JP4728250B2 - プルトニウム非含有濃縮ウランを含む加圧水型原子炉用の燃料集合体および該燃料集合体を備えた炉心 - Google Patents

Description

本発明は、加圧水型原子炉用の燃料集合体に関し、実質的に規則的な格子のノードに燃料棒が配置され、その外側輪郭が多角形になっているタイプの加圧水型原子炉用の燃料集合体であって、燃料棒は、同位元素２３５の濃縮されたウランを含み、集合体が原子炉内にて使用される前には、全くプルトニウムを含んでいないような上記燃料集合体に関する。
従って、本発明による燃料集合体は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）ではなく、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）で用いられることを意図していて、燃料としては同位元素２３５を濃縮したウランを使用する。

これらの燃料集合体は、それらの燃料について、一般にＵＯ₂の燃料集合体を用いる。
ＵＯ₂という用語は、ＭＯx燃料集合体と通称されるウランとプルトニウム酸化物を含む燃料集合体に対して、これとは対照的に用いられる。
このタイプのＭＯxの燃料集合体においては、ＵＯ₂の燃料集合体を再処理したことによって生じたプルトニウムを再使用することができる。文献ＦＲ−２ ６９３ ０２３号は、このタイプのＭＯx燃料集合体について記述している。ＵＯ₂の燃料集合体とＭＯxの燃料集合体とでは異なった中性子の振る舞いを示す。同一の原子炉内において、ＭＯxとＵＯ₂との燃料集合体をかかわりなく同時に燃焼できるように、前記文献では、異なるプルトニウム含有量をもつ燃料棒をＭＯx燃料集合体の中で用いることを提案している。従って、このために“領域式”のＭＯx燃料集合体が用いられ、というのは、燃料集合体は、異なったプルトニウム含有量をもった燃料棒の領域から構成されているためである。

前述の如く、本発明はＭＯx燃料集合体に関するものではなく、ＵＯ₂燃料集合体に適用されるものであって、このタイプは領域式の配置をもつものではなく、同位元素２３５は均一に濃縮されている。例えばＥＰ−７９９ ４８４号が開示しているＵＯ₂燃料集合体においては、２〜３の燃料棒は隔離されて、ガドリウムで汚染され、隣接する燃料棒に比べて低いレベルのウラン２３５で濃縮されているのは、事実である。しかしながら、これらは厳密な意味においては領域式の燃料集合体ではない。

従来、ＵＯ₂燃料集合体は、略正方形のベースをもった規則的な格子のノードに燃料棒を保持するようなスケルトンを備えている。スケルトンは、下端と、上端と、燃料棒を保持する格子を２つの端部に結合させる案内管とを備えている。
加圧水型原子炉の炉心の内部においては、ＵＯ₂燃料集合体は、横並びにされて、横方向には２mmのオーダーのわずかな隙間が設けられる。この隙間があるために、とりわけ、炉心を装荷及び除荷する作業に際して、燃料集合体を上昇又は下降させることができる。
冷却・減速水は、かかる隙間の結果、該位置に水の層を形成するように、このギャップを流れる。
このタイプの燃料集合体の高さは大きくて、最大３〜４ｍに達する。製造公差のために、水の層の実際の厚みは、少なくとも局所的には、公称値である２mmとは異なる。
さらに、原子炉に配置された燃料集合体は、理論的には照射によって変形し、結果的にＣ、Ｓ、又はＷ字形の形状になる。
このタイプの変形は多くの問題点を生じさせる。運転中には、かかる変形のために、原子炉の案内管に、制御・停止ロッドのクラスタを挿入することが困難になる。
取扱い中には、これらの変形によって、例えば原子炉の炉心に装荷する作業中に、燃料集合体が互いに引っかかるリスクが高まる。
従って、ＵＯ₂燃料集合体の実際の挙動は、少なくとも機械的な観点において、望ましい挙動とは異なることになる。

