JP3241071B2

JP3241071B2 - 軽水炉炉心

Info

Publication number: JP3241071B2
Application number: JP32916691A
Authority: JP
Inventors: 正直森脇; 肇男青山; 亮司桝見; 練三竹田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 2001-12-25
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JPH05164874A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料親物質から核分裂
性物質への転換比の高い軽水冷却軽水減速原子炉等の軽
水炉炉心に係り、特にボイド係数を改善し安全余裕の大
きいウラン及びプルトニウム混合燃料充填燃料集合体を
装荷した軽水炉炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉の炉心では核分裂反応によりウラ
ン−２３５などの核分裂性生成物が消費されるが、一方
では、ウラン−２３８の中性子吸収によりプルトニウム
−２３９等の新たな核分裂性物質が生成される。使用済
燃料集合体取出時の核分裂性物質の生成率と核分裂性物
質の消費率の比を転換比と称するが、この転換比は通常
の軽水炉（軽水冷却軽水減速原子炉）では０．５程度で
ある。そこで、エネルギー源としてのウラン資源を節約
するために転換比を高めることが考えられている。

【０００３】特開平１−２２７９９３号公報には、核燃
料物質を充填した複数の燃料棒を燃料集合体平均での実
効的な水対燃料棒体積比が０．４以下になるように稠密
に配列した多数の燃料集合体を冷却材が流れる沸騰水型
原子炉の炉心に装荷することによって、転換比を１．０
近傍に高めることが提案されている。すなわち、その燃
料集合体によれば、消費したプルトニウム−２３９及び
ウラン−２３５などの核分裂性物質とほぼ同量の核分裂
性物質がプルトニウム−２３９等として得られる。従っ
て、この核分裂性プルトニウムを天然ウラン、または使
用済燃料の再処理で得られる回収ウラン、濃縮作業で得
られる劣化ウラン、微濃縮ウランのいずれか、またはこ
れらの混合物に富化せしめて、ウラン・プルトニウム混
合燃料となし、原子炉に装荷して燃焼させることができ
る。この燃焼によって、消費した核分裂性物質とほぼ同
量の核分裂性プルトニウムが再び得られる。この核分裂
性プルトニウムを用いて、再度、天然ウランなどの燃料
を富化し、ウラン・プルトニウム混合燃料となし、原子
炉に装荷して燃焼させる。このようなサイクルをくりか
えすことによりプルトニウムを有効に利用でき、ウラン
資源を節約できる。

【０００４】一般に、ウラン・プルトニウム混合燃料の
装荷方法は原子炉の炉心特性に影響を及ぼす。すなわ
ち、通常の沸騰水型原子炉のごとく炉心の実効的な水対
燃料体積比が２．０近傍で中性子スペクトルが軟らかい
場合には、ウラン・プルトニウム混合燃料のボイド係
数、すなわち減速材のボイド率変化に伴う反応度の変化
は濃縮ウラン燃料のボイド係数に比べて一層負側の値と
なるが、転換比を高めるため燃料を稠密配置として水対
燃料体積比を小さくするとボイド係数の絶対値が小さく
なる傾向があり、上記特開平１−２２７９９３号公報記
載の実効的な水対燃料体積比０．４の炉心ではボイド係
数が正の値となる。

【０００５】また、原子炉の異常な過渡変化時や事故時
の安全性は出力係数が指標として用いられるが、この出
力係数は単位出力変化時の反応度の変化割合を示す量
で、ボイド係数と温度変化による反応度の変化を示すド
ップラー係数の和である出力係数として表される。上記
公報記載の炉心ではボイド係数は正であるが出力係数は
負となり、安全上は支障がない。しかし、ボイド係数の
正の値を小さくする、または、負の値にすることは原子
炉安全性の余裕度を高める効果があり、望ましいことで
ある。

【０００６】このようなボイド係数の正の値を小さくす
る、または負にするための一つの手段として、炉心の直
径対高さの比を小さくすることにより炉心からの中性子
の漏れ量の変化を大きくする方法が知られている。炉心
のボイド係数は、ボイド率変化による中性子無限増倍率
の変化と中性子漏れ量の変化を合わせたものであるか
ら、上記のように炉心の直径対高さの比を小さくするこ
とにより中性子の漏れ易い炉心を構成すれば、ボイド率
が変化して中性子が増加しても、漏れる中性子量も増加
して無限増倍率の変化が抑制される。すなわち、ボイド
係数に対しては正の値を小さくする、または負にする効
果がある。しかし、中性子の漏れ易い炉心であるため定
常状態における中性子漏れ量が増大し、反応度が低下す
るという問題点がある。

