JP3485956B2 - 原子炉炉心およびその燃料集合体 - Google Patents
原子炉炉心およびその燃料集合体Info
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Description
よび燃料集合体に係り、特にウランとプルトニウムの混
合燃料を充填したMOX燃料棒を備えた沸騰水型原子炉
の燃料集合体およびこの燃料集合体を装荷した原子炉炉
心に関する。
心においては、主としてウラン酸化物を燃料ペレットに
焼き固めて燃料被覆管に詰めた燃料棒を、スペーサによ
って格子状に束ねチャンネルボックスで包囲して組み立
てた燃料集合体を炉心部内に装荷している。
を示すもので、図中、符号aはウラン燃料集合体のチャ
ンネルボックスであり、このチャンネルボックスa内に
は、二酸化ウランのみからなるウラン燃料棒bと可燃性
毒物入りガドリニア燃料棒cとが8行8列に配置され、
燃料棒が4本分引き抜かれた中央部には大径のウォータ
ロッドdが配置される。また、チャンネルボックスaの
外側には、非沸騰水が流れる水ギャップ領域eがある。
らウラン235 を濃縮した濃縮ウランであるが、その濃度
(ウラン235 の重量割合)の異なるものが数種類使用さ
れている。図23中においては、燃料棒中に符号1,2,
3,4を付した4種類のウラン燃料棒bが用いられてい
る。
ニウム酸化物(Gd2 O3 ) をウラン酸化物と混合して形
成されており、大きな中性子吸収面積を有することか
ら、初期の反応度を制御するために用いられている。図
23においては、燃料棒中に符号Gを付した10本のガドリ
ニア入り燃料棒cが用いられている。
は原子炉の炉心部に装荷され、所定期間運転された後、
使用済み燃料となり、この使用済燃料は数年間冷却され
た後、再処理される。再処理時に回収されるウランおよ
びプルトニウムは、再び軽水炉の核燃料としてリサイク
ルすることによって、ウラン資源の節約を図ることがで
きる。
ルすることは、プルサーマルと呼ばれ、欧米では早くか
ら実施された経験がある。プルサーマルにおいて、プル
トニウムは酸化物の形で母材となるウラン酸化物と混合
され、混合酸化物(MOX)としてペレット状に焼き固
められる。このペレットは燃料被覆管内に装填されてM
OX燃料棒となる。この燃料棒を束ねチャンネルボック
スで包囲してMOX燃料集合体を構成している。
燃料として使用される。燃料としてのプルトニウムは、
同位体元素としては表1に示すものがある。
性子に対する(n,γ)反応断面積、Iγは(n,γ)
反応の実効共鳴積分、σfは2200m/s の中性子に対する
(n,f)反応断面積、Ifは(n,f)反応の実効共
鳴積分である。また、表1中に*印を付した同位体元素
は核分裂性元素である。
位体元素ではないが、 241Puが半減期14.7年でベータ
崩壊することにより生成されるものである。以下ではプ
ルトニウム同位体元素に 241Amも含めて考慮すること
にする。
て、MOX燃料の場合は、プルトニウムの同位体元素割
合(以後、プルトニウム組成と略称)を固定することが
難しいことが挙げられる。
年間冷却した後再処理しその際に回収されるプルトニウ
ムを原料として作られているため、使用済燃料の履歴
(初期濃縮度,取出燃焼度)および燃料棒製造後の経過
時間によってプルトニウム組成が異なることになる。し
かし、燃料集合体ごとのプルトニウム組成が異なってい
ては、燃料設計および炉心管理が複雑となり過ぎる。
装荷する燃料集合体のプルトニウム組成は、燃料製造時
のプルトニウムを混合しMOX燃料棒を成型加工するな
どにより、可能な限り同じ組成がとられるようにしてい
る。また、使用済燃料の履歴をある範囲内に限定するこ
とにより、プルトニウム組成の取り得る範囲を制限して
いる。
トニウム組成の燃料集合体を用いても良好な炉心特性を
保証するためには、プルトニウムの組成に応じた設計を
行って集合体特性(反応度,局所ピーキング係数(LP
F))をできるだけ合わせる必要がある。プルトニウム
の組成に応じた集合体設計を行う場合、以下の2点に注
意を払う必要がある。
運転サイクル末期(EOC)の炉心平均燃焼度時の無限
増倍率をほぼ一致させる。 (2)燃焼初期のLPFを同程度に揃える。
が少ない(以下、低組成と略称)と、中性子吸収物質で
ある 240Puや 242Puの割合が大きくなるため、
(1)のようにEOC炉心平均燃焼度時の無限増倍率を
一致させるためには、低組成ほど燃料集合体平均の核分
裂性プルトニウム富化度(以下、Puf富化度と略称)
を高くし、 240Puや 242Puによる反応度損失を補償
しなければならない。
トニウム組成をもつMOX燃料集合体の設計例を示す。
図24は燃料集合体Aの水平断面を示す模式図で、図中チ
ャンネルボックスa内の番号1はウラン燃料棒、2〜6
はMOX燃料棒で、Gはガドリニア入り燃料棒を示し、
表2に各番号の燃料棒のウラン濃縮度またはPuf富化
度を示す。
ギャップ幅が異なる(以下、D格子燃料と呼称)ため、
同一濃縮度または同一Puf富化度であることを示す番
号のパターン(以下、スプリット・パターンと呼称)
が、水ギャップ領域eの幅が等しい場合(図23)に比べ
非対象になっている。
分裂性プルトニウムおよび 241Amの重量割合を示して
いる。ただし、 238Pu, 240Pu, 242は省略する。
濃縮度2.2 %のウラン燃料を燃焼度28GWd/t で取出し5
年冷却して燃料棒製造後2年が経過したものであり、標
準組成(67.0%Puf) は、濃縮度3.0 %のウラン燃料を燃
焼度28GWd/t で取出し5年間冷却して燃料棒製造後2年
が経過したものであり、また、高組成(74.6%Puf) は、
濃縮度3.0 %のウラン燃料を燃焼度20GWd/t で取出し5
年間冷却して燃料棒製造後2年が経過したものである。
uf富化度は、低組成燃料で3.12%、標準組成燃料で2.
