JP2006113072A - 新型初期炉心燃料集合体構成及びその構成方法 - Google Patents

新型初期炉心燃料集合体構成及びその構成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】新型初期炉心燃料構成及びその構成方法を提供する。
【解決手段】
新型初期炉心燃料構成は、原子炉の燃料管理効率、従って経済性を改善するものである。初期炉心の構成方法は、ウラニウム２３５の平均濃縮度が異なる複数の燃料集合体を用意し、少なくとも空間反応度分布の点で既知の平衡再装荷サイクル炉心をエミュレーションする構成の初期炉心構成となるように複数の燃料集合体を配列することより成る。初期炉心内で結果的に得られる平均濃縮度は、ウラニウム２３５の約１．０重量パーセント未満からウラニウム２３５の約５．０重量パーセントの範囲内にある。新型格子設計も開示されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般的に、原子炉の燃料集合体に係り、さらに詳細には、軽水炉の初期炉心内への原子燃料集合体の配置による新しい燃料管理方法に係る。本発明はまた、原子炉の新型初期炉心に係る。
現代の発電用商業原子炉は、Ｕ‐２３５がわずかに濃縮されたウラニウムを燃料として用いる。原子炉の炉心は、円筒形容器内に配列された多数の細長い矩形の燃料集合体により形成されている。燃料集合体は、炉心内の出力ピークの限界値を含む出力分布のようなある特定の技術的条件を満たすように意図された装荷パターンに従って配列される。他の考慮すべき事項としては、燃料サイクルの最大化または燃料交換に必要なインターバルが含まれる。原子炉の初期装荷構成及び原子炉の寿命にわたる燃料の交換及び配置プランは炉心内の燃料管理として知られているが、これは原子炉設計上考慮すべき重要事項である。Ｕ‐２３５がわずかに濃縮された燃料を使用するには、炉心の一部を取り出して新しいまたは新鮮な燃料に定期的に交換する必要がある。従って、前の燃料サイクルからの燃料集合体を新しい燃料と組み合わせるのが普通である。燃料集合体の典型的な在庫には、通常、供給集合体と呼ばれる約３分の１の新しい燃料集合体、約３分の１の一度燃焼した燃料集合体及び約３分の１の二度燃焼した燃料集合体が含まれる。
従って、軽水炉のような原子炉の初期炉心燃料装荷パターンは通常、所与の領域の燃料集合体のＵ‐２３５の平均濃縮度に基づく、各々がほぼ等しい比率の３つの濃縮領域を使用する。図１は、３つのほぼ等サイズの燃料バッチ４、６、８を有する公知の従来型装荷パターン２の概略図である。バッチとは、通常は炉心１４内に一緒に配置され、その後、永久に取り出される一群の燃料集合体である。図１に示すパターンは炉心１４の８分の１だけを示し、炉心の対称性を想定したものであることに注意されたい。これらの領域は２つの低濃縮領域４、６と、高濃縮領域８を含むが、低濃縮領域は一般的に、図示のように、原子炉内部１０の方へ一松模様のように装荷され、高濃縮領域は主として炉心外殻部１２に装荷される。
上記構成に従って組み立てられる炉心１４の燃料再装荷サイクルの長さは、領域４、６、８の全ての濃縮度をほぼ同一の態様で変化させることにより調整される。しかしながら、こうすると、高濃縮領域８が炉心外殻部１２に位置することが主因で中性子の漏洩が大きいため燃料利用率が比較的低いという問題点がある。加えて、３つの領域４、６、８をほぼ同一サイズにするのは、燃料交換画分が所望のサイクル長に応じて異なる、再装荷サイクルに関する現在の業界の燃料管理方式に合致しない。サイクルとは、通常は供給バッチまたは新しい燃料のバッチを炉心内に配置した時点からスタートして高燃焼度の燃料集合体を取り出す時点で終了する、炉心内の常態で静止の燃料配列が変化しない時間のことである。燃料集合体が経験した燃焼数は炉心内にあったサイクルの数である。典型的なサイクルは期間として１０乃至１８ヶ月の範囲である。一例として、上述した従来法による１８ヶ月のサイクルでは各サイクルで炉心の約４０％を交換する必要があり、交換される燃料は通常、低いそして高い初期濃縮度の両方を有する燃料集合体の組み合わせよりなる。従って、等サイズのバッチを用いると低濃縮領域を非常に低い燃焼度で取り出すことになり、有意な資金的投資を必要とすることが分かる。かくして、かかる方式は効率が低く経済的でない。平衡燃料管理方式を実行するに必要な初期濃縮度を最小限に抑えることにより、総合的な燃料コストを最大限に節約できる。
