JPH065318B2 - 燃料集合体 - Google Patents
燃料集合体Info
- Publication number
- JPH065318B2 JPH065318B2 JP61205873A JP20587386A JPH065318B2 JP H065318 B2 JPH065318 B2 JP H065318B2 JP 61205873 A JP61205873 A JP 61205873A JP 20587386 A JP20587386 A JP 20587386A JP H065318 B2 JPH065318 B2 JP H065318B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- plutonium
- uranium
- fuel assembly
- water
- Prior art date
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軽水減速型原子炉に用いる燃料集合体に係り、
特に軽換比を高めるように燃料棒を稠密格子状に配した
燃料集合体に関するものである。
特に軽換比を高めるように燃料棒を稠密格子状に配した
燃料集合体に関するものである。
軽水減速型原子炉（以下、軽水炉と記す）での核燃料物
質の利用方式には、ワンススルー方式とリサイクル方式
とがあり、現在稼動中の軽水炉は、大部分ワンススルー
方式を前提としている。ワンススルー方式では、濃縮ウ
ラン燃料を用い、ウランを燃やしきることによって燃料
の有効利用をはかつている。一方、リサイクル方式は、
再処理や再加工が完備していることが条件であり、この
方式では、Nucl.Technol．，５９，２１２（１９８２）
における“General features of advanced pressurized
water reactors with improued frel uti l ization”
と題する文献に示されているように、プルトニウムを含
む燃料棒を水対燃料体積比がほば0.5になるように稠密
に配置し、転換比を高めており、転換比を高めることに
よつて、新たな燃料物質を生成し、リサイクルすること
により燃料の有効利用をはかつている。
質の利用方式には、ワンススルー方式とリサイクル方式
とがあり、現在稼動中の軽水炉は、大部分ワンススルー
方式を前提としている。ワンススルー方式では、濃縮ウ
ラン燃料を用い、ウランを燃やしきることによって燃料
の有効利用をはかつている。一方、リサイクル方式は、
再処理や再加工が完備していることが条件であり、この
方式では、Nucl.Technol．，５９，２１２（１９８２）
における“General features of advanced pressurized
water reactors with improued frel uti l ization”
と題する文献に示されているように、プルトニウムを含
む燃料棒を水対燃料体積比がほば0.5になるように稠密
に配置し、転換比を高めており、転換比を高めることに
よつて、新たな燃料物質を生成し、リサイクルすること
により燃料の有効利用をはかつている。
上述したプルトニウムを含む燃料棒（以下，プルトニウ
ム燃料棒と記す）の稠密格子を用いた場合には、次のよ
うな問題点がある。
ム燃料棒と記す）の稠密格子を用いた場合には、次のよ
うな問題点がある。
(1)プルトニウムは、中性子吸収率が大きく、炉を臨界
にするには、プルトニウム富化度が高くなる。(2)プル
トニウム富化度が高くなると、転換比が低下し、しか
も、制御棒の反応度価値が低下するという問題が生じ
る。
にするには、プルトニウム富化度が高くなる。(2)プル
トニウム富化度が高くなると、転換比が低下し、しか
も、制御棒の反応度価値が低下するという問題が生じ
る。
(3)プルトニウム燃料を用いた稠密格子系では、ボイド
反応度係数が正になりやすい。
反応度係数が正になりやすい。
本発明の目的は、プルトニウム燃料棒を用いた稠密格子
燃料集合体の上述した問題点を解決することができる燃
料集合体を提供することにある。
燃料集合体の上述した問題点を解決することができる燃
料集合体を提供することにある。
上記目的を達成するため、プルトニウム燃料棒を用いた
稠密格子燃料集合体において、プルトニウムを含む燃料
棒とプルトニウムを含まないウラン燃料棒とで燃料集合
体を構成した。
稠密格子燃料集合体において、プルトニウムを含む燃料
棒とプルトニウムを含まないウラン燃料棒とで燃料集合
体を構成した。
