JP6073555B2

JP6073555B2 - 初装荷炉心

Info

Publication number: JP6073555B2
Application number: JP2012010384A
Authority: JP
Inventors: 金子　浩久; 浩久金子; 肥田　和毅; 和毅肥田; 亮司桝見; 勇豊吉
Original assignee: 株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: JP2013148515A

Description

本発明は原子炉の初装荷炉心に関する。

沸騰水型原子炉（以下BWR）の初装荷炉心では、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、燃料サイクルコスト（以下FCCという）が低い。ここで、FCCとは、（燃料集合体の製造から処分措置までを含む全費用）／（取り出されるまでに発生した全エネルギー）である。

FCCを向上させるために、初装荷後の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。また、さらなるFCC向上のために、第１サイクルでは炉心最外周に燃料集合体を装荷しない炉心が特許文献１に記載されている。

特許第2550381

しかしながら、特許文献１記載の初装荷炉心では、炉心最外周に燃料集合体を装荷しないため、炉心最外周部分の流路抵抗が他の部分より低くなり、その部分は除熱を必要しないにも係わらず、多くの冷却材が流れてしまい、除熱を必要とするその他の燃料集合体の熱的特性が悪化することとなる。また、制御棒は、通常、燃料集合体４体を組としたセルの中央に挿入され、燃料集合体に保持されるが、炉心最外周の燃料集合体を装荷しないセルの制御棒は挿入することができなくなり、炉停止余裕が悪化するという課題があった。

本発明の目的は、第１サイクルの燃料集合体の総装荷体数を第２サイクル以降の燃料集合体の総装荷体数より少なくしてFCCを向上させ、かつ熱的特性及び炉停止余裕に優れた原子炉の初装荷炉心を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項各項に記載した手段を採用するものであり、その代表例を述べれば、次のようである。

原子炉の初装荷炉心において、二酸化ウランペレットを充填した燃料棒を備えた燃料集合体の総装荷体数を第２サイクル以降の各サイクルの炉心における燃料集合体の総装荷体数よりも少なくし、前記燃料集合体の装荷されない位置に、前記燃料集合体と同等の外形を有し、かつ流れる冷却材を減少させる装置を具備し、かつ鉛によるペレットを充填した擬似燃料集合体を装荷したことを特徴とする初装荷炉心。

このように疑似燃料集合体を装荷することにより、第１サイクルの燃料集合体の総装荷体数を第２サイクル以降の燃料集合体の総装荷体数より少なくしてFCCを向上させ、かつ優れた熱的特性及び炉停止余裕を得ることができる。

本発明によれば、第１サイクルの燃料集合体の総装荷体数が第２サイクル以降の燃料集合体の総装荷体数より少なくすることでFCCが向上するとともに、優れた熱的特性及び炉停止余裕を得ることができる。

本発明の第１実施例である沸騰水型原子炉（以下BWR）の初装荷炉心の１／４横断面の第２象限を示す図である。燃料集合体を横から見た縦断面図である。通常の燃料集合体の下部タイプレートを示す図であり、上側は上面図、下側は側面図である。疑似燃料集合体の下部タイプレートを示す上面図である。一般的な初装荷炉心（比較例１）の第２象限を示す図である。特許文献１に記載の初装荷炉心（比較例２）の第２象限を示す図である。本発明の第２実施例である沸騰水型原子炉（以下BWR）の初装荷炉心の１／４横断面の第２象限を示す図である。劣化ウラン燃料集合体を初装荷炉心に装荷し、当該燃料集合体を取出し後、再処理しない場合のFCCを、通常の初装荷炉心と比較した結果を示す図である。本発明の第３実施例である沸騰水型原子炉（以下BWR）の初装荷炉心の１／４横断面の第２象限を示す図である。

本発明の第１実施例を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例である沸騰水型原子炉（以下BWR）の初装荷炉心の１／４横断面の第２象限を示している。

図１において、１つのマスが燃料集合体１体を表し、炉心全体では764体の燃料集合体が装荷されている。マスの中の数字は燃料集合体の種類を表しており、１，２は高濃縮燃料、３は低濃縮燃料、５は擬似燃料集合体である。擬似燃料集合体５は燃料集合体１層分の炉心外周領域である炉心最外周領域に装荷されている。

