(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウランを封入した複数の燃料棒と、ウランおよびガドリニアを封入した複数のガドリニア燃料棒とを規則的に配列した燃料集合体において、前記ガドリニア燃料棒の１本以上が、ガドリニウム同位体であるＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７の少なくともいずれかを天然存在率よりも高い含有率で含み、かつ核分裂性物質を全ての燃料棒の中で１番目あるいは２番目に高い濃縮度で含み、核分裂性物質の濃縮度が１番目または２番目に高いガドリニア燃料棒は、Ｇｄ−１５５の含有率をＧｄ−１５７の含有率よりも多くしたものであることを特徴とする燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子炉用燃料集合体に係り、特に可燃性毒物としてガドリニウムを含有する燃料棒を使用した燃料集合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉用燃料集合体は、ウラン等の核分裂物質を封入した複数の燃料棒を規則的に配列して構成される。このような燃料集合体において、従来、ウラン等を封入した複数の燃料棒と、ウラン等および可燃性毒物としてガドリニウム酸化物であるガドリニアを封入した複数のガドリニア燃料棒とを配列して構成される燃料集合体が知られている。
【０００３】
図３は、このような従来の燃料集合体を用いた沸騰水型原子炉の炉心における燃料セルを示す水平断面図である。この図３に示した燃料集合体１０１は、ウラン等の核燃料物質を封入した燃料棒１０２と、核燃料物質およびガドリニアを封入したガドリニア燃料棒１０３とを正方格子状に配列するとともに、中央付近に、出力運転時に内部を沸騰しない冷却水が流れるウォーターロッド１０４を配置し、これらをチャンネルボックス１０５に収納して構成される。通常、原子炉では４体の燃料集合体１０１ごとに制御棒１０６を１体配置して、炉心が構成される。なお、制御棒１０６の内部には、中性子吸収物質を封入したポイズン棒１０７が規則的な配置で格納されている。
【０００４】
図４は、図３に示した燃料棒１０２およびガドリニア燃料棒１０３等の構成を一部断面で示す拡大図である。この図４に示すように、燃料棒１０２およびガドリニア燃料棒１０３は、燃料ペレット１０８を規則的に積み重ね、その最上部に燃料ペレット１０８の変位を抑制するためのプレナムスプリング１０９を配置し、これらを被覆管１１０内に格納して構成されている。被覆管１１０の下部は下部端栓１１１で封止され、上部は上部端栓１１２で封止されている。なお、被覆管１１０の内部には、ヘリウムガスが適当な圧力で封入される。燃料集合体１０１の燃料棒１０２やガドリニア燃料棒１０３には、燃料集合体１０１内での位置ごとに、核分裂性物質の濃縮度やガドリニア添加濃度が設定されるのが普通である。
【０００５】
図５（ａ）は、このような従来の燃料集合体における各燃料棒等についての配置関係を示す平面図であり、制御棒１０６が平面視で燃料集合体１０１の左上に位置している場合を示している。この図５（ａ）において、燃料棒１０２についてはタイプ別に「１〜５」の番号を付し、ガドリニア燃料棒１０３については同じくタイプ別に「Ｇ１，Ｇ２」の符号を付している。なお、「ＷＲ」はウォーターロッド１０４を示し、「Ｐ」は部分長燃料棒１１３を示している。
【０００６】
また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した燃料棒１０２，ガドリニア燃料棒１０３および部分長燃料棒１１３について、タイプ別に核分裂性物質濃縮度（ウラン濃縮度）またはガドリニア添加濃等の上下方向の分布関係を示したものである。この図５（ｂ）に示すように、各燃料棒１０２，１０３，１１３のウラン濃縮度については、Ａ〜Ｇに区分して示しており、それらの関係はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇである（Ｇは、天然ウランの濃縮度である）。また、ガドリニア添加濃度については、ａ，ｂ，ｃ（ａ＞ｂ＞ｃ）に区分している。
【０００７】
これらの図に示すように、燃料棒１０２のウラン濃縮度は、燃料棒によっては上下方向に濃縮度の差を設ける場合がある。また、上下端には天然ウランが配される場合がある。この天然ウラン部分を天然ウランブランケットと呼ぶ。また、ガドリニア燃料棒１０３は核燃料物質とガドリニアの両方を含んでおり、また最外周以外位置に配置されるのが普通である。ただし、図示のものと異なり、最外周位置に配置する例もある。いずれにしても、従来ではガドリニア燃料棒１０３に含まれるウラン等の核分裂性物質の濃縮度が、図５（ｂ）に「Ｇ」，「Ｃ」等で示す如く低い濃度となっている。