初期炉心を構成する公知の従来法の非効率性に加えて、かかる方法は当該技術分野の長年の経験に頼って実質的に試行錯誤で行われると本質的にその場限りのものであるという事実がある。初期炉心を実現する体系的なアプローチがあるわけではない。そして、かかる方法により得られる初期炉心はエラーマージンを織り込んで控えめな設計を行う必要があり、このため炉心が平衡状態に到達するのに必要な時間よりも長い時間がかかって、コストが上昇する。
従って、公知の初期炉心原子燃料管理方式に付随する実質的な燃料サイクルコストの増加要因を回避するのが望ましい。従って、原子炉の初期炉心を構成する新しい方法が求められている。
かくして、初期炉心燃料集合体の管理を含む原子炉の炉心内燃料管理の技術及びそれを実現する方法については改善の余地がある。
発明の概要
上記及び他の要求については、原子炉の高い経済性と効率性を有する平衡サイクル再装荷炉心を実質的にエミュレーションするように原子炉の初期炉心を装荷する方法に係る本発明により充足される。
本発明の１つの局面として、原子炉の経済的な初期炉心を構成する方法は、ウラニウム２３５の平均濃縮度が異なる複数の燃料集合体を用意し、少なくとも空間反応度分布の点で既知の平衡再装荷サイクル炉心をエミュレーションする構成の初期炉心構成となるように複数の燃料集合体を配列することより成る。
この方法は、複数の燃料集合体の束を用意するステップを含み、これらの束は少なくとも高濃縮度の燃料バッチと、それより低い濃縮度の燃料バッチと、濃縮度が最も低い燃料バッチとを含む。平衡サイクル再装荷炉心は、供給燃料集合体、一度燃焼した燃料集合体及び二度燃焼した燃料集合体のバッチを含み、供給燃料集合体はウラニウム２３５の平均濃縮度が最高であり、一度燃料した燃料集合体はそれより低い濃縮度の燃料を有し、二度燃料した燃料集合体は最も低い濃縮度の燃料を有し、初期炉心の濃縮度が最も高い燃料バッチは平衡サイクル再装荷炉心の供給燃料バッチとほぼ同じサイズ及び濃縮度を有する。
この方法はさらに、初期炉心の平衡サイクル再装荷炉心の一度燃焼した燃料バッチ及び二度燃焼した燃料バッチの反応度を、平衡再装荷サイクル炉心の一度燃焼した燃料及び二度延焼した燃料の０でないサイクル開始燃焼及び初期濃縮の反応度に基づく初期平均濃縮度の初期炉心の燃料バッチを用いることにより近似するステップを含む。
初期炉心の１またはそれ以上の燃料バッチは、同様な平均濃縮度の燃料集合体より成る１またはそれ以上のサブバッチを含む。この方法は、既知の平衡再装荷サイクル炉心の供給燃料バッチをエミュレーションするサイズ及び濃縮度の２つの高濃縮度サブバッチを高濃縮度の燃料バッチとして用意するステップを含む。高濃縮度サブバッチは初期炉心の内部の方へ装荷され、低濃縮度の燃料バッチは主として初期炉心の外殻部に装荷される。
この方法は、初期炉心の燃料集合体の少なくとも一部につき新型格子設計を用意するステップを含み、この格子設計は、初期炉心構成内の高濃縮度燃料バッチが低濃縮度燃料バッチに隣接して配置されることによる大きな熱中性子束のピークを補償するように構成されている。新型格子設計はほぼ正方形パターンの隣接行の燃料棒を含み、燃料棒は平均濃縮度が最低濃縮度から最高濃縮度の範囲内にある少なくとも６つの異なるタイプの燃料棒を含み、新型格子は最低濃縮度の燃料棒をほぼ正方形パターンの隅部に配置し、濃縮度が最低の次である燃料棒をほぼ正方形パターンの最も外側の行に配置し、濃縮度が最も高い燃料棒をほぼ正方形パターンの中心の方へ配置する。
