JP6016209B2

JP6016209B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JP6016209B2
Application number: JP2012086978A
Authority: JP
Inventors: 雄滋本間; 護永野; 勝笹川; 章広山中
Original assignee: 株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: JP2013217715A

Description

本発明は燃料集合体に関し、特にＭＯＸ燃料（ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料）を用いた沸騰水型軽水炉（（ＢＷＲ）の燃料集合体に関する。

近年の原子力発電プラントにおいては、運転経済性を向上させるために燃料の高燃焼度化が図られている。ＭＯＸ燃料（ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料）についても、原子力発電プラントの運転経済性を向上させるために、将来的にウラン燃料と同程度の取出平均燃焼度になるように燃焼度を増大させることが考えられている。

従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に装荷される燃料集合体を図１６（ａ）、（ｂ）により説明する。燃料集合体１は、被覆管９内に多数の燃料ペレットを充填した複数の燃料棒２から構成される。

ウラン酸化物燃料の高燃焼度化を図る手法としては、燃料ペレット中のウラン２３５の濃縮度を高めるか、又は機械的設計の変更によりウラン積載重量を増加する方法が一般的である。これらの方法の目的は燃料集合体あたりの核分裂性物質の積載重量を増加させることにある。

また、ＭＯＸ燃料の場合、母材となるウランは劣化ウラン又は燃料再処理工程において回収された回収ウランが用いられ、母材ウランの濃縮度は燃料集合体中のすべての燃料棒で同等とするのが一般的である。また、ＭＯＸ燃料の平均核分裂性物質濃度はプルトニウム富化度の調整によって行われる。

このようなＭＯＸ燃料においても、燃料体あたりの核分裂性物質の積載重量を増加させることが高燃焼度化に有効な手法であることはウラン燃料と同様である。したがって、ＭＯＸ燃料において機械的設計を変更することなく高燃焼度化を進めるには、当該燃料ペレットのプルトニウム富化度を高め、主たる核分裂性物質であるプルトニウム２３９の含有率を増加させることが必要となる。

また、ＭＯＸ燃料においては、余剰プルトニウムを持たないようにプルトニウム消費を促進するという観点、並びにＭＯＸ燃料特有の成型加工の困難性及び輸送コストの低減化の観点から、できる限り燃料集合体一体あたりに積載するプルトニウムの量を多くしたいというニーズもある。

一方、従来より沸騰水型原子炉では、ウラン燃料及びＭＯＸ燃料の両方において、燃料集合体を構成する燃料棒を核分裂性濃度が異なる複数の種類の燃料棒から構成し、燃料集合体内で分布をつけて配置するのが一般的である。

その理由は、軽水型原子炉の場合、核分裂で発生した高速中性子は水によって熱中性子に減速された後に核分裂性物質に吸収され、次々と核分裂連鎖反応を繰り返している。沸騰水型原子炉の例では、燃料集合体を覆うチャンネンルボックスの外側に非沸騰領域が存在するため、燃料集合体の外周や、特にコーナー部においては中性子の減速効率が高く、当該箇所に配置される燃料棒はその他の燃料棒に比べて出力が高くなりやすい。このため、燃料集合体を核分裂性物質濃度の異なる複数種類の燃料棒から構成し、出力が高くなりやすい位置に配置される燃料棒の核分裂性物質濃度を低めに設定することで、燃料棒の出力ピーキングが過大にならないようにしている。

ＭＯＸ燃料においては、熱的余裕を改善しようとする観点から、例えば、ＭＯＸ燃料棒の出力ピークが生じ易い燃料集合体外周の燃料棒のプルトニウム富化度を他の領域の燃料棒より低くし、出力分担の平坦化を図る手段や（特許文献１）、ＭＯＸ燃料の出力のピークが生じ易い周辺部のＭＯＸ燃料棒の母材ウランの濃縮度を他の領域の燃料棒よりも低くし、出力分布の平坦化を図る手段が知られている（特許文献２）。

特開昭６０−１４７６８５号公報特開平７−３３３７４号公報

ところで、ＭＯＸ燃料は、半減期の短いα崩壊核種を多く含んでいるため、ウラン燃料よりも発熱量が多くなる傾向があるという特徴や、プルトニウムの自発核分裂や（α，n）反応による中性子やアメリシウム２４１等からのガンマ線の放出により、ウラン燃料より放射線強度が高くなるという特徴を有する。

