JPS63172990A - 沸騰水型原子炉 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は原子炉に装荷される燃料集合体、特にプルトニ
ウムを用いた高燃焼度の原子炉用燃料集合体に関する。

（従来の技術） 従来、沸騰水型原子炉に用いられている８×８型燃料集
合体を第１０図を参照して説明する。この燃料集合体１
は細長い円筒状燃料棒２か多数本結束された結束体によ
り構成されている。この結束体はスペーサ５によって燃
料棒２間が等間隔に保持されており、また結束体内には
燃料棒２の他にウォータロッド６が組込まれている。こ
の結束体の外周はチャンネルボックス７で包囲され、こ
のチャンネルボックス７は上部が上部タイプレート３に
、下部が下部タイプレート４に接合されている。

燃料棒２は被覆管内に図示しない円柱状のＵＯ２燃料ペ
レツＩ〜が多数装填されたものであり、この被覆管の上
下両端は上部端栓８及び下部端栓９で密閉されている。

下部端栓８は上部タイブレート３中の支持空所に挿入す
ることができる延長部を備えており、また下部端栓９は
下部タイブレー１〜４中の支持空所に嵌合する■合部を
備えている。

前記ウォータロッド６は下部に冷却水入口孔１０が設け
られ、上部には冷却水出口孔１１が設けられている。そ
して、このつを−タロラド６内を冷却水が下方から上方
へ流れる構成となっている。

第１１図は前記燃料集合体１の水平方向の断面■−１を
示したもので、燃料棒２とつを一部［」ラド６が８行８
列の格子状に規則正しく並べられている。なお、１２は
原子炉の核反応を制御するための制御棒である。

以上の構成において、従来の燃料集合体は燃料叶全性を
損なわないようにするため、単位長さ当たりの出力（線
出力密度）を制限値以下に抑える必要があり、出力ビー
キングを下げるように以下のような複雑な設計を行って
いる。

すなわら、燃料集合体横断面の熱中性子束分布は沸騰水
型原子炉の場合には、水ギャップに面した最外周に配置
された燃料棒で最も高く内側の燃料棒では低くなってい
る。そこで、出力ビーキングを下げるため、核燃料棒の
濃縮度を通常４種類以上使用し、熱中性子束の高い外側
の燃料棒の濃縮度を下げている。

近年、ウラン燃料では取出燃焼度を増して燃料経済性を
向上させるために、濃縮度を高めた燃利設滑が進められ
ている。

一般には、高濃縮度化に伴なって２３５Ｕの熱中性子吸
収が増して中性子束スペクｉ・ルが硬くなるが、これに
伴なって中性子減速効果が低下して、ボイド係数絶対値
の増加、制御棒価値の低下による炉停止余裕の減少等に
より炉心特性が劣化する。

これらの特性を改善するためには燃料格子の水対燃料体
積比を高めるようにハードを改良すればよい。たとえば
、第１１図に示したような従来型燃料格子においては、
中央部分の燃料棒を水ロッドで置換える程度で核特性が
改善される。例えば第１２図に示すような燃料集合体中
央部分に大径水ロッド１３を配置したものが提案されて
いる。

ところで、ウラン資源の有効利用という観点から、軽水
炉から取り出された使用済ウラン燃料中のプルトニウム
を再び軽水炉ヘリナイクルするプルサーマル計画が進め
られている。これは、ウラン燃料集合体中のウラン燃料
棒の一部あるいは大部分をプルトニウムを富化した混合
酸化物（ＭＯＸ　：　Ｍｉｘｅｄ　０ｘｉｄｅ　）燃料
棒で置ぎ換えたＭＯＸ燃料集合体を取替燃料としてウラ
ン燃料集合体と一緒に軽水炉に装荷して使用するもので
あるが、その特性はなるべくウラン燃料に近いものとす
る必要がある。また、前記したようにウラン燃料設計は
高濃縮度化の方向であり、これに伴ってＭＯＸ燃１：３
１も高富化度化膜８１をする必要がある。