【０００８】
なお、ガドリニア燃料棒１０３では、ガドリニア添加濃度「ａ，ｂ，ｃ」を上下方向に分布させる場合がある。上下端には天然ウランブランケットを設ける場合があるが、その場合は天然ウラン部分にはガドリニアが含まれない。また、ガドリニア燃料棒１０３の場合、天然ウランブランケットを設置せず、プレナム空間と呼ぶガス溜め領域とすることもある。
【０００９】
ウラン等を核燃料物質として用いる軽水炉では、燃焼に伴って反応度が減少するため、燃料集合体１０１は必要な初期ウラン濃縮度に設定されている。このため、燃焼に従って余剰反応度が減少する特性となる。この余剰反応度は、安全上の観点から過大とならないようにする必要がある。このため、可燃性毒物と呼ばれ、燃焼に伴って負の反応度が減少していく可燃性毒物と呼ばれる物質を燃料に添加することにより、余剰反応度が過大にならない方式が取られる。
【００１０】
上述したように、この可燃性毒物として上述したように、原子番号６４のガドリニウムの酸化物であるガドリニアが用いられてきており、主に沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられるが、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）等でも用いられる。
【００１１】
可燃性毒物として用いられる天然のガドリニウムは、安定同位体である質量数１５４，１５５，１５６，１５７，１５８，１６０の６種類の同位体の混合物であり、天然にはそれぞれ２．１ｗｔ％，１４．５ｗｔ％，２０．３ｗｔ％，１５．７ｗｔ％，２５．０ｗｔ％，２２．５ｗｔ％の重量割合で存在している。
【００１２】
このうち、天然存在率が１４．５ｗｔ％である質量数１５７のガドリニウム（Ｇｄ−１５７）は、全元素の中で最大の熱中性子吸収断面積を持っている。また、天然存在率が１５．７ｗｔ％である質量数１５５のガドリニウム（Ｇｄ−１５５）も、Ｇｄ−１５７の断面積の１／４程度の大きな断面積を持つ。
【００１３】
また、Ｇｄ−１５５およびＧｄ−１５７が中性子を吸収して生成されるＧｄ−１５６およびＧｄ―１５８の吸収断面積は、Ｇｄ−１５５，Ｇｄ−１５７の数万分の１である。このように、自身の吸収断面積が大きく、かつ中性子吸収によって生成される同位体の断面積が小さい場合には、中性子吸収（燃焼）によって吸収断面積が大幅に減少するので、いわゆる可燃性毒物として利用することができるものである。
【００１４】
上述したように、ガドリニア燃料棒におけるＧｄ−１５７とＧｄ−１５５との天然の存在割合は、合計で３０ｗｔ％程度であり、従来の燃料集合体では他のガドリウム要素として、天然ガドリニウムの酸化物であるガドリニアを可燃性毒物として利用してきた。このガドリニアの添加量は、余剰反応度を適切に抑制するとともに、負の反応度がサイクル末期まで持続するように設定される。
【００１５】
一方、ガドリニア燃料棒１０３の熱伝導度は、ガドリニア添加量に応じて低下することが知られている。このため、ガドリニア燃料棒１０３については安全上の観点から、発熱を低減する必要がある。そこで、ウランを用いた従来の燃料集合体においては、ガドリニア燃料棒１０３における核分裂性物質の濃縮度は、当該燃料集合体において１番目あるいは２番目に高くなることのないように設定している。すなわち、図５に示した従来例においては、ガドリニア燃料棒１０３の核分裂性物質の濃縮度は、３番目に高い濃縮度「Ｃ」に設定されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料集合体１０１において、ガドリニア燃料棒１０３の出力は、他の燃料棒１０２の出力に比べて、極端に小さい値となっていた。これは熱的健全性の観点から、ガドリニア燃料棒１０３の核分裂性物質濃縮度を低く設定していたためである。したがって、燃料集合体１０１の出力一定条件の下では、ガドリニア燃料棒１０３以外の他の燃料棒１０２の出力ピーキングが大きくなって、他の燃料棒１０２の熱的健全性が低下する原因となっていた。
