JPH05223967A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】燃料ペレット１は外周領域２と内部領域３の二
領域に分けられ、外周領域２は濃縮ウランに超ウラン元
素を富化した混合酸化物燃料により、内部領域３には超
ウラン元素を富化しない濃縮ウラン酸化物燃料により構
成される。 【効果】中性子束の高いペレットの外周領域に、超ウラ
ン元素を集中的に富化することにより、ペレット内に均
一に富化するよりも効率的に超ウラン元素を消滅するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水冷却型原子炉に係り、
特に、超ウラン元素の消滅に好適な燃料集合体に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】冷却材として軽水を使用する、いわゆ
る、軽水炉は、軽水を加圧して液体の状態で用いる加圧
水型原子炉と、沸騰した状態で用いる沸騰水型原子炉と
に分類される。加圧水型原子炉の燃料集合体は、被覆管
に燃料ペレットを充てんした燃料棒を格子状に多数束ね
て構成される。沸騰水型原子炉の燃料集合体は、多数束
ねた燃料棒を断面形状が正方形のチャンネルボックスで
覆って構成される。軽水炉の炉心は燃料集合体を、さら
に束ねて円柱状に形成される。炉心には、燃料として濃
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装荷される。

【０００３】近年、使用済み燃料から発生する半減期が
数百万年と非常に長いネプチニウム等の超ウラン元素を
消滅するために、通常のウラン燃料に超ウラン元素を均
一に混合することが検討されている（特開昭60−139065
号公報)。

【０００４】超ウラン元素とは、一般には原子番号がウ
ランより大きい元素をいうが、本発明では、燃料物質の
プルトニウムを除くものとする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】超ウラン元素は、中性
子の吸収反応により消滅するが、一原子核当りの反応率
は反応する場所での中性子束と超ウラン元素の反応断面
積の積に比例している。しかし、従来技術では、中性子
束や反応断面積の大小に係わらず超ウラン元素はウラン
燃料内あるいは集合体内に均一に富化されているため、
全体として必ずしも反応率の高い領域で効率良く消滅さ
れているとは言えない。

【０００６】本発明の目的は、超ウラン元素の効率的な
消滅に好適な燃料棒，燃料集合体および原子炉の炉心を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、超ウラン元
素の消滅率が、反応が起こる場所の中性子束，超ウラン
元素の反応断面積、及び、その原子数密度に比例するこ
とに着目し、超ウラン元素を、中性子束の高い領域、あ
るいは、反応断面積が大きくなる領域、すなわち、中性
子エネルギの高い領域に集中的に配置する。

【０００８】

【作用】この構成により、本発明では、超ウラン元素を
一様に混合する従来技術に比べ、超ウラン元素を反応率
の高い領域に集中的に配置することにより、超ウラン元
素の消滅率を高めることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は、本発明の第一の実施例であり、燃料ペレットに適
用したものである。燃焼ペレットの斜視図をあらわした
図１において、燃料ペレット１は外周領域２と内部領域
３の二領域に分けられ、外周領域２は約４ｗｔ％の濃縮
ウランに約４ｗｔ％の超ウラン元素を富化した混合酸化
物燃料により、内部領域３には超ウラン元素を富化しな
い濃縮ウラン酸化物燃料により構成されている。ペレッ
トの仕様を表１に示す。

【００１０】

【表１】

【００１１】図２は燃料ペレット内の径方向中性子束分
布を示したものである。一般に、中性子束分布は図２の
ように自己遮蔽効果のため表面付近で大きく、中央で窪
んでいる。従って、外周領域２に富化された超ウラン元
素はその高い中性子束により効率良く消滅される。

【００１２】以下、第二の実施例について説明する。図
３は、燃料棒の垂直断面図であり、図４は、軸方向の中
性子束分布の一例である。図４に示すような中央で膨ら
んだ形をした中性子束分布は加圧水型原子炉及び軸方向
濃縮度分布を調整した沸騰水型原子炉に一般に見られ
る。このような中性子束分布の場合、図３に示す通り、
燃料棒４の中央付近には濃縮ウランに超ウラン元素を富
化した混合酸化物燃料５を配置し、燃料棒４の上部及び
下部には超ウラン元素を富化しない酸化物燃料６を配置
することにより、中性子束の高い領域で、効率的に超ウ
ラン元素を消滅させることができる。同時に、高さ方向
の出力分布を平坦化し、燃焼初期の余剰反応度を低減す
ることが可能である。更に、例えば、ネプチニウム２３
７の中性子吸収反応を経てプルトニウム２３９が作られ
るように、超ウラン元素から核分裂性物質が効率よく作
られるため転換比が向上し燃料経済性を高めることがで
きる。

【００１３】図５に示した第三の実施例では、第二の実
施例における混合酸化物燃料５の超ウラン元素の代りに
トリウム酸化物あるいはトリウムとウランの混合酸化物
燃料８を用いる。これにより、第二の実施例と同様の効
果が得られる。

【００１４】図６及び図７に示した第四の実施例では、
図７に示すように、軸方向中性子束分布が下部でピーク
を持つ。このような軸方向中性子束分布は沸騰水型原子
炉に一般に見られるものである。図６の燃料棒１０で
は、中性子束分布がピ−クとなる燃料棒の下端から燃料
棒有効長の約１／３の点を中心として、濃縮ウランに超
ウラン元素を富化した混合酸化物燃料５を配置し、燃料
棒１０のその他の領域に超ウラン元素を富化しない酸化
物燃料６を配置することにより、中性子束の高い領域
で、効率的に超ウラン元素を消滅させることができる。

