(57)【要約】 【課題】原子炉の核燃料集合体の臨界安全性を高め、かつ、発電コストを低減させる。【解決手段】核燃料集合体に装荷せるどの核燃料棒にも、可燃性毒物を2種類以上と適宜固体減速材を添加した核燃料ペレットを充填する。無限増倍係数が1.0以下の核燃料集合を提供する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料に２種類以上で１ｗｔ％以下の可燃性毒物を添加し焼結または溶融または混合した核燃料ペレットを内蔵せる核燃料棒を複数本結束したことを特徴とする核燃料集合体。
【請求項２】
低富化度の核燃料と可燃性毒物１として酸化カドミウム０．１ｗｔ％、可燃性毒物２として酸化サマリウム０．１ｗｔ％を添加した核燃料ペレットを内蔵した低富化度コーナー核燃料棒（１３１１）と、高富化度の核燃料と可燃性毒物１として酸化カドミウム０．１ｗｔ％、可燃性毒物２として酸化エルビウム０．２ｗｔ％を添加した核燃料ペレットを内蔵した高富化度周辺核燃料棒（２３１２）と、高富化度の核燃料と可燃性毒物１として酸化カドミウム０．１ｗｔ％、可燃性毒物２として酸化サマリウム０．１ｗｔ％と固体減速材として酸化ベリリウム０．２ｗｔ％を添加した核燃料ペレットを内蔵した減速中部核燃料棒（２３１４）と、高富化度の核燃料と可燃性毒物１として酸化ガドリニウム２〜１０ｗｔ％、可燃性毒物２として酸化カドミウム０．１ｗｔ％を添加した核燃料ペレットを内蔵した新可燃性毒物重添加核燃料棒（１３１５）とからなる核燃料棒を結束したことを特徴とする本発明の准一様富化度マルチ可燃性毒物核燃料集合体（２３０）。
【請求項３】
可燃性毒物としてはガドリニウム、ユーロピウム、サマリウム、ジスプロニウム、エルビウム、カドミウム、ハフニウム及びその酸化物、固体減速材としては炭素、ベリリウム及びその酸化物、可燃性毒物と固体減速材を兼ねた材料としては硼素、リチウム、可燃性毒物と固体減速材とが化合された材料としては前記可燃性毒物の炭化物や硼化物とにより可燃性毒物を2種類以上含み適宜固体減速材を含めた核燃料ペレット、または核燃料と固体減速材とが化合されたウランカーバイドやウランジルコニウムカーバイドに前記可燃性毒物を2種類以上添加した核燃料ペレット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉の炉心に装荷せる核燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は沸騰水型原子炉に装荷せる核燃料物質を内包する従来の核燃料集合体（３０）の概略斜視図である（特許文献1）。核燃料集合体（３０）は、多数本正方格子状に配列された核燃料物質を内封している円柱形状の核燃料棒（３１）と、それ等の上端及び下端を夫々支持する上側結合板（３２）及び下側結合板（３３）と、前記核燃料棒（３１）の高さ途中に位置して核燃料棒（３１）間の間隔を規制する数個のスペーサ（３４）と、これ等を４面で覆うチャンネルボックス（３５）とから構成される。
図２は従来の核燃料棒（３１）の概観図である。ジルカロイ製の被覆管（４１）と、この被覆管（４１）の上下開口端を気密閉塞する上部端栓（４２）及び下部端栓（４３）と、被覆管（４１）内に装填される多数個の核燃料ペレット（４４）と、スプリング（４５）とから構成されている。核燃料ペレット（４４）は核分裂し易いウラン２３５を濃縮した濃縮ウラニウムの酸化物またはウラニウムとプルトニウムの混合酸化物（MOX）からなる。
図３は従来の核燃料集合体（３０）からなる炉心平面の部分図である。運転状態においては大半の制御棒（２２）は原子炉の下に引き抜かれている。制御棒（２２）の抜けたあとは漏洩水流路（２０）の水だけとなる。
現在稼動中の水冷却型原子炉は、高価な濃縮ウランや再処理費用が高いプルトニウムの節約のために、中性子速度が減速された速さの遅い中性子を利用している。速さの遅い中性子はウラニウム２３５やプルトニウムを核分裂させ易い。したがって、核燃料が少なくてすむ。冷却水速度を速くして蒸気ボイドに対して水の割合を多くしたり、核燃料棒（３１）の間の主冷却材通路（３６）を広げて水領域を広げたり、漏洩材通路（２０）領域を広げたりして飽和蒸気に対して液体水の割合をできるだけ多くして、中性子速度を減速させている。
