JPH02147985A - 燃料集合体及び原子炉 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子炉用の燃料集合体に係り、特に、燃料経済
性を向上するのに好適な燃料集合体に関する。

〔従来の技術〕

原子炉の運転において、近年、スペクトルシフト運転が
注目されている。

このスペクトルシフト運転の内容を表１に示す。

表　１　スペクトルシフト運転の内容 （１）運転サイクルの初期、及び、中期には、たとえば
、ＢＷＲ（沸騰水型原子炉）ではボイド率を高くし、減
速材を少なくして、中性子スペクトルを硬くする。これ
により親物質２３８Ｕへの中性子共鳴吸収を増し、核分
裂性の２３９ｐｕへと転換する。

（２）運転サイクル末期には、ボイド率を低くし、減速
材を多くして、中性子スペクトルを軟くする。これによ
り、これまでに生成した２３０ｐｕを効率的に燃焼させ
る。運転方法である。

この運転方法では、運転サイクル初期、及び、中期の余
剰反応度を、従来は制御棒に吸収させていたのに対して
、親物質”Ｕに共鳴吸収させる。

この共鳴吸収によりＺＳ＆Ｕは２３（ｌＰｕに転換され
て、 （１）中性子の無駄な吸収がなくて、２３［１ｐｕへの
転換に利用できるのでウランを有効に燃焼させることが
でき、燃料経済性が向上する。

（２）余剰反応度制御が容易となり、制御棒全引抜運転
も可能と考えられるので、運転操作が簡便となり、運転
員の負担が減る。

（３）　（２）で述べたような制御棒全引抜運転が可能
になれば、照射による制御材の反応度劣化がなくなり、
制御棒の効換が不要となり、処分しなくてはならない放
射性物質が少なくなる。

という利点がある。

このような利点をもつスペクトルシフト運転を実現する
方法として、次のものが考えられている。

（１）炉心流量制御 （２）水除去捧操作 （３）二重管型水ロッド使用 （１）の炉心流量制御は、炉心を流れる冷却水流量を燃
料サイクル初期、及び、中期に小さくしてボイド率を上
げ、他方燃料サイクル末期には冷却水流量を大きくして
、ボイド率を下げる方法である。

（２）の水除去捧操作は、特開昭５７−１２５３９０号
及び特開昭５７−１２３９１号公報に記載しているよう
に、低速中性子吸収水除去棒、及び、これよりも反応度
価値の大きい中性子吸収水除去棒を設け、これらの水除
去捧の炉心内への挿入量を制御して、燃料集合体内の水
（減速材）の量を調節するものである。つまり、水除去
棒により、炉心内のボイド量を変える。集合体内への水
除去捧の挿入量を増すと集合体内の冷却水量が減るため
ボイド率は大きくなり、逆に、挿入量を減らすと冷却水
量が増すためボイド率は小さくなる。

（３）の二重管水ロッド使用は、日本原子力学会昭和６
３年年会予稿集Ｆ１６　（１９９８，４）を論じられて
いるように、水ロツド内部に上昇流路と下降流路をもつ
逆Ｖ字型二重管構造とし、上昇流路と下降流路で発生し
、管の上部に滞留するボイド量を冷却材流量により調節
するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術、すなわち、（１）炉心流量制御（２）水
除去捧操作、及び、（３）二重管水ロッド使用は、いず
れもボイド率の変化幅を大きくできないという問題があ
る。そのため、従来の原子炉では、これのみで全反応度
を制御することは困難となる。そのため、原子炉の運転
で制御棒全引抜運転ができなくなる。つまり、サイクル
初期には、特に、反応度が高くなり、制御棒での中性子
吸収量が多くなるので、中性子を多量に浪費したり、ボ
イド率変化と制御棒操作とを組み合わせるため運転操作
が複雑になったり、また、制御棒が中性子吸収により劣
化するので制御棒を定期的に交換する必要が生じたりす
るなど、はじめに述べたスペクトルシフト運転の利点が
小さくなる。

こうした（１）〜（３）の従来技術で、スペクトルシフ
ト運転の効果が小さいのはボイド率を変化させる領域の
面積が狭いことに起因する。第２図は原子炉内の単位セ
ル（燃料集合体１がギャップ間隔Ｑで配置されたもの）
を示しているが、ボイド率を制御する領域は、燃料棒２
とチャンネルボックス４で囲まれた領域５と水ロツド３
内であり。

チャンネルボックス４の外のギャップ水領域６は含まれ
ていない。つまり、このギャップ水領域６の面積は、他
の面積の約３０％に相当するが、このギャップ水領域６
でボイド率を変化させていないので、スペクトルシフト
効果が小さくなる。

