JP4094092B2

JP4094092B2 - Fuel assemblies for boiling water reactors

Info

Publication number: JP4094092B2
Application number: JP27117197A
Authority: JP
Inventors: 勝正配川
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2017-10-03
Also published as: JPH11109073A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造を表す概念的横断面図を図１２に示す。この図１２において、炉心１は、多数の燃料集合体２を配置して構成されており、これら燃料集合体２は、４体を１組としてその間に横断面十字形の制御棒３が挿入されるようになっている。
【０００３】
各燃料集合体２においては、多数の燃料棒４と１本以上（図では２本）の水ロッド５を正方格子状に配列して燃料バンドルを形成し、この燃料バンドルを単位セル（破線で示す）６の中央に据えるとともに燃料バンドルを囲むように横断面矩形のチャンネルボックス８を配置している。この燃料バンドルの上下端は、チャンネルボックスに挿入される上部タイプレート（図示せず）及び下部タイプレート（同）によってそれぞれ支持されている。なお、水ロッドではなく、角型のウォータチャンネルを用いる場合もある。
【０００４】
この燃料集合体２では、運転時、わずかに未飽和状態の冷却水が下部タイプレートの孔から燃料棒４間に流入し、燃料棒４間を下部から上部に流れるにつれ燃料棒４により加熱されて沸騰し、二相流となって上部タイプレートの孔から流出していく。その結果、冷却材のボイド率は燃料集合体２下部では０％だが、上部では７０％程度にも達し、燃料集合体２の核的な特性を決める要因である減速材対燃料比、即ち、水素対ウラン比（Ｈ／Ｕ比）が軸方向位置で大きく異なることになる。この軸方向のＨ／Ｕ比の分布は、炉停止余裕を減少させるという影響を与える。
【０００５】
一方、図１２において、燃料集合体２のチャンネルボックス８の外側には、制御棒３や中性子検出器計装管（図示せず）を配置するための間隙が設けられている。この間隙は飽和水で満たされており、冷却材の軽水が沸騰せずに流れる流路となるギャップ水領域９，１０を形成している。これらギャップ水領域９，１０には制御棒３が挿入されるギャップ水領域９と、制御棒３の出し入れがないギャップ水領域１０の２種類がある。このようなギャップ水領域９，１０の存在のため、燃料集合体２の周辺部（間隙に近い領域）にある燃料棒４と燃料集合体２中心部の燃料棒４とでは、飽和水による影響が異なる。すなわち、ギャップ水領域９，１０に近い燃料集合体２の周辺部は、中心部に比べＨ／Ｕ比が大きな領域となる。このように、核的な特性を決める要因であるＨ／Ｕ比が、燃料集合体２内の径方向位置で異なることになる。この径方向のＨ／Ｕ比は、局所出力ピーキングを増大させるという影響を与える。
また特に、図１２の炉心１は、ギャップ水領域９の面積がギャップ水領域１０の面積よりも広いＤ格子炉心となっており、ギャップ水領域９及びギャップ水領域１０の面積が等しいＣ格子炉心とは異なるタイプとなっている。そのため、制御棒３に面する側と反対側とではＨ／Ｕ比が大きく異なることになる。
【０００６】
このＨ／Ｕ比は、中性子の平均エネルギーを決定するパラメータである。このＨ／Ｕ比の特性を図１３により説明する。
図１３は、一般的な沸騰水型原子炉の燃料集合体について、その平均濃縮度を所定の値とし、横軸にＨ／Ｕをとったときの無限増倍率の挙動を示したものである。図示のように、はじめＨ／Ｕ比が増加すると、中性子平均エネルギーが低く（中性子スペクトルがソフトに）なって核燃料物質との核分裂反応が促進され、無限増倍率も増加する。しかしこのとき一方、中性子スペクトルがソフトになるほど、減速材（軽水）による中性子吸収反応も増大することから、あるＨ／Ｕ比で無限増倍率はピークを迎え、これ以降はＨ／Ｕ比が増大するほど無限増倍率が低下するようになる。すなわち、このピークが、できるだけ少ない燃料で高いエネルギーを得る（＝燃料経済性）観点からのＨ／Ｕ比の最適値となる。但しこのとき実際は、反応度係数を適度に負の値にしておく観点から、このピーク位置よりも若干小さい値ｘ1を現実の最適値（以下単に、最適値という）としている。
【０００７】
以上説明したように、Ｈ／Ｕ比の軸方向・径方向分布を改善し最適化することは燃料経済性の観点から非常に重要であるため、従来、種々の方法でその改善が行われている。以下、それらについて順次説明する。
【０００８】
（１）軸方向のＨ／Ｕ比の改善
燃料集合体の軸方向のＨ／Ｕ比の改善のための方策としては、例えば特開昭５２−５０４９８号公報に記載のように、従来、燃料有効長が通常燃料棒よりも短い短尺燃料棒を設ける構成が提唱されている。この短尺燃料棒を設けることにより、相変化を生じない飽和水領域を増加させるとともに軸方向の燃料装荷量を調整し、軸方向のＨ／Ｕ比を改善することができる。このような構造の一例を図１４に示す。図１２と共通の部分は同一の符号を付す。図１４に示す燃料集合体は、Ｄ格子炉心に配置されるものであり、９行９列の正方格子状配列に７２本の燃料棒４を配置し、中央部の燃料棒４の９本分のスペースに角型ウォータチャンネル１１を設け、短尺燃料棒１２を燃料集合体内に均等に配置したものである。
【０００９】
（２）径方向のＨ／Ｕ比の改善
一方、燃料集合体の径方向のＨ／Ｕ比の改善のための方策としては、従来、水ロッド本数を増加させるか又は水ロッドを大型化する構成がある。これにより、中性子減速効果の十分でない燃料集合体の中央領域において水ロッド領域を増大し、これにより径方向のＨ／Ｕ比を改善することができる。
特に、Ｄ格子炉心に装荷される燃料集合体では、図１２で前述したように、制御棒３が位置する側のギャップ水領域９とその反対側のギャップ水領域１０の面積が等しくないことにより、径方向のＨ／Ｕ比が不均一となり、局所出力ピーキングが増大する傾向にある。これに対しては、従来より燃料棒４のウラン２３５の濃縮度を調整する方法が用いられている。すなわち、熱中性子束の小さな狭いギャップ水領域１０に面する側の燃料棒４を比較的高い濃縮度とし、熱中性子束の大きな広いギャップ水領域に面する側の燃料棒を比較的低い濃縮度とすることにより、両者の出力差を低減し、径方向の局所出力ピーキングを抑制するものである。
【００１０】
（３）高燃焼度化におけるＨ／Ｕ比の改善
ところで、近年、沸騰水型原子炉において、プラント利用率の向上と共にウラン資源を有効に活用する方法として、燃料の高燃焼度化及び長期運転サイクル化が提唱されている。このとき、燃料集合体の取出燃焼度を高めるためには濃縮度を高める必要があるため、Ｈ／Ｕ比が影響を受けることになる。また、長期運転サイクル化による炉内滞在期間の延長は、Ｈ／Ｕ比が軸方向・径方向で異なるという影響を燃料が炉心内で長期間受けることを意味しており、このＨ／Ｕ比の影響がさらに拡大することになる。
【００１１】
このような高燃焼度化を図った燃料集合体におけるＨ／Ｕ比の改善に関する公知技術として、例えば特開平３−２９６６８９号公報がある。この従来技術においては、Ｄ格子炉心に配置される燃料集合体内における、Ｈ／Ｕ比の差を小さくする方法として、
▲１▼水ロッド領域を狭いギャップ水領域に近づける。
【００１２】
▲２▼短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づける。
【００１３】
▲３▼核分裂性物質を広いギャップ領域に近づける。
【００１４】
という３つの方法が開示されている。これらはいずれも、狭いギャップ水領域付近ではＨ／Ｕ比を大きくし、広いギャップ水領域付近ではＨ／Ｕ比を小さくするものである。
上記▲１▼を実施した燃料集合体の構造の例を図１５及び図１６に示す。図１２及び図１４と共通の部分は同一の符号を付す。図１５に示す燃料集合体は、９行９列正方格子状配列において、水ロッドの機能を果たす角型ウォータチャンネル１１を、燃料集合体中央部から狭いギャップ水領域１０側に一列だけ偏心させたものである。また図１６は、同様の構造を１０行１０列正方格子状配列で実現した場合であり、この場合、角型ウォータチャンネル１１を燃料棒４の９本分のスペースに配置すると、燃料集合体中央部に配置するのは不可能であるため、狭いギャップ水領域１０側に偏心させて配置したものである。
また、上記従来技術においては、▲１▼を実施している場合には、▲２▼をさらに実施することはあまり効果がないことも示されている。
【００１５】
なお、上記従来技術においては、短尺燃料棒は上部にボイドが集中しやすい性質があることから、この短尺燃料棒を発熱体でない水ロッドやギャップ水領域には隣接させずに燃料棒に隣接させることとし、これによって、燃料棒まわりのボイドをなるべく水ロッドに集中させてドライアウト（燃料棒の表面に気泡が付着し冷却効果が低減すること）を抑制し、熱的余裕の確保を図っている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、以下の課題が存在する。
前述したように、Ｈ／Ｕ比は図１３の曲線に示すような挙動をとるが、この曲線は、燃料集合体の濃縮度によって影響を受ける。すなわち、燃料集合体の濃縮度が高くなると熱中性子の吸収が増加するため中性子束が小さくなり、同じ無限増倍率を得るために必要な減速材量が大きくなる。そのため、曲線が破線で示すように図中右方向へスライドすることとなり、Ｈ／Ｕの最適値もｘ1からより高い値に変わることとなる。
ここで、上記従来技術では、上記▲１▼（＝水ロッド領域を狭いギャップ水領域に近づける）を実施すれば、狭いギャップ水領域付近の減速材量としてはほぼ十分であり、そのためさらに上記▲２▼（＝短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づける）を実施してもあまり意味がないとしている。つまり例えば、ある濃縮度でＨ／Ｕ比の特性が実線で表される場合においては、上記▲１▼実施時にＨ／Ｕ比ｘ1で無限増倍率ｋAとすると、▲１▼と▲２▼とを併せて実施すると例えばＨ／Ｕ比がｘ1より大きなｘ2になり、無限増倍率はｋBとなってかえって下がってしまうことになる。
しかしながら、上述したようにＨ／Ｕ比の最適値は燃料集合体の濃縮度によって変動するため、一概にこのようなことは言えない。すなわち、濃縮度の大きさによっては、▲１▼のみでは狭いギャップ水領域付近の減速材量が足りなくなって広いギャップ水領域とのＨ／Ｕ比の差が大きくなり、▲２▼を併せて行うことによって狭いギャップ水領域付近の減速材量が十分となって広いギャップ水領域とのＨ／Ｕ比の差が最小となり、最適値となる場合もあるはずである。つまり上記の例に合わせて説明すると、実線のときよりも濃縮度が高くＨ／Ｕ比の特性が破線で表される場合には、上記▲１▼のみを実施するとＨ／Ｕ比ｘ1であるから無限増倍率ｋCと非常に小さくなってしまうが、▲１▼と▲２▼とを実施してＨ／Ｕ比ｘ2とすれば無限増倍率をｋAとすることができる。また、以上は▲１▼と▲２▼とを併せて行う場合を例にとって説明したが、▲２▼のみを単独で行う場合であっても、その狭いギャップ水領域に近づける短尺燃料棒の本数によっては、同様の作用を得ることができる可能性もある。上記従来技術では、このような点について配慮されておらず、▲２▼の短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づけることによるＨ／Ｕ比の改善効果について正しく認識されていない。すなわち、Ｈ／Ｕ比を効果的に改善するための手段としての上記▲２▼は、上記従来技術には開示されていないことになる。