図４は従来の核燃料集合体（３０）の断面図である。漏洩材通路（２０）領域に２面で接しているコーナー核燃料棒（３１１）に装荷せる核燃料ペレット（４４）の核分裂性物質の富化度は最も低い。（３１１）に隣接し漏洩材通路（２０）領域に１面で接している第一種周辺核燃料棒（３１２）の核分裂性物質の富化度は前者よりもやや高い。（３１２）に隣接し漏洩材通路（２０）領域に１面で接している第二種周辺核燃料棒（３１３）の核分裂性物質の富化度は前者よりもやや高い。漏洩材通路（２０）領域に接していない中部核燃料棒（３１４）の核分裂性物質の富化度は最も高い。中部核燃料棒（３１４）のうちの数本は富化度を若干低くして可燃性毒物ガドリニアを２〜１０ｗｔ％添加した可燃性毒物重添加核燃料棒（３１５）である。可燃性毒物としては熱中性子吸収性能が高いガドリニウムの酸化物であるガドリニアが用いられていることが多い。漏洩材通路（２０）領域を設けたことにより周辺核燃料の富化度を低くできている。可燃性毒物重添加核燃料棒（３１５）を装荷したことにより、制御棒の構成を変えることなく初期余剰反応度を制御できる範囲に保って核燃料集合体（３０）に装荷できる核分裂性物質の富化度を高めることにより使用期間を延長させ経済性を高めている。
図５は核燃料棒と主冷却材通路（３６）の冷却材とからなる核燃料棒セルに関する無限増倍係数kinfの燃焼度依存性を示す模式図である。実線は可燃性毒物が添加されていない場合を示し、破線は可燃性毒物が大量に重添加されている場合で長期間kinfを抑制する。点線は可燃性毒物が少量添加されている場合で短期間でkinfは可燃性毒物が添加されていない値になる。可燃性毒物を添加することによりkinfを1.0以下の未臨界とすることもできると共に燃焼が進んだ場合には毒物の効果が消滅し可燃性毒物が添加されていない場合の値に近づいている。
【特許文献１】：昭61-37591、「核燃料集合体」。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、核燃料物質がテロリストに狙われるのではないかと心配されている。その類推から原子炉の核燃料に関しても原子爆弾として悪用されるのではないかと心配されている。実際は核分裂性物質の富化度が数％であることからその懸念はさしたるものではないが、原子爆弾には直ぐにはなり得ないようにしておけば安全対策費が安くなり、強いては発電コストを軽減することができる。
図4に見るように従来の核燃料集合体（３０）では、可燃性毒物が添加されていない核燃料棒が大半であり、これ等の核燃料棒セルのkinfは1.0以上になっている。したがって、これ等の核燃料ペレットは連鎖反応を持続させて、原子爆発もどき低性能ではあるが高速燃焼が可能な場合が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
全核燃料棒（３１）の各々に核燃料に２種類以上で１ｗｔ％以下の可燃性毒物を添加し焼結または溶融または混合した核燃料ペレットを充填する。
可燃性毒物は核燃料であるウラン２３５やプルトニウムよりも中性子吸収断面積が格段に大きいが、中性子を吸収した後は中性子吸収断面積が格段に小さくなる物質である。可燃性毒物を２ｗｔ％以上添加した場合には自己遮蔽効果により燃焼する割合が減少する。可燃性毒物を１ｗｔ％以下添加した場合には自己遮蔽効果がなく急激に燃焼する。
一般に可燃性毒物は熱中性子に対して吸収断面積が大きいが、高速中性子に対しては小さい。そこで、減速材を添加することにより高速中性子を熱中性子にして可燃性毒物による中性子吸収作用を更に高めるのに有効である。
本発明のマルチ可燃性毒物添加核燃料集合体（１３０）のどの核燃料棒の核燃料ペレットにも可燃性毒物が含まれているためkinfは1.0以下の未臨界であるから、持続的連鎖反応は起こりえない。
可燃性毒物としては、ガドリニウム、ユーロピウム、サマリウム、ジスプロニウム、エルビウム、カドミウム、ハフニウムがある。前記可燃性毒物の酸化物の融点が高くかつ化学的に安定であるため酸化物の形態で使用される場合が多い。
固体減速材としては炭素、ベリリウムおよびその酸化物がある。
