JP3262022B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- 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】
【発明の属する技術分野】本発明は沸騰水型原子炉用の
燃料集合体に係り、特に高燃焼度化を図るのに好適な燃
料集合体に関する。
燃料集合体に係り、特に高燃焼度化を図るのに好適な燃
料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】単位重量当たりのウランから発生するエ
ネルギーを増大させることによって燃料経済性を改善す
る、いわゆる高燃焼度化炉心の開発が進んでいる。近年
の原子炉用燃料集合体は、その上下端部に天然ウランブ
ランケットを有している。この天然ウランブランケット
は、以下に示す効果により燃料経済性を高めることが可
能である。
ネルギーを増大させることによって燃料経済性を改善す
る、いわゆる高燃焼度化炉心の開発が進んでいる。近年
の原子炉用燃料集合体は、その上下端部に天然ウランブ
ランケットを有している。この天然ウランブランケット
は、以下に示す効果により燃料経済性を高めることが可
能である。
【０００３】(１)上下端部出力を下げることによって上
下方向への中性子の漏れを抑えることができるため、中
性子経済性が向上する。
下方向への中性子の漏れを抑えることができるため、中
性子経済性が向上する。
【０００４】(２)上下端の天然ウランブランケット部に
可燃性毒物が含まれていないため、端部での可燃性毒物
の燃え残りがなく中性子経済性が向上する。
可燃性毒物が含まれていないため、端部での可燃性毒物
の燃え残りがなく中性子経済性が向上する。
【０００５】例えば、特開昭59-38684号公報には、燃料
有効長のうち上端部１／１２，下端部１／２４を天然ウ
ランブランケットとした構成が記載されている。また、
燃料集合体中に含まれる核分裂性物質量が一定の条件下
で、天然ウランブランケットを用いた場合と天然ウラン
ブランケットを用いない場合とを比較すると、天然ウラ
ンブランケットを上下端部に配置することにより、約７
％の燃料経済性向上効果があることが同公報に記載され
ている。
有効長のうち上端部１／１２，下端部１／２４を天然ウ
ランブランケットとした構成が記載されている。また、
燃料集合体中に含まれる核分裂性物質量が一定の条件下
で、天然ウランブランケットを用いた場合と天然ウラン
ブランケットを用いない場合とを比較すると、天然ウラ
ンブランケットを上下端部に配置することにより、約７
％の燃料経済性向上効果があることが同公報に記載され
ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、更なる高燃焼
度化を目指すに際して、従来の天然ウランブランケット
は、次に挙げるような問題点を有する。
度化を目指すに際して、従来の天然ウランブランケット
は、次に挙げるような問題点を有する。
【０００７】(１)天然ウランブランケットを炉心上下端
部に配置すると、炉心上下端部出力が低下し、炉心中央
部の軸方向出力ピーキングが増加する。高燃焼度化燃料
の熱的余裕を確保するうえで、天然ウランブランケット
の使用は不利である。
部に配置すると、炉心上下端部出力が低下し、炉心中央
部の軸方向出力ピーキングが増加する。高燃焼度化燃料
の熱的余裕を確保するうえで、天然ウランブランケット
の使用は不利である。
【０００８】(２)高燃焼度化を達成するためには燃料集
合体平均濃縮度を上げる必要があるが、使用できるペレ
ット濃縮度に上限値がある現在、天然ウランブランケッ
ト領域を設けると燃料集合体平均濃縮度が下がり、高燃
焼度化が難しくなる。
合体平均濃縮度を上げる必要があるが、使用できるペレ
ット濃縮度に上限値がある現在、天然ウランブランケッ
ト領域を設けると燃料集合体平均濃縮度が下がり、高燃
焼度化が難しくなる。
【０００９】本発明の目的は、天然ウランブランケット
を有する従来の燃料集合体に比べて、燃料経済性をほぼ
維持しつつ、取出燃焼度の増大及び熱的余裕の改善を実
現可能な燃料集合体を提供することにある。
を有する従来の燃料集合体に比べて、燃料経済性をほぼ
維持しつつ、取出燃焼度の増大及び熱的余裕の改善を実
現可能な燃料集合体を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、核分裂性物質を含み可燃性毒物を含まな
い複数の第１燃料棒と、核分裂性物質及び可燃性毒物を
含む複数の第２燃料棒とを有する燃料集合体において、
前記燃料集合体は可燃性毒物を含まない領域を燃料有効
部の上端または下端の少なくとも一方に有し、該可燃性
毒物を含まない領域の横断面平均核分裂性物質濃度が
３.０ｗｔ％ 以下であり、前記可燃性毒物を含まない領
域のうち、上端または下端の少なくとも一方の領域の横
断面平均核分裂性物質濃度が１.４ｗｔ％ 以上であり、
ｅm を可燃性毒物を含む領域の平均核分裂性物質濃度、
ｅb を可燃性毒物を含まない領域の平均核分裂性物質濃
度、ｅn を天然ウランの平均核分裂性物質濃度とすると
き、燃料有効部内に占める可燃性毒物を含まない領域の
軸方向長さの割合Ｌが、 Ｌ＜（ｅm−ｅn）／（１２（ｅm−ｅb）） の関係を満たすように構成する。
