JPH03128482A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

沸騰水型原子炉用燃料集合体

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JPH03128482A
JPH03128482A JP1177020A JP17702089A JPH03128482A JP H03128482 A JPH03128482 A JP H03128482A JP 1177020 A JP1177020 A JP 1177020A JP 17702089 A JP17702089 A JP 17702089A JP H03128482 A JPH03128482 A JP H03128482A
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plutonium
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rods
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桜田 光一
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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) 本発明は沸騰水型原子炉(BWR)に用いる燃料集合体
のうち、特にプルトニウムを富化した燃料棒を有する燃
料集合体に関する。
(従来の技術) 資源の有効利用やエネルギーセキュリティなどの観点か
ら、使用済燃料の再処理により回収されたプルトニウム
を軽水炉で燃料として用いるプルサーマルが行われる予
定である。
プルトニウムはα線の放出強度が強く、人体への内部被
曝を防止する必要がある。また崩壊や自発核分裂によっ
て中性子やγ線を放出する。このためプルトニウムを含
む燃料の製造や加工は、ウラン燃料の場合に比べて密閉
された状態で行なわれなければならない。また遮蔽設備
がより多く必要であること、除染や保守管理に厳重な注
意が必要なことなど、設備や工程に関して多くの配慮を
しなければならない。したがってプルトニウムを含む燃
料ペレットおよび燃料棒の製作に関しては、富化度など
の異なるものを多種類製造することば経済的に著しく不
利となる。
また、プルトニウムを含む燃料集合体は輸送、計量管理
、臨界管理に厳しい条件が課せられるので、燃料集合体
一体当りに含まれるプルトニウムの割合をできるだけ大
きくしてプルトニウムを含む燃料集合体の数を減らすこ
とが望まれる。
以上の観点からプルサーマルとして利用される燃料集合
体では、すべての燃料棒にプルトニウムを富化したいわ
ゆる「ディスクリート型MOX燃料」が有利であり、こ
の型の燃料集合体を用いる計画が考えられている。この
例を第6図および第7図に示す。これらの図はディスク
リート型MOX燃料の燃料棒ごとのプルトニウム富化度
分布(径方向)を示したもので、図中1はチャンネルボ
ックス、2は燃料棒である。Pi  (i=1〜6゜i
=1〜9)はプルトニウム入り燃料棒であり、これらの
核分裂性プルトニウム富化度は次のようになっている。
またGは可燃性毒物入り燃料棒であり、そのウラン濃縮
度およびポイズン濃度は次のようになっている。
第6図の場合 P:5,5%、P:5.0%。
2 P:3.6%、P:3.3%。
4 P:2.4%、P:1.3%。
6 .235 G、   U濃縮度4.9%。
ポイズン濃度2.0% 第7図の場合 P:5.5%、P:4.8%。
2 P:4.5%、P:3.8%。
4 P:3,3%、P:2.2%。
6 P:l、3%、P:1.2%。
8 P9:  0.7%。
G :  235Ua縮度4.9%。
ポイズン濃度185% BWRでは、燃料集合体を第8図に示すように多数配置
して炉心を構成する。第8図において3は燃料集合体、
4はLPRM(出力領域検出器)。
5はLRM(中間領域検出器)、6はSRM(中性子源
領域検出器)、7は制御棒である。
燃料集合体の間には十字型制御棒あるいは計装管を配置
するために一定の幅を持つ水ギヤツプ領域がある。現在
のBWRでは、制御棒の挿入される水ギャップの幅と計
装管の配備される水ギャップの幅とが同一であるプラン
ト(C格子型と呼ぶ)と水ギャップの幅が異なるプラン
ト(D格子型と呼ぶ)の二種類がある。第6図に示すデ
ィスクリートMOX燃料集合体はC格子型のプラントに
用いるものであり、第7図に示す燃料集合体はD格子型
のプラントに用いるものである。
チャンネルボックス内の冷却材は運転時には蒸気を含ん
だ二層流となるが、水ギヤツプ領域では冷却材は燃料棒
に直接加熱されないため蒸気は発生しない。このため、
水ギヤツプ領域における水素の原子数密度が大きく、こ
れによりBWRの燃料集合体の水平断面における径方向
の熱中性子束分布は、第9図に示されるように集合体の
周辺部で大きくなる。BWRの燃料集合体では集合体内
径方向の出力ビーキングを係数を小さくするために、第
6図及び第7図にも示される様に集合体の周辺には濃縮
度あるいは富化度の低い燃料棒を配置する設計が採用さ
