경수로용 연료 집합체, 경수로 노심, 경수로용 연료 집합체 제조 방법 및 MOX 연료 집합체 제조 방법{FUEL ASSEMBLY FOR LIGHT WATER REACTOR, LIGHT WATER REACTOR CORE, METHOD OF MANUFACTURING FUEL ASSEMBLY FOR LIGHT WATER REACTOR AND METHOD OF MANUFACTURING MOX FUEL ASSEMBLY}

본 발명의 실시형태는, 경수로용 연료 집합체, 경수로 노심, 경수로용 연료 집합체 제조 방법 및 MOX 연료 집합체 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 경수로용 연료 및 경수로의 노심에 있어서는, 1운전 사이클의 최후(이후 EOC：End of Cycle)에 잉여 반응도가 제로로 되도록 연료가 설계되어, 원자로가 운전된다.

비등수형 경수로(이후 BＷR)에서는, 예를 들면 산화 가돌리늄(gadolinium) 등의 가연성 독물(毒物)의 중성자 흡수 능력이 EOC에서 없어지도록 농도 조정이 이루어진다.

BＷR의 플랜트 제1 운전 사이클의 노심인 초장하(初裝荷; initial loading) 노심의 경우에, 일부의 소수 비율의 연료의 가연성 독물을 의도적으로 연소하다 남기고, 나머지의 연료에서 잉여 반응도 부족을 보완하면서, 노심의 열적 특성을 개선하는 예도 있다.

가압수형 경수로(이후 PＷR)에서는, 케미컬 심(chemical shim) 중의 붕산 농도가 EOC에서 제로로 되도록 농도 조정이 이루어진다.

핵분열성 물질의 농축도는, 목표의 취출 연소도(여기에서는 달성 연소도와 동의(同義)) 등에 따라 그 값이 조정되며, 쓸데없이 높은 농축도는 사용되지 않는다.

경수로의 사용 완료 연료 중에는, 우라늄 동위체, 플루토늄 동위체 및 마이너 악티니드(minor actinoid or actinide)가 포함되어 있고, 그들은 내부 피폭을 초래하는 점에서 유해하다. 그 유해의 정도를 나타내는 데, 잠재적 방사성 독성을 지표로 하고 있는 예가 있다. 또한 마이너 악티니드 중에서는, 정지 후 10년 정도까지는 퀴륨244(이후, Cm244)가 가장 유해도가 커진다.

경수로의 연료로서, 경수로 사용 완료 연료를 재처리해서 얻어지는 플루토늄의 산화물과 우라늄 산화물의 쌍방을, 하나의 펠릿(plett)에 포함하는 연료로서 사용하는 경수로가 있다. 또한, 우라늄 산화물 중의 우라늄235를 천연 우라늄보다 높은 농축도로 포함하는 혼합 산화물 연료(MOX 연료)를 사용하는 예가 있다.

상기와 같은 MOX 연료에서 모재에 농축 우라늄을 사용할 경우에 있어서, 경수로에서 사용된 농축 우라늄을 재처리해서 얻어진 플루토늄을 사용하여, 그 모재의 우라늄 농축도를 최대 17％까지 높여 복수 회 반복 사용하는 예도 있다.

핵연료 리사이클을 행할 경우, 상술한 경수로용 연료 요소 및 경수로의 노심에서 사용된 연료 요소는, 노심으로부터 취출된 후에, 재처리가 행해진다. 재처리에 의해, 우라늄 동위체, 플루토늄 동위체가 재사용을 위해 추출되고, 마이너 악티니드는 고(高)레벨 방사성 폐기물로서 폐기된다. 마이너 악티니드는 유해도가 크기 때문에, 특히 유해한 마이너 악티니드를 군분리(群分離)라 하는 재처리법으로 분리한다. 분리한 마이너 악티니드는, MOX 연료에 첨가해서 고속 노에서 연소하거나, 혹은 마이너 악티니드를 타겟으로 해서 가속기에서 조사(照射)함에 의해, 유해도가 작은 핵종(核種)으로 변환한다. 이와 같이, 소위 분리 변환을 하는 것이 고려되고 있다.

한편, 핵연료 리사이클을 행하지 않고 원스 스루 사이클(once through cycle)로 할 경우는, 사용 완료 연료인 채 최종 처분이 된다. 이 경우는, 후자에서는, 상술한 분리 변환과 같은 처리는 행할 수 없다.

전자에 있어서의 분리 변환은 고도한 재처리 기술을 요하고, 전용의 고속 노나 가속기가 필요하고, 기술의 개발이나 건설에 긴 시간과 큰 비용이 든다는 것이 과제였다. 후자에서는 처음부터 마이너 악티니드를 분리하지 않기 때문에, 마이너 악티니드의 유해도를 저감할 수 없는 과제가 있었다. 이 때문에, 분리 변환을 행하지 않을 경우에 있어서도 유해도를 저감할 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있었다.

