JP2635694B2 - Fuel assembly - Google Patents

Fuel assembly

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JP2635694B2
JP2635694B2 JP63156658A JP15665888A JP2635694B2 JP 2635694 B2 JP2635694 B2 JP 2635694B2 JP 63156658 A JP63156658 A JP 63156658A JP 15665888 A JP15665888 A JP 15665888A JP 2635694 B2 JP2635694 B2 JP 2635694B2
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    • 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) 本発明は燃料集合体に係り、特に運転サイクルが長く
かつ高停止余裕型の沸騰水型原子炉(BWR)などの軽水
炉(LWR)に好適な燃料集合体に関する。
The present invention relates to a fuel assembly, and more particularly to a light water reactor such as a boiling water reactor (BWR) having a long operation cycle and a high margin of shutdown. The present invention relates to a fuel assembly suitable for (LWR).

(従来の技術) 沸騰水型原子炉の燃料集合体は、金属製被覆管内部に
核燃料物質を充填した多数の燃料棒を規則正しく配列さ
れたものが方形のチャンネルボックスの内部に収納され
て構成されている。そして、沸騰水型原子炉の炉心で
は、通常1体の十字型制御棒とそれを取り囲む4体の燃
料集合体とから構成されたセルが規則正しく配置されて
いる。すなわち、沸騰水型原子炉の炉心の各燃料集合体
および制御棒は、それらの軸が垂直で互いに平行になる
ように配列され、減速材としての機能を有する冷却材は
炉心の下方から上方に向って流れるように構成されてい
る。そして、炉心有効部下端即ち発熱部の下端付近では
気泡は発生しないが、炉心の中央部から上端部にかけて
は大量の気泡が発生し、この発生した気泡は炉心上方に
流れる。気泡し占める体積割合即ちボイド割合が高くな
ると、中性子の減速特性が低下するため熱中性子束が低
下し、出力が低下する。これを避けるため、ボイド割合
の高い部位では核分裂核種濃度即ち濃縮度を高めたり、
或いはボイド割合の低い部位の出力上昇を抑えるべく可
燃性毒物を入れる等して対処してきた。
(Prior Art) A fuel assembly of a boiling water reactor is configured by regularly arraying a large number of fuel rods filled with nuclear fuel material inside a metal cladding tube and housed in a rectangular channel box. ing. In the core of a boiling water reactor, cells each usually composed of one cross control rod and four fuel assemblies surrounding the control rod are regularly arranged. That is, the fuel assemblies and control rods of the core of the boiling water reactor are arranged so that their axes are vertical and parallel to each other, and the coolant having a function as a moderator is applied from below to above the core. It is configured to flow toward. Although no air bubbles are generated near the lower end of the core effective portion, that is, near the lower end of the heat generating portion, a large amount of air bubbles are generated from the center to the upper end of the core, and the generated air bubbles flow above the core. If the volume ratio of the bubbles, that is, the void ratio, increases, the neutron moderation characteristics deteriorate, so that the thermal neutron flux decreases and the output decreases. To avoid this, the concentration of fission nuclides, that is, enrichment, should be increased at sites with a high void fraction,
Alternatively, combustible poisons have been added to prevent the output from increasing in the portion having a low void ratio.

したがって、沸騰水型原子炉では炉心上部の燃料が遅
れやすく、これによってU−235濃度が相対的に他の部
分より高くなり、また、ボイドによりPu−239などの核
分裂性核種が生成されるため、炉心上部では原子炉の停
止余裕がきびしくなり易い事はよく知られている。さら
に、経済性向上を主目的として、運転サイクルの長期化
や燃料の取出し燃焼度向上のための努力が続けられてい
る。この場合も燃料の濃縮度は必然的に高められるの
で、原子炉の停止余裕は一段ときびしくなる。
Therefore, in the boiling water reactor, the fuel in the upper part of the core is easily delayed, which causes the U-235 concentration to be relatively higher than the other parts, and also generates fissionable nuclides such as Pu-239 by voids. It is well known that the reactor shutdown margin tends to be severe in the upper part of the reactor core. Further, efforts have been made to extend the operation cycle and to improve the burn-out of fuel with the main purpose of improving economy. In this case also, the enrichment of the fuel is inevitably increased, so that the shutdown margin of the nuclear reactor is further increased.

次に、沸騰水型原子炉に用いられている燃料集合体及
び近い将来用いられると期待される燃料集合体の代表例
を図面を参照して説明する。
Next, typical examples of a fuel assembly used for a boiling water reactor and a fuel assembly expected to be used in the near future will be described with reference to the drawings.

第19図(A)および同図(B)はそれぞれ従来の燃料
集合体の斜視図および燃料集合体を構成する燃料棒の概
略縦断面図である。
FIGS. 19 (A) and (B) are a perspective view of a conventional fuel assembly and a schematic vertical sectional view of a fuel rod constituting the fuel assembly, respectively.

同図(A)において、燃料集合体は水棒(図示せず)
と燃料棒2を上部タイプレート4,スペーサ5,下部タイプ
レート6により固定し、その外側をチャンネルボックス
1で取囲むように構成されている。燃料棒2は同図
(B)に示すように、被覆管7内に燃料ペレット8を配
設し、その上部のガスプレナムにスプリング9を設け、
上端に上部端栓10を下端に下部端栓11を設けている。
In FIG. 1A, a fuel assembly is a water rod (not shown).
And the fuel rods 2 are fixed by an upper tie plate 4, a spacer 5, and a lower tie plate 6, and the outside thereof is surrounded by a channel box 1. As shown in FIG. 1B, the fuel rods 2 are provided with fuel pellets 8 disposed in a cladding tube 7, and a spring 9 provided in a gas plenum above the fuel pellets 8.
An upper end plug 10 is provided at an upper end and a lower end plug 11 is provided at a lower end.

第20図は第19図に示す従来の燃料集合体の横断面図で
ある。チャンネルボックス1内には62本の燃料棒2と2
本の水棒3が格子状に規則正しく配列されて燃料集合体
を構成している。水棒3は集合体内部で減速材である水
が不足するのを抑制しているが、この水棒3は軸方向に
一様であるため炉心下方では水過剰、上方では水不足に
なるという問題点がある。
FIG. 20 is a cross-sectional view of the conventional fuel assembly shown in FIG. In the channel box 1, 62 fuel rods 2 and 2
The water rods 3 are regularly arranged in a grid to form a fuel assembly. The water rod 3 suppresses the shortage of water as a moderator inside the assembly. However, since the water rod 3 is uniform in the axial direction, there is a problem that water is excessive below the core and water is insufficient above the core. There is a point.

第21図に示す燃料集合体は前記燃料集合体の特性を改
良するために開発されたものであり、集合体内部に1本
の太径水棒12を配置して非沸騰水を導入している。しか
しながら、この例でも炉心下方では水過剰、上方では水
不足になるという問題点がある。
The fuel assembly shown in FIG. 21 has been developed to improve the characteristics of the fuel assembly. One large-diameter water rod 12 is arranged inside the assembly to introduce non-boiling water. I have. However, even in this example, there is a problem that water is excessive below the core and water is insufficient above the core.

第22図に示す燃料集合体も第20図の燃料集合体の改良
であり、4つの小チャンネルボックス13を設け、小チャ
ンネルボックス13内には沸騰冷却水を、また小チャンネ
ルボックス13相互間の十字状間隙14には非沸騰減速材水
領域とすることにより、水平方向出力分布の平坦化を図
ったものであるが、このタイプの燃料集合体も炉心下方
では水過剰、上方では水不足になるという問題点があ
る。
The fuel assembly shown in FIG. 22 is also an improvement of the fuel assembly shown in FIG. 20, in which four small channel boxes 13 are provided, boiling cooling water is provided in the small channel boxes 13, and a space between the small channel boxes 13 is provided. The cross-shaped gap 14 has a non-boiling moderator water area to flatten the horizontal power distribution, but this type of fuel assembly also has excess water below the core and insufficient water above it. There is a problem.

第23図に示す燃料集合体は、第22図の燃料棒の改良型
として開発されたものである。この燃料集合体は9ケの
サブアセンブリ15で構成されており、核サブアセンブリ
15はそれぞれ9本の燃料棒2で構成されている。サブア
センブリ15の間にはやや広い間隔16が設けられている。
この燃料集合体の場合も炉心上下部の水の過不足問題は
解決されていない。
The fuel assembly shown in FIG. 23 has been developed as an improved version of the fuel rod shown in FIG. This fuel assembly consists of nine subassemblies 15 and a nuclear subassembly.
Reference numeral 15 denotes nine fuel rods 2 each. A slightly wider space 16 is provided between the subassemblies 15.
In this fuel assembly as well, the problem of excess and deficiency of water in the upper and lower portions of the core has not been solved.

