JPH04301593A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料集合体に係り、特
に、水冷却型原子炉に適用するのに好適で、高燃焼度の
達成及び燃料経済性の向上とともに熱的余裕の確保に寄
与する燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の燃料集合体は、「軽水
炉」（秋山守著、同文書院刊）に記載のように、一般に
、核分裂性物質を含む燃料ペレットを被覆管に充填して
なる燃料棒を、多数束ねて断面形状が正方形のチャネル
ボックスで覆って構成される。炉心は、この燃料集合体
を多数装荷して構成される。燃料物質としては、濃縮ウ
ランあるいはプルトニウムを富化したウランが酸化物の
化学形態で使用される。炉心の反応度は、燃料物質に含
まれる核分裂性物質が燃焼に伴って減少していくので、
原子炉における１つの運転サイクルの末期でも原子炉が
臨界を保つように、その運転サイクルの初期には核分裂
性物質を臨界量よりも多く装荷している。その結果生じ
る余剰反応度は、炭化硼素あるいはハフニウムを含む十
字型の制御棒を隣接する複数の燃料集合体の間に挿入す
ると共に、ガドリニア等の可燃性毒物を燃料物質に混合
することによって中性子の吸収量を調節して制御してい
る。近年、原子炉の連続運転期間の延長、使用済み燃料
集合体の発生量低減の観点から、高燃焼度化が進められ
ている。高燃焼度化のためには燃料の濃縮度を高める必
要があり、それにともなって、余剰反応度も増大するこ
とになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の燃料集
合体では、可燃性毒物として主にガドリニア（ガドリニ
ウムの酸化物）が用いられている。ガドリニウムは、図
３に示すように、奇数核（ガドリニウム１５５，ガドリ
ニウム１５７）の熱中性子吸収断面積が著しく大きいた
め、少ない混入量で余剰反応度を制御できる点に特徴が
ある。しかし、（ｎ，γ）の核反応チェインを有してお
り、転換した偶数核（ガドリニウム１５６，１５８）の
共鳴積分が大きいため（図３参照）、中性子無駄吸収の
原因となっている。高燃焼度化により増大した余剰反応
度をガドリニア（強中性子吸収物質）だけで制御する場
合には、ガドリニアによる中性子の無駄吸収によって、
２％Δｋ／ｋｋ′程度も炉心の反応度が減少することが
ある。従って、それだけ、核分裂性物質を余分に装荷す
る必要が生じ、燃料経済性が損われるという問題（第１
の課題）がある。

【０００４】また、ガドリニアの混入によりペレットの
熱伝導率が減少する。従って、燃料棒の健全性を確保す
る観点から、ガドリニア入り燃料棒の核分裂性物質（ウ
ラン２３５等）の濃縮度を燃料集合体でのその最大値よ
り低くし、ガドリニアが燃え尽きた後の出力を抑制する
方法が取られている。しかし、この方法では、例えば、
使用できるウラン濃縮度に制限がある場合、燃料集合体
の平均濃縮度が、ウラン最高濃縮度より低くなり、高燃
焼度化が達成出来ないという問題（第２の課題）がある
。

【０００５】図２は、熱中性子束の燃料集合体径方向分
布を示したものである。中性子スペクトルが最もソフト
なチャンネルボックスのコーナに面した燃料棒と最もハ
ードな２〜３層目の燃料棒では、熱中性子束が２倍以上
違う。このような構成では熱中性子束の高い集合体周辺
部の燃料棒の出力が過大となるため、この領域の燃料の
核分裂性物質（ウラン２３５等）の濃縮度を中央部に比
べ低くすることにより、燃料集合体内の燃料棒出力分布
を平坦化している。しかし、この方法でも、使用できる
ウラン濃縮度に制限がある場合には、燃料集合体の平均
濃縮度が、ウラン最高濃縮度より低くなり、高燃焼度化
が達成できないという問題（第３の課題）がある。

