JPS636492A - 原子炉燃料集合体 - 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） 本発明は原子炉燃料集合体に係りとりわけプルトニウム
燃料を有するＭＯＸ燃料棒を備えた原子炉燃料集合体に
関する。

（従来の技術） 第１３図はプルトニウム燃料とウラン燃料の混合物より
なるＭＯＸペレットが封入された燃料棒（以下ｒＭＯＸ
燃料棒」と呼ぶ）を備えた燃料集合体の従来例である。

第１３図に示された燃料集合体４０は細長い円筒状燃料
棒４２が多数本結束された結束体の上部が上部タイブレ
ート４３により、下部が下部タイブレート４４によって
接続されている。この結束体はスペーサ４５によって燃
料棒４２間が等間隔に保持されている。前記結束体内に
は燃料棒４２の他に大径のウォータ・ロッド１本（図示
せず）が組込まれている。この結束体の外周はチャンネ
ルボックス４６で包囲され、このチャンネルボックス４
６は上部が上部タイブレート４３に、下部が下部タイブ
レート４４に接合されている。

第１４図は上記燃料集合体の断面図を示すもので、この
図において二重円は燃料棒を表わし、その中の符号７は
ウランペレットが封入されている燃料棒（以下「ウラン
燃料棒」と呼ぶ）であり、符号８はＭＯＸ燃料棒を示し
、また、Ｗはウォータロッド、ＣＲは制御棒を示す。

一般にＭＯＸ燃料棒を備えた燃料集合体は、ウラン燃料
棒のみにより構成される燃料集合体と比較して、中性子
スペクトルが硬くなる。この結果ＭＯＸ燃料棒入りの燃
料集合体を装荷した炉心では、ウラン燃料棒のみの燃料
集合体を装荷した炉心に比較し、反応度を制御するため
の制御棒および燃料内に含まれる可燃性毒物（ガドリニ
ア）の反応度価値が低下し、原子炉安全性の１つの指標
である炉停止余裕は低下する。

炉停止余裕を向上させるためには、燃料中の可燃性毒物
（ガドリニア）の含有但を増加させることが考えられる
が、この場合にはガドリニアの燃焼速度の遅い事と相ま
ってサイクル末期に可燃性毒物（ガドリニア）が燃え残
り反応度損失を生じることがある。また、ＭＯＸ燃料棒
は製造上の観点から可燃性毒物（ガドリニア）を含まな
い事が望まれている。その結果ウラン燃料棒に可燃性毒
物（ガドリニア）を含有させる事となり、ＭＯＸ燃料棒
自体に対する反応制御性を高めるという目的に対し、ウ
ラン燃料棒の改良という間接的な対応となってしまい、
非効率的な対応手段となっている。

一方、−般に沸騰水型原子炉の場合、原子炉出力運転時
の燃料上部ではボイド発生のため減速材と燃料の原子数
比が小さくなっている。また、ＭＯＸ燃料棒部分ではウ
ラン燃料棒部分と比較して中性子スペクトルが高速群側
に移動しているので、減速不十分な状態となり燃料棒上
部での出力は抑えられている。しかし、原子炉停止時に
は燃料棒上部にまで減速材の水があり、減速材と燃料の
原子数比が大きいので中性子スペクトルが出力運転時に
比較してより熱群側へ移動し、減速十分な状態となる。

このため、燃料棒上部の出力は抑えられず出力分布が大
きく上部に歪められてしまう。従ってとりわけ燃料棒上
部において原子炉停止時の出力抑制が求められている。

また、ボイド率が小さく出力ピークが出やすい燃料棒下
部においては線出力密度を抑えプラント利用率の向上と
燃料健全性の確保を図るため低出力の燃料を用いること
が求められている。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、
可燃性毒物設計の複雑化を伴わずにＭ　ＯＸ燃料集合体
の炉停止余裕向上を効果的に図ることができる原子炉燃
料集合体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、ウランペレットが封入されたウラン燃料棒と
、ＭＯＸペレットが封入されたＭＯＸ燃料棒とを、複数
本束ねて構成した原子炉燃料集合体であって、前記ウラ
ン燃料棒および前記ＭＯＸ燃料棒の全部または一部の燃
料棒の上端部が低濃縮ウランペレットで置き換えられて
いることを特徴としている。

