JPH0749394A

JPH0749394A - 沸騰水型原子炉の減速棒、燃料集合体及び炉心

Info

Publication number: JPH0749394A
Application number: JP5195810A
Authority: JP
Inventors: Riyouji Masumi; 亮司桝見; Takaaki Mochida; 貴顕持田; Kazuya Ishii; 一弥石井; Tadao Aoyama; 肇男青山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1993-08-06
Publication date: 1995-02-21

Abstract

(57)【要約】【構成】燃料集合体１０は、ジルカロイの被覆管２０
に、ＭＯＸ燃料を充てんした燃料棒１と上部２１に軽水
を下部２２に重水を封入したステンレス鋼製の水ロッド
２を束ね、ジルカロイでできた角筒状のチャンネルボッ
クス４で覆って構成される。水ロッド２中のガドリニア
棒には、ガドリニアが装荷され、その装荷量は上部より
も下部で多くなるように構成される。【効果】中性子の減速効果を軸方向で均一にして出力分
布を平坦化して熱的余裕を確保し、運転時から冷温時の
反応度上昇を低減でき、炉停止余裕を確保できる。ま
た、ガドリニア反応度価値のボイド率依存性を強調して
ボイド係数を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷ
Ｒ）に係り、特に、ＭＯＸ燃料の大規模利用に好適な減
速棒，燃料集合体及び炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＢＷＲの燃料集合体は、「軽水炉」（秋
山守著、同文書院刊）に記載のように、一般に、核分裂
性物質を含む燃料ペレットを被覆管に充てんした燃料棒
を正方格子状に多数束ね、外幅が約１４cmの断面形状が
正方形のチャネルボックスで覆って構成される。炉心は
燃料集合体をさらに束ねて円柱状に形成される。燃料
は、通常、濃縮ウランが酸化物の化学形態で使用され
る。炉心の反応度は燃料の燃焼に伴って減少していくの
で、運転サイクル末期でも原子炉が臨界を保つように、
運転サイクル初期には燃料を臨界量よりも多く装荷して
いる。その結果生じる余剰反応度は、ガドリニア等の可
燃性毒物を燃料に混合すると共に、炭化硼素あるいはハ
フニウムからなる十字型の制御棒を隣接する複数の燃料
集合体の間に挿入することによって中性子の吸収量を調
節して制御している。

【０００３】近年、軽水炉の使用済み燃料を再処理して
得られるプルトニウムのＢＷＲでの利用が検討されてい
る。プルトニウムは通常、ウランと混合され、酸化物の
形態で（以下、これをＭＯＸ燃料と呼ぶ）装荷される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】全炉心にＭＯＸ燃料を
装荷する際の課題として、炉停止余裕の確保、ボイド係
数の低減及び熱的余裕の確保があげられる。以下、それ
ぞれについて簡単に説明する。

【０００５】ＭＯＸ燃料を装荷した炉心（以下、ＭＯＸ
炉心と呼ぶ）では、プルトニウム同位体の共鳴吸収によ
り、中性子エネルギスペクトルが硬化し、濃縮ウラン燃
料を装荷した炉心（以下、ウラン炉心と呼ぶ）に比べ、
出力運転時から冷温停止時への反応度上昇幅が増大す
る。また、燃料に吸収される中性子の割合が増えるた
め、制御棒反応度価値が減少する。以上により、炉停止
余裕が減少する傾向にある。これに対して、従来は、水
対燃料体積比を増大して、中性子スペクトルを軟化さ
せ、冷温時の反応度上昇を低減して対策していた。しか
し、水対燃料体積比を増大させることはＭＯＸ燃料の装
荷量を減らすことになるため、ＭＯＸ燃料の大規模利用
を図る上で得策とはいえない。

【０００６】上記と同様な理由により、ＭＯＸ炉心、特
に全炉心に新燃料が装荷される初装荷炉心では、ウラン
炉心に比べ、ボイド係数の絶対値が増大する傾向にあ
る。このような炉心では、圧力が降下してボイド率が増
大する過渡事象における安全余裕は大きくなる。一方、
圧力上昇によりボイド率が減少する過渡事象において投
入される正の反応度が大きくなり、出力もそれに応じて
増大するため、定格出力運転時に熱的余裕をそれだけ大
きめにとっておく必要が生じる。したがって、ボイド係
数は、必要以上に過大とすることなく適切なレベルに保
つことが望ましい。

