JPH03179293A - 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の燃料集合体及び、この燃料集
合体を装荷した原子炉に関する。

〔従来の技術〕

従来の沸騰水型原子炉は、特開昭５４−１２１３８９号
公報に記載されているように、中性子の減速を促進させ
るために冷却水のみが流れる管（以下、水ロンドと称す
る）をもつ燃料集合体を炉心内に装荷している。このよ
うな水ロッドの使用は、従来の沸騰水型原子炉の運転条
件下では、ウラン原子に対する水素原子の数が多いほど
反応度が高く、炉心に装荷された核燃料物質を、有効に
活用できる。

しかし、さらに核燃料物質の有効利用を図るためには、
核燃料物質の燃焼に伴って炉心内の水素原子数を変えた
方がよい。

特開昭５７−１２５３９０号公報及び特開昭５７−１２
５３９１号公報は、その一つの方法を示している。すな
わち、これらの公報は、低速中性子吸収水押棒及びこの
水押捧よりも反応度価値が大きいステンレス鋼で構成さ
れる中遠中性子吸収水押捧を設け、これらの水押捧の炉
心内への挿入量を制御して炉心内の冷却水量を調節する
ことを述べている。水押捧が、炉心内の水素原子数を変
える手段である。

水押捧の炉心内への挿入量を増すと炉心内の冷却水量が
減り、この挿入量を減らすと炉心内の冷却水量が増加す
る。この方法は種類の異なる水押棒を新たに設け、駆動
手段にて水押捧を操作しなければならなく、構造、操作
上複雑になる。

この水押捧のような新たな操作手段を設ける必要のない
方法として、炉心を流れる冷却水流量を調節する方法が
ある。運転サイクルの前半で炉心冷却水流量を少なくし
、運転サイクル途中から炉心冷却水流量を増やすもので
ある。この方法により、運転サイクルの末期では、初期
に比較すると、炉心冷却水中のボイド率が減少し炉心内
の水素原子数が増加している。このため運転サイクル末
期では、中性子減速効果が向上するので、運転サイクル
長さをのばし、取出燃焼度を向上させて、核燃料物質の
有効利用を向上させることができる。

また、特開昭６３−７３１８７号公報は、炉心冷却水流
量を調節することによって、可動部なしで管内の減速材
の液面高さを変化させることのできる水ロッドを提案し
ている。この水ロッドを採用することにより、冷却水中
のボイド率変化の効果に水ロツド管内の減速材量の変化
の効果が加わるので、単なる冷却水流量の調節のみによ
る方法に比人で大幅に取出燃焼度が増大し、核燃料物質
の有効利用が格段に向上する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、運転期間を通して中性子減速効果を
変化させて核燃料物質の有効利用を向上させる手段が提
案されており、その中でも、冷却水流量の増減によって
管内の減速材である水の液面高さを変化させることので
きる水ロッドを採用した場合の効果が最も大きい。とこ
ろが一方で、この水ロッドを採用した場合には、サイク
ル初期で低流量であるうえに、水ロツド内の減速材液面
高さが低いので、炉心内の下方に大きな出力のピークが
出てしまう。特に、−サイクル目燃料ではサイクル初期
において燃料集合体の水平断面内の局所出力ビーキング
が大きいので、出力の下方ピークが生じる位置の線出力
密度が非常に大きくなり、燃料破損の怖れさえある。こ
のため、サイクル初期の原子炉内の出力の下方ピークを
適正な値以下に抑制する必要がある。

本発明の目的は、原子炉の運転サイクルの初期において
、出力の下方ピークを燃料健全性上好ましい範囲に抑え
ることである。また、他の目的は、サイクル初期の出力
の下方ピークをできるだけ長く持続させて、炉心冷却水
流量増大による核燃料物質の有効利用の向上効果を大き
くすることである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、冷却水流量の増減によって内部の液面高さ
が変化する水ロッドを備えた燃料集合体において、可燃
性毒物を含有し、かつ、水ロッドに隣接する燃料棒の本
数を、上部領域よりも下部領域において少なくすること
によって達成することができる。

〔作用〕

燃料集合体の下部領域では、前記水ロットに隣接する可
燃性毒物入り燃料棒の本数を、上部領域よりも少なくす
る。これにより、燃料集合体の下部領域では、その水平
断面内で可燃性毒物入り燃料棒が分散して一様に配置さ
れることになる。したがって、サイクル初期において、
原子炉内に新たに装荷されたーサイクル目燃料の下部領
域の無限増倍率が低く抑えられ、−サイクル目燃料の下
部に極端な下方ピークが生じるのを回避できる。

このため、燃料棒の線出力密度を燃料健全性上好ましい
範囲に抑えることが可能となる。また、燃料の下部領域
の可燃性毒物の燃焼速度が、上部領域よりも速くなるの
で、原子炉の運転サイクルの前半における出力の下方ピ
ークが長く持続する。

