JPH06342091A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】炉心の余剰反応度の平坦化をはかる。 【構成】チャンネルボックス15内に燃料棒16〜18が９行
９列に配列され、これら燃料棒16〜18の中央部に２重管
構造の減速材棒10が挿着されている。減速材棒10は外管
11と内管12との間の環状部13にガドリニウムとボロンと
の混合物を可燃性毒物として充填してなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は可燃性毒物入り減速材棒
を使用した燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来用いられている沸騰水型原子炉（Ｂ
ＷＲ）用燃料集合体の基本構造の例を図11および図12を
用いて説明する。燃料集合体200 は核分裂性物質（低濃
縮酸化ウランペレット等）が充填された燃料棒205 と円
管状の減速材棒（ウォータロッド）206 をスペーサ204
で束ね、横方向の間隔を保持し、上端を上部タイプレー
ト202 、下端を下部タイプレート203 で保持し、これら
の周囲をチャンネルボックス201 が取り囲んでいる。十
字形の制御棒207 は４体の燃料集合体200 で囲まれた中
央に配置される。

【０００３】図12に示すウォータロッド206 は燃料集合
体200 の中心付近に１本または複数本配置され、これら
ウォータロッド206 の外径は、燃料棒205 の外径と同程
度またはそれより大きいものが使用される。原子炉の運
転中にウォータロッド206 内の冷却材は沸騰しないよう
に下部から冷却材が供給され、上端近傍から排出される
構造となっている。

【０００４】実際の燃料集合体の燃料棒の一部には、可
燃性毒物としてガドリニアが混合された酸化ウランペレ
ットが充填されており、所定の運転期間に亘って平坦な
余剰反応度を保つために、ガドリニアの濃度やガドリニ
ア入り燃料棒の本数が決められている。

【０００５】可燃性毒物については、燃料棒以外に配置
される例があり、２重管とした減速材棒の環状部に炭化
ホウ素−酸化アルミニウム混合物ペレットや酸化ガドリ
ニウム−酸化アルミニウム混合物のペレットで形成した
可燃性毒物を充填した可燃性毒物棒が例えば特公昭58-1
6712号公報に開示されている。これは加圧水型原子炉
（ＰＷＲ）用燃料集合体に使用された例である。

【０００６】可燃性毒物入り減速材棒は、沸騰水型原子
炉に用いる燃料集合体にも適用することができ、例えば
特開昭58-113785 号公報や特開平2-147890号公報に適用
例が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、燃料経済性を向
上させるために、取り出し燃焼度を高める燃料を開発す
る研究が盛んになされている。ところが、このような燃
料では従来の燃料に比べて、ウラン２３５の濃縮度が大
きいため、燃焼初期の余剰反応度を抑える必要があり、
従来燃料より多数の可燃性毒物入り燃料棒を配置しなけ
ればならない。

【０００８】しかしながら、可燃性毒物入り燃料棒は、
通常の燃料棒に比べて熱伝導度が悪いため、可燃性毒物
の反応度効果がなくなった後も通常の燃料棒に比べて出
力を抑制しなければならないこと、可燃性毒物が入った
分ウラン重量が減ること等の問題がある。

【０００９】また、可燃性毒物入り燃料棒本数を多数配
置すると燃料濃縮度分布を工夫して燃料集合体内の水平
断面の燃料棒出力分布を平坦化させ、燃料性能を向上さ
せるという設計自由度も、水平断面の平均濃縮度を低下
させることにつながり、高燃焼度達成のための高濃縮度
化を実現した上での出力分布平坦化の自由度を減少して
しまう。

【００１０】このような問題を回避するために、燃料棒
以外に可燃性毒物を配置できれば、可燃性毒物入り燃料
棒の本数を減らすことができ、燃料経済性をより一層高
めることができる。

【００１１】本発明者らは、このような観点から高燃焼
度燃料に可燃性毒物入り減速材棒を適用した場合の検討
を燃焼計算等によって検討した中で、可燃性毒物として
ガドリニアのみを使った可燃性毒物入り減速材棒を適用
した場合、反応度特性が余剰反応度平坦化の観点から望
ましくない特性となることを見出した。

【００１２】以下、そこで得られた結果の問題点につい
て述べる。検討結果は、可燃性毒物入り減速材棒に可燃
性毒物としてガドリニアだけを充填し、毒物反応度とガ
ドリニア濃度の関係で示す。評価例では、減速材棒は薄
肉の内管と外管との二重円筒体からなり、内管と外管と
の間の環状部厚さを 1.0mmとし、その環状部内にガドリ
ニアを充填した体系を模擬した。

【００１３】図13に可燃性毒物入り減速材棒の毒物濃度
を３種類順に高めた場合の反応度変化（実線ｘ，ｙ，
ｚ）を示す。図13に破線ａで示す通常の燃料ペレットに
ガドリニアを添加した場合、可燃性毒物の負の反応度が
燃焼度とともにほぼ直線的に減少するのに対して外管，
内管に挟まれた環状部にガドリニアを充填した減速材棒
のガドリニウムの負の反応度変化は、上に凸となること
がわかる。

【００１４】また、減速材棒に充填したガドリニアの場
合の実線ｘ，ｙ，ｚの初期反応度の大きさにあまり差が
ないことからわかるように、ガドリニア濃度のみでは初
期反応度の調整能力が飽和していて十分に行えないこと
がわかる。

