JP3419997B2 - 燃料集合体と該燃料集合体用のチャンネルボックスの製造方法 - Google Patents

燃料集合体と該燃料集合体用のチャンネルボックスの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子力プラント用
の燃料集合体に関し、特に、出力ピーキングを抑制して
核熱的制約を軽減することで、核燃料の経済性を向上さ
せる燃料集合体に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、原子炉では、ウラン235に代表
される核***性物質を燃料棒内に封入して燃焼させるこ
とによって、その燃焼エネルギーを取り出して利用して
いる。前記燃料棒中に封入される核燃料物質は、一般
に、天然ウランを濃縮して得られる濃縮ウランが用いら
れている。該濃縮ウランは、二酸化ウラン焼結の状態で
燃料ペレットに成型・焼結され、正方格子形状に配列さ
れた燃料被覆管の中に収めて利用される。
【0003】一方、近年、ウラン資源の有効利用という
観点から、軽水炉から取り出された使用済みウラン燃料
中のプルトニウムを、再び、軽水炉へリサイクルするプ
ルサーマル計画が進められている。これは、ウラン燃料
集合体中のウラン燃料棒の一部あるいは大部分をプルト
ニウムを富化した混合酸化物(MixedOxide)燃
料棒で置き換えたMOX燃料集合体を燃料として軽水炉
に装荷して使用するものである。
【0004】この時、前記MOX燃料体の特性は、ウラ
ン燃料に近い方が望ましい。また、ウラン燃料の設計
は、高燃焼度化の方向にあり、これに伴いMOX燃料設
計も高富化度化、即ち、1体当たりのプルトニウム装荷
量をできるだけ大きくすることが望ましい。しかし、M
OX燃料集合体において、プルトニウムの装荷割合を増
加させた場合、ウランとプルトニウムの核特性の違いに
より、炉心特性上、ウラン炉心との差異を生じる。即
ち、核***性物質であるPu-239、Pu-241の熱中性子吸収
断面積が、U-235より大きいことや、Pu-240による中性
子共鳴吸収が大きいことなどによって、MOX燃料の中
性子束スペクトルがウラン燃料の中性子スペクトルより
も硬くなり、中性子減速効果が低下してしまう。
【0005】原子炉においては、一定の運転期間の運転
が可能になるようにあらかじめ炉心は余剰反応度を有す
る設計としている。この余剰反応度を抑制するために
は、通常、燃料棒内部に、ガドリニアに代表される可燃
性毒物(BP)を混入する設計としている。MOXを用い
た原子炉炉心においても、燃料自身に可燃性毒物を混入
した燃料棒を複数本利用することによって、余剰反応度
の抑制に供している。
【0006】一般に、中性子吸収断面積は、中性子エネ
ルギーに対して1/v依存性を有しており、エネルギーの
低い中性子ほどよく吸収される傾向がある。そのために
可燃性毒物の中性子吸収量は、中性子エネルギースペク
トルが柔らかい、つまり、熱中性子の多い体系ほど多く
なる。従って、可燃性毒物の反応度抑制効果は、MOX
を用いた原子炉炉心においては小さくなり、ウラン炉心
と同等の反応度抑制効果を得ようとすれば、可燃性毒物
を混入した燃料棒の使用本数を増加させねばならない。
このことに対する対応としては、特開昭60-146185号に
示される技術の採用が考えられている。これは、燃料集
合体内部において、水ギャップに近い燃料集合体外周部
分が熱中性子量が多く、中性子スペクトルが柔らかいこ
とに着目し、この領域にガドリニア入り燃料棒を配置す
ることで、ガドリニアの反応度価値を高めて、使用する
ガドリニア本数を減少し、燃料集合体のプルトニウムイ
ンベントリの増加、及び、使用ペレット種類の低減を図
るものである。
【0007】しかしながら、この方法では、燃料集合体
内部の燃料内に存在する可燃性毒物を全くなくすること
はできず、プルトニウムインベントリを減少するという
観点からは、不十分であるとの問題があった。前記問題
に対しては、特開昭55-129790号及び特開昭59-72087号
に示される技術による対応が考えられている。後者の技
術は、燃料集合体の燃料チャンネルボックス外周に反応
度制御部材を着脱自在に取付けることにより、燃料ペレ
ットに可燃性毒物を添加したり、ウラン濃縮度の調節を
不要にすることができるというものである。この場合の
反応度制御部材は、不錆鋼、ジルコニウム合金などの中
性子吸収材、ガドリニウム、銀、インジウム、ホウ素、
カドミウム、ハフニウム等の可燃性毒物を単体または化
合物の形で不錆鋼中に分散もしくはそのまま不錆鋼で被
覆したもの、ベリリウム等の反射材を不錆鋼で被覆した
もの等の他、前途の中性子毒物、反射材、天然・劣化ウ
