JP3960572B2 - Reactor core and its operating method - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉の燃料集合体と、これを装荷した原子炉炉心に係り、特に高燃焼度燃料で構成された原子炉炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の燃料集合体では、燃焼初期における過剰な反応度を抑制するために、可燃性毒物としてガドリニア（Gd2O3）を用いている。ガドリニアは燃焼と共に急速に燃え尽きるので、燃料集合体の無限増倍率は、燃焼初期においては増加し、ガドリニアが燃え尽きるころにピークを迎え、以降は燃焼の進行に従って減少する。ただし、ガドリニアがほとんど燃え尽きたあとも、ガドリニウム（Gd）同位体の一部は平衡状態となり、以降の燃焼期間中一定の反応度ロスとして作用する。これを残留ガドリニア反応度という。
【０００３】
燃料集合体はガドリニアを添加した燃料棒（ガドリニア燃料棒）とその他の燃料棒により構成されるが、例えば特許第2577367号公報に記載された発明に代表されるように、ガドリニア燃料棒の配置具合により、ガドリニアの燃え尽きる期間を遅らせる方法が知られている。
【０００４】
従来の燃料集合体においては、サイクル終了時にガドリニアが燃え尽きるように、その初期濃度を設定するのが一般的である。これはサイクル終了時にガドリニアが残っていると反応度をロスすることになるからである。
また、ガドリニア燃料棒本数は運転サイクルを通じて余剰反応度を一定にするように決めるが、このようにすると、燃焼度の異なる燃料集合体で炉心を構成したときに、運転サイクルを通じて余剰反応度を一定にすることが容易だからである。なお、ガドリニア燃料棒本数の異なる２種類の燃料集合体を用意して、運転期間の変動に応じて、各々の装荷割合を調節することにより、運転サイクル中の余剰反応度を一定に保つ方法が知られている。この場合でも、各々の燃料集合体のガドリニア濃度は第１サイクル終了時に、ほぼ燃え尽きるようにしてある。
【０００５】
沸騰水型原子炉の炉心を構成する燃料集合体は、一般に、炉内滞在期間（炉内滞在サイクル数）の異なる複数のグループに分けられる。同じグループ同志の燃料集合体を隣接させると、出力ピーキングが生じ易いので、通常の炉心では可能な限り同じグループの燃料集合体を隣接しないように分散して配置する。ただし、初装荷炉心においては、燃料集合体の炉内滞在期間は全て同じであるが、初期ウラン濃縮度の異なるグループに分けられ、同様に分散配置される。
通常運転時に使用する制御棒の周囲４体の燃料集合体は、燃焼の進んだ燃料集合体で構成され、これをコントロールセルという。一般に、炉心最外周およびコントロールセル周辺では、出力ピーキングは小さくなり、逆にそれ以外のところで出力ピーキングは大きくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、沸騰水型原子炉における燃料経済性の向上と、使用済み燃料体数の削減を目的として、１体の燃料集合体から取り出すエネルギーを増大させる高燃焼度化が進められており、このため、１運転サイクルあたりの燃焼度増分（サイクル燃焼度という。）は増加する傾向にある。サイクル燃焼度が増加すると、炉内滞在サイクル数の異なる燃料集合体グループ間の無限増倍率の差は大きくなるので、出力ピーキングを増加させる。これは熱特性の悪化を招き、高燃焼度化の阻害要因となっている。
【０００７】
また、炉心の燃料経済性を向上させるための方策として、最も無限増倍率の小さい燃料集合体グループを炉心最外周に配置する低漏洩型の原子炉が知られている。しかし、低漏洩型の原子炉においては、炉心中央部でグループ毎の燃料集合体数のバランスが崩れるので、無限増倍率の高いグループの燃料集合体同志が隣接せざるを得なくなる場合があり、これにより径方向出力ピーキングが生じる。
よって、従来は炉内の燃料集合体の配置を上述の低漏洩型とすることができず、このことが燃料経済性向上の阻害要因となっている。
【０００８】
次に、熱特性の悪化について説明する。一般に、第１サイクル目燃料の無限増倍率はサイクル初期から末期にかけて増加する。そして第２サイクル目燃料の無限増倍率はサイクル初期から末期にかけて減少する。よって、サイクル初期においては、無限増倍率の大きい第２サイクル目燃料に出力ピーキングが生じて熱特性が悪くなる。逆にサイクル後期になると、第１サイクル目燃料に出力ピーキングが生じて熱特性が悪くなる。
【０００９】
熱特性の一例である線出力密度は、その値が大きいほど安全余裕が小さい。一般に、燃料の線出力密度が通常最も大きくなるのは、サイクル後期における第１サイクル目燃料である。
また、限界出力比の値が小さいほど安全余裕は小さい。一般に、限界出力比が通常最も小さいのは、第２サイクル目燃料においてサイクル初期の期間であり、その期間は全サイクル期間の20％程度である。したがって、この期間の出力ピーキングが特に問題となる。
【００１０】
ところで、ガドリニアの初期濃度を高めて第１サイクル終了後の次サイクルまで燃え残るように設定すると、無限増倍率のピークが燃焼度の進んだ側にずれると共に、ピークの最大値が小さくなる。このため、炉内滞在サイクル数の異なる燃料集合体間の無限増倍率の差は小さくなり、出力ピーキングを小さくすることができる。特に上述した限界出力比を改善するためには、ガドリニアがサイクル期間の1.2倍以上燃え残るように、その濃度を高めればよい。また、線出力密度を改善するには、ガドリニア濃度が高いほどよい。
