JP3093289B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents
沸騰水型原子炉用燃料集合体Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
【０００１】〔発明の目的〕
【０００２】
【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉に使用さ
れる沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。
れる沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。
【０００３】
【従来の技術】従来、沸騰水型原子炉に使用されるＭＯ
Ｘ燃料（二酸化ウランと二酸化プルトニウムの混合燃
料）集合体は、プルトニウム組成が１種類の場合の設計
しか考慮されていなかった。図８に代表的なＭＯＸ燃料
集合体の設計例を示す。図８は燃料集合体の横断面図で
あって、この燃料集合体は６０本の燃料棒（ＭＯＸ燃料
棒２：４６本，Ｇｄ燃料棒（Ｇｄ入りＵＯ２燃料棒）
３：１４本）とウオータロッド４をチャンネルボックス
５内に収容したものである。沸騰水型原子炉の場合、チ
ャンネルボックス５の中を流れる冷却水はＭＯＸ燃料棒
２から熱を受けて沸騰するが、チャンネルボックス５周
辺のギャップ領域６およびウオータロッド４内の冷却水
は沸騰しないので、水の密度に大きな偏りがある。
Ｘ燃料（二酸化ウランと二酸化プルトニウムの混合燃
料）集合体は、プルトニウム組成が１種類の場合の設計
しか考慮されていなかった。図８に代表的なＭＯＸ燃料
集合体の設計例を示す。図８は燃料集合体の横断面図で
あって、この燃料集合体は６０本の燃料棒（ＭＯＸ燃料
棒２：４６本，Ｇｄ燃料棒（Ｇｄ入りＵＯ２燃料棒）
３：１４本）とウオータロッド４をチャンネルボックス
５内に収容したものである。沸騰水型原子炉の場合、チ
ャンネルボックス５の中を流れる冷却水はＭＯＸ燃料棒
２から熱を受けて沸騰するが、チャンネルボックス５周
辺のギャップ領域６およびウオータロッド４内の冷却水
は沸騰しないので、水の密度に大きな偏りがある。
【０００４】通常、ＭＯＸ燃料は熱核分裂性のプルトニ
ウム（２３９Ｐｕ，２４１Ｐｕ等で以下、Ｐｕｆとい
う。）が２３５Ｕよりも熱中性子吸収断面積の大きいこ
とから、ＵＯ２燃料と比べて中性子のエネルギースペク
トルが硬くなる。そのため、熱中性子の吸収体であるＧ
ｄ燃料棒の反応度価値が小さくなる。したがって、運転
サイクル初期の反応度をＵＯ２燃料と同程度に抑えるた
めには、Ｇｄ燃料棒の本数を増加させる必要がある。
ウム（２３９Ｐｕ，２４１Ｐｕ等で以下、Ｐｕｆとい
う。）が２３５Ｕよりも熱中性子吸収断面積の大きいこ
とから、ＵＯ２燃料と比べて中性子のエネルギースペク
トルが硬くなる。そのため、熱中性子の吸収体であるＧ
ｄ燃料棒の反応度価値が小さくなる。したがって、運転
サイクル初期の反応度をＵＯ２燃料と同程度に抑えるた
めには、Ｇｄ燃料棒の本数を増加させる必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＭＯＸ燃料集合体において、Ｇｄ燃料棒３の本数を増加
させると、ＭＯＸ燃料集合体内のＧｄ燃料棒３による出
力のくぼみが増すことになり、運転サイクル初期の局所
出力ピーキング係数（集合体燃料棒の平均出力に対する
最大出力の比：ＬＰＦ）を悪化させる。一方、チャンネ
ルボックス５内や、その周辺のギャップ領域６およびウ
オータロッド４内では、中性子減速材の水の密度が異な
るため、中性子のエネルギースペクトルは場所によって
大幅に変化している。したがって、ＭＯＸ燃料棒２の燃
焼の進み方が場所依存性を有することになる。
ＭＯＸ燃料集合体において、Ｇｄ燃料棒３の本数を増加
させると、ＭＯＸ燃料集合体内のＧｄ燃料棒３による出
力のくぼみが増すことになり、運転サイクル初期の局所
出力ピーキング係数（集合体燃料棒の平均出力に対する
最大出力の比：ＬＰＦ）を悪化させる。一方、チャンネ
ルボックス５内や、その周辺のギャップ領域６およびウ
オータロッド４内では、中性子減速材の水の密度が異な
るため、中性子のエネルギースペクトルは場所によって