본 발명의 실시형태는, 상술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이고, 경수로에 있어서, 마이너 악티니드의 발생을 저감하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 실시형태는, 길이 방향으로 연장하고 농축 우라늄을 포함하는 핵연료 물질을 내장하고, 서로 병렬로 배치된 복수의 경수로용 연료봉과, 길이 방향으로 연장하고 상기 경수로용 연료봉의 농축 우라늄보다 농축도가 낮은 우라늄을 주된 성분으로 하는 핵연료 물질 및 가연성 독물(毒物)을 내장하고 상기 경수로용 연료봉과 함께 격자상으로 배열된 복수의 가연성 독물 내포 연료봉을 갖고, 서로 병렬로 격자상으로 배열된 복수의 경수로용 연료 집합체로서, 각 운전 사이클 종료시의 잉여 반응도가 양(positive)의 소정의 값보다 커지도록, 각각의 상기 농축 우라늄의 제1 농축도의 초기의 값이 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 실시형태는, 길이 방향으로 연장하고 농축 우라늄을 포함하는 핵연료 물질을 내장하고, 서로 병렬로 배치된 복수의 경수로용 연료봉과, 길이 방향으로 연장하고 상기 농축 우라늄보다 농축도가 낮은 우라늄을 주된 성분으로 하는 핵연료 물질 및 가연성 독물을 내장하고 상기 경수로용 연료봉과 함께 격자상으로 배열된 복수의 가연성 독물 내포 연료봉을 갖고, 서로 병렬로 격자상으로 배열되어 있는 복수의 경수로용 연료 집합체로서, 각 운전 사이클 종료시의 상기 농축 우라늄의 제1 농축도가 소정의 값보다 커지도록, 각각의 상기 농축 우라늄의 상기 제1 농축도의 초기의 값이 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 제조 방법은, 적어도 운전 사이클 기간 및 연소도에 관한 조건을 설정하는 조건 설정 스텝과, 농축 우라늄의 최초의 농축도를 설정하는 농축도 설정 스텝과, 상기 조건 하에 상기 농축 우라늄을 사용한 경수로용 연료 집합체를 운전 사이클 말기까지 경수로 노심에서 연소시킬 때의 잉여 반응도를 계산하는 연소 계산 스텝과, 상기 연소 계산 스텝에 의한 최초의 운전 사이클 종료시의 잉여 반응도가, 소정의 양의 값의 근방에 있다는 조건이 성립하는지의 여부를 판정하는 판정 스텝과, 상기 판정 스텝에서 상기 조건이 성립하지 않는다고 판정되었을 경우는, 상기 농축도 설정 스텝으로 되돌아가고, 상기 조건이 성립한다고 판정되었을 경우에는 상기 농축 우라늄의 농축도를 결정하는 결정 스텝을 갖는 을 특징으로 한다.

또한, 본 실시형태에 따른 MOX 연료 집합체 제조 방법은, 경수로용 연료 집합체를 운전 사이클 말기까지 경수로 노심에서 연소시키는 연소 스텝과, 상기 연소 스텝에서 연소시킨 상기 경수로용 연료 집합체를 취출하고, 재처리에 의해 우라늄을 추출·분리하여 연소후 추출 우라늄을 취득하는 추출·분리 스텝과, 상기 연소후 추출 우라늄과 플루토늄을 혼합하여, 혼합 산화물 연료를 제조하는 MOX 연료 제조 스텝을 갖고, 상기 연소후 추출 우라늄의 농축도는, 각 운전 사이클 종료시의 잉여 반응도가 제로로 되도록 농축도가 설정된 통상형(通常型) 우라늄 연료 집합체를 재처리하여 추출·분리된 우라늄의 농축도보다도 높고, 이 때문에, 상기 연소후 추출 우라늄과 혼합하는 플루토늄의 부화도(富化度)는, 상기 통상형 우라늄 연료 집합체를 재처리하여 추 ·분리된 우라늄의 경우에 혼합해야 할 플루토늄의 부화도보다도 낮은 것을 특징으로 한다.

도 1은 제1 실시형태에 따른 경수로 노심의 구성을 나타내는 평면도.
도 2는 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체의 구성을 나타내는 평단면도.
도 3은 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료봉의 구성을 나타내는 부분 입단면도.
도 4는 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체와 종래기술을 나타내는 비교예의 제원의 비교표.
도 5는 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 연소도의 증가에 대한 무한 증배율의 변화의 비교를 나타내는 그래프.
도 6은 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 제조 방법의 수순을 나타내는 플로우도.
도 7은 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 운전 사이클 말기에 있어서의 마이너 악티니드의 전체 질량의 비교를 나타내는 그래프.
도 8은 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 운전 사이클 말기에 있어서의 Am243의 질량의 비교를 나타내는 그래프.
도 9는 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 운전 사이클 말기에 있어서의 Cm244의 질량의 비교를 나타내는 그래프.
도 10은 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체의 운전 사이클 말기의 초우라늄 원소 전체 질량의 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한 비의, 우라늄의 초기의 농축도에의 의존 특성을 나타내는 그래프.
도 11은 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체의 운전 사이클 말기의 전체 마이너 악티니드 질량의 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한 비의, 우라늄의 초기의 농축도에의 의존 특성을 나타내는 그래프.
도 12는 경수로용 연료 집합체의 운전 사이클 말기의 우라늄235 질량의 초기 중금속 질량에 대한 비의, 우라늄의 초기의 농축도에의 의존 특성을 나타내는 그래프.
도 13은 제2 실시형태에 따른 MOX 연료 집합체 제조 방법의 수순을 나타내는 플로우도.
도 14는 제3 실시형태에 의한 경수로용 연료 집합체와 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체와의 사양의 비교표.
도 15는 제3 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 연소도의 증가에 대한 무한 증배율의 변화의 비교를 나타내는 그래프.

