JPH01110292A - 核燃料棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、核燃料棒に係り、特に軽水炉に用いるに好適
な核燃料棒に関する。

〔従来の技術〕

全発電量の中で原子力発電が占める割合が増えている今
日、長期間にわたり安定した電力を供給することが重要
な課題となっている。現在稼動中の原子炉では、天然ウ
ラン中に約０．７２　％含まれている２８５Ｕ　を数％
に濃縮した濃縮ウランのみを燃料に用いて発電を行う型
式のものが一般的である。しかしながら、この濃縮ウラ
ンを作るのに用いられるウラン鉱石を妥当な費用で採鉱
できる量は、Ｕ　ｓ　Ｏａの形で大体３．０×１０６ト
ンであると見積られており、このままでは２１世紀の前
半にウラン資源が枯渇すると考えられている。そのため
、在来の軽水炉（以下、単に軽水炉と呼ぶ）に比べ水対
燃料原子数比を１〜３と小さくし、転換比を高くした高
転換軽水炉の開発が進められている。この高転換軽水炉
では、使用済軽水炉燃料から分離された転換プルトニウ
ムをリサイクルし、軽水炉の核分裂性供給燃料として用
いることにより、天然ウランまたは低い濃縮度のウラン
を燃料として用いることができ、ウラン資源を有効に利
用できる。

第２図に、軽水炉及び高転換軽水炉の代表的な中性子束
スペクトルを示す。第２図より高転換軽水炉では、水対
燃料原子数比が小さいため１ｅＶ以下の低速エネルギー
領域の中性子束が軽水炉に比べ少なく、中性子束スペク
トルが硬くなっていることが分る。このため、共鳴エネ
ルギー領域（１ｅＶ〜１ｋｅＶ）の中性子束が軽水炉に
比べ相対的に高くなり、この共鳴エネルギー領域ど大き
な反応断面積を持つ２３８　Ｕ　（η、　ｙ　）　’ｎ
８ＦＩ　ｐ　ｕ。

２４０ｐｕ（η、γ）２４１ｐｕ生成反応を増加できる
。

よって、高転換軽水炉では、親核種である２８δＵ。

２番ＯＰｕから核分裂性核種である２８θｐ　ｕ　、　
２４１　ｐ　ｕへの転換比を向上し、ウラン利用効率を
向上することにより、反応度の劣化を小さくできる。

第３図に、上記高転換軽水炉に用いられる核燃料棒の断
面図を示す。この図において、１は燃料ペレット、２は
被覆管、３は下部端栓、４は上部端栓、５はガスプレナ
ム、６はプレナムコイルバネであり、構造的には軽水炉
と同一である。材料的には原子カニ業、第３３巻、第３
号、ｐｐＨ〜ｐｐ１８　（１９８７）にみられるように
、燃料ペレット１は二酸化ウランと二酸化プルトニウム
を均質に混ぜたウラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペ
レットを用いている点に特徴がある。このウラン・プル
トニウム混合酸化物燃料ペレットの使用は、天然ウラン
または低い濃縮度のウランを用いているため、ウランを
濃縮するのにかかる費用の低減、ウラン資源の有効利用
という点から、有効である。しかも、上記ウラン・プル
トニウム混合酸化物燃料ペレットにおける装荷燃料中の
核分裂性Ｐｕ富化度を６〜９％にすることにより、高燃
焼度を実現できるという利点もある。

また、二酸化ウランに二酸化プルトニウムを小量加えて
も、二酸化ウランの熱伝導度、融点、熱彫版係数および
放射線の影響といった物理的性質は、わずかしか影響を
受けないため、上記ウラン・プルトニウム混合酸化物燃
料ペレットを第３図に示すような核燃料棒に装荷するこ
とへの技術的な問題はない。

［発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料
ペレットを装荷、した核燃料棒において、燃料ペレット
周辺部の被覆管に隣接した領域では、減速材により減速
された低エネルギー中性子束が高く、中心部では高エネ
ルギー中性子束が高いという中性子束スペクトルの分布
が空間的に変動するという点についての配慮がなされて
おらず、二酸化ウランと二酸化プルトニウムを均質に混
合した燃料ペレットであるため、２８’Ｕ　（ｑ　ｅ　
ｙ　）”＋］ｐｕ。

