JP3075749B2

JP3075749B2 - 沸騰水型原子炉

Info

Publication number: JP3075749B2
Application number: JP03006355A
Authority: JP
Inventors: 厚治蛭川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-01-23
Filing date: 1991-01-23
Publication date: 2000-08-14
Anticipated expiration: 2015-08-14
Also published as: JPH04238292A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明はウラン・プルトニウム燃
料集合体が装荷された沸騰水型原子炉に関する。

【０００３】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の炉心部には燃料集合体
が多数装荷されている。図７は炉心部に装荷される燃料
集合体を一部切欠いて示す斜視図である。この燃料集合
体１は細長い円筒状の燃料棒２が多数本結束され、この
結束体の上部が上部タイプレート３により、下部が下部
タイプレート４によりそれぞれ支持されている。この結
束体はスペーサ５によって各燃料棒２が等間隔に間隔保
持される。結束体内には燃料棒２の他にウォータロッド
（図示せず）が組込まれている。この結束体の外周はチ
ャンネルボックス６で包囲され、このチャンネルボック
ス６は上部が上部タイプレート３に、下部が下部タイプ
レート４にそれぞれ接合されている。

【０００４】原子炉の炉心部に装荷される燃料集合体１
にはウラン燃料集合体の他に、ウラン・プルトニウム燃
料集合体（以下、ＭＯＸ燃料集合体と言う。）がある。
図８はＭＯＸ燃料集合体１ａを示し、このＭＯＸ燃料集
合体１ａは３本のウラン燃料棒７（Ｕ₁，Ｕ₂印）と、
１１本のガドリニア（Ｇｄ）等の可燃性毒物入り燃料棒
８（Ｇ印）（以下、Ｇｄロッドと言う。）と、４６本の
ウラン・プルトニウム燃料棒９（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ
₄印）（以下、ＭＯＸ燃料棒と言う。）と、１本のウォ
ータロッド１０（Ｗ印）とが８行８列に正方形配列され
た例である。

【０００５】ウラン燃料棒７は、図９（Ａ）に示すよう
にジルカロイ製の燃料被覆管２ａ内にウラン235 を濃縮
した二酸化ウラン（ＵＯ₂）を焼き固めてペレット状に
した二酸化ウランペレット２ｂを軸方向に複数個装填し
て上下両端に上、下端栓（図示せず）を設けて形成され
ている。また、燃料集合体内には出力を平均化するウォ
ータロッド１０と、出力を平均化し燃焼初期の余剰反応
度を抑制するＧｄロッド８とがそれぞれ組込まれてお
り、ウォータロッド１０は冷却材が下方から上方に向け
て流通するようにジルカロイ製の管で形成されている。

【０００６】Ｇｄロッド８は図９（Ｂ）に示すようにジ
ルカロイ製の燃料被覆管２ａ内に、ペレット状にしたガ
ドリニア混入ペレット２ｃを軸方向に複数個装填して形
成される。ガドリニア混入ペレット２ｃは二酸化ウラン
にガドリニア等の可燃性毒物を数重量％の濃度で混入さ
せて焼き固めたものである。ＭＯＸ燃料棒９は図９
（Ｃ）に示すようにジルカロイ製の燃料被覆管２ａ内
に、二酸化ウランとプルトニウムを混ぜたウラン・プル
トニウム混合酸化物を焼き固め、ペレット２ｄにしたも
のを軸方向に複数個装填したものである。プルトニウム
は使用済燃料を再処理して取り出したものでウラン資源
を節約するようになっている。

【０００７】図１０はウラン燃料集合体１ｂを示し、４
８本のウラン燃料棒７（無印）と、１２本のＧｄロッド
（Ｇ印）８と、１本のウォータロッド１０（Ｗ印）が８
行８列に正方形配列された例である。

