JP2663737B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
- G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
- G21C3/326—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements comprising fuel elements of different composition; comprising, in addition to the fuel elements, other pin-, rod-, or tube-shaped elements, e.g. control rods, grid support rods, fertile rods, poison rods or dummy rods
- G21C3/328—Relative disposition of the elements in the bundle lattice
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料集合体に係り、特
に、水冷却型原子炉に適用するのに好適で、高燃焼度の
達成及び燃料経済性の向上とともに熱的余裕の確保に寄
与する燃料集合体に関する。
に、水冷却型原子炉に適用するのに好適で、高燃焼度の
達成及び燃料経済性の向上とともに熱的余裕の確保に寄
与する燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】沸騰水型原子炉の燃料集合体は、「軽水
炉」（秋山守著、同文書院刊）に記載のように、一般
に、核分裂性物質を含む燃料ペレットを被覆管に充填し
てなる燃料棒を、多数束ねて断面形状が正方形のチャネ
ルボックスで覆って構成される。炉心は、この燃料集合
体を多数装荷して構成される。燃料物質としては、濃縮
ウランあるいはプルトニウムを富化したウランが酸化物
の化学形態で使用される。炉心の反応度は、燃料物質に
含まれる核分裂性物質が燃焼に伴って減少していくの
で、原子炉における１つの運転サイクルの末期でも原子
炉が臨界を保つように、その運転サイクルの初期には核
分裂性物質を臨界量よりも多く装荷している。その結果
生じる余剰反応度は、炭化硼素あるいはハフニウムを含
む十字型の制御棒を隣接する複数の燃料集合体の間に挿
入すると共に、ガドリニア等の可燃性毒物を燃料物質に
混合することによって中性子の吸収量を調節して制御し
ている。近年、原子炉の連続運転期間の延長、使用済み
燃料集合体の発生量低減の観点から、高燃焼度化が進め
られている。高燃焼度化のためには燃料の濃縮度を高め
る必要があり、それにともなって、余剰反応度も増大す
ることになる。
炉」（秋山守著、同文書院刊）に記載のように、一般
に、核分裂性物質を含む燃料ペレットを被覆管に充填し
てなる燃料棒を、多数束ねて断面形状が正方形のチャネ
ルボックスで覆って構成される。炉心は、この燃料集合
体を多数装荷して構成される。燃料物質としては、濃縮
ウランあるいはプルトニウムを富化したウランが酸化物
の化学形態で使用される。炉心の反応度は、燃料物質に
含まれる核分裂性物質が燃焼に伴って減少していくの
で、原子炉における１つの運転サイクルの末期でも原子
炉が臨界を保つように、その運転サイクルの初期には核
分裂性物質を臨界量よりも多く装荷している。その結果
生じる余剰反応度は、炭化硼素あるいはハフニウムを含
む十字型の制御棒を隣接する複数の燃料集合体の間に挿
入すると共に、ガドリニア等の可燃性毒物を燃料物質に
混合することによって中性子の吸収量を調節して制御し
ている。近年、原子炉の連続運転期間の延長、使用済み
燃料集合体の発生量低減の観点から、高燃焼度化が進め
られている。高燃焼度化のためには燃料の濃縮度を高め
る必要があり、それにともなって、余剰反応度も増大す
ることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の燃料集
合体では、可燃性毒物として主にガドリニア（ガドリニ
ウムの酸化物）が用いられている。ガドリニウムは、図
３に示すように、奇数核（ガドリニウム１５５，ガドリ
ニウム１５７）の熱中性子吸収断面積が著しく大きいた
め、少ない混入量で余剰反応度を制御できる点に特徴が
ある。しかし、（ｎ，γ）の核反応チェインを有してお
り、転換した偶数核（ガドリニウム１５６，１５８）の
共鳴積分が大きいため（図３参照）、中性子無駄吸収の
原因となっている。高燃焼度化により増大した余剰反応
度をガドリニア（強中性子吸収物質)だけで制御する場
合には、ガドリニアによる中性子の無駄吸収によって、
２％Δｋ／ｋｋ′程度も炉心の反応度が減少することが
ある。従って、それだけ、核分裂性物質を余分に装荷す
る必要が生じ、燃料経済性が損われるという問題（第１
の課題）がある。
合体では、可燃性毒物として主にガドリニア（ガドリニ
ウムの酸化物）が用いられている。ガドリニウムは、図
３に示すように、奇数核（ガドリニウム１５５，ガドリ
ニウム１５７）の熱中性子吸収断面積が著しく大きいた
め、少ない混入量で余剰反応度を制御できる点に特徴が
ある。しかし、（ｎ，γ）の核反応チェインを有してお
り、転換した偶数核（ガドリニウム１５６，１５８）の
共鳴積分が大きいため（図３参照）、中性子無駄吸収の
原因となっている。高燃焼度化により増大した余剰反応
度をガドリニア（強中性子吸収物質)だけで制御する場
