JPH0322599B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子炉用燃料集合体の改良に関す
る。 〔従来の技術〕 例えば沸騰水型原子炉においては、一般に第１
図に示すように、炉心の冷却材例えば水中に、チ
ヤンネルボツクス２で囲まれた一定領域内に集合
した一群の燃料棒１からなる燃料集合体３を装荷
するようにしている。チヤンネルボツクス２の外
部には制御棒４或いは中性子検出器計装管５を配
置するようにしている。このため、各燃料集合体
３の間隔は、制御棒４等の装置が挿入されるだけ
広げられ、周囲を冷却水で満たされている。この
場合、燃料集合体３の周辺部に位置する燃料棒１
は、それ以外の、即ち燃料集合体３の中心部に位
置する燃料棒１に比べて、より多くの水に囲まれ
ていることになる。その結果、燃料集合体３の周
辺部と中心部との間には次の（）及び（）の
核的非均質効果が生じる。 () 中性子の減速材である水が多い燃料集合体
周辺で中性子の熱化が効果的に行われるため周
辺部の熱中性子数が中心部に比べて多くなる。 () この結果、燃料集合体周辺部と中心部の中
性子平均エネルギー及び中性子無限増倍率に差
が生じる。即ち、第２図に示すように、集合体
周辺側への配置につれて、つまり減速材(H)と燃
料（Ｕ）との原子数比（Ｈ／Ｕ）が大きくなる
と、中性子無限増倍率は漸次大きくなり、一定
のピークを越えた後次第に小さくなる。これ
は、水が中性子の減速を促すことによる無限増
倍率の向上と収束とのメリツト及びデメリツト
の両作用に関係することに基づく。実際の燃料
集合体においては、ボイド係数を常に負にする
設計になつていることから集合体平均のＨ／Ｕ
として第２図のＡ点を用いている。しかし、集
合体周辺部では過減速領域であるＢ点で運転さ
れることになる一方、集合体中心部では減速不
足領域であるＣ点で運転されることになり、周
辺部の中性子無限増倍率の方が大きい。 〔発明が解決しようとする課題〕 このため、燃料集合体内の燃料棒の濃縮度を一
様とした場合は、燃料集合体周辺部で核分裂反応
が多く起こり、周辺部の局所出力ピーキング係数
を上昇させ、熱的余裕を減少させる。このような
ことから、従来、沸騰水型原子炉では燃料集合体
の局所出力ピーキング係数の平坦化を実現する手
段として集合体内で濃縮度変化（集合体周辺部の
燃料ペレツト濃縮度を中心部のそれより低くする
こと）を設けることを採用していた。しかし、こ
の方法は、 () 燃料集合体中心部の核分裂性物質が燃え残
り、ウラン資源の有効利用に反する。 () インポータンスの低い燃料集合体中心部に
濃縮度の高い燃料を配置し、インポータンスの
高い周辺部に濃縮度の低い燃料を配置するため
集合体平均の中性子無限増倍率が低下する。 () 濃縮度分布をつけるため、平均濃縮度以上
の濃縮度を有する燃料ペレツトが必要となる。
これは、ペレツト最高濃度に制限のある実情で
は、燃料集合体内につめ込めるウラン−235の
原子数の最大値を減少させることになり、取り
出し燃焼度を低下させる。これは、高濃縮度燃
料ペレツトを用いる高燃焼度炉心について好ま
しくない。 また、特開昭54−42588号公報には、燃料集合
体・下部または中央部の燃料ペレツトの密度又は
体積を他の領域の燃料ペレツトの密度又は体積よ
り小さくすることにより、前者の領域における核
分裂性物質の量を、後者の領域の核分裂性物質の
量より少なくし、軸方向出力分布を平坦化できる
燃料集合体が記載されているが、この燃料集合体
においては、過減速状態にある炉心下部の水素対
燃料原子比（Ｈ／Ｕ）がさらに大きくなつて中性
子無限増倍率が低くなり、軸方向の出力分布は改