【０００８】以上のように構成された燃料集合体１ａ，
１ｂは図１１に示すように断面十字形状の制御棒１１に
沿って炉心１２内に装備されている。なお、図１１は通
常炉心が対称に構成されているので、炉心全体の3/4 を
省略している。そして、図１１において、正方形内の数
字１，２はウラン燃料集合体１ｂの１運転サイクル（燃
料装荷サイクル）目，２運転サイクル目を示し、正方形
内の丸付き数字，はＭＯＸ燃料集合体１ａの１運転
サイクル目，２運転サイクル目をそれぞれ示している。

【０００９】図１２はウラン燃料集合体の取出し燃焼度
とほぼ同等の取出し燃焼度を目標としたＭＯＸ燃料集合
体を設計する場合の一般例を示し、この例では３運転サ
イクルで燃料が平均して炉心から取出される場合である
が、ＭＯＸ燃料集合体１ａの燃焼度と無限増倍率Ｋ_∞の
関係（曲線ａ）と、ウラン燃料集合体１ｂの燃焼度とＫ
_∞の関係（曲線ｂ）は運転サイクル末期において炉心に
存在する燃料の平均Ｋ_∞が曲線ａとｂとでほぼ同じにす
る必要がある。つまり、運転サイクル末期の炉心には図
１２に示すように、燃焼度(2),(3),(4) のものが、それ
ぞれ１／３ずつ存在しているわけで、燃焼度(2),(3),
(4) のＫ_∞の平均値が曲線ａ，ｂでほぼ同じであればよ
い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＭＯＸ燃料
集合体はウラン燃料のみを使用しているウラン燃料集合
体に比して中性子エネルギスペクトルが硬く、燃料集合
体を構成している一部の燃料棒の燃料に余剰反応度制御
の目的で添加する可燃性毒物、例えばガドリニアの反応
度抑制効果は小さい。

【００１１】したがって、ウラン燃料集合体とＭＯＸ燃
料集合体に同一本数のガドリニア入り燃料棒を使用した
場合、図１２に示すように燃焼初期では曲線ａで示すＭ
ＯＸ燃料集合体の方が曲線ｂで示すウラン燃料集合体よ
りＫ_∞が高くなる。燃焼が進むと可燃性毒物が燃焼して
反応度抑制効果が減少し、曲線ａ，ｂともＫ_∞は増加す
る。この時、ＭＯＸ燃料集合体では中性子エネルギスペ
クトルが硬いのでウラン燃料集合体よりもガドリニウム
の減少率が小さい。

【００１２】このように、ＭＯＸ燃料集合体がウラン燃
料集合体の場合と同一の可燃性毒物（ガドリニア）添加
量とすると、可燃性毒物（ガドリニア）の反応度抑制期
間が長くなるので、燃料装荷運転サイクル中に可燃性毒
物が燃え尽きず、可燃性毒物（ガドリニア）添加濃度を
ウラン燃料集合体より減少させる必要がある。可燃性毒
物含有量を減少させた場合、さらに燃焼初期のＭＯＸ燃
料集合体のＫ_∞が増加することとなる（曲線ａ１）。そ
の結果、運転サイクル初期のＫ_∞の平均値（燃焼度(1),
(2),(3) における曲線ａ１，ｂのＫ_∞の平均値）はＭＯ
Ｘ燃料集合体の方が大きくなる。

【００１３】また、図１１に示すようにＭＯＸ燃料集合
体１ａおよびウラン燃料集合体１ｂが１本の制御棒周囲
に混合されて装荷することを考慮し、ＭＯＸ燃料集合体
（燃焼度(1))１体、ウラン燃料集合体（燃焼度(2) ）１
体、ＭＯＸ燃料集合体（燃焼度(3))１体、ウラン燃料集
合体（燃焼度(3))１体が配置される場合と、ウラン燃料
集合体だけで１本の制御棒周囲に燃焼度(1) １体、燃焼
度(2) １体、燃焼度(3) ２体が配置される場合を比較す
ると、前者のＫ_∞の平均値の方が大きくなる。これらの
結果、運転サイクル初期に炉心の設計条件である炉停止
余裕の確保がウラン燃料集合体だけの炉心の場合より難
しくなる。

