JP2809626B2 - Fuel assembly - Google Patents

Fuel assembly

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JP2809626B2
JP2809626B2 JP62178190A JP17819087A JP2809626B2 JP 2809626 B2 JP2809626 B2 JP 2809626B2 JP 62178190 A JP62178190 A JP 62178190A JP 17819087 A JP17819087 A JP 17819087A JP 2809626 B2 JP2809626 B2 JP 2809626B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

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に好適な燃料集合体
に関する。 (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。気泡の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。 したがって、沸騰水型原子炉では炉心上部の燃焼が遅
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。 次に、沸騰水型原子炉に用いられた燃料集合体及び近
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。 第22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。 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。 第23図は第22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。 第24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。 第25図に示す燃料集合体も第23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には非沸騰冷却水領
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。 第26図に示す燃料集合体は、第25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、各サブアセンブリ
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隙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。 (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。 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。 一方、運転サイクルを長期化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、終には原子炉を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が出来ないという問題点
があった。 本発明は上記問題点を解消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。 [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
部に核燃料ペレットを充填した多数の燃料棒を規則正し
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長さの介在
部材を前記金属製被覆管内で上下部に核燃料ペレットが
存在するように挿入するとともに当該介在部材の長さが
原子炉出力運転中における熱中性子拡散距離またはそれ
以上とし、かつその介在部材の燃料棒内の軸方向挿入位
置が原子炉運転期間内で原子炉停止余裕がきびしくなる
時点において未臨界度が浅くなる部位を含む位置であ
り、前記介在部材挿入燃料棒を直線状または交叉する直
線状または団塊状に前記燃料集合体内部に配置したこと
を特徴とするものである。 (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を挟んで、介
在領域の両側の中性子相互作用(結合効果)が冷態時に
弱まり、高温運転時,特にボイド発生時に強まる現象が
発生する。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、その結果中性子増倍特性が低下する。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。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。この結果、介在領域を挟んだ両側の中性子相互
作用が増大し、中性子増倍特性が上昇する。 上述の作用を利用すると、介在領域の導入により、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、高温運転時は燃料の量を介在領域の導
入によって減少させた場合でも増倍率の低下を防止した
り、好適な設計を行なえばかえって介在領域がない場合
より増倍率を増大させることさえ可能となる。 次に、本発明の作用を第3図を参照して説明する。同
図(a)に示すように、直方形断面を有する2つの燃料
領域I,IIがあり、その間に幅Wの水ギャップが存在する
ものとする。また燃料領域I,IIの水ギャップ幅Wと同じ
方向の幅Wfは水ギャップ幅Wに比べて充分広いものとす
る。このときの水ギャップ幅Wと中性子増倍率の変化の
関係は同図(b)に示すとおりであり、同図(b)のc
部分を拡大して同図(c)に示す。ここで、「中性子増
倍率の変化」は、高温時(破線)、冷態時(実線)と
も、水ギャップ幅が0のときの中性子増倍率からの変化
であることを示す。燃料集合体の中で軸方向と直角方向
(軽水炉では通常水平方向)では、広い水ギャップ領域
をとることは困難である。すなわち、外形が与えられた
範囲で水ギャップを広くとることは燃料領域が狭くなる
ことであり、発熱領域が狭くなることである。 本発明では、燃料集合体の軸と直角方向に介在領域を
挿入するので、狭い幅の介在領域の特性を明らかにする
必要がある。第3図(c)はこの主旨のもとに同図
(b)のc部を拡大して示したものである。精々2cm程
度の水ギャップを設けた場合に対する理論計算値もほぼ
同図(c)と同様な曲線を与える。即ち、高温運転時
(ボイド発生時)は水ギャップ幅とともに増倍率の変化
は正方向に増大し(実効増倍率keffが増大し)、冷態時
は水ギャップ幅が約1cmを越えると顕著にkeffが水ギャ
ップ幅の増大により減少し、炉停止時の未臨界度の増大
に役立つことがこの図から理解できる。 なお、上記の作用に関する説明では、水ギャップを挟
む2つの燃料領域間の中性子相互作用の変化という見方
をしたが、燃料集合体の無限増倍率kを古くから知ら
れている4因子に分ける方式で説明することもできる。
この方式では、第3図(c)の曲線は主として熱中性子
利用率と共鳴を逃れる確率の特性の変化によっても説明
される。燃料集合体内部で燃料棒本数を減らさないで水
ギャップを拡げる場合には、燃料棒間の間隙を縮小しな
ければならず、これが共鳴吸収における燃料棒相互間の
共鳴中性子の遮蔽効果を増大させ、その結果、共鳴を逃
れる確率が増大する効果が生じ、一方では、燃料領域対
水ギャップ部の熱中性子束比が減少し、その結果熱中性
子利用率が低下する効果が生じる。第3図(c)は上記
2つの効果の水密度依存性と水ギャップ幅依存性の相殺
効果によりほぼ決定される。 燃料棒間間隙を固定しかつ水ギャップを拡げるために
は、燃料棒内から燃料物質を排除しなければならない。
その場合には、上記の共鳴吸収を逃れる確率の変化は、
共鳴中性子の遮蔽効果ではなく、減速効果の増大によっ
て共鳴を逃れる確率が増大することになる。即ち、原子
炉を高温で運転しており、ボイドも発生している場合に
は減速材不足状態になっているため、水ギャップの導入
によってそれが緩和され、その結果やはり共鳴を逃れる
確率は増大する。熱中性子利用率の変化は上記の例とほ
ぼ同様である。 本発明では、後者を主体とし、必要に応じて前者も併
用している。集合体内の燃料装荷量をなるべく減らさな
いで(出力の絶対量を減らさない為に)本発明の作用を
