JP4313898B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型原子炉(BWRと記す)に用いられる限界出力特性を向上させた燃料集合体に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般にBWRで用いられる燃料集合体は、多数の燃料棒を正方格子状に束ねてチャンネルボックスで包囲した構造となっている。図6(a)〜(c)により従来のBWR用燃料集合体の一例を説明する。図6中、符号1で示す燃料集合体は、長尺燃料棒2、短尺燃料棒3およびウォータロッド6をスペーサ8で9行9列の正方格子状に束ねて上部タイプレート4および下部タイプレート5に固定して燃料棒束とし、この燃料棒束をチャンネルボックス7で包囲して構成されている。なお、図6(b)は(a)のB−B矢視断面図、図6(c)は(a)のC−C矢視断面図である。
【0003】
冷却材兼中性子減速材の水はチャンネルボックス7で包囲された空間を流れ、加熱されてボイドが発生する。チャンネルボックス7の外側に隣接する他方の燃料集合体のチャンネルボックスとの間には非沸騰水が存在し、ここからの熱中性子がチャンネルボックス7に近い他方の燃料集合体1の外側の部分に供給されるため、一方の燃料集合体1内で熱中性子束分布の不均一が生じる。
【0004】
熱中性子束分布の不均一は燃料棒の出力の不均一につながる。熱中性子束分布の不均一のある程度の是正と、減速材対核燃料物質比の適正化を図るため、燃料集合体1のほぼ中央に水が流れるウォータロッド6を配置している。この図6に示すウォータロッド6は横断面が円形であるが、必ずしも円形断面である必要はない。
【0005】
燃料集合体1の短尺燃料棒3は比較的下方に存在するため、図6(b)の断面図には短尺燃料棒3は図示されず空所となり、その空所部分は冷却材流路となっている。燃料集合体1の上部ではボイド率が高いため、圧力損失が増え、核燃料物質に対する減速材の量が少なくなるが、短尺燃料棒3が上部に存在しないことにより是正が図られている。
【0006】
従来、使用されている燃料集合体すべてが長さの異なる2種類の長尺燃料棒2と短尺燃料棒3を有するわけではなく、1種類の長さの燃料棒しか使用していない燃料集合体も多い。図7(a)に長尺燃料棒2の構成を示し、図7(b)に短尺燃料棒3の構成を示す。
【0007】
図7に示すように長尺燃料棒2、短尺燃料棒3はともに複数個の燃料ペレット10が被覆管11内に装填され、被覆管11の両端は上部端栓12および下部端栓13で封止され、被覆管11内の上部プレナム14内にスプリング15を設けて燃料ペレット10を押圧している。なお、短尺燃料棒3は下部にもプレナム14が設けられている。以下、燃料ペレットを単にペレットと呼称する。
【0008】
ペレット10の材質はほとんどの場合二酸化ウランである。最近では、ウランとプルトニウムの混合酸化物(MOX)の使用が始まっている。一部のペレットには熱中性子を吸収する可燃性毒物を含んでいる。可燃性毒物として一般に用いられているのはガドリニウムであり、酸化物であるガドリニア(Gd2 O3 )の形でペレットに混入される。
【0009】
1本の燃料棒に装填されるペレットは必ずしも1種類である必要はなく、核分裂性物質濃度、可燃性毒物濃度の異なる数種類のペレットを組合わせて使用することが多い。また、被覆管内部に装填するペレットの異なる数種類の燃料棒を組合わせて燃料集合体が構成される。
【0010】
燃料集合体1内の燃料棒の配置と燃料棒内のペレットの軸方向分布の一例を示したものが図8である。図8(a)は燃料集合体内の燃料棒の配置を示した横断面図、図8(b)は燃料棒内のペレットの軸方向分布を示す図である。図中、N1〜N5はガドリニアなし長尺燃料棒、Gはガドリニア入り長尺燃料棒、Vは短尺燃料棒、WRはウォータロッドで、長尺燃料棒はN1〜N5とGで示す6種類、短尺燃料棒Vは1種類である。短尺燃料棒Vは最外周から2層目の(2,2),(2,5)位置およびこれらの対称位置に設けられている。
【0011】
ペレットの材質は二酸化ウランで、一部のペレットには可燃性毒物としてガドリニアが混入されている。ペレットのウラン235 濃縮度は天然ウランを除いてa〜eの5種類であり、互いにa>b>c>d>eの関係となっている。ガドリニアの濃度はX.XG(wt%)という形で示す。
【0012】
