JPH01153996A - 燃料集合体 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は原子炉の炉心に装荷される再処理回収ウランを
使用する燃料集合体に関する。

（従来の技術） 一般に、沸騰水型原子炉においては、多数の燃料棒およ
びウォータロッドからなる燃料ハンドルをチャンネルボ
ックス内に装填した長尺な燃料集合体が炉心に装荷して
用いられている。燃料棒にはウランペレットが封入され
ている。ウランペレットは通常天然ウランから２３５Ｕ
を濃縮した濃縮ウランの酸化物である。

近年ウラン資源の有効利用のため、使用済燃料を再処理
回収したウランを燃料として使用する試みがある。再処
理回収ウラン利用の問題点は、天然ウランに存在しない
２３＠Ｕが含まれることである。

これは原子炉でウラン燃料が燃焼中に２３５０の中性を
生ずることがなく、原子炉においては中性子に対する反
応度的な毒物である。したがって、再処理回収ウランを
再濃縮した燃料では、天然ウランを濃縮した燃料に比べ
原子炉中での反応度が低下する。この反応度の低下は燃
料の取替体数を増加させるため、燃料の取出燃焼度を減
少させる。燃料の取出燃焼度は燃料の経済性を計る指標
であり、取出燃焼度の減少は燃料経済性の悪化を意味す
る。

一方燃料取出燃焼度を向上させるためには、燃料集合体
を炉心に装荷した時の反応度を向上させる必要がある。

この燃料取出燃焼度の増加率ΔＥｄ／Ｅｄと炉心反応度
の増加率Δにとの関係は、 」Ｘ膣Ｖ侃　ＣΔＫ　　　　　　　　　　　・・・（イ
）ｄ と表わすことができる。

ここで、Ｃは定数である。

また、炉心の反応度Ｋ。ｆｆは４因子公式によると、Ｋ
ｅｔｔ　”　　ｉ　Ｐ　ｆη　（１−Ｌ）　　　　　　
　　　・・・（ロ）と表わすことができる。

ここで、Ｅ：高速核分裂効果 ｐ：共鳴吸収を逃れる確率 ｆ：熱中性子利用率 η：再生率 Ｌ：中性子が炉心より漏洩する確率 である。

（ロ）式よりｆを向上させればＫ。２．を向上させるこ
とができる。また、Ｌを小さくすればＫ。１１を向上さ
せることができる。

従来は第１０図および第１１図に示すようにして燃料集
合体Ａを形成していた。

第１０図は断面十字形をした制御棒Ｂと燃料集合体Ａと
の位置関係を同時に示しており、燃料集合体Ａは燃料棒
を８Ｘ８の正方格子状に配列して形成されている。各燃
料棒はそのタイプをそれぞれ１．２，３，４，５．Ｇお
よびＷの符号により示されており、具体的構成は第１１
図に示されている。

第１１図は全長２４ノードにおけるウラン濃縮度（以下
、濃縮度という）および可燃性毒物の一種であるガドリ
ニア（Ｇｄ２０．以下Ｇｄと略記する）の濃度を示して
いる。第１０図中燃料捧のタイプ１〜５はそれぞれ濃縮
ウランを充填されたものであり、Ｇは濃縮ウランとＧｄ
を充填されたものであり、Ｗはウォータロッド（水棒）
を示す。

ところが、このように形成されている従来の燃料集合体
Ａにおいては、第１２図に示すように、炉心の上端部お
よび下端部において中性子の漏洩が数多いので、熱中性
子束が中央部に比べて著しく小さくなっている。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、
再処理回収ウランを使用する燃料集合体において、天然
ウランを使用する従来の燃料とほぼ同じ燃料集合体の平
均濃縮度を有しながら、燃料取出燃焼度がほぼ従来と同
じであり、安全性に優れており、製造も容易な燃料集合
体を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明の燃料集合体は、複数の燃料棒により。

構成される原子炉の炉心に装荷する燃料集合体において
、前記燃料集合体は、上下端の少なくとも一方に再処理
回収ウラン部を設けるとともに、その間に再処理回収ウ
ランを再濃縮した濃縮ウランを含む濃縮ウラン部を設け
、この濃縮ウラン部を軸方向に上部、中央部および下部
と３分した場合に、中央部の断面平均濃縮度を上部およ
び下部の断面平均濃縮度より高くなるよう形成されてい
るとともに、前記燃料棒の一部は、軸方向に濃度の異な
る２領域以上を有する可燃性毒物を含有し、この可燃性
毒物の濃度は、前記燃料棒上部における可燃性毒物濃度
を他の部分より低くしてあることを特徴とする。

