(57)【要約】【課題】ウラン２３５の濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランを用いた沸騰水型原子炉用燃料集合体の経済性を高める。【解決手段】燃料集合体１０に、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超えるウランの燃料ペレットが装填されて正方格子状に配列された複数の燃料棒１２と、運転中の沸騰水型原子炉の冷却水の水素原子密度よりも水素原子密度が高い水素化物で形成された固体減速材を燃料棒と同軸方向に延びる容器に充填した固体減速棒１３と、を備える。固体減速材は、たとえばＺｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、ＬｉおよびＣｅから選択される１以上の元素の水素化物で形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体において、
軸方向に延びる被覆管とこの被覆管の内部に収納されたウラン２３５の濃縮度が５質量％を超える燃料ペレットとを備えて正方格子状に配列された複数の燃料棒と、
運転中の前記沸騰水型原子炉の冷却水の水素原子密度よりも水素原子密度が高い水素化物で形成された固体減速材を前記被覆管の軸方向に延びる容器に充填した減速体と、
を有することを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
前記固体減速材は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、ＬｉおよびＣｅから選択される１以上の元素の水素化物で形成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。
【請求項３】
前記減速体は、円柱型、角柱型および平板型のいずれかの形状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料集合体。
【請求項４】
軸方向に延びる被覆管とこの被覆管の内部に収納されたウラン２３５の濃縮度が５質量％を超える燃料ペレットとを備えて正方格子状に配列された複数の燃料棒と、運転中の前記沸騰水型原子炉の冷却水の水素原子密度よりも水素原子密度が高い水素化物で形成された固体減速材を前記被覆管の軸方向に延びる容器に充填した減速体と、を備えた燃料集合体を少なくとも１体装荷したことを特徴とする沸騰水型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料集合体およびそれを用いた沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電の経済性向上のために、燃料の取出燃焼度の伸長や原子炉単位体積当たりの出力増加を図ることが進められている。燃料の経済性を向上させるためには、燃料集合体当たりの核分裂性物質であるウラン２３５の装荷量を多くする方法がある。ウラン２３５の装荷量を多くする方法としては、ウラン全体の装荷量を多くする方法の他、ウラン２３５の濃縮度を高める方法がある。燃料の高濃縮度化による高燃焼度化は、商業炉において段階的に進められてきた。しかし、現行の燃料集合体においては、ウラン２３５の濃縮度は、５ｗｔ％以下に限られている。
【０００３】
沸騰水型原子炉においては、燃料の経済性を向上させる方法として、燃料集合体内に非沸騰水領域、つまり１本または複数本のウォータロッドまたはウォータチャンネルを配置する方法がある。軽水炉においては、中性子の減速と炉心の冷却のために軽水が用いられている。核分裂性物質は主として減速された中性子と反応して核分裂を起こすため、減速材による中性子の減速は重要な役割を果たす。単位体積当たりの減速材の体積を増やすと、中性子減速効率が高められる。このため、減速材対燃料体積比を大きくすることにより燃料集合体の反応度を大きくすることができる。これによって、燃料の経済性を向上させることができる。
【０００４】
また、減速材対燃料体積比を高めることにより、中性子スペクトルが柔らかくなる。このため、ボイド係数の絶対値を低減させることができ、安全性および運転操作性も向上させることができる。
【０００５】
そこで、燃料の経済性を高めるために、燃料集合体一体当りのウラン２３５装荷量を増加させるとともに、減速材対燃料体積比をできるだけ高くするように、減速材である水の流れる領域を適正化した設計がなされている。ただし、現行の沸騰水型原子炉の原子燃料集合体においては、濃縮度は５ｗｔ％以下に限られている。また、特許文献１には、経済性向上を目的として更なる高燃焼度化を考えるにあたり、５ｗｔ％以上の濃縮度のウランを用いるための使用するための検討がされている。
