JP2011128103A - Core of boiling water reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、核燃料物質として、ウランのみを含む燃料集合体(以下、「ウラン燃料集合体」と記す)と、ウラン−プルトニウム混合酸化物を含む燃料集合体(以下、「MOX燃料集合体」と記す)とを装荷した沸騰水型原子炉(以下、「BWR」とも記す)炉心の長期サイクル運転において、安全に運転できるBWR炉心に関するものである。 The present invention relates to a fuel assembly containing only uranium as a nuclear fuel material (hereinafter referred to as “uranium fuel assembly”), and a fuel assembly containing uranium-plutonium mixed oxide (hereinafter referred to as “MOX fuel assembly”). In a long-term cycle operation of a boiling water nuclear reactor (hereinafter also referred to as “BWR”) core loaded with a BWR core that can be safely operated.
軽水炉の炉心は、多数の燃料集合体を正方格子状に配列して構成されており、一般に、燃料集合体には、天然ウランを濃縮した濃縮ウランが用いられる。この燃料集合体は、所定の運転期間(通常は13ヶ月程度)を経た後、炉心に装荷されている1/4〜1/5程度の燃料が新しい燃料集合体と交換される。つまり、炉心内には、炉内滞在期間の異なる複数の燃料集合体が混在していることになる。 The core of a light water reactor is configured by arranging a large number of fuel assemblies in a square lattice pattern. Generally, enriched uranium enriched with natural uranium is used for the fuel assemblies. After this fuel assembly has passed a predetermined operation period (usually about 13 months), about 1/4 to 1/5 of the fuel loaded in the core is replaced with a new fuel assembly. That is, a plurality of fuel assemblies having different residence times in the reactor are mixed in the core.
これら炉内滞在期間の異なる燃料集合体の炉内での配置方法(装荷パターン)は数多く存在し、目的に応じた燃料装荷パターンが選択される。例えば、燃料交換の手間を最小化するような装荷パターンや、燃料棒の最大線出力密度を抑制するような装荷パターン、制御棒パターンを簡略化する装荷パターン等がある。 There are many arrangement methods (loading patterns) of the fuel assemblies having different residence times in the furnace in the furnace, and a fuel loading pattern corresponding to the purpose is selected. For example, there are a loading pattern that minimizes the labor of fuel replacement, a loading pattern that suppresses the maximum linear power density of the fuel rod, a loading pattern that simplifies the control rod pattern, and the like.
ところで、BWRでは、ウラン燃料集合体に対して、ウラン235の平均濃縮度を高め、平均取出燃焼度の増加を図り、燃料サイクルコストを低減させる試みが段階的になされており、現在のところ平均取出燃焼度として約45GWd/tを達成する燃料が実用化されており、さらに将来的には50GWd/tまで増加させる計画がある。 By the way, in BWR, an attempt is made to increase the average enrichment of uranium 235, increase the average take-off burnup, and reduce the fuel cycle cost with respect to the uranium fuel assembly. A fuel that achieves about 45 GWd / t as a burn-up burnup has been put into practical use, and there is a plan to increase it to 50 GWd / t in the future.
また、BWRでは、使用済み燃料を再処理して得られるプルトニウムを取り出し、二酸化プルトニウム(PuO2)と二酸化ウラン(UO2)とを混ぜたMOX燃料集合体を炉内に装荷させ、省資源化及びプルトニウム消費を図る所謂「プルサーマル計画」が進められている。MOX燃料集合体を炉内に装荷する際には、炉内の燃料を全てMOX燃料集合体とする方法と、炉内の燃料のうち一部のみをMOX燃料集合体とする方法とがある。 In addition, BWR takes out plutonium obtained by reprocessing spent fuel, loads MOX fuel assemblies in which plutonium dioxide (PuO 2 ) and uranium dioxide (UO 2 ) are mixed into the furnace to save resources. In addition, a so-called “pull thermal plan” for plutonium consumption is underway. When the MOX fuel assembly is loaded into the furnace, there are a method in which the fuel in the furnace is entirely MOX fuel assembly, and a method in which only a part of the fuel in the furnace is MOX fuel assembly.
このMOX燃料集合体に対しては、効率的にプルトニウムを活用するため、燃料集合体1体あたりのプルトニウム富化度を高める検討がなされており、通常これはMOX燃料集合体の平均取出燃焼度を増加させることにつながる。 For this MOX fuel assembly, in order to efficiently use plutonium, studies have been made to increase the plutonium enrichment per fuel assembly, which is usually the average burnup of the MOX fuel assembly. Leads to an increase.
