JPH10300877A

JPH10300877A - 軽水炉用燃料集合体

Info

Publication number: JPH10300877A
Application number: JP9107417A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Watanabe; 庄一渡辺; Yoriaki Yutani; 順明湯谷; Masatoshi Kawashima; 正俊川島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 1998-11-13

Abstract

(57)【要約】【課題】設計の融通性および経済性に優れた燃料集合
体を得る。【解決手段】被覆管１５内に、中性子吸収断面積の小
さい非核燃料物質である希釈材顆粒３１が顆粒状の核燃
料物質１６と混合されて充填された振動充填燃料棒を用
いて軽水炉用燃料集合体を構成する。希釈材顆粒３１の
充填体積割合は集合体平均で20％以上とし、核燃料物質
１６と希釈材顆粒３１との顆粒状混合物に必要に応じて
可燃性毒物が添加混合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉用燃料集合
体に係り、とくに顆粒状の核燃料物質と中性子吸収断面
積の小さい非核燃料物質を混合充填した燃料棒を含む軽
水炉用燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲとい
う。）用燃料集合体は、二酸化ウランやウランとプルト
ニウムの混合酸化物（以下、ＭＯＸという。）を直径約
１cmの円柱状の焼結ペレットとしたものをジルカロイ製
の被覆管に封入したものを燃料棒としており、これらを
正方格子状に束ねて集合体状とし、さらにジルカロイ製
のチャンネルボックスで覆って、燃料棒間に沸騰水の流
路を設けた構造となっている。

【０００３】従来の燃料棒は、図１５に示すように、多
数個の焼結ぺレット１を燃料被覆管２の中に積層装填
し、上部端栓３および下部端栓４で密封した構造として
いる。この場合、最下部ペレットと下部端栓との間にア
ルミナ等の断熱ペレット５が挿入され、最上部ペレット
と上部端栓との間には金属製押さえ板６に点溶接された
コイルスプリング７が設けられている。

【０００４】図１６は、従来のＢＷＲ燃料集合体の縦断
面図であって、とくに高燃焼度化設計の燃料集合体の例
であり、図１７は図１６のＡ−Ａ矢視方向断面図であ
る。燃料集合体は74本の燃料棒８と、2 本のウォータロ
ッド９とを、スペーサ１０により９行９列の正方格子状
に束ねて、上部タイプレート１１および下部タイプレー
ト１２により固定して燃料棒束とし、この燃料棒束をチ
ャンネルボックス１３で包囲して構成される。

【０００５】ＢＷＲ炉心では燃料集合体間に水ギャップ
が設けられているが、水平断面方向では減速材分布が非
均一となるため、燃料棒のウラン濃縮度あるいはＰｕ富
化度を数種類として局所出力分布の平坦化を図ってい
る。また、一部の燃料棒には、可燃性毒物としてガドリ
ニア（Ｇｄ₂Ｏ₃）のような中性子吸収体を全長に亘っ
て添加して、燃焼初期での余剰の核分裂反応（余剰反応
度）を抑制している。また、ＢＷＲでは沸騰水のボイド
率が炉心上方で大きくなる分布となるため、炉心下方で
減速材密度が高く、炉心高さ方向出力分布は下方でピー
クを生ずる特性を示す。

【０００６】ところで、近年、燃料経済性向上を図るた
めにウラン燃料集合体の高燃焼度化（高濃縮度化）が進
められている。また、これと並行してＰｕの有効利用を
図るため、使用済ウラン燃料を再処理して得られたＰｕ
を軽水炉で再利用する、いわゆるプルサーマル計画が進
められている。最近ではＭＯＸ燃料集合体あたりのＰｕ
の装荷量を大きくするため、大部分の燃料棒をＭＯＸ燃
料棒とした燃料集合体が設計されている。これらの燃料
集合体において高燃焼度化を図るためには、各燃料棒の
ウラン濃縮度やＰｕ富化度を増す必要があり、これに伴
ってガドリニア入り燃料棒本数を増して余剰反応度を抑
制する必要がある。しかもＭＯＸ燃料集合体において
は、Ｐｕ−240 の共鳴中性子吸収効果などにより中性子
束スペクトルが硬くなるため、中性子減速効果や制御棒
反応度価値は低下し、ウラン燃料集合体と比較してボイ
ド反応度係数や炉停止余裕などの炉心核特性は劣化する
ことが知られている。また、ガドリニアの中性子吸収効
果も低下するため、余剰反応度を抑制するためにより多
くのガドリニア入り燃料棒本数を必要とする。