一般に、稠密格子とは、炉内にボイドの発生しない加圧
水型原子炉では水対燃料体積比が１．０以下、炉内の平
均ボイド率が４０％となる沸騰水型原子炉では水対燃料
体積比が１．５以下の範囲であり、転換比０．８以上を
達成できる範囲であると考えてよい（例えば、日本原子
力学会昭和５９年秋の分科会資料Ｂ７５参照）。
水型原子炉では水対燃料体積比が１．０以下、炉内の平
均ボイド率が４０％となる沸騰水型原子炉では水対燃料
体積比が１．５以下の範囲であり、転換比０．８以上を
達成できる範囲であると考えてよい（例えば、日本原子
力学会昭和５９年秋の分科会資料Ｂ７５参照）。
本発明の基本的考え方を稠密格子燃料集合体からなる沸
騰水型原子炉を例にとつて説明する。第５図は水対燃料
体積比を変えた場合のプルトニウム燃料棒格子系とウラ
ン燃料棒格子系での中性子無限増倍率を示した図であ
る。ただし、ボイド率は４０％、プルトニウム燃料は、
核分裂性プルトニウム７．５ｗ／ｏ富化燃料、ウラン燃
料の濃縮度は６．０ｗ／ｏとした。第５図に示すよう
に、ウラン燃料の方が濃縮度が低いにもかかわらず中性
子無限増倍率が高くなつている。このため、本発明のよ
うに、燃料集合体中にウラン燃料棒を配置すれば、原子
炉を臨界にするための平均プルトニウム富化度を低減で
きる。したがつて、前述した問題点（１），（２）は、
プルトニウム燃料棒のみを用いた場合に比べて改善でき
る。
騰水型原子炉を例にとつて説明する。第５図は水対燃料
体積比を変えた場合のプルトニウム燃料棒格子系とウラ
ン燃料棒格子系での中性子無限増倍率を示した図であ
る。ただし、ボイド率は４０％、プルトニウム燃料は、
核分裂性プルトニウム７．５ｗ／ｏ富化燃料、ウラン燃
料の濃縮度は６．０ｗ／ｏとした。第５図に示すよう
に、ウラン燃料の方が濃縮度が低いにもかかわらず中性
子無限増倍率が高くなつている。このため、本発明のよ
うに、燃料集合体中にウラン燃料棒を配置すれば、原子
炉を臨界にするための平均プルトニウム富化度を低減で
きる。したがつて、前述した問題点（１），（２）は、
プルトニウム燃料棒のみを用いた場合に比べて改善でき
る。
第６図は水対燃料体積比とボイド反応度係数との関係を
示した図である。
示した図である。
ウラン燃料の場合は、水対燃料体積比が小さくなると、
ボイド反応度係数がより負になる傾向がある。一方、プ
ルトニウム燃料では、ボイド反応度係数の絶対値が小さ
く、水対燃料体積比が小さくなると正になる。したがつ
て、本発明のように、燃料集合体内にウラン燃料棒とプ
ルトニウム燃料棒が混合して配置された燃料集合体で
は、ボイド反応度係数を常に負に調節することが可能で
あり、前述した問題点（３）が改善できる。
ボイド反応度係数がより負になる傾向がある。一方、プ
ルトニウム燃料では、ボイド反応度係数の絶対値が小さ
く、水対燃料体積比が小さくなると正になる。したがつ
て、本発明のように、燃料集合体内にウラン燃料棒とプ
ルトニウム燃料棒が混合して配置された燃料集合体で
は、ボイド反応度係数を常に負に調節することが可能で
あり、前述した問題点（３）が改善できる。
以下本発明を第１図，第３図，第４図に示した実施例お
よび第２図を用いて詳細に説明する。
よび第２図を用いて詳細に説明する。
第１図は本発明の燃料集合体の一実施例を示す水平断面
図である。第１図において、燃料集合体１は六角形状を
しており、チヤンネルボツクス２、六方稠密格子状に配
置された劣化ウランに配下プルトニウム（ＰｕＯ2）を
富化した燃料（以下、プルトニウム燃料と記す）よりな
る核分裂性プルトニウムの富化度が７．５％のプルトニ
ウム燃料棒３、酸化ウラン（ＵＯ2）燃料（以下、ウラ
ン燃料と記す）よりなり濃縮度６ｗ／ｏのウラン燃料棒
４、制御棒案内管５とからなつており、本燃料集合体１
の水対燃料体積比は０．９５であり、沸騰水型原子炉用
の燃料集合体となつている。すなわち、運転状態では、
ボイドの発生により軽水の量が少なくなり、ボイド率４
０％の場合、加圧水型原子炉の水対燃料体積比０．６と
ほぼ等しい特性を有する。
図である。第１図において、燃料集合体１は六角形状を
しており、チヤンネルボツクス２、六方稠密格子状に配
置された劣化ウランに配下プルトニウム（ＰｕＯ2）を
富化した燃料（以下、プルトニウム燃料と記す）よりな
る核分裂性プルトニウムの富化度が７．５％のプルトニ
ウム燃料棒３、酸化ウラン（ＵＯ2）燃料（以下、ウラ
ン燃料と記す）よりなり濃縮度６ｗ／ｏのウラン燃料棒
４、制御棒案内管５とからなつており、本燃料集合体１
の水対燃料体積比は０．９５であり、沸騰水型原子炉用
