JP2963712B2 - 沸騰水型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、特に高燃焼度に好適な、経済性の向上した
沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。

（従来の技術） 沸騰水型原子炉の炉心では、炉心下部から上方に向か
う冷却材の流れに沿って冷却材中にボイドが発生するた
めに、減速材の密度は炉心下部で大きく上部で小さくな
る。このために出力ピーキングが炉心下部に生じやす
く、これを低減することがこれまでの重要な課題であっ
た。ところが近年では、燃料要素の熱的・機械的強度の
向上に伴ない、出力ピーキングの許容範囲内で、発電コ
スト低減のために燃料経済性を向上させることが要求さ
れるようになってきた。この点からみると、前記した炉
心上下方向の減速材密度分布を燃料経済性の向上に利用
することができる。すなわち、運転の１サイクルにおい
て、初期から中期にかけては出力分布を下部ピークで運
転し、末期には出力分布を上方ピークとする。これによ
り、運転中には燃料上部のウラン235の燃焼を抑制する
とともにプルトニウムを蓄積し、末期においては燃料上
部に十分残っているウラン235と蓄積したプルトニウム
を効率的に燃焼させることができる。

このような効果を十分に発揮するために提案されてい
る燃料集合体の一例として、特開昭58−196483では、上
部のウラン濃縮度を下部より大きくし、かつ、可燃性毒
物であるガドリニアを含有する燃料棒の本数を上部で下
部よりも多くしている。また、特開昭62−276494では、
前記した例に加えて上部のガドリニア濃度を下部よりも
小さくしている。いづれの例においても、運転サイクル
初期には出力分布を下方ピークに、末期には上方ピーク
にすることができる。

（発明が解決しようとする課題） 現在、燃料経済性を向上させる一つの手段として、燃
料の濃縮度を高め、取出燃焼度を現在の約30000MWd/tか
ら順次高燃焼度化していくことが計画されている。とこ
ろが、上記のごとき発明は、このような高燃焼度燃料に
対してはその効果を十分に発揮できないことが明らかに
なった。

すなわち、前記した減速材密度分布により出力分布が
下方ピークとなるため、燃料の燃焼は下部の方が上部よ
りも進み、その結果燃料の反応度は下部の方が早く低下
する。従って、出力分布は、第１サイクルの初期におい
て最も下方ピークであり、第１サイクル末期さらに第2,
3サイクル…と燃焼が進むにつれて徐々に平坦化されて
いく。高燃焼度燃料では、サイクル長さの長期化や燃料
の炉内滞在期間の延長のためにこのような傾向がさらに
強く、出力分布はむしろ上方ピークとなりやすい。ま
た、高燃焼度燃料では、燃料集合体あたりの燃料棒本数
を現行の60〜62本から70本以上に増やすことが考えられ
ており、その場合には出力ピーキングの制限が現在より
も緩和され、これを積極的に利用して燃料経済性の向上
のためにより一層下方ピークで運転すると、燃焼度分布
によって上方ピークとなる傾向がますます強まる。この
ような燃焼度分布による作用のため、上記した発明によ
る燃料集合体では、運転サイクル初期から中期にかけて
出力分布を十分に下方ピークとすることができない。

ところで、可燃性毒物を含有する燃料では、可燃性毒
物が燃え尽きるまでの一時期では燃焼とともに反応度が
増大するため、燃料下部の燃焼が上部よりも早く進むと
サイクルの途中では下部の反応度が増大し出力分布が下
方ピークになる。特開昭62−276494ではこのような理由
によるサイクル途中での極度の下方ピークを避けるめ
に、燃料下部の可燃性毒物濃度を上部よりも高くしてい
る。ところが、上記のように高燃焼度燃料では燃焼度分
布によって上方ピークとなりやすいために、このような
可燃性毒物濃度分布は逆にサイクル中の下方ピークを妨
げることとなり、その結果サイクル末期の出力分布を十
分上方ピークにすることができなくなる。