しかしながら、MOX燃料集合体は、ウラン燃料集合体に比較して使用実績が少なく、高燃焼度化は遅れているのが現状であり、炉内の一部のみをMOX燃料集合体とする際には、ウラン燃料集合体に比べて平均取出燃焼度が低く設計されたMOX燃料集合体が用いられる可能性が高い。 However, the MOX fuel assembly is used less than the uranium fuel assembly, and the current situation is that the high burnup is delayed. When only a part of the furnace is used as the MOX fuel assembly, Is likely to use a MOX fuel assembly designed to have a lower average extraction burn-up than a uranium fuel assembly.
更に、BWRでは、運転期間を長期化させ、原子炉の設備利用率を向上させることにより経済性を向上させる長期サイクル運転計画も進行している。この場合、燃料の平均取出燃焼度は減少するが、設備利用率の向上により、それを補って余りある経済性の向上が見込める。一般に、長期サイクル運転を行うには、燃料の交換体数を増加させる必要があり、炉内の装荷パターンの自由度は著しく減少する。 Furthermore, in the BWR, a long-term cycle operation plan is progressing in which the operation period is extended and the efficiency of the reactor is improved by improving the utilization factor of the reactor. In this case, although the average fuel burn-out decreases, the improvement in equipment utilization rate can be expected to improve the economic efficiency by making up for it. In general, in order to perform long-term cycle operation, it is necessary to increase the number of fuel exchangers, and the degree of freedom of the loading pattern in the furnace is significantly reduced.
一方、燃料装荷パターンについては、制御棒パターンを簡略化する装荷パターン(例えば、特許文献1参照)や、燃料交換の手間を最小化する装荷パターン(例えば、特許文献2参照)等が既に提案されている。 On the other hand, as for the fuel loading pattern, a loading pattern that simplifies the control rod pattern (for example, see Patent Document 1), a loading pattern that minimizes the effort of fuel replacement (for example, see Patent Document 2), and the like have already been proposed. ing.
ここで、特許文献1に示された技術思想は、現在の原子炉炉心でもしばしば用いられている。この技術思想では、予め定められた位置の制御棒セルに、「コントロール・セル(CC:control cell)」と呼ばれる低反応度の燃料集合体を配し、運転中はもっぱらCCに制御棒を挿入することで簡素化された制御棒パターンで運転を行う技術思想である。
Here, the technical idea disclosed in
CCを構成する炉心は「コントロール・セル炉心(CCC:control cell core)」と呼ばれ、現在においても主流な炉心構成の一つである。CCCの場合、比較的少ない本数の制御棒のみを深挿入させて運転することができる。 The core constituting the CC is called a “control cell core” (CCC), and is still one of the mainstream core configurations at present. In the case of CCC, only a relatively small number of control rods can be deeply inserted for operation.
例えば、この深挿入制御棒の挿入により、炉心の出力分布を下部ピークとすることができ、運転中ボイド率の上昇に伴うプルトニウムの蓄積が期待できるため、サイクル末期で制御棒を引き抜き、流量を高める等して炉心のボイド率を下げることで、蓄積したプルトニウムを燃焼させることができるため、経済性に優れた炉心を構成することができる。このような運転方法を「スペクトルシフト運転」という。 For example, by inserting this deep insertion control rod, the power distribution of the core can reach the lower peak, and plutonium accumulation can be expected as the void rate rises during operation. Since the accumulated plutonium can be burned by reducing the void ratio of the core by increasing it or the like, it is possible to configure a core that is excellent in economic efficiency. Such an operation method is called “spectral shift operation”.
この「スペクトルシフト運転」ように、経済性向上のための運転には、CCCの利用が極めて有用である。一方、CCC炉心の場合、制御棒本数が限定的となるため、CCに挿入される制御棒にはなるべく制御棒価値を持たせておくことが好ましい。更に、CCCの場合、深制御棒を長期間挿入する傾向があり、CC内の燃料は片燃え(制御棒側半面、特にコーナ燃料棒の燃焼が進まない状態)が起きる。 As in this “spectrum shift operation”, the use of CCC is extremely useful for operation for improving economic efficiency. On the other hand, in the case of a CCC core, since the number of control rods is limited, it is preferable that the control rods inserted into the CC have as much control rod value as possible. Further, in the case of CCC, there is a tendency to insert the deep control rod for a long period of time, and the fuel in the CC is burnt in one side (a state in which the combustion of the control rod side half, particularly the corner fuel rod does not proceed).
