JP2525802B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。

（従来の技術） 沸騰水型原子力発電プラントの炉心では従来８行８列
燃料集合体（以下８×８燃料という）が使用されてき
た。

従来の８×８燃料を第６図の配置図について説明す
る。

同図に示すように、この８×８燃料の一体には通常ウ
ォーターロッド７が２本，燃料棒８が62本あり、これら
が正方格子状に配列され、そのまわりがチャンネルボッ
クス９で囲まれている。この８×８燃料は４体が１単位
となり、それらの中心に１体の制御棒10が挟まれるよう
に位置し、制御棒10の内部にはポイズンチューブ11が格
納されている。

しかして、上記燃料の水素とウランの原子数比（H/U
比）は濃縮度や可燃性毒物があるかないかあるいはプラ
ントごとに多少異なる設計の違いによって幅があるもの
の約4.5ないし4.8程度の間にあり、ウォーターロッド内
部の面積と冷却流路面積の比は10％以下となるように構
成されていることが一つの特徴である。

（発明が解決しようとする問題点） 通常、燃料経済性向上のためにはウラン濃縮度を高
め、燃料集合体一体当りの発生エネルギー、すなわち取
出燃焼度を大きくすることが最も効果が大きいと考えら
れている。このため燃焼度の高い、経済性の優れた燃料
を開発および設計するための検討の一貫として燃料集合
体核計算コードおよび３次元炉心核熱水力計算により運
転期間を一定として、取出燃焼度30GWd/ton以上とする
場合の上記の燃料の炉心特性評価を行なったところ、平
均取出燃焼度と濃縮度について次の関係があることを見
出した。

計算基準である炉停止余裕1.0％ΔＫ以上を満足する
ことを前提として燃料設計を行うと、取出燃焼度の増加
に伴なう濃縮度の増加とともに可燃性毒物の投入量を増
加する設計が必要となる。このため本来燃焼効率の観点
から運転サイクル末期（以後EOCという）においては、
毒物反応がないことが望ましいにもかかわらず、EOCで
の可燃性毒物の燃え残りが次第に増加し、単位濃縮度増
加量当りの取出燃焼度（以後燃焼効率）が濃縮度増加と
ともに低下してくる。すなわち、濃縮度に対する取出燃
焼度の増加率が次第に減少してくる。この関係を第７図
に示す。この関係を燃料の再処理を行うことを考慮した
燃料サイクル費と濃縮度との関係で見ると、第８図に示
すようにある取出燃焼度までは減少し、それ以上の燃焼
度では増加に転ずる。すなわち、現状の燃料を使用して
燃料サイクル費を低減化する場合はこの取出燃焼度まで
が経済的に引合う燃焼度の上限であって、それ以上の燃
焼度を達成できたとしても経済性は改善されないという
問題点が明らかになった。

ところで、上記した燃料の高燃焼度化による燃焼効率
の低下傾向の原因は基本的には以下に示すような理由に
よる。すなわち、 通常沸騰水型原子炉では第９図（ｂ）に示されるよう
に、運転時相当のH/U比では減速不十分となっており、H
/U比を増加させることにより反応度は増加する。逆に、
低温停止時には減速十分となっており、反応度は低下す
る。高燃焼度化のために濃縮度を増加させるとスペクト
ルが硬く（より高エネルギー側に）なり、この傾向がさ
らに強まり運転時と低温停止時との反応度差ΔKchは拡
大する。一方、炉停止余裕は低温停止時の制御棒ワンス
タック時未臨界度であるため、高燃焼度化により反応度
差ΔKchが拡大し、炉停止余裕は減少する特性がある。

上記燃料にはこの様な特性があるためガドリニアをEO
Cにおいて、燃え残さない設計をした場合には高燃焼度
化によって炉停止余裕が減少し、取出燃焼度50GWd/ton
ないし55GWd/tonを境界にして炉停止余裕に関する設計
条件１％ΔＫを満足できなくなる。

