JPH03262993A - 燃料集合体および原子炉 - 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、燃料親物質から核分裂性物質への転換比の高
い軽水冷却軽水減速原子炉およびそれに用いる燃料集合
体に係わり、特にボイド係数を改善し安全裕度の大きい
ウラン・プルトニウム混合燃料充填燃料集合体およびそ
れを装荷した原子炉に関する。

〔従来の技術〕

原子炉の内部では核分裂反応によりウラン−２３５など
の核分裂性生成物が消費されるが、−方では、ウラン−
２３８の中性子吸収反応によりプルトニウム−２３９な
どの新たな核分裂性物質が生成される。使用済燃料集合
体取出時の核分裂性物質の生成率と核分裂性物質の消費
率の比を転換比と称するが、通常の軽水冷却減速型原子
炉では０．５程度である。そこで、エネルギー源として
のウラン資源を節約するために転換比を高めることが考
えられている。

特開平１−２２７９９３号公報には、核燃料物質を充填
した複数の燃料棒を集合体平均での実効的な水対燃料体
積比が０．４以下になるように稠密に配列した多数の燃
料集合体を冷却材が流れる沸騰水型原子炉の炉心に装荷
することによって転換比を１．０近傍に高めることが示
されている。すなわち、その燃料集合体によれば消費し
たプルトニウム−２３９及びウラン−２３５などの核分
裂性物質とほぼ同量の核分裂性物質がプルトニウム−２
３９などとして得られる。したがって、この核分裂性プ
ルトニウムを天然ウラン、または使用済燃料の再処理で
得られる回収ウラン、濃縮作業で得られる劣化ウラン、
微濃縮ウラン、のいずれか。

または混合物に富化せしめて、ウラン・プルトニウム混
合燃料と為し、原子炉に装荷して燃焼させることができ
る。この燃焼によって消費した核分裂性物質とほぼ同量
の核分裂性プルトニウムが再び得られる。この核分裂性
プルトニウムを用いて、再度、天然ウランなどの燃料を
富化し、ウラン・プルトニウム混合燃料と為し、原子炉
に装荷して燃焼させる。このようなサイクルをくりかえ
すことによりプルトニウムを有効に利用でき、ウラン資
源を節約できる。

しかし、ウラン・プルトニウム混合燃料の装荷は原子炉
の炉心特性に影響を及ぼす。すなわち、通常の沸騰水型
原子炉のごとく炉心の実効的な水対燃料体積比が２．０
近傍で中性子スペクトルが軟らかい場合には、ウラン・
プルトニウム混合燃料のボイド係数、すなわち減速材の
ボイド率変化に伴う反応度の変化は濃縮ウラン燃料のボ
イド係数にくらべて一層負側の値であるが、転換比を高
めるため燃料を稠密配置として水対燃料体積比を小さく
すると正に近づく傾向があり、上記特開平１−２２７９
９３号公報記載の実効的な水対燃料体積比０．４　の炉
心では正の値となる。一般に原子炉の異常な過渡変化時
や事故時の安全性は出力係数が指標として用いられる。

出力係数は単位出力変化時の反応度の変化割合を示す量
で、ボイド係数と温度変化による反応度の変化を示すド
ツプラー係数の和として表わされる。上記公報記載の炉
心はボイド係数は正であるがドツプラー係数は負でその
絶対値が大きいため出力係数としては負となり、安全上
は支障がない、しかし、ボイド係数の正の値を小さくす
る、または負の値にすることは原子炉安全性の裕度を高
める効果があり望ましいことである。なお、特開平１−
２２７９９３号に記載された燃料集合体の核分裂性プル
トニウム富化度は、その軸方向において一様である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のかかえるボイド係数改善の課題、すなわ
ちボイド係数の正の値を小さくする、または負にすると
云う課題に対するひとつの手段として、炉心の直径対高
さの比を小さくすることにより炉心からの中性子漏れ量
の変化を大きくする方法がある。