長尺燃料棒N1〜N5,Gの上下端のハッチングで示す部分には天然ウランのペレットを装填している。ガドリニア入りペレットを装填した燃料棒Gは16本で、上下端部の天然ウランのペレットを除き、ガドリニア濃度が4.0 wt%、ウラン235 濃縮度がcのペレットを装填している。
【0013】
可燃性毒物入りペレット中の可燃性毒物濃度、可燃性毒物入りペレットの個数は次の条件から設定される。図9は図8に示した燃料集合体の領域I、IIの無限増倍率の燃焼に伴う変化を模式的に示したものである。この燃料集合体は約4サイクル使用されると仮定している。可燃性毒物が存在しない場合の無限増倍率を図中に点線で示す。
【0014】
この場合は、1,2,3,4サイクル目の燃料の無限増倍率がすべて燃焼とともに低下していくので、サイクル初期は極めて多数の制御棒を挿入する必要があり、また運転中次々と制御棒を引き抜いていく必要が生じる。可燃性毒物をペレットに混入すると、可燃性毒物が熱中性子を吸収するため無限増倍率を下げることができる。
【0015】
可燃性毒物は熱中性子を吸収することにより失われていき、無限増倍率の低下効果も小さくなっていく。可燃性毒物の濃度を変化させることにより、ほぼ完全に可燃性毒物が失われる(燃え尽きる)時期を調節することができる。初期の無限増倍率の低下量は可燃性毒物入りペレット個数に依存する。通常、可燃性毒物が燃え尽きる時期は1サイクル目末期としている。
【0016】
そして、初期の無限増倍率の低下量を適切に設定することにより、2,3,4サイクル目燃料の無限増倍率の燃焼に伴う減少を1サイクル目燃料の無限増倍率の燃焼に伴う増加が補償し、炉心の反応度をほぼ一定に保つことができ、使用する制御棒の本数とその挿入深さをほぼ一定として運転することができる。
【0017】
図8に示す燃料集合体の上下端部は可燃性毒物が存在しないが、この部分は中性子の漏れが大きく、またウラン235 含有量の小さい天然ウランを使用しているため、出力が低く燃料全体の特性に及ぼす効果は少ない。上下端部に可燃性毒物を入れないのは、あえてこの部分の出力を抑える必要がないからである。
【0018】
なお、以上の可燃性毒物についての説明は平衡状態に達した炉心に使用する取替燃料についてのものである。初装荷炉心に使用する初装荷燃料でも、炉心全体の反応度を適切に制御するために可燃性毒物を使用しているが、可燃性毒物が1サイクル目末期に燃え尽きるとは限らないなど違いがある。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
沸騰水型原子炉において、原子炉運転中に遵守すべき燃料に対する熱的制限条件の一つに最小限界出力比がある。限界出力とは沸騰遷移、すなわち核沸騰を超えた状態となる燃料集合体出力をいい、限界出力比は次式で定義される。
(限界出力比)=(限界出力)/(燃料集合体発生出力)
【0020】
炉心内に装荷されている各々の燃料集合体についての限界出力比のうち、最小のものが最小限界出力比と呼ばれ、燃料棒のバーンアウトに対する熱的余裕の尺度として用いられている。
【0021】
沸騰遷移を起こす燃料集合体出力が限界出力であるが、限界出力となってもすべての燃料棒が沸騰遷移を起こすわけではない。1本でも沸騰遷移を起こしやすい燃料棒があれば、燃料集合体の限界出力が小さくなってしまう。
【0022】
また、一部の燃料棒が沸騰遷移を非常に起こし難くても、燃料集合体の限界出力の観点からは意味がない。一部の燃料棒が可燃性毒物入りペレットを装填している燃料集合体では、可燃性毒物入りペレットを装填した燃料棒は沸騰遷移を起こしにくいが、他の燃料棒は沸騰遷移を起こしやすいという課題がある。
【0023】
燃料棒表面での沸騰遷移の起こりやすさには、その燃料棒の出力のほか、スペーサのように冷却材の流れに影響を与える部材の形状など影響する要因が多く、現時点では厳密に評価するには実験に頼るしかない。
【0024】
ただし、ここでは燃料部材の細かい構造にとらわれない一般的な議論を行うために、燃料棒の出力を使う。沸騰遷移が起こる可能性があるのはボイド率の高い燃料集合体の上部であるが、燃料棒全体の出力を使うのは、沸騰遷移の起こりやすさに大きく影響する冷却材のクオリティ(気相と液相の割合)には上流側、すなわち燃料棒の下方向の出力が問題となるからである。
【0025】
