JP5752349B2 - Boiling water reactor core - Google Patents

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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の炉心に関する。   The present invention relates to a core of a boiling water reactor.

原子炉は、中性子が核分裂性物質に吸収されて核分裂が起こり、その際にエネルギーとともに放出される中性子が次の核分裂を引き起こすという連鎖反応により、エネルギーを出し続けている。この連鎖反応が平衡にある状態を臨界といい、一定の出力で運転される原子炉はこの状態を保ち続けている。また、連鎖反応が増大していく状態を臨界超過といい、逆に減少していく状態を未臨界という。   In nuclear reactors, neutrons are absorbed by fissionable materials, causing fission, and neutrons released along with the energy continue to produce energy by a chain reaction. The state in which this chain reaction is in equilibrium is called criticality, and the reactor operated at a constant power continues to maintain this state. In addition, the state in which the chain reaction increases is called supercritical, and the state in which the chain reaction decreases is called subcritical.

原子炉は、たとえば1年程度の所定の期間にわたって燃料の補給なしに運転し続けねばならないために、炉心内には臨界維持に必要な量よりも多い核分裂性物質が装荷されている。したがって、所定の運転期間の途中までの期間では、原子炉は、制御材なしには臨界超過になる。   Since a nuclear reactor must be operated without refueling for a predetermined period of time, for example, about one year, more nuclear fissionable material is loaded in the core than is necessary for maintaining criticality. Therefore, in the period up to the middle of the predetermined operation period, the nuclear reactor becomes supercritical without the control material.

この超過した反応度を余剰反応度といい、余剰反応度を運転期間を通じて適切に制御することが重要である。余剰反応度を運転期間を通じて制御する技術としては、可燃性毒物を燃料中に混入するものがよく知られている。可燃性毒物とは、運転期間を通じて徐々に燃焼しその物質量が減少していく中性子吸収材のことで、核燃料物質に混ぜて使用されるガドリニアなどが知られている。   This excess reactivity is referred to as excess reactivity, and it is important to appropriately control the excess reactivity throughout the operation period. As a technique for controlling the excess reactivity throughout the operation period, a technique in which a flammable poison is mixed into the fuel is well known. A flammable poison is a neutron absorber that gradually burns and decreases in the amount of material throughout the operation period. Gadolinia, which is used in combination with nuclear fuel materials, is known.

可燃性毒物を含有する燃料集合体の無限増倍率は、燃焼に伴って一旦上昇した後、減少していく。一般に、可燃性毒物を含有する燃料棒の本数が増加すれば、燃焼初期での無限増倍率が低下する。また、可燃性毒物の濃度を増加させれば、可燃性毒物が燃え尽きる時期を遅らせることができるため、無限増倍率の最大値を抑えることが可能になる。このため、可燃性毒物の混入濃度とそれが混入した燃料棒の本数の組み合わせにより、余剰反応度を適切に制御することができる。   The infinite multiplication factor of the fuel assembly containing the combustible poison increases once with combustion and then decreases. Generally, if the number of fuel rods containing a flammable poison increases, the infinite multiplication factor at the initial stage of combustion decreases. Further, if the concentration of the flammable poison is increased, the time when the flammable poison is burned out can be delayed, so that the maximum value of the infinite multiplication factor can be suppressed. For this reason, the excess reactivity can be appropriately controlled by the combination of the mixing concentration of the flammable poison and the number of fuel rods mixed with it.

初装荷炉心では、装荷された燃料集合体の一部が第1サイクルの運転終了後に取り出され、新しい取替燃料集合体と交換される。第1サイクルで取り出される燃料集合体は他の燃料集合体に比べて燃焼度が低く、発生エネルギーが少ない。このため、第1サイクルで取り出される燃料集合体の体数が少ないほど、燃料経済性が高くなる。   In the initial loading core, a part of the loaded fuel assembly is taken out after the operation of the first cycle is completed and replaced with a new replacement fuel assembly. The fuel assembly taken out in the first cycle has a lower burnup and generates less energy than other fuel assemblies. For this reason, the fuel economy increases as the number of fuel assemblies taken out in the first cycle decreases.

しかし、燃料経済性を向上させるために、単に炉心平均濃縮度を高めると、最小限界出力比や最大線出力密度などの熱的特性が悪化し、原子炉の安全性を損なう場合がある。そこで、核分裂性物質の有効活用を図るために、炉内滞在期間に応じてウラン濃縮度を変えた複数の燃料集合体を用いる初装荷炉心が知られている。   However, if the core average enrichment is simply increased in order to improve fuel economy, thermal characteristics such as the minimum critical power ratio and the maximum linear power density deteriorate, and the safety of the reactor may be impaired. Therefore, in order to make effective use of fissile material, an initially loaded core using a plurality of fuel assemblies having different uranium enrichments in accordance with the period of stay in the reactor is known.

たとえば特許文献1には、2行2列の4体の燃料集合体からなる単位装荷ユニットを規則的に配置した初装荷炉心が開示されている。この単位装荷ユニットは、低濃縮燃料1体と高濃縮燃料3体とからなり、4つの単位装荷ユニットに含まれる低濃縮燃料4が隣接してコントロールセルを形成するように配置される。また、単位装荷ユニットに含まれる高濃縮燃料の低濃縮燃料に面する側にガドリニア入り燃料棒が多く位置するように、ガドリニア入り燃料棒を偏在させている。このような燃料棒の配置とすることにより、スペクトルミスマッチ効果による熱的特性の悪化を抑制している。   For example, Patent Document 1 discloses an initial loading core in which unit loading units composed of four fuel assemblies in two rows and two columns are regularly arranged. This unit loading unit is composed of one low-enriched fuel and three highly-enriched fuels, and is arranged so that the low-enriched fuel 4 included in the four unit loaded units forms a control cell adjacent to each other. Further, the gadolinia-containing fuel rods are unevenly distributed so that many gadolinia-containing fuel rods are located on the side of the high-concentration fuel included in the unit loading unit facing the low-concentration fuel. By arranging such fuel rods, deterioration of thermal characteristics due to the spectrum mismatch effect is suppressed.

原子炉の運転サイクルの初期において、炉心内には臨界維持に必要な量よりも多い核分裂性物質が装荷されている。このため、運転サイクルの初期においては、炉心に制御棒を挿入することにより臨界状態を維持する。制御棒は、運転サイクル中の時間の経過に伴って引き抜かれ、運転サイクルの末期においては全ての制御棒が完全に引き抜かれた状態になる。   At the beginning of the reactor operating cycle, more fissile material is loaded into the core than is necessary to maintain criticality. For this reason, in the initial stage of the operation cycle, the critical state is maintained by inserting control rods into the core. The control rods are pulled out as time passes during the operation cycle, and at the end of the operation cycle, all the control rods are completely pulled out.

特許第3186546号公報Japanese Patent No. 3186546

沸騰水型原子炉の炉心では、核分裂によって発生した熱により冷却水である水が加熱され、軸方向のある高さで沸騰する。このため、炉心の下部では、冷却材中のボイド率はほとんど0であるのに対して、炉心の上部では70%程度となる。その結果、炉心の上部では、下部に比べて中性子の減速が少なく、炉心の下部の方が、熱出力が大きくなりやすい。つまり、沸騰水型原子炉の熱出力の軸方向分布は、ボトムピークとなる傾向がある。   In the core of a boiling water reactor, water, which is cooling water, is heated by heat generated by fission, and boils at a certain height in the axial direction. For this reason, the void ratio in the coolant is almost 0 in the lower part of the core, whereas it is about 70% in the upper part of the core. As a result, there is less neutron deceleration in the upper part of the core than in the lower part, and the heat output tends to be larger in the lower part of the core. That is, the axial distribution of the thermal output of the boiling water reactor tends to be a bottom peak.

原子炉の炉心の径方向出力分布を平坦化させるため、運転中に炉心に挿入される制御棒としては、主として炉心の中央領域に位置するものが用いられる。相対的に、炉心の外周領域には挿入された制御棒の本数が少なくなる。   In order to flatten the radial power distribution of the core of the nuclear reactor, the control rod inserted into the core during operation is mainly used in the central region of the core. In comparison, the number of control rods inserted in the outer peripheral region of the core is reduced.

一般に出力運転中に使用される制御棒は部分挿入され、炉心下部での核分裂は抑制される一方、炉心上部での核分裂はあまり抑制されない。その結果、制御棒が多く挿入された炉心の中央領域では、熱出力の軸方向分布がボトムピークとなる傾向が抑制される。   Generally, control rods used during power operation are partially inserted, and fission in the lower core is suppressed, while fission in the upper core is not suppressed much. As a result, in the central region of the core where many control rods are inserted, the tendency of the axial distribution of heat output to become a bottom peak is suppressed.