【０００７】また、燃料製造時に入手するＰｕの同位体
組成比は一定ではなく、表１に示すように、使用済ウラ
ン燃料の初期濃縮度や取出燃焼度などにより異なること
が知られている。また、これらのＰｕ同位体のうち、表
２に示すように、とくに中性子共鳴吸収が大きいＰｕ−
240 が中性子吸収体として核特性に大きな影響を与える
ことが知られている。

【０００８】そのため、設計濃縮度のとおりに製造でき
るウラン燃料の場合とは異なり、設計で仮定したＰｕ同
位体組成仕様による核特性と同等となるよう、製造時に
入手されるＰｕ同意体組成仕様に基づく燃料炉心の核特
性の再評価を行って、場合によっては燃料のＰｕ富化度
を決めなおす必要が生ずる。このため、設計作業や燃料
製造はより繁雑なものとなり、コストアップ要因となっ
ている。

【０００９】

【表１】表中、組成比は％で示している。この表の出典は、"Plu
tonium Fuel/An Assessment", OECD NEA 1989 である。

【００１０】

【表２】この表の出典は、S.F.Mughabghab.et al.,"Neutron Cro
ss Sections,Volume 1,Neutron Resonance Parameters
and Thermal Cross Sections",Achademic Press1981で
ある。

【００１１】また、ＭＯＸ燃料集合体の製造コストを低
減する観点からＭＯＸ燃料棒の製造工程が簡素化される
ことが望ましく、例えば特願平1-177020号公報に示され
るように、ガドリニアはウラン燃料棒に添加させて設計
しているが、その本数が増えればＭＯＸ燃料棒本数を減
らすことになってＰｕ装荷量を増やすことが困難とな
る。図１８は、従来方法によるＭＯＸ燃料集合体水平断
面での燃料棒配置例であって、チャンネルボックス１３
の内側に74本の燃料棒８および2 本の太径ウォータロッ
ド９が正方格子状に９行９列配置されたＭＯＸ燃料集合
体において、ガドリニア入り燃料棒16本を装荷した場合
の燃料棒配置例を示すものである。Ｍ1 ないしＭ4 は、
Ｐｕ富化度の相異なるＭＯＸ燃料棒であり、母材として
劣化ウランを使用している。Ｇu はガドリニア入りウラ
ン燃料棒であり、上下方向のガドリニア濃度分布は一様
となっている。

【００１２】以上述べたペレット燃料は広く用いられて
いるもので、実績があり信頼性が高いものであるが、製
造工程は図１９に例示するようにかなり複雑であり、と
くにＭＯＸ燃料の製造コストが高いのが難点となってい
る。

【００１３】ところで、金属被覆管内に顆粒状の核燃料
物質を振動充填して密封した、いわゆる振動充填燃料が
知られているが、その製造工程は図２０に例示するよう
に、ペレット燃料よりも大幅に簡素化され、しかも工程
の自動化および遠隔操作が容易であり、大幅な製造コス
ト低減が可能である。また、ガドリニアをＭＯＸ顆粒と
混合して燃料棒を作ることも容易となる。

【００１４】図２１は、従来の振動充填燃料棒の例を示
すものであり、燃料被覆管１５内に図１５に示した燃料
棒のぺレット１の代わりに顆粒状の核燃料物質１６を封
入した構造としている。この場合、核燃料物質１６の顆
粒が充填されて、燃料棒の有効発熱部分を形成し、その
上下端部には、金属製ウールの緩衝区画１７を設けた構
造となっている。上部端栓１８、下部端栓１９、押え板
２０およびコイルスプリング２１は、図１５に示す燃料
棒と基本的に同じ構造となっている。

【００１５】この振動充填燃料棒については、通常充填
密度が大きくなるよう、顆粒の複数種類の粒径の組合わ
せと混合比を最適化しで混合充填することにより、被覆
管内の平均燃料密度 (スメア密度) がぺレット燃料の場
合と同程度となるようにすることが可能であり、核特性
は従来ペレット燃料と同等となる。したがって、たとえ
ば図１６および図１７に示した従来ペレット燃料集合体
において、単にペレット燃料棒を振動充填燃料棒に置き
換えた場合でも、燃料集合体核特性はペレット燃料集合
体と同程度になり、いわゆるバックフィットが可能とな
り、燃料集合体寸法諸元を変更することなく使用するこ
とができる。しかも製造コストを大幅に低減することが
できる。

