JP2013217678A - Fuel assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、沸騰水型原子炉(BWR;Boiling Water Reactor)に装荷される燃料集合体に関し、特に、ウランとプルトニウムの混合酸化物であるMOX燃料を備えた燃料集合体に関する。 The present invention relates to a fuel assembly loaded in a boiling water reactor (BWR), and more particularly, to a fuel assembly including a MOX fuel that is a mixed oxide of uranium and plutonium.
MOX燃料集合体において、燃焼初期の軸方向出力分布を平坦化することにより炉心の熱的特性を向上させるとともに、制御棒価値の低下を抑制し炉停止余裕の低下を防止しつつ、富化度分布を単純化してMOX燃料棒の種類数を減らすことができる燃料集合体を提供するために、燃料有効長が相対的に長い長尺燃料棒と、この長尺燃料棒よりも燃料有効長が短い短尺燃料棒とを9行9列以上の正方格子状に配列した燃料集合体において、前記長尺燃料棒は、ウランとプルトニウムの混合酸化物であるMOX燃料が充填された第1長尺燃料棒と、可燃性吸収材を添加しないウラン燃料が充填された第2長尺燃料棒と、可燃性吸収材を添加したウラン燃料が充填された第3長尺燃料棒とを備え、前記短尺燃料棒に、可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填したものがある(特許文献1参照)。 In the MOX fuel assembly, the axial power distribution at the beginning of combustion is flattened to improve the thermal characteristics of the core, while reducing the control rod value and preventing the reactor shutdown margin from decreasing. In order to provide a fuel assembly capable of simplifying the distribution and reducing the number of types of MOX fuel rods, a long fuel rod having a relatively long active fuel length and a fuel active length longer than that of the long fuel rod In a fuel assembly in which short short fuel rods are arranged in a square grid of 9 rows and 9 columns, the long fuel rods are first long fuels filled with MOX fuel, which is a mixed oxide of uranium and plutonium. And a second long fuel rod filled with uranium fuel to which no flammable absorbent is added, and a third long fuel rod filled with uranium fuel to which a flammable absorbent is added, the short fuel Back with flammable absorbent added to the rod There is filled with fuel (see Patent Document 1).
ところで、燃料集合体において、近年、原子力発電の経済性向上のために、燃料の高燃焼度化が進められている。原子炉に装荷される燃料の経済性を向上させるためには、できるだけ原子炉内に装荷される期間を長くして燃焼度を増加させることが必要となる。また、燃料集合体に含まれる核燃料物質が多いほど、燃料集合体の燃焼度は増加することになるため、燃料集合体に含まれる核分裂性物質を増加させること、すなわち、燃料物質の平均濃度を増加することが行われてきた。 By the way, in the fuel assembly, recently, in order to improve the economic efficiency of nuclear power generation, the degree of burnup of fuel has been increased. In order to improve the economic efficiency of the fuel loaded in the nuclear reactor, it is necessary to increase the burnup by extending the period of loading in the nuclear reactor as much as possible. Also, the more nuclear fuel material contained in the fuel assembly, the more the burnup of the fuel assembly will increase. Therefore, increasing the fissile material contained in the fuel assembly, that is, increasing the average concentration of the fuel material. An increase has been made.
この高燃焼度化に伴って燃料の反応度が増大するため、反応度の増加を抑制するために可燃性吸収材を混入する燃料棒の本数や可燃性吸収材量が増加する傾向になる。また、燃料集合体の核分裂性物質の平均濃縮度の増加に伴って、燃焼初期における反応度が増加するため、炉停止余裕および熱的余裕を確保するために、可燃性吸収材を含有する燃料棒の装荷割合も増加する傾向がある。 As the degree of burnup increases, the reactivity of the fuel increases, so that the number of fuel rods and the amount of the flammable absorbent mixed with the flammable absorbent in order to suppress the increase in reactivity tend to increase. In addition, as the average enrichment of the fissile material in the fuel assembly increases, the reactivity at the initial stage of combustion increases, so that a fuel containing a combustible absorbent is ensured in order to ensure a furnace shutdown margin and a thermal margin. The loading ratio of the rods also tends to increase.
ここで、MOX燃料集合体の場合、濃縮ウラン燃料棒にのみガドリニア等の可燃性吸収材を混入することを考えると、可燃性吸収材を混入した燃料棒の本数が増加することはウラン使用量が増加することになる。このため、一燃料集合体あたりのウラン使用量を少なくする観点から、ガドリニア燃料棒のウラン濃縮度はできるだけ小さくすることが望まれる。また、濃縮度分布およびガドリニア濃度分布を軸方向に分布させると燃料の成形が複雑になり、製造コストの上昇を招くことになる。このため、ガドリニアを含有したウラン燃料棒のウラン濃縮度およびガドリニア濃度は、種類を軸方向にできるだけ少なくすることが望ましい。 Here, in the case of MOX fuel assemblies, considering that flammable absorbents such as gadolinia are mixed only in enriched uranium fuel rods, the increase in the number of fuel rods mixed with flammable absorbents is the amount of uranium used. Will increase. For this reason, from the viewpoint of reducing the amount of uranium used per fuel assembly, it is desirable to reduce the uranium enrichment of the gadolinia fuel rods as much as possible. In addition, when the enrichment distribution and the gadolinia concentration distribution are distributed in the axial direction, the molding of the fuel becomes complicated and the manufacturing cost increases. For this reason, it is desirable that the uranium enrichment and gadolinia concentration of the uranium fuel rod containing gadolinia be as small as possible in the axial direction.
このようなMOX燃料特有のニーズを踏まえると、MOX燃料集合体では可燃性吸収材が添加されたウラン燃料棒の配置について最適化を図る必要がある。 In view of such needs specific to MOX fuel, it is necessary to optimize the arrangement of uranium fuel rods to which a combustible absorbent is added in the MOX fuel assembly.
