JP7251890B2 - MOX fuel assembly - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、MOX燃料集合体に関する。 Embodiments of the present invention relate to MOX fuel assemblies.

発電用軽水炉で用いられる燃料集合体は、核物質を含む複数の燃料棒を格子状に配列して束ねて構成され、原子炉の出力運転時には燃料棒が内部の核物質の核分裂反応で発熱し、発生した熱を、水を燃料集合体の内部に導いて除熱できるよう構成される。発電用軽水炉には、燃料集合体内部の熱を蒸気として取出して発電する沸騰水型軽水炉と、高温水として取出して蒸気発生器という熱交換機に導いて蒸気とした後に発電する加圧水型軽水炉がある。 Fuel assemblies used in power generation light water reactors consist of multiple fuel rods containing nuclear material arranged in a lattice and bundled together. , the generated heat can be removed by introducing water into the interior of the fuel assembly. Light water reactors for power generation include boiling water reactors, which extract the heat inside fuel assemblies as steam to generate electricity, and pressurized water reactors, which extract high-temperature water and lead it to a heat exchanger called a steam generator to convert it into steam for power generation. .

発電用軽水炉(沸騰水型軽水炉と加圧水型軽水炉の両方)で用いられる燃料集合体には、核分裂反応が生じる核物質としてウランのみを含むウラン燃料集合体と、核物質としてプルトニウム(以下Pu)とウランを含むMOX燃料集合体がある。MOX燃料集合体とは混合酸化物燃料の略称であり、原子炉の使用済み核燃料中に含まれる核物質の酸化物である酸化プルトニウム(PuO)と同じく核物質の酸化物である酸化ウラン(UO)とを混ぜて用いる燃料集合体である。 Fuel assemblies used in light water reactors for power generation (both boiling water reactors and pressurized water reactors) include uranium fuel assemblies containing only uranium as the nuclear fission reaction material, and plutonium (Pu) as the nuclear material. There are MOX fuel assemblies containing uranium. MOX fuel assembly is an abbreviation for mixed oxide fuel, and includes plutonium oxide (PuO 2 ), which is an oxide of nuclear material contained in the spent nuclear fuel of a nuclear reactor, and uranium oxide ( UO 2 ) is mixed and used.

このMOX燃料集合体には、Puを含む燃料棒であるMOX燃料棒と、Puを含まない燃料棒で以下に示す可燃性毒物を含む可燃性毒物入りウラン燃料棒と、可燃性毒物を含まないウラン燃料棒の3種類が含まれる。MOX燃料集合体によっては、可燃性毒物を含まないウラン燃料棒が含まれない場合がある。 This MOX fuel assembly includes MOX fuel rods that are fuel rods containing Pu, uranium fuel rods that do not contain Pu and contain burnable poisons shown below, and burnable poison-free fuel rods Three types of uranium fuel rods are included. Some MOX fuel assemblies do not include burnable poison-free uranium fuel rods.

上記MOX燃料集合体において、MOX燃料棒と可燃性毒物入りウラン燃料棒の2種類を用いる燃料集合体は、ディスクリート型MOX燃料集合体と呼ばれる。可燃性毒物を含まないウラン燃料棒を燃料集合体のコーナー周辺やチャンネルボックス隣接場所に専ら配置する燃料集合体は、アイランド型MOX燃料集合体と呼ばれる。 Among the above MOX fuel assemblies, a fuel assembly using two types of MOX fuel rods and uranium fuel rods containing burnable poison is called a discrete MOX fuel assembly. A fuel assembly in which uranium fuel rods containing no burnable poison are arranged exclusively around the corners of the fuel assembly or adjacent to the channel box is called an island-type MOX fuel assembly.

可燃性毒物とは、燃料集合体の中に核物質の核分裂反応を調節するために添加される物質で、例えば沸騰水型原子炉で用いる燃料集合体では、ガドリニウムの酸化物であるガドリニア(Gd)が用いられることが多い。このガドリニアのような物質は、核反応により減っていく特性があるため、可燃性毒物と呼ぶ。可燃性毒物は通常はPuを含まない燃料棒にのみ添加して用いられる。 A burnable poison is a substance added to a fuel assembly to regulate the nuclear fission reaction of nuclear material. 2 O 3 ) are often used. Substances like this gadolinia are called burnable poisons because they have the property of being reduced by nuclear reactions. Burnable poisons are usually added only to fuel rods that do not contain Pu.

MOX燃料集合体あたりの核物質の量は、その燃料集合体が1体あたりに発生すべき熱エネルギーになるように設定されている。例えば沸騰水型軽水炉のMOX燃料集合体の場合では、核燃料1トン当たりの発生エネルギー(以下、燃焼度)が集合体平均で45GWd/tの場合、集合体平均Pu富化度は6wt%程度である。加圧水型軽水炉のMOX燃料集合体の場合はそれより高く11wt%程度である。 The amount of nuclear material per MOX fuel assembly is set so that the fuel assembly has the thermal energy to be generated per body. For example, in the case of a MOX fuel assembly for a boiling water reactor, when the energy generated per ton of nuclear fuel (hereinafter referred to as burnup) is 45 GWd/t on average, the average Pu enrichment of the assembly is about 6 wt%. be. In the case of MOX fuel assemblies for pressurized water reactors, it is higher, about 11 wt%.

集合体平均Pu富化度とは、集合体に含まれるPuの全重金属に対する比であり、特に断らないかぎりPuの重量を、可燃性毒物を含まないウラン燃料棒と、可燃性毒物を含むウラン燃料棒と、MOX燃料棒に含まれる全ての重金属量で平均した値である。また、集合体平均ウラン235濃縮度とは、ウラン235の濃縮度を、可燃性毒物を含まないウラン燃料棒と、可燃性毒物を含むウラン燃料棒と,MOX燃料棒と、に含まれる全てのウランで平均した値である。 The aggregate average Pu enrichment is the ratio of Pu contained in the aggregate to the total heavy metals. This is the average value for all heavy metals contained in fuel rods and MOX fuel rods. In addition, the aggregate average uranium 235 enrichment is the enrichment of uranium 235 for all of the uranium fuel rods that do not contain burnable poison, the uranium fuel rod that contains burnable poison, and the MOX fuel rods. Average value for uranium.

さらに、Puには数種類の同位体が存在しており、そのうち軽水炉の条件で良く核分裂する核種はPu-239とPu-241の2種類で、これらを核分裂性Puという。使用済み燃料に含まれる核分裂性Puの全Puに対する比率としては、BWRでは約58%、PWRでは約65%等の例がある。 Further, Pu has several kinds of isotopes, among which two kinds of nuclides, Pu-239 and Pu-241, which are well fissile under the conditions of a light water reactor, are called fissile Pu. Examples of the ratio of fissile Pu contained in spent fuel to total Pu are about 58% for BWR and about 65% for PWR.

上記の核分裂性Puの比率は様々な条件で変化する。例えば、取出燃焼度が45GWd/tの場合よりも、それより低い燃焼度で燃料を取り出した場合の方が、核分裂性Puの比率が増加する。 The ratio of fissionable Pu changes under various conditions. For example, the ratio of fissile Pu increases when the fuel is extracted at a lower burnup than when the ejected burnup is 45 GWd/t.