また、図１中、４は制御棒である。制御棒４は図中では外周領域のみを図示しているが、実際には内側領域にも同様に制御棒が配置されている。図中の太枠６はコントロールセルである。これらのコントロールセル６のうち所定割合のコントロールセルに対し、制御棒が所定の深さだけ挿入され、炉心の出力抑制が行われる。

図２は燃料集合体１〜３を横から見た断面図（縦断面図）である。燃料集合体１〜３は、それぞれ、多数の燃料棒１１と、２本のウォータロッド１２と、燃料棒１１およびウォータロッド１２の上部と下部の間に位置し燃料棒１１およびウォータロッド１２を所定の間隔に保って束ねて燃料バンドルを形成するスペーサ１３と、燃料棒１１およびウォータロッド１２の上部を支持する上部タイプレート１４と、燃料棒１１およびウォータロッド１２の下部を支持する下部タイプレート１５と、燃料棒１１およびウォータロッド１２の燃料バンドルと上部および下部タイプレート１４，１５の外周を覆うジルカロイ製のチャンネルボックス１６とで構成されている。

疑似燃料集合体５も、下記の点を除いて燃料集合体１〜３と同様に構成されている。図２中、疑似燃料集合体５の構成要素にはかっこ書きで符号を示している。

疑似燃料集合体５は、燃料集合体１〜３と同様、スペーサ２３で束ねられた燃料棒２１およびウォータロッド２２の燃料バンドルと上部および下部タイプレート２４，２５の外周をジルカロイ製のチャンネルボックス２６で覆って構成されており、疑似燃料集合体５の外径は燃料集合体１〜３と同じである。しかし、疑似燃料集合体５の燃料棒２１は疑似燃料棒であり、燃料集合体１〜３の燃料棒１１には二酸化ウランペレットが挿入されているのに対し、擬似燃料集合体５の燃料棒２１には鉛による擬似ペレットが挿入されている。二酸化ウランペレットと鉛の密度は約１１g/cm3で同等であり、その結果それらの比重も同等である。また、疑似燃料集合体５の下部タイプレート２５は疑似燃料集合体５を流れる冷却材を減少させる装置を構成している（後述）。

図３は、燃料集合体１〜３の下部タイプレート（通常の下部タイプレート）１５を示す図であり、上側は上面図、下側は側面図である。

図３に示すように、通常の下部タイプレート１５は、下端に冷却材流入口１５ａを備え内部に流路１５ｇ（図２参照）を形成した筒状部１５ｂと、筒状部１５ｂの上端に位置する上部支持板１５ｃとを備え、上部支持板１５ｃには燃料棒１１の挿入孔１５ｄとウォータロッド１２の挿入孔１５ｅに加えて、冷却材の流入孔１５ｆが多数形成されている。

図４は、疑似燃料集合体５の下部タイプレート２５を示す図であり、図３の上側に対応する上面図である。

疑似燃料集合体５の下部タイプレート２５も通常の下部タイプレート１５と同様、冷却材流入口２５ａを備え内部に冷却材流路２５ｇを形成した筒状部２５ｄ（図２参照）と上部支持板２５ｃを備え、上部支持板２５ｃには燃料棒２１の挿入孔２５ｄとウォータロッド２２の挿入孔２５ｅが形成されている。しかし、下部タイプレート２５には通常の下部タイプレート１５と異なり冷却材の流入孔は形成されていない。このため下部タイプレート２５とチャンネルボックス２６の隙間を通して流れる冷却水の供給を除いて、チャンネルボックス２６内は淀み水となる。このように下部タイプレート２５は疑似燃料集合体５を流れる冷却材を減少させる装置を構成している。

さらに、擬似燃料集合体５は、燃料集合体１〜３に比較して、燃料棒２１の本数が少ないか、安価な材料であるか、スペーサ２３に冷却材を攪拌する付属物がないか、スペーサ２３の数が少ないか、燃料棒２１に含まれる短尺燃料棒の本数が少ないか、ウォータロッド２２の本数が少ないかのいずれかであってもよい。