【００１６】しかしながら、高燃焼度化（高濃縮度化、
高富化度化）燃料設計に際しては、従来振動充填燃料の
場合においても、前記ペレット燃料設計と同様に核特性
上の問題が発生する。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題に鑑み、製造コストを大幅に低減しつつ、振動
充填燃料の利点を活かして設計の融通性および経済性に
すぐれた軽水炉用燃料集合体を提供することを目的とす
る。

【００１８】また本発明は、ＭＯＸ燃料集合体のＰｕ装
荷量が大きい場合にＰｕの燃焼効率を向上させ、かつ炉
心特性を改善し、さらに十分な集合体あたりのＰｕ装荷
量が得られるような軽水炉用燃料集合体を提供すること
を目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１の発
明の軽水炉用燃料集合体は、複数の燃料棒が正方格子状
に配列される燃料集合体において、被覆管内に顆粒状の
核燃料物質と顆粒状の中性子吸収断面積の小さい非核燃
料物質が混合充填された振動充填燃料棒を含むことを特
徴とする。

【００２０】また請求項２の発明は、上記構成におい
て、前記振動充填燃料棒における非核燃料物質の混合充
填割合が燃料集合体平均で少なくとも体積率で20％であ
ることを特徴とする。

【００２１】請求項１および２の発明においては、複数
種類の顆粒状の物質を必要に応じて適宜混合充填できる
という振動充填燃料の利点を活かし、顆粒状の核燃材物
質と中性子の無駄な吸収を避けるための中性子吸収断面
積の小さい非核燃料物質（以下、希釈材という。）を混
合した燃料棒を燃料集合体に配置することにより、Ｐｕ
量は保存しつつ親物質であるＵ-238量を減らし、その結
果としてＰｕの中性子吸収量を増してＰｕ燃焼効率を高
め、炉心核特性を大幅に改善するものであり、とくにＰ
ｕ装荷量を増したＭＯＸ燃料集合体において効果的であ
る。

【００２２】同様な方法はペレット燃料でも考えられ、
例えば中空ペレットとした場合もある程度の効果が期待
できる。しかし、中空ペレットのコストは、従来使用さ
れている中実のものより高価であり、さらにぺレットの
割れに伴う欠落などによる燃料ふるまいの変化は設計範
囲内に収めるという観点から、ペレット内径は外径の1/
3 程度としており、中空部分の体積率は10％程度となっ
ているのが現状である。

【００２３】一方、本発明においては、前記中空ぺレッ
トのような燃料ふるまい上の問題や燃料製造コスト上昇
の問題は生じることはなく、希釈材の体積率を20％以上
とするとさらに前記改善効果が増大する。なお、この体
積率の上限については主として核分裂性核燃料物質の装
荷量によって制限され、95％程度となる。

【００２４】請求項３の発明は、請求項１の軽水炉用燃
料集合体において、顆粒状の核燃料物質が、二酸化ウラ
ンの顆粒およびウランとプルトニウムの混合酸化物の顆
粒の少なくともいずれかであることを特徴とする。

【００２５】請求項４の発明は、請求項１の軽水炉用燃
料集合体において、振動充填燃料棒が核燃料物質として
二酸化ウランの顆粒およびウランとプルトニウムの混合
酸化物の顆粒を含有し、該混合酸化物顆粒のプルトニウ
ム富化度が１種類であることを特徴とする。

【００２６】この構成により、Ｐｕ富化度が単−種類の
ＭＯＸ顆粒およびＵＯ₂顆粒を使用した場合、両者の体
積混合比を変えることにより、燃料棒ごとに実効的なＰ
ｕ富化度（Ｐｕ装荷量）を調整することができる。

【００２７】請求項５の発明は、請求項１の軽水炉用燃
料集合体において、非核燃料物質が、炭素系耐熱性材料
およびセラミックスから選ばれた少なくとも１種類であ
ることを特徴とする。

【００２８】請求項６の発明は、請求項５の軽水炉用燃
料集合体において、炭素系耐熱性材料が高密度黒鉛およ
びシリコンカーバイドであり、セラミックスがジルコニ
アおよびアルミナであることを特徴とする。

【００２９】請求項５および６の発明においては、炭素
系耐熱性材料およびセラミックスは中性子の無駄な吸収
を避けるとともに、熱伝導度が大きいため、燃料平均温
度が低下して核分裂生成物ガス（ＦＰガス）圧が抑制さ
れて燃料健全性が向上する。また、使用済燃料の乾式再
処理法においては、黒鉛（Ｃ）やシリコンカーバイド
（ＳｉＣ）のような炭素系耐熱性材料は使用済燃料溶解
時の処理効率を向上させ、かつ電解槽（溶解槽）の長寿
命化に寄与するという大きな利点がある。