軽水炉で核反応が生じ、所定の燃焼度に達して軽水炉から取り出された燃料集合体は、使用済み燃料集合体(以下、使用済み燃料)という。使用済み燃料は、核反応せずに残留した核物質を取り出すために再処理を行う。再処理を行うために使用済み燃料は、一定期間保管して再処理が行える崩壊熱の上限値(以下、崩壊熱上限)以下にするため冷却が必要になる。例えばウラン燃料の使用済み燃料をせん断するためには4年以上の冷却が必要とされる。また再処理プロセスの安全上の要請から崩壊熱上限を下げて必要冷却期間は15年以上とする例がある。 A nuclear reaction occurs in a light water reactor, and a fuel assembly that has reached a predetermined burnup and is removed from the light water reactor is called a spent fuel assembly (hereinafter, spent fuel). Spent fuel is reprocessed to extract the remaining nuclear material that has not undergone a nuclear reaction. In order to perform reprocessing, spent fuel must be stored for a certain period of time and cooled to keep it below the upper limit of decay heat for reprocessing (hereinafter referred to as the upper limit of decay heat). For example, four years or more of cooling is required to shear spent fuel of uranium fuel. There are also cases where the required cooling period is set at 15 years or more by lowering the upper limit of decay heat due to the safety requirements of the reprocessing process.

使用済み燃料には、不安定原子核が生じており、その核種が壊変、崩壊して発生する熱が崩壊熱である。崩壊熱は、核分裂生成物によるものとアクチニドによるものがある。いずれの成分もウラン燃料およびMOX燃料の崩壊熱においてそれぞれ時間の経過によって減衰する。MOX燃料集合体とウラン燃料集合体では、核分裂生成物の成分にはほぼ差がなく、アクチニドと呼ぶ核種の崩壊熱の成分が、ウラン燃料よりもMOX燃料の方が一桁大きいことがわかっている。この差により、使用済み燃料を炉から取出して10年経過するとMOX燃料集合体では、崩壊熱がアクチニド支配になる。一方、ウラン燃料集合体ではアクチニド支配になるのは炉から取出して数十年後である。このためMOX燃料が一定の崩壊熱になるまでの必要な冷却期間は、ウラン燃料よりも長い。 Spent fuel contains unstable nuclei, and decay heat is the heat generated by the decay and decay of these nuclei. Decay heat is due to fission products and actinides. Both components decay over time in the decay heat of uranium fuel and MOX fuel, respectively. There is almost no difference in the components of fission products between MOX fuel assemblies and uranium fuel assemblies, and it has been found that the decay heat component of nuclides called actinides is one order of magnitude larger in MOX fuel than in uranium fuel. there is Due to this difference, decay heat becomes actinide-dominated in the MOX fuel assembly 10 years after the spent fuel is removed from the reactor. On the other hand, uranium fuel assemblies become actinide-dominated several decades after they are removed from the reactor. Therefore, the cooling period required for MOX fuel to reach a certain decay heat is longer than that for uranium fuel.

燃料集合体を再処理して核物質として抽出される物質のうち、ウランは回収ウランと呼ばれ天然ウラン235の濃度約0.7wt%より高い濃縮度で残留する。この回収ウランの濃縮度(以後、回収ウラン235濃縮度)は軽水炉プラントの違いや燃焼度によらず約1wt%である。このように回収ウラン235濃縮度は、通常は軽水炉の核燃料で使用される濃縮度よりも低いため回収ウランは再度濃縮して利用されることがある。 Among the materials extracted as nuclear materials by reprocessing the fuel assemblies, uranium is called recovered uranium and remains at a higher enrichment than the natural uranium-235 concentration of about 0.7 wt %. The enrichment of this recovered uranium (hereinafter referred to as the recovered uranium 235 enrichment) is about 1 wt % regardless of differences in light water reactor plants and burnup. Since the recovered uranium-235 enrichment is generally lower than the enrichment used in light water reactor nuclear fuel, the recovered uranium may be re-enriched and used.

回収ウラン235濃縮度を高める方法もある。目的とする燃焼度等に必要な初期ウラン濃縮度よりも高い初期ウラン濃縮度を用いれば広い範囲で回収ウラン235濃縮度を高めることができることが知られている(特許文献1)。 There are also methods for increasing the recovered uranium-235 enrichment. It is known that the recovered uranium-235 enrichment can be increased in a wide range by using an initial uranium enrichment higher than the initial uranium enrichment required for the desired burnup (Patent Document 1).

MOX燃料集合体において、Pu富化度とウラン235濃縮度の比を限定する考え方がある。核分裂性Pu(Pu-239とPu-241の合計でPu-240,242は含まない)とウラン235がMOX燃料に含まれる場合に、核分裂性Pu重量比に対してウラン235の重量比の方を多くするものである(特許文献2参照)。しかしながら、特許文献2は、核分裂性Pu重量に対するウラン235の重量の比に着目したもので、核分裂性Puだけでなく集合体平均Pu富化度に着目したものではない。また、特許文献2は加圧水型軽水炉に関するものであり、沸騰水型軽水炉に関するものではない。 There is a concept of limiting the ratio of Pu enrichment and uranium-235 enrichment in MOX fuel assemblies. When fissile Pu (the sum of Pu-239 and Pu-241 does not include Pu-240 and 242) and uranium 235 are included in the MOX fuel, the weight ratio of uranium 235 to the weight ratio of fissile Pu is increased (see Patent Document 2). However, Patent Document 2 focuses on the ratio of the weight of uranium 235 to the weight of fissile Pu, and does not focus on not only the fissile Pu but also the aggregate average Pu enrichment. Moreover, Patent Document 2 relates to a pressurized water reactor, not to a boiling water reactor.

また、炉心の熱的余裕を改善する技術において、可燃性毒物が充填された領域の平均のウラン濃縮度Uと、MOX燃料棒の平均の核分裂性Pu富化度Eを、U/E≧1.3とするものもある(特許文献3参照)。しかしながら、この特許文献3も核分裂性Pu重量に対するウラン235の重量の比に着目したもので、核分裂性Puだけでなく集合体平均Pu富化度に着目したものではない。また、特許文献3は、炉心の熱的余裕を改善することを目的としており、崩壊熱の除去に必要な冷却期間を短縮し、Pu時間利用効率を高めることを目的としたものではない。 In addition, in the technology for improving the core thermal margin, the average uranium enrichment U of the region filled with burnable poison and the average fissile Pu enrichment E of the MOX fuel rods are set to U/E≧1 .3 (see Patent Document 3). However, this Patent Document 3 also focuses on the ratio of the weight of uranium 235 to the weight of fissile Pu, and does not focus on not only the fissile Pu but also the aggregate average Pu enrichment. In addition, Patent Document 3 aims to improve the thermal margin of the core, and does not aim to shorten the cooling period required to remove decay heat and improve Pu time utilization efficiency.

特開2005-30772号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-30772 WO2014/088461A1WO2014/088461A1 特開平10-68789号公報JP-A-10-68789

上述した軽水炉で用いられるMOX燃料集合体を再処理する場合、アクチニドの割合がウラン燃料集合体よりも多いことによって、再処理を開始するまでの必要な冷却期間がウラン燃料集合体よりも長期化する。再処理までの冷却期間が長期化すればするほど再処理して得られるPuを回収できる周期が長期化して核燃料の資源としての集合体平均Pu富化度を冷却期間で割った時間的なPu時間利用効率が悪化してしまう。 When reprocessing the MOX fuel assemblies used in the above-mentioned light water reactors, the required cooling period until the start of reprocessing is longer than that of uranium fuel assemblies because the proportion of actinides is higher than that of uranium fuel assemblies. do. The longer the cooling period before reprocessing, the longer the period in which Pu obtained by reprocessing can be recovered. The efficiency of time utilization deteriorates.

例えば、集合体平均Pu富化度が同じで冷却期間が100年から200年に2倍となればPu時間利用効率は1/2になる。冷却期間が同じで集合体平均Pu富化度が1/2になった場合も同じように時間的な利用効率は1/2になる。Puの時間的な利用効率が低下すれば、次世代のMOX燃料集合体では、その分の核物質をウランとする必要が生じ、ウラン資源消費がその分増加してしまう課題がある。 For example, if the aggregate average Pu enrichment is the same and the cooling period is doubled from 100 years to 200 years, the Pu time utilization efficiency will be halved. Similarly, when the cooling period is the same and the collective average Pu enrichment is halved, the temporal utilization efficiency is also halved. If the temporal utilization efficiency of Pu decreases, the next-generation MOX fuel assembly will need to use uranium as the nuclear material for that amount.