本発明の別の局面として、原子炉の新型初期炉心は、ウラニウム２３５の平均濃縮度が異なる複数の燃料集合体より成るが、初期炉心は、少なくとも空間反応度分布の点で既知の平衡再装荷サイクル炉心をエミュレーションする構成となるように複数の燃料集合体を配列することより成る方法により装荷されている。平衡サイクル再装荷炉心は、供給燃料集合体、一度燃焼した燃料集合体及び二度燃焼した燃料集合体のバッチを含み、供給燃料集合体はウラニウム２３５の平均濃縮度が最高であり、一度燃料した燃料集合体はそれより低い濃縮度の燃料を有し、二度燃料した燃料集合体は最も低い濃縮度の燃料を有し、初期炉心の濃縮度が最も高い燃料バッチは平衡サイクル再装荷炉心の供給燃料バッチとほぼ同じサイズ及び濃縮度を有する。
初期炉心の平衡サイクル再装荷炉心の一度燃焼した燃料バッチ及び二度燃焼した燃料バッチの反応度は、平衡再装荷サイクル炉心の一度燃焼した燃料及び二度延焼した燃料の０でないサイクル開始燃焼及び初期濃縮の反応度に基づく初期平均濃縮度の初期炉心の燃料バッチを用いることにより近似される。初期炉心の１またはそれ以上の燃料バッチは、同様な平均濃縮度の燃料集合体より成る１またはそれ以上のサブバッチを含む。
初期炉心の高濃縮度の燃料バッチは、既知の平衡再装荷サイクル炉心の供給燃料バッチをエミュレーションするサイズ及び濃縮度の２つの高濃縮度サブバッチを含む。高濃縮度サブバッチは初期炉心の内部の方へ装荷され、低濃縮度の燃料バッチは主として初期炉心の外殻部に装荷されている。
新型初期炉心は新型格子設計を含み、この格子設計は初期炉心構成内の高濃縮度燃料バッチが低濃縮度燃料バッチに隣接して配置されることによる大きな熱中性子束のピークを補償するように構成されている。
本発明を、設計目標として１８ヶ月の格子サイクル再装荷炉心のデータを用いて軽水炉初期炉心を構成する方法について説明するが、使用する燃料バッチの数に拘らず他の燃料再装荷サイクルに本発明を等しく適用できることが明らかになるであろう。また、本願の添付図面及びそれに対応する説明は、本発明方法の適用により得られる初期炉心の代表例を提供するものであって、本発明の範囲を限定するものではないことがわかるであろう。
本発明をさらに詳細に説明する前に、原子炉業界で常用される用語を概観することが重要である。ある特定のかかる用語は上記の背景情報に記載されている。さらに別の用語を説明する。
本願で用いる用語「市松模様」は、同様な濃縮度の燃料集合体がチェックボード上の赤と黒の四角の格子に似た態様で配置され、１つの濃縮度の燃料集合体（例えば、一度燃焼した燃料）がチェックボードの赤の四角に対応する位置に、また、別の濃縮度の燃料集合体（例えば、二度燃焼した燃料）がチェックボードの黒の四角に対応する１つおきの隣接位置に配置された、公知の従来型炉心燃料集合体装荷パターンを説明するために使用される。
用語「平衡」は通常、初期炉心サイクル後の幾つかの燃料再装荷サイクルの後、普通達成される非常に望ましい、実質的に安定な炉心状態に関連して用いられる。平衡サイクルは、一旦達成されると、非常に効率のよい運転（例えば、燃料の燃焼）及びその後の再装荷サイクルにおいて炉心の予測可能で経済的な再装荷を可能にする。従って、通常は、平衡炉心内燃料管理方式を発電所寿命をできるだけ早い時期に実行することが望ましい。平衡状態において、燃料集合体は常に実質的に同じ濃縮度を有し、前の供給燃料集合体と同じ場所に配置され、炉心内にある一度燃焼した集合体及び二度燃焼した集合体は前に一度燃焼した集合体及び前に二度燃焼した集合体が占めるのと同じ場所にシャッフルされる。
本願明細書に用いる用語「束」は、１またはそれ以上（即ち、複数）の燃料集合体を指す。
用語「格子」は、燃料集合体内の燃料アレイ及びかかるアレイ内の個々の燃料棒の特定の配置を指す。
本願発明の新型燃料集合体構成により、かかる望ましい平衡再装荷炉心の空間反応度分布をきっちりとエミュレーションする初期炉心装荷パターンが得られる。
本発明の初期炉心を、例えば図１に示す公知の従来型初期炉心燃料集合体構成、及び図１の初期炉心サイクルに続く幾つかの再装荷サイクル後に通常得られる図２の所望の平衡炉心と比較すれば、本発明を明確に理解する手助けとなるであろう。