図10は、図8の燃料集合体の燃料棒の出力を平均を1としたときの各燃料棒の相対出力を表わしたものである。図10(a)は燃焼度0(図9のA点)のもの、図10(b)はガドリニアが燃え尽きた燃焼度(図9のB点)のものである。ガドリニア入りペレットを装填した燃料棒の値には○印をつけている。燃料集合体の軸方向出力分布は、上下端が低く中央部が高いものと仮定している。なお、図9は図8における燃料棒の可燃性毒物の無限増倍率への影響を、燃焼度との関係で示している。
【0026】
まず、図10(a)において、燃料集合体最外周の燃料棒の出力が高いのが目につくが、これはチャンネルボックス7の外側の非沸騰水からの熱中性子の供給が多いからである。ただし、非発熱のチャンネルボックス7の内面に沿ってクオリティの低い(液相の多い)冷却材の流れがあり、この冷却材流の一部が燃料集合体最外周の燃料棒表面に供給されるので、出力の割には沸騰遷移は起こりにくい。同様のことは、程度は小さいがウォータロッドに隣接する燃料棒についても言える。
【0027】
また、短尺燃料棒の出力が低いことも確認できる。これは、燃料棒の発熱部の長さが短いことによる。短尺燃料棒はボイド率の低い下部に位置していることもあり、その表面で沸騰遷移が起こる可能性は極めて低い。
【0028】
図10(a)では、ガドリニア入りペレットを装填した燃料棒は、熱中性子をガドリニアが吸収してしまうため、出力が他の燃料棒にくらべ極端に低い。また、図10(b)でもガドリニア入りペレットを装填した燃料棒の出力が低いが、これはウラン235 の濃縮度を低くしたためである。
【0029】
ガドリニア入りペレットのウラン235 の濃縮度を低く設定することは、多くの設計で採用されているが、その目的は、ペレットにガドリニアを混ぜた場合の熱伝導度の低下、融点の低下が起こり熱機械的特性が悪化するので、ガドリニアが燃え尽きた後でも出力を低く抑え、熱機械的特性の余裕を十分に確保することにある。
【0030】
このように、可燃性毒物入りペレットを装填した燃料棒の出力は低いので、相対的に他の燃料棒の出力は高く、その表面で沸騰遷移が起こりやすくなり、燃料集合体の限界出力が低くする。可燃性毒物入りペレットを装填した燃料棒は出力が低く、その表面で沸騰遷移が起こる可能性は非常に低いのであるが、このことは燃料集合体の限界出力には何ら寄与していない。
【0031】
本発明の上記課題を解決するためになされたもので、一部の燃料棒の出力が過度に低いために、相対的に他の燃料棒の出力が上昇して、その表面での沸騰遷移が起こりやすくなって限界出力が低下するのを防止し、もって、多数の燃料棒の限界出力特性を向上し得る燃料集合体を提供することにある。
【0038】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、多数本の燃料棒を正方格子状に配列し水が流れるウォータロッドを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記多数本の燃料棒はその有効長において長尺燃料棒と短尺燃料棒の2種類に区分されており、前記燃料集合体の最外周部のすべての燃料棒とウォータロッドに隣接する部分の燃料棒には可燃性毒物なしペレットを装填し、前記最外周部と前記ウォータロッドに隣接する部分以外のすべての前記長尺燃料棒には被覆管内の少なくとも軸方向の一部に可燃性毒物入りペレットを装填してなることを特徴とする。
【0041】
請求項2の発明は、多数の燃料棒を正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、水平断面における可燃性毒物入りペレットの存在する位置を基準として軸方向に領域分けをした場合、可燃性毒物入りペレットが存在する領域のうち、第1の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している燃料棒は外周から2層目のコーナー位置にある場合を除いて第2の領域では可燃性毒物入りペレットを装填していない。
【0042】
また、その逆に第2の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している燃料棒は外周から2層目のコーナー位置にある場合を除いて第1の領域では可燃性毒物入りペレットを装填しない2つの第1および第2の領域が存在することを特徴とする。
【0043】
外周から2層目のコーナー位置は、チャンネルボックス外部の非沸騰水からの熱中性子の影響が、燃料集合体最外周に次いで大きく、燃料棒の出力が高くなりやすい。しかし、チャンネルボックスに隣接してはいないので、チャンネルボックス内面を流れるクオリティの低い(液相の多い)冷却材の流れの供給はない。このためこの位置は、沸騰遷移がもっとも起こりやすくなっている。