サイクル末期の反応度補償のために、これらの制御棒を引き抜くときには、このコーナ燃料棒が出力過大となり、燃料健全性を損ねる恐れがある。これを回避するため、特に、長期運転サイクルの場合には、途中で使用する制御棒を変更するなど、余りに長期問に亘り制御棒を挿入することとしない等の工夫がなされる。このため、運転サイクルが長いほど炉心設計において予め準備するCCの数は多くしておく必要がある。 When these control rods are pulled out to compensate for the reactivity at the end of the cycle, the corner fuel rods have an excessive output, which may impair fuel integrity. In order to avoid this, especially in the case of a long-term operation cycle, such as changing the control rod used in the middle, such as not inserting the control rod for a long term, etc. are devised. For this reason, the longer the operation cycle, the greater the number of CCs prepared in advance in the core design.
また、ウラン燃料集合体とMOX燃料集合体を同時に装荷する炉心の装荷パターンとしては、例えば、MOX燃料集合体を外周領域に装荷することにより効率的に燃料交換の手間を最小化するような装荷パターン(特許文献3)、経済性を損なうことなく炉心内の出力分布の平坦化を図ることで熱的運転余裕を確保して安全性の高いBWR炉心を得るための各燃料集合体の配置を定めるような装荷パターン(特許文献4)、MOX燃料集合体の炉心単位体積当たりの装荷率を炉心中央領域より炉心周辺領域で大とする装荷パターン(特許文献5)、反応度の燃焼変化特性の違いを利用し、反応度利得を得ることができるBWR炉心を得るための各燃料集合体の配置を定めるような装荷パターン(特許文献6)、安全性を損なうことなくMOX燃料集合体のPu富化度を上昇させることができるBWR炉心を得るための核燃料集合体の配置を定めるような装荷パターン(特許文献7)等も提案されている。 In addition, as a loading pattern of the core in which the uranium fuel assembly and the MOX fuel assembly are loaded at the same time, for example, a loading that efficiently minimizes the fuel exchange by loading the MOX fuel assembly in the outer peripheral region. Pattern (Patent Document 3): Arrangement of each fuel assembly for obtaining a highly safe BWR core by ensuring a thermal operation margin by flattening the power distribution in the core without impairing the economy A loading pattern as defined (Patent Document 4), a loading pattern in which the loading rate per core unit volume of the MOX fuel assembly is larger in the core peripheral region than in the core central region (Patent Document 5), A loading pattern (Patent Document 6) that determines the arrangement of each fuel assembly to obtain a BWR core that can obtain a reactivity gain by utilizing the difference, MOX without sacrificing safety Charge loading pattern to define a layout of a nuclear fuel assembly for obtaining a BWR core with Pu enrichment can be raised of the assembly (Patent Document 7) or the like has been proposed.
BWRの取替炉心においては、炉心最外周部には、燃焼が進んだ反応度の低い燃料集合体を装荷する方法が用いられる。この技術思想は、低リーク炉心とも呼ばれ、中性子の炉外への漏れを抑制し、炉心反応度を高め、ひいては燃料寿命を伸ばして経済性を高めることができる。一方、最外周に装荷された燃料集合体の出力が小さくなる分、炉心内部の出力分担は大きくなるため、熱的運転余裕は厳しい方向に作用する。適切な熱的運転余裕を確保するために、上述のCCCの技術や燃料設計の高度化といった対策が併用される。 In the replacement core of the BWR, a method of loading a fuel assembly having low reactivity with advanced combustion is used on the outermost peripheral portion of the core. This technical idea is also referred to as a low-leakage core, and can suppress the leakage of neutrons outside the reactor, increase the core reactivity, and thus increase the fuel life and improve the economic efficiency. On the other hand, as the output of the fuel assembly loaded on the outermost periphery decreases, the output sharing in the core increases, so the thermal operating margin acts in a severe direction. In order to secure an appropriate thermal operation margin, measures such as the above-described CCC technology and advanced fuel design are used in combination.