【０００７】特願平２−０６１０１３号公報では、燃料
集合体における燃料有効長部の軸方向全長を２等分する
２領域の各領域における、重金属に対する核分裂性プル
トニウム重量比（以下単に富化度と言う場合がある）の
平均値を冷却材流れの上流側すなわち燃料集合体の下部
側に位置する領域の方が下流側よりも高くすることによ
って、上記問題点を解決しようとしている。この方法で
は、反応度を低下させることなしに、ボイド係数を低減
させることができる。しかし、これは炉心軸方向の富化
度分布のみ対象としており、ボイド係数を低減するため
の炉心の構成、すなわち燃料集合体の装荷方法について
は言及していない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、特開平
１−２２７９９３号公報に記載の炉心では転換比を１．
０近傍に高めることができ、また、ボイド係数は正であ
るが出力係数は負となり、安全上は支障がない。しか
し、前述のようにボイド係数の正の値をより小さくす
る、または、負の値にすることは原子炉安全性の余裕度
を高める効果があり望ましいことである。

【０００９】また、炉心の直径対高さの比を小さくする
ことにより炉心からの中性子の漏れ量の変化を大きくす
る方法によれば、ボイド係数の正の値を小さくする、ま
たは負にすることができるが、中性子の漏れ易い炉心で
あるため定常状態における中性子漏れ量が増大し、反応
度が低下するという問題点がある。

【００１０】さらに、特願平２−０６１０１３号公報に
記載の炉心では、反応度を低下させることなしに、ボイ
ド係数を低減させることができるが、炉心軸方向の富化
度分布のみ対象としており、ボイド係数を低減するため
の炉心の構成、すなわち燃料集合体の装荷方法について
は言及していない。

【００１１】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、燃料
集合体を適切に装荷することにより、反応度の低下を最
小にしながら、効果的にボイド係数を改善する軽水炉炉
心を提供することである。

【００１２】上記目的を達成するため、本発明の第１の
概念によれば、ウラン及びプルトニウム混合燃料からな
る燃料棒を、水対燃料体積比が０．４以下となるように
多数稠密に配列した燃料集合体により構成される軽水炉
炉心において、装荷時における重金属に対する核分裂性
プルトニウムの重量比が異なる２種類の燃料集合体によ
り構成される。また、本発明の第２の概念によれば、そ
のような軽水炉炉心において、炉心を中心から径方向に
燃料集合体体数が等しくなるように２つの領域に分割し
たとき、前記重量比が低い方の前記燃料集合体のうち、
前記２つの領域の内側の領域に装荷される体数が、前記
２つの領域の外側の領域に装荷される体数より多くなる
ように構成される。

【００１３】好ましくは、前記燃料集合体のうちの少な
くとも１種類は、前記重量比が３重量％から５重量％で
ある。

【００１４】

【００１５】

【００１６】また、上記目的を達成するため、本発明の
第３の概念によれば、上記軽水炉炉心において、炉心を
中心から径方向にそれぞれの燃料集合体体数が等しくな
るように３つの領域に分割して計算したとき、前記重量
比が高い方の燃料集合体のうち、前記３つの領域の最も
内側の領域に装荷される前記重量比が高い方の燃料集合
体の燃焼度の平均値が、そのすぐ外側の領域における前
記重量比が高い燃料集合体の燃焼度の平均値よりも高く
なるように構成される。

【００１７】上記第３の概念において、好ましくは、
前記重量比が低い方の燃料集合体が、前記重量比が高い
方の燃料集合体に径方向で隣接しかつ環状に装荷され
る。また、上記第１〜第３の概念において、好ましく
は、前記２種類の燃料集合体は、同時に装荷された燃料
集合体である。

【００１８】また、上記目的を達成するため、本発明の
第４の概念によれば、ウラン及びプルトニウム混合燃料
からなる燃料棒を、水対燃料体積比が０．４以下となる
ように多数稠密に配列した燃料集合体により構成される
軽水炉炉心において、重金属に対する核分裂性プルトニ
ウム重量比が異なる２種類の燃料集合体をほぼ同数、均
一に分散装荷して構成される。また、本発明の第５の概
念によれば、上記第１の概念の軽水炉炉心において、前
記炉心の内側領域を前記２種類の燃料集合体により構成
し、外側領域を前記２種類の燃料集合体のうち前記重量
比が高い方の燃料集合体のみで構成される。好ましく
は、前記内側領域を構成する燃料集合体体数が、前記内
側領域と外側領域を合わせた炉心全体を構成する燃料集
合体体数の７０％を占める。

【００１９】また、以上の本発明において、好ましく
は、前記重量比が低い方の燃料集合体が、前記重量比が
高い方の燃料集合体に隣接して均一に分散装荷されてい
る。また、好ましくは、前記重量比が低い方の燃料集合
体と前記重量比が高い方の燃料集合体が一様に装荷され
ている。