【００１１】
しかしこの場合には２つの問題が併せて発生する。１つは、サイクル末期で燃え残ったガドリニアによる反応度ロスによって、燃料経済性が悪くなることである。もう１つは、余剰反応度が運転サイクルを通じて一定とならず、運転制御性が悪化することである。例えば、特開昭62−106391号公報に記載された燃料集合体においては、燃料集合体内の一部のガドリニア濃度を高めることによって、余剰反応度を一定に保てることが示されている。しかしこの場合でもガドリニアによる反応度ロスの発生が問題として残ることとなる。
【００１２】
本発明はこうした事情に鑑みなされたものであり、燃料集合体の高燃焼度化のために、燃料経済性や運転制御性を損なうことなく、出力ピーキングを低減して、炉心熱特性の良好な原子炉炉心を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の発明は、内部に燃料要素を含む燃料棒および内部を冷却材が流通するウォータロッドを包含する燃料集合体を複数装荷して構成され、運転期間が複数の燃料サイクル期間によりなる原子炉炉心において、この原子炉炉心を構成する燃料集合体は、
（Ａ）可燃性毒物が第１の燃焼サイクル期間の終了時にほぼ燃え尽きる程度に設定される第１の燃料集合体から構成される第１の燃料集合体グループ、
（Ｂ）可燃性毒物が第１の燃料サイクル以降の次サイクルまで燃え残る程度に設定される第２の燃料集合体から構成される第２の燃料集合体グループ、
の少なくとも２つのグループからなり、
各燃料集合体グループは少なくとも第１サイクル目の燃料集合体と第２サイクル目の燃料集合体とを含有し、
かつ第２の燃料集合体１体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数は第１の燃料集合体１体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数より少なく設定され、
さらに第２の燃料集合体に初装荷時に含まれる可燃性毒物の濃度は、第１の燃料集合体に初装荷時に含まれる可燃性毒物の濃度の1.2倍以上に設定されることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、第２の燃料集合体グループにおいては、可燃性毒物がサイクル期間の1.2倍以上の間燃え残る。したがって、サイクル初期における限界出力比と、サイクル後期における線出力密度を改善することができる。また第１の燃料集合体グループに属する燃料集合体については、炉内で、無限増倍率の異なる第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体と混在させて配置することにより、出力を分散させる効果が得られるので、熱特性を改善することができる。一方、第２の燃料集合体グループによる燃え残った可燃性毒物による反応度ロスと、運転サイクル期間を通じての余剰反応度への影響は、第１の燃料集合体グループが存在することで炉心全体で緩和されて小さくなる。
また、第２の燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数を、第１の燃料集合体のそれよりも少なく設定することで、可燃性毒物総量を減らし、残留する可燃性毒物による反応度ロスを低減することができる。
【００１５】
さらに、請求項２記載の発明は、請求項１記載の原子炉炉心において、第２の燃料集合体では、燃料集合体の最外周部およびウォータロッドに隣接する位置には可燃性毒物を含有しない燃料棒が配置され、かつ少なくとも２つの可燃性毒物入り燃料棒は互いに隣接して配置されることを特徴とする。
この構成により、可燃性毒物が効果的に燃え残るので、可燃性毒物の総量を低減することが可能となり、残留する可燃性毒物による反応度ロスを低減できる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の原子炉炉心において、第２の燃料集合体のウラン濃縮度は第１の燃料集合体のウラン濃縮度より高く設定されることを特徴とする。これにより、第２の燃料集合体グループに起因する残留可燃性毒物による反応度ロスを補うことができる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項1記載の原子炉炉心において、第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体は炉心最外周とコントロールセルを除く位置に配置され、かつ第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体の体数は原子炉炉心の全ての燃料集合体の体数の20％以下に設定されることを特徴とする。
炉心最外周とコントロールセルはもともと出力ピーキングが低いので、当該位置を除いた出力ピーキングの高い位置に可燃性毒物を配置することでより有効な効果を得ることができる。また、炉心最外周部以外またはコントロールセル以外の場所で、４体の燃料集合体からなるセルに必ず第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体を１体配置すると、その体数比率は炉心全体数の20％程度になり、このときにほぼ最大の出力ピーキング低減効果が得られる。これ以上の装荷は、可燃性毒物の燃え残りによる反応度ロスを増大するという悪影響の方が大きいと想定される。
【００１８】