【００３０】請求項７の発明は、請求項１の軽水炉用燃
料集合体において、前記核燃料物質と非核燃料物質の混
合物に可燃性毒物の顆粒が添加された振動充填燃料棒を
含むことを特徴とする。

【００３１】この構成により、ペレット燃料の場合より
も容易にガドリニア含有率を調整することができ、しか
もＭＯＸ燃料に添加することによって燃料集合体のＰｕ
装荷量を増すことができ、かつ燃焼初期での余剰反応度
を制御することができる。

【００３２】請求項８の発明は、請求項７の構成におい
て、可燃性毒物の顆粒は、ガドリニアの顆粒または二酸
化ウランとガドリニアの固溶体から選ばれた少なくとも
１種類であることを特徴とする。

【００３３】二酸化ウランとガドリニアの固溶体を可燃
性毒物顆粒として混合することにより、ガドリニアを含
む顆粒の比重が、ＭＯＸ燃料顆粒などのそれとほぼ等し
くなるため、より容易にガドリニアを燃料棒中に均一に
分散させることができ、より好適な余剰反応度の制御が
できる。

【００３４】請求項９の発明は、請求項１の軽水炉用燃
料集合体において、非核燃料物質の含有量が、燃料集合
体水平断面方向において中央部で大きく、隅部で小さく
なるよう分布していることを特徴とする。

【００３５】請求項１０の発明は、請求項９の構成にお
いて、隅部の燃料棒は非核燃料物質を含有しないことを
特徴とする。

【００３６】請求項９および１０の発明においては、中
性子束の高い隅部燃料棒でＵ-238の中性子吸収を増し、
中性子束の小さい中央部燃料棒でＵ-238の中性子吸収を
減らして、相対的に周辺部燃料棒でのＰｕの転換比を増
し、特に燃焼後半での周辺部燃料棒での出力を増すこと
により、局所出力分布を平坦化することができる。

【００３７】請求項１１の発明は、請求項１の軽水炉用
燃料集合体において、非核燃料物質の含有量が、燃料集
合体高さ方向において下部で小さく、上部で大きくなる
よう分布していることを特徴とする。

【００３８】請求項１２の発明は、請求項１１の構成に
おいて、振動充填燃料棒中の非核燃料物質の混合充填割
合が、燃料棒下半分で小さく、燃料棒上半分で大きく、
かつその上下差が燃料集合体平均で体積率で20〜40％で
あることを特徴とする。

【００３９】請求項１１および１２の発明においては、
炉心高さ方向の出力分布を平坦化することができる。

【００４０】請求項１３の発明は、請求項１の軽水炉用
燃料集合体において、核燃料物質として二酸化ウランの
顆粒およびウランとプルトニウムの混合酸化物の顆粒を
含有する振動充填燃料棒において、混合酸化物の原料と
して入手したプルトニウムの同位体組成を設計仕様と比
較してＰｕ-240の含有量が増加しているとき、二酸化ウ
ラン顆粒の混合量を設計時よりも減少させ、Ｐｕ-240の
含有量が減少しているとき、二酸化ウラン顆粒の混合量
を増加させることを特徴とする。

【００４１】請求項１４の発明は、請求項１３の構成に
おいて、二酸化ウラン顆粒が劣化ウランからなるとき、
Ｐｕ-240の含有量の設計時と入手時との変化割合に対し
て、劣化ウラン含有量の変化割合を40〜65倍とすること
を特徴とする。

【００４２】請求項１３および１４の発明においては、
設計時のＰｕ装荷量を変更することなく、設計どおりの
核特性が維持されるＭＯＸ燃料集合体を作ることができ
る。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。なお、従来例と共通する部分には
同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【００４４】図１は、本発明の一実施の形態の燃料集合
体を構成する振動充填燃料棒を示す縦断面図である。こ
の振動充填燃料棒の被覆管１５内には、図２１に示す従
来の振動充填燃料棒と比較して、中性子吸収断面積の小
さい非核燃料物質である希釈材顆粒３１が顆粒状の核燃
料物質１６と混合されて充填されている。希釈材顆粒３
１および核燃料物質１６の粒径はそれぞれ複数種類とし
ている。また、この顆粒状混合物に必要に応じて可燃性
毒物が添加混合される。

