JP3303583B2 - 燃料集合体及び初装荷炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉の燃料集合体及び
初装荷炉心に係り、特に高燃焼度化対応の沸騰水型原子
炉に用いるのに好適な燃料集合体及び初装荷炉心に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉では、最初の運
転時の炉心いわゆる初装荷炉心に装荷される燃料集合体
の平均濃縮度は同一で一種類であった。原子炉では１サ
イクル毎に全数の約１／３〜１／４の燃料集合体を取り
出して新燃料と交換するが、初装荷炉心用燃料集合体の
平均濃縮度は２〜３サイクル炉心内で燃焼が可能なよう
に設定されているため、初装荷炉心用燃料集合体を用い
る運転サイクル（以下、第１サイクルといい、それ以後
に部分的に燃料を交換し引続き運転するサイクルを第２
サイクル，第３サイクル等という）終了時の燃料交換で
は、まだ充分に燃焼の進んでいない、即ちウラン２３５
残留量の多い燃料集合体を炉心から取り出すことになり
不経済である。

【０００３】第２サイクル以後の運転サイクルの初めに
装荷される新燃料集合体は取替燃料集合体と呼ばれ、第
１サイクル以後、数サイクルにわたり継続的に取替燃料
集合体を装荷した炉心は、炉内全体の燃料成分がほとん
ど一定の状態に達したサイクルで、その前のサイクル及
び次のサイクルとの熱特性が変わらず安定したサイクル
となる。これは平衡サイクルと呼ばれ、平衡サイクルと
なった炉心は平衡炉心と呼ばれている。

【０００４】このような原子炉においては、第１サイク
ルから平衡サイクルへ移行する中間のサイクル（以下、
移行サイクルという）での熱特性及びサイクル増分燃焼
度が平衡サイクルのそれらと同程度あるいは、速やかに
それらに収束するのが好ましい。しかしながら、従来の
初装荷炉心のように燃料集合体の平均濃縮度が一種類の
場合には、平衡サイクルへの移行も長くかかり移行サイ
クルでの燃料取替体数の変動も大きく、必ずしも満足な
ものではなかった。

【０００５】このため、沸騰水型原子炉において、平均
濃縮度の異なる多種類の燃料集合体を組み合わせて初装
荷炉心を構成し、１サイクル毎に平均濃縮度の低い燃料
集合体から取り出し、これを新燃料集合体と交換するこ
とにより、初装荷燃料集合体の平均取出燃焼度を増大さ
せると共に、次サイクルへの移行を速やかにする試みが
なされている。このような技術は、例えば特開昭57−84
86号公報に記載されている。

【０００６】一方、取替燃料に関しては、内部に燃料物
質が充填され軸方向長さの長い長尺燃料棒と軸方向長さ
の短い短尺燃料棒の２種類を用いると共に、燃料濃縮度
を増加させて燃焼度を高め燃料経済性の向上を図る燃料
集合体が、特開平3−273189号公報の図７に記載されて
いる。

【０００７】従って、初装荷炉心においても特開平3−2
73189 号公報の図７に示されているような高燃焼度化に
対応した取替燃料の装荷を想定し、移行サイクルにおけ
る良好な炉心特性を確保しつつ、初装荷燃料集合体の平
均取出燃焼度を増大させることが可能となる初装荷炉心
が望まれる。

【０００８】また、初装荷炉心において、軸方向のガド
リニア分布を工夫することによって軸方向出力分布の平
坦化を図る技術が、特開昭63−121789号公報に記載され
ている。更に、特開平4−128688 号公報には、軸方向下
部の水ロッド断面積を軸方向上部よりも小さくし、その
代わりに天然ウランを充填した短尺燃料棒を配置して上
部領域と下部領域の減速材対燃料比（Ｈ／Ｕ比）の差を
小さくすることにより、燃料の高反応度化と運転時の出
力分布平坦化を図る技術が記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６３−１２１７
８９号公報に記載された従来技術では、可燃性毒物（以
下、ガドリニアという）は燃料の反応度を低下させるの
で、最低濃縮度燃料にガドリニアを混入した場合には、
１サイクルの燃焼後の取出燃焼度が低下するため経済的
でない。

