JP3070756B2 - 燃料集合体 - Google Patents
燃料集合体Info
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- JP3070756B2 JP3070756B2 JP2242387A JP24238790A JP3070756B2 JP 3070756 B2 JP3070756 B2 JP 3070756B2 JP 2242387 A JP2242387 A JP 2242387A JP 24238790 A JP24238790 A JP 24238790A JP 3070756 B2 JP3070756 B2 JP 3070756B2
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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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係り、特に、熱的余裕の確
保により、長寿命化・高燃焼度化に好適な燃料集合体お
よび炉心に関する。
保により、長寿命化・高燃焼度化に好適な燃料集合体お
よび炉心に関する。
沸騰水型原子炉の燃料集合体は、「軽水炉」（秋山守
著，同文書院刊）に記載のように、一般に、燃料ペレツ
トを充てんした被覆管からなる燃料棒を多数束ねて断面
形状が正方形のチヤネルボックスで覆つて構成される。
炉心は燃料集合体を、さらに束ねて円柱状に形成され
る。炉心には燃料として濃縮ウランあるいはプルトニウ
ムを富化したウランが酸化物の化学形態で装荷される。
炉心の反応度は、燃料の燃焼に伴つて減少していくの
で、運転末期でも原子炉が臨界を保つように、運転初期
には燃料を臨界量よりも多く装荷している。その結果生
じる余剰反応度は、ガドリニア等の可燃性毒物を燃料に
混合すると共に、炭化硼素あるいはハフニウムからなる
十字型の制御棒を隣接する複数の燃料集合体の間に挿入
することによつて中性子の吸収量を調節して制御してい
る。
著，同文書院刊）に記載のように、一般に、燃料ペレツ
トを充てんした被覆管からなる燃料棒を多数束ねて断面
形状が正方形のチヤネルボックスで覆つて構成される。
炉心は燃料集合体を、さらに束ねて円柱状に形成され
る。炉心には燃料として濃縮ウランあるいはプルトニウ
ムを富化したウランが酸化物の化学形態で装荷される。
炉心の反応度は、燃料の燃焼に伴つて減少していくの
で、運転末期でも原子炉が臨界を保つように、運転初期
には燃料を臨界量よりも多く装荷している。その結果生
じる余剰反応度は、ガドリニア等の可燃性毒物を燃料に
混合すると共に、炭化硼素あるいはハフニウムからなる
十字型の制御棒を隣接する複数の燃料集合体の間に挿入
することによつて中性子の吸収量を調節して制御してい
る。
上記従来技術の燃料集合体では、制御棒が挿入される
側とその反対側とで中性子の吸収量に差が生じるので、
中性子束分布及び出力分布は、運転初期では制御棒が挿
入される側で小さく、その反対側で大きくなる。また、
運転末期には、炉心の反応度が減少しているので、その
減少分を補償するため制御棒は炉心から引抜かれる。こ
のときには、核分裂性物質が燃え残つている燃料集合体
中の制御棒側で出力ピークが生じる傾向がある。さら
に、中性子束分布が燃料集合体内部で勾配をもつので、
照射成長に起因するチヤネルボツクスの側面のびの大き
さに差が生じるため、チヤネルボツクスが弓なりに曲が
るボーイング現象が起こるおそれがある。
側とその反対側とで中性子の吸収量に差が生じるので、
中性子束分布及び出力分布は、運転初期では制御棒が挿
入される側で小さく、その反対側で大きくなる。また、
運転末期には、炉心の反応度が減少しているので、その
減少分を補償するため制御棒は炉心から引抜かれる。こ