【００１５】この結果、炉心のサイクル初期余剰反応度
への影響が生じる。このことを図14および図15を用いて
説明する。図14の破線ａは可燃性毒物としてガドリニア
を燃料ペレットのみに添加した場合の典型的な燃焼変化
を示しており、図中に矢印で示した燃焼期間はそれぞれ
炉心に滞在する運転サイクルである。

【００１６】例えば、炉心の燃料が燃料取り替え時期毎
に１／３ずつ交換される炉心では、炉心平均の無限増倍
率は図14の無限増倍率を１サイクルずつずらして平均化
することに相当する。図14の破線ａの無限増倍率はそれ
ぞれの燃焼期間について見ると燃焼度に対してほぼ直線
的に変化しており、それを平均化した炉心の余剰反応度
の燃焼変化も図15の破線ａのようにほぼ直線的になる。

【００１７】ところが、可燃性毒物入り減速材棒のガド
リニアの毒物反応度は図13の実線ｘ，ｙ，ｚのように直
線とならないため無限増倍率は図14の実線ｂのように燃
焼度に対して１サイクル目で直線的な変化からずれるこ
とになる。このため、可燃性毒物入り減速材棒を用いた
炉心の余剰反応度の燃焼変化は図15の実線ｂのようにこ
れに影響されてサイクル初期を大きくし、またサイクル
中期を低下させる影響がある。

【００１８】以上検討の結果、可燃性毒物としてガドリ
ニアのみを減速材棒に使用すると、減速材棒中のガドリ
ニウムの燃焼特性に起因して余剰反応度を平坦化できな
い問題が生ずるので、余剰反応度制御のための制御棒操
作や炉心流量調整を行う頻度が従来技術の場合より増加
して、運転操作が煩雑になる課題が生じることがわかっ
た。

【００１９】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、可燃性毒物入り減速材棒を使用する場合にも
平坦な炉心余剰反応度が実現できる燃料集合体を提供す
ることを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は内管と外管とで
形成した２重管構造の減速材棒の環状部に可燃性毒物を
充填した可燃性毒物入り減速材棒を用い、この環状部に
可燃性毒物としてガドリニウムまたはその化合物と、ボ
ロンまたはその化合物とを均一に混合した混合体として
充填するか、または前記混合体を含有した金属またはセ
ラミックを充填したものからなる。また、ボロンまたは
ボロンの化合物を単体またはそれを含有する部材を環状
部の径方向中心に置き両側からサンドウィッチする形で
ガドリニウムまたはその化合物を単体またはそれを含有
する部材の形で配置することを特徴とする。

【００２１】また、前記環状部にガドリニウムだけを可
燃性毒物元素として用いる場合には、環状部の中心部で
Ｇｄ−１５５の割合を大きく両側でＧｄ−１５７の割合
を大きくする形で、ガドリニウムまたはガドリニアを単
体またはそれを含有する部材の形で３層の環状サンドウ
ィッチ構造とすることを特徴とする。

【００２２】さらに、可燃性毒物入り減速材棒より毒物
反応度効果の働く時間が短くなるように未燃焼時局所出
力が大きい燃料棒（燃料集合体の最外周燃料棒位置また
は最外周から２層目の燃料棒位置）の燃料ペレット表面
にガドリニアまたはほう化ジルコニウムの可燃性毒物を
コーティング、または燃料に低濃度のガドリニア等の可
燃性毒物を添加する。

【００２３】

【作用】可燃性毒物元素としてガドリニウムだけでなく
ボロンを併用することにより減速材棒中のガドリニウム
の中性子吸収効果が尽きた後も毒物反応度を維持するこ
とができる。

【００２４】また、可燃性毒物入り減速材棒より毒物反
応度効果の働く時間が短くなるように燃料ペレット表面
にガドリニアまたはほう化ジルコニウムをコーティング
した燃料ペレットを充填した燃料棒または低濃度のガド
リニアを添加した燃料ペレットを充填した燃料棒数本を
燃料集合体の最外周または最外周から２層目の燃料棒位
置に配置することにより、燃焼初期の毒物反応度が高め
られ、両者の効果を組み合わせると直線的な毒物反応度
変化を実現できる。

【００２５】次に、本発明の作用について説明する。可
燃性毒物元素としてガドリニウムだけを入れた減速材棒
の毒物反応度の燃焼変化の特長は図13にすでに示された
ように上に凸の形状であり、簡略化すれば図16（ａ）の
原理説明図に示すようにステップ状の変化と解釈でき
る。

【００２６】可燃性毒物元素としてガドリニウムにボロ
ンを添加すると、ボロンはガドリニウムに比べて中性子
吸収断面積が十分小さいので、ガドリニウムの毒物反応
度効果が高い間はボロンの中性子吸収効果が著しく減殺
（遮蔽）され、毒物反応度の燃焼変化は図16（ｂ）のよ
うになる。

【００２７】さらに、可燃性毒物入り減速材棒より毒物
反応度効果の働く時間が短くなるように表面にガドリニ
ウムまたはほう化ジルコニウムをコーティングした燃料
ペレットを充填した燃料棒、または低濃度のガドリニア
添加燃料ペレットを充填した燃料棒を燃料集合体の最外
周または最外周から２層目の燃料棒位置に前記燃料棒を
数本配置するとコーティングされたガドリニアまたはボ
ロンの毒物反応度の燃焼変化は図16（ｃ）の直線ａのよ
うになる。

