JPH09304566A

JPH09304566A - 原子炉燃料要素及び燃料集合体

Info

Publication number: JPH09304566A
Application number: JP8124287A
Authority: JP
Inventors: Seiji Okada; 誠司岡田; Takeshi Ishida; 剛石田; Atsuko Ikeda; 敦子池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】プル・サーマル利用の原子炉燃料に可燃性毒
物を取り入れる。またその際の出力分布の平坦化を図
る。【解決手段】燃料被覆間１に積層されるＭＯＸ（混合
酸化物）ペレット２間の少なくとも一部に、核燃料物質
と可燃性毒物の混合物ディスク３を配設する。これによ
りＭＯＸと可燃性毒物を混合し成型することなく、容易
に可燃性毒物入りＭＯＸ燃料を構成できる。この混合物
３は核***性物質以外の化学的に安定な物質と可燃性毒
物の混合物としてもよい。またこのディスク３の厚さや
数を適切に設定することにより出力分布の平坦化を図る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は原子炉で用いられる
燃料要素及び燃料集合体に係り、特に沸騰水型原子炉に
利用する混合酸化物を使用した燃料に可燃性毒物を取り
入れるのに好適な原子炉燃料要素及び燃料集合体に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉に使用する核燃料集合体
は、これまでは基本的に核燃料物質としてウランを使用
している。すなわち、ウランの酸化物（ＵＯ₂ ）を円筒
形状に成型し焼結したペレットをジルコニウム合金の被
覆管に封入したウラン燃料棒を製造し、この燃料棒を多
数本重ねて燃料集合体としている。

【０００３】また、１体の燃料集合体は複数のウラン燃
料棒から構成される。このウラン燃料棒を構成する被覆
管は全て同等の物質であり、かつほぼ同等の形状である
が、被覆管の内部に装填されるウランのペレットは、全
て均一の仕様とはなっていない。すなわち、燃料の径方
向及び軸方向に関してウラン濃縮度（全ウラン中に含ま
れるウラン２３５含有量の割合）が異なる燃料ペレット
が配置されている。さらに、燃料の反応初期の反応度を
抑制するために、一部の燃料棒にはウラン酸化物に可燃
性毒物としてガドリニア（Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）を混合した状態
でペレットを成型したガドリニア入りペレットが充填さ
れている。この燃料棒はガドリニア入り燃料棒と呼ばれ
ている。

【０００４】また近年、原子炉で燃焼を終了した使用済
の燃料集合体を再処理施設で再処理し、高放射線をもつ
余分な核***生成物を除去することにより、使用済燃料
集合体中の残留ウラン、及び原子炉での燃焼過程で生成
され核燃料物質として利用価値の高いプルトニウムを回
収して再利用する核燃料リサイクルが行われようとして
いる。この核燃料リサイクルの一環として、再処理で回
収されたプルトニウム酸化物（ＰｕＯ₂ ）にウラン酸化
物（ＵＯ₂ ）を混合することにより、混合酸化物燃料
（mixed-oxide fuel；以下、ＭＯＸ燃料という）を製造
し、軽水炉で利用するプル・サーマル利用（Plutonium
thermal utilization ）の計画が進められようとしてい
る。こうした核燃料リサイクルにより燃料の経済性を向
上させることができる。

【０００５】沸騰水型軽水炉で使用されるＭＯＸ燃料
は、ウラン燃料の中に含まれるウランペレットの代わり
にＭＯＸペレットを封入して製造される。このＭＯＸ燃
料は基本的にはウラン燃料の代替として使用されるた
め、ウラン燃料と互換性があること、共存性があること
が求められる。すなわち、現行のウラン燃料の少なくと
も一部をＭＯＸ燃料に置換した際にも、ウラン燃料の場
合と実質的に同等の反応特性や燃焼性能を有することが
要求される。よって、ＭＯＸ燃料の設計についてはウラ
ン燃料をベースとして検討されている。つまり、ＭＯＸ
燃料のプルトニウム富化度（ＭＯＸ燃料中のプルトニウ
ムの含有割合）の径方向及び軸方向の分布を、ウラン燃
料と同様の出力や反応度が得られるように設計する方針
である。

