JP2610254B2 - Boiling water reactor - Google Patents

Boiling water reactor

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JP2610254B2
JP2610254B2 JP62003234A JP323487A JP2610254B2 JP 2610254 B2 JP2610254 B2 JP 2610254B2 JP 62003234 A JP62003234 A JP 62003234A JP 323487 A JP323487 A JP 323487A JP 2610254 B2 JP2610254 B2 JP 2610254B2
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rods
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water
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庄一 渡辺
宏司 平岩
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明はプルトニウム燃料を装荷した高燃焼度の沸騰
水型原子炉に関する。
The present invention relates to a high burn-up boiling water reactor loaded with plutonium fuel.

(従来の技術) 従来、沸騰水型原子炉に用いられている8×8型燃料
集合体を第10図を参照して説明する。この燃料集合体1
は細長い円筒状燃料棒2が多数本結束された結束体によ
り構成されている。この結束体はスペーサ5によって燃
料棒2間が等間隔に保持されており、また結束体内には
燃料棒2の他にウォータロッド6が組込まれている。こ
の結束体の外周はチャンネルボックス7で包囲され、こ
のチャンネルボックス7は上部が上部タイプレート3
に、下部が下部タイプレート4に接合されている。
(Prior Art) An 8 × 8 fuel assembly conventionally used in a boiling water reactor will be described with reference to FIG. This fuel assembly 1
Is composed of a bundle of a number of elongated cylindrical fuel rods 2 bound together. In this bundle, the fuel rods 2 are held at equal intervals by spacers 5, and a water rod 6 is incorporated in the bundle in addition to the fuel rods 2. The outer periphery of this binding is surrounded by a channel box 7, which has an upper tie plate 3 at the top.
The lower part is joined to the lower tie plate 4.

燃料棒2は被覆管内に図示しない円柱状のUO2燃料ペ
レットが多数装填されたものであり、この被覆管の上下
両端は上部端栓8及び下部端栓9で密閉されている。上
部端栓8は上部タイプレート3中の支持空所に挿入する
ことができる延長部を備えており、また下部端栓9は下
部タイプレート4中の支持空所に嵌合する嵌合部を備え
ている。
The fuel rod 2 has a large number of cylindrical UO 2 fuel pellets (not shown) loaded in a cladding tube, and the upper and lower ends of the cladding tube are sealed by an upper end plug 8 and a lower end plug 9. The upper end plug 8 has an extension that can be inserted into the support cavity in the upper tie plate 3, and the lower end plug 9 has a fitting part that fits into the support cavity in the lower tie plate 4. Have.

前記ウォータロッド6は下部に冷却水入口孔10が設け
られ、上部には冷却水出口孔11が設けられている。そし
て、このウォータロッド6内を冷却水が下方から上方へ
流れる構成となっている。
The water rod 6 is provided with a cooling water inlet hole 10 at a lower portion and a cooling water outlet hole 11 at an upper portion. Then, the cooling water flows in the water rod 6 from below to above.

第11図は前記燃料集合体1の水平方向の断面I−Iを
示したもので、燃料棒2とウォータロッド6が8行8列
の格子状に規則正しく並べられている。なお、12は原子
炉の核反応を制御するための制御棒である。
FIG. 11 shows a horizontal section II of the fuel assembly 1 in which the fuel rods 2 and the water rods 6 are regularly arranged in a grid of 8 rows and 8 columns. Reference numeral 12 denotes a control rod for controlling a nuclear reaction of the nuclear reactor.

以上の構成において、従来の燃料集合体は燃料健全性
を損なわないようにするため、単位長さ当たりの出力
(線出力密度)を制限値以下に抑える必要があり、出力
ピーキングを下げるように以下のような複雑な設計を行
っている。
In the above configuration, the conventional fuel assembly must keep the output per unit length (linear output density) below the limit value so as not to impair the fuel integrity. Has a complex design like.

すなわち、燃料集合体横断面の熱中性子束分布は沸騰
水型原子炉の場合には、水ギャップに面した最外周に配
置された燃料棒で最も高く内側の燃料棒では低くなって
いる。そこで、出力ピーキングを下げるため、核燃料棒
の濃縮度を通常4種類以上使用し、熱中性子束の高い外
側の燃料棒の濃縮度を下げている。
That is, in the case of a boiling water reactor, the thermal neutron flux distribution in the cross section of the fuel assembly is highest in the outermost fuel rods facing the water gap and lower in the inner fuel rods. Therefore, in order to reduce output peaking, four or more types of enrichment of nuclear fuel rods are usually used, and the enrichment of outer fuel rods having a high thermal neutron flux is reduced.