ここで、燃料の平均取出燃焼度Eは、バッチ数N、運転期間Tおよび燃料装荷量Mに依存しており、これらの間には、次の関係がある。
E∝N*T/M
よって、燃料の経済性を向上させるには、バッチ数Nが大きい(新燃料体数が少ない)方がよいものの、運転期間Tを長くするとバッチ数Nは小さく(新燃料体数が多く)なる方向にある。また、バッチ数Nが小さくなると、炉心内における燃料の燃焼度のばらつきが少なくなり、同傾向の燃焼変化を行う燃料体の数が増加する。このため、軸方向の出力分布が厳しくなり、サイクル初期からサイクル中期において炉心出力分布が下方に歪む傾向が生じる。
Here, the average fuel removal degree E depends on the number of batches N, the operation period T, and the fuel loading amount M, and there is the following relationship among them.
E∝N * T / M
Therefore, in order to improve the fuel economy, it is better that the batch number N is large (the number of new fuel bodies is small), but if the operation period T is lengthened, the batch number N is small (the number of new fuel bodies is large). In the direction. Further, when the batch number N is small, the variation in the burnup of fuel in the core is reduced, and the number of fuel bodies that perform combustion changes in the same tendency is increased. For this reason, the power distribution in the axial direction becomes severe, and the core power distribution tends to be distorted downward from the initial cycle to the middle cycle.
MOX燃料の場合、燃料の経済性を向上させるには、ガドリニア添加ウラン燃料棒のウラン濃縮度を低下させるかウラン濃度の低い天然ウラン等を使用し、その分、MOX燃料棒のPu富化度を増加させてPuの利用率を高めることが図られている。このため、ガドリニア添加ウラン燃料棒の出力が低下してMOX燃料棒の出力が増加することから燃料集合体の局所出力ピーキングが増加する。 In the case of MOX fuel, in order to improve the fuel economy, the uranium enrichment of gadolinia-added uranium fuel rods is reduced or natural uranium with a low uranium concentration is used. To increase the utilization rate of Pu. For this reason, since the output of the gadolinia-added uranium fuel rod is reduced and the output of the MOX fuel rod is increased, the local output peaking of the fuel assembly is increased.
このため、ガドリニア添加ウラン燃料棒において、天然ウラン等を使用すると共に運転サイクル期間を長期化させることは、軸方向出力ピーキングや局所出力ピーキングが増加することになり、炉心の熱的余裕が低下するという問題があった。 For this reason, in the gadolinia-added uranium fuel rod, using natural uranium and extending the operation cycle period increases axial power peaking and local power peaking, which decreases the thermal margin of the core. There was a problem.
特許文献1では、短尺燃料棒にガドリニア等の可燃性吸収材を添加することによりサイクル初期の軸方向出力分布を平坦化しているものの、運転サイクル期間を通じての出力分布平坦化を達成することはできない。
In
本発明は、運転サイクル期間を通じて軸方向出力分布を平坦化し、炉心の熱的余裕を改善することができる燃料集合体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel assembly capable of flattening an axial power distribution throughout an operation cycle period and improving a thermal margin of a core.
上記目的を達成するために、第1の発明は、燃料有効長が長い第1および第2長尺燃料棒と、これらの長尺燃料棒よりも燃料有効長が短い第1および第2短尺燃料棒とを、9行9列以上の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体であって、ウランとプルトニウムの混合酸化物であるMOX燃料を充填した第1長尺燃料棒と、前記短尺燃料棒と同じ長さの領域において少なくとも2以上に分けられ、下部側領域に可燃性吸収材の濃度が上部側領域のそれよりも高い可燃性吸収材が添加されたウラン燃料を充填した第2長尺燃料棒と、燃料有効長全体に可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填した第1短尺燃料棒と、その燃料有効長軸方向の下部側領域に可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填し、上部側領域に可燃性吸収材を添加していないウラン燃料を充填した第2短尺燃料棒とを備え、前記第1短尺燃料棒および前記第2短尺燃料棒に添加した前記可燃性吸収材の濃度が、前記第2長尺燃料棒に添加した前記可燃性吸収材の濃度の最小値以下である。 In order to achieve the above object, the first invention provides first and second long fuel rods having a long effective fuel length, and first and second short fuels having a shorter effective fuel length than these long fuel rods. A fuel assembly for a boiling water reactor in which rods are arranged in a square grid of 9 rows and 9 columns, and is a first long fuel rod filled with MOX fuel, which is a mixed oxide of uranium and plutonium And a uranium fuel that is divided into at least two or more in a region having the same length as the short fuel rod, and in which a combustible absorbent having a higher concentration of combustible absorbent than that in the upper region is added to the lower region. A filled second long fuel rod, a first short fuel rod filled with uranium fuel with a combustible absorbent added to the entire effective fuel length, and a combustible absorbent in the lower region of the effective fuel longitudinal axis. Fill with the added uranium fuel and add a flammable absorbent in the upper region A second short fuel rod filled with uranium fuel that has not been added, and the concentration of the combustible absorbent added to the first short fuel rod and the second short fuel rod is the second long fuel rod. It is below the minimum value of the concentration of the combustible absorbent added to the above.
また第2の発明は、第1の発明において、前記短尺燃料棒よりも長い領域において少なくとも2以上に分けられ、上部側領域に可燃性吸収材の濃度が下部側領域のそれよりも低い可燃性吸収材が添加されたウラン燃料を充填した第3長尺燃料棒を更に備えた。 Further, the second invention is the flammability of the first invention, which is divided into at least two in a region longer than the short fuel rod, and the concentration of the combustible absorbent is lower in the upper region than in the lower region. A third elongate fuel rod filled with uranium fuel to which an absorbent material was added was further provided.
また第3の発明は、第1または第2の発明において、前記長尺燃料棒および前記短尺燃料棒におけるウラン燃料は、その母材が、天然ウラン、劣化ウラン、回収ウランのいずれかである。 According to a third invention, in the first or second invention, the uranium fuel in the long fuel rods and the short fuel rods has a base material of natural uranium, deteriorated uranium, or recovered uranium.
本発明の燃料集合体によれば、運転サイクル期間を通じて軸方向出力分布を平坦化し、炉心の熱的余裕を改善することができ、よってMOX燃料集合体で長期運転およびPu装荷量増大を図ることができる。 According to the fuel assembly of the present invention, the axial power distribution can be flattened throughout the operation cycle period, and the thermal margin of the core can be improved. Therefore, the MOX fuel assembly can be operated for a long time and the Pu load can be increased. Can do.
