JP2002189094A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 極めて大きな停止余裕を得ることのできる、
運転サイクル長期化と高燃焼度化とを達成するに好適な
沸騰水型原子炉用燃料集合体を提供する。 【解決手段】 ほぼ中央位置に燃料棒複数本相当の領域
を占める非沸騰領域である太径水ロッドを備えた９×９
格子以上の正方格子状配列を構成する燃料棒群が、前記
燃料集合体の燃料有効長に等しい有効長を持つ可燃性毒
物非含有の第１燃料棒Ｕと、前記燃料集合体の燃料有効
長に等しい有効長を持つ可燃性毒物含有の第２燃料棒Ｇ
と、前記燃料集合体の燃料有効長よりも短い有効長を持
つ第３燃料棒Ｖとからなり、燃料棒最外周列又は太径水
ロッドに沿って配置された燃料棒配列の少なくとも一部
は、第２燃料棒Ｇと第３燃料棒Ｖとを隣接させた燃料棒
３本分以上の燃料棒部分配列Ｌの構成を含むもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は沸騰水型原子炉の燃
料集合体、特に、運転サイクルの長期化と高燃焼度化を
目的に高濃縮度化を図った取替燃料集合体に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より沸騰水型原子炉では、経済性を
高めるために、１）プラントの設備利用率（稼働率）の
向上による経済効果をねらった運転サイクルの長期化、
２）燃料集合体１体当たりの取出しエネルギを大きくし
て経済性の向上をねらった平均取出燃焼度の増加、すな
わち高燃焼度化、が有効な手段として知られている。

【０００３】これら２つの目的に対しては、燃料集合体
においてウラン２３５で代表される核分裂性物質の平均
濃縮度を高めることが有効かつ不可欠な手段となってい
る。沸騰水型原子炉用燃料集合体の核燃料物質には、通
常、ウランやプルトニウムを用いるが、ここでは、特に
断らない限り、核分裂性物質をウラン２３５で代表して
記述することとし、核分裂性物質濃度を単にウラン濃縮
度又は濃縮度という。

【０００４】一方、原子炉の安全性を確保するための基
準の一つに停止余裕がある。停止余裕とは、低温時にお
いて、反応度価値の最も大きい制御棒１本が完全に炉心
の外に引き抜かれ、挿入できないときでも、炉心を未臨
界にできる状態を意味する。つまり、停止余裕は低温時
における炉心の未臨界性の指標であり、一般に、沸騰水
型原子炉では１％△ｋ以上の停止余裕を確保することを
設計目標としている。

【０００５】ところで、運転サイクルの長期化や高燃焼
度化を目的に燃料集合体の濃縮度を高めると、原子炉停
止状態、すなわち冷温時における反応度が大きくなる。
この結果、停止余裕が低下するといった不具合が生じ
る。

【０００６】そこで、高濃縮度化した燃料集合体に対し
て、停止余裕を確保するための方策として、原子炉停止
時における中性子束が燃料集合体の上部側で相対的に大
きいことに着目し、燃料集合体の上部側の反応度を低減
すれば停止余裕が改善することが知られている。

【０００７】このための代表的な手段として、１）燃料
棒上部において、ガドリニアで代表される可燃性毒物の
含有量を多くする、２）太径の水ロッドを配する、３）
部分長燃料を配する、といった技術がある。ここで、部
分長燃料棒とは、他の燃料棒よりも燃料有効長の短い燃
料棒であり、冷温時において部分長燃料棒の頂部より上
に形成された空隙は非沸騰水で満たされた領域となる。

【０００８】前記１）は、燃料集合体上部における可燃
性毒物の増強により熱中性子の吸収を高め、反応度の低
減を図ることによって停止余裕を改善するものである。
また、前記２）及び前記３）は、燃料集合体上部におけ
る減速材対燃料比を大きくし、中性子の過減速状態を達
成することで、水による熱中性子の吸収を高め、反応度
の低減を図ることによって停止余裕を改善するものであ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、経済性や運
転中の熱的運転余裕を前提に、前述の従来技術を活用し
つつ、燃料棒を最適な配置構成とすることで、極めて大
きな停止余裕を得ることのできる、運転サイクル長期化
と高燃焼度化とを達成するに好適な沸騰水型原子炉用燃
料集合体を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体は、核燃料物質か
らなるペレットを被覆管内に充填した燃料棒群が、正方
格子状配列に規則正しく配置されると共に、該格子配列
のほぼ中央位置に燃料棒複数本相当の領域を占める非沸
騰領域である太径水ロッドを備えた９×９格子以上の沸
騰水型原子炉用燃料集合体であって、前記燃料棒群は、
前記燃料集合体の燃料有効長に等しい有効長を持つ可燃
性毒物を含有しない第１燃料棒Ｕと、前記燃料集合体の
燃料有効長に等しい有効長を持つ可燃性毒物を含有する
第２燃料棒Ｇと、前記燃料集合体の燃料有効長よりも短
い有効長を持つ第３燃料棒Ｖとからなり、燃料棒最外周
列又は太径水ロッドに沿って配置された燃料棒配列の少
なくとも一部は、第２燃料棒Ｇと第３燃料棒Ｖとを隣接
させた燃料棒３本分以上の燃料棒部分配列Ｌの構成を含
むことを特徴とするものである。

