JP2004354319A - Fuel assembly for boiling water nuclear reactor - Google Patents
Fuel assembly for boiling water nuclear reactor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004354319A JP2004354319A JP2003154776A JP2003154776A JP2004354319A JP 2004354319 A JP2004354319 A JP 2004354319A JP 2003154776 A JP2003154776 A JP 2003154776A JP 2003154776 A JP2003154776 A JP 2003154776A JP 2004354319 A JP2004354319 A JP 2004354319A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- enrichment
- boundary
- fuel assembly
- rods
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型原子炉(以下、BWRという。)におけるD格子炉心に装荷される9×9燃料集合体、特に、高濃縮度化をめざした9×9燃料集合体に関する。
【0002】
【従来の技術】
(炉心の格子タイプ)
BWRには大別して2種類の格子の炉心がある。一つは、燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側と反制御棒挿入側とで等しい対称炉心であり、一例としてC格子炉心が該当する。
【0003】
もう一つは、制御棒挿入側のギャップ水の幅が、反制御棒挿入側のギャップ水の幅より広い非対称炉心であり、これはD格子炉心と呼ばれる。このD格子炉心では、中性子の減速は、ギャップ幅が広い制御棒挿入側で大きく、ギャップ幅が狭い反制御棒挿入側で小さくなるため、制御棒挿入側の燃料棒で出力が高まり易い特性を持つ。
【0004】
(濃縮度分布)
BWRでは、最大線出力密度や、沸騰遷移に係る最小限界出力比といった熱的運余裕を運転中に確保するため燃料棒の半径方向における燃料棒の相対出力分布をある程度平坦化する必要がある。一般に、D格子炉心に装荷される燃料集合体では、出力が高まりやすい制御棒挿入側は、反制御棒挿入側よりも濃縮度を減じた設計がなされる。
【0005】
(9×9燃料)
BWRでは、経済性を高めるためには、運転サイクルの長期化と、平均取出燃焼度の向上とを図ることが有効な手段として知られている。これら2つの目的に対しては、燃料集合体中の核燃料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。
【0006】
例えば、図6は燃料棒が9行9列に配列された9×9格子の燃料集合体の断面形状の一従来例を示す説明図である。この燃料集合体60では、燃料棒9本分の領域を置換してなる1本の角型形状の水ロッド61が、燃料集合体の断面中心部より1燃料棒ピッチ分だけ制御棒62の対向位置側、即ち、反制御棒挿入側に偏って配置された構造となっている。
【0007】
図6の従来例において水ロッド61が中心よりずれているのは、D格子でのギャップ水の非均質性が集合体内の熱中性子束分布の非均質性に及ぼす影響を緩和させるためになされた設計である。もちろん、この場合でも非均質性緩和の程度は完全ではないため、実際の核設計においては濃縮度分布は半径方向で非対称な設計となっている。この燃料集合体は高燃焼度向け9×9燃料集合体の一例であり、本構造の燃料集合体は、現在、13ヶ月運転で45GWd/tの平均取出燃焼度の性能を持つよう濃縮度分布設計がなされ、国内において燃焼中である。
【0008】
(濃縮度分布)
一般に、核沸騰状態から膜沸騰状態への沸騰遷移は、燃料棒上部に配置されたスペーサの直ぐ下側付近で厳しくなる。多くは、沸騰遷移が起こりやすい配列位置に、上部領域に比較的低濃縮度の燃料ペレットが充填されている燃料棒を優先的に配置することによって、熱的運転余裕を向上させる。即ち、濃縮度分布を工夫することにより最小限界出力比を低減させることができる。
【0009】
この従来例の核設計(半径方向及び軸方向の濃縮度分布)を図7に示す。以下、これを従来例1とする。この従来例1の構成は本発明の発明者が以前に提案したものである(特許文献1の図5を参照)。ここで、燃料棒内の数値は濃縮度(wt%)を示し、文字Gが付された数値は可燃性毒物として作用するガドリニアの濃度(wt%)を示す。
【0010】
製造工程における臨界上の観点から、現在、取り扱い可能なウラン濃縮度は5.0wt%以下である。従来例1の燃料集合体平均濃縮度は4.39wt%であり、これはD格子炉心向け燃料としては充分に高い濃縮度である。従来例1では、出力が高くなりやすい最外周の燃料棒に対し上部領域の濃縮度を低減することで、高濃縮度化を維持しつつ沸騰遷移に至る限界出力の向上を図っている。
【0011】
(チャンネルボックスの曲がり)
ところで、燃料集合体を炉内に装荷する際には、その外周にチャンネルボックスを装着する。チャンネルボックスは中性子の照射により伸びが生じる。その結果、半径方向の高速中性子フルエンスに差違がある場合、チャンネルボックスには歪みが生じる。
【0012】
D格子炉心では、反制御棒挿入側は、ギャップ水が少なく高速中性子が多い分、制御棒挿入側に比べて伸びが大きい。この結果、チャンネルボックスは軸方向に沿って反制御棒挿入側に傾斜する曲がりを生じる(以下、この現象をチャンネル曲がりという。)。その結果、反制御棒挿入側ではギャップ水領域が減り、制御棒挿入側ではギャップ水領域が増える。
