JP3117207B2 - 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、経済性と安全性の
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の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
下部よりも大きくし、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。

（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より早く
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、燃料度分
布によって上方ピークなる傾向がますます強まる。この
よう燃料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。

ここで、サイクル末期の出力分布を十分上方ピークと
するために燃料上部の濃縮度をさらに高めると、原子炉
停止時における未臨界度の指標である炉停止余裕が減少
する。すなわち、冷温時の中性子束分布は上方ピークで
あるため、燃料上部の濃縮度を高めるとさらに上方ピー
クとなり、その結果冷温時の反応度が増大し炉停止余裕
が減少するのである。

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、炉停止余裕を減少させることなく、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、サイクル末期で上ピークとなる運転を可能にし燃料
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
焼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、上部領域と下部領域とで核分裂性物質濃度の異
なる複数の燃料棒を具備し、燃料集合体断面平均の核分
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
実質的に低く設定され、燃料集合体断面平均の核分裂性
物質濃度が前記上部領域よりも高い領域は前記上部領域
の下方にのみ存在するとともに、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
設定する。

また、燃料集合体全長から軸方向上端部を含む領域お
よび軸方向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、燃料集合体断面平均の核分裂性物
質濃度は前記下部領域よりも前記上部領域の方が低く設
定され、燃料集合体断面平均の核分裂性物質濃度が前記
上部領域よりも高い領域は前記上部領域の下方にのみ存
在するとともに、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設定されてなる
ように設定する。

（作用） 燃料上部の方が下部よりも濃縮度が低いため反応度が
低くなるので、出力分布を十分下方ピークとすることが
できる。ただし、下方ピークで燃焼すると下部の燃焼度
が上部よりも早く進むために下部の反応度が早く低下す
るので、濃縮度分布ほどには反応度差が生じない。そこ
で、可燃性毒物を含む燃料棒の本数を上部で多くするこ
とによって、特に燃焼初期から中期にかけて出力分布を
下方ピークとすることができる。さらに、燃料上部の方
が下部よりも濃縮度が低いので、特にサイクル末期にお
いて出力分布が上方ピークとなっても炉停止余裕を減少
させずにすますことができる。

（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3.09wt％、
ガドリニア入り燃料棒の本数は７本、ガドリニア濃度は
2.5wt％であり、下部の平均濃縮度は3.35wt％、ガドリ
ニア入り燃料棒の本数は５本、ガドリニア濃度は2.5wt
％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。濃縮度差およびガドリニア入り燃料棒本数の差に
より下部の無限増倍率が上部よりも大きい。

比較のための従来例として、特開昭58−196483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、ガドリニア入り燃料
棒本数およびガドリニア濃度は同一で、濃縮度が上下で
反転したものである。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。本燃料ではガドリニアが燃え尽きる燃焼
度の少し前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。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、サイクル初期から末期直
前まで上下反応度差が小さいので出力分布が下方ピーク
になる。第６図は炉心平均ボイド率である。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、サイクル初期から末期直前までボイド率が高
く（すなわち下方ピーク）なっていることがわかる。

第５図および第６図では、本発明の実施例と従来例と
でサイクル末期の特性はあまり変わらない。しかしなが
ら、運転中には本実施例の方が従来例よりも下方ピーク
で運転しているので、この間、燃料上部においてウラン
235の減損をより抑制しかつプルトニウムをより多く蓄
積している。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で、サイクル末期の実行増倍率
が約0.3％Δｋ増大している。

本実施例ではガドリニア濃度を上下で等しくしたが、
これを上下で異ならせてもよい。すなわち、サイクル中
期において極端に下方ピークとなっている場合には、下
部のガドリニア濃度を上部よりも濃くすることによって
下方ピークを緩和できるし、逆に、出力ピーキングに十
分余裕がある場合には、上部のガドリニア濃度を下部よ
りも濃くすることによって特にサイクル中期においてよ
り一層下方ピークにすることができる。

本発明の第２の実施例を第７図に示す。この燃料は取
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1/12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、平均濃縮度が
0.4wt％低く、ガドリニア入り燃料棒の本数は４本多
く、その燃料棒のガドリニア濃度は1.0wt％低い。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。さらに、燃料上部の濃縮度を下部よりも低くしてあ
るので炉停止余裕も改善できる。これらの効果によっ
て、安全性を損なうこと無く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

Claims (2)

(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、上部領域と下部領域とで
   核分裂性物質濃度の異なる複数の燃料棒を具備し、燃料
   集合体断面平均の核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実質的に低く設定され、燃料集合
   体断面平均の核分裂性物質濃度が前記上部領域よりも高
   い領域は前記上部領域の下方にのみ存在するとともに、
   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設定されてなることを特徴とする
   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軸方向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、燃料集合体
   断面平均の核分裂性物質濃度は前記下部領域よりも前記
   上部領域の方が低く設定され、燃料集合体断面平均の核
   分裂性物質濃度が前記上部領域よりも高い領域は前記上
   部領域の下方にのみ存在するとともに、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
   が多く設定されてなることを特徴とする沸騰水型原子炉
   用燃料集合体。