JPH049796A - 原子炉の燃料集合体 - 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】

〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はプルトニウムとウランの混合燃料（以下ＭＯＸ
燃料という）を充てんした燃料棒（以下ＭＯＸ燃料棒と
いう）を装荷した軽水型原子炉の燃料集合体（以下ＭＯ
Ｘ燃料集合体という）に関する。 （従来の技術と発明が解決しようとする課題）使用済燃
料を再処理して得られるプルトニウム（Ｐｕ）を軽水型
原子炉の燃料として用いることにより、資源の有効利用
や原子力発電所の燃料経済性の向上をはかることができ
る。 プルトニウムを燃料として使用する場合、その核的特性
がウランと異なることから、ウラン燃料のみによるその
炉心と炉心特性において差が生じる。 プルトニウムとウランの核特性上の差は、（１）プルト
ニウムのうち核分裂性物質であるＰｕ−２３９やＰｕ−
２４１の熱中性子吸収断面積が、ウランのうち核分裂性
物質であるＵ−２３５のものより２倍程度大きい。 （２）プルトニウムのうちＰｕ−２４０には共鳴領域（
中性子が共鳴吸収されるエネルギー領域）にかなり大き
な中性子吸収ピークがある。 などの理由から生じる。これにより、プルトニウムを燃
料として炉心に装荷した場合、 （１）熱群の中性子束が減少し、共鳴領域や高速群の中
性子束が増加する（いわゆる、中性子スペクトルが硬化
する）。 （２）共鳴領域での中性子吸収が増加することから、減
速材密度係数（減速材密度の変化による炉心反応度の変
化で、沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲという）ではボイド
係数（加圧水型原子炉では減速材温度係数で代表される
）の絶対値が大きくなる。 これによる炉心特性上の影響は （１）冷温時における炉心反応度が増加し、炉停止余裕
が減少する。この問題が生じる理由を第１４図に模式的
に示す。 （２）可燃性毒物（例えばガドリニア（Ｇｄ２０３）。 ボロン（Ｂ）など）や制御棒の反応度制御能力の減少に
より炉停止余裕が減少する。 （３）特に炉心軸方向に減速材密度が大きく変化するＢ
ＷＲの場合、炉心軸方向出力分布の歪みがウラン燃料の
みによる炉心に比べ大きくなり、熱的余裕が減少する。 この理由を第１５図に模式的に示す。 などである。 本発明上記の点を考慮してなされたものであり、ＭＯＸ
燃料集合体を装荷した炉心の熱的余裕や炉停止余裕など
の炉心性能上の問題を解決し、かつ炉心反応度の増加等
による燃料経済性を向上でき、また資源の有効活用の図
れるＭＯＸ燃料集合体を提供することを目的とする。 〔発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するための手段として、 （１）燃料集合体を構成する燃料棒の核分裂性物質や可
燃性毒物の濃度を燃料棒軸方向に分布させる。 （２）燃料集合体の減速材が占有する領域と燃料が占め
る領域の面積の比（以下水対燃料比という）を増加させ
る。 （３）可燃性毒物燃料棒の集合体当たりの本数及び可燃
性毒物の濃度を最適化する。 （４）プルトニウムと混合するウランの多様化を採用す
る。 これらの概要を以下に述べる。 １、燃料集合体軸方向分布 ＭＯＸ燃料集合体の軸方向分布の基本的な考え方を以下
に示す。 （１）核分裂性物質 炉心反応度の向上の観点から、集合体上端あるいは下端
あるいは両端の核分裂性物質（Ｕ−２３５、Ｐｕ−２３
９、Ｐｕ−２４１等）の濃度を低くし、その分、集合体
中央領域での核分裂性物質の濃度を高める。これにより
、熱中性子束が高い炉心中央部での熱中性子利用率が高
まり、炉心全体として熱中性子利用率が向上する。 また、炉停止余裕向上の観点がら、集合体上部での核分
裂性物質の濃度を中央部に比べ低める場合がある。軽水
型原子炉では炉心軸方向上部の減速材密度が下部に比べ
高いことがら、燃焼度が進んだ炉心では炉心上部のＰｕ
の蓄積が大きくなる。 このため冷温時での軸方向出力分布は上部ピークとなる
。この特性から、炉心上部の反応度を予め低くしておく
ことで冷温時の炉心反応度を減少し、よって炉停止余裕
を向上させることができる。 また、炉心軸方向に減速材密度の変化が特に大きいＢＷ
Ｒの炉心の場合、減速材密度の高い炉心下部で反応度が
高まり、軸方向出力分布が炉心下部で歪み、熱的余裕が
小さくなるので、本発明では炉心下部の核分裂性物質の
濃度を集合体中央より低める場合がある。これにより炉