合には、ガドリニアによる中性子の無駄吸収によって、
２％Δｋ／ｋｋ′程度も炉心の反応度が減少することが
ある。従って、それだけ、核分裂性物質を余分に装荷す
る必要が生じ、燃料経済性が損われるという問題（第１
の課題）がある。
【０００４】また、ガドリニアの混入によりペレットの
熱伝導率が減少する。従って、燃料棒の健全性を確保す
る観点から、ガドリニア入り燃料棒の核分裂性物質（ウ
ラン２３５等）の濃縮度を燃料集合体でのその最大値よ
り低くし、ガドリニアが燃え尽きた後の出力を抑制する
方法が取られている。しかし、この方法では、例えば、
使用できるウラン濃縮度に制限がある場合、燃料集合体
の平均濃縮度が、ウラン最高濃縮度より低くなり、高燃
焼度化が達成出来ないという問題(第２の課題)がある。
熱伝導率が減少する。従って、燃料棒の健全性を確保す
る観点から、ガドリニア入り燃料棒の核分裂性物質（ウ
ラン２３５等）の濃縮度を燃料集合体でのその最大値よ
り低くし、ガドリニアが燃え尽きた後の出力を抑制する
方法が取られている。しかし、この方法では、例えば、
使用できるウラン濃縮度に制限がある場合、燃料集合体
の平均濃縮度が、ウラン最高濃縮度より低くなり、高燃
焼度化が達成出来ないという問題(第２の課題)がある。
【０００５】図２は、熱中性子束の燃料集合体径方向分
布を示したものである。中性子スペクトルが最もソフト
なチャンネルボックスのコーナに面した燃料棒と最もハ
ードな２〜３層目の燃料棒では、熱中性子束が２倍以上
違う。このような構成では熱中性子束の高い集合体周辺
部の燃料棒の出力が過大となるため、この領域の燃料の
核分裂性物質（ウラン２３５等）の濃縮度を中央部に比
べ低くすることにより、燃料集合体内の燃料棒出力分布
を平坦化している。しかし、この方法でも、使用できる
ウラン濃縮度に制限がある場合には、燃料集合体の平均
濃縮度が、ウラン最高濃縮度より低くなり、高燃焼度化
が達成できないという問題(第３の課題)がある。
布を示したものである。中性子スペクトルが最もソフト
なチャンネルボックスのコーナに面した燃料棒と最もハ
ードな２〜３層目の燃料棒では、熱中性子束が２倍以上
違う。このような構成では熱中性子束の高い集合体周辺
部の燃料棒の出力が過大となるため、この領域の燃料の
核分裂性物質（ウラン２３５等）の濃縮度を中央部に比
べ低くすることにより、燃料集合体内の燃料棒出力分布
を平坦化している。しかし、この方法でも、使用できる
ウラン濃縮度に制限がある場合には、燃料集合体の平均
濃縮度が、ウラン最高濃縮度より低くなり、高燃焼度化
が達成できないという問題(第３の課題)がある。
【０００６】上記の出力分布の平坦化を図る目的で、燃
料集合体周辺部に位置する燃料棒にガドリニアを混入す
る技術が、特開昭62−32386 号公報に開示されている。
しかし、燃料集合体の寿命期間の初期で燃料棒出力分布
を平坦化できても、ガドリニウムの熱中性子に対する吸
収断面積が大きく、ガドリニア入り燃料棒の出力はガド
リニアの燃焼と共に増大してしまう。従って、燃料集合
体の寿命期間を通じての燃料棒出力分布の平坦化は困難
で、課題１及び２を解決することはできない。また上記
の第３の課題を解決する目的で、燃料集合体周辺部の燃
料棒に弱い可燃性吸収材であるボロンを混入する技術
が、特開昭57−196189号に開示されている。しかしなが
ら、ガドリニウム−１５７に比べ、熱中性子吸収断面積
が１／100程度のボロン−１０だけで余剰反応度を制御
すると、多くの燃料棒を可燃性吸収材入り燃料棒とする
必要がある。また、燃料集合体周辺部に位置する全ての
燃料棒を可燃性吸収材入り燃料棒とすると、ＢＷＲに用
いられる燃料集合体の場合、制御棒価値が減少する。
料集合体周辺部に位置する燃料棒にガドリニアを混入す
る技術が、特開昭62−32386 号公報に開示されている。
しかし、燃料集合体の寿命期間の初期で燃料棒出力分布
を平坦化できても、ガドリニウムの熱中性子に対する吸
収断面積が大きく、ガドリニア入り燃料棒の出力はガド
リニアの燃焼と共に増大してしまう。従って、燃料集合
体の寿命期間を通じての燃料棒出力分布の平坦化は困難
で、課題１及び２を解決することはできない。また上記
の第３の課題を解決する目的で、燃料集合体周辺部の燃
料棒に弱い可燃性吸収材であるボロンを混入する技術
が、特開昭57−196189号に開示されている。しかしなが
ら、ガドリニウム−１５７に比べ、熱中性子吸収断面積
が１／100程度のボロン−１０だけで余剰反応度を制御
すると、多くの燃料棒を可燃性吸収材入り燃料棒とする
必要がある。また、燃料集合体周辺部に位置する全ての
燃料棒を可燃性吸収材入り燃料棒とすると、ＢＷＲに用
いられる燃料集合体の場合、制御棒価値が減少する。
【０００７】さらに、上記課題１および２を解消する目
的で、燃料ペレットの周辺部にはボロン（弱中性子吸収
物質）を中心部にはガドリニアを混入する技術が、特開
昭57−196189号公報に開示されている。しかしながら、
この方法では、可燃性吸収材入り燃料棒の本数は減少で
きるが、課題３は解消できない。
的で、燃料ペレットの周辺部にはボロン（弱中性子吸収
物質）を中心部にはガドリニアを混入する技術が、特開
昭57−196189号公報に開示されている。しかしながら、
この方法では、可燃性吸収材入り燃料棒の本数は減少で
きるが、課題３は解消できない。
【０００８】本発明の目的は、燃料経済性を損なうこと
なしに余剰反応度を十分に抑制でき且つ高燃焼度化を達
成できる燃料集合体を提供することにある。
