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【発明の名称】 燃料集合体
【発明者】 【氏名】笹 川 勝

【氏名】井 筒 定 幸

【氏名】平 野 靖

【氏名】藤 巻 真 吾

【氏名】吉 田 学

【氏名】八 木 誠
【要約】 【課題】各原子炉タイプのＭＯＸ燃料集合体に対して、共通のＰu含有率ペレット及び２３５Ｕ濃縮度ペレットを用いて、その装荷比率を変えることにより、製造工程の合理化を図ること。

【解決手段】沸騰水型原子炉に装荷する燃料集合体に係わり、特にプルトニウムを混入した燃料棒を有する燃料集合体に関するものであって、燃料集合体内部の低Ｐｕ含有率燃料棒の本数を、出力密度等の異なる各プラント間で変えることで必要な平均Ｐｕ含有率を確保する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】燃料集合体間の間隔が制御棒挿入側と制御棒非挿入側で同一であり、燃料集合体間間隔が互いに異なる２つのタイプの沸騰水型原子炉に用いられる、複数のＭＯＸ燃料棒及び複数のウラン燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列し、水ロッドを中央領域に配置したＭＯＸ燃料集合体において、第１のタイプの原子炉に適用される燃料集合体に対し、燃料集合体内に配置される少なくとも２種類以上のＰｕ含有率を有するＭＯＸ燃料棒の本数比率のみを変更することにより第２のタイプの原子炉に適用されるように構成を変更したことを特徴とする、ＭＯＸ燃料集合体。
【請求項２】第１のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体に対する第２のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体への燃料棒の構成変更を、ＭＯＸ燃料集合体の集合体中央部に配置された２種類以上のＰｕ含有率のＭＯＸ燃料棒の本数比率のみを変えることで行うことを特徴とする、請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体。
【請求項３】Ｐu含有率の低い燃料棒の一部をＰｕ含有率の高い燃料棒に変更したことを特徴とする、請求項１又は２記載のＭＯＸ燃料集合体。
【請求項４】燃料集合体間の間隔が制御棒挿入側と制御棒非挿入側で同一である第１のタイプの沸騰水型原子炉と、燃料集合体間の間隔が制御棒挿入側と制御棒非挿入側で異なる第２のタイプの沸騰水型原子炉とに用いられる、複数のＭＯＸ燃料棒及び複数のウラン燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列し、水ロッドを中央領域に配置した燃料集合体において、第１のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体に対し、２種類以上のＰｕ含有率のＭＯＸ燃料棒の本数比率を変更し、かつ前記ＭＯＸ燃料集合体で用いられているＰｕ含有率と異なるＰｕ含有率の他種類のＭＯＸ燃料棒を追加配置することにより第２のタイプの原子炉に適用されるように構成を変更したことを特徴とする、ＭＯＸ燃料集合体。
【請求項５】第１のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体に対し、第２のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体への燃料棒構成の変更に加え、さらにウラン燃料棒を追加配置したことを特徴とする、請求項４記載のＭＯＸ燃料集合体。
【請求項６】第１のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体の燃料棒の種類に、よりＰu含有率が高い他種類の燃料棒を加えたことを特徴とする、請求項４または５記載のＭＯＸ燃料集合体。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと記す）に装荷する燃料集合体に係わり、特にプルトニウムを混入した燃料棒を有する燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】原子力発電所の核燃料リサイクルとして、再処理によって取り出されたプルトニウムをウランと混合したウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸ燃料と記す）の利用がある。現在、日本国内の多くのＢＷＲでＭＯＸ燃料の利用が計画されているが、ＭＯＸ燃料の経済性の向上を図るため、コスト削減を図る必要がある。