心下部の出力の歪みを押え熱的余裕を大きくすることが
できる。 以上述べた核分裂性物質の濃度の軸方向分布のさせ方は
、全てそれぞれ独立に効果を発揮するものであるから、
かならずしも全てを組合わせる必要はなく、その一部だ
け採用するものでも良い。 また、上記の考え方による軸方向の分布の概念を第１６
図に示すものよりさらに細分化したものでも良い。 （２）可燃性毒物 炉心反応度向上の観点から、集合体上下端の可燃性毒物
の濃度を中央部に比べ低めるか、あるいは零にする。ま
た、集合体上部の可燃性毒物の濃度を中央部に比べて低
める場合がある。 炉心上下端は、もともと中性子束が低く可燃性毒物の燃
焼が進まない。したがって、可燃性毒物の濃度を、予め
集合体上下端で可燃性毒物の濃度を低めておけば、炉心
のサイクル末期において可燃性毒物が燃え残って炉心の
反応度を減少させる量（反応度損失ｆｆ１）を低めるこ
とができる。また、炉心軸方向上部の減速キイ密度が下
部に比べ高いことから、熱中性子束が比較的小さい。軽
水炉で使用される可燃性毒物は主に熱中性子吸収体であ
ることから、炉心軸方向上部では可燃性毒物の燃焼が進
みにくい。したがって、予め集合体上部の可燃性毒物の
濃度を低めておくことで可燃性毒物による反応度損失量
を低めることができる。 また、「（１）核分裂性物質」で述べた、炉心下部の出
力の歪みを押え熱的余裕を大きくするための手段として
、集合体下部の可燃性毒物の濃度を中央部に比べ高める
場合がある。あるいは、可燃性毒物を混入した燃料棒本
数を多くしておいたり、これを濃度を高めることと組合
せる場合がある。 これらの手段は、炉心下部の反応度を下げ、炉心下部の
出力の歪みを押えるのに効果がある。 また、「（１）核分裂性物質」で述べた炉停止余裕を向
上する手段として、集合体上部において可燃性毒物を混
入した燃料棒本数を多くしておく場合がある。これによ
り、冷温時の炉心反応度を下げ、炉停止余裕を向上させ
ることができる。 上記の考え方による軸方向の分布の概念を第１７図に示
す。 ２、水対燃料比 従来のＢＷＲ燃料では燃料集合体当たり２本捏度までの
ウォータロッドを設け、そこに沸騰しない水がながれる
ようにしていた。ＭＯＸ燃料を従来の燃料に装荷した場
合、例えば集合体中の約５０％をＭＯＸ燃料棒とした場
合、減速材密度係数が約２０％大きくなる。これは先に
述べたようにウランとプルトニウムの核特性の差による
ものである。 また、出力運転時と冷温時の反応度差は、減速材密度係
数の絶対値の増加に比例して大きくなる。 出力運転時の炉心実効増倍率は１．０近傍である（炉心
反応度−〇の臨界状態）ため、減速材密度係数の絶対値
の増加は冷温時の炉心反応度の増加を生じることになり
、炉停止余裕が小さくなる（第１４図参照）ｅ。 さらに、プルトニウム燃料を装荷した場合、先に述べた
ように熱中性子束か減少するため、熱中性子の強吸収材
である可燃性毒物や制御棒の中性子吸収材の効果が減少
し、炉停止余裕が小さくなる。 これを解決する手段として、燃料集合体中の燃料棒をウ
ォータロッドで置き換える割合を大きくし、そしてウォ
ータロッドには沸騰しない水が流れるようにする。これ
により水対燃料比を従来燃料より大きくし、前記の問題
点を解消する。第１８図にＢＷＲの８×８格子を例に取
り、ウォータロッドにより置換する燃料棒の本数割合と
ボイド反応度係数の絶対値の関係を示す。 本発明では、全燃料棒の６％以上の燃料棒をウォータロ
ッドで置換える。これにより約２０％のボイド反応度係
数絶対値を小さくすることができ、集合体中の燃料棒を
約５０％ＭＯＸ燃料棒とした場合でも、ボイド反応度係
数を従来燃料でウラン燃料のみの燃料集合体の場合と同
程度とすることができ、炉停止余裕を十分確保すること
ができる。 以上、ＢＷＲの例を中心に述べたが、加圧水型原子炉の
燃料集合体であっても基本的に同じである。この場合は
特に燃料棒を除くことでも効果が得られる。 ３、可燃性毒物の量について 前記のようにＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心では、ウ
ラン燃料集合体のみを装荷した炉心に比べ、中性子スペ
クトルの差により、主に熱中性子の強吸収体である可燃
性毒物の効果が小さくなる一方、可燃性毒物の燃焼速度
が小さくなる。第１９図にガドリニアを可燃性毒物とし
てウラン燃料棒に混入した場合で、ガドリニアの濃度及
びガドリニアを混入した燃料棒の本数が同じＭＯＸ燃料
とウラン燃料の無限増倍率の燃焼変化を示す。 この図でＡ及びＡ′は燃焼初期におけるガドリニアの反
応度効果で主にガドリニア入り燃料棒の本数に依存する
