JPH02103491A - 燃料集合体 - Google Patents

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） 本発明は可燃性毒物入り燃料棒を用いた９行９列の原子
炉用燃料集合体に関する。

（従来の技術） 燃料集合体内の濃縮度および可燃性毒物は燃料集合体が
炉心に装荷され定格出力運転状態において安全な運転が
できるように一定の線出力密度（ＬＨＧＲ）　、限界出
力比（ＣＰＲ）などの制限条件を満足できるようにその
配置が決定される。

この考慮のもとに設計された９行９列燃料集合体（以下
９×９燃料という）の場合の例を第１１図（特開昭６３
−２１５８９号公報参照）に示す。

第１１図（ａ）は燃料集合体の断面図、同図（ｂ）は同
図（ａ）で使用される燃料棒を示している。この図から
分るように濃縮度の異なる４種類の燃料が用いられてい
る。

（発明が解決しようとする課題） 燃料棒の最大線出力密度Ｒ１，ＩＡＸを最大線出力の発
生している集合体断面の相対出力ｐ　ｏｖ＝局所出カビ
−キング係数ＰＬＰＦ、炉心平均線出力ＲＡＭの積とし
て示せば次の式で表される。

Ｒ）ＩＡＸ　＝　ＲＡＶＸＰ　０ＶｘＰ　ＬＰＦここで
、ＲＡＭは燃料棒の本数、炉心に装荷される燃料体数、
炉心熱出力から決まる値であり、代表的な電気出力１１
００）１罰級の沸騰水型軽水炉に装荷された燃料本数７
２本の８Ｘ８燃料の場合は約５．７ＫＷ／ｆｔ　、燃料
本数７２本の９×９燃利では約４．９にｗ／ｆｔ程度で
ある。Ｐｏｖの値は燃料の設計によって変わるが燃料本
数には依存せず燃焼初期では１．８程度の値となるのが
普通である。このことから例えば線出力密度１３にｗ／
ｆｔを燃焼初期において満足するためには局所出力ビー
キング係数Ｐ　ＬＰＦを８×８燃料ではおよそ１．３以
下、９×９燃料ではおよそ１．５以下とすることが必要
である。

一方、８×８燃料で濃縮度を１種類のみとじた場合の局
所出力ビーキング係数は１，５程度にもなり、この値を
１．３に低下するためには従来の方法によれば濃縮度を
５〜６種類使用する必要がある。

また９Ｘ９燃料でも濃縮度を１種類のみとした場合の局
所出ノＪピーキング係数は１．６程度となり、この場合
でも濃縮度は３種類程度は必要である。

ざらに、従来の沸騰水型原子炉は運転時において、蒸気
ボイドが発生して上方ほどボイド率が高く炉心下部ほど
減速材密度が大きくなっているため、特に運転サイクル
初期でほどうしても炉心下部で出力ピークが発生し易い
特徴がある。このため上下方向の反応度調節のためには
燃料棒の上下方向にも濃縮度または可燃性汚物の分１５
をつける必要があり、このことも複数種類の濃縮度が必
要とされていた理由である。

このように従来の燃料の設計方式では、線出力密度制限
上から濃縮度を最低でも３種類程度は使用する必要があ
り、どうしても複雑化が避けられなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は
、可燃性毒物入り燃料棒の配列と短尺燃料の配列の組み
合せによって低い最大線出力密度の原子炉用燃料集合体
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） 本発明は、上記目的を達成するためになされたものであ
り、燃料棒本数７本以上９本以下の位置を占める形状の
ウォーターロッドをほぼ中心位置として複数の燃料棒を
９行９列に格子状に配置した燃料集合体において、燃料
棒配置の左上コーナ位置を（１，１）と表示する座標に
おける（２゜２＞、（２，３＞、（３，２＞、（７、２
）。

