JP2811597B2

JP2811597B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体

Info

Publication number: JP2811597B2
Application number: JP2039818A
Authority: JP
Inventors: 勇三稲葉
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JPH03243889A

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で使用される酸化ウランと酸
化プルトニウムの混合を主体としたMOX燃料の燃料集合
体に関するものである。

［従来の技術］将来の沸騰水型原子炉（以下、BWRと記す）の燃料と
して、酸化ウランと酸化プルトニウムの混合を主体とし
たMOX燃料が研究されている。

MOX燃料に関しては燃料集合体断面についてのさまざ
まな設計が出ているが、軸方向についての燃料設計に関
しては、進んでいないのが現状である。

例えば、燃料集合体軸方向下部に生じる出力ピーキン
グの減少のためのガドリニアの添加による燃料設計を別
として、軸方向に一様な核分裂性物質組成の重合体を想
定した場合に以下のような問題点がある。

MOX燃料は制御棒価値が小さいため、高温時運転状
態の無限増倍係数（Ｋ∞）と冷温時停止（制御棒挿入）
状態のＫ∞の差が小さい。よって、原子炉停止余裕が十
分でない。

MOX燃料は、特に全MOXにした場合、局所出力ピーキ
ング係数が燃焼中期以降に高いままとなってしまい、線
出力密度（LHGR）およびペレット最大燃焼度の増加に到
る。また限界出力比（CPR）が低下する。

前記で述べたような理由から、軸方向に一様なプ
ルトニウム富化度とすると、燃焼後期の局所ピーキング
係数を高くし且つ反応度の高いMOX燃料を設計すること
が不可能となり非経済的となる。

［発明が解決しようとする課題］本発明は、MOX燃料の本格利用において、以下の特性
を持ったBWR用燃料集合体を提供することを目的とす
る。

炉停止余裕の向上最大線出力密度（MLHGR）の低減燃料の有効利用限界出力の向上（Ｒ因子の低減）［課題を解決するための手段］本発明に係るBWR用燃料集合体では、燃料被覆管内に
核分裂性物質を装填してなる複数本の燃料棒をバンドル
状に束ねたBWR用燃料集合体において、前記燃料集合体は、ウランとプルトニウムとを混合し
たMOX燃料を配合した燃料集合体であって、該燃料集合体の上部と下部とのプルトニウム富化度を
中央部よりも低くしたものである。

［作用］本発明においては、MOX燃料を配合した燃料集合体の
上部と下部とのプルトニウム富化度を中央部よりも低く
したものであるため、炉停止余裕の向上、最大線出力密
度（MLHGR）の低減、燃料の有効利用、限界出力の向上
（Ｒ因子の低減）を達成することができた。

ここで、限界出力は限界出力比（CPR）で以下のよう
に表される。

CPR＝限界出力／運転時出力つまり、CPRが小さいほど、運転時出力は、限界出力
に対し余裕がなく、CPRが大きいほど限界出力に対し余
裕がある。言い換えれば、ある一定の運転出力に対し
て、CPRが大きな燃料ほど熱的に優秀な燃料であると定
義できる。また、この限界出力を定義するためにXL相関
式があるが、同相関式は、燃料の沸騰長さ、熱的直径、
加熱長、システム圧力、質量流束及びＲ因子を用いて、
沸騰遷移が起きるバンドル平均クォリティを求めるもの
である。Ｒ因子は限界燃料棒に関連した局所出力分布を
特徴付けるパラメータであり、集合体の形状にも依存す
るが、限界燃料棒の出力が大きいほど、また限界燃料棒
の周りの燃料棒の出力が大きいほど大きくなり、沸騰遷
移が起きるバンドル平均クォリティが小さくなる。つま
り沸騰遷移が起き易い。従って、Ｒ因子の小さい燃料ほ
ど、沸騰遷移出力が大きく、熱的に優秀な燃料であると
定義できる。

このように、本発明のBWR用燃料集合体では、いわば
ウラン燃料とMOX燃料との良好な特性を互いに強調する
ものであるが、これはウラン燃料とMOX燃料について一
般に確認されている次の特性に考察を加えることにより
導かれたものである。

（１）制御棒価値については、ウラン燃料の方がMOX燃
料よりも常に制御棒価値が大きい。

（２）ボイド反応度については、ウラン燃料よりMOX燃
料の方が大きい。

（３）局所ピーキング係数については、ウラン燃料より
MOX燃料の方が大きい。このため、同一の出力のノード
には、局所ピーキング係数の大きいMOX燃料の方がLHGR
が高く、同一の集合体出力では、局所ピーキング係数と
密接な関係にあるＲ因子の大きいMOX燃料の方がCPRが低
下する。

