JP2012141210A - 沸騰水型原子炉の初装荷炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】高燃焼度化を図った沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、軸方向出力分布の平坦化を図る。
【解決手段】標準長燃料棒より短い燃料棒である短尺燃料棒を有する燃料集合体１，２，３及び４を備える沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、燃料集合体１，４の短尺燃料棒は基準長に等しく、燃料集合体２の短尺燃料棒は前記基準長よりも短い長さを有し、燃料集合体３の短尺燃料棒は前記基準長よりも長い長さを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の初装荷炉心、さらに詳しくは、高燃焼度化を図った沸騰水型原子炉の初装荷炉心に関する。

沸騰水型原子炉において、冷却水は中性子の減速材としての役割を担っている。冷却水の沸騰により発生するボイドが冷却水に占める割合（ボイド率）は、炉心軸方向に沿って変化する。より詳しくは、ボイド率は、冷却水が炉心に流れ込む炉心下部では低く、炉心上部に行くに従って高くなる。

ボイド率が低い状態では、中性子は効果的に減速され核分裂が活発になる。一方、ボイド率が高い状態では、中性子の減速効果が低下し、核分裂が抑制される。したがって、炉心の軸方向出力分布は、炉心下部の方が炉心上部に比べて膨らむ傾向にある。この場合、最大線出力密度の制限値に対するマージンが減少する。このため、軸方向出力分布を平坦化することを目的とした技術が従前より検討されている。

特許文献１では、燃料集合体の軸方向のウラン平均濃縮度に差を設け、軸方向出力分布を平坦化する技術が開示されている。また、燃料棒に添加する可燃性毒物（ガドリニア等）の量を炉心上部よりも炉心下部に多く添加することにより、炉心下部の出力を抑え、軸方向出力分布を平坦化することも開示されている。

特許文献２では、初装荷炉心の軸方向のウラン濃縮度分布を炉心上部で濃く下部で薄くし、可燃性毒物の濃度が燃料棒の軸方向の上部で薄く下部で濃く調整することにより、軸方向出力分布の平坦化を図る技術が開示されている。

特許文献３に開示された技術では、炉心下部における水ロッドの断面積を、炉心上部における断面積よりも小さくする。それにより空いた炉心下部のスペースに、天然ウランを充填した短尺燃料棒を配置する。このようにして、炉心上部の領域と炉心下部の領域における減速材対ウラン比（Ｈ／Ｕ比という。）の差を小さくする。その結果、燃料経済性の向上および運転時の出力分布平坦化を図っている。

特開昭５５−４７４９０号公報 特開平８−２８５９７６号公報 特開平４−１２８６８８号公報

初装荷炉心においては、燃料集合体の軸方向反応度分布の特性を、取替炉心における燃料集合体の軸方向反応度分布の特性と可及的に同一とすることが望ましい。ここで、初装荷炉心とは、建設された沸騰水型原子炉の炉心に初めて装荷される初装荷燃料のみで構成された炉心をいう。一方、取替炉心とは、炉心に装荷された燃料のうち一部または全てが、取替用の燃料集合体である取替燃料で構成された炉心をいう。

燃焼の進んでいない初装荷炉心の場合には、取替炉心と異なり、ウランの燃焼とともに蓄積されるプルトニウムが燃料集合体内に十分に存在しない。このため、燃料集合体の軸方向のウラン濃縮度に差を設け、取替炉心の軸方向反応度分布を模擬することで、軸方向出力分布を平坦化する方法が従来採られていた。

近年、初装荷炉心の高燃焼度化に伴い、初装荷炉心を構成する燃料集合体の平均ウラン濃縮度が上昇している。より具体的には、燃料集合体に適用可能なウラン濃縮度は最高５％という制約があるところ、高燃焼度化に伴って初装荷燃料の平均ウラン濃縮度は４％を超えている。よって、燃料集合体の軸方向のウラン濃縮度の差を大きくすることで、軸方向出力分布の平坦化特性を向上させることは困難となってきている。

