JP4044993B2

JP4044993B2 - 原子炉の燃料装荷方法

Info

Publication number: JP4044993B2
Application number: JP30526997A
Authority: JP
Inventors: 真吾藤巻; 定幸井筒; 勝笹川; 聡志藤田
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1997-11-07
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: JPH11142566A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと略す）に係わり、特にプルトニウムを含む燃料集合体を装荷する原子炉炉心及びこれに用いる燃料装荷方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
使用済み燃料の再処理によって回収されたプルトニウムをウランと混合し、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸ燃料と略す）として利用する計画が進められている。プルトニウムの消費量増加のため、初装荷炉心からMOX燃料とウラン燃料とを混在させて使用することが考えられる。
【０００３】
ＭＯＸ燃料集合体は、核分裂性物質であるプルトニウム２３９やプルトニウム２４１の熱中性子吸収断面積が大きいこと及び、プルトニウム２４０による中性子の吸収がウラン２３８よりも大きいこと等のために、ウラン燃料集合体よりも熱中性子の割合が減少する、つまり、ウラン燃料集合体の方がＭＯＸ燃料集合体よりも熱中性子の割合が大きくなることになる。したがって、ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体が隣接する場合、ＭＯＸ燃料集合体にウラン燃料集合体から熱中性子が流入するが、このとき流入した熱中性子は燃料集合体の最外周の燃料棒に影響し出力を上昇させる。
【０００４】
一般に、燃料集合体内の出力分布は、燃焼初期においては、水ギャップに隣接している燃料集合体最外周の中性子スペクトルがやわらかいことから、この燃料集合体最外周の燃料棒の出力が大きい。この様に、燃焼初期で最外周の燃料棒の燃焼が他の燃料棒より先に進む結果、燃焼中期以降では、最外周の燃料棒では既に燃焼のピークを越えてしまうので、最外周以外の燃料棒の出力が大きくなる。ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体を混在させた場合には、ウラン燃料集合体と隣接するＭＯＸ燃料集合体は、ウラン燃料集合体からの熱中性子の流れ込みと、燃料集合体内の出力分布の２つの効果により、燃焼初期で大きな局所出力ピーキングを生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＯＸ燃料集合体の局所出力ピーキングが増大することは、炉心全体の線出力密度の最大値の増加を招き、線出力密度を平坦化することが困難になる。
【０００６】
また、ＭＯＸ新燃料を第２サイクル炉心に装荷する場合、熱的に余裕の小さいＭＯＸ新燃料の熱的余裕を向上させることが必要であった。
【０００７】
また、初装荷炉心の平均濃縮度を上昇させて、経済性を向上させた炉心に新燃料を装荷する場合、余剰反応度がより上昇し制御が困難になる可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、第１サイクル終了時に装荷するＭＯＸ新燃料の熱的余裕を向上させかつ、余剰反応度を低減する燃料交換方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１運転サイクル終了後に、プルトニウムを含まない平均濃縮度が最も低い低濃縮度燃料集合体１体とプルトニウムを含む新燃料集合体がお互いに対角線状になるように燃料を配置する。
【００１０】
本発明によれば、ＭＯＸ新燃料集合体と低濃縮度燃料集合体は隣接しないため、ＭＯＸ新燃料に対する熱中性子の流入量は減少し、ＭＯＸ新燃料の熱的余裕を増加させることが可能となる。
【００１１】
また、第２サイクル初期の時点で比較すると、ＭＯＸ新燃料の方が、低濃縮度燃料集合体以外の燃料よりは、可燃性毒物の濃度が濃いため、反応度が小さい。その反応度の小さいＭＯＸ新燃料が、インポータンスの大きい炉心中央部に装荷されるため余剰反応度を低減させることが可能となる。