【０００６】一方、従来の沸騰水型原子炉の中には、燃
料集合体中の燃料棒の一部にガドリニア入り特殊燃料棒
を用いるものもある。図８（ａ）は従来の燃料集合体の
縦断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ矢視方向断
面図、また図９は従来の沸騰水型原子炉のウラン燃料集
合体における種々のガドリニア入り特殊燃料棒の配置の
一例を示す断面図である。燃料集合体１２は燃料棒６
と、内部に冷却材が存在するウォータロッド７とを、ス
ペーサ８により例えば９行９列の正方格子状に束ねて、
上部タイプレート９及び下部タイプレート１０により固
定して燃料棒束とし、この燃料棒束をチャンネルボック
ス１１で包囲して構成される。なお、図中で記号Ｇがガ
ドリニア入り特殊燃料棒を表す。このように例えば１体
の燃料集合体中の燃料棒のうち一部をガドリニア入り特
殊燃料棒とすることで、炉心における余剰反応度を適切
な範囲に制御する。

【０００７】この従来のウラン燃料集合体をＭＯＸ燃料
に置き換える際には、ガドリニア入り特殊燃料棒につい
ては、ＭＯＸにガドリニア（Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）を混合した後
にペレット成型を行って製造されるガドリニア入りＭＯ
Ｘペレットを採用することも考えられる。しかしなが
ら、ガドリニアとウラン酸化物を混合し成型したペレッ
トに関しては既に原子炉での燃焼実績があるのに対し
て、ガドリニアとプルトニウム酸化物、またはガドリニ
アとＭＯＸを混合し成型したペレットに関しては、現時
点では燃焼実績がない。また、中性子吸収作用の大きい
プルトニウムにガドリニアを混合することで、ガドリニ
ア自身による中性子吸収効果が低下する。

【０００８】さらに、ＭＯＸ燃料加工工程においては、
プルトニウムの拡散防止及び作業員の被曝の低減という
観点から、燃料製造設備がグローブボックスの中に設置
されており、設備のクリーンアップ等の保守が難しいた
め、製造設備内の中性子毒物による汚染を極力排除する
ことが望ましい。

【０００９】以上のことから、現時点でのＭＯＸ燃料設
計において、ガドリニアを含む燃料棒については、ガド
リニア入りＭＯＸペレットを採用せずに、従来のウラン
燃料設計において使用されている、ウランにガドリニア
を混合して成型したペレットを採用している。

【００１０】また、従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体
に用いられる燃料棒には、核燃料物質及び可燃性毒物の
濃度を変えた数種類の燃料ペレットを製造し、燃料棒の
軸方向をいくつかの部位に分割し、その分割された部位
毎に異なる種類の燃料ペレットを配置したものがある。
この構成により、軸方向で核燃料物質及び可燃性毒物の
濃度が異なる燃料棒とすることで、軸方向出力分布の平
坦化を図ることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のプル・サーマル
利用の観点から、燃料中のプルトニウム富化度を増加さ
せ高燃焼度化を図った設計を行うにあたっては、ガドリ
ニア入り燃料棒の本数を増加させる必要がある。一方
で、上述したように、従来のＭＯＸ燃料設計において、
ガドリニア入り特殊燃料棒にＭＯＸペレットを用いるこ
とは困難である。

【００１２】従って、一定量のプルトニウムを利用して
ＭＯＸ燃料棒とウラン燃料棒の並存するＭＯＸ燃料を設
計する場合には、ガドリニア入り特殊燃料棒にＭＯＸを
使用することができないため、それだけ燃料全体に占め
るＭＯＸ燃料棒の割合を多くする必要がある。ところ
が、ウラン燃料棒と比較してＭＯＸ燃料棒の製造には時
間や手間がかかるため、ＭＯＸ燃料棒を多くするほど、
燃料の経済性は低下する。

【００１３】また、燃料棒の軸方向の出力分布を平坦化
するためには、上述の従来の方法によれば、核燃料物質
や可燃性毒物の濃度の異なる数種類のペレットを製造す
る必要があるため、製造に時間や費用を多く要する。

