JPS6316292A - 原子炉燃料装荷方法 - 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） 本発朗は、ウラン燃料とウラン・プルトニウム混合酸化
物燃料（以下、ＭＯＸ燃料という）とを、炉心内に装荷
する原子炉の燃料装荷方法に関する。

（従来の技術） 一般に、軽水炉では天然ウランを濃縮した′ｍ縮ウラン
を燃料として使用している。そして、軽水炉の炉心は、
この濃縮ウラン等を内蔵した多数体の燃料集合体を装荷
して構成されており、一定期間の運転の復、燃焼が進み
反応度の低下した燃料集合体の一部が未燃焼の新燃料集
合体と交換される。この一定期間の運転と燃料交換とを
サイクリックに何度も行うため、炉心にｔよ炉心滞在１
１１１間の異なる燃料集合体が混在している。

第５図は、濃縮ウランを燃料とし１．：長尺な燃料集合
体２１の横断面を示している。この燃料集合体２１は、
数種類の濃縮度の異なる長尺な燃ｒ４棒２２．２２・・
・を、８ｘ８の正方格子状に束ね″（、長尺な角筒状の
チャンネルボックス２３内に内装し″Ｃ形成されている
。炉心内においては、制御棒２４によって燃料集合体２
１の燃焼度の調整が行なわれる。図中、各燃料棒２２内
に示した１〜５０番号およびＱの文字は、各燃料棒２２
のウランの濃縮度を示す。このＧを記した燃料棒は、燃
料中に可燃性毒物であるガドリニアが添加されている燃
料棒であることを示す。これらの各燃料棒２２の濃縮度
は、次の第１表の通りである。図中Ｗを記した２本の棒
はウォータロッドである。

第６図は炉心における代表的な燃料集合体２１の配置図
を示す。炉心は、４分１対称性を存しているため、４分
の１象現のみを示し、他は省略しである。第６図中の正
方格子ひとつが、燃料集合体２１の１体分に相当する。

同図中の番号は、その燃料集合体２１の炉心内滞在サイ
クル数を示している。すなわち、１は１　＋Ｊイクル滞
在、２は２サイクル滞在、・・・であることを示す。従
って、１の燃料集合体２１はこのサイクルにおける新燃
料であることを意味する。この例では燃料取替体数は１
６８体であり、図の４分１炉心には４２体の新燃料があ
る。

新燃料は、第６図に示すように、炉心内に一様に分布す
るよう配置するのが特徴である。これは、新燃料は、既
に炉心に数サイクル郡在した燃料に比べると反応度が大
きいため、新燃料同志を接近して配置すると熱的特性や
原子炉停止余裕特性が悪化するためである。なお、第６
図中■方向及びＪ方向に示す０１〜１３はそれぞれ炉心
内の番地を示す符号である。

（充用が解決しようとする問題点） ところで、軽水炉用の燃料の一部にＭ　ＯＸ燃料を使用
する場合には、ウランとプルトニウムの核的特性の違い
から以下に述べるような問題が生ずる。

実際には、このＭＯＸ燃料は、ＭＯＸ燃料を一部に合む
ＭＯＸ燃料集合体として炉心内に装荷されるものである
が、まず、ウラン燃料とＭＯＸ燃料の反応度特性の違い
を第７図に示す。第７図は反応度の指標である無限増倍
率特性を示したものであり、点線ｄがウラン燃料、実線
ｅがＭＯＸ燃料の無限増倍率である。このように、ＭＯ
×燃料の無限増倍率は、ウラン燃料に比べて相対的に燃
焼初期では小さく、燃焼後期では大きくなる特徴がある
。このため、新燃料としてのウラン燃料とＭＯＸ燃料と
では、ウラン燃料の方が反応度が高＜　Ｍ　ＯＸ燃料の
方が低くなる。従ってウラン燃料とＭＯＸ燃料との両方
を新燃料として使用する最初のサイクルにおいては、従
来ウラン燃料だけを使用していた場合に比べて、Ｍ　Ｏ
Ｘ燃料を使用したことにより反応度が低下する問題が生
ずる。

この反応度不足の補償は、燃料の交換割合を増加させて
、多数の新燃料を装荷することによって可能であるが、
燃料の交換割合の増加は、燃料経済上不利益となる。

また、燃料の交換割合を増加させない場合には、サイク
ル末期に反応度不足が生じ、所定の運転期間を達成でき
ないという不具合が生じる。

本発明はこれらの点を４１１１してなされたちのでＭＯ
Ｘ燃料を取替燃料の一部としてウラン燃料集合体と共に
炉心に装荷する場合において、ＭＯＸ燃料果合体反応ａ
損失を小さく抑えて燃料装荷を行なうことがぐき、しか
も燃料の取替割合を増加させる必要もなく、所定期間に
亘る良好な原子炉運転を行なうことのできる燃料装荷方
法を提供することを目的とする。

