JPH0712974A

JPH0712974A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH0712974A
Application number: JP5148872A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ishii; 一弥石井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1995-01-17

Abstract

(57)【要約】【構成】熱中性子炉において、プルトニウム燃料を用い
る場合には、ウラン燃料を用いた場合に比べ、燃料集合
体内のギャップ水に近い周辺部の燃料棒でより大きな出
力ピークを生じ易い。そのような領域に、ペレット内中
空部の体積割合の小さな燃料を用いて、中性子スペクト
ルを硬くし、燃焼初期でのその部分における反応度への
寄与を小さくする。【効果】ペレット内中空部の体積割合が一様の燃料を用
いた場合に比べ、燃料経済性を悪化させることなく、燃
料集合体内の出力分布の平坦化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉に用い
る燃料集合体に係り、特に、ウラン・プルトニウムの混
合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）を有する燃料集合体内の出
力分布平坦化に好適な燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉では、チャンネ
ルボックスの中に複数の燃料棒が配置され、チャンネル
ボックスの外には、沸騰していないギャップ水が存在す
る。従って、このギャップ水の周辺では、局所的に中性
子減速の良い状態が生じ、中性子スペクトルが軟かくな
っている。

【０００３】一方、核分裂性プルトニウム、例えば ²³⁹
Ｐｕは、熱エネルギ領域（１ｅＶ以下）の核分裂断面積
が、²³⁵Ｕに比べて二倍以上である。しかも、²³⁹Ｐｕ
は、図２に示すように、熱エネルギ領域の核分裂断面積
の、それよりエネルギの高い領域における核分裂断面積
の比が、図３に示した ²³⁵Ｕに比べて大きい。従って、
現行の熱中性子炉にプルトニウム燃料を用いた場合、ウ
ラン燃料を用いた場合に比べ、ギャップ水に近い周辺部
の燃料の出力が大きくなり易い。

【０００４】この問題を解決し、出力分布平坦化を実現
する従来の手段として、例えば、特開昭60−147685号公
報を挙げられる。これは、出力のピークが生じ易い周辺
部の燃料の核分裂性プルトニウム富化度を他の領域の燃
料より低くし、出力分布の平坦化を図るものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術は、
中性子スペクトルが硬い燃料集合体の中央部分に相対的
に核分裂性プルトニウム富化度の高い燃料を用いている
ため次のような問題が生じる。すなわち、中央部分で
は、中性子スペクトルが硬いため燃焼が進みにくく、燃
焼末期では、核分裂性物質が周辺部より多く残存してお
り、また、親物質（例えば、²³⁸Ｕ）の転換により、核
分裂性物質（例えば、²³⁹Ｐｕ）が多く生成している。
このように、中央部には周辺部より多くの核分裂性物質
が存在するため、燃焼末期では、出力は中央部分にピー
クを有する分布となる。また、中央部分に多くの核分裂
性物質が燃え残ることになり、燃料経済性という観点か
らは好ましくない。

【０００６】本発明の目的は、燃料経済性を悪化させる
ことなく、燃料集合体内の出力分布の平坦化を図ること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、中性子スペ
クトルが軟かく、燃焼初期に出力の高くなる周辺部に、
他の領域の燃料に比べて、ペレット内中空部の体積割合
の小さな燃料を用いることにより達成される。

【０００８】

【作用】以下、本発明の作用を説明する。

【０００９】一般に、水素対燃料原子数比が大きくなる
と、燃料原子１個当りの水素原子の割合が大きくなるた
め、中性子は減速され易くなり、結果として中性子スペ
クトルが軟かくなる。図２，図３に示したように、核分
裂性核種は、熱エネルギ領域で大きな核分裂断面積をも
つので、一般に中性子スペクトルが軟かくなると燃焼初
期での中性子無限増倍率は増大する。

【００１０】一方、ペレット内中空部の体積割合が大き
い燃料を同じ形状の燃料集合体で用いると、燃料物質の
量が減るために、水素対燃料原子数比が大きくなる。そ
の結果、中性子スペクトルが軟かくなり、燃焼初期での
中性子無限増倍率は増大する。

