JP3355758B2 - 原子炉炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉炉心に係
り、特に初装荷炉心に好適な炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】初装荷炉心では、装荷された燃料体の一
部分が第１サイクルの運転終了後に取り出され、新しい
取替燃料と交換される。第１サイクルで取り出される燃
料体は他の燃料体に比べて燃焼度が低く、発生エネルギ
ーが少ない。そこで、核分裂性物質の有効活用を図るた
めに、炉内滞在期間に応じてウラン濃縮度を変えた複数
の燃料体を用いる初装荷炉心が知られている。

【０００３】従来の初装荷炉心としては特開平5−24927
0 号公報に、燃料体平均濃縮度が３.４％ の高濃縮度燃
料体，２.３％ の中濃縮度燃料体、及び１.１％ の低濃
縮度燃料体の３種類で構成した炉心が記載されており、
更に、核分裂性物質の有効活用のために、濃縮度の低い
燃料体ほど早い時期に炉心から取り出し、濃縮度の高い
燃料体ほど長い間炉心に装荷することが記載されてい
る。

【０００４】また、同公報には、燃料経済性を向上する
ために、初装荷炉心の平均濃縮度を高めることが記載さ
れており、炉心径方向の出力分布を平坦化して熱的余裕
を増大するために、炉心外への中性子漏れの影響が大き
な外周領域に反応度の高い高濃縮度燃料体を多く装荷す
ることが記載されている。

【０００５】他の従来技術としては、特開昭53−40188
号公報に、燃料体下部の濃縮度に比べて燃料体上部の濃
縮度を高めることにより沸騰水型原子炉に特徴的な炉心
下部の出力ピークを減少させ、軸方向出力分布を平坦化
させて熱的余裕を増大する技術が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記第１の従来技術は
燃料経済性の向上には有効であるが、余剰反応度が大き
くなる。この場合、運転時に多数の制御棒を挿入する必
要があり出力ピーキングが増大するので、熱的余裕が減
少してしまう。また、平均濃縮度を高めるために高濃縮
度燃料体の濃縮度を高くすると、低濃縮度燃料体との燃
料体出力差が拡大するので、熱的余裕の確保はさらに難
しくなる。即ち、第１の従来技術では、軸方向出力分布
について考慮されていないため、燃料経済性を更に向上
させようとした場合、熱的余裕の確保が難しい。また、
第２の従来技術では燃料経済性については十分に考慮さ
れていなかった。

【０００７】本発明の目的は、複数の種類の燃料体から
なる初装荷炉心において、熱的余裕を確保しつつ、高濃
縮度燃料体中の核分裂性物質の消耗を低減して燃料経済
性を向上できる炉心を提供することである。

【０００８】

【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、核分裂性物質の燃料体平均濃度が異なる
複数の燃料体を装荷した原子炉炉心において、前記燃料
体は軸方向に平均濃度が高い上部と平均濃度が低い下部
に分割され、前記燃料体平均濃度が最も高い第１の燃料
体（高濃縮度燃料体）の上部と下部の核分裂性物質濃度
差は、前記燃料体平均濃度が前記第１の燃料体よりも低
い全ての第２の燃料体の上部と下部の核分裂性物質濃度
差よりも小さく、前記炉心は最外周を除く領域を径方向
に内側領域と外側領域に分割され、前記第１の燃料体の
割合は、外側領域の方が内側領域よりも大きい構成とし
たものである。

【０００９】また、好ましくは、前記第１の燃料体に含
まれる可燃性毒物の量が、前記第２の燃料体に含まれる
可燃性毒物の量よりも多い構成としたものである。

【００１０】

【００１１】

【作用】上記本発明によれば、燃料体平均濃度が最も高
い第１の燃料体（高濃縮度燃料体）の外側領域における
割合を内側領域よりも大きくすることにより径方向の出
力分布を平坦化できると共に、燃料体上部の平均濃縮度
を燃料体下部の平均濃縮度よりも高めることにより軸方
向の出力分布も平坦化できるので、炉心内の出力分布は
平坦化され、熱的余裕を確保することができる。

【００１２】また、炉心内で最大の出力ピーキングは、
燃料体出力が高い炉心径方向における中央の下部で発生
しており、炉心外周の下部での出力ピーキングに対して
は余裕が大きい。本発明の炉心ではこの余裕を考慮に入
れ、炉心外側領域に多く装荷される高濃縮度燃料体で軸
方向の上部と下部の濃縮度差を小さくすることにより、
下部出力ピーキングを必要以上に低下させずに、燃料経
済性を向上することができる。

