JP2003262692A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体及び該燃料集合体内の燃料棒配置の決定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部分長燃料棒を有する燃料集合体に対し、高
濃縮度化を阻害することなく、また、核熱水力特性に係
る運転特性の悪化を招くことなく、沸騰遷移に至る限界
出力の向上をなす沸騰水型原子炉用燃料集合体を得る。 【解決手段】 燃料集合体の上部領域に位置する少なく
とも一部の横断面において可燃性毒物を含まない最高濃
縮度である全ての燃料棒には、前記横断面において可燃
性毒物含有燃料棒か、あるいは空隙領域の何れかが、縦
又は横方向の少なくとも一方向で隣接しているもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉に
用いる燃料集合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉における燃料集合体の設
計分野においては、ウラン２３５で代表される核分裂性
物質の平均濃縮度を増加し、反応度を増大させることで
平均取出燃焼度を増大させることのできる、より経済性
の高い燃料集合体の開発が進められている。

【０００３】燃料集合体の平均濃縮度を高めた場合、運
転中においては反応度ミスマッチの増大等により、最大
線出力密度や最小限界出力比といった熱的運転余裕が小
さくなり、また、低温時においては燃料集合体の反応度
の増大により、原子炉停止余裕が小さくなるといった問
題が生じる。

【０００４】更に、燃料集合体の平均濃縮度を高める
と、中性子スペクトルが硬くなる結果、ボイド反応度係
数は負側に大きくなる。このため、運転中では、ボイド
率の低い燃料下部に比べ、ボイド率の高い燃料上部の反
応度が低下することから、軸方向出力分布は高濃縮度化
に伴い、より下部に歪む傾向となる。燃料下部の出力の
増大は、最大線出力密度の増大を伴い、熱的運転余裕が
小さくなる。

【０００５】一方、燃料棒複数本相当の領域を占める太
径水ロッドは、大きな面積を持つ非沸騰領域を形成する
ため、軸方向の水対ウラン比の軸方向変化が小さくな
り、軸方向出力分布の平坦化を図ることができ、この結
果、最大線出力密度の増大を抑えることができる。

【０００６】また、燃料集合体は、熱的運転余裕が確保
できるよう、燃料棒ごとに濃締度分布を持たせることで
燃料集合体の半径方向における燃料棒の相対出力（燃料
棒局所ピーキング）を必要以上に大きくしない設計が施
される。

【０００７】一方、核燃料物質がウランの場合、製造工
程における臨界安全上の観点から取り扱い可能な濃縮度
は５ｗｔ％以下である。このため、高濃縮度化を図るに
つれ、濃縮度分布によって燃料棒局所ピーキングを小さ
くするには自ずと限界が生じている。また、取り扱える
濃縮度に上限がない場合であっても、燃料棒の濃縮度分
布は複雑化し、製造コストを高める。

【０００８】ところで、９行９列乃至１０行１０列の燃
料棒格子配列を有する燃料集合体（それぞれ９×９燃
料、１０×１０燃料という。）は、先行する８×８燃料
よりも燃料棒本数が２０％乃至４０％以上多い。このた
め、燃料棒１本当たりの熱負荷が低減し、熱的運転余裕
が増すこととなり、この分だけ燃料棒局所ピーキングを
大きくできる。

【０００９】しかし、燃料棒数の増加は摩擦圧損を高め
る方向にあり、チャンネル水力学的安定性が悪化する。
このため９×９燃料や１０×１０燃料に用いる燃料棒に
は、燃料集合体の発熱有効長と等しい有効長を持つ標準
燃料棒の他に、標準燃料棒よりも燃料有効長の短い部分
長燃料棒を必要に応じて複数本採用する従来技術があ
る。部分長燃料棒の採用は、燃料有効長上部の二相圧損
を小さくしチャンネル水力学的安定性の悪化を抑制する
のに役立つ。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、部分長燃料
棒は、その他の標準燃料棒よりも燃料棒が短いため、集
合体の上部断面は、燃料棒が抜けた部分（空隙部）が形
成されることになる。原子炉の出力運転中においては、
気液混合流が下部から上部に向かって流れるが、部分長
燃料棒は途中から空隙部に取って代わるため、上部側で
は流体の新たな横流れが発生する。空隙部は抵抗が少な
くなるため空隙部における冷却材流量は増加し、一方で
その他の領域の流量は低下する傾向を持つ。これは、燃
料棒の沸騰遷移の起こりやすさに影響を与える。沸騰遷
移は、燃料集合体の上部側で起こりやすい。一般に、空
隙部に近接する燃料棒は、その他の領域よりも多くの冷
却材があるため沸騰遷移に至る限界出力は向上する、一
方、その他の領域は冷却材不足となり限界出力は低下す
る傾向を持つ。

