JP6577280B2

JP6577280B2 - 超ウラン元素変換燃料集合体、超ウラン元素変換炉心および超ウラン元素変換燃料集合体設計方法

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Publication number: JP6577280B2
Application number: JP2015152639A
Authority: JP
Inventors: 礼木村; 研一吉岡; 平岩　宏司; 宏司平岩; 俊吾櫻井; 浩志松宮
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: JP2017032408A

Description

本発明の実施形態は、超ウラン元素変換燃料集合体、超ウラン元素変換炉心および超ウラン元素変換燃料集合体設計方法に関する。

原子力の利用に伴って発生する高レベル放射性廃棄物の放射毒性は、ワンススルーサイクルの場合、１０万年以上に亘って自然界より高いレベルにある。５００年程度時間が経過した後は、この毒性のうち超ウラン元素（ＴＲＵ）に起因する毒性が支配的となる。ＴＲＵ核種の長期に亘る毒性は、その半減期の長さに起因している。したがって、放射性廃棄物の管理期間を短縮させ環境負荷を低減するには、ＴＲＵ核種を核変換によって短寿命核種に変換することが有効である。

ＴＲＵ核種の核変換については、一般に、エネルギーの高い高速中性子を用いる手法、ウランを含まない燃料を用いる手法、あるいはこれらを組みあわせた手法が用いられる。

しかしながら、今後の原子力発電所に用いられる炉型としては、依然軽水炉が主力であると考えられる。このため、高速炉によるＴＲＵ核変換を開始するまでに相当量のＴＲＵが蓄積し、必要な高速炉の基数が現実的に導入できない基数まで増大する可能性がある。そこで、軽水炉におけるＴＲＵの核変換効率を向上させ、軽水炉での正味のＴＲＵ生成量を抑制する必要がある。

しかしながら、軽水炉等で核変換を行おうとした場合、プルトニウム２３８（^２３８Ｐｕ）、プルトニウム２４１（^２４１Ｐｕ）、あるいはアメリシウム２４１（^２４１Ａｍ）等の放射毒性に対して寄与の大きい核種の核変換効率が低いため、これらを効率よく核変換することが課題となっている。また、核変換効率の向上を目的に燃料集合体の形状等を変更すると、燃料の炉心サイクル末期における反応度が変化する。仮に現行炉心に装荷する場合には、炉心サイクル末期において標準的な燃料と同等の反応度を保持していることが求められる。この際に、燃料仕様を決定する手法がないことが課題として挙げられる。

米国特許出願公開第２００２／００２５０１６号明細書特開２００６−６４６７８号公報特許第５５２４５８２号公報特許第５５２４５８１号公報特許第５５２４５７３号公報

上述した燃焼燃料のＴＲＵの核変換方法とその設計手法においては、一般的な軽水炉や重水炉等の熱中性子ないし熱外中性子を用いる場合において、放射毒性に対する寄与の大きい幾つかの核種の核変換効率が低い。このため、ＴＲＵ核種の長期に亘る放射毒性が、高速炉と比較して減少しにくい点がある。

また，燃料の形状を変更した際に、炉心サイクル末期において標準的な燃料と同等の反応度を保持させるための燃料仕様決定手法が無い点がある。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、軽水炉において、効率的にＴＲＵの核変換を可能とすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態は、軽水冷却型原子炉の炉心に用いられ超ウラン元素の核変換のための超ウラン元素変換燃料集合体であって、長手方向に延びて互いに平行に格子状に配列された複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の径方向外側を包囲するチャンネルボックスと、を備え、前記燃料棒はそれぞれ、所定の燃焼度確保時点における当該超ウラン元素変換燃料集合体での無限中性子増倍率が所定の値以上となる条件を満たす濃度の核分裂性物質を有しかつ超ウラン元素を含む前記長手方向に積層された燃料ペレットと、前記燃料ペレットを内包する被覆管と、を有するとともに、自己遮蔽による前記燃料ペレットの内部の中性子レベルの低下を抑制するために前記燃料ペレットの径方向中央部に原子炉冷却材の通路が形成されている、ことを特徴とすることを特徴とする。

