JP2002350580A - 原子炉の炉心 - Google Patents
原子炉の炉心Info
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Abstract
保って、炉心の軸方向出力分布を平坦化する。 【解決手段】複数の長尺燃料棒と複数の短尺燃料棒とを
格子状に束ねて構成される燃料集合体を装荷した原子炉
の炉心において、異なる平均濃縮度の初装荷燃料集合体
S,L,M,Hを複数種類使用する。平均濃縮度が最も
低い燃料集合体Sは可燃性毒物入り燃料棒を含んでいな
い。平均濃縮度が最も高い燃料集合体Hは可燃性毒物入
り燃料棒の本数が最も多い。燃料集合体の下部領域に可
燃性毒物が添加されている燃料棒の本数と、上部領域に
可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数との差は平均
濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体Hで最も大きい。こ
のようにして燃料集合体の上部と下部の可燃性毒物の燃
料棒本数の差を特定化することで、炉心の軸方向出力分
布を平坦化できる。
Description
下、BWRと記す)炉心に係り、特に軸方向出力分布を
平坦化する原子炉の炉心に関する。
なる複数種類の燃料集合体を装荷して、初装荷炉心の取
り出し燃焼度の向上を図るものが実用化されている。こ
のような炉心では、運転サイクルを更新する毎に反応度
の低下した燃料集合体を新しい燃料集合体と交換して運
転を継続することにより、平衡サイクルへの移行を速や
かに行うことができる。
ルと呼ぶが燃料集合体を前述のように部分的に交換しな
がら、第2、第3、…と運転サイクルを繰り返し、前記
第1サイクルから数サイクルの運転を経て炉心全体の燃
料成分が隣接するサイクル間ではほぼ一定となったサイ
クルを平衡サイクルという。
するサイクルの熱的特性(最大線出力密度、最小限界出
力比(MCPR)、出力ピーキング等)、サイクル終了
後の取り替え燃料集合体数、炉心の燃料集合体装荷配
置、サイクル運転中の制御棒パターン等がほぼ等しく安
定している。
1サイクルの運転終了毎に原子炉を停止させ、最も反応
度の低下した燃料集合体を新しいものと交換し、次の運
転サイクルに入る。これを繰り返しながら原子炉の運転
を継続するわけであるが、サイクル毎の熱的特性が悪か
ったり、あるいは目標とする燃焼度が達成されなかった
りすれば、燃料集合体の健全性、原子炉炉心及び燃料集
合体の経済性上問題である。
集合体の経済性の点からみて、第1サイクルから平衡サ
イクルに移行する過程の中間サイクル、換言すれば移行
サイクルにおける熱的特性及びサイクル取得燃焼度が、
平衡サイクルのそれらと同程度であるか、またはそれら
に向かって速やかに収束するものであることが望まし
い。
から平衡サイクルに移行する過程の移行サイクル中の熱
的特性及び取得燃焼度のサイクル毎の変動が少なく燃料
経済性の優れたBWRの先行技術として特公平 3-45358
号公報に開示されている。
燃料集合体がNサイクル分だけ炉内に滞在する場合、初
装荷炉心において平衡濃縮度の異なるN種類の初装荷燃
料集合体を装荷し、各初装荷燃料集合体の可燃性毒物を
含有しないときの無限増倍率が平衡炉心における炉内滞
在サイクルの異なる取り替え燃料集合体の無限増倍率と
ほぼ等しくなるように各初装荷燃料集合体の平均濃縮度
を設定している。なお、各初装荷燃料集合体の平均濃縮
度は前記設定よって得られる値に対して±0.2wt%の上下
の変化幅を許容している。
用いた初装荷炉心の取り出し燃焼度は、炉心平均濃縮度
を増加させる方法、炉心平均濃縮度は一定でも次に示す
炉心内の濃縮度の分散パラメータを増加させる方法でも
増加出来ることが研究によってわかってきた。
済性を向上させるために、取り替え燃料集合体の濃縮度
が増加し、平衡サイクルにおける燃料集合体のバッチ数
が従来約3バッチであったのが4バッチを超えるまでに
なってきている。このような高燃焼度燃料集合体の一例
を図21に示す。
棒3および太径ウォータロッド6をスペーサ8で9行9
列の正方格子状に束ねて上部タイプレート4および下部
タイプレート5に固定して燃料棒束とし、この燃料棒束
をチャンネルボックス7で包囲して構成されている。な
お、図21(A)は燃料集合体を示し、図21(B)は
(A)のB−B断面図、図21(C)は(A)のC−C断
面図である。
短尺燃料棒3の構成を示す。すなわち、これらの燃料棒
2、3は複数個の燃料ペレット10が被覆管11内に装填さ
れ、被覆管11の両端は上部端栓12および下部端栓13で封
止され、被覆管11内の上部プレナム14内にスプリング15
を設けて燃料ペレット10を押圧している。なお。短尺燃
料棒3は下部にもプレナム14が設けられている。
流路を拡大して圧損を低減するとともに、炉停止余裕を
向上させている。また、短尺燃料棒3の位置は沸騰遷移
を起こし易い位置を選んで選定されており、限界出力の
向上に寄与している。
例として、電気出力 135万KWのBWR炉心の 1/4平面
図を図23に示す。図において1つの□が燃料集合体1体
を表しており、炉心は 872体の燃料集合体1で構成され
ている。□内の数字は各燃料集合体の炉内滞在サイクル
数である。
料(新燃料)集合体、同じく2で示す2サイクル目燃料
集合体、同じく3で示す3サイクル目燃料集合体および
