JP4409191B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - 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(以下、BWRと記す)用の燃料集合体、特に、運転サイクルの長期化やプラントの出力アップレート化、あるいは高燃焼度化に適したウラン濃縮度(以下、単に「濃縮度」と記す)の高い燃料集合体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
(集合体の種類)
格子タイプについて、BWRには2種類の格子の炉心がある。一つは,燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側と反制御棒挿入側とで等しい対称炉心である(以下、C格子炉心と記す)。もう一つは,制御棒挿入側が反制御棒挿入側より広い非対称炉心である(以下、D格子炉心と記す)。D格子炉心では,中性子の減速は,ギャップ幅が広い制御棒側で大きく,ギャップ幅が狭い反制御棒側で小さくなるため,C格子炉心に比べて,燃料集合体内の燃料棒の出力分布の歪みは自ずと大きくなる。
【0003】
また、燃料タイプについては、現在の国内において9行9列の正方格子に燃料棒を配置した9×9燃料が高燃焼度化燃料の主流となっている。9×9燃料にはA型とB型との2種類がある。図15は9×9燃料のA型の構造を示す説明図であり、図16は9×9燃料のC格子炉心のB型の構造を示す説明図であり、図17は9×9燃料のD格子炉心のB型の構造を示す説明図である。各図に示す通り、A型は燃料棒7本分に相当する領域に太径の丸管の水ロッド2本を配した構造、B型は燃料棒9本分に相当する領域を占める角管の水ロッド1本を配した構造となっているのが最大の特徴である。A型では2本の水ロッドは、燃料断面中央に図15の如く配されている。B型の場合、C格子炉心向けには角管の水ロッドは図16の如く断面中央に配されているが、D格子炉心向けには、半径方向での中性子束の平坦化を目的として、図17の如く反制御棒側に1燃料棒ピッチだけ中心からずれた位置に配置されている。
【0004】
さらに、9×9燃料に後続して開発されている燃料として10×10燃料がある。図18は10×10燃料のA型の構造を示す説明図であり、図19は10×10燃料のB型の構造を示す説明図である。各図に示す通り、A型は燃料棒8本分に相当する領域に太径の丸管の水ロッド2本を配した構造、B型は燃料棒9本分に相当する領域を占める角管の水ロッド1本を配した構造となっているのが最大の特徴である。
【0005】
9×9燃料B型を除く燃料集合体には、燃料有効長が他の燃料棒よりも短い、部分長燃料棒が用いられる。この場合、典型的には燃料集合体の燃料有効長のうち、上部側の1/3程度は一部の燃料棒が欠落した断面構造となる。図15〜図19は、本発明で着目している燃料集合体の下部断面について示している。下部断面における燃料棒本数は、それぞれ、9×9燃料A型で74本、9×9燃料B型で72本、10×10燃料A型で92本、10×10燃料B型で91本である。
【0006】
(経済性向上の要求)
BWRでは上記の如き格子タイプや燃料タイプに対し経済性を高めるために、1)プラントの設備利用率の向上による経済効果をねらった運転サイクルの長期化やプラントの出力アップレート化と、
2)燃料集合体の1体当たりの取出燃焼度を大きくして経済性向上をねらった平均取出燃焼度の高い燃料の設計と、
が有力な方法として考えられている。ここで、プラントの出力アップレート化とは、原子炉の定格出力の増強を意味する。
【0007】
アップレートには、
(a) 給水流量測定の不確実さを低減し出力をより正確に計算することで1.5%程度の出力増加を図るパワー・アップレートと、
(b) 計装の設計値の変更により7%程度までの出力増加を図る、通常は発電所の大がかりな設備変更を伴わないストレッチ・アップレートと、
(c) さらに高圧タービンや復水ポンプ、モータ、発電器、変圧器といったバランス・オブ・プラントの大がかりな改修による20%程度の出力増加を図る拡大ストレッチ・アップレートと
に分類される。尚、パワー・アップレートとストレッチ・アップレートとは、拡大ストレッチ・アップレートに比べ比較的容易にできる可能性が高く、この場合、原子炉の定格出力の増強は1.5乃至7%程度となる。
【0008】
(高濃縮度化)
前記1)における運転サイクルの長期化やプラントの出力アップレート化の何れの場合でも、燃料を装荷し原子炉を運転してから所定の運転期間を終えるまでの1サイクルあたりに発生する総エネルギーは大きくなる。換言すれば、所要サイクル燃焼度が大きくなるので、同じ平均取出燃焼度を得るためには燃料の濃縮度を高めておく必要がある。また、前記2)の高燃焼度化燃料の設計に際しても、予め燃料の反応度を高くしておく必要があることから、燃料の高濃縮度化は欠かせない。このように上記1)、2)の方法に対しては、燃料集合体に対して、ウラン235で代表される核分裂性物質の平均濃縮度を高めることが、有効且つ不可欠である。
【0009】
燃料集合体の核設計では、経済性や熱的運転余裕の確保などを目的に、燃料集合体の半径方向及び軸方向の濃縮度配列やガドリニアの分布を決定することが主な作業である。一般に、燃料の核設計では、燃料棒の出力分布を適正化し、運転中の熱的運転余裕等を確保するため、通常、濃縮度の異なる燃料ぺレットを用いる。この際、使用する燃料ペレットの濃縮度レベルの相対間隔は、製造上の濃縮度判別を容易にでき、また、核設計において燃料棒出力を最適化するに十分な間隔として定められたもので、通常は10%程度以上の相対間隔としている。BWRでは、こうした条件下で段階的に高濃縮度化を進めており、現在、燃料集合体の平均濃縮度は4.0wt%程度まで高められている。更なる高濃縮度化に際しては、取り扱い可能なウラン濃縮度は、現在、5wt%までであるため、経済性や熱的運転余裕の確保などを前提として、如何に燃料集合体の平均濃縮度を高めるかが課題となる。
【0010】
(ガドリニア設計)
上記1)による所要サイクル燃焼度の増加に伴い、長期間に亘り反応度を抑制するためには、燃料中に添加するガドリニアで代表される可燃性毒物についても長い期間の毒作用が必要となる。このため、通常は、添加するガドリニアの濃度を予め濃くしておく必要がある。また、一般に、高燃焼度化を目的に平均取出燃焼度を高める場合、運転サイクルの始めに装荷する新燃料の取替体数が少なくなることから、サイクル初期の反応度を適切に制御するためには、新燃料、つまり、未燃焼時の燃料の反応度をより多く抑制しておく必要がある。通常は、ガドリニア入り燃料棒の本数を増加させておく必要がある。
【0011】
(熱的制限値)
原子炉運転中の熱的制限値には、最小限界出力比(MCPR)と最大線出力密度(MLHGR)とがある。最小限界出力比(MCPR)は、燃料棒表面が冷却不十分となる結果、沸騰遷移を起こし、加熱により損傷を起こさないよう監視するものである。一般に、燃料棒の出力が小さいほど、燃料棒の表面熱流束が小さいほど最小限界出力比に対する運転余裕は大きくできる。これとは別に、冷却水の流動特性を改善することでも沸騰遷移を起こりにくくすることができ、最小限界出力比の運転余裕を大きくできる。これには、例えば、燃料棒を束ねる部材であるスペーサに対し、燃料棒表面に液滴を付着させるよう冷却水に横流れや旋回流もたらす構造とする等の方法がある。このように最小限界出力比については、集合体中の燃料棒の表面積を大きくし表面熱流束を小さくするために燃料棒本数を増やす等といった、燃料集合体の基本構造を変えることなく、スペーサなどの構成部材の変更によっても、ある程度の運転余裕の拡大を図ることができる。
【0012】
(最大線出力密度)
もう一つの熱的制限値は最大線出力密度である。まず、線出力密度(LHGR)は(2)式で示される。
【0013】
【数2】
LHGR=LHGRave ×PR×PA×PF …(2)
ここで、
LHGRave :定格出力時における燃料集合体の平均線出力密度
PR :炉心内の燃料集合体の出力について、当該燃料集合体と平均値との比
PA :燃料集合体断面の出力について、当該軸方向位置と平均値との比
PF :燃料集合体断面の燃料棒の出力について、当該燃料棒と平均値との比、つまり燃料棒相対出力
である。
【0014】
また、LHGRave は、次の(3)式で求めることができる。
