JPH01123194A - Reactor core of light-water reactor - Google Patents

Reactor core of light-water reactor

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JPH01123194A
JPH01123194A JP62280312A JP28031287A JPH01123194A JP H01123194 A JPH01123194 A JP H01123194A JP 62280312 A JP62280312 A JP 62280312A JP 28031287 A JP28031287 A JP 28031287A JP H01123194 A JPH01123194 A JP H01123194A
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core
reactor
subcriticality
water reactor
control rod
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Kiyoshi Ueda
精 植田
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Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
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Toshiba Corp
Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable an emergency shut down of a nuclear reactor, by placing insertion zones properly in an area with a shallow subcriticality, by shifting an area newly becoming to be of a shallow subcriticality to an insertion side of a control rod and by arranging control rods in accordance with a new situation. CONSTITUTION:For a case of a boiling-water reactor for example, three stages insertion zones 21-23 are inserted into an upper half of a fuel assembly 20 (reactor core). And a control rod which is a control rod 24 consisting of a long life zone, a high reactivity zone and a conventional zone, lined side by side from its insertion top end to its bottom end, is inserted into the reactor core, therewith, an overall deep subcriticality can be attained. In this sort of a reactor core constitution, the subcriticality is shifted axially along a direction to get shallower keeping almost constant situation, with constitution of a high burn-up typed core by upgrading an enrichment of nuclear fuel and by using a MOX fuel. Consequently, an effective subcriticality curve without any loss against the core constitution can be attained. Moreover, a shallow reactivity zone before control rods insertion is shifted to the insertion side of the control rod, therefore, a shut-down speed of the reactor at its scram increases and also a safety of a shut down of the reactor can be improved.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は軽水炉の炉心、特に運転サイクルが長く、高停
止余裕型炉心として炉心内にその軸と直角方向に介在領
域を形成し、そのような炉心に好適な制御棒を配置した
軽水炉の炉心に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a light water reactor core, in particular a reactor core with a long operating cycle and a high shutdown margin, which has an intervening region in the core in a direction perpendicular to its axis. The present invention relates to a light water reactor core having a control rod formed therein and having suitable control rods arranged in such a core.

(従来の技術) 沸騰水型原子炉の炉心は、通常1体の十字型制御棒とそ
れを取り囲む4体の燃料集合体から構成されたセルが規
則正しく配置されている。すなわら各燃料集合体および
制御棒は、それらの軸が垂直で互いに平行になるように
配列され、減速材としての機能を有する冷却水は炉心の
下方から上方に向って流れるように構成されている。炉
心有効部下端部ら発熱部の下端付近では気泡は発生しな
いが、炉心の中央部から上端部にかけては大量の気泡が
発生し、この発生した気泡は炉心上方に流れる。気泡の
占める体積割合即ちボイド割合が高くなると、中性子の
減速特性が低下するため熱中性子束が低下し、出力が低
下する。これを避けるため、ボイド割合の高い部位では
核分裂核種濃度即ち濃縮度を高めたり、或いはボイド割
合の低い部位の出力上昇を抑えるべく可燃性毒物を入れ
るなどして対処してぎた。
(Prior Art) In the core of a boiling water nuclear reactor, cells each consisting of one cross-shaped control rod and four fuel assemblies surrounding it are normally arranged in a regular manner. In other words, the fuel assemblies and control rods are arranged so that their axes are perpendicular and parallel to each other, and the cooling water, which functions as a moderator, flows from the bottom of the core to the top. ing. No bubbles are generated from the effective lower end of the core to the vicinity of the lower end of the heat generating section, but a large amount of bubbles are generated from the center to the upper end of the core, and the generated bubbles flow upwards of the core. When the volume ratio occupied by bubbles, that is, the void ratio increases, the neutron moderation characteristics decrease, resulting in a decrease in thermal neutron flux and a decrease in output. In order to avoid this, measures have been taken such as increasing the fission nuclide concentration, that is, the enrichment level, in areas with a high void ratio, or adding burnable poison to suppress the increase in output in areas with a low void ratio.

したがって、沸騰水型原子炉では炉心上部の燃焼カ遅れ
易く、これによってU −235m度が相対的に他の部
分より高くなり、また、ボイドによりp u−239な
どの核分裂性核種が生成されるため、炉心上部では原子
炉の停止余裕がきびしくなり易い事はよく知られている
。ざらに、経済性向上を主目的として、運転サイクルの
長期化や燃料の燃焼度向上のための努力が続けられてい
る。この場合も燃料の′ti縮度は必然的に高められる
ので、原子炉の停止余裕は一段ときびしくなる。
Therefore, in a boiling water reactor, the combustion in the upper part of the core tends to be delayed, which causes the U-235m degree to be relatively higher than in other parts, and the voids generate fissile nuclides such as PU-239. Therefore, it is well known that the margin for reactor shutdown tends to be tight in the upper part of the core. Generally speaking, efforts are being made to lengthen the operating cycle and improve fuel burn-up, with the main purpose of improving economic efficiency. In this case as well, since the degree of contraction of the fuel is inevitably increased, the margin for shutting down the reactor becomes even tighter.

次に、沸騰水型原子炉に用いられた従来の燃料集合体及
び近い将来用いられると期待される燃料燃料集合体の斜
視図および燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦断面図
である。
Next, they are a perspective view of a conventional fuel assembly used in a boiling water reactor and a fuel assembly expected to be used in the near future, and a schematic vertical cross-sectional view of a fuel rod constituting the fuel assembly.

第8図(哀)において、燃料集合体は水棒(図示せず)
と燃料棒2を上部タイブレート4.スペーサ5.下部タ
イプレート6により固定し、その外覆管7内に燃料ペレ
ット8を配設し、その上部のガスプレナムにスプリング
9を設け、上端に上部端栓10を、下端に下部端栓11
を設けている。
In Figure 8 (Sad), the fuel assembly is a water rod (not shown).
and fuel rods 2 to the upper tie plate 4. Spacer 5. It is fixed by a lower tie plate 6, fuel pellets 8 are arranged in the jacket tube 7, a spring 9 is provided in the upper gas plenum, an upper end plug 10 is provided at the upper end, and a lower end plug 11 is located at the lower end.
has been established.

第9図は第8図に示す従来の燃料集合体の横断面図であ
る。チャンネルボックス1内には62本の燃料棒2と2
本の水棒3が配列されて燃料集合体を構成している。水
棒3は集合体内部で減速材である水が不足するのを抑制
しているが、この水棒3は軸方向に一様であるため炉心
下方では水過剰、上方では水不足になるという問題点が
ある。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the conventional fuel assembly shown in FIG. 8. Inside the channel box 1 are 62 fuel rods 2 and 2.
The water rods 3 are arranged to form a fuel assembly. The water rods 3 suppress the shortage of water, which is a moderator, inside the reactor assembly, but since these water rods 3 are uniform in the axial direction, there is a problem that there is an excess of water below the core and a lack of water above the core. There is a point.

第10図に示す燃料集合体は前記燃料集合体の特性を改
良するために開発されたものであり、集合体内部に1本
の太水棒5を配置して非沸騰水を導入している。しかし
ながら、この例でも炉心下方では水過剰、上方では水不
足になるという問題点がおる。
The fuel assembly shown in FIG. 10 was developed to improve the characteristics of the fuel assembly, and one thick water rod 5 is arranged inside the assembly to introduce non-boiling water. . However, even in this example, there is a problem in that there is an excess of water below the core and a shortage of water above the core.

第11図に示す燃料集合体も第9図の燃料集合体の改良
であり、4つの小チャンネルボックス13を設け、小チ
ャンネルボックス13内には沸騰冷却水を、また小チャ
ンネルボックス13相互間の十字状間隙14には非沸騰
減速材水領域とすることにより、水平方向出力分布の平
坦化を図ったものであるが、このタイプの燃料集合体も
炉心下方では水過剰、上方では水不足になるという問題
点がある。
The fuel assembly shown in FIG. 11 is also an improvement of the fuel assembly shown in FIG. 9, and is provided with four small channel boxes 13, with boiling cooling water in the small channel boxes 13, and between the small channel boxes 13. A non-boiling moderator water region is provided in the cross-shaped gap 14 to flatten the horizontal power distribution, but this type of fuel assembly also suffers from excess water below the core and insufficient water above it. There is a problem.

第12図に示す燃料集合体は、第11図の燃料集合体の
改良型として開発されたものである。この燃料集合体は
9ケのサブアセンブリ1′5で構成されており、各サブ
アセンブリ15はそれぞれ9本の燃料棒2で構成されて
いる。サブアセンブリ15の間にはやや広い間隙16が
設けられている。この燃料集合体の場合も炉心上下部の
水の過不足問題は解決されていない。
The fuel assembly shown in FIG. 12 has been developed as an improved version of the fuel assembly shown in FIG. This fuel assembly is composed of nine subassemblies 1'5, and each subassembly 15 is composed of nine fuel rods 2. A rather wide gap 16 is provided between the subassemblies 15. In the case of this fuel assembly as well, the problem of excess and shortage of water in the upper and lower parts of the core has not been resolved.