ＦＲ−２ ６９３ ０２３号 ＥＰ−７９９ ４８４号

本発明の目的は上述した課題を解決することであって、リスクを軽減でき、機械的な観点からは、望ましい挙動とは異なった集合体の挙動を軽減できるような、上述したタイプの燃料集合体を提供する。

このために、本発明は上述したタイプの燃料集合体であって、燃料棒の配置状態が少なくとも、
・第１レベルの反応度を有している燃料棒によって構成された、第１の中央群と、
・第１レベルの反応度に比べて厳格に低い反応度のレベルを有する、外側周縁層の燃料棒と、
から構成されている。
特定の実施形態によれば、燃料集合体は以下の１又は複数の特徴を単独で、または、技術的に可能なあらゆる組み合わせにおいて備えることができ：
周縁層の燃料棒の配列が、
・格子の外側輪郭をなす面に沿って延在している第２群の燃料棒であって、第１レベルの反応度に比べて厳密に低いレベルである第２レベルの反応度を有するような第２群の燃料棒と、
・格子の外側輪郭における角部に配置された第３群の燃料棒であって、第２レベルの反応度に比べて厳密に低いレベルである第３レベルの反応度を有するような第３群の燃料棒と、
から構成される。

・燃料棒の格子の外側輪郭をなす各面において、第２群は、ひとつの角部から関心のある他方の面へと延び、第３群は、燃料棒の格子の外側輪郭における角部に配置された燃料棒だけから構成されていることを特徴とする。
・様々な群の燃料棒において、異なったレベルの反応度を得るために、燃料棒に含まれるウラン２３５の質量を相違させる。
・様々な群の燃料棒において、異なったレベルの反応度を得るために、燃料棒におけるウラン２３５の濃縮度合いのレベルを相違させる。
・第１群の燃料棒は、ウラン２３５について第１レベルの濃縮度ｅ１を有しており、
・第２群の燃料棒は、ウラン２３５について第２レベルの濃縮度ｅ２を有していて、該レベルは、第１レベルの濃縮度ｅ１に比べて厳密に低くなっており、
・第３群の燃料棒は、ウラン２３５について第３レベルの濃縮度ｅ３を有していて、該レベルは、第２レベルの濃縮度ｅ２に比べて厳密に低くなっていること。
・第２レベルの濃縮度ｅ２は、ｅ１−０．８％〜ｅ１−０．２％の範囲にあること。
・第３レベルの濃縮度ｅ３は、ｅ１−１．８％〜ｅ１−０．６％の範囲にあること。
・第１レベルの濃縮度ｅ１は、３％〜６％の範囲にあること。
また、本発明は原子炉の炉心にも関し、それは上述した燃料集合体を備えていることによって特徴付けられる。
本発明については、純粋に例示に過ぎない、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことで明らかになるだろう。

図１は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉心１のうち１／４の部分を示している。従って、この原子炉は、加圧水によって冷却され、減速される。従来より、炉心１は縦横対称になっているので、対称軸を破線にて示している。
炉心１は、燃料集合体３を備え、燃料集合体は互いに横に並べられ、側部には隙間が設けられている。その結果燃料集合体３の間は、ギャップが設けられ、冷却・減速水によって満たされている。従って、燃料集合体３は、水の層５によって横に区切られ、水の層は燃料集合体３の全高にわたる。
代表的には、これらの水の層５の公称厚みは２mmである。

燃料集合体３、ＵＯ₂の燃料集合体であって、核燃料として、同位元素２３５のウランが濃縮されている。従って、燃料集合体３は、炉心１の内部で使用される前には、まったくプルトニウムを含んでいない。
燃料集合体３の一般的な構造は在来のものであるから、詳しくは説明しない。各燃料集合体３は、燃料棒と、これらの燃料棒を、実質的に規則的な格子のノードで支持し保持するスケルトンから構成されていることに留意されたい。
図２の例において、規則的な格子は、正方形ベースと正方形の外部輪郭とを有している。
スケルトンは、下端と、上端と、案内管６とを備え、案内管は２つの端部を結合すると共に、炉心の運転状態を制御すべく制御棒クラスタの制御棒を受け入れる。
スケルトンはさらに、規則的な格子のノードに、燃料棒を保持するための格子７を備える。これらの格子７は従来より、連結板の組を備えていて、これらが共にセル９を区画して、セルは規則的な格子のノードに中心を合わせられる。それぞれのセル９は、燃料棒か、案内管６かを受け入れるもので、中央のセル９はそれ自体、計装管１１を受け入れる。