(発明が解決しようとする問題点) 上述したように、沸騰水型原子炉(BWR)の発熱部で
ある燃料集合体の最下端では、気泡は発生しないもの
の、その他の部分ではどこででも気泡は発生し、しかも
発生した気泡は上方(下流)へ流れていく。従って、BW
Rの気泡割合(ボイド割合)は炉心上方ほど高くなる。
その結果、中性子の減速特性が低下するので核分裂割合
が低下することになる。すなわち、燃焼は炉心下方で進
み、炉心上方で遅れることになる。そこで、炉心上方の
出力の低下を抑制するために、炉心上方の核分裂核種濃
度を高くすることが提案されている。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, air bubbles are not generated at the lowermost end of the fuel assembly, which is the heating section of a boiling water reactor (BWR), but air bubbles are generated anywhere in other parts. The generated air bubbles flow upward (downstream). Therefore, BW
The bubble ratio (void ratio) of R becomes higher toward the upper part of the core.
As a result, the neutron moderation characteristics are reduced, so that the fission rate is reduced. That is, combustion proceeds below the core and is delayed above the core. Therefore, it has been proposed to increase the fission nuclide concentration above the core in order to suppress a decrease in power above the core.

ところが、炉心上方でのボイド割合の上昇と核分裂核
種濃度を高くすることは、原子炉停止時の炉心上部での
未臨界度を浅くすることになる。
However, increasing the void fraction above the core and increasing the fission nuclide concentration reduces the subcriticality above the core when the reactor is shut down.

一方、運転サイクルを長期化あるいは取出し燃焼度を
増大して経済性を向上するためには燃料の濃縮度を更に
高めなければならないが、このことは炉心上部での未臨
界度をますます浅くすることになり、終には低温時に原
子炉を安全に停止できなくなる場合も考えられる。すな
わち、この点がネックとなって従来の原子炉炉心では運
転サイクルの長期化あるいは取出し燃焼度の増大が出来
ないという問題点があった。
On the other hand, fuel enrichment must be further increased in order to prolong the operation cycle or increase the extraction burnup and improve economics, which further reduces the subcriticality in the upper part of the core Eventually, it may be impossible to safely shut down the reactor at low temperatures. In other words, this point becomes a problem, and there has been a problem that the operation cycle cannot be lengthened or the take-out burnup cannot be increased in the conventional reactor core.

本発明は上記問題点を解決するためになされたもの
で、その目的は、燃料の濃縮度を高くしても原子炉停止
を可能とするとともに軸方向出力分布を改良した沸騰水
型原子炉の炉心を構成する燃料集合体を提供することに
ある。
The present invention has been made in order to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a boiling water reactor having an axial power distribution improved while enabling a reactor shutdown even when fuel enrichment is increased. An object of the present invention is to provide a fuel assembly constituting a core.

[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明は金属製被覆管内
部に核燃料物質を充填した多数の燃料棒と前記燃料棒の
横断面積より大きい横断面積を有する太径水棒とを規則
正しく配列して構成した燃料集合体において、一部の燃
料棒は核分裂性核種濃度を大幅に低下させた一定の長さ
の介在部材を前記金属製被覆管内に配置して介在部材入
燃料棒とし、前記太径水棒を取り囲むように前記介在部
材入燃料棒を配置するとともに当該介在部材の長さは原
子炉冷態時における熱中性子拡散距離より長く燃料集合
体の軸方向発熱部分の長さの1/3以下で、かつ該介在部
材配置位置は原子炉を停止した場合に中性子インポータ
ンス分布がピークとなる位置ないしその近傍であること
を特徴とするものである。
[Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides a multiplicity of fuel rods filled with nuclear fuel material inside a metal cladding tube and a cross-sectional area larger than the fuel rods. In a fuel assembly constituted by regularly arranging a large diameter water rod having a cross-sectional area, some of the fuel rods have an intervening member of a fixed length in which the fissile nuclide concentration is significantly reduced is inserted in the metal cladding tube. And the interposed member fuel rod is disposed so as to surround the large-diameter water rod, and the length of the interposed member is longer than the thermal neutron diffusion distance when the reactor is in a cold state. Characterized by being less than 1/3 of the length of the axial heating portion of the assembly and the interposed member being located at or near a position where the neutron importance distribution peaks when the reactor is shut down. It is.

(作 用) 上記したように、本発明の燃料集合体によると、核分
裂性物質濃度の特に低い部分、即ち介在領域が太径水棒
を取り囲んで配置しているので、原子炉冷態時には太径
水棒およびその回りは過剰の水、すなわち燃料不足とな
り、燃料の中性子倍増率が低下し、冷態停止時には未臨
界度が深まり、原子炉停止余裕が増大する。一方、高温
運転時に、特に太径水棒の外周でボイドが発生している
場合には過剰の水は排除されるので、燃料の中性子増倍
率が回復する。この現象は主として拡散距離の短い熱中
性子の作用によって説明することができる。すなわち、
冷態時は水の密度(約1.0)が大きいので熱中性子の拡
散距離は短くなり、介在領域を挟んだ両側の中性子の相
互作用が減少し、その結果中性子像倍特性が低下する。
高温運転時はボイドが発生していない状態でも沸騰水型
原子炉では水温(基準値)は約286℃で、水の密度は約
0.74g/cm3となる。したがって、水中の熱中性子移動距
離は冷態時の1/0.74(=1.35)倍に増大する。さらに、
ボイド発生時の気水混合体の密度は0.3程度にまで低下
し、その結果、気水混合体の中の熱中性子拡散距離は1/
0.3(≒3)倍に増大する。太径水棒内は通常ボイドは
発生しない設計であるため、水の密度は約0.74g/cm3
あり、外周では約0.3g/cm3程度にまで低下し、両者の平
均値は0.5g/cm3程度となる。この結果、太径水棒を外周
の介在領域を取り囲んだ外周の中性子相互作用が増大
し、中性子増倍特性が上昇する。
(Operation) As described above, according to the fuel assembly of the present invention, the portion having a particularly low fissile material concentration, that is, the intervening region is arranged so as to surround the large-diameter water rod. The diameter water rod and its surroundings become excessive water, that is, a fuel shortage, the neutron doubling rate of the fuel decreases, the subcriticality increases at the time of cold shutdown, and the reactor shutdown margin increases. On the other hand, during operation at high temperature, particularly when voids are generated on the outer periphery of the large diameter water rod, excess water is eliminated, and the neutron multiplication factor of the fuel is recovered. This phenomenon can be mainly explained by the action of thermal neutrons with a short diffusion distance. That is,
In the cold state, the water density (about 1.0) is large, so the diffusion distance of thermal neutrons is short, and the interaction of neutrons on both sides of the intervening region is reduced, and as a result, the neutron image magnification characteristic is reduced.
During high temperature operation, the boiling water reactor has a water temperature (reference value) of about 286 ° C and a density of about
0.74 g / cm 3 Therefore, the thermal neutron migration distance in water increases to 1 / 0.74 (= 1.35) times that of cold. further,
The density of the air-water mixture at the time of void generation is reduced to about 0.3, and as a result, the thermal neutron diffusion distance in the air-water mixture is 1 /
It increases by 0.3 (≒ 3) times. For thick water rod in is a design usually voids does not occur, the density of water is about 0.74 g / cm 3, reduced to about 0.3 g / cm 3 in the outer periphery, the mean value of both 0.5g / cm 3 . As a result, the neutron interaction on the outer periphery surrounding the intervening region around the large diameter water rod increases, and the neutron multiplication characteristics increase.

上述の作用を利用すると、冷態時は増倍率を低下させ
即ち原子炉停止余裕(未臨界度)を増大させ、高温運転
時は燃料を減少させた場合でも増倍率が低下しない設計
が可能となる。
Utilizing the above-mentioned effects, it is possible to design a design that reduces the multiplication factor in a cold state, that is, increases the reactor shutdown margin (subcriticality), and does not decrease the multiplication factor in a high-temperature operation even when the fuel is reduced. Become.

次に、本発明の作用を第2図を参照して説明する。 Next, the operation of the present invention will be described with reference to FIG.

本発明者は燃料領域に水領域を導入した場合に、炉心
特性が如何に変化するかを実験と解析により研究してき
た。その研究の一端は、1964年に開催された第3回原子
力平和利用国際会議の論文集に収められている(Proc.3
rd.Geneva Conf.,P846,Nol.3Page 79(1964).のFig.1
5参照)。
The present inventor has studied through experiments and analysis how the core characteristics change when a water region is introduced into the fuel region. A part of the study is included in the proceedings of the 3rd International Conference on Peaceful Use of Nuclear Energy held in 1964 (Proc.3
rd. Geneva Conf., P846, No. 3 Page 79 (1964). Fig.1
5).

第3図(A)および(B)は本発明の基本原理を分か
り易く示すために上記論文で説明した図を書き直し、一
部加筆したものである。
FIGS. 3 (A) and 3 (B) are obtained by rewriting and partially adding the drawings described in the above-mentioned paper in order to clearly show the basic principle of the present invention.

