃料棒本数が増えるため、燃料
棒一本当りの平均線出力密度を低下することができる。
また、それにより生じる余裕を非沸騰部面積の増加に用
いることができる。即ち、非沸騰水の通過する中空管状
要素の大口径化が可能である。例えば第６図に示される
９×９型燃料90では、計72本の燃料捧91に加えて、集合
体中央部３×３領域を占める角型ウォータチャンネルＷ
を採用している。この他、上記ウォータロッドwrを大口
径化した大口径ウォータロッドを一本または複数本備え
た構成例も提案されている。

尚、以下の発明では、単に９×９型燃料といえば、こ
の種の大口径中空管状要素を備えた形式の９×９型燃料
を意味し、また、大口径中空管状要素としては、ウォー
タチャンネルＷに代表させて説明するものとする。

さて、９×９型燃料では、ウォータチャンネルＷの採
用により、集合体中央部の水密度を高めることができ、
それに伴ない熱中性子束分布も改善される。その一例と
して第６図における集合体横断面のAA′方向の熱中性子
束分布を第７図に示すが、図の如く水ギャップに面する
燃料集合体外周部と非沸騰水の通過するウォータチャン
ネルＷの周囲の領域とでは熱中性子が比較的高く、両者
に挟まれる領域では熱中性子束が比較的低くなる分布と
なっている。

本発明の作用 本発明に係る燃料集合体では、以上に述べたウラン及
びプルトニウムの核的特性と、９×９型燃料における熱
中性子束分布とに着目し、第１と第２の燃料棒の配置位
置を決定する。即ち、熱中性子の高い集合体外周部とウ
ォータチャンネルＷの周囲との二領域にMOX燃料棒（第
１の燃料棒）を配置し、この集合体周辺部とウォータチ
ャンネルＷの周囲に挟まれる熱中性子束の低い領域には
UO₂燃料棒（第２の燃料棒）を配置する。

この配置条件の下でMOX燃料棒が吸収する中性子を考
えると、それは下記エネルギー領域（Ａ）乃至（Ｂ）ま
で減速された中性子の割合が大きくなる。

（Ａ）上記共鳴吸収エネルギー領域よりも低いエネルギ
ー領域。

（Ｂ）²³⁹Puのη値が極小を採り、且つ²³⁵Uのη値より
も小さいエネルギー領域よりも更に低いエネルギー領
域。

従って、上記配置条件の下のMOX燃料棒は、²³⁹Pu及び
²⁴⁰Puの共鳴吸収を逃れることができ、しかも²³⁹Puのη
値が²³⁵Uのそれよりも大きいという利点を生かすことが
できる。

一方、上記配置条件の下のUO₂燃料棒の配置領域は、M
OX燃料棒を配置するには不適である。これは、この領域
の熱中性子束は低く、中性子エネルギーが高くなるか
ら、MOX燃料にとっては減速材が不足するためである。
そこで本発明においては、この領域にはUO₂燃料棒を配
置することとする。

以上のように、熱中性子束の比較的高い領域にMOX燃
料棒を配置し、熱中性子束の比較的低い領域にUO₂燃料
棒を配置することにより、中性子経済性を向上させるこ
とができる。

この場合、MOX燃料棒は集合体周辺部と、ウォータチ
ャンネルの周囲との双方に配置されているから、燃料集
合体一体当りのプルトニウム装荷量を多くできる。

但し、集合体周辺部の制御棒１の制御板1aに面する部
位（第６図に示す第１行、第１列に相当）にMOX燃料棒
を配置すると、プルトニウムの熱中性子吸収断面積がウ
ランより大きいため、熱中性子束が小さくなる。従っ
て、この部位にUO₂燃料棒を配置した場合に比して制御
棒価値が多少低下する。この対策を講じる構成として
は、制御板1aに面する部位に配置されたMOX燃料棒の一
部または全部をUO₂燃料棒に置換えるものとする。これ
により、制御棒価値の低下を抑えることができる。

ところで、上記の説明ではプルトニウム富化燃料をMO
X燃料に代表させて説明したが、MOX燃料のUO₂燃料に対
する特性は、上述した通りプルトニウムとウランの核的
性質の差異によるものである。従って、MOX燃料以外の
プルトニウム富化燃料についても上記と同様な特性を有
する。そこで、本発明における第１の燃料棒はMOX燃料
棒には限定されず、他の種類のプルトニウム富化燃料を
使用することも可能である。

［実施例］ 実施例Ａ 第１図には、本発明の一実施例に係る９×９型燃料集
合体の設計例が示されている。

図において、全体を符号90Aで示される９×９型燃料
の概略構成は上記第６図の９×９型燃料90と同様であ
る。

但し、集合体周辺部の領域に配置された32本、及びウ
ォータチャンネルＷの周囲の領域に配置された16本の燃
料棒91は、全てMOX燃料棒としてある。一方、これら二
領域の間に配置された24本の燃料棒91は、UO₂燃料棒と
してある。