一方、炉心の外周領域では、中央領域に比べて挿入された制御棒の本数が少なく、また、挿入された制御棒から離れているため、中央領域に比べて熱出力の軸方向分布がボトムピークとなる傾向が大きい。このため、炉心の外周領域では、中性子の漏れにより燃料集合体平均出力は高くないにもかかわらず、線出力密度が高くなりやすい。   On the other hand, in the outer peripheral area of the core, the number of inserted control rods is smaller than that in the central area, and because it is far from the inserted control rods, the axial distribution of heat output is lower than that in the central area. The tendency to become is large. For this reason, in the outer peripheral region of the core, the linear output density tends to be high although the average fuel assembly output is not high due to neutron leakage.

そこで、本発明は、炉心の外周領域で熱出力の軸方向分布がボトムピークとなる傾向を抑制することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to suppress a tendency that the axial distribution of heat output becomes a bottom peak in the outer peripheral region of the core.

上述の目的を達成するため、本発明は、実質的に円柱状の空間内に燃料集合体が装荷された沸騰水型原子炉の炉心において、第1燃料集合体を含む前記燃料集合体が装荷された中央領域と、所定の高さよりも下方の無限増倍率の前記所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さい第2燃料集合体を含む前記燃料集合体が配列されて前記中央領域よりも半径方向外側の外周領域と、を有し、第1条件を前記所定の高さよりも下方の核分裂性物質量の前記所定の高さよりも上方の核分裂性物質量に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、第2条件を前記所定の高さよりも下方の可燃性毒物量の前記所定の高さよりも上方の可燃性毒物量に対する比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、第3条件を前記所定の高さよりも下方のチャンネルボックスの厚さの前記所定の高さよりも上方のチャンネルボックスの厚さに対する比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、第4条件を前記所定の高さよりも下方の水対重金属重量比の前記所定の高さよりも上方の水対重金属重量比に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、としたときに、前記第2の燃料集合体は、前記第1条件、前記第2条件、前記第3条件および前記第4条件の少なくとも一つの条件を満足し、前記外周領域におけるボトムピークを抑制するために、前記外周領域における前記第2燃料集合体の体数の前記第1燃料集合体の体数に対する割合が前記中央領域における前記第2燃料集合体の体数の前記第1燃料集合体の体数に対する割合よりも大きくなっており、前記燃料集合体は、高濃縮燃料集合体群とこの高濃縮燃料集合体群よりも核分裂性物質量が小さい低濃縮燃料集合体群とを含み、前記第1燃料集合体および前記第2燃料集合体はいずれも前記高濃縮燃料集合体群に属する、ことを特徴とする。
また、本発明は、実質的に円柱状の空間内に燃料集合体が装荷された沸騰水型原子炉の炉心において、第1燃料集合体を含む前記燃料集合体が装荷された中央領域と、所定の高さよりも下方の無限増倍率の前記所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さい第2燃料集合体を含む前記燃料集合体が配列されて前記中央領域よりも半径方向外側の外周領域と、を有し、第1条件を前記所定の高さよりも下方の核分裂性物質量の前記所定の高さよりも上方の核分裂性物質量に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、第2条件を前記所定の高さよりも下方の可燃性毒物量の前記所定の高さよりも上方の可燃性毒物量に対する比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、第3条件を前記所定の高さよりも下方のチャンネルボックスの厚さの前記所定の高さよりも上方のチャンネルボックスの厚さに対する比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、第4条件を前記所定の高さよりも下方の水対重金属重量比の前記所定の高さよりも上方の水対重金属重量比に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、としたときに、前記第2の燃料集合体は、前記第1条件、前記第2条件、前記第3条件および前記第4条件の少なくとも一つの条件を満足し、前記外周領域におけるボトムピークを抑制するために、前記外周領域における前記第2燃料集合体の体数の前記第1燃料集合体の体数に対する割合が前記中央領域における前記第2燃料集合体の体数の前記第1燃料集合体の体数に対する割合よりも大きくなっており、前記燃料集合体は、高濃縮燃料集合体群とこの高濃縮燃料集合体群よりも核分裂性物質量が小さい低濃縮燃料集合体群とを含み、前記第1燃料集合体および前記第2燃料集合体はいずれも前記低濃縮燃料集合体群に属する、ことを特徴とする。
In order to achieve the above-described object, the present invention is directed to a boiling water reactor core in which a fuel assembly is loaded in a substantially cylindrical space, and the fuel assembly including the first fuel assembly is loaded. And a fuel assembly including a second fuel assembly in which a ratio of an infinite multiplication factor below a predetermined height to an infinite multiplication factor above the predetermined height is smaller than the first fuel assembly. An outer peripheral region radially outside the central region in which a body is arranged, and the first condition is a fissile material above the predetermined height of the amount of fissile material below the predetermined height The ratio of the amount of combustible poisons below the predetermined height to the amount of combustible poisons above the predetermined height is the first condition. Be larger than the fuel assembly, the third condition The ratio of the thickness of the channel box below the predetermined height to the thickness of the channel box above the predetermined height is larger than that of the first fuel assembly, and the fourth condition is greater than the predetermined height. When the ratio of the lower water to heavy metal weight ratio to the upper water to heavy metal weight ratio above the predetermined height is smaller than the first fuel assembly, the second fuel assembly is The second fuel assembly in the outer peripheral region to satisfy at least one of the first condition, the second condition, the third condition, and the fourth condition and suppress a bottom peak in the outer peripheral region. of is larger than the percentage ratio number of repeating said first fuel assembly body number for the body number of the first fuel assembly body speed of the second fuel assembly in the central region, the The fuel assembly includes a highly enriched fuel assembly group and a low enriched fuel assembly group having a smaller amount of fissile material than the highly enriched fuel assembly group, and the first fuel assembly and the second fuel assembly. All belong to the highly enriched fuel assembly group .
The present invention also provides a core region of a boiling water reactor in which a fuel assembly is loaded in a substantially cylindrical space, a central region in which the fuel assembly including the first fuel assembly is loaded, The fuel assembly including a second fuel assembly in which a ratio of an infinite multiplication factor below a predetermined height to an infinite multiplication factor above the predetermined height is smaller than the first fuel assembly is arranged and the fuel assembly is arranged An outer peripheral region radially outward from the central region, and the first condition is that the ratio of the amount of fissile material below the predetermined height to the amount of fissile material above the predetermined height is the first condition. The ratio of the amount of combustible poison below the predetermined height to the amount of combustible poison above the predetermined height is larger than that of the first fuel assembly. The third condition is more than the predetermined height The ratio of the thickness of the channel box to the thickness of the channel box above the predetermined height is larger than that of the first fuel assembly, and the fourth condition is that water to heavy metal below the predetermined height When the ratio of the weight ratio to the weight ratio of water to heavy metal above the predetermined height is smaller than that of the first fuel assembly, the second fuel assembly has the first condition, In order to satisfy at least one of the second condition, the third condition, and the fourth condition, and to suppress the bottom peak in the outer peripheral region, the number of the second fuel assemblies in the outer peripheral region is the first number. The ratio of the number of fuel assemblies to the number of bodies is larger than the ratio of the number of bodies of the second fuel assemblies in the central region to the number of bodies of the first fuel assemblies, and the fuel assemblies are highly concentrated. And a low enriched fuel assembly group having a smaller amount of fissile material than the highly enriched fuel assembly group, both of the first fuel assembly and the second fuel assembly being the low enriched fuel assembly. It belongs to an aggregate group.

本発明によれば、炉心の外周領域で熱出力の軸方向分布がボトムピークとなる傾向を抑制することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress the tendency that the axial distribution of heat output becomes a bottom peak in the outer peripheral region of the core.

本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態における燃料集合体の配置を示す1/4横断面図である。FIG. 2 is a ¼ cross-sectional view showing the arrangement of fuel assemblies in the first embodiment of the core of the boiling water reactor according to the present invention. 本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態における横断面(水平断面)図である。It is a cross section (horizontal cross section) figure in 1st Embodiment of the core of the boiling water reactor which concerns on this invention. 本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態に用いる燃料集合体の横断面図である。1 is a cross-sectional view of a fuel assembly used in a first embodiment of a core of a boiling water reactor according to the present invention. 本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態に用いる高濃縮高ガドリニア燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。1 is a cross-sectional view showing a fuel rod arrangement of a highly enriched high gadolinia fuel assembly used in a first embodiment of a core of a boiling water reactor according to the present invention. 本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態に用いる高濃縮低ガドリニア燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the highly enriched low gadolinia fuel assembly used in the first embodiment of the core of the boiling water reactor according to the present invention. 本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態に用いる高濃縮出力分布調整用燃料の燃料棒配置を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the highly concentrated power distribution adjusting fuel used in the first embodiment of the core of the boiling water reactor according to the present invention. 本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態に用いる低濃縮燃料の燃料棒配置を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the low-enriched fuel used in the first embodiment of the core of the boiling water reactor according to the present invention. 本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態に用いる低濃縮出力分布調整用燃料の燃料棒配置を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the fuel for adjusting the low concentrated power distribution used in the first embodiment of the core of the boiling water reactor according to the present invention. 本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第2の実施の形態に用いる低濃縮燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the low-enriched fuel assembly used in the second embodiment of the core of the boiling water reactor according to the present invention.