長期運転サイクルのニーズが高まる中、ウラン燃料集合体及びMOX燃料集合体が混在する炉心において長期運転サイクルを達成する上で、経済性を損なうことなく、安全で、良好な炉心特性を得ることのできる炉心が提供できれば、今後の原子炉の利用に対して大きな貢献になる。上述のとおり、MOX燃料集合体の燃焼度は、ウラン燃料集合体よりも低く設計される傾向にあり、このため、MOXが混在する炉心においては、ウラン燃料集合体のみで構成される炉心にくらべると、同じサイクル長さを達成するために必要となる新燃料の数(取替体数)は必然的に多くなる。 As the need for long-term operation cycles increases, it is possible to obtain safe and good core characteristics without degrading economy in achieving long-term operation cycles in a core where uranium fuel assemblies and MOX fuel assemblies are mixed. Providing a reactor core that can be used will greatly contribute to the future utilization of nuclear reactors. As described above, the degree of burnup of the MOX fuel assembly tends to be designed to be lower than that of the uranium fuel assembly. For this reason, in the core in which MOX is mixed, the core is composed of only the uranium fuel assembly. As a result, the number of new fuels (number of replacement bodies) necessary to achieve the same cycle length is inevitably increased.
もともと、より多くの取替体数を必要とする長期運転サイクルを想定した場合、MOX燃料集合体とウラン燃料集合体が混在する炉心の取替体数は相当の数に及ぶ。新燃料の数の増加は、炉心設計における自由度を著しく低下させる。また、CCCを前提に炉心設計を行う場合、前述に説明した理由から長期サイクルでは、CCの数が多く必要となり、炉心設計の自由度はさらに制約を受け、熱的運転余裕や炉停止余裕と言った安全上の制限を確保することは極めて困難である。 Originally, assuming a long-term operation cycle that requires a larger number of replacement bodies, the number of replacement bodies in the core in which MOX fuel assemblies and uranium fuel assemblies are mixed reaches a considerable number. Increasing the number of new fuels significantly reduces the degree of freedom in core design. Also, when performing core design on the premise of CCC, the long-term cycle requires a large number of CCs for the reasons described above, and the degree of freedom in core design is further restricted, and there is a thermal operation margin and a reactor shutdown margin. It is extremely difficult to ensure the said safety restrictions.
つまり上に示した従来技術は、炉内装荷パターンの自由度が著しく低下する長期サイクル運転については配慮がなされていないために、従来技術のみでは、ウラン燃料集合体とMOX燃料集合体とが混在してなる炉心に対して長期運転サイクルを実現することはできない。 In other words, the conventional technology shown above does not give consideration to the long-term cycle operation in which the degree of freedom of the furnace interior load pattern is significantly reduced. Therefore, the uranium fuel assembly and the MOX fuel assembly are mixed only with the conventional technology. A long-term operation cycle cannot be realized for the resulting core.
本発明は、安全に14ヶ月以上運転でき、制御棒パターンが簡略化されたウラン/MOX燃料集合体が混在する炉心を得ることを目的とする。 It is an object of the present invention to obtain a reactor core that can be operated safely for 14 months or more and has a mixed uranium / MOX fuel assembly with a simplified control rod pattern.
請求項1に記載された発明に係る沸騰水型原子炉炉心は、核燃料物質としてウランのみを含むウラン燃料集合体と、核燃料物質としてウラン−プルトニウム混合酸化物を含むMOX燃料集合体とが同時に装荷され、前記MOX燃料集合体の平均取出燃焼度が前記ウラン燃料集合体よりも小さく設計されている沸騰水型原子炉炉心において、
最外周領域の8割以上にMOX燃料集合体を配置し、
4体の燃料集合体で構成されるCCのうち、3体以上がウラン燃料集合体であることを特徴とするものである。
The boiling water reactor core according to the first aspect of the present invention includes a uranium fuel assembly containing only uranium as a nuclear fuel material and a MOX fuel assembly containing a uranium-plutonium mixed oxide as a nuclear fuel material. In the boiling water reactor core in which the average extraction burnup of the MOX fuel assembly is designed to be smaller than that of the uranium fuel assembly,
Place MOX fuel assemblies in more than 80% of the outermost peripheral area,
Of the CCs composed of four fuel assemblies, three or more of them are uranium fuel assemblies.
請求項2に記載された発明に係る沸騰水型原子炉炉心は、請求項1に記載のウラン燃料集合体は燃料棒を9行9列以上の燃料棒正方格子配列であり、
前記MOX燃料集合体は9行9列の燃料棒正方格子配列であることを特徴とするものである。
In the boiling water reactor core according to the invention described in
The MOX fuel assembly has a 9-by-9 fuel rod square lattice arrangement.
