WO1997035320A1 - Assemblage de combustible mox et coeur de reacteur - Google Patents

Description

明 細 書

M〇 X燃料集合体及び炉心 技術分野

本発明は軽水炉用の燃料集合体に係り、 特にウラン酸化物とプルトニ ゥム酸化物を混合した混合酸化物 （M O X ) 燃料集合体及びこれを用い た炉心に関する。 背景技術

現在、 ウランを燃料として運転している原子炉では、 所定の期間原子 炉を運転後に一定数の燃料集合体を取り出し、 取り出した燃料集合体と 同数の新しい燃料集合体を装荷する運転方法を行っている。 この運転方 法では一定の期間原子炉を臨界状態に保っために、 運転末期に臨界にな るように新たに装荷される燃料集合体の濃縮度が設定されており、 運転 初期では超臨界の状態になっている。 この超臨界の状態にある原子炉を 臨界状態にするために、 可燃性毒物と呼ばれる中性子吸収材を燃料に添 加し、 さらに中性子吸収効果のある制御棒を運転初期からほぼ運転末期 まで挿入している。 最近では、 M O X燃料を原子炉燃料として用いるこ とが検討されているが、 この場合でも原子炉の運転方法はゥランを燃料 とした原子炉と同様である。

一般に M O Xを燃料として用いた燃料集合体 （M O X燃料集合体） に 可燃性毒物を用いる場合には、 ウランのみを燃料とした燃料集合体 （ゥ ラン燃料集合体） に可燃性毒物を用いる場合よりも反応度抑制効果が滅 少する。 これは以下の理由による。

中性子エネルギーとウラン 2 3 5及びプル卜ニゥム 2 3 9の中性子吸 収断面積の関係を第 4図に示す。 第 4図から、 低エネルギー領域ではプ ルトニゥム 2 3 9の中性子吸収断面積はゥラン 2 3 5より大きい。 一般 的には、 この差の影響により、 M〇 X燃料集合体に可燃性毒物を用いた 場合、 燃料集合体内での中性子束は硬くなり （中性子束のうち、 高エネ ルギー側の中性子束の相対的な割合が高くなり） 、 可燃性毒物の反応度 抑制効果は減少する傾向にある。 特に、 可燃性毒物を添加する燃料棒の 燃料に ιΜ Ο Xを用いた場合には、 上記断面積の差により反応度抑制効果 が小さくなる傾向にある。

このことから、 M O X燃料集合体において、 可燃性毒物を含有する燃 料棒の燃料としてウランを用いた技術が特開平 4— 50796号公報に記載さ れている。

現在までのウラン燃料集合体では、 経済性向上の観点から、 段階的に 取り出し燃焼度を増大し、 これとともに濃縮度を増大してきた。 今後、 M〇X燃料集合体においても、 ウラン燃料集合体と同様に取り出し燃焼 度を増大し、 プルトニウムの富化度を増大する方向に向かうことが予想 される。 これに伴って、 増大した富化度分だけ反応度が増大するために、 反応度抑制効果の増大が必要になる。

反応度抑制効果の増大には可燃性毒物を添加した燃料棒本数の増加が 有効である。 しかし、 ウラン燃料を母材として可燃性毒物を添加した燃 料棒を用いると、 反応度抑制効果は増大するものの、 燃料集合体中の M〇 X燃料棒がゥラン燃料棒に置き代わるためにプルトニウム装荷量の 減少を引き起こす。

一方、 特開平 5— 80 174号公報に、 燃料ペレツ 卜の焼結性を改善して M〇 X燃料に可燃性毒物を含有する技術が記載されている。 発明の開示

本発明の目的は、 反応度抑制効果を確保しつつ、 プルトニウム装荷量 を増大できる MO X燃料集合体及び炉心を提供することにある。

上記目的を達成するために、 本発明は、 MOX燃料ペレッ トを封入し た M〇 X燃料棒を含む複数の燃料棒と、 水口ッ ドとを正方格子状に配置 した MOX燃料集合体において、 前記 MO X燃料棒は可燃性毒物を含有 する MO X燃料棒を有し、 全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する MOX燃料棒数の割合 Nfr (%) と、 可燃性毒物を含有する M〇 X燃料 棒の可燃性毒物の平均重量割合 Cag (%) とが、 次の 2つの条件のうち 少なく とも 1つを満たすように構成する。

