JPS60242391A - 燃料集合体 - Google Patents

燃料集合体

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JPS60242391A
JPS60242391A JP59098387A JP9838784A JPS60242391A JP S60242391 A JPS60242391 A JP S60242391A JP 59098387 A JP59098387 A JP 59098387A JP 9838784 A JP9838784 A JP 9838784A JP S60242391 A JPS60242391 A JP S60242391A
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fuel
uranium
plutonium
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mox
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持田 貴顕
小沢 通裕
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

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、燃料集合体、特にウラン・プルトニウム混合
酸化物燃料(以下MOX燃料と称する)集合体に関する
ものである。
〔発明の背景〕
第1〜第3図は沸騰水型原子炉用の燃料集合体の構造を
示すもので、第1図は燃料集合体の構造、第2図は燃料
集合体を構成する燃料棒、第3図は燃料集合体の横断面
を示している。これらの図で、1はチャンネルボックス
、2は上部タイプレート、3は下部タイプレート、4は
チャンネルファスナ、5は燃料棒、6はウォーターロッ
ド、7はスペーサ、8はエクスパンションスプリング、
9は燃料被覆管、10は燃料ペレット、11はスプリン
グ、12は燃料棒上部端栓、13は燃料棒下部端栓、1
4は制御棒を示している。
すなわち、燃料集合体は数種類の濃縮度分布を持つ燃料
棒5と、1〜2体のウォーターロッド6と数本の可燃性
毒物入りの燃料棒5を、第3図に示すように通常8X8
に配列し、それをチャンネルボックス1でおおって構成
され、チャンネルボックス1の外側には、上下方向に冷
却材の流れるギャップ部がアシ、ここに制御棒14が挿
入されている。
沸騰水型原子炉用燃料集合体では、チャンネルボックス
の外側では蒸気(ボイド)が発生しないが、チャンネル
ボックスの内側では蒸気(ボイド)が発生する。そのた
め、第3図に示すような横断面内の水(減速材)の密度
分布は一様でなく、チヤンネルボックスの外側の水ギヤ
ツプ部では密度が高く、チャンネルボックスの内側では
密度が低くなっている。このため、熱中性子束の分布も
一様ではない。第4図(b)、 (C)、 (d)はそ
れぞれ(a)に示すチャンネルボックスの横断面の対角
線AA’の方向の熱中性子束分布、核分裂性物質分布1
局所出力分布を示しておシ、縦軸にはそれぞれ熱中性子
束φ、核分裂性物質含有量e9局所出力p(oce・φ
)がとっである。この図から明らかなように、燃料中心
部では減速材が少ないこと及び燃料自身による中性子吸
収効果が大きいことなどによシ、熱中性子束は低く、燃
料外周部では高くなる分布を持っている。
そして、燃料集合体内の各燃料棒出力Pは、およそ次式
で示される。
P−φ・σf−N ・・・・・・・・・(1)ここで、 φ ;燃料棒位置での熱中性子束 σf;核分裂物質の核分裂断面積 N ;燃料棒内の核分裂性物質の原子数密度従来の燃料
集合体では、各燃料棒の出力分布(これを局所出力分布
という)を平坦化し、燃料棒の最大出力と平均出力の比
で示される局所出力ビーキングをできるだけ小さくする
ために、熱中性子束φの大きい、外周部燃料棒(チャン
ネルボックスに隣接する燃料棒)での核分裂性物質の原
子数密度Nを小さくするような集合体設計が行われる。
また、プルトニウムを軽水炉で用いる場合には、プルト
ニウムはウランに比べて熱中性子吸収量が多いので、制
御棒の吸収する熱中性子量が減少し、プルトニウム燃料
装荷炉心では、制御棒価値が低下することが知られてい
る。
どの対策として、プルトニウム燃料を制御棒に隣接して
置かないような燃料集合体が工夫されており、このよう
な燃料集合体に用いられる沸騰水型原子炉(BWR)用
MOX燃料には、アイランド型、及びディスクリート型
の2つがある。
第5図は、BWR用アイランド型MOX燃料のウラン・
プルトニウム分布例を示したもので、1はチャンネルボ
ックス、5aは燃料棒、6はウォーターロンド(円内に
Wが記入されている)、14は制御棒を示している。燃
料棒5aにおいて、円内に1〜4の数字の記入されてい
るものはウラン燃料棒を示し、番号の少ないものitど
21″U重量率が高いことを示している。また、同じく
Gの記入されているものは、ウラン燃料棒にガドリニア
を含有させた燃料棒を示し、Pl、P2の記入されてい
