JPH04204291A - 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】 （発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、原子炉用燃料集合体に係り、特にプルトニウ
ムによって富化した燃料棒を有する原子炉用燃料集合体
に関する。

（従来の技術） 近年、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、資源の有効利用
やエネルギセキュリティ等の観点から、使用済み燃料の
再処理により回収されたプルトニウム（Ｐ　ｕ）を、ウ
ラン（Ｕ）との混合酸化物燃料（Ｍ　ＯＸ燃料）として
使用することが検討されている（以下、ＭＯＸ燃料を用
いた燃料棒をＭ○Ｘ棒と記す）。

ただし、プルトニウムは被曝防止や核子拡散の立場から
、保守管理、計量管理が厳重であり、取扱いには多くの
配慮を払わなければならない。したかって、プルトニウ
ムを含む燃料集合体は、炉心運転上の安全性を損なわな
い範囲内で燃料集合体１体当りに含まれるプルトニウム
の割合をできるだけ高くし、取扱う燃料集合体の数を減
らすことが望まれる。

この意味では、ガドリニウム（Ｇ　ｄ）入り燃料棒（Ｇ
ｄ棒）を除く全てのウラン燃料棒（ＵＯ２棒）をプルト
ニウムで富化し、いわゆる全ＭＯＸ型燃料とすることが
有利であり、現在、この全ＭＯＸ型の燃料集合体を用い
る計画が進められている。なお、Ｇｄ棒にプルトニウム
を富化しない理由は、過去の照射実績がないこと、およ
び燃料成型加工費の増加を避けるためである。

全Ｍ　ＯＸ型の燃料集合体は例えば８×８型で、６０本
の燃料棒（ＭＯＸ棒が４６本、Ｇｄ棒が１４本）と、−
本のウォータロッドとを、チャンネルボックス内に配置
した構成とされている。

燃料集合体と他の燃料集合体の間には、十字型の制御棒
あるいは計装管を配置するため、一定の幅を持つ水ギヤ
ツプ領域が形成される。

チャンネルボックス内の冷却材は、運転時には蒸気を含
んだ二層流となるか、水ギヤツプ領域の冷却材は燃料棒
で直接加熱されないため、蒸気は発生しない。このため
、水ギヤツプ領域における水素の原子数密度が太き（、
これにより、ＢＷＲの燃料集合体の熱中性子束は場所に
よって大きく異なる（第４図参照）。

（発明が解決しようとする課題） 一般にＭＯＸ燃料では、　　　Ｐｕ、　　　　Ｐｕ等の
熱核分裂性のプルトニウム（ｐｕｆ）が、２３５Ｕより
も熱中性子吸収断面積か大きいことにより、水ギヤツプ
領域で減速された熱中性子か、最外周の燃料棒に吸収さ
れ易く、燃料集合体内部まで届きにくくなる。したがっ
て、Ｕ０２燃料と比べて熱中性子の勾配（第４図参照）
が増加し、出力の場所による違いが大きくなるため、Ｍ
ＯＸ燃料の方が局所ピーキング係数（集合体燃料棒の平
均比力に対する最大出力の比）（ＬＰＦ）か大きくなる
。

従来の一般的なＵＯ２燃料では、サイクル初期のみの局
所ピーキング係数を低減すれば、サイクル全体を通じて
の局所ピーキング係数は略満足できる燃料が得られた。

しかしながら、前述のように、ＭＯＸ燃料は、Ｌ　Ｏ２
燃料に比へてサイクル全体を通じて局所ピーキング係数
が増加しやすく、特にサイクル初期のみの局所ピーキン
グ係数を低減する従来の設計手法では、サイクル後半の
局所ピーキング係数を悪化させる場合かあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、運転
サイクル全体を通して、最大線圧力密度の制限を満足で
きる望ましい局所ピーキング係数の燃焼変化が得られる
原子炉用燃料集合体を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段および作用）ＭＯＸ燃料で
は、Ｕ○２燃料よりも熱中性子の吸収量が増加し、中性
子のエネルギスペクトルが硬くなるため、熱中性子の吸
収体であるＧｄ棒の反応度価値が小さくなる。したがっ
て、運転サイクル初期の反応度をＵＯ２燃料の場合と同
程度とするためにはＧｄ棒の本数を増す必要があるか、
これは燃料集合体内のＧｄ棒による出力の窪みを増加さ
せ、サイクル初期（Ｂ　ＯＬ）の局所ピーキング係数を
悪化させることになる。なお、通常の設計では、ＵＯ２
燃料およびＭＯＸ燃料のいずれの場合でも、サイクル初
期においては、スペクトルが軟らかい燃料集合体周辺部
の燃料棒で出力のピークか出る場合か多い。