【００１４】また、燃料棒中の燃料ペレットが高燃焼度
となったり、あるいは急激に出力が上昇したとき等に
は、ペレットと周囲の燃料被覆管との間に相互作用（ペ
レット−被覆管相互作用）が生じることがある。この相
互作用は、燃料の健全性を保つうえでは望ましいことで
はない。

【００１５】本発明は上記の複数の課題に鑑みてなされ
たものであり、ガドリニア入り特殊燃料棒にＭＯＸ燃料
ペレットを採用することで、燃料全体に占めるＭＯＸ燃
料棒の割合を増加させることなく、かつ燃料の経済性を
より向上させた原子炉燃料要素及び燃料集合体を提供す
ることを目的とする。

【００１６】また本発明は、燃料棒の軸方向の出力分布
を容易に平坦化することのできる構造を有する原子炉燃
料要素を提供する。また本発明は、ペレットと被覆管の
直接の接触を防ぐことにより、ペレット−被覆管相互作
用を防止する構造を有する原子炉燃料要素を提供する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明においては、プルトニウムとウランの酸化物
を混合して得られる混合酸化物（ＭＯＸ）から成るＭＯ
Ｘペレットを複数積層して燃料被覆管の内部に収納した
原子炉燃料要素において、前記ＭＯＸペレット間の少な
くとも一部に、核燃料物質と可燃性毒物との混合物を配
設したことを特徴とする原子炉燃料要素を提供する。こ
の構成により、ＭＯＸに可燃性毒物を混合して成型され
る可燃性毒物入りＭＯＸペレットを用いることなく、可
燃性毒物入りＭＯＸ特殊燃料棒を容易に構成することが
できる。

【００１８】さらにこの混合物においては、前記核燃料
物質としてウラン酸化物（ＵＯ₂ ）を、また前記可燃性
毒物としてガドリニア（Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）を、それぞれ用い
たものが考えられる。この構成により、現行の沸騰水型
原子炉において使用実績の豊富な物質を原子炉燃料要素
の構成物質に採用することができる。

【００１９】また本発明においては、プルトニウムとウ
ランの酸化物を混合して得られる混合酸化物（ＭＯＸ）
から成るＭＯＸペレットを複数積層して燃料被覆管の内
部に収納した原子炉燃料要素において、前記ＭＯＸペレ
ット間の少なくとも一部に、核***性物質以外の物質と
可燃性毒物との混合物を配設したことを特徴とする原子
炉燃料要素を提供する。この構成により、ＭＯＸに可燃
性毒物を混合して成型される可燃性毒物入りＭＯＸペレ
ットを採用することなく、可燃性毒物入りＭＯＸ特殊燃
料棒を容易に構成することができる。

【００２０】さらにこの混合物においては、前記可燃性
毒物としてガドリニア（Ｇｄ₂ Ｏ₃）を用いたものが考
えられる。この構成により、現行の沸騰水型原子炉にお
いて使用実績の豊富な物質を原子炉燃料要素の構成物質
に採用することができる。加えてこの混合物において
は、前記核***性物質以外の物質としては化学的に安定
な酸化物あるいは窒化物を用いたものが考えられる。こ
の構成により、可燃性毒物入りＭＯＸ特殊燃料棒の製
造、管理等が容易となり、かつ設計の自由度が増す。

【００２１】さらに本発明では、前記混合物は円板形状
のディスクであり、かつ燃料積層部は少なくとも２つの
領域に分けられ、この分けられた各領域における領域容
積に対する前記混合物ディスクの数の比が、前記燃料積
層部中の下部に位置する領域ほど大きいことを特徴とす
る原子炉燃料要素を提供する。この構成により、燃料の
軸方向出力分布を容易に平坦化することができる。

【００２２】また本発明では、前記混合物は円板形状の
ディスクであり、かつ燃料積層部は少なくとも２つの領
域に分けられ、この分けられた各領域における前記混合
物ディスクの厚さが、前記燃料積層部中の下部に位置す
る領域ほど大きいことを特徴とする原子炉燃料要素を提
供する。この構成により、燃料の軸方向出力分布を容易
に平坦化することができる。