。Ｂ及びＢ′はガドリニアの反応度効果の持続期間であ
る。図の比較で分るようにＭＯＸ燃料ではサイクル初期
での反応度効果が小さく、反応度の効果の持続期間が長
い。したがって、ウラン燃料と同一のガドリニア入り燃
料棒の本数の燃料では、燃焼初期の燃料の反応度が高く
なり、炉停止余裕を満足しなくなる、可能性がある。ま
た、出力運転時においてＭＯＸ燃料の出力が高く熱的余
裕が確保できない可能性がある。−方、ＭＯＸ燃料でガ
ドリニアの濃度をウラン燃料と同一とした場合、ガドリ
ニアが燃え残り、反応度損失が生じ経済性が悪くなる。 以上により、本発明ではＭＯＸ燃料ではウラン燃料より
ガドリニア入り燃料棒の本数を増加しかつ濃度を下げる
。ガドリニア入り燃料棒の本数と濃度はＭＯＸ燃料の反
応度に依存するが、本発明のＭＯＸ燃料はウラン燃料集
合体の平均濃縮度３ｗｔ％から４ｖｔ％相当のものであ
る。この場合のガドリニア入り燃料棒に関する最適なパ
ラメータは、集合体中に含まれるＭＯＸ燃料棒の本数の
割合に依存する。第２０Ａ図に、ＭＯＸ燃料棒の本数割
合に対する最適なガドリニア燃料棒の割合の関係を示す
。また、第２０Ｂ図にガドリニア燃料棒の最適なガドリ
ニア濃度を示す。本発明では、ＭＯＸ燃料棒の集合体中
に含まれる燃料棒に占める割合が０．　２〜０，５０時
、ガドリニアを軸方向に８０％以上混入した燃料棒の本
数の割合は、燃料集合体中の全燃料棒本数の０．１５〜
０．２３とし、また、ＭＯＸ燃料棒の割合が０．５〜０
．８の時、ガドリニアを含む燃料棒は０．２〜０．２５
である。また、ガドリニアの濃度は１．５〜４．０νｔ
％とする。この様にした本発明の燃料集合体の無限増倍
率を第２１図に示す。 これにより、第２１図に示すようにＭＯＸ入り燃料の反
応度特性をウラン燃料と同等にすることができ、炉停止
余裕や熱的余裕を十分確保できる。 ４、プルトニウムと混合するウランの多様化プルトニウ
ムを混合するウランは通常天然ウランである。本発明で
は天然ウランを節約するため、ウラン濃縮時に出るＵ−
２３５の濃度０．　２〜０、　３ｖｔ％の劣化ウランま
たは使用済燃料を再処理して得られる回収ウランを使用
する。また、これらを混合したウランを使用する場合も
ある。また、これらを天然ウランと混合したものを使用
する場合もある。 これによりＭＯＸ燃料１こ使用する天然ウランを節約す
ることができる。 また、ＭＯＸ燃料棒はウラン燃料棒よりＦＰガスの放出
率が高いことから、燃料棒の内圧が高くなる可能性があ
る。そこで本発明ではＭＯＸ燃料棒のプレナム部（燃料
棒内で燃料ベレットが充填されていない空間部）の長さ
をウラン燃料棒より長くする場合がある。これによりＭ
ＯＸ燃料棒の内圧をウラン燃料棒と同等にすることがで
きる。 （実施例） 本発明による燃料集合体の一実施例を第１図及び第２図
に基づいて以下に説明する。 本実施例の燃料集合体１８は、ＢＷＲ炉心用の取替燃料
の例であり、燃料棒１９及びチャンネルボックス２０、
ウォータロッド１０及び図示されていないが、下部タイ
ブレート、上部タイブレート及びスペーサからなってい
る。燃料棒１９及びウォータロッド１０の上下端部は、
下部タイプレート及び上部タイブレートにて保持される
。スペーサは、燃料棒１９の軸方向に幾つか配置され、
燃料棒１９及びウォータロッド相互間の間隙を適切な状
態に保持している。チャンネルボックス２０は、上部タ
イブレートに取付けられ、スペーサで保持された燃料棒
１９の束の外周を取り囲んでいる。チャンネルファスナ
が、上部タイブレートに取付けられている。第１図にお
いて、符号２１は制御棒である。 燃料棒１９は、図示されていないが下部端栓及び上部端
栓にて両端を密封された被覆管内に多数の燃料ベレット
を装荷したものである。燃料ベレットは、燃料物質の酸
化物を焼結したものであり、核分裂性物質を含んでいる
。スプリングが被覆管内のガスプレナム内に配置され、
燃料ベレットを下方に押圧している。 ウォータロッド１０は燃料棒１９と同じ被覆管を用いて
いるが、燃料物質を装荷せず、被覆管の上部及び下部の
側面に孔（図示せず）を設け、内部を沸騰しない冷却材
が通過するようになっている。 ＢＷＲ炉心は、燃料集合体４体に１体の割合で十字型の
制御棒２１が挿入されている。この炉心には、挿入され
る制御棒に面する燃料集合体の側壁側に形成された水ギ
ャップの幅が、その反対側にあって制御棒に面しない燃
料集合体の側壁側に形成された水ギャップの幅よりも広
くなっている炉心（Ｃ格子炉心）と、制御棒に面する燃
料集合体中側壁側に形成された水ギャップの幅が、その
反対側にあって制御棒に面しない燃料集合体の側壁側に