ランなどを不錆鋼でサンドイッチ状に挟み圧延するCo-e
xtrusion加工を施したものが使用される。
【0008】また、前記問題に対して、特開平6ー342091
号に示された技術が提案されている。該技術は、チャン
ネルボックスの中央に配置される減速材棒を外管と内管
の二重管とし、該内外管の間に可燃性毒物を充填したも
のである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記特開昭
59-72087号の技術では、チャンネルボックスと反応度制
御部材との間に隙間が生じ、隙間腐食やガルバニック腐
食が生じやすくなる。さらに、反応度制御部材が直接炉
水に接してしまうために、反応度制御部材自体の腐食も
問題になる。
【0010】また、前述したように、原子炉燃料には、
初期の余剰反応度を抑制するために可燃性毒物が混入し
ている。ウランとプルトニウムの吸収断面積の中性子エ
ネルギーに対する依存性を比較すると、第22図に示す
ように、プルトニウムの方が中性子吸収が多い。このた
めにプルトニウムを軽水炉で用いる場合には、制御棒材
質や可燃性毒物といった反応度抑制物質が吸収する熱中
性子量が減少し、MOX燃料集合体を装荷した炉心で
は、制御棒価値、可燃性毒物の反応度価値が低下し、そ
のためにMOX燃料集合体を装荷した炉心では、使用す
る可燃性毒物を含んだ燃料棒の本数を多くする必要が生
じていた。
【0011】このことは、燃料集合体の1体当たりのプ
ルトニウムインベントリが減少する事を意味し、同量の
プルトニウムを消費するために製造する燃料集合体数が
増加する結果となる。これは、燃料製造費、燃料輸送費
の上昇を招く。また、原子炉燃料は、その健全性を維持
するために、局所ピーキング係数を燃料寿命中にわたっ
て適切な値を保ち、熱的な運転制限値を守るように設計
しなければならない。一般に、沸騰水型原子炉燃料で
は、燃料集合体の外周部、つまり水ギャップに近いとこ
ろでは、熱中性子束が相対的に高くなり、外周部の燃料
棒の出力が高くなる傾向がある。そのために燃料集合体
外周部に配置された燃料棒の局所ピーキング係数を低く
抑えるべく、ペレットの濃縮度・富化度種類を増やして
設計する必要が生じている。前記特開平6ー342091号に示
された技術では、チャンネルボックスの中央に可燃性毒
物が配置されていることから、前記問題の対処としては
十分でないと云える。
【0012】MOX燃料の製造に当たっては、燃料ペレ
ットの成形加工を完全密封容器内で行うために、プルト
ニウム富化度を変える際のグローブボックスの洗浄は、
ウランの場合に比べると時間がかかり、製造時の稼働率
低下が大きい。そのため、富化度種類が増えれば、クリ
ーンアップ回数が増加し、燃料成形加工費の上昇につな
がるという問題点があった。
【0013】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的とするところは、プルトニウ
ムを混入した燃料集合体(MOX燃料集合体)における燃
料棒内部に中性子吸収材、又は、可燃性毒物を混入する
ことなく、余剰反応度を適切に抑制することができる原
子炉用の燃料集合体のチャンネルボックスを提供するこ
とである。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成すべく、
本発明に係る燃料集合体は、ウラン又はプルトニウムを
含有する原子燃料棒を複数本配列した燃料棒束と、該燃
料棒束を囲むチャンネルボックスとを備え、前記チャン
ネルボックスが可燃性毒物を配備し、該可燃性毒物が直
接炉水に接することのないように埋設されるか、もしく
は、前記可燃性毒物が直接炉水に接することのないよう
に前記可燃性毒物より耐食性を有する金属でコーテング
されることを特徴としている。
【0015】また、ウォーターロッドを備えた燃料集合
体は、ウォーターロッドが可燃性毒物を配備し、該可燃
性毒物は直接炉水に接することのないように前記可燃性
毒物より耐食性を有する金属でコーテングされているこ
とを特徴としている。前記金属としてはジルカロイが挙
げられ、該ジルカロイは後述するジルカロイ4が好まし
い。本発明の具体的態様としては、前記チャンネルボッ
クスとウォーターロッドの前記可燃性毒物が、金属、合
金、金属間化合物もしくはセラミックスであり、該金
属、合金、金属間化合物もしくはセラミックスが、カド
ミウム,サマリウム,ホウ素,ガドリニウム,銀,イン
ジウム,ハフニウムのうち少なくても一つを含有するこ
とを特徴としている。可燃性毒物はジルコニウム又はジ
ルカロイとの合金が好ましく、その含有量は10重量%
以下が好ましい。
【0016】また、前記可燃性毒物は、カドミウム,サ