効果的に生じる燃料集合体を提供するものである。 (実施例) 本発明の実施例を図面を参照して説明する。 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)のI−I線に沿う縦断面図、同図
(b)は平面図である。 本実施例の燃料集合体は、中央に方形の水棒32が配置
され、この中央部を除き、燃料棒30,31が規則的に9行
9列配置されており、その外側をチャンネルボックス33
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34および下部タイプレート35により固定さ
れている。 燃料棒31が介在部材挿入燃料棒pである。介在部材36
の好適な長さlは1/3H以下であり、この例では30〜60cm
程度である。介在部材中央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36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。 また、後記するが、出力スパイク防止のために出力ス
パイク抑制材が介在部材に隣接して挿入されている。 さらに、中央水棒32を中心として、介在部材挿入燃料
棒pが十字形(直交する直線状)に配置されている。3
本組相互間の中性子相互作用はこの例では小さいので、
同一高さに限定する必要は必ずしもない。 第2図(a)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、同図(b)は炉心軸方向のボイ
ド割合および未臨界度分布を示した図である。第2図
(a)のハッチング部分が介在部材の配置位置である。
燃料棒内の介在部材の高さは揃えるのが効果的である
が、集合体相互間でも同一に揃える必要は必ずしもな
い。これは炉心外周は停止余裕増大への寄与が小さいた
めである。さらに、介在領域幅が集合体外周の水ギャッ
プ幅程度であり、また集合体内部での結合効果の操作で
あるためである。幅の狭い介在層では、その効果は外周
水ギャップによってほぼマスクされ、隣接集合体への影
響は小さい。介在部材の軸方向長さは、集合体内で介在
部材を入れる燃料棒の本数と配置の仕方によっても変化
するが、通常15〜90cm程度の範囲とされる。15cm以下で
は効果が小さく、90cmより長くすると、発熱物質(燃
料)装荷量の減少が大きい割合には効果が(相対的に)
小さくなる。 そして、未臨界度が一番浅くなる部位において介在部
材が配置されるので、効果的に本発明が作用する。 第4図は本発明の第2の実施例の平面図である。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。 同図においてはコーナ部も停止余裕向上に効果がある
ため、十字形に並ぶ各3本組の1本の介在部材挿入燃料
棒pを各コーナ部の燃料棒30と入れ替えたものである。 この燃料棒では、中心部にのみサイクル末期に、毒作
用が消滅する程度の可燃性毒物(Gdなど)を挿入すると
出力スパイクを生ぜずに上記目的の達成に寄与できる。 第5図は本発明の第3の実施例の平面図であり、中央
水棒32を中心として介在部材挿入燃料棒pが対角線状に
十字形に配置されている。したがって、本集合体では介
在部材挿入燃料棒pは16本,燃料棒30は60本で構成され
ている。 第6図は本発明の第4の実施例の平面図である。この
実施例は従来形集合体(太径水棒でなく細い水棒37を2
本用いる方式)に適用した場合である。したがって、本
集合体では介在部材挿入燃料棒pは13本,燃料棒30は49
本で構成されている。 本実施例では太径水棒がないので十字形配列の各“介
在部材挿入燃料棒"p群(各3〜4本)間の相互作用が第
1の実施例よりやや大となり、介在部材の高さは揃えた
方がやや有利となる。 第7図は本発明の第5の実施例の平面図である。この
実施例は第6図の実施例と同様に細径水棒37を2本用い
る方式に適用した場合である。本実施例では対角線状に
介在部材挿入燃料棒pを配列した場合であり、介在部材
挿入燃料棒pは14本,燃料棒30は48本で構成されてい
る。なお、第6図の実施例とほぼ同様な作用を有する。 第8図は本発明の第6の実施例の平面図である。この
実施例は第6図および第7図の実施例と同様に細径水棒
37を2本用いる方式に適用した場合である。本実施例で
は集合体の中央部分に介在部材挿入燃料棒pを団塊状に
配列した場合であり、介在部材挿入燃料棒pは14本,燃
料棒30は48本で構成されている。なお、第6図および第
7図の実施例とほぼ同様な作用を有する。 第9図は本発明の第7の実施例の平面図である。この
実施例は第6図および第7図の実施例と同様に細径水棒
を2本用いる方式に適用した場合である。本実施例では
集合体の内部で介在部材挿入燃料棒pを対角線に対して
平行になるように2列配列した場合であり、第6図およ
び第7図の実施例とほぼ同様な作用を有する。本実施例
では介在部材挿入燃料棒pは8本,燃料棒30は54本で構
成されており、介在部材挿入燃料棒pの本数が少ないの
で、介在部材の長さを長めにしたり、複数個に分けても
よい。したがって、炉停止余裕とともに軸方向出力分布
の調整に活用できる。すなわち、炉心上部では高温運転
時水不足となっているが、介在部材挿入燃料棒pの介在
部材により緩和される。 第10図は本発明の第8の実施例の平面図である。この
実施例は細径水棒を2本用いる方式に適用した場合であ
る。本実施例では介在部材挿入燃料棒pの配列は二重の
十字形配列であり、介在部材挿入燃料棒pは26本,燃料
棒30は36本で構成されている。そして、介在部材挿入高
さでは集合体は実質的に3×3サブバンドル4体で構成
され、介在部材挿入燃料棒pの介在部材により大幅に隔
てられているから、この高さでは非常に大きな炉停止余
裕を作り出す性質をもっている。したがって、軸方向長
さの調節によりその程度を調節する。介在部材の長さが
15〜30cm程度(通常)でも大きな効果が期待される。必
要に応じて介在部材挿入燃料棒pの高さを対向する2行
間で変えてもよい。これにより出力分布を有効に変える
ことができる。 第11図は本発明の第9の実施例の平面図である。この
実施例は第10図の実施例の中央の燃料セル4本分の太径
水棒38を用た場合であり、介在部材挿入燃料棒pは16
本,燃料棒30は44本で構成されている。第10図の実施例
よりはその作用効果がやや小さい。 第12図は本発明の第10の実施例の平面図である。この
実施例は第7図の実施例の中央の燃料セル4本分の方形
水棒39を用た場合であり、介在部材挿入燃料棒pは12
本,燃料棒30は48本で構成されている。第10図の実施例
よりはその作用効果がやや小さい。 第13図は本発明の第11の実施例の平面図である。この
実施例では燃料セルが11行11列で構成され、中央に燃料
セル9本分の太径水棒40を用い、この中央水棒40を中心
として、介在部材挿入燃料棒pが十字形(直交する直線
状)に16本,燃料棒30が96本で構成されている。 第14図は本発明の第12の実施例の平面図である。この
実施例は燃料セルが11行11列で構成された第13図の実施
例の変形例である。中央に燃料セル9本分の方形水棒41
を用い、介在部材挿入燃料棒pが36本,燃料棒30が76本
で構成されている。介在部材挿入高さでは燃料領域は9
ケのサブ領域に区分されており、効果的に炉停止余裕を
増大させ、高温運転中の実効増倍率keffを大きくするこ
とができる。 第15図は本発明の第13の実施例の平面図である。この
実施例は中央に燃料セル5本分の方形水棒42を燃料バン
ドルに対して45度に配置し、さらに介在部材挿入燃料棒
pを12本用いて十字型に配置して、燃料バンドル内を4
つのサブ領域(サブバンドル)としており、燃料棒30は
64本で構成されている。したがって、中央十字型の介在
部材挿入燃料棒pの介在部材挿入高さではサブ領域間の
距離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。また、介在部材挿
入燃料棒pの介在部材の長さを比較的短くしても大きな
効果を有する。 第16図は本発明の第14の実施例の平面図である。この
実施例は中央に燃料セル5本分の方形水棒32を燃料バン
ドルに対して45度に配置し、かつ全体を9ケのサブ領域
で構成されており、各サブ領域間にはやや広い間隙が設
けられている。介在部材挿入燃料棒pを燃料バンドルの
中央に12本用いて十字型に配置し、さらに燃料バンドル
の各コーナにも1本配置されている。燃料棒30は60本で
構成されている。この実施例でも高温の実効増倍率hot
keffを高める効果と、低温の実効増倍率cold keffを下
げる効果(炉停止余裕大)を有するが前記実施例よりは
