JPH01291196A - 原子炉用燃料集合体 - Google Patents

原子炉用燃料集合体

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JPH01291196A
JPH01291196A JP63120491A JP12049188A JPH01291196A JP H01291196 A JPH01291196 A JP H01291196A JP 63120491 A JP63120491 A JP 63120491A JP 12049188 A JP12049188 A JP 12049188A JP H01291196 A JPH01291196 A JP H01291196A
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fuel
distance
rods
rod
fuel rods
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Takuya Umano
琢也 馬野
Toru Yamamoto
徹 山本
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Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
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Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、軽水型原子炉に用いる原子炉用燃料集合体に
関する。
(従来の技術) 沸騰水型原子炉で、従来用いられている燃料集合体の一
例を第16図に示す。同図に示すように、燃料集合体1
は、チャンネルボックス2と、このチャンネルボックス
2内に8行8列の正方格子状に配列された燃料棒3と、
集合体径方向中央部付近に配置されたウォータロッド4
とから構成されている。燃料棒被覆管内には濃縮ウラン
酸化物を焼結した円筒状の燃料ペレットが封入されてい
る。
隣接するチャンネルボックス2の間の水ギャップ6には
、十字形制御棒5が配置されている。
沸騰水型原子炉では、出力運転時、チャンネル内部は沸
騰水で占められるが、チャンネル外部(水ギャップ)6
及びウォータロッド4内は非沸騰水で占められる。これ
らの水は燃料の冷却材であるとともに中性子の減速材の
役割を果たしている。。
ところで、熱中性子炉燃料の無限増倍率は四因子公式を
用いて次の様に表すことができる。
K=εηfp        ■ ここで、 ε:高速中性子核分裂効果 η:中性子再生率 f:熱中性子利用率 p:共鳴を逃れる確率 軽水型熱中性子炉では、燃料を塊状(ペレット)とし、
燃料と減速材の分布を非均質とすることにより、燃料中
のウラン238による中性子の共鳴吸収を小さくシ、中
性子の減速を良くしている。ただ、非均質化は同時に熱
中性子利用率の低下をもたらすため、これら二つの効果
は相反する方向に作用する。そして、熱中性子炉では非
均質化による共鳴を逃れる確率の増加効果の方が大きい
ことが知られている。さらに、沸騰水型炉では、水ギャ
ップ及びウォータロッド内が非沸騰水、燃料棒のまわり
が沸騰水であるため、燃料集合体全体でも減速材分布が
非均質であるという特徴がある。
これらの非沸騰水領域は、共鳴を逃れる確率を大きくし
て反応度を向上させるとともに減速材密度反応度係数の
増加を抑制する働きをしている。
(発明が解決しようとする課題) ウラン資源の有効利用と燃料経済性の向上が求められで
いるが、このためには中性子利用率の向上を図る必要が
ある。しかし、燃料集合体内の減速材分布を均質化して
熱中性子利用率を高める場合には、一般に上述のように
共鳴を逃れる確率の低下をもたらすため1反応度向上に
つながらない。
また、燃料経済性の向上には燃料の高燃焼度化が有効で
あるが、この場合、炉心内の新しい燃料と良く燃えた燃
料の間の出力差が大きくなり、最大線出力密度や最少限
界出力比等の熱的制限条件が厳しくなる方向となる。炉
心平均線出力密度の低下のために、燃料集合体の配列数
