JP5112265B2 - Fuel assembly, manufacturing method thereof, and uranium powder - Google Patents

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Description

本発明は、原子炉に装荷される燃料集合体、その製造方法およびウラン粉末に関する。   The present invention relates to a fuel assembly loaded in a nuclear reactor, a manufacturing method thereof, and uranium powder.

原子力発電プラントの出力の増加や運転サイクルの長期化を実現し、かつ使用済み燃料集合体の発生数を抑制して経済性の向上を図るためには、燃料のウラン濃縮度を高めることが望ましい。ウランの高濃縮度化、すなわち、ウラン中での235Uの濃度を高めることは、同じ発電量を得るために必要な新燃料集合体の取替体数と使用済燃料集合体発生量を低減し、燃料サイクルコストの低減に大きく貢献する。   It is desirable to increase the enrichment of uranium in the fuel in order to increase the output of the nuclear power plant and extend the operating cycle, and to improve the economy by suppressing the number of spent fuel assemblies. . Increasing uranium enrichment, that is, increasing the concentration of 235U in uranium, reduces the number of new fuel assembly replacements and the amount of spent fuel assemblies required to obtain the same amount of power generation. , Greatly contribute to reducing fuel cycle costs.

しかし、商業規模で実用化されている軽水炉用燃料集合体加工施設は、一般的に、ウラン濃縮度が5%を上限として、臨界安全性を確保できるように設計されている。このような施設の安全審査は「ウラン加工施設安全審査指針」に基づいて行われ、臨界安全性を確保できていることなどが審査によって確かめられて、その施設の設置が許可されることになる。一方、濃縮度が5%を越えるウランを取り扱う施設は、「特定のウラン加工施設のための安全審査指針」に基づいて、より厳格な規制を受けている。   However, light water reactor fuel assembly processing facilities put to practical use on a commercial scale are generally designed to ensure criticality safety with uranium enrichment as an upper limit of 5%. Safety reviews of such facilities are conducted based on the “Uranium Processing Facility Safety Review Guidelines”, and it is confirmed by the review that critical safety has been secured, and the installation of the facility is permitted. . On the other hand, facilities that handle uranium with an enrichment level exceeding 5% are subject to stricter regulations based on the “Safety Review Guidelines for Specific Uranium Processing Facilities”.

したがって、濃縮度が5%を超えるウランを用いた燃料集合体を原子炉に用いるためには、臨界管理の観点から、加工施設の大幅な設計変更や設備改造が必要になり、コストが上昇する可能性がある。また、濃縮度が5%を超えるウランを用いた場合には、新燃料輸送、新燃料貯蔵の各工程においても設計変更、設備改造などが必要になり、コストが上昇する可能性がある。そうすると、原子炉燃料の濃縮度上昇による燃料サイクルコスト低減効果が相殺される可能性がある。
特開2004−177241号公報 特開平4−212093号公報 科学技術庁原子力安全局核燃料規制課編、「臨界安全ハンドブック」、1988年10月31日、にっかん書房発行
Therefore, in order to use a fuel assembly using uranium with an enrichment exceeding 5% in a nuclear reactor, from the viewpoint of criticality management, it is necessary to make a major design change and modification of the processing facility, which increases costs. there is a possibility. In addition, when uranium with an enrichment level exceeding 5% is used, design changes and facility modifications are required in each process of new fuel transportation and new fuel storage, which may increase costs. In this case, the fuel cycle cost reduction effect due to the increase in the concentration of the reactor fuel may be offset.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-177241 Japanese Patent Laid-Open No. 4-212093 Published by Nikkan Shobo, October 31, 1988, "Critical Safety Handbook" edited by Nuclear Safety Regulation Division, Nuclear Safety Bureau, Science and Technology Agency

ウランの濃縮度が5wt%を超える原子炉燃料を採用するためには、臨界管理の観点から各工程における設計変更、設備改造などに伴ってコストが増大し、原子炉燃料の濃縮度上昇による燃料サイクルコスト低減効果が相殺される可能性がある。このため、これに対応する対策が必要となる。なお、ウラン濃縮度5wt%超の原子炉燃料を採用するにあたり、商用軽水炉用燃料のウラン濃縮度の上限は10wt%程度が実用的である。   In order to adopt a reactor fuel with an enrichment of uranium exceeding 5 wt%, the cost increases with design changes and facility modifications in each process from the viewpoint of criticality control, and the fuel due to the increase in the enrichment of reactor fuel. The cycle cost reduction effect may be offset. For this reason, measures corresponding to this are required. In adopting a reactor fuel having a uranium enrichment of more than 5 wt%, it is practical that the upper limit of the uranium enrichment of commercial light water reactor fuel is about 10 wt%.

ウランの濃縮度が5wt%を超える原子燃料を、現行の加工施設などで取り扱うためには、ウランに中性子吸収断面積が大きな物質を添加するなどして、その混合物の中性子増倍率を濃縮度が5%以下のウランと同等にする方法がある。中性子吸収断面積が大きな物質を用いて燃料の中性子増倍率を小さくする場合、その中性子吸収効果が運転サイクル中の炉心の中性子挙動に与える影響をできるだけ小さくするために用いる量はできるだけ少ないほうが好ましい。   In order to handle nuclear fuel with uranium enrichment exceeding 5 wt% at the current processing facility, the neutron multiplication factor of the mixture is increased by adding a substance with a large neutron absorption cross section to uranium. There is a method to make it equal to 5% or less of uranium. When using a substance having a large neutron absorption cross section to reduce the neutron multiplication factor of the fuel, it is preferable that the amount used to minimize the influence of the neutron absorption effect on the neutron behavior of the core during the operation cycle is as small as possible.

中性子吸収断面積が大きな物質としては、現在、運転サイクル中の反応度を制御することなどを目的として用いられているガドリニウム(Gd)が挙げられる。ガドリニウムは、中性子吸収断面積が非常に大きいため、微量でも燃料の中性子増倍率を小さくすることができる。しかし、微量のガドリニア(Gd)をウランに添加する場合、二酸化ウランとの混合粉末、あるいは、焼結されたペレットの状態において、ガドリニアの濃度分布が不均一になると、中性子増倍率の抑制効果を発揮できないおそれがある。一方、このような不均一性に起因した中性子増倍率抑制効果の低減を補うために中性子吸収断面積が大きな物質の濃度を高めると、運転サイクル中の反応度が低下し、燃料サイクルコストが増加する可能性がある。 Examples of the material having a large neutron absorption cross section include gadolinium (Gd), which is currently used for the purpose of controlling the reactivity during the operation cycle. Since gadolinium has a very large neutron absorption cross section, the neutron multiplication factor of the fuel can be reduced even with a small amount. However, when a small amount of gadolinia (Gd 2 O 3 ) is added to uranium, if the concentration distribution of gadolinia becomes non-uniform in the mixed powder with uranium dioxide or sintered pellets, There is a possibility that the suppression effect cannot be exhibited. On the other hand, if the concentration of a substance with a large neutron absorption cross section is increased to compensate for the reduction in the effect of suppressing the neutron multiplication factor due to such inhomogeneities, the reactivity during the operation cycle decreases and the fuel cycle cost increases. there's a possibility that.

特許文献1には、ガドリニア(Gd)よりも中性子吸収断面積が小さい、酸化エルビウム(Er)をUOペレットに微量だけ添加することによって臨界安全性を確保する方法が開示されている。また、特許文献2で開示されている、ボロン(B)などをUOペレット表面や燃料被覆管の内側に塗布する方法によっても、臨界安全性を確保することができる。 Patent Document 1 discloses a method for ensuring critical safety by adding a small amount of erbium oxide (Er 2 O 3 ) having a smaller neutron absorption cross-section than gadolinia (Gd 2 O 3 ) to UO 2 pellets. Has been. Also, critical safety can be ensured by a method of applying boron (B) or the like disclosed in Patent Document 2 to the surface of the UO 2 pellet or the inside of the fuel cladding tube.

しかし、室温(0.025eV)における熱中性子吸収断面積は、Er−167で約640バーン、B−10で約3,840バーンであり、Gdの同位体であるGd−157で254,080バーンと比べてはるかに小さい。このため、エルビウムやボロンを原子燃料に用いた場合、それらの可燃性毒物の濃度によっては運転サイクルの末期において可燃性毒物が残留して炉心の反応度損失が発生する可能性がある。運転サイクル末期に可燃性毒物が残留している場合、ウランの高濃縮度化による燃料サイクルのコスト低減効果を発揮することが困難となる。   However, the thermal neutron absorption cross section at room temperature (0.025 eV) is about 640 burns with Er-167, about 3,840 burns with B-10, and 254,080 burns with Gd-157, the isotope of Gd. Much smaller than For this reason, when erbium or boron is used as nuclear fuel, depending on the concentration of the flammable poisons, there is a possibility that the flammable poisons remain at the end of the operation cycle and the reactivity loss of the core occurs. When flammable poisons remain at the end of the operation cycle, it becomes difficult to exert the cost reduction effect of the fuel cycle due to the high enrichment of uranium.

そこで、本発明は、原子燃料に濃縮度が5wt%を超えるウランを用いる場合に、大幅なコスト上昇なしに臨界管理できるようにすることを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to enable criticality management without significant cost increase when uranium having a enrichment of more than 5 wt% is used for nuclear fuel.

上述の目的を達成するため、本発明は、燃料要素を有する燃料集合体であって、前記燃料要素は、ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A1−XGd2−0.5Xまたは化学式A1−XGd1.5で表わされるGd複合酸化物および5%を超えて10%以下の濃縮度のウランの酸化物を含有し、前記ガドリニウムの含有割合は前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算して前記ウランの前記濃縮度の5wt%からの増分に61×10 −4 を乗じた下限値以上であり0.1%未満である、ことを特徴とする。
また、本発明は、燃料要素を有する燃料集合体であって、前記燃料要素は、ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A 1−X Gd 2−0.5X または化学式A 1−X Gd 1.5 で表わされるGd複合酸化物および5%を超える濃縮度のウランの酸化物を含有し、前記希土類元素Aはランタンおよびセリウムのいずれかであって、前記ウランの酸化物と前記Gd複合酸化物との総和に対する前記Gd複合酸化物の割合は0.1wt%以上0.3wt%以下であって、前記Gd複合酸化物中のガドリニウムの割合は5wt%以上33wt%以下である、ことを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a fuel assembly having a fuel element, wherein the fuel element has a chemical formula A 1-X Gd X O 2-0 with gadolinium and a rare earth element A excluding gadolinium . 5X or a Gd composite oxide represented by the chemical formula A 1-X Gd X O 1.5 and a uranium oxide having a concentration of more than 5% but not more than 10% , and the content ratio of gadolinium is the Gd composite Converted to the case where gadolinium in the oxide is present as a single oxide, it is equal to or higher than the lower limit obtained by multiplying an increment from 5 wt% of the enrichment of the uranium by 61 × 10 −4 and less than 0.1%. It is characterized by that.
Further, the present invention provides a fuel assembly having a fuel element, the fuel element has the formula A 1-X Gd and rare earth element A, except for gadolinium and gadolinium X O 2-0.5X or formula A 1- Containing a Gd composite oxide represented by X Gd X O 1.5 and an oxide of uranium with a concentration exceeding 5%, wherein the rare earth element A is either lanthanum or cerium, and the oxide of uranium The ratio of the Gd composite oxide to the total of the Gd composite oxide is 0.1 wt% or more and 0.3 wt% or less, and the ratio of gadolinium in the Gd composite oxide is 5 wt% or more and 33 wt% or less. It is characterized by that.