90%、高組成燃料で2.69%となっており、低組成燃料ほ
ど高くなっている。また、個々の燃料棒のPuf富化度
も同様に低組成燃料ほど高くなっており、Puf富化度
が高い燃料棒ほどプルトニウム組成による差が顕著であ
る。
富化度の違いは、後述するように、余剰燃料棒を使用す
る際に問題となる。なお、ウラン燃料棒およびGd入り
ウラン燃料棒は燃料製造上の観点から共通設計となって
いる。
%での無限増倍率の燃焼変化を示す。これより、燃焼初
期からEOC炉心平均燃焼度時までは高組成燃料ほど無
限増倍率が大きく、EOC炉心平均燃焼度時以降では低
組成燃料ほど無限増倍率が大きくなっていることがわか
る。
Puや 242Puの割合が小さい高組成燃料の無限増倍率
が大きく、燃焼後期では、核分裂性プルトニウムへの転
換率が大きい( 238Uから 239Puへの転換および 240
Puから 241Puへの転換がより進行する)低組成燃料
の無限増倍率が大きく燃焼勾配が緩やかになる。
り、(2)のように燃焼初期のLPFを同程度に揃えた
設計を行うと、燃焼が進むにつれて低組成燃料ほどLP
Fが高くなる。これは低組成燃料の方が集合体内部の中
性子スペクトルの硬い位置の燃料棒の転換率が高くな
り、燃焼後期の局所出力が大きくなるためである。
C炉心平均燃焼度時の無限増倍率を一致させているの
で、EOCの余剰反応度が等しくなり所要の運転期間を
満足させることができる。ただし、運転中の余剰反応度
および炉停止余裕は、無限増倍率の燃焼特性の差により
多少異なるが問題とはならない程度である。
ついては、一般に、ウラン燃料に比べてボイド係数が高
いMOX燃料では運転サイクル初期で新燃料の軸方向出
力分布が下方ピークとなり熱的に厳しくなる場合が多い
が、燃焼初期のLPFを同程度に揃えているので、サイ
クルを通じて最も厳しくなる運転サイクル初期(BO
C)の最大線出力密度を組成によらず同程度に抑えるこ
とができる。
予備の燃料棒を作成しておく必要がある。例えば図24に
示したMOX燃料集合体の設計例は、番号1を付した1
本のウラン燃料棒、番号2〜6を付した48本のMOX燃
料棒、および符号Gを付した11本のガドリニア入り燃料
棒で構成されている。
燃料集合体が装荷されるとし、3%の予備燃料棒を用意
しておくと仮定すると、5種類のMOX燃料棒の予備燃
料棒の本数は表4のようになる。
けが使用されるので、Puf富化度の異なる5種類のM
OX燃料棒は、それぞれ、数本から数十本程度の余剰の
燃料棒(以下、余剰燃料棒と呼ぶ)が残ることとなる。
これらの余剰燃料棒を次の運転サイクル以降で用いる燃
料集合体に使用することができれば、それだけ燃料経済
性も向上する。
サイクルで予備の燃料棒が余ったとしても、次のサイク
ルの燃料集合体の設計が同じであれば、同じ濃縮度のウ
ラン燃料棒として使用することができた。
ルが異なればプルトニウム組成が異り、また、燃料棒製
造後の経過時間の長い余剰燃料棒ほど 241Amの蓄積が
多く、中性子吸収体としての 241Amの効果(反応度の
損失など)が大きくなる。したがって、もとの燃料棒と
余剰燃料棒のプルトニウム組成の違いによる効果、およ
び余剰燃料棒の 241Amの蓄積量の違いによる効果を考
慮して、余剰燃料棒の使用方法を考えておく必要があ
る。
使用形態で考えると、もとの燃料集合体の一部に余剰燃
料棒を混ぜて使う方法(少数分散装荷)と燃料集合体の
大部分を余剰燃料棒で構成する方法(多数本集中装荷)
に分けられる。
来の技術は、例えば特開平5−142371号公報(以
下、公開公報と記す)に開示されている。この公開公報
の技術は余剰燃料棒の使用に限らず、一般に1つの燃料
集合体に複数のプルトニウム組成からなる燃料棒の配置
方法に関するものである。
または軸方向下部などのように熱中性子束の高いところ
に、低プルトニウム組成を配置すれば、運転サイクルを
通じて出力分布の平坦化が実現できると述べている。そ
こで、この公開公報の技術を余剰燃料棒の配置位置に適
用した例について以下に示す。
体(図24および表2参照)の一部に、表3に示した燃料
棒製造後3年経過した低組成または高組成の余剰燃料棒
を配置した場合を考える。燃料集合体平均の反応度をで
きるだけ保存するために、余剰燃料棒は、もとの燃料集
合体の燃料棒のPuf富化度に最も近いところに配置
し、スプリット・パターンは図24から変更しないとす
る。
で、2番の燃料棒を12本,3番の燃料棒を4本、4番を
5本、5番を2本、6番を2本の計25本)を配置した。
ころに低組成の燃料棒を配置すればよいので、例えば、
図27に示した標準組成の燃料集合体の局所出力分布を考
慮して、低組成の余剰燃料棒は同一Puf富化度のグル
ープ内で局所出力の高い図28の○印の位置に、高組成の
余剰燃料棒は同一Puf富化度のグループ内で局所出力
の低い図30の○印の位置に配置する。
のようになり、余剰燃料棒を配置する前のもとの標準組
成の燃料集合体におけるLPF(図27)により悪化す
る。
はLPFを低減するように自由な値が採れたのに対し、
