JPH03108690A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）における燃料集合
体に係り、特に高燃焼度化に好適な燃料集合体の改善に
関する。

［従来の技術］ 第７図は、現在運転中のＢ　Ｗ　Ｒの燃料集合体群の部
分水平断面図である。すなわち、燃料棒２を正方格子状
に配列して構成した燃料バンドルをｊｌｔ位格子セル２
２の中央に据え、前記燃料バンドルを囲むようにチャネ
ルボックス２３をおくことで。

冷却材の軽水が導間せずに流れる流路となるギャップ水
領域を形成する。前記ギャップ水領域には、制御棒２４
が挿入される側２５と制御棒２４の出し入れがない側２
６の２種類がある。

軽水炉の発電コストの低減をはかるには、燃料サイクル
コストを低減することが有効である。その一方法として
燃料集合体の平均取出燃焼度を高くすることが考えられ
ている。一般に、取出燃焼度を高くするにつれて、燃料
集合体の平均濃縮度は増加する。燃料濃縮度が高くなる
と、冷温時（約２０℃）の反応度は高くなり、運転時（
約２８０℃）の反応度と、冷温時の反応度の差が増大す
る（運転時冷温時反応度差が増大）。反応度が高い場合
、中性子の発生量と消減量をバランスするように制御す
るのが制御棒である。第７図に示すように、運転時でも
、冷温時でも、制御棒は、燃料集合体の片側に存在する
。制御棒の中性子吸収材Ｂ、Ｃは、特に熱中性子を吸収
することで反応度を低下させる。燃料集合体の相対的な
濃縮度分布が同じでも、濃縮度が増加すれば、制御棒に
よる熱中性子吸収量が減少するため、冷温時の制御棒価
値は減少する。

［注コ制御棒価値とは、制御棒の反応度の大きさ。

簡単には、制御棒の位置の中性子束の２乗に比例する値
。

したがって、高燃焼度用炉心の場合、冷温時の炉停止余
裕は小さくなる傾向にある（原子炉停止時に臨界に達し
易くなり、好ましくない）。

冷温時の炉停止余裕を向上させるには、（１）制御棒価
値を高めて、制御棒挿入時の冷温時反応度と制御棒未挿
入時の冷温時反応度との差を大きくする方法、および （２）運転時と冷温時の反応度差を小さくする方法とが
考えられる。

（１）の例として、第８図に示すように十字型制御棒３
１に対面している燃料棒３２の濃縮度を、燃料集合体平
均濃縮度よりも高くすることで、制御棒価値を高める方
法（従来技術１）があった（特開昭６１−２７５６９６
号公報）、また、第９図に示すように、燃料集合体４１
の中央部に十字型水路４２を配置して前記燃料集合体を
４つのサブ燃料集合体４３．４４に分けた時に制御棒４
５に最も近いサブ燃料集合体４４の平均濃縮度を他のサ
ブ燃料集合体の平均濃縮度よりも高くすることで、冷態
時制御棒価値を高くする方法（従来技術２）があった（
特開昭６３−９８５９０号公報）。

［発明が解決しようとする課題］ 現在運転中のＢＷＲには、第７図に示したギャップ水領
域２５及び２６の面積が等しいＣ格子炉心と、制御棒２
４が挿入されるギャップ水領域２５の面積の方が広いＤ
格子炉心がある。

」二記従来技術１（第８図）を前記り格子炉心に適用す
る場合、運転時の局所出力ビーキング係数は制御棒２４
が挿入されるギャップ水領域側で大きくなりやすい。

［注］出カビーキング係数とは、出力最高値と平均値の
比。この値が小さい炉では、出力が平坦化されている。

また、従来技術２（第９図）では制御棒４５に最も近い
サブ燃料集合体４４の平均濃縮度を他のサブ燃料集合体
の平均濃縮度よりも高くするために、サブ燃料集合体の
最外周に位置した燃料棒の燃料濃縮度を高くしていた。