本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   Embodiments of the core of a boiling water reactor according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

[第1の実施の形態]
図2は、本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第1の実施の形態における横断面(水平断面)図である。図3は、本実施の形態に用いる燃料集合体の横断面図である。図2は、炉心の横断面の左上1/4を示した図であって、残りの部分は炉心の鉛直方向中心軸を対称軸とする図示した部分の回転対称となっている。なお、炉心全体が回転対称になっている必要はなく、鏡面対称であってもよいし、対称性がない炉心であってもよい。
[First Embodiment]
FIG. 2 is a transverse cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) in the first embodiment of the core of the boiling water nuclear reactor according to the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel assembly used in the present embodiment. FIG. 2 is a diagram showing the upper left quarter of the cross section of the core, and the remaining portion is rotationally symmetric with respect to the illustrated portion with the central axis in the vertical direction of the core as the symmetry axis. Note that the entire core does not need to be rotationally symmetric, and may be mirror-symmetrical or a core without symmetry.

沸騰水型原子炉には、角筒状の燃料集合体26を配置する空間22が正方格子状に配列された領域10を有している。この領域10は、全体としてほぼ円筒形に形成されていて、燃料集合体26の軸は、その円筒の軸と同じ方向に向かっている。これらの空間22に燃料集合体26が配置されて、炉心を形成する。   The boiling water reactor has a region 10 in which spaces 22 in which square-tubular fuel assemblies 26 are arranged are arranged in a square lattice pattern. The region 10 is formed in a substantially cylindrical shape as a whole, and the axis of the fuel assembly 26 is directed in the same direction as the axis of the cylinder. Fuel assemblies 26 are arranged in these spaces 22 to form a core.

また、燃料集合体26を配置する空間22は、燃料集合体26よりも若干大きく、隣り合う4体の燃料集合体26の間に、制御棒21が挿入できるようになっている。なお、領域10の半径方向の外側の一部には、制御棒21と隣接しない燃料集合体26を配置する空間22も存在する。   The space 22 in which the fuel assembly 26 is arranged is slightly larger than the fuel assembly 26, and the control rod 21 can be inserted between the four adjacent fuel assemblies 26. A space 22 in which a fuel assembly 26 that is not adjacent to the control rod 21 is also present in a part of the region 10 on the outer side in the radial direction.

本実施の形態の炉心では、872体の燃料集合体26が装荷され、205本の制御棒21が配置される。   In the core of the present embodiment, 872 fuel assemblies 26 are loaded, and 205 control rods 21 are arranged.

燃料集合体26は、正方格子状に9行9列で配列された円筒状の燃料棒24、および、燃料棒24の配列の中央部分に配置された角筒状のウォータチャンネル25を有している。ウォータチャンネル25は、燃料棒24の3行3列の9本分の領域を占めている。燃料棒24およびウォータチャンネル25は、軸方向の両端に設けられたタイプレート(図示せず)および軸方向の数箇所に設けられたスペーサ(図示せず)で保持されている。燃料集合体26の外周は、角筒状のチャンネルボックス23で囲まれている。   The fuel assembly 26 includes cylindrical fuel rods 24 arranged in a square lattice in 9 rows and 9 columns, and a rectangular tube-shaped water channel 25 arranged in the center of the array of fuel rods 24. Yes. The water channel 25 occupies an area of nine fuel rods 24 in 3 rows and 3 columns. The fuel rod 24 and the water channel 25 are held by tie plates (not shown) provided at both ends in the axial direction and spacers (not shown) provided at several locations in the axial direction. The outer periphery of the fuel assembly 26 is surrounded by a rectangular tubular channel box 23.

燃料棒24の内部には、ウラン235などの核分裂性物質が、たとえばウラン238などとともに円筒状に焼き固められたペレットとして収められている。各燃料棒24中のウラン235の濃縮度は、燃料棒24ごとに異なっていて、各燃料棒24に収められた核分裂性物質量も燃料棒24ごとに異なっている。なお、燃料棒24の軸方向に濃縮度が異なる領域を設けてもよい。   Inside the fuel rod 24, a fissile material such as uranium 235 is stored as a pellet baked into a cylindrical shape together with uranium 238, for example. The enrichment of uranium 235 in each fuel rod 24 is different for each fuel rod 24, and the amount of fissile material contained in each fuel rod 24 is also different for each fuel rod 24. In addition, you may provide the area | region where enrichment differs in the axial direction of the fuel rod 24. FIG.

図1は、本実施の形態における燃料集合体の配置を示す1/4横断面図である。符号1〜5はそれぞれ燃料集合体26の種類を示しており、同一の符号は、燃料棒24の配置が同一の燃料集合体を示している。   FIG. 1 is a ¼ cross-sectional view showing the arrangement of fuel assemblies in the present embodiment. Reference numerals 1 to 5 each indicate the type of the fuel assembly 26, and the same reference numerals indicate fuel assemblies having the same arrangement of the fuel rods 24.

この炉心11は初装荷炉心であって、5種類の燃料集合体1,2,3,4,5が装荷されている。これらは、高濃縮高ガドリニア燃料集合体1、高濃縮低ガドリニア燃料集合体2、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3、低濃縮燃料集合体4、低濃縮出力分布調整用燃料集合体5である。   This core 11 is an initial loading core, and five kinds of fuel assemblies 1, 2, 3, 4, and 5 are loaded. These are a highly enriched high gadolinia fuel assembly 1, a highly enriched low gadolinia fuel assembly 2, a highly enriched output distribution adjusting fuel assembly 3, a low enriched fuel assembly 4, and a low enriched output distribution adjusting fuel assembly 5. is there.

この炉心11は、径方向の中央から外側に向かって、中央領域71、外周領域72、最外周領域73の3つの領域に分けられる。最外周領域73とは、炉心11の最外周から2層程度の領域である。内側外周領域72とは、炉心中心から炉心半径の約0.6よりも外側で、最外周領域73よりも内側の領域である。   The core 11 is divided into three regions: a central region 71, an outer peripheral region 72, and an outermost peripheral region 73 from the center in the radial direction to the outer side. The outermost peripheral area 73 is an area of about two layers from the outermost outer periphery of the core 11. The inner peripheral region 72 is a region outside the core radius of about 0.6 from the core center and inside the outermost peripheral region 73.

炉心11の最外周から径方向内側に向かって1ないし2層目の最外周領域73には、高濃縮低ガドリニア燃料集合体2が配置されている。外周領域72では、最外周領域73から炉心11の径方向内側に向かって1ないし3層程度の領域には、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3および低濃縮出力分布調整用燃料集合体5が配置されている。   The highly enriched low gadolinia fuel assembly 2 is arranged in the outermost peripheral region 73 of the first or second layer from the outermost periphery of the core 11 toward the radially inner side. In the outer peripheral region 72, there are about one to three layers from the outermost peripheral region 73 toward the inside in the radial direction of the core 11, and the high enriched power distribution adjusting fuel assembly 3 and the low enriched power distribution adjusting fuel assembly 5. Is arranged.

中央領域71および外周領域72には、コントロールセル74,75が形成されている。コントロールセル74,75とは、ある制御棒21を囲む4体の燃料集合体が全て低濃縮燃料集合体4,5である燃料集合体の組(セル)である。運転中の炉心の制御棒21による制御には、主としてコントロールセル74,75に位置する制御棒21を用いる。特に、運転サイクルの大部分の期間では、炉心11の中央領域71に白抜きの四角で示した13箇所のコントロールセル74を用いる。これらのコントロールセル74には、低濃縮燃料集合体4が配置されている。   Control cells 74 and 75 are formed in the central region 71 and the outer peripheral region 72. The control cells 74 and 75 are a set (cell) of fuel assemblies in which the four fuel assemblies surrounding a certain control rod 21 are all the low enriched fuel assemblies 4 and 5. The control rod 21 located in the control cells 74 and 75 is mainly used for the control by the control rod 21 of the core during operation. In particular, 13 control cells 74 indicated by white squares are used in the central region 71 of the core 11 during most of the operation cycle. In these control cells 74, the low enriched fuel assemblies 4 are arranged.

