JPH102980A - 燃料集合体の製造方法及び燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】中央側燃料棒に熱核分裂性Ｐu核種の多いプル
トニウムを使用し、外側燃料棒に熱核分裂性Ｐu核種の
比較的少ないプルトニウムを使用する燃料集合体の製造
方法において、各燃料棒のプルトニウム富化度設定を容
易に行う。 【解決手段】使用済燃料等からプルトニウム原料物質が
所定量供給されると、全平均熱核分裂性プルトニウム組
成割合を検出し、平均熱核分裂性プルトニウム組成割合
がこれより高い高Ｐuf組成群と、低い低Ｐuf組成群の２
つに分離する。これら２群のプルトニウム富化度を燃料
集合体１１平均の等価フィッサイル係数ci，cjに応じて
決定し、それぞれ、格子状配列の中央側の番号１の燃料
棒１２及び外周側の番号２〜４の燃料棒１２のペレット
にそれぞれ充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉に装荷され
る燃料集合体に係わり、特に、ウラン及びプルトニウム
を含む燃料物質が使用された燃料集合体の製造方法及び
燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ウラン及びプルトニウムを含む燃料物質
を使用する原子炉燃料集合体における、燃料物質中のウ
ラン・プルトニウムの組成変化に対応したプルトニウム
富化度の設定方法に関する公知技術としては、例えば、
以下のものがある。 原子力工業 第３１巻第４号 第９〜１５頁 動燃技報Ｎo.７０、第７７〜８１頁 これらの公知技術は、Ｐu−２３９の炉心反応度に対す
る効果を１．０として、他のプルトニウム同位体及びウ
ラン同位体の相対的な反応度効果を等価フィッサイル係
数と定義し、炉心反応度への全体としての効果を、各元
素の構成比率にこの等価フィッサイル係数を乗じたもの
の和として表すものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ウラン及びプ
ルトニウムを含む燃料物質の製造に用いるプルトニウム
燃料物質としては、軽水炉等の使用済燃料燃料より抽出
したものが用いられ、またウラン燃料物質としては、ウ
ランの濃縮過程で発生する劣化ウラン（ウラン−２３５
含有率：０．２ｗｔ％程度）、天然ウラン、軽水炉等の
使用済燃料燃料より抽出した減損ウラン、或いはこれら
を混合したものが用いられる。上記２つのうち、プルト
ニウム燃料物質に関しては、Ｐu−２３８，２３９，２
４０，２４１，２４２及びＡm−２４１等の同位体が混
在することとなるが、その同位体組成比は、使用済燃料
の燃焼度や原子炉の種類等によって異なる。また、Ｐu
−２４１は半減期約１４年で崩壊しＡm−２４１に変わ
ってしまう。したがって、燃料集合体用の燃料ペレット
製造に使用される同一バッチのプルトニウム燃料物質で
も、その同位体組成比はある程度の範囲で変化すること
となる。ここで、一般にこの種の燃料集合体では、局所
出力ピーキングの低減のために、２種類以上のプルトニ
ウム富化度の燃料棒を使用し、中性子スペクトルの硬い
燃料集合体中央側の燃料棒の富化度を、中性子スペクト
ルの軟らかい集合体外側の燃料棒の富化度より大きくす
る。そして、プルトニウム燃料物質を用いて燃料棒を製
造する際には、燃料ペレットがプルトニウム富化度の異
なる燃料棒毎に実施されるのが通常である。したがっ
て、同一の燃料集合体の中でも、燃料集合体中央と外側
でプルトニウム燃料物質の同位体組成比が異なる場合が
考えられる。

【０００４】以上のような背景に鑑みると、公知技術
（特に、原子力工業 第３１巻第４号 第９〜１５頁）
には以下の課題が存在する。すなわち、公知技術によ
るプルトニウム富化度の設定方法では、燃料集合体の中
でプルトニウム同位体組成比を均一と想定し、燃料集合
体中央と外側のプルトニウム富化度の異なる燃料棒に対
して燃料集合体平均の同一の等価フィッサイル係数を用
いてプルトニウム富化度を決定している。この場合、燃
料集合体中央・外側の等価フィッサイル係数による評価
においてそれぞれズレが生じ、これによって燃料集合体
の目標とする反応度の達成が困難となる可能性がある。
このことを以下、順を追って詳細に説明する。