大幅に変化している。したがって、ＭＯＸ燃料棒２の燃
焼の進み方が場所依存性を有することになる。
【０００６】一般に、水から離れた燃料集合体内部の燃
料棒は中性子のエネルギースペクトルが硬く燃焼が進ま
ないため、運転サイクル後半においては、中性子のエネ
ルギースペクトルが柔らかく燃焼の進んだ燃料集合体周
辺部の燃料棒に比べて相対出力が大きくなる。これによ
り、運転サイクル後半の局所出力ピーキング係数が大き
くなり易い。その結果、ＭＯＸ燃料の設計では、線出力
密度の制限上、局所出力ピーキング係数を低減させるこ
とが大きな問題となる。
料棒は中性子のエネルギースペクトルが硬く燃焼が進ま
ないため、運転サイクル後半においては、中性子のエネ
ルギースペクトルが柔らかく燃焼の進んだ燃料集合体周
辺部の燃料棒に比べて相対出力が大きくなる。これによ
り、運転サイクル後半の局所出力ピーキング係数が大き
くなり易い。その結果、ＭＯＸ燃料の設計では、線出力
密度の制限上、局所出力ピーキング係数を低減させるこ
とが大きな問題となる。
【０００７】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、エネルギースペクトルの場所依存性を抑え、
燃料の燃焼の進行を可及的に均一にすることにより、燃
焼期間を通じて局所出力ピーキング係数を低減可能な沸
騰水型原子炉用燃料集合体を提供することを目的とす
る。
たもので、エネルギースペクトルの場所依存性を抑え、
燃料の燃焼の進行を可及的に均一にすることにより、燃
焼期間を通じて局所出力ピーキング係数を低減可能な沸
騰水型原子炉用燃料集合体を提供することを目的とす
る。
【０００８】〔発明の構成〕
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体にあっ
ては、複数の燃料棒を正方格子状に束ねて構成し、横断
面が正方格子状をなす沸騰水型原子炉用燃料集合体にお
いて、ＭＯＸ燃料のＰｕｆ／Ｐｕ割合を、中性子のエネ
ルギースペクトルが相対的に硬い燃料集合体中央部にお
ける燃料棒では大きくし、且つ中性子のエネルギースペ
クトルが相対的に柔らかい燃料集合体外周部における燃
料棒では小さくし、１つの燃料集合体を複数のプルトニ
ウム組成で構成したものである。
めに、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体にあっ
ては、複数の燃料棒を正方格子状に束ねて構成し、横断
面が正方格子状をなす沸騰水型原子炉用燃料集合体にお
いて、ＭＯＸ燃料のＰｕｆ／Ｐｕ割合を、中性子のエネ
ルギースペクトルが相対的に硬い燃料集合体中央部にお
ける燃料棒では大きくし、且つ中性子のエネルギースペ
クトルが相対的に柔らかい燃料集合体外周部における燃
料棒では小さくし、１つの燃料集合体を複数のプルトニ
ウム組成で構成したものである。
【００１０】
【作用】上記の構成を有する本発明においては、水密度
が高く中性子のエネルギースペクトルが柔らかい燃料集
合体外周部、またはウオータロッド周辺部では全Ｐｕ量
におけるＰｕｆの割合（以下Ｐｕｆ／Ｐｕ割合と呼ぶ）
が小さくなり、２４０Ｐｕ，２４２Ｐｕ等の核種の中性
子の共鳴吸収により熱中性子が減少するため、中性子の
エネルギースペクトルが硬くなり２３９Ｐｕ，２４１Ｐ
ｕ等の熱中性子核分裂反応、つまり出力が抑えられる。
逆に、水から離れ中性子のエネルギースペクトルの硬い
燃料集合体中央部ではＰｕｆ／Ｐｕ割合が大きくなるの
で、２４０Ｐｕ，２４２Ｐｕ等の核種の中性子の共鳴吸
収は減少し、中性子のエネルギースペクトルは柔らかく
なり、２３９Ｐｕ，２４１Ｐｕ等の熱中性子核分裂反応
が進み、出力は大きくなり易い。
が高く中性子のエネルギースペクトルが柔らかい燃料集
合体外周部、またはウオータロッド周辺部では全Ｐｕ量
におけるＰｕｆの割合（以下Ｐｕｆ／Ｐｕ割合と呼ぶ）
が小さくなり、２４０Ｐｕ，２４２Ｐｕ等の核種の中性
子の共鳴吸収により熱中性子が減少するため、中性子の
エネルギースペクトルが硬くなり２３９Ｐｕ，２４１Ｐ
ｕ等の熱中性子核分裂反応、つまり出力が抑えられる。
逆に、水から離れ中性子のエネルギースペクトルの硬い
燃料集合体中央部ではＰｕｆ／Ｐｕ割合が大きくなるの
で、２４０Ｐｕ，２４２Ｐｕ等の核種の中性子の共鳴吸