【００２３】さらに本発明では、前記混合物は円板形状
のディスクであり、かつこのディスクの厚さが２ｍｍ以
下であることを特徴とする原子炉燃料要素を提供する。
この構成により、原子炉燃料集合体を構成する燃料棒を
全て前記ディスクが配設された可燃性毒物入りＭＯＸ特
殊燃料棒とした場合に、現行の沸騰水型原子炉の燃料集
合体と比較して、可燃性毒物による余剰反応度抑制効果
を実質的に同等とし、かつ現行の燃料集合体とディスク
を配設した燃料集合体とでウラン酸化物含有量に有為な
差がみられないように設定することができる。

【００２４】さらに本発明では、前記混合物は円板の円
周部に前記ＭＯＸペレットを固定する堰を設けて成形し
たディッシュであることを特徴とする原子炉燃料要素を
提供する。すなわちこの混合物ディッシュは、ディッシ
ュ外周部の厚さがディッシュの外周部を除いた部分の厚
さよりも大きい構造を有する。この構成により、燃料被
覆管と燃料ペレットの直接の接触を防ぐことによって、
ペレット−被覆管相互作用の防止を図ることができる。

【００２５】また本発明では、プルトニウムとウランの
酸化物を混合して得られる混合酸化物（ＭＯＸ）から成
るＭＯＸペレットを含む原子炉燃料要素を具備する原子
炉燃料集合体において、前記ＭＯＸペレットを含む原子
炉燃料要素の少なくとも一部が、前記ＭＯＸペレット間
の少なくとも一部に核燃料物質と可燃性毒物との混合物
を配設した原子炉燃料要素であることを特徴とする原子
炉燃料集合体を提供する。この構成により、ＭＯＸに可
燃性毒物を混合して成型される可燃性毒物入りＭＯＸペ
レットを採用することなく、可燃性毒物を利用したＭＯ
Ｘ燃料を容易に構成することができる。

【００２６】また本発明では、プルトニウムとウランの
酸化物を混合して得られる混合酸化物（ＭＯＸ）から成
るＭＯＸペレットを含む原子炉燃料要素を具備する原子
炉燃料集合体において、前記ＭＯＸペレットを含む原子
炉燃料要素の少なくとも一部が、前記ＭＯＸペレット間
の少なくとも一部に核***性物質以外の物質と可燃性毒
物との混合物を配設した原子炉燃料要素であることを特
徴とする原子炉燃料集合体を提供する。この構成によ
り、ＭＯＸに可燃性毒物を混合して成型される可燃性毒
物入りＭＯＸペレットを採用することなく、可燃性毒物
を利用したＭＯＸ燃料を容易に構成することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下本発明の第１の実施形態につ
いて、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の
実施形態に係る原子炉燃料要素の切欠断面図である。こ
こに掲げた原子炉燃料要素は可燃性毒物入りＭＯＸ特殊
燃料棒である。ＭＯＸペレット２が燃料被覆管１の内部
に積層され収納されており、ＭＯＸペレット２間には核
燃料物質と可燃性毒物との混合物３が配設されている。
こうして混合物３をＭＯＸペレット２に挟み込むことで
燃料ペレット列を形成し、燃料被覆管１に封入し、可燃
性毒物入りＭＯＸ特殊燃料棒５を成形する。これによ
り、可燃性毒物をＭＯＸに混合し成形することなく、可
燃性毒物入りＭＯＸ特殊燃料棒を製造することができ
る。

【００２８】またこの混合物３は円板形状のディスクで
あり、この混合物ディスク３の直径はＭＯＸペレット２
の直径と実質的に同等である。またこの混合物３は、核
燃料物質としてウラン酸化物を、また可燃性毒物として
ガドリニアを、それぞれ採用したものが望ましい。ウラ
ン酸化物とガドリニアとの混合により成型されたペレッ
トまたはディスクは、既に実用炉における燃焼実績を有
するものである。

【００２９】以下本発明の第２の実施形態について説明
する。第２の実施形態に係る原子炉燃料要素は、第１の
実施形態に係る原子炉燃料要素においてＭＯＸペレット
間に配設される混合物３として、核燃料物質と可燃性毒
物との混合物に代えて、核***性物質以外の物質と可燃
性毒物との混合物を採用したものである。この構成によ
り、可燃性毒物をＭＯＸに混合し成形することなく、可
燃性毒物入りＭＯＸ特殊燃料棒を製造することができ
る。

