JP3037717B2

JP3037717B2 - 原子炉の燃料集合体

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Publication number: JP3037717B2
Application number: JP2112719A
Authority: JP
Inventors: 徹山本; 赳清野; 律夫吉岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 2000-05-08
Anticipated expiration: 2015-05-08
Also published as: DE4113729C2; BE1006761A3; JPH049796A; DE4113729A1; US5377247A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はプルトニウムとウランの混合燃料（以下MOX
燃料という）を充てんした燃料棒（以下MOX燃料棒とい
う）を装荷した軽水型原子炉の燃料集合体（以下MOX燃
料集合体という）に関する。

（従来の技術と発明が解決しようとする課題）使用済燃料を再処理して得られるプルトニウム（Pu）
を軽水型原子炉の燃料として用いることにより、資源の
有効利用や原子力発電所の燃料経済性の向上をはかるこ
とができる。

プルトニウムを燃料として使用する場合、その核的特
性がウランと異なることから、ウラン燃料のみによるそ
の炉心と炉心特性において差が生じる。

プルトニウムとウランの核特性上の差は、（１）プルトニウムのうち核***性物質であるPu−239
やPu−241の熱中性子吸収断面積が、ウランのうち核分
裂性物質であるＵ−235のものより２倍程度大きい。

（２）プルトニウムのうちPu−240には共鳴領域（中性
子が共鳴吸収されるエネルギー領域）にかなり大きな中
性子吸収ピークがある。

などの理由から生じる。これにより、プルトニウムを燃
料として炉心に装荷した場合、（１）熱群の中性子束が減少し、共鳴領域や高速群の中
性子束が増加する（いわゆる、中性子スペクトルが硬化
する）。

（２）共鳴領域での中性子吸収が増加することから、減
速材密度係数（減速材密度の変化による炉心反応度の変
化で、沸騰水型原子炉（以下BWRという）ではボイド係
数（加圧水型原子炉では減速材温度係数で代表される）
の絶対値が大きくなる。

これによる炉心特性上の影響は（１）冷温時における炉心反応度が増加し、炉停止余裕
が減少する。この問題が生じる理由を第14図に模式的に
示す。

（２）可燃性毒物（例えばガドリニア（Gd₂O₃），ボロ
ン（Ｂ）など）や制御棒の反応度制御能力の減少により
炉停止余裕が減少する。

（３）特に炉心軸方向に減速材密度が大きく変化するBW
Rの場合、炉心軸方向出力分布の歪みがウラン燃料のみ
による炉心に比べ大きくなり、熱的余裕が減少する。こ
の理由を第15図に模式的に示す。

などである。

本発明は上記の点を考慮してなされたものであり、MO
X燃料集合体を装荷した炉心の熱的余裕や炉停止余裕な
どの炉心性能上の問題を解決し、かつ炉心反応度の増加
等による燃料経済性を向上でき、また資源の有効活用の
図れるMOX燃料集合体を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は上記の目的を達成するための手段として、（１）燃料集合体を構成する燃料棒の核***性物質や可
燃性毒物の濃度を燃料棒軸方向に分布させる。

（２）燃料集合体の減速材が占有する領域と燃料が占め
る領域の面積の比（以下水対燃料比という）を増加させ
る。

（３）可燃性毒物燃料棒の集合体当たりの本数及び可燃
性毒物の濃度を最適化する。

（４）プルトニウムと混合するウランの多様化を採用する。

これらの概要を以下に述べる。

1.燃料集合体軸方向分布 MOX燃料集合体の軸方向分布の基本的な考え方を以下
に示す。

（１）核***性物質炉心反応度の向上の観点から、集合体上端あるいは下
端あるいは両端の核***性物質（Ｕ−235、Pu−239、Pu
−241等）の濃度を低くし、その分、集合体中央領域で
の核***性物質の濃度を高める。これにより、熱中性子
束が高い炉心中央部での熱中性子利用率が高まり、炉心
全体として熱中性子利用率が向上する。

また、炉停止余裕向上の観点から、集合体上部での核
***性物質の濃度を中央部に比べ低める場合がある。軽
水型原子炉では炉心軸方向上部の減速材密度が下部に比
べ低いことから、燃焼度が進んだ炉心では炉心上部のPu
の蓄積が大きくなる。このため冷温時での軸方向出力分
布は上部ピークとなる。この特性から、炉心上部の反応
度を予め低くしておくことで冷温時の炉心反応度を減少
し、よって炉停止余裕を向上させることができる。

また、炉心軸方向に減速材密度の変化が特に大きいBW
Rの炉心の場合、減速材密度の高い炉心下部で反応度が
高まり、軸方向出力分布が炉心下部で歪み、熱的余裕が
小さくなるので、本発明では炉心下部の核***性物質の
濃度を集合体中央より低める場合がある。これにより炉
心下部の出力の歪みを押え熱的余裕を大きくすることが
できる。

