JP3135644B2

JP3135644B2 - 原子炉の炉心

Info

Publication number: JP3135644B2
Application number: JP03322824A
Authority: JP
Inventors: 貴顕持田; 聡志藤田; 信雄関根; 章西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 2001-02-19
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JPH05172976A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉の炉心に係り、
特に、プルトニウム−ウラン混合酸化物（ＭＯＸ）燃料
集合体を装荷した原子炉の炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉炉心を構成する燃料集合
体の構造を図７に示す。４は上部タイプレート、５はチ
ャンネルファスナ、１３はチャンネルボックス、８はス
ペーサ、９は下部タイプレート、１４は燃料棒である。
また、燃料棒１４の中に核燃料物質の二酸化ウランを焼
結したペレットが封入される。

【０００３】沸騰水型原子炉炉心のＤ型格子と呼ばれる
炉心は、図８に示すように隣接する燃料集合体とのギャ
ップ間隔が異なっており、制御棒１１が挿入される側
（制御棒側）のギャップ間隔（図８のＤ₁、以後、広ギ
ャップと呼ぶ）は、制御棒１１が挿入されない側（制御
棒がない側）のギャップ間隔（図８のＤ₂、以後、狭ギ
ャップと呼ぶ）より広い。このため、広ギャップ側で
は、チャンネルボックス１３より外側の減速材流路面積
が大きく、中性子の減速効果が大きい。このため、燃料
集合体１２内の各燃料棒１４の出力は、広ギャップ側で
高く、狭ギャップ側が低くなるという傾向がある。

【０００４】燃料の熱的余裕を確保するためには、燃料
集合体の燃料棒出力分布（局所出力分布という。）を平
坦にすることが望ましい。このため、前述のＤ型格子炉
心に装荷する燃料集合体は、ギャップ幅の違いに基づく
局所出力分布の高低を燃料棒内のウラン濃縮度を増減す
ることで調整している。すなわち、出力が高くなりがち
な広ギャップ側には濃縮度の低い燃料棒を用い、出力の
低い狭ギャップ側には濃縮度の高い燃料棒を用いてい
る。このため、燃料棒の種類と濃縮度の種類は多くなり
ます。

【０００５】また、沸騰水型原子炉では、炉心軸方向の
ボイド分布による軸方向の出力分布を是正する方法とし
て、特許第1286588 号に記載の軸方向に濃縮度差を用い
る技術を採用しており、一本の燃料棒の中でも、複数の
ウラン濃縮度ペレットを使用している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の濃縮度分布の技
術は、ウラン燃料では十分に確立された技術である。

【０００７】しかしながら、プルトニウムを核分裂性物
質とした混合酸化物(Mixed Oxide，以下ＭＯＸという）
燃料の場合には、燃料ペレットの成型加工を完全密封容
器（グローブボックス）内で行なうために、成型加工単
価はウラン燃料よりも高くなり、さらにプルトニウム富
化度種類が多くなると、グローブボックスの洗浄回数が
増加する。これは、加工設備の不稼動時間の増加となる
ため、成型加工コスト増加の要因となる。従ってＭＯＸ
燃料では、成型加工費を低く抑えるために、できるだけ
富化度分布を単純にし、プルトニウム富化度種類を減ら
すことが必要となる。また、富化度設計を単純にする
と、実績の少ないＭＯＸ燃料において、核特性解析の精
度を高くするのに有利となる。

【０００８】また、ＭＯＸ燃料集合体は、成型加工費，
輸送費がウラン燃料も高いことから、加工体数，輸送体
数を減らすことを考える必要もあり、燃料集合体一体当
りのプルトニウム装荷量を増加することにより、少数の
燃料集合体でプルトニウムを集中利用するほうがよい。

【０００９】本発明の目的は、ＭＯＸ燃料集合体一体当
りのプルトニウム装荷量を多くでき、それの富化度分布
を単純化できる原子炉の炉心を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、第一の燃
料集合体の炉心装荷体数は第二の燃料集合体のそれより
も少なく、第一の燃料集合体の取出平均燃焼度は、第二
の燃料集合体の取出平均燃焼度よりも小さく、第一の燃
料集合体を構成する燃料棒の種類数は第二の燃料集合体
を構成する燃料棒の種類数よりも少なくし、第一の燃料
集合体が燃焼初期に核分裂性物質としてプルトニウム及
びウランを含むＭＯＸ燃料集合体で、第二の燃料集合体
が燃焼初期において核分裂物質としてウランを含みプル
トニウムを含まないウラン燃料集合体であることによっ
て達成できる。