【０００３】日本国内のＢＷＲの中には、燃料集合体間の間隔、格子形状、燃料集合体１体あたりの出力密度の異なるいくつかのタイプがある。すなわち、燃料集合体間間隔：約１５５ｍｍ、格子形状：Ｎ格子、全熱出力/燃料集合体数：３９２６ＭＷ/８７２体の原子炉（以下ＡＢＷＲと称す）、燃料集合体間間隔：約１５２ｍｍ、格子形状：ＣまたはＳ格子、全熱出力/燃料集合体数：３２９３ＭＷ/７６４体、及び２４３６ＭＷ／５６０体の原子炉（以下ＢＷＲ５と称す）、及び燃料集合体間間隔：約１５７ｍｍ（制御棒挿入側）、約１４８ｍｍ（制御棒非挿入側）、格子形状：Ｄ格子、全熱出力/燃料集合体数：２３８１ＭＷ/５４８体の原子炉（以下ＢＷＲ４と称す）などがある。
【０００４】格子形状及び出力密度が異なると、所定の取替燃焼度を達成するために必要な燃料集合体の核分裂性物質量（ウラン燃料集合体：235Ｕ濃縮度、ＭＯＸ燃料集合体：Ｐｕ含有率、235Ｕ濃縮度）が変化するため、一般に各タイプの原子炉では、燃料の核分裂性物質量を変えている。これは、出力密度や格子形状の相違により燃料集合体反応度の燃焼特性が異なるためである。一例として、現行の高燃焼度８×８ウラン燃料の235Ｕ濃縮度は、取出平均燃焼度３９．５ＧＷd/tに対し、ＡＢＷＲで約３．５ｗｔ％、ＢＷＲ５で約３.４ｗｔ％、ＢＷＲ４で約３．６ｗｔ％である。
【０００５】ＭＯＸ燃料においても同様な対応が必要であり、各原子炉タイプごとに異なる核分裂性物質量（Ｐu含有率、235Ｕ濃縮度）のものを使用する必要がある。この方法としては、集合体内のＭＯＸ燃料ペレットのＰｕ含有率の変更、及びウランペレットの 235Ｕ濃縮度の変更が考えられる。しかし、燃料製造の観点からは、各タイプごとに別々のＰｕ含有率の及び 235Ｕ濃縮度のペレットを用いるよりも、各原子炉タイプで共通のＰｕ含有率ペレット及び 235Ｕ濃縮度ペレットを用いている方が、製造工程の合理化によるコスト低減のために有利であると考えられる。
【０００６】本発明は、各原子炉タイプのＭＯＸ燃料集合体に対して、共通のＰｕ含有率ペレット及び 235Ｕ濃縮度ペレットを用いて、その装荷比率を変えることにより、各原子炉タイプのＭＯＸ燃料集合体に必要な平均核分裂性物質量（Ｐu含有率、235Ｕ濃縮度）を確保するようにした、製造工程の合理化が容易でコスト低減上有利なＭＯＸ燃料集合体を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、燃料集合体間の間隔が制御棒挿入側と制御棒非挿入側で同一であり、燃料集合体間間隔が互いに異なる２つのタイプの沸騰水型原子炉に用いられる、複数のＭＯＸ燃料棒及び複数のウラン燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列し、水ロッドを中央領域に配置したＭＯＸ燃料集合体において、第１のタイプの原子炉に適用される燃料集合体に対し、燃料集合体内に配置される少なくとも２種類以上のＰｕ含有率を有するＭＯＸ燃料棒の本数比率のみを変更することにより第２のタイプの原子炉に適用されるように構成を変更したことを特徴とする。
【０００８】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、第１のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体に対する第２のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体への燃料棒の構成変更を、ＭＯＸ燃料集合体の集合体中央部に配置された２種類以上のＰｕ含有率のＭＯＸ燃料棒の本数比率のみを変えることで行うことを特徴とする。