のときには、核分裂性物質が燃え残つている燃料集合体
中の制御棒側で出力ピークが生じる傾向がある。さら
に、中性子束分布が燃料集合体内部で勾配をもつので、
照射成長に起因するチヤネルボツクスの側面のびの大き
さに差が生じるため、チヤネルボツクスが弓なりに曲が
るボーイング現象が起こるおそれがある。
本発明の目的は、長期運転・高燃焼度化に好適な燃料
集合体を提供することにある。
集合体を提供することにある。
本発明の燃料集合体は、燃料充填部のうち軸方向中央
付近に位置する中央領域を水平方向で、チャンネルボッ
クスの対角線により制御棒側の第一の領域とその反対側
の第二の領域に分けたときに、前記中央領域では、前記
第一の領域における核分裂性物質の平均原子数密度及び
可燃性毒物の平均原子数密度が、前記第二の領域に比べ
て小さくなるように構成すると共に、可燃性毒物入り燃
料棒の核分裂性物質濃度の最大値が、全燃料棒の核分裂
性物質濃度の最大値と同じとなるように構成する。
付近に位置する中央領域を水平方向で、チャンネルボッ
クスの対角線により制御棒側の第一の領域とその反対側
の第二の領域に分けたときに、前記中央領域では、前記
第一の領域における核分裂性物質の平均原子数密度及び
可燃性毒物の平均原子数密度が、前記第二の領域に比べ
て小さくなるように構成すると共に、可燃性毒物入り燃
料棒の核分裂性物質濃度の最大値が、全燃料棒の核分裂
性物質濃度の最大値と同じとなるように構成する。
他の本発明の燃料集合体は、燃料充填部のうち軸方向
中央付近に位置する中央領域を水平方向で、チャンネル
ボックスの対角線により制御棒側の第一の領域とその反
対側の第二の領域に分けたときに、前記中央領域では、
前記第一の領域における核分裂性物質の平均原子数密度
及び可燃性毒物の平均原子数密度が、前記第二の領域に
比べて小さくなるように構成すると共に、前記第二の領
域内の可燃性毒物入る燃料棒を互いに隣接する位置に配
置する。
中央付近に位置する中央領域を水平方向で、チャンネル
ボックスの対角線により制御棒側の第一の領域とその反
対側の第二の領域に分けたときに、前記中央領域では、
前記第一の領域における核分裂性物質の平均原子数密度
及び可燃性毒物の平均原子数密度が、前記第二の領域に
比べて小さくなるように構成すると共に、前記第二の領
域内の可燃性毒物入る燃料棒を互いに隣接する位置に配
置する。
上記構成を備えることにより、本発明の燃料集合体は
次のように作用する。運転初期に制御棒が挿入された場
合、制御棒側の中性子無限増倍率が大きくなるので制御
棒側の出力を過小にすることなく適正なレベルに制御で
きる。また、運転末期に制御棒が引き抜かれた場合、制
御棒側の中性子無限増倍率が小さくなるので制御棒側の
出力を過大にすることなく適正なレベルに制御できる。
従って、燃料寿命を延ばして、高燃焼度化を図ることが
できる。
次のように作用する。運転初期に制御棒が挿入された場
合、制御棒側の中性子無限増倍率が大きくなるので制御
棒側の出力を過小にすることなく適正なレベルに制御で
きる。また、運転末期に制御棒が引き抜かれた場合、制
御棒側の中性子無限増倍率が小さくなるので制御棒側の
出力を過大にすることなく適正なレベルに制御できる。
従って、燃料寿命を延ばして、高燃焼度化を図ることが
できる。
更に、可燃性毒物入り燃料棒の核分裂性物質濃度の最
大値を全燃料棒の核分裂性物質濃度の最大値と同じにす
ることにより、核分裂性物質濃度を増大させて高燃焼度
化を図っても、可燃性毒物によって効果的に制御でき
る。
大値を全燃料棒の核分裂性物質濃度の最大値と同じにす
ることにより、核分裂性物質濃度を増大させて高燃焼度
化を図っても、可燃性毒物によって効果的に制御でき
る。
また、第二の領域（反制御棒側の領域）内の可燃性毒
物入り燃料棒を互いに隣接する位置に配置することによ
り、可燃性毒物入り燃料棒を離して配置した場合より
