JPH09329682A

JPH09329682A - 初装荷炉心

Info

Publication number: JPH09329682A
Application number: JP8145446A
Authority: JP
Inventors: Hidemitsu Shimada; 秀充嶋田; Tadao Aoyama; 肇男青山; Yoko Yuji; 洋子湯地; Sadao Uchikawa; 貞夫内川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1997-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、ＭＯＸ燃料集合体を装荷して
も燃料経済性を向上できる初装荷炉心を提供することに
ある。【解決手段】この炉心は、４５２体のウラン燃料集合
体，４２０体の平均富化度が高いMOX燃料集合体４で構
成され、ＭＯＸ燃料集合体４の全燃料集合体に占める数
の割合は４８.２％となる。ウラン燃料集合体は、２０
８体の平均濃縮度が低い低濃縮度燃料集合体１と、１４
８体の平均濃縮度が中間の中濃縮度燃料集合体２と、９
６体の平均濃縮度が高い高濃縮度燃料集合体３とからな
る。ＭＯＸ燃料集合体４の核分裂性物質の平均重量割合
４.０ｗｔ％は、全燃料集合体の核分裂性物質の平均重
量割合３.０ｗｔ％よりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＭＯＸ燃料集合体を
有する原子炉の初装荷炉心に係り、特に、軽水冷却型原
子炉に用いるのに好適な初装荷炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、原子炉の炉心においては、所定
の期間（１運転サイクル、以下、単に１サイクルと呼
ぶ）運転した後、原子炉が停止され、燃料の一部が取り
出されて新しい燃料と交換される。通常、交換される燃
料は、炉心に装荷されている全燃料の１／４〜１／３程
度である。即ち、装荷された燃料は、炉心から取り出さ
れるまでに、３〜４サイクル程度の期間炉内に滞在す
る。各運転サイクルで交換される燃料の数が一定である
平衡炉心では、滞在期間に応じて燃焼度の異なる燃料が
炉内に滞在することになる。

【０００３】一方、燃焼履歴を持たない新燃料だけから
なる初装荷炉心においては、始めの１サイクルの間運転
した後、燃料の一部が取り出されて新燃料と交換される
ことになる。このようにして、初装荷炉心から何サイク
ルか燃料交換を行った後に、平衡炉心へと移行するよう
になる。初装荷炉心から取り出される燃料は、１サイク
ルしか炉心に滞在しないので、３〜４サイクルの間炉心
に滞在して取り出される燃料に比べて燃焼度が低く、発
生エネルギーが小さい。

【０００４】従って、一般に、初装荷炉心においては、
炉内滞在期間に応じてウラン濃縮度を変えた複数の燃料
からなる平衡炉心を模擬した構成が採用されており、核
分裂性物質を有効に利用することで燃料経済性の向上が
図られている。このような平衡炉心を模擬した初装荷炉
心に関する従来技術として、特開平5−249270 号公報が
ある。

【０００５】この従来技術は、炉心を、平均濃縮度が
３.４重量％の高濃縮度燃料集合体，２.３重量％の中
濃縮度燃料集合体、及び、１.１重量％の低濃縮度燃料
集合体の３種類で構成し、濃縮度の低い燃料集合体から
順に炉心から取出し、濃縮度の高い燃料集合体ほど長い
期間炉内に滞在するようにしたものである。

【０００６】また、プルトニウムを燃料として用いる方
法としては、炉心内の一定の割合の燃料集合体をＭＯＸ
燃料集合体とする炉心構成や、炉心内の全ての燃料集合
体をＭＯＸ燃料集合体とする炉心構成が考えられる。こ
こでは、後者の場合について考える。

【０００７】炉心内の全ての燃料集合体をＭＯＸ燃料集
合体とするには、２つの方法が考えられる。第１の方法
は、ウラン燃料で平衡炉心となっている炉心に、一定の
割合でプルトニウムを装荷し続け、炉心全体をプルトニ
ウム燃料にする方法である。第２の方法は、初装荷炉心
において、富化度の異なる複数のプルトニウム燃料を用
いて平衡炉心を模擬し、初めから炉心全体をプルトニウ
ム燃料だけにする方法である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記第１の方法では、
ＭＯＸ燃料集合体が装荷されない運転サイクルが存在す
るため、プルトニウムを有効に用いることができない。
上記第２の方法では、炉心全体が初めからＭＯＸ燃料集
合体であるため、プルトニウムを有効に用いることがで
きる。しかしながら、初装荷炉心にのみ用いる富化度の
燃料を製造しなければならないので、その分燃料の製造
コストが増大し、燃料経済性の観点で好ましくない。

