JP3175975B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽水炉である沸騰水型
原子炉および加圧水型原子炉で用いられる燃料集合体に
係り、特に軸方向有効長が異なる複数種類の燃料棒を有
する燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の炉心は、主として図４
に示すように、多数体の燃料集合体１、制御棒２および
核計装計の一つである局所出力領域モニタ３等によって
構成されている。燃料集合体１は、十字形にブレードが
組合わされた制御棒２の周りに４体が１組となるよう配
置されている。局所出力領域モニタ３は、炉心の径方向
には基本的に４本の制御棒２をとり囲む、すなわち、１
６体の燃料集合体１をとり囲む四角位置に配置されてい
る。

【０００３】燃料集合体１は、図５に示すように、多数
の燃料棒４およびウォータロッド５をスペーサ６によっ
て正方格子状に束ね、上下をタイプレート７、８により
固定している。さらにその外側は、チャンネルボックス
９によって覆われている。

【０００４】このように、従来の燃料集合体１は、全て
同一の長さを有する燃料棒４がチャンネルボックス９内
に配列されており、燃料棒４の上下端は、上下のタイプ
レート７、８の位置で固定されている。しかし、最近の
燃料の高燃焼度化に伴い炉心の核的または熱水力的特性
の低下を防止するため、燃料棒のうちの何本かは他の燃
料棒よりも短くする設計が考えられている。この短い燃
料棒を以下短尺燃料棒と呼ぶ。図６にこのような構造を
採用した燃料集合体１ａの例を示す。図６中、符号４ｓ
で示したものが短尺燃料棒である。

【０００５】本例での短尺燃料棒４ｓの燃料集合体１ａ
での配置位置を図７（ａ）に示す。図７（ａ）、（ｂ）
は図６に示した燃料集合体の一断面を模式的に表わした
ものである。この例は、９×９の格子状に燃料棒を配列
した燃料集合体の例であり、図６に示した短尺燃料棒４
ｓは、９×９の格子を３×３の格子に分割した際の中心
に位置する場所に８本配置されている。このため、図７
（ｂ）に示すように、燃料集合体１ａの上部では、この
８本の位置には短尺燃料棒４ｓが存在してないことにな
る。

【０００６】このように、短尺燃料棒４ｓを採用してい
る燃料集合体１ａでは、燃料棒４、４ｓ中の核燃料物質
量、例えばウラン量が軸方向で異なることになる。すな
わち、一部の燃料棒が存在していない軸方向上部では、
全ての燃料棒が詰まっている下部に比較して相対的にウ
ラン量が少ない。

【０００７】図８は、通常の長さの長尺燃料棒４および
短尺燃料４ｓの縦断面と、その有効長を示したものであ
る。これらの長尺燃料棒４と短尺燃料棒４ｓとは、構成
は同様であるが、長さが異なるだけである。

【０００８】すなわち、被覆管１０内に燃料ペレット１
１が装填され、被覆管１０の上下両端には端栓１２、１
３が設けられて密封し、上端の燃料ペレット１１と上部
端栓１２との間には、コイルばね１４が介在されてい
る。

【０００９】なお、以下において、有効長部とは燃料ペ
レット１１が装填されている領域をいう。また、軸方向
有効長の異なる燃料棒を装填した燃料集合体の有効長と
は、最も有効長の長い燃料棒の下端から上端までの領域
と定義する。

【００１０】図９は、短尺燃料棒４ｓを有しない従来の
燃料集合体１を原子炉の炉心に装荷した場合の、燃料集
合体１の軸方向出力分布形の一例を示すものである。

【００１１】この軸方向出力分布形は、燃料集合体１の
各軸方向位置における単位長さ当りの出力を、燃料集合
体１の平均的な単位長さ当りの出力で割った相対的な出
力値を示したものであるが、従来の燃料集合体１では、
どの軸方向位置においても同数の燃料棒４が配置されて
いるため、燃料棒単位の軸方向出力分布形も、図９に示
した燃料集合体１の軸方向出力分布形と、ほぼ同一の形
を有している。

【００１２】一方、図１０は、短尺燃料棒４ｓを有する
燃料集合体１ａを原子炉の炉心に装荷した場合の、燃料
集合体１ａの軸方向出力分布形の一例を示すものであ
り、図中に矢印Ａで示した位置が、短尺燃料棒４ｓの有
効長部の上端部を表わしている。