上述したように、図１は、対称的形状を想定して炉心１４の８分の１を示す概略図で表される公知の従来型炉心装荷パターン２を示す。図１Ａは、図１に示す８分の１の場所を炉心１４の輪郭と共に示す。図１に示すように、装荷パターン２は、文字Ａで示す燃料を含む濃縮度が最も高い領域８を炉心１４の外殻部１２に配置する。領域４、６はそれぞれ、一度燃焼した反応度が低い燃料Ｂと、二度燃焼した反応度が最も低い燃料Ｃとを含み、これらは図示のように炉心１４の内部１０の方へ市松模様に配置されている。上述したかかる構成により、中性子が炉心から漏洩して決して復帰しない炉心外殻部１２の近くにピークがある原子炉出力分布が得られる。従って、上述した燃料集合体の構成は燃料利用率が低く、経済的な効率が良くない。
本発明の新型初期炉心（例えば、図３の２１４）及びそれを構成する方法は、上述の欠点を、低い初期濃縮度を可能にしながら同じエネルギーを抽出でき、燃焼サイクルの間中中心にピークがある出力分布を与える初期炉心２１４（図３）を提供することにより解消する。詳述すると、本発明は、設計目標としてその望ましい平衡サイクル再装荷炉心１１４（図２）を使用し、初期炉心２１４（図３）において少なくとも平衡炉心１１４の反応度分布をエミュレーションする。平衡炉心１１４（図２）の反応度分布は、目標となる平衡再装荷サイクル炉心１１４の新しい燃料（例えば、図２の領域１０８の燃料集合体Ａ´）、一度燃焼した燃料（図２の領域１０４の燃料集合体Ｂ´）及び二度燃焼した燃料（例えば、図２の領域１０６の燃料集合体Ｃ´）をエミュレーションする初期炉心装荷パターン２１６（図３）内の個別領域の数を求めるモデルを提供する。平衡炉心１１４の反応度の値は、燃料集合体Ａ、Ｂ、Ｃに燃焼可能な吸収材を装荷してかかる集合体をより低い程度に初期濃縮することにより得られる。これは図２と３を比較するとよくわかるが、以下においてさらに詳しく説明する。
図２は、目標となる平衡サイクル再装荷炉心の装荷パターン１１６を示す概略図である。図１と同様に、図２も８分の１の炉心対称性を想定するものである。図示のように、図１の従来型装荷パターン２の高濃縮度燃料Ａとは異なり、高濃縮度の燃料集合体Ａ´は領域１０８において炉心の内部１１０の方へ配置される。高濃縮度の燃料Ａ´は、領域１０４において同じく炉心の内部１１０の方へ配置される一度燃焼した燃料集合体Ｂ´と互い違いに配置される。濃縮度が最も低い燃料集合体Ｃ´は、主として、炉心外殻部１１２に配置される。
図３は、代表的な初期炉心装荷パターン２１６及び図２の所望の平衡サイクル再装荷炉心１１４をエミュレーションするために本発明の新しい方法を用いると得られる初期炉心２１４の概略図である。詳述すると、本発明の新しい方法によると、所望の平衡サイクル再装荷炉心１１４の反応度分布は知られている。かかる分布を図２の例に示す。さらに、かかる反応度分布に関するデータを含む多量のデータが、一般的に原子炉の平衡サイクルに関して利用可能であることは周知である。かかるデータは、種々の原子炉の平衡サイクルを長年にわたってモニターすることにより、また、炉心内燃料管理を最適化しようとして原子炉分野で知られた多くの従来法（例えば、アルゴリズム）を開発利用することにより得られている。本質的に、本発明の新しい方法は、かかるデータをとり、それを適用して初期炉心２１４で非常に経済的で効率の良い平衡サイクル再装荷炉心（図２）の反応度分布をエミュレーションすることを含む。換言すれば、本発明の方法は、達成に通常は何年もかかる所望の最終結果（例えば、炉心の平衡）をエミュレーションし、初期ステップ（例えば、原子炉の初期炉心２１４）においてそれに匹敵する結果を得ることにより、燃料管理効率及び経済性を劇的に改善する。これは、特定の燃料集合体（１０４、１０６、１０８）の初期濃縮度及び集合体の燃焼可能な吸収体の装荷または燃焼量のような、所望の平衡サイクル再装荷炉心１１４の既知のパラメータを適用し、初期炉心２１４内で変更可能な燃料集合体パラメータだけを用いてかかるパラメータから得られる反応度分布をエミュレーションすることを含む。例えば、炉心内の燃料集合体の初期濃縮度、バッチの大きさ及び場所だけは、他の全てのパラメータは可変性ゼロの初期スタートアップ値であり、初期炉心はいまだ燃焼を経験していないため可変である。従って、本発明の方法は、所望の平衡目標炉心からの既知のパラメータを用い、それらをできるだけきっちりと複製することにより新型炉心２１４を構成するものである。