【０００９】請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の発明において、Ｐｕ含有率の低い燃料棒の一部をＰｕ含有率の高い燃料棒に変更したことを特徴とする。
【００１０】請求項４に係る発明は、燃料集合体間の間隔が制御棒挿入側と制御棒非挿入側で同一である第１のタイプの沸騰水型原子炉と、燃料集合体間の間隔が制御棒挿入側と制御棒非挿入側で異なる第２のタイプの沸騰水型原子炉とに用いられる、複数のＭＯＸ燃料棒及び複数のウラン燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列し、水ロッドを中央領域に配置した燃料集合体において、第１のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体に対し、２種類以上のＰｕ含有率のＭＯＸ燃料棒の本数比率を変更し、かつ前記ＭＯＸ燃料集合体で用いられているＰｕ含有率と異なるＰｕ含有率の他種類のＭＯＸ燃料棒を追加配置することにより第２のタイプの原子炉に適用されるように構成を変更したことを特徴とする。
【００１１】請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、第１のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体に対し、第２のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体への燃料棒構成の変更に加え、さらにウラン燃料棒を追加配置することにより行うことを特徴とする。
【００１２】請求項６に係る発明は、請求項４または５記載の発明において、第１のタイプの原子炉に適用されるＭＯＸ燃料集合体の燃料棒の種類に、よりＰu含有率が高い他種類の燃料棒を加えたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、ＢＷＲ５用及びＡＢＷＲ用共通の燃料集合体の縦断面図であり、燃料集合体１１は、燃料棒１２、チャンネルボックス１３、水ロッド１４、上部タイプレート１５、下部タイプレート１６及び燃料スペーサ１７等からなっている。燃料棒１２及び水ロッド１４の上下端部は、上部タイプレート１５及び下部タイプレート１６で保持される。スペーサ１７は、燃料棒１２の軸方向に幾つか配置され、燃料棒１２及び水ロッド１４の相互間の間隙を適切に保持している。チャンネルボックス１３は、上部タイプレート１５に取り付けられ、スペーサ１７で保持された燃料棒１２の束の外周を取り囲んでいる。そして、十字型の制御棒１９がチャンネルボックス１３に隣接して上下するようにしてある（図２、３）。
【００１４】燃料棒１２は、上部端栓及び下部端栓により両端を密封された被覆管内に多数の燃料ペレットを充填したものであり、ＭＯＸ燃料ペレットは燃料物質であるＰｕＯ２及び燃料母材であるＵＯ２にて構成され、核分裂物質である 239Ｐu、241Ｐu及び235Ｕを含んでいる。また、ガドリニア入りウラン燃料ペレットは、燃料物質であるＵＯ２及びこれに含有した可燃性毒物であるガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）にて構成され、核分裂物質である235Ｕを含んでいる。スプリングが被覆管内のガスプレナム領域に配置され、燃料ペレットを上下に押圧している。水ロッド13は、燃料物質を充填せず、内部を沸騰しない冷却水が通過するようになっている。短尺燃料棒（部分長燃料棒）18は、水平方向位置が、燃料棒配列における外層から２層目にコーナ部を含む位置に８本設けられている。
【００１５】図２及び図３は、ＢＷＲ５用及びＡＢＷＲ用の燃料集合体の横断面図であり、燃料集合体１１を構成する燃料棒１２は、図２と図３に示すように、ＢＷＲ５用及びＡＢＷＲ用とも、燃料棒番号Ｐ１〜Ｐ４、Ｇの共通の５種類のものがある。これらの燃料棒番号が図２と図３に示されるように、チャンネルボックス１３の内で、燃料集合体横断面に配置されている。正方格子状の燃料棒配列は、９行×９列である。燃料棒Ｐ１〜Ｐ４がガドリニアを含有しないＭＯＸ燃料棒であり、燃料棒番号Ｇがガドリニアを含有したウラン燃料棒である。ここで、ＭＯＸ燃料の含有率の大小関係は、Ｐｕ含有率の大きい方から、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４であり、Ｐｕ含有率は軸方向に一様となっている。
