JP3828690B2 - Initial loading core of boiling water reactor and its fuel change method - Google Patents

Initial loading core of boiling water reactor and its fuel change method Download PDF

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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型原子炉(BWR)の初装荷炉心及びその燃料交換方法に係り、特に、高燃焼度化及び高出力密度化に好適な初装荷炉心及びその燃料交換方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、軽水型原子炉では発電コスト低減のニーズが高まっており、その一環として、初装荷炉心においては燃料経済性向上(核分裂性物質の有効利用→燃料コストの低減)と廃棄物量低減(燃料体取出数低減)が重要な課題となっている。この課題に対応するには、燃料集合体の取出燃焼度を高めること(高燃焼度化)が効果的である。
【0003】
燃料集合体の取出燃焼度を高めるためには、ウラン濃縮度を高める必要がある。しかし、ウラン濃縮度を高めると、これに起因して冷温時と出力運転時の反応度差が増大し、炉停止余裕が減少する傾向となる。
【0004】
また、発電コストの低減には現行BWRでは約50kW/リットルである炉心の出力密度を高めること(高出力密度化)も有効であり、欧米では10%以上の高出力密度化が進められている。
【0005】
高出力密度化を達成するためには熱的余裕の確保が重要な課題となる。また、高出力密度化すると1サイクル当たりの取出エネルギが大きくなるので、やはりウラン濃縮度を高める必要があり、炉停止余裕の減少傾向がさらに拡大することになる。
【0006】
高燃焼度化に係わる従来技術として、特開平9−105792号公報に記載のものがある。この従来技術では、
▲1▼ 高濃縮度燃料集合体3体と低濃縮度燃料集合体1体からなる4体の単位装荷パターンを複数個、炉心の中央付近に設けること;
▲2▼ 低濃縮燃料集合体で制御セルを構成すること;
▲3▼ 高濃縮度燃料集合体のガドリニア入り燃料棒の数が反制御棒側で制御棒側よりも2本以上多くすること;
により、平均濃縮度を高めた炉心の熱的余裕を確保している。
【0007】
また、特開平5−249270号公報には、平均濃縮度の異なる3種類の燃料集合体からなる初装荷炉心が提案されている。この従来技術では、高濃縮度燃料集合体を炉心最外周に装荷し、かつこの高濃縮度燃料集合体の未燃焼時の無限増倍率が過大とならないようにガドリニア等の可燃性吸収材を添加することが特徴である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
特開平9−105792号公報に記載の従来技術では、高濃縮度燃料集合体の無限増倍率をガドリニアで低減して低濃縮度燃料集合体とほぼ同等としている。
また、燃料集合体間の中性子エネルギスペクトルの違いによって高濃縮度燃料集合体の低濃縮度燃料集合体に隣接する燃料棒の出力が過大にならないように、低濃縮度燃料集合体に隣接する側にガドリニア燃料棒を多数配置してこの領域の燃料棒出力を抑制している。これらの効果により、現行BWRの出力密度条件(約50kW/リットル)の下では、初装荷炉心で取替炉心とほぼ同等の高燃焼度化が達成可能とされている。
【0009】
しかしながら、この従来技術では、最外周の燃料集合体は制御セルに装荷される燃料集合体と同等の低濃縮度として、炉心外周部で出力が低下することを許容しており、必ずしも高出力密度化を考慮していない。したがって、10〜15%程度の高出力密度化を図る上では熱的余裕を確保するためのさらなる方策が必要である。
【0010】
特開平5−249270号公報に記載の従来技術では、高濃縮度燃料集合体の未燃焼時の無限増倍率が過大とならないようにガドリニア等の可燃性吸収材が添加される。添加するガドリニア等の可燃性吸収材の濃度等を適切に設定することで、炉心外周部の出力を高めて炉心半径方向の出力分布を平坦化することができる。しかしながら、この高濃縮度燃料集合体を中性子束分布が傾きを持つ炉心最外周に装荷すると可燃性吸収材の燃焼が不均一となり、燃料集合体内の局所出力分布の平坦化が困難となり、炉心管理が煩雑となる。また、炉心最外周はその外側には中性子束分布がないため、燃焼し難く、かつ炉心最外周に装荷した高濃縮度燃料集合体は燃焼が不均一になるため、余剰反応度にばらつきが生じ、炉心最外周から別の箇所に移動して使用することが難しい。
【0011】
本発明の目的は、熱的余裕及び炉停止余裕を確保しつつ、高出力密度化と高燃焼度化を同時に実現する沸騰水型原子炉の初装荷炉心及びその燃料交換方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
(1)上記目的を達成するために、本発明は、複数の燃料集合体及びこれら複数の燃料集合体間に配置される複数の制御棒を備え、前記複数の制御棒が運転中に挿入する制御棒とそれ以外の制御棒を有する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記複数の燃料集合体は、前記運転中に挿入する制御棒の周囲に装荷する第1の燃料集合体と、炉心最外周に装荷する第2の燃料集合体と、それ以外の領域に装荷する第3の燃料集合体とを含み、前記それ以外の領域には、前記第2の燃料集合体は装荷されておらず、前記第1、第2、第3の燃料集合体は、それぞれの平均ウラン濃縮度が、第1の燃料集合体<第2の燃料集合体<第3の燃料集合体の関係になるように構成され、前記第1の燃料集合体及び第2の燃料集合体には可燃性吸収材を添加せず、前記第3の燃料集合体には可燃性吸収材を添加した構成とする。
【0013】
1)運転中に挿入する制御棒の周囲(制御セル)に装荷する第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を最も低くすることにより、低温状態で制御棒1本を引き抜いたときの実効増倍率が過大となることがなくなり、炉停止余裕が確保される。また、第1の燃料集合体は可燃性吸収材を含まないため、第1の燃料集合体(低濃縮度燃料集合体)の出力が適正なレベルとなり、熱的余裕が確保されると同時に適度に燃焼が進む。
【0014】
2)制御セル及び炉心最外周を除いた領域に装荷する第3の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を最も高くし、かつ可燃性吸収材を添加した構成とすることにより、第3の燃料集合体(高濃縮度燃料集合体)の無限増倍率を適切に制御でき、他の領域の特性と合わせて、
・炉心半径方向出力分布の平坦化が可能
・炉心の余剰反応度を適正なレベルに保つことが可能
となる。
【0015】
3-1)炉心最外周に装荷する第2の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度より高くし可燃性吸収材を添加しない構成とすることにより、炉心最外周の中性子漏れが多い領域でも一定の出力を維持でき、その分、炉心の出力密度を高めることができる。また、炉心最外周で一定の出力を維持できるので、炉心半径方向出力分布の一層の平坦化が可能となり、同じ出力密度を達成する場合の最外周以外の炉心内側の領域における熱出力を低減でき、熱的余裕を増大できる。
【0016】
3-2)また、炉心最外周に装荷する第2の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度より高くし可燃性吸収材を添加しない構成とすることにより、炉心の平均ウラン濃縮度を高めることができ、初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心並み(約40GWd/t)に保ちつつ、出力密度を51kW/リットル以上、例えば55kW/リットル程度に高めることができる。
【0017】
3-3)更に、炉心最外周に装荷する第2の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度より高くし可燃性吸収材を添加しない構成とすることにより、炉心最外周での燃焼が均一となり、炉心最外周で燃焼した照射済みの第2の燃料集合体を制御セルに装荷し、この位置で更に燃焼させることができる。このため、濃縮度の高い燃料集合体ほど長期間炉内で燃焼させることになり、炉心平均濃縮度一定の条件で比較すると、取り出し燃焼度を高く取れる。
【0018】
4)以上により、初装荷炉心において熱的余裕及び炉停止余裕を確保しつつ、高出力密度化と高燃焼度化を同時に実現でき、その結果、初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心並みに保ちつつ、出力密度を高めることができ、単位電気出力当たりのプラント建設費を低減でき、発電コストの低減が可能となる。また、使用済燃料発生量を低減できる。
【0019】
(2)上記(1)において、好ましくは、前記第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を1.8wt%以下とする。
【0020】
制御セルに装荷する第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を1.8wt%以下とすることにより、現行BWRの原子炉設置許可申請書において設計基準としている停止余裕1%Δk以上が確保される。この点を図6により説明する。
【0021】
停止余裕は最大価値制御棒1本(または水圧制御ユニットを共有する1組)が全引き抜きの状態での未臨界度と定義される。