も、可燃性毒物の燃え尽きる時期を遅らせることができ
る。これは、運転期間を通して燃料集合体内の局所出力
ピークを低減することに寄与する。
物入り燃料棒を互いに隣接する位置に配置することによ
り、可燃性毒物入り燃料棒を離して配置した場合より
も、可燃性毒物の燃え尽きる時期を遅らせることができ
る。これは、運転期間を通して燃料集合体内の局所出力
ピークを低減することに寄与する。
以下、本発明を実施例に従つて説明する。第１図，第
２図は、本発明の第一の実施例であり、沸騰水型原子炉
の燃料集合体に適用したものである。第１図は、燃料集
合体の水平断面図（第２図のＡ−Ａ断面図）であり、第
２図は、燃料集合体の斜視図である。燃料集合体10は、
ジルカロイの被覆管21に、濃縮ウラン酸化物からなる燃
料を充てんした燃料棒１〜５を束ねて、ジルカロイでで
きた四角管状のチヤネルボツクス21で覆つて構成されて
いる。第１図に示すように、燃料棒１〜５の軸方向平均
ウラン濃縮度は、それぞれ、3.9,3.9,3.4,3.0,2.0％で
あり、ガドリニアは燃料棒１にのみ含まれ、その濃度は
4.5％である。本実施例では、対角線Ａ−Ａを境界とし
て制御棒30側の燃料領域の平均ウラン濃縮度（2.9％）
およびガドリニアの平均濃度（0.0％）を反対側の領域
（それぞれ、3.7％,1.2％）に比べ小さくしている。
２図は、本発明の第一の実施例であり、沸騰水型原子炉
の燃料集合体に適用したものである。第１図は、燃料集
合体の水平断面図（第２図のＡ−Ａ断面図）であり、第
２図は、燃料集合体の斜視図である。燃料集合体10は、
ジルカロイの被覆管21に、濃縮ウラン酸化物からなる燃
料を充てんした燃料棒１〜５を束ねて、ジルカロイでで
きた四角管状のチヤネルボツクス21で覆つて構成されて
いる。第１図に示すように、燃料棒１〜５の軸方向平均
ウラン濃縮度は、それぞれ、3.9,3.9,3.4,3.0,2.0％で
あり、ガドリニアは燃料棒１にのみ含まれ、その濃度は
4.5％である。本実施例では、対角線Ａ−Ａを境界とし
て制御棒30側の燃料領域の平均ウラン濃縮度（2.9％）
およびガドリニアの平均濃度（0.0％）を反対側の領域
（それぞれ、3.7％,1.2％）に比べ小さくしている。
燃料集合体10の下部にはエントランスノズル22が設け
てあり、ここから冷却水（図示せず）が流入し、燃料棒
１〜５を冷却して、上部に流出していく。
てあり、ここから冷却水（図示せず）が流入し、燃料棒
１〜５を冷却して、上部に流出していく。
実施例の効果を、第７図に水平断面図（炉心の一部の
み図示）を示した沸騰水型原子炉の炉心について評価し
た。炉心および燃料の仕様並びに運転条件は以下のとお
りである。すなわち、原子炉熱出力は約3,300MW、電気
出力は約1,100MW、炉心高さは3.7m、燃料集合体数は764
体である。運転期間は十二ケ月で、燃料交換バツチ数は
４としている。燃料の平均ウラン濃縮度は約3.3％であ
る。
み図示）を示した沸騰水型原子炉の炉心について評価し
た。炉心および燃料の仕様並びに運転条件は以下のとお
りである。すなわち、原子炉熱出力は約3,300MW、電気
出力は約1,100MW、炉心高さは3.7m、燃料集合体数は764
体である。運転期間は十二ケ月で、燃料交換バツチ数は
４としている。燃料の平均ウラン濃縮度は約3.3％であ
る。
第３図に、運転初期に隣接する制御棒30が挿入された
場合における本実施例の燃料集合体の水平方向の出力分
布を従来の燃料集合体の場合と比較して示した。本実施
例の燃料集合体では、従来技術と比べて、制御棒挿入に
よる中性子束分布の歪が小さく、平坦な出力分布が得ら
れる。第４図には運転末期に、隣接する制御棒が引抜か
れた場合における本実施例の燃料集合体の水平方向の出
力分布を従来の燃料集合体の場合と比較して示した。従
来技術の燃料集合体では、制御棒側の燃料が十分に燃焼