【0013】
制御棒挿入側でのギャップ水領域の増加は、この付近での中性子をより熱化させるため、特に、制御棒挿入側最外周に位置する燃料棒の出力が増大し、沸騰遷移を起こす限界出力が小さくなり、熱的運転余裕の低下を招く。近年の高燃焼度化に伴い、チャンネル曲がりは増大し最小限界出力の低下が懸念される。
【0014】
【特許文献1】
特開2002−48886号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
このように、チャンネル曲がりを考慮すると、一層、制御棒挿入側の限界出力を向上させる必要がある。たとえ、出力分布の偏りを緩和するために水ロッドが反制御棒挿入側にずれて配置した9×9燃料集合体であっても、チャンネル曲がりにより制御棒挿入側の限界出力の悪化を考えると、やはり設計上の配慮が必要となる。
【0016】
また、チャンネル曲がりは燃焼の進行に伴って起こると考えられるが、燃焼経験のない新燃料であっても、これにチャンネル曲がりの生じた燃料集合体が隣接した場合には、やはり制御棒側のギャップ水が拡大することとなる。このように新燃料であってもチャンネル曲がりの影響を受けることから、設計においては、燃焼の初期段階からチャンネル曲がりによる限界出力の影響に対する配慮が必要となる。
【0017】
本発明は、高燃焼度化に伴うチャンネル曲がりの影響を考えて熱的運転余裕を確保し、しかも燃料集合体の高濃縮度化を阻害することなく運転長期化と取出燃焼度の向上を実現する沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ることを目的とする。
【0018】
【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BWR用燃料集合体は、燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側より反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷される燃料集合体であって、
前記燃料集合体は、核燃料濃縮度の燃料ペレットを充填した燃料棒を9×9格子状に配列し、複数本の燃料棒領域を占める水ロッドを有し、
前記核燃料ペレットのウラン最高濃縮度は4.9wt%乃至5wt%の範囲にあり、
燃料有効長上端から燃料有効長の略30%相当の距離だけ下方位置を下限位置としたとき、前記燃料棒は、上下端部に低濃縮度ペレットから構成されるブランケットが備えられている場合に、前記ブランケット部を除き、前記下限位置よりも上方側において濃縮度境界のない燃料棒と、前記下限位置よりも上方側において上部側で濃縮度が低くなる濃縮度境界を有する燃料棒とからなり、
前記濃縮度境界のうち最も下方側にある濃縮度境界を境界Bとしたとき、前記境界Bの直上にある前記燃料集合体の上部領域(U)は、前記境界Bの直下にある前記燃料集合体の下部領域(L)よりも前記燃料集合体の断面平均濃縮度が低く、
燃料集合体の半径方向において、最外周燃料棒のうち、制御棒挿入側の15本の燃料棒を燃料棒群1、反制御棒挿入側の15本の燃料棒を燃料棒群2とし、
燃料棒群1の下部領域及び燃料棒群2の下部領域は、燃料集合体中で最高濃縮度の燃料ペレットをそれぞれ含み、
ei(x)を軸方向領域x(x=U又はL)における燃料棒群i(i=1又は2)の平均濃縮度としたとき、次の(1) 式に示した関係を満たすことを特徴とするものである。
【0019】
【数2】
e2(U)−e1(U)>e2(L)−e1(L)>0 …(1) 式
【0020】
請求項2に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、請求項1に記載の燃料棒群1の全ては、燃料有効長の同じ軸方向位置に前記境界Bを有することを特徴とするものである。
【0021】
請求項3に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、請求項1又は2に記載されたBWR用燃料集合体において、
燃料集合体の断面中心部より1燃料棒ピッチ分だけ反制御棒挿入側に偏って配置された燃料棒9本分の領域を置換してなる1本の角型形状の水ロッドを備えたことを特徴とするものである。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は本発明での軸方向における領域U、領域L及びその濃縮度境界の定義を示す説明図である。燃料棒の一部は上部側で濃縮度を低くしてあり、濃縮度境界を有している。図に示す通り、燃料有効長上端から燃料有効長の約30%相当の距離だけ下方位置を下限位置としたとき、この下限位置より上方で実際の濃縮度境界が決定される。今決定された濃縮度境界のうち、最も下方側にある濃縮度境界を境界Bとし、境界Bの直上にある領域を上部領域(U)、また、境界Bの直下にある領域を下部領域(L)とする。
【0023】
一般に、沸騰遷移を起こすのは燃料集合体の上部側の領域である。燃料集合体は燃料棒を束ねるために7枚〜8枚程度のスペーサが予め定められた間隔で備えられている。スペーサの存在は燃料棒に液滴の付着を促す作用があり、限界出力を改善させる効果を持つ。
【0024】
スペーサ構造の改善が図られ、限界出力が向上した燃料集合体の場合などでは、沸騰遷移を起こす軸方向位置はより下方側に移行する傾向がある。これは、沸騰遷移に至る出力が増大して蒸気クオリティが大きくなる分、燃料下部側で熱的に厳しい状態となるためである。現行の燃料の性能を考えると沸騰遷移を起こす軸方向位置は、燃料有効長の上端より約30%下方よりも上方側にあるスペーサの直ぐ下までである。
【0025】
従って、本発明では、軸方向については沸騰遷移が起こりやすい上部領域に着目し、上部領域の出力を相対的に小さくすることで限界出力の向上を図るものである。