また、請求項５記載の発明は、請求項1記載の原子炉炉心において、原子炉炉心の反応を制御する制御棒を中心として４体の燃料集合体で構成されるセルとして、炉心最外周に位置せずかつコントロールセルに隣接しないセルであって、セル内に第１サイクル目の燃料集合体が少なくとも２体配置される場合または第２サイクル目の燃料集合体が少なくとも２体配置される場合の何れかのときに、当該セル内に第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体が配置されることを特徴とする。
この構成により、炉心最外周のセルまたはコントロールセルに隣接するセルにおいては、第１サイクル目の燃料集合体が２体以上である場合、または第２サイクル目燃料集合体が２体以上である場合でも、制御棒の反応度価値がそれほど大きくならない。よってかかる位置以外のセル内に可燃性毒物を配置することで、より有効な効果を得ることができる。また、かかる位置以外のセルを構成する４体の燃料集合体の中心に配置される制御棒は、その反応度価値が大きくなる。しかし第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体によれば、可燃性毒物が燃え残っているために、かかる制御棒の反応度価値を小さくすることによって、炉停止余裕を改善することができる。
【００１９】
また、請求項６記載の発明は、請求項１記載の原子炉炉心において、第１の燃料集合体グループおよび第２の燃料集合体グループに加えて、
（Ｃ） 可燃性毒物が第１の燃焼サイクル期間の途中で燃え尽きる程度に設定される第３の燃料集合体から構成される第３の燃料集合体グループ
の少なくとも３つのグループからなり、
第３の燃料集合体グループはコントロールセルに隣接して配置されることを特徴とする。
第３の燃料集合体の無限増倍率の最大値は、第１の燃料集合体グループよりも大きくなる。一方、コントロールセル周辺の出力ピーキングは低いので、この構成により、第３の燃料集合体グループに属する燃料集合体によって出力ピーキングを増加すれば、炉心全体の出力バランスが変えることにより、他の場所の高い出力ピーキングを低減することができる。また、第２の燃料集合体グループに起因する燃え残りの可燃性毒物による反応度ロスを補うことができる。
【００２０】
また、請求項７記載の発明は、請求項１記載の原子炉炉心の運転方法に関するものであり、燃料サイクル期間の末期に燃料交換を行う際に、まず第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体を取出し、次に第１の燃料集合体グループに属する燃料集合体を取出すことを特徴とする。かかる方法が有効であるのは、第２の燃料集合体に属する燃料集合体は、残留する可燃性毒物による反応度が大きいため、これを先に取出した方が余剰反応度は大きくなる。
【００２１】
また、請求項１記載の発明においては、上述した以外の構成のほかに、さらに以下のような構成を追加して実施することが好適である。
第１に、互いに炉内滞在期間がほぼ同じであるような、第１の燃料集合体グループに属する燃料集合体と第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体とが、隣接して配置されるのが好適である。この２者の燃料集合体では、炉内滞在期間が同じであっても、無限増倍率が異なるので、隣接して配置しても出力ピーキングを生じないためである。
第２に、第２の燃料集合体グループに属する燃料集合体に隣接する４体の燃料集合体のうち、少なくとも２体が第１サイクル目または第２サイクル目の燃料集合体であるように配置されるのが好適である。第１または第２サイクル目の燃料集合体を集中させる配置では出力ピーキングが生じ易いので、かかる位置に燃料集合体グループに属する燃料集合体を配置すれば、出力ピーキングを低減する効果が大きくなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態における原子炉炉心の燃料配置を示す断面図である。この図は１／４炉心を示しているが、本実施形態においては炉心は１／４回転対称に燃料を配置することとする。図1に示した炉心は、以下で詳述する異なる２種の燃料集合体グループから構成されている。
【００２４】
燃料集合体グループＡは、ガドリニアが第１サイクルの終了前に燃え尽きるように設定された燃料集合体２から構成され、さらにその炉内滞在サイクル数により４種類に分類される。図１では、燃料集合体グループＡのうち第１サイクル目の燃料をA1と表し、第２サイクル目、第３サイクル目、第４サイクル目の燃料をそれぞれA2，A3，A4と表している。
また、燃料集合体グループＢは、第１サイクル終了後も次サイクル以降までガドリニアが燃え残るように設定された燃料集合体３から構成され、さらにその炉内滞在サイクル数により３種類に分類される。つまり、燃料集合体３は燃料集合体２に比べてガドリニア含有量が多く設定されている。燃料集合体グループＢの燃料集合体うち第１サイクル目、第２サイクル目、第３サイクル目の燃料をそれぞれB1，B2，B3と表している。
【００２５】
図１において符号10で示される太線により囲まれた部分はコントロールセルである。燃焼の進んだ第３サイクル目、第４サイクル目の燃料集合体A3，A4により構成されている。
図２は、これらの燃料集合体グループＡ，Ｂを構成する燃料集合体２，３の無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。実線４Ａが燃料集合体２（燃料集合体グループＡ）を、破線４Ｂが燃料集合体３（燃料集合体グループＢ）を示している。また、ｄ1，ｄ2は、それぞれ第１サイクル、第２サイクルの期間の凡その範囲を示す。