また、一般に可燃性毒物は余剰反応度を適正な範囲に
おさめ、かつEOCで毒物残留による無駄な反応度が残ら
ないようにするために運転１サイクルでほぼ燃尽きるよ
うにその濃度を設定するが、BWRで通常使用される可燃
性毒物であるガドリニアの場合、その負の反応度がほぼ
燃焼度に比例して減少するという性質があるためにガド
リニアが１サイクルで燃尽きるようにするため運転期間
に比例したガドリニア濃度を使用して設計するのが普通
である。このようにして設計された燃料では１サイクル
炉心に滞在した時点において、ほぼ無限増倍率が最大値
をとる。これに対して過剰な濃度のガドリニアを使用し
た場合１サイクル炉心に滞在した時点では最大になら
ず、さらに燃焼が進んだ時点で無限増倍率が最大値とな
る。このように過剰な濃度のガドリニアを使用すると、
特に炉心の上部でガドリニアの燃え残りが生じるため炉
停止余裕を増加させる効果がある。

本発明は以上述べたように、55GWd/ton以上の燃焼度
で燃焼度を上げると炉停止余裕の設計条件を満足できな
い現行燃料の特性を改善するために行ったもので、炉心
の特性を現行並にした上で、取出燃焼度を55GWd/ton以
上としても燃料サイクル費が改善される沸騰水型原子炉
用燃料集合体を提供することを目的とするものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段および作用） 本発明は上記目的を達成するために、多数の燃料棒と
単数または複数のウォーターロッドを配列して束ね、外
周をチャンネルボックスで囲むことによって冷却水チャ
ンネルを構成する沸騰水型原子炉用燃料集合体におい
て、前記ウォーターロッド内部の流路面積をチャンネル
内部の沸騰水の通過する面積で割った比率を0.2以下と
し、かつ出力運転時における燃料集合体平均での水素原
子数をウラン原子数で割った比率を5.2以上として、平
均取出燃焼度55GWd/ton以上の燃焼度で使用するように
したことを特徴とするものである。

以上述べた高燃焼度化に伴なう燃料サイクル費の燃焼
度に対する飽和傾向を改善するための必要条件は高濃度
の可燃性毒物を使用せずに、炉停止余裕を設計基準以上
とすることである。この方法として燃料集合体の水素対
ウラン原子数比（以下H/U比という）を現行燃料より大
きくし、低温時と出力運転時の反応度差（ΔKch）を低
減化することによって炉停止余裕を改善し、余剰なガド
リニアを減少させることが考えられる。これはBWR燃料
が一般に運転状態でunder moderate状態にあり、運転時
のH/U比を大きくすることで特に運転時の反応度を増加
させ、一方でover moderate状態にある低温停止時の反
応度を低下させることでΔKchを減少させるものであ
る。

この目的で適切なH/U比を求めるため、従来設計のガ
ドリニア、すなわちEOCにおいてガドリニアを残留させ
ない場合の炉停止余裕とH/U比と取出燃焼度との関係を
前記の２つの計算コードで評価した結果を第９図（ａ）
に示す。

この第９図（ａ）から取出燃焼度約45GWd/tonではH/U
比は最低4.6程度以上必要であるのに対し、取出燃焼度
約55GWd/ton以上では5.2程度以上必要であることが分
る。

以上の検討により高燃焼度炉心における適切なH/U比
が得られたが、このH/U比を実現する方法は数多くの組
合わせが考えられる。したがって、ここではウォーター
ロッドを使用し、かつ最適なH/U比を実現でき、さらに
燃料が現行炉心にそのまま使用可能な構造でその燃料と
炉心を組合わせた特性が現行プラント並の反応度特性，
出力動特性および熱特性が満足されることを前提にした
燃料と炉心の組合わせを数多く検討したところ、次の特
徴を見出だした。

取出燃焼度55GWd/tonを可能とする濃縮度で、しかもH
/U比を最適値（5.2）程度に保った状態で、ウォーター
ロッドを燃料棒と置換して（つまり燃料棒の径を増加さ
せながら）燃料棒を減少させていった場合は、以下の如
き知見を得た。すなわち、 燃料棒の除熱に直接寄与しないウォーターロッド内
部の流路面積（Sw）が次第に増加していき、冷却材流路
面積（Sa）との比（Sw/Sa）が0.2以上となると、冷却材
流路面積が減りすぎて摩擦圧損増加により炉心部の圧力
損失が増加し、現行並の過渡特性あるいは安定性が得ら
れないこと。