やや小さい。 第17図は本発明の第15の実施例の平面図である。この
実施例は第16図の実施例の変形例であり、中央に前記実
施例より大きい方形水棒43を配置するとともにこの方形
水棒43に面する位置に1本の燃料棒をさらに追加配置し
たものである。したがって、介在部材挿入燃料棒pは16
本,燃料棒30は60本で構成されている。中央の方形水棒
43を大きくしているので、炉停止余裕が前記実施例より
大である。 第18図は本発明の第16の実施例の平面図である。この
実施例は第15図の実施例の変形例であり、太径水棒44と
十字状広水ギャップを燃料バンドルに対してオフセット
されており、集合体外周の水ギャップ幅が異なる炉心
(BWR−D格子と呼ばれている)には本実施例が効果的
に適用できる。このような炉心では十字形制御棒は図の
左上側にその中央タイロッドが配置される構成が好適で
ある。つまり、水ギャツプが広い側に多くの燃料棒を配
置する。したがって、介在部材挿入燃料棒pは14本,燃
料棒30は63本で構成されている。 第19図は本発明の第17の実施例の平面図である。この
実施例は4つのサブバンドル45を設け、各サブバンドル
相互間の十字状間隙46を非沸騰冷却水領域とし、各サブ
バンドル45で集合体中央に位置するコーナ部分に介在部
材挿入燃料棒pを団塊的に配置しており、介在部材挿入
燃料棒pは12本,燃料棒30は52本で構成されている。こ
の実施例では高温の実効増倍率を高める効果と、低温の
実効増倍率を下げる効果(炉停止余裕大)を有する。 第20図は本発明の第18の実施例の平面図である。この
実施例は全体を9ケのサブバンドル47で構成されてお
り、各サブバンドル47はそれぞれ9本の燃料棒30からな
り、各サブバンドル47間にはやや広い間隙48が設けられ
ている。この燃料集合体の中央にあるサブバンドルはす
べて介在部材挿入燃料棒pであるから介在部材挿入燃料
棒pは9本,燃料棒30は72本で構成されている。この実
施例では高温の実効増倍率を高める効果と、低温の実効
増倍率を下げる効果(炉停止余裕大)を有する。 第21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。 すなわち、同図(a)で示す燃料棒は被覆管20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、グラファイト21が挿入されている。グラファイト
21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等は、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,Zr
O2,中空天然ウラン,中空減損ウランなどを用い、中空
部をガスプレナムとして利用してもよい。 なお、ガスプレナムとしての利用を考えなければ、中
空に代えて中実の減損ウランや天然ウランなどを用いる
ことが出来るのは当然である。 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21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ペレット22がそれぞれ
2ケ(約2cm)ずつ配置されている。これらのペレット2
2は外周には毒物が含まれていないため、出力が運転サ
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
の出力が緩やかに上昇するように設計する。 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
きくすることが出来る。 第21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21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24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。 (2)ZrH2(ジルコニウムハイドライト,水素化ジルコ
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。 (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。 ジルカロイ製管24と燃料ペレット23との間には小さな
断熱材ペレット25,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25
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−G
d2O3,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の軸方向に隣接する燃料ペ
レットでは、その端面から2cm程度(長くて5cm程度)ま
では可燃性毒性を入れたペレット22を配置するのが好適
である。 第21図(b)では細径Gdペレットを挿入した燃料ペレ
ット22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。 第21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20に通水孔26を上下に設けるとともにこの通水孔
26の上下にそれぞれ中間プラグ27と断熱材ペレット25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22を設けてから上下それぞれに燃料ペレット23を配置
したことである。 第21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28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。 [発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば以下に記載した
ような効果を奏する。 (1)原子炉停止時は水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、本発明の燃料集合
体によると、核分裂性物質濃度の低い領域(介在領域)
を挟んで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
きくすることができる。 (2)高温運転時は、水の平均密度が大幅に低下するの
で、熱中性子拡散距離が大幅(2〜3倍)に延びる。そ
の結果、介在領域を挟んだ結合効果が向上し、実効増倍
率は核分裂性物質濃度が著しく減少した領域があるにも
かかわらず、かえって僅かであっても増大させることさ
えできる。介在領域の導入により不利にならない。 (3)本発明では、介在領域またはそれに軸方向に隣接
する燃料の限られた部分に可燃性毒性が効果的に配置さ
れるので、局所的な出力ピーク(出力スパイク)は発生
せず、従って燃料の健全性が保たれる。
The present invention relates to a fuel assembly, and more particularly to a fuel assembly suitable for a boiling water reactor having a long operation cycle and a high shutdown margin. About. (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 moderating 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. Therefore, in the boiling water reactor, the combustion in the upper part of the core tends to be 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 improve the burnup of fuel, mainly for the 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. 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. FIGS. 22 (a) and 22 (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. In FIG. 2A, 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.
