WO2018186039A1 - 燃料集合体及び燃料集合体の製造方法 - Google Patents

燃料集合体及び燃料集合体の製造方法 Download PDF

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WO2018186039A1
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fuel
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enrichment
rods
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岳 光安
肇男 青山
道隆 小野
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株式会社日立製作所
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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a fuel assembly for a boiling water reactor and a method for producing the same, and more particularly to a technique using recovered uranium obtained by reprocessing spent fuel.
  • Reprocessing of spent uranium fuel taken out from the nuclear reactor will separate it into plutonium (Pu) and uranium (U), other transuranium elements and fission products.
  • a fuel assembly obtained by using plutonium as a fuel and mixing and processing with deteriorated uranium is called a MOX fuel.
  • uranium obtained by reprocessing is called recovered uranium.
  • Natural uranium mainly contains uranium 235 and uranium 238, while recovered uranium contains uranium 236 in addition thereto.
  • Uranium 236 acts as an absorbing material because its capture cross-section relative to the fission cross-section of the heat group is larger than that of uranium 235.
  • uranium fuel produced from recovered uranium has a lower neutron multiplication factor under the same uranium 235 enrichment conditions than uranium fuel produced from natural uranium. Therefore, the use of recovered uranium can save the amount of natural uranium used, but a higher uranium 235 enrichment is required to obtain a burnup equivalent to the fuel produced from natural uranium.
  • Patent Document 1 As a method for utilizing such recovered uranium, a method described in Patent Document 1 has been proposed. Since uranium 236 has a strong resonance absorption effect, the absolute value of the void coefficient is increased to the negative side. An increase in the absolute value on the negative side of the void coefficient means that the feedback effect is increased when the core changes transiently. In some cases, the margin for the operation limit value is reduced. Therefore, in Patent Document 1, uranium fuel concentrated from natural uranium is arranged in a region where the reaction ratio of neutrons is large, such as a fuel assembly corner and a position adjacent to a water rod, and recovered uranium is arranged in other regions. The increase in the absolute value of the void coefficient to the negative side due to the use of recovered uranium is minimized.
  • Patent Document 2 by using recovered uranium as fuel containing gadolinia, which is a flammable poison, while maintaining the average uranium enrichment at the same level as before, the loss of reactivity due to recovered uranium can be reduced and recovered. The uranium usage rate can be increased.
  • the enrichment of uranium is generally produced at 5 weight percent (hereinafter, wt%) or less. From the viewpoint of ensuring subcriticality in the fuel production process, safety is ensured in a state of 5 wt% or less, and in order to ensure equivalent safety during fuel production when it exceeds 5 wt%, it is necessary to change equipment Become.
  • Patent Document 3 discloses that uranium fuel pellets with a uranium 235 enrichment of 5 wt% or more are all erbia (Er 2 O 3 ), which is a flammable poison that has a low reactivity suppression effect and lasts long before the pellet molding process.
  • a method has been proposed in which the maximum value of the neutron multiplication factor is made smaller than that of the uranium 235 enrichment 5 wt% fuel, and fuel of 5 wt% or more can be manufactured.
  • Patent No. 5986802 Japanese Patent Laid-Open No. 11-174179 Patent No. 4077303
  • Patent Documents 1 and 2 natural uranium is required while being loaded in the fuel assembly in order to minimize the effect of recovered uranium.
  • Patent Document 3 by using a flammable poison, uranium 235 loaded with a reduced poison after irradiation in the furnace can be effectively used. However, how to use recovered uranium after reprocessing is not shown.
  • the present invention provides a fuel assembly capable of ensuring the safety of the fuel production process and effectively utilizing the recovered uranium after reprocessing while using a fuel having a uranium enrichment exceeding 5 wt% for the purpose of increasing the burnup. It is to provide a manufacturing method.
  • the present invention provides a fuel assembly including a plurality of fuel rods containing uranium, and at least one of the plurality of fuel rods has a uranium 235 enrichment of e.
  • the content of uranium 236 with respect to uranium 235 is expressed by the formula (1)
  • the present invention also includes (a) a step of separating and recovering uranium containing uranium 235, uranium 236, and uranium 238 from spent fuel, (b) a step of reconcentrating the recovered uranium recovered in step (a), In the step (b), when the enrichment of uranium 235 is e, the content of uranium 236 with respect to uranium 235 is expressed by the formula (1)
  • the uranium 238 is removed so as to be in the range between.
  • a fuel assembly capable of ensuring the safety of the fuel production process and effectively utilizing the recovered uranium after reprocessing while using a fuel having a uranium enrichment exceeding 5 wt% for the purpose of increasing the burnup.
  • the manufacturing method can be realized.
  • FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of a fuel assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional arrow view (horizontal cross-sectional view) of the fuel assembly shown in FIG.
  • FIG. 5 It is a schematic block diagram of the improved boiling water reactor provided with the core which loads the fuel assembly shown in FIG.5 and FIG.6.
  • 4 is a flowchart showing an outline of a manufacturing process of a fuel assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the inventors of the present invention have made various studies and found a structure that increases the enrichment of uranium 235 while utilizing recovered uranium. First, the result of this study and the outline of the newly found fuel will be described below.