このときの燃料棒本数は９×９燃料では約64本、10
×10燃料では約80本であり、炉心過渡特性を十分に現行
並とするためには燃料棒をこれらの本数程度あるいはそ
れ以上とする必要があること。

ウォーターロッド本数を特に集合体の中心部にまと
めて配置すると炉停止余裕を損なうことなく運転時の反
応度を増加できること。

ウォーターロッドを集合体の中心部にまとめて配置
する方法でH/U比を最適値（5.2）程度の一定値に保ち燃
料棒と同一径のウォーターロッドの本数を増加させてい
くと、本数が多いほと反応度が増加してくること。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例の配置図を示す
もので、同図はH/U比5.5とし、炉心の安定性が現行燃料
と変わらず、かつ反応度を最大にするウォーターロッド
の配置図である。

同図に示すように、１は集合体の中心部に配置した超
太径ウォーターロッドであり、外径は燃料棒ピッチの約
３倍の大きさとなっている。２は超太径ウォーターロッ
ド１に隣接して対角線上に配列した燃料棒と同一の外径
を持つ４本のウォーターロッドである。３は外径を約11
ミリ程度とする燃料棒であり、68本配置してある。ま
た、チャンネルボックス4,制御棒5,制御棒のポイズンチ
ューブ６はいずれも現行燃料と同一の大きさとしてい
る。

次に、この燃料の20ケ月運転用、取出燃焼度55GWd/to
n用に設計された濃縮度分布の模式図を第１図（ｂ）に
示す。この実施例ではガドリニア入り燃料Ｇは20本とな
り、運転時相当のボイド率（40％）におけるH/U比は約
5.5となっている。第１図（ｃ）は同図（ｂ）の燃料
〜及びガドリニア入り燃料の軸方向分布の模式図を
示したものである。

第１図（ｄ）は本実施例の無限増倍率の燃焼変化を示
すものであり、EOCにおいてガドリニアの残留が少なく
なるように設計されている。サイクルを通じた余剰反応
度変化は第１図（ｅ）に示すように十分に平坦であり、
また、第１図（ｆ）に示すように炉停止余裕も設計条件
である１％Δｋ以上となっており、ガドリニアがほぼ残
留せず炉停止余裕を満足することが可能である。このよ
うにしてガドリニアの残留が無くなったことによって所
要濃縮度が従来燃料と比較して低下でき、この燃料では
10％以上の燃料サイクル費の削減が可能である。

さらに、本実施例ではウォーターロッド外径を燃料棒
外径と同じにしているため容易に燃料棒と置換えること
ができ、目標燃焼度が低い場合には所要H/U比を低くし
て対応することができる。

第２図は本発明の第２の実施例の配置図を示したもの
で、同図に示すように、本実施例は９×９燃料におい
て、中央太径ウォーターロッド12を正方形とし、一辺の
長さを約３ピッチ分とするもので、前記第１の実施例と
同一のH/U比とし、燃料棒３と同一径のウォーターロッ
ドを取除いてある。本実施例は丸型のウォーターロッド
の場合より２割以上ウォーターロッド内部面積を増やす
ことが可能であり、ウォーターロッドの種類を１種類と
して、第１の実施例並の反応度特性を実現でき、炉心安
定性についても現行燃料並とすることができる。また、
燃料棒本数が第１の実施例の68本より４本増えており、
線出力密度を低下できる。

第３図は本発明の第３の実施例の配置図を示すもので
ある。

本実施例は第２の実施例のウォーターロッドを変形し
燃料棒４本分だけチャンネルボックス側へ伸ばした形状
のウォーターロッド13を中央部に設け、燃料棒３の本数
は68本となっている。本実施例は非沸騰水の流路面積を
第２実施例より増加させており、運転時相当のボイド率
におけるH/U比を一定とする条件下で比較すると第２実
施例より燃料集合体一体当りのウラン重量を増加できる
ので燃料経済性が向上する。