本発明は、安全に14ヶ月以上運転でき、制御棒パターンが簡略化されたウラン/MOX混在炉心を得ることができるという効果がある。 The present invention has an effect that a uranium / MOX mixed core having a simplified control rod pattern that can be operated safely for 14 months or more can be obtained.
本発明は、ウラン燃料集合体と、ウラン燃料集合体よりも平均取出燃焼度が低く設計されたMOX燃料集合体が同時に装荷され、運転期間が14ヶ月以上であるCCCにおいて、最外周に配置される燃料のうち、8割以上をMOX燃料集合体とし、4体の燃料集合体で構成されるCCのうち、3体以上をウラン燃料集合体とする装荷パターンである。これにより、安全に14ヶ月以上運転でき、制御棒パターンが簡略化されたウラン/MOX燃料集合体が混在する炉心を得ることができる。 The present invention is arranged at the outermost periphery in a CCC in which a uranium fuel assembly and a MOX fuel assembly designed to have a lower average take-off burn rate than the uranium fuel assembly are loaded at the same time and the operation period is 14 months or more. This is a loading pattern in which 80% or more of the fuels are MOX fuel assemblies and three or more of the CCs composed of four fuel assemblies are uranium fuel assemblies. As a result, it is possible to obtain a reactor core that can be safely operated for 14 months or more and includes a uranium / MOX fuel assembly in which the control rod pattern is simplified.
まず、長期サイクル運転炉心の特徴について述べる。長期サイクル運転においては、燃料取替体数が増加し、炉内に存在する滞在期間の異なる燃料の種類が減少するため、炉内の装荷パターンの自由度が著しく減少する。原子炉の運転に際しては、燃料の出力が過剰に高まることは避けなければならないが、取替体数が多く、かつ、CCを用意する場合には、炉心設計による自由度がそもそも少なくなってしまうため、局所的な装荷パターンの工夫による出力ピーキングの抑制は困難となる。 First, the characteristics of the long-term cycle operation core will be described. In the long-term cycle operation, the number of fuel replacement bodies increases, and the types of fuel having different stay periods existing in the furnace decrease, so the degree of freedom of the loading pattern in the furnace is significantly reduced. When operating a nuclear reactor, it is necessary to avoid an excessive increase in fuel output, but when there are a large number of replacement bodies and CCs are prepared, the degree of freedom in the core design will be reduced in the first place. Therefore, it is difficult to suppress output peaking by devising a local loading pattern.
そのような場合であっても、次の4つの留意点を考慮することが必要である。
1)運転期問中の長期に亘ってピーキングの低減に寄与すること、
2)炉心の経済性の低下を招かないこと、
3)停止余裕などその他の炉心特性を悪化させるものでないこと、
さらに、運転期間の伸張に伴い燃料取替体数が増加することから、サイクル中期における余剰反応度が高まるため、十分に反応度を制御する必要があり、この観点からは、
4)過度に余剰反応度を高めず、かつ、制御性に優れた炉心であること
Even in such a case, it is necessary to consider the following four points to consider.
1) To contribute to the reduction of peaking over the long term during the operation period,
2) Do not cause a decrease in the economics of the core,
3) It should not deteriorate other core characteristics such as stop margin,
Furthermore, since the number of fuel replacement bodies increases with the extension of the operation period, the surplus reactivity in the middle of the cycle increases, so it is necessary to sufficiently control the reactivity.
4) A reactor core that does not excessively increase excess reactivity and has excellent controllability.
MOX燃料はウラン燃料と比較すると、核分裂を効率的に促す熱中性子を良く吸収するプルトニウムが含まれているため、ウラン燃料に比べて熱中性子が不足し、中性子スペクトルが硬化する傾向にある。また、中性子スペクトルの硬化により、MOX燃料の燃焼による反応度の低下は、ウラン燃料に比べて緩やかとなる。 Compared with uranium fuel, MOX fuel contains plutonium that absorbs thermal neutrons that promotes fission efficiently, so there is a shortage of thermal neutrons compared to uranium fuel and the neutron spectrum tends to harden. Further, due to the hardening of the neutron spectrum, the decrease in reactivity due to the combustion of the MOX fuel becomes more gradual than that of the uranium fuel.