また、本発明に係る燃料集合体の製造方法は、5%を超えて10%以下の濃縮度のウランの酸化物と、ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A 1−X Gd 2−0.5X または化学式A 1−X Gd 1.5 で表わされて、前記ガドリニウムの含有割合は前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算して前記ウランの前記濃縮度の5wt%からの増分に61×10 −4 を乗じた下限値以上であり0.1%未満であるGd複合酸化物とを、混合する工程を有することを特徴とする。
また、本発明に係る燃料集合体の製造方法は、ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A 1−X Gd 2−0.5X または化学式A 1−X Gd 1.5 で表わされて、前記希土類元素Aはランタンおよびセリウムのいずれかであって前記ウランの酸化物との総和に対する割合が0.1wt%以上0.3wt%以下であって5wt%以上33wt%以下の割合のガドリニウムを含むGd複合酸化物と、5%を超える濃縮度のウランの酸化物とを、混合する工程を有することを特徴とする。
In addition, the fuel assembly manufacturing method according to the present invention has a chemical formula A 1-X Gd X O of uranium oxide having a concentration of more than 5% and not more than 10% and rare earth element A excluding gadolinium and gadolinium. 2-0.5X or the chemical formula A 1-X Gd X O 1.5 , and the content ratio of gadolinium is calculated when gadolinium in the Gd composite oxide is present as a single oxide. A step of mixing a Gd composite oxide which is equal to or higher than a lower limit value obtained by multiplying an increment from 5 wt% of the enrichment of the uranium by 61 × 10 −4 and less than 0.1%. .
A method of manufacturing a fuel assembly according to the present invention, the chemical formula A 1-X Gd X O 2-0.5X or Formula A 1-X Gd X O 1.5 of a rare earth element A, except for gadolinium and gadolinium The rare earth element A is either lanthanum or cerium, and the ratio of the uranium oxide to the sum of the uranium oxide is 0.1 wt% or more and 0.3 wt% or less, and 5 wt% or more and 33 wt% or less. It is characterized by comprising a step of mixing a Gd composite oxide containing a proportion of gadolinium and a uranium oxide having a concentration exceeding 5%.

また、本発明に係るウラン粉末は、ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A1−XGd2−0.5Xまたは化学式A1−XGd1.5で表わされるGd複合酸化物および5%を超えて10%以下の濃縮度のウランの酸化物を含有し、前記ガドリニウムの含有割合は前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算して前記ウランの前記濃縮度の5wt%からの増分に61×10 −4 を乗じた下限値以上であり0.1%未満である、ことを特徴とする。
また、本発明に係るウラン粉末は、ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A 1−X Gd 2−0.5X または化学式A 1−X Gd 1.5 で表わされるGd複合酸化物および5%を超える濃縮度のウランの酸化物を含有し、前記希土類元素Aはランタンおよびセリウムのいずれかであって、前記ウランの酸化物と前記Gd複合酸化物との総和に対する前記Gd複合酸化物の割合は0.1wt%以上0.3wt%以下であって、前記Gd複合酸化物中のガドリニウムの割合は5wt%以上33wt%以下である、ことを特徴とする。
Moreover, uranium powder according to the present invention, Gd complex represented by the chemical formula A 1-X Gd X O 2-0.5X or Formula A 1-X Gd X O 1.5 of a rare earth element A, except for gadolinium and gadolinium beyond oxide and 5% containing an oxide of less than 10% enrichment of uranium, the content of the gadolinium in terms when gadolinium in the Gd compound oxide exists as an oxide alone It is not less than the lower limit obtained by multiplying the increment from 5 wt% of the enrichment of the uranium by 61 × 10 −4 and less than 0.1% .
Further, the uranium powder according to the present invention is a Gd compound represented by the chemical formula A 1-X Gd X O 2-0.5X or the chemical formula A 1-X Gd X O 1.5 with rare earth element A excluding gadolinium and gadolinium. The rare earth element A is either lanthanum or cerium, and the Gd with respect to the sum of the uranium oxide and the Gd composite oxide. The ratio of the composite oxide is 0.1 wt% or more and 0.3 wt% or less, and the ratio of gadolinium in the Gd composite oxide is 5 wt% or more and 33 wt% or less.

本発明によれば、原子燃料に濃縮度が5wt%を超えるウランを用いる場合に、大幅なコスト上昇なしに臨界管理できる。   According to the present invention, when uranium having a concentration of more than 5 wt% is used for nuclear fuel, criticality management can be performed without a significant cost increase.

本発明に係る燃料集合体の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   An embodiment of a fuel assembly according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

[第1の実施の形態]
図2は、本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態に用いる燃料棒の縦断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the fuel rod used in the first embodiment of the fuel assembly according to the present invention.

本実施の形態における燃料棒は、被覆管21と、ペレット23と、下部端栓22と、上部端栓25と、プレナムスプリング24とを有している。被覆管21は、ジルコニウム合金で円筒に形成された管である。ペレット23は、ウランの酸化物などをたとえば高さが1cm程度の円柱状に焼き固めたものである。被覆管21の内部には、複数のペレット23が収納される。被覆管21の下端には、下部端栓22が溶接されている。被覆管21の上端には、上部端栓25が溶接されている。上部端栓25とペレット23の端面との間には、プレナムスプリング24が配置され、ペレット23が押圧支持されている。   The fuel rod in the present embodiment has a cladding tube 21, a pellet 23, a lower end plug 22, an upper end plug 25, and a plenum spring 24. The cladding tube 21 is a tube formed of a zirconium alloy into a cylinder. The pellet 23 is obtained by baking and hardening a uranium oxide or the like into a cylindrical shape having a height of about 1 cm, for example. A plurality of pellets 23 are accommodated inside the cladding tube 21. A lower end plug 22 is welded to the lower end of the cladding tube 21. An upper end plug 25 is welded to the upper end of the cladding tube 21. A plenum spring 24 is disposed between the upper end plug 25 and the end face of the pellet 23, and the pellet 23 is pressed and supported.

図1は、本実施の形態の燃料集合体の横断面図である。図1には、この燃料集合体を原子炉に装荷した場合の制御棒40との位置関係をあわせて示した。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the fuel assembly of the present embodiment. FIG. 1 also shows the positional relationship with the control rod 40 when this fuel assembly is loaded in a nuclear reactor.

本実施の形態の燃料集合体10は、チャンネルボックス41を装着された状態で沸騰水型原子炉(BWR)に装荷される。燃料集合体10は、燃料棒13,14,15,16,17,18,19とウォータロッド11とを有している。ウォータロッド11は、内部に水が流れるようにたとえばジルコニウム合金で形成された管である。この燃料集合体10は、運転サイクルは2年で、取出平均燃焼度70GWd/t程度を想定した、平均ウラン濃縮度が約6.2wt%の取替用燃料集合体の設計例である。   The fuel assembly 10 of the present embodiment is loaded into a boiling water reactor (BWR) with the channel box 41 attached. The fuel assembly 10 includes fuel rods 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 and a water rod 11. The water rod 11 is a tube formed of, for example, a zirconium alloy so that water flows inside. This fuel assembly 10 is a design example of a replacement fuel assembly with an average uranium enrichment of about 6.2 wt%, assuming an operation cycle of 2 years and an average removal burnup of about 70 GWd / t.

74本の燃料棒13,14,15,16,17,18,19と2本のウォータロッド11とは、たとえば9行9列の正方格子状に束ねられている。2本のウォータロッド11は、燃料集合体10の横断面の中央付近に、正方格子の7箇所を占める位置に配置される。燃料要素である74本の燃料棒13,14,15,16,17,18,19は、残りの正方格子の位置に配置される。燃料棒13,14,15,16,17,18,19およびウォータロッド11は、上端および下端をタイプレートで支持され、また、タイプレートとタイプレートの間のたとえば7箇所に設けられたスペーサによって横断面方向の移動が制限されている。   The 74 fuel rods 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 and the two water rods 11 are bundled, for example, in a 9 × 9 square lattice. The two water rods 11 are disposed in the vicinity of the center of the cross section of the fuel assembly 10 at positions that occupy seven square lattices. The 74 fuel rods 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 as fuel elements are arranged at the positions of the remaining square lattice. The fuel rods 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 and the water rod 11 are supported at their upper and lower ends by tie plates, and by spacers provided at, for example, seven locations between the tie plates. Movement in the cross-sectional direction is restricted.

74本の燃料棒13,14,15,16,17,18,19は、ウラン燃料棒13,14,15と、高ガドリニア入燃料棒19と、低ガドリニア入燃料棒16,17,18とに分類することができる。ウラン燃料棒13,14,15は、濃縮度が5wt%以下のウランの酸化物で形成されたペレット23を収納した燃料棒である。本実施の形態では、ウラン燃料棒13,14,15として、ウランの濃縮度が3wt%のウラン燃料棒13と、ウランの濃縮度が4wt%のウラン燃料棒14と、ウランの濃縮度が5wt%のウラン燃料棒15の3種類が用いられている。   The 74 fuel rods 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 are divided into uranium fuel rods 13, 14, 15, high gadolinia fuel rods 19, and low gadolinia fuel rods 16, 17, 18. Can be classified. The uranium fuel rods 13, 14, and 15 are fuel rods containing pellets 23 formed of uranium oxide having a concentration of 5 wt% or less. In this embodiment, as the uranium fuel rods 13, 14, and 15, the uranium fuel rod 13 having a uranium enrichment of 3 wt%, the uranium fuel rod 14 having a uranium enrichment of 4 wt%, and the uranium enrichment of 5 wt%. Three types of uranium fuel rods 15% are used.