また、上記従来技術では、高燃焼度化に伴う高濃縮度化への配慮が示唆されているものの、その濃縮度の値については具体的に開示していない。そのため、例えば高燃焼度化対応の燃料集合体の一例として、例えば取出平均燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔを超えるようにすることを目標に燃料集合体の平均濃縮度を３．９重量％以上とする場合に、最適なＨ／Ｕ比を与えることができるかどうかについては不明である。
【００１７】
また、上記従来技術では、熱的余裕の確保の観点から、短尺燃料棒を発熱体でない水ロッドに隣接する位置に配置しないこととしており、同様の観点に立つとギャップ水領域に隣接する位置（すなわち格子状配列最外周位置）にも配置しないことが示唆されていると考えられる。ここで例えば９行９列正方格子状配列中に３行３列格子分の角型ウォータチャンネルを置く場合を考えると、上記▲１▼を実施するために中央から１列だけ狭いギャップ水領域側に近づけた場合には、ウォータチャンネルとチャンネルボックスとの間には２列分の格子位置しかなく、いずれも発熱体でない水ロッドか若しくはギャップ水領域に隣接するため、短尺燃料棒をこの領域に配置することができなくなる。すなわち、上記▲１▼と▲２▼とを併せて実施することが困難となる。しかしながら、Ｄ格子炉心に配置される燃料集合体では、狭いギャップ水領域側の出力は広いギャップ水領域側の出力よりも相対的に低いため、もともと狭いギャップ水領域側の燃料棒はドライアウトしにくい性質がある。したがって、例えばウォータチャンネルの狭いギャップ水領域側に隣接して短尺燃料棒を配置しても、周りの燃料棒の熱的余裕はまだ十分な値が確保されている。むしろ、これによって上記▲１▼と▲２▼とを併せて実施することができ、最適なＨ／Ｕ比が得られるのであれば、そのほうがはるかに有益であると思われる。上記従来技術では、このような点についても配慮されていない。
【００１８】
本発明の第１の目的は、平均濃縮度を３．９重量％以上として高濃縮度化を図った燃料集合体において、Ｈ／Ｕ比を最適化して燃料経済性の向上を図れる構成を提供することにある。
【００１９】
本発明の第２の目的は、平均濃縮度を３．９重量％以上として高濃縮度化を図った燃料集合体において、熱的余裕を確保しつつＨ／Ｕ比を最適化できる構成を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
（１）上記第１の目的を達成するために、本発明は、９行９列以上の正方格子状に配列された複数本の燃料棒と、該燃料棒が１本以上配列可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャンネルと、チャンネルファスナーを固定するために制御棒側に設けられるガイドポストとを備え、かつ前記複数本の燃料棒が、複数本の第１の燃料棒と、該第１の燃料棒より燃料有効長が短い複数本の第２の燃料棒とを含んでいる、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セルに装荷される沸騰水型原子炉用燃料集合体において、平均濃縮度が３．９重量％以上であり、燃料集合体内部を前記燃料棒の配列の対角線上に位置する鉛直方向の境界面によって制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分したとき、前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数を、前記制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数よりも多くし、かつ前記反制御棒側領域に配置される第２の燃料棒を前記正方格子状配列の最外周以外の位置に配置し、前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数と、前記制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数との差を２本以上としたものとする。
沸騰水型原子炉用燃料集合体をＤ格子炉心に装荷した場合には、制御棒側は燃料集合体間の間隔が広くなっているため減速材である水の量が相対的に多くなる一方、反制御棒側は燃料集合体間の間隔が狭く水の量が相対的に少なくなる。そこで、本発明においては、有効長の短い第２の燃料棒の本数を反制御棒側領域で多くすることにより、第２の燃料棒を反制御棒側に偏って配置する。これにより、第２の燃料棒が短長である分燃料の量を減らすとともに、第２の燃料棒上部に生じる飽和水領域によって反制御棒側領域における水の量を増加させてＨ／Ｕ比を増大させるとともに、制御棒側領域における燃料の量の減少及び水の量の増加を抑えてＨ／Ｕ比を抑制することができる。これにより、水及び燃料の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒側とのＨ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体内におけるＨ／Ｕ比分布を改善し、より均一にすることができる。
ここで、燃料経済性の面からみたＨ／Ｕ比の最適値は、燃料集合体の濃縮度によって変動し、例えば高濃縮度になるほど最適値の値も大きくなる。本発明においては、反制御棒側領域に偏らせる第２の燃料棒の本数を適宜調整することで、この変動に対応して常にＨ／Ｕ比を最適化することができる。したがって、例えば平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された燃料集合体においても、Ｈ／Ｕ比を最適化することができる。
また、反制御棒側領域に配置される第２の燃料棒の本数と、制御棒側領域に配置される第２の燃料棒の本数との差を２本以上とすることにより、Ｈ／Ｕ比をより確実に最適化することができる。
【００２２】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記角型ウォータチャンネルは、燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分する前記境界面から反制御棒側に偏心して配置されている。これにより、反制御棒側領域のＨ／Ｕ比の増大及び制御棒側領域のＨ／Ｕ比の抑制を促進できるので、Ｈ／Ｕ比を容易に最適化することができる。
【００２３】
（３）上記（２）において、好ましくは、上記第１及び第２の目的を達成するために、前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒のうち少なくとも１本は、前記角型ウォータチャンネルに隣接して配置されている。これにより、容易に角型ウォータチャンネルを反制御棒側に偏心させることができるようになる。すなわち例えば９行９列正方格子状配列中に３行３列格子分の角型ウォータチャンネルを偏心させて配置する場合、ウォータチャンネルの反制御棒側コーナー部近傍には２列分の格子位置しかなく、もし第２の燃料棒をウォータチャンネル隣接位置か正方格子状配列最外周位置に配置できなければ第２の燃料棒を反制御棒側領域に偏らせて配置するのが困難となるため、結果としてウォータチャンネルを偏心させること自体が難かしくなる。そこで本発明では、第２の燃料棒をウォータチャンネル隣接位置に配置可とすることによって、第２の燃料棒を反制御棒側に容易に配置できるようにし、容易にウォータチャンネルを偏心させることができる。このとき、Ｄ格子炉心に配置される場合は、反制御棒側領域出力が制御棒側領域の出力よりも相対的に低く燃料棒がドライアウトしにくい傾向となるため、ウォータチャンネル隣接位置に第２の燃料棒を配置しても、まわりの燃料棒の熱的余裕はまだ十分な値を確保できる。すなわち、熱的余裕を確保しつつ、Ｈ／Ｕ比を最適化することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
本発明の第１の実施形態を図１〜図３により説明する。
本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す縦断面図を図２に示し、図２中Ｉ−Ｉ断面でみた横断面図を図１に示す。これら図１及び図２において、本実施形態による燃料集合体１００は、図１２に示した炉心と同様、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セル１０７に装荷されるものであり、９行９列の正方格子状に配列され内部に燃料物質としてのウラン−２３５が充填された７２本の燃料棒１０１と、正方格子状配列の中央部領域の水の量を増やすのを目的として燃料棒１０１が９本配列可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャンネル１０２と、これら燃料棒１０１及び角型ウォータチャンネル１０２により形成される燃料バンドルの周囲を囲むチャンネルボックス１０３とを備えている。燃料バンドルの上部及び下部はそれぞれ上部タイプレート１０４及び下部タイプレート１０５により支持されており、また燃料バンドルの軸方向複数箇所には、燃料棒１０１及びウォータチャンネル１０２の間隔を保持するためのスペーサ１０６が設けられている。
また、上部タイプレート１０４の制御棒１０８側（以下適宜、単に制御棒側という）及びその反対側（以下適宜、反制御棒側という）のコーナー部には、ガイドポスト１０４ａ，１０４ｂがそれぞれ一体に形成されており、そのうち、制御棒側のガイドポスト１０４ａには、チャンネルボックス１０３に接続されたチャンネルファスナー１０９が固定されている。
このチャンネルファスナー１０９は、１つの制御棒１０８まわりの４つの燃料集合体１００を相互に連結するとともに、これら燃料集合体１００間に制御棒１０８の挿入・引き抜きスペースを確保する機能を果たすものであり、各燃料集合体１００の制御棒側のガイドポスト１０４ａに固定されている。なお、反制御棒側のガイドポスト１０４ｂは、制御棒側のガイドポスト１０４ａとの重量バランスをとるためのダミーとなっている。
【００２５】
燃料棒１０１は、燃料有効長が通常の長さである６５本の第１の燃料棒１０１ａと、燃料有効長が第１の燃料棒１０１ａよりも短いいわゆる短尺燃料棒である７本の第２の燃料棒１０１ｂとから構成されている。この第２の燃料棒１０１ｂの燃料有効長は、例えば第１の燃料棒の有効長の１５／２４となっている。またこれら燃料棒は、特に図示や詳細な説明を行わないが、この種の燃料集合体として公知であるものと同様、濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から構成されている。そして各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布を設けることにより軸方向出力ピーキングの平坦化を図ったり、各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより径方向出力ピーキングの平坦化が図られている。なお、このとき、このような燃料棒１０１の配置において、燃料集合体１００における平均濃縮度は３．９重量％以上となっている。
【００２６】
以上のような燃料集合体１００における本実施形態の要部は、第２の燃料棒１０１ｂの配置方法にある。
すなわち、燃料集合体内部を鉛直方向の境界面１１０によって制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１１２とに２分したとき、反制御棒側領域１１２に配置される第２の燃料棒１０１ｂの本数を、制御棒側領域１１１に配置される第２の燃料棒１０１ｂの本数よりも多くしたことである。特にこの実施形態では、この本数の差を２本以上としている。具体的には、反制御棒側領域１１２には６本の第２の燃料棒１０１ｂが配置されているのに対し、制御棒側領域１１１には１本の第２の燃料棒１０１ｂしか配置されていない（但し境界面１００上に配列され両方の領域にまたがっているものは１／２本ずつとしてカウント）ため、これらの差が５本となっている。