(発明が解決しようとする問題点) 上述したように、沸騰水型原子炉(8WR>の発熱部で
ある燃料集合体の最下端では気泡は発生しないものの、
その他の部分ではどこででも発生し、しかも発生した気
泡は炉心上方(下流)へ流れていく。従ってBWRの気
泡割合(ボイド割合)は炉心上方はど高くなる。その結
果、中性子の減速特性が低下するので、核分裂割合が低
下することになる。すなわち、燃焼は炉心下方で進み、
炉心上方で遅れることになる。そこで、炉心上方の出力
の低下を抑制するために、炉心上方の核分裂核種濃度を
高くすることが提案されている。
(Problems to be Solved by the Invention) As mentioned above, although bubbles are not generated at the lowest end of the fuel assembly, which is the heat generating part of a boiling water reactor (8WR>),
Bubbles are generated anywhere else in the reactor, and the bubbles flow upward (downstream) from the reactor core. Therefore, the bubble ratio (void ratio) in BWR becomes higher above the core. As a result, the neutron moderation characteristics are reduced, resulting in a reduction in the rate of nuclear fission. In other words, combustion proceeds below the core,
There will be delays above the core. Therefore, it has been proposed to increase the concentration of fission nuclides above the reactor core in order to suppress the decrease in power above the reactor core.

ところが、炉心上方でのボイド割合の上昇と核分裂核種
濃度を高くすることは、原子炉停止時の炉心上部での未
臨界度を浅くすることになる。−方、運転ザイクルを長
期化して経済性を向上するためには燃−料の濃縮度を更
に高めなければならないが、このことは炉心上部での未
臨界度をますます浅くすることになり、終には原子炉を
停止できなくなる場合も考えられる。すなわち、この点
がネックとなって、従来の原子炉炉心では運転サイクル
の長期化が出来ないという問題点があった。
However, increasing the void ratio and fission nuclide concentration above the core will reduce the degree of subcriticality at the top of the core when the reactor is shut down. - On the other hand, in order to extend the operating cycle and improve economic efficiency, it is necessary to further increase the enrichment of the fuel, but this will make the subcriticality in the upper part of the core even shallower. In the end, it may become impossible to shut down the reactor. In other words, this point has become a bottleneck, and conventional nuclear reactor cores have had the problem of not being able to extend the operating cycle.

本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、
その目的は、燃料の濃縮度を高くしても原子炉停止を可
能とし、この原子炉停止を可能とする新規な手段を好適
に配置することによって、炉心軸方向の停止余裕がきび
しくなる。いわゆる停止領域(シャットダウンゾーン)
を、制御棒挿入側ヘシフトさせ、それに対応して制御棒
を好適に構成して長寿命化と高反応度価値化を図り、原
子炉緊急停止速度を早くすることができる軽水炉の炉心
構成を提供することにある。
The present invention was made to solve the above problems, and
The purpose is to make it possible to shut down the nuclear reactor even if the fuel enrichment level is increased, and by suitably arranging a new means that makes it possible to shut down the reactor, the margin for shutting down in the axial direction of the reactor core becomes tight. So-called stop area (shutdown zone)
To provide a core configuration for a light water reactor that can shift the control rods to the control rod insertion side, suitably configure the control rods accordingly, achieve longer life and higher reactivity value, and increase the speed of emergency reactor shutdown. It's about doing.

[発明の構成コ (問題点を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明は多数の燃料棒から
なる燃料集合体の軸がそれぞれ垂直で互に平行になるよ
うに規則的に配置された炉心と、この炉心の下方から上
方に向って冷却材を流し、沸騰水型原子炉にあっては、
この冷却材の流れの下流で少くとも気泡が発生する軽水
型原子炉の炉心において、前記炉心の発熱部分の上端か
ら一定以上の距離で、冷却材の通過する空間に占める気
泡の体積の割合が相対的に高く、また原子炉停止時に原
子炉の局所的な未臨界度が浅くなる部分に、厚さ一定の
高さ幅を炉心の水平方向に一定以上の範囲にわたって実
質的に核分裂性核種濃度を著しく低下させる介在領域を
少なくとも1領1tJ、設けるとともに、前記介在領域
を未臨界度が浅くなる部分に好適に配置することによっ
て、新たに未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿入側ヘシ
フトさせ、それに対応して制御棒を好適に構成し、それ
によって制御棒の長寿命化と高反応度価値化を同時に達
成し、原子炉の緊急停止速度を早くすることができるこ
とを特徴とするものである。
[Structure of the Invention (Means for Solving the Problems)] In order to achieve the above object, the present invention provides a structure in which the axes of a fuel assembly consisting of a large number of fuel rods are arranged regularly so that they are perpendicular and parallel to each other. In a boiling water reactor, the reactor core is located at
In the core of a light water reactor, where at least bubbles are generated downstream of the coolant flow, at a distance of more than a certain distance from the upper end of the heat generating part of the core, the volume ratio of the bubbles to the space through which the coolant passes increases. In areas where the local subcriticality of the reactor becomes shallow when the reactor is shut down, the concentration of fissile nuclides is substantially increased over a certain range in the horizontal direction of the reactor core. By providing at least one intervening region of 1 tJ that significantly reduces the subcriticality, and by arranging the intervening region suitably in a portion where the degree of subcriticality becomes shallow, the portion where the degree of subcriticality newly becomes shallow is shifted to the control rod insertion side. , the control rods are suitably configured in accordance with this, thereby simultaneously achieving a long life and high reactivity value of the control rods, and making it possible to speed up the emergency shutdown speed of the reactor. be.

(作 用) 上記したように、本発明の炉心構成によると、核分裂性
物質濃度の低い領域(介在領域)を挟んで上下の燃料領
域の中性子相互作用(結合効果)が減少し、その結果停
止中の炉の未臨界度をより大きく(深く)することがで
き、また原子炉運転中の不要な過剰反応度が抑制され、
サイクル末期で過剰反応度がなくなり結合効果がよくな
り、その結果運転サイクルを延長することができる等に
より燃料の健全性が保たれるとともに、前記介在領域を
未臨界度が浅くなる部分に好適に配置することによって
、新たに未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿入側ヘシフ
トさせ、それに対応して制御棒を好適に構成し、それに
よって制御棒の長寿命化と高反応度価値化を同時に達成
し、原子炉の緊急停止速度を早くすることができる。
(Function) As described above, according to the core configuration of the present invention, the neutron interaction (coupling effect) in the upper and lower fuel regions sandwiching the region with low concentration of fissile material (intervening region) is reduced, resulting in shutdown. The subcriticality of the reactor inside can be made larger (deeper), and unnecessary excessive reactivity during reactor operation can be suppressed.
At the end of the cycle, excess reactivity disappears and the binding effect improves, making it possible to extend the operating cycle, thereby maintaining the integrity of the fuel, and making the intervening region suitable for areas where the degree of subcriticality is shallow. By this arrangement, the part where the subcriticality becomes shallower is shifted to the control rod insertion side, and the control rod is appropriately configured accordingly, thereby simultaneously extending the life of the control rod and increasing the value of high reactivity. This can be achieved and the speed of emergency shutdown of nuclear reactors can be increased.

次に、本発明で導入する介在領域の作用原理について説
明する。
Next, the principle of operation of the intervening region introduced in the present invention will be explained.

炉心の実効増倍率をk。ffとする。(ここでは簡素化
のためkで表わし“’eff”を省略する)そうすると
、修正1群モデル(軽水炉のkに関する記述として簡単
で信頼性が高い)では下記のように表わせる。
The effective multiplication factor of the core is k. Let it be ff. (Here, it is expressed as k and "'eff" is omitted for simplicity.) Then, the modified first group model (which is a simple and reliable description regarding k of a light water reactor) can be expressed as follows.

ここで、k■・・・無限増倍率 M2・・・中性子移動面積 B2・・・バックリング(cm−2単位)k■は炉心設
計では、通常、便宜的に各点(又は一定の体積点)にお
ける核分裂による中性子放出率と中性子吸収率との比と
して取扱われる。
Here, k■...Infinite multiplication factor M2...Neutron transfer area B2...Buckling (cm-2 unit) k■ is usually set at each point (or at a certain volume point ) is treated as the ratio of the neutron emission rate and neutron absorption rate due to nuclear fission.

M2は M2 =τ十L2で表わされる。τはフェルミ
年齢で、炉心設計では高速中性子の移動面積と呼ばれる
M2 is expressed as M2 = τ+L2. τ is the Fermi age, which is called the moving area of fast neutrons in core design.

なお、τ=τF+τE (又はτ1+τ2)でおり、τ
はこのように更に高速(fast)中性子と熱外(ep
ithermal)中性子に分けることもあるが、本発
明ではここまで分けて説明する必要は殆どない。
Note that τ=τF+τE (or τ1+τ2), and τ
In this way, even faster neutrons and epithermal (ep)
(thermal) neutron, but in the present invention there is almost no need to explain them separately.

