JP2958861B2

JP2958861B2 - 沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペア

Info

Publication number: JP2958861B2
Application number: JP7254513A
Authority: JP
Inventors: 一成小口
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2015-09-07
Also published as: JPH0972982A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉用
燃料集合体に関するものであり、特に、平均濃縮度が互
いに同じで可燃性毒物の量が互いに異なる同一格子配列
の一組の２ストリーム用の取替燃料集合体を構成する沸
騰水型原子炉用取替燃料集合体ペアに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では経
済性を高めるために燃料の高燃焼度化が行なわれてお
り、燃料集合体の平均濃縮度は高められる方向にある。
高濃縮度化によるボイド反応速度の増大（ボイド反応度
係数は、通常ＢＷＲでは負であるが、その絶対値が大き
くなること。ボイドの増減による反応度の変化が大きく
なり不安定さが増す。）を緩和するために燃料集合体に
大口径の非沸騰領域、所謂ウォーターロッド（（以下、
大口径水ロッドと記す）、またはウォーターチャンネル
と呼ばれるものを有する燃料集合体が用いられている。

【０００３】しかしながら、あまり大きな口径の非沸騰
領域を配置しようとすると、燃料棒の本数が減ってしま
い、その結果平均線出力が高くなり出力運転中の熱的運
転余裕が小さくなっていしまう。このため、近年におい
ては大口径水ロッドの導入に伴い、燃料形状が従来の８
×８格子から９×９格子もしくは１０×１０格子の集合
体に移行することで、燃料棒の本数を増やす設計としつ
つある。

【０００４】この大口径水ロッドは、燃料集合体の中央
付近に配置することで横断面における燃料棒出力のピー
キングを平坦化する効果がある。図４はこのような９×
９格子配列の燃料集合体内の燃料棒の相対出力ピーキン
グの分布の様子を、出力運転時における沸騰部の平均的
なボイド率に相当する４０％ボイド率の際の状態での値
で示したものであり、（ａ）は中央太枠で示した燃料棒
一本分相当の水ロッドが配置された場合、（ｂ）は中央
太枠で示した３×３の燃料棒９本分相当の大口径水ロッ
ドが配置された場合である。

【０００５】出力ピーキングは、（ａ）の場合において
は外周近傍に配置された燃料棒に比べて水ロッド付近の
集合体中央部に配置された燃料棒では非常に小さくなっ
ているが、大口径水ロッドが配置された（ｂ）の場合で
はこのような差が改善され、即ち平坦化されており、燃
料集合体の中央部（水ロッド周辺に配置された燃料棒）
の出力ピーキングが（ａ）の場合より大きくなっている
ことがわかる。

【０００６】またＢＷＲでは、制御棒や炉心流量による
制御に加え、燃料集合体内の核分裂性物質にガドリニア
などの可燃性毒物を添加することで炉心の反応度を制御
している。ガドリニアによる反応度制御における燃焼特
性は、概略的には燃料集合体内の燃料棒のうちガドリニ
アを含有する燃料棒（以下、ガドリニア棒と記す）の本
数と濃度により特徴付けられる。

【０００７】ここで、図５に、互いにガドリニア棒の本
数あるいは含有量の異なる沸騰水型原子炉用取替燃料集
合体の燃焼度（横軸；ＧＷｄ／ｔ）に対する無限増倍率
（縦軸）の変化を、ガドリニアを含まない燃料集合体
（図中Gdなし）の場合と比較して示した。

【０００８】即ち、ガドリニア棒の本数は、図５で示さ
れる燃料集合体中にガドリニアの含有率が５．０ｗｔ％
の燃料棒８本が含まれる場合（図中８Ｇ５．０）とガド
リニアの含有率が５．０ｗｔ％の燃料棒１０本が含まれ
る場合（図中１０Ｇ５．０）との比較からわかるよう
に、燃焼初期の無限増倍率に影響しており、本数が多い
と燃焼初期の無限増倍率を小さくする。