【００２７】
このような第２の燃料棒１０１ｂの配置により、本実施形態においては、以下の作用を奏する。
【００２８】
（１）第２の燃料棒の偏在によるＨ／Ｕ比の改善
すなわち、Ｄ格子炉心に装荷される場合、制御棒側においてチャンネルボックス１０３の外側に形成されるギャップ水領域１１３の面積が広くなっているため水の量が相対的に多くなる一方、反制御棒側でチャンネルボックス１０３の外側に形成されるギャップ水領域１１４の面積が狭くなっているため水の量が相対的に少なくなる。しかしながら本実施形態においては、有効長の短い第２の燃料棒１０１ｂの本数を反制御棒側領域１１２で多くし反制御棒側に偏って配置する。
これにより、第２の燃料棒１０１ｂが短長である分燃料の量を減らすとともに、第２の燃料棒１０１ｂ上部に生じる飽和水領域によって反制御棒側領域１１２における水の量を増加させてＨ／Ｕ比を増大させることができ、逆に制御棒側領域１１１においては燃料の量の減少及び水の量の増加を抑えＨ／Ｕ比を抑制することができる。したがって、水及び燃料の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒側とのＨ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体内におけるＨ／Ｕ比分布を改善し、より均一にすることができる。
このとき、図１３を用いて説明したように、燃料経済性の面からみたＨ／Ｕ比の最適値は、燃料集合体の平均濃縮度によって変動し、高濃縮度になるほど最適値の値も大きくなる。本実施形態の燃料集合体１００においては、反制御棒側領域１１２における第２の燃料棒１０１ｂの本数と制御棒側領域１１１における第２の燃料棒１０１ｂの本数との差をある程度大きくとることで、平均濃縮度３．９重量％以上の高濃縮度であってもＨ／Ｕ比を最適化する。このことを図３により説明する。
【００２９】
図３は、図１と同様の構造の燃料集合体（平均濃縮度３．９重量％以上）において、反制御棒側領域１１２及び制御棒側領域１１１にそれぞれ所定の配置で第２の燃料棒１０１ｂを設け、かつそのときの反制御棒側領域１１２における第２の燃料棒１０１ｂの本数から制御棒側領域１１１における第２の燃料棒１０１ｂの本数を引いた差を０〜５本まで変化させたときの、局所出力因子の相対的な変化幅を解析した結果を示したものである。ここで局所出力因子とは、燃料集合体内のすべての燃料棒の出力の平均値に対する、出力が最大の燃料棒の出力の相対値を表している。なお、縦軸は本数差が０本のとき（すなわち反制御棒側領域１１２と制御棒側領域１１１とに均等に第２の燃料棒１０１ｂを配置したとき）を基準値０とし、変化幅がほぼ一定となったときの値を−１としたときの相対値で表しており、局所出力因子が低くなるほど出力ピーキングが低減した、言い換えればＨ／Ｕ比がより均一化されたことを示している。図示のように、第２の燃料棒１０１ｂの本数差が増加するほど局所出力因子は大きく低下するが、第２の燃料棒１０１ｂの本数差が１本では局所出力因子は０本のときとあまり変化せず、約−０．１にとどまる。しかし、本数差が２本になると局所出力因子が急減して約−０．５となり、さらに本数差が３本になると約−０．９となる。なおこれ以降は、本数差を増やしても局所出力因子の低減の程度はあまり変わらない。この結果より、本願発明者等は、反制御棒側領域１１２と制御棒側領域１１１との本数差を２本以上とすれば、より確実にＨ／Ｕ比を最適化し、局所出力ピーキングをより低減できると判断した。本実施形態においては、反制御棒側領域１１２と制御棒側領域１１１との本数差は５本である。したがって、例えば平均濃縮度を３．９重量％以上に高濃縮度化されている場合であってもＨ／Ｕ比を確実に最適化でき、燃料経済性の向上を図ることができる。すなわち、より少ない燃料でより高い燃料集合体反応度を得、高い燃焼度を達成することができる。
【００３０】
（２）炉停止余裕の向上
Ｈ／Ｕ比の均一化が不十分である従来構造では、出力ピーキングを抑制するために、水の量が相対的に多い制御棒側では燃料棒を低濃縮度とし、かつ水の量が相対的に少ない反制御棒側では高濃縮度とせざるを得なかった。この場合、非沸騰状態である冷温停止時においては、反制御棒側の水の量が多くなり出力が増大する傾向となるため、炉停止余裕が低減していた。
これに対し、本実施形態においては、上述したようにＨ／Ｕ比を常に最適化することができるので、制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１１２との濃縮度差を縮小し、反制御棒側領域１１２の濃縮度を従来よりも低下させることができる。したがって、冷温停止時における出力増大を抑制できるので、その分炉停止余裕を向上できる。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態の燃料集合体１００によれば、平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された構造において、Ｈ／Ｕ比を最適化し燃料経済性の向上を図ることができる。またこれに加え、炉停止余裕を向上することができる。
【００３２】
本発明の第２の実施形態を図４〜図９により説明する。
本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図を図４に示す。この図４は第１の実施形態の図１にほぼ相当する図であり、共通の部材には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３３】
図４において、本実施形態による燃料集合体２００が図１に示した第１の燃料集合体１００と異なる点は、まず、角型ウォータチャンネル１０２を、正方格子状配列の１列分だけ反制御棒側にずらしたことである。この結果、図１では、角型ウォータチャンネル１０２が、燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分する境界面１１０に関して対称に配置されていたのが、図４では角型ウォータチャンネル１０２がこの境界面１１０から反制御棒側に偏心して配置されている。
また、短尺である第２の燃料棒１０１ｂの数が１個減って全体で６本となるとともに、図示のように、反制御棒側領域１１２に４本、制御棒側領域１１１にも２本が配置され、本数差が２本と小さくなっている。そしてこのとき、反制御棒側領域１１２においては、角型ウォータチャンネル１０２の偏心の結果、２本の第２の燃料棒１０１ｂが角型ウォータチャンネル１０２に隣接配置されている。なお、本願明細書中では、「隣接する位置にある」とは、ｎ行ｎ列の正方格子状配列において、同行でかつとなりの列に位置するか、または同列でとなりの行に位置する関係をいう。
その他の構造は、第１の実施形態の燃料集合体１００とほぼ同様である。
【００３４】
本実施形態の作用は、以下のようである。
（１）短尺燃料棒の偏在及びウォータチャンネルの偏心によるＨ／Ｕ比の改善
すなわち、本実施形態においても、第１の実施形態と同様、第２の燃料棒１０１ｂの本数を反制御棒側に偏って配置している。これにより、上記第１の実施形態において説明したのと同様の原理によって、水及び燃料の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒側とのＨ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体内におけるＨ／Ｕ比分布を改善し、より均一にすることができる。
但し、上記第１の実施形態において図３を用いて説明したように、本実施形態では反制御棒側と制御棒側とにおける第２の燃料棒の本数差が２本であり、第１の実施形態の本数差５本よりも小さくなっているため、その分それだけではＨ／Ｕ比改善効果が小さい。そこで本実施形態においては、それをウォータチャンネル１０２の反制御棒側への偏心によって補うことにより、第１の実施形態と同等の効果を得ている。
すなわち、内部を飽和水が流れるウォータチャンネル１０２を反制御棒側に偏心させることにより、反制御棒側領域のＨ／Ｕ比の増大及び制御棒側領域のＨ／Ｕ比の抑制を促進する。これにより、上記第２の燃料棒１０１ｂによるＨ／Ｕ比改善効果を補うことができるので、第１の実施形態と同様、平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された燃料集合体２００において、Ｈ／Ｕ比を最適化し燃料経済性の向上を図ることができる。このことを図５によりさらに詳細に説明する。
【００３５】
図５は、本実施形態の燃料集合体２００と同様の構造の燃料集合体において、燃料集合体平均濃縮度を種々変化させたときの無限増倍率の挙動を解析した結果を示したものである。また図中には、比較のために、燃料集合体２００において第２の燃料棒１０１ｂを偏在させず制御棒側と反制御棒側とに均一に設けた構造において、平均濃縮度を種々変化させたときの無限増倍率の挙動を解析した結果も併せて示している。
なお、図中、前者（短尺棒偏在＋ウォータチャンネル偏心）の挙動を太実線アで示し、後者（ウォータチャンネル偏心のみ）の挙動を細実線イで示す。
【００３６】
図５において、太実線ア及び細実線イともに、平均濃縮度の増加と共に無限増倍率は右上がりに単調増加となる。
しかしながら、平均濃縮度が比較的低い領域（約３．９重量％以下）では、ウォータチャンネル１０２の偏心のみを行った細実線イの場合のほうが、短尺棒偏在の偏在をも行った太実線アよりも無限増倍率が高い。これは、「発明が解決しようとする課題」の項で図１３を用いて説明した原理によると考えられる。すなわち、比較的低い濃縮度では、例えば図１３の実線のようにＨ／Ｕ比−無限増倍率の特性曲線が表されるため、短尺棒偏在とウォータチャンネル偏心との両方を行うとＨ／Ｕ比が（例えばｘ2となって）最適値ｘ1より高くなりすぎ、無限増倍率がかえって減少してしまう。
これに対し、平均濃縮度が比較的高い領域（約３．９重量％以上）では、図５に示すようにウォータチャンネル１０２の偏心と第２の燃料棒１０１ｂの偏在の両方を行った太実線アの場合のほうが、細実線イよりも無限増倍率が高くなる。これは、この場合には、上記と異なり例えば図１３の破線のようにＨ／Ｕ比−無限増倍率の特性曲線が表されるため、短尺棒偏在とウォータチャンネル偏心との両方を行ってＨ／Ｕ比を例えばｘ2にしたほうが無限増倍率がより増加するからである。
【００３７】
本実施形態の燃料集合体２００は、平均濃縮度が３．９重量％となっていることにより、ウォータチャンネル１０２の偏心に加えて短尺の第２の燃料棒１０１ｂの偏在を併せて実施することで、より大きな無限増倍率を得られるような値ににＨ／Ｕ比を改善することができる。
【００３８】
（２）熱的余裕の確保
図４のように９行９列正方格子状配列中に３行３列格子分の角型ウォータチャンネル１０２を偏心させて配置すると、ウォータチャンネル１０２の反制御棒側コーナー部近傍には２列分の格子位置しかない。そのため、もし第２の燃料棒１０１ｂを従来構造のようにウォータチャンネル１０２の隣接位置や格子状配列最外周に配置不可とすると、反制御棒側領域における第２の燃料棒１０１ｂを配置できる場所が極めて限定されることとなり、第２の燃料棒１０１ｂを反制御棒側領域に偏らせて配置するのが困難となる。この結果、ウォータチャンネル１０２を偏心させること自体が難かしくなる。
