JPH02259493A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の燃料集合体に係
り、更に詳細には、二酸化ウラン燃料棒とプルトニウム
富化燃料棒とを混在した燃料集合体におけるプルトニウ
ムの有効利用に関するものである。

［従来の技術］ 第４図には、従来よりＢＷＲで実用に供されている８×
８型燃料集合体が炉心に装荷された状態の横断面図で示
されている。

図において、全体を符号８０で示される８×８型燃料集
合体は、計６２木の燃料棒８１と、内部に燃料物質を含
まず中空で冷却水を流通する２木のつオータロラド（中
空管状要素）　ｗｒとを８行８列の正方格子状に配列し
、その外周をジルカロイ製のチャネルボックス１０で囲
んで構成されている。ここで、燃料棒８１に装填される
核燃料については後述する。

このように構成された８×８型燃料集合体８０は、図示
の如く十字形制御棒１の中性子吸収材が装填された制御
板（制御ブレード）ｌａに二辺を隣接させて装荷される
。

そして原子炉の出力運転中は、減速材を兼ねる冷却水が
燃料下部から上部に向って流れ、燃料棒８１の発生熱を
除去する。その際、チャネルボックス１０の外側のバイ
パス領域（制御棒１や計装管ｉ等が配置される水ギヤツ
プ部）Ｂではボイドが発生しないが、チャネルボックス
１０の内側の冷却水流路（インチヤンネル領域）■では
ボイドが発生する。

従って、第４図に示すような横断面内の冷却水（減速材
）の密度分布は一様ではなく、バイパス領域Ｂでは密度
が高く、インチヤンネル領域工では密度が低くなってい
る。このため、燃料集合体８０の横断面内の熱中性子束
分布も一様ではない。即ち、減速材密度の高いバイパス
領域Ｂに面する集合体周辺部では熱中性子束が高く、逆
に減速材密度の低い集合体中心部では熱中性子束が低く
、中性子の平均エネルギーが高くなっている。

次に、上記のような８×８型燃料８０にプルトニウム富
化燃料を装荷した従来例について説明する。尚、以下の
説明では、プルトニウム富化燃料の一例として、ウラン
・プルトニウム混合酸化物（ＭＯＸ）燃料を用いること
とする。

上記第４図における８Ｘ８型燃料８０には、例えば特開
昭６０−２４２３９１号公報に開示されたアトール型燃
料集合体の燃料棒配置構成も併せて示されている。

第４図中の燃料棒８１において、円内に記号Ｐを記入し
たものは、核燃料としてＭＯＸ燃料が装填された燃料棒
（以下、　ＭＯＸ燃料棒”と称す）を示し、同様に記号
Ｕを記入したものは、核燃料として主に低濃縮ウランを
使用した二酸化ウラン（ＵＯ２）燃料が装填された燃料
棒（以下、・ＵＯ２燃料棒゛°と称す）を示す。

このアトール型燃料集合体８０の例では、集合体の比較
的周辺部に計３２木のＭＯＸ燃料棒が配置され、その他
の領域（集合体の比較的中央部）には計３０本のＵ０２
燃料棒が配置されている。

従って、集合体一体当りの全燃料棒に占めるＭＯＸ燃料
棒の割合は、 （３２／６２）Ｘ１００％＝５２％ であり、約半数を占めることになる。

また、この他の従来例としては、ＭＯＸ燃料棒を集合体
中央の一部の領域のみに配置し、それを囲むようにＵ０
２燃料棒を配置したアイランド型燃料集合体や、全ての
燃料棒をＭＯＸ燃料棒とするディスクリート型燃料集合
体などが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来例のうち、アイランド型燃料においては、ＭＯ
Ｘ燃料棒の配置位置が制御棒から遠くなるため、後述の
制御棒の反応度制御効果（制御棒価値）の低下を防止で
きる。しかしながら、そのＭＯＸ燃料棒の配置位置は集
合体中央の一部の領域のみであるから、結果として集合
体一体当りのプルトニウムの装荷量が少くなる。従って
、熱中性子炉でプルトニウムを積極的に利用していこう
とする近年のプル・サーマル利用の要求には必ずしもそ
ぐわない。

一方、ディスクリート型燃料やアトール型燃料８０にお
いては、多くのプルトニウムを装荷できるものの、制御
棒の近傍にＭＯＸ燃料棒が位置するため制御棒価値が低
下してしまう。これは、プルトニウムはウランに比べて
熱中性子吸収断面積が大きく、熱中性子束が小さくなる
からである。

更に、アイランド型燃料やディスクリート型燃料では集
合体中央部にＭＯＸ燃料棒を配置しているが、上記従来
技術で述べた通り、減速材密度の低い集合体中央部の中
性子の平均エネルギーは高く、中性子経済性が悪化する
ため、このような配置はプルトニウムの有効利用には好
ましくない。

