JP2839516B2 - 沸騰水型原子炉燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体に関す
る。

「従来の技術」 原子力発電所では、ウラン資源の有効利用と燃料の経
済性を高めることが必要である。このために、燃料の高
燃焼度化の努力が払われている。

第11図は高燃焼度用の燃料集合体の一例を表わしたも
のである。この燃料集合体11は、チャンネルボックス12
内に９行９列構成で規則正しく配列された燃料棒13を配
置している。燃料棒13の被覆管内には、濃縮ウランの酸
化物を焼結した円筒状の燃料ペレット（図示せず）が封
入されている。ただし、チャンネルボックス12のほぼ中
央部には、燃料棒13の３行３列構成分に相当する大きさ
のウォータロッド14が配置されている。図で“W"と記し
たウォータロッド14は、内部のボイド率を変化させるこ
とで水密度を調整することができる。ウォータロッド14
やチャンネルボックス12に面しない燃料棒の内、図で
“G"と記した燃料棒15には、可燃性毒物であるガドリニ
アが含まれている。ガドリニア入りの燃料棒15は、沸騰
水型原子炉におけるサイクル中の余剰反応度を適切に調
整するためのものである。この例の燃料集合体11におけ
る燃料のウラン平均濃縮度は5.3W/Oであり、ガドリニア
の濃縮度は3.5W/Oである。また、減速材対燃料原子数比
は、約５である。

この例のような沸騰水型原子炉燃料集合体で、ガドリ
ニア入りの燃料棒15をチャンネルボックス12やウォータ
ロッド14に面しない位置に配置したのは次のような理由
による。

すなわち、チャンネルボックス12の外側のアウトチャ
ンネルやウォータロッド14の部分では、熱中性子束が盛
り上がっている。このため、これらに面する燃料棒の位
置では、燃料棒内の熱中性子束の空間的な勾配が大きく
なっている。従って、これらの位置にガドリニア入りの
燃料棒15を配置すると、ガドリニアの燃焼が不均一に進
み、ガドリニアの濃度分布が不均一になることが考えら
れているからである。ガドリニアの濃度分布が不均一に
なると、その燃料棒15内で熱伝導度が不均一になり、燃
料の健全性に問題が生じてくる。

また、ガドリニア入りの燃料棒15を制御棒側のアウト
チャンネルに面する側の燃料棒の位置に配置すると、制
御棒の価値すなわち制御棒の能力が低下する場合があ
り、この点からも第11図に示したような配置が採用され
るに至っている。

さて、沸騰水型原子炉用の燃料集合体では、出力運転
中にアウトチャンネルすなわち水ギャップとウォータロ
ッド14の内部には飽和水が満たされ、チャンネルボック
ス12のその他の部分、すなわちインチャンネルは沸騰水
で満たされるという特徴がある。これに対して、冷温時
では、アウトチャンネル、ウォータロッド14内部および
インチャンネルいずれの部分も水で満たされる。この結
果として、冷温時は出力運転時と比べて減速材密度が増
加することになり、低エネルギ側の中性子の数が増加す
る。軽水炉では、この低エネルギ中性子を用いて該分裂
を行うので、冷温時の無限増倍率は出力運転時に比べて
増加する。

高燃焼度化のために燃料のウラン濃縮度を高めると、
出力運転時と冷温時の反応度差が増加する。このため、
炉停止余裕が減少し、原子炉の安全上の制限が厳しくな
る。すなわち、沸騰水型原子炉の無限増倍率Ｋ∞は、四
因子公式を用いて次の（１）式で表わすことができる。

Ｋ∞＝εηfp ……（１） ここで各文字は次の因子を表わす。

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 出力運転時と冷温時の減速材密度の変化による無限増
倍率の変化分ΔＫ∞は、近似的に次の（２）式で表わす
ことができる。

ΔＫ∞＝Δｆ・ｐ＋ｆ・Δｐ ……（２） 出力運転時から冷温時に変化すると、減速材密度の増
加によって、共鳴を逃れる確率ｐが増加し、熱中性子利
用率ｆは減少する（ただしΔｐ＞0,Δｆ＜０）。燃料の
濃縮度を高めると、熱中性子利用率ｆが増加するので、
（２）式におけるｆ・Δｐが増加し無限増倍率の変化分
ΔＫ∞増加する。

「発明が解決しようとする課題」 原子炉の安全上から出力運転時冷温反応度差を減少さ
せるためには、冷温時の無限増倍率を低下させる必要が
ある。そこで、従来では燃料中に添加されるガドリニア
の濃度を余剰反応度の調節に必要な値以上に濃くし、サ
イクル末期において新燃料中のガドリニアを燃え残さ
せ、これによって冷温時の無限増倍率を低下させること
も行われていた。ところが、このようにガドリニアの濃
度を余剰反応度の調節に必要な値以上に濃くすると、出
力運転時の無限増倍率も減少するので、燃焼度の損失を
生じさせることになり、高燃焼度化の効果が失われ、経
済性の悪化をもたらすことになる。