近年、ウラン燃料では取出燃焼度を増して燃料経済性
を向上させるために、濃縮度を高めた燃料設計が進めら
れている。
In recent years, for uranium fuel, fuel design with increased enrichment has been promoted in order to increase the extraction burnup and improve fuel economy.

一般には、高濃縮度化に伴なって235Uの熱中性子吸収
が増して中性子束スペクトルが硬くなるが、これに伴な
って中性子減速効果が低下して、ボイド係数絶対値の増
加、制御棒価値の低下による炉停止余裕の減少等により
炉心特性が劣化する。これらの特性を改善するためには
燃料格子の水対燃料比(中性子減速材である水素とウラ
ンやプルトニウムなどの核燃料物質(重金属)との原子
数の比)を高めるようにハードを改良すればよい。たと
えば、第11図に示したような従来型燃料格子において
は、中央部分の燃料棒を水ロッドで置換える程度で核特
性が改善される。例えば第12図に示すような燃料集合体
中央部分に太径水ロッド13を配置したものが提案されて
いる。
In general, the thermal neutron absorption of 235 U increases with higher enrichment and the neutron flux spectrum becomes harder, but the neutron moderating effect decreases with this, and the absolute value of the void coefficient increases and the control rod Reactor core characteristics are degraded due to a decrease in reactor shutdown margin due to a decrease in value. In order to improve these characteristics, it is necessary to improve the hardware to increase the water-to-fuel ratio (ratio of the number of atoms of neutron moderator hydrogen and nuclear fuel material (heavy metal) such as uranium and plutonium) in order to improve these characteristics. Good. For example, in a conventional fuel grid as shown in FIG. 11, the nuclear characteristics are improved to the extent that the fuel rods at the center are replaced with water rods. For example, a fuel assembly in which a large-diameter water rod 13 is disposed at the center of a fuel assembly as shown in FIG. 12 has been proposed.

ところで、ウラン資源の有効利用という観点から、軽
水炉から取り出された使用済ウラン燃料中のプルトニウ
ムを再び軽水炉へリサイクルするプルサーマル計画が進
められている。これは、ウラン燃料集合体中のウラン燃
料棒の一部あるいは大部分をプルトニウムを富化した混
合酸化物(MOX;Mixed Oxide)燃料棒で置き換えたMOX燃
料集合体を取替燃料としてウラン燃料集合体と一緒に軽
水炉に装荷して使用するものであるが、その特性はなる
べくウラン燃料に近いものとする必要がある。また、前
記したようにウラン燃料設計は高濃縮度化の方向であ
り、これに伴ってMOX燃料も高富化度化設計をする必要
がある。
By the way, from the viewpoint of effective utilization of uranium resources, a plutonium thermal plan for recycling plutonium in spent uranium fuel extracted from a light water reactor to a light water reactor again is being advanced. This is because uranium fuel assemblies are replaced with plutonium-enriched mixed oxide (MOX) fuel rods in which some or most of the uranium fuel rods in the uranium fuel assemblies are replaced. It is used by loading it into a light water reactor together with the body, but its characteristics must be as close as possible to uranium fuel. As described above, the design of uranium fuel is in the direction of high enrichment, and accordingly, it is necessary to design the MOX fuel to have high enrichment.