高ガドリニア入燃料棒19は、ウラン酸化物中に比較的高い濃度のガドリニア(Gd)を含有させたペレット23を収納した燃料棒である。高ガドリニア入燃料棒19に収められたペレット23に含有されるガドリニアは、原子炉の運転サイクル中の炉心の余剰反応度を平坦化させるためなどを目的として導入されるものである。このような目的で導入されるガドリニアのペレット中の含有割合は、一般的に1wt%以上である。また、高ガドリニア入燃料棒19に収納されるペレット23には、濃縮度が6wt%のウランが用いられる。 The high gadolinia fuel rod 19 is a fuel rod containing a pellet 23 containing a relatively high concentration of gadolinia (Gd 2 O 3 ) in uranium oxide. The gadolinia contained in the pellets 23 accommodated in the high gadolinia fuel rods 19 is introduced for the purpose of flattening the excess reactivity of the core during the operation cycle of the nuclear reactor. The content ratio in the gadolinia pellets introduced for such a purpose is generally 1 wt% or more. Further, uranium with a concentration of 6 wt% is used for the pellets 23 stored in the high gadolinia fuel rods 19.

低ガドリニア入燃料棒16,17,18は、5%を超える濃縮度のウランの酸化物と、ガドリニウムおよびガドリニウムを除く希土類元素のGd複合酸化物とを含有するペレット3を収納している。低ガドリニア入燃料棒16,17,18に含有されるガドリニウムは、主として燃料の加工、輸送など、原子炉に装荷されるまでの臨界安全を確保することを目的として導入されており、添加量は概ね0.1wt%未満である。本実施の形態では、低ガドリニア入燃料棒16,17,18として、ガドリニア換算で53ppmの複合酸化物を添加した濃縮度6wt%のUOを用いた燃料棒16と、ガドリニア換算で110ppmのGd複合酸化物を添加した濃縮度7wt%のUOを用いた燃料棒17と、ガドリニア換算で170ppmのGd複合酸化物を添加した濃縮度8wt%のUOを用いた燃料棒18と、を用いている。 The low gadolinia fuel rods 16, 17, and 18 contain pellets 3 containing uranium oxide having a concentration exceeding 5% and Gd composite oxide of rare earth elements excluding gadolinium and gadolinium. The gadolinium contained in the low gadolinia fuel rods 16, 17 and 18 is introduced mainly for the purpose of ensuring critical safety until the reactor is loaded, such as fuel processing and transportation. It is generally less than 0.1 wt%. In the present embodiment, as the low gadolinia fuel rods 16, 17, 18, the fuel rod 16 using UO 2 having a concentration of 6 wt% added with 53 ppm of complex oxide in gadolinia conversion, and Gd in gadolinia conversion of 110 ppm. A fuel rod 17 using UO 2 with a concentration of 7 wt% added with a complex oxide and a fuel rod 18 using UO 2 with a concentration of 8 wt% added with a Gd complex oxide of 170 ppm in gadolinia conversion are used. ing.

ここで複合酸化物とは、二種類以上の金属酸化物であって、ミクロ構造においても化学量論的な組成を維持している酸化物のことを言う。また、Gd複合酸化物とは、ガドリニウムGdおよび他の希土類元素Aとの酸化物であって、希土類元素Aの原子数に対するGdの割合をXとした場合の化学式が、A1−XGd2−0.5XまたはA1−XGd1.5で表わされる酸化物である。希土類元素Aとしては、たとえばセリウムCeまたはランタンLaを用いることができる。また、ガドリニア換算とは、Gd複合酸化物中からガドリニア(Gd)を分離した状態で換算することを言うこととする。等価ガドリニア濃度とは、Gd複合酸化物中のGdが単独のガドリニアとして存在した場合の濃度であるとする。 Here, the composite oxide refers to an oxide that is two or more kinds of metal oxides and maintains a stoichiometric composition even in a microstructure. The Gd composite oxide is an oxide of gadolinium Gd and another rare earth element A, and the chemical formula when the ratio of Gd to the number of atoms of the rare earth element A is X is A 1-X Gd X It is an oxide represented by O 2-0.5X or A 1-X Gd X O 1.5 . As the rare earth element A, for example, cerium Ce or lanthanum La can be used. Also, the gadolinia terms and to refer to terms in a state separated gadolinia (Gd 2 O 3) from Gd composite oxide. The equivalent gadolinia concentration is a concentration when Gd in the Gd composite oxide exists as a single gadolinia.

臨界安全ハンドブック(非特許文献1)では、臨界安全上最も厳しい場合として、「完全水没」を想定している。この「完全水没」という状態は、核燃料物質の隙間に水が浸透し、かつ周囲を水で取り囲んだ状態である。このような「完全水没」の状態において、均質なUO・HOの体系に対して、ウランの全ての濃度範囲で、「質量管理」あるいは「形状寸法管理」における制限値として「最小推定臨界値」および「最小推定臨界下限値」を定めている。「質量管理」とは、臨界安全上の制限となる一定の質量を超える原子炉燃料は取り扱わない管理である。「形状寸法管理」とは、一定の形状・寸法を超える原子炉燃料は取り扱わない管理である。UO粉末を取り扱う工程における、これらの制限値を表1に示す。

Figure 0005112265
In the criticality safety handbook (Non-patent Document 1), “complete submersion” is assumed as the severest case in terms of criticality safety. This “completely submerged” state is a state in which water penetrates into the gaps between the nuclear fuel materials and is surrounded by water. In such a “completely submerged” state, the “minimum estimation” is used as the limit value in “mass management” or “geometry management” in the entire uranium concentration range for a homogeneous UO 2 / H 2 O system. "Critical value" and "Minimum estimated critical lower limit value" are defined. “Mass management” is management that does not handle reactor fuel exceeding a certain mass, which is a critical safety limitation. “Shape and dimension management” refers to management that does not handle reactor fuel that exceeds a certain shape and dimension. These limit values in the process of handling UO 2 powder are shown in Table 1.
Figure 0005112265

ここで、推定臨界値とは質量や形状・寸法がその値であれば臨界と判断される値であり、推定臨界下限値とは質量や形状・寸法がその値以下であれば未臨界と判断される値であって、表1の各数値はウラン全濃度範囲における最小値として示される。   Here, the estimated critical value is a value that is determined to be critical if the mass, shape, or dimension is the value, and the estimated critical lower limit value is determined to be subcritical if the mass, shape, or dimension is less than the value. Each value in Table 1 is shown as the minimum value in the entire uranium concentration range.

本実施の形態では、燃料成形加工施設で取り扱うUO粉末について、ウラン濃縮度5wt%超のUO粉末に微量のGd複合酸化物、たとえば0.1wt%未満のガドリニアに相当するGd複合酸化物を均一に添加する。これにより、ウラン濃縮度5wt%のUO粉末の臨界安全上の制限となる質量管理あるいは形状寸法管理の制限値における中性子実効増倍率の最大値と等しいか、これよりも小さくなるように原子燃料サイクル施設の臨界管理を行う。すなわち、ウラン濃縮度5wt%超のUO粉末の質量管理あるいは形状寸法管理の各々の中性子実効増倍率が、表1のウラン濃縮度5wt%でのUO粉末の質量管理あるいは形状寸法管理の各々の中性子実効増倍率の最大値に等しいか、より小さくなるように濃縮度が5wt%を超えるUO粉末に微量のガドリニアを添加することにより、濃縮度が5wt%を超えるUO粉末の臨界安全の制限条件を濃縮度が5wt%のUO粉末の臨界安全の制限条件と等しくする。 In the present embodiment, for UO 2 powder handled in a fuel molding processing facility, a small amount of Gd composite oxide, for example, Gd composite oxide corresponding to gadolinia of less than 0.1 wt% is added to UO 2 powder having a uranium enrichment of more than 5 wt%. Is added uniformly. As a result, the nuclear fuel is set so as to be equal to or smaller than the maximum value of the effective neutron multiplication factor in the limit value of mass management or shape dimension control that is a critical safety limit of UO 2 powder with a uranium enrichment of 5 wt%. Perform criticality management of cycle facilities. That is, each neutron effective multiplication factor of mass management or shape dimension management of UO 2 powder having a uranium enrichment level of more than 5 wt% corresponds to each of mass management or shape dimension management of UO 2 powder at uranium enrichment level of 5 wt% in Table 1. The critical safety of UO 2 powder with enrichment exceeding 5 wt% by adding a small amount of gadolinia to UO 2 powder with enrichment exceeding 5 wt% so that it is equal to or less than the maximum neutron effective multiplication factor Is set equal to the critical safety limit of UO 2 powder having a concentration of 5 wt%.

なお、臨界安全の制限条件とする中性子実効増倍率の基準とするウランの濃縮度は、5wt%に限定されるものではなく、5wt%以下であればよい。たとえば、ウランの濃縮度の製造公差などを考慮して、ウランの濃縮度が4.5wt%の中性子実効増倍率を基準としてもよい。ただし、基準とするウランの濃縮度が5wt%に比べて小さくなるにしたがって、臨界安全に対する制限が過大になりガドリニアの添加量は過剰になることを留意する。   It should be noted that the enrichment of uranium, which is used as a criterion for the effective neutron multiplication factor as a critical safety limiting condition, is not limited to 5 wt%, and may be 5 wt% or less. For example, the neutron effective multiplication factor with the uranium enrichment of 4.5 wt% may be used as a reference in consideration of manufacturing tolerance of uranium enrichment. However, it should be noted that as the standard uranium enrichment becomes smaller than 5 wt%, the limit on critical safety becomes excessive and the amount of gadolinia added becomes excessive.

図3は、金属量が33kgのUO粉末を球体とし、30cmの水反射厚がある場合の中性子実効増倍率を示すグラフである。 FIG. 3 is a graph showing the effective neutron multiplication factor when a UO 2 powder having a metal amount of 33 kg is made into a sphere and has a water reflection thickness of 30 cm.

図3は、表1に示された各ウラン濃縮度(3wt%、4wt%、5wt%、10wt%、20wt%)のうち、5wt%濃縮度の最小推定臨界下限値である金属量が33kgのUO粉末を用いて質量管理に関わる等価ガドリニア濃度を算出した例である。表1に示されたウラン全濃度範囲におけるウランの濃縮度が5wt%で金属ウラン量が33kgのUO粉末の中性子実効増倍率の最大値をkmaxとする。図3には、このkmaxと微量のガドリニアを添加したウラン濃縮度5wt%超のUO粉末の中性子実効増倍率が等価もしくは小さくなるようにした場合のウラン濃縮度と等価ガドリニア濃度との関係が示されている。 FIG. 3 shows that the amount of metal which is the minimum estimated critical lower limit value of 5 wt% enrichment among the uranium enrichments (3 wt%, 4 wt%, 5 wt%, 10 wt%, 20 wt%) shown in Table 1 is 33 kg. using UO 2 powder is an example of calculating the equivalent gadolinia concentration related to mass control. The maximum value of neutron effective multiplication factor of UO 2 powder having a uranium enrichment of 5 wt% and a metal uranium amount of 33 kg in the entire uranium concentration range shown in Table 1 is defined as kmax. FIG. 3 shows the relationship between the uranium enrichment and the equivalent gadolinia concentration when the effective neutron multiplication factor of UO 2 powder with a uranium enrichment of more than 5 wt% to which this kmax is added and a small amount of gadolinia is equivalent or small. It is shown.