本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、中性子経済性を
悪化させることなく、プルトニウムを有効に利用できる
ＢＷＲ用燃料集合体を提供することである。また、この
ＢＷＲ用燃料集合体において、制御棒価値の低下を防ぐ
ことも本発明の課題の一部である。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、減速材で満たされ
る中空管状要素と、未燃焼状態の核燃料としてプルトニ
ウム富化燃料が装填された複数の第１の燃料棒と、未燃
焼状態の核燃料として二酸化ウラン燃料が装填された複
数の第２の燃料棒とを９行“９列の正方格子状に配列し
て外周をチャンネルボックスで囲んだものにおいて、前
記中空管状要素として、前記配列中央部の燃料棒複数本
分に相当する一本または複数本の大口径クオータロンド
、或いは大口径つオータチャンネル等の大口径中空管状
要素を用い、前記配列内の前記チャンネルボックスに隣
接する周辺部及び前記大口径中空管状要素に隣接する内
周部には前記第１の燃料棒を配置し、他の部位には前記
第２の燃料棒を配置したことにより上記課題を達成した
ものである。

この場合、前記周辺部に配置された第１の燃料棒のうち
、前記周辺部のうちの前記チャンネルボックスの外部に
挿入される十字形制御棒の制御板に対面する行または列
に配置された第１の燃料棒の一部または全部を、前記第
２の燃料棒に置換えた構成を採っても良い。

また、前記第１の燃料棒に装填されたプルトニウム富化
燃料は、代表的にはウラン・プルトニウム混合酸化物燃
料である。

尚、「未燃焼状態の核燃料」とは、第１と第２の燃料棒
の製造時に装填された核燃料を意味し、これらの燃料棒
の燃焼に伴ない生成される核分裂性物質の種類について
は、特に限定しないものとする。また、核燃料への可燃
性毒物等の添加についても任意である。

［作　用］ ウランとプルトニウムの　的特性 本発明の詳細な説明に先だって、ＵＯ２燃料とＭＯＸ燃
料との核的特性について述べる。

第５図には、Ｕｏ２燃料及びＭＯＸ燃料に含まれる同位
体の特性がグラフで示されている。

図において、各グラフ（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）
の横軸は中性子エネルギー、縦釉はそれぞれ核分裂断面
積。

吸収断面積、！＃位中性子吸収あたりの中性子発生個数
（η）を採っである。

ＭＯＸ燃料に含まれるプルトニウム同位体のうち、熱中
性子により核分裂を起す核分裂性物質は２！９ｐｕ及び
２４１　ｐ　ｕであるが、第５図から明らかなように、
２３　ｅ　ｐ　ｕの核分裂断面積及びη値は、ＵＯ２燃
料に含まれる２３５Ｕのそれよりも大きい。従フて、同
炉心内の同燃焼度の燃焼を経験した（換言すれば核分裂
量が同じ）燃料同志を比較すると、最適な減速状態にお
いては、ＭＯＸ燃料は、ＵＯ２燃料より大きな無限増倍
率を得られるという利点がある。

一方、２４０　ｐ　ｕは、熱中性子による核分裂は起さ
ないうえに、第５図のグラフ（ｂ）から明らかなように
、大きな共鳴吸収のピークが発生するエネルギー領域（
以下、″°共鳴吸収エネルギー領域°。

と称す）を有している。

また、２３９　ｐ　ｕも０．３ｅＶ付近に共鳴吸収エネ
ルギー領域が存在するため、２３９　ｐ　ｕのη値は、
そこで急激に低下する。

９×９型燃料集合体 次に、本発明を適用すべき燃料集合体の型式及びその熱
中性子束について述べる。

近年は、上記従来の８×８型燃料に代る高燃焼度の燃料
（例えば平均取出燃焼度を従来の３０〜３２　Ｇ　ｗ　
ｄ　／　ｔから４５　Ｇ　ｗ　ｄ　／　を程度に高めた
もの）として、９×９型燃料集合体の開発が進められて
いる。この９×９型燃料の横断面の構成例を第６図に示
す。この種の９Ｘ９型燃料では、上記８×８型燃料８０
と比べて燃料棒本数が増えるため、燃料棒−本当りの平
均線出力密度を低下することができる。また、それによ
り生じる余裕を非沸騰部面積の増加に用いることができ
る。即ち、非沸騰水の通過する中空管状要素の大口径化
が可能である。例えば第６図に示される９×９型燃料９
０では、計７２木の燃料棒９１に加えて、集合体中央部
の３×３領域を占める角型ウォータチャンネルＷを採用
している。この他、上記ウォータロッドｗｒを大口径化
した大口径つオータロラドを一本または複数本備えた構
成例も提案されている。

