JPH04370792A - 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、沸騰水型原子炉に用い
る燃料集合体に係り、特に転換比を向上させる燃料集合
体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料中のウラン２３８をプルト
ニウムに転換する転換比が１．０以下の原子炉では、燃
焼と共に中性子増倍率は減少する。そのため、燃焼サイ
クル末期において臨界を保つためには、燃焼サイクル初
期には余剰反応度が存在する。特に、高燃焼度化を図る
ために燃料を高濃縮度化すると、この余剰反応度が増大
する。沸騰水型原子炉では、一般に、この余剰反応度を
ガドリニアに吸収させることにより制御している。しか
し、この方法では余分な中性子をガドリニアに無駄に吸
収させているため、中性子の利用上好ましくない。もし
、この余分な中性子を、核分裂性物質に転換する親物質
に吸収させることが可能と成れば、中性子をより有効に
利用できることになる。すなわち、転換比を高めること
により、燃料経済性を向上させることが可能となる。

【０００３】一方、沸騰水型原子炉では、燃料下部から
冷却材かつ減速材である軽水が流入し、燃料の発熱によ
りボイドが発生する。すなわち、燃料下部でボイド率が
低く、上部で高いボイド率の分布が生じ、水の密度は燃
料下部で大きく、上部で小さくなる。したがって、燃料
下部では、局所的に中性子減速の大きい状態が生じ、中
性子スペクトルが軟らかくなっている。さて、中性子ス
ペクトルが軟らかくなると、親物質であるウラン２３８
の実質的な中性子捕獲断面積が小さくなり、ウラン２３
５の実質的な核分裂断面積は大きくなる。このため、燃
焼初期では、燃料下部の転換比は上部に比べ小さく、中
性子増倍率は大きくなる。また、燃焼による中性子倍増
率の減少の割合も下部で大きくなる。すなわち、燃料下
部では、上部に比べて余剰反応度が大きい。したがって
、下部の転換比を増大させることは、余剰反応度の低減
にも貢献する。

【０００４】従来、転換比を向上させる手段として、日
本原子力学会誌、２９、１０６０、（１９８７）に示さ
れているように、燃料の稠密化により水対燃料体積比を
小さくし、中性子スペクトルを硬くする方法が採られて
いる。また、同誌や、特開昭６１−５００９３号公報に
開示されているように、フォロアー付制御棒や親物質棒
を挿入することにより、燃料を稠密化することなく、水
対燃料体積比を小さくする方法がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
のうち前者は、燃料を稠密化するために、燃料集合体の
物理的な構造の大幅な変更が必要である。燃料集合体の
物理的な構造を大幅に変更すると現在の原子炉に装荷出
来なくなる。また、稠密化により、燃料棒間のギャップ
が小さくなっているために、熱的には過酷となる。さら
に、中性子スペクトルが硬くなっているので所要濃縮度
、あるいは、所要核分裂性プルトニウム富化度が増大す
るという問題が生じる。

【０００６】また、後者は、大幅な燃料集合体の物理的
な構造の変更なしに転換比を増大させることが可能であ
るが、フォロアー付制御棒や親物質棒を設けることが必
要で構造が複雑になる。

【０００７】本発明の目的は、燃料集合体の物理的な構
造を変更することなく、燃料中のウラン２３８をプルト
ニウムに転換する転換比を向上させることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、軽水を冷却
材及び減速材として用いる原子炉の炉心に装荷する燃料
集合体において、該燃料集合体を構成する燃料棒に装填
する燃料はウラン酸化物、若しくはウランとプルトニウ
ム混合酸化物にその熱中性子に対する微視的中性子吸収
断面積が１００バーン以下である核種からなる添加物の
個数密度が燃料棒の軸方向下部で高くなるように混合し
たことにより達成される。

【０００９】上記目的は、軽水を冷却材及び減速材とし
て用いる原子炉の炉心に装荷する燃料集合体において、
該燃料集合体を構成する燃料棒に装填する燃料はウラン
酸化物、若しくはウランとプルトニウム混合酸化物に炭
素、アルミニウム、ベリリウム、酸素及びそれらの化合
物のうち何れかの個数密度が前記燃料棒の軸方向下部で
高くなるように混合したことにより達成される。