【０００６】上記の出力分布の平坦化を図る目的で、燃
料集合体周辺部に位置する燃料棒にガドリニアを混入す
る技術が、特開昭６２−３２３８６　号公報に開示され
ている。 しかし、燃料集合体の寿命期間の初期で燃料棒出力分布
を平坦化できても、ガドリニウムの熱中性子に対する吸
収断面積が大きく、ガドリニア入り燃料棒の出力はガド
リニアの燃焼と共に増大してしまう。従って、燃料集合
体の寿命期間を通じての燃料棒出力分布の平坦化は困難
で、課題１及び２を解決することはできない。また上記
の第３の課題を解決する目的で、燃料集合体周辺部の燃
料棒に弱い可燃性吸収材であるボロンを混入する技術が
、特開昭５７−１９６１８９号公報に開示されている。 しかしながら、ガドリニウム−１５７に比べ、熱吸収断
面積が１／１００程度のボロン−１０だけで余剰反応度
を制御すると、多くの燃料棒を可燃性吸収材入り燃料棒
とする必要がある。また、燃料集合体周辺部に位置する
全ての燃料棒を可燃性吸収材入り燃料棒とすると、ＢＷ
Ｒに用いられる燃料集合体の場合、制御棒価値が減少す
る。

【０００７】さらに、上記課題１および２を解消する目
的で、燃料ペレットの周辺部にはボロン（弱中性子吸収
物質）を中心部にはガドリニアを混入する技術が、特開
昭５７−１９６１８９号公報に開示されている。しかし
ながら、この方法では、可燃性吸収材入り燃料棒の本数
は減少できるが、課題３は解消できない。

【０００８】本発明の目的は、上記の課題１，２及び３
を解決し、高燃焼度化に好適な燃料集合体を提供するこ
とにある。

【０００９】本発明の他の目的は、上記の燃料集合体を
用いて稼働率向上及び燃料の長寿命化に好適な原子炉の
炉心を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料集合体は、
中性子吸収断面積の異なる複数の可燃性吸収材を用い、
減速材対燃料体積比が相対的に大きく、中性子エネルギ
ースペクトルが軟らかく、熱中性子束が大きい燃料集合
体周辺部，燃料集合体下部等の領域に、中性子吸収断面
積が相対的に小さいボロン等の可燃性毒物元素をそれ以
外の領域（平均的な中性子エネルギースペクトルの領域
）より多く配置し、それ以外の平均的な中性子エネルギ
ースペクトルの領域には、吸収断面積が相対的に大きい
ガドリニウム等の可燃性毒物元素をそれ以外の領域（中
性子エネルギースペクトルがソフトな領域）より多く配
置して構成する。複数の可燃性吸収材は、別々の燃料棒
に混入する。

【００１１】本発明の原子炉の炉心は、上記の燃料集合
体を少なくとも一種類装荷して構成する。

【００１２】

【作用】上記の構成により、本発明の燃料集合体では、
１種類の可燃性毒物元素のみを用いた従来技術の燃料集
合体と比較して、次のように作用する。

【００１３】反応度及び出力分布の点から、弱吸収材は
、強吸収材と同じ期間燃焼する濃度が必要である。また
、弱吸収材燃焼後の燃料棒出力を従来と同等にするには
、燃焼初期（０ＧＷｄ／ｔ）の出力を抑制しすぎること
は好ましくない。弱吸収材であるボロンの特性は強吸収
材であるガドリニアに比べ、自己遮蔽効果が小さく濃度
を調整しても反応度制御を変化させることが出来る点で
ある。

【００１４】上記の性質を活用し、減速材対燃料体積比
が相対的に大きく、熱中性子束が大きい燃料集合体周辺
部の燃料棒に中性子吸収断面積の相対的に小さいボロン
等の可燃性毒物元素を配置する。また、ボロン濃度を適
切に設定することで熱中性子を適度に吸収させるができ
、燃料の核分裂性物質濃縮度分布を一様としても、熱中
性子束分布及び燃料棒出力分布を平坦化することができ
る。一方、余剰反応度の制御は、主として燃料集合体の
中央部に配置したガドリニア等の相対的に中性子吸収断
面積の大きい可燃性毒物元素を燃焼させる。