燃料取扱い上、MOX燃料がウラン燃料と大きく異なる
点は、プルトニウムが人体に有害であるため燃料製造上
特別の配慮を必要とすること、また、使用済MOX燃料は
ウラン燃料のようにすぐには再処理されずにある一定期
間中間貯蔵されることが予定されていることである。こ
れらを考慮すると、MOX燃料集合体の数が少なくなるよ
うに、1体当りのプルトニウム装荷量をなるたけ大きく
することが望ましい。しかし、ウランとプルトニウムの
核特性の違いによって、プルトニウム装荷重量割合を増
した場合、ウラン燃料集合体との特性の差はひらき、炉
心特性を劣化させる。これは、核分裂性物質である239P
uや241Puの熱中性子吸収断面積が235Uより大きいこと、
240Puによる共鳴中性子吸収が大きいことなどによっ
て、MOX燃料の中性子束スペクトルがウラン燃料のそれ
よりも硬くなって中性子減速効果が低下することによっ
て起こる。その結果、前記235Uの高濃縮度化によって起
こる現象と同様に、ボイド係数絶対値の増大に伴う過渡
特性の余裕の低下や軸方向出力分布歪の増大あるいは減
速材反応度係数の増大に伴う炉停止余裕の低下等を生ず
る。
The major difference between MOX fuel and uranium fuel in fuel handling is that plutonium is harmful to the human body and requires special consideration in fuel production. It is intended to be stored temporarily for a certain period without being reprocessed. Considering these, it is desirable to increase the plutonium loading amount per unit as much as possible so as to reduce the number of MOX fuel assemblies. However, when the plutonium loading ratio is increased due to the difference in nuclear characteristics between uranium and plutonium, the difference in characteristics from the uranium fuel assembly opens, deteriorating the core characteristics. This is fissile material 239 P
u and 241 Pu have a thermal neutron absorption cross section larger than 235 U,
This is caused by the fact that the neutron flux spectrum of MOX fuel becomes harder than that of uranium fuel and the neutron moderating effect decreases due to the large resonance neutron absorption by 240 Pu. As a result, similarly to the phenomenon caused by the high enrichment of 235 U, the margin of the transient characteristics decreases due to the increase in the absolute value of the void coefficient and the strain in the axial power distribution increases or the moderator reactivity coefficient increases. This may cause a decrease in the furnace shutdown margin.

これら特性の劣化は、核分裂性プルトニウム装荷量が
全フィサイルの約1/3程度までとした場合は許容でき
て、ウラン燃料のハードを変えずにそのまま使えること
が分かっているが、プルトニウム装荷量をこれ以上とし
た場合、燃料格子の水対燃料比を増して中性子減速効果
を増してやる必要がある。
Deterioration of these characteristics is acceptable when the fissile plutonium loading is about 1/3 of the total fisile, and it is known that it can be used as it is without changing the uranium fuel hardware. If it exceeds this, it is necessary to increase the water to fuel ratio of the fuel grid to increase the neutron moderating effect.

また、BWRでは、炉心下部に出力ピーキングを生じ易
い特性をもっているが、ウラン燃料では上下方向に濃縮
度やガドリニアによる反応度差をつけることによってボ
イド反応度差を打ち消して容易に軸方向出力分布が平坦
化されることが分かっており、既に実用化されている。
In addition, the BWR has a characteristic that power peaking easily occurs in the lower part of the core, but the uranium fuel easily cancels the void reactivity difference by making the reactivity difference by enrichment and gadolinia in the vertical direction, and the axial power distribution easily It has been found to be flattened and has already been put to practical use.

一方、プルトニウム装荷量が大きく、MOX燃料棒数が
多いMOX燃料集合体についてこの方法を応用するとすれ
ば、MOX燃料棒上下方向にプルトニウム富化度差やガド
リニアの濃度差等をつけることになる。しかし、MOX燃
料棒製造は全て遠隔操作でなされることから、設計は極
力単純である必要があり、この方法によらず他の方法が
開発されることが望まれていた。
On the other hand, if this method is applied to a MOX fuel assembly having a large plutonium loading and a large number of MOX fuel rods, a plutonium enrichment difference, a gadolinia concentration difference, etc. will be provided in the vertical direction of the MOX fuel rod. However, since all MOX fuel rod production is performed remotely, the design needs to be as simple as possible, and it has been desired that other methods be developed independently of this method.

(発明が解決しようとする問題点) 本発明は、MOX燃料を装荷した高燃焼度の沸騰水型原
子炉における炉心特性の劣化を防ぐことを目的とする。
さらに本発明は、MOX燃料棒内の濃縮度やガドリニア分
布を複雑にすることなしに軸方向分布を平坦化すること
を目的とする。
(Problems to be Solved by the Invention) An object of the present invention is to prevent deterioration of core characteristics in a high burnup boiling water reactor loaded with MOX fuel.
Another object of the present invention is to flatten the axial distribution without complicating the enrichment and gadolinia distribution in the MOX fuel rod.