【００２０】

【作用】一般に、ウラン及びプルトニウム混合燃料の無
限増倍率は核分裂性プルトニウム富化度の増加にともな
いほぼ比例して増加するので、異なる富化度の燃料によ
り構成された領域の無限増倍率は、その異なる富化度の
平均値に等しい一様な富化度の燃料により構成された領
域の無限増倍率と等しくなる。これに対し、ウラン及び
プルトニウム混合燃料のボイド係数は核分裂性プルトニ
ウム富化度の増加にともない増加するものの比例関係に
はなく、富化度が増加するにともないボイド係数の増加
は緩やかになる。従って、一様な富化度の燃料により構
成された領域のボイド係数に比べ、それと同等の平均富
化度を持つ、異なる富化度の燃料により構成された領域
のボイド係数は低くなる。本発明の上記第１及び第４の
概念はこの原理に基づいており、核分裂性プルトニウム
富化度が異なる２種類の燃料集合体により軽水炉炉心を
構成することにより、反応度を低下させずにボイド係数
を低くすることができる。

【００２１】上記のように、２種類の異なる富化度を選
ぶとき、できるだけそれらの富化度の差が大きいこと
が、ボイド係数の低減に対して望ましいことは明らかで
あるが、あまり差が大きくなると富化度が高い方の燃料
集合体（以下、高富化度燃料集合体という）における出
力分担が増すため、転換比が低下したり、熱的余裕が減
少するなど炉心に悪影響を与える。本発明においては、
核分裂性プルトニウム富化度が３重量％から５重量％で
ある少なくとも１種類の燃料集合体を用いるので、適切
な富化度差をつけることができる。

【００２２】また、軽水炉炉心の燃料集合体の構成が同
一であったとしても、炉心内の中性子束分布の変化によ
って炉心の反応度は変化する。すなわち、減速材のボイ
ド率が変化したとき、無限増倍率の高い燃料において中
性子束が低くなり、無限増倍率の低い燃料において中性
子束が高くなれば、この炉心の反応度は低下する。本発
明の第２及び第５の概念は、上記第１の概念による作用
に加え、この原理を利用して、ボイド係数をさらに低減
させるものである。即ち、本発明の第２の概念では、軽
水炉炉心を中心から径方向に燃料集合体体数が等しくな
るように２つの領域に分割したとき、核分裂性プルトニ
ウム富化度が低い方の燃料集合体（以下、低富化度燃料
集合体という）のうち、２つの領域の内側の領域に装荷
される体数が、２つの領域の外側の領域に装荷される体
数より多くなるよう構成する。通常、減速材のボイド率
増大時には、炉心外周部からの中性子漏洩量が増加する
ため、炉心外周部での中性子束は相対的に低下し、炉心
内周部での中性子束は相対的に増大する。このため、本
発明では、炉心内側の領域に配置されている無限増倍率
の低い（富化度の低い）燃料集合体の中性子束が相対的
に増加し、炉心外側の領域に配置されている無限増倍率
の高い（富化度の高い）燃料の中性子束が低下し、これ
によりボイド率増大時の炉心の反応度の増加が抑制され
る。即ち、ボイド係数が低くなる。但し、ボイド率増大
時に各燃料の無限増倍率は高富化度の燃料では増加し、
低富化度の燃料では低下するので、内側の領域に低富化
度燃料集合体ばかりを入れてしまったのでは、そこでの
中性子束は下がってしまうことになる。従って、本発明
においては、内側の領域には高富化度燃料集合体も配置
し、このことを防いでおり、これによりボイド係数が実
質的に低減される。尚、この内側の領域での中性子束低
下の防止は、低富化度燃料集合体が、高富化度燃料集合
体に隣接して一様に装荷されることにより、より効果的
に達成される。本発明の第５の概念も同様である。

【００２３】転換比が１．０近傍となるように実効的な
水対燃料体積比が０．４以下としたウラン・プルトニウ
ム混合燃料においては、燃焼度が増加するにともないボ
イド係数は一様に増加する。本発明の第３の概念におい
ては、上記第１および第２の概念の作用に加え、この原
理に基づき内側の領域の低富化度燃料集合体での中性子
束をさらに増加させ、ボイド係数をさらに低くするもの
である。即ち、本発明の第３の概念では、中心から径方
向にそれぞれの燃料集合体体数が等しくなるように３つ
の領域に分割したとき、高富化度燃料集合体のうち、３
つの領域の最も内側の領域に装荷されるものの燃焼度の
平均値が、その外側の領域におけるものの燃焼度の平均
値よりも高くするので、ボイド率が増大したとき、最外
周の領域の中性子束は中性子漏洩により相対的に減少す
るのに加え、最内周領域のボイド係数がそのすぐ外側の
領域のボイド係数よりも高くなり、これにより最内周領
域の中性子束は相対的に増加する。このように無限増倍
率の低い低富化度燃料集合体が存在する炉心の内部領域
での中性子束が増加することにより、ボイド係数がさら
に効果的に低減する。この場合、低富化度燃料集合体
を、高富化度燃料集合体に隣接して一様に、または環状
に装荷することにより、第２の概念の作用と同様に、内
側の領域での中性子束の増大がより効果的に達成され
る。