【００１０】上記目的は、軽水を冷却材及び減速材とし
て用いる原子炉の炉心に装荷する燃料集合体において、
該燃料集合体を構成する燃料棒をウラン酸化物、若しく
はウランとプルトニウム混合酸化物に添加する添加物の
個数密度が運転時に水素対燃料原子数比が大きい領域で
大きくなるように構成したことにより達成される。

【００１１】上記目的は、二酸化ウラン若しくは二酸化
プルトニウムより酸素の割合が多いウラン燃料若しくは
プルトニウム燃料を前記燃料集合体を構成する燃料棒の
軸方向下部で高くなるように混合したことにより達成さ
れる。

【００１２】上記目的は、ウラン酸化物、若しくはウラ
ンとプルトニウム混合酸化物に炭素、アルミニウム、ベ
リリウム、酸素及びそれらの化合物のうち何れかを軸方
向下部でその個数密度が高くなるように添加した燃料で
構成した燃料棒を提供することにより達成される。

【００１３】

【作用】原子炉の炉心下部ではボイド率が低いから、軽
水の密度が高く中性子を良く減速するので中性子スペク
トルも軟らかくなる。中性子スペクトルが軟らかくなる
と親物質であるウラン２３８の実質的な中性子捕獲断面
積が小さくなり、ウラン２３５の実質的な核分裂断面積
は大きくなるので転換比が小さくなる。一方原子炉の炉
心上部ではボイド率が高く水の密度は低いから中性子ス
ペクトルも硬く転換比も大きくなる。従って燃料集合体
の燃料の転換比を高めるには燃料下部の親物質の実質的
な中性子捕獲断面積を大きくする必要がある。

【００１４】代表的な親物質であるウラン２３８は図１
１に示すように共鳴エネルギー領域で大きな中性子捕獲
断面積を有している。転換比の向上には中性子捕獲断面
積が大きい条件が必要であるから、ウラン２３８を多く
含むことが転換比の向上に貢献する。しかし、ウラン２
３８のように大きな中性子捕獲断面積を有する物質が多
量に燃料中に存在すると、そのエネルギーの中性子が殆
ど吸収され核種１個当りでみると、中性子はあまり吸収
されず実質的に断面積が小となったような効果を生じる
。この効果を自己遮蔽効果といい、その効果の大きさを
表す因子を自己遮蔽因子という。ウラン２３８の実効的
な中性子捕獲断面積σｃは自己遮蔽因子ｆに比例し、自
己遮蔽因子ｆは実効散乱断面積σｍに比例し、実効散乱
断面積σｍはポテンシャル断面積σｐに比例する。即ち
、ウラン２３８の自己遮蔽効果を考慮した実効的な中性
子捕獲断面積は次の式で表される。

【００１５】

【数１】 　　　　　　σｃ２３８＝ｆ×σｃ２３８（∞）………
………………………………………（１）ここで、σｃ２
３８は自己遮蔽効果を考慮した実効的な中性子捕獲断面
積であり、σｃ２３８（∞）は、無限希釈断面積であり
異なった媒質中にウラン２３８が１個だけ存在するとき
（無限に希釈された状態）の断面積である。ｆは自己遮
蔽因子で、温度と実効散乱断面積σｍとの関数である。 温度一定とすれば、ｆは実効散乱断面積σｍに対して単
調増大関数であり、模式的には図１２のようになる。実
効散乱断面積σｍは次の式で表される。

【００１６】

【数２】

【００１７】ここで、 Ｎ２３８：ウラン２３８の個数密度 Ｎｊ　：ウラン２３８以外の核種ｊの個数密度σｐｊ　
：ウラン２３８以外の核種ｊのポテンシャル断面積γｆ
　　：燃料の半径 ｃ　　　：ダンコフ係数 である。このうち、ダンコフ係数は、燃料の配置や水対
燃料体積比などによって決まる量であり燃料集合体の物
理的な構造が同じであれば同じ値となる。従って、ボイ
ド率が低い原子炉の炉心下部において中性子スペクトル
が軟らかいので転換比が小さいから、ポテンシャル断面
積σｐが大きな物質を燃料棒の軸方向下部で高くなるよ
うに混合したことにより、燃料集合体の物理的な構造を
変更しなくとも、ウラン２３８の実質的な中性子捕獲断
面積を増大させることが可能となり、転換比を向上させ
ることができる。