同じく4で示す4サイクル目燃料集合体が各々 200体、
同じく5で示す5サイクル目燃料集合体が72体装荷され
ている。この炉心9で使用されている取り替え燃料集合
体の平均濃縮度は3.7wt%である。
いるが、この制御棒1本とこれを取り囲む燃料集合体4
体を合わせて1つのセルと呼ぶ。ただし、炉心最外周の
一部にはセルを構成していない燃料集合体がある。
を制御棒でコントロールするために、制御棒の移動によ
る制御棒に隣接する燃料集合体の出力分布歪が緩和され
るように濃縮度が低いかまたは燃焼が進んだ反応度の低
い燃料集合体を4体配置したセルをコントロールセル16
と呼び、炉内に離散的に配置される。コントロールセル
16の数や位置は炉心の余剰反応度や制御棒パターンなど
によって異なるが、本炉心では太枠で示された21個で構
成されている。
クルを、前記従来の技術に基づいて構成するには、平均
濃縮度の異なる5種類の初装荷燃料集合体を使用するこ
とになる。ただし、5サイクル目燃料集合体に相当する
平均濃縮度が最も低い燃料集合体は装荷体数が少ないの
で、通常は平均濃縮度が2番目に低い初装荷燃料集合体
で代用され、4種類の初装荷燃料集合体が使用される。
す。また、その燃料集合体の内訳を表1に示す。本炉心
は図23と同じBWR炉心であり、図24において□内の記
号Sは4サイクル目燃料集合体に相当する最低濃縮度燃
料集合体、Lは3サイクル目燃料集合体に相当する平均
濃縮度が2番目に低い燃料集合体、Mは2サイクル目燃
料集合体に相当する平均濃縮度が3番目に低い燃料集合
体、そしてHは取り替え燃料集合体と同じ濃縮度の最高
濃縮度燃料集合体である。
00本、燃料集合体Sの装荷体数は 272体である。コント
ロールセル16は21個あり、最低濃縮度の燃料集合体Sは
コントロールセルおよび、図23に示した平衡サイクルと
同様、炉心からの中性子の漏洩を抑えて経済性を向上さ
せるために炉心最外周に装荷されている。
た高燃焼度用燃料集合体では、短尺燃料棒3の存在のた
めに、無限増倍率の特性が上下で大きく異なっている。
すなわち、上部は下部に対して同じボイド率で比較する
と、燃料棒が少なく、減速材が多いので、同じ濃縮度で
あれば無限増倍率は大きく、これ自体は軸方向出力分布
を平坦化する作用を有する。
上部が下部より大きくなるので、ガドリニア入り燃料棒
の本数が上下で同じであれば、燃焼初期の無限増倍率は
上部が下部よりも抑制され、軸方向出力分布は下方ピー
クとなり、軸方向出力分布が平坦化しない課題がある。
この傾向はガドリニア入り燃料棒本数が多いほど顕著で
ある。本発明は上記課題を解決するためになされたもの
で、軸方向出力分布を平坦化することができる原子炉の
炉心を提供することにある。
複数の長尺燃料棒と複数の短尺燃料棒とを格子状に束ね
て構成される燃料集合体を装荷した原子炉の炉心におい
て、異なる平均濃縮度の初装荷燃料集合体を複数種類使
用し、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体は可燃性
毒物入り燃料棒を含まず、かつ燃料集合体あたりの可燃
性毒物入り燃料棒の本数は平均濃縮度が最も高い初装荷
燃料集合体で最も多く、かつ燃料集合体下部領域に可燃
性毒物が添加されている燃料棒の本数と燃料集合体上部
領域に可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数の差は
平均濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体で最も大きいこ
とを特徴とする。
炉心上部では炉心下部よりも減速材不足となる。そのた
め、軸方向出力分布は下方ピークとなり易いので、本発
明では、燃料集合体の上部領域と下部領域の可燃性毒
物、例えばガドリニア入り燃料棒の本数設定を行う。こ
れにより、各燃料集合体の上下の無限増倍率は適度な差
に保たれて、軸方向出力分布を平坦化することができ
る。
原子炉の炉心の実施の形態を第1の実施例から第6の実
施例により説明する。 (第1の実施例)図1(A)に本発明に係る第1の実施
例における 1/4 90°回転対称の初装荷炉心の燃料配置
例を示す。第1の実施例では燃料集合体の平均濃縮度が
異なる3種類の燃料集合体(高濃縮度燃料のタイプ1燃
料集合体,中濃縮度燃料のタイプ2,2C燃料集合体,
低濃縮度燃料のタイプ3燃料集合体)を用いている。そ
の燃料集合体平均濃縮度と体数を下表に示す。
集合体の平均濃縮度を3.5wt%とした場合、初装荷炉心の
濃縮度のタイプを 3.5(タイプ1), 2.3(タイプ2,
タイプ2C), 1.3(タイプ3)wt% の様な3種類に
し、しかも少なくとも2.3wt%(タイプ2,タイプ2C)
の燃料集合体に対しては可燃性毒物として添加するガド
リニア入り燃料棒の本数が少ないもの(タイプ2)と多
いもの(タイプ2C)の2種類用意し、そのガドリニア
入り燃料棒の本数差を2本以上とする。しかも、中濃縮
度の初装荷燃料集合体のガドリニア設計の異なる燃料集
合体の間では、濃縮度所要量の設計は共通化させると、
更に燃料製造上都合が良い。
にタイプ3燃料集合体3p(ここでは炉心の中央に配置
されるタイプ3燃料集合体と同一設計の場合でも第1サ
イクルから第2サイクルへの燃料交換、移動が分かりや
すいように炉心最外周のタイプ3燃料集合体に3pの記
号を付した。)を配置する。