【００１６】ここで、ＢＷＲ５用燃料とＡＢＷＲ用燃料の相違は、燃料集合体中央部に配置されたＰｕ含有率異なるＭＯＸ燃料棒の本数比率のみである。すなわち、ＢＷＲ５用では集合体中央部にＰｕ含有率の低いP3燃料棒を６本配置しているのに対し、ＡＢＷＲ用燃料では、この位置の燃料棒をよりＰｕ含有率の高いP1燃料棒に置き換えている。
【００１７】ＡＢＷＲ用燃料は、ＢＷＲ５用燃料に比べ、出力密度が高いため集合体平均Ｐｕ含有率を高くする必要がある。また、燃料集合体間間隔がＢＷＲ５より広く、燃料集合体周りの水ギャップの幅がＢＷＲ５より厚いことから、集合体内出力分布平坦化のために、集合体中央部のＰｕ含有率を相対的により高める必要がある。本実施の形態では、上記のＡＢＷＲ用燃料におけるニーズを、ＢＷＲ５用集合体を基準として、集合体中央部のＰｕ含有率の高いＰ１燃料棒の割合を多くすることにより、満足させるものである。すなわち、Ｐｕ含有率の低いＰ３燃料棒を含有率の高いＰ１燃料棒で置きかえることにより集合体平均Ｐｕ含有率を増加し、また、上記置き換えを燃料集合体中央部で行うことにより、ＢＷＲ５用燃料に比べ、集合体外周部のＰｕ含有率は同等でありながら、相対的に、集合体中央部のＰｕ含有率を高めることができる。
【００１８】ＭＯＸ燃料集合体では、原料となるＰｕの同位体組成により燃料集合体の反応度価値が変化するのを防止するため、一般に、ＭＯＸ燃料ペレット製造時にＰｕ同位体組成に応じてＰｕ含有率を調整する等価フィッサイル法を用いている。この方法では、各同位体の等価係数を基にＰｕ原料の反応度価値を評価し、これが標準的な同位体組成時の反応度価値と等価となるようＰｕ含有率を調整するものであり、Ｐｕ含有量の調整量は等価係数に依存する。ＡＢＷＲとＢＷＲ５では、水ギャップの幅のよい広いＡＢＷＲの方が、中性子スペクトルがより柔らかくなるため、一般に、ＡＢＷＲの等価係数の方が同位体組成の変化に対する感度が小さい（ＢＷＲ５の等価係数の方が同位体組成変化に対する感度が大きい）ものとなる。本実施の形態における、共用ＭＯＸ燃料ペレットの製造では、下記の方法で共通の等価係数を用いることにより、許認可上の基準である、標準組成時の反応度価値以下を満足することができる。
【００１９】■ 標準組成より劣化した同位体組成（Ｐｕfissile核種(239Ｐｕ、241Ｐｕ)の割合小）では、ＡＢＷＲの等価係数を使用これにより、ＡＢＷＲでは標準組成時の反応度と等価となり、ＡＢＷＲより同位体組成感度の大きい等価係数を有するＢＷＲ５では標準組成時の反応度以下となる。
【００２０】■ 標準組成より良い同位体組成（Ｐｕfissile核種(239Ｐｕ、241Ｐｕ)の割合大）では、ＢＷＲ５の等価係数を使用これにより、ＢＷＲ５より同位体組成感度の小さい等価係数を有するＡＢＷＲでは標準組成時の反応度以下となり、ＢＷＲ５では標準組成時の反応度と等価となる。
【００２１】設計例によってはＡＢＷＲとＢＷＲ５の等価係数の違いはわずかであり、上記■、■のようにならないこともあり得る。その場合は、両者の等価係数より評価されるＰｕ含有率のより低い方でＭＯＸ燃料ペレットを製造すれば、同じ目的を達成することができる。
【００２２】このように、共通のＰu含有率ペレット及び235Ｕ濃縮度ペレットを用いて両タイプで所要取出燃焼度確保上必要な集合体平均Ｐｕ含有率を満足できるようにすることができる。
【００２３】なお，本実施の形態は９行×９列の燃料集合体を例にとったものであるが、８行×８列及び１０行×１０列の燃料集合体においても、９行×９列の燃料集合体と同様な構成、方法で、本発明の作用を達成することができる。
【００２４】図４及び５は、本発明の第２の実施の形態を示す図であって、図４のＢＷＲ５用燃料と図５のＢＷＲ４用燃料におけるＰu含有率ペレット及び235Ｕ濃縮度ペレットの共有化の実施例を示したものである。ここで図４は、図２に示したＢＷＲ５用燃料と同じものである。垂直方向の外観図は、図１に示すようにＢＷＲ５用及びＢＷＲ４用共通である。