  • uranium 235 enrichment of 5 wt% is the upper limit for fuel production.
  • Uranium 236 contained in the recovered uranium is an absorbent material, but does not have a large absorption cross section like a flammable poison, and has absorption characteristics similar to uranium 238.
  • the uranium 236 may be added so as to be smaller than the neutron multiplication factor of the uranium 235 enrichment 5 wt% not containing the uranium 236.
  • too much uranium 236 is added, even if the enrichment of uranium 235 is increased, high burnup cannot be achieved.
  • a lower limit of the uranium 236 ratio is specified from the viewpoint of fuel production, and an upper limit of the uranium 236 ratio is specified in order to obtain an economic effect when the enrichment of the uranium 235 is increased.
  • FIG. 1 shows the amount of increase in neutron multiplication factor with respect to uranium 235 enrichment for each content of uranium 236 with respect to uranium 235.
  • the amount of increase in the neutron multiplication factor is based on a uranium 235 enriched fuel of 5 wt% that does not contain uranium 236. It indicates that fuel exceeding 5% by weight of uranium enrichment below the standard (0.0% dk) can be produced by the current production facility.
  • FIG. 2 shows the relationship between the uranium enrichment level below the standard and the content of uranium 236 with respect to uranium 235.
  • equation (1) the relationship between the uranium 235 enrichment that always satisfies the standard and the uranium 236 content relative to the uranium 235 is expressed by equation (1).
  • Equation (2) shows the amount of increase in the neutron multiplication factor at the time of extraction burnup when uranium enriched fuel containing 5 wt% of uranium 236 is not irradiated, according to the uranium 236 content.
  • the amount of increase in the neutron multiplication factor is based on a uranium 235 enriched fuel of 5 wt% that does not contain uranium 236.
  • Fuel above the standard (0.0% dk) indicates that there is an economic advantage of producing fuel above 5 wt%.
  • equation (2) the relationship between the enrichment of uranium 235 having economic advantages and the content of uranium 236 relative to uranium 235 is expressed by equation (2).
  • the recovered uranium obtained by reprocessing spent fuel at the reprocessing facility contains uranium 236, the composition of which depends on the burnup of the spent fuel and the loaded plant.
  • uranium 236, the composition of which depends on the burnup of the spent fuel and the loaded plant In order to effectively use the recovered uranium, it is necessary to re-concentrate the uranium 235. At this time, the content of the uranium 236 with respect to the uranium 235 is hardly changed because it is difficult to separate only the uranium 236.
  • the amount of uranium 236 with respect to uranium 235 is basically the amount given at the time of reprocessing.
  • the uranium 235 enrichment within the range of the equations (1) and (2) may be obtained from the amount of uranium 236 with respect to the uranium 235.
  • uranium 236 with respect to uranium 235 when the content of uranium 236 with respect to uranium 235 is 50%, if the enrichment of uranium 235 is 5.7 wt% to 6.7 wt%, the fuel can be manufactured while ensuring safety even in conventional fuel production facilities.
  • the uranium 235 enrichment 5 wt% fuel that does not contain uranium 236 is more economical.
  • FIG. 5 is an overall schematic configuration diagram of a fuel assembly according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is an AA ′ cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) of the fuel assembly shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an improved boiling water reactor equipped with a core in which the fuel assemblies shown in FIGS. 5 and 6 are loaded.
  • an improved boiling water reactor is provided with a cylindrical core shroud 102 in a reactor pressure vessel (reactor vessel) 103, and a plurality of bodies are provided in the core shroud 102.
  • a core 105 loaded with a fuel assembly (not shown) is disposed.
  • RPV reactor pressure vessel
  • a steam / water separator 106 extending above the core 105 and a steam dryer disposed above the steam / water separator 106 are provided.
  • An annular downcomer 104 is formed between the RPV 103 and the core shroud 102.
  • An internal pump 115 is disposed in the downcomer 104.
  • the cooling water discharged from the internal pump 115 is supplied to the core 105 through the lower plenum 122.
  • the cooling water is heated when passing through the core 105 to become a gas-liquid two-phase flow containing water and steam.
  • the steam separator 106 separates the gas-liquid two-phase flow into steam and water.
  • the separated steam is further dehumidified by the steam dryer 107 and guided to the main steam pipe 108.
  • the steam from which the moisture has been removed is guided to a steam turbine (not shown) to rotate the steam turbine.
  • a generator connected to the steam turbine rotates to generate electric power.
  • the steam discharged from the steam turbine is condensed into water by a condenser (not shown). This condensed water is supplied as cooling water into the RPV 103 through the water supply pipe 109.
  • the water separated by the steam separator 106 and the steam dryer 107 falls and reaches the downcomer 104 as cooling water.
  • the lower plenum 122 of the RPV 103 is provided with a control rod guide tube that allows a plurality of cross-shaped control rods CR to be inserted into the core 105 to control the nuclear reaction of the fuel assembly.
  • the control rod drive mechanism is provided in a control rod drive mechanism housing provided below the bottom of the RPV 103, and the control rod is connected to the control rod drive mechanism.
  • FIG. 5 shows an overall schematic configuration diagram of the fuel assembly 1.