【0044】
そこで、この位置の燃料棒に限っては、第1の領域でも第2の領域でも可燃性毒物入りペレットを装填することを許容し出力を特に低くすることが、燃料集合体の限界出力の点で有利となる。
【0045】
請求項3の発明は、請求項2記載の燃料集合体において、可燃性毒物入りペレットが存在する領域では、外周から2層目のコーナー位置には必ず可燃性毒物入りペレットが存在することを特徴とする。沸騰遷移がもっとも起こりやすい、外周から2層目のコーナー位置の燃料棒の出力を非常に低くすることができる。
【0046】
請求項4の発明は、請求項2または3に記載の燃料集合体において、第1の領域および第2の領域の可燃性毒物入りペレットは、核分裂性物質の濃度について前記各々の領域のペレット中最大ではないことを特徴とする。可燃性毒物入りペレットの核分裂性物質濃度を低い場合は、可燃性毒物が燃え尽きた後でも出力が低くなり、請求項5から7までのいずれかの発明による限界出力向上効果が可燃性毒物が燃え尽きた後でも持続する。
【0047】
請求項5の発明は、請求項2から4までのいずれかの燃料集合体において、第1の領域は第2の領域より上方に位置し、かつ第2の領域の上端は燃料集合体軸方向中央より上方にあることを特徴とする。
【0048】
沸騰遷移は燃料棒の上方ほど起こりやすく、冷却材のクオリティが沸騰遷移を起こりやすさに大きく影響する。冷却材は燃料棒に沿って流れてくるので燃料棒の下方の出力が影響するが、隣接する燃料棒近傍の冷却材の流れとの混合も起こっているので、燃料棒の下方ほどその部分の出力が燃料棒表面の沸騰遷移の起こりやすさに与える影響は小さくなる。よって、第1の領域、第2の領域が燃料集合体の下方にあるより、上方にあるほうが、限界出力改善効果は大きくなる。
【0049】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
図1および図2により本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る燃料集合体の構造は図6(a)〜(c),燃料棒の構造は図7(a),(b)で示したものと本質的に変るものではないので、これらの説明は省略する。
【0050】
図1(a),(b)は本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態を説明するための図で、図1(a)はチャンネルボックス7内の燃料棒とウォータロッドの配置を示した横断面図、図1(b)は燃料棒内のペレットの軸方向分布図で、図1(a)は図8(a)に対応し、図1(b)は図8(b)に対応し、図1中、図8と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【0051】
本実施の形態が従来例と異なる点は、図8に示した従来の燃料集合体に比較して最高濃縮度のペレットを装填した燃料棒N1の本数を16本減らし、かつほぼ全長に渡ってガドリニア入りペレットを装填した燃料棒Gを除去し、その代りに、それらの燃料棒に装填しているペレットを組合わせて部分的にガドリニア入りペレットを装填した燃料棒G1とG2を16本ずつ設けたことにある。
【0052】
なお、その他の燃料棒N2〜N5とVには変更はない。本実施の形態の燃料集合体と従来の燃料集合体は、燃料集合体平均のウラン235 濃縮度、使用しているガドリニアの量は全く同じである。
【0053】
ガドリニア入り長尺燃料棒G1,G2の水平方向の位置を基準として図1の燃料集合体を軸方向に領域分けをすると、4つの領域に分けられる。領域Iと領域IIでのガドリニア入りペレットの配置が全く異なり、ガドリニア入りペレットのウラン235 濃縮度は領域I、領域IIにおいて最高ではないので、領域Iと領域IIは請求項5、8に記載した発明に係る燃料集合体の第1の領域と第2の領域の関係にある。また、軸方向の位置の観点から、領域Iは請求項9に記載した発明に係る燃料集合体の第1の領域に対応し、領域IIは第2の領域に対応する。
【0054】
燃料集合体全体では部分的にガドリニア入りペレットを装填した燃料棒が32本あり、最外周部とウォータロッドに隣接する部分以外の長尺燃料棒すべてがガドリニア入りペレットを装填した燃料棒となっている。
【0055】