これに対して本実施形態の燃料集合体２００では、第２の燃料棒１０１ｂをウォータチャンネル１０２の隣接位置に配置することによって、第２の燃料棒１０１ｂを反制御棒側に容易に配置できるようにし、これによって容易にウォータチャンネル１０２の偏心構造を実現できる。
なおこのとき、一般に、燃料集合体がＤ格子炉心に配置される場合は、ギャップ水領域の差に基づき、反制御棒側領域の出力が制御棒側領域の出力よりもともと相対的に低くなる性質があるため、反制御棒側領域の燃料棒はドライアウトしにくい。したがって、上記のようにウォータチャンネル１０２に隣接して第２の燃料棒１０１ｂを配置しても、まわりの燃料棒１０１ａの熱的余裕を十分に確保できる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の燃料集合体２００によっても、第１の実施形態と同様、平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された構造においてＨ／Ｕ比を最適化し燃料経済性の向上を図ることができる。また、炉停止余裕を向上することができる。さらにこのとき、熱的余裕を充分に確保しつつＨ／Ｕ比を最適化することができる。
【００４０】
なお、上記第２の実施形態においては、第２の燃料棒１０１ｂの反制御棒側領域と制御棒側領域との本数差が２本であったが、これに限られない。まず、第１参考例の構造を図６に示す。図６において、この参考例の燃料集合体２００Ａは、第２の燃料棒１０１ｂが反制御棒側領域に４本、制御棒側領域に３本が配置され、その本数差が１本となっている。この参考例によれば、第２の燃料棒１０１ｂの本数差が２本から１本になった分Ｈ／Ｕ比最適化の効果が若干低下する可能性はある。
【００４１】
また、上記第２の実施形態の変形例としては、上記参考例とは逆に、第２の燃料棒１０１ｂの反制御棒側領域と制御棒側領域との本数差を２本より大きくすることが考えられる。第１及び第２の変形例の構造を図７及び図８に示す。これらはどちらも本数差を５本とする場合の例であるが、図７の第１の変形例による燃料集合体２００Ｂにおいては、第２の燃料棒１０１ｂが反制御棒側領域に６本、制御棒側領域に１本配置されているのに対し、図８の第２の変形例による燃料集合体２００Ｂにおいては、第２の燃料棒１０１ｂが反制御棒側領域に７本、制御棒側領域に２本となっている点で異なる。これら第１及び第２の変形例によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
また、上記第１の変形例に対し、第２の燃料棒１０１ｂの本数配分はそのままで配置位置のみを変える変形例も考えられる。図９は、その点に関する第２参考例の構造を示す図である。図９において、この第２参考例の燃料集合体２００Ｄは、図７の燃料集合体２００Ｂと同様に第２の燃料棒１０１ｂが反制御棒側領域に６本、制御棒側領域に１本が配置されているが、反制御棒側領域における第２の燃料棒１０１ｂの配置位置が異なり、４本の第２の燃料棒１０１ｂが正方格子状配列の最外周に配置されチャンネルボックス１０３に隣接している。なおこのとき、従来構造のように格子状配列最外周に第２の燃料棒１０１ｂを配置不可としないことにより、熱的余裕を確保しつつ容易にウォータチャンネル１０２の偏心構造を実現している。
【００４３】
本発明の第３の実施形態を図１０及び図１１により説明する。本実施形態は１０行１０列の正方格子状に燃料棒を配列した燃料集合体に本発明を適用した場合の実施形態である。
本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図を図１０に示す。この図１０は第１の実施形態の図１に、第２の実施形態の図４にほぼ相当する図である。
【００４４】
この図１０において、本実施形態の燃料集合体３００は、配列される燃料棒の本数が増えただけで基本的には第２の燃料集合体２００と類似の構造である。すなわち、燃料集合体３００は、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セル３０７に装荷されるものであり、１０行１０列の正方格子状に配列され内部に燃料物質としてのウラン−２３５が充填された９１本の燃料棒３０１と、正方格子状配列の中央部近傍の水の量を増やすのを目的として燃料棒３０１が９本配列可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャンネル３０２と、これら燃料棒３０１及び角型ウォータチャンネル３０２により形成される燃料バンドルの周囲を囲むチャンネルボックス３０３とを備えている。
【００４５】
燃料棒３０１は、燃料有効長が通常長さである８３本の第１の燃料棒３０１ａと、燃料有効長が第１の燃料棒３０１ａよりも短いいわゆる短尺燃料棒である８本の第２の燃料棒３０１ｂとから構成されている。またこれら燃料棒３０１は、濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から構成されており、各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布を設けたり各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより軸方向・径方向出力ピーキングの平坦化が図られている。そしてこのとき、燃料集合体３００における平均濃縮度は３．９重量％以上となっている。
また、燃料集合体内部を鉛直方向の境界面３１０によって制御棒３０８側にある制御棒領域とその反対側にある反制御棒側領域とに２分したとき、反制御棒側領域には６本の第２の燃料棒３０１ｂが配置されているのに対し、制御棒側領域には２本の第２の燃料棒３０１ｂしか配置されておらず、その本数の差が４本となっている。また角型ウォータチャンネル３０２は境界面３１０よりも反制御棒側に若干偏心している。
【００４６】
本実施形態によっても、第２の実施形態とほぼ同様の原理により、ギャップ水領域３１３，３１４の面積差に基づくＨ／Ｕ比の不均一を、第２の燃料棒３０１ｂの偏在と角型ウォータチャンネル３０２の偏心とによって改善し、Ｈ／Ｕ比を最適化できるので、燃料経済性の向上を図ることができる。また、炉停止余裕を向上することができる。
【００４７】
なお、上記第３の実施形態では、角型ウォータチャンネル３０２は境界面３１０から偏心してはいたが、それほど大きな偏心ではなく、角型ウォータチャンネル３０２の一部は境界面３１０にまたがっていた。しかしこれに限られず、角型ウォータチャンネル３０２をもっと反制御棒側に偏心させてもよい。この変形例の構造を図１１に示す。
図１１において、この変形例の燃料集合体３００Ａは、第３の実施形態の燃料集合体３００において、第２の燃料棒３０１ｂの配置を全く変えずに、角型ウォータチャンネル３０２のみを正方格子状配列の１列分だけ反制御棒側にさらに偏心させたものである。本変形例によっても、第３の実施形態の燃料集合体３００と同様の効果を得ることができる。またこのとき、２本の第２の燃料棒３０１ｂが角型ウォータチャンネル３０２と隣接しているが、第２の実施形態の燃料集合体２００同様、このときのまわりの燃料棒３０１ａの熱的余裕は十分に確保することができる。
【００４８】
なお、上記第１〜第３の実施形態においては、角型ウォータチャンネル１０２，２０２，３０２はいずれも９本の第２の燃料棒１０１ｂ，２０１ｂ，３０１ｂが配列可能な領域に配置されていたが、これに限られず、少なくとも１本の第２の燃料棒１０１ｂ，２０１ｂ，３０１ｂが配列可能な領域に配置すれば足りる。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、反制御棒側領域に偏らせる第２の燃料棒の本数を適宜調整することで、常にＨ／Ｕ比を最適化することができる。したがって、平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された燃料集合体において、Ｈ／Ｕ比を最適化することができ、燃料経済性の向上を図ることができる。また、Ｈ／Ｕ比を常に最適化することができるので、制御棒側と反制御棒側との濃縮度差を縮小し反制御棒側の濃縮度を低下させることができる。したがって、冷温停止時における出力増大を抑制でき、炉停止余裕を向上できる。
【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用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図２】図１中II−II断面による縦断面図である。
【図３】反制御棒側領域と制御棒側領域における第２の燃料棒の本数差を変化させたときの、局所出力因子な変化幅を解析した結果を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図５】燃料集合体平均濃縮度を種々変化させたときの無限増倍率の挙動を解析した結果を示した図である。
【図６】第２の実施形態に係わる第１参考例としての沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図７】第２の実施形態の第１の変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図８】第２の実施形態の第２の変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図９】第２の実施形態に係わる第２参考例としての沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図１１】第３の実施形態の変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図１２】一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造を表す概念的横断面図である。
【図１３】Ｈ／Ｕ比−無限増倍率の特性曲線を示す図である。
【図１４】短尺燃料棒を設ける従来構造を表す横断面図である。
【図１５】水ロッド領域を狭いギャップ水領域に近づけた従来構造を表す横断面図である。
【図１６】図１５と同様の構造を１０行１０列正方格子状配列で実現した場合の横断面図である。
【符号の説明】
１００燃料集合体
１０１燃料棒
１０１ａ第１の燃料棒
１０１ｂ第２の燃料棒
１０２角型ウォータチャンネル
１０４ａガイドポスト
１０８制御棒
１０９チャンネルファスナー
１１０境界面
１１１制御棒側領域
１１２反制御棒側領域
２００燃料集合体
２００Ａ〜Ｄ燃料集合体
３００燃料集合体
３０１燃料棒
３０１ａ第１の燃料棒
３０１ｂ第２の燃料棒
３０２角型ウォータチャンネル
３０８制御棒
３１０境界面
３００Ａ〜Ｄ燃料集合体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel assembly used in a boiling water reactor.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is a conceptual cross-sectional view showing a partial structure of a general boiling water reactor core. In FIG. 12, the core 1 is configured by arranging a large number of fuel assemblies 2, and these fuel assemblies 2 are composed of four bodies, and a control rod 3 having a cross-shaped cross section is inserted therebetween. It has become so.