一 1.7 Cag+ 2 1. 8≤Nfr≤- 4.4 Cag+ 5 6. 1

0. 5≤ Cag≤ 5.0

以下、 上記の条件を満足することにより得られる効果について説明す る。 MOX燃料集合体を用いた炉心においても、 平均取出燃焼度をゥラ ン燃料集合体を用いた炉心と同等にすることが想定されるので、 以下で は、 平均取出燃焼度を 3 0 GW d / t以上、 運転期間を 1 3ヶ月以上と することを目標にした。

まず、 余剰反応度について考える。 ここで余剰反応度とは、 原子炉を 所定の期間運転するために、 運転初期に原子炉が余裕として持つべき反 応度であり、 制御棒により抑制する反応度のことである。 制御棒の数が 有限であるために、 制御棒で制御 （抑制） できる反応度には制限がある。 また、 現在の原子炉炉心の設計ではコン 卜ロールセルコア炉心概念を 用いている。 コン トロールセルコア炉心概念とは以下のようなものであ る。 原子炉運転では制御棒を挿入して運転初期から運転末期まで原子炉 を運転するが、 運転末期において制御棒を引き抜いた後に、 制御棒に隣 接した燃料集合体の出力が過剰に増大しないように、 制御棒に隣接した 燃料集合体には炉心内で比較的燃焼の進んだ燃料集合体を配置する概念 である。

この概念では比較的燃焼の進んだ燃料集合体が 1つの制御棒に対して 4体必要となる。 ところが、 一般の軽水炉では所定期間の運転の後、 装 荷されている燃料集合体のうち約 1 Z3を取り出す運転パターンを繰り 返すので、 炉内で比較的燃焼の進んだ燃料集合体の割合は約 1 /3とな る。 更に、 炉心の最外層には比較的燃焼の進んだ燃料集合体を配置して、 原子炉からの中性子の漏洩を低滅する燃料装荷バタ一ンになっている。 このために、 運転期間中に使用できる制御棒の数は、 実際の制御棒の数 よりも少なくなる。 従って、 この概念を用いた炉心で制御できる余剰反 応度には上限があり、 約 3 %である。

この上限を満たすために、 燃料集合体内の可燃性毒物を含有する M0X 燃料棒数やこの MO X燃料棒内の可燃性毒物の重量割合にも制約がある。 上記 3 %の制約を満たすために必要な可燃性毒物を含有する MOX燃料 棒の可燃性毒物の平均重量割合（以下、 可燃性毒物平均重量割合と呼ぶ） Cag (%) と、 燃料集合体内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有す る MOX燃料棒数の割合 （以下、 可燃性毒物棒割合と呼ぶ） Nfr (%) との閲係を第 2図に実線で示す。 第 2図の実線は、 次式を表している。

Nfr≥ - 1. 7 Cag+ 2 1.8 … （ 1 ) また、 原子炉の設計基準として、 運転初期において余剰反応度は 1 % 以上の余裕を持つ必要がある。 この観点からも、 前記の Cagと Nfrには 制限がある。 上記 1 %の制約を満たすために必要な Cagと Nfrとの関係 を第 2図に破線で示す。 第 2図の破線は、 次式を表している。

Nfr≤ - 4.4 Cag+ 5 6. 1 - ( 2 ) 従って、 （ 1 )式及び（ 2 )式の条件を満足すれば、 十分な反応度抑制効 果を確保することができる。 また、 可燃性毒物を M O X燃料棒に含有さ せることにより、 可燃性毒物をウラン燃料棒に含有させた場合に比べて. プルトニゥム装荷量を増大することができる。

次に、 可燃性毒物が反応度抑制効果を発揮する期間 （以下、 反応度抑 制期間と呼ぶ） について考える。 原子炉運転において、 制御棒の操作な どにより運転が複雑になることを避けるために、 炉心の余剰反応度をで きるだけ一定にするように、 炉心は設計される。 また、 ほぼ運転末期に おいて可燃性毒物の影響がなくなるように、 可燃性毒物の濃度は設定さ れる。