【０００５】ウラン及びプルトニウムを含む燃料物質を
使用する燃料集合体の一例を表す横断面図を図１２に、
この燃料集合体に対して所要の燃焼度を得るのに必要な
反応度を等価関数として算出した等価フィッサイル係数
を図１３及び図１４に示す。図１２において、燃料集合
体１１１は、チャンネルボックス１１３内に、６０本の
燃料棒１１２と、１本のウォーターロッド１１４とを格
子状に配列し、略正方形横断面のうちの２辺を十字型の
制御棒１１８に隣接された構造である。燃料棒１１２の
うち、燃料棒番号１〜４は燃料有効部下端から燃料有効
長の１/２４〜２３/２４の範囲に熱核分裂性プルトニウ
ムが充填されているＭＯＸ燃料棒であり、燃料棒番号５
は、上端部に天然ウランペレットのみが配置された部分
を備えた、ガドリニア含有のウラン燃料棒である。

【０００６】図１３及び図１４は、上記のような構造の
燃料集合体１１１における、中央側燃料棒（燃料棒番号
１）及び外側燃料棒（燃料棒番号２〜４）の各燃料棒毎
に算出した等価フィッサイル係数と、燃料集合体平均の
等価フィッサイル係数とを示したものである。すなわち
前者の係数は、各燃料棒毎独立に所要の燃焼度を得るの
に必要な反応度を等価関数として算出したものであり、
後者の係数は、これらを各燃料棒の本数及びその位置の
中性子インポータンス重み平均したものに相当する。そ
して、図１４はその結果を具体的数値を示し、図１３は
棒グラフで表したものである。

【０００７】これら等価係数の意味は、熱核分裂性物質
であるＰu-２３９の反応度に対する核的価値を基準
（１.０）として他の核種の価値を表したものであり、
これらの等価係数を用いた燃料物質の同位体組成による
プルトニウム富化度調整は、公知技術に示されている
下記の式によって求められる。 Ａ＝（Ｅo−（Σbj×cj））／（（Σai×ci）−（Σbj×cj））…(１) Ｅo＝Ａo×（Σaio×ci）＋（１−Ａo）×（Σbjo×cj） ここで、 Ａ：所要プルトニウム富化度［fraction］ ai：プルトニウム（Ａm-２４１を含む）の同位体組成比 bj：ウランの同位体組成比 ci：同位体iの等価係数 o：標準組成時を表す添字 Ｅo：等価フィッサイル量［fraction］ (１)式、図１３及び図１４により、Ｐu−２４０，Ｐu−
２４２等の共鳴吸収物質の価値は負の等価フィッサイル
係数で表され、反応度を目標値に保つためには、この等
価フィッサイル係数と含有量との積に応じてプルトニウ
ム富化度を多くする必要があることがわかる。

【０００８】しかしながら、図１３及び図１４に示す結
果からわかるように、単に燃料集合体平均の等価フィッ
サイル係数を用いる公知技術の方法では、中性子スペ
クトルの硬い中央側の燃料棒（燃料棒番号１）に対して
は、Ｐu−２４０，Ｐu−２４２等の共鳴吸収物質の負の
等価フィッサイル係数の絶対値を過小評価することとな
り、逆に中性子スペクトルの軟らかい外側燃料棒２，
３，４に対しては、Ｐu−２４０，Ｐu−２４２等の共鳴
吸収物質の負の等価フィッサイル係数の絶対値を過大評
価することになる。したがって、例えば、中央側燃料棒
（燃料棒番号１）の燃料ペレットを比較的共鳴吸収物質
の多い（＝熱核分裂性物質が少ない）プルトニウムで製
造するとともに、外側燃料棒（燃料棒番号２〜４）の燃
料ペレットを比較的共鳴吸収物質の少ない（＝熱核分裂
性物質が多い）プルトニウムで製造し、これらを組み合
わせて燃料集合体を構成した場合、両者の組成の差異の
大きさに比例して反応度が低下し目標とする反応度の達
成が困難となる可能性がある。以上説明したように、一
種類の等価フィッサイル係数を使用して、燃料集合体中
のプルトニウム富化度の異なるすべての燃料棒のプルト
ニウム富化度設定を行う場合には、燃料棒毎にプルトニ
ウムの同位体組成のばらつきがあることから、燃料集合
体として目標の反応度を満足することが困難な場合があ
る。

【０００９】一方、ウラン及びプルトニウムを含む燃料
物質を使用する原子炉燃料集合体における燃料棒配置に
関する公知技術としては、例えば、以下のものがある。 特開平４−２３６３９３号公報 この公知技術は、中性子スペクトルの硬い燃料集合体中
央側の燃料棒に対しては熱核分裂性Ｐu核種の比較的多
いプルトニウムを使用し、中性子スペクトルの軟らかい
集合体外側の燃料棒に対しては熱核分裂性Ｐu核種の比
較的少ないプルトニウムを使用することにより、燃焼を
通じた局所出力ピーキングの低減を図るものである。こ
こにおいて、上述した中央側の燃料棒に対する負の等価
フィッサイル係数の絶対値過小評価や、外側燃料棒の負
の等価係数の絶対値過大評価による反応度不足に関して
も、この公知技術の構成のように、中央側の燃料棒に
対して熱核分裂性Ｐu核種の比較的多いプルトニウムを
使用し、外側の燃料棒に対して熱核分裂性Ｐu核種の比
較的少ないプルトニウムを使用すれば、その過小評価や
過大評価によるズレを補い、所要の反応度を得ることが
できる。しかしながらこの場合、Ｐu核種の比較的多い
プルトニウム及びＰu核種の比較的少ないプルトニウム
それぞれの富化度を容易に決定する手法に関しては、公
知技術にも公知技術にも示唆されていない。