An upper end plug 10 is provided at an upper end and a lower end plug 11 is provided at a lower end. FIG. 23 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 arranged 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. The fuel assembly shown in FIG. 24 has been developed to improve the characteristics of the fuel assembly. One large-diameter water rod 12 is disposed 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. The fuel assembly shown in FIG. 25 is also an improvement of the fuel assembly shown in FIG. 23, 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 cooling water area to flatten the power distribution in the horizontal direction, but this type of fuel assembly also suffers from excess water below the core and insufficient water above it. There is a problem. The fuel assembly shown in FIG. 26 has been developed as an improved version of the fuel rod shown in FIG. This fuel assembly is composed of nine sub-assemblies 15 and each sub-assembly 15
Reference numeral 15 denotes nine fuel rods 2 each. A slightly wider gap 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. (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. 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. On the other hand, fuel enrichment must be further increased in order to prolong the operation cycle and improve economics, but this will make the subcriticality in the upper part of the core increasingly shallow, and eventually It is possible that the reactor could not be shut down. That is, this point is a bottleneck, and there has been a problem that the operation cycle cannot be lengthened in the conventional reactor core. 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 the fuel enrichment is increased. An object of the present invention is to provide a fuel assembly constituting a core. [Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel assembly in which a large number of fuel rods filled with nuclear fuel pellets are regularly arranged inside a metal cladding tube. In the body, some fuel rods are inserted with a certain length of intervening member having a greatly reduced fissile nuclide concentration so that nuclear fuel pellets are present in the upper and lower portions in the metal cladding tube, and the length of the intervening member is reduced. Is the thermal neutron diffusion distance or longer during reactor power operation, and the subcriticality is reduced when the axial insertion position of the interposed members in the fuel rods becomes critical during reactor operation. A position including a shallow portion, wherein the interposed member-inserted fuel rods are arranged inside the fuel assembly in a linear or intersecting linear or nodular shape. (Operation) As described above, according to the fuel assembly of the present invention, the neutron interaction (coupling effect) on both sides of the intervening region is weakened in the cold state, with the particularly low portion of the fissile material concentration, that is, the intervening region interposed therebetween. During high temperature operation, especially when voids are generated, a phenomenon occurs. This phenomenon can be mainly explained by the action of thermal neutrons with a short diffusion distance. That is, since the density of water (about 1.0) is large in the cold state, the diffusion distance of thermal neutrons is short, and the interaction of neutrons on both sides of the intervening region is reduced. As a result, the neutron multiplication characteristics are reduced. During high temperature operation, the boiling water reactor has a water temperature (standard value) of about 286 ° C and a water density of about 0.74 g even when no voids are generated.
/ a cm 3. Thermal neutron migration distance in water is 1 / 0.74 of that in cold
(= 1.35) times. Furthermore, the density of the air-water mixture at the time of void generation decreases to about 0.3, and as a result, the thermal neutron diffusion distance in the air-water mixture increases by 1 / 0.3 (1/3) times. As a result, the neutron interaction on both sides of the intervening region increases, and the neutron multiplication characteristics increase. By utilizing the above-mentioned effects, the introduction of the intervening region reduces the multiplication factor in the cold state, that is, increases the reactor shutdown margin (subcriticality), and reduces the amount of fuel during the high temperature operation by introducing the intervening region. Even in this case, it is possible to prevent a decrease in the multiplication factor or to increase the multiplication factor more than in the case where there is no intervening region, if a suitable design is performed. Next, the operation of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3A, it is assumed that there are two fuel regions I and II having a rectangular cross section, and a water gap having a width W exists between them. The width Wf of the fuel regions I and II in the same direction as the water gap width W is sufficiently wider than the water gap width W. The relationship between the water gap width W and the change in the neutron multiplication factor at this time is as shown in FIG.