炉心のボイド係数は、ボイド率変化による中性子無限増
倍率の変化と中性子漏れ量の変化を合わせたものである
から、中性子の漏れ易い炉心を構成すればボイド率が変
化して中性子が増加しても漏れる量も増加して無限増倍
率の変化が抑制される。すなわち、ボイド係数に対して
はその値を小さくする、または負にする効果がある。し
がし、中性子の漏れ易い炉心とするため定常状態におけ
る中性子漏れ量が増大し、反応度が低下するという問題
がある。

本発明は上記の点に鑑み、反応度を低下させることなく
、原子炉炉心のボイド係数を改善するのに有効なウラン
・プルトニウム混合燃料充填燃料集合体および原子炉を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、軽水冷却・軽水減速原子炉に稠密に配置す
るウラン・プルトニウム混合燃料充填燃料集合体におい
て、燃料有効長部の軸方向全長を２等分する２領域の各
領域の平均的な核分裂性プルトニウム富化度を冷却材流
れの上流側すなわち燃料集合体の下部側に位置する領域
の方が下流側よりも高いようにした燃料集合体とするこ
とによって達成される。

また、上記燃料集合体を装荷した原子炉においても同じ
目的が達成される。

〔作用〕

以下、本発明の作用を第２図、第３図を用いて説明する
。

第２図に高転換比を目的として実効的な水対燃料体積比
を小なる値（−例として０．２４）に一定に保持した場
合のプルトニウム富化度および燃焼度とボイド係数との
関係を示す。この関係は転換比１．０以上が得られる実
効的な水対燃料体積比０．４以下の稠密燃料集合体配列
炉心において共通に成立する関係である。第２図におい
て同じ燃焼度ではプルトニウム富化度の低い燃料の方が
高い燃料よりもボイド係数は小さい。燃焼の進行ととも
にその差は縮まるが、軽水炉の燃料として想定されてい
る燃焼度範囲、すなわち４５ＧＷｄ／Ｌ程度ではその差
はいぜんとして保たれ、逆転することはない。

第３図には、幾何学的な水対燃料体積比を０．５とし、
同じ燃焼度の燃料について燃焼平均のボイド率（燃焼期
間中のボイド率の平均値）とボイド係数との関係を示す
。同図には同じプルトニウム富化度の燃料を用いても燃
焼平均のボイド率が高いほどボイド率変化による中性子
無限増倍率変化の割合が大きくなり、ボイド係数が大き
くなることが示されている。

沸騰水型原子炉では燃料集合体の軸方向に沿って下から
上方に向って流れる冷却材の下流側でボイド率が高い。

そのため下流側の燃焼平均ボイド率も高く、冷却材下流
側領域の燃料は上流側領域の燃料よりもボイド係数が大
きくなる。したがって、燃焼平均ボイド率の高い冷却材
下流側領域に上流側領域燃料よりもプルトニウム富化度
の低い燃料を用いれば、第２図に示したプルトニウム富
化度とボイド係数との関連の解析結果から明らかなよう
に、高ボイド率に起因するボイド係数の増大が低富化度
の採用によって抑制され、炉心のボイド係数を低く維持
することができる。

以上は沸騰水型原子炉を例にとって本発明に係わる作用
を説明したが、同様な作用は通常運転時ボイドが発生し
ない加圧木型原子炉についてもボイド率を実効的な水対
燃料体積比に置き換えることでもたらされる。すなわち
、冷却材下流側では水温が上昇するため水の密度が低下
し、実効的な水対燃料体積比が減少する。この減少は沸
騰水型原子炉においてボイド率が高くなったことに相当
する。そのため、冷却材下流側領域の燃料のボイド係数
は上流側領域の燃料のボイド係数よりも高くなる傾向に
ある。したがって、本発明を実施して冷却材下流側領域
の燃料のプルトニウム富化度を上流側領域の燃料の富化
度より下げることによって沸騰水型原子炉を例にとって
説明した上記作用が加圧木型原子炉についてももたらさ
れる。

〔実施例〕

（実施例１） 本発明の一実施例を第１図および第４図により説明する
。

第１図は本実施例に係わる燃料集合体の構成を示す横断
面図（ａ）および燃料集合体の燃料有効長部の構成を示
す縦断面図（ｂ）である。

本実施例の燃料集合体は転換比が１．０　近傍となるよ
うに実効的な水対燃料体積比が０．４以下となるよう稠
密に配置された複数の燃料棒を含み、沸騰水型原子炉に
装荷されるものである。また、燃料有効長部とはウラン
・プルトニウム混合燃料または濃縮ウラン燃料が充填さ
れた領域をいう。