【００１３】この例では、短尺燃料棒４ｓの有効長部の
上端は、軸方向長さを２４分割したときに丁度下から１
５ノード目に位置している。また、短尺燃料棒４ｓを有
しているため、矢印Ａより上部の燃料棒の少ない燃料集
合体上部では、燃料集合体１ａの単位長さ当りの出力
が、矢印Ａの下部よりも相対的に小さくなっている。

【００１４】また、有効長の異なる燃料棒４、４ｓが混
在している燃料集合体１ａにおいては、短尺燃料棒４ｓ
の先端において、急に核燃料物質がなくなるため、核分
裂を引き起こす熱中性子の吸収が極端に減少する現象が
生じる。熱中性子の吸収が減少すると、この付近におけ
る熱中性子の量が多くなり、短尺燃料棒４ｓの先端近傍
の燃料ペレット１１において、核分裂反応が高まり出力
が高くなる。この短尺燃料４ｓの先端近傍で、局所的に
出力が高まる現象をパワースパイクと呼んでいる。

【００１５】図１１は、短尺燃料棒４ｓを有する燃料集
合体１ａにおける短尺燃料棒４ｓの軸方向出力分布形の
一例を示すものであり、図中に矢印Ｂで示す短尺燃料棒
４ｓの先端に、パワースパイクが発生している。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、短尺燃
料棒４ｓを有する燃料集合体１ａにおいては、短尺燃料
棒４ｓの先端にパワースパイクが発生し、スパイク量が
大きい場合には、局所的に燃料棒の健全性が阻害される
おそれがある。

【００１７】本発明は、このような点を考慮してなされ
たもので、短尺燃料棒先端のパワースパイクを軽減し、
健全性が充分に高く高燃焼度化を図ることができる燃料
集合体を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成する手段として、軸方向有効長が長い長尺燃料棒と、
軸方向有効長が短い短尺燃料棒とを、格子状に配列して
構成される燃料集合体において、前記短尺燃料棒内に装
填される燃料ペレットのうち、上端部近傍の燃料ペレッ
トの核分裂物質含有量を、端部近傍以外の燃料ペレット
の核分裂性物質含有量よりも小さくしたことを特徴とす
る。また本発明は、短尺燃料棒において、上端部のペレ
ット１個の核分裂性物質含有量を小さくしたことを特徴
としている。また本発明は、短尺燃料棒内に装填される
燃料ペレットのうち、上端部近傍の燃料ペレットの核分
裂性物質含有量を、端部近傍以外の燃料ペレットの核分
裂性物質含有量よりも１０％以上小さくしたことを特徴
としている。また本発明は、短尺燃料棒において、上端
部近傍のペレットの核分裂性物質含有量が、同一燃料集
合体中で使われている他の燃料棒中のペレットで使われ
ている核分裂性物質含有量と等しいことを特徴としてい
る。

【００１９】

【作用】本発明に係る燃料集合体においては、短尺燃料
棒内に装填される燃料ペレットのうち、上端部近傍の燃
料ペレットの核分裂性物質の含有量が、端部近傍以外の
燃料ペレットの核分裂性物質の含有量よりも小さくなっ
ているので、短尺燃料棒の先端近傍でのパワースパイク
による局所的な出力上昇を抑制することが可能となり、
燃料棒の健全性を高めることが可能となる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を図面を参照して説明する。

【００２１】なお、以下の説明においては、すべて濃縮
ウランを使用した燃料集合体を例に採って説明するた
め、核分裂性物質含有量は、すべてウラン２３５濃縮度
または単に濃縮度と称す。

【００２２】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施
例に係る燃料集合体を示すもので、この燃料集合体１ａ
は、図１（ａ）に示すように、燃料棒符号１、２、３、
４、Ｇで示す長尺燃料棒４と、燃料棒符号Ｐで示す短尺
燃料棒４ｓとを、チャンネルボックス９内に格子状に配
列し、その中央部にウォータロッド５を配して構成され
ている。

【００２３】核燃料棒４、４ｓは、図１（ｂ）に示すよ
うな濃縮度分布となっている。なお、燃料棒符号Ｇで示
す長尺燃料棒４は、可燃性毒物であるガドリニアを含有
する燃料棒であるが、そのガドリニア含有量は、本発明
とは直接関係ないので、図１（ｂ）では、その含有量に
記入していない。

【００２４】本発明の特徴である短尺燃料棒４ｓは、図
１（ａ）に示すように８本装荷されており、その濃縮度
は、図１（ｂ）に示すように、先端の一部を除き濃縮度
が４．２重量％で、先端はそれより小さい３．５重量％
となっている。