【００２５】燃料集合体１１を構成する燃料棒１２は、図４と図５に示すように、ＢＷＲ５用では燃料棒番号Ｐ１〜Ｐ４、Ｇの５種類、ＢＷＲ４用では、燃料棒番号Ｐ０〜Ｐ４、Ｇ、１の７種類のものがあり、両者でＰ１〜Ｐ４及びＧの５種類は共通である。Ｐ１〜Ｐ４及びＧの記号の意味は第１の実施の形態と同じであり、燃料棒番号Ｐ０はＰ１よりＰｕ含有率の高いガドリニアを含有しないＭＯＸ燃料棒であり、燃料番号１はウラン燃料棒である。また、ＭＯＸ燃料棒のＰｕ含有率は軸方向に一様となっている。
【００２６】ここで、ＢＷＲ５用燃料とＢＷＲ４用燃料の相違は、ＢＷＲ４燃料ではＭＯＸ燃料棒としてＢＷＲ５用燃料で用いられているＰ１〜Ｐ４に加え、Ｐ１よりＰｕ含有率の高いＰ０をも用いていること、及び制御棒側コーナーに燃料番号１のウラン燃料棒を用いていることである。
【００２７】ＢＷＲ４用燃料は、ＢＷＲ５用燃料に比べ、炉心が小さく中性子の漏れが多いこと等から集合体平均Ｐｕ含有率を高くする必要がある。また、制御棒挿入側では燃料集合体間の間隔が広いため水ギャップの幅が厚く、制御棒挿入反対側では燃料集合体間の間隔が狭いためギャップの幅が薄くなっており、集合体内出力分布のバランスをとるために、相対的に制御棒挿入側のＰｕ含有率を低く、制御棒挿入反対側でのＰｕ含有率を高くする必要がある。
【００２８】本実施の形態では、上記のＢＷＲ４用燃料におけるニーズを、ＢＷＲ５用集合体を基準として、P1よりＰｕ含有率の高いP0を追加して使用し、かつこれを制御棒挿入反対側に多く配置することで満足させるものである。すなわち、Ｐｕ含有率の高いP0を追加使用し、また他のＰｕ含有率棒の比率も調整することにより集合体平均Ｐｕ含有率を増加し、また、P0を制御棒挿入反対側に多く配置することにより、相対的に制御棒挿入反対側でのＰｕ含有率を高く、制御棒挿入側のＰｕ含有率を低くしたものである。
【００２９】また、本実施例では制御棒挿入側のコーナー部にウラン燃料棒１を用いることにより、これ以上のＰｕ含有率種類の増加を防いでいる。
【００３０】両者で共用化するＭＯＸペレットの製造時の等価係数は、第１の実施の形態と同様に、両者の等価係数より評価されるＰｕ含有率のより低い方でＭＯＸペレットを製造するようにすれば、標準組成より劣化した同位体組成、及び標準組成より良い同位体組成とも、許認可上の基準である、標準組成時の反応度価値以下にすることができる。
【００３１】なお，本実施の形態は９行×９列の燃料集合体を例にとったものであるが、８行×８列及び１０行×１０列の燃料集合体においても、９行×９列の燃料集合体と同様な構成、方法で、本発明の作用を達成することができる。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、複数のＭＯＸ燃料棒及び複数のウラン燃料棒をチャンネルボックス内に正方格子状に配列し、水ロッドを中央領域に配置した、ＢＷＲ５、ＡＢＷＲ、ＢＷＲ４の各沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、共通のＰｕ含有率ペレット及び235Ｕ濃縮度ペレットを用いて、その装荷比率を変えることにより、各原子炉タイプのＭＯＸ燃料集合体に必要な平均核分裂性物質量（Ｐｕ含有率、235Ｕ濃縮度）、及び集合体内出力分布の平坦化のためのＰu含有率分布を達成することができる。これにより、各原子炉タイプの燃料ペレットの製造を共用化することが可能となり、製造工程の合理化によるコスト低減を図ることができる。
【出願人】 【識別番号】０００２２９４６１
【氏名又は名称】株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン
【出願日】 平成１３年３月１５日（２００１．３．１５）
【代理人】 【識別番号】１０００７５８１２
【弁理士】
【氏名又は名称】吉武 賢次 （外６名）
【公開番号】 特開２００２−２７７５８０（Ｐ２００２−２７７５８０Ａ）
【公開日】 平成１４年９月２５日（２００２．９．２５）
【出願番号】 特願２００１−７３９７３（Ｐ２００１−７３９７３）