以上述べた核***性物質の濃度の軸方向分布のさせ方
は、全てそれぞれ独立に効果を発揮するものであるか
ら、かならずしも全てを組合わせる必要はなく、その一
部だけ採用するものでも良い。また、上記の考え方によ
る軸方向の分布の概念を第16図に示すものよりさらに細
分化したものでも良い。

（２）可燃性毒物炉心反応度向上の観点から、集合体上下端の可燃性毒
物の濃度を中央部に比べ低めるか、あるいは零にする。
また、集合体上部の可燃性毒物の濃度を中央部に比べて
低める場合がある。

炉心上下端は、もともと中性子束が低く可燃性毒物の
燃焼が進まない。したがって、可燃性毒物の濃度を、予
め集合体上下端で可燃性毒物の濃度を低めておけば、炉
心のサイクル末期において可燃性毒物が燃え残って炉心
の反応度を減少させる量（反応度損失量）を低めること
ができる。また、炉心軸方向上部の減速材密度が下部に
比べ低いことから、熱中性子束が比較的小さい。軽水炉
で使用される可燃性毒物は主に熱中性子吸収体であるこ
とから、炉心軸方向上部では可燃性毒物の燃焼が進みに
くい。したがって、予め集合体上部の可燃性毒物の濃度
を低めておくことで可燃性毒物による反応度損失量を低
めることができる。

また、「（１）核***性物質」で述べた、炉心下部の
出力の歪みを押え熱的余裕を大きくするための手段とし
て、集合体下部の可燃性毒物の濃度を中央部に比べ高め
る場合がある。あるいは、可燃性毒物を混入した燃料棒
本数を多くしておいたり、これを濃度を高めることと組
合せる場合がある。これらの手段は、炉心下部の反応度
を下げ、炉心下部の出力の歪みを押えるのに効果があ
る。

また、「（１）核***性物質」で述べた炉停止余裕を
向上する手段として、集合体上部において可燃性毒物を
混入した燃料棒本数を多くしておく場合がある。これに
より、冷温時の炉心反応度を下げ、炉停止余裕を向上さ
せることができる。

上記の考え方による軸方向の分布の概念を第17図に示
す。

2.水対燃料比従来のBWR燃料では燃料集合体当たり２本程度までの
ウォータロッドを設け、そこに沸騰しない水がながれる
ようにしていた。MOX燃料を従来の燃料に装荷した場
合、例えば集合体中の約50％をMOX燃料棒とした場合、
減速材密度係数が約20％大きくなる。これは先に述べた
ようにウランとプルトニウムの核特性の差によるもので
ある。

また、出力運転時と冷温時の反応度差は、減速材密度
係数の絶対値の増加に比例して大きくなる。出力運転時
の炉心実効増倍率は1.0近傍である（炉心反応度＝０の
臨界状態）ため、減速材密度係数の絶対値の増加は冷温
時の炉心反応度の増加を生じることになり、炉停止余裕
が小さくなる（第14図参照）。

さらに、プルトニウム燃料を装荷した場合、先に述べ
たように熱中性子束が減少するため、熱中性子の強吸収
材である可燃性毒物や制御棒の中性子吸収材の効果が減
少し、炉停止余裕が小さくなる。

これを解決する手段として、燃料集合体中の燃料棒を
ウォータロッドで置き換える割合を大きくし、そしてウ
ォータロッドには沸騰しない水が流れるようにする。こ
れにより水対燃料比を従来燃料より大きくし、前記の問
題点を解消する。第18図にBWRの８×８格子を例に取
り、ウォータロッドにより置換する燃料棒の本数割合と
ボイド反応度係数の絶対値の関係を示す。第18図におい
て、ウォータロッドにより置換された燃料棒本数、及び
全燃料棒領域に占める割合は、ウラン燃料２本 /64本＝3.125％ MOX燃料４本（以上）/64本＝6.25％（以上）となっている。ウォータロッドにより置換される燃料棒
本数に２本以上の差があると燃料棒間の領域を含めてウ
ォータロッドの断面積を有効に大きくとることができ
る。

本発明では、複数の燃料棒をウォータロッドで置き換
えてなり、このウォータロッドで置き換えられた領域が
全燃料棒領域に占める割合は、６％以上であるととも
に、燃料集合体と混在して炉心内に装荷されるプルトニ
ウムを含まないウラン燃料集合体より３％以上、即ち燃
料棒換算で２本分以上大きく設定されている。

すなわち、第18図において、プルトニウム燃料におい
ても全燃料棒の６％以上の燃料棒をウォータロッドで置
き換えれば、約20％ボイド反応度係数絶対値を小さくす
ることができ、集合体中の燃料棒を約50％MOX燃料棒と
した場合でも、ボイド反応度係数を従来燃料でウラン燃
料棒のみの燃料集合体の場合と同程度とすることがで
き、炉停止余裕を十分確保することができる。