（４）運転−停止反応度差については、MOX燃料の運転
−停止反応度差は、ウラン燃料より小さくなり、炉停止
余裕の厳しい燃料となる。運転−停止反応度差が大きい
ほど、炉停止余裕がすぐれた燃料である。

一方、BWR炉心としては一般に次のような特性が確認
されている。

冷却材は、上部ほどボイド分布が高く、ボイド反応
度が負であることと相まって、下部出力ピークとなりや
すい。

原子炉停止時の出力ピークは、燃焼中に高ボイド履
歴でプルトニウムの蓄積が高く、かつ、燃焼のあまり進
んでいない上部ノードで起こる。つまり、炉停止余裕の
能力を支配するのは、軸方向上部ノードである。

以上のような両燃料及び炉心に関する一般的特性を前
提とすれば、MOX燃料を配合した燃料集合体の上部と下
部とのプルトニウム富化度を中央部よりも低くしたこと
を特徴とする本発明によるBWR用燃料集合体は、次の良
好な特性を有するものであることが判る。即ち、（イ）集合体上部は、できるだけプルトニウム富化度を
低くしたため、炉停止余裕の能力が向上した。また、沸
騰遷移の起こりやすい軸方向上部でのＲ因子を小さくす
ることとなった。

（ロ）集合体下部は、低プルトニウム富化度であるた
め、局所出力ピーキング係数が低くなり、かつ燃焼の寿
命を通じての個々の燃料棒のピーキングが低くなった。

（ハ）集合体の軸方向中央部については、プルトニウム
富化度を高くしたため、プルトニウムの有効利用と、経
済性の高い燃料設計となったことの２つの効果が生じ
た。

［実施例］先ず、初めにウラン燃料とMOX燃料との種々の特性を
実際に定量的に比較した。

（１）制御棒価値第２図はウラン燃料と全MOX燃料との制御棒価値の比
較を示す線図である。図に示す通り、ウラン燃料とMOX
燃料の制御棒価値は、高温時、冷温時ともに、ウラン燃
料の方がMOX燃料よりも常に制御棒価値が大きいことが
確認された。

（２）ボイド反応度第３図はウラン燃料と全MOX燃料とのボイド反応度の
比較を示す線図である。ボイド率変化による反応度の変
化量は、図に示す通り、ウラン燃料よりMOX燃料の方が
大きいことが確認された。

（３）局所ピーキング係数第４図はウラン燃料と全MOX燃料との局所ピーキング
係数の比較を示す線図、第５図はウラン燃料と全MOX燃
料との重合体Ｒ因子の比較を示す線図である。第４図及
び第５図に示す通り、燃焼中期以降の局所ピーキング係
数及び集合体Ｒ因子は、ウラン燃料よりMOX燃料の方が
大きいことが確認された。このため、同一の出力ノード
では、局所ピーキング係数の大きいMOX燃料の方がLHGR
が高く、同一の集合体出力では、Ｒ因子の大きいMOX燃
料の方がCPRが低下する。

（４）運転−停止反応度差第６図はウラン燃料と全MOX燃料との運転−停止反応
度差の比較を示す線図である。図に示す通り、可燃性毒
物の影響の後には、MOX燃料の運転−停止反応度差は、
ウラン燃料より小さくなり、炉停止余裕の厳しい燃料と
なることが確認された。

ここで、運転−停止反応度差ΔＫとは、 ΔＫ＝（40％ボイド履歴での高温時、40％ボイド率、制御棒なしでのＫ∞） −（70％ボイド履歴での低温時、制御棒有りのＫ∞）で表わされるものであり、これが大きいほど、炉停止余
裕がすぐれた燃料となる。

（５）BWRの特性一方、BWRの特性について付言すると、第７図はBWRで
の燃料軸方向位置とボイド率分布及び出力分布の関係を
示す線図、第８図はBWR停止時での燃料軸方向位置と出
力との分布を示す線図である。

冷却材は、第７図に示されるように軸方向位置の上
部に行くほど熱せられるため、上部ほどボイド分布が高
く、ボイド反応度が負であることと相まって、下部出力
ピークとなりやすいことが確認された。

第８図に示されるように、原子炉停止時の出力ピー
クは、燃焼中に高ボイド履歴でプルトニウムの蓄積が高
く、かつ、燃焼のあまり進んでいない上部ノードで起こ
る。つまり、炉停止余裕の能力を支配するのは、軸方向
上部ノードであることが示されている。