すなわち、高濃縮度の燃料棒が十字型水路４２に隣接す
るため、特に平均濃縮度が現行に比べて高くなるべき性
質の高燃焼度用燃料集合体では、運転時の局所出力ビー
キング係数は十字型水路４２に隣接した燃料棒で大きく
なりやすい。すなわち、従来技術１および２は運転時の
局所出力ビーキング係数の上昇について考慮されておら
ず、それに伴う熱的余裕低減の点て問題があった。

本発明の目的は、局所出力ピークング係数の上昇による
熱的余裕の低下を抑制できるとともに、冷温時の炉停止
余裕を向上できる燃料集合体、特に高燃焼度用に好適な
燃料集合体を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明に係る燃料集合体のも
η成は、核燃料物質を封入した複数本の燃料棒と、ウォ
ーターロッドを正方格子状に配近してなる燃料集合体の
水平断面を広いギャップ水領域に面した燃料棒群の領域
ａ、広いギャップ水領域側の前記領域ａ以外の燃料棒群
の領域ｂ、狭いギャップ水領域に面した燃料棒群の領域
Ｃ１狭いギャップ水領域側の前記領域Ｃ以外の燃料棒群
の領域ｄを設定し、前記４つの各燃料棒群の領域に含ま
れる核分裂性物質の全領域に対する相対量を比較した場
合、前記領域ａの燃料棒群の相対量を最小とすると共に
、前記領域すの燃料棒群の相対基を最大となるようにし
たものである。

［作用］ 現在運転中のＤ格子炉心に装荷される燃料集合体では、
第１０図に示すように狭いギャップ水領域５２に面する
側５４の燃料棒の燃料濃縮度が高くなる濃縮度分布を採
用している。すなわち、広いギャップ水領域に隣接した
、燃料集合体最外周燃料棒の濃縮度を低くすることで、
局所出力ビーキング係数を抑制している。これを基準ケ
ースとする。

いま、燃料集合体の燃料領域を、 （Ｄ広いギャップ水領域に面した燃料棒群［領域ａ］、
■広いギャップ水領域側の■以外の燃料棒群［領域ｂ］
、■狭いギャップ水領域に面した燃料棒群［領域ｃ］、
■狭いギャップ水領域側の■以外の燃料棒群［領域ｄ］
の４つに分割する。基１世ケースでは、領域ａの濃縮度
が各領域中で最小となる。前記従来技術１では、領域ａ
における濃縮度を高めることで、冷温時制御棒価値を向
上させていた。第１１図は、領域ａに含まれるＵ−２３
５の相対量を各領域中で最小となるように、基準ケース
と同一とし、領域すに含まれているＵ−２３５の相対量
を増加させた時の冷温時制御棒価値の変化を示している
。

ここでは、燃料集合体１の中央部に位置する太径水ロッ
ド３に隣接していない燃料棒の燃料濃縮度を基準ケース
よりも高めることで、領域すに含まれるＵ−２３５の相
対量を増加させている。ここで、領域に含まれるＵ−２
３５の相対量は、で表わされるものとする。基準ケース
に対し、領域すに含まれるＵ−２３５の相対量を３０％
程度増加させ、領域Ｃに含まれるＵ−２３５の相対量よ
りも大きくすることで、冷温時制御棒価値は０゜７％Δ
に／に程度高められる。現在の沸騰水型原子炉の設計基
準では、炉停止余裕が１％Δに以」−である、したがっ
て、本発明による改善効果は大きいことがわかる。

また、第１２図は、領域すに含まれるＵ−２３５の相対
量を増加させた時の運転時冷温時反応度差の変化を示す
。領域すに含まれるＵ−２３５の相対量を増加させ、領
域Ｃに含まれるＵ２３５の相対量よりも大きくすると、
運転時冷温時反応度差は減少する。

また、第１３図は、局所出力ビーキング係数の変化を示
す。領域すにおいてＵ２３５の量を増加させることは局
所出力ビーキング係数を増大させることに対して大きな
影響を及ぼさない。基準ケースに対し、領域すに含まれ
るＵ−２３５の相対量を３０％程度増加しても、局所出
力ビーキング係数の増加は約３％程度にとどまる。これ
は前に述べたように、広いギャップ水領域に隣接した領
域ａでＵ　−２３５の相対量を最小にしたからである。