【００２４】

【実施例】本発明の一実施例による軽水炉炉心について
図１〜４を参照しながら説明する。図１は本実施例によ
る炉心を構成する燃料集合体の横断面図であり、図２は
それにより構成される軽水炉炉心の横断面図である。

【００２５】本実施例の燃料集合体は転換比を１．０近
傍とするため、実効的な水対燃料体積比が０．４以下と
なるように稠密に配置された複数の燃料棒を含み、沸騰
水型の軽水冷却軽水減速原子炉（軽水炉）に装荷される
ものである。即ち、図１において、本実施例の炉心を構
成する燃料集合体１１は横断面六角形状をしており、チ
ャネルボックス１２と、六角稠密格子状に配置された１
５１本の燃料棒１３と、１８本の制御棒案内管１４とか
ら構成されている。燃料棒１３の外形は１１．８ｍｍ、
燃料棒間隔は１．３ｍｍで、燃料集合体内の幾何学的な
水対燃料体積比は０．５である。この配置では、例えば
ボイド率が２０％のときに実効的な水対燃料体積比は約
０．４となり、ボイド率５５％のときに水対燃料体積比
は０．２４となる。なお、その水対燃料体積比は燃料集
合体平均での値である。

【００２６】図２において、本実施例の軽水炉炉心１５
は上記燃料集合体１１を用いて構成されている。即ち、
軽水炉炉心１５は装荷時における重金属に対する核分裂
性プルトニウムの重量比、即ち富化度が異なる２種類の
燃料集合体１６，１７により構成されており、斜線を付
した一方の燃料集合体（低富化度燃料集合体）１６の富
化度は４重量％（以下重量％をｗｔ％と表す）で３９１
体、他方の燃料集合体（高富化度燃料集合体）１７の富
化度は９．５ｗｔ％で３９０体、合計７８１体を軽水炉
炉心１５内に六角格子状に配置しており、炉心内の平均
富化度は６．７５ｗｔ％である。

【００２７】本実施例において、反応度を減少させずに
ボイド係数を下げることができる原理について説明す
る。図３に高い転換比を目的として実効的な水対燃料体
積比を小なる値（一例として０．２４）に一定に保持し
た場合のウラン及びプルトニウム混合燃料の富化度に対
する無限増倍率、及びボイド係数の関係を示す。図３中
実線で示すように、無限増倍率は富化度の増加にともな
いほぼ比例して増加し、異なる富化度の燃料により構成
された領域の無限増倍率は、その異なる富化度の平均値
に等しい一様な富化度の燃料により構成された領域の無
限増倍率と等しくなる。これに対し、ウラン及びプルト
ニウム混合燃料のボイド係数は図３中破線で示すように
富化度の増加にともない増加するものの比例関係にはな
く、富化度が増加するにともないボイド係数の増加は緩
やかになる。従って、一様な富化度の燃料により構成さ
れた領域のボイド係数に比べ、それと同等の平均富化度
を持つ、異なる富化度の燃料により構成された領域のボ
イド係数は低くなる。その時の無限増倍率は前述の通り
同等であるので、富化度が異なる２種類の燃料集合体を
使用した場合には、反応度が減少することなくボイド係
数を下げることができる。

【００２８】上記の理由から、本実施例の軽水炉炉心１
５について考えた場合にも、富化度が異なる２種類の燃
料集合体１６，１７を装荷することにより、反応度を低
下させずに炉心のボイド係数を低減させることができ
る。ここで、２種類の異なる富化度を選ぶとき、できる
だけそれらの富化度の差が大きいことが、ボイド係数の
低減に対して望ましいことは明らかであるが、あまり差
が大きくなると高富化度燃料集合体における出力分担が
増すため、転換比が低下したり、熱的余裕が減少するな
ど炉心に悪影響を与える。従って、適切な富化度差をつ
けることが望ましく、低富化度燃料集合体としては３ｗ
ｔ％から５ｗｔ％の範囲の富化度を持つのが適当であ
り、この理由から本実施例では低富化度燃料集合体１６
の富化度は４ｗｔ％としている。

【００２９】本実施例による軽水炉炉心１５を、図４に
示すような炉心仕様とした場合、次のような結果が得ら
れた。本実施例と比較する例として、富化度が６．７５
ｗｔ％である１種類の燃料集合体により構成された軽水
炉炉心を用いた。尚、この比較用の軽水炉炉心では集合
体の富化度が１種類であること以外は本実施例の条件と
同一である。