【0022】
本発明によれば、第3の燃料集合体(高濃縮度燃料集合体)が装荷された領域(セル)については、この高濃縮度燃料集合体には可燃性吸収材を添加してあり、制御棒引き抜き時の無限増倍率が1.0程度と小さいため、この領域の制御棒を1本引き抜いても実効増倍率が過大になることはない。
【0023】
次に、第2の燃料集合体(中濃縮度燃料集合体)については、制御棒引き抜き時の無限増倍率は1.2程度と高くなるが、セルとしては中濃縮度燃料集合体2体と高濃縮度燃料集合体2体で構成される場合が最も制御棒引き抜き時の無限増倍率が高くなり、平均されて約1.1程度となる。しかし、中濃縮度燃料集合体は最外周領域に装荷されることから、中性子漏洩の効果により実効増倍率は過大となることはない。
【0024】
三番目が制御セルに装荷された第1の燃料集合体(低濃縮度燃料集合体)である。この領域で制御棒1本引き抜いた場合の実効増倍率は、低濃縮度燃料集合体の濃縮度と共に増大する。したがって、停止余裕は低濃縮度燃料集合体の濃縮度が増加するにしたがって低下する傾向にある。
【0025】
図6は、後述する実施形態(濃縮度約4.4wt%の高濃縮度燃料集合体と濃縮度約2.4wt%の中濃縮度燃料集合体と濃縮度約1.7wt%の低濃縮度燃料集合体が、図1に示す装荷パターンにしたがって装荷された炉心)において、低濃縮度燃料集合体の濃縮度のみを変化させた場合の停止余裕の解析結果を示すものである。現行BWRの原子炉設置許可申請書において設計基準としている停止余裕は1%△k以上であり、図6に示すように、低濃縮度燃料集合体の濃縮度を1.8w%以下とすることにより停止余裕1%Δk以上が確保される。
【0026】
(3)また、上記(1)又は(2)において、好ましくは、前記第2の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を2.5wt%以下とする。
【0027】
炉心最外周に装荷する第2の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を制御セルに装荷される第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度よりも高く(1.8w%以上)、かつ2.5wt%以下で可燃性吸収材を添加しない構成とすることにより、上記(1)で述べたように炉心最外周の中性子漏れが多い領域でも一定の出力を維持でき、更に燃料貯蔵設備の未臨界性の確保に特別な配慮を必要としなくなる。この点を図7により説明する。
【0028】
図7は、燃料集合体の平均ウラン濃縮度と無限増倍率との関係を示す特性図である。
【0029】
炉心最外周に装荷する第2の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を制御セルに装荷される第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度よりも高く(1.8w%以上)、かつ2.5wt%以下で可燃性吸収材を添加しない構成とすることにより、図7に示すように第2の燃料集合体の無限増倍率は1.2〜1.3となり、上記(1)で述べたように炉心最外周の中性子漏れが多い領域でも一定の出力を維持できる。また、第2の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を2.5wt%以下とすることにより、図7に示すように従来の燃料集合体の無限増倍率の最大値(1.3)と同等以下の無限増倍率に抑えられ、燃料貯蔵設備の未臨界性の確保に特別な配慮を必要としない。
【0030】
(4)更に、上記(1)〜(3)のいずれかにおいて、好ましくは、前記第1、第2、第3の燃料集合体で構成される炉心の平均ウラン濃縮度を3.6wt%以上とする。
【0031】
このように炉心の平均ウラン濃縮度(炉心に装荷された全燃料集合体の平均ウラン濃縮度)を3.6wt%以上とすることにより、出力密度を51kW以上とした場合でも初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心とほぼ同等に高めることが可能となる。
【0032】
(5)また、上記(1)〜(4)のいずれかにおいて、好ましくは、前記第1、第2、第3の燃料集合体で構成される炉心の定格出力運転時の出力密度を51kW/リットル以上とする。
【0033】
これにより初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心並みに保ちつつ、従来よりも出力密度を高めることができ、上記(1)で述べたように単位電気出力当たりのプラント建設費を低減でき、発電コストの低減が可能となる。
【0034】
(6)また、上記(1)〜(5)のいずれかにおいて、好ましくは、前記第3の燃料集合体をウラン濃縮度が同等で可燃性吸収材を添加した燃料棒の濃度または本数が異なる複数種類の燃料集合体とする。
【0035】
このように第3の燃料集合体を複数種類で構成することにより、熱的余裕が小さくなりやすい位置には可燃性吸収材の濃度が高い燃料棒を有する燃料集合体あるいは可燃性吸収材を添加した燃料棒の多い燃料集合体を装荷し、熱的に厳しい条件とならない位置には可燃性吸収材の濃度が低い燃料棒を有する燃料集合体あるいは可燃性吸収材を添加した燃料棒の少ない燃料集合体を装荷することにより、炉心全体として熱的余裕の更なる増大が可能となる。
【0036】
(7)更に、上記(1)〜(6)のいずれかの沸騰水型原子炉の初装荷炉心の燃料交換方法において、好ましくは、最初の燃料交換時に前記第1の燃料集合体を炉外に取り出し、前記第1の燃料集合体が装荷されていた運転中に挿入される制御棒の周囲には照射済の前記第2の燃料集合体を移設し、前記第2の燃料集合体が装荷されていた炉心最外周には照射済の前記第3の燃料集合体を移設し、前記それ以外の領域に未照射の第4の燃料集合体を新たに装荷する。
【0037】
このような燃料交換方法とすることにより、濃縮度の高い燃料集合体ほど長期間炉内で燃焼されるため、炉心平均濃縮度一定の条件で比較すると取出燃焼度を高くとれる。また、低濃縮度の第1の燃料集合体及び中濃縮度の第2の燃料集合体は、少なくとも1サイクルは炉心外周以外の比較的出力が高くなる領域(制御セル)で燃焼されるので、濃縮度が低い燃料集合体の燃焼度が高くなる。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【0039】
まず、本発明の第1の実施形態を図1〜図7により説明する。
【0040】
図1は、電気出力150万kW級(出力密度約55kW/リットル)の沸騰水型原子炉の初装荷炉心の燃料装荷パターン(全炉心の1/4のみ)を示している。図1において、炉心には運転中に挿入される制御棒51a(図3参照)の周囲に形成される制御セル11と、炉心最外周21と、それ以外の領域31とがあり、制御セル11に低濃縮度燃料集合体7が148体、炉心最外周21に中濃縮度燃料集合体8が92体、それ以外の領域31に高濃縮度燃料集合体9が632体、それぞれ装荷されている。
【0041】
低濃縮度燃料集合体7の平均ウラン濃縮度は約1.7wt%で、ガドリニアは添加していない。中濃縮度燃料集合体8の平均ウラン濃縮度は約2.4wt%で、ガドリニアは添加していない。高濃縮度燃料集合体9の平均ウラン濃縮度は約4.4wt%で、ガドリニアを添加している。
【0042】
燃料集合体7,8,9は、図2に示すように、多数の燃料棒4を有し、燃料棒4の上部を上部タイプレート5a、下部を下部タイプレート5b、中間部はスペーサ5cでそれぞれ支持して束ねている。中央付近には2本の太径ウォータロッド52(図3〜図5参照)を配置し、外周をジルカロイ製のチャンネルボックス53で覆って構成されている。
【0043】
燃料集合体7,8,9の詳細な濃縮度分布を図3、図4及び図5により説明する。
【0044】
図3において、51aは運転中に炉心に挿入され制御セル11を構成する制御棒であり、燃料集合体7はこの制御棒51aに隣接して位置している。燃料集合体7はタイプ1,2,3,Pの4種類の燃料棒5を有し、これら燃料棒5を10×10の正方格子状に配列して構成されている。タイプ1,2,3は上下端1ノードの天然ウラン部分を除いた部分のウラン濃縮度が異なる通常燃料棒であり、可燃性吸収材(ガドリニア)は添加されていない。タイプPは部分長燃料棒である。部分長燃料棒Pは、通常燃料棒に比べ燃料有効長(燃料ペレットが充填されている部分の長さ)が約14/24と短くなっており、運転中に減速材ボイド率が高くなる炉心上部における二相流部の圧力損失低減に寄与する。タイプ1,2,3,Pの4種類の燃料棒5はそれぞれ図示のようなウラン濃縮度を有し、燃料集合体7の平均濃縮度は約1.7wt%になっている。
【0045】
図4において、51bは運転中に炉心に挿入しない制御棒であり、燃料集合体8は炉心最外周21においてこの制御棒51bに隣接して位置している。燃料集合体8はタイプ1,2,3,4,Pの5種類の燃料棒5を有し、これら燃料棒5を10×10の正方格子状に配列して構成されている。タイプ1,2,3,4は上下端1ノードの天然ウラン部分を除いた部分のウラン濃縮度が異なる通常燃料棒であり、可燃性吸収材(ガドリニア)は添加されていない。タイプPは部分長燃料棒である。タイプ1,2,3,4,Pの5種類の燃料棒5はそれぞれ図示のようなウラン濃縮度を有し、燃料集合体8の平均濃縮度は約2.4wt%になっている。
【0046】
