JPH1068789A - Ｍｏｘ燃料集合体及び炉心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃
料集合体が炉心に混在した場合でも、熱的余裕を改善で
きるＭＯＸ燃料集合体及び炉心を提供することである。 【解決手段】ＭＯＸ燃料集合体を、その軸方向に垂直な
断面で、最外周の燃料棒が装荷されている最外層領域と
その内側の内層領域とに分割した場合、最外層領域のＭ
ＯＸ燃料棒の平均の核分裂性プルトニウム富化度Ａと、
内層領域のＭＯＸ燃料棒の平均の核分裂性プルトニウム
富化度Ｂとが、Ｂ／Ａ≧２.２ の関係を満足するように
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉の
炉心に装荷されるウランとプルトニウムの混合酸化物
（ＭＯＸ）燃料棒を有するＭＯＸ燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉の炉心において
は、所定の期間（１サイクル）運転を実施した後原子炉
が停止され、装荷された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、交換される燃料の数は、炉
心全体の１／４〜１／３程度である。一度装荷された燃
料は、炉心から取り出されるまでに３〜４サイクルの期
間炉内に滞在する。

【０００３】各運転サイクルで交換される燃料の数が一
定である炉心を平衡炉心といい、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。一方、新燃料だけか
ら構成される初装荷炉心においては、はじめの１サイク
ルの間運転を実施した後、燃料の一部が取り出されて新
燃料と交換される。第１サイクル後に取り出される燃料
は、平衡炉心の燃料に比べて燃焼度が低く、発生エネル
ギーが小さい。このため、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
燃料からなる構成が採用され、燃料経済性の向上が計ら
れている。

【０００４】このような初装荷炉心に関する従来技術と
して、例えば、特開平5−249270 号公報がある。同公報
には、燃料集合体の平均濃縮度が３.４ 重量％の高濃縮
度燃料，２.３重量％の中濃縮度燃料、及び１.１重量％
の低濃縮度燃料を装荷した炉心が記載されている。ま
た、平均濃縮度の低い燃料集合体から順に炉心から取り
出し、平均濃縮度の高い燃料集合体ほど炉内に長く滞在
させることが記載されている。

【０００５】一方、日本では、ＭＯＸ燃料を軽水炉に利
用することが計画されている。図２に示すように、熱中
性子領域や共鳴吸収領域において、プルトニウムの中性
子吸収断面積は大きい。同図のように、ＭＯＸ燃料に含
まれるプルトニウムは、ウランと比べて中性子を吸収し
易い。ＭＯＸ燃料を用いる場合、従来から、この特徴を
考慮した設計がされている。ＭＯＸ燃料においても、燃
料経済性を向上させるためには、プルトニウム富化度を
高めることによる高燃焼度化が有効である。この場合、
上記したＭＯＸ燃料とウラン燃料の中性子の吸収特性の
差は大きくなる。

【０００６】特に、前述したような平均濃縮度の異なる
複数の燃料集合体を初装荷炉心に装荷する場合、低濃縮
ウラン燃料とＭＯＸ燃料の核特性の差が大きくなる。核
特性の差が大きい燃料集合体が隣接する場合、隣接する
燃料集合体の中性子スペクトルが異なるので、中性子の
やり取りが生じる。このため、運転サイクル初期の熱的
余裕（最大線出力密度，最小限界出力比）の改善が課題
とされていた。

【０００７】この熱的余裕を改善する従来技術として
は、水ロッドの数又はプルトニウム富化度の種類を増加
して、局所出力ピーキングを減少する方法がある。しか
し、前者は燃料装荷量を減少させ、後者は製造コストを
増加させる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＭＯ
Ｘ燃料集合体とウラン燃料集合体が炉心に混在した場合
でも、熱的余裕を改善できるＭＯＸ燃料集合体及び炉心
を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明では、ＭＯＸ燃料集合体を、その軸方向
に垂直な断面で、最外周の燃料棒が装荷されている最外
層領域とその内側の内層領域とに分割した場合、最外層
領域のＭＯＸ燃料棒の平均の核分裂性プルトニウム富化
度Ａと、内層領域のＭＯＸ燃料棒の平均の核分裂性プル
トニウム富化度Ｂとが、Ｂ／Ａ≧２.２ の関係を満足す
るように構成する。

【００１０】また、第２の発明では、ＭＯＸ燃料棒のう
ち最大の核分裂性プルトニウム富化度Ｄと、最外周のコ
ーナー部の燃料棒の平均の核分裂性プルトニウム富化度
Ｃとが、Ｄ／Ｃ≧４.５ の関係を満足するように構成す
る。