【００１０】本発明の目的は、中央側の燃料棒に対して
熱核分裂性Ｐu核種の比較的多いプルトニウムを使用
し、外側の燃料棒に対して熱核分裂性Ｐu核種の比較的
少ないプルトニウムを使用して製造を行う際に、各燃料
棒のプルトニウム富化度設定を容易に行うことができる
燃料集合体の製造方法及び燃料集合体を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、複数本の第１及び第２の燃料棒が
格子状に配置されるとともに、各第１の燃料棒には、熱
核分裂性プルトニウム核種を含む複数種のプルトニウム
同位体を備えたプルトニウム燃料物質及び複数種のウラ
ン同位体を備えたウラン燃料物質が充填され、各第２の
燃料棒には前記ウラン燃料物質が充填される燃料集合体
の製造方法において、前記プルトニウム燃料物質の原料
となるプルトニウム原料物質全体における、熱核分裂性
プルトニウム核種の占める全平均熱核分裂性プルトニウ
ム組成割合を検出し、前記プルトニウム原料物質を、平
均熱核分裂性プルトニウム組成割合が前記全平均熱核分
裂性プルトニウム組成割合より高い第１の原料物質部分
と、平均熱核分裂性プルトニウム組成割合が前記全平均
熱核分裂性プルトニウム組成割合より低い第２の原料物
質部分とに分離し、前記第１及び第２の原料物質部分そ
れぞれのプルトニウム富化度を、前記燃料集合体平均の
等価フィッサイル係数に応じて決定し、プルトニウム富
化度が決定された前記第１の原料物質を、前記複数の第
１の燃料棒のうち前記格子状配列の中央側に配置される
ものに備えられる前記プルトニウム燃料物質として充填
するとともに、プルトニウム富化度が決定された前記第
２の原料物質を、前記複数の第１の燃料棒のうち前記格
子状配列の外周側に配置されるものに備えられる前記プ
ルトニウム燃料物質として充填することを特徴とする燃
料集合体の製造方法が提供される。すなわち本発明にお
いては、例えば使用済燃料に含まれるプルトニウム原料
物質が所定量供給されてくると、まず、それらのうちで
熱核分裂性プルトニウム核種の占める全平均熱核分裂性
プルトニウム組成割合が、例えば６７％というように検
出される。そして、このプルトニウム原料物質が、平均
熱核分裂性プルトニウム組成割合が全平均熱核分裂性プ
ルトニウム組成割合より高い、例えば７２％である第１
の原料物質部分と、全平均熱核分裂性プルトニウム組成
割合より低い、例えば６５％である第２の原料物質部分
とに分離される。その後、これら第１及び第２の原料物
質部分のプルトニウム富化度を、燃料集合体平均の等価
フィッサイル係数に応じて決定する。そして、このよう
にしてプルトニウム富化度が決定された第１及び第２の
原料物質部分を、第１の燃料棒のうち格子状配列の中央
側及び外周側に配置されるもののプルトニウム物質とし
てそれぞれ充填する。これにより、各第１の燃料棒のプ
ルトニウム富化度を簡単かつ容易な手法で設定すること
ができる。よって、格子状配列の中央側と外周側とで熱
核分裂性Ｐu核種の相対的な量を変えて、等価フィッサ
イル係数の評価のズレを補いつつ所要の反応度を確保す
る構成を容易に実現することができる。

【００１２】好ましくは、前記燃料集合体の製造方法に
おいて、前記第１及び第２の原料物質部分それぞれのプ
ルトニウム富化度を、前記全平均熱核分裂性プルトニウ
ム組成割合での等価フィッサイル量と、各プルトニウム
同位体の組成比及び前記燃料集合体平均の等価フィッサ
イル係数とに応じて決定することを特徴とする燃料集合
体の製造方法が提供される。

【００１３】さらに好ましくは、前記燃料集合体の製造
方法において、前記等価フィッサイル量を、全プルトニ
ウム富化度と、前記全平均熱核分裂性プルトニウム組成
割合での前記プルトニウム原料物質全体における各プル
トニウム同位体の組成比及び前記燃料集合体平均の等価
フィッサイル係数とに応じて決定することを特徴とする
燃料集合体の製造方法が提供される。