図2は、図1の燃料集合体の燃料棒の出力を平均を1とした相対出力で表わしたものである。図2(a)は燃焼度0のもの、図2(b)はガドリニアが燃え尽きた燃焼度のものである。図2(a),(b)中○で囲んだ部分はガドリニア入りペレットを装填したガドリニア入り燃料棒である。図2を図10と比較すると、ガドリニア入りペレットを装填した燃料棒32本の出力の低下が適度であり、ガドリニアを含まない燃料棒と比べて極端に出力が低下する現象が回避されていることがわかる。
【0056】
最外周の燃料棒とウォータロッド2本に隣接する燃料棒は、熱中性子の供給が多い位置にあり、ガドリニア入りペレットを装填していないので出力が高いが、チャンネルボックス内面やウォータロッド外面からのクオリティの低い冷却材の供給があるため沸騰遷移は起こりにくい。それ以外の燃料棒の出力の最大値を図2と図10で比較すると、図2のほうが低くなっている。特に燃焼度0の時点では効果が大きい。
本実施の形態によれば、沸騰遷移の起こる可能性の高い位置の燃料棒の出力の最大値を抑制することができ、燃料集合体の限界出力が向上する。
【0057】
(第2の実施の形態)
つぎに図3(a),(b)により本発明に係る燃料集合体の第2の実施の形態を説明する。図3(a)は燃料集合体内の燃料棒の配置を示した横断面図、図3(b)は燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布を示す図である。
【0058】
本実施の形態に係る燃料集合体が、図1や図8に示した燃料集合体と異なる点は、チャンネルボックス7内に配列する短尺燃料棒Vの長さと位置が異なっていることにある。すなわち、短尺燃料棒Vを最外周の中央の(1,5)位置と最外周から3層目の(3,3)位置およびこれらの対称位置に設け、短尺燃料棒Vは従来例よりも短くなっている。
【0059】
ガドリニア入り長尺燃料棒G1〜G3のうち外周から2層目のコーナー位置に配置される燃料棒G1を除いた、燃料棒G2,G3の水平方向の位置を基準として図3の燃料集合体を軸方向に領域分けをすると、4つの領域に分けられる。領域Iと領域IIでのガドリニア入り長尺燃料棒の配置は外周から2層目のコーナー位置を除いて異なり、ガドリニア入り長尺燃料棒のウラン235 濃縮度は領域I、領域IIにおいて最高ではないので、領域Iと領域IIは請求項6、8に記載した発明に係る燃料集合体の第1の領域と第2の領域の関係にある。
【0060】
また、軸方向の位置の観点から、領域Iは請求項9に記載した発明に係る燃料集合体の第1の領域に対応し、領域IIは第2の領域に対応する。ガドリニア入りペレットのない上下端部を除いた領域では、外周から2層目のコーナー位置の燃料棒はガドリニア入りペレットを装填しているので、請求項7に記載した発明に係る燃料集合体でもある。
【0061】
ガドリニア入りペレットを装填したガドリニア入り長尺燃料棒G1〜G3は3種類、計28本であり、最外周とウォータロッド6に隣接する部分を除く位置の長尺燃料棒はすべてガドリニア入りペレットを装填した燃料棒となっている。軸方向のほぼすべてにわたってガドリニア入りペレットを装填した燃料棒G1は、外周から2層目のコーナー位置に配置している。
【0062】
外周から2層目のコーナー位置は、チャンネルボックス7の外部の非沸騰水からの熱中性子の影響が、燃料集合体最外周に次いで大きく、燃料棒の出力が高くなりやすい。しかし、チャンネルボックス7に隣接してはいないので、チャンネルボックス7の内面を流れるクオリティの低い(液相の多い)冷却材の流れの供給はない。このためこの位置は、沸騰遷移が最も起こりやすくなっている。
【0063】
本実施の形態では、沸騰遷移が最も起こりやすい位置の長尺燃料棒に軸方向のほぼすべてにわたってガドリニア入りペレットを装填して出力を特に低くしている。また、その次に沸騰遷移を起こしやすい位置の長尺燃料棒には、軸方向の一部分にガドリニア入りペレットを装填して出力をある程度下げている。このようにして、限界出力の観点から望ましい燃料棒出力分布を作り出している。
【0064】
(第3の実施の形態)
つぎに図4(a),(b)により本発明に係る燃料集合体の第3の実施の形態を説明する。図4(a)はチャンネルボックス7内の燃料棒の配置を示した横断面図、図4(b)は燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布を示す図である。ウォータロッド6は角筒状のものが1本であり、燃料棒は有効長がすべて同じで72本ある。