を増加し、燃料棒数を増加する場合には燃料棒径が細く
なるために、燃料による中性子の共鳴吸収が増加して反
応度低下をもたらす。
さらに、高燃焼度化を図ると燃料の高濃度化による減速
材密度反応度係数の増加を抑えるため、水対燃料比を増
加する必要がある。この場合は、集合体内部の燃料棒を
ウォータロッドに置換える必要があるが、この結果、ウ
ラン重量が減少するため燃料経済性の低下をもたらすと
いう不具合が生じる。
本発明は、上記問題に対処してなされたもので、その目
的は、熱中性子利用率と共鳴を逃れる確率を共に高める
ことにより、中性子利用率の向上を図りかつ高燃焼度化
時に対応して水対燃料比を増加する場合でも炉心ウラン
量も増加でき、また熱的制限を緩和することのできる燃
料集合体を提供することにある。
〔発明の構成〕
(課題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、チャンネルボッ
クス内に燃料棒を規則正しく配列した原子炉用燃料集合
体において、燃料棒間の距離及びチャンネルボックスと
燃料棒の間の距離を2〜3薗程度としかつ燃料棒外径を
11前後としており、また燃料集合体内部には1本また
は複数本のウォータロッドを均等に配置したことを特徴
とするものである。
(作 用) 不発明の原子炉用燃料集合体は、燃料棒間距離及びチャ
ンネルボックスと燃料棒の間の距離を2〜3I程度に狭
め、燃料棒外径を10前後とし。
また集合体内部にウォータロッドを配置することにより
、熱中性子利用率と共鳴を逃れる確率を共に高めて中性
子利用率の向上を図りかつ燃料棒本数を増加することに
より、高燃焼度化に対応して水対燃料比を増加する場合
でも炉心ウラン量も増加でき、また熱的制限を緩和する
ことができる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明の一実施例の沸騰水型原子炉用燃料集合
体の平面図である。この実施例の燃料集合体1では、現
行のチャンネルボックス2内の燃料棒配列を9行9列と
して、従来の集合体よりも燃料棒ピッチHを小さくし、
また燃料棒の間の距離F及びチャンネルボックスと燃料
棒の間の距離Gを従来の約4mより狭めて約2.5ay
aとし゛ている。
燃料棒3の外径りは従来の燃料と同じ約12noである
。集合体内には3行3列相当の超々太径ウォータロラド
4′を配置している。本実施例の集合体内の燃料棒本数
は72本で、水対燃料比を従来の燃料集合体に比べて大
幅に増加しているにもかかわらず、燃料棒本数は従来の
62本にくらべて増加している。
第2図は上記実施例と従来の燃料集合体の燃料棒近傍の
熱中性子束分布の比較を示すものである。
本実施例では第2図(b)に示すように燃料棒間の距離
が第2図(a)に示す従来の燃料棒間の距離に比べて減
少し、減速材対燃料体積比が減少したため、減速材中で
の熱中性子束の盛上がりおよび燃料中でのくぼみも従来
に比べて減少する。このため、集合体は熱中性子に対し
てより一様となり、燃料に吸収される熱中性子の割合が
増し、熱中性子利用率fは高くなる。第3図は燃料棒間
の距離と減速材中と燃料中での熱中性子束の比(熱中性
子不利係数)の関係を示すもので、燃料棒間の距離が減
少するほど熱中性子不利係数は減少し、熱中性子利用率
は高くなる。
一方、燃料棒間の距離が減少すると共鳴エネルギ中性子
に対する燃料棒間の相互の遮蔽効果が大きくなるため、
共鳴を逃れる確率Pは大きくなる。
第4図は燃料棒の間の距離と燃料棒間の相互の遮蔽効果
を表すダンコツ係数の関係を示すもので。
燃料棒の間の距離が減少するほどダンコツ係数は増加し
、共鳴を逃れる確率は大きくなる。
第5図は燃料集合体の水対燃料比を一定とした場合の、
燃料棒間の距離と熱中性子利用率および共鳴を逃れる確
率の関係を示したもので、燃料棒間の距離を狭めること
により、熱中性子利用率fおよび共鳴を逃れる確率pを
ともに高めることができる。第6図は燃料棒間の距離と
未燃焼時の無限増倍率の関係を示すが、無限増倍率は熱
中性子利用率fと共鳴を逃れる確率pの積に比例するた
め、燃料棒間の距離が減少すると無限増倍率は大きくな
る。
このように本発明では、中性子利用率f及び共鳴を逃れ