図5において、燃料集合体9は制御セル11と炉心最外周21以外の領域31で運転中に炉心に挿入しない制御棒51bの周囲に位置している。燃料集合体9はタイプ1,2,3,4,P,G1,G2の7種類の燃料棒5を有し、これら燃料棒5を10×10の正方格子状に配列して構成されている。タイプ1,2,3,4は上下端1ノードの天然ウラン部分を除いた部分のウラン濃縮度が異なる通常燃料棒であり、可燃性吸収材(ガドリニア)は添加されていない。タイプPは部分長燃料棒である。また、タイプG1,G2は可燃性吸収材としてガドリニアを添加した燃料棒であり、G1とG2ではガドリニアの濃度及び分布が異なる。数字が小さいほど平均ガドリニア濃度が高い。つまり、ガドリニアの濃度はG1>G2である。ここで、ガドリニアを添加した燃料棒G1,G2を制御棒51bと反対側の領域に集中して配置している点は、従来技術と同じである。タイプ1,2,3,4,P,G1,G2の7種類の燃料棒5はそれぞれ図示のようなウラン濃縮度を有し、燃料集合体8の平均濃縮度は約4.4wt%になっている。
【0047】
炉心に装荷される燃料集合体7,8,9の平均濃縮度にそれぞれの集合体本数を乗じてそれらの和を取り、それを総集合体本数で割った炉心の平均濃縮度は、約3.7wt%である。これにより上記のように出力密度約55kW/リットルと高出力密度化しつつ従来技術並みの高燃焼度化が可能な濃縮度が確保される。
【0048】
以上のように構成した本実施形態においては、低濃縮度燃料集合体7を平均ウラン濃縮度が約1.7wt%で、ガドリニアを添加しない構成とし、中濃縮度燃料集合体8を平均ウラン濃縮度が約2.4wt%で、ガドリニアを添加しない構成とし、高濃縮度燃料集合体9を平均ウラン濃縮度が約4.4wt%で、ガドリニアを添加した構成とすることにより、また、これら燃料集合体7,8,9で構成される炉心の平均濃縮度を約3.7wt%とし、炉心の出力密度を約55kW/リットルと高出力密度化することにより、次の作用効果が得られる。
【0049】
制御セル11に装荷する低濃縮度燃料集合体7の平均ウラン濃縮度を最も低くすることにより、「課題を解決するための手段」の(1)項の1)で述べたように低温状態で制御棒1本を引き抜いたとこの実効増倍率が過大となることがなくなり、炉停止余裕が確保される。特に低濃縮度燃料集合体7の平均ウラン濃縮度を1.8wt%以下の約1.7wt%とすることにより、同(2)項で図6を用いて説明した如く、現行BWRの原子炉設置許可申請書において設計基準としている停止余裕1%Δk以上が確保される。また、低濃縮度燃料集合体7は可燃性吸収材(ガドリニア)を含まないため、低濃縮度燃料集合体の出力が適正なレベルとなり、熱的余裕が確保されると同時に適度に燃焼が進む。
【0050】
制御セル11及び炉心最外周21を除いた領域31に装荷する高濃縮度燃料集合体9の平均ウラン濃縮度を約4.4wt%と最も高くし、かつ可燃性吸収材(ガドリニア)を添加した構成とすることにより、同(1)項の2)で説明したように高濃縮度燃料集合体9の無限増倍率を適切に制御でき、他の領域の特性と合わせて、炉心半径方向出力分布の平坦化が可能となり、かつ炉心の余剰反応度を適正なレベルに保つことが可能となる。
【0051】
炉心最外周21に装荷する中濃縮度燃料集合体8の平均ウラン濃縮度を低濃縮度燃料集合体7の平均ウラン濃縮度より高い、1.8w%以上でかつ2.5wt%以下の2.4wt%としかつ可燃性吸収材(ガドリニア)を添加しない構成とすることにより、同(1)項の3-1)で説明し更に同(3)項で図7を用いて説明したように、中濃縮度燃料集合体8の無限増倍率は1.2〜1.3となり、炉心最外周21の中性子漏れが多い領域でも一定の出力を維持でき、その分、炉心の出力密度を高めることができる。また、炉心最外周21で一定の出力を維持できるので、炉心半径方向出力分布の一層の平坦化が可能となり、同じ出力密度を達成する場合の最外周21以外の炉心内側の領域における熱出力を低減でき、熱的余裕を増大できる。更に、中濃縮度燃料集合体8の平均ウラン濃縮度を2.5wt%以下とすることにより、図7に示すように従来の燃料集合体の無限増倍率の最大値(1.3)と同等以下の無限増倍率に抑えられ、燃料貯蔵設備の未臨界性の確保に特別な配慮を必要としない。
【0052】
また、炉心最外周21に装荷する中濃縮度燃料集合体8の平均ウラン濃縮度を低濃縮度燃料集合体7の平均ウラン濃縮度より高くすることにより、同(1)項の3-2)で述べたように炉心の平均ウラン濃縮度を高めることができ、初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心並み(約40GWd/t)に保ちつつ、出力密度を51kW/リットル以上の55kW/リットル程度に高めることができる。
【0053】
更に、炉心最外周21に装荷する中濃縮度燃料集合体8の平均ウラン濃縮度を低濃縮度燃料集合体7の平均ウラン濃縮度より高くしかつ可燃性吸収材を添加しない構成とすることにより、炉心最外周21での燃焼が均一となり、炉心最外周21で燃焼した照射済みの中濃縮度燃料集合体8を制御セル11に装荷し、この位置で更に燃焼させることができる(後述)。このため、濃縮度の高い燃料集合体ほど長期間炉内で燃焼させることになり、炉心平均濃縮度一定の条件で比較すると、取り出し燃焼度を高く取れる。
【0054】
そして、上記の燃料集合体7,8,9で構成される炉心の平均ウラン濃縮度を3.6wt%以上とすることにより、同(4)項で述べたように、炉心の出力密度を51kW以上とした場合でも初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心とほぼ同等に高めることが可能となる。また、燃料集合体7,8,9で構成される炉心の定格出力運転時の出力密度を51kW/リットル以上とすることにより、同(5)項で述べたように、初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心並みに保ちつつ、従来よりも出力密度を高めることができ、単位電気出力当たりのプラント建設費を低減でき、発電コストの低減が可能となる。
【0055】
以上により本実施形態によれば、初装荷炉心において熱的余裕及び炉停止余裕を確保しつつ、高出力密度化と高燃焼度化を同時に実現でき、その結果、初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心並みに保ちつつ、出力密度を高めることができ、単位電気出力当たりのプラント建設費を低減でき、発電コストの低減が可能となる。また、使用済燃料発生量を低減できる。
【0056】
次に、図1と図8及び図9を用いて、本発明の燃料交換方法の実施形態について説明する。
【0057】
図8は、図1の初装荷炉心が1乃至2運転サイクルを終了した後の燃料交換方法を示しており、図1で制御セル11に装荷されていた低濃縮度燃料集合体7は炉外に取出される。図8の移行炉心では図1の初装荷炉心に比べて制御セル11の数を減らしており、この制御セル11に、図1で炉心最外周21に装荷されていた中濃縮度燃料8が装荷される。図示の例では、全炉心の1/4で見て、図8の移行炉心の制御セル11に装荷される燃料集合体は全部で25体であるのに対して、図1の初装荷炉心で最外周21に装荷されていた燃料集合体8は全部で23体であり、その不足分の2体は、図1で領域31に装荷されていた高濃縮度燃料9のうち炉心中央部領域に位置する最も燃焼の進んだものから選択され、制御セル11に装荷される。
【0058】
また、図1の高濃縮度燃料集合体9のうちの一部は炉心最外周21に移動される。高濃縮度燃料集合体9の一部としては、図1で領域31に装荷されていた高濃縮度燃料9のうち、図1で炉心最外周21に装荷されていた中濃縮度燃料8と無限増倍率が比較的近いものを選択する。図8の領域31には残りの高濃縮度燃料集合体9と未照射の取替燃料集合体6が装荷される。取替燃料集合体6の平均濃縮度は約4.4wt%で、図5に示した高濃縮度燃料集合体9と同一の燃焼度分布としている。
【0059】
図9は、図8の炉心から更に1運転サイクルを終了した後の燃料交換方法を示しており、制御セル11に装荷されていた中濃縮度燃料集合体8及び高濃縮度燃料集合体9の一部が取出される。制御セル11には高濃縮度燃料集合体9の一部が装荷され、かつ新たに取替燃料集合体6が装荷される。
【0060】
このような燃料交換方法とすることにより、濃縮度の高い燃料集合体9ほど長期間炉内で燃焼されるため、炉心平均濃縮度一定の条件で比較すると取出燃焼度を高くとれる。また、低濃縮度燃料集合体7及び中濃縮度燃料集合体8は、少なくとも1サイクルは炉心外周以外の比較的出力が高くなる領域、つまり制御セル11で燃焼されるので、濃縮度が低い燃料集合体の燃焼度が高くなる。
【0061】
本発明の第2の実施形態による初装荷炉心を図10〜図12により説明する。上記実施形態では、高濃縮度燃料集合体9を1種類としたが、本実施形態は平均ウラン濃縮度がほぼ同等でガドリニア濃度やガドリニアを含む燃料棒の本数が異なる複数種類を使用したものである。
【0062】
第1の実施形態おいて、高濃縮度燃料燃料集合体9として図5に示すものに代えて、図10及び図11に示すように二種類の高濃縮度燃料燃料集合体91,92を使用する実施形態が考えられる。ここで、図10及び図11に示す高濃縮度燃料集合体91,92は、平均濃縮度がいずれも図5のものと同じ約4.4wt%であり、ガドリニアを添加したタイプG1,G2の燃料棒の本数がそれぞれ20本、16本と図5の18本と異なっている。
【0063】
ガドリニアを添加した燃料棒の本数が多いほど、無限増倍率が減少し、燃料集合体出力が低下するため、当該燃料集合体の熱的余裕が大きくなる傾向がある。そこで、図12に示す装荷パターン例のように、濃縮度の低い制御セル11から熱中性子が流入して制御セル11に面した高濃縮度燃料集合体の燃料棒で熱的余裕が小さくなりやすい位置(制御セル11に隣接する位置)には図10に示すようなガドリニア燃料棒本数の多い燃料集合体91を装荷し、熱的に厳しい条件とならない位置(上記以外の位置)にはガドリニア燃料棒本数の少ない燃料集合体92を装荷することにより、炉心全体として熱的余裕の増大が可能となる。
【0064】
