JPS63293489A - 燃料集合体 - 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） 本発明はプルトニウム燃料を有するＭＯＸ燃料棒を備え
た燃料集合体に関する。

（従来の技術） 第９図はプルトニウム燃料とウラン燃料の混合物よりな
るＭＯＸペレットが封入された燃料棒（以下ｒＭＯＸ燃
料棒」と呼ぶ）を備えた燃料集合体の水平断面図を示す
。燃料棒１０に付しである符号Ｕはウランペレットが封
入されている燃料棒（以下「ウラン燃料棒」と呼ぶ）、
符号Ｇは可燃性毒物質であるガドリニア（Ｇｄ、Ｏ，）
入り燃料棒、符号ＰはＭＯＸ燃料燃料Ｗはウォータロッ
ド、ＣＲは制御棒を示している。

方向分布を示し、第１１図はガドリニア入り燃料棒本数
の軸方向分布を示す。

（発明が解決しようとする問題点） 燃料集合体の核燃料は燃焼が進むにつれてウラン２３５
の濃縮度またはプルトニウムの富化度が減少する。この
結果燃料集合体の無限増倍率が低下し、反応度が低下し
てゆく、このため、一定期間毎に原子炉を停止し、炉心
に装荷された全燃料集合体のうちの１７３〜１／４を新
燃料集合体と交換する。

この燃料交換によって原力炉が長期間にわたって停止す
ると稼働率が低下する。このため燃料交換の間隔はでき
るだけ長くすることが要求されている。従来は燃料のウ
ラン２３５の濃縮度またはプルトニウムの富化度を大き
くシ、長期間にわたって無限増倍率を運転に必要な値以
上に維持できるように構成している。またウラン２３５
の濃縮度またはプルトニウムの富化度が大きくなること
によって生じる燃焼初期の余剰の無限増倍率は可燃性毒
物入りの燃料棒を装荷することによって抑制している。

しかし、燃料のウラン２３５の濃縮度またはプルトニウ
ムの富化度を大きくすると燃料製造のコスト増大を招く
、また可燃性毒物による無限増倍率抑制の効果にも限界
があるため、ウラン２３５の濃縮度またはプルトニウム
の富化度をあまり大きくすることはできず、燃料交換間
隔の長期化には限界があった。また、一方では核燃料を
できるだけ効率的に燃焼させることが要求されているが
、従来のものは燃料の燃焼効率の向上に限界があった。

さらに、ＭＯＸ燃料棒を備えた燃料集合体では核分裂性
物質であるプルトニウム２３９やプルトニウム２４１の
熱中性子吸収断面積がウラン２３５より大きいこと、プ
ルトニウム２４０による中性子共鳴吸収がウラン２３８
より大きいこと等によって、ウラン燃料棒のみの燃料集
合体よりも中性子束スペクトルが硬くなり中性子減速効
果が低下する。

その結果、ＭＯＸ燃料棒を備えた燃料集合体ではウラン
燃料棒のみの燃料集合体よりもボイド係数が負で増大し
、軸方向の出力分布はより下部に歪む傾向となる。

したがって、燃料集合体下部においては線出力密度を抑
えプラント利用率の向上と燃料健全性の確保を図るため
低出力の燃料を用いることが求められている。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、
ＭＯＸ燃料棒を備えた原子炉燃料集合体に関して燃料交
換の間隔を長期化でき、長期間の連続運転を可能として
原子炉の稼働率を向上し、また燃料の燃焼効率を向上さ
せることができる燃料集合体を得ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、ウランペレットが封入されたウラン燃料棒と
、ＭＯＸペレットが封入されたＭＯＸ燃料燃料を、複数
本束ねて構成した原子炉燃料集合体において、上部にお
けるウラン２３５の平均濃縮度またはプルトニウム富化
度を下部におけるウラン２３５の平均濃縮度またはプル
トニウム富化度より大きくシ、また上部における可燃性
毒物混入量を下部における可燃性毒物混入量より大きく
したことを特徴とする燃料集合体にある。

（作　　用） 本発明によれば炉心出力分布をサイクル初期においては
下部ピークに、サイクル末期においては上部ピークとな
るようにすることができる。これによってプルトニウム
転換量が増加し燃料を効率的に燃焼させることができる
。また、ボイド率を燃焼初期では大きく末期では小さく
して反応度を長期間にわたって所定の値以上に維持でき
、燃料交換から次の燃料交換までの期間を長くして長期
運転を可能とすることができる。