可燃性毒物平均重量割合と反応度抑制期間の関係を第 1 1 図に示す。 ここで、 反応度抑制期間は G W d tの単位で示している。 1 3ヶ月運 転の場合、 サイクル燃焼度 （運転サイクル期間に発生する単位燃料重量 当りのエネルギー） は約 1 0 G W dノ tである。 第 1 1 図から、 このた めに必要な可燃性毒物平均重量割合は 0 . 5 w t % 程度であることが判 る。 今後、 運転の長期化や高燃焼度化に応じて、 必要となる可燃性毒物 平均重量割合は現在よりも増大する。

従って、 現在の炉心よりも長い期間に渡って反応度抑制効果を確保す るためには、 0 . 5 w t % 以上の可燃性毒物平均重量割合が必要となる < この観点から、 可燃性毒物平均重量割合 C ag ( % ) に下限が存在し、 こ の下限を第 2図の左側の一点鎖線で示す。 同図の左側の一点鎖線は次式 を表している。

0 . 5≤ C ag … ( 3 ) 一方、 可燃性毒物平均重量割合と原子炉運転初期の反応度抑制効果の 間には第 3図の関係がある。 第 3図に示すように、 反応度抑制効果は、 可燃性毒物平均重量割合の増加 （濃度の増加） に伴って増大し、 次第に 飽和の傾向を示す。 従って、 この飽和の傾向が表れる領域より可燃性毒 物平均重量割合を大きく しても、 それ以上に大きな反応度抑制効果は余 り期待できない。 更に、 MOX燃料棒中の可燃性毒物平均重量割合を増 加することはプル卜ニゥム装荷量の減少につながるので、 プル卜ニゥム 装荷量を増やすためには、 必要以上に可燃性毒物平均重量割合を増加す べきではない。 この観点で可燃性毒物平均重量割合 Cag (%) に上限が 存在し、 この上限は飽和傾向が表れる約 5 %である。 この上限は次式で 表され、 次式を第 2図の右側の一点鎖線で示す。

Cag≤ 5.0 … （ 4 ) 上述した観点から、 可燃性毒物平均重量割合 Cag (%) 力⁵ «'( 3)式及び (4 )式を満足すれば、 十分な反応度抑制効果を確保することができる。 また、 可燃性毒物を MO X燃料棒に含有させることにより、 可燃性毒物 をウラン燃料棒に含有させた場合に比べて、 プルトニゥム装荷量を増大 できることは、 前述したことと同じ効果である。

以上説明したように、 本発明の目的は、 （ 1 )式及び（ 2 )式を満足する 力、、 または、 （ 3 )式及び（4 )式を満足することにより達成することがで きる。 また、 本発明をより効果的にするための好ましい条件と しては、 ( 1 )式， （ 2 )式及び（ 3 )式を満足するか、 （ 1 )式， （ 2 )式及び（4 )式を 満足するか、 （ 3 )式， （4 )式及び（ 2 )式を満足すれば良い。

更に、 第 2図に示した（ 1 )〜（ 4 )式に対応した 4本の線で囲まれた領 域が、 可燃性毒物平均重量割合 Cag (%) と、 可燃性毒物棒割合 Nfr (%) に関する最も好ましい範囲となる。 即ち、 この範囲を満足するこ とにより、 反応度抑制効果を確保しつつプル卜ニゥム装荷量を増大する ことが最も効果的となる。 図面の簡単な説明

第 1 図は本発明による燃料集合体の第 1 実施例の水平断面図。

第 2図は可燃性毒物棒割合と可燃性毒物平均重量割合の関係を示す図, 第 3図は可燃性毒物平均重量割合と反応度抑制効果の関係を示す図。 第 4図はプルトニウムとウランの中性子吸収断面積を示す図。

第 5図は本発明による燃料集合体の第 2実施例の水平断面図。

第 6図は本発明による燃料集合体の第 3実施例の水平断面図。

第 7図は本発明による燃料集合体の第 4実施例の水平断面図。

第 8図は本発明による燃料集合体の第 5実施例の水平断面図。

第 9図は本発明による燃料集合体の第 6実施例の水平断面図。

第 1 0図は本発明による燃料集合体を用いた炉心の水平断面図。

第 1 1 図は可燃性毒物平均重量割合と反応度抑制期間の関係を示す図, 第 1 2図は第 2実施例の燃料棒の詳細図。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第 1 図は本発明による燃料集合体の第 1 実施例の水平断面図を示す。 1体の制御棒 5の周囲にこの制御棒 5 と隣接して配置された 4体の燃料 集合体によって 1つのセルが構成される。 各燃料集合体は、 中央部に配 置された 1本の水ロッ ド 3 と、 水ロッ ド 3の周りに 8行 8列 （ 8 X 8 ) の格子状に配列された燃料棒と、 これらの燃料棒及び水口ッ ド 3 を取り 囲むチヤンネルボックス 4 とを備える。