マリウム,ホウ素,ガドリニウム,銀,インジウム,ハ
フニウムのうち少なくても一つを,ジルコニウム又はジ
ルコニウム基合金に,合金元素として添加,金属、金属
間化合物、酸化物、水素化物、窒化物のうちの少なくと
も一つとして分散,又は、過飽和状態に固溶せしめた金
属、合金、金属間化合物もしくはセラミックスであるこ
とを特徴としている。
【0017】更に、本発明の燃料集合体のチャンネルボ
ックスへの可燃性毒物の配備の形態は、該可燃性毒物
が、長手方向から見たチャンネルボックスの断面で,不
均一に配置され、コーナー近傍に多く配備され、かつ、
対称に配置されると共に、前記可燃性毒物が、チャンネ
ルボックスの長手方向に不均一に配置され、かつ、長手
方向の下部に多く上部に少なく配置されていることを特
徴としている。
【0018】そして、本発明の前記燃料集合体のチャン
ネルボックスの製造方法としては、チャンネルボックス
の一枚の素材板にへこみを設けると共に、該へこみ内に
可燃性毒物の板を係合配置し、チャンネルボックスの他
の一枚の素材板を該二枚の素材板内に前記可燃性毒物が
埋め込まれるように接合し、該接合部を電子ビーム溶接
もしくは溶接をせずに、熱間圧延もしくはホットプレス
し、その後、冷間圧延とアニールとを適宜回数繰り返す
ことを特徴とし、製造方法の他の態様としては、チャン
ネルボックスの二枚の素材板の間に可燃性毒物の板を介
在させ、該三枚の板を熱間圧延して圧着し、端部を真空
中で電子ビーム溶接もしくは溶接せずに、冷間圧延とア
ニールとを適宜回数繰り返すことを特徴としている。
【0019】前述の如く構成された本発明の燃料集合体
は、沸騰水型原子炉に用いられる燃料集合体の燃料チャ
ンネルボックスに中性子吸収材または可燃性毒物を配備
することで、燃料に含まれるガドリニア量を減少、また
はなくするとともに、燃料集合体の局所ピーキング係数
を低減させることのできるものである。チャンネルボッ
クスに、中性子吸収材または可燃性毒物であるBP部材を
配備し、特に、該BP部材としてGd2O3を使用することに
よる反応度抑制、及び、局所ピーキング係数の低減は、
以下に述べるようになる。
【0020】中性子照射量に伴う制御価値の変化は、図
23に示すようになるので、初期の余剰反応度を抑制す
ること、即ち、1サイクル目(照射量:〜1.0×1022nv
t)の反応度を制御するには、その材料としてGd2O3が最
適であることがわかる。 また、燃料集合体において
は、集合体の内部よりも、水ギャップ部分の方が熱中性
子量が多く、中性子スペクトルは柔らかくなっている。
これは、集合体の内部よりも外周部の方が相対的に水の
量が多いことと、燃料集合体の内部の核***製物質によ
る熱中性子の吸収との2つのことに起因している。
【0021】一方、可燃性毒物、中性子吸収材は、図2
4に示す1/vの依存性の中性子吸収断面積を有し、熱
中性子が多いほど反応度抑制効果が大きい。MOX燃料
では、プルトニウムによる中性子の吸収がウランのそれ
よりも大きいために、燃料集合体内部の中性子スペクト
ルはいっそう硬くなっており、可燃性毒物の反応度抑制
効果は小さくなってしまう。そのために、可燃性毒物を
燃料に混入するよりも、水ギャップ部分、即ち、チャン
ネルボックスの内部に配備した方が、反応度抑制効果を
大きくすることができる。
【0022】更に、燃料集合体での熱中性子束分布を見
ると、図25のように、相対的に水の多い燃料集合体の
外周部で熱中性子が盛り上がっており、逆に、燃料集合
体の中心部では、熱中性子束は低くなっている。そのた
め、局所ピーキング係数も、燃料集合体の外周部で高く
なる傾向がある。この局所ピーキング係数の高くなる領
域に近い、燃料チャンネルボックス部分に可燃性毒物や
中性子吸収材を混入することで、効果的に燃料集合体外
周部の局所ピーキング係数を抑制することが可能とな
る。
【0023】更にまた、チャンネルボックスの長手方向
に、可燃性毒物や中性子吸収材を分布させることの機能
は次のとおりである。沸騰水型原子炉では、原子炉炉心
内部でその冷却水が沸騰しながら原子炉炉心下部から上
部に向かって流れているために、原子炉炉心軸方向に水
蒸気泡(ボイド)が分布しており、しかも、このボイド
の量は、炉心上部に向かうにつれて増加する傾向にあ
る。軽水減速型原子炉では、減速材(水)の密度が核分
裂反応を制御しており、減速材密度が大きいほど核***
反応が促進するように設計されている。したがって、炉
心軸方向の出力分布を考えた場合、ボイドの少ない炉心
下部の方が、ボイドの多い炉心上部よりも出力が大きく
なる傾向がある。これに対しては、チャネルボックス内
に存在する中性子吸収材や可燃性毒物の量を、軸方向で
