JP2886555B2

JP2886555B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体

Info

Publication number: JP2886555B2
Application number: JP1177020A
Authority: JP
Inventors: 光一桜田; 赳清野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-07-11
Filing date: 1989-07-11
Publication date: 1999-04-26
Anticipated expiration: 2014-04-26
Also published as: JPH03128482A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は沸騰水型原子炉（BWR）に用いる燃料集合体
のうち、特にプルトニウムを富化した燃料棒を有する燃
料集合体に関する。

（従来の技術）資源の有効利用やエネルギーセキュリティなどの観点
から、使用済燃料の再処理により回収されたプルトニウ
ムを軽水炉で燃料として用いるプルサーマルが行われる
予定である。

プルトニウムはα線の放出強度が強く、人体への内部
被曝を防止する必要がある。また崩壊や自発核***によ
って中性子やγ線を放出する。このためプルトニウムを
含む燃料の製造や加工は、ウラン燃料の場合に比べて密
閉された状態で行なわれなければならない。また遮蔽設
備がより多く必要であること、除染や保守管理に厳重な
注意が必要なことなど、設備や工程に関して多くの配慮
をしなければならない。したがってプルトニウムを含む
燃料ペレットおよび燃料棒の製作に関しては、富化度な
どの異なるものを多種類製造することは経済的に著しく
不利となる。

また、プルトニウムを含む燃料集合体は輸送、計量管
理、臨界管理に厳しい条件が課せられるので、燃料集合
体一体当りに含まれるプルトニウムの割合をできるだけ
大きくしてプルトニウムを含む燃料集合体の数を減らす
ことが望まれる。

以上の観点からプルサーマルとして利用される燃料集
合体では、すべての燃料棒にプルトニウムを富化したい
わゆる『ディスクリート型MOX燃料』が有利であり、こ
の型の燃料集合体を用いる計画が考えられている。この
例を第６図および第７図に示す。これらの図はディスク
リート型MOX燃料の燃料棒ごとのプルトニウム富化度分
布（径方向）を示したもので、図中１はチャンネルボッ
クス、２は燃料棒であり、また燃料棒２に囲まれて配置
されたＷはウォータロッドである。Pi（ｉ＝１〜6,i＝
１〜９）はプルトニウム入り燃料棒であり、これらの核
***性プルトニウム富化度は次のようになっている。ま
たＧは可燃性毒物入り燃料棒であり、そのウラン濃縮度
およびポイズン濃度は次のようになっている。

第６図の場合 P₁:6.5％,P₂:5.0％， P₃:3.6％,P₄:3.3％， P₅:2.4％,P₆:1.3％， G:²³⁵U濃縮度4.9％，ポイズン濃度2.0％第７図の場合 P₁:5.5％,P₂:4.8％， P₃:4.5％,P₄:3.8％， P₅:3.3％,P₆:2.2％， P₇:1.8％,P₈:1.2％， P₉:0.7％， G:²³⁵U濃縮度4.9％，ポイズン濃度1.5％ BWRでは、燃料集合体を第８図に示すように多数配置
して炉心を構成する。第８図において３は燃料集合体、
４はLPRM（出力領域検出器）,5はIRM（中間領域検出
器）,6はSRM（中性子源領域検出器）,7は制御棒であ
る。

燃料集合体の間には十字型制御棒あるいは計装管を配
置するために一定の幅を持つ水ギャップ領域がある。現
在のBWRでは、制御棒の挿入される水ギャップの幅と計
装管の配備される水ギャップの幅とが同一であるプラン
ト（Ｃ格子型と呼ぶ）と水ギャップの幅が異なるプラン
ト（Ｄ格子型と呼ぶ）の二種類がある。第６図に示すデ
ィスクリートMOX燃料集合体はＣ格子型のプラントに用
いるものであり、第７図に示す燃料集合体はＤ格子型の
プラントに用いるものである。