【0015】
【数3】
LHGRave =PBave ×FRAC/(AFL×N) …(3)
ここで、
PBave :定格熱出力運転における燃料集合体1体当たりの平均出力(=定格熱出力/炉内燃料体数)
FRAC:総出力のうち燃料棒中で発生する割合
N :燃料集合体1体当たり燃料棒本数
AFL :燃料有効長
である。
【0016】
なお、熱出力のうち、燃料棒内での発熱は約95%であり、残りの約5%は直接減速材内で発熱する。つまりFRACの典型値は0.95である。(2)式に(3)式を代入すると、次の(4)式となる。
【0017】
【数4】
LHGR=PBave ×FRAC×PR×PA×PF/(AFL×N) …(4)
【0018】
最大線出力密度(MLHGR)は、線出力密度(LHGR)の炉内最大値であり、運転中最大線出力密度はその制限値以下となるよう運転され、監視される。現在、運転中の最大線出力密度の運転制限値は44kW/mである。
【0019】
MLHGRを小さくし運転余裕を増大させるには、(4)式の分母を大きくするか、右辺分子を小さくする必要がある。分母については、AFLの増加は燃料有効長の伸長に当たるが、その程度は、炉内構造物との取り合いの関係で2%〜3%が限界である。また、Nの増加としては、燃料集合体の格子数の増加、例えば9×9から10×10、更には、11×11格子の燃料への変更が考えられるが、この場合には、燃料集合体の大幅な設計変更を伴う。次に、分子については、まず、PBave を小さくすることは運転時の原子炉熱出力を減じることにあたり、経済性上好ましくない。また、FRACは構造材や炉心内のボイド率分布に依存するが、その違いによる感度は小さく、設計により容易に変更できるものではない。
【0020】
さらに(PR×PA)の低減は、燃料集合体の半径方向出力分布や軸方向出力分布の歪みを小さくして原子炉を運転することにあたる。半径方向出力分布を平坦化するためには、反応度の高い燃料を炉心外層付近などのもともと出力が高まり難い場所に配置したりする必要があり、この場合、炉心の反応度が低下してしまうため、経済性上好ましくない。また、スペクトルシフト運転のように、炉心流量を下げてボイド率を高め、上部のプルトニウムの蓄積を促進する運転を実施する方法は経済性を高める方法がある。この場合、出力分布が下部側に歪む程度を大きくすることになるため、軸方向出力分布の平坦化つまり、PAの低減を行うとスペクトルシフト運転の効果が小さくなってしまい経済性上好ましくない。
【0021】
このように考えると最大線出力密度の低減を達成するには、PFの低減を行うことが最も効率的かつ効果的である。一般に、運転期間中最大線出力密度が最も大きくなるのは、ガドリニアの毒性が強く燃料棒相対出力(PF)が大きくなる新燃料か、ガドリニアの毒性が消えて燃料集合体断面の出力(PR×PA)が高くなる2サイクル目燃料であり、その軸方向位置は、ボイド率が小さく反応度の大きな燃料下部である。
【0022】
(燃料の損傷限界)
核燃料には、酸化ウランを焼結したペレットが用いられる。安全設計上は、燃料棒が周方向1%の塑性歪みを起こす時点を燃料棒の損傷限界として定めている。燃料棒はプラントの過渡変化により過出力状態となって、燃料棒の出力が上昇しても1%塑性歪みを起こすことがないよう設計される。燃料棒が1%塑性歪みを起こす出力を、1%塑性歪み相当出力と呼ぶ。通常、ウラン燃料棒の場合、1%塑性歪み相当出力は、通常運転時における最大線出力密度の運転制限値に対して、およそ70%の過出力である。これは、通常、最大線出力密度の運転制限値44kW/mに対し、およそ75kW/mに相当する。プラント過渡における表面熱流束の上昇は120%程度であるため、従来から燃料棒は、損傷限界に対し十分な余裕をもって設計されている。
【0023】
(ガドリニア入り燃料棒)
ガドリニアを添加したペレットは、ガドリニアを添加しない場合よりも熱伝導度が悪くなり、この分、ペレットの中心温度は高くなる傾向がある。この結果、プラントの過渡状態で原子炉の出力が上昇し、燃料棒の線出力が高まった場合、ガドリニアを添加したペレットを含む燃料棒(以下、ガドリニア入り燃料)の周方向における歪み量は、ガドリニアを添加しないペレットからなる燃料棒(以下、ウラン燃料棒)よりも大きくなる。1%塑性歪み相当出力の低下は、ガドリニア濃度が高いほど顕著である。従来から核設計においてはガドリニア入り燃料棒の出力をウラン燃料棒よりも、予め小さくなるよう配慮した設計がなされる。つまり、集合体断面での燃料棒の相対出力は、常にウラン棒で最大となるよう設計される。
【0024】
(ガドリニア入り燃料棒の出力)
燃料集合体断面におけるウラン燃料棒の相対出力の最大値をPFUとし、ガドリニア入り燃料棒の相対出力をPFGdとする。このとき、最大線出力密度を与える断面では、ガドリニア入り燃料棒の線出力密度(LHGRGd)は次の(5)式で与えられる。(5)式においてMLHGRは、その制限値(典型的には44kW/m)以下に抑えられて運転される。
【0025】
【数5】
LHGRGd=MLHGR×PFGd/PFU …(5)
【0026】
これより、ガドリニア入り燃料棒の1%塑性歪み相当出力をウラン燃料棒よりも相対的に低減させるには、PFGd/PFUを下げればよいことは自明である。このためには、ウラン棒の相対出力を上げるか、ガドリニア入り燃料棒の相対出力を下げればよい。但し、燃料集合体構造の変更なしにウラン棒の相対出力を大きくしすぎると(4)式でPR×PAを小さくした運転が必要となる。これは、前述のとおり、経済性の悪化を招く。つまり、ウラン棒の相対出力を過度に高めることは炉心の運転をも考慮した経済性の観点からは好ましくない。
【0027】
一方、ガドリニア入り燃料棒の相対出力を低減する方法としては、まず、ガドリニア入り燃料棒の濃縮度を低減する方法がある。この場合、必要以上に濃縮度を低減してしまうと、高燃焼度化に必要なだけ集合体の平均濃縮度を高められないといった問題が生じる。その他の方法として、燃料集合体中の出力の高まりにくい半径方向位置にガドリニア入り燃料棒を配する方法があるが、その位置には限りがあるため多数本のガドリニア入り燃料棒が配置できなくなってしまう。あるいは、ガドリニア入り燃料棒が互いに隣接してしまう結果、燃焼初期における反応度制御に必要なガドリニア入り燃料棒の数が増えてしまい、設計の自由度やウラン装荷量が減り経済性の悪化をまねく場合がある。
【0028】
(従来例1)
本発明者は、以前にも上記問題に着目し、これを解決する手段を示した(例えば、特許文献1参照)。図20はその典型的な実施例の一つである。a図は、燃料集合体断面を示している。一つの升目が燃料棒を表し、b図にある燃料棒タイプの配置を示している。b図の燃料棒タイプには、濃縮度(例えば4.90は4.90wt%の濃縮度を示す)とガドリニア濃度(例えば10.0Gは10.0wt%のガドリニア濃度を示す)を記載してある。本例は燃料棒9本分にあたる領域に水ロッドを配した9×9格子の燃料集合体において、ペレット最高濃縮度5wt%以下の制限下において高濃縮度化を図り、運転サイクル長期化と高燃焼度化を目標としたものである。この技術の手段は、下部領域の大部分に最高濃縮度ペレットを含み、かつ、上部領域の大部分に最高濃縮度より低濃縮度のペレットを含む燃料棒(図中タイプ2の燃料棒で、断面位置1b、1h、2a、2i、8a、8i、9b、及び9hの8本)をコーナロッドと水ギャップの両方に隣接する燃料棒位置に配置し、さらに、少なくとも下部領域の一部もしくは大部分においてガドリニア入りペレットを含む燃料棒(図中タイプG1の燃料棒で、断面位置2b、2h、8b及び8hの4本)を、上述の燃料棒タイプ2に隣接し、しかも水ギャップに横隣接しない位置に配置したものである。
【0029】
この従来技術のねらいの1つは、線出力密度が大きくなりやすい下部領域において、燃料棒タイプ2の出力ピーキングが燃焼初期で過大とならないように、また、燃焼中期で過小とならないようにすることで、運転中の最大線出力密度を許容範囲内に抑えると共に、ガドリニア入り燃料棒の線出力をウラン燃料棒の線出力に比して相対的に低減することにより、高濃度のガドリニアを添加した場合であっても、ガドリニア入り燃料棒の熱機械的健全性を確保することである。
【0030】
【特許文献1】
特開2001−318181号公報
【0031】
【発明が解決しようとする課題】