【００１１】

【作用】上記の特徴により、ＭＯＸ燃料体の燃料棒種類
をウラン燃料集合体より少なくすることができ、プルト
ニウム富化度種類が減る。

【００１２】また、ＭＯＸ燃料集合体の軸方向富化度分
布を一様にしたことにより、富化度分布の単純化ができ
る。

【００１３】この結果、ＭＯＸ燃料集合体の成型加工工
数を減らすことができ、成型加工費を下げることができ
る。

【００１４】

【実施例】軽水炉におけるプルトニウム利用計画（プル
サーマル計画）では、全てウラン燃料集合体が装荷され
た炉心のサイクル末期でウラン燃料集合体を取出し、代
りに新燃料としてＭＯＸ燃料集合体を装荷することによ
り、順次、ウラン燃料集合体をＭＯＸ燃料集合体でおき
かえ、段階的にＭＯＸ燃料集合体の割合を高くしてゆく
ことを計画している。これは、ＭＯＸ燃料集合体の装荷
率を段階的に増加してゆくことにより、炉心特性，運転
特性を順次確認してゆくことが望ましいためである。

【００１５】当面予定されているプルサーマル計画の実
用規模実証では、最終規模で炉心の１／４までＭＯＸ燃
料集合体を装荷する予定である。

【００１６】また、ＭＯＸ燃料集合体は、照射実績が少
ないことから、ウラン燃料集合体に比べて低い燃焼度目
標から始めて、段階的に増加することとなる。

【００１７】本実施例では、軽水炉で段階的にＭＯＸ燃
料集合体の炉心への装荷率の増加してゆく際の特徴、す
なわち、(i) ＭＯＸ燃料集合体は、ウラン燃料集合体よ
りも、数が少ないこと、(ii)ＭＯＸ燃料集合体はウラン
燃料集合体よりも燃焼度が低く、炉心内ではバンドル出
力が小さいこと、(iii) 炉心内に多数あるウラン燃料集
合体は、上下濃縮度差があることに着目し、前述の目的
を達成するために、本実施例では、下記の工夫を行なっ
た。

【００１８】（１）ＭＯＸ燃料棒種類低減（１）実用規模実証で用いるＭＯＸ燃料集合体は、ウラン燃料
集合体より燃焼度／濃縮度（富化度）が低く、また、無
限増倍率の燃焼変化も緩やかなために、ウラン燃料体と
ＭＯＸ燃料集合体の混在炉心中では、ガドリニア設計が
同じウラン燃料集合体よりもホットチャンネルになりに
くい特性がある。

【００１９】すなわち、ウラン燃料集合体と同程度まで
バンドル出力を上げることを許容すれば、ＭＯＸ燃料集
合体内のガドリニア棒本数を減らすことが出来る。

【００２０】ガドリニアは強い中性子吸収体であるた
め、ガドリニア棒の出力は普通のウラン棒，ＭＯＸ棒よ
り出力が低く、このためガドリニア棒が多くなる程、普
通のウラン棒，ＭＯＸ棒の出力ピーキングが高くなる。

【００２１】このため、ガドリニア棒の本数を減らすに
したがって、集合体内の局所出力ピーキングを減らすこ
とができる。これはＭＯＸ燃料棒種類を減らすことにつ
ながる。

【００２２】（２）軸方向富化度分布の一様化取替バッチに占めるＭＯＸ燃料集合体の装荷割合が少な
いことから、周りのウラン燃料体の上下濃縮度分布の効
果により、ＭＯＸ燃料集合体では軸方向富化度分布を無
くしても熱的制限値を満足できる。