このウラン濃縮度と等価ガドリニア濃度との関係は、UO粉末の間隙が水で満たされ、かつ水反射条件の球状の均質体系において、ウラン濃度(あるいは球体積)をパラメータとした場合の計算を行うと、ウラン濃縮度6wt%、7wt%、8wt%および10wt%の各ケースについてUO粉末に添加する等価ガドリニアの濃度はそれぞれ53ppm、110ppm、170ppmおよび305ppmとなる。なお、ここで、1ppm=1×10−4wt%とする。 The relationship between the uranium enrichment and the equivalent gadolinia concentration is calculated using the uranium concentration (or sphere volume) as a parameter in a spherical homogeneous system in which the gap of UO 2 powder is filled with water and water reflection conditions. When performed, the concentrations of equivalent gadolinia added to the UO 2 powder for the cases of uranium enrichment 6 wt%, 7 wt%, 8 wt% and 10 wt% are 53 ppm, 110 ppm, 170 ppm and 305 ppm, respectively. Here, 1 ppm = 1 × 10 −4 wt%.

また、同じ等価ガドリニア濃度の条件で、表1に示したウラン濃縮度5wt%のUO粉末の無限円柱直径24.4cm、無限平板厚さ11.2cmおよび球半径24.0cmを与え、ウラン濃度をパラメータとした場合の中性子輸送計算を行うと、微量のガドリニアを含むウラン濃縮度5wt%超のUO粉末の中性子実効増倍率はウラン濃縮度5wt%のUO粉末の中性子実効増倍率の最大値より小さい値となり、同様に制限条件を満足する。 Further, under the same equivalent gadolinia concentration conditions, an infinite column diameter of 24.4 cm, an infinite plate thickness of 11.2 cm, and a spherical radius of 24.0 cm of UO 2 powder having a uranium concentration of 5 wt% shown in Table 1 were given. When the neutron transport calculation is performed using the neutron as a parameter, the effective neutron multiplication factor of UO 2 powder with a uranium enrichment of over 5 wt% containing a small amount of gadolinia is the maximum of the effective neutron multiplication factor of UO 2 powder with a uranium enrichment of 5 wt% The value is smaller than the value, and the restriction condition is satisfied similarly.

さらに、燃料成形加工施設におけるUO粉末工程に続く燃料ペレット製造、原子炉燃料棒組立および燃料集合体組立の各工程についても同じ等価ガドリニア濃度の条件で中性子輸送計算を行い、UO粉末工程における中性子実効増倍率の抑制効果が最も小さい値となることが確認された。すなわち、UO粉末工程において設定した等価ガドリニア濃度を使用することで、ウラン濃縮度5wt%超の原子炉燃料を使用する燃料ペレットの配列、燃料集合体組立て段階における原子炉燃料棒を束ねる際の原子炉燃料棒の束、組立て後の燃料集合体についてのUO体系の中性子実効増倍率はそれぞれウラン濃縮度5wt%の燃料ペレット、原子炉燃料棒、燃料集合体の中性子実効増倍率以下に抑制され、同様に制限条件を満足する。 The fuel pellets produced following the UO 2 powder process in the fuel fabrication facility performs neutron transport calculations with the conditions of the same equivalent gadolinia concentration for each stage of the nuclear reactor fuel rods assembled and fuel assembly assembled in UO 2 powder process It was confirmed that the effect of suppressing the effective neutron multiplication factor was the smallest value. That is, by using the equivalent gadolinia concentration set in the UO 2 powder process, the arrangement of fuel pellets using reactor fuel with a uranium enrichment of more than 5 wt%, and the bundle of reactor fuel rods in the fuel assembly assembly stage The neutron effective multiplication factor of the UO 2 system for the bundle of reactor fuel rods and the assembled fuel assembly is suppressed below the neutron effective multiplication factor of fuel pellets, reactor fuel rods and fuel assemblies with 5 wt% uranium enrichment, respectively. As well as satisfying the limiting conditions.

図4は、本実施の形態において、濃縮度が5wt%を超えるUO粉末に添加すべき等価ガドリニア濃度とウラン濃縮度との関係を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the equivalent gadolinia concentration to be added to UO 2 powder having a concentration level exceeding 5 wt% and the uranium concentration level in the present embodiment.

上述のとおり、ウランの濃縮度が6、7、8、10wt%の場合、添加する等価ガドリニアの濃度が53、110、170、305ppmであれば中性子実効増倍率は濃縮度が5wt%のウランと同等以下となる。また、濃縮度が5wt%のUO粉末では添加すべき等価ガドリニア濃度は0ppmである。これらの点を結ぶと、図4に示すように、濃縮度が5wt%を超えるUO粉末のウラン濃縮度の5wt%からの増分と添加すべき等価ガドリニアの濃度との関係はほぼ比例する。 As described above, when the enrichment of uranium is 6, 7, 8, 10 wt%, if the concentration of equivalent gadolinia added is 53, 110, 170, 305 ppm, the effective neutron multiplication factor is uranium with a enrichment of 5 wt%. Less than or equal to In addition, the equivalent gadolinia concentration to be added is 5 ppm for UO 2 powder having a concentration of 5 wt%. When these points are connected, as shown in FIG. 4, the relationship between the increment from 5 wt% of the uranium enrichment of the UO 2 powder having a concentration exceeding 5 wt% and the concentration of equivalent gadolinia to be added is almost proportional.

そこで、この関係が比例であるとすると、濃縮度が5wt%を超えるUO粉末のウラン濃縮度の5wt%からの増分に対する比例定数は、ウランの濃縮度が10wt%の場合の添加すべき等価ガドリニアの濃度である305×10−4wt%(=305ppm)をウランの濃縮度10wt%の5wt%からの増分、すなわち、5wt%で除して、61×10−4となる。すなわち、濃縮度が5wt%を超えるUO粉末のウラン濃縮度の5wt%からの増分(wt%)に61×10−4を乗ずることにより、容易に添加すべき等価ガドリニア濃度(wt%)を求めることができる。 Therefore, if this relationship is proportional, the proportionality constant with respect to the increment from 5 wt% of the uranium enrichment of the UO 2 powder with the enrichment exceeding 5 wt% is the equivalent to be added when the uranium enrichment is 10 wt%. The gadolinia concentration of 305 × 10 −4 wt% (= 305 ppm) is divided by an increment from 5 wt% of the uranium enrichment of 10 wt%, that is, 5 wt%, to be 61 × 10 −4 . That is, the equivalent gadolinia concentration (wt%) to be easily added can be obtained by multiplying the increment (wt%) from 5 wt% of the uranium enrichment of the UO 2 powder with the enrichment exceeding 5 wt% by 61 × 10 −4. Can be sought.

図4に示したように、濃縮度が5wt%を超えるUO粉末に添加すべき等価ガドリニア濃度は、ウランの濃縮度が大きくなるにしたがって、傾きが大きくなっている。このため、このように近似直線を用いる方法は、中性子輸送計算を行って、それぞれのウランの濃縮度に対応した等価ガドリニアの濃度を算出する方法と比較すると、等価ガドリニア濃度が高めに算出される。したがって、臨界管理の観点から安全側の管理方法である。 As shown in FIG. 4, the gradient of the equivalent gadolinia concentration to be added to the UO 2 powder having a concentration exceeding 5 wt% increases as the concentration of uranium increases. For this reason, the method using the approximate straight line in this way calculates the equivalent gadolinia concentration higher than the method of calculating the equivalent gadolinia concentration corresponding to the enrichment of each uranium by performing neutron transport calculation. . Therefore, it is a management method on the safe side from the viewpoint of criticality management.

このように、本実施の形態によれば、濃縮度が5wt%を超えるウランについて、UO粉末の段階から微量のGd複合酸化物を均一に添加することにより、添加後は、臨界管理上はウラン濃縮度5wt%のUO粉末と同等に扱うことができる。そうすると、燃料成形加工施設においてはUO粉末の取扱のみならず、燃料ペレット成形加工、原子炉燃料棒製作および燃料集合体組立および貯蔵等の各製造工程においても5wt%原子炉燃料と同等の臨界管理を行うことができる。これによって、燃料成形加工、新燃料輸送、新燃料貯蔵の工程において未臨界性を確保する制限値以下に中性子実効増倍率を抑制して設計変更や設備改造等によるコストの上昇およびそれに伴う成形加工費の上昇を抑制することができる。 As described above, according to the present embodiment, a small amount of Gd composite oxide is uniformly added from the stage of UO 2 powder to uranium having a concentration of more than 5 wt%. It can be handled in the same manner as UO 2 powder having a uranium enrichment of 5 wt%. Then, not only the handling of the UO 2 powder in the fuel fabrication facility, the fuel pellets fabrication, 5 wt% reactor fuel equivalent critical even in nuclear reactor fuel rod fabrication and fuel assembly assembly and the manufacturing process of storage, etc. Management can be performed. As a result, the neutron effective multiplication factor is suppressed below the limit value that ensures subcriticality in the processes of fuel molding, new fuel transportation, and new fuel storage. An increase in costs can be suppressed.

図5は、本実施の形態の燃料集合体の出力運転時での無限増倍率を示すグラフである。このグラフは、ボイド率が40%の場合を示しており、また、図5には、比較のため、0.1wt%以下の微量のガドリニアを用いていない平均ウラン濃縮度が約6.2wt%の燃料集合体の設計例の無限増倍率をあわせて示した。   FIG. 5 is a graph showing the infinite multiplication factor during the output operation of the fuel assembly of the present embodiment. This graph shows a case where the void ratio is 40%, and FIG. 5 shows that the average uranium enrichment without using a small amount of gadolinia of 0.1 wt% or less is about 6.2 wt% for comparison. The infinite multiplication factor of the design example of the fuel assembly is also shown.

図5において、線Aは微量のガドリニアを用いていない燃料集合体における燃焼度と無限増倍率を示している。線Bは本実施の形態の燃料集合体における燃焼度と無限増倍率を示している。   In FIG. 5, line A shows the burnup and infinite multiplication factor in a fuel assembly not using a small amount of gadolinia. Line B shows the burnup and infinite multiplication factor in the fuel assembly of the present embodiment.