なしに余剰反応度を十分に抑制でき且つ高燃焼度化を達
成できる燃料集合体を提供することにある。
【０００９】本発明の他の目的は、上記の燃料集合体を
用いて稼働率向上及び燃料の長寿命化に好適な原子炉の
炉心を提供することにある。
用いて稼働率向上及び燃料の長寿命化に好適な原子炉の
炉心を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の燃料集合体では、減速材対燃料体積比が相
対的に大きく、中性子エネルギースペクトルが軟らか
く、熱中性子束が大きい燃料集合体周辺部に装荷された
燃料棒の一部が熱中性子吸収断面積が相対的に小さいボ
ロン等の可燃性毒物を含み、前記周辺部よりも内側の領
域に装荷された燃料棒の一部が熱中性子吸収断面積が相
対的に大きいガドリニウム等の可燃性毒物を含み且つボ
ロン等を含まないように構成する。また、熱中性子束が
大きい燃料集合体下部に熱中性子吸収断面積が相対的に
小さい可燃性毒物を装荷し、燃料集合体上部に熱中性子
吸収断面積が相対的に大きい可燃性毒物を装荷する。
に、本発明の燃料集合体では、減速材対燃料体積比が相
対的に大きく、中性子エネルギースペクトルが軟らか
く、熱中性子束が大きい燃料集合体周辺部に装荷された
燃料棒の一部が熱中性子吸収断面積が相対的に小さいボ
ロン等の可燃性毒物を含み、前記周辺部よりも内側の領
域に装荷された燃料棒の一部が熱中性子吸収断面積が相
対的に大きいガドリニウム等の可燃性毒物を含み且つボ
ロン等を含まないように構成する。また、熱中性子束が
大きい燃料集合体下部に熱中性子吸収断面積が相対的に
小さい可燃性毒物を装荷し、燃料集合体上部に熱中性子
吸収断面積が相対的に大きい可燃性毒物を装荷する。
【００１１】本発明の原子炉の炉心は、上記の燃料集合
体を少なくとも一種類装荷して構成する。
体を少なくとも一種類装荷して構成する。
【００１２】
【作用】上記の構成により、本発明の燃料集合体では、
１種類の可燃性毒物元素のみを用いた従来技術の燃料集
合体と比較して、次のように作用する。
１種類の可燃性毒物元素のみを用いた従来技術の燃料集
合体と比較して、次のように作用する。
【００１３】反応度及び出力分布の点から、弱中性子吸
収材は、強中性子吸収材と同じ期間燃焼する濃度が必要
である。また、弱中性子吸収材燃焼後の燃料棒出力を従
来と同等にするには、燃焼初期（０ＧＷｄ／ｔ）の出力
を抑制しすぎることは好ましくない。弱中性子吸収材で
あるボロンの特徴は、強中性子吸収材であるガドリニア
に比べて自己遮蔽効果が小さく、濃度を調整することに
より反応度を制御できる点である。
収材は、強中性子吸収材と同じ期間燃焼する濃度が必要
である。また、弱中性子吸収材燃焼後の燃料棒出力を従
来と同等にするには、燃焼初期（０ＧＷｄ／ｔ）の出力
を抑制しすぎることは好ましくない。弱中性子吸収材で
あるボロンの特徴は、強中性子吸収材であるガドリニア
に比べて自己遮蔽効果が小さく、濃度を調整することに
より反応度を制御できる点である。
【００１４】上記の特徴を利用して、減速材対燃料体積
比が相対的に大きく、熱中性子束が大きい燃料集合体周
辺部の燃料棒に熱中性子吸収断面積が相対的に小さいボ
ロン等の可燃性毒物を装荷し、その濃度を適切に設定す
ることで熱中性子を適度に吸収させることができ、燃料
の核分裂性物質の濃縮度分布を一様としても、熱中性子
束分布及び燃料棒出力分布を平坦化することができる。
一方、余剰反応度の制御は、主として、周辺部よりも内
側の領域に装荷したガドリニア等の相対的に熱中性子吸
収断面積が大きい可燃性毒物を燃焼させて行なう。
比が相対的に大きく、熱中性子束が大きい燃料集合体周
辺部の燃料棒に熱中性子吸収断面積が相対的に小さいボ
ロン等の可燃性毒物を装荷し、その濃度を適切に設定す
ることで熱中性子を適度に吸収させることができ、燃料
の核分裂性物質の濃縮度分布を一様としても、熱中性子
束分布及び燃料棒出力分布を平坦化することができる。
一方、余剰反応度の制御は、主として、周辺部よりも内
側の領域に装荷したガドリニア等の相対的に熱中性子吸
収断面積が大きい可燃性毒物を燃焼させて行なう。
【００１５】上記の構成の燃料集合体により、ボロンで
余剰反応度の一部および局所出力ピーキングが制御でき
るので、ガドリニアの混入量（本数および全混入量）を
減少できる。従って、ガドリニアによる中性子の無駄吸
収を低減でき、あまり燃料経済性を損なわずに済む。ま
た、ガドリニアの混入量の減少により反応度を増大させ
ることができるので、ウラン濃縮度に制約がある場合に
もより高い高燃焼度化が達成できる。更に、熱中性子吸
収断面積が大きいガドリニアが有する優れた反応度抑制
効果により、燃焼初期の大きな余剰反応度を十分に抑制
することができる。
余剰反応度の一部および局所出力ピーキングが制御でき
るので、ガドリニアの混入量（本数および全混入量）を
減少できる。従って、ガドリニアによる中性子の無駄吸
収を低減でき、あまり燃料経済性を損なわずに済む。ま
た、ガドリニアの混入量の減少により反応度を増大させ
ることができるので、ウラン濃縮度に制約がある場合に
もより高い高燃焼度化が達成できる。更に、熱中性子吸
収断面積が大きいガドリニアが有する優れた反応度抑制
効果により、燃焼初期の大きな余剰反応度を十分に抑制
することができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を実施例に従って説明する。図
１は、沸騰水型原子炉に適用した本発明の第一の実施例