（６）燃料集合体の設計以上で確認したBWRの特性を考慮し、ウラン燃料とMOX
燃料との特性のうち、良好な特性を合わせ持たせるべく
BWR用MOX燃料集合体の設計を行った。

第１（イ）（ロ）図はその設計構成を示す説明図であ
る。対象とした燃料集合体は、第１（ロ）図に示すよう
に中央部に３×３の領域を占めるウォータボックスＷを
持つ燃料棒Ｆと９行×９列配列とした燃料である。図で
は最も極端な例として、上部および下部にプルトニウム
を含まないウラン燃料領域を設け、中央部に天然ウラン
マトリックス中に3.50重量％の核分裂性プルトニウムを
含むものとした。

この燃料集合体の設計上の概念は次の通りである。

第８図での原子炉停止時での出力分布より、上部の
低プルトニウム富化度部の長さは、軸方向全長の1/3以
内であれば良いと考えられた。尚、燃料棒のバーンアウ
ト（熱熱損）もこれらの領域で起き易いことは、これま
での知見よりわかっている。

深挿入制御棒運転状態で、軸方向下部にグロスピー
キングがあらわれるのは、軸方向を24ノードに分割した
場合、下部から４〜６ノードのあたりである。よって、
出力分布の変化に対する余裕を取って、下端から1/3〜1
/2の範囲を低プルトニウム富化度燃料とした。

以上の，のどちらにも含まれない領域を高プル
トニウム富化度領域（できれば全MOX）とした。

第１（イ）図に示した燃料集合体は、以上〜の概
念に基づく燃料の軸方向濃縮度分布設計例を、15ケ月運
転、38Gwd/tの平均取出燃焼度を目標としたものであ
る。

得られた燃料集合体は次の良好な特性を有するもので
ある。即ち、（イ）集合体上部は、できるだけプルトニウム富化度を
低くしたため、炉停止余裕の能力が向上した。また、沸
騰遷移の起こりやすい軸方向上部でのＲ因子を小さくす
ることとなった。

（ハ）集合体の軸方向中央部については、プルトニウム
富化度を高くしたため、プルトニウムの有効利用と、経
済性の高い燃料設計となったことの２つの効果が生じ
た。何故、経済性が高いかといえば、軸方向中央部で
は、それほどグロスピーキング（半径方向ピーク×軸方
向ピークの最大値）が高くならないため、局所出力ピー
キングを大きくしても、それほどLHGRは大きくならな
い。それゆえ、局所出力ピークを高くしたことより中性
子利用効率の高い経済的な燃料設計を軸方向中央部に採
用することができるためである。

［発明の効果］本発明は以上説明したとおり、MOX燃料を配合した燃
料集合体の上部と下部とのプルトニウム富化度を中央部
よりも低くしたものであるため、次の良好な特性を有し
たものとなった。即ち、（イ）集合体上部は、できるだけプルトニウム富化度を
低くしたため、炉停止余裕の能力が向上した。また、沸
騰遷移の起こりやすい軸方向上部でのＲ因子を小さくす
ることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１（イ）（ロ）図は本発明のBWR用燃料集合体の一実
施例の設計構成を示す説明図（第１（イ）図は軸方向の
燃料配置を示した模式図、第１（ロ）図は燃料集合体の
横断面を示した模式図）、第２図はウラン燃料と全MOX
燃料との制御棒価値の比較を示す線図、第３図はウラン
燃料と全MOX燃料とのボイド反応度の比較を示す線図、
第４図はウラン燃料と全MOX燃料との局所ピーキング係
数の比較を示す線図、第５図はウラン燃料と全MOX燃料
との集合体Ｒ因子の比較を示す線図、第６図はウラン燃
料と全MOX燃料との運転−停止反応度の比較を示す線
図、第７図はBWRでの燃料軸方向位置とボイド率分布及
び出力分布の関係を示す線図、第８図はBWR停止時での
燃料軸方向位置と出力との分布を示す線図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料被覆管内に核分裂性物質を装填してな
る複数本の燃料棒をバンドル状に束ねた沸騰水型原子炉
用燃料集合体において、前記燃料重合体は、ウランとプルトニウムとを混合した
MOX燃料を配合した燃料重合体であって、該燃料集合体の上部と下部とのプルトニウム富化度を中
央部よりも低くしたことを特徴とする沸騰水型原子炉用
燃料集合体。
【請求項２】前記燃料集合体の上端部または下端部の少
なくとも一方に、天然ウラン，劣化ウラン等の反射体領
域を設けたことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型
原子炉用燃料集合体。