9×9燃料は、先行する8×8燃料に比べて、燃料棒本数が多くなるので、平均線出力密度は低減する。この分、9×9燃料は集合体の最外層に濃縮度の高い燃料棒を比較的多く配置できる。さらに、従来技術を利用することで、ガドリニア入り燃料棒の熱機械的健全性を確保しつつ、最大線出力密度は運転制限値に対しある程度余裕が確保できると考えられる。
【0032】
しかしながら、この従来技術の場合、高濃度のガドリニアが添加できることを利用して、高濃度のガドリニアを添加したペレットを有効発熱部下方に配し、燃焼中期における燃料下部の反応度の抑制を図っているものの、サイクル中期の最大線出力密度の運転余裕を更に拡大できる技術が見つけられれば、経済性はより向上するはずである。
【0033】
つまり、更なる熱的運転余裕の増加は、炉心設計に対する自由度の増加、ひいては、経済性の向上につながる。例えば7%の出力アップレートを行った場合には、これに伴い、運転中の最大線出力密度も約7%大きくなるため、運転余裕を確保する必要がある。従って、こうした課題や問題に対し、更なる技術の導入が望まれる。
【0034】
10×10燃料は、9×9燃料よりも更に燃料棒本数が増えるため、上記のような最大線出力密度の課題を解決する有力な手段である。しかし、開発や先行使用による実証などにかかる時間と費用を考えると容易ではなく、現行の9×9燃料の構造に対し、核設計の最適化のみで上記のような最大線出力密度を解決できれば、最も効率がよい。さらに、10×10燃料の設計については、燃料棒本数が増える特徴を最大限に生かし、9×9燃料では到達し得ない経済効果を狙うことにこそ意義があると考えられる。具体的には、9×9燃料と同程度の運転余裕を維持して更なる高燃焼度化、つまり、高濃縮度化を達成できることが望ましい。
【0035】
本発明は、燃料棒の熱機械設計上の安全性を確保しつつ、運転中の最大線出力密度の運転余裕が大きく、また、濃縮度が高く経済性のよい燃料集合体を提供することを目的とする。
【0036】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
【数6】
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側と反制御棒挿入側とで等しい格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が9行9列の正方格子配列に配置されていると共に、前記燃料集合体の断面中心部の燃料棒9本分の領域が1本の角型形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、コーナ部の燃料棒とその両隣に位置する燃料棒は全て最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域R1:水ロッドの辺の中央部に隣接する領域と、
領域R2:水ロッドの辺の側部に隣接する領域と、
領域R0:上記以外の領域と、
の3領域に分けたとき、前記(1)式のLが
L:前記3領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=0.98、
領域R2のときL=0.94、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とするものである。
【0039】
請求項2に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、請求項1に記載された燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも一つの断面Sにおいて、
最外層を除く内層領域の燃料棒は、全て最高濃縮度であることを特徴とするものである。
【0040】
請求項3に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側と反制御棒挿入側とで等しい格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が9行9列の正方格子配列に配置されていると共に、制御棒挿入位置のコーナ部の燃料棒から最も近い2本のコーナ部の燃料棒を結ぶ対角線上の中点が重心となるように燃料棒7本分の領域が2本の丸管形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、コーナ部の燃料棒とその両隣に位置する燃料棒は全て最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域R1:水ロッドの辺の中央部に隣接する領域と、
領域R0:上記以外の領域と、
の2領域に分けたとき、前記(1)式のLが、
L:前記2領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=0.97、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とするものである。
【0048】
請求項4に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側よりも反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が9行9列の正方格子配列に配置されていると共に、前記燃料集合体の断面中心部より1燃料棒ピッチ分だけ反制御棒側に偏って配置された燃料棒9本分の領域が1本の角型形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、制御棒側コーナ部から数えて4〜6番目とその対称位置、及び反制御棒側コーナ部から数えて2〜7番目までとその対称位置にある燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度未満であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域R1:水ロッドの辺に隣接する第2層目の燃料棒のうち、制御棒挿入側コーナに最も近い領域を除く領域と、
領域R2:制御棒側2層目コーナ部及び反制御棒側2層目コーナ部に位置する領域、または、水ロッドの辺の中央部に隣接する領域のうち制御棒挿入側コーナに近い側の領域、または、水ロッドの辺に隣接する第2層目の燃料棒のうち、制御棒挿入側コーナに最も近い領域と、
領域R0:上記以外の領域と、
の3領域に分けたとき、前記(1)式のLが
L:前記3領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=1.02、
領域R2のときL=0.96、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とするものである。
【0049】
請求項5に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側よりも反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が9行9列の正方格子配列に配置されていると共に、制御棒挿入位置のコーナ部の燃料棒から最も近い2本のコーナ部の燃料棒を結ぶ対角線上の中点が重心となるように燃料棒7本分の領域が2本の丸管形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、反制御棒挿入側のコーナ部の燃料棒から数えて2〜7番目までとその対称位置の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度未満であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域Rl:制御棒挿入側に最も近い第2層目のコーナ部領域と、
領域R2:領域R1に隣接する第2層目の領域、または、前記対角線上にある第2層目コーナ部領域、または、2本の水ロッドに共に隣接する領域と、
領域R3:領域Rl及びR2を除く、しかも、前記対角線上よりも制御棒挿入側にあって、第2層目、または、水ロッドに隣接する領域と、
領域R0:上記以外の領域と
の4領域に分けたとき、前記(1)式のLが
L:前記3領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=1.12、
領域R2のときL=0.99、