また、初装荷炉心の高燃焼度化を図る場合、原子炉運転中における余剰反応度の増加を抑えるために、可燃性毒物の濃度を従来の値（例えば５％以上）よりも高くする必要がある。しかし、可燃性毒物の混入量の増加は燃料ペレットの熱伝導率が低下するなどの理由で物性上好ましくないことから、可燃性毒物の混入量に制限を設けている。また、より高い濃度の可燃性毒物を用いても、自己遮蔽効果により、可燃性毒物の濃度の増加に対して中性子吸収断面積の増大効果がほぼ飽和するため、燃焼初期の可燃性毒物の濃度差による軸方向出力分布の調整は難しい。

したがって、前述のように、燃料に混入された可燃性毒物の濃度差を利用することで軸方向出力分布を平坦化する方法が知られているものの、高燃焼度化を図った初装荷炉心の場合は特に困難である。

また、特許文献３に記載された技術の場合、軸方向出力分布を十分に平坦化することは燃料経済性の観点から困難である。即ち、炉心の上部領域におけるＨ／Ｕ比を下部領域と同程度まで大きくするには、短尺燃料棒の本数を増加させることが必要となる。しかし、短尺燃料棒の本数が増加するに伴い、燃料集合体１体当りのウラン装荷量は減少するため、燃料経済性の観点から不利である。水ロッドは炉心上部と炉心下部とで直径等の形状が異なるので、成形加工に手間がかかり、製造コストが増加するという問題もある。

上記のように、高燃焼度化に伴いウラン濃縮度およびガドリニア濃度を増加した燃料で構成する初装荷炉心において、軸方向出力分布を平坦に保つことは困難であった。

そこで、本発明は、高燃焼度化を図った沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、軸方向出力分布の平坦化を図ることを目的とする。

本発明の一態様によれば、標準長燃料棒より短い燃料棒である短尺燃料棒を有する第１群ないし第３群の燃料集合体を備える沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記第１群の燃料集合体の短尺燃料棒は基準長に等しく、前記第２群の燃料集合体は、前記基準長に等しいか、もしくは前記基準長よりも短い短尺燃料棒を少なくとも１種類具備し、前記第３群の燃料集合体は、前記基準長に等しいか、もしくは前記基準長よりも長い短尺燃料棒を少なくとも１種類具備することを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心が提供される。

本発明では、Ｈ／Ｕ比の軸方向分布が異なる複数種類の燃料集合体を組み合わせて初装荷炉心を構成する。この初装荷炉心では、軸方向出力分布が平坦になるようにＨ／Ｕ比が調整されている。各燃料集合体の有する短尺燃料棒の長さは少なくとも１種類であり、その長さには基準長と、この基準長より長いものと、この基準長より短いものとが存在する。

これにより、炉心の軸方向反応度分布を平坦化することができる。

したがって、本発明によれば、高燃焼度化のため高濃縮度のウランを用いた初装荷炉心であっても、軸方向反応度分布を平坦化し、初装荷炉心の軸方向出力分布を平坦化することができる。

本発明の実施形態に係る初装荷炉心の横断面図である。 炉心下部における燃料集合体１および制御棒５の横断面図である。 炉心下部における燃料集合体２および制御棒５の横断面図である。 炉心下部における燃料集合体３および制御棒５の横断面図である。 炉心下部における燃料集合体４および制御棒５の横断面図である。 軸方向位置に対する炉心平均Ｈ／Ｕ比を示す図である。 炉心平均軸方向出力分布を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、同一符号の構成要素の詳しい説明は繰り返さない。