一方、冷却材から離れた燃料集合体内部の燃料棒はスペ
クトルか硬く、燃焼か進まない（同時に、Ｕかり　　Ｕ
への転換か進む）ため、サイクル後半においては、スペ
クトルか軟らかく、燃焼の進んだ燃料集合体周辺部の燃
料棒に比べて相対出力が大きくなる。ＭＯＸ燃料の場合
は、Ｕ０２燃料と比べて、中性子のスペクトルの場所依
存性が強いため、燃料集合体周辺部と内部との燃焼の進
み方の差かさらに大きくなり、サイクル後半において、
燃料集合体内部の燃料棒の局所ピーキング係数が増加し
、設計上で問題となる場合か生じ易い。

そこで、ＭＯＸ燃料の設計時においては、最大線ａカ密
度の制限を満足させるため、核分裂物質の配置、特にサ
イクル初期で局所ピーキングの大きい燃料集合体周辺部
の核分裂物質量と、サイクル後期で局所ピーキングの大
きい燃料集合体内部の核分裂物質量との関係について、
Ｕ０２燃料の場合よりもさらに注意を払う必要がある。

本発明は以上の知見に基つき、ウラン燃料をプルトニウ
ムで富化したＭＯＸ型燃料棒を、正方格子状に束ねた原
子炉用燃料集合体において、前記ＭＯＸ型燃料棒のうち
、正方格子状配置における最外周位置の燃料棒に含まれ
る核分裂性物質（Ｕ、　　　　Ｐｕおよび２４１Ｐｕ）
量の平均値に対し、最外周位置の燃料棒を除く燃料集合
体の内側配置の燃料棒に含まれる核分裂性物質量の平均
値を、１．８５ないし２．１５の範囲内の比率に設定し
たことを特徴とする。

前記比率が１．８５よりも小さいと、燃料集合体層辺部
に核燃料（Ｕ、　　　　Ｐｕおよび２４１Ｐｕ等）を多
く配置することになり、サイクル初期での局所ピーキン
グ係数が厳しくサイクル初期の最大線密度が大きくなる
。

逆に、前記比率が２．１５を越えると、燃料集合体内部
に核燃料を多く配置することになり、サイクル初期だけ
でなく、サイクル後半の局所ピーキング係数が増加し、
サイクル全体の最大線密度か大きくなる。つまり、前記
比率か高過ぎると、反応度価値の低い燃料集合体内部の
核分裂物質量か増加することになるので、炉心平均燃焼
後時の無限増倍率を損失することになり、核燃料の燃焼
効率が低下する。

なお、前記燃料棒としては、Ｇｄ棒は除外することが望
ましい。これは、燃料成型加工費の増加を避けるためで
あり、しかもＧｄ棒は相対出力か小さく、局所ピーキン
グ係数上はとんど問題とはならないからである。

このように構成された本発明の燃料集合体によると、冷
却材密度か高く、スペクトルか軟らかい燃料集合体外周
部での燃焼と、冷却材密度が低くスペクトルが硬い燃料
集合体内部での燃焼とが、燃焼期間を通してバランスよ
く進み、局所ピーキング係数の燃焼変化か望ましい形と
なる。

したがって、本発明の燃料集合体を装荷した炉心での最
大線出力密度は、運転サイクル全体を通じて略平坦とな
り、サイクルを通じての最大値が小さ（なる望ましい燃
焼変化を示すようになる。

これにより、熱的余裕を増加することかでき、設計の自
由度、運転の融通性を高めることができる。

なお、現行プラントのＵＯ２燃料と同様にウォータロッ
トの面積を燃料棒２本分とする構成では、燃料集合体中
央部の熱中性子の落込みか大きい（第４図参照）。そこ
で、ＭＯＸ燃料棒か大部分を占める燃料集合体内部では
、少なくとも燃料棒４本分以上の太径のウォータロッド
を用いて燃料集合体中央部の中性子スペクトルを軟化さ
せ、スペクトルの場所依存性を押さえる方が局所ピーキ
ング係数の低減上望ましい。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

〈実施例１〉 第１図に本実施例による全ＭＯＸ型の燃料集合体を模式
的に示す。この全ＭＯＸ型の燃料集合体１は８×８型で
、６０本の燃料棒（ＭＯＸ棒２か４６本、Ｇｄ棒３か１
４本）と、−本のウォータロッド４とを、チャンネルホ
ックス５内に配置した構成とされている。

燃料集合体１と他の燃料集合体との間には、十字型の制
御棒６あるいは計装管か配置される。そこで、一定の幅
を持つ水ギヤツプ領域７か形成されている。

本実施例では、各チャンネルホックス５間の水ギヤツプ
領域７か制御棒６のある側で大きい構造となっている。

この燃料集合体１は水ギヤツプ領域７か非対称なので、
制御棒６側のスペクトルか軟らかくなる。

第８図（Ａ）の表に、この燃料の富化度分布を示す。こ
の場合の燃料集合体周辺部の核分裂性物質量に対する燃
料集合体内部の核分裂性物質量の平均値の比率は、１．
９６である。この時、炉心での最大線出力密度は、運転
サイクル全体を通じて略平坦となり、１１．　９ｋｗ／
Ｉｔ程度の値となる。