収は減少し、中性子のエネルギースペクトルは柔らかく
なり、２３９Ｐｕ，２４１Ｐｕ等の熱中性子核分裂反応
が進み、出力は大きくなり易い。
【００１１】このようにして、燃料集合体内の中性子の
エネルギースペクトルの場所依存性が抑止され燃料の燃
焼の進行が均一になり、局所出力ピーキング係数は燃焼
期間を通じて改善される。また、燃料集合体中央部の中
性子のエネルギースペクトルが柔らかくなるので、運転
サイクル初期のＧｄ燃料棒の反応度価値が増す。
エネルギースペクトルの場所依存性が抑止され燃料の燃
焼の進行が均一になり、局所出力ピーキング係数は燃焼
期間を通じて改善される。また、燃料集合体中央部の中
性子のエネルギースペクトルが柔らかくなるので、運転
サイクル初期のＧｄ燃料棒の反応度価値が増す。
【００１２】なお、一般にＭＯＸ燃料集合体の設計で
は、局所出力ピーキング係数を低減するため中性子のエ
ネルギースペクトルの柔らかい位置の燃料棒の富化度を
下げ、中性子のエネルギースペクトルの硬い位置の燃料
棒の富化度を上げているので、本発明のように中性子の
エネルギースペクトルに応じてプルトニウムの組成を変
えると、富化度の高い位置ほどＰｕｆ／Ｐｕ割合を高め
ることになる。
は、局所出力ピーキング係数を低減するため中性子のエ
ネルギースペクトルの柔らかい位置の燃料棒の富化度を
下げ、中性子のエネルギースペクトルの硬い位置の燃料
棒の富化度を上げているので、本発明のように中性子の
エネルギースペクトルに応じてプルトニウムの組成を変
えると、富化度の高い位置ほどＰｕｆ／Ｐｕ割合を高め
ることになる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、従来の構成と同一または対応する部分には
図８と同一の符号を用いて説明する。
する。なお、従来の構成と同一または対応する部分には
図８と同一の符号を用いて説明する。
【００１４】図１は本発明に係る燃料集合体の第１実施
例を示し、この燃料集合体１はチャンネルボックス５間
のギャップ領域６が制御棒７を配置した側の方を広くし
た「Ｄ格子」である。この燃料集合体１はギャップ領域
６が非対称であるので、制御棒７側の中性子のエネルギ
ースペクトルが柔らかくなり、局所出力ピーキング係数
を低下させるために富化度分布が偏っている。
例を示し、この燃料集合体１はチャンネルボックス５間
のギャップ領域６が制御棒７を配置した側の方を広くし
た「Ｄ格子」である。この燃料集合体１はギャップ領域
６が非対称であるので、制御棒７側の中性子のエネルギ
ースペクトルが柔らかくなり、局所出力ピーキング係数
を低下させるために富化度分布が偏っている。
【００１５】そこで、燃料集合体の富化度の低い燃料棒
のＰｕ組成を悪くし（Ｐｕｆ／Ｐｕ割合：小）、富化度
の高い燃料棒のＰｕ組成を良く（Ｐｕｆ／Ｐｕ割合：
大）したＰｕ組成２種類の燃料の特性を、燃料集合体平
均のＰｕｆ／Ｐｕ割合が等しいＰｕ組成１種類の燃料
（スプリット配置は同じ）と比較した結果を表１に示
す。
のＰｕ組成を悪くし（Ｐｕｆ／Ｐｕ割合：小）、富化度
の高い燃料棒のＰｕ組成を良く（Ｐｕｆ／Ｐｕ割合：
大）したＰｕ組成２種類の燃料の特性を、燃料集合体平
均のＰｕｆ／Ｐｕ割合が等しいＰｕ組成１種類の燃料
（スプリット配置は同じ）と比較した結果を表１に示
す。
【００１６】
【表１】
【００１７】但し、表１に示すように高Ｐｕｆ／Ｐｕ燃
料のＰｕｆ／Ｐｕ割合は初装荷燃料を第１サイクルで取
り出した組成、低Ｐｕｆ／Ｐｕ燃料のＰｕｆ／Ｐｕ割合
は取替燃料を第４サイクルで取り出した組成にほぼ対応
している。この時の局所出力ピーキング係数の燃焼変化
を図２に、無限増倍率の燃焼変化を図３にそれぞれ示
す。これらの図によれば、Ｐｕ組成を２種類とすること
で、局所出力ピーキングは燃焼期間を通じて１〜４％、
サイクル初期（０ＧＷｄ／ｓｔ）の無限増倍率は１．２
％Δｋ程度低下し、Ｇｄ燃料棒の反応度価値が増加した
ことが判る。これはＧｄ燃料棒１本分程度に相当してい
る。
料のＰｕｆ／Ｐｕ割合は初装荷燃料を第１サイクルで取
り出した組成、低Ｐｕｆ／Ｐｕ燃料のＰｕｆ／Ｐｕ割合
は取替燃料を第４サイクルで取り出した組成にほぼ対応
している。この時の局所出力ピーキング係数の燃焼変化
を図２に、無限増倍率の燃焼変化を図３にそれぞれ示
