JPH10170678A

JPH10170678A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH10170678A
Application number: JP8328193A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Izutsu; 定幸井筒; Satoshi Fujita; 聡志藤田; Tadao Aoyama; 肇男青山; Masaru Sasagawa; 勝笹川
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】ＭＯＸ装荷率が大きい燃料集合体において、軸
方向出力分布が下方に歪む度合いを抑制したＭＯＸ燃料
集合体を提供する。【解決手段】プルトニウムを富化した燃料に可燃性毒物
を含有した燃料棒１２と可燃性毒物を含有しない燃料棒
を正方格子状に配列した長尺燃料棒と短尺燃料棒からな
る燃料集合体１１において、いずれの燃料棒でもプルト
ニウム富化度が一様であるよう配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料集合体に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所の核燃料リサイクルとし
て、再処理によって取り出されたプルトニウムをウラン
と混合されたウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以
下、MOX燃料と呼ぶ）の利用がある。燃料経済性の向上
を図るためＭＯＸ燃料の高燃焼度化やＭＯＸ装荷率を高
めるニーズがある。

【０００３】燃料集合体にＭＯＸ燃料を装填すると、核
分裂性物質であるプルトニウム239やプルトニウム２４
１の熱中性子吸収断面積がウラン２３５より大きいこ
と、プルトニウム２４０による中性子吸収がウラン２３
８より大きいこと等により、ウラン燃料集合体よりも中
性子スペクトルが硬くなる。

【０００４】燃料の高燃焼度化を図るためには、燃料の
もつ反応度を高める必要があることから、ＭＯＸ燃料の
プルトニウム富化度を増加させることによって、中性子
スペクトルの硬化が増す。また、ＭＯＸ装荷率を高める
ため、中性子スペクトルがより軟らかいウラン燃料の装
荷率が低下することによっても、中性子スペクトルの硬
化が増す。

【０００５】ＢＷＲでは、ボイド分布が生じ、軸方向の
上方程ボイド率が大きく燃焼が進むにつれてプルトニウ
ムの蓄積が大きくなるため、軸方向出力分布は燃焼に伴
い上方に歪む傾向がある。また、中性子スペクトルの硬
化が増すと、減速材である水による中性子の減速効果が
悪くなるため、ボイド率が増加した時の反応度変化であ
るボイド係数の負の絶対値が大きくなる。ＢＷＲでは、
軸方向にボイド率分布が生じるため、ボイド係数の負の
絶対値の増加により、ボイド率の高い炉心上部でボイド
による反応度の低下量が大きくなるため、軸方向出力分
布が下方に歪み、軸方向の出力ピーキングが大きくなる
傾向にある。

【０００６】この軸方向出力分布を制御する技術は、ウ
ラン濃縮度やプルトニウム富化度を軸方向に分布させる
ものや可燃性毒物を燃料中に混入する量を軸方向に分布
させるものが知られている。ここで、可燃性毒物とは、
運転期間を通じ徐々に燃焼しその物質量が減少していく
中性子吸収材のことで、核燃料物質に混ぜて使用される
ガドリニア等がある。

【０００７】可燃性毒物の反応度抑制の様子を図７を用
いて示す。図７は可燃性毒物の一種であるガドリニアを
混入した燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化例を示して
いる。一般に、可燃性毒物を混入する燃料棒の本数を増
加させれば、燃焼初期での無限増倍率が低下する。また
混入する可燃性毒物の濃度を増加させれば、ガドリニア
の燃え尽きる時期を遅らせることが可能になり、その結
果、無限増倍率の最大値を抑えることが可能となる。こ
れらの効果を用いることで、可燃性毒物の混入濃度とそ
れが混入した燃料棒の本数の組み合わせにより、炉心の
余剰反応度や軸方向出力分布を適切に制御することが可
能となる。

【０００８】ＭＯＸ燃料集合体の場合、ＭＯＸ燃料棒に
おいてプルトニウム富化度を軸方向に分布させること
は、燃料の成型コストに影響があるため、ＭＯＸ燃料棒
のプルトニウム富化度は軸方向一様とすることが望まし
い。従って、軸方向出力分布制御のためには、ガドリニ
アを含有したウラン燃料棒において軸方向にウラン濃縮
度を分布させた設計やガドリニア濃度を分布させた設計
が用いられる。