【0026】
より具体的には、本発明の燃料集合体は、ギャップ水の幅が制御棒挿入側より反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるD格子炉心に装荷され、内部に複数本の燃料棒領域を占める水ロッドを備えた9×9燃料集合体である。本燃料集合体の燃料棒に用いられる核燃料ペレットのウラン最高濃縮度は4.9wt%乃至5wt%の範囲のD格子炉心向け燃料としては充分に高い濃縮度である。
【0027】
また、本燃料集合体は、燃料有効長上端から燃料有効長の略30%相当の距離だけ下方位置を下限位置としたとき、この下限位置よりも上方側において濃縮度境界のない燃料棒と、濃縮度境界を有する燃料棒とからなる。濃縮度境界を有する燃料棒では、上部側で濃縮度が低くなるように燃料ペレットを配した燃料棒が使用され、上部で濃度の高い燃料棒を含まない。更に、本燃料集合体の燃料棒としては、上下端部に低濃縮度ペレットから構成されるブランケットが備えられているもの又は備えられていないものの何れでも良い。ブランケットが備えられている場合には、濃縮度境界はブランケット部を除いて判断する。
【0028】
従って、本発明の燃料集合体では、濃縮度境界のうち最も下方側にある濃縮度境界を境界Bとしたとき、境界Bの直上にある燃料集合体の上部領域(U)は、境界Bの直下にある燃料集合体の下部領域(L)よりも燃料集合体の断面平均濃縮度は低くなる。
【0029】
更に、本発明の燃料集合体では、燃料集合体の半径方向において、最外周燃料棒のうち、制御棒挿入側の15本の燃料棒を燃料棒群1とし、反制御棒挿入側の15本の燃料棒を燃料棒群2とする。図2に燃料棒群1と燃料棒群2との定義を示す。番号1〜8で示す制御棒挿入側の最外周燃料棒15本を燃料棒群1とし、また、番号10〜17で示す反制御棒挿入側の最外周燃料棒15本を燃料棒群2とする。なお、制御棒挿入側でも反制御棒挿入側でもない番号9の燃料棒は、燃料棒群1にも燃料棒群2にも属さない。
【0030】
このように燃料棒群1と燃料棒群2とを定義した場合に、燃料棒群1の下部領域及び燃料棒群2の下部領域は、燃料集合体中で最高濃縮度の燃料ペレットをそれぞれ含み、ei(x)を軸方向領域x(x=U又はL)における燃料棒群i(i=1又は2)の平均濃縮度としたとき、前述の(1) 式に示した関係を満たすものである。
【0031】
具体的には、本発明では、半径方向に対して、チャンネル曲がりによる限界出力の低下の影響を緩和することを目的としている。ここでは、チャンネル曲がりの軸方向プロファイルとしてはコサイン分布を仮定し、1mm程度の最大曲がり量が燃料有効長の中央部で発生しているとした。この最大曲がり量は、D格子炉心で最高燃焼度で55GWd/tの高燃焼度化燃料での平均曲がり量に対し想定した代表値である。
【0032】
図3はチャンネル曲がりによる限界出力の低下の様子を示す説明図である。図3は、半径方向の燃料棒相対出力分布の曲がりによる変化をもとに、最外周燃料棒における限界出力の変化を従来例1の燃料集合体に対して評価したものである。尚、横軸である燃料棒位置は図2の定義に従う。
【0033】
図3に示す通り、チャンネル曲がりによって制御棒挿入側の燃料棒群1では限界出力が低下し、その影響は制御棒挿入側に最も近いコーナ部で最も大きく、燃料棒位置1では限界出力は約4%低下していることが判る。一方、反制御棒挿入側の燃料棒群2では、逆に限界出力は向上していることが判る。何れにも属さない燃料棒(位置9)では変化はない。こうした傾向は、燃料集合体の構造や核設計の違いによって大きく変わらない。
【0034】
本発明では、チャンネル曲がりによる限界出力の変化傾向を考慮し、限界出力が低減する制御棒挿入側に近い最外周燃料棒では濃縮度を低減することで限界出力の向上を図る。また、この構成に対し、集合体の平均濃縮度が低下するのを防ぐため、限界出力が大きくなる反制御棒挿入側の最外周燃料棒に対しては、濃縮度を高める構成としている。更に、上記構成にあたっては、下部側断面の高濃縮度化を阻害することがないよう沸騰遷移が起こりやすい上部側の領域に対して適用する。
【0035】
また、D格子炉心では、前述のとおり制御棒挿入側の燃料棒で出力が高まり易い。運転中の熱的制限値である最大線出力密度の運転余裕を確保するためには、線出力密度が大きくなり易い下部断面に対しては、やはり制御棒挿入側燃料棒群1の平均濃縮度は燃料棒群2よりも濃縮度を低くすることが望ましい。
【0036】
以上までのことから、制御棒挿入側燃料棒群1の平均濃縮度は燃料棒群2よりも濃縮度を低くし、しかも、その差は上部断面で大きくなるようにすればよいことがわかった。この構成を定式化したものが(1) 式である。本構成により、最小限界出力比の熱的運転余裕は確保され、しかも高濃縮度化を阻害することのない、高燃焼度化に好適な燃料集合体を構成することができる。
【0037】
【実施例】
図4は本発明の沸騰水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。この図4は、従来例1から濃縮度分布を変更し本発明の構成としたものである。上下端1/24ノードずつ(燃料有効長を24個のノードに分割して記載)の天然ウランについては、従来例1から変更をしていないので以下の説明では天然ウランの記述を省略する。
【0038】
本実施例では、従来例1より燃料棒の種類は以下の追加変更を行った。まず、最高濃縮度のみから形成される燃料タイプ0を追加した。燃料タイプ1については濃縮度境界を3/24ノード分だけ下げ、燃料タイプ1’とした。また、燃料タイプ3については、上部が低濃縮度となるよう燃料タイプ1’と同じ位置に濃縮度境界を設け燃料タイプ3’とした。燃料タイプ4については、21ノードよりも上部が低濃縮度となるよう濃縮度境界を設け燃料タイプ4’とした。同様に、燃料タイプ6についても上部が低濃縮度となるよう濃縮度境界を設け燃料タイプ6’とした。