また、本実施形態は、軽水冷却型原子炉の超ウラン元素変換炉心であって、互いに並列に格子状に配列され、鉛直方向に延びた複数の超ウラン元素変換燃料集合体と、前記複数の超ウラン元素変換燃料集合体と並列に配された反応度を制御するための制御棒と、を具備し、前記複数の超ウラン元素変換燃料集合体のそれぞれは、長手方向に延びて互いに平行に格子状に配列された複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の径方向外側を包囲するチャンネルボックスと、を備え、前記複数の燃料棒はそれぞれ、所定の燃焼度確保時点における当該超ウラン元素変換燃料集合体での無限中性子増倍率が所定の値以上となる条件を満たす濃度の核分裂性物質を有しかつ超ウラン元素を含む前記長手方向に積層された燃料ペレットと、前記燃料ペレットを内包する被覆管と、を有するとともに、自己遮蔽による前記燃料ペレットの内部の中性子レベルの低下を抑制するために前記燃料ペレットの径方向中央部に原子炉冷却材の通路が形成されている、ことを特徴とする。

また、本実施形態は、軽水冷却型原子炉の炉心における超ウラン元素の核変換のための、長手方向に延びて互いに平行に格子状に配列された複数の燃料棒と前記複数の燃料棒の径方向外側を包囲するチャンネルボックスとを備える超ウラン元素変換燃料集合体設計方法であって、前記超ウラン元素変換燃料集合体の幾何形状パラメータの設定を行う幾何形状パラメータ設定ステップと、前記超ウラン元素変換燃料集合体の核分裂性物質の燃料組成パラメータを設定する燃料組成パラメータ設定ステップと、前記炉心内の燃料の燃焼計算を行う燃焼計算ステップと、前記燃焼計算の結果、所定の燃焼度確保時点における当該超ウラン元素変換燃料集合体での無限中性子増倍率が所定の値以上であるか否かを判定し、前記所定の値以上と判定された場合は終了とする第１の判定ステップと、前記第１の判定ステップで前記所定の値以上でないと判定された場合に、前記燃料組成パラメータを変更可能であるか否かを判定し、変更可能と判定された場合は前記燃料組成パラメータ設定ステップに移行する第２の判定ステップと、前記第２の判定ステップで変更可能と判定されなかった場合に、前記幾何形状パラメータの変更が可能であるか判定し、可能と判定された場合は、前記幾何形状パラメータ設定ステップに移行する第３の判定ステップと、を有し、前記複数の燃料棒はそれぞれ長手方向に積層された燃料ペレットと前記燃料ペレットを内包する被覆管を有し、前記燃料ペレットの径方向中央部には自己遮蔽による前記燃料ペレットの内部の中性子レベルの低下を抑制するために原子炉冷却材の通路が形成されている、ことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、軽水炉において、効率的にＴＲＵの核変換が可能となる。

第１の実施形態に係る超ウラン元素変換炉心の構成を示す水平断面図である。第１の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の構成を示す水平断面図である。第１の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の中空燃料棒の構成を示す水平断面図である。第１の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の中実燃料棒の構成を示す水平断面図である。第１の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体設計方法の手順を示すフロー図である。第１の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体設計方法の説明を補足するためのグラフである。第１の実施形態の効果を説明するための本実施形態を適用しない場合の燃料集合体内の燃料棒での中性子スペクトルを示すグラフである。第１の実施形態の効果を説明するための本実施形態を適用しない場合の燃料集合体内の中性子束分布を示すグラフである。第１の実施形態の効果を説明するための燃料ペレットの中空部割合の燃料集合体内の燃料棒での中性子スペクトルへの影響を示すグラフである。第１の実施形態の効果を説明するための燃料ペレットの中空部割合の中性子束レベルへの影響を示すグラフである。第１の実施形態の効果を説明するための燃料体積の核変換率への影響を示すグラフである。超ウラン元素の反応吸収断面積の例を示す概念的グラフである。第２の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の燃料棒の構成を示す水平断面図である。第３の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の燃料棒の構成を示す水平断面図である。第４の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の燃料棒の構成を示す水平断面図である。第５の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の燃料棒の構成を示す水平断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。なお、以下において、超ウラン元素変換燃料集合体およびその要素は、説明の便宜上、炉心内に設置されている方向にあるものとしている。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る超ウラン元素変換炉心の構成を示す水平断面図である。超ウラン元素変換炉心１００は、複数の超ウラン元素変換燃料集合体１および複数の制御棒２１を有する。超ウラン元素変換燃料集合体１は、互いに並列に格子状に配列され、鉛直方向に延びている。４体の超ウラン元素変換燃料集合体１はセルを構成する。制御棒２１は、それぞれのセルの中央に配され、超ウラン元素変換燃料集合体１と並列に配され、図示しない制御棒駆動装置によって高さ方向の位置を制御される。