【０００７】上記のボイド係数の増大により、減速材ボ
イド率の低い炉心下部で出力が高く、ボイド率の高い炉
心上部で出力が低くなり、軸方向出力ピーキングが増大
し、熱的余裕が減少する傾向にある。そこで、プルトニ
ウム富化度を炉心上部で高くしたり、ガドリニア入りウ
ラン燃料棒を設けて、その濃縮度分布やガドリニア濃度
分布を調整して、出力分布を平坦化し、熱的余裕を確保
していた。

【０００８】しかし、プルトニウム富化度種類を増やす
ことは、燃料製造コスト増加につながり、ウラン燃料棒
を設けることは、ＭＯＸ燃料装荷量の減少につながり、
MOX燃料の大規模利用を図る上で、得策とはいえない。

【０００９】（従来技術１）以上の課題に対して、特願
昭61−148212号，特願昭63−162548号明細書に示されて
いるように、水ロッドの下部に水排除部分を設けること
により、中性子の減速材分布を最適化し、軸方向出力分
布を平坦化する技術が発明されている。上記従来技術で
は、熱的余裕の確保については考慮されているが、水排
除部分での中性子吸収の低減による燃料経済性の向上や
炉停止余裕の確保，ボイド係数の低減に関しては考慮さ
れていない。

【００１０】（従来技術２）また、特願昭56−215374号
明細書に、水ロッド中に可燃性毒物を配置し、燃料棒の
出力を均一化して熱的余裕を増大させる技術が開示され
ている。水ロッド中の可燃性毒物は、単位装荷量当たり
の反応度価値が、燃料に混合した場合よりも大きくなる
傾向にある。したがって、同じ反応度価値をもたせるた
めには、装荷量を少なくできるメリットを有するもの
の、燃料に混合した場合に比べ、燃焼速度が速くなり、
長期の運転サイクルを通じての余剰反応度の制御には、
必ずしも最適とはいえない。

【００１１】さらに、ボイド係数に関しては、以下のよ
うな特性をもつ。燃料に可燃性毒物を混合させた場合
は、チャンネル内ボイド率が高くなると、反応度価値が
減少するため、ボイド係数を低減する方向に働く。一
方、水ロッド中に可燃性毒物を配置した場合は、ボイド
率が変化しても反応度価値はほぼ一定であり、ボイド係
数低減に対する効果はない。すなわち、上記従来技術
は、ボイド係数の低減については考慮していない。

【００１２】（従来技術３）特願昭62−37987 号明細書
に、冷温時において水ロッドの上部に空間が生成するよ
うに調整して炉停止余裕を増大する従来技術が開示され
ている。ボイド率の低い炉心下部の出力が高く、ボイド
率の高い炉心上部で出力が低い炉心では、燃焼度が炉心
下部で高く、炉心上部で低くなる。特に初装荷炉心で
は、さらに、ボイド率の高い炉心上部での燃料転換比が
高く、多くのプルトニウムが残存しているため、冷温時
の出力分布が、炉心上部で大きなピークをもつようにな
る。この従来技術によれば、冷温時における炉心上部の
中性子の減速が抑制されるため、炉心上部の出力を低減
し、出力運転時からの反応度上昇を低減できる。したが
って、炉停止余裕を増大できる。

【００１３】しかし、上記従来技術は、出力運転時の軸
方向出力分布の平坦化による熱的余裕の増大については
考慮されていない。

【００１４】本発明の目的は、燃料経済性，熱的余裕及
び炉停止余裕を確保しつつ、ボイド係数を低減して、Ｍ
ＯＸ燃料の装荷量を増やして、ＭＯＸ燃料の大規模利用
に好適な沸騰水型原子炉の減速棒，燃料集合体及び炉心
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の沸騰水型
原子炉の減速棒は、第一の減速材を含む領域と第一の減
速材よりも減速比が大きく減速能が小さい第二の減速材
を含む領域とから構成する。

【００１６】本発明の第二の沸騰水型原子炉の減速棒
は、前記第一の減速材を含む領域を上部に、前記第二の
減速材を含む領域を下部に設けた構成とする。

【００１７】本発明の第三の沸騰水型原子炉の減速棒
は、本発明の第二の減速棒において、第二の減速材を出
力運転状態で液体である物質とするとともにこれを前記
減速棒下部に封入した構成とする。