１０１は制御棒。

本発明の目的は、ギャップ水領域を含めた広い領域でボ
イド率を制御してスペクトルシフＩ−効果を大きくする
ことのできる燃料集合体、及び、原子炉を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明になる燃料集合体は
、水ロッド、または、チャンネルボックスの下部に可燃
性毒物を備え、しかも、その存在量を一運転サイクル中
に燃えつきるように設定する。

また、制御棒としてクラスター型の制御棒を用い、その
制御棒案内管を燃料集合体内に設置するときには、制御
棒案内管の下部に可燃性毒物を備えて、しかも、その存
在量を一運転サイクル中に燃えつきるように設定する。

〔作用〕

可燃性毒物、たとえばトリニアＧｄｚ○δを炉心内に配
置すると、 ”２Ｇｄ　　（ｎ、ｙ）’δ３Ｇｄ Ｉ　Ｆ１ａ　６ｄ　　（ｎ　、　ｙ　）　１１１９　Ｑ
　ｄなどの核反応が起り、各々の反応で最大０．１０３
Ｎ　ｅ　Ｖ　、　０　、３６　Ｍ　ｅ　Ｖのγ線が発生
する。

水ロッドや制御棒案内管の中や、チャンネルボックス外
のギャップでは、低速度で冷却材が流れているので、集
合体の下部に配置した可燃性毒物により発生するγ線に
より、冷却材が加熱さ九、沸騰を起こし、集合体上部で
はボイド率が高くなる。

本発明のように集合体の下部に配置する可燃性毒物の存
在量を一運転サイクル中に燃えつきるように設定すると
、運転サイクル初期、及び、中期には、水ロッド捧、制
御棒案内管の中やギャップは蒸気で満たされるので、中
性子の減速が遅れてスペクトルが硬くなる。このとき　
２３♂Ｕからｇａｓｐｕ　への転換が進む。

他方、運転サイクル末期には可燃性毒物が燃えつきてい
るので、γ線による加熱は期待できず、水ロッドや制御
棒案内管の中、及び、ギャップは減速効果の大きい水で
満たされる。そのため、中性子スペクトルが軟かくなり
、これまでに菩積した２３９ｐｕ　を有効に燃焼できる
。

すなわち、本発明では可燃性毒物の発熱反応を利用して
、運転サイクル初期、及び、中期にはボイド率を大きく
して２３δＵ　から２３９ｐｕ　への転換を促進し、可
燃性毒物の燃えつきる運転サイクル末期では、ボイド発
生をなくして２３１１ｐｕ　の有効な燃焼をはかること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図（ａ）は、本発明による燃料集合体の構造を示し
た横断面図であり、第１図（ｂ）は、燃料集合体のＢ−
Ｂ’断面の一部を示した縦断面図である。燃料集合体１
は、複数の燃料体２と水ロッド３．チャンネルボックス
４からなり、更に、燃料体１の間隔を保持するために、
上部タイプレート、下部タイプレート、スペーサが設け
である。

チャンネルボックス４の下部には、可燃性毒物。

例えば、ＧｄｚＯ３を含んだ構造材８を配置し、水ロッ
ド３の下部にも同様に可燃性毒物を含む構造材９を設け
る。この可燃性毒物の量は、−運転サイクルの約８０％
の期間で燃えつきる量とする。

冷却材は、燃料体１間の流路５と水ロツド領域７、及び
、チャンネルボックス４の外側のギャップ領域６を流れ
る。本実施例では、運転サイクルの初期、中期（０〜８
０％）とそれ以後のサイクル末期では燃料集合体内外の
流動状態が異なる。

可燃性毒物、例えば、ＧｄｚＯａが水ロッド３とチャン
ネルボックス４に存在する初期、中期では、（ｎ、γ）
反応により可燃性毒物を含んだ構造体８．９が発熱し、
ギャップ領域６と水ロツド領域７にボイド１０が発生す
る。本発明を用いない場合、水ロッド領域７とギャップ
領域６での発熱源はγ線による加熱程度であり、ボイド
率はほぼ零に保たれる。その場合と比較して１本発明に
よれば、全水領域の約３０％を占める水ロッド領域７と
ギャップ領域６のボイド率を高め、炉心の水対燃料体積
比（Ｈ／Ｕ）を実効的に小さくすることができる。その
結果、中性子スペクトルが硬くなり、親物質の２３δＵ
から核分裂性物質である２３Ｄｐｕへの転換率を高める
ことができる。可燃性毒物は、中性子束が大きく出力の
出やすい燃料集合体の下部に設置しであるため、ボイド
が効率的に発生する。また、チャンネルボックス４に可
燃性毒物を設訂することにより、出力の出やすい最外周
の燃料体の出力を抑えることができるため、ローカルピ
ーキングが低減し、熱的な余裕も向上する。