  • the fuel assembly 1 of the present embodiment includes a plurality of fuel rods 2, a partial length fuel rod 3, an upper tie plate 5, a lower tie plate 6, a plurality of fuel spacers 8, a plurality of water rods WR, and a channel box 7. ing.
  • the fuel rods 2 (so-called full length fuel rods) and the partial length fuel rods 3 are filled with a plurality of fuel pellets (not shown) in a sealed cladding tube (not shown).
  • the lower tie plate 6 supports the lower ends of the fuel rods 2 and the partial length fuel rods 3, and the upper tie plate 5 holds the upper ends of the fuel rods 2.
  • the lower end portion of the water rod WR is supported by the lower tie plate 6, and the upper end portion of the water rod WR is held by the upper tie plate 5.
  • the plurality of fuel spacers 8 are arranged at predetermined intervals in the axial direction of the fuel assembly 1, and are cooled between the fuel rods 2 (including the partial length fuel rods 3) and between the fuel rods 2 and the water rod WR.
  • the fuel rod 2 and the water rod WR are held so as to form a flow path through which water flows.
  • the channel box 7 which is a square tube having a square cross section is attached to the upper tie plate 5 and extends downward.
  • Each fuel rod 2 bundled by the fuel spacer 8 is arranged in the channel box 7.
  • the upper tie plate 5 has a handle fastened to the upper end thereof, and when the handle is lifted, the entire fuel assembly 1 can be pulled up.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) taken along the line A-A ′ of the fuel assembly 1 shown in FIG.
  • fuel rods 21a, 21b, partial length fuel rods 3, and water rods WR are arranged in a 9 ⁇ 9 square lattice formed in the channel box 7.
  • Two water rods WR having a cross-sectional area that occupies a region where four fuel rods 2 can be arranged are arranged at the center of the horizontal cross section (transverse cross section) of the fuel assembly 1.
  • the water rod WR is a large-diameter water rod having a cross-sectional area that occupies a region where at least two fuel rods 2 can be arranged.
  • the length of the region in which the fuel rod 2 is loaded with fuel pellets containing fissile uranium, that is, the effective fuel length of this embodiment is 3.7 m.
  • the cross section in which one corner is inserted into the core 105 faces the cross-shaped control rod CR. Be placed.
  • the channel box 7 is attached to the upper tie plate 5 by a channel fastener (not shown).
  • the channel fastener holds a gap having a necessary width between the fuel assemblies 1 so that the control rod CR can be inserted between the fuel assemblies 1 when the fuel assembly 1 is loaded on the core 105. It has a function. For this reason, the channel fastener is attached to the upper tie plate 6 so as to be positioned at a corner facing the control rod CR.
  • each fuel pellet filled in each fuel rod 2 is manufactured using uranium dioxide (UO 2 ) which is a nuclear fuel material exemplified in the first embodiment.
  • the fuel rod 21a contains uranium 236, the enrichment of uranium 235 is 6 wt%, and the amount of uranium 236 relative to uranium 235 is 50%.
  • the enrichment of uranium 235 satisfying the expressions (1) and (2) is 5.7 wt% to 6.7 wt%
  • the fuel in the fuel rod 21a is within the scope of the present invention.
  • the enrichment of uranium 235 in the fuel rod 21b and the partial length fuel rod 3 is 5 wt%. Therefore, the average uranium 235 enrichment in the cross section is 5.5 wt%.
  • the relationship between uranium 235 enrichment and the amount of uranium 236 with respect to uranium 235 increases with an increase in uranium 235 enrichment, but is not linear but a square or cube curve. This indicates that the absorption effect of uranium 236 decreases at an accelerated rate as the neutron spectrum becomes harder as the enrichment of uranium 235 increases.
  • the curve shown in FIG. 3 has a steeper slope than the curve shown in FIG. 2, it shows that the uranium 235 enrichment increases and the economic efficiency is improved more than the absorption effect of uranium 236 is reduced. For this reason, the harder the neutron spectrum, the better the economy. Therefore, the fuel arrangement shown in FIG. 6 improves the economy.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an outline of the manufacturing process of the fuel assembly described in each of the above embodiments.
  • Natural uranium (U) which is a primary fuel, is manufactured through processes such as smelting, conversion, and enrichment using uranium ore as a raw material.
  • Natural uranium (U) used as a fuel in a general nuclear power plant contains about 0.7 wt% of uranium 235 which is easily fissioned and about 99.3 wt% of uranium 238 which is difficult to fission.
  • Step S1 Natural uranium (U) is processed as a fuel assembly as shown in FIGS. 5 and 6 and loaded into a nuclear power plant such as a nuclear power plant as fuel.
  • Step S2 The fuel assembly loaded in the core of the nuclear power plant undergoes fission reaction (combustion) in the core, and steam is generated using the generated heat. Electricity is generated by rotating the turbine with the generated steam.
  • This fission reaction (combustion) generates uranium 236, plutonium (Pu), minor actinides (MA: Neptunium (Np), Americium (Am), Curium (Cm), etc.), and other fission products (FP).
  • Step S3 The spent fuel after being used as fuel in the nuclear power plant is separated into uranium and other things at the reprocessing plant, and uranium is recovered for use as fuel again.
  • Uranium recovered at the reprocessing plant is called recovered uranium and includes uranium 235, uranium 236, and uranium 238.