【0039】
燃料棒配置については、制御棒挿入側の最外周位置には、上部を低濃縮度とした燃料棒タイプ1’、3’、4’及び6’を配置した。また、反制御棒挿入側の最外周位置には、最高濃縮度からなる燃料棒タイプ0を配置した。ただし、反制御棒挿入側であっても出力が高くなりやすいコーナ位置については濃縮度が比較的低い燃料棒タイプ4’を配置している。
【0040】
本構成による限界出力の改善の様子については後述するが、反制御棒挿入側コーナ位置の燃料棒は、限界出力に余裕があるため必ずしも上部の濃縮度を低減する必要はなく、従来例1の燃料棒タイプ4であっても良い。ここでは、燃料棒の種類数が増加し、製造上の複雑性の増大を抑えるために燃料棒タイプ4’を配した。
【0041】
本実施例において、各領域の平均濃縮度は以下となり、明らかに(1) 式を満足することが判る。
【0042】
【表1】
【0043】
以下、本発明による改善の程度を定量的に示す。前述のとおり、高濃縮度燃料では、最外周燃料棒で沸騰遷移が起こりやすい。最外周燃料棒について図5は沸騰遷移に至る限界出力を相対的に比較して示したものである。破線は従来例1に相当し、このうち最も限界出力が小さい燃料棒位置8を基準(0%)にしている。一点鎖線は従来例に対しチャンネル曲がりを考慮したときの様子である。
【0044】
チャンネル曲がりが生じた場合、図3に示した影響を受ける結果、本例の場合、特に燃料棒1は燃料棒8よりも2.8%限界出力が低下する。つまり、チャンネル曲がりが生じた場合、原子炉運転中の熱的運転余裕は2.8%低下することになる。本実施例での限界出力の様子を図5の実線で示す。
【0045】
これは、曲がりが生じた場合の結果として図示している。本実施例では、チャンネル曲がりが生じて制御棒挿入側で限界出力の低下があった場合でも、従来例1に比べて限界出力を約2%改善できる。なお、集合体平均濃縮度は4.39wt%で、従来例1と変わらず高濃縮度化を阻害することはない。
【0046】
以上説明したとおり、本発明は、高燃焼度化に伴いチャンネルボックスに曲がりが生じた場合であっても熱的運転余裕を確保し、しかも燃料集合体の高濃縮度化を阻害することなく運転長期化と取出燃焼度の向上を実現する沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ることができる。
【0047】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通り、高燃焼度化に伴うチャンネル曲がりの影響を考えて熱的運転余裕を確保し、しかも燃料集合体の高濃縮度化を阻害することなく運転長期化と取出燃焼度の向上を実現する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】本発明での軸方向における領域U、領域L及びその濃縮度境界の定義を示す説明図である。
【図2】燃料棒群1と燃料棒群2との定義を示す説明図である。
【図3】チャンネル曲がりによる限界出力の低下の様子を示す説明図である。
【図4】本発明の沸騰水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5】本実施例での限界出力の様子を示す線図である。
【図6】燃料棒が9行9列に配列された9×9格子の燃料集合体の断面形状の一従来例を示す説明図である。
【図7】核設計(半径方向及び軸方向の濃縮度分布)の一従来例を示す説明図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a 9 × 9 fuel assembly loaded in a D lattice core in a boiling water reactor (hereinafter, referred to as BWR), and particularly to a 9 × 9 fuel assembly aimed at high enrichment.
[0002]
[Prior art]
(Core type)
BWRs are roughly classified into two types of lattice cores. One is a symmetrical core in which the width of the gap water located outside the channel box surrounding the fuel assembly is equal on the control rod insertion side and the counter control rod insertion side, and corresponds to a C lattice core as an example.
[0003]
The other is an asymmetric core in which the width of the gap water on the control rod insertion side is wider than the width of the gap water on the anti-control rod insertion side, which is called a D lattice core. In this D-lattice core, the neutron deceleration is large on the control rod insertion side with a wide gap width and small on the non-control rod insertion side with a narrow gap width. Have.