中央領域71では、コントロールセル74,75に面する位置には、高濃縮高ガドリニア燃料集合体1が配置されている。コントロールセル74,75に対角する位置の大部分には、高濃縮低ガドリニア燃料集合体2が装荷されている。中央領域71でコントロールセルに対角する位置の一部には、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3が配置されている。   In the central region 71, the highly enriched and high gadolinia fuel assembly 1 is disposed at a position facing the control cells 74 and 75. Highly enriched low gadolinia fuel assemblies 2 are loaded in most of the positions diagonal to the control cells 74 and 75. The fuel assembly 3 for highly concentrated output distribution adjustment is disposed at a part of the central region 71 that is diagonal to the control cell.

図4は、本実施の形態に用いる高濃縮高ガドリニア燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。図5は、本実施の形態に用いる高濃縮低ガドリニア燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。図6は、本実施の形態に用いる高濃縮出力分布調整用燃料の燃料棒配置を示す横断面図である。図7は、本実施の形態に用いる低濃縮燃料の燃料棒配置を示す横断面図である。図8は、本実施の形態に用いる低濃縮出力分布調整用燃料の燃料棒配置を示す横断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the highly enriched high gadolinia fuel assembly used in the present embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the highly enriched low gadolinia fuel assembly used in the present embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the highly concentrated output distribution adjusting fuel used in the present embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the low-enriched fuel used in the present embodiment. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the low enriched output distribution adjusting fuel used in this embodiment.

図4ないし図8において、1〜5で示される位置はウラン燃料棒が配置され、G1、G2で示される位置はガドリニア入り燃料棒が配置されることを示している。Wは、ウォータチャンネルあるいはウォータロッドの位置を示している。   4 to 8, the positions indicated by 1 to 5 indicate that uranium fuel rods are arranged, and the positions indicated by G1 and G2 indicate that gadolinia-containing fuel rods are arranged. W indicates the position of the water channel or water rod.

高濃縮高ガドリニア燃料集合体1、高濃縮低ガドリニア燃料集合体2および高濃縮出力分布調整用燃料集合体3は、9行9列の正方格子の中央の3行3列を占める位置に角筒状のウォータチャンネルが配置されている。低濃縮燃料集合体4および低濃縮出力分布調整用燃料集合体5は、9行9列の正方格子の中央に2本の円筒状のウォータロッドが設けられて、7つの格子位置を占めている。このように、1つの炉心11には、内部形状が異なる複数の種類の燃料集合体を用いてもよい。   The highly enriched high gadolinia fuel assembly 1, the highly enriched low gadolinia fuel assembly 2, and the highly enriched power distribution adjusting fuel assembly 3 are arranged in a rectangular tube at a position that occupies the middle 3 rows and 3 columns of the 9 rows and 9 columns square lattice. Shaped water channels are arranged. The low enriched fuel assembly 4 and the low enriched output distribution adjusting fuel assembly 5 are provided with two cylindrical water rods in the center of a 9 × 9 square lattice and occupy seven lattice positions. . Thus, a plurality of types of fuel assemblies having different internal shapes may be used for one core 11.

ウラン燃料棒とは、内部にガドリニアなどの可燃性毒物を含有しない燃料棒24のことである。異なる数字の位置に配置されるウラン燃料棒は、互いにウラン235の濃縮度が異なる。ウラン燃料棒は、同一の燃料集合体内の数字が大きい位置に配置されるものほどウランの濃縮度が低い。つまり、1で示される燃料棒の濃縮度が最も高く、4で示される位置のウラン燃料棒の濃縮度が最も低い。1で示されるウラン燃料棒の濃縮度は、たとえば4.9wt%である。また、1’で示される位置に配置される燃料棒は、軸方向下部でウランの濃縮度が低い。2’で示される位置に配置される燃料棒は、軸方向上部でウランの濃縮度が低い。   The uranium fuel rod is a fuel rod 24 that does not contain a flammable poison such as gadolinia. Uranium fuel rods arranged at different numbers have different uranium 235 enrichments. As the uranium fuel rods are arranged at positions where the numbers in the same fuel assembly are larger, the enrichment of uranium is lower. That is, the enrichment of the fuel rod indicated by 1 is the highest, and the enrichment of the uranium fuel rod at the position indicated by 4 is the lowest. The enrichment of the uranium fuel rod indicated by 1 is, for example, 4.9 wt%. Further, the fuel rod arranged at the position indicated by 1 'has a low uranium enrichment at the lower part in the axial direction. The fuel rod arranged at the position indicated by 2 'has a low enrichment of uranium at the upper part in the axial direction.

また、核分裂性物質としては、ウランの代わりに、プルトニウム、トリウム、あるいはこれらの組み合わせを用いてもよい。この場合、ウラン濃縮度の代わりに、核分裂性物質濃度を考慮する。   Further, as the fissile material, plutonium, thorium, or a combination thereof may be used instead of uranium. In this case, fissile material concentration is taken into account instead of uranium enrichment.

ガドリニア入り燃料棒とは、ガドリニアなどの可燃性毒物を核分裂性物質とともに含有する燃料棒24のことである。G1で示される位置に配置されるガドリニア入り燃料棒は、燃料有効部の全体に亘って可燃性毒物が含有された全長ガドリニア入り燃料棒である。G2で示される位置に配置されるガドリニア入り燃料棒は、燃料有効部のたとえば下端から燃料有効長の1/3程度までの下部に可燃性毒物が含有され、それよりも上部には可燃性毒物が含有されていない部分長ガドリニア入り燃料棒である。   The fuel rod containing gadolinia is a fuel rod 24 containing a combustible poison such as gadolinia together with a fissile material. The fuel rod containing gadolinia arranged at the position indicated by G1 is a full length gadolinia containing fuel rod containing a combustible poison throughout the effective fuel portion. The fuel rod with gadolinia arranged at the position indicated by G2 contains a flammable poison at the lower part of the effective fuel part, for example, from the lower end to about 1/3 of the effective fuel length, and at the upper part, the flammable poison. This is a fuel rod containing part-length gadolinia that does not contain.

ガドリニア入り燃料棒であっても、燃料有効部の上端および下端の燃料有効長の1/24あるいは2/24程度の長さには、天然ウランのペレットを装填したブランケット領域を設けてもよい。また、可燃性毒物としては、ガドリニアの他に、エルビア、ホウ素、およびこれらの組み合わせを用いることができる。燃料集合体中の可燃性毒物量は、可燃性毒物入りの燃料棒の本数・体積、可燃性毒物の添加濃度、あるいはこれらの組み合わせによって変化させることができる。   Even a fuel rod containing gadolinia may be provided with a blanket region loaded with natural uranium pellets at a length of about 1/24 or 2/24 of the effective fuel length at the upper and lower ends of the effective fuel portion. In addition to gadolinia, erbia, boron, and combinations thereof can be used as the flammable poison. The amount of the flammable poison in the fuel assembly can be changed by the number and volume of fuel rods containing the flammable poison, the concentration of the flammable poison, or a combination thereof.

高濃縮高ガドリニア燃料集合体1は、14本のガドリニア入り燃料棒が用いられており、そのうち2本が部分長ガドリニア入り燃料棒である。また、高濃縮低ガドリニア燃料集合体2は、12本のガドリニア入り燃料棒が用いられており、そのうち1本がガドリニア入り燃料棒である。これに対し、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3は、14本のガドリニア入り燃料棒が用いられており、そのうち4本が部分長燃料棒である。つまり、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3は、高濃縮高ガドリニア燃料集合体1あるいは高濃縮低ガドリニア燃料集合体2に比べて軸方向下部領域においてガドリニア入り燃料棒の本数が多い。このため、ガドリニウムが燃焼しつくす寿命の初期において、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3は、高濃縮高ガドリニア燃料集合体1あるいは高濃縮低ガドリニア燃料集合体2に比べて、軸方向下部の軸方向上部に対する無限増倍率の比が小さい。無限増倍率とは、その燃料集合体のある断面を断面方向に無限に配置した場合の中性子の発生と消滅の比である。つまり、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3は、高濃縮高ガドリニア燃料集合体1あるいは高濃縮低ガドリニア燃料集合体2に比べて、軸方向の出力分布がトップピークになりやすい燃料集合体である。   The highly enriched high gadolinia fuel assembly 1 uses 14 gadolinia-containing fuel rods, two of which are partial-length gadolinia-containing fuel rods. The highly enriched low gadolinia fuel assembly 2 uses twelve gadolinia containing fuel rods, one of which is a gadolinia containing fuel rod. On the other hand, the fuel assembly 3 for adjusting the highly concentrated output distribution uses 14 gadolinia-containing fuel rods, of which 4 are partial-length fuel rods. That is, the highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 has more gadolinia-containing fuel rods in the lower axial region than the highly enriched high gadolinia fuel assembly 1 or the highly enriched low gadolinia fuel assembly 2. Therefore, in the initial stage of the lifetime when gadolinium burns out, the highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 is lower in the axial direction than the highly enriched high gadolinia fuel assembly 1 or the highly enriched low gadolinia fuel assembly 2. The ratio of the infinite multiplication factor with respect to the upper part in the axial direction is small. The infinite multiplication factor is the ratio of generation and extinction of neutrons when a section of the fuel assembly is arranged infinitely in the section direction. That is, the highly enriched output distribution adjusting fuel assembly 3 is a fuel assembly in which the axial power distribution tends to become a top peak compared to the highly enriched high gadolinia fuel assembly 1 or the highly enriched low gadolinia fuel assembly 2. is there.