【００１１】具体例として、図４に、プルトニウム燃料
におけるペレット内中空部の体積割合と中性子無限増倍
率との関係を示す。なお、中性子無限増倍率は、ペレッ
ト内中空部の体積割合が０％（中実ペレット）の場合を
基準としてその差を示している。また、核分裂性プルト
ニウム富化度は、３.５ｗ／ｏである。燃焼の初期に
は、同じ核分裂性プルトニウム富化度でも、ペレット内
中空部の体積割合が１０％大きくなると、中性子無限増
倍率が約１％Δｋ大きくなる。しかし、平均の取出燃焼
度である３０ＧＷｄ／ｔでは、その差が約０.３％Δｋ
に縮小する。

【００１２】従って、中性子スペクトルの軟かい、ギャ
ップ水に近い周辺部に、他の領域に比べペレット内中空
部の体積割合の小さな燃料を用いることにより、燃焼を
通して出力分布の平坦化を図ることができる。つまり、
燃焼初期において出力が高くなり、燃焼末期には低くな
る傾向のあるギャップ水に近い周辺部の出力を、その領
域の核分裂性プルトニウム富化度を低くすることなく、
燃焼初期において低め、かつ燃焼末期において高めるこ
とが可能となる。また、相対的に中央部の燃料の核分裂
性プルトニウム富化度を高くしないので、上述のよう
に、燃料経済性を悪化させないですむ。

【００１３】

【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。

【００１４】図１は、本発明になる燃料集合体の第一の
実施例を示したものである。本実施例では、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２，２８
本の燃料棒３，３２本の燃料棒４と１本の水ロッド５と
から成っている。また、本燃料集合体の水対燃料体積比
は約３.２で、中性子スペクトルの軟かい体系である。
燃料棒３は、ペレット内中空部の体積割合が０％（中実
ペレット）のプルトニウム燃料を装荷したもの、燃料棒
４は、ペレット内中空部の体積割合が５％のプルトニウ
ム燃料を装荷したものである。なお、集合体全体として
の燃料装荷量を中実ペレットを使用した従来の燃料と同
じにするため、これらの燃料のペレット密度は１０.８
ｇ／ccと、従来の燃料の１０.５ｇ／ccより高めてい
る。また、燃料棒３，４とも、核分裂性プルトニウム富
化度は３.５ｗ／ｏで、天然ウランに富化している。

【００１５】本実施例では、ギャップ水に近く、出力が
高くなり易い周辺部の燃料に、他の領域に比べ、ペレッ
ト内中空部の体積割合の小さな燃料を用いることによ
り、そこでの中性子スペクトルを硬くし、出力を低減し
ている。その結果、ペレット内中空部の体積割合一様の
燃料に比べ、燃料集合体内の出力ピーキングが約０.５
％小さくなり、出力分布を改善する効果がある。また、
中央部の核分裂性プルトニウム富化度を高めないので、
燃料経済性を損なうことがない。

【００１６】図５は、本発明の燃料集合体の第二の実施
例を示す図である。本実施例の燃料集合体は、４０本の
燃料棒３と２０本の燃料棒６で構成されている。燃料棒
６は、ペレット内中空部の体積割合が８％のプルトニウ
ム燃料を装荷したものである。なお、燃料棒６の核分裂
性プルトニウム富化度は３.５ｗ／ｏで、天然ウランに
富化している。また、これらの燃料のペレット密度は１
０.８ｇ／cc である。ところで、水ロッドの中の水は、
ギャップ水同様沸騰していないので、水ロッドの周辺で
は、局所的に中性子減速の良い状態が生じている。この
点を考慮して、本実施例では、ギャップ水及び水ロッド
の周辺には、ペレット内中空部の体積割合の小さな燃料
を用いた。その結果、ペレット内中空部の体積割合一様
の燃料に比べ、燃料集合体内の出力ピーキングが約０.
８％小さくなり、出力分布を改善する効果がある。ま
た、中央部の核分裂性プルトニウム富化度を高めないの
で、燃料経済性を損なうことがない。