今、第2図(A)に示すように、水中に円環炉心を構
成し、中央水領域の大きさ(半径r)を変える場合を考
える。炉心領域の外周は水反射体となっている。炉心領
域の燃料濃縮度は2.6%,水対燃料体積比は約1.8で臨界
実験を行った。第2図(B)は一定の炉心高さの時の臨
界質量を半径rの関数として相対値で示したものであ
る。同図右側の縦軸は炉心半径を一定(20cm)として、
中央水領域の半径による炉心の反応度変化、すなわち水
領域反応度効果に換算したときの目盛である。図の目盛
とすることにより、同一曲線で臨界質量と反応度効果を
示すことができた(一般的に同一曲線で示せるというわ
けではない)。半径rが0〜2cmの間は臨界質量がかえ
って低下しているのは、この炉心がやや減速不足(unde
r moderate)であるためである。このような現象は実機
LWRの炉心でしばしば生じる例と同じである。つまり、
ボイド率の高いBWR炉心の上半部から一部の燃料を抜い
て水棒などの減速材を導入すると炉心の反応度が向上す
るのと同じである。中央水領域の半径が2cmより大きく
なると臨界質量は増大する。すなわち負の反応度とな
る。炉心外径をr=0の場合に固定してrのみを2cmよ
り大きくすると、炉心は未臨界となり、未臨界度はrと
ともに2次曲線的に増大する。
Now, as shown in FIG. 2 (A), a case is considered where an annular core is formed in water and the size (radius r) of the central water region is changed. The outer periphery of the core region is a water reflector. Criticality experiments were performed with a fuel enrichment of 2.6% and a water to fuel volume ratio of about 1.8 in the core region. FIG. 2 (B) shows the critical mass at a constant core height as a function of the radius r as a relative value. The vertical axis on the right side of the figure assumes that the core radius is constant (20 cm).
This is a scale when the reactivity of the core is changed according to the radius of the central water region, that is, converted into a water region reactivity effect. By using the scale of the figure, it was possible to show the critical mass and the reactivity effect on the same curve (in general, it is not possible to show the same curve). When the radius r is between 0 and 2 cm, the critical mass decreases rather because the core is slightly decelerated (unde
r moderate). Such a phenomenon is a real machine
This is the same example that often occurs in LWR cores. That is,
In the same way, extracting some fuel from the upper half of the BWR core with a high void fraction and introducing a moderator such as a water rod improves the reactivity of the core. The critical mass increases when the radius of the central water region is larger than 2 cm. That is, the reactivity becomes negative. If the core outer diameter is fixed at r = 0 and only r is made larger than 2 cm, the core becomes subcritical, and the subcriticality increases in a quadratic curve with r.

いま、第2図(B)において、中央水領域半径が2.5c
mから3.8cmに変化したとすると、曲線bより、炉心の反
応度は未臨界度が深くなる側へ0.8%△K/Kの変化(b1
が生じる。ここで中央水領域の水の密度は1.0g/cm3であ
る。いま中央水領域の水密度が仮に0.7g/cm3であったと
する。この場合中性子の水との反応確率からみると、中
央水領域の半径は大凡0.7×2.5cm(1.8cm)から0.7×3.
8cm(2.7cm)の変化と等価になる。この時の炉心の反応
度変化は0.8%△K/Kでなく、0.3%△K/K(b2)となる。
このような特性は、LWRの高温での水棒による反応度損
失は小さいが、冷態では大きい(停止余裕が大きい)と
いう特性の初歩的な原理的説明である。実際のLWRでは
炉心領域でも水の密度が変化するので、第2図(B)の
曲線は(b)は右方へ拡幅されて現われる。
Now, in FIG. 2 (B), the radius of the central water area is 2.5c.
Assuming a change from m to 3.8 cm, from the curve b, the reactivity of the core changes 0.8% △ K / K toward the side where the subcriticality becomes deeper (b 1 ).
Occurs. Here, the density of water in the central water region is 1.0 g / cm 3 . Suppose now that the water density in the central water area is 0.7 g / cm 3 . In this case, considering the reaction probability of neutrons with water, the radius of the central water region is approximately 0.7 × 2.5 cm (1.8 cm) to 0.7 × 3.
Equivalent to a change of 8 cm (2.7 cm). At this time, the reactivity change of the core is not 0.8% △ K / K, but 0.3% △ K / K (b 2 ).
Such a characteristic is a rudimentary principle explanation of the characteristic that the reactivity loss due to a water rod at a high temperature of the LWR is small, but is large in a cold state (large stoppage margin). In the actual LWR, since the water density changes even in the core region, the curve in FIG. 2 (B) shows the curve (b) widened to the right.

第3図(A)および(B)は炉心有効長3m以上の現行
BWRの軸方向特性および本発明の燃料を炉心に装荷した
場合の特性の概念を説明したものである。すなわち、同
図(B)に示すように、BWRでは炉心の上方部ほどボイ
ド割合が高く、その為プラトニウムの生成蓄積割合が高
く、核分裂によるウラン235やプルトニウム239などの消
費割合が低いので、原子炉を冷態停止した場合には、炉
心有効発熱部全長をLとすると、上端から1/6L〜1/4Lあ
たりが未臨界度が最も浅くなる。この部分に同図(A)
のように本発明を実施すると浅い部分の居所的な未臨界
度分布(インポータンス分布)が同図(B)に示すよう
に改善される(深まる)。
Figures 3 (A) and (B) show the current core length of 3m or more.
FIG. 3 illustrates the concept of BWR axial characteristics and characteristics when the fuel of the present invention is loaded in a reactor core. In other words, as shown in Fig. 2 (B), in the BWR, the void ratio is higher in the upper part of the reactor core, so that the rate of generation and accumulation of plutonium is high, and the rate of consumption of uranium 235 and plutonium 239 due to fission is low. When the furnace is cold-stopped, assuming that the total effective length of the core effective heat generating portion is L, the subcriticality becomes the shallowest around 1 / 6L to 1 / 4L from the upper end. This part (A)
When the present invention is carried out as described above, the subcriticality distribution (importance distribution) in a shallow part is improved (deepened) as shown in FIG.

第4図は第3図の特性を実際に計算で示した一例であ
る。この場合燃料集合体は後記する第6図の横断面を持
つ軸方向に一様な構成である。この集合体は特願昭62−
82124号の一部に提案されたものである。すなわち高反
応度,出力分布平坦,停止余裕大,冷却材圧損低,熱特
性改善など多くの点で改善されたものに本発明を実施
(○部)して、停止余裕をさらに改良するための計算体
系であり、集合体平均の燃料濃縮度は4.4wt%である。
燃焼度は平均30GWd/st(33GWd/t)とし、典型的な軸方
向の燃焼度分布を仮定し、軸方向ボイド分布による燃料
組成の差異を取り入れて軸方向出力分布を求めた。第4
図(A)は冷態停止中の軸方向出力分布である。“停止
中の出力分布”はあまり実現的な現象とはいえず、計算
上の出力分布といった方が良いかも知れない。しかし、
この曲線の形状そのものが局所的未臨界度と比例関係に
あるわけではないものの、極めてよく対応していること
はよく知られている。すなわち、出力分布形は局所的未
臨界都をよく表わしており、反応度の高い位置は出力ピ
ーク位置にほぼ対応している。
FIG. 4 is an example in which the characteristics of FIG. 3 are actually calculated. In this case, the fuel assembly has an axially uniform configuration having a cross section shown in FIG. 6 described later. This assembly is a Japanese patent application
Proposed in part of 82124. That is, the present invention is applied to a system improved in many points such as a high reactivity, a flat power distribution, a large stop margin, a low coolant pressure loss, and an improvement in thermal characteristics (indicated by a circle) to further improve the stop margin. This is a calculation system, and the average fuel enrichment of the aggregate is 4.4 wt%.
Burnup was assumed to be 30 GWd / st (33 GWd / t) on average, and a typical axial burnup distribution was assumed, and the axial power distribution was determined taking into account the difference in fuel composition due to the axial void distribution. 4th
FIG. 7A shows an axial output distribution during a cold stop. The “output distribution during stoppage” is not a very real phenomenon, and it may be better to use a calculated output distribution. But,
It is well known that the shape of this curve itself is not proportional to the local subcriticality, but corresponds very well. In other words, the power distribution form well represents a local subcritical area, and a position having a high reactivity substantially corresponds to a power peak position.

例えば、第6図に示すような集合体において●を付し
た12本の燃料棒に炉心上端から1/4付近で相対出力が従
来の集合体で最大となる部分(第4図(A)の破線)に
15cmの長さにわたって挿入すると、相対出力のピーク部
は大幅に低下(第4図(A)の実線)する。このことは
局所的に未臨界度の浅い部分の未臨界度が効果的に改善
されることを示している。
For example, in the assembly as shown in FIG. 6, the twelve fuel rods marked with ● have the maximum relative output in the conventional assembly near 1/4 from the upper end of the core (see FIG. 4 (A)). (Dashed line)
When inserted over a length of 15 cm, the peak portion of the relative output significantly decreases (solid line in FIG. 4 (A)). This indicates that the subcriticality of the locally shallow subcriticality is effectively improved.

第4図(B)は、定格出力運転中の軸方向出力分布で
ある。本発明適用による変化は微小である。介在領域部
では出力分布が改善される為、わずかながら軸方向分布
はより平坦化されていることが分る。
FIG. 4 (B) is an axial output distribution during rated output operation. Changes due to the application of the present invention are minute. Since the power distribution is improved in the intervening region, the axial distribution is slightly flattened.