（実　施　例） 以下図面を参照して本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明が適用される燃料集合体を示す斜視図で
ある。

第１図に示された燃料集合体１は細長い円筒状燃料棒２
が多数本結束された結束体の上部が上部タイプレート３
により、下部が下部タイプレート４によって接続されて
いる。この結束体はスペーサ５によって燃料棒２間が等
間隔に保持されている。前記結束体内には燃料棒２の他
に太径のウォータ・ロッド１本（図示せず）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６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。

第２図は燃料集合体の水平断面図を示す。チャンネルボ
ックス６内につ牙−ターロッドＷ、ＭＯＸペレットが封
入されたＭＯＸ燃料棒８、ウランペレットが封入された
ウラン燃料棒９、可燃性毒物質であるガドリニア（Ｇｄ
、Ｏ，）入りウランペレットが封入されたガドリニア入
り燃料棒１０Ａ、　ＩＯＢが配置されている。なおＣＲ
は制御棒を示している。

この燃料集合体１は第３図に示すように、軸方向上部の
ウランペレットは下部のウランペレットより燃料濃縮度
を高くしである。上記ガドリニア入燃料捧１０Ａは、ウ
ランにガドリニア（Ｇｄ、０□）を混入し焼き固めペレ
ット状にしたものを収容し、下部には、ウランのみを焼
き固めペレット状にしたものを収容した構成である。ま
た前記ガドリニア人燃料棒１０Ｂは、ウランにガドリニ
ア（Ｇｄ、　Ｏ，）を混入し焼き固めペレット状にした
ものを複数収容した構成である６すなわちガドリニア人
燃料棒１０Ａには軸方向上半分にガドリニアが混入され
ており、ガドリニア人燃料棒１０Ｂには軸方向全般にガ
ドリニアが混入されており炉心軸方向高さに対するガド
リニア入燃料捧の本数分布をみると第４図に示すように
構成されている。したがって上部と下部とのガドリニア
混入量の比は１１：９となる。

そして上記ガドリニア人燃料捧１０Ａ、　ＩＯＢもウラ
ン燃料棒９同様上部のペレットは下部のペレットよりそ
の燃料濃縮度を高くしである。

以上の構成をもとにその作用を説明する。第５図に示す
ように運転期間（サイクル）初期においては、燃料集合
体の上部の無限増倍率（Ｋ　　）（図中Ａ）は下部の無
限増倍率（Ｋ、、）（図中Ｂ）より約２％程度低くなっ
ている。これは上部のガドリニア混入量が下部のそれよ
り多いことによる。

そしてサイクル末期（約１０ＧＩＩＤ／Ｔ）においては
、上部の無限増倍率（Ｋ２Ｏ）Ａは下部の無限増倍率（
Ｋ、、）Ｂより約４％程度高くなっている。これは、燃
焼度が進むにつれて、ガドリニア混入量の差による効果
がなくなり、燃料濃縮度の差による効果が表われてきた
為である。そしてこのような無限増倍率（Ｋ、、、）の
変化に伴って、第６図および第７図に示すようにサイク
ル初期の軸方向の出力分布は下部ピークとなり、サイク
ル末期の軸方向の出力分布は上部ピークとなる。そして
サイクル初期においては蒸気が下部より発生し炉心内の
平均ボイド率は従来のＢＷＲに比較して約５〜１０％高
くなる。ボイド率が高いと、中性子の減速作用が抑制さ
れ熱中性子より高いエネルギの共鳴領域のエネルギの中
性子が増加する。そしてこれに伴ないウラン２３５．プ
ルトニウム２４０の共鳴吸収が増加し、プルトニウム２
３９．２４１の転換量が増加する。

それによって燃料の燃焼効率が向上し、燃料経済性が向
上することになる。そしてサイクル末期に移行するにつ
れて蒸気の発生域は、軸方向に上方に移動する。それに
よって平均ボイド率は従来に比較して約５〜１０％低く
なる。そして中性子の減速作用は促進され炉心反応度を
増加させる。そしてこれによって炉心の反応度を長期間
にわたって必要な値以上に維持し、長期間の運転が可能
となる。

