JPH026786A - 沸騰水型原子炉用の燃料棒及び燃料集合体 - 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、沸騰水型原子炉で使用する燃料棒及び燃料集
合体の構成に係り、とくに、燃料経済性を損なうことな
く、冷温時と高温時の反応度差を小さくして炉停止余裕
を改善するのに好適な改良に関する。

［従来技術］ 原子炉を安全に運用するために、もっとも反応度価値の
大きい制御棒が挿入されない場合にも炉を確実に停止で
きることが、安全上の基準として要請されている。この
ように、もっとも反応度価値の大きい制御棒が挿入され
ないときの未臨界の度合は、炉停止余裕と呼ばれている
。一般に、原子炉のもつ反応度は、運転状態より冷温状
態の方が大きい。これは、運転状態では、減速材密度の
減少による中性子の減速作用の低下やドツプラー効果に
よる共鳴吸収の増加等によって負の反応度が印加されて
いることによる。とくに、沸騰水型原子炉では、減速材
中にボイドが発生して中性子の減速を阻害するため、運
転時にはより大きな負の反応度が加えられている。とこ
ろが、運転時に印加されていた負の反応度が冷温時には
除かれるため、原子炉は運転時より高い反応度を有する
ことになり、炉停止余裕は冷温時の方が運転時に比べて
小さくなる。

燃料経済性を向上するには高燃焼度化を図ることが有効
であるが、このためには燃料の濃縮度を高くする必要が
ある。しかし、濃縮度が高くなると、運転時と冷温時の
燃料の反応度差が大きくなる傾向があるため、上述した
炉停止余裕が小さくなる。このため、炉停止余裕を確保
することが高燃焼度化の課題の一つになっている。

この炉停止余裕を改善する方法としては、従来、次のよ
うな手段がある。

（１）可燃性の中性子吸収材等により、炉停止余裕の増
加に最も有効な燃料集合体上部の反応度の低下を図る。

（２）運転時と冷温時の水素対ウラン原子数比の変化を
小さくする。

（３）運転時と冷温時の燃料の反応度変化を小さくする
。

従来、上記（１）の手段として、燃料集合体の上部、と
くに下端より燃料有効長の１８／２４〜２３／２４の部
分のガドリニア量を多くした燃料集合体が、特開昭５９
−１０２１８８及び特開昭５８−１７９３９２に提示さ
れている。また、上記の部分の濃縮度を低下させた燃料
集合体は、特開昭５８−１７９３９１に示されている。

この手段に共通な欠点は、冷温時の炉停止余裕を増加す
るために燃料集合体上部に配置した中性子吸収材や低濃
縮度燃料が、運転時においても燃料集合体上部の反応度
を低下させ、熱的余裕を減少させる可能性があることで
ある。すなわち、沸騰水型原子炉では、燃料上部のボイ
ド率が高くなるため、燃料上部の反応度が抑えられ、こ
の部分の出力分担割合が小さくなる傾向にある。したが
って、このような部分の反応度をさらに低下させること
は、出力分布を燃料下部に歪め、出力分布の平坦化を阻
害する結果となる。

さらに、可燃性の中性子吸収材によって炉停止余裕を増
加させる方法は、中性子吸収材が残存している期間だけ
有効であり、運転サイクル末期のように中性子吸収材が
燃え尽きた場合には効果がな、い。また、逆に、炉停止
余裕を確保するため運転サイクル末期まで中性子吸収材
を残存させると、運転時に中性子の無駄な吸収を増加さ
せることになり、燃料経済性の観点から好ましくない。

上記（２）を実現する方法としては、大きい径の水ロッ
ドを使用することにより、非沸騰軽水領域を増加させる
方法がある。すなわち、非沸騰領域を増加させると、沸
騰によって変化する軽水部分が相対的に減少するため、
運転時と冷温時の水素対ウラン原子数比の変化が小さく
なり、これに伴う反応度変化も小さくなる。しかし、冷
却に寄与一 する軽水の領域や燃料の領域を確保する必要があり、非
沸騰軽水領域の増加には限りがある。