【００２３】また、燃料装荷位置を工夫して、炉心内の
低出力部にＭＯＸ燃料体を配置することもできる。

【００２４】従って、ＭＯＸ燃料集合体では軸方向富化
度分布を一様として、富化度分布設計を単純にする。

【００２５】以下、本発明の一実施例を図１から図６に
より説明する。

【００２６】図１は、本発明に基づく沸騰水型原子炉炉
心の水平断面図を示した図で、本炉心は、二種類の燃料
集合体、すなわち、ウラン燃料集合体（第２の燃料集合
体）２０とＭＯＸ燃料体（第１の燃料集合体）２１を規
則正しく配列して構成される。図１の燃料集合体に示さ
れた１〜４の番号は、燃料集合体の炉内滞在サイクル数
を示し、１は新燃料集合体（又は１サイクル目燃料）、
２は２サイクル目燃料集合体、３は３サイクル目燃料集
合体、４は４サイクル目燃料集合体を示す。ウラン燃料
集合体２０及びＭＯＸ燃料集合体２１とも、図７の構造
を有する。

【００２７】この炉心では、全燃料集合体数５４８体の
うち、ＭＯＸ燃料集合体は１５６体、ウラン燃料集合体
は３９２体とＭＯＸ燃料集合体のほうが少なく、また、
新燃料集合体（図１で番号１が付けられた１サイクル目
燃料集合体）１５２体のうちでも、ＭＯＸ燃料集合体の
数は５２体でウラン燃料集合体１００体よりも数が少な
い。

【００２８】また、ＭＯＸ燃料集合体の炉心滞在サイク
ル数は３サイクルであるのに対し、ウラン燃料集合体
は、４サイクルであリ、ウラン燃料集合体のほうが炉内
滞在の平均サイクル数は長く、従って取出燃焼度は、ウ
ラン燃料集合体のほうがＭＯＸ燃料集合体より高い。

【００２９】また、本炉心は４体の燃料集合体及び原子
炉出力調整用制御棒からなるコントロールセルを有し燃
料の装荷法に関しては、特願平2−225079 号に記載され
ている、炉心の最外周から２層目の第１領域とコントロ
ールセルに隣接する第２領域にＭＯＸ燃料集合体を配置
し、ＭＯＸ燃料集合体の熱的余裕を大きくする技術も採
用している。

【００３０】この原子炉を構成する２つの燃料集合体の
うち、第１の燃料集合体（ウラン燃料集合体）２０にお
けるガドリニア燃料棒２６の配置を図２に示す。また、
図３は、第２の燃料集合体（ＭＯＸ燃料集合体）２１に
おけるガドリニア燃料棒２７の配置を示したものであ
る。一般に、プルトニウムによる吸収断面積がウランよ
りも大きいために、ＭＯＸ燃料集合体では、ガドリニア
による中性子吸収能力が低下する結果、ウラン燃料集合
体よりも多くのガドリニア棒が必要になると言われてい
るが、本実施例では、ＭＯＸ燃料集合体のほうがウラン
燃料集合体よりもガドリニア本数が少ないことが特徴で
ある。これは、図９に示すウラン燃料集合体とＭＯＸ燃
料集合体の無限増倍率の燃焼変化を比較すると、(1）Ｍ
ＯＸ燃料集合体は、ウラン燃料集合体に比べて、核分裂
性物質の減損が少ないために、無限増倍率の傾き（燃焼
変化）は緩やかであり、その最大値は、ウラン燃料集合
体よりも小さい。

【００３１】(2）本原子炉のＭＯＸ燃料集合体は、ウラ
ン燃料集合体よりも、取出燃焼度が小さいために、無限
増倍率は、ウラン燃料集合体よりも小さい。

【００３２】ことがわかる。このため、この２つの燃料
集合体を混在した炉心中では、ＭＯＸ燃料集合体は、ガ
ドリニア設計が同じウラン燃料集合体よりもホットチャ
ンネルになりにくい特性がある。従って、ウラン燃料集
合体と同程度までバンドル出力を上げることを許容すれ
ば、ＭＯＸ燃料集合体内のガドリニア棒本数を減らすこ
とができる。この結果、本実施例では、ウラン燃料集合
体のガドリニア棒数が１２本であるのに対しＭＯＸ燃料
集合体では８本である。

【００３３】ガドリニアは強い中性子吸収体であること
からガドリニア棒の出力は、普通のウラン棒，ＭＯＸ棒
より出力が低く、このためガドリニア棒が多くなる程、
普通のウラン燃料棒，ＭＯＸ燃料棒の出力ピーキングが
高くなる特性がある。