プルトニウム燃料は、炉心に1/4ないし1/3程度の割合
でウラン燃料と混在して装荷することが計画されている
が、第18図に示す関係から、同時に装荷されるウラン燃
料集合体よりも少なくとも２本以上大きい燃料棒の領域
をウォータロッドで置き換えれば、プルトニウム燃料の
装荷による炉停止余裕の悪化を防ぐことができる。

以上、BWRの例を中心に述べたが、加圧水型原子炉の
燃料集合体であっても基本的に同じである。この場合は
特に燃料棒を除くことでも効果が得られる。

3.可燃性毒物の量について前記のようにMOX燃料集合体を装荷した炉心では、ウ
ラン燃料集合体のみを装荷した炉心に比べ、中性子スペ
クトルの差により、主に熱中性子の強吸収体である可燃
性毒物の効果が小さくなる一方、可燃性毒物の燃焼速度
が小さくなる。第19図にガドリニアを可燃性毒物として
ウラン燃料棒に混入した場合で、ガドリニアの濃度及び
ガドリニアを混入した燃料棒の本数が同じMOX燃料とウ
ラン燃料の無限増倍率の燃焼変化を示す。この図でＡ及
びＡ′は燃焼初期におけるガドリニアの反応度効果で主
にガドリニア入り燃料棒の本数に依存する。Ｂ及びＢ′
はガドリニアの反応度効果の持続期間である。図の比較
で分るようにMOX燃料ではサイクル初期での反応度効果
が小さく、反応度の効果の持続期間が長い。したがっ
て、ウラン燃料と同一のガドリニア入り燃料棒の本数の
燃料では、燃焼初期の燃料の反応度が高くなり、炉停止
余裕を満足しなくなる、可能性がある。また、出力運転
時においてMOX燃料の出力が高く熱的余裕が確保できな
い可能性がある。一方、MOX燃料でガドリニアの濃度を
ウラン燃料と同一とした場合、ガドリニアが燃え残り、
反応度損失が生じ経済性が悪くなる。

以上により、本発明ではMOX燃料ではウラン燃料より
ガドリニア入り燃料棒の本数を増加しかつ濃度を下げ
る。ガドリニア入り燃料棒の本数と濃度はMOX燃料の反
応度に依存するが、本発明のMOX燃料はウラン燃料集合
体の平均濃縮度3wt％から4wt％相当のものである。この
場合のガドリニア入り燃料棒に関する最適なパラメータ
は、集合体中に含まれるMOX燃料棒の本数の割合に依存
する。第20A図に、MOX燃料棒の本数割合に対する最適な
ガドリニア燃料棒の割合の関係を示す。また、第20B図
にガドリニア燃料棒の最適なガドリニア濃度を示す。本
発明では、MOX燃料棒の集合体中に含まれる燃料棒に占
める割合が0.2〜0.5の時、ガドリニアを軸方向に80％以
上混入した燃料棒の本数の割合は、燃料集合体中の全燃
料棒本数の0.15〜0.23とし、また、MOX燃料棒の割合が
0.5〜0.8の時、ガドリニアを含む燃料棒は0.2〜0.25で
ある。また、ガドリニアの濃度は1.5〜4.0wt％とする。
この様にした本発明の燃料集合体の無限増倍率を第21図
に示す。これにより、第21図に示すようにMOX入り燃料
の反応度特性をウラン燃料と同等にすることができ、炉
停止余裕や熱的余裕を十分確保できる。

4.プルトニウムと混合するウランの多様化プルトニウムを混合するウランは通常天然ウランであ
る。本発明では天然ウランを節約するため、ウラン濃縮
時に出るＵ−235の濃度0.2〜0.3wt％の劣化ウランまた
は使用済燃料を再処理して得られる回収ウランを使用す
る。また、これらを混合したウランを使用する場合もあ
る。また、これらを天然ウランと混合したものを使用す
る場合もある。

これによりMOX燃料に使用する天然ウランを節約する
ことができる。

また、MOX燃料棒はウラン燃料棒よりFPガスの放出率
が高いことから、燃料棒の内圧が高くなる可能性があ
る。そこで本発明ではMOX燃料棒のプレナム部（燃料棒
内で燃料ペレットが充填されていない空間部）の長さを
ウラン燃焼棒より長くする場合がある。これによりMOX
燃料棒の内圧をウラン燃料棒と同等にすることができ
る。