なお、超ウラン元素変換炉心１００内の燃料集合体は、すべて超ウラン元素変換燃料集合体１である場合を示したが、これに限定されない。たとえば、通常の濃縮ウランを核分裂性物質として使用するウラン燃料の集合体（図示せず）の中の一部を、超ウラン元素変換燃料集合体１とする場合でもよい。

図２は、第１の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の構成を示す水平断面図である。超ウラン元素変換燃料集合体１は、複数の燃料棒１０、２本のウォータロッド３、およびこれらの径方向外側に設けられたチャンネルボックス２を有する。

複数の燃料棒１０は、互いに平行に格子状に配され、長手方向に延びている。複数の燃料棒１０は、熱中性子割合増大構造としての中空燃料棒１０ａを有する。ここで、熱中性子割合増大構造とは、自己遮へいによる熱中性子の低下を抑制して中性子エネルギースペクトルにおける熱中性子の割合を増大するための構造を言うものとする。中空燃料棒１０ａは後述するように、ＴＲＵ燃焼用の燃料棒である。

２本のウォータロッド３は、チャンネルボックス２内の中央部に配され、燃料棒１０に平行して延びている。ここで、燃料棒１０のチャンネルボックス２内の配置位置を、制御棒中心２０に近い方から、位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃおよび位置Ｄとする。

なお、図２では、燃料棒１０内の燃料棒が、熱中性子割合増大構造としての中空燃料棒１０ａのみである場合を示しているが、これには限定されない。燃料棒１０が、ＴＲＵ燃焼用の中実燃料棒１０ｂ（図４）を含む場合でもよい。この場合、中実燃料棒１０ｂは、減速材である原子炉冷却材すなわち冷却水が多い制御棒中心２０側との間隙に近い位置Ａ、あるいはウォータロッド３などに近い位置Ｄなどに配される。あるいは、通常のウラン燃料棒を有していてもよい。

図３は、超ウラン元素変換燃料集合体の中空燃料棒１０ａの構成を示す水平断面図である。中空燃料棒１０ａは、中空燃料ペレット１３および中空燃料ペレット１３を内包する被覆管１１を有する。中空燃料ペレット１３は、円柱状のペレットの径方向の中央部分に貫通孔１３ａが形成されている。貫通孔１３ａの内側の中空領域１８は、たとえば、アルゴンガスが存在する空間である。中空燃料ペレット１３は、中心軸方向に積層されている。なお、貫通孔１３ａの断面形状は、図３の円形に限らず、たとえば、多角形でもよい。

図４は、超ウラン元素変換燃料集合体の中実燃料棒の構成を示す水平断面図である。中実燃料棒１０ｂは、中実燃料ペレット１２および中実燃料ペレット１２を内包する被覆管１１を有する。中実燃料ペレット１２は、中心軸方向に積層されている。

中実燃料ペレット１２および中空燃料ペレット１３は、燃料物質を有する。燃料物質は、核分裂性物質を含む。また、燃料物質はＴＲＵを含む。ＴＲＵとしては、たとえば、Ｐｕ^２４１のように核分裂性物質の場合と、たとえば、Ｐｕ^２４０のように核分裂性物質ではない場合がある。

中空燃料ペレット１３を設けたことにより、核分裂性物質を含む燃料物質の体積が減少するが、従来と同等の性能を確保することが求められる。図５は、本実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の設計方法の手順を示すフロー図である。また、図６は、超ウラン元素変換燃料集合体の設計方法の説明を補足するためのグラフである。図６のグラフの横軸は、注目する超ウラン元素変換燃料集合体１の積算発生エネルギーＥ（ＧＷＤ）、縦軸は、注目する超ウラン元素変換燃料集合体１における中性子無限増倍率ｋ_∞である。

先ず、基本仕様のもとで、燃料集合体の形状・寸法などの幾何形状パラメータを設定する（ステップＳ０１）。ここで、基本仕様は、たとえば、燃料集合体のチャンネルボックスの外形形状、燃料棒配列数、ウォータロッドの有無、あるいは核的および熱的な条件などである。幾何形状パラメータは、たとえば、燃料棒の外形寸法、燃料ペレットの外形および内径、密度、ウォータロッドの形状、外形寸法等である。