この９×９型燃料90A一体当りの全燃料棒に占めるMOX
燃料棒の割合は、 ｛（32＋16）/72｝×100％＝67％ もの高い値となる。従って、従来のアイランド型燃料、
或いはアトール型燃料80に比してプルトニウムの装荷量
を大幅に増大できる。

実施例Ｂ また、第２図には、本発明の他の実施例に係る９×９
型燃料集合体の設計例が示されている。

図に示される９×９型燃料90Bは、集合体周辺部の制
御棒１の制御板1aに対面する行及び列に配置された燃料
棒91を、二本のコーナーロッドC1,C2を除いてUO₂燃料棒
としたものである。

この第２図に示される如き構成を採ることにより、制
御棒価値の低下を抑制可能なことは作用の欄で述べた通
りであり、従来のディスクリート型燃料、あるいはアト
ール型燃料80における制御棒価値低下の不都合が解消さ
れる 比較のために、上記実施例A,Bの設計例における制御
棒価値を第３図に示す。

図において、実線Ａは実施例Ａ（９×９型燃料90A）
の、点線Ｂは実施例Ｂ（９×９型燃料90B）の制御棒価
値である。これら実施例A,Bを比較すると、集合体一体
当りのプルトニウム装荷量の面では実施例Ａの方が有利
であるが、制御棒価値の面では実施例Ｂが有利である。

ところで、上記各実施例では、集合体中央部のMOX燃
料棒で取り囲まれる大口径中空管状要素として、一本の
３×３型ウォータチャンネルＷを示したが、これに代え
て一本または複数本の大口径ウォータロッドを用いても
良い。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係るBWR用燃料集合体に
よれば、熱中性子束の比較的高い燃料集合体周辺部及び
大口径中空管状要素の周囲にプルトニウム富化燃料棒を
配置することにより、中性子経済性を悪化させることな
く、プルトニウムを有効利用することができる。

一方、制御棒に対面する行または列に配置されたプル
トニウム富化燃料棒をウラン燃料棒に置換える構成を採
ると、プルトニウム富化燃料棒の使用に伴なう制御棒価
値の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る９×９型燃料の横断面
図、第２図は同じく他の実施例に係る９×９型燃料の横
断面図、第３図は前記二実施例の制御棒価値を示す線
図、第４図は従来のアトール型燃料としての８×８型燃
料を炉心に装荷した状態で示す横断面図、第５図
（ａ），（ｂ），（ｃ）はウラン及びプルトニウムにお
ける中性子エネルギーに対する核分裂断面積，吸収断面
積，単位中性子吸収当りの中性子発生個数（η）の関係
を示す線図、第６図は本発明の適用すべき９×９型燃料
の構成を説明するための横断面図、第７図は前図の熱中
性子束分布を示す線図である。 ［主要部の符号の説明］ １……十字形制御棒 1a……制御板 10……チャンネルボックス 90A,90B……９×９型燃料 91……燃料棒 Ｐ……MOX燃料棒（第１の燃料棒） Ｕ……UO₂燃料棒（第２の燃料棒） Ｗ……３×３型ウォータチャンネル（大口径中空管状要
素） 尚、各図中、同一符号は同一または相当部を示す。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】減速材で満たされる中空管状要素と、未燃
   焼状態の核燃料としてプルトニウム富化燃料が装填され
   た複数の第１の燃料捧と、未燃焼状態の核燃料として二
   酸化ウラン燃料が装填された複数の第２の燃料棒とを９
   行９列の正方格子状に配列して、外周をチャンネルボッ
   クスで囲んでなる燃料集合体において、 前記中空管状要素として、前記配列中央部の燃料棒複数
   本分に相当する一本または複数本の大口径中空管状要素
   を備え、 前記配列内の前記チャンネルボックスに隣接する周辺部
   及び前記大口径中空管状要素に隣接する内周部には前記
   第１の燃料棒を配置し、 他の部位には前記第２の燃料棒を配置したことを特徴と
   する沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. 【請求項２】請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集
   合体において、前記周辺部に配置された第１の燃料棒の
   うち、前記チャンネルボックス外部に挿入される十字形
   制御捧の制御板に対面する行または列に配置された第１
   の燃料棒の一部または全部を、前記第２の燃料棒に置換
   えたことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. 【請求項３】前記第１の燃料棒に装填されたプルトニウ
   ム富化燃料がウラン・プルトニウム混合酸化物燃料であ
   ることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の
   沸騰水型原子炉用燃料集合体。