【０００９】また、燃料集合体中にガドリニアの含有率
が４．０ｗｔ％の燃料棒８本が含まれる場合（図中８Ｇ
４．０）とガドリニアの含有率が５．０ｗｔ％の燃料棒
８本が含まれる場合（８Ｇ５．０）との比較からわかる
ように、ガドリニアの含有率によって、燃焼初期の無限
増倍率は影響されないが、燃焼中期における無限増倍率
のピークを制御することができ、ガドリニアの含有率が
高いほど無限増倍率のピークは小さくなると共に、その
ピーク位置は高燃焼度側に移行する。

【００１０】従って、ガドリニア濃度は炉心の運転サイ
クル長さに応じて決定されるべきであり、経済性の観点
からはサイクル末期においてガドリニアによる毒物効果
がちょうど消滅するような含有率とすることが望まし
い。

【００１１】ところで、近年のＢＷＲでは、燃料集合体
の平均濃縮度は同じであるが可燃性毒物の添加量の異な
る２種類の取替燃料を用いて炉心を構成すること（以
下、この概念は２ストリームと呼ぶ）が一般的になりつ
つある。通常、ガドリニア棒の本数に差をつけることに
より、互いに可燃性毒物添加量の異なる２ストリーム用
の取替燃料集合体ペアが構成されている。これは、特に
サイクル初期の余剰反応度特性や原子炉停止余裕におい
て設計に柔軟性を与えるのに役立っている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き大口径水ロッドにおいても、一般的に燃料集合体を
囲む水ギャップ（集合体外周）および水ロッドから離れ
た位置に配置された燃料棒については他の燃料棒に比べ
て中性子の減速不足によりスペクトルが硬くなり出力ピ
ーキングが依然小さいままである。図４（ｂ）のケース
においても、斜線で示した燃料集合体の外周より第２層
目に配置された燃料棒は、他の燃料棒に比べて出力ピー
キングが依然僅かに小さいままであることがわかる。

【００１３】このように、９×９以上の正方格子配列に
燃料棒９本分以上に相当する大口径水ロッドが配置され
た燃料集合体の横断面においては、その水分布の偏在に
より燃料棒配置によって中性子スペクトルにいくらか差
が生じるため、燃料集合体内にガドリニア棒を配置する
際、前述のようなガドリニアの毒物効果の程度はガドリ
ニア棒を燃料集合体内のどの位置に配置するかによって
異なってしまうという問題が生じる。

【００１４】先に、ガドリニアによる毒物効果はサイク
ル末期において丁度消滅することが望ましいことを述べ
た。従って、上記の如き２ストリーム用の互いに可燃性
毒物添加量の異なる取替燃料集合体ペアにおいても、経
済性および安全性の観点から、これら両燃料集合体が共
にサイクル末期においてちょうどガドリニアの毒物効果
が消滅することが望まれる。

【００１５】本発明は、上記問題点に鑑み、経済性、安
全性に優れ、且つ取替炉心設計が容易な２ストリーム用
の取替燃料集合体を構成する沸騰水型原子炉用取替燃料
集合体ペアを得ることを主目的とする。また、毒物効果
の消滅が燃焼度的にほぼ同時期となるような可燃性毒物
添加量が互いに異なる２ストリーム用の沸騰水型原子炉
用取替燃料集合体ペアを得ることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係る沸騰水型原子炉用取替
燃料集合体ペアでは、それぞれ９×９以上の正方格子配
列のほぼ中央部に燃料棒の９本分以上に相当する非沸騰
領域を形成する大口径水ロッドと、前記正方格子配列に
従って配列された複数本の燃料棒とを備え、平均濃縮度
が互いに同じで可燃性毒物の量が互いに異なる同一格子
配列の一組の２ストリーム用の取替燃料集合体を構成す
る沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペアであって、可燃
性毒物の量が少ない方の第１の燃料集合体と、可燃性毒
物の量が多い方の第２の燃料集合体とからなり、第２の
燃料集合体では第１の燃料集合体よりも大口径水ロッド
に隣接する可燃性毒物含有燃料棒の本数が多くなる燃料
棒配置とされているものである。