【００１３】また、高濃縮度燃料体における下部出力ピ
ーキングを比較的大きくできるので、下部出力ピーキン
グを小さく抑える場合に比べて蒸気ボイドの発生位置が
低く、燃料体平均のボイド率が高くなる。ボイド率が高
いと中性子の減速が悪くなるので、高濃縮度燃料体の反
応度は減少して燃焼が抑制される。更に、高いボイド率
で燃焼すると、同じ燃焼度でも核分裂性物質の消耗は少
ないので、これも燃料経済性の向上に寄与する。

【００１４】また、中性子の減速が悪い状況では、燃料
中のウラン２３８による中性子吸収割合が増加し、新た
な核分裂性物質であるプルトニウム２３９の生成が促進
されると共に、水による低エネルギー中性子の無駄な吸
収も減るので、核分裂性物質の減少率が小さくなる。こ
れも燃料経済性の向上に寄与する。これに加えて、低エ
ネルギー中性子が少ないのでガドリニアの減少速度が遅
くなり、余剰反応度を抑制する効果も高まるので、熱的
余裕を十分に確保することができる。

【００１５】また、高濃縮度燃料体が装荷された炉心外
側領域の出力が減少する分、炉心内側領域の出力は増加
する。しかし、内側領域に装荷される、より低濃縮度の
燃料体においては上部と下部の濃縮度差を大きくつけて
あるので、軸方向出力分布は十分に平坦化され、最も出
力ピーキングが厳しい炉心径方向における中央の下部で
も出力ピーキングを抑制し、熱的余裕を十分に確保する
ことができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００１７】（実施例１）図１に本発明の第１の実施例
である炉心の１／４横断面を示す。本実施例の炉心は径
方向に内側領域２，外側領域１、及び最外周領域に分か
れている。燃料体としては、核分裂性物質の燃料体平均
濃縮度が３.４％ の高濃縮度燃料体３，２.３％の中濃
縮度燃料体４、及び１.１％の低濃縮度燃料体５の３種
類を用いている。高濃縮度燃料体３は可燃性毒物である
ガドリニアを７.５％ 含む燃料ペレットを充填した燃料
棒（以下、可燃性毒物入り燃料棒と呼ぶ）を８本用いて
おり、中濃縮度燃料体４は可燃性毒物入り燃料棒を３本
用いている。低濃縮度燃料体５は可燃性毒物を含まな
い。

【００１８】各燃料体は軸方向の中心で上部と下部に２
分割されており、上部と下部の平均濃縮度の差(以下、
上下濃縮度差と呼ぶ）は、高濃縮度燃料体３で０.１
％，中濃縮度燃料体４で０.３％，低濃縮度燃料体５で
０.２％となっている。即ち、高濃縮度燃料体３の上下
濃縮度差は中濃縮度燃料体４及び低濃縮度燃料体５の上
下濃縮度差よりも小さい。

【００１９】また、径方向の各領域における燃料体の構
成は、最外周領域が低濃縮度燃料体１００％で、外側領
域１が高濃縮度燃料体９１％，中濃縮度燃料体９％で、
内側領域２が高濃縮度燃料体３４％，中濃縮度燃料体３
０％，低濃縮度燃料体３６％である。即ち、高濃縮度燃
料体３の占める割合は内側領域２より外側領域１の方が
大きい。

【００２０】更に、径方向の各領域における平均濃縮度
は、最外周領域が１.１％ で、外側領域１が３.３％
で、内側領域２が２.３％である。即ち、平均濃縮度は
内側領域２より外側領域１の方が高い。

【００２１】また、外側領域１の上部平均濃縮度は３.
３６％，下部平均濃縮度は３.２４％であり、内側領域
２の上部平均濃縮度は２.３４％，下部平均濃縮度は２.
１４％である。従って、外側領域１における上下濃縮度
差は０.１２％ であり、内側領域２における上下濃縮度
差０.２０％ よりも小さい。

【００２２】本炉心の特性を、図２に示す従来技術を組
合せて構成した炉心と比較して説明する。図２の炉心
は、図１と同様に燃料体平均濃縮度が異なる３種類の燃
料体５，２３及び２４を用いており、炉心への燃料体の
装荷パタ−ンは図１と同じである。図２の炉心では、燃
料体の上下濃縮度差が全ての燃料体で０.２％ である。
従って、外側領域も内側領域も上下濃縮度差は０.２％
で等しい。

