(57)【要約】【課題】  燃料棒の配列を適切に設計することにより、集合体当たりのＰｕ装荷量を減らすことなく、集合体内出力ピーキング係数を十分に抑制する加圧水型原子炉用ＭＯＸ燃料集合体を得る。【解決手段】  ＭＯＸ燃料棒として予め定められたＰｕ富化度及びＰｕ量の第１のＭＯＸ燃料棒と第１のＭＯＸ燃料棒に対してＰｕ富化度は同一でＰｕ量の相違する第２のＭＯＸ燃料棒とが配置されており、第１のＭＯＸ燃料棒と第２のＭＯＸ燃料棒とを含めた全ての燃料棒の被覆管が同一の外径を有し、第１のＭＯＸ燃料棒内の燃料ペレットと第２のＭＯＸ燃料棒内の燃料ペレットとが、互いに同じＰｕ富化度とを有し、ペレット重量が互いに相違するものであり、Ｐｕ富化度が、炉心運転期間に基づいて設定されたＵＯ２ 燃料集合体のみからなる炉心と比べて、同一運転期間を確保するための取替体数を増加させないように定められている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
毒物入りＵＯ２ 燃料棒と、ウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒とをｎ行ｎ列の格子状配列中に配置した加圧水型原子炉用のＭＯＸ燃料集合体であって、ＵＯ２ 燃料集合体と隣接して炉心内に配列されるものにおいて、
前記ウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒として、予め定められたＰｕ富化度及びＰｕ量の第１のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒と、第１のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒に対してＰｕ富化度は同一でＰｕ量の相違する第２のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒とが、配置されており、
前記第１のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒と第２のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒とを含めた全ての燃料棒の被覆管が同一の外径を有し、
前記第１のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒内の燃料ペレットと第２のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒内の燃料ペレットとが、互いに同じＰｕ富化度を有し、ペレット重量が互いに相違するものであり、
前記Ｐｕ富化度が、炉心運転期間に基づいて設定されたＵＯ２ 燃料集合体のみからなる炉心と比べて、同一運転期間を確保するための取替体数を増加させないように定められていることを特徴とする加圧水型原子炉用ＭＯＸ燃料集合体。
【請求項２】
前記第１のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒には、第２のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料ペレットに対して、同一Ｐｕ富化度であってペレット直径の相違するウラン−プルトニウム混合酸化物燃料ペレットが装填され、
直径の小さい燃料ペレットが詰められたウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒の被覆管肉厚は、他の燃料棒の被覆管肉厚より厚くなっていることを特徴とする請求項１に記載の加圧水型原子炉用ＭＯＸ燃料集合体。
【請求項３】
前記格子状配列の四隅位置又は四隅位置とその近傍とに毒物入りＵＯ２ 燃料棒が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加圧水型原子炉用ＭＯＸ燃料集合体。
【請求項４】
前記格子状配列の外周位置に、内側位置と比較してＰｕ量の少ないウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒が配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の加圧水型原子炉用ＭＯＸ燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加圧水型原子炉用燃料集合体に関し、特に、ウラン−プルトニウム混合酸化物（以下、ＭＯＸと記す）燃料棒を含む加圧水型原子炉用ＭＯＸ燃料集合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の加圧水型原子炉（以下、ＰＷＲと記す）用ＭＯＸ燃料集合体としては、ＭＯＸ燃料の集合体内の相対的な燃料棒出力の最大値（集合体内出力ピーキング係数）を抑制するため、ＭＯＸ燃料棒のＰｕ富化度を３種類とした、いわゆる３富化度ＭＯＸ燃料集合体が実用化されている。
【０００３】