図３は再び炉心対称性を想定して炉心２１４の８分の１を示す。図３の初期炉心２１４を図２の平衡サイクル再装荷炉心１１４と比較すると、初期炉心実施例２１４は非常に経済的な目標である平衡サイクル再装荷炉心１１４の空間反応度分布をサブバッチ量と空間分布の両方の点できっちりと首尾よくエミュレーションすることがわかる。この目標を達成するために、本発明の方法は、公知の初期炉心の３つの実質的に同じ領域（例えば、図１の領域４、６、８）とは異なり、燃料のバッチ及びサブバッチの本質的に任意の必要で好適な組み合わせ及び構成を有する炉心を提供する。詳述すると、初期炉心実施例２１４の濃縮度は、平衡サイクル供給バッチ１０８とほぼ同じサイズ及び濃縮度の一群の高濃縮束２０８を用いることにより得られる。第２に、平衡再装荷サイクル炉心１１４の燃焼済み燃料１０４、１０６は、平衡再装荷サイクル炉心１１４の燃焼済み燃料在庫１０４、１０６の０でないサイクル開始時（ＢＯＣ）の燃焼及び初期濃縮の反応度を近似する初期濃縮を用いて近似される。その結果得られる初期炉心２１４の濃縮度範囲は、公知の従来型より格段に大きい（例えば、図１を参照）。例えば、図３の初期炉心実施例２１４の濃縮度は、ウラニウム２３５の重量で測定して約０．３０から約４．５より大きい値までの範囲内にある。逆に、比較例として、図１の代表的な従来型初期炉心１４の濃縮度範囲は、ウラニウム２３５の重量で約２．３５から約４．４５の範囲内にある。
さらに、図３の初期炉心２１４実施例は、平衡再装荷サイクル１１６の新しい燃料領域１０８をエミュレーションするサイズ及び濃縮度の２つの高濃縮サブバッチ２０８、２０８´を含む。次の２つのサブバッチ２０４、２０４´も同様に、平衡サイクル再装荷炉心１１４の一度燃焼した部分１０４の反応度をエミュレーションするようにサイズ及び濃縮度が決められている。最後に、残りのサブバッチ、例えば２０６、２０６´は、再装荷炉心１１４の二度燃焼した部分１０６を反映するサイズであり、濃縮度は平衡再装荷炉心１１４の二度燃焼した燃料１０６の反応度をエミュレーションするように同様に選択されている。
図３の例において、高濃縮燃料２０８、２０８´の２つのサブバッチは、公知の従来型のように外殻部２１２にある（例えば、図１の炉心外殻部１２の高濃縮燃料８を参照）のではなく、炉心２１４の内部２１０の方へ配置されている。この方法は、次に、主として炉心２１４の外殻部２１２に平衡サイクル再装荷炉心１１４の二度燃焼した燃料１０６をエミュレーションする燃料のサブバッチ対２０６、２０６´を配置することを含む。初期炉心２１４内の残りの燃料は、所望の平衡サイクルを複製するために必要に応じて任意の組み合わせで濃縮及び配列することができる。例えば、図３に示す初期炉心２１４は、平衡炉心２１４の一度燃焼した燃料１０４をエミュレーションするようにサイズ及び濃縮度が決められた２つのサブバッチ２０４、２０４´を含む。かかるサブバッチ２０４、２０４´は、所望の反応度分布を達成するために必要に応じて断続的に配置される。従って、本発明の初期炉心２１４及びその構成方法によると、従来型の中性子の漏洩、高濃縮燃料の早すぎる取り出しまたは交換及びそれらに関連する経済的非効率性の問題点が克服される。
さらに、初期炉心２１４は平衡再装荷炉心１１４の反応度分布をエミュレーションするため、再装荷炉心サイクルへの移行時間またはサイクル長が劇的に改善される。かかる改善は、主として、濃縮度範囲が格段に広いこと及び新型初期炉心２１４に用いるサブバッチのサイズが等しくないことによる。新型炉心設計パラメータのこのセットは、初期炉心２１４の抜き出し濃縮を最小限に抑え、それにより原子炉内でさらに照射を受けるために繰り延べされた燃料の濃縮度を最大にする効果がある。初期サイクル２１４から再装荷サイクルへ繰り延べされる燃料は、目標となる再装荷炉心１１４を表す濃縮度及び反応度を有する。