れている。このため、ディスクリート型MOX燃料集合
体ではPu富化度が低い燃料棒を数種類用いる必要があ
り、これらの燃料棒は使用する本数も少なく、製造上経
済的ではない。
また、BWRでは燃焼初期の余剰反応度を小さくするた
めに、可燃性毒物として燃料にガドリニア(Gd203
)を混入させた燃料棒を集合体内に装荷している。ガド
リニアは少量で反応度に対する影響が極めて大きいので
、ガドリニアを混入させた燃料棒は通常の燃料棒とは別
なラインで製造し、検査などを含めて厳重に区別する必
要がある。このため、プルトニウムを含む燃料にガドリ
ニアを混入させる場合には、別なプルトニウム燃料製造
ラインを設ける必要があり、経済的に不利である。
また、BWRに用いる燃料集合体は軸方向の出力分布を
平坦化するために、燃料濃縮度あるいは可燃性毒物の量
を軸方向に変えた設計を採用している。軸方向に燃料濃
縮度あるいはバーナブルボイズンの量を変えた燃料集合
体を製造する場合には燃料ペレットの種類が多くなる。
したがって、十分な軸方向変化を持つディスクリート型
MOX燃料集合体を製造する場合にはMOX燃料ペレッ
トの種類がさらに多くなり、製造上経済的ではない。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は上記情況に対拠してなされたもので、ディスク
リート型MOX燃料集合体において、プルトニウムを含
む燃料ペレットの種類数を少なくすることによって製造
上での経済性を高め且つ取扱上も有利なものとすること
を目的とするものである。
[発明の構成] (課題を解決するための手段および作用)すなわち本発
明はプルトニウムを富化した燃料棒を正方格子状に束ね
た沸騰水型原子炉用燃料集合体において、正方格子状の
燃料棒配置の最外周位置および2周目のコーナー位置か
らなる領域の燃料棒の一部をプルトニウムを含まない燃
料棒に替え、そのうち最外周のコーナー位置の燃料棒は
必ずプルトニウムを含まないことを特徴とする沸騰水型
原子炉用燃料集合体に関する。
正方格子状の燃料棒配置の最外周位置および2周目のコ
ーナー位置は、第6図および第7図からも明らかなよう
に、従来プルトニウム富化度の低い燃料棒が多数種使わ
れている。したがってこの領域のうちの一部をプルトニ
ウムを含まないウラン燃料棒とすることによって、燃料
集合体当りのプルトニウム装荷量の低下を最小限にとど
めながらMOX燃料の種類を減らすことができる。
なお、上記の燃料集合体において、可燃性毒物を混入す
る燃料棒にはプルトニウムを含まないウラン燃料を用い
ることにより、MOX燃料の製造ラインを少なくして製
造コストを低減することができ、さらにプルトニウムを
含む燃料棒には軸方向の濃縮度分布を生じさせないよう
にすることによって、MOX燃料ペレットの種類数の増
加を防ぐことができる。
(実施例) 本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図はBWRのC格子プラントに用いる本発明による
プルサーマル用燃料集合体の一例である。
この実施例では、第6図に示す従来のディスクリート型
MOX燃料集合体に比べて、集合体コーナー近傍にある
20本の燃料棒をウラン燃料棒としている。
(i=1〜3)はプルトニウムを含んだ燃料である。プ
ルトニウムの富化度およびウラン濃縮度は次のとおりで
ある。
核分裂性プルトニウム富化度 P+:8.2% P2 : 5.0% P3  :  3.6% 235U濃縮度 UI :  3.5% U2  :  2.8% U3 :  2.0% またGは可燃性毒物入り燃料棒で、2’35U濃縮度4
.5%、ポイズン濃度2.0%である。
この20本の燃料棒は、従来のディスクリート型MOX
燃料集合体においては富化度の最も低いものであり、中
央部にある燃料棒に比べて半分以下の富化度となってい
る。このため、これらの位置の燃料棒をウラン燃料棒と
することは、燃料集合体当りのプルトニウム装荷量の低
下を最も小さくすることができる。
第2図(a)および(b’l はそれぞれBWRのD格
子プラントに用いる本発明によるプルサーマル用燃料集
合体の一例である。(a)の実施例では、第7図に示す
ディスクリート型MOX燃料集合体に比べて、集合体コ
ーナー近傍にある10本の燃料棒をウラン燃料棒として
おり、(b)の実施例では2周目のコーナー位置にさら
に1本ウラン燃料棒を増やしている。これらの場合には
制御棒の入る側の水ギャップの幅と計装管が入る側の水
ギャップの幅が異なるため、ウラン燃料棒の配置も制御
棒側と計装管側で非対称としている。
第2図(a)および(b)における核分裂性プルトニウ
ム富化度およびウラン濃縮度は次のとおりである。
P、  :  5.5% P2 :  4.8% p3 :  4.5% P4 :  3.4% P5 :  2.7% P6 :  1.9% U、  :  3.8% U2  :  2.8% U3 :  2.0% また可燃性毒物入り燃料棒はウラン濃縮度4.5%、ポ
イズン濃度2.0%である。
第1図および第2図(a)および(b)に示す本発明の
実施例では、可燃性毒物を混入した燃料棒として、プル
トニウムを含む燃料を用いることとプルトニウムを含ま
ないウラン燃料を用いることができる。プルトニウム燃