[0004]
(Concentration distribution)
In the BWR, it is necessary to flatten the relative power distribution of the fuel rods in the radial direction of the fuel rods to some extent in order to secure a thermal margin such as a maximum linear power density and a minimum critical power ratio related to boiling transition during operation. In general, in a fuel assembly loaded in a D-lattice core, the control rod insertion side where the output tends to increase is designed to have a lower enrichment than the non-control rod insertion side.
[0005]
(9 × 9 fuel)
In the BWR, it is known as an effective means to increase the economic efficiency by extending the operation cycle and improving the average removal burnup. For these two purposes, increasing the average enrichment of nuclear fuel in the fuel assembly has become an effective and indispensable means.
[0006]
For example, FIG. 6 is an explanatory view showing a conventional example of a cross-sectional shape of a fuel assembly having a 9 × 9 grid in which fuel rods are arranged in 9 rows and 9 columns. In this fuel assembly 60, one rectangular water rod 61 formed by replacing the area of nine fuel rods faces the control rod 62 by one fuel rod pitch from the center of the cross section of the fuel assembly. The structure is arranged so as to be biased toward the position side, that is, the side opposite to the control rod insertion side.
[0007]
The water rod 61 is shifted from the center in the conventional example of FIG. 6 in order to reduce the influence of the non-uniformity of the gap water in the D lattice on the non-uniformity of the thermal neutron flux distribution in the assembly. It is a design. Of course, even in this case, since the degree of the inhomogeneity relaxation is not perfect, the enrichment distribution is actually asymmetric in the radial direction in the actual nuclear design. This fuel assembly is an example of a 9 × 9 fuel assembly for high burnup, and the fuel assembly of the present structure has an enrichment distribution such that it has an average removal burnup of 45 GWd / t after 13 months of operation. Designed and burning in the country.
[0008]
(Concentration distribution)
Generally, the boiling transition from the nucleate boiling state to the film boiling state becomes severe near the lower portion of the spacer disposed above the fuel rod. In many cases, the thermal operation margin is improved by preferentially arranging fuel rods filled with relatively low enrichment fuel pellets in the upper region at arrangement positions where boiling transition is likely to occur. That is, the minimum limit output ratio can be reduced by devising the concentration distribution.
[0009]
FIG. 7 shows this conventional nuclear design (enrichment distribution in the radial and axial directions). Hereinafter, this is referred to as Conventional Example 1. The configuration of the conventional example 1 has been previously proposed by the inventor of the present invention (see FIG. 5 of Patent Document 1). Here, the numerical value in the fuel rod indicates the enrichment (wt%), and the numerical value with the letter G indicates the concentration (wt%) of gadolinia acting as a burnable poison.
[0010]
From the viewpoint of criticality in the manufacturing process, the uranium enrichment that can be handled at present is 5.0 wt% or less. The average enrichment of the fuel assembly of Conventional Example 1 is 4.39 wt%, which is a sufficiently high enrichment as a fuel for a D lattice core. In the first conventional example, the enrichment in the upper region is reduced with respect to the outermost fuel rods whose output is likely to be high, thereby improving the limit output to the boiling transition while maintaining high enrichment.
[0011]
(Bend of channel box)
By the way, when loading the fuel assembly into the furnace, a channel box is mounted on the outer periphery thereof. The channel box is elongated by neutron irradiation. As a result, if there is a difference in the fast neutron fluence in the radial direction, the channel box will be distorted.
[0012]
In the D-lattice core, the elongation on the anti-control rod insertion side is larger than that on the control rod insertion side because the gap water is small and the fast neutrons are large. As a result, the channel box bends along the axial direction toward the side opposite to the control rod insertion side (hereinafter, this phenomenon is referred to as channel bend). As a result, the gap water area decreases on the side opposite to the control rod insertion side, and the gap water area increases on the control rod insertion side.
[0013]
The increase in the gap water area on the control rod insertion side further heats the neutrons in the vicinity, so in particular, the output of the fuel rod located on the outermost periphery of the control rod insertion side increases, and the critical output that causes a boiling transition And the thermal operation margin is reduced. With the increase in burnup in recent years, channel bending increases, and there is a concern that the minimum limit output may decrease.
[0014]
[Patent Document 1]
JP 2002-48886 A
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in consideration of the channel bending, it is necessary to further improve the limit output on the control rod insertion side. Even in the case of a 9 × 9 fuel assembly in which the water rods are displaced to the control rod insertion side in order to alleviate the bias of the power distribution, considering the deterioration of the limit output on the control rod insertion side due to the channel bending, it is considered. Again, design considerations are required.
[0016]
Channel bend is considered to occur with the progress of combustion.However, even for a new fuel that has no combustion experience, if a fuel assembly with a channel bend is adjacent to this, the control rod side The gap water will expand. As described above, since even a new fuel is affected by the channel bending, it is necessary to consider the influence of the critical output due to the channel bending from the initial stage of combustion in the design.
