JP2713983B2 - 原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、軽水型原子炉に用いる原子炉用燃料集合体
に関する。

（従来の技術） 沸騰水型原子炉で、従来用いられている燃料集合体の
一例を第16図に示す。同図に示すように、燃料集合体１
は、チャンネルボックス２と、このチャンネルボックス
２内に８行８列の正方格子状に配列された燃料棒３と、
集合体径方向中央部付近に配置されたウォータロット４
とから構成されている。燃料棒被覆管内には濃縮ウラン
酸化物を焼結した円筒状の燃料ペレットが封入されてい
る。隣接するチャンネルボックス２の間の水ギャップ６
には、十字形制御棒５が配置されている。

沸騰水型原子炉では、出力運転時、チャンネル内部は
沸騰水で占められるが、チャンネル外部（水ギャップ）
６及びウォータロッド４内は非沸騰水で占められる。こ
れらの水は燃料の冷却材であるとともに中性子の減速材
の役割を果たしている。

ところで、熱中性子炉燃料の無限増倍率は四因子公式
を用いて次の様に表すことができる。

Ｋ_∞＝εηfp （１） ここで、 ε：高速中性子核分裂効果 η：中性子再生率 f:熱中性子利用率 p:共鳴を逃れる確率 軽水型熱中性子炉では、燃料を塊状（ペレット）と
し、燃料と減速材の分布を非均質とすることにより、燃
料中のウラン238による中性子の共鳴吸収を小さくし、
中性子の減速を良くしている。ただ、非均質化は同時に
熱中性子利用率の低下をもたらすため、これら二つの効
果は相反する方向に作用する。そして、熱中性子炉では
非均質化による共鳴を逃れる確率の増加効果の方が大き
いことが知られている。さらに、沸騰水型炉では、水ギ
ャップ及びウォータロッド内が非沸騰水、燃料棒のまわ
りが沸騰水であるため、燃料集合体全体でも減速材分布
が非均質であるという特徴がある。これらの非沸騰水領
域は、共鳴を逃れる確率を大きくして反応度を向上させ
るとともに減速材密度反応度係数の増加を抑制する働き
をしている。

（発明が解決しようとする課題） ウラン資源の有効利用と燃料経済性の向上が求められ
ているが、このためには中性子利用率の向上を図る必要
がある。しかし、燃料集合体内の減速材分布を均質化し
て熱中性子利用率を高める場合には、一般に上述のよう
に共鳴を逃れる確率の低下をもたらすため、反応度向上
につながらない。

また、燃料経済性の向上には燃料の高燃焼度化が有効
であるが、この場合、炉心内の新しい燃料と良く燃えた
燃料の間の出力差が大きくなり、最大線出力密度や最少
限界出力比等の熱的制限条件が厳しくなる方向となる。
炉心平均線出力密度の低下のために、燃料集合体の配列
数を増加し、燃料棒数を増加する場合には燃料棒径が細
くなるために、燃料による中性子の共鳴吸収が増加して
反応度低下をもたらす。

さらに、高燃焼度化を図ると燃料の高濃度化による減
速材密度反応度係数の増加を抑えるため、水対燃料比を
増加する必要がある。この場合は、集合体内部の燃料棒
をウォータロッドに置換える必要があるが、この結果、
ウラン重量が減少するため燃料経済性の低下をもたらす
という不具合が生じる。

本発明は、上記問題に対処してなされたもので、その
目的は、熱中性子利用率と共鳴を逃れる確率を共に高め
ることにより、中性子利用率の向上を図りかつ高燃焼度
化時に対応して水対燃料比を増加する場合でも炉心ウラ
ン量も増加でき、また熱的制限を緩和することのできる
燃料集合体を提供することにある。

〔発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は、チャンネルボ
ックス内に燃料棒を規則正しく配列し、これらの燃料棒
が水チャンネルによって分割されずに１つの燃料棒群を
形成している燃料集合体において、燃料集合体内部に２
行２列相当以上の太径ウォータロッドを１本または複数
本均等に配置し、かつ前記太径ウォータロッドの横断面
積の合計は燃料棒９本分以上であり、さらに燃料棒間の
距離及びチャンネルボックスと燃料棒の間の距離を２〜
3mmとしかつ燃料棒外径を1cm前後としており、また燃料
集合体内部には１本または複数本のウォータロッドを均
等に配置したことを特徴とするものである。