  • Step S4 The separated plutonium (Pu) is processed into MOX fuel (Mixed Oxide: uranium / plutonium mixed oxide) at the MOX fuel plant together with the recovered uranium and used as fuel in the nuclear power plant.
  • MOX fuel Mated Oxide: uranium / plutonium mixed oxide
  • Minor actinoids (MA) and fission products (FP) are treated as high level radioactive waste.
  • the recovered uranium which is the secondary fuel recovered at the reprocessing plant, is used again as a fuel for nuclear power plants along with the natural uranium (U) produced in step S1 through processes such as conversion and reconcentration at the fuel processing plant.
  • enriched uranium produced by a conventional method is arranged in the corner portion (peripheral portion) in the channel box 7.
  • the recovered uranium described in the above embodiments may be disposed in the vicinity of the center. In this case, the power distribution in the radial direction of the fuel assembly can be flattened.
  • the content of uranium 236 with respect to uranium 235 with respect to the recovered uranium as described in the above embodiments on the upper side of the fuel rod that is, the formula (1)
  • recovered uranium that is in the range between the formula (2) and concentrated uranium produced by a conventional method may be used on the lower side of the fuel rod.
  • the uranium 236 can be effectively used on the upper side where the neutron spectrum is hard and the absorption is low.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • SYMBOLS 1 Fuel assembly, 2, 21a, 21b ... Fuel rod, 3 ... Partial length fuel rod, 5 ... Upper tie plate, 6 ... Lower tie plate, 7 ... Channel box, 8 ... Spacer, WR ... Water rod, 102 ... Core shroud, 103 ... Reactor pressure vessel (RPV), 104 ... Downcomer, 105 ... Core, 106 ... Steam separator, 107 ... Steam dryer, 108 ... Main steam pipe, 109 ... Feed water piping, 115 ... Internal Pump, 122 ... Lower plenum.
  • RSV Reactor pressure vessel

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Abstract

高燃焼度化を目的としてウラン２３５濃縮度５ｗｔ％を超える燃料を用いつつ、燃料製造過程の安全を確保し、再処理後の回収ウランを有効活用可能な燃料集合体とその製造方法を提供する。ウランを含む燃料棒を複数備える燃料集合体であって、前記複数の燃料棒のうち、少なくとも１つの燃料棒は、ウラン２３５濃縮度をｅとした場合、ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が、式（１） および式（２） の間の範囲であることを特徴とする。

Description

燃料集合体及び燃料集合体の製造方法
　本発明は、沸騰水型原子炉用の燃料集合体とその製造方法に係り、特に、使用済燃料の再処理により得られた回収ウランを利用する技術に関する。
　原子炉から取り出した使用済ウラン燃料の再処理により、プルトニウム（Ｐｕ）及びウラン（Ｕ）、その他の超ウラン元素や核分裂生成物に分離される。プルトニウムを燃料とし、劣化ウランと混合して成型加工した燃料集合体はＭＯＸ燃料と呼ばれる。一方、再処理で得られたウランは回収ウランと呼ばれている。天然ウランは主にウラン２３５、ウラン２３８を含んでいるが、回収ウランはそれに加えてウラン２３６を含んでいる。