形成された水ギャップの幅と等しい炉心（Ｃ格子炉心）
とがある。 本実施例の燃料集合体１８は、Ｃ格子炉心に装荷される
燃料集合体である。燃料集合体１８を構成する燃料棒１
９は、第２図及び第１表に示すように燃料棒１１〜１８
の８種類のものがある。これらの燃料棒］１〜１８が、
第１図のようにチャンネルボックス２０内で燃料集合体
横断面に配置されている。第２図及び第１表の下端は燃
料棒中の燃料物質充填領域（以下、燃料有効部という）
第　　１ 表 中段：プルトニウム重量率（νｔ％） 燃料棒１１〜１５はＭＯＸ燃料棒であり、燃料棒１１に
は天然ウラン（Ｕ−２３５，０，７１ｖｔ％）にプルト
ニウムを８．　０ｗ１％の割合で混合している。同様に
、１２．１３，１．４．１５には天然ウランにプルトニ
ウムをそれぞれ６．　５ｗｔ％、５、　０ｗｔ９６．２
．　３ｗｔ％、１．Ｏｗ１％混合している。 燃料棒１６，１７．１８は可燃性毒物を混入した燃料棒
である。これらの燃料棒の上端、下端にはそれぞれ、燃
料物質充填領域の長さ（燃料有効下部という）にはＵ−
２３５の濃縮度３．８ｖｔ％のウランにガドリニアを３
．０ν

【％混入した燃料いう）には濃縮度４．８ｖｔ％
のウランにガドリニｗｔ％のウランにガドリニアを１．
Ｏｖｔ％混入した燃料を充填している。同様に、燃料棒
１７には、同様な領域分けで、下部は濃縮度３．８νｔ
％のウランにガドリニアを２．　０ｗ１％、中央部は濃
縮度４．８ｗｔ％のウランにガドリニアを２．　０ｗｔ
％、上部は濃縮度３．　９ｗｔ％のウランにガドリニア
を１、○ｖｔ％混入した燃料を充填している。また、燃
料棒１８には、同様な領域分けて、それぞれ下部は濃縮
度３．　８ｖｔ％のウランにガドリニアを３．０νｔ％
、中央部は濃縮度３．　８ｖｔ％のウランにガドリニア
を２．　０ｗｔ％、上部は濃縮度３．８ｖｔ％のウラン
にガドリニアを１．　　Ｏｖｔ％混入した燃料を充填し
ている。 本実施例ではプルトニウムを混入しない燃料棒のみに核
分裂性物質及び可燃性毒物の分布を設けている。これは
、ＭＯＸ燃料の製造においてこれらの分布を持たせるこ
とが難しいことを配慮したものである。 また本実施例では、第１図に示すように燃料棒４本の領
域を占有するように大口径のウォータロッドを燃料集合
体中央に配置している。 本実施例で、燃料棒１６，１７．１８の上下端合体軸方
向分布、（１）核分裂性物質」で述べたように、炉心全
体の熱中性子利用率を高めるためである。 本実施例では、燃料棒１１〜１５のＭＯＸ燃料棒につい
ては、ＭＯＸ燃料棒の製造コストの観点から、軸方向に
分布がないものとしたが、第２表に示すように、ＭＯＸ
燃料棒の上下端を天然ウラプルトニウムの量が約１割増
加し、熱中性子利用率がさらに向上する。 上段：　Ｕ−２３５濃縮度（ｗｔ１％）中段：プルトニ
ウム重量率（ｖｔＸ） 下段：可燃性毒物Ｇｄ２Ｏ３重量率（ｖｔＸ）・Ｕ−２
３５７ａ縮度り、７１ＷｔＸは天然ウランを意味する。 これらの実施例では、集合体上端・下端の核分裂性物質
の濃度を低める領域（以下ブランケット部という）の長
さは一ノードづつとしたが、この長さを増減させること
も考えられる。ブランケットを長くすれば、その分集合
体中央部の核分裂性物質の濃度が増加する一方、軸方向
の出力ビーキングが中央部で高くなり、熱的余裕が小さ
くなる。したがって、ブランケットの長さは熱的余裕と
の関係で決める必要があるが、炉心として熱的余裕が大
きい場合は、上端のブランケット長さを程度が熱的余裕
との関係がら適当である。 第３図、第４図、第３表および第４表に燃料棒変形例を
示す。 第２２図に示すように上下端の天然ウランブランケット
の領域を増加させれば炉心の反応度が向上し、燃料経済
性が向上する一方、軸方向のピーキングが増加し熱的余
裕が減少する。また、軸方向ピーキングの増加に対する
経済性の向上の割合は、ブランケットの領域を増加する
につれて小さくなる。これより標準的なりＷＲ炉心の場
合、上第　　３ 表 第　　４ 表 上段：Ｕ−２３５ｔｆＡ縮度（ｗＬ％）中段：プルトニ
ウム重量率（ｗＬ＠Ａ）下段二可燃性毒物Ｇｄ２Ｏ３重
量率（ｖＬ％）・Ｕ−２３５濃縮度０．７１ｖｔ％は天
然ウランを意味する。 上段：Ｕ−２３５濃縮度 中段：プルトニウム重量率 下段：可燃性毒物０６２０３重量率 ・Ｕ−２３５濃縮度０．７ｈＬ％は天然ウランを表わす
。 本実施例の燃料集合体１８は、Ｃ格子炉心に装荷される
燃Ｆ！集合体である。燃料棒３１〜３４及び３７はＭＯ
Ｘ燃料棒である。燃料棒３７は他の燃料棒と異なり燃籾
白゛効長が短い燃料棒である。 燃料棒３５と３６は可燃性毒物を混入した燃料棒である