【００３０】本実施例におけるボイド係数は、一種類の
燃料集合体により構成されている炉心に比べ０．０３％
ΔＫ／Ｋ／％ｖｏｉｄ小さくなり、反応度は０．９％Δ
Ｋ／Ｋ増大した。即ち、反応度を低下させることなく原
子炉炉心のボイド係数を改善（低減）することができ
た。２種類の燃料集合体により反応度がむしろ増加した
が、この理由は、反応度の高い高富化度燃料集合体１７
における中性子束が反応度の低い低富化度燃料集合体１
６における中性子束よりも高いために、炉心全体の反応
度を高めているためであると考えられる。

【００３１】本実施例によれば、富化度が異なる２種類
の燃料集合体１６，１７により軽水炉炉心を構成するこ
とによって、反応度を低下させることなく原子炉炉心の
ボイド係数を改善（低減）することができる。

【００３２】本発明の他の実施例による軽水炉炉心につ
いて図５を参照しながら説明する。図５は、本実施例に
よる軽水炉炉心１５Ａの横断面図である。図５におい
て、燃料集合体体数及び燃料集合体内の構成は図２に示
した実施例と同様である。この軽水炉炉心１５Ａは富化
度が異なる２種類の燃料集合体１６，１７により構成さ
れており、斜線を付した一方の燃料集合体（低富化度燃
料集合体）１６の富化度は４ｗｔ％で１６２体、他方の
燃料集合体（高富化度燃料集合体）１７の富化度は９．
５ｗｔ％で６１９体である。また、この軽水炉炉心１５
Ａは富化度が４ｗｔ％の低富化度燃料集合体１６と富化
度が９．５ｗｔ％の高富化度燃料集合体１７とから構成
された内側の領域と、富化度が９．５ｗｔ％の高富化度
燃料集合体１７のみから構成された外側の領域とからな
り、このうち内側の領域の燃料集合体体数は内側と外側
を合わせた炉心全体の燃料集合体体数の７０％であり、
かつ図示するように低富化度燃料集合体１６と高富化度
燃料集合体１７とが一様な配置で装荷されている。炉心
内の平均富化度は７．２ｗｔ％である。燃料集合体１
６，１７をこのように配置すると、炉心を燃料集合体体
数が等しくなるように中心から径方向に２つの領域に分
割したとき、内側の領域にある低富化度燃料集合体１６
の体数が外側の領域にある高富化度燃料集合体１６の体
数より多くなる。

【００３３】軽水炉炉心１５Ａにおいて、減速材のボイ
ド率が増大すると径方向の中性子漏洩量が増加するの
で、外側の領域の中性子束が相対的に減少し、内側の領
域の中性子束が相対的に増加する。内側の領域には無限
増倍率の低い４ｗｔ％の燃料集合体１６が配置されてい
るので、内側の領域の無限増倍率は外側の領域の無限増
倍率よりも低い。このため、ボイド率の増大時に無限増
倍率の相対的に低い内側の領域において中性子束が相対
的に増加するので、反応度の上昇を抑制する効果があ
る。但し、ボイド率増大時に各燃料の無限増倍率は高富
化度の燃料では増加し、低富化度の燃料では低下するの
で、内側の領域に低富化度燃料集合体１６ばかりを入れ
てしまったのでは、そこでの中性子束は下がってしまう
ことになる。従って、本実施例においては、内側の領域
には高富化度燃料集合体１７も配置し、このことを防い
でおり、これによりボイド係数が実質的に低減される。
尚、この内側の領域での中性子束低下の防止は、低富化
度燃料集合体１６が、高富化度燃料集合体１７に隣接し
て一様に装荷されることにより、より効果的に達成され
る。

【００３４】本実施例による軽水炉炉心１５Ａにおい
て、ボイド係数は、前述の比較例、即ち１種類の燃料集
合体（但し富化度は７．２ｗｔ％とした）により構成さ
れている炉心に比べ０．１２％ΔＫ／Ｋ／％ｖｏｉｄ小
さくなった。このように、低富化度燃料集合体１６を適
切な配置で装荷することにより、図２に示した実施例の
ように一様な配置で装荷する場合に比べ、図２の実施例
での作用に加え、上記作用が得られるので、ボイド係数
低減の効果が大きくなる。