The part is enlarged and shown in FIG. Here, “change in neutron multiplication factor” indicates that the change is from the neutron multiplication factor when the water gap width is 0 at both a high temperature (broken line) and a cold state (solid line). In the direction perpendicular to the axial direction (normally the horizontal direction in a light water reactor) in the fuel assembly, it is difficult to obtain a wide water gap region. In other words, widening the water gap in the range given the outer shape means that the fuel region becomes narrower and the heat generation region becomes narrower. In the present invention, since the interposed region is inserted in a direction perpendicular to the axis of the fuel assembly, it is necessary to clarify the characteristics of the interposed region having a small width. FIG. 3 (c) is an enlarged view of part c of FIG. 3 (b) with this in mind. The theoretical calculation value for a case where a water gap of at most about 2 cm is provided also gives a curve substantially similar to FIG. That is, during high temperature operation (when voids are generated), the change in the multiplication factor increases with the water gap width in the positive direction (effective multiplication factor keff increases), and when cold, when the water gap width exceeds about 1 cm, it becomes remarkable. It can be seen from this figure that keff decreases with increasing water gap width and helps to increase the subcriticality when the furnace shuts down. In the above description of the operation, the viewpoint of the change in the neutron interaction between the two fuel regions sandwiching the water gap is considered. However, the infinite multiplication factor k of the fuel assembly is divided into four factors that have been known for a long time. It can also be described in a scheme.
In this system, the curve in FIG. 3 (c) is also explained mainly by changes in the properties of thermal neutron utilization and the probability of escaping resonance. If the water gap is increased without reducing the number of fuel rods inside the fuel assembly, the gap between the fuel rods must be reduced, which increases the shielding effect of the resonance neutrons between the fuel rods in the resonance absorption. As a result, the effect of increasing the probability of escaping resonance is increased, while the effect of reducing the thermal neutron flux ratio between the fuel region and the water gap is reduced, and as a result, the effect of reducing the thermal neutron utilization is produced. FIG. 3 (c) is substantially determined by the offset effect of the above two effects on the water density and the water gap width. In order to fix the gap between fuel rods and widen the water gap, fuel material must be removed from within the fuel rods.
In that case, the change in the probability of escaping the above resonance absorption is
The probability of escape from resonance increases due to an increase in the deceleration effect, not the shielding effect of the resonance neutrons. In other words, when the reactor is operating at a high temperature and voids are generated, the moderator is in a shortage state, and the introduction of a water gap mitigates the moderator. As a result, the probability of escape from resonance also increases. I do. The change in the thermal neutron utilization is almost the same as in the above example. In the present invention, the latter is mainly used, and the former is also used as needed. An object of the present invention is to provide a fuel assembly which effectively produces the operation of the present invention without reducing the amount of fuel loaded in the assembly as much as possible (in order not to reduce the absolute amount of output). (Example) An example of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a longitudinal sectional view taken along the line II of FIG. 1B, and FIG. 1B is a plan view. In the fuel assembly of this embodiment, a square water rod 32 is arranged in the center, and fuel rods 30 and 31 are regularly arranged in 9 rows and 9 columns except for the central part.
, And the upper and lower ends thereof are fixed by an upper tie plate 34 and a lower tie plate 35, respectively. The fuel rod 31 is an interposed member inserted fuel rod p. Intervening member 36
The preferred length l is 1 / 3H or less, in this example 30-60 cm
It is about. The height of the center of the interposed member is from the lower end of the active fuel length
3 / 4H. This is because the subcriticality is particularly shallow near this 3 / 4H and within about 1 / 4H. Although details of the intervening member 36 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. Further, as described later, an output spike suppressing member is inserted adjacent to the intervening member to prevent the output spike. Further, the fuel rods p inserted into the interposition member are arranged in a cross shape (a straight line perpendicular to the center) with the center water rod 32 as a center. 3
Since the neutron interaction between the main group is small in this example,
It is not always necessary to limit to the same height. FIG. 2 (a) is a schematic sectional view in which the fuel assembly of the present invention is applied to a boiling water reactor, and FIG. 2 (b) is a diagram showing a void ratio and a subcriticality distribution in a core axis direction. The hatched portion in FIG. 2 (a) is the position of the interposed member.
It is effective to make the heights of the intervening members in the fuel rods effective, but it is not always necessary to make the height uniform between the assemblies. This is because the outer periphery of the core does not contribute much to the increase in the stop margin. Further, the width of the intervening region is approximately equal to the width of the water gap at the outer periphery of the aggregate, and the operation of the coupling effect inside the aggregate. In a narrow intervening layer, the effect is largely masked by the outer water gap, and the effect on adjacent aggregates is small. The axial length of the intervening member varies depending on the number and arrangement of the fuel rods in which the intervening member is placed in the assembly, but is generally in the range of about 15 to 90 cm. The effect is small when it is 15 cm or less, and the effect is relatively large when the length is longer than 90 cm (a relatively large decrease in the heating substance (fuel) loading).
Become smaller. And since an interposition member is arrange | positioned in the site | part where subcriticality becomes the shallowest, this invention functions effectively. FIG. 4 is a plan view of a second embodiment of the present invention. 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. In the figure, since the corner portions also have the effect of improving the margin for stopping, the fuel rods p inserted into one of the three intervening members of each set of three crosses are replaced with the fuel rods 30 of each corner portion. In this fuel rod, by inserting a burnable poison (Gd or the like) to such an extent that the poisoning action disappears only at the center at the end of the cycle, it is possible to contribute to the achievement of the above object without generating an output spike. FIG. 5 is a plan view of a third embodiment of the present invention, in which fuel rods p for inserting intervening members are arranged diagonally in a cross shape with a center water rod 32 as a center. Therefore, in this assembly, the number of fuel rods p inserted into the intervening member is 16 and the number of fuel rods 30 is 60. FIG. 6 is a plan view of a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, a conventional assembly (two thin water rods 37 instead of a large water rod) is used.
This is the case where the present invention is applied. Therefore, in the present assembly, 13 fuel rods p with interposed members and 49 fuel rods 30 are inserted.