【００２６】
燃料集合体グループＡにおいては、燃料集合体２のガドリニアが第１サイクル終了時に燃え尽きるので、実線４Ａに示すように、無限増倍率は第1サイクル末期で最大となる。一方燃料集合体グループBにおいては、ガドリニアが次サイクル以降まで燃え残る。よって、破線４Ｂに示すように、燃料集合体グループＡと比較すると、燃料集合体グループＢの１サイクル目燃料B1と２サイクル目燃料B2とでの無限増倍率の差は小さい。
すなわち、燃料集合体グループＢにおいては、サイクル初期の限界出力比とサイクル後期の線出力密度が改善される。また燃料集合体グループＡについては、無限増倍率の異なる燃料集合体グループＢと混在して炉心を構成することにより、出力を分散させる効果が得られるので、熱特性を改善することができる。
【００２７】
図３および図４は、それぞれ燃料集合体グループＡおよびＢを構成する燃料集合体２および３の燃料棒配置の一例を示す断面図である。ここに示した燃料集合体２，３は、ともにチャンネルボックス９内に燃料棒７が10行10列に配置され、燃料棒７の総数は92本である。また、中央部に内部を冷却材が流通するウォータロッド８が２本配置される。
図３においては、燃料棒７に付された燃料棒番号のうち１，２，３はウラン燃料棒を、G1，G2はガドリニア入りの燃料棒を示し、ともに燃料棒番号が若いいほどウラン濃縮度が大きいことを示している。図３に示す燃料集合体グループＡの燃料棒72本のうち16本をしめるガドリニア入り燃料棒G1のガドリニア濃度は6wt％となっており、サイクル燃焼度が14GWd／tの時点でほぼ燃え尽きるように設定されている。
【００２８】
一方、図４においても燃料棒番号１，２，３で示されるウラン燃料棒とG1，G2，G3で示されるガドリニア入り燃料棒が併存している。図４に示す燃料集合体グループＢのガドリニア入り燃料棒のなかで最もガドリニア濃度の高い燃料棒G1のガドリニア濃度は10wt％であり、燃料集合体グループＡのガドリニア入り燃料棒G1のガドリニア濃度（6wt％）の約1.7倍である。また、燃料集合体グループＡの燃料集合体内の平均ガドリニア濃度は、燃料集合体グループＢのそれに比べて 1.2倍以上に設定するのが好適である。
【００２９】
図４に示す燃料集合体グループＢのガドリニア入り燃料棒は16本であり、図３に示す燃料集合体グループＡのガドリニア入り燃料棒本数20本よりも少なく設定したために、残留ガドリニア反応度ロスが低減される。
また、図４に示す燃料集合体グループＢのガドリニア入り燃料棒16本は、最外周部以外およびウォーターロッド周辺部以外に配置されており、かつこのうち12本は互いに隣接して配置されている。これにより、ガドリニアを効果的に燃え残すことが可能となり、残留ガドリニア反応度ロスが低減される。
さらに、図４に示す燃料集合体グループＢの平均ウラン濃縮度は4.45％であり、図３に示す燃料集合体グループＡの平均ウラン濃縮度4.38%よりも高く設定されている。これにより残留ガドリニア反応度ロスを補うことができる。
【００３０】
本実施の形態の作用について、実証結果としてグラフを参照して説明する。図５は、燃焼に伴う余剰反応度の変化を示すグラフである。破線５Ａは、燃料集合体グループＡを構成する燃料集合体２のみによって炉心が構成された場合、すなわち図１におけるB1，B2，B3をそれぞれA1，A2，A3で置き換えたときの余剰反応度を示している。この場合の余剰反応度はサイクル期間中ほぼ一定の値で、サイクル末期の反応度も足りている。
【００３１】
また図５の破線５Ｂは、逆に燃料集合体グループＢを構成する燃料集合体３のみによって炉心が構成された場合の余剰反応度を示している。この場合は、サイクル期間中に余剰反応度が大きく変化し、サイクル末期で反応度が足りていない。
図５の実線６は図１に示す本実施の形態にかかる原子炉炉心１の余剰反応度を示している。原子炉炉心1の全燃料集合体数368体のうち、燃料集合体グループＢに属するものは24体であり、その全体に占める比率は7％以下となっている。このため、炉心１の余剰反応度変化に与える燃料集合体グループＢの影響は、実線６で示すように、炉心全体で緩和されて小さいものとなる。
【００３２】
原子炉炉心１の座標を図１に示す（I，J）で示すこととする。（I，J）＝（11，9）位置にある燃料集合体は、燃料集合体グループＡの第２サイクル目燃料Ａ２である。また、それに制御棒11を介して隣接する（11，10）位置にある燃料集合体は、燃料集合体グループＢの第２サイクル目燃料Ｂ２である。これらの隣接する燃料集合体Ａ２とＢ２は、炉内滞在期間がほぼ同じであるが、無限増倍率が異なるので、出力ピーキングは発生しない。
（11，９）位置の燃料集合体Ａ２に隣接する４体の燃料集合体のうち、３体（A1，A1，B2）が第１サイクル目または第２サイクル目の燃料集合体である。このような位置では出力ピーキングが発生し易いので、（11，９）位置にある燃料集合体A2による出力ピーキング低減効果も大きい。
【００３３】
図１に示す制御棒11を中心として構成される４体の燃料集合体のうちには、第２サイクル目燃料集合体が３体（A2，A2，B2）位置しており、上記（11，９）位置の燃料集合体A2も含まれる。この燃料集合体A2が存在するために、制御棒11の反応度価値は小さくなり、炉停止余裕が改善される。
