JP2013140076A

JP2013140076A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体

Info

Publication number: JP2013140076A
Application number: JP2012000242A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Matsumoto; 一寿松本; Hirohisa Kaneko; 浩久金子
Original assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Current assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2013-07-18

Abstract

【課題】沸騰水型原子炉用燃料集合体に端部領域を設定した場合でも、熱的余裕を確保しながら高燃焼度化や長期サイクル化のために核分裂性物質の濃度を増加させる。
【解決手段】燃料集合体の各燃料有効部の上端または下端の少なくとも一方に配された端部領域の横断面平均核分裂性物質濃度は３．０ｗｔ％以下である。燃料集合体における最外周に配された燃料棒の中ですべてのコーナー部のコーナー燃料棒およびこれらのコーナー燃料棒に隣接する燃料棒を含む選択燃料棒それぞれにおいて、端部領域のうち少なくとも一つにおける核分裂性物質濃度が該燃料棒内の核分裂性物質濃度分布において最大である。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。

従来の沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、燃料有効部の上端と下端に天然ウランブランケットを有し、中性子の漏えいを少なくすることにより燃料経済性の向上を図っている。今後の燃料の高燃焼度化や長期サイクル化のためには燃料のウラン濃縮度を増加する必要があるが、天然ウランブランケットを有したまま燃料集合体の平均ウラン濃縮度を上げようとすると、天然ウランブランケット部以外の領域でウランの濃縮度を高くする必要がある。この結果、炉心中央部の出力が高くなり、炉心中央部の軸方向出力ピーキング（軸方向最大出力／軸方向平均出力）が増加し、高燃焼度化燃料の熱的余裕を確保する上で厳しい状況となっている。

従って、従来の燃料集合体よりも燃料集合体の平均ウラン濃縮度を上げる場合は、燃料有効部の上端と下端の少なくとも一方の天然ウランブランケットを削除し、濃縮度を上げた領域とする方が経済性はよくなると考えられる。

特許文献１では、この課題に関連する技術が開示されている。

特許第３２６２０２２号公報

特許文献１では、天然ウランブランケットの配置を、燃料有効部の上下端からそれぞれ燃料有効部長さの１／２４としている。一方、従来の沸騰水型原子炉用の燃料集合体では、天然ウランブランケットを、燃料有効部の上端から燃料有効部長さの２／２４、燃料有効部の下端から燃料有効部長さの１／２４の端部領域に配しており、このような燃料集合体には適用できない。

そこで、本発明は、従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体と同様の区分位置に端部領域を設定した場合でも、熱的余裕を確保しながら高燃焼度化や長期サイクル化のために核分裂性物質の平均濃度を増加させることができることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、正方格子状に束ねた複数の鉛直方向に延びる燃料棒および少なくとも１本の鉛直方向に延びる水ロッドを有する燃料集合体において、核分裂性物質を含み可燃性毒物を含まない複数の第１燃料棒と、核分裂性物質および可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒と、を有し、前記第１燃料棒と前記第２燃料棒の各燃料有効部の上端または下端の少なくとも一方に配された端部領域の横断面平均核分裂性物質濃度はいずれも３．０ｗｔ％以下であり、該燃料集合体における最外周に配された燃料棒の中で少なくともすべてのコーナー部のコーナー燃料棒およびこれらのコーナー燃料棒に隣接する燃料棒を含む複数の選択燃料棒それぞれにおいて、前記端部領域のうち少なくとも一つにおける核分裂性物質濃度が該燃料棒内の核分裂性物質濃度分布において最大である、ことを特徴とする。

本発明によれば、従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体と同様の区分位置に端部領域を設定した場合でも、熱的余裕を確保しながら高燃焼度化や長期サイクル化のために核分裂性物質の平均濃度を増加させることができる。

本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施形態における燃料棒の配置を示す横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施形態における各燃料棒の長さ方向の核分裂性物質の濃度分布を示す説明図である。本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第２の実施形態における燃料棒の配置を示す横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第２の実施形態における各燃料棒の長さ方向の核分裂性物質の濃度分布を示す説明図である。本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第３の実施形態における燃料棒の配置を示す横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第３の実施形態における各燃料棒の長さ方向の核分裂性物質の濃度分布を示す説明図である。従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体における横断面の一部における出力分布図である。

以下、図面を参照して本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の実施形態について説明する。ここで、同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施形態における燃料棒の配置を示す横断面図である。

図では９行９列に配置した燃料集合体１０を示している。燃料集合体１０は、正方格子状に束ねられ鉛直方向に延びる複数の要素を有する。要素としては、図中の数字１〜４で示すガドリニアを含まない燃料棒２０、符号Ｐで示す短尺燃料棒３０、符号Ｇで示すガドリニアを含むガドリニア入り燃料棒４０、および中央部に配設された符号Ｗで示す水ロッド５０がある。