【００１８】本発明の第四の沸騰水型原子炉の減速棒
は、本発明の第一ないし第三の減速棒において、前記第
二の減速材を含む領域に可燃性毒物を添加した構成とす
る。

【００１９】本発明の第五の沸騰水型原子炉の減速棒
は、本発明の第一ないし第四の減速棒において、第一の
減速材を軽水とし、第二の減速材を重水とした構成とす
る。

【００２０】本発明の第六の沸騰水型原子炉の減速棒
は、本発明の第一ないし第四の減速棒において、第一の
減速材を軽水とし、第二の減速材を炭素またはベリリウ
ム、あるいはその化合物とした構成とする。

【００２１】本発明の第七の沸騰水型原子炉の減速棒
は、本発明の第一ないし第四の減速棒において、第一の
減速材をジルコニウムハイドライド等の金属水素化物と
した構成とする。

【００２２】本発明の第一の沸騰水型原子炉の燃料集合
体は、本発明の第一ないし第七の減速棒のうち少なくと
も一種類と、核分裂性物質を含む燃料ペレットを被覆管
に充填した複数の燃料棒とから構成する。

【００２３】本発明の第二の沸騰水型原子炉の燃料集合
体は、第一の減速材を含む領域と第一の減速材よりも減
速比が大きく減速能が小さい第二の減速材を含む領域と
からなる減速棒と、核分裂性物質を含む燃料ペレットを
被覆管に充填した複数の燃料棒とからなる燃料集合体に
おいて、前記減速棒の第二の減速材を含む領域の周囲の
燃料棒に可燃性毒物を添加した構成とする。

【００２４】本発明の第三の沸騰水型原子炉の燃料集合
体は、上部には第一の減速材を、下部には第一の減速材
よりも減速比が大きく減速能が小さい第二の減速材を配
置した減速棒と、核分裂性物質を含む燃料ペレットを被
覆管に充填した複数の燃料棒とからなる燃料集合体にお
いて、前記減速棒下部の周囲の燃料棒に可燃性毒物を添
加した構成とする。

【００２５】本発明の第四の沸騰水型原子炉の燃料集合
体は、本発明の第一ないし第三の燃料集合体において、
前記核分裂性物質の主成分をプルトニウムとした構成と
する。

【００２６】本発明の沸騰水型原子炉の炉心は、本発明
の第一ないし第四の燃料集合体のうち、少なくとも１種
類を装荷した構成とする。

【００２７】

【作用】本発明の第一，二，五，六の減速棒によれば、
減速能をボイド率の低い下部で小さくしたことにより軸
方向出力分布を平坦化でき、下部の減速比を大きくして
いるため減速材による中性子の無駄な吸収を減らして、
燃料経済性を向上できる。

【００２８】本発明の第三の減速棒によれば、冷温時
に、減速棒の下部の上端に、減速材が存在しない空間が
できる。このように、中性子インポータンスの高い炉心
軸方向中央付近に減速材が少なく、反応度の低い領域が
生じるため、冷温時の反応度が低減され、炉停止余裕が
増大する。

【００２９】本発明の第四の減速棒によれば、中性子の
減速が抑制された領域に可燃性毒物を配置しているの
で、可燃性毒物価値のチャンネル内ボイド率への依存性
が大きくなる。したがって、ボイド係数の絶対値が低減
される。さらに、上記のボイド係数の低減と同様な理由
により、冷温時と出力運転時の反応度差が低減されるた
め、炉停止余裕が増大する。

【００３０】本発明の第七の構成の減速棒によれば、減
速棒の断面積を低減でき、燃料の装荷量を増大できる。

【００３１】本発明の第一の燃料集合体によれば、第一
ないし第七の減速棒と同様な作用が得られる。

【００３２】本発明の第二，三の燃料集合体によれば、
第四の減速棒と同様な作用により、ボイド係数の絶対値
が低減され、炉停止余裕が増大する。

【００３３】本発明の第四の構成の燃料集合体に及び本
発明の炉心によればプルトニウムの大規模利用が図れ
る。

【００３４】

【実施例】以下、本発明を実施例に従って説明する。図
１，図２は本発明の第一の実施例を示しており、沸騰水
型原子炉の燃料集合体に適用したものの水平断面図(図
１）及び垂直断面図（図２）である。図２（ａ）は冷温
停止時の、図２（ｂ）は出力運転時の水ロッドをそれぞ
れ示している。