　ウラン２３６は、熱群の核分裂断面積に対する捕獲断面積がウラン２３５に比べて大きいため、吸収物質として作用する。その結果、回収ウランから製造したウラン燃料は、天然ウランから製造したウラン燃料と比較して、同じウラン２３５濃縮度条件において、中性子増倍率が低くなる。そのため、回収ウランの利用は天然ウラン使用量を節約できるが、天然ウランから製造した燃料と同等の燃焼度を得る為にはより高いウラン２３５濃縮度が必要になる。
　このような回収ウランの活用方法として、特許文献１に記載の方法が提案されている。ウラン２３６が強い共鳴吸収効果を持つことから、ボイド係数の絶対値を負側に大きくする。ボイド係数の負側の絶対値の増大は、炉心の過渡変化時にフィードバック効果が大きくなることを意味しており、場合によっては運転制限値に対する余裕を小さくする。そこで、特許文献１では燃料集合体コーナー部や水ロッド隣接位置などの中性子の反応割合が大きな領域には天然ウランから濃縮したウラン燃料を配置し、それ以外の領域に回収ウランを配置することで、回収ウランを使うことによるボイド係数の負側への絶対値増大を最小限に抑えている。
　また、特許文献２では、可燃性毒物であるガドリニアを含む燃料に回収ウランを用いることで、平均ウラン濃縮度を従来と同程度に維持しつつ、回収ウランによる反応度損失を低減できるとともに、回収ウランの使用割合を高めることができるとしている。
　このように、従来の知見では、回収ウランに含まれるウラン２３６の炉心特性に与えるデメリットが最小になるように配置方法などが検討されてきた。
　燃料成形加工後の燃料集合体だけでなく、燃料製造過程に着目すると、一般にウランの濃縮度は５重量パーセント（以下、ｗｔ％）以下で製造されている。燃料製造過程での未臨界確保の観点から５ｗｔ％以下の状態での安全確保がなされており、５ｗｔ％を超える場合の燃料製造時に同等の安全性を確保するためには設備の変更が必要となる。
　そこで、特許文献３に、ウラン２３５濃縮度５ｗｔ％以上のウラン燃料ペレットについては全てペレット成形加工に先立ち、反応度抑制効果が弱く、かつ長く持続する可燃性毒物であるエルビア（Ｅｒ2Ｏ3）を混入することで中性子増倍率の最大値をウラン２３５濃縮度５ｗｔ％燃料よりも小さくし、５ｗｔ％以上の燃料を製造可能にする方法が提案されている。
特許第５９８６８０２号 特開平１１－１７４１７９号公報 特許第４０７７３０３号
　特許文献１及び２では、回収ウランの効果をできるだけ小さくするため、燃料集合体内に多く装荷しつつも、天然ウランを必要としている。
　また、特許文献３では、可燃性毒物を利用することにより、炉内で照射後に毒物が減少し装荷したウラン２３５を有効に活用できる。しかし、再処理後の回収ウランの活用方法は示されていない。
　そこで本発明は、高燃焼度化を目的としてウラン２３５濃縮度５ｗｔ％を超える燃料を用いつつ、燃料製造過程の安全を確保し、再処理後の回収ウランを有効活用可能な燃料集合体とその製造方法を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明は、ウランを含む燃料棒を複数備える燃料集合体であって、前記複数の燃料棒のうち、少なくとも１つの燃料棒は、ウラン２３５濃縮度をｅとした場合、ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が、式（１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
および式（２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
の間の範囲であることを特徴とする。
　また、本発明は、（ａ）使用済燃料からウラン２３５，ウラン２３６，ウラン２３８を含むウランを分離し回収する工程、（ｂ）前記（ａ）工程で回収した回収ウランを再濃縮する工程、を有し、前記（ｂ）工程において、ウラン２３５濃縮度をｅとした場合、ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が、式（１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
および式（２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
の間の範囲となるようにウラン２３８を除去することを特徴とする。
　本発明によれば、高燃焼度化を目的としてウラン２３５濃縮度５ｗｔ％を超える燃料を用いつつ、燃料製造過程の安全を確保し、再処理後の回収ウランを有効活用可能な燃料集合体とその製造方法を実現できる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
ウラン２３５濃縮度と中性子増倍率の変化を示すグラフである。 ウラン２３５濃縮度とウラン２３６の含有割合の下限を示すグラフである。 ウラン２３５濃縮度とウラン２３６の含有割合の上限を示すグラフである。 ウラン２３５濃縮度とウラン２３６の含有割合の下限と上限の間の領域を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る燃料集合体の全体概略構成図である。 図５に示す燃料集合体のＡ－Ａ’断面矢視図（水平断面図）及び各燃料棒の濃縮度並びに可燃性毒物の添加を示す図である。 図５及び図６に示す燃料集合体を装荷する炉心を備えた改良型沸騰水型原子炉の概略構成図である。 本発明の一実施例に係る燃料集合体の製造過程の概要を示すフローチャートである。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
　本発明者等は、種々の検討を重ね、回収ウランを活用しながら、ウラン２３５濃縮度を高める構成を見出した。先ず、この検討結果及び新たに見出した燃料の概要を以下に説明する。