本発明の実施形態に係る初装荷炉心を図１に示す。図１に示す初装荷炉心には、平均ウラン濃縮度が比較的高い燃料集合体２，３，４（高濃縮度燃料集合体）が７５％、平均ウラン濃縮度が比較的低い燃料集合体１（低濃縮度燃料集合体）が２５％の割合で装荷されている。高濃縮度燃料集合体の平均ウラン濃縮度は約４．１重量％であり、低濃縮度燃料集合体の平均ウラン濃縮度は約１．５重量％である。なお、図１に示す初装荷炉心は本発明に係る初装荷炉心の一例であり、炉心の構成はこれに限るものではない。

図１に示すように、低濃縮度燃料集合体は、燃料集合体１の１種類であるが、高濃縮度燃料集合体としては、燃料集合体２、燃料集合体３および燃料集合体４の３種類（第１群〜第３群の燃料集合体）が用いられている。図２，３，４及び５は、それぞれ燃料集合体１，２，３及び４の炉心下部における横断面図を示している。

燃料集合体１，２，３及び４はいずれも９行９列の正方格子状に配置された燃料棒と、中央付近に燃料棒７本分の位置を占める２本の水ロッド（Ｗ）とを有する。正方格子状に配置された燃料棒は、チャンネルボックス５０に囲われている。なお、水ロッドは、中央領域における中性子減速効果を高めることで燃料経済性を高めるために配置されているが、本発明に必須の構成要素ではない。

燃料棒には、通常の長さを有する「標準長燃料棒」と、標準長燃料棒よりも短い「短尺燃料棒」とが存在する。標準長燃料棒の下部および上部はそれぞれ燃料集合体の下部タイプレートおよび上部タイプレートによって固定される。一方、短尺燃料棒の下端は下部タイプレートに固定され、上端はスペーサに固定される。短尺燃料棒を配置することで、燃料集合体の上側断面における冷却材（軽水）流路の面積が増大し、圧力損失が低減される。

次に、燃料集合体１，２，３及び４の各々の具体的な構成について、図２，３，４及び５を参照しつつ説明する。

図２に示すように、燃料集合体１は、正方格子状に配置された複数の標準長燃料棒１１および複数の短尺燃料棒１２（Ｐ）をチャンネルボックス５０で囲ったものとして構成されている。標準長燃料棒１１および短尺燃料棒１２のいずれも、ウラン濃縮度の異なる燃料棒を複数種類用いて燃料集合体１を構成してもよい。

なお、以下の説明において、標準長燃料棒の有効長が２４（ノード）であるとして、燃料棒の長さを表現する。例えば、標準長燃料棒１１の長さは２４であり、短尺燃料棒１２の長さは１５である。

燃料集合体２は、図３に示すように、正方格子状に配置された複数の標準長燃料棒２１，２１Ｇおよび複数の短尺燃料棒２２（Ｐ１），２２Ｇ（Ｐ２）をチャンネルボックス５０で囲ったものとして構成されている。

標準長燃料棒２１Ｇおよび短尺燃料棒２２Ｇは、可燃性毒物であるガドリニアが混入された燃料棒であり、燃料集合体２内に計１２本配置されている。標準長燃料棒２１，２１Ｇの長さは２４であり、短尺燃料棒２２，２２Ｇの長さは１０である。なお、標準長燃料棒２１，２１Ｇおよび短尺燃料棒２２，２２Ｇのいずれも、ウラン濃縮度やガドリニア濃度の異なる燃料棒を複数種類用いて燃料集合体２を構成してもよい。

燃料集合体３は、図４に示すように、正方格子状に配置された複数の標準長燃料棒３１，３１Ｇおよび複数の短尺燃料棒３２（Ｐ１），３２Ｇ（Ｐ２）をチャンネルボックス５０で囲ったものとして構成されている。

標準長燃料棒３１Ｇおよび短尺燃料棒３２Ｇは、可燃性毒物であるガドリニアが混入された燃料棒であり、燃料集合体３内に計１３本配置されている。標準長燃料棒３１，３１Ｇの長さは２４であり、短尺燃料棒３２，３２Ｇの長さは１８である。なお、標準長燃料棒３１，３１Ｇおよび短尺燃料棒３２，３２Ｇのいずれも、ウラン濃縮度やガドリニア濃度の異なる燃料棒を複数種類用いて燃料集合体３を構成してもよい。