[発明の構成] (問題点を解決するための手段および作用) 上記目的を達成するために、本発明はプルトニウム燃
料とウラン燃料からなる混合型燃料集合体と、ウラン燃
料からなる燃料集合体とを装荷した沸騰水型原子炉にお
いて、混合型燃料集合体に含まれる核分裂性プルトニウ
ム重量がその燃料集合体の全核分裂性物質重量の1/2以
上を占め、その出力運転時の水素対重金属原子数比が同
じ反応度寿命を有するウラン燃料集合体よりも5%ない
し15%増となるよう、ウォータロッド本数またはウォー
タロッド径を増加させ、かつ、その燃料集合体水平断面
中央部に配置させたことを特徴とする。
[Constitution of the Invention] (Means and Actions for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides a mixed fuel assembly composed of plutonium fuel and uranium fuel, and a fuel assembly composed of uranium fuel. , The weight of fissile plutonium contained in a mixed fuel assembly occupies more than 1/2 of the total weight of fissile material in the fuel assembly, and hydrogen vs. heavy metal atoms during power operation The number of water rods or the diameter of the water rod is increased so that the number ratio is 5% to 15% higher than that of a uranium fuel assembly having the same reactivity life, and the fuel rod is disposed at the center of the horizontal section of the fuel assembly. It is characterized by the following.

本発明はこれにより中性子スペクトルの硬化を抑えて
核特性をウラン燃料集合体のそれに近づけることができ
る。また、外径の最も大きいウォータロッド内下部にお
いて可燃性毒物を配置したことを特徴としており、これ
により高富化度MOX燃料を用いて炉心軸方向出力分布を
平坦化することができる。
According to the present invention, the neutron spectrum can be suppressed from being hardened, and the nuclear properties can be brought close to those of the uranium fuel assembly. In addition, the burnable poison is arranged in the lower portion of the inside of the water rod having the largest outer diameter, and thereby the power distribution in the axial direction of the core can be flattened by using the highly enriched MOX fuel.

なお、本明細書中、水素対重金属原子数比の重金属と
は、核燃料物質の重金属を意味する。
In this specification, the term “heavy metal having a hydrogen to heavy metal atom ratio” means a heavy metal of a nuclear fuel material.

(実施例) 本発明の実施例を図面を参照して説明する。(Example) An example of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、第4図の水対燃料比(H/HM)と全フィッサイル
に対する核分裂性プルトニウム装荷割合(Puf重量割
合)を変えたときの減速材反応度の変化について説明す
る。この第4図は既に説明した第12図の燃料集合体にお
いて、中央領域の燃料棒を順次ウォータロッド(外径15
mm,肉厚0.8mm)に置き換えていったときの、反応度寿命
(取出燃焼度)をほぼ等しくする3つのMOX燃料集合体
における減速材反応度変化の様子を示したものである。
First, the change in moderator reactivity when the water-to-fuel ratio (H / HM) and the fissile plutonium loading ratio (Puf weight ratio) with respect to all fissiles in FIG. 4 are changed will be described. FIG. 4 shows the fuel assembly of FIG. 12 which has already been described.
FIG. 8 shows the change in moderator reactivity in the three MOX fuel assemblies that make the reactivity life (removal burnup) almost equal when the thickness is changed to 0.8 mm and 0.8 mm in wall thickness.

縦軸の減速材反応度として、低温時と出力運転時での
無限増倍率の差△kCHをとり、横軸は出力運転時での燃
料集合体平均水素対重金属原子数比H/HMで表わしてあ
る。なお、図中Puf重量率は、MOX燃料中の核分裂性プル
トニウム(Puf)の全フィッサイル(Puf+235U)に対す
る重量割合を意味する。この図は、Puf重量率が大きい
ほど△kCHが増大し、減速材密度変化に対する反応度変
化が大となることを示しているが、水対燃料比を増すこ
とによって△kCHを小さくできることが分かる。
As the moderator reactivity on the vertical axis, the difference 無限 k CH between the infinite multiplication factor at low temperature and during output operation is taken, and the horizontal axis is the average hydrogen to heavy metal atom ratio H / HM during output operation. It is shown. The weight ratio of Puf in the figure means the weight ratio of fissile plutonium (Puf) in the MOX fuel to the total fissail (Puf + 235 U). This figure shows that as the Puf weight ratio increases, the △ k CH increases and the reactivity change with the moderator density change increases.However, the 水 k CH can be reduced by increasing the water to fuel ratio. I understand.