以上説明したように、領域すに含まれるＵ−２３５の相
対量を増加させることで、局所出力ビーキング係数の増
加を抑制しつつ９冷温時制御棒価値ならびに運転時冷温
時反応度差を改善でき、冷温時の炉停止余裕を向上でき
る。

領域すに含まれるＵ−２３５の相対量を増加させる具体
的な方法は、 （１）ａ縮度分布をつける、 （２）燃料インベントリ−を領域間で変える、がある。

方法（２）では、 （ａ）燃料ペレット径を太くする。

（ｂ）領域に含まれる燃料棒本数を多くする、（ｃ）燃
料ペレット密度を大きくする、の他に、燃料集合体内熱
中性子束分布が燃料集合体中央部で非均質になるのを防
ぐために挿入される太径水ロッドを領域Ｃの方へ移動さ
せることで。

領域すに含まれる燃料棒本数を多くすることでも実現で
きる。太径水ロッドを減速材の少ない狭いギャップ水領
域側に移動させることは、燃料集合体内熱中性子束分布
の・ド坦化を向コーさせることができ、その結果、反応
度向上が図Ｊｃる。すなオ〕ち、狭いギャップ水領域に
おける熱中性子束と広いギャップ水領域における熱中性
子束の比を比較すると、基準ケースでは、Ｑ、６２６で
あるのに対し。

本発明では０．７３８となり、熱中性子束分布平坦化が
向上する。その結果１反応度は約０．２％Δに向上する
。

一方、領域すに含まれるＵ　−２：３５の相対量を増加
させるのに１前記方法（１）で極端におこなうと、領域
すにおける局所出力ビーキング係数が上昇する可能性が
あるが、前記太径水ロッドを移動させて領域すに含まれ
るＵ−２３５の相対量を増加させる方法では、局所出力
ビーキング係数の上昇は、前記方法（１）よりも抑制で
きる６［実施例コ 以下本発明の実施例を第１図〜第６図を用いて説明する
。

第１図は、本発明の第１実施例の燃料集合体の水平断面
図であり、その構成は、１は、燃料集合体であり、燃料
棒２を、正方格子状に配列し、燃料集合体１の中央部に
、太径水ロッド３を配設する。本実施例においては、燃
料棒２の濃縮度はＡ、Ｂ、Ｃ・・・の順に低くなるよう
にし、各燃料棒の濃縮度は、第１表に示すとおりである
。

本実施例では、濃縮度分布によって、各領域４　（領ｈ
ｉａ）、５（領域ｂ）、６（領域ｃ）、７（領域ｄ）に
含まれるＵ−２３５の量を調整している。

本実施例では、太径水ロッド３に隣接していない燃料の
濃縮度も高めることで、領域すにおけるＵ−２３５の相
対量を最大としている。本実施例では、前記相対量は２
７．０％であり、第１０図に示した基偲ケースよりもＵ
−２３５の量を約２０％増加させている。一方、領域ａ
におけるＵ−２３５の相対量は約１６％であり、蒔準ケ
ースと同量である。一方、現在運転中のＤ格子炉心に装
荷される燃料集合体で採用している撚料ｉコ縮度分布と
同様に、ギャップ水領域に面する領域ｄでは。

その平均燃料濃縮度を領域Ｃのそれよりも高めておくこ
とで、局所出力ビーキング係数を抑制できるように構成
している。

既に説明したように、領域すに含まれるＵ−２３５の相
対量を多くした燃料集合体構成により、冷温時制御棒価
値は基準ケースより約０．３％Δに／に大きくなる。ま
た、運転時冷温時反応度差も約０．０２％八に／に小さ
くなる。一方、局所出力ビーキング係数の増加は３％程
度に抑制されている。すなわち、本発明では局所出力ビ
ーキング係数の増加を抑制しつつ、基準ケースに比べて
制御棒側のＵ−２３５の相対量を多くし、冷温時制御棒
価値を増大できる。