L2は熱中性子移動面積(熱中性子拡散係数と吸収断面
積の比で与えられる>、M=IFiは中性子移動距離、
し=、l”’Uは熱中性子移動距離、またB2はバック
リング(cm−2単位)であり、32 、、=3,2 
+822で表わぜる。3.2は半径方向バックリング 
13Z2は軸方向バックリングである。
L2 is the thermal neutron transfer area (given by the ratio of thermal neutron diffusion coefficient to absorption cross section>, M=IFi is the neutron transfer distance,
=, l'''U is the thermal neutron migration distance, and B2 is the buckling (in cm-2 units), 32, , = 3,2
It is expressed as +822. 3.2 is radial buckling
13Z2 is an axial buckling.

ところで、kの値は中性子炉物理学としては臨界近傍で
は体系全体で定義されるが、本発明では、KCDに空間
依存性を取り入れる炉心設計の立場に立つので、k値も
上式を用い、空間依存性を取り入れたものとして取扱う
ことにする。
By the way, in terms of neutron reactor physics, the value of k is defined for the entire system in the vicinity of criticality, but in the present invention, since we are from the standpoint of core design that incorporates spatial dependence into KCD, the value of k is also defined using the above formula, We will treat it as incorporating spatial dependence.

また動力用原子炉では、M2 B2は0.03〜0.0
5程度、B2は0.0001〜0.0002 (Cm−
2>程度、軸方向は通常平板状であり、炉心の高さをl
、軸方向反射体節約(軸方向外端距離ということもある
)をδ−ミδ。+δ−(上側士下側の意)とすれば、B
 ′=(π )2 2+δ で与えられる。
In addition, in power reactors, M2 B2 is 0.03 to 0.0
5, B2 is 0.0001 to 0.0002 (Cm-
2>, the axial direction is usually flat, and the height of the core is l
, the axial reflector savings (sometimes referred to as the axial outer end distance) are δ - mi δ. If +δ- (meaning upper side lower side), then B
′=(π)2 2+δ.

(未臨界体系を取扱う為に反応度の定義で符号を変えた
もの) ?の値は中性子炉物理学における臨界近傍では体系全体
で定義されるが、本発明ではに■に空間依存性を取り入
れる炉心設計の立場に立つので、(ko→に→?)?値
にも空間依存性を取り入れたちのとして取扱う。
(The sign was changed in the definition of reactivity to handle subcritical systems) ? The value of is defined for the entire system in the critical vicinity in neutron reactor physics, but in this invention, we take the position of core design that incorporates spatial dependence into ■, so (ko→→?)? Spatial dependence is also taken into account and treated as if it were a value.

従って、本発明における未臨界度は上記した理由で空間
依存の未臨界度を論じている。炉心体系内でこのような
未臨界度が小さい(臨界に近い)場所があると、そこが
臨界になり易いことを示す指標となる。
Therefore, the degree of subcriticality in the present invention refers to a spatially dependent degree of subcriticality for the reasons described above. If there is a place in the core system where the degree of subcriticality is low (close to criticality), it becomes an indicator that that place is likely to become critical.

次に、本発明の作用を第2図を参照して説明する。同図
(8)に示すように直方形断面を有する2つの燃料領域
工、Ifがおり、その間に幅Wの水ギャップが存在する
ものとする。このときの水ギャツブWと中性子増倍率k
。ffの関係は同図(!y)に示すとおりである。実線
は冷態時(原子炉停止時のように原子炉はほとんど発熱
していない状態)のkeffの水ギャップWの広さ依存
性を、また破線は高温時でボイド割合が高い場合のke
ffの水ギャップの広さ依存性を示している。比較し易
いようにW=Oで両面線が一致するように規格化してい
る。燃料集合体は最適減速即ち臨界質mが最小になる近
傍でやや減速不足の状態に設計されることが多いので、
水ギャップWがOかられずかに大きくなると、keff
値はほぼ一定か微かに(+)になることがおるが、Wを
更に大きくするとk。ff値はぐんぐん小さくなる。す
なわち、燃料領域(1)と(II)の中性子結合作用が
目立って小ざくなってくる。その一つの目安として、熱
中性子拡散距離(20℃の水中で〜2.5Cm )が参
考になる。
Next, the operation of the present invention will be explained with reference to FIG. As shown in FIG. 8 (8), it is assumed that there are two fuel zone structures, If, each having a rectangular cross section, and a water gap of width W exists between them. Water gap W and neutron multiplication factor k at this time
. The relationship of ff is as shown in the same figure (!y). The solid line shows the dependence of keff on the width of the water gap W in the cold state (the reactor generates almost no heat, such as when the reactor is shut down), and the dashed line shows the dependence of keff on the water gap W when the reactor is cold and the void ratio is high.
The dependence of ff on the width of the water gap is shown. For ease of comparison, the lines are standardized so that W=O and the lines on both sides match. Fuel assemblies are often designed in a state where the deceleration is slightly insufficient near the optimum deceleration, that is, where the critical mass m is at its minimum.
When the water gap W increases slightly from O, keff
The value may be almost constant or slightly (+), but if W is further increased, k. The ff value becomes smaller and smaller. That is, the neutron coupling effect in the fuel regions (1) and (II) becomes noticeably smaller. As a guideline, the thermal neutron diffusion distance (~2.5 Cm in water at 20°C) can be used as a reference.

次に、体系が高温でボイド割合が高い場合、例えばBW
R炉心の上部では約286℃(水の密度的0.74>で
、ボイド割合が60%を越える場合がある。
Next, if the system is high temperature and has a high void fraction, for example, BW
In the upper part of the R core, the temperature is approximately 286°C (water density: 0.74>), and the void ratio may exceed 60%.

この場合の実効的な水の密度は20℃の場合に比べて〜
0.74X(1−0,6) =0.3程度となる。熱中
性子の拡散距離は定義式から容易に理解できるごとく、
はぼ密度の変化(1→0.3)の逆数に比例する。従っ
て、この場合熱中性子拡散距離は8cm程度となる。
The effective density of water in this case is ~ compared to the case of 20℃
0.74X(1-0,6) = about 0.3. As can be easily understood from the definition formula, the diffusion distance of thermal neutrons is
is proportional to the reciprocal of the change in density (1→0.3). Therefore, in this case, the thermal neutron diffusion distance is about 8 cm.

水ギャップがこの程度広い場合には、高温でボイド割合
が高い場合でもkeff値は最大値よりやや小さくなる
。その半分程度、即ち4〜5cm程度の場合にkeff
値は最大となる。破線に極大値が現われるのは、高温高
ボイド状態では減速材不足となっているからでおる。即
ち減速材不足の状態(under−moderate状
態)になっており、別に水を導入することによってke
ffを大きくすることができる。この状態は2つの燃料
領域I、IIが最適の状態にあることを示している。
When the water gap is as wide as this, the keff value will be slightly smaller than the maximum value even when the void ratio is high at high temperature. If it is about half that length, i.e. about 4 to 5 cm, keff
The value is maximum. The reason why the maximum value appears on the broken line is because there is a shortage of moderator in high temperature and high void conditions. In other words, the moderator is in an under-moderate state, and by separately introducing water, the moderator can be reduced.
ff can be increased. This state shows that the two fuel regions I and II are in the optimum state.

本発明は上記した特性を巧みに応用したものである。す
なわち、燃料が殆ど存在しない領域は凡そ水ギャップの
幅(W>に対応し、原子炉が出力を出していない状態で
はギャップによって原子炉のkeffが明らかに低下し
く結合域の弱まっている状態)、高温高ボイド時はk。
The present invention is a clever application of the characteristics described above. In other words, the region where there is almost no fuel roughly corresponds to the width of the water gap (W>), and when the reactor is not producing output, the keff of the reactor is clearly lowered due to the gap and the coupling region is weakened. , k at high temperature and high void.

ff値がギャップ導入によって逆に増大するか、殆ど減
少しない範囲の特性を利用するものでおる。そして、高
温高ボイド時に水不足であった部分に水を導入するので
、中性子減速特性が改善され、これにより出力が改善さ
れることになる。
This method utilizes a characteristic in which the ff value either increases or hardly decreases due to the introduction of a gap. Since water is introduced into areas that lack water during high-temperature, high-void conditions, neutron moderation characteristics are improved, thereby improving output.

次に、第3図(脅)に示すように、炉心を軸方向1に3
分割し、2個の介在層が存在する場合について説明する
。同図において、各炉心片の未臨界度PI 、P2.5
’3を求めると下記のようになる。
Next, as shown in Figure 3, the reactor core is
A case will be explained in which there are two intervening layers. In the same figure, the subcriticality PI of each core piece is P2.5
When we calculate '3, we get the following.

P+=−L−−1 に1 B12=8 2十Bz12 B 22 =3 、2 + 8722 B32=8 2+Bz32 ここで、δiは上下隣接炉心片の影響を収り入れた反射
体節約、(3,2は各炉心片とも共通とする。炉心の温
度が上昇すると、減速材の温度が上リポイドが発生する
。すると、k■1 は僅かに変化しく軽水炉では平均的
には減少する)、Mi2は増加し、δiの増加によりB
112は減少する。
P+=-L--1 to 1 B12=8 20 Bz12 B22 =3, 2 + 8722 B32=8 2+Bz32 Here, δi is the reflector saving that takes into account the effects of the upper and lower adjacent core pieces, (3, 2 is common to each core piece.As the temperature of the core increases, the temperature of the moderator increases and lipoids occur.Then, k1 changes slightly and decreases on average in a light water reactor), and Mi2 is increases, and due to the increase in δi, B
112 decreases.