この燃料集合体１は第１図（ａ）に横断面を示すごとく
六角形状をしており、チャンネルボックス２および六角
稠密格子状に配置された１５１本の燃料棒３と１８本の
制御棒案内管４とから構成されている。燃料棒３の外径
は１１．８ｍ＋、燃料棒間隔は１．３ｍｍで、集合体内
の幾何学的な水対燃料体積比は０．５　である。この配
置では、たとえばボイド率が２０％のときに実効的な水
対燃料体積比は約０．４　　となり、ボイド率５５％の
ときに水対燃料体積比は０．２４　となる６燃料棒３内
には、第１図（ｂ）に縦断面として燃料集合体の燃料有
効長部の概略構成を示すごとく燃料有効長部の軸方向下
部１／２の領域は核分裂性プルトニウム平均富化度７．
０％（以下、重量パーセントで示す）のウラン・プルト
ニウム混合酸化物燃料１５で、上部１／２の領域は核分
裂性プルトニウム平均富化度６．０％のウラン・プルト
ニウム混合酸化物燃料１１で構成する。燃料集合体平均
の富化度は６．５％である。この燃料集合体は、燃料集
合体の燃料有効長部を軸方向で等分して想定する上部お
よび下部の２領域の境界と、実際に富化度の異なる２領
域の境界とが一致する実施例であって、上部および下部
の各領域の平均富化度は各々６．０％および７．０％で
ある。

この燃料集合体は軸方向に鉛直に原子炉内に装荷され、
冷却材は燃料集合体下部から上部方向へ、すなわち上昇
流として流れる。本実施例ではプルトニウムを天然ウラ
ンに富化しているが、使用済燃料の再処理によって得ら
れる回収ウラン、濃縮作業で生成する劣化ウラン、微濃
縮ウランのいずれか、または混合物に富化することもで
きる。また、燃料有効長部の端の外側に、中性子の炉心
からの漏れを低減するため、さらには中性子遮蔽のため
天然ウランまたは劣化ウランの酸化物焼結体を挿入する
こともできる。

第４図は本実施例に係わる燃料集合体を装荷した原子炉
炉心の構成を示す炉心の断面図である。

炉心５には第１図（ａ）に横断面を示す燃料集合体１力
唾０１体装荷される。この炉心の仕様を表１に示す。

表　　　１ この炉心に製装された燃料集合体では、燃料の核分裂に
よる発熱によって燃料有効長部の軸方向中央部附近より
上方で冷却材が沸騰しボイドが増大する。そのため、燃
料有効長部の上部領域は燃焼平均ボイド率が高く、ボイ
ド係数が大きくなる領域である。したがって、本発明を
実施してこの領域の燃料の核分裂性プルトニウム富化度
を低くしてボイド係数の増大を抑制することは、この領
域において特に効果的である。一方、プルトニウム富化
度を下げることに起因する反応度の低下は燃料有効要部
下部領域の燃料の核分裂性プルトニウム富化度を高める
ことで保償するが、燃焼平均ボイド率が小さく実効的な
水対燃料体積比が上部領域よりも相対的に大きい下部領
域は燃焼が進み易くこの領域の燃料の富化度を高めて反
応度増加を重点的に負担させることは特に効果的である
。

上記本実施例に係わる燃料集合体を装荷した炉心におい
ては、個々の燃料集合体の有する効果が綜合的に発揮さ
れる。すなわち本実施例の燃料集合体を製装した炉心と
、本実施例に係わる燃料集合体の集合体平均富化度と同
じ６．５％に一様に燃料有効長部を核分裂性プルトニウ
ムで富化した燃料集合体を装荷した炉心とを比較すると
、上記本実施例に係わる燃料集合体の有するボイド係数
抑制効果および反応度増加効果を綜合して、炉心のボイ
ド係数は約０．４Ｘ１０−’Δに７に／％ｖｏｉｄ小さ
くなり、また反応度は約０．１％Δに／に増大し、反応
度を低下させることなく原子炉炉心のボイド係数を改善
するという目的が達成される。