に、本発明は、核分裂性物質を含み可燃性毒物を含まな
い複数の第１燃料棒と、核分裂性物質及び可燃性毒物を
含む複数の第２燃料棒とを有する燃料集合体において、
前記燃料集合体は可燃性毒物を含まない領域を燃料有効
部の上端または下端の少なくとも一方に有し、該可燃性
毒物を含まない領域の横断面平均核分裂性物質濃度が
３.０ｗｔ％ 以下であり、前記可燃性毒物を含まない領
域のうち、上端または下端の少なくとも一方の領域の横
断面平均核分裂性物質濃度が１.４ｗｔ％ 以上であり、
ｅm を可燃性毒物を含む領域の平均核分裂性物質濃度、
ｅb を可燃性毒物を含まない領域の平均核分裂性物質濃
度、ｅn を天然ウランの平均核分裂性物質濃度とすると
き、燃料有効部内に占める可燃性毒物を含まない領域の
軸方向長さの割合Ｌが、 Ｌ＜（ｅm−ｅn）／（１２（ｅm−ｅb）） の関係を満たすように構成する。
【００１１】従来の天然ウランブランケットを有する図
２に示すような燃料集合体の持つ課題を解決するため、
発明者らは図３に示すような燃料集合体を想定して上端
部又は下端部構造を見直し、これらの領域に可燃性毒物
を含まない濃縮ウラン燃料を使用するケースについて定
量的に検討した。その結果、以下の知見が得られた。 (１)熱的余裕は可燃性毒物を含まない領域である上下端
部の平均ウラン濃縮度を高めるにつれて向上する。図４
に示すように、軸方向出力ピーキングは、上下端部の平
均ウラン濃縮度が０.７ｗｔ％ から２.０ｗｔ％ になる
まで大きく減少し、上下端部の平均ウラン濃縮度をそれ
以上増加させても大きな変化は見られない。
２に示すような燃料集合体の持つ課題を解決するため、
発明者らは図３に示すような燃料集合体を想定して上端
部又は下端部構造を見直し、これらの領域に可燃性毒物
を含まない濃縮ウラン燃料を使用するケースについて定
量的に検討した。その結果、以下の知見が得られた。 (１)熱的余裕は可燃性毒物を含まない領域である上下端
部の平均ウラン濃縮度を高めるにつれて向上する。図４
に示すように、軸方向出力ピーキングは、上下端部の平
均ウラン濃縮度が０.７ｗｔ％ から２.０ｗｔ％ になる
まで大きく減少し、上下端部の平均ウラン濃縮度をそれ
以上増加させても大きな変化は見られない。
【００１２】(２)反応度利得は可燃性毒物を含まない領
域である上下端部の平均ウラン濃縮度を高めるにつれて
減少傾向を示す。しかし、燃料集合体平均ウラン濃縮度
が４.０ｗｔ％ 程度の場合、図５に示すように、可燃性
毒物を含まない領域の平均ウラン濃縮度が２.０ｗｔ％
程度であれば反応度損失は比較的小さい。
域である上下端部の平均ウラン濃縮度を高めるにつれて
減少傾向を示す。しかし、燃料集合体平均ウラン濃縮度
が４.０ｗｔ％ 程度の場合、図５に示すように、可燃性
毒物を含まない領域の平均ウラン濃縮度が２.０ｗｔ％
程度であれば反応度損失は比較的小さい。
【００１３】(３)貯蔵中の燃料集合体の未臨界度を確保
するため、燃料集合体の各横断面の冷温時中性子無限増
倍率は１.３ を上限に定められている。水対燃料体積比
が３程度の場合について、横断面平均濃縮度と無限増倍
率の関係を検討した結果、図６に示すように、横断面平
均濃縮度が３ｗｔ％ 以下であれば未臨界度を確保でき
ることがわかった。
するため、燃料集合体の各横断面の冷温時中性子無限増
倍率は１.３ を上限に定められている。水対燃料体積比
が３程度の場合について、横断面平均濃縮度と無限増倍
率の関係を検討した結果、図６に示すように、横断面平
均濃縮度が３ｗｔ％ 以下であれば未臨界度を確保でき
ることがわかった。
【００１４】発明者らはこれらの新知見と、従来から知
られている２つの知見 (４)可燃性毒物を含まない領域に可燃性毒物を添加する
と反応度損失が生じる。 (５)燃料集合体平均濃縮度を増加させると取出燃焼度が
増加する。
られている２つの知見 (４)可燃性毒物を含まない領域に可燃性毒物を添加する
と反応度損失が生じる。 (５)燃料集合体平均濃縮度を増加させると取出燃焼度が
増加する。
【００１５】を踏まえ、本発明の燃料集合体構成が高燃
焼度化に有効であることを見出した。即ち、本発明の燃
料集合体を採用することにより、従来の燃料集合体に比
べて以下の５つの効果が得られる。
焼度化に有効であることを見出した。即ち、本発明の燃
料集合体を採用することにより、従来の燃料集合体に比
べて以下の５つの効果が得られる。
【００１６】(１)可燃性毒物を含まない領域である上端
部又は下端部の平均濃縮度を天然ウランの平均濃縮度よ
り高くすることにより、軸方向出力ピーキングを減少し
て熱的余裕を改善することができる。特に、上端部又は
下端部に対する平均濃縮度の下限値として１.４ｗｔ％
を適用すると、軸方向出力ピーキングの改善効果が大き
くなることが図４から読み取れる。
部又は下端部の平均濃縮度を天然ウランの平均濃縮度よ
り高くすることにより、軸方向出力ピーキングを減少し
て熱的余裕を改善することができる。特に、上端部又は
下端部に対する平均濃縮度の下限値として１.４ｗｔ％
を適用すると、軸方向出力ピーキングの改善効果が大き
くなることが図４から読み取れる。
【００１７】(２)上端部又は下端部の平均濃縮度を天然
ウランの平均濃縮度より高くすると、反応度利得は減少