【００１７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、ガドリニア燃料棒以外の他の燃料棒の熱的健全性を改善することができる燃料集合体を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、ウランを封入した複数の燃料棒と、ウランおよびガドリニアを封入した複数のガドリニア燃料棒とを規則的に配列した燃料集合体において、前記ガドリニア燃料棒の１本以上が、ガドリニウム同位体であるＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７の少なくともいずれかを天然存在率よりも高い含有率で含み、かつ核分裂性物質を全ての燃料棒の中で１番目あるいは２番目に高い濃縮度で含み、核分裂性物質の濃縮度が１番目または２番目に高いガドリニア燃料棒は、Ｇｄ−１５５の含有率をＧｄ−１５７の含有率よりも多くしたものであることを特徴とする燃料集合体を提供する。
【００１９】
このような構成の燃料集合体によれば、ガドリニア燃料棒が核分裂性物質を高濃度で含むことからその出力負担が増し、その分だけ他の燃料棒の出力ピーキングが低減するので、他の燃料棒の熱的健全性を改善することができる。また、ガドリニウム燃料棒におけるＧｄ−１５５あるいはＧｄ−１５７の含有率が天然存在率より高いため、ガドリニアの添加量はそれだけ低減でき、ガドリニア燃料棒の熱伝導度を改善することができる。したがって、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、他の燃料棒の熱的健全性を改善することができる。
【００２０】
従来の技術で示したように、Ｇｄ−１５５の熱中性子吸収断面積はＧｄ−１５７よりも小さいので、Ｇｄ−１５５の含有率がＧｄ−１５７よりも多いガドリニアは、平衡濃度に達する（すなわち燃え尽きる）タイミングが天然ガドリニアよりも遅くなる。したがって、ガドリニア添加量を低減しても、負の反応度はサイクル末期まで持続することが可能となる。これにより、本発明によれば、ガドリニア燃料棒の熱伝導度がさらに改善される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料集合体の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の各実施形態で示す燃料集合体の全体構成については、従来例と略同様であるから、図３および図４も参照し、各構成部材に従来例と同一の符号を使用して説明する。
【００２２】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態による燃料集合体の燃料棒配置を示す平面図であり、制御棒が平面視で燃料集合体の左上に位置している場合を示している。図１（ｂ）は、図１に示した各燃料棒について、タイプ別にウラン濃縮度またはガドリニア添加濃等の上下方向の分布関係をそれぞれ示したものである。図１（ｃ）は、ガドリニア燃料棒におけるガドリニウム同位体の含有割合を示したものである。
【００２３】
なお、本実施形態においても、燃料棒１０２についてはタイプ別に「１〜５」の番号を付し、ガドリニア燃料棒１０３についてはタイプ別に「Ｇ１，Ｇ２」の符号を付している。「ＷＲ」はウォーターロッド１０４であり、「Ｐ」は部分長燃料棒１０８である。各燃料棒１０２，１０３，１１３のウラン濃縮度についてはＡ〜Ｇに区分して示し、それらの関係はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇである（Ｇは、天然ウランの濃縮度である）。また、ガドリニア添加濃度については、ａ，ｂ，ｃ（ａ＞ｂ＞ｃ）に区分している。
【００２４】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の燃料集合体１０１は燃料要素を９×９の格子配列としたもので、ウランを封入した複数（５０本）の燃料棒１０２と、ウランおよびガドリニウム酸化物であるガドリニアを封入した複数（１６本）のガドリニア燃料棒１０３と、複数（８本）の部分長燃料棒１１３とを規則的に配列してなり、中央位置に２本のウォーターロッド１０４が配置されている。燃料集合体１０１の最外周部には燃料棒１０２（タイプ２〜５）のみが配置されており、また両ウォータロッド１０４間に隣接する位置にも燃料棒１０２（タイプ３）のみが配置されている。
【００２５】
そして、図１（ｂ）に示すように、燃料棒１０２（タイプ１〜５）およびガドリニア燃料棒１０３（タイプＧ１，Ｇ２）のウラン濃縮度は、それぞれ上下端部において最も小さいＧに設定されている。燃料棒１０２（タイプ１〜５）については、それぞれ上下方向中間部分において、ウラン濃縮度が最小以外のタイプＡ〜Ｆ（一部は組合せ）に設定され、部分長燃料棒１１３ではタイプＣに設定されている（以下、「タイプ」は省略する）。
【００２６】