MOX燃料は、これを原子炉炉心の最外周に装荷することにより、炉心の周囲に存在する多量の減速材により中性子スペクトルの硬化を抑制できるため、MOX燃料の反応度は上昇する。更に、燃焼による反応度低下が緩やかであるMOX燃料を炉心最外周へ配置することにより、運転期間を通じて炉心出力分布を平坦化することが可能である。 By loading the MOX fuel on the outermost periphery of the reactor core, the hardening of the neutron spectrum can be suppressed by a large amount of moderator present around the core, so the reactivity of the MOX fuel increases. Furthermore, by disposing MOX fuel, which has a moderate decrease in reactivity due to combustion, on the outermost periphery of the core, it is possible to flatten the core power distribution throughout the operation period.
MOX燃料においては、中性子スペクトルが硬化する結果、主に熱中性子を吸収することにより反応度を制御する制御棒の価値がウラン燃料と比較して低くなるという特徴も持つ。このため、使用する制御棒にはなるべくMOX燃料を隣接させないこと(つまり、ウラン燃料を隣接させること)により、制御棒価値を高めることができる。 As a result of the hardening of the neutron spectrum, the MOX fuel also has a feature that the value of the control rod that controls the reactivity mainly by absorbing thermal neutrons is lower than that of the uranium fuel. For this reason, it is possible to increase the value of the control rod by keeping the MOX fuel not adjacent to the control rod to be used as much as possible (that is, adjoining the uranium fuel).
MOX燃料においては、ウラン燃料に比べて制御棒価値が低下するため、1つのCCのうち、半数以上をMOX燃料集合体とすると、当該CCの制御棒価値の低下を招き、CCによる炉心の反応度低下量が十分ではなくなる。その場合、CC内の制御棒のみでは運転ができなくなり、CC以外の制御棒を使用する必要がある。そうなると、CCによるスペクトルシフト運転の効果が充分に行えない等の経済性の低下を招くこととなる。 In MOX fuel, the control rod value is lower than that of uranium fuel, so if more than half of one CC is a MOX fuel assembly, the control rod value of the CC will be reduced and the reaction of the core by CC The amount of decrease is not sufficient. In that case, it becomes impossible to operate only with the control rod in the CC, and it is necessary to use a control rod other than the CC. If it becomes so, it will cause the fall of economical efficiency that the effect of the spectrum shift driving | operation by CC cannot fully be performed.
また、CCの大部分(3体以上)をウラン燃料集合体とすることにより、余剰反応度の高くなりやすい、MOX燃料集合体が混在する長期サイクル運転炉心であっても適切に運転期間中の反応度を制御することが可能である。 In addition, by making most of the CC (three or more) uranium fuel assemblies, surplus reactivity is likely to be high, even in long-term cycle operation cores in which MOX fuel assemblies are mixed. It is possible to control the reactivity.
以上構成により、上述した1)〜4)に示した留意点を解決し、長期運転サイクルに好適なMOX混在炉心を構成することができる。 With the above configuration, the above noted points 1) to 4) can be solved, and a MOX mixed core suitable for a long-term operation cycle can be configured.
図1〜図6は、取出燃焼度が45GWd/tに設計されたウラン燃料集合体と、35GWd/tに設計されたMOX燃料集合体とを装荷した原子炉において、運転期間を19ヶ月とした場合の燃料装荷パターン、制御棒パターン、炉心特性について示したものである。 FIGS. 1 to 6 show that the operation period is 19 months in a nuclear reactor loaded with a uranium fuel assembly designed for 45 GWd / t extraction burnup and a MOX fuel assembly designed for 35 GWd / t. This shows the fuel loading pattern, control rod pattern, and core characteristics.
図1は13ヶ月運転時に取出燃焼度が45GWd/tとなるよう設計されたウラン燃料集合体と、13ヶ月運転時に取出燃焼度が35GWd/tとなるよう設計されたMOX燃料集合体とが混在する19ヶ月運転を想定した原子炉炉心の燃料配置を示す説明図である。図1では炉心は対称性を有しているため、第4象限のみを示している。他の象限は、第4象限の回転対称となっている。最外周に全て2サイクル目MOX燃料集合体を配しており、CCにはウラン燃料集合体のみを用いている。 FIG. 1 shows a mixture of a uranium fuel assembly designed to have a removal burnup of 45 GWd / t at 13 months of operation and a MOX fuel assembly designed to have a takeoff burnup of 35 GWd / t at 13 months of operation. It is explanatory drawing which shows the fuel arrangement | positioning of the reactor core supposing the 19-month driving | running | working. In FIG. 1, since the core has symmetry, only the fourth quadrant is shown. The other quadrants are rotationally symmetric with respect to the fourth quadrant. The second cycle MOX fuel assemblies are all arranged on the outermost periphery, and only uranium fuel assemblies are used for CC.
