JPH01232289A - 燃料要素及び燃料集合体 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料要素及び燃料集合体に係り、特に燃料ペレ
ットの種類を増大させないで径方向、軸方向の出力分布
を平坦化できるようにバーナプルポイズンの配置、ＩＡ
度を調整するのに好適な燃料要素及び燃料集合体に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来の原子炉の燃料−集合体において、燃料の燃焼にと
もない消滅するガドリニア等のバーナプルポイズンを用
いて燃焼初期の出力増大を抑制したり、燃焼初期の必要
制御棒本数を低減させることは、一般的に行われている
。燃料集合体中の複数本の燃料棒にバーナプルポイズン
を入れる従来の一般的な方法は、２酸化ウランとガドリ
ニアを混合させ、さらに焼結して円柱型の燃料ペレット
を作成し、それを燃焼集合体中の特定の数本に装荷する
という方法であった。この方法では、初期の反応度の低
減は可能であるが、バーナプルポイズン入りの燃料要素
の出方が大きく低下し、その分バーナプルポイズンが入
っていない燃料要素の出力が上昇するという燃料集合体
内局所出方の上昇の問題があった。この局所出方の一ヒ
昇を抑制しつつバーナプルポイズンを用いて燃焼初期の
余剰反応度を抑制する方法の１つが特公昭６１−５１２
７５号公報で論じられている。この例では、燃料集合体
の径方向断面において外周部の燃料ペレットにバーナプ
ルポイズンを用いるものとし、さらにその円柱状の燃料
ペレットの径方向外側領域にバーナプルポイズンを混入
するようにしている。この場合、燃料集合体内の局所出
方の歪みを抑えつつ初期反応度を抑制できるというメリ
ットがあった。

しかし、燃料ペレットを内側領域と外側領域に区分し、
外側領域にのみバーナプルポイズンを混入するという製
造上の複雑さがともなっていた。また、上記例では、軸
方向の出力分布平坦化が考慮されていなかった。仮に軸
方向にバーナプルポイズン濃度差をつけるとすると、さ
らに燃料ペレットの製造種類を増やすことになり、複雑
となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、燃料集合体出力の平坦化、軸方向出力
の平坦化、燃料集合体局所出力の平坦化が望ましいのに
対し、複雑な構成により燃料集合体出力及び局所出力の
平坦化を実施しているが、軸方向出力に関してはその平
坦化がさらに複雑となるという問題があった。

本発明の目的は、従来技術より容易な方法で燃料集合体
出力、軸方向出力２局所出力のすべてについて平坦化で
きる燃料要素及び燃料集合体を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、第１に、核燃料物質のみを含んだ燃料ペレ
ットを内蔵した原子炉燃料要素において、積層した上記
燃料ペレットの間に核燃料物質が入っていない可燃性毒
物を含む物質を円板状にして配置した燃料要素として達
成し、第２に核燃料物質のみを含んだ燃料ペレツ１へを
内蔵した燃料要素と上記可燃性毒物を含む燃料要素とか
らなり、この可燃性毒物を含む燃料要素は制御棒にとな
り合った最外周全体ととなり合わない最外周の一部分と
に配置した燃料集合体として達成するようにした点にあ
る。

〔作用〕

燃料ペレットの間に燃料を含まないパーナブルポイズン
含有物質を円板状に形成して配置するようにしたので、
燃料要素中のバーナプルポイズンとしての中性子吸収体
物質の利用範囲を広げられ。

バーナプルポイズンに比較的任意の中性子吸収効果及び
燃焼特性を持たせることができる。例えば、従来のバー
ナプルポイズンとしてガドリニアを用いていたのに対し
、ボロン１０を用いることが可能である。この結果、燃
料集合体の最も出力の高い燃料要素にバーナプルポイズ
ンを含有させることが可能となり、燃料集合体内局所出
力の平坦化が実現できる。

また、燃料ペレットのｕ■にバーナプルポイズンを配置
した結果、軸方向燃料ペレットを１種類としたままバー
ナプルポイズン円板の厚みあるいはバーナプルポイズン
濃度を変更することにより軸方向出力分布を容易に平坦
化でき、がっ、複数の段階構成にしても平坦化できるこ
とになる。また、バーナプルポイズン円板は薄くするこ
とができるため、燃料物質が低下するという問題は、従
来のガドリニア入り燃料要素に比べて大きな問題とはな
らない。