特開昭６０−６６１８７号公報には、従来の沸騰水型原
子炉に装荷する燃料集合体において、燃料集合体を上領
域と下領域に２分割し、前記下領域に上領域よりも多重
のウラン・プルトニウム混合酸化物を含有させることを
特徴とする燃料集合体が述べられているが、従来の沸騰
水型原子炉に装荷するように燃料集合体が構成されてい
る点が本発明と異なる。そのため、たとえば前記公報第
２図に示されるこの燃料集合体を装荷した炉心のボイド
係数とボイド率の関係において、ウラン燃料およびプル
トニウム燃料共にボイド率０において負のボイド係数を
もち、ボイド率の増加と共に絶対値が大きくなる特性が
ある。しかるに本発明においては高転換比を得るために
水対燃料体積比が０．４以下になるように燃料集合体を
構成する。従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体では、こ
の水対燃料体積比は２．０近傍である。この差異にもと
づいて１本発明に係わる燃料集合体を装荷した炉心のボ
イド係数とボイド率（燃料平均ボイド率で表わしてある
）の関係は第３図に示すととくボイド率の全範囲にわた
って正のボイド係数となり、ボイド率の増加と共に正の
値が増大する特性がある。

したがって、本発明と前記公報記載の発明とは解決すべ
き課題においてまったく正反対の炉心特性に基づく課題
を有しており、解決手段も異なるものである。

（実施例２） 他の実施例を第５図（ａ）を用いて説明する。

第５図（ａ）は、本実施例に係わる燃料集合体の燃料有
効長部の構成を示す縦断面である。燃料集合体としての
構成は第１図（ａ）に横断面図で示した燃料集合体と同
様で、異なる点は燃料集合体の燃料有効長部の構成のみ
である。

本実施例では、第５図（ａ）に示すように、燃料集合体
の燃料有効長部の下端からその軸方向全長の１／１ｏま
での領域および燃料有効長部の上端から軸方向全長の１
７１０までの領域を核分裂性プルトニウム平均富化度（
以下、富化度という）５．１％のウラン・プルトニウム
混合酸化物燃料９で、また、燃料有効長部下端を基準に
してその軸方向全長の１／１ｏから５／１０の領域を富
化度７．１％のウラン・プルトニウム混合酸化物燃料１
６で、さらに燃料有効長部下端を基準にしてその軸方向
全長の５／１０から９／１０の領域を富化度６．１％の
ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料１２で構成する。

このように構成することによって、燃料集合体の燃料有
効要部平均の富化度は６．３％、燃料有効長部上部１／
２領域（上記、軸方向全長の５／１０より上方の領域）
の燃料の平均富化度５．９％、下部１／２領域（上記、
軸方向全長の５７１０より下方の領域）の燃料の平均富
化度は６．７％となる。

本実施例では、出力が低く燃焼のあまり進まない燃料有
効長部の上端部および下端部に富化度の低い燃料を配置
し、反応度への寄与の大きい中央部に相対的に富化度が
高く、中性子無限増倍率の大きい燃料を用いているため
、反応度増加の効果が特に顕著である。すなわち、本実
施例の燃料集合体を装荷した炉心は本実施例の燃料有効
長部平均富化度と同じ富化度６．３％に燃料有効長部を
一様に富化した燃料を用いた燃料集合体を装荷した炉心
に比べ１反応度が０．９％Δに／に増大する。その結果
、平均富化度が６．３％でも軸方向−様富化度６゜５％
の燃料を用いた炉心と同じ反応度が得られる。また、炉
心のボイド係数は上記実施例１と同様に軸方向−様富化
度６゜５％の燃料を用いた炉心に比べ、約０．４　Ｘ　
１０−’Δに／に／％ｖｏｉｄ減する効果がある。

（実施例３） 他の実施例を第５図（ｂ）により説明する。

実施例１および２は、燃料有効長部を軸方向に２等分し
た場合の境界と富化度の異なる領域の境界とが一致して
いる例であるが、実施例３はこれらの境界が異なる例で
ある。