第5図は第4図を得た体系において、介在領域(燃料
排除部)の位置を固定し、介在領域の長さを変えたとき
の定格出力運転中および冷態停止中の炉心反応度の変化
を示している。介在領域はこの計算例では真空とした。
燃料排除部(介在領域)の長さが変わった場合、定格出
力運転中の炉心反応度は殆ど変化せず、冷態停止中の炉
心反応度変化の曲線は下に凸にはなっているものの、急
速な飽和現象は生ぜず、その長さと共に未臨界度をより
深くできることが分る。第4図の相対出力分布は第5図
において燃料排除部の長さを15cmとした場合である。な
お、介在領域を真空とせずに減損ウランを入れても類似
の炉心反応度変化が生じるが、両曲線のひらきはやや小
さくなる。なお、天然ウランを入れても効果は現れる。
介在領域の配置によって核分裂性核種の集合体内量がわ
ずかに減少するが、介在領域以外において例えば0.05wt
%程度濃縮度を上げれば回復でき、燃料経済性を損なう
恐れは解消できる。
FIG. 5 shows the core reactivity during rated output operation and cold shutdown when the position of the intervening area (fuel elimination part) was fixed and the length of the intervening area was changed in the system obtained in FIG. The change is shown. The intervening region was set to a vacuum in this calculation example.
When the length of the fuel exclusion section (intervening area) changes, the core reactivity during the rated power operation hardly changes, and the curve of the core reactivity change during the cold shutdown is convex downward. It can be seen that the rapid saturation phenomenon does not occur and the subcriticality can be deepened with the length. The relative output distribution in FIG. 4 is obtained when the length of the fuel elimination section in FIG. 5 is set to 15 cm. Note that a similar core reactivity change occurs when depleted uranium is introduced without evacuating the intervening region, but the spread of both curves is slightly reduced. In addition, the effect appears even if natural uranium is added.
Although the amount of fissile nuclides in the aggregate decreases slightly due to the arrangement of the intervening region,
If the enrichment is increased by about%, the recovery can be achieved, and the risk of impairing fuel economy can be eliminated.

なお、炉心有効長が短い、例えば2m程度の炉心では冷
態時の出力分析(インボータンス分布)のピーク位置が
現行の炉心よりも下方にずれるので介在量もそれに合わ
せてピーク位置近傍に置くのは当然である。
In addition, in the case of a core with a short effective core length, for example, about 2 m, the peak position of power analysis (inboardance distribution) in the cold state shifts below the current core, so the intervening amount should be set near the peak position accordingly. Is natural.

また、介在層の軸方向長さを増すと、低温時反応度が
低下する。この低下の度合は次第に飽和の傾向を示し、
燃料全長の1/3を越えるとそれ以上の反応度低下が殆ど
なくなってくる。このことから介在層の軸方向長さは燃
料全長の1/3以下とするのが適当である。
In addition, when the axial length of the intervening layer is increased, the reactivity at low temperature decreases. The degree of this decrease gradually becomes saturated,
If it exceeds one-third of the total fuel length, there is almost no further decrease in reactivity. For this reason, it is appropriate that the axial length of the intervening layer be 1/3 or less of the entire fuel length.

(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.

第1図は本発の一実施例の概略図であり、同図(A)
は同図(B)〜(F)のA−A線に沿う概略縦断面図、
同図(B),(C),(D),(E),(F)は同図
(A)のB−B線,C−C線,D−D線,E−E線,F−F線に
沿う概略横断面図である。
FIG. 1 is a schematic view of one embodiment of the present invention, and FIG.
Is a schematic longitudinal sectional view taken along the line AA in FIGS.
(B), (C), (D), (E), and (F) of the same figure show the BB line, CC line, DD line, EE line, and F-line in FIG. It is a schematic transverse sectional view which follows the F line.

本実施例の燃料集合体20は、第1図(A)〜(F)に
示すように、上部が超太径,下部が細径の水棒(以下超
太径棒という)25を燃料集合体20の中央部に配置し、こ
の超太径水棒25の周囲に燃料棒を3行3列で構成した8
個のサブバンドル29が間隙31を介して配置(疎密格子構
成)されており、その外側をチャンネルボックス30で取
り囲み、さらにその上端および下端をそれぞれ上部タイ
プレートおよび下部タイプレート(図示せず)により固
定されている。なお、個太径水棒25の下部に取水口27
が、また上部に排水口28が設けられている。
As shown in FIGS. 1 (A) to 1 (F), a fuel assembly 20 according to the present embodiment includes a water rod (hereinafter, referred to as an ultra-large diameter rod) 25 having an extremely large diameter at the upper part and a small diameter at the lower part. The fuel rods are arranged in the center of the body 20 and the fuel rods are arranged in three rows and three columns around the super-large diameter water rod 25.
Sub-bundles 29 are arranged via a gap 31 (dense / dense grid configuration), the outside of which is surrounded by a channel box 30, and the upper and lower ends thereof are respectively formed by an upper tie plate and a lower tie plate (not shown). Fixed. In addition, the intake 27
However, a drain port 28 is provided at the top.

サブバンドル29を構成する燃料棒としては通常燃料棒
21,介在部材入燃料棒22(図ではpで表わす),長尺部
分長燃料棒23(図ではLRで表わす)および短尺部分長燃
料棒24(図ではSRで表わす)が用いられている。
Normal fuel rods are used as fuel rods constituting the sub-bundle 29
21, an interposed member-containing fuel rod 22 (represented by p in the figure), a long part long fuel rod 23 (represented by LR in the figure), and a short part long fuel rod 24 (represented by SR in the figure) are used.

本実施例では上記したように超太径水棒25を燃料集合
体20の中央部に配置し、この超太径水棒25に面するサブ
バンドル29の燃料棒を介在部材入燃料棒22としており、
また各コーナに位置するサブバンドル29の中心に長尺部
分長燃料棒23を配置している。超太径水棒25の下方の細
径部の周囲には短尺部分長燃料棒24が8本配置されてい
る。したがって、本実施例では通常燃料棒21は56本、介
在部材入燃料棒22は12本、長尺部分長燃料棒23は4本、
短尺部分長燃料棒24は8本から構成されている。ところ
で、長尺部分長燃料棒23および短尺部分長燃料棒24は原
則として下側にプレナムを設けて燃料経済性の劣化を防
止している。それは下側プレナム部は中性子束が低く燃
料があまり進まないからである。また、長尺部分長燃料
棒23では必要に応じて上側にもプレナムを設けてもよ
い。
In the present embodiment, as described above, the super-large diameter water rod 25 is arranged at the center of the fuel assembly 20, and the fuel rod of the sub-bundle 29 facing the super-large diameter water rod 25 is used as the interposed member containing fuel rod 22. Yes,
In addition, a long part-length fuel rod 23 is arranged at the center of the sub-bundle 29 located at each corner. Eight short part-length fuel rods 24 are arranged around the small diameter part below the super-large diameter water rod 25. Therefore, in this embodiment, the normal fuel rods 21 are 56, the intervening member-containing fuel rods 22 are 12, the long part long fuel rods 23 are 4,
The short and long fuel rods 24 are composed of eight rods. By the way, the long part length fuel rod 23 and the short part length fuel rod 24 are provided with a plenum on the lower side in principle to prevent deterioration of fuel economy. This is because the lower plenum has a low neutron flux and the fuel does not advance much. Further, a plenum may be provided on the upper side of the long part-length fuel rod 23 if necessary.

介在部材入燃料棒22において、介在部材26の中央部の
高さは燃料有効長下端から3/4Hである。これはこの3/4H
付近でその1/4H程度以内が特に未臨界度が浅くなるため
である。この介在部材26の詳細は後で示すが、中空管の
挿入,グラファイトの挿入,ZrH2ペレットの挿入,水の
導入などが代表例である。
In the fuel rod 22 having the interposed member, the height of the center of the interposed member 26 is 3 / 4H from the lower end of the effective fuel length. This is this 3 / 4H
This is because the subcriticality becomes shallow especially within about 1 / 4H in the vicinity. Although details of the interposition member 26 will be described later, insertion of a hollow tube, insertion of graphite, insertion of ZrH 2 pellets, introduction of water, and the like are typical examples.

通常、運転中は燃料上部は高ボイド部で圧損が大きく
なるが、本実施例では長尺部分長燃料棒23の採用により
燃料の上部にはバニッシング領域を形成している。この
ようにバニッシング領域を設けて流路を拡大することに
より冷却材圧損が低減するので、軸方向水対燃料比が最
適化され、高出力運転が可能になる。また、燃料頂部15
〜30cmでは天然ウランブランケットとすることが多いの
で、超太径の水棒とする必要がなく図のように細径の水
棒とされている。なお、介在部材として減損ウランを用
いる場合にはブランケットにも減損ウランを用いるのが
燃料経済性上好適である。
Normally, during operation, the pressure loss increases in the high void portion in the upper part of the fuel, but in this embodiment, a burnishing region is formed in the upper part of the fuel by adopting the long partial length fuel rod 23. Since the coolant pressure loss is reduced by providing the burnishing region and enlarging the flow path in this manner, the axial water-to-fuel ratio is optimized, and high-power operation becomes possible. Also, the fuel top 15
In the case of ~ 30cm, natural uranium blanket is often used, so it is not necessary to use a super-large diameter water rod, and a small diameter water rod is used as shown in the figure. In the case where depleted uranium is used as the intervening member, it is preferable in terms of fuel economy to use depleted uranium also for the blanket.