本実施例の効果を説明する。

まず、比較例として、図５に一般的な初装荷炉心（比較例１）の第２象限を示し、図６に特許文献１に記載の初装荷炉心（比較例２）の第２象限を示す。図５に示す初装荷炉心では、FCC（燃料サイクルコスト）を向上させるために、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が装荷され、初装荷炉心の炉心最外周領域には高濃縮燃料集合体２が装荷されている。図６において、炉心最外周の×印は燃料集合体が装荷されていないことを意味する。このように図６に示す特許文献１の初装荷炉心では、FCCをさらに向上させるために、炉心最外周に燃料集合体が装荷されていない。

しかしながら、図６に示す初装荷炉心では、炉心最外周に燃料集合体を装荷しないため、炉心最外周部分の流路抵抗が他の部分より低くなり、その部分は除熱を必要としないにも係わらず、多くの冷却材が流れてしまい、除熱を必要とするその他の燃料集合体の熱的特性が悪化することとなる。また、制御棒４は、通常、燃料集合体４体を組としたセルの中央に挿入され、燃料集合体に保持されるが、炉心最外周の燃料集合体を装荷しないセルの制御棒４は挿入することができなくなり、炉停止余裕が悪化するという課題があった。

これに対し、本実施例の初装荷炉心では、図１に示すように擬似燃料集合体５を炉心最外周に装荷しているため、炉心最外周に疑似燃料集合体５を装荷しない図６の初装荷炉心で当該位置を流れる冷却水は、その他の燃料集合体１〜３を流れ、これら燃料集合体１〜３の除熱が促進される。本実施例の場合、図６の炉心最外周に疑似燃料集合体５を装荷しない初装荷炉心に比べ３％程度限界出力を向上させることができる。

また、炉心最外周に擬似燃料集合体５を装荷しない場合、当該箇所に位置する制御棒４は炉心最外周側で燃料集合体による支えがないことから全引き抜き状態とする必要があるが、擬似燃料集合体５を装荷することで、燃料集合体１，２とともに最外周位置の制御棒４を保持することができ、制御棒４の挿入・引抜を通常通りに行うことができる。これにより、炉停止余裕の悪化を回避することができる。

また、本実施例では、擬似ペレットとして鉛を用いているが、前述したとおり二酸化ウランペレットと鉛擬似ペレットはほぼ比重が同じであり、燃料集合体としての地震時振動特性が通常の燃料集合体１〜３と同じになっている。これにより、地震時の制御棒緊急挿入性能は、通常燃料を最外周に装荷した場合に比べて、悪化することはない。

本発明の第２実施例を図７を参照して説明する。

図７において、本実施例の初装荷炉心は、炉心最外周位置に劣化ウランペレットを全ての燃料棒に充填した劣化ウラン燃料集合体（疑似燃料集合体）５Ａを装荷している。

劣化ウラン燃料集合体５Ａに充填されている劣化ウランペレットは天然ウランよりも核分裂性物質量割合の少ないペレットである。劣化ウラン燃料集合体５Ａは核分裂性物質量が少なく、それだけでは炉心を構成することができないため、通常の燃料集合体として使用することはできない。

また、本実施例の特徴として、劣化ウラン燃料集合体５Ａは第１サイクル終了後、炉内から優先的に取り出されるが、通常の燃料集合体と異なり、プルトニウムや余剰ウランを取り出すために再処理を行わない。

図８は、図７のように劣化ウラン燃料集合体５Ａを初装荷炉心に装荷し、当該燃料集合体を取出し後、再処理しない場合のFCCを、通常の初装荷炉心と比較した結果を示す図である。

図８より本発明の方がFCCが改善していることが分かる。特に第１サイクルにおいて、原子炉に装荷する燃料集合体が少ないことから、初期投資を小さくできるという利点がある。

また、現在の初装荷炉心は燃料集合体濃縮度を高くして、２サイクル連続運転が可能となっている。そのため、第２サイクルの余剰反応度がかなり高くなり、炉心特性が悪化する傾向にある。一方、本実施例では、第１サイクル終了後に取り出した劣化ウラン燃料集合体５Ａの代わりに新燃料集合体を装荷するが、新燃料集合体はガドリニアが未燃焼であるため、余剰反応度を容易に抑えることが可能である。