（８，２＞、（８，３＞、（２，７＞（２，８）。

（３，８）、（８，８＞、（８，７）（７、８＞の１２
個所の座標位置に少くとも可燃性毒物入り燃料棒を配置
し、かつ燃料棒有効長の短い短尺燃料棒を使用して燃料
集合体断面の燃料本数を下部ほど多くなるように配置し
たこと、あるいは燃料棒の有効部の下端から１７２ない
し１／３を境界としてそれより下部で燃料棒本数１本以
上５本以下の位置を専有し、それより上部で燃料体本数
７本以上９本以下の位置を専有するウォーターロッドと
そのウォーターロッド下部空間に燃料棒有効長の１／２
ないし１／３長さの短尺燃料棒を配置したことを特徴と
するものである。

（作　用） 可燃性毒物入り燃料体を４つのコーナ位置を取り囲むよ
うに（２，２＞、（２，３）、（３，２＞の位置とこれ
らの対角線対称位置に配置することによってこの周辺位
置の熱中性子吸収が増加し、この影響で（１，１＞、（
２，１）、（１，２＞の位置の相対出力も抑制される。

この作用を定但的に確認するために、本発明者等は可燃
性毒物入り燃料棒を１２本とした場合について第３図（
ａ）に示す従来例のように濃縮度を１種類とした燃料集
合体の断面と、第３図（ｂ）に示す本発明による燃料の
断面の運転時相当状態での局所出力分布を中性子拡散理
論に基づく２次元計算コードにより求めて比較を行った
。ここで計咋した体系は第３図に示すようにＵを可燃性
毒物を含まない燃料棒、Ｇを可燃性毒物を含む燃料棒と
し、すべてウラン′ａ縮度４．４Ｗ１０を使用し、可燃
性毒物濃度をすべて６．５Ｗ１０とした。この燃料集合
体の中央部には３行３列相当の領域を占める断面が円形
のウォーターロッドと７２本の燃料棒が−様な間隔で配
置されており、周囲がジルカロイのチャンネルボックス
で取り囲まれ、さらに周囲を非沸騰水で取り囲まれ、そ
の外側は反射境界条件で取り扱われている。この配置と
した場合の未燃焼時の局所出力分布を平均値１．０に規
格化して示すと、従来例では第３図（Ｃ）、本発明では
第３図（ｄ）となった。このように可燃性毒物入り燃料
棒Ｇを（２，２＞、（２，３＞、（３，２）の位置とこ
れらの対角線対称位置に配置することによって（１，１
＞、（２，，１）、（１，２＞の位置の相対出力は本発
明によると、いずれも約１割低下でき、この結果、全体
に出力が平坦化され局所出力ビーキングが低下すること
が示されている。

次に、短尺の燃料棒を使用することによる効果を説明す
る。

一般に沸騰水型炉では運転時に発生する蒸気ボイドによ
って炉心下部ほど減速材密度が大きく、このため濃縮度
分布や可燃性汚物の分布がなく軸方向に−様な燃料集合
体を使用した場合、下部ほど反応度が大きくなり、燃料
棒１本当たりの出力分担割合を示す線出力密度も下部ほ
ど大きく線出力密度の最大値も炉心下部で発生する。−
カ、部分長燃料を使用して炉心下部の燃料棒を増加する
と、炉心下部では蒸気ボイド率が低く、チャンネルボッ
クス内部と外部の減速材密度差が小さいため集合体最外
周部と内部の位置の違いによる局所出力の差が炉心上部
と比較して小さいため、燃料棒本数を増加しても局所出
力ビーキングの増加は小ざい。ざらに、一方集合体断面
や燃料棒本数が増加するため、局所出力ビーキング／燃
料棒本数が低下し炉心下部において線出力密度が低下す
る。

また、燃料本数７本以上９本以下のウォーターロッドを
用いる理由は、一般にボイド率が４０％〜７０％となっ
ている集合体上部領域の水平断面の中心部ほど燃料棒の
相対出力が低くなる傾向がおり、ウォーターロッドを集
合体中心部に配することにより、中央部燃料の相対出力
を高めることができ、局所出力ビーキングを下げる効果
がある。一方でウォーターロッドの拡大により燃料棒本
数が減るため、第４図に示すように燃料棒と同程度の径
のウォーターロッド７〜９本程度までは線出力密度が低
下するがそれ以上は逆に増加することによる。