また、図5において、線Cは本実施の形態の燃料集合体が備える原子炉燃料棒のうち、ウラン濃縮度5wt%超のUO粉末を使用した原子炉燃料棒に含まれる等価ガドリニア濃度を例えば2倍にした燃料集合体における燃焼度と無限増倍率を示している。すなわち、線Cの無限増倍率となる燃料集合体は、等価ガドリニア濃度が106ppmでウラン濃縮度6wt%のUOを用いた燃料棒と、等価ガドリニア濃度が220ppmでウラン濃縮度7wt%のUOを用いた燃料棒と、等価ガドリニア濃度が340ppmでウラン濃縮度8wt%のUOを用いた燃料棒とが含まれている。 In FIG. 5, line C represents the equivalent gadolinia concentration contained in the reactor fuel rod using UO 2 powder with a uranium enrichment of more than 5 wt% among the reactor fuel rods provided in the fuel assembly of the present embodiment. For example, the burnup and infinite multiplication factor in the fuel assembly doubled are shown. That is, the fuel assemblies to be infinite multiplication factor of the line C is equivalent gadolinia concentration and fuel rods with uranium enrichment 6 wt% of UO 2 is at 106 ppm, equivalent gadolinia concentration uranium enrichment 7 wt% of UO 2 with 220ppm And a fuel rod using UO 2 having an equivalent gadolinia concentration of 340 ppm and a uranium enrichment of 8 wt%.

図5において、線Dは本実施の形態の燃料集合体が備える原子炉燃料棒のうち、ウラン濃縮度5wt%超のUOを用いた燃料棒に含まれる等価ガドリニア濃度を3倍にした燃料集合体における燃焼度と無限増倍率を示している。すなわち、線Dの燃料集合体は、等価ガドリニア濃度が159ppmでウラン濃縮度6wt%のUOを用いた燃料棒と、等価ガドリニア濃度が330ppmでウラン濃縮度7wt%のUOを用いた燃料棒と、等価ガドリニア濃度が510ppmでウラン濃縮度8wt%のUOを用いた燃料棒とが含まれている。 In FIG. 5, a line D represents a fuel in which the equivalent gadolinia concentration contained in a fuel rod using UO 2 having a uranium enrichment of more than 5 wt% is tripled among the nuclear fuel rods provided in the fuel assembly of the present embodiment. The burnup and infinite multiplication factor in the assembly are shown. That is, the fuel assemblies of the line D includes a fuel rod equivalent gadolinia concentration using uranium enrichment 6 wt% of UO 2 in 159 ppm, the fuel rods equivalent gadolinia concentration using uranium enrichment 7 wt% of UO 2 with 330ppm And a fuel rod using UO 2 having an equivalent gadolinia concentration of 510 ppm and a uranium enrichment of 8 wt%.

図5に示すように、線Aで示される微量のガドリニアを用いていない燃料集合体の無限増倍率に対する線Bの燃料集合体の無限増倍率(k)の差異は燃焼初期において約1%Δk程度と小さく、炉心の反応度に与える影響はわずかである。すなわち、本実施の形態の燃料集合体では、微量のガドリニアを用いたことによる無限増倍率の差異は1%Δk程度であり、微量のガドリニアを用いたために特別に従来の設計を変更する必要はない。   As shown in FIG. 5, the difference of the infinite multiplication factor (k) of the fuel assembly of line B with respect to the infinite multiplication factor of the fuel assembly not using a small amount of gadolinia shown by line A is about 1% Δk at the beginning of combustion. The effect on the reactivity of the core is small. That is, in the fuel assembly of the present embodiment, the difference in infinite multiplication factor due to the use of a small amount of gadolinia is about 1% Δk, and it is necessary to change the conventional design specially because a small amount of gadolinia is used. Absent.

また、線Cおよび線Cで示すように、ウラン濃縮度5wt%超のUOを用いた燃料棒に含まれるガドリニアの濃度を2倍および3倍にした燃料集合体では、無限増倍率の差異はそれぞれ略2%Δk、略3%Δk程度と小さく、本実施の形態の燃料集合体と同様に従来の設計を変更する必要がないか、あるいは、高ガドリニア入燃料棒19の本数、濃度あるいは配置などの軽微な設計変更によって対応可能である。 In addition, as shown by lines C and C, in the fuel assemblies in which the concentration of gadolinia contained in fuel rods using UO 2 with a uranium enrichment over 5 wt% is doubled and tripled, the difference in infinite multiplication factor Are about 2% Δk and about 3% Δk, respectively, and it is not necessary to change the conventional design as in the fuel assembly of the present embodiment, or the number, concentration or the number of high gadolinia fuel rods 19 It is possible to cope with minor design changes such as placement.

また、微量のガドリニアを用いていない燃料集合体に対して、本実施の形態の燃料集合体の無限増倍率は、燃焼とともに速やかに小さくなり、サイクル燃焼度5GWd/t程度(1/2年運転相当)以上ではほとんど差異がない。したがって、運転サイクル末期での微量のガドリニアの添加による反応度損失は無視できる。   Further, the infinite multiplication factor of the fuel assembly according to the present embodiment quickly decreases with combustion for a fuel assembly not using a very small amount of gadolinia, and has a cycle burnup of about 5 GWd / t (1/2 year operation) Equivalent) Above, there is almost no difference. Therefore, the loss of reactivity due to the addition of a small amount of gadolinia at the end of the operation cycle can be ignored.

図6は、本実施の形態において、低ガドリニア入燃料棒に添加すべき等価ガドリニア濃度範囲を示すグラフである。   FIG. 6 is a graph showing an equivalent gadolinia concentration range to be added to the low gadolinia fuel rod in the present embodiment.

図5からわかるように、低ガドリニア入燃料棒16,17,18に添加する微量の等価ガドリニア濃度は、本実施の形態の値からその3倍の値の間であれば、ウラン濃縮度が5%以下の燃料棒と同様の施設、設備で加工・輸送などの取り扱いが可能であり、かつ、運転サイクル中の反応度損失も無視できる程度となる。したがって、濃縮度が5%を超えるウランを、図6の斜線で示す範囲の微量のガドリニアと混合して用いることにより、ウラン濃縮度が5%以下の燃料棒と同様の施設、設備で加工・輸送などの取り扱いが可能であり、かつ、運転サイクル中の反応度損失も無視できる程度となる。このため、加工施設、輸送機器などの大幅な変更を伴わずに5%を超える濃縮度のウランを用いることができる。また、運転サイクル中の反応度損失も無視できるため、燃料サイクルコストをより低減することができる。   As can be seen from FIG. 5, the uranium enrichment is 5 if the minute amount of the equivalent gadolinia added to the low gadolinia fuel rods 16, 17, 18 is between three times the value of the present embodiment. It is possible to handle processing, transportation, etc. at the same facilities and equipment as fuel rods of less than%, and the reactivity loss during the operation cycle is negligible. Therefore, by using uranium with enrichment exceeding 5% mixed with a small amount of gadolinia in the range shown by the diagonal lines in FIG. 6, it can be processed and processed at the same facilities and equipment as fuel rods with uranium enrichment of 5% or less. Handling such as transportation is possible, and the reactivity loss during the operation cycle is negligible. For this reason, uranium with a concentration exceeding 5% can be used without significant changes in processing facilities, transportation equipment, and the like. Further, since the reactivity loss during the operation cycle can be ignored, the fuel cycle cost can be further reduced.

たとえば、ウラン濃縮度10wt%での等価ガドリニア濃度は、305ppmから、その3倍の値の915ppmまでの範囲とできる。ウラン濃縮度が5wt%を超える各濃縮度においても、本実施の形態のガドリニアの濃度の3倍までの範囲とすることができる。ウラン濃縮度5wt%超の原子炉燃料を採用するにあたり、商用軽水炉用燃料のウラン濃縮度の上限は10wt%程度が実用的であるとすると、ウラン濃縮度が5wt%を超える原子炉燃料に微量に添加するガドリニアの濃度はおよそ0.1wt%未満となる。   For example, the equivalent gadolinia concentration at a uranium enrichment of 10 wt% can range from 305 ppm to 915 ppm, which is three times that value. Even in each enrichment in which the uranium enrichment exceeds 5 wt%, it can be in a range up to three times the concentration of gadolinia of the present embodiment. Assuming that the upper limit of uranium enrichment in commercial light water reactor fuel is practically around 10 wt% when adopting a reactor fuel with a uranium enrichment over 5 wt%, there is a trace amount in the reactor fuel with uranium enrichment exceeding 5 wt%. The concentration of gadolinia added to is about 0.1 wt%.

本実施の形態の原子燃料は、濃縮度が5wt%を超えるウランであっても臨界管理上は濃縮度が5wt%以下として扱うことができる。すなわち、従来の燃料集合体と同様の組立工程によって微量、たとえば0.1wt%未満のガドリニアを添加したウラン濃縮度が5wt%以上のUOを使用した燃料棒の組み立てができるので、設備改造などを伴うことなく、ウラン濃縮度が5wt%を超えるウランを用いた燃料集合体を得ることができる。 The nuclear fuel according to the present embodiment can be treated as having an enrichment of 5 wt% or less for criticality management even if the enrichment is uranium having an enrichment exceeding 5 wt%. That is, a fuel rod using UO 2 with a uranium enrichment of 5 wt% or more added with a small amount, for example, less than 0.1 wt% gadolinia, can be assembled by the same assembly process as a conventional fuel assembly, so Thus, a fuel assembly using uranium having a uranium enrichment exceeding 5 wt% can be obtained.

また、微量添加したガドリニアは燃焼初期において速やかに燃え尽きるため、燃料集合体の核特性として、運転サイクル末期における反応度損失を生ずることなく、ウラン濃縮度5wt%超の原子炉燃料を導入することによる燃料経済性向上を同時に満たすことができる。   In addition, since Gadolinia added in a small amount burns out quickly in the early stage of combustion, as a nuclear characteristic of the fuel assembly, by introducing a reactor fuel with a uranium enrichment exceeding 5 wt% without causing a loss of reactivity at the end of the operation cycle. The fuel economy can be improved at the same time.

本実施の形態において、低ガドリニア入燃料棒16,17,18には、可燃性毒物であるガドリニウムが他の希土類元素との複合酸化物として含有されている。ガドリニウムは、他の希土類元素に比べて中性子吸収断面積が大きい。このため、ガドリニウムと複合酸化物を形成する他の希土類元素は、ガドリニウムの中性子吸収材としての効果を希釈する希釈材として用いられていることになる。たとえばセリウムCeあるいはランタンLaの熱中性子吸収断面積は、10バーン程度でGdのそれよりもはるかに小さい。そのため、セリウムあるいはランタンを含有するGd複合酸化物の中性子吸収特性は、Gdが支配的となる。   In the present embodiment, the low gadolinia fuel rods 16, 17, and 18 contain gadolinium, which is a flammable poison, as a complex oxide with other rare earth elements. Gadolinium has a larger neutron absorption cross section than other rare earth elements. For this reason, other rare earth elements that form composite oxides with gadolinium are used as diluents that dilute the effect of gadolinium as a neutron absorber. For example, the thermal neutron absorption cross section of cerium Ce or lanthanum La is about 10 burns and much smaller than that of Gd. Therefore, Gd is dominant in the neutron absorption characteristics of the Gd composite oxide containing cerium or lanthanum.