이하, 도면을 참조해서, 본 발명의 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체, 경수로 노심, 경수로용 연료 집합체 제조 방법 및 MOX 연료 집합체 제조 방법에 대해 설명한다. 여기에서, 서로 동일 또는 유사한 부분에는, 공통의 부호를 부여하고, 중복 설명은 생략한다.

[제1 실시형태] 도 1은, 제1 실시형태에 따른 경수로 노심의 구성을 나타내는 평면도이다. 경수로 노심(40)은, 복수의 경수로용 연료 집합체(30) 및 복수의 제어봉(5)을 갖는다. 이하는, BＷR의 경우를 예로 들어 설명한다.

경수로용 연료 집합체(30)는, 서로 병렬로 격자상으로 배열되어 있고, 전체적으로 거의 원형인 경수로 노심(40)의 형상을 형성하고 있다. 또한 경수로용 연료 집합체(30)는, 일부, 경수로 노심(40)의 주변에 배치되어 있는 것을 제외하고는, 각 4개씩 1세트의 정방상(正方狀)의 격자를 형성하고, 각각의 정방상의 격자의 중앙에는, 제어봉(5)이 삽입 발출 가능하게 배치되어 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 경수로용 연료 집합체(30)의 개수는, 노심의 출력 등의 기본사양에 의거하여 설정된다. 예를 들면, 개량형 비등수형 경수로(ABＷR)의 경우를 예로 들면, 연료 집합체 개수는 872개, 연료 집합체 1개당 우라늄 금속 질량은 172㎏이다.

도 2는 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체의 구성을 나타내는 평단면도이다. 경수로용 연료 집합체(30)는, 복수의 경수로용 연료봉(10), 복수의 가연성 독물 내포 연료봉(20), 2개의 워터 로드(water rod)(25), 및 채널 박스(31)를 갖는다.

가운데를 하얗게 나타내는 복수의 경수로용 연료봉(10)과 사선에서 나타내는 복수의 가연성 독물 내포 연료봉(20)은, 서로 병렬로 격자상으로 배열되어 있다. 또한, 배열의 중앙에는, 운전시에 내부에 냉각재가 흐르는 2개의 워터 로드(25)가 배치되어 있다. 격자상의 배열은, 단면이 거의 정방형인 사각 기둥의 형상을 형성하고 있고, 직경 방향 외측에 설치된 채널 박스(31) 내에 수납되어 있다.

또한, 도 2에는 경수로용 연료 집합체의 대표적인 예로서, 10×10 배열이며 원통 형상의 워터 로드를 갖는 경우를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 이보다 적은 배열 수여도 이보다 많은 배열 수여도 된다. 또한, 예를 들면 단면이 사각형인 워터 로드여도 된다. 또한, 가연성 독물 내포 연료봉(20)의 수 및 배치도, 도 2에 나타낸 것에 한정되지 않는다.

가연성 독물 내포 연료봉(20)은, 가연성 독물로서, 예를 들면 가돌리니아(gadolinia) 즉 산화 가돌리늄을 포함한다. 가연성 독물의 농도는, 예를 들면 4.0％이다.

도 3은, 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료봉의 구성을 나타내는 부분 입단면도이다. 경수로용 연료봉(10)은, 연료 펠릿(11) 및 이것을 수납하는 피복관(12)을 갖는다. 피복관(12)의 하단은 하부단 마개(13)에 의해, 또한 상단은 상부단 마개(14)에 의해 폐지(閉止)되어, 내부가 밀폐되어 있다. 피복관(12)의 재질은, BＷR의 경우는, 예를 들면 지르칼로이(zircaloy or zircalloy)-2이다. 또한, PＷR의 경우는, 예를 들면 지르칼로이-4이다. 또한, 피복관의 재질은, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 실리콘 카바이드(silicon carbide)(SiC)제여도 된다.

연료 펠릿(11)은, 예를 들면 이산화우라늄의 분말을 소결한 원 기둥상이고, 상하로 적층되어 있다. 우라늄의 농축도는, 연료 집합체 평균으로 5％이다. 이하, 우라늄의 농축도란, 우라늄 중의 우라늄235의 농축도를 의미하는 것으로 한다.

또한, 연료 펠릿(11)은, 이산화우라늄에 한정되지 않고, 탄화우라늄 혹은 질화우라늄이어도 된다. 상하로 적층된 연료 펠릿(11)의 상방에는, 상부 플리넘(plenum)(15)이 형성되어 핵분열 생성물의 가스의 저류 공간을 형성하고 있다. 또한, 상부 플리넘(15) 내에는, 연료 펠릿(11)을 하방으로 억제하는 스프링(16)이 설치되어 있다.