[0003]
In each fuel assembly 2, a fuel bundle is formed by arranging a large number of fuel rods 4 and one or more (two in the figure) water rods 5 in a square lattice shape, and this fuel bundle is unit cell (indicated by a broken line). A channel box 8 having a rectangular cross section is disposed so as to be placed at the center of 6 and to surround the fuel bundle. The upper and lower ends of the fuel bundle are respectively supported by an upper tie plate (not shown) and a lower tie plate (same) inserted in the channel box. In some cases, a square water channel is used instead of the water rod.
[0004]
In this fuel assembly 2, during operation, slightly unsaturated cooling water flows between the fuel rods 4 through the holes of the lower tie plate and is heated by the fuel rods 4 as it flows between the fuel rods 4 from the lower part to the upper part. Boils and flows out of the hole in the upper tie plate as a two-phase flow. As a result, the void ratio of the coolant is 0% at the lower part of the fuel assembly 2 but reaches about 70% at the upper part, and the moderator-to-fuel ratio, which is a factor that determines the core characteristics of the fuel assembly 2, that is, The hydrogen to uranium ratio (H / U ratio) will vary greatly in the axial position. This axial H / U ratio distribution has the effect of reducing the furnace shutdown margin.
[0005]
On the other hand, in FIG. 12, a gap for arranging the control rod 3 and a neutron detector instrumentation tube (not shown) is provided outside the channel box 8 of the fuel assembly 2. This gap is filled with saturated water, and forms gap water regions 9 and 10 serving as flow paths through which light water of the coolant flows without boiling. These gap water regions 9 and 10 include two types, that is, a gap water region 9 in which the control rod 3 is inserted and a gap water region 10 in which the control rod 3 is not taken in and out. Due to the existence of such gap water regions 9 and 10, the influence of saturated water on the fuel rod 4 in the peripheral portion (region close to the gap) of the fuel assembly 2 and the fuel rod 4 in the center of the fuel assembly 2. Is different. That is, the peripheral portion of the fuel assembly 2 near the gap water regions 9 and 10 is a region having a larger H / U ratio than the central portion. As described above, the H / U ratio, which is a factor that determines the nuclear characteristics, differs depending on the radial position in the fuel assembly 2. This radial H / U ratio has the effect of increasing local output peaking.
Further, in particular, the core 1 of FIG. 12 is a D lattice core in which the area of the gap water region 9 is larger than the area of the gap water region 10, and the C lattice core having the same areas of the gap water region 9 and the gap water region 10. It is a different type. Therefore, the H / U ratio is greatly different between the side facing the control rod 3 and the opposite side.
[0006]
This H / U ratio is a parameter that determines the average energy of neutrons. The characteristics of this H / U ratio will be described with reference to FIG.
FIG. 13 shows the behavior of an infinite multiplication factor when the average enrichment is set to a predetermined value and H / U is taken on the horizontal axis for a fuel assembly of a general boiling water reactor. . As shown in the figure, when the H / U ratio is initially increased, the neutron average energy is lowered (the neutron spectrum is soft), the fission reaction with the nuclear fuel material is promoted, and the infinite multiplication factor is also increased. However, on the other hand, as the neutron spectrum becomes softer, the neutron absorption reaction by the moderator (light water) also increases, so the infinite multiplication factor reaches a peak at a certain H / U ratio, and thereafter the H / U ratio increases. The infinite multiplication factor decreases as the number is increased. That is, this peak is the optimum value of the H / U ratio from the viewpoint of obtaining high energy with as little fuel as possible (= fuel economy). However, in this case, from the viewpoint of setting the reactivity coefficient to a moderately negative value, a value x1 slightly smaller than the peak position is set as an actual optimum value (hereinafter simply referred to as an optimum value).
[0007]
As described above, improving and optimizing the axial / radial distribution of the H / U ratio is very important from the viewpoint of fuel economy, so that various improvements have been made in the past. Yes. Hereinafter, these will be described sequentially.
[0008]
(1) Improvement of axial H / U ratio
As a measure for improving the H / U ratio in the axial direction of the fuel assembly, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-50498, a conventional short fuel rod having a shorter effective fuel length than a normal fuel rod The structure which provides is proposed. By providing this short fuel rod, it is possible to increase the saturated water region that does not cause a phase change, adjust the axial fuel load, and improve the axial H / U ratio. An example of such a structure is shown in FIG. Portions common to FIG. 12 are denoted by the same reference numerals. The fuel assembly shown in FIG. 14 is arranged in a D-grid core, and 72 fuel rods 4 are arranged in a 9-row, 9-column square lattice array, and 9 fuel rods 4 in the center portion are arranged. The rectangular water channel 11 is provided in this space, and the short fuel rods 12 are evenly arranged in the fuel assembly.
[0009]
(2) Improvement of radial H / U ratio
On the other hand, as a measure for improving the H / U ratio in the radial direction of the fuel assembly, conventionally, there is a configuration in which the number of water rods is increased or the size of the water rods is increased. As a result, the water rod region can be increased in the central region of the fuel assembly where the neutron moderating effect is not sufficient, thereby improving the radial H / U ratio.
In particular, in the fuel assembly loaded in the D lattice core, as described above with reference to FIG. 12, the areas of the gap water region 9 on the side where the control rod 3 is located and the gap water region 10 on the opposite side are not equal. The H / U ratio in the radial direction becomes non-uniform and the local output peaking tends to increase. For this, a method of adjusting the enrichment of uranium 235 of the fuel rod 4 has been conventionally used. That is, the fuel rod 4 on the side facing the narrow gap water region 10 with a small thermal neutron flux has a relatively high enrichment, and the fuel rod 4 on the side facing a wide gap water region with a large thermal neutron flux has a relatively low enrichment. Thus, the output difference between the two is reduced, and local output peaking in the radial direction is suppressed.
[0010]
(3) Improvement of H / U ratio at higher burnup
By the way, in recent years, in boiling water reactors, as a method of effectively using uranium resources with an improvement in plant utilization rate, it has been proposed to increase the burnup of fuel and to make a long-term operation cycle. At this time, since it is necessary to increase the enrichment in order to increase the take-off burnup of the fuel assembly, the H / U ratio is affected. In addition, the extension of the residence time in the furnace due to the long-term operation cycle means that the fuel is affected by the influence of the H / U ratio in the axial direction and the radial direction for a long time in the core, and this H / U ratio. The influence of will be further expanded.
[0011]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-296689 discloses a known technique for improving the H / U ratio in such a fuel assembly with a high burnup. In this prior art, as a method of reducing the difference in the H / U ratio in the fuel assembly disposed in the D lattice core,
(1) Move the water rod area closer to the narrow gap water area.
[0012]
(2) Move the short fuel rod closer to the narrow gap water area.
[0013]
(3) Bring the fissile material close to a wide gap region.
[0014]
Three methods are disclosed. Both of these increase the H / U ratio near the narrow gap water region and decrease the H / U ratio near the wide gap water region.
An example of the structure of the fuel assembly in which the above (1) is implemented is shown in FIGS. Portions common to FIGS. 12 and 14 are denoted by the same reference numerals. In the fuel assembly shown in FIG. 15, in the 9 × 9 square lattice arrangement, the square water channel 11 that functions as a water rod is eccentric by one column from the center of the fuel assembly to the narrow gap water region 10 side. Is. FIG. 16 shows a case where a similar structure is realized in a 10-row 10-column square lattice arrangement. In this case, when the square water channel 11 is arranged in the space for nine fuel rods 4, the center of the fuel assembly is shown. Since it is impossible to arrange in the part, it is arranged eccentric to the narrow gap water region 10 side.
Moreover, in the said prior art, when (1) is implemented, it is also shown that implementing (2) further is not so effective.
[0015]
In the above prior art, the short fuel rod has a property that the void tends to concentrate on the upper portion. Therefore, the short fuel rod is not adjacent to the water rod or gap water region which is not a heating element but adjacent to the fuel rod. In this way, the voids around the fuel rods are concentrated on the water rod as much as possible to prevent dry-out (bubbles adhere to the surface of the fuel rods and reduce the cooling effect), and secure a thermal margin. Yes.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, the following problems exist in the above-described conventional technology.
As described above, the H / U ratio behaves as shown by the curve in FIG. 13, but this curve is affected by the enrichment of the fuel assembly. That is, as the enrichment of the fuel assembly increases, the absorption of thermal neutrons increases, so the neutron flux decreases, and the amount of moderator necessary to obtain the same infinite multiplication factor increases. Therefore, the curve slides in the right direction in the figure as indicated by a broken line, and the optimum value of H / U also changes from x1 to a higher value.
Here, in the above prior art, if the above (1) (= the water rod region is brought closer to the narrow gap water region) is carried out, the amount of the moderator in the vicinity of the narrow gap water region is almost sufficient. It is said that it does not make much sense to implement 2 ▼ (= close the short fuel rod to a narrow gap water region). That is, for example, in the case where the characteristics of the H / U ratio are represented by a solid line at a certain degree of enrichment, if the infinite multiplication factor kA is set at the H / U ratio x1 at the time of the above-described (1), In combination, for example, the H / U ratio becomes x2, which is larger than x1, and the infinite multiplication factor is reduced to kB.
However, as described above, the optimum value of the H / U ratio varies depending on the enrichment of the fuel assembly, so this cannot be generally said. That is, depending on the degree of enrichment, the amount of moderator in the vicinity of the narrow gap water region becomes insufficient with only (1), and the difference in H / U ratio with the wide gap water region becomes large. By doing so, the amount of moderator in the vicinity of the narrow gap water region is sufficient, and the difference in the H / U ratio with the wide gap water region may be minimized and may be an optimum value. In other words, to explain in conjunction with the above example, when the concentration is higher than that of the solid line and the characteristics of the H / U ratio are represented by a broken line, if only the above (1) is performed, the H / U ratio x1. However, the infinite multiplication factor kC is very small, but the infinite multiplication factor kA can be set to kA by carrying out steps (1) and (2) to obtain the H / U ratio x2. In addition, the case where (1) and (2) are combined is described above as an example, but the number of short fuel rods approaching the narrow gap water region even when only (2) is performed alone is described. Depending on the case, there is a possibility that the same effect can be obtained. The above prior art does not consider such points, and does not correctly recognize the effect of improving the H / U ratio by bringing the short fuel rod (2) closer to the narrow gap water region. That is, (2) as a means for effectively improving the H / U ratio is not disclosed in the prior art.