チャンネルボックス内の冷却材は運転時には蒸気を含
んだ二層流となるが、水ギャップ領域では冷却材は燃料
棒に直接加熱されないため蒸気は発生しない。このた
め、水ギャップ領域における水素の原子数密度が大き
く、これによりBWRの燃料集合体の水平断面における径
方向の熱中性子束分布は、第９図に示されるように集合
体の周辺部で大きくなる。BWRの燃料集合体では集合体
内径方向の出力ピーキング係数を小さくするために、第
６図及び第７図にも示される様に集合体の周辺には濃縮
度あるいは富化度の低い燃料棒を配置する設計が採用さ
れている。このため、ディスクリート型MOX燃料集合体
ではPu富化度が低い燃料棒を数種類用いる必要があり、
これらの燃料棒は使用する本数も少なく、製造上経済的
ではない。

また、BWRでは燃焼初期の余剰反応度を小さくするた
めに、可燃性毒物として燃料にガドリニア（Gd₂O₃）を
混入させた燃料棒を集合体内に装荷している。ガドリニ
アは少量で反応度に対する影響が極めて大きいので、ガ
ドリニアを混入させた燃料棒は通常の燃料棒とは別なラ
インで製造し、検査など含めて厳重に区別する必要があ
る。このため、プルトニウムを含む燃料にガドリニアを
混入させる場合には、別なプルトニウム燃料製造ライン
を設ける必要があり、経済的に不利である。

また、BWRに用いる燃料集合体は軸方向の出力分布を
平坦化するために、燃料濃縮度あるいは可燃性毒物の量
を軸方向に変えた設計を採用している。軸方向に燃料濃
縮度あるいはバーナブルポイズンの量を変えた燃料集合
体を製造する場合には燃料ペレットの種類が多くなる。
したがって、十分な軸方向変化を持つディスクリート型
MOX燃料集合体を製造する場合にはMOX燃料ペレットの種
類がさらに多くなり、製造上経済的ではない。

（発明が解決しようとする課題）本発明は上記情況に対拠してなされたもので、ディス
クリート型MOX燃料集合体において、プルトニウムを含
む燃料ペレットの種類数を少なくすることによって製造
上での経済性を高め且つ取扱上も有利なものとすること
を目的とするものである。

［発明の構成］（課題を解決するための手段および作用）すなわち本発明はプルトニウムを富化した燃料棒を正
方格子状に束ねた沸騰水型原子炉用燃料集合体におい
て、正方格子状の燃料棒配置の最外周位置および２周目
のコーナー位置からなる領域の燃料棒の一部をプルトニ
ウムを含まない燃料棒に替え、そのうち少なくとも制御
棒挿入側の最外周のコーナー位置の燃料棒は必ずプルト
ニウムを含まない燃料棒であるが、最外周において一列
すべてがプルトニウムを含まない燃料棒からなることは
ないことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体に関
する。

正方格子状の燃料棒配置の最外周位置および２周目の
コーナー位置は、第６図および第７図からも明らかなよ
うに、従来プルトニウム富化度の低い燃料棒が多数種使
われている。したがってこの領域のうちの一部をプルト
ニウムを含まないウラン燃料棒とすることによって、燃
料集合体当りのプルトニウム装荷量の低下を最小限にと
どめながらMOX燃料の種類を減らすことができる。

なお、上記の燃料集合体において、可燃性毒物を混入
する燃料棒にはプルトニウムを含まないウラン燃料を用
いることにより、MOX燃料の製造ラインを少なくして製
造コストを低減することができ、さらにプルトニウムを
含む燃料棒には軸方向の濃縮度分布を生じさせないよう
にすることによって、MOX燃料ペレットの種類数の増加
を防ぐことができる。

（実施例）本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図はBWRのＣ格子プラントに用いる本発明による
プルサーマル用燃料集合体の一例である。この実施例で
は、第６図に示す従来のディスクリート型MOX燃料集合
体に比べて、集合体コーナー近傍にある20本の燃料棒を
ウラン燃料棒としている。