【０００９】以上のような、軸方向のウラン濃縮度分布
を使用した例は、特開昭53−40181号公報に軸方向に２
領域を設けた燃料集合体が記載されている。また、ＭＯ
Ｘ燃料集合体でガドリニアを含有したウラン燃料棒にお
いて軸方向のウラン濃縮度分布やガドリニア濃度分布を
使用した例は、特開昭63−108294号公報に燃料集合体が
記載されている。軸方向の分割位置は約１／３〜１／２
で目的が達成されることが示されている。

【００１０】しかし、ＭＯＸ装荷率を増加させるため、
可燃性毒物を含有した燃料棒にプルトニウム富化度が軸
方向一様なプルトニウムを富化した燃料を使用する場合
などに、軸方向出力分布が下に歪む度合いが大きくな
り、出力ピーキングが大きくなる可能性がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＭＯ
Ｘ装荷率が大きい燃料集合体において、軸方向出力分布
が下方に歪む度合いを抑制したＭＯＸ燃料集合体を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、可燃性毒物
を含有した燃料棒と可燃性毒物を含有しない燃料棒を正
方格子状に配列したＭＯＸ燃料集合体において、長尺燃
料棒と短尺燃料棒を使用し、炉心軸方向上下における水
と燃料の比率を変えることにより解決される。即ち、短
尺燃料棒を炉心下方位置に設けることにより、炉心上方
の水対燃料比は大きく、炉心下方の水対燃料比は小さく
なる。プルトニウムは中性子スペクトルが硬くなってい
るため、水対燃料比の大きい炉心上方で中性子スペクト
ルが軟化し反応度が高くなる。このため、燃料集合体の
軸方向の平均富化度が同一であっても、炉心軸方向に反
応度差が生じ、下方に歪んだ軸方向の出力分布を抑制す
ることができる。ウラン燃料の場合に、反応度が高くな
るように水対燃料比が最適化されている条件では、軸方
向上下の水対燃料比の差異により十分な反応度差は生じ
ない。

【００１３】特に、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化を考える
と、炉心における燃料集合体間の出力差が大きくなり、
熱的余裕も低減する方向にあるため、燃料集合体を構成
する燃料棒の配列を９行×９列または１０行×１０列と
することにより、炉心平均の線出力密度を低減すること
が適切である。

【００１４】短尺燃料棒の軸方向位置は、軸方向に燃料
有効長の２／３以下に位置すること、短尺燃料棒の本数
が全燃料棒本数の１５％以下であることにより、炉心の
軸方向出力分布を制御することができる。

【００１５】短尺燃料棒のプルトニウム富化度は、前記
集合体形状が固定されている条件下で出力ピーキングを
低下するよう適切に選定し得るが、前記集合体形状が軸
方向ピーキング抑制の観点から適切である場合にプルト
ニウム富化度種類数を増やさないことも考慮すると、長
尺燃料棒のプルトニウム富化度の内、燃料集合体の平均
富化度に最も近い富化度に一致させることが適当であ
る。また、炉心上下の反応度差を拡大する必要がある場
合には、短尺燃料棒のプルトニウム富化度を長尺燃料棒
のプルトニウム富化度の内、燃料集合体の平均富化度に
最も近い富化度より低い富化度に一致させることができ
る。

【００１６】以上は、ＭＯＸ装荷率を増加させるため、
可燃性毒物を含有した燃料棒にプルトニウム富化度が軸
方向一様なプルトニウムを富化した燃料を使用する場
合、軸方向の出力ピーキングを抑制する手段であるが、
可燃性毒物を含有した燃料棒に軸方向一様なウラン燃料
を使用した場合にも適用できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を記載す
る。

【００１８】（実施例１）本発明による実施例の燃料集
合体を図１に示す。また、垂直方向の断面図を図６に示
す。本実施例の燃料集合体１１は、燃料棒１２，チャン
ネルボックス１３，ウオータロッド１４，上部タイプレ
ート１５，下部タイプレート１６及び燃料スペーサ１７
などからなっている。燃料棒１２及びウオータロッド１
４の上下端部は、上部タイプレート及び下部タイプレー
トで保持される。スペーサ１７は、燃料棒１２の軸方向
に幾つか配置され、燃料棒１２及びウオータロッド１４
の相互間の間隙を適切な状態に保持している。チャンネ
ルボックス１３は、上部タイプレート１５に取付けら
れ、スペーサ１７で保持された燃料棒１２の束の外周を
取り囲んでいる。十字型の制御棒１８は、チャンネルボ
ックス１３に隣接する。燃料棒１２は、上部端栓及び下
部端栓により両端を密封された被覆管内に多数の燃料ペ
レットを充填したものである。