次に、燃料ペレットの燃料物質の富化度、ＴＲＵ富化度等の燃料組成パラメータを設定する（ステップＳ０２）。ここでは、核種を限定しない場合は、ウラン２３５およびウラン２３３、核分裂性プルトニウムすなわちプルトニウム２３９、プルトニウム２４１等の重量の合計の燃料物質全体の重量に対する割合も、富化度と呼ぶこととする。

以上の、ステップＳ０１およびステップＳ０２により設定された条件を、図６では、初期条件ＩＣ１で表示している。

次に、燃焼計算を行う（ステップＳ０３）。燃焼計算は、超ウラン元素変換炉心全体について行われる。ここで、超ウラン元素変換炉心は、超ウラン元素変換燃料集合体１と、通常の燃料集合体（図示せず）と、制御棒（図示せず）を有する。燃焼計算は、注目する超ウラン元素変換燃料集合体１の装荷から、その超ウラン元素変換燃料集合体１が所定の燃焼度を達成するまでの期間について実施する。

図６では、初期条件ＩＣ１から、燃焼が進むにつれて、破線ＩＣＡに沿って燃焼度が進む一方、当該超ウラン元素変換燃料集合体１の中性子無限増倍率ｋ_∞が低下する。可燃性毒物を含有しない場合は、中性子無限増倍率ｋ_∞は、ほぼ単調に減少する。

いま、中性子無限増倍率ｋ_∞の、積算発生エネルギーＥへの依存性を、近似的に次の式（１）のように表す。
ｋ_∞＝ａＥ＋ｂ …（１）

このとき、ａおよびｂは、ＴＲＵ富化度等の燃料組成パラメータｅと、幾何形状パラメータｇの関数となり、それぞれ、次の式（２）、（３）と表すことができる。
ａ＝ｆａ（ｅ，ｇ） …（２）
ｂ＝ｆｂ（ｅ，ｇ） …（３）

次に、目標状態が成立したか否かを判定する（ステップＳ０４）。目標状態は、注目する超ウラン元素変換燃料集合体１の燃焼度が所定の値Ｅ_ｇに到達したときに、その超ウラン元素変換燃料集合体１の中性子無限増倍率ｋ_∞が、所定の値ｋ_∞ｇ以上である状態をいうものとする。なお、これ以外の時点、あるいは状態を目標状態として定義してもよい。目標状態が成立していると判定された場合（ステップＳ０４ＹＥＳ）は、成立解が得られる。また、目標状態が成立していると判定されない場合（ステップＳ０４ＮＯ）は、次のステップＳ０５に進む。

図６に示す場合では、当該超ウラン元素変換燃料集合体１の燃焼度が所定の値Ｅ_ｇに到達したときの、当該超ウラン元素変換燃料集合体１の中性子無限増倍率ｋ_∞はｋ１であり、所定の値ｋ_∞ｇ以上とはなっていない。したがって、目標状態が成立していると判定されない場合（ステップＳ０４ＮＯ）に該当するので、次のステップＳ０５に進む。

次は、ＴＲＵ富化度等の燃料組成パラメータｅの変更が可能か否かを判定する（ステップＳ０５）。燃料組成パラメータｅの変更が可能と判定された場合（ステップＳ０５ＹＥＳ）は、ステップＳ０２以下を繰り返す。また、燃料組成パラメータｅの変更が可能と判定されなかった場合（ステップＳ０５ＮＯ）は、次のステップＳ０６に進む。

図６で示す場合には、燃料組成パラメータｅを変更（ステップＳ０２）、たとえば富化度を増やして、初期条件ＩＣ２に移行する。これを新たな初期条件として燃焼計算を実施する（ステップＳ０３）。注目する超ウラン元素変換燃料集合体１の状態は、一点鎖線ＩＣＢに沿って変化する。注目する超ウラン元素変換燃料集合体１の燃焼度が所定の値Ｅ_ｇに到達したときの当該超ウラン元素変換燃料集合体１の中性子無限増倍率ｋ_∞が、所定の値ｋ_∞ｇ以上であるか否かを判定する（ステップＳ０４）。図６の場合は、中性子無限増倍率ｋ_∞はｋ２であり所定の値ｋ_∞ｇ以上とはなっていないので、ステップＳ０６に進む場合に該当する。