Further, although the above prior art suggests consideration for the high enrichment accompanying the increase in the burnup, the value of the enrichment is not specifically disclosed. Therefore, for example, as an example of a fuel assembly corresponding to high burnup, for example, the average enrichment of the fuel assembly is set to 3.9% by weight or more for the purpose of making the take-out average burnup exceed 45 GWd / t. In some cases, it is unclear whether an optimal H / U ratio can be given.
[0017]
Further, in the above prior art, from the viewpoint of securing thermal margin, the short fuel rod is not disposed at a position adjacent to a water rod that is not a heating element. From the same viewpoint, a position adjacent to a gap water region ( In other words, it is considered that it is suggested not to arrange at the outermost peripheral position of the lattice arrangement. Here, for example, in the case of placing a square water channel of 3 rows and 3 columns lattice in a 9 by 9 square lattice arrangement, in order to implement the above (1), the gap water region side narrowed by one column from the center. When there are only two grid positions between the water channel and the channel box, the short fuel rods are placed in this region because they are adjacent to the non-heating element water rod or the gap water region. Can no longer be placed. That is, it becomes difficult to implement the above (1) and (2) together. However, in the fuel assembly arranged in the D-grid core, the output on the narrow gap water region side is relatively lower than the output on the wide gap water region side. There are difficult properties. Therefore, for example, even if the short fuel rods are arranged adjacent to the narrow gap water region side of the water channel, the thermal margin of the surrounding fuel rods still has a sufficient value. Rather, if it is possible to carry out the above (1) and (2) together and an optimum H / U ratio can be obtained, it seems that it is much more beneficial. Such a point is not considered in the above-described conventional technology.
[0018]
The first object of the present invention is to provide a fuel assembly that achieves high enrichment with an average enrichment of 3.9% by weight or more, and provides a configuration that can optimize the H / U ratio and improve fuel economy. There is to do.
[0019]
The second object of the present invention is to provide a configuration capable of optimizing the H / U ratio while ensuring a thermal margin in a fuel assembly that has a high enrichment with an average enrichment of 3.9% by weight or more. There is to do.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
(1) In order to achieve the first object, the present invention provides a plurality of fuel rods arranged in a square grid of 9 rows and 9 columns and an area where one or more fuel rods can be arranged. PlacedOneA square water channel and a guide post provided on the control rod side for fixing the channel fastener, and the plurality of fuel rods include a plurality of first fuel rods and the first fuel rods. In a fuel assembly for a boiling water reactor loaded in a unit cell of a boiling water reactor D lattice core, including a plurality of second fuel rods having a fuel effective length shorter than that of the fuel rod, the average concentration When the degree is 3.9% by weight or more and the inside of the fuel assembly is divided into a control rod side region and a counter control rod side region by a vertical boundary surface located on a diagonal line of the fuel rod arrangement, The number of the second fuel rods disposed in the counter control rod side region is larger than the number of the second fuel rods disposed in the control rod side region, and the counter control rod side region The second fuel rod to be disposed is other than the outermost periphery of the square lattice array. Disposed at a positionThe difference between the number of the second fuel rods arranged in the non-control rod side region and the number of the second fuel rods arranged in the control rod side region is two or more. .
  When the fuel assembly for boiling water reactors is loaded on the D-grid core, the control rod side has a relatively large amount of water as a moderator because the space between the fuel assemblies is wide. On the non-control rod side, the distance between the fuel assemblies is narrow and the amount of water is relatively small. Therefore, in the present invention, by increasing the number of the second fuel rods having a short effective length in the counter-control rod side region, the second fuel rods are arranged to be biased toward the counter-control rod side. As a result, the amount of fuel is reduced by the length of the second fuel rod, and the H / U ratio is increased by increasing the amount of water in the counter-control rod side region by the saturated water region generated at the upper part of the second fuel rod. And the H / U ratio can be suppressed by suppressing a decrease in the amount of fuel and an increase in the amount of water in the control rod side region. As a result, the water and fuel are more evenly arranged to reduce the difference in the H / U ratio between the non-control rod side and the control rod side, thereby improving the H / U ratio distribution in the fuel assembly and making it more uniform. be able to.
  Here, the optimum value of the H / U ratio from the viewpoint of fuel economy varies depending on the enrichment of the fuel assembly. For example, the optimum value increases as the enrichment increases. In the present invention, by appropriately adjusting the number of second fuel rods biased toward the counter-control rod side region, the H / U ratio can always be optimized in response to this variation. Therefore, the H / U ratio can be optimized even in a fuel assembly that is highly enriched to an average enrichment of 3.9% by weight or more, for example.
  Further, by setting the difference between the number of the second fuel rods arranged in the non-control rod side region and the number of the second fuel rods arranged in the control rod side region to two or more, H / U The ratio can be optimized more reliably.
[0022]
  (2) In the above (1), preferably, the square water channel is arranged eccentrically from the boundary surface that divides the inside of the fuel assembly into a control rod side region and a counter control rod side region to the counter control rod side. ing. As a result, an increase in the H / U ratio in the non-control rod side region and a suppression of the H / U ratio in the control rod side region can be promoted, so that the H / U ratio can be easily optimized.
[0023]
  (3)the above(2In order to achieve the first and second objects, at least one of the second fuel rods arranged in the counter-control rod side region is preferably adjacent to the square water channel. Are arranged. As a result, the square water channel can be easily eccentric to the non-control rod side. That is, for example, when a square water channel for 3 rows and 3 columns lattice is eccentrically arranged in a 9 by 9 square lattice arrangement, only the lattice position for 2 columns is located near the counter-control rod side corner of the water channel. If the second fuel rod cannot be arranged adjacent to the water channel or at the outermost circumferential position of the square grid array, it is difficult to place the second fuel rod biased to the non-control rod side region. As a result, it becomes difficult to decenter the water channel itself. Therefore, in the present invention, by allowing the second fuel rod to be disposed adjacent to the water channel, the second fuel rod can be easily disposed on the counter-control rod side, and the water channel can be easily eccentric. it can. At this time, when arranged in the D-grid core, the counter-control rod side region output is relatively lower than the control rod side region output, and the fuel rods are less likely to dry out. Even if two fuel rods are arranged, the thermal margin of the surrounding fuel rods can still ensure a sufficient value. That is, the H / U ratio can be optimized while ensuring a thermal margin.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the structure of the boiling water nuclear reactor fuel assembly according to this embodiment, and FIG. 1 is a transverse sectional view taken along the line II in FIG. 1 and 2, the fuel assembly 100 according to the present embodiment is loaded in the unit cell 107 of the boiling water reactor D lattice core, like the core shown in FIG. 72 fuel rods 101 arranged in a square lattice of rows and filled with uranium-235 as a fuel material therein, and fuel rods 101 for the purpose of increasing the amount of water in the central region of the square lattice arrangement Are arranged in a region where nine can be arranged, and a channel box 103 surrounding a fuel bundle formed by the fuel rod 101 and the square water channel 102. The upper and lower portions of the fuel bundle are supported by an upper tie plate 104 and a lower tie plate 105, respectively, and spacers 106 for maintaining the distance between the fuel rod 101 and the water channel 102 at a plurality of axial positions of the fuel bundle. Is provided.
In addition, guide posts 104a and 104b are integrally formed at the corners of the upper tie plate 104 on the control rod 108 side (hereinafter simply referred to as the control rod side) and the opposite side (hereinafter referred to as the non-control rod side as appropriate). Of these, a channel fastener 109 connected to the channel box 103 is fixed to the guide post 104a on the control rod side.
The channel fastener 109 serves to connect the four fuel assemblies 100 around one control rod 108 to each other and to secure a space for inserting and extracting the control rod 108 between the fuel assemblies 100. The fuel assemblies 100 are fixed to the control posts 104a on the control rod side. The guide post 104b on the counter-control rod side is a dummy for balancing the weight with the guide post 104a on the control rod side.
[0025]
The fuel rods 101 are 65 first fuel rods 101a whose effective fuel length is a normal length, and seven second fuel rods which are so-called short fuel rods whose effective fuel length is shorter than that of the first fuel rod 101a. Fuel rod 101b. The effective fuel length of the second fuel rod 101b is, for example, 15/24 of the effective length of the first fuel rod. Although these fuel rods are not particularly shown or described in detail, they are composed of a plurality of types of fuel rods having different enrichment distributions, as is well known as this type of fuel assembly. Then, the axial output peaking is flattened by providing an appropriate axial concentration distribution for each type, or the radial output peaking is flattened by appropriately devising the arrangement of various fuel rods. . At this time, in such an arrangement of the fuel rods 101, the average enrichment in the fuel assembly 100 is 3.9% by weight or more.
[0026]
The main part of the present embodiment in the fuel assembly 100 as described above lies in the arrangement method of the second fuel rod 101b.
That is, when the inside of the fuel assembly is divided into the control rod side region 111 and the counter control rod side region 112 by the vertical boundary surface 110, the second fuel rod 101b disposed in the counter control rod side region 112 is divided. That is, the number of the second fuel rods 101b arranged in the control rod side region 111 is increased. Particularly in this embodiment, the difference in the number is set to two or more. Specifically, six second fuel rods 101b are arranged in the non-control rod side region 112, whereas only one second fuel rod 101b is arranged in the control rod side region 111. However, the difference between these is 5 because the number of the lines arranged on the boundary surface 100 and straddling both regions is counted as 1/2.
[0027]
With this arrangement of the second fuel rods 101b, the following effects are achieved in the present embodiment.
[0028]
(1) Improvement of H / U ratio due to uneven distribution of second fuel rod
That is, when loaded into the D lattice core, the amount of water is relatively large because the area of the gap water region 113 formed outside the channel box 103 is wide on the control rod side, while the counter control rod Since the area of the gap water region 114 formed outside the channel box 103 on the side is narrow, the amount of water is relatively reduced. However, in the present embodiment, the number of the second fuel rods 101b having a short effective length is increased in the counter-control rod side region 112 and is arranged to be biased toward the counter-control rod side.