反応度の大きい下部領域で多く、上部領域に行くに従っ
て少なくなるように分布させることで、効果的に対応で
きるようになる。
【0024】更に、軸方向上部領域は、ボイド率が高い
ために中性子スペクトルも硬くなっているために、可燃
性毒物や中性子吸収材の減損も下部領域に比べて遅くな
る傾向があり、可燃性毒物、中性子吸収材を軸方向に分
布させることで、軸方向での減損が均等に進行する。更
にまた、本発明においては、可燃性毒物をチャンネルボ
ックス内に埋設、もしくは、可燃性毒物をジルカロイ等
の金属でコーテングしたことによって、該可燃性毒物が
直接炉水に接することがなくなったことで、可燃性毒物
自体腐食及びチャンネルボックスと可燃性毒物との間の
隙間腐食やガルバニック腐食が生じなくなる。
【0025】更にまた、本発明は、チャンネルボックス
を形成する前段の製造行程の素材板の状態で、該素材板
の内部に可燃性毒物を埋設させたので、外部に可燃性毒
物が露出しないすっきりとしたチャンネルボックスを構
成できると共に、本発明のチャンネルボックスの製造方
法を採用することによって、可燃性毒物を埋設したチャ
ンネルボックスが容易に製造でき、かつ、チャンネルボ
ックスの素材板間の剥離等の現象をなくすることができ
る。
【0026】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の燃料集合体Aの
第1の実施形態を示したものであり、図(a)(b)の
上部の図はチャンネルボックス長手方向から見た断面
図、下部の図はチャンネルボックス長手方向から見た側
面図である。該MOX燃料集合体Aは、チャンネルボッ
クス1、多数の燃料棒2の束、ウオータロッド3、及
び、前記チャンネルボックス1の四囲の部材内に配置さ
れた可燃性中性子吸収毒物(BP)を含有するBP部材4等
から形成されている。BP部材4は、チャンネルボックス
1の四囲側面のコーナー近傍に長手方向に埋め込まれて
配置されている。図1(a)はウオータロッド3が二つ
であり、図1(b)は、ウオータロッド3が一つであ
る、その他は図(a)(b)はその実施形態を同じくし
ている。図2は、第2の実施形態であり、BP部材4がチ
ャンネルボックス1の側面のコーナー部の長手方向に埋
め込まれて配置されている。MOX燃料はPu量が1.
5〜10重量%を含むウラン238燃料からなるもので
ある。Pu量の多いものをチャンネルボックスの内側、
その少ないものをその外側に配置するのが好ましい。
【0027】このようにBP部材4をチャンネルボックス
1内に埋め込んで配置することにより、BP部材4が直接
炉水に接することがないため、隙間腐食やガルバニック
腐食等を防止することができる。更に、BP部材4をチャ
ンネルボックス1のコーナー部及びコーナー近傍部に配
置したことにより、燃料集合体Aのコーナー部の局所ピ
ーキング係数を効果的に抑制することが可能となる。図
26は上述のチャンネルボックスを使用したBWR燃料
集合体の部分断面図である。BWR燃料集合体は、図に
示すように、多数の燃料棒11とそれらを相互の所定の
間隔で保持するスペーサ12、更に、それらを収納する
角筒チャンネルボックス1、燃料被膜管内に燃料ペレッ
トが入った燃料棒11の両端を保持する上部タイプレー
ト14、及び、下部タイプレート15、並びに全体を搬
送するためのハンドル13から構成される。
【0028】図3〜5は、前記第1の実施形態の燃料集
合体Aのチャンネルボックス1の製造方法を示してい
る。まず、図3に示されているようにチャンネルボック
ス1となるジルカロイ4素材板に深さ0.1mm〜0.4mm程度
のへこみを板の長手方向に形成し、該へこみに、そのへ
こみと同じ大きさのBP部材4をはめ込み、他の薄いジル
カロイ素材板を貼り合わせ、合わせ目を真空中で電子ビ
ーム溶接する。その後、600〜700度で熱間圧延、冷間圧
延、焼鈍(アニール)を数回行い、完全な一枚板にす
る。前記熱間圧延するのに代えて、前記素材を最高12
20度まで加熱してホットプレスで圧延して一枚板にす
る方法もある。また、素材板間の剥離等がないならば、
電子ビーム溶接を省くこともでき、特に、ホットプレス
で圧延した場合には、該電子ビーム溶接を省略する可能
性が高い。前記一枚板にした後、チャンネルボックス1
の形状とするために、曲げ加工をし、図4に示すよう
に、曲げ加工した二枚の板を突き合わせて溶接し、矩形
のチャンネルボックス1を作り、その後、特殊熱処理、
熱処理整形、及び、オートクレーブ処理を実施して、チ
ャンネルボックスを完成させる。ジルカロイ4は重量
で、Sn1.20〜1.70%,Fe0.18〜0.2
4%,Cr0.07〜0.13%,酸素0.10〜0.