集合体平均Pu富化度が、集合体平均ウラン濃縮度の数倍になるケースでは、ひとつの集合体に添加できるPu量を増やせるが、崩壊熱が増加してしまうためPuの時間的利用効率が必ずしも大きくできない。集合体平均Pu富化度が集合体平均ウラン235濃縮度の数分の1になるケースでは、崩壊熱が減少できるが一つの集合体に添加できる量が減ってしまうためにPuの時間的利用効率を大きくできないということになる。すなわちPuの時間的利用効率の点で従来は非効率な集合体平均Pu富化度と集合体平均ウラン235濃縮度の比になっていた。 In the case where the aggregate average Pu enrichment is several times the aggregate average uranium enrichment, the amount of Pu that can be added to one aggregate can be increased, but the decay heat increases, so the Pu temporal utilization efficiency cannot necessarily be large. In the case where the aggregate average Pu enrichment is a fraction of the aggregate average uranium-235 enrichment, the decay heat can be reduced, but the amount that can be added to one aggregate is reduced, so the time utilization of Pu is reduced. This means that efficiency cannot be increased. In other words, the ratio of the aggregate average Pu enrichment to the aggregate average uranium-235 enrichment was conventionally inefficient in terms of Pu temporal utilization efficiency.

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、崩壊熱の除去に必要な冷却期間を短縮し、Pu時間利用効率を高めることのできるMOX燃料集合体を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a MOX fuel assembly capable of shortening the cooling period necessary for removing decay heat and improving Pu time utilization efficiency. do.

実施形態のMOX燃料集合体は、数の燃料棒を規則的に配置して束ねて構成され、沸騰水型軽水炉に使用されるMOX燃料集合体であって、前記燃料棒は、未燃焼時において核分裂性物質としてウラン235とプルトニウムの両方を含む燃料要素を燃料被覆管で格納したMOX燃料棒と、未燃焼時において可燃性毒物を含み核分裂性物質としてウラン235を含みプルトニウムを含まない燃料要素を燃料被覆管で格納した可燃性毒物入りウラン燃料棒とを含み、集合体平均プルトニウム富化度を集合体平均ウラン235濃縮度で除した比が0.40以上1.08以下に設定され、一部または全ての前記MOX燃料棒中のウラン235濃縮度が1.5wt%を上回る
A MOX fuel assembly of an embodiment is a MOX fuel assembly that is configured by regularly arranging and bundling a plurality of fuel rods and is used in a boiling water reactor. MOX fuel rod containing fuel elements containing both uranium 235 and plutonium as fissile materials in a fuel cladding, and fuel elements containing burnable poison and containing uranium 235 as fissile materials and not containing plutonium when not burned and a burnable poison-containing uranium fuel rod stored in a fuel cladding, and the ratio obtained by dividing the aggregate average plutonium enrichment by the aggregate average uranium-235 enrichment is set to 0.40 or more and 1.08 or less , Uranium-235 enrichment in some or all of said MOX fuel rods is greater than 1.5 wt% .

本発明によれば、崩壊熱の除去に必要な冷却期間を短縮し、Pu時間利用効率を高めることのできるMOX燃料集合体を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a MOX fuel assembly capable of shortening the cooling period necessary for removing decay heat and improving Pu time utilization efficiency.

第1実施形態のMOX燃料集合体の設定を示す図。The figure which shows the setting of the MOX fuel assembly of 1st Embodiment. 第1実施形態における崩壊熱の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the decay heat in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるPu富化度ウラン235濃縮度比と冷却必要年数及びPu時間利用効率の関係を示すグラフ。5 is a graph showing the relationship between Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio, required years for cooling, and Pu time utilization efficiency in the first embodiment. 第1実施形態におけるPu富化度ウラン235濃縮度比と冷却必要年数及びPu時間利用効率の関係を示すグラフ。5 is a graph showing the relationship between Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio, required years for cooling, and Pu time utilization efficiency in the first embodiment. 第1実施形態におけるPu富化度ウラン235濃縮度比と冷却必要年数及びPu時間利用効率の関係を示すグラフ。5 is a graph showing the relationship between Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio, required years for cooling, and Pu time utilization efficiency in the first embodiment. 第1実施形態におけるPu富化度ウラン235濃縮度比と冷却必要年数及びPu時間利用効率の関係を示すグラフ。5 is a graph showing the relationship between Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio, required years for cooling, and Pu time utilization efficiency in the first embodiment. ウラン燃料の各冷却年数における第1実施形態におけるPu時間利用効率を示す図。The figure which shows the Pu time utilization efficiency in 1st Embodiment in each cooling age of uranium fuel. ウラン燃料の各冷却年数における第1実施形態における冷却年数を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the cooling years in the first embodiment for each cooling age of uranium fuel; 第2実施形態のMOX燃料集合体の設定を示す図。The figure which shows the setting of the MOX fuel assembly of 2nd Embodiment. 第2実施形態における崩壊熱の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the decay heat in 2nd Embodiment. 第3実施形態のMOX燃料集合体の設定を示す図。The figure which shows the setting of the MOX fuel assembly of 3rd Embodiment. 第3実施形態における崩壊熱の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the decay heat in 3rd Embodiment. 第4実施形態のMOX燃料集合体の設定を示す図。The figure which shows the setting of the MOX fuel assembly of 4th Embodiment. 第5実施形態のMOX燃料集合体の設定を示す図。The figure which shows the setting of the MOX fuel assembly of 5th Embodiment. 第5実施形態における崩壊熱の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the decay heat in 5th Embodiment. 第5実施形態におけるPu富化度ウラン235濃縮度比と冷却必要年数及びPu時間利用効率の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio, the number of years required for cooling, and Pu time utilization efficiency in 5th Embodiment. 第6実施形態のMOX燃料集合体の設定を示す図。The figure which shows the setting of the MOX fuel assembly of 6th Embodiment. 第6実施形態における崩壊熱の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the decay heat in 6th Embodiment. 9×9燃料集合体の構成を模式的に示す横断面図。Fig. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a 9x9 fuel assembly; 燃料棒の構成を模式的に示す図。The figure which shows the structure of a fuel rod typically. 燃料集合体と炉心の構成を模式的に示す平面図。FIG. 2 is a plan view schematically showing the configuration of fuel assemblies and a core; ウラン燃料集合体の燃料棒の配置を示す概略平面図。FIG. 2 is a schematic plan view showing the arrangement of fuel rods in a uranium fuel assembly; ウラン燃料集合体の設定を示す図。Fig. 2 shows a uranium fuel assembly configuration; ウラン燃料集合体における崩壊熱の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the decay heat in a uranium fuel assembly. MOX燃料集合体の燃料棒の配置の例を示す概略平面図。FIG. 2 is a schematic plan view showing an example of the arrangement of fuel rods in an MOX fuel assembly; 従来のMOX燃料集合体の設定を示す図。FIG. 2 shows a conventional MOX fuel assembly setup; 従来のMOX燃料集合体の崩壊熱の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the decay heat of the conventional MOX fuel assembly. 従来のMOX燃料集合体の設定を示す図。FIG. 2 shows a conventional MOX fuel assembly setup; 従来のMOX燃料集合体の崩壊熱の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the decay heat of the conventional MOX fuel assembly. MOX燃料集合体の燃料棒の配置の他の例を示す概略平面図。FIG. 4 is a schematic plan view showing another example of the arrangement of fuel rods in the MOX fuel assembly;

以下、実施形態に係るMOX燃料集合体について図面を参照して説明する。 Hereinafter, MOX fuel assemblies according to embodiments will be described with reference to the drawings.