It is composed of books. In this embodiment, since there is no large-diameter water rod, the interaction between the p-groups (3 to 4 each) of the "intervening member-inserted fuel rods" in the cruciform arrangement is slightly larger than in the first embodiment. It is slightly more advantageous to arrange the heights. FIG. 7 is a plan view of a fifth embodiment of the present invention. This embodiment is a case where it is applied to a system using two thin water rods 37 as in the embodiment of FIG. In this embodiment, the fuel rods p are inserted diagonally, and the number of fuel rods p is 14 and the number of fuel rods 30 is 48. The operation is almost the same as that of the embodiment shown in FIG. FIG. 8 is a plan view of a sixth embodiment of the present invention. This embodiment is similar to the embodiment of FIG. 6 and FIG.
This is a case where the method is applied to a method using two 37s. In the present embodiment, the fuel rods p inserted with intervening members are arranged in a nodular shape at the center of the assembly. The number of fuel rods p inserted with intervening members is 14 and the number of fuel rods 30 is 48. The operation is substantially the same as that of the embodiment shown in FIGS. 6 and 7. FIG. 9 is a plan view of a seventh embodiment of the present invention. This embodiment is a case where it is applied to a system using two small diameter water rods as in the embodiment of FIGS. 6 and 7. In this embodiment, the fuel rods p inserted by the intervening members are arranged in two rows inside the assembly so as to be parallel to the diagonal line, and have substantially the same operation as the embodiment shown in FIGS. 6 and 7. . In this embodiment, the number of the fuel rods p inserted into the interposed member is eight, and the number of the fuel rods 30 is 54. The number of the fuel rods p inserted into the interposed member is small. May be divided. Therefore, it can be utilized for adjusting the axial power distribution together with the furnace stop margin. In other words, the water shortage during the high-temperature operation in the upper part of the core is mitigated by the interposed member of the fuel rod p inserted into the interposed member. FIG. 10 is a plan view of an eighth embodiment of the present invention. This embodiment is a case where the present invention is applied to a system using two thin water rods. In this embodiment, the arrangement of the interposed member inserted fuel rods p is a double cruciform arrangement, with 26 interposed member inserted fuel rods p and 36 fuel rods 30. At the insertion height of the interposed member, the assembly is substantially composed of four 3 × 3 sub-bundles, and is greatly separated by the interposed member of the fuel rod p inserted into the interposed member. It has the property to create a furnace shutdown margin. Therefore, the degree is adjusted by adjusting the axial length. The length of the interposed member is
A large effect can be expected even with about 15 to 30 cm (normal). If necessary, the height of the interposed member inserted fuel rod p may be changed between two opposing rows. As a result, the output distribution can be changed effectively. FIG. 11 is a plan view of a ninth embodiment of the present invention. This embodiment is a case where a large-diameter water rod 38 for four fuel cells at the center of the embodiment shown in FIG. 10 is used.
The number of fuel rods and fuel rods 30 is 44. The operation and effect are slightly smaller than the embodiment of FIG. FIG. 12 is a plan view of a tenth embodiment of the present invention. This embodiment is a case where a square water rod 39 for four fuel cells at the center of the embodiment of FIG. 7 is used.
The number of fuel rods and fuel rods 30 is 48. The operation and effect are slightly smaller than the embodiment of FIG. FIG. 13 is a plan view of an eleventh embodiment of the present invention. In this embodiment, the fuel cells are composed of 11 rows and 11 columns, and a large-diameter water rod 40 for nine fuel cells is used at the center. The number of fuel rods 30 is 16 and the number of fuel rods 30 is 96. FIG. 14 is a plan view of a twelfth embodiment of the present invention. This embodiment is a modification of the embodiment of FIG. 13 in which the fuel cells are constituted by 11 rows and 11 columns. In the center, a square water rod 41 for 9 fuel cells
And 36 fuel rods inserted into the intervening member and 76 fuel rods 30 are used. The fuel area is 9 at the interposed member insertion height.
It is divided into two sub-regions, which can effectively increase the furnace stop margin and increase the effective multiplication factor keff during high-temperature operation. FIG. 15 is a plan view of a thirteenth embodiment of the present invention. In this embodiment, a square water rod 42 for five fuel cells is arranged at 45 degrees with respect to the fuel bundle at the center, and further arranged in a cross shape by using twelve fuel rods p inserted with intervening members. 4
There are three sub-regions (sub-bundles), and the fuel rods 30
Consists of 64 pieces. Therefore, the distance between the sub-regions can be increased at the height of the interposed member insertion fuel rod p of the central cross-shaped interposed member, so that the effect of increasing the high-temperature effective multiplication factor hot keff and the low-temperature effective multiplication factor cold keff are increased. It has the effect of reducing the width (furnace stop margin is large). Further, even if the length of the interposed member of the interposed member inserted fuel rod p is made relatively short, a great effect is obtained. FIG. 16 is a plan view of a fourteenth embodiment of the present invention. In this embodiment, a square water rod 32 for five fuel cells is arranged at 45 degrees in the center with respect to the fuel bundle, and the whole is composed of nine sub-regions. A gap is provided. Twelve interposed member inserted fuel rods p are used at the center of the fuel bundle and arranged in a cross shape, and one fuel rod p is arranged at each corner of the fuel bundle. The fuel rod 30 is composed of 60 rods. In this embodiment, the effective multiplication factor hot
It has the effect of increasing the keff and the effect of lowering the cold multiplication factor cold keff (large furnace stop margin), but is slightly smaller than in the previous embodiment. FIG. 17 is a plan view of a fifteenth embodiment of the present invention. This embodiment is a modification of the embodiment of FIG. 16, in which a square water rod 43 larger than that of the above embodiment is arranged at the center, and one fuel rod is additionally arranged at a position facing this square water rod 43. It was done. Therefore, the fuel rod p inserted into the interposed member is 16
The number of the fuel rods 30 is 60. Central square water stick