２４０　ｐ　ｕ　（７７、ｙ　）　２４１　ｐ　ｕ生成
反応による核分裂性物質の生成が効果的に行われていな
いという問題点があった。

本発明の目的は、転換比の向上、反応度劣化の減少によ
る高い燃焼度を実現できる核燃料棒を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、燃料ペレットが二酸化ウランに対する二酸
化プルトニウムの混合比の異なる複数の領域で構成し、
かつ燃料ペレットの周辺部より燃料ペレットの中心部で
混合比を高くすることにより、達成される。

〔作用〕

上記ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレットは、
燃料ペレット周辺部の被覆管に隣接した領域の二酸化ウ
ランの混合比を中心部より高くすルコトニヨリ、２８８
Ｕ　Ｃηｍ　’）’）　”’Ｐｕ生成反応を共鳴エネル
ギー領域だけでなく、低速エネルギー領域についても効
率よく上記生成反応を起こすことができる。それによっ
て、２８８Ｕ　（η、γ）２８１１ｐｕ生成反応による
１Ｋ８９ｐｕの生成が多くなるので、転換比を向上し、
反応度劣化を小さくでき、高い燃焼度が実現できる。

〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

第１図は、本発明の核燃料棒の断面図８ａ、及び上記核
燃料棒に装荷されるウラン・プルトニウム混合酸化物燃
料ペレットの拡大図８ｂである。第１図において、２は
被覆管、３は下部端栓、４は上部端栓、５はガスプレナ
ム、６はプレナムコイルバネ、７はウラン・プルトニウ
ム混合酸化物燃料ペレットである。上記ウラン・プルト
ニウム混合酸化物燃料ペレット７は、二酸化ウランに対
する二酸化プルトニウムの混合比が異なる２領域９ａ、
９ｂで構成され、この混合比は被覆管に隣接した上記ウ
ラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレット７の周辺領
域９ｂより、中心領域９ａで２倍高くしである。上記ウ
ラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレット７の直径は
、０．９６　ａｎであり、中心領域９ａ及び周辺領域９
ｂの体積を等しくしている。また、上記二酸化ウランは
。

２３５Ｕを０．７２％含んだ天然ウランより作製し、上
記二酸化プルトニウムは、軽水炉燃料をリサイクルして
得られたプルトニウムより作製する。上記プルトニウム
には、２８９ｐｕが５７％　２４０ｐｕが２７％、２番
”Ｐｕが１１％　２４４Ｐｕが５％含まれている。

第１図に示されている中心領域９ａ、周辺領域９ｂとい
う２領域を有するウラン・プルトニウム混合酸化物燃料
ペレットの製作方法について述べる。第４図は、二酸化
プルトニウムＰ　ｕ　０２と二酸化ウランＵ　Ｏｚの混
合粉末を製作する共沈法の工程図を示したものである。