一方、水ロッド３とチャンネルボックス４の可燃性毒物
が燃えつきたサイクル末期には、水ロッド領域７とギャ
ップ領域６での発熱量が減少し、ボイド率は、はぼ、零
になる。その結果、水対燃料体積比が大きくなり、中性
子スペクトルが軟化してこれまでに生成した：ＨＩｌｌ
ｐｕ　　を効率的に燃焼させることができる。

可燃性毒物の設置方法を第３図を用いて詳しく説明する
６第３図（、）は燃料集合体の構造を示す縦断面図であ
る。燃料集合体１は、第１図と同様、燃料体２、下部タ
イプレート１５、上部タイプレート１６．スペーサ１７
、水ロッド１．８．チャンネルボックス１９等から構成
される。

第３図（ｂ）は、チャンネルボックス１９に埋め込んだ
可燃性毒物２０ａの状態を示している。

可燃性毒物２０ａは軸方向に一定の長さを持ってチャン
ネルボックス１９（ジルカロイ４）中にはさまれた形で
埋めこまれる。この可燃性毒物２０ａが埋めこまれる軸
方向位置は、燃料体最下端から全長の１／２４の高さま
でである。この部分より上方、及び、下方は、従来のジ
ルカロイ４から成るチャンネル部材を用いる。可燃性毒
物２０ａの埋め込み部分と従来部分は、溶接により接合
する。

チャンネルボックスと同様に、燃料体２の最下端から全
長の約１／２４の高さまで、水ロツド１８被覆管の中に
可燃性毒物２０ｂを埋め込んだ部分の拡大図を第３図（
ｃ）に示す。

第４図は、可燃性毒物の他の設置方法を示したもので、
（ａ）は、燃料集合体の横断面図、（ｂ）は断面Ｂ−Ｂ
’の一部を示した縦断面図である。基本的な構成は第１
図と同様である。チャンネルボックス４の下部には、チ
ャンネルボックス４を囲むように、可燃性毒物、例えば
、ＧｃｌｚＯｓを含んだ薄板状の構造物３８を設け、水
ロッド３の下部にも同様に可燃性毒物を含む円筒状の構
造物３９を設ける。

ここで、水ロッド３と可燃性毒物を含む円筒状の構造物
３９の間、及び、チャンネルボックス４とそれを囲む薄
板状の構造物３８間に、熱伝導率の小さい物質を挟みこ
むと、発熱部から構造体へ流出する熱の流れを抑え、効
果的にボイドを発生させることができる。

第５図は、本発明の他の実施例の燃料集合体の横断面図
である。燃料集合体１１の水ロツド構造材】、３とチャ
ンネルボックス構造材１４の下部に可燃性毒物を添加す
る。添加量は、−運転サイクルの約８０％で燃えつきる
量とする。可燃性毒物の存在によっても、構造材の強度
が劣化しない材料の組合わせを選んだ場合には１本実施
例のように、構造材と可燃性毒物を一体化して製作でき
るので、構造が簡単になる。また、水ロッド１３の断面
形状は、円形である必要はなく１本実施例の様に十字形
でもよい。十字形水ロッド１３の利点は、円形水ロッド
に比べて、水領域面積に対する発熱壁の長さが長いので
、効果的にボイドを発生することができることにある。

図中１２は燃料体。

第６図は、本発明の他の実施例の燃料集合体の横断面図
である。この燃料集合体２１は、燃料体２２を正方格子
に配置している。また、チャンネルボックス２４の対角
線方向に伸びる十字形のスペクトルシフト捧２３をもつ
。このスペクトルシフト捧２３は、水ロツド内部に上昇
流路２５と下降流路２６をもつ逆Ｕ字管構造になってい
る。この様な構造にすると、上昇流路２５と下降流路２
６で発生した蒸気が管の上部に停留し、液位が生じるが
、この液位は燃料集合体２１の入口の冷却材流量により
変化させることができる。スペクトルシフトロット捧２
３をもつ燃料集合体２１から構成された炉心では、サイ
クル初期、中期にはスペクトルシフト捧２３中の蒸気量
が多くなるように炉心流量を設定する。一方、サイクル
末期には、炉心流量をサイクル初期、中期より増加させ
、スペクトルシフト捧２３中の蒸気量を減少させる。

この様に、スペクトルシフト捧２３を用いることにより
、水ロッド内に可燃性毒物を設けた時と同様な効果が得
られる。

しかし、スペクトルシフト捧２３のみでは、ギャップ領
域２７のボイド率は変化せず、スペクトルシフトの効果
が小さいので、本実施例では、チャンネルボックス２４
の下部に可燃性毒物を設置している６可燃性毒物の装荷
量は、他の実施例と同様に設計する。

