JPS6335440Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

本考案は、圧力管型原子炉用混合酸化物クラス
タ型燃料集合体の改良に関し、更に詳しくは、燃
料配列上、中間層に位置する複数本の核燃料棒を
酸化ガドリニウム等のバーナブルポイズン入り濃
縮ウラン燃料棒で置換し、燃焼度の向上及び新燃
料と燃焼の進んだ燃料との間の出力ミスマツチを
抑制できるようにした燃料集合体に関するもので
ある。 ガドリニウム等バーナブルポイズン（可燃性中
性子毒物）入り燃料は、余剰反応度、出力ミスマ
ツチ抑制のために軽水炉で使用されてきた。圧力
管型原子炉において高燃焼度を目指す場合、燃料
中の核分裂性物質濃度（²³⁵U＋²³⁹Pu＋²⁴¹Pu）を
増加させる必要があり、それに伴つて増大する出
力ミスマツチを抑制するため、燃料集合体内でバ
ーナブルポイズンを用いることが必要となる。 なお、「出力ミスマツチ」とは、バツチ式に燃
料交換を行なつたとき、新燃料の方が燃焼の進ん
だ燃料よりよけいに出力が出ることに起因する出
力のアンバランスをいい、量的には、各バツチ出
力の平均値と最大出力との比で表わし、これを出
力ミスマツチ係数と呼ぶ。従つて、この出力ミス
マツチ係数が小さいほど平均的に出力が出ている
ことになり、熱水力特性が良いことになる。 さて、従来、圧力管型原子炉用燃料集合体にお
けるバーナブルポイズンの利用は、燃料配列で最
外層又は最内層の核燃料棒にかぎられていた。 しかし、最外層にバーナブルポイズン入り核燃
料棒を挿入した場合、外側層での中性子束が高い
ため、反応度抑制効果（出力ピーキングの抑制効
果）は大きくなるが、中性子束の高い所で燃料が
照射されるため、バーナブルポイズンの消滅が早
く、反応度抑制効果の持続性（ある燃焼度まで出
力ピーキングを抑えること）が悪い欠点がある。 また、最内層にバーナブルポイズン入り核燃料
棒を挿入した場合には、逆に中性子束の低い所で
照射されるため、反応度抑制効果は小さく、従つ
てバーナブルポイズンの濃度を高める必要がある
が、反面、バーナブルポイズンの燃焼は遅く、燃
焼サイクル末期でもバーナブルポイズンが残つて
いる場合も考えられ（燃焼サイクル末期では余分
な吸収物質が無いことが望ましい）、中性子経済
が悪いという欠点がある。 また、特開昭52−13095号公報には、燃料集合
体中に装荷された可燃性毒物入り燃料棒の配置
を、燃焼の進行にともなつて変化させることが提
案されている。しかしながら、燃料棒の配置を変
化させる手段を燃料集合体に設置しなくてはなら
ないため燃料集合体の構造が複雑になるという欠
点がある。 更に、プルトニウム−ウラン混合酸化物燃料に
バーナブルポイズンを添加しようとすると、既設
の混合酸化物燃料製造ラインへのバーナブルポイ
ズン混入を防ぐため別途製造ラインを設備する必
要が生じる。 本考案の目的は、上記のような従来技術の欠点
を解消し、圧力管型原子炉においてバーナブルポ
イズンを用いて高燃焼度を目指す場合、局所出力
ピーキングをあまり悪化させずに、また、炉心特
性に大きな影響を与えずに出力ミスマツチを燃料
交換後の必要な期間抑制し、かつ混合酸化物燃料
製造ラインへの影響の少ない燃料集合体を提供す
ることにある。 以下、本考案について詳述する。上記目的を達
成するため案出された本考案は、核燃料物質とし
てプルトニウム−ウラン混合酸化物を使用した多
数の核燃料棒を同心円周上に多層配設した圧力管
型原子炉用のクラスタ型燃料集合体において、燃
料配列上、中間層に位置する核燃料棒のうちの複
数本を、バーナブルポイズン入りの濃縮ウラン酸
化物を核燃料物質として使用した核燃料棒とし、
該バーナブルポイズン入りの核燃料棒を略均一分
布状態で（略等間隔で）配設した燃料集合体であ
る。 本考案の実施例を第１図に示す。同図の各実施
例において、外層の核燃料棒１０は、低核分裂性
物質濃度のプルトニウム−ウラン混合酸化物燃料
であり、大部分の内層及び中間層の核燃料棒１２
（斜線で示す）は、高核分裂性物質濃度のプルト
ニウム−ウラン混合酸化物燃料である。また、中
間層に３〜４本分散配設された核燃料棒１４（網
目で示す）は、酸化ガドリニウム入り濃縮ウラン
燃料である。なお、符号１６はスペーサー支持管
（棒）であり、燃料の間隔を固定するスペーサの
支持に用いられる。また符号１８は圧力管、２０
はカランドリア管である。第１図における各実施
例の燃料集合体の構成は次表の通りである。

【表】 第１図からも明らかなように、燃料配列で中間
層に挿入した複数（通常、３〜４本）の酸化ガド
リニウム入り濃縮ウラン酸化物燃料棒１４は、可
能な限り均一分布状態となるよう略等間隔で規則
正しく配設される。ガドリニウムの濃度は、目標
燃焼度に応じて0.1〜1.0wt％とする。また、酸化
ガドリニウム入り濃縮ウラン酸化物燃料棒のウラ
ン濃縮度は、ガドリニウムが消滅したとき、周囲
の燃料棒とほぼ同じ核分裂濃度となるように決め
る。 なお、これらの実施例では外層燃料棒１０の核
分裂性物質濃度を、内層あるいは中間層の燃料棒