燃料集合体４は、図５に示すように、正方格子状に配置された複数の標準長燃料棒４１，４１Ｇおよび複数の短尺燃料棒４２（Ｐ）をチャンネルボックス５０で囲ったものとして構成されている。

標準長燃料棒４１Ｇは、可燃性毒物であるガドリニアが混入された燃料棒であり、燃料集合体４内に計１２本配置されている。標準長燃料棒４１，４１Ｇの長さは２４であり、短尺燃料棒４２の長さは１５である。なお、標準長燃料棒４１，４１Ｇおよび短尺燃料棒４２のいずれも、ウラン濃縮度やガドリニア濃度の異なる燃料棒を複数種類用いて燃料集合体４を構成してもよい。

表１は、上記燃料集合体１〜４を構成する燃料棒の長さをまとめたものである。

表１からわかるように、燃料集合体１〜４はいずれも、１種類の長さの標準長燃料棒と、１種類の長さの短尺燃料棒とから構成される。また、短尺燃料棒の長さは、燃料集合体１，４と、燃料集合体２と、燃料集合体３とでそれぞれ異なる。

燃料集合体１，４は第１群の燃料集合体であり、燃料集合体２は第２群の燃料集合体、燃料集合体３は第３群の燃料集合体である。なお、燃料集合体の種類（群）の数は３つに限定されるものではない。

また、各群の燃料集合体が備える短尺燃料棒長さは、１種類に限定されず、複数種類でもよい。

本実施形態の初装荷燃料（燃料集合体１〜４）を短尺燃料棒の長さの観点から整理すると、本実施形態の初装荷炉心は、短尺燃料棒が長さ１５となる第１の燃料集合体１，４と、短尺燃料棒が長さ１０となる第２の燃料集合体２と、短尺燃料棒が長さ１８となる第３の燃料集合体３とを有している。

すなわち、本実施形態に係る初装荷炉心は、図１に示すように、短尺燃料棒の長さが異なる燃料集合体１〜４を組み合わせて構成されている。これにより、炉心全体のＨ／Ｕ比（炉心平均Ｈ／Ｕ比）の軸方向分布を調整することができる。このことについて図６を用いて詳しく説明する。

図６は、軸方向位置に対する炉心平均Ｈ／Ｕ比を示している。実線Ａは本実施形態に係る初装荷炉心についてのものであり、破線Ｂは比較例に係る初装荷炉心（従来の初装荷炉心）についてのものである。この比較例に係る初装荷炉心は、同一の長さの短尺燃料棒を有する燃料集合体を組み合わせて構成されている。換言すると、ここにいう比較例の初装荷炉心（従来の初装荷炉心）は短尺燃料棒の長さとしては一種類のみを有するものである。

この比較例の初装荷炉心と本実施形態の初装荷炉心を対比すると、下記のようになる。すなわち、比較例の初装荷炉心は、本実施形態の初装荷炉心の燃料集合体２，３の代わりに、燃料集合体１，４の短尺燃料棒と同じ長さ（即ち１５）の短尺燃料棒を有する燃料集合体を用いたものである。炉心全体の短尺燃料棒の総数は、本実施形態に係る初装荷炉心と、比較例に係る炉心とで同一である。

図６に示すように、比較例に係る初装荷炉心の場合、炉心平均Ｈ／Ｕ比は軸方向位置１５を境に２つの値をとるが、本実施形態に係る初装荷炉心の場合、炉心平均Ｈ／Ｕ比は軸方向位置１０、１５及び１８を境に４つの値をとる。これは、比較例の場合、短尺燃料棒の長さは炉心全体を通して１種類しかないのに対し、本実施形態の場合、短尺燃料棒の長さは炉心全体を通して３種類あるためである。