まず燃料集合体の構成について説明する。図19、図20に示すように、燃料集合体7は、ウラン燃料集合体とMOX燃料集合体ともに、燃料ペレットと呼ばれる二酸化ウランを円柱状に焼結した燃料要素1と、それらを複数段積み重ねて燃料被覆管2で格納して構成される燃料棒3を有している。また、燃料集合体7は、燃料要素1に可燃性毒物物質を含む可燃性毒物入り燃料棒4、内部には燃料要素が無く運転時に内部を冷却水が流れるウォータロッド5を有している。そして、燃料集合体7は、これらを四角柱状の管であるチャンネルボックス6内に9行9列で束ねて収納して構成されている。また燃料棒のうち8本はその全長が約2/3となった部分長燃料棒9を使用している。図21に示すように、これらの燃料集合体7を規則的に配置して炉心8が構成されている。 First, the configuration of the fuel assembly will be described. As shown in FIGS. 19 and 20, both the uranium fuel assembly and the MOX fuel assembly 7 consist of fuel elements 1 called fuel pellets, which are made by sintering uranium dioxide in a cylindrical shape, and stacking them in multiple stages. It has fuel rods 3 that are housed in fuel cladding tubes 2 . The fuel assembly 7 has a fuel element 1, a burnable poison containing fuel rod 4 containing a burnable poison substance, and a water rod 5 having no fuel element inside and through which cooling water flows during operation. The fuel assembly 7 is configured by bundling them in a channel box 6, which is a square prism-shaped tube, in 9 rows and 9 columns. Eight of the fuel rods are part length fuel rods 9 whose total length is reduced to about 2/3. As shown in FIG. 21, a core 8 is constructed by regularly arranging these fuel assemblies 7 .

燃料棒の一部は、燃料要素中に可燃性毒物として酸化ガドリニウムすなわちガドリニアを含む可燃性毒物棒である。燃料被覆管はジルカロイ2と呼ばれるジルコニウム合金製である。軽水炉の形式は、改良型沸騰水型軽水炉(ABWR)と呼ばれる形式のプラントであり、定格運転時の熱出力は3926MW、炉心当たりの燃料集合体数は872体、燃料1体当たりの核物質の金属重量は約172kgとなっている。ここで核物質とは、二酸化ウランおよび二酸化Puである。 A portion of the fuel rods are burnable poison rods containing gadolinium oxide or gadolinia as a burnable poison in the fuel element. The fuel cladding is made of a zirconium alloy called Zircaloy-2. The type of light water reactor is a plant called an advanced boiling water reactor (ABWR), and the thermal output during rated operation is 3926 MW, the number of fuel assemblies per core is 872, and the amount of nuclear material per fuel is 3,926 MW. The metal weight is approximately 172 kg. Here, nuclear materials are uranium dioxide and Pu dioxide.

ABWRでの炉心8における燃料集合体7の配置は、図21に示すようになっている。図21において、一つの正方形が燃料集合体1体に対応する。ウラン燃料集合体の燃料棒配置を図22に示す。ウラン燃料集合体は、ウラン燃料棒(記号U)と可燃性毒物棒(記号G)を含む。 The arrangement of fuel assemblies 7 in the core 8 of an ABWR is as shown in FIG. In FIG. 21, one square corresponds to one fuel assembly. FIG. 22 shows the fuel rod arrangement of the uranium fuel assembly. A uranium fuel assembly includes uranium fuel rods (symbol U) and burnable poison rods (symbol G).

ウラン燃料集合体における燃料棒種類ごとのウラン235濃縮度や平均値等を図23に示す。ウラン燃料集合体の平均のウラン235濃縮度は約3.8wt%である。ウラン燃料棒と可燃性毒物棒は1本ごとの濃縮度は必ずしも同じではないが燃料集合体の平均値が約3.8wt%である。この燃料集合体は取出燃焼度45GWd/tであり炉から取り出され、冷却される。 FIG. 23 shows the uranium-235 enrichment and average values for each type of fuel rod in the uranium fuel assembly. The average uranium-235 enrichment of a uranium fuel assembly is about 3.8 wt%. The enrichment of each uranium fuel rod and burnable poison rod is not necessarily the same, but the average value of the fuel assembly is about 3.8 wt%. This fuel assembly has a discharge burnup of 45 GWd/t and is removed from the reactor and cooled.

ウラン燃料集合体を炉から取出した後1年以降の崩壊熱変化を図24に示す。1000年経過後には、崩壊熱はアクチニド等の崩壊が進んで取出直後と比べて1/100以下に減衰している。 Fig. 24 shows the change in decay heat after one year from the removal of the uranium fuel assembly from the reactor. After 1000 years have passed, the decay heat of actinides etc. has progressed and the decay heat has decreased to 1/100 or less of that immediately after extraction.

次にMOX燃料集合体の燃料棒配置の例を図25に示す。MOX燃料棒と可燃性毒物棒の燃料棒平均のPu富化度とウラン235濃縮度は、MOX燃料棒(記号M)と可燃性毒物棒(記号G)を含む。このMOX燃料集合体はいわゆるディスクリート型といわれウラン燃料棒を含まない。 Next, FIG. 25 shows an example of the fuel rod arrangement of the MOX fuel assembly. The fuel rod average Pu enrichment and uranium-235 enrichment for MOX fuel rods and burnable poison rods includes MOX fuel rods (symbol M) and burnable poison rods (symbol G). This MOX fuel assembly is a so-called discrete type and does not contain uranium fuel rods.

この場合の燃料棒種類ごとのPu富化度等の例を図26に示す。ウラン燃料集合体の場合と同様にMOX燃料棒、可燃性毒物棒の核種の濃度は必ずしも同じではないがそれぞれの平均値が図26に示す各燃料棒区分の値になっている。なお、この例では核分裂性Pu同位体比は58%である。この燃料集合体は取出燃焼度45GWd/tであり炉から取り出され、冷却される。 FIG. 26 shows an example of Pu enrichment and the like for each type of fuel rod in this case. As in the case of the uranium fuel assembly, the nuclide concentrations of the MOX fuel rods and burnable poison rods are not necessarily the same, but their average values are the values for each fuel rod category shown in FIG. In this example, the fissionable Pu isotope ratio is 58%. This fuel assembly has a discharge burnup of 45 GWd/t and is removed from the reactor and cooled.

このMOX燃料集合体を炉から取出した後1年以降の崩壊熱変化を図27に示す。1000年経過後には崩壊熱はアクチニド等の崩壊が進んで取出直後と比べて数10分の1に減衰している。ウラン燃料集合体よりも崩壊熱の減衰が遅いが、これはMOX燃料集合体が未燃焼の初期状態でPuを含んでいるため、燃焼中にPuからより質量数の大きく崩壊熱の大きいアクチニドに変換される核種量が桁違いに多いためである。 FIG. 27 shows the change in decay heat after one year from the removal of this MOX fuel assembly from the reactor. After 1000 years have passed, the decay heat of actinides and the like has progressed, and the decay heat is attenuated to a few tenths of that immediately after extraction. Attenuation of decay heat is slower than that of uranium fuel assemblies. This is because the amount of nuclides to be converted is incomparably large.

さらに、MOX燃料集合体でディスクリート型とした場合において、核分裂性Pu同位体比を80%とした場合の例の燃料棒種類ごとのPu富化度等を図28に示す。 Furthermore, FIG. 28 shows the Pu enrichment and the like for each type of fuel rod in the case of a discrete MOX fuel assembly with a fissile Pu isotope ratio of 80%.