（作 用） 本発明の原子炉用燃料集合体は、燃料棒間距離及びチ
ャンネルボックスと燃料棒の間の距離を２〜3mm程度に
狭め、燃料棒外径を1cm前後とし、また集合体内部にウ
ォータロッドを配置することにより、熱中性子利用率と
共鳴を逃れる確率を共に高めて中性子利用率の向上を図
りかつ燃料棒本数を増加することにより、高燃焼度化に
対応して水対燃料比を増加する場合でも炉心ウラン量も
増加でき、また熱的制限を緩和することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例の沸騰水型原子炉用燃料集
合体の平面図である。この実施例の燃料集合体１では、
現行のチャンネルボックス２内の燃料棒配列を９行９列
として、従来の集合体よりも燃料棒ピッチＨを小さく
し、また燃料棒の間の距離Ｆ及びチャンネルボックスと
燃料棒の間の距離Ｇを従来の約4mmより狭めて約2.5mmと
している。燃料棒３の外径Ｄは従来の燃料と同じ約12mm
である。集合体内には３行３列相当の超々太径ウォータ
ロッド４′を配置している。本実施例の集合体内の燃料
棒本数は72本で、水対燃料比を従来の燃料集合体に比べ
て大幅に増加しているにもかかわらず、燃料棒本数は従
来の62本にくらべて増加している。

第２図は上記実施例と従来の燃料集合体の燃料棒近傍
の熱中性子束分布の比較を示すものである。本実施例で
は第２図（ｂ）に示すように燃料棒間の距離が第２図
（ａ）に示す従来の燃料棒間の距離に比べて減少し、減
速材対燃料体積比が減少したため、減速材中での熱中性
子束の盛上がりおよび燃料中でのくぼみも従来に比べて
減少する。このため、集合体は熱中性子に対してより一
様となり、燃料に吸収される熱中性子の割合が増し、熱
中性子利用率ｆは高くなる。第３図は燃料棒間の距離と
減速材中と燃料中での熱中性子束の比（熱中性子不利係
数）の関係を示すもので、燃料棒間の距離が減少するほ
ど熱中性子不利係数は減少し、熱中性子利用率は高くな
る。

一方、燃料棒間の距離が減少すると共鳴エネルギ中性
子に対する燃料棒間の相互の遮蔽効果が大きくなるた
め、共鳴を逃れる確率ｐは大きくなる。第４図は燃料棒
の間の距離と燃料棒間の相互の遮蔽効果を示すダンコフ
係数の関係を示すもので、燃料棒の間の距離が減少する
ほどダンコフ係数は増加し、共鳴を逃れる確率は大きく
なる。

第５図は燃料集合体の水対燃料比を一定とした場合
の、燃料棒間の距離と熱中性子利用率および共鳴を逃れ
る確率の関係を示したもので、燃料棒間の距離を狭める
ことにより、熱中性子利用率ｆおよび共鳴を逃れる確率
ｐをともに高めることができる。第６図は燃料棒間の距
離と未燃焼時の無限増倍率の関係を示すが、無限増倍率
は熱中性子利用率ｆと共鳴を逃れる確率ｐの積に比例す
るため、燃料棒間の距離が減少すると無限増倍率は大き
くなる。

このように本発明では、中性子利用率ｆ及び共鳴を逃
れる確率ｐをともに高めることにより、反応度が増加し
て経済性の優れた燃料集合体を得ることができる。

また、本発明では、燃料棒間隔が狭まった結果、燃料
棒本数が従来に比べて増加する。このため、高燃焼度化
時に対応して、集合体内にウォータロッドを配置して水
対燃料比を増加する場合でも、燃料棒本数およびウラン
重量を従来より増加できる。燃料棒本数の増加は、最大
線出力密度に対する熱的余裕を増加し、またウラン重量
の増加は経済性を向上する効果をもたらす。すなわち、
ウラン重量が増加すると１運転サイクルにおける単位ウ
ラン重量あたりの燃焼度増分が減少する。無限増倍率は
燃焼度に対する単調減少関数であるため、サイクル燃焼
度増分の減少はサイクル末期に於ける無限増倍率の増加
をもたらす。第７図は、水対燃料比一定の場合の燃料棒
間の距離と集合体ウラン重量の関係を、また第８図は燃
料棒間の距離とサイクル末期の平均無限増倍率の関係を
示すものであるが、燃料棒間の距離が減少すると、ウラ
ン重量の増加効果と前述した中性子利用率の増加効果と
の相加効果により、サイクル末期の無限増倍率は大きく
なる。

また、ウラン重量を従来燃料と同程度とする場合は、
ウォータロッド内の水割合を従来よりも増やすことが可
能となる。これにより、水対燃料比が増加して反応度が
増加し、また減速材密度反応度係数が減少するとともに
出力運転時冷温時反応度差を小さくすることができる。
また、集合体内の非沸騰水の分布が従来よりも均質化さ
れるため、熱中性子束分布より平坦化することができ
る。この結果、集合体内局所出力分布が平坦化され熱的
余裕を増加することができる。

第９図は、本発明の第２の実施例の平面図である。現
行のチャンネルボックス１内の燃料棒配列を９行９列と
し、３行３列相当の超々太径ウォータロッド４′及び燃
料棒と同形のウォータロッド４を４本集合体中央に配置
している。燃料棒径及び燃料棒ピッチは上記実施例（第
１図）と同じであるが、燃料棒本数は４本減少させて68
本とし、集合体内水割合を増加している。