なお、初期にガドリニア添加燃料棒の本数が異なっても、ガドリニアが燃焼した後は同等の特性となるので、本発明の燃料交換方法においては上記のガドリニア添加燃料棒本数の違いは無視して、高濃縮度燃料集合体として一括し扱うことができる。
【0065】
【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及び炉停止余裕を確保しつつ、高出力密度化と高燃焼度化を同時に実現でき、その結果、初装荷炉心の取出燃焼度を取替炉心並みに保ちつつ、出力密度を高めることができ、単位電気出力当たりのプラント建設費を低減でき、発電コストの低減が可能となる。また、使用済燃料発生量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態による沸騰水型原子炉の初装荷炉心の燃料装荷パターンを示す図(全炉心の1/4)である。
【図2】図1に示した第1の実施形態の初装荷炉心における燃料集合体の構造図である。
【図3】図1に示した第1の実施形態の初装荷炉心における低濃縮度燃料集合体の濃縮度分布図である。
【図4】図1に示した第1の実施形態の初装荷炉心における中濃縮度燃料集合体の濃縮度分布図である。
【図5】図1に示した第1の実施形態の初装荷炉心における高濃縮度燃料集合体の濃縮度分布図である。
【図6】本発明の作用を示す制御セルに装荷した燃料集合体の平均濃縮度と炉停止余裕の関係特性図である。
【図7】本発明の作用を示す燃料集合体の平均濃縮度と無限増倍率の関係特性図である。
【図8】本発明の燃料交換方法の実施形態を説明する燃料装荷パターンを示す図(全炉心の1/4)である。
【図9】同じく燃料交換方法の実施形態を説明する燃料装荷パターンを示す図(全炉心の1/4)である。
【図10】本発明の第2実施形態による沸騰水型原子炉の初装荷炉心における2種類の高濃縮度燃料集合体のうちの一方のものの濃縮度分布図である。
【図11】同じく第2実施形態による沸騰水型原子炉の初装荷炉心における2種類の高濃縮度燃料集合体のうちの他方のものの濃縮度分布図である。
【図12】図10及び図11に示した第2実施形態による初装荷炉心の燃料装荷パターンを示す図(全炉心の1/4)である。
【符号の説明】
4 燃料棒
5a 上部タイプレート
5b 下部タイプレート
5c スペーサ
6 取替燃料集合体
7 低濃縮度燃料集合体(第1の燃料集合体)
8 中濃縮度燃料集合体(第2の燃料集合体)
9 高濃縮度燃料集合体(第3の燃料集合体)
11 制御セル
21 炉心最外周
31 それ以外の領域
51a 制御棒(運転中に挿入する制御棒)
51b 制御棒(運転中に挿入しない制御棒)
52 ウォータロッド
53 チャンネルボックス
91,92 高濃縮度燃料集合体(第3の燃料集合体)
G1,G2 ガドリニア入り燃料棒
P 部分長燃料棒
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an initial loading core of a boiling water reactor (BWR) and a fuel replacement method thereof, and more particularly to an initial loading core suitable for high burnup and high power density and a fuel replacement method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been an increasing need to reduce power generation costs for light water reactors, and as part of this, fuel economy has been improved (effective use of fissile materials → reduction of fuel costs) and the amount of waste (fuel bodies) in the initial loading core. Reducing the number of withdrawals) is an important issue. In order to cope with this problem, it is effective to increase the degree of burnout of the fuel assembly (higher burnup).
[0003]
In order to increase the degree of combustion of the fuel assembly, it is necessary to increase the uranium enrichment. However, when the uranium enrichment is increased, the difference in reactivity between cold and power operation increases due to this, and the furnace shutdown margin tends to decrease.
[0004]
It is also effective to reduce the power generation cost by increasing the power density of the core, which is about 50 kW / liter in the current BWR (higher power density), and higher power density of 10% or more is being promoted in Europe and the United States. .
[0005]
Ensuring thermal margin is an important issue to achieve high power density. Further, when the power density is increased, the extraction energy per cycle increases, so that it is necessary to increase the uranium enrichment, and the tendency of reducing the furnace shutdown margin is further expanded.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-105792 discloses a conventional technique related to high burnup. In this prior art,
(1) Providing a plurality of unit loading patterns consisting of three high enrichment fuel assemblies and one low enrichment fuel assembly near the center of the core;
(2) Construct a control cell with a low enriched fuel assembly;
(3) The number of fuel rods containing gadolinia in the highly enriched fuel assembly should be two or more on the non-control rod side than on the control rod side;
As a result, the thermal margin of the core with increased average enrichment is secured.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-249270 proposes an initially loaded core composed of three types of fuel assemblies having different average enrichments. In this conventional technology, a highly enriched fuel assembly is loaded on the outermost periphery of the core, and a combustible absorbent such as gadolinia is added so that the infinite multiplication factor of the highly enriched fuel assembly when not burned is not excessive. It is a feature.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the prior art described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-105792, the infinite multiplication factor of the high enrichment fuel assembly is reduced by gadolinia so that it is almost equal to that of the low enrichment fuel assembly.