MOX燃料集合体の余剰燃料棒のPuf富化度は、低組
成または高組成の燃料集合体で決められた値に限定さ
れ、低組成燃料ほど燃料棒のPuf富化度が高くなって
いるからである。
れた従来の技術は、余剰燃料棒の少数本分散装荷の場合
の使用方法として用いることができない。したがって、
余剰燃料棒の少数本分散装荷に適した使用方法を、新た
に考える必要がある。
は、少数本分散装荷の場合に比べ1集合体あたりの 241
Amの蓄積量が多くなる。例えば、図32は同じプルトニ
ウム組成(標準組成)で燃料棒製造後の経過時間に4年
の差がある2つの燃料集合体の無限増倍率(ボイド履歴
は40%)の燃焼変化を示している。
よりEOC炉心平均燃焼度で1%Δk程度の反応度損失
を生じている。こうした低反応度特性をもつ燃料集合体
の体数が増加すれば余剰反応度は低下するし、また、前
記燃料集合体が集合体出力の低い位置に配置されれば、
集合体出力がさらに低下し、その分、周囲の燃料集合体
出力が増加するので炉心の径方向ピーキングが悪化する
ことになる。
な燃料集合体の設計変更や、低反応度特性をもつ燃料集
合体の炉心装荷位置を、ある程度限定しておく必要があ
る。本発明の目的は、ある運転サイクルで生じた余剰燃
料棒を、それ以降の運転サイクルの燃料集合体の一部ま
たは全部に混ぜて使う場合に好適な炉心およびその燃料
集合体を提供することにある。この場合、特に、プルト
ニウムの組成の違いによる効果と、余剰燃料棒の 241A
mの蓄積による効果の2つを考慮する必要がある。
の第1の発明は請求項1に係る発明であって、ウラン燃
料棒およびプルトニウム富化度が異なる複数種類の第1
群のMOX燃料棒で構成された燃料集合体Aと、ウラン
燃料棒および第1群のMOX燃料棒および第1群のMO
X燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い第2群の
MOX燃料棒で構成された燃料集合体Bとが混合装荷さ
れた炉心において、燃料集合体BにおいてP2なる核分
裂性プルトニウム富化度をもつ第2群のMOX燃料棒
が、燃料集合体AにおいてP2に最も近いP1なる核分
裂性プルトニウム富化度をもつ第1群のMOX燃料棒の
占める位置の中で、P2がP1より大きい場合は熱中性
子束が最も低い位置に配置され、P2がP1より小さい
場合は熱中性子束が最も高い位置に配置されていること
を特徴とする。
て、ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度が異なる複
数種類の第1群のMOX燃料棒で構成された燃料集合体
Aと、ウラン燃料棒および第1群のMOX燃料棒および
第1群のMOX燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が
長い第2群のMOX燃料棒で構成された燃料集合体Bと
が混合装荷された原子炉炉心において、燃料集合体Bに
おける第2群のMOX燃料棒が最外周位置を除く位置の
みに配置されているか、または燃料集合体Bにおける最
外周位置のMOX燃料棒が全て第2群のMOX燃料棒で
構成されていることを特徴とする。
ニウム富化度が異なる複数種類のMOX燃料棒で構成さ
れた燃料集合体において、プルトニウム富化度が異なる
全ての種類のMOX燃料棒が、燃料集合体の最外周を除
く位置に少なくとも1本配置されていることを特徴とす
る。
ニウム富化度が異なる複数種類のMOX燃料棒で構成さ
れた燃料集合体において、前記プルトニウム富化度が異
なる全ての種類のMOX燃料棒が、燃料集合体断面内に
おいて制御棒の中心軸に向かう対角線上に少なくとも1
本配置されていることを特徴とする。
て、ウラン燃料棒および第1群のMOX燃料棒および第
1群のMOX燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長
い第2群のMOX燃料棒で構成された燃料集合体におい
て、チャンネルボックスの対角線を境界にして燃料集合
体の水平断面を制御棒側と非制御棒側に分割した場合、
前記第2群のMOX燃料棒が制御棒側よりも非制御棒側
に多く配置されていることを特徴とする。
ニウム富化度が異なる複数種類の第1群のMOX燃料棒
で構成された燃料集合体Aと、ウラン燃料棒および第1
群のMOX燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い
第2群のMOX燃料棒で構成された燃料集合体Cとが混
合装荷された炉心において、燃料集合体Cにおける各々
の第2群のMOX燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度
が、第1群のMOX燃料棒のうち燃料集合体Aの同じ位
置に配置されているMOX燃料棒の核分裂性プルトニウ
ム富化度に最も近いことを特徴とする。
て、第6の発明において、核分裂性プルトニウム同位体
重量割合が燃料集合体Aより低いかまたは等しい請求項
6に記載の燃料集合体Cが、炉心最外周から3層目より