16%,残部ZrからなるZr基合金である。
【0029】また、この際もう一つの方法としては、図
5に示されるように、BP板材4をジルカロイ4素材板
1、1で挟んだものを600〜700℃で熱間圧延を施して圧
着し、両端部を真空中で電子ビーム溶接した後、冷間圧
延、焼鈍を繰り返して一枚板にする方法がある。この場
合も、素材板1、1の剥離等の問題がなければ、真空中
での電子ビーム溶接を省くことができる。そして、BP部
材4は、図5で示されるように完全にジルカロイ4素材
(Zry)1で覆われており、外部に接しないものとす
る。その後の製造工程は、図3、図4に示されるのと同
様ような従来の工程をへてチャンネルボックスを製造す
る。
【0030】図6は、第3の実施形態であり、BP部材4
をチャンネルボックス1のくぼみににはめ込んで、外側
をジルカロイ素材(Zry)の薄板5で被覆した場合であ
る。チャンネルボックス1の外側のコーナー部及びコー
ナー部近傍にへこみを作っておき、そこにBP部材4をは
め込んだ後、チャンネルボックス1の側面の一部あるい
は側面全体をZry製の薄板5で覆い、溶接して直接BP部
材4を炉水に直接触れさせないようにした場合である。
【0031】図6(a)は、BP部材4をチャンネルボッ
クス1のコーナー部に配置した場合で、該BP部材の外側
のみを薄板5で覆ったものであり、図6(b)は、チャ
ンネルボックス1の四囲全体を薄板5で覆った場合であ
る。図7(a)、(b)は、第4の実施形態であり、BP
部材4をコーナー近傍部に配置した場合であり、それ以
外は図6の実施形態と同じである。
【0032】また、後述するような他の金属でコーテイ
ングされたBP部材4を使用する場合には、Zry製薄板で
被覆する必要はない。図8は、BP部材4の形状を示して
おり、図8(a)は、チャンネルボックス長手方向の下
部におけるBP部材4の幅を上部に比べて不連続的に広く
した場合であり、図8(b)は、チャンネルボックス1
の長手方向の下部におけるBP部材4の幅を上部に比べて
連続的に広くした場合である。
【0033】図9は、BP部材4をチャンネルボックス1
の長手方向で分割した場合である。この場合、等しい長
さのBP部材4を等間隔に配置した場合と、図で示される
ようにチャンネルボックス1の下部ほど長いBP部材4を
間隔を狭めて配置した場合とがある。ここで、炉心軸方
向の出力分布を考えてみると、原子炉の炉芯軸方向に水
蒸気泡(ボイド)が存在し、炉心上部にいくほど増加す
るため、炉心軸方向の出力分布は、図10の曲線aのよ
うにボイドの少ない炉心下部の方が、ボイドの多い炉心
上部よりも大きくなる。そこで前記のように、BP部材4
の量を上部に少なく、下部に多く配置することにより、
炉心軸方向の出力分布を曲線bのように平坦化させるこ
とができる。
【0034】図11は、チャンネルボックス1の長手方
向のBP部材4の幅を均一にした場合である。該図11
は、チャンネルボックス1の長手方向のBP部材4の長さ
を燃料棒2の有効長の80〜100%の長さにした場合であ
る。図12〜14は、BP部材4の製造方法を示してい
る。前記BP部材4には、カドミウム(Cd)、サマリウム
(Sm)、ホウ素(B)、ガドリニウム(Gd)、銀(A
g)、インジウム(In)、ハフニウム(Hf)のうち少な
くとも一つが含有されており、それらは金属、合金、金
属間化合物またはセラミックスのいずれかの形態と成っ
ている。BP部材の中のBP金属の含有量は、例えば、ガド
リニウムの場合、初期反応度を制御するためには、チャ
ンネルボックスの総重量に対して2〜8wt%必要であ
る。また、Gd/Zryー4合金をBP部材として使用する場合
の合金成分の一例として、錫:1.20-1.70、鉄:0.18-0.