領域R3のときL=0.93、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とするものである。
【0050】
請求項6に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側よりも反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が10行10列の正方格子配列に配置されていると共に、制御棒挿入側の最外層コーナ部の燃料棒から数えて6行6列目の格子を中心とする燃料棒9本分の領域が1本の角型形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、最外層コーナ部と制御棒挿入側の最外層コーナ部に隣接する最外層燃料棒とは全て最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層部の全領域をR0としたとき、前記(1)式のLが
L:全ての内層部領域R0で0.90
を満たしていることとを特徴とするものである。
【0051】
請求項7に記載された発明に係るBWR用燃料集合体は、予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側よりも反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が10行10列の正方格子配列に配置されていると共に、制御棒挿入位置のコーナ部燃料棒から最も近い2本のコーナ部燃料棒を結ぶ対角線上に配置された燃料棒8本分の領域が2本の丸管形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、反制御棒挿入側の最外層コーナ部以外の最外層コーナ部燃料棒と制御棒挿入側の最外層コーナ部に隣接する最外層燃料棒とは全て最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域R1:制御棒挿入側に最も近い第2層目のコーナ部領域と、
領域R0:上記以外の領域と
の2領域に分けたとき、前記(1)式のLが
L:前記3領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=0.94、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とするものである。
【0052】
【発明の実施の形態】
(本発明の構成)
本発明においては、予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体のウラン濃縮度配列を決定する方法において、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たすものとすることとを特徴とするものである。
【0053】
【数7】
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :一断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数(a=−0.0092、α=0.64、β=0.36)
L :領域ごとに定まる定数
【0054】
(ガドリニア入り燃料棒の設計)
既に述べたように、燃料棒の設計では、プラント過渡における表面熱流束の上昇幅に対し、損傷限界に至る出力上昇幅は十分大きくなるよう設計されている。これは、ガドリニア入り燃料棒についても同じである。先の従来例は、ガドリニア入り燃料棒の相対出力を小さくできるので、ガドリニア入り燃料棒の熱機械設計上の健全性を十分満足する。
【0055】
一方、プラントの過渡変化に伴う燃料棒の線出力の上昇割合は、ウラン燃料棒であってもガドリニア入り燃料棒であっても同じであると考えられる。安全解析上は、ペレットの熱伝導度に係る物性値をガドリニア濃度に依存させることは取り扱いが複雑なので、1%塑性歪み相当出力は、ウラン燃料棒で代表させることが慣例となっている。この場合、ガドリニア入り燃料棒において運転出力に対する1%塑性歪み相当出力の比が、ウラン燃料棒のそれよりも大きくなってさえいれば、安全解析上も問題は発生しないことになる。以下、運転出力に対する1%塑性歪み相当出力の比を1%塑性歪み相当出力比という。
【0056】
本発明は、以上の知見に基づきなされたものである。即ち、概要としては、先ず運転中の最大線出力密度が制限値を十分満足できる範囲で、最外層の燃料棒に対して最高濃縮度を配置することのできる位置を特定する方法を見出し、これを適用する。また、内層部に対しては、濃縮度とガドリニア濃度の関係を検討し、安全解析上の十分な条件を見出し、これを適用するものである。ここで、安全解析上の十分な条件とは、前述のとおり、ガドリニア入り燃料棒設計における1%塑性歪み相当出力比が、ウラン燃料棒のそれよりも大きいことである。
【0057】
なお、本発明では、現在想定しうる燃料構造を前述の図15〜図19の構造に限定し、その特性に着目した。この限定により上記解決課題を達成するに好適な核設計の構成を提供できる。以下にその詳細を示す。
【0058】
(最大線出力密度の低減)
本発明では、最大線出力密度が十分な運転余裕を満たすための、燃料棒相対出力PFの限界値(PFmax )を定めた。まず、(4)式において、LHGRの運転制限値は44kW/m、燃料有効長は典型値である3.7mとする。さらに、FRAC、PR、PAについては、それぞれ典型値である0.95、1.4及び1.4とする。このとき、(6)式が得られる。
【0059】
【数8】
PF=87.43×N/PBave …(6)
【0060】
現在、集合体あたりの線出力密度が最も大きいC格子プラントは改良沸騰水型原子炉(ABWR)である。ABWRは、定格熱出力は3926MW、炉内燃料体数は872体の炉心であり、このとき、(3)式におけるPBave は4500kWである。また、国内D格子プラントについては、PBave は最大で4350kW程度である。さらに、PFmax を設定するにあたっては、以下の安全余裕を取り込む。炉心内出力分布の不確定性として出力ピーキング(PR×PA)に対して10%、炉内のスペクトルミスマッチによる燃料棒出力の上昇分として5%、出力アップレートによる出力上昇分として7%、また、後述するウラン燃料棒の相対出力の算出の際の見積もり誤差として6%をそれぞれ見込む。
【0061】
以上、全ての効果を乗じた31%分の安全余裕を見込むと、結局、PFmax は以下となる。これは、ウラン燃料棒の局所ピーキング係数(PF)が次の(7)式の右辺以下であれば、最大線出力密度の運転制限値を守って、運転が可能であることを示す。
【数9】
PFmax =87.43/1.31×N/PBave =66.74×N/PBave …(7)
【0062】
一般に、燃焼初期ではガドリニアにより燃料集合体自体の出力は抑制される。しかし、ガドリニアにより出力の抑制が効果的に図られるのはガドリニア入り燃料棒だけである。ウラン燃料棒は、燃焼初期でガドリニアによる燃料集合体の出力の抑制があっても最大線出力密度は過大となる場合もある。これは、結果的に燃焼初期におけるウラン燃料棒の出力上昇として現れる。このように燃焼初期では、ウラン燃料棒の相対出力は燃焼中期よりも大きな値となるため、実際には、燃焼を通じて(7)式の条件を満たすことは困難である。
【0063】
しかしながら、燃焼初期で出力が大きくなる燃料棒群が、燃焼中期でも依然出力の大きな状態である一方、十分許容できる程度の出力となっていれば問題ない。つまり、燃焼を通じて出力がもともと過大となりやすい半径方向領域には、高濃縮度の燃料棒を配置しないようにし、一方で、燃焼を通じて出力が大きくなりやすいが、決して過大とはならない程度に留まる領域には、高濃縮度の燃料棒を配置すれば良い。
【0064】
より具体的には、各燃料集合体タイプ及び格子タイプに対し(7)式が満たすべき条件は次の表1となる。この際、燃料集合体1体当たりの燃料棒本数Nは線出力密度が大きくなる下部断面に着目すればよく、部分長燃料棒の効果を含める必要はない。
【0065】
【表1】
【0066】
(濃縮度と出力の関係)