をすべてタイプ2C燃料集合体で構成されたコントロー
ルセルC(出力運転中、反応度制御及び出力分布制御を
行うための専用制御棒セルで、制御棒周囲の燃料集合体
は低反応度の燃料集合体を配置する。)を配置してあ
る。最外周から第2層目、第3層目には最高濃縮度のタ
イプ1燃料集合体のみを配置するか、または大半をタイ
プ1燃料集合体とする。
原則としてタイプ2またはタイプ3燃料集合体に面する
ように分散配置する。例えば、コントロールセルCに面
した制御セルは原則としてタイプ2またはタイプ3燃料
集合体と、タイプ1燃料集合体を交互にほぼチェカーボ
ード状に配置する。コントロールセルCに面しない制御
棒セルは原則としてタイプ2とタイプ3燃料集合体の燃
料集合体を3体とタイプ1燃料集合体を1体を配置す
る。
替え燃料集合体の体数より多くする。特にこの例では、
図1(B)の第2サイクルの炉心燃料配置図からも分か
るように、最外周のタイプ3燃料集合体は第2サイクル
も最外周に配置され、第1サイクルに最外周より内側に
配置されたタイプ3燃料集合体のみが第1回取り替え燃
料集合体と交換される。
部長さが少なくとも濃縮領域では同じである場合のタイ
プ1、タイプ2、2C、タイプ3燃料集合体の軸方向濃
縮度分布、可燃性毒物軸方向分布の例を示す。この様
な、燃料集合体としては図22(A)に示したような燃料
有効部が標準長さの長尺燃料棒2のみで構成された、図
3(A)(B)に示すような燃料集合体1a,1bの例
がある。
に燃料有効長さ¨L¨の上下端にブランケット領域(天
然ウラン、劣化ウランまたは再処理回収ウランを使用し
た燃料有効領域)を有し、その長さはそれぞれL/24〜L/
12である。タイプ1、タイプ2、2C燃料集合体は濃縮
領域¨Le ¨が濃縮度の軸方向分布を有し、タイプ3燃
料集合体の濃縮領域¨Le ¨が濃縮度の軸方向に一様で
ある。
燃料集合体は燃料有効長¨L¨の下端から約L/3 〜 L/2
の位置に濃縮度の区分境界aを有し、境界aの上下で上
部の濃縮度の方が下部よりも約0.2wt%程度高い。
(2,2Cの両方)燃料集合体の境界aを軸方向にずら
しても良い。ずらす場合はタイプ2(2,2Cの両方)
燃料集合体の境界aをタイプ1燃料集合体のそれよりも
L/12以上上方に設定する。
体は可燃性毒物燃料棒を有し、その本数はタイプ2、タ
イプ2C、タイプ1燃料集合体の順に多くなる。可燃性
毒物としてはここでは燃料ペレットにガドリニアを添加
する形態を考える。可燃性毒物の軸方向分布設計は燃料
有効長¨L¨の内の濃縮領域¨Le ¨に可燃性毒物が添
加されており、その領域¨Le ¨内で一様か分布を有す
る設計が考えられる。
に、その領域内で可燃性毒物添加燃料棒のガドリニア濃
度は一様かまたは濃縮度区分の境界aと同じ位置で可燃
性毒物の量に差があり、燃料集合体全体のガドリニア軸
方向設計として、図2の如く境界aの上側でガドリニア
量が小さく下側で大きくなっている。
(2,2Cの両方)燃料集合体のいずれかまたは両方と
もが、境界aより上方の濃縮領域¨Le ¨の上端から約
L/12〜L/6の長さの可燃性毒物の少ない低可燃性毒物領
域¨LLG¨を有する。
燃料集合体についてはガドリニアの濃度を低可燃性毒物
領域¨LLG¨のすぐ下の領域より小さくする。例えばガ
ドリニア濃度を1.5〜4wt%の低い濃度とする。または、
ガドリニア添加燃料棒を1本減ずる。またはその両方と
する等の手段がある。
領域¨LLG¨に対応した部位の濃縮度を濃縮領域の中で
最低の濃縮度とするか、または境界aの下側の濃縮度と
同程度の濃縮度としても良い。
燃性毒物領域¨LLG¨のガドリニア添加燃料棒を 1〜3
本減少し、同時にガドリニア濃度を1.5〜4wt%の低い濃
度とする。また、低可燃性毒物領域¨LLG¨に対応した
部位の濃縮度はその下方の濃縮度と同じとする。
セル分のウォーターロッド6を有した構造の場合の例
で、タイプ2燃料集合体とタイプ2C燃料集合体の横断
面濃縮度及びガドリニア分布設計例を示す。
つ燃料集合体横断面の中心に重心を有する形でガドリニ
ア含有燃料棒(G1)が4本配置されている。これに対
して図5に示すタイプ2C燃料集合体では、ガドリニア
含有燃料棒が4本多く且つガドリニア添加濃度7.5wt%以
上と、高い濃度の燃料棒7本は複数本づつ互いに隣接し
ている。
より制御棒(W−W側)側に片寄っている。また、W−
W側の最外周燃料棒はタイプ2燃料集合体よりもタイプ
2C燃料集合体の方が低濃縮度の燃料棒本数が多く配置
されている。
棒製造種類をタイプ2燃料集合体とタイプ2C燃料集合
体と濃縮度と本数共々同一にする方が燃料製造上簡単で
あるが、図6の様に若干平均濃縮度がずれても同一濃縮
度で本数のみがことなる設計でも良い。
8)のガドリニア添加燃料棒は薄いガドリニア濃度、例
えば1.0wt%を配置しても良い。また、他のガドリニア添
加燃料棒の濃いガドリニア濃度としては 10wt%程度にま
で上げることも考えられる。
体、タイプ3燃料集合体の横断面設計例を示す。図8の
様にタイプ3燃料集合体はより簡単化した濃縮度分布と
し、燃料集合体の外周燃料棒や大型ウォーターロッド周
囲に高局所出力ピーキングが発生しやすい設計とする。
(A),(B)図10及び図13(A),(B)を用いて従
来の濃縮度3タイプ炉心との比較で説明する。図10は濃
縮度3タイプ炉心の第1サイクルにおいて、各タイプの