このようなＭＯＸ燃料の高燃焼度を図るためには、上述したように燃料ペレットのプルトニウム富化度を高めることが有効であるが、プルトニウム富化度に係る制約として、ＭＯＸ燃料の臨界性の制約、及び上述した発熱、放射能特性等の観点によるＭＯＸ燃料取扱い設備上の制約が存在する。

このため、プルトニウム富化度を高めることによる高燃焼度化には限界がある。すなわち、燃料集合体を構成する複数のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を漸次高めていくと、最終的に全てのＭＯＸ燃料棒においてプルトニウム富化度が上限値に達してしまうためこれが限界となる。

さらに前述のように、出力が大きくなりやすい領域に配置される燃料棒の核分裂性物質濃度は低くしておく必要があるため、実際には全てのＭＯＸ燃料棒においてプルトニウム富化度が上限に達する前に、プルトニウム富化度を高めることによる高燃焼度化は事実上の限界を迎えてしまうことになる。

すなわち、プルトニウム富化度の分布が熱的余裕の観点から適切に設定されており、かつプルトニウム富化度の分布のピークがプルトニウム富化度の上限値に達している状態が、現実的なプルトニウム富化度を高める限界であると言える。

例えば、図１４（ａ）は熱的余裕の観点からプルトニウム富化度分布を適切に設定した８行８列の燃料集合体の例であり、このようなプルトニウム富化度分布を有する燃料集合体を、プルトニウム含有量を増やすために許容される上限値のプルトニウム富化度まで高めていくことは、図１４（ｂ）に示すように、制御棒の近傍の出力が高くなりやすい位置のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を高めることに他ならない。これにより燃焼初期局所出力ピーキングは図１５（ａ）から図１５（ｂ）のように変化し、外周部の燃料棒の出力ピーキングが過大になり燃料の熱的余裕の悪化を招く結果となる。

さらに、燃料集合体の核分裂性物質の積載重量を増加して高燃焼度化を図ることと、燃料の熱的余裕を改善することを両立させるという観点においては、上述の特許文献１や特許文献２に示される従来技術は、核分裂性物質の積載重量を少なくするものであるため好ましくない。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、従来のＭＯＸ燃料を用いた燃料集合体に比較して熱的余裕を悪化させずにＭＯＸ燃料の高燃焼度化を図るとともに、核分裂性プルトニウムの積載量及び消費量の増加を図ることができる燃料集合体を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る燃料集合体は、プルトニウム酸化物及びウラン酸化物を混合した複数のＭＯＸ燃料棒と複数のウラン酸化物燃料棒からなる燃料集合体において、前記複数のＭＯＸ燃料棒は所定のプルトニウム富化度と異なるウラン濃縮度を有する複数種類のＭＯＸ燃料棒からなり、ウラン濃縮度が最も高いＭＯＸ燃料棒を燃料集合体の内部に配置し、前記ウラン濃縮度が最も高いＭＯＸ燃料棒よりもウラン濃縮度の低い複数種類のＭＯＸ燃料棒を燃料集合体の外周部に配置したことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料集合体は、プルトニウム酸化物及びウラン酸化物を混合した複数のＭＯＸ燃料棒と複数のウラン酸化物燃料棒からなる燃料集合体において、前記複数のＭＯＸ燃料棒はプルトニウム富化度が異なる複数種類のＭＯＸ燃料棒からなり、前記プルトニウム富化度が最も高いＭＯＸ燃料棒のウラン濃縮度は他のＭＯＸ燃料棒のウラン濃縮度よりも高いことを特徴とする。

本発明によれば、従来のＭＯＸ燃料を用いた燃料集合体に比較して熱的余裕を悪化させずにＭＯＸ燃料の高燃焼度化を図るとともに、核分裂性プルトニウムの消費量の増加を図ることができる。