そこで本発明の目的は、出力運転時の反応度を高く保
ちつつ、冷温時の反応度を低くして、燃料経済性を向上
しつつ炉停止余裕も改善することのできる沸騰水型原子
炉燃料集合体を提供することにある。

「課題を解決するための手段」 チャンネルボックス内に燃料棒を規則正しく配置した
沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記チャンネルボ
ックス内に、軸方向高さが24/24〜20/24の範囲の燃料上
部位置に、燃料棒が存在せずかつ通常の燃料棒クリアラ
ンスよりも広く運転中はボイドが発生するような沸騰水
領域を備え、この沸騰水領域に接する燃料棒の半数以上
が可燃性毒物入りの燃料棒であることを特徴としてい
る。

「作用」 すでに説明したように、チャンネルボックスやウォー
タロッドに面した位置にガドリニア入りの燃料棒を配置
すると、これら燃料棒内でガドリニアの濃度分布が不均
一を生じ燃料の健全性を害するとの危惧があった。しか
しながら、最近の研究ではこのような問題を生じること
はないことが明らかになっている。

そこで、本発明では、チャンネルボックス内に燃料棒
を規則正しく配置した沸騰水型原子炉燃料集合体におい
て、前記チャンネルボックス内に、軸方向高さが24/24
〜20/24の範囲の燃料上部位置に、燃料棒が存在せずか
つ通常の燃料棒クリアランスよりも広く運転中はボイド
が発生するような沸騰水領域を備えることとする。

冷温時において、軸方向出力のピークは、ほぼこの軸
方向高さが24/24〜20/24の範囲の燃料上部位置に発生す
るので、この部分に沸騰水領域を設け、この沸騰水領域
に接して可燃性毒物入り燃料棒を配置することで、出力
運転時の反応度を高く保ちつつ、冷温時の反応度を低く
し、出力運転時と冷温時の反応度差を小さくするように
している。

なお、本発明では、沸騰水領域に接する燃料棒の少な
くとも一部を可燃性毒物入りとすることにより冷温時の
反応を低下させるが、この効果を発揮させるためには、
後に説明する本発明の実施例（第１図及び第５図）及び
その変形例（第９図及び第10図）に示されるように、可
燃性毒物入りの燃料棒の本数を、沸騰水領域に接する燃
料棒の半数以上とするのが好適である。なお、ここで接
するとは面で接する燃料棒を指し、対角線で接するもの
を含まない。

「実施例」 以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

「第１の実施例」 第１図は、本発明の第１の実施例における沸騰水型原
子炉燃料集合体の構成を表わしたものである。この燃料
集合体21で第11図と同一部分には同一の符号を付してお
り、これらの説明を適宜省略する。

この実施例の沸騰水型原子炉燃料集合体21では、チャ
ンネルボックス12内に９行９列構成で規則正しく配列さ
れた燃料棒13を配置している点で第11図の沸騰水型原子
炉燃料集合体11と同様であるが、チャンネルボックス12
の中央部に配置したウォータロッド22の上部が第11図の
それよりも小径となっている。これにより、ウォータロ
ッド22とこれに隣接する燃料棒13との間に、燃料棒13の
間の通常のクリアランスＬよりも広い沸騰水領域23が形
成されることになる。

第２図は、このウォータロッドの形状を表わしたもの
である。同図ａに示すように、この実施例のウォータロ
ッド22は、軸方向高さが、例えば24/24〜20/24の範囲の
燃料上部22Aがこれよりも下方の燃料中央部22Bよりも小
径となっている。同図ｂは、燃料上部22Aと燃料中央部2
2Bのそれぞれについての外径を表わしたものである。燃
料中央部22Bの外径すなわちこのウォータロッド22の最
大の外径は第11図に示したそれと同一となっている。燃
料上部22Aの外径を小さくしたのは、沸騰水型原子炉で
は冷温時に燃料の上部で特に反応度が高くなることによ
るものである。ウォータロッド22をこのような形状にし
た結果として、ウォータロッド22の上部では前記したよ
うに燃料棒13の間の通常のクリアランスＬよりも広い沸
騰水領域23が形成される。