燃お１取扱い上、ＭＯＸ燃料がウラン燃料と大きく異な
る点は、プルトニウムが人体に有害であるため燃料製造
上特別の配慮を必要とすること、また、使用済ＭＯＸ燃
料はウラン燃料のようにすぐには再処理されずにある一
定期間中間貯蔵されることが予定されていることである
。これらを考慮すると、ＭＯＸ燃料集合体の数が少なく
なるように、１体当りのプルトニウム装荷量をなるたけ
大きくすることが望ましい。しかし、ウランとプルトニ
ウムの核特性の違いによつ゛Ｃ１プルトニウム装荷重吊
割合を増した場合、ウラン燃料集合体との特性の差はひ
らき、炉心特性を劣化さμる。これは、核分裂性物質で
ある２３９Ｐｕや２４１Ｐｕの熱中性子吸収断面積が２
３５Ｕより大きいこと、２４０Ｐｕによる共鳴中性子吸
収が大きいことなどによって、ＭＯＸ燃利の中性子束ス
ペクトルがウラン燃料のそれよりも硬くなって中性子減
速効果が低下することによって起こる。ぞの結果、前記
２３５Ｕの高濃縮度化によって起こる現象と同様に、ボ
イド係数絶対値の増大に伴う過渡特性の余裕の低下や軸
方向出力分重子の増大あるいは減速材反応度係数の増大
に伴う炉停止余裕の低下等を生ずる。

これら特性の劣化は、核分裂性プルトニウム装荷量が全
ライナイルの約１７３程度までとした場合は許容できて
、ウラン燃料のハードを変えずにそのまま使えることが
分かっているが、プルトニウム装荷量をこれ以上とした
場合、燃料格子の水対燃料比を増して中性子減速効果を
増してやる必要がある。

また、ＢＷＲでは、炉心下部に出力ピーキングを生じ易
い特性をもっているが、ウラン燃料では上下方向に瀧縮
庭やガドリニアによる反応度差をつけることによってボ
イド反応度差を打ち消して容易に軸方向出力分布が平坦
化されることが分かつており、既に実用化されている。

一方、プルトニウム装荷量が大きく、ＭＯＸ燃料棒数が
多いＭＯＸ燃料集合体についてこの方法を応用するとす
れば、ＭＯＸ燃料棒上下方向にプルトニウム富化度差や
ガドリニアの６度差等をつけることになる。しかし、Ｍ
ＯＸ燃料棒製造は全て遠隔操作でなされることから、設
計は極力単純である必要があり、この方法によらず他の
方法が開発されることが望まれていた。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、核分裂性プルトニウムが全核分裂性物質量の
うち１７２以上を占める燃お１集合体を対象とし、これ
と反応度寿命を同じとするウラン燃料棒のみを装荷した
燃料集合体と中性子減速効果を等しくし、燃料製造法を
複雑にすることなく炉心軸方向出力分布を平坦化できる
高富化度ＭＯＸ燃利集合体を提供することを目的とする
ものである。

［発明の構成１ （問題点を解決するための手段および作用）−り２目的
を達成するために、本発明は仝核分裂毒物￥ｉ千吊のう
ら、核分裂性プルトニウムが約１７２以上を占める燃料
集合体において、同じ反応Ｉｃｉ寿命を有するウラン燃
料集合体よりも、出力運転時の水素対ウラン原子数比が
約５％ないし１５％増となるようにウォータロッド本数
又はウォータロッド径を増したことを特徴とするもので
あり、これにより中性子スペクトルの硬化を抑えて核特
性をウラン燃料集合体のそれに近づけることができる。

また、外径の最も大きいウォータロッド内下部において
可燃性毒物を配置したことを特徴としており、これによ
り高富化度ＭＯＸ燃おｌを用いて炉心軸方向出力分布を
平坦化することができる。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