【００４５】図２〜図５は、それぞれ図１に示す燃料棒
のＡ−Ａ矢視方向断面図であり、ケース別に混合物の充
填の様子を模式的に示したものである。図２および図４
は、核燃料物質としてＭＯＸ顆粒３２のみを使用したケ
ースを示している。図３および図５のケースでは、ＭＯ
Ｘ顆粒３２およぴＵＯ₂顆粒３３の二種類の核燃料物質
を使用しており、両者の体積混合比を変えることによ
り、燃料棒の実効的なＰｕ富化度を容易に調整すること
ができる。ＵＯ₂として、適宜劣化ウラン、天然ウラン
または低濃縮ウランの酸化物を使用することができる。

【００４６】なお、図４および図５は、図２および図３
においてさらに可燃性毒物顆粒３４を混合充填した例を
示している。可燃性毒物顆粒３４としては、ガドリニア
の粉末あるいは顆粒の他、二酸化ウランとガドリニアの
固溶体の顆粒が考えられる。この方法によれば、この顆
粒はＭＯＸ顆粒などと比重がほぼ等しいため、より容易
にガドリニアを燃料中に均一に分散させることができ
る。

【００４７】ここで、希釈材として用いられる中性子吸
収断面積の小さい非核燃料物質としては、高密度黒鉛が
好適である。高密度黒鉛は、中性子吸収断面積が数ｍバ
ーンと小さく、一方では熱伝導度が100kcal/m/sec/℃と
大きく、希釈材として添加されることによって燃料平均
温度が低下して核分裂生成物ガス（ＦＰガス）内圧が低
減されるため、燃料健全性を向上させることができる。

【００４８】また、希釈材はこれに限定されず、例えば
耐酸化性に優れたシリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの
炭素系耐熱材料やジルコニア（ＺｒＯ₂）、アルミナ
（Ａｌ₂０₃）のようなセラミックスが考えられる。な
お、特願平8-265813号公報（使用済燃料の再処理方法）
に述べられる乾式再処理法においては、黒鉛の他にシリ
コンカーバイド（ＳｉＣ）のような炭素系材料は使用済
燃料溶解時の処理効率を向上させ、しかも電解槽（溶解
槽）の長寿命化へ寄与するという大きな利点がある。

【００４９】図６に、各燃料棒のＰｕ装荷重量を、図１
８に示す従来ＭＯＸ燃料集合体と同じとして、希釈材と
して高密度黒鉛を用い、その希釈材の体積割合を00％、
30％、50％、70％と変えた場合の燃料集合体の無限増倍
率の燃焼変化（積算発生熟量に対する変化）をそれぞれ
実線ａ、ｂ、ｃ、ｄで示す。ここで、振動充填燃料棒の
ＭＯＸ顆粒の母材は劣化ウランであり、被覆管内スメア
密度は埋論密度の85％としている。また、比較例として
破線で示すペレット燃料を用いた従来燃料棒の被覆管内
スメア密度は理論密度の91％としている。

【００５０】図６に示すように、振動充填燃料棒からな
るＭＯＸ燃料集合体においては、希釈材の体積割合の増
加とともに、親物質であるＵ-238量を減らし、その結果
としてＰｕの中性子吸収量が増してＰｕ燃焼効率が改善
され、反応度の利得が増している。

【００５１】また図７に、希釈材体積割合による燃料集
合体の取出時での積算発生熱量の変化を示す。この図か
ら明らかなように、希釈材の体積割合の増加とともに燃
料集合体の取出時での積算発生熱量が増大する。この図
において、希釈材の体積率20％程度で前記積算発生熱量
の利得効果は有意な値（数％）となり、さらにこれ以上
の値とすると利得効果が顕著となる。なお、この体積率
の上限については主として核分裂性核燃料物質の装荷量
によって制限され、95％程度となる。

【００５２】次に、本発明の燃料集合体の実施の形態１
として、図２に示す振動充填燃料棒を配置したＭＯＸ燃
料集合体を図８に示す。この実施の形態の燃料集合体
は、図１８に示すペレット燃料からなる従来燃料集合体
と比較して、ＭＯＸ燃料棒が図２に示す振動充填燃料棒
で置換されたものである。ここでは、反応度寿命（ある
いは取出時までの積算発生熟量）が相等しくなるよう核
分裂性物質量が調整されている。ｍ1 〜ｍ4 は、ＭＯＸ
顆粒３２と希釈材顆粒３１が混合充填された、Ｐｕ装荷
量の相異なるＭＯＸ燃料棒であり、ＭＯＸ顆粒の母材に
は劣化ウランを、希釈材には高密度黒鉛を用い、希釈材
の体積率は集合体平均で50％としている。また、充填密
度は顆粒が隙間なく充填された理想的な密度（理論密
度）の85％としている。なお、Ｇu は、図１８に示す従
来燃料集合体の場合と同様に、ガドリニア入り濃縮ウラ
ンペレット燃料棒である。