【００１７】図６は、本発明になる燃料集合体の第三の
実施例を示す図である。本実施例の燃料集合体は、４本
の燃料棒７，２４本の燃料棒８，１２本の燃料棒９と２
０本の燃料棒１０で構成されている。燃料棒７は、ペレ
ット内中空部の体積割合が０％で濃縮度２.０ｗ／ｏの
ウラン燃料を装荷したもの、燃料棒８は、ペレット内中
空部の体積割合が０％で核分裂性プルトニウム富化度が
２.０ｗ／ｏのプルトニウム燃料を装荷したもの、燃料
棒９は、ペレット内中空部の体積割合が０％で核分裂性
プルトニウム富化度が４.５ｗ／ｏのプルトニウム燃料
を装荷したもの、燃料棒１０は、ペレット内中空部の体
積割合が８％で核分裂性プルトニウム富化度が４.５ｗ
／ｏのプルトニウム燃料を装荷したものである。な
お、プルトニウムは、天然ウランに富化している。ま
た、これらの燃料のペレット密度は10.8ｇ／ccである。

【００１８】本実施例では、出力ピーキング低減のため
に、ギャップ水に近い周辺部の燃料の核分裂性プルトニ
ウム富化度を下げ、特に出力のピークが生じ易いコーナ
部には、ウラン燃料を用いた。これにより、周辺部及び
水ロッドに隣接する部分にペレット内中空部の体積割合
が小さい燃料を用いている効果と併せて、燃料集合体内
の出力分布をより平坦化できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、中性子スペクトルの軟
かい、ギャップ水に近い周辺部、あるいは、水ロッドに
近い部分に、他の領域の燃料に比べて、ペレット内中空
部の体積割合の小さな燃料を用いることにより、燃料経
済性を悪化させることなく、燃料集合体内の出力分布の
平坦化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料集合体の第一の実施例を示す説明
図。

【図２】中性子エネルギと ²³⁹Ｐｕの核分裂断面積との
関係を示す説明図。

【図３】中性子エネルギと ²³⁵Ｕの核分裂断面積との関
係を示す説明図。

【図４】プルトニウム燃料のペレット内中空部の体積割
合と中性子無限増倍率との関係を示す説明図。

【図５】本発明の燃料集合体の第二の実施例を示す説明
図。

【図６】本発明の燃料集合体の第三の実施例を示す説明
図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…チャンネルボックス、３…ペレッ
ト内中空部の体積割合が０％で核分裂性プルトニウム富
化度が３.５ｗ／ｏのプルトニウム燃料を装荷した燃料
棒、４…ペレット内中空部の体積割合が５％で核分裂性
プルトニウム富化度が３.５ｗ／ｏのプルトニウム燃料
を装荷した燃料棒、５…水ロッド、６…ペレット内中空
部の体積割合が８％で核分裂性プルトニウム富化度が
３.５ｗ／ｏのプルトニウム燃料を装荷した燃料棒、７
…ペレット内中空部の体積割合が０％で濃縮度が２.０
ｗ／ｏのウラン燃料を装荷した燃料棒、８…ペレット
内中空部の体積割合が０％で核分裂性プルトニウム富化
度が２.０ｗ／ｏのプルトニウム燃料を装荷した燃料
棒、９…ペレット内中空部の体積割合が０％で核分裂性
プルトニウム富化度が４.５ｗ／ｏのプルトニウム燃料
を装荷した燃料棒、１０…ペレット内中空部の体積割合
が８％で核分裂性プルトニウム富化度が４.５ｗ／ｏの
プルトニウム燃料を装荷した燃料棒。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軽水を冷却材兼減速材とする原子炉の炉心
部に装荷され、使用済燃料から再処理して得られたプル
トニウムを燃料の全部または一部として装荷し、複数の
燃料棒から構成される燃料集合体において、前記燃料棒内のペレットのうち、全部または一部が中空
部を有するペレットであり、前記燃料集合体内を複数の
領域に分けたとき、領域平均のペレット内中空部の体積
割合が小さい燃料を、運転時に水素対燃料原子数比が大
きい領域に配置したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】請求項１において、前記燃料集合体内の燃
料を外側から一層目の燃料とその他の燃料とに分けたと
き、平均のペレット内中空部の体積割合が外側で小さく
なるように構成した燃料集合体。
【請求項３】請求項１において、前記燃料集合体内の燃
料をチャンネルボックス外側のギャップ水、あるいは水
ロッドに隣接する燃料とその他の燃料とに分けたとき、
平均のペレット内中空部の体積割合がチャンネルボック
ス外側のギャップ水、あるいは前記水ロッドに隣接する
燃料で小さくなるように構成した燃料集合体。