【００１１】また、第３の発明では、可燃性毒物入り燃
料棒の可燃性毒物が充填された領域の平均のウラン濃縮
度Ｕと、ＭＯＸ燃料棒の平均の核分裂性プルトニウム富
化度Ｅとが、Ｕ／Ｅ≧１.３ の関係を満足するように構
成する。

【００１２】また、第４の発明では、十字型の制御棒を
有する原子炉炉心に装荷されるMOX燃料集合体を、制御
棒と平行な十字で４等分し、この４つの領域を制御棒の
一翼のみに隣接する第１領域とそれ以外の第２領域とに
分けた場合、第１領域内の最外層から２層目に装荷され
ている可燃性毒物燃料棒の本数が、第２領域内のその本
数よりも多くなるように構成する。

【００１３】燃料集合体設計において熱的余裕を増大さ
せるためには、(1) 注目している燃料棒の出力ピーキン
グ(局所出力ピーキング)を低減すること、さらに、(2)
注目している燃料棒の周辺の燃料棒の出力ピーキングを
低減することが有効である。

【００１４】以下、本願発明者らによる解析結果に基づ
いて、図３〜図５を用いて、本発明の作用を説明する。

【００１５】核特性の異なる燃料集合体が混在した炉心
において、注目している燃料棒が燃料集合体の最外周に
ある場合、その局所出力ピーキングは、燃料集合体内の
富化度分布とともに、隣接した燃料集合体の種類により
決定される。初装荷炉心においてコントロールセルに装
荷される低濃縮度燃料集合体と隣接した場合を想定し、
ＭＯＸ燃料集合体の局所出力ピーキングとＢ／Ａ比
（Ａ：最外層領域のＭＯＸ燃料棒平均の核分裂性プルト
ニウム富化度，Ｂ：内層領域のＭＯＸ燃料棒平均の核分
裂性プルトニウム富化度）との関係を求めた解析例を図
３に示す。図より燃料寿命初期（ＢＯＬ）の局所出力ピ
ーキングを燃料寿命末期(ＥＯＬ）の１.１以下とするに
は、Ｂ／Ａを２.２ 以上とすることが有効である。上記
の局所出力ピーキング比を１.１ 以下にすることで、燃
焼を通じて熱的余裕を向上することが可能となる。

【００１６】図４は、コントロールセルに装荷される低
濃縮度燃料集合体に隣接したＭＯＸ燃料集合体におい
て、富化度分布を一様とした場合の（低濃縮度に面し
た）最外層領域の局所出力ピーキングの解析例である。
出力の最も高いコーナー部燃料棒は、最外層領域平均の
２倍以上の出力ピーキングとなっている。したがって、
最外層領域内での局所出力ピーキングを平坦化するため
には、Ｃ／Ａ比（Ａ：最外層領域のＭＯＸ燃料棒平均の
核分裂性プルトニウム富化度，Ｃ：コーナー部燃料棒平
均の核分裂性プルトニウム富化度）を０.５ 以下とする
ことが有効である。これは、ＭＯＸ燃料集合体内での富
化度分布差を拡大することに相当しており、Ｄ／Ｃ比
（Ｄ：燃料集合体のＭＯＸ燃料棒のうち最大の核分裂性
プルトニウム富化度，Ｃ：コーナー部燃料棒平均の核分
裂性プルトニウム富化度）を４.５ 以上とすることが有
効である。

【００１７】ＭＯＸ燃料集合体には余剰反応度を制御す
るため、可燃性毒物とウランが充填された可燃性毒物燃
料棒が配置されている。可燃性毒物が燃焼後の局所出力
ピーキングを減少させるためには、可燃性毒物棒とＭＯ
Ｘ燃料棒の出力を同等にする必要がある。軽水炉のスペ
クトルでは、ＭＯＸ燃料は同じ核分裂性物質重量割合を
有するウラン燃料より熱群の核分裂断面積が３０％以上
となる。したがって、可燃性毒物棒とＭＯＸ燃料棒の出
力を同等にするためには、可燃性毒物燃料棒の可燃性毒
物を有する領域の平均ウラン濃縮度をＭＯＸ燃料棒の平
均の核分裂性プルトニウム富化度の１.３ 以上とするこ
とが有効である。