以下に本発明の燃料集合体の実施形態を、図面を用いて説明する。 Embodiments of a fuel assembly according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
本発明の燃料集合体の第1の実施形態を、図1乃至図10を用いて説明する。
まず燃料集合体の一例を図1〜3を用いて説明する。なお、図1は、MOX燃料集合体を一部破断して示す正面図、図2は図1におけるA−A矢視断面図、図3は図1におけるB−B矢視断面図である。
<First Embodiment>
A first embodiment of a fuel assembly according to the present invention will be described with reference to FIGS.
First, an example of the fuel assembly will be described with reference to FIGS. 1 is a partially cutaway front view of the MOX fuel assembly, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
図1−3において、燃料集合体1は、長尺燃料棒2、短尺燃料棒3、上部タイプレート4、下部タイプレート5、ウォータロッド6、チャンネルボックス7、スペーサ8等により概略構成されている。
1-3, the
この燃料集合体1は、燃料有効長が相対的に長い通常の長尺燃料棒2と、この長尺燃料棒2よりも燃料有効長が短く上部領域の燃料を欠如させた短尺燃料棒3と、大径のウォータロッド6とを、軸方向に配置した複数のスペーサ8で燃料棒間の間隔を保持して9行9列の正方格子状に束ねている。束ねられた複数の燃料棒2,3のうち、長尺燃料棒2は外部スプリング9と共に上部タイプレート4と下部タイプレート5で固定されており、短尺燃料棒3は下部タイプレート5に固定されている。またこの束ねた燃料棒2,3の周囲をチャンネルボックス7で包囲している。
2本のウォータロッド6は断面が円形で、燃料棒2,3よりも径が大きく、燃料集合体1の中央部の燃料棒が7本配置可能な領域に対角線上に配置されている。また、チャンネルボックス7の隣り合う2辺には、断面が十字形をした制御棒10が近接するように配置されている。そして、制御棒10や図示されていない中性子検出器計装管を配置するために、チャンネルボックス7の外部は各燃料集合体間の間隔が拡げられており、周囲は冷却水で満たされている。冷却水はチャンネルボックス7内外を図1下方より上方に向かって流れている。
This
The two
次に、長尺燃料棒2および短尺燃料棒3の構成の詳細について、図4および図5を用いて説明する。
図4は本発明に係る燃料集合体の第1の実施形態の燃料棒の配置を示す横断面図、図5はガドリニア添加ウラン燃料棒のガドリニア濃度分布を示す図である。
Next, details of the configuration of the
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the arrangement of the fuel rods of the first embodiment of the fuel assembly according to the present invention, and FIG. 5 is a diagram showing the gadolinia concentration distribution of the gadolinia-added uranium fuel rods.
図4および図5に示すように、燃料集合体1における長尺燃料棒2は、第1長尺燃料棒としてウランとプルトニウムの混合酸化物であるMOX燃料が充填された長尺MOX燃料棒11と、第2長尺燃料棒として可燃性吸収材にガドリニアが添加されたウラン燃料が充填された長尺ウラン燃料棒(長尺Gd燃料棒)12と、第3長尺燃料棒として可燃性吸収材にガドリニアが添加されたウラン燃料が充填された長尺ウラン燃料棒(長尺Gd燃料棒)13とを有している。長尺燃料棒2は、第1長尺燃料棒11が52本、第2長尺燃料棒12が8本、第3長尺燃料棒13が6本となっている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
短尺燃料棒3は、第1短尺燃料棒として可燃性吸収材にガドリニアが添加されたウラン燃料が充填された短尺ウラン燃料棒(短尺Gd燃料棒)14と、第2短尺燃料棒として可燃性吸収材にガドリニアが添加されたウラン燃料が充填された短尺ウラン燃料棒(短尺Gd燃料棒)15と、第3短尺燃料棒としてウランとプルトニウムの混合酸化物であるMOX燃料が充填された短尺MOX燃料棒16とからなる。ここで、短尺燃料棒3は、正方格子状配列の最外周から2層目のコーナおよび各辺の中央に8本配置されており、第1短尺燃料棒14および第2短尺燃料棒15はそれぞれ2本、第3短尺燃料棒16は4本となっている。
The
また、長尺Gd燃料棒12,13および短尺Gd燃料棒14,15のウラン燃料には、ウラン母材として天然ウランが使用されており、天然ウランに可燃性吸収材としてガドリニアを添加し、この混合物を焼結したペレットが充填されている。
Natural uranium is used as the uranium base material for the uranium fuel of the long
燃料集合体1内は、図5に示すように、短尺燃料棒3の燃料有効長の上端を境界として、上側の上部領域「B」と下側の下部領域「C」とに分けられる。このうち、本実施形態の燃料集合体のガドリニア濃度分布について以下説明する。
As shown in FIG. 5, the
図5に示すように、第2長尺燃料棒12は、短尺燃料棒3の燃料有効長の長さと同じ長さの下部領域「C」が軸方向に2種類のガドリニア濃度e、cとなっており、上部領域「B」は下部領域「C」のガドリニア濃度e、cとは異なる濃度bとなっている。また、第3長尺燃料棒13は、下部領域「C」で一様のガドリニア濃度cとなっており、上部領域「B」は下部領域「C」のガドリニア濃度cとは異なる濃度bとなっている。ここで、長尺Gd燃料棒12,13におけるガドリニア濃度b、c、eは、軸方向下部ほど高くなっており、b<c<eの関係を満たしている。
As shown in FIG. 5, in the second
また、第1短尺燃料棒14は、下部領域「C」において一様のガドリニア濃度dとなっている。また、第2短尺燃料棒15は、下部領域「C」において、軸方向の上から、ガドリニアが添加されていない天然ウラン領域fと、ガドリニアが添加された天然ウラン領域dとを有している。ここで、この短尺Gd燃料棒14,15におけるガドリニア濃度dは、長尺Gd燃料棒12,13におけるガドリニア濃度b、c、eのうちの最小値bより小さくなっており、ガドリニア濃度dはd<bの関係を満たしている。
Further, the first
なお、長尺MOX燃料棒11および短尺MOX燃料棒16は、Pu富化度aが実際には4種類に分かれており、軸方向に分布しているが、本実施形態においてはその詳細は省略する。
The long
また、図5中の領域fは、ガドリニアが添加されていない天然ウラン燃料のみから構成される領域を示しており、長尺Gd燃料棒12,13および短尺Gd燃料棒14,15において、中性子の漏れを抑制する効果を有している。
A region f in FIG. 5 shows a region composed of only natural uranium fuel to which no gadolinia is added. In the long
図4において、燃料集合体1における第2長尺燃料棒12は、9行9列の正方格子状配列の2層目コーナ部に配置された短尺Gd燃料棒14,15に隣接した位置に8本配置される。また第3長尺燃料棒13は、正方格子状配列のうち、中央領域に配置された水ロッド6に隣接した位置に6本配置される。
第1短尺燃料棒14は、制御棒10側および反制御棒側(制御棒10から遠い側)の位置に2本配置される。また第2短尺燃料棒15は、正方格子状配列の2層目コーナ部に2本配置される。なお、短尺MOX燃料棒16は、正方格子状配列の最外周から2層目の各辺の中央に4本配置される。そして残りの位置に第1長尺燃料棒11が配置される。