図中の太枠で示すコントロール・セル(CC)にはウラン燃料集合体のみを配置し、炉心最外周には2サイクル目のMOX燃料集合体のみを配置している。本実施例では、764体中444体がウラン燃料集合体であり、320体がMOX燃料集合体である。これは、混合酸化物の重量が重金属重量の約1/3を占める、いわゆる1/3MOX炉心であり、既存の沸騰水型原子炉では、混合酸化物燃料の重量が重金属重量の1/3までで運用されるため、最もMOX燃料集合体の装荷割合の高い例である。 Only the uranium fuel assembly is disposed in the control cell (CC) indicated by a thick frame in the figure, and only the MOX fuel assembly in the second cycle is disposed on the outermost periphery of the core. In this embodiment, 444 of the 764 bodies are uranium fuel assemblies, and 320 are MOX fuel assemblies. This is a so-called 1/3 MOX core in which the weight of the mixed oxide occupies about one third of the weight of the heavy metal. In the existing boiling water reactor, the weight of the mixed oxide fuel is up to one third of the weight of the heavy metal. This is an example with the highest loading ratio of MOX fuel assemblies.
本発明は、MOX燃料集合体の取出燃焼度がウラン燃料集合体の取出燃焼度より低い場合のものであり、本実施例からMOX燃料集合体の装荷割合を低下させることは、反応度の高いウラン燃料集合体の装荷割合が増加するため、新燃料体数は減少し、炉内燃料配置の自由度が高めるため、MOXの装荷割合が本実施例よりも低い場合には、さらに容易に炉心を構成することが可能である。 The present invention is a case where the removal burn-up of the MOX fuel assembly is lower than the removal burn-up of the uranium fuel assembly, and reducing the loading ratio of the MOX fuel assembly from this embodiment is highly reactive. As the loading ratio of uranium fuel assemblies increases, the number of new fuel bodies decreases, and the degree of freedom of fuel placement in the reactor increases, so that when the loading ratio of MOX is lower than in this embodiment, the core can be more easily Can be configured.
図2は運転中の原子炉における制御棒計画を示したものである。図において、「−」で示したセルは、制御棒が全引抜状態であることを示しており、数字は全引抜状態が48である場合の制御棒の引抜量を示している。即ち、多数用意されたCCから、燃焼とともに使用するCCを徐々に交代する計画となっており、過度に長期に亘ってCCに制御棒が挿入されることが無いように工夫されている。またその制御棒の挿入期間は最大で10GWd/t程度以下である。これは運転期間が13ヶ月である場合に相当する。 FIG. 2 shows a control rod plan for an operating nuclear reactor. In the figure, a cell indicated by “−” indicates that the control rod is in a fully extracted state, and the numeral indicates the amount of control rod extraction when the fully extracted state is 48. That is, it is planned to gradually change the CC to be used together with combustion from a large number of CCs prepared, so that control rods are not inserted into the CC over an excessively long period. The insertion period of the control rod is about 10 GWd / t or less at maximum. This corresponds to a case where the operation period is 13 months.
図3、図4は上記実施例の熱適制限値(最大線出力密度、最小限界出力比)の燃焼推移を示したものである。本発明の効果により、運転期間を通して運転制限値に対して十分な余裕を確保している。図5は炉心の余剰反応度の燃焼推移を示したものである。サイクル中期にて余剰反応度が最大となるが、過度に余剰反応度が高まることが無いことが分かる。 3 and 4 show the combustion transition of the optimum thermal limit values (maximum linear power density, minimum critical power ratio) of the above embodiment. Due to the effect of the present invention, a sufficient margin is secured for the operation limit value throughout the operation period. FIG. 5 shows the combustion transition of the excess reactivity of the core. It can be seen that the excess reactivity becomes maximum in the middle of the cycle, but the excess reactivity does not increase excessively.
図6は最大制御棒価値をもつ制御棒1本が引き抜けた場合の炉心の実効増倍率を示したものである。本発明の効果により、制限値に対して十分な余裕を確保している。本実施例の場合、ウラン燃料集合体、MOX燃料集合体の平均取出燃焼度はそれぞれ、41GWd/t、28GWd/tである。 FIG. 6 shows the effective multiplication factor of the core when one control rod having the maximum control rod value is pulled out. Due to the effect of the present invention, a sufficient margin for the limit value is secured. In the case of the present embodiment, the average take-off burnups of the uranium fuel assembly and the MOX fuel assembly are 41 GWd / t and 28 GWd / t, respectively.