【０００９】本発明の目的は、ＭＯＸ燃料集合体を装荷
しても燃料経済性を向上できる初装荷炉心を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体と
を装荷した原子炉の初装荷炉心において、前記ＭＯＸ燃
料集合体の核分裂性物質の平均重量割合を、全燃料集合
体の核分裂性物質の平均重量割合よりも大きくする。

【００１１】また、好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体
の全燃料集合体に対する数の割合を５０％以下とする。

【００１２】また、好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体
を、炉心の最外層及び前記炉心に挿入される制御棒に隣
接する位置を除いた位置に装荷する。

【００１３】また、好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体
に含まれる可燃性毒物を含有した燃料棒の本数を、前記
ウラン燃料集合体に含まれるその本数よりも多くする。

【００１４】また、好ましくは、前記ＭＯＸ燃料集合体
における、最外周に装荷された燃料棒に含まれる核分裂
性物質の平均重量割合をＡ１，最外周以外に装荷された
燃料棒に含まれる核分裂性物質の平均重量割合をＢ１と
し、前記ウラン燃料集合体における、最外周に装荷され
た燃料棒に含まれる核分裂性物質の平均重量割合をＡ
２，最外周以外に装荷された燃料棒に含まれる核分裂性
物質の平均重量割合をＢ２とした場合に、（Ａ１／Ｂ
１）＜（Ａ２／Ｂ２）を満たすように構成する。以下、
本発明による作用を説明する。以下では、燃料の取替え
バッチ数が３バッチ，燃料集合体の総数が８７２体の炉
心を例に取って説明する。ここで、燃料の取替えバッチ
数が３であるとは、新たに装荷された燃料集合体が、３
サイクルを炉内で経た後に炉外に取り出されることを意
味する。

【００１５】ＭＯＸ燃料集合体を初装荷炉心に用いた場
合、プルトニウムを有効に利用する（燃料経済性を向上
する）という観点からは、ＭＯＸ燃料集合体をできるだ
け長い期間炉内に滞在させて、できるだけ多くのエネル
ギーを取り出すことが重要である。従って、上記３バッ
チの条件では、第３サイクル終了後にＭＯＸ燃料集合体
を炉外に取り出す方が良い。このためには、従来のウラ
ンを燃料とした初装荷炉心における高濃縮度燃料集合体
に代えて、ＭＯＸ燃料集合体を用いる必要がある。これ
を燃料集合体中の核分裂性物質の量の関係で表せば、Ｍ
ＯＸ燃料集合体の核分裂性物質の平均重量割合を全燃料
集合体の核分裂性物質の平均重量割合よりも大きくする
ことになる。

【００１６】また、プルトニウムを有効に利用するとい
う観点から、ＭＯＸ燃料集合体を炉心の最外層に配置す
ることは適当ではない。これは、炉心の最外層は、それ
よりも内側の領域に比べて中性子束が低く、出力が増大
せず、最外層に配置された燃料集合体の燃焼度は高くな
らないためである。

【００１７】更に、現在の炉心設計では、コントロール
セルコア炉心概念を採用している。以下、この概念につ
いて説明する。原子炉運転では、制御棒を挿入して運転
初期から運転末期まで原子炉を運転する。この際、運転
末期に制御棒を引き抜いた後で、制御棒に隣接した燃料
集合体の出力が過剰に増大しないように、制御棒に隣接
した位置（コントロールセルの位置）には炉心内で比較
的燃焼の進んだ燃料集合体を配置する概念である。この
概念を適用すると、ＭＯＸ燃料集合体は富化度が高いの
で、コントロールセルの位置には配置できない。

【００１８】炉心の最外層の燃料集合体の数は９２体で
あり、ここにＭＯＸ燃料集合体を配置すべきでないこと
は既に説明した。また、余剰反応度を制御するために必
要なコントロールセルの数は、第１及び第２サイクルで
は３０程度となる。これから、ウランを燃料とした平衡
炉心を模擬した初装荷炉心で用いる中濃縮度又は低濃縮
度相当の燃料集合体は、４２４体（全燃料集合体の数の
４９％）程度必要になる。つまり、使用できるＭＯＸ燃
料集合体の数は全燃料集合体の５０％以下になる。

【００１９】プルトニウム及びウランの中性子エネルギ
ーと吸収断面積の関係を図５に示す。同図から、中性子
エネルギーが低い領域では、ウランの吸収断面積はプル
トニウムのそれよりも小さい。この差により、プルトニ
ウムを燃料として用いた炉心では、ウランを燃料として
用いた炉心に比べて、燃料による低エネルギーの中性子
（熱中性子）の吸収反応が多くなる。即ち、ウランに比
べてプルトニウムによる熱中性子の吸収割合が増加する
分、可燃性毒物による熱中性子の吸収割合が減少する。
従って、反応度を抑制するために用いる可燃性毒物の反
応度抑制効果が減少し、余剰反応度が増大する。