第４図は本発明の第４の実施例の配置図を示すもので
ある。

本実施例は10×10燃料について示したもので、２×２
領域を占める丸型ウォーターロッド14を５本設け、これ
ら５本のウォーターロッド14を対角対称位置に配列した
ものである。燃料棒３は80本としH/U比も適正値となっ
ており、ウォーターロッド内部の流路面積と除熱部分面
積との比も20％以下となっており、燃料集合体の圧損も
現行燃料並にでき、また、燃料棒本数が第１の実施例よ
り大幅に増加しているので、線出力密度が低減されてい
る。

第５図は本発明の第５の実施例の配置図を示すもので
ある。

本実施例は対角線に対して対称な４領域に別れてお
り、各領域で三角形の格子状となるように燃料棒３が72
本配列されている。そして、燃料集合体の中心部には１
本の太径ウォーターロッド15を配置し、このウォーター
ロッド15より径の小さい２種類のウォーターロッド16,1
7をそれぞれ４本設け、これらのウォーターロッド16,17
を対角対称位置に配列している。本実施例は第１の実施
例と同等の反応度特性が実現でき、現行燃料並の圧力損
失とすることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によると、燃料集合体の
ウォーターロッド内部面積と除熱部流路面積との比を20
％以下とし、H/U比を5.2以上とした燃料を取出燃焼度55
GWd/ton以上の燃焼度で、使用することにより、炉心の
過渡特性が現行炉心並に保たれるだけでなく、燃料経済
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例の配置図、第１図
（ｂ）及び同図（ｃ）はそれぞれ第１図（ａ）の濃縮度
分布及び軸方向分布の模式図、第１図（ｄ），（ｅ），
（ｆ）はそれぞれ同図（ａ）の無限増倍率の燃焼変化
図，サイクルを通じた余剰反応度変化図，サイクルを通
じた炉停止余裕変化図、第２図〜第５図はいずれも本発
明の他の実施例の配置図、第６図は従来の８×８燃料の
配置図、第７図は８×８燃料の濃縮度に対する取出燃焼
度の変化図、第８図は８×８燃料の取出燃焼度に対する
燃料サイクル費を示す図、第９図（ａ）および（ｂ）は
それぞれH/Lに対する炉停止余裕及び反応度の変化を示
す図である。 1,14,15,16……太径ウォーターロッド 2,17……小径ウォーターロッド ３……燃料棒 ４……チャンネルボックス ５……制御棒 ６……ポイズンチューブ 12,13……角形ウォーターロッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−206693（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−118297（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−231292（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−262685（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の燃料棒と単数または複数のウォータ
   ーロッドを配列して束ね、外周をチャンネルボックスで
   囲むことによって冷却水チャンネルを構成する燃料集合
   体において、前記ウォーターロッド内部の流路面積をチ
   ャンネル内部の沸騰水の通過する面積で割った比率を0.
   2以下とし、かつ出力運転時における燃料集合体平均で
   の水素原子数をウラン原子数で割った比率を5.2以上と
   したことを特徴とする平均取出燃焼度55GWd/ton以上の
   燃焼度で使用するための沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. 【請求項２】燃料棒の配列を９行９列とし、集合体配列
   の５行５列目位置を中心とする３行３列領域をしめるウ
   ォーターロッドが配列されており、そのまわりの隣接す
   る位置に燃料棒が占める領域とほぼ等しい領域を占める
   ウォーターロッドが複数本配列されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の沸騰水型原子炉用燃料
   集合体。
3. 【請求項３】燃料棒の配列を10行10列とし、２行２列領
   域を占めるウォーターロッドが対角対称位置に複数本配
   列されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
4. 【請求項４】燃料集合体の燃料棒配列を対角線を境界に
   対称な４領域とし、各領域の燃料棒は三角形の格子状配
   列とするととともに集合体の中心部には燃料棒外径より
   大きいウォーターロッドを配置し、このウォーターロッ
   ドより小さいウォーターロッドを複数対角線上に配置す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の沸騰水
   型原子炉用燃料集合体。