（作　用） 本発明によれば、ウラン燃料棒およびＭＯＸ燃料棒の全
部または一部の燃料棒の上端部が低濃縮ウランペレット
で置き換えられているので、とりわけ燃料棒上部におい
て原、子炉停止時の出力抑制を図ることができ、炉停止
余裕を増加させることができる。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明による燃料集合体の第１の実施例を示す
断面図である。第１図においてチャンネル６内にウォー
タロッドＷ１ウランペレットが封入されたウラン燃料棒
７、ＭＯＸベレットが封入されたＭＯＸ燃料棒の、１０
が配置され燃料集合体１が構成されている。、ＭＯ×燃
料棒８，１０のうちＭＯＸ燃料棒のはＭＯＸペレットが
封入された通常のＭＯＸ燃料棒であるが、ＭＯＸ燃料棒
１０″は上端部が天然ウランペレットで置き換えられた
ものであり、ウォータロッドＷに面した対角を除く部分
に８本配置されている。

これら２種類のＭＯＸ燃料棒８，１０およびウラン燃料
棒７の構成は、それぞれ第２図、第３図および第４図に
示すようになつ゛ている。

すなわち、ＭＯＸ燃料棒のは燃料棒の燃料有効部の頂部
である境界■までＭＯＸペレット１１が封入され、それ
より上はブレナムスプリング１２の配置されたプレナム
部１３となっている。

ＭＯＸ燃料棒のｏは燃料有効部の頂部の境界工から燃料
有効部の下端までの約１７８となる境界■まで天然ウラ
ンペレット１４が封入され、境界■より下部はＭＯＸベ
レット１１が封入されている。

またウラン燃料棒７は下端から境界工まで濃縮ウランペ
レット１５が封入されている。

次にこのような構成からなる本実施例の作用について説
明する。

第５図および第６図に本実施例による原子炉燃料集合体
の諸特性を示す。

第５図は炉停止時の相対出力の軸方向分布を示すもので
、破線は従来の原子炉燃料集合体の場合、実線は本実施
例の原子炉燃料集合体１の場合である。本実施例の原子
炉燃料集合体１は、原子炉停止時に大きな出力が発生す
る燃料棒上端部に濃縮度の低い天然ウランペレット１４
が封入され、その部分の断面での核分裂性物質重量割合
が従来に比べて減少しているため、原子炉停止時の燃料
集合体１の反応度を減じることができる。

また、第６図は天然ウランペレット１４が封入された上
部領域での原子炉停止時の反応度と原子炉運転時の反応
度の差を示すもので、点線は従来の原子炉燃料集合体の
場合、実線は本実施例の原子炉燃料集合体１の場合であ
る。燃料集合体１で天然ウランを配することによる上部
領域での反応度減少効果は原子炉運転時よりも原子炉停
止時に対するものの方が大きくなる。また、天然ウラン
を上端部に配したＭＯＸ燃料棒１０の配置位置は、燃料
集合体１内のウォータロッドＷまわりであるので、燃料
集合体１中央部の中性子スペクトルが軟化する。このた
め、原子炉停止時の反応度と原子炉運転時の反応度との
差が小さくなり炉停止余裕を増加させることができる。

本実施例において、天然ウランを配した上部領域では核
分裂性物質の重量割合が減少するが０．この上部領域は
燃料有効部の１７８と軸方向上わずかであり、かつ原子
炉運転時には出力の小さい領域であるので原子炉運転時
の反応度を損うことはない。さらに、燃料集合体の内側
に天然ウランを配したＭＯＸ燃料棒１０を配置したため
、高出力の出る外周部に相対的に反応度の高い燃料棒が
配置されることになり、外周部のＵ−２３５が良く燃焼
し、燃焼効率を高めることができる。

次に本発明による原子炉燃料集合体の第２の実施例を説
明する。

第７図においてチャンネル６内にウォータロッドＷ、ウ
ラン燃料棒７、ＭＯＸ燃料棒の、１８が配置され燃料集
合体１６が構成されている。

〜ＩＯＸ燃料棒１８は第９図に示すように燃料棒の燃料
有効部の頂部の境界工から燃料有効部の下端までの約６
７２４となる境界■まで天然ウランペレット１４が封入
され、境界■より下部はＭＯＸベレット１１が封入され
ている。このＭＯＸ燃料棒の８はウォータロッドＷに面
した部分に４本配置されている。