【００１７】また、請求項２に記載の発明に係る沸騰水
型原子炉用取替燃料集合体ペアでは、請求項１に記載の
沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペアにおいて、第２の
燃料集合体の可燃性毒物含有燃料棒が、第１の燃料集合
体の可燃性毒物含有燃料棒と同じ配置のベース・ポイズ
ン燃料棒と、大口径水ロッドに隣接して付加的に配置さ
れた付加ポイズン燃料棒とからなるものである。

【００１８】また、請求項３に記載の発明に係る沸騰水
型原子炉用取替燃料集合体ペアでは、請求項２に記載の
沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペアにおいて、第１の
燃料集合体の可燃性毒物含有燃料棒と第２の燃料集合体
のベース・ポイズン燃料棒とが主に燃料集合体の外周お
よび大口径水ロッドから離れた位置に配置されているも
のである。

【００１９】また、請求項４に記載の発明に係る沸騰水
型原子炉用取替燃料集合体ペアでは、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペ
アにおいて、すべての可燃性毒物含有燃料棒が互いに等
しい濃縮度および可燃性毒物濃度の燃料ペレットで構成
されているものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明は、９×９以上の正方格子
状に複数本の燃料棒が配列され、そのほぼ中央部の燃料
棒９本分以上に相当する非沸騰領域に大口径水ロッドが
形成された２ストリーム用の第１の燃料集合体と第２の
燃料集合体との沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペアで
あって、両燃料集合体は、互いに平均濃縮度が同じで可
燃性毒物の量が異なっており、第１の燃料集合体を可燃
性毒物の量が少ない方、第２の燃料集合体を可燃性毒物
の量が多い方とし、この第２の燃料集合体では第１の燃
料集合体よりも大口径水ロッドに隣接する可燃性毒物含
有燃料棒の本数が多く配置されているものである。

【００２１】前述したように、９×９以上の正方格子状
に複数本の燃料棒が配列された燃料集合体の横断面にお
いては、その水分布の偏在により中性子スペクトルに差
が生じるため、可燃性毒物含有燃料棒をどの位置に配置
するかによって毒物効果の程度が異なってくる。

【００２２】ここで、図１に、互いに同じ９×９正方格
子状に燃料棒が配列され、中央部に燃料棒９本分に相当
する大口径水ロッドが形成された２つの燃料集合体につ
いて、それぞれ同じ本数、ここでは８本のガドリニア棒
Ｇ（Ｕ²³⁵ 含有率が４．４ｗｔ％でガドリニア(Gd₂O₃)
含有率が５．０ｗｔ％）を、大口径水ロッドに隣接して
配置した場合（図１（ａ））と、大口径水ロッドに隣接
しないで配置した場合（図１（ｂ））とで両者のガドリ
ニアの毒物効果の消滅を検討した結果を図１（ｃ）に示
す。なお、図１（ａ）（ｂ）においてガドリニア棒以外
の燃料棒は、Ｕ²³⁵ 含有率４．４ｗｔ％の燃料棒を、
Ｕ²³⁵ 含有率３．２ｗｔ％の燃料棒を、Ｕ²³⁵ 含有率
２．２ｗｔ％の燃料棒を、とそれぞれ表した。

【００２３】これは、燃焼度（横軸：ＧＷｄ／ｔ）に対
する無限増倍率（縦軸）を示したものであり、図１
（ｃ）中、（ａ）のガドリニア棒を大口径水ロッドに隣
接して配置した燃料集合体を実線で、（ｂ）のガドリニ
ア棒を大口径水ロッドに隣接しないで配置した燃料集合
体を点線で表した。この結果からわかるように、（ａ）
のガドリニア棒を大口径水ロッドに隣接して配置した方
が、（ｂ）の大口径水ロッドに隣接しないで配置した場
合よりもガドリニアの毒物効果の消滅が早いことがわか
る。即ち、前者（ａ）の方が後者（ｂ）よりピークが早
く訪れている。