燃料棒は、 M O X燃料ペレツ 卜のみを充填した燃料棒 1 ( 4 4本） と. ガドリニアなどの可燃性毒物を含有する M〇 X燃料ぺレッ トを充填した 燃料棒 2 ( 1 6本） から構成される。 また、 水ロッ ド 3は、 燃料棒 4本 を配置可能な中央領域を占めている。 このように構成された 8 7 2体の 燃料集合体と、 水平断面が十字形をした 3 7個の制御棒などが第 1 0図 に示すように炉心を構成する。 第 1 0図の一升が 1体の燃料集合体を示 している。 第 1 0図は炉心の 1 4水平断面図で、 斜線で示した 3 7個 のコン トロールセル 8が炉心の中央領域に配置されている。 コン ト口一 ルセル 8も、 制御棒に隣接して配置される 4体の燃料集合体により構成 される。 この制御棒は、 原子炉の定格運転中に原子炉出力を制御する。 本実施例は、 コン 卜ロールセル 8以外のセルは第 1 図のように M O X 燃料ペレツ 卜を有した 4体の燃料集合体を含んでいる。 各コン トロール セル 8も、 4体の燃料集合体は M O X燃料ペレツ 卜を含んでいる。 コン 卜ロールセル 8の各燃料集合体は、 コン トロールセル 8周囲の燃料集合 体よりも無限増倍率が小さい （例えば、 プルトニウムの量が少） 。

本実施例における炉心は B W Rに適用した平衡炉心である。 この平衡 炉心は、 約 1 3が燃焼度 0 G W d Z Tの新燃料集合体を含む。

本実施例では、 上記新燃料集合体内の全燃料棒数に対する可燃性毒物 を含有する燃料棒 2の数の割合は約 2 7 %、 可燃性毒物を含有する燃料 棒 2の可燃性毒物の平均重量割合は 2 %である。 このように燃料集合体 を構成することにより、 可燃性毒物棒割合及び可燃性毒物平均重量割合 が前述の（ 1 )〜（4 )式を満たすので、 反応度抑制効果を確保しつつ、 プ ルトニゥム装荷量を増大することができる。

尚、 可燃性毒物の重量割合 （濃度） に関しては、 全ての燃料棒 2の平 均が 2 %であれば、 燃料棒 2の軸方向に濃度分布を有していても、 各燃 料棒 2の平均濃度が異なっていても良い。

新燃料集合体内の可燃性毒物は、 炉心内に 1 サイクル滞在する間に消 滅する。 2サイクル目においては、 この燃料集合体は可燃性毒物を含ま ない。

本実施例における炉心は、 全ての燃料集合体が MOX燃料ペレツ 卜を 含んでいる。 しかし、 炉心内の 1 3の燃料集合体 （MOX燃料集合体） が MOX燃料ペレッ トを含み、 残りの 2 3の燃料集合体 （U燃料集合 体） が MOX燃料ペレツ 卜を含まずウランを含むように炉心を構成して もよい。 この炉心は M〇X燃料集合体と U燃料集合体をコントロールセ ル 8以外で混在して配置する。 コン トロールセル 8は、 複数サイクルの 運転を経験した U燃料集合体が配置される。 初装荷炉心の場合は、 コン トロールセル 8内の U燃料集合体の無限増倍率は、 コン トロールセル 8 周囲にある燃料集合体のそれよりも小さい。 U燃料集合体を含む上記し た各炉心においても、 上記新燃料集合体は MOX燃料集合体の一部を占 めている。

第 1実施例の燃料集合体 （上記新燃料集合体） を適用した初装荷炉心 は、 上記新燃料集合体が 1 / 2を占める。 残りの燃料集合体は、 MOX 燃料ペレツ 卜を有しているが、 プルトニウムの平均富化度が上記新燃料 集合体のそれよりも小さくかつ可燃性毒物を含まない。 この残りの燃料 集合体は、 プルトニウムの平均富化度の大小の違いによリ更に 2種類に 分けられる。 コン トロールセル 8内の燃料集合体のプルトニゥムの平均 富化度は、 最も小さい。