その他、可燃性毒物と固体減速材を兼ねたものとして、硼素、リチウムがある。天然硼素に含まれる硼素１０は可燃性毒物であり硼素１１は固体減速材である。天然リチウムに含まれるリチウム６は可燃性毒物でありリチウム７は固体減速材である。その酸化物や炭酸リチウムは融点が高く化学的に安定である。
可燃性毒物と固体減速材とが化合されたものとして、炭化硼素を代表とする前記可燃性毒物の炭化物があり、硼化ユーロピウムを代表とする前記可燃性毒物の硼化物が有効である。前記可燃性毒物の酸化物と酸化硼素との混合酸化物であるバテライテ型硼酸塩（例えばサマリウム（Sm）と硼素（B）と酸素（O）からSmBO3）も有効である。
核燃料と固体減速材とが化合されたものとして、ウランカーバイド（UC）やウランジルコニウムカーバイド（UZｒC）があり、これに2種類以上の可燃性毒物を添加した核燃料ペレットを内蔵せる核燃料集合体が有効である。高濃縮ウランと可燃性毒物との複酸化物に１種類以上の可燃性毒物と固体減速材を添加した核燃料ペレットを内蔵せる核燃料集合体も有効である。
核燃料と可燃性毒物と固体減速材とが化合された、硼素１１濃縮の硼化ウラン（UB2、UB4、UB12）の場合には１種類以上の可燃性毒物を添加すればよい。
２種類以上の可燃性毒物を１ｗｔ％以下添加した核燃料粒子を炭素で被覆した可燃性毒物被覆燃料粒子を核燃料棒とした核燃料集合体も有効である。
使用済み燃料を再処理して揮発性ガスは除去するが微量の可燃性毒物が含まれている核分裂生成物とウランとプルトニウムとマイナーアクチニドを分離せずに、そこに可燃性毒物と固体減速材も適宜添加した濃縮ウランまたは核兵器やプルサーマル使用済み核燃料からの核分裂しにくいプルトニウムを継ぎ足した核燃料ペレットを内蔵せる核燃料集合体も有効である。数回再処理を繰り返した場合は、バリウム等の蓄積された単なる不純物の核分裂生成物は適宜分離取り出す。
【発明の効果】
【０００５】
従来の核燃料集合体はガドリニア1種のみを一部核燃料棒に重添加していたのに対し、どの核燃料棒も2種以上の可燃性毒物が添加されkinfが1.0以下の未臨界であるため、万一テロリストにより核燃料集合体が盗まれたとしても、何らかの処理により即発臨界にしようと企てたとしても、時間と手間と大掛かりな設備の用意が必要である。可燃性毒物の種類を秘密にすればなお一層安全性が高まる。
また、再処理や加工の段階から可燃性毒物を添加しておくことにより臨界安全性を考慮する必要がなくなり製造コストが安くなる。
運転開始時において、即発臨界の恐れが小さい状態から運転が始められるため短時間で所定の送電を開始することができるため発電コストが低下する。
特に、熱交換器で水とガスの熱交換をするガス冷却炉では、事故・故障により水が炉心に入ってきても反応度上昇が少なく安全性が高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
発電コストが安く、製造時や運転開始時の事故の脅威に対して安全性が高く、かつ、容易には原爆にはならないためテロリストからの脅威が軽減された、未臨界な核燃料集合体が提供できた。
【実施例１】
【０００７】
図６は本発明のマルチ可燃性毒物添加核燃料集合体（１３０）の断面図である。核燃料棒（３１１）、（３１２）、（３１３）、（３１４）に可燃性毒物１として酸化カドミウム０．１ｗｔ％、可燃性毒物２として酸化サマリウム０．１ｗｔ％を添加した核燃料ペレットを内蔵した新コーナー核燃料棒（１３１１）、新第一種周辺核燃料棒（１３１２）、新第二種周辺核燃料棒（１３１３）、新中部核燃料棒（１３１４）とする。可燃性毒物が充分添加されていた重核燃料棒（３１５）には可燃性毒物２として酸化カドミウム０．１ｗｔ％を添加した核燃料ペレットを内蔵した新重核燃料棒（１３１５）とする。カドミウムは比較的廉価な物質である。サマリウムはウラン-235の核分裂効率が低い数eV〜10ｋeVでの中性子吸収断面積が大きい。ウランを効率良く燃焼させることができる。
通常、原子炉中の全核燃料集合体のうち1/3~1/4を新核燃料集合体に取り替えて運転するから、新核燃料集合体のkinfが１．０以下であっても、炉心に留まっている残り1/3~
2/4の核燃料集合体はkinfが1.0以上であるため出力運転をすることができる。