も内部に配置され、かつ原子炉の運転中に制御棒が挿入
されるコントロール・セルに隣接しない位置に配置され
ていることを特徴とする。
ニウム富化度が異なる複数種類の第1群のMOX燃料棒
で構成された燃料集合体Aと、ウラン燃料棒および第1
群のMOX燃料棒の燃料棒製造後の経過時間よりも長い
第2群のMOX燃料棒で構成された燃料集合体Cとが混
合装荷された炉心において、ウラン燃料棒の本数が燃料
集合体Aと燃料集合体Cで異なるか、またはMOX燃料
棒を核分裂性プルトニウム富化度の大きさ順に配置した
場合に、各富化度に属する燃料棒の本数の構成割合が燃
料集合体Aと燃料集合体Cで異なることを特徴とする。
ニウム富化度が異なる複数種類の第1群のMOX燃料棒
で構成された燃料集合体Aと、ウラン燃料棒および第1
群のMOX燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い
第2群のMOX燃料棒で構成された燃料集合体Cとが混
合装荷された炉心において、可燃性毒物入りウラン燃料
棒の本数が燃料集合体Aと燃料集合体Cとにおいて異な
ることを特徴とする。
体重量割合が燃料集合体Aより高い請求項6に記載の燃
料集合体Cか、または請求項8または請求項9に記載の
燃料集合体Cが、原子炉の運転中に制御棒が挿入される
コントロール・セルに隣接する位置、または炉心最外周
ないし炉心最外周から3層目の位置に配置されているこ
とを特徴とする。
とした第1の発明から第5の発明について説明する。燃
料集合体AのMOX燃料棒の一部を余剰燃料棒と置き換
えて燃料集合体Bを作成する場合、燃料集合体BのLP
Fを悪化させないためには、置換された燃料棒のPuf
富化度(P1)と置換した余剰燃料棒のPuf富化度
(P2)をできるだけ近くする必要がある。
い場合は余剰燃料棒を置いた位置の局所出力が悪化する
可能性があり、また、P2がP1より小さい場合は余剰
燃料棒を置いた位置の局所出力が窪むことにより周囲の
燃料棒の局所出力が増加する場合がある。
いる何本かのMOX燃料棒のうちのどの位置に余剰燃料
棒を配置するかを考慮しておかなければならない。な
お、余剰燃料棒の本数が少ない場合は 241Amによる反
応度損失はわずかであるので、基本的にLPFの悪化に
のみ注意を払えばよい。
近く、かつ、P2がP1より大きい場合は、熱中性子束
が最も低い位置に余剰燃料棒が配置されるので、余剰燃
料棒を配置した位置の局所出力が悪化する可能性は小さ
くなる。
性子束が最も高い位置に余剰燃料棒が配置されるので、
余剰燃料棒を配置した位置の局所出力の窪みがわずかと
なり、それによって余剰燃料棒の周囲の局所出力が増加
することは、ほとんど起こらなくなる。
集合体BのLPFが悪化する場合に対処するもので、図
24の燃料集合体の5番または6番の燃料棒のように燃料
集合体の最外周位置にしか配置されない燃料棒がある場
合に有効である。
富化度変化に対する燃焼初期のLPF変化の感度が大き
いので、最外周位置にPuf富化度の異なる余剰燃料棒
を配置すると、余剰燃料棒自身または余剰燃料棒の周囲
の燃料棒の局所出力が増加しLPFが悪化する可能性が
高い。
周位置を除く位置のみに配置するか、または、燃料集合
体Bのすべての最外周位置をプルトニウム組成が等しく
Puf富化度分布が十分に調整された余剰燃料棒で構成
すれば、燃焼初期のLPFの増加を防ぐことができる。
周位置を除く位置に配置した場合は、Puf富化度が低
い余剰燃料棒を本来Puf富化度が高い燃料集合体中央
部に配置することになるので、燃料集合体平均のPuf
富化度が若干低下することになる。
合体Bの集合体平均Puf富化度が燃料集合体Aより低
下する点を改良したもので、あらかじめ燃料集合体Aの
中央部にすべての種類のPuf富化度をもつ燃料棒を少
なくとも1本以上配置しておくので、P2のPuf富化
度が低い余剰燃料棒を燃料集合体中央部に配置しても、
燃料集合体平均のPuf富化度は低下しなくてすむ。
Aの対角線上に、すべての種類のPuf富化度もつ燃料
棒を少なくとも1本以上配置しておくので、余剰燃料棒
を奇数本配置する場合でも、対角線上に1本の余剰燃料
棒を配置し残りの偶数本を対角線を挟む対称な位置に配
置することが可能で、燃料集合体全体の局所出力分布の
偏りを防ぎLPFの増加を抑えることができる。
い場合は余剰燃料棒の配置により低温時の制御棒価値を
悪化させることは許されないので、中性子吸収効果の大
きい241Amの蓄積した余剰燃料棒を非制御棒側に配置
することにより、制御棒価値の悪化を防止できる。
とした第6の発明から第10の発明について説明する。燃
料集合体AのMOX燃料棒の全部を余剰燃料棒と置き換
えて燃料集合体Bを作成する場合、燃料集合体の設計を
変更して 241Amによる反応度損失を補償するか、また
は、反応度特性の異なる燃料集合体の炉心装荷位置を限
定して炉心特性への影響を小さくする必要がある。
る燃料集合体CのPuf富化度分布を燃料集合体AのP
uf富化度分布にできるだけ近くしたもので、燃料集合