【００１８】一方、この燃料に含有させる物質は、それ
自身による無駄な中性子吸収による反応度低下をできる
だけ抑えるために、中性子吸収断面積が小さい方が望ま
しい。　　上記のような、ポテンシャル断面積が大きく
、中性子吸収断面積が小さな物質としては、例えば、炭
素、アルミニウム、ベリリウム、酸素等がある。それら
の物質の熱中性子に対する微視的中性子吸収断面積（バ
ーン）は炭素：０．００３、アルミニウム：０．２３、
ベリリウム：０．００９、酸素：０．０００２である。 　　幾何学的な水対燃料体積比が約３．２の燃料に１ｗ
／ｏの炭素を含有させた場合の水対燃料実効体積比と転
換比との関係を図１３に、中性子無限増倍率との関係を
図１４に示す。１ｗ／ｏの炭素を含有させたことにより
、転換比は約１．４％増大し、中性子無限増倍率は約０
．４％△ｋ減少している。

【００１９】このように、中性子スペクトルが軟らかい
原子炉の炉心下部でポテンシャル断面積σｐが大きい物
質を燃料の軸方向下部に含有させると、燃料集合体の物
理的な構造を変えることなくウラン２３８の実効的な中
性子捕獲断面積を大きくし転換比の増大を図ると共に、
余剰反応度の低減の効果も得られる。

【００２０】そして二酸化ウラン若しくは二酸化プルト
ニウムより酸素の割合が多い燃料例えば三酸化ウラン若
しくは三酸化プルトニウムを、燃料棒の軸方向下部で高
くなるように混合したことにより、ウラン２３８に対す
る酸素の原子数が下部で大きくなり、酸素はポテンシャ
ル断面積が大きく、中性子吸収断面積が小さいから添加
物を加えることなくウラン２３８の実質的な中性子捕獲
断面積を増大させることが可能となり、転換比を向上さ
せることができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の燃料集合体を実施例を用いて
説明する。

【００２２】図１は、本発明の第１実施例の燃料集合体
の構成を示す平面図である。燃料集合体１は四角形状を
しており、チャンネルボックス２、６２本の燃料棒３と
２本の水ロッド４とから構成されている。また、本燃料
集合体１の水対燃料体積比は約３．２で、中性子スペク
トルの軟らかい体系である。

【００２３】図２は、図１に示した燃料棒３の構成を示
す説明図である。燃料棒３は、下部１／３の領域に３ｗ
／ｏの炭素を含有する濃縮度３．７ｗ／ｏの燃料５を、
残り上部２／３の領域に炭素を含有しない濃縮度３．７
ｗ／ｏの燃料６を装荷したものである。　　本実施例で
は、ボイド率が低く中性子スペクトルが軟らかい燃料下
部に、炭素を含有した燃料を用いることにより、そこで
のウラン２３８の実効的な中性子捕獲断面積を大きくし
、転換比を増大させている。その結果、燃料下部での転
換比を約４．２％増大させることが可能となる。また、
この転換比の増大により、燃料下部で燃焼初期の中性子
無限増倍率を約１．２％△ｋ小さくすることが可能とな
る。この結果、余剰反応度を低減することもできる。

【００２４】さらに、前述のように、燃料下部では上部
より燃料初期で中性子無限増倍率が大きくなり、出力が
高くなる傾向がある。従って、燃料下部に炭素を含有さ
せた燃料を用いることにより、そこでの燃焼初期での中
性子無限増倍率を小さくすることにより、軸方向の出力
分布を平坦化する効果もある。

【００２５】以上、本実施例では、炭素を例にとって説
明してきたが、燃料に添加する物質として、炭素の他に
、アルミニウムやベリリウム、または、それらを含む化
合物でも同様の効果が得られる。

【００２６】図３は、本発明の第２実施例の燃料集合体
の構成を示す平面図である。本実施例の燃料集合体１は
、３６本の燃料棒７と２６本の燃料棒８及び２本の水ロ
ッド４で構成されている。

【００２７】図４は、図３に示した燃料棒７及び燃料棒
８の構成を示す説明図である。燃料棒７は、下部１／３
の領域に３ｗ／ｏの炭素を含有する燃料５を、残り上部
２／３の領域に１ｗ／ｏの炭素を含有する燃料９を装荷
したものである。また、燃料棒８は、下部１／３の領域
に２ｗ／ｏの炭素を含有する燃料１０を、残り上部２／
３の領域に炭素を含有しない燃料６を装荷したものであ
る。なお、いずれの燃料の濃縮度も３．７ｗ／ｏである
。