また、原子炉を運転する際には、炉心１において、各サイクル末期には、燃料集合体グループＢを燃料集合体グループＡより優先して取出すこととする。つまり、燃料集合体グループＢを取出した後に、燃料集合体グループＡを取出すという、選択的に２段階に分けて燃料交換のための取出しを行うこととする。これにより、残留ガドリニア反応度ロスを小さくすることができる。
図６および図７は、それぞれ本実施の形態における線出力密度および限界出力比を示すグラフである。図６の実線12で示すように、本実施の形態にかかる炉心１の線出力密度は、破線13で示される従来の炉心の場合よりも、とくにサイクル中期において改善されていることがわかる。同様に、図７の実線14で示すように、本実施の形態に係る炉心１の限界出力比も、破線15で示される従来の場合よりも改善されており、特に運転初期の運転サイクル期間の約20％の期間において改善効果が大きいことがわかる。
【００３４】
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。図８は本実施の形態にかかる原子炉炉心16の燃料配置を示す１／４回転対称の断面図である。第１の実施の形態と異なる点は、図８においてC1，C2で示される燃料集合体グループＣを導入した点にある。
【００３５】
この燃料集合体グループＣを構成する燃料集合体では、ガドリニアがサイクル途中で燃え尽きるように設定している。図９は、この燃料集合体グループＣを構成する燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を、図２に重ねて示したものである。これによれば、破線４Ｃに示すように、無限増倍率は第1サイクル途中で最大となる。燃料集合体グループCはコントロールセルに隣接して配置しているので、この位置の出力ピーキングが増加し、炉心全体の出力バランスが変わるので、他の場所の高い出力ピーキングを低減することができる。またこの燃料集合体グループＣにより、燃料集合体グループBが第１サイクル末期においても含有する燃え残りのガドリニアによる反応度ロスを補うことができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、燃料経済性や運転制御性を損なうことなく、出力ピーキングを低減して、炉心熱特性の良好な原子炉炉心を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる原子炉炉心の燃料配置を示す１／４回転対称の断面図である。
【図２】図１に示した燃料集合体グループＡ，Ｂの無限増倍率の燃焼変化を示す特性図である。
【図３】図１に示した燃料集合体グループＡを構成する燃料集合体２の燃料棒配置を示す断面図である。
【図４】図１に示した燃料集合体グループＢを構成する燃料集合体３の燃料棒配置を示す断面図である。
【図５】図１に示した原子炉炉心の無限増倍率の燃焼変化を示す特性図である。
【図６】図１に示した原子炉炉心の線出力密度の燃焼変化を示す特性図である。
【図７】図１に示した原子炉炉心の限界出力比の燃焼変化を示す特性図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態にかかる原子炉炉心の燃料配置を示す１／４回転対称の断面図である。
【図９】図８に示した燃料集合体グループＡ，Ｂ，Ｃの無限増倍率の燃焼変化を示す特性図である。
【符号の説明】
１，１６…原子炉炉心，２，３…燃料集合体，７…燃料棒，８…ウォータロッド，９…チャンネルボックス，10…コントロールセル，11…制御棒。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel assembly of a boiling water reactor and a nuclear reactor core loaded with the fuel assembly, and more particularly to a nuclear reactor core composed of high burnup fuel.
[0002]
[Prior art]
In a fuel assembly of a boiling water reactor, gadolinia (Gd 2 O 3 ) is used as a flammable poison in order to suppress excessive reactivity at the early stage of combustion. Since gadolinia burns out rapidly with combustion, the infinite multiplication factor of the fuel assembly increases in the early stage of combustion, reaches a peak when gadolinia burns out, and then decreases as the combustion progresses. However, even after gadolinia is almost burned out, part of the gadolinium (Gd) isotope is in equilibrium and acts as a constant reactivity loss during the subsequent combustion period. This is called residual gadolinia reactivity.