도 4는, 본 실시형태와 종래기술을 나타내는 비교예의 제원의 비교표이다. 기본적으로, 노심의 운용에 관해서는, 본 실시형태는, 비교예 즉 종래의 대표적인 예와 마찬가지이다. 즉, 노심의 1운전 사이클의 운전 기간은 모두 예를 들면 13개월, 연료 집합체의 노심으로부터 취출할 때의 평균 연소도 즉 평균 취출 연소도(연료 집합체 평균)는 모두 예를 들면 45GＷd/t, 연료 집합체의 노심 장하(裝荷) 후의 제1 운전 사이클 종료시의 연소도는 10.4GＷd/t이다. 이하, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체와 비교되는 비교예에 의한 연료 집합체를, 편의적으로 통상형 우라늄 연료 집합체라 하는 것으로 한다.

농축도에 대해서는, 통상형 우라늄 연료 집합체에서는, 집합체 평균으로 예를 들면 3.8％이다. 이에 대해, 본 실시형태에 있어서의 경수로용 연료 집합체(30)에 있어서는, 통상형 우라늄 연료 집합체보다 높은 값이고 예를 들면 5.0％이다. 단, 가연성 독물의 농도는, 통상형 우라늄 연료 집합체와 동일하고 예를 들면 4.0％이다.

이상과 같이, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체(30)는, 종래기술의 대표예로서의 통상형 우라늄 연료 집합체에 비해, 우라늄 연료의 농축도를 증가시키고 있다. 또한, 우라늄의 농축도는, 5.0％인 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 후술하는 바와 같이, 그 효과가 얻어지는 것이면, 5.0％를 초과하는 농축도, 혹은 5.0％ 미만의 농축도여도 된다.

이하에, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체(30), 경수로 노심(40)의 작용 등에 대해 설명한다.

도 5는, 제1 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 연소도의 증가에 대한 무한 증배율의 변화의 비교를 나타내는 그래프이다. 횡축은, 각각의 연료 집합체의 연소도(GＷd/t)이고, 0(GＷd/t)은 노심에 장하한 시점을 나타낸다. 종축은, 연료 집합체 1개당 무한 증배율(k∞)이다. 무한 증배율은, 각각의 연료 집합체의 연료, 구조재 등의 재료, 조성 등이 결정됨에 의해 결정된다. 도 5는, 연료 집합체를 노심에 장하하고 원자로의 운전 사이클의 4운전 사이클에 걸쳐 노심 내에서 조사된 후에, 노심으로부터 취출할 경우의 예를 나타내고 있다.

우선, 파선으로 나타내는 종래의 연료 집합체의 비교예의 경우에 대해 설명한다. 연료 집합체의 연소도가 증가함과 함께, 제1 운전 사이클에 있어서는, 핵분열성 물질인 우라늄235가 소비되고, 그 만큼, 무한 증배율(k∞)은 저하해 가지만, 가연성 독물이 중성자를 흡수해서 소비되어 감소하는 것, 및 초우라늄 원소 중의 핵분열성 핵종이 생성되는 것에 의한 무한 증배율(k∞)의 증가의 효과가 커져, 차감해서, 무한 증배율(k∞)은 증가하고, 제1 운전 사이클의 말기에 최대값 약 1.22로 된다. 즉, 제1 운전 사이클의 말기에 가연성 독물이 전량 소비된다. 제2 운전 사이클 이후는, 초우라늄 원소 중의 핵분열성 핵종의 생성은 있지만, 무한 증배율(k∞)은 핵분열성 물질인 우라늄235의 소비에 따라 단조적으로 감소한다.

도 5는, 1개의 연료 집합체에 주목한 무한 증배율(k∞)의 변화를 나타내고 있지만, 노심 내에는, 연료 장하 직후의 제1 운전 사이클째의 연료 집합체, 제2 운전 사이클째의 연료 집합체, 제3 운전 사이클째의 연료 집합체, 및 최종의 운전 사이클인 제4 운전 사이클째의 연료 집합체가 각각 존재하고 있다. 즉, 무한 증배율(k∞)이 1.0 미만인 것으로부터 1.0보다 큰 것까지가 존재한다. 이 결과, 노심 전체로서는, 1.0보다 큰 레벨의 무한 증배율(k∞)이 확보된다.

노심 전체의 체계가 결정됨에 의해 노심 밖에의 중성자의 누설 등이 평가 가능해지고, 무한 증배율(k∞) 및 이들 요인을 고려함에 의해, 유효 증배율(keff)이 결정된다. 이 결과, BＷR의 경우이면 노심의 제어봉 전체 인발(引拔) 상태, 혹은 PＷR의 경우이면 붕산 농도 제로 상태에서의 반응도 즉 잉여 반응도(ρex)는, 개념적으로는, 다음 식 (1)에 의해 산출된다.