さらに、炉停止中特に未臨界度が一番浅くなる部位す
なわち第1図(A)D−D付近には介在部材入燃料棒22
の介在部材26が配置されているので、効果的に中央の非
燃料領域を拡大したものとなっている。
Further, during the shutdown of the furnace, especially at the portion where the subcriticality becomes the least, that is, in the vicinity of DD in FIG.
Since the interposed member 26 is disposed, the central non-fuel region is effectively enlarged.

第6図は本発明の第2の実施例の横断面図であり、第
1図(D)に対応するものである。なお、既に説明した
第1の実施例と同一個所には同一符号を付して説明す
る。以下の各実施例についても同様である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1 (D). The same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and described. The same applies to the following embodiments.

同図に示すように、本実施例の燃料集合体32は上記第
1の実施例の各サブバンドル29の中央部に長尺部分長燃
料棒23を配置した構成としたものであるので、上記第1
の実施例よりバニッシング部が増大している。介在部材
入燃料棒22の配置に変更はない。したがって、本実施例
では通常燃料棒21は52本、介在部材入燃料棒22は12本、
長尺部分長燃料棒23は8本、短尺部分長燃料棒24は8本
から構成されている。
As shown in the figure, the fuel assembly 32 of the present embodiment has a configuration in which the long and partial fuel rods 23 are arranged at the center of each sub-bundle 29 of the first embodiment. First
The number of burnishing portions is larger than that of the embodiment. There is no change in the arrangement of the interposed member fuel rods 22. Therefore, in this embodiment, the normal fuel rods 21 are 52, the interposed member-containing fuel rods 12 are 12,
The long part long fuel rod 23 is composed of eight pieces, and the short part length fuel rod 24 is composed of eight pieces.

第7図は本発明の第3の実施例の横断面図である。図
に示すように、本実施例の燃料集合体33はチャンネルボ
ックス37内の中央部に4本の燃料棒に相当する角筒状水
棒34を45度傾斜して配置し、この角筒状水棒34にさらに
十字状チャンネル36を設け、この角筒状水棒34と十字状
チャンネル36とで区切られたスペースに5行5列のサブ
バンドル35(サブバンドルの最内側の1本の燃料棒は角
筒状水棒34のために取り除かれている)がそれぞれ配置
され、また角筒状水棒34に面する燃料棒を介在部材入燃
料棒22としている。角筒状水棒34と十字状チャンネル36
内には非沸騰減速材水が、またサブバンドル35内に沸騰
冷却水が流れている。角筒状水棒34の各コーナ部には通
水孔が設けられている。したがって、流路が拡大するの
で、炉停止余裕と圧損低減,ボイド係数の改善,軸方向
出力分布の改善が図れる。本実施例では通常燃料棒21は
84本、介在部材入燃料棒22は8本、長尺部分長燃料棒23
は4本から構成されている。
FIG. 7 is a cross sectional view of a third embodiment of the present invention. As shown in the figure, the fuel assembly 33 of the present embodiment has a square tubular water rod 34 corresponding to four fuel rods arranged at a 45-degree inclination in the center of a channel box 37. The water rod 34 is further provided with a cross-shaped channel 36, and a sub-bundle 35 of 5 rows and 5 columns (one innermost fuel bundle of the sub-bundle) is provided in a space separated by the rectangular cylindrical water rod 34 and the cross-shaped channel 36. The rods are removed for the rectangular cylindrical water rod 34), and the fuel rod facing the rectangular cylindrical water rod 34 is defined as the interposed member-containing fuel rod 22. Square cylindrical water rod 34 and cross-shaped channel 36
Non-boiling moderator water flows in the inside, and boiling cooling water flows in the sub-bundle 35. Each corner of the rectangular cylindrical water rod 34 is provided with a water passage hole. Therefore, since the flow path is expanded, it is possible to reduce the furnace stop margin and pressure loss, improve the void coefficient, and improve the axial power distribution. In this embodiment, the normal fuel rod 21 is
84 rods, 8 fuel rods 22 with intervening members, long partial length fuel rods 23
Is composed of four lines.

なお、角筒状水棒34の下部を上部より細くして、この
細径部の周りに短尺部分長燃料棒24を配置する構成とす
ると、さらに効果的である。以下の各実施例についても
同様であるので、特に説明しない。
It is more effective if the lower part of the rectangular cylindrical water rod 34 is made thinner than the upper part, and the short and long fuel rods 24 are arranged around the small diameter part. The same applies to each of the following embodiments, and a description thereof will not be given.

第8図は本発明の第4の実施例の横断面図であり、第
1図(D)に対応するものである。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1 (D).

本実施例の燃料集合体38は第1の実施例(第1図)の
中央部に配置された1本の超太径水棒の代りに2本の太
径水棒29を燃料集合体の対角線上に隣接して配置し、こ
の2本の太径水棒39を囲むように介在部材入燃料棒22を
配置したものであり、第1実施例と同様な作用を有す
る。本実施例では通常燃料棒21は56本、介在部材入燃料
棒22は14本、長尺部分長燃料棒23は4本から構成されて
いる。
The fuel assembly 38 of the present embodiment is different from the first embodiment (FIG. 1) in that two large-diameter water rods 29 are used instead of one super-large-diameter water rod disposed at the center of the fuel assembly. The fuel rods 22 are disposed diagonally adjacent to each other, and the fuel rods 22 are disposed so as to surround the two large-diameter water rods 39, and have the same operation as the first embodiment. In this embodiment, the normal fuel rod 21 is composed of 56 rods, the interposed member-containing fuel rod 22 is composed of 14 rods, and the long part-length fuel rod 23 is composed of 4 rods.

第9図は本発明の第5の実施例の横断面図であり、第
1図(D)に対応するものである。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a fifth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1 (D).

本実施例の燃料集合体40はチャンネルボックス42の中
央部に9本の燃料棒に相当する超太径水棒41を配置し、
その他のスペースに燃料棒を9行9列配置したものであ
る。超太径水棒41を取り囲む燃料棒を介在部材入燃料棒
22としたものである。これにより介在部材入燃料棒22の
介在部材により炉心上部での高温運転時水不足が緩和さ
れる。本実施例では通常燃料棒21は56本、介在部材入燃
料棒22は16本である。
In the fuel assembly 40 of the present embodiment, an ultra-large diameter water rod 41 corresponding to nine fuel rods is arranged at the center of a channel box 42,
The fuel rods are arranged in 9 rows and 9 columns in other spaces. The fuel rod surrounding the super-large diameter water rod 41 is inserted into the fuel rod
22. Thus, the shortage of water during high-temperature operation in the upper part of the core is alleviated by the intervening members of the interposed member fuel rods 22. In this embodiment, there are usually 56 fuel rods 21 and 16 fuel rods 22 with interposed members.

第10図は本発明の第6の実施例の横断面図であり、第
1図(D)に対応するものである。
FIG. 10 is a cross sectional view of a sixth embodiment of the present invention, corresponding to FIG. 1 (D).

本実施例の燃料集合体43はチャンネルボックス42の中
央部に9本の燃料棒に相当する角筒状水棒44を配置し、
その他のスペースに燃料棒を9行9列配置したものであ
る。角筒状水棒44を取り囲む燃料棒と2列目の真中の燃
料棒を介在部材入燃料棒22としたものである。これによ
り介在部材入燃料棒22の介在部材により炉心上部での高
温運転時水不足が緩和される。本実施例では通常燃料棒
21は56本、介在部材入燃料棒22は16本である。
In the fuel assembly 43 of the present embodiment, a square tubular water rod 44 corresponding to nine fuel rods is arranged at the center of the channel box 42,
The fuel rods are arranged in 9 rows and 9 columns in other spaces. The fuel rod surrounding the rectangular cylindrical water rod 44 and the fuel rod in the middle of the second row are used as the interposed member-containing fuel rods 22. Thus, the shortage of water during high-temperature operation in the upper part of the core is alleviated by the intervening members of the interposed member fuel rods 22. In this embodiment, the normal fuel rod
The number 21 is 56, and the number of the fuel rods 22 containing the intervening members is 16.

第11図は本発明の第7の実施例の横断面図であり、第
1図(D)に対応するものである。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the seventh embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1 (D).

本実施例の集合体45は4−1−4疎密格子構成であ
り、中央に燃料セル9本分の超太径水棒25を配置し、さ
らに介在部材入燃料棒22を超太径水棒25の周囲に12本配
置し、通常燃料棒21は60本で構成されている。したがっ
て、介在部材入燃料棒22の介在部材挿入高さでは水領域
を大きく取れるので、高温の実効増倍率hot keffを高め
る効果と、低温の実効増倍率cold keffを大巾に下げる
効果(炉停止余裕大)を有する。
The assembly 45 of the present embodiment has a 4-1-4 dense and dense lattice structure, and a super-large diameter water rod 25 for nine fuel cells is arranged at the center, and the fuel rod 22 with the interposed member is super-large diameter water rod. Twelve fuel rods are arranged around the periphery of 25, and the fuel rods 21 are usually composed of 60 rods. Therefore, since the water region can be made large at the interposed member insertion height of the interposed member inserted fuel rod 22, the effect of increasing the effective multiplication factor hot keff at high temperature and the effect of greatly reducing the effective multiplication factor cold keff at low temperature (furnace shutdown) Room).