In FIG. 4, the second
Two first
通常、MOX燃料では、Pu利用率を高めるため、MOX燃料棒のPu富化度を上げてガドリニア添加ウラン燃料棒のウラン濃縮度を低減することが有効であるが、これではガドリニア添加ウラン燃料棒の出力が低下してMOX燃料棒の出力が増加してしまい、燃料集合体の局所出力ピーキングが増加する傾向となり、熱的余裕が悪化する要因となる。 Normally, in MOX fuel, it is effective to increase the Pu enrichment of MOX fuel rods and reduce the uranium enrichment of gadolinia-added uranium fuel rods in order to increase the Pu utilization rate. As a result, the output of the MOX fuel rods increases and the local output peaking of the fuel assembly tends to increase, which causes the thermal margin to deteriorate.
ここで、図6に、ガドリニア添加ウラン燃料棒のガドリニア濃度やガドリニア燃料棒本数と反応度(無限増倍率)との関係の燃焼度依存性について示す。 Here, FIG. 6 shows the burnup dependence of the relationship between the gadolinia concentration of gadolinia-added uranium fuel rods and the number of gadolinia fuel rods and the reactivity (infinite multiplication factor).
図6中、(1)はガドリニア燃料棒におけるガドリニア濃度およびガドリニア燃料棒本数が平均的な場合、(2)はガドリニア燃料棒本数が平均的でガドリニア濃度が平均より濃い場合(図中(2)+で示す)と薄い場合(図中(2)−で示す)、(3)はガドリニア燃料棒におけるガドリニア濃度が平均的で本数が平均より多い場合(図中(3)+で示す)と少ない場合(図中(3)−で示す)、(4)はガドリニア燃料棒におけるガドリニア濃度が平均より濃く本数も多い場合、(5)はガドリニア燃料棒がない場合、の燃焼度に対する無限増倍率(k∞)の関係をそれぞれ示している。横軸には燃焼度を、縦軸には無限増倍率を取っている。 6, (1) is when the gadolinia concentration and the number of gadolinia fuel rods in the gadolinia fuel rods are average, and (2) is when the number of gadolinia fuel rods is average and the gadolinia concentration is higher than the average ((2) in the figure). If + indicated by) and thin (in the figure (2) - indicated by), (3) if gadolinia concentration is higher than the average mean a number (in Fig. (3 in gadolinia fuel rods) less and indicated by +) If (in the figure (3) - indicated by), 4 if gadolinia concentration in the gadolinia fuel rods is larger number darker than average (5) is infinite multiplication factor for the burnup of the case, there is no gadolinia fuel rods ( k ∞ ), respectively. The horizontal axis represents the burnup and the vertical axis represents the infinite multiplication factor.
図6において、図6中(1)に示すように、無限増倍率は、燃焼が進んでガドリニアが燃えるに従って緩やかに上昇し、ガドリニアが燃え尽きたところでピークを迎え、ピークを超えた後は緩やかに下降する。 In FIG. 6, as indicated by (1) in FIG. 6, the infinite multiplication factor gradually increases as combustion progresses and gadolinia burns, reaches a peak when gadolinia burns out, and gradually increases after the peak is exceeded. Descend.
また、図6中(1)および(2)+に示すように、ガドリニア濃度が濃いほどガドリニアが燃え尽きる燃焼度を高く(ガドリニアの燃え尽きる時期を遅く)することができ、無限増倍率(k∞)の最大値を低下させることができる。逆に、(1)および(2)−に示すように、ガドリニア濃度が薄いほどガドリニアが燃え尽きる燃焼度を低く(ガドリニアの燃え尽きる時期を早く)することができ、無限増倍率(k∞)の最大値を増加させることができる。
なお、BWRの炉心では、一般的に出力分布が下方ピークとなるため、ガドリニア濃度を軸方向に対して一様な濃度とした場合、下部のガドリニアが早く燃え尽きてしまい、サイクル中期の下方ピークが過大となる傾向がある。このため、軸方向に濃度分布の領域を分割して、下部領域ほどガドリニア濃度を高めることにより、サイクル中期の下方ピークを抑制できることになる。
Further, as indicated by (1) and (2) + in FIG. 6, the higher the gadolinia concentration, the higher the burn-up degree that gadolinia burns out (slower gadolinia burnout time), and an infinite multiplication factor (k ∞ ). The maximum value of can be reduced. Conversely, as shown in (1) and (2) - , the lower the gadolinia concentration, the lower the degree of burning that gadolinia burns out (the earlier the time when gadolinia burns out), and the maximum infinite multiplication factor (k ∞ ). The value can be increased.
In the BWR core, the power distribution generally has a downward peak, so when the gadolinia concentration is made uniform in the axial direction, the lower gadolinia burns out quickly, and the lower peak in the middle of the cycle There is a tendency to become excessive. For this reason, the lower peak in the middle of the cycle can be suppressed by dividing the concentration distribution region in the axial direction and increasing the gadolinia concentration in the lower region.