す。これらの図によれば、Ｐｕ組成を２種類とすること
で、局所出力ピーキングは燃焼期間を通じて１〜４％、
サイクル初期（０ＧＷｄ／ｓｔ）の無限増倍率は１．２
％Δｋ程度低下し、Ｇｄ燃料棒の反応度価値が増加した
ことが判る。これはＧｄ燃料棒１本分程度に相当してい
る。
【００１８】
【表２】
【００１９】また、表２に示すように、両燃料のＰｕＯ
２富化度とＰｕｆ富化度のインベントリは４％程度削減
された。これは表２に示すように燃料集合体中央部のＰ
ｕｆ富化度に対して燃料集合体周辺部のＰｕｆ富化度の
比率が大きくなったことにより、燃焼期間を通じてイン
ポータンス（反応度価値）の高い燃料集合体周辺部での
出力が高くなり（図４参照）、その結果、反応度の利得
が得られたからである。
２富化度とＰｕｆ富化度のインベントリは４％程度削減
された。これは表２に示すように燃料集合体中央部のＰ
ｕｆ富化度に対して燃料集合体周辺部のＰｕｆ富化度の
比率が大きくなったことにより、燃焼期間を通じてイン
ポータンス（反応度価値）の高い燃料集合体周辺部での
出力が高くなり（図４参照）、その結果、反応度の利得
が得られたからである。
【００２０】図５は本発明に係る燃料集合体の第２実施
例を示し、この燃料集合体１ａはチャンネルボックス５
間のギャップ領域６が等間隔な「Ｃ格子」炉心で、局所
出力ピーキング係数を低下させるために、エネルギース
ペクトルの柔らかい周辺部の富化度を低く、スペクトル
の硬い中央部の富化度を高く設計してある。本実施例で
は燃料集合体周辺部のＭＯＸ燃料棒のＰｕｆ／Ｐｕ割合
を下げ、中央部の燃料棒のＰｕｆ／Ｐｕ割合を上げたＰ
ｕ組成２種類の燃料（表３参照）を作成した。
例を示し、この燃料集合体１ａはチャンネルボックス５
間のギャップ領域６が等間隔な「Ｃ格子」炉心で、局所
出力ピーキング係数を低下させるために、エネルギース
ペクトルの柔らかい周辺部の富化度を低く、スペクトル
の硬い中央部の富化度を高く設計してある。本実施例で
は燃料集合体周辺部のＭＯＸ燃料棒のＰｕｆ／Ｐｕ割合
を下げ、中央部の燃料棒のＰｕｆ／Ｐｕ割合を上げたＰ
ｕ組成２種類の燃料（表３参照）を作成した。
【００２１】
【表３】
【００２２】図６は局所出力ピーキング係数の燃焼変化
を示し、サイクル後半で１〜４％程度改善されている。
図７は無限増倍率の燃焼変化で、サイクル初期の無限増
倍率は１．３％Δｋ程度低下した。インベントリは２％
程度節約できた。なお、Ｃ格子炉心の燃料の方がＤ格子
炉心の燃料よりも局所出力ピーキング係数、無限増倍率
の改善の度合いが少ないのは、Ｃ格子炉心の方がもとも
とエネルギースペクトルの場所依存性が低かったからで
ある。その他の構成および作用は前記第１実施例と同一
であるのでその説明を省略する。
を示し、サイクル後半で１〜４％程度改善されている。
図７は無限増倍率の燃焼変化で、サイクル初期の無限増
倍率は１．３％Δｋ程度低下した。インベントリは２％
程度節約できた。なお、Ｃ格子炉心の燃料の方がＤ格子
炉心の燃料よりも局所出力ピーキング係数、無限増倍率
の改善の度合いが少ないのは、Ｃ格子炉心の方がもとも
とエネルギースペクトルの場所依存性が低かったからで
ある。その他の構成および作用は前記第１実施例と同一
であるのでその説明を省略する。
【００２３】なお、上記各実施例ではＰｕ組成を２種類
としたが、本発明ではこれに限らず３種類以上でもよ
い。
としたが、本発明ではこれに限らず３種類以上でもよ
い。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＭＯＸ燃料のＰｕｆ／Ｐｕ割合を、中性子のエネルギー
スペクトルが相対的に硬い燃料集合体中央部における燃
料棒では大きくし、且つ中性子のエネルギースペクトル
が相対的に柔らかい燃料集合体外周部における燃料棒で
は小さくすることにより、燃焼期間を通じて局所出力ピ
ーキング係数を低減し、サイクル初期のＧｄ燃料棒の反
応度価値を高めて、線出力密度の制限を満足させること
ができる。これと同時に燃料のインベントリを下げるこ
とができ、安全性および経済性を向上させることができ
るという効果を奏する。
ＭＯＸ燃料のＰｕｆ／Ｐｕ割合を、中性子のエネルギー
スペクトルが相対的に硬い燃料集合体中央部における燃