【００５３】さらに、本発明の燃料集合体の実施の形態
２として、実施の形態１におけるガドリニア入り燃料棒
を、図４に示すガドリニア入りＭＯＸ燃料棒に置き換え
たＭＯＸ燃料集合体を図９に示す。この実施の形態は、
全数をＭＯＸ燃料棒として燃料集合体のＰｕ装荷量を増
した例を示している。ここでも、反応度寿命は、実施の
形態１と同様に、図１８に示す従来ＭＯＸ燃料集合体と
相等しくなるよう核分裂性物質量を調整している。図９
において、ｍ1 ないしｍ4 はＰｕ装荷量の相異なるＭＯ
Ｘ燃料棒であり、ｇm はガドリニア入りＭＯＸ燃料棒で
ある。この実施例でも、ＭＯＸ顆粒の母材は劣化ウラン
とし、希釈材は高密度黒鉛を用いて体積率50％とし、充
填密度は理論密度の85％としている。

【００５４】以上に述べた本発明の燃料集合体の実施の
形態１および２について、従来ＭＯＸ燃料集合体と比較
して、集合体あたり所要核分裂性Ｐｕ重量とＵ-235重量
を表３に示す。

【００５５】

【表３】表３に示すように、本発明の効果として、実施の形態１
および２のいずれも集合体あたり核分裂性物質の装荷重
量は従来例よりも 8〜 9％低減され、燃焼効率が改善さ
れていることが分かる。また、実施の形態２では従来例
よりもＰｕ装荷量を20％増とすることができる。また、
燃料集合体核特性の例として、制御棒価値および出力運
転時に対する低温時反応度上昇は、図１０に示すよう
に、実施の形態１および２のいずれも改善され、炉停止
余裕が向上する。

【００５６】次に、本発明の燃料集合体の実施の形態３
として、振動充填燃料棒における希釈材の混合割合を集
合体水平断面方向において、中央部の燃料棒で大きくな
り、隅部の燃料棒で最小となるよう分布させた燃料集合
体を図１１に示す。図１１において、隅部のＭＯＸ燃料
棒ｍ3 ′、ｍ4 ′は、希釈材を含有しない振動充填燃料
棒である。この実施の形態の他の燃料棒は、図９に示す
実施の形態２の場合と同じである。

【００５７】この実施の形態では、中性子束の高い隅部
燃料棒においてＰｕ装荷量を変えずに母材量を増してＵ
-238の中性子吸収を増すことにより、相対的に周辺部燃
料棒でのＰｕの転換比を増し、特に燃焼後半での周辺部
燃料棒での出力を増すことにより、局所出力分布を平坦
化することができる。図１２は、実施の形態３について
局所出力ピーキング係数の燃焼変化を実施の形態２と比
較して示すもので、低減効果が示されている。

【００５８】次に、本発明の燃料集合体の実施の形態４
として、図９に示す実施の形態２の燃料棒配列におい
て、集合体下半分での希釈材体積割合を各燃料棒で一律
20％とし、上半分で50％となるようにして、その上下差
を30％にする。ここでは、集合体下半分において、Ｐｕ
装荷量は上半分と同じとしつつ、ＭＯＸ燃料の母材量を
増してＵ-238の中性子吸収を増すことにより、熱中性子
束を低減して炉心下部の出力ピーキングを抑制してい
る。これにより、燃焼期間における炉心高さ方向出力分
布をより平坦にすることができる。

【００５９】図１３は、実施の形態４の燃料集合体を平
衡サイクル炉心に装荷したときの炉心高さ方向出力分布
を従来燃料集合体を装荷した炉心の場合と比較して示す
ものである。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各グラフ
は、縦軸に炉心高さを、横軸に出力分布を1.0 に規格化
して示している。また、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ運転
サイクル初期（BOC)、中期（MOC)、末期（EOC)の場合を
示している。なお、運転サイクル末期においてはすべて
の制御棒は全引抜きされる。

【００６０】この図から明らかなように、本実施の形態
の燃料集合体を装荷した原子炉において、従来と比べて
炉心の下半分での出力が抑えられ、反対に上半分での出
力は押し上げられ、高さ方向の出力分布が平坦化され
る。なお、ここで述べた希釈材体積割合の上下差につい
ては30％に限定されるものではなく20〜40％の範囲で効
果が得られるものである。