【００３０】またこの混合物３は円板形状のディスクで
あり、この混合物ディスク３の直径はＭＯＸペレット２
の直径と実質的に同等である。またこの混合物３は、核
***性物質以外の物質としてアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）
を、また可燃性物質としてガドリニアを、それぞれ採用
したものが望ましい。また核***性物質以外の物質とし
ては、アルミナ以外にも、化学的に安定な酸化物あるい
は窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）等の窒化物を採用すること
が考えられる。こうして核燃料物質を含まない混合物３
をＭＯＸペレット２内に挟み込む構造とすることによ
り、第１の実施形態と比較して製造、保守、管理等が容
易となり、また設計の自由度も増すことになる。

【００３１】以下本発明の第３の実施形態について、図
面を参照して説明する。図２（ａ）は本発明の第３の実
施形態に係る原子炉燃料要素の切欠断面図である。ここ
に掲げた原子炉燃料要素は、混合物３をＭＯＸペレット
２間に挟み込んだ、第１の実施形態に係る燃料要素とほ
ぼ同様の構造を有する、可燃性毒物入りＭＯＸ特殊燃料
棒である。この混合物３は可燃性毒物を含む円板形状の
ディスクであり、その材質は第１または第２の実施形態
における混合物と同じである。またここでは燃料積層部
を適当な位置で上下２領域に分割し、燃料積層部の下部
領域においてはＭＯＸペレット２が２個に１個の割合で
混合物ディスク３を配設するのに対し、燃料積層部の上
部領域においてはＭＯＸペレット２が８個に１個の割合
で混合物ディスク３を配設している。

【００３２】この構成によれば、燃料積層部の上部より
も下部の方が可燃性毒物の濃度が高くなるため、第１ま
たは第２の実施形態と比較して、燃料棒の軸方向の出力
分布の平坦化を図ることができる。また、従来の出力分
布平坦化の方法のように核燃料物質及び可燃性毒物の濃
度の異なる数種類の燃料ペレットを製造する必要がない
ため、製造に要する時間や費用をより少なくすることが
できる。

【００３３】本発明の第４の実施形態は、第３の実施形
態の変形例である。図２（ｂ）は第４の実施形態に係る
原子炉燃料要素の切欠断面図である。ここに掲げた可燃
性毒物入りＭＯＸ特殊燃料棒は、ＭＯＸペレット２が２
個に１個の割合で混合物ディスク３ａまたは３ｂを配設
している。この混合物ディスク３ａ及び３ｂは可燃性毒
物を含むもので、その材質は第１または第２の実施形態
における混合物と同様である。またここでは燃料積層部
を適当な位置で上下２領域に分割し、燃料積層部の下部
領域に配設する混合物ディスク３ｂの厚さを、燃料積層
部の下部領域に配設する混合物ディスク３ａの厚さより
大きいものとする。

【００３４】この構成によれば、燃料積層部の上部より
も下部の方が可燃性毒物の濃度が高くなるため、第３の
実施形態と同様の効果が得られる。また、第３及び第４
の実施形態においては燃料積層部を上下２領域に分割し
て各領域毎に挟み込む混合物ディスク３の数または厚さ
を設定しているが、この燃料積層部を適当な位置で３以
上の領域に分割し各領域毎に挟み込む混合物３の数また
は厚さを適切に設定して、複数の段階構成とすること
で、燃料棒軸方向出力分布の平坦化の効果をより一層高
めることができる。特に現行のウラン燃料における、核
燃料物質や可燃性毒物の濃度を軸方向に複数の段階構成
とした燃料棒の構造を加味して、上記の方法で可燃性毒
物入りＭＯＸ特殊燃料棒を構成することで、ウラン燃料
との互換性の向上に寄与することができる。

【００３５】以下本発明の第５の実施形態について図面
を参照して説明する。第５の実施形態は、第１乃至第４
の実施形態においてＭＯＸペレット２に挟み込む混合物
３の大きさを規定するものである。図３は第５の実施形
態に係る原子炉燃料要素における混合物３の斜視図であ
る。ここに示すように、混合物３は円板形状のディスク
をしており、このディスクの厚さｄを２ｍｍ以下と設定
する。この構成により、現行の沸騰水型原子炉の燃料集
合体と比較して実質的に同等の反応特性を得ることがで
きる。