。 また、ブランケット部は天然ウランとする他、再処理回
収ウランや劣化ウランとすることも考えられる。この実
施例を第５表、第６表に示す。二の実施例は第１図、第
２図、第１表で示すものの変形例であり燃料の配置は第
１図と同じである。 このブランケットの効果は天然ウランによるものと同様
である。 ／ 第　　５ 表 中段：プルトニウム重量率（ｗＬ％） ・Ｕ−２３５濃縮度０．９０ｗＬ％再処理回収ウランを
意味する。 第　　６ 表 以上の例では、燃料棒１．６，１７．１８の上端間し３
．　８ｗＬ９ｏとした。これは「］、燃料集合体軸方向
分ｎ１（１）核分裂性物質」で述べたように炉停止１．
余裕を向上させることを目的としたか、この効果をさら
に高めるためにこの領域の濃縮度をさらに下げることや
この領域の長さを増やすことも考えられる。この実施例
を第７表及び第８表に示す。燃料の配置は第１図と同じ
である。 中段：プルトニウム重量率（ｗｔ％） ・Ｕ−２３５濃縮度０．２５ｖｔ％は劣化ウランを意味
する。 第　　７ 表 第　　８ 表 上段：Ｕ−２３５濃縮度（ｉｒＬ％） 中段・プルトニウム重量率（ｖＬ％） 下段・可燃性毒物Ｇｄ２Ｏ３重量率（ｗＬ％）・Ｕ−２
３５ａ縮度０．７１ｖｔ％は天然ウランを意味する。 上段：Ｌ］−２３５濃縮度（ｖｔ％） 中段・プルトニウム重量率率（ｗｔ％）上段・ｎＪ燃性
毒物Ｇ　ｄ　２０３重量率（ｖｔ％）・Ｕ−２′３５濃
縮度０．７１ｗｔ％は天然ウランを意味する。 また、炉停止余裕が十分余裕のあるプラントではこの領
域を中央部と同し濃縮度とする二とかできる。その実施
例を第９表に示す。この実施例は第１図、第２図、第１
表で示すものの変形例であり、燃料の配置は第１図と同
じである。 ／ ／ 中段、プルトニウム重量率（ｗｔＸ） 下段：可燃性毒物Ｇｄ２Ｏ３重量率（ｗｔＸ）以上の例
では、燃料棒１６．１７．１８３５゜ ３６の下部２４〜２４の濃縮度を中央部□〜方向分布、
（１）核燃料物質」で述べたように、炉心軸方向出力分
布が炉心ド部に歪むのを解消し、熱的余裕を増加させる
ためである。この効Ｗを第２３図に示す。下部と中央部
の境界は、−〜熱的余裕が十分ある場合はこの境界を設
ける必要がないので、第１０表にその変形例を示す。世
事４捧の配置は第１図と同じである。この例では燃料棒
１６，１７．１８の下部と中央部のｃｆＡ縮度は同じで
４．３ｗＬ％である。 上段：Ｕ−２３５濃縮度（し・ｔ％＞ 中段：プルトニウム重量率（ｗｔＸ） 下段、可燃性毒物Ｇｄ２Ｏ３重量率（ｗｔＸ）・Ｕ−２
３５濃縮度０．７１ｗＬ％は天然ウランを意味する。 以上の例では、核分裂性物質の分布を燃料棒１６，１７
．１８、′３５，３６．３７のウラン燃料棒に設けたか
、これを一部または全部をＭＯＸ燃料棒に設けることに
より同様の効果を期待することかできる。この例を第１
１表に示す。燃料棒の配置は第１図に示すものと同しで
ある。 Ｉ３ 表 ／ ／ ／ 上段：Ｕ−２”３５濃縮度 中段ニブル）・ニウム重量率 ト段・口Ｊ燃性毒物Ｇｄ２Ｏ３重量率 天然ウランに対するプル］・ニウムの混入量を燃＄４集
ご体軸方向分布、（２）　１１Ｊ燃性毒物」に述べたよ
うに耐燃性毒物の燃え残りを減少させ、反応度損失を低
減することを目的としている。 また、燃料棒１６，１８．　３５．　３６の下部４、　
　”３ｗＬＯｏとしている。可燃性毒物の分６】は第１
図及び第２図、第１表に示すものと同しである。 燃料棒１２により燃料集合体各断面の反応度は第１図、
第２図、第１表と同等となり前記と同様の効果を生しる
。 次に可燃性毒物の分布であるが、第１図、第２図、第１
表に示すように燃料棒１６，１７．１８の濃度を１．ｗ
ｔ９６大きくしている。これは「１．燃ｔ４集合体軸方
向分布、（２）可燃性毒物」で述べたように、炉心下部
の出力の歪みを押さえることが目的である。第２図の実
施例で、燃料棒１６と１８は、可燃性毒物の分６召よ同
じであるが濃縮度の分缶が異なる。これは燃料棒１８が
水ギャップの大きい側に近く、出力が高くなり易いため
、濃縮度を低くして、出力が高くならないようにしてい
る。同−燃料棒内て可燃性毒物の濃度が異なる領域があ
る場合、その境界では可燃性毒物の濃度の差を１％以上
とすることが製造上好ましいか、炉心下部の出力の歪み
を押える観点からは０．５９６程度が適当であるので、
燃料棒の種類を１６１７．１８と３種類として、平均的
に０．５”ｏ程度となるようにしている。 以上の実施例では、−１燃性毒物はウラン燃Ｉｔ棒に混
入しているが、Ｍ　ＯＸ燃１−）棒に混入することも考
えられる。この実施例を第５図、第６図、第１２表に示