一般に、MOX燃料はウラン燃料よりも中性子減速効果
は劣るが、Puf重量率が約1/3程度では、たとえば第12図
に示したようなウラン燃料と同じハード(H/HMは約4.
7)が使用可能であることがこれまでの研究によって知
られている。従って、Puf重量率が、1/3を越えるような
MOX燃料のハード設計については、図中点線で示されるP
uf重量率33w/oのMOX燃料の△kCHと等しくなるようにH/H
Mを選べばよい。
In general, MOX fuel is inferior in neutron moderating effect to uranium fuel, but at a Puf weight ratio of about 1/3, for example, the same hardware as uranium fuel as shown in Fig. 12 (H / HM is about 4.
It has been known from previous studies that 7) can be used. Therefore, Puf weight ratio exceeds 1/3
Regarding the hardware design of MOX fuel, P shown by the dotted line in the figure
H / H to be equal to △ k CH of MOX fuel with uf weight ratio of 33 w / o
You can choose M.

たとえば、図中○印で示すPuf重量率33w/oのMOX燃料
(H/HM=4.7)に対してPuf重量率60w/oのMOX燃料ではH/
HMを約5.0(6%増),85w/oの場合は約5.3(13%増)と
すれば△kCHを同じとすることができる。従ってPuf重量
率が約1/2程度以上のMOX燃料に対しては、その重量率に
比例させて、H/HMを5%ないし15%程度増としてやれ
ば、Puf重量率1/3のMOX燃料と中性子減速効果を同じと
することができる。このためH/HMを増すための具体的手
段としては、熱中性子束の小さい燃料集合体中央部の燃
料棒をウォータロッドで置き換えるか、ウォータロッド
径を太くするのが効果的である。
For example, a MOX fuel with a Puf weight ratio of 33 w / o (H / HM = 4.7) indicated by a circle in the figure shows a H / HM with a Puf weight ratio of 60 w / o.
If HM is about 5.0 (6% increase) and 85 w / o is about 5.3 (13% increase), Δk CH can be the same. Therefore, for MOX fuel with a Puf weight ratio of about 1/2 or more, if the H / HM is increased by 5% to 15% in proportion to the weight ratio, the MOX fuel with a Puf weight ratio of 1/3 The fuel and neutron moderating effects can be the same. Therefore, as a specific means for increasing the H / HM, it is effective to replace the fuel rod at the center of the fuel assembly having a small thermal neutron flux with a water rod or to increase the diameter of the water rod.

次に、Puf重量率を33w/o,60w/oおよび85w/oとしたと
きの本発明の実施例を以下第1図,第2図および第3図
について説明する。図中、記号Uは濃縮ウラン棒,Pは天
然ウランを母材とするMOX燃料棒,Gは濃縮ウラン又はMOX
燃料棒にガドリニアを添加した燃料棒,Wはウォータロッ
ドを表わしている。
Next, an embodiment of the present invention when the Puf weight ratio is set to 33 w / o, 60 w / o and 85 w / o will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3. In the figure, symbol U is enriched uranium rod, P is MOX fuel rod based on natural uranium, G is enriched uranium or MOX
The fuel rod with gadolinia added to the fuel rod, W represents a water rod.

第1図は本発明の第1の実施例であり、第12図に示し
たウラン燃料集合体と同一のハードとしたMOX燃料を用
いたものである。ガドリニアは10本の濃縮ウラン棒に添
加され、20本のMOX燃料棒は全燃料棒数60本のうち約1/3
を占めている。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, which uses the same hardened MOX fuel as the uranium fuel assembly shown in FIG. Gadolinia is added to 10 enriched uranium rods, and 20 MOX fuel rods are about 1/3 of the total 60 fuel rods.
Occupy.

第2図は本発明の第2の実施例であり、第1図おい
て、中央部で2本の燃料棒をウォータロッドで置き換え
ている。MOX棒本数は36本で、全燃料棒数58本のうち約3
/5を占めている。ガドリニアは10本の濃縮ウラン棒に添
加されている。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. In FIG. 1, two fuel rods are replaced by water rods at the center. The number of MOX rods is 36, about 3 out of 58 fuel rods.
/ 5. Gadolinia is added to ten enriched uranium rods.

第3図は本発明の第3の実施例であり、第1図おい
て、中央部で4本の燃料棒をウォータロッドで置き換え
ている。全燃料棒はMOX燃料棒により構成され、14本の
ガドリニア入り燃料棒を使用している。
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. In FIG. 1, four fuel rods are replaced with water rods at the center. All fuel rods are composed of MOX fuel rods and use 14 gadolinia fuel rods.