尚、以下の説明では、単に９×９型燃料といえば、この
種の大口径中空管状要素を備えた形式の９×９型燃料を
意味し、また、大口径中空管状要素としては、ウォータ
チャンネルＷに代表させて説明するものとする。

さて、９Ｘ９型燃料では、ウォータチャンネルＷの採用
により、集合体中央部の水密度を高めることができ、そ
れに伴ない熱中性子束分布も改善される。その−例とし
て第６図における集合体横断面のＡＡ’方向の熱中性子
束分布を第７図に示すが、図の如く水ギャップに面する
燃料集合体外周部と非沸騰水の通過するウォータチャン
ネルＷの周囲の領域とでは熱中性子束が比較的高く、両
者に挟まれる領域では熱中性子束が比較的低くなる分布
となっている。

困ＩＬのゴ！里 本発明に係る燃料集合体では、以上に述べたウラン及び
プルトニウムの核的特性と、９×９型燃料における熱中
性子束分布とに着目し、第１と第２の燃料棒の配置位置
を決定する。即ち、熱中性子束の高い集合体外周部とク
ォータチャンネルＷの周囲との二領域にＭＯＸ燃料棒（
第１の燃料棒）を配置し、この集合体周辺部とクォータ
チャンネルＷの周囲に挟まれる熱中性子束の低い領域に
はＵ　Ｏ２燃料棒（第２の燃料棒）を配置する。

この配置条件の下でＭＯＸ燃料棒が吸収する中性子を考
えると、それは下記エネルギー領域（Ａ）乃至　（Ｂ）
まで減速された中性子の割合が大きくなる。

（＾）上記共鳴吸収エネルギー領域よりも低いエネルギ
ー領域。

（Ｂ）　２３９　ｐ　ｕのη値が極小を採り、且つ２３
５Ｕのη値よりも小さいエネルギー領域よりも更に低い
エネルギー領域。

従って、上記配置条件の下のＭＯＸ燃料棒は、２３９　
ｐ　ｕ及び２４０ｐｕの共鳴吸収を逃れることができ、
しかも２３　’ｌ　ｐ　ｕのη値が２３５Ｕのそれより
も大きいという利点を生かすことができる。

一方、上記配置条件の下のＵＯ□燃料棒の配置領域は、
ＭＯＸ燃料棒を配置するには不適である。これは、この
領域の熱中性子束は低く、中性子エネルギーが高くなる
から、ＭＯＸ燃料にとっては減速材が不足するためであ
る。そこで本発明においては、この領域にはＵＯ２燃料
棒を配置することとする。

以上のように、熱中性子束の比較的高い領域にＭＯＸ燃
料棒を配置し、熱中性子束の比較的低い領域に００２燃
料棒を配置することにより、中性子経済性を向上させる
ことができる。

この場合、ＭＯＸ燃料棒は集合体周辺部と、ウォータチ
ャンネルの周囲との双方に配置されているから、燃料集
合体一体当りのプルトニウム装荷量を多くできる。

但し、集合体周辺部の制御棒１の制御板１ａに面する部
位（第６図に示す第１行、第１列に相当）にＭＯＸ燃料
棒を配置すると、プルトニウムの熱中性子吸収断面積が
ウランより大きいため、熱中性子束が小さくなる。従っ
て、この部位にＵ０２燃料棒を配置した場合に比して制
御棒価値が多少低下する。この対策を講じる構成として
は、制御板１ａに面する部位に配置されたＭＯＸ燃料棒
の一部または全部をＵ　Ｏ２燃料棒に置換えるものとす
る。これにより、制御棒価値の低下を抑えることができ
る。

ところで、上記の説明ではプルトニウム富化燃料をＭＯ
Ｘ燃料に代表させて説明したが、ＭＯＸ燃料のＵ０２燃
料に対する特性は、上述した通りプルトニウムとウラン
の核的性質の差異によるものである。従りて、ＭＯＸ燃
料以外のプルトニウム富化燃料についても上記と同様な
特性を有する。そこで、本発明における第１の燃料棒は
ＭＯＸ燃料棒には限定されず、他の種類のプルトニウム
富化燃料を使用することも可能である。

但し、集合体周９辺部の領域に配置された３２木、及び
ウォータチャンネルＷの周囲の領域に配置された１６木
の燃料棒９１は、全てＭＯＸ燃料棒としである。一方、
これら三領域の間に配置された２４木の燃料棒９１は、
ＵＯ２燃料棒としである。

この９×９型燃料９０Ａ一体当りの全燃料棒に占めるＭ
ＯＸ燃料棒の割合は、 （（３２＋１６）／７２）ｘ１００％＝６７％もの高い
値となる。従って、従来のアイランド型燃料、或いはア
トール型燃料８０に比してプルトニウムの装荷量を大幅
に増大できる。