【００１９】ＭＯＸ燃料ペレットは、燃料物質であるＰ
ｕＯ₂及び燃料母材であるＵＯ₂にて構成され、核分裂
物質である²³⁹Ｐｕ，²⁴¹Ｐｕ及び²³⁵Ｕを含んでい
る。また、ガドリニア入りＭＯＸ燃料ペレットも、燃料
物質であるＰｕＯ₂，ＵＯ₂及びこれに含有した可燃性
毒物であるガドリニアにて構成され、核分裂物質である
²³⁹Ｐｕ，²⁴¹Ｐｕ及び²³⁵Ｕを含んでいる。スプリン
グが被覆管内のガスプレナム領域に配置され、燃料ペレ
ットを上下に押圧している。ウオータロッド１３は、燃
料物質を充填せず、内部を沸騰しない冷却水が通過する
ようになっている。

【００２０】燃料集合体１１を構成する燃料棒１２は、
図１に示すように、燃料棒番号１〜６の６種類のものが
ある。これらの燃料棒番号１〜６が図４に示されるよう
にチャンネルボックス１３の内で、燃料集合体横断面に
配置されている。正方格子状の燃料棒配列は、９行×９
列である。燃料棒番号１〜５がガドリニアを含有しない
ＭＯＸ燃料棒であり、この内燃料棒番号１〜４が長尺燃
料棒、燃料棒番号５が短尺燃料棒である。燃料棒番号６
がガドリニアを含有したＭＯＸ燃料棒である。ここで、
ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係は、Ｐｕ富化度の大きい
方から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％であり、軸方向に一様な
富化度となっている。本実施例では、全体の富化度種類
数を４種類とし、短尺燃料棒のＰｕ富化度を長尺燃料棒
の２番目に大きいＰｕ富化度に一致させている。また、
ガドリニアを含有したＭＯＸ燃料棒のＰｕ富化度も長尺
燃料棒の２番目に大きいＰｕ富化度に一致させている。
ここで、富化度Ｂの値は、燃料集合体の平均富化度に比
較的近いようにしている。

【００２１】短尺燃料棒の軸方向位置は、長尺燃料棒の
長さである燃料有効長の下端から、燃料有効長の１／２
３〜１５／２３の範囲に設けられる。また、短尺燃料棒
の水平方向位置は、燃料棒配列における外層から２層目
にコーナ部を含む８本が設けられている。

【００２２】この燃料集合体の炉心上部及び炉心下部に
おける無限増倍率の燃焼変化例を図５に示す。炉心上部
と下部の反応度差は２％Δｋ程度が得られ、軸方向の出
力ピーキングを抑制するのに十分な大きさが得られる。
即ち、短尺燃料棒が軸方向に燃料有効長の２／３以下に
位置させること、及び短尺燃料棒の本数が全燃料棒本数
の１５％以下であることにより、所要の軸方向反応度分
布を得ることが可能である。

【００２３】（実施例２）本発明による実施例の燃料集
合体を図２に示す。

【００２４】燃料集合体１１を構成する燃料棒１２は、
図２に示すように、燃料棒番号１〜６の６種類のものが
ある。これらの燃料棒番号１〜６が図４に示されるよう
にチャンネルボックス１３の内で、燃料集合体横断面に
配置されている。正方格子状の燃料棒配列は、９行×９
列である。燃料棒番号１〜５がガドリニアを含有しない
ＭＯＸ燃料棒であり、この内燃料棒番号１〜４が長尺燃
料棒、燃料棒番号５が短尺燃料棒である。燃料棒番号６
がガドリニアを含有したＭＯＸ燃料棒である。ここで、
ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係は、Ｐｕ富化度の大きい
方から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％であり、軸方向に一様な
富化度となっている。本実施例では、全体の富化度種類
数を４種類とし、短尺燃料棒のＰｕ富化度を長尺燃料棒
の３番目に大きいＰｕ富化度に一致させている。一方、
ガドリニアを含有したＭＯＸ燃料棒のＰｕ富化度は長尺
燃料棒の２番目に大きいＰｕ富化度に一致させている。
ここで、富化度Ｂの値が、燃料集合体の平均富化度に比
較的近いようにしている。

【００２５】短尺燃料棒の軸方向位置は、長尺燃料棒の
長さである燃料有効長の下端から、燃料有効長の１／２
３〜１５／２３の範囲に設けられる。また、短尺燃料棒
の水平方向位置は、燃料棒配列における外層から２層目
にコーナ部を含む８本が設けられている。