【００２５】図２は、この短尺燃料棒４ｓの詳細を示す
もので、この短尺燃料棒４ｓは、被覆管１０内に燃料ペ
レット１１を装填するとともに、被覆管１０の上下端部
を、端栓１２、１３によって密封した構造になってお
り、上端の燃料ペレット１１と上部端栓１２との間に
は、コイルばね１４が介装されている。そして、この短
尺燃料棒４ｓには、前述のように、その上端部に低濃縮
度の領域が設定されている。

【００２６】この低濃縮度の領域の長さは、図２に示す
ように、短尺燃料棒４ｓの有効長である約２３２cmのう
ち、先端約１cmであり、この長さは、燃料ペレット１１
の１個分に相当している。

【００２７】なお、この濃縮度３．５重量％の燃料ペレ
ット１１は、短尺燃料棒４ｓ用として特別に使用された
ものではなく、燃料集合体１ａの他の長尺燃料棒４、例
えば図１（ｂ）に燃料棒符号２、３で示す長尺燃料棒４
で使用される燃料ペレットと同一のものであり、これに
より燃料ペレット１１の製造上の簡素化が図られてい
る。

【００２８】燃料集合体１ａの有効長の長い長尺燃料棒
４は、図１（ａ）に示すように、チャンネルボックス９
内に６６本装荷されており、その有効長は、約３７１cm
に設定されている。また、燃料集合体１ａの平均の濃縮
度は、約３．６８重量％となるよう設定されている。

【００２９】図３は、本実施例に係る短尺燃料棒４ｓの
出力分布を、低濃縮度領域を設けない従来の短尺燃料棒
４ｓの出力分布と比較して示したもので、図中、実線グ
ラフＧ１が本実施例の出力分布を、また破線グラフＧ２
が従来の出力分布をそれぞれ示す。なお、図３において
は、短尺燃料棒４ｓの先端近傍の出力分布を詳細に示す
ため、短尺燃料棒４ｓの中間部分の出力分布は省略して
いる。

【００３０】図３からも明らかなように、従来の場合
は、先端部分に約１cmの範囲で、中央部分よりも相対的
に約１０％高いパワースパイクが発生しているが、本実
施例の場合には、先端部分のピークの出力は約２０％低
減しており、かつこの低濃度ペレットには、パワースパ
イクがほとんど現われていないことが判る。しかも、８
本の短尺燃料棒４ｓの先端１cmを、濃縮度４．２重量％
から濃縮度３．５重量％に低下させたことによる燃料集
合体１ａの平均の濃縮度低下量は、約０．０００２重量
％であり、燃料集合体１ａの反応度損失、ひいては炉心
の反応度損失は、無視し得る程度に小さい。

【００３１】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。

【００３２】以下に示す表１は、本発明の第２実施例、
第３実施例および第４実施例に係る短尺燃料棒の濃度分
布をそれぞれ示すもので、短尺燃料棒の先端の濃縮度分
布設計のみが、前記第１実施例に係る短尺燃料棒４ｓと
異なっている。また、前記各実施例における燃料集合体
の他の構成は、前記第１実施例と同一である。

【００３３】

【表１】 表１の第２実施例は、第１実施例と低濃度領域の濃縮度
は３．５重量％で等しいが、その領域の長さを約１５cm
に設定したものである。また、第３実施例および第４実
施例は、低濃縮度領域に、ウラン２３５の含有量が０．
７１重量％の天然ウランを配置したものである。

【００３４】ここで、第２実施例および第４実施例にお
いては、低濃縮度領域の長さを約１５cmとしているが、
この約１５cmという長さは、軽水炉における高速中性子
の平均移動距離に相当する。一般に、軽水炉において
は、この距離を炉心特性計算の基本単位としている。し
たがって、低濃縮度領域の長さを約１５cmとすることに
より、従来の炉心特性計算の手法を変えることなく、低
濃縮度領域の存在を考慮した炉心特性計算が可能とな
る。

【００３５】ところで、短尺燃料棒先端近傍のパワース
パイクの高さは、短尺燃料棒の濃縮度の大きさにもよる
が、約１０％程度である。したがって、先端の濃縮度を
中央部分よりも約１０％以上低くすれば、パワースパイ
クを、実質的に問題ない大きさに抑制することができ
る。その意味では、前記第１〜第４のいずれの実施例に
係る短尺燃料棒も、パワースパイクを充分に抑制するこ
とができる。

【００３６】一方、低濃縮度領域の濃縮度は、できるだ
け高いほど、またその領域長さが短いほど、燃料集合体
平均濃度の低下量を小さくでき、反応度損失を小さくす
ることができる。