ρex＝(keff-1)/keff … (1)

비교예가 나타내는 종래의 기술에 있어서는, 노심의 각 운전 사이클의 말기, 예를 들면 도 5의 경우에서는, 제1 운전 사이클 내지 제4 운전 사이클의 각각의 운전 사이클의 말기에, 식 (1)에서 나타내는 잉여 반응도(ρex)가, 무한히 제로(zero)로 되도록, 각 핵연료 집합체의 농축도(연료 집합체 평균)가 설정된다. 이 농축도는, 예를 들면 도 4에 나타내는 3.8％이다.

다음으로, 실선으로 나타내는 본 실시형태에 의한 경수로용 연료 집합체(30)의 경우에 대해 설명한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 의한 경수로용 연료 집합체의 우라늄의 농축도는, 통상형 우라늄 연료 집합체의 우라늄의 농축도보다 높고, 도 4에서 나타내는 예에서는 5.0％이다. 농축도가 통상형 우라늄 연료 집합체보다 높기 때문에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 경우는, 무한 증배율(k∞)이, 비교예보다 예를 들면 연소 초기에서는 약 0.05 커져 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 경우도, 가연성 독물의 농도는 비교예와 동일하므로, 경수로용 연료 집합체(30)의 연소도의 증가에 따라, 비교예와 마찬가지로, 제1 운전 사이클 말기에 가연성 독물이 전량 소비됨에 의해 무한 증배율(k∞)이 최대로 되고, 제2 운전 사이클 이후는 핵분열성 물질인 우라늄235가 소비되어 무한 증배율(k∞)은 저하해 간다.

따라서, 경수로용 연료 집합체(30)를 경수로 노심(40)으로부터 취출하는 최종의 운전 사이클인 제4 운전 사이클 종료시에 있어서도, 무한 증배율(k∞)은, 비교예의 경우보다도 크고, 이 결과, 식 (1)로부터 명확한 바와 같이, 잉여 반응도(ρex)도, 종래의 비교예의 경우보다도 커진다. 즉, 종래는, 잉여 반응도(ρex)가 한없이 제로에 가까운 레벨, 즉 실질적으로 제로임에 반해, 본 실시형태에서는 잉여 반응도(ρex)가, 예를 들면 2％Δk 등의 양의 어느 값으로 된다.

이상과 같이, 운전 기간, 평균 취출 연소도, 연료 바꿈 비율 등을 비교예와 동일한 조건으로 하고, 우라늄의 초기의 농축도를 비교예보다도 높은 값으로 해서 운전할 경우, 비교예에 비해, 연료 중의 우라늄235의 거시적 핵분열 단면적이나 거시적 중성자 포획 단면적이 연소를 통해 보다 크다는 상태가 유지된다. 이 결과, 연료 중의 우라늄235에 흡수되는 중성자의 비율이 많아진다. 또한, 중성자가, 마이너 악티니드의 원래의 핵종인 플루토늄 핵종이나 마이너 악티니드 핵종에 흡수되는 비율이 작아진다. 즉, 플루토늄이나 마이너 악티니드가 보다 큰 질량수의 핵종으로 변환되기 어려워진다. 이와 같이 해서, 사용 완료 연료 중의 마이너 악티니드의 생성이, 종래에 비해 감소하게 된다.

도 6은, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 제조 방법 중 주로 설계 방법의 수순을 나타내는 플로우도이다.

우선, 운전 사이클 기간, 취출 연소도 등의 조건의 설정을 행한다(스텝 S01). 예를 들면, 1운전 사이클을 13개월, 집합체의 평균 취출 연소도를 45GＷd/t 등의 조건 설정을 행한다.

다음으로, 우라늄의 초기의 농축도를 설정한다(스텝 S02). 이에 의거하여, 경수로 노심(40)에 있어서의 소정의 운전 사이클 말기까지의 경수로용 연료 집합체(30)의 연소 계산을 행한다(스텝 S03). 연소 계산의 결과에 의거하여, 운전 사이클을 통해 잉여 반응도(ρex)가 양이고, 또한, 운전 사이클 말기의 잉여 반응도(ρex)에 대해, 다음 식 (2)가 성립하는지의 여부를 판정한다(스텝 S04).

｜운전 사이클 말기의 잉여 반응도(ρex)- 소정의 값｜＜ε … (2)

여기에서, 소정의 값은 양의 값이고, 운전 사이클 말기에 확보하는 잉여 반응도이다. 또한, ε는 양자(兩者)의 일치를 판정하기 위한 충분히 작은 값의 양의 수이다. 해석에 의한 잉여 반응도의 해석과 실기(實機)의 오차는 0.3％Δk 이하 정도이고, 설계 해석에서는 잉여 반응도가 적어도 0.3％Δk정도 이상은 남도록, 연료 요소와 노심을 구성하는 것이 유효하다.

따라서, 소정의 값을, 0.3％Δk보다 큰 값 예를 들면 2％Δk 등으로 하는 것이 유효하다.

식 (2)가 성립하지 않는다고 판정되었을 경우(스텝 S04 NO)는, 스텝 S02에서 초기의 우라늄의 농축도의 설정을 수정하고, 스텝 S03 이하를 반복한다.