［実施例コ 実施例Ａ 第１図には、本発明の一実施例に係る９Ｘ９型燃料集合
体の設計例が示されている。

図において、全体を符号９０Ａで示される９×９型燃料
の概略構成は上記第６図の９×９型燃料９０と同様であ
る。

去Ｊ１粗旦 また、第２図には、本発明の他の実施例に係る９×９型
燃料集合体の設計例が示されている。

図に示される９ｘ９型燃料９０Ｂは、集合体周辺部の制
御棒１の制御板１ａに対面する行及び列に配置された燃
料棒９１を、二本のコーナーロッドＣ１，Ｃ２を除いて
ＵＯ２燃料棒としたものである。

この第２図に示される如き構成を採ることにより、制御
棒価値の低下を抑制可能なことは作用の欄で述べた通り
であり、従来のディスクリート型燃料、或いはアトール
型燃料８０における制御棒価値低下の不都合が解消され
る 比較のために、上記実施例Ａ、Ｂの設計例における制御
棒価値を第３図に示す。

図において、実線Ａは実施例Ａ（９Ｘ９型燃料９０Ａ）
の、点線Ｂは実施例Ｂ（９Ｘ９型燃料９０Ｂ）の制御棒
価値である。これら実施例Ａ、　Ｂを比較すると、集合
体一体当りのプルトニウム装荷量の面では実施例Ａの方
が有利であるが、制御棒価値の面では実施例Ｂが有利で
ある。

ところで、上記各実施例では、集合体中央部のＭＯＸ燃
料棒で取り囲まれる大口径中空管状要素として、−木の
３×３型つオータチャンネルＷを示したが、これに代え
て一部または複数本の大口径つオータロラドを用いても
良い。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係るＢＷＲ用燃料集合体に
よれば、熱中性子束の比較的高い燃料集合体周辺部及び
大口径中空管状要素の周囲にプルトニウム富化燃料棒を
配置することにより、中性子経済性を悪化させることな
く、プルトニウムを有効利用することができる。

一方、制御棒に対面する行または列に配置されたプルト
ニウム富化燃料棒をウラン燃料棒に置換える構成を採る
と、プルトニウム富化燃料棒の使用に伴なう制御棒価値
の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る９×９型燃料の横断面
図、第２図は同じく他の実施例に係る９ｘ９型燃料の横
断面図、第３図は前記二実施例の制御棒価値を示す線図
、第４図は従来のアトール型燃料としての８×８型燃料
を炉心に装荷した状態で示す横断面図、第５図（ａ）　
、　（ｂ）　、　（ｃ）はウラン及びプルトニウムにお
ける中性子エネルギーに対する核分裂断面積、吸収断面
積、単位中性子吸収当りの中性子発生個数（η）の関係
を示す線図、第６図は本発明を適用すべき９×９型燃料
の構成を説明するための横断面図、第７図は前図の熱中
性子束分布を示す線図である。 ［主要部の符号の説明コ ト・・・・・・十字形制御棒 １ａ・・・・・制御板 １０・・・・・チャンネルボックス ９０Ａ、９０Ｂ・・・・・９×９型燃料９１・・・・・
燃料棒 Ｐ・・・・・・・ＭＯＸ燃料棒（第１の燃料棒）Ｕ・・
・・・・・ＵＯ２燃料棒（第２の燃料棒）Ｗ・・・・・
・・　３×３型つオータチャンネル（大口径中空管状要
素） 尚、 各図中、 同一符号は同一または相当部を示 す。 代　　理　　人　　弁理士　　佐　　藤　　正　　年第 図 燃焼度

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）減速材で満たされる中空管状要素と、未燃焼状態
   の核燃料としてプルトニウム富化燃料が装填された複数
   の第１の燃料棒と、未燃焼状態の核燃料として二酸化ウ
   ラン燃料が装填された複数の第２の燃料棒とを９行９列
   の正方格子状に配列して、外周をチャンネルボックスで
   囲んでなる燃料集合体において、 前記中空管状要素として、前記配列中央部の燃料棒複数
   本分に相当する一本または複数本の大口径中空管状要素
   を備え、 前記配列内の前記チャンネルボックスに隣接する周辺部
   及び前記大口径中空管状要素に隣接する内周部には前記
   第１の燃料棒を配置し、 他の部位には前記第２の燃料棒を配置したことを特徴と
   する沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. （２）請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体に
   おいて、前記周辺部に配置された第１の燃料棒のうち、
   前記チャンネルボックス外部に挿入される十字形制御棒
   の制御板に対面する行または列に配置された第１の燃料
   棒の一部または全部を、前記第２の燃料棒に置換えたこ
   とを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. （３）前記第１の燃料棒に装填されたプルトニウム富化
   燃料がウラン・プルトニウム混合酸化物燃料であること
   を特徴とする請求項１または２の何れかに記載の沸騰水
   型原子炉用燃料集合体。