第5図は本発明の第4の実施例であり、同図に示すよ
うに第3図に示したMOX燃料集合体において、燃料棒配
列を9行9列とした場合である。ここでは、中央部に外
径42mm,肉厚1.4mmの太径ウォータロッドを使用してい
る。
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention, in which the MOX fuel assembly shown in FIG. 3 has a fuel rod arrangement of 9 rows and 9 columns as shown in FIG. Here, a large-diameter water rod having an outer diameter of 42 mm and a wall thickness of 1.4 mm is used in the center.

次に、MOX燃料集合体内の最も径の大きいウォータロ
ッド内下部において、ガドリニア棒を配置することによ
ってMOX燃料棒の設計を複雑にすることなく炉心軸方向
出力分布が平坦化されることを示す。
Next, it is shown that the power distribution in the axial direction of the core is flattened by arranging gadolinia rods in the lower part of the largest diameter water rod in the MOX fuel assembly without complicating the design of the MOX fuel rod.

本発明は特に第3図に示すような、ウラン燃料棒本数
がゼロかあるいは少数の場合に有効である。すなわち、
この場合MOX棒において、下部にガドリニアを添加する
ことによって、燃料上下のボイド反応度差を打ち消し、
軸方向出力分布を平坦化することは可能である。しか
し、プルトニウムはウランよりも中性子吸収が大きいた
め、ガドリニアの中性子吸収が小さくなり、軸方向にガ
ドリニアが分布したMOX棒本数は多数必要となり、MOX燃
料設計や製造は複雑になり、コストアップ要因となって
いた。
The present invention is particularly effective when the number of uranium fuel rods is zero or small as shown in FIG. That is,
In this case, by adding gadolinia to the lower part of the MOX rod, the void reactivity difference between the upper and lower fuels is canceled out,
It is possible to flatten the axial power distribution. However, plutonium has a higher neutron absorption than uranium, so neutron absorption of gadolinia is small, and a large number of MOX rods with gadolinia distributed in the axial direction are required, which makes MOX fuel design and production complicated, which increases cost. Had become.

第6図は前記した本発明の実施例の横断面図であり、
同図に示すように、部分長ガドリニア棒14が配置された
太径ウォータロッドを用いると、太径ウォータロッド内
における中性子減速は良好であり、このガドリニア棒1
本による熱中性子吸収効果は、図中ガドリニア入り燃料
棒151本のそれよりもはるかに大であり、上下ボイド反
応度を十分打ち消すことができる。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the above-described embodiment of the present invention,
As shown in the figure, when a large-diameter water rod on which the partial-length gadolinia rod 14 is disposed is used, the neutron deceleration in the large-diameter water rod is good, and this gadolinia rod 1
The thermal neutron absorption effect of the book is much larger than that of the 151 gadolinia-containing fuel rods in the figure, and the reactivity of the upper and lower voids can be sufficiently canceled.

このガドリニア棒の高さ方向配置例を第7図に模式的
に示す。これは、ウォータロッド下部に中性子吸収の小
さい非核分裂性物質(例えばアルミナやジルコニアな
ど)を母材として、ペレット状にしてジルコニウム被覆
管22内に収納したものから構成される。
FIG. 7 schematically shows an example of the arrangement of the gadolinia bars in the height direction. This is composed of a non-fissionable substance (for example, alumina or zirconia) having a small neutron absorption as a base material at the lower part of the water rod and stored in a zirconium cladding tube 22 in a pellet form.

ガドリニアペレットは同図(a−1)に示すように円
柱状21かあるいは同図(b−1)および同図(b−2)
に示すように円環状23として、中心軸を水が通り抜ける
構造のものがある。また、図(a−2)は図(a−1)
のII−II線に沿う横断面図であり、ジルカロイの突起24
が設けられ、これによってウォータロッド25の管壁との
間隔を維持する構造となっている。
The gadolinia pellet has a cylindrical shape 21 as shown in FIG. (A-1) or (b-1) and (b-2) in FIG.
As shown in FIG. 5, there is an annular structure 23 in which water passes through the central axis. FIG. (A-2) is a diagram (a-1)
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG.
Is provided, thereby maintaining a space between the water rod 25 and the tube wall.