燃料集合体の無限増倍率が変化する様子を示したもので
ある。
イクル長さは、起動試験等により取替炉心の1サイクル
長さと比べて相当長さ(2000〜3000MWd/st)長くなり、
約11000MWd/stとなる。よって、タイプ1、タイプ2、
タイプ2C燃料集合体のガドリニア濃度は取り替え燃料
集合体のガドリニア濃度よりも濃度を高くされる。図10
の無限増倍率のタイプ1、タイプ2燃料集合体の曲線は
7.5wt%のガドリニア添加濃度の場合の計算である。その
結果、タイプ1燃料集合体の無限増倍率の最大値は取り
替え燃料集合体より小さく、ピーク位置も3000〜5000MW
d/st程度後に生ずる。
1の燃料集合体のサイクル末期の燃焼度を図10にプロッ
トすると、縦のバーで示すようになる。このようにタイ
プ3燃料集合体の内コントロールセルに配置されたもの
は、その他の炉心中央に配置されたタイプ3燃料集合体
に比較して 0.8倍程度の燃焼度(8000MWd/st)しか進ま
ない。
合体は同じく約 0.5倍の燃焼度(5000MWd/st)しか進ま
ない。この炉心が第2サイクルに移行するとき、図13
(A),(B)に示すように炉心中央領域の燃焼度の進
んだタイプ3燃料集合体が取り出され、残ったタイプ3
燃料集合体は最も燃焼の進んだものを炉心最外周に優先
的に配置する。
MWd/st)の炉心反応度をより高め、タイプ3燃料集合体
の取り出し燃料度をより向上する方法である。しかし第
1サイクルでコントロールセルに配置されたタイプ3燃
料集合体は第2サイクルで約半数が最外周に配置され、
約半数が取り出される。
3燃料集合体は約4000MWd/st程度の燃焼度を取得出来る
のみであり、第1サイクル最外周、第2サイクル炉心中
央のコントロールセル以外の位置に配置されたタイプ3
燃料集合体が得る5000+8000MWd/stと同程度である。こ
の結果、第1サイクル後に取り出されたコントロールセ
ル配置のタイプ3燃料集合体の燃焼度取得損失は第2サ
イクルではほとんど取り返せないこととなる。
クルにおいて、濃縮度の最も低い且つ可燃性毒物を含有
しないタイプ3燃料集合体は、炉心最外周及び炉心中央
領域のコントロールセル以外の位置に配置されること
と、タイプ3燃料集合体の体数を第2サイクルでの最外
周配置の数と第1回取り替え燃料集合体の数の合計以上
とすることにより、第1回の燃料交換は炉心中央のタイ
プ3燃料集合体のみとなる。炉心中央のタイプ3燃料集
合体はコントロールセルによる燃焼度取得の損失を受け
ること無く取り出される。
においては、制御棒挿入運転が長く続いて、W−W側の
燃料棒の燃焼が遅れ、対角反対側(N−N側)の燃料棒
の燃焼がより進む。第1サイクル末期に炉心の余剰反応
度が低下するとコントロールセルの制御棒は引き抜かれ
る。
ピーキングがステップ状に増加することと、制御棒によ
る反応度制御がなくなったことによりW−W側の燃料棒
の線出力密度が非常に大きくなる。この結果を考慮して
も最大線出力密度の運転制限以内とする必要から従来は
タイプ3燃料集合体の平均濃縮度を可燃性毒物なしとし
て、1.3wt%程度以下に設定し、燃料集合体内の最外周燃
料棒の濃縮度も比較的低い設計としている。
セルに配置されるタイプ2C燃料集合体はガドリニア燃
料棒の本数が多いのと、ガドリニア添加燃料棒を複数互
いに隣接して燃料集合体内に配置するので、熱中性子束
遮蔽によりガドリニウムの燃焼が遅くなることの効果に
より第1サイクル中の無限倍増率は約 10%△k以上タイ
プ2燃料集合体に比して抑制される。
いほど長期間反応度抑制が可能なので、7.5wt%(図10中
破線のタイプ2C燃料集合体)以上 10wt%(図10中一点
鎖線のタイプ2C燃料集合体)程度あると都合が良い。
最外周位置に低濃縮度の燃料棒がより多く配置され且
つ、高濃度のガドリニア添加燃料棒も制御棒側に配置が
片寄ったパターンで設計されている。
れても、W−W側の燃料棒のインポータンスが増加する
が、その近傍に配置された高濃度のガドリニア添加燃料
棒のガドリニウムもまだ残留反応度を有しているので、
W−W側の局所出力の増加を抑制して燃料集合体横断面
内の出力分布の平坦化の方向に働く。第2サイクルで
は、タイプ2C燃料集合体の残留ガドリニウムも燃焼し
尽くし、その後燃焼に従って無限増倍率は減少する。
イクル初期から末期にかけて無限増倍率の変化は少な
く、ほぼ平衡炉心における2サイクル燃焼後の無限増倍
率に近い反応度を維持し、可燃性毒物の燃焼による反応
度増加とU235 の燃焼による反応度低下がバランスした
推移を示す。
と同一濃縮度であるが、ガドリニア添加燃料棒は5〜6
本少ない。そのため、第1サイクル初期の無限増倍率は
取り替え燃料集合体より 10%△k程度高い値である。タ
イプ3燃料集合体は第1サイクル初期に平衡炉心におけ
る2.5サイクル燃焼度の無限増倍率を示し、その後燃
焼に従って、無限増倍率は減少する。
料集合体最外周や大型ウォーターロッド周囲等の中性子
インポータンスの高い燃料棒位置に濃縮度の高い燃焼棒
を配置することにより、低い濃縮度でより高い無限増倍
率が得られ、より経済的な燃料構成となる。すなわち、
本実施例ではタイプ3燃料集合体は全てコントロールセ
ル以外の位置に配置する初装荷炉心であることによる。
集合体をコントロールセルに配置するために、最外周の
燃料棒の出力ピーキングを下げる。そのため、中性子イ
ンポータンスの高い燃料集合体最外周に横断面で使用す