【００１４】この問題を解決するため、燃焼初期のＭＯ
Ｘ燃料集合体のＫ_∞を低下させるようＭＯＸ燃料集合体
のガドリニア入り燃料棒の本数をウラン燃料集合体の場
合より増加させることが考えられる。しかし、その場
合、ガドリニア入り燃料棒の本数が増すと、燃料集合体
の横断面出力分布を示すパラメータ、局所出力ピーキン
グ係数が増加し、ＭＯＸ燃料集合体の線出力密度を増加
させることになるので、これを緩和するため、ＭＯＸ燃
料集合体の横断面のウラン濃縮度およびプルトニウム・
フィッサイル（以下Ｐｕ・ｆｉｓという）の濃度分布を
図８のＭＯＸ燃料集合体１ａより多くし、局所出力ピー
キング係数を低下させる必要がある。

【００１５】ところで、ＭＯＸ燃料集合体のＭＯＸ燃料
棒はＰｕＯ₂・ＵＯ₂を扱うためウラン燃料棒の製造工
程とは別個の製造工程を用い、Ｐｕの利用量もウランに
比べて規模が小さいので、ＭＯＸ燃料棒のＰｕ・ｆｉｓ
の種類は可及的に少ない方が製造管理、コスト面から有
利である。また、ＭＯＸ燃料集合体の１つの炉心におけ
る装荷割合は、当面全炉心の1/4 〜1/2 と考えられる。

【００１６】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、ＭＯＸ燃料集合体の濃縮度およびＰｕ・ｆｉｓの濃
度分布を簡略化し、炉停止余裕を満たし、中性子経済性
を良好にした沸騰水型原子炉を提供することを目的とす
る。〔発明の構成〕

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る沸騰水型原子炉にあっては、内部に
ウラン酸化物を充填したウラン燃料棒および可燃性毒物
入り燃料棒を有するウラン燃料集合体と、内部にウラン
酸化物を充填したウラン燃料棒，ウラン・プルトニウム
混合酸化物を充填したウラン・プルトニウム燃料棒およ
び可燃性毒物入り燃料棒を有するＭＯＸ燃料集合体とを
制御棒に沿って炉心内に多数整列配置した沸騰水型原子
炉において、前記ＭＯＸ燃料集合体はウラン燃料集合体
と比較して可燃性毒物入り燃料棒の本数が少なく、且つ
炉心周辺部に配置され、さらに、炉心周辺部に配置され
る前記ＭＯＸ燃料集合体のうち、燃料装荷第１サイクル
または第２サイクルの燃料が配置される同一制御棒セル
内にはウラン燃料集合体の燃料装荷第１サイクルまたは
第２サイクルの燃料を配置しないように設定したもので
ある。

【００１８】

【作用】上記の構成を有する本発明においては、ＭＯＸ
燃料集合体の濃縮度、Ｐｕ・ｆｉｓの濃度分布およびガ
ドリニア分布設計が比較的簡単なＭＯＸ燃料となり、製
造工数が低減できる。

【００１９】ＭＯＸ燃料集合体のＫ_∞は燃料装荷第１運
転サイクルの初期にウラン燃料集合体より大きいため、
運転上の制限因子である最小限界出力比（ＭＣＰＲ）、
線出力密度が運転制限値に対して余裕が小さくなる傾向
にあるが、炉心の周辺部の出力が炉心平均の０．７〜
０．９倍の位置に装荷するので、運転制限値に対して余
裕が確保される。また、ＭＯＸ燃料集合体を原則的に燃
料装荷第１運転サイクル，第２運転サイクル間に配置す
る炉心周辺部の１つの制御棒セル（制御棒周囲４体の燃
料集合体セル）の中では、燃料装荷第１運転サイクル，
第２運転サイクルのＭＯＸ燃料と燃料装荷第１運転サイ
クル，第２運転サイクルのウラン燃料集合体を組み合わ
せて配置することはないので、炉停止余裕も十分確保さ
れる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明に係る沸騰水型原子炉の一実施
例を図１から図５に基づいて説明する。