上述した新型初期炉心２１４の設計をサポートするために、新型格子の設計が必要とされる。格子は、燃料の配列及び燃料集合体における燃料棒位置の特定の配置である。図４は、初期炉心実施例２１４の燃料集合体の少なくとも一部のかかる新型格子設計３００の代表例を示す。説明を容易にするために、格子３００の左上方象限だけを示す。残りの象限において鏡像対称性が想定されている（格子３００内の図４に示す１つの象限の位置を強調する図４Ａを参照）。格子３００は、低濃縮束（例えば、２０６、２０６´）に隣接する高濃縮度の内側燃料束２０８、２０８´を補償するよう設計されている。かかる燃料装荷配列を用いると、低濃縮束２０６（図４には図示せず）は吸収度が非常に低いため高濃縮束２０８の半径方向端縁行に３０４に熱中性子束の大きなピークが生じることがよく知られている。これは、平衡再装荷炉心の低反応度の束（例えば、１０６）の中性子吸収性が初期炉心の低濃縮束（例えば、２０４）よりを格段に大きいため、初期炉心２１４（図３）ではエミュレーションできない平衡再装荷炉心１１４（図２）の１つの局面である。これは、再装荷炉心１１４の燃焼済みの束が高吸収性の核分裂生成物及び高位アクチニドを含むからである。燃焼していない初期炉心の低濃縮束（例えば、２０６、２０６´）は、このような吸収性核生成物を有しない。
公知の従来型格子設計（図示せず）では、所与の集合体の各燃料棒は同一濃縮度を有するのが一般的である。高い濃縮度の束では、濃縮度を均等に設計すると、実施例の初期炉心（図３）内には受け入れることのできない高い出力ピークファクターが生じる。従って、本発明の新型格子設計３００は、６つの異なるタイプの燃料棒（例えば、図４の格子３００を参照）を、高濃縮集合体が低濃縮集合体に隣接する時（例えば、図２の燃料集合体２０８が燃料集合体２０６´に隣接する構成を参照）ピークファクターを減少するように設計された構成で使用する。この場合の低濃縮とは、燃焼済み集合体（例えば、１０４、１０６）の反応度をシミュレーションするためのウラニウム２３５の約１重量と２．５０重量との間の範囲の濃縮を言う。
詳述すると、図４に示すように、束２０８の半径方向の領域設定は、束２０８の端縁部における燃料棒３０２の濃縮度を減少して、それにより束の外殻部２１２（図３）における異常に多い熱中性子束を補償する束出力分布を得るために利用される。かかる濃縮度の減少は、通常、高濃縮度の束２０８における熱中性子平均自由行程が比較的短い（例えば、ほぼ１ピッチ）ことにより束２０８の最初の２つの行３０４、３０６に限定される。
図４の例は、格子３００、または図示のように高濃縮度の束２０８のような束を形成するために燃料棒を如何に配置するかを示す。６つのタイプの燃料棒３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２を使用するが、これらはそれぞれ濃縮レベルが最低濃縮度から最高濃縮度の範囲内にある。前述したように、この例の低濃縮度とはウラニウム２３５の約１重量と２．５０重量との間を言う。中位濃縮度は、ウラニウム２３５の約２．５０重量と３．５０重量の間にあるのが好ましく、高濃縮度はウラニウム２３５の約３．５０重量と５重量の間にあるのが好ましい。しかしながら、これらの指定カテゴリー（例えば、低、中、高）には濃縮度にばらつきがあることがわかるであろう。これは、図１−３の燃料集合体（例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ´、Ｂ´、Ｃ´）及び束（４、６、８、１０４、１０６、１０８、２０４、２０６、２０８）の種々の濃縮度及び図４の格子３００について凡例で指示される個々の燃料棒（例えば、３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２）の種々の濃縮度に関連して理解されるであろう。さらに、図示説明した特定の濃縮度レベル及び範囲は本発明に従って装荷される初期炉心（例えば、２１４）の一例であるに過ぎないことがわかるであろう。広い範囲の変形配列が本発明の範囲内にある。