また、図6中(1)および(3)+に示すように、ガドリニア添加ウラン燃料棒本数が多いほど、同燃料棒の表面積が増加して中性子吸収が増加するため、燃焼初期の無限増倍率が低くなる。逆に、(1)および(3)−に示すように、ガドリニア添加ウラン燃料棒本数が少ないほど、同燃料棒の表面積が減少して中性子吸収が減少するため、燃焼初期の無限増倍率が増大する。
なお、BWRの炉心では、一般的にサイクル初期からサイクル中期に渡って出力分布が下方ピークとなる。このため、下部領域に存在する短尺燃料棒にもガドリニア添加ウラン燃料を充填して下部領域におけるガドリニア添加ウラン燃料棒の本数を増加させることで、燃焼初期の下方ピークを抑制することができる。
Further, as indicated by (1) and (3) + in FIG. 6, as the number of gadolinia-added uranium fuel rods increases, the surface area of the fuel rods increases and neutron absorption increases. Becomes lower. On the contrary, as shown in (1) and (3) - , the smaller the number of gadolinia-added uranium fuel rods, the smaller the surface area of the fuel rods and the lower the neutron absorption. To do.
In the BWR core, the power distribution generally has a downward peak from the beginning of the cycle to the middle of the cycle. For this reason, the short peak in the early stage of combustion can be suppressed by filling the short fuel rods in the lower region with gadolinia-added uranium fuel and increasing the number of gadolinia-added uranium fuel rods in the lower region.
また、図6(5)に示すように、ガドリニア燃料棒がない場合、反応度が増加するにしたがって無限増倍率は単調減少する。 Further, as shown in FIG. 6 (5), when there is no gadolinia fuel rod, the infinite multiplication factor monotonously decreases as the reactivity increases.
このように、ガドリニア燃料棒の本数の増減とガドリニア濃度の増減(軸方向濃度分布を含む)という2つを組み合わせることにより、炉心の余剰反応度や軸方向出力分布を適切に制御することが可能となる。 Thus, by combining the increase / decrease in the number of gadolinia fuel rods and the increase / decrease in gadolinia concentration (including axial concentration distribution), it is possible to appropriately control the excess reactivity of the core and the axial power distribution. It becomes.
そこで、燃料集合体1に設けられた燃料棒74本のうち4本を短尺Gd燃料棒14,15とし、14本を長尺Gd燃料棒12,13としている。また、長尺Gd燃料棒12,13のうち、第2長尺燃料棒12は、下部領域「C」において2領域に濃度分布が分かれており、更に、ガドリニア濃度が軸方向下方に行くほど高められている。そして、第2短尺燃料棒15は、その燃料有効長の上部側をガドリニアが添加されていない天然ウランを母材としたウラン燃料を充填し、下部側をガドリニア濃度を低濃度添加したウラン燃料を充填している。また、短尺Gd燃料棒14,15に添加されたガドリニア濃度は、長尺Gd燃料棒12,13の最小値より低く抑えられている。
これにより、燃料集合体1の下部領域「C」におけるガドリニア添加ウラン燃料棒13〜15の数を、上部領域「B」におけるガドリニア添加ウラン燃料棒12,13の数に対して、下部領域「C」の上部側で2本(短尺Gd燃料棒14による)、下部領域「C」の下部側で4本(短尺Gd燃料棒14,15による)多くなるよう構成している。
Therefore, four of the 74 fuel rods provided in the
Thus, the number of gadolinia-added
すなわち、燃料集合体1の横断面を上部横断面(短尺燃料棒2のない上部領域「B」断面)、中央部横断面(下部領域「C」における第2短尺燃料棒15のガドリニアを添加しない領域を含む)、下部横断面(第2短尺燃料棒15のガドリニアを添加した領域を含む)としたときに、可燃性吸収材を添加した燃料棒の数が、
上部横断面<中央部横断面<下部横断面
となるよう構成した。
That is, the cross section of the
The upper cross section <the central cross section <the lower cross section.
図7は、第2長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で1領域とした場合の炉心平均軸方向出力分布のサイクル中の遷移の様子を示す図で、図8は、燃料集合体の下部領域「C」における第2長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で2領域とした場合の炉心平均軸方向出力分布のサイクル中の遷移の様子を示す図である。図7,8中、Aはサイクル初期、Bは中期、Cは末期における炉心平均軸方向出力分布である。 FIG. 7 is a diagram showing a state of transition during the cycle of the core average axial power distribution when the gadolinia concentration of the second long fuel rod is one region in the axial direction, and FIG. 8 is a diagram showing the lower part of the fuel assembly. It is a figure which shows the mode of transition in the cycle of a core average axial direction power distribution when the gadolinia density | concentration of the 2nd elongate fuel rod in area | region "C" is made into 2 area | regions in an axial direction. 7 and 8, A is the core average axial power distribution at the beginning of the cycle, B is at the middle stage, and C is at the end stage.
図7に示すように、下部領域「C」において第2長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で1領域とした場合、サイクル中期(図7中B)において軸方向下部の出力が上部に比べて約4割程度大きくなり、またサイクル末期(図7中C)における軸方向出力分布に大きな偏りが生じてしまう。
これに対し、図8に示すように、下部領域「C」において第2長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で2領域とすることにより、サイクル中期(図8中B)において軸方向下部の出力を低下させることができ、これによって下部と上部の出力差を小さくでき、またサイクル初期(図8中A)および末期(図8中C)においても軸方向出力を平坦にすることができる。
As shown in FIG. 7, when the gadolinia concentration of the second long fuel rod in the lower region “C” is one region in the axial direction, the output in the lower axial direction is higher than that in the upper portion in the middle of the cycle (B in FIG. 7). About 40%, and a large deviation occurs in the axial output distribution at the end of the cycle (C in FIG. 7).
On the other hand, as shown in FIG. 8, by setting the gadolinia concentration of the second long fuel rod in the lower region “C” to be two regions in the axial direction, the lower portion in the axial direction in the middle of the cycle (B in FIG. 8). The output can be reduced, thereby making it possible to reduce the output difference between the lower part and the upper part, and to flatten the axial output even at the beginning of the cycle (A in FIG. 8) and at the end (C in FIG. 8).