傾向にあるが、横断面平均濃縮度が３ｗｔ％以下の範囲
においてはその損失は比較的小さい。
ウランの平均濃縮度より高くすると、反応度利得は減少
傾向にあるが、横断面平均濃縮度が３ｗｔ％以下の範囲
においてはその損失は比較的小さい。
【００１８】(３)可燃性毒物が含まれない領域の横断面
平均濃縮度を３ｗｔ％以下とすることで、本発明の燃料
集合体の貯蔵中の未臨界度は確保される。
平均濃縮度を３ｗｔ％以下とすることで、本発明の燃料
集合体の貯蔵中の未臨界度は確保される。
【００１９】(４)可燃性毒物を含まない上下端部を採用
しているため、この領域において可燃性毒物による反応
度損失がない。
しているため、この領域において可燃性毒物による反応
度損失がない。
【００２０】(５)以下に示すように、燃料有効長に占め
る可燃性毒物を含まない領域の長さの割合Ｌを数５の範
囲内に設定することにより、本発明の燃料集合体の平均
核分裂性物質濃度が従来の燃料集合体の平均核分裂性物
質濃度より大きくなるので、取出燃焼度を増大させるこ
とができる。
る可燃性毒物を含まない領域の長さの割合Ｌを数５の範
囲内に設定することにより、本発明の燃料集合体の平均
核分裂性物質濃度が従来の燃料集合体の平均核分裂性物
質濃度より大きくなるので、取出燃焼度を増大させるこ
とができる。
【００２１】図２に示す従来の燃料集合体の平均核分裂
性物質濃度は、次式で表される。
性物質濃度は、次式で表される。
【００２２】
【数１】 （２ｅn＋２２ｅm）／２４ …（数１） ここで、ｅm は中央部の平均核分裂性物質濃度、ｅn は
上下端部の天然ウランブランケットの平均核分裂性物質
濃度（＝０.７１１ｗｔ％ ）である。
上下端部の天然ウランブランケットの平均核分裂性物質
濃度（＝０.７１１ｗｔ％ ）である。
【００２３】一方、図３に示す本発明の燃料集合体の可
燃性毒物を含まない領域の平均核分裂性物質濃度ｅb 及
び燃料有効長に占める長さの割合Ｌは、次式で表され
る。
燃性毒物を含まない領域の平均核分裂性物質濃度ｅb 及
び燃料有効長に占める長さの割合Ｌは、次式で表され
る。
【００２４】
【数２】 ｅb＝（ｅb1×Ｌ1＋ｅb2×Ｌ2）／（Ｌ1＋Ｌ2） Ｌ＝Ｌ1＋Ｌ2 …（数２） ここで、ｅb1及びｅb2は、それぞれ上端部及び下端部の
領域の平均核分裂性物質濃度である。
領域の平均核分裂性物質濃度である。
【００２５】数２から、本発明の燃料集合体の平均核分
裂性物質濃度は、次式となる。
裂性物質濃度は、次式となる。
【００２６】
【数３】 （ｅb−ｅm)Ｌ＋ｅm …（数３） 数１及び数３から、本発明の燃料集合体の平均濃縮度が
図２の従来の燃料集合体の平均濃縮度より大きくなる条
件は、次式となる。
図２の従来の燃料集合体の平均濃縮度より大きくなる条
件は、次式となる。
【００２７】
【数４】 （２ｅn＋２２ｅm）／２４＜（ｅb−ｅm)Ｌ＋ｅm …（数４） 数４をＬについて解くことにより、Ｌの長さを制限する
次式が得られる。
次式が得られる。
【００２８】
【数５】 Ｌ＜（ｅm−ｅn）／（１２（ｅm−ｅb）） …（数５） 以下、簡単のために、数５の右辺をＬ0 で表す。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１，図
７〜図１５を用いて説明する。
７〜図１５を用いて説明する。
【００３０】（実施例１）図１は本発明の燃料集合体の
第１実施例として、燃料棒を９行９列に配置した燃料集
合体に本発明を適用した燃料集合体の水平（横）断面図
及び各燃料棒のウラン濃縮度とガドリニアの分布図であ
る。１０はガドリニアを含まない長尺の燃料棒、２０は
ガドリニアを含まない短尺燃料棒Ｐ、３０はガドリニア
入り燃料棒Ｇ１及びＧ２、４０は水ロッドＷ、５０はチ
ャンネルボックスをそれぞれ表している。また、図１の
下側の燃料棒内に付記されている数字はウラン濃縮度で
ある。最外周に燃料有効長の１１／２４の長さの４本の
短尺燃料棒を配置し、中央部には太径の２本の水ロッド
を配置してある。また、ガドリニア入り燃料棒の本数は
１６本である。
第１実施例として、燃料棒を９行９列に配置した燃料集
合体に本発明を適用した燃料集合体の水平（横）断面図
及び各燃料棒のウラン濃縮度とガドリニアの分布図であ
る。１０はガドリニアを含まない長尺の燃料棒、２０は
ガドリニアを含まない短尺燃料棒Ｐ、３０はガドリニア
入り燃料棒Ｇ１及びＧ２、４０は水ロッドＷ、５０はチ
ャンネルボックスをそれぞれ表している。また、図１の
下側の燃料棒内に付記されている数字はウラン濃縮度で
ある。最外周に燃料有効長の１１／２４の長さの４本の
短尺燃料棒を配置し、中央部には太径の２本の水ロッド
を配置してある。また、ガドリニア入り燃料棒の本数は
１６本である。
【００３１】図１は、図７の従来型の天然ウランブラン
ケットを使用した燃料集合体とは異なり、上端から燃料
有効長の１／２４の領域に本発明を適用している。即
ち、上下端の１／２４領域に可燃性毒物であるガドリニ
アを含まず、上端部の横断面平均濃縮度は２.１０ｗｔ
％、下端部の横断面平均濃縮度は０.７１ｗｔ％であ
り、いずれも３ｗｔ％ 以下である。また、上端部の横
断面平均濃縮度は０.７２wt％より大きい。中央部のガ
ドリニアを含む領域の平均濃縮度ｅm は４.４８ｗｔ
％、ガドリニアを含まない領域の平均濃縮度ｅb は１.