Ｕ　Ｏｘ粉末に硝酸を加え硝酸ウラニル（ＵＯｚ（ＮＯ
８）ｚ）とし、これにＰｕ０ｚ粉末を硝酸処理した硝酸
プルトニウム（Ｐ　ｕ　（ＮＯａ）　４）を混合し、ア
ンモニア水（Ｎ　Ｈ４０Ｈ）またはシュウ酸（Ｈｚ　Ｃ
２０４）　テＵとＰｕを同時に沈殿させ、ろ過、乾燥後
、４００〜６００℃でばい焼、還元してＰｕｐｓとＵ　
Ｏｚの混合粉末が得ることができる。このとき、硝酸ウ
ラニルと硝酸プルトニウムの混合割合を変えることによ
り、任意の混合比を持っＰｕ０ｚとＵ　Ｏｘの混合粉末
が得られる。このようにして、Ｐｕ０ｚが１４％混合さ
れたＰｕ０ｚとＵ　Ｏｚの混合粉末（以下、この粉末を
Ｐｕｍａの混合比が高い混合粉末と呼ぶ）、及びＰｕｎ
ｔが７％混合されたＰｕ０ｚとＵ　Ｏｘの混合粉末（以
下、この粉末をＰ　ｕ　Ｏｘの混合比が低い混合粉末と
呼ぶ）を製作できる。第５図は、上記燃料ペレットを成
形するのに用いる容器を示したものである。この図にお
いて、１０は容器、１１はしきり筒である。第６図は、
第５図に示されている容器を用いて第１図に示されてい
る２領域を有するウラン・プルトニウム混合酸化物燃料
ペレットの製造過程を（ａ）〜（ｆ）の順に示したもの
である。第６図において、１０は容器、１１はしきり筒
、１２はＰｕｐｓの混合比が高い混合粉末、１３はＰｕ
０ｚの混合比が低い混合粉末、１４は中心領域の押え板
、１５は周辺領域の押え板、１６は圧力板である。第６
図（ａ）では、Ｐｕｍａの混合比が高い混合粉末１２を
しきり筒１１の中に、Ｐ　ｕ　Ｏｘの混合比が低い混合
粉末１３をしきり筒１１と容器１０の間の領域に入れる
。

第６図（ｂ）では、Ｐｕ０ｚの混合比が高い混合粉末１
２を中心領域の押え板１４で、Ｐｕ０ｚの混合比が低い
混合粉末１３を周辺領域の押え板１５で押えている。第
６図（、）では、しきり筒１１を引き抜いている。第６
図（ｄ）では、中心領域の押え板１４及び周辺領域の押
え板１５を取り除いた図である。第６図（ｅ）では、圧
力板１６でＰｕ０ｚの混合比が高い混合粉末１２及びＰ
ｕＯ２の混合比が低い混合粉末１３を圧縮し、上記混合
粉末間のすきまをなくしている。第６図（ｆ）では、容
器１０を取り除くことにより、２領域を有する焼結前の
ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレットを示して
いる。上記燃料ペレットを焼結することにより、２領域
を有するウラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレット
７を製作できる。

上記のようなウラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレ
ット７の構造にすることにより１周辺領域９ｂにおいて
”８Ｕ（ｑ　ｅ　ｙ　）　”９ｐ　ｕ生成反応による２
８９ｐｕ　の生成割合を高くすることができる。これは
、次の理由による。第７図は、２８８Ｕ（η、γ）！！
８ｆｌｐｕ生成反応の断面積を示したものである。この
図より、２８８　Ｕ（η、　ｙ　）　ｗａｓ　ｐ　ｕ生
成反応は、共鳴エネルギー領域において大きな反応断面
積を持っているが、低速エネルギー領域においても無視
できない大きさの反応断面積を持っていることが分る。

上記低速エネルギー領域のｊ！Ｊ１８Ｕ（η、γ）ｗａ
ｓｐｕ生成反応を有効に利用するため、プルトニウムの
富化度を一定に保ったまま低エネルギー中性子束の大き
い上記周辺領域９ｂの”’Ｕの混合比を高め、逆に中心
領域９ａ（１０）　’ の２８８Ｕの混合比を低くすることにより、２８ｇＰｕ
の生成割合を高めている。

次に、２８８Ｕ（η、　ｙ　）　２８９　ｐ　ｕ生成反
応とともに、転換比を上げるのに重要な２４０ｐｕ（η
、γ）２４１ｐｕ生成反応について述べる。２４０ｐｕ
の混合比は、２８８　Ｕの場合とは逆に、周辺領域９ｂ
で低く、中心領域９ａで高くなっている。２４１ｐｕ　
の生成割合は、第１図に示した本発明の一実施例である
核燃料棒と第３図に示した従来例である核燃料棒との間
に差が生じない。これは、次の理由による。第８図は、
２４０　ｐ　ｕ　（η、γ）２４１ｐｕ生成反応の断面
積を示したものである。第８図より、１ｅＶに大きな共
鳴ピークがあることが分る。そのため、プルトニウムの
混合比を周辺領域９ｂで低くすることにより、上記共鳴
ピークでの２４０Ｐｕ（η、γ）２４１ｐｕ生成反応が
減少する。しかしながら、中心領域９ａで混合比を高く
することにより２０ｅＶ〜４０００ｅＶにある多数の共
鳴ピークによる”ＯＰ　ｕ　（ηｖ　γ）　””Ｐ　ｕ
生成反応が増加し、水対ウラン原子数比が１程度のとき
両者の効果が打ち消し合う。よって、本発明の一実施例
である核燃料棒と従来例である核燃料棒との間で２４１
ｐｕ　の生成割合に差が生じない。従って、本実施例の
ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料ペレット７より構
成される核燃料棒を用いれば、１１９ｐｕ　の生成割合
を高くすることができ、転換比の向上２反応度劣化の減
少による高燃焼度が可能になる。