【００１０】また、特開平4−128688 号公報に記載され
た従来技術を用いても上部領域のＨ／Ｕ比は下部領域に
比べ小さく、軸方向出力分布を十分に平坦化することは
できない。軸方向出力分布を十分平坦化するために、更
に上部領域のＨ／Ｕ比を下部領域に近付けるには、短尺
燃料棒の本数増加が必要となる。この短尺燃料棒の本数
増加に伴い、燃料集合体１体当りのウラン装荷量は減少
するため、燃料経済性は不利となる。また、水ロッドは
上部と下部とで形状が異なるので、成形加工上の手間が
増加する。

【００１１】本発明の目的は、燃料成形加工上の手間を
増加させずに、運転サイクルの長期化と燃料の高燃焼度
化に対応でき、かつ軸方向出力分布を平坦化できる低濃
縮度燃料集合体用の燃料集合体及び初装荷炉心を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、内部に可燃
性毒物（ガドリニア）を含まない燃料物質が充填され、
軸方向中央部に下部領域と上部領域との境界面を有する
軸方向長さの長い第一の長尺燃料棒と、全長にわたり天
然ウランが充填され、可燃性毒物を含まない第二の長尺
燃料棒及び短尺燃料棒を有する複数の燃料棒からなる燃
料集合体で構成し、前記第一の長尺燃料棒の濃縮度境界
面が前記短尺燃料棒の燃料充填部上端と異なる軸方向位
置とすることにより達成される。

【００１３】また、平均濃縮度の異なる多種類の燃料集
合体を組合せて構成される初装荷炉心において、前記多
種類の燃料集合体のうち少なくとも１種類の燃料集合体
は、内部に可燃性毒物（ガドリニア）を含まない燃料物
質が充填され、軸方向中央部に下部領域と上部領域との
境界面を有する軸方向長さの長い第一の長尺燃料棒と、
全長にわたり天然ウランが充填され、可燃性毒物を含ま
ない第二の長尺燃料棒と短尺燃料棒を有する複数の燃料
棒からなる燃料集合体で構成し、前記第一の長尺燃料棒
の濃縮度境界面が前記短尺燃料棒の燃料充填部上端と異
なる軸方向位置とすることにより達成される。

【００１４】

【作用】軸方向出力分布の平坦化を図り、熱的特性を平
衡炉心にスムーズに（安定に）移行させるためには、初
装荷炉心において平衡炉心の燃料集合体平均の反応度特
性を模擬するだけでは不十分であり、燃料集合体軸方向
の反応度分布についても模擬する必要がある。

【００１５】平衡炉心における取出直前燃料に対応する
初装荷炉心における最低濃縮度燃料の軸方向反応度分布
をより上方にシフトさせることにより、軸方向出力分布
の平坦化を図り、熱的特性をスムーズに移行させること
ができる。図９に平衡炉心取出直前燃料のサイクル初期
における核分裂性物質の軸方向分布例を示す。初装荷炉
心を構成する場合、最低濃縮度燃料の軸方向濃縮度分布
は図９に示した核分裂性物質の軸方向分布を模擬するこ
とが理想的であるが、燃料集合体内濃縮度分布が複雑に
なりすぎ、燃料成形加工上の手間が増加する。

【００１６】これに対して、短尺燃料棒を用いた燃料集
合体では、短尺燃料棒の濃縮度を下げることにより、短
尺燃料棒有効部よりも上方の燃料集合体横断面の平均濃
縮度は変えずに短尺燃料棒有効部よりも下部の燃料集合
体横断面の平均濃縮度を下げることができる。即ち、燃
料棒に充填するペレット濃縮度を一様にして燃料集合体
の軸方向に濃縮度の分布を付加することが可能であり、
燃料成形加工上の手間を少なくできる。