添加した可燃性毒物は微量でも中性子吸収作用が大きいため完全除去には多大の手間がかかるが、原子炉を運転するとすぐに燃焼してしまい運転の妨げとはならなくなる。
停止していた原子炉から制御棒を炉心から炉外に格納することにより原子炉を出力運転状態に持っていく場合、原子炉の最大反応度が臨界近辺近くまで低下しているため即発臨界への懸念が少なく安心して制御棒操作を素早く行えるため出力状態に早くもっていくことができる。
【実施例２】
【０００８】
図７は本発明の富化度種類を2種類とした准一様富化度マルチ可燃性毒物核燃料集合体（２３０）である。（３１２）、（３１３）の核燃料富化度を中央と同じにし可燃性毒物１として酸化カドミウム０．１ｗｔ％、可燃性毒物２として酸化エルビウム０．２ｗｔ％を添加した核燃料ペレットを内蔵した高富化度周辺核燃料棒（２３１２）とする。（３１４）には固体減速材として酸化ベリリウムを０．２ｗｔ％添加した核燃料ペレットを内蔵した減速中部核燃料棒（２３１４）とする。熱中性子吸収断面積が比較的小さいエルビウムやジスプロシウムを多く添加することにより燃焼が進んで核燃料が少なくなるまで熱中性子吸収作用を持続せしめる。減速不足の中部に固体減速材を添加したことにより、燃焼後期に可燃性毒物の効果がなくなった時に核分裂を活発にすることができるため長期間運転ができる。
富化度の種類が少ないことは燃料製造時の管理が簡単になりコスト低減になる。核燃料集合体中の富化度が高くなった分、長期間燃焼させることができるため原子炉稼働率が上がり発電コストを下げることができる。従来の可燃性毒物が多量に装荷されていた（３１５）の可燃性毒物が燃焼しきる時まで中性子吸収作用を維持し続けるため（２３１２）、（２３１３）の核燃料棒の出力が極端に上昇することがない。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
MOX燃料を熱中性子利用の従来と同じ核燃料集合体（３０）に充填して燃焼させるプルサーマル炉が計画されている。急速爆縮技術無しには軍事利用が困難ではあるがプルトニウムは軍事目的に利用され易いとされて利用が妨げられる傾向がある。本発明によりプルサーマルを利用したとしてもkinfが１．０以下の核燃料集合体を製造できるため未臨界であるから連鎖反応は原理的に生じない。プルサーマル炉の開発が促進され、危ぶまれているプルトニウムそのものの総量を発電コストを上昇させることなく減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の核燃料集合体（３０）の概観斜視図。
【図２】従来の核燃料棒（３１）の概観図。
【図３】従来の核燃料集合体（３０）と制御棒（２２）とからなる炉心平面の部分図。
【図４】従来の核燃料集合体（３０）の断面図。
【図５】核燃料棒セルに関する無限増倍係数kinfの燃焼度依存性を示す模式図。
【図６】本発明のマルチ可燃性毒物添加核燃料集合体（１３０）の断面図。
【図７】本発明の富化度種類を2種類とした准一様富化度マルチ可燃性毒物核燃料集合体（２３０）の断面図。
【符号の説明】
【００１１】
２０は漏洩材通路。
２２は制御棒。
３０は核燃料集合体。
３１は核燃料棒。
３２は上側結合板。
３３は下側結合板。
３４はスペーサ。
３５はチャンネルボックス。
３６は主冷却材通路。
４１は被覆管。
４２は上部端栓。
４３は下部端栓。
４４は核燃料ペレット。
４５はスプリング。
１３０は本発明のマルチ可燃性毒物添加核燃料集合体。
２３０は本発明の准一様富化度マルチ可燃性毒物添加核燃料集合体。
３１１はコーナー核燃料棒。
３１２は第一種周辺核燃料棒。
３１３は第二種周辺核燃料棒。
３１４は中部核燃料棒。
３１５は可燃性毒物重添加核燃料棒。
１３１１は新コーナー核燃料棒。
１３１２は新第一種周辺核燃料棒。
１３１３は新第二種周辺核燃料棒。
１３１４は新中部核燃料棒。
１３１５は新可燃性毒物重添加核燃料棒。
２３１２は高富化度周辺核燃料棒。
２３１４は減速中部核燃料棒。
【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】
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