低濃縮出力分布調整用燃料集合体5は、コーナー部近傍に軸方向上部の濃縮度が低い燃料棒2’を8本用いているが、内周領域では軸方向下部の濃縮度が低い燃料棒1’を30本用いている。このため、低濃縮出力分布調整用燃料集合体5は、低濃縮燃料集合体4に比べて、軸方向下部の軸方向上部に対する無限増倍率の比が小さい。つまり、低濃縮出力分布調整用燃料集合体5は、低濃縮燃料集合体4に比べて、軸方向の出力分布がトップピークになりやすい燃料集合体である。   The fuel assembly 5 for adjusting the low enrichment output distribution uses eight fuel rods 2 'having low axial enrichment in the vicinity of the corner portion, but the fuel rod having low enrichment in the axially lower portion in the inner peripheral region. Thirty 1's are used. Therefore, the low enriched output distribution adjusting fuel assembly 5 has a smaller ratio of the infinite multiplication factor to the axially upper portion in the lower axial direction than the low enriched fuel assembly 4. That is, the low enriched power distribution adjusting fuel assembly 5 is a fuel assembly in which the axial power distribution is likely to have a top peak compared to the low enriched fuel assembly 4.

このように、本実施の形態では、所定の高さよりも下方の核分裂性物質量のその所定の高さよりも上方の核分裂性物質量に対する比が小さいこと、あるいは、所定の高さよりも下方の可燃性毒物量のその所定の高さよりも上方の可燃性毒物量に対する比が大きいこと、により、所定の高さよりも下方の無限増倍率のその所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が内周領域71に主として装荷される燃料集合体26よりも小さい燃料集合体26を形成している。また、所定の高さよりも下方のチャンネルボックス23の厚さを大きくして、所定の高さよりも下方の無限増倍率のその所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が内周領域71に主として装荷される燃料集合体26よりも小さい燃料集合体26を形成してもよい。あるいは、ウォータチャンネル25の形状を変化させるなどによって所定の高さよりも下方の水対重金属重量比を小さくして、所定の高さよりも下方の無限増倍率のその所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が内周領域71に主として装荷される燃料集合体26よりも小さい燃料集合体26を形成してもよい。   Thus, in the present embodiment, the ratio of the amount of fissile material below the predetermined height to the amount of fissile material above the predetermined height is small, or the combustible below the predetermined height. Because the ratio of the amount of toxic poison to the amount of flammable poison above the predetermined height is large, the ratio of the infinite multiplication factor below the predetermined height to the infinite multiplication factor above the predetermined height is A fuel assembly 26 smaller than the fuel assembly 26 mainly loaded in the peripheral region 71 is formed. Further, by increasing the thickness of the channel box 23 below the predetermined height, the ratio of the infinite multiplication factor below the predetermined height to the infinite multiplication factor above the predetermined height is set in the inner peripheral region 71. You may form the fuel assembly 26 smaller than the fuel assembly 26 mainly loaded. Alternatively, the weight ratio of the water to heavy metal below the predetermined height is reduced by changing the shape of the water channel 25, and the infinite increase above the predetermined height of the infinite multiplication factor below the predetermined height. You may form the fuel assembly 26 whose ratio with respect to a magnification is smaller than the fuel assembly 26 mainly loaded by the inner peripheral area | region 71. FIG.

また、この所定の高さ、すなわち、無限増倍率を比較する軸方向下部と軸方向上部との境界は、たとえば炉心の下端から燃料有効長の1/3程度の高さとする。これは、沸騰水型原子炉では、一般的に、炉心の下端から燃料有効長の1/3程度の高さの位置からボイド率が大きくなるため、軸方向出力分布のボトムピークは、その高さよりも下方で現われやすいからである。   The predetermined height, that is, the boundary between the lower portion in the axial direction and the upper portion in the axial direction for comparing the infinite multiplication factor is, for example, about a third of the effective fuel length from the lower end of the core. This is because, in a boiling water reactor, the void ratio generally increases from a position about 1/3 of the effective fuel length from the lower end of the core, so the bottom peak of the axial power distribution is high. This is because it tends to appear below.

これらの燃料集合体を用いた炉心11では、運転サイクルの初期においては、制御棒21を挿入することにより臨界状態が維持される。この際、運転中に炉心に挿入される制御棒21としては、原子炉の炉心の径方向出力分布を平坦化させるため、主として炉心の中央領域に位置するものが用いられる。本実施の形態では、中央領域71のコントロールセル74の制御棒21が挿入される。相対的に、炉心の外周領域72には挿入された制御棒の本数が少なくなる。このため、炉心の外周領域72では、軸方向出力分布がボトムピークになる傾向にある。   In the core 11 using these fuel assemblies, the critical state is maintained by inserting the control rod 21 in the initial stage of the operation cycle. At this time, as the control rod 21 inserted into the core during operation, a rod mainly located in the central region of the core is used in order to flatten the radial power distribution of the reactor core. In the present embodiment, the control rod 21 of the control cell 74 in the central region 71 is inserted. In comparison, the number of control rods inserted in the outer peripheral region 72 of the core is reduced. For this reason, in the outer peripheral region 72 of the core, the axial power distribution tends to be a bottom peak.

しかし、本実施の形態では、炉心の外周領域72に、高濃縮高ガドリニア燃料集合体1あるいは高濃縮低ガドリニア燃料集合体2の代わりとして、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3を装荷している。また、炉心の外周領域72では、低濃縮燃料集合体4の代わりとして、低濃縮出力分布調整用燃料集合体5を装荷している。   However, in the present embodiment, the high enriched power distribution adjusting fuel assembly 3 is loaded in the outer peripheral region 72 of the core instead of the highly enriched high gadolinia fuel assembly 1 or the highly enriched low gadolinia fuel assembly 2. Yes. Further, in the outer peripheral region 72 of the core, the low enriched power distribution adjusting fuel assembly 5 is loaded instead of the low enriched fuel assembly 4.

高濃縮出力分布調整用燃料集合体3は、下部にのみ可燃性毒物を含有させた部分長ガドリニア入り燃料棒を多く装荷している。このため、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3を外周領域72に配置することで、軸方向出力分布を均一化することができる。また、軸方向上部の濃縮度を高めた低濃縮出力分布調整用燃料集合体5を外周領域75に配置することで、軸方向出力分布を均一化することができる。つまり、外周領域72における軸方向出力分布が、過度にボトムピークになることを抑制することができる。   The highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 is loaded with many fuel rods containing part-length gadolinia containing a flammable poison only in the lower part. For this reason, by arranging the highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 in the outer peripheral region 72, the axial output distribution can be made uniform. Further, by arranging the low concentrated output distribution adjusting fuel assembly 5 in which the enrichment at the upper part in the axial direction is increased in the outer peripheral region 75, the axial output distribution can be made uniform. That is, the axial output distribution in the outer peripheral region 72 can be suppressed from becoming an excessively bottom peak.

炉心11の最外周領域73では、燃料集合体1体当たりの熱出力は、その内側の領域に比べて小さい。よって、最外周領域73において、ボイド率は、その内側の領域に比べて小さく、軸方向出力分布がボトムピークになる傾向は小さい。このため、最外周領域73に高濃縮出力分布調整用燃料集合体3あるいは低濃縮出力分布調整用燃料集合体5を装荷して軸方向出力分布がボトムピークになる傾向を抑制すると、軸方向下部領域での燃焼が進みにくい。   In the outermost peripheral region 73 of the core 11, the heat output per fuel assembly is smaller than that in the inner region. Therefore, in the outermost peripheral area 73, the void ratio is smaller than that in the inner area, and the axial output distribution is less likely to have a bottom peak. For this reason, if the high-concentration output distribution adjustment fuel assembly 3 or the low-concentration output distribution adjustment fuel assembly 5 is loaded in the outermost peripheral region 73 to suppress the tendency that the axial output distribution becomes the bottom peak, Combustion in the area is difficult to proceed.