【００１２】
また好ましくは、前記プルトニウムを含まない平均濃縮度が最も低い低濃縮度燃料集合体がコントロールセルを構成する４体の燃料集合体のうちの１体となるように炉心を構成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は本発明による燃料装荷方法の第１実施例を示したものである。図１(ａ)に横断面図として示す初装荷炉心は、２８０体の低濃縮度燃料集合体、４６４体の高濃縮度燃料集合体及び１２８体の初装荷ＭＯＸ燃料集合体から構成される。第１サイクル終了時に低濃縮度燃料集合体１２８体が炉心から取り出され、代わりにＭＯＸ新燃料集合体１２８体が炉心に装荷される。図１（ｂ）は横断面図として示した第２サイクルの燃料装荷パターンであり、１５２体の低濃縮度燃料集合体、４６４体の高濃縮度燃料集合体、１２８体の初装荷ＭＯＸ燃料集合体及び１２８体のＭＯＸ新燃料集合体から構成される。
【００１５】
ＭＯＸ新燃料集合体１２８体は、低濃縮度燃料集合体と対角線状に配置されており、低濃縮度燃料集合体は４体で１つのコントロールセルを構成している。炉心中央部は、初装荷ＭＯＸ燃料集合体１体，低濃縮度ウラン燃料集合体１体，高濃縮度ウラン燃料集合体２体からなる単位装荷パターンと、ＭＯＸ新燃料集合体１体，低濃縮度ウラン燃料集合体１体，高濃縮度ウラン燃料集合体２体からなる単位装荷パターンとの２種類によって炉心中央部が構成される。
【００１６】
図２は本発明による、単位装荷パターンの第１実施例の横断面図を示したものである。本装荷パターンは、１体の低濃縮度燃料集合体，２体の高濃縮度燃料集合体及び１体のＭＯＸ新燃料集合体を備えている。
【００１７】
単位装荷パターンを構成するウラン燃料集合体は、燃料棒８が９×９の正方格子状に配置されており、その中央部に水が流れる太径のウォータロッド９が２本配置されている。ここで、２本のウォータロッド９は、７本の燃料棒８を配置可能な領域に設置されている。また、単位装荷パターンを構成するＭＯＸ燃料集合体４は、燃料棒８が８×８の正方格子状に配置されており、その中央部に水が流れる太径のウォータロッド９が１本配置されている。ここで、ウォータロッド９は、４本の燃料棒８を配置可能な領域に設置されている。
【００１８】
図１の炉心を構成するウラン低濃縮燃料集合体２の平均濃縮度は約１.５％、ウラン高濃縮燃料集合体３の平均濃縮度は４.１％、初装荷のＭＯＸ燃料集合体４及びＭＯＸ新燃料集合体の平均核分裂性プルトニウム富化度は２.９％、平均濃縮度は１.２％である。
【００１９】
また、図２の単位装荷パターンを構成するＭＯＸ燃料集合体内４及び５の燃料棒は、燃料装荷時より、少なくとも一部にプルトニウムを含んでいるが、ウラン低濃縮度燃料集合体２と対角線状になるよう配置されている。この様に、ＭＯＸ燃料集合値４及び５をウラン低濃縮度燃料集合体２と隣接させず、より平均濃縮度が大きく熱中性子割合が近い燃料集合体を隣接させることにより、ＭＯＸ燃料集合体４及び５への熱中性子の流入量を低減し、局所出力ピーキングの増加を抑制することができる。特にＭＯＸ新燃料集合体５は熱的に余裕が少ないことは前記したが、本発明によって、余裕を向上させることが可能である。
【００２０】
また、第２サイクル開始時点でＭＯＸ新燃料は、初装荷ＭＯＸ燃料集合体及び高濃縮度燃料集合体よりも反応度が小さい。その新燃料がインポータンスの大きい炉心中央部に配置されるためにサイクル初期の余剰反応度を低減することが可能となる。
【００２１】
次に、図３を用いて本発明による第２実施例について説明する。図３（ａ）に横断面図として示す初装荷炉心は、２４８体の低濃縮度燃料集合体、３６０体の高濃縮度燃料集合体及び２６４体の初装荷ＭＯＸ燃料集合体から構成される。
【００２２】
第１サイクル終了時に低濃縮度燃料集合体９６体が炉心から取り出され、替わりにＭＯＸ新燃料集合体９６体が炉心に装荷される。図１（ｂ）は横断面図として示した第２サイクルの燃料装荷パターンであり、１５２体の低濃縮度燃料集合体，３６０体の高濃縮度燃料集合体，２６４体の初装荷ＭＯＸ燃料集合体及び９６体のＭＯＸ新燃料集合体から構成される。
【００２３】