【００１１】請求項２に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１に記載の第３燃料棒Ｖ
の各々は、縦又は横方向において互いに隣接しないこと
を特徴とするものである。

【００１２】請求項３に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１に記載の第２燃料棒Ｇ
の各々は、縦又は横方向において１面よりも多く他の第
２燃料棒Ｇと隣接しないことを特徴とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明における沸騰水型原子炉用
燃料集合体は、ほぼ中央位置に燃料棒複数本相当の領域
を占める非沸騰領域である太径水ロッドを備えた９×９
格子以上の正方格子状配列を構成する燃料棒群が、前記
燃料集合体の燃料有効長に等しい有効長を持つ可燃性毒
物非含有の第１燃料棒Ｕと、前記燃料集合体の燃料有効
長に等しい有効長を持つ可燃性毒物含有の第２燃料棒Ｇ
と、前記燃料集合体の燃料有効長よりも短い有効長を持
つ第３燃料棒Ｖとからなり、燃料棒最外周列又は太径水
ロッドに沿って配置された燃料棒配列の少なくとも一部
は、第２燃料棒Ｇと第３燃料棒Ｖとを隣接させた燃料棒
３本分以上の燃料棒部分配列Ｌの構成を含むものである
ため、極めて大きな停止余裕を得ることができ、運転サ
イクル長期化と高燃焼度化を達成することができる。

【００１４】即ち、本発明では、非沸騰水が満たされる
広い領域（以下、非沸騰領域Ｗという。）に沿って燃料
棒部分配列Ｌを配置することに特徴がある。一般に、非
沸騰領域Ｗは、最外周燃料棒の外側にあるギャップ水を
含む領域や太径水ロッド位置が、これに該当し、この領
域は冷温時において、比較的広い熱中性子吸収領域を形
成する部分となる。一般に、この吸収領域は広い方が反
応度は低下し、停止余裕は向上する。

【００１５】本発明による燃料集合体の上部領域は、非
沸騰領域Ｗ及びこれに隣接する燃料棒部分配列Ｌによっ
て、さらに広い熱中性子吸収領域を形成することができ
る。しかも、燃料棒部分配列Ｌを非沸騰領域Ｗに沿って
配置することにより、形成される広い熱中性子吸収領域
の周囲長（表面積）は最小限とすることができる。言い
換えれば、本発明の熱中性子吸収領域は表面積が小さく
中性子が漏れにくい体系を形成している。つまり、この
領域中で効果的に減速して生成された、もしくは、この
領域に到達した熱中性子は、この領域の外に漏れにくく
なり、次の核分裂を起こす確率を大幅に低減させること
ができるため、反応度は低下し、停止余裕は大幅に向上
する。この際、燃料棒部分配列Ｌを構成する燃料棒の数
は３本以上であれば良く、この場合、充分な停止余裕の
改善がある。

【００１６】本発明では、形成される広い熱中性子吸収
領域の周囲長（表面積）を最小限とするために、燃料棒
部分配列Ｌは非沸騰領域Ｗに沿って配置する。このた
め、縦横方向、更には太径水ロッドの配置によっては斜
め方向に、直線状又は折線状に第２燃料棒Ｇと第３燃料
棒Ｖとを隣接させる。

【００１７】また、本発明では、燃料集合体中の部分長
燃料棒としての第３燃料棒Ｖは、好ましくは、互いに縦
または横方向に隣接しないよう配置することもできる。
この場合には、部分長燃料棒を集中的に配置すると、運
転中この領域の上部側は、摩擦が少なく圧力損失が小さ
いため、冷却水が集中し、この結果、この領域に近接す
る燃料棒以外の燃料棒は、逆に熱除去が十分行えず、沸
騰遷移し易くなり、限界出力の低下を招くといった不具
合を解決する。