（発明の構成〕　　。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、多数の燃料集合体が装荷されている炉心内へ
、ウラン燃料集合体とウラン・プルトニラム混合酸化物
燃料集合体とを取替燃料として新たに装荷する燃料装荷
方法において、炉心を径方向に同心円状の中央領域と周
辺領域とに分け、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料
集合体の炉心単位体積当りの装荷率を、中央領域より周
辺領域の方で大きくなるようにして燃料集合体を装荷す
ることを特徴とする。

（作　用） 本発明においては、ウラン燃料とＭＯＸ燃料とを共に取
替燃料として炉心内に装荷する場合に、新規燃料同志で
はウラン燃料より反応度の小さいＭＯＸ燃料を、中性子
インボータンスの小さい炉心の周辺領域へ優先的に装荷
している。従って、炉心の周辺領域からの中性子の漏洩
を、周辺領域にウラン燃料を装荷した場合に比べて非常
に小さく抑えることができる。これにより、反応度損失
が極めて小さくなり、反応度損失を補う必要がなく、燃
料の取替割合を増加させなくて済む。従って、所定割合
に亘って確実に良好な原子炉運転を継続することができ
る。

（実り例） 以下、本発明の実施例を第１図から第４図について説明
する。

第１図”はＭＯＸ燃料の一例であるＭ　ＯＸ燃料集合体
２５の横断面図を示してい−Ｃる。

このＭ　ＯＸ燃料集合体２５のチャンネルボックス２７
内に内蔵されている各燃料棒２６，２６・・・のウラン
およびプルトニウムの組成は第２表に示す通りである。

第２表　ＭＯＸ燃料の組成 第２表中ｘｐｕｆは、プルトニウム同位体のうち、核分
裂性であるプルトニウムの全ウラン、全プルトニウムに
対する割合を示す。

このＭＯＸ燃料集合体２５は、６２本の燃料棒のうち、
種類５．６の２２本の燃料棒２６．２６・・・がプルト
ニウムを含むＭＯＸ燃料であり、アイランド型ＭＯＸ燃
料と呼ばれる。

このＭＯＸｊｌ！料集合体２５と、第５図に示したウラ
ン燃料のみを用いた燃料集合体２１との無限増倍率特性
（以下、ｋ　特性という）を比較して第４図に示す。第
４図において、実線ｆはアイランド型ＭＯＸ燃料のｋ　
特性であり、実１２　ｇはウラン燃料のｋ　特・性であ
る。

Ｌのｋ　は、燃料集合体の反応度を表わす指標であり、
燃焼の進行とともに、核分裂性同位体が減少するため単
調に減少する傾向を示す。しかし、燃焼初期には、過剰
な反応度を抑制するため、燃゛料にはバーナプルポイズ
ンであるＧｄが混入されており、初期のｋ　は小さく抑
えられている。第４図の点線ｆ、（ｌが、それぞれＧｄ
が装填されていない場合のｋｏｏを示しており、各曲線
の点線と実線の差は、Ｇｄによる反応度抑制効果に相当
する。曲線のピーク点がＧｄが燃え尽きる点であり、そ
れ以降は燃焼とともにｋ　は単調に減少する。

両者のｋ　特性を比較すると、ｋ　の燃焼に伴う変化率
は、ＭＯＸ燃料の方がウラン燃料に比べ小さい。一般に
、プルトニウム含有量の多い燃料はどｋ　の変化がゆる
やかになる。

ところで、このＭＯＸ燃料とウラン燃料とは、その燃料
が炉心に装荷されてから取出されるまでの寿命を通して
みると、平均的に反応度が同一である。すなわち、同一
の取出燃焼度が得られる。

第４図に示しである各燃料の曲線上の小円で囲んだ数値
１〜４は、それぞれの燃料からなる平衡炉心の→ノイク
ル末期において、各炉心滞在年数の異なる燃料の平均的
な燃焼度でのｋ　を示している。すなわち、数値１は１
サイクル炉心に滞在しまた燃料のｋ　１数値２は２サイ
クル炉心に滞在した燃料のｋ　１等々である。そして、
ごれらのｋｏｏに、そのｋｏｏに相当する燃料の体数を
掛けて、炉心平均のｋ　を算出すると、ＭＯＸ燃料が一
部に装荷されている炉心の場合もウラン燃料のみが装荷
されている炉心の場合も、ｋ　の平均値が同じとなる。