【００３５】本発明のさらに他の実施例による軽水炉炉
心について図６を参照しながら説明する。図６は、本実
施例による軽水炉炉心１５Ｂの横断面図である。図６に
おいて、燃料集合体体数および燃料集合体構成は図２に
示した実施例と同様であり、また燃料集合体内の数字は
炉内滞在バッチ数を示している。この軽水炉炉心１５Ｂ
は富化度が異なる２種類の燃料集合体１６，１７により
構成されており、斜線を付した一方の燃料集合体（低富
化度燃料集合体）１６の富化度は４ｗｔ％で１６２体、
他方の燃料集合体（高富化度燃料集合体）１７の富化度
は９．５ｗｔ％で６１９体である。また、図５に示した
実施例と同様に、この軽水炉炉心１５Ｂは低富化度燃料
集合体１６と高富化度燃料集合体１７とから構成された
内側領域と、高富化度燃料集合体１７のみから構成され
た外側領域とからなり、内側領域の燃料集合体体数は内
側と外側を合わせた炉心全体の燃料集合体体数の７０％
で、図のように低富化度燃料集合体１６と高富化度燃料
集合体１７とが一様な配置で装荷されている。このう
ち、高富化度燃料集合体１７は、軽水炉炉心の中心から
径方向外側に向かって炉内滞在バッチ数が６、５、４、
３、２、１、７、８、９、１０の順に変化しており、内
側領域に着目してみると軽水炉炉心の中心に向かって燃
焼度が次第に高くなっている。低富化度燃料集合体１６
は逆に炉心中心から外側に向かって滞在バッチ数の低い
順に配置されている。高富化度燃料集合体１７をこのよ
うに配置すると、炉心をそれぞれの領域が含む燃料集合
体体数が等しくなるように中心から径方向に３つの領域
に分割したとき、最も内側の領域にある高富化度燃料集
合体１７の燃焼度の平均値がそのすぐ外側の領域にある
高富化度燃料集合体１７の燃焼度の平均値より高くな
る。

【００３６】本発明のさらに他の実施例による軽水炉炉
心について図６を参照しながら説明する。図６は、本実
施例による軽水炉炉心１５Ｂの横断面図である。図６に
おいて、燃料集合体体数および燃料集合体構成は図２に
示した実施例と同様であり、また燃料集合体内の数字は
炉内滞在バッチ数を示している。この軽水炉炉心１５Ｂ
は富化度が異なる２種類の燃料集合体１６，１７により
構成されており、斜線を付した一方の燃料集合体（低富
化度燃料集合体）１６の富化度は４ｗｔ％で１６２体、
他方の燃料集合体（高富化度燃料集合体）１７の富化度
は９．５ｗｔ％で６１９体である。また、図５に示した
実施例と同様に、この軽水炉炉心１５Ｂは低富化度燃料
集合体１６と高富化度燃料集合体１７とから構成された
内側領域と、高富化度燃料集合体１７のみから構成され
た外側領域とからなり、内側領域の燃料集合体体数は内
側と外側を合わせた炉心全体の燃料集合体体数の７０％
で、図のように低富化度燃料集合体１６と高富化度燃料
集合体１７とが一様な配置で装荷されている。このう
ち、高富化度燃料集合体１７は、軽水炉炉心の中心から
径方向外側に向かって炉内滞在バッチ数が６、５、４、
３、２、１、７、８、９、１０の順に変化しており、内
側領域に着目してみると軽水炉炉心の中心に向かって燃
焼度が次第に高くなっている。低富化度燃料集合体１６
は逆に炉心中心から外側に向かって滞在バッチ数の低い
順に配置されている。高富化度燃料集合体１７をこのよ
うに配置すると、炉心をそれぞれの領域が含む燃料集合
体体数が等しくなるように中心から径方向に３つの領域
に分割して計算したとき、最も内側の領域にある高富化
度燃料集合体１７の燃焼度の平均値がそのすぐ外側の領
域にある高富化度燃料集合体１７の燃焼度の平均値より
高くなる。

【００３７】転換比が１．０近傍となるように実効的な
水対燃料体積比が０．４以下としたウラン・プルトニウ
ム混合燃料においては、燃焼度が増加するにともないボ
イド係数は一様に増加する。従って、低富化度燃料集合
体１６と高富化度燃料集合体１７とから構成された内側
領域の高富化度燃料集合体１７のボイド係数は、高富化
度燃料集合体１７のみから構成された外側領域にある高
富化度燃料集合体１７のボイド係数より高くなり、ボイ
ド率が増加する際は内側領域の中性子束が相対的に増加
する。高富化度燃料集合体１７のみから構成された外側
領域のボイド係数は、低富化度燃料集合体１６と高富化
度燃料集合体１７とから構成された内側領域のボイド係
数に比べて高いが、ボイド率が増加する際には、中性子
漏洩により中性子束は相対的に低下する。このように、
ボイド率増加時に、無限増倍率の低い低富化度燃料集合
体１６が多く配置されている内側領域において中性子束
が増加するため、反応度の上昇がさらに抑制される。即
ち、ボイド係数がさらに低くなる。

【００３８】内側領域での中性子束をもっと増加させる
ためには、低富化度燃料集合体１６における流量をオリ
フィス径を小さくするなどして減少させることが有効で
ある。これにより、低富化度燃料集合体１６におけるボ
イド率変化量が他の集合体に比べ小さくなり、負のボイ
ド係数をもつ低富化度燃料集合体１６において中性子束
が減少する効果を抑えることができる。