[0003]
The fuel assembly is composed of fuel rods added with gadolinia (gadolinia fuel rods) and other fuel rods. For example, as represented by the invention described in Japanese Patent No. 2577367, the arrangement of the gadolinia fuel rods. Thus, a method of delaying the period during which Gadolinia burns out is known.
[0004]
In conventional fuel assemblies, the initial concentration is generally set so that gadolinia burns out at the end of the cycle. This is because the reactivity is lost if gadolinia remains at the end of the cycle.
In addition, the number of gadolinia fuel rods is determined so that the excess reactivity is constant throughout the operation cycle. In this way, when the core is composed of fuel assemblies having different burnups, the excess reactivity is constant throughout the operation cycle. This is because it is easy to make. In addition, there is a method in which two types of fuel assemblies with different numbers of gadolinia fuel rods are prepared, and the respective surplus reactivity during the operation cycle is kept constant by adjusting the loading ratio according to the fluctuation of the operation period. Are known. Even in this case, the gadolinia concentration of each fuel assembly is almost burned out at the end of the first cycle.
[0005]
In general, the fuel assemblies constituting the core of the boiling water nuclear reactor are divided into a plurality of groups having different residence times in the reactor (the number of residence cycles in the reactor). When fuel assemblies of the same group are adjacent to each other, output peaking is likely to occur. Therefore, in a normal core, fuel assemblies of the same group are dispersed and arranged so as not to be adjacent as much as possible. However, in the initial loading core, the fuel assembly stays in the reactor are all the same, but they are divided into groups having different initial uranium enrichments and similarly distributed.
The four fuel assemblies around the control rod used during normal operation are composed of fuel assemblies that have advanced combustion, and are called control cells. In general, the output peaking is small at the outermost periphery of the core and the periphery of the control cell, and conversely, the output peaking is large at other points.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, with the aim of improving fuel economy in boiling water reactors and reducing the number of spent fuel bodies, higher burnup has been promoted to increase the energy extracted from one fuel assembly. The burnup increment per operation cycle (referred to as cycle burnup) tends to increase. As the cycle burnup increases, the difference in infinite multiplication factor between the fuel assembly groups having different numbers of staying cycles in the furnace increases, so that the output peaking is increased. This leads to deterioration of thermal characteristics and is an impediment to high burnup.
[0007]
Further, as a measure for improving the fuel economy of the core, a low-leakage nuclear reactor in which a fuel assembly group having the smallest infinite multiplication factor is arranged on the outermost periphery of the core is known. However, in a low-leakage reactor, the balance of the number of fuel assemblies per group in the center of the core is lost, so there may be cases where fuel assemblies in groups with a high infinite multiplication factor must be adjacent, This causes radial output peaking.
Therefore, conventionally, the arrangement of the fuel assemblies in the furnace cannot be the above-described low leakage type, which is an impediment to improving fuel economy.
[0008]
Next, deterioration of thermal characteristics will be described. In general, the infinite multiplication factor of the first cycle fuel increases from the beginning to the end of the cycle. The infinite multiplication factor of the second cycle fuel decreases from the beginning to the end of the cycle. Therefore, at the beginning of the cycle, output peaking occurs in the second cycle fuel having a large infinite multiplication factor, and the thermal characteristics deteriorate. Conversely, at the end of the cycle, output peaking occurs in the fuel in the first cycle and the thermal characteristics deteriorate.
[0009]
As the value of the linear power density, which is an example of thermal characteristics, increases, the safety margin decreases. In general, it is the first cycle fuel in the late cycle that the linear power density of the fuel is usually the highest.
Further, the smaller the limit output ratio value, the smaller the safety margin. In general, the limit power ratio is usually the smallest in the cycle initial period in the second cycle fuel, which is about 20% of the total cycle period. Therefore, output peaking during this period is particularly problematic.
[0010]
By the way, if the initial concentration of gadolinia is increased so as to remain unburned until the next cycle after the end of the first cycle, the peak of the infinite multiplication factor shifts to the side where the burnup is advanced, and the maximum value of the peak decreases. For this reason, the difference of the infinite multiplication factor between the fuel assemblies having different numbers of staying cycles in the furnace is reduced, and the output peaking can be reduced. In particular, in order to improve the above-mentioned limit output ratio, the concentration should be increased so that Gadolinia remains burned 1.2 times or more of the cycle period. Also, the higher the gadolinia concentration, the better for improving the line output density.
[0011]
However, in this case, two problems occur together. One is that the fuel economy becomes worse due to the reactivity loss due to gadolinia left unburned at the end of the cycle. The other is that the excess reactivity is not constant throughout the operation cycle, and the operation controllability deteriorates. For example, in the fuel assembly described in Japanese Patent Laid-Open No. 62-106391, it is shown that the excess reactivity can be kept constant by increasing the gadolinia concentration of a part of the fuel assembly. However, even in this case, the loss of reactivity due to gadolinia remains as a problem.