である燃料集合体を示している。燃料集合体１０は、ジ
ルカロイの被覆管２０内に濃縮ウラン酸化物からなる燃
料物質を充填した燃料棒１〜３を束ねて、ジルカロイで
できた四角管状のチャネルボックス２１で覆って構成さ
れている。燃料棒１及び２のウラン濃縮度は４.９ｗｔ
％ 、燃料棒３のウラン濃縮度４.０ｗｔ％である。燃料
棒２及び３は、天然ボロンが約０.０４ｗｔ％含んでい
る。燃料棒２及び３は、最外周部に配置されしかも燃料
集合体のコーナ部に位置する。ガドリニアを含む１２本
の燃料棒１１は、ウラン濃縮度が４.４ｗｔ％，ガドリ
ニア濃度が約４.５ｗｔ％である。第一実施例は、燃料
集合体最外層のように、中性子エネルギースペクトルが
軟らかく、熱中性子束が大きい領域には中性子吸収断面
積の比較的小さいボロン等の可燃性毒物元素を混合した
燃料棒２，３を配置し、それ以外の平均的な中性子エネ
ルギースペクトルの領域には、吸収断面積の比較的大き
いガドリニウム等の可燃性毒物元素を混合した燃料棒１
１及び可燃性毒物を混合しない燃料棒１を、それぞれ配
置する。
１は、沸騰水型原子炉に適用した本発明の第一の実施例
である燃料集合体を示している。燃料集合体１０は、ジ
ルカロイの被覆管２０内に濃縮ウラン酸化物からなる燃
料物質を充填した燃料棒１〜３を束ねて、ジルカロイで
できた四角管状のチャネルボックス２１で覆って構成さ
れている。燃料棒１及び２のウラン濃縮度は４.９ｗｔ
％ 、燃料棒３のウラン濃縮度４.０ｗｔ％である。燃料
棒２及び３は、天然ボロンが約０.０４ｗｔ％含んでい
る。燃料棒２及び３は、最外周部に配置されしかも燃料
集合体のコーナ部に位置する。ガドリニアを含む１２本
の燃料棒１１は、ウラン濃縮度が４.４ｗｔ％，ガドリ
ニア濃度が約４.５ｗｔ％である。第一実施例は、燃料
集合体最外層のように、中性子エネルギースペクトルが
軟らかく、熱中性子束が大きい領域には中性子吸収断面
積の比較的小さいボロン等の可燃性毒物元素を混合した
燃料棒２，３を配置し、それ以外の平均的な中性子エネ
ルギースペクトルの領域には、吸収断面積の比較的大き
いガドリニウム等の可燃性毒物元素を混合した燃料棒１
１及び可燃性毒物を混合しない燃料棒１を、それぞれ配
置する。
【００１７】第一実施例の効果を、従来の燃料集合体の
濃縮度分布を踏襲して想定した図４の燃料集合体（以
下、比較例という）と比較して以下に示す。比較例で
は、燃料棒１のウラン濃縮度は４.９ｗｔ％、燃料棒１
２のウラン濃縮度は４.４ｗｔ％、燃料棒１３のウラン
濃縮度は３.４ｗｔ％ である。ガドリニアを含む１８本
の燃料棒２２は、ウラン濃縮度が４.４ｗｔ％、ガドリ
ニア濃度が約４.０ｗｔ％である。
濃縮度分布を踏襲して想定した図４の燃料集合体（以
下、比較例という）と比較して以下に示す。比較例で
は、燃料棒１のウラン濃縮度は４.９ｗｔ％、燃料棒１
２のウラン濃縮度は４.４ｗｔ％、燃料棒１３のウラン
濃縮度は３.４ｗｔ％ である。ガドリニアを含む１８本
の燃料棒２２は、ウラン濃縮度が４.４ｗｔ％、ガドリ
ニア濃度が約４.０ｗｔ％である。
【００１８】図５に、第一実施例の局所出力ピーキング
の燃焼変化を、ウラン濃縮度分布を燃料集合体の外側ほ
ど低くすることで出力分布を平坦化した比較例の燃料集
合体と比較して示した。
の燃焼変化を、ウラン濃縮度分布を燃料集合体の外側ほ
ど低くすることで出力分布を平坦化した比較例の燃料集
合体と比較して示した。
【００１９】第一実施例の燃料集合体では、燃料集合体
の最外層の燃料棒にボロンを添加したことで、燃焼の速
度が遅くなり、特に、１０ＧＷｄ／ｔ以下の燃焼度でそ
の出力を低減できる。ボロンはガドリニウムに比べて熱
中性子吸収断面積が約１／１００と小さいので、ボロン
の燃焼速度が遅くなる。このため、運転サイクルの末期
でボロンが燃え尽きてもガドリニウムのように燃料棒の
出力は大幅に上昇しない。特に、熱中性子束の大きい燃
料集合体の最外周部にボロンを含む燃料棒を配置するこ
とによって、第一実施例のようにコーナ部の燃料棒の濃
縮度を比較例（図４）のその燃料棒の濃縮度よりも高く
しても、ボロンの燃え残りを生じないで、最外周部にお
ける中性子束を抑制できる。また、ボロンが燃え尽きて
も最外周部の中性子束の上昇度合いは小さい。従って、
第一実施例は、比較例のようにウラン濃縮度分布を設け
た場合と同様に出力平坦化が可能である。余剰反応度の
制御のために、ボロンを燃料集合体横断面の中央部に位
置する燃料棒に充填した場合には、その中央部の中性子
束が低いので、運転サイクルの末期でボロンは燃え残っ
てしまう。燃料集合体横断面の中央部に位置する燃料棒
には、燃焼速度の早いガドリニウムを添加することが好
ましい。最外周部においてコーナ部以外に配置される燃
料棒にボロンを添加した場合と最外周部でコーナ部に位
置する燃料棒にボロンを添加した場合とを比較すると、
後者の燃料棒が前者の燃料棒よりも濃縮度を増加でき
る。何故ならば、比較例では、そのコーナ部に位置する
燃料棒は濃縮度が最も低くなっているからである。前者
（最外周部においてコーナ部以外に配置される燃料棒に
ボロン添加）に比べて後者（最外周部でコーナ部に位置
する燃料棒にボロン添加）のほうが、燃料集合体内の最
高濃縮度を同じにしたとき、燃料集合体の平均濃縮度を
より高めることができる。後者は、燃料集合体内におけ
る最高濃縮度と最低濃縮度との差がより小さくなる。こ
れは、使用できる濃縮度の上限に制限がある場合（例え
ば、濃縮度の上限値５.０ｗｔ％ ）でも、その制限内で
高い燃焼度を得ることにつながる。