【００１８】ＭＯＸ燃料集合体が、初装荷炉心において
コントロールセル１に装荷される低濃縮度燃料集合体２
と隣接した場合を図５に示している。隣接する低濃縮燃
料の影響を最も強く受けるのは、ＭＯＸ燃料集合体を制
御棒３と平行な十字で４等分したとき、制御棒の一翼の
みに隣接する領域（Ｘ）である。富化度分布の対称性を
崩さず、この領域の熱的余裕を向上するためには、最外
層領域（Ｘ領域）に隣接する２層目領域の局所出力ピー
キングを低減することが有効である。具体的には、２層
目に配置される前記可燃性毒物燃料棒本数を、（制御棒
の一翼のみに隣接する領域）＞（左記以外の領域）とす
ることが有効である。

【００１９】なお、以上の説明は、燃料棒の格子配列数
を従来の８×８とした場合を取り上げたが、より高燃焼
度化に適した９×９，１０×１０等、格子配列数を増加
させた燃料集合体に対しても同様である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面によ
り詳細に説明する。

【００２１】（実施例１）本発明の第１の実施例は、Ｍ
ＯＸ炉心の燃料集合体として図１に示した燃料集合体を
用いたものである。燃料集合体４は、８×８の格子状に
配列された燃料棒と、中央部の１本の太径ウォーターロ
ッド５と、これら燃料棒，ウォーターロッドを取り囲む
チャンネルボックス６から構成されている。燃料棒に示
す番号は富化度の違いを示しており、次のとおりであ
る。ＭＯＸ燃料棒７，８，９，１０の核分裂性Ｐｕ富化
度は、それぞれ５.４ｗｔ％，２.８ｗｔ％,２.１ｗｔ
％,１.１ｗｔ％であり、燃料棒６０本のうち１２本が、
ウラン濃縮度４.５ ｗｔ％の可燃性毒物燃料棒１１であ
る。したがって、この集合体のＢは５.４、Ａは２.３６
であり、Ｂ／Ａは２.２９となっている。また、Ｃは１.
１、Ｄは５.４ であり、Ｃ／Ａは０.４７、Ｄ／Ｃは４.
９となっている。

【００２２】その結果、本実施例をコントロールセルに
装荷されるウラン濃縮度１.５wt％程度の低濃縮度燃料
集合体に隣接配置しても、運転サイクル初期の局所出力
ピーキングを低減でき、運転サイクルを通じて熱的余裕
を確保することができる。

【００２３】（実施例２）本発明の第２の実施例は、Ｍ
ＯＸ炉心の燃料集合体として図６に示した燃料集合体を
用いたものである。燃料集合体１４は、実施例１と同様
８×８の格子状に配列された燃料棒と、中央部の１本の
太径ウォーターロッド１５と、これら燃料棒，ウォータ
ーロッドを取り囲むチャンネルボックス１６から構成さ
れている。燃料棒に示す番号は富化度の違いを示してお
り、次のとおりである。ＭＯＸ燃料棒１７，１８，１
９,２０の核分裂性Ｐｕ富化度は、それぞれ５.５ｗｔ
％,３.０ｗｔ％，２.１ｗｔ％，１.２ｗｔ％であり、燃
料棒６０本のうち１２本が、ウラン濃縮度４.９ ｗｔ％
の可燃性毒物燃料棒２１である。したがって、この集合
体のＢは５.５、Ａは２.２３であり、Ｂ／Ａは２.４０
となっている。また、Ｃは１.２、Ｄは５.５であり、Ｃ
／Ａは０.５、Ｄ／Ｃは４.６となっている。また、Ｕは
４.９、Ｅは３.６であり、Ｕ／Ｅは１.３６となってい
る。

【００２４】本実施例でも、実施例１同様、運転サイク
ルを通じて熱的余裕を確保することができる。本実施例
では、可燃性毒物燃料のウラン濃縮度を実施例１から
０.５ｗｔ％高めた結果、燃料集合体の最外周以外の核
分裂性Ｐｕ富化度を５.５wt％としても、燃料寿命末期
の局所出力ピーキングを実施例１と同等にできる。その
結果、燃料寿命初期の局所出力ピーキングを実施例１よ
りさらに２％低減できる。