【００２８】この２つの効果と従来より本数の少ない可
燃性毒物入り燃料棒の効果を組み合わせると燃料集合体
の全体の毒物反応度の燃焼変化は、図16（ｄ）のように
なり、図16（ｄ）の破線で示した直線的な毒物反応度変
化に近づく。

【００２９】また、ボロンまたはその化合物またはそれ
らの含有部材を中心に置き、両側からサンドウィッチす
る形でガドリニウムまたはその化合物またはそれらの含
有部材を配置すると図16（ｂ）に示した強中性子吸収物
質ガドリニウムによる、ボロンの中性子吸収効果の遮蔽
（減殺）が一層高められる。

【００３０】すなわち、ガドリニウムとボロンを混在さ
せると中性子吸収断面積の大きいＧｄ−１５５，１５７
が速く燃え、これらより中性子吸収断面積の小さいＢ−
１０はゆっくり燃えていく。この時、Ｇｄ−１５５，１
５７の吸収効果が大きい間は熱中性子束が著しく低下す
るので、その分更にＢ−１０の燃え方は遅くなる。

【００３１】ガドリニウムでボロンをサンドウィッチす
る形で配置すると、ガドリニウムの存在する外側層は減
速材棒（ウォータロッド）外側からの熱中性子の供給を
受け、ガドリニウムの存在する内側層は減速材棒（ウォ
ータロッド）の中央部の減速材による中性子の熱化によ
る熱中性子供給を受け、熱中性子束が大きいのでＧｄ−
１５５，１５７がより速く燃える。

【００３２】逆にボロンの存在する中央領域は、ガドリ
ニウムで吸収された残りの熱中性子のみが漏れ込むため
熱中性子束は大きく減少しその結果Ｂ−１０はよりゆっ
くり燃えるためボロンの反応度がガドリニウムの反応度
のほぼなくなる後に効率よく持ち越され維持される。な
お、ここでボロンの量を減らして同じ効果を得るために
吸収断面積の大きいＢ−10の割合を大きくした濃縮ボロ
ンを用いてもよい。

【００３３】ガドリニウムでボロンをサンドウィッチす
る形で配置するのと同様の効果を、Ｇｄ−１５５濃度を
高めたガドリニウムまたはガドリニアの単体またはそれ
を含有した部材を減速材棒の環状部径方向の中心に置
き、両側にＧｄ−１５７濃度を高めたガドリニウムまた
はガドリニアの単体またはそれを含有した部材を配置し
ても同じ効果が得られる。

【００３４】これはＧｄ−１５７の熱中性子吸収断面積
がＧｄ−１５５のそれよりも約４倍ほど大きいので、天
然のガドリニウムの負の反応度効果も前半はＧｄ−１５
７が寄与し、後半はＧｄ−１５５がほぼ寄与しているこ
と、最後の残留ガドリニウムの効果は中性子吸収断面積
の小さいＧｄ−１５６（初期からの存在量とＧｄ−１５
５から中性子吸収で生じた物）が中性子吸収によりＧｄ
−１５７を供給し続けることによるものである計算結果
から、人工的にＧｄ−１５５含有率を高めたガドリニウ
ム、その残材であるＧｄ−１５７含有率の高められたガ
ドリニウムの前述のガドリニウムとボロンの組み合わせ
と同様の利用が考えられる。

【００３５】径方向３層の環状部の内外層すなわちＧｄ
−１５７濃度を高めた領域の反応度価値は速く減少し、
Ｇｄ−１５５濃度を高めた環状部中央領域の反応度価値
はゆっくり減少する。

【００３６】この場合、熱中性子吸収断面積の小さいＧ
ｄ−１５５に富む環状部中央層は熱中性子を遮蔽されて
いるので環状部単層の天然ガドリニウムを使用した構造
の場合よりもＧｄ−１５５の中性子吸収効果を後送りし
て維持できる。また、可燃性毒物入り減速材棒の２重管
は必ずしも円断面である必要はなく、内管や外管を例え
ば四角管，六角管など他の多角形としてもよい。

【００３７】

【実施例】

（第１の実施例）本発明に係る燃料集合体の第１の実施
例を図１を用いて説明する。図１に示した本実施例の燃
料集合体14は核分裂性物質ペレットを充填した燃料棒16
とＧを付記した可燃性毒物（ガドリニア）入り燃料棒17
と可燃性毒物入り減速材棒10を束ねて、チャンネルボッ
クス15で囲み構成される。減速材棒10は外径約40mmの外
管11と内管12による２重管構造となっている。

【００３８】内管12と外管11はガドリニア（Ｇｄ
₂ Ｏ₃ ）またはガドリニウム添加のジルコニウムの合金
で構成されている。環状部13にはボロンまたはほう素化
合物（例えば炭化ほう素、ほう化ジルコニウム等）を添
加したジルコニウム合金または酸化アルミニウムで構成
されている。

【００３９】減速材棒10の下端近傍には冷却材を内管12
の内側に導入する開口を、上端近傍には内管12の内側の
冷却材を放出する開口が設けられている。その開口の径
や数は減速材棒10の内部で冷却材が沸騰しないように設
定される。

