JPH02170092A - 沸騰水型原子炉燃料集合体 - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体に関する
。

「従来の技術」 原子力発電所では、ウラン資源の有効利用と燃料の経済
性を高めることが必要である。このために、燃料の高燃
焼度化の努力が払われている。

第１１図は高燃焼度用の燃料集合体の一例を表わしたも
のである。この燃料集合体１１は、チャンネルボックス
１２内に９行９列構成で規則正しく配列された燃料棒１
３を配置している。燃料棒１３の被覆管内には、濃縮ウ
ランの酸化物を焼結した円筒状の燃料ペレット　（図示
せず）が封入されている。ただし、チャンネルボックス
１２のほぼ中央部には、燃料棒１３の３行３列構成分に
相当する大きさのウォータロッド１４が配置されている
。図でＷ″と記したウォータロッド１４は、内部のボイ
ド率を変化させることで水密度を調整することができる
。ウォータロッドＸ４やチャンネルボックス１２に面し
ない燃料棒の内、図で”　Ｇ　”と記した燃料棒１５に
は、可燃性毒物であるガドリニアが含まれている。ガド
リニア入りの燃料棒１５は、沸騰水型原子炉におけるサ
イクル中の余剰反応度を適切に調整するためのものであ
る。この例の燃料集合体１１における燃料のウラン平均
濃縮度は５．３Ｗ１０であり、ガドリニアの濃縮度は３
．５　Ｗｌｏである。また、減速材対燃料原子数比は、
約５である。

この例のような沸騰水型原子炉燃料集合体で、ガドリニ
ア入りの燃料棒１５をチャンネルボックス１２やウォー
タロッド１４に面しない位置に配置したのは次のような
理由による。

すなわち、チャンネルボックス１２の外側のアウトチャ
ンネルやウォータロッド１４の部分では、熱中性子束が
盛り上がっている。このため、これらに面する燃料棒の
位置では、燃料棒内の熱中性子束の空間的な勾配が大き
くなっている。従って、これらの位置にガドリニア入り
の燃料棒１５を配置すると、ガドリニアの燃焼が不均一
に進み、ガドリニアの濃度分布が不均一になることが考
えられているからである。ガドリニアの濃度分布が不均
一になると、その燃料棒１５内で熱伝導度が不均一にな
り、燃料の健全性に問題が生じてくる。

また、ガドリニア入りの燃料棒１５を制御棒側のアウト
チャンネルに面する側の燃料棒の位置に配置すると、制
御棒の価値すなわち制御棒の能力が低下する場合があり
、この点からも第１１図に示したような配置が採用され
るに至っている。

さて、沸騰水型原子炉用の燃料集合体では、出力運転中
にアウトチャンネルすなわち水ギャップとウオークロッ
ド１４の内部には飽和水が満たされ、チャンネルボック
ス１２のその他の部分、すなわちインチヤンネルは沸騰
水で満たされるという特徴がある。これに対して、冷温
時では、アウトチャンネル、ウォータロッド１４内部お
よびインチヤンネルいずれの部分も水で満たされる。こ
の結果として、冷温時は出力運転時と比べて減速材密度
が増加することになり、低エネルギ側の中性子の数が増
加する。軽水炉では、この低エネルギの中性子を用いて
核分裂を行うので、冷温時の無限増倍率は出力運転時に
比べて増加する。

高燃焼度化のために燃料のウラン濃縮度を高めると、出
力運転時と冷温時の反応度差が増加する。

このため、炉停止余裕が減少し、原子炉の安全上の制限
が厳しくなる。すなわち、沸騰水型原子炉の無限増倍率
ＫｏＯは、四因子公式を用いて次の（１）式で表わすこ
とができる。

ＫＯＯ−εηｆｐ　　　　　　　　　・旧・・（１）こ
こで各文字は次の因子を表わす。

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 出力運転時と冷温時の減速材密度の変化による無限増倍
率の変化分Δに−は、近似的に次の（２）式で表わすこ
とができる。