従って、両燃料は、寿命を通してみると反応度が同一で
あることが分かる。しかし１サイクル炉心に滞在した燃
料のｋ　はＭＯＸ燃料の方がウラン燃料より小さい。

次に第５図に示す燃料集合体２１と第１図に示すＭＯＸ
燃料集合体２５とを、第６図に示す燃料配置に基づいて
、炉心内へ装荷する本実施例の燃料装荷方法を説明する
。

第２図は、取替燃料１６８体のうち、約３０％の５２体
がＭＯＸ燃料集合体２５であり、残りの１１６体がウラ
ン燃料を用いた燃料集合体２１である場合を示している
。これらの新燃料は、第６図に示す数値１の記された位
置に装荷される。なお、分かり易くするため、本発明の
実施例を示す第２図および第３図では、数値１以外の数
値で示される燃料の表記は省略する。

第２図中のＯ印の位置がＭ　ＯＸ燃料集合体２５の装荷
位置であり、Ｘ印がウラン燃料を用いた通常の燃料集合
体２１の装荷位置である。また、太実線の境界面Ａ−Ａ
’が、本炉心を中央領域Ｉと周辺領域０とに区分する境
界面である。この境界面Ａ−Ａ’　は、炉心の中心から
炉心半径の約７／１０より外側に位置している。

本実施例においては、第２図に示すように、ＭＯＸ燃料
集合体２５の全部が、周辺領域Ｏに配置され、通常の燃
料集合体２１は中央領域Ｉに多数装荷されている。また
、周辺領域Ｏに装荷されたＭＯＸ燃料集合体２５と、通
常の燃料集合体２１との装荷位置は、ウラン燃料である
通常の燃料集合体２１の方が周辺領域Ｏの中でもより中
央領１ｆｆｌＩに近い位置に装荷され、逆に、ＭＯＸ燃
料集合体２５はより外側に装荷されている。

第３図は本発明の他の実施例による装荷方法を示す図で
ある。

この実施例は取替燃料１６８体のうち、約５０％の８０
体がＭＯＸ燃料集合体２５であり、残りの８８体がウラ
ン燃料である通常の燃料集合体２１の場合の燃料装荷方
法を示している。

本実施例においても、ＭＯＸ燃料集合体２５は、中央領
域Ｉと周辺領域Ｏとを区分する境界面Ｂ−Ｂ′を境にし
て、周辺領域０に多数装荷されており、他方の通常の燃
料集合体２１が中央領域Ｉに多数装荷されている。また
、周辺領域０に装荷される場所がなく、中央領域Ｉに装
荷されるＭＯＸ燃料集合体２５は、中央領域Ｉの中でも
、できるだけ周辺領域Ｏに近い位置に装荷されている。

本発明においては、これらの実施例に見られるように、
取替燃料として炉心内へ新規に装荷されるＭＯＸ燃料集
合体２５を炉心の周辺領域Ｏに優先的に装荷し、ウラン
燃料である通常の燃料集合体２１を炉心の中心領域Ｉに
装荷している。換言すると、ＭＯＸ燃料集合体２５の炉
心単位体積当りの装荷率を、炉心の中央領域Ｉより周辺
領域Ｏの方で大きくなるようにして燃料集合体２１゜２
５を装荷している。

次に、前記各実施例の作用を説明する。

本実施例においては燃料集合体２１とＭＯＸ燃料集合体
２５とを前述のようにして炉心内に装荷しているので、
次のようにして反応度損失の防止を図ることができる。

反応度損失を小さく抑えることができるのは、炉心の径
方向における中性子インボータンス分布と密接な関係が
ある。

一般に、炉心内のある位置における中性子インボータン
スとは、その位置に燃料を装荷した時に炉心全体に与え
る反応度寄与の大きさを表わす指標である。すなわち、
インボータンスの大きい位置に、反応度の高い燃料を装
荷するほど炉心の反応度は高くなり、逆にインボータン
スの小さい位置に高い反応度の燃料を装荷しても、炉心
の反応度を上げるのに効果がない。一方インボータンス
の大きい位置に、反応度の低い燃料を装荷するほど、炉
心の反応度低下への寄与が大きく、逆に、インボータン
スの小さい位置へ低い反応度の燃料を装荷しても炉心の
反応度低下への寄与は小さい。

さて、軽水炉における中性子インボータンスの径方向分
布は、炉心中央部で高く、炉心周辺部に向うにつれて小
さくなる。これは、炉心周辺部へ近づくにつれ、炉心外
への中性子漏れが大きくなるためである。

このため、インボータンスの大きい炉心中央部に反応度
の高い燃料を装荷することが炉心の反応度を効率良く高
めるための有効な手段であり、一方、インボータンスの
小さい炉心周辺部には反応度の低い燃料を装荷すること
が、反応度低下を最小限に抑えるための有効な手段であ
る。