【００６１】なお、以上述べた実施の形態１〜４の燃料
集合体において、核燃料物質がＵＯ₂顆粒とＭＯＸ顆粒
の二種類で構成される図３および図５に示すＭＯＸ燃料
棒を用いることができるのはいうまでもなく、ＰｕとＵ
の装荷量を実施の形態１〜４と同じに保てば、核特性は
同等となる。この場合はＭＯＸ顆粒のＰｕ富化度を一種
類とすることができるため、製造コストを低減すること
ができる。

【００６２】また、本発明のＭＯＸ燃料集合体の設計に
おいては、製造時に入手するＰｕの同位体組成が設計仕
様と異なる場合、とくに共鳴中性子吸収断面積が大きい
Ｐｕ-240の含有量の増加（または減少）に対応して、燃
料棒中のＵ-238量を減少（または増加）させることによ
り、Ｐｕ装荷量を変更することなく、容易に反応度を補
償して当初の設計どおりのＭＯＸ燃料集合体を作ること
ができる。

【００６３】実施の形態１および２において、希釈材体
積率を50％とした場合の単位重量あたりＵ-238の反応度
価値に対する同Ｐｕ-240の反応度価値の倍率は、図１４
のようになる。すなわち、前記Ｐｕ-240含有量変化割合
に対する、調整すべきＵ-238量の増減割合は図１８に示
す従来例（Ｍ０Ｘ燃料棒58本で本数割合は約80％）で約
67倍、実施の形態１（同58本で約80％）で約60倍、実施
の形態２（同74本で100 ％）で約45倍である。また、図
中には希釈材体積割合を20％および95％とした場合につ
いても示す。したがって、本発明ではＭＯＸ燃料棒の本
数割合（80ないし100 ％）および希釈材体積割合（20な
いし95％の範囲）に応じてＵ-238の倍率を約40ないし約
65倍とすることにより、Ｐｕ装荷量を変更することな
く、設計時の燃料集合体の反応度特性を維持することが
できる。具体的には、図３および図５に示す燃料棒のよ
うな核燃料物質がＵＯ₂顆粒とＭＯＸ顆粒の二種類で構
成される燃料棒を用いた場合、ＵＯ₂顆粒の含有量を増
減させることにより、ＭＯＸ顆粒の含有量を増減させる
ことなく目的を達成することができる。とくに、当該ウ
ランが劣化ウランの場合は、調整すべき増減割合として
前記の約40ないし約65倍の値を用いることにより目的を
達成することができる。

【００６４】なお、中性子吸収断面積の大きいＡｍやＮ
ｐのようなアクチナイドが燃料中に含まれる場合も同様
な方法により反応度を補償できることはいうまでもな
い。

【００６５】以上に述べた本発明の実施の形態は、ＢＷ
Ｒ用燃料集合体に限定されず、加圧水型原子炉用の燃料
集合体にも適用できるのはいうまでもない。

【００６６】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
顆粒状の核燃料物質に中性子吸収断面積の小さい非核燃
料物質を混合充填した燃料棒を用い、かつ前記非核燃料
物質の充填割合を集合体平均で体積率2O％以上とするこ
とにより、製造コストを低減するとともに、核分裂性物
質の燃焼効率を増して炉心特性を改善し、さらに十分な
集合体あたりのＰｕ装荷量を得ることができる、設計の
融通性および経済性にすぐれた燃料集合体を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の燃料集合体を構成する
振動充填燃料棒を示す縦断面図である。