【００１５】図８に示す第五の実施例では、第三の実施
例と同様に、第四の実施例における超ウラン元素の代り
にトリウム酸化物、あるいは、劣化ウラン酸化物を添加
した混合酸化物燃料８を用いるもので、第三の実施例と
同様の効果を期待できる。

【００１６】図９及び図１０に示す第六の実施例につい
て説明する。図１０は、代表的超ウラン核種であるネプ
チニウム２３７の消滅率とボイド率（減速材における蒸
気の体積割合）との関係を図示したものである。ボイド
率は、０％と沸騰水型原子炉における平均ボイド率４０
％及び最大ボイド率７０％で評価した。図１０から分か
る様に、ボイド率が高いほどネプチニウム２３７の消滅
率は増加する。これは、ボイド率が高いほど中性子エネ
ルギが高くなり、共鳴吸収によるネプチニウム２３７の
吸収断面積が増加するためである。図９では、沸騰水型
原子炉において、上部にいくほどボイド率が高いという
特性を利用して、燃料棒上部には濃縮ウランに超ウラン
元素を富化した混合酸化物燃料５を配置し、燃料棒１６
のその他の領域には超ウラン元素を富化しない酸化物燃
料６を配置している。これにより、超ウラン元素を吸収
断面積の高い場所で効率良く消滅させることができる。

【００１７】図１１に示した第七の実施例について説明
する。沸騰水型原子炉の十字型制御棒１９は、十字型の
制御棒ブレ−ド２０内に多数のポイズン管２１を収納し
た構造になっており、チャネルボックス間の水ギャップ
に挿入される。ポイズン管２１の内部には、中性子吸収
材であるボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）の粉末が一様に充
填されている。制御棒上部には、ポイズン管の代りに超
ウラン元素酸化物を内包した管２２を配置することによ
り、中性子束の高い水ギャップにおいて効率的に超ウラ
ン元素を消滅させることができる。

【００１８】

【発明の効果】本発明の燃料集合体は、従来技術に比
べ、超ウラン元素を効率的に消滅させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である燃料ペレットの斜視
図。

【図２】本発明の原理を説明するための燃料ペレット径
方向の中性子束分布図。

【図３】本発明の第二の実施例を示す燃料棒の垂直断面
図。

【図４】本発明の第二の実施例の原理を説明するための
燃料棒軸方向の中性子束分布図。

【図５】本発明の第三の実施例を示す燃料棒の垂直断面
図。

【図６】本発明の第四の実施例を示す燃料棒の垂直断面
図。

【図７】本発明の第四の実施例の原理を説明するための
燃料棒軸方向の中性子束分布図。

【図８】本発明の第五の実施例を示す燃料棒の垂直断面
図。

【図９】本発明の第六の実施例を示す燃料棒の垂直断面
図。

【図１０】本発明の第六の実施例の原理を示すネプチニ
ウム−２３７の消滅率とボイド率との相関図。

【図１１】本発明の実施例を示す制御棒の斜視図。

【符号の説明】

１…燃料ペレット、２…燃料（超ウラン元素富化）、３
…燃料（超ウラン元素富化せず）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤村 幸治 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核分裂性物質を含む燃料に超ウラン元素を
   富化した燃料ペレットにおいて、前記燃料の表面に近い
   領域ほど前記超ウラン元素の富化度を高くしたことを特
   徴とする燃料ペレット。
2. 【請求項２】超ウラン元素を富化した燃料ペレットから
   なる燃料棒の燃料充填部において、高さ方向中央部に前
   記超ウラン元素の富化度の高い燃料ペレットを配置し、
   その他の領域にこれより低い富化度の前記超ウラン元素
   を含む燃料ペレットを配置したことを特徴とする燃料
   棒。
3. 【請求項３】超ウラン元素を富化した燃料ペレットとこ
   れを含まない燃料ペレットからなる燃料棒の燃料充填部
   において、高さ方向中央部に前記超ウラン元素を富化し
   た燃料ペレットを配置し、その他の領域に前記超ウラン
   元素を含まない燃料ペレットを配置したことを特徴とす
   る燃料棒。
4. 【請求項４】請求項２または３において、前記超ウラン
   元素を多く含む燃料ペレットを充填した領域を、その高
   さ方向中心が前記燃料充填部の高さ方向中心よりも下部
   になるように配置したことを特徴とする燃料棒。
5. 【請求項５】請求項２，３または４において、前記超ウ
   ラン元素をトリウム，減損ウラン、または、天然ウラン
   とした燃料棒。
6. 【請求項６】超ウラン元素を含む燃料ペレットからなる
   燃料棒の燃料充填部において、高さ方向上部領域の前記
   超ウラン元素の平均富化度が下部領域の平均富化度より
   も大きくしたことを特徴とする燃料棒。
7. 【請求項７】超ウラン元素を含む燃料ペレットとこれを
   含まない燃料ペレットからなる燃料棒の燃料充填部にお
   いて、高さ方向上部領域の前記超ウラン元素の平均富化
   度が下部領域の平均富化度より大きくしたことを特徴と
   する燃料棒。
8. 【請求項８】請求項１に記載の燃料ペレットを含む燃料
   棒。
9. 【請求項９】請求項２，３，４，５，６，７または８に
   記載の前記燃料棒を含む燃料集合体。
10. 【請求項１０】請求項９に記載の前記燃料集合体を含む
    原子炉炉心。