るものは、天然ウランに酸化プル)=ラムを混合させた
MOX燃料棒を示し、PsはP2よシも多くのプルトニ
ウムを含んでいる。本例に示したアイランド型MOX燃
料集合体では、で示される236U含有率は 2.20
重量%、で示されるpuf富化度は 1.04重量%、
で示されるPuOx富化度は 1.53重量%、で示さ
れる核分裂性物質重量率は3.24重量−である。この
ように、アイランド型MOX燃料集合体では、制御棒に
隣接するバンドル外周部燃料棒をプルトニウムにしない
で、ウラン燃料として、ウラン燃料集合体と同等の制御
棒価値、ボイド係数を持つようにしたことが特徴である
一方、第6図a、BY几用ディスクリート型MOX燃料
集合体の設計例で、1はチャンネルボックス、5bは燃
料棒、6はウォーターロンド(円内にWが記入されてい
る)、14は制御棒を示している。燃料棒5bにおいて
、円内にPI〜P−の数字の記入されているものは、天
然ウランに、酸化プルトニウムを混合させたMOX燃料
棒で、数字の少ないものほど、よシ多くのプルトニウム
を含むことを示し、またGの記入されているものは、ガ
ドリニア入シのMOX燃料棒を示している。本例に示し
たディスクリート型MOX燃料集合体では、 235U含有率は 0.68重量% puf富化度は 2.58重量係 PuO2富化度は 3.78重量% 核分裂性物質重量率は 3.26重量饅である。
ディスクリート型MOX燃料集合体では、プルトニウム
をウラン燃料と混在させて、全燃料棒に分散させておシ
、よシ多くのプルトニウム装荷量を確保できることが特
徴である。
一方加圧水型原子炉用MOX燃料集合体は、ディスクリ
ート型MOX燃料集合体だけであシ、第7図にその一例
を示す。1〜3の数字の記入されているものはMOX燃
料棒5Cを示し、3はlよシ多くのプルトニウムを混入
している。なお、Wが記入されているものはウォーター
ロッド6を示している。
このように、MOX燃料集合体のウラン・プルトニウム
分布は、制御棒価値、ボイド係数、局所出力分布等の観
点から決定されたものであったが、近年の燃料経済性の
向上、及びウラン・プルトニウム資源の有効利用にこた
見るためKは、新たなMOX燃料集合体のウラン・プル
トニウム分布が必要とされている。
〔発明の目的〕
本発明は、このような情況に鑑みてなされたもので、燃
料経済性の向上とウラン・プルトニウム資源の節約が可
能なMOX燃料集合体を提供することを目的とするもの
である。
〔発明の概要〕
本発明は、ウラン・プルトニウム混合酸化物を主体とす
る核燃料を筒厘の被覆管中に封入した燃料棒を複数個格
子状に配列した燃料棒集合体において、周辺部に位置す
る全てまたは大部分の燃料棒は未燃焼状態でウラン・プ
ルトニウム混合酸化物を含み、中央部に位置する燃料棒
は未燃焼状態で酸化ウランのみを含んでいることを特徴
とするものである。
本発明は、従来技術によるBWR燃料集合体のウラン・
プルトニウム分布と反応度との関係を燃料経済性の観点
から見直すと、熱中性子の高い位置には、核分裂性物質
(ウラン・プルトニウム等)の含有量の高い燃料棒を配
置したほうが、燃料集合体の反応度が上がるということ
が明らかとなり、これは、外周部燃料棒の局所出力を増
したはうが反応度が上がることを意味している((1)
式参照)。
このため、ウラン燃料集合体では、特開昭58−262
92号公報に示すようにチャンネルボックスに隣接する
燃料棒の濃縮度を平均濃縮度よシも高くする燃料集合体
が考案されている。
一方、ウランとプルトニウムは第8図〜第10図に示す
ような特性を持っている。これらの図の横軸には中性子
エネルギー(eV)、縦軸にはそれぞれ核分裂断面積(
バーン)、吸収断面積(バーン)、吸収当シ中性子発生
個数(η)がとっである。これらの図から明らかなよう
に、プル)ニウムの核的特性によシMOX燃料の核分裂
断面積Σt (−NXσf)や吸収当シ中性子発生個数
ηはウラン燃料よυも大きいため、最適な減速状態にお
いては、同じ核分裂量の燃料同志を比較すると、MOX
燃料の方がウラン燃料より大きな無限増倍率を得られる
ことになる。既存のBWRにウラン燃料と同一仕様のM
OX燃料を装荷した場合は、MOX燃料にとってはやや
減速材不足側の状態であるため無限増倍率は同一核分裂
物質量のウラン燃料よシは燃焼初期状態では小さくなつ
′rいる。
一方、この状態では熱中性子の平均エネルギーが高くな
るため、核分裂性プルトニウムの生成割合がウラン燃料
よシ大きく燃焼に伴う無限増倍率の変化は小さくなる。
このため燃焼が進んだ時点における無限増倍率の大きさ
が逆転し、MOX燃料棒の方がウラン燃料棒よシ高い無
限増倍率を持つ。
プルトニウムを含むMOX燃料棒を、チャンネルボック
スに隣接した外周部に配置し、内部につ之ン燃料棒を配
置した構造(以下ブトールCa1o目;環礁〕型と称す
る)にした場合、燃焼初期では各燃料棒出力が同一で平
坦な出力分布を持っていても、燃焼後期では、外周部M
OX燃料棒での核分裂性プルトニウムの生成割合が集合
体内部のウラン燃料棒よシも大きいために、外周部燃料
棒の核分裂が増大し、出力が増大するので、アイランド
型、ディスクリート型に比較して、無限増倍率を増加さ
