JP2625404B2

JP2625404B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JP2625404B2
Application number: JP7143205A
Authority: JP
Inventors: 肇男青山; 裕一森本; 貞夫内川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPH07318674A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料集合体に係り、特に
取り出し燃焼度が増大し、運転サイクル期問が長期化し
た場合の余剰反応度制御に好適な沸騰水型原子炉の燃料
集合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の精
成を図７に示す。燃料集合体は、四角筒のチャンネルボ
ツクス１と、このチャンネルボツクス１の内部に収納さ
れた燃料バンドル２とからなる。この燃料バンドル２
は、チャンネルボツクス１の上下部にはめ込む上部タイ
プレート３および下部タイプレート４と、チャンネルボ
ックス１内部で軸方向に沿って間隔を置いて設置した複
数個のスペーサ５と、このスペーサ５を貫通し、上下部
夕イプレート３、４に両端を固定した複数本の燃料捧６
と水ロッド７とから構成してある。

【０００３】原子炉を一定の期問運転するためには、運
転初期において、運転中の核分裂性物質の燃焼による反
応度劣化分だけ余剰反応度を有している必要がある。そ
して、原子炉を臨界に保つために、この余剰反応度を制
御する必要があり、従来、その方法として、図８に示す
ように、中性子吸収物質からなる制御棒８を炉心に挿入
する方法と、濃縮燃料ペレット中にＧｄ₂０₃等の中性子
吸収断面積の大きい可燃性毒物を添加した特殊燃料棒９
（以下ガドリニア入り燃料棒という）を含む燃料集合体
を用いる方法とが併用されていた。

【０００４】近年、燃料経済性を向上させるため、濃縮
度を高くして燃料を長寿命化することが考えられている
が、これには次のような問題がある。第１は、濃縮度の
増加により中性子の平均エネルギーが高くなるため、ガ
ドリニア入り燃料棒１本当りの余剰反応度制御効果が減
少することである。第２は、連続運転期間の延長により
制御しなければならない余剰反応度が図９のように増大
し、従来のガドリニア入り燃料棒の本数を増加しなけれ
ばならないということである。図８に示した燃料集合体
は、取出し燃焼度が３０ＧＷｄ／ｔ程度で、９ケ月連続
運転のものでガドリニア入り燃料棒９が６本配置してあ
る。例えば、連続運転期問を１．５倍の１３．５ケ月間
にする場合を考えると、ガドリニア入り燃料棒９が接近
して配置されることによる反応度制御量の減少、さらに
前述した濃縮度増加にともなう反応度制御量の減少を考
慮すると、必要なガドリニア入り燃料棒９の本数は１３
本程度と考えられる。しかし、ガドリニア入り燃料棒９
の本数の増加は、燃料集合体の局所出力ピーキング係数
を増大する影響があり、配置場所の制約からその本数に
は上限が存在する。したがって、連続運転期間を１５ケ
月以上にすることは、現実的には困難となることが予想
される。

【０００５】このような課題の対策としては、特開昭５
３一４１６９６号公報に記載してあるように、可燃性毒
物と減速材を混在させた制御ロッドを燃料集合体に組み
込む方法、また、燃料ペレットに占めるガドリニアの重
量割合を増加し、第２サイクル初期においてもガドリニ
アが燃え残るようにする方法がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、前者
がウラン装荷量の減少、また、後者がサイクル末期のガ
ドリニアの燃え残りによる反応度低下によって、いずれ
も燃料経済性の面で犠牲を払うという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、燃料経済性を悪化させる
ことなく、長期サイクル運転時の余剰反応度制御量を増
大することができる沸騰水型原子炉の燃料集合体を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にとられた本発明の構成は、格子状に配置された多数本
の燃料棒からなる燃料集合体において、前記多数本の燃
料棒は燃料有効部の上下端部領域が天然ウランで構成さ
れ、該上下端部領域の核分裂性物質の量が該燃料有効部
の他の領域よりも少なく、一部の前記燃料棒は前記上下
端部領域に可燃性毒物を含むことを特徴とするものであ
る。

【０００９】

【作用】本発明は、以下に示す検討結果に基づいてなさ
れたものである。なお、以下の説明では、核燃科として
ウランー２３５を用いた場合を取り上げたが、ウランー
２３３を用いた場合も同様である。