Since 43 is made larger, the furnace stop margin is larger than in the above embodiment. FIG. 18 is a plan view of a sixteenth embodiment of the present invention. This embodiment is a modification of the embodiment of FIG. 15, in which a large diameter water rod 44 and a cruciform wide water gap are offset with respect to the fuel bundle, and a core (BWR) having a different water gap width on the outer periphery of the assembly. The present embodiment can be effectively applied to (called -D grating). In such a core, the cruciform control rod preferably has a configuration in which a central tie rod is disposed on the upper left side of the figure. That is, many fuel rods are arranged on the side where the water gap is wide. Therefore, the number of fuel rods p inserted into the intervening member is 14 and the number of fuel rods 30 is 63. FIG. 19 is a plan view of a seventeenth embodiment of the present invention. In this embodiment, four sub-bundles 45 are provided, a cross-shaped gap 46 between the respective sub-bundles is used as a non-boiling cooling water region, and the fuel rod p inserted into the corner portion located at the center of the assembly in each sub-bundle 45. Are arranged in a nodular manner, and the number of fuel rods p inserted by the intervening members is 12 and the number of fuel rods 30 is 52. This embodiment has the effect of increasing the high-temperature effective multiplication factor and the effect of reducing the low-temperature effective multiplication factor (large furnace stop margin). FIG. 20 is a plan view of an eighteenth embodiment of the present invention. This embodiment is composed of nine sub-bundles 47 as a whole. Each sub-bundle 47 is composed of nine fuel rods 30, and a slightly wide gap 48 is provided between each sub-bundle 47. The sub-bundles at the center of the fuel assembly are all interposed member inserted fuel rods p. Therefore, the number of interposed member inserted fuel rods p is nine and the number of fuel rods 30 is 72. This embodiment has the effect of increasing the high-temperature effective multiplication factor and the effect of reducing the low-temperature effective multiplication factor (large furnace stop margin). 21 (a) to (d) are longitudinal sectional views of different fuel rods according to the present invention. That is, the fuel rod shown in FIG. 3A has a region in the cladding tube 20 that does not contain a fuel substance, which is approximately 15 to 90 cm, and in which graphite 21 is inserted. Graphite
21 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, etc., although not excellent in deceleration characteristics, have good heat resistance characteristics, and it is possible to use such a substance having a small neutron absorption. Instead of solid graphite, hollow graphite, hollow Al 2 O 3 , Zr
O 2 , hollow natural uranium, hollow depleted uranium, or the like may be used, and the hollow portion may be used as a gas plenum. It is natural that solid depleted uranium, natural uranium, or the like can be used in place of the hollow if the use as a gas plenum is not considered. 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 21, an output peak (spike) occurs in a range of about 2 cm (at most 5 cm), which is disadvantageous in terms of fuel integrity,
Only two pellets (approximately 2 cm) each containing a burnable poison are arranged near the axis. These pellets 2
In No. 2, the output does not fluctuate relatively throughout the entire operation cycle because no poison is contained in the outer periphery. The design is such that the absorption characteristics of the poison disappear as the end of the cycle is approached, and the output of this portion gradually increases. 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. The difference between the fuel rod shown in FIG. 21 (b) and the fuel rod shown in FIG. 21 (a) is that a tube 24 made of zircaloy having a small thermal neutron absorption cross section is inserted instead of the graphite 21. In this example, many variations are possible. (1) When used as a gas plenum, use an unsealed pipe. (2) When ZrH 2 (called zirconium hydride, zirconium hydride, 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) 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. Between the zircaloy tube 24 and the fuel pellets 23, small heat insulating material pellets 25, Al 2 O 3 , ZrO 2 , depleted uranium, etc. are interposed to improve the fuel integrity. Insulation pellets 25
It is desirable that the thermal neutron absorption characteristics be small at the end of the operation cycle. Therefore, Al 2 O 3 −G with burnable poison
d 2 O 3, like impaired uranium UO 2 -Gd 2 O 3 pellets are preferred. In the fuel pellets adjacent to the zircaloy tube 24 in the axial direction, it is preferable to arrange the pellets 22 containing flammable toxicity up to about 2 cm (about 5 cm at longest) from the end face. FIG. 21 (b) shows the fuel pellet 22 in which a small-diameter Gd pellet is inserted. However, Gd may be mixed into the entire pellet, and the fuel rod shown in FIG. 21 (a) and FIG. Similarly, Gd may be mixed into the entire pellet. The difference between the fuel rod shown in FIG. 21 (c) and the fuel rod shown in FIG. 21 (b) is that water is introduced. That is, water passage holes 26 are provided up and down in the cladding tube 20 of the portion where the Zircaloy tube of the fuel rod is located as shown in FIG.
An intermediate plug 27 and a heat insulating material pellet 25 are arranged above and below 26, respectively, and a pellet 22 containing a burnable poison is provided above and below, and then a fuel pellet 23 is arranged above and below. FIG. 21 (d) in the fuel rod and drawing differences between the fuel rods (a) 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 28 is provided. According to this embodiment, no burnable poison is contained in the fuel, so that there is a manufacturing advantage. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained. (1) Since the water temperature is low and the water density is high when the reactor is shut down, the diffusion distance of thermal neutrons is small. However, according to the fuel assembly of the present invention, the region where the fissile material concentration is low (intervening region)
The neutron interaction (coupling effect) in the fuel region in the horizontal direction is reduced, so that the subcriticality of the stopped reactor can be increased. (2) During high-temperature operation, the average density of water is significantly reduced, so that the thermal neutron diffusion distance is significantly (2 to 3 times) extended. As a result, the coupling effect across the intervening region is improved, and the effective multiplication factor can be increased even if a little, despite the fact that there is a region where the fissile material concentration is significantly reduced. There is no disadvantage by introducing an intervening region. (3) In the present invention, no local output peaks (output spikes) occur because the flammable toxicity is effectively located in the intervening region or in a limited portion of the fuel axially adjacent to it. Fuel integrity is maintained.