（作　用） 先ず、本発明の燃料集合体を第７図および第８図につい
て概念的に説明する。

本発明においては次の■■■（へ）のようにして燃料集
合体が形成されている。

■　燃料棒の上下端にそれぞれ再処理回収ウラン部を設
ける。

炉心の上下端においては、それぞれ中性子の漏洩量が多
いので、熱中性子束が中央部に比べて著しく小さい。

そこで、燃料棒の上下端にそれぞれ再処理回収ウランを
充填し、中央部の濃縮度を高くしている。

ただし、燃料集合体全体の平均濃縮度は従来とほぼ同じ
に形成する。再処理回収ウランの濃縮度は１．０重量％
程度である。

これにより、燃料の高熱中性子東部でＵ　−２３５が増
加し、低熱中性子東部で１−２３５が減少することにな
り、従来の燃料集合体に比べて熱中性子利用率ｆが大き
くなる。また、同時に燃料の上下端におけるＵ　−２３
５を減少させ、中性子束を減少させることとなり、中性
子が炉心から漏洩する確率りを小さくする。

これらの現象により、炉心の反応度Ｋ１１ｌｌが増加し
、燃料取出燃焼度が向上する。

なお、再処理回収ウランは上下端の少なくとも一方に設
ければよい。

■　燃料棒の再処理回収ウラン部を除く濃縮ウラン部を
軸方向に上部、中央部および下部と３部にした場合にお
ける可燃性毒物の軸方向濃度を、その上部を他の部分よ
り低く形成する。

Ｇｄ等の可燃性毒物は、炉心の余剰反応度の制御に使用
されるが、出力の低い部分では予定した運転期間内に燃
焼し尽さないで残留する場合がある。

この残留した可燃性毒物による中性子の吸収は、Ｕ−２
３５等の核分裂性物質による中性子の吸収を減らし、熱
中性子利用率ｆを減少させることになる。

一般に、沸騰水型原子炉においては、炉心の上端部でボ
イド率が大きく、かつ、中性子のエネルギスペクトルが
硬いので、可燃性毒物の残留量が多くなることが考えら
れる。

そこで、本発明においては第７図（ｂ）に示すよ向に３
分した場合における上部の可燃性毒物の濃度を他の中央
部および下部より低く形成している。

これにより、従来の燃料集合体よりも可燃性毒物の残留
量を低減することができ、熱中性子利用率ｆを向上させ
、炉心の反応度Ｋ。ｆ、を増加させることができる。

また、前記低濃度の上部を除く、中央部および下部にお
いて、可燃性毒物の濃度を異なせて更に軸方向の出力分
布の平坦化を図ってもよい（特公昭５ｇ　−２３９１３
号公報参照）。

■　燃料集合体全体の濃縮ウラン部の軸方向の濃縮度を
、中央部の断面平均濃縮度を他の上部および下部より高
くして形成する。

第７図（ａ）に示すように、上下端の再処理回収ウラン
部の間の濃縮ウラン部を、軸方向に３領域に区分すると
ともに、断面平均濃縮度を中央部を高濃縮度に形成し、
更に、上部および下部を低濃縮度に形成している。　中
央部の濃縮度を下部より高く形成することにより、前述
の可燃性毒物の分布方法と相俟って、炉心軸方向の出力
分布を平坦化させることができる。よって、再処理回収
ウランを上下端に設けたことによる軸方向出力分布にお
ける中央部のピーキングの増加を緩和することができる
。

また、■で述べたように燃料棒の上端付近で可燃性毒物
を減少させたことにより炉停止余裕は減少させられる。

しかしながら、上部の濃縮度を中央部より低く形成する
ことにより、これを補い十分な炉停止余裕を確保するこ
とができる。この場合、可燃性毒物の濃度の境界と濃縮
ウランの濃縮度の境界とを同一高さとすることにより、
更に十分な炉停止余裕を確保することができる。

に）上部の断面濃縮度を他の部分より低くした燃料棒と
、下部の断面法縮度を他の部分より低くした燃料棒とを
設けて、■で述べたように、中央部の断面平均濃縮度を
上部および下部より高く形成する。

第７図（ａ）のように濃縮ウラン部の断面平均濃縮度を
軸方向に３分するために、第８図に示すように上下に異
なる軸方向位置において濃縮度を２分した燃料棒を組合
わせる。すなわち、上部および下部のみの濃縮度を低く
した燃料棒（第８同左および中央）を組合わせることに
より、同図右に示すように高濃縮度が重複する中央部に
おける断面平均濃縮度を高く形成している。このように
濃縮度を２分している燃料棒は、燃料集合体の一部若し
くは全部としてもよい。