第１の実施形態に係る８行８列の燃料集合体の横断面図。第１の実施形態に係る９行９列の燃料集合体の横断面図。第１の実施形態に係る１０行１０列の燃料集合体の横断面図。第１の実施形態に係る水ロッド形状が異なる９行９列の燃料集合体の横断面図。第１の実施形態に係る水ロッド形状が異なる１０行１０列の燃料集合体の横断面図。第１の実施形態に係る水ロッド形状が異なる１０行１０列の燃料集合体の横断面図。第２の実施形態に係る８行８列の燃料集合体の横断面図。第２の実施形態に係る９行９列の燃料集合体の横断面図。第２の実施形態に係る１０行１０列の燃料集合体の横断面図。第２の実施形態に係る水ロッド形状が異なる９行９列の燃料集合体の横断面図。第３の実施形態を示す８行８列の燃料集合体の横断面図。第２の実施形態に係る燃料集合体の母材ウラン濃縮度と無限増倍率の変化割合を示す図。第２の実施形態に係る燃料集合体の母材ウラン濃縮度に対する局所出力ピーキングとプルトニウム富化度を示す図。（ａ）、（ｂ）は燃料集合体のプルトニウム富化度分布を示す図で、（ｂ）は（ａ）のプルトニウム富化度分布を有する燃料集合体のプルトニウム富化度を高くした例を示す模式図。（ａ）、（ｂ）は図１４（ａ）、（ｂ）のプルトニウム富化度分布を有する燃料集合体の燃焼初期局所出力ピーキング分布を示す模式図。（ａ）、（ｂ）は燃料集合体及び燃料棒の部分断面図。

本発明に係る燃料集合体の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では上述した種々の制約による設計上のプルトニウム富化度の上限値が１０%であると仮定して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る燃料集合体を図１乃至図６により説明する。
図１は本実施形態を８行８列の燃料集合体に適用した例、図２は９行９列の燃料集合体に適用した例、図３は１０行１０列の燃料集合体に適用した例、また、図４は水ロッドの形状が異なる９行９列の燃料集合体に適用した例、図５は水ロッドの形状が異なる１０行１０列の燃料集合体に適用した例、及び図６は水ロッドの形状がさらに異なる１０行１０列の燃料集合体に適用した例、を示している。

図１乃至図６において、符号Ｐ１、Ｐ１’、Ｐ１’’、Ｐ１’’’はすべてプルトニウム富化度１０%のＭＯＸ燃料棒であり、アポストロフィの数が多いほど母材ウラン濃縮度が小さくなっている。また、符号Ｇ１、Ｇ２は可燃性毒物を混入したウラン酸化物燃料棒、符号Ｗは内部を冷却材が流通する水ロッドを示している。

図１乃至図６に示すように、本第１の実施形態の燃料集合体は、燃料集合体を構成するＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度は全て同等であるが、母材ウランは複数種類の濃縮度を有し、少なくとも最も濃縮度の高い母材ウランは濃縮ウランを用いる構成としている。

また、出力が高くなりやすい燃料集合体の外周部に位置するＭＯＸ燃料棒の母材ウランの濃縮度を燃料集合体の内部に位置するＭＯＸ燃料棒よりも低くしている。さらに、燃料集合体の外周角部に位置するＭＯＸ燃料棒の母材ウランの濃縮度を、他の外周に位置するＭＯＸ燃料棒よりも低くしている。これにより、燃料の高燃焼度化と熱的余裕の改善を図ることができる。

本第１の実施形態によれば、全てのＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度が上限値（例えば１０％）に達しているＭＯＸ燃料集合体において、熱的余裕を悪化させることなく核分裂物質積載重量の増加による高燃焼度化を図ることができる。また、プルトニウムの積載量を増加させることにより、余剰プルトニウムを減らすことができるとともに、燃料集合体の製造コストや輸送コストを低減することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る燃料集合体を図７乃至図１０により説明する。
図７は本実施形態を８行８列の燃料集合体に適用した例、図８は９行９列の燃料集合体に適用した例、図９は１０行１０列の燃料集合体に適用した例、また、図１０は水ロッドの形状が異なる９行９列の燃料集合体に適用した例を示している。