この集合体では、集合体内の外周付近に低富化度、中富化度ＭＯＸ燃料棒、内側に高富化度ＭＯＸ燃料棒を配置することにより、隣接するＵＯ２ 燃料集合体から熱中性子がＰｕの含有割合の少ない低富化度、中富化度燃料棒に流れ込んできても、集合体内の外周付近のＭＯＸ燃料棒の出力を抑制でき、流れ込む熱中性子の影響の及びにくい集合体内側にＰｕの含有割合のより高い高富化度燃料棒を配列しているため、出力のバランスが取れ、集合体内出力ピーキング係数を十分に抑制することが可能である。
【０００４】
ところが、この３富化度ＭＯＸ燃料集合体には、以下の理由により製造コストが高くなるという欠点があった。
・Ｐｕ含有割合の異なる（富化度の異なる）３種類のＭＯＸ燃料粉末を用意するための設備が必要である。
・富化度の異なる３種類の粉末を各々ペレットに成型し、各々燃料棒に封入する必要がある。
・富化度の異なるＭＯＸ燃料を成型加工するごとに、製造ラインをクリーンアップ（富化度の異なるＭＯＸ燃料粉末やペレットが混じらないように除染すること）する必要がある。
【０００５】
また、ＭＯＸ燃料集合体の一部に毒物入りＵＯ２ 燃料棒を配してＭＯＸ燃料棒のＰｕ富化度の種類を削減する設計も考案されているが（特許文献１）、この場合でもＰｕ富化度は２種類となっており、根本的な解決はなされていなかった。
【特許文献１】特開平８−２０１５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、Ｐｕ含有割合が一種類のＭＯＸ燃料棒から構成される１富化度ＭＯＸ燃料集合体については、Ｐｕ含有割合を３富化度ＭＯＸ燃料集合体の平均富化度より低下させ、集合体としての増倍率を、同時に炉心内に装荷されるＵＯ２ 燃料集合体に比べて低くすることにより実用化することが考えられる。この場合、集合体内出力ピーキング係数は十分に抑制できないが、集合体としての増倍率が低いため、炉心全体から見た出力ピーキング係数は、炉心の安全性を満足できる範囲とすることが可能と考えられる。
【０００７】
しかし、このような低富化度の１富化度ＭＯＸ燃料集合体を採用すると、ＵＯ２ 燃料集合体のみからなる炉心に比べて、同一運転期間を確保するための取替体数（新燃料体数）は増加することになる。従って、トータルの燃料製造コストが高くなるという欠点があった。
【０００８】
また、軽水を用いたＰＷＲで、ＭＯＸ燃料集合体を炉心の燃料集合体体数の１／３程度まで装荷して使用する場合（いわゆるプルサーマル）、装荷されたＭＯＸ燃料集合体は、ＵＯ２ 燃料集合体と隣接して炉心内に配列されている。
【０００９】
このＭＯＸ燃料は、ＵＯ２ 燃料に比べて、熱中性子の吸収効果が大きいためＭＯＸ燃料中の中性子のエネルギースペクトルは硬化し、熱中性子束はＵＯ２ 燃料に比べて低いレベルとなる。そのため、炉心内でＭＯＸ燃料集合体とＵＯ２ 燃料集合体を隣接して配列すると、ＵＯ２ 燃料からＭＯＸ燃料へ熱中性子の流れ込みが生じる。その結果、ＵＯ２ 燃料集合体に隣接するＭＯＸ燃料棒において流れ込んでくる熱中性子による核分裂が活発になり、当該ＭＯＸ燃料棒の出力が相対的に高くなる。
【００１０】
すなわち、ＭＯＸ燃料集合体の中の外周付近のＭＯＸ燃料棒の出力が内側のそれに比べて相対的に高くなる。炉心内の燃料棒の最高出力は、炉心の安全性（燃料の健全性）の観点により制限されるが、この制限を満足するためには各燃料集合体内の相対的な燃料棒出力最大値（集合体内出力ピーキング係数）を十分に抑制する必要がある。
【００１１】
本発明は、ＭＯＸ燃料集合体に関するもので、各燃料棒の配列を適切に設計することにより、集合体当たりのＰｕ装荷量を減らすことなく、集合体内出力ピーキング係数を十分に抑制するＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を得ることを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載された発明に係るＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体は、毒物入りＵＯ２ 燃料棒と、ＭＯＸ燃料棒とをｎ行ｎ列の格子状配列中に配置したＰＷＲ用のＭＯＸ燃料集合体であって、ＵＯ２ 燃料集合体と隣接して炉心内に配列されるものにおいて、
前記ＭＯＸ燃料棒として、予め定められたＰｕ富化度及びＰｕ量の第１のＭＯＸ燃料棒と、第１のＭＯＸ燃料棒に対してＰｕ富化度は同一でＰｕ量の相違する第２のＭＯＸ燃料棒とが、配置されており、
前記第１のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒と第２のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒とを含めた全ての燃料棒の被覆管が同一の外径を有し、
前記第１のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒内の燃料ペレットと第２のウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒内の燃料ペレットとが、互いに同じＰｕ富化度を有し、ペレット重量が互いに相違するものであり、