24、クロム:00.7-0.13、酸素:0.10-0.16、ガドリニウ
ム:5-80、ジルコニウム:残り(wt%)が挙げられ
る。この場合、BP部材の大きさ、個数によりガドリニウ
ムの割合は変化する。
【0035】図12の(1)(a)は、Zryよりも融点の
低いBP金属(Gd,Cdなど)の上にZry粉末を置き、BP金属
の融点まで真空中で加熱し、BP金属をZry粉末の空隙に
含侵させて、BP部材4を形成する方法である。図12の
(1)(b)は、逆に、Zry板あるいスポンジジルコニウ
ムの上に、Zryよりも融点の高いBP金属あるいはBP酸化
物の粉末を配置してZrの融点以上の温度(1860℃)まで
真空中で加熱し、ZryをBP粉末の空隙に含侵させて、BP
部材4を形成する方法である。
【0036】図12の(2)(a)は、BP板材4をメッキ、
あるいは、蒸着などによりZryでコーテイングする方法
であり、 図12の(2)(b)は、これとは逆にZry板材
をBP金属でコーテイングする方法である。図13は、ジ
ルカロイでコーテングされたBPブロック材4の製造工程
示したものであって、図示されるように、BP粉末とZry
粉末をMA(Mecanical Alloing)法によって強加工を加
え、BP(金属、酸化物)を過飽和に固溶したMA合金粉
末とする。MA方法としては、Fritsch製遊星型ボール
ミルP-5/4を使用し、デイスクの回転数を200rpmに一定
にし、Arガス雰囲気中、室温において100〜150時間にわ
たって加工を行う。その後、作製したMA合金粉末を1,
000℃以上でHIP(等方静水圧加工)により焼結し、図1
3に(A)として示されているような焼結体のBP部材4
を完成させる。該焼結体のBP部材4を、更に、ジルカロ
イでコーテングする場合には、Zry製容器6内に該焼結
体を入れ、真空封入した後、HIPにより押し固めること
によって、図13に(B)として示されているようなジ
ルカロイでコーテングされたBPブロック材4を製造する
ことができる。このメカニカルアローイング法を用いる
ことにより、室温での固溶量以上のBP金属、および、BP
酸化物をジルカロイ中に過飽和に固溶させることが可能
となる。
【0037】図14は、Zry粉末、BP金属粉末あるいはB
P酸化物粉末を混合した粉体を押し固め、ブロック状に
した後、適当な低融点金属の液体に浸して、コーテイン
グされたBPブロック材7を製造する方法である。前記記
載のBPブロック材4の製造方法以外に、ジルコニウム、
又はジルカロイとBP金属を合金化する方法もある。ただ
しこの場合、現用ジルカロイ合金に比して機械的特性お
よび耐食性が低下する事が考えられるため、添加元素を
添加する事により、改善をはかる必要がある。
【0038】また、金属間化合物としてBP金属をジルカ
ロイ中に析出させて合金を作る方法もある。ジルコニウ
ムと金属間化合物を作るBP金属としては、カドミウム、
ホウ素、銀、インジウムなどが挙げられる。以上、本発
明のいくつかの実施形態について詳説したが、本発明
は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求
の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設
計において種々の変更ができるものである。
【0039】前記した如きBP部材4をチャンネルボック
ス1に埋め込む手段以外に、次の方法がある。即ち、図
15に示されるように、他の金属でコーテイングされた
BP部材4を使用する場合には、該BP部材4をチャンネル
ボックス1に埋め込まずに、その側面に取付ける手段が
考えられる。図15(a)(b)は、前記コーテングさ
れたBP部材4がチャンネルボックス1の外側面のコーナ
ー近傍に長手方向に配置された場合であり、図16
(a)は、コーテングされたBP部材4がチャンネルボッ
クス1の内側面のコーナー近傍に長手方向に配置された
場合であり、図16の(b)は、BP部材4がチャンネル
ボックス1の外側面のコーナー部に長手方向に配置され
た場合である。
【0040】また、図17は、コーテングされたBP部材
4がチャンネルボックス1の内側面のコーナー部に長手
方向に配置された場合であり、この場合のチャンネルボ
ックス1へのBP部材4の取付け方法が図18に示されて
いる。該図18(a)は、BP部材4をジルカロイ製あ
るいはステンレス製のリベット8を用いて取付ける方法
である。この場合、リベット8によって、BP部材4を
チャンネルボックス1の内外側のどちらに取付けてもよ
い。図18(b)は、コーテングされたBP部材4をチャ
ンネルボックス1の側面に直接溶接して取付ける方法で
ある。
【0041】更に、図19は、ジルカロイ製あるいはス