４ｗｔ％ であり、燃料有効長に占めるガドリニアを含
まない領域の長さの割合Ｌは２／２４＝０.０８ で、Ｌ
0 ＝０.１０より小さい。
ケットを使用した燃料集合体とは異なり、上端から燃料
有効長の１／２４の領域に本発明を適用している。即
ち、上下端の１／２４領域に可燃性毒物であるガドリニ
アを含まず、上端部の横断面平均濃縮度は２.１０ｗｔ
％、下端部の横断面平均濃縮度は０.７１ｗｔ％であ
り、いずれも３ｗｔ％ 以下である。また、上端部の横
断面平均濃縮度は０.７２wt％より大きい。中央部のガ
ドリニアを含む領域の平均濃縮度ｅm は４.４８ｗｔ
％、ガドリニアを含まない領域の平均濃縮度ｅb は１.
４ｗｔ％ であり、燃料有効長に占めるガドリニアを含
まない領域の長さの割合Ｌは２／２４＝０.０８ で、Ｌ
0 ＝０.１０より小さい。
【００３２】この燃料集合体では、水ギャップに隣接す
る最外周に高濃縮度ペレット（１〜４）を、他の部分に
天然ウランペレットを使用して本発明の断面構造を実現
している。本実施例による効果を解析により調べた結
果、図７の従来の燃料集合体と比べて、上端部出力が増
大することによる軸方向出力ピーキングの改善効果が約
１.５％ 、燃料集合体平均濃縮度が高まることによる燃
料集合体の取出燃焼度の増大が約０.７ＧＷｄ／ｔ であ
ることが判った。
る最外周に高濃縮度ペレット（１〜４）を、他の部分に
天然ウランペレットを使用して本発明の断面構造を実現
している。本実施例による効果を解析により調べた結
果、図７の従来の燃料集合体と比べて、上端部出力が増
大することによる軸方向出力ピーキングの改善効果が約
１.５％ 、燃料集合体平均濃縮度が高まることによる燃
料集合体の取出燃焼度の増大が約０.７ＧＷｄ／ｔ であ
ることが判った。
【００３３】（実施例２）図８は、図１と同じ燃料配列
の燃料集合体に対する第２実施例である。先程の実施例
と同様に、本発明の要件について考える。上下端の１／
２４領域に可燃性毒物であるガドリニアを含まず、上端
部の横断面平均濃縮度は２.２７ｗｔ％ 、下端部の横断
面平均濃縮度は０.７１ｗｔ％ であり、いずれも３ｗｔ
％以下である。また、上端部の横断面平均濃縮度は０.
７２ｗｔ％ より大きい。中央部のガドリニアを含む領
域の平均濃縮度ｅm は４.４８ｗｔ％ 、ガドリニアを含
まない領域の平均濃縮度ｅb は１.５ｗｔ％ であり、燃
料有効長に占めるガドリニアを含まない領域の長さの割
合Ｌは２／２４＝０.０８で、Ｌ0 ＝０.１１より小さ
い。よって、この実施例は全ての要件を満たしている。
の燃料集合体に対する第２実施例である。先程の実施例
と同様に、本発明の要件について考える。上下端の１／
２４領域に可燃性毒物であるガドリニアを含まず、上端
部の横断面平均濃縮度は２.２７ｗｔ％ 、下端部の横断
面平均濃縮度は０.７１ｗｔ％ であり、いずれも３ｗｔ
％以下である。また、上端部の横断面平均濃縮度は０.