が進んでおらず、反対側に比べ核分裂性物質が燃え残つ
ているので、制御棒引抜き時にはそこに出力ピークが発
生する。本実施例の燃料集合体では、従来技術と比べ
て、制御棒側の燃料が十分に燃焼しており、制御棒を引
抜いた場合でも平坦な出力分布が得られる。
場合における本実施例の燃料集合体の水平方向の出力分
布を従来の燃料集合体の場合と比較して示した。本実施
例の燃料集合体では、従来技術と比べて、制御棒挿入に
よる中性子束分布の歪が小さく、平坦な出力分布が得ら
れる。第４図には運転末期に、隣接する制御棒が引抜か
れた場合における本実施例の燃料集合体の水平方向の出
力分布を従来の燃料集合体の場合と比較して示した。従
来技術の燃料集合体では、制御棒側の燃料が十分に燃焼
が進んでおらず、反対側に比べ核分裂性物質が燃え残つ
ているので、制御棒引抜き時にはそこに出力ピークが発
生する。本実施例の燃料集合体では、従来技術と比べ
て、制御棒側の燃料が十分に燃焼しており、制御棒を引
抜いた場合でも平坦な出力分布が得られる。
以下、本発明の他の実施例について説明する。
第５図，第６図は、沸騰水型原子炉の燃料集合体の水
平断面図である。
平断面図である。
第５図に示した実施例では、制御棒30側の燃料領域と
反対側の領域でウランの平均濃縮度は同一としたまま、
ガドリニアの濃度分布は第一の実施例と同一とし、燃料
棒のかわりに水を充てんした水ロツド８を制御棒30と反
対側の領域に配置して、減速材対燃料原子水比を制御棒
30側で小さく、反対側で大きくしたことが特徴である。
このような構成によつても、制御棒30側と反対側とでウ
ランの濃縮度に違いをもたせた第一の実施例と同様な効
果が得られる。また、第５図に示した実施例では、水ロ
ツド８のかわりに、水と同等以上の中性子減速効果をも
つジルコニウム水素化物等のペレツトをジルカロイの被
覆管に充てんした固体減速棒を設けて、減速材対燃料原
子数比を大きくすることもできる。
反対側の領域でウランの平均濃縮度は同一としたまま、
ガドリニアの濃度分布は第一の実施例と同一とし、燃料
棒のかわりに水を充てんした水ロツド８を制御棒30と反
対側の領域に配置して、減速材対燃料原子水比を制御棒
30側で小さく、反対側で大きくしたことが特徴である。
このような構成によつても、制御棒30側と反対側とでウ
ランの濃縮度に違いをもたせた第一の実施例と同様な効
果が得られる。また、第５図に示した実施例では、水ロ
ツド８のかわりに、水と同等以上の中性子減速効果をも
つジルコニウム水素化物等のペレツトをジルカロイの被
覆管に充てんした固体減速棒を設けて、減速材対燃料原
子数比を大きくすることもできる。
第６図に示した実施例では、濃縮ウランに加えて、プ
ルトニウムを核分裂性物質として装荷したことが特徴で
ある。ウラン燃料棒２のウラン濃縮度及びプルトニウム
燃料棒６のプルトニウムの富化度は同一（3.9％）と
し、制御棒30側ではウラン燃料棒２を多く装荷し、反対
側では、プルトニウム燃料棒６を多く装荷している。
ルトニウムを核分裂性物質として装荷したことが特徴で
ある。ウラン燃料棒２のウラン濃縮度及びプルトニウム
燃料棒６のプルトニウムの富化度は同一（3.9％）と
し、制御棒30側ではウラン燃料棒２を多く装荷し、反対
側では、プルトニウム燃料棒６を多く装荷している。
第７図を用いて、本発明の実施例の原子炉の炉心につ
いて説明する。運転中に炉心50に挿入される制御棒30の
周囲に四体ずつ、本発明の燃料集合体10を装荷したこと
が特徴である。本実施例では、制御棒側とその反対側と
で中性子無限増倍率が等しい従来の燃料集合体11のみを
装荷した炉心に比べ、制御棒の周囲の燃料集合体で発生
する出力ピークを低減できるので、炉心の熱的余裕を増
大させることができる。
いて説明する。運転中に炉心50に挿入される制御棒30の
周囲に四体ずつ、本発明の燃料集合体10を装荷したこと