これらの要素は、図示しない上部タイプレートおよび下部タイプレートによって結束されている。燃料集合体１０の外周は、横断面がほぼ正方形の四角筒状のチャンネルボックス６０で覆われている。チャンネルボックス６０の外側には水ギャップ８０が形成される。この水ギャップ８０内に、横断面が十字状の制御棒７０が上下方向に移動可能に配置される。

これらの要素は、燃料集合体１０の間に配設された制御棒７０との相対関係において、制御棒７０の中心軸と、これと反対側のチャンネルボックス６０の角部とを結ぶ面Ａ−Ａを対称面として、水ロッド５０をはじめ、各要素が面対称に配置されている。

外周から２層目には、燃料有効部の１３／２４の長さの８本の短尺燃料棒３０を配している。また、ガドリニア入り燃料棒４０の本数は１６本である。図１に示す数字１〜４でそれぞれ表示する燃料棒２０のＮｏ．１〜Ｎｏ．４は、長さ方向の核分裂性物質の濃度分布が異なる。

図２は、本実施形態における各燃料棒の長さ方向の核分裂性物質の濃度分布を示す説明図である。燃料有効部長さの２／２４にあたる上端側領域、燃料有効部長さの１／２４にあたる下端側領域およびこれらを除いた中央部領域に分けて、それぞれの核分裂性物質の濃度を表示している。

燃料棒２０のＮｏ．３およびＮｏ．４の上端側領域２１および下端側領域２２、およびガドリニア入り燃料棒４０の上端側領域４１および下端側領域４２は天然ウランである。一方、燃料棒２０のＮｏ．１およびＮｏ．２については、上端側領域２１および下端側領域２２は核分裂性物質の濃度が４．９％である。核分裂性物質の濃度は、燃料棒２０のＮｏ．１の中央部が２．８ｗｔ％、燃料棒２０のＮｏ．２の中央部が３．９ｗｔ％であり、燃料棒２０のＮｏ．１において上端領域および下端領域の核分裂性物質の濃度が最大である。また、燃料棒２０のＮｏ．２においても同様に上端領域および下端領域の核分裂性物質の濃度が最大である。

図７は、従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体における横断面の一部における出力分布図である。

Ｎ１と表示した最外列の出力分布を実線で、また、Ｎ２と表示した第２列の出力分布を破線で示している。最外列および第２列ともに両端側の出力が高い。また、前記の対称性から、最外列の左から２番目に位置する燃料棒と、第２列の最も左に位置する燃料棒とは、同一の出力である。このように、最外列の出力分布は第２列の出力分布より高い。

これは、チャンネルボックス６０外側に存在する沸騰しない水の領域である水ギャップ８０において中性子の減速効果が大きいことによる。

従って、上端領域または下端領域の核分裂性物質の濃度を上げることにより燃料集合体の出力を上げる上で、最外列の核分裂性物質の濃度を上げることが最も効果的である。この効果は、特にコーナー燃料棒において最大となる。

従って、本実施形態に示すように、コーナー部に燃料棒Ｎｏ．１、その隣接部にＮｏ．２の燃料部を配することにより、効率的に核分裂性物質の濃度を上げた効果が得られる。

貯蔵中の燃料集合体の未臨界度を確保するため、燃料集合体の各横断面の冷温時中性子無限増倍率は１．３を上限に定められているが、水対燃料比が３程度の燃料について、可燃性毒物を含まない領域の平均濃度が３ｗｔ％以下であれば無限増倍率は１．３以下の条件を満たすことができることが、特許文献１に示されている。

本実施形態による燃料集合体１０においては、燃料有効部の上端部および下端部の核分裂性物質の横断面平均濃度は約１．５ｗｔ％であり，未臨界性の条件の３ｗｔ％を満足している。

このように構成された燃料集合体１０は、中央部の核分裂性物質濃度とともに燃料有効部の上端部および下端部の核分裂性物質濃度も増加させている。これにより、天然ウランブランケットを保持したまま燃料集合体１０の核分裂性物質の平均濃度を同じだけ増加させたケースに比べると炉心の軸方向出力ピーキング係数が小さくなり熱的特性も良くなる。