【００２３】図１の炉心と図２の炉心における軸方向出
力分布を図３に示す。本発明による図１の炉心では、図
２の炉心に比べて内側領域における軸方向出力分布が平
坦化され、炉心内で最大の出力ピーキングは５％低減さ
れる。一方、外側領域においては図１の炉心の方が下部
出力が高まっているが、燃料体の出力が低いため、内側
領域で生じた最大の出力ピーキングよりは小さな出力ピ
ーキングに収まっている。従って、炉心の最大線出力密
度は本発明による図１の炉心の方が５％低減される。

【００２４】次に、図１と図２の炉心の径方向出力分布
を比較すると、図４に示すように本発明による図１の炉
心では炉心外周の出力が減少し、炉心内側領域の出力が
増加する。中・低濃縮度燃料体は大部分が内側領域に装
荷されているので、第１サイクル終了後の中濃縮度燃料
体及び低濃縮度燃料体の平均燃焼度は図２の炉心に比べ
て３％程度増加する。これにより、第１サイクルと第２
サイクルに取り出される比較的低い濃縮度の燃料体中に
残る核分裂性物質量を減らすことができる。

【００２５】（実施例２）図５に本発明の第２の実施例
である炉心の１／４横断面を示す。本実施例の炉心は４
種類の燃料体からなり、平均濃縮度３.４％ の高濃縮度
燃料体は、可燃性毒物であるガドリニアが多く入った燃
料体３とガドリニアの含有量が少ない燃料体５３の２種
類ある。燃料体３ではガドリニアを７.５％ 含む燃料ペ
レットをつめた燃料棒が８本使用され、燃料体５３では
ガドリニアを７.５％ 含む燃料ペレットをつめた燃料棒
が７本使用されている。燃料体５３の濃縮度分布は、燃
料体３と同じである。また、中濃縮度燃料体４と低濃縮
度燃料体５は図１の炉心と同じものである。

【００２６】炉心内の燃料装荷パタ−ンに関しては、外
側領域１に装荷される高濃縮度燃料体が全てガドリニア
の含有量が少ない燃料体５３であることを除き、図１の
炉心と同様の構成になっている。

【００２７】本炉心においては、核分裂性物質の燃料体
平均濃縮度が最も高い第１の燃料体は燃料体３と燃料体
５３であり、第１の燃料体より平均濃縮度が低い第２の
燃料体は中濃縮度燃料体４と低濃縮度燃料体５である。
各燃料体の上下濃縮度差、及び炉心内の各領域ごとの濃
縮度分布の関係は図１の炉心と同じである。

【００２８】本炉心では、外側領域にガドリニア量が少
ない燃料体を装荷しているため、図１の炉心に比べると
炉心最外周の出力割合が大きく、図２の炉心と同程度に
なる。従って、高濃縮度燃料体の燃焼を抑制する効果は
小さい。しかし、高濃縮度燃料体における燃料体平均の
ボイド率は高く保たれているため、図２の炉心に比べて
高濃縮度燃料体中の核分裂性物質の消耗を抑える効果は
得られる。また、径方向の出力分布が平坦化されるた
め、図１の炉心に比べて最大線出力密度は約３％減少す
る。

【００２９】（実施例３）図６に本発明の第２の実施例
である炉心の１／４横断面を示す。本炉心は３種類の燃
料体で構成されており、高濃縮度燃料体６３の平均濃縮
度は３.７％ ，中濃縮度燃料体６４の平均濃縮度は２.
５％ ，低濃縮度燃料体６５の平均濃縮度は１.２％ で
ある。高濃縮度燃料体６３は燃料有効長の下端から１／
３の位置に上部と下部の境界があり、上部の平均濃縮度
は３.７６％、下部の平均濃縮度は３.５６％である。中
濃縮度燃料体６４と低濃縮度燃料体６５は燃料有効長の
下端から１／２の位置に上部と下部の境界があり、中濃
縮度燃料体６４の上部の平均濃縮度は２.６５％，下部
の平均濃縮度は２.３５％で、低濃縮度燃料体６５の上
部の平均濃縮度は１.３５％，下部の平均濃縮度は１.０
５％である。