【００１４】さらに好ましくは、前記燃料集合体の製造
方法において、前記全プルトニウム富化度を、前記全平
均熱核分裂性プルトニウム組成割合におけるプルトニウ
ム富化度に応じて決定することを特徴とする燃料集合体
の製造方法が提供される。

【００１５】また上記目的を達成するために、本発明に
よれば、複数本の第１及び第２の燃料棒が格子状に配置
されるとともに、各第１の燃料棒には、熱核分裂性プル
トニウム核種を含む複数種のプルトニウム同位体を備え
たプルトニウム燃料物質及び複数種のウラン同位体を備
えたウラン燃料物質が充填され、各第２の燃料棒には前
記ウラン燃料物質が充填される燃料集合体において、前
記複数の第１の燃料棒のうち前記格子状配列の中央側に
配置されるものには前記熱核分裂性プルトニウム核種が
相対的に多い前記プルトニウム燃料物質が充填され、前
記複数の第１の燃料棒のうち前記格子状配列の外周側に
配置されるものには前記熱核分裂性プルトニウム核種が
相対的に少ない前記プルトニウム燃料物質が充填される
ことを特徴とする燃料集合体が提供される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
製造方法の対象である燃料集合体の構造を表す縦断面図
を図２に、図２中Ｉ−Ｉ横断面図を図１に示す。図２及
び図１において、本実施形態の燃料集合体１１は、６０
本の燃料棒１２及び１本のウォータロッド１４を８×８
格子状に配列したバンドル外周をチャンネルボックス１
３で取り囲んでおり、またこのバンドルの上端及び下端
を上部タイプレート１５及び下部タイプレート１６でそ
れぞれ支持し、さらにこのバンドルの軸方向複数箇所に
燃料棒１２及びウォータロッド１４相互間の間隔を適切
な状態に保持する燃料スペーサ１７が設けられている。

【００１７】チャンネルボックス１３は、上部タイプレ
ート１５に取り付けられている。そしてこのチャンネル
ボックス１３の略正方形横断面のうちの２辺に隣接する
ように十字型の制御棒１８が設けられている。

【００１８】６０本の燃料棒１２は、特に詳細を図示し
ないが、それぞれ、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。これら燃料棒１２は、プルトニウム燃料物質
（ＰuＯ2）で主として構成されるとともに熱核分裂性プ
ルトニウム核種（Ｐu−２３９，Ｐu−２４１）を含む複
数種のプルトニウム同位体を備えているＭＯｘ燃料ペレ
ットが充填されたＭＯｘ燃料棒（図１中の番号１〜４）
と、主としてウラン燃料物質（ＵＯ2）に可燃性毒物で
あるガドリニアが添加されて構成されるとともに複数種
のウラン同位体（Ｕ−２３５，Ｕ−２３８）を備えたウ
ラン燃料ペレットが充填されたウラン燃料棒（図１中の
番号５）とがある。各燃料棒１２の本数は、番号１の燃
料棒１２が２０本、番号２の燃料棒１２が１６本、番号
３の燃料棒１２が８本、番号４の燃料棒１２が４本、番
号５の燃料棒１２が１２本となっている。

【００１９】これら燃料棒１２（番号１〜５）の軸方向
成分の分布を表した概念図を図３に示す。この図３に示
されるように、番号１〜４のＭＯｘ燃料棒１２は、燃料
有効部下端から燃料有効長の１/２４〜２３/２４の範囲
にＭＯｘ燃料ペレットが充填されている。また番号５の
ガドリニア含有ウラン燃料棒１２は、燃料有効部下端か
ら燃料有効長の１/２４〜２３/２４の範囲にウラン燃料
ペレットが充填されており、上端部（燃料有効部下端か
ら燃料有効長の２３/２４〜２４/２４の範囲）には、ガ
ドリニアを含有しない天然ウランペレット（²³⁵Ｕの含
有率０．７１１［％］）が配置されている。このガドリ
ニア含有ウラン燃料棒１２には、プルトニウムは含有さ
れていない。そして図示されるように、ガドリニアの濃
度分布が上部から順にＥ＋Ｆ（Ｇd）、Ｅ＋Ｇ（Ｇd）、
Ｅ＋Ｈ（Ｇd）となっており、軸方向に濃度変化がつけ
られている。