料の製造のコストを低下させる上では、ウラン燃料をベ
ースとして用いることが有利である。これによって燃料
集合体当りのプルトニウム装荷量が低下するので、プル
トニウム装荷量の大きいことが重視される場合には、プ
ルトニウムを含む燃料にバーナプルポイズンを混入させ
ることも考えられる。
第3図は本発明の別な実施例であり、燃料棒を9行9列
に束ねた燃料集合体(9×9燃料)について本発明の工
夫を加えたものである。そのプルトニウム富化度および
ウラン濃縮度は次のとおりである。
核分裂性プルトニウム富化度 P、+  6.2% P2 :  5.0% P3 ・ 3.6% 235U濃縮度 U、:3.5% U2  :  2.8% U3 :  2,0% 可燃性毒物入り燃料棒の235U濃縮度4.5%。
ポイズン濃度2.0%である。
第4図(a) (b)および第5図(a) (b)に示
す燃料集合体の構成は、軸方向の組成に関しての本発明
の実施例である。第4図および第5図のいずれも、(a
)は径方向の燃料配置、(b)は軸方向の燃料配置を示
している。
これらの実施例は、BWR燃料に適切な軸方向の核分裂
性物質(濃縮度及び富化度)あるいは可燃性毒物量の分
布を、本発明によって導入されたウラン燃料棒および可
燃性毒物を含むウラン燃料棒によって構成したものであ
る。第4図に示す実施例は軸方向に三領域で濃縮度およ
び可燃性毒物量を変化させたもので、第1O図に示すウ
ラン燃料集合体の設計に対応するものである。第10図
に示すウラン燃料集合体の設計と比べて、軸方向の組成
を分布させた燃料棒の本数が十分なものであり、BWR
燃料に適切な軸方向分布が達成できる。第5図に示す実
施例は軸方向に三領域で濃縮度および可燃性毒物量を変
化させ、さらに上下端に天然ウランブランケットを配置
したものである。
第4図および第5図の各Pu富化度およびU濃縮度は次
のとおりである。
第4図 核分裂性Pu富化度 P、:  6.2% P2  :  5.0% p、:  3.6% 235U濃縮度 e+  :  4.0% e2 : 3.0% e3 :  3.5% e4  :  2.3% e5  :  2.6% eb  :  1.8% 可燃性毒物入り燃料棒の235U濃縮度eg1:4,1
% e、2:  4.9% 可燃性毒物入り燃料棒のポイズン濃度 g、  :  3.5% g2 :  4.5% 第5図 核分裂性Pυ富化度 Pl:6.2% P2:5.0% P3  :  3.6% 235U濃縮度 e+  :  4.2% e2  :  3.9% e3 :  3.4% e4  :  3.9% e、+  3.4% e6  :  2.5% e7:  3.4% 可燃性毒物入り燃料棒の235U濃縮度e、、:2.8
% e −2:  3.0% e 、3:  2.8% 可燃性毒物入り燃料棒のポイズン濃度 g+  :  3.5% g2 :  4.5% g3 ・ 2.5% [発明の効果] 上記から明らかなように、本発明によれば、従来のすべ
ての燃料棒にプルトニウムを富化したいわゆるディスク
リート型MOX燃料において、本来Pu富化度の低かっ
た外側の所定の領域の燃料棒をプルトニウムを含まない
ウラン燃料棒に替えることによって、燃料集合体当りの
プルトニウムの装荷量の低減割合をできるだけ小さくし
てプルトニウム燃料棒の種類と本数を減らし、プルトニ
ウム燃料棒製造の経済的な負担および工程上の負担を減
少させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第3図は本発明の実施例を示す燃料棒配置
図、第4図(ml (b)および第5図(a) (b)
は本発明において軸方向分布した場合の実施例を示す燃
料棒配置図、第6図および第7図は従来のディスクリー
ト型MOX燃料の燃料配置図、第8図は従来のBWR炉
心内の燃料集合体および制御棒の配置図、第9図は従来
の燃料集合体の水平断面における熱中性子束分布を示す
図である。 1・・・チャンネルボックス 2・・・燃料棒 3・・・燃料集合体 4・・・LPRM(出力領域検出器) 5・・・LRM(中間領域検出器) 6・・・SRM(中性子源領域検出器)7・・・制御棒 (8733)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)プルトニウムを富化した燃料棒を正方格子状に束
    ねた沸騰水型原子炉用燃料集合体において、正方格子状
    の燃料棒配置の最外周位置および2周目のコーナー位置
    からなる領域の燃料棒の一部をプルトニウムを含まない
    燃料棒に替え、そのうち最外周のコーナー位置の燃料棒
    は必ずプルトニウムを含まないことを特徴とする沸騰水
    型原子炉用燃料集合体。
  2. (2)可燃性毒物を含む燃料棒にはプルトニウムを含ま
    せない請求項1記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
  3. (3)軸方向反応度分布を可燃性毒物の量あるいはウラ
    ン濃縮度によって与えた請求項1または2記載の沸騰水
    型原子炉用燃料集合体。
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