△ＫｏＯ−△ｆ・ｐ十ｆ・△ｐ　　・・・・・（２）出
力運転時から冷温時に変化すると、減速材密度の増加に
よって、共鳴を逃れる確率ｐが増加し、熱中性子利用率
ｆは減少する（ただし△ｐ＞０△ｆ〈０）。燃料の濃縮
度を高めると、熱中性子利用率ｆが増加するので、（２
）式におけるｆ・△ｐが増加し無限増倍率の変化分△Ｋ
Ｏｏが増加する。

「発明が解決しようとする課題」 原子炉の安全上から出カ運転時冷温時反応度差を減少す
るためには、冷温時の無限増倍率を低下させる必要があ
る。そこで、従来では燃料中に添加されるガドリニアの
濃度を余剰反応度の調節に必要な値以上に濃くし、サイ
クル末期において新燃料中のガドリニアを燃え残させ、
これによって冷温時の無限増倍率を低下させることも行
われていた。ところが、このようにガドリニアの濃度を
余剰反応度の調節に必要な値以上に濃くすると、出力運
転時の無限増倍率も減少するので、燃焼度の損失を生じ
させることになり、高燃焼度化の効果が失われ、経済性
の悪化をもたらすことになる。

そこで本発明の目的は、出力運転時の反応度を高く保ち
つつ、冷温時の反応度を低くして、燃料経済性を向上し
つつ炉停止余裕も改善することのできる沸騰水型原子炉
燃料集合体を提供することにある。

「課題を解決するだめの手段」 本発明では、チャンネルボックス内に次の条件を満足す
る領域を設ける。

（イ）燃料棒が存在しないこと。

（口〉通常の燃料棒クリアランスよりも広い領域である
こと。ここで通常の燃料棒クリアランスとは、燃料棒の
通常の配置間隔をいう。

（ハ）運転中はボイドが発生し、冷温時は水となる領域
であること。

以上の条件を満たず領域を本明細書では沸騰水領域と呼
ぶことにする。本発明ではチャン洋ルボックス内に設け
られたこの沸騰水領域に接する燃料棒の少なくとも一部
をガドリニア等の可燃性毒物入りの燃料棒とすることを
特徴とする。

「作用」 ずでに説明したように、チャンネルボックスやウオーク
ロッドに面した位置にガドリニア入りの燃料棒を配置す
ると、これらの燃料棒内でガドリニアの濃縮度分布が不
均一を生じ燃料の健全性を害するとの危惧があった。し
かしながら、最近の研究ではこのような問題を生じるこ
とはないことが明らかになっている。

そこで、本発明では燃料集合体の内部に燃料棒クリアラ
ンスよりも広くかつ燃料棒の存在しない沸騰水領域を設
け、これに接する燃料棒の少なくとも一部を可燃性毒物
入りの燃料棒にすることによって、出力運転時の反応度
を高く保ちつつ、冷温時の反応度を低める。そしてこれ
により、出力運転時と冷温時の反応度差を小さくするよ
うにした。

「実施例」 以下実施例につき本発明の詳細な説すする。

「第１の実施例」 第１図は、本発明の第１の実施例における沸騰水型原子
炉燃料集合体の構成を表わしたものである。この燃料集
合体２１で第１１図と同一部分には同一の符号を付して
おり、これらの説明を適宜省略する。

この実施例の沸騰水型原子炉燃料集合体２１では、チャ
ンネルボックス１２内に９行９列構成で規則正しく配列
された燃料棒１３を配置している点で第１１図の沸騰水
型原子炉燃料集合体１１と同様であるが、チャンネルボ
ックス１２の中央部に配置したウォータロッド２２の上
部が第１１図のそれよりも小径となっている。これによ
り、ウォータロッド２２とこれに隣接する燃料棒１３と
の間に、燃料棒１３の間の通常のクリアランスＬよりも
広い沸騰水領域２３が形成されることになる。