【００３４】このため、ガドリニア棒本数を減らすに従
って集合体内の局所出力ピーキングを減らすことができ
る。これは、ＭＯＸ燃料棒種類を減らすことにつなが
る。

【００３５】図４は、ウラン燃料集合体２０の燃料棒種
類を示した図で、４１から５２までの１２種類の濃縮度
分布の異なる燃料棒を必要としている。これに対し、図
５に示したＭＯＸ燃料集合体では、６１から６６までの
６種類の富化度分布の異なる燃料棒だけとなっており、
本発明の目的であるＭＯＸ燃料集合体の富化度分布設計
の単純化に寄与している。

【００３６】また、ＭＯＸ燃料集合体では、ガドリニア
の燃焼がウラン燃料集合体よりも緩やかなために、ガド
リニア濃度もウラン燃料集合体のように多種類用いる必
要はなくなる。この結果、ウラン燃料集合体では図２に
示すように、Ｇ₁からＧ₃までの３種類のガドリニア棒が
必要であったのに対し、ＭＯＸ燃料集合体の場合には、
図３でＧで示されるように１種類となり、簡素化するこ
とが可能である。

【００３７】また、図３に示したＭＯＸ燃料集合体で
は、特に局所出力ピーキングの平坦化を図るために、特
願平2−225079 号記載の、燃料集合体の横断面を、前記
チャンネルファスナが位置しない対向する２つのコーナ
ー部を結ぶ対角線を境界として、前記チヤンネルファス
ナが位置するコーナー部を含む第１領域と前記チャンネ
ルファスナが位置するコーナー部を含まない第２領域に
分割したとき、前記第１領域のプルトニウム平均富化度
が前記第２領域のそれよりも低く、前記可燃性毒物を含
む燃料棒の本数が前記第２領域よりも前記第１領域で多
いことを特徴とした燃料集合体。とすることにより、さ
らにＭＯＸ燃料棒の種類を減らしている。次に、図１に
て説明したように、取替バッチに占めるＭＯＸ燃料集合
体の数は、ウラン燃料集合体の数よりも少ないことから
炉心の大部分を占めるウラン燃料集合体に軸方向濃縮度
差をもうければ、炉心の出力分布を平坦化することがで
き、また、ＭＯＸ燃料集合体は、コントロールセルの隣
接並びに最外周から２層目の炉心低出力部にＭＯＸ燃料
集合体を配置することから、ＭＯＸ燃料集合体は軸方向
富化度分布を無くしても、熱的制限値を満足することが
できる。従って、図６に示すように、炉心の大部分を占
めるウラン燃料集合体２０に軸方向濃縮度があるので、
ＭＯＸ燃料集合体２１は軸方向富化度分布を一様とする
ことができる。

【００３８】図１０は、図５のＭＯＸ燃料集合体の具体
的富化度分布を示したものである。燃料棒は６種類で、
このうち１種類はガドリニア棒である。残り５種類の燃
料棒のうち、制御棒側（チャンネルファスナの対向側）
にある２種類の燃料棒はウラン棒として、ＭＯＸ燃料棒
の種類を減らし、また軸方向富化度分布も一様なため、
富化度種類も３種類にすることができ、また、ガドリニ
ア棒はＭＯＸを含まず、ウランのみを含むが、その数を
減らしていることと、またＭＯＸ富化度種類を減らすた
めに用いたコーナー部のウラン棒も数が少ないことか
ら、一体当りのプルトニウム装荷量をあまり減らすこと
なく、富化度分布が単純な燃体とすることができ、少数
の燃料集合体で集中的にプルトニウムを使用することが
でき、MOX燃料集合体の加工体数，輸送体数を減らすこ
とができる。

【００３９】なお、ここで述べた例では、第一の燃料集
合体がＭＯＸ燃料集合体の場合であったが、これ以外の
特殊な燃料集合体とすることも可能である。たとえば、
再処理により吸収されるウラン（回収ウランという）
は、その一例となる。

【００４０】回収ウラン中には、天然ウラン中には存在
しない²³⁶Ｕ等のウラン同位体が含まれるが、その娘核
種は高エネルギーのγ線源となるので加工時の被曝線量
が多少増加することが知られており、加工体数の低減
と、ペレット濃縮度分布の単純化は、ＭＯＸ燃料集合体
の場合と同じように重要な課題となる。