まず、第４図の水対燃料比と全フィツサイルに対する核
分裂性プルトニウム装荷割合（Ｐｕｆｆｆｉｆｆ１割合
）を変えたときの減速材反応度の変化について説明する
。この第４図は既に説明した第１２図の燃料集合体にお
いて、中央領域の燃料棒を順次ウォータロッド（外径１
５ｍｍ、肉厚０．８ｍｍ）　ニ置き換えていったときの
、反応度寿命（取出燃焼度）をほぼ等しくする３つのＭ
ＯＸ燃料集合体における減速材反応度変化の様子を示し
たものである。

縦軸の減速材反応度として、低温時と出力運転時での無
限増倍率の差Δに０］１をとり、横軸は出力運転時での
燃料集合体平均水素対重金属原子数比Ｈ／　Ｉ−Ｉ　Ｍ
で表わしである。なお、図中ＰｕｔΦω率は、ＭＯＸ燃
料燃料核分裂性プルトニウム（Ｐｕｆ）の全フィツサイ
ルＣＰｕｆ＋”３”Ｕ）に対する重鎖９１合を意味する
。この図は、Ｐｕｆ重量率が大きいほどΔに０１１が増
大し、減速材密度変化に対する反応度変化が大となるこ
とを示しているが、水対燃料比を増すことによってΔに
０１１を小さくできることが分かる。

一般に、ＭＯＸ燃料はウラン燃料よりも中性子減速効果
は劣るが、Ｐｕｔ重量率が約１／３程度では、たとえば
第１２図に示したようなウラン燃料と同じハード（Ｈ／
　ＨＭは約４．７）が使用可能であることがこれまでの
０１究によって知られている。従って、ｐｕｔ重ω率が
、１／３を越えるようなＭＯＸ燃料のハード設耐につい
ては、図中点線で示されるｐｕ［重０率３３ｗ１０のＭ
ＯＸ燃料のΔｋＣＩＩと等しくなるようにＨ／　ＨＭを
選べばよい。

たとえば、図中○印で示すＰｕｔ重量率３３ｗ１０のＭ
ＯＸ燃料（Ｈ／トＩＭ＝４．７　）に対しＴ　ＰｕｆＩ
ｆｉ率６０ｗ１０のＭＯＸ燃料ではＨ／Ｉ・ＩＭを約５
．０（６％増）　、　８５Ｗ１０の場合は約５．３（１
３％増）とすればΔｋＣＨを同じとすることができる。

従ってｐｕｔ重ω率が約１７２程度以上のＭＯＸ燃料に
対しては、そのｆｆ１ｌ率に比例させて、Ｈ／　ＨＭを
５％ないし１５％程度増としてやれば、ｐｕｆ重足率１
／３のＭＯＸ燃料と中性子減速効果を同じとすることが
できる。このためＨ／　ｌ−Ｉ　Ｍを増すための具体的
手段としては、熱中性子束の小さい燃料集合体中央部の
燃料棒をウォータロッドで置き換えるか、ウォータロッ
ド径を太くするのが効果的である。

次に、Ｐｕｔ重吊重含率３Ｗ１０　、６０Ｗ１０および
８５Ｗ１０としたときの本発明の実施例を以下第１図、
第２図および第３図について説明する。図中、記号Ｕは
ａ縮つラン棒、Ｐは天然ウランを母材とするＭＯＸ燃利
燃料Ｇは濃縮ウラン又はＭＯＸ燃利燃料ガドリニアを添
加した燃料棒、Ｗはウォータロッドを表わしている。

第１図は本発明の第１の実施例であり、第１２図に示し
たウラン燃料集合体と同一のハードとしたＭＯＸ燃料を
用いたものである。ガドリニアは１０本の濃縮ウラン棒
に添加され、２０本のＭＯＸ燃石棒は全燃料棒数６０本
のうち約１７３を占めでいる。

第２図は本発明の第２の実施例であり、第１図おいて、
中央部で２本の燃料棒をウォータロッドで置き換えてい
る。ＭＯＸ棒本数本数６本で、全燃料棒数５８本のうら
約３７５を占めている。ガドリニアは１０本の濃縮ウラ
ン棒に添加されている。