　上記特許文献３にあるように、現在の「ウラン加工施設安全審査指針」においては、ウラン２３５濃縮度５ｗｔ％が燃料製造の上限とされている。回収ウランに含まれるウラン２３６は吸収物資であるが、可燃性毒物のような大きな吸収断面積を持たず、ウラン２３８に似た吸収特性を持っている。ウラン２３５濃縮度５ｗｔ％を超える燃料製造を可能にするためには、ウラン２３６を含まないウラン２３５濃縮度５ｗｔ％の中性子増倍率よりも小さくなるように、ウラン２３６を添加すればよい。一方で、ウラン２３６を添加しすぎると、ウラン２３５濃縮度を高めても高燃焼度化できなくなる。
　つまり、燃料製造の観点からウラン２３６割合の下限が規定されるとともに、ウラン２３５の濃縮度を高めたときの経済効果を得るためにウラン２３６割合の上限が規定される。
　図１にウラン２３５濃縮度に対する中性子増倍率の増大量をウラン２３５に対するウラン２３６の含有量毎に示す。中性子増倍率の増大量はウラン２３６を含まないウラン２３５濃縮度５ｗｔ％の燃料を基準としている。基準（０．０％ｄｋ）以下のウラン濃縮度５ｗｔ％を超える燃料は、現在の製造設備で製造可能であることを示している。基準以下となるウラン濃縮度とウラン２３５に対するウラン２３６の含有率の関係を図２に示す。このように、常に基準を満たすウラン２３５濃縮度とウラン２３５に対するウラン２３６含有量の関係は式（１）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここで、ｅはウラン２３５濃縮度、すなわちウラン全体の重量に対するウラン２３５の重量の比率である。（ｅ＝ウラン２３５の重量／ウラン全体の重量）
　ウラン２３６を含有しないウラン濃縮度５ｗｔ％の燃料を照射したときの取出燃焼度時点の中性子増倍率に対して、ウラン２３６を含む燃料の前記取出燃焼度の中性子増倍率が高ければ、経済性の観点で有用であると言える。そこで、図２にウラン２３６を含有しないウラン濃縮度５ｗｔ％の燃料を照射したときの取出燃焼度時点の中性子増倍率の増大量をウラン２３６含有量に応じて示す。中性子増倍率の増大量はウラン２３６を含まないウラン２３５濃縮度５ｗｔ％の燃料を基準としている。基準（０．０％ｄｋ）以上の燃料は、５ｗｔ％を超える燃料を製造する経済的利点があることを示している。この結果、経済的利点を持つウラン２３５濃縮度とウラン２３５に対するウラン２３６含有量の関係は式（２）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　この結果、図４に示すように、式（１）と式（２）を満たす範囲（図４のハッチング領域）であれば、ウラン２３５濃縮度５ｗｔ％を超える燃料を製造でき、経済的にも利点がある。
　上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
　再処理施設において使用済み燃料を再処理して得られた回収ウランは、ウラン２３６を含むが、その組成は使用済み燃料の燃焼度や装荷されたプラントに依存する。回収ウランを有効に利用するためには、ウラン２３５を再濃縮する必要があり、このときウラン２３５に対するウラン２３６の含有量は、ウラン２３６のみの分離が難しいことから変化は小さい。
　つまり、ウラン２３５に対するウラン２３６の量は基本的に再処理の時点で与えられた量となる。ウラン２３５濃縮度５ｗｔ％を超える燃料を製造するには、このウラン２３５に対するウラン２３６の量から式（１）および式（２）の範囲となるウラン２３５濃縮度を求めれば良い。
　例えば、ウラン２３５に対するウラン２３６の含有量が５０％であるとき、ウラン２３５濃縮度が５．７ｗｔ％～６．７ｗｔ％であれば、従来の燃料製造施設でも安全性を確保して製造することができ、ウラン２３６を含まないウラン２３５濃縮度５ｗｔ％燃料と比べて経済性が高くなる。
　図５から図７を参照して、実施例２の燃料集合体について説明する。図５は、本発明の一実施例に係る燃料集合体の全体概略構成図であり、図６は、図５に示す燃料集合体のＡ－Ａ’断面矢視図（水平断面図）である。また、図７は、図５及び図６に示す燃料集合体を装荷する炉心を備えた改良型沸騰水型原子炉の概略構成図である。
　図７に示すように、改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）は、原子炉圧力容器（原子炉容器）１０３内に円筒状の炉心シュラウド１０２が設けられ、炉心シュラウド１０２内に、複数体の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心１０５が配設されている。また、原子炉圧力容器（Reactor Pressure Vessel；以下、ＲＰＶと称する）１０３内には、炉心１０５の上方へと延伸する気水分離器１０６及び気水分離器１０６の上方に配される蒸気乾燥器１０７が設けられている。ＲＰＶ１０３と炉心シュラウド１０２の間には環状のダウンカマ１０４が形成されている。ダウンカマ１０４内には、インターナルポンプ１１５が配設されている。
　インターナルポンプ１１５から吐出された冷却水は、下部プレナム１２２を経て炉心１０５に供給される。冷却水は、炉心１０５を通過する際に加熱されて水及び蒸気を含む気液二相流となる。気水分離器１０６は気液二相流を蒸気と水に分離する。分離された蒸気は、更に蒸気乾燥器１０７で湿分を除去されて主蒸気配管１０８に導かれる。この湿分が除去された蒸気は、蒸気タービン（図示せず）に導かれ、蒸気タービンを回転させる。蒸気タービンに連結された発電機が回転し、電力を発生する。蒸気タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水となる。この凝縮水は、冷却水として給水配管１０９によりＲＰＶ１０３内に供給される。気水分離器１０６及び蒸気乾燥器１０７で分離された水は、落下して冷却水としてダウンカマ１０４内に達する。
　なお、図７では図示しないが、ＲＰＶ１０３の下部プレナム１２２には、燃料集合体の核反応を制御するため炉心１０５へ複数の横断面十字状の制御棒ＣＲを挿入可能とする制御棒案内管が設けられ、ＲＰＶ１０３の底部より下方に設置された制御棒駆動機構ハウジング内に制御棒駆動機構を備え、制御棒は制御棒駆動機構に連結されている。