介在層の厚さdl、dlを適切に選ぶと、δiが著しく
増大する。そして、各炉心片は一体的に結合し、軸方向
バックリングは一体化し、となる。逆に炉心温度が下る
と、介在層により各炉心片が分割されたような特徴が現
れてくる。これは、炉心湿度が下ると水の密度が上昇し
、介在層の水が炉心を上下に分割遮蔽する働きが現れて
くるためである。
Appropriate selection of the intervening layer thicknesses dl and dl significantly increases δi. Then, each core piece is integrally connected, and the axial buckling is integrally formed. On the other hand, when the core temperature decreases, a feature appears in which each core piece appears to be divided by an intervening layer. This is because when the core humidity decreases, the density of water increases, and the water in the intervening layer acts to divide and shield the core into upper and lower regions.

本発明では、この介在層により冷態時(炉停止時)は炉
心片を上下に分離する握鮨が増大し、高温時は分離する
機能が弱まる(水の密度が低下するため、実質的にdl
 、 dlが小さくなる効果が現れる。これは結合効果
といえる。)特性を利用する。dl 、 dlの値を適
切に選定すると、高温時の水(減速材)不足の効果を補
う効果も現われて、介在層が存在しない(dl、dl部
も燃料あり)場合よりk。ffl1IIを多少増大させ
ることざえ可能となる。
In the present invention, this intervening layer increases the ability to separate the core pieces into upper and lower parts when the reactor is cold (when the reactor is shut down), and weakens the separation function when the temperature is high (because the density of water decreases, it actually dl
, the effect of decreasing dl appears. This can be called a bonding effect. ) using characteristics. If the values of dl and dl are appropriately selected, the effect of compensating for the lack of water (moderator) at high temperatures will appear, resulting in a lower k than in the case where there is no intervening layer (dl and dl part also has fuel). It is even possible to increase ffl1II to some extent.

介在層の厚さは、冷態時(炉停止時)の熱中性子の移動
距離より大きく、高温時(BWRでは更にボイド発生時
)のそれと同程度かやや小さい程度とするのが最適であ
る。具体的な値として好ましい範囲は3〜acm程度で
ある。2Cm未満では冷態時に分離機能が発生往ず、1
0cm以上では高温時の分割機能は弱まるものの、介在
層が存在しない時に比べて炉心の実効増倍率が減少し、
運転サイクルの低減を招くため不利である。BWRでは
介在物の厚さは3〜8cmが好適であり、PWRでは介
在物の厚さは3〜5cmが好適である。それはBWRで
はコールド(冷態)からホット(高温)になると水の密
度は1/3になるので、中性子移動距離は3倍となるが
、PWRではコールド(冷態)からホット(高温)にな
っても水の密度は0.65程度にしか減少せず、したが
って中性子移動距離も2倍以内にしか増大しない。この
ように介在物の厚さが異なる理由の一つは、上記したよ
うに介在層が存在する近傍の減速材密度、減速材対燃料
体積比、燃料の中の核分裂性核種濃度等によって分離・
結合効果が影響を受けるためである。
The thickness of the intervening layer is optimally set to be larger than the travel distance of thermal neutrons when the reactor is cold (when the reactor is shut down), and about the same or slightly smaller than that when the reactor is at high temperatures (furthermore, when voids occur in BWR). A specific preferred range is about 3 to ac. If it is less than 2 cm, the separation function will not occur when it is cold, and the
At 0 cm or more, the splitting function at high temperatures weakens, but the effective multiplication factor of the core decreases compared to when there is no intervening layer.
This is disadvantageous because it leads to a reduction in the driving cycle. In BWR, the thickness of the inclusions is preferably 3 to 8 cm, and in PWR, the thickness of the inclusions is preferably 3 to 5 cm. In BWR, when going from cold to hot, the density of water becomes 1/3, so the neutron travel distance triples, but in PWR, when going from cold to hot. However, the density of water decreases only to about 0.65, and therefore the distance traveled by neutrons only increases by a factor of two. One reason for the difference in the thickness of inclusions is that, as mentioned above, the density of the moderator in the vicinity of the intervening layer, the volume ratio of moderator to fuel, the concentration of fissile nuclides in the fuel, etc.
This is because the coupling effect is affected.

しかして、介在層か分離効果を発揮する冷態時では、B
712が急増するため各炉心片のに、が減少し、P、(
未臨界度)が増大する。介在層が結合効果を発揮する高
温運転時では、B712の値は急減し、好適状態ではほ
ぼ介在層がない状態と等しくなり、k、は急増する(k
t は介在層なしの時とほぼ等しいかやや大にすること
ができる)。
However, in the cold state when the intervening layer exerts a separation effect, B
712 rapidly increases, the number of each core piece decreases, and P, (
subcriticality) increases. During high-temperature operation when the intervening layer exerts a binding effect, the value of B712 decreases rapidly, and in a suitable state it becomes almost equal to the state without the intervening layer, and k rapidly increases (k
t can be approximately equal to or slightly larger than without the intervening layer).

次に、介在層が分離効果および結合効果を発揮する具体
的計算例を示す。
Next, a specific calculation example will be shown in which the intervening layer exhibits a separation effect and a bonding effect.

BWRにおいて、初期平均濃縮度3.7%、燃焼度28
GWd/lの体系で制御棒は部分挿入されていないもの
とする。
In BWR, initial average enrichment is 3.7%, burnup is 28
It is assumed that the control rod is not partially inserted in the GWd/l system.

このようなりWRでは、炉心上端から1/4長付近で炉
停止中に未臨界度が最も小さくなるので、その部分に介
在層を全炉心に厘って水平に配置し、介在層の厚さを変
えて計算した。計算体系は冷態時(20℃)と高温運転
時(286°C,ボイド分布あり)の2種類とし、また
画体系それぞれに対して、介在層の厚さをゼロとしたと
きの炉心の実効増倍ことが分る。
In such a WR, the degree of subcriticality is the smallest during reactor shutdown near the 1/4 length from the top of the core, so the intervening layer is placed horizontally at that part, covering the entire core, and the thickness of the intervening layer is Calculated by changing . There are two calculation systems: cold state (20°C) and high temperature operation (286°C, with void distribution), and for each system, the effective effect of the core when the thickness of the intervening layer is set to zero is calculated. It turns out that it multiplies.

■ 冷態時上おいては、〜5cm(これが分離効果が顕
著に増加する範囲となる)まで急に減少、それから飽和
状態に向かう。この漸近値は炉心切片(本例では炉心下
方374部)のk。ff値になる。
(2) In the cold state, it suddenly decreases to ~5 cm (this is the range in which the separation effect increases significantly), and then approaches saturation. This asymptotic value is k of the core section (374 parts below the core in this example). ff value.

■ 高温時においては、≦10Cmまではkeff値は
介在層によって殆ど減少しない。これが結合効果による
もので、待に、3〜6cm付近ではかえってk。ffが
増大している。これは高温ボイド時の減速材不足による
熱中性子束不足を介在層から補給する作用が有効に作用
するためでおる。
■ At high temperatures, the keff value hardly decreases due to the intervening layer up to ≦10Cm. This is due to the bonding effect, and it actually becomes worse around 3 to 6 cm. ff is increasing. This is because the intervening layer effectively replenishes the lack of thermal neutron flux due to lack of moderator during high-temperature voids.

(実施例) 本発明の実施例を図面を参照して説明する。(Example) Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明をBWRに適用した場合であり、同図(
A)は本発明の一実施例の概略縦断面図、同図(B)は
本発明炉心に用いる制御棒の軸方向構成図、同図(C)
は炉停止中の未臨界度分布を示した図である。
Figure 1 shows the case where the present invention is applied to a BWR.
A) is a schematic longitudinal sectional view of an embodiment of the present invention, (B) is an axial configuration diagram of a control rod used in the reactor core of the present invention, and (C) is a schematic longitudinal sectional view of an embodiment of the present invention.
is a diagram showing the subcriticality distribution during reactor shutdown.

第1図(A)は燃料集合体く炉心)20の上半部に3段
の介在領域21.22.23を挿入した例である。
FIG. 1A shows an example in which three stages of intervening regions 21, 22, and 23 are inserted into the upper half of the fuel assembly (core) 20.

その結果未臨界度(炉停止余裕)は同図(C)の曲線イ
から曲線口のように大幅に改善される。曲線イのピーク
(未臨界度が特に浅い)部分は炉心下端(BAF )か
ら2/31〜576■付近に生じるが、介在領域の停止
余裕改良作用により、曲線口のように大幅に停止余裕(
未臨界度)が改良され、もはやピークは曲線口では炉心
高さ中央付近ヘシフトしており、しかも未臨界度は深い
As a result, the degree of subcriticality (reactor shutdown margin) is significantly improved as shown from curve A to curve A in the same figure (C). The peak of curve A (where the degree of subcriticality is particularly shallow) occurs around 2/31 to 576 cm from the bottom of the core (BAF), but due to the stop margin improvement effect of the intervening region, the shutdown margin (
(subcriticality) has been improved, and the peak has now shifted to near the center of the core height at the curve entrance, and the subcriticality is deep.