る濃縮度の比較的低い燃料棒を配置すると、その分燃料
集合体の無限増倍率が低くなり、炉心の燃料経済性が低
下する。図9に従来のタイプ3燃焼集合体を示してい
る。
率の燃焼変化図から、図1の炉心において図13(A)の
濃縮度3タイプ炉心におけるタイプ1、タイプ2、タイ
プ3の同一ガドリニア設計、同一濃縮度設計を使うと、
図13(A)におけるコントロールセルのタイプ3燃料集
合体がタイプ2C燃料集合体に置き代わった分、サイク
ル末期の炉心余剰反応度が増加し、第1回取り替え燃料
集合体の体数が低減することになる。
る。BWRの取替炉心では、径方向出力分布を平坦にす
るには、無限増倍率の異なる燃料集合体を分散して配置
し、サイクルの燃焼期間中、任意の最小配置の4体の平
均無限増倍率がほぼ同じように配置すればよい。また、
炉心の最外周を除いてインポータンスの高い炉心中央か
ら外側に向かって徐々に平均の無限増倍率を増加させる
と炉心の最外周付近を除き炉心の径方向の出力分布が平
坦化できる。
て、第1サイクル初期に最大の反応度を有するタイプ2
燃料集合体はそれより反応度の低いタイプ3燃料集合
体、タイプ1燃料集合体に囲まれるので、タイプ2燃料
集合体の径方向出力ピーキング抑制の作用がある。
ロールセルに配置される反応度の低いタイプ3燃料集合
体の代わりに、それよりも濃縮度及びガドリニア添加量
が多くサイクル末期において反応度の高いタイプ2C燃
料に置き換えているので、第1サイクル末期においてタ
イプ2C燃料集合体の出力がタイプ3燃料集合体より高
い分炉内の出力ミスマッチが緩和され炉心出力が平坦化
し、径方向出力ピーキングを改善する。
度に十分な余裕を持って迎えられるので、第1回取り替
え燃料集合体の体数を従来よりも大幅に減じることがで
きる。その結果炉心平均濃縮度を従来より約 0.16wt%増
大して、初装荷炉心の取り出し燃焼度が増大できる。こ
れは初装荷炉心の燃料経済性が向上することを意味す
る。
布、ガドリニア分布設計とすることによって、取り出し
燃焼度が向上し、且つ炉内においてコントロールセルの
制御棒に隣接しないタイプ2、タイプ1燃料集合体の軸
方向出力分布が燃料集合体の軸方向反応度分布によって
安定に制御でき、最大線出力密度、MCPR等の炉心の
熱的制限を満足できる。
位置に濃縮度及びガドリニア量の分布境界aを設け,境
界より下部の反応度を抑制することにより、BWRの特
徴であるボイド発生による下方ピーク出力分布を抑制
し、平坦化できる。
タイプ2燃料集合体で同じであると、境界のすぐ上部に
出力ピークを生じるので、反応度が低く下方出力ピーク
特性の弱いタイプ2燃料の前記境界aをL/12以上ずらす
ことにより、それを緩和することができる。
を設け、サイクル末期における可燃性毒物の燃え残りを
減じることによって、燃焼経済性が向上する。この時、
タイプ1燃料集合体については炉内装荷サイクル数が多
いので、濃縮度も低減すると、移行サイクルにおける炉
停止余裕の改善に寄与する。
実施例の変形を説明する。本発明は第1の実施例の炉心
構成における燃料集合体設計のみが異なる実施例であ
る。図11、図12に図3(C)(D)中にPで示した部分
長燃料棒を有する燃料集合体を使用したタイプ1、タイ
プ2、2C、タイプ3燃料集合体の軸方向濃縮度分布、
可燃性毒物軸方向分布の例を示す。
LG¨を標準長燃料棒において、部分長燃料棒の燃料棒有
効部上方の領域に対応する領域全体¨LPLR ¨とした例
であるが、必ずしも一致させる必要はない。
タイプ1、タイプ2(2,2C)燃料集合体について
は、領域¨LPLR ¨の燃料装荷量がそれより下の領域よ
りも小さい事を考慮して濃縮度をそれより下部と同一か
やや低下する程度とし、また更に燃料下部の燃料ウラン
の量が多い分軸方向に出力ピーキングが発生しやすいの
でより軸方向出力の平坦化が必要である。例えば、境界
aの上下の濃縮度差をより大きくすることも効果があ
る。この様な軸方向設計により部分長燃焼棒を有する燃
料集合体を使用した本実施例の初装荷炉心の軸方向分布
を平坦化することができる。
ものである。タイプ1燃料集合体を除いて下部領域(部
分長燃料棒の有効部領域)の濃縮度及びガドリニア軸方
向設計が一様である。タイプ1燃料集合体は実線の様に
約 L/3の位置にガドリニア量の境界aを有し、濃縮度の
境界は有しない。
ア設計を点線の様にこの下部領域だけ1、2本の部分ガ
ドリニア添加燃料棒としてガドリニア入り燃料棒本数を
増加させても良い。また、図11のタイプ2(2,2
C)、タイプ3燃料集合体と図12タイプ1燃料集合体の
軸方向設計を組み合わせても良い。
本発明の第2の実施例に係る 1/4 90°回転対称の初装
荷炉心の燃料配置例を示す。本実施例では燃料集合体の
平均濃縮度が異なる3種類の燃料集合体(高濃縮度燃料
タイプ1燃料集合体、中濃縮度燃料タイプ2、2C燃料
集合体、低濃縮度燃料のタイプ3燃料集合体)を使用し
ている。その燃料集合体の平均濃縮度と体数を下表に示
す。第2の実施例に対応した従来の濃縮度3タイプ初装
荷炉心の例を図15(A),(B)に示す。
合体の平均濃縮度を3.5wt%とした場合、初装荷炉心の濃
縮度のタイプを 3.5(タイプ1燃料集合体), 2.3(タ
イプ2、タイプ2C燃料集合体), 1.3(タイプ3燃料
集合体)wt% の様な3種類にし、しかも少なくとも 2.3
wt%(タイプ2、タイプ2C燃料集合体)の燃料集合体