る確率pをともに高めることにより、反応度が増加して
経済性の優れた燃料集合体を得ることができる。
また1本発明では、燃料棒間隔が狭まった結果、燃料棒
本数が従来に比べて増加する。このため、高燃焼度化時
に対応して、集合体内にウォータロッドを配置して水対
燃料比を増加する場合でも。
燃料棒本数およびウラン重量を従来より増加できる。燃
料棒本数の増加は、最大線出力密度に対する熱的余裕を
増加し、またウラン重量の増加は経済性を向上する効果
をもたらす、すなわち、ウラン重量が増加すると1運転
サイクルにおける単位ウラン重量あたりの燃焼度増分が
減少する。無限増倍率は燃焼度に対する星調減少関数で
あるため、サイクル燃焼度増分の減少はサイクル末期に
於ける無限増倍率の増加をもたらす。第7図は、水対燃
料比一定の場合の燃料棒間の距離と集合体ウラン重量の
関係を、また第8図は燃料棒間の距離とサイクル末期の
平均無限増倍率の関係を示すものであるが、燃料棒間の
距離が減少すると、ウラン重量の増加効果と前述した中
性子利用率の増加効果との相加効果により、サイクル末
期の無限増倍率は大きくなる。
また、ウラン重量を従来燃料と同程度とする場合は、ウ
ォータロッド内の水割台を従来よりも増やすことが可能
となる。これにより、水対燃料比が増加して反応度が増
加し、また減速材密度反応度係数が減少するとともに出
力運転時冷温時反応度差を小さくすることができる。ま
た、集合体内の非沸騰水の分布が従来よりも均質化され
るため、熱中性子束分布もより平坦化することができる
この結果、集合体内局所出力分布が平坦化され熱的余裕
を増加することができる。
第9図は1本発明の第2の実施例の平面図である。現行
のチャンネルボックス1内の燃料棒配列を9行9列とし
、3行3列相当の超々太径ウォータロッド4′及び燃料
棒と同径のウォータロッド4を4本集合体中央に配置し
ている。燃料棒径及び燃料棒ピッチは上記実施例(第1
図)と同じであるが、燃料棒本数は4本減少させて68
本とし、集合体内水割合を増加している。
第10図は本発明の第3の実施例の平面図である。
本実施例の燃料集合体は現行の燃料集合体の1.1倍に
拡大した場合であり、燃料棒配列を10行10列とし、
2行2列相当の超太径ウォータロッド4′を集合体内に
5本均等に配置している。燃料棒径は従来と同じくして
、燃料棒間の距離を約2.5mmと小さくしている。燃
料棒・本数は80本で第1図の実施例に比べてさらに燃
料棒本数が増加したことにより、熱的余裕が増加する。
なお、上述の実施例の燃料集合体では、燃料棒の周囲の
冷却材流路が従来に比べ狭いので、最小限界出力比に対
する熱的な制限が厳しくなる恐れがある。このような問
題に対しては1次に示すような方法が有効である。すな
わち、第11図に示すように通常の燃料棒3の代りに燃
料棒の軸方向の上部一部を除去した部分長の燃料棒6を
用いることである。
また、この部分長燃料棒6に代えて、他の燃料棒より細
い燃料棒を部分的に用いた燃料棒7を用いても有効であ
る。
第12図は1本発明の第4の実施例の平面図である0本
実施例の燃料集合体では通常の燃料棒3に代えて部分長
燃料棒6がチャンネルボックス2側から第2行目に全部
で8本配置されている構成のみが第1図の実施例と相違
し、その他の配置は同一である。
また、燃料棒配列を三角配列とする場合は燃料棒間隔を
正方配列の場合よりも大きくして、同程度に熱中性子利
用率を高めることができる。すなわち、第13図に示さ
れるように、減速材対燃料体積比(Vm/Vf)を燃料
棒ピッチH及び燃料棒径りを用いて表すと正方配列の場
合(同図aを参照)は Vm / Vf = 4H”/ (zD”) −102
)一方、三角配列の場合(同図(b)を参照)は、Vm
 / Vf = 2j3H”/ (?CD2) −L 
   ■となる。上記第2式及び第3式より、同じV 
ra /Vfを実現する燃料棒ピッチHは、三角配列の
場合は、正方配列の場合の約1.07倍となる。熱中性
子利用率はvIl/vfで決まるから、同程度に熱中性
子利用率を高める場合でも、三角配列の場 ・合は、正
方配列に較べ燃料棒間の距離を大きくできる。
第14図は本発明の第5の実施例の平面図である。
同図に示すように、本実施例は炉心燃料格子は正方配列