このため、サイクル後半において炉心冷却水流量を増加
することにより、より一層の核燃料物質の有効利用の向
上を図ることができる。

〔実施例〕

本発明の詳細な説明する前に本発明の根拠について説明
する。本発明の目的は、サイクル初期の極端な出力の下
方ピークを回避することである。

これを実現するためには、燃料集合体の下部領域におけ
る可燃性毒物入り燃料棒の総本数を多くすることで対処
できる。ところが、可燃性毒物入り燃料棒の総本数を多
くすることは、燃料経済性の向上を損う可能性がある。

そこで、発明者らは、燃料集合体の上部領域と下部領域
とで可燃性毒物入り燃料棒の本数が同じで配置のみが異
なるときの効果について考察を行った。可燃性毒物とし
てガドリニアを用いた場合の配置の違いの効果について
第３図に示す。この図より、燃料の燃焼度０ＧＷｄ／ｌ
においては、ガドリニア燃料棒を水ロンド周辺から離し
て分散して配置した方が、燃料の無限増倍率を低く抑え
ることができる。ここで、無限増倍率とは燃料中の核分
裂性物質の反応の起りやすさを表すものであり、無限増
倍率が大きいほど核分裂による発熱が大きくなる。した
がって、原子炉の運転サイクルの初期における新燃料の
極端な出力の下方ピークを回避することができ、また、
原子炉内に１サイクル以上滞在した燃料の水平断面内に
おける局所出力ビーキング係数は第４図に示すように小
さいので、サイクル初期に燃料の線出力密度を抑制する
ことができる。

本発明の他の目的は、原子炉の運転サイクルの前半にお
いて、出力の下方ピークが続く期間を長くすることであ
る。このことを実現するための根拠になるものとして第
５図に、燃料の無限増倍率の燃焼変化を、可燃性毒性で
あるガドリニア入り燃料棒の配置の異なるケースについ
て示す。この図より、ガドリニア入り燃料棒の総本数が
同じときには、水ロッドの隣接位置にあるガドリニア入
り燃料棒の本数が少ない方が、燃焼初期の無限増倍率が
低く、燃焼が進むとそれは逆転し、さらに燃焼が進んで
炉内滞在サイクル数が１サイクル以上になるとほぼ同等
となる。したがって、水ロッドに隣接するガドリニア入
り燃料棒の本数を上部より下部で少なくすることにより
、炉内滞在が１サイクル目の燃料の出力の下方ピークが
長い期間持続し、さらに原子炉の出力運転の進行につれ
て１サイクル目燃料の原子炉出力への寄与が大きくなる
ことから、原子炉炉心全体の出力の下方ピークが長く持
続する。ゆえに、運転期間の後期において炉心冷却水流
量を大きくすることにより、より一層の核燃料物質の有
効利用の向上を図ることが可能となる。

以下に本発明の詳細な説明する。第１図に第一の実施例
を説明する。本実施例において、燃料棒の配列は９行９
列であり、水ロンドは中央の３行３列に相当する領域に
配置されている。可燃性毒物のガドリニア入り燃料棒の
総本数は１６本であり、上部領域ではすにて水ロッドに
隣接し、下部領域では１２本が水ロッドに隣接している
。ウラン２３５の平均濃縮度は上下領域で同じである５
前に述べた根拠により１本実施例では、運転サイクルの
初期の下部の線出力密度を抑制し、サイクル前半の出力
の下方ピークを長く持続させることができる。

本発明の他の実施例を第２図に示す。本実施例は第工図
の実施例の変形例であり、部分長の燃料棒を採用してい
る。この部分長燃料棒の上端は燃料の上部領域の中間部
にある。本実施例では、第１図の実施例の効果に加え、
燃料の上端部付近の圧損を低減して原子炉の安定性を向
上させることができる。さらに、燃料の上端部付近のウ
ラン装荷量が少ないので炉停止余裕を向上させること停
できる。

本発明の他の実施例を第６図に示す。本実施例は第１図
の実施例の変形例であり、燃料の上部領域の上部と下部
とでガドリニア燃料棒の本数が異なり、これらの領域で
水ロッドに隣接するガドリニア燃料棒の本数は燃料の下
部領域よりも多くなっている。本実施例では、燃料の上
部領域の上部の燃焼を促進させることができるので、運
転サイクル末期の上端部付近における極端な出力のピー
クを抑制することができる。

本発明の他の実施例を第７図に示す６本実施例は第６図
に示す実施例の変形例であり１部分長の燃料棒の採用に
より、原子炉の安定性の向上と炉停止余裕増大の効果が
加わっている。

以上の実施例は、九行九列の配列の燃料集合体に関する
ものであるが、これらは、十行十列の配列で中央の四行
四列の領域に水ロッドを配置した燃料集合体に適用して
も有効である。第８図に。