７２ｗｔ％ より大きい。中央部のガドリニアを含む領
域の平均濃縮度ｅm は４.４８ｗｔ％ 、ガドリニアを含
まない領域の平均濃縮度ｅb は１.５ｗｔ％ であり、燃
料有効長に占めるガドリニアを含まない領域の長さの割
合Ｌは２／２４＝０.０８で、Ｌ0 ＝０.１１より小さ
い。よって、この実施例は全ての要件を満たしている。
【００３４】また、図１では最外周に高濃縮燃料を配置
していたのに対し、本実施例ではその逆の構造、すなわ
ち最外周付近に低濃縮燃料（１〜４）を用いて本発明の
構造を実現している点が図１との相違点である。この断
面構造は、水ギャップ近傍の熱中性子の多い領域に低濃
縮燃料を配しているため反応度損失は大きくなるが、燃
料集合体の水平方向の出力分布は図１に比べて平坦化さ
れるので、上端から燃料有効長の１／２４の領域の横断
面における局所出力ピーキングを図１に比べて低減する
ことが可能である。
していたのに対し、本実施例ではその逆の構造、すなわ
ち最外周付近に低濃縮燃料（１〜４）を用いて本発明の
構造を実現している点が図１との相違点である。この断
面構造は、水ギャップ近傍の熱中性子の多い領域に低濃
縮燃料を配しているため反応度損失は大きくなるが、燃
料集合体の水平方向の出力分布は図１に比べて平坦化さ
れるので、上端から燃料有効長の１／２４の領域の横断
面における局所出力ピーキングを図１に比べて低減する
ことが可能である。
【００３５】図１の実施例と比較したときの図８の実施
例の効果として、上端部出力が低下することによる軸方
向出力ピーキングの増大、上端部横断面の水平方向出力
の平坦化による局所出力ピーキングの低下、反応度損失
の増大による燃料経済性の低下が得られる。また、図７
に示した従来型の燃料集合体に比べれば、軸方向出力ピ
ーキングを約１.０％改善、取出燃焼度を約０.６ＧＷｄ
／ｔ増大することができる。
例の効果として、上端部出力が低下することによる軸方
向出力ピーキングの増大、上端部横断面の水平方向出力
の平坦化による局所出力ピーキングの低下、反応度損失
の増大による燃料経済性の低下が得られる。また、図７
に示した従来型の燃料集合体に比べれば、軸方向出力ピ
ーキングを約１.０％改善、取出燃焼度を約０.６ＧＷｄ
／ｔ増大することができる。
【００３６】（実施例３）図９は本発明の構造を、燃料
棒を９行９列に配置した燃料集合体に適用した第３実施
例である。最外周から１層内側に燃料有効長の１４／２
４の長さの８本の短尺燃料棒Ｐを配置し、中央部には太
径の２本の水ロッドＷを配置してある。また、ガドリニ
ア入り燃料棒Ｇ１及びＧ２の本数は１６本である。先程
の実施例とはガドリニア入り燃料棒の配置、短尺燃料棒
の配置及び軸方向長さなど、構成が大きく異なってい
る。この燃料集合体の平均濃縮度は約３.９４ｗｔ％ で
ある。この燃料集合体は以下に示すように本発明の要件
を満たしている。即ち、上下端の１／２４領域に可燃性
毒物であるガドリニアを含まず、上端部の横断面平均濃
縮度は２.００ｗｔ％、下端部の横断面平均濃縮度は０.
７１ｗｔ％であり、いずれも３ｗｔ％ 以下である。ま
た、上端部の横断面平均濃縮度は０.７２ｗｔ％より大
きい。中央部のガドリニアを含む領域の平均濃縮度ｅm
は４.１５ｗｔ％、ガドリニアを含まない領域の平均濃
縮度ｅbは１.３６ｗｔ％であり、燃料有効長に占めるガ
ドリニアを含まない領域の長さの割合Ｌは２／２４＝
０.０８ で、Ｌ0＝０.１０ より小さい。
棒を９行９列に配置した燃料集合体に適用した第３実施
例である。最外周から１層内側に燃料有効長の１４／２
４の長さの８本の短尺燃料棒Ｐを配置し、中央部には太
径の２本の水ロッドＷを配置してある。また、ガドリニ
ア入り燃料棒Ｇ１及びＧ２の本数は１６本である。先程
の実施例とはガドリニア入り燃料棒の配置、短尺燃料棒
の配置及び軸方向長さなど、構成が大きく異なってい
る。この燃料集合体の平均濃縮度は約３.９４ｗｔ％ で
ある。この燃料集合体は以下に示すように本発明の要件
を満たしている。即ち、上下端の１／２４領域に可燃性
毒物であるガドリニアを含まず、上端部の横断面平均濃
縮度は２.００ｗｔ％、下端部の横断面平均濃縮度は０.
７１ｗｔ％であり、いずれも３ｗｔ％ 以下である。ま
た、上端部の横断面平均濃縮度は０.７２ｗｔ％より大
きい。中央部のガドリニアを含む領域の平均濃縮度ｅm
は４.１５ｗｔ％、ガドリニアを含まない領域の平均濃
縮度ｅbは１.３６ｗｔ％であり、燃料有効長に占めるガ
ドリニアを含まない領域の長さの割合Ｌは２／２４＝
０.０８ で、Ｌ0＝０.１０ より小さい。
【００３７】この燃料集合体を、図９の上端部の濃縮度
２.０ｗｔ％ の燃料を天然ウランブランケットに置き換
えた従来の燃料集合体と比較すると、上端部出力上昇に
よる軸方向出力ピーキングの低減効果が約１.５％ 、燃
料集合体平均濃縮度の増加による取出燃焼度の増大が約
０.７ＧＷｄ／ｔ であることが解析により求まった。即
ち、先程の２つの実施例のように天然ウランペレットと
高濃縮度ペレットを混在させることによって本発明の構
造を実現することも、図９のように、上端部又は下端部
の横断面を一様な濃縮度ペレットで構成することによっ
て本発明の構造を実現することも可能である。
２.０ｗｔ％ の燃料を天然ウランブランケットに置き換
えた従来の燃料集合体と比較すると、上端部出力上昇に
よる軸方向出力ピーキングの低減効果が約１.５％ 、燃
料集合体平均濃縮度の増加による取出燃焼度の増大が約
０.７ＧＷｄ／ｔ であることが解析により求まった。即
ち、先程の２つの実施例のように天然ウランペレットと