また、第８図に第７図の燃料集合体１６の変更例を示す
。第８図の燃料集合体１７は燃料集合体１６に配された
４本のＭＯＸ燃料棒１８の配置位置を変更したものであ
る。

次にこのような燃料集合体１６．１７の諸特性を第１０
図に示す。

第１０図は燃料集合体１６．１７の燃料上部領域断面に
おける原子炉停止時の反応度と原子炉運転時の反応度の
差を示すものであり、破線は従来の燃料集合体の場合、
実線は燃料集合体１６の場合、−点鎖線は燃料集合体１
７の場合を示す。第１０図に示すように、燃料集合体１
６□１７とも従来の燃料集合体に比べて上部領域断面に
おける原子炉停止時の反応度と原子炉運転時の反応度差
は減少しているが、第６図に示した上記実施例はど減少
していない。しかしながら、燃料集合体１６．１７のＭ
ＯＸ燃料棒１８はＭＯＸ燃籾棒１０よりも広範囲の境界
■まで天然ウランペレット１４が封入されているので、
天然ウランペレット１４の封入による核分裂性物質の重
□□□割合の減少分を第６図に示した上記実施例と同程
度とすることができる。従って本実施例においても原子
炉停止時の上部領域の出力抑制を図ることができる。

なお上記第１および第２の実施例においては、燃料有効
部の頂部から１／８　、６／２４の所定範囲にウランペ
レット１４を配した例を示したが、燃料有効部の頂部か
ら２７２４〜６／２４の範囲であれば天然ウランペレッ
ト１４を配する範囲は適宜選択できる。

また天然ウランペレット１４を配したＭＯＸ燃料棒の本
数も適宜選択可能である。

次に第１１図および第１２図に本発明による原子炉燃料
集合体の第３および第４の実施例を示す。

第３および第４の実施例においては、燃料集合体の軸方
向断面における各燃料棒の濃度を示し説明する。

第１１図は原子炉燃料集合体の第３の実施例を示すもの
であり、軸方同各断面における燃料棒のウランの濃縮度
分布、プルトニウムの富化度分布、ガドリニアの分布を
示したものである。図に示すようにチャンネル６内に濃
縮度の異なるウラン燃料棒２１，２２．２３およびガド
リニア人ウラン燃料棒ＧおよびＭＯＸ燃料棒Ｐ１が配置
され燃料集合体２０が構成されている。なお第１１ｂ図
および第１１ｃ図中符号Ｗはウォータロッドである。

また、ウラン燃料棒のうち燃料有効部の上端から燃料有
効部の１／２４：での上端部２０Ｇおよび同じく下端か
ら燃料有効部の１／２４までの下端部２０Ｃは天然ウラ
ンペレットＮによって置き換えられている。

本実施例によればウラン燃料棒の上端部および下端部は
天然ウランペレットＮによって置き換えられているので
、燃料棒の上部において原子炉停止時の出力抑制を図る
ことができる。また燃料棒の下部においても中性子の洩
れを減らし、相対的に燃料利用率の高い中央部の濃縮度
を上げることができ、燃料経済性の向上を図ることがで
きる。

次に本発明による原子炉燃料集合体の第４の実施例を示
す。

第１２図は第１１図と同様燃料集合体の軸方同各断面に
おけるウランの濃縮度分布、プルトニウムの富化度分布
、ガドリニア濃度分布を示したものである。図に示すよ
うにチャンネル６内に濃縮度の異なるウラン燃料棒３１
．３２、ガドリニア人ウラン燃料棒Ｇおよび富化度の異
なるＭＯＸ燃料棒Ｐ、Ｐ、Ｐ３が配置され燃料集合体３
０が構成されている。なお第１２ｂ図、第１２Ｃ図、第
１２ｄ図、および第１２８図生得号Ｗはウォータロッド
である。

また、ウラン燃料棒３１．３２．Ｇ、については端部か
ら燃料有効部の１／２４までの範囲の上端部および下端
部３０Ｂが天然ウランペレットＮによって置き換えられ
ている。さらにまたウラン燃料棒のうち断面中央付近の
８本のウラン燃料棒（第１２Ｃ図の符号Ｎ）については
上端から４７２４の範囲３０８．３０Ｇまで天然ウラン
ペレットＮによって置き換えられている。

本実施例によればウラン燃料棒の上端部が天然ウランペ
レットによって置き換えられているので、燃料棒の上部
において原子炉停止時の出力抑制を図ることができる。

また燃料棒の下部においても、中性子の洩れを減らし相
対的に燃料利用率の高い中央部の濃縮度を上げることが
でき、燃料経済性の向上を図ることができる。また、ウ
ランの平均濃縮度を燃料の下半分（第１２ｄ図）から下
半分く第１２ｅ図）へ上昇させているので、冷態時に燃
料上部の未臨界度が浅くなる現象を抑えることができる
。