体Aでは既にLPFが十分に低減されるようにPuf富
化度分布が調整してあるので、燃料集合体CでのLPF
は増加することはほとんどない。
集合体Cのプルトニウム組成が燃料集合体Aより低い場
合、または第6の発明で燃料集合体Cのプルトニウム組
成が燃料集合体Aと同じで、 241Amの蓄積量が大きい
場合に、燃料集合体Aより低い反応度特性をもつ燃料集
合体Cを集合体出力の大きい位置に装荷することによ
り、径方向ピーキングを低下させることができる。ま
た、炉停止余裕の厳しい位置に配置すれば、炉停止余裕
を改善することも可能である。
を補償するためのもので、燃料集合体Cをウラン燃料棒
と燃料製造後の経過時間が長い第2群のMOX余剰燃料
棒で構成し、さらに、ウラン燃料棒の本数,濃縮度、ま
たは各富化度に属するMOX燃料棒本数の構成割合を調
整することにより、燃料集合体Cの無限増倍率の燃焼特
性を燃料集合体Aに近づけることができる。
で、燃料集合体Cにおける可燃性毒物入りウラン燃料棒
の本数を燃料集合体Aと変更することにより、特に、燃
焼初期での反応度を調節できる。
集合体Cのプルトニウム組成が燃料集合体Aより高い場
合、または、第8または第9の発明において反応度特性
を補償した場合に、燃料集合体Aと同程度または燃料集
合体Aより高い反応度特性をもつ燃料集合体Cを燃料集
合体を集合体出力の小さい位置に装荷することにより、
燃料集合体Cの最大線出力密度が悪化することを防ぐこ
とができる。
する。図1は、第1の発明に係る燃料集合体Bの第1実
施例を示し、標準組成(表3)からなる燃料集合体Aの
一部の燃料棒を燃料棒製造後3年間経過した低組成(表
3)の余剰燃料棒(○印)に置き換えて構成したもので
ある。各番号の濃縮度またはPuf富化度は表2に示し
た。
れたもので、置換される燃料棒よりPuf富化度が高
い。そこで、図27に示した燃料集合体Aの局所出力分布
を参考に各番号の燃料棒の中で熱中性子束が最小となる
燃料棒から順に25本配置した。なお、同じ番号の燃料棒
はPuf富化度が等しいので、同じ番号内で出力値が最
小となる燃料棒で熱中性子束が最小となる。燃料集合体
Bの燃焼初期の局所出力分布は図2のようになる。LP
Fで比較すると、もとの燃料集合体Aでは1.199 、本発
明による燃料集合体Bでは1.192 となり、ほとんど変わ
らないことがわかる。
第2実施例を示し、標準組成(表3)からなる燃料集合
体Aの一部の燃料棒を燃料製造後3年間経過した高組成
(表3)の余剰燃料棒(○印)に置き換えて構成したも
のである。ここで、各番号の濃縮度またはPuf富化度
は表2に示した。
り、置換される燃料棒よりPuf富化度が低いので、各
番号の燃料棒の中で熱中性子束が最大となる燃料棒から
順に25本配置した。燃料集合体Bの燃焼初期の局所出力
分布は図4のようになる。LPFで比較すると、もとの
燃料集合体Aでは1.199 、本実施例による燃料集合体B
では1.180 となり、むしろやや改善されている。
余剰燃料棒を配置する場合は熱中性子束の低いところ
に、標準組成に高組成の余剰燃料棒を配置する場合は中
性子束の高いところに配置すればよいことがわかる。
集合体Bの第1および第2実施例を示す。この燃料集合
体は、制御棒挿入側と非挿入側の水ギャップ幅が同じ場
合(C格子燃料)の設計例である。
集合体A(図33参照)の濃縮度またはPuf富化度を表
5に示す。また、標準組成燃料の場合の燃焼初期の局所
出力分布を図34に示す。LPFは燃焼初期で1.258 で
ある。なお、図33は3種類のプルトニウム組成をもつC
格子MOX燃料集合体を示し、図34は図33における燃焼
初期の局所出力分布である。
準組成(表3)からなる燃料集合体Aの一部の燃料棒を
燃料製造後3年経過した低組成または高組成(表3)の
余剰燃料棒(○印)に置き換えて構成したものである。
料棒は3番の標準組成燃料棒のうち熱中性子束の低い位
置の燃料棒と置換されることになるので、図35のような
構成となり、余剰燃料棒自身が最大の局所出力を出しL
PFは燃焼初期で1.283 (図36)となる。図35は標準的
なプルトニウム組成をもつC格子MOX燃料集合体の外
周部に低組成の余剰燃料棒を配置した場合を示し、図36
は図35における燃焼初期の出力分布を示している。
準組成燃料棒のうち熱中性子束の高い位置の燃料棒と置
換されることになるので、図37のような構成となり、余
剰燃料棒に隣接する最外周位置の燃料棒の局所出力が悪
化しLPFは燃焼初期で1.271 (図38)となる。図37は
標準的なプルトニウム組成をもつC格子MOX燃料集合
体の外周部に高組成の余剰燃料棒を配置した場合を示
し、図38は図37における燃焼初期の出力分布を示してい
る。
料棒のようにもとの燃料集合体Aの最外周位置にしか配
置されない燃料棒がある場合は、第1の発明に従ってP
uf富化度の近い余剰燃料棒を最外周位置に配置する
と、燃料集合体BのLPFが悪化する場合がある。
剰燃料棒を集合体中央部に配置する(図5)と、LPF