第７図は、本発明による燃料集合体を炉心３１に装荷し
たときの装荷パターンを示した図で、全炉心の１７４領
域を示している。数字は、バッチ数を示し、最も古いバ
ッチ目の燃料３３は炉心の最外周に装荷し、それ以外の
１〜４バツチの燃料は、炉心最外周を除く領域に一様に
装荷する。装荷した可燃性毒物は−サイクルの間に完全
に燃え尽きるので、本発明の効果を発揮する燃料集合体
は第一バッチの燃料集合体３２である。本実施例のよう
に、−様に装荷した場合には、炉心３１のほぼ全域でス
ペクトルシフトの効果が表われる利点がある。

第７図と異なり、第一バッチの燃料集合体３２を炉心３
１の中央部に集中して配置するこもできる。この場合に
は、サイクル末期に炉心３１の中心で出力が高くなり、
熱的な余裕は低下するが、中性子インポータンスの高い
炉心中心部で出力を大きくするので効果的に炉心の反応
度を増加させることができる。

これまでに述べた実施例では、ＢＷＲを対象としたもの
を説明した。また１本発明はＰＷＲ（加圧水型原子炉）
にも適用できる。

第８図は、ＰＷＲの燃料集合体の横断面図である。燃料
集合体３４は、燃料体３５、制御棒案内管３６炉内計装
用案内管３７と、上、下ノズル。

スペーサ等から構成される。（図では、燃料体の一部を
省略している。）制御棒案内管３６には制御棒が挿入さ
れ、反応度の制御ができるが、燃料集合体の制御棒案内
管３６に水除去捧を挿入して水対燃料体積比を変化させ
れば機械的なスペクトルシフトを行なうことができる。

この制御棒案内管３６の被覆管に可燃性毒物を設置し、
制御棒案内管３６内にボイドを発生させれば、ＰＷＲで
も。

水除去棒を使用せずにスペクトルシフトが行なえる。な
お、制御棒案内管３６の出口から流出したボイドは、上
部プレナム部で未飽和水と混合して消滅するため、蒸気
発生器の熱伝達を悪化させる心配はない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、スペクトルシフト運転による燃料経済
性向上の効果を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の燃料集合体の横断面
図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＢ−Ｂ′断面図、第
２図は燃料集合体とその周囲のギャップ領域の関係を示
す横断面図、第３図は可燃性毒物の設置場所を示した縦
断面図、第４図（ａ）は可燃性毒物の他の設置場所を示
す横断面図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）のＢ−Ｂ’断
面図、第５図、第６図及び第８図は本発明の他の実施例
の燃料集合体の横断面図、第７図は本発明による燃料集
合体の炉心への装荷を示した１／４炉心領域の装荷パタ
ーン図である。 １．１１．２１・・・燃料集合体、２，１２．２２・・
・燃料棒、３，１３．１８・・・水ロッド、２３・・・
スペクトルシフト捧、４．１４・・・チャンネルボック
ス、６・・・ギャップ領域、７・・・水ロツド領域、８
，９゜３８．３９・・・可燃性毒物を含む構造材、２ｏ
・・・可第１図 （α） （ｂ） 第３図 （α） （ｂＪ 一 水口・ンド ６一　　矢〜１．７プ １０１−一一制＠砕 （ｂ） １３−一一士等形水ロツド ４−−一　士欠ン峯ルボ７７又 周！；５Ｋ・ン→−Ｘ＝ド腑尊イ）イ」ト２１−−蕉封
英合体 ２２−　　撚析俸 δ−−−スヘフト１しシフト捧 ２４−−−　Ｔｗ’ｙ＋１しギ、７．フス２５−−−　
ｌ露りｉ発 ３’７−一一寸内計躾用業日瞥

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の燃料棒と水ロッドまたは制御棒案内管を配置
   した原子炉燃料集合体において、 前記水ロッドまたは前記制御棒案内管または前記燃料集
   合体を囲むチャンネルボックスの下部に可燃性毒物を備
   え、その存在量を一運転サイクル中に燃えつきるように
   設定したことを特徴とする燃料集合体。 ２、特許請求の範囲第１項において、 二重管構造で前記二重管内に冷却材を流すための流入口
   と流出口をもつボイド率調節用の構造物をもつことを特
   徴とする燃料集合体。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、前記
   燃料集合体を、炉心の最外周を除く領域に一様に装荷し
   たことを特徴とする原子炉。 ４、特許請求の範囲第１項または第２項において、前記
   燃料集合体を炉心の中央部に配置したことを特徴とする
   原子炉。