の最外層の燃料棒にボロンを添加したことで、燃焼の速
度が遅くなり、特に、１０ＧＷｄ／ｔ以下の燃焼度でそ
の出力を低減できる。ボロンはガドリニウムに比べて熱
中性子吸収断面積が約１／１００と小さいので、ボロン
の燃焼速度が遅くなる。このため、運転サイクルの末期
でボロンが燃え尽きてもガドリニウムのように燃料棒の
出力は大幅に上昇しない。特に、熱中性子束の大きい燃
料集合体の最外周部にボロンを含む燃料棒を配置するこ
とによって、第一実施例のようにコーナ部の燃料棒の濃
縮度を比較例（図４）のその燃料棒の濃縮度よりも高く
しても、ボロンの燃え残りを生じないで、最外周部にお
ける中性子束を抑制できる。また、ボロンが燃え尽きて
も最外周部の中性子束の上昇度合いは小さい。従って、
第一実施例は、比較例のようにウラン濃縮度分布を設け
た場合と同様に出力平坦化が可能である。余剰反応度の
制御のために、ボロンを燃料集合体横断面の中央部に位
置する燃料棒に充填した場合には、その中央部の中性子
束が低いので、運転サイクルの末期でボロンは燃え残っ
てしまう。燃料集合体横断面の中央部に位置する燃料棒
には、燃焼速度の早いガドリニウムを添加することが好
ましい。最外周部においてコーナ部以外に配置される燃
料棒にボロンを添加した場合と最外周部でコーナ部に位
置する燃料棒にボロンを添加した場合とを比較すると、
後者の燃料棒が前者の燃料棒よりも濃縮度を増加でき
る。何故ならば、比較例では、そのコーナ部に位置する
燃料棒は濃縮度が最も低くなっているからである。前者
（最外周部においてコーナ部以外に配置される燃料棒に
ボロン添加）に比べて後者（最外周部でコーナ部に位置
する燃料棒にボロン添加）のほうが、燃料集合体内の最
高濃縮度を同じにしたとき、燃料集合体の平均濃縮度を
より高めることができる。後者は、燃料集合体内におけ
る最高濃縮度と最低濃縮度との差がより小さくなる。こ
れは、使用できる濃縮度の上限に制限がある場合（例え
ば、濃縮度の上限値５.０ｗｔ％ ）でも、その制限内で
高い燃焼度を得ることにつながる。
【００２０】図６には、第一実施例の燃料集合体の中性
子無限増倍率の燃焼変化を、可燃性毒物としてガドリニ
アのみを配置した比較例と比較して示した。第一実施例
の燃料集合体は、比較例と比較して、燃料寿命初期には
ほぼ同等の燃焼反応度特性が得られ、かつ、運転サイク
ル末期にガドリニウム１５６及び１５８のような中性子
吸収物質が残らないこと、平均濃縮度を約０.１ｗｔ％
高められたことで、中性子無限増倍率を約１.５％Δｋ
増大できた。従って、第一実施例は、ウランの最高濃縮
度を上限値以下に押さえた状態で中性子無限増倍率を増
加できる。
子無限増倍率の燃焼変化を、可燃性毒物としてガドリニ
アのみを配置した比較例と比較して示した。第一実施例
の燃料集合体は、比較例と比較して、燃料寿命初期には
ほぼ同等の燃焼反応度特性が得られ、かつ、運転サイク
ル末期にガドリニウム１５６及び１５８のような中性子
吸収物質が残らないこと、平均濃縮度を約０.１ｗｔ％
高められたことで、中性子無限増倍率を約１.５％Δｋ
増大できた。従って、第一実施例は、ウランの最高濃縮
度を上限値以下に押さえた状態で中性子無限増倍率を増
加できる。
【００２１】沸騰水型原子炉では、燃料集合体間に形成
されるギャップ領域に十字型の制御棒が挿入されるが、
燃料集合体の最外層のうち、制御棒が挿入されないギャ
ップ領域に面する位置に配置された燃料棒にはボロンを
添加し、制御棒が挿入されるギャップ領域に面した位置
に配置された燃料棒には、ボロンを添加しないかまたは
添加するその濃度を低くしてもよい。この実施例では、
第一の実施例と比較して、制御棒が挿入される領域の中
性子束が大きくなるため、制御棒反応度を増大させるこ
とができる。
されるギャップ領域に十字型の制御棒が挿入されるが、
燃料集合体の最外層のうち、制御棒が挿入されないギャ
ップ領域に面する位置に配置された燃料棒にはボロンを
添加し、制御棒が挿入されるギャップ領域に面した位置
に配置された燃料棒には、ボロンを添加しないかまたは
添加するその濃度を低くしてもよい。この実施例では、
第一の実施例と比較して、制御棒が挿入される領域の中
性子束が大きくなるため、制御棒反応度を増大させるこ
とができる。
【００２２】図７は、沸騰水型原子炉に適用した本発明
の他の実施例である燃料集合体の水平断面を示してい
る。本実施例は、燃料集合体の周辺部の燃料棒に加え
て、水ロッド８周囲（例えばそれに隣接）の燃料棒もボ
ロンを添加した燃料棒２としたものである。このような
構成によっても、第一実施例と同様な効果が得られる。
また、図７に示した実施例において、水ロッド８の替り
に、水と同等の中性子減速効果をもつ水素化ジルコニウ
ム等からなる固体減速棒を設けて、その周囲に燃料棒２
を配置する実施例も考えられる。
の他の実施例である燃料集合体の水平断面を示してい
る。本実施例は、燃料集合体の周辺部の燃料棒に加え
て、水ロッド８周囲（例えばそれに隣接）の燃料棒もボ
ロンを添加した燃料棒２としたものである。このような
構成によっても、第一実施例と同様な効果が得られる。
また、図７に示した実施例において、水ロッド８の替り
に、水と同等の中性子減速効果をもつ水素化ジルコニウ
ム等からなる固体減速棒を設けて、その周囲に燃料棒２
を配置する実施例も考えられる。
【００２３】図８は、本発明を燃料棒に適用した実施例
を示している。ボイド率が低く、熱中性子束の高くなる
燃料棒下部にはボロンを添加し、燃料棒上部にはガドリ
ニアを添加している。このような構成によれば、軸方向