このため本実施例では、新燃料同志の比較では反応度の
小さいＭＯＸｊｌＳＦｌを炉心の周辺領域Ｏに装荷し、
反応度の大きいウラン燃料を炉心の中央領域■に装荷し
ている。これによってＭＯＸ燃料装荷による反応度損失
を最小限に抑えることができる。また本実施例において
は、中央領域Ｉと周辺領域Ｏとの境界Ａ−Ａ’　、Ｂ−
Ｂ’を炉心の中心から炉心半径の７７１０と８７１０の
間に位置させている。

なぜなら、軽水炉におけるインボータンス分布は、前述
のように、中性子の漏れの大きい所で小さくなっている
。従って、炉心の径方向端から十分に離れている炉心中
央部では、中性子の径方向端からの漏れは少なく、ある
程度径方向端から内側へ入ると、中性子インボータンス
はほとんど一定となる。このインボータンスが一定とな
る境界は、炉心中心から炉心半径の約７７１０の位置に
相当する。そして、それより外側が、中性子の漏れが大
きくインボータンスが小さい領域となる。

従って、炉心半径の７／１０よりも内側の位置にこの境
界を設定しても意味がない。よって、実施例においては
、反応度の小さい新燃料のＭＯＸ燃料は、炉心半径の約
７／１０より外側の周辺領域０に装荷している。

一方この周辺領域Ｏでの新燃料の装荷位置は有限である
ので、この領域に装荷できないＭＯＸ燃料は中央領域Ｉ
に装荷せざるを得ない。このような場合、中央領域１は
インボータンス分布がほぼ一定であるので、ＭＯＸ燃料
の中央領域■での装荷位置を特定する必要はない。

また、周辺領域０に、新燃料のＭＯＸ燃料とウラン燃料
が共に装荷される場合には、その周辺領域Ｏ内において
も、より炉心外面に近い方にＭＯＸ燃料を装荷すること
が反応低下防止に効果がある。

なお、本発明の実施例の説明に当っては、ＭＯＸ燃料は
アイランド型ＭＯＸ燃料の場合を例にとったが、燃料棒
の全体にプルトニウム同位体を含んでいるディスクリ、
−ト型ＭＯＸ燃料を装荷する場合においても、本発明に
よる装荷方法が有効であることは言うまでもない。

本実施例の効果をまとめると次のようになる。

本実施例による燃料装荷方法は、ウラン燃料とＭ　ＯＸ
燃料とを取替燃料として炉心に装荷づるに際し、新燃料
同志ではウラン燃料より反応度の小さいＭＯＸ燃料を中
性子インボータンスの小さい炉心の周辺領域に装荷して
いるので、ＭＯＸ燃料装荷による反応度損失を抑ｔＩＩ
Ｊすることができる。

ＭＯＸ燃料を炉心全体へ一様に装荷するような、従来の
標準的な新燃料の装荷方式を採った場合に生ずる反応度
損失が本発明では発生しないので、反応度損失を補うた
めに燃料の取替割合を増やしたりする必要がない。また
、従来のように反応度不足が生じて、所定の運転期間を
運転できないような不具合も生じない。

〔発明の効果〕

このように本発明の燃料装荷方法によれば、ＭＯＸ！！
料を取谷懲料の一部としてウラン燃料集合体と共に炉心
に装荷する場合において、ＭＯＸ燃料集合体反応度損失
を小さく抑えて燃料装荷を行なうことができ、しかも燃
料の取替割合を増加させる必要もなく、所定期間に亘る
良好な原子炉運転を行なうことができる等の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭ　ＯＸ燃料を内蔵したＭＯＸ燃料集合体の断
面図、第２図および第３図はそれぞれ本発明の燃料装荷
方法によって装荷されている炉心の部分平面図、第４図
はウラン燃料とＭＯＸ燃料とのにω特性の比較図、第５
図はウラン燃料のみを内蔵した燃料集合体の断面図、第
６図は従来の燃料集合体の炉心配置図、第７図はウラン
燃料とＭＯＸ燃料のｋ　特性を比較した概念図である。 ２１・・・燃料集合体、２２．２６・・・燃料棒、２３
゜２７・・・チャンネルボックス、２４・・・制御棒、
２５・・・ＭＯＸ燃料集合体。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 茶　１　図 Ａ′ 第２　回 Ｂ′ 革　３　図 第　６　図 烙　７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数の燃料集合体が装荷されている炉心内へ、ウラ
   ン燃料集合体とウラン・プルトニウム混合酸化物燃料集
   合体とを取替燃料として新たに装荷する原子炉の燃料装
   荷方法において、前記炉心を径方向に同心円状の中央領
   域と周辺領域とに分け、前記ウラン・プルトニウム混合
   酸化物燃料集合体の炉心単位体積当りの装荷率を、前記
   中央領域より周辺領域の方で大きくなるようにして前記
   燃料集合体を装荷することを特徴とする燃料装荷方法。 ２、中央領域と周辺領域との境界が、炉心の中心より半
   径の約７／１０より外側にあることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の燃料装荷方法。