図9に、燃料集合体の下部領域「C」における第2長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で2領域とした燃料集合体と、比較のための第2長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で1領域とした燃料集合体における、最大線出力密度の運転サイクル中変化の図を示す。図9中、Aは2領域、Bは1領域とした燃料集合体における最大線出力密度である。 FIG. 9 shows the fuel assembly in which the gadolinia concentration of the second long fuel rod in the lower region “C” of the fuel assembly is two regions in the axial direction, and the gadolinia concentration of the second long fuel rod for comparison. The figure of the change during the driving cycle of the maximum linear power density in the fuel assembly with one region in the axial direction is shown. In FIG. 9, A is the maximum linear power density in the fuel assembly with two regions and B with one region.
図9に示すように、下部領域「C」において第2長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で1領域(図9中B)とした燃料集合体では、サイクル中期における最大線出力密度が高く、制限値までの余裕が小さい。これに対し、第2長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で2領域(図9中A)とした燃料集合体の場合、サイクル中期における最大線出力密度をサイクル初期や末期とほぼ変わらないレベルに抑制することができ、運転サイクル期間中の軸方向出力分布の変化を安定化させることができ、熱的余裕を大きく改善することができる。 As shown in FIG. 9, the fuel assembly in which the gadolinia concentration of the second long fuel rod in the lower region “C” is one region in the axial direction (B in FIG. 9) has a high maximum linear power density in the middle of the cycle. The margin to the limit value is small. In contrast, in the case of a fuel assembly in which the gadolinia concentration of the second long fuel rod is set to two regions in the axial direction (A in FIG. 9), the maximum linear power density in the middle of the cycle is almost the same level as in the initial and final cycles. Therefore, the change in the axial output distribution during the operation cycle can be stabilized, and the thermal margin can be greatly improved.
図10に、下部領域「C」における第2短尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で2領域とした燃料集合体と、比較のための1領域とした燃料集合体でのサイクル初期における炉心平均軸方向出力分布の様子を示す。図10中、Aは2領域、Bは1領域とした燃料集合体における最大線出力密度である。 FIG. 10 shows the core average axis at the initial stage of the cycle in the fuel assembly in which the gadolinia concentration of the second short fuel rod in the lower region “C” is two regions in the axial direction and the fuel assembly which is one region for comparison. The state of the directional output distribution is shown. In FIG. 10, A is the maximum linear power density in the fuel assembly with two regions and B with one region.
図10に示すように、燃料集合体の下部領域「C」における第2短尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で2領域(図10中A)とすることによって、1領域(図10中B)とした場合に比べてサイクル初期における軸方向中間部の出力を上げることができ、軸方向出力分布を平坦化することができる。よってサイクル初期での最大線出力密度を改善できるとともに、サイクル初期から中期にかけての熱的余裕の改善を図ることができる。 As shown in FIG. 10, by setting the gadolinia concentration of the second short fuel rod in the lower region “C” of the fuel assembly to two regions in the axial direction (A in FIG. 10), one region (B in FIG. 10). Compared with the case, the output of the intermediate portion in the axial direction at the beginning of the cycle can be increased, and the axial output distribution can be flattened. Therefore, the maximum line power density at the beginning of the cycle can be improved, and the thermal margin from the beginning of the cycle to the middle can be improved.
以上の構成により、上述のような効果が得られ、よって、ガドリニア添加ウラン燃料棒に天然ウランを使用しながらサイクル初期の軸方向出力分布の平坦化およびサイクル中期の下方歪出力分布を平坦化することができる。従って、サイクル初期の下方歪出力分布および出力分布の下歪の影響が顕著となる長期運転炉心やMOX燃料装荷炉心における軸方向出力分布の平坦化が可能となり、熱的余裕の低下を改善し、最大線出力密度で約10%程度の向上を達成することができる。 With the above configuration, the above-described effects can be obtained. Accordingly, while using natural uranium for the gadolinia-added uranium fuel rod, the axial output distribution in the initial stage of the cycle is flattened and the downward strain output distribution in the middle of the cycle is flattened. be able to. Therefore, it becomes possible to flatten the axial power distribution in the long-term operating core and the MOX fuel loaded core where the influence of the lower strain output distribution at the beginning of the cycle and the lower strain of the power distribution becomes significant, and the reduction in thermal margin is improved. An improvement of about 10% can be achieved at the maximum linear power density.
<第2の実施形態>
本発明の燃料集合体の第2の実施形態を図11を用いて説明する。
<Second Embodiment>
A second embodiment of the fuel assembly of the present invention will be described with reference to FIG.
第2の実施形態における燃料集合体は、長尺燃料棒2以外の構成は第1の実施形態の燃料集合体と概略同じ構成であり、詳細は省略する。
図11は、ガドリニア添加ウラン燃料棒のガドリニア濃度分布を示す図である。
The fuel assembly in the second embodiment has substantially the same configuration as the fuel assembly of the first embodiment except for the
FIG. 11 is a diagram showing a gadolinia concentration distribution of a gadolinia-added uranium fuel rod.