すなわち燃料集合体の上部の燃料濃縮度を下部より高く
シ、かつ上部のガドリニア混入量を下部のそれより多く
する事により、炉心出力分布をサイクル初期においては
下部ピーク、サイクル末期においては、上部ピークとす
ることができる。そしてそれによってプルトニウム転換
量が増加し、燃料を効率的に燃焼させることができ、燃
料経済性を大いに向上させることができる。

なお前記実施例においては、ガドリニア入燃料捧１０Ａ
、　ＩＯＢを１１本とし、内２本のガドリニア入燃料棒
１０Ａを上部にガドリニアを混入した構成とし、他の９
本のガドリニア入り燃料棒１０Ｂは上・下部共にガドリ
ニアを混入した構成としたがこれに限ったことではなく
、ガドリニア入り燃料棒の本数および位置は種々な場合
が考えられる。

また、前記実施例では燃料上部のウラン２３５の濃縮度
を下部よりも高くしたが、第８図に示すようにウラン２
３５の代わりにプルトニウムの富化度の差をつけてもよ
い。

さらに、燃料集合体の軸方向の切目も第３，４図のよう
な中間位置に限らず、上下に燃料有効長の１５％程度ず
らしても同等な効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明による燃料集合体は上部におけるウラン２３５の
平均濃縮度またはプルトニウム富化度を下部におけるウ
ラン２３５の平均濃縮度またはプルトララム富化度より
大きくし、また上部における可燃性毒物混入量を下部に
おける可燃性毒物混入量より大きくした構成である。

したがって炉心出力分布をサイクル初期においては下部
ピークに、サイクル末期においては上部ピークとなるよ
うにすることができる効果と、プルトニウム２４０の存
在によりプルトニウム転換量が増加し燃料を効率的に燃
焼させることができ燃料経済性を向上することができる
。また、上記の出力分布の変化によってボイド率を燃焼
初期では大きく、末期では小さくして反応度を長期間に
わたって所定の値以上に維持でき、燃料交換から次の燃
料交換までの期間を長くして長期運転を可能とすること
ができる等その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用される燃料集合体を一部切り欠い
て示す斜視図、第２図は本発明の燃料集合体の水平断面
図、第３図は本発明にかかるウラン２３５濃縮度分布を
示す図、第４図は本発明にかかるガドリニア混入量の分
布を示す図、第５図は本発明にかかる無限増倍率の変化
を示す図、第６図は本発明にかかるサイクル初期におけ
る炉心の出力分布及びボイド率分布を示す図、第７図は
本発明にかかるサイクル末期における炉心の出力分布及
びボイド率分布を示す図、第８図は本発明にかかるプル
トニウム富化度の分布を示す図、第９図は従来の燃料集
合体の水平断面図、第１０図は従来の核分裂性物質重量
比の分布を示す図、第１１図は従来のガドリニア混入量
の分布を示す図である。 １・・・燃料集合体。 ６・・・チャンネルボックス、 ９・・・ウラン燃料棒、　　８・・・ＭＯＸ燃料燃料１
０Ａ・・・（上部にガドリニアを混入した）ガドリニア
入り燃料棒、 １０Ｂ・・・（軸方向全域にわたってガドリニアを混入
した）ガドリニア入り燃料棒。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 第２図 （１力鵡） Ｕｚ３ｓ＞農誹りＩａ　　（ｚ＞ 第３図 乃ドソニア人フス仏料和ト不４叉 第４図 瞭：ズえ波（（ｙ９／−ｒ　） 第５図 本゛イド手（７，） ：ｘｒｔ＜ｚｍ　＃イａ） 第６図 ホ゛イト手（７，） ヱ刀（才ｎｔｉｊ＆） 第７図 ブルトニツム畠イこＩ′Ｌ（Ｚ） 第８図 第９図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ウランペレットが封入されたウラン燃料棒と、Ｍ
   ＯＸペレットが封入されたＭＯＸ燃料棒とを、複数本束
   ねて構成した燃料集合体にお いて、 上部における核分裂性物質重量比を下部における核分裂
   性物質重量比より大きくし、また上部における可燃性毒
   物混入量を下部における可燃性毒物混入量より大きくし
   たことを特徴とする燃料集合体。
2. （２）核分裂性物質重量比はプルトニウムの富化度によ
   り調製されてなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の燃料集合体。
3. （３）核分裂性物質重量比はウラン２３５の平均濃縮度
   により調整されてなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の燃料集合体。