【００１５】上記の構成の燃料集合体により、ボロンで
余剰反応度の一部および局所出力ピーキングが制御でき
るので、ガドリニアの混入量（本数および全混入量）が
減少でき、反応度を増大させることができ、またウラン
濃縮度に制約がある場合にもより高い高燃焼度化が達成
できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例に従って説明する。図
１は、沸騰水型原子炉に適用した本発明の第一の実施例
である燃料集合体を示している。燃料集合体１０は、ジ
ルカロイの被覆管２０内に濃縮ウラン酸化物からなる燃
料物質を充填した燃料棒１〜３を束ねて、ジルカロイで
できた四角管状のチャネルボックス２１で覆って構成さ
れている。燃料棒１及び２のウラン濃縮度は４．９ｗｔ
％　、燃料棒３のウラン濃縮度４．０ｗｔ％である。燃
料棒２及び３は、天然ボロンが約０．０４ｗｔ％含んで
いる。燃料棒２及び３は、最外周部に配置されしかも燃
料集合体のコーナ部に位置する。ガドリニアを含む１２
本の燃料棒１１は、ウラン濃縮度が４．４ｗｔ％，ガド
リニア濃度が約４．５ｗｔ％である。第一実施例は、燃
料集合体最外層のように、中性子エネルギースペクトル
が軟らかく、熱中性子束が大きい領域には中性子吸収断
面積の比較的小さいボロン等の可燃性毒物元素を混合し
た燃料棒２，３を配置し、それ以外の平均的な中性子エ
ネルギースペクトルの領域には、吸収断面積の比較的大
きいガドリニウム等の可燃性毒物元素を混合した燃料棒
１１及び可燃性毒物を混合しない燃料棒１を、それぞれ
配置する。

【００１７】第一実施例の効果を、従来の燃料集合体の
濃縮度分布を踏襲して想定した図４の燃料集合体（便宜
上、以下において従来例という）と比較して以下に示す
。従来例では、燃料棒１のウラン濃縮度は４．９ｗｔ％
　、燃料棒１２のウラン濃縮度は４．４ｗｔ％、燃料棒
１３のウラン濃縮度は３．４ｗｔ％である。ガドリニア
を含む１８本の燃料棒２２は、ウラン濃縮度が４．４ｗ
ｔ％　、ガドリニア濃度が約４．０ｗｔ％　である。

【００１８】図５に、第一実施例の局所出力ピーキング
の燃焼変化を、ウラン濃縮度分布を燃料集合体の外側ほ
ど低くすることで出力分布を平坦化した従来例の燃料集
合体と比較して示した。