しかし、初装荷炉心の場合、炉心11の最外周領域73に装荷された燃料集合体は、その後の運転サイクルで、炉心の内側の領域に移動される場合が多い。このため、初装荷炉心で、最外周領域73に高濃縮出力分布調整用燃料集合体3あるいは低濃縮出力分布調整用燃料集合体5を装荷して軸方向出力分布がボトムピークになる傾向を抑制すると、これらの燃料集合体は、その後の運転サイクルで軸方向出力分布がよりボトムピークになりやすくなってしまう。そこで、本実施の形態では、最外周領域73には、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3あるいは低濃縮出力分布調整用燃料集合体5を装荷していない。   However, in the case of the initial loading core, the fuel assembly loaded in the outermost peripheral region 73 of the core 11 is often moved to a region inside the core in the subsequent operation cycle. For this reason, in the initial loading core, the fuel composition 3 for high enriched power distribution adjustment or the fuel assembly 5 for low enriched power distribution adjustment is loaded in the outermost peripheral region 73 to suppress the tendency that the axial power distribution becomes the bottom peak. Then, in these fuel assemblies, the axial output distribution is more likely to have a bottom peak in the subsequent operation cycle. Therefore, in the present embodiment, the highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 or the low concentrated output distribution adjusting fuel assembly 5 is not loaded in the outermost peripheral region 73.

中央領域71であっても、運転中に制御棒21がほとんど挿入されないコントロールセル75およびその近傍は、軸方向出力分布がややボトムピークになる。そこで、そのような位置に、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3あるいは低濃縮出力分布調整用燃料集合体5を装荷することにより、最大線出力密度を抑制することができる。このように、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3および低濃縮出力分布調整用燃料集合体5は、中央領域71に装荷してもよいが、装荷体数が多くなると中央領域71における軸方向出力分布がトップピークに近づく。そこで、中央領域71に装荷される高濃縮出力分布調整用燃料集合体3および低濃縮出力分布調整用燃料集合体5の体数は、それぞれ高濃縮燃料集合体または低濃縮燃料集合体の全数に対する割合が、外周領域72に装荷される割合以下となるようにすべきである。   Even in the central region 71, the axial output distribution has a slightly bottom peak in the control cell 75 where the control rod 21 is hardly inserted during operation and in the vicinity thereof. Therefore, the maximum linear power density can be suppressed by loading the highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 or the low concentrated output distribution adjusting fuel assembly 5 at such a position. As described above, the highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 and the low concentrated output distribution adjusting fuel assembly 5 may be loaded in the central region 71. However, as the number of loaded bodies increases, the axial direction in the central region 71 increases. The output distribution approaches the top peak. Therefore, the number of high-concentration output distribution adjustment fuel assemblies 3 and low-concentration output distribution adjustment fuel assemblies 5 loaded in the central region 71 corresponds to the total number of high-enrichment fuel assemblies or low-enrichment fuel assemblies, respectively. The proportion should be less than or equal to the proportion loaded in the outer peripheral region 72.

外周領域72では、炉心体系からの中性子の漏れによって、燃料集合体1体当たりの熱出力が低くなる傾向がある。また、最小限界出力比は、集合体出力に大きく依存する。そのため、外周領域72では、軸方向出力分布がボトムピークであることにより線出力密度は高いものの、最小限界出力比は大きくなる(楽になる)傾向がある。よって、軸方向出力分布を平坦化させた場合、その分、燃料集合体1体当たりの熱出力を増加させることができる。   In the outer peripheral region 72, the heat output per fuel assembly tends to be low due to neutron leakage from the core system. Further, the minimum limit output ratio greatly depends on the aggregate output. For this reason, in the outer peripheral region 72, although the linear output density is high due to the bottom peak in the axial direction output distribution, the minimum limit output ratio tends to increase (become easier). Therefore, when the axial output distribution is flattened, the heat output per fuel assembly can be increased accordingly.

本実施の形態においては、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3は高濃縮高ガドリニア燃料集合体1、高濃縮低ガドリニア燃料集合体2に比較して全長ガドリニア入り燃料棒の本数を少なくしている。つまり、高濃縮出力分布調整用燃料集合体3は、外周領域72に配置されながらも燃料集合体1体当たりの熱出力を高めている。さらに、低濃縮燃料集合体4よりも集合体平均濃縮度の高い低濃縮出力分布調整用燃料集合体5を外周領域72に装荷することにより、外周領域72の燃料集合体1体当たりの熱出力を高めている。このため、中央領域71に配置された燃料集合体の1体当たりの熱出力は、相対的に小さくなる。その結果、最小限界出力比が小さくなりやすい中央領域71の特性を改善することができる。なお、チャンネルボックス23の軸方向平均厚さを小さくすること、または、水対重金属重量比を大きくすることにより燃料集合体1体当たりの熱出力を高めてもよい。   In the present embodiment, the highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 has fewer full-length gadolinia containing fuel rods than the highly enriched high gadolinia fuel assembly 1 and the highly enriched low gadolinia fuel assembly 2. Yes. That is, the highly concentrated output distribution adjusting fuel assembly 3 increases the heat output per fuel assembly while being disposed in the outer peripheral region 72. Further, by loading the low enriched output distribution adjusting fuel assembly 5 having a higher assembly average enrichment than the low enriched fuel assembly 4 to the outer peripheral region 72, the heat output per fuel assembly in the outer peripheral region 72 is obtained. Is increasing. For this reason, the heat output per fuel assembly disposed in the central region 71 is relatively small. As a result, it is possible to improve the characteristics of the central region 71 where the minimum limit output ratio tends to be small. Note that the heat output per fuel assembly may be increased by reducing the average thickness in the axial direction of the channel box 23 or increasing the weight ratio of water to heavy metal.

また、低濃縮燃料集合体4,5が装荷されたコントロールセル74,75に面する高濃縮燃料は、スペクトルミスマッチ効果により熱的特性が悪化しやすい傾向がある。そこで、本実施の形態では、高濃縮高ガドリニア燃料集合体1の低濃縮燃料に面する側、すなわち反制御棒側には、ガドリニア入り燃料棒を多く配置している。これにより、熱的特性の悪化を緩和させている。なお、コントロールセル74,75に対角する位置ではスペクトルミスマッチ効果は大きくないため、高濃縮低ガドリニア燃料集合体2のガドリニア入り燃料棒の配置はほぼ均一に分散されている。   Further, the highly concentrated fuel facing the control cells 74 and 75 loaded with the low enriched fuel assemblies 4 and 5 tends to be deteriorated in thermal characteristics due to the spectrum mismatch effect. Therefore, in the present embodiment, many gadolinia-containing fuel rods are arranged on the side of the highly enriched and highly gadolinia fuel assembly 1 facing the low enriched fuel, that is, on the counter-control rod side. This alleviates the deterioration of thermal characteristics. In addition, since the spectrum mismatch effect is not large at positions diagonal to the control cells 74 and 75, the arrangement of the gadolinia-containing fuel rods of the highly enriched low gadolinia fuel assembly 2 is distributed almost uniformly.

低濃縮出力分布調整用燃料集合体5は、外周領域72の燃料集合体の1体当たりの熱出力を高くすることで中央領域の熱的特性を改善させているが、低濃縮燃料集合体4に比べると炉停止余裕が悪化しやすい。そこで、本実施の形態では、低濃縮出力分布調整用燃料集合体5に炉停止余裕の改善のための対策を施している。   The low enriched power distribution adjusting fuel assembly 5 improves the thermal characteristics of the central region by increasing the thermal output per fuel assembly in the outer peripheral region 72, but the low enriched fuel assembly 4 Compared to, the furnace shutdown margin is likely to deteriorate. Therefore, in the present embodiment, measures are taken to improve the reactor shutdown margin in the low concentrated power distribution adjusting fuel assembly 5.