ガドリニア燃料棒１０３は、一の種類（Ｇ１）については、上下方向中間部分におけるウラン濃縮度が１番目に高いＡに設定されており、また、他の種類（Ｇ２）については、上下方向中間部分におけるウラン濃縮度が２番目に高いＢに設定されている。前者のガドリニア燃料１０３（Ｇ１）は１２本、後者のガドリニア燃料１０３（Ｇ２）は４本であり、それぞれ燃料集合体中心に対称的に分散配置されている（図１（ａ）参照）。すなわち、本実施形態では配置されるガドリニア燃料１０３の全てが、ウラン濃縮度において１番目または２番目に高い種類のものとされている。但し、このようなガドリニア燃料棒１０３（Ｇ１，Ｇ２）の少なくともいずれか１本を含むものでも下記の機能を発揮することはできる。また、３番目以下のウラン濃縮度のものを含めることもできる。
【００２７】
そして、ウラン濃縮度が１番目に高いガドリニア燃料棒１０３（Ｇ１）のガドリニア添加濃度は、天然ウランを含む最上・下端部を除いて、上端側から下端側に順に大きくなるように、ｃ，ｂ，ａと区分され、またウラン濃縮度が２番目に高いガドリニア燃料棒１０３（Ｇ２）のガドリニア添加濃度は、天然ウランを含む最上・下端部を除いて、上端側から下端側にかけてｂ，ａと区分されている。
【００２８】
このものにおいて、ガドリニア燃料棒１０３には、ガドリニア同位体であるＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７が添加され、その同位体組成については、図１（ｃ）に示すように、核分裂性物質の濃縮度が１番目または２番目に高いガドリニア燃料棒１０３（Ｇ１，Ｇ２）について、それぞれＧｄ−１５５の含有率をＧｄ−１５７のそれよりも多くしてある。具体的には図１（ｃ）に示す如く、Ｇｄ−１５５の含有率を５０ｗｔ％、Ｇｄ−１５７の含有率を３０ｗｔ％とし、Ｇｄ−１５５の含有率をＧｄ−１５７のそれよりも２０％多くしてある。
本実施形態によれば、ガドリニア燃料棒１０３の熱伝導度を一層改善することができる。すなわち、Ｇｄ−１５５の熱中性子吸収断面積はＧｄ−１５７よりも小さい。したがって、Ｇｄ−１５５の含有率をＧｄ−１５７よりも多くした本実施形態においては、図２に実線で示したように、ガドリニアが平衡濃度に達する（すなわち燃え尽きる）タイミングが、同図に破線で示した天然ガドリニアのそれよりも遅くなる。したがって、ガドリニア添加量を低減しても、負の反応度はサイクル末期まで持続することが可能となり、これによりガドリニア燃料棒１０３の熱伝導度がさらに改善される。
【００２９】
なお、本発明において、Ｇｄ−１５５およびＧｄ−１５７の含有率の数値は図１（ｃ）に示したものに限定されず、種々変更して実施することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明の燃料集合体によれば、ガドリニア燃料棒が核分裂性物質を高濃度で含むことからその出力負担が増し、その分だけ他の燃料棒の出力ピーキングが低減するので、他の燃料棒の熱的健全性を改善することができる。また、ガドリニウム燃料棒におけるＧｄ−１５５あるいはＧｄ−１５７の含有率が天然存在率より高いため、ガドリニアの添加量はそれだけ低減でき、ガドリニア燃料棒の熱伝導度を改善することができる。したがって、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、他の燃料棒の熱的健全性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明の一実施形態による燃料集合体の燃料棒配置を示す平面図、（ｂ）は各燃料棒の核分裂性物質濃度およびガドリニア添加濃度を説明するための縦断面図、（ｃ）はガドリニウム同位体の相対重量割合を示す表。
【図２】  前記実施形態の作用を説明するための特性図。
【図３】  従来の燃料集合体の構成を示す断面図。
【図４】  従来の燃料棒の構成を示す断面図。
【図５】  （ａ）は従来の燃料集合体の燃料棒配置を示す平面図、（ｂ）は各燃料棒の核分裂性物質濃度およびガドリニア添加濃度を説明するための縦断面図。
【符号の説明】
１０１…燃料集合体、１０２…燃料棒、１０３…ガドリニア燃料棒、１０４…ウォーターロッド、１０５…チャンネルボックス、１０６…制御棒、１０７…ポイズン棒、１０８…燃料ペレット、１０９…プレナムスプリング、１１０…被覆管、１１１…下部端栓、１１２…上部短栓、１１３…部分長燃料棒。
【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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