【特許文献１】特開２００７−３０９７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ウラン２３５の濃縮度が５ｗｔ％を超える燃料の利用にあたっては、減速材対燃料体積比の検討が十分になされているとは言えない。たとえば、ウラン２３５の濃縮度の増加に伴って、減速材を増加する必要性があると考えられるが、減速材の増加は燃料集合体あたりの重金属重量減少による燃料取替体数増加や、減速材領域増加による熱流動試験の必要性などの経済的な課題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、ウラン２３５の濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランを用いた沸騰水型原子炉用燃料集合体の経済性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体において、軸方向に延びる被覆管とこの被覆管の内部に収納されたウラン２３５の濃縮度が５質量％を超える燃料ペレットとを備えて正方格子状に配列された複数の燃料棒と、運転中の前記沸騰水型原子炉の冷却水の水素原子密度よりも水素原子密度が高い水素化物で形成された固体減速材を前記被覆管の軸方向に延びる容器に充填した減速体と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、沸騰水型原子炉において、軸方向に延びる被覆管とこの被覆管の内部に収納されたウラン２３５の濃縮度が５質量％を超える燃料ペレットとを備えて正方格子状に配列された複数の燃料棒と、運転中の前記沸騰水型原子炉の冷却水の水素原子密度よりも水素原子密度が高い水素化物で形成された固体減速材を前記被覆管の軸方向に延びる容器に充填した減速体と、を備えた燃料集合体を少なくとも１体装荷したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ウラン２３５の濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランを用いた沸騰水型原子炉用燃料集合体の経済性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る燃料集合体の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における一部を切欠いた側面図である。
【００１３】
燃料集合体１０は、燃料棒１２および固体減速棒１３を有している。固体減速棒１３は、燃料棒１２と同じ方向に延びている。この燃料集合体１０は、角筒状のチャンネルボックス１９が装着された状態で沸騰水型原子炉に装荷される。
【００１４】
燃料棒１２および固体減速棒１３の下端は、下部タイプレート１４で支持されている。標準燃料棒１１および固体減速棒１３の上端は、上部タイプレート１５で支持されている。また、燃料集合体１０は、下部タイプレート１４および上部タイプレート１５の間に、互いに離間して配置されたたとえば７個のスペーサ１６を有している。燃料棒１２および固体減速棒１３は、下部タイプレート１４、上部タイプレート１５およびスペーサ１６によって、相互に水平方向の間隔を保っている。
【００１５】
図３は、本実施の形態における燃料棒の一部を切欠いた側面図である。
【００１６】
燃料棒１２は、ジルコニウム合金製の被覆管２２の内部に、ウランを焼結した燃料ペレット２３を収納したものである。被覆管２２の両端は、端栓２４で封じられている。被覆管２２の外径は、約１１．２ｍｍである。燃料ペレット２３の外径は、約９．６ｍｍである。少なくとも一部の燃料ペレット２３中のウラン２３５の濃縮度は、５質量％を超えている。燃料ペレット２３が装填された軸方向長さは、約３．７ｍである。
【００１７】
図１は、本実施の形態における燃料集合体の横断面図である。図１には、制御棒１７もあわせて示した。
【００１８】
本実施の形態の燃料集合体１０において、７４本の燃料棒１２は、チャンネルボックス１９の内部で、９行９列の正方格子状に配列されている。燃料棒１２のピッチは、約１４．４ｍｍである。２本の固体減速棒１３は、９行９列の正方格子の中央付近の７つの格子位置を占めるように配置されている。チャンネルボックス１９内の燃料棒１２および固体減速棒１３の間は、冷却材の流路となっている。
【００１９】
図４は、本実施の形態における固体減速棒の一部を切欠いた側面図である。
【００２０】
固体減速棒１３は、ジルコニウム合金製の管３１の両端を端栓３４で封じた容器と、その内部に充填された固体減速材ペレット３２とを有している。固体減速材ペレット３２は、固体減速材を短い円柱状に押し固めたものである。固体減速棒１３に充填される固体減速材は、運転中の沸騰水型原子炉の冷却水の水素原子密度よりも水素原子密度が高い水素化物である。すなわち、この固体減速材は、７０気圧、２８６℃の飽和水よりも水素原子密度が高い水素化物である。固体減速棒１３に充填される固体減速材としては、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、ＬｉおよびＣｅから選択される１以上の元素の水素化物を用いることができる。