そして、同図(8)に示すような構成の制御棒すなわち
挿入先端から挿入末端に向かって長寿命型領域、高反応
度型領域、従来型領域で構成された制御棒24を炉心に
挿入することによって、曲線ハのようにほぼ平坦となる
から、全体的には深い未臨界度が達成されている。この
ような炉心構成において、燃料の濃縮度を上げたり)I
OX燃料を用いて高燃焼度型の炉心を構成すると、未臨
界度は軸方向にほぼ一定の状態で浅い方向(曲線ハ)へ
シフI〜する。そして、炉心構成(濃縮度の大きざなど
)に対応して無駄のない効率的な未臨界度曲線が得られ
る。すなわち、未臨界度を確保した高燃焼度型炉心とい
える。(従来型BWRで未臨界度が曲線イで表されてい
る状態で濃縮度を上げると、炉心上半部で未臨界度曲線
のピークが上ヘシフトし、臨界となってしまうので、炉
が止められなくなる。) また、制御棒挿入前の未臨界度の浅い部分が制御棒挿入
側ヘシフトするので、スクラム時の炉停止速度が早くな
り、炉心の安全停止性が向上する。
Then, a control rod 24 having a configuration as shown in FIG. 8 (8), that is, a control rod 24 consisting of a long-life region, a high reactivity region, and a conventional region from the insertion tip to the insertion end, is inserted into the reactor core. As a result, the curve C becomes almost flat, and a deep subcriticality is achieved overall. In such a core configuration, increasing the fuel enrichment) I
When a high burnup core is constructed using OX fuel, the subcriticality shifts to a shallow direction (curve C) while remaining approximately constant in the axial direction. Then, a lean and efficient subcriticality curve can be obtained corresponding to the core configuration (size of enrichment, etc.). In other words, it can be said to be a high burnup core that ensures subcriticality. (In a conventional BWR, if the enrichment level is increased while the subcriticality is represented by curve A, the peak of the subcriticality curve will shift upward in the upper half of the core and become critical, causing the reactor to shut down. In addition, since the shallow subcritical portion before control rod insertion is shifted to the control rod insertion side, the reactor shutdown speed during scram becomes faster and the safety of the core is improved.

以上は、従来型BWRに介在領域を配置した場合につい
て説明したが、以下では他の例として加圧水型炉PWR
について簡単に説明する。
The above has explained the case where the intervening region is arranged in a conventional BWR, but below, as another example, a pressurized water reactor PWR
I will briefly explain about.

棒状の中性子吸収棒(燃料棒程度ないしその2倍程度の
直径を有する)を複数本−括して操作するクラスタ制御
棒が、炉心上方から炉心下方に向って挿入される。この
場合には、介在@域を主として炉心下方に偏在する如く
配置して停止余裕がきびしくなる部分を炉心上半ヘシフ
トさせる。
A cluster control rod that collectively operates a plurality of rod-shaped neutron absorption rods (having a diameter of about the same size or twice the diameter of a fuel rod) is inserted from above the reactor core to below the reactor core. In this case, the intervening region is arranged mainly in the lower part of the core so as to be unevenly distributed, and the part where the shutdown margin becomes tight is shifted to the upper half of the core.

一方、中性子吸収棒は挿入先端側(下方側)で長R命吸
収材を配置し、中央部から上方に向って高反応度価値の
吸収材< 106 yB縮B4 Cペレットなど)を配
置する。この構成によって本発明の炉心が構成される。
On the other hand, for the neutron absorption rod, a long-R life absorbing material is placed on the insertion tip side (lower side), and a high-reactivity value absorbing material (<106 yB reduced B4 C pellets, etc.) is placed upward from the center. This configuration constitutes the core of the present invention.

制御棒を上方から挿恢するその他の原子炉として中小型
原子炉、自然循環型原子炉および高転換型原子炉などが
ある。これ等の炉型は未だ研究開発の段階にあるが、本
発明を適用する場合には上記PWRの場合と同様な構成
となる。
Other reactors in which control rods are inserted from above include small and medium-sized reactors, natural circulation reactors, and high conversion reactors. These furnace types are still in the research and development stage, but when the present invention is applied, they will have a similar configuration to the above-mentioned PWR.

次に、第4図と第5図を用いて、原子炉停止中の未臨界
度が炉心の軸方向にどのようになっているか、本発明を
実施することによってそれを如何に変化させるのか、そ
の結果、如何なる制御棒が好適でおり、その結果如何に
良好な結果が期待できるのかについて説明する。
Next, using Figures 4 and 5, we will explain how the degree of subcriticality is in the axial direction of the reactor core during shutdown, and how it can be changed by implementing the present invention. As a result, we will explain what kind of control rod is suitable and how good results can be expected as a result.

第4図は本発明の炉心と従来の炉心の炉心軸方向未臨界
度分布を示したものである。
FIG. 4 shows the subcriticality distribution in the axial direction of the core of the present invention and the conventional core.

同図(A)は従来例の炉心の場合でおり、炉心有効部下
端から4/6〜5/6Hの範囲ハで特に未臨界度Pが浅
くなる。すなわち、炉心有効部下端付近イでは中性子の
もれにより未臨界度?が深い。それに続く部分口ではボ
イド割合が低いためPu生成酎耐低く燃焼が進むのでU
235残存が少なく未臨界度?が深い。次の炉心有効部
下端から4/6〜5/6[1の範囲ハでは、ボイドvj
合が高いためPu生成母が多く燃焼遅れでU−235残
存が多くもれも少ないので、未臨界度?は浅い。炉心有
効部下端付近二では中性子のもれにより未臨界度?が深
まる。
The same figure (A) shows the case of a conventional core, in which the degree of subcriticality P becomes particularly shallow in the range C from 4/6 to 5/6H from the effective lower end of the core. In other words, near the effective lower end of the core, it becomes subcritical due to neutron leakage? is deep. In the subsequent partial opening, the void ratio is low, so the Pu generation resistance is low, and combustion progresses, so U
235 remaining is low and subcritical? is deep. In the range C from 4/6 to 5/6 [1 from the next core effective lower end, void vj
Since the ratio is high, there is a lot of Pu produced, and the combustion is delayed, so there is a lot of U-235 remaining, and there is little leakage, so is it subcritical? is shallow. Is the core near the effective lower end 2 subcritical due to neutron leakage? deepens.

同図(B)は1段の介在領域を炉心有効部下端から3/
dNよりやや上側に配置した場合である。図に示すよう
に未臨界度?は介在領域によって大幅に改良(増大)し
ている。しかし、この例では未臨界度Pが浅くなる部分
の下方へのシフトは小幅に止まっている。
Figure (B) shows the first stage intervening region 3/3/3 from the effective lower end of the core.
This is a case where it is placed slightly above dN. Subcriticality as shown in the figure? is significantly improved (increased) by the intervening region. However, in this example, the downward shift of the portion where the subcriticality P becomes shallow remains small.

同図(C)は2段の介在領域を図のように配置した場合
である。炉心有効部上部の未臨界度?は同図(8)より
ざらに大幅に増大して(深まって)いる。そして、未臨
界度?が浅くなる部分は炉心のほぼ中央部までシフトし
ている。
Figure (C) shows a case where two stages of intervening regions are arranged as shown. Subcriticality in the upper part of the core active part? has increased (deepened) considerably compared to (8) in the same figure. And subcriticality? The shallower part has shifted to almost the center of the reactor core.

第5図は第4図(C)に対応するものであり、炉心の未
臨界度を軸方向にみてほぼ一定となるように構成した場
合の制御棒反応度価値?。gの分布図である。
Figure 5 corresponds to Figure 4 (C) and shows the control rod reactivity value when the core is configured so that the subcriticality is almost constant when viewed in the axial direction. . It is a distribution map of g.

従来のBWRでは炉心上部、特に下端から3/4]1〜
4/4Hに大きな反応度価値を保有ざぜるのが効果的に
制−細棒反応度価値を高め、その結果、炉停止余裕を効
果的に改良する考え方でめった。
In conventional BWR, the upper part of the core, especially 3/4 from the bottom end]1~
The concept of retaining a large reactivity value in 4/4H effectively increases the control rod reactivity value and, as a result, effectively improves the reactor shutdown margin.

このように、本発明における原子炉においては、従来の
考えはもはや通用せず、制御棒反応度価値は、全挿入時
、制御棒のほぼ中央部(炉心の中央高さに対応)におい
て、最大となるのが好適であることを第5図の実線は示
している。このことは制御棒の機能を分離することでお
る。すなわち、先端部は長寿命第1で反応度が第2.中
央部は反応度優先、下部は適当な大ぎざの反応度が有れ
ばよい。このような構成の制御棒を採用すると、炉の緊
急停止が早いので炉の安全性が向上する。
In this way, in the reactor of the present invention, conventional thinking no longer applies, and the control rod reactivity value is at its maximum at approximately the center of the control rod (corresponding to the center height of the reactor core) when fully inserted. The solid line in FIG. 5 indicates that it is preferable that This is achieved by separating the functions of the control rods. In other words, the tip has the longest life and the second highest reactivity. Reactivity should be prioritized in the center, and the reactivity should be appropriately large in the lower part. When a control rod with such a configuration is adopted, the safety of the reactor is improved because emergency shutdown of the reactor is quick.

qたがって、第5図に対応して炉心下端がら上傾に向っ
て挿入されるBWR制御俸は以下のような構成とする。
q Therefore, the BWR control salvage, which is inserted upward from the lower end of the core in accordance with FIG. 5, has the following configuration.