As a result, the amount of fuel is reduced by the length of the second fuel rod 101b, and the amount of water in the non-control rod side region 112 is increased by the saturated water region generated in the upper portion of the second fuel rod 101b. The / U ratio can be increased, and conversely, in the control rod side region 111, a decrease in the amount of fuel and an increase in the amount of water can be suppressed to suppress the H / U ratio. Therefore, the arrangement of water and fuel is made more uniform, the difference in the H / U ratio between the non-control rod side and the control rod side is reduced, and the H / U ratio distribution in the fuel assembly is improved and made more uniform. Can do.
At this time, as described with reference to FIG. 13, the optimum value of the H / U ratio from the viewpoint of fuel economy varies depending on the average enrichment of the fuel assembly, and the optimum value increases as the enrichment becomes higher. growing. In the fuel assembly 100 of the present embodiment, the difference between the number of the second fuel rods 101b in the non-control rod side region 112 and the number of the second fuel rods 101b in the control rod side region 111 is increased to some extent. The H / U ratio is optimized even at a high concentration of 3.9% by weight or higher. This will be described with reference to FIG.
[0029]
  FIG. 3 shows a second fuel rod having a predetermined arrangement in the non-control rod side region 112 and the control rod side region 111 in the fuel assembly having the same structure as FIG. 1 (average enrichment of 3.9% by weight or more). 101b is provided, and the difference obtained by subtracting the number of the second fuel rods 101b in the control rod side region 111 from the number of the second fuel rods 101b in the non-control rod side region 112 at that time is changed to 0-5. The result of analyzing the relative change width of the local output factor is shown. Here, the local output factor represents the relative value of the output of the fuel rod having the maximum output with respect to the average value of the outputs of all the fuel rods in the fuel assembly. The vertical axis indicates a reference value of 0 when the number difference is zero (that is, when the second fuel rods 101b are evenly arranged in the counter-control rod side region 112 and the control rod side region 111), and the change width is This is expressed as a relative value when the value when it becomes almost constant is set to −1. The lower the local output factor, the lower the output peaking, in other words, the more uniform H / U ratio. Yes. As shown, the second fuel rod 101bDifference in numberHowever, when the difference in the number of second fuel rods 101b is 1, the local power factor does not change so much as when it is 0, and remains at about -0.1. However, when the number difference becomes two, the local output factor rapidly decreases to about -0.5, and when the number difference becomes three, it becomes about -0.9. After this, even if the number difference is increased, the degree of reduction of the local output factor does not change much. From these results, the inventors of the present application can optimize the H / U ratio more reliably and increase the local output peaking if the number difference between the non-control rod side region 112 and the control rod side region 111 is two or more. It was judged that it could be reduced. In the present embodiment, the number difference between the non-control rod side region 112 and the control rod side region 111 is five. Therefore, for example, even when the average enrichment is increased to 3.9% by weight or higher, the H / U ratio can be reliably optimized, and the fuel economy can be improved. That is, higher fuel assembly reactivity can be obtained with less fuel, and high burnup can be achieved.
[0030]
(2) Improvement of furnace shutdown margin
In the conventional structure in which the H / U ratio is not uniform enough, in order to suppress output peaking, the control rod side with a relatively large amount of water has a low concentration of fuel rods and the amount of water is relatively low. Therefore, it was unavoidable to have a high concentration on the side of the non-control rod. In this case, when the cold stop is in a non-boiling state, the amount of water on the non-control rod side tends to increase and the output tends to increase, so the furnace stop margin has been reduced.
On the other hand, in the present embodiment, the H / U ratio can always be optimized as described above, so the difference in concentration between the control rod side region 111 and the non-control rod side region 112 is reduced and The enrichment of the control rod side region 112 can be reduced as compared with the conventional case. Therefore, an increase in output at the time of cold stop can be suppressed, so that the furnace stop margin can be improved accordingly.
[0031]
As described above, according to the fuel assembly 100 of the present embodiment, the H / U ratio is optimized and the fuel economy is improved in the structure in which the average enrichment is highly enriched to 3.9% by weight or more. You can plan. In addition, the furnace shutdown margin can be improved.
[0032]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the boiling water nuclear reactor fuel assembly according to this embodiment. FIG. 4 is a view substantially corresponding to FIG. 1 of the first embodiment, and common members are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0033]
In FIG. 4, the fuel assembly 200 according to the present embodiment is different from the first fuel assembly 100 shown in FIG. 1 in that the square water channel 102 is first counter-controlled by one row of a square lattice array. It was shifted to the stick side. As a result, in FIG. 1, the square water channel 102 is arranged symmetrically with respect to the boundary surface 110 that bisects the inside of the fuel assembly into the control rod side region and the non-control rod side region. A square water channel 102 is arranged eccentrically from the boundary surface 110 toward the non-control rod side.
In addition, the number of short second fuel rods 101b is reduced by 1 to 6 as a whole, and as shown in the figure, 4 in the non-control rod side region 112 and 2 in the control rod side region 111 as well. Is arranged, and the difference in number is as small as two. At this time, in the non-control rod side region 112, as a result of the eccentricity of the square water channel 102, two second fuel rods 101 b are arranged adjacent to the square water channel 102. In the specification of the present application, “in an adjacent position” means that in an n-by-n square grid arrangement, the same row is located in the next column, or the same row is located in the next row. Say.
Other structures are substantially the same as those of the fuel assembly 100 of the first embodiment.
[0034]
The operation of this embodiment is as follows.
(1) Improvement of H / U ratio due to uneven distribution of short fuel rods and eccentricity of water channel
That is, also in the present embodiment, the number of the second fuel rods 101b is biased toward the non-control rod side as in the first embodiment. Thus, according to the same principle as described in the first embodiment, the water / fuel arrangement is made more uniform, and the difference in the H / U ratio between the non-control rod side and the control rod side is reduced. The H / U ratio distribution in the aggregate can be improved and made more uniform.
However, as described with reference to FIG. 3 in the first embodiment, in this embodiment, the number of second fuel rods on the counter-control rod side and the control rod side is two, and the first Since the number difference is smaller than 5 in the embodiment, the effect of improving the H / U ratio is small by that amount. Therefore, in the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment is obtained by compensating for this by eccentricity of the water channel 102 toward the counter-control rod.
That is, by decentering the water channel 102 through which saturated water flows in the counter-control rod side, the H / U ratio in the counter-control rod side region is increased and the H / U ratio in the control rod side region is suppressed. As a result, the effect of improving the H / U ratio by the second fuel rod 101b can be compensated, and as in the first embodiment, the fuel assembly that has been highly enriched to an average enrichment of 3.9% by weight or more. In the body 200, the fuel economy can be improved by optimizing the H / U ratio. This will be described in more detail with reference to FIG.
[0035]
FIG. 5 shows a result of analyzing the behavior of the infinite multiplication factor when the fuel assembly average enrichment is variously changed in the fuel assembly having the same structure as the fuel assembly 200 of the present embodiment. . Also, in the figure, for comparison, in the structure in which the second fuel rod 101b is not unevenly distributed in the fuel assembly 200 and is uniformly provided on the control rod side and the non-control rod side, the average enrichment is variously changed. The results of analyzing the behavior of the infinite multiplication factor are also shown.
In the figure, the behavior of the former (short bar eccentricity + water channel eccentricity) is indicated by a thick solid line a, and the behavior of the latter (water channel eccentricity only) is indicated by a thin solid line a.
[0036]
In FIG. 5, the infinite multiplication factor monotonously increases to the right as the average concentration increases for both the thick solid line A and the thin solid line A.
However, in the region where the average concentration is relatively low (about 3.9% by weight or less), the thin solid line A in which only the eccentricity of the water channel 102 is performed is thicker than the thick solid line in which the short bar is unevenly distributed. Infinite multiplication factor is higher than. This is considered to be due to the principle described with reference to FIG. 13 in the section “Problems to be Solved by the Invention”. That is, at a relatively low concentration, for example, a characteristic curve of H / U ratio-infinite multiplication factor is represented as shown by a solid line in FIG. 13, and therefore, when both the short bar unevenness and the water channel eccentricity are performed, the H / U The ratio becomes too high (for example, x2) than the optimum value x1, and the infinite multiplication factor is reduced instead.
On the other hand, in a region where the average enrichment is relatively high (about 3.9% by weight or more), as shown in FIG. 5, a thick solid line in which both the eccentricity of the water channel 102 and the uneven distribution of the second fuel rod 101b are performed. In the case of a, the infinite multiplication factor is higher than that of the thin solid line a. In this case, unlike the above, for example, a characteristic curve of H / U ratio-infinite multiplication factor is represented as shown by a broken line in FIG. 13, and therefore, both the short rod uneven distribution and the water channel eccentricity are performed. This is because the infinite multiplication factor increases more when the / U ratio is set to x2, for example.
[0037]
In the fuel assembly 200 of the present embodiment, the average enrichment is 3.9% by weight, so that in addition to the eccentricity of the water channel 102, the short second fuel rod 101b is unevenly distributed. Thus, the H / U ratio can be improved to such a value that a larger infinite multiplication factor can be obtained.
[0038]
(2) Ensuring thermal margin
As shown in FIG. 4, when the square water channel 102 of 3 rows and 3 columns lattice is arranged eccentrically in a 9 × 9 square lattice arrangement, there are two columns in the vicinity of the counter-control rod side corner of the water channel 102. There is only a grid position. Therefore, if the second fuel rod 101b cannot be disposed at the adjacent position of the water channel 102 or at the outermost periphery of the lattice arrangement as in the conventional structure, there is a place where the second fuel rod 101b can be disposed in the non-control rod side region. This is extremely limited, and it is difficult to dispose the second fuel rod 101b so as to be biased toward the non-control rod side region. As a result, it is difficult to decenter the water channel 102 itself.
On the other hand, in the fuel assembly 200 of the present embodiment, the second fuel rod 101b can be easily arranged on the counter-control rod side by arranging the second fuel rod 101b adjacent to the water channel 102. Thus, the eccentric structure of the water channel 102 can be easily realized.