【００１０】燃料集合体には下部タイプレートの孔から
冷却材が流入し、上部タイプレートの孔から流出する。
その間、燃料棒間で加熱された冷却材は２相流となり、
燃料集合体上部ではボイド率が７０％前後になる。その
結果、燃料集合体上部の中性子拡散係数が大きくなり、
燃料集合体上部からの中性子の漏れが著しく大きくな
る。中性子経済性を向上して燃料の有効利用をはかるた
めには、運転状態において中性子インポータンスが高い
領域に中性子無限増倍率が高い燃料を配置し、中性子イ
ンポータンスの低い領域には中性子無限増倍率が低い燃
料を配置すればよい。つまり、燃料集合体上下端部の中
性子インポータンスの低い領域の核分裂性物質量を他の
領域より少なくすればよい。

【００１１】図１０は可燃性毒物であるガドリニア入り
燃料棒の濃縮度とガドリニア入り燃料棒１本あたりの余
剰反応度制御量との関係を示した線図である。濃縮度の
減少にともなって中性子の平均エネルギ−が減少するた
め、ガドリニア入り燃料棒１本当たりの余剰反応度制御
量が増大する。また、ガドリニアの燃え残りも減少す
る。

【００１２】そこで、中性子インポ−タンスが低く、天
然ウランが装荷された上下端部領域にガドリニアを混在
させたので、中性子無限増倍率をより低くすることがで
き、燃料経済性をさらに向上させることができる。ま
た、天然ウランが装荷された上下端部領域では線出力密
度が最大になることはないので、局所出力ピ−キング係
数の上昇が許容でき、必要なだけガドリニア入り燃料に
置きかえることができる。これも余剰反応度制御量の増
大に寄与する。また、上下端部のガドリニアの量を調整
すれば、燃料集合体上下端部を除く燃料領域（中央燃料
領域）の燃焼度分布を平坦化することができる。

【００１３】また、前述したように、燃料集合体はボイ
ドが発生するため、上部の燃焼の進みが遅れ、燃料集合
体軸方向の燃焼度分布が一様にならないが、燃料集合体
上下端部に可燃性毒物を配置するようにしたので、上下
端部に接する中央燃料領域の燃焼度を制御することがで
き、その結果、燃焼度分布を平垣化することができる。

【００１４】また、核分裂性物質の量を減少する炉心上
下端部領域は、燃料経済性を悪化させない領域となる。
図１１は燃料集合体上下端部領域をそれぞれ天然ウラン
に置き換えたときの省ウラン効果を示した線図である。
図１１より、燃料集合体の燃料有効長に対して上下端よ
りそれぞれ１５％の長さの領域を燃料集合体上下端部と
した。

【００１５】

【実施例】以下本発明を図１〜図６に示した実施例を用
いて詳細に説明する。

【００１６】図１は本発明の燃料集合体の一実施例を示
す水平断面図で、１１〜１６で示しであるものは、それ
ぞれ濃縮度の異なる燃料ペレットを充填した燃料棒を示
している。１７は水ロッドである。図２は図１の各種燃
料棒の軸上向の濃縮度分布の説明図で、図中ａ〜ｈは燃
料ペレットの濃縮度を示しており、それは表１のように
なっている。なお、表１において、濃縮度（Ｗ／○）と
は、Ｕ−２３５とＵ一２３８との合計に対するＵ一２３
５の濃度を示している。

【００１７】

【表１】

【００１８】図２に示すように、各燃料棒１１〜１６の
燃料上端部（燃料有効長の２／２４≒約８％）と燃料下
端部（燃料有効長の１／２４≒約４％）が天然ウランに
おきかわっており、そのうち、燃料棒１５、１６の２４
本の上下端部にはそれぞれ４Ｗ／○の濃度のガドリニア
が混在している。

【００１９】その結果、次の効果が得られる。燃料棒上
下端部にｇ、ｈのペレットを設置しないａ〜ｆのペレッ
トだけからなる燃料棒で燃料集合体を構成した場合に比
べて、単位出力あたりの所要天然ウラン量が約５％減少
するとともに、余剰反応度制御量が約０．２％△Ｋ増大
する。また、ペレットｈを使わず、燃料棒上下端部をす
べてペレットｇで構成した場合に比べて、余剰反応度制
御量が約０．５％△Ｋ増大する。