すなわち、炉心全長を約3等分し、下端から173長ま
では、天然ボロンを用いた84C(N84 Gと記す)
、173〜2/3長部は濃縮ボロンを用いた84 C(
”84 Cと記す)、273〜3/3長部は長寿命型の
例えばHfを用いて構成する。
In other words, the total length of the core is divided into approximately three equal parts, and the length from the bottom to 173 is 84C (denoted as N84G) using natural boron.
, 173~2/3 long part is 84C (
(denoted as "84 C"), the 273 to 3/3 long portion is made of a long-life type material such as Hf.

つまり、制御棒挿入先端部(先端部から全長の174な
いし1/3長部)は、本発明においても中性子照射量が
高く、従来の制御棒と何ら変わらない。
In other words, the control rod insertion tip (174 to 1/3 of the total length from the tip) receives a high amount of neutron irradiation even in the present invention, and is no different from the conventional control rod.

従って、最も好適なHfを用いるのがよい。Hfを好適
に用いると、従来の制御棒(N84 G使用)とほぼ同
じ反応度価値を持たせることができ、しかも寿命は大幅
に増大させることができる。
Therefore, it is better to use the most suitable Hf. If Hf is suitably used, a control rod can have approximately the same reactivity value as a conventional control rod (using N84 G), yet its life can be significantly increased.

先端部から全長の173〜2/3長部(1084Gを用
いる部分)では、中性子照射量は上記挿入先端部に比べ
ると大幅(例えば273以下)に低いので長寿命化への
要求は殆どなく、反応度価値が大きいことが最も重要と
なる。中性子吸収材としてボロン−10(”B )より
反応度価値の高いものは皆無であるといってもよく、従
って、10Bを用いた1084 Cが好適でおる。
In the 173 to 2/3 long part of the total length from the tip (the part using 1084G), the amount of neutron irradiation is significantly lower (for example, 273 or less) than the insertion tip, so there is almost no demand for longer life. The most important thing is that the reactivity value is large. It can be said that there is no material with higher reactivity value than boron-10 (''B) as a neutron absorber, and therefore 1084 C using 10B is preferred.

挿入末端部すなわち、全挿入時炉心下部(下端から17
3長程度)では、中性子照射量が低く、高い反応度価値
も必要ないため、従来から用いられているN84 Cを
用いることができる(制御棒が軸方向に機能分離された
形ともいえる)。
At the end of insertion, that is, at the bottom of the core during full insertion (17
3 length), the neutron irradiation dose is low and a high reactivity value is not required, so the conventionally used N84C can be used (it can also be said that the control rod is functionally separated in the axial direction).

以上説明したように、本発明の炉心構成では、未臨界度
が浅くなる部分は炉心の上部から中央部へ、すなわら制
御棒挿入側へシフトしている。従って制御棒を仝引仇運
転中で緊急挿入した場合を想定すると、従来に比べてよ
り早く未臨界度が浅くなる部分へ制御棒が到達するので
、より早く原子炉を緊急停止することができる。すなわ
ち、原子炉の安全性が向上する。
As explained above, in the core configuration of the present invention, the portion where the degree of subcriticality becomes shallow is shifted from the upper part of the core to the center, that is, toward the control rod insertion side. Therefore, if we assume that a control rod is inserted in an emergency during a forced operation, the control rod will reach the area where the degree of subcriticality is shallow faster than before, making it possible to make an emergency shutdown of the reactor sooner. . In other words, the safety of the nuclear reactor is improved.

第6図は従来のBWRに用いられている制御棒と本願発
明に係る制御棒とを比較したものでおる。
FIG. 6 shows a comparison between a control rod used in a conventional BWR and a control rod according to the present invention.

すなわち、同図(A)は従来の制御棒の斜視図、同図(
B)の左半分は同図(A)で示す従来の制御棒の横断面
図、同図(B)の右半分は本願発明に係る制御棒の横断
面図でおる。
That is, Figure (A) is a perspective view of a conventional control rod, Figure (A) is a perspective view of a conventional control rod;
The left half of Figure B) is a cross-sectional view of the conventional control rod shown in Figure (A), and the right half of Figure B is a cross-sectional view of the control rod according to the present invention.

第6図において、深い1字状に形成されたSUS製シー
ス31はその開口部で十字型のタイロッド32に固着さ
れ、十字形制御棒30が構成されている。
In FIG. 6, an SUS sheath 31 formed in a deep single character shape is fixed to a cross-shaped tie rod 32 at its opening, thereby forming a cross-shaped control rod 30.

上端(挿入光@)はハンドル付きの先端構造材33、下
部はスピードリミッタと一体構成された末端構造材34
となっている。シース31内には84 C粉末(粒)を
SUS管に充填して構成された棒状の中性子吸収材35
が制御棒の軸と平行方向に並べられている(米国方式)
。なお、ウィング部ではシース内に吸収材を並べる方式
でなく約8馴厚のSuS板に、ウィング外側端から制御
棒中心軸方向に向って挿抜方向と直角方向の約6Mの穴
を形成し、その中に84 C粉末を充填密封する方式が
スエーデンによって開発されている。この方式は前記米
国方式の制御棒に比べてより多くの840を充填できる
ので、反応度価値を(外形が同一の場合)約10%高め
ることができる。この10%は原子炉停止余裕(通常1
〜3%Δに/k )を約1%(従って2〜4%Δに/k
 )に向上させることが可能である。
The upper end (insertion light @) is a tip structure member 33 with a handle, and the lower end is a terminal structure member 34 integrated with a speed limiter.
It becomes. Inside the sheath 31 is a rod-shaped neutron absorbing material 35 made of a SUS tube filled with 84C powder (granules).
are arranged parallel to the control rod axis (US system)
. In addition, in the wing part, instead of arranging the absorbent material inside the sheath, a hole of about 6M is formed in a SuS plate with a thickness of about 8 mm from the outer edge of the wing in a direction perpendicular to the insertion/extraction direction toward the control rod center axis. A method of filling and sealing 84C powder in it has been developed in Sweden. Since this method can fill more 840 than the US method control rod, the reactivity value can be increased by about 10% (if the external shape is the same). This 10% is the reactor shutdown margin (usually 1
~3% Δ/k) to approximately 1% (thus 2-4% Δ/k)
).

84 Cを用いる為、大幅な長寿命化に適していないの
は米国式と大同小異である。
Since it uses 84 C, it is not suitable for significantly extending the life of the American method, which is largely the same as the American method.

第6図(C)は従来型制御棒の2つの実例を左半部と右
半部に分けて示している。すなわち、左半部は軸方向に
一様なものでおり、従来型制御棒の代表例である。その
反応度価値は同図(D)の実線に示すように一様である
。一方、右半部は本発明者らが従来型BWR用に近年開
発した長寿命型制御棒であり、同図CD)の点線で示す
ように、有効部先端(炉心挿入先端)から末端に向って
4段階36、37.38.39に反応度価値が低下する
設計となっている。中性子吸収材としてt−b板を用い
、2枚のHf板間に水を導き、密度の大きいHf材を減
■して反応度価値の低下を抑制している。従来型BWR
では、先端部の反応度価値を大きくし、かつ長寿命化す
る必要がおったため、このような構成が極めて好適であ
った(特願昭61−78746号等を参照)。。
FIG. 6C shows two examples of conventional control rods divided into a left half and a right half. That is, the left half is uniform in the axial direction and is a typical example of a conventional control rod. The reactivity value is uniform as shown by the solid line in Figure (D). On the other hand, the right half shows a long-life control rod that the present inventors recently developed for conventional BWRs, and as shown by the dotted line in Figure CD), it extends from the effective part tip (core insertion tip) to the end. The design is such that the reactivity value decreases in four stages 36, 37, 38, and 39. A t-b plate is used as a neutron absorbing material, and water is introduced between two Hf plates to reduce the amount of dense Hf material to suppress a decrease in reactivity value. Conventional BWR
In this case, it was necessary to increase the reactivity value of the tip and to extend the service life, so such a configuration was extremely suitable (see Japanese Patent Application No. 78746/1983). .

ところで、本発明の原子炉では、原子炉内に介在領域を
導入した結果、挿入先端部の反応度価値を大ぎくする必
要がなくなった。ただし、制御棒はBWRでは炉心下方
から挿抜され、先端部では多聞の中性子照射を受ける点
では従来のBWRと変りない。このにうな特性は、BW
Rに限らず、PWRその他の炉型でも同様である。
By the way, in the nuclear reactor of the present invention, as a result of introducing the intervening region into the reactor, it is no longer necessary to greatly increase the reactivity value of the insertion tip. However, in a BWR, the control rods are inserted and removed from below the reactor core, and their tips are exposed to a large number of neutrons, which is the same as in conventional BWRs. This unique characteristic is BW
The same applies not only to R but also to PWR and other furnace types.