【００３６】以下に本実施形態の作用について詳述す
る。ここでは可燃性毒物としてガドリニアを考える。Ｍ
ＯＸ燃料集合体を構成する全ての燃料棒を、第１の実施
形態に対応するガドリニア入りＭＯＸ特殊燃料棒とした
場合について、３次元モンテカルロ計算を行い、燃料集
合体燃焼初期における冷温時での余剰反応度抑制効果率
（Ｇｄワース）を評価した。ここでは、混合物ディスク
３におけるガドリニアの濃度を９５％と設定し、混合物
ディスク３の厚さを１ｍｍ、２ｍｍ及び４ｍｍとした場
合の評価結果のグラフを図４に示す。図４のグラフの横
軸はディスクピッチ、縦軸はＧｄワースである。グラフ
の横軸のディスクピッチとは、ガドリニア入りＭＯＸ特
殊燃料棒における混合物ディスク３間の距離をいう。ま
たグラフに点線で示した現行の沸騰水型原子炉における
Ｇｄワースは、代表的にガドリニア濃度５％のガドリニ
アとウランを混合して整形したペレットを用いたガドリ
ニア入りウラン燃料棒１１本を含む現行の燃料集合体に
ついての計算値である。ガドリニア入りＭＯＸ特殊燃料
棒においては、現行の燃料との互換性を鑑みて、この計
算値に実質的に同等のＧｄワースをもつことが望まし
い。

【００３７】このグラフに示すように、ディスク３の厚
さが大きく、またディスク３のピッチが小さいほど、ガ
ドリニアによる余剰反応度抑制効果が高いことがわか
る。また、ディスク３の厚さが１ｍｍの場合はディスク
ピッチが４ｃｍ程度となるように、すなわち約１ｃｍ厚
の燃料ペレット２が４個に１個の割合でディスク３を挟
み込んだ場合、現行の燃料集合体と実質的に同等の反応
度が得られることがわかる。またディスク３の厚さが２
ｍｍの場合はディスクピッチを５ｃｍ程度に、さらにデ
ィスク３の厚さが４ｍｍの場合はディスクピッチを６ｃ
ｍ程度となるように設計すれば、現行の燃料集合体と実
質的に同等の反応度が得られる。

【００３８】また、ディスク３が挟まれていない燃料ペ
レット２のみからなる燃料集合体と比較して、燃料ペレ
ット２間にディスク３を挟み込むことで燃料集合体中の
ウラン酸化物の量が減少するが、現行の燃料との互換性
を考えるうえで、このウラン酸化物の減少分（ＵＯ₂ イ
ンベントリ減少分）を適切に設定することも重要であ
る。そこで、ＭＯＸ燃料集合体を構成する全ての燃料棒
を、第１の実施形態に対応するガドリニア入りＭＯＸ特
殊燃料棒とした場合について、ガドリニアディスクの厚
さを４ｍｍ、２ｍｍ及び１ｍｍとした場合のディスクピ
ッチとＵＯ₂ インベントリ減少分の相関を評価した。そ
の評価結果のグラフを図５に示す。図５に横軸はディス
クピッチ、縦軸はＵＯ₂ インベントリ減少分である。ペ
レット間にディスクを配設した場合に、現行の沸騰水型
原子炉の燃料集合体と比較してウラン酸化物含有量に有
為な差がないように、ここではＵＯ₂ インベントリ減少
分が現行の燃料集合体のＵＯ₂ インベントリ減少分の１
５０％以内となるように設定する。そのためには、図５
のグラフによれば、ディスク３の厚さが１ｍｍの場合に
はディスクピッチを５ｃｍ程度に、またディスク３の厚
さが２ｍｍのときにはディスクピッチを１０ｃｍ程度と
すればよいことがわかる。また計算によれば、ディスク
３の厚さが４ｍｍのときにはディスクピッチを２０ｃｍ
以上とする必要があることがわかる。