図11に示すように、本発明の燃料集合体1の第2の実施形態は、燃料集合体1における長尺燃料棒2が、第1長尺燃料棒11と、第2長尺燃料棒12と、第3長尺燃料棒13とを有している点は第1の実施形態と同じである。
As shown in FIG. 11, in the second embodiment of the
このうち、図11に示すように、第3長尺燃料棒13は、下部領域「C」が一様のガドリニア濃度cとなっており、上部領域「B」は軸方向に2種類のガドリニア濃度b、dとなっている。なお第2長尺燃料棒12は、下部領域「C」が軸方向に2種類のガドリニア濃度e、cとなっており、上部領域「B」は下部領域「C」のガドリニア濃度とは異なる濃度bとなっている。ここで、ガドリニア濃度b、c、d、eは軸方向下部ほど高くなっており、d<b<c<eの関係を満たしている。
Among these, as shown in FIG. 11, the third
第2の実施態様の燃料集合体においても、得られる効果は第1の実施形態の燃料集合体の場合とほぼ同様である。さらに、本実施形態の燃料集合体では、長尺Gd燃料棒12におけるガドリニア濃度を上部領域「B」において2つの領域に分け、上部側濃度を低減させることで、サイクル末期におけるガドリニアの残留量の低減を図ることができ、ガドリニアの有効利用が可能となり、コスト低減の効果がある。また、軸方向上部の反応度を上昇させることもでき、軸方向出力分布をより平坦化する効果も得られる。
Also in the fuel assembly of the second embodiment, the obtained effect is almost the same as that of the fuel assembly of the first embodiment. Furthermore, in the fuel assembly of the present embodiment, the gadolinia concentration in the long
なお、本実施形態においては、第3長尺燃料棒13のガドリニア濃度dと短尺Gd燃料棒14,15のガドリニア濃度dはガドリニア濃度が同じであるが、短尺Gd燃料棒14,15のガドリニア濃度は、第3長尺燃料棒13のガドリニア濃度より小さくても構わない。
In the present embodiment, the gadolinia concentration d of the third
<第3の実施の形態>
上記の第1の実施形態では、長尺Gd燃料棒12,13および短尺Gd燃料棒14,15に充填するウラン燃料のウラン母材として天然ウラン(ウラン235濃度が0.7wt%程度の濃度)を用いた例を説明しているが、このウラン燃料のウラン母材には、劣化ウランを用いることができる。その他の構成は第1の実施形態の燃料集合体と概略同じ構成であり、詳細は省略する。
ここで、劣化ウランとは、天然ウランから濃縮ウランを得るための濃縮過程において得られるウラン燃料の総称であり、一般的にウラン235濃度が0.2〜0.3wt%程度のウランのことを示している。
<Third Embodiment>
In the first embodiment, natural uranium (uranium 235 concentration is about 0.7 wt%) is used as the uranium base material of uranium fuel to be filled in the long
Here, depleted uranium is a general term for uranium fuel obtained in the enrichment process for obtaining enriched uranium from natural uranium, and generally refers to uranium having a uranium 235 concentration of about 0.2 to 0.3 wt%. Show.
本実施形態では、長尺Gd燃料棒12,13および短尺Gd燃料棒14,15に充填するウラン燃料のウラン母材として劣化ウランを使用しており、劣化ウランにガドリニアを添加し、この混合物を焼結したペレットを充填している。
In this embodiment, depleted uranium is used as the uranium base material of the uranium fuel to be filled in the long
一般的に、ウラン燃料のウラン235の濃度が低いほど、燃料集合体における局所出力ピーキングが厳しくなり、熱的余裕が小さくなる。しかし、運転サイクル期間長さや取出平均燃焼度が大きくない条件では、この余裕を活用して、第1,第2の実施形態のように燃料集合体1における可燃性吸収材を添加した燃料棒の数を、上部横断面<中央部横断面<下部横断面、となるよう構成することによって、ウラン母材に劣化ウランを使用することが可能となる。
In general, the lower the concentration of uranium 235 in the uranium fuel, the more severe the local output peaking in the fuel assembly and the smaller the thermal margin. However, under the condition that the operation cycle period length and the take-out average burnup are not large, this allowance is utilized, and the fuel rod added with the combustible absorbent in the
このように長尺Gd燃料棒12,13および短尺Gd燃料棒14,15に充填するウラン燃料のウラン母材として劣化ウランを用いる第3の実施形態の燃料集合体においても、得られる効果は第1の実施形態の燃料集合体の場合とほぼ同様である。また、劣化ウランをウラン母材に用いることによって、濃縮ウランを用いる場合に比べて一燃料集合体あたりのウラン使用量を低減でき、燃料の経済性を向上させることができる。また、軽水冷却・軽水減速沸騰水型原子炉で使用される濃縮ウラン燃料の製造過程では、ウラン235を濃縮する過程で転換費、濃縮費および再転換費が発生するが、劣化ウランをウラン母材に使用する場合には、上述の費用のうち転換費および濃縮費が不要となり、燃料集合体の製造コストを削減を図ることができる。
As described above, even in the fuel assembly according to the third embodiment in which deteriorated uranium is used as the uranium base material of the uranium fuel filled in the long
なお、この第3の実施形態においても、第2の実施形態のように、第3長尺燃料棒13の上部領域「B」のガドリニア濃度を軸方向に2つに分割し、上部側ほど低濃度とすることができ、第2の実施形態と同様の効果が得られる。
Also in the third embodiment, as in the second embodiment, the gadolinia concentration in the upper region “B” of the third
<第4の実施の形態>
上記の第3の実施形態では、長尺Gd燃料棒12,13および短尺Gd燃料棒14,15に充填するウラン燃料のウラン母材として劣化ウランを用いた例を説明しているが、このウラン燃料のウラン母材には回収ウランを用いることもできる。その他の構成は第1の実施形態の燃料集合体と概略同じ構成であり、詳細は省略する。
ここで、回収ウランとは、使用済燃料を再処理して得られるウラン燃料の総称であり、一般的にウラン235濃度が1wt%程度のウランのことを示している。
<Fourth embodiment>
In the third embodiment, an example in which deteriorated uranium is used as the uranium base material of the uranium fuel to be filled in the long
Here, recovered uranium is a general term for uranium fuel obtained by reprocessing spent fuel, and generally indicates uranium having a uranium 235 concentration of about 1 wt%.