第３図は本発明の第３の実施例であり、第１図おいて、
中央部で４本の燃料棒をウォータロッドで置き換えてい
る。全燃料棒はＭＯＸ燃料棒により構成され、１４本の
ガドリニア入り燃料棒を使用している。

第５図は本発明の第４の実施例であり、同図に承りよう
に第３図に示したＭＯＸ燃料集合体において、燃料棒配
列を９行９列とした場合（゛ある。

ここでは、中央部に外径４２ｍｍ、肉厚１．４ｍｍの太
径ウォータロッドを使用している。

次に、ＭＯＸ燃利集合体内の最も径の大きいウォータロ
ッド内下部において、ガドリニア棒を配置することによ
ってＭＯＸ燃料棒の設計を複雑にすることなく炉心軸方
向出力分布が平坦化されることを示す。

本発明は特に第３図に示すような、ウラン燃料棒本数が
ゼロかあるいは少数の場合に有効である。

すなわら、この場合ＭＯＸ棒において、下部にガドリニ
アを添加することによって、燃料−上下のボイド反応度
差を打ち消し、軸方向出力分イ［を平坦化することは可
能である。しかし、プルトニウムはウランよりも中性子
吸収が大きいため、ガドリニアの中性子吸収が小さくな
り、軸方向にガドリニアが分布したＭＯＸ棒本数本数数
必要となり、ＭＯＸ燃料設訓や製造は複雑になり、コス
トアップ要因となっていた。

第６図は前記した本発明の実施例の横断面図であり、同
図に示づように、部分長ガドリニア棒１４が配置された
太径ウォータロッドを用いると、太径ウォータロッド内
における中性子減速は良好であり、このガドリニア捧１
本による熱中性子吸収効果は、図中ガドリニア入り燃料
棒１５１本のそれよりもはるかに人であり、上下ボイド
反応度を十分打ら演ずことができる。

このガドリニア捧の畠さ方向配置例を第７図に模式的に
示ず。これは、ウォータロッド下部に中性子吸収の小さ
い非核分裂性物質（例えばアルミナやジルコニアなど）
を母材として、ペレット状にしてジルコニウム被覆管２
２内に収納したものから構成される。

ガドリニアペレットは同図（ａ−１）に示すように円柱
状２１かあるいは同図（ｂ−１）および同図（ｂ−２）
に示すように円環状２３として、中心軸を水が通り（友
ける構造のものがある。また、図（ａ−２）は図（ａ−
ｉ）のｎ−ｎ線に沿う横断面図であり、シルカ［１イの
突起２４が設けられ、これによってウォータ［１ツド２
５の管壁との間隔を維持する構造となっている。

第８図（ａ）、（ｂ）は第１０図（ａ−１）　、　（ｂ
−１）　ニ示したガドリニア入の詳細図である。ガドリ
ニアペレット３１．３２を被覆してなるジルカロイ３３
はウォータロッド３４と一体化した構造となっている。

同図（ａ）の突起３５はガドリニア棒水平方向に定位置
に保つためのものである。同図（ｂ）では円環状のペレ
ット３２が用いられている。

次に、以上述べた部分長ガドリニア棒による軸方向出力
分布平坦化の効果について説明する。ここで水ロッドの
外径は３４ｍ１ｌｌ、肉厚は０．７ｍｍとし、ガドリニ
ア棒の形状は第８図（ａ）のものを用いている。ガドリ
ニアの母材はアルミナを用い中央部には直径１　ｏｍｍ
の：ａ度２　ｗｌｏのガドリニアを添加したものである
。このようなガドリニア棒による軸方向出力分布平坦化
の効果を第９図に示した。