【００１１】而して、出力の高まりやすい燃料棒の限界
出力を向上させることができれば、燃料集合体としての
限界出力は向上する。

【００１２】本発明は、部分長燃料棒を有する燃料集合
体に対し、高濃縮度化を阻害することなく、また、核熱
水力特性に係る運転特性の悪化を招くことなく、沸騰遷
移に至る限界出力の向上をなす沸騰水型原子炉用燃料集
合体を得ることを目的とする。

【００１３】

【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、核燃料物質の
酸化物よりなる燃料ペレットを燃料被覆管内に充填した
燃料棒群が９行９列以上の正方格子配列に規則正しく配
置されると共に、前記燃料棒複数本相当の領域を占める
太径水ロッドを備えた沸騰水型原子炉用燃料集合体であ
って、前記燃料棒は、前記燃料集合体の燃料有効長と等
しい燃料有効長を持つ標準燃料棒と、標準燃料棒よりも
燃料有効長が短く、上部領域において燃料棒が欠落した
空隙領域を持つ部分長燃料棒とからなり、前記燃料集合
体の前記上部領域に位置する少なくとも一部の横断面に
おいて可燃性毒物を含まない最高濃縮度である全ての燃
料棒には、前記横断面において可燃性毒物含有燃料棒
か、あるいは前記空隙領域の何れかが、縦又は横方向の
少なくとも一方向で隣接しているものである。

【００１４】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に記載の上部領域に位
置する横断面において、可燃性毒物を含まない全ての燃
料棒は、集合体のコーナ及びコーナ付近を除いて最高濃
縮度であるものである。

【００１５】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又は２に記載の部分長
燃料棒の少なくとも半数以上が、最外周か、あるいは前
記太径水ロッドに隣接する位置にあるものである。

【００１６】請求項４に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体内の燃料棒配置の決定法は、請求項
１〜３の何れかに記載された燃料集合体内の燃料棒配置
の決定法において、集合体のコーナの燃料棒及びコーナ
燃料棒近傍の最外周燃料棒の一部を除いて最高濃縮度燃
料棒を仮配置し、全ての最高濃縮度燃料棒が、前記横断
面において縦又は横方向の少なくとも一方向において可
燃性毒物含有燃料棒か部分長燃料棒に少なくとも１本隣
接するように、最高濃縮度燃料棒の一部を可燃性毒物含
有燃料棒に置換配置する方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明においては、沸騰遷移が起
こる燃料集合体の上部領域に位置する横断面に着目し
た。燃料棒の沸騰遷移の起こりやすさは、前述のような
部分長燃料棒の影響の他に、燃料棒の出力に依存する。
即ち、沸騰遷移は、自身の燃料捧の出力が低いほど、ま
た、隣接する燃料棒の出力が小さいほど起こりにくいと
言うことに着目した。

【００１８】具体的には、本発明では、燃料集合体の上
部領域に位置する横断面において可燃性毒物を含まない
最高濃縮度である全ての燃料棒には、前記横断面におい
て可燃性毒物含有燃料棒か、あるいは空隙領域の何れか
が、縦又は横方向の少なくとも一方向で隣接しているも
のである。これにより、高濃縮度化を阻害することな
く、また、核熱水力特性に係る運転特性の悪化を招くこ
となく、沸騰遷移に至る限界出力の向上を達成すること
ができる。

【００１９】即ち、高濃縮度化のためには、上部領域に
対しても多数本の最高濃縮度の燃料棒を用いる必要があ
るが、特に、現行のように取り扱いウラン濃縮度に５wt
％以下の制約がある場合、最高濃縮度の燃料棒をさらに
多用することは避けられない。この場合、最高濃縮度燃
料棒の燃料棒出力は高まり、沸騰遷移に至る限界出力の
低下が懸念される。

【００２０】これを回避するためには、最高濃縮度燃料
棒には、出力の小さい燃料棒や空隙領域を隣接させれば
よい。そこで、本発明の燃料集合体では、上部領域にお
いて、可燃性毒物を含まない最高濃縮度燃料棒は全て、
縦又は横方向の少なくとも一方向において可燃性毒物を
含む燃料棒か、あるいは前記空隙領域の何れかと隣接さ
せる。

【００２１】これにより、最高濃縮度燃料棒の限界出力
は向上し、ひいては燃料集合体の限界出力特性が向上す
る。なお、最高濃縮度燃料棒に隣接して最高濃縮度未満
の燃料棒を配置する場合は、その周辺の中性子スペクト
ルを軟化させる方向となり、結果、最高濃縮度燃料棒自
体の出力はむしろ増大してしまうため期待する効果は得
られない。