また、（３）の手段としては、炉心全体の水素対ウラン
原子数比を大きくして、水素対ウラン原子数比の変化に
対する反応度変化が小さくなるような範囲を利用する方
法がある。しかし、この方法も、ウランの装荷量を減ら
さずに水素対ウラン原子数比を増加するには、炉心体積
を増加する必要があり、炉心の大幅な変更を伴う。

［発明が解決しようとする課題］ 冷温時の炉停止余裕を増加する場合にも、燃料装荷量を
減少させないこと、運転時の出力分布を歪めないこと、
など燃料経済性や熱的余裕の面に配慮することが望まし
い。上述した従来の方法は、これらの点を犠牲にして炉
停止余裕を増加しており、燃料経済性または熱的余裕を
多少とも悪化させるという問題があった。

本発明の目的は、燃料経済性や熱的余裕を悪化させるこ
となく、運転時と冷温時の反応度変化を低減して、炉停
止余裕を増加させることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的は、特許請求の範囲の請求項１，２に夫々記
載された燃料棒およびそれを用いた請求項３記載の燃料
集合体によって達成される。

［作用］ ウラン燃料の核分裂性物質であるウラン２３５は、熱中
性子に対しては大きな反応断面積を持ち、中性子吸収あ
たりの中性子発生数（η）も大きい。

しかし、エネルギーの高い中性子に対しては反応断面積
もηも小さくなるため、減速材密度の減少によって中性
子の平均エネルギーが高くなるとウラン２３５のもつ反
応度は低下する。このウラン２３５の性質が、燃料の運
転時と冷温時の反応度変化を大きくしている原因となっ
ている。したがって、減速材密度の変化の影響を受けや
すい燃料ペレツ１−外周部にウラン２３５の少ない燃料
を配置し、比較的中性子スペクトルの変化の少ない燃料
ペレット中心部にウラン２３５の多い濃縮ウランを配置
した燃料では、減速材密度の変化に対する反応度変化が
小さくなる、と考えられる。

第９図に、燃料ペレット外周部に天然ウラン、中心部に
濃縮ウランを配置した二領域燃料と濃縮度の−様な燃料
との中性子無限増倍率の比較を示す。比較した両者の天
然ウラン使用量は同等としている。この図から次のこと
がわかる。

（ｉ）上記の構成を有する二領域燃料は、−様燃料に比
べて減速材密度の変化に対する反応度の変化が小さく、
炉停止余裕を増加するのに有効である。

（ｉｉ）上記の構成を有する二領域燃料の中性子増倍率
は、濃縮度の−様な燃料に比べ減速利の少ない場合には
大きく、減速材の多い場合には小さくなる。このことか
ら、このような構成の燃料を減速材の多い、ボイド率の
小さい領域で用いると、濃縮度の−様な燃料に比べ運転
時の反応度が低下する。

以上のことから、本発明の燃料棒においては、運転時の
ボイド率が大きい燃料上部に、ウラン２３５濃度の小さ
い外周部とウラン２３５濃度の大きい中心部からなる燃
料ペレッＩ−を用いる。これによす、運転時の中性子増
倍率を濃縮度の−様な燃料とほぼ等しくでき、また、冷
温時の中性子増倍率を濃縮度の−様な燃料より低減する
ことができる。

この結果、運転時の反応度及び出力分布は従来のように
ペレット径方向の濃縮度が−様な燃料を全長にわたって
使用した場合と同等となり、燃料経済性及び熱的余裕を
変えることなく、冷温時の炉停止余裕を増加できる。

第１図は、このような燃料棒の一例を示し、６はウラン
２３５濃度の小さい外周部８と該濃度の大きい中心部９
からなる燃料ペレット、７はウラン２３５濃度の−様な
燃料ペレットである。

炉停止余裕を増加するのには冷温時の燃料上部の反応度
を低下することが効果的である。これは、燃料上部に燃
料が燃え残り易いこと、この部分の運転時から冷温時へ
の減速材密度変化が大きいこと、に起因している。一方
、燃料下部は、運転時から冷温時への減速材密度の変化
が小さいため、冷温時の炉停止余裕への寄与も小さい。

したがって、燃料下部にはペレット径方向の濃縮度が一
様な燃料に替えて、濃縮度の高い外周部と濃縮度の低い
中心部からなる燃料を配置しても、冷温時の炉停止余裕
を低下させない。