[0012]
The present invention has been made in view of such circumstances, and for increasing the burnup of the fuel assembly, reducing the output peaking without impairing the fuel economy and operation controllability, and providing good core thermal characteristics. An object is to provide a nuclear reactor core.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
(A) a first fuel assembly group composed of a first fuel assembly set to such an extent that the combustible poison is almost burned out at the end of the first combustion cycle period;
(B) a second fuel assembly group composed of a second fuel assembly that is set to such an extent that the flammable poison remains unburned until the next cycle after the first fuel cycle;
Consisting of at least two groups
Each fuel assembly group contains at least a first cycle fuel assembly and a second cycle fuel assembly,
And the number of fuel rods containing combustible poisons contained in one second fuel assembly is set to be smaller than the number of fuel rods containing combustible poisons contained in one first fuel assembly,
Further, the concentration of the combustible poison contained in the second fuel assembly at the initial loading is set to 1.2 times or more the concentration of the combustible poison contained in the first fuel assembly at the initial loading. .
[0014]
According to this configuration, in the second fuel assembly group, the combustible poison remains unburned for 1.2 times or more of the cycle period. Therefore, it is possible to improve the limit output ratio in the early stage of the cycle and the linear output density in the later stage of the cycle. Further, the fuel assemblies belonging to the first fuel assembly group are distributed in the furnace in a mixed manner with the fuel assemblies belonging to the second fuel assembly group having different infinite multiplication factors. Since the effect is obtained, the thermal characteristics can be improved. On the other hand, the reactivity loss due to unburned flammable poisons by the second fuel assembly group and the influence on the surplus reactivity throughout the operation cycle period are due to the existence of the first fuel assembly group. Relaxed and reduced.
Also, by setting the number of fuel rods containing flammable poisons contained in the second fuel assembly to be less than that of the first fuel assembly, the total amount of flammable poisons is reduced, and the remaining flammable poisons Reactivity loss can be reduced.
[0015]
Furthermore, the invention according to
With this configuration, since the flammable poison remains effectively burned, the total amount of the flammable poison can be reduced, and the reactivity loss due to the remaining flammable poison can be reduced.
[0016]
The invention described in
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, in the nuclear reactor core according to the first aspect, the fuel assemblies belonging to the second fuel assembly group are disposed at positions excluding the outermost periphery of the core and the control cell, and The number of fuel assemblies belonging to the fuel assembly group is set to 20% or less of the number of all fuel assemblies in the reactor core.
Since the output peaking of the core outermost periphery and the control cell is originally low, a more effective effect can be obtained by disposing the flammable poison at a position where the output peaking is high except for the position. In addition, if one fuel assembly belonging to the second fuel assembly group is always arranged in a cell consisting of four fuel assemblies at a place other than the outermost peripheral part of the core or the control cell, the number ratio is It becomes about 20% of the total number, and at this time, the maximum output peaking reduction effect is obtained. Further loading is assumed to have a greater negative effect of increasing reactivity loss due to unburned flammable poisons.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the nuclear reactor core according to the first aspect, a cell composed of four fuel assemblies centering on a control rod for controlling the reaction of the nuclear reactor core is provided on the outermost periphery of the core. When the cell is not located and not adjacent to the control cell, and at least two fuel assemblies in the first cycle are arranged in the cell, or at least two fuel assemblies in the second cycle are arranged in the cell In any of the cases, the fuel assemblies belonging to the second fuel assembly group are arranged in the cell.
With this configuration, when there are two or more fuel assemblies in the first cycle or two or more fuel assemblies in the second cycle in a cell adjacent to the outermost cell of the core or a control cell But the reactivity value of the control rod is not so great. Therefore, a more effective effect can be acquired by arrange | positioning a combustible poison in cells other than this position. Further, the reactivity value of the control rod arranged at the center of the four fuel assemblies constituting the cell other than the above position is increased. However, according to the fuel assemblies belonging to the second fuel assembly group, since the burnable poison remains unburned, the reactor shutdown margin can be improved by reducing the reactivity value of such control rods. .
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, in the nuclear reactor core according to the first aspect, in addition to the first fuel assembly group and the second fuel assembly group,
(C) comprising at least three groups of a third fuel assembly group composed of a third fuel assembly set to such an extent that the combustible poison is burned out in the middle of the first combustion cycle period;
The third fuel assembly group is arranged adjacent to the control cell.
The maximum value of the infinite multiplication factor of the third fuel assembly is larger than that of the first fuel assembly group. On the other hand, since the output peaking around the control cell is low, with this configuration, if the output peaking is increased by the fuel assemblies belonging to the third fuel assembly group, the output balance of the entire core will change, so that High output peaking can be reduced. Moreover, the reactivity loss by the unburnable flammable poison resulting from the 2nd fuel assembly group can be compensated.