図7は取出燃焼度が45GWd/tに設計されたウラン燃料集合体と、40GWd/tに設計されたMOX燃料集合体とを装荷した原子炉において、運転期間を19ヶ月とした場合の燃料装荷パターンを示したものである。この場合も図1〜図6に示した実施例と同様に、十分な運転余裕を確保することができる。 FIG. 7 shows the fuel loading when the operation period is 19 months in a nuclear reactor loaded with a uranium fuel assembly designed for 45 GWd / t extraction burnup and a MOX fuel assembly designed for 40 GWd / t. It shows a pattern. In this case as well, a sufficient driving margin can be ensured as in the embodiment shown in FIGS.
図8は取出燃焼度が45GWd/tに設計されたウラン燃料集合体と、35GWd/tに設計されたMOX燃料集合体との無限増倍率の燃焼推移を示した線図である。図中のU1、M1等は、ウラン燃料集合体が1サイクル燃焼した際に到達する燃焼度、MOX燃料集合体が1サイクル燃焼した際に到達する燃焼度を示している。 FIG. 8 is a graph showing the transition of combustion at an infinite multiplication factor between a uranium fuel assembly designed to have an extraction burn-up of 45 GWd / t and a MOX fuel assembly designed to 35 GWd / t. U1, M1, etc. in the figure indicate the burnup reached when the uranium fuel assembly burns for one cycle, and the burnup reached when the MOX fuel assembly burns for one cycle.
図から、前述したようにウラン燃料集合体に比べてMOX燃料集合体の無限増倍率は、燃焼に伴う反応度低下量が少なく、燃焼による反応度変化はウラン燃料集合体に比べ、MOX燃料集合体の方が緩やかである。また、取出燃焼度が低く設定されているMOX燃料集合体の方が反応度が低いことが分かる。 From the figure, as described above, the infinite multiplication factor of the MOX fuel assembly is smaller than that of the uranium fuel assembly, and the amount of decrease in reactivity due to combustion is small. The body is gentler. It can also be seen that the MOX fuel assembly having a low extraction burn-up has a lower reactivity.
また、図7の最外周に配置されている燃料は全て2サイクル目のMOX燃料集合体であり、これは図8のM1からM2の燃焼期間に相当する。仮に、最外周の燃料を全て3サイクル目のウラン燃料集合体とすると、図2のU2からU3に相当するが、2サイクル目のMOX燃料集合体のM1からM2より出力が低く、さらに燃焼に伴い急峻に出力が低下するため、炉心の出力分布は最外周の燃料を2サイクル目のMOX燃料集合体とした場合に比べ平坦にならないことは明らかである。 Further, all the fuels arranged on the outermost periphery in FIG. 7 are the MOX fuel assemblies in the second cycle, and this corresponds to the combustion period from M1 to M2 in FIG. If all the outermost fuel is the uranium fuel assembly in the third cycle, it corresponds to U2 to U3 in FIG. 2, but the output is lower than M1 to M2 of the MOX fuel assembly in the second cycle, and further combustion Accordingly, since the output sharply decreases, it is clear that the power distribution of the core does not become flat compared with the case where the outermost fuel is the MOX fuel assembly in the second cycle.
Claims (2)
最外周領域の8割以上にMOX燃料集合体を配置し、
4体の燃料集合体で構成されるコントロール・セルのうち、3体以上がウラン燃料集合体であることを特徴とする沸騰水型原子炉炉心。 A uranium fuel assembly containing only uranium as a nuclear fuel material and a MOX fuel assembly containing uranium-plutonium mixed oxide as a nuclear fuel material are loaded at the same time, and the average removal burnup of the MOX fuel assembly is the uranium fuel assembly. In a boiling water reactor core designed to be smaller than
Place MOX fuel assemblies in more than 80% of the outermost peripheral area,
A boiling water reactor core characterized in that three or more of the control cells composed of four fuel assemblies are uranium fuel assemblies.
前記MOX燃料集合体は9行9列の燃料棒正方格子配列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炉心。 The uranium fuel assembly is a fuel rod square lattice array of 9 rows and 9 columns of fuel rods,
2. The boiling water reactor core according to claim 1, wherein the MOX fuel assembly is a 9 × 9 fuel rod square lattice array. 3.
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