【００２０】また、同じ理由により、制御棒価値も減少
する。制御棒価値とは、制御棒を原子炉内に挿入した
時、制御棒が中性子を吸収することによって、炉心の実
効的な無限増倍率を減少させる大きさを表す指標であ
る。そこで、ＭＯＸ燃料集合体に含まれる可燃性毒物を
含有した燃料棒の本数を、ウラン燃料集合体に含まれる
その本数よりも多くすることにより、前記した可燃性毒
物による熱中性子の吸収割合を増加できるので、前記し
た反応度抑制効果の減少を補償し余剰反応度を抑制する
ことができる。

【００２１】また、上述したプルトニウムの特性のため
に、ＭＯＸ燃料集合体を用いた炉心では、中性子スペク
トルのミスマッチが増大する。つまり、ウラン燃料集合
体の中性子スペクトルはＭＯＸ燃料集合体よりも柔らか
くなるので、熱中性子がウラン燃料集合体からＭＯＸ燃
料集合体に流入し、特にＭＯＸ燃料集合体の外周部の燃
料棒がその影響を受ける。このため、ＭＯＸ燃料集合体
の外周部の燃料棒の出力が外周部以外の燃料棒よりも高
くなる。

【００２２】従って、ＭＯＸ燃料集合体における、最外
周に装荷された燃料棒に含まれる核分裂性物質の平均重
量割合をＡ１，最外周以外に装荷された燃料棒に含まれ
る核分裂性物質の平均重量割合をＢ１とし、ウラン燃料
集合体における、最外周に装荷された燃料棒に含まれる
核分裂性物質の平均重量割合をＡ２，最外周以外に装荷
された燃料棒に含まれる核分裂性物質の平均重量割合を
Ｂ２とした場合に、（Ａ１／Ｂ１）＜（Ａ２／Ｂ２）を
満たすように構成することにより、ＭＯＸ燃料集合体の
最外周の燃料棒の出力を相対的に低下できる。よって、
ＭＯＸ燃料集合体への熱中性子の流入を考慮しても、そ
の出力増大を抑制し熱的余裕を向上することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。

【００２４】（第１実施例）図１に、本発明を適用した
初装荷炉心の第１実施例の１／４横断面図を示す。この
炉心は、４５２体のウラン燃料集合体、４２０体の平均
富化度が高いＭＯＸ燃料集合体４で構成され、全燃料集
合体の数は８７２体である。本構成により、ＭＯＸ燃料
集合体４の全燃料集合体に占める数の割合は４８.２％
となる。ウラン燃料集合体は、２０８体の平均濃縮度が
低い低濃縮度燃料集合体１と、１４８体の平均濃縮度が
中間の中濃縮度燃料集合体２と、９６体の平均濃縮度が
高い高濃縮度燃料集合体３とからなる。

【００２５】ＭＯＸ燃料集合体４の核分裂性物質（ウラ
ン＋プルトニウム）の平均重量割合は４.０ｗｔ％、ウ
ラン燃料集合体の核分裂性物質(ウラン）の平均重量割
合は２.１ｗｔ％である。本構成により、全燃料集合体
の核分裂性物質の平均重量割合は３.０ｗｔ％となり、
これに比べてＭＯＸ燃料集合体の核分裂性物質の平均重
量割合を大きくしている。本構成を備えることにより、
第３サイクルの終了までＭＯＸ燃料集合体を炉内に滞在
させることができるので、燃焼度を増大し燃料経済性を
向上することができる。

【００２６】また、本実施例では、炉心の最外層と、制
御棒が挿入される２１個のコントロールセル（図１に太
枠で示す）に低濃縮度燃料集合体１を装荷し、この位置
にＭＯＸ燃料集合体を装荷しないようにしている。本構
成を備えることにより、コントロールセル内では、軸方
向で制御棒が挿入されていた領域と、制御棒が挿入され
ていなかった領域との出力差は余り大きくならない。従
って、制御棒引抜き後のコントロールセルの軸方向出力
分布を平坦化でき、炉心の軸方向出力分布を平坦化する
ことができる。

【００２７】以上説明したように、本実施例によれば、
ＭＯＸ燃料集合体を装荷した初装荷炉心において、燃料
経済性を向上し、炉心の軸方向出力分布を平坦化するこ
とができる。