次に、 第 5図を用いて本発明による燃料集合体の第 2実施例を説明す る。 同図は、 第 2実施例の水平断面図を示している。 第 2実施例の燃料 集合体は、 中央部に配置された 2本の水ロッ ド 3と、 水ロッ ド 3の周り に 9行 9列 （ 9 X 9 ) の格子状に配列された燃料棒と、 これらの燃料棒 及び水ロッ ド 3を取り囲むチャンネルボックス 4 とを備える。

燃料棒は、 第 1 2図に示すように、 MOX燃料ペレツ 卜のみを充填し た燃料棒 1 (4 8本） と、 MO X燃料ペレツ 卜のみを充填し且つ燃料棒 1 よ りも軸方向長さが短い部分長燃料棒 7 ( 8本） と、 可燃性毒物を含 有する M〇 X燃料べレツ 卜を充填した燃料棒 2 ( 1 8本） から構成され る。 部分長燃料棒 7は、 その燃料有効長が燃料棒 1 の燃料有効長の 1 5 / 2 4であり、 燃料集合体の最外周から 2層目に配置されている。 また、 2本の水口ッ ド 3は燃料棒 7本を配置可能な中央領域を占めている。 本実施例では、 燃料集合体 （燃焼度 O GWd ZT) 内の全燃料棒数に 対する可燃性毒物を含有する燃料棒 2の数の割合は約 2 5 %、 可燃性毒 物を含有する燃料棒 2の可燃性毒物の平均重量割合は 2 %である。 尚、 部分長燃料棒 7 を用いた場合の全燃料棒数と しては、 部分長燃料棒 7の 燃料有効長を燃料棒 1の燃料有効長で規格化した実効的な燃料棒数を用 いている。 即ち、 実効的な燃料棒数 Nefは次式で与えられる。

Nef = N_L+ Ns - Ls/ L L … ( 5 ) ここで、 NL は燃料棒 1及び燃料棒 2の本数の和、 Ns は部分長燃料 棒 7の本数、 Ls は部分長燃料棒 7の燃料有効長、 し し は燃料棒 1の燃 料有効長である。

本実施例の場合、 N_L= 6 6 , Ns= 8 , Ls/L_L= 1 5// 2 4である から、 実効的な燃料棒数 （全燃料棒数） Nef = 7 1本となり、 Nfr== 1 8 /7 1 = 0. 2 5となる。

本実施例でも、 前述の（ 1 )〜（4 )式を満たすので、 第 1実施例と同様 に、 反応度抑制効果を確保しつつ、 プルトニウム装荷量を増大すること ができる。

更に、 本実施例では、 第 1実施例に比べて燃料棒の格子配列を増大し たことにより、 燃料集合体内の燃料棒数が増加している。 これにより、 燃料集合体内の全ての燃料棒の総延長長さが増大しているために、 燃料 集合体の設計において重要な指標である線出力密度 （燃料棒の単位長さ 当りの出力） を、 第 1 実施例の燃料集合体に比べて減少することができ る。 これは、 燃料集合体の出力が同じ場合、 燃料棒の総延長長さが長い 方が線出力密度が低いためである。

尚、 本実施例でも、 全ての燃料棒 2の可燃性毒物の平均濃度が 2 %で あれば、 燃料棒 2の軸方向に濃度分布を有していても、 各燃料棒 2の平 均濃度が異なっていても良い。

本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成は、 第 1 実施例で述べた種々 のものが考えられる。