【図面の簡単な説明】 第1図(a)および(b)は本発明の一実施例の概略縦
断面図および平面図、第2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3図は本発明の作用を説明するための図、第4図
〜第20図はいずれも本発明の各異なる実施例の平面図、
第21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22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23図は第22図の燃料集合体の横断面
図、第24〜26図はいずれも従来の燃料集合体の横断面図
である。 30……燃料棒 31……介在部材挿入燃料棒p 32,37,38,39,40,41,42,43,44……水棒 33……チャンネルボックス 34……上部タイプレート 35……下部タイプレート 36……介在部材 45,47……サブバンドル 46……十字状間隙 48……間隙
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1 (a) and (b) are schematic longitudinal sectional views and plan views of one embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) and (b) are fuel assemblies of the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in which is applied to a boiling water reactor and a diagram showing a void ratio and a subcriticality distribution in a core axis direction. FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the present invention, and FIGS. All figures are plan views of different embodiments of the present invention,
FIGS. 21 (a) to (d) are longitudinal sectional views of different fuel rods according to the present invention, and FIGS. 22 (a) and (b) are perspective views of a conventional fuel assembly and a fuel assembly, respectively. 23 is a cross-sectional view of the fuel assembly shown in FIG. 22, and FIGS. 24 to 26 are cross-sectional views of a conventional fuel assembly. 30 fuel rod 31 fuel rod p 32,37,38,39,40,41,42,43,44 interposed member water rod 33 channel box 34 upper tie plate 35 lower Tie plate 36 ... intervening member 45,47 ... sub-bundle 46 ... cross-shaped gap 48 ... gap

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.金属製被覆管内部に核燃料ペレットを充填した多数
の燃料棒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
せた一定長さの介在部材を前記金属製被覆管内で上下部
に核燃料ペレットが存在するように挿入するとともに当
該介在部材の長さが原子炉出力運転中における熱中性子
拡散距離またはそれ以上とし,かつその介在部材の燃料
棒内の軸方向挿入位置が原子炉運転期間内で原子炉停止
余裕がきびしくなる時点において未臨界度が浅くなる部
位を含む位置であり、前記介在部材挿入燃料棒を直線状
または交叉する直線状または団塊状に前記燃料集合体内
部に配置したことを特徴とする燃料集合体。 2.介在部材の挿入長さが燃料有効長の1/3以下の長さ
である特許請求の範囲第1項記載の燃料集合体。 3.直線状または交叉する直線状配置では近接する介在
部材挿入燃料棒は、相互に隣接するかまたは1本おきに
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。 4.水棒を含む燃料集合体では団塊状配置は、水棒に隣
接して、もしくは水棒を取り囲むように介在部材挿入燃
料棒を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。 5.水棒を含まない燃料集合体では団塊状配置は、複数
の介在部材挿入燃料棒が相互に隣接するごとく配置した
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。 6.前記介在部材の挿入位置が、介在部材の中央位置が
燃料有効長の下端から3/4の位置となる位置であること
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の燃料集合体。 7.前記介在部材は可燃性毒物をペレット全体もしくは
ペレットの軸心部に含む隣接燃料ペレットより核分裂性
核種濃度の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項記載の燃料集合体。 8.前記介在部材挿入燃料棒の介在部材は原子炉運転サ
イクル末期において、中性子吸収特性をできるだけ小と
なるごとく構成され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。
(57) [Claims] In a fuel assembly composed of a large number of fuel rods filled with nuclear fuel pellets inside a metal cladding tube arranged regularly, some of the fuel rods have intervening members of a certain length that have significantly reduced the fissile nuclide concentration. Nuclear fuel pellets are inserted so as to be present at the upper and lower portions in the metal cladding tube, and the length of the interposed member is set to be equal to or longer than the thermal neutron diffusion distance during the reactor power operation, and The axial insertion position is a position including a portion where the subcriticality becomes shallow at the time when the reactor shutdown margin becomes severe within the reactor operation period, and the interposed member inserted fuel rod is linearly or intersectingly linear or nodular. A fuel assembly, wherein the fuel assembly is disposed inside the fuel assembly. 2. 2. The fuel assembly according to claim 1, wherein the insertion length of the interposed member is equal to or less than 1/3 of the active fuel length. 3. 2. The fuel assembly according to claim 1, wherein the interposed member-inserted fuel rods that are close to each other in a linear or intersecting linear arrangement are arranged adjacent to each other or every other fuel rod. 4. 2. The fuel assembly according to claim 1, wherein in the fuel assembly including the water rod, the nodular arrangement is such that an interposed member-inserted fuel rod is disposed adjacent to or surrounding the water rod. Aggregation. 5. 2. The fuel assembly according to claim 1, wherein in the fuel assembly including no water rod, the nodular arrangement is such that a plurality of interposed member inserted fuel rods are arranged adjacent to each other. 6. 2. The fuel assembly according to claim 1, wherein the insertion position of the interposition member is a position where the center position of the interposition member is 3/4 from the lower end of the active fuel length. 7. 2. The fuel assembly according to claim 1, wherein the intervening member is a uranium pellet having a lower fissile nuclide concentration than an adjacent fuel pellet containing a burnable poison in the entire pellet or an axial center of the pellet. 8. 2. The fuel assembly according to claim 1, wherein the interposed member of the interposed member inserted fuel rod is configured such that neutron absorption characteristics become as small as possible at the end of a reactor operation cycle.
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