【００２２】一般に、経済性の観点からは可燃性毒物は
サイクル末期でちょうど中性子吸収効果がなくなる程度
に添加しておくことが望ましいとされている。一方、安
全性の観点からはサイクル末期においても充分な停止余
裕を確保しなければならない。このため、特に停止余裕
に寄与の大きい燃料集合体の上部領域においては、サイ
クル末期であっても中性子吸収効果が完全に消滅しない
程度に可燃性毒物を予め添加しておく必要がある。この
ように実際にはサイクル末期であっても中性子吸収効果
の残留があるため、本発明の燃料集合体は、これが未燃
焼の燃料集合体、つまり新燃料として炉心内に装荷され
た場合、運転サイクル初期から末期に亘り限界出力を向
上させることができる。尚、運転中燃料集合体の限界出
力が小さくなるのは、余剰反応度が高く制御棒の挿入量
が多くなる分、炉心内の出力分布の歪みが大きくなる運
転サイクル初期から中期にかけてである。

【００２３】また、本発明では、好ましくは、上部領域
に位置する横断面において、可燃性毒物を含まない全て
の燃料棒には、集合体のコーナ及びコーナ付近の最外周
位置を除いて最高濃縮度の燃料棒を配する。これによ
り、さらなる高濃縮度化に寄与することができる。

【００２４】更に、部分長燃料棒の一部、好ましくは、
少なくとも半数以上を最外周に配置したり、前記太径水
ロッドに隣接させて配置した方が、最高濃縮度未満の燃
料棒及び可燃性毒物を含む燃料棒の本数は少なくてすむ
利点がある。

【００２５】

【実施例】（実施例１）図１は本発明の燃料集合体の一
実施例の横断面構成を示す説明図である。９×９燃料構
造で、中央部には燃料棒７本分の水ロッド領域が確保さ
れている。ここには、例えば太径の水ロッド２本を配置
することができる。各升目は燃料棒に対応する。番号は
濃縮度のレベルで、１、２、３・・の順に濃縮度が高い
ことを示す。つまり１は最高濃縮度である。図には濃縮
度番号１についてはハッチングを施した。Ｇは可燃性毒
物であるガドリニア入り燃料棒である。また、Ｐは部分
長燃料棒であり、本発明で着目している上部領域におい
てはこの部分は空隙部となる。本例は、部分長燃料棒を
第２層目に８本配置した場合である。

【００２６】図１より分かるとおり、最高濃縮度の燃料
棒は、縦又は横方向の少なくとも一方向において、ガド
リニア入り燃料棒か、部分長燃料棒と隣接している。こ
れにより、全ての最高濃縮度燃料棒の限界出力特性は改
善される。なお、コーナ四隅（１ａ及び対称位置）と、
これに隣接する最外周燃料棒（２ａ及び対称位置）につ
いては、もともと出力が高まりやすい位置であるため、
最高濃縮度未満の燃料棒を配置している。さらにその隣
に位置する最外周の燃料棒（３ａ及び対称位置）につい
ても、濃縮度を下げ、自身の出力を低下させることで限
界出力の悪化を防止している。

【００２７】（実施例２）図２は本発明の燃料集合体の
別の実施例の横断面構成を示す説明図である。本例も９
×９燃料構造で、実施例１と同じく中央部には燃料棒７
本分の水ロッド領域を有するが、部分長燃料棒の本数と
配置が異なる。部分長燃料棒は最外周各辺の中心に４
本、水ロッドに隣接して２本を配置した。最外周に部分
長燃料棒を配置することは、水ロッド周りに部分長燃料
棒を配置した場合以上に、停止余裕の向上やボイド係数
の緩和が期待できる。実施例１と同様、全ての最高濃縮
度燃料棒は、縦又は横方向の少なくとも一方向におい
て、ガドリニア入り燃料棒か部分長燃料棒と隣接してい
る。

【００２８】（実施例３）図３は本発明の燃料集合体の
更に別の実施例の横断面構成を示す説明図である。本例
は、１０×１０燃料構造で、中央部には燃料棒９本分の
水ロッド領域が確保されている。ここには例えば角型の
形状を持つ水ロッド１本を配することができる。部分長
燃料棒は第２層目に８本、水ロッドに隣接した周りに４
本配置した。１０×１０燃料の場合、燃料棒表面積が増
えた分、熱的余裕が増大することから、燃料棒の相対出
力はある程度高めても問題ない。このため、本実施例で
は、ガドリニアを含まない燃料棒は、コーナ四隅以外は
全て最高濃縮度として、平均濃縮度を高めることに重点
を置いている。一方で、第２層目にはガドリニア入り燃
料棒を多く配置し、最外周燃料棒の限界出力特性が過度
に悪化するのを防いでいる。先の実施例と同様に、全て
の最高濃縮度燃料棒は、縦又は横方向の少なくとも一方
向において、ガドリニア入り燃料棒か部分長燃料棒と隣
接している。