식 (2)가 성립한다고 판정되었을 경우(스텝 S04 YES)는, 초기의 우라늄의 농축도를 결정한다(스텝 S05). 다음으로, 결정된 우라늄의 농축도를 갖는 경수로용 연료 집합체(30)를 제조한다(스텝 S06).

연료 집합체의 노심으로부터의 취출 시에 연료 집합체에 잔류하는 우라늄235의 농도는, 비교예의 초기 우라늄 농축도가 3.8％인 경우에는, 약 0.6wt％이고 1wt％를 하회하고 있다. 1운전 사이클의 운전 길이에 맞춰 운전 사이클 종료시에 잉여 반응도가 정확히 제로로 되도록 설계된 경수로의 통상형 우라늄 연료 집합체의 사용 완료 연료에는, 이와 같이 일반적으로 1wt％정도의 우라늄235가 잔류함이 알려져 있다.

따라서, 마이너 악티니드를 저감하기 위해서는, 경수로 노심(40)의 운전 사이클 종료시의 잉여 반응도를 제로보다 크게 하는 대신에, 노심의 사용 완료 연료 중의 우라늄235의 농도가 1wt％를 상회하도록 함에 의해서도 된다. 즉, 연소도나 운전 조건을 고려해서 우라늄의 초기의 농축도를 설정하고, 1운전 사이클 종료시에, 노심의 사용 완료 연료 중의 우라늄235의 농도가 1wt％를 상회하도록 함에 의해도, 마이너 악티니드를 저감할 수 있다.

본 실시형태에 따른 효과를, 연소 몬테카를로법(Monte Carlo method) 코드(code) MVP로 해석 평가한 결과를, 이하에 비교예와 아울러서 나타낸다.

도 7은, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 운전 사이클 말기에 있어서의 마이너 악티니드(MA)의 전체 질량의 비교를 나타내는 그래프이다. 횡축은 각각의 케이스를, 종축은, 각각의 경우에 있어서의 운전 사이클 말기에 있어서의 마이너 악티니드(MA)의 전체 질량의 초기 중금속 질량에 대한 비율(PU)을 나타낸다.

도 7에 나타내는 예에서는, 본 실시형태의 경우에 있어서의 MA의 질량 비율은, 비교예에 있어서의 MA의 비율의 91％이다. 즉, 본 실시형태의 경우, 종래기술인 비교예에 비하면, MA의 생성이, 전체에서 약 10％정도 낮게 억제되고 있다.

도 8은, 운전 사이클 말기에 있어서의 Am243의 질량의 비교를 나타내는 그래프이다. 횡축은 각각의 케이스를, 종축은, 각각의 경우에 있어서의 운전 사이클 말기에 있어서의 Am243의 질량의 초기 중금속 질량에 대한 비율(PU)을 나타낸다.

도 8에 나타내는 예에서는, Am243의 질량 비율은, 비교예에 있어서의 질량 비율의 약 62％이다. MA의 대표예로서 나타낸 Am243은, 장기적으로 MA 중에서 큰 존재 비율을 차지하게 되는 핵종이다. 이 때문에, 이 핵종이 감소함으로써, 잠재적 방사성 독성이 크게 저하한다.

도 9는, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 운전 사이클 말기에 있어서의 Cm244의 질량의 비교를 나타내는 그래프이다. 횡축은 각각의 케이스를, 종축은, 각각의 경우에 있어서의 운전 사이클 말기에 있어서의 Cm244의 질량의 초기 중금속 질량에 대한 비율(PU)을 나타낸다.

도 9에 나타내는 예에서는, 본 실시형태의 경우에 있어서의 Cm244의 질량 비율은, 비교예에 있어서의 질량 비율의 약 51％이다. 즉, 본 실시형태의 경우, 종래기술인 비교예에 비하면, Cm244의 질량이 거의 반감해 있다. Am243과 함께 MA의 대표예로서 나타낸 Cm244는, 중성자의 발생 및 발열이 큰 핵종이다. 이 때문에, 이 핵종이 감소함으로써, 잠재적 방사성 독성의 저하뿐만 아니라 재처리까지의 수송에서의 제열(除熱)이나 재처리 공정에서의 제열 대책이 용이해지는 메리트도 있다.

도 10은, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체의 운전 사이클 말기의 초우라늄 원소 전체 질량의 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한 비의, 우라늄의 초기의 농축도에의 의존 특성을 나타내는 그래프이다.

도 10에 나타내는 바와 같이, 우라늄의 초기의 농축도를, 종래기술인 비교예에 있어서의 3.8％로부터, 약 20％까지 변화시켰을 경우에, 이에 따라 초우라늄 원소의 합계량은 감소한다. 구체적으로는, 초기의 농축도를 10％로 했을 경우는, 약 0.94와 약 6％, 약 20％로 했을 경우는, 약 0.82와 약 18％ 감소한다.