【００４１】この場合、回収ウラン燃料集合体も炉心で
の装荷量を少数に限定し、また、燃焼度も混在装荷する
ウラン燃料集合体より小さくすれば、回収ウラン燃料体
を第一の燃料体として濃縮度分布を単純化することも可
能である。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、ウラン燃料集合体より
も少ない数のＭＯＸ燃料集合体を炉心に装荷する原子炉
においてＭＯＸ燃料集合体の富化度分布を単純化でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である原子炉の炉心の
平面図である。

【図２】図１のウラン燃料集合体の横断面図である。

【図３】図１のＭＯＸ燃料集合体の横断面図である。

【図４】図２のウラン燃料集合体の燃料棒配置を示す説
明図である。

【図５】図３のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配置を示す説
明図である。

【図６】図２及び図３の各燃料集合体における軸方向の
核分裂性物質の濃度分布を示す説明図である。

【図７】燃料集合体の外観図である。

【図８】Ｄ格子炉心の説明図である。

【図９】ウラン燃料集合体及びＭＯＸ燃料集合体の無限
増倍率の変化を示す特性図である。

【図１０】図５のＭＯＸ燃料集合体の各燃料棒の富化度
及び濃縮度分布を示す特性図である。

【符号の説明】

４…上部タイプレート、５…チャンネルファスナ、８…
スペーサ、９…下部タイプレート、１３…チャンネルボ
ックス、１１…制御棒、１２…Ｄ型格子、１４…燃料
棒、２０…ウラン燃料集合体、２１…ＭＯＸ燃料集合
体、２２…燃料集合体上下端部の天然ウラン部、２３…
燃料集合体上部の高濃縮度部、２４…燃料集合体下部の
低濃縮度部、２５…燃料集合体頂部の低濃縮度部、２６
…ウラン燃料集合体用ガドリニア棒、２７…ＭＯＸ燃料
集合体用ガドリニア棒、４１〜５２…ウラン燃料集合体
用燃料棒、６１〜６６…ＭＯＸ燃料集合体用燃料棒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関根信雄茨城県日立市幸町三丁目２番１号日立エンジニアリング株式会社内 (72)発明者西村章茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭58−178286（ＪＰ，Ａ) 特開平３−251794（ＪＰ，Ａ) 特開平３−267795（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 5/18 G21C 5/00 G21C 5/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２種類の燃料集合体が同時に装
荷される原子炉の炉心において、第一の燃料集合体の炉
心装荷体数は第二の燃料集合体の炉心装荷体数よりも少
なく、かつ、第一の燃料集合体の取出平均燃焼度は、第
二の燃料集合体の取出平均燃焼度よりも小さく、第一の
燃料集合体を構成する燃料棒種類数は第二の燃料集合体
を構成する燃料棒種類数よりも少なく、前記第一の燃料
集合体が燃焼初期に核分裂性物質としてプルトニウム及
びウランを含むＭＯＸ燃料集合体で、前記第二の燃料集
合体が燃焼初期において核分裂物質としてウランを含み
プルトニウムを含まないウラン燃料集合体であることを
特徴とした原子炉の炉心。
【請求項２】少なくとも２種類の燃料集合体が同時に装
荷される原子炉炉心において、第一の燃料集合体の炉心
装荷体数は、第二の燃料集合体の炉心装荷体数よりも少
なく、かつ、第一の燃料集合体の取出平均燃焼度は、第
二の燃料集合体の取出平均燃焼度よりも小さくした上
で、第二の燃料集合体は軸方向濃縮度差を持ち、第一の
燃料集合体は、軸方向に一様な濃縮度分布並びに富化度
分布を持つことを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項３】少なくとも２種類の燃料集合体が同時に装
荷される原子炉炉心において、第一の燃料集合体の炉心
装荷体数は、第二の燃料集合体の炉心装荷体数よりも少
なく、かつ、第一の燃料集合体のガドリニア入り燃料棒
数は、第二の燃料集合体のガドリニア入り燃料棒数より
も少なく、前記第一の燃料集合体が燃焼初期に核分裂性
物質としてプルトニウム及びウランを含むＭＯＸ燃料集
合体で、前記第二の燃料集合体が燃焼初期において核分
裂物質としてウランを含みプルトニウムを含まないウラ
ン燃料集合体であることを特徴とした原子炉炉心。