第２図は、本発明の第２実施例の燃料集合体の水平断面
図である。楕成上の符号は、第１図と全く同一である。

第２図は、第１実施例において、燃料集合体１の中央部
に挿入されている太径水ロッド３を狭いギャップ水側で
ある領域Ｃの方に移動させることにより、領域すに含ま
れる燃料棒２の本数を増加させて、領域すに含まれるＵ
−２３５の相対量を増加せしめたものである。第１図と
同様にして、Ａ、Ｂ、Ｃ，・・・は燃料棒２の濃縮度を
示す。領域すに含まれるＵ−２３５の相対量を多くする
ために、領域すには燃料濃縮度が最大である燃料棒を領
域す全体の約９割と比率を大きくしている。その結果、
領域すに含まれるＵ−２３５の相対量は２９．１％とな
っている。領域すのＵ−２３５の量は基準ケースよりも
約３０％増加させている。一方、領域ａにおけるＵ−２
３５の量は基準ケースと同量である。太径水ロッド３を
狭いギャップ水側へ移動させ、領域すに含まれるＵ−２
３５の量を第１実施例よりもさらに増加させる構成によ
り、冷温時制御棒価値をより増大できる０本実施例の冷
温時制御棒価値は基準ケースよりも約０．７％八に／に
、第１実施例よりも約０．４％Δに／に大きくなる。ま
た、領域すに含まれるＵ−２３５の相対量を増加させる
のに、太径水ロッド３を燃料集合体１の中央部から領域
Ｃへ移動させたことで、本実施例では運転時冷温時反応
度差を基準ケースより約０．２％八に／に低減できる。

一方、局所出力ビーキング係数の増加は約３％程度であ
り、濃縮度分布により構成した前記第１実施例と同程度
に抑制できる。また、作用の項で説明したように、約０
．３％八にの反応度の向上をはかることができる。

第３図は５本発明の第３実施例の水平断面図である０本
実施例の場合は、燃料棒２の配列を、９×９正方格子状
とし、大径水ロッド３を複数本としたものである。第３
図中の符号は、１〜３は、第１〜２図と同一である６本
実施例における燃料棒２の濃縮度は、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’
の順に低くなり、Ｇ′は、ガドリニア入り燃料棒を示す
。燃料棒の濃縮度を、第２表に示す。

第２表 領域すに含まれるＵ−２３５の相対量は約３１％である
。これは前記基準ケースにおいて格子を９×９とした場
合の９×９格子基準ケースよりも１５％程度増加させて
いる。領域ａに含まれるＵ−２３５の相対量は９×９格
子基準ベースと同量の１７％とする。太径水ロッドを複
数とした本実施例では、大径水ロッド３を第３図に示す
ように配置しているが、太径水ロッド断面円の中心を結
ぶ中点を中心として、９０°回転させた配置としてもよ
い。

燃料棒格子数を９×９とし、太径水ロッドを複数とした
実施例では、局所出力ビーキング係数を９Ｘ９格子基準
ベースと同程度で、冷温時制御棒価値を０．４％Δに／
に高めることができる。また運転時冷温時反応度差を０
．１％Δに／に程度小さくできる。

実施例２では、太径水ロッドを活用して領域すにあるＵ
−２３５の相対量を増加させたが、領域すにおける燃料
の燃料密度を他の領域よりも大きくしたり、領域すにお
ける燃料ペレット外径を他の領域よりも大きくしていも
よい、前記実施例１で、領域すに属する燃料の一部の燃
料密度を約８％増大させることにより、冷温時制御棒価
値は約０．９Δに／に増大する。

第４図（イ）、（ロ）は、本発明の第４実施例の燃料集
合体水平断面および燃料濃縮度分布図である。第４図（
イ）は、燃料濃縮度の軸方向分布が一様でない燃料棒か
らなる燃料集合体の水平断面図である。

本実施例における各燃料棒２の濃縮度（ｗｌｏ）はＡ１
．Ｂ１．ｃ、・・・Ｇ１およびＧ２で示す。前記実施例
３において、燃料棒番号Ｂ、及びＣ４の燃料濃縮度（ｗ
ｌｏ）を異ならせることで、−様でない燃料濃縮度軸方
向分布としている。各燃料棒の燃料濃縮度は第４図（ロ
）に示す通りである。燃料集合体」二部、下部ともに、
領域すに含まれるＵ−２３５の相対量は約３１％である
。領域ａに含まれるＵ−２３５の相対量は９Ｘ９格子基
準ベースとほぼ同量である（燃料集合体上部で１８％、
下部で１７％）。