テンレス製の固定具9によって、コーテングされたBP部
材4を取付ける方法である。図20は、ウオータロッド
3内にコーテングされたBP部材4を配備した場合であ
る。図20に示されるようにウオータロッド3の中に、
コーテングされたBP金属製の管10を配置して二重構造
にした場合と、該BP金属管10のさらに内側にZry製管
11を配置して三重構造にした場合がある。
【0042】図21は、BP含有のZry合金で作成したチ
ャンネルボックス1である。チャンネルボックス1の形
状は、図21の(a)(b)で示されるように、コーナ
ー部の肉厚を厚くすることにより、燃料集合体Aのコー
ナー部の局所ピーキング係数を効果的に抑制し、更に、
中性子照射下で生じるクリープ変形に起因するチャンネ
ルボックス1のコーナー部の膨れ変形も同時に抑制する
ことが可能となる。また、表面をBPを含有しないZry4
からなる高耐食性合金でコーテングすることにより直接
可燃性毒物が炉水に接することがなく、耐食性を高める
ことができる。チャンネルボックスの全体をGd/Zry-4合
金で作製する場合の合金成分の一例として、錫:1.20-
1.70、鉄:0.18-0.24、クロム:00.7-0.13、酸素:0.10
-0.16、ガドリニウム:2.0-8.0、ジルコニウム:残り
(wt%)が挙げられる。
【0043】
【発明の効果】以上の説明から理解できるように、本発
明のプルトニウムを混入した燃料集合体(MOX燃料集
合体)は、燃料棒内部に中性子吸収材又は可燃性毒物を
混入することなく、余剰反応度を適切に抑制することが
できる。また、可燃性毒物を燃料に混入しないので、燃
料集合体当たりのプルトニウム装荷量を減少させること
なく、プルトニウムの軽水炉利用が実現できる。
【0044】更に、ペレット富化度種類を増加すること
なく、燃料集合体の外周部分の局所ピーキングを効果的
に低減することが可能になり、これにより、燃料集合体
を構成するペレットの富化度種類を減少させることがで
きる。更にまた、可燃性毒物をチャンネルボックス内に
埋設、もしくは、可燃性毒物をジルカロイ等の金属でコ
ーテングしたことによって、可燃性毒物自体腐食及びチ
ャンネルボックスと可燃性毒物との間の隙間腐食やガル
バニック腐食が生じなくなると共に、該可燃性毒物自体
が直接炉水に接することがないので、該可燃性毒物の炉
水内への溶出を防止できる。
【0045】また、外部に可燃性毒物が露出しないすっ
きりとしたチャンネルボックスを構成できると共に、可
燃性毒物を埋設したチャンネルボックスが容易に製造で
き、かつ、チャンネルボックスの素材板間の剥離等の現
象をなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態のBP部材埋め込み型
(コーナー近傍)のチャンネルボックスの断面図と側面
図。
【図2】本発明の第2の実施形態のBP部材埋め込み型
(コーナー部)のチャンネルボックスの断面図と側面
図。
【図3】図1、図2の実施形態のチャンネルボックスの
製造工程(前段行程)を示す構成図。
【図4】図1、図2の実施形態のチャンネルボックスの
製造工程(後段行程)を示す構成図。
【図5】図1、図2の実施形態のチャンネルボックスの
他の製造工程を示す構成図。
【図6】本発明の第3の実施形態のBP部材埋め込み型
(コーナー部)のチャンネルボックスの断面図と斜視
図。
【図7】本発明の第4の実施形態のBP部材埋め込み型
(コーナー近傍)のチャンネルボックスの断面図と斜視
図。
【図8】本発明の他の実施形態のBP部材のチャンネルボ
ックスへの配置構造を示す側面図。
【図9】本発明の更に他の実施形態のBP部材のチャンネ
ルボックスへの配置構造を示す側面図。
【図10】炉心軸方向の出力分布図。
【図11】本発明の更に他の実施形態のBP部材のチャン
ネルボックスへの配置構造を示す側面図。
【図12】本発明のBP部材の構造を示す図。
【図13】本発明のBP部材の製造工程を示す構成図。
【図14】本発明のBP部材の他の製造工程を示す構成
図。
【図15】本発明の他の実施形態のBP部材(コーナー近
傍)のチャンネルボックスの断面図と側面図。
【図16】本発明の更に他の実施形態のBP部材のチャン
ネルボックスの断面図と側面図。
【図17】本発明の更に他の実施形態のBP部材のチャン
ネルボックスの断面図と側面図。
【図18】本発明のBP部材のチャンネルボックスへの取
付構造を示す断面図と側面図。
【図19】本発明のBP部材のチャンネルボックスへの他
の取付構造を示す断面図と側面図。
【図20】本発明のBP部材のウオータロッドへの取付構
造を示す斜視図。
【図21】本発明のBP含有のジルコニウム合金製のチャ
ンネルボックスの斜視図。