[0017]
The present invention secures thermal operation allowance by considering the effect of channel bending accompanying higher burnup, and realizes longer operation and improved removal burnup without hindering higher fuel assembly enrichment. It is an object to obtain a boiling water reactor fuel assembly.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The fuel assembly for BWR according to the first aspect of the present invention has a lattice-shaped core in which the width of the gap water located outside the channel box surrounding the fuel assembly is narrower on the control rod insertion side than on the control rod insertion side. A fuel assembly loaded into
The fuel assembly has fuel rods filled with nuclear fuel enriched fuel pellets arranged in a 9 × 9 grid, and has water rods occupying a plurality of fuel rod regions,
The uranium maximum enrichment of the nuclear fuel pellets is in the range of 4.9 wt% to 5 wt%,
When the lower position is set at a lower position from the upper end of the active fuel length by a distance corresponding to approximately 30% of the active fuel length, the fuel rod is provided with a blanket made of low-enrichment pellets at upper and lower ends. Excluding the blanket portion, a fuel rod having no enrichment boundary above the lower limit position, and a fuel rod having an enrichment boundary where the enrichment is lower on the upper side above the lower limit position. ,
When a lowermost enrichment boundary of the enrichment boundaries is defined as a boundary B, an upper region (U) of the fuel assembly immediately above the boundary B is the fuel assembly immediately below the boundary B. A lower cross-sectional average enrichment of the fuel assembly than the lower region (L) of the body,
In the radial direction of the fuel assembly, of the outermost fuel rods, fifteen fuel rods on the control rod insertion side are referred to as
The lower region of the
Assuming that ei (x) is the average enrichment of the fuel rod group i (i = 1 or 2) in the axial region x (x = U or L), the following equation (1) is satisfied. It is a feature.
[0019]
(Equation 2)
e2 (U) -e1 (U)> e2 (L) -e1 (L)> 0 (1)
The fuel assembly for BWR according to the invention described in
[0021]
The fuel assembly for BWR according to the invention described in
One square water rod is provided by replacing the area of nine fuel rods which are arranged one fuel rod pitch from the center of the cross section of the fuel assembly toward the anti-control rod insertion side. It is characterized by the following.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is an explanatory view showing the definition of the regions U and L in the axial direction and their enrichment boundaries in the present invention. Some of the fuel rods have a lower enrichment on the upper side and have enrichment boundaries. As shown in the figure, when a lower position is set at a distance corresponding to about 30% of the active fuel length from the upper end of the active fuel length, an actual enrichment boundary is determined above the lower limit position. Of the enrichment boundaries that have just been determined, the enrichment boundary on the lowermost side is defined as the boundary B, the region immediately above the boundary B is an upper region (U), and the region immediately below the boundary B is a lower region ( L).
[0023]
Generally, it is the upper region of the fuel assembly that undergoes the boiling transition. The fuel assembly is provided with about seven to eight spacers at predetermined intervals to bundle fuel rods. The presence of the spacer has an effect of promoting the adhesion of the droplet to the fuel rod, and has an effect of improving the limit output.
[0024]
In the case of a fuel assembly having an improved spacer structure and an improved critical output, the axial position at which boiling transition occurs tends to shift to a lower side. This is because the output to the boiling transition is increased and the steam quality is increased, so that the lower portion of the fuel becomes thermally severe. Considering the performance of current fuels, the axial position at which the boiling transition occurs is just below the spacer about 30% below the upper end of the active fuel length.
[0025]
Therefore, in the present invention, attention is paid to the upper region where the boiling transition is likely to occur in the axial direction, and the output in the upper region is relatively reduced to improve the limit output.
[0026]
More specifically, the fuel assembly of the present invention is loaded on a D-lattice core in which the gap water width is loaded on a narrow lattice-shaped core on the side opposite to the control rod insertion side on the side opposite to the control rod insertion side, and a plurality of fuel cells are internally provided. 9 x 9 fuel assembly with water rods occupying the same fuel rod area. The maximum uranium enrichment of the nuclear fuel pellets used for the fuel rods of this fuel assembly is in the range of 4.9 wt% to 5 wt%, which is sufficiently high as a fuel for the D lattice core.
[0027]
Further, the present fuel assembly has a fuel rod having no enrichment boundary above the lower limit position when the lower position is set to a lower position from the upper end of the active fuel length by a distance corresponding to approximately 30% of the active fuel length, Fuel rods with enrichment boundaries. In the fuel rod having the enrichment boundary, the fuel rod in which the fuel pellets are arranged so that the enrichment is low on the upper side is used, and the fuel rod having the high concentration on the upper side is not included. Further, the fuel rods of the present fuel assembly may or may not be provided with blankets made of low-enrichment pellets at the upper and lower ends. If a blanket is provided, the enrichment boundary is determined excluding the blanket portion.
[0028]
Therefore, in the fuel assembly of the present invention, when the enrichment boundary located at the lowermost side of the enrichment boundary is the boundary B, the upper region (U) of the fuel assembly immediately above the boundary B is The cross-sectional average enrichment of the fuel assembly is lower than that of the lower region (L) of the fuel assembly immediately below.
