フルMOX-ABWRの炉心設計 (02-08-02-07)

＜本文＞
１．炉心設計の基本的考え方
　フルＭＯＸ−ＡＢＷＲの燃料・炉心設計に当たっては、基本的考え方として、現行のＡＢＷＲの熱出力（3，926MW）、燃料集合体体数（872体）、制御棒本数（205本）等の基本仕様を変えることなく、ＭＯＸ燃料を装荷した炉心の特性を従来のウラン炉心のそれと大幅に変えないこととしている。
　ＭＯＸ燃料は、以下の範囲内で設計している。
（1）ＭＯＸ燃料の基本構造は、これまで十分な使用実績のある高燃焼度８×８ウラン燃料（高燃焼度ステップ２燃料）と同一。
（2）核分裂性プルトニウム（Puf）富化度は、最も高いペレットで８％まで。
（3）プルトニウム含有率は、最も高いペレットで13％まで。
（4）ＭＯＸ燃料の集合体最高燃焼度は、40，000MWd/t（ペレット最高燃焼度は約58，000MWd/t）まで。
（5）使用するプルトニウムについては、原子炉級プルトニウムで、軽水炉の使用済ウラン燃料から得られるもの相当。
　ＭＯＸ燃料集合体装荷割合については、初装荷炉心は０〜264体のＭＯＸ燃料集合体を装荷することから始め、段階的にＭＯＸ燃料割合を増やして、全炉心（全体で872燃料集合体数）にＭＯＸ燃料を装荷（以下「全ＭＯＸ炉心」という）することを目指している（図１参照）。
２．燃料・炉心基本仕様
　ＡＢＷＲの炉心および燃料の基本仕様を表１に示す。また、ＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配置を図２に示す。
　ＭＯＸ燃料集合体は、ペレット材としてUO2−PuO2を使用するＭＯＸ燃料棒と、UO2−Gd2O3を使用するガドリニア入りのウラン燃料棒で構成される。ＭＯＸ燃料棒については、劣化ウラン母材のＭＯＸペレットとし、成型加工性を考慮して軸方向富化度分布は一様としている。ウラン燃料棒については、軸方向にガドリニア濃度分布をつけ、これによりＭＯＸ燃料集合体の軸方向出力分布を平坦化している。また、集合体内側と外側の燃料棒出力を均等化するため、熱中性子束が大きい水ギャップ部に近い外側燃料棒でPuf富化度を低くし、熱中性子束が小さい内側燃料棒で高くしている。このため、図２に示す設計では、４種類のPuf富化度の燃料棒を使用している。
　取替燃料集合体平均のPuf富化度およびU−235濃縮度は、それぞれ約2.9wt％および約1.2wt％であり、集合体平均の取出燃焼度は約33，000MWd/tである。
　また、炉内に混在させるウラン燃料集合体は、９×９ウラン燃料（ステップ３燃料）であり、軸方向出力分布平坦化のため燃料棒軸方向に濃縮度分布等を設け、取替燃料集合体の平均濃縮度は約3.8wt％、濃縮度種類は７種類程度（Ａ型燃料の場合）である。
３．燃料・炉心設計解析
3.1　ＭＯＸ燃料棒の熱・機械設計
　ＭＯＸ燃料棒の熱・機械設計の条件は以下である。
　　最大線出力密度　　　：44.0kW/m（通常運転時）
　　燃料集合体最高燃焼度：40，000MWd/t
　　炉内滞在期間　　　　：７年
　ＭＯＸ燃料棒では、従来のウラン燃料棒に比べて熱伝導率の低下、ＦＰガス放出の増加等によりペレットの温度が高くなる傾向にあるが、図３に示すようにペレット中心温度は燃焼を通じて融点に比し十分低い値となっている。また、ＭＯＸ燃料棒は従来のウラン燃料棒よりFPガス放出、He放出が多く、燃料棒内圧が高くなる傾向にあるが、ＭＯＸ燃料棒の燃料有効長を従来のウラン燃料棒より短くしてプレナム体積を大きくした設計としているため、図４に示すように燃料棒内圧は燃焼末期においてウラン燃料棒と同等となっている。
3.2　核熱水力設計
　ＭＯＸ燃料を装荷するとその装荷割合に応じてボイド係数、実効遅発中性子割合等の炉心特性パラメータがウラン炉心から変化する（図５）。全ＭＯＸ炉心では、ウラン炉心に比べてボイド係数が２割程度負側に移行（絶対値（相対値）は増大）する。ボイド係数の負の値が増大することは、ボイド係数に着目した場合、ボイド量の増加が出力の上昇をより抑制するため、原子炉の自己制御性（固有の安全性）が高まることになる。また、実効遅発中性子割合は２割程度小さくなる。ドップラ係数は、９×９ウラン燃料を装荷したウラン炉心に比べて絶対値が若干小さめとなるがほとんど変わらない。
　ＡＢＷＲでは従来のＢＷＲと比べて、炉内の燃料集合体の間隔を拡大して非沸騰水領域の面積を増加することにより、ボイド係数の絶対値を低減したり、炉停止余裕の向上を図っている。すなわち、ＭＯＸ燃料の装荷に伴うボイド係数の負の絶対値の増加や、制御棒およびホウ酸水の反応度価値の低下の程度が緩和されるという特徴がある。
　また、ＭＯＸ燃料集合体の燃焼に伴う中性子増倍率の変化は、図６に示すようにウラン燃料集合体より小さいため、燃料集合体相互の影響は、ＭＯＸ燃料集合体同士の方がウラン燃料集合体同士より小さい。これは、ＭＯＸ燃料はウラン燃料に比べてどの燃焼度でも均等に出力を発生しやすいことを示しており、このため全ＭＯＸ炉心の径方向出力分布は、ウラン炉心と比べて、あるいはウラン燃料とＭＯＸ燃料の混在炉心と比べて平坦化しているという特徴がある。