高濃縮度ペレットを混在させることによって本発明の構
造を実現することも、図９のように、上端部又は下端部
の横断面を一様な濃縮度ペレットで構成することによっ
て本発明の構造を実現することも可能である。
【００３８】（実施例４）図１０は、本発明の構造を９
行９列の燃料棒配列を有し、方形の水ロッドを備えた燃
料集合体に適用した第４実施例である。短尺燃料棒は使
用していない。ガドリニア入り燃料棒Ｇ１及びＧ２は１
６本配置されており、うち８本のＧ１は軸方向にガドリ
ニア濃縮度分布を有している。この燃料集合体は以下に
示すように本発明の要件を満たしている。即ち、上下端
の１／２４領域に可燃性毒物であるガドリニアを含ま
ず、上端部の横断面平均濃縮度は０.７１ｗｔ％ 、下端
部の横断面平均濃縮度は２.２７ｗｔ％ であり、いずれ
も３ｗｔ％以下である。また、下端部の横断面平均濃縮
度は０.７２ｗｔ％ より大きい。中央部のガドリニアを
含む領域の平均濃縮度ｅm は４.３７ｗｔ％ 、ガドリニ
アを含まない領域の平均濃縮度ｅb は１.４９ｗｔ％ で
あり、燃料有効長に占めるガドリニアを含まない領域の
長さの割合Ｌは２／２４＝０.０８ で、Ｌ0＝０.１１よ
り小さい。
行９列の燃料棒配列を有し、方形の水ロッドを備えた燃
料集合体に適用した第４実施例である。短尺燃料棒は使
用していない。ガドリニア入り燃料棒Ｇ１及びＧ２は１
６本配置されており、うち８本のＧ１は軸方向にガドリ
ニア濃縮度分布を有している。この燃料集合体は以下に
示すように本発明の要件を満たしている。即ち、上下端
の１／２４領域に可燃性毒物であるガドリニアを含ま
ず、上端部の横断面平均濃縮度は０.７１ｗｔ％ 、下端
部の横断面平均濃縮度は２.２７ｗｔ％ であり、いずれ
も３ｗｔ％以下である。また、下端部の横断面平均濃縮
度は０.７２ｗｔ％ より大きい。中央部のガドリニアを
含む領域の平均濃縮度ｅm は４.３７ｗｔ％ 、ガドリニ
アを含まない領域の平均濃縮度ｅb は１.４９ｗｔ％ で
あり、燃料有効長に占めるガドリニアを含まない領域の
長さの割合Ｌは２／２４＝０.０８ で、Ｌ0＝０.１１よ
り小さい。
【００３９】本実施例では上端ではなく下端に本発明を
採用している。沸騰水型原子炉は軸方向のボイド分布と
出力分布が互いに関係しているため、一般に水の密度の
大きい炉心下部の出力は上部の出力より大きくなる。そ
のため、下端部に本発明を適用した本実施例では軸方向
出力ピーキングの平坦化効果は上端部に適用したときに
比べて小さくなる。しかし、図１１に示す従来の燃料集
合体に比べれば、軸方向出力ピーキングの低減（約１.
０％）、取出燃焼度の増大(約０.６ＧＷｄ／ｔ)が得ら
れるので、燃料集合体平均濃縮度を高めて取出燃焼度を
高めたいときには、本実施例のように下端部に本発明の
構造を採用することも可能である。
採用している。沸騰水型原子炉は軸方向のボイド分布と
出力分布が互いに関係しているため、一般に水の密度の
大きい炉心下部の出力は上部の出力より大きくなる。そ
のため、下端部に本発明を適用した本実施例では軸方向
出力ピーキングの平坦化効果は上端部に適用したときに
比べて小さくなる。しかし、図１１に示す従来の燃料集
合体に比べれば、軸方向出力ピーキングの低減（約１.
０％）、取出燃焼度の増大(約０.６ＧＷｄ／ｔ)が得ら
れるので、燃料集合体平均濃縮度を高めて取出燃焼度を
高めたいときには、本実施例のように下端部に本発明の
構造を採用することも可能である。
【００４０】（実施例５）図１２は、本発明の構造を、
燃料棒を１０行１０列に配置した燃料集合体に採用した
第５実施例である。燃料集合体中央部に太径の水ロッド
Ｗを２本使用しており、ガドリニア入り燃料棒Ｇ１及び
Ｇ２は１６本、短尺燃料棒Ｐは燃料有効長の１４／２４
の長さのものが１４本配置されている。図１２の燃料集
合体平均濃縮度は約４.２３ｗｔ％ である。
燃料棒を１０行１０列に配置した燃料集合体に採用した
第５実施例である。燃料集合体中央部に太径の水ロッド
Ｗを２本使用しており、ガドリニア入り燃料棒Ｇ１及び
Ｇ２は１６本、短尺燃料棒Ｐは燃料有効長の１４／２４
の長さのものが１４本配置されている。図１２の燃料集
合体平均濃縮度は約４.２３ｗｔ％ である。
【００４１】また、この燃料集合体は以下に示すように
本発明の要件を満たしている。即ち、上端の２／２４領
域と下端の１／２４領域に可燃性毒物であるガドリニア
を含まず、上端部及び下端部の横断面平均濃縮度は双方
ともに２.３８ｗｔ％ であり、いずれも３ｗｔ％以下で
ある。また、上端部及び下端部の横断面平均濃縮度が
０.７２ｗｔ％ より大きい。中央部のガドリニアを含む
領域の平均濃縮度ｅm は４.５５ｗｔ％ 、ガドリニアを
含まない領域の平均濃縮度ｅbは２.３８ｗｔ％であり、
燃料有効長に占めるガドリニアを含まない領域の長さの
割合Ｌは３／２４＝０.１２５で、Ｌ0 ＝０.１５より小
さい。
本発明の要件を満たしている。即ち、上端の２／２４領
域と下端の１／２４領域に可燃性毒物であるガドリニア
を含まず、上端部及び下端部の横断面平均濃縮度は双方
ともに２.３８ｗｔ％ であり、いずれも３ｗｔ％以下で
ある。また、上端部及び下端部の横断面平均濃縮度が
０.７２ｗｔ％ より大きい。中央部のガドリニアを含む
領域の平均濃縮度ｅm は４.５５ｗｔ％ 、ガドリニアを
含まない領域の平均濃縮度ｅbは２.３８ｗｔ％であり、
燃料有効長に占めるガドリニアを含まない領域の長さの
割合Ｌは３／２４＝０.１２５で、Ｌ0 ＝０.１５より小
さい。