は燃焼初期で1.266 (図6)となり、燃料集合体の最外
周位置に配置した場合(図36,LPF=1.283 )より改
善される。
合体中央部に配置した場合(図7)は、燃焼初期のLP
Fは1.269 (図8)となり、燃料集合体外周部に配置し
た場合(図38,LPF=1.271 )と比べて改善されて
はいるもののその効果は小さい。
富化度の高い燃料集合体中央部のMOX燃料棒をPuf
富化度の低い余剰燃料棒と置換するので、集合体平均の
Puf富化度が多少低くなる問題がある。
料集合体Bの第3または第4実施例を示し、標準組成
(表3)からなる燃料集合体Aの外周部の燃料棒をすべ
て燃料製造後3年経過した低組成または高組成(表3)
の余剰燃料棒(○印)に置き換えて構成したものであ
る。
図10または図12のようになり、LPFで比較すると、第
1の発明に従った場合の1.283 (図36)、1.271 (図3
8)に対して、本発明による燃料集合体Bで、低組成燃
料棒に置換した場合は、1.268(図10)、高組成燃料棒
に置換した場合は1.245 (図12)となっており、余剰燃
料棒の本数が28本と多くなっているが、LPFは改善さ
れている。
によっても燃料集合体BのLPFが悪化する場合、すな
わち、燃料集合体Aにおいて最外周位置にしか配置され
ない種類の燃料棒がある場合に有効である。
実施例を示し、第2の発明において集合体平均のPuf
富化度が低下する問題を解決する1つの手段として、も
との燃料集合体Aにおいて最外周位置にしか配置されな
い種類の燃料棒をなくしたものである。
に代わるもので、各番号の燃料棒の濃縮度またはPuf
富化度は表5に示した。図13(a)では、Puf富化度
の低い△印で示した2番から4番の燃料棒をあらかじめ
燃料集合体Aの中央部に用意している。
体Bのように、何番のPuf富化度の余剰燃料棒がきて
も用意されている本数分は燃料集合体の中央部に配置で
き、集合体平均のPuf富化度を大きく低下させること
なく、燃焼初期のLPFの悪化を防ぐことができる。
1実施例を示し、対角線上に2番から6番までの5種類
すべてのMOX燃料棒を配置している。本実施例は図24
に示したD格子燃料集合体に代わるもので、各番号の燃
料棒の濃縮度またはPuf富化度は表2に示した。
する場合でも、燃料集合体Bのように、制御棒の中心軸
に向かう対角線上に1本の余剰燃料棒を配置すれば対角
線を軸とした対称性は保たれるので、余剰燃料棒による
出力分布の偏りを防ぐことができる。
1実施例を示し、図33の標準組成をもつC格子燃料集合
体の非制御棒側に燃料製造後6年の余剰燃料棒を集中配
置している。各番号の燃料棒の濃縮度またはPuf富化
度は表5に示した。本実施例により図39に示す余剰燃料
棒を制御棒挿入側に集中配置した燃料集合体に比較し
て、冷温時の制御棒価値を 0.2%Δk/k 程度改善するこ
とができる。
PFおよび無限増倍率の燃料特性を示す。この図16は、
燃料棒製造後の経過時間が2年間の標準組成をもつD格
子燃料集合体Cと、燃料棒製造後の経過時間が6年間で
低組成の余剰燃料棒で構成された図24に示すD格子燃料
集合体Aの場合である。
体CのLPFは、燃料集合体Aで既にPuf富化度分布
が十分に調整されているので、燃焼初期では燃料集合体
Aとほとんど変わらないが、燃焼後では、図26と同様に
低組成燃料集合体Cで大きくなっている。図26は図24に
おける燃料集合体の無限増倍率の燃焼特性を示してい
る。また、無限増倍率は、プルトニウム組成の違いおよ
び 241Amの蓄積による負の反応度効果で、燃料集合体
Cの方が燃焼期間を通じて低くなる。
1実施例を示し、 548体の燃料集合体からなる炉心のう
ち回転対称な1/4炉心のうち、コントロール・セルお
よび余剰燃料棒入り燃料集合体の装荷位置を示してい
る。
集合体Aより低く反応度特性が燃料集合体Aより低い燃
料集合体C(○で示す)を図17に示したように、コント
ロール・セル(□内にハッチングで示す)に隣接しない
位置、例えば、燃焼後の径方向ピーキングの厳しい位置
または炉停止余裕の厳しい位置に4体(全炉心で16体)
装荷している。
無限増倍率特性を利用して、余剰燃料棒入り燃料集合体
の集合体出力を抑えて径方向ピーキングを低減するか、
または、炉停止余裕を改善できる。図16(a)はLPF
の燃焼変化、図16(b)は無限増倍率の燃焼変化をそれ
ぞれ示している。
1実施例を示す。各番号の濃縮度またはPuf富化度は
表5の標準組成の場合であり、燃料集合体Cのコーナー
部分のウラン燃料棒の濃縮度は図18(a)に示した。こ
こで、図18(b)の燃料集合体Aは図33と同一である。
失をウラン燃料棒の本数またはMOX燃料棒の本数の構
成割合を調整することにより補償したものである。
燃料棒製造後の経過時間が6年間の余剰燃料棒で構成
し、かつ、ウラン燃料棒を燃料集合体のコーナー部分に
10本配置し、MOX燃料棒の本数の構成割合を変更して
いる。
クル末期での炉心平均燃焼度時の無限増倍率を燃料集合
体Aの場合と一致させることができる。なお、燃料集合