第２図は、このウォータロッドの形状を表わしたもので
ある。同図ａに示すように、この実施例のウオークロッ
ド２２は、軸方向高さが、例えば２４／２４〜２０／２
４の範囲の燃料上部２２Ａがこれよりも下方の燃料中央
部２２Ｂよりも小径となっている。同図すは、燃料上部
２２Ａと燃料中央部２２Ｂのそれぞれについての外径を
表わしたものである。燃料中央部２２Ｂの外径すなわち
このウォータロッド２２の最大の外径は第１１図に示し
たそれと同一となっている。燃料上部２２Ａの外径を小
さくしたのは、沸騰水型原子炉では冷温時に燃料の上部
で特に反応度が高くなることによるものである。ウォー
タロッド２２をこのような形状にした結果として、ウォ
ータロッド２２の上部では前記したように燃料棒１３の
間の通常のクリアランスＬよりも広い沸騰水領域２３が
形成される。

第１図に示すように、この実施例の燃料集合体２１では
、この沸騰水領域２３に面する燃料棒位置に合計８本の
ガドリニア入り燃料棒１５が配置されている。また、こ
の沸騰水領域２３にもチャンネルボックス１２にも面し
ない燃料棒位置に、やはり合計８本のガドリニア入り燃
料棒１５が配置されている。このように、合計１８本の
ガドリニア入り燃料棒１５を使用したのは、従来の燃料
集合体１１とその効果を比較するためであり、沸騰水領
域２３に全部のガドリニア入り燃料棒１５を配置しなか
ったのは、これらを密に配置しても、中性子の吸収上効
率が良くないからである。このように、本発明の沸騰水
型原子炉燃料集合体では、沸騰水領域に面する燃料棒の
少なくとも一部がガドリニア等の可燃性毒物入りの燃料
棒であれば良く、他の燃料棒位置にこのような可燃性毒
物入りの燃料棒が配置されることを禁するものではない
。

第３図は、この実施例の燃料集合体の効果を比較するた
めに用意された第１の比較例の燃料集合体を表わしたも
のである。第１の比較例の燃料集合体３１では、第１１
図に示した燃料集合体１１とガドリニア入りの燃料棒１
５を全く同一の位置に配置し、第１の実施例のウォータ
ロッド２２を使用したものである。

第４図は、以上の３つのタイプの燃料集合体について、
出力運転時論温時反応度差を比較したものである。この
図で、従来例とは第１１図に示した燃料集合体１１であ
り、第１の比較例とは第３図に示した燃料集合体３１で
ある。このように、従来のウォータロッド１４を本実施
例のウォータロッド２２に代えても、従来例と第１の比
較例の間で示されるように出力運転時論温時反応度差は
さほど減少しない。これに対して、本実施例の燃料集合
体２１の場合には、ガドリニア入りの燃料棒１５を沸騰
水領域２３に接する位置に配置したことによって従来例
よりも２％△に／に程度の顕著な減少を示していること
がわかる。

この第１の実施例の燃料集合体２１の出力運転時論温時
反応度差が従来例よりも大きく減少したのけ次の理由に
よる。

すなわち、本実施例の燃料集合体２１では、可燃性毒物
であるガドリニアを集合体内部に設定された燃料棒クリ
アランスよりも広い沸騰水領域２３に面する燃料棒位置
に主に配置している。これらの燃料棒位置は、出力運転
時に沸騰水領域２３に面するため、熱中性子束が相対的
に低く、熱中性子インポータンスも相対的に低くなって
いる。このため、出力運転時にはガドリニアの中性子吸
収による熱中性子利用率の減少が少ない。すなわち、出
力運転時におけるガドリニアによる反応度損失は、第１
１図に示した従来の燃料集合体１１に比べて小さくなる
。