本発明の目的は、以上の課題を解決して、特に高燃焼
度燃料において、運転サイクル初期から中期にかけて十
分下方ピークで運転し、サイクル末期で上方ピークとな
る運転を可能にすることによって燃料経済性を向上させ
ることである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 以上の課題を解決するために、本発明では、多数の燃
料棒を束ねて構成される沸騰水型原子炉用燃料集合体に
おいて、可燃性毒物を含む燃料棒の本数は燃料集合体の
下部領域よりも上部領域の方が多く、かつ可燃性毒物の
濃度は前記下部領域よりも前記上部領域の方が高くなる
よう設定する。

また、多数の燃料棒を束ねて構成される沸騰水型原子
炉用燃料集合体において、燃料集合体全長から軸方向上
端部を含む領域および下端部を含む領域を除いた領域が
上部領域と下部領域とに分かれ、可燃性毒物を含む燃料
棒の本数は前記下部領域よりも前記上部領域の方が多
く、かつ可燃性毒物の濃度は前記下部領域よりも前記上
部領域の方が高くなるよう設定する。

さらに、効果を増大させるために、該分裂性物質濃度
は前記下部領域よりも前記上部領域の方が高くなるよう
設定してもよい。

（作 用） 燃料の下部に比べて上部では、可燃性毒物を含む燃料
棒の本数が多いために特に燃焼初期において反応度が低
下するので、本燃料を装荷した炉心の出力分布は運転サ
イクル初期において下方ピークとなる。さらに、上部の
可燃性毒物濃度が高いために可燃性毒物が燃え尽きる燃
焼度まで上部の反応度を低く維持できるので、本燃料を
装荷した炉心の出力分布をサイクル中期まで下方ピーク
のまま維持することができる。さらに加えて、燃料上部
の該分裂性物質濃度を下部よりも高くすることによっ
て、サイクル末期の出力分布をより一層上方ピークとす
ることができる。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図に示す。第２図は本実施例
の燃料集合体の断面図であり、62本の燃料棒１と２本の
ウォータロッド２とを正方格子状に配列し、これをチャ
ンネルボックス３で囲繞したものである。第１図に示す
とおり、本実施例では、上部の平均濃縮度は3.39wt％、
ガドリニア入り燃料棒の本数は８本、ガドリニア濃度は
3.0wt％であり、下部の平均濃縮度は3.06wt％、ガドリ
ニア入り燃料棒の本数は５本、ガドリニア濃度は2.0wt
％である。第３図は、ボイド率40％時の無限増倍率の燃
焼変化であり、曲線４が燃料上部、曲線５が燃料下部で
ある。ガドリニア入り燃料棒本数およびガドリニア濃度
の差により、燃焼初期からガドリニアが燃え尽きる燃焼
度までは下部の無限増倍率が上部より大きく、ガドリニ
アが燃え尽きた後は濃縮度差のために逆転している。

比較のための従来例として、特開昭62−276494を第２
図の燃料集合体に適用した例を第４図に示す。この従来
の燃料は第１図の実施例と比べて、濃縮度およびガドリ
ニア入り燃料棒本数は同一で、ガドリニア濃度が上下で
反転したものである。この従来の燃料の無限増倍率は第
３図中に点線で示してあり、曲線６が燃料上部、曲線７
が燃料下部である。

この従来の燃料では、燃焼初期とガドリニアが燃え尽
きる燃焼度とのほぼ中間で無限増倍率が上下逆転してい
る。

本実施例の燃料と従来の燃料を装荷した炉心の特性を
以下に示す。第５図は炉心平均無限増倍率の上下差（上
部の無限増倍率から下部の無限増倍率を引いた値）であ
る。実線８が本実施例、点線９が従来例である。第３図
の無限増倍率は説明のために同じボイド率で上下を比較
したものであるが、炉心に装荷すると上部ではボイド率
が高く下部では低いので無限増倍率の上下差はマイナス
側にシフトする。また、本炉心では燃料交換の際に炉心
中の約1/3の燃料が新燃料と交換されるので、炉心内に
は１サイクル目、２サイクル目、３サイクル目の燃料が
ほぼ同数混在しており、これらは各々第３図に示すよう
な範囲にある。第５図からわかるとおり、本発明による
燃料では、従来例に比べて、特にサイクル中期において
上下反応度差が小さいので出力分布が下方ピークにな
り、その結果、サイクル末期の上下反応度度差はより一
層大きくなって出力分布は上方ピークとなる。