In addition, the side adjacent to the low enrichment fuel assembly is prevented so that the output of the fuel rod adjacent to the low enrichment fuel assembly of the high enrichment fuel assembly does not become excessive due to the difference in the neutron energy spectrum between the fuel assemblies. A large number of gadolinia fuel rods are arranged to suppress the fuel rod output in this region. Due to these effects, under the power density condition (about 50 kW / liter) of the current BWR, it is possible to achieve a high burnup in the initial loading core that is almost equivalent to that of the replacement core.
[0009]
However, in this prior art, the outermost fuel assembly has a low enrichment equivalent to that of the fuel assembly loaded in the control cell, and the output is allowed to decrease at the outer periphery of the core. Does not take into account Therefore, in order to achieve a high output density of about 10 to 15%, further measures for ensuring a thermal margin are required.
[0010]
In the prior art described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-249270, a combustible absorbent such as gadolinia is added so that the infinite multiplication factor when the highly concentrated fuel assembly is not burned is not excessive. By appropriately setting the concentration of the combustible absorbent such as gadolinia to be added, it is possible to increase the output of the outer periphery of the core and flatten the power distribution in the core radial direction. However, when this highly enriched fuel assembly is loaded on the outermost periphery of the core where the neutron flux distribution is inclined, the combustion of the combustible absorbent becomes non-uniform, and it becomes difficult to flatten the local power distribution in the fuel assembly, and the core management Becomes complicated. In addition, since the outermost periphery of the core has no neutron flux distribution on the outer side, it is difficult to burn, and the highly concentrated fuel assemblies loaded on the outermost periphery of the core are non-uniformly combusted, resulting in variations in excess reactivity. It is difficult to move from the outermost periphery of the core to another location.
[0011]
An object of the present invention is to provide an initially loaded core of a boiling water nuclear reactor and a method for refueling the same, which realizes high power density and high burnup at the same time while ensuring thermal margin and reactor shutdown margin. is there.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
(1) In order to achieve the above object, the present invention includes a plurality of fuel assemblies and a plurality of control rods disposed between the plurality of fuel assemblies, and the plurality of control rods are inserted during operation. In a first loading core of a boiling water reactor having a control rod and other control rods, the plurality of fuel assemblies include a first fuel assembly loaded around a control rod inserted during the operation; Including a second fuel assembly loaded on the outermost periphery of the core and a third fuel assembly loaded in the other region; In the other region, the second fuel assembly is not loaded, The first, second, and third fuel assemblies are configured such that the average uranium enrichment has a relationship of first fuel assembly <second fuel assembly <third fuel assembly. The first fuel assembly and the second fuel assembly are not added with a combustible absorbent, and the third fuel assembly is added with a combustible absorbent.
[0013]
1) Effective increase when one control rod is pulled out at low temperature by making the average uranium enrichment of the first fuel assembly loaded around the control rod inserted during operation (control cell) the lowest The magnification does not become excessive, and a furnace shutdown margin is secured. In addition, since the first fuel assembly does not include a combustible absorbent, the output of the first fuel assembly (low enrichment fuel assembly) becomes an appropriate level, and a thermal margin is ensured while being moderate. The combustion proceeds.
[0014]
2) By making the average uranium enrichment of the third fuel assembly loaded in the region excluding the control cell and the outermost periphery of the core highest and adding a combustible absorbent, the third fuel assembly The infinite multiplication factor of the body (highly enriched fuel assembly) can be controlled appropriately, combined with the characteristics of other areas,
・ The power distribution in the radial direction of the core can be flattened
・ It is possible to maintain the excess reactivity of the core at an appropriate level.
It becomes.
[0015]
3-1) By making the average uranium enrichment of the second fuel assembly loaded on the outermost periphery of the core higher than the average uranium enrichment of the first fuel assembly and adding no combustible absorbent, A constant power can be maintained even in the outermost neutron leakage region, and the power density of the core can be increased accordingly. In addition, since a constant power can be maintained at the outermost periphery of the core, the power distribution in the radial direction of the core can be further flattened, and the heat output in the region inside the core other than the outermost periphery can be reduced when the same power density is achieved. The thermal margin can be increased.
[0016]
3-2) In addition, by making the average uranium enrichment of the second fuel assembly loaded on the outermost periphery of the core higher than the average uranium enrichment of the first fuel assembly and adding no combustible absorbent The average uranium enrichment of the core can be increased, and the power density is increased to 51 kW / liter or more, for example, about 55 kW / liter, while maintaining the removal degree of burnout of the initially loaded core at the same level as the replacement core (about 40 GWd / t). be able to.
[0017]
3-3) Further, by making the average uranium enrichment of the second fuel assembly loaded on the outermost periphery of the core higher than the average uranium enrichment of the first fuel assembly and not adding a combustible absorbent. Combustion at the outermost periphery of the core becomes uniform, and the irradiated second fuel assembly burned at the outermost periphery of the core can be loaded into the control cell and further burned at this position. For this reason, the fuel assemblies with higher enrichment are burned in the furnace for a longer period of time, and when compared with the conditions of constant core average enrichment, the taken-out burnup can be increased.
[0018]
4) As described above, high power density and high burn-up can be achieved at the same time while ensuring thermal margin and reactor shutdown margin in the initial loading core. Thus, the power density can be increased, the plant construction cost per unit electrical output can be reduced, and the power generation cost can be reduced. In addition, the amount of spent fuel generated can be reduced.
[0019]
(2) In the above (1), preferably, the average uranium enrichment of the first fuel assembly is 1.8 wt% or less.
[0020]
By setting the average uranium enrichment of the first fuel assembly loaded in the control cell to 1.8 wt% or less, a shutdown margin of 1% Δk or more, which is the design standard in the current BWR reactor installation permission application, is secured. The This point will be described with reference to FIG.
[0021]
The stop margin is defined as the subcriticality when one maximum value control rod (or one set sharing the hydraulic control unit) is fully pulled out.
[0022]
According to the present invention, for the region (cell) loaded with the third fuel assembly (high enrichment fuel assembly), a combustible absorbent is added to the high enrichment fuel assembly, Since the infinite multiplication factor when pulling out the control rod is as small as about 1.0, even if one control rod in this region is pulled out, the effective multiplication factor will not be excessive.
[0023]
Next, for the second fuel assembly (medium enrichment fuel assembly), the infinite multiplication factor when the control rod is pulled out becomes as high as about 1.2. In the case of being composed of two highly enriched fuel assemblies, the infinite multiplication factor when the control rod is pulled out is the highest, averaging about 1.1. However, since the intermediate enrichment fuel assembly is loaded in the outermost peripheral region, the effective multiplication factor does not become excessive due to the effect of neutron leakage.
[0024]
The third is a first fuel assembly (low enrichment fuel assembly) loaded in the control cell. The effective multiplication factor when one control rod is pulled out in this region increases with the enrichment of the low enrichment fuel assembly. Therefore, the stop margin tends to decrease as the enrichment of the low enrichment fuel assembly increases.
[0025]
FIG. 6 shows an embodiment described later (a high-concentration fuel assembly having an enrichment of about 4.4 wt% and a medium enrichment fuel assembly having an enrichment of about 2.4 wt% and a low enrichment having an enrichment of about 1.7 wt%. FIG. 9 shows the analysis result of the stop margin when only the enrichment of the low enrichment fuel assembly is changed in the core in which the fuel assembly is loaded according to the loading pattern shown in FIG. 1. The design margin in the current BWR reactor installation permission application is 1% Δk or more, and the enrichment of the low enrichment fuel assembly is 1.8w% or less as shown in FIG. As a result, a stop margin of 1% Δk or more is secured.
[0026]
(3) In the above (1) or (2), preferably, the average uranium enrichment of the second fuel assembly is 2.5 wt% or less.
[0027]
The average uranium enrichment of the second fuel assembly loaded on the outermost periphery of the core is higher than the average uranium enrichment of the first fuel assembly loaded on the control cell (1.8 w% or more) and 2.5 wt. %, The combustible absorbent is not added, and as described in (1) above, a constant output can be maintained even in the region where there is a lot of neutron leakage at the outermost periphery of the core, and the subcriticality of the fuel storage facility No special consideration is required to secure This point will be described with reference to FIG.