このMOX燃料集合体を炉から取出した後1年以降の崩壊熱時間変化を図29に示す。崩壊熱は、核分裂性Pu同位体比が58%の場合と比べるとより減衰が進んでいる。これはMOX燃料集合体が未燃焼の初期状態で含むPuの量が、核分裂性Pu同位体比80%の方が少なくて済むために取り出された燃料集合体に含まれるアクチニドの量も少なくなるためである。 FIG. 29 shows the change in decay heat time after one year from the removal of this MOX fuel assembly from the reactor. Decay heat is attenuated more than in the fissile Pu isotope ratio of 58%. This is because the amount of Pu contained in the MOX fuel assembly in the initial unburned state is less when the fissile Pu isotope ratio is 80%, so the amount of actinides contained in the removed fuel assembly is also reduced. It's for.

MOX燃料集合体のもう一つのタイプの燃料棒配置を図30に示す。このMOX燃料集合体は、いわゆるアイランド型といわれウラン燃料棒(記号U)を含んでいる。このような形式のMOX燃料集合体も考えられている。なお、崩壊熱の時間変化はほぼ初期の集合体平均のPu富化度に支配されるため、ディスクリート型やアイランド型の違いがあっても集合体平均のPu富化度やウラン235濃縮度が同等ならば崩壊熱の時間変化はほぼ同じになる。 Another type of fuel rod arrangement for MOX fuel assemblies is shown in FIG. This MOX fuel assembly is a so-called island type and includes uranium fuel rods (symbol U). MOX fuel assemblies of this type are also contemplated. In addition, since the time change of decay heat is almost dominated by the average Pu enrichment of the initial assembly, even if there is a difference between the discrete type and the island type, the average Pu enrichment and uranium 235 enrichment of the aggregate If they are the same, the time change of the decay heat will be almost the same.

(第1実施形態)
次に、第1実施形態のMOX燃料集合体を、図1から図8を参照して説明する。
第1実施形態のMOX燃料集合体の各燃料棒のPu富化度、ウラン235濃縮度、平均値を図1に示す。このMOX燃料集合体の取出燃焼度は45GWd/tであり、MOX燃料集合体の構造はウラン燃料集合体と同様である。また燃料棒種類ごとの燃料棒配置は図25に示した場合と同じである。図25において、記号MがMOX燃料棒、Gが可燃性毒物棒であり、いわゆるディスクリート型といわれる形式としている。
(First embodiment)
Next, the MOX fuel assembly of the first embodiment will be explained with reference to FIGS. 1 to 8. FIG.
FIG. 1 shows the Pu enrichment, the uranium-235 enrichment, and the average value of each fuel rod of the MOX fuel assembly of the first embodiment. The discharge burnup of this MOX fuel assembly is 45 GWd/t, and the structure of the MOX fuel assembly is the same as that of the uranium fuel assembly. The arrangement of fuel rods for each fuel rod type is the same as that shown in FIG. In FIG. 25, symbol M is the MOX fuel rod and G is the combustible poison rod, which are of the so-called discrete type.

このMOX燃料集合体平均のPu富化度は2.5wt%、ウラン235濃縮度は2.8wt%、核分裂性Pu同位体比は58%であり、Pu富化度をウラン235濃縮度で割った比は0.89である。MOX燃料棒に含まれるウラン235濃縮度は2.3wt%としたが、これは天然ウランを濃縮したウランや濃縮度が1.5wt%を超えた回収ウランに、天然ウランを1.5wt%以上に濃縮したウラン235を混合したものである。 The average Pu enrichment of this MOX fuel assembly is 2.5 wt%, the uranium-235 enrichment is 2.8 wt%, and the fissile Pu isotope ratio is 58%. The ratio is 0.89. The enrichment of uranium-235 contained in the MOX fuel rods was set at 2.3 wt%, which means that uranium enriched with natural uranium or recovered uranium with an enrichment exceeding 1.5 wt% must contain at least 1.5 wt% of natural uranium. uranium-235 enriched in

このMOX燃料集合体を炉から取出した後1年以降の崩壊熱変化を図2に示す。図27に示した既存のMOX燃料の崩壊熱と比べると10年後以降で大きく減衰する効果があることが分かる。以下に詳しく崩壊熱減衰の効果を説明する。 FIG. 2 shows the change in decay heat after one year from the removal of this MOX fuel assembly from the reactor. As compared with the decay heat of the existing MOX fuel shown in FIG. 27, it can be seen that there is a significant attenuation effect after 10 years. The effect of decay heat attenuation will be described in detail below.

集合体平均Pu富化度を集合体平均ウラン235濃縮度で割ったPu富化度ウラン235比(横軸)、Pu時間利用効率(実線で左縦軸)、炉から取出し後1年以降の冷却必要年数(破線で右縦軸)の関係を図3のグラフに示す。冷却必要年数は、ウラン燃料集合体を10年冷却した場合と同じ崩壊熱になる年数である。冷却必要年数は、従来のMOX燃料の120年に対して16年に大幅に短縮され、Pu時間利用効率は2.85倍と大幅に増加する。ここで、図3のグラフにおいて、左端の集合体平均Pu富化度を集合体平均ウラン235濃縮度で割ったPu富化度ウラン235比がゼロの場合はウラン燃料集合体、右端のPu富化度ウラン235比が約5.5の場合が図26に示した従来のMOX燃料集合体に対応する。 Pu enrichment uranium 235 ratio (horizontal axis) obtained by dividing the aggregate average Pu enrichment by the aggregate average uranium 235 enrichment, Pu time utilization efficiency (solid line, left vertical axis), one year after removal from the reactor The graph in FIG. 3 shows the relationship between the number of years required for cooling (dashed line on the right vertical axis). The number of years required for cooling is the number of years in which decay heat becomes the same as when the uranium fuel assembly is cooled for 10 years. The required cooling period is greatly shortened to 16 years compared to 120 years for conventional MOX fuel, and the Pu time utilization efficiency is greatly increased to 2.85 times. Here, in the graph of FIG. 3, when the Pu enrichment uranium 235 ratio obtained by dividing the aggregate average Pu enrichment on the left end by the aggregate average uranium 235 enrichment is zero, the uranium fuel assembly, the right end Pu enrichment A conventional MOX fuel assembly shown in FIG.

同様に冷却必要年数を、ウラン燃料集合体を15年冷却した場合と同じ崩壊熱になる年数としたものを図4のグラフ、20年冷却した場合としたものを図5のグラフ、25年冷却した場合としたものを図6のグラフに示す。いずれの場合においても冷却必要年数は大幅に短縮され、Pu時間利用効率は2.5倍以上に大幅に増加する。 Similarly, the graph in FIG. 4 shows the number of years required for cooling to reach the same decay heat as when the uranium fuel assembly is cooled for 15 years, and the graph in FIG. The graph in FIG. In either case, the number of years required for cooling is greatly shortened, and the Pu time utilization efficiency is greatly increased by 2.5 times or more.

図3~図6のグラフに示したPu時間利用効率は、いずれも極大値を持つが、これは崩壊熱と集合体平均Pu富化度を集合体平均ウラン235濃縮度で割ったPu富化度ウラン235比が下に凸の特性を持つためである。さらに崩壊熱とPu富化度ウラン235比が下に凸の特性となるのは、熱中性子吸収断面積がウラン235より大きい初期の集合体平均Pu富化度を増すほど、中性子エネルギースペクトルが高エネルギー側に移動して共鳴エネルギー領域の中性子束が増えることで、燃焼中に全燃料棒に含まれるウラン238が共鳴エネルギー中性子を吸収する量が増加しPu-239に転換される核種量が増加するために初期Pu富化度が大きいほどその初期値以上にマイナーアクチニド生成が増加する重畳効果があるためである。 The Pu time utilization efficiencies shown in the graphs of FIGS. 3 to 6 all have maximum values. This is because the degree uranium-235 ratio has a downwardly convex characteristic. Furthermore, the reason why the ratio of decay heat and Pu enrichment uranium 235 has a downward convex characteristic is that the neutron energy spectrum increases as the initial aggregate average Pu enrichment, which has a thermal neutron absorption cross section larger than uranium 235, is increased. By moving to the energy side and increasing the neutron flux in the resonance energy region, the amount of uranium-238 contained in all fuel rods during combustion that absorbs resonance energy neutrons increases, and the amount of nuclides converted to Pu-239 increases. This is because the greater the initial Pu enrichment, the more the minor actinide production increases beyond the initial value.