図７乃至図１０において、符号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４はプルトニウムを含有するＭＯＸ燃料棒を示し、Ｐ１燃料棒のプルトニウム富化度は上限値の１０％、その他のＭＯＸ燃料棒Ｐ２〜Ｐ４は添え字番号が大きいほどプルトニウム富化度が小さくなっている。すなわち、プルトニウム富化度はＰ１（１０％）＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４である。

また、Ｐ１の母材ウランは濃縮ウランであり、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４の母材ウランの濃縮度は同等であり、いずれも劣化ウラン又は燃料再処理工程において回収された回収ウランを用いている。

また、符号Ｇ１、Ｇ２は可燃性毒物を混入したウラン酸化物燃料棒、符号Ｗは内部を冷却材が流通する水ロッドを示している。なお、図７には短尺燃料棒６を含む燃料集合体の例を同時に示している。

本第２実施形態の係る燃料集合体は、燃料体集合体を構成するＭＯＸ燃料棒が複数の種類のプルトニウム富化度を有し、また、母材ウランも複数の種類の濃縮度を有するとともに少なくとも一番濃縮度の高い母材ウランは濃縮ウランとするものである。

これにより、例えばプルトニウム富化度が上限値に達しているＭＯＸ燃料棒と上限値に達していないＭＯＸ燃料棒が混在するＭＯＸ燃料集合体において、核分裂物質積載重量の増加による高燃焼度化、及びプルトニウム消費促進の点で最大の効果を得ることができる。
すなわち、プルトニウム富化度が上限に達している燃料集合体の内部に位置しているＭＯＸ燃料棒に関しては母材ウランの濃縮度を高めている。

また、出力が高くなり易い位置の核分裂性物質濃度は低くなるようにするのが一般的であり、また従来のＭＯＸ燃料棒においてはプルトニウムの富化度で核分裂性物質濃度を調整するため、上記のプルトニウム富化度が上限値に達していないＭＯＸ燃料棒Ｐ２〜Ｐ４は通常出力が高くなり易い燃料集合体の外周に配置されている。これらの出力が高くなりやすい位置のＭＯＸ燃料棒の母材ウランは従来のＭＯＸ燃料棒と同様に劣化ウラン又は回収ウランが用いられる。これにより、燃料の高燃焼度化と熱的余裕の改善を図ることができる。

ここで、本実施形態に係るＭＯＸ燃料集合体が熱的余裕を悪化させずにＭＯＸ燃料の高燃焼度化及びプルトニウム消費の促進に有効であることを図１２及び図１３により説明する。

図１２はプルトニウム富化度が１０%のＭＯＸ燃料棒の母材ウラン濃縮度を高くし、局所出力ピーキングが過大にならない範囲でその他のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を高くした場合の、ＭＯＸ燃料の目標取出平均燃焼度における無限増倍率の増加割合を示している。例えば、プルトニウム富化度が１０%のＭＯＸ燃料棒の母材ウラン濃縮度を４．９%まで高め、それに伴いその他のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を高くした場合、無限増倍率は７%Δｋ程度増加している。

また、母材ウラン濃縮度に対する燃焼初期の局所出力ピーキング及び燃焼初期における局所出力ピーキング位置のプルトニウム富化度の増加割合の変化を図１３に示す。プルトニウム富化度が上限値に達しているＭＯＸ燃料棒の母材ウラン濃縮度を高め、プルトニウム富化度が上限値に達していないＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を高めることにより、熱的余裕を悪化させずにプルトニウム積載量を大きくできることがわかる。

本第２の実施形態によれば、出力が高くなりやすい位置のＭＯＸ燃料棒Ｐ２〜Ｐ３のプルトニウム富化度をプルトニウム富化度が上限値に達しているＭＯＸ燃料棒Ｐ１よりも低くし、かつ、母材ウランの濃縮度もプルトニウム富化度が上限値に達してるＭＯＸ燃料棒よりも低くすることで、熱的余裕を悪化させることなく、ＭＯＸ燃料集合体の高燃焼度化を図ることができるとともに、プルトニウムの積載量を増加させ消費を促進させることができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る燃料集合体を図１１により説明する。
図１１は本実施形態を８行８列の燃料集合体に適用した例を示している。