[0029]
Further, in the fuel assembly of the present invention, of the outermost fuel rods in the radial direction of the fuel assembly, the fifteen fuel rods on the control rod insertion side are defined as the
[0030]
When the
[0031]
Specifically, an object of the present invention is to mitigate the effect of a decrease in the limit output due to channel bending in the radial direction. Here, it is assumed that a cosine distribution is assumed as an axial profile of the channel bend, and that a maximum bend amount of about 1 mm occurs at the center of the active fuel length. This maximum bend amount is a typical value assumed for the average bend amount in the case of a fuel with a high burnup of 55 GWd / t at the highest burnup in the D lattice core.
[0032]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which the limit output is reduced due to channel bending. FIG. 3 is an evaluation of the change in the critical output of the outermost fuel rods for the fuel assembly of Conventional Example 1 based on the change due to the bending of the fuel rod relative power distribution in the radial direction. The position of the fuel rod on the horizontal axis follows the definition in FIG.
[0033]
As shown in FIG. 3, the limit output is reduced in the
[0034]
In the present invention, the marginal output is improved by reducing the enrichment of the outermost fuel rod near the control rod insertion side where the marginal output is reduced in consideration of the tendency of the marginal output to change due to channel bending. In addition, in order to prevent the average enrichment of the assembly from being lowered, the enrichment is increased for the outermost fuel rods on the side opposite to the control rod where the limit power is increased. Further, the above configuration is applied to the upper region where boiling transition is likely to occur so as not to hinder the enrichment of the lower cross section.
[0035]
Further, in the D lattice core, as described above, the output tends to increase at the fuel rod on the control rod insertion side. In order to secure the operation margin of the maximum linear power density which is the thermal limit value during operation, the average enrichment of the
[0036]
From the above, it was found that the average enrichment of the
[0037]
【Example】
FIG. 4 is an explanatory view showing the configuration of an embodiment of the fuel assembly for a boiling water reactor according to the present invention. FIG. 4 shows a configuration of the present invention in which the concentration distribution is changed from that of the conventional example 1. The natural uranium of each of the upper and lower 1/24 nodes (the active fuel length is divided into 24 nodes) is not changed from the conventional example 1, so that the description of the natural uranium is omitted in the following description.
[0038]
In the present embodiment, the following additional changes are made to the types of the fuel rods compared to the conventional example 1. First,
[0039]
Regarding the fuel rod arrangement, fuel rod types 1 ', 3', 4 'and 6' whose upper portions had low enrichment were arranged at the outermost peripheral position on the control rod insertion side. Further, a
[0040]
Although the state of improvement of the limit output by this configuration will be described later, the fuel rod at the corner position on the counter control rod insertion side does not necessarily need to reduce the enrichment at the upper portion because the limit output has a margin.
[0041]
In the present embodiment, the average enrichment of each area is as follows, and it can be seen that the equation (1) is clearly satisfied.
[0042]
[Table 1]
[0043]
Hereinafter, the degree of improvement according to the present invention will be quantitatively shown. As described above, in the case of the highly enriched fuel, boiling transition easily occurs in the outermost fuel rod. FIG. 5 shows the relative output of the outermost fuel rods which leads to the boiling transition in comparison. The broken line corresponds to Conventional Example 1, in which the
[0044]
When the channel is bent, the influence shown in FIG. 3 is obtained. As a result, in this example, the
[0045]
This is illustrated as a result of the occurrence of a bend. In the present embodiment, even if the channel is bent and the limit output decreases on the control rod insertion side, the limit output can be improved by about 2% as compared with the conventional example 1. The aggregate average enrichment is 4.39 wt%, which does not hinder high enrichment as in Conventional Example 1.
[0046]
As described above, the present invention secures a thermal operation margin even when the channel box is bent due to high burnup, and furthermore, operates without hindering high enrichment of the fuel assembly. It is possible to obtain a boiling water reactor fuel assembly realizing prolonged operation and improved removal burnup.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, the present invention secures a thermal operation margin by considering the influence of channel bending accompanying high burnup, and furthermore, prolongs operation and removes burnup without obstructing high enrichment of the fuel assembly. There is an effect that it is possible to obtain a fuel assembly for a boiling water reactor that realizes an improvement in fuel economy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing definitions of a region U, a region L in the axial direction, and a boundary of enrichment in the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing definitions of a
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which a limit output is reduced due to channel bending.
FIG. 4 is an explanatory view showing a configuration of an embodiment of a fuel assembly for a boiling water reactor according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a state of a limit output in the present embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a conventional example of a sectional shape of a fuel assembly having a 9 × 9 lattice in which fuel rods are arranged in 9 rows and 9 columns.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a conventional example of a nuclear design (enrichment distribution in radial and axial directions).