に対しては可燃性毒物として添加するガドリニア入り燃
料棒の本数の少ないもの(タイプ2燃料集合体)と多い
もの(タイプ2C燃料集合体)の2種類用意し、そのガ
ドリニア入り燃料棒の本数差を2本以上とする。しか
も、中濃縮度の初装荷燃料集合体のガドリニア設計の異
なる燃料集合体の間では、濃縮度所要量の設計は共通化
される。
例では炉心最外周にタイプ1燃料集合体1P (ここでは
炉心の中央に配置されるタイプ1燃料集合体と同一設計
の場合でも第1サイクルから第2サイクルへの燃料交
換、移動が分かりやすいように炉心最外周のタイプ1燃
料集合体に1P の記号を付した。)を配置し、また炉心
中央領域には、制御棒周囲4体をすべてタイプ2C燃料
集合体で構成されたコントロールセルC(出力運転中、
反応度制御及び出力分布制御を行うための専用の制御棒
セルで制御棒周囲の燃料集合体は低反応度の燃料集合体
を配置する。)を配置してある。最外周及び第2層目に
は最高濃縮度のタイプ1燃料集合体のみを配置するか、
または、大半をタイプ1燃料集合体とする。
原則としてタイプ2またはタイプ3燃料集合体に面する
ように分散配置する。例えば、コントロールセルCに面
した制御棒セルは原則としてタイプ2またはタイプ3燃
料集合体と、タイプ1燃料集合体を交互にほぼチェカー
ボード状に配置する。コントロールセルCに面しない制
御棒セルは原則としてタイプ2とタイプ3燃料集合体を
3体とタイプ1燃料集合体1体を配置する。
は前記の図2、図11、図12の何れも可能である。本実施
例では最外周に高反応度のタイプ1燃料集合体を配置し
ているので、径方向出力分布がよりいっそう平坦化さ
れ、MCPRや最大線出力密度の特性が第1の実施例よ
りもより向上できる。
炉心中央領域の燃料集合体に比較して約50%程度の出力
であり、第1サイクルにおける燃焼が進まないので、第
2サイクルに持ち越される反応度が大きい。その結果、
第2サイクルへの燃料集合体の交換体数を低減できる。
さらに、初装荷炉心の平均濃縮度も増大するので初装荷
炉心の取り出し燃焼度増加に寄与する。
合体はタイプ1燃料集合体か、タイプ3燃料集合体を配
置したが本実施例の変形例としてタイプ2燃料集合体を
配置しても良いし、タイプ1とタイプ2燃料集合体を混
合させても、タイプ1とタイプ3燃料集合体と混合させ
ても良い。その特性は中間的な効果を得る。
サイクルに移行するときはタイプ3燃料集合体の燃焼の
進んだものから優先的に取り出して、コントロールセル
Cにはタイプ2の比較的燃焼の進んだ燃料集合体を配置
する。この時コントロールセルの数は第1サイクルより
減らす。例えば本発明では第1サイクルに29個のコント
ロールを用いているが第2サイクルには21〜29個のコン
トロールセルに減じる。または炉心最外周には、燃焼の
進んだ反応度の低いタイプ3、タイプ2燃料集合体を配
置する。
(2,2C)燃料集合体は コントロールセル用: 84〜116体 最外周用: 92体の内タイプ3燃料集合体が足りない分 炉心中央径方向出力平坦化: 残り体数が必要である。
体はほぼ 100体前後であり、タイプ2C燃料集合体は第
2サイクルにおいて炉心中央領域のコントロールセルで
はないところに配置しても炉心の熱的制限値要求(ML
HGR,MCPR)を満足できる。従って、容易に第2
サイクルに移行して径方向出力分布の平坦化が実現で
き、第2サイクルのコントロールセル炉心、低中性子漏
洩炉心が構成できる。
体の持ち越したU235 をインポータンスの高い炉心中央
領域のコントロールセル以外の位置に配置して、第2サ
イクルの経済的な運用ができる。第2サイクル以降、低
中性子漏洩炉心を組むことにより、更に初装荷炉心の取
り出し燃焼度が向上する。
燃料集合体の最大濃縮度を3.5wt%の例で説明してきた
が、より高い濃縮度を使用した場合にも適用できる。ま
た、燃料集合体の断面構造も濃縮度分布を具体的に例示
した9×9燃料棒格子3×3燃料棒セルウォーターロッ
ドに限定されるものはない。
が、濃縮度4タイプ炉心において、コントロールセルを
最低濃縮度燃料集合体とせず、より高濃縮で、1.5wt%以
上の濃縮度を有する濃縮度タイプ燃料集合体とする場合
にも応用できる。
ある原子炉の炉心の第1サイクルにおける燃料集合体の
配置を図16に示す。本実施例では図24の従来例と同一の
BWRであり、図16はその 1/4炉心平面を示したもので
ある。本炉心に装荷されている初装荷燃料の平均濃縮度
および装荷体数を表6に示す。図16では、図24と異な
り、炉心最外周に2番目に濃縮度が低い燃料集合体Lが
配置されている。
ぼ同じ炉心平均濃縮度であるが、S,M,Lの燃料集合
体濃縮度を若干下げて、図24の従来例の場合よりSの燃
料集合体体数を減少させた分の調整をしている。また、
余剰反応度の制御の柔軟性を増やすためコントロールセ
ルを29個に増やしている。
ントロールセル16および炉心最外周を除く位置のみに
配置されており、第1サイクルで十分に燃焼が進み、第
1サイクル終了後全て炉心から取り出される。その装荷
体数はほぼ第1回取り替え燃料集合体と同じ体数であ
り、燃焼余力を有する平均濃縮度が高い他の初装荷燃料
集合体が第1サイクル終了時に取り出されることがない
ようにしている。
に、本実施例では、ほとんどの燃料集合体Sをコントロ
ールセルに隣接しないセルに配置し、しかも燃料集合体
Sどうしが隣合わないようにしている。このように配置