【００２８】（第２実施例）次に、図２を用いて本発明
の第２実施例を説明する。図２は、本発明を適用した初
装荷炉心の第２実施例の１／４横断面図を示す。この炉
心は、４３６体のウラン燃料集合体，４３６体のＭＯＸ
燃料集合体４で構成され、全燃料集合体の数は８７２体
である。ＭＯＸ燃料集合体４の全燃料集合体に占める数
の割合は５０％で、第１実施例よりも増えている。ウラ
ン燃料集合体は、２０８体の低濃縮度燃料集合体１と、
１３２体の中濃縮度燃料集合体２と、９６体の高濃縮度
燃料集合体３とからなる。

【００２９】ＭＯＸ燃料集合体４及びウラン燃料集合体
の核分裂性物質の平均重量割合は、第１実施例と同様
に、４.０ｗｔ％及び２.１ｗｔ％で、全燃料集合体の核
分裂性物質の平均重量割合３.０ｗｔ％に比べてＭＯＸ
燃料集合体の核分裂性物質の平均重量割合を大きくして
いる。また、第１実施例と同様に、炉心の最外層と、制
御棒が挿入されるコントロールセル（図２に太枠で示
す）に、低濃縮度燃料集合体１を配置している。第１実
施例と異なる点は、コントロールセルの数が２９個に増
えていることである。

【００３０】以上の構成を備えることにより、本実施例
でも、第１実施例と同様に、ＭＯＸ燃料集合体を装荷し
た初装荷炉心において、燃料経済性を向上し、炉心の軸
方向出力分布を平坦化することができる。

【００３１】更に、本実施例では、第１実施例に比べて
ＭＯＸ燃料集合体４の装荷体数を増やしているので、燃
料経済性をより効果的に向上することができる。

【００３２】（第３実施例）次に、図３を用いて本発明
の第３実施例を説明する。図３は、本発明を適用した初
装荷炉心の第３実施例の１／４横断面図を示す。本実施
例の炉心構成は、基本的には第２実施例と同じである。

【００３３】即ち、本炉心は、４３６体のウラン燃料集
合体，４３６体のＭＯＸ燃料集合体４で構成され、ＭＯ
Ｘ燃料集合体４の全燃料集合体に占める数の割合は５０
％である。ウラン燃料集合体は、２０８体の低濃縮度燃
料集合体１と、１３２体の中濃縮度燃料集合体２と、９
６体の高濃縮度燃料集合体３とからなる。また、MOX燃
料集合体４及びウラン燃料集合体の核分裂性物質の平均
重量割合は、４.０ｗｔ％及び２.１ｗｔ％で、全燃料集
合体の核分裂性物質の平均重量割合３.０ｗｔ％に比べ
てＭＯＸ燃料集合体の核分裂性物質の平均重量割合を大
きくしている。また、低濃縮度燃料集合体１は、炉心の
最外層と、制御棒が挿入される２９個のコントロールセ
ル（図３に太枠で示す）に装荷されている。

【００３４】本実施例が第２実施例と異なる点は、低濃
縮度燃料集合体１，中濃縮度燃料集合体２，高濃縮度燃
料集合体３，ＭＯＸ燃料集合体４の可燃性毒物入り燃料
棒の本数を、それぞれ０本，３本，１０本，１２本とし
ていることである。即ち、ＭＯＸ燃料集合体４の可燃性
毒物入り燃料棒の本数を、ウラン燃料集合体の可燃性毒
物入り燃料棒の本数よりも多くしている。

【００３５】以上の構成を備えることにより、本実施例
でも、第１実施例と同様に、ＭＯＸ燃料集合体を装荷し
た初装荷炉心において、燃料経済性を向上し、炉心の軸
方向出力分布を平坦化することができる。

【００３６】更に、本実施例では、ＭＯＸ燃料集合体４
の可燃性毒物入り燃料棒の本数をウラン燃料集合体より
も多くしたことにより、可燃性毒物による熱中性子の吸
収割合を増加できるので、第２実施例に比べて、反応度
抑制効果を増大することができる。

【００３７】（第４実施例）次に、図４を用いて本発明
の第４実施例を説明する。図４は、本発明を適用した初
装荷炉心の第４実施例の１／４横断面図を示す。本実施
例の炉心構成も、基本的には第２実施例と同じである。