　図５に、燃料集合体１の全体概略構成図を示す。本実施例の燃料集合体１は、複数の燃料棒２、部分長燃料棒３、上部タイプレート５、下部タイプレート６、複数の燃料スペーサ８、複数の水ロッドＷＲ、及びチャンネルボックス７を備えている。燃料棒２（所謂、全長燃料棒）及び部分長燃料棒３は、複数の燃料ペレット（図示せず）を密封された被覆管（図示せず）内に充填している。
　下部タイプレート６は各燃料棒２及び部分長燃料棒３の下端部を支持し、上部タイプレート５は各燃料棒２の上端部を保持する。水ロッドＷＲの下端部は下部タイプレート６に支持され、水ロッドＷＲの上端部は上部タイプレート５に保持される。複数の燃料スペーサ８は、燃料集合体１の軸方向において所定の間隔に配置され、燃料棒２（含む部分長燃料棒３）の相互間、及び燃料棒２と水ロッドＷＲの間に、冷却水が流れる流路を形成するように、燃料棒２及び水ロッドＷＲを保持している。
　横断面が正方形状をしている角筒であるチャンネルボックス７は、上部タイプレート５に取り付けられ、下方に向かって延伸している。燃料スペーサ８によって束ねられた各燃料棒２は、チャンネルボックス７内に配置されている。上部タイプレート５には、その上端部にハンドルが締結されており、ハンドルを吊り上げると、燃料集合体１全体を引き上げることができる。
　図６は、図５に示す燃料集合体１のＡ－Ａ’断面矢視図（水平断面図）である。図６に示すように、燃料集合体１の水平断面において、チャンネルボックス７内に形成される９行９列の正方格子に、燃料棒２１ａ、２１ｂ、部分長燃料棒３、水ロッドＷＲが配されている。燃料集合体１の水平断面（横断面）の中央部には、燃料棒２が４本配置できる領域を占有する横断面積を有する水ロッドＷＲが２本配されている。水ロッドＷＲは、少なくとも２本の燃料棒２が配置可能な領域を占有する横断面積を有する太径水ロッドである。本実施例における燃料棒２に核分裂性ウランを含む燃料ペレットが装填された領域の長さ、すなわち、本実施例の燃料有効長は３．７ｍである。
　また、燃料集合体１は、改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）の炉心１０５に装荷されたとき、一つのコーナーが炉心１０５に挿入された横断面が十字状の制御棒ＣＲと向かい合うように配置される。チャンネルボックス７は、チャンネルファスナ（図示せず）によって上部タイプレート５に取り付けられる。チャンネルファスナは、燃料集合体１が炉心１０５に装荷されたとき、制御棒ＣＲが燃料集合体１の相互間に挿入できるように、燃料集合体１の相互間に必要な幅の間隙を保持する機能を有する。このため、チャンネルファスナは、制御棒ＣＲと向かい合うコーナーに位置するように、上部タイプレート６に取り付けられている。
　燃料集合体１の制御棒ＣＲに向かい合うコーナー部は、換言すれば、チャンネルファスナが取り付けられたコーナー部である。各燃料棒２内に充填される各燃料ペレットは、実施例１で例示された核燃料物質である二酸化ウラン（ＵＯ２）を用いて製造される。燃料棒２１aはウラン２３６を含み、ウラン２３５濃縮度は６ｗｔ％、ウラン２３５に対するウラン２３６の量は５０％である。このとき、式（１）と式（２）を満たすウラン２３５濃縮度は５．７ｗｔ％～６．７ｗｔ％であるため、燃料棒２１aの燃料は本発明の範囲内にある。また、燃料棒２１ｂおよび部分長燃料棒３のウラン２３５濃縮度は５ｗｔ％である。よって、断面平均のウラン２３５濃縮度は５．５ｗｔ％である。
　図２に示すように、ウラン２３５濃縮度とウラン２３５に対するウラン２３６の量の関係は、ウラン２３５濃縮度の増加とともに、増大するが、線形ではなく、二乗または三乗の曲線となる。このことは、ウラン２３５濃縮度増大とともに中性子スペクトルが硬くなることで、ウラン２３６の吸収効果が加速度的に小さくなることを示している。
　また、図３に示す曲線は図２に示す曲線よりも傾きが急であるため、ウラン２３５濃縮度増大とともに、ウラン２３６の吸収効果が小さくなる以上に経済性が向上することを示している。このことから、中性子スペクトルが硬いほど経済性が向上する。そのため、図６に示す燃料配置により経済性が向上する。
　図８を参照して、実施例３の燃料集合体の製造方法について説明する。図８は上記の各実施例で説明した燃料集合体の製造過程の概要を示すフローチャートである。
　先ず、燃料加工工場において、ウラン鉱石を原料として製錬、転換、濃縮などの工程を経て一次燃料である天然ウラン（Ｕ）が製造される。一般的な原子力プラントで燃料として用いられる天然ウラン（Ｕ）は、核分裂しやすいウラン２３５が約０．７ｗｔ％、核分裂しにくいウラン２３８が約９９．３ｗｔ％含まれる。（ステップＳ１）
　天然ウラン（Ｕ）は、図５及び図６に示すような燃料集合体として加工され、原子力発電所などの原子力プラントへ燃料として装荷される。（ステップＳ２）
　原子力プラントの炉心に装荷された燃料集合体は炉心内で核分裂反応（燃焼）し、発生する熱を利用して蒸気が生成される。生成した蒸気によりタービンを回転させることで発電を行う。この核分裂反応（燃焼）により、ウラン２３６やプルトニウム（Ｐｕ）、マイナーアクチノイド（ＭＡ：ネプツニウム（Ｎｐ），アメリシウム（Ａｍ），キュリウム（Ｃｍ）等）、その他の核分裂生成物（ＦＰ）が生成される。（ステップＳ３）
　原子力プラントで燃料として利用された後の使用済燃料は、再処理工場においてウランとそれ以外の物に分離され、ウランは再び燃料として利用するために回収される。再処理工場において回収されたウランは回収ウランと呼ばれ、ウラン２３５，ウラン２３６，ウラン２３８を含む。（ステップＳ４）
　なお、分離されたプルトニウム（Ｐｕ）は、回収ウランと共にＭＯＸ燃料工場においてＭＯＸ燃料（Mixed Oxide：ウラン・プルトニウム混合酸化物）に加工され、原子力プラントで燃料として利用される。マイナーアクチノイド（ＭＡ）および核分裂生成物（ＦＰ）は高レベル放射性廃棄物として処理される。