に一様にガドリニアを添加した場合に比べ、可燃性毒物
が燃えつきる燃焼度を遅らせることができ、高燃焼度化
を図る場合の余剰反応度制御が容易になる。
を示している。ボイド率が低く、熱中性子束の高くなる
燃料棒下部にはボロンを添加し、燃料棒上部にはガドリ
ニアを添加している。このような構成によれば、軸方向
に一様にガドリニアを添加した場合に比べ、可燃性毒物
が燃えつきる燃焼度を遅らせることができ、高燃焼度化
を図る場合の余剰反応度制御が容易になる。
【００２４】本発明の燃料集合体を装荷した炉心の実施
例では、比較例の燃料集合体を装荷した炉心と比較し
て、ガドリニアの量を低減できるため、残存するガドリ
ニアによる中性子の吸収が減り、それだけ核分裂性物質
（ここではウラン２３５）の装荷量を低減することがで
きる。
例では、比較例の燃料集合体を装荷した炉心と比較し
て、ガドリニアの量を低減できるため、残存するガドリ
ニアによる中性子の吸収が減り、それだけ核分裂性物質
（ここではウラン２３５）の装荷量を低減することがで
きる。
【００２５】上記の実施例では、相対的に強い熱中性子
吸収断面積をもつ可燃性吸収材と相対的に弱い熱中性子
吸収断面積をもつ可燃性吸収材との組み合わせとして、
ガドリニウムとボロンを使用したが、その他の組み合わ
せとしてガドリニウムとエルビウム，ガドリニウムとデ
ィスプロシウム，ガドリニウムとネプチニウム，アメリ
シウム等の超ウラン元素などが考えられる。
吸収断面積をもつ可燃性吸収材と相対的に弱い熱中性子
吸収断面積をもつ可燃性吸収材との組み合わせとして、
ガドリニウムとボロンを使用したが、その他の組み合わ
せとしてガドリニウムとエルビウム，ガドリニウムとデ
ィスプロシウム，ガドリニウムとネプチニウム，アメリ
シウム等の超ウラン元素などが考えられる。
【００２６】また、上記の実施例では、燃料として濃縮
ウラン酸化物を、炉心構造材としてジルカロイを、減速
材及び冷却材として水をそれぞれ使用したが、その他の
燃料，構造材，減速材，冷却材を使用した場合にも本発
明は適用できる。
ウラン酸化物を、炉心構造材としてジルカロイを、減速
材及び冷却材として水をそれぞれ使用したが、その他の
燃料，構造材，減速材，冷却材を使用した場合にも本発
明は適用できる。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、熱中性子束が大きい燃
料集合体周辺部に熱中性子吸収断面積が相対的に小さい
可燃性毒物を装荷し、周辺部よりも内側の領域に熱中性
子吸収断面積が相対的に大きい可燃性毒物を装荷するこ
とにより、燃料経済性を損なうことなしに余剰反応度を
十分に抑制でき且つ高燃焼度化を図ることができる。
料集合体周辺部に熱中性子吸収断面積が相対的に小さい
可燃性毒物を装荷し、周辺部よりも内側の領域に熱中性
子吸収断面積が相対的に大きい可燃性毒物を装荷するこ
とにより、燃料経済性を損なうことなしに余剰反応度を
十分に抑制でき且つ高燃焼度化を図ることができる。
【図１】本発明の実施例である燃料集合体の水平断面図
である。
である。
【図２】熱中性子束分布を示す特性図である。
【図３】ガドリニアの吸収断面積を示す説明図である。
【図４】従来の燃料集合体の水平断面図である。
【図５】図１の実施例の効果を示す燃料集合体の局所出
力ピーキングの燃焼特性図である。
力ピーキングの燃焼特性図である。
【図６】図１の実施例の効果を示す燃料集合体の中性子
無限増倍率の燃焼特性図である。
無限増倍率の燃焼特性図である。
【図７】本発明の他の実施例である燃料集合体の水平断
面図である。
面図である。
【図８】本発明の他の実施例である燃料棒の縦断面図で
ある。
ある。
１…燃料棒（可燃性毒物含まず）、２，３…ボロン入り
燃料棒、１１…ガドリニア入り燃料棒、１２，１３…燃
料棒（可燃性毒物含まず）、６…ボロン入り燃料、７…
ガドリニア入り燃料、８…水ロッド、１０，１４…燃料
集合体、２０…被覆管、２１…チャンネルボックス、３
１…燃料棒（上部にガドリニア、下部にボロンを添
加）。
燃料棒、１１…ガドリニア入り燃料棒、１２，１３…燃
料棒（可燃性毒物含まず）、６…ボロン入り燃料、７…
ガドリニア入り燃料、８…水ロッド、１０，１４…燃料
集合体、２０…被覆管、２１…チャンネルボックス、３
１…燃料棒（上部にガドリニア、下部にボロンを添
加）。
フロントページの続き (72)発明者 栗原 国寿 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社 日立製作所 エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−78384（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−147890（ＪＰ，Ａ)
Claims (7)
- 【請求項１】複数の燃料棒を備えた燃料集合体におい
て、燃料集合体の周辺部に装荷された燃料棒の一部は第
１の可燃性毒物を含み、前記周辺部よりも内側の領域に
装荷された燃料棒の一部は前記第１の可燃性毒物よりも
熱中性子の吸収断面積が大きい第２の可燃性毒物を含み
且つ前記第１の可燃性毒物を含まないことを特徴とする
燃料集合体。 - 【請求項２】請求項１において、前記第１の可燃性毒物
を含む燃料棒は前記周辺部のコーナ部に装荷されること
を特徴とする燃料集合体。 - 【請求項３】請求項１又は２において、前記燃料集合体
は更に水ロッドを備え、該水ロッドに隣接する燃料棒の