の燃料集合体となつている。すなわち、運転状態では、
ボイドの発生により軽水の量が少なくなり、ボイド率４
０％の場合、加圧水型原子炉の水対燃料体積比０．６と
ほぼ等しい特性を有する。
制御棒が挿入されない状態では、制御棒案内管５内は非
沸騰水で満たされている。このため、制御棒案内管５を
取り囲む燃料棒の周りでは、局所的に中性子減速のよい
状態が生じる。ところで、プルトニウムの主要核分裂核
種Ｐｕ−２３９は、熱中性子に対してＵ−２３５の約３
倍の核分裂断面積をもつため、ウラン燃料に比べてプル
トニウム燃料の方が出力が高くなる傾向がある。この点
およびプルトニウム燃料の平均中性子エネルギーを高め
て転換比を向上させることを考慮して制御棒案内管５の
周囲にはウラン燃料棒４を配置してある。
沸騰水で満たされている。このため、制御棒案内管５を
取り囲む燃料棒の周りでは、局所的に中性子減速のよい
状態が生じる。ところで、プルトニウムの主要核分裂核
種Ｐｕ−２３９は、熱中性子に対してＵ−２３５の約３
倍の核分裂断面積をもつため、ウラン燃料に比べてプル
トニウム燃料の方が出力が高くなる傾向がある。この点
およびプルトニウム燃料の平均中性子エネルギーを高め
て転換比を向上させることを考慮して制御棒案内管５の
周囲にはウラン燃料棒４を配置してある。
本実施例では、燃料棒３，４数は合計で１２０本であ
り、プルトニウム燃料棒３が６０本、ウラン燃料棒４が
６０本で構成してある。第２図は第１図に示す実施例の
燃料集合体におけるボイド率と中性子無限増倍率Ｋ∞と
の関係を示す線図である。本実施例の燃料集合体１の中
性子無限増倍率Ｋ∞は、プルトニウム燃料棒だけで構成
された燃料集合体に比べて約２％高くなる。これは、同
一運転条件のもとで臨界を保つ必要核分裂性プルトニウ
ム富化度を約１％低減できることに対応する。さらに、
この富化度低減によつて転換比を約０．０３向上するこ
とができる。
り、プルトニウム燃料棒３が６０本、ウラン燃料棒４が
６０本で構成してある。第２図は第１図に示す実施例の
燃料集合体におけるボイド率と中性子無限増倍率Ｋ∞と
の関係を示す線図である。本実施例の燃料集合体１の中
性子無限増倍率Ｋ∞は、プルトニウム燃料棒だけで構成
された燃料集合体に比べて約２％高くなる。これは、同
一運転条件のもとで臨界を保つ必要核分裂性プルトニウ
ム富化度を約１％低減できることに対応する。さらに、
この富化度低減によつて転換比を約０．０３向上するこ
とができる。
本実施例の燃料集合体１のボイド率４０％におけるボイ
ド反応度係数は、約−２％ΔＫ／Ｋ・％ボイド率であ
り、プルトニウム燃料のみの場合より、より負のボイド
反応度係数となるため、本実施例になる燃料集合体１を
用いることによつてより安全な炉心設計が期待できる。
ド反応度係数は、約−２％ΔＫ／Ｋ・％ボイド率であ
り、プルトニウム燃料のみの場合より、より負のボイド
反応度係数となるため、本実施例になる燃料集合体１を
用いることによつてより安全な炉心設計が期待できる。
第３図は本発明の他の実施例を示す第１図に相当する水
平断面図である。本実施例では、燃料初期の余剰反応度
を抑えるため、プルトニウム燃料棒３、ウラン燃料棒４
のほかに可燃性毒物であるガドリニアを混合したウラン
燃料棒６を配置した燃料集合体１’としてある。２はチ
ヤンネルボツクス、５は制御棒案内管であることは第１
図と同様である。カドリニアは、プルトニウム燃料にも
混合することは可能であるが、後述するように、ウラン
燃料はワンススルー方式，プルトニウム燃料はリサイク
ル方式で利用することを考慮し、再処理するプルトニウ
ム燃料になるべく不純物を混入しないようにすることが
好ましい。
平断面図である。本実施例では、燃料初期の余剰反応度
を抑えるため、プルトニウム燃料棒３、ウラン燃料棒４
のほかに可燃性毒物であるガドリニアを混合したウラン
燃料棒６を配置した燃料集合体１’としてある。２はチ
ヤンネルボツクス、５は制御棒案内管であることは第１
図と同様である。カドリニアは、プルトニウム燃料にも
混合することは可能であるが、後述するように、ウラン
燃料はワンススルー方式，プルトニウム燃料はリサイク
ル方式で利用することを考慮し、再処理するプルトニウ
ム燃料になるべく不純物を混入しないようにすることが
好ましい。
第４図は本発明のさらに他の実施例を示す構成図で、第
４図（ａ）は燃料集合体の全体構成図、第４図（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ’断面図、第４図（ｃ）は（ａ）のＢ−
Ｂ’断面図である。本実施例では、燃料有効長の短かい