〔実施例〕

以下本発明を第１図〜第７図に示した実施例を用いて詳
細に説明する。

第１図は本発明の燃料要素の一実施例を示す部分縦断面
図である。第１図においては、円柱状の核燃料物質のみ
からなる燃料ペレット１が被覆管２の内部に密封されて
おり、また、燃料要素の上部、下部にはそれぞれ上部端
栓３．下部端栓４が溶接されている。燃料ペレット１の
間には、燃料を含まないパーナブルポイズン含有円板５
が配置してあり、燃料ペレット１は酸化ウランあるいは
酸化プルトニウムと酸化ウラン混合物の焼結ペレットで
あり、パーナブルポイズン含有円板５は炭化ボロンであ
り、ボロン１ｏをパーナブルポイズンとして用いている
。

第２図は第１図のバーナプルポイズン含有円板５付近の
拡大図で、第２図（ａ）は水平断面図、（ｂ）は縦断面
図である。第２図（ｂ）に示すように、パーナブルポイ
ズン含有円板５は、燃料ペレット１の直径よりもやや大
きくしてあり、がっ、径方向中央部はやや薄肉にしであ
る。直径を大きくしている理由は、熱膨張係数が酸化ウ
ランの１０ＸＩＯ−８°Ｃ−１であるのに対し、炭化ボ
ロンが約３　Ｘ　１０−ｂ 運転中の高温下でも熱膨張が小さいためである。

また、径方向中央部で薄肉化しである理由は、運転条件
下で燃料ペレット１が熱膨張し、っづみ形にふくらむこ
とを考慮し、あらかじめ燃料ペレット１の膨張領域を確
保し、出方運転中の燃料ペレット１と被覆管２の相互作
用による破損を防止するためである。

以下、本発明の燃料要素の実施例の効果について説明す
る。

（１）バーナプルポイズン量調整が容易である。

従来の燃料ペレット中にガドリニアを入れてパーナブル
ポイズン燃料要素を形成する場合、目僚の反応度抑制効
果を得るためには、ガドリニア１度を濃くする等の調整
が必要であり、ガドリニア濃度別に燃料ペレットを製造
するという複離さがともなっていた。また、過度にガド
リニアを燃料ペレット中に混入すると、熱伝導率が低下
するという問題があった。しかし５本実施例の燃料要素
によれば、パーナブルポイズン量の調整は、パーナブル
ポイズン含有円［５内のポイズン濃度を変更するが、そ
の板厚あるいは枚数を変更するだけで可能であり、しか
も、核燃料が入っていないのでそれが容易にできる。

（２）燃料ペレット中心温度を低減できる。

熱伝導度は、５００℃で酸化ウランが約０．０４（Ｗ　
／　’Ｃ・ｃｌｌｌ）であるのに対し炭化ボロンは約０
．１３　（Ｗ／℃・印）で３倍以上もあり、パーナブル
ポイズン含有円板５は、燃料ペレット１の径方向の熱伝
導板の役割りをはたし、燃料ペレット１の中心温度を低
下させる。この結果、燃料要素の健全性を増大できる。

（３）燃料ペレットの熱膨張を吸収できる。

上記したように、炭化ボロンの熱膨張係数は燃料ペレッ
ト１の１／３程度で、温度が上昇しても熱膨張が小さい
。また、パーナブルポイズン含有円板５の径方向中央部
を薄肉化しであるので、燃料ペレット１の熱膨張を吸収
でき、出力上昇時の燃料健全性を向上できろ。また、燃
料ペレットでは、熱膨張時を考慮し、デイツシュ、チャ
ンファといった円柱ペレット端面部の削り加工を実施し
ていたが１本発明の燃料要素の実施例では、その必要性
がなくなり、パーナブルポイズン含有円板５の方を径方
向外側及び中央部を削るか成形加工時に中央部が薄くな
るように成形すればよく、しかも、核燃料物質でないた
め加工が容易である。

（４）減速材としての効果がある。

従来の燃料要素中のガドリウムは中性子を吸収し、パー
ナブルポイズンの役割りを終えた後には、その質量が太
きいため減速材としては役に立たなかったが、炭化ボロ
ンを形成する炭素とボロン１１は質量が小さく、減速効
果が大きい。また、中性子を吸収したボロン１０はリチ
ウムに変換され、これも減速効果が太きい。したがって
、炭化ボロンはパーナブルポイズンの役割りを終了した
後でも減速材としての役割りを果たし、燃料要素の有効
利用をはかることができる。