【００２４】本発明は、第２の燃料集合体において第１
の燃料集合体よりも大口径水ロッドに隣接する、即ち、
特に中性子スペクトルが軟らかい位置に可燃性毒物含有
燃料棒の本数を多く配置したものである。従って、第２
の燃料集合体では大口径水ロッドに隣接していない他の
可燃性毒物含有燃料棒より毒物効果の消滅の早い燃料棒
が第１の燃料集合体より多いため、第１の燃料集合体よ
り可燃性毒物の量が多い第２の燃料集合体全体の毒物効
果の消滅を、第１の燃焼集合体とサイクル末期において
同時期に設定することが容易となる。

【００２５】このように第１と第２の燃料集合体からな
る沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペアを、互いにサイ
クル末期で毒物効果の消滅を燃焼度的に同時期とするこ
とができれば、経済性、安全性に優れた、取替炉心設計
の容易な沸騰水型原子炉用燃料が得られる。

【００２６】このような沸騰水型原子炉用燃料集合体ペ
アとして、例えば第２の燃料集合体の可燃性毒物含有燃
料棒が、第１の燃料集合体の可燃性毒物含有燃料棒と同
じ配置のベース・ポイズン燃料棒と大口径水ロッドに隣
接して付加的に配置された付加ポイズン燃料棒とからな
る構成としたものが挙げられる。これは、第２の燃料集
合体の大口径水ロッドに隣接して配置される付加ポイズ
ン燃料棒以外は第１の燃料集合体と全く同じ燃料棒配置
とすることができるので設計が簡便である。

【００２７】特に、第１の燃料集合体の可燃性毒物含有
燃料棒および第２の燃料集合体のベース・ポイズン燃料
棒とを各々燃料集合体の外周および大口径水ロッドから
離れた位置に配置すれば、前述の図４で説明したよう
に、集合体横断面において最もスペクトルが硬くなる位
置に配置されることになるため、他の位置に配置される
場合より毒物効果の消滅は緩慢になる。従って、その
分、燃料棒内の毒物濃度を低減することができるので、
それだけ核分裂性物質を多く充填できる。

【００２８】図２（ａ）に本発明の沸騰水型原子炉用取
替燃料集合体ペアの一例として示した、９×９正方格子
状に燃料棒が配列され、中央部に燃料棒９本分に相当す
る角型の大口径水ロッドが形成された第１と第２の燃料
集合体について、第１の燃焼集合体ではＵ²³⁵ 含有率が
４．４ｗｔ％で可燃性毒物としてのガドリニア(Gd₂O₃)
含有率が５．０ｗｔ％であるガドリニア棒Ｇが８本配置
され、第２の燃料集合体では第１の燃料集合体と同組成
のベース・ガドリニア棒Gb８本および付加ガドリニア棒
Gaが２本配置された場合において無限増倍率の燃焼変化
を検討し、その結果を図３に示した。

【００２９】第１の燃料集合体のガドリニア棒Ｇ８本と
第２の燃料集合体のベース・ガドリニア棒Gb８本は、図
２（ａ）に示すように、それぞれの集合体の外周から第
２層目の同じ配列位置に配置され、さらに第２の燃料集
合体の付加ガドリニア棒Ga２本がそれぞれ大口径ロッド
に隣接して配置されている。

【００３０】ここで、比較例として図２（ｂ）に示した
燃料集合体ペアについても、同様に図３に無限増倍率の
燃焼変化を表した。この比較例では、第１の燃料集合体
に対応する低ガドリニア燃料集合体をガドリニア棒Ｇお
よびその他の燃料棒の組成、配列共に本発明の第１の燃
料集合体と全く同じ構成とし、第２の燃料集合体にと対
応する高ガドリニア燃料集合体を、付加ガドリニア棒Ga
の配列位置以外は本発明の第２の燃料集合体と同じ構成
とした。この高ガドリニア燃料集合体における付加ガド
リニア棒Gaも集合体外周より第２層目に配置されてい
る。