このような富化度分布の偏りによって、局所出力ビーキ
ング係数か低下している。

以上の燃料を基準燃料として、同じスプリットパターン
で、核分裂性物質量の平均値の比率を変えた場合の燃料
の局所ピーキング係数の燃焼変化を第２図に示す。

第２図に示すように、基準燃料よりも核分裂性物質量の
比率が小さい場合（第８図（Ｂ）の表参照）には、燃料
集合体周辺部に燃料を多く配置することになり、サイク
ル初期での局所ピーキング係数が厳しくサイクル初期の
最大線密度が大きくなる。

逆に、前記比率が大きい場合（第８図（Ｃ’）の表参照
）には、燃料集合体内部に燃料を多く配置することにな
り、サイクル初期だけでなく、サイクル後半の局所ピー
キング係数が増加し、サイクル全体の最大線密度が大き
くなる。

これらの燃料を、それぞれ同一の炉心装荷パターンおよ
び制御棒パターンで運転した時の、サイクル全体を通じ
ての最大線出力密度の最大値と、核分裂性物質量の比率
との関係を第３図に示す。

同図は、第８図（Ｂ）および同図（Ｃ）の表と同様に、
比率を変えて調べたものである。これにより、最大線出
力密度の設計目標値１２．２ｋｗ／ｆｔを満足させるた
めには、核分裂性物質量の比率を１．８５から２．１５
の範囲に設定するのが望ましいことがわかる。

なお、比率が大き過ぎると、反応度ら値の低い燃料集合
体内部の核分裂物質量か増加することになるので、第４
図に示したように、炉心平均燃焼後時の無限増倍率を損
失することになり、燃料の燃焼効率が低下する。

〈実施例２〉 第５図に実施例２による燃料集合体を模式的に示し、第
９図にこの燃料の富化度分布を示す。なお、核分裂性物
質量の比率は２，０３である。

本実施例では、Ｍ　ＯＸ燃料棒の種類を減少させるため
に、燃料集合体コーナ部分にＵ０２燃料棒を配置してい
る。

この場合の局所ピーキング係数における燃焼変化の形は
最も望ましく、炉心での最大線出力密度は、１２．Ｏｋ
ｗ／ｆｔ　となる。

〈実施例３〉 第６図に実施例３による燃料集合体を模式的に示し、第
１０図にこの燃料の富化度分布を示す。

なお、核分裂性物質量の比率は１，９２である。

本実施例では、チャンネルボックス間の水ギヤツプ領域
か等間隔な燃料集合体の実施例を示す。

炉心での最大線出力密度は、１２゜Ｏｋｗ／Ｉｔ程度と
なる。

〈実施例４〉 第７図に実施例４による燃料集合体を模式的に示し、第
１１図にこの燃料の富化度分布を示す。

なお、核分裂性物質量の比率は２．０１である。

本実施例では、燃料集合体平均富化度を高めるため、９
×９型としている。

この場合も前記各実施例と同様に、局所ピーキング係数
の燃焼変化は望ましい形となる。

以上の各実施例で示したように、燃料集合体周辺部の核
分裂性物質量に対する燃料集合体内部の核分裂性物質量
の平均値の比率を１．８５から２゜１５の範囲に設定す
ることにより、望ましい局所ピーキング係数の燃焼変化
を実現することが可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料集合体周辺部の核分裂性物質量に
対する燃料集合体内部の核分裂性物質量の平均値の比率
設定により、燃料集合体の外用部と内部の燃焼をバラン
スよく進ませ、局所ピーキング係数の燃焼変化を望まし
い形とすることかでき、最大線出力密度を運転サイクル
全体を通して略平坦で小さくすることができる。これに
より、熱的余裕を増加することかでき、設計の自由度、
運転の融通性を高めることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料集合体の実施例１による構成
を示す模式図、第２図はその燃料集合体周辺部に対する
燃料集合体内部の核分裂性物質量の平均値の比率を変え
た３種類の燃料集合体の局所ピーキング係数の燃焼変化
を示す特性図、第３図は核分裂性物質量の比率とサイク
ル全体を通しての最大線出力密度の最大値、および炉心
平均燃焼度時の無限増倍率との関係を示す特性図、第４
図はＭＯＸ燃料集合体の水平断面における熱中性子束分
布を示す特性図、第５図は実施例２の構成を示す模式図
、第６図は実施例３の構成を示す模式図、第７図は実施
例４の構成を示す模式図、第８図（Ａ）、　　（Ｂ）、
　　（Ｃ）〜第１１図はそれぞれ核分裂物質量を示す表
である。 １・・・燃料集合体、２・・・燃料棒。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久１１　図 第４図 第５１１１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ウラン燃料をプルトニウムで富化したＭＯＸ型燃料棒
   を、正方格子状に束ねた原子炉用燃料集合体において、
   前記ＭＯＸ型燃料棒のうち、正方格子状配置における最
   外周位置の燃料棒に含まれる核分裂性物質量の平均値に
   対し、最外周位置の燃料棒を除く他の内側配置の燃料棒
   に含まれる核分裂性物質量の平均値を、１．８５ないし
   ２．１５の範囲内の比率に設定したことを特徴とする原
   子炉用燃料集合体。