プルトニウム燃料棒３’を含んでおり、燃料集合体１”
の高さ方向にプルトニウム燃料棒とウラン燃料棒の本数
比が異つている。沸騰水型原子炉では、燃料集合体高さ
方向にボイド率が異なるため、このような対策により等
価的に水対燃料体積比（正確には水素対燃料個数密度
比）を一様化し、出力分布の平坦化、転換比の均一化を
はかる必要がある。本実施例において、ウラン燃料棒の
有効長を短かくすることも可能であるが、中性子吸収率
の大きいプルトニウム燃料を短尺した方が反応度として
得である。
４図（ａ）は燃料集合体の全体構成図、第４図（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ’断面図、第４図（ｃ）は（ａ）のＢ−
Ｂ’断面図である。本実施例では、燃料有効長の短かい
プルトニウム燃料棒３’を含んでおり、燃料集合体１”
の高さ方向にプルトニウム燃料棒とウラン燃料棒の本数
比が異つている。沸騰水型原子炉では、燃料集合体高さ
方向にボイド率が異なるため、このような対策により等
価的に水対燃料体積比（正確には水素対燃料個数密度
比）を一様化し、出力分布の平坦化、転換比の均一化を
はかる必要がある。本実施例において、ウラン燃料棒の
有効長を短かくすることも可能であるが、中性子吸収率
の大きいプルトニウム燃料を短尺した方が反応度として
得である。
以上説明した各実施例に示した燃料集合体１，１’，
１”には、プルトニウム燃料棒３とウラン燃料棒４とを
含んでおり、これら２種類の燃料棒の燃料の転換比は異
なつており、例えば、第１図の実施例では、プルトニウ
ム燃料の初期転換比は０．８５、ウラン燃料の初期転換
比は０．６１である。このような特性の違いを考慮すれ
ば、本発明に係る燃料集合体の最適な使用法は、リサイ
クル方式とワンススルー方式の混合方式が望ましい。す
なわち、燃焼の初期ではプルトニウム燃料とウラン燃料
からなる本発明に係る燃料集合体を原子炉に装荷し、燃
焼させる。この段階では、稠密格子であるため転換比が
高く、プルトニウムの生成が活発に行われる。そこで、
燃焼途中で燃焼集合体を再組立し、プルトニウム燃料棒
３を引き抜き、ウラン燃料棒４のみの燃料集合体を構成
する。ここで構成された燃料集合体の水対燃料体積比は
１．５以上で、ウランの燃焼に最適な水対燃料比に調整
され、再び原子炉に装荷する。一方、プルトニウム燃料
棒３内には前述した如く、より多くのプルトニウムが蓄
積しており、この燃料は再処理して使用する。このよう
に、プルトニウム燃料はリサイクル方式，ウラン燃料は
ワンススルー方式で使用すれば、前述した本発明に係る
燃料集合体の長所を保持し、プルトニウム燃料、ウラン
燃料両者の有効利用をはかることができる。
１”には、プルトニウム燃料棒３とウラン燃料棒４とを
含んでおり、これら２種類の燃料棒の燃料の転換比は異
なつており、例えば、第１図の実施例では、プルトニウ
ム燃料の初期転換比は０．８５、ウラン燃料の初期転換
比は０．６１である。このような特性の違いを考慮すれ
ば、本発明に係る燃料集合体の最適な使用法は、リサイ
クル方式とワンススルー方式の混合方式が望ましい。す
なわち、燃焼の初期ではプルトニウム燃料とウラン燃料
からなる本発明に係る燃料集合体を原子炉に装荷し、燃
焼させる。この段階では、稠密格子であるため転換比が
高く、プルトニウムの生成が活発に行われる。そこで、
燃焼途中で燃焼集合体を再組立し、プルトニウム燃料棒
３を引き抜き、ウラン燃料棒４のみの燃料集合体を構成
する。ここで構成された燃料集合体の水対燃料体積比は
１．５以上で、ウランの燃焼に最適な水対燃料比に調整
され、再び原子炉に装荷する。一方、プルトニウム燃料
棒３内には前述した如く、より多くのプルトニウムが蓄
積しており、この燃料は再処理して使用する。このよう
に、プルトニウム燃料はリサイクル方式，ウラン燃料は
ワンススルー方式で使用すれば、前述した本発明に係る
燃料集合体の長所を保持し、プルトニウム燃料、ウラン
燃料両者の有効利用をはかることができる。
以上説明したように、本発明によれば、プルトニウム燃
料棒のみを稠密格子状に配置した燃料集合体の問題点を
解消でき、核分裂性プルトニウム富化度を約１％、転換
比を約０．４％向上できるという効果がある。
料棒のみを稠密格子状に配置した燃料集合体の問題点を
解消でき、核分裂性プルトニウム富化度を約１％、転換
比を約０．４％向上できるという効果がある。
第１図は本発明の燃料集合体の一実施例を示す水平断
面、第２図は第１図の燃料集合体におけるボイド率と中
性子無限増倍率との関係を示す線図、第３図は本発明の