また、集合体下部ではもともとボイドが低く集合体内部
の減速材分布が比較的小さいためウォーターロッドを増
加しても局所出力ビーキングを下げる効果が小さく、線
出力の低下のためにはウォーターロッドの拡大より燃料
棒本数を増加するのが効果的である。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図（ａ）は本発明の実施例の縦断面図である。

図に示すように、燃料集合体２３は燃料棒９本相当位置
を占める上下位置によらない一定の径を持つウォーター
ロッド１０と２種類の有効長の異なる可燃性毒物を含ま
ない燃料棒１，２と２種類の有効長の異なる可燃性毒物
を含む燃料棒３，４（第１図ｄ参照）を９行９列に配列
し束ね、スペーサ９により燃料棒間隔を固定し、その周
辺を金属製のチャンネルボックス２１で囲み、上端を上
部タイプレート８で固定し、下端をタイプレート２０で
固定している。

第１図（ｂ）は第１図（ａ）の８−８線に沿う水平断面
図、第１図（Ｃ）は同図（ｂ）の燃料棒配列を模式的に
示した図である。可燃性汚物を含む燃料棒３．４を４つ
のコーナ位置を取り囲むように（２゜２）、（２，３）
、（３，２）の位置とこれらの対角線対称位置に配置し
ている。

第１図（ｄ＞は各燃料棒の濃縮度軸方向分布を示した図
でおり、部分長燃料上端部を境界として上部の濃縮度ｅ
１は高く、下部のＳ縮度ｅ２は低く設定されている。な
お、部分長燃料棒２，３の長ざは仝艮燃料捧の約１７２
艮ざである。このように燃料棒を配置したことにより中
央より上方の燃料本数が６４本、下方の燃料本数は７２
本と増える構成となっている。

次に、本実施例の３次元拡散熱水力コードによる評価結
果を第２図（ａ）乃至（Ｃ）により説明する。

まず、比較の対象とした従来例の可燃性毒物の配置は（
２，３＞、（３，２）、（７、２＞。

（２，７＞、（３，８＞、（８，３）、（８，７）（７
、８＞、（５，２＞、（２，５）、（５，８）（８，５
）の１２個所とし、部分長燃料の位置、濃縮度分布、平
均濃縮度、可燃性毒物入り燃料棒本数を本発明と同一と
した。

本実施例の局所出力ビーキングは燃料棒６４本の断面に
ついて第２図（ａ）、燃料棒７２本の断面については第
２図（ｂ）に示されているように従来例と比較して約１
割ピーキングが低下していることが分る。第２図（Ｃ）
に最大線出力密度を示す。

このように局所ピーキンクが低下したことによって最大
線出力密度は運転サイクルの初期において１　ＫＷ／ｆ
ｔ程度改善がなされている。ざらに、本実施例ではある
水平断面について注目すると、濃縮度は１種類のみで構
成されており極めて簡単な構成であるから燃料製造コス
トを削減することが可能である。

第５図は本発明の第２の実施例の燃料棒配置の模式図で
ある。同図（ａ）に燃料上部断面の燃料棒配置を示し、
同図（ｂ）に燃料下部断面の燃料棒配置を示す。本実施
例は第１の実施例のウォーターロッドを燃料棒７本相当
の位置を占めるウォーターロッドに置き換えており（図
ではウォーターロッド２本）、燃料本数が２本増加して
いる。この様な配置をとった場合の局所出力分布を同図
（Ｃ）。

（ｄ）に示す。

同図（Ｃ）は同図（ａ）の場合の局所出力分布であり、
同図（ｄ）は同図（ｂ）の配置の場合の局所出力分布で
ある。ここに示されるようにこの燃料棒配置によっても
局所出力ビーキングは約１割低下でき、また局所出力ビ
ーキングは第３図（Ｃ）と比較して約３％増加するため
最大線出力密度は第１の実施例と同程度の特性が得られ
る。