す。第５図でウォータロッド１０は燃料棒９木分を占存
するウォータロッドである。 ／ 第 ］２ 表 上段：ＬＩ−２３５濃縮度 中段；プルトニウム重量率 ド段：ロＪ燃性毒物Ｇ　ｄ　２０３重量率・Ｕ−２３５
の濃縮度Ｑ、　７１ｖｔＸは天然ウランを表わす。 第６図で燃料棒４５は上端と上端の−が天然つ５．３ν
ｔ％及び可燃性毒物であるガドリニアをンにプルトニウ
ムを５．　３ｖＬ％及びガドリニアを２、　５ｖＬ％混
入している。燃ｆ４棒４５は上端と下にプルトニウムを
５．３νｔ９＋＋及びガドリニアを料棒の一部にプルト
ニウム混入量に分酊をつけた例である。 ／ ／ ／ ／ ラムを５．３νｔ％混入している。 さらに第７図、第８図、第１３表及び第９図、第１０図
、第１４表に可燃性毒物をＭＯＸ燃料棒に混入した別の
実施例を示す。前者はｎＪ燃性毒物を混入した燃料棒と
、ブランケット部を除く領域でプルトニウムの混入量に
分布を持たせた燃料棒を別にした例、後者は、口■燃性
毒物を混入した燃第 表 慴→ ］４ 表 上段：　Ｌｌ−２３５濃縮度 中段：プルトニウム重量率 下段・可燃性毒物Ｇ　ｄ　２０　、、重：串上段：Ｕ−
２３５濃縮度 中段；プルトニウム重量率 下段：可燃性毒物ｃｄ２０３重二率 ・Ｕ−２３５濃度０．７１ｖＬ％は天然ウランを意味す
る。 以上、述べた実施例では従来燃料より水対燃料比を改善
するようにしている。例えば第１図の実施例では燃料棒
４本分の領域であり約６９ｃｉの燃料棒をウォータロッ
ドに置ぎ換えている。同しく第３図では約９％、第５図
では約１１９６となっている。「２．水対燃料比」で述
べたように、本発明の実施例によりＭＯＸ燃料を炉心に
装荷することによる炉停止１．余裕の悪化を押えること
かできる。 次に、可燃性毒物を混入した燃料棒の本数については、
ＢＷＲの従来の取替燃料では７〜９本であり、全燃料棒
中の割合は約］５９ｏ以下である。 一方第１図に示す本発明の例では、ＭＯＸ燃１’ｌ棒の
本数は４６本であり、全燃料棒中の約７７０６を占め、
可燃性毒物燃料棒の本数は１４本で約２３９０となって
いる。また、第３図の実施例では、ＭＯＸ燃料棒の本数
は５８本で全燃料棒中の約７６９０を占め、可燃性毒物
燃料棒の本数は１８本で約２４％となっている。第５図
の実施例ではＭＯＸ燃料棒の割合は１００％で、可燃性
毒物燃料棒の本数は約２５９６である。第６図の実施例
てはＭＯＸ燃料棒の割合は］　０　（’）　９６で、可
燃性毒物燃料棒の本数は約２４９０である。 また、ガドリニアの濃度は１〜３．　５ｗＬｏｏである
。以上述へた可燃性毒物の混人足の最適化により、反応
度特性をウラン燃料と同等とすることができ、炉停止１
余裕や、熱的余裕を十分確保てきる。 以上述べて来た実施例では、プルトニウムを混入するウ
ランは天然ウランであった。以下では、天然ウランの代
りに劣化ウランや回収ウランを使用する実施例を述べる
。第１５表では劣化ウラン（Ｕ　　２３５　濃度０．　
２５ｗｔ９６）　ニプルトニウムを混合した実施例で燃
料棒の配置は第１図と同一である。燃料棒１１〜１５て
プルトニウムの濃度が約０．４ｗｔ９ｏ増加されている
が、これはＵ２３５の濃度が０．７１ｗｔ９６から０．
　２５ｖｔｏ６に減少したのを、プルトニウムの濃度を
増加させることで反応度的に補償するためである。 表 上段：Ｕ−２３５濃縮度（ｗＬ％） 中段：プルトニウム重量率（ｖＬ％） 下段：可燃性毒物Ｇｄ２Ｏ３重量率（ｖＬ％）・Ｕ−２
３５濃縮度０．７１ｗＬ％は天然ウランを意味する。 ・Ｕ−２３５濃縮度０．２５ｗｔ％は劣化ウランを意味
する。 部 表 上段：Ｕ−２３５４縮度（ｖｔ％） １１段：プルトニウム重量率（νｔ％）本実施例によれ
ば天然ウランを節約できる。また集合体当りのプルトニ
ウムを増加てき、〜１０Ｘ燃料集合体の全体量を減らす
ことかできることから、輸送のため必要なコストを低減
できるメリットがある。 次に第１６表では回収ウラン（本実施例ではＵ−２３５
の濃縮度０．　８νｔ０６）を使用する実施例を示す。 この例ではＭ　ＯＸ燃木１及びウラン燃料棒のブランケ
ット部及びＭＯＸ燃料棒のブルトニウム混人領域に回収
ウランを使用している。これにより天然ウランを節約で
き、紅済的に有利である。 ／ これらの例ではプルトニウムを混入するウランはすべて
劣化ウランか回収ウランにしたが、一部だけとしても効
果は同じである。 以上述べてきた実施例では一部の例を除き、ＭＯＸ燃料
棒の燃料棒プレナム部の長さはウラン燃料棒と同一とし
た。 なお、第１図および第２図に示した実施例の変形例とし
て第１７表に示すように、Ｍ　ＯＸ燃料棒の技部の燃料