集合体断面において、特定の燃料棒の濃縮度を変えた場合、その燃料棒の相対出力がどの程度変化するかを評価した結果を図1に示す。濃縮度は、核分裂性物質の濃度であり、実際には、濃縮度の低下により、その近傍の中性子スペクトルが軟らかくなるため、熱中性子が増える結果、例えば、濃縮度が相対値で10%低減した場合でも、相対出力の低減は10%ではなく、その2/3程度に留まる。本図に基づき、濃縮度と相対出力の変化量との関係として、以下の相関式(8)式を作成した。
【0067】
【数10】
PF’=PF×(α×E’/E+β) …(8)
ここで、
E :燃料棒の濃縮度(wt%)
α、β:係数(α=0.64、β=0.36)
である。
【0068】
この関係は、ガドリニア入り燃料棒におけるガドリニア濃度と濃縮度の限界設計を結びつけるのに用いる。
【0069】
(燃料棒の熱機械設計)
まず、ウラン燃料棒の熱機械設計における設計出力履歴について説明する。前述のとおり、燃料集合体は、一般に、運転中の最大線出力密度がウラン燃料棒で発生するよう設計する。ウラン燃料棒の設計出力履歴を図2の実線に示す。熱機械設計では、運転制限値に沿って運転したと仮定するため、燃焼初期から中期までは運転制限値が仮定されている。燃焼中期(20〜30GWd/t)以降については、燃焼が進み燃料の反応度が小さくなって、最大線出力密度の運転制限値に対し、十分余裕が出る効果を予め見込み、制限値を小さくしている。実際の運転中においては、設計出力履歴を上回ることなく運転されるが、熱機械設計の安全評価では常に制限値上限で運転、つまり、設計出力履歴に沿って運転されるとの保守的な仮定をとる。このため、ウラン燃料棒が最大線出力に対し十分余裕のある性能を有している燃料集合体であっても、熱機械設計上は、こうした効果は反映されない。
【0070】
次に、ガドリニア入り燃料棒の場合は、以下の方法で設計出力履歴を仮定する。まず、燃焼を通じてウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比を評価する。この相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じたものをガドリニア入り燃料棒の出力履歴とする。つまり、ガドリニア入り燃料棒の出力履歴は(5)式から求める。この際、PFGd/PFUは集合体断面の相対出力分布特性から求める。典型的なガドリニア入り燃料棒の線出力履歴の例を図2の破線で示す。ガドリニア入り燃料棒は、ガドリニアの毒性がある期間は出力は小さいが、燃焼が進むにつれて大きくなる。また燃焼中期以降は、ウラン燃料棒の出力低下に伴い低下する。ガドリニア入り燃料棒の場合、1%塑性歪み相当出力は、線出力密度が大きくなる燃焼中期で厳しくなる。燃焼中期におけるガドリニア入り燃料棒の線出力密度の大きさは、燃料集合体断面における燃料棒の出力分布、つまり、燃料集合体の構造や核設計で決まる要素が強い。
【0071】
(ガドリニア入り燃料棒の設計限界出力)
前述の通り、ガドリニア入り燃料棒では、1%塑性歪み相当出力が酸化ウランのみの燃料棒のそれ以上とする必要がある。本発明においては、予めガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニアの濃度をパラメータに熱機械設計計算を実施した。
【0072】
設定したガドリニア入り燃料棒の線出力履歴を図3に示す。本図は、燃焼中期での運転制限値(44kW/m)を1.0としたときのガドリニア入り燃料棒の相対出力、つまり相対出力比として示している。破線がウラン燃料棒、実線がガドリニア入り燃料棒の出力履歴である。ガドリニア入り燃料棒の出力履歴は、実際には、燃焼初期では小さな値となるが、熱機械設計上の影響は小さいため、ここでは、一定出力のまま燃焼するとの仮定をした。また、評価燃焼度は、ウラン燃料棒の設計出力の低下に伴い、ガドリニア入り燃料棒の出力が小さくなる燃焼度時点までとした。これより高燃焼度の領域では、ガドリニア入り燃料棒の出力は小さくなるため、1%塑性歪み相当出力がより厳しくなることはない。ガドリニア濃度は10%までを想定した。なお、本解析において燃料の熱伝導度は多くの最新の実験データに基づくと共に、過度な保守性を排除したモデルを用いた。
【0073】
熱機械設計計算の評価結果を図4に示す。本図は、ガドリニア濃度に対し、ガドリニア燃料棒の1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界線出力密度の相対値を示したものである。限界線出力密度はガドリニアの濃度が高くなるに従い線形に低下する傾向が見られた。例えば、ガドリニア濃度が10%のガドリニア燃料棒では、ウラン燃料棒よりも10%程度小さな出力を維持して燃焼するように設計すれば、1%塑性歪み相当出力はウラン燃料棒よりも大きくすることができる。
【0074】
図4をもとに以下の相関式(9)式を作成した。図4に示すとおり、本式は解析結果を十分包絡するような勾配を持たせた一次式とした。燃料棒の熱機械設計に際しては、(5)式のガドリニア入り燃料棒の相対出力比(PFGd/PFU)は本式を満たす必要がある。
【0075】
【数11】
PFGd/PFU≦(aG+1.0) …(9)
ここで、
G:燃料棒のガドリニア濃度(wt%)、
a:係数(=−0.0092)
である。
【0076】
(燃料棒の相対出力分布特性)
燃料集合体の基本構造に応じて、燃料棒の相対出力分布特性を評価した。この際、全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として、出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性を調べた。この評価は、未燃焼時のものであるが、実体的にはガドリニアの毒性がなくなった燃焼中期の状態を模擬している。また、燃焼中期では、燃焼初期と比べてガドリニア入り燃料棒の出力は高く、ウラン燃料棒の出力は低い状態となるため、ガドリニア入り燃料棒の設計限界出力を評価する上で適切である。一般に、出力運転時における燃料棒の最大線出力密度を与えるのは、比較的ボイド率の低い燃料集合体下部側の断面である。ここでは、ボイド率の変化によって相対出力が変化する影響を考慮し0〜70%ボイド率範囲を想定している。
【0077】
(最外層の燃料棒)
このように全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として解析をすると、最外層の燃料棒で出力が高くなる傾向を示す。つまり、最外層の燃料棒は、燃焼を通じて元もと出力が高まり易い領域であることが確認できる。
【0078】
図5(a)〜(h)は出力分布の特徴を模式的に現したものであり、それぞれ格子タイプ、燃料タイプ毎に示してある。本図で、表1に示した条件を満たす最外層の燃料棒を「H」で示した。これより、「H」で示した燃料棒は最高濃縮度の燃料棒を配置でき高濃縮度化に寄与することができること、また。それ以外の最外層燃料棒は、最高濃縮度を配すると表1の条件を満たさないため十分な運転余裕を確保できないので、最高濃縮度未満とする必要がある。
【0079】
(最外層以外の燃料棒)
上述のように、最外層の燃料棒は出力が高まりやすい傾向があるため、ここにガドリニア入り燃料棒を配置しても、燃焼中期の出力が、ウラン燃料棒よりも大きくなってしまう可能性が高く、燃料棒の熱機械設計上好ましくない。これを避けるため、最外層のガドリニア入り燃料棒の濃縮度を下げることは、高濃縮度化の目的にそぐわない。本発明では、ガドリニア入り燃料棒は、最外層以外に配置することを提案する。しかし、この場合でも最外層以外、つまり、内層の燃料棒についても、燃料構造特有の出力分布傾向があるため、ガドリニア入り燃料棒を配置するには燃料棒熱機械設計上の制約がある。
【0080】
(最外層燃料棒と内層燃料棒の出力関係)
燃料棒位置、濃縮度、燃料棒出力及びガドリニア濃度に関する関係を検討した。図5中「H」で示した燃料棒を最高濃縮度とすれば、これらの燃料棒は燃焼を通じて大きな出力を与える。内層の燃料棒については、図5中「H」に対する内層燃料棒の相対出力比を考える。
【0081】
内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向を燃料集合体の基本構造ごとに定めた結果を、先の図5に示す。ここでは、内層部の領域ごとに定まる定数Lを定義し、その数値を並記した。Lの値は、(5)式または(9)式のPFGd/PFUに相当する。つまり、PFUを出力の大きな最外層燃料棒の出力、PFGdをガドリニアの添加を想定している内層の燃料棒と考える。ここで、図5は最外層の「H」で示した燃料棒が最高濃縮度である限り、内層領域において最高濃縮度の燃料棒を配置しても、各領域の燃料棒の相対出力比は、必ずL以下に留まることを意味する。