第６図は本発明の第３の実施例である。同図（ａ）は本
実施例の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の８−８線
に沿う断面図、同図（Ｃ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線に沿
う断面図である。図に示すように、上方で燃お１本数９
本相当の断面を持ち、下方で燃料棒１本相当の断面を持
つつを一ターロッド１１と第２の部分長燃料棒５をその
ウォーターロッド１１の下方に配置している点が第１の
実施例（第１図）と相異するのみで、その他の構成は第
１の実施例と同一である。本実施例は集合体下方で燃料
棒本数が増加しており、第１の実施例よりもざらに最大
線出力を下げることができる。

第７図は本発明の第４の実施例であり、同図（ａ）は本
実施例の縦断面図、同図（ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ
同図（ａ）のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線の横断面図（上部断
面及び下部断面）における燃料棒配置を示したものであ
る。燃料棒１，２，３，４，５゜６および上方で燃料本
数９本相当の断面を持ち。

下方で燃料棒１本相当の断面を持つウォーターロッド１
１を３行３列ずつまとめ小集合体１２を構成し、小集合
体１２の間隔を燃料棒間隔より広くした場合の例である
。同図（ｄ）は同図（Ｃ）下部断面の燃料棒の配置を示
したもので、第２の部分長燃料棒５と第２の可燃性毒物
入り部分長燃料棒６がつを一ターロッド１１の周りに配
置されている。

同図（ｅ）は本実施例の各燃料棒の濃縮度ｅおよび可燃
性毒物の配置を示したものである。

本実施例のように燃料棒を３行３列ずつまとめ小集合体
とすることにより集合体の中央付近に減速材を多く導入
でき中央付近にある燃料棒の相対出力を上げることがで
きる。この結果、通常の一様配列の燃料と比較して局所
出力ビーキングをざらに１０％低下でき、線出力が大き
く低下できるため集合体全体でただ１種類の濃縮度とす
ることが可能であり、燃料の製造工程が大巾に簡略化さ
れ製造コストをざらに低下することが可能である。

第８図は本発明の第５の実施例であり、同図（ａ）は本
実施例の上部断面図、同図（ｂ）は下部断面図、同図（
Ｃ）は本実施例の各燃料棒の濃縮度ｅｌ　、ｅ２および
可燃性毒物Ｇの配置を示した図である。

これらの図から分かるように、濃縮度はｅｌ。

ｅ２　　（ｅｌ　＞ｅ２　）の２種類のみであり、全長
燃料で濃縮度ｅ２の燃料棒２を集合体の各コーナに配置
している。また、集合体下部において第２の部分長燃料
棒５と第２の可燃性毒物入り部分長燃料棒６がウォータ
ーロッドＷの周りに配置されている。なお、その他の燃
料棒の配置構成は第１の実施例と同一である。

第９図は本発明の第６の実施例であり、同図（ａ）は本
実施例の横断面図、同図（ｂ）は本実施例の各燃料棒の
濃縮度ｅｌ　、ｅ２および可燃性毒物Ｇｌ　、Ｇ２の配
置を示した図である。

本実施例は第２の実施例と同様にウォーターロッドを２
本とし、燃料棒７４本（うち部分長燃料３．４の２種類
針８本使用）とした場合に上記第５の実施例の燃料棒配
置を適用したものである。

第１０図は本発明の第、７の実施例であり、同図（ａ）
は本実施例の横断面図、同図（ｂ）は本実施例の各燃料
棒のｍ縮度ｅｌ　、ｅ２および可燃性毒物Ｇｌ　、Ｇ２
の配置を示した図である。

本実施例は第６の実施例と同様にウォーターロッドを２
本とし、可燃性毒物入り燃料の本数を変えずに、ざらに
燃料棒４の可燃性毒物濃度Ｇ２を低くして、Ｇｌ　＞０
２となるようにものである。