第8図(a),(b)は第10図(a−1),(b−
1)に示したガドリニア棒の詳細図である。ガドリニア
ペレット31,32を被覆してなるジルカロイ33はウォータ
ロッド34と一体化した構造となっている。同図(a)の
突起35はガドリニア棒水平方向に定位置に保つためのも
のである。同図(b)では円環状のペレット32が用いら
れている。
FIGS. 8 (a) and (b) show FIGS. 10 (a-1) and (b-
It is a detailed view of the gadolinia bar shown in 1). Zircaloy 33, which covers gadolinia pellets 31 and 32, has a structure integrated with water rod. The projection 35 in FIG. 7A is for keeping the gadolinia bar at a fixed position in the horizontal direction. In FIG. 1B, an annular pellet 32 is used.

次に、以上述べた部分長ガドリニア棒による軸方向出
力分布平坦化の効果について説明する。ここで水ロッド
の外径は34mm、肉厚は0.7mmとし、ガドリニア棒の形状
は第8図(a)のものを用いている。ガドリニアの母材
はアルミナを用い中央部には直径10mmの濃度2w/oのガド
リニアを添加したものである。このようなガドリニア棒
による軸方向出力分布平坦化の効果を第9図に示した。
Next, the effect of flattening the axial power distribution by the partial length gadolinia rod described above will be described. Here, the outer diameter of the water rod is 34 mm, the wall thickness is 0.7 mm, and the shape of the gadolinia rod is that shown in FIG. 8 (a). The base material of gadolinia is alumina, to which gadolinia having a diameter of 10 mm and a concentration of 2 w / o is added at the center. FIG. 9 shows the effect of flattening the axial power distribution by such a gadolinia rod.