Claims (3)
前記燃料集合体は、核燃料濃縮度の燃料ペレットを充填した燃料棒を9×9格子状に配列し、複数本の燃料棒領域を占める水ロッドを有し、
前記核燃料ペレットのウラン最高濃縮度は4.9wt%乃至5wt%の範囲にあり、
燃料有効長上端から燃料有効長の略30%相当の距離だけ下方位置を下限位置としたとき、前記燃料棒は、上下端部に低濃縮度ペレットから構成されるブランケットが備えられている場合に、前記ブランケット部を除き、前記下限位置よりも上方側において濃縮度境界のない燃料棒と、前記下限位置よりも上方側において上部側で濃縮度が低くなる濃縮度境界を有する燃料棒とからなり、
前記濃縮度境界のうち最も下方側にある濃縮度境界を境界Bとしたとき、前記境界Bの直上にある前記燃料集合体の上部領域(U)は、前記境界Bの直下にある前記燃料集合体の下部領域(L)よりも前記燃料集合体の断面平均濃縮度が低く、
燃料集合体の半径方向において、最外周燃料棒のうち、制御棒挿入側の15本の燃料棒を燃料棒群1とし、反制御棒挿入側の15本の燃料棒を燃料棒群2とし、
燃料棒群1の下部領域及び燃料棒群2の下部領域は、燃料集合体中で最高濃縮度の燃料ペレットをそれぞれ含み、
ei(x)を軸方向領域x(x=U又はL)における燃料棒群i(i=1又は2)の平均濃縮度としたとき、次の(1) 式に示した関係を満たすことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
The fuel assembly has fuel rods filled with nuclear fuel enriched fuel pellets arranged in a 9 × 9 grid, and has water rods occupying a plurality of fuel rod regions,
The uranium maximum enrichment of the nuclear fuel pellets is in the range of 4.9 wt% to 5 wt%,
When the lower position is set at a lower position from the upper end of the active fuel length by a distance corresponding to approximately 30% of the active fuel length, the fuel rod is provided with a blanket made of low-enrichment pellets at upper and lower ends. Excluding the blanket portion, a fuel rod having no enrichment boundary above the lower limit position, and a fuel rod having an enrichment boundary where the enrichment is lower on the upper side above the lower limit position. ,
When a lowermost enrichment boundary of the enrichment boundaries is defined as a boundary B, an upper region (U) of the fuel assembly immediately above the boundary B is the fuel assembly immediately below the boundary B. A lower cross-sectional average enrichment of the fuel assembly than the lower region (L) of the body,
In the radial direction of the fuel assembly, of the outermost fuel rods, the fifteen fuel rods on the control rod insertion side are referred to as a fuel rod group 1 and the fifteen fuel rods on the anti-control rod insertion side are referred to as a fuel rod group 2.
The lower region of the fuel rod group 1 and the lower region of the fuel rod group 2 each include the highest enriched fuel pellet in the fuel assembly,
Assuming that ei (x) is the average enrichment of the fuel rod group i (i = 1 or 2) in the axial region x (x = U or L), the following equation (1) is satisfied. A fuel assembly for a boiling water reactor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003154776A JP2004354319A (en) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | Fuel assembly for boiling water nuclear reactor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003154776A JP2004354319A (en) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | Fuel assembly for boiling water nuclear reactor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004354319A true JP2004354319A (en) | 2004-12-16 |
Family
ID=34049342
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003154776A Pending JP2004354319A (en) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | Fuel assembly for boiling water nuclear reactor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004354319A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1914758A1 (en) | 2006-10-16 | 2008-04-23 | Global Nuclear Fuel-Americas, LLC | Fuel rods for nuclear reactor fuel assebmblies and methods of manufacturing thereof |
-
2003
- 2003-05-30 JP JP2003154776A patent/JP2004354319A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1914758A1 (en) | 2006-10-16 | 2008-04-23 | Global Nuclear Fuel-Americas, LLC | Fuel rods for nuclear reactor fuel assebmblies and methods of manufacturing thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4282676B2 (en) | Nuclear reactor core | |
JP2004354319A (en) | Fuel assembly for boiling water nuclear reactor | |
JP4098002B2 (en) | Fuel assemblies and reactor cores | |
JP4994209B2 (en) | Fuel assembly and core of boiling water reactor using it | |
JP6258625B2 (en) | Fuel assemblies for boiling water reactors | |
JP4475554B2 (en) | Boiling water reactor fuel assembly and fuel assembly assembly | |
JP3676615B2 (en) | Fuel assemblies and reactor cores | |
JP6073555B2 (en) | Initial loading core | |
JP4354621B2 (en) | Fuel assemblies for boiling water reactors | |
JP3485999B2 (en) | Fuel assemblies for boiling water reactors | |
JP2020098110A (en) | Fuel loading method and reactor core | |
JP4397007B2 (en) | Fuel assemblies for boiling water reactors | |
JP4409191B2 (en) | Fuel assemblies for boiling water reactors | |
JP2012137378A (en) | Initial loading core, fuel assembly used for the same, and operation method of boiling-water reactor | |
JP3402142B2 (en) | Fuel assembly | |
JP3012687B2 (en) | Fuel assembly | |
JP4397009B2 (en) | Fuel assemblies for boiling water reactors | |
JP2006184293A (en) | Dual stream core | |
JP3852881B2 (en) | Nuclear reactor core | |
JP2547066B2 (en) | Fuel assembly for boiling water reactor | |
JP3597596B2 (en) | Fuel assembly | |
JP3347137B2 (en) | Fuel assemblies and boiling water reactor cores | |
JP5002622B2 (en) | Uranium enrichment sequencing method for boiling water reactor fuel assemblies. | |
JPH04357494A (en) | Fuel assembly for boiling water type nuclear reactor | |
JP2000193777A (en) | 2 stream core and fuel assembly |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20050523 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060223 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090708 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091118 |