【００４０】可燃性毒物含有部材がジルコニウム合金の
場合の合金中の重量割合は例えばガドリニアが約20％、
ボロンが約 0.5％に設定されている。可燃性毒物含有部
材がジルコニウム合金でない場合または可燃性毒物の化
学形態が異なる場合は可燃性毒物元素（ここではガドリ
ニウムとボロン）の絶対量がほぼ等量になるように濃度
を選定すればよい。

【００４１】外管11と内管12との間に形成される環状部
13は制御棒19側を起点とする対角線（ＷＷとＮＮを結ぶ
一点鎖線）に対して対称位置となるように減速材棒10の
位置が設定されている。

【００４２】また、未燃焼時局所出力が大きい最外周燃
料棒18は４本あって、燃料ペレット表面に可燃性毒物と
してガドリニアまたはほう化ジルコニウムがコーティン
グされており、その毒物反応度が減速材棒10に入れた可
燃性毒物より早い時点でなくなるように厚さ（ 1.5ミク
ロン程度）が決められている。燃料ペレットの表面に可
燃性毒物をコーティングする変わりに低濃度（ 0.5〜３
％程度）のガドリニアを添加した燃料ペレットを充填し
た燃料棒でもよい。

【００４３】なお、燃料集合体14には図１中に燃料棒に
Ｇを付して示した可燃性毒物入り燃料棒17も従来燃料集
合体よりも５〜６本少ない本数で使用する。この燃料棒
17の可燃性毒物はガドリニアの形であり、新燃料として
装荷したサイクルの末期にほぼガドリニウムの毒物効果
がなくなる程度の濃度とする。

【００４４】次に本実施例の作用を図２を用いて説明す
る。図２は燃料集合体14の毒物反応度を計算により評価
して各々の毒物からの寄与がわかるように示したもので
ある。実線ｇは可燃性毒物入り燃料棒17におけるガドリ
ニウムの毒物反応度変化、実線ｌは減速材棒10中のガド
リニウム毒物反応度変化、実線ｂは減速材棒10中のボロ
ンの毒物反応度変化、実線ｃは最外周燃料棒のうち太線
の円で示された４本の最外周燃料棒18の燃料ペレット表
面にコーティングしたガドリニアの毒物反応度変化であ
る。燃料集合体全体の毒物反応度は実線ｔに示す値とな
り、全体として毒物反応度は燃焼度とともにほぼ直線的
に減少させることができる。

【００４５】次に本実施例の効果を説明する。本実施例
によれば減速材棒内の可燃性毒物としてガドリニアとボ
ロンを併用し、さらに未燃焼時に局所出力ピーキング係
数が大きい燃料集合体の最外周燃料棒18の数本の燃料ペ
レット表面にガドリニアを薄くコーティングすることに
より毒物反応度の燃焼変化を直線化することができ、炉
心の余剰反応度をより平坦化することができる。

【００４６】また、減速材棒10内に可燃性毒物を取り入
れたことによって、燃料集合体中の可燃性毒物入り燃料
棒17の本数を減らすことができる。この例では、可燃性
毒物入り減速材棒による反応度価値は、可燃性毒物入り
燃料棒５〜６本分に相当しており、この本数分だけ可燃
性毒物入り燃料棒を減らせることになる。これによって
燃焼初期に出力の小さい可燃性毒物入り燃料棒を減らせ
た分、局所ピーキング係数も低減することができる。

【００４７】可燃性毒物入り減速材棒の導入による可燃
性毒物入り燃料棒の本数低減効果は減速材棒の外径と内
径に依存する。太径になるほど効果は大きい。

【００４８】減速材可燃性毒物を添加する燃料棒では熱
伝導度が低下するため、可燃性毒物反応度が消えた後の
局所出力ピーキング係数があまり高くならないように低
い濃縮度を設定しなければならないが、可燃性毒物入り
燃料棒本数の減少でこのような制限についても緩和する
ことができる。また、燃料集合体の最外周燃料棒の燃料
ペレットにコーティングするガドリニアは非常に薄いの
で、このような制限についてほとんど考慮する必要がな
い。

【００４９】ガドリニアの代りにほう化ジルコニウムを
燃料ペレット表面にコーティングすることによっても同
様の効果を組み合わせることができるが、この場合ボロ
ンの熱中性子吸収断面積がガドリニウムより小さい分コ
ーティング量を少なくし本数を増加する必要がある。

【００５０】また、同様に低濃度のガドリニアを添加し
た燃料ペレットを使う場合も同様である。低濃度のガド
リニア添加の場合は、熱伝導度の低下も小さいので、酸
化ウランペレットと同様に扱うことができる。

【００５１】なお、図１の実施例では可燃性毒物コーテ
ィング燃料ペレットまたは低濃度ガドリニア添加燃料ペ
レットを充填した最外周燃料棒18をチャンネルボックス
15内の最外周に配置したがこれは少ない燃料棒の本数
で、燃焼初期の可燃性毒物による負の反応度価値を得る
ためであるが、サイクルの中期まで比較的長く反応度価
値を確保する場合には本数が多くなるか、コーティング
量または添加量を増加させなくてもよいか、あるいは２
層目に配置すること、または最外周と２層目の組み合わ
せも考えられる。

【００５２】可燃性毒物入り減速材棒に使用するボロン
として吸収断面積の大きいＢ−10の割合を大きくした濃
縮ボロンを使用することによって実効的な可燃性毒物充
填率を高めることができる。