（実施例）本発明による燃料集合体の一実施例を第１図及び第２
図に基づいて以下に説明する。

本実施例の燃料集合体18は、BWR炉心用の取替燃料の
例であり、燃料棒19及びチャンネルボックス20、ウォー
タロッド10及び図示されていないが、下部タイプレー
ト、上部タイプレート及びスペーサからなっている。燃
料棒19及びウォータロッド10の上下端部は、下部タイプ
レート及び上部タイプレートにて保持される。スペーサ
は、燃料棒19の軸方向に幾つか配置され、燃料棒19及び
ウォータロッド相互間の間隙を適切な状態に保持してい
る。チャンネルボックス20は、上部タイプレートに取付
けられ、スペーサで保持された燃料棒19の束の外周を取
り囲んでいる。チャンネルファスナが、上部タイプレー
トに取付けられている。第１図において、符号21は制御
棒である。

燃料棒19は、図示されていないが下部端栓及び上部端
栓にて両端を密封された被覆管内に多数の燃料ペレット
を装荷したものである。燃料ペレットは、燃料物質の酸
化物を焼結したものであり、核***性物質を含んでい
る。スプリングが被覆管内のガスプレナム内に配置さ
れ、燃料ペレットを下方に押圧している。

ウォータロッド10は燃料棒19と同じ被覆管を用いてい
るが、燃料物質を装荷せず、被覆管の上部及び下部の側
面に孔（図示せず）を設け、内部を沸騰しない冷却材が
通過するようになっている。

BWR炉心は、燃料集合体４体に１体の割合で十字型の
制御棒21が挿入されている。この炉心には、挿入される
制御棒に面する燃料集合体の側壁側に形成された水ギャ
ップの幅が、その反対側にあって制御棒に面しない燃料
集合体の側壁側に形成された水ギャップの幅よりも広く
なっている炉心（Ｄ格子炉心）と、制御棒に面する燃料
集合体の側壁側に形成された水ギャップの幅が、その反
対側にあって制御棒に面しない燃料集合体の側壁側に形
成された水ギャップの幅と等しい炉心（Ｃ格子炉心）と
がある。

本実施例の燃料集合体18は、Ｄ格子炉心に装荷される
燃料集合体である。燃料集合体18を構成する燃料棒19
は、第２図及び第１表に示すように燃料棒11〜18の８種
類のものがある。これらの燃料棒11〜18が、第１図のよ
うにチャンネルボックス20内で燃料集合体横断面に配置
されている。第２図及び第１表の下端は燃料棒中の燃料
物質充填領域（以下、燃料有効部という）の下端で24/2
4が同じく、上端を意味する。

燃料棒11〜15はMOX燃料棒であり、燃料棒11には天然
ウラン（Ｕ−235、0.71wt％）にプルトニウムを8.0wt％
の割合で混合している。同様に12,13,14,15には天然ウ
ランにプルトニウムをそれぞれ6.5wt％、5.0wt％、2.3w
t％、1.0wt％混合している。

燃料棒16,17,18は可燃性毒物を混入した燃料棒であ
る。これらの燃料棒の上端、下端にはそれぞれ、燃料物
質充填領域の長さ（燃料有効長）の1/24の長さの天然ウ
ランを充填している。燃料棒16には燃料有効部1/24〜10
/24の間（以下下部という）にはＵ−235の濃縮度3.8wt
％のウランにガドリニアを3.0wt％混入した燃料を充填
している。10/24〜20/24の間（以下中央部という）には
濃縮度4.8wt％のウランにガドリニアを2.0wt％混入した
燃料を、さらに、20/24〜23/24の間（以下上部という）
には、濃縮度3.8wt％のウランにガドリニアを1.0wt％混
入した燃料を充填している。同様に、燃料棒17には、同
様な領域分けで、下部は濃縮度3.8wt％のウランにガド
リニアを2.0wt％、中央部は濃縮度4.8wt％のウランにガ
ドリニアを2.0wt％、上部は濃縮度3.8wt％のウランにガ
ドリニアを1.0wt％混入した燃料を充填している。ま
た、燃料棒18には、同様な領域分けで、それぞれ下部は
濃縮度3.8wt％のウランにガドリニアを3.0wt％、中央部
は濃縮度3.8wt％のウランにガドリニアを2.0wt％、上部
は濃縮度3.8wt％のウランにガドリニアを1.0wt％混入し
た燃料を充填している。

本実施例ではプルトニウムを混入しない燃料棒のみに
核***性物質及び可燃性毒物の分布を設けている。これ
は、MOX燃料の製造においてこれらの分布を持たせるこ
とが難しいことを配慮したものである。

また本実施例では、第１図に示すように燃料棒４本の
領域を占有するように大口径のウォータロッドを燃料集
合体中央に配置している。

本実施例で、燃料棒16,17,18の上下端1/24ずつを天然
ウランとしたのは、「1.燃料集合体軸方向分布、（１）
核***性物質」で述べたように、炉心全体の熱中性子利
用率を高めるためである。