Pu時間利用効率の改善効果を図7に、冷却必要年数を図8にまとめて示す。
以下、上記の原理を説明する。崩壊熱の成分はすでに説明したように核分裂生成物とアクチニドである。核分裂生成物成分の単位重量当たりの崩壊熱は、燃料集合体の核分裂した総和で決まり結果として燃焼度のみにほぼ支配されていることが良く知られている。すなわち、崩壊熱の核分裂生成物成分の燃料集合体単位重量当たりの量は、燃焼途中の履歴や燃料集合体の形式にはほぼ影響されない。
Fig. 7 summarizes the improvement effect of Pu time utilization efficiency, and Fig. 8 summarizes the required cooling years.
The above principle will be explained below. The components of decay heat are fission products and actinides as already explained. It is well known that the decay heat per unit weight of the fission product components is determined by the total amount of nuclear fission in the fuel assembly, and as a result, is almost exclusively governed by the burnup. That is, the amount of the decay heat fission product component per unit weight of the fuel assembly is almost unaffected by the history during combustion and the type of the fuel assembly.

一方、アクチニドの単位重量当たりの崩壊熱は、初期のPu富化度によって影響を受ける。ウラン燃料集合体では初期にPuが含まれていないため、アクチニド崩壊熱成分がMOX燃料集合体より小さく、全体の崩壊熱も小さくなっている。このような理由からMOX燃料集合体は初期のPu富化度によって崩壊熱が変化することになる。 On the other hand, the actinide decay heat per unit weight is affected by the initial Pu enrichment. Since the uranium fuel assembly does not contain Pu at the beginning, the actinide decay heat component is smaller than that of the MOX fuel assembly, and the decay heat of the whole is also smaller. For this reason, the decay heat of the MOX fuel assembly changes depending on the initial Pu enrichment.

一方で燃料集合体の取出燃焼度を所定の値にするためには、新燃料に所要の核分裂性核種を富化する必要がある。この従来例として、ウラン燃料集合体について図22から図24で、MOX燃料集合体について図25から図29で示されている。このように取出燃焼度を所定の値にする条件のもと、MOX燃料集合体におけるPu時間利用効率をできるだけ大きくするためには、所要の核分裂性核種濃度のもとで集合体平均Pu富化度と集合体平均ウラン235濃縮度の比を適切な値にすれば良いことになる。 On the other hand, in order to set the discharge burnup of the fuel assembly to a predetermined value, it is necessary to enrich the new fuel with required fissile nuclides. Conventional examples of this are shown in FIGS. 22 to 24 for uranium fuel assemblies and in FIGS. 25 to 29 for MOX fuel assemblies. In order to maximize the Pu time utilization efficiency in the MOX fuel assembly under the condition that the discharge burnup is set to a predetermined value in this way, the assembly average Pu enrichment under the required fissile nuclide concentration The ratio of the degree of uranium-235 to the aggregate-average uranium-235 enrichment should be set to an appropriate value.

第1実施形態では、沸騰水型軽水炉のディスクリート型9×9配列MOX燃料集合体の例を示したが、核分裂性核種濃度がその燃料形式に沿って適切に設定されていれば、その場合の集合体平均Pu富化度と集合体平均ウラン235濃縮度の比を所定の値にすることで、図30で示したアイランド型MOX燃料集合体や、異なる燃料棒配列の9×9配列のMOX燃料集合体や、9×9配列ではない例えば10×10配列MOX燃料集合体やそのほかの形式のMOX燃料集合体でも同様な効果を得ることができるのは明らかである。 In the first embodiment, an example of a discrete 9×9 array MOX fuel assembly for a boiling water reactor was shown. By setting the ratio of the assembly average Pu enrichment and the assembly average uranium 235 enrichment to a predetermined value, the island type MOX fuel assembly shown in FIG. It is clear that similar effects can be obtained with fuel assemblies, MOX fuel assemblies with a 10.times.10 array instead of a 9.times.9 array, and other types of MOX fuel assemblies.

さらに、MOX燃料棒中のウラン235は回収ウランを混合して用いるとしているが、回収ウランを使わずに天然ウランを濃縮しウラン235のみを使うことでもよい。また、Pu富化度とウラン235濃縮度の比を0.89とした例を示したが、この値はPu時間利用効率を概ね最大化できるものである。なお、従来のMOX燃料集合体に対しては、集合体平均Pu富化度と集合体平均ウラン235濃縮度の比を5.5未満でゼロを上回る範囲であればPu時間利用効率を改善できる効果があるのは明らかであるので、そのような集合体平均Pu富化度と集合体平均ウラン235濃縮度の組み合わせとしても良い。 Furthermore, although the uranium-235 in the MOX fuel rods is described as being mixed with recovered uranium, it is also possible to enrich natural uranium and use only uranium-235 without using recovered uranium. Also, an example in which the ratio of the Pu enrichment to the uranium-235 enrichment is set to 0.89 is shown, but this value can substantially maximize the Pu time utilization efficiency. For conventional MOX fuel assemblies, the Pu time utilization efficiency can be improved if the ratio of the assembly average Pu enrichment to the assembly average uranium 235 enrichment is less than 5.5 and greater than zero. Since such an aggregate average Pu enrichment and aggregate average uranium-235 enrichment are clearly effective, a combination may be used.

また、第1実施形態では、従来例である図26のMOX燃料集合体よりも、集合体平均Pu富化度が0.4倍に低減できていることから、ボイド反応度の絶対値を低減でき、制御棒の反応度価値は増大できるなどの炉の運転における安全上の性能を向上させる効果もある。 In addition, in the first embodiment, the aggregate average Pu enrichment can be reduced to 0.4 times that of the MOX fuel assembly of FIG. 26, which is a conventional example, so the absolute value of void reactivity is reduced. It also has the effect of improving safety performance in reactor operation, such as increasing the reactivity value of control rods.

以上のように、本実施形態によれば、核分裂性Pu同位体比が58%の場合にPu富化度ウラン235比を所定の値とすることによってPu時間利用効率を大幅に改善するとともに冷却必要年数も大幅に短縮することができる利点がある。また回収ウラン235の濃縮度が1.5%を超えるウラン235を用いることで再濃縮をしないでそのまま回収ウランを使うことができるため、天然ウランを濃縮して得られるウラン235よりも安価にウラン235を活用でき、燃料の製造コストを天然ウラン濃縮のウラン235を用いる場合よりも低減できる利点がある。 As described above, according to the present embodiment, when the fissile Pu isotope ratio is 58%, the Pu enrichment uranium 235 ratio is set to a predetermined value, thereby significantly improving the Pu time utilization efficiency and cooling There is an advantage that the required number of years can be greatly shortened. In addition, by using uranium-235 with an enrichment degree of recovered uranium-235 exceeding 1.5%, recovered uranium can be used as it is without re-enrichment. 235 can be utilized, and there is an advantage that the production cost of fuel can be reduced compared to the case of using natural uranium enriched uranium 235.