【００２０】なお、図１では、中性子インポータンスの
高い領域の出力が増加し、線出力密度が増大することを
考慮して燃料集合体の配列を現行８×８格子から９×９
格子に変更しているが、これは９×９格子に限定される
ものではなく、１０×１０、１１×１１格子でもよい。
また、近年、被覆管内壁にＣｕまたはＺｒの薄膜をはり
つけ、燃料ペレットと被覆管の相互作用を減少し、線出
力密度を増大できる燃料集合体が開発されつつあるが、
このような燃料集合体の場合は、８×８格子とすること
ができる。

【００２１】また、図２では燃料有効部の上端部が燃料
有効長の約８％、下端部が約４％としてあるが、これら
はそれぞれ燃料有効長の１５％以下であればよい。

【００２２】図３は本発明の他の実施例を示す図１に相
当する水平断面図で、２１〜２６はそれぞれ濃縮度の異
なる燃料ペレットを充填した燃料棒で、２７ば水ロッド
で図４は図３の各燃料棒の軸上向の濃縮度分布の説明図
で、燃料ぺレツトａ〜ｈの濃縮度は表１と同じである。
図３は燃焼度分布を平坦化するようにしたもので、図１
に示した実施例との相違点は、図４に示すように、燃料
棒上端部と下端部とでペレットｈが用いられている本数
が異なる点である。すなわら、上端部では１２本、下端
部では２４本となっている。その結果、前の実施例に比
べて余剰反応度制御効果は半減するが、燃焼度の進みが
遅れる燃料集合体上部での燃焼を進めることが可能にな
り、燃焼度分布の平坦化を実現できるという効果があ
る。

【００２３】図５は本発明のさらに他の実施例を示す図
１に相当する水平断面図で、３１〜３６はそれぞれ濃縮
度の異なる燃料ペレットを充填した燃料棒で、３７は水
ロッドで、図６は図５の各燃料棒の軸方向の濃縮度分布
の説明図で、燃料ペレットａ〜ｈの濃縮度は表１と同じ
である。図５は図３と同じ効果を実現するためのもの
で、図１に示した実施例との相違点は、図６に示すよう
に、燃料棒３５、３６の上部端の燃料ペレットｈの一部
をガドリニアの入っていない燃料ペレットｇにした点に
ある。その結果、図３に示した実施例と同様、燃焼度の
進みが遅れる燃料集合体上部での燃焼を進めることがで
きる。ただし、余剰反応度制御効果は、図１に示した実
施例の場合のほぼ半分となる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料経済性を悪化することなく、長期サイクル運転時の
余剰反応度制御量を増大することができ、産業上の効果
の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料集合体の一実施例を示す水平断面
図である。

【図２】図１の各種燃料棒の軸方向の濃縮度分布の説明
図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す図１に相当する水平
断面図である。

【図４】図３の各種燃料棒の軸方向の濃縮度分布の説明
図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す図１に相当する水平
断面図である。

【図６】図５の各種燃料棒の軸方向の濃縮度分布の説明
図である。

【図７】従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の構成図で
ある。

【図８】従来の燃料集合体の水平断面図である。

【図９】連続運転期間と余剰反応度との関係を示す線図
である。

【図１０】濃縮度とガドリニア入り燃料棒１本あたりの
余剰反応度制御との関係を示す線図である。

【図１１】天然ウラン領域の割合と天然ウラン節約量と
の関係を示す線図である。

【符号の説明】

１１〜１６、２１〜２６、３１〜３６…燃料棒、ａ〜ｈ
…燃料ペレット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−147183（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−117182（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−242392（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−84591（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−93984（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】格子状に配置された多数本の燃料棒から
なる燃料集合体において、前記多数本の燃料棒は燃料有
効部の上下端部領域が天然ウランで構成され、該上下端
部領域の核分裂性物質の量が該燃料有効部の他の領域よ
りも少なく、一部の前記燃料棒は前記上下端部領域に可
燃性毒物を含むことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】前記上端部領域の一部に、可燃性毒物を
含む特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。
【請求項３】前記上下端部領域が燃料有効長の１５％
以下である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の燃料
集合体。