【0082】
(内層燃料棒の濃縮度限界)
内層領域の燃料棒iの濃縮度を最高濃縮度Emax から低減してEi(wt%)とした場合、上記Lと(8)式より、燃料棒iの相対出力比はL×(α×Ei/Emax +β)となる。これを、相対出力比である(9)式の左辺に当てはめると、L×(α×Ei/Emax +β)≦(aG+1)となり、結局、前記(1)式となる。
【0083】
【数12】
L×(α×Ei/Emax +β)≦(aG+1)
∴ α×Ei/Emax ≦(aG+1)/L−β
∴ Ei≦Emax /α{(aG+1)/L−β} …(1)
ここで、
Ei:一断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数(a=−0.0092、α=0.64、β=0.36)
L :領域ごとに定まる定数
である。
【0084】
以上により、ガドリニア入り燃料棒の機械設計上の基準を満たすべき内層部の燃料棒の濃縮度をガドリニア濃度をパラメータとして定めることができる。(1)式の結果を、領域定数Lをパラメータにして図6に示す。ここでは最高濃縮度を4.90wt%とおいた。これは濃縮度公差を考慮した、現行での最高濃縮度の典型値である。本図の意味するところは以下である。例えば、領域定数Lが0.90の位置においては、濃縮度4.90wt%以下で、ガドリニア濃度10wt%以下のいかなる燃料棒をも配置することができる。一方、領域定数Lが0.98の位置に対しては、濃縮度4.90wt%の場合、ガドリニア濃度は2.0wt%までにすべきであり、濃縮度を例えば4.4wt%とした場合は、9wt%までのガドリニア濃度が許容でき、さらに、例えば3.9wt%とすれば10%のガドリニア濃度を用いることが可能である。また、Lが1.0を超える領域は、最外層よりも出力が高くなる領域である。この場合、例えばLが1.12の領域に対しては、ウラン燃料棒であっても例えば濃縮度を4.4wt%とすることはできず、例えば3.9wt%まで低減する必要がある。
【0085】
以上説明したとおり、本発明は、燃料構造毎に最外層のうち最高濃縮度燃料を配置する位置を決定したため、最大線出力密度の運転余裕が確保できる。また、内層領域については、燃料棒の熱機械設計上の観点から、許容できる濃縮度とガドリニア濃度の関係を決定することができたため、全てのガドリニア入り燃料棒に対し、1%塑性歪み相当出力をウラン燃料棒よりも大きくすることができる。
【0086】
本発明における定数Lは、前述の4つの燃料タイプに応じて定めた。この場合、基本構造が同じであっても、燃料棒のピッチや水ロッドの大きさ、あるいは格子で定まるチャンネルボックスの内幅やギャップ水の面積は、燃料タイプ毎に異なった設計となる場合がある。この結果、これまでに示した、燃料棒の相対出力の関係は、幾分の揺らぎを持つ。しかし、既に述べたように最高出力燃料棒に対し、31%もの十分な安全余裕を見込んでいることや、ガドリニア燃料棒の設計限界出力も保守的に評価していることから、基本構造が同じである限りにおいては、異なる設計であっても本発明は適用可能なものである。
【0087】
また、燃料棒の熱機械設計の評価においては、特定の燃料棒設計について実施しているが、ウラン燃料棒とガドリニア入り燃料棒との相対関係を評価したのものであるため、例えば、燃料ペレットの直径や密度などが、本発明で想定したものと異なっていても、ウラン燃料棒とガドリニア入り燃料棒との相対関係は維持される。
【0088】
【実施例】
(第1の実施例;C格子9×9B型)
C格子向け9×9燃料B型の実施例を図7に示す。本例は図20に示した従来例1に対し、最外層のコ−ナ燃料棒に隣接する最外層燃料棒(図中タイプ2燃料棒)の濃縮度を下部断面で4.9wt%から4.4wt%と低減した。これにより、図5における「H」の位置の燃料棒は全て最高濃縮度、それ以外の最外層燃料棒では、出力が最大値を与えない程度まで濃縮度を低減した。また、ガドリニア入り燃料棒であるタイプG1がある領域Lの値は0.90であるため、4.4wt%に抑える必要はないことから4.9wt%とした。
【0089】
本実施例の燃料を装荷した炉心を評価したところ、最大線出力密度は約36kW/mとなり、従来例1の燃料を装荷した場合の約40kW/mに比べて10%以上、また、運転制限値に対しては20%程度低減させることができた。先に説明したPmax に対する31%分の安全余裕のうち、アップレートに対する安全余裕以外は、本炉心評価に全て取り込まれている。本実施例における運転余裕の増加は、プラントの出力アップレートに極めて有利である。
【0090】
また、全てのガドリニア入り燃料棒は(1)式を満足するため、ガドリニア入り燃料棒の1%塑性歪み相当出力はウラン燃料棒を上回ることはない。集合体の平均濃縮度は4.42wt%となり、従来例1よりも0.01wt%ほど低減するが、従来例と同じく十分に高い濃縮度の燃料集合体である。なお、こうした濃縮度の僅かな低下に伴う反応度損失は、最大線出力密度の運転余裕の増加を利用したスペクトルシフト運転等の経済性の高い運転方法をより積極的に取り込むことで補償できた。
【0091】
(実施例2;C格子9×9A型)
C格子向け9×9燃料A型の下部断面における実施例を図8に示す。最外層の燃料棒については図5における「H」の位置は、全て最高濃縮度、それ以外の最外層燃料棒は最高濃縮度未満である。内層燃料棒については、全て最高濃縮度とした。2本の水ロッドに共に隣接する燃料棒(図中G1)の領域はL=0.97であるため、2wt%以下のガドリニア濃度であればガドリニア入り燃料棒とすることもできるし、もちろんウラン燃料棒としてもよい。その他の内層燃料棒には、何れの位置であっても10%までのガドリニア濃度のガドリニア入り燃料棒を配置することができる。本例では、燃料棒G1を含めなくても20本もの多数本のガドリニア入り燃料棒を、互いに隣接することなく配置できた。この断面の平均濃縮度は4.66wt%である。本実施例における、高濃縮度化への寄与、最大線出力密度の運転余裕の向上、ガドリニア入り燃料棒の1%塑性歪み相当出力における安全余裕の確保といった作用効果の原理は下記実施例も含め実施例1と同様である。
【0092】
(実施例3;C格子10×10B型)
C格子向け10×10燃料B型の下部断面における実施例を図9に示す。最外層コーナの4本の燃料棒以外は全て最高濃縮度とした。ガドリニア入り燃料棒はガドリニア濃度が10wt%以下であれば、どの内層領域にも配置できる。本例の場合、互いに隣接させることなく28本のガドリニア入り燃料棒を配置できた。もちろん、本数が多すぎる場合には、ガドリニア入り燃料棒の一部を最高濃縮度のウラン燃料棒としても問題はない。この断面の平均濃縮度は4.83wt%であり、最高濃縮度である4.9wt%に極めて近いほど高濃縮度化できた。
【0093】
(実施例4;C格子10×10A型)
C格子向け10×10燃料A型の下部断面における実施例を図10に示す。最外層コーナの4本の燃料棒以外は全て最高濃縮度とした。ガドリニア入り燃料棒はガドリニア濃度が10wt%以下であれば、どの内層領域にも配置できる。以上は、実施例3と同様である。本例の場合、互いに隣接させることなく28本のガドリニア入り燃料棒を配置できた。この断面の平均濃縮度は4.83wt%まで高められる。
【0094】
(実施例5;D格子9×9B型)
D格子向け9×9燃料B型の下部断面における実施例を図11に示す。最外層の燃料棒については図5における「H」の位置は、全て最高濃縮度、それ以外の最外層燃料棒は最高濃縮度未満である。内層燃料棒については、タイプG1以外は全て最高濃縮度とした。G1以外は10%以下の濃度のガドリニア入り燃料棒の配置が可能である。タイプ2及びG1が配置された領域のLは1.02であるため、ウラン燃料棒であっても最高濃縮度は配置できない。本例では、4.4wt%の濃縮度とした。この際、G1のガドリニア濃度は5wt%以下であれば問題ない。本断面のガドリニア本数は17本と多く、また、平均濃縮度は4.68wt%と十分高い。
【0095】
(実施例6;D格子9×9A型)