【００５３】その結果、環状部13の厚さを低減しその分
内管12内の減速材領域面積を増加してやると、可燃性毒
物燃焼後の負のボイド係数の絶対値低減効果が増し、減
速材棒10の構造物による反応度損失を低減することがで
きる。

【００５４】また、外管11と内管12に添加されるガドリ
ニウムをＧｄ−１５７の含有割合を天然存在比より高め
たものとすることにより、ガドリニウムまたはガドリニ
アの添加絶対量を少なくでき、残留ガドリニアによる反
応度損失が低減でき、また、内管12および外管11の強
度、延性、耐食性の性能低下度合いを緩和できる。

【００５５】さらに、目標取り出し燃焼度が高くなると
可燃性毒物入り燃料棒の本数，濃度ともに増加するた
め、可燃性毒物入り燃料棒同士を隣接させなければ配置
できない場合が生じることがある。このような場合、毒
物入り燃料棒同士の自己遮蔽効果によって毒物棒当たり
の反応度効果が低下してしまうが、このような場合にも
本実施例の燃料集合体では効率の高い可燃性毒物入り燃
料棒配置が可能となる。

【００５６】また、今後本格利用が計画されているＭＯ
Ｘ燃料では中性子スペクトルが硬くなるため、毒物反応
度が低下するが、本実施例の減速材棒は２重管構造とな
っているため、ＭＯＸ燃料中に配置された場合にも減速
材棒の毒物反応度効果は中性子スペクトル硬化の影響を
受けにくく、可燃性毒物の反応度効果を有効に引き出せ
る。

【００５７】（第２の実施例）次に図３により本発明に
係る燃料集合体の第２の実施例を説明する。図１に示し
た第１の実施例では可燃性毒物入り減速材棒10の内管12
と外管11にガドリニウムを含有させた。しかし、ジルコ
ニウム合金にガドリニアやボロンの単体または化合物を
添加すると強度および延性、耐食性上に劣化が生じる。

【００５８】そこで、本実施例では図３に示すように減
速材棒30の内管32と外管31はジルカロイ−２、または４
等のジルコニウム合金とし、その厚さは 0.4〜 0.8mm程
度のできるだけ薄肉とし、外管31と内管32との間の環状
部13を図３に示すように径方向に３層構造とする。

【００５９】その場合、ボロンまたはボロンの化合物
（炭化ほう素、ほう化ジルコニウム等）を単体またはそ
れを含有するジルコニウム合金、酸化アルミニウム、ジ
ルコニア等のセラミック等の部材、つまり、可燃性毒物
34を環状部13の径方向中心に置き両側からサンドウィッ
チする形でガドリニウムまたはその化合物（ガドリニ
ア）を単体またはそれを含有するジルコニウム合金、酸
化アルミニウム、ジルコニア等のセラミック等の部材、
つまり、可燃性毒物33の形で配置する。これにより図１
に示した可燃性毒物入り減速材棒10と同じ効果が得ら
れ、燃料寿命中の減速材棒の健全性が高まる。

【００６０】上記第１および第２の実施例では減速材棒
内の可燃性毒物としてガドリニウムとボロンを併用する
例を示したが、ガドリニウムで実質的な吸収体となって
いるＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の２核種のうち、前者
より後者の方が約４倍吸収能力が大きいことを利用し
て、環状部13を３層構造とし中心層でＧｄ−１５５濃度
を高め、内管32および外管31に接する層でＧｄ−１５７
濃度を高めることによって前記ガドリニウムとボロンの
組み合わせと同じ効果を得ることができる。

【００６１】この理由を第２の実施例の図３を用いて説
明する。可燃性毒物入り減速材棒30はジルコニウム合金
性の薄肉の外管31と内管32による２重管構造となってお
り、内管32と外管31に挟まれる環状部13は、内管32また
は外管31に接する可燃性毒物33の層と中心の可燃性毒物
34の層からなる。

【００６２】中心の可燃性毒物34の層にはＧｄ−１５５
に富んだガドリニウムを可燃性毒物元素として選定し、
両端層の可燃性毒物33にはＧｄ−１５７に富んだガドリ
ニウムを可燃性毒物として選定する。

【００６３】それぞれの層のガドリニウムは単独の層と
してガドリニアの単体層、またはジルコニウム合金にガ
ドリニウムまたはガドリニアの形で添加した部材、酸化
アルミニウムまたはジルコニアのセラミックにガドリニ
アの形で添加した部材とし、それらを３層に重ね合わせ
る構造が考えられる。

【００６４】また、中心層をガドリニア添加ジルコニ
ア、酸化アルミニウムのセラミック、またはジルコニウ
ム合金とし、その両面にガドリニアまたはガドリニウム
−ジルコニウム合金を溶射または粉末を塗布し焼結させ
た構造にすることもできる。

【００６５】径方向３層の環状部13の内外層すなわちＧ
ｄ−１５７濃度を高めた領域の反応度価値は速く減少
し、Ｇｄ−１５５濃度を高めた環状部中央領域の反応度
価値はゆっくり減少する。

【００６６】この場合、熱中性子吸収断面積の小さいＧ
ｄ−１５５に富む環状部中央層は熱中性子を遮蔽されて
いるので、環状部単層の天然ガドリニウムを使用した構
造の場合よりもＧｄ−１５５の中性子吸収効果を後送り
して維持できる。その結果、ガドリニウムとボロンの組
み合わせと同一の効果を得ることができる。