【００１８】更に、本発明では、燃料集合体中のガドリ
ニア入り燃料棒としての第２燃料棒Ｇについては、好ま
しくは、縦又は横方向において１面よりも多く他の第２
燃料棒Ｇと隣接しないよう構成することもできる。この
場合には、ガドリニア入り燃料棒を多く隣接して配置す
ると、この領域のスペクトルが硬くなるため、毒物価
値、すなわち、熱中性子吸収効果が低減し、反応度を制
御するためにはより多くのガドリニアの添加が必要とな
る結果、ウラン装荷量の低下による経済性の悪化を招く
といった不具合を解決する。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の沸騰水型原子炉用燃料集合体
の一実施例の構成を示す説明図である。図２は比較例と
して従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の構成を示す説
明図である。図１及び図２は何れも９×９格子配列を持
つ燃料集合体（以下、９×９燃料集合体という。）の上
部断面を示したものである。各々の燃料集合体は、燃料
棒９本分の領域に角型の水ロッドＷを配した構造となっ
ている。図中、燃料棒は格子配列として捉えて模式的に
記載してある。また、燃料集合体を取り囲むように装着
されるチャンネルボックスについては、記載を省略し
た。

【００２０】図１及び図２に示された各々の燃料集合体
は、４４本の濃縮度５．０ｗｔ％の燃料棒(1) と、８本
の濃縮度４．０ｗｔ％の燃料棒(2) と、４本の濃縮度
３．０ｗｔ％の燃料棒(3) と、１２本の濃縮度４．０ｗ
ｔ％のガドリニア濃度６．０％含有燃料棒（第２燃料
棒）Ｇと、４本の部分長燃料棒（第３燃料棒）Ｖと、角
型の水ロッドＷとで構成されるため、燃料集合体断面の
平均濃縮度は共に、４．５９ｗｔ％である。尚、燃料棒
(1) 〜(3) は本発明で定義された第１燃料棒に該当す
る。

【００２１】実施例と従来例とは、ガドリニア入り燃料
棒の配置が異なっているのみである。本図の右下がりの
斜線で示した領域は、最外周燃料棒の外側にあるギャッ
プ水を含む領域と太径水ロッド位置とに相当し、冷温時
においては非沸騰領域となり、比較的広い熱中性子吸収
領域を形成する部分である。ここでは、実施例、従来例
とも、４本の部分長燃料棒を水ロッドの各面に隣接させ
て配置することで、冷温時において、さらに広い熱中性
子吸収領域、即ち、この場合は非沸騰水領域が形成され
停止余裕の向上を促す構成となっている。

【００２２】図１において、本発明の構成である燃料棒
部分配列Ｌを右上がりの斜線で示す。本実施例の場合、
太径水ロッドの２面に沿うように、燃料棒部分配列Ｌが
構成されている。この構成により、熱中性子の強吸収体
領域は、広い面積であるが、表面積が小さくなり、熱中
性子が漏れにくい体系が形成できる。

【００２３】本発明による停止余裕の改善効果を、以下
で定義する「停止−運転反応度差」を用いて定量的に説
明する。 （停止−運転反応度差）＝（低温状態における無限増倍
率）−（出力運転状態における無限増倍率）

【００２４】一般に、低温状態は、ボイド及びドップラ
による負の反応度フィードバックがない分、出力運転状
態よりも無限増倍率は大きい。このため、停止−運転反
応度差は、燃焼を通じて正の値となる。運転中、炉心は
過剰な反応度を制御棒挿入量と炉心流量を調整すること
で臨界を維持して運転がなされる。

【００２５】反応度寿命、つまりは経済性の観点から
は、出力運転状態における無限増倍率は制御可能な範囲
内でより大きい方が望ましい。一方、停止余裕の観点か
らは、低温状態における無限増倍率はより小さい方が望
ましい。つまり、経済性が良く停止余裕が大きい燃料集
合体では、停止一運転反応度差は小さくなる。

【００２６】図３は従来例と実施例とにおける停止−運
転反応度差の燃焼度推移を示す線図である。実施例の停
止−運転反応度差は、従来例よりも燃焼初期から中期に
かけて最大０．５％△ｋ小さくできる。この差は、運転
状態の炉心の過剰反応度を同じになるよう設計をした場
合、本実施例の方が最大０．５％△ｋ停止余裕を改善で
きることを意味する。これは、前述のとおり停止余裕の
目標値が１％△ｋであるという実態と照らし合わせると
極めて大きな改善となる。以上は、熱中性子吸収領域に
ついて、表面積の増加を最小限としつつ、面積を拡大す
ることを目的として構成された、本発明の燃料棒部分配
列Ｌの効果によるものである。

【００２７】図４〜図８は各々別の実施例を示した説明
図である。これらの図は、全て燃料集合体の上部断面を
示すものである。各図において、図１と同様に、右下が
りの斜線で示した領域は最外周燃料棒の外側にあるギャ
ップ水を含む領域と太径水ロッドＷ位置とに相当し、右
上がりの斜線で示した領域は燃料棒部分配列Ｌに相当す
る。Ｇは第２燃料棒、Ｖは第３燃料棒を示す。