次に、 第 6図を用いて本発明による燃料集合体の第 3実施例を説明す る。 第 6図は、 第 3実施例の水平断面図を示す。 本実施例の燃料集合体 は、 中央部に配置された 1 本の角型の水口ッ ド 3 と、 水ロッ ド 3の周り に 9行 9列の格子状に配列された燃料棒と、 これらの燃料棒及び水口ッ ド 3 を取り囲むチャンネルボックス 4 とを備える。 燃料棒は、 M O X燃 料ペレツ 卜のみを充填した燃料棒 1 ( 5 2本） と、 可燃性毒物を含有す る M〇 X燃料ペレツ 卜を充填した燃料棒 2 ( 2 0本） から構成される。 また、 水ロッ ド 3は、 燃料棒 9本を配置可能な中央領域を占めている。 本実施例では、 燃料集合体 （燃焼度 O G W d Z T ) 内の全燃料棒数に 対する可燃性毒物を含有する燃料棒 2の数の割合は約 2 8 %、 可燃性毒 物を含有する燃料棒 2の可燃性毒物の平均重量割合は 2 %である。 本実 施例でも、 前述の（ 1 )〜（4 )式を満たすので、 第 1 実施例と同様に、 反 応度抑制効果を確保しつつプルトニゥム装荷量を増大することができる。

また、 本実施例でも、 第 1実施例に比べて燃料棒の格子配列を増大し たことにより、 燃料集合体内の燃料棒数が増加している。 従って、 燃料 集合体内の全ての燃料棒の総延長長さが増大しているために、 第 2実施 例と同様に、 燃料集合体の線出力密度を、 第 1 実施例の燃料集合体に比 ベて減少することができる。

更に、 本実施例では、 第 2実施例に比べて燃料集合体内の水ロッ ド 3 の断面積 （非沸騰水の断面積） が増大している。 このため、 燃料棒数は 滅少するが燃料集合体の出力変化などにより燃料集合体内のボイ ド率が 変化しても、 このボイ ド率変化による反応度への影響は小さくて済む。 従って、 第 2実施例に比べてボイ ド係数を改善できる効果も得られる。 本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成は、 第 1実施例で述べた種々 のものが考えられる。

次に、 第 7図を用いて本発明による燃料集合体の第 4実施例を説明す る。 第 7図は、 第 4実施例の水平断面図を示す。 本実施例は、 第 5図に 示した第 2実施例において、 更に燃料集合体の最外周にも可燃性毒物を 含有する M〇 X燃料ペレツ 卜を充填した燃料棒 2を配置して、 全燃料棒 数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒 2の数の割合を増大している。 燃料棒は、 MOX燃料ペレツ 卜のみを充填した燃料棒 1 (4 4本） と、 M〇 X燃料べレッ 卜のみを充填し且つ燃料棒 1 よりも軸方向長さが短い 部分長燃料棒 7 ( 8本） と、 可燃性毒物を含有する MOX燃料ペレッ ト を充填した燃料棒 2 ( 2 2本） から構成される。 部分長燃料棒 7は、 第 1 2図で示したように、 その燃料有効長が燃料棒 1の燃料有効長の 1 5 / 2 4である。

本実施例では、 （ 5 )式の実効的な燃料棒数 （全燃料棒数） Nef= 7 1 本であり、 Nfr= 2 2 /7 1 = 0.3 1 となる。 即ち、 燃料集合体 （燃 焼度 0 GWd ZT) 内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料 棒 2の数の割合は約 3 1 %、 可燃性毒物を含有する燃料棒 2の可燃性毒 物の平均重量割合は 1 %である。 本実施例でも、 前述の（ 1 )〜（4 )式を 満たすので、 第 1 実施例と同様に、 反応度抑制効果を確保しつつ、 プル トニゥム装荷量を増大することができる。

また、 M〇X燃料棒に可燃性毒物を含有させた場合、 プルトニウムの 核分裂断面積が大きいために、 可燃性毒物の燃焼と燃料の燃焼とが同時 に且つ適度に生じる。 一方、 プルトニウムに比べてウランの核分裂断面 積は小さいので、 ウラン燃料棒に可燃性毒物を含有させた場合、 可燃性 毒物が選択的に燃焼する。 即ち、 可燃性毒物を含有した M O X燃料棒は、 可燃性毒物を含有したウラン燃料棒に比べて、 可燃性毒物が燃え尽きた 後の出力を低く抑えることができる。

このため、 本実施例のように、 可燃性毒物を含有する燃料棒 2 を中性 子束が高い燃料集合体の最外周に配置することができる。 この特性を用 いることにより、 '第 2実施例に比べて可燃性毒物を含有する燃料棒 2の 数を増やして、 燃料集合体内の局所出力ピーキング （平均燃料集合体出 力で規格化した燃料棒の相対的出力のうち最大のもの） を第 2実施例よ りも抑制することができる。