第５図（ｂ）は本実施例に係わる燃料集合体の燃料有効
長部の構成を示す縦断面図である。燃料集合体としての
構成は第１図（ａ）に横断面図で示した燃料集合体と同
様で、異なる点は燃料有効要部の構成のみである。

本実施例では第５図（ｂ）に示すごとく、燃料集合体の
燃料有効長部の下端から軸方向全長の１７１０までの領
域および燃料有効長部の上端から軸方向全長の２／１ｏ
までの領域を富化度４．８％のウラン・プルトニウムの
混合酸化物燃料６で、また、燃料有効長部下端を基準に
軸方向全長の１／１０から８／１０までの領域を富化度
６．８％のウラン・プルトニウム混合酸化物燃料１３で
構成する。このように構成することによって、燃料集合
体の燃料有効要部平均の富化度は６．２％、燃料有効長
部上部１／２領域の燃料の平均富化度は６．０％、下部
１／２領域の燃料の平均富化度は６．４％　となる。

本実施例は、ボイド係数の改善を主な目的として、燃焼
平均ボイ゛ド率が高く、ボイド率変化にともなう反応度
変化の大きい燃料有効長部上部の領域の富化度を極力、
少ない種類の富化度の異なる燃料を用いて低く構成した
例である。本実施例の燃料集合体を装荷した炉心は、同
じ富化度６．２％で一様富化した燃料を用いた燃料集合
体を装荷した炉心に比べ、ボイド係数が約０．６Ｘ１０
−４Δに／に／％νａｉｄ減少し改善の効果が明らかで
ある。また、反応度は約０．７％Δに／に増大し、燃料
有効長平均富化度６．２％で軸方向−採音化度６．５％
の燃料を用いたときと同じ反応度が得られる。本実施例
に係わる燃料集合体は構成する富化度の異なる燃料の種
類が少ないため、燃料製造上有利である。

（実施例４） 他の実施例を第５図（Ｃ）を用いて説明する。

実施例４は実施例３と同じく、燃料有効長部を軸方向に
２等分した場合の境界と富化度の異なる領域の境界とが
異なる例である。

第５図（ｃ）は本実施例の燃料集合体の燃料有効長部の
構成を示す縦断面図である。燃料集合体としての構成は
第１図（ａ）に横断面図で示した燃料集合体と同様で、
異なる点は燃料有効長部の構成のみである。

本実施例では第５図（ｃ）に示すごとく、燃料集合体の
燃料有効長部の下端からその軸方向全長の１／１０まで
の領域および燃料有効長部の上端からその軸方向全長の
１／１０までの領域を富化度４．８５％のウラン・プル
トニウム混合酸化物燃料７で、また、燃料有効長部の下
端を基点とする軸方向全長の２／１０から７／１０の領
域は富化度６．８５％のウラン・プルトニウム混合酸化
物燃料１４．８／１０から９／１ｏの領域は富化度５．
８５％のウラン・プルトニウム混合酸化物燃料１０で構
成する。その結果、燃料有効要部平均の富化度は６．２
５％、燃料有効長部上部１／２領域の燃料の平均富化度
は６．０５％、下部１／２領′域の燃料の平均富化度は
６．４５％　となる。

本実施例は燃料有効長部を本実施例と同じく４領域に分
けた上記実施例２に比べ、高富化度燃料の領域が広く、
核分裂性物質量が多いので、炉心全体として等しい出力
で原子炉を運転しても高富化度燃料の単位重量あたりの
出力負担が小さくなる。したがって、高富化燃料の燃焼
度が実施例２の場合よりも低くなり、第２図に示した燃
焼度とボイド係数の関係から知られるようにボイド係数
の増大が相対的に抑制できるという効果がある。