体Cでは、ウラン燃料棒の配置に伴い最外周のMOX燃
料棒の配置を燃料集合体Aから変更し、燃焼初期のLP
Fをできるだけ低くしている。燃料集合体Aの1.258に
対して、燃料集合体Cでは1.268 とやや増加している。
1の実施例を示す。各番号の濃縮度またはPuf富化度
は表3の標準組成の場合に相当する。
OX燃料集合体において、燃料製造後の経過時間が2年
の場合と6年の場合の燃料集合体の無限増倍率と燃焼度
との関係を示している。図32に示したように、 241Am
蓄積による負の反応度は燃焼初期で最も大きく、燃焼が
進むとともに減少していく。
%の燃料集合体Aの無限増倍率にできるだけ近づくよう
に、燃料集合体Cのガドリニア入り燃料棒の本数を減ら
し、さらにMOX燃料棒の本数の構成割合を変更して、
集合体平均Puf富化度を2.90wt%まで、高めている。
を通じて 241Am蓄積蓄積の負の反応度効果を補償でき
る。なお、燃焼初期のLPFは、燃料集合体Cで1.190
、燃料集合体Aで1.215 となっており、あまり変わら
ない。
場合の実施例であるが、燃料集合体Aと燃料集合体Cの
プルトニウム組成が異なる場合は、組成の違いによる効
果も考慮して、ウラン燃料棒およびガドリニア入り燃料
棒の本数、濃縮度、またはMOX燃料棒の本数の構成割
合を調節する必要がある。
1実施例を示し、 548体の燃料集合体からなる炉心のう
ち回転対称な1/4炉心のうち、コントロール・セルお
よび余剰燃料棒入り燃料集合体の装荷位置を示してい
る。
が燃料集合体Aより高く反応度特性が燃料集合体Aより
高い燃料集合体Cか、または図18および図20で示した反
応度補償後の燃料集合体Cを、集合体出力の低い炉心最
外周から3層目までの位置またはコントロール・セルに
隣接する位置に装荷している。これにより、余剰燃料棒
入りの燃料集合体Cが熱的に厳しくなることを防止でき
る。
ては、余剰燃料棒のプルトニウム組成または燃料棒製造
後経過時間は1種類としたが2種類以上としてもよい。
また、炉心においては、余剰燃料棒入りの燃料集合体は
1種類としたが2種類以上としてもよい。
じた余剰のMOX燃料棒を、それ以降の運転サイクルの
燃料集合体の一部または全部に混ぜて使う場合に、プル
トニウム組成の違いによる効果および 241Amによる効
果を考慮して、余剰燃料棒の集合体における配置位置ま
たは余剰燃料棒入り燃料集合体の炉心における装荷位置
を限定する、あるいは、余剰燃料棒入り燃料集合体の設
計変更を行うことにより、余剰燃料棒入り燃料集合体が
炉心特性に及ぼす影響を小さくできる。その結果、余剰
燃料棒を無駄にすることなく利用できるので、資源の有
効利用が図れる。
示す図。
分布を示す図。
示す図。
分布を示す図。
示す図。
分布を示す図。
示す図。
分布を示す図。
示す図。
力分布を示す図。
を示す図。
出力分布を示す図。
で、(a)は燃料集合体Aを、(b)は燃料集合体Bを
それぞれ示す図。
で、(a)は燃料集合体Aを、(b)は燃料集合体Bを
それぞれ示す図。
示す図。
Fの燃焼特性を示す特性図、(b)は同じく無限増倍率
の燃焼特性を示す特性図。
示す1/4炉心構成図。
で、(a)は燃料集合体Cを、(b)は燃料集合体Aを
それぞれ示す図。
変化を示す特性図。
で、(a)は燃料集合体Cを、(b)は燃料集合体Aを
それぞれ示す図。
変化を示す特性図。
示す1/4炉心構成図。
X燃料集合体Aを示す図。
特性を示す特性図。
を示す特性図。
X燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。
集合体において、同一Puf富化度のグループ内で局所
出力分布の高い位置に低組成の余剰燃料棒を配置した燃
料集合体を示す図。
力分布を示す図。
集合体において、同一Puf富化度のグループ内で局所
出力分布の低い位置に高組成の余剰燃料棒を配置した燃
料集合体を示す図。
力分布を示す図。
集合体において、燃料製造後の経過時間が2年の場合と
6年の場合の燃料集合体の無限増倍率と燃焼度との関係
を比較した特性図。
X燃料集合体を示す図。
X燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。
X燃料集合体の外周部に低組成の余剰燃料棒を配置した
場合を示す図。
力分布を示す図。
X燃料集合体の外周部に高組成の余剰燃料棒を配置した
場合を示す図。
力分布を示す図。
合体を示す図。
リニア入り燃料棒、d…ウォータロッド、e…水ギャッ
プ領域。
Claims (4)
- 【請求項1】 ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度
が異なる複数種類の第1群のMOX燃料棒で構成された
燃料集合体Aと、ウラン燃料棒および第1群のMOX燃
料棒および第1群のMOX燃料棒よりも燃料棒製造後の
経過時間が長い第2群のMOX燃料棒で構成された燃料
集合体Bとが混合装荷された原子炉炉心において、前記
燃料集合体BにおいてP2なる核分裂性プルトニウム富