本実施例でも、冷温時制御棒価値及び運転時冷温時反応
度差を実施例３と同程度に改善できる。

さらに、軸方向出力分・布の平坦化が実現できるほか運
転時冷温時反応度差が改善されるのでガドリニア添加量
を低減でき、中性子経済性を向卜することができる。

第５図（イ）、（ロ）は、本発明の第５実施例の燃料集
合体水平断面および燃料濃縮度分布図である。構成上の
符号１〜３は、第１図と全く同一である。

第５図（イ）は、燃料集合体の軸方向上部に、炉心装荷
した場合に炉心上部に相当する位首に本発明を適用した
燃料集合体の一実施例を示したものである０本実施例で
は、燃料集合体下部を起点にして、燃料有効長の１１／
２４から２２／２４までを本発明の構成とする。各燃料
棒の燃料濃縮度は第５図（ロ）に示す通りで、燃料棒番
号Ｂ２及びｃ、の燃料濃縮度（ｗｌｏ）を燃料集合体上
部で変えることで本発明の燃料集合体を構成している。

本実施例でも、軸方向上部の領域すに含まれるＵ−２３
５の相対量は約３１％である。

炉心上部にあたる本発明の燃料集合体部分ではこれまで
説明したように、運転時冷温時反応度差を改善できる。

炉停止余裕は炉心の設計制約条件の１つであるが、サイ
クル末期の炉停止余裕には炉心上部燃料の運転時冷温時
反応度差が大きな影響を及ぼｂ、燃料集合体の運転時冷
温時反応度差が大きいほど炉停止余裕は厳しくなる０本
実施例では、炉心上部に本発明を適用することで、最大
線出力密度などの他の炉心運転特性を損なうことなく、
運転時冷温時反応度差を小さくでき、炉停止余裕を改善
できる。

第６図（イ）、（ロ）は、十字型制御棒の周辺に本発明
の燃料集合体と従来型燃料集合体を配設したＤ格子炉心
および部分詳細図である。

燃料棒群に含まれる核分裂性物質の全領域に対する相対
量を最小とした外側燃料棒群、すなわち領域ａを十字型
制御棒１２２と対面するように。

本発明の燃料集合体１［第６図（イ）］を炉心に装荷し
た時の沸騰水型原子炉炉心１３１の一実施例を第６図（
ロ）に示す。本実施例は、十字型制御棒１２２のまわり
に従来の燃料集合体１２１が３体、本発明の燃料集合体
１が１体装荷された移行炉心である。移行炉心を実施例
として示したが、本発明の燃料集合体だけで炉心を構成
してもよい。

本発明の燃料集合体では、冷温時制御棒価値および運転
時冷温時反応度差を改善できるので５本発明の燃料集合
体を装荷した炉心の炉停止余裕を改善できる。また、作
用で説明したように、本発明の燃料集合体では、集合体
内中性子束分布を平坦化することができる。

したがって１本発明に係る燃料集合体に隣接した燃料集
合体を囲むチャンネルボックスへの照射損傷の度合を低
減することができる。

なお、将来プルトニウムの供給が充分となり、Ｍ　ＯＸ
燃料が用いられるようになれば、例えば、第１実施例に
おける領域すのＵ−２３５の相対量のＵ−２３５に相当
する点を、Ｐｕ−２３９に置換えた構成とすることによ
り、本実施例の効果を高めることができる。