【００２８】ところで、チャンネルボックス２外側のギ
ャップ水や水ロッド４の中の水は沸騰していないので、
これらの水の周辺では局所的に中性子減速の大きい状態
が生じ、その領域では転換比が小さく、さらに出力のピ
ークが生じ易い。この点を考慮して、本実施例では、転
換比の向上を図るとともに、径方向出力分布平坦化の観
点から、これらのギャップ水や水ロッド４の周辺には、
炭素を含有する燃料を装荷した燃料棒を配置した。これ
により、前実施例と同程度の転換比の向上と余剰反応度
の低減を図りながら、出力分布平坦化の効果も得ること
ができる。

【００２９】図５は、本発明の第３実施例の燃料集合体
の構成を示す平面図である。本実施例の燃料集合体１は
、２６本の燃料棒７、３０本の燃料棒８と６本の燃料棒
１１及び２本の水ロッド４とで構成されている。

【００３０】図６は、図５に示した燃料棒７、燃料棒８
及び燃料棒１１の構成を示す説明図である。燃料棒７及
び燃料棒８は第２実施例に示した燃料棒と同組成で、燃
料棒１１は３．５ｗ／ｏのガドリニアを含有する濃縮度
３．０ｗ／ｏの燃料を装荷した燃料棒である。

【００３１】本実施例では、余剰反応度制御のために、
上記のように６本のガドリニア入り燃料棒１１を用いて
いる。ところでガドリニアは熱中性子に対する強吸収体
であるため、ガドリニアの周辺では局所的に中性子スペ
クトルの硬い領域となっている。そこで、本実施例では
、これらガドリニア入り燃料棒１１の周辺には、炭素を
あまり含有していない燃料棒を配置した。

【００３２】図７は、本発明の第４実施例の燃料集合体
の構成を示す平面図である。

【００３３】図８は、図７に示した燃料棒１２の構成を
示す説明図である。

【００３４】本実施例の燃料集合体１は、６２本の燃料
棒１２及び２本の水ロッド４で構成されている。燃料棒
１２は、下部１／３の領域に濃縮度３．７ｗ／ｏの三酸
化ウラン燃料１３を、残り上部２／３の領域に濃縮度３
．７ｗ／ｏの炭素を含有しない二酸化ウラン燃料６を装
荷したものである。本実施例では燃料棒の下部に酸素の
割合の高い酸化ウラン（三酸化ウラン）を用いることに
より、ウラン２３８に対する酸素の原子数が下部で大き
くなり、酸素はポテンシャル断面積が大きく、中性子吸
収断面積が小さいから添加物を加えることなくウラン２
３８の実質的な中性子捕獲断面積を増大させることが可
能となり、転換比を向上させることができる。

【００３５】図９は、本発明の第５実施例の燃料集合体
の構成を示す平面図である。

【００３６】図１０は、図９に示した燃料棒１４の構成
を示す説明図である。

【００３７】本実施例の燃料集合体１は、６２本の燃料
棒１４及び２本の水ロッド４で構成されている。燃料棒
１４は、下部１／３の領域に濃縮度０．７ｗ／ｏの三酸
化ウランに富化度が３．２ｗ／ｏになるように三酸化プ
ルトニウムを加えた燃料１５を、残り上部２／３の領域
に濃縮度０．７ｗ／ｏの二酸化ウランに富化度が３．２
ｗ／ｏになるように二酸化プルトニウムを加えた燃料１
６を装荷したものである。

【００３８】本実施例では燃料棒の下部に酸素の割合の
高い酸化ウラン（三酸化ウラン）及び酸化プルトニウム
（三酸化プルトニウム）を用いることにより、ウラン２
３８に対する酸素の原子数が下部で大きくなり、酸素は
ポテンシャル断面積が大きく、中性子吸収断面積が小さ
いから添加物を加えることなくウラン２３８の実質的な
中性子捕獲断面積を増大させることが可能となり、転換
比を向上させることができる。

【００３９】将来、再処理技術が進めば、濃縮ウラン燃
料の代りに、プルトニウム燃料を使用することが可能と
なる。その場合にも、炭素などの添加物を含有させるこ
とにより、転換比の向上を図ることができる。