【００２１】
本実施の形態における燃料集合体１０では、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超える燃料ペレット２３を用いている。つまり、本実施の形態の燃料集合体１０は、ウラン２３５の濃縮度が低い燃料集合体に比べて、熱中性子で核分裂を起こす物質の量が多い。このため、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超える燃料ペレット２３を用いると、ウラン２３５の濃縮度が５質量％以下の場合に比べて、炉心内において、熱中性子が足りなくなる傾向にある。
【００２２】
そこで、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超える燃料ペレット２３を用いる場合には、燃料集合体１０の周辺での中性子の減速の効果を高める必要がある。しかし、減速材である冷却水を増加させると、燃料集合体１０に装荷されるウランのインベントリが減少してしまう。燃料集合体１０中のウランのインベントリが減少すると、経済性が悪化する傾向があるため、好ましくない。
【００２３】
本実施の形態では、冷却材よりも水素原子密度が高い固体減速材を固体減速棒１３の内部に充填している。このため、ウランのインベントリを減少させることなく、中性子をより減速し、熱中性子を増加させることができる。
【００２４】
また、固体減速棒１３は、燃料棒１２と同じ方向に延びる管３１に固体減速材を充填したものである。したがって、従来用いられている燃料集合体に容易に導入可能である。たとえば、従来の燃料集合体に用いられていたウォータロッドと同じ外形とすることにより、従来の燃料集合体に大幅な設計を変更することなく、固体減速棒１３を導入することができる。このため、固体減速棒１３を導入しても、燃料集合体１０中の冷却材の流路形状が変わらないため、新たな熱流動試験を行う必要がない。
【００２５】
原子炉の燃料取替においては、各サイクルの終わりに運転期間や設備利用率などの運転条件を考慮のうえ、次のサイクルの反応度寿命を与えるのに必要な燃料取替体数を決定する。反応度寿命は、たとえば、定格出力で臨界を維持できる期間で定義され、サイクル末期炉心平均燃焼度における無限増倍率の比較は、燃料集合体の反応度寿命を比較する良い指標となる。すなわち、サイクル末期炉心平均燃焼度における無限増倍率が高いほど、それに比例してサイクル末期近傍での炉心の反応度が大きく、より長い反応度寿命、より高い取出平均燃焼度になる。
【００２６】
図５は、平均濃縮度の変化に対する燃料集合体の運転サイクル末期炉心平均燃焼度での無限増倍率の変化を示すグラフである。
【００２７】
図５から、燃料集合体の平均濃縮度が約３．７質量％以上では、サイクル末期炉心平均燃焼度における無限増倍率が増加していることがわかる。ウラン２３５の最高濃縮度を５質量％として設計された従来用いられている９×９燃料の平均濃縮度は、３．７質量％程度である。つまり、ウラン２３５の最高濃縮度が５質量％を超えるようにすると、単純にいえば、燃料集合体の平均濃縮度は約３．７％以上となる。つまり、核燃料物質に対する減速材の割合が不足する傾向にある濃縮度の燃料集合体、すなわち、ウラン２３５の最高濃縮度が５質量％を超える燃料集合体に、本実施の形態のような固体減速棒１３を用いることによって、取出平均燃焼度を高めることができる。したがって、燃料集合体の経済性を高めることができる。
【００２８】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態における固体減速棒の一部を切欠いた側面図である。
【００２９】
本実施の形態の固体減速棒３６は、ジルコニウム合金製の管３１の両端を端栓３４で封じた容器と、その内部に充填された固体減速材粉末３５とを有している。このように、固体減速材粉末３５を充填して固体減速棒１３を形成すると、固体減速材の成型に要するコスト・時間を削減することができる。ただし、固体減速棒１３中の固体減速材粉末３５の充填率は、冷却材よりも水素原子密度が高くなるようにする。
【００３０】
このような固体減速棒３６を用いた燃料集合体であっても、第１の実施の形態と同様に、経済性が高くなる。
【００３１】
［第３の実施の形態］
図７は、本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における横断面図である。図７には、制御棒１７もあわせて示した。
【００３２】