【００３０】高濃縮度燃料体６３における上半分の平均
濃縮度は３.７７％ ，下半分の平均濃縮度は３.６３％
であり、中・低濃縮度燃料体における上下濃縮度差より
も小さい。本実施例の炉心は、外側領域１での高濃縮度
燃料体６３の割合が１００％であり、内側領域２での高
濃縮度燃料体６３の割合３３％よりも大きい。

【００３１】本炉心の特性を図７に示す比較例の燃料体
を用いた場合と比較して説明する。図７の各燃料体の平
均濃縮度は図６の対応する燃料体の平均濃縮度と同じで
ある。しかし、高濃縮度燃料体７３は燃料有効長の下端
から１／２の位置に上部と下部の境界があり、上下濃縮
度差は０.２％ である。中濃縮度燃料体７４及び低濃縮
度燃料体７５も燃料有効長の下端から１／２の位置に上
部と下部の境界があり、上下濃縮度差は０.２％ であ
る。炉心内での燃料装荷パターンは図６と同じである。

【００３２】図６の高濃縮度燃料体６３における上部と
下部の濃縮度差は、図７の高濃縮度燃料体７３における
上部と下部の濃縮度差と同じく０.２％ であるが、燃料
体６３は上部と下部の境界が下側に位置するため、軸方
向中心を境界としてみた上下の平均濃縮度差は０.１４
％ であり、燃料体７３での上下の平均濃縮度差よりも
小さい。

【００３３】本発明による図６の燃料体を装荷した炉心
と、図７の燃料体を装荷した炉心の外側領域の軸方向出
力分布を図８に示す。どちらの炉心も炉心下部の出力ピ
ーキング値は同程度であるが、下半分での出力割合は図
６の炉心の方が大きく、燃料体平均のボイド率が高くな
る。特に、炉心の反応度に影響の大きい、軸方向中央部
ではボイド率が４％程度高くなり、核分裂性物質の節約
効果が大きい。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、初装荷炉心において熱
的余裕を確保しつつ、高濃縮度燃料体中の核分裂性物質
の消耗を低減し、初装荷炉心の燃料経済性を向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である炉心の１／４横断
面を示す。

【図２】第１の実施例の比較例の炉心の１／４横断面を
示す。

【図３】第１の実施例の軸方向出力分布を示す図。

【図４】第１の実施例の径方向出力分布を示す図。

【図５】本発明の第２の実施例である炉心の１／４横断
面を示す。

【図６】本発明の第３の実施例である炉心の１／４横断
面を示す。

【図７】第３の実施例の比較例の燃料体を示す図。

【図８】第３の実施例の軸方向出力分布を示す図。

【符号の説明】

１…炉心外側領域、２…炉心内側領域、３，２３，５
３，６３，７３…高濃縮度燃料体、４，２４，６４，７
４…中濃縮度燃料体、５，６５，７５…低濃縮度燃料
体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 洋子 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 持田 貴顕 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 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 (72)発明者 山中 章広 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６−347578（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−128473（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−80586（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−43792（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−21389（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 5/00 G21C 3/30

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核分裂性物質の燃料体平均濃度が異なる複
   数の燃料体を装荷した原子炉炉心において、 前記燃料体は軸方向に平均濃度が高い上部と平均濃度が
   低い下部に分割され、 前記燃料体平均濃度が最も高い第１の燃料体の上部と下
   部の核分裂性物質濃度差は、前記燃料体平均濃度が前記
   第１の燃料体よりも低い全ての第２の燃料体の上部と下
   部の核分裂性物質濃度差よりも小さく、 前記炉心は最外周を除く領域を径方向に内側領域と外側
   領域に分割され、前記第１の燃料体の割合は、外側領域
   の方が内側領域よりも大きいことを特徴とする原子炉炉
   心。
2. 【請求項２】請求項１に記載の原子炉炉心において、前
   記第１の燃料体に含まれる可燃性毒物の量が、前記第２
   の燃料体に含まれる可燃性毒物の量よりも多いことを特
   徴とする原子炉炉心。
3. 【請求項３】請求項１に記載の原子炉炉心において、前
   記第１の燃料体の上部と下部の境界は燃料有効長部の下
   端から燃料有効長の１／３から７／１２の間に位置し、 前記第２の燃料体の上部と下部の境界は燃料有効長部の
   下端から燃料有効長の１／３以上に位置すると共に、 前記第１の燃料体の境界は前記第２の燃料体の境界より
   も低い位置にあることを特徴とする原子炉炉心。