도 11은, 본 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체의 운전 사이클 말기의 전체 마이너 악티니드 질량의 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한 비의, 우라늄의 초기의 농축도에의 의존 특성을 나타내는 그래프이다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 우라늄의 초기의 농축도를, 종래기술인 비교예에 있어서의 3.8％로부터, 약 20％까지 변화시켰을 경우에, 상술과 같이, 이에 따라 마이너 악티니드의 합계량은 감소한다. 구체적으로는, 우라늄의 초기의 농축도를 10％로 했을 경우는, 약 0.76으로 약 24％, 약 20％로 했을 경우는, 약 0.63으로 약 37％ 감소한다.

이와 같이, 우라늄의 초기의 농축도를 증가시킴에 의해, 초우라늄 원소 전체 질량 및 마이너 악티니드의 합계량은, 한결같이 감소하여, 잠재적 방사성 독성이 크게 감소한다.

이상과 같이, 우라늄의 초기의 농축도를 증가시킴에 의해, 초우라늄 원소 전체 질량 및 마이너 악티니드의 합계량은, 한결같이 감소하여, 잠재적 방사성 독성이 크게 감소한다. 또한, 마이너 악티니드가 감소함에 의해, 장래 분리 변환의 대상이 되는 마이너 악티니드를 줄일 수 있어, 분리 변환에 필요한 군분리형 재처리 공장, 마이너 악티니드의 첨가를 행하는 연료 공장, 혹은 고속 노의 용량을 줄일 수 있어, 그들의 건설 비용을 감소할 수 있는 메리트가 있다.

이상과 같이 본 실시형태에 따르면, 초기 농축도를 비교예보다 증가시킬 수록 사용 완료 연료 중의 마이너 악티니드를 감소시킬 수 있어, 마이너 악티니드 유래의 잠재적 방사성 독성을, 분리 변환하지 않고 저감할 수 있다.

[제2 실시형태] 본 제2 실시형태는, 제1 실시형태에 의거한 실시형태이다.

도 12는, 경수로용 연료 집합체의 운전 사이클 말기의 우라늄235 질량의 초기 중금속 질량에 대한 비의, 초기 우라늄 농축도에의 의존 특성을 나타내는 그래프이다. 연소 계산의 결과인 도 12가 나타내는 바와 같이, 우라늄의 초기의 농축도가 증가함에 따라, 운전 사이클 말기의 우라늄235의 질량의 초기 중금속 질량에 대한 비도 증가한다. 예를 들면, 우라늄의 초기의 농축도가 비교예의 3.8％인 경우에는, 약 0.006, 즉 상술과 같이 약 0.6wt％이다. 또한, 우라늄의 초기의 농축도가 10％인 경우에는, 약 0.05 즉 5wt％, 우라늄의 초기의 농축도가 20％인 경우에는, 약 0.15 즉 15wt％이다.

도 13은, 제2 실시형태에 따른 MOX 연료 집합체 제조 방법의 수순을 나타내는 플로우도이다.

우선, 경수로용 연료 집합체(30)의 제조를 행한다(스텝 S06). 다음으로, 경수로 노심(40)에 당해 경수로용 연료 집합체(30)를 장하하고, 그 운전 사이클 말기, 즉, 예를 들면 도 5의 경우는, 제4 운전 사이클 종료까지의 동안, 경수로 노심(40) 내에서 연소시킨다(스텝 S11).

운전 사이클 말기에 경수로용 연료 집합체(30)를 경수로 노심(40)으로부터 취출하고, 재처리에 의해, 우라늄을 추출, 분리한다(스텝 S12). 여기에서, 추출된 우라늄(연소후 추출 우라늄)은, 종래의 비교예에 있어서의 잔류 우라늄235가 약 0.6％임에 비해, 최초의 농축도의 높이에 따라, 이보다 높은 잔류 우라늄 농축도를 갖는다.

다음으로, 예를 들면, 재처리 과정에서 얻어진 플루토늄과 혼합시켜서, 혼합 산화물 연료(MOX 연료)를 제조하고(스텝 S13), 이것을 사용해서, MOX 연료 집합체를 제조한다(스텝 S14). 이 때, 우라늄의 농축도가 높을 수록, 혼합시키는 플루토늄의 핵분열성 핵종의 부화도는 낮게 완료된다.

즉, 통상과 같이 열화 우라늄(우라늄 농축도 0.2 내지 0.3wt％)이나 천연 우라늄(우라늄 농축도 0.7wt％), 혹은 통상형 우라늄 연료 집합체의 재처리에 의해 얻어진 우라늄을 모재로서 사용할 경우에 비해, 연소후 추출 우라늄의 우라늄235의 농도가 높기 때문에, 플루토늄의 부화도를 낮게 할 수 있다.

이와 같이, 경수로 연료를 재처리해서 MOX 연료로서 사용할 경우, 재처리해서 회수되는 회수 우라늄을 MOX 연료로 사용함에 의해, 회수 우라늄 중의 우라늄235를 폐기하지 않고 활용할 수 있다. 또한, 플루토늄의 부화도를 낮게 할 수 있으므로, 초우라늄 원소의 양을 저감시킬 수 있다.

이 결과, 마이너 악티니드 유래의 잠재적 방사성 독성을 저감할 수 있다.