ここではサイクル初期およびサイクル末期での制御棒
全引抜の状態での炉心軸方向出力分布をそれぞれ第9図
(a)および第9図(b)に示す。図中、点線イは従来
型の場合、実線ロは本発明になる場合であるが、これに
より、本発明の方が軸方向出力分布平坦化がすぐれてい
ることが分かる。この例では、ガドリニア棒先端位置
は、炉心下端からみて全長の10/24となっている。曲線
イに示す従来型炉心の場合、出力ピーキングは全長の1/
4以下に生ずることから、上記先端位置は約1/3ないし1/
2の範囲にあれば本発明の目的が達成される。
Here, FIGS. 9 (a) and 9 (b) show the power distribution in the axial direction of the core in the state where the control rods are completely withdrawn at the beginning of the cycle and at the end of the cycle, respectively. In the figure, the dotted line A indicates the case of the conventional type, and the solid line B indicates the case of the present invention. From this, it is understood that the present invention is superior in flattening the axial power distribution. In this example, the gadolinia rod tip position is 10/24 of the entire length as viewed from the lower end of the core. In the case of the conventional core shown in curve a, the power peaking is 1 /
4 or less, the tip position is about 1/3 to 1 /
The object of the present invention is attained when it is within the range of 2.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によればMOX燃料集合体
中の核分裂性プルトニウム装荷重量割合に応じてウォー
タロッド本数や径を増して水対燃料比を変えることによ
って、中性子スペクトルの硬化を抑えることができ、炉
心特性の劣化を防ぐことができる。また、MOX燃料棒内
の濃縮度やガドリニア分布を複雑にすることなしで、太
径水ロッド中に部分長ガドリニア棒を配置する簡単なハ
ード変更だけで燃料集合体の軸方向出力分布の平坦化が
できる。さらに、既設プラントにおける炉内構造物や運
転方法を変えることなく、プルトニウムを有効に利用
し、ウラン資源を節約することができる。さらにまた、
MOX燃料中のブルトニウム装荷量が増すので、使用済MOX
燃料の体数が減り、このことは中間貯蔵に有利となる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the neutron spectrum is increased by increasing the number and diameter of water rods and changing the water to fuel ratio according to the fissile plutonium loading ratio in the MOX fuel assembly. Can be suppressed, and deterioration of core characteristics can be prevented. In addition, without complicating the enrichment and gadolinia distribution in the MOX fuel rod, the axial power distribution of the fuel assembly is flattened by simply changing the partial length gadolinia rod in the large-diameter water rod. Can be. Further, the plutonium can be effectively used and the uranium resource can be saved without changing the furnace internal structure and operation method in the existing plant. Furthermore,
Spent MOX as the amount of loaded boron in MOX fuel increases.
The number of fuels is reduced, which is advantageous for intermediate storage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1の実施例の横断面図、第2図は本
発明の第2の実施例の横断面図、第3図は本発明の第3
の実施例の横断面図、第4図は水対燃料比と全フィッサ
イルに対する核分裂性プルトニウム装荷割合(Puf重量
割合)を変えたときの減速材反応度の変化を示す図、第
5図は第3図の燃料集合体において燃料棒配列を9行9
列とした本発明の第4の実施例の横断面図、第6図は第
3図の燃料集合体において、太径ウォータロッド内下部
に部分長ガドリニア棒を配置した本発明の第5の実施例
の横断面図、第7図(a−1),(b−1)および(a
−2),(b−2)は本発明になる部分長ガドリニア棒
の縦断面図および横断面図の模式図、第8図(a),
(b)は第7図の部分長ガドリニア棒の詳細な断面図、
第9図は第3図の炉心に部分長ガドリニア棒を装荷した
ものと装荷しないものとの炉心軸方向出力分布を比較し
たもので、同図(a)はサイクル初期、同図(b)はサ
イクル末期での制御棒全引抜の状態での炉心軸方向出力
分布を示す図、第10図は従来の燃料集合体の縦断面図、
第11図は第10図のI−I線に沿う横断面図、第12図は高
濃縮度化に対応したウラン燃料集合体の横断面図であ
る。 14……部分長ガドリニア棒 15,G……ガドリニア入り燃料棒 25,34,W……ウォータロッド 31,32,21,23……ガドリニアペレット P……MOX燃料棒、U……濃縮ウラン棒
FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a second embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a change in moderator reactivity when the fissile plutonium loading ratio (Puf weight ratio) with respect to the water-to-fuel ratio and the total fissail is changed, and FIG. In the fuel assembly shown in FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of the present invention in a row, and FIG. 6 is a fifth embodiment of the present invention in which a partial length gadolinia rod is disposed below a large diameter water rod in the fuel assembly of FIG. Example cross-sectional views, FIGS. 7 (a-1), (b-1) and (a)
-2) and (b-2) are schematic views of a longitudinal sectional view and a transverse sectional view of a partial length gadolinia rod according to the present invention, and FIGS.
(B) is a detailed sectional view of the partial length gadolinia rod of FIG. 7;
FIG. 9 shows a comparison of the axial power distribution of the core of FIG. 3 with the partial length gadolinia rod loaded and the core of the core not loaded, and FIG. 9 (a) shows the initial cycle, and FIG. FIG. 10 is a diagram showing a core axial power distribution in a state where control rods are completely withdrawn at the end of a cycle, FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a conventional fuel assembly,
FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 10, and FIG. 12 is a cross-sectional view of a uranium fuel assembly corresponding to high enrichment. 14 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】プルトニウム燃料とウラン燃料からなる混
合型燃料集合体と、ウラン燃料からなる燃料集合体とを
装荷した沸騰水型原子炉において、混合型燃料集合体に
含まれる核分裂性プルトニウム重量がその燃料集合体の
全核分裂性物質重量の1/2以上を占め、その出力運転時
の水素対重金属原子数比が同じ反応度寿命を有するウラ
ン燃料集合体よりも5%ないし15%増となるよう、ウォ
ータロッド本数またはウォータロッド径を増加させ、か
つ、その燃料集合体水平断面中央部に配置させたことを
特徴とする沸騰水型原子炉。
In a boiling water reactor loaded with a mixed fuel assembly composed of plutonium fuel and uranium fuel and a fuel assembly composed of uranium fuel, the weight of fissile plutonium contained in the mixed fuel assembly is reduced. It accounts for more than 1/2 of the total fissile material weight of the fuel assembly, and its hydrogen to heavy metal atomic ratio during power operation increases by 5% to 15% over uranium fuel assemblies having the same reactivity life. The number of water rods or the diameter of the water rods is increased, and the fuel rods are arranged at the center of the horizontal section of the fuel assembly.
【請求項2】外径の最も大きいウォータロッド内下部に
非核分裂性物質を母材とする可燃性毒物を配置してなる
特許請求の範囲第1項記載の沸騰水型原子炉。
2. The boiling water reactor according to claim 1, wherein a burnable poison having a non-fissionable substance as a base material is disposed in a lower portion of a water rod having the largest outer diameter.
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