D格子向け9×9燃料A型の下部断面における実施例を図12に示す。最外層の燃料棒については図5における「H」の位置は、全て最高濃縮度、それ以外の最外層燃料棒は最高濃縮度未満である。内層燃料棒については、タイプ3、G2及びG3以外は全て最高濃縮度とした。内層の最高濃縮度燃料棒は、何れも10wt%以下の濃度のガドリニア燃料棒が配置できる。タイプ3の位置のLは1.12と高いため、ここにはガドリニア入り燃料棒を配置せず、(1)式を満たすよう3.9wt%の濃縮度のウラン燃料棒とした。G2及びG3の位置のLはそれぞれ0.99及び0.93であり、本例では、G2及びG3を濃縮度4.4wt%のガドリニア入り燃料棒とした。この場合、G2では8wt%以下、G3では10wt%以下の高濃度のガドリニア入り燃料棒とすることができる。本断面の平均濃縮度は4.62wt%に留まるものの、D格子炉心で、しかも水ロッドが偏心していない燃料集合体であることから燃料棒出力分布が歪みやすいにも拘わらず、運転余裕を拡大した上で、十分な高濃縮度化が達成できている。
【0096】
(実施例7;D格子10×10B型)
D格子向け10×10燃料B型の下部断面における実施例を図13に示す。最外層の燃料棒については図5における「H」の位置は、全て最高濃縮度、それ以外の最外層燃料棒は最高濃縮度未満である。この中には反制御棒挿入側のコーナ燃料棒をも含まれる。全ての内層領域でLは0.90であるため、内層領域は、全ての燃料棒を最高濃縮度とした。D格子であっても10×10格子であることと本発明の作用とが相まって、本断面の平均濃縮度は4.86wt%とC格子の場合と同程度まで高められた。
【0097】
(実施例8;D格子10×10A型)
D格子向け9×9燃料A型の下部断面における実施例を図14に示す。最外層の燃料棒の配置は実施例7に同じである。また、内層領域の全ての燃料棒を最高濃縮度とした。ここで、ほとんど全ての内層領域でLは0.90であるが、第2層目制御棒挿入側コーナ(位置2b)のLは0.94である。このため、本例では、第2層目制御棒挿入側コーナ燃料棒にはガドリニア燃料棒を配置していない。この位置で最高濃縮度のままガドリニア入り燃料棒を配置する場合には、ガドリニア濃度は、6wt%以下とする必要がある。本断面の平均濃縮度は4.86wt%と実施例7と同様に高濃縮度である。
【0098】
以上、本発明は、最外層での最高濃縮度の配置と(1式)の条件を満たす範囲であれば、本実施例の構成に限らない。また、本発明では、その作用効果の関係上、下部断面に着目しているが、本発明で定義する下部断面より上の領域においては、構成を特に限定しない。これ以外の断面では、濃縮度やガドリニアの分布は下部断面に同じである必要はなく、また、部分長燃料棒の採用のために燃料棒の一部が欠落した状態であってもよい。もちろん上下端に天然ウランなどのブランケットを設けてもよい。なお、最外層に配した最高濃縮度燃料棒については、上部側においても濃縮度を低減せず、なるべく最高濃縮度のままとすることが望ましい。これは、最外層燃料棒はボイド率の高い上部側領域であっても依然非沸騰水であるギャップ水に隣接することから、熱中性子が豊富であるため反応度が高く、経済性の向上が期待できるためである。
【0099】
以上のように、本発明は、燃料棒の熱機械設計上の安全性を確保しつつ、その安全解析に係わる解析を現行の安全審査手法の範囲内に留めることで、安全解析を複雑化させることなく、さらに、運転中の最大線出力密度の運転余裕が大きく、また、濃縮度が高く経済性のよい燃料集合体を提供することができる。
【0100】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通り、燃料棒の熱機械設計上の安全性を確保しつつ、運転中の最大線出力密度の運転余裕が大きく、また、濃縮度が高く経済性のよい燃料集合体を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】集合体断面において、特定の燃料棒の濃縮度を変えた場合、その燃料棒の相対出力がどの程度変化するかを評価した結果を示す説明図である。
【図2】燃料棒の設計出力履歴を示す線図である。
【図3】熱機械設計計算に用いたガドリニア入り燃料棒の線出力履歴を示す説明図である。
【図4】熱機械設計計算の評価結果を示す説明図である。
【図5】a図〜h図は出力分布の特徴を模式的に表した説明図である。
【図6】(1)式の結果を領域定数Lをパラメータにして示す説明図である。
【図7】C格子向け9×9燃料B型の実施例を説明する説明図である。
【図8】C格子向け9×9燃料A型の下部断面における実施例の説明図である。
【図9】C格子向け10×10燃料B型の下部断面における実施例の説明図である。
【図10】C格子向け10×10燃料A型の下部断面における実施例の説明図である。
【図11】D格子向け9×9燃料B型の下部断面における実施例の説明図である。
【図12】D格子向け9×9燃料A型の下部断面における実施例の説明図である。
【図13】D格子向け10×10燃料B型の下部断面における実施例の説明図である。
【図14】D格子向け10×10燃料A型の下部断面における実施例の説明図である。
【図15】9×9燃料のA型の構造を示す説明図である。
【図16】9×9燃料のC格子炉心のB型の構造を示す説明図である。
【図17】9×9燃料のD格子炉心のB型の構造を示す説明図である。
【図18】 10×10燃料のA型の構造を示す説明図である。
【図19】 10×10燃料のB型の構造を示す説明図である。
【図20】従来例の説明図である。a図は燃料集合体断面を示している。一つの升目が燃料棒を現し、b図にある燃料棒タイプの配置を示している。
Claims (7)
- 予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
【数1】
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側と反制御棒挿入側とで等しい格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が9行9列の正方格子配列に配置されていると共に、前記燃料集合体の断面中心部の燃料棒9本分の領域が1本の角型形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、コーナ部の燃料棒とその両隣に位置する燃料棒は全て最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域R1:水ロッドの辺の中央部に隣接する領域と、
領域R2:水ロッドの辺の側部に隣接する領域と、
領域R0:上記以外の領域と、
の3領域に分けたとき、前記(1)式のLが
L:前記3領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=0.98、
領域R2のときL=0.94、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。 - 燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも一つの断面Sにおいて、
最外層を除く内層領域の燃料棒は、全て最高濃縮度であることを特徴とする請求項1に記載の燃料集合体。 - 予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側と反制御棒挿入側とで等しい格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が9行9列の正方格子配列に配置されていると共に、制御棒挿入位置のコーナ部の燃料棒から最も近い2本のコーナ部の燃料棒を結ぶ対角線上の中点が重心となるように燃料棒7本分の領域が2本の丸管形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、コーナ部の燃料棒とその両隣に位置する燃料棒は全て最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域R1:水ロッドの辺の中央部に隣接する領域と、
領域R0:上記以外の領域と、
の2領域に分けたとき、前記(1)式のLが、