一部は前記第１の可燃性毒物を含むことを特徴とする燃
料集合体。 - 【請求項４】内部に核分裂性物質を含む燃料物質を充填
した燃料棒において、該燃料棒の下部に第１の可燃性毒
物を含み、該燃料棒の上部に前記第１の可燃性毒物より
も熱中性子の吸収断面積が大きい第２の可燃性毒物を含
むことを特徴とする燃料棒。 - 【請求項５】請求項４に記載の燃料棒を少なくとも１本
含むことを特徴とする燃料集合体。 - 【請求項６】請求項１，２，３，５の何れかに記載の燃
料集合体を少なくとも１体装荷したことを特徴とする原
子炉の炉心。 - 【請求項７】請求項１に記載の燃料集合体を制御棒に隣
接して装荷した原子炉の炉心において、前記第１の可燃
性毒物を含む燃料棒は前記制御棒が挿入されないギャッ
プ領域に面する周辺部に装荷されることを特徴とする原
子炉の炉心。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3066006A JP2663737B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | 燃料集合体 |
| US07/857,263 US5337337A (en) | 1991-03-29 | 1992-03-25 | Fuel assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3066006A JP2663737B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | 燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04301593A JPH04301593A (ja) | 1992-10-26 |
| JP2663737B2 true JP2663737B2 (ja) | 1997-10-15 |
Family
ID=13303432
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3066006A Expired - Fee Related JP2663737B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | 燃料集合体 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5337337A (ja) |
| JP (1) | JP2663737B2 (ja) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP3186546B2 (ja) * | 1995-10-11 | 2001-07-11 | 株式会社日立製作所 | 初装荷炉心 |
| SE506820C2 (sv) * | 1996-06-20 | 1998-02-16 | Asea Atom Ab | Bränslepatron innefattande ett flertal på varandra staplade bränsleenheter, där bränsleenheterna innefattar bränslestavar med skilda diametrar |
| US5822388A (en) * | 1996-11-15 | 1998-10-13 | Combustion Engineering Inc. | MOX fuel arrangement for nuclear core |
| US7139360B2 (en) * | 2004-10-14 | 2006-11-21 | Westinghouse Electric Co. Llc | Use of boron or enriched boron 10 in UO2 |
| US20080031398A1 (en) | 2004-10-14 | 2008-02-07 | Westinghouse Electric Company, Llc | Use of boron or enriched boron 10 in UO2 |
| JP5002189B2 (ja) * | 2006-05-17 | 2012-08-15 | 原子燃料工業株式会社 | 原子炉用燃料集合体 |
| US7815964B2 (en) * | 2007-03-29 | 2010-10-19 | Westinghouse Electric Co Llc | Method of applying a burnable poison onto the exterior of nuclear rod cladding |
| JP4812793B2 (ja) * | 2007-12-13 | 2011-11-09 | 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 | 燃料集合体 |
| US8842963B2 (en) | 2010-09-01 | 2014-09-23 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Reducing reflection at termination of optical fiber in a small volume |
| CN107068209B (zh) | 2010-09-03 | 2020-09-15 | 加拿大原子能有限公司 | 含钍的核燃料棒束以及包含这种核燃料棒束的核反应堆 |