以上のことから、本発明では、濃縮度比をと定義した場
合、燃料上部の濃縮度比より燃料下部の濃縮度比が大き
くなるように燃料棒を構成する。この構成に従って、た
とえば、ボイド率の小さい燃料棒下部に濃縮度の高い外
周部と濃縮度の低い中心部からなる燃料を配置すると、
濃縮度が−様な燃料より中性子増倍率が大きくなるので
燃料経済性向上と炉停止余裕増加の両面から好ましい構
成となる。

他方、第１０図は、沸騰水型原子炉で用いられる燃料集
合体内の運転状態から冷温状態に移った場合の核分裂重
分布の変化を示す。運転状態よりも冷温状態の方が核分
裂率が高いような変化をプラス数値で示しである。この
図に示すように、冷温時にはチャンネルボックスや水ロ
ンドに面したＭ打棒の反応率が大きくなる傾向にあり、
炉停止余裕を増加するにはこの位置の反応度変化を小さ
くすることか必要である。したがって、本発明の燃料集
合体のように、チャンネルボックスや水ロンドに面した
燃料棒に上述した燃料棒を使用するのが最も効果的であ
る。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例になる燃料棒を第２図により説
明する。この実施例に示した燃料棒１は、高さ方向が四
つの領域２〜５に分けられている。

上下端の領域２及び５は中性子の炉外への漏れを小さく
するための天然ウラン領域（有効長の１／２４）であり
、領域３は径方向に濃縮度が三領域になった燃料ペレッ
ト６からなり、領域４は径方向の濃縮度が−様の燃料ペ
レッ１へ７からなっている。この例では、燃料ペレット
６は外周部が天然ウラン８、中心部が９．６ｗ１０の濃
縮ウラン９から成り、外周部と中心部の体積比は４：６
としである。また、燃料ペレット７の濃縮度は６　ｗｌ
ｏであり、領域３と領域４の平均濃縮度はほぼ等しい。

領域３と領域４の長さしよ、Ｌ２は、燃料棒の使用され
る条件で決定される。たとえば、通常の沸騰水型原子炉
では、軽水が燃料棒下端から上方へ流れ、下端から燃料
有効長の２／２４〜３／２４付近で沸騰を開始して、上
端でのボイド率は約７０％になる。そこで、領域３の平
均ボイド率を約６０％なる範囲、すなわち、Ｌ□を８７
２４に設定する。このようにすると、第３図に示すよう
に、上記の運転条件（図中の範囲Ａ）において、領域３
の平均中性子増倍率（図中の実線）は、領域４に用いた
濃縮度の−様な燃料で構成した場合のそれ（図中の鎖線
）とほぼ等しくなり、燃料棒の平均中性子増倍率も領域
４に用いた濃縮度の−様な燃料だけて構成した燃料棒と
等しくなる。一方、冷温状態（図中の点Ｂ）では、領域
３の中性子増倍率が、濃縮度の−様な燃料で構成した場
合のそれより約１％Δに低減している。この結果、本発
明の燃料棒を用いることにより、運転時の反応度を低下
させずに、燃料上部の冷温時の反応度を低下させ、炉停
止余裕を増加することができる。

第４図に、本発明になる燃料棒の第二の実施例を示す。

本実施例は、燃料棒の主要部分が高さ方向で三領域に分
割され、燃料上部の濃縮度が下部より大きくなるように
構成された燃料棒に本発明を適用した例である。本実施
例では、燃料棒１の高さ方向が穴領域に分割されている
。すなわち、上から各領域に配置されている燃料は、領
域１０（Ｌ□＝１／２４）　：天然ウラン領域１１（Ｌ
２二３／２４）　　：燃料１７領域１２　（Ｌ３＝２／
２４）　：燃料１６領域１３　（Ｌ、＝８／２４）　　
：燃料１７領域１４　（Ｌ、＝９／２４）　：　Ｉｐ８
料１８領域１５　（Ｌ６＝１／２４）　　、天然ウラン
である。燃料１Ｇは、外周部が天然ウラン、中心部が１
５＋１０濃縮ウランからなる燃料ペレットであり、外周
部と中心部の体積比は６：４である。また、燃料１７は
、外周部が天然ウラン、中心部が１０ｔｙ１０濃縮ウラ
ンからなり、外周部と中心部の体積比は４：６である。