【００２０】なお、これらＭＯｘ燃料ペレット又はウラ
ン燃料ペレットは、被覆管内のガスプレナム領域に配置
されたスプリングによって上下に押圧されている。

【００２１】ウォータロッド１４は、燃料物質が充填さ
れず、内部を沸騰しない冷却水が通過するようになって
いる。

【００２２】本実施形態の燃料集合体の製造方法の要部
は、ＭＯｘ燃料棒１２（番号１〜４）に含まれるプルト
ニウム燃料物質の富化度の設定方法である。よって、こ
れを順を追って説明する。 （１）プルトニウム組成割合に基づく２群分離 まず、例えば使用済燃料等からプルトニウム燃料物質の
原料となるプルトニウム原料物質が所定量供給される
と、それら全体における熱核分裂性プルトニウム核種
（Ｐu−２３９，Ｐu−２４１）の占める割合（＝全平均
熱核分裂性プルトニウム組成割合）を検出する。その一
例を図４により説明する。この図４において、プルトニ
ウム原料物質に含まれるプルトニウム同位体核種はＰu
−２３８,Ｐu−２３９,Ｐu−２４０,Ｐu−２４１,Ｐu−
２４２,Ａm−２４１の６種類で、かつそれぞれの組成比
が０．０１，０．５８，０．２６，０．０９，０．０
５，０．０１となっており、その結果、全平均熱核分裂
性プルトニウム組成割合は、（［Ｐu−２３９の割合］
＋［Ｐu−２４１の割合］）／［全同位体の割合］＝
（０．５８＋０．０９）／１．０＝０．６７＝６７％と
なっている（なお、このような組成状態を以下適宜、標
準組成という）。また、ウラン同位体核種についてはＵ
−２３５,Ｕ−２３８の２種類でそれぞれの割合が０．
００２，０．９９８である。

【００２３】そしてこのようなプルトニウム原料物質
を、平均熱核分裂性プルトニウム組成割合が６７％より
高い高Ｐuf組成群と、平均熱核分裂性プルトニウム組成
割合が６７％より低い低Ｐuf組成群とになるように２つ
に分離する。その一例を図５に示す。この図５におい
て、まず、高Ｐuf組成群においては、プルトニウム原料
物質に含まれる６種類のプルトニウム同位体核種Ｐu−
２３８,Ｐu−２３９,Ｐu−２４０,Ｐu−２４１,Ｐu−２
４２,Ａm−２４１それぞれの割合は０．０１，０．６
４，０．２３，０．０７６，０．０３４，０．０１とな
っており、その結果、全平均熱核分裂性プルトニウム組
成割合は、（０．６４＋０．０７６）／１．０＝０．７
１６≒７２％となっている。また２種類のウラン同位体
核種Ｕ−２３５,Ｕ−２３８のそれぞれの割合は標準組
成同様０．００２及び０．９９８である。一方、低Ｐuf
組成群においては、プルトニウム原料物質に含まれる６
種類のプルトニウム同位体核種Ｐu−２３８,Ｐu−２３
９,Ｐu−２４０,Ｐu−２４１,Ｐu−２４２,Ａm−２４１
それぞれの割合は０．０１，０．５６，０．２７５，
０．０９，０．０５５，０．０１となっており、その結
果、全平均熱核分裂性プルトニウム組成割合は、（０．
５６＋０．０９）／１．０＝０．６５＝６５％となって
いる。また２種類のウラン同位体核種Ｕ−２３５,Ｕ−
２３８のそれぞれの割合は同様に０．００２及び０．９
９８である。

【００２４】（２）各群の富化度設定 （２−Ａ）本実施形態によるプルトニウム富化度算出の
ための式 本実施形態による富化度設定は、上記のような従来方法
の課題を解決するものである。その富化度算出のための
式は、基本的には、上記従来方法と同じ下式で表され
る。

【００２５】 Ａ＝（Ｅo−（Σbj×cj））／（（Σai×ci）−（Σbj×cj）） … (1) Ｅo＝Ａo×（Σaio×ci）＋（１−Ａo）×（Σbjo×cj） … (2) ここで、 Ａ：所要プルトニウム富化度［fraction］ ai：プルトニウム（Ａm-２４１を含む）の同位体組成比 bj：ウランの同位体組成比 ci：同位体iの等価係数 o：標準組成時を表す添字 Ｅo：等価フィッサイル量［fraction］ （２−Ｂ）等価フィッサイル量Ｅoの算出 上記(2)式における等価フィッサイル量Ｅoは、番号１〜
４の各燃料棒１２ごとに求めるが、ここでは、算出例と
して、番号１のＭＯｘ燃料棒１２の等価フィッサイル量
Ｅoの算出方法を説明する。 (a)全プルトニウム富化度Ａoの算出 まず、図６に示したあらかじめ核特性計算コード等を用
いて設定した番号１のＭＯｘ燃料棒１２の標準組成時Ｐ
u富化度５．０を、全プルトニウム富化度に換算する
と、 Ａo＝５．０／１００／０．６７＝０．０７４６ (b)Σ（aio×ci）の算出 次に、既に図４で示した標準組成における各Ｐu同位体
の組成比aioと、これに対応する、既に図１４で示した
燃料集合体平均の等価フィッサイル係数ciとを乗じ、す
べてのＰu同位体について合計し、Σ（aio×ci）を算出
する。図８に示すように、プルトニウム原料物質に含ま
れる６種類のプルトニウム同位体核種Ｐu−２３８,Ｐu
−２３９,Ｐu−２４０,Ｐu−２４１,Ｐu−２４２,Ａm−
２４１について、aio×ciはそれぞれ、−０．００８，
０．５８，−０．１０４，０．１０８，−０．０５，−
０．０２２となり、これらを合計してΣ（aio×ci）＝
０．５０４となる。