図２の例においては、保持格子７は、各辺について１７個のセル９を備えている。従って、格子の外側輪郭は、１７個の側部セルからなる正方形になっている。変形例としては、セル９の数を変更して、例えば１４×１４や１５×１５としても良い。
燃料棒は３つの群に分配され、すなわち、
・第１の中心群であって、図２では空白になっているセル９を占拠するもの。
・第２の群としての側部燃料棒であって、図２では十字をマークしているセル９を占拠するもの。
・第３の群としての角部燃料棒であって、図２ではハッチングしているセル９を占拠するもの。
図示の例においては、第１の群は２００本の燃料棒を備える。この第１の群は、周縁の燃料棒の層１３を除けば、格子の全体を占拠する。
従って、この第１の群は、側部セルが１５個である正方形に対応し、案内管６と計装管１１とによって占拠される２５個のセル９を含む。
この第１の群の燃料棒は、核燃料として、第１レベルの濃縮度ｅ１にまで同位元素２３５で濃縮されたウランを含む。第１レベルの濃縮度ｅ１は、およそ４．１１％である。この濃縮度は、同位元素Ｕ235の質量比と、核燃料中に存在するウランの合計量とによって定められる。
第２の群の燃料棒は、６０本の燃料棒からなり、これらは、周縁層１３の４つの面１５に分配されている。

より詳しくは、燃料棒の格子におけるそれぞれの外面１５については、１５本の燃料棒は、外面１５において第２の群に属する２本の角部燃料棒の間に配置されることになる。
第２の群の燃料棒は、核燃料として、同位元素２３５を第２レベルｅ２にまで濃縮されたウランを含む。ウラン２３５についての、かかる第２レベルの濃縮度ｅ２は、およそ３．７％である。
第３の群は、４本のロッドから構成され、格子をなす燃料棒の外側角部を占拠するもので、すなわち、周縁層１３の角部を構成する。第３群の核燃料の燃料棒については、その第３レベルの濃縮度ｅ３はおよそ２．８％である。
従って、周縁層１３における各面１５は、少なくともそれらの両端に、第３群の燃料棒を備え、残余については、第２群の燃料棒を備える。格子における残余の部分は、第１群の燃料棒によって占拠される。燃料集合体３の周縁にわたって連続的に延在する周縁層１３の燃料棒は、燃料集合体の中心部における燃料棒の濃縮度に比べて低い濃縮度になっている。

第１、第２、第３群に属する燃料棒は、同じ形状をもっているけれども、同位元素２３５の濃縮の度合いが異なっていて、このため、異なった質量の同位元素２３５を含んでいる。
その結果、燃料集合体３は、使用前にあっては、“領域式”の構造になっていて、角部の燃料棒は低レベルの反応度をもち、角部の間の外面１５に沿って配置されて燃料棒は中間的なレベルの反応度をもち、格子に配置されるその他の燃料棒は高いレベルの反応度をもつ。
このタイプの領域式の配置によれば、たとえ燃料集合体３の実際の幾何学形状がその公称の幾何学形状に対して異なっていたとしても、燃料集合体３において満足すべき個々の中性子挙動が確保される。

図３Ａは、従来技術による、つまりすべての燃料棒を均一に濃縮した場合における、同位元素２３５が濃縮されたウランの燃料集合体について、線出力の分布を示している。関心のある燃料集合体を取り囲む水の層５の厚みは、均一で２mm、すなわち公称値であると仮定している。Ｙ軸上の出力値は、燃料集合体の平均線出力に基づいて、標準化されていることに留意されたい。この出力分布は、１５０ＭＷｊ／ｔの減少率であるとして計算したもので、“キセノン平衡期間の開始”と称される、燃料集合体の運転サイクルの期間に対応している。これは、出力分布が最も不均一であると思われる時刻である。