このように、本実施形態では、短尺燃料棒の長さの異なる燃料集合体を組み合わせることで炉心平均Ｈ／Ｕ比の調整を行う。より具体的には、基準長Ｌ（＝１５）と同じ長さの短尺燃料棒を有する燃料集合体１，４と、基準長Ｌよりも短い短尺燃料棒を有する燃料集合体２と、基準長Ｌよりも長い短尺燃料棒を有する燃料集合体３とを組み合わせて初装荷炉心を構成する。

本実施形態による初装荷炉心において、長さ１５の短尺燃料棒１２，４２は炉心の軸方向下部から中部までをカバーし、長さ１０の短尺燃料棒２２，２２Ｇは炉心の軸方向下部をカバーし、長さ１８の短尺燃料棒３２，３２Ｇは炉心の軸方向下部から上部までをカバーする。このように、炉心下部をカバーする長さの短尺燃料棒と、炉心上部までをカバーする長さの短尺燃料棒とを用いることで、炉心の軸方向反応度分布を平坦化することができる。

上述のように、本実施形態では、所定の基準長を有する短尺燃料棒と、基準長よりも短い短尺燃料棒と、基準長よりも長い短尺燃料棒を用いている。

図７は、初装荷炉心の第１サイクル初期における、軸方向位置に対する炉心平均軸方向出力を示している。実線Ａおよび破線Ｂの下の面積（総出力）は同じである。

図７からわかるように、本実施形態に係る初装荷炉心（実線Ａ）では、炉心下部の出力が比較例に係る初装荷炉心（破線Ｂ）よりも抑制されており、かつ炉心上部の出力が比較例に係る初装荷炉心よりも大きくなっている。

すなわち、本願発明は基準長の短尺燃料棒を中心として、基準長より短い短尺燃料棒を有することにより、冷却材が液相で高出力となる炉心下部では出力を下げ、かつ、基準長より長い短尺燃料棒を有することにより、冷却材がボイドを含んで出力が低下する炉心上部では出力を上げ、この結果、図７の実線Ａに示すように、軸方向出力分布を平坦化することができる。基準長より短い短尺燃料棒と基準長より長い短尺燃料棒の長さと数は、図７において、炉心下部で出力を下げた分と、炉心の上部で出力を上げた分が等しくなるように調整することができる。

また、短尺燃料棒の一部にガドリニアなどの可燃性毒物を用いることで、より適切な出力分布調整が可能である。

上記実施形態の説明では、低濃縮度燃料集合体は１種類であり、高濃縮度燃料集合体は３種類であったが、本発明はこれに限らない。また、短尺燃料棒の位置および本数は上記の実施形態のものに限られない。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１，２，３，４ 燃料集合体
５ 制御棒
１１，２１，３１，４１ 標準長燃料棒
２１Ｇ，３１Ｇ，４１Ｇ 標準長燃料棒（Ｇｄを含む）
１２，２２，３２，４２ 短尺燃料棒
２２Ｇ，３２Ｇ 短尺燃料棒（Ｇｄを含む）
５０ チャンネルボックス
Ｐ，Ｐ１ 短尺燃料棒
Ｐ２ 短尺燃料棒（Ｇｄを含む）
Ｗ 水ロッド

Claims (2)

1. 標準長燃料棒より短い燃料棒である短尺燃料棒を有する第１群ないし第３群の燃料集合体を備える沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、
   前記第１群の燃料集合体の短尺燃料棒は基準長に等しく、前記第２群の燃料集合体は、前記基準長に等しいか、もしくは前記基準長よりも短い短尺燃料棒を少なくとも１種類具備し、前記第３群の燃料集合体は、前記基準長に等しいか、もしくは前記基準長よりも長い短尺燃料棒を少なくとも１種類具備することを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
2. 前記第１群ないし第３群の燃料集合体の有する短尺燃料棒のうち少なくとも一部には可燃性毒物が混入されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。

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