Fuel assembly
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SOLUTION: On a periphery near gap water in a fuel assembly 1, a state in which neutron deceleration is locally good occurs because of unboiled gap water, and a neutron spectrum becomes softened. Therefore, when plutonium fuel is used in a thermal neutron reactor, a larger output peak is likely to occur in the fuel rods located on the periphery near the gap water in the fuel assembly than if uranium fuel is used. In such a region, fuel rods 3, 4 loaded with plutonium requiring a long cooling period before reclaiming are used to reduce the contribution of that part to reactivity at the early stage of burning.
COPYRIGHT: (C)1998,JPO，下面是Fuel assembly专利的具体信息内容。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉では、チャンネルボックスの中に複数の燃料棒が配置され、チャンネルボックスの外には、沸騰していないギャップ水が存在する。 従って、このギャップ水の周辺では、局所的に中性子減速の良い状態が生じ、中性子スペクトルが軟らかくなっている。
【０００３】一方、核分裂性プルトニウム、例えば、
239 Ｐｕは、熱エネルギ領域(１ｅＶ以下）の核分裂断面積が、 235 Ｕに比べて２倍以上大きい。 しかも、 239 Ｐｕ
は、図２に示すように、熱エネルギ領域の核分裂断面積の、それよりエネルギの高い領域における核分裂断面積の比が、図３に示した235 Ｕに比べて大きい。 従って、
現行の熱中性子炉にプルトニウム燃料を用いた場合、ウラン燃料を用いた場合に比べ、ギャップ水に近い周辺部の燃料棒の出力が大きくなり易い。
【０００４】本発明は、この問題を解決し、出力分布平坦化を実現する従来の手段として、例えば、特開昭60−
147685号公報を挙げられる。 これは、出力のピークが生じ易い周辺部の燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度を他の領域の燃料棒より低くし、出力分布の平坦化を図る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術は、
中性子スペクトルが硬い燃料集合体の中央部分に相対的に核分裂性プルトニウム富化度の高い燃料棒を用いているため、次のような課題が生じる。 すなわち、中央部分では、中性子スペクトルが硬いため燃焼が進みにくく、
燃焼末期では、核分裂性物質が周辺部より多く残存しており、また、親物質（例えば238 Ｕ）の転換により、核分裂性物質（例えば239 Ｐｕ）が多く生成している。 このように、中央部には周辺部より多くの核分裂性物質が存在するため、燃焼末期では、出力は中央部分にピークを有する分布となる。 また、中央部分に多くの核分裂性物質が燃え残ることになり、燃料経済性という観点からは好ましくない。
【０００６】本発明の目的は、燃料経済性を低下させることなく、燃料集合体内の出力分布の平坦化を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明は中性子スペクトルが軟らかく、燃焼初期に出力の高くなる周辺部に、他の領域の燃料棒に比べて、
再処理するまでの冷却期間が長いプルトニウムを装荷した燃料棒を用いる。
【０００８】以下、本発明の作用を説明する。
【０００９】一般に、水素対燃料原子数比が大きくなると、燃料原子１個当りの水素原子の割合が大きくなるため、中性子は減速され易くなり、結果として中性子スペクトルが軟らかくなる。 図２，図３に示したように、核分裂性核種は、熱エネルギ領域で大きな核分裂断面積をもつので、一般に中性子スペクトルが軟らかくなると燃焼初期での中性子無限増倍率は増大する。
【００１０】一方、プルトニウムは、使用済燃料を再処理して得られる。 再処理までの時間が長いと、他のプルトニウム同位体に比べ半減期の短い241 Ｐｕ が２４１Ａ
ｍへと崩壊するため、再処理までの時間が短いプルトニウムに比べ、相対的に他のプルトニウム同位体の割合が大きくなる。 特に、 241 Ｐｕ は核分裂性核種であるため、 240 Ｐｕや242 Ｐｕなどの核分裂をおこしにくい核種の割合が増大する。 しかし、それらの核種のうち、 240
Ｐｕは、中性子を吸収して核分裂性核種である241 Ｐｕ
へと変換する親物質である。 また、代表的な親物質である238 Ｕの熱中性子に対する中性子捕獲断面積が２.７バーンであるのに対して、 240 Ｐｕのそれは２９０バーンであり、 238 Ｕ より２桁大きい。 このため、再処理までの時間が長いプルトニウムを装荷した燃料は、再処理までの時間が短いプルトニウムを装荷した燃料に比べ、同じ富化度であっても、中性子無限増倍率が小さくなり、
転換比が大きくなる。
【００１１】具体例として、図４に、プルトニウム燃料における再処理までの冷却期間と中性子無限増倍率との関係を示す。 なお、中性子無限増倍率は、再処理までの冷却期間が２年の場合との差を示している。 また、核分裂性プルトニウム富化度は、３.５ｗ／ｏ である。 燃焼初期では、同じ核分裂性プルトニウム富化度でも、例えば冷却期間が９年の場合で、中性子無限増倍率が約１.