このような低ガドリニア入燃料棒16,17,18は、たとえば次のように製造することができる。まず、Gdと、中性子吸収断面積の小さいランタンあるいはセリウムとについて、それぞれの硝酸塩水溶液の混合溶液に炭酸アンモニウムを加えて共沈させたものを加熱分解させる。これにより、Gdと他の希土類元素との複合酸化物の粉末が得られる。このGdと他の希土類元素との複合酸化物の粉末を、所定の量のUO粉末と希釈混合することによって均一に混合された酸化物粉末が得られる。 Such low gadolinia fuel rods 16, 17, 18 can be manufactured, for example, as follows. First, for Gd and lanthanum or cerium having a small neutron absorption cross section, ammonium carbonate is added to a mixed solution of each nitrate aqueous solution and coprecipitated to be thermally decomposed. Thereby, a composite oxide powder of Gd and another rare earth element is obtained. An oxide powder that is uniformly mixed can be obtained by diluting and mixing a complex oxide powder of Gd and another rare earth element with a predetermined amount of UO 2 powder.

ガドリニウムをペレット23に含有させる場合、含有量が小さいと、UO粉末中、あるいはペレット23内の可燃性毒物の濃度分布が不均一となるおそれがある。しかし、本実施の形態では、Gdを中性子吸収断面積の小さい希土類元素に希釈させたGd複合酸化物粒子を用いているため、同一のガドリニウム濃度を得るための粉末粒子の数が多くなり、ガドリニウムを含有する粒子を均一に分散させることが容易にできる。 When gadolinium is contained in the pellet 23, if the content is small, the concentration distribution of the flammable poison in the UO 2 powder or in the pellet 23 may be non-uniform. However, in the present embodiment, since Gd composite oxide particles in which Gd is diluted with a rare earth element having a small neutron absorption cross section are used, the number of powder particles for obtaining the same gadolinium concentration increases, and gadolinium Can be easily dispersed uniformly.

また、Gdは中性子吸収微視断面積が非常に大きいため、ガドリニアの粒子が大きいほど中性子吸収の自己遮へい効果が増して中性子吸収効率が低下する。このため、ガドリニウムを含有する粒子の径はできるだけ小さい方が好ましい。本実施の形態では、Gdを中性子吸収断面積の小さい希土類元素に希釈させたGd複合酸化物粒子を用いているため、ガドリニウムを含有する粒子中のGdの密度を小さくして自己遮へい効果を低減して中性子吸収効率の低下を抑えている。   Further, since Gd has a very large neutron absorption microscopic cross section, the larger the gadolinia particles, the more the self-shielding effect of neutron absorption increases and the neutron absorption efficiency decreases. For this reason, it is preferable that the diameter of the gadolinium-containing particles be as small as possible. In this embodiment, Gd composite oxide particles in which Gd is diluted with a rare earth element having a small neutron absorption cross section are used. Therefore, the density of Gd in the particles containing gadolinium is reduced to reduce the self-shielding effect. Therefore, the decrease in neutron absorption efficiency is suppressed.

図7は、ペレット中の等価ガドリニア濃度が同じで、Gd複合酸化物中のGd密度が異なる場合のGd複合酸化物の個数を模式的に表す図であって、(a)はGd密度が高い場合、(b)はGd密度が低い場合を示す。図8は、単位体積あたりに含有するGd量が一定のUOにおけるGdによるトータルの中性子吸収効果のGd複合酸化物の粒子径との関係を模式的に示すグラフである。図8には、図7の(a)および(b)に対応して、Gd複合酸化物粒子中のGd密度ρが小さい場合と大きい場合の2種類を示している。 FIG. 7 is a diagram schematically showing the number of Gd composite oxides when the equivalent gadolinia concentration in the pellet is the same and the Gd densities in the Gd composite oxides are different. FIG. 7A shows a high Gd density. In the case (b), the Gd density is low. FIG. 8 is a graph schematically showing the relationship between the total neutron absorption effect by Gd and the particle diameter of the Gd composite oxide in UO 2 having a constant amount of Gd contained per unit volume. FIG. 8 shows two types of cases where the Gd density ρ in the Gd composite oxide particles is small and large, corresponding to (a) and (b) of FIG. 7.

図7に模式的に示すように、Gd複合酸化物粒子の径が同じで等価ガドリニア濃度が同じ場合、ペレット23中のGd密度が低いGd複合酸化物粒子51の個数は、Gd密度が高いGd複合酸化物粒子52の個数に比べて多い。つまり、Gd複合酸化物粒子の径が同じ場合、単位体積あたりに含有するGd量が一定であれば、Gd複合酸化物粒子中のGd密度ρが小さいほど粉末粒子数が多くなることなり、粒子はより均一に分散される。   As schematically shown in FIG. 7, when the diameter of the Gd composite oxide particles is the same and the equivalent gadolinia concentration is the same, the number of the Gd composite oxide particles 51 having a low Gd density in the pellet 23 is equal to that of the Gd having a high Gd density. The number is larger than the number of composite oxide particles 52. That is, when the Gd composite oxide particles have the same diameter, if the amount of Gd contained per unit volume is constant, the number of powder particles increases as the Gd density ρ in the Gd composite oxide particles decreases. Are more uniformly dispersed.

Gd複合酸化物粒子中のGd密度ρを同じ場合には、Gd複合酸化物粒子の径が小さいほど中性子吸収効果が大きい。また、Gd複合酸化物粒子の径が同じ場合は、Gd複合酸化物粒子中のGd密度ρが小さいほど中性子吸収効果が大きくなる。   When the Gd density ρ in the Gd composite oxide particles is the same, the smaller the diameter of the Gd composite oxide particles, the greater the neutron absorption effect. When the diameters of the Gd composite oxide particles are the same, the neutron absorption effect increases as the Gd density ρ in the Gd composite oxide particles decreases.

たとえばGdの原子数割合をXとした場合、GdとCeの複合酸化物の化学式は、Ce1−XGd2−0.5Xとなる。また、GdとLaの複合酸化物の化学式は、La1−XGd1.5となる。Gdの添加濃度一定とした場合、このGd複合酸化物中のGd比率Xが小さいほど粉末粒子1個あたりの中性子吸収効果が低減され効率が向上し、他方ではGd複合酸化物の量が増して粉末粒子の総数も増す。このため、可燃性毒物粒子を均一に分散化する観点から極めて有用である。一方、燃料集合体中のUOのインベントリを極力減らさないためには、Gd複合酸化物の割合ができるだけ小さいほうが好ましい。 For example, when the atomic ratio of Gd is X, the chemical formula of the complex oxide of Gd and Ce is Ce 1-X Gd X O 2-0.5X . The chemical formula of the complex oxide of Gd and La is La 1-X Gd X O 1.5 . When the Gd addition concentration is constant, the smaller the Gd ratio X in the Gd composite oxide, the lower the neutron absorption effect per powder particle and the higher the efficiency. On the other hand, the amount of Gd composite oxide increases. The total number of powder particles also increases. For this reason, it is extremely useful from the viewpoint of uniformly dispersing the flammable poison particles. On the other hand, in order not to reduce the inventory of UO 2 in the fuel assembly as much as possible, it is preferable that the ratio of the Gd composite oxide is as small as possible.

Gd複合酸化物においてGdの希釈効果を有効とするため、希釈は3倍程度以上となるほうが好ましい。つまり、Gd複合酸化物中のGdの重量率は最大33wt%程度が好ましい。一方、ウランの濃縮度が10wt%以下の場合、低ガドリニア入燃料棒16,17,18に必要なガドリニア濃度は0.1wt%以下であるから、UOとの混合粉末あるいはUOと混合されたペレット中のGd複合酸化物の濃度は、最大で0.1/0.33=0.3wt%程度とするとよい。また、過度に希釈すると、Gd複合酸化物の量が多くなりすぎてUOのインベントリを減らしてしまうため、Gd複合酸化物のGd重量率は5wt%以上とすることが好ましい。 In order to make the Gd dilution effect effective in the Gd composite oxide, the dilution is preferably about 3 times or more. That is, the maximum weight ratio of Gd in the Gd composite oxide is preferably about 33 wt%. On the other hand, if the enrichment of uranium is equal to or less than 10 wt%, because a low gadolinia gadolinia concentration required to enter the fuel rod 16, 17 and 18 is less than 0.1 wt%, it is mixed with the mixed powder or UO 2 and UO 2 The concentration of the Gd composite oxide in the pellets is preferably about 0.1 / 0.33 = 0.3 wt% at the maximum. Further, when excessively dilute, the amount of Gd compound oxide will reduce the inventory of too many UO 2, Gd weight ratio of Gd compound oxide is preferably set to 5 wt% or more.

また、本実施の形態では、ガドリニウムを希釈材とともに用いているため、UO粉末中に導入するGd複合酸化物の粒子数は、ガドリニウムの単独の酸化物として用いる場合に比べて粒子数が多くなる。このため、UOの粉末との混合に際して容易に均一性を高めることができる。また、ガドリニウムは希土類元素であるため、他の希土類元素と複合酸化物を形成しても、化学的な特性などがガドリニウムと比べて大きく変化することがない。 In the present embodiment, since gadolinium is used together with the diluent, the number of particles of the Gd composite oxide introduced into the UO 2 powder is larger than that when used as a single oxide of gadolinium. Become. For this reason, the uniformity can be easily increased upon mixing with UO 2 powder. In addition, since gadolinium is a rare earth element, even if a complex oxide is formed with other rare earth elements, chemical characteristics and the like do not change significantly compared to gadolinium.

このようにして得られた酸化物粉末は、所定の濃度のGdが含まれていれば、ウランの濃縮度が5wt%を超える場合であっても、濃縮度が5%のウランと同様に取り扱うことができる。   The oxide powder thus obtained is treated in the same manner as uranium having a concentration of 5% even if the concentration of uranium exceeds 5 wt%, as long as Gd of a predetermined concentration is contained. be able to.

また、セリウム(Ce)やランタン(La)の他、中性子吸収断面積の小さい希土類元素として、プラセオジム(Pr)、イットリウム(Y)を用いることができる。さらに、スカンジウム(Sc)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、ツリウム(Tm)、ホルミウム(Ho)、およびイッテルビウム(Yb)を用いてもよい。その他、中性子吸収体であるエルビウム(Er)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)もガドリニウムに比べると中性子吸収断面積が小さいため、他の希土類元素として用いることができる。   In addition to cerium (Ce) and lanthanum (La), praseodymium (Pr) and yttrium (Y) can be used as rare earth elements having a small neutron absorption cross section. Further, scandium (Sc), neodymium (Nd), promethium (Pm), thulium (Tm), holmium (Ho), and ytterbium (Yb) may be used. In addition, erbium (Er), samarium (Sm), and europium (Eu), which are neutron absorbers, have a smaller neutron absorption cross section than gadolinium, and thus can be used as other rare earth elements.