【００２１】なお、従来の構成と同一または対応する部
分には図７から図１２と同一の符号を用いて説明する。

【００２２】図１は本実施例におけるＭＯＸ燃料集合体
を示す。このＭＯＸ燃料集合体１３は例えば５７本のＭ
ＯＸ燃料棒９（Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃印）を含んでおり、Ｐ
₁，Ｐ₂，Ｐ₃のプルトニウム・フィッサイルの富化度
はそれぞれ順に約5.5wt％（重量パーセント），約3.5wt
％，約1.0wt ％と設定されている。この燃料集合体１
３の運転状態における無限増倍率Ｋ_∞の燃焼度変化は図
２の曲線ｃに示すようになっている。曲線ｂは同時に混
合装荷されるウラン燃料集合体１４のＫ_∞の燃焼度変化
である。

【００２３】ここで、本発明の第１実施例におけるＭＯ
Ｘ燃料集合体１３とウラン燃料集合体１４の炉心１５へ
の装荷方法を説明する。ＭＯＸ燃料集合体１３は、全炉
心１５に装荷される燃料集合体の１／４〜１／２を占め
る一方、炉心１５に装荷されるＭＯＸ燃料集合体１３の
可燃性毒物入り燃料棒は、ウラン燃料集合体１４の可燃
性毒物入り燃料棒より少ない本数とする。例えば、図１
に示されるＭＯＸ燃料集合体１４の可燃性毒物入り燃料
棒の本数は、図１０に示されるウラン燃料集合体１ｂよ
り３本少ない９本である。そして、ＭＯＸ燃料集合体１
３の燃焼度による無限増倍率Ｋ_∞の変化は、図２に示す
ように、燃焼初期でウラン燃料集合体１４より高く、逆
にＫ_∞のピーク値はウラン燃料集合体１４のＫ_∞より低
く、さらに燃料装荷第１運転サイクルの始めから第２運
転サイクルの末期までのＭＯＸ燃料集合体１３のＫ_∞の
平均値が、ウラン燃料集合体１４の同一期間のＫ_∞の平
均値の例えば０．９５〜０．９８倍であるような濃縮
度、Ｐｕ・ｆｉｓ濃度を有する。

【００２４】このＭＯＸ燃料集合体１３を原子炉炉心１
５の周辺部に原則として燃料装荷第１運転サイクル、第
２運転サイクルに亘って装荷する。炉心周辺部の１つの
制御棒セル（制御棒周囲４体の燃料集合体セル）の中で
は、燃料装荷第１運転サイクルまたは第２運転サイクル
のＭＯＸ燃料集合体１３と燃料装荷第１運転サイクルま
たは第２運転サイクルのウラン燃料集合体１４を組み合
せることをしない。

【００２５】図３に示す沸騰水型原子炉の炉心１５は、
各運転サイクル毎に燃料集合体１３，１４を例えば１／
３ずつ取り換える取換炉心の例を示し、図中斜線領域は
１運転サイクル目と２運転サイクル目のＭＯＸ燃料集合
体１３を原則的に配置するＭＯＸ燃料領域を示す。ま
た、正方形内の丸付き数字はＭＯＸ燃料集合体の新燃
料を、はＭＯＸ燃料集合体１３ｂの２運転サイクル目
の燃料をそれぞれ示し、同様に正方形内の数字１はウラ
ン燃料集合体１４ａの新燃料を、２はウラン燃料集合体
１４ｂの２運転サイクル目の燃料をそれぞれ示し、空白
部分は２サイクル以上に亘って燃焼したＭＯＸ燃料集合
体１３ｃおよびウラン燃料集合体１４ｃの位置を示す。
そして、図中、太い黒枠で囲まれた制御棒１１周囲の４
本の制御棒セル（以下、コントロールセルという）１６
は運転中の出力制御のために用いるセルで、ここへは２
サイクル以上燃焼した燃料集合体の中でも比較的燃焼度
の進んだ燃料集合体を配置している。