なお、上記各実施例において燃料棒の上端部または下端
部を天然ウランペレットで置き換えた例を示したが、天
然ウランペレットの代わりにウラン濃縮工程で３１生す
る濃縮度の低い劣化ウランペレットを用いてもよい。こ
の劣化ウランは現在はとんど未使用状態で保管されてい
ることから、資源の有効利用に役立てることができる。

（発明の効果〕 本発明によれば、ウラン燃料棒およびＭＯＸ燃料棒の水
部または一部の燃料棒の上端部が低濃縮ウランペレット
で置き換えられているので、とりわけ燃料棒上部におい
て原子炉停止時の出力抑制を図ることができ、炉停止余
裕を増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明による原子炉燃料集合体の第
１の実施例を示す図であり第１図はその断面図、第２図
は通常のＭＯＸ燃料棒を示す側断面図、第３図は境界■
までの上端部が天然ウランペレットで置き換えられたＭ
ＯＸ燃料棒の水す側断面図、第４図はウラン燃料棒を示
す側断面図、第５図は軸方向の相対出力分布を示す図、
第６図は原子炉停止時と原子炉運転時の反応度の斧を示
す図、第７図乃至第１０図は原子炉燃料集合体の第２の
実施例を示す図であり、第７図および第８図はその断面
図、第９図は境界■までの上端部が天然ウランペレット
で置き換えられたＭＯＸ燃料棒を示す側断面図、第１０
図は上部領域断面における原子炉停止時と原子炉運転時
の反応度の差を示す図、第１１ａ図は原子炉燃料集合体
の第３の実施例を示す側面図、第１１ｂ図は第１１８図
Ｂ−Ｂ線断面図、第１１ｃ図は第１１ａ図Ｃ−Ｃ線断面
図、第１１ｄ図は各燃料棒の濃度を示す図、第１２ａ図
は原子炉燃料集合体の第４の実施例を示す側面図、第１
２ｂ図は第１２ａ図Ｂ−Ｂ線断面図、第１２ｃ図は第１
２８図ｃ−ｃｍ断面図、第１２ｄ図は第１２８図Ｄ−Ｄ
Ｉ断面図、第１２ｅ図は第１２ａ図Ｅ−Ｅ線断面図、第
１２ｆ図は各燃料棒のｃＪ度を示す図、第１３図および
第１４図は従来の原子炉燃料集合体を示す図である。 １・・・原子炉燃料集合体、６・・・チャンネル、７・
・・ウラン燃料棒、８・・・ＭＯＸ燃料棒の水０・・・
上端部を天然ウランペレットで置き換えたＭＯＸ燃料棒
、１６．１７・・・原子炉燃料集合体、１８・・・上端
部を天然ウランペレットで置き換えたＭＯＸ燃料棒の水
０・・・原子炉燃料集合体、２１，２２．２３・・・ウ
ラン燃料棒、３０・・・原子炉燃料集合体、３１゜３２
・・・ウラン燃料棒、Ｇ・・・ガドリニア人ウラン燃料
棒、Ｐ、Ｐ、Ｐ３・・・ＭＯＸ燃料棒、Ｎ・・・天然ウ
ランペレット。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１図 第２図　　　第３図　　　第４図 第８図 第９図 第１０図 第１１ａ図 第１１ｂ図 第１１ｃ図 第１１ｄ図 第１２ａ図 第１２ｂ図 第１２ｃ図 第１２ｄ図 第１２ｅ図 第１２ｆ図 第１３図 第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ウランペレットが封入されたウラン燃料棒と、ＭＯ
   Ｘペレットが封入されたＭＯＸ燃料棒とを、複数本束ね
   て構成した原子炉燃料集合体において、前記ウラン燃料
   棒および前記ＭＯＸ燃料棒の全部または一部の燃料棒の
   上端部が低濃縮ウランペレットで置き換えられているこ
   とを特徴とする原子炉燃料集合体。 ２、ウラン燃料棒およびＭＯＸ燃料棒の全部または一部
   の燃料棒の下端部が低濃縮ウランペレットで置き換えら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の原子炉燃料集合体。 ３、低濃縮ウランペレットは天然ウランペレットである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の原子炉
   燃料集合体。 ４、低濃縮ウランペレットは劣化ウランペレットである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の原子炉
   燃料集合体。