図４の格子３００は、隣接する燃料棒がほぼ正方形のパターンで配列されたものである。低濃縮度の燃料棒３０２は格子３００の隅部に位置する。次に低い濃縮度の燃料棒３０４は格子３００の側部または端縁部に沿って位置する。燃料棒の濃縮度は、棒の位置が格子３００の中心に近づくに従って徐々に増加するが、この中心には濃縮度が最も高い燃料棒３１０及びそれに次いで高い濃縮度の燃料棒３０８が対称的パターンで配置される。従って、本発明の上述した新型格子設計３００は、主として、実施例の初期炉心２１４（図３）の内側の高濃縮束２０８、２０８´（図３に最もよく示す）が低濃縮束２０６、２０６´に隣接する（図３に最もよく示す）ために生じる環境の熱束ピークを、格子３００の端縁部または側部３０４における濃縮度を低くして、かかる出力ピークを減少させ、本発明の高効率、従って高い経済性の初期炉心２１４（図３）をサポートすることにより補償する。
本発明を特定の実施例につき詳細に説明したが、当業者はそれらの詳細事項に関する種々の変形及び設計変更が本願の開示全体に照らして想到できることがわかるであろう。従って、図示説明した特定の構成は例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではなく、この範囲は頭書の特許請求の範囲の全幅及びその任意そして全ての均等物の範囲を与えられるべきである。
原子炉初期炉心の装荷パターンの概略図であり、炉心の対称性を想定して炉心の８分の１を示す。 仮想線で示す炉心全体の概略図であり、図１の８分の１部分の炉心内位置を強調するものである。 原子炉の平衡サイクル再装荷炉心の概略図である。 本発明による新型初期炉心の概略図である。 図示の燃料棒アレイが格子対称性を想定した図３の初期炉心の新型格子設計の左上方象限を示す概略図である。 図４に示す格子部分の場所を仮想線で示した格子全体の概略図である。

Claims (20)

  1. 原子炉の経済的な初期炉心を構成する方法であって、
    ウラニウム２３５の平均濃縮度が異なる複数の燃料集合体を用意し、
    少なくとも空間反応度分布の点で既知の平衡再装荷サイクル炉心をエミュレーションする構成の初期炉心構成となるように複数の燃料集合体を配列することより成る原子炉の経済的初期炉心構成方法。
  2. 複数の燃料集合体の束を用意するステップを含み、これらの束は少なくとも高濃縮度の燃料バッチと、それより低い濃縮度の燃料バッチと、濃縮度が最も低い燃料バッチとを含む請求項１の方法。
  3. 平衡サイクル再装荷炉心は、供給燃料集合体、一度燃焼した燃料集合体及び二度燃焼した燃料集合体のバッチを含み、供給燃料集合体はウラニウム２３５の平均濃縮度が最高であり、一度燃料した燃料集合体はそれより低い濃縮度の燃料を有し、二度燃料した燃料集合体は最も低い濃縮度の燃料を有し、初期炉心の濃縮度が最も高い燃料バッチは平衡サイクル再装荷炉心の供給燃料バッチとほぼ同じサイズ及び濃縮度を有する請求項２の方法。
  4. 初期炉心の平衡サイクル再装荷炉心の一度燃焼した燃料バッチ及び二度燃焼した燃料バッチの反応度を、平衡再装荷サイクル炉心の一度燃焼した燃料及び二度延焼した燃料の０でないサイクル開始燃焼及び初期濃縮の反応度に基づく初期平均濃縮度の初期炉心の燃料バッチを用いることにより近似するステップをさらに含む請求項３の方法。
  5. 初期炉心の１またはそれ以上の燃料バッチは、同様な平均濃縮度の燃料集合体より成る１またはそれ以上のサブバッチを含む請求項３の方法。
  6. 既知の平衡再装荷サイクル炉心の供給燃料バッチをエミュレーションするサイズ及び濃縮度の２つの高濃縮度サブバッチを高濃縮度の燃料バッチとして用意するステップを含む請求項５の方法。
  7. 初期炉心は内部及び外殻部を有し、高濃縮度サブバッチは初期炉心の内部の方へ装荷され、低濃縮度の燃料バッチは主として初期炉心の外殻部に装荷される請求項６の方法。