또한, MOX 연료를 사용하는 노심, 예를 들면 플루서멀(plutonium burning in thermal) 노의 보이드 계수(음의 값)의 절대값을 작게 할 수 있어, 보이드율이 영향을 주는 과도적인 사상의 시간적 응답을 완화할 수 있다.

이상과 같이 연료 요소로서 미연소시에 플루토늄을 포함하는 혼합 산화물 연료에 있어서, 사용 완료 연료를 재처리해서 얻어지는 회수 우라늄을 MOX 연료의 모재로서 사용함에 의해, 잔류한 우라늄235를 효율적으로 이용할 수 있다.

[제3 실시형태] 도 14는, 제3 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체와 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체의 사양의 비교표이다. 본 실시형태는, 제1 실시형태의 변형이다. 제1 실시형태에서는, 경수로용 연료 집합체의 집합체 평균의 우라늄 농축도를, 통상형 우라늄 연료 집합체보다도 높이고 있지만, 본 제3 실시형태에 있어서의 경수로용 연료 집합체(30)에 있어서는, 통상형 우라늄 연료 집합체보다 우라늄 농축도를 높임과 함께 가연성 독물의 농도도 높게 하고 있다. 도 14에 나타내는 예에서는, 우라늄 농축도가 4.8％이고, 가연성 독물 농도는, 5.5％이다. 이와 같이, 우라늄 농축도를 높인 정도에 따라, 가연성 독물 농도도 증가시키고 있다.

도 15는, 제3 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체 및 비교예에 의한 통상형 우라늄 연료 집합체에 대한, 연소도의 증가에 대한 무한 증배율의 변화 관계의 비교를 나타내는 그래프이다. 도 5에, 본 제3 실시형태의 경우를 추가한 것이다. 파선은 제1 실시형태에서 기술한 비교예의 경우, 점선은 제1 실시형태의 경우, 실선은 본 실시형태의 경우를 나타낸다.

실선으로 나타내는 본 실시형태의 경우에는, 연소도가 0GＷd/t일 때에는, 무한 증배율(k∞)은 제1 실시형태의 경우와 동일 정도의 값으로 되고 있다. 이것은, 가연성 독물의 농도를 제1 실시형태보다도 크게 함과 함께, 가연성 독물 내포의 연료봉의 개수를 줄이고 있기 때문이다. 이 경우는, 무한 증배율(k∞)의 피크가 제2 운전 사이클의 중간 시점에 나오고 있다. 즉, 가연성 독물은, 비교예나 제1 실시형태의 경우와 같이, 제1 운전 사이클 종료 시점에 모두 소비되어 버리지 않고, 제2 운전 사이클의 중간 시점까지 존재하고 있다. 가연성 독물이 모두 소비되어 버린 후에는, 비교예나 제1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 무한 증배율(k∞)은 단조적으로 감소한다. 이 때의 무한 증배율(k∞)의 피크 값은, 비교예의 경우의 무한 증배율(k∞)의 피크 값과 동일 정도의 값이다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, 제1 실시형태와 마찬가지로 우라늄 농축도를 높이고, 또한, 가연성 독물의 농도를 높인 결과, 제1 실시형태와 같이 무한 증배율(k∞)의 피크 값이 종래예에 비해 증가하지 않고, 종래예의 동일 정도의 값으로 들어간다. 예를 들면, 신(新)연료를 취급할 경우여도, 노 내에서 조사했을 경우의 무한 증배율(k∞)의 피크 값을 갖는 것으로 하여 관리할 경우가 있다. 이와 같은 관리 방법에 있어서도, 본 실시형태에 있어서의 경수로용 연료 집합체(30)는, 종래와 마찬가지인 관리의 것으로 취급하는 것이 가능하다.

또한, 제1 운전 사이클 말기의 무한 증배율(k∞)의 값이 작아지므로, 각 운전 사이클 말기의 노심의 잉여 반응도도, 제1 실시형태에 비해 저하한다. 또한, 가연성 독물의 농도는 노심의 집합체의 출력 피킹(peaking)이 허용하는 범위에서 실시예보다도 적은 농도로 구성하는 것도 가능하고, 그 경우는 각 운전 사이클 종료시의 잉여 반응도는, 그만큼 증가하게 된다.

[그 외의 실시형태] 이상, 본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시된 것이고, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다.

예를 들면, 실시형태에서는, BＷR인 경우를 예를 들어 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 경수로는 PＷR인 경우여도 된다. 또한, 실시형태에서는, 우라늄 연료의 경우를 예를 들어 나타냈지만, 혼합 산화물 연료(MOX 연료)를 사용했을 경우에도 마찬가지로 적용 가능하다.

또한, 각 실시형태의 특징을 조합으로 해도 된다. 또한, 이들 실시형태는, 그 외의 다양한 형태에서 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되면 마찬가지로, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.

5… 제어봉, 10… 경수로용 연료봉, 11… 연료 펠릿, 12… 피복관, 13… 하부단 마개, 14… 상부단 마개, 15… 상부 플리넘, 16… 스프링, 20… 가연성 독물 내포 연료봉, 25… 워터 로드, 30… 경수로용 연료 집합체, 31… 채널 박스, 40… 경수로 노심