L:前記2領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=0.97、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。 - 予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側よりも反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が9行9列の正方格子配列に配置されていると共に、前記燃料集合体の断面中心部より1燃料棒ピッチ分だけ反制御棒側に偏って配置された燃料棒9本分の領域が1本の角型形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、制御棒側コーナ部から数えて4〜6番目とその対称位置、及び反制御棒側コーナ部から数えて2〜7番目までとその対称位置にある燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度未満であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域R1:水ロッドの辺に隣接する第2層目の燃料棒のうち、制御棒挿入側コーナに最も近い領域を除く領域と、
領域R2:制御棒側2層目コーナ部及び反制御棒側2層目コーナ部に位置する領域、または、水ロッドの辺の中央部に隣接する領域のうち制御棒挿入側コーナに近い側の領域、または、水ロッドの辺に隣接する第2層目の燃料棒のうち、制御棒挿入側コーナに最も近い領域と、
領域R0:上記以外の領域と、
の3領域に分けたとき、前記(1)式のLが
L:前記3領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=1.02、
領域R2のときL=0.96、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。 - 予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側よりも反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が9行9列の正方格子配列に配置されていると共に、制御棒挿入位置のコーナ部の燃料棒から最も近い2本のコーナ部の燃料棒を結ぶ対角線上の中点が重心となるように燃料棒7本分の領域が2本の丸管形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、反制御棒挿入側のコーナ部の燃料棒から数えて2〜7番目までとその対称位置の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度未満であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域Rl:制御棒挿入側に最も近い第2層目のコーナ部領域と、
領域R2:領域R1に隣接する第2層目の領域、または、前記対角線上にある第2層目コーナ部領域、または、2本の水ロッドに共に隣接する領域と、
領域R3:領域Rl及びR2を除く、しかも、前記対角線上よりも制御棒挿入側にあって、第2層目、または、水ロッドに隣接する領域と、
領域R0:上記以外の領域と
の4領域に分けたとき、前記(1)式のLが
L:前記3領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=1.12、
領域R2のときL=0.99、
領域R3のときL=0.93、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。 - 予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側よりも反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が10行10列の正方格子配列に配置されていると共に、制御棒挿入側の最外層コーナ部の燃料棒から数えて6行6列目の格子を中心とする燃料棒9本分の領域が1本の角型形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、最外層コーナ部と制御棒挿入側の最外層コーナ部に隣接する最外層燃料棒とは全て最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層部の全領域をR0としたとき、前記(1)式のLが
L:全ての内層部領域R0で0.90
を満たしていることとを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。 - 予め定められた複数種のウラン濃縮度の酸化ウランペレットが被覆管内に充填され尚且つ最高ウラン濃縮度として4.9〜5.0wt%の酸化ウランペレットを含む燃料棒が定められた正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内の予め定められた燃料棒本数分の領域が1又は複数本の水ロッドに置換えられ、前記燃料棒が10wt%以下のガドリニアを含有するガドリニア入り燃料棒とガドリニアを含有しない燃料棒とを含む燃料集合体であって、
前記燃料集合体の有効発熱長の下端より1/3上方までの軸方向位置にある少なくとも1つの断面Sにおいて、
(a) ガドリニア入り燃料棒は最外層以外に配置し、尚且つ、全てのガドリニア入り燃料棒は縦又は横に互いに隣接しないことと、
(b) 最外層においては、コーナ部に位置する燃料棒又はコーナ部とその両隣とに位置する燃料棒のうち少なくとも複数本は最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒の半数以上は最高ウラン濃縮度とすることと、
(c) 内層部領域においては、最外層を除く内層部を、燃料集合体の基本構造毎に全ての燃料棒を5wt%のウラン燃料棒として調べた出力運転状態における燃料棒の相対出力分布特性に基づいて定めた内層燃料棒の各位置が持つ出力傾向毎に領域を分け、各領域毎にガドリニア入り燃料棒の相対出力比であるPFGd/PFUによって定まる定数Lを、予め、燃焼を通じて評価したウラン燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の相対出力比にウラン燃料棒の設計出力履歴を乗じてなるガドリニア入り燃料棒の線出力履歴とガドリニア濃度とをパラメータとして熱機械設計計算を行った評価結果としてのガドリニア濃度に対するガドリニア燃料棒1%塑性歪み相当出力がウラン燃料棒のそれと等しくなる限界出力密度の相対値の関係に基づいた相関式、
PFGd/PFU≦(aG+1.0)
に基づいて決定したとき、
前記各領域にある燃料棒iのウラン濃縮度Eiが、次の(1)式を満たて決定されたウラン濃縮度配列を有する燃料集合体であって、
Ei≦Emax /α×{(aG+l)/L−β} …(1)
ここで、
Ei :断面Sにおける内層部の燃料棒iのウラン濃縮度(wt%)
Emax :集合体内最高ウラン濃縮度(wt%)
G :燃料棒iのガドリニア濃度(wt%)
a、α、β:係数であり、
a=−0.0092、
α=0.64、
β=0.36、
L :内層部の領域ごとに定まる定数
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側よりも反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるものにおいて、
燃料棒が10行10列の正方格子配列に配置されていると共に、制御棒挿入位置のコーナ部燃料棒から最も近い2本のコーナ部燃料棒を結ぶ対角線上に配置された燃料棒8本分の領域が2本の丸管形状の水ロッドに置換えられ、
前記断面Sにおいて、
(b')最外層においては、反制御棒挿入側の最外層コーナ部以外の最外層コーナ部燃料棒と制御棒挿入側の最外層コーナ部に隣接する最外層燃料棒とは全て最高ウラン濃縮度未満であり、その他の燃料棒は全て最高ウラン濃縮度であることと、
(c')内層領域においては、最外層を除く内層領域を、
領域R1:制御棒挿入側に最も近い第2層目のコーナ部領域と、
領域R0:上記以外の領域と
の2領域に分けたとき、前記(1)式のLが
L:前記3領域の領域ごとに定まる定数であり、
領域RlのときL=0.94、
領域R0のときL=0.90、
を満たしていることとを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
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