［発明の効果］ 以上説明した構成を特徴とする本発明の燃料集合体を、
Ｄ格子炉心に装荷することにより、局所出力ビーキング
係数の増加を抑制し、熱的余裕を低減することなく、冷
温時制御棒価値を増加させると共に、運転時と冷温時の
反応度差を低減することができるので、冷温時の炉停止
余裕を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例の燃料集合体水平断面図
、第２図は、同Ｊ二第２実施例の燃料集合体水平断面図
、第３図は、同上第３実施例の燃料集合体水平断面図、
第４図（イ）、（ロ）は、同上第４実施例の燃料集合体
水平断面および燃料濃縮度分布図、第５図は、同上第５
実施例の燃料集合体水平断面および燃料濃縮度分布図、
第６図は、同上第３実施例の燃料集合体水平断面および
炉心水平断面図、第７図は、従来例の燃料集合体群水平
断面図、第８図は、従来例１の燃料集合体水平断面図、
第９図、従来例２の燃料集合体水平断面図、第１０図は
、従来例のＤ格子炉心に装荷される燃料集合体水平断面
図、第１１〜１３図は１本発明の原理説明図である。 く符号の説明〉 １・・・燃料集合体（本発明）、２・・・燃料棒、３・
・・太径水ロッド、４・・・領域ａ、５・・・領域ｂ、
６・・・領域Ｃ１７・・・領域ｄ、１０１・・・ガドリ
ニア人燃料捧、１２１・・・燃料集合体（従来型）、１
２２・・・十字型制御棒、１３１・・・炉心。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料物質を封入した複数本の燃料棒と、ウォータ
   ーロッドを正方格子状に配置してなる燃料集合体の水平
   断面を広いギャップ水領域に面した燃料棒群の領域ａ、
   広いギャップ水領域側の前記領域ａ以外の燃料棒群の領
   域ｂ、狭いギャップ水領域に面した燃料棒群の領域ｃ、
   狭いギャップ水領域側の前記領域ｃ以外の燃料棒群の領
   域ｄを設定し、前記４つの各燃料棒群の領域に含まれる
   核分裂性物質の全領域に対する相対量を比較した場合、
   前記領域ａの燃料棒群の相対量を最小とすると共に、前
   記領域ｂの燃料棒群の相対量を最大としたことを特徴と
   する燃料集合体。 ２、核燃料物質を封入した複数本の燃料棒と、ウォータ
   ーロッドを正方格子状に配置してなる燃料集合体の水平
   断面を広いギャップ水領域に面した燃料棒群の領域ａ、
   広いギャップ水領域側の前記領域ａ以外の燃料棒群の領
   域ｂ、狭いギャップ水領域に面した燃料棒群の領域ｃ、
   狭いギャップ水領域側の前記領域ｃ以外の燃料棒群の領
   域ｄを設定し、前記４つの各燃料棒群の領域に含まれる
   核分裂性物質の全領域に対する相対量を比較した場合、
   前記領域ａの燃料棒群の相対量を最小とすると共に、前
   記ｂの領域の燃料棒群の相対量を前記ｃの領域の燃料棒
   群の相対量よりも大きくしたことを特徴とする燃料集合
   体。 ３、請求項２、において、前記領域ｂの燃料棒群の燃料
   棒本数を、前記領域ｃの燃料棒群の燃料棒本数よりも多
   くすることを特徴とする燃料集合体。 ４、請求項２、において、前記領域ｂの燃料棒群の燃料
   ペレットの外径を、前記領域ｃの燃料棒群の燃料ペレッ
   トの外径よりも太くすることを特徴とする燃料集合体。 ５、請求項２、において、前記領域ｂの燃料棒群の燃料
   ペレット密度を、前記領域ｃの燃料棒群の燃料ペレット
   密度よりも大きくすることを特徴とする燃料集合体。 ６、請求項２、において、前記領域ｂに対して、前記領
   域ｃ内の水ロッドの本数または水ロッド流路面積を多く
   することを特徴とする燃料集合体。 ７、請求項１、〜６、において、燃料棒に含まれる核分
   裂性物質としてウラン２３５、プルトニウム２３９およ
   び２４１の少くとも１種類を含むことを特徴とする燃料
   集合体。 ８、請求項１、の燃料集合体を炉心に装荷する場合、燃
   料棒群に含まれる核分裂性物質の全領域に対する相対量
   を最小とした外側燃料棒群を、少くとも制御棒と対面す
   るようにして装荷することを特徴とする燃料集合体装荷
   方法。 ９、請求項８、において、前記装荷方法によって、前記
   燃料集合体を装荷したことを特徴とする原子炉炉心。