【００３５】燃料集合体１０は、ジルカロイの被覆管２
０に、ウランとプルトニウムの混合酸化物からなるＭＯ
Ｘ燃料を充てんした燃料棒１と、上部２１に軽水を、下
部２２に重水をそれぞれ封入したステンレス鋼でできた
直径約３０ｍｍの水ロッド２を束ね、ジルカロイででき
た外幅約１４cmの角筒状のチャネルボックス２１で覆っ
て構成されている。燃料棒１の直径は約１２mm，燃料ペ
レット径は約１０mm，燃料棒間隔は約１６mm，核分裂性
プルトニウム富化度は約４％，燃料棒本数は６０本で、
８行８例で配列されている。可燃性毒物は、ガドリニア
が水ロッドの内部の中空管(ガドリニア棒）に充填さ
れ、その装荷量は、上部３１に約０.２kg，下部３２に
約０.５kgと、下部に多く装荷されている。

【００３６】この構成によって、図３の曲線ａに示すよ
うに、軽水一領域の水ロッド（曲線ｂ）と比較して、中
性子の減速効果を燃料集合体内の軸方向で均一にして出
力分布を平坦化することができる。このとき、下部の減
速材の減速比を大きくしているので、減速材による中性
子吸収が低減され、燃料経済性を向上できる。

【００３７】さらに、図２に示すように、冷温時には上
部だけでなく下部の水ロッドの領域の上端に、約３０％
の空間が生じるため、冷温時の出力分布を平坦化して反
応度を低減し、炉停止余裕を増大できる。

【００３８】本実施例のボイド係数低減効果について、
図４を用いて説明する。図４は、ボイド率による水ロッ
ド下部２２に配置したガドリニアの反応度価値の変化
（曲線ｃ）を従来技術の軽水一領域の水ロッド（曲線
ｄ）と比較したものである。従来技術では、ボイド率へ
の依存性が小さいのに対して、本発明では、反応度価値
が約３０％変化することがわかる。すなわち、ボイド率
が高くなるほどガドリニアの反応度価値が減少するた
め、ボイド係数の絶対値を低減する方向に働く。

【００３９】本実施例では、ＭＯＸ燃料装荷に伴う技術
課題を解決でき、ＭＯＸ燃料の大規模利用が可能とな
る。

【００４０】次に、第二の実施例について説明する。

【００４１】図５，図６は本発明の第二の実施例を示し
ており、それぞれ、燃料集合体の水平断面図，垂直断面
図（水ロッド及びこれに隣接する燃料棒のみ図示）であ
る。第一の実施例と比較して、可燃性毒物であるガドリ
ニアを水ロッド２３ではなく、燃料棒１１に混合し、燃
料棒下部１３には、上部１２よりも多くのガドリニアが
添加されていることが特徴である。このような構成によ
れば、局所出力ピーキングは第一の実施例に比べ増大す
るものの、ガドリニアの燃焼速度がさらに低減でき、長
期サイクルにおける余剰反応度の制御に有効である。

【００４２】図７に水ロッドの垂直断面図を示した第三
の実施例では、重水を封入した外部領域２７と軽水が流
れる内部領域２６からなり、水平断面における外部領域
の断面積は、下部ほど大きくなっている。外部領域２７
に封入した重水には、硼酸が添加されている。このよう
な構成によっても、下部ほど、減速材が実効的に少なく
なり、かつ、可燃性毒物の装荷量が多くなるため、出力
分布の平坦化やボイド係数の低減に関して、第一の実施
例と同様な効果が得られる。なお、重水の替わりにサン
トワクス（Ｃ₁₈Ｈ₁₄）を用いることも有効である。

【００４３】図８に減速棒の垂直断面図を示した第四の
実施例では、第三の実施例で重水を封入した外部領域２
９に、ベリリアとガドリニアの混合物を充填したことが
特徴である。このような構成によっても、下部ほど、減
速材が実効的に少なくなり、かつ、可燃性毒物の装荷量
が多くなるため、第一の実施例と同様な効果が得られ
る。なお、ベリリアの替わりにグラファイトのペレット
を用いても同様な効果が得られる。

【００４４】図９に垂直断面図を示した水ロッドの実施
例では、減速材は重水とし、その中にガドリニア棒３を
配置している。本実施例では、出力分布の平坦化の効果
は第一の実施例に劣るが、ボイド係数の低減の効果を強
調できる。

【００４５】図１０に垂直断面図を示した水ロッドの実
施例では、上部２１に軽水を、下部２２に重水をそれぞ
れ封入している。本実施例では、減速能分布の調整によ
る出力分布の平坦化、及び下部領域の減速比の増大によ
る燃料経済性の向上に、第一の実施例と同様な効果が得
られる。