第12図は本発明の第8の実施例の横断面図であり、第
1図(D)に対応するものである。
FIG. 12 is a cross-sectional view of the eighth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1 (D).

本実施例の集合体25は4−2−3疎密格子構成であ
り、中央に燃料セル9本分の超太径水棒25を配置し、さ
らに介在部材入燃料棒22を超太径水棒25の周囲に12本配
置し、通常燃料棒21は60本で構成されている。本燃料集
合体は集合体外周の水ギャツプが周方向で一様でない場
合に有効である。第1実施例と同様な炉停止余裕大なる
作用を有する。
The assembly 25 of this embodiment has a 4-2-3 dense / dense grid structure, and a super-large diameter water rod 25 for nine fuel cells is disposed at the center, and the fuel rod 22 with the interposed member is connected to the super-large diameter water rod. Twelve fuel rods are arranged around the periphery of 25, and the fuel rods 21 are usually composed of 60 rods. This fuel assembly is effective when the water gap around the assembly is not uniform in the circumferential direction. It has the same function as the first embodiment with a large furnace stop margin.

第13図は本発明の第9の実施例の横断面図であり、第
1図(D)に対応するものである。
FIG. 13 is a cross sectional view of a ninth embodiment of the present invention, corresponding to FIG. 1 (D).

本実施例の集合体47は4−2−4疎密格子構成であ
り、中央に燃料セル4本分の太径水棒48を配置し、さら
に介在部材入燃料棒22を太径水棒48の周囲に20本配置
し、通常燃料棒21は76本で構成されている。
The assembly 47 of this embodiment has a 4-2-4 dense / dense lattice structure, in which a large-diameter water rod 48 for four fuel cells is arranged at the center, and the fuel rod 22 with the interposed member is connected to the large-diameter water rod 48. Twenty fuel rods are arranged around the periphery, and the fuel rods 21 are usually composed of 76 rods.

第14図は本発明の第10の実施例の横断面図であり、第
1図(D)に対応するものである。
FIG. 14 is a cross sectional view of a tenth embodiment of the present invention, corresponding to FIG. 1 (D).

本実施例の集合体50は4−2−4疎密格子構成であ
り、中央に燃料セル12本分の超太径水棒51を配置し、さ
らに介在部材入燃料棒22を超太径水棒51の周囲に12本配
置し、通常燃料棒21は76本で構成されている。
The assembly 50 of this embodiment has a 4-2-4 dense / dense lattice structure, in which a super-large water rod 51 for 12 fuel cells is disposed at the center, and the super-large water rod 22 with the interposed member-containing fuel rod 22 is provided. Twelve fuel rods 21 are arranged around 51, and the fuel rods 21 are usually composed of 76 rods.

第15図は本発明の第11の実施例の平面図である。 FIG. 15 is a plan view of an eleventh embodiment of the present invention.

本実施例は加圧水型原子炉(以下PWRという)用炉心
に適用した例である。図はPWR17×17の概略図であり、
本実施例の集合体53は通常燃料棒54と介在部材入燃料棒
55と燃料棒より太径の制御棒案内管56と集合体の中心に
配置されている炉内計装内管57とから構成されている。
制御棒案内管55の周囲には介在部材入燃料棒56が配置さ
れている。この制御棒案内管55は運転中は水棒になって
いる。したがって、介在部材入燃料棒56の介在部材高さ
では水領域を大きく取れるので、効果的に炉停止余裕を
増大させることができる。なお、炉内計装案内管57の周
りにも介在部材入燃料棒56を配置しても良いが、計装誤
差を拡大しないために本実施例では通常燃料棒54として
いる。
This embodiment is an example applied to a core for a pressurized water reactor (hereinafter, referred to as PWR). The figure is a schematic diagram of PWR 17 × 17,
The assembly 53 of the present embodiment includes a normal fuel rod 54 and a fuel rod containing an intervening member.
It comprises a control rod guide tube 56 having a larger diameter than the fuel rod 55 and an in-core instrumentation tube 57 arranged at the center of the assembly.
An interposed member fuel rod 56 is arranged around the control rod guide tube 55. The control rod guide tube 55 is a water rod during operation. Therefore, a large water area can be obtained at the height of the interposed member of the interposed member fuel rod 56, so that the furnace stop margin can be effectively increased. In addition, the fuel rod 56 with an interposed member may be arranged around the in-furnace instrumentation guide tube 57. However, in order to prevent the instrumentation error from being enlarged, the fuel rod 54 is usually used in this embodiment.

第16図は本発明の第12の実施例の平面図である。 FIG. 16 is a plan view of a twelfth embodiment of the present invention.

本実施例はPWR14×14炉心に適用した例である。本実
施例の集合体58は通常燃料棒54と介在部材入燃料棒56と
上記PWR17×17の制御棒案内管より太径の制御棒案内管5
9とから構成されている。制御棒案内管59の周囲には介
在部材入燃料棒56が配置されている。この制御棒案内管
59は運転中は水棒になるので、上記実施例と同様な効果
を有する。
This embodiment is an example applied to a PWR 14 × 14 core. The assembly 58 of this embodiment has a control rod guide tube 5 having a diameter larger than that of the normal fuel rod 54, the fuel rod 56 containing the interposed member, and the control rod guide tube of the PWR 17 × 17.
It consists of nine. An interposed member fuel rod 56 is arranged around the control rod guide tube 59. This control rod guide tube
Since 59 becomes a water rod during operation, it has the same effect as the above embodiment.

第17図は本発明の第13の実施例の平面図である。 FIG. 17 is a plan view of a thirteenth embodiment of the present invention.

本実施例の集合体60は普通の燃料棒61と介在部材入燃
料棒62とスペクトルシフトロッド(SSR)63とから構成
されている。64はチャンネルボックス、65は十字型制御
棒である。
The assembly 60 of the present embodiment is composed of ordinary fuel rods 61, fuel rods 62 with intervening members, and spectral shift rods (SSR) 63. 64 is a channel box and 65 is a cross control rod.

将来のBWR炉心として、バンドルを大型化し、制御棒
を図のように配置する体系(K格子)の研究が行なわれ
ている。K格子の水棒は本実施例では燃料セル4本分の
ものが9本配置されている。運転サイクル前半では水棒
をボイド管として使用し、後半では水棒として使用する
と、プルトニウムの生成量が向上し、燃料経済性が向上
する。このような水棒はスペクトルシフト運転を目的と
しているので、スペクトルシフトロッド(SSR)と呼ば
れている。中央のSSRを介在部材入燃料が完全に取り囲
むとともに外周のSSRも半分以上取り囲む構成となって
おり、極めて大きな炉停止余裕を得ることができる。
As a future BWR core, research is being conducted on a system (K lattice) in which the bundle is enlarged and the control rods are arranged as shown in the figure. In this embodiment, nine water rods of the K lattice are arranged for four fuel cells. If the water rod is used as a void tube in the first half of the operation cycle and as a water rod in the second half, plutonium generation is improved and fuel economy is improved. Since such a water rod is intended for spectrum shift operation, it is called a spectrum shift rod (SSR). The structure is such that the intermediate SSR completely surrounds the fuel containing the intervening member and the outer SSR also surrounds more than half, so that a very large reactor shutdown margin can be obtained.

第18図(A)〜(D)は本発明に係るそれぞれ異なる
燃料棒の縦断面図である。
18 (A) to 18 (D) are longitudinal sectional views of different fuel rods according to the present invention.

すなわち、同図(A)で示す燃料棒は被覆管66内に燃
料物質を含まない領域をもち、この領域は15〜90cm程度
とされ、介在部材67,例えばグラファイトが挿入されて
いる。グラファイトは高温特性が優れており、かつ熱中
性子の吸収が少なく、減速材としての機能も有する最適
な例の一つである。低密度(多孔質)のAl2O3,ZrO2
は、減速特性は優れていないものの耐熱特性がよく、こ
のような中性子吸収の少ない物質を介在部材として用い
ることもできる。中実のグラファイトの代りに、中空グ
ラファイト,中空Al2O3,ZrO2,中空または中実の天然ウ
ラン,減損ウランなどを用い、中空部を設ける場合には
中空部をガスプレナムとして利用してもよい。
That is, the fuel rod shown in FIG. 5A has a region in the cladding tube 66 that does not contain a fuel substance, this region is approximately 15 to 90 cm, and an intervening member 67, for example, graphite is inserted. Graphite is one of the most suitable examples having excellent high-temperature characteristics, low absorption of thermal neutrons, and also having a function as a moderator. Low-density (porous) Al 2 O 3 , ZrO 2, and the like do not have excellent deceleration characteristics, but have good heat resistance characteristics, and such a substance having low neutron absorption can be used as an intervening member. Instead of solid graphite, hollow graphite, hollow Al 2 O 3 , ZrO 2 , hollow or solid natural uranium, depleted uranium, etc. are used. If a hollow part is provided, the hollow part can be used as a gas plenum. Good.