第10図は本発明の第３の実施例の平面図である。本実
施例の燃料集合体は現行の燃料集合体の1.1倍に拡大し
た場合であり、燃料棒配列を10行10列とし、２行２列相
当の超太径ウォータロッド４″を集合体内に５本均等に
配置している。燃料棒径は従来と同じくして、燃料棒間
の距離を約2.5mmと小さくしている。燃料棒本数は80本
で第１図の実施例に比べてさらに燃料棒本数が増加した
ことにより、熱的余裕が増加する。

なお、上述の実施例の燃料集合体では、燃料棒の周囲
の冷却材流路が従来に比べ狭いので、最小限界出力比に
対する熱的な制限が厳しくなる恐れがある。このような
問題に対しては、次に示すような方法が有効である。す
なわち、第11図に示すように通常の燃料棒３の代りに燃
料棒の軸方向の上部一部を除去した部分長の燃料棒３′
を用いることである。

また、この部分長燃料棒３′に代えて、他の燃料棒よ
り細い燃料棒を部分的に用いた燃料棒３″を用いても有
効である。

第12図は、本発明の第４の実施例の平面図である。本
実施例の燃料集合体では通常の燃料棒３に代えて部分長
燃料棒３′がチャンネルボックス２側から第２行目に全
部で８本配置されている構成のみが第１図の実施例と相
違し、その他の配置は同一である。

また、燃料棒配列を三角配列とする場合は燃料棒間隔
を正方配列の場合よりも大きくして、同程度に熱中性子
利用率を高めることができる。すなわち、第13図に示さ
れるように、減速材対燃料体積比（Vm/Vf）を燃料棒ピ
ッチＨ及び燃料棒径Ｄを用いて表すと正方配列の場合
（同図ａを参照）は Vm/Vf＝4H²/（πD²）−１ （２） 一方、三角配列の場合（同図（ｂ）を参照）は、 となる。上記第２式及び第３式より、同じVm/Vfを実現
する燃料棒ピッチＨは、三角配列の場合は、正方配列の
場合の約1.07倍となる。熱中性子利用率はVm/Vfで決ま
るから、同程度に熱中性子利用率を高める場合でも、三
角配列の場合は、正方配列に較べ燃料棒間の距離を大き
くできる。

第14図は本発明の第５の実施例の平面図である。同図
に示すように、本実施例は炉心燃料格子は正方配列で、
燃料棒３の配列は酸化配列の場合である。

第15図は本発明の第６の実施例の平面図である。同図
に示すように、本実施例は炉心燃料格子は六方配列で、
燃料棒３の配列は三角配列の場合である。

以上の各実施例はいずれも沸騰水型原子炉用燃料集合
体について説明したが、本発明は加圧水型原子炉の燃料
集合体についても同様に適用でき、上記実施例と同様な
効果を有する。

〔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、
中性子利用率を高めることにより高い燃料経済性を有す
るとともに高燃焼度化時にも対応できる燃料集合体を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体を示す平面図、
第２図は本発明と従来の燃料集合体内の熱中性子束分布
の違いを説明するための図、第３図は燃料棒間距離と熱
中性子不利係数の関係を示す図、第４図は燃料棒間距離
とダンコフ係数の関係を示す図、第５図は燃料棒間距離
と熱中性子利用率及び共鳴を逃れる確率の関係を示す
図、第６図は燃料棒間距離と未燃焼時反応度変化の関係
を示す図、第７図及び第８図は燃料棒間距離と集合体ウ
ラン重量及びサイクル末期反応度変化の関係を示す図、
第９図及び第10図は本発明の第２及び第３の実施例の平
面図、第11図は本発明で使用される燃料棒の他の例を示
す概略図、第12図は本発明の第４の実施例の平面図、第
13図は本発明を燃料棒が三角配列の場合に適用した場合
の作用効果を説明するための図、第14図及び第15図は本
発明の第５及び第６の実施例の平面図、第16図は従来の
燃料集合体の平面図である。 １……燃料集合体 ２……チャンネルボックス ３……燃料棒 ３′……部分長燃料棒 ３″……細い燃料棒を部分的に使用した燃料棒 ４……ウォータロッド ４′……超々太径ウォータロッド ４″……超太径ウォータロッド ５……十字形制御棒 ６……水ギャップ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チャンネルボックス内に燃料棒を規則正し
   く配列し、これらの燃料棒が水チャンネルによって分割
   されずに１つの燃料棒群を形成している燃料集合体にお
   いて、燃料集合体内部に２行２列相当以上の太径ウォー
   タロッドを１本または複数本均等に配置し、かつ前記太
   径ウォータロッドの横断面積の合計は燃料棒９本分以上
   であり、さらに燃料棒間距離及びチャンネルボックスと
   燃料棒の間の距離を２〜3mmとし、また燃料棒外径を1cm
   前後としたことを特徴とする原子炉用燃料集合体。