図１１において、符号Ｐ１はプルトニウム富化度が１０%であるＭＯＸ燃料棒を示し、符号１〜４の燃料棒はプルトニウムを含まないウラン酸化物燃料棒であり、番号が大きいほどウラン濃縮度が小さくなっている。すなわち、ウラン酸化物燃料棒１〜３のウラン濃縮度は１＞２＞３である。

このように、本第３の実施形態では、燃料集合体を構成するＭＯＸ燃料棒が上限値の１０％であるプルトニウム富化度を有し、プルトニウムを含まない燃料棒の母材ウランは複数の種類の濃縮度を有し、少なくとも最も濃縮度の高い母材ウランは濃縮ウランとしている。

本第３の実施形態は、炉心の熱的余裕の改善等の観点から、ＭＯＸ燃料の設計概念として燃料集合体の外周にＭＯＸ燃料棒ではなくウラン酸化物燃料棒を用いるという制約がある場合や、すべての燃料棒をＭＯＸ燃料棒から構成することができない燃料集合体に適用することができる。

なお、本実施形態では、ＭＯＸ燃料棒Ｐ１をプルトニウム富化度が１０%の燃料棒としているが、これに限定されず、複数種類のプルトニウム富化度を有するＭＯＸ燃料棒から構成してもよい。

本第３の実施形態によれば、熱的余裕を悪化させることなく、ＭＯＸ燃料集合体の高燃焼度化を図ることができるとともに、プルトニウムの積載量を増加させ消費を促進させることができる。

以上、本発明の実施形態の例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的な対象となる液体金属冷却炉等は、適宜変更可能である。また、実施形態やその変更例に記載された作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用および効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１…燃料集合体、２…燃料棒、３…チャンネンルボックス、４…水ロッド、５…可燃性毒物入り燃料棒、６…短尺燃料棒、７…ウラン燃料棒、８…燃料ペレット、９…被覆管。

Claims

プルトニウム酸化物及びウラン酸化物を混合した複数のＭＯＸ燃料棒と複数のウラン酸化物燃料棒からなる燃料集合体において、
前記複数のＭＯＸ燃料棒は所定のプルトニウム富化度と異なるウラン濃縮度を有する複数種類のＭＯＸ燃料棒からなり、ウラン濃縮度が最も高いＭＯＸ燃料棒を燃料集合体の内部に配置し、前記ウラン濃縮度が最も高いＭＯＸ燃料棒よりもウラン濃縮度の低い複数種類のＭＯＸ燃料棒を燃料集合体の外周部に配置したことを特徴とする燃料集合体。
前記プルトニウム富化度はＭＯＸ燃料棒で許容される富化度の上限値であることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
前記異なるウラン濃縮度を有する複数種類のＭＯＸ燃料棒のうち、最も高いウラン濃縮度を有するＭＯＸ燃料棒のウラン濃縮度は天然ウランと同等か又は天然ウランよりも高いことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料集合体。
燃料集合体の外周部に配置したＭＯＸ燃料棒のうち、燃料集合体の角部に位置するＭＯＸ燃料棒のウラン濃縮度が最も低いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料集合体。
プルトニウム酸化物及びウラン酸化物を混合した複数のＭＯＸ燃料棒と複数のウラン酸化物燃料棒からなる燃料集合体において、
前記複数のＭＯＸ燃料棒はプルトニウム富化度が異なる複数種類のＭＯＸ燃料棒からなり、前記プルトニウム富化度が最も高いＭＯＸ燃料棒のウラン濃縮度は他のＭＯＸ燃料棒のウラン濃縮度よりも高いことを特徴とする燃料集合体。
前記プルトニウム富化度が最も高いＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度は、ＭＯＸ燃料棒で許容される富化度の上限値であることを特徴とする請求項５記載の燃料集合体。
前記プルトニウム富化度が最も高いＭＯＸ燃料棒を燃料集合体の内部に配置し、当該ＭＯＸ燃料棒以外のＭＯＸ燃料棒を前記燃料集合体の外周部に配置したことを特徴とする請求項５又は６記載の燃料集合体。
前記燃料集合体の外周部に配置したＭＯＸ燃料棒のウラン酸化物として劣化ウラン又は再処理後の回収ウランを用いることを特徴とする請求項７記載の燃料集合体。