本実施例では、燃料棒11〜15のMOX燃料棒について
は、MOX燃料棒の製造コストの観点から、軸方向に分布
がないものとしたが、第２表に示すように、MOX燃料棒
の上下端を天然ウランのみとしプルトニウムを混入せ
ず、その分1/24〜23/24までのプルトニウムを増加させ
る変形例も考えられる。このようにすれば1/24〜23/24
までのプルトニウムの量が約１割増加し、熱中性子利用
率がさらに向上する。

これらの実施例では、集合体上端・下端の核***性物
質の濃度を低める領域（以下ブランケット部という）の
長さは1/24ノードづつとしたが、この長さを増減させる
ことも考えられる。ブランケットを長くすれば、その分
集合体中央部の核***性物質の濃度が増加する一方、軸
方向の出力ピーキングが中央部で高くなり、熱的余裕が
小さくなる。したがって、ブラケットの長さは熱的余裕
との関係で決める必要があるが、炉心として熱的余裕が
大きい場合は、上端のブランケット長さを1/24とするこ
とも考えられる。

第22図に示すように上下端の天然ウランブラケットの
領域を増加させれば炉心の反応度が向上し、燃料経済性
が向上する一方、軸方向のピーキングが増加し熱的余裕
が減少する。また、軸方向ピーキングの増加に対する経
済性の向上の割合は、ブランケットの領域を増加するに
つれて小さくなる。これより標準的なBWR炉心の場合、
上端のブランケット長は1/24〜2/24、下端は1/24程度が
熱的余裕との関係から適当である。

第３図、第４図、第３表および第４表に燃料棒上端の
ブランケット部の長さを2/24とした場合の変形例を示
す。

本実施例の燃料集合体18は、Ｃ格子炉心に装荷される
燃料集合体である。燃料棒31〜34及び37はMOX燃料棒で
ある。燃料棒37は他の燃料棒と異なり燃料有効長が短い
燃料棒である。燃料棒35と36は可燃性毒物を混入した燃
料棒である。

また、ブランケット部は天然ウランとする他、再処理
回収ウランや劣化ウランとすることも考えられる。この
実施例を第５表、第６表に示す。この実施例は第１図、
第２図、第１表で示すものの変形例であり燃料の配置は
第１図と同じである。このブランケットの効果は天然ウ
ランによるものと同様である。

以上の例では、燃料棒16,17,18の上端のブランケット
部の下の領域20/24〜23/24のＵ−235濃縮度をその中央
部より下に位置する下部の領域1/24〜10/24と同じ濃縮度
とした。これは「1.燃料集合体軸方向分布、（１）核分
裂性物質」で述べたように炉停止余裕を向上させること
を目的としたが、この効果をさらに高めるためにこの領
域の濃縮度をさらに下げることやこの領域の長さを増や
すことも考えられる。この実施例を第７表及び第８表に
示す。燃料の配置は第１図と同じである。

また、炉停止余裕が十分余裕のあるプラントではこの
領域を中央部と同じ濃縮度とすることができる。その実
施例を第９表に示す。この実施例は第１図、第２図、第
１表で示すものの変形例であり、燃料の配置は第１図と
同じである。

以上の例では、燃料棒16,17,18,35,36の下部24〜24の
濃縮度を中央部1/24〜10/24より下げている。これは
「1.燃料集合体軸方向分布、（１）核燃料物質」で述べ
たように、炉心軸方向出力分布が炉心下部に歪むのを解
消し、熱的余裕を増加させるためである。この効果を第
23図に示す。下部と中央部の境界は、8/24〜14/24程度
であればこの効果は同程度である。また、熱的余裕が十
分ある場合はこの境界を設ける必要がないので、第10表
にその変形例を示す。燃料棒の配置は第１図と同じであ
る。この例では燃料棒16,17,18の下部と中央部の濃縮度
は同じで4.3wt％である。

以上の例では、核***性物質の分布を燃料棒16,17,1
8,35,36,37のウラン燃料棒に設けたが、これを一部また
は全部をMOX燃料棒に設けることにより同様の効果を期
待することができる。この例を第11表に示す。燃料棒の
配置は第１図に示すものと同じである。

本実施例では燃料棒12は下端から10/24までは天然ウ
ランに対するプルトニウムの混入量を6.3wt％、10/24〜
20/24まで同じく6.8wt％、20/24〜上端まで6.3wt％とし
ている。燃料棒16,17,18の濃縮度の分布は下端から1/2
4、上端から1/24までは天然ウラン、1/24〜23/24は4.3w
t％としている。可燃性毒物の分布は第１図及び第２
図、第１表に示すものと同じである。燃料棒12により燃
料集合体各断面の反応度は第１図、第２図、第１表と同
等となり前記と同様の効果を生じる。

次に可燃性毒物の分布であるが、第１図、第２図、第
１表に示すように燃料棒16,17,18では下端０〜1/24、上
端23/24〜24/24は可燃性毒物がなし、20/24〜23/24では
中央部及び下部に比べて濃度を低くしている。これは「1.燃料集合体軸
方向分布、（２）可燃性毒物」に述べたように可燃性毒
物の燃え残りを減少させ、反応度損失を低減することを
目的としている。