　再処理工場で回収された二次燃料である回収ウランは、燃料加工工場において、転換、再濃縮などの工程を経て、ステップＳ１で製造した天然ウラン（Ｕ）と共に再び原子力プラントの燃料として利用される。（ステップＳ５）
　ステップＳ５では、ウラン２３５濃縮度が、上記の式（１）と式（２）を満たす範囲（すなわち、図４のハッチング領域）になるように制御する。
　以上により、ウラン２３５の濃縮度が５ｗｔ％を超える場合であっても、燃料製造に関する臨界管理上の制限に対して安全性を確保しつつ、再処理後の回収ウランを有効に活用することができる。
　なお、図６に示すように、例えば燃料棒を９行９列の正方格子状に配列する場合、チャンネルボックス７内におけるコーナー部（周辺部）には従来の方法で製造した濃縮ウランを配置し、中心部近傍に上記の各実施例で説明した回収ウランを配置してもよい。この場合、燃料集合体の径方向の出力分布を平坦化することができる。
　また、燃料集合体を図５に示すように構成する場合、燃料棒の上部側に上記の各実施例で説明したような回収ウラン、すなわちウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が、式（１）および式（２）の間の範囲である回収ウランを用い、燃料棒の下部側に従来の方法で製造した濃縮ウランを用いてもよい。中性子スペクトルが硬く、吸収の少ない上部側でウラン２３６を有効に活用することができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…燃料集合体，　２，２１ａ，２１ｂ…燃料棒，　３…部分長燃料棒，　５…上部タイプレート，　６…下部タイプレート，　７…チャンネルボックス，　８…スペーサ，　ＷＲ…水ロッド，　１０２…炉心シュラウド，　１０３…原子炉圧力容器（ＲＰＶ），　１０４…ダウンカマ，　１０５…炉心，　１０６…気水分離器，　１０７…蒸気乾燥器，，１０８…主蒸気管，　１０９…給水配管，　１１５…インターナルポンプ，　１２２…下部プレナム。

Claims (10)

  1. 　ウランを含む燃料棒を複数備える燃料集合体であって、
    　前記複数の燃料棒のうち、少なくとも１つの燃料棒は、ウラン２３５濃縮度をｅとした場合、ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が、式（１）
    および式（２）
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     の間の範囲であることを特徴とする燃料集合体。
  2. 　請求項１に記載の燃料集合体であって、
    　前記ウラン２３５濃縮度ｅは、５ｗｔ％以上であることを特徴とする燃料集合体。
  3. 　請求項２に記載の燃料集合体であって、
    　前記ウラン２３５濃縮度ｅは、５ｗｔ％以上、７ｗｔ％以下であることを特徴とする燃料集合体。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料集合体であって、
    　前記燃料集合体は、前記複数の燃料棒が正方格子状に配列され、
    　ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が式（１）および式（２）の間の範囲である燃料棒は、前記燃料集合体の中心部近傍に配置されることを特徴とする燃料集合体。
  5. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料集合体であって、
    　前記燃料集合体は、前記複数の燃料棒が正方格子状に配列され、
    　前記複数の燃料棒の上部側において、ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が式（１）および式（２）の間の範囲であることを特徴とする燃料集合体。
  6. 　（ａ）使用済燃料からウラン２３５，ウラン２３６，ウラン２３８を含むウランを分離し回収する工程、
    　（ｂ）前記（ａ）工程で回収した回収ウランを再濃縮する工程、を有し、
    　前記（ｂ）工程において、ウラン２３５濃縮度をｅとした場合、ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が、式（１）
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     および式（２）
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     の間の範囲となるようにウラン２３８を除去することを特徴とする燃料集合体の製造方法。
  7. 　請求項６に記載の燃料集合体の製造方法であって、
    　前記（ｂ）工程において、前記ウラン２３５濃縮度ｅが５ｗｔ％以上になるようにウラン２３８を除去することを特徴とする燃料集合体の製造方法。
  8. 　請求項７に記載の燃料集合体の製造方法であって、
    　前記（ｂ）工程において、前記ウラン２３５濃縮度ｅが５ｗｔ％以上、７ｗｔ％以下になるようにウラン２３８を除去することを特徴とする燃料集合体の製造方法。
  9. 　請求項６から８のいずれか１項に記載の燃料集合体の製造方法であって、
    　前記燃料集合体は、複数の燃料棒が正方格子状に配列され、
    　ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が式（１）および式（２）の間の範囲である燃料棒を前記燃料集合体の中心部近傍に配置することを特徴とする燃料集合体の製造方法。
  10. 　請求項６から８のいずれか１項に記載の燃料集合体の製造方法であって、
    　前記燃料集合体は、複数の燃料棒が正方格子状に配列され、
    　前記複数の燃料棒の上部側において、ウラン２３５に対するウラン２３６の含有率が式（１）および式（２）の間の範囲とすることを特徴とする燃料集合体。
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