プレナム部をウラン燃料棒よりす る。これにより、燃焼が進んだ時点での燃料棒内圧をウ
ラン燃料と同′、９とすることができ、燃料の健全性を
確保することができる。 上段：Ｕ−２３５濃縮度 中段：プルトニウム重量率 ＊燃料のペレットを充填しない燃料プレナム部。 上段：Ｕ−２３５濃縮度 中段：プルトニウムｆｆ１ｆｆｌ率 下段；ρＪ燃性毒物Ｇｄ２Ｏ３重量率 上記の場合には燃料棒の上部の燃料プレナム部を長くし
たか、燃料上部のプレナム部を長くすることによっても
同様の効果を期待できる。 また、燃料プレナム部を長くすればそれたけ燃料棒内圧
を減少させることかできるか、燃料有効長か短くなる。 これは炉心に装荷する燃料の足か小さくなることになり
、燃料経済性を低下する。 また、熱的余裕も小さくなる傾向かある。これらのバラ
ンスを考えるとＭＯＸ燃料燃料燃籾プレナム部を長くす
る量はウラン燃料の有効長の一程度までが適当である。 以上はＢＷＲの実施例を説明したが、加圧水型原子炉（
ＰＷＲ）の燃料集合体についての実施例を第１１図、第
１２図、表１８に示す。 二の実施例の燃料集合体１８はＰＷＲ炉心用の取替燃料
の例であり、燃料棒１９、計装用案内シンブル７８、制
御棒案内ンンブル７９及びウォータロッド１０及び図示
されていないか下部ノズル、上部ノズル、支持格子から
なっている。燃料集合体１８は２４本の制御棒案内シン
プル７つと１本のス１装用案内シンプル７８とそれに接
合した９個の支持格子によって支持開路を形成し、燃料
棒１９及びウォータロッド１０を挿入している。制御棒
案内ンンブル７９と；１装用案内シンプル７つは上部ノ
ズル及び下部ノズルに固定している。第１１図には燃料
集合体の−について燃料棒の配置を示しており、対称軸
（−点鎖線）にχ１して鏡面χ・１称となっている。燃
料棒　７１，７２　７”３７４の軸方向分量は第１２図
、第１７表に示している。第１１図ではジルカロイ管で
てきたウォタロッドを設けており、管の上下端は燃料棒
と同じであるが、上下に穴をあけており、冷却材が流れ
るようにしている。第１３図はその変形例で、ウォータ
ロッドを設けず単に燃料棒を除いた構造としている。こ
れらの実施例は前記したと同様の効果をもつ。燃料棒７
４は可燃性毒物としてガドリニアを混入しており、上下
端はガドリニアの濃度を零としている。これにより、上
下端でのガドリニアの燃え残りを減らしている。また、
第１３図の変形例では上上端を天然ウランのプランケ・
ソトとし、集合体の反応の向上を図っている。燃料棒の
本数を減らすかまたはウォータロッドで置き換えている
ので、水対燃料比を改害することができる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、ＭＯＸ燃事世事炉心に装荷することに
よる炉心性能の悪化を角靭肖するとともに燃料の経済性
の向上及び資源の白゛効活用を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＢＷＲに適用する本発明の好適な一実施例であ
る燃料集合体の横断面図、第２図は第１図に示す燃料集
合体を構成する燃料棒の濃縮度、プルトニウム濃度及び
ガドリニア分布を示す説明図、第３図、第５図、第７図
および第９図は本発明の他の実施例である燃料集合体を
示す（苗断面図、第４図は第３図の燃料集ａ体を構成す
る燃料棒の、第６図は第５図の燃料集合体を構成する燃
料棒の、第８図は第７図の燃料集合体を構成する世事」
棒の、第１０図は第９図の燃料集合体を構成する燃相棒
のそれぞれ濃縮度、プル！・ニウム濃度及びガドリニア
分１′Ｉｉを示す説明図、第１１図はＰＷＲに適用する
本発明の好適な一実施例である燃ｆ４集合体の横断面図
、第１２図は第１１図に示す燃ｔ１集合体を構成する燃
料棒の濃縮度、プルトニウム濃度及びガドリニア分布を
示す説明図、第１３図は第１１図に示した実施例の食形
例を示す横断面図、第１４図及び第１５図はＭＯＸ燃料
装荷による炉心特性悪化の理由の説明図、第１６図及び
第１７図は本発明の燃料集合体の濃縮度及びガドリニア
分布の概念を示す説明図、第１８図はＢＷＲにおけるウ
ォータロッドによる置換燃料棒本数割合とボイド反応度
係数の絶対値の関係を示す説明図、第１９図はＭＯＸ燃
料とウラン燃料の無限増倍率の燃焼変化を示す模式図、
第２０Ａ図はＭＯＸ燃料集合体のガドリニア人燃料棒の
最適）々ラメータの説明図、第２０Ｂ図はガドリニア燃
料棒の最適なガドリニア濃度を示す説明図、第２１図は
ＭＯＸ燃料とウラン燃料の無限増倍率の燃焼変化を示す
模式図、第２２図は天然ウランプランケ・ソトの軸方向