【0065】
ガドリニア入り長尺燃料棒G1〜G3のうち外周から2層目のコーナー位置に配置される燃料棒G1を除いた、燃料棒G2,G3の水平方向の位置を基準としてこの燃料集合体を軸方向に領域分けをすると、4つの領域に分けられる。
【0066】
領域Iと領域IIでのガドリニア入り長尺燃料棒G1〜G3の配置は外周から2層目のコーナー位置を除いて異なり、ガドリニア入り長尺燃料棒G1〜G3のウラン235 濃縮度は領域I、領域IIにおいて最高ではないので、領域Iと領域IIは請求項6、8に記載した発明に係る燃料集合体の第1の領域と第2の領域の関係にある。
【0067】
また、軸方向の位置の観点から、領域Iは請求項9に記載した発明に係る燃料集合体の第1の領域に対応し、領域IIは第2の領域に対応する。ガドリニア入りペレットのない上下端部を除いた領域では、外周から2層目のコーナー位置の燃料棒はガドリニア入りペレットを装填しているので、請求項7に記載された発明に係る燃料集合体でもある。
【0068】
最外周部とウォータロッド6に隣接する部分以外にもガドリニア入りペレットを装填していない燃料棒がある。これらの燃料棒についてはウラン235 濃縮度が最高の燃料棒N1ではなく、やや濃縮度の低い燃料棒N2を使用して、ある程度出力を下げている。
【0069】
本実施の形態によれば、軸方向のほぼすべてにわたってガドリニア入り長尺燃料棒G1、軸方向の一部分にガドリニア入り長尺燃料棒G2とG3、ガドリニア入りペレットは装填していないが濃縮度のやや低いガドリニアなし燃料棒N2を、最外周部とウォータロッドに隣接する部分以外の位置に適宜配置して、限界出力の観点から望ましい燃料棒出力分布を作り出すことができる。
【0070】
(第4の実施の形態)
つぎに図5(a),(b)により本発明に係る燃料集合体の第4の実施の形態を説明する。
【0071】
図5(a)はチャンネルボックス7内の燃料棒とウォータロッド6の配置を示した横断面図、図5(b)は燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布を示す図である。図5(a),(b)中、Nはガドリニアなし長尺燃料棒、G1〜G3はガドリニア入り長尺燃料棒、VGはガドリニア入り短尺燃料棒である。燃料棒内ペレットの核燃料物質としてはウランとプルトニウムを混合酸化物(以下MOX燃料と記す)のペレットとして装填している。可燃性毒物はガドリニアである。プルトニウム富化度やウラン235 濃縮度は、本実施の形態の説明に必要ではないので、図5ではプルトニウム富化度やウラン235 濃縮度でペレットや燃料棒を区別していない。
【0072】
MOX燃料は、中性子スペクトルが硬くなり、ガドリニウムの中性子吸収量が減り、無限増倍率の低減効果が小さくなる特長がある。このため、MOX燃料ではガドリニア入りペレットの数を増加する必要がある。ガドリニウムの中性子吸収量が減少するわけであるから、ガドリニア入りペレット中のガドリニア濃度は低くする。
【0073】
ガドリニア入り長尺燃料棒G1〜G3の水平方向の位置を基準として、図5の燃料集合体を軸方向に領域分けをすると、3つの領域に分けられる。領域Iでの水平断面では66個所の燃料棒のうち22個所に、領域IIでの水平断面では74個所の燃料棒のうち22個所に、領域III での水平断面では66個所の燃料棒のうち14本個所にガドリニア入りペレットを装填している。
【0074】
軸方向の少なくとも一部にガドリニア入りペレットを装填した燃料棒は42本であるが、軸方向のほぼ全長にガドリニア入りペレットを装填した長尺燃料棒に換算すると約22本でありウラン燃料の場合より多いことがわかる。
【0075】
本実施の形態によれば、最外周部以外のすべての燃料棒の軸方向の少なくとも一部にガドリニア入りペレットを装填することにより、必要なガドリニア入り燃料棒本数の多いMOX燃料でも、適切な燃料棒出力分布よる限界出力の向上を図ることができる。
【0076】
【発明の効果】
本発明によれば、多数本の燃料棒の出力を平均化して、特定の燃料棒の沸騰遷移が高くなることによって生じる限界出力の低下を防止して、限界出力特性の高い燃料集合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態の燃料棒配置図、(b)は(a)における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。