一方、冷温時にはチャンネルボックス１２内部にはボイ
ドが発生しないため、前記した沸騰水領域２３も水で満
たされる。そこでチャンネルボックス１２の内部には従
来よりも広い水領域が生じ、この領域の熱中性子束が相
対的に高くなって熱中性子インポータンスも相対的に高
くなる。この結果として、冷温時にはガドリニアによる
中性子の吸収が増加して熱中性子利用率が減少する。こ
のため、ガドリニアによる反応度抑制効果が増大し、冷
温時の無限増倍率を従来例よりも低く抑えることができ
る。

「第２の実施例」 第５図は、本発明の第２の実施例の沸騰水型原子炉燃料
集合体を表わしたものである。この第５図で第１１図と
同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を
適宜省略する。

この第２の実施例の燃料集合体４１では、第１１図と同
一のウォータロッド１４を使用しており、９行９列構成
の燃料棒１３およびガドリニア入りの燃料棒１５の配置
は、第１図に示した第１の実施例のそれと同一である。

ただし、この第２の実施例の燃料集合体４１では、燃料
棒位置の一部に図でＰ″と記した部分燃料棒４２を配置
している。

第６図は、この部分燃料棒と通常の燃料棒を対比させた
ものである。このように、部分燃料棒４２は、通常の燃
料棒１３の軸方向高さにおける２　４／２４〜２０／２
４の範囲の燃料上部１３Ａが欠けた形の燃料棒であり、
その上部は通常の燃料棒１３の間の領域と同様に沸騰水
あるいは水が満たされることになる。

第５図に示したように、この部分燃料棒４２は４本のガ
ドリニア入り燃料棒１５によってちょうど取り囲まれて
いる位置に配置されているので、これらの部分では燃料
上部１３Ａに着目すると燃料棒１３の間の通常のクリア
ランスＬよりも広い沸騰水領域４３がそれぞれ形成され
ていることになる。

第７図は、この実施例の燃料集合体の効果を比較するた
めに用意された第２の比較例の燃料集合体を表わしたも
のである。この第２の比較例の燃料集合体５１では、第
５図に示した燃料集合体４１と全く同一の位置に部分燃
料棒４２を配置している。ただし、ガドリニア入りの燃
料棒１５は第１１図に示した従来の燃料集合体１１のそ
れと同一の配置となっている。

第８図は、本実施例の燃料集合体について、従来例等と
の出力運転時冷温時反応度差を比較したものである。こ
の図で、従来例とは第１１図に示した燃料集合体１１で
あり、第２の比較例とは第７図に示した燃料集合体５１
である。このように、従来の燃料集合体１１の燃料棒１
３の一部を部分燃料棒４２に代えると、出力運転時冷温
時反応度差に多少の減少が見られる。これに対して、本
実施例の燃料集合体４１の場合には、従来例よりも３％
Δに／に程度の顕著な減少を示していることがわかる。

「変形例」 以上、２つの実施例について説明したが、本発明はこれ
らに限定されるものではなく各種の変形が可能である。

第９図は、第１の変形例を表わしたものである。

この第９図で、第１１図と同一部分には同一の符号を付
しており、これらの説明を適宜省略する。

この変形例の沸騰水型原子炉燃料集合体６１では、チャ
ンネルボックス１２内における燃料棒１３１５を３行３
列構成の８つのグループに分け、同一グループ内の燃料
棒１３．１５を相対的に密に配置することで燃料棒クリ
アランスＬよりも広い沸騰水領域６２をそれぞれのグル
ープ間に帯状に発生させている。そして、これらの沸騰
水領域６２に接する燃料棒位置の一部にガドリニア入り
の燃料棒１５を配置している。

従って、この変形例では沸騰水領域６２は燃料上部のみ
でなく燃料中央部および燃料下部でも均一に配置される
ことになる。このような形態の燃料集合体６１で、更に
第１図に示したウオークロッド２２を使用したり、通常
の燃料棒１３の一部を第５図に示した部分燃料棒４２に
代えることも自由である。