で、燃料棒3の配列は三角配列の場合である。
第15図は本発明の第6の実施例の平面図である。
同図に示すように、本実施例は炉心燃料格子は六方配列
で、燃料棒3の配列は三角配列の場合である。
以上の各実施例はいずれも沸騰水型原子炉用燃料集合体
について説明したが5本発明は加圧木型原子炉の燃料集
合体についても同様に適用でき、上記実施例と同様な効
果を有する。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の燃料集合体によると、中
性子利用率を高めることにより高い燃料経済性を有する
とともに高燃焼度化時にも対応できる燃料集合体を提供
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の燃料集合体を示す平面図、
第2図は本発明と従来の燃料集合体内の熱中性子束分布
の違いを説明するための図、第3図は燃料棒間距離と熱
中性子不利係数の関係を示す図、第4図は燃料棒間距離
とダンコツ係数の関係を示す図、第5図は燃料棒間距離
と熱中性子利用率及び共鳴を逃れる確率の関係を示す図
、第6図は燃料棒間距離と未燃焼時反応度変化の関係を
示す図、第7図及び第8図は燃料棒間距離と集合体ウラ
ン重量及びサイクル末期反応度変化の関係を示す図、第
9図及び第10図は本発明の第2及び第3の実施例の平
面図、第11図は本発明で使用される燃料棒の他の例を
示す概略図、第12図は本発明の第4の実施例の平面図
、第13図は本発明を燃料棒が三角配列の場合に適用し
た場合の作用効果を説明するための図、第14図及び第
15図は本発明の第5及び第6の実施例の平面図、第1
6図は従来の燃料集合体の平面図である。 1・・・燃料集合体 2・・・チャンネルボックス 3・・・燃料棒 4・・・ウォータロッド 4′・・・超太径ウォータロッド 4′・・・超太径ウォータロッド 5・・・十字形制御棒 6・・・部分長燃料棒 7・・・細い燃料棒を部分的に使用した燃料棒(873
3)代理人弁理士 猪 股 祥 晃(はが1名)第1図 (a)従来の燃叫1奢本 (b)本發刑へ業病も倖1 第2図 第9図 0.35    0.30    0.25    0
.20盪糖砕関足EJk (cm ) 第3図 0.35    Q30     Q25    0.
20焔譜捧聞当」泳(am) 第4図 0.35   0.30    0.25     C
l2O燃f!−+捧聞距鷹k(Cm) 第5図 0.35   0.30   0,25    0.2
0建析捧間臣ハ(cm) 第6図 0.35    0.30    0.25    0
.20文洗餠玲関】l迦(cm ) 第7図 o35   0,30    0,25    0.2
0惚析瞭聞I!E鳥L(Cm) 第8図 第10図 第12図 正方自己う1へ1会 (a) 三云P当己う1ううも会 Cb) 第13図 第14図 第15図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)チャンネルボックス内に燃料棒を規則正しく配列
    した燃料集合体において、燃料棒間距離及びチャンネル
    ボックスと燃料棒の間の距離を2〜3mm程度とし、ま
    た燃料棒外径を1cm前後としたことを特徴とする原子
    炉用燃料集合体。
  2. (2)燃料集合体内部に1本または複数本のウォータロ
    ッドを均等に配置したことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の原子炉用燃料集合体。
JP63120491A 1988-05-19 1988-05-19 原子炉用燃料集合体 Expired - Lifetime JP2713983B2 (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1047081A1 (en) * 1999-04-23 2000-10-25 Hitachi, Ltd. Nuclear fuel assembly and nuclear reactor core
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