At this time, generally, when the fuel assembly is arranged in the D lattice core, the output of the non-control rod side region is originally relatively lower than the output of the control rod side region based on the difference in the gap water region. Therefore, the fuel rod in the non-control rod side region is difficult to dry out. Therefore, even if the second fuel rod 101b is arranged adjacent to the water channel 102 as described above, a sufficient thermal margin can be secured for the surrounding fuel rod 101a.
[0039]
As described above, the fuel assembly 200 of the present embodiment also optimizes the H / U ratio in the structure with a high enrichment to an average enrichment of 3.9% by weight or more, as in the first embodiment. The fuel economy can be improved. Moreover, the furnace shutdown margin can be improved. Furthermore, at this time, the H / U ratio can be optimized while ensuring a sufficient thermal margin.
[0040]
  In the second embodiment, the difference in the number of the second fuel rod 101b between the non-control rod side region and the control rod side region is two, but it is not limited to this.Absent.First, the first reference exampleThe structure is shown in FIG. In FIG.Reference exampleIn the fuel assembly 200A, four second fuel rods 101b are arranged in the non-control rod side region and three in the control rod side region, and the number difference is one. thisReference exampleTherefore, there is a possibility that the effect of optimizing the H / U ratio is slightly reduced by the difference in the number of the second fuel rods 101b from two to one.The
[0041]
  Also,As a modification of the second embodiment,the aboveReference exampleOn the contrary, the difference in the number of the second fuel rod 101b between the non-control rod side region and the control rod side region is made larger than two.CanConceivable.1st and 2ndThe structure of this modification is shown in FIGS. Both of these are examples in which the number difference is five, but FIG.FirstIn the fuel assembly 200B according to the modified example, six second fuel rods 101b are arranged in the non-control rod side region and one in the control rod side region, whereas in FIG.SecondThe fuel assembly 200B according to the modified example is different in that the number of second fuel rods 101b is seven in the non-control rod side region and two in the control rod side region. these1st and 2ndThe same effect as that of the second embodiment can be obtained also by this modification.
[0042]
  Also, aboveFirstIn contrast to the modified example, a modified example in which only the arrangement position is changed while the number distribution of the second fuel rods 101b remains unchanged.FIG. 9 is a diagram showing the structure of the second reference example regarding this point.In FIG.Second reference exampleIn the fuel assembly 200D, as in the fuel assembly 200B of FIG. 7, six second fuel rods 101b are arranged in the non-control rod side region and one in the control rod side region. The arrangement positions of the second fuel rods 101b in the side region are different, and the four second fuel rods 101b are arranged on the outermost periphery of the square lattice array and are adjacent to the channel box 103.. NaAt this time, unlike the conventional structure, the second fuel rod 101b is not arranged on the outermost periphery of the grid-like arrangement, so that the eccentric structure of the water channel 102 is easily realized while ensuring a thermal margin.
[0043]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the present invention is applied to a fuel assembly in which fuel rods are arranged in a 10 × 10 square lattice.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of the boiling water nuclear reactor fuel assembly according to this embodiment. FIG. 10 is a view substantially corresponding to FIG. 1 of the first embodiment and FIG. 4 of the second embodiment.
[0044]
In FIG. 10, the fuel assembly 300 of the present embodiment basically has a similar structure to the second fuel assembly 200 only by increasing the number of fuel rods arranged. That is, the fuel assembly 300 is loaded in the unit cell 307 of the boiling water reactor D lattice core, arranged in a 10 × 10 square lattice, and filled with uranium-235 as a fuel material. 91 fuel rods 301 and one rectangular water channel 302 arranged in a region where nine fuel rods 301 can be arranged for the purpose of increasing the amount of water near the center of the square lattice array. And a channel box 303 surrounding the periphery of the fuel bundle formed by the fuel rods 301 and the square water channel 302.
[0045]
The fuel rods 301 are 83 first fuel rods 301a whose effective fuel length is a normal length, and eight second fuel rods which are so-called short fuel rods whose effective fuel length is shorter than that of the first fuel rod 301a. It is comprised from the fuel rod 301b. Further, these fuel rods 301 are composed of a plurality of types of fuel rods having different enrichment distributions. An axial enrichment distribution is appropriately provided for each type, and the arrangement of the various fuel rods is appropriately devised to provide an axial direction. -Flattening of radial output peaking. At this time, the average enrichment in the fuel assembly 300 is 3.9% by weight or more.
Further, when the fuel assembly interior is divided into a control rod region on the control rod 308 side and an anti-control rod side region on the opposite side by the vertical boundary surface 310, there are six in the anti-control rod side region. The second fuel rod 301b is disposed, whereas only two second fuel rods 301b are disposed in the control rod side region, and the difference in the number is four. Further, the square water channel 302 is slightly decentered toward the non-control rod side from the boundary surface 310.
[0046]
Also according to the present embodiment, the H / U ratio non-uniformity based on the difference in the area of the gap water regions 313 and 314 is reduced according to the principle similar to that of the second embodiment. This can be improved by the eccentricity of the channel 302 and the H / U ratio can be optimized, so that the fuel economy can be improved. Moreover, the furnace shutdown margin can be improved.
[0047]
In the third embodiment, the square water channel 302 is decentered from the boundary surface 310, but is not so large, and part of the square water channel 302 extends over the boundary surface 310. However, the present invention is not limited to this, and the square water channel 302 may be more eccentric to the non-control rod side. The structure of this modification is shown in FIG.
In FIG. 11, the fuel assembly 300A of this modified example includes only the square water channel 302 in the square lattice shape without changing the arrangement of the second fuel rods 301b in the fuel assembly 300 of the third embodiment. This is further decentered toward the non-control rod side by one column of the array. Also by this modification, the same effect as the fuel assembly 300 of the third embodiment can be obtained. At this time, the two second fuel rods 301b are adjacent to the square water channel 302. Like the fuel assembly 200 of the second embodiment, the thermal margin of the fuel rods 301a around this time is the same. Can be secured sufficiently.
[0048]
In the first to third embodiments, the square water channels 102, 202, 302 are all arranged in an area where nine second fuel rods 101b, 201b, 301b can be arranged. However, the present invention is not limited to this, and it is sufficient to arrange at least one second fuel rod 101b, 201b, 301b in a region where it can be arranged. In these cases, the same effect is obtained.
[0049]
【The invention's effect】
  According to the present invention, the number of the second fuel rods biased to the counter-control rod side region is appropriately adjusted.And alwaysThe H / U ratio can be optimized. ThereforeFlatA fuel assembly that is highly enriched to a uniform enrichment of 3.9% by weight or more.AndThe H / U ratio can be optimized, and fuel economy can be improved. In addition, since the H / U ratio can always be optimized, the enrichment difference between the control rod side and the counter-control rod side can be reduced and the enrichment on the counter-control rod side can be reduced. Therefore, an increase in output during cold shutdown can be suppressed, and the furnace shutdown margin can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a transverse sectional view showing the structure of a boiling water nuclear reactor fuel assembly according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along the line II-II in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a result of analyzing a variation range of a local output factor when a difference in the number of second fuel rods in the non-control rod side region and the control rod side region is changed.
FIG. 4 is a transverse sectional view showing the structure of a boiling water nuclear reactor fuel assembly according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the results of analyzing the behavior of an infinite multiplication factor when the fuel assembly average enrichment is variously changed.
FIG. 6 is a second embodiment.As a first reference example related toIt is a cross-sectional view showing the structure of the fuel assembly for boiling water reactors.
FIG. 7 shows the second embodiment.FirstIt is a transverse cross section showing the structure of the fuel assembly for boiling water reactors by the modification of this.
FIG. 8 shows the second embodiment.SecondIt is a transverse cross section showing the structure of the fuel assembly for boiling water reactors by the modification of this.
FIG. 9 is a second embodiment.As a second reference example related toIt is a cross-sectional view showing the structure of the fuel assembly for boiling water reactors.
FIG. 10 is a transverse sectional view showing the structure of a boiling water nuclear reactor fuel assembly according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of a boiling water nuclear reactor fuel assembly according to a modification of the third embodiment.
FIG. 12 is a conceptual cross-sectional view showing a partial structure of a general boiling water reactor core.
FIG. 13 is a diagram showing a characteristic curve of H / U ratio-infinite multiplication factor.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a conventional structure in which short fuel rods are provided.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a conventional structure in which a water rod region is brought close to a narrow gap water region.
16 is a cross-sectional view in the case where the same structure as that of FIG. 15 is realized by a 10 × 10 square lattice array.
[Explanation of symbols]
100 Fuel assembly
101 Fuel rod
101a first fuel rod
101b second fuel rod
102 Square water channel
104a Guide post
108 Control rod
109 channel fastener
110 Interface
111 Control rod side area
112 Non-control rod side area
200 Fuel assembly
200A-D Fuel assembly
300 Fuel assembly
301 Fuel rod
301a first fuel rod
301b Second fuel rod
302 square water channel
308 Control rod
310 Interface
300A-D Fuel assembly

Claims

And a plurality of fuel rods arranged in 9 rows and 9 columns over a square lattice, one a square water channels of the fuel rods are arranged in sequence region capable least one, in order to secure the channel fastener And a plurality of first fuel rods, and a plurality of second fuel rods having an effective fuel length shorter than that of the first fuel rods. In a boiling water reactor fuel assembly loaded into a unit cell of a boiling water reactor D lattice core, including fuel rods,
The average concentration is 3.9% by weight or more,
When the inside of the fuel assembly is divided into a control rod side region and a counter control rod side region by a vertical boundary surface located on a diagonal line of the fuel rod arrangement, the fuel rod is disposed in the counter control rod side region. The number of the second fuel rods is larger than the number of the second fuel rods arranged in the control rod side region, and the second fuel rods arranged in the counter control rod side region are arranged in the square shape. Place it at a position other than the outermost circumference of the grid array ,
The difference between the number of the second fuel rods arranged in the non-control rod side region and the number of the second fuel rods arranged in the control rod side region is two or more. A fuel assembly for boiling water reactors.

2. The fuel assembly for a boiling water reactor according to claim 1, wherein the rectangular water channel is divided from the boundary surface that divides the inside of the fuel assembly into a control rod side region and a counter control rod side region. A fuel assembly for a boiling water reactor, which is arranged eccentrically on the side.

The fuel assembly for a boiling water reactor according to claim 2 , wherein at least one of the second fuel rods disposed in the counter-control rod side region is disposed adjacent to the square water channel. A fuel assembly for a boiling water nuclear reactor.