このように濃縮度を軸方向に２分した燃料棒を組合せる
ようにした方が、例えば第９図に示すように濃縮度を軸
方向に３分した燃料棒を製造するより、簡単であり、製
造コストも低源となる。

（実施例） 本発明を第１図から第６図に示す具体的な実施例につい
て説明する。

第１図および第２図は本発明の一実施例を示す。

第１図中材号Ａ１は制御棒Ｂに隣接された本実施例の燃
料集合体であり、内部には第２図にそれぞれ示された燃
料棒１１．１２．１３．１４．１５．　Ｇ１およびウォ
ータロッドＷが８×８の正方格子状に装填されている。

第３図および第４図は本発明の他の実施例を示し、第４
図に示すように燃料棒の濃縮ウラン部を２分割すること
で濃縮部の断面平均ｆ５縮度を３分割している。

これらの実施例における各燃料棒の構成と作用を説明す
る。

■　再処理回収ウラン部 各燃料棒１１．１２．１３．１４．１５．　Ｇ、、　Ｇ
、の上下端部にそれぞれ１ノードずつ再処理回収ウラン
を充填している。この部分の燃料集合体Ａ□ｌ　Ａ２の
全体の断面平均濃縮度は　１．０重量％（以下（ｗｌｏ
）とする）程度である。

第５図はこの再処理回収ウランの上下端部における充填
ノード数をパラメータとして、軸方向ピーキングの増加
と燃料取出燃焼度の増加との関係を示している。同図か
ら判るように、再処理回収ウランのノード数を増加させ
ると、軸方向ピーキングの増加の割には燃料取出燃焼度
の増加が飽和する傾向にある。従って、再処理回収ウラ
ンは燃料棒の上下端部の１ノ一ド分だけ充填すれば十分
であり、また同図より上下のいずれか一方にのみ充填し
ても十分な効果を生じる。

これにより燃料集合体のバンドル平均濃縮度を２．９　
（Ｗｌｏ）程度とし、従来とほぼ同じにしながら、軸方
向中央部の断面平均濃縮度を従来例に比べて大きくする
ことができ、熱中性子利用率ｆを向上させ、同時に燃料
棒の上下端からの中性子の漏洩を低減させて反応度に８
ｆｆを向上させる。

■　可燃性毒物の軸方向分布 第１図および第２図に示す燃料棒Ｇ１においては。

可燃性毒物としてＧｄを用いており、かつ再処理回収ウ
ラン部を除いた濃縮ウラン部の上部の３ノードのＧｄ濃
度を２．０　（Ｗｌｏ）とし、他の１９ノ一ド部のＧｄ
！！！度４．０　（Ｗｌｏ）より低く形成している。こ
こで上部の３ノ一ド分を低濃度としたのは、第６図に示
すように、低濃度部分をこれ以上増やしても、燃料取出
燃焼度を増加させる効果はそれ程大差がないからである
。

これにより、Ｇｄ等の可燃性毒物の残留による反応度の
損失を低減させ、燃料集合体全体の反応度ｋｉｔを従来
例より著しく向上させることができる６また、第１図お
よび第２図の燃料棒Ｇ１に示すように、１９ノ一ド部分
を更に２分して、　Ｇｄ濃度３．０（Ｗｌｏ）　（７）
１２／−ド部分、Ｇｄ濃度４．０　（Ｗｌｏ）　（７１
７ノ一ド部分とし、軸方向出力分布を平坦化している。

（３）燃料集合体全体の濃縮ウラン部の軸方向濃縮度の
分布 本実施例においては、各燃料集合体Ａ１．Ａ２の濃縮ウ
ラン部の断面平均濃縮度を、上部の３ノードを２．９８
　（す１０）、中央部の１２ノードを３．１９　（Ｗｌ
ｏ）下部の７ノードを２．９８　（Ｗｌｏ）に３分して
形成している。

上部を中央部より低濃縮度に形成することによって炉停
止余裕を改善させている。また、中央部を下部より高濃
縮度に形成することによって、軸方向出力分布の平坦化
を図っている。

これにより、炉心の線出力密度を下げることができ、原
子炉の運転制限値に対して十分に余裕のある運転を可能
とさせている。

なお、中央部と下部との濃縮度の差および境界位置は、
軸方向出力分布の平坦化の効果を最大とさせるようにそ
れぞれ選択した値である６（イ）各燃料棒の軸方向濃縮
度の分布 第１図および第２図の本発明の実施例では燃料棒１２．
１３．１４については濃縮部を３分割して、断面平均濃
縮度を３分させている。