【００３９】この結果、ディスク３の厚さが４ｍｍの場
合には、ディスクピッチをいかに設定しても、ガドリニ
アによる余剰反応度の抑制効果を従来の燃料集合体と実
質的に同等とすることと、ＵＯ₂ インベントリ減少量を
適正に設定することを両立させることは不可能である。
従って、ディスク３の厚さを２ｍｍ以下と設定すること
により、現行の沸騰水型原子炉の燃料集合体と比較し
て、ガドリニアによる余剰反応度の抑制効果とＵＯ₂ イ
ンベントリ減少量をともに適正に設定することが可能と
なる。

【００４０】以下本発明の第６の実施形態について、図
面を参照して説明する。図６は第６の実施形態に係る原
子炉燃料要素の切欠断面図である。第６の実施形態に係
る原子炉燃料要素は第１または第２の実施形態の変形例
であり、ＭＯＸペレット２間に混合物４を挟み込んだ可
燃性毒物入りＭＯＸ特殊燃料棒である。この混合物４の
上面図を図７（ａ）に、また図７（ａ）におけるＡ−Ａ
矢視方向の断面図を図７（ｂ）に、それぞれ示す。この
混合物４の材質及び配置については第１または第２の実
施形態における混合物３と同様である。但しこの混合物
４は、円板の円周部に燃料ペレット２を固定する堰を設
けた、ディッシュ形状のものである。すなわち、図７
（ｂ）の断面図に示すように、この混合物ディッシュ４
の円周端部４ｂの厚さはディッシュ４の中間部４ａの厚
さよりも大きく設計されている。また、混合物ディッシ
ュ４の中間部４ａも円形で、その直径４ｃは燃料ペレッ
ト２の直径より若干大きめにとる。そしてこのディッシ
ュ中間部４ａにペレット２をはめ込む。すなわち、円周
端部４ｂの厚さを大きくすることで、ディッシュ４の少
なくとも片面にできる凹状の堰により、燃料ペレット２
をディッシュ４にキャップ状にはめ込むことができる。
このとき、ディッシュ端部４ｂは燃料被覆管１とＭＯＸ
ペレット２の中間の間隙に位置する。この構成により第
１乃至第５の実施形態と同様の効果が得られると同時
に、ＭＯＸペレット２が燃料被覆管１と直接接触して干
渉することを防ぐことができるから、ペレット−被覆管
相互作用の防止を図ることができる。

【００４１】本発明の第７の実施形態に係る燃料集合体
は、図８及び図９に示した従来の燃料集合体において、
燃料としてＭＯＸを使い、図９で記号Ｇで示した可燃性
毒物入り特殊燃料棒として、第１乃至第６の実施形態に
係る原子炉燃料要素、すなわちＭＯＸペレット間に可燃
性毒物入り混合物を配設してなる可燃性毒物入りＭＯＸ
特殊燃料棒を用いたものである。また図９に掲げた燃料
配置以外にも可燃性毒物入りＭＯＸ特殊燃料棒の配置に
はさまざまなパターンが考えられる。上述したように、
この構成によりプル・サーマル利用により燃料の経済性
が向上するとともに、従来のウラン燃料と同等の反応特
性が得られる。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、可燃
性毒物をＭＯＸに混合することなく、ＭＯＸペレット間
に可燃性毒物を含む混合物を配設して可燃性毒物入りＭ
ＯＸ特殊燃料棒を製造することにより、製造に要する時
間や費用を低減し、かつ保守、管理が容易な、可燃性毒
物を装填したＭＯＸ燃料を実現することができる。また
同時に、特に混合物の配置や形状を工夫することで、現
行の沸騰水型原子炉における燃料集合体と実質的に同等
の反応特性及び燃焼性能を得ることができる。また混合
物の形状を工夫することで、ペレット−被覆管相互作用
の防止を図り、燃料の健全性に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１及び第２の実施形態に係る原子炉
燃料要素の切欠断面図である。

【図２】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る原子炉
燃料要素の切欠断面図、（ｂ）は本発明の第４の実施形
態に係る原子炉燃料要素の切欠断面図である。