第６図に、出力分布の代わりに炉心平均ボイド率を示
した。炉心平均ボイド率は、出力分布が下方ピークでそ
のピーキング値が大きいほど大きくなり、逆に出力分布
が上方ピークでそのピーキング値が大きいほど小さくな
る。第６図において、実線10が本実施例、点線11が従来
例であり、本発明によって、サイクル初期から中期にか
けてボイド率が高く（すなわち下方ピーク）、サイクル
末期ではボイド率が低く（すなわち上方ピーク）できて
いることがわかる。その結果、平均濃縮度は等しいなが
ら、本実施例では従来例に比べて、サイクル末期の実効
増倍率が約0.4Δｋ増大している。

本発明の第２の実施例を第７図に示す。本燃料は取出
燃焼度約45000MWd/tの超高燃焼度用燃料であり、第８図
にその断面図を示すように74本の燃料棒１と２本の太径
のウォータロッド12とからなっている。この第２の実施
例では燃料経済性向上のためにいくつかの工夫が凝らさ
れており、炉心外への中性子の漏れを低減するために上
端部の全長の2/24および下端部の全長の1/24の部分をガ
ドリニアを含まない天然ウランとし、サイクル末期での
ガドリニアの残留による反応度損失の低減と炉停止余裕
の増大のために上端部のすぐ下の全長の3/24の部分の濃
縮度を低くガドリニア装荷量を減らしている。本発明
は、これらを除いた全長の18/24を占める中央部分に適
用されており、その上部は下部に比べて、ガドリニア入
り燃料棒の本数が４本多く、その燃料棒のガドリニア濃
度が1.0wt％高く、さらに平均濃縮度は0.4wt％高い。こ
の第２の実施例のように、本発明は、端部を除く中央の
大部分に適用すればその機能は十分に発揮することがで
きる。

［発明の効果］ 本発明によれば、特に高燃焼度燃料において、運転サ
イクル初期から中期にかけて下方ピークで運転でき、こ
の間に燃料上部のウラン235の減損を抑制するとともに
プルトニウムを蓄積し、サイクル末期には出力分布を上
方ピークとすることができるので、燃料上部のウラン23
5およびプルトニウムを効率的に燃焼させることができ
る。この効果によって燃料経済性を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の燃料の上下濃縮度およ
びガドリニア分布を表す図、第２図は本発明の第１の実
施例の燃料の断面図、第３図は本発明の第１の実施例の
燃料の上部および下部の無限増倍率の燃焼変化を表す
図、第４図は従来例の燃料の上下濃縮度およびガドリニ
ア分布を表す図、第５図は本発明の第１の実施例の燃料
を装荷した炉心における無限増倍率の上下差を表す図、
第６図は本発明の第１の実施例の燃料を装荷した炉心に
おける平均ボイド率を表す図、第７図は本発明の第２の
実施例の燃料の上下濃縮度およびガドリニア分布を表す
図、第８図は本発明の第２の実施例の燃料の断面図であ
る。 １……燃料棒 ２……ウォータロッド ３……チャンネルボックス 12……太径ウォータロッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21C 3/30 G21C 3/62

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の燃料棒を束ねて構成される沸騰水型
   原子炉用燃料集合体において、可燃性毒物を含む燃料棒
   の本数は燃料集合体の下部領域よりも上部領域の方が多
   く、かつ可燃性毒物の濃度は前記下部領域よりも前記上
   部領域の方が高いことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃
   料集合体。
2. 【請求項２】多数の燃料棒を束ねて構成される沸騰水型
   原子炉用燃料集合体において、燃料集合体全長から軸方
   向上端部を含む領域および下端部を含む領域を除いた領
   域が上部領域と下部領域とに分かれ、可燃性毒物を含む
   燃料棒の本数は前記下部領域よりも前記上部領域の方が
   多く、かつ可燃性毒物の濃度は前記下部領域よりも前記
   上部領域の方が高いことを特徴とする沸騰水型原子炉用
   燃料集合体。
3. 【請求項３】該分裂性物質濃度は前記下部領域よりも前
   記上部領域の方が高いことを特徴とする請求項１または
   請求項２記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。