【００３９】本実施例による軽水炉炉心１５Ｂにおい
て、ボイド係数は、前述の比較例、即ち１種類の燃料集
合体（但し富化度は７．２ｗｔ％とした）により構成さ
れている炉心に比べ０．１８％ΔＫ／Ｋ／％ｖｏｉｄ小
さくなった。このように、高富化度燃料集合体の燃焼度
を考慮して、適切な配置で装荷することにより、図２、
図５に示した実施例の作用に上記作用が加わり、ボイド
係数低減の効果が大きくなる。

【００４０】本実施例によれば、富化度が異なる２種類
の燃料集合体により軽水炉炉心を構成し、上記第１の領
域に低富化度燃料集合体を適切な配置、即ち一様な配置
で装荷し、さらに高富化度燃料集合体の燃焼度を考慮し
た適切な配置、即ち内側領域において軽水炉炉心の中心
に向かって燃焼度が高くなるような配置で装荷すること
により、図５に示した実施例に比べ、ボイド係数をさら
に改善（低減）することができる。

【００４１】本発明のさらに他の実施例による軽水炉炉
心について図７を参照しながら説明する。図７は、本実
施例による軽水炉炉心１５Ｃの横断面図である。図７に
おける軽水炉炉心１５Ｃの構成は、低富化度燃料集合体
１６が環状に装荷されていること以外は図６に示した軽
水炉炉心１５Ｂの構成と同一である。低富化度燃料集合
体１６はそれだけを多数かためて装荷すれば、その領域
でのボイド係数が負になるので、ボイド率増大時に、中
性子束が低下してしまい炉心の反応度を上げる要因とな
る。従って、低富化度燃料集合体１６を適切に配置す
る。図６に示した実施例はその一例であり、本実施例は
この点に関する他の例を示すものである。即ち、ボイド
係数の高い、即ち比較的燃焼度の高い高富化度燃料集合
体１７が低富化度燃料集合体１６に径方向で対面し、か
つ低富化度燃料集合体１６が環状に位置するように配置
することによっても同様の目的を達成できる。

【００４２】本実施例による軽水炉炉心１５Ｃにおい
て、ボイド係数は、前述の比較例、即ち１種類の燃料集
合体（但し富化度は７．２ｗｔ％とした）により構成さ
れている炉心に比べ０．１７％ΔＫ／Ｋ／％ｖｏｉｄ小
さくなった。このように、高富化度燃料集合体１７の燃
焼度を考慮して、適切な配置で装荷することにより、図
６に示した実施例と同様な効果が得られる。

【００４３】本実施例によれば、富化度が異なる２種類
の燃料集合体により軽水炉炉心を構成し、上記内側領域
に低富化度燃料集合体を適切な配置、即ち環状に装荷
し、さらに高富化度燃料集合体の燃焼度を考慮した適切
な配置、即ち上記内側領域において軽水炉炉心の中心か
ら径方向に向かって燃焼度が高くなるような配置で装荷
することにより、図６に示した実施例と同様な効果が得
られる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、装荷時における重金属
に対する核分裂性プルトニウムの重量比が異なる２種類
の燃料集合体により軽水炉炉心を構成するので、反応度
の低下を最小にしながら、効果的にボイド係数を改善す
ることができる。

【００４５】また、上記の構成に加え、炉心を燃料集合
体体数が等しくなるように中心から径方向に２つの領域
に分割したときに、内側の領域にある低富化度燃料集合
体の体数が外側の領域にある低富化度燃料集合体の体数
より多くなるように燃料集合体を配置するので、反応度
の低下を最小にしながら、さらにボイド係数改善の効果
を大きくすることができる。また、上記の構成に加え、
炉心の内側領域を２種類の燃料集合体により構成し、外
側領域を２種類の燃料集合体のうち重量比が高い方の燃
料集合体のみで構成することによっても、反応度の低下
を最小にしながら、さらにボイド係数改善の効果を大き
くすることができる。

【００４６】

【００４７】また、上記の構成に加え、炉心をそれぞれ
の領域が含む燃料集合体体数が等しくなるように中心か
ら径方向に３つの領域に分割したときに、最も内側の領
域にある高富化度燃料集合体の燃焼度の平均値がそのす
ぐ外側の領域にある高富化度燃料集合体の燃焼度の平均
値より高くなるように燃料集合体を配置するので、反応
度の低下を最小にしながら、ボイド係数改善の効果を一
層大きくすることができる。

【００４８】さらに、低富化度燃料集合体が、高富化度
燃料集合体に径方向で隣接しかつ環状になるように装荷
されるか、低富化度燃料集合体が、高富化度燃料集合体
に隣接して均一に分散装荷されるか、低富化度燃料集合
体と高富化度燃料集合体が一様に装荷されるので、ボイ
ド率増大時に、中性子束が低下することによる炉心の反
応度の上昇が防止でき、ボイド係数の実質的低減が可能
となる。