この領域に要求される特性で最も重要な点は、サイク
ル末期で熱中性子吸収率がこの領域を挟む燃料領域より
小さいことである。このグラファイト67に隣接する燃料
物質では、2cm程度(多くても5cm)の範囲で出力ピーク
(スパイク)が生じ、燃料の健全性上不利であるため、
軸心近傍にのみ可燃性毒物を含む燃料ペレット68がそれ
ぞれ2ケ(約2cm)ずつ配置されている。これら燃料ペ
レット68は外周には毒物が含まれていないため、出力は
運転サイクル全般にわたって比較的変動が少ない。サイ
クル末期に近づくにつれて毒物の吸収特性が消滅し、こ
の部分の出力や緩やかに上昇するように設計する。
The most important point in the characteristics required in this region is that the thermal neutron absorption at the end of the cycle is smaller than the fuel region sandwiching this region. In the fuel substance adjacent to the graphite 67, an output peak (spike) occurs in a range of about 2 cm (at most 5 cm), which is disadvantageous for fuel soundness.
Two fuel pellets 68 (approximately 2 cm) each containing a burnable poison are arranged only near the axis. Since the outer periphery of these fuel pellets 68 does not contain toxic substances, the output has relatively little fluctuation over the entire operation cycle. As the end of the cycle is approached, the design is such that the absorption characteristics of the toxic substance disappear, and the output and the gradual rise of this part.

核分裂性核種濃度の低い領域(以下介在領域という)
を挟んだ水平方向の燃料領域の中性子相互作用(結合効
果)が減少し、その結果停止中の炉の未臨界度をより大
きくするこが出来る。
Region with low fissile nuclide concentration (hereinafter referred to as intervening region)
The neutron interaction (coupling effect) in the fuel region in the horizontal direction between the two is reduced, and as a result, the subcriticality of the stopped reactor can be increased.

第18図(B)に示す燃料棒と同図(A)の燃料棒との
違いは、グラファイト67の代りに熱中性子吸収断面積の
小さいジルカロイ製の管70を挿入した点にある。この例
では多くの変形が考えられる。すなわち、 (1)ガスプレナムとして利用する場合は非密封管とす
る。
The difference between the fuel rod shown in FIG. 18 (B) and the fuel rod shown in FIG. 18 (A) is that a zircaloy tube 70 having a small thermal neutron absorption cross section is inserted instead of the graphite 67. In this example, many variations are possible. (1) When used as a gas plenum, use an unsealed pipe.

(2)ZrH2(ジルコニウムハイドライト,水酸化ジルコ
ニウム等と呼ぶ)を高密度充填する場合ではZrH2は正確
にはZrHx(0<x2)と書くべきで、xが大きい程本
発明の目的には望ましいが、xが大きくなると脆くなり
易いので一般には管に密封しておくのが望ましい。管内
には比較的小さな空隙を、ZrH2から僅かに放出されるH2
のガスプレナムとして使うために設ける。
(2) When ZrH 2 (referred to as zirconium hydrite, zirconium hydroxide, etc.) is densely packed, ZrH 2 should be accurately written as ZrH x (0 <x2). However, it is generally desirable to seal the tube because x becomes brittle when x becomes large. The relatively small gap in the tube, H 2 is slightly released from ZrH 2
Provided for use as a gas plenum.

(3)Be,BeOは毒性があるので、管に入れるのが好適で
ある。Beも中性子との反応でHeガスを発生するので、小
さなHeガス用プレナム(間隙)を設ける。
(3) Since Be and BeO are toxic, it is preferable to put them in a tube. Since Be also generates He gas by reaction with neutrons, a small He gas plenum (gap) is provided.

ジルカロイ製管70と燃料ペレット69との間には小さな
断熱材ペレット71,Al2O3,ZrO2,減損ウラン等を介在させ
て燃料健全性の向上を図っている。断熱材ペレット71は
熱中性子吸収特性が運転サイクル末期において小さいも
のが望ましい。従って可燃性毒物を添加したAl2O3−Gd2
O3,減損ウランUO2−Gd2O3ペレットのようなものが好適
である。ジルカロイ製管24の軸方向の隣接する燃料ペレ
ットでは、その端面から2cm程度(長くて5cm程度)まで
は可燃性毒物を入れたペレット68を配置するのが好適で
ある。第18図(B)では細径Gdペレットを挿入した燃料
ペレット68を示しているが、ペレット全体にGdを混入し
てもよく、同図(A)および同図(C)に示す燃料棒に
ついても同様にペレット全体にGdを混入してもよい。
A small heat insulating material pellet 71, Al 2 O 3 , ZrO 2 , depleted uranium, etc. are interposed between the zircaloy tube 70 and the fuel pellet 69 to improve the fuel integrity. It is desirable that the thermal insulator pellets 71 have small thermal neutron absorption characteristics at the end of the operation cycle. Therefore, Al 2 O 3 −Gd 2 added with burnable poisons
O 3 , depleted uranium UO 2 —Gd 2 O 3 pellets and the like are preferred. In the fuel pellets adjacent to the Zircaloy tube 24 in the axial direction, it is preferable to arrange the pellets 68 containing the burnable poison up to about 2 cm (about 5 cm at longest) from the end face. FIG. 18 (B) shows a fuel pellet 68 into which a small-diameter Gd pellet is inserted. However, Gd may be mixed into the entire pellet, and the fuel rod shown in FIG. 18 (A) and FIG. Similarly, Gd may be mixed into the entire pellet.

前記介在部材67,70は、その両端部それぞれ0.5ないし
3cm程度の部分がハフニア(HfO2)とイットリア(Yb2O3
との混合燃結ペレットても同様の効果がある。
The intervening members 67 and 70 each have both ends 0.5 to
The part of about 3cm is hafnia (HfO 2 ) and yttria (Yb 2 O 3
The same effect can be obtained by mixing and burning pellets.

第18図(C)に示す燃料棒と同図(B)の燃料棒との
違いは水を導入する構成にしている点である。すなわ
ち、同図(B)の燃料棒のジルカロイ製管がある部分の
被覆管60に通水孔72を上下に設けるとともにこの通水孔
72の上下にそれぞれ中間プラグ73と断熱材ペレット71を
配置し、さらに上方と下方に可燃性毒物を入れたペレッ
ト68を設けてから上下それぞれに燃料ペレット69を配置
したことである。
The difference between the fuel rod shown in FIG. 18 (C) and the fuel rod shown in FIG. 18 (B) is that water is introduced. That is, water passage holes 72 are provided up and down in the cladding tube 60 in the portion where the Zircaloy tube of the fuel rod is located, as shown in FIG.
That is, an intermediate plug 73 and a heat insulating material pellet 71 are arranged above and below 72, respectively, and a pellet 68 containing a burnable poison is provided above and below, and then a fuel pellet 69 is arranged above and below.

第18図(D)に示す燃料棒と同図(A)の燃料棒との
違いはグラファイト(Al2O3,ZrO2,Al2O3−ZrO2などでも
よい)に可燃性毒物を添加した介在層74を設けた点であ
る。この実施例によると、燃料に可燃性毒物を入れない
ので、製造上のメリットが生じる。
FIG. 18 (D) in the fuel rod and drawing differences between the fuel rods (A) are graphite showing (Al 2 O 3, ZrO 2 , Al 2 O 3 -ZrO or the like 2) in addition to the burnable poison This is the point that the interposed layer 74 is provided. According to this embodiment, no burnable poison is contained in the fuel, so that there is a manufacturing advantage.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明の燃料集合体によると、
原子炉停止時は低温も低くく水の密度が高いので、熱中
性子の拡散距離は小さいが、太径水棒を取り囲んで原子
炉停止中の未臨界度が浅くなる部分に介在部材入燃料の
介在部材領域を配置したので、出力運転中は殆ど影響は
なく、炉停止中は過剰の水と介在部材の作用によって未
臨界度が効果的に改良されるので、長期サイクル化,高
濃縮度化が可能になる。また、炉停止中の未臨界度を深
くできることは可燃性毒物の装荷量を低減できることに
も対応し、高燃焼度化時の燃料経済性向上へ大きく寄与
することができる等の効果を奏する。
[Effects of the Invention] As described above, according to the fuel assembly of the present invention,
When the reactor is stopped, the low temperature is low and the water density is high, so the diffusion distance of thermal neutrons is small. Since the interposed member area is arranged, there is almost no effect during the power operation, and during the shutdown of the furnace, the subcriticality is effectively improved by the action of the excess water and the intervening member, so that a longer cycle and higher enrichment are achieved. Becomes possible. Further, the fact that the subcriticality can be made deeper during the shutdown of the furnace corresponds to the fact that the amount of the burnable poison can be reduced, and there is an effect that the fuel economy can be greatly improved at the time of high burnup.