【００４０】以上説明したように、本実施例によれば、
中性子スペクトルが軟らかく転換比が小さい軸方向下部
に、ウラン酸化物、あるいは、ウラン・プルトニウム混
合酸化物以外の添加物を含有させた燃料を用いることに
より、転換比の向上と余剰反応度の低減を図ることがで
きる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、中性子スペクトルが軟
らかい原子炉の炉心下部でポテンシャル断面積が大きい
物質を燃料の軸方向下部に含有させると、ウラン２３８
の実効的な中性子捕獲断面積が大きくなるので、燃料集
合体の物理的な構造を変更することなく転換比を高め、
余剰反応度を低減する効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の燃料集合体の構成を示す
平面図である。

【図２】図１に示した燃料棒３の構成を示す説明図であ
る。

【図３】本発明の第２実施例の燃料集合体の構成を示す
平面図である。

【図４】図３に示した燃料棒７及び燃料棒８の構成を示
す説明図である。

【図５】本発明の第３実施例の燃料集合体の構成を示す
平面図である。

【図６】図５に示した燃料棒７、燃料棒８及び燃料棒１
１の構成を示す説明図である。

【図７】本発明の第４実施例の燃料集合体の構成を示す
平面図である。

【図８】図７に示した燃料棒１２の構成を示す説明図で
ある。

【図９】本発明の第５実施例の燃料集合体の構成を示す
平面図である。

【図１０】図９に示した燃料棒１４の構成を示す説明図
である。

【図１１】中性子エネルギーと中性子捕獲断面積の関係
を示す図表である。

【図１２】実効散乱断面積と自己遮蔽因子の関係を示す
図表である。

【図１３】本発明の実施例の水対燃料実効体積比と転換
比の関係を示す図表である。

【図１４】本発明の実施例の水対燃料実効体積比と中性
子無限増倍率の関係を示す図表である。

【符号の説明】

１　　　　燃料集合体 ２　　　　チャンネルボックス ３　　　　燃料５と燃料６を装荷した燃料棒４　　　　
水ロッド ５　　　　３ｗ／ｏの炭素を含有する燃料６　　　　炭
素を含有しない燃料 ７　　　　燃料５と燃料９を装荷した燃料棒８　　　　
燃料１０と燃料６を装荷した燃料棒９　　　　１ｗ／ｏ
の炭素を含有する燃料１０　　２ｗ／ｏの炭素を含有す
る燃料１１　　３．５ｗ／ｏのガドリニアを含有する燃
料を装荷した燃料棒 １２　　燃料１３と燃料６を装荷した燃料棒１３　　三
酸化ウランを含有する燃料 １４　　燃料１５と燃料１６を装荷した燃料棒１５　　
三酸化ウランに三酸化プルトニウムを富化した燃料 １６　　二酸化ウランに二酸化プルトニウムを富化した
燃料

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　軽水を冷却材及び減速材として用いる
   原子炉の炉心に装荷する燃料集合体において、その熱中
   性子に対する微視的中性子吸収断面積が１００バーン以
   下である核種からなる添加物の個数密度が燃料棒の軸方
   向下部で高くなるように混合したことを特徴とする燃料
   集合体。
2. 【請求項２】　　軽水を冷却材及び減速材として用いる
   原子炉の炉心に装荷する燃料集合体において、該燃料集
   合体を構成する燃料棒に装填する燃料はウラン酸化物、
   若しくはウランとプルトニウム混合酸化物に炭素、アル
   ミニウム、ベリリウム、酸素及びそれらの化合物のうち
   何れかの個数密度が前記燃料棒の軸方向下部で高くなる
   ように混合したことを特徴とする燃料集合体。
3. 【請求項３】　　軽水を冷却材及び減速材として用いる
   原子炉の炉心に装荷する燃料集合体において、該燃料集
   合体を構成する燃料棒をウラン酸化物、若しくはウラン
   とプルトニウム混合酸化物に添加する添加物の個数密度
   が運転時に水素対燃料原子数比が大きい領域で大きくな
   るように構成したことを特徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】　　二酸化ウラン若しくは二酸化プルトニ
   ウムより酸素の割合が多いウラン燃料若しくはプルトニ
   ウム燃料を前記燃料集合体を構成する燃料棒の軸方向下
   部で高くなるように混合したことを特徴とする燃料集合
   体。
5. 【請求項５】　　ウラン酸化物、若しくはウランとプル
   トニウム混合酸化物に炭素、アルミニウム、ベリリウム
   、酸素及びそれらの化合物のうち何れかを軸方向下部で
   その個数密度が高くなるように添加した燃料で構成した
   ことを特徴とする燃料棒。