ここではサイクル初期およびサイクル未明での制御棒仝
引（友の状態での炉心軸方向出力分布をそれぞれ第９図
（ａ）および第９図（ｂ）に示す。図中、点線イは従来
型の場合、実線ＬＴＩは本発明になる場合であるが、こ
れにより、本発明の方が軸方向出力分布平坦化がすぐれ
ていることが分かる。この例では、ガドリニア棒先端位
置は、炉心下端からみて仝艮の１０／２４となっている
。曲線イに示す従来を炉心の場合、出力ビーキングは全
長の１／４以下に生ずることから、上記先端位置は約１
／３ないし１／２の範囲にあれば本発明の目的が達成さ
れる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によればＭＯＸ燃利集合体
中の核分裂性プルトニウム装荷小母割合に応じてウォー
タロッド本数や径を増して水対燃料比を変えることによ
って、中性子スペクトルの硬化を抑えることができ、炉
心特性の劣化を防ぐことができる。また、ＭＯＸ燃籾棒
内の濃縮度ヤガドリニア分布を複雑にすることなしで、
太径水【丁１ツド中に部分長ガドリニア棒を配置する簡
単なハード変更だけで燃料集合体の軸方向出力分イ］ｉ
の平坦化ができる。さらに、既設プラントにおける炉内
構造物や運転方法を変えることなく、プルトニウムを４
１効に利用し、ウラン資源を節約することができる。ざ
らにＪ：た、ＭＯＸ燃料中のプルトニウム装荷量が増す
ので、使用済ＭＯＸ燃利の体数が減り、このことは中間
貯蔵に有利となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の横断面図、第２図は本
発明の第２の実施例の横断面図、第３図は本発明の第３
の実施例の横断面図、第４図は水対燃料比と全フィツサ
イルに対する核分裂性プルトニウム装荷割合（Ｐｕｆ重
量割合）を変えたときの減速材反応度の変化を示す図、
第５図は第３図の燃料集合体において燃料棒配列を９行
９列とした本発明の第４の実施例の横断面図、第６図は
第３図の燃料集合体において、大径ウォータロッド内下
部に部分長ガドリニア棒を配置した本発明の第５の実施
例の横断面図、第７図（ａ−１）、　（ｂ−１）および
（ａ−２）、　（ｂ−２）は本発明になる部分長ガドリ
ニア棒の縦断面図および横断面図の模式図、第８図（ａ
）、　（ｂ）は第７図の部分長ガドリニア棒の詳細な断
面図、第９図は第３図の炉心に部分長ガドリニア棒を装
荷したものと装荷しないものとの炉心軸方向出力分布を
比較したもので、同図（ａ）はサイクル初期、同図（ｂ
）はサイクル末期での制御棒仝引ｆ友の状態での炉心軸
方向出力分布を示す図、第１０図は従来の燃料集合体の
縦断面図、第１１図は第１０図のＩ−Ｉ線に沿う横断面
図、第１２図は高濃縮度化に対応したウラン燃料集合体
の横断面図である。 １４・・・部分長ガドリニア棒 １５、Ｇ・・・ガドリニア入り燃料棒 ２５、３４．　Ｗ・・・ウォータロッド３１、３２．２
１．２３・・・ガドリニアペレットＰ・・・ＭＯＸ燃料
棒　　　Ｕ・・・濃縮ウラン棒（８７３３）代理人　弁
理士　猪　股　祥　晃（ばか　１名） 第１図 第２図 第３図 土力遭転吟Ｈ／ＨＭ 第４図 第５図 第６図 ゛メｒ心下塙φｔ）ｒｒ軸方向位１ 第　１０　　図 第１１図 第１２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）全核分裂性物質重量のうち、核分裂性プルトニウ
   ムが約１／２以上を占める燃料集合体において、同じ反
   応度寿命を有するウラン燃料集合体よりも、出力運転時
   の水素対重金属原子数比が約５％ないし１５％増となる
   ようにウォータロッド本数又はウォータロッド径を増し
   たことを特徴とする原子炉用燃料集合体。
2. （２）外径の最も大きいウォータロッド内下部において
   、非核分裂性物質を母材とする可燃性毒物を配置してな
   る特許請求の範囲第１項記載の原子炉用燃料集合体。