第３図および第４図の本発明の他の実施例では燃料棒２
１のように濃縮ウラン部の上部３ノードの濃縮度を２．
９（讐１０）として、他の部分の４．０　（！１Ｉ１０
）より低く形成し、また燃料棒２２のように濃縮ウラン
部の下部７ノードの濃縮度を　２．９　（Ｗｌｏ）とし
て、他の部分の４．０　（Ｗｌｏ）より低く形成し、燃
料集合体Ａ２の全体として前記したように断面平均濃縮
度を３分させている６ なお、燃料棒２３．２４．２５はそれぞれ単一濃縮度に
して形成されている。

一方、このように燃料集合体全体の断面平均濃縮度を３
分するには、第１図および第２図の燃料棒１２．１３．
１４に示すように、各燃料棒自身の軸方向濃縮度を３分
することによっても達成できる。

しかしながら、各燃料棒１２．１３．１４の製造に際し
。

充填する濃縮ウランの種類および燃料棒の種類が多くな
り、工程管理、品質管理が複雑となる。

これに比べて第３図および第４図に示す実施例において
は、軸方向濃縮度は２分するだけでよく、分割されてい
る燃料棒の種類が少なくて済むので、工程管理１品質管
理等も容易であり、燃料の製造コストを低減させること
ができ、燃料経済性を向上させることができる。

〔発明の効果〕

このように本発明の燃料集合体は、再処理回収ウランを
使用する燃料集合体において、天然ウランを使用する従
来の燃料とほぼ同じ平均濃縮度でありながら、従来と同
等の燃料取出燃焼度を達成することができ、炉心装荷時
における熱的余裕や炉停止余裕等の安全性に優れており
、製造も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第８図までは本発明の燃料集合体の実施例を
示し、第１図は一実施例の横断面図、第２図は第１図の
燃料集合体を構成する燃料棒の濃縮度およびガドリニア
分布を示す構成図、第３図パラメータとした軸方向ピー
キングの増加と燃料取出燃焼度の増加との関係を示す特
性図、第６図は濃縮ウラン部における上部の低ガドリニ
ア濃度の長さと燃料取出燃焼度の増加との関係を示す特
性図、第７図（ａ）（ｂ）および第８図は本発明の概念
図、第９図は１本の燃料棒の濃縮ウラン部の濃縮度を３
分した場合の概念図、第１０図および第１１図は従来例
の第１図および第２図と同様の図、第１２図は従来例に
おける炉心平均熱中性子束の軸方向分布図である。 Ａ１．Ａ２・・・燃料集合体、 １１、１２．１３．１４．１５．　Ｇ、、　Ｇ、・・・
燃料棒。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　第子丸　　　健 第２図 タ４ア　　　２１　　２２　　２３　　２４　　２５　
　　Ｇ２　　　Ｗ（＄！ζ）　　　＜ｔｚ＞　　＜１２
）　　（／６）　　（／２）　　　（４３（４）　　　
（，４）第６図 ５を綿度介布　　　　　　　　　　　　力゛Ｆリニア分
布（ｃＬ）　　　　　　　　　　　　　　　Ｃｂ＞第７
図 ；１端戊 第８図 （本ｔｉ）　　　　（／２）　　　（１２）　　０６）
　　　（／２）　　　（４）　　　　（６）　　　　（
４）第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の燃料棒により構成される原子炉の炉心に装荷
   する燃料集合体において、前記燃料集合体は、上下端の
   少なくとも一方に再処理回収ウラン部を設けるとともに
   、その間に再処理回収ウランを再濃縮した濃縮ウランを
   含む濃縮ウラン部を設け、この濃縮ウラン部を軸方向に
   上部、中央部および下部と３分した場合に、中央部の断
   面平均濃縮度が上部および下部の断面平均濃縮度より高
   くなるよう形成されているとともに、前記燃料棒の一部
   は、軸方向に濃度の異なる２領域以上を有する可燃性毒
   物を含有し、この可燃性毒物の濃度は、前記燃料棒上部
   における可燃性毒物濃度を他の部分より低くしてあるこ
   とを特徴とする燃料集合体。 ２、再処理回収ウラン部の軸方向長さは１／２４に形成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の燃料集合体。 ３、再処理回収ウラン部の軸方向長さを１１／１２とし
   、上部、中央部および下部の軸方向長さをそれぞれ１／
   ８、１／２および７／２４としたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の燃料集合体。