図３の事例においては、出力分布は均一で、燃料集合体の最大線出力と燃料集合体の平均線出力との比率に対応する、形状係数はおよそ１．０５３である。形状係数値がおよそ１であることは、出力分布が均一で満足できることを確認している。
図３Ｂは、図２に示した燃料集合体３についてのチャートである。図示の通り、第３群、つまり燃料集合体の角部にある燃料棒の線出力は、第３群の燃料棒の反応度が低いことから、中央にある第１群の線出力に比べてはるかに低くなっている。同様に、燃料集合体３の外面１５に沿って配置された第２群の燃料棒について、これによって提供される線出力は、第１群つまり燃料集合体３の中央にある燃料棒と、角部にある第３群の燃料棒との間の線出力になっている。

従って、形状係数はおよそ１．０６８である。従って、従来技術に比べて、若干大きくなっている。しかしながら、出力係数の値は許容できるものであり、図２に示した燃料集合体３は原子炉において用いるのに完全に適している。
図４Ａ及び図４Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに対応するもので、水の層５が７mmの均一な厚みになっている。
図示の如く、従来技術（図４Ａ）においては、形状係数は著しく大きくなって、その値は１．１８６に達している。従って、出力分布は極めて不均一であって、これは原子炉の炉心において防がなければならない。
この事実を後天的に説明すれば、層５の領域にある水の厚みが大きいので、中性子をより大きな程度遅らせて、側部にある燃料棒及び角部にある燃料棒は、より強く熱中性子に暴露され、核分裂が大きくなることができて、もって出力を発生させる。

図４Ｂに示すように、図２に示した燃料集合体３の領域式の配置によれば、燃料集合体３における角部と外面１５において、線出力が減少して、はるかに均一な分布を達成している。従って、形状係数の値は１．０７８になって、これは完全に満足できる値である。
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、同一の現象は、水の層５の均一な厚みが例えば１２mmと大きい場合にも見受けられる。従来技術による燃料集合体の場合には、形状係数はおよそ１．３４２であったが、図２に示した燃料集合体３の場合には、およそ１．１８１になっている。

従って、図２に示した燃料集合体３の構造を採用するならば、たとえ局所的に、水の層５が公称値から逸脱した厚みになっていても、出力分布をより均一に確保でき、水の層５の厚みが公称値に対応するならば、全体的には著しくこの分布を害することがない。
従って、図２に示した燃料集合体３によれば、燃料集合体についての機械的な変形や、その製造公差がもつであろう、中性子に関する結果を減少させる。
ある種の事例においては、燃料集合体３は、特に第１群の燃料棒が、ガドリニウムなどの中性子毒を含んでいる。それらの燃料棒においては、同位元素２３５の濃縮が、同じ群に属する他の燃料棒以下になっている。

図６に示した変形例においては、第３群は、４本の角部の燃料棒に加えて、周縁層１３と接するような、８本の燃料棒から構成されている。この結果、第３群のロッドは１２本の燃料棒から構成される。
しかしながら、この変形例はあまり有利ではないことが見い出されたもので、というのは、水の層の厚みが公称厚みに等しい場合、出力分布をかなり害するためである。
好ましい変形例においては、第２レベルの濃縮度ｅ２はｅ１−０．８％〜ｅ１−０．２％であり、第３レベルの濃縮度ｅ３はｅ１−１．８％〜ｅ１−０．６％の範囲である。
第１レベルの濃縮度は好ましくは３％〜６％の範囲である。
また、ひとつの変形例として、第２群と第３群を、同一レベルの同位元素２３５で濃縮された燃料棒から構成しても良い。すなわち、ｅ２とｅ３とを等しくする。従って、低レベルの反応度レベルの燃料棒が、周縁層１３の全周を占拠し、燃料集合体３の周辺に連続して延在する群を形成する。
さらに別の変形例として、様々な群の燃料棒における反応度のレベルを変化させるためには、同位元素２３５の濃縮度のレベルを変える代わりに、燃料棒の直径を変化させるようにしても、異なる群における燃料棒の同位元素２３５の質量を異ならせることができる。