第９図は、本実施例のウラン・プルトニウム混合酸化物
燃料ペレット７を装荷した核燃料棒よりなる高転換炉を
４８０ＷＤ／Ｔまで燃焼した場合における（２８８ｐ　
ｕ＋２４１Ｐ　ｕ）の原子数密度の変化を従来例との比
で示したものである。この図より、本実施例の方が従来
例より（２８θＰ　ｕ　＋”’Ｐｕ）の生成が高いこと
が分る。また、本発明の一実施例の核燃料棒は、従来の
核燃料棒に比べ、転換比の向上による反応度劣化の減少
を約１％減少することができる。例えば、従来の核燃料
棒を用いると４８．０　　ＧＷＤ／Ｔまでしか燃焼でき
なかったのが、本発明の一実施例の核燃料棒を用いると
反態度劣化の減少により４８，５　　ＧＷＤ／Ｔまでの
より高い燃焼が可能になり、燃料サイクル貴を約１％低
減できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料
ペレットを二酸化ウランに対する二酸化プルトニウムの
混合比が異なる複数の領域で構成し、かつ被覆管に隣接
した燃料ペレットの周辺部より中心部で混合比を高くす
ることにより、”’　Ｕ　（’７　ｔ　γ）　””　Ｐ
　ｕ生成反応による２Ｂ！１ｐｕの生成割合を高めるこ
とができるので、反応度劣化の割合を１％減少すること
ができ、高い燃焼度を実現可能にする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の核燃料棒の縦断面図、第２
図は軽水炉及び高転換軽水炉の代表的な中性子束スペク
トルを示した特性図、第３図は従来の核燃料棒の縦断面
図、第４図はＰｕ０ｚとＵＯｔの混合粉末を製作する共
沈法の工程図、第５図は燃料ペレットを成形するのに用
いる容器の概略図、第６図は２領域を有するウラン・プ
ルトニウム混合酸化物燃料ペレットの製造過程を示した
説明図、第７図は２８δＵ（η、γ）２８９ｐｕ生成反
応の断面積を示した図、第８図は２４０Ｐ　ｕ　（７７
ｔ　ｙ　）　””Ｐ　ｕ生成反応の断面積を示した図、
第９図は（２１１９ｐｕ＋２４１　ｐ　ｕ　）の原子数
密度の変化を示した図である。 １・・・燃料ペレット、２・・・被覆管、３・・・下部
端栓、４・・・上部端栓、５・・・ガスプレナム、６・
・・プレナムコイルバネ、７・・・ウラン・プルトニウ
ム混合酸化物燃料ペレット、１０・・・容器、１１・・
・しきり筒、１２・・・Ｐｕ０ｚの混合比が高い混合粉
末、１３・・・Ｐｕ０ｚの混合比が低い混合粉末、１４
・・・中心領域の押え板、１５・・・周辺領域の押え板
、１６・・・圧力板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、二酸化ウラン及び二酸化プルトニウムを混合して焼
   結した燃料ペレットと、前記燃料ペレットを収納する被
   覆管とからなる核燃料棒において、前記燃料ペレットは
   、二酸化ウランに対する二酸化プルトニウムの混合比の
   異なる複数の領域で構成され、しかも前記燃料ペレット
   の周辺部より前記燃料ペレットの中心部で前記混合比が
   高くなつていることを特徴とする核燃料棒。