次に、本発明の燃料集合体について説明する。

第３図は第１図、第２図の燃料要素を有する沸騰型軽水
炉の燃料集合体の一実施例を示す水平断面図である。燃
料要素は８×８タイプの６４本の燃料集合体であり、第
１図、第２図のパーナブルポイズン含有円板入り燃料要
素６は、制御棒７にとなり合った最外周全体に配置する
とともに、制御棒７にとなり合わない最外周にも部分的
に配置しである。この結果、パーナブルポイズンを含ま
ない燃料要素８と合わせ、第３図の燃料集合体では、燃
料集合体内出力分布の平坦化を実現できる。従来のガド
リニア人リバーナブルポイズンは、ガドリニアの中性子
吸収断面積が大き過ぎるため、燃料集合体中数本程度の
燃料要素にしか含有させないため、中性子束の低い外側
から第２層目より内側に配置していた。しかし、第３図
に示す実施例では、パーナブルポイズンとしてガドリニ
アよりやや中性子吸収断面積が小さいボロン１０を使っ
ているため、最も出力の高い外周燃料要素位置に配置す
ることができ、出力平坦化を達成できる。

第４図は第１図、第２図の燃料要素を用いた新型転換炉
用の燃料集合体の一実施例を示す水平断面図である。第
４図の燃料集合体では、最外層の燃料要素１８本にパー
ナブルポイズン含有円板入り燃料要素６を配置しである
。第４図の場合も第３図の場合と同一理由により燃料集
合体中の出力分布平坦化を達成できる。

第５図は本発明の燃料要素の他の実施例を示す縦断面図
である。第５図に示す燃料要素では、パーナブルポイズ
ン含有円板５の厚みが軸方向中央部では厚く、軸方向上
下部では相対的に薄くしである。これは、出力の高い軸
方向中央部のパーナブルポイズンを相対的に濃度を高め
ることにより軸方向の出力分布の平坦化をはかるためで
ある。

また、さらに軸方向上下部のパーナブルポイズン含有円
板５は、径方向中央部に穴をあけた構造としである。こ
れは、軸方向中央部よりも中性子束レベルの低い軸方向
上下部において、パーナブルポイズン濃度を低め、軸方
向出力分布平坦化効果をより高めるためと、パーナブル
ポイズンの燃焼残りを防止するためである。本実施例に
よれば、第１図、第２図の燃料要素の効果に加えて、軸
方向出力分布平坦化を燃料ペレット１が１種類のままで
はかることができるという効果が得られる。

また、パーナブルポイズンの燃焼も中性子束レベルに応
じて適切に一度調整できるため、出力分布が均一化され
るという効果もある。ここで、第５図に示す実施例では
、軸方向パーナブルポイズン濃度調整をパーナブルポイ
ズン含有円板５の厚みを変えることで行っているが、パ
ーナブルポイズン含有円板５のポロン１０濃度を調整す
ることによって行い、パーナブルポイズン含有円板５の
厚みを一定にすることも可能である。

なお、第５図の燃料要素は、軸方向の中性子束分布が比
較的上下対称の加圧水型軽水炉、新型転換炉、高速増殖
炉、高転換炉に使用するのに適しているが、沸騰型軽水
炉のように軸方向下部の中性子レベルが上部よりも高い
場合は、第５図の燃料要素の軸方向中央部から上部の関
係を用い、軸方向下部ではパーナブルポイズン含有円板
５の厚みを厚くし、軸方向上部では円板５の厚みを薄く
することが考えられる。