第7図は本発明の原子炉に必要な制御棒特性と、それを
具体化した例を示している。すなわち、第7図(A)は
第5図に対応する制御棒に必要な特性曲線図、同図(B
)は同図(A)に基づいてディスクリート化して実施し
た本発明に係る制御棒の特性曲線図、同図(C)は同図
(B)に基づいて具体化した2つの実施例を図の左半部
と右半部で図示したものである。一つの実施例は同図(
C)の左半分に示すように、制御棒40は軸方向に人民
3等分されている。すなわち、炉心挿入末端部分は通常
領域43(天然B、84 G横穴充填)、中央高さの部
分が高反応度価値領域42 (10B濃縮84 G横穴
充*>、炉心挿入先端部分は高中性子照射領域41(1
−1f板、トラップ状)で構成されている。なお、炉心
挿入末端部分および炉心挿入先端部分には中央部に縦方
向の空隙部44.45が設けられている。他の実施例は
同図(C)の右半分に示すように、制御棒40は軸方向
に人民3等分されている。すなわち、炉心挿入末端部分
は通常領域46(SO3管にB4 C粉を充1眞し、そ
れをシース内に並べたもので、古くから用いられている
従来型に対応したもの)、中央高さの部分が高反応度価
値領域42(SUS板に横穴をあけ84 G粉を充填)
、炉心挿入末端部分は高中性子照射領域41(Hf板は
トラップ状でSUSシース内に挿入)で構成されている
。この例では炉心挿入末端部分の中央部だけに縦方向の
空隙部44が設けられている。
FIG. 7 shows the control rod characteristics necessary for the nuclear reactor of the present invention and an example that embodies them. That is, Fig. 7 (A) is a characteristic curve diagram necessary for the control rod corresponding to Fig. 5, and the same figure (B
) is a characteristic curve diagram of the control rod according to the present invention implemented as a discrete control rod based on FIG. It is illustrated with a left half and a right half. One example is shown in the same figure (
As shown in the left half of Figure C), the control rod 40 is divided into three equal parts in the axial direction. In other words, the end of the core insertion is a normal area 43 (natural B, 84G side hole filled), the central height area is a high reactivity value area 42 (10B enriched 84G side hole filled *>), and the core insertion tip is irradiated with high neutrons. Area 41 (1
-1f plate, trap shape). Note that a vertical gap 44, 45 is provided in the center of the core insertion end portion and the core insertion tip portion. In another embodiment, as shown in the right half of the figure (C), the control rod 40 is divided into three equal parts in the axial direction. In other words, the core insertion end part has a normal area 46 (an SO3 pipe filled with B4C powder and arranged in a sheath, which corresponds to the conventional type that has been used for a long time), and a center height. The part is high reactivity value area 42 (drill a horizontal hole in the SUS board and fill it with 84 G powder)
The core insertion end portion is composed of a high neutron irradiation region 41 (the Hf plate is shaped like a trap and inserted into the SUS sheath). In this example, a vertical cavity 44 is provided only in the center of the core insertion end portion.

本発明者らは長い間BWR用制御棒の開発研究を行なっ
て来たが、外形を同一とした場合、前記スエーデンで開
発されたSuS板に横穴をあけてB4Cを充填する方式
が最も高反応度価値領域を実現するのに適している。中
性子吸収材についても各種の実験的研究を行ってきたが
、10sを濃縮した84 CまたはEtl、B6が高反
応度化に好適であφ・ 従って、第7図(C)では横穴充填方式を基本とし、中
性子吸収材にB4C粉末を、必要な場合には1OBを濃
縮したB4 Cを用いることとしている。
The present inventors have been conducting research and development on control rods for BWRs for a long time, and found that the method developed in Sweden, in which a horizontal hole is made in a SuS plate and filled with B4C, has the highest reaction rate when the external shape is the same. It is suitable for realizing the degree value area. Various experimental studies have been conducted on neutron absorbing materials, and 84 C concentrated with 10s, Etl, and B6 are suitable for increasing the reactivity. Basically, B4C powder is used as the neutron absorbing material, and if necessary, B4C enriched with 1OB is used.

挿入の先端約11′3部分は中性子照射量が高いので、
長野傘型の中性子吸収材を用いる。長野傘型吸収材とし
てはHf、EtLその他が考えられるが、t−bが最も
現実性がある。1−ffはメタルであり、中性子照射特
性や腐食特性が極めて優れており、被面材なしで使える
。欠点としては密度が大きく、反応度価値が低下し易い
点がめげられる。
Since the neutron irradiation amount is high at about 11'3 of the tip of the insertion,
A Nagano umbrella-shaped neutron absorber is used. Although Hf, EtL, and other materials can be considered as the Nagano umbrella type absorbent, t-b is the most practical. 1-ff is a metal, has extremely excellent neutron irradiation characteristics and corrosion characteristics, and can be used without a covering material. The disadvantage is that the density is large and the reactivity value tends to decrease.

本発明者等が近年開発した(特願昭61−78746号
)Hv板トラップ型、すなわち、2枚のHf板間に水を
導入する方式を用いれば上記の欠点を解消した長寿命制
御棒が実現できる。本実施例では、このような観点から
Hf板をトラップ状に構成することとした。
By using the Hv plate trap type recently developed by the present inventors (Japanese Patent Application No. 61-78746), that is, the method of introducing water between two Hf plates, a long-life control rod that eliminates the above drawbacks can be obtained. realizable. In this embodiment, from this point of view, the Hf plate is configured in a trap shape.

ざらに、本発明では反応度価値はやや低くしてよいため
、(介在領域により炉停止余裕が向上するため、制御棒
により確保すべき停止余裕の分担が減少する)タイロッ
ド近傍ではf−bを排除し、空隙としている。これによ
って、タイロッド近傍の中性子束の大幅な低下が緩和さ
れ、その結果、この部分に対応する燃料の出力の大幅な
低下が緩和される。これにより、制御棒挿入時でもこの
部分の燃料の燃焼が進行し、制御棒挿入時の異常な出力
上昇が抑制され、燃料の健全性向上に寄与する。
Roughly speaking, in the present invention, the reactivity value can be made slightly lower, so f-b is reduced near the tie rods (because the reactor shutdown margin is improved by the intervening region, the share of the shutdown margin that should be secured by the control rods is reduced). It is removed and left as a void. This alleviates the significant decrease in neutron flux near the tie rod, and as a result, the significant decrease in fuel output corresponding to this portion is alleviated. As a result, even when the control rod is inserted, combustion of the fuel in this portion proceeds, suppressing an abnormal increase in output when the control rod is inserted, and contributing to improving the soundness of the fuel.

なお、長寿命対策としては本発明者等は他にも既に多く
の具体案を開示している。挿入末端約173長は2つの
実施例を示している。
Note that the present inventors have already disclosed many other specific plans as measures for extending the lifespan. The length of the insert end is about 173 illustrative of two embodiments.

左半部は横穴方式である。この部分は反応度価値を下げ
てよいため、タイロッド側面を空隙44(→水)とし、
吸収材充填部の横方向幅を低減させた例を示している。
The left half is a horizontal hole type. Since the reactivity value can be lowered in this part, the side of the tie rod is made into a void 44 (→ water).
An example is shown in which the lateral width of the absorbent filling part is reduced.

この水により上述のように燃料健全性が向上する。This water improves fuel integrity as described above.

右半部はSUS管にB4 Cを充填して構成した吸収材
をシース内に並べる従来型の方式を示している。横穴方
式より反応度価値が小さくなりやすいため、この例では
タイロッド側面には特に空隙(i水)は設けていない。
The right half shows a conventional method in which absorbent material made by filling a SUS tube with B4C is arranged inside the sheath. In this example, no voids (i-water) are provided on the side surfaces of the tie rod because the reactivity value tends to be smaller than in the horizontal hole method.

本発明では未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿入側へシ
フトさせ、それにおわせて制御棒の構成を好適にした新
規な軽水炉の炉心構成について説明したが、原理的には
高速炉等にも適用できることは勿論である。
In the present invention, we have explained a new core configuration of a light water reactor in which the part where the subcriticality becomes shallow is shifted to the control rod insertion side and the control rod configuration is optimized accordingly. Of course, it can also be applied.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば以下に記載したよ
うな効果を奏する。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, the following effects are achieved.

(1)介在領域の導入によって高濃縮度燃料(MOXを
含む)を用いた炉心でも停止余裕が確保される。
(1) By introducing the intervening region, shutdown margin is secured even in a core using highly enriched fuel (including MOX).

(2)介在領域を好適に配置して、停止余裕がきびしく
なる領域(シャットダウンゾーン)をシフトさせ、スク
ラム時の炉停止までの時間を短縮できる。すなわち、よ
り安全な炉の停止ができる。
(2) By suitably arranging the intervening region, the region (shutdown zone) where the shutdown margin becomes tight can be shifted, thereby shortening the time until the reactor shutdown during scram. In other words, the furnace can be shut down more safely.