【００２６】これら(a)(b)の結果により、図８最下段に
併記するように、Ａo×Σ（aio×ci）＝０．０３７６fr
actionとなる。

【００２７】(c)Σ（bjo×cj）の算出 次に、既に図４で示した標準組成における各ウラン同位
体の組成比bjoと、これに対応する、既に図１４で示し
た燃料集合体平均の等価フィッサイル係数cjとを乗じ、
すべてのウラン同位体について合計し、Σ（bjo×cj）
を算出する。図９に示すように、ウラン原料物質に含ま
れる２種類のウラン同位体核種Ｕ−２３５,Ｕ−２３８
について、bjo×cjはそれぞれ、０．００１８，−０．
０６９８６となり、これらを合計してΣ（bjo×cj）＝
−０．０６８０６となる。

【００２８】ここで上記(a)より全ウラン量１−Ａo＝
０．９２５fractionであることから、(c)の結果と併
せ、図９最下段に併記するように、（１−Ａo）×Σ（b
jo×cj）＝−０．０６３０となる。

【００２９】以上、(a)〜(c)の結果より、番号１のＭＯ
ｘ燃料棒１２に関する等価フィッサイル量Ｅoは、 Ｅo＝Ａo×（Σaio×ci）＋（１−Ａo）×（Σbjo×cj） ＝０．０３７６−０．０６３０ ＝−０．０２５４fraction となる。

【００３０】なお、以上は、番号１のＭＯｘ燃料棒１２
を例にとって算出方法を説明したが、同様の方法により
番号２〜４のＭＯｘ燃料棒１２についても等価フィッサ
イル量Ｅoを算出することができる。

【００３１】（２−Ｃ）所要富化度Ａの算出 上記（２−Ｂ）に結果に基づく上記(1)式の所要富化度
Ａは、番号１〜４の各燃料棒１２ごとに求めるが、ここ
では、算出例として、番号１のＭＯｘ燃料棒１２の所要
富化度Ａの算出方法を説明する。 (a)Σ（ai×ci）の算出 まず、既に図５で示した高Ｐuf組成群における各Ｐu同
位体の組成比aiと、これに対応する、既に図１４で示し
た燃料集合体平均の等価フィッサイル係数ciとを乗じ、
すべてのＰu同位体について合計してΣ（ai×ci）を算
出する。図１０に示すように、プルトニウム原料物質に
含まれる６種類のプルトニウム同位体核種Ｐu−２３８,
Ｐu−２３９,Ｐu−２４０,Ｐu−２４１,Ｐu−２４２,Ａ
m−２４１について、ai×ciはそれぞれ、−０．００
８，０．６４，−０．０９２，０．０９１２，−０．０
３４，−０．０２２となり、これらを合計してΣ（ai×
ci）＝０．５７５２fractionとなる。

【００３２】(b)Σ（bj×cj）の算出 次に、既に図５で示した高Ｐuf組成群における各ウラン
同位体の組成比bjと、これに対応する、既に図１４で示
した燃料集合体平均の等価フィッサイル係数cjとを乗
じ、すべてのウラン同位体について合計し、Σ（bj×c
j）を算出する。図１０に示すように、ウラン原料物質
に含まれる２種類のウラン同位体核種Ｕ−２３５,Ｕ−
２３８について、bj×cjはそれぞれ、０．００１８，−
０．０６９８６となり、これらを合計してΣ（bj×cj）
＝−０．０６８０６fractionとなる。

【００３３】ここで上記（２−Ｃ）より番号１のＭＯｘ
燃料棒１２に関する等価フィッサイル量Ｅo＝−０．０
２５４fractionであることから、(a)(b)の結果と併せ、
番号１のＭＯｘ燃料棒１２に関する所要富化度Ａは、 Ａ＝（Ｅo−（Σbj×cj））／（（Σai×ci）−（Σbj×cj）） ＝（−０．０２５４＋０．０６８０６）／（０．５７５２＋０．０６８０６ ） ＝０．０４２６６／０．６４３２６ ＝０．０６６３fraction となる。