本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成は第 1 実施例のように種々の ものが考えられる。

M〇X燃料集合体の最外周の出力ピークは、 M〇 X燃料集合体が隣接 する場合に比べて U燃料集合体が隣接する場合のほうがよリ高くなる。 従って、 可燃性毒物を含む燃料棒 2 を最外周に配置した本実施例の燃料 集合体 （M〇X燃料集合体） と U燃料集合体を用いて、 炉心を構成した 場合は、 U燃料集合体から飛んでくる多量の中性子が上記燃料棒 2の可 燃性毒物により吸収されるので、 M O X燃料集合体の最外周での出力ピ ークを著しく抑制できる。 炉心の出力ピーキングが、 著しく減少する。 次に、 第 8図を用いて本発明による燃料集合体の第 5実施例を説明す る。 第 8図は、 第 5実施例の水平断面図を示す。 本実施例は、 第 5図に 示した第 2実施例において、 燃料集合体の最外周から 2層目に配置した 可燃性毒物を含有する M〇 X燃料ペレツ 卜を充填した燃料棒 2 を、 最外 周の 4箇所にのみ配置している。

燃料棒は、 MOX燃料ペレツ 卜のみを充填した燃料棒 1 ( 5 2本） と、 M〇 X燃料ぺレッ 卜のみを充填し且つ燃料棒 1 よりも軸方向長さが短い 部分長燃料棒 7 ( 4本） と、 可燃性毒物を含有する MOX燃料ペレツ 卜 を充填した燃料棒 2 ( 1 8本） から構成される。 部分長燃料棒 7は、 第 1 2図で示したように、 その燃料有効長が燃料棒 1 の燃料有効長の 1 5 / 2 4である。

本実施例では、 （ 5 )式の実効的な燃料棒数 （全燃料棒数） Nef = 72.5 本であり、 Nfr= 1 8 7 2. 5 = 0. 2 5 となる。 即ち、 本実施例では、 燃料集合体 （燃焼度 O GWd ZT) 内の全燃料棒数に対する可燃性毒物 を含有する燃料棒 2の数の割合は約 2 5 %、 可燃性毒物を含有する燃料 棒 2の可燃性毒物の平均重量割合は 2. 5 % である。 本実施例でも、 前 述の（ 1 )〜（4 )式を満たすので、 第 1 実施例と同様に、 反応度抑制効果 を確保しつつプル卜ニゥム装荷量を増大することができる。

更に、 本実施例では、 部分長燃料棒 7 を燃料集合体の最外周に配置す ることによ り、 第 2実施例に比べて、 燃料集合体上部の最外周における 水領域が広がるので、 中性子の滅速効果が増大し、 ボイ ド係数を向上す ることができる。

本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成も、 第 1 実施例のように種々 のものが考えられる。

次に、 第 9図を用いて本発明による燃料集合体の第 6実施例を説明す る。 第 9図は、 第 6実施例の水平断面図を示す。 本燃料集合体の構成は 第 5図に示した第 2実施例と類似しており、 第 2実施例と異なる点は、 可燃性毒物を含有する燃料棒 2の配置と可燃性毒物の平均重量割合であ る。 即ち、 本実施例では、 MOX燃料ペレッ トのみを充填した燃料棒 1 が 5 0本、 MOX燃料ペレツ 卜のみを充填し且つ燃料棒 1 よりも軸方向 長さが短い部分長燃料棒 7が 8本、 可燃性毒物を含有する MO X燃料べ レツ 卜を充填した燃料棒 2が 1 6本、 第 9図のように配置されている。 部分長燃料棒 7は、 第 1 2図で示したように、 その燃料有効長が燃料棒 1 の燃料有効長の 1 5 2 4である。

本実施例では、 （ 5 )式の実効的な燃料棒数 （全燃料棒数） Nef= 7 1 本であり、 Nfr= 1 6 / 7 1 = 0. 2 3 となる。 即ち、 本実施例では、 燃料集合体内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒 2の数 の割合は約 2 3 %、 可燃性毒物を含有する燃料棒 2の可燃性毒物の平均 重量割合は 3 %である。 本実施例でも、 前述の（ 1 )〜（4 )式を満たすの で、 第 1実施例と同様に、 反応度抑制効果を確保しつつ、 プルトニウム 装荷量を増大することができる。