【００４２】このような１０行１０列の燃料配置を持つ
燃料集合体であっても、図１３に示す従来型の燃料集合
体に比べて、端部出力の上昇及び燃料集合体の平均濃縮
度の増加が起こるため、９行９列の燃料棒配列を持つ燃
料集合体と同様の作用により本発明の効果が得られる。
本実施例では、上端から２／２４及び下端から１／２４
の領域に本発明を採用することにより、上端部及び下端
部の反応度を同時に向上させて軸方向出力分布を大きく
平坦化すると同時に、燃料集合体の平均濃縮度の上昇に
より取出燃焼度を大きく改善することが可能である。具
体的には、軸方向出力ピーキングにして約２.０ｗｔ％
の低減、取出燃焼度にして約１.４GWd／ｔの増大とな
る。
燃料集合体であっても、図１３に示す従来型の燃料集合
体に比べて、端部出力の上昇及び燃料集合体の平均濃縮
度の増加が起こるため、９行９列の燃料棒配列を持つ燃
料集合体と同様の作用により本発明の効果が得られる。
本実施例では、上端から２／２４及び下端から１／２４
の領域に本発明を採用することにより、上端部及び下端
部の反応度を同時に向上させて軸方向出力分布を大きく
平坦化すると同時に、燃料集合体の平均濃縮度の上昇に
より取出燃焼度を大きく改善することが可能である。具
体的には、軸方向出力ピーキングにして約２.０ｗｔ％
の低減、取出燃焼度にして約１.４GWd／ｔの増大とな
る。
【００４３】（実施例６）図１４は、本発明の構造を方
形の水ロッド１本を有する１０行１０列の燃料棒配列の
燃料集合体に適用した第６実施例である。ガドリニア入
り燃料棒Ｇ１及びＧ２は１６本、短尺燃料棒Ｐは燃料有
効長の１４／２４の長さのものが１２本配置されてい
る。この実施例では、燃料集合体の上下端に対して天然
ウランブランケットの替わりに劣化ウランを使用してい
るのが特徴である。燃料集合体の平均濃縮度は４.２９
ｗｔ％ である。
形の水ロッド１本を有する１０行１０列の燃料棒配列の
燃料集合体に適用した第６実施例である。ガドリニア入
り燃料棒Ｇ１及びＧ２は１６本、短尺燃料棒Ｐは燃料有
効長の１４／２４の長さのものが１２本配置されてい
る。この実施例では、燃料集合体の上下端に対して天然
ウランブランケットの替わりに劣化ウランを使用してい
るのが特徴である。燃料集合体の平均濃縮度は４.２９
ｗｔ％ である。
【００４４】この燃料集合体は以下に示すように本発明
の要件を満たしている。即ち、上下端の１／２４領域に
可燃性毒物であるガドリニアを含まず、上端部の横断面
平均濃縮度は２.０８ｗｔ％、下端部の横断面平均濃縮
度は０.２０ｗｔ％であり、いずれも３ｗｔ％以下であ
る。また、上端部の横断面平均濃縮度は０.７２ｗｔ％
より大きい。中央部のガドリニアを含む領域の平均濃縮
度ｅm は４.５５ｗｔ％、ガドリニアを含まない領域の
平均濃縮度ｅb は１.１４ｗｔ％ であり、燃料有効長に
占めるガドリニアを含まない領域の長さの割合Ｌは２／
２４＝０.０８ で、Ｌ0＝０.０９より小さい。
の要件を満たしている。即ち、上下端の１／２４領域に
可燃性毒物であるガドリニアを含まず、上端部の横断面
平均濃縮度は２.０８ｗｔ％、下端部の横断面平均濃縮
度は０.２０ｗｔ％であり、いずれも３ｗｔ％以下であ
る。また、上端部の横断面平均濃縮度は０.７２ｗｔ％
より大きい。中央部のガドリニアを含む領域の平均濃縮
度ｅm は４.５５ｗｔ％、ガドリニアを含まない領域の
平均濃縮度ｅb は１.１４ｗｔ％ であり、燃料有効長に
占めるガドリニアを含まない領域の長さの割合Ｌは２／
２４＝０.０８ で、Ｌ0＝０.０９より小さい。
【００４５】劣化ウランを使用しているために端部の出
力が小さく、軸方向の出力ピーキングは天然ウランを用
いた場合に比べて厳しくなるが、本実施例の横断面は平
均濃縮度として０.７２ｗｔ％ を超えるものとなるた
め、図１５に示す天然ウランブランケットを採用した燃
料集合体と比べても軸方向出力ピーキングは改善され
る。この結果、軸方向出力ピーキングが約１％、取出燃
焼度が約０.８ＧＷｄ／ｔ改善される。
力が小さく、軸方向の出力ピーキングは天然ウランを用
いた場合に比べて厳しくなるが、本実施例の横断面は平
均濃縮度として０.７２ｗｔ％ を超えるものとなるた
め、図１５に示す天然ウランブランケットを採用した燃
料集合体と比べても軸方向出力ピーキングは改善され
る。この結果、軸方向出力ピーキングが約１％、取出燃
焼度が約０.８ＧＷｄ／ｔ改善される。
【００４６】以上、６つの実施例を用いて説明したよう
に、本発明は、燃料集合体中の燃料棒の配列や水ロッド
の形状など燃料集合体の水平断面（横断面）構造によら
ず、軸方向のガドリニア分布や濃縮度分布、及び燃料集
合体平均濃縮度にその本質があることがわかる。
に、本発明は、燃料集合体中の燃料棒の配列や水ロッド
の形状など燃料集合体の水平断面（横断面）構造によら
ず、軸方向のガドリニア分布や濃縮度分布、及び燃料集
合体平均濃縮度にその本質があることがわかる。
【００４７】
【発明の効果】本発明によれば、従来の燃料集合体に比
べて、燃料経済性をほぼ維持しつつ、軸方向出力ピーキ
ングを低減し且つ取出燃焼度を増大させることが可能で
ある。
べて、燃料経済性をほぼ維持しつつ、軸方向出力ピーキ
ングを低減し且つ取出燃焼度を増大させることが可能で
ある。
【図１】本発明の燃料集合体の第１実施例を示す図。
【図２】従来の軸方向濃縮度分布の概念図。
【図３】本発明の軸方向濃縮度分布の概念図。
【図４】可燃性毒物を含まない領域の横断面平均濃縮度
と軸方向出力ピーキングの関係図。
と軸方向出力ピーキングの関係図。