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

第1図は本発明の一実施例の概略図であり、同図(A)
は同図(B)〜(F)のA−A線に沿う概略縦断面図、
同図(B),(C),(D),(E),(F)は同図
(A)のB−B線,C−C線,D−D線,E−E線,F−F線に
沿う概略横断面図、第2図(A)および(B)は本発明
の作用を説明するための図、第3図(A)および(B)
は本発明の燃料集合体を沸騰水型原子炉に適用した概略
断面図および炉心軸方向のボイド割合と未臨界度分布を
示した図、第4図(A)および(B)はそれぞれ第3図
の特性を冷態停止中と定格出力運転中とに分けて従来例
と比較した図、第5図は介在領域の位置を固定し、介在
領域の長さを変えたときの定格出力運転中および冷態停
止中の炉心反応度の変化を示した図、第6図〜第17図は
いずれも本発明の各異なる実施例の横断面図、第18図
(A)〜(D)は本発明に係るそれぞれ異なる燃料棒の
縦断面図、第19図(A)と(B)はそれぞれ従来の燃料
集合体の斜視図と燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦
断面図、第20図は第19図の燃料集合体の横断面図、第21
図〜第23図はいずれも従来の燃料集合体の横断面図であ
る。 20,33,38,40,43,45,46,47,50……集合体 21,54,61……燃料棒 22,56,62……介在部材入燃料棒 23……長尺部分長燃料棒 24……短尺部分長燃料棒 25,34,39,41,44,48,51……水棒 26……介在部材 29,35……サブバンドル 30,37,42,49,52……チャンネルボックス 31……間隙
FIG. 1 is a schematic view of one embodiment of the present invention, and FIG.
Is a schematic longitudinal sectional view taken along the line AA in FIGS.
(B), (C), (D), (E), and (F) of the same figure show the BB line, CC line, DD line, EE line, and F-line in FIG. FIGS. 2 (A) and 2 (B) are schematic cross-sectional views taken along line F, and FIGS. 3 (A) and 3 (B) are views for explaining the operation of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view in which the fuel assembly of the present invention is applied to a boiling water reactor and a diagram showing a void ratio and a subcriticality distribution in a core axial direction, and FIGS. FIG. 5 is a diagram in which the characteristics of the figure are divided into those during cold stop and during rated output operation and compared with the conventional example. FIG. 5 shows the rated output operation when the position of the interposed area is fixed and the length of the interposed area is changed. FIGS. 6 to 17 are cross-sectional views of different embodiments of the present invention, and FIGS. 18 (A) to 18 (D) are diagrams showing a change in core reactivity during cold shutdown. FIGS. 19 (A) and (B) are a perspective view of a conventional fuel assembly and a schematic longitudinal sectional view of a fuel rod constituting the fuel assembly, respectively, and FIGS. Is a cross sectional view of the fuel assembly of FIG. 19, and FIG.
FIG. 23 to FIG. 23 are cross-sectional views of a conventional fuel assembly. 20,33,38,40,43,45,46,47,50 ... Assembly 21,54,61 ... Fuel rod 22,56,62 ... Fuel rod with interposed member 23 ... Long part length fuel Rod 24 …… Short part length fuel rod 25,34,39,41,44,48,51 …… Water rod 26 …… Interposed member 29,35 …… Sub-bundle 30,37,42,49,52 …… Channel Box 31 ... gap

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−226685(JP,A) 特開 昭61−278788(JP,A) 特開 平1−23194(JP,A) 特開 平1−189591(JP,A) 米国特許4968479(US,A)Continuation of the front page (56) References JP-A-61-226685 (JP, A) JP-A-61-278788 (JP, A) JP-A 1-223194 (JP, A) JP-A 1-189591 (JP U.S. Pat. No. 4,968,479 (US, A)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】金属製被覆管内部に核燃料物質を充填した
多数の燃料棒と前記燃料棒の横断面積より大きい横断面
積を有する太径水棒とを規則正しく配列して構成した燃
料集合体において、一部の燃料棒は核分裂性核種濃度を
大幅に低下させた一定の長さの介在部材を前記金属製被
覆管内に配置して介在部材入燃料棒とし、前記太径水棒
を取り囲むように前記介在部材入燃料棒を配置するとと
もに当該介在部材の長さは原子炉冷態時における熱中性
子拡散距離より長く燃料集合体の軸方向発熱部分の長さ
の1/3以下で、かつ該介在部材配置位置は原子炉を停止
した場合に中性子インポータンス分布がピークとなる位
置ないしその近傍であることを特徴とする燃料集合体。
1. A fuel assembly comprising a plurality of fuel rods filled with nuclear fuel material inside a metal cladding tube and a large-diameter water rod having a cross-sectional area larger than a cross-sectional area of the fuel rods. Some fuel rods are provided with a certain length of interposed member having a significantly reduced fissile nuclide concentration in the metal cladding tube as the interposed member-containing fuel rod, and the fuel rod is surrounded by the large diameter water rod. The length of the interposed member is longer than the thermal neutron diffusion distance when the reactor is in a cold state, and the length of the interposed member is not more than 1/3 of the length of the axial heating portion of the fuel assembly, and A fuel assembly, wherein the disposition position is at or near a position where the neutron importance distribution peaks when the reactor is shut down.
【請求項2】前記燃料棒は全長燃料棒と少なくとも1種
の短尺燃料棒とからなり、前記太径水棒はその下部を細
径,上部を太径とし、前記水棒の細径部の外周には短尺
燃料棒を配置し、また前記介在部材入燃料棒の介在部材
配置部は前記水棒の太径部の外周全体もしくは外周の大
部分を取り囲むように配置したことを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の燃料集合体。
2. The fuel rod comprises a full-length fuel rod and at least one kind of short fuel rod. The large-diameter water rod has a small diameter at a lower part and a large diameter at an upper part, and a small-diameter part of the water rod. A patent wherein a short fuel rod is disposed on the outer periphery, and the interposed member arrangement portion of the interposed member-containing fuel rod is disposed so as to surround the entire outer periphery of the large diameter portion of the water rod or most of the outer periphery. The fuel assembly according to claim 1.
【請求項3】前記介在部材の軸方向両端部は、可燃性毒
物をペレット全体もしくはペレットの軸心部もしくはペ
レットの外周部に含む燃料ペレットよりなり、その核分
裂性核種濃度は前記介在部材から軸方向に更に離れる方
向に続く燃料ペレットの核分裂性核種濃度より低いウラ
ンペレットであることを特徴とする特許請求の範囲第1
項又は2項記載の燃料集合体。
3. Both ends of the interposed member in the axial direction are composed of fuel pellets containing a burnable poison in the entire pellet, in the axial center of the pellet or in the outer periphery of the pellet, and the fissile nuclide concentration is determined by the axial distance from the interposed member. 2. A uranium pellet having a concentration lower than the fissile nuclide concentration of a fuel pellet following the direction further away from the fuel pellet.
Item 3. The fuel assembly according to Item 2 or 2.
【請求項4】前記介在部材はその軸方向両端部の領域は
それぞれ0.5ないし3cm程度の部分が、ハフニア(HfO2
とイットリア(Yb2O3)との混合焼結ペレットであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の燃料集合
体。
4. The intervening member has a region of about 0.5 to 3 cm at both ends in the axial direction, and is made of hafnia (HfO 2 ).
2. The fuel assembly according to claim 1, wherein the fuel assembly is a mixed sintered pellet of and yttria (Yb 2 O 3 ).
【請求項5】前記介在部材入燃料棒に隣接する燃料棒で
介在部材側面部分の燃料濃縮度が、前記隣接燃料棒にお
いて介在部材側面部分を除く部分の燃料濃縮度より高く
ないことを特徴とする特許請求の範囲第1、2、3、4
項記載の燃料集合体。
5. A fuel rod adjacent to the fuel rod containing the interposed member, wherein the fuel enrichment at the side surface of the interposed member is not higher than the fuel enrichment at a portion other than the side surface of the interposed member in the adjacent fuel rod. Claims 1, 2, 3, 4
Item 13. The fuel assembly according to Item.
【請求項6】前記介在部材入燃料棒の介在部材は燃料棒
軸方向両端部を除き,原子炉運転クル末期において、中
性子吸収特性をできるだけ小となるように構成されたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1、2、3、4、5項
記載の燃料集合体。
6. The patent wherein the interposed member of the interposed member-filled fuel rod has a neutron absorption characteristic as small as possible at the end of the reactor operation cycle, except at both ends in the axial direction of the fuel rod. The fuel assembly according to claim 1, 2, 3, 4, or 5.
【請求項7】前記介在部材は、その軸方向両端を除き、
中空または中実のグラファイト,非密封性のジルカロイ
管状体,中空または中実のベリリウム,アルミナ,ジル
コニア、中空または中実の減損ウランまたは天然ウラン
ペレットのいずれか1つまたはそれらの組合せから成
り、それらは可燃性毒物を含有するものあるいは可燃性
毒物を含有しないものであり、可燃性毒物を含有するも
のにあっては、その濃度が運転サイクル末期においてほ
ぼ燃焼し尽くす程度であることを特徴とする特許請求の
範囲第6項記載の燃料集合体。
7. The interposition member, except for both ends in the axial direction,
A hollow or solid graphite, a non-sealing zircaloy tubular body, a hollow or solid beryllium, alumina, zirconia, a hollow or solid depleted uranium or natural uranium pellet, or a combination thereof; Are those containing burnable poisons or those containing no burnable poisons, and those containing burnable poisons are characterized in that their concentrations are such that they burn almost completely at the end of the driving cycle The fuel assembly according to claim 6.
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