第１図に示すように、この実施例の燃料集合体21で
は、この沸騰水領域23に面する燃料棒位置に合計８本の
ガドリニア入り燃料棒15が配置されている。また、この
沸騰水領域23にもチャンネルボックス12にも面しない燃
料棒位置に、やはり合計８本のガドリニア入り燃料棒15
が配置されている。このように、合計16本のガドリニア
入り燃料棒15を使用したのは、従来の燃料集合体11とそ
の効果を比較するためであり、沸騰水領域23に全部のガ
ドリニア入り燃料棒15を配置しなかったのは、これらを
密に配置しても、中性子の吸収上効率が良くないからで
ある。このように、本発明の沸騰水型原子炉燃料集合体
では、沸騰水領域に面する燃料棒の少なくとも一部がガ
ドリニア等の可燃性毒物入りの燃料棒であれば良く、他
の燃料棒位置にこのような可燃性毒物入りの燃料棒が配
置されることを禁ずるものではない。

第３図は、この実施例の燃料集合体の効果を比較する
ために用意された第１の比較例の燃料集合体を表わした
ものである。第１の比較例の燃料集合体31では、第11図
に示した燃料集合体11とガドリニア入りの燃料棒15を全
く同一の位置に配置し、第１の実施例のウォータロッド
22を使用したものである。

第４図は、以上の３つのタイプの燃料集合体につい
て、出力運転時冷温反応度差を比較したものである。こ
の図で、従来例とは第11図に示した燃料集合体11であ
り、第１の比較例とは第３図に示した燃料集合体31であ
る。このように、従来のウォータロッド14を本実施例の
ウォータロッド22に代えても、従来例と第１の比較例の
間で示されるように出力運転時冷温時反応度差はさほど
減少しない。これに対して、本実施例の燃料集合体21の
場合には、ガドリニア入りの燃料棒15を沸騰水領域23に
接する位置に配置したことによって従来例よりも２％Δ
K/K程度の顕著な減少を示していることがわかる。

この第１の実施例の燃料集合体21の出力運転時冷温時
反応度差が従来例よりも大きく減少したのは次の理由に
よる。

すなわち、本実施例の燃料集合体21では、可燃性毒物
であるガドリニアを集合体内部に設定された燃料棒クリ
アランスよりも広い沸騰水領域23に面する燃料棒位置に
主に配置している。これらの燃料棒位置は、出力運転時
に沸騰水領域23に面するため、熱中性子束が相対的に低
く、熱中性子インポータンスも相対的に低くなってい
る。このため、出力運転時にはガドリニアの中性子吸収
による熱中性子利用率の減少が少ない。すなわち、出力
運転時におけるガドリニアによる反応度損失は、第11図
に示した従来の燃料集合体11に比べて小さくなる。

一方、冷温時にはチャンネルボックス12の内部にはボ
イドが発生しないため、前記した沸騰水領域23も水で満
たされる。そこでチャンネルボックス12の内部には従来
よりも広い水領域が生じ、この領域の熱中性子束が相対
的に高くなって熱中性子インポータンスも相対的に高く
なる。この結果として、冷温時にはガドリニアによる中
性子の吸収が増加して熱中性子利用率が減少する。この
ため、ガドリニアによる反応度抑制効果が増大し、冷温
時の無限増倍率を従来例よりも低く抑えることができ
る。

「第２の実施例」 第５図は、本発明の第２の実施例の沸騰水型原子炉燃
料集合体を表わしたものである。この第５図で第11図と
同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を
適宜省略する。

この第２の実施例の燃料集合体41では、第11図と同一
のウォータロッド14を使用しており、９行９列構成の燃
料棒13およびガドリニア入りの燃料棒15の配置は、第１
図に示した第１の実施例のそれと同一である。ただし、
この第２の実施例の燃料集合体41では、燃料棒位置の一
部に図で“P"と記した部分燃料棒42を配置している。

第６図は、この部分燃料棒と通常の燃料棒を対比させ
たものである。このように、部分燃料棒42は、通常の燃
料棒13の軸方向高さにおける24/24〜20/24の範囲の燃料
上部13Aが欠けた形の燃料棒であり、その上部は通常の
燃料棒13の間の領域と同様に沸騰水あるいは水が満たさ
れることになる。

第５図に示したように、この部分燃料棒42は４本のガ
ドリニア入り燃料棒15によってちょうど取り囲まれてい
る位置に配置されているので、これらの部分は燃料上部
13Aに着目すると燃料棒13の間の通常のクリアランスＬ
よりも広い沸騰水領域43がそれぞれ形成されていること
になる。

第７図は、この実施例の燃料集合体の効果を比較する
ために用意された第２の比較例の燃料集合体を表わした
ものである。この第２の比較例の燃料集合体51では、第
５図に示した燃料集合体41と全く同一の位置に部分燃料
棒42を配置している。ただし、ガドリニア入りの燃料棒
15は第11図に示した従来の燃料集合体11のそれと同一の
配置となっている。