【００２９】（実施例４）図４は本発明の燃料集合体の
更に別の実施例の横断面構成を示す説明図である。本例
は、実施例３と同様な１０×１０燃料構造であるが、部
分長燃料棒は全部で１４本とし、最外周各辺に２本ず
つ、コーナ部に２本及び水ロッドに隣接して４本を配置
した。本構成により、高濃縮度化を補償するだけの、大
きな停止余裕の改善とボイド係数の絶対値の低減が期待
できる。

【００３０】ガドリニア入り燃料棒の配置は以下の方法
で決定した。まずコーナの燃料棒を除いて最高濃縮度燃
料棒を配置し、全ての最高濃縮度燃料棒が、縦又は横方
向の少なくとも一方向においてガドリニア入り燃料棒か
部分長燃料棒に少なくとも１本隣接するように、最高濃
縮度燃料棒の一部をガドリニア入り燃料棒に置換すると
いった方法である。先の実施例も同様であるが、本発明
は、このように極めて簡単な方法により所定の条件を満
たす構成とすることができる。尚、この方法は先の実施
例１〜３においても同様に適用できることは言うまでも
ない。

【００３１】以上のように、本発明によれば、高濃縮度
化やその他の運転特性に対して犠牲を払うことなく、ま
た、燃料棒配置を複雑化することなく、出力が高く沸騰
遷移の起こりやすい最高濃縮度の燃料棒の限界出力を向
上させることができ、ひいては燃料集合体の限界出力特
性を改善することができるため、熱的運転余裕に優れた
高燃焼度化に好適な燃料集合体を提供できる。

【００３２】

【発明の効果】本発明は以上説明した通り、部分長燃料
棒を有する燃料集合体に対し、高濃縮度化を阻害するこ
となく、また、核熱水力特性に係る運転特性の悪化を招
くことなく、沸騰遷移に至る限界出力の向上をなす沸騰
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。尚、これまでの説明は、核燃料物質としてウラ
ンを例に示したが、本発明はその他の可燃性毒物や核物
質燃料物質に適用しても効果が失われることはない。そ
の他の核燃料物質としてはプルトニウム等が考えられる
が、この場合、ウラン濃縮度はプルトニウム富化度と読
み替えて適用するだけでよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料集合体の一実施例の横断面構成を
示す説明図である。

【図２】本発明の燃料集合体の別の実施例の横断面構成
を示す説明図である。

【図３】本発明の燃料集合体の更に別の実施例の横断面
構成を示す説明図である。

【図４】本発明の燃料集合体の更に別の実施例の横断面
構成を示す説明図である。

【符号の説明】

１…最高濃縮度の燃料棒、 ２…２番目に高い濃縮度の燃料棒、 ３…３番目に高い濃縮度の燃料棒、 ４…４番目に高い濃縮度の燃料棒、 Ｇ…ガドリニア入り燃料棒、 Ｐ…部分長燃料棒、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核燃料物質の酸化物よりなる燃料ペレッ
   トを燃料被覆管内に充填した燃料棒群が９行９列以上の
   正方格子配列に規則正しく配置されると共に、前記燃料
   棒複数本相当の領域を占める太径水ロッドを備えた沸騰
   水型原子炉用燃料集合体であって、 前記燃料棒は、前記燃料集合体の燃料有効長と等しい燃
   料有効長を持つ標準燃料棒と、標準燃料棒よりも燃料有
   効長が短く、上部領域において燃料棒が欠落した空隙領
   域を持つ部分長燃料棒とからなり、 前記燃料集合体の前記上部領域に位置する少なくとも一
   部の横断面において可燃性毒物を含まない最高濃縮度で
   ある全ての燃料棒には、前記横断面において可燃性毒物
   含有燃料棒か、あるいは前記空隙領域の何れかが、縦又
   は横方向の少なくとも一方向で隣接していることを特徴
   とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. 【請求項２】 前記上部領域に位置する横断面におい
   て、可燃性毒物を含まない全ての燃料棒は、集合体のコ
   ーナ及びコーナ付近を除いて最高濃縮度であることを特
   徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. 【請求項３】 前記部分長燃料棒の少なくとも半数以上
   が、最外周か、あるいは前記太径水ロッドに隣接する位
   置にあることを特徴とする請求項１又は２記載の沸騰水
   型原子炉用燃料集合体。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れかに記載された燃料
   集合体内の燃料棒配置の決定法において、 集合体のコーナ及びコーナ付近の燃料棒を除いて最高濃
   縮度燃料棒を仮配置し、 全ての最高濃縮度燃料棒が、前記横断面において縦又は
   横方向の少なくとも一方向において可燃性毒物含有燃料
   棒か部分長燃料棒に少なくとも１本隣接するように、最
   高濃縮度燃料棒の一部を可燃性毒物含有燃料棒に置換配
   置することを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体内
   の燃料棒配置の決定法。