さらに本発明の燃料要素の他の実施例を第６図に示す。

第６図に示す実施例の燃料要素では、燃料として酸化物
燃料ではなく、Ｕ　０２のような金属燃料あるいはＺ　
ｒ−Ｕ、　Ｚ　ｒ−Ｐｕよりなる合金燃料を用い、バー
ナプルポイズン含有物質としてホウ素含有金属円板９を
用い、金属燃料ペレット１０の間にホウ素含有金属円板
９を配置しである。また、燃料と被覆管２との間には液
体ナトリウムを配置して燃料と被覆管２との間の熱伝導
を良好にするとともに、ホウ素を添加してない金属燃料
ペレット１１の硬化を防止するようにする。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、積層したパーナブルポイ
ズンを含まない燃料ペレットの間に燃料を含まないバー
ナプルポイズン含有物質よりなる円板を配置した構成の
燃料要素としたので、バーナプルポイズンの配置、濃度
を自由に調整でき、しかも、その加工が容易で、径方向
、軸方向の出力分布平坦化が可能であり、製造工程も簡
略化でき、かつ、熱伝導度が大きくなるので温度を下げ
ることができ、また、バーナプルポイズン物質の選定が
広範囲となり、中性子吸収効果も比較的任意に選定でき
る。また、このバーナプルポイズン含有円板を配置した
燃料要素を含む燃料集合体は。

燃料を含まないパーナブルポイズン含有円板を含む燃料
要素を制御棒にとなり合う最外周全体に配置し、また、
となり合わない最外周にも部分的に配置することができ
るので、パーナブルポイズンを含まない燃料要素と合わ
せて燃料集合体の出力分布の平坦化を実現できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料要素の一実施例を示す部分縦断面
図、第２図は第１図のパーナブルポイズン含有円板付近
の拡大図、第３図は沸騰水型軽水炉用の第１図、第２図
の燃料要素を有する燃料柴合体の一実施例を示す水平断
面図、第４図は新型転換炉用の第１図、第２図の燃料要
素を有する燃料集合体の一実施例を示す水平断面図、第
５図。 第６図はそれぞれ本発明の燃料要素の他の実施例を示す
縦断面図である。 １・・・燃料ペレット、２・・・被覆管、３・・・上部
端栓、４・・・下部端栓、５・・・燃料を含まないバー
ナプルポイズン含有円板、６・・・パーナブルポイズン
含有円板入り燃料要素、７・・・制御棒、８・・・バー
ナプルポイズンを含まない燃料要素、９・・・ホウ素含
有金属円板、１０・・・金属燃料ペレット。 第１　図 冥２図 Ｃ〃 察３図 ７−−−ｖ／Ｐｗｆｆ＝ 第５区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料物質のみを含んだ燃料ペレットを内蔵した原
   子炉用燃料要素において、積層した前記燃料ペレットの
   間に核燃料物質が入つていない可燃性毒性を含む物質を
   円板状にして配置してあることを特徴とする燃料要素。 ２、前記可燃性毒物がボロンである特許請求の範囲第１
   項記載の燃料要素。 ３、前記可燃性毒物がガドリニウム含有の合金である特
   許請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ４、前記可燃性毒物を含む物質を円板状にしたものの燃
   料積層部中央部のものよりも上下部のものを薄肉形状と
   した特許請求の範囲第１項または第２項または第３項記
   載の燃料要素。 ５、前記可燃性毒物を含む物質を円板状にしたものの燃
   料積層部上下部のものは中空とした特許請求の範囲第１
   項または第２項または第３項記載の燃料要素。 ６、前記可燃性毒物を含む物質を円板状にしたものは、
   中央部を外周部よりも薄くしてあり、かつ、外径は前記
   燃料ペレットの外径よりも大きくしてある特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の燃料要素。 ７、前記可燃性毒物を含む物質を円板状にしたものの配
   置は、前記燃料ペレットを含めた可燃性毒物の平均濃度
   が燃料積層部中央部よりも上下部の方が小さくなるよう
   に配置してある特許請求の範囲第１項または第２項また
   は第３項記載の燃料要素。 ８、前記可燃性毒物を含む物質を円板状にしたものの配
   置は、前記燃料ペレツトを含めた可燃性毒物の平均濃度
   が燃料積層部上部よりも下部の方が高くなるようにして
   ある特許請求の範囲第１項または第２項または第３項記
   載の燃料要素。 ９、核燃料物質のみを含んだ燃料ペレットを内蔵した燃
   料要素と前記燃料ペレットの間に核燃料物質が入つてい
   ない可燃性毒物を含む物質を円板状にして配置した可燃
   性毒物を含む燃料要素とからなり、該可燃性毒物を含む
   燃料要素は制御棒にとなり合つた最外周全体ととなり合
   わない最外周の一部分とに配置してあることを特徴とす
   る燃料集合体。