【図３】本発明の第５の実施形態に係る原子炉燃料要素
におけるＭＯＸペレット間に挟み込む混合物ディスクの
斜視図である。

【図４】ガドリニアによる余剰反応度抑制効果率と混合
物ディスクピッチとの相関を示すグラフである。

【図５】混合物ディスクの配設に伴う燃料集合体中のウ
ラン酸化物減少量と混合物ディスクピッチとの相関を示
すグラフである。

【図６】本発明の第６の実施形態に係る原子炉燃料要素
の切欠断面図である。

【図７】（ａ）は本発明の第６の実施形態に係る原子炉
燃料要素におけるＭＯＸペレット間に挟み込む混合物デ
ィッシュの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視
方向の断面図である。

【図８】（ａ）は従来の燃料集合体の縦断面図、（ｂ）
は（ａ）のＢ−Ｂ矢視方向断面図である。

【図９】従来の燃料集合体における種々のガドリニア入
り燃料棒の配置の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１燃料被覆管２ＭＯＸ（混合酸化物）ペレット３、４核燃料物質と可燃性毒物の混合物、または核分
裂性物質以外の物質と可燃性毒物の混合物

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ２１Ｃ 3/30 ＧＤＢＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プルトニウムとウランの酸化物を混合し
て得られる混合酸化物から成るＭＯＸペレットを複数積
層して燃料被覆管の内部に収納した原子炉燃料要素にお
いて、前記ＭＯＸペレット間の少なくとも一部に、核燃
料物質と可燃性毒物との混合物を配設したことを特徴と
する原子炉燃料要素。
【請求項２】プルトニウムとウランの酸化物を混合し
て得られる混合酸化物から成るＭＯＸペレットを複数積
層して燃料被覆管の内部に収納した原子炉燃料要素にお
いて、前記ＭＯＸペレット間の少なくとも一部に、核分
裂性物質以外の物質と可燃性毒物との混合物を配設した
ことを特徴とする原子炉燃料要素。
【請求項３】前記可燃性毒物としてガドリニア（Ｇｄ
₂ Ｏ₃ ）を用いることを特徴とする請求項１または２記
載の原子炉燃料要素。
【請求項４】前記核燃料物質としてウラン酸化物（Ｕ
Ｏ₂ ）を用いることを特徴とする請求項１または３記載
の原子炉燃料要素。
【請求項５】前記核***性物質以外の物質として、酸
化物あるいは窒化物を用いることを特徴とする請求項２
または３記載の原子炉燃料要素。
【請求項６】前記混合物は円板形状のディスクであ
り、かつ燃料積層部は少なくとも２つの領域に分けら
れ、この分けられた各領域における領域容積に対する前
記混合物ディスクの数の比が、前記燃料積層部中の下方
に位置する領域ほど大きいことを特徴とする請求項１乃
至５記載の原子炉燃料要素。
【請求項７】前記混合物は円板形状のディスクであ
り、かつ燃料積層部は少なくとも２つの領域に分けら
れ、この分けられた各領域における前記混合物ディスク
の厚さが、前記燃料積層部中の下方に位置する領域ほど
大きいことを特徴とする請求項１乃至５記載の原子炉燃
料要素。
【請求項８】前記混合物は厚さ２ｍｍ以下のディスク
であることを特徴とする請求項１乃至７記載の原子炉燃
料要素。
【請求項９】前記混合物は円板の円周部に前記ＭＯＸ
ペレットを固定する堰を設けて成形したディッシュであ
ることを特徴とする請求項１乃至８記載の原子炉燃料要
素。
【請求項１０】プルトニウムとウランの酸化物を混合
して得られる混合酸化物から成るＭＯＸペレットを含む
原子炉燃料要素を具備する原子炉燃料集合体において、
前記ＭＯＸペレットを含む原子炉燃料要素の少なくとも
一部が、前記ＭＯＸペレット間の少なくとも一部に核燃
料物質と可燃性毒物との混合物を配設した原子炉燃料要
素であることを特徴とする原子炉燃料集合体。
【請求項１１】プルトニウムとウランの酸化物を混合
して得られる混合酸化物から成るＭＯＸペレットを含む
原子炉燃料要素を具備する原子炉燃料集合体において、
前記ＭＯＸペレットを含む原子炉燃料要素の少なくとも
一部が、前記ＭＯＸペレット間の少なくとも一部に核分
裂性物質以外の物質と可燃性毒物との混合物を配設した
原子炉燃料要素であることを特徴とする原子炉燃料集合
体。