前記Ｐｕ富化度が、炉心運転期間に基づいて設定されたＵＯ２ 燃料集合体のみからなる炉心と比べて、同一運転期間を確保するための取替体数を増加させないように定められていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に記載された発明に係るＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体は、請求項１に記載の第１のＭＯＸ燃料棒には、第２のＭＯＸ燃料棒のＭＯＸ燃料ペレットに対して、同一Ｐｕ富化度であってペレット直径の相違するＭＯＸ燃料ペレットが装填され、
直径の小さい燃料ペレットが詰められたウラン−プルトニウム混合酸化物燃料棒の被覆管肉厚は、他の燃料棒の被覆管肉厚より厚くなっていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に記載された発明に係るＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体は、請求項１又は２に記載の格子状配列の四隅位置又は四隅位置とその近傍とに毒物入りＵＯ２ 燃料棒が配置されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４に記載された発明に係るＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体は、請求項１から３の何れかに記載の格子状配列の外周位置に、内側位置と比較してＰｕ量の少ないＭＯＸ燃料棒が配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は以上説明した通り、各燃料棒の配列を適切に設計することにより、集合体当たりのＰｕ装荷量を減らすことなく、集合体内出力ピーキング係数を十分に抑制するＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を得ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明においては、Ｐｕ富化度は同じでＰｕ量の異なる複数種類のＭＯＸ燃料棒を、毒物入りＵＯ２ 燃料棒と共に燃料集合体内に配置する。例えば、毒物入りＵＯ２ ペレットを詰めた毒物入りＵＯ２ 燃料棒(1) と、Ｐｕ富化度が同一でＰｕ量の異なる２種類のＭＯＸペレットをそれぞれ詰めた第１及び第２のＭＯＸ燃料棒(2) (3) （Ｐｕ量は(2)＜(3)）から構成されるＭＯＸ燃料集合体が挙げられる。尚、当然のことながら、本発明では第１及び第２以外に第３、第４…のＰｕ富化度が同一でＰｕ量の異なるＭＯＸ燃料棒を用いても良い。
【００１８】
本発明の第１及び第２のＭＯＸ燃料棒(2) (3) としては、好ましくは、同じ高さと同じＰｕ富化度とを有しペレット重量の相違するＭＯＸ燃料ペレットを同数個燃料棒被覆管内に詰めることにより得られたＭＯＸ燃料棒を用いる。具体的には、ＭＯＸ燃料ペレットの直径のみを相違させたり、これ以外にもペレット密度を下げたり、ペレット中心に空孔を設けた中空ペレットの採用等により、燃料棒のＭＯＸ燃料ペレット重量を相違させることでＰｕ量を相違させることも可能である。これにより、成形工程のみを相違する製造ラインで製造可能となるため、複数種類のＭＯＸ燃料(2) (3) を製造しても、製造コストが高くならない利点を有する。
【００１９】
また、本発明では、好ましくは、集合体内の外周コーナー又は該コーナーとその付近とに毒物入りＵＯ２ 燃料棒(1) を配置する。更に、本発明では、より好ましくは、毒物入りＵＯ２ 燃料棒(1) 以外の位置でＵＯ２ 燃料集合体と隣接してＭＯＸ燃料が炉心に装荷されたときに出力が高くなる位置（例えば最外周位置）にＰｕ量の少ないＭＯＸ燃料棒(2) を、残りの位置にＰｕ量の多いＭＯＸ燃料棒(3) を配置する。尚、ＭＯＸ燃料棒のＰｕ富化度は、同時に炉心内に装荷されるＵＯ２ 燃料集合体と寿命を通じた増倍率が等価となるように好ましくは設定する。
【００２０】
また、ＭＯＸ燃料は、ＵＯ２ 燃料に比べて、熱中性子の吸収効果が大きいためＭＯＸ燃料中の中性子のエネルギースペクトルは硬化し、熱中性子束はＵＯ２ 燃料に比べて低いレベルとなる。そのため、炉心内でＭＯＸ燃料集合体とＵＯ２ 燃料集合体を隣接して配列すると、ＵＯ２ 燃料からＭＯＸ燃料へ熱中性子の流れ込みが生じる。
【００２１】
本発明のＭＯＸ燃料集合体では、この流れ込んでくる熱中性子を毒物入りＵＯ２ 燃料棒により吸収させその近辺に配置されるＭＯＸ燃料棒の出力を抑制するだけではなく、集合体の最外周位置等の流れ込んでくる熱中性子束のレベルの高い位置にＰｕ量の少ないＭＯＸ燃料棒(2) を配置することにより、熱中性子によるＰｕの核分裂数を抑制し集合体内出力ピーキング係数を従来の３富化度ＭＯＸ燃料集合体と同等に抑えることが出来る。
【実施例】
