JPS60117181A - 加圧型原子炉用燃料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は加圧型原子炉用燃料に葆り、特に長期サイクル
用原子炉に適し、在来型の加圧型原子炉も含め広く適用
可能である。また適用に採して何んら機器上の仕様変更
や付加物を必要としない。

〔発明の背景〕

従来から加圧水型原子炉においては、原子炉の出力ある
いは反応度制御のために、 （１）制御棒 （２）液体ボイズ／ （３）バーナプルポイズン 等の制御手段を用いていた。

このうち制御棒の制御能力は主として出力分布調整や急
激な出力変動時に使用され、通常の出力運転時には炉心
からほぼ全引抜されている。

原子炉は、定検から次の定検までの期間定格出力運転が
できるように、あらかじめその期間の初期時点である大
きさの余剰反応度を有している必要がある。この余剰反
応度は燃焼と伴に徐々に小さくなシ、期間末期では０と
なりそれ以降では出力レベルが維持できなくなる。どの
余剰反応度を制御し定格運転を維持するために加圧水原
子炉（以下ＰＷＲ寡Ｐ　ｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ　Ｗａｔ
ｅｒ　Ｒｅａｃｔｏｒ　）では主として前記（２）の液
体ポイズンを用いてきた。

しかしながら初装荷炉心や、近年主流となりつつおる長
期サイクル運転用の取替炉心では燃焼期間初期の余剰反
応度を大きくとる必要がある。この大きな余剰反応度を
制御するには先の液体ポイズンのみでは無理がある。こ
れは液体ボイズ／中の中性子吸収物質であるほう素（Ｂ
）の濃度を高くして大きな余剰反応度を制御しようとす
ると、炉心の反応度係数が正側になることによるためで
ある。すなわち炉心内の中性子減速材である水に溶けて
いるＢの濃度は水の密度と伴に変化するために出力が上
昇し水の密度が薄くなるとＢの濃度も薄くなシ減速効果
の減少分よりもＢ減少による反応度添加の方が大きくな
り、出力の上昇と伴に反応度が上昇することになる。

これを防ぐため前記（３）に示すバーナプルポイズンを
用いている。従来型のバーナプルポイズンは第１図に示
すような形式で、ステンレス等の金属のシース内にほう
硅酸ガラスを納めている。この金属棒数本を燃料集合体
内に挿入しバーナプルポイズンとして使用する。本屋式
のバーナプルポイズンは装荷量の調整が比較的自由に行
なえるという利点はあるが以下に示すような欠点がある
。

（１）これらバーナプルポイズンは１サイクル毎に使い
捨てになシ、放射性廃棄物となって残って行く。

この傾向は長期サイクルになりバーナプルポイズン使用
量が増すに従い増加することになる。

（２）バーナプルポイズンが燃え尽きた後でも金属シー
スによる中性子吸収がアリ、この分による反応度損失が
おる。

（３）燃料の濃縮度が高くなると、燃料の輸送時や貯蔵
時の臨界性が制約となるが、燃料と切離すことのできる
従来型パーナブルポイズンではこれら輸送時や貯蔵時の
反応度を下げ臨界性の余裕を増せる手段とはなりにくい
。

〔発明の目的〕

本発明はＰＷＲ用の燃料においてバーナプルポイズンと
してガドリニア（Ｇｄ２０３）を使用する場合の最適な
方法について示すものである。

〔発明の概要〕

ＢＷＲにおいては既に十分なガドリニア使用実績を有し
ておシ、このＢＷＲにおけるガドリニア最適化手法を用
いて、ＰＷＲにおける使用法について検討したものであ
る。

ガドリニア設計において決定すべき重要な因子は次の２
つである （１）ガドリニア入り燃料棒本数 （２）ガドリニア濃度 これらの因子は炉心の運転方法や仕様、他の制御手段等
を考慮して決定されるべきでアシ、これらの条件に応じ
て最適設計がなされることになる。

これらの条件はＢＷＲとかなシ異ることがら、本発明で
は現状のＰＷＲへの適用を考慮して設定した。

〔発明の実施例〕

１、液体ポイズンによる炉心制御 ＰＷＨにおいては現在、例えば１７行×１７列の燃料棒
配列を持つ燃料集合体を用い、１１００ＭＶｅ級炉心で
はこの燃料を約１９３体装荷して炉心を構成している。

この燃料集合体の例を第２図に、炉心の例を第３図に示
す。

燃料集合体中には燃料棒２の他に複数本の制御棒案内シ
ンプル３を含んでいる。ＰＷＲでは一般に全ての燃料集
合体へ制御棒挿入を行なわないので、この制御棒を挿入
しない燃料集合体の制御棒案内シンプル２に、従来バー
ナプルポイズン１を挿入していた。