[0028]
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the average uranium enrichment of the fuel assembly and the infinite multiplication factor.
[0029]
The average uranium enrichment of the second fuel assembly loaded on the outermost periphery of the core is higher than the average uranium enrichment of the first fuel assembly loaded on the control cell (1.8 w% or more) and 2.5 wt. %, The infinite multiplication factor of the second fuel assembly is 1.2 to 1.3 as shown in FIG. 7, as described in (1) above. In addition, a constant output can be maintained even in a region where there is a lot of neutron leakage at the outermost periphery of the core. Further, by setting the average uranium enrichment of the second fuel assembly to 2.5 wt% or less, as shown in FIG. 7, it is equal to or less than the maximum value (1.3) of the infinite multiplication factor of the conventional fuel assembly. Therefore, no special consideration is required to ensure the subcriticality of the fuel storage facility.
[0030]
(4) Further, in any one of the above (1) to (3), preferably, the average uranium enrichment of the core constituted by the first, second, and third fuel assemblies is 3.6 wt% or more. And
[0031]
In this way, by setting the average uranium enrichment of the core (average uranium enrichment of all fuel assemblies loaded in the core) to 3.6 wt% or more, even when the power density is 51 kW or more, the removal of the first loaded core It is possible to increase the burnup almost as much as the replacement core.
[0032]
(5) In any one of the above (1) to (4), preferably, the power density at the rated output operation of the core constituted by the first, second, and third fuel assemblies is 51 kW / Use liters or more.
[0033]
As a result, the power density can be increased as compared with the conventional one while keeping the take-off burn-up degree of the initial loading core at the same level as the replacement core, and the plant construction cost per unit electric power can be reduced as described in (1) above. The power generation cost can be reduced.
[0034]
(6) In any one of the above (1) to (5), preferably, the concentration or number of fuel rods in which the third fuel assembly has the same uranium enrichment and to which a combustible absorbent is added is different. A plurality of types of fuel assemblies are used.
[0035]
In this way, by configuring the third fuel assembly in a plurality of types, a fuel assembly having a fuel rod with a high concentration of the combustible absorbent or a combustible absorbent is added to a position where the thermal margin tends to be small. A fuel assembly with a large number of fuel rods loaded, and a fuel assembly with a fuel rod with a low concentration of the combustible absorbent or a fuel with few fuel rods to which the combustible absorbent is added at a position that does not cause severe thermal conditions By loading the assembly, the thermal margin as a whole can be further increased.
[0036]
(7) Further, in the fuel replacement method for the initial loading core of the boiling water reactor according to any one of (1) to (6), preferably, the first fuel assembly is mounted at the time of the first fuel replacement. The irradiated second fuel assembly is moved around a control rod that is taken out of the furnace and inserted during operation in which the first fuel assembly was loaded, and the second fuel assembly is moved. The third fuel assembly that has been irradiated is transferred to the outermost periphery of the core in which the fuel is loaded, and the fourth fuel assembly that has not been irradiated is newly added to the other region. Load it.
[0037]
By adopting such a fuel exchange method, a fuel assembly having a higher enrichment is burned in the furnace for a longer period of time, so that the removal burn-up can be made higher when compared under the condition of constant core average enrichment. Further, the first fuel assembly with low enrichment and the second fuel assembly with intermediate enrichment are burned in a region (control cell) where the output is relatively high except for the outer periphery of the core for at least one cycle. The fuel assembly having a low enrichment has a high burnup.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0039]
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0040]
FIG. 1 shows the fuel loading pattern (only 1/4 of the entire core) of the initial loading core of a boiling water reactor having an electric output of 1.5 million kW class (power density of about 55 kW / liter). In FIG. 1, the core has a control cell 11 formed around a control rod 51 a (see FIG. 3) inserted during operation, a core outermost periphery 21, and a region 31 other than the control cell 11. 148 low-enrichment fuel assemblies 7, 92 intermediate-enrichment fuel assemblies 8 on the outermost periphery 21 of the core, and 632 high-enrichment fuel assemblies 9 are loaded in the other region 31. .
[0041]
The average uranium enrichment of the low enrichment fuel assembly 7 is about 1.7 wt%, and no gadolinia is added. The intermediate enrichment fuel assembly 8 has an average uranium enrichment of about 2.4 wt%, and no gadolinia is added. The average uranium enrichment of the high enrichment fuel assembly 9 is about 4.4 wt%, and gadolinia is added.
[0042]
As shown in FIG. 2, each of the fuel assemblies 7, 8, 9 has a number of fuel rods 4. The upper portion of the fuel rod 4 is an upper tie plate 5a, the lower portion is a lower tie plate 5b, and the middle portion is a spacer 5c. Each is supported and bundled. Two large-diameter water rods 52 (see FIGS. 3 to 5) are arranged near the center, and the outer periphery is covered with a channel box 53 made of Zircaloy.
[0043]
The detailed enrichment distribution of the fuel assemblies 7, 8, 9 will be described with reference to FIGS.
[0044]
In FIG. 3, 51a is a control rod which is inserted into the core during operation and constitutes the control cell 11, and the fuel assembly 7 is located adjacent to the control rod 51a. The fuel assembly 7 has four types of fuel rods 5 of types 1, 2, 3 and P, and these fuel rods 5 are arranged in a 10 × 10 square lattice. Types 1, 2, and 3 are normal fuel rods having different uranium enrichments except for the natural uranium portion at the upper and lower ends of one node, and no combustible absorbent (gadolinia) is added. Type P is a part-length fuel rod. The partial-length fuel rod P has a shorter effective fuel length (the length of the portion filled with fuel pellets) of about 14/24 than the normal fuel rod, and the core in which the moderator void ratio increases during operation. This contributes to reducing pressure loss in the two-phase flow section at the top. The four types of fuel rods 5 of types 1, 2, 3 and P each have a uranium enrichment as shown in the figure, and the average enrichment of the fuel assembly 7 is about 1.7 wt%.
[0045]
In FIG. 4, 51 b is a control rod that is not inserted into the core during operation, and the fuel assembly 8 is positioned adjacent to the control rod 51 b on the outermost periphery 21 of the core. The fuel assembly 8 has five types of fuel rods 5 of types 1, 2, 3, 4 and P, and these fuel rods 5 are arranged in a 10 × 10 square lattice shape. Types 1, 2, 3 and 4 are normal fuel rods having different uranium enrichments except for the natural uranium portion at the upper and lower ends of one node, and no combustible absorbent (gadolinia) is added. Type P is a part-length fuel rod. The five types of fuel rods 5 of types 1, 2, 3, 4 and P each have uranium enrichment as shown in the figure, and the average enrichment of the fuel assembly 8 is about 2.4 wt%.
[0046]
In FIG. 5, the fuel assembly 9 is positioned around a control rod 51 b that is not inserted into the core during operation in a region 31 other than the control cell 11 and the core outermost periphery 21. The fuel assembly 9 has seven types of fuel rods 5 of types 1, 2, 3, 4, P, G1, and G2, and is configured by arranging these fuel rods 5 in a 10 × 10 square lattice shape. . Types 1, 2, 3 and 4 are normal fuel rods having different uranium enrichments except for the natural uranium portion at the upper and lower ends of one node, and no combustible absorbent (gadolinia) is added. Type P is a part-length fuel rod. Types G1 and G2 are fuel rods to which gadolinia is added as a flammable absorbent, and the concentration and distribution of gadolinia are different between G1 and G2. The smaller the number, the higher the average gadolinia concentration. That is, the density of gadolinia is G1> G2. Here, the fuel rods G1 and G2 added with gadolinia are concentrated in the region opposite to the control rod 51b and are the same as in the prior art. Seven types of fuel rods 5 of types 1, 2, 3, 4, P, G1, and G2 each have a uranium enrichment as illustrated, and the average enrichment of the fuel assembly 8 is about 4.4 wt%. ing.
[0047]
The average enrichment of the core obtained by multiplying the average enrichment of the fuel assemblies 7, 8 and 9 loaded in the core by the number of each assembly and summing them is divided by the total number of assemblies. 0.7 wt%. As a result, as described above, an enrichment capable of achieving a high burn-up level equivalent to that of the prior art while ensuring a high output density of about 55 kW / liter is secured.