【００２６】この炉心１５から、さらにＭＯＸ燃料集合
体１３を若干増加させる場合は、コントロールセル１６
に接する位置に図４に示すように配置させることにより
増加することができる。本実施例ではＭＯＸ燃料集合体
を計画的に炉心の外周から１〜２層目の制御棒セルすな
わち炉心の外周部に配している。この領域は中性子もれ
により出力が炉心平均出力の0.7 〜0.9 倍になる傾向に
ある。このようにＭＯＸ燃料集合体１３は燃料装荷の第
１運転サイクル、第２運転サイクルに亘って炉心外周か
ら１〜２層目の制御棒セルに原則的に配置される。

【００２７】したがって、ＭＯＸ燃料集合体１３とウラ
ン燃料集合体１４を混合装荷する炉心では、斜線で示す
炉心外周部のＭＯＸ燃料領域に新しい燃料として燃焼初
期のＫ_∞がウラン燃料集合体１４より大きいＭＯＸ燃料
集合体１３を配する方が、炉心の径方向出力分布を平坦
化し、最小限界出力比（ＭＣＰＲ）線出力密度の運転制
限値に対する余裕を確保する上で有利である。また、炉
心外周部のＭＯＸ燃料領域にはＭＯＸ燃料集合体１３の
１運転サイクル目、２運転サイクル目燃料１３ａ，１３
ｂと、少数の３運転サイクル目燃料（これはＭＯＸ燃料
集合体１３ｃ，ウラン燃料集合体１４ｃのいずれでもよ
い。）が配されることになるのに対し、このＭＯＸ燃料
領域より内側の領域では３運転サイクル目燃料の配置割
合が多いので、各領域のＫ_∞平均を比較すると、Ｋ_∞は
ＭＯＸ燃料領域の方が内側領域より若干高くなる。炉心
１５の領域の平均Ｋ_∞分布は図５に示すようになり、中
性子のもれを低減し、中性子束分布を平坦化した経済的
な炉心を形成することができる。

【００２８】また、ＭＯＸ燃料集合体１３はＫ_∞の燃焼
変化が第１運転サイクル目、第２運転サイクル目の間
で、ウラン燃料集合体１４に比較して小さい（図２参
照）ので、取替体数の変動に対しても安定して斜線部の
ＭＯＸ燃料領域の平均Ｋ_∞を内側より若干高く、または
同等に保て径方向出力分布の平坦化に寄与できる。さら
に、ＭＯＸ燃料集合体１３の体数が増減する場合は斜線
部のＭＯＸ燃料領域の制御棒セルを変更すればよい。

【００２９】斜線部のＭＯＸ燃料領域内でＭＯＸ燃料集
合体１３の新燃料１３ａ、２サイクル目燃料１３ｂが配
されている制御棒セルの中には、ウラン燃料集合体１４
の１運転サイクル目、２運転サイクル目燃料１４ａ，１
４ｂを配しないことにより、炉停止余裕が確保される。
なお、炉心１５の径方向出力分布の平坦化の効果は、炉
心１５の径が小さい５０万Ｋｗｅ、８０万Ｋｗｅ級の沸
騰水型原子炉では特に有利である。炉心１５に装荷され
る新燃料集合体のうち、ＭＯＸ燃料集合体１３が占める
割合は１／２以下である。

【００３０】本実施例の炉心において、ＭＯＸ燃料集合
体のＫ_∞の第１運転サイクル目、第２運転サイクル目の
間の平均値がウラン燃料集合体の0.95〜0.98倍に制御さ
れているので、斜線のＭＯＸ燃料領域とその内側領域の
境界でＭＯＸ燃料集合体１３にウラン燃料集合体１４が
接してしてもＭＯＸ燃料集合体１３の出力を抑制するこ
とができる。

【００３１】図６は本発明の第２実施例を示し、前記第
１実施例と同一の部分には同一の符号を付して説明す
る。この実施例のＭＯＸ燃料集合体１３はＣ格子タイプ
の原子炉においてウラン燃料集合体の１０本のＧｄロッ
ドと混合装荷する場合の例であり、炉心への装荷方法等
は前記第１実施例と同一であるのでその説明を省略す
る。