  8. 初期炉心内で結果的に得られる平均濃縮度は、ウラニウム２３５の約１．０重量パーセント未満からウラニウム２３５の約５．０重量パーセントの範囲内にある請求項１の方法。
  9. 初期炉心の燃料集合体の少なくとも一部につき新型格子設計を用意するステップを含み、この格子設計は、初期炉心構成内の高濃縮度燃料バッチが低濃縮度燃料バッチに隣接して配置されることによる大きな熱中性子束のピークを補償するように構成されている請求項２の方法。
  10. 新型格子設計はほぼ正方形パターンの隣接行の燃料棒を含み、燃料棒は平均濃縮度が最低濃縮度から最高濃縮度の範囲内にある少なくとも６つの異なるタイプの燃料棒を含み、新型格子は最低濃縮度の燃料棒をほぼ正方形パターンの隅部に配置し、濃縮度が最低の次である燃料棒をほぼ正方形パターンの最も外側の行に配置し、濃縮度が最も高い燃料棒をほぼ正方形パターンの中心の方へ配置する請求項９の方法。
  11. 原子炉の新型初期炉心であって、
    ウラニウム２３５の平均濃縮度が異なる複数の燃料集合体より成り、
    初期炉心は、
    少なくとも空間反応度分布の点で既知の平衡再装荷サイクル炉心をエミュレーションする構成となるように複数の燃料集合体を配列することより成る方法により装荷された原子炉の新型初期炉心。
  12. 前記方法は複数の燃料集合体の束を用意するステップを含み、これらの束は少なくとも高濃縮度の燃料バッチと、それより低い濃縮度の燃料バッチと、濃縮度が最も低い燃料バッチとを含む請求項１１の新型初期炉心。
  13. 平衡サイクル再装荷炉心は、供給燃料集合体、一度燃焼した燃料集合体及び二度燃焼した燃料集合体のバッチを含み、供給燃料集合体はウラニウム２３５の平均濃縮度が最高であり、一度燃料した燃料集合体はそれより低い濃縮度の燃料を有し、二度燃料した燃料集合体は最も低い濃縮度の燃料を有し、初期炉心の濃縮度が最も高い燃料バッチは平衡サイクル再装荷炉心の供給燃料バッチとほぼ同じサイズ及び濃縮度を有する請求項１２の新型初期炉心。
  14. 前記方法は初期炉心の平衡サイクル再装荷炉心の一度燃焼した燃料バッチ及び二度燃焼した燃料バッチの反応度を、平衡再装荷サイクル炉心の一度燃焼した燃料及び二度延焼した燃料の０でないサイクル開始燃焼及び初期濃縮の反応度に基づく初期平均濃縮度の初期炉心の燃料バッチを用いることにより近似するステップをさらに含む請求項１３の新型初期炉心。
  15. 初期炉心の１またはそれ以上の燃料バッチは、同様な平均濃縮度の燃料集合体より成る１またはそれ以上のサブバッチを含む請求項１３の新型初期炉心。
  16. 前記方法は既知の平衡再装荷サイクル炉心の供給燃料バッチをエミュレーションするサイズ及び濃縮度の２つの高濃縮度サブバッチを高濃縮度の燃料バッチとして用意するステップを含む請求項１５の新型初期炉心。
  17. 初期炉心は内部及び外殻部を有し、高濃縮度サブバッチは初期炉心の内部の方へ装荷され、低濃縮度の燃料バッチは主として初期炉心の外殻部に装荷される請求項１６の新型初期炉心。
  18. 初期炉心内で結果的に得られる平均濃縮度は、ウラニウム２３５の約１．０重量パーセント未満からウラニウム２３５の約５．０重量パーセントの範囲内にある請求項１７の新型初期炉心。
  19. 前記方法は初期炉心の燃料集合体の少なくとも一部につき新型格子設計を用意するステップを含み、この格子設計は、初期炉心構成内の高濃縮度燃料バッチが低濃縮度燃料バッチに隣接して配置されることによる大きな熱中性子束のピークを補償するように構成されている請求項１８の新型初期炉心。
  20. 新型格子設計はほぼ正方形パターンの隣接行の燃料棒を含み、燃料棒は平均濃縮度が最低濃縮度から最高濃縮度の範囲内にある少なくとも６つの異なるタイプの燃料棒を含み、新型格子は最低濃縮度の燃料棒をほぼ正方形パターンの隅部に配置し、濃縮度が最低の次である燃料棒をほぼ正方形パターンの最も外側の行に配置し、濃縮度が最も高い燃料棒をほぼ正方形パターンの中心の方へ配置する請求項１９の新型初期炉心。
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