次のステップＳ０６では、幾何形状パラメータｇの変更が可能か否かを判定する。幾何形状パラメータｇの変更が可能と判定された場合（ステップＳ０６ＹＥＳ）は、ステップＳ０１以下を繰り返す。幾何形状パラメータｇの変更が可能と判定されなかった場合（ステップＳ０６ＮＯ）には、成立解は得られないことになる。

図６で示す場合には、幾何形状パラメータｇを変更（ステップＳ０１）して、初期条件ＩＣ３に移行する。これを新たな初期条件として燃焼計算を実施する（ステップＳ０３）。注目する超ウラン元素変換燃料集合体１の状態は、実線ＩＣＣに沿って変化する。注目する超ウラン元素変換燃料集合体１の燃焼度が所定の値Ｅ_ｇに到達したときの当該超ウラン元素変換燃料集合体１の中性子無限増倍率ｋ_∞が、所定の値ｋ_∞ｇ以上であるか否かを判定する（ステップＳ０４）。図６の場合は、中性子無限増倍率ｋ_∞はｋ３であり所定の値ｋ_∞ｇ以上であるので、成立解が得られる（ステップＳ０４ＹＥＳ）。

図７は、第１の実施形態の効果を説明するための本実施形態を適用しない場合の燃料集合体内の燃料棒での中性子スペクトルを示すグラフである。横軸は、燃料集合体へ入射する中性子のエネルギー（ｅＶ）、縦軸は、中性子束である。縦軸は、単位は任意である。４本の曲線ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ、およびＬＤは、それぞれ、位置Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤにおける中性子スペクトルを示す。

前述のように、図２において、超ウラン元素変換燃料集合体１のチャンネルボックス２内の配置場所は、制御棒中心２０側に近い方から、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤである。いま、全て通常の幾何形状を持つ軽水炉燃料集合体に、軽水炉からの使用済み燃料由来のＴＲＵを装荷した場合を想定する。すなわち、濃縮ウランを含むＵＯ２燃料を有する燃料集合体で構成した炉心内に、図２に示すように、超ウラン元素変換燃料集合体１を装荷した場合を想定する。

図７は、この場合の各配置場所における中性子スペクトルを示している。横軸は入射中性子エネルギー、縦軸は、中性子束である。位置Ａ、Ｂ、ＣおよびＤにおける中性子スペクトルは、互いにほとんど差がないが、位置Ａについては、熱中性子領域にピークがある点が、他の位置とは異なる。これは位置Ａに配された燃料棒が燃料集合体の最外周に位置し，かつ周囲に減速材となる水が多く存在している燃料集合体の角に位置することに起因する。すなわち、その他の位置に配された燃料棒では、位置Ａに配された燃料棒に比べて、周囲の減速材が少ない。

なお、ここで、熱中性子とは、周囲の原子の熱運動と平衡状態にある中性子をいう。この平衡状態における熱中性子のエネルギー分布はマクスウェル・ボルツマン分布に従い、たとえば、常温においての平均エネルギーは約０．０２５ｅＶである。ここでは、この分布を考慮して、たとえば１ｅＶ以下の領域の中性子を熱中性子と呼ぶこととする。

図８は、本実施形態の効果を説明するための本実施形態を適用しない場合の燃料集合体内の中性子束分布を示すグラフである。横軸は、位置Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ、縦軸は、１ｅＶ以下のエネルギーを有する熱中性子の量である。図７にも示したように、位置Ａが最も大きい。次に、減速材を有するウォータロッド３（図２）に近い位置Ｄが大きい。位置Ａおよび位置Ｄにおける燃料棒の方が、位置Ｃおよび位置Ｂにおける燃料棒より中性子束が大きいのは、それぞれの燃料棒の周辺の減速材すなわち原子炉冷却材である水の存在量の多寡による。

制御棒およびウォータロッドから離れている位置Ｂおよび位置Ｃについては、制御棒に近い位置Ｂに配された燃料棒の方が位置Ｃより若干大きい。これは、主として、燃料集合体の外部からの熱中性子束についての、当該燃料集合体内の自己遮へい効果に起因する。

ＴＲＵ核種は一般に熱中性子領域における中性子吸収断面積が大きく（図１２参照）、燃料集合体の平均熱中性子束が低下する。一方、図７で示したように、位置Ａに配された燃料棒については、大きい熱中性子束が得られている。これは、位置Ａの周囲に減速材である冷却材の存在割合が大きいことによる。その他の位置に配された燃料棒についても同程度の熱中性子束が得られれば、ＴＲＵの変換効率は大きく上昇することになる。