【００３１】なお、ガドリニア棒以外の燃料棒は、図２
（ａ）（ｂ）の横断面配列において、Ｕ²³⁵ 含有率４．
４ｗｔ％の燃料棒を、Ｕ²³⁵ 含有率３．２ｗｔ％の燃
料棒を、Ｕ²³⁵ 含有率２．２ｗｔ％の燃料棒を、と
それぞれ表した。

【００３２】図３中、本発明の第１の燃料集合体および
比較例の低ガドリニア燃料集合体を太実線で、本発明の
第２の燃料集合体を細実線で、比較例の高ガドリニア燃
料集合体を点線でそれぞれ示した。この図から明らかな
ように、比較例の付加ガドリニア棒が水ロッドに隣接し
て配置されなかった高ガドリニア燃料集合体のガドリニ
ア毒物効果の消滅時期は、比較例の低ガドリニア燃料集
合体より遅くなっていたが、これに対して本発明の沸騰
水型原子炉用取替燃料集合体ペアでは、第１の燃料集合
体と第２の燃料集合体とでガドリニアの毒物効果の消滅
時期をほぼ同じにすることができた。

【００３３】なお、上記の例では、大口径水ロッドの形
状を角型としたが、毒物効果の消滅の時期はこの大口径
水ロッドの形状にも依存し、丸型の水ロッドよりも角型
の水ロッドの方が、大口径水ロッドに隣接したガドリニ
ア棒による毒物効果の消滅が早くなる。これは、丸型の
水ロッドよりも角型の場合の方が非沸騰領域の占有面積
を大きくできること、また、非沸騰領域と燃料棒とをよ
り近接させられることにより、水ロッドに隣接する燃料
棒においては特に中性子スペクトルが軟らかくなるため
である。従って、水ロッドに隣接して配置された可燃性
毒物含有燃料棒の毒物効果の消滅時期をより早めたい場
合には、水ロッドを角型にするなど、毒物効果の消滅時
期の設定に水ロッドの形状も考慮に入れる。

【００３４】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、第１の燃
料集合体より可燃性毒物の量が多い第２の燃料集合体全
体の毒物効果の消滅を、第１の燃焼集合体とサイクル末
期において同時期に設定することが容易となり、このよ
うに第１と第２の燃料集合体からなる沸騰水型原子炉用
取替燃料集合体ペアを、互いにサイクル末期で毒物効果
の消滅を燃焼度的に同時期とすることができれば、経済
性、安全性に優れた、取替炉心設計の容易な沸騰水型原
子炉用燃料が得られるという効果がある。

【００３５】また、第１の燃料集合体の可燃性毒物含有
燃料棒および第２の燃料集合体のベース・ポイズン燃料
棒とを各々燃料集合体の外周および大口径水ロッドから
離れた最もスペクトルが硬くなる位置に配置すれことに
よって、他の位置に配置される場合より毒物効果の消滅
が緩慢になる分、燃料棒内の毒物濃度を低減することが
できるので、それだけ核分裂性物質を多く充填できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガドリニア棒の配置による毒物効果の違いを示
すための説明図であり、（ａ）は、ガドリニア棒が水ロ
ッド(W/R) に隣接して配置された場合の燃料集合体の燃
料棒配列を示す横断面図、（ｂ）はガドリニア棒が水ロ
ッド(W/R) に隣接しないで配置された場合の燃料集合体
の燃料棒配列を示す横断面図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）で
示した２つの燃料集合体の無限倍増率の燃焼変化を示す
線図であり、横軸：燃焼度（ＧＷｄ／ｔ）、縦軸：無限
倍増率とした。