このように、本実施の形態によれば、濃縮度が5wt%を超えるウランに、中性子吸収断面積の大きい可燃性毒物であるGdを、他の希土類元素とのGd複合酸化物として均一に微量添加することによって、原子燃料サイクル施設における臨界管理対策への影響が軽減される。このため、原子燃料に濃縮度が5wt%を超えるウランを用いる場合に、大幅なコスト上昇なしに臨界管理できる。したがって、ウランの濃縮度上昇による燃料サイクルコスト低減効果を有効に活用して経済性向上を達成することができる。   As described above, according to the present embodiment, a flammable poison having a large neutron absorption cross section is uniformly mixed with uranium having a concentration of more than 5 wt% as a Gd composite oxide with other rare earth elements. Addition reduces the impact on criticality control measures at nuclear fuel cycle facilities. For this reason, when uranium having a concentration of more than 5 wt% is used for nuclear fuel, criticality management can be performed without a significant cost increase. Therefore, it is possible to effectively improve the economy by effectively utilizing the fuel cycle cost reduction effect due to the increase in uranium enrichment.

[第2の実施の形態]
図9は、本発明に係る燃料集合体の第2の実施の形態における横断面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 9 is a cross-sectional view of the fuel assembly according to the second embodiment of the present invention.

本実施の形態の燃料集合体は、加圧水型原子炉に装荷されるものである。この燃料集合体は、264本の燃料棒31,32を17行17列の正方格子状に束ねて、34の格子位置に制御棒案内シンブル33を配置し、中央の格子位置に炉内計装用案内シンブル34を配置したものである。燃料棒31,32は、低ガドリニア入燃料棒31と、高ガドリニア入燃料棒32とに分けられる。   The fuel assembly of the present embodiment is loaded into a pressurized water reactor. In this fuel assembly, 264 fuel rods 31 and 32 are bundled in a 17 × 17 square lattice, and control rod guide thimble 33 is arranged at the lattice position of 34, and is used for in-core instrumentation at the central lattice position. A guide thimble 34 is arranged. The fuel rods 31 and 32 are divided into a low gadolinia fuel rod 31 and a high gadolinia fuel rod 32.

低ガドリニア入燃料棒31は、濃縮度が6wt%のウランに53ppmの等価ガドリニアをGdを除く希土類元素AとのGd複合酸化物として添加したペレット23(図2参照)を収納している。希土類元素Aとしては、たとえばセリウムCeまたはランタンLaを用いることができる。高ガドリニア入燃料棒32は、濃縮度が5wt%のウランに7wt%のガドリニアを添加したペレット23を収納している。   The low gadolinia fuel rod 31 accommodates pellets 23 (see FIG. 2) obtained by adding 53 ppm equivalent gadolinia as a Gd composite oxide with rare earth elements A except Gd to uranium having a concentration of 6 wt%. As the rare earth element A, for example, cerium Ce or lanthanum La can be used. The high gadolinia fuel rod 32 accommodates pellets 23 in which 7 wt% gadolinia is added to uranium having a concentration of 5 wt%.

図3に示したとおり、濃縮度が6wt%のウランにGd複合酸化物を等価ガドリニア濃度が53ppmで添加したものは、濃縮度が5wt%のウランの中性子実効増倍率と比べて同等以下である。このため、本実施の形態の燃料集合体の製造過程において、ウラン粉末にGd複合酸化物を添加して混合した後は、濃縮度が5wt%のウランを取り扱う施設・機器によって、臨界安全を保ったまま取り扱うことができる。   As shown in FIG. 3, the addition of Gd composite oxide with an equivalent gadolinia concentration of 53 ppm to uranium with a concentration of 6 wt% is less than or equal to the effective neutron multiplication factor of uranium with a concentration of 5 wt%. . Therefore, in the manufacturing process of the fuel assembly of the present embodiment, after adding and mixing the Gd composite oxide to the uranium powder, criticality safety is maintained by facilities and equipment that handle uranium with a concentration of 5 wt%. It can be handled as it is.

本実施の形態の燃料集合体の適用に際して炉心の初期反応度への影響は軽微であり、かつ運転サイクル末期において微量濃度Gd複合酸化物を含有する燃料棒中のGdの燃え残りが生じないため、反応度損失を低減することができる。また、濃縮度が5wt%を超えるウランにUO粉末取扱の段階から微量のGd複合酸化物を均一に添加することにより高品質の燃料を製造し、臨界安全に関わる燃料成形加工施設の設備改造費およびそれに伴う成形加工費の上昇を抑えることができる。このため、ウランの濃縮度が5%を超える原子炉燃料を適用する目的である原子炉燃料濃縮度上昇による新燃料取替体数の大幅削減効果と燃料サイクルコスト低減が図られる。 When the fuel assembly of the present embodiment is applied, the influence on the initial reactivity of the core is negligible, and no unburned Gd remains in the fuel rods containing the trace concentration Gd composite oxide at the end of the operation cycle. , Reactivity loss can be reduced. In addition, high quality fuel is manufactured by uniformly adding a small amount of Gd composite oxide from the stage of handling UO 2 powder to uranium with enrichment exceeding 5 wt%, and equipment modification of the fuel molding processing facility related to criticality safety It is possible to suppress an increase in costs and associated molding costs. For this reason, the significant reduction effect of the number of new fuel replacement bodies and the reduction of the fuel cycle cost due to the increase of the reactor fuel enrichment, which is the purpose of applying the reactor fuel with the enrichment of uranium exceeding 5%, can be achieved.

なお、加圧水型原子炉に装荷される燃料集合体では、主として運転サイクル中の反応度を調節する目的として高濃度のGdを用いないものもある。このような場合であっても、濃縮度が5wt%を超えるウランに、中性子吸収断面積の大きい可燃性毒物であるGdを、他の希土類元素とのGd複合酸化物として均一に微量添加することによって、同様の効果が得られる。また、燃料集合体のコーナー部あるいは周辺部において濃縮度5wt%以下の原子炉燃料棒を配置して局所出力分布をより平坦化してもよい。可燃性毒物としてホウ珪酸ガラスなどを使用した燃料集合体としてもよい。   Some fuel assemblies loaded in pressurized water reactors do not use high-concentration Gd mainly for the purpose of adjusting the reactivity during the operation cycle. Even in such a case, Gd, which is a flammable poison with a large neutron absorption cross-section, is added to uranium with a concentration of more than 5 wt% uniformly as a Gd composite oxide with other rare earth elements. Thus, the same effect can be obtained. Further, a nuclear fuel rod having an enrichment of 5 wt% or less may be arranged at the corner portion or the peripheral portion of the fuel assembly to further flatten the local power distribution. A fuel assembly using borosilicate glass or the like as the flammable poison may be used.

[第3の実施の形態]
図10は、本発明に係る燃料集合体の第3の実施の形態における横断面図である。
[Third Embodiment]
FIG. 10 is a cross-sectional view of the fuel assembly according to the third embodiment of the present invention.

本実施の形態の燃料集合体は、加圧水型原子炉に装荷される燃料集合体である。本実施の形態では、燃料棒としては低ガドリニア入燃料棒35の1種類が用いられる。この低ガドリニア入燃料棒35には、濃縮度が6wt%のウランにガドリニウムとエルビウムとのGd複合酸化物を添加したペレット23(図2参照)が収納される。ガドリニウムとエルビウムとの複合酸化物の等価ガドリニア濃度は50ppmである。また、このペレット中の等価エルビア濃度は、0.3wt%である。ここで、等価エルビア濃度とは、複合酸化物中のエルビウムが単独の酸化物として存在した場合の濃度である。   The fuel assembly of the present embodiment is a fuel assembly that is loaded into a pressurized water reactor. In the present embodiment, one type of low-gadolinia fuel rod 35 is used as the fuel rod. The low gadolinia fuel rod 35 accommodates pellets 23 (see FIG. 2) obtained by adding a Gd composite oxide of gadolinium and erbium to uranium with a concentration of 6 wt%. The equivalent gadolinia concentration of the composite oxide of gadolinium and erbium is 50 ppm. The equivalent erbia concentration in the pellet is 0.3 wt%. Here, the equivalent erbia concentration is a concentration when erbium in the composite oxide exists as a single oxide.

ペレット中のEr濃度が高いと、運転サイクル末期においてErの燃え残り、これによる燃焼度ペナルティが生ずる場合がある。しかし、本実施の形態では、Gdを併用してEr量を減らすことによって、臨界安全性を確保しつつ、このような燃焼度ペナルティを低減することができる。また、GdとErの中性子吸収効果を勘案して混合割合を選択することが可能である。濃縮度が10wt%以下のウランでは、添加すべきGd複合酸化物量は、等価ガドリニア濃度で0.1wt%以下であるから、エルビウムが主として炉心の反応度制御を行うことを考慮すると、たとえば等価ガドリニア濃度の範囲として、その1/10の0.01wt%以下が好適である。   If the Er concentration in the pellet is high, Er may remain unburned at the end of the operation cycle, resulting in a burnup penalty. However, in this embodiment, by reducing the amount of Er by using Gd together, it is possible to reduce such burn-up penalty while ensuring critical safety. In addition, the mixing ratio can be selected in consideration of the neutron absorption effect of Gd and Er. In the case of uranium having a concentration of 10 wt% or less, the amount of Gd composite oxide to be added is 0.1 wt% or less in terms of equivalent gadolinia concentration. Therefore, considering that erbium mainly controls the reactivity of the core, for example, equivalent gadolinia The concentration range is preferably 1/10 or less than 0.01 wt%.

このように、微量のGdと、Erの複合酸化物を構成する場合には、Gdを母材のErに均一に希釈した中性子吸収体が得られる。このような高品質の燃料を用いることにより、臨界安全のみならず炉心の反応度制御を円滑に行うことができる。   In this way, when a small amount of Gd and Er composite oxide are formed, a neutron absorber in which Gd is uniformly diluted with Er as a base material can be obtained. By using such high-quality fuel, not only criticality safety but also the reactivity control of the core can be smoothly performed.

[その他の実施の形態]
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
[Other embodiments]
The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms. Moreover, it can also implement combining the characteristic of each embodiment.