することによって、出力が低いコントロールセルから遠
ざけることができるとともに、平均濃縮度の高い燃料集
合体HまたはMが燃料集合体Sの四方を取り囲むことに
なる。
発生した過剰の中性子が低濃縮度燃料集合体Sに流入し
燃料集合体Sがその濃縮度から期待される以上に燃焼す
ることができる。
高濃縮度燃料集合体Hや中濃縮度燃料集合体Mが低濃縮
度燃料集合体SまたはLに隣接することになるので、
高,中濃縮度燃料集合体の出力が抑制され炉停止余裕や
熱的余裕が向上する。
軸方向濃縮度およびガドリニア分布を図17に示す。いず
れの燃料集合体においても、上端部2ノードおよび下端
部1ノードに天然ウランブランケットが設けられてお
り、さらに短尺燃料棒の上端を境にして、上部が下部よ
りも断面平均濃縮度を約0.2wt%高くしている。
に炉心上部では炉心下部よりも減速材不足となる。その
ため、出力分布は下方ピークとなり易いので、上部の濃
縮度を高めることによってこれを補償し、軸方向出力分
布を平坦化している。
ケット部を除いて軸方向に濃縮度が一様な燃料棒を用
い、短尺燃料棒の濃縮度を長尺燃料棒の平均濃縮度より
も低くすることによって、上下濃縮度分布を持たせてい
る。また、他の実施例として、特定の長尺燃料棒におい
て上下に濃縮度分布を持たせてもよい。
発明に係る第4の実施例を説明する。本実施例において
は、平均濃縮度3.7wt%の燃料集合体Hでは9本程度のガ
ドリニア入り燃料棒を、平均濃縮度1.6wt%の燃料集合体
Lでは2本のガドリニア入り燃料棒を使用している。図
18に示されているとおり、上下でガドリニア入り燃料棒
本数が等しい場合、燃料集合体Lでは適度な上下無限増
倍率差が維持されているが、燃料集合体Hでは燃焼初期
においては上部の無限増倍率は下部よりも小さくなって
おり、出力分布の下方ピークが顕著となる。
らないようにするために、平均濃縮度が高い燃料集合体
ほど多くのガドリニア入り燃料棒を含有させて、各燃料
集合体の無限増倍率を適度な値に保っている。
分布を平坦化するために、図17に示すようにガドリニア
棒の本数設計を行う。ガドリニア棒とはガドリニア入り
燃料棒のことである。図17は本実施例で使用された初装
荷燃料集合体の軸方向濃縮度およびガドリニア分布状態
を示し、図17中(A)は初装荷燃料集合体低低濃縮度S
で平均濃縮度0.9wt%、(B)は初装荷燃料集合体中濃縮
度Mで平均濃縮度2.5wt%、(C)は初装荷燃料集合体低
濃縮度Lで平均濃縮度1.6wt%、(D)は初装荷燃料集合
体高濃縮度Hで平均濃縮度3.7wt%である。
集合体Sには含有されておらず、燃料集合体Lには上下
2本ずつ、燃料集合体Mには上部に3本、下部に4本、
さらに燃料集合体Hには上部に9本、下部に11本含有
している。
体の上下の無限増倍率は適度な差に保たれており、軸方
向出力分布を平坦にすることができる。なお、燃料集合
体Mでは、図18に示すように無限増倍率の上下差はやや
大き過ぎるのでガドリニア入り燃料棒の本数を上下とも
4本としてもよい。
いて、上下端天然ウラン部を除く部分のガドリニア濃度
は7.5wt%である。ただし、特に運転サイクル後半の軸方
向出力分布を適宜制御するために、上部を下部よりも薄
くしたり、または上部を下部よりも濃くしたりした実施
例も考えられる。
にして濃縮度およびガドリニア入り燃料棒本数を分布さ
せたが、これらの上下境界の位置は燃料集合体有効部の
下端からその燃料有効部全長の 1/3ないし 2/3の間であ
ればよく、さらに濃縮度の上下境界とガドリニア入り燃
料棒本数の上下境界とは異なっていてもよい。
例である原子炉の炉心の第1サイクルにおける燃料配置
を図19(A)に示す。本実施例は図16に示した第3の実
施例と同一のBWRであり、各燃料集合体の濃縮度およ
びガドリニア分布は図17に示した第3の実施例で使用し
たものと同一のものである。
の平均濃縮度および装荷体数を表7に示す。図19(A)
では、炉心最外周に配置されている最高濃縮度の初装荷
燃料HをPで示している。なお、本炉心では、図16に示
した第3の実施例に比べて炉心平均濃縮度が増加してお
り余剰反応度が増大するので、コントロールセルを37個
に増やしている。
従って、炉心最外周には平均濃縮度が最も高い燃料集合
体H(Pで表示)を配置しており、第1サイクルではそ
の燃焼を抑制している。従って燃料集合体Hでは、図2
4に示した従来例および第3の実施例に比べてより多く
のウラン235が第2サイクル以降に持ち越されること
になるので、第2サイクル以降でこれらの初装荷燃料集
合体を活発に燃焼させることができ、初装荷燃料集合体
の取り出し燃焼度が増大する。
る初装荷燃料集合体は、第1サイクル終了後取り出され
る燃料集合体S以外であればどれでもよく、例えば上か
ら2番目の濃縮度の燃料集合体Mでもよいが、最も長期
間炉心内に滞在する燃料集合体Hが初装荷炉心の取り出
し燃焼度増大に最も効果的である。
をコントロールセル以外の位置のみに配置する本実施例
の効果は、第1サイクル終了時の燃料集合体Sおよび燃
料集合体Lの燃焼度によって示される。本実施例では各
燃料集合体の燃焼度は 11.0GWd/tおよび11.2GWd/t であ
る。
燃料集合体Sを 100体、燃料集合体Lを 148体とし、燃
料集合体Sをコントロールセルに配置した場合には、燃
料集合体SおよびLの燃焼度は各々8.9GWd/tおよび 12.