【００２５】（実施例３）本発明の第３の実施例は、Ｍ
ＯＸ炉心の燃料集合体として図７に示した燃料集合体を
用いたものである。燃料集合体２４は、実施例１と同様
８×８の格子状に配列された燃料棒と、中央部の１本の
太径ウォーターロッド２５と、これら燃料棒，ウォータ
ーロッドを取り囲むチャンネルボックス２６から構成さ
れている。燃料棒に示す番号は富化度の違いを示してお
り、次のとおりである。ＭＯＸ燃料棒２７，２８，２
９，３０の核分裂性Ｐｕ富化度は、それぞれ５.４ｗｔ
％，2.8ｗｔ％，２.０ｗｔ％，１.１ｗｔ％であり、燃
料棒６０本のうち１２本が、ウラン濃縮度４.９ ｗｔ％
の可燃性毒物燃料棒２１である。したがって、この集合
体のＢは５.４、Ａは２.３３であり、Ｂ／Ａは２.３２
となっている。また、Ｃは１.１、Ｄは５.４であり、Ｃ
／Ａは０.４７、Ｄ／Ｃは４.９となっている。また、Ｕ
は４.９、Ｅは３.６であり、Ｕ／Ｅは１.３６となって
いる。

【００２６】本実施例でも、実施例１同様、運転サイク
ルを通じて熱的余裕を確保することができる。さらに、
本実施例では、ＭＯＸ燃料集合体を制御棒３と平行な十
字で４等分したとき、制御棒の一翼のみに隣接する領域
（Ｘ）の２層目領域に配置される可燃性毒物燃料棒本数
が２本、それ以外の領域のそれが１本と、（制御棒の一
翼のみに隣接する領域）＞（左記以外の領域）の関係を
満足している。局所出力ピーキングが厳しくなる領域Ｘ
の最外層燃料棒の出力を低く抑えることができる。その
結果、燃料寿命初期の最小限界出力比を実施例１よりさ
らに２％増大できる。

【００２７】（実施例４）本発明の第４の実施例を図８
に示す。燃料集合体３４は、９×９の格子状に配列され
た燃料棒と、中央部の２本の太径ウォーターロッド３５
と、これらの燃料棒，ウォーターロッドを取り囲むチャ
ンネルボックス３６から構成されている。実施例１と同
様に富化度分布を決めることで、実施例１と同様の効果
を得ることができる。また、この場合には９×９の格子
としたことで平均線出力密度が減少するので、線出力密
度がさらに改善される効果が得られる。

【００２８】さらに、本発明の別の燃料集合体構成を図
９に示す。燃料集合体４４は、９×９の格子状に配列さ
れた燃料棒と、中央部の１本の角管型ウォーターロッド
４５と、これら燃料棒，ウォーターロッドを取り囲むチ
ャンネルボックス４６から構成されている。実施例１と
同様の富化度分布とすることで、実施例１と同様の効果
を得ることができる。また、本実施例では、水ロッド領
域が増大したことで、ボイド係数が改善する効果が得ら
れる。

【００２９】（実施例５）実施例１〜実施例４に示した
ＭＯＸ燃料集合体は、炉心内に少なくとも１体以上装荷
することで、熱的余裕改善の効果が得られる。しかし、
炉心内で出力の高い最外周部より内側の領域、特に、低
濃縮ウラン燃料集合体で構成されたコントロールセルに
隣接する領域のＭＯＸ燃料を、上記の実施例１から４に
示したMOX燃料集合体とすることでその改善効果を増大
することができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、ＭＯＸ燃料集合体とウ
ラン燃料集合体が炉心に混在した場合でも、熱的余裕を
改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の８×８型燃料集合体を示
す断面図。