[0048]
In the present embodiment configured as described above, the low enrichment fuel assembly 7 has an average uranium enrichment of about 1.7 wt% and no gadolinia is added, and the intermediate enrichment fuel assembly 8 has an average uranium enrichment. When the degree is about 2.4 wt%, no gadolinia is added, and the high enrichment fuel assembly 9 has an average uranium enrichment of about 4.4 wt% and gadolinia is added. By setting the average enrichment of the core composed of the aggregates 7, 8, and 9 to about 3.7 wt% and increasing the power density of the core to about 55 kW / liter, the following effects can be obtained.
[0049]
By making the average uranium enrichment of the low enrichment fuel assembly 7 loaded in the control cell 11 the lowest, as described in 1) of item (1) of “Means for Solving the Problems”, If one control rod is pulled out, this effective multiplication factor will not become excessive, and a furnace shutdown margin will be secured. In particular, by setting the average uranium enrichment of the low enrichment fuel assembly 7 to about 1.7 wt% which is equal to or less than 1.8 wt%, as described with reference to FIG. A stop margin of 1% Δk or more, which is the design standard in the installation permission application, is secured. In addition, since the low enrichment fuel assembly 7 does not include a combustible absorbent (gadolinia), the output of the low enrichment fuel assembly is at an appropriate level, and a thermal margin is ensured and combustion proceeds moderately. .
[0050]
The average uranium enrichment of the high enrichment fuel assembly 9 loaded in the region 31 excluding the control cell 11 and the outermost outer periphery 21 of the core is the highest at about 4.4 wt%, and a combustible absorbent (gadolinia) is added. By adopting the configuration, the infinite multiplication factor of the highly enriched fuel assembly 9 can be appropriately controlled as explained in 2) of the same item (1), and the power distribution in the radial direction of the core along with the characteristics of other regions As a result, the excess reactivity of the core can be maintained at an appropriate level.
[0051]
1. The average uranium enrichment of the intermediate enrichment fuel assembly 8 loaded on the outermost periphery 21 of the core is higher than the average uranium enrichment of the low enrichment fuel assembly 7 and is 1.8 w% or more and 2.5 wt% or less. By setting it to 4 wt% and not adding a flammable absorbent (gadolinia), as explained in 3-1) of the same (1) term and further explained in FIG. 7 in the same (3) term, The infinite multiplication factor of the intermediate enrichment fuel assembly 8 is 1.2 to 1.3, and a constant power can be maintained even in the region where the neutron leakage is large in the outermost periphery 21 of the core, and the power density of the core can be increased accordingly. it can. In addition, since a constant output can be maintained at the core outermost periphery 21, the power distribution in the core radial direction can be further flattened, and the heat output in the region inside the core other than the outermost periphery 21 when the same power density is achieved. Can be reduced, and the thermal margin can be increased. Further, by setting the average uranium enrichment of the intermediate enrichment fuel assembly 8 to 2.5 wt% or less, it is equivalent to the maximum value (1.3) of the infinite multiplication factor of the conventional fuel assembly as shown in FIG. It is limited to the following infinite multiplication factor, and no special consideration is required to ensure the subcriticality of the fuel storage facility.
[0052]
Also, by making the average uranium enrichment of the intermediate enrichment fuel assemblies 8 loaded on the outermost periphery 21 of the core higher than the average uranium enrichment of the low enrichment fuel assemblies 7, 3-2 of the same (1) section As described in, the average uranium enrichment of the core can be increased, and the power density is 55 kW / liter, which is 51 kW / liter or more, while maintaining the removal degree of burnout of the initial loading core at the same level as the replacement core (about 40 GWd / t). Can be raised to a degree.
[0053]
Furthermore, by making the average uranium enrichment of the intermediate enrichment fuel assembly 8 loaded on the outermost periphery 21 of the core higher than the average uranium enrichment of the low enrichment fuel assembly 7 and not adding a combustible absorbent. Combustion at the outermost periphery 21 of the core becomes uniform, and the irradiated intermediate enriched fuel assembly 8 burned at the outermost periphery 21 of the core can be loaded on the control cell 11 and further burned at this position (described later). For this reason, the fuel assemblies with higher enrichment are burned in the furnace for a longer period of time, and when compared with the conditions of constant core average enrichment, the taken-out burnup can be increased.
[0054]
Then, by setting the average uranium enrichment of the core composed of the fuel assemblies 7, 8, and 9 to 3.6 wt% or more, as described in the section (4), the power density of the core is 51 kW. Even in the case described above, it is possible to increase the removal burn-up degree of the initially loaded core almost equal to that of the replacement core. Further, by setting the power density at the rated power operation of the core composed of the fuel assemblies 7, 8, 9 to 51 kW / liter or more, as described in the section (5), the removal combustion of the initial loading core is performed. While maintaining the same level as the replacement core, the power density can be increased more than before, the plant construction cost per unit electrical output can be reduced, and the power generation cost can be reduced.
[0055]
As described above, according to the present embodiment, high power density and high burn-up can be realized at the same time while ensuring a thermal margin and a reactor shutdown margin in the initially loaded core. While maintaining the replacement core level, the power density can be increased, the plant construction cost per unit electrical output can be reduced, and the power generation cost can be reduced. In addition, the amount of spent fuel generated can be reduced.
[0056]
Next, an embodiment of the fuel exchange method of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 8, and 9.
[0057]
FIG. 8 shows a fuel exchange method after the first loaded core of FIG. 1 has completed one or two operation cycles. The low enrichment fuel assembly 7 loaded in the control cell 11 in FIG. To be taken out. In the transition core of FIG. 8, the number of control cells 11 is reduced as compared with the initial loading core of FIG. 1, and the medium enriched fuel 8 loaded on the outermost periphery 21 of the core in FIG. Is done. In the example shown in the figure, the fuel assemblies loaded in the control cell 11 of the transition core in FIG. 8 are a total of 25 as viewed at 1/4 of the entire core, whereas in the initial loading core in FIG. The total number of fuel assemblies 8 loaded on the outermost periphery 21 is 23, and two of the shortage are in the central region of the highly concentrated fuel 9 loaded in the region 31 in FIG. The most burned one located is selected and loaded into the control cell 11.
[0058]
A part of the highly enriched fuel assembly 9 in FIG. 1 is moved to the outermost periphery 21 of the core. As a part of the high enrichment fuel assembly 9, the high enrichment fuel 9 loaded in the region 31 in FIG. 1 and the infinitely enriched fuel 8 loaded in the outermost core 21 in FIG. Select a gain that is relatively close. In the region 31 of FIG. 8, the remaining highly enriched fuel assembly 9 and the unirradiated replacement fuel assembly 6 are loaded. The average enrichment of the replacement fuel assembly 6 is about 4.4 wt%, and has the same burnup distribution as the high enrichment fuel assembly 9 shown in FIG.
[0059]
FIG. 9 shows a fuel change method after one operation cycle is completed from the core of FIG. 8. The medium enrichment fuel assembly 8 and the high enrichment fuel assembly 9 loaded in the control cell 11 are shown in FIG. A part is taken out. A part of the highly enriched fuel assembly 9 is loaded into the control cell 11 and a replacement fuel assembly 6 is newly loaded.
[0060]
By adopting such a fuel exchange method, the fuel assembly 9 having a higher enrichment is burned in the furnace for a longer period of time, so that the extracted burn-up can be made higher when compared under the condition that the core average enrichment is constant. Further, the low enrichment fuel assembly 7 and the intermediate enrichment fuel assembly 8 are burned in the control cell 11 in a region where the output is relatively high except for the outer periphery of the core, that is, the fuel having a low enrichment. The burnup of the aggregate increases.
[0061]
The initial loading core according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the above embodiment, one type of high enrichment fuel assembly 9 is used. However, this embodiment uses a plurality of types having different average uranium enrichments and different gadolinia concentrations and fuel rods containing gadolinia. is there.