本実施の形態の燃料集合体３７において、７２本の燃料棒１２は、チャンネルボックス１９の内部で、９行９列の正方格子状に配列されている。燃料棒１２の少なくとも一部には、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超えるウランが用いられている。本実施の形態の固体減速棒４３は、角筒状に形成され、９行９列の正方格子の中央付近の９つの格子位置を占めるように配置されている。チャンネルボックス１９内の燃料棒１２および固体減速棒４３の間は、冷却材の流路となっている。
【００３３】
本実施の形態では、冷却材よりも水素原子密度が高い固体減速材を固体減速棒４３の内部に充填している。このため、ウランのインベントリを減少させることなく、中性子をより減速し、熱中性子を増加させることができる。したがって、ウラン２３５の最高濃縮度が５質量％を超える燃料集合体に、本実施の形態のような固体減速棒４３を用いることによって、取出平均燃焼度を高めることができ、燃料集合体の経済性を高めることができる。
【００３４】
［第４の実施の形態］
図８は、本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態における横断面図である。図８には、制御棒１７もあわせて示した。
【００３５】
本実施の形態の燃料集合体４０において、９２本の燃料棒３９は、チャンネルボックス１９の内部で、１０行１０列の正方格子状に配列されている。燃料棒３９の少なくとも一部には、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超えるウランが用いられている。本実施の形態の２本の固体減速棒３８は、円筒状に形成され、１０行１０列の正方格子の中央付近の４つの格子位置をそれぞれ占めるように配置されている。チャンネルボックス１９内の燃料棒３９および固体減速棒３８の間は、冷却材の流路となっている。
【００３６】
本実施の形態では、冷却材よりも水素原子密度が高い固体減速材を固体減速棒４３の内部に充填している。このため、ウランのインベントリを減少させることなく、中性子をより減速し、熱中性子を増加させることができる。したがって、ウラン２３５の最高濃縮度が５質量％を超える燃料集合体に、本実施の形態のような固体減速棒３８を用いることによって、取出平均燃焼度を高めることができ、燃料集合体の経済性を高めることができる。
【００３７】
［第５の実施の形態］
図９は、本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態における横断面図である。図９には、制御棒１７もあわせて示した。
【００３８】
本実施の形態の燃料集合体４２において、９１本の燃料棒３９は、チャンネルボックス１９の内部で、１０行１０列の正方格子状に配列されている。燃料棒３９の少なくとも一部には、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超えるウランが用いられている。本実施の形態の固体減速棒４１は、角筒状に形成され、１０行１０列の正方格子の中央付近の９つの格子位置をそれぞれ占めるように配置されている。チャンネルボックス１９内の燃料棒３９および固体減速棒４１の間は、冷却材の流路となっている。
【００３９】
本実施の形態では、冷却材よりも水素原子密度が高い固体減速材を固体減速棒４３の内部に充填している。このため、ウランのインベントリを減少させることなく、中性子をより減速し、熱中性子を増加させることができる。したがって、ウラン２３５の最高濃縮度が５質量％を超える燃料集合体に、本実施の形態のような固体減速棒４１を用いることによって、取出平均燃焼度を高めることができ、燃料集合体の経済性を高めることができる。
【００４０】
［第６の実施の形態］
図１０は、本発明に係る燃料集合体の第６の実施の形態における横断面図である。図１０には、制御棒１７もあわせて示した。
【００４１】
本実施の形態の燃料集合体４４において、チャンネルボックス１９の内部は、仕切板４８、固体減速棒４５および固体減速板４６によって、４つの領域に仕切られている。４つの領域のそれぞれには、燃料棒４７が５行５列の正方格子状に燃料集合体４４の中心に最も近い１箇所を除き配列されている。燃料棒４７の少なくとも一部には、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超えるウランが用いられている。
【００４２】
本実施の形態の固体減速棒４５は、燃料棒４７と同じ方向に延びた角筒状に形成されている。固体減速棒４５は、燃料集合体４４の中央に配置されている。また、固体減速板４７は、燃料棒４７と同じ方向に延びた板状に形成されている。固体減速板４７は、チャンネルボックス１９内の４つの領域に挟まれるように配置されている。チャンネルボックス１９内の燃料棒３９、固体減速棒４５および固体減速板４６の間は、冷却材の流路となっている。
【００４３】