が特徴である。本実施例では、制御棒側とその反対側と
で中性子無限増倍率が等しい従来の燃料集合体11のみを
装荷した炉心に比べ、制御棒の周囲の燃料集合体で発生
する出力ピークを低減できるので、炉心の熱的余裕を増
大させることができる。
次に、本発明を原子炉の燃料交換方法に適用した実施
例について説明する。従来の燃料集合体11のみからなる
原子炉の炉心において、１サイクルの運転を終えて、燃
料の一部を交換する際に、制御棒の周囲の燃料集合体
を、本発明の燃料集合体10で置き換える構成とする。こ
のような燃料交換方法によれば、それ以前のサイクルに
比べ、制御棒の周囲の燃料集合体で発生する出力ピーク
を低減できるので、炉心の熱的余裕を増大させることが
できる。
例について説明する。従来の燃料集合体11のみからなる
原子炉の炉心において、１サイクルの運転を終えて、燃
料の一部を交換する際に、制御棒の周囲の燃料集合体
を、本発明の燃料集合体10で置き換える構成とする。こ
のような燃料交換方法によれば、それ以前のサイクルに
比べ、制御棒の周囲の燃料集合体で発生する出力ピーク
を低減できるので、炉心の熱的余裕を増大させることが
できる。
上記の実施例では、燃料として濃縮ウラン酸化物、ま
たは、ウランとプルトニウムの混合酸化物を炉心構造材
としてジルカロイを、冷却材として水を、可燃性毒物と
してガドリニアを、制御棒の中性子吸収材として炭化硼
素をそれぞれ使用したが、その他の燃料，構造材，冷却
材，可燃性毒物，中性子吸収材を使用した場合にも本発
明では適用できる。
たは、ウランとプルトニウムの混合酸化物を炉心構造材
としてジルカロイを、冷却材として水を、可燃性毒物と
してガドリニアを、制御棒の中性子吸収材として炭化硼
素をそれぞれ使用したが、その他の燃料，構造材，冷却
材，可燃性毒物，中性子吸収材を使用した場合にも本発
明では適用できる。
本発明によれば、従来技術に比べ、運転期間を通じて
燃料集合体内の局所出力ピークを低減でき、炉心の熱的
余裕を増大することができる。また、集合体内の中性子
束分布も平坦化されるので、チヤネルボツクスの各側面
がうける中性子照射量の違いに起因するボーイング現象
を抑制することができ、燃料寿命を延ばして、高燃焼度
化を図ることができる。
燃料集合体内の局所出力ピークを低減でき、炉心の熱的
余裕を増大することができる。また、集合体内の中性子
束分布も平坦化されるので、チヤネルボツクスの各側面
がうける中性子照射量の違いに起因するボーイング現象
を抑制することができ、燃料寿命を延ばして、高燃焼度
化を図ることができる。
第１図は本発明の一実施例を示す燃料集合体の断面図、
第２図は、本発明の実施例を示す燃料集合体の斜視図、
第３図および第４図は、本発明の効果を示す燃料集合体
の出力分布特性図、第５図，第６図は本発明の実施例を
示す燃料集合体の断面図、第７図は本発明の実施例を示
す原子炉の炉心の断面図である。 １……ガドリニア入りウラン燃料棒、２〜４……ウラン
燃料棒、６……プルトニウム燃料棒、８……水ロツド、
10……燃料集合体（本発明）、11……燃料集合体（従来
技術）、20……被覆管、21……チヤネルボツクス、22…
…エントランスノズル、30……制御棒、50……炉心、31
……炉停止用制御棒。
第２図は、本発明の実施例を示す燃料集合体の斜視図、
第３図および第４図は、本発明の効果を示す燃料集合体
の出力分布特性図、第５図，第６図は本発明の実施例を
示す燃料集合体の断面図、第７図は本発明の実施例を示
す原子炉の炉心の断面図である。 １……ガドリニア入りウラン燃料棒、２〜４……ウラン
燃料棒、６……プルトニウム燃料棒、８……水ロツド、
10……燃料集合体（本発明）、11……燃料集合体（従来
技術）、20……被覆管、21……チヤネルボツクス、22…
…エントランスノズル、30……制御棒、50……炉心、31
……炉停止用制御棒。