せることができる。
また局所出力の増加により、最大線出力密度の増加によ
る燃料健全性への影響が懸念されるが、最大線出力密度
は、局所出力ビーキングとチャンネルピーキングと軸方
向ピーキングの積に比例するため、集合体出力が低下し
チャンネルピーキン悪化させることなしに、反応度を上
昇させることができる。
〔発明の実施例〕
第11図は一実施例のMOX燃料集合体の横断面図で、
アトール型のウラン・プルトニウム分布を持っておシ、
1はチャンネルボックス、5dは燃料棒、6はウォータ
ーロンド(円内にWが記入されている)、14は制御棒
を示しておシ、燃料棒5dのうち、pt−p<の付しで
あるチャンネルボックス外周部に接しているものはMO
X燃料棒、Gはガドリニア人シウラン燃料棒、1〜2は
ウラン燃料棒を示しており、この燃料集合体を用いた場
合の235U濃縮度と核分裂性プルトニウム富化度(p
u f富化度)は第1表に示す通シである。
第1り図は実施例のアトール型MOX燃料集合体の無限
増倍率を、従来技術によるアイランド型MOX燃料集合
体の無限増倍率と比較して示したもので、横軸、II軸
にはそれぞれ燃焼度(GWd/s t)、無限増倍率が
とってl)、A、Bがそれぞれ実施例のアトール型MO
X燃料集合体、従来技術によるアイランド型MOX燃料
集合体の場合を示している。両者の初期核分裂性物質重
量率は3.24重量%と同一であるが、ガドリニアの燃
え尽きた燃焼後期の無限増倍率kooは、実施例のアト
ール型のほうが高い。このため燃料集合体の寿命がのび
、炉内滞在期間が増大するので、原子炉の定期検査毎に
実施される燃・料の交換体数が減少し、燃料経済性が向
上するとともに、ウランプルトニウム資源の有効利用が
実現できる。
この実施例の燃料集合体は、MOX燃料集合体の燃焼後
期での反応度を向上することができる。
反応度の向上により原子炉の定期検査ごとの燃料取替体
数を削減でき、燃料経済性の向上とウラン・プルトニウ
ム資源の有効利用が実現できる。
〔発明の効果〕
本発明の燃料集合体は、燃料経済性の向上とウラン・プ
ル)ニウム資源の節約が可能なMOX燃料集合体の提供
を可能とするもので、産業上の効果の大なるものである
【図面の簡単な説明】
第1図は沸騰水屋原子炉用の燃料集合体の構造説明図、
第2図は同じく燃料集合体を構成する燃料棒の構造説明
図、第3図は同じく燃料集合体の横断面図、第4図はチ
ャンネルボックス内の熱中性子束分布、核分裂性物質分
布9局所出力分布を示す説明図、第5図、第6図及び第
7図はそれぞれ異なる従来のMOX燃料集合体の横断面
図、第8図、第9図及び第10図はN S * p u
と1m1Uとの核特性を示す線図、第11図は本発明の
燃料集合体の一実施例のMOX燃料集合体の横断面図、
第12図は本発明の効果を従来のMOX燃料集合体の場
合と比較して示した線図である。 1・・・チャンネルボックス、5d・・・燃料棒(P 
t 〜P4・・・MOX燃料棒、G・・・ガドリニア人
シウラン燃料棒、1〜2・・・ウラン燃料棒)、6・・
・ウォータ(はかするλ 名1図 噌a図 (d) も刃口 中゛l’f3JJ−1し’4−(eV)中・l’i善工
年ル<’−(eV) 弔11図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、ウラン・プルトニウム混合酸化物を主体とする核燃
    料を筒型の被覆管中に封入した燃料棒を複数個格子状に
    配列した燃料集合体において、周辺部に位置する全てま
    たは大部分の燃料棒は未燃焼状態でウラン・プルトニウ
    ム混合酸化物を含み、中央部に位置する燃料棒は未燃焼
    状態で酸化ウランのみを含んでいることを特徴とする燃
    料集合体。
JP59098387A 1984-05-16 1984-05-16 燃料集合体 Granted JPS60242391A (ja)

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JP59098387A JPS60242391A (ja) 1984-05-16 1984-05-16 燃料集合体

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JPH0452914B2 JPH0452914B2 (ja) 1992-08-25

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62276492A (ja) * 1986-05-26 1987-12-01 株式会社東芝 燃料集合体
JP2021117125A (ja) * 2020-01-27 2021-08-10 東芝エネルギーシステムズ株式会社 Mox燃料集合体

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62276492A (ja) * 1986-05-26 1987-12-01 株式会社東芝 燃料集合体
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