本発明においてはガドリニアを燃料棒に含ませるため、
ガドリニア入り燃料棒（タイプ１と呼ぶとガドリニア無
しの燃料棒（タイプ２と呼ぶ）の２種類の燃料棒が存在
し、従来のようなバーナプルポイズン１は不要になる。

通常、出力運転時には先にも述べたように制御棒はほぼ
全引抜されており、炉心の反応度制御にはほとんど寄与
しない。従って燃焼に伴う余剰反応度の変化を制御する
のは液体ポイズン系とバーナプルポイズンである。燃焼
に伴って液体ポイズン系のホウ素濃度は減少し、バーナ
ブルボイズンによる反応度制御能力も徐々に減少する。

この燃焼に伴う変化の一例を第４図に示す。本図におい
てバーナプルポイズンは従来のホウ硅酸ガラスを仮定し
、反応度はホウ素濃度に換算したものである。

本図に示すように、バーナプルポイズンが無い場合、ホ
ウ素濃度がサイクル初期で犬きくなシ先に述べたように
反応度制御上好ましくない。

減速材対燃料体積の比率が３．４程度のＰＷＲの例では
適切な炉水中のホウ素濃度の上限は１ｏｏｏｐ程度であ
る。

逆にサイクル初期でのホウ素濃度の下限はホウ素濃度希
釈の速度から制約を受ける。一般に希釈前のホウ素濃度
が低い程希釈に大量の純水を必要とするため早いホウ素
濃度変化に対応しにくくなる。現行の液体ポイズン系の
能力を仮定し、適切なホウ素濃度変化速度を確保する上
ではホウ素濃度の下限は２００Ｐ程度が望ましい。従っ
てこれらの適切なホウ素濃度の範囲は第５図に示すよう
になる。本図に示す直線Ｃは反応度係数よシ決まるホウ
素濃度上限、直線りは液体ポイズン系の能力よシ決まる
下限および直線Ｅは燃焼に伴い反応度劣化に見合うホウ
素濃度減少を示す。従って適切なホウ素濃度としてはこ
れら直線Ｃ，ＤおよびＥで囲まれる範囲内になシ、この
範囲内に納まるようガドリニアの濃度および本数を決定
する必要がある。さらに運転の単純化を指向した場合、
ホウ素濃度の変化が小さい方が望ましい。またこのホウ
素濃度一定の期間をできるだけ長くするためには下限線
りに近い推移を運転できるようにガドリニア設計を行う
ことが最適である。

以下このようなガドリニア設計を行うことによシ得られ
るガドリニア棒の本数および濃度の関係を示す。

２　ガドリニアの必要量 ２．１ガドリニアの反応度価値 ガドリニアに含まれるガドリニウムは、中性子吸収断面
積が表１に示すように極めて大きい。

表　１ 従ってガドリニア棒中での熱中性子の平均自由行程は１
ｍ以下でちり、はぼガドリニア棒の表面で吸収されると
近似できる。この近似を用いるとガドリニア反応度価値
ｋＧｄは次式でおられされる。

ｋ　、、＝Ｃ，ｎｒ　・・・・・・（１）ここで０１は
定数、ｎは燃料集合体中のガドリニア棒の本数、ｒはガ
ドリニア棒の半径である。

すなわちガドリニア反応度価値はガドリニア棒の本数お
よび半径に比例して大きくなる。

現行ＰＷＲではｒり８！ＩＩｎ′　でおりＣＩＱｄ　ｏ
、ｏｏｉａ〜０．００２５であるこの数値の巾はガドリ
ニア棒の位置の違いを考慮したものである。

２．２　ガドリニア入り燃料棒本数および濃度の決定 ガドリニアが中性子を吸収し時間とともに変化する様子
は下記の式で表わすことができる。

ここでＮはガドリニア濃度、φは中性子束を表わす。

（２）式を解くと ０′　・・・・・・（３） Ｎ となシ、これを（１）式に代入すると となる。ここでｒｏは燃焼初期におけるガドリニア棒の
半径を表わす。

（３）式でｙ＝Ｑとおくと ｒ６ ｔ　＝　−Ｎ　＝　Ｔ　・・・・・・（５）φ となり、Ｔはガドリニアの燃え尽きる時間となる。

４ｒｏ／φはほぼ一定値であるからＮとＴすなわちガド
リニアの燃え尽きる時間はガドリニアの濃度に比例して
長くなる。

ガドリニアの入らない燃料集合体の燃焼に伴う反応度に
の劣化は −ｋ　：＝　−ａφ　・・・・・・（６）Ｌ で表わすことができる。ここでａは定数（約０．００２
５）である。ガドリニアの入る燃料集合体の割合を１／
ｍで表わすとし、燃焼を通じてホウ素濃度一定すなわち
炉心の反応度が一定となるようガドリニアで制御するた
めには下記の式が成り立つ。