[0062]
In the first embodiment, instead of the high enrichment fuel fuel assembly 9 shown in FIG. 5, two high enrichment fuel fuel assemblies 91 and 92 are used as shown in FIGS. An embodiment is conceivable. Here, the high enrichment fuel assemblies 91 and 92 shown in FIGS. 10 and 11 both have an average enrichment of about 4.4 wt%, which is the same as that of FIG. The number of fuel rods is different from 20 and 16, respectively, and 18 in FIG.
[0063]
As the number of fuel rods to which gadolinia is added increases, the infinite multiplication factor decreases and the fuel assembly output decreases, so the thermal margin of the fuel assembly tends to increase. Therefore, as in the loading pattern example shown in FIG. 12, thermal neutrons flow from the control cell 11 with low enrichment, and the thermal margin is likely to be reduced by the fuel rod of the highly enriched fuel assembly facing the control cell 11. A fuel assembly 91 having a large number of gadolinia fuel rods as shown in FIG. 10 is loaded at a position (position adjacent to the control cell 11), and gadolinia fuel is placed at a position (a position other than the above) where thermal conditions are not severe. By loading the fuel assembly 92 having a small number of rods, it is possible to increase the thermal margin of the entire core.
[0064]
Even if the number of gadolinia-added fuel rods is different in the initial stage, the gadolinia has the same characteristics after burning, so in the fuel exchange method of the present invention, the difference in the number of gadolinia-added fuel rods is ignored. Can be handled as a highly enriched fuel assembly.
[0065]
【The invention's effect】
According to the present invention, high power density and high burn-up can be realized at the same time while ensuring a thermal margin and a reactor shutdown margin in the initial loading core, and as a result, the removal burn-up degree of the initial loading core can be changed. While maintaining the same level, the power density can be increased, the plant construction cost per unit electrical output can be reduced, and the power generation cost can be reduced. In addition, the amount of spent fuel generated can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram (1/4 of all cores) showing a fuel loading pattern of an initial loading core of a boiling water reactor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a structural diagram of a fuel assembly in the initial loading core of the first embodiment shown in FIG.
FIG. 3 is an enrichment distribution diagram of a low enrichment fuel assembly in the initially loaded core of the first embodiment shown in FIG. 1;
4 is an enrichment distribution diagram of a medium enrichment fuel assembly in the initial loading core of the first embodiment shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is an enrichment distribution diagram of a highly enriched fuel assembly in the initial loading core of the first embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a relationship characteristic diagram between an average enrichment of a fuel assembly loaded on a control cell and a furnace shutdown margin showing the operation of the present invention.
FIG. 7 is a characteristic diagram of the relationship between the average enrichment of the fuel assembly and the infinite multiplication factor showing the operation of the present invention.
FIG. 8 is a diagram (1/4 of the entire core) showing a fuel loading pattern for explaining an embodiment of the fuel exchange method of the present invention.
FIG. 9 is a diagram (1/4 of the entire core) showing a fuel loading pattern for explaining an embodiment of the fuel exchange method.
FIG. 10 is an enrichment distribution diagram of one of two types of highly enriched fuel assemblies in an initial loading core of a boiling water reactor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an enrichment distribution diagram of the other of the two types of high enrichment fuel assemblies in the initial loading core of the boiling water reactor according to the second embodiment.
12 is a diagram (1/4 of the entire core) showing a fuel loading pattern of the initial loading core according to the second embodiment shown in FIGS. 10 and 11. FIG.
[Explanation of symbols]
4 Fuel rod
5a Upper tie plate
5b Lower tie plate
5c Spacer
6 Replacement fuel assembly
7 Low enrichment fuel assembly (first fuel assembly)
8 Medium enrichment fuel assembly (second fuel assembly)
9 High enrichment fuel assembly (third fuel assembly)
11 Control cell
21 outermost core
31 Other areas
51a Control rod (control rod inserted during operation)
51b Control rod (control rod not inserted during operation)
52 Water Rod
53 Channel box
91,92 High enrichment fuel assembly (third fuel assembly)
G1, G2 Fuel rod with gadolinia
P Partial length fuel rod

Claims (7)

複数の燃料集合体及びこれら複数の燃料集合体間に配置される複数の制御棒を備え、前記複数の制御棒が運転中に挿入する制御棒とそれ以外の制御棒を有する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、
前記複数の燃料集合体は、前記運転中に挿入する制御棒の周囲に装荷する第1の燃料集合体と、炉心最外周に装荷する第2の燃料集合体と、それ以外の領域に装荷する第3の燃料集合体とを含み、前記それ以外の領域には、前記第2の燃料集合体は装荷されておらず、
前記第1、第2、第3の燃料集合体は、それぞれの平均ウラン濃縮度が、
第1の燃料集合体<第2の燃料集合体<第3の燃料集合体
の関係になるように構成され、
前記第1の燃料集合体及び第2の燃料集合体には可燃性吸収材を添加せず、前記第3の燃料集合体には可燃性吸収材を添加したことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
A boiling water nuclear reactor comprising a plurality of fuel assemblies and a plurality of control rods disposed between the plurality of fuel assemblies, the control rods inserted by the plurality of control rods during operation and other control rods In the first loading core of
The plurality of fuel assemblies are loaded in a first fuel assembly loaded around a control rod inserted during the operation, a second fuel assembly loaded on the outermost periphery of the core, and other regions. A third fuel assembly, and the second region is not loaded in the other region,
Each of the first, second, and third fuel assemblies has an average uranium enrichment.
The first fuel assembly <the second fuel assembly <the third fuel assembly,
A boiling water atom characterized in that a combustible absorbent is not added to the first fuel assembly and the second fuel assembly, and a combustible absorbent is added to the third fuel assembly. The first loading core of the furnace.
請求項1記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記第1の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を1.8wt%以下としたことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。  The initial loading core of the boiling water reactor according to claim 1, wherein the average uranium enrichment of the first fuel assembly is 1.8 wt% or less. . 請求項1又は2記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記第2の燃料集合体の平均ウラン濃縮度を2.5wt%以下としたことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。  The initial loading core of the boiling water reactor according to claim 1 or 2, wherein the average uranium enrichment of the second fuel assembly is 2.5 wt% or less. Loading core. 請求項1〜3のいずれか1項記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記第1、第2、第3の燃料集合体で構成される炉心の平均ウラン濃縮度を3.6wt%以上としたことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。  The initial loading core of the boiling water reactor according to any one of claims 1 to 3, wherein an average uranium enrichment of the core composed of the first, second, and third fuel assemblies is 3.6 wt. The initial loading core of a boiling water reactor, characterized by being over%. 請求項1〜4のいずれか1項記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記第1、第2、第3の燃料集合体で構成される炉心の定格出力運転時の出力密度を51kW/リットル以上としたことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。  In the initial loading core of the boiling water reactor according to any one of claims 1 to 4, the power density at the rated output operation of the core composed of the first, second, and third fuel assemblies is set. An initial loading core of a boiling water reactor characterized by being 51 kW / liter or more. 請求項1〜5のいずれか1項記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記第3の燃料集合体をウラン濃縮度が同等で可燃性吸収材を添加した燃料棒の濃度または本数が異なる複数種類の燃料集合体としたことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。  The initial loading core of the boiling water reactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the concentration or number of fuel rods in which the third fuel assembly is equivalent in uranium enrichment and to which a combustible absorbent is added. A first loaded core of a boiling water reactor characterized by the fact that the fuel assemblies are of different types. 請求項1〜6のいずれか1項記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心の燃料交換方法において、最初の燃料交換時に前記第1の燃料集合体を炉外に取り出し、前記第1の燃料集合体が装荷されていた運転中に挿入される制御棒の周囲には照射済の前記第2の燃料集合体を移設し、前記第2の燃料集合体が装荷されていた炉心最外周には照射済の前記第3の燃料集合体を移設し、前記それ以外の領域に未照射の第4の燃料集合体を新たに装荷することを特徴とする燃料交換方法。7. The method for exchanging fuel in an initially loaded core of a boiling water reactor according to claim 1, wherein the first fuel assembly is taken out of the reactor at the time of the first fuel exchange, and the first fuel is removed. The irradiated second fuel assembly is moved around the control rod inserted during the operation in which the assembly was loaded, and the outermost core of the core where the second fuel assembly was loaded A fuel exchange method , wherein the irradiated third fuel assembly is moved and a non-irradiated fourth fuel assembly is newly loaded in the other region .
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