図９は、本実施形態の効果を説明するための、燃料ペレットの中空部割合の、燃料集合体内の燃料棒での中性子スペクトルへの影響を示すグラフである。横軸は入射中性子エネルギー、縦軸は中性子束である。図９は、位置Ｂにおける中性子スペクトルを示している。

今、中空燃料棒１０ａの中空燃料ペレット１３ａの横断面において、中空燃料ペレット１３ａの外径を有する円の面積に対する、中空燃料ペレット１３ａの断面積の割合を中実率と呼ぶこととする。この場合、極限として中実燃料ペレット１２についても、中実率１００％ということとする。

曲線Ｌ１０は中実率１００％の場合、曲線Ｌ６は中実率６０％の場合、また、Ｌ２は中実率２０％の場合を示している。中実率１００％の曲線Ｌ１０に比べて、中実率６０％の曲線Ｌ６、さらには中実率２０％の曲線Ｌ２となるにつれて、約１ｋｅＶ以上の領域においての中性子束の割合が減少し、約１ｅＶ以下の中性子束の割合が増加する。すなわち、中実率が減少するにつれて、中性子スペクトルが熱中性子側にシフトし、熱中性子束の割合が増加している。

一般的に、燃料ペレットの外側から燃料ペレットに流入し燃料中心に向かう熱中性子は、燃料に吸収され順次減衰し、燃料ペレット中心付近では、表面に比べて熱中性子は大幅に減少している。したがって、熱中性子割合増大構造として、燃料ペレット内部の熱中性子が極端に少ない領域を取り除いて自己遮蔽効果を低減することにより、燃料ペレット中の熱中性子の割合を増加させることができる。

図１０は、本実施形態の効果を説明するための燃料ペレットの中空部割合の中性子束レベルへの影響を示すグラフである。横軸は、燃料ペレットの中実率である。縦軸は、位置Ｂにおける中空燃料ペレットでの熱中性子束の、位置Ａにおける中空燃料ペレットの熱中性子束に対する比である。なお、この試算例では、簡単のため、超ウラン元素変換燃料集合体１の全ての燃料棒１０が、同一の中空燃料棒１０ａであるとして算出している。

すなわち、図９で中実率を１００％、６０％および２０％の場合の各エネルギーでの中性子束を示したが、図１０では、熱中性子領域で中性子束を積分した結果が、中実率にどのように依存するかを示している。図１０に示すように、中実率の減少に対して、熱中性子束の割合は、急激に増加する傾向が示されている。

図１１は、本実施形態の効果を説明するための燃料体積の核変換率への影響を示すグラフである。いま、核変換率を、ＴＲＵの装荷量に対するＴＲＵの取り出し量と定義する。図１１に示すように、燃料領域断面積が減少し、燃料体積ＶＦが減少すると、核変換率が増加する。

図１２は、超ウラン元素の反応吸収断面積の例を示す概念的グラフである。断面積の詳細は省略している。また、超ウラン元素のうち、Ｐｕ^２４１の場合を示している。横軸は、中性子エネルギー（ｅＶ）、縦軸は、中性子との反応の断面積（ｂａｒｎｓ）である。なお、１ｂａｒｎは１０^−２８ｍ^２である。

１点鎖線ＣＦは核分裂反応の断面積σ_ｆを、２点鎖線ＣＣは中性子捕獲反応の断面積σ_Ｃを、実線ＣＴは、これ以外の散乱断面積等を含めた全反応の断面積σ_Ｔを示す。図１２に示すように、中性子エネルギーが、１ｅＶ程度以下の領域では、中性子エネルギーが減少するに従って、核分裂反応の断面積σ_ｆも、中性子捕獲反応の断面積σ_Ｃも大きく増加する。この傾向は、他のＴＲＵ核種についてもほぼ、同様である。

したがって、中空燃料ペレット１３による中性子エネルギースペクトルの熱中性子側へのシフトは、ＴＲＵが核変換する中性子との反応、すなわち、核分裂反応および中性子捕獲反応を増加させる効果を有する。

以上のように、本実施形態によれば、軽水炉において、効率的にＴＲＵの核変換が可能となる。

［第２の実施形態］
図１３は、第２の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の燃料棒の構成を示す水平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形であり、燃料棒の構成が異なる。