化度をもつ第2群のMOX燃料棒が、燃料集合体Aにお
いてP2に最も近いP1なる核分裂性プルトニウム富化
度をもつ第1群のMOX燃料棒の占める位置の中で、P
2がP1より大きい場合は熱中性子束が最も低い位置に
配置され、P2がP1より小さい場合は熱中性子束が最
も高い位置に配置されていることを特徴とする原子炉炉
心。 - 【請求項2】 ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度
が異なる複数種類の第1群のMOX燃料棒で構成された
燃料集合体Aと、ウラン燃料棒および第1群のMOX燃
料棒および第1群のMOX燃料棒よりも燃料棒製造後の
経過時間が長い第2群のMOX燃料棒で構成された燃料
集合体Bとが混合装荷された原子炉炉心において、前記
燃料集合体Bにおける第2群のMOX燃料棒が最外周位
置を除く位置のみに配置されているか、または燃料集合
体Bにおける最外周位置のMOX燃料棒が全て第2群の
MOX燃料棒で構成されていることを特徴とする原子炉
炉心。 - 【請求項3】 ウラン燃料棒および第1群のMOX燃料
棒および第1群のMOX燃料棒よりも燃料棒製造後の経
過時間が長い第2群のMOX燃料棒で構成された燃料集
合体において、チャンネルボックスの対角線を境界にし
て燃料集合体の水平断面を制御棒側と非制御棒側に分割
した場合、前記第2群のMOX燃料棒が前記制御棒側よ
りも非制御棒側に多く配置されていることを特徴とする
燃料集合体。 - 【請求項4】 ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度
が異なる複数種類の第1群のMOX燃料棒で構成された
燃料集合体Aと、ウラン燃料棒および第1群のMOX燃
料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い第2群のMO
X燃料棒で構成された燃料集合体Cとが混合装荷された
原子炉炉心において、前記燃料集合体 Cにおける各々の
第2群のMOX燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度
が、第1群のMOX燃料棒のうち燃料集合体Aの同じ位
置に配置されているMOX燃料棒の核分裂性プルトニウ
ム富化度に最も近く、核分裂性プルトニウム同位体重量
割合が燃料集合体Aより低いかまたは等しい前記燃料集
合体Cが、炉心最外周から3層目よりも内部に配置さ
れ、かつ原子炉の運転中に制御棒が挿入されるコントロ
ール・セルに隣接しない位置に配置されることを特徴と
する原子炉炉心。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03557394A JP3485956B2 (ja) | 1994-03-07 | 1994-03-07 | 原子炉炉心およびその燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03557394A JP3485956B2 (ja) | 1994-03-07 | 1994-03-07 | 原子炉炉心およびその燃料集合体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH07244181A JPH07244181A (ja) | 1995-09-19 |
JP3485956B2 true JP3485956B2 (ja) | 2004-01-13 |
Family
ID=12445509
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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Families Citing this family (2)
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---|---|---|---|---|
JP3318210B2 (ja) * | 1996-08-28 | 2002-08-26 | 株式会社日立製作所 | Mox燃料集合体及び炉心 |
JP5388322B2 (ja) * | 2007-02-05 | 2014-01-15 | 原子燃料工業株式会社 | 燃料棒の健全性判定方法と判定手段 |
-
1994
- 1994-03-07 JP JP03557394A patent/JP3485956B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
原子力委員会月報,日本,1960年 9月,vol.5,No.9 |
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JPH07244181A (ja) | 1995-09-19 |
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