図中U_j（ｊ＝１〜３）はウラン燃料,P_i（ｉ＝１〜
３）はプルトニウムを含んだ燃料である。プルトニウム
の富化度およびウラン濃縮度は次のとおりである。

核***性プルトニウム富化度 P₁:6.2％ P₂:5.0％ P₃:3.6％²³⁵ U濃縮度 U₁:3.5％ U₂:2.8％ U₃:2.0％またＧは可燃性毒物入り燃料棒で、²³⁵U濃縮度4.5
％，ポイズン濃度2.0％である。

この20本の燃料棒は、従来のディスクリート型MOX燃
料集合体においては富化度の最も低いものであり、中央
部にある燃料棒に比べて半分以下の富化度となってい
る。このため、これらの位置の燃料棒をウラン燃料棒と
することは、燃料集合体当りのプルトニウム装荷量の低
下を最も小さくすることができる。

第２図（ａ）および（ｂ）はそれぞれBWRのＤ格子プ
ラントに用いる本発明によるプルサーマル用燃料集合体
の一例である。（ａ）の実施例では、第７図に示すディ
スクリート型MOX燃料集合体に比べて、集合体コーナー
近傍にある10本の燃料棒をウラン燃料棒としており、
（ｂ）の実施例では２周目のコーナー位置にさらに１本
ウラン燃料棒を増やしている。これらの場合には制御棒
の入る側の水ギャップの幅と計装管が入る側の水ギャッ
プの幅が異なるため、ウラン燃料棒の配置も制御棒側と
計装管側で非対称としている。

第２図（ａ）および（ｂ）における核***性プルトニ
ウム富化度およびウラン濃縮度は次のとおりである。

P₁:5.5％ P₂:4.8％ P₃:4.5％ P₄:3.4％ P₅:2.7％ P₆:1.9％ U₁:3.8％ U₂:2.8％ U₃:2.0％また可燃性毒物入り燃料棒Ｇはウラン濃縮度4.5％，
ポイズン濃度2.0％である。

第１図および第２図（ａ）および（ｂ）に示す本発明
の実施例では、可燃性毒物を混入した燃料棒として、プ
ルトニウムを含む燃料を用いることとプルトニウムを含
まないウラン燃料を用いることができる。プルトニウム
燃料の製造のコストを低下させる上では、ウラン燃料を
ベースとして用いることが有利である。これによって燃
料集合体当りのプルトニウム装荷量が低下するので、プ
ルトニウム装荷量の大きいことが重視される場合には、
プルトニウムを含む燃料にバーナブルポイズンを混入さ
せることも考えられる。

第３図は本発明の別な実施例であり、燃料棒を９行９
列に束ねた燃料集合体（９×９燃料）について本発明の
工夫を加えたものである。そのプルトニウム富化度およ
びウラン濃縮度は次のとおりである。

核***性プルトニウム富化度 P₁:6.2％ P₂:5.0％ P₃:3.6％²³⁵ U濃縮度 U₁:3.5％ U₂:2.0％可燃性毒物入り燃料棒Ｇの²³⁵U濃縮度4.5％，ポイズ
ン濃度2.0％である。

第４図（ａ）（ｂ）および第５図（ａ）（ｂ）に示す
燃料集合体の構成は、軸方向の組成に関しての本発明の
実施例である。第４図および第５図のいずれも、（ａ）
は径方向の燃料配置、（ｂ）は軸方向の燃料配置を示し
ている。