本実施形態における熱中性子割合増大構造としての減速材含有燃料棒１０ｃは、中空燃料ペレット１３、減速部材１５、およびこれらを内包する被覆管１１を有する。中空燃料ペレット１３は、円柱状の燃料ペレットの径方向の中央部分に貫通孔１３ａが形成されている。中空燃料ペレット１３は、中心軸方向に積層されている。

中空燃料ペレット１３の径方向内側には、減速部材１５が設けられている。減速部材１５の材料としては、たとえば、酸化ベリリウム、炭化ホウ素、水素化ジルコニウム、水素化ハフニウム、スピネル（たとえば、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）などを用いることができる。減速部材１５は、それぞれの中空燃料ペレット１３の内側にそれぞれ設けられて、それぞれ中空燃料ペレット１３と一体をなすことでもよい。あるいは、減速部材１５が棒状であって、中空燃料ペレット１３が積層された状態で、径方向中央に連通する貫通孔１３ａ内に収納されることでもよい。

本実施形態では、熱中性子の割合の小さな燃料ペレットの径方向中心側を除去するだけではなく、さらに減速部材１５を設けることにより、第１の実施形態よりも、さらに、熱中性子の割合を増加させることができる。

［第３の実施形態］
図１４は、第３の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の燃料棒の構成を示す水平断面図である。

本実施形態は、第２の実施形態の変形である。本実施形態における熱中性子割合増大構造としての冷却材流路付燃料棒１０ｄは、中空燃料ペレット１３、および積層された中空燃料ペレット１３を収納する外側被覆管１１ａおよび内側被覆管１１ｂを有する。外側被覆管１１ａと内側被覆管１１ｂは、同心に配され上下に延びている。外側被覆管１１ａの上端と、内側被覆管１１ｂの上端は、図示しない穴あき円板状の端板により結合されている。同様に、外側被覆管１１ａの下端と、内側被覆管１１ｂの下端は、図示しない穴あき円板状の端板により結合されている。

内側被覆管１１ｂの内側は、超ウラン元素変換燃料集合体１内の原子炉冷却材１６の流路の一部を形成する。原子炉冷却材１６である水は減速効果を有することから、本実施形態も第２の実施形態と同様の効果をもたらす。

［第４の実施形態］
図１５は、第４の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の燃料棒の構成を示す水平断面図である。本実施形態における熱中性子割合増大構造としての超ウラン元素変換燃料集合体１は、小径燃料棒１０ｅを有する。小径燃料棒１０ｅは、小径の中実燃料ペレット１２および小径の小径被覆管１１ｃを有する。小径燃料棒１０ｅ間の間隔を維持しながら、燃料棒の径を縮小することにより、燃料に対する冷却材の体積比を増加させる。この結果、中性子の減速効果が大きくなり、熱中性子の割合を増加させ、第１ないし第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第５の実施形態］
図１６は、第５の実施形態に係る超ウラン元素変換燃料集合体の燃料棒の構成を示す水平断面図である。本実施形態における熱中性子割合増大構造としての低密度燃料棒１０ｆは、低密度ペレット１４を有する。低密度ペレット１４は、各部の寸法を変更することなしに、ウラン２３５およびＴＲＵの密度を下げることにより、燃料に対する冷却材の比を増加させ、第４の実施形態と同様の効果を得るものである。

燃料ペレットのみの変更であるため、製造等に対する影響が少なくて済む。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、超ウラン元素変換燃料集合体１は、中実燃料棒１０ｂおよび中空燃料棒１０ａの２種類の燃料棒を含む場合を示したが、たとえば、全てが中空燃料棒１０ａの場合でもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…超ウラン元素変換燃料集合体、２…チャンネルボックス、３…ウォータロッド、１０…燃料棒、１０ａ…中空燃料棒（燃料棒）、１０ｂ…中実燃料棒（燃料棒）、１０ｃ…減速材含有燃料棒（燃料棒）、１０ｄ…冷却材流路付燃料棒（燃料棒）、１０ｅ…小径燃料棒（燃料棒）、１０ｆ…低密度燃料棒（燃料棒）、１１…被覆管、１１ａ…外側被覆管（被覆管）、１１ｂ…内側被覆管（被覆管）、１１ｃ…小径被覆管（被覆管）、１２…中実燃料ペレット（燃料ペレット）、１３…中空燃料ペレット（燃料ペレット）、１３ａ…貫通孔、１４…低密度ペレット（燃料ペレット）、１５…減速部材、１６…原子炉冷却材、１８…中空領域、２０…制御棒中心、２１…制御棒、１００…超ウラン元素変換炉心