(第2実施形態)
次に第2実施形態について説明する。
第2実施形態のMOX燃料集合体の各燃料棒のPu富化度、ウラン235濃縮度、平均値を図9に示す。本実施形態のMOX燃料集合体の取出燃焼度は45GWd/tでありMOX燃料集合体の構造はウラン燃料集合体と同様である。集合体平均Pu富化度は1.3wt%、集合体平均ウラン235濃縮度は3.2wt%、核分裂性Pu同位体比は58%、集合体平均Pu富化度と集合体平均ウラン235濃縮度で割った比は0.40である。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 9 shows the Pu enrichment, the uranium-235 enrichment, and the average value of each fuel rod of the MOX fuel assembly of the second embodiment. The discharge burnup of the MOX fuel assembly of this embodiment is 45 GWd/t, and the structure of the MOX fuel assembly is the same as that of the uranium fuel assembly. The aggregate average Pu enrichment is 1.3 wt%, the aggregate average uranium-235 enrichment is 3.2 wt%, the fissile Pu isotope ratio is 58%, the aggregate average Pu enrichment and the aggregate average uranium 235 enrichment The ratio divided by degrees is 0.40.

このMOX燃料集合体を炉から取出した後1年以降の崩壊熱変化を図10に示す。ウラン燃料集合体において炉から取出し後15年に相当する崩壊熱となるのは16年であり、ウラン燃料集合体と大差のない冷却時間とすることができる。Pu時間利用効率は従来のMOX燃料集合体の2倍以上にできている。 FIG. 10 shows the change in decay heat after one year from the removal of this MOX fuel assembly from the reactor. It takes 16 years for the decay heat of the uranium fuel assembly to reach 15 years after being removed from the reactor, and the cooling time is not much different from that of the uranium fuel assembly. The Pu time utilization efficiency is more than twice that of conventional MOX fuel assemblies.

この第2実施形態では、集合体平均ウラン235濃縮度を高めて集合体平均Pu富化度を低下させることで、第1実施形態よりも、炉から取出し後の冷却必要年数を23年からさらに短縮できる利点がある。 In this second embodiment, by increasing the aggregate average uranium 235 enrichment and lowering the aggregate average Pu enrichment, the number of years required for cooling after removal from the reactor is further reduced from 23 years compared to the first embodiment. There is an advantage that it can be shortened.

(第3実施形態)
次に第3実施形態について説明する。
第3実施形態のMOX燃料集合体の各燃料棒のPu富化度、ウラン235濃縮度、平均値を図11に示す。本実施形態のMOX燃料集合体の取出燃焼度は45GWd/tであり、MOX燃料集合体の構造はウラン燃料集合体と同様である。集合体平均Pu富化度は2.8wt%、集合体平均ウラン235濃縮度は2.6wt%、核分裂性Pu同位体比は58%、Pu富化度ウラン235濃縮度比は1.08である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described.
FIG. 11 shows the Pu enrichment, the uranium-235 enrichment, and the average value of each fuel rod of the MOX fuel assembly of the third embodiment. The discharge burnup of the MOX fuel assembly of this embodiment is 45 GWd/t, and the structure of the MOX fuel assembly is the same as that of the uranium fuel assembly. The aggregate average Pu enrichment is 2.8 wt%, the aggregate average uranium-235 enrichment is 2.6 wt%, the fissionable Pu isotope ratio is 58%, and the Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio is 1.08. be.

このMOX燃料集合体を炉から取出した後1年以降の崩壊熱変化を図12に示す。ウラン燃料集合体において炉から取出し後15年に相当する崩壊熱となるのは28年であり、Pu時間利用効率は266%である。この第3実施形態では、Pu時間利用効率を第2実施形態よりも改善できる効果がある。 FIG. 12 shows the change in decay heat after one year from the removal of this MOX fuel assembly from the reactor. In the uranium fuel assembly, decay heat corresponding to 15 years after removal from the reactor is reached in 28 years, and the Pu time utilization efficiency is 266%. In the third embodiment, there is an effect that the Pu time utilization efficiency can be improved more than in the second embodiment.

(第4実施形態)
次に第4実施形態について説明する。
第4実施形態のMOX燃料集合体の取出燃焼度は45GWd/tであり、MOX燃料集合体の構造はウラン燃料集合体と同様である。本実施形態のMOX燃料集合体の燃料棒種類の領域は、従来例で示した図30と同じアイランド型と呼ばれる形式である。本実施形態のMOX燃料集合体の各燃料棒のPu富化度、ウラン235濃縮度、平均値を図13に示す。集合体平均Pu富化度は2.5wt%、集合体平均ウラン235濃縮度は2.8wt%、核分裂性Pu同位体比は58%、Pu富化度ウラン235濃縮度比は0.89である。ウラン燃料集合体において炉から取出し後15年に相当する崩壊熱となるのは23年であり、従来のMOX燃料集合体に比べて大幅に短縮される。さらにPu時間利用効率も従来のMOX燃料集合体の2倍以上にできる。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described.
The discharge burnup of the MOX fuel assembly of the fourth embodiment is 45 GWd/t, and the structure of the MOX fuel assembly is the same as that of the uranium fuel assembly. The region of the fuel rod type of the MOX fuel assembly of this embodiment is of a type called an island type, which is the same as that shown in FIG. 30 of the conventional example. FIG. 13 shows the Pu enrichment, the uranium-235 enrichment, and the average value of each fuel rod of the MOX fuel assembly of this embodiment. The aggregate average Pu enrichment is 2.5 wt%, the aggregate average uranium-235 enrichment is 2.8 wt%, the fissile Pu isotope ratio is 58%, and the Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio is 0.89. be. It takes 23 years for the uranium fuel assembly to reach decay heat equivalent to 15 years after removal from the reactor, which is much shorter than the conventional MOX fuel assembly. Furthermore, Pu time utilization efficiency can be doubled or more than that of the conventional MOX fuel assembly.

(第5実施形態)
次に第5実施形態について説明する。
第5実施形態のMOX燃料集合体の取出燃焼度は45GWd/tでありMOX燃料集合体の構造はウラン燃料集合体と同様である。本実施形態のMOX燃料集合体の燃料棒種類の領域は従来例で示した図25と同じである。本実施形態のMOX燃料集合体の各燃料棒のPu富化度、ウラン235濃縮度、平均値を図14に示す。集合体平均Pu富化度は1.4wt%、集合体平均ウラン235濃縮度は3.1wt%、核分裂性Pu同位体比は80%、Pu富化度ウラン235濃縮度比は0.44である。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described.
The discharge burnup of the MOX fuel assembly of the fifth embodiment is 45 GWd/t, and the structure of the MOX fuel assembly is the same as that of the uranium fuel assembly. The region of the fuel rod type of the MOX fuel assembly of this embodiment is the same as that shown in FIG. 25 showing the conventional example. FIG. 14 shows the Pu enrichment, the uranium-235 enrichment, and the average value of each fuel rod of the MOX fuel assembly of this embodiment. The aggregate average Pu enrichment is 1.4 wt%, the aggregate average uranium-235 enrichment is 3.1 wt%, the fissionable Pu isotope ratio is 80%, and the Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio is 0.44. be.

本実施形態のMOX燃料集合体を炉から取出した後1年以降の崩壊熱変化を図15に示す。ウラン燃料集合体において炉から取出し後15年に相当する崩壊熱となるのは16年であり従来のMOX燃料集合体に比べて大幅に短縮される。さらにPu時間利用効率も従来のMOX燃料集合体と同程度にできている。 Fig. 15 shows the change in decay heat after one year from the MOX fuel assembly of this embodiment being removed from the reactor. It takes 16 years for the uranium fuel assembly to reach the decay heat equivalent to 15 years after removal from the reactor, which is much shorter than the conventional MOX fuel assembly. Furthermore, the Pu time utilization efficiency is comparable to that of the conventional MOX fuel assembly.