【００２２】
本発明の一実施例（１７×１７配列）を図１に示す。図に示す通り、本実施例の燃料集合体は、毒物としてガドリニアを用いたガドリニア入りＵＯ２ ペレットを詰めたＵＯ２ 燃料棒(1) と、ガドリニア入りＵＯ２ ペレットより直径の小さいＭＯＸペレットを詰めた第１のＭＯＸ燃料棒(2) と、及びガドリニア入りＵＯ２ ペレットと同じ直径のＭＯＸペレットを詰めた第２のＭＯＸ燃料棒(3) とから構成される。
【００２３】
なお、実際の炉心では、ＭＯＸ燃料集合体の制御棒案内管位置に、ウラン等の核燃料物質を含まず、ほう素等の中性子吸収核種から構成される可燃性毒物棒（Burnable Poison 棒もしくはＢＰ棒）が挿入されることが多い。この場合の集合体図を図２に示す。更に、表１及び表２に本実施例のＭＯＸ燃料集合体の主要仕様を示す。
【００２４】
図３は従来の３富化度ＭＯＸ燃料のＭＯＸ燃料集合体内の燃料棒配置の一例を示す図である。図４は可燃性毒物棒のないＭＯＸ燃料集合体（ケース１）と可燃性毒物棒入りＭＯＸ燃料集合体（ケース２）との出力ピーキング係数の計算体系を示す図である。図５は図４の計算体系で図１及び図２に示したＭＯＸ燃料集合体と図３に示した典型的な３富化度分布を有するＭＯＸ燃料集合体について、集合体内出力ピーキング係数を比較した図である。図に示す通り、ＰＷＲ炉心を模擬した典型的な計算体系で計算した場合の集合体内出力ピーキング係数は、従来の３富化度ＭＯＸ燃料集合体（図３）と同等もしくはそれ以下である。
【００２５】
また、９０万ｋＷｅ級３ループＰＷＲプラントで１３ヶ月運転を行う場合には、集合体燃焼度約２８２００ＭＷｄ／ｔにて、ＭＯＸ燃料集合体の集合体増倍率がＵＯ２ 燃料集合体のそれとほぼ等しければ、ＭＯＸ燃料を装荷しても新燃料体数の増加はない。ここで本実施例では、ＭＯＸ燃料集合体のＰｕ富化度は、ＵＯ２ 燃料集合体（ ２３５Ｕ濃縮度：４．１wt％）と寿命を通じた集合体増倍率が同一になるように設定できる。即ち、本実施例では、ＭＯＸ燃料集合体のＰｕ富化度は、ＵＯ２ 燃料集合体（ ２３５Ｕ濃縮度：４．１wt％）と集合体燃焼度約２８２００ＭＷｄ／ｔにて集合体増倍率が同一になるように設定できる。（図６）
【００２６】
尚、ガドリニア入りＵＯ２ ペレットより直径の小さいＭＯＸペレットを詰めたＭＯＸ燃料棒(2) の被覆管肉厚は他の燃料棒(1) (3) の被覆管より厚くなるが、被覆管外径は全て同一とすると、熱水力的な問題を生じない。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
2008170454.tif 000004
【００２９】
逆に、ガドリニア入りＵＯ２ ペレットより直径の小さいＭＯＸペレットを詰めたＭＯＸ燃料棒(2) の被覆管外径を他の燃料棒より細くすることも上記の応用として可能である。
【００３０】
また、ＭＯＸペレット直径を小さくする以外にも、ペレット密度を下げたり、ペレット中心に空孔を設ける中空ペレットの採用等により、燃料棒のＰｕ量を小さくすることも可能である。
【００３１】
更に、本実施例の燃料集合体では、集合体当たりのＰｕ装荷量は従来の３富化度ＭＯＸと同等である。
・従来の３富化度ＭＯＸ（Ｐｕ富化度：約9.7wt％Pu-total）：約４５ｋｇ
・実施例における１富化度ＭＯＸ                         ：約４１ｋｇ
【００３２】
以上のように、本発明による１富化度ＭＯＸ燃料集合体を用いることにより、富化度の異なるＭＯＸ燃料を成型加工するごとに、製造ラインをクリーンアップ（富化度の異なるＭＯＸ燃料粉末やペレットが混じらないように除染すること）する必要がなくなり、製造コストの低減が可能となる。しかも、原子炉での使用時の安全性、経済性は、従来の３富化度ＭＯＸ燃料と同等である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例におけるＭＯＸ燃料集合体内の燃料棒配置を示す図である。
【図２】本発明の別の実施例におけるＭＯＸ燃料集合体内の燃料棒配置を示す図（可燃性毒物棒使用時）である。
【図３】従来の３富化度ＭＯＸ燃料のＭＯＸ燃料集合体内の燃料棒配置の一例を示す図である。
【図４】可燃性毒物棒のないＭＯＸ燃料集合体（ケース１）と可燃性毒物棒入りＭＯＸ燃料集合体（ケース２）との出力ピーキング係数の計算体系を示す図である。
【図５】図４の計算体系で図１及び図２に示したＭＯＸ燃料集合体と図３に示した典型的な３富化度分布を有するＭＯＸ燃料集合体とについて、集合体内出力ピーキング係数を比較した図である。
【図６】本発明の一実施例におけるＭＯＸ燃料集合体内のＭＯＸ燃料棒のＰｕ富化度をＵＯ２ 燃料集合体（ ２３５Ｕ濃縮度：４．１ｗｔ％）と寿命を通じた集合体増倍率が同一になるように設定したことを示す図である。
【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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