本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態の横断面図である。It is a cross-sectional view of the first embodiment of the fuel assembly according to the present invention. 本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態に用いる燃料棒の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the fuel rod used for 1st Embodiment of the fuel assembly which concerns on this invention. 金属量が33kgのUO粉末を球体とし、30cmの水反射厚がある場合の中性子実効増倍率を示すグラフである。Metal amount is a UO 2 powder of 33kg and a sphere is a graph showing the effective neutron multiplication factor of the presence of water reflecting the thickness of 30 cm. 本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態において、濃縮度が5wt%を超えるUO粉末に添加すべき等価ガドリニア濃度とウラン濃縮度との関係を示す図である。In a first embodiment of a fuel assembly according to the present invention, enrichment is a diagram showing the relationship between 5 wt% more than UO 2 powder equivalent gadolinia concentration and uranium enrichment should be added. 本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態の出力運転時での無限増倍率を示すグラフである。It is a graph which shows the infinite multiplication factor at the time of the output driving | operation of 1st Embodiment of the fuel assembly which concerns on this invention. 本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態において、低ガドリニア燃料棒に添加すべき等価ガドリニアの濃度範囲を示すグラフである。4 is a graph showing a concentration range of equivalent gadolinia to be added to a low gadolinia fuel rod in the first embodiment of the fuel assembly according to the present invention. ペレット中の等価ガドリニア濃度が同じで、Gd複合酸化物中のGd密度が異なる場合のGd複合酸化物の個数を模式的に表す図であって、(a)はGd密度が高い場合、(b)はGd密度が低い場合を示す。FIG. 6 is a diagram schematically showing the number of Gd composite oxides when the equivalent gadolinia concentration in the pellet is the same and the Gd densities in the Gd composite oxide are different, and FIG. ) Indicates a case where the Gd density is low. 単位体積あたりに含有するGd量が一定のUOにおけるGdによるトータルの中性子吸収効果のGd複合酸化物の粒子径との関係を模式的に示すグラフである。Gd content contained per unit volume is a graph schematically showing the relationship between the particle diameter of Gd compound oxide neutron absorption effect of the total by Gd in certain UO 2. 本発明に係る燃料集合体の第2の実施の形態における横断面図である。It is a cross-sectional view in the second embodiment of the fuel assembly according to the present invention. 本発明に係る燃料集合体の第3の実施の形態における横断面図である。It is a cross-sectional view in the third embodiment of the fuel assembly according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料集合体、11…ウォータロッド、13…燃料棒、14…燃料棒、15…燃料棒、16…燃料棒、17…燃料棒、18…燃料棒、19…燃料棒、21…被覆管、22…下部端栓、23…ペレット、24…プレナムスプリング、25…上部端栓、31…燃料棒、32…燃料棒、33…制御棒案内シンブル、34…炉内計装用案内シンブル、35…燃料棒、40…制御棒、41…チャンネルボックス、51…Gd複合酸化物粒子、52…Gd複合酸化物粒子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel assembly, 11 ... Water rod, 13 ... Fuel rod, 14 ... Fuel rod, 15 ... Fuel rod, 16 ... Fuel rod, 17 ... Fuel rod, 18 ... Fuel rod, 19 ... Fuel rod, 21 ... Cladding tube 22 ... Lower end plug, 23 ... Pellet, 24 ... Plenum spring, 25 ... Upper end plug, 31 ... Fuel rod, 32 ... Fuel rod, 33 ... Control rod guide thimble, 34 ... Guide thimble for in-core instrumentation, 35 ... Fuel rod 40 ... Control rod 41 ... Channel box 51 ... Gd composite oxide particle 52 ... Gd composite oxide particle

Claims (11)

燃料要素を有する燃料集合体であって、
前記燃料要素は、
ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A1−XGd2−0.5Xまたは化学式A1−XGd1.5で表わされるGd複合酸化物および5%を超えて10%以下の濃縮度のウランの酸化物を含有し、
前記ガドリニウムの含有割合は前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算して前記ウランの前記濃縮度の5wt%からの増分に61×10 −4 を乗じた下限値以上であり0.1%未満である、
ことを特徴とする燃料集合体。
A fuel assembly having a fuel element,
The fuel element is
Beyond Gd compound oxide and 5% of Formula A 1-X Gd X O 2-0.5X or Formula A 1-X Gd X O 1.5 of a rare earth element A, except for gadolinium and gadolinium 10% Contains uranium oxide with the following enrichment :
The content ratio of the gadolinium is a lower limit value obtained by multiplying the increment from 5 wt% of the enrichment of the uranium by 61 × 10 −4 in terms of the presence of gadolinium in the Gd composite oxide as a single oxide. Or more and less than 0.1%,
A fuel assembly characterized by that.
前記燃料要素中のガドリニウムの含有割合は、前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算して前記下限値の3倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の燃料集合体。 2. The content ratio of gadolinium in the fuel element is 3 times or less of the lower limit value in terms of gadolinium in the Gd composite oxide as a single oxide. The fuel assembly as described. 前記希土類元素Aは、エルビウムとランタンとセリウムとから選択される1以上の元素であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料集合体。 The fuel assembly according to claim 1 , wherein the rare earth element A is one or more elements selected from erbium, lanthanum, and cerium . 前記希土類元素Aはエルビウムであって、前記燃料要素中のガドリニウムの含有割合は前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算して0.01wt%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料集合体。 The rare earth element A is erbium, and the content ratio of gadolinium in the fuel element is 0.01 wt% or less in terms of gadolinium in the Gd composite oxide as a single oxide. The fuel assembly according to claim 1 or 2 , wherein the fuel assembly is characterized in that: 前記燃料要素の前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算した濃度よりも高い割合でガドリニウム酸化物を含有する高ガドリニア入燃料要素を有することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の燃料集合体。 The high-gadolinia fuel-containing element containing gadolinium oxide at a rate higher than a concentration converted when gadolinium in the Gd composite oxide of the fuel element is present as a single oxide. The fuel assembly according to any one of claims 1 to 4. 燃料要素を有する燃料集合体であって、
前記燃料要素は、
ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A 1−X Gd 2−0.5X または化学式A 1−X Gd 1.5 で表わされるGd複合酸化物および5%を超える濃縮度のウランの酸化物を含有し、
前記希土類元素Aはランタンおよびセリウムのいずれかであって、前記ウランの酸化物と前記Gd複合酸化物との総和に対する前記Gd複合酸化物の割合は0.1wt%以上0.3wt%以下であって、前記Gd複合酸化物中のガドリニウムの割合は5wt%以上33wt%以下である
ことを特徴とする燃料集合体。
A fuel assembly having a fuel element,
The fuel element is
Gadolinium and rare earth element A, except for gadolinium formula A 1-X Gd X O 2-0.5X or Formula A 1-X Gd X O 1.5 in represented by Gd complex oxide and 5% beyond enrichment Contains uranium oxide,
The rare earth element A is either lanthanum or cerium, and the ratio of the Gd composite oxide to the sum of the uranium oxide and the Gd composite oxide is 0.1 wt% or more and 0.3 wt% or less. The ratio of gadolinium in the Gd composite oxide is 5 wt% or more and 33 wt% or less .
Fuel assemblies shall be the characterized in that.
前記燃料要素の前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算した濃度よりも高い割合でガドリニウム酸化物を含有する高ガドリニア入燃料要素を有することを特徴とする請求項に記載の燃料集合体。 The high-gadolinia fuel-containing element containing gadolinium oxide at a rate higher than a concentration converted when gadolinium in the Gd composite oxide of the fuel element is present as a single oxide. 7. The fuel assembly according to 6 . 5%を超えて10%以下の濃縮度のウランの酸化物と、  Uranium oxide having a concentration of more than 5% and not more than 10%;
ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A  Chemical formula A of gadolinium and rare earth element A excluding gadolinium A 1−X1-X GdGd X O 2−0.5X2-0.5X または化学式AOr chemical formula A 1−X1-X GdGd X O 1.51.5 で表わされて、前記ガドリニウムの含有割合は前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算して前記ウランの前記濃縮度の5wt%からの増分に61×10The gadolinium content is 61 × 10 6 in increments from 5 wt% of the uranium enrichment in terms of gadolinium in the Gd composite oxide as a single oxide. −4-4 を乗じた下限値以上であり0.1%未満であるGd複合酸化物とを、A Gd composite oxide that is not less than the lower limit multiplied by and less than 0.1%,
混合する工程を有することを特徴とする燃料集合体の製造方法。  A method for producing a fuel assembly, comprising a step of mixing.
ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A1−XGd2−0.5Xまたは化学式A1−XGd1.5で表わされて、前記希土類元素Aはランタンおよびセリウムのいずれかであって前記ウランの酸化物との総和に対する割合が0.1wt%以上0.3wt%以下であって5wt%以上33wt%以下の割合のガドリニウムを含むGd複合酸化物と
5%を超える濃縮度のウランの酸化物とを
混合する工程を有することを特徴とする燃料集合体の製造方法。
Represented by the chemical formula A 1-X Gd X O 2-0.5X or Formula A 1-X Gd X O 1.5 of a rare earth element A, except for gadolinium and gadolinium, the rare earth element A lanthanum and cerium A Gd composite oxide containing gadolinium in a proportion of 0.1 wt% or more and 0.3 wt% or less and 5 wt% or more and 33 wt% or less of the sum of the uranium oxide and the uranium oxide ,
Uranium oxide with a concentration of more than 5% ,
Method for producing a fuel assembly, characterized in that it has a more mixed Engineering.
ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A1−XGd2−0.5Xまたは化学式A1−XGd1.5で表わされるGd複合酸化物および5%を超えて10%以下の濃縮度のウランの酸化物を含有し、
前記ガドリニウムの含有割合は前記Gd複合酸化物中のガドリニウムが単独の酸化物として存在した場合に換算して前記ウランの前記濃縮度の5wt%からの増分に61×10 −4 を乗じた下限値以上であり0.1%未満である、
ことを特徴とするウラン粉末。
Beyond Gd compound oxide and 5% of Formula A 1-X Gd X O 2-0.5X or Formula A 1-X Gd X O 1.5 of a rare earth element A, except for gadolinium and gadolinium 10% Contains uranium oxide with the following enrichment :
The content ratio of the gadolinium is a lower limit value obtained by multiplying the increment from 5 wt% of the enrichment of the uranium by 61 × 10 −4 in terms of the presence of gadolinium in the Gd composite oxide as a single oxide. Or more and less than 0.1%,
Uranium powder characterized by that.
ガドリニウムとガドリニウムを除く希土類元素Aとの化学式A 1−X Gd 2−0.5X または化学式A 1−X Gd 1.5 で表わされるGd複合酸化物および5%を超える濃縮度のウランの酸化物を含有し、
前記希土類元素Aはランタンおよびセリウムのいずれかであって、前記ウランの酸化物と前記Gd複合酸化物との総和に対する前記Gd複合酸化物の割合は0.1wt%以上0.3wt%以下であって、前記Gd複合酸化物中のガドリニウムの割合は5wt%以上33wt%以下である、
ことを特徴とするウラン粉末。
Gadolinium and rare earth element A, except for gadolinium formula A 1-X Gd X O 2-0.5X or Formula A 1-X Gd X O 1.5 in represented by Gd complex oxide and 5% beyond enrichment Contains uranium oxide,
The rare earth element A is either lanthanum or cerium, and the ratio of the Gd composite oxide to the sum of the uranium oxide and the Gd composite oxide is 0.1 wt% or more and 0.3 wt% or less. The ratio of gadolinium in the Gd composite oxide is 5 wt% or more and 33 wt% or less.
Uranium powder characterized by that .
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