集合体平均Pu富化度を集合体平均ウラン235濃縮度で割ったPu富化度ウラン235比(横軸)、Pu時間利用効率(実線で左縦軸)、炉から取出し後1年以降の冷却必要年数(破線で右縦軸)の関係を図16に示す。Pu時間利用効率は核分裂性Pu同位体比が58%の場合と同様に1.0付近が最大になっている。これは核分裂性Pu同位体比が増加してPu富化度が減少する一方で冷却時間も短縮されることによる。 Pu enrichment uranium 235 ratio (horizontal axis) obtained by dividing the aggregate average Pu enrichment by the aggregate average uranium 235 enrichment, Pu time utilization efficiency (solid line, left vertical axis), one year after removal from the reactor FIG. 16 shows the relationship between the number of years required for cooling (the dashed line on the right vertical axis). The Pu time utilization efficiency is maximized near 1.0 as in the case of the fissile Pu isotope ratio of 58%. This is due to the fact that the fissile Pu isotope ratio increases and the Pu enrichment decreases while the cooling time is also shortened.

(第6実施形態)
次に第6実施形態について説明する。
第6実施形態のMOX燃料集合体の取出燃焼度は45GWd/tでありMOX燃料集合体の構造はウラン燃料集合体と同様である。本実施形態のMOX燃料集合体の燃料棒種類の領域は従来例で示した図25と同じである。本実施形態のMOX燃料集合体の燃料棒種類の領域を図17に示す。集合体平均Pu富化度は2.5wt%、集合体平均ウラン235濃縮度は2.3wt%、核分裂性Pu同位体比は80%、Pu富化度ウラン235濃縮度比は1.05である。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment will be described.
The discharge burnup of the MOX fuel assembly of the sixth embodiment is 45 GWd/t, and the structure of the MOX fuel assembly is the same as that of the uranium fuel assembly. The region of the fuel rod type of the MOX fuel assembly of this embodiment is the same as that shown in FIG. 25 showing the conventional example. FIG. 17 shows the fuel rod type regions of the MOX fuel assembly of this embodiment. The aggregate average Pu enrichment is 2.5 wt%, the aggregate average uranium-235 enrichment is 2.3 wt%, the fissionable Pu isotope ratio is 80%, and the Pu enrichment uranium-235 enrichment ratio is 1.05. be.

このMOX燃料集合体を炉から取出した後1年以降の崩壊熱変化を図18に示す。ウラン燃料集合体において炉から取出し後15年に相当する崩壊熱となるのは22年であり、Pu時間利用効率は従来のMOX燃料集合体より約40%増加できる。 FIG. 18 shows the change in decay heat after one year from the removal of this MOX fuel assembly from the reactor. It takes 22 years for the uranium fuel assembly to reach decay heat equivalent to 15 years after removal from the reactor, and the Pu time utilization efficiency can be increased by about 40% compared to conventional MOX fuel assemblies.

以上説明した実施形態で示されたように、核分裂性Pu同位体比58%以上80%以下範囲で効果があることを示されたが、加圧水型軽水炉で使用済み燃料から抽出される核分裂性Pu同位体比についてもこの範囲にある。 As shown in the embodiment described above, it was shown that the fissile Pu isotope ratio is effective in the range of 58% to 80%. The isotope ratio is also within this range.

以上各実施形態について説明したように、沸騰水型軽水炉に使用するMOX燃料集合体の未燃焼時において、集合体平均Pu富化度を集合体平均ウラン235濃縮度で除した比を0.40以上1.08以下に設定することで崩壊熱の必要な冷却期間を短縮し、Pu時間利用効率を高めることができる。また、ウラン235について濃縮度が1.5wt%を上回るMOX燃料棒には、再濃縮を行っていない回収ウラン235を用いることも燃料集合体製造コスト低減に有効である。 As described in each embodiment above, when the MOX fuel assembly used in the boiling water reactor is not burned, the ratio obtained by dividing the assembly average Pu enrichment by the assembly average uranium 235 enrichment is 0.40 By setting it to 1.08 or less, the cooling period required for decay heat can be shortened, and the Pu time utilization efficiency can be improved. In addition, using recovered uranium-235 that has not been re-enriched for MOX fuel rods with an enrichment of uranium-235 exceeding 1.5 wt % is also effective in reducing fuel assembly manufacturing costs.

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。 Although several embodiments of the invention have been described above, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.

1……燃料要素、2……燃料被覆管、3……燃料棒、4……可燃性毒物入り燃料棒、5……ウォータロッド、6……チャンネルボックス、7……燃料集合体、9……部分長燃料棒。 1 Fuel element 2 Fuel cladding tube 3 Fuel rod 4 Fuel rod containing burnable poison 5 Water rod 6 Channel box 7 Fuel assembly 9 …part-length fuel rods.

Claims (5)

複数の燃料棒を規則的に配置して束ねて構成され、沸騰水型軽水炉に使用されるMOX燃料集合体であって、
前記燃料棒は、
未燃焼時において核分裂性物質としてウラン235とプルトニウムの両方を含む燃料要素を燃料被覆管で格納したMOX燃料棒と、
未燃焼時において可燃性毒物を含み核分裂性物質としてウラン235を含みプルトニウムを含まない燃料要素を燃料被覆管で格納した可燃性毒物入りウラン燃料棒とを含み、
集合体平均プルトニウム富化度を集合体平均ウラン235濃縮度で除した比が0.40以上1.08以下に設定され
一部または全ての前記MOX燃料棒中のウラン235濃縮度が1.5wt%を上回ることを特徴とするMOX燃料集合体。
A MOX fuel assembly configured by regularly arranging and bundling a plurality of fuel rods and used in a boiling water reactor,
The fuel rods are
MOX fuel rods containing fuel elements containing both uranium-235 and plutonium as fissile materials when unburned in fuel cladding;
a burnable poison containing uranium fuel rod containing a fuel element containing burnable poison when not burned, containing uranium 235 as a fissile material and not containing plutonium in a fuel cladding;
The ratio obtained by dividing the aggregate average plutonium enrichment by the aggregate average uranium-235 enrichment is set to 0.40 or more and 1.08 or less ,
A MOX fuel assembly , wherein the uranium-235 enrichment in some or all of said MOX fuel rods is greater than 1.5 wt% .
前記燃料棒は、未燃焼時において、可燃性毒物を含まず核分裂性物質としてウラン235を含みプルトニウムを含まない燃料要素を燃料被覆管で格納した1本以上のウラン燃料棒をさらに含むことを特徴とする請求項1記載のMOX燃料集合体。 The fuel rod further includes one or more uranium fuel rods containing fuel elements containing no burnable poison, uranium 235 as a fissile material, and no plutonium in a fuel cladding when not burned. The MOX fuel assembly according to claim 1, wherein 取出燃焼度が45GWd/tであることを特徴とする請求項1又は2記載のMOX燃料集合体。 3. The MOX fuel assembly according to claim 1, wherein the discharge burnup is 45 GWd/t. ウラン235濃縮度が1.5wt%を上回るMOX燃料棒には、再濃縮を行っていない回収ウランが用いられていることを特徴とする1乃至3のいずれか一項記載のMOX燃料集合体。 4. The MOX fuel assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein recovered uranium that has not been re-enriched is used for the MOX fuel rods with a uranium-235 enrichment exceeding 1.5 wt%. 前記MOX燃料棒に含まれるプルトニウム同位体のうちプルトニウム239とプルトニウム241の合計の比が0.58以上0.80以下であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項記載のMOX燃料集合体。 5. The MOX according to any one of claims 1 to 4 , wherein the total ratio of plutonium 239 and plutonium 241 among the plutonium isotopes contained in the MOX fuel rod is 0.58 or more and 0.80 or less. fuel assembly.
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