これらの実施例は、BWR燃料に適切な軸方向の核***
性物質（濃縮度及び富化度）あるいは可燃性毒物量の分
布を、本発明によって導入されたウラン燃料棒および可
燃性毒物を含むウラン燃料棒によって構成したものであ
る。第４図に示す実施例は軸方向に二領域で濃縮度およ
び可燃性毒物量を変化させたもので、第10図に示すウラ
ン燃料集合体の設計に対応するものである。第10図に示
すウラン燃料集合体の設計と比べて、軸方向の組成を分
布させた燃料棒の本数が十分なものであり、BWR燃料に
適切な軸方向分布が達成できる。第５図に示す実施例は
軸方向に三領域で濃縮度および可燃性毒物量を変化さ
せ、さらに上下端に天然ウランブラケットを配置したも
のである。

第４図および第５図の各Pu富化度およびＵ濃縮度は次
のとおりである。

第４図核***性Pu富化度 P₁:6.2％ P₂:5.0％ P₃:3.6％²³⁵ U濃縮度 e₁:4.0％ e₂:3.0％ e₃:3.5％ e₄:2.3％ e₅:2.6％ e₆:1.8％可燃性毒物入り燃料棒Ｇの²³⁵U濃縮度 e_g1:4.1％ e_g2:4.9％可燃性毒物入り燃料棒Ｇのポイズン濃度 g₁:3.5％ g₂:4.5％第５図核***性Pu富化度 P₁:6.2％ P₂:5.0％ P₃:3.6％²³⁵ U濃縮度 e₁:4.2％ e₂:3.9％ e₃:3.4％ e₄:3.9％ e₅:3.4％ e₆:2.5％ e₇:3.4％可燃性毒物入り燃料棒Ｇの²³⁵U濃縮度 e_g1:2.8％ e_g2:3.0％ e_g3:2.8％可燃性毒物入り燃料棒Ｇのポイズン濃度 g₁:3.5％ g₂:4.5％ g₃:2.5％［発明の効果］上記から明らかなように、本発明によれば、従来のす
べての燃料棒にプルトニウムを富化したいわゆるディス
クリート型MOX燃料において、本来Pu富化度の低かった
外側の所定の領域の燃料棒をプルトニウムを含まないウ
ラン燃料棒に替えることによって、燃料集合体当りのプ
ルトニウムの装荷量の低減割合をできるだけ小さくして
プルトニウム燃料棒の種類と本数を減らし、プルトニウ
ム燃料棒製造の経済的な負担および工程上の負担を減少
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の実施例を示す燃料棒配置
図、第４図（ａ）（ｂ）および第５図（ａ）（ｂ）は本
発明において軸方向分布した場合の実施例を示す燃料棒
配置図、第６図および第７図は従来のディスクリート型
MOX燃料の燃料配置図、第８図は従来のBWR炉心内の燃料
集合体および制御棒の配置図、第９図は従来の燃料集合
体の水平断面における熱中性子束分布を示す図である。１……チャンネルボックス２……燃料棒３……燃料集合体４……LPRM（出力領域検出器）５……IRM（中間領域検出器）６……SRM（中性子源領域検出器）７……制御棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21C 3/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の燃料棒を正方格子状に束ねた沸騰水
型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、プルトニウム及び可燃性毒物を含まない第１の燃料棒
と、可燃性毒物を含みかつプルトニウムを含まない第２の燃
料棒と、プルトニウムを富化した第３の燃料棒とからなり、前記第１の燃料棒はウラン濃縮度の異なる少なくとも２
つの種類からなり、正方格子状の燃料棒配置の最外周の各列には少なくとも
１本の前記第３の燃料棒を配置するとともに、少なくとも制御棒挿入側の最外周のコーナー位置及びこ
のコーナー位置に隣接する最外周位置には前記第１の燃
料棒を配置し、かつ前記コーナー位置に配置された第１
の燃料棒のウラン濃縮度を前記コーナー位置に隣接する
最外周位置に配置される第１の燃料棒のウラン濃縮度よ
りも低く設定することを特徴とする沸騰水型原子炉用燃
料集合体。
【請求項２】軸方向反応度分布を可燃性毒物の量あるい
はウラン濃縮度によって与えることを特徴とする請求項
１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。