【００１９】第一実施例の燃料集合体では、燃料集合体
の最外層の燃料棒にボロンを添加したことで、燃焼の速
度が緩やかになり、特に、１０ＧＷｄ／ｔ以下の燃焼度
でその出力を低減できる。ボロンはガドリニウムに比べ
て中性子吸収割合が約１／１００と小さいので、ボロン
の燃焼速度が穏やかになる。このため、運転サイクルの
末期でボロンが燃付きてもガドリニウムのように燃料棒
の出力は大幅に上昇しない。特に、中性子束の大きい燃
料集合体の最外周部にボロンを含む燃料棒を配置するこ
とによって、第一実施例のようにコーナ部の燃料棒の濃
縮度を従来例（図４）のその燃料棒の濃縮度よりも高く
しても、ボロンの燃え残りを生じないで、最外周部にお
ける中性子束を抑制できる。また、ボロンが燃付きても
最外周部の中性子束の上昇度合いは小さい。従って、第
一実施例は、従来例のようにウラン濃縮度分布を設けた
場合と同様に出力平坦化が可能である。余剰反応度の制
御のために、ボロンを燃料集合体横断面の中央部に位置
する燃料棒に充填した場合には、その中央部の中性子束
が低いので、ボロンは燃え残ってしまう（運転サイクル
の末期で）。燃料集合体横断面の中央部に位置する燃料
棒には、燃焼速度の早いガドリニウムを添加することが
好ましい。最外周部においてコーナ部以外に配置される
燃料棒にボロンを含ませる場合と最外周部でコーナ部に
位置する燃料棒にボロンを添加した場合とを比較すると
、後者の燃料棒が前者の燃料棒よりも濃縮度を増加でき
る。何故ならば、従来例では、そのコーナ部に位置する
燃料棒は濃縮度が最も低くなっているからである。前者
（最外周部においてコーナ部以外に配置される燃料棒に
ボロン添加）に比べて後者（最外周部でコーナ部に位置
する燃料棒にボロン添加）のほうが、燃料集合体内の最
高濃縮度を同じにしたとき、燃料集合体の平均濃縮度を
より高めることができる。後者は、燃料集合体内におけ
る最高濃縮度と最低濃縮度との差がより小さくなる。 これは、使用できる濃縮度の上限に制限がある場合（例
えば、濃縮度の上限値５．０ｗｔ％）でも、その制限内
で高い燃焼度を得ることにつながる。

【００２０】図６には、第一実施例の燃料集合体の中性
子無限増倍率の燃焼変化を、可燃性毒物としてガドリニ
アのみを配置した従来の燃料集合体の場合と比較して示
した。第一実施例の燃料集合体は、従来の燃料集合体と
比較して、燃料寿命初期にはほぼ同等の燃焼反応度特性
が得られ、かつ、運転サイクル末期にガドリニウム１５
６及び１５８のような中性子吸収物質が残らないこと、
平均濃縮度を約０．１ｗ％高められたことで、中性子無
限増倍率を約１．５％Δｋ　増大できた。従って、第一
実施例は、ウランの最高濃縮度を上限値以下に押さえた
状態で中性子無限増倍率を増加できる。

【００２１】沸騰水型原子炉では、燃料集合体間に形成
されるギャップ領域に十字型の制御棒が挿入されるが、
燃料集合体の最外層のうち、制御棒が挿入されないギャ
ップ領域に面する位置に配置された燃料棒にはボロンを
添加し、制御棒が挿入されるギャップ領域に面した位置
に配置された燃料棒には、ボロンを添加しないかまたは
添加するその濃度を低くしてもよい。この実施例では、
第一の実施例と比較して、制御棒が挿入される領域の中
性子束が大きくなるため、制御棒反応度を増大させるこ
とができる。

【００２２】図７は、沸騰水型原子炉に適用した本発明
の他の実施例である燃料集合体の水平断面を示している
。本実施例は、燃料集合体の周辺部の燃料棒に加えて、
水ロッド８周囲（例えばそれに隣接）の燃料棒もボロン
を添加した燃料棒２としたものである。このような構成
によっても、第一の実施例と同様な効果が得られる。ま
た、図７に示した実施例において、水ロッド８の替りに
、水と同等の中性子減速効果をもつジルコニウム水素化
物等からなる固体減速棒を設けて、その周囲に燃料棒２
を配置する実施例も考えられる。

【００２３】図８は、本発明を燃料棒に適用した実施例
を示している。ボイド率が低く、熱中性子束の高くなる
燃料棒下部にはボロンを添加し、燃料棒上部にはガドリ
ニアを添加している。このような構成によれば、軸方向
に一様にガドリニアを添加した場合に比べ、可燃性毒物
が燃えつきる燃焼度を遅らせることができ、高燃焼度化
を図る場合の余剰反応度制御が容易になる。

【００２４】本発明の燃料集合体を装荷した炉心の実施
例も考えられ、従来の燃料集合体を装荷した炉心と比較
して、ガドリニアの量を低減できるため、残存するガド
リニアによる中性子の吸収が減り、それだけ核分裂性物
質（ここではウラン２３５）の装荷量を低減することが
できる。