6GWd/tであった。
第1サイクル終了後に取り出される燃料集合体Sの燃焼
度は24%増加し、第2サイクルまでに炉内に滞在する燃
料集合体Lの燃焼度は12%抑制され約1.5%△kの反応度
利得が得られている。その結果、本発明では約8本の取
り替え燃料集合体が節約でき初装荷燃料集合体の経済性
を向上させることができた。
ルの運転終了後に燃料交換を行った後の第2サイクルの
燃料集合体の配置図を19(B)に示す。平均濃縮度が最
も低い燃料集合体Sは、第1サイクル終了後全て炉心か
ら取り出されているので、第2サイクルでは炉心に装荷
されていない。
から3番目又は高い方から2番目の初装荷燃料集合体M
が配置されており、一方コントロールセル以外の全ての
セルには、第2サイクルにおいて炉心装荷される燃料集
合体の中で反応度が最も低い燃料集合体Lまたは第1サ
イクルにおいて炉心最外周に配置されていた最高濃縮度
の初装荷燃料集合体Pまたは取り替え燃料集合体1のう
ち少なくとも1体が配置されている。
しており、また最高濃縮度の初装荷燃料集合体Pも第1
サイクルにおいて余り燃焼が進んでいないので未だガド
リニアが残っており、第2サイクル初期ではいずれも反
応度が低い。従って、反応度が最も低い燃料集合体Lと
ともに出力抑制の働きをすることができるので、これに
より第2サイクルの炉停止余裕や熱的余裕を改善してい
る。
ある原子炉の炉心の第1サイクルにおける燃料集合体の
配置を図20に示す。本実施例では図16に示した第3の実
施例と同一のBWRであり、各燃料集合体の濃縮度およ
びガドリニア分布は図17に示した第3および第5の実施
例で使用されたものと同一である。
低い初装荷燃料集合体Sは、炉心内部では第3及び第5
の実施例と同じくコントロールセル以外の位置に配置さ
れているが、第3及び第5の実施例と異なり炉心最外周
にも配置されている。炉心最外周に配置された燃料集合
体Sは、第1サイクルでは燃焼が十分に進まないので、
第1サイクル終了後には取り出さず、第2サイクルもそ
のまま炉心最外周に配置しておき第2サイクル終了後に
炉心から取り出される。
度が低い方から2番目の初装荷燃料集合体Lが第1サイ
クル終了後に炉心から取り出されることがないように、
炉心内部に配置された燃料集合体Sの体数を第1回取り
替え体数と等しいかまたはそれ以上にしておくことが重
要である。
の本数を設定することによって、各燃料集合体の上下の
無限増倍率は適度な差に保たれ、軸方向出力分布を十分
に平坦化することができる。
施例における炉心の第1サイクルにおける燃料集合体配
置を示す 1/4炉心平面図、(B)は同じく第2サイクル
における 1/4炉心平面図。
体の軸方向濃縮度、可燃性毒物分布を説明するための模
式図。
は第1例を、(B)は第2の例を、(C)は第3の例
を、(D)は第4の例をそれぞれ示す。
燃料集合体の概略的横断面図、(B)は(A)に対応す
るロッド番号の凡例図。
概略的横断面図、(B)は(A)に対応するロッド番号
の凡例図。
を示す概略的横断面図、(B)は(A)に対応するロッ
ド番号の凡例図。
略的横断面図、(B)は(A)に対応するロッド番号の
凡例図。
略的横断面図、(B)は(A)に対応するロッド番号の
凡例図。
断面図、(B)は(A)に対応するロッド番号の凡例
図。
の燃料集合体の無限増倍率の燃焼推移を示す特性図。
濃縮度、可燃性毒物分布例を短尺(部分長)燃料棒を有
する場合について説明するための模式図。
図。
最外周低濃縮度燃料集合体配置を示す第1サイクルの 1
/4炉心平面図、(B)は(A)における第2サイクル炉
心燃料集合体配置の 1/4炉心平面図。
荷炉心燃料集合体配置の 1/4炉心平面図、(B)は
(A)における第2サイクル炉心燃料集合体の配置の 1
/4炉心平面図。
度タイプ3初装荷炉心の最外周高濃縮度燃料集合体配置
を示す第1サイクルの 1/4炉心平面図、(B)は(A)
における第2サイクル燃料集合体配置の 1/4炉心平面
図。
おける第1サイクルの燃料集合体配置を示す 1/4炉心平
面図。
使用された初装荷燃料集合体の軸方向濃度およびガドリ
ニア分布図で、(A)は平均濃縮度0.9wt%を(B)は同
じく2.5wt%を、(C)は同じく1.6wt%を(D)は同じく
3.7wt%をそれぞれ示す。
の上下断面におけるボイド率40%の場合の無限増倍率
の燃焼度変化を示す曲線図。
実施例における第1サイクルの燃料集合体配置を示す 1
/4炉心平面図、(B)は(A)における第2サイクルの
燃料集合体配置を示す 1/4炉心平面図。
おける第1サイクルの燃料集合体配置を示す 1/4炉心平
面図。
高燃焼度燃料集合体を示す縦断面図、(B)は(A)の
B−B矢視方向を切断して示す横断面図、(C)は
(A)のC−C矢視方向を切断した横断面図。
料棒を一部断面で示す立面図、(B)は同じく短尺燃料
棒を一部断面で示す立面図。
クルの燃料集合体配置を示す 1/4炉心平面図。
燃料集合体配置を示す 1/4炉心平面図。
…上部タイプレート、5…下部タイプレート、6…ウォ
ータロッド、7…チャンネルボックス、8…スペーサ、
9…炉心、10…燃料ペレット、11…被覆管、12…
上部端栓、13…下部端栓、14…プレナム、15…ス
プリング、16…コントロールセル。
Claims (1)
- 【請求項1】 複数の長尺燃料棒と複数の短尺燃料棒と
を格子状に束ねて構成される燃料集合体を装荷した原子
炉の炉心において、異なる平均濃縮度の初装荷燃料集合
体を複数種類使用し、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料
集合体は可燃性毒物入り燃料棒を含まず、かつ燃料集合
体あたりの可燃性毒物入り燃料棒の本数は平均濃縮度が
最も高い初装荷燃料集合体で最も多く、かつ燃料集合体
下部領域に可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数と
燃料集合体上部領域に可燃性毒物が添加されている燃料
棒の本数の差は平均濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体
で最も大きいことを特徴とする原子炉の炉心。
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- 2002-04-09 JP JP2002105923A patent/JP3563727B2/ja not_active Expired - Lifetime
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