従って、第１群の燃料棒は第１の直径を有し、第２群の燃料棒は第１の直径に比べて厳密に小さい第２の直径を有し、第３群の燃料棒は第２の直径以下である第３の直径を有するようにする。従って、第１、第２、第３の群の燃料棒に含まれる同位元素２３５の質量は、反応度と共に、少なくなっていく。
より一般的には、正方形以外の多角形の外側輪郭を有しているような格子を形成すべく、燃料棒は燃料集合体の内部に配置することができる。

図１は、本発明による原子炉の炉心のうち１／４の部分を示した模式的な平面図である。 図２は、図１の炉心に含まれる燃料集合体のひとつについて、燃料棒の分配状態を示した模式的な平面図である。 図３Ａは、従来技術による燃料集合体と、図２に示した燃料集合体とのそれぞれについて、水の層の厚みが２mmであるときの、出力分布を示したチャート図である。 図３Ｂは、従来技術による燃料集合体と、図２に示した燃料集合体とのそれぞれについて、水の層の厚みが２mmであるときの、出力分布を示したチャート図である。 図４Ａは、水の層の厚みが７mmの場合について、図３Ａ及び図３Ｂと同様に示した図である。 図４Ｂは、水の層の厚みが７mmの場合について、図３Ａ及び図３Ｂと同様に示した図である。 図５Ａは、水の層の厚みが１２mmの場合について、図３Ａ及び図３Ｂと同様に示した図である。 図５Ｂは、水の層の厚みが１２mmの場合について、図３Ａ及び図３Ｂと同様に示した図である。 図６は、本発明の変形例について、図２と同様に示した図である。

Claims (8)

1. 実質的に規則的な格子のノードに燃料棒が配置され、その外側輪郭が多角形になっているタイプの加圧水型原子炉用の燃料集合体（３）であって、燃料棒は、同位元素２３５の濃縮されたウランを含み、集合体が原子炉内にて使用される前には、全くプルトニウムを含んでいないような上記燃料集合体であって、
   燃料集合体のほぼ中央に位置し、ウラン２３５の第１レベルの濃縮度ｅ１を有している燃料棒を備えた第１群の燃料棒と、
   この第１群の燃料棒よりも外側に位置する外側周縁層（１３）の燃料棒と、を有し、
   前記外側周縁層（１３）の燃料棒は、前記格子の外側輪郭をなす面（１５）に沿って延在している第２群の燃料棒であって、前記第１レベルの濃縮度ｅ１よりも低いウラン２３５の第２レベルの濃縮度ｅ２を有する前記第２群の燃料棒と、前記格子の外側輪郭における角部に配置された第３群の燃料棒であって、前記第２レベルの濃縮度ｅ２よりも低いウラン２３５の第３レベルの濃縮度ｅ３を有する前記第３群の燃料棒と、を備えていることを特徴とする燃料集合体。
2. 前記第１群の燃料棒は、更に、中性子毒物を含有する請求項１に記載の燃料集合体。
3. 燃料棒の格子の外側輪郭をなす各面（１５）において、前記第２群の燃料棒は、前記面（１５）の一方の角部から他方の角部へと延び、前記第３群の燃料棒は、燃料棒の格子の外側輪郭における角部に配置された燃料棒だけから構成されている請求項１又は２に記載の燃料集合体。
4. 第２レベルの濃縮度ｅ２は、ｅ１−０．８％〜ｅ１−０．２％の範囲にある請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料集合体。
5. 第３レベルの濃縮度ｅ３は、ｅ１−１．８％〜ｅ１−０．６％の範囲にある請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料集合体。
6. 第１レベルの濃縮度ｅ１は、３％〜６％の範囲にある請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料集合体。
7. 燃料棒の格子（３）は、正方形である外側輪郭を有していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料集合体。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の燃料集合体（３）を備えていることを特徴とする原子炉の炉心。

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