【００１７】従って、本発明によれば、内部に可燃性毒
物を含まない燃料物質が充填され、軸方向中央部に下部
領域と上部領域との境界面を有する軸方向長さの長い第
一の長尺燃料棒と、全長にわたり天然ウランが充填さ
れ、可燃性毒物を含まない第二の長尺燃料棒と短尺燃料
棒を有する複数の燃料棒からなる燃料集合体で構成する
ことによって、より単純な燃料集合体内濃縮度分布で平
衡炉心取出直前燃料のサイクル初期における核分裂性物
質の軸方向分布に近づけることができるので、燃料成形
加工上の手間を増加させずに軸方向出力分布の平坦化を
図り、熱的特性を平衡炉心にスムーズに移行させること
ができる。これに伴い、運転サイクルの長期化と燃料の
高燃焼度化に対応することができる。

【００１８】

【実施例】以下、図１〜図３及び図８を用いて、本発明
を沸騰水型原子炉に適用した第１の実施例を説明する。
図３は本発明による沸騰水型原子炉炉心の１／４横断面
を、図８は図３の炉心に用いる燃料集合体の一部縦断面
を、図１は本発明による低濃縮度燃料集合体の第１の実
施例の燃料棒構成を、図２は第１の実施例の低濃縮度燃
料集合体の横断面をそれぞれ示す。

【００１９】図３に示す原子炉は１１００ＭＷｅ級の沸
騰水型原子炉で、７６４体の燃料集合体と１８５本の制
御棒から構成される。図３で、Ａは高濃縮度燃料集合
体、Ｂは中濃縮度燃料集合体、Ｃは低濃縮度燃料集合
体、５は制御棒を示す。

【００２０】図８において、燃料集合体１６は、四角筒
のチャンネルボックス１２と、チャンネルボックス１２
の内部に収納された燃料バンドルとからなる。燃料バン
ドルは、チャンネルボックス１２の上部及び下部に設け
られた上部タイプレート１８及び下部タイプレート１９
と、チャンネルボックス１２の内部で軸方向に間隔をお
いて設置された複数の燃料スペーサ２０と、燃料スペー
サ２０を貫通し上部タイプレート１８と下部タイプレー
ト１９に両端を固定された長尺燃料棒１５及び水ロッド
１３と、燃料スペーサ２０を貫通し下部タイプレート１
９に下端を固定された短尺燃料棒２３とで構成される。

【００２１】低濃縮度燃料集合体は図１に示すような５
種類の燃料棒で構成され、燃料棒１〜４は長尺燃料棒、
燃料棒Ｐは短尺燃料棒である。短尺燃料棒の燃料有効長
（燃料が装荷されている長さ）は、第一の長尺燃料棒３
の燃料有効長下端から１／２４〜１５／２４の範囲とな
っている。また、図２のように、短尺燃料棒Ｐは９行９
列の燃料格子の最外周から２列目の列に所定間隔で８本
配置されている。第一の長尺燃料棒３は燃料有効長の８
／２４の位置で上部と下部に分かれており、上部の濃縮
度は１.４ｗｔ％で、下部の濃縮度０.７１１ｗｔ％より
も高くなっている。また、低濃縮度燃料集合体は、ガド
リニアを含む燃料棒は使用していない。

【００２２】図１において、軸方向各横断面における平
均濃縮度は、天然ウラン領域である上下端部を除き、下
方より１.１０ｗｔ％（下部），１.２８ｗｔ％（中央
部），１.３５ｗｔ％(上部）である。短尺燃料棒Ｐは、
下部と中央部に燃料ペレットが充填されている。短尺燃
料棒Ｐの濃縮度は０.７１１ｗｔ％(天然ウラン）であ
り、下部及び中央部の横断面平均濃縮度に比べ低くして
ある。第一の長尺燃料棒３は燃料有効長の８／２４の位
置に濃縮度の境界があり、下部が０.７１１ｗｔ％，中
央部及び上部が１.４ｗｔ％ にしてある。本構成によ
り、低濃縮度燃料の濃縮部における軸方向濃縮度分布は
３領域にわかれ、上方に行くほど濃縮度が高くなってい
く。