【００６７】なお、上記説明では図３の第２の実施例の
構造を例としたが、第１の実施例と同様の構造とし、減
速材棒30の外管31と内管32にＧｄ−１５７に富んだガド
リニウムまたはガドリニアを添加し、環状部13はＧｄ−
１５５に富んだガドリニア、または、ガドリニウム、ガ
ドリニアを添加したジルコニウム合金、セラミック（ジ
ルコニア，酸化アルミニウム等）の構造でもよい。

【００６８】また、天然のガドリニウムからＧｄ−１５
５に富んだガドリニウムを製造したときの残材はＧｄ−
１５７に富むガドリニウムであり、これらの濃縮はレー
ザー濃縮技術を利用することができる。

【００６９】（第３の実施例）次に本発明に係る燃料集
合体の第３の実施例を図４および図５を用いて説明す
る。本実施例に係る燃料集合体60は２本の可燃性毒物入
り減速材棒65を用いており、減速材棒65は外管66および
内管67で構成され、環状部68には可燃性毒物が充填され
る。

【００７０】図５に示すようなＷＷ−ＮＮの対角線方向
２本が連なった減速材棒の配置の場合、これら２本の減
速材棒は内径等が異なっていてもＷＷ−ＮＮ対角線に対
称性が保たれる。このように環状部68の体積が異なる
と、環状部68の含有する可燃性毒物元素量の違いによ
り、可燃性毒物入り減速材棒65の反応度価値の燃焼変化
が滑らかになり、より直線に近づけることができる。

【００７１】なお、ここでは環状部68の体積の差異をつ
けるために内管67の径を変えているが、外管66の径は燃
料集合体60における燃料棒間隔によって支配されるの
で、径を大きくする方向に対しては一定の制限がある。
また、内管67内の減速材量をできるだけ多くしたいの
で、通常外管の径は最大限大きくしている。変形例とし
ては外管66の径を変えることによって環状部68の体積に
差異を作る方法も考えられる。

【００７２】（第４の実施例）次に本発明に係る燃料集
合体の第４の実施例を図６を用いて説明する。本実施例
に係る燃料集合体90は９本の可燃性毒物入り減速材棒80
を用いており、減速材棒80は燃料集合体中心部に対角線
対称に配置されている。これら９本の減速材棒80は内
径，外径等が異なっていてもよい。その場合、ＷＷ−Ｎ
Ｎの対角線に対して対称に減速材棒80の形状の差異があ
るものを配置するとよい。

【００７３】そうすると、対角線に対して対称な燃料集
合体内横断面の出力分布が実現でき、線出力密度の監視
等の炉心３次元シミュレーション計算にとって都合がよ
い。

【００７４】また、図６では燃料集合体中央の３×３の
９本の減速材棒80のうちＷＷ側の３本を環状部体積を小
さくし、残りを環状部83の体積を大きくしている。こう
することによって、制御棒側の毒物量が少なくなるの
で、制御棒価値の低下を緩和できる。

【００７５】この変形としては３×３の９本の減速材棒
80のうち中央の１本のみ外管81と内管82との間の環状部
83の体積を大きくし、他の８本は小さくすることも考え
られる。この場合、中心の減速材棒は周囲の減速材棒に
囲まれていることによって、熱中性子が遮蔽されるの
で、それだけでもゆっくり可燃性毒物が燃焼するが、更
に環状部体積が大きいので可燃性毒物の効果が長く維持
できる。

【００７６】第３および第４の実施例において、環状部
68，83の肉厚を同じにして、複数の減速材棒の間で可燃
性毒物元素の濃度を少し差をもたせることによっても同
様の効果を実現できる。その場合、形状は同一にできる
のでメリットがある。

【００７７】このように複数の可燃性毒物入り減速材棒
を使用し、その中に含まれる可燃性毒物元素の量に差を
もたせる場合は、ボロンとガドリニウムの組み合わせを
用いなくても、単一のガドリニウムの使用だけでも可燃
性毒物の反応度効果を燃焼末期において線形に近づける
ことができる。その場合、外管，内管は可燃性毒物を含
まない薄肉のジルコニウム合金であり、環状部はガドリ
ニウムを含む部材またはガドリニアで構成される。

【００７８】（第５の実施例）次に本発明に係る燃料集
合体の第５の実施例を図７を用いて説明する。本実施例
に係る燃料集合体110 は10行10列配列の燃料棒のうち、
中央部の16本を除き、その代りに毒物層の厚さが同じで
外径の異なる太径の減速材棒100 と細系の減速材棒101
を挿入した場合の例を示している。

【００７９】減速材棒の径が大きい程内管より内側の減
速材領域での中性子減速が多くなり環状部での中性子吸
収が増加するが、径が小さいと逆に中性子吸収は減少す
る。したがって、径の大小によって毒物反応度の消滅時
間に差が生ずるので、これらを組み合わせると毒物反応
度の燃焼変化を直線により近づけることができる。