本実施形態では、長尺Gd燃料棒12,13および短尺Gd燃料棒14,15に充填するウラン燃料のウラン母材として回収ウランを使用しており、回収ウランにガドリニアを添加し、この混合物を焼結したペレットを充填している。
In the present embodiment, recovered uranium is used as the uranium base material of the uranium fuel to be filled in the long
このように長尺Gd燃料棒12,13および短尺Gd燃料棒14,15に充填するウラン燃料のウラン母材として回収ウランを用いる第4の実施形態の燃料集合体においても、得られる効果は第1の実施形態の燃料集合体の場合とほぼ同様である。また、回収ウランをウラン母材に用いることにより、濃縮ウランを用いる場合に比べて、一燃料集合体あたりのウラン使用量を低減でき、燃料の経済性を向上させることができる。
Thus, even in the fuel assembly of the fourth embodiment that uses recovered uranium as the uranium base material of the uranium fuel to be filled in the long
なお、この第4の実施形態においても、第2の実施形態のように、第3長尺燃料棒13の上部領域「B」のガドリニア濃度を軸方向に2つに分割し、上部側ほど低濃度とすることができ、第2の実施形態と同様の効果が得られる。
Also in the fourth embodiment, as in the second embodiment, the gadolinia concentration in the upper region “B” of the third
<その他>
上述の各実施形態では、燃料集合体1として9行9列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られず、例えば10行10列あるいはそれ以上の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体に適用することができる。
<Others>
In each of the above-described embodiments, the fuel assemblies for boiling water reactors arranged in a 9-by-9 square lattice as the
また、チャンネルボックス7内における長尺燃料棒2と短尺燃料棒3、およびウォータロッド6の長さと本数、形状、配置については、それぞれの原子炉によって異なるため、燃料棒やウォータロッドの配置や本数は本実施形態に示す燃料集合体1に限定されるものではない。
Further, the length, number, shape, and arrangement of the
また、図6では、可燃性吸収材としてガドリニアを例示して説明しているが、他の種類の可燃性吸収材を用いるケースでも、図6と同様の傾向を示す。 6 illustrates gadolinia as an example of the combustible absorbent, but the same tendency as in FIG. 6 is exhibited in cases where other types of combustible absorbent are used.
さらに、上述の実施形態では、第2長尺燃料棒12の下部領域「C」(第1,2実施形態)や第3長尺燃料棒の上部領域「B」(第2の実施形態)でのガドリニア濃度を2つに分ける場合を例にして説明したが、分割数は2に限定されず、2以上であればよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the lower region “C” of the second elongate fuel rod 12 (first and second embodiments) and the upper region “B” of the third elongate fuel rod 12 (second embodiment). However, the number of divisions is not limited to two and may be two or more.
1…燃料集合体、
2…長尺燃料棒、
3…短尺燃料棒、
4…上部タイプレート、
5…下部タイプレート、
6…ウォータロッド、
7…チャンネルボックス、
8…スペーサ、
9…外部スプリング、
10…制御棒、
11…長尺MOX燃料棒(第1長尺燃料棒)、
12…長尺ウラン燃料棒(第2長尺燃料棒、長尺Gd燃料棒)、
13…長尺ウラン燃料棒(第3長尺燃料棒、長尺Gd燃料棒)、
14…短尺ウラン燃料棒(第1短尺燃料棒、短尺Gd燃料棒)、
15…短尺ウラン燃料棒(第2短尺燃料棒、短尺Gd燃料棒)、
16…短尺MOX燃料棒(第3短尺燃料棒)。
1 ... Fuel assembly,
2 ... Long fuel rod,
3. Short fuel rods
4 ... Upper tie plate,
5 ... Lower tie plate,
6 ... Water rod,
7 ... Channel box,
8 ... Spacer,
9 ... External spring,
10 ... Control rod,
11 ... long MOX fuel rod (first long fuel rod),
12. Long uranium fuel rod (second long fuel rod, long Gd fuel rod),
13. Long uranium fuel rod (third long fuel rod, long Gd fuel rod),
14. Short uranium fuel rod (first short fuel rod, short Gd fuel rod),
15. Short uranium fuel rod (second short fuel rod, short Gd fuel rod),
16. Short MOX fuel rod (third short fuel rod).
Claims (3)
ウランとプルトニウムの混合酸化物であるMOX燃料を充填した第1長尺燃料棒と、
前記短尺燃料棒と同じ長さの領域において少なくとも2以上に分けられ、下部側領域に可燃性吸収材の濃度が上部側領域のそれよりも高い可燃性吸収材が添加されたウラン燃料を充填した第2長尺燃料棒と、
燃料有効長全体に可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填した第1短尺燃料棒と、
その燃料有効長軸方向の下部側領域に可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填し、上部側領域に可燃性吸収材を添加していないウラン燃料を充填した第2短尺燃料棒とを備え、
前記第1短尺燃料棒および前記第2短尺燃料棒に添加した前記可燃性吸収材の濃度が、前記第2長尺燃料棒に添加した前記可燃性吸収材の濃度の最小値以下であることを特徴とする燃料集合体。 First and second long fuel rods having a long effective fuel length, and first and second short fuel rods having a fuel effective length shorter than these long fuel rods are arranged in a square lattice of 9 rows and 9 columns or more. A fuel assembly for an array of boiling water reactors,
A first elongate fuel rod filled with MOX fuel, which is a mixed oxide of uranium and plutonium,
In the region of the same length as the short fuel rod, it is divided into at least two or more, and the lower region is filled with uranium fuel to which a combustible absorbent having a higher concentration than the upper region is added. A second elongate fuel rod;
A first short fuel rod filled with uranium fuel with a combustible absorbent added to the entire effective fuel length;
A second short fuel rod filled with uranium fuel added with a flammable absorbent in the lower region of the effective fuel longitudinal axis and filled with uranium fuel not added with a flammable absorber in the upper region; ,
The concentration of the combustible absorbent added to the first short fuel rod and the second short fuel rod is not more than the minimum value of the concentration of the combustible absorbent added to the second long fuel rod. Characteristic fuel assembly.
前記短尺燃料棒よりも長い領域において少なくとも2以上に分けられ、上部側領域に可燃性吸収材の濃度が下部側領域のそれよりも低い可燃性吸収材が添加されたウラン燃料を充填した第3長尺燃料棒を更に備えたことを特徴とする燃料集合体。 The fuel assembly according to claim 1, wherein
A third region that is divided into at least two or more in a region longer than the short fuel rod, and is filled with uranium fuel to which a combustible absorbent having a lower concentration than that of the lower region is added in the upper region. A fuel assembly, further comprising a long fuel rod.
前記長尺燃料棒および前記短尺燃料棒におけるウラン燃料は、その母材が、天然ウラン、劣化ウラン、回収ウランのいずれかであることを特徴とする燃料集合体。 The fuel assembly according to claim 1 or 2,
The fuel assembly, wherein the base material of the uranium fuel in the long fuel rod and the short fuel rod is any of natural uranium, deteriorated uranium, and recovered uranium.
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