ＭＯＸ新燃料集合体９６体は、低濃縮度燃料集合体と対角線状に配置されており、低濃縮度燃料集合体は４体で１つのコントロールセルを構成している。炉心中央部は、初装荷ＭＯＸ燃料集合体１体，低濃縮度ウラン燃料集合体１体，高濃縮度ウラン燃料集合体２体からなる単位装荷パターンと、ＭＯＸ新燃料集合体１体，低濃縮度ウラン燃料集合体１体，高濃縮度ウラン燃料集合体２体からなる単位装荷パターンとの２種類によって炉心中央部が構成される。
【００２４】
熱的に余裕の少なくなる傾向にあるＭＯＸ新燃料は、低濃縮度ウラン燃焼集合体に隣接しない位置に配置されるため、熱的余裕を向上させることができる。
【００２５】
また、第２サイクル開始時点でＭＯＸ新燃料は、初装荷ＭＯＸ燃料集合体及び高濃縮度燃料集合体よりも反応度が小さい。その新燃料がインポータンスの大きい炉心中央部に配置されるためにサイクル初期の余剰反応度を低減することが可能となる。
【００２６】
第２実施例に示すように、本発明は、炉心の構成が変化しても第１実施例と同様の効果が得られる。
【００２７】
次に、図４を用いて本発明による第３実施例について説明する。図４は第３実施例の横断面図を示したものである。本実施例の炉心を構成する４体の燃料集合体のうち、ＭＯＸ燃料集合体１体は、図２の第１実施例と同じであるが、ウラン燃料集合体３体が異なる。本実施例のウラン燃料集合体は、燃料棒が８×８の正方格子状に配置されており、その中央部の４本の燃料棒が配置可能な領域に水が流れる太径のウォータロッドが１本配置されている。本実施例においても第１実施例と同様の効果が得られる。
【００２８】
次に、図５を用いて本発明による第４実施例について説明する。図５は第４実施例の横断面図を示したものである。本実施例の炉心を構成する４体の燃料集合体のうち、ウラン燃料集合体３体は、図２の第１実施例と同じであるが、ＭＯＸ燃料集合体１体が異なる。本実施例のＭＯＸ燃料集合体４は、燃料棒６が９×９の正方格子状に配置されており、その中央部の７本の燃料棒が配置可能な領域に水が流れる太径のウォータロッド８が２本配置されている。本実施例においても第１実施例と同様の効果が得られる。
【００２９】
次に、図６を用いて本発明による第５実施例について説明する。図６は第５実施例の横断面図を示したものである。本実施例の炉心を構成する４体の燃料集合体が、図２の第１実施例と異なる。本実施例の燃料集合体は、燃料棒が９×９の正方格子状に配置されており、その中央部の９本の燃料棒が配置可能な領域に水が流れるウォータボックス１０が１体配置されている。本実施例においても第１実施例と同様の効果が得られる。
【００３０】
第３〜５実施例のように、本発明は、燃料集合体の形状に依存するものではなく、様々な形状の燃料集合体に対して有効である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱的余裕を確保しつつ、ＭＯＸ燃料を継続的に装荷できる装荷方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１実施例の原子炉の炉心を示す横断した断面図。
【図２】図１の横断面図。
【図３】本発明による第２実施例の原子炉の炉心を横断した断面図。
【図４】本発明による第３実施例である原子炉炉心の横断面図。
【図５】本発明による第４実施例である原子炉炉心の横断面図。
【図６】本発明による第５実施例である原子炉炉心の横断面図
【符号の説明】
１…原子炉炉心、２…ウラン低濃縮ウラン燃料集合体、３…ウラン高濃縮燃料集合体、４…ＭＯＸ燃料集合体、５…ＭＯＸ新燃料集合体、６…コントロールセル、７…制御棒、８…燃料棒、９…ウォータロッド、１０…ウォータボックス。

Claims

プルトニウムを含む第１燃料集合体と、プルトニウムを含まない第２燃料集合体と、プルトニウムを含まず前記第２燃料集合体よりも平均濃縮度が高い第３燃料集合体とが存在する原子炉炉心に装荷する燃料装荷方法において、第１運転サイクル終了後に、前記第２燃料集合体１体及び前記第１燃料集合体１体とがお互いに対角線状に配置し、前記第３燃料集合体２体が前記第１燃料集合体と隣接するように燃料を配置する単位装荷パターンを構成し、４つの前記単位装荷パターンの各々の第１燃料集合体が互いに隣接して配置されるように、複数の前記単位装荷パターンを炉心中央部に構成することを特徴とする原子炉の燃料装荷方法。
請求項１において、前記第２燃料集合体がコントロールセルを構成する４体の燃料集合体のうちの１体となるよう配置することを特徴とする原子炉の燃料装荷方法。