すなわち Ｎ＝Ｃ５Ｃ）　・・・・・・（８） −１ となる。ここでＣａ　””　Ｃｌ／　４　ａは定数（約
０８２〜０．４）である。すなわちガドリニア棒の本数
とガドリニアの入っていない燃料棒の比率を濃度に比例
させることにより炉心反応度一定とすることができる。

次にホウ素濃度の上限、下限から定まるガドリニア濃度
及び棒本数の制約をめる。

今（６）式で表わされる燃料が炉心内にｍバッチの割合
で装荷されているとすると、炉心平均としての無限増倍
率は次式で懺わされる。

サイクル初期での無限増倍率ｋ　は、 及びサイクル末期での無限増倍率ｋ　は、ここでｔはサ
イクルの長さ、ｋｏは寿命初期の燃料の持つｋ　を表わ
す。サイクル末期の臨界東件から、 ｋ　＝１．０＋Ｌ　・・・・・・１１１）ここでＬは中
性子のもれによる反応度損失分（約０．０５）でちる。

（９）、（１１および（１１）式より ｋｏは燃料の汲縮度（ｅ）により決まり、（ｅはｗｔ％
単位） ｋＯ＝ｃ、ｅ＋１　・−・−（ｌ騰 の関係を持つ。ここでＣ４は定数（約０．０１）である
。

０３式をαり式に入れると 先の上、下限のホウ素濃度を注入することによシ定格出
力時臨界となるｋ　をそれぞれに、、。

ｋＬ　”と１する。したがってこのに−−に−４るいは
ｋ　−ｋ　に相当する反応度をガドリニアで打ｏｏ６ 消す必要がある。

（１）式およびα４式を用いてこの関係を示すと以下の
ようになる。

Ｌ 上限を与えるガドリニア棒本数ｎ　は ・・・・・・０５１ Ｌ 下限を与えるガドリニア棒本数ｎ　は ・・・・・・ＱＱ これらｎ　、ｎ　は統一して蕾き直すと下記のようにな
る。

ｎ　：Ｃｓ　ｅ＋Ｃ６−−−−・−（Ｌ７）Ｃ５，Ｃｏ
は定数で ・・・・・・０ 又、Ｎは（８）式よ） ３ Ｎ＝□・ｎ　・旧・・（８） −１ ここでｋ　はｋ　又はｋ　を表わすものとする。

第５図に示すホウ素濃度を実現する上からは、ＬＮ ｋ　〜１．１５．に、、、；ｋｏ７が適９Ｊ−ｔ’６ル
。

〜 以上の式よりＣｓ　、ＣｓおよびＣ６をめると次のよう
になる。

表　２　０．の値 Ｃ３＝５〜１０ Ｃｓ＝０．２〜０．４ となる。ここで濃縮度ｅの単位はＷｔ−Ｓとする。

以上より０６の範囲は−４〜−３０が適当である。

なお可燃性毒物としてはガドリニアのみならずガドリニ
ウム、ハフニウム、ユーロピウム等さラニこれらの混合
物等も有効である。

〔発明の効果〕

本発明の適用によシ、 （１）高放射性廃棄物量低減 ガドリニアは燃料に含まれるため、燃料と共に再処理が
可能、従って従来バーナプルポイズンのように高放射性
廃棄物が出ない。

（２）反応度損失低減 従来バーナプルポイズンでは金属シースによる反応度損
失があったが、ガドリニアではこのような金属シースを
必要とせず反応度損失を低減できる。

（３）高濃縮度燃料の採用 燃料貯蔵設備や新燃料輸送時の臨界性の余裕としてガド
リニアによる反応度吸収分を考慮でき高濃縮度化がやり
易くなり、燃料経済向上する。

（４）運転単純化 ガドリニアの最適化によりホウ素濃度を一定にして運転
しやすくなり、運転が単純化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来型パーナブルポイズンの側面図、第２図は
ＰＷＲ燃料集合体の水平断面図、第３図はＰＷＲ炉心の
水平断面図、第４図はホウ素濃度の燃焼に伴う変化例を
示す図、第５図は適切なホウ素濃度の範囲例を示す図で
ある。 第　１　口 部Ｚ図 鰻３０ ４ 第４−　口 恣゛ス１８　ＣＣｒｗ’／ｌ　ジ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可燃性毒物を含む燃料棒を複数本有する加圧型原子
   炉用燃料において、可燃性毒物を含まない燃料棒も含め
   た全燃料棒の割合ｎ１および可燃性毒物を含む燃料棒内
   の可燃性毒物の初期濃度Ｎが下記関係を有することを特
   徴とする加圧型原子炉用燃料。 ｎ＝αｅ十β Ｎ　＝　−ｎ −１ において α＝５〜１０、β＝−４〜−３０、ｒ＝０．２〜０．４
   の範囲とする。ｅは燃料濃縮度（ｗｔ％）、ｍは燃料取
   替割合で全炉心の１７ｍが取替量となる数値を意味する
   。