【００３７】また、炉心特性計算手法の観点からは、低
濃縮度領域の長さを約１５cmとすることが望ましいが、
それより短い長さとする場合には、燃料ペレットの長さ
で調節できる範囲で最も小さい約１cmとすることが望ま
しい。なぜならば、約１cmとすることにより、炉心特性
計算の基本長さ１５cmの中で割合を最小にすることがで
き、炉心特性計算においては、この１cm低濃縮度領域を
無視し、１５cmの領域全てが高濃縮度燃料ペレットが装
填されているとして計算したとしても、計算結果への影
響をほとんど無視できるからである。

【００３８】元来、約１５cmを基本単位とするような計
算方法では、パワースパイクのような非常に局所的な範
囲で発生する出力のピーク値は、計算結果に現われてく
ることはなく、計算メッシュ点をさらに細分化した計算
によって、パワースパイクの発生が確認できる。しかし
ながら、炉心特性計算において、このような細分化メッ
シュで計算することは、計算時間が膨大となって得策で
はない。

【００３９】そこで、本発明のように、短尺燃料棒の先
端の濃縮度を低下させておけば、パワースパイクの問題
は克服できるので、従来通りの計算手法で特性評価を行
なっても、何等問題がない。

【００４０】したがって、先端の低濃度領域を、従来の
炉心特性計算手法で取扱うことができる長さである約１
５cmであるか、あるいは計算誤差を発生させない最小長
さの１cmとすることに意味がある。

【００４１】なお、その中間の長さであっても、本来の
目的であるパワースパイクの低減効果は充分に得られる
ので、計算手法上の問題は残るものの、計算上の構成と
しては有効である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、短尺燃料
棒の上端部近傍の燃料ペレットの核分裂性物質含有量
を、端部近傍以外の燃料ペレットの核分裂性物質含有量
よりも小さくしているので、短尺燃料棒先端のパワース
パイクを抑制し、短尺燃料棒の機械的健全性を著しく高
めることができ、健全性が高い高燃焼度対応の燃料集合
体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の第１実施例に係る燃料集合
体の横断面図、（ｂ）は、（ａ）に示した燃料棒符号に
対応する各燃料棒の濃縮度分布を示す説明図。

【図２】図１に示す短尺燃料棒の詳細を示す断面図。

【図３】図２に示す短尺燃料棒の出力分布を従来の短尺
燃料棒の出力分布と比較して示すグラフ。

【図４】炉心を概略的に示す平面図。

【図５】同一の長さを有する燃料棒のみで構成される従
来の燃料集合体を示す部分断面図。

【図６】長尺燃料棒と短尺燃料棒とを有する従来の燃料
集合体を示す部分断面図。

【図７】（ａ）は図６の燃料集合体の短尺燃料棒が配置
されている部分の構成を示す横断面図、（ｂ）は同様の
短尺燃料棒が配置されていない部分の構成を示す横断面
図。

【図８】長尺燃料棒と短尺燃料棒の内部構造を比較して
示す説明図。

【図９】図５に示す燃料集合体の軸方向出力分布を示す
グラフ。

【図１０】図６に示す燃料集合体の軸方向出力分布を示
すグラフ。

【図１１】短尺燃料棒の出力分布を示すグラフ。

【符号の説明】

１ａ 燃料集合体 ４ 長尺燃料棒 ４ｓ 短尺燃料棒 ５ ウォータロッド ９ チャンネルボックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/30

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向有効長が長い長尺燃料棒と、軸方向
   有効長が短い短尺燃料棒とを、格子状に配列して構成さ
   れる燃料集合体において、前記短尺燃料棒内に装填され
   る燃料ペレットのうち、上端部近傍の燃料ペレットの核
   分裂物質含有量を、端部近傍以外の燃料ペレットの核分
   裂性物質含有量よりも小さくしたことを特徴とする燃料
   集合体。
2. 【請求項２】短尺燃料棒において、上端部のペレット１
   個の核分裂性物質含有量を小さくしたことを特徴とする
   請求項１記載の燃料集合体。
3. 【請求項３】短尺燃料棒内に装填される燃料ペレットの
   うち、上端部近傍の燃料ペレットの核分裂性物質含有量
   を、端部近傍以外の燃料ペレットの核分裂性物質含有量
   よりも１０％以上小さくしたことを特徴とする請求項１
   記載の燃料集合体。
4. 【請求項４】短尺燃料棒において、上端部近傍のペレッ
   トの核分裂性物質含有量が、同一燃料集合体中で使われ
   ている他の燃料棒中のペレットで使われている核分裂性
   物質含有量と等しいことを特徴とする請求項１ないし３
   記載の燃料集合体。