Claims

軽水冷却型原子炉の炉心に用いられ超ウラン元素の核変換のための超ウラン元素変換燃料集合体であって、
長手方向に延びて互いに平行に格子状に配列された複数の燃料棒と、
前記複数の燃料棒の径方向外側を包囲するチャンネルボックスと、
を備え、
前記複数の燃料棒はそれぞれ、
所定の燃焼度確保時点における当該超ウラン元素変換燃料集合体での無限中性子増倍率が所定の値以上となる条件を満たす濃度の核分裂性物質を有しかつ超ウラン元素を含む前記長手方向に積層された燃料ペレットと、
前記燃料ペレットを内包する被覆管と、
を有するとともに、
自己遮蔽による前記燃料ペレットの内部の中性子レベルの低下を抑制するために前記燃料ペレットの径方向中央部に原子炉冷却材の通路が形成されている、
ことを特徴とする超ウラン元素変換燃料集合体。
前記複数の燃料棒の中央領域に配されて筒状で原子炉冷却水を通過させる少なくとも１本のウォータロッドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超ウラン元素変換燃料集合体。
軽水冷却型原子炉の超ウラン元素変換炉心であって、
互いに並列に格子状に配列され、鉛直方向に延びた複数の超ウラン元素変換燃料集合体と、
前記複数の超ウラン元素変換燃料集合体と並列に配された反応度を制御するための制御棒と、
を具備し、
前記複数の超ウラン元素変換燃料集合体のそれぞれは、
長手方向に延びて互いに平行に格子状に配列された複数の燃料棒と、
前記複数の燃料棒の径方向外側を包囲するチャンネルボックスと、
を備え、
前記複数の燃料棒はそれぞれ、
所定の燃焼度確保時点における当該超ウラン元素変換燃料集合体での無限中性子増倍率が所定の値以上となる条件を満たす濃度の核分裂性物質を有しかつ超ウラン元素を含む前記長手方向に積層された燃料ペレットと、
前記燃料ペレットを内包する被覆管と、
を有するとともに、
自己遮蔽による前記燃料ペレットの内部の中性子レベルの低下を抑制するために前記燃料ペレットの径方向中央部に原子炉冷却材の通路が形成されている、
ことを特徴とする超ウラン元素変換炉心。
軽水冷却型原子炉の炉心における超ウラン元素の核変換のための、長手方向に延びて互いに平行に格子状に配列された複数の燃料棒と前記複数の燃料棒の径方向外側を包囲するチャンネルボックスとを備える超ウラン元素変換燃料集合体設計方法であって、
前記超ウラン元素変換燃料集合体の幾何形状パラメータの設定を行う幾何形状パラメータ設定ステップと、
前記超ウラン元素変換燃料集合体の核分裂性物質の燃料組成パラメータを設定する燃料組成パラメータ設定ステップと、
前記炉心内の燃料の燃焼計算を行う燃焼計算ステップと、
前記燃焼計算の結果、所定の燃焼度確保時点における当該超ウラン元素変換燃料集合体での無限中性子増倍率が所定の値以上であるか否かを判定し、前記所定の値以上と判定された場合は終了とする第１の判定ステップと、
前記第１の判定ステップで前記所定の値以上でないと判定された場合に、前記燃料組成パラメータを変更可能であるか否かを判定し、変更可能と判定された場合は前記燃料組成パラメータ設定ステップに移行する第２の判定ステップと、
前記第２の判定ステップで変更可能と判定されなかった場合に、前記幾何形状パラメータの変更が可能であるか判定し、可能と判定された場合は、前記幾何形状パラメータ設定ステップに移行する第３の判定ステップと、
を有し、
前記複数の燃料棒はそれぞれ長手方向に積層された燃料ペレットと前記燃料ペレットを内包する被覆管を有し、前記燃料ペレットの径方向中央部には自己遮蔽による前記燃料ペレットの内部の中性子レベルの低下を抑制するために原子炉冷却材の通路が形成されている、
ことを特徴とする超ウラン元素変換燃料集合体設計方法。