【００８０】（第６の実施例）次に本発明に係る燃料集
合体の第６の実施例を図８および図９を用いて説明す
る。本実施例では減速材棒160,170 の外管161,171 を四
角形とした場合の例を示している。図８は内管162 を円
形とした場合、図９は内管172 を四角形とした場合を示
している。このように減速材棒160,170 は必ずしも円形
だけでなく本実施例のように四角形あるいは多角形とし
ても実施可能である。

【００８１】第３の実施例から第６の実施例において、
減速材棒の詳細構造は図３のような環状部が径方向に３
層構造でもよい。また、減速材棒への可燃性毒物の添加
構造は前述の第１，２の実施例およびその変形例のいず
れも考えられる。

【００８２】また、燃料集合体として全体を考えたとき
に、可燃性毒物入り燃料棒17、可燃性毒物コーティング
燃料または低濃度ガドリニアを含む燃料棒の組み合わせ
も前述の図１の実施例と同じ組み合わせが考えられる。

【００８３】（第７の実施例）第７の実施例を図10を用
いて説明する。本実施例では燃料棒180 の燃料ペレット
184ａ， 184ｂの表面に可燃性毒物182 をコーティング
したものである。燃料棒180 は燃料被覆管181 と可燃性
毒物コーティング燃料ペレット 184ａから構成され、燃
料被覆管181 と燃料ペレット 184ａの間には空隙183 が
存在し、ヘリウムが充填されている。

【００８４】本実施例では、未燃焼時局所出力が大きい
燃料棒180 の燃料ペレット表面に可燃性毒物をコーティ
ングするが、燃料棒内の熱伝達率を高めるため本実施例
のように軸方向で部分的に可燃性毒物をコーティングし
ない燃料ペレット 184ｂ領域を設ける形にしてもよい。

【００８５】また、可燃性毒物コーティングとしてはガ
ドリニウム，ガドリニア，ほう化ジルコニウムの溶射等
が考えられる。そのコーティング厚さは 1.5ミクロン程
度でよい。

【００８６】また、燃料寿命初期における軸方向出力分
布の制御のために可燃性毒物をコーティングし、または
低濃度のガドリニアを添加した燃料ペレットを燃料有効
長の中の濃縮領域部分で且つ燃料有効長の下側２／３の
領域内に適当な長さに配置する組み合わせも考えられ
る。こうすると燃料の寿命初期における燃料集合体の軸
方向出力分布自己制御（軸方向出力分布平坦化）性が得
られる。

【００８７】（第８の実施例）これまでのボロンとガド
リニウムの組み合わせの実施例では、ボロン含有層をガ
ドリニウム含有層でサンドウィッチ状に挟む構成として
きが、それよりもボロンの毒物効果持続が弱いが、単純
に図１に示した減速材棒10の構成において、環状部13に
ボロンとガドリニウムの単体または化合物（ガドリニ
ア，炭化ほう素，ほう化ジルコニウム等）を均一に混合
して含んだ部材（ジルコニウム合金またはアルミナ，ジ
ルコニア等のセラミック）または、それぞれの化合物の
単体混合物焼結材または化合物単体粒材混合物等を充填
して燃料集合体を構成する。この場合、外管，内管は可
燃性毒物を含有しないジルコニウム合金とする。

【００８８】（第９の実施例）第１，２の実施例に示し
た燃料集合体において、毒物元素として内管，外管にボ
ロンを添加、環状部にはガドリニウムを配して燃料集合
体を構成する。また、環状部径方向３層構造において毒
物元素として両側がボロン、中央にガドリニウムを配し
た構造とすることもできる。

【００８９】この実施例において、ボロンは熱中性子吸
収断面積の大きいガドリニウムによる熱中性子束の遮蔽
効果を受けないので、ボロンの吸収断面積が小さくガド
リニウムより燃え残りやすいという特性で毒物の反応度
効果を持続させ可燃性毒物の燃焼末期における反応度効
果の線形性を得るものである。この実施例ではボロンの
量を増加させる必要がある。

【００９０】（第10の実施例）これまでの実施例では、
可燃性毒物入り減速材棒の軸方向構造には言及してこな
かったが、その可燃性毒物元素量の分布としては燃料有
効長に対し上下両端のウラン濃縮量を減少させること、
燃料棒内ガドリニウム添加量を平均化することおよび可
燃性毒物棒内含有ガドリニウム量をステップ状に増加さ
せることなどの分布を使用するとよい。

【００９１】この実施例においてはガドリニウムとボロ
ンの組み合わせ使用、またはＧｄ−１５５濃縮ガドリニ
ウムとＧｄ−１５７濃縮ガドリニウムの組み合わせ使用
を常に使用する代りに、燃料濃縮領域内で且つ燃料有効
長の下部１／３〜１／２の領域部位にのみ組み合わせを
使用し、残りの部位はボロンを組み合わせない天然ガド
リニウムのみの使用か、Ｇｄ−１５７濃縮ガドリニウム
の使用とする。

【００９２】このように、減速材棒の下部にのみ毒物の
反応度効果が長く効く構成とすることによって、燃料装
荷サイクルの全体に亘って下部の燃料反応度が抑制され
下方出力ピークを抑制する効果がある。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば、可燃性毒物入り減速材
棒を用いた場合にも毒物反応度と燃焼度の関係をほぼ直
線的な関係で適用することが可能であり、炉心の余剰反
応度を燃焼を通じて平坦化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施例を示す
横断面図。