【図2】(a)は図1の燃料集合体における燃料棒の燃焼度0の場合の相対出力図、(b)はガドリニアが燃え尽きた燃焼度の場合の相対出力図。
【図3】(a)は本発明に係る燃料集合体の第2の実施の形態の燃料棒配置図、(b)は(a)における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。
【図4】(a)は本発明に係る燃料集合体の第3の実施の形態の燃料棒配置図、(b)は(a)における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。
【図5】(a)は本発明に係る燃料集合体の第4の実施の形態の燃料棒配置図、(b)は(a)における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。
【図6】(a)は従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の一例を一部切り欠いて示す縦断面図、(b)は(a)におけるB−B矢視断面図、(c)は(a)におけるC−C矢視断面図。
【図7】(a)は図6における燃料集合体の長尺燃料棒を一部断面で示す立体図、(b)は同じく短尺燃料棒を一部断面で示す立体図。
【図8】(a)は従来の燃料集合体の燃料棒配置図、(b)は(a)における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。
【図9】図8における燃料棒の可燃性毒物の無限増倍率への影響を示す特性図。
【図10】(a)は従来の燃料集合体の燃料棒の燃焼度0の場合の相対出力図、(b)はガドリニアが燃え尽きた燃焼度の場合を示す相対出力図。
【符号の説明】
1…燃料集合体、2…長尺燃料棒、3…短尺燃料棒、4…上部タイプレート、5…下部タイプレート、6…ウォータロッド、7…チャンネルボックス、8…スペーサ、9…外部スプリング、10…燃料ペレット、11…被覆管、12…上部端栓、13…下部端栓、14…プレナム、15…スプリング。
Claims (5)
- 多数本の燃料棒を正方格子状に配列し水が流れるウォータロッドを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記多数本の燃料棒はその有効長において長尺燃料棒と短尺燃料棒の2種類に区分されており、前記燃料集合体の最外周部のすべての燃料棒とウォータロッドに隣接する部分の燃料棒には可燃性毒物なしペレットを装填し、前記最外周部と前記ウォータロッドに隣接する部分以外のすべての前記長尺燃料棒には被覆管内の少なくとも軸方向の一部に可燃性毒物入りペレットを装填してなることを特徴とする燃料集合体。
- 前記多数本の燃料棒を正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、水平断面における可燃性毒物入り燃料棒の存在する位置を基準として軸方向に領域分けをした場合、前記可燃性毒物入り燃料棒が存在する領域のうち、第1の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している燃料棒は外周から2層目のコーナー位置にある場合を除いて第2の領域では可燃性毒物入りペレットを装填しておらず、またその逆に第2の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している燃料棒は外周から2層目のコーナー位置にある場合を除いて第1の領域では可燃性毒物入りペレットを装填しない2つの第1および第2の領域が存在することを特徴とする請求項1記載の燃料集合体。
- 前記可燃性毒物入り燃料棒が存在する領域では、外周から2層目のコーナー位置には必ず可燃性毒物入りペレットが存在することを特徴とする請求項2記載の燃料集合体。
- 前記第1の領域および第2の領域の可燃性毒物入り燃料棒のペレットは、核分裂性物質の濃度についてそれぞれ前記領域の燃料棒のペレット中最大ではないことを特徴とする請求項2または3記載の燃料集合体。
- 前記第1の領域は前記第2の領域より上方に位置し、かつ前記第2の領域の上端は燃料集合体の軸方向中央より上方にあることを特徴とする請求項2ないし4のいずれかに記載の燃料集合体。
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