また、燃料棒16,18,35,36の下部1/24〜10/24は中央部
10/24〜20/24にに比べ可燃性毒物の濃度を1wt％大きく
している。これは「1.燃料集合体軸方向分布、（２）可
燃性毒物」て述べたように、炉心下部の出力の歪みを押
さえることが目的である。第２図の実施例で、燃料棒16
と18は、可燃性毒物の分布は同じであるが濃縮度の分布
が異なる。これは燃料棒18が水ギャップの大きい側に近
く、出力が高くなり易いため、濃縮度を低くして、出力
が高くならないようにしている。同一燃料棒内で可燃性
毒物の濃度が異なる領域がある場合、その境界では可燃
性毒物の濃度の差を１％以上とすることが製造上好まし
いが、炉心下部の出力の歪みを押える観点からは0.5％
程度が適当であるので、燃料棒の種類を16,17,18と３種
類として、平均的に0.5％程度となるようにしている。

以上の実施例では、可燃性毒物はウラン燃料棒に混入
しているが、MOX燃料棒に混入することも考えられる。
この実施例を第５図、第６図、第12表に示す。第５図で
ウォータロッド10は燃料棒９本分を占有するウォータロ
ッドである。

第６図で燃料棒45は上端と下端の1/24が天然ウラン、
1/24〜12/24が天然ウラランにプルトニウムを5.3wt％及
び可燃性毒物であるガドリニアを3.0wt％混入した燃
料、12/24〜23/24が天然ウランにプルトニウムを5.3wt
％及びガドリニアを2.0wt％混入している。燃料棒46は
上端と下端の1/24が天然ウラン、1/24〜12/24が天然ウ
ランにプルトニウムを5.3wt％及びガドリニアを3.0wt
％、12/24〜23/24が天然ウランにプルトニウムを5.3wt
％混入している。

さらに第７図、第８図、第13表及び第９図、第10図、
第14表に可燃性毒物をMOX燃料棒に混入した別の実施例
を示す。前者は可燃性毒物を混入した燃料棒と、ブラン
ケット部を除く領域でプルトニウムの混入量に分布を持
たせた燃料棒を別にした例、後者は、可燃性毒物を混入
した燃料棒の一部にプルトニウム混入量に分布をつけた
例である。

以上、述べた実施例では従来燃料より水対燃料比を改
善するようにしている。例えば第１図の実施例では燃料
棒４本分の領域であり約６％の燃料棒をウォータロッド
に置き換えている。同じく第３図では約９％、第５図で
は約11％となっている。「2.水対燃料比」で述べたよう
に、本発明の実施例によりMOX燃料を炉心に装荷するこ
とによる炉停止余裕の悪化を抑えることができる。

次に、可燃性毒物を混入した燃料棒の本数について
は、BWRの従来の取替燃料では７〜９本であり、全燃料
棒中の割合は約15％以下である。一方第１図に示す本発
明の例では、MOX燃料棒の本数は46本であり、全燃料棒
中の約77％を占め、可燃性毒物燃料棒の本数は14本で約
23％となっている。また、第３図の実施例では、MOX燃
料棒の本数は58本で全燃料棒中の約76％を占め、可燃性
毒物燃料棒の本数は18本で約24％となっている。第５図
の実施例ではMOX燃料棒の割合は100％で、可燃性毒物燃
料棒の本数は約25％である。第６図の実施例ではMOX燃
料棒の割合は100％で、可燃性毒物燃料棒の本数は約24
％である。

また、ガドリニアの濃度は１〜3.5wt％である。以上
述べた可燃性毒物の混入量の最適化により、反応度特性
をウラン燃料と同等とすることができ、炉停止余裕や、
熱的余裕を十分確保できる。

以上述べて来た実施例では、プルトニウムを混入する
ウランは天然ウランであった。以下では、天然ウランの
代りに劣化ウランや回収ウランを使用する実施例を述べ
る。第15表では劣化ウラン（Ｕ−235濃度0.25wt％）に
プルトニウムを混合した実施例で燃料棒の配置は第１図
と同一である。燃料棒11〜15でプルトニウムの濃度が約
0.4wt％増加されているが、これはＵ−235の濃度が0.71
wt％から0.25wt％に減少したのを、プルトニウムの濃度
を増加させることで反応度的に補償するためである。

本実施例によれば天然ウランを節約できる。また集合
体当りのプルトニウムを増加でき、MOX燃料集合体の全
体量を減らすことができることから、輸送のため必要な
コストを低減できるメリットがある。