２％Δｋ 小さくなる。 しかし、平均の取出燃焼度である３０ＧＷｄ／ｔでは、その差がほとんどなくなる。
【００１２】従って、中性子スペクトルの軟らかい、ギャップ水に近い周辺部に、他の領域に比べ、再処理までの冷却期間が長いプルトニウムを装荷した燃料棒を用いることにより、燃焼を通して出力分布の平坦化を図ることができる。 つまり、燃焼初期で出力が高くなり、燃焼末期には低くなる傾向のあるギャップ水に近い周辺部の出力を、その領域の核分裂性プルトニウム富化度を低くすることなく、燃焼初期で低め、かつ燃焼末期で高めることが可能となる。 また、相対的に中央部の燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度を高くしないので、上述のように、燃料経済性を低下させないですむ。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料集合体を実施例を用いて説明する。
【００１４】図１は、本発明になる燃料集合体の第１の実施例を示した。 本実施例では、燃料集合体１は四角形状をしており、チャンネルボックス２，２８本の燃料棒３，３２本の燃料棒４と１本の水ロッド５とからなっている。 また、本燃料集合体の水対燃料体積比は約３.２
で、中性子スペクトルの軟らかい体系である。 燃料棒３
は、再処理までの冷却期間が９年のプルトニウム燃料を装荷したもの、燃料棒４は、再処理までの冷却期間が２
年のプルトニウム燃料を装荷したものである。 なお、燃料棒３，４とも、核分裂性プルトニウム富化度は３.５
ｗ／ｏ で、天然ウランに富化している。
【００１５】本実施例では、ギャップ水に近く、出力が高くなり易い周辺部の燃料棒に、他の領域に比べ、再処理までの冷却期間が長いプルトニウムを装荷した燃料棒を用いることにより、出力を低減している。 その結果、
再処理までの冷却期間が一定のプルトニウムを用いた燃料に比べ、燃料集合体内の出力ピーキングが約１.０％
小さくなり、出力分布を改善する効果がある。 また、中央部の核分裂性プルトニウム富化度を高めないので、燃料経済性を低下させることがない。
【００１６】図５は、本発明になる燃料集合体の第２の実施例を示す説明図である。 本実施例の燃料集合体は、
４０本の燃料棒３と２０本の燃料棒４で構成されている。
【００１７】ところで、水ロッドの中の水は、ギャップ水同様沸騰していないので、水ロッドの周辺では、局所的に中性子減速の良い状態が生じている。 この点を考慮して、本実施例では、ギャップ水及び水ロッドの周辺には、再処理までの冷却期間が長いプルトニウムを装荷した燃料棒を用いた。 その結果、再処理までの冷却期間が一定のプルトニウムを用いた燃料に比べ、燃料集合体内の出力ピーキングが約１.５％ 小さくなり、出力分布を改善する効果がある。 また、中央部の核分裂性プルトニウム富化度を高めないので、燃料経済性を低下させることがない。
【００１８】図６は、本発明になる燃料集合体の第３の実施例を示す説明図である。 本実施例の燃料集合体は、
４本の燃料棒６，２４本の燃料棒７，１２本の燃料棒８
と２０本の燃料棒９で構成されている。 燃料棒６は、濃縮度２.０ｗ／ｏ のウラン燃料を装荷したもの、燃料棒７は、再処理までの冷却期間が９年で核分裂性プルトニウム富化度が２.０ｗ／ｏ のプルトニウム燃料を装荷したもの、燃料棒８は、再処理までの冷却期間が９年で核分裂性プルトニウム富化度が４.５ｗ／ｏ のプルトニウム燃料を装荷したもの、燃料棒９は、再処理までの冷却期間が２年で核分裂性プルトニウム富化度が４.５ｗ／
ｏ のプルトニウム燃料を装荷したものである。 なお、
プルトニウムは、天然ウランに富化している。
【００１９】本実施例では、出力ピーキング低減のために、ギャップ水に近い周辺部の燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度を下げ、特に出力のピークが生じ易いコーナ部には、ウラン燃料を用いた。 これにより、周辺部及び水ロッドに隣接する部分に再処理までの冷却期間が長いプルトニウムを装荷した燃料棒を用いている効果と併せて、燃料集合体内の出力分布をより平坦化できる。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、中性子スペクトルの軟らかい、ギャップ水に近い周辺部、あるいは、水ロッドに近い部分に、他の領域の燃料棒に比べて、再処理までの冷却期間が長いプルトニウムを装荷した燃料棒を用いることにより、燃料経済性を低下させることなく、燃料集合体内の出力分布の平坦化を図ることができる。
【図１】本発明の燃料集合体の第１の実施例を示す説明図。
【図２】中性子エネルギと239 Ｐｕの核分裂断面積との関係を示す特性図。
【図３】中性子エネルギと235 Ｕの核分裂断面積との関係を示す特性図。
【図４】プルトニウム燃料の再処理までの冷却期間と中性子無限増倍率との関係を示す特性図。
【図５】本発明の燃料集合体の第２の実施例を示す説明図。
【図６】本発明の燃料集合体の第３の実施例を示す説明図。
１…燃料集合体、２…チャンネルボックス、３，４…燃料棒、５…水ロッド。
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