第８図は、本実施例の燃料集合体について、従来例等
の出力運転時冷温時反応度差を比較したものである。こ
の図で、従来例とは第11図に示した燃料集合体11であ
り、第２の比較例とは第７図に示した燃料集合体51であ
る。このように、従来の燃料集合体11の燃料棒13の一部
を部分燃料棒42に代えると、出力運転時冷温時反応度差
に多少の減少が見られる。これに対して、本実施例の燃
料集合体41の場合には、従来例よりも３％ΔK/K程度の
顕著な減少を示していることがわかる。

「変形例」 以上、２つの実施例について説明したが、本発明はこ
れらに限定されるものではなく各種の変形が可能であ
る。

第９図は、第１の変形例を表わしたものである。この
第９図で、第11図と同一部分には同一の符号を付してお
り、これらの説明を適宜省略する。この変形例の沸騰水
型原子炉燃料集合体61では、チャンネルボックス12内に
おける燃料棒13,15を３行３列構成の８つのグループに
分け、同一グループ内の燃料棒13,15を相対的に密に配
置することで燃料棒クリアランスＬよりも広い沸騰水領
域62をそれぞれのグループ間に帯状に発生させている。
そして、これらの沸騰水領域62に接する燃料棒位置の一
部にガドリニア入りの燃料棒15を配置している。

従って、この変形例では沸騰水領域62は燃料上部のみ
でなく燃料中央部および燃料下部でも均一に配置される
ことになる。このような形態の燃料集合体61で、更に第
１図に示したウォータロッド22を使用したり、通常の燃
料棒13の一部を第５図に示した部分燃料棒42に代えるこ
とも自由である。

第10図は、本発明の第２の変形例を表わしたものであ
る。この変形例における燃料集合体71では、ウォータロ
ッド72を除いてその基本的な配置構造は第９図とほぼ同
様である。ウォータロッド72はひょうたん形をしてお
り、それ故、その窪んだ部分にも及んだより広い範囲の
沸騰水領域73が形成されている。そこで、この拡張され
た沸騰水領域部分73Aに通常の燃料棒13を合計２本配置
しているが、燃料棒クリアランスＬよりも広い領域がこ
の部分に確保されれば、この燃料棒13の追加位置にガド
リニア入りの燃料棒15を代って配置することも可能であ
る。

なお、以上の実施例では出力運転時冷温時反応度差の
減少効果を、燃料の未燃焼時を例にとって説明したが、
この効果は未燃焼時に限られるものではなく、ガドリニ
ア等の可燃性毒物が燃え残っている状態の燃焼度であれ
ば、任意の燃焼度について認められるものであることは
当然である。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、出力運転時と
冷温時の反応温度差を保持して冷温時の反応度を低下さ
せることができ、炉停止余裕の大きな沸騰水型原子炉燃
料集合体を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における沸騰水型原子炉
燃料集合体の横断面図、第２図はこの実施例に用いられ
るウォータロッドの形状を示した説明図、第３図は第１
の実施例の沸騰水型原子炉燃料集合体と比較するための
第１の比較例の沸騰水型原子炉燃料集合体を表わした横
断面図、第４図は第１の実施例の沸騰水型原子炉燃料集
合体の効果を他の燃料集合体と比較した特性図、第５図
は本発明の第２の実施例における沸騰水型原子炉燃料集
合体の横断面図、第６図は部分燃料棒と通常の燃料棒を
比較した説明図、第７図は第２の実施例の沸騰水型原子
炉燃料集合体と比較するための第２の比較例の沸騰水型
原子炉燃料集合体を表わした横断面図、第８図は第２の
実施例の沸騰水型原子炉燃料集合体の効果を他の燃料集
合体と比較した特性図、第９図は第１の変形例における
沸騰水型原子炉燃料集合体を表わした横断面図、第10図
は第２の変形例における沸騰水型原子炉燃料集合体を表
わした横断面図、第11図は従来の高燃焼度用の燃料集合
体の一例を表わした横断面図である。 12……チャンネルボックス、 13……（通常の）燃料棒、 15……ガドリニア入りの燃料棒、 21、41、61、71……沸騰水型原子炉燃料集合体、 23、62、73……沸騰水領域、 42……部分燃料棒、 Ｌ……燃料棒クリアランス。

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
   く配置した沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記チ
   ャンネルボックス内に、軸方向高さが24/24〜20/24の範
   囲の燃料上部位置に、燃料棒が存在せずかつ通常の燃料
   棒クリアランスよりも広く運転中はボイドが発生するよ
   うな沸騰水領域を備え、この沸騰水領域に接する燃料棒
   の半数以上が可燃性毒物入りの燃料棒であることを特徴
   とする沸騰水型原子炉燃料集合体。