【００２３】この低濃縮度燃料を図３に示した初装荷炉
心に装荷した場合のサイクル初期における軸方向出力分
布を図４に実線で示す。短尺燃料棒の濃縮度を横断面平
均濃縮度よりも低くしていない比較例である破線に比
べ、軸方向のピーキングが小さく平坦となっている。短
尺燃料棒の濃縮度を横断面平均濃縮度よりも低くしてい
ない比較例の燃料棒濃縮度の分布を図５に示す。図５に
おいて、軸方向各横断面における平均濃縮度は、天然ウ
ラン領域である上下端部を除き、下方より1.17ｗｔ％
（下部），１.３５ｗｔ％（中央部），１.３５ｗｔ％
（上部）であり、下部と中央部の濃縮度差は、図１の場
合と同じであるが、中央部と上部の濃縮度差はなくなっ
ている。また、図１と図５の濃縮度分布の複雑さは同程
度である。

【００２４】図６は、図５の濃縮度分布をもとに、図１
と同等の軸方向濃縮度分布を得ようとした比較例であ
り、第一の長尺燃料棒３を中央部と上部とでさらに濃縮
度を分割している。図６において、軸方向各横断面にお
ける平均濃縮度は、天然ウラン領域である上下端部を除
き、下方より１.１７ｗｔ％（下部），１.３５ｗｔ％
（中央部），１.４２ｗｔ％(上部）であり、下部と中央
部の濃縮度差及び中央部と上部の濃縮度差は、図１の場
合と同じである。従って、図６に示す低濃縮度燃料を図
３に示した初装荷炉心に装荷した場合のサイクル初期に
おける軸方向出力分布は図４の実線にほぼ等しくなる
が、第一の長尺燃料棒３内の濃縮度分布は図１に比べて
複雑になり、燃料成形加工上の手間が増加する。

【００２５】以上より、図１に示すように短尺燃料棒Ｐ
の濃縮度を燃料集合体横断面における平均濃縮度よりも
低くし、かつ短尺燃料棒Ｐの燃料有効部上端よりも下方
の軸方向位置において上部の濃縮度を下部よりも高くし
た第一の長尺燃料棒３とを用いることにより、より単純
な濃縮度分布で平坦な軸方向出力分布を得ることが可能
となる。

【００２６】次に、図７を用いて本発明による低濃縮度
燃料集合体の第２の実施例を説明する。本実施例では、
短尺燃料棒Ｐの燃料有効長は、第一の長尺燃料棒３の燃
料有効長の下端から１／２４〜８／２４の軸方向位置ま
でである。また、第一の長尺燃料棒３は、下端から１５
／２４の軸方向位置において上下の濃縮度が分けられて
おり、下部が０.７１１ｗｔ％，中央部及び上部が１.４
ｗｔ％にしてある。軸方向各横断面における平均濃縮度
は、天然ウラン領域である上下端部を除き、下方より
１.１０ｗｔ％（下部），１.１４ｗｔ％(中央部），１.
３５ｗｔ％(上部)であり、燃料濃縮部における軸方向濃
縮度分布は上方に行くに従い濃縮度が高くなっていく。