また、本実施例の劣化ウラン燃料集合体５Ａは反応度が低いため、熱的特性が厳しくなることはない。そのため、その他の燃料集合体１〜３に比べて、熱的特性を改善するための装置は不要であり、例えば、燃料格子は１０行１０列ではなく９行９列であったり、限界出力比を改善するためにスペーサに取り付けられる冷却材攪拌羽は具備していなくとも良い。このようにすることで、劣化ウラン燃料集合体５Ａの製造費を低く抑えることが可能である。

本実施例では疑似燃料集合体５Ａに劣化ウランペレットだけを使用しているが、前述のとおり、炉心から取り出す際に核分裂性物質が初期重元素重量に対して１wt%程度より少ない場合に再処理をしないと考えると、天然ウランや、ある程度の濃縮ウランを用いることも可能である。

本発明の第３実施例を図９を参照して説明する。

図９において、本実施例の初装荷炉心は、炉心最外周位置とコントロールセル６の一部に劣化ウランペレットを全ての燃料棒に充填した劣化ウラン燃料集合体（疑似燃料集合体）５Ａを装荷している。コントロールセルの一部に装荷される劣化ウラン燃料集合体５Ａは、コントロールセルの中で、燃焼初期の運転中に制御棒が挿入されているセルに優先的に装荷されている。

本実施例では、図９のように劣化ウラン燃料集合体５Ａを燃焼初期の運転中に制御棒が挿入されるコントロールセルに装荷している。

第１サイクルにおいて制御棒の挿入されるセルに装荷されている燃料集合体のチャンネルボックス１６（図２参照）は、シャドー腐食と呼ばれる現象によりチャンネルボックス２６の曲がりが発生する可能性があると言われているが、そのようなセルには劣化ウラン燃料集合体５Ａを用いて、第１サイクル終了後には取り出すため、チャンネルボックス２６に曲がりが発生しても、その後の運転に特に問題は発生しない。

また、燃焼初期は燃料集合体の局所ピーキングが高いため、制御棒を挿入している高さ位置よりやや上部の軸方向ピーキングが大きい部分で、燃料棒の線出力密度が高くなる傾向があるが、本実施例の劣化ウラン燃料集合体５Ａは十分に集合体出力が低いため、そのような問題も発生しない。

１燃料集合体（高濃縮燃料）
２燃料集合体（高濃縮燃料）
３燃料集合体（低濃縮燃料）
４制御棒
５疑似燃料集合体
５Ａ劣化ウラン燃料集合体（疑似燃料集合体）
６コントロールセル
１１燃料棒
１２ウォータロッド
１３スペーサ
１４上部タイプレート
１５下部タイプレート
１６チャンネルボックス
２１燃料棒
２２ウォータロッド
２３スペーサ
２４上部タイプレート
２５下部タイプレート
２５ｃ上部支持板
２５ｄ燃料棒の挿入孔
２５ｅウォータロッドの挿入孔
２６チャンネルボックス

Claims

燃料集合体が炉心の一部を除いて規則正しく配列されて装荷され、擬似燃料集合体が前記炉心の一部に装荷される原子炉の初装荷炉心において、
前記燃料集合体は、二酸化ウランペレットを充填した燃料棒を備え、
前記擬似燃料集合体は、前記燃料集合体と同等の外形を有し、かつ流れる冷却材を減少させる装置を具備し、かつ鉛によるペレットを充填した擬似燃料棒を備えたことを特徴とする初装荷炉心。
前記擬似燃料集合体は、炉心外周領域とコントロールセルの少なくとも一方に装荷されることを特徴とする請求項１に記載の初装荷炉心
前記擬似燃料集合体は、燃料集合体１層分の炉心外周領域に装荷されることを特徴とする請求項２に記載の初装荷炉心。
前記擬似燃料集合体は、前記燃料集合体に比較して、燃料棒本数が少ないか、安価な材料であるか、スペーサに冷却材を攪拌する付属物がないか、スペーサ数が少ないか、短尺燃料棒本数が少ないか、ウォータロッド本数が少ないかのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の初装荷炉心。