低濃縮出力分布調整用燃料集合体5に施した炉停止余裕の改善のための対策とは、たとえば低濃縮出力分布調整用燃料集合体5のコーナー部近傍の燃料棒の濃縮度を低くすることである。また、低温時において出力が高くなる軸方向上部の濃縮度を低くした燃料棒を用いてもよい。炉停止余裕に対しては、より多くの水に面するコーナー部およびその近傍の燃料棒の影響が大きい。そこで、たとえば図8の2’に示される位置に、このような燃料棒を用いるとよい。   The measure for improving the reactor shutdown margin applied to the low enriched power distribution adjusting fuel assembly 5 is, for example, reducing the enrichment of the fuel rods near the corner of the low enriched power distribution adjusting fuel assembly 5. It is. Alternatively, a fuel rod having a lower enrichment in the upper axial direction where the output is higher at low temperatures may be used. The furnace stop margin is greatly influenced by the corners facing more water and the fuel rods in the vicinity thereof. Therefore, for example, such a fuel rod may be used at the position indicated by 2 'in FIG.

このように濃縮度が低いウランを用いた領域を炉停止余裕の改善に効果的な燃料有効部の上部にのみ設けることにより、燃料集合体の平均濃縮度をそれほど低下させずに炉停止余裕を改善できる。また、燃料有効部の全体の濃縮度を低減した燃料棒は、たとえば炉停止余裕の改善に最も効果的なコーナー部およびその近傍にのみ用いることにより、燃料集合体の平均濃縮度の低下を抑制できる。   By providing a region using uranium with low enrichment only above the effective fuel effective portion for improving the reactor shutdown margin, the reactor shutdown margin can be increased without significantly reducing the average enrichment of the fuel assembly. Can improve. In addition, fuel rods with reduced overall enrichment of the fuel effective part are used only at the corners and the vicinity that are most effective for improving the furnace shutdown margin, for example, thereby suppressing a decrease in the average enrichment of the fuel assembly. it can.

このようにして、低濃縮出力分布調整用燃料集合体5の集合体平均濃縮度を低濃縮燃料集合体4よりも高いまま、炉停止余裕を改善することができる。高濃縮出力分布調整用燃料3においても、同様に、コーナー部近傍の濃縮度あるいは軸方向上部の濃縮度を低くすることにより、炉停止余裕を改善することができる。   In this way, the furnace shutdown margin can be improved while the assembly average enrichment of the low enriched power distribution adjusting fuel assembly 5 is higher than that of the low enriched fuel assembly 4. Similarly, in the highly concentrated power distribution adjusting fuel 3, the furnace stop margin can be improved by lowering the enrichment in the vicinity of the corner or the enrichment in the upper part in the axial direction.

冷温時、すなわち炉停止時の軸方向出力分布は、炉心の下端から20/24程度の高さにピークを持つ。このため、炉停止余裕に対して影響が大きいのは、燃料有効部の上端から燃料有効長の1/3程度の長さの領域である。よって、炉停止余裕の改善のためには、燃料有効部の上端から燃料有効長の1/3程度の長さの領域の濃縮度を小さくすればよい。   The axial power distribution at the time of cold temperature, that is, when the furnace is stopped has a peak at a height of about 20/24 from the lower end of the core. For this reason, the region having a length about 1/3 of the effective fuel length from the upper end of the effective fuel portion has a great influence on the furnace stop margin. Therefore, in order to improve the furnace stop margin, the enrichment of the region having a length of about 1/3 of the effective fuel length from the upper end of the effective fuel portion may be reduced.

[第2の実施の形態]
図9は、本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第2の実施の形態に用いる低濃縮燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the fuel rod arrangement of the low-enriched fuel assembly used in the second embodiment of the core of the boiling water reactor according to the present invention.

図9において、2’、3’で示される位置に配置される燃料棒は、軸方向上部でウランの濃縮度が低い。本実施の形態では、低濃縮燃料集合体4が第1の実施の形態と異なる。本実施の形態の低濃縮燃料集合体は、制御棒の軸中心に最も近いコーナー部近傍に配置される燃料棒の濃縮度を下げ、また、上部領域の濃縮度を低下させている。   In FIG. 9, the fuel rods arranged at the positions indicated by 2 ′ and 3 ′ have low uranium enrichment at the upper part in the axial direction. In the present embodiment, the low-enriched fuel assembly 4 is different from the first embodiment. In the low enriched fuel assembly of the present embodiment, the enrichment of the fuel rods arranged in the vicinity of the corner portion closest to the axial center of the control rod is lowered, and the enrichment of the upper region is lowered.

第1の実施の形態あるいは本実施の形態のように、軸方向下部の軸方向上部に対する無限増倍率の比が小さい燃料集合体を用いてボトムピークを抑制すると、すなわち、軸方向出力分布を均一化すると、運転中に挿入された制御棒の周囲の領域では、軸方向出力分布がトップピークになる可能性もある。この傾向は、制御棒を比較的浅く引き抜いた場合に、顕著である。ある一定期間、制御棒を挿入した状態で運転したセルでは、制御棒引抜時に制御棒履歴効果により熱的特性が悪化することがある。   When the bottom peak is suppressed by using a fuel assembly having a small ratio of the infinite multiplication factor with respect to the axial upper portion in the axial lower portion as in the first embodiment or the present embodiment, that is, the axial output distribution is made uniform. In this case, the axial output distribution may reach a top peak in the area around the control rod inserted during operation. This tendency is remarkable when the control rod is pulled out relatively shallowly. In a cell operated with a control rod inserted for a certain period, the thermal characteristics may deteriorate due to the control rod history effect when the control rod is pulled out.

しかし、本実施の形態では、制御棒が挿入される側の特にコーナー燃料棒近傍について、濃縮度を下げ、また制御棒挿入時にプルトニウムが蓄積されやすい上部領域の濃縮度を低下させているため、熱的特性の低下を緩和することができる。これにより、炉心中央領域の軸方向出力分布が極端なトップピークになることを抑制することができる。また、高濃縮高ガドリニア燃料集合体1(図4参照)、高濃縮低ガドリニア燃料集合体2(図5参照)の上部濃縮度を同様に低減させてもよい。   However, in the present embodiment, the enrichment is lowered particularly in the vicinity of the corner fuel rod on the side where the control rod is inserted, and the enrichment of the upper region where plutonium is likely to be accumulated when the control rod is inserted is lowered. The deterioration of the thermal characteristics can be alleviated. Thereby, it can suppress that the axial direction power distribution of a core center area | region becomes an extreme top peak. Further, the upper enrichment of the highly enriched high gadolinia fuel assembly 1 (see FIG. 4) and the highly enriched low gadolinia fuel assembly 2 (see FIG. 5) may be similarly reduced.

[他の実施の形態]
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。たとえば、ここでは初装荷炉心を例として説明したが、本発明は取り替え炉心にも適用できる。取り替え炉心に適用する場合には、運転サイクル初期における燃料集合体のそれぞれの断面の無限増倍率に基づいて、上述の初装荷炉心と同様の関係となるように燃料を配置するとよい。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
[Other embodiments]
The above-described embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, although the initial loading core has been described here as an example, the present invention can also be applied to a replacement core. When applied to a replacement core, the fuel may be arranged so as to have the same relationship as that of the above-mentioned initial loading core based on the infinite multiplication factor of each cross section of the fuel assembly at the beginning of the operation cycle. Moreover, it can also implement combining the characteristic of each embodiment.

1…高濃縮高ガドリニア燃料集合体、2…高濃縮低ガドリニア燃料集合体、3…高濃縮出力分布調整用燃料集合体、4…低濃縮燃料集合体、5…低濃縮出力分布調整用燃料集合体、11…炉心、21…制御棒、23…チャンネルボックス、24…燃料棒、25…ウォータチャンネル、26…燃料集合体、71…中央領域、72…外周領域、73…最外周領域、74…コントロールセル、75…コントロールセル、22…空間、10…領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High enrichment high gadolinia fuel assembly, 2 ... High enrichment low gadolinia fuel assembly, 3 ... High enrichment output distribution adjustment fuel assembly, 4 ... Low enrichment fuel assembly, 5 ... Low enrichment output distribution adjustment fuel assembly 11 ... core, 21 ... control rod, 23 ... channel box, 24 ... fuel rod, 25 ... water channel, 26 ... fuel assembly, 71 ... central region, 72 ... outer peripheral region, 73 ... outermost peripheral region, 74 ... Control cell, 75 ... control cell, 22 ... space, 10 ... area

Claims (6)