第１０図は、本発明の第２の変形例を表わしたものであ
る。この変形例における燃料集合体７１では、ウォータ
ロッド７２を除いてその基本的な配置構造は第９図とほ
ぼ同様である。ウォータロッド７２はひょうたん形をし
ており、それ故、その窪んだ部分にも及んだより広い範
囲の沸騰水領域７３が形成されている。そこで、この拡
張された沸騰水領域部分７３Ａに通常の燃料棒１３を合
計２本配置しているが、燃料棒クリアランスＬよりも広
い領域がこの部分に確保されれば、この燃料棒１３の追
加位置にガドリニア入りの燃料棒１５を代って配置する
ことも可能である。

なお、以上の実施例では出力運転時冷温時反応度差の減
少効果を、燃料の未燃焼時を例にとって説明したが、こ
の効果は未燃焼時に限られるものではなく、ガドリニア
等の可燃性毒物が燃え残っている状態の燃焼度であれば
、任意の燃焼度について認められるものであることは当
然である。

「発明の効果」 以上説明したように本発明では、チャンネルボックス内
に特別の沸騰水領域を設け、この沸騰水領域に接する燃
料棒の少なくとも一部を可燃性毒物入りの燃料棒とした
ので、出力運転時の反応度を保持して冷温時の反応度を
低下させることが可能となり、出力運転時と冷温時の反
応度差を減少させ、炉停止余裕の大きな沸騰水型原子炉
燃料集合体を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における沸騰水型原子炉
燃料集合体の横断面図、第２図はこの実施例に用いられ
るウォータロッドの形状を示した説明図、第３図は第１
の実施例の沸騰水型原子炉燃料集合体と比較するための
第１の比較例の沸騰水型原子炉燃料集合体を表わした横
断面図、第４図は第１の実施例の沸騰水型原子炉燃料集
合体の効果を他の燃料集合体と比較した特性図、第５図
は本発明の第２の実施例における沸騰水型原子炉燃料集
合体の横断面図、第６図は部分燃料棒と通常の燃料棒を
比較した説明図、第７図は第２の実施例の沸騰水型原子
炉燃料集合体と比較するための第２の比較例の沸騰水型
原子炉燃料集合体を表わした横断面図、第８図は第２の
実施例の沸騰水型原子炉燃料集合体の効果を他の燃料集
合体と比較した特性図、第９図は第１の変形例における
沸騰水型原子炉燃料集合体を表わした横断面図、第１０
図は第２の変形例における沸騰水型原子炉燃料集合体を
表わした横断面図、第１１図は従来の高燃焼度用の燃料
集合体の一例を表わした横断面図である。 １２・・・・・・チャンネルボックス、１３・・・・・
・（通常の）燃料棒、 １５・・・・・ガドリニア入りの燃料棒、２１．４１．
６１．７１・・・・・・沸騰水型原子炉燃料集合体、 ２３．６２．７３・・・・・・沸騰水領域、４２・・・
・・・部分燃料棒、 Ｌ・・・・・・燃料棒クリアランス。 出　願　人　　　日本原子力事業株式会社代　　理　　
人　　　　　弁理士　　山　　内　　梅　　雄Φ 寸 巨 Ｊ 圃 Ｄ 犀 囲 ■ ｉ嗅 篤７置 に′ ｆ−）９０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. チャンネルボックス内に燃料棒を規則正しく配置した沸
   騰水型原子炉燃料集合体において、前記チャンネルボッ
   クス内に、燃料棒が存在せずかつ通常の燃料棒クリアラ
   ンスよりも広く運転中はボイドが発生するような沸騰水
   領域を備え、この沸騰水領域に接する燃料棒の少なくと
   も一部が可燃性毒物入りの燃料棒であることを特徴とす
   る沸騰水型原子炉燃料集合体。