| CN107068210B (zh) * | 2010-11-15 | 2021-04-09 | 加拿大原子能有限公司 | 含中子吸收剂的核燃料 |
| KR20130114675A (ko) | 2010-11-15 | 2013-10-17 | 아토믹 에너지 오브 캐나다 리미티드 | 재생된 감손 우라늄을 함유하는 핵연료, 핵연료 다발 및 그것을 포함하는 원자로 |
| US20130077731A1 (en) * | 2011-03-28 | 2013-03-28 | Torxx Group Inc. | Ceramic encapsulations for nuclear materials and systems and methods of production and use |
| JP2015184130A (ja) * | 2014-03-24 | 2015-10-22 | 株式会社東芝 | 燃料集合体及び原子炉 |
| CN105139900B (zh) * | 2015-07-09 | 2017-04-05 | 中国核动力研究设计院 | 一种采用铒可燃毒物的24个月换料堆芯装载方法 |
| US10568907B1 (en) | 2018-10-09 | 2020-02-25 | Carol J. Buck | Methods of treating basal cell carcinoma and glioblastoma |
| CN114530262B (zh) * | 2022-01-28 | 2024-06-18 | 上海核工程研究设计院股份有限公司 | 一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置 |
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|---|---|---|---|---|
| US3427222A (en) * | 1965-10-15 | 1969-02-11 | Westinghouse Electric Corp | Nuclear fuel elements |
| US3501411A (en) * | 1967-06-21 | 1970-03-17 | Grace W R & Co | Process of preparing nuclear fuel |
| US3849248A (en) * | 1969-02-14 | 1974-11-19 | Gen Electric | Samarium compensation for nuclear reactor fuel |
| JPS5829878B2 (ja) * | 1976-09-25 | 1983-06-25 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体 |
| JPS5594183A (en) * | 1979-01-10 | 1980-07-17 | Tokyo Shibaura Electric Co | Fuel assembly |
| JPS57196189A (en) * | 1981-05-27 | 1982-12-02 | Hitachi Ltd | Nuclear fuel assembly |
| JPS59221695A (ja) * | 1983-05-31 | 1984-12-13 | 株式会社東芝 | 燃料集合体 |
| JPS6078384A (ja) * | 1983-10-06 | 1985-05-04 | 株式会社東芝 | 原子炉燃料棒 |
| JPS60242392A (ja) * | 1984-05-16 | 1985-12-02 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体 |
| JPS6232386A (ja) * | 1985-08-06 | 1987-02-12 | 株式会社東芝 | 軽水炉用燃料集合体 |
| JPH0812262B2 (ja) * | 1987-11-07 | 1996-02-07 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体及び原子炉の炉心 |
| EP0315929B1 (en) * | 1987-11-07 | 1996-02-07 | Hitachi, Ltd. | Fuel assembly |
| JPH02147890A (ja) * | 1988-11-29 | 1990-06-06 | Nippon Atom Ind Group Co Ltd | 燃料集合体 |
-
1991
- 1991-03-29 JP JP3066006A patent/JP2663737B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-03-25 US US07/857,263 patent/US5337337A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5337337A (en) | 1994-08-09 |
| JPH04301593A (ja) | 1992-10-26 |
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|---|---|---|---|
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