【図２】中性子吸収断面積の比較を示す図。

【図３】局所出力ピーキングとＢ／Ａ比の関係を示す
図。

【図４】最外周領域の局所出力ピーキングを示す図。

【図５】炉心内の燃料集合体配置を示す図。

【図６】本発明の第２実施例の８×８型燃料集合体を示
す断面図。

【図７】本発明の第３実施例の８×８型燃料集合体を示
す断面図。

【図８】本発明の第４実施例の９×９型燃料集合体を示
す断面図。

【図９】第４実施例の変形例を示す断面図。

【符号の説明】

１…コントロールセル、２…低濃縮度燃料集合体、３…
制御棒、４，１４，２４，３４，４４…燃料集合体、
５，１５，２５，３５…太径ウォーターロッド、６，１
６，２６，３６，４６…チャンネルボックス、７〜１
０，１７〜２０，２７〜３０…ＭＯＸ燃料棒、１１，２
１，３１…可燃性毒物燃料棒、４５…角管型ウォーター
ロッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金戸 邦和 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 (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 (72)発明者 小山 淳一 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 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 (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＭＯＸ燃料棒を含む複数の燃料棒が正方格
   子状に配置されたＭＯＸ燃料集合体において、 前記燃料集合体を、その軸方向に垂直な断面で、最外周
   の燃料棒が装荷されている最外層領域とその内側の内層
   領域とに分割した場合、最外層領域のＭＯＸ燃料棒の平
   均の核分裂性プルトニウム富化度Ａと、内層領域のＭＯ
   Ｘ燃料棒の平均の核分裂性プルトニウム富化度Ｂとが、
   Ｂ／Ａ≧２.２ の関係を満足するように構成したことを
   特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
2. 【請求項２】請求項１に記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、最外周のコーナー部の燃料棒の平均の核分裂性プル
   トニウム富化度Ｃと、前記核分裂性プルトニウム富化度
   Ａとが、Ｃ／Ａ≦０.５ の関係を満足するように構成し
   たことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
3. 【請求項３】ＭＯＸ燃料棒を含む複数の燃料棒が正方格
   子状に配置されたＭＯＸ燃料集合体において、 ＭＯＸ燃料棒のうち最大の核分裂性プルトニウム富化度
   Ｄと、最外周のコーナー部の燃料棒の平均の核分裂性プ
   ルトニウム富化度Ｃとが、Ｄ／Ｃ≧４.５ の関係を満足
   するように構成したことを特徴とするＭＯＸ燃料集合
   体。
4. 【請求項４】請求項３に記載のＭＯＸ燃料集合体におい
   て、前記燃料集合体を、その軸方向に垂直な断面で、最
   外周の燃料棒が装荷されている最外層領域とその内側の
   内層領域とに分割した場合、最外層領域のＭＯＸ燃料棒
   の平均の核分裂性プルトニウム富化度Ａと、内層領域の
   ＭＯＸ燃料棒の平均の核分裂性プルトニウム富化度Ｂと
   が、Ｂ／Ａ≧２.２ の関係を満足するように構成したこ
   とを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
5. 【請求項５】請求項１乃至４の何れかに記載のＭＯＸ燃
   料集合体において、更に可燃性毒物及びウランが充填さ
   れた可燃性毒物燃料棒を備え、前記可燃性毒物燃料棒の
   可燃性毒物が充填された領域の平均のウラン濃縮度Ｕ
   と、ＭＯＸ燃料棒の平均の核分裂性プルトニウム富化度
   Ｅとが、Ｕ／Ｅ≧１.３ の関係を満足するように構成し
   たことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
6. 【請求項６】ＭＯＸ燃料棒と、可燃性毒物及びウランが
   充填された可燃性毒物燃料棒とを含む複数の燃料棒が正
   方格子状に配置されたＭＯＸ燃料集合体において、 前記可燃性毒物燃料棒の可燃性毒物が充填された領域の
   平均のウラン濃縮度Ｕと、ＭＯＸ燃料棒の平均の核分裂
   性プルトニウム富化度Ｅとが、Ｕ／Ｅ≧１.３の関係を
   満足するように構成したことを特徴とするＭＯＸ燃料集
   合体。
7. 【請求項７】ＭＯＸ燃料棒と、可燃性毒物及びウランが
   充填された可燃性毒物燃料棒とを含む複数の燃料棒が正
   方格子状に配置され、十字型の制御棒を有する原子炉炉
   心に装荷されるＭＯＸ燃料集合体において、 前記燃料集合体を、前記制御棒と平行な十字で４等分
   し、この４つの領域を制御棒の一翼のみに隣接する第１
   領域とそれ以外の第２領域とに分けた場合、前記第１領
   域内の最外層から２層目に装荷されている可燃性毒物燃
   料棒の本数が、前記第２領域内のその本数よりも多いこ
   とを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
8. 【請求項８】請求項１乃至７の何れかに記載のＭＯＸ燃
   料集合体において、前記ＭＯＸ燃料棒のウラン母材が劣
   化ウランであることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
9. 【請求項９】請求項５乃至８の何れかに記載のＭＯＸ燃
   料集合体において、前記可燃性毒物がガドリニアである
   ことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
10. 【請求項１０】複数の燃料集合体と、前記燃料集合体の
    間に挿入される制御棒と、炉内計装管とを備えた原子炉
    の炉心において、請求項１乃至９の何れかに記載のＭＯ
    Ｘ燃料集合体が少なくとも１体装荷されたことを特徴と
    する原子炉の炉心。