本実施の形態では、冷却材よりも水素原子密度が高い固体減速材を固体減速棒４５および固体減速板４６の内部に充填している。このため、ウランのインベントリを減少させることなく、中性子をより減速し、熱中性子を増加させることができる。したがって、ウラン２３５の最高濃縮度が５質量％を超える燃料集合体に、本実施の形態のような固体減速棒４５および固体減速板４６を用いることによって、取出平均燃焼度を高めることができ、燃料集合体の経済性を高めることができる。
【００４４】
［第７の実施の形態］
図１１は、本発明に係る燃料集合体の第７の実施の形態における横断面図である。図１１には、制御棒１７もあわせて示した。
【００４５】
本実施の形態の燃料集合体４９において、７４本の燃料棒５０，５１，５２，５３は、チャンネルボックス１９の内部で、９行９列の正方格子状に配列されている。燃料棒１２，５０，５１には、可燃性毒物を含有しない燃料棒５２，５３と、ガドリニアなどの可燃性毒物を含有する可燃性毒物入り燃料棒５０，５１とがある。可燃性毒物入り燃料棒５０，５１は、可燃性毒物の含有量が異なる２種類に分類される。可燃性毒物を含有しない燃料棒５２，５３は、標準燃料棒５３と、この標準燃料棒５３よりも短い部分長燃料棒５２に分類される。
【００４６】
燃料棒５０，５１，５２，５３の少なくとも一部には、ウラン２３５の濃縮度が５質量％を超えるウランが用いられている。本実施の形態の２本の固体減速棒１３は、円筒状に形成され、９行９列の正方格子の中央付近の７つの格子位置をそれぞれ占めるように配置されている。チャンネルボックス１９内の燃料棒５０，５１，５２，５３および固体減速棒１３の間は、冷却材の流路となっている。
【００４７】
本実施の形態では、冷却材よりも水素原子密度が高い固体減速材を固体減速棒１３の内部に充填している。このため、可燃性毒物を含有する燃料集合体であっても、ウランのインベントリを減少させることなく、中性子をより減速し、熱中性子を増加させることができる。したがって、ウラン２３５の最高濃縮度が５質量％を超える燃料集合体に、本実施の形態のような固体減速棒１３を用いることによって、取出平均燃焼度を高めることができ、燃料集合体の経済性を高めることができる。
【００４８】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における横断面図である。
【図２】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における一部を切欠いた側面図である。
【図３】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態おける燃料棒の一部を切欠いた側面図である。
【図４】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における固体減速棒の一部を切欠いた側面図である。
【図５】平均濃縮度の変化に対する燃料集合体の運転サイクル末期炉心平均燃焼度での無限増倍率の変化を示すグラフである。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態における固体減速棒の一部を切欠いた側面図である。
【図７】本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における横断面図である。
【図８】本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態における横断面図である。
【図９】本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態における横断面図である。
【図１０】本発明に係る燃料集合体の第６の実施の形態における横断面図である。
【図１１】本発明に係る燃料集合体の第７の実施の形態における横断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…燃料集合体、１２…燃料棒、１３…固体減速棒、１４…下部タイプレート、１５…上部タイプレート、１６…スペーサ、１９…チャンネルボックス、２２…被覆管、２３…燃料ペレット、２４…端栓、３１…管、３２…固体減速材ペレット、３４…端栓、３５…固体減速材粉末、３６…固体減速棒、３７…燃料集合体、３８…固体減速棒、３９…燃料棒、４０…燃料集合体、４１…固体減速棒、４２…燃料集合体、４３…固体減速棒、４４…燃料集合体、４５…固体減速棒、４６…固体減速板、４７…燃料棒、４８…仕切板、４９…燃料集合体、５０…可燃性毒物入り燃料棒、５１…可燃性毒物入り燃料棒、５２…部分長燃料棒、５３…燃料棒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010151573.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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