次に第16表では回収ウラン（本実施例ではＵ−235の
濃縮度0.8wt％）を使用する実施例を示す。この例ではM
OX燃料及びウラン燃料棒のブランケット部及びMOX燃料
棒のプルトニウム混入領域に回収ウランを使用してい
る。これにより天然ウランを節約でき、経済的に有利で
ある。

これらの例ではプルトニウムを混入するウランはすべ
て劣化ウランか回収ウランにしたが、一部だけとしても
効果は同じである。

以上述べてきた実施例では一部の例を除き、MOX燃料
棒の燃料棒プレナム部の長さはウラン燃料棒と同一とし
た。

なお、第１図および第２図に示した実施例の変形例と
して第17表に示すように、MOX燃料棒の長部の燃料プレ
ナム部をウラン燃料棒より1/48だけ長くすることもでき
る。この場合には、燃料プレナム部を上部に1/48だけ長
くしているため燃料有効長はウラン燃料棒より1/48だけ
短くなる。これにより、燃焼が進んだ時点での燃料棒内
圧をウラン燃料と同等とすることができ、燃料の健全性
を確保することができる。

上記の場合には燃料棒の上部の燃料プレナム部を長く
したが、燃料下部のプレナム部を長くすることによって
も同様の効果を期待できる。

また、燃料プレナム部を長くすればそれだけ燃料棒内
圧を減少させることができるが、燃料有効長が短くな
る。これは炉心に装荷する燃料の量が小さくなることに
なり、燃料経済性を低下する。また、熱的余裕も小さく
なる傾向がある。これらのバランスを考えるとMOX燃料
棒の燃料プレナム部を長くする量はウラン燃料の有効長
の1/24程度までが適当である。