【図５】可燃性毒物を含まない領域の横断面平均濃縮度
と増倍率利得の関係図。
と増倍率利得の関係図。
【図６】可燃性毒物を含まない領域の横断面平均濃縮度
と中性子無限増倍率の関係図。
と中性子無限増倍率の関係図。
【図７】第１実施例及び第２実施例の比較例を示す図。
【図８】本発明の燃料集合体の第２実施例を示す図。
【図９】本発明の燃料集合体の第３実施例を示す図。
【図１０】本発明の燃料集合体の第４実施例を示す図。
【図１１】第４実施例の比較例を示す図。
【図１２】本発明の燃料集合体の第５実施例を示す図。
【図１３】第５実施例の比較例を示す図。
【図１４】本発明の燃料集合体の第６実施例を示す図。
【図１５】第６実施例の比較例を示す図。
１０…燃料棒、２０…短尺燃料棒、３０…ガドリニア入
り燃料棒、４０…水ロッド、５０…チャンネルボック
ス。
り燃料棒、４０…水ロッド、５０…チャンネルボック
ス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青山 肇男 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株式会社 日立製作所 電力・電機開発 本部内 (72)発明者 配川 勝正 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平８−189983（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21C 3/328
Claims (5)
- 【請求項１】核分裂性物質を含み可燃性毒物を含まない
複数の第１燃料棒と、核分裂性物質及び可燃性毒物を含
む複数の第２燃料棒とを有する燃料集合体において、 前記燃料集合体は可燃性毒物を含まない領域を燃料有効
部の上端または下端の少なくとも一方に有し、該可燃性
毒物を含まない領域の横断面平均核分裂性物質濃度が
３.０ｗｔ％ 以下であり、 前記可燃性毒物を含まない領域のうち、上端または下端
の少なくとも一方の領域の横断面平均核分裂性物質濃度
が１.４ｗｔ％ 以上であり、 ｅm を可燃性毒物を含む領域の平均核分裂性物質濃度、
ｅb を可燃性毒物を含まない領域の平均核分裂性物質濃
度、ｅn を天然ウランの平均核分裂性物質濃度とすると
き、燃料有効部内に占める可燃性毒物を含まない領域の
軸方向長さの割合Ｌが、 Ｌ＜（ｅm−ｅn）／（１２（ｅm−ｅb）） の関係を満たすことを特徴とする燃料集合体。 - 【請求項２】前記燃料集合体の平均核分裂性物質濃度が
４.０ｗｔ％ 以上であることを特徴とする請求項１記載
の燃料集合体。 - 【請求項３】前記燃料棒が９行９列以上の正方格子状に
配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２
に記載の燃料集合体。 - 【請求項４】前記可燃性毒物を含まない領域には、天然
ウランペレットが含まれていることを特徴とする請求項
３に記載の燃料集合体。 - 【請求項５】前記可燃性毒物を含まない全ての領域の横
断面平均核分裂性物質濃度が等しいことを特徴とする請
求項３または請求項４記載の燃料集合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13319797A JP3262022B2 (ja) | 1997-05-23 | 1997-05-23 | 燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13319797A JP3262022B2 (ja) | 1997-05-23 | 1997-05-23 | 燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10325890A JPH10325890A (ja) | 1998-12-08 |
| JP3262022B2 true JP3262022B2 (ja) | 2002-03-04 |
Family
ID=15098996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13319797A Expired - Fee Related JP3262022B2 (ja) | 1997-05-23 | 1997-05-23 | 燃料集合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3262022B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001024196A1 (fr) * | 1999-09-29 | 2001-04-05 | Hitachi, Ltd. | Ensemble combustible |
| US6735267B2 (en) | 2001-12-28 | 2004-05-11 | Hitachi, Ltd. | Fuel assembly |
| JP6513955B2 (ja) * | 2015-01-26 | 2019-05-15 | 原子燃料工業株式会社 | 燃料集合体及び原子炉炉心 |
-
1997
- 1997-05-23 JP JP13319797A patent/JP3262022B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10325890A (ja) | 1998-12-08 |
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