【００２７】従って、図７に示すように短尺燃料棒Ｐの
濃縮度を燃料集合体横断面における平均濃縮度よりも低
くし、かつ短尺燃料棒Ｐの有効部上端よりも上方の軸方
向位置において上部の濃縮度を下部よりも高くした第一
の長尺燃料棒３とを用いることにより、燃料の成形加工
上の手間を少なくできる、より単純な濃縮度分布で平坦
な軸方向出力分布を得ることが可能となる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、内
部に可燃性毒物を含まない燃料物質が充填され、軸方向
中央部に下部領域と上部領域との境界面を有する軸方向
長さの長い第一の長尺燃料棒と、全長にわたり天然ウラ
ンが充填され、ガドリニアを含まない第二の長尺燃料棒
と短尺燃料棒を有する複数の燃料棒からなる燃料集合体
で構成することによって、より単純な燃料集合体内濃縮
度分布で平衡炉心取出直前燃料のサイクル初期における
核分裂性物質の軸方向分布に近づけることができるの
で、燃料成形加工上の手間を増加させずに軸方向出力分
布の平坦化を図り、熱的特性を平衡炉心にスムーズに移
行させることができる。これに伴い、運転サイクルの長
期化と燃料の高燃焼度化に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による低濃縮度燃料集合体の第１の実施
例の燃料棒構成を示す図。

【図２】第１の実施例の低濃縮度燃料集合体の横断面
図。

【図３】本発明による沸騰水型原子炉炉心の１／４横断
面図。

【図４】第１の実施例の低濃縮度燃料集合体を用いたサ
イクル初期における軸方向出力分布を示す図。

【図５】低濃縮度燃料集合体の比較例の燃料棒構成を示
す図。

【図６】低濃縮度燃料集合体の他の比較例の燃料棒構成
を示す図。

【図７】本発明による低濃縮度燃料集合体の第２の実施
例の燃料棒構成を示す図。

【図８】図３の炉心に用いる燃料集合体の一部縦断面。

【図９】平衡炉心取出直前燃料のサイクル初期における
核分裂性物質の軸方向分布例を示す図。

【符号の説明】Ａ …高濃縮度燃料集合体、Ｂ…中濃縮度燃料集合体、Ｃ
…低濃縮度燃料集合体、５…制御棒、Ｐ…短尺燃料棒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 光也 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 (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 エネルギー研究 所内 (72)発明者 小山 淳一 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 エネルギー研究 所内 (56)参考文献 特開 平６−138273（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−189983（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/30 G21C 5/00 G21C 5/18

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に燃料物質が充填され、軸方向中央部
   に上部と下部に分ける濃縮度境界面を有するとともに、
   可燃性毒物を含まない第一の長尺燃料棒と、全長にわた
   り天然ウランが充填され、可燃性毒物を含まない第二の
   長尺燃料棒及び短尺燃料棒とを有し、前記第一の長尺燃
   料棒の濃縮度境界面と前記短尺燃料棒の上端を異なる軸
   方向位置としたことを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】請求項１において、短尺燃料棒の上端が、
   前記第一の長尺燃料棒の濃縮度境界面より、上部にある
   ことを特徴とする燃料集合体。
3. 【請求項３】請求項１において、前記第一の長尺燃料棒
   の上端及び下端に天然ウランが充填され、その間に濃縮
   された燃料物質が充填されたことを特徴とする燃料集合
   体。
4. 【請求項４】平均濃縮度の異なる多種類の燃料集合体に
   より構成される初装荷炉心において、前記多種類の燃料
   集合体のうち少なくとも１種類の燃料集合体は、請求項
   １乃至３の何れかで構成されることを特徴とする初装荷
   炉心。
5. 【請求項５】平均濃縮度の異なる多種類の燃料集合体に
   より構成される初装荷炉心において、前記多種類の燃料
   集合体のうち少なくとも平均濃縮度が最低の燃料集合体
   は、請求項１乃至３の何れかで構成されることを特徴と
   する初装荷炉心。
6. 【請求項６】請求項４において、短尺燃料棒の上端が前
   記第一の長尺燃料棒の濃縮度境界面より、上部に位置す
   る前記少なくとも一種類の燃料集合体を有する初装荷炉
   心。
7. 【請求項７】請求項４において、上端及び下端に天然ウ
   ランが充填され、その間に濃縮された燃料物質が充填さ
   れた前記少なくとも一種類の燃料集合体を有する初装荷
   炉心。