【図２】本発明にかかるＭＯＸ燃料棒の一例を示す図１
のＡ−Ａ矢視方向断面図である。

【図３】本発明にかかるＭＯＸ燃料棒の他の例を示す図
１のＡ−Ａ矢視方向断面図である。

【図４】本発明にかかる可燃性毒物入りのＭＯＸ燃料棒
の一例を示す図１のＡ−Ａ矢視方向断面図である。

【図５】本発明にかかる可燃性毒物入りのＭＯＸ燃料棒
の他の例を示す図１のＡ−Ａ矢視方向断面図である。

【図６】燃料集合体において、希釈材の体積割合を変え
た場合の無限増倍率の燃焼変化を示す図である。

【図７】燃料集合体において、希釈材の体積割合を変え
た場合の取出時の積算発生熱量を示す図である。

【図８】本発明の燃料集合体の実施の形態１を示す横断
面図である。

【図９】本発明の燃料集合体の実施の形態２を示す横断
面図である。

【図１０】実施の形態１および２における制御棒価値お
よび出力運転時に対する冷温時反応度上昇を示す図であ
る。

【図１１】本発明の燃料集合体の実施の形態３を示す横
断面図である。

【図１２】実施の形態２と実施の形態３の局所出力ピー
キング係数の燃焼変化を示す図である。

【図１３】実施の形態４の燃料集合体を平衡サイクル炉
心に装荷したときの炉心高さ方向出力分布を示す図であ
る。

【図１４】実施の形態１、２における単位重量あたりＵ
-238に対するＰｕ-240の反応度価値の比を示す図であ
る。

【図１５】従来の燃料ペレットを充填した燃料棒を示す
縦断面図である。

【図１６】ＢＷＲ燃料集合体を示す縦断面図である。

【図１７】図１６のＡ−Ａ矢視方向断面図である。

【図１８】従来のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配置例を示
す横断面図である

【図１９】図１５に示すペレット燃料棒の製造工程を示
す図である。

【図２０】振動充填燃料棒の製造工程を示す図である。

【図２１】振動充填燃料棒の従来例を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

２、１５………燃料被覆管１６………核燃料物質顆粒３１………希釈材顆粒３２………ＭＯＸ顆粒３３………ＵＯ₂顆粒３４………可燃性毒物顆粒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の燃料棒が正方格子状に配列される
燃料集合体において、被覆管内に顆粒状の核燃料物質と
顆粒状の中性子吸収断面積の小さい非核燃料物質が混合
充填された振動充填燃料棒を含むことを特徴とする軽水
炉用燃料集合体。
【請求項２】前記振動充填燃料棒における前記非核燃
料物質の混合充填割合が、燃料集合体平均で体積率で20
〜95％であることを特徴とする請求項１記載の軽水炉用
燃料集合体。
【請求項３】前記顆粒状の核燃料物質は、二酸化ウラ
ンの顆粒およびウランとプルトニウムの混合酸化物の顆
粒の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項
１記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項４】前記振動充填燃料棒が、核燃料物質とし
て二酸化ウランの顆粒およびウランとプルトニウムの混
合酸化物の顆粒を含有し、該混合酸化物顆粒のプルトニ
ウム富化度が１種類であることを特徴とする請求項１記
載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項５】前記非核燃料物質は、炭素系耐熱性材料
およびセラミックスから選ばれた少なくとも１種類であ
ることを特徴とする請求項１記載の軽水炉用燃料集合
体。
【請求項６】前記炭素系耐熱性材料が高密度黒鉛およ
びシリコンカーバイドであり、前記セラミックスがジル
コニアおよびアルミナであることを特徴とする請求項５
記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項７】前記核燃料物質と前記非核燃料物質の混
合物に可燃性毒物の顆粒が添加された振動充填燃料棒を
含むことを特徴とする請求項１記載の軽水炉用燃料集合
体。
【請求項８】前記可燃性毒物の顆粒は、ガドリニアの
顆粒または二酸化ウランとガドリニアの固溶体から選ば
れた少なくとも１種類であることを特徴とする請求項７
記載の燃料集合体。
【請求項９】前記非核燃料物質の含有量が、燃料集合
体水平断面方向において中央部で大きく、隅部で小さく
なるよう分布していることを特徴とする請求頂１記載の
軽水炉用燃料集合体。
【請求項１０】前記隅部の燃料棒は前記非核燃料物質
を含有しないことを特徴とする請求項９記載の軽水炉用
燃料集合体。
【請求項１１】前記非核燃料物質の含有量が、燃料集
合体高さ方向において下部で小さく、上部で大きくなる
よう分布していることを特徴とする請求項１記載の軽水
炉用燃料集合体。
【請求項１２】前記振動充填燃料棒中の前記非核燃料
物質の混合充填割合が、燃料棒下半分で小さく、燃料棒
上半分で大きく、かつその上下差が燃料集合体平均で体
積率で20〜40％であることを特徴とする請求項１１記載
の軽水炉用燃料集合体。
【請求項１３】前記核燃料物質として二酸化ウランの
顆粒およびウランとプルトニウムの混合酸化物の顆粒を
含有する前記振動充填燃料棒において、前記混合酸化物
の原料として入手したプルトニウムの同位体組成を設計
仕様と比較してＰｕ-240の含有量が増加しているとき、
前記二酸化ウラン顆粒の混合量を設計時よりも減少さ
せ、Ｐｕ-240の含有量が減少しているとき、前記二酸化
ウラン顆粒の混合量を増加させることを特徴とする請求
項１記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項１４】前記二酸化ウラン顆粒が劣化ウランか
らなるとき、前記Ｐｕ-240の含有量の設計時と入手時と
の変化割合に対して、劣化ウラン含有量の変化割合を40
〜65倍とすることを特徴とする請求項１３記載の軽水炉
用燃料集合体。