１２のものよりも低くして局所出力ピーキングの
低減を図るようになつている。この場合、もし全
ての核燃料棒の濃度を同一にすると、局所出力ピ
ーキングが大きくなり、熱設計で重要なバーンア
ウト熱流束が低下し、好ましくないからである。 上記のように構成された圧力管型原子炉用高燃
焼度クラスタ型燃料集合体の特性について、例と
して第１図Ｃに示す36本燃料集合体の場合につい
て述べると次の通りである。なお、その他の実施
例の場合についても同様のことが言える。 まず、第２図は、本考案に係る燃料集合体を用
いた場合（実線にて示す）とバーナブルポイズン
入りの燃料なしの燃料集合体を用いた場合（破線
にて示す）の実効増倍率の燃焼に伴う変化を示す
グラフである。バーナブルポイズン入りの燃料棒
を用いない場合には、燃焼初期の実効増倍率が大
きく、燃料交換直後の出力ミスマツチは増大する
のに対して、酸化ガドリニウム入り濃縮ウラン酸
化物燃料棒（0.75wt％Gd）を４本入れた場合に
は、燃焼初期の実効増倍率は低くなり、出力ミス
マツチを抑制することができるし、抑制効果の持
続性も良いことが認められている。 また、酸化ガドリニウム入り濃縮ウラン燃料棒
を挿入すると、ガドリニウムの濃度や燃料棒の配
置によつて、挿入しない場合に比べて局所出力ピ
ーキングは３〜10％大きくなるが、前記出力ミス
マツチ抑制効果が大きいため、炉心全体の出力ピ
ーキングを５〜７％低減させることができる。 更に、安全性上重要な冷却材ボイド反応度は、
燃焼初期ではガドリニウムの吸収効果により、酸
化ガドリニウム入り濃縮ウラン酸化物燃料棒を挿
入しない場合より負側に移行する。燃焼が進むに
つれてガドリニウムが消滅し、冷却材ボイド反応
度は多少正側に移行するが、プルトニウム蓄積と
酸化ガドリニウム入り燃料棒が中間層に挿入され
ていることにより酸化ガドリニウム入り燃料棒が
挿入されない場合と比べて大きな差はない。 本考案において使用する酸化ガドリニウムのご
ときバーナブルポイズン入り燃料棒は、プルトニ
ウム−ウラン混合酸化物燃料に酸化ガドリニウム
を入れたものではなく、濃縮ウラン酸化物燃料に
酸化ガドリニウムを入れたものを使用する必要が
ある。 すなわち、プルトニウムとウランの吸収断面積
はプルトニウムの方がウランより大きいため、プ
ルトニウム−ウラン混合酸化物に酸化ガドリニウ
ムを入れた場合には、ウラン酸化物に酸化ガドリ
ニウムを入れた場合に比べて、燃料ペレツト内の
自己遮蔽効果が大きくなる。この結果、本考案に
おいて酸化ガドリニウム入りプルトニウム−ウラ
ン混合酸化物燃料棒を用いると、第２図の一点鎖
線のようになり、酸化ガドリニウム入り濃縮ウラ
ン酸化物燃料棒を用いた場合（実線）に比べて初
期反応度抑制効果が小さくなり、かつ燃焼による
酸化ガドリニウムの減少が小さくなつてしまう。
このため、プルトニウム−ウラン混合酸化物燃料
に酸化ガドリニウムを入れた燃料棒を使用する場
合には、初期余剰反応度抑制効果は小さくてよ
く、かつ長期間ポイズン効果を持続させるような
場合に効果的であるが、本考案におけるように初
期余剰反応度抑制効果を大きくし、かつポイズン
効果を早めに消滅させる必要のある場合には、酸
化ガドリニウム入り濃縮ウラン酸化物燃料棒を使
用することが有効となるのである。 燃料製造に関しては、本考案では濃縮ウランに
酸化ガドリニウムを添加しているため、プルトニ
ウム製造ラインへのガドリニウムの混入はなく、
グローブボツクスのクリーンアツプや新しい製造
ラインの設置という燃料製造コスト上昇へのイン
パクトはない。 本考案は上記のように構成されているため、圧
力管型原子炉においてバーナブルポイズンを用い
て高燃焼度を目指す場合、局所出力ピーキングを
あまり悪化させずに、また炉心特性に大きな影響
を与えずに出力ミスマツチを燃料交換後の必要な
期間抑制することができ、しかも混合酸化物燃料
製造ラインへの影響が少ないなど、すぐれた実用
的効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ〜Ｅは本考案の実施例を示す説明図、
第２図は燃焼に伴う実効増倍率の変化を示すグラ
フである。 １０……外層の核燃料棒、１２……内層及び中
間層の核燃料棒、１４……酸化ガドリニウム入り
濃縮ウラン燃料棒。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 核燃料物質としてプルトニウム−ウラン混合
   酸化物を使用した多数の核燃料棒を同心円周上
   に多層配設した圧力管型原子炉用のクラスタ型
   燃料集合体において、燃料配列上、中間層に位
   置する核燃料棒のうちの複数本を、バーナブル
   ポイズン入りの濃縮ウラン酸化物を核燃料物質
   として使用した核燃料棒とし、該バーナブルポ
   イズン入りの核燃料棒を略均一分布状態で配設
   したことを特徴とする圧力管原子炉用高燃焼度
   燃料集合体。 ２ バーナブルポイズン入りの核燃料棒が３〜４
   本組込まれている実用新案登録請求の範囲第１
   項記載の燃料集合体。