JPH07159569A

JPH07159569A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH07159569A
Application number: JP5306234A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ishii; 一弥石井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1995-06-23

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領域に、ペレット半径の大きな燃料
を用いることにより、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】ペレット半径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らかく
なっている。

【０００３】一方、核分裂性プルトニウム、例えば、
²³⁹Ｐｕは、熱エネルギ領域（１ｅＶ以下）の核分裂断
面積が、²³⁵Ｕに比べて二倍以上大きい。しかも、²³⁹Ｐ
ｕ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
在するために、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
クトルが軟らかく、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、ペレット半径の大きな燃
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
クトルが軟らかくなる。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らかくなると燃
焼初期での中性子無限増倍率は増大する。

【００１０】一方、ペレット半径の小さい燃料を同じ形
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
子スペクトルが軟らかくなり、燃焼初期での中性子無限
増倍率は増大する。

【００１１】図４に、プルトニウム燃料におけるペレッ
ト半径の相対値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、基準のペレット半径の場合と
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、ペレット半径が５％小さくな
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らかい、ギ
ャップ水に近い周辺部に、他の領域に比べペレット半径
の大き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、燃焼初期に低
め、かつ燃焼末期に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らかい体系であ
る。燃料棒３は、ペレット半径が５.３mm のプルトニウ
ム燃料を装荷したもの、燃料棒４は、ペレット半径が
５.１mm 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半径５.３mm のペ
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１０.８ｇ／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
ト半径の大き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、ペレット半径一様の燃料に比べ、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、本発明になる燃料集合体の第二の
実施例を示す説明図である。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、ペレット半径が５.０mm 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。

【００１７】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、ペレット半径の大きな燃料を用いた。その結果、ペ
レット半径一様の燃料に比べ、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。

【００１８】図６は、本発明になる燃料集合体の第三の
実施例を示す説明図である。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２０本の燃料棒１０で構成されている。燃料棒７は、
ペレット半径が５.３mm 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、ペレット半径が５.
３mm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
半径が５.３mm で核分裂性プルトニウム富化度が４.５
ｗ／ｏのプルトニウム燃料を装荷したもの、燃料棒１
０は、ペレット半径が５.０mm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１０.８
ｇ／cc である。

【００１９】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半径が大きい燃料を
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。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、中性子スペクトルの軟
らかい、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、ペレット半径
の大き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
関係を示す特性図。

【図３】中性子エネルギと²³⁵Ｕの核分裂断面積との関
係を示す特性図。

【図４】プルトニウム燃料のペレットの相対半径と中性
子無限増倍率との関係を示す特性図。

【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、３，４…燃
料棒、５…水ロッド。

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には半径の異なる複数の種類が
あり、前記燃料集合体内を複数の領域に分けたとき、ペ
レット半径が大きい燃料を、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、平均のペレット半径が外側で
大き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の外側の
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、平均のペレット半径が前記チャ
ンネルボックス外側のギャップ水、あるいは水ロッドに
隣接する燃料で大きくなるように構成した燃料集合体。