【図22】ウランとプルトニウムの吸収断面積の中性子
エネルギーに対する依存性を比較した線図。
【図23】中性子照射量の伴う制御価値の変化を示す
図。
【図24】可燃性毒物、中性子吸収材の中性子吸収断面
積と中性子エネルギーとの関係を示す線図。
【図25】燃料集合体での熱中性子束分布図。
【図26】チャンネルボックスを使用したBWR燃料集
合体の部分断面図。
【符号の説明】
1 チャンネルボックス 2 燃料棒 3 ウオータロッド 4 BP部材(可燃性毒物)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西野 由高 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 電力・電機開発 本部内 (72)発明者 山下 淳一 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 山中 章広 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 伊東 賢一 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 中島 潤二郎 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 瀬戸 武裕 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平2−147890(JP,A) 特開 平5−312978(JP,A) 特開 平7−9168(JP,A) 特開 昭46−11810(JP,A) 特開 昭59−72087(JP,A) 特開 昭59−79196(JP,A) 特開 昭61−184486(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G21C 3/324 G21C 3/30

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ウラン又はプルトニウムを含有する原子
    燃料棒を複数本配列した燃料棒束と、該燃料棒束を囲む
    チャンネルボックスとを備えた燃料集合体において、 前記チャンネルボックスは、そのコーナ部近傍に対称
    に、かつ長手方向に不均一で上部が少なく下部が多くな
    るように、ジルコニウム又はジルコニウム基合金にガド
    リニウムを含有したBP部材を配置し、該BP部材が直
    接炉水に接することのないようにジルコニウム基合金内
    に埋設されるよう、熱間圧延もしくはホットプレスした
    後、冷間圧延とアニールとを適宜回数繰り返して製造し
    た一枚板からなることを特徴とする燃料集合体。
  2. 【請求項2】 前記BP部材は、短尺状に配置されてい
    ることを特徴とする請求項1に記載の燃料集合体。
  3. 【請求項3】 ウラン又はプルトニウムを含有する原子
    燃料棒を複数本配列した燃料棒束を囲むチャンネルボッ
    クスにおいて、そのコーナ部近傍に対称に、長手方向に
    不均一で上部が少なく下部が多くなるように短尺状に、
    ジルコニウム又はジルコニウム基合金にガドリニウムを
    含有したBP部材を配置し、該BP部材が直接炉水に接
    することのないようにジルコニウム基合金内に埋設され
    るよう、熱間圧延もしくはホットプレスした後、冷間圧
    延とアニールとを適宜回数繰り返して製造した一枚板か
    らなることを特徴とするチャンネルボックス。
  4. 【請求項4】 チャンネルボックスの一枚のジルコニウ
    ム基合金からなる素材板にへこみを設けると共に、該へ
    こみ内にジルコニウム又はジルコニウム基合金にガドリ
    ニウムを含有したBP部材の板を配置し、チャンネルボ
    ックスの他の一枚の素材板を前記BP部材が埋め込まれ
    るように前記一枚の素材板と接合し、熱間圧延もしくは
    ホットプレスした後、冷間圧延とアニールとを適宜回数
    繰り返して一枚板とすることを特徴とする燃料集合体の
    チャンネルボックスの製造方法。
  5. 【請求項5】 チャンネルボックスの二枚のジルコニウ
    ム基合金からなる素材板の間に、ジルコニウム又はジル
    コニウム基合金にガドリニウムを含有したBP部材の板
    を介在させ、該三枚の板を熱間圧延して圧着し、その
    後、冷間圧延とアニールとを適宜回数繰り返して一枚板
    とすることを特徴とする燃料集合体のチャンネルボック
    スの製造方法。
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