さらに、燃料１８は、径方向に濃縮度が−様な燃料ペレ
ットであり、濃縮度は５．５ｗ１０である。したがって
、ａＮＳ上部の領域１１〜１３は、６．２〜６　、４ｗ
１０の平均濃縮度であり、下部の領域１４に比べて平均
濃縮度が約ｌυへ高くなっている。

以上の実施例では、外周部に天然ウランを用いているが
、さらに外周部のウラン２３５濃度を低減するため、劣
化ウランを用いることもできる。また、上記のような三
領域燃料ペレットでは、中心部の出力が大きくなり、燃
料温度が高くなる欠点がある。しかし、この欠点は、第
５図に示す如くペレット中心に中空部２６を有するもの
を使用す、ることにより解消できる。

第６図は、本発明になる燃料棒の第三の実施例を示して
いる。本実施例では、燃料棒下部領域２８に外周部が濃
縮ウラン３３、中心部が天然ウラン３１からなる燃料３
０を用いた例であり、上部領域２７には外周部が天然ウ
ラン３１、中心部が濃縮ウラン３２からなる燃料２９が
配置されている。このように、燃料棒下部において外周
部と中心部の濃縮度比を濃縮度−様の場合よりさらに大
きくすると中性子増倍率が高くなり、必要濃縮度を低減
できる。また、燃焼初期の余剰反応度制御及び出力分布
の平坦化を目的として、燃料３゜の外周部３３に可燃性
の中性子吸収材であるガドリニアが混合することもでき
る。

第７図は、上述した燃料棒製配置した沸騰水型原子炉用
燃料集合体の水平断面図である。燃料集合体３４は、チ
ャンネルボックス３５内に燃料棒３６．３８と水ロッ１
−３７を配置して、構成されている。炉内装荷時には、
チャンネルボックスの外側に十字型制御棒等を挿入する
ための空間か形成され、非沸騰軽水が満たされる。前述
したように、冷温時には、チャンネルボックスに面した
燃料棒及び水ロッドに面した燃料棒の価値が大きくなる
。そこで、本実施例ではチャンネルボックスに隣接した
燃料棒位置と二つの水ロンドに接した燃料棒位置に、第
１図に示した構成を持つ本発明の燃料棒３８を配置した
。これらの燃料棒３８の平均濃縮度は、出力ビーキング
を抑えるため、他の燃料棒３６の濃縮度より小さくなる
ように設計されている。本発明の燃料棒３８をすべての
燃料棒位置に配置することも可能であるが、上記のよう
な価値の大きい位置に配置すれば炉停止余裕増大の効果
をあまり減じることな〈従来の燃料棒を併用できる。

以上説明してきた本発明の適用対象は、熱中性子炉とし
ての沸騰水型原子炉であり、減速材対燃料体積比が２以
上のものである。しかし、減速材対燃料体積比を１．５
以下にして、転換比を高くした沸騰水型原子炉も考えら
れている。この種の原子炉には、プルトニウムのリサイ
クルを目的としたものと、ウラン燃料にプル１〜ニウム
を蓄積して高燃焼度化に利用するものとがある。第８図
は、後者のタイプの原子炉に用いる燃料集合体に本発明
を適用した例である。燃料集合体３９は、チャンネルボ
ックス４０を持っており、運転時にはこの内側を流れる
軽水が燃料棒４１によって加熱され、沸騰する。図中の
４２は制御棒のシンプル管であり、この管を通ってクラ
スタ制御棒が挿入される。燃料棒４１は、約１．３の減
速材対燃料体積比が得られるように稠密格子状に配列さ
れている。

また、すべての燃料棒は、上部が天然ウランの外周部と
約１０ｔｖ１０濃縮ウランの中心部からなる二領域燃料
、下部が６　ｔｙｌｏの濃縮度−様燃料、という構成を
もっている。減速材対燃料体積比が小さい場合には、水
素対ウラン原子数比も小さくなるので、第３図における
二領域燃料の中性子増倍率が濃縮度−様の燃料より大き
くなる部分が増加する。