【００４９】従って、高転換比の軽水炉炉心を有する原
子炉の自己制御性の余裕を拡大し、安全性を向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による軽水炉炉心の燃料集合
体の断面図である。

【図２】本発明の一実施例による軽水炉炉心の断面図で
ある。

【図３】重金属に対するウラン及びプルトニウム混合燃
料の重量比に対する無限増倍率、及びボイド係数の関係
を示す図である。

【図４】本発明による軽水炉炉心の炉心仕様を示す図で
ある。

【図５】本発明の他の実施例による軽水炉炉心の断面図
である。

【図６】本発明のさらに他の実施例による軽水炉炉心の
断面図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例による軽水炉炉心の
断面図である。

【符号の説明】

１１燃料集合体１２チヤンネルボツクス１３ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料棒１４制御棒案内管１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ炉心１６低富化度燃料集合体１７高富化度燃料集合体

フロントページの続き (72)発明者竹田練三茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献特開平３−262993（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−73190（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−284492（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−38493（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−73191（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 5/12 GDL

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ウラン及びプルトニウム混合燃料からなる
燃料棒を、水対燃料体積比が０．４以下となるように多
数稠密に配列した燃料集合体により構成される軽水炉炉
心において、装荷時における重金属に対する核分裂性プルトニウムの
重量比が異なる２種類の燃料集合体を有し、炉心を中心から径方向に燃料集合体体数が等しくなるよ
うに２つの領域に分割したとき、前記重量比が低い方の
前記燃料集合体のうち、前記２つの領域の内側の領域に
装荷される体数が、前記２つの領域の外側の領域に装荷
される体数より多いことを特徴とする軽水炉炉心。
【請求項２】前記燃料集合体のうちの少なくとも１種類
は、前記重量比が３重量％から５重量％であることを特
徴とする請求項１記載の軽水炉炉心。
【請求項３】ウラン及びプルトニウム混合燃料からなる
燃料棒を、水対燃料体積比が０．４以下となるように多
数稠密に配列した燃料集合体により構成される軽水炉炉
心において、装荷時における重金属に対する核分裂性プルトニウムの
重量比が異なる２種類の燃料集合体を有し、炉心を中心から径方向にそれぞれの燃料集合体体数が等
しくなるように３つの領域に分割したとき、前記重量比
が高い方の燃料集合体のうち、前記３つの領域の最も内
側の領域に装荷される前記重量比が高い方の燃料集合体
の燃焼度の平均値が、そのすぐ外側の領域における前記
重量比が高い燃料集合体の燃焼度の平均値よりも高いこ
とを特徴とする軽水炉炉心。
【請求項４】前記重量比が低い方の燃料集合体が、前記
重量比が高い方の燃料集合体に径方向で隣接しかつ環状
に装荷されていることを特徴とする請求項３記載の軽水
炉炉心。
【請求項５】前記２種類の燃料集合体が、同時に装荷さ
れた燃料集合体であることを特徴とする請求項１から４
のうちいずれか１項記載の軽水炉炉心。
【請求項６】ウラン及びプルトニウム混合燃料からなる
燃料棒を、水対燃料体積比が０．４以下となるように多
数稠密に配列した燃料集合体により構成される軽水炉炉
心において、重金属に対する核分裂性プルトニウム重量比が異なる２
種類の燃料集合体をほぼ同数、均一に分散装荷して構成
したことを特徴とする軽水炉炉心。
【請求項７】ウラン及びプルトニウム混合燃料からなる
燃料棒を、水対燃料体積比が０．４以下となるように多
数稠密に配列した燃料集合体により構成される軽水炉炉
心において、重金属に対する核分裂性プルトニウム重量比が異なる２
種類の燃料集合体を有し、前記炉心の内側領域を前記２
種類の燃料集合体により構成し、外側領域を前記２種類
の燃料集合体のうち前記重量比が高い方の燃料集合体の
みで構成したことを特徴とする軽水炉炉心。
【請求項８】前記内側領域を構成する燃料集合体体数
が、前記内側領域と外側領域を合わせた炉心全体を構成
する燃料集合体体数の７０％を占めることを特徴とする
請求項７記載の軽水炉炉心。
【請求項９】前記重量比が低い方の燃料集合体が、前記
重量比が高い方の燃料集合体に隣接して均一に分散装荷
されていることを特徴とする請求項１，３，７，８のう
ちいづれか１項記載の軽水炉炉心。
【請求項１０】前記重量比が低い方の燃料集合体と前記
重量比が高い方の燃料集合体が一様に装荷されているこ
とを特徴とする請求項１，３，７，８のうちいづれか１
項記載の軽水炉炉心。