(3)軸方向に機能を分離した上記(2)に好適な制御
棒を提供できる。すなわち、挿入先端部は照射最大であ
るから長野臼、挿入中間部は高反応度吸収材であるから
、介在領域と協調して高停止余裕、挿入末端部は重要性
が低いので従来型を使用している。
(3) A control rod suitable for the above (2) in which functions are separated in the axial direction can be provided. In other words, the tip of the insertion site receives maximum irradiation, so a Nagano mortar is used, the middle part of the insertion site is made of highly reactive absorbent material, so it has a high stopping margin in cooperation with the intervening area, and the distal end of the insertion site is less important, so a conventional type is used. are doing.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明をBWRに適用した場合であり、同図(
八)は本発明の一実施例の概略縦断面図、同図(B)は
本発明炉心に用いる制御棒の軸方向溝酸(A)〜(C)
は本発明の炉心と従来の炉心の炉心軸方向未臨界度分布
を示した図、第5図は第4図(C)に対応するものであ
り、炉心の未臨界度を軸方向にみてほぼ一定となるよう
に構成した場合の制御棒反応度価値分布図、第6図(八
)は従来の制御棒の斜視図、同図(B)は同図(A)の
横断面図。 同図(C)の左半分は従来の制御棒の横断面図、同図(
C)の右半分は他の従来の制御棒の横断面図。 同図([))は同図(C)の反応度価値を示した図、第
7図(A)は第5図に対応する制御棒に必要な特性曲線
図、同図(B)は同図(A)に基づいてディスクリτト
化して実施した本発明に係る制御棒の特性曲線図、同図
(C)は同図(B)に基づいて具体化した2つの実施例
を図の左半部と右半部で示した図、第8図(A)および
同図(B)は、それぞれ従来の燃料集合体の斜視図およ
び燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦断面図、第9図
は第8図に示す従来の燃料集合体の横断面図、第10図
〜第H図はいずれも従来の燃料集合体の横断面図である
。 20・・・燃料集合体 21、22.23・・・介在領域 24、30.40・・・制御棒 31・・・シース 32・・・タイロッド 33・・・先端構造材 34・・・末端構造材 35・・・中性子吸収材 (8733)代理人 弁理士 猪 股 祥 晃(ばか 
1名) (A) ノ4 (C) 第1図 門 (Aン 水ギマツブ偽Q7  (v、p ) CB) 第2図 (A) (B)        (C)     (D)第6図 (A)             CB)      
         (Cン第7図 第 9 図 第 f() 因 第1!図 第12図
Figure 1 shows the case where the present invention is applied to a BWR.
8) is a schematic vertical cross-sectional view of one embodiment of the present invention, and (B) is an axial groove acid (A) to (C) of a control rod used in the reactor core of the present invention.
is a diagram showing the subcriticality distribution in the axial direction of the core of the present invention and the conventional core, and FIG. 5 corresponds to FIG. 4(C), and the subcriticality of the core is approximately FIG. 6(8) is a perspective view of a conventional control rod, and FIG. 6(B) is a cross-sectional view of FIG. 6(A). The left half of the figure (C) is a cross-sectional view of a conventional control rod;
The right half of C) is a cross-sectional view of another conventional control rod. The same figure ([)) is a diagram showing the reactivity value of the same figure (C), Figure 7 (A) is a characteristic curve diagram required for the control rod corresponding to Figure 5, and the same figure (B) is the same figure. Figure (A) is a characteristic curve diagram of the control rod according to the present invention implemented as a discrete The left and right half views, FIG. 8(A) and FIG. 8(B) are respectively a perspective view of a conventional fuel assembly and a schematic longitudinal sectional view of a fuel rod constituting the fuel assembly. FIG. 9 is a cross-sectional view of the conventional fuel assembly shown in FIG. 8, and FIGS. 10 to H are all cross-sectional views of the conventional fuel assembly. 20...Fuel assembly 21, 22.23...Intervening region 24, 30.40...Control rod 31...Sheath 32...Tie rod 33...Tip structure material 34...Terminal structure Material 35...Neutron absorbing material (8733) Agent Patent attorney Yoshiaki Inomata (Idiot)
1 person) (A) No. 4 (C) Fig. 1 Gate (A An Sugimatsubu False Q7 (v,p) CB) Fig. 2 (A) (B) (C) (D) Fig. 6 (A) CB)
(Fig. 7 Fig. 9 f() Cause 1! Fig. 12

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)多数の燃料棒を規則正しく束ねた燃料集合体を、
その軸がそれぞれ垂直で互に平行になるように配置され
、前記燃料集合体の内部または隣接する燃料集合体相互
間の間隙で制御棒を挿抜可能に配置された炉心と、前記
各燃料棒間にその燃料棒の下方から上方に向って冷却材
である軽水が流れるように構成された軽水炉の炉心にお
いて、前記炉心の一部分または全体を上下方向に少なく
とも2ケの炉心切片に分割するごとく所定幅の核分裂性
核種濃度を大幅に低下させた介在領域を配置し、前記介
在領域はその幅が軽水炉出力運転中における熱中性子拡
散距離ないしその2倍の距離以内であり、軽水炉の常温
停止時における熱中性子拡散距離ないしそれより大きく
することによつて、常温停止中に未臨界度が浅くなる部
分を制御棒挿抜側に移行させたことを特徴とする軽水炉
の炉心。
(1) A fuel assembly consisting of a large number of fuel rods bundled together in an orderly manner,
A reactor core arranged such that its axes are perpendicular and parallel to each other, and in which control rods can be inserted and removed inside the fuel assemblies or in gaps between adjacent fuel assemblies, and between each of the fuel rods. In a light water reactor core configured such that light water, which is a coolant, flows from below to above the fuel rods, a portion or the entire core is vertically divided into at least two core segments with a predetermined width. The width of the intervening region is within the thermal neutron diffusion distance during power operation of the light water reactor or twice that distance, and the width of the intervening region is within the thermal neutron diffusion distance during light water reactor power operation, or the thermal neutron diffusion distance during normal temperature shutdown of the light water reactor. A reactor core of a light water reactor characterized in that a portion where the degree of subcriticality becomes shallow during cold shutdown is shifted to the control rod insertion/extraction side by increasing the neutron diffusion distance or longer.
(2)常温停止時に未臨界度が浅くなる部分を炉心下方
に向って移行させ、制御棒挿抜を炉心下方から行なう沸
騰水型原子炉であることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の軽水炉の炉心。
(2) The boiling water reactor is a boiling water reactor in which a portion where the degree of subcriticality becomes shallow during normal temperature shutdown is shifted toward the bottom of the core, and control rods are inserted and removed from below the core. core of a light water reactor.
(3)常温停止時に未臨界度が浅くなる部分を炉心上方
に向つて移行させ、制御棒挿抜を炉心上方から行なう加
圧水型原子炉であることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の軽水炉の炉心。
(3) The pressurized water reactor is a pressurized water reactor in which a portion where the degree of subcriticality becomes shallow during normal temperature shutdown is moved upwards of the core, and control rods are inserted and removed from above the core. The core of a light water reactor.
(4)常温停止時に未臨界度が浅くなる部分を炉心上方
に向つて移行させ、制御棒挿抜を炉心上方から行なう中
小型原子炉、自然循環型原子炉または高転換型原子炉で
あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の軽水
炉の炉心。
(4) This is a small- to medium-sized nuclear reactor, a natural circulation reactor, or a high conversion reactor, in which the part where the degree of subcriticality becomes shallow during cold shutdown moves toward the upper part of the core, and control rods are inserted and removed from above the core. A core of a light water reactor according to claim 1, characterized in that:
(5)炉心挿入時の制御棒は、未臨界度が浅くなる部分
を中性子吸収特性の強い強中性子吸収構成とし、その他
の部分は中性子吸収特性をそれよりやや小さい吸収構成
としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の軽
水炉の炉心。
(5) The control rods when inserted into the reactor core are characterized by having a strong neutron absorption structure with strong neutron absorption properties in the shallow subcriticality part, and an absorption structure with slightly smaller neutron absorption properties in other parts. A core of a light water reactor according to claim 1.
(6)中性子吸収特性の強い強中性子吸収構成はSUS
板に横穴をあけてB_4C粉を充填したものであること
を特徴とする特許請求の範囲第5項記載の軽水炉の炉心
(6) Strong neutron absorption structure with strong neutron absorption properties is SUS
The core of a light water reactor according to claim 5, characterized in that a horizontal hole is formed in the plate and filled with B_4C powder.
(7)中性子吸収特性の強い強中性子吸収物質はボロン
10の濃度を高めた濃縮ボロンを主たる中性子吸収物質
としたことを特徴とする特許請求の範囲第5項または第
6項記載の軽水炉の炉心。
(7) The core of the light water reactor according to claim 5 or 6, characterized in that the strong neutron absorbing material with strong neutron absorption properties is mainly enriched boron with an increased concentration of boron 10. .
(8)原子炉の出力を制御する出力制御用の制御棒は、
少なくともその先端部分がハフニウムなどの長寿命型の
中性子吸収材で構成されていることを特徴とする特許請
求の範囲第5項記載の軽水炉の炉心。
(8) The control rods for controlling the output of the reactor are:
6. The core of a light water reactor according to claim 5, wherein at least the tip portion thereof is made of a long-life neutron absorbing material such as hafnium.
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