【００２５】上記の実施例では、相対的に強い熱中性子
吸収断面積をもつ可燃性吸収材と相対的に弱い熱中性子
吸収断面積をもつ可燃性吸収材との組み合わせとして、
ガドリニウムとボロンを使用したが、その他の組み合わ
せとしてガドリニウムとエルビウム，ガドリニウムとデ
ィスプロシウム，ガドリニウムとネプチニウム，アメリ
シウム等の超ウラン元素などが考えられる。

【００２６】また、上記の実施例では、燃料として濃縮
ウラン酸化物を、炉心構造材としてジルカロイを、減速
材及び冷却材として水をそれぞれ使用したが、その他の
燃料，構造材，減速材，冷却材を使用した場合にも本発
明は適用できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の燃料集合体によれば、従来技術
に比べ、燃料の核分裂性物質の濃縮度を一様としても、
運転サイクル期間を通じて燃料集合体内の局所出力ピー
クを低減できるとともに、強中性子吸収物質による反応
度損失を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である燃料集合体の水平断面図
である。

【図２】熱中性子束分布を示す特性図である。

【図３】ガドリニアの吸収断面積を示す説明図である。

【図４】従来の燃料集合体の水平断面図である。

【図５】図１の実施例の効果を示す燃料集合体の局所出
力ピーキングの燃焼特性図である。

【図６】図１の実施例の効果を示す燃料集合体の中性子
無限増倍率の燃焼特性図である。

【図７】本発明の他の実施例である燃料集合体の水平断
面図である。

【図８】本発明の他の実施例である燃料棒の縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１…燃料棒（可燃性毒物含まず）、２，３…ボロン入り
燃料棒、１１…ガドリニア入り燃料棒、１２，１３…燃
料棒（可燃性毒物含まず）、６…ボロン入り燃料、７…
ガドリニア入り燃料、８…水ロッド、１０，１４…燃料
集合体、２０…被覆管、２１…チャンネルボックス、３
１…燃料棒（上部にガドリニア、下部にボロンを添加）
。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の燃料棒を備えた燃料集合体において
   、前記燃料集合体の横断面における周辺部に位置する前
   記燃料棒は第１の可燃性毒物元素を含み、前記周辺部よ
   りも内側に位置する前記燃料棒は、前記第１可燃性毒物
   元素よりも熱中性子に対する吸収断面積が小さい第２の
   可燃性毒物元素を含むことを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】前記第１の可燃性毒物元素を含む燃料棒が
   、前記周辺部でコーナ部に配置されている請求項１の燃
   料集合体。
3. 【請求項３】水ロッド及び複数の燃料棒を有する燃料集
   合体において、前記水ロッドに隣接する燃料棒のうち少
   なくとも１本の燃料棒は第１の可燃性毒物元素を含んで
   おり、前記水ロッドに隣接しない燃料棒のうち少なくと
   も一部の燃料棒は、前記第１可燃性毒物元素よりも熱中
   性子に対する吸収断面積が小さい第２の可燃性毒物元素
   を含んでいることを特徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】前記水ロッドが固体減速棒である請求項３
   の燃料集合体。
5. 【請求項５】内部に核分裂性物質を含む燃料物質を充填
   した燃料棒において、前記燃料棒の下部には第１の可燃
   性毒物元素が含まれており、前記燃料棒の上部には前記
   第１可燃性毒物元素よりも熱中性子に対する吸収断面積
   が小さい第２の可燃性毒物元素が含まれていることを特
   徴とする燃料棒。
6. 【請求項６】請求項５に記載の燃料棒を少なくとも１本
   含むことを特徴とする燃料集合体。
7. 【請求項７】請求項１〜４及び６のうちいずれか１つの
   請求項の燃料集合体を少なくとも一体装荷したことを特
   徴とする原子炉の炉心。