以上はBWRの実施例を説明したが、加圧水型原子炉（P
WR）の燃料集合体についての実施例を第11図、第12図、
第18表に示す。

この実施例の燃料集合体18はPWR炉心用の取替燃料の
例であり、燃料棒19、計装用案内シンブル78、制御棒案
内シンブル79及びウォータロッド10及び図示されていな
いが下部ノズル、上部ノズル、支持格子からなってい
る。燃料集合体18は24本の制御棒案内シンブル79と１本
の計装用案内シンブル78とそれに接合した９個の支持格
子によって支持骨格を形成し、燃料棒19及びウォータロ
ッド10を挿入している。制御棒案内シンブル79と計装用
案内シンブル78は上部ノズル及び下部ノズルに固定して
いる。第11図には燃料集合体の1/4について燃料棒の配
置を示しており、対称軸（一点鎖線）に対して鏡面対称
となっている。燃料棒71,72,73,74の軸方向分布は第12
図、第17表に示している。なお、第11図は燃料棒72,73,
74の配置位置について示しており、符号のついていない
燃料棒位置71が配置される。さらに、第11図ではジルカ
ロイ管でできたウォータロッドを設けており、管の上下
端は燃料棒と同じであるが、上下に穴をあけており、冷
却材が流れるようにしている。第13図はその変形例で、
ウォータロッドを設けず単に燃料棒を除いた構造として
いる。これらの実施例は前記したと同様の効果をもつ。
燃料棒74は可燃性毒物としてガドリニアを混入してお
り、上下端はガドリニアの濃度を零としている。これに
より、上下端でのガドリニアの燃え残りを減らしてい
る。また、第12図の例では上下端を天然ウランのブラン
ケットとし、集合体の反応の向上を図っている。燃料棒
の本数を減らすかまたはウォータロッドで置き換えてい
るので、水対燃料比を改善することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、MOX燃料を炉心に装荷することによ
る炉心性能の悪化を解消するとともに燃料の経済性の向
上及び資源の有効活用を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はBWRに適用する本発明の好適な一実施例である
燃料集合体の横断面図、第２図は第１図に示す燃料集合
体を構成する燃料棒の濃縮度、プルトニウム濃度及びガ
ドリニア分布を示す説明図、第３図、第５図、第７図お
よび第９図は本発明の他の実施例である燃料集合体を示
す横断面図、第４図は第３図の燃料集合体を構成する燃
料棒の、第６図は第５図の燃料集合体を構成する燃料棒
の、第８図は第７図の燃料集合体を構成する燃料棒の、
第10図は第９図の燃料集合体を構成する燃料棒のそれぞ
れ濃縮度、プルトニウム濃度及びガドリニア分布を示す
説明図、第11図はPWRに適用する本発明の好適な一実施
例である燃料集合体の横断面図、第12図は第11図に示す
燃料集合体を構成する燃料棒の濃縮度、プルトニウム濃
度及びガドリニア分布を示す説明図、第13図は第11図に
示した実施例の変形例を示す横断面図、第14図及び第15
図はMOX燃料装荷による炉心特性悪化の理由の説明図、
第16図及び第17図は本発明の燃料集合体の濃縮度及びガ
ドリニア分布の概念を示す説明図、第18図はBWRにおけ
るウォータロッドによる置換燃料棒本数割合とボイド反
応度係数の絶対値の関係を示す説明図、第19図はMOX燃
料とウラン燃料の無限増倍率の燃焼変化を示す模式図、
第20A図はMOX燃料集合体のガドリニア入燃料棒の最適パ
ラメータの説明図、第20B図はガドリニア燃料棒の最適
なガドリニア濃度を示す説明図、第21図はMOX燃料とウ
ラン燃料の無限増倍率の燃焼変化を示す模式図、第22図
は天然ウランブランケットの軸方向長さに対する出力ピ
ークの増加率と燃料経済性改善効果との関係を示す特性
図、第23図は集合体中央部と下部に濃縮度差を設ける効
果の説明図である。 18,22,40,50,52,54……燃料集合体、19……燃料棒、10
……ウォータロッド、20……チャンネルボックス、21…
…制御棒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ２１Ｃ 5/18 Ｇ２１Ｃ 3/32 Ｅ (56)参考文献特開平１−250794（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−169595（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−108294（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/30 - 3/32 G21C 3/62 G21C 5/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ウラン・プルトニウム混合燃料を充填した
燃料棒を一部または全部に装荷し、燃料棒の少なくとも
一部についてＵ−235の濃縮度またはプルトニウムの濃
度あるいはその両方を軸方向に分布させてなる原子炉の
燃料集合体において、全燃料棒領域の６％以上を占める
複数の燃料棒をウォータロッドで置き換えてなり、かつ
前記の燃料集合体と混在して炉心内に装荷されるプルト
ニウムを含まないウラン燃料集合体におけるよりもウォ
ータロッド領域が燃料棒２本分以上大きく設定され、さ
らに、前記ウォータロッド内には沸騰しない水が流れる
ようにするか、または前記ウォータロッドで置き換えら
れた領域は燃料棒が配置されず水の流路とされているこ
とを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】燃料棒の少なくとも一部について可燃性毒
物の濃度を軸方向に分布させたことを特徴とする請求項
１記載の燃料集合体。
【請求項３】ウラン・プルトニウム混合燃料を充填した
燃料棒を一部または全部に装荷し、燃料棒の少なくとも
一部について可燃性毒物の濃度を軸方向に分布させてな
る原子炉の燃料集合体において、全燃料棒領域の６％以
上を占める複数の燃料棒をウォータロッドで置き換えて
なり、かつ前記の燃料集合体と混在して炉心内に装荷さ
れるプルトニウムを含まないウラン燃料集合体における
よりもウォータロッド領域が燃料棒２本分以上大きく設
定され、さらに、前記ウォータロッド内には沸騰しない
水が流れるようにするか、または前記ウォータロッドで
置き換えられた領域は燃料棒が配置されず水の流路とさ
れていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】ウラン・プルトニウム混合燃料を充填した
燃料棒を一部または全部に装荷し、燃料棒の少なくとも
一部についてＵ−235の濃縮度またはプルトニウムの濃
度あるいはその両方を軸方向に分布させてなる原子炉の
燃料集合体において、前記燃料集合体中の可燃性毒物を
混入した燃料棒の本数の全燃料棒本数に対する割合は、
MOX燃料棒の全燃料棒の本数に対する割合が0.2〜0.5の
時0.15〜0.22、0.5〜0.8の時0.18〜0.25、0.8〜1.0の時
0.2〜0.3であり軸方向の80％以上の可燃性毒物濃度は1.
0〜4.0wt％であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】燃料集合体中の可燃性毒物を混入した燃料
棒の本数の全燃料棒本数に対する割合は、MOX燃料棒の
全燃料棒の本数に対する割合が0.2〜0.5の時0.15〜0.2
2、0.5〜0.8の時0.18〜0.25、0.8〜1.0の時0.2〜0.3で
あり軸方向の80％以上の可燃性毒物濃度は1.0〜4.0wt％
である請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料集
合体。
【請求項６】濃縮Ｕ−235を含有する燃料棒では、燃料
有効長に対して1/24ないし2/24の長さを有する上端およ
び下端は、天然ウラン、再処理回収ウラン、劣化ウラン
のなかから選択される少なくとも１種から構成され、か
つ前記上端および下端を除く軸方向領域は上部領域、中
央部領域、下部領域の３つに分かれ、前記上部領域およ
び前記下部領域は前記中央部領域に比べてＵ−235の濃
縮度が小さく設定されるとともに、前記上部領域は前記
下部領域に比べて可燃性毒物の重量率が小さく設定され
ることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に
記載の燃料集合体。
【請求項７】前記上部領域の可燃性毒物の重量率は前記
中央部領域の可燃性毒物の重量率以下であり、かつ前記
中央部領域の可燃性毒物の重量率は前記下部領域の可燃
性毒物の重量率以下であることを特徴とする請求項６記
載の原子炉の燃料集合体。