本実施例の燃料集合体の有する上記の効果により、本実
施例の燃料集合体を装荷した炉心と、燃料集合体の燃料
有効長部を一様に６．２５％富化した燃料集合体を装荷
した炉心を比較すると、炉心のボイド係数は約２．ＯＸ
　１０−’Δに／に／％ｖｏｉｄ減少し改善の効果が明
らかである。また、燃料有効長部の両端に富化度を下げ
た領域を設けたことにより反応度が約０．６％八に／に
増大する効果があり、燃料有効要部平均富化度６．２５
％の燃料を用いた炉心で一様富化度６．５％の燃料を用
いた炉心と同じ反応度が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば軸方向に沿って冷
却兼減速材の流れる燃料集合体において冷却兼減速材流
れの上流側に位置する領域、すなわち燃焼期間平均のボ
イド率の小さい領域に核分裂性プルトニウム富化度の高
い燃料を配位することにより、反応度を低下することな
く高転換比炉心の有するボイド係数の正の値を小さくし
て負の価に近づけることができるので、原子炉の自己制
御性の裕度を拡大し、原子炉の安全性を向上させる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる燃料集合体およ
びその燃料有効長部の構成を示す断面図、第２図はプル
トニウム富化度および燃焼度とボイド係数の関係を示す
グラフ、第３図は燃焼平均のボイド率とボイド係数の関
係を示すグラフ、第４図は本発明の実施例に係わる燃料
集合体を装荷した原子炉炉心の構成を示す炉心の横断面
図、第５図は本発明の第２．第３、および第４の実施例
に係わる燃料集合体の燃料有効長部の構成を示す断面図
である。 １・・・燃料集合体、２・・・チャンネルボックス、３
・・・燃料棒、４・・・制御棒案内管、５・・・炉心、
６・・・核分裂物プルトニウム平均富化度４．８％のウ
ラン・プルトニウム混合酸化物燃料、７・・・核分裂性
プルトニウム平均富化度４．８５％のウラン・プルトニ
ウム混合酸化物燃料、８・・・核分裂性プルトニウム平
均富化度５．０％のウラン・プルトニウム混合酸化物燃
料、９・・・核分裂性プルトニウム平均富化度５．１％
のウラン・プルトニウム混合酸化物燃料、１０・・・核
分裂性プルトニウム平均富化度５．８５％のウラン・プ
ルトニウム混合酸化物燃料、１１・・・核分裂性プルト
ニウム平均富化度６．０％のウラン・プルトニウム混合
酸化物燃料、１２・・・核分裂性プルトニウム平均富化
度６．１％のウラン・プルトニウム混合酸化物燃料、１
３・・・核分裂性プルトニウム平均富化度６．８％のウ
ラン・プルトニウム混合酸化物燃料、１４・・・核分裂
性プルトニウム平均富化度６．８５％のウラン・プルト
ニウム混合酸化物燃料、１５・・・核分裂性プルトニウ
ム平均富化度７．０％のウラン・プルトニウム混合酸化
物燃料、１６・・・核分裂性プルトニウム平均富化度７
．１％のウラン・プルトニウム混合第１図 （ａ） 第２図 （ｂ） 燃焼度 第 ３ 図 燃焼平均のボイド率 一参大 第 （ａ） （ｂ） 第 図 １・・・・・・燃料集合体 ５・・・・・・炉心 （Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ウラン・プルトニウム混合燃料を含み、実効的な水
   対燃料体積比が０．４以下となるように稠密に配置され
   る燃料棒を有する燃料集合体であつて、前記燃料集合体
   の燃料有効長部を軸方向で上部および下部の２領域に２
   等分したとき、下部領域の核分裂性プルトニウム平均富
   化度が上部領域のそれよりも高いことを特徴とする燃料
   集合体。 ２、燃料有効長部を３以上の複数領域に分割してある前
   記燃料集合体であつて、前記燃料有効長部の上端に接す
   る領域および下端に接する領域における核分裂性プルト
   ニウム平均富化度が、前記燃料有効長部の上端に接する
   領域および下端に接する領域にはさまれたいずれの領域
   のそれよりも低いことを特徴とする請求項１記載の燃料
   集合体。 ３、燃料有効長部を４以上の複数領域に分割してある前
   記燃料集合体であつて、燃料有効長部の上端に接する領
   域および下端に接する領域にはさまれた領域の核分裂性
   プルトニウム平均富化度が前記燃料有効長部の下端に近
   い側の領域ほど高いことを特徴とする請求項１または請
   求項２記載の燃料集合体。 ４、請求項１、２、または３記載の燃料集合体を装荷し
   た炉心を有することを特徴とする原子炉。