このため、本燃料集合体では、上部領域の平均濃縮度と
等しい濃縮度−様燃料を用いた場合より、運転時の上部
領域の中性子増倍率が約１％Δに高くなる。これは、運
転時の出力分布の平坦化及び燃料経済性の観点からも好
ましい。また、このような水素対ウラン原子数比が小さ
い場合にも上記の二領域燃料は、減速材に対する反応度
変化を小さくするので、炉停止余裕を増加させる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の燃料棒及び燃料集合体は
、燃料経済性や熱的余裕を損なうことなく、炉停止余裕
を約０．３″１Δに／に程度増加できる。

この結果、高燃焼度化が図り易くなり、これによって燃
料経済性が向上する。このように、本発明の経済性に及
ぼす効果も大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料棒の例示図、第２図は本発明の燃
料棒の第一の実施例を示す図、第３図は天然ウランの外
周部と濃縮ウランの中心部からなる二領域燃料と濃縮度
−様燃料の中性子無限増倍率の差を示す図、第４図は本
発明の燃料棒の第二の実施例を示す図、第５図は燃料ペ
レット中心に中空部を有する二領域燃料ペレットを示す
図、第６図は本発明の燃料棒の第三の実施例を示す図、
第７図は本発明の沸騰水型原子炉用燃料集合体の一実施
例を示す図、第８図は稠密格子を有する燃料集合体への
本発明の適用例を示す図、第９図は天然ウランの外周部
と濃縮ウランの中心部からなる二領域燃料と濃縮度−様
燃料の中性子無限増倍率のボイド率に伴う変化を示す図
、第１０図は沸騰水型原子炉用燃料集合体の運転時から
冷温時への核分裂重分布の変化を示す図である。 符号の説明 １：燃料棒　　　　　　２〜５：領域 ６：三領域燃料ペレソ１へ ７：−様燃料ペレット　８：天然ウラン９：濃縮ウラン
　　　　１０〜１５：領域１６〜１７：三領域燃料ペツ
１へ １８ニー様燃料ベレッｈ１９：天然ウラン２０〜２２：
ａ縮つラン ２３：三領域燃料ペレット ２４：外周部　　　　　　２５：中心部２６：中空部　
　　　　　２７〜２８：領域２９〜３０：三領域燃料ペ
レット ３１：天然ウラン　　　　３２〜３３：濃縮ウラン３４
：燃料集合体 ３５：チャンネルボックス ３６：燃料棒　　　　　　３７：水ロッド３８：本発明
燃料棒 ３９：稠密格子を有する燃料集合体 ４０：チャンネルボックス ４１：燃料棒 ４２：制御棒シンプル管 ４３〜４４：領域 第７図 ３４．燃料集合体 ３５、ナヤン卒ルホ゛ッグス ３６、楚岸絹未瞥 ３７、水ロッド ３δ、本発明燃料棒 ポ゛イド牛−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、沸騰水型原子炉に用いる燃料棒であって、該燃料棒
   の燃料有効長を原子炉運転時に減速材が沸騰する領域と
   減速材が沸騰しない領域に分割した場合、前者の領域に
   ウラン２３５濃度の小さい外周部とウラン２３５濃度の
   大きい中心部からなる燃料ペレットを含むように構成し
   たことを特徴とする燃料棒。 ２、沸騰水型原子炉に用いる燃料棒であって、該燃料棒
   の高さ方向を二つの領域に分割した場合、濃縮度比＝（
   燃料ペレット外周部のウラン２３５濃度）／（燃料ペレ
   ット中心部のウラン２３５濃度）で定義した濃縮度比が
   、上部の領域に比べて下部の領域の方が大きくなるよう
   に構成したことを特徴とする燃料棒。 ３、燃料ペレット外周部が劣化ウランまたは天然ウラン
   よりなる請求項１または２記載の燃料棒。 ４、沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体であって、該燃
   料集合体のチャンネルボックスまたは水ロッドに隣接す
   る燃料棒位置に請求項１又は２記載の燃料棒を配置した
   ことを特徴とする燃料集合体。