　平衡炉心における炉停止余裕、最大線出力密度および最小限界出力比は、全ＭＯＸ炉心、１／３ＭＯＸ炉心（ＭＯＸ燃料集合体装荷体数は360体）およびウラン炉心について、以下のとおりとなっている。
（１）炉停止余裕
　炉停止余裕は、図７（ａ）に示すように、全ＭＯＸ炉心および１／３ＭＯＸ炉心ともにウラン炉心同様、１％Δｋ以上確保されている。
　ＭＯＸ炉心ではウラン炉心に比べ制御棒価値が低下する傾向にある。しかしながら、ＢＷＲの制御棒は、燃料集合体の外側の水領域に挿入されるので、制御棒の中性子吸収能力は燃料の組成の違いによる影響を受けにくい。ＡＢＷＲでは、この水領域をより広くしており、全ＭＯＸ炉心においても、全制御棒価値はウラン炉心に比べてわずかに低下する程度である（図８参照）。さらに、炉停止余裕という観点からは、最大反応度価値を有する制御棒が完全に引き抜かれた状態を想定しているため、全ＭＯＸ炉心のように径方向出力分布が平坦化されている炉心ではその最大制御棒価値が小さく、最大価値の制御棒を除くその他の制御棒価値が大きくなっている（図８参照）ので、図７（ａ）に示したように、全ＭＯＸ炉心の炉停止余裕はウラン炉心より若干大きいか、ほとんど変わらない値となっている。なお、フルＭＯＸ−ＡＢＷＲでは一部の制御棒については濃縮ホウ素を使用することとしているが、ここではすべての制御棒が従来の天然ホウ素制御棒であるとして炉停止余裕の評価がなされている。
　ホウ酸水注入系の停止能力という観点からは、全制御棒価値が全ＭＯＸ炉心でわずかに低下したように、注入されたホウ酸水の反応度価値が全ＭＯＸ炉心ではウラン炉心に比べて若干低下するので、これを補償するためにホウ酸水貯蔵タンク容量を増加して所要停止能力を確保することとしている。
（２）最大線出力密度
　運転時の最大線出力密度は、図７（ｂ）に示すように、全ＭＯＸ炉心および１／３ＭＯＸ炉心ともにウラン炉心同様、運転制限値を十分満足する小さな値となっている。全ＭＯＸ炉心では、プルトニウムを多く含有することから中性子増倍率の燃焼変化が緩やかとなり、最大燃料集合体出力が小さいので、最大線出力密度は小さくなる傾向である。なお、ウラン炉心での最大線出力密度が概して最も小さくなっているが、これは、ウラン燃料集合体が９×９ウラン燃料であって燃料棒本数がＭＯＸ燃料集合体よりも多いためである。
（３）最小限界出力比
　最小限界出力比（ＭＣＰＲ：minimum critical power ratio）については、図７（ｃ）に示すように、運転時のＭＣＰＲは大きな値を示しており、全ＭＯＸ炉心および１／３ＭＯＸ炉心ともにウラン炉心同様、運転制限値を十分満足している。全ＭＯＸ炉心で運転時ＭＣＰＲが大きくなり、制限値に対する余裕が大きいのは、プルトニウムを多く含有することから中性子増倍率の燃焼変化が緩やかとなり、最大燃料集合体出力が小さくなることによる。なお、全ＭＯＸ炉心でのＭＣＰＲ運転制限値は、プラント過渡時のΔＭＣＰＲが全ＭＯＸ炉心サイクル末期において大きくなる関係上、サイクル燃焼度約9，000MWd/t以降ではウラン炉心等に比べて大きな値としている。
４．安全評価上の特徴
　安全解析は、表１に示した条件をベースに実施している。
　ＭＯＸ燃料を装荷した炉心では、ＭＯＸ燃料装荷体数が増えるに従ってボイド係数がより負側になるという特性がある。このため、プラント過渡時においてボイド量が減少してＭＣＰＲが厳しくなる事象は、ウラン炉心および１／３ＭＯＸ炉心では「給水加熱喪失」であるのに対し、ボイド係数がより負側である全ＭＯＸ炉心のサイクル末期においてはΔＭＣＰＲの大きい「負荷の喪失」となり、プラント過渡時の決定事象が変わってくる（図９参照）。このため、ＭＯＸ燃料装荷割合が１／３を超えるＭＯＸ炉心においては、サイクル末期のＭＣＰＲ運転制限値を若干高くする（図７（ｃ）参照）ことにより安全性を確保している。
　また、実効遅発中性子割合についても、ＭＯＸ炉心においてはＭＯＸ燃料装荷体数が増えるに従って小さくなるという特性がある。しかしながら、反応度が異常に投入される「制御棒落下」時においても、燃料エンタルピー変化の最大値は、ドップラ効果が効いて、ＭＯＸ炉心でもウラン炉心でもあまり変わらない結果となっている（図１０参照）。

＜図／表＞

＜関連タイトル＞
ABWR燃料 (04-06-03-03)

＜参考文献＞
（１）濱輝雄：大間フルMOX−ABWRの炉心設計、原子力eye、Vol.45， No.9， p.64−67，（1999）
（２）木下豊ほか：ABWRにおけるフルMOX炉心の設計、火力原子力発電、Vol.50， No.2， p.62−69（Feb.1999）
（３）原子力安全委員会　原子炉安全基準専門部会：改良型沸騰水型原子炉における混合酸化物燃料の全炉心装荷について（平成11年６月）
（４）電源開発：大間原子力発電所原子炉設置許可申請書（平成11年９月）