【００３８】即ち、本炉心は、４３６体のウラン燃料集
合体，４３６体のＭＯＸ燃料集合体４で構成され、ＭＯ
Ｘ燃料集合体４の全燃料集合体に占める数の割合は５０
％である。ウラン燃料集合体は、２０８体の低濃縮度燃
料集合体１と、１３２体の中濃縮度燃料集合体２と、９
６体の高濃縮度燃料集合体３とからなる。また、低濃縮
度燃料集合体１は、炉心の最外層と、制御棒が挿入され
る２９個のコントロールセル（図４に太枠で示す）に装
荷されている。

【００３９】本実施例が第２実施例と異なる点は、図４
に示すように、燃料集合体内を最外周の燃料棒が装荷さ
れている領域Ａと、領域Ａの内側の領域Ｂとに領域分け
した場合、ＭＯＸ燃料集合体４において、領域Ａに装荷
された燃料棒に含まれる核分裂性物質（ウラン＋プルト
ニウム）の平均重量割合Ａ１と、領域Ｂに装荷された燃
料棒に含まれる核分裂性物質（ウラン＋プルトニウム）
の平均重量割合Ｂ１との比Ａ１／Ｂ１を０.５５として
いることである。また、ウラン燃料集合体においては、
領域Ａに装荷された燃料棒に含まれる核分裂性物質（ウ
ラン）の平均重量割合Ａ２と、領域Ｂに装荷された燃料
棒に含まれる核分裂性物質（ウラン）の平均重量割合Ｂ
２との比Ａ２／Ｂ２を、低濃縮度燃料集合体１が０.７
２，中濃縮度燃料集合体２が０.７５，高濃縮度燃料集
合体３が０.７７となるようにしている。即ち、何れの
ウラン燃料集合体に対しても、(Ａ１／Ｂ１)＜(Ａ２／
Ｂ２)を満たすように構成している。

【００４０】以上の構成を備えることにより、本実施例
でも、第１実施例と同様に、ＭＯＸ燃料集合体を装荷し
た初装荷炉心において、燃料経済性を向上し、炉心の軸
方向出力分布を平坦化することができる。

【００４１】更に、本実施例では、（Ａ１／Ｂ１）＜
（Ａ２／Ｂ２）を満たすように燃料集合体を構成したこ
とにより、ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体との間
のスペクトルのミスマッチを緩和することもできる。即
ち、ＭＯＸ燃料集合体の外周部の燃料棒による過度の出
力増加を抑制できるので、第２実施例に比べて熱的余裕
を向上することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、ＭＯＸ燃料集合体を用
いて、燃料経済性に優れた初装荷炉心を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した初装荷炉心の第１実施例の１
／４横断面図。

【図２】本発明を適用した初装荷炉心の第２実施例の１
／４横断面図。

【図３】本発明を適用した初装荷炉心の第３実施例の１
／４横断面図。

【図４】本発明を適用した初装荷炉心の第４実施例の１
／４横断面図。

【図５】プルトニウム及びウランの中性子エネルギーと
吸収断面積の関係図。

【符号の説明】

１…低濃縮度燃料集合体、２…中濃縮度燃料集合体、３
…高濃縮度燃料集合体、４…ＭＯＸ燃料集合体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内川貞夫茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体とを
装荷した原子炉の初装荷炉心において、前記ＭＯＸ燃料集合体の核分裂性物質の平均重量割合
が、全燃料集合体の核分裂性物質の平均重量割合よりも
大きいことを特徴とする初装荷炉心。
【請求項２】請求項１において、前記ＭＯＸ燃料集合体
の全燃料集合体に対する数の割合を５０％以下としたこ
とを特徴とする初装荷炉心。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記ＭＯ
Ｘ燃料集合体は、炉心の最外層及び前記炉心に挿入され
る制御棒に隣接する位置を除いた位置に装荷されること
を特徴とする初装荷炉心。
【請求項４】請求項１乃至３の何れかにおいて、前記Ｍ
ＯＸ燃料集合体に含まれる可燃性毒物を含有した燃料棒
の本数を、前記ウラン燃料集合体に含まれるその本数よ
りも多くしたことを特徴とする初装荷炉心。
【請求項５】請求項１乃至４の何れかにおいて、前記Ｍ
ＯＸ燃料集合体における、最外周に装荷された燃料棒に
含まれる核分裂性物質の平均重量割合をＡ１、最外周以
外に装荷された燃料棒に含まれる核分裂性物質の平均重
量割合をＢ１とし、前記ウラン燃料集合体における、最外周に装荷された燃
料棒に含まれる核分裂性物質の平均重量割合をＡ２，最
外周以外に装荷された燃料棒に含まれる核分裂性物質の
平均重量割合をＢ２とした場合に、（Ａ１／Ｂ１）＜（Ａ２／Ｂ２）を満たすように構成したことを特徴とする初装荷炉心。