【００２８】図４の実施例は、図１と同じく燃料棒９本
分の領域に角型の水ロッドを配した９×９燃料集合体の
別の実施例である。このように、本発明では燃料棒部分
配列Ｌは最外周列において構成してもよく、この場合、
広面積の熱中性子吸収領域は水ギャップ領域を伴うこと
で形成される。

【００２９】また、図５は非対称格子における９×９燃
料集合体の別の実施例であり、ここでは、角型の水ロッ
ドは、１燃料棒ピッチ分反制御棒側にずらした構成とな
っている。燃料棒部分配列Ｌは、ギャップ水の面積の広
い制御棒側の最外周燃料棒位置、及び、水ロッド隣接位
置に配している。特に、水ロッドは、隣接位置にある燃
料棒部分配列Ｌにより、縦横１格子分広い面積の熱中性
子吸収領域を形成することができる。

【００３０】図６は燃料棒９本分の領域に角型の水ロッ
ドを配した１０×１０燃料集合体における実施例であ
る。ここでは、水ロッド周り４面に加え、最外周の２隅
に対し、燃料棒部分配列Ｌを配した例を示している。こ
のように最外周の隅を利用して燃料棒部分配列Ｌを構成
しても、熱中性子吸収領域の表面積は小さいままとする
ことができる。

【００３１】図７は１０×１０燃料集合体の別の実施例
であり、水ロッドの占める面積は燃料棒８本分相当であ
る。この領域には、例えば、２本の太径水ロッドを対角
に配置することができる。本実施例の場合、２本の水ロ
ッドの間に配置される燃料棒を含めて燃料棒部分配列Ｌ
を構成することで、強吸収体領域を最大化すると共に、
表面積を最小化している。

【００３２】また、図８は、２本の太径水ロッドを対角
に配した９×９燃料集合体での実施例であり、水ロッド
の占める面積は燃料棒７本分相当である。本実施例にお
いては、燃料棒部分配列Ｌは２本の水ロッドに沿うよう
に、対角方向に３本配置した構成となっている。この場
合、熱中性子吸収領域を広くすることができるが、表面
積は、他の実施例よりも大きくなることが避けられな
い。しかしながら、本構成にて目的とする停止余裕が改
善できない場合には、最外周燃料棒領域に対して燃料棒
部分配列Ｌを構成することで停止余裕を満足させること
は容易である。

【００３３】

【発明の効果】本発明は以上説明した通り、経済性や運
転中の熱的運転余裕を前提に、前述の従来技術を活用し
つつ、最適な配置構成とすることで、極めて大きな停止
余裕を得ることができ、運転サイクル長期化と高燃焼度
化とを達成するに好適な沸騰水型原子炉用燃料集合体を
得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の沸騰水型原子炉用燃料集合体の一実施
例の構成を示す説明図である。

【図２】比較例として従来の沸騰水型原子炉用燃料集合
体の構成を示す説明図である。

【図３】従来例と実施例における停止−運転反応度差の
燃焼度推移を示す線図である。

【図４】別の実施例を示す説明図である。

【図５】別の実施例を示す説明図である。

【図６】別の実施例を示す説明図である。

【図７】別の実施例を示す説明図である。

【図８】別の実施例を示す説明図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核燃料物質からなるペレットを被覆管内
   に充填した燃料棒群が、正方格子状配列に規則正しく配
   置されると共に、該格子配列のほぼ中央位置に燃料棒複
   数本相当の領域を占める非沸騰領域である太径水ロッド
   を備えた９×９格子以上の沸騰水型原子炉用燃料集合体
   であって、 前記燃料棒群は、前記燃料集合体の燃料有効長に等しい
   有効長を持つ可燃性毒物を含有しない第１燃料棒Ｕと、
   前記燃料集合体の燃料有効長に等しい有効長を持つ可燃
   性毒物を含有した第２燃料棒Ｇと、前記燃料集合体の燃
   料有効長よりも短い有効長を持つ第３燃料棒Ｖとからな
   り、 燃料棒最外周列又は太径水ロッドに沿って配置された燃
   料棒配列の少なくとも一部は、第２燃料棒Ｇと第３燃料
   棒Ｖとを隣接させた燃料棒３本分以上の燃料棒部分配列
   Ｌの構成を含むことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料
   集合体。
2. 【請求項２】 前記第３燃料棒Ｖの各々は、縦又は横方
   向において互いに隣接しないことを特徴とする請求項１
   に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. 【請求項３】 前記第２燃料棒Ｇの各々は、縦又は横方
   向において１面よりも多く他の第２燃料棒Ｇと隣接しな
   いことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用
   燃料集合体。