[0020]
The invention according to
[0021]
In addition, in the invention described in
First, a fuel assembly belonging to the first fuel assembly group and a fuel assembly belonging to the second fuel assembly group that have substantially the same residence time in the furnace are arranged adjacent to each other. Is preferable. This is because, in these two fuel assemblies, the infinite multiplication factor is different even if the staying period in the furnace is the same, so that no output peaking occurs even if they are arranged adjacent to each other.
Second, among the four fuel assemblies adjacent to the fuel assemblies belonging to the second fuel assembly group, at least two are arranged in the first cycle or the second cycle. It is preferred that In the arrangement in which the fuel assemblies in the first or second cycle are concentrated, output peaking is likely to occur. Therefore, if the fuel assemblies belonging to the fuel assembly group are arranged at such positions, the effect of reducing the output peaking is increased.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the fuel arrangement of the reactor core in the present embodiment. Although this figure shows a quarter core, in this embodiment, the core arranges fuel in a 1/4 rotational symmetry. The core shown in FIG. 1 is composed of two different fuel assembly groups which will be described in detail below.
[0024]
The fuel assembly group A is composed of the
The fuel assembly group B is composed of the
[0025]
In FIG. 1, a portion surrounded by a thick line indicated by
FIG. 2 is a graph showing the combustion change of the
[0026]
In the fuel assembly group A, the gadolinia of the
That is, in the fuel assembly group B, the limit output ratio at the beginning of the cycle and the linear output density at the end of the cycle are improved. In addition, regarding the fuel assembly group A, the effect of distributing the output can be obtained by configuring the core with the fuel assembly group B having different infinite multiplication factors, so that the thermal characteristics can be improved.
[0027]
3 and 4 are cross-sectional views showing an example of the fuel rod arrangement of the
In FIG. 3, among the fuel rod numbers assigned to the
[0028]
On the other hand, in FIG. 4, uranium fuel rods indicated by
[0029]
The fuel assembly group B shown in FIG. 4 has 16 gadolinia-containing fuel rods, and is set to be less than 20 gadolinia-containing fuel rods of the fuel assembly group A shown in FIG. Reduced.
In addition, 16 gadolinia-containing fuel rods of the fuel assembly group B shown in FIG. 4 are arranged outside the outermost periphery and outside the water rod, and 12 of them are arranged adjacent to each other. . Thereby, it becomes possible to burn off gadolinia effectively, and residual gadolinia reactivity loss is reduced.
Further, the average uranium enrichment of the fuel assembly group B shown in FIG. 4 is 4.45%, which is set higher than the average uranium enrichment of the fuel assembly group A shown in FIG. 3 of 4.38%. This can compensate for residual gadolinia reactivity loss.
[0030]
The effect | action of this Embodiment is demonstrated with reference to a graph as a verification result. FIG. 5 is a graph showing changes in excess reactivity accompanying combustion. The
[0031]
Also, the
A
[0032]
The coordinates of the
Of the four fuel assemblies adjacent to the fuel assembly A2 at the (11, 9) position, three (A1, A1, B2) are fuel assemblies in the first cycle or the second cycle. Since output peaking is likely to occur at such a position, the output peaking reduction effect by the fuel assembly A2 at the (11, 9) position is great.
[0033]
Of the four fuel assemblies configured around the
Further, when operating the nuclear reactor, in the
6 and 7 are graphs showing the line power density and the limit power ratio in the present embodiment, respectively. As shown by the
[0034]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a ¼ rotationally symmetric cross-sectional view showing the fuel arrangement of the
[0035]
In the fuel assemblies constituting the fuel assembly group C, the gadolinia is set to burn out during the cycle. FIG. 9 shows the combustion change at infinite multiplication factor of the fuel assemblies constituting the fuel assembly group C superimposed on FIG. According to this, as indicated by a
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a nuclear reactor core having excellent core thermal characteristics by reducing output peaking without impairing fuel economy and operation controllability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a ¼ rotationally symmetric sectional view showing a fuel arrangement of a nuclear reactor core according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a combustion change at infinite multiplication factor of fuel assembly groups A and B shown in FIG.
3 is a cross-sectional view showing a fuel rod arrangement of a
4 is a cross-sectional view showing a fuel rod arrangement of a
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a combustion change at an infinite multiplication factor of the reactor core shown in FIG. 1;
6 is a characteristic diagram showing a combustion change in the linear power density of the reactor core shown in FIG.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a combustion change in the limit power ratio of the nuclear reactor core shown in FIG.
FIG. 8 is a 1/4 rotationally symmetric cross-sectional view showing a fuel arrangement of a nuclear reactor core according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a combustion change at infinite multiplication factor of fuel assembly groups A, B, and C shown in FIG. 8;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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