【００３４】よってこれをPufissile換算のＰu富化度に
直すと、０．０６６３×０．０７１６×１００＝４．７
５Pufissile％となる。

【００３５】なお、以上は、番号１のＭＯｘ燃料棒１２
を例にとって算出方法を説明したが、同様の方法により
番号２〜４のＭＯｘ燃料棒１２についても所要富化度Ａ
を算出しさらにPufissile換算すると、計算過程は省略
するが、図１１に示すようにそれぞれ、Ｐu富化度＝
３．０８，２．０５，１．０３Pufissile％を得る。

【００３６】（３）各群の燃料ペレットへの充填 上記（２）の結果を受け、高Ｐuf組成群のＰu富化度を
４．７５Pufissile％とし、また低Ｐuf組成群のＰu富化
度は３．０８，２．０５，１．０３Pufissile％の３種
類を準備する。

【００３７】そして、高Ｐuf組成群を番号１の燃料棒１
２のＭＯｘ燃料ペレットに充填し、Ｐu富化度が３．０
８である低Ｐuf組成群を番号２の燃料棒１２のＭＯｘ燃
料ペレットに充填し、Ｐu富化度が２．０５である低Ｐu
f組成群を番号３の燃料棒１２のＭＯｘ燃料ペレットに
充填し、Ｐu富化度が１．０３である低Ｐuf組成群を番
号４の燃料棒１２のＭＯｘ燃料ペレットに充填する。こ
のとき、図１１と図７とを比較してわかるように、従来
方法と異なり、番号１〜４の各燃料棒とも目標反応度達
成のためのプルトニウム富化度を上回っており燃料集合
体として目標反応度を達成できることがわかる。

【００３８】なお、上記において、番号１〜４のＭＯｘ
燃料棒１２が第１の燃料棒を構成し、番号５のウラン燃
料棒１２が第２の燃料棒を構成し、さらに番号１の燃料
棒１２は、第１の燃料棒のうち格子状配列の中央側に配
列されるものを構成し、番号２〜４の燃料棒１２は、第
１の燃料棒のうち格子状配列の外周側に配列されるもの
を構成し、高Ｐuf組成群は平均熱核分裂性プルトニウム
組成割合が全平均熱核分裂性プルトニウム組成割合より
高い第１の原料物質部分を構成し、低Ｐuf組成群は平均
熱核分裂性プルトニウム組成割合が全平均熱核分裂性プ
ルトニウム組成割合より低い第２の原料物質部分を構成
する。

【００３９】以上のように構成した本実施形態による燃
料集合体の製造方法においては、プルトニウム原料物質
を高Ｐuf組成群及び低Ｐuf組成群とに分離し、それぞれ
のプルトニウム富化度を、燃料集合体平均の等価フィッ
サイル係数ci,cjを用い上述した手順で設定する。そし
て、このようにしてプルトニウム富化度が決定された高
Ｐuf組成群及び低Ｐuf組成群を、格子状配列の中央側に
配置された番号１の燃料棒１２のペレット及び格子状配
列の外周側に配置された番号２〜４の燃料棒１２のペレ
ットにそれぞれ充填する。これにより、各ＭＯｘ燃料棒
１２のプルトニウム富化度を簡単かつ容易な手法で設定
することができる。したがって、格子状配列の中央側と
外周側とで熱核分裂性Ｐu核種の相対的な量を変え、等
価フィッサイル係数の評価のズレを補いつつ所要の反応
度を確保する構成を、容易に実現することができる。ま
たこれに加え、格子状配列中央側に核分裂性物質が相対
的に多い（＝共鳴吸収物質の少ない）プルトニウム物質
を用い、外側に熱核分裂性物質が相対的に少ない(＝共
鳴吸収物質の多い)プルトニウム物質を用いたことによ
り、燃料集合体１１内の局所出力分布の燃焼依存性の面
で下記のような効果がある。すなわち、中央側の番号１
のＭＯｘ燃料棒１２については、燃焼に伴うＰu-２４０
等共鳴物質の熱核分裂性物質への転換による局所出力の
上昇割合を軽減でき、また外側の番号２〜４のＭＯｘ燃
料棒１２についてはその逆の効果により局所出力の低下
割合を軽減でき、結果として燃焼を通じて燃料集合体の
局所出力ピーキングを平坦化できる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、各第１の燃料棒のプル
トニウム富化度を簡単かつ容易な手法で設定することが
できる。よって、格子状配列の中央側と外周側とで熱核
分裂性Ｐu核種の相対的な量を変えて、等価フィッサイ
ル係数の評価のズレを補いつつ所要の反応度を確保する
構成を容易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による製造方法の対象であ
る燃料集合体の構造を表す横断面図である。