料棒では大きくし、且つ中性子のエネルギースペクトル
が相対的に柔らかい燃料集合体外周部における燃料棒で
は小さくすることにより、燃焼期間を通じて局所出力ピ
ーキング係数を低減し、サイクル初期のＧｄ燃料棒の反
応度価値を高めて、線出力密度の制限を満足させること
ができる。これと同時に燃料のインベントリを下げるこ
とができ、安全性および経済性を向上させることができ
るという効果を奏する。
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１実施例を示す横
断面図。
断面図。
【図２】図１における燃料集合体を装荷した場合の局所
出力ピーキング係数を示す図。
出力ピーキング係数を示す図。
【図３】図１における燃料集合体を装荷した場合の無限
増倍率を示す図。
増倍率を示す図。
【図４】低Ｐｕｆ／Ｐｕ燃料棒の平均出力の０％ボイド
状態での燃焼変化を示す図。
状態での燃焼変化を示す図。
【図５】本発明に係る燃料集合体の第２実施例を示す横
断面図。
断面図。
【図６】図５における燃料の場合の局所出力ピーキング
係数を示す図。
係数を示す図。
【図７】無限増倍率の０％ボイド状態での燃焼変化を示
す図。
す図。
【図８】従来のＭＯＸ燃料集合体を示す横断面図。
１ 燃料集合体 ４ ウオータロッド ５ チャンネルボックス ６ ギャップ領域 ７ 制御棒
Claims (1)
- 【請求項１】 複数の燃料棒を正方格子状に束ねて構成
し、横断面が正方格子状をなす沸騰水型原子炉用燃料集
合体において、ＭＯＸ燃料のＰｕｆ／Ｐｕ割合を、中性
子のエネルギースペクトルが相対的に硬い燃料集合体中
央部における燃料棒では大きくし、且つ中性子のエネル
ギースペクトルが相対的に柔らかい燃料集合体外周部に
おける燃料棒では小さくし、１つの燃料集合体を複数の
プルトニウム組成で構成したことを特徴とする沸騰水型
原子炉用燃料集合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03003754A JP3093289B2 (ja) | 1991-01-17 | 1991-01-17 | 沸騰水型原子炉用燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03003754A JP3093289B2 (ja) | 1991-01-17 | 1991-01-17 | 沸騰水型原子炉用燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04236393A JPH04236393A (ja) | 1992-08-25 |
| JP3093289B2 true JP3093289B2 (ja) | 2000-10-03 |
Family
ID=11565977
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03003754A Expired - Fee Related JP3093289B2 (ja) | 1991-01-17 | 1991-01-17 | 沸騰水型原子炉用燃料集合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3093289B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3318210B2 (ja) * | 1996-08-28 | 2002-08-26 | 株式会社日立製作所 | Ｍｏｘ燃料集合体及び炉心 |
| JP4526076B2 (ja) * | 2005-01-28 | 2010-08-18 | 原子燃料工業株式会社 | 軽水炉用燃料集合体群及びこれらを装荷した炉心 |
-
1991
- 1991-01-17 JP JP03003754A patent/JP3093289B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04236393A (ja) | 1992-08-25 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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