【００４６】このほか、上記の六つの実施例において、
軽水の領域をジルコニウムハイドライドのペレットを充
填した固体減速棒に置き換えた実施例も考えられる。こ
のような固体減速棒は、水ロッドと同等の減速能力をも
つので、上記の実施例と同様な効果が得られる。

【００４７】その他、本発明の燃料集合体を装荷した炉
心の実施例では、従来の燃料集合体を装荷した炉心と比
較して、炉停止余裕及び熱的余裕の確保，ボイド係数の
低減によりＭＯＸ燃料の装荷割合を高められる。

【００４８】上記の実施例では、燃料としてウランとプ
ルトニウムの混合酸化物を、炉心構造材としてジルカロ
イ及びステンレス鋼を使用したが、その他の燃料，構造
材を使用した場合にも本発明は適用できる。

【００４９】

【発明の効果】本発明の燃料集合体及び炉心によれば、
炉停止余裕及び熱的余裕を確保しつつＭＯＸ燃料の装荷
割合を増やして、ＭＯＸ燃料の大規模利用が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す燃料集合体の水平断面
図。

【図２】本発明の実施例を示す水ロッドの垂直断面図。

【図３】本発明の原理を示す炉心軸方向出力分布の特性
図。

【図４】本発明の原理を示すガドリニア反応度価値の特
性図。

【図５】本発明の実施例を示す燃料集合体の水平断面
図。

【図６】本発明の実施例を示す燃料集合体の垂直断面
図。

【図７】本発明の実施例を示す減速棒の垂直断面図。

【図８】本発明の実施例を示す減速棒の垂直断面図。

【図９】本発明の実施例を示す減速棒の垂直断面図。

【図１０】本発明の実施例を示す減速棒の垂直断面図。

【符号の説明】

１…燃料棒、２…水ロッド、１０…燃料集合体、２０…
被覆管、２１…減速棒上部領域（軽水）、２２…減速棒
下部領域（重水）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山肇男茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の減速材を含む領域と前記第一の減速
材よりも減速比が大きく減速能が小さい第二の減速材を
含む領域とからなることを特徴とする沸騰水型原子炉の
減速棒。
【請求項２】請求項１において、前記第一の減速材を含
む領域を上部に、前記第二の減速材を含む領域を下部に
設けた沸騰水型原子炉の減速棒。
【請求項３】請求項２において、前記第二の減速材を出
力運転状態で液体である物質とするとともにこれを前記
減速棒の下部に封入した沸騰水型原子炉の減速棒。
【請求項４】請求項１，２または３において、前記第二
の減速材を含む領域に可燃性毒物を添加した沸騰水型原
子炉の減速棒。
【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
第一の減速材を軽水とし、前記第二の減速材を重水とし
た沸騰水型原子炉の減速棒。
【請求項６】請求項１，２，３または４において、前記
第一の減速材を軽水とし、前記第二の減速材を炭素また
はベリリウム、あるいはその化合物とした沸騰水型原子
炉の減速棒。
【請求項７】請求項１，２，３または４において、前記
第一の減速材をジルコニウムハイドライド等の金属水素
化物とした沸騰水型原子炉の減速棒。
【請求項８】軽水よりも減速比が大きく減速能が小さい
減速材と可燃性毒物を含むことを特徴とする沸騰水型原
子炉の減速棒。
【請求項９】請求項１，２，３，４，５，６，７または
８において、核分裂性物質を含む燃料ペレットを被覆管
に充填した複数の燃料棒とからなる沸騰水型原子炉の燃
料集合体。
【請求項１０】第一の減速材を含む領域と前記第一の減
速材よりも減速比が大きく減速能が小さい第二の減速材
を含む領域とからなる減速棒と、核分裂性物質を含む燃
料ペレットを被覆管に充填した複数の燃料棒とからなる
燃料集合体において、前記減速棒の前記第二の減速材を
含む領域の周囲の燃料棒に可燃性毒物を添加したことを
特徴とする沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項１１】上部に第一の減速材を、下部に前記第一
の減速材よりも減速比が大きく減速能が小さい第二の減
速材を配置した減速棒と、核分裂性物質を含む燃料ペレ
ットを被覆管に充填した複数の燃料棒とからなる燃料集
合体において、前記減速棒下部または減速棒下部の周囲
の燃料棒に可燃性毒物を添加したことを特徴とする沸騰
水型原子炉の燃料集合体。
【請求項１２】請求項９，１０または１１において、前
記核分裂性物質の主成分をプルトニウムとした沸騰水型
原子炉の燃料集合体。
【請求項１３】請求項９，１０，１１または１２におい
て、前記燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉の炉心。