【図２】図１に示された燃料集合体の縦断面図である。

【図３】燃料棒１２（番号１〜５）の軸方向成分の分布
を表した概念図である。

【図４】全平均熱核分裂性プルトニウム組成割合の一例
を示す図である。

【図５】プルトニウム原料物質を高Ｐuf組成群と低Ｐuf
組成群との２つに分離する場合の組成例を表す図であ
る。

【図６】標準組成時の富化度設定値を表す図である。

【図７】目標反応度達成のために必要なＰu富化度の値
を表す図である。

【図８】Σ（aio×ci）の算出方法を表す図である。

【図９】Σ（bjo×cj）の算出方法を表す図である。

【図１０】Σ（ai×ci）及びΣ（bj×cj）の算出方法を
表す図である。

【図１１】各ＭＯｘ燃料棒についての富化度算出結果を
表す図である。

【図１２】ウラン及びプルトニウムを含む燃料物質を使
用する燃料集合体の一例を表す横断面図である。

【図１３】図１２の燃料集合体に対して所要の燃焼度を
得るのに必要な反応度を等価関数として算出した等価フ
ィッサイル係数を表す図である。

【図１４】図１２の燃料集合体に対して所要の燃焼度を
得るのに必要な反応度を等価関数として算出した等価フ
ィッサイル係数を表す図である。

【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 ウォータロッド 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 國分 毅彦 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 井筒 定幸 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 藤田 聡志 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数本の第１及び第２の燃料棒が格子状
   に配置されるとともに、各第１の燃料棒には、熱核分裂
   性プルトニウム核種を含む複数種のプルトニウム同位体
   を備えたプルトニウム燃料物質及び複数種のウラン同位
   体を備えたウラン燃料物質が充填され、各第２の燃料棒
   には前記ウラン燃料物質が充填される燃料集合体の製造
   方法において、 前記プルトニウム燃料物質の原料となるプルトニウム原
   料物質全体における、熱核分裂性プルトニウム核種の占
   める全平均熱核分裂性プルトニウム組成割合を検出し、 前記プルトニウム原料物質を、平均熱核分裂性プルトニ
   ウム組成割合が前記全平均熱核分裂性プルトニウム組成
   割合より高い第１の原料物質部分と、平均熱核分裂性プ
   ルトニウム組成割合が前記全平均熱核分裂性プルトニウ
   ム組成割合より低い第２の原料物質部分とに分離し、 前記第１及び第２の原料物質部分それぞれのプルトニウ
   ム富化度を、前記燃料集合体平均の等価フィッサイル係
   数に応じて決定し、 プルトニウム富化度が決定された前記第１の原料物質
   を、前記複数の第１の燃料棒のうち前記格子状配列の中
   央側に配置されるものに備えられる前記プルトニウム燃
   料物質として充填するとともに、プルトニウム富化度が
   決定された前記第２の原料物質を、前記複数の第１の燃
   料棒のうち前記格子状配列の外周側に配置されるものに
   備えられる前記プルトニウム燃料物質として充填するこ
   とを特徴とする燃料集合体の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料集合体の製造方法に
   おいて、前記第１及び第２の原料物質部分それぞれのプ
   ルトニウム富化度を、前記全平均熱核分裂性プルトニウ
   ム組成割合での等価フィッサイル量と、各プルトニウム
   同位体の組成比及び前記燃料集合体平均の等価フィッサ
   イル係数とに応じて決定することを特徴とする燃料集合
   体の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の燃料集合体の製造方法に
   おいて、前記等価フィッサイル量を、全プルトニウム富
   化度と、前記全平均熱核分裂性プルトニウム組成割合で
   の前記プルトニウム原料物質全体における各プルトニウ
   ム同位体の組成比及び前記燃料集合体平均の等価フィッ
   サイル係数とに応じて決定することを特徴とする燃料集
   合体の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の燃料集合体の製造方法に
   おいて、前記全プルトニウム富化度を、前記全平均熱核
   分裂性プルトニウム組成割合におけるプルトニウム富化
   度に応じて決定することを特徴とする燃料集合体の製造
   方法。
5. 【請求項５】 複数本の第１及び第２の燃料棒が格子状
   に配置されるとともに、各第１の燃料棒には、熱核分裂
   性プルトニウム核種を含む複数種のプルトニウム同位体
   を備えたプルトニウム燃料物質及び複数種のウラン同位
   体を備えたウラン燃料物質が充填され、各第２の燃料棒
   には前記ウラン燃料物質が充填される燃料集合体におい
   て、 前記複数の第１の燃料棒のうち前記格子状配列の中央側
   に配置されるものには前記熱核分裂性プルトニウム核種
   が相対的に多い前記プルトニウム燃料物質が充填され、
   前記複数の第１の燃料棒のうち前記格子状配列の外周側
   に配置されるものには前記熱核分裂性プルトニウム核種
   が相対的に少ない前記プルトニウム燃料物質が充填され
   ることを特徴とする燃料集合体。