他の実施例を示す第１図に相当する水平断面図、第４図
は本発明のさらに他の実施例を示す構成図、第５図は水
対燃料体積比と中性子無限増倍率との関係を示す線図、
第６図は水対燃料体積比とボイド反応度係数との関係を
示す線図である。 １，１’，１”…燃料集合体、２…チヤンネルボツク
ス、３，３’…プルトニウム燃料棒、４…ウラン燃料
棒、５…制御棒案内管、６…ガドリニア入りウラン燃料
棒。
面、第２図は第１図の燃料集合体におけるボイド率と中
性子無限増倍率との関係を示す線図、第３図は本発明の
他の実施例を示す第１図に相当する水平断面図、第４図
は本発明のさらに他の実施例を示す構成図、第５図は水
対燃料体積比と中性子無限増倍率との関係を示す線図、
第６図は水対燃料体積比とボイド反応度係数との関係を
示す線図である。 １，１’，１”…燃料集合体、２…チヤンネルボツク
ス、３，３’…プルトニウム燃料棒、４…ウラン燃料
棒、５…制御棒案内管、６…ガドリニア入りウラン燃料
棒。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 裕一 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 (72)発明者 松本 知行 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 (56)参考文献 特開 昭61−93985（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−168091（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】軽水を減速材として用いる水対燃料体積比
が1.5以下である燃料集合体において、プルトニウムを
含む燃料棒とプルトニウムを含まないウラン燃料棒とで
構成してあることを特徴とする燃料集合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61205873A JPH065318B2 (ja) | 1986-09-03 | 1986-09-03 | 燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61205873A JPH065318B2 (ja) | 1986-09-03 | 1986-09-03 | 燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6361990A JPS6361990A (ja) | 1988-03-18 |
| JPH065318B2 true JPH065318B2 (ja) | 1994-01-19 |
Family
ID=16514139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61205873A Expired - Lifetime JPH065318B2 (ja) | 1986-09-03 | 1986-09-03 | 燃料集合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH065318B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0356897A (ja) * | 1989-07-26 | 1991-03-12 | Hitachi Ltd | 原子炉の燃料集合体 |
| JPH03246488A (ja) * | 1990-02-26 | 1991-11-01 | Toshiba Corp | 熱中性子型原子炉用燃料集合体 |
| JP3428150B2 (ja) * | 1994-07-08 | 2003-07-22 | 株式会社日立製作所 | 軽水炉炉心及び燃料集合体 |
| JP6073555B2 (ja) * | 2012-01-20 | 2017-02-01 | 株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン | 初装荷炉心 |
-
1986
- 1986-09-03 JP JP61205873A patent/JPH065318B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6361990A (ja) | 1988-03-18 |
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