実質的に円柱状の空間内に燃料集合体が装荷された沸騰水型原子炉の炉心において、
第1燃料集合体を含む前記燃料集合体が装荷された中央領域と、
所定の高さよりも下方の無限増倍率の前記所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さい第2燃料集合体を含む前記燃料集合体が配列されて前記中央領域よりも半径方向外側の外周領域と、
を有し、
第1条件を前記所定の高さよりも下方の核分裂性物質量の前記所定の高さよりも上方の核分裂性物質量に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、
第2条件を前記所定の高さよりも下方の可燃性毒物量の前記所定の高さよりも上方の可燃性毒物量に対する比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、
第3条件を前記所定の高さよりも下方のチャンネルボックスの厚さの前記所定の高さよりも上方のチャンネルボックスの厚さに対する比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、
第4条件を前記所定の高さよりも下方の水対重金属重量比の前記所定の高さよりも上方の水対重金属重量比に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、
としたときに、前記第2の燃料集合体は、前記第1条件、前記第2条件、前記第3条件および前記第4条件の少なくとも一つの条件を満足し、
前記外周領域におけるボトムピークを抑制するために、前記外周領域における前記第2燃料集合体の体数の前記第1燃料集合体の体数に対する割合が前記中央領域における前記第2燃料集合体の体数の前記第1燃料集合体の体数に対する割合よりも大きくなっており、
前記燃料集合体は、
高濃縮燃料集合体群とこの高濃縮燃料集合体群よりも核分裂性物質量が小さい低濃縮燃料集合体群とを含み、
前記第1燃料集合体および前記第2燃料集合体はいずれも前記高濃縮燃料集合体群に属する、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
In the core of a boiling water reactor in which a fuel assembly is loaded in a substantially cylindrical space,
A central region loaded with the fuel assembly including a first fuel assembly;
The fuel assembly including a second fuel assembly in which a ratio of an infinite multiplication factor below a predetermined height to an infinite multiplication factor above the predetermined height is smaller than the first fuel assembly is arranged and the fuel assembly is arranged An outer peripheral region radially outward from the central region;
Have
The first condition is that a ratio of the amount of fissile material below the predetermined height to the amount of fissile material above the predetermined height is smaller than that of the first fuel assembly,
The ratio of the amount of combustible poison below the predetermined height to the amount of combustible poison above the predetermined height is greater than the first fuel assembly, the second condition
The third condition is that the ratio of the thickness of the channel box below the predetermined height to the thickness of the channel box above the predetermined height is larger than that of the first fuel assembly,
The fourth condition is that the ratio of the weight ratio of water to heavy metal below the predetermined height to the weight ratio of water to heavy metal above the predetermined height is smaller than that of the first fuel assembly.
The second fuel assembly satisfies at least one of the first condition, the second condition, the third condition, and the fourth condition,
To suppress the bottom peak in the outer peripheral region, the body of the second fuel assemblies ratio body speed of the second fuel assemblies of the body number of the first fuel assembly in the peripheral area in the central region Greater than the ratio of the number of the first fuel assemblies to the number of bodies ,
The fuel assembly is
A highly enriched fuel assembly group and a low enriched fuel assembly group having a smaller amount of fissile material than the highly enriched fuel assembly group,
The first fuel assembly and the second fuel assembly both belong to the highly enriched fuel assembly group.
A boiling water reactor core characterized by that.
実質的に円柱状の空間内に燃料集合体が装荷された沸騰水型原子炉の炉心において、
第1燃料集合体を含む前記燃料集合体が装荷された中央領域と、
所定の高さよりも下方の無限増倍率の前記所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さい第2燃料集合体を含む前記燃料集合体が配列されて前記中央領域よりも半径方向外側の外周領域と、
を有し、
第1条件を前記所定の高さよりも下方の核分裂性物質量の前記所定の高さよりも上方の核分裂性物質量に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、
第2条件を前記所定の高さよりも下方の可燃性毒物量の前記所定の高さよりも上方の可燃性毒物量に対する比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、
第3条件を前記所定の高さよりも下方のチャンネルボックスの厚さの前記所定の高さよりも上方のチャンネルボックスの厚さに対する比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、
第4条件を前記所定の高さよりも下方の水対重金属重量比の前記所定の高さよりも上方の水対重金属重量比に対する比が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、
としたときに、前記第2の燃料集合体は、前記第1条件、前記第2条件、前記第3条件および前記第4条件の少なくとも一つの条件を満足し、
前記外周領域におけるボトムピークを抑制するために、前記外周領域における前記第2燃料集合体の体数の前記第1燃料集合体の体数に対する割合が前記中央領域における前記第2燃料集合体の体数の前記第1燃料集合体の体数に対する割合よりも大きくなっており、
前記燃料集合体は、
高濃縮燃料集合体群とこの高濃縮燃料集合体群よりも核分裂性物質量が小さい低濃縮燃料集合体群とを含み、
前記第1燃料集合体および前記第2燃料集合体はいずれも前記低濃縮燃料集合体群に属する、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
In the core of a boiling water reactor in which a fuel assembly is loaded in a substantially cylindrical space,
A central region loaded with the fuel assembly including a first fuel assembly;
The fuel assembly including a second fuel assembly in which a ratio of an infinite multiplication factor below a predetermined height to an infinite multiplication factor above the predetermined height is smaller than the first fuel assembly is arranged and the fuel assembly is arranged An outer peripheral region radially outward from the central region;
Have
The first condition is that a ratio of the amount of fissile material below the predetermined height to the amount of fissile material above the predetermined height is smaller than that of the first fuel assembly,
The ratio of the amount of combustible poison below the predetermined height to the amount of combustible poison above the predetermined height is greater than the first fuel assembly, the second condition
The third condition is that the ratio of the thickness of the channel box below the predetermined height to the thickness of the channel box above the predetermined height is larger than that of the first fuel assembly,
The fourth condition is that the ratio of the weight ratio of water to heavy metal below the predetermined height to the weight ratio of water to heavy metal above the predetermined height is smaller than that of the first fuel assembly.
The second fuel assembly satisfies at least one of the first condition, the second condition, the third condition, and the fourth condition,
In order to suppress the bottom peak in the outer peripheral region, the ratio of the number of the second fuel assemblies in the outer peripheral region to the number of the first fuel assemblies in the outer region is the body of the second fuel assembly in the central region. Greater than the ratio of the number of the first fuel assemblies to the number of bodies,
The fuel assembly is
A highly enriched fuel assembly group and a low enriched fuel assembly group having a smaller amount of fissile material than the highly enriched fuel assembly group,
The first fuel assembly and the second fuel assembly both belong to the low enriched fuel assembly group.
Boiling Agamizu reactor core of you, wherein a.
前記第2燃料集合体は、核分裂性物質濃度が燃料有効部の全体の平均に比べて小さい上部領域が形成された燃料棒を備えていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の沸騰水型原子炉の炉心。 The said 2nd fuel assembly is equipped with the fuel rod in which the upper area | region where the fissile material density | concentration is small compared with the average of the whole fuel effective part was formed, The Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. Boiling water reactor core. 第5条件を燃料集合体全体の核分裂性物質量が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、
第6条件を燃料集合体全体の可燃性毒物量が前記第1燃料集合体よりも小さいこと、
第7条件をチャンネルボックスの軸方向平均厚さが前記第1燃料集合体よりも小さいこと、
第8条件を水対重金属重量比が前記第1燃料集合体よりも大きいこと、
としたときに、前記第2の燃料集合体は、前記第5条件、前記第6条件、前記第7条件および前記第8条件の少なくとも一つの条件を満足することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉の炉心。
The fifth condition is that the amount of fissile material in the entire fuel assembly is larger than that of the first fuel assembly,
The sixth condition is that the amount of flammable poisons of the entire fuel assembly is smaller than that of the first fuel assembly,
The seventh condition is that the average axial thickness of the channel box is smaller than that of the first fuel assembly,
The eighth condition is that the weight ratio of water to heavy metal is larger than that of the first fuel assembly,
The second fuel assembly satisfies at least one of the fifth condition, the sixth condition, the seventh condition, and the eighth condition. The core of the boiling water reactor according to any one of claims 3 to 4.
前記第2燃料集合体の制御棒に最も近いコーナー部およびこのコーナー部に隣接する位置に配置される燃料棒の核分裂性物質量の燃料集合体全体の核分裂性物質量に対する比、および、前記第2燃料集合体の燃料有効部の上端から下方に所定の長さの領域の核分裂物質量の燃料集合体全体の核分裂性物質量に対する比の少なくとも一方が、前記第1燃料集合体に比べて小さいことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉の炉心。 A ratio of a fissionable material amount of a fuel rod disposed at a corner portion closest to the control rod of the second fuel assembly and a position adjacent to the corner portion to a fissionable material amount of the entire fuel assembly; and 2. At least one of the ratio of the amount of fission material in the region of a predetermined length from the upper end of the fuel effective portion of the fuel assembly to the amount of fissile material in the entire fuel assembly is smaller than that of the first fuel assembly. The core of a boiling water reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the core is a boiling water reactor. 初装荷であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉の炉心。 The core of a boiling water reactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the core is an initial load .
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