Claims (3)
- 【請求項１】核分裂性物質を含む燃料を充填した複数の
燃料棒と、これを取り囲む角筒状のチャンネルボックス
とを備えた燃料集合体において、 燃料充填部のうち軸方向中央付近に位置する中央領域を
水平方向で、前記チャンネルボックスの対角線により制
御棒側の第一の領域とその反対側の第二の領域に分けた
ときに、 前記中央領域では、前記第一の領域における核分裂性物
質の平均原子数密度及び可燃性毒物の平均原子数密度
が、前記第二の領域に比べて小さくなるように構成する
と共に、 可燃性毒物入り燃料棒の核分裂性物質濃度の最大値が、
全燃料棒の核分裂性物質濃度の最大値と同じとなるよう
に構成したことを特徴とする燃料集合体。 - 【請求項２】請求項１において、前記第二の領域内の前
記可燃性毒物入り燃料棒は、互いに隣接する位置に配置
されていることを特徴とする燃料集合体。 - 【請求項３】核分裂性物質を含む燃料を充填した複数の
燃料棒と、これを取り囲む角筒状のチャンネルボックス
とを備えた燃料集合体において、 燃料充填部のうち軸方向中央付近に位置する中央領域を
水平方向で、前記チャンネルボックスの対角線により制
御棒側の第一の領域とその反対側の第二の領域に分けた
ときに、 前記中央領域では、前記第一の領域における核分裂性物
質の平均原子数密度及び可燃性毒物の平均原子数密度
が、前記第二の領域に比べて小さくなるように構成する
と共に、 前記第二の領域内の可燃性毒物入り燃料棒を、互いに隣
接する位置に配置したことを特徴とする燃料集合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2242387A JP3070756B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2242387A JP3070756B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04122888A JPH04122888A (ja) | 1992-04-23 |
| JP3070756B2 true JP3070756B2 (ja) | 2000-07-31 |
Family
ID=17088403
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2242387A Expired - Fee Related JP3070756B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 燃料集合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3070756B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3186546B2 (ja) * | 1995-10-11 | 2001-07-11 | 株式会社日立製作所 | 初装荷炉心 |
| EP0831497A4 (en) * | 1996-03-28 | 1999-03-31 | Valery Pavlovich Gorbatykh | FUEL BUNCH FOR CORE REACTOR AND CORE REACTOR |
-
1990
- 1990-09-14 JP JP2242387A patent/JP3070756B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04122888A (ja) | 1992-04-23 |
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Legal Events
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