以上のように構成された本実施形態により、従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体と同様の区分位置に端部領域を設定した場合でも、熱的余裕を確保しながら高燃焼度化や長期サイクル化のために核分裂性物質の平均濃度を増加させることができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第２の実施形態における燃料棒の配置を示す横断面図である。本実施形態では、燃料棒２０は図３の数字１〜５で表示した５種類を有している。ここで、これらを、それぞれＮｏ．１〜Ｎｏ．５と呼ぶ。燃料棒２０のＮｏ．１〜Ｎｏ．５は長さ方向の核分裂性物質の濃度分布が異なる。燃料棒２０以外の要素の配列は第１の実施形態と同様である。

また、図４は、本実施形態における各燃料棒の長さ方向の核分裂性物質の濃度分布を示す説明図である。燃料棒２０のうちＮｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３およびＮｏ．５の下端領域の核分裂性物質の濃度が天然ウランより大きく、かつ、それぞれの長手方向の濃度分布において最大となっている。なお、Ｎｏ．５では、中央領域と下端領域の濃度が等しいがこれも下端は最大であるということができる。

コーナー部に燃料棒２０のＮｏ．１を、また、その隣接部に燃料棒２０のＮｏ．２を配設している。また、燃料棒２０のＮｏ．５を、各辺の中央３か所に配設し、Ｎｏ．３をそれ以外の外周部に配設している。

本実施形態においては、下端領域の平均核分裂性物質の濃度は、約２．７ｗｔ％であって３ｗｔ％未満であり、前記の未臨界性の条件を同様に満たしている。

［第３の実施形態］
図５は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第３の実施形態における燃料棒の配置を示す横断面図である。

本実施形態においては、Ｇ１およびＧ２で表示した２種類のガドリニア入り燃料棒４０がある。このうち、ガドリニア入り燃料棒４０のＧ１がコーナー部に配設されている。

図６は、本実施形態における各燃料棒の長さ方向の核分裂性物質の濃度分布を示す説明図である。

ガドリニア入り燃料棒４０のＧ２は上端領域４１および下端領域４２ともに天然ウランであり、ガドリニア入り燃料棒４０のＧ１は上端領域４１は天然ウランであるが下端領域４２は核分裂性物質の濃度が４．９ｗｔ％である。これは、ガドリニア入り燃料棒４０のＧ１の長手方向の核分裂性物質の濃度分布において最大である。

また、燃料棒２０のＮｏ．３の上端領域および下端領域はともに天然ウランであるが、燃料棒２０のＮｏ．１、Ｎｏ．２およびＮｏ．４の下端領域２２の核分裂性物質の濃度は、４．９ｗｔ％であり、この値はそれぞれの長手方向の核分裂性物質の濃度分布において最大である。

また、ガドリニア入り燃料棒４０のＧ１は下端領域４２もガドリニアを２ｗｔ％含んでおり、未臨界度条件に十分な余裕を有している。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

例えば、本実施形態では、燃料有効部の上端領域および下端領域の長さを、それぞれ従来の燃料集合体における天然ウランブランケット部の長さである燃料有効部の上端から燃料有効部長さの２／２４、燃料有効部の下端から燃料有効部長さの１／２４とした例について示している。しかしながら、同様の手法により、この長さの場合に限定されずに本発明を適用することができる。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０・・・燃料集合体
２０・・・燃料棒
２１・・・燃料棒上部領域（端部領域）
２２・・・燃料棒下部領域（端部領域）
３０・・・短尺燃料棒
４０・・・ガドリニア入り燃料棒
４１・・・ガドリニア入り燃料棒上部領域（端部領域）
４２・・・ガドリニア入り燃料棒下部領域（端部領域）
５０・・・水ロッド
６０・・・チャンネルボックス
７０・・・制御棒
８０・・・水ギャップ

Claims

正方格子状に束ねた複数の鉛直方向に延びる燃料棒および少なくとも１本の鉛直方向に延びる水ロッドを有する燃料集合体において、
核分裂性物質を含み可燃性毒物を含まない複数の第１燃料棒と、
核分裂性物質および可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒と、
を有し、
前記第１燃料棒と前記第２燃料棒の各燃料有効部の上端または下端の少なくとも一方に配された端部領域の横断面平均核分裂性物質濃度はいずれも３．０ｗｔ％以下であり、
該燃料集合体における最外周に配された燃料棒の中で少なくともすべてのコーナー部のコーナー燃料棒およびこれらのコーナー燃料棒に隣接する燃料棒を含む複数の選択燃料棒それぞれにおいて、前記端部領域のうち少なくとも一つにおける核分裂性物質濃度が該燃料棒内の核分裂性物質濃度分布において最大である、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
前記選択燃料棒は、外周部の全燃料棒である、ことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
前記選択燃料棒の少なくとも一部は、前記端部領域に可燃性毒物を含む、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
前記端部領域には、天然ウランペレットが含まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。