【００２６】即ち、本実施例では、短尺燃料棒の富化度
が燃料集合体平均富化度より小さく、炉心上下の反応度
差が実施例１よりも拡大しているため、炉心上部と下部
の反応度差は軸方向の出力ピーキングを抑制するのに実
施例１より大きな効果が得られる。

【００２７】（実施例３）本発明による実施例の燃料集
合体を図３に示す。

【００２８】燃料集合体１１を構成する燃料棒１２は、
図３に示すように、燃料棒番号１〜６の６種類のものが
ある。これらの燃料棒番号１〜６が図１と同様にチャン
ネルボックス１３の内で、燃料集合体横断面に配置され
ている。正方格子状の燃料棒配列は、９行×９列であ
る。燃料棒番号１〜５がガドリニアを含有しないＭＯＸ
燃料棒であり、この内燃料棒番号１〜４が長尺燃料棒、
燃料棒番号５が短尺燃料棒である。燃料棒番号６がガド
リニアを含有した濃縮ウラン燃料棒である。

【００２９】ここで、ＭＯＸ燃料の富化度の大小関係
は、Ｐｕ富化度の大きい方から、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ重量％
であり、軸方向に一様な富化度となっている。本実施例
では、全体の富化度種類数を４種類とし、短尺燃料棒の
Ｐｕ富化度を長尺燃料棒の２番目に大きいＰｕ富化度に
一致させている。ここで、富化度Ｂの値が、燃料集合体
の平均富化度に比較的近いようにしている。

【００３０】短尺燃料棒の軸方向位置は、長尺燃料棒の
長さである燃料有効長の下端から、燃料有効長の１／２
３〜１５／２３の範囲に設けられる。また、短尺燃料棒
の水平方向位置は、燃料棒配列における外層から２層目
にコーナ部を含む８本が設けられている。

【００３１】即ち、本実施例では、濃縮ウラン燃料に可
燃性毒物を含有した燃料棒を使用した場合に炉心上部と
下部の反応度差は軸方向の出力ピーキングを抑制する効
果が得られる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、ＭＯＸ装荷率を増加さ
せるため、可燃性毒物を含有した燃料棒にプルトニウム
富化度が軸方向一様なプルトニウムを富化した燃料を使
用する場合などに、軸方向出力分布が下方に歪む度合い
を抑制した特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料集合体の第１の実施例の説明
図。

【図２】本発明による燃料集合体の第２の実施例の説明
図。

【図３】本発明による燃料集合体の第３の実施例の説明
図。

【図４】本発明の第１及び第２の実施例の水平断面図。

【図５】無限増倍率の燃焼度依存性の特性図。

【図６】燃料集合体の断面図。

【図７】可燃性毒物の反応度抑制の様子を示す特性図。

【符号の説明】

１１…燃料集合体、１２…燃料棒、１３…チャンネルボ
ックス、１４…ウオータロッド、１５…上部タイプレー
ト、１６…下部タイプレート、１７…スペーサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山肇男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 (72)発明者笹川勝茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プルトニウムを富化した燃料に可燃性毒物
を含有した燃料棒と可燃性毒物を含有しない燃料棒を正
方格子状に配列した長尺燃料棒と短尺燃料棒からなる燃
料集合体において、いずれの燃料棒でもプルトニウム富
化度が一様である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、上記正方格子状に配列
した燃料棒が９行×９列または１０行×１０列であり、
短尺燃料棒が軸方向に燃料有効長の２／３以下に位置す
る燃料集合体。
【請求項３】請求項２において、短尺燃料棒の本数が全
燃料棒本数の１５％以下である燃料集合体。
【請求項４】請求項１において、短尺燃料棒のプルトニ
ウム富化度が、長尺燃料棒のプルトニウム富化度の内、
燃料集合体の平均富化度に最も近い富化度に一致してい
る燃料集合体。
【請求項５】請求項１において、短尺燃料棒のプルトニ
ウム富化度が、長尺燃料棒のプルトニウム富化度の内、
燃料集合体の平均富化度に最も近い富化度より低い富化
度に一致している燃料集合体。
【請求項６】濃縮ウラン燃料に可燃性毒物を含有した燃
料棒とプルトニウムを富化した燃料に可燃性毒物を含有
しない燃料棒を正方格子状に配列した長尺燃料棒と短尺
燃料棒からなる燃料集合体において、いずれの燃料棒で
もプルトニウム富化度またはウラン濃縮度が一様である
ことを特徴とする燃料集合体。