【図２】（ａ）は本発明の一実施形態による沸騰水型原
子炉用燃料集合体ペアの第１および第２の燃焼集合体の
各燃料棒配列を示す横断面図であり、（ｂ）は比較例と
しての沸騰水型原子炉用燃料集合体ペアの低ガドリニア
燃料集合体および高ガドリニア燃料集合体の各燃料棒配
列を示す横断面図である。

【図３】図２で示した本発明の沸騰水型原子炉用燃料集
合体ペアの第１および第２の燃焼集合体と、比較例とし
ての沸騰水型原子炉用燃料集合体ペアの低ガドリニア燃
料集合体とについての無限倍増率の燃焼変化を示す線図
であり、横軸：燃焼度（ＧＷｄ／ｔ）、縦軸：無限倍増
率とした。

【図４】燃料棒９×９格子状配列の燃料集合体における
相対出力ピーキングを示す分布図であり、（ａ）は中央
に燃料棒１本分の非沸騰領域相当の水ロッドが形成され
たもの、（ｂ）は中央に燃料棒３×３本分の非沸騰領域
相当の大口径水ロッドが形成されたものである。

【図５】互いにガドリニア棒の本数あるいは含有量の異
なる沸騰水型原子炉用取替燃料集合体の燃焼度（横軸；
ＧＷｄ／ｔ）に対する無限増倍率（縦軸）の変化を、ガ
ドリニアを含まない燃料集合体（図中Gdなし）の場合と
比較してを示した線図である。

【符号の説明】：Ｕ²³⁵ 含有率４．４ｗｔ％の燃料棒：Ｕ²³⁵ 含有率３．２ｗｔ％の燃料棒：Ｕ²³⁵ 含有率２．２ｗｔ％の燃料棒Ｇ，Gd：Ｕ²³⁵ 含有率４．４ｗｔ％，Gd₂O₃ 含有率５．
０ｗｔ％のガドリニア棒 Gb：Ｕ²³⁵ 含有率４．４ｗｔ％，Gd₂O₃ 含有率５．０ｗ
ｔ％のベース・ガドリニア棒 Ga：Ｕ²³⁵ 含有率４．４ｗｔ％，Gd₂O₃ 含有率５．０ｗ
ｔ％の付加ガドリニア棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ２１Ｃ 3/30 Ｘ (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21C 3/326 GDB G21C 3/328 G21C 3/62 G21C 5/00 G21C 5/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ９×９以上の正方格子配列のほ
ぼ中央部に燃料棒の９本分以上に相当する非沸騰領域を
形成する大口径水ロッドと、前記正方格子配列に従って
配列された複数本の燃料棒とを備え、平均濃縮度が互い
に同じで可燃性毒物の量が互いに異なる同一格子配列の
一組の２ストリーム用の取替燃料集合体を構成する沸騰
水型原子炉用取替燃料集合体ペアであって、可燃性毒物の量が少ない方の第１の燃料集合体と、可燃
性毒物の量が多い方の第２の燃料集合体とからなり、第
２の燃料集合体では第１の燃料集合体よりも大口径水ロ
ッドに隣接する可燃性毒物含有燃料棒の本数が多くなる
燃料棒配置とされていることを特徴とする沸騰水型原子
炉用取替燃料集合体ペア。
【請求項２】第２の燃料集合体の可燃性毒物含有燃料
棒が、第１の燃料集合体の可燃性毒物含有燃料棒と同じ
配置のベース・ポイズン燃料棒と、大口径水ロッドに隣
接して付加的に配置された付加ポイズン燃料棒とからな
ることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用
取替燃料集合体ペア。
【請求項３】第１の燃料集合体の可燃性毒物含有燃料
棒と第２の燃料集合体のベース・ポイズン燃料棒とが主
に燃料集合体の外周および大口径水ロッドから離れた位
置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の
沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペア。
【請求項４】すべての可燃性毒物含有燃料棒が互いに
等しい濃縮度および可燃性毒物濃度の燃料ペレットで構
成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
１項に記載の沸騰水型原子炉用取替燃料集合体ペア。