【００３２】なお、前記第１、第２実施例のＭＯＸ燃料
集合体１３では、製造本数の少ないコーナ部の燃料棒、
すなわち図１および図６中Ｕ，Ｕ₁，Ｕ₂で示した燃料
棒は本数が少ないことから、工程数およびコスト削減の
観点からウラン燃料棒にしてあるが、ＭＯＸ燃料棒でも
よい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る沸騰
水型原子炉によれば、ウラン燃料集合体と混合装荷する
ＭＯＸ燃料集合体の設計は、可燃性毒物入り燃料棒の本
数がウラン燃料集合体のそれより少ないことにより、Ｍ
ＯＸ燃料棒の種類を１種類以上削減可能であり、製造工
数が低減できて製造コストの削減および製造管理の容易
化を図ることができる。また、炉心周辺部に配置される
ＭＯＸ燃料集合体の燃料装荷第１サイクル、第２サイク
の燃料に対し、ウラン燃料集合体の燃料装荷第１サイク
ル、第２サイクルの燃料と、同一制御棒セル内に配置す
ることのない構成とすることにより、ＭＯＸ燃料集合体
の無限増倍率Ｋ_∞はウラン燃料集合体に較べ燃焼初期で
増大するが、Ｋ_∞が大きなＭＯＸ燃料集合体を炉心周辺
部に配置することで、炉心の径方向出力分布を平坦化す
ることができ、最小限出力比（ＭＣＰＲ）、最大線出力
密度、炉停止余裕の制限を余裕をもって満足し、且つ中
性子経済性の良い経済的な炉心を構成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉の第１実施例を示
す横断面図。

【図２】図１の燃料集合体の運転状態におけるＫ_∞の燃
焼度変化を示すグラフ図。

【図３】図１の沸騰水型原子炉の炉心燃料を示す配置
図。

【図４】図３の炉心燃料の変更例を示す配置図。

【図５】炉心の径方向におけるＫ_∞分布を示す説明図。

【図６】図１のＭＯＸ燃料集合体をＣ格子タイプに適用
した第１実施例を示す横断面図。

【図７】従来の燃料集合体を一部切欠いて示す斜視図。

【図８】図７のＭＯＸ燃料集合体の断面図。

【図９】（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）はウラン燃料棒、
ＧｄロッドおよびＭＯＸ燃料棒をそれぞれ示す断面図。

【図１０】図７のウラン燃料集合体の断面図。

【図１１】従来のＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体
の炉心の燃料配置図。

【図１２】ＭＯＸ燃料集合体のＫ_∞変化特性を取出燃焼
度がウラン燃料と同等にするために調整する比較図。

【符号の説明】

１ａＭＯＸ燃料集合体１ｂウラン燃料集合体７ウラン燃料棒８可燃性毒物入り燃料棒（Ｇｄロッド）９ウラン・プルトニウム燃料棒（ＭＯＸ燃料棒）１３ＭＯＸ燃料集合体１４ウラン燃料集合体１５炉心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 5/18 G21C 3/328 G21C 7/04 G21C 7/00 G21C 3/62

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部にウラン酸化物を充填したウラン燃
料棒および可燃性毒物入り燃料棒を有するウラン燃料集
合体と、内部にウラン酸化物を充填したウラン燃料棒，
ウラン・プルトニウム混合酸化物を充填したウラン・プ
ルトニウム燃料棒および可燃性毒物入り燃料棒を有する
ＭＯＸ燃料集合体とを制御棒に沿って炉心内に多数整列
配置した沸騰水型原子炉において、前記ＭＯＸ燃料集合
体はウラン燃料集合体と比較して可燃性毒物入り燃料棒
の本数が少なく、且つ炉心周辺部に配置され、さらに、
炉心周辺部に配置される前記ＭＯＸ燃料集合体のうち、
燃料装荷第１サイクルまたは第２サイクルの燃料が配置
される同一制御棒セル内にはウラン燃料集合体の燃料装
荷第１サイクルまたは第２サイクルの燃料を配置しない
ように設定したことを特徴とする沸騰水型原子炉。