このように０２を下げることにより燃焼中のコーナ部の
局所出力抑制効果を制御することができる。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の燃料集合体によれば極め
て簡単な構成によって優れた熱的特性を持つ燃料集合体
が製造可能であり、この結果製造工程を簡略化でき燃料
の製造費用の低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を説明するための図であ
り、第１図（ａ）は本発明の実施例の縦断面図、同図（
ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う水平断面図、同図（
Ｃ）は同図（ｂ）の燃料棒配列の模式図、同図（ｄ）は
各燃料棒の濃縮度軸方向分布図、第２図（ａ）　、　（
ｂ）　、　（ｃ）は本発明と従来例の特性を比較した図
、第３図は本発明の集合体の効果を示すための説明図、
第４図はウォーターロッドの効果を説明するための計算
例を示す図、第５図は本発明の第２の実施例の燃料棒配
置の模式図であり、同図（ａ）は燃料上部断面図、同図
（ｂ）は燃料下部断面図、同図（Ｃ）は同図（ａ）の局
所出力分布図、同図（ｄ）は同図（ｂ）の局所出力分布
図、第６図は本発明の第３の実施例であり、同図（ａ）
は本実施例の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−
Ｂ線に沿う断面図、同図（Ｃ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線
に沿う断面図、第７図は本発明の第４の実施例であり、
同図（ａ）は本実施例の縦断面図、同図（ｂ）および（
Ｃ）はそれぞれ同図（ａ）のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線の横
断面図、同図（ｄ）は同図（Ｃ）下部断面の燃料棒の配
置図、同図（ｅ）は本実施例の各燃料棒のＩ！縮度およ
び可燃性毒物の配置図、第８図は本発明の第５の実施例
であり、同図（ａ）は本実施例の上部断面図、同図（ｂ
）は下部断面図、同図（Ｃ）は本実施例の各燃料棒の濃
縮度および可燃性毒物の配置図、第９図は本発明の第６
の実施例であり。 同図（ａ）は本実施例の横断面図、同図（１））は本実
施例の各燃料棒の濃Ｎ度および可燃性毒物の配置図、第
１０図は本発明の第７の実施例であり、同図（ａ）は本
実施例の横断面図、同図（ｂ）は本実施例の各燃料棒の
′ａｍ縮度よび可燃性毒物入第１１図は従来の燃料集合
体であり、同図（ａ）は従来の燃料集合体の横断面図、
同図（ｂ）は同図（ａ）で使用される燃料棒のｍ縮度お
よび可燃性毒物の配置図で必る。 １〜７・・・燃料棒 ８・・・上部タイプレート ９・・・スペーサー １０．１１・・・ウォーターロツ １２・・・小集合体 ２０・・・下部タイプレート ２１・・・チャンネルボックス ２３・・・燃料集合体 ド （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ばか　
１名） （ａノ 第１図 （Ｃ） 第 図 （ａ） （ｂ） 第２図 一イ奪用々偉婆 （ｆ） （ａ） 第 図 （Ｃン （ｄ） 第 図 うＴ−外ｖ、、、）−ｊＦ−数 第 図 （ａ） （ｂ） 第５図 （Ｃン （ｄ） 第 図 （ａ） 第 図 （ａ） 第 図 （ｄ） 第 図 本数４５ （ｂン 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料棒本数７本以上９本以下の位置を占める形状
   のウォーターロッドをほぼ中心位置として複数の燃料棒
   を９行９列に格子状に配置した燃料集合体において、燃
   料棒配置の左上コーナ位置を（１、１）と表示する座標
   における（２、２）、（２、３）、（３、２）、（７、
   ２）、（８、２）（８、３）、（２、７）、（２、８）
   、（３、８）（８、８）、（８、７）、（７、８）の１
   ２個所の座標位置に少くとも可燃性毒物入り燃料棒を配
   置し、かつ燃料棒有効長の短い短尺燃料棒を使用して燃
   料集合体断面の燃料本数を下部ほど多くなるように構成
   したことを特徴とする燃料集合体。
2. （２）燃料棒の有効部の下端から１／２乃至１／３の範
   囲に境界があり、それより下部で燃料棒本数１本以上５
   本以下の位置を専有し、それより上部で燃料棒本数７本
   以上９本以下の位置を専有するウォーターロッドと、こ
   のウォーターロッド下部空間に燃料棒有効長の１／２な
   いし１／３長さの短尺燃料棒を配した請求項（１）記載
   の燃料集合体。