更に、 本実施例では、 第 2実施例より少ない数の燃料棒 2に高濃度の 可燃性毒物を含有させているため、 長い原子炉運転期間に渡って反応度 を抑制できるので、 第 2実施例に比べて高い燃焼度に対応することがで さる。

本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成も第 1 実施例のように種々の もの力'考えられる。

尚、 以上説明した実施例では、 燃料集合体内の全ての燃料棒が MOX 燃料棒である例を示したが、 可燃性毒物を含まない燃料棒の一部がプル トニゥムを含まないウラン燃料棒である場合においても、 （ 1 )〜（4 )式 の条件を満たせば、 本発明と同様の効果を達成することは可能である。 産業上の利用可能性

本発明によれば、 反応度抑制効果を確保しつつ、 プルトニウム装荷量 を増大できる MOX燃料集合体及びこれを備えた炉心を提供できる。

Claims

請 求 の 範 囲

1. M OX燃料ペレツ トを封入した MO X燃料棒を含む複数の燃料棒と、 水口ッ ドとを正方格子状に配置した MOX燃料集合体において、

前記 MO X燃料棒は可燃性毒物を含有する MO X燃料棒を有し、 全燃 料棒数に対する可燃性毒物を含有する MO X燃料棒数の割合 Nfr (%) と、 可燃性毒物を含有する MOX燃料棒の可燃性毒物の平均重量割合 Cag (%) と力

― 1.7 Cag+ 2 1.8≤Nfr≤- 4.4 Cag+ 5 6. 1

の関係を満たすことを特徴とする MOX燃料集合体。

2. 請求の範囲第 1項において、 更に、 前記平均重量割合 Cagが

Cag< 5.0

の関係を満たすことを特徴とする MO X燃料集合体。

3. 請求の範囲第 1項において、 更に、 前記平均重量割合 Cagが

0. 5≤ Cag

の関係を満たすことを特徴とする MO X燃料集合体。

4. MOX燃料ペレツ 卜を封入した MOX燃料棒を含む複数の燃料棒と、 水口ッ ドとを正方格子状に配置した M〇 X燃料集合体において、

前記 MO X燃料棒は可燃性毒物を含有する MO X燃料棒を有し、 可燃 性毒物を含有する M〇 X燃料棒の可燃性毒物の平均重量割合 Cag (%) が

0. 5≤Cag≤ 5.0

の関係を満たすことを特徴とする MOX燃料集合体。

5. 請求の範囲第 4項において、 更に、 全燃料棒数に対する可燃性毒物 を含有する MOX燃料棒数の割合 Nfr (%) が

fr≤ - 4.4 Cag+ 5 6. 1 の関係を満たすことを特徴とする M〇X燃料集合体。

6. 請求の範囲第 1項又は第 4項において、 可燃性毒物を含有する M0X 燃料棒を燃料棒配列の最外周に配置したことを特徵とする MOX燃料集 合体。

7. M〇X燃料ペレツ トを封入した MOX燃料棒を含む複数の燃料棒と、 水口ッ ドとを正方格子状に配置した MOX燃料集合体において、

前記 M〇 X燃料棒は可燃性毒物を含有する MO X燃料棒を有し、 全燃 料棒数に対する可燃性毒物を含有する MO X燃料棒数の割合 Nfr (%) と、 可燃性毒物を含有する MO X燃料棒の可燃性毒物の平均重量割合 Cag (%) とが

一 1.7 Cag+ 2 1.8≤Nfr≤- 4.4 Cag-(- 5 6. 1

0. 5≤ Cag≤ 5. 0

の関係を満たすことを特徴とする MOX燃料集合体。

8. 請求の範囲第 1項又は第 4項において、 全ての燃料棒が MOX燃料 棒であることを特徴とする MO X燃料集合体。

9. 請求の範囲第 1項又は第 4項において、 前記可燃性毒物がガドリニ ァであることを特徴とする MOX燃料集合体。

1 0. 請求の範囲第 1項又は第 4項において、 前記水ロッ ドの横断面積 力、 前記複数の燃料棒の 1つの格子セルの横断面積より大きいことを特 徴とする MOX燃料集合体。

1 1. 請求の範囲第 1項又は第 4項の何れかに記載の MO X燃料集合体 を含む複数の燃料集合体を装荷したことを特徴とする炉心。