【図２】図１における第１の実施例の効果を説明するた
めの特性図。

【図３】本発明に係る燃料集合体の第２の実施例におけ
る減速材棒を拡大して示す横断面図。

【図４】本発明に係る燃料集合体の第３の実施例を示す
横断面図。

【図５】本発明に係る燃料集合体の第３の実施例を示す
横断面図。

【図６】本発明に係る燃料集合体の第４の実施例を示す
横断面図。

【図７】本発明に係る燃料集合体の第５の実施例を示す
横断面図。

【図８】本発明に係る燃料集合体の第６の実施例を示す
横断面図。

【図９】図８における減速材棒の他の例を示す横断面
図。

【図１０】（ａ）は本発明の第７の実施例における燃料
ペレットを表面における可燃性毒物のコーティング状態
を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の横断面図。

【図１１】従来の燃料集合体を示す垂直断面図。

【図１２】図11における従来の燃料集合体を示す水平断
面図。

【図１３】可燃性毒物入り減速材の毒物反応度の燃焼変
化を示す特性図。

【図１４】可燃性毒物入り減速材棒を使った燃料集合体
を従来の燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を比較して
示す特性図。

【図１５】余剰反応度の燃焼変化を説明するための特性
図。

【図１６】（ａ）は可燃性毒物元素としてガドリニウム
のみを使用した場合の減速材棒の毒物反応度を示す特性
図、（ｂ）は可燃性毒物元素としてガドリニウムとボロ
ンを使用した場合の減速材棒の毒物反応度を示す特性
図、（ｃ）は燃料ペレット表面に可燃性毒物をコーティ
ングまたは低濃度のガドリニアを燃料ペレットに添加し
た場合、および通常のサイクル末期まで燃える濃度のガ
ドリニアを燃料ペレットに添加した場合のガドリニウム
の毒物反応度を示す特性図、（ｄ）は（ｂ）と（ｃ）の
毒物反応度を加算した燃料集合体全体の毒物反応度効果
を示す特性図。

【符号の説明】

10…減速材棒（第１の実施例）、11…外管、12…内管、
13…環状部、14…燃料集合体（第１の実施例）、15…チ
ャンネルボックス、16…燃料棒、17…可燃性毒物入り燃
料棒、18…最外周燃料棒、19…制御棒、30…減速材棒
（第２の実施例）、31…外管（第２の実施例）、32…内
管（第２の実施例）、33…可燃性毒物（吸収断面積：
小）、34…可燃性毒物（吸収断面積：大）、60…燃料集
合体（第３の実施例）、65…減速材棒（第３の実施
例）、66…外管（第３の実施例）、67…内管（第３の実
施例）、68…環状部（第３の実施例）、80…減速材棒
（第４の実施例）、81…外管（第４の実施例）、82…内
管（第４の実施例）、83…環状部（第４の実施例）、90
…燃料集合体（第４の実施例）、 100,101…減速材棒
（第５の実施例）、 110…燃料集合体（第５の実施
例）、 160…減速材棒（第６の実施例）、 161,171…外
管（第６の実施例）、 170…減速材棒（第６の実施例の
変形）、 162,172…内管（第６の実施例）、 180…燃料
棒（第７の実施例）、 181…燃料被覆管、 182…可燃性
毒物、 183…燃料ペレットと燃料被覆管間空隙、 184ａ
…燃料ペレット（可燃性毒物コーティング付き）、 184
ｂ…燃料ペレット、 200…燃料集合体（従来例）、 201
…チャンネルボックス、 202…上部タイプレート、 203
…下部タイプレート、 204…スペーサ、 205…燃料棒、
206…減速材棒（従来例）、 207…制御棒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平岩 宏司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンネルボックス内に複数本の燃料棒
   と、複数または１本の２重管構造の減速材棒とが配置さ
   れ、前記減速材棒は内管と外管の間の環状部にガドリニ
   ウムの単体または化合物と、ボロンの単体または化合物
   との混合物を可燃性毒物として充填するか、または前記
   混合物を含有した金属またはセラミックを可燃性毒物と
   して充填してなることを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】 前記減速材棒の環状部の可燃性毒物をボ
   ロン単体または化合物、またはそれらを含有した金属ま
   たはセラミックとし、前記減速材棒の内管または外管の
   一方または双方にガドリニアまたはガドリニウムを混在
   させてなることを特徴とする請求項１記載の燃料集合
   体。
3. 【請求項３】 チャンネルボックス内に複数本の燃料棒
   と、複数または１本の２重管構造の減速材とが配列され
   てなり、前記減速材棒の内管と外管の間の環状部を３層
   構造とし、内管および外管に接する層にガドリニウムま
   たはガドリニアを含有させ、これらの層に挟まれる中間
   層にボロンまたはその混合物を含有させてなることを特
   徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】 前記環状部内に充填する可燃性毒物をガ
   ドリニア、またはガドリニウムまたはガドリニアを含有
   する金属またはセラミックだけで３層構造とし、内管お
   よび外管に接する層でＧｄ−１５７の割合を大きくし、
   この層に挟まれる中間層でＧｄ−１５５の割合を大きく
   したことを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。
5. 【請求項５】 前記環状部の可燃性毒物をガドリニア、
   またはガドリニウムまたはガドリニウムを含有する金属
   またはセラミックとし、減速材棒の内管または外管の一
   方または双方にボロンまたはボロン化合物を混在させた
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。