長さに対する出力ピークの増加率と燃料経済性改善効果
との関係を示す特性図、第２３図は集合体中央部と下部
に濃縮度差を設ける効果の説明図である。 １ｇ、２２．４０．５０，５２．５４・・・燃料集合体
、１９・・燃料棒、１０・・・ウオータロ・ソド、２０
・・・チャンネルボックス、２１・・・制御棒。 第１　図 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 燃粁娼ら　ＩＩ　１２１３１４１５　＋６１７１８第２
区 炉′ｆ＋ネ番号３１３２３３　ヌ３５３６　３７第４図 第８図 第６図 第９図 炊Ｎ桿番号 薩 第１０図 第１１図 第１２図 第１４図 第１３図 ウラλ燃料のθ衰荷炉心 一−−ＭＯＸ燃料荻伺炉心 ＭＯＸ燃料衿荷炉心で軸方向出力力匝歪か大きくなる理
由ＣＢＷＲＯ例） 第１５図 第１６区 第１７図 燃 娩 度 第１９図 ウォータロッドＬこよる遣簗燃料庫本坊漕ＩＪ合ｙ単１
８図 第２０．Ａ図 集合体中のＭＯＸ燃料燃料伺割合 第２０８図 ＭＯＸ燃料とウラン燃料の無限増倍率 の燃焼変化（模式図） 第２１図 第２２図

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充てんした燃料棒
   を一部または全部に装荷した燃料集合体において、燃料
   棒の一部または全部について、Ｕ−２３５の濃縮度また
   はプルトニウムの濃度または両方を軸方向に分布させた
   ことを特徴とする燃料集合体。 ２、ウラン・プルトニウム混合燃料を充てんした燃料棒
   を一部または全部に装荷した燃料集合体において、燃料
   棒の一部または全部について可燃性毒物の濃度を軸方向
   に分布したことを特徴とする燃料集合体。 ３、燃料棒の一部または全部について、可燃性毒物の濃
   度を軸方向に分布させたことを特徴とする請求項１記載
   の燃料集合体。 ４、前記燃料集合体において、Ｕ−２３５の濃縮度を軸
   方向に分布させた燃料棒はプルトニウムを含まないこと
   を特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の燃
   料集合体。５、前記燃料集合体において可燃性毒物の濃
   度を軸方向に分布させた燃料棒はプルトニウムを含まな
   いことを特徴とする請求項２ないし３のいずれか１項記
   載の燃料集合体。 ６、前記燃料集合体においてＵ−２３５の濃縮度を軸方
   向に分布させた燃料棒及び可燃性毒物の濃度を軸方向に
   分布させた燃料棒はプルトニウムを含まないことを特徴
   とする請求項３記載の燃料集合体。 ７、前記燃料集合体においてＭＯＸ燃料棒以外は可燃性
   毒物を混入しないウラン燃料棒であり、そのウラン燃料
   棒の上端１／２４及び下端１／２４は天然ウランであり
   、これらの燃料棒中の一部または全部が、この上端、下
   端を除く濃縮部は３領域に分割され、上部と下部は中央
   部に比べ濃縮度が低く、可燃性毒物の濃度は上部、中央
   部、下部の順に高いことを特徴とする請求項１ないし６
   のいずれか１項記載の燃料集合体。 ８、前記燃料集合体においてＭＯＸ燃料棒の燃料プレナ
   ム部長さが、ウラン燃料棒より最大約１５ｃｍ長くした
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載
   の燃料集合体。 ９、前記燃料集合体は全燃料棒中の６％以上の燃料棒の
   領域をウォータロッドで置き換え、ウォータロッド内に
   は沸騰しない水が流れるようにするかまたは、その領域
   に燃料がなく、水が流れる請求項１ないし８のいずれか
   １項記載の燃料集合体。 １０、前記燃料集合体中の可燃性毒物を混入した燃料棒
   の本数の全燃料棒本数に対する割合は、ＭＯＸ燃料棒の
   全燃料棒の本数に対する割合が０．２〜０．５の時０．
   １５〜０．２２、０．５〜０．８の時０．１８〜０．２
   ５、０．８〜１．０の時０．２〜０．３であり軸方向の
   ８０％以上の可燃性毒物濃度は１．０〜４ｗｔ％である
   請求項１ないし９のいずれか１項記載の燃料集合体。 １１、前記燃料集合体を構成するウラン・プルトニウム
   混合燃料を充てんした燃料棒において、プルトニウムと
   混合するウランはＵ−２３５のウラン中での重量率が天
   然ウランより低い劣化ウランであるか、または、天然ウ
   ランまたは再処理回収ウランまたは濃縮ウランである燃
   料棒またはこれらの燃料棒を組合せたものである請求項
   １ないし１０のいずれか１項記載の燃料集合体。