十行十列の配列の燃料集合体に適用した実施例を示す。

以上、五つの実施例において、水ロッドとして、下部タ
イプレートより下方の領域に開口した冷却水上昇流路と
、これの上方で連絡して冷却水を下方に導く冷却水下降
流路と、この冷却水下降流路の出口として下部タイプレ
ートよりも上方の領域に冷却水吐出口を備えたことを特
徴とするものを採用することができる。このような水ロ
ッドの例を第９図、第１０図に示す。これらの水ロッド
を採用して運転期間中の炉心冷却水流量の変化幅を７５
〜８０％定格から１０５〜１１１％定格とした場合には
、下部タイプレートの冷却水通過孔の大きさを調節する
ことにより、水ロツド内の冷却水水位の変化幅が、燃料
有効長の１０／２４〜１４／２４から２３／２４になる
。従って、燃料の上部領域と下部領域の境界、すなわち
、水ロッドに隣接するガドリニア燃料棒の本数が変化す
る境界で下側のものを１０／２４から１４／２４にする
ことにより、本発明の効果を最大にすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、運転サイクル初期における原子炉出力
の下方ピークを抑制して、燃料棒の線出力密度を低減す
ることができる。また、運転サイクル前半の出力の下方
ピークを長く持続できるので、核燃料物質の効率的な燃
焼を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体のガドリニア燃
料棒の配置図、第２図は本発明の第二の実施例の燃料集
合体のガドリニア燃料棒の配置図、第３図は燃焼初期に
おけるガドリニア燃料棒の配置と無限増倍率の関係を示
す説明図、第４図は燃料の水平断面内の出力ビーキング
の燃焼変化を示す説明図、第５図は無限増倍率の燃料変
化とガドリニア燃料棒の配置の関係を示す説明図、第６
図。 第７図、第８図は本発明の第三、第四、第五の実施例の
燃料集合体のガドリニア燃料棒配置説明図、第９図は水
ロッドの一例を示す側面図、第１０図は水ロンドの他の
例の側面図である。 １・・・冷却材上昇流路、２・・・冷却材下降流路、３
・・・燃料棒、４・・・上部タイプレート、５・・・下
部タイプレート、６・・・燃料棒支持部、７・・・水ロ
ッド、８・・・冷却材流入口、 ９・・・冷却材吐出口、 １０・・・上昇管 粥 図 （α） （ｄ） ○ ｄ；　力゛トリ：゛ア′ ■ ◎ ■ 第２図 （α） （６） Ｇｄ′がトリニア 第 図 水ロツド隣接位置のガドリニア入り燃料捧本数た 第 図 大 第 図 燃焼度 第 図 （化） （ｄ） ｄ コ゛トリニア 第７図 （氏） （ま） 丘ｄ：ｆ７”トリ＝７ 第８図 （０−） Ｃｑｄ：ｈ”Ｆリ ア 弔 図 η印材 第１０−図 ′／を却材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上部タイプレートと、下部タイプレートと、上端部
   が前記上部タイプレートに保持され、下端部が前記下部
   タイプレートの燃料棒保持部に保持され、内部に燃料ペ
   レットを充填した複数の燃料棒と、冷却材流量の増減に
   より内部の水面高さと蒸気量が変化する水ロッドとを有
   する燃料集合体において、 前記水ロッドに隣接する可燃性毒物入り燃料棒の本数が
   、燃料集合体の上部領域より下部領域で少ないことを特
   徴とする燃料集合体。 ２、特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体において、 燃料集合体の上部領域の水平断面内では前記水ロッドの
   隣接位置のすべてに前記可燃性毒物入り燃料棒が配置さ
   れる燃料集合体。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項に記載の燃料集
   合体において、 燃料集合体の上部領域と下部領域における前記可燃性毒
   物入り燃料棒の本数が同じである燃料集合体。 ４、特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の
   燃料集合体において、 一部の燃料棒の長さが他の燃料棒の長さより短い燃料集
   合体。 ５、特許請求の範囲第１項に記載の燃料集合体において
   、 燃料集合体の上部領域における上部と下部とで、前記水
   ロッドに隣接する前記可燃性毒物入り燃料棒の本数が異
   なり、これらの本数がともに燃料集合体の前記下部領域
   において前記水ロッドに隣接する前記可燃性毒物入り燃
   料棒の本数よりも多い燃料集合体。 ６、特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体において、 燃料集合体の前記上部領域における上部と下部とで、そ
   の水平断面内における前記可燃性毒物入り燃料棒の総本
   数が異なる燃料集合体。 ７、特許請求の範囲第５項または第６項記載の燃料集合
   体において、 一部の燃料棒の長さが他の燃料棒の長さより短く、かつ
   その上限が燃料集合体の上部領域における上部と下部と
   の境界と一致する燃料集合体。 ８、特許請求の範囲第１項ないし第７項に記載されてい
   る燃料集合体において、 燃料有効長の１０／２４から１４／２４の高さの範囲に
   、前記可燃性毒物入り燃料棒の配置が変化する境界面が
   存在する燃料集合体。