善されるものの燃料経済性への効果はない。 ところで、燃料集合体周辺部（最外層燃料棒、
以下同じ）と中心部（最外層以外の燃料棒、以下
同じ）の平均濃縮度の比をパラメータとする中性
子無限増倍率・燃料集合体周辺部燃料棒平均出力
（燃料棒１本あたり）対燃料棒平均出力比（以下
燃料集合体周辺部出力割合と略記する。）をそれ
ぞれ第３図、第４図に示す。ここで燃料集合体の
平均濃縮度（最外層燃料棒の濃縮度の平均値に対
するそれ以外の燃料棒の濃縮度の平均値の比、以
下同じ）を同じにし、集合体中心部と周辺部の平
均濃縮度比を小さくする（濃縮度分布を平坦にす
る）ことを考えると、集合体中心部で燃え残るウ
ラン−235量が減少するだけでなく、インポータ
ンスの高い燃料集合体周辺部に濃縮度の高い燃料
を配置することで集合体平均の中性子無限増倍率
が上昇する。これは、中性子スペクトルが硬い
（ウラン−235濃縮度増加に対して中性子無限増倍
率上昇の感度が小さい）集合体中心部の濃縮度を
できるだけ低く、逆に中性子スペクトルが軟かい
集合体周辺部の濃縮度をできるだけ高くしてウラ
ン−235への中性子吸収効率を向上させることで
ある。しかし、濃縮度分布を平坦にしていくと燃
料集合体周辺部出力割合が単調に増加し、局所出
力ピーキング係数が悪化する。また核分裂反応の
割合が大きい集合体周辺部の濃縮度が高くなつた
ため、中性子平均エネルギーが上昇し、制御棒価
値の低下・ガドリニア反応度価値の低下・出力係
数の増大という問題が生じる。 また、特開昭53−109089号公報記載の発明は燃
料集合体の出力密度分布を均一化するために、中
空ペレツトの採用を提案しているが、中空ペレツ
トにおいては、中空度が大きくなると中性子の共
鳴吸収が増加するという欠点がある。 本発明はこのような事情に着目してなされたも
ので、直接濃縮度に差を設けることなく燃料集合
体の核的非均質性を有効に利用するようにして、
ウラン235の燃焼を効果的に行わせ、全体出力の
平坦化及び資源の効率的な消費が図れる燃料集合
体を提供することを目的とする。 〔課題を解決するための手段〕 上記の目的は、一定領域内に集合した一群の燃
料棒を有し、原子炉の炉心部の冷却材中に装荷さ
れる原子炉用燃料集合体において、該燃料集合体
の最外層燃料棒を除く燃料棒の平均濃縮度と前記
最外層燃料棒の平均濃縮度の比を1.0を越えて
1.25までの値とし、前記最外層の燃料棒のペレツ
トの単位体積中の二酸化ウラン重量の平均値を、
それ以外の燃料棒のペレツトの単位体積中の二酸
化ウラン重量の平均値よりも低くしたことを特徴
とする燃料集合体により達成される。 〔作用〕 燃料集合体周辺部と中心部のペレツト平均密度
の比をパラメータとする中性子無限増倍率・燃料
集合体周辺部燃料棒出力割合をそれぞれ第５図、
第６図に示している。従来よりも集合体周辺部の
ペレツト平均密度を下げることによつて周辺部の
Ｈ／Ｕは上昇する。この場合、第２図から明らか
なように、燃料集合体周辺部では、Ｈ／Ｕが上昇
すると水の中性子吸収効果が大きくなり、熱中性
子利用率が低くなる。その結果中性子無限増倍率
は、集合体周辺部のペレツト単位体積中の二酸化
ウラン重量の平均値（以下ペレツト平均密度とい
う）を下げない場合よりも低下する。しかし、集
合体周辺部で熱化された中性子が集合体中心部に
流入して、中心部の中性子平均エネルギーを低下
させるため、集合体中心部の中性子無限増倍率が
上昇し、燃料集合体全体として中性子無限増倍率
の低下は、わずかである。一方、集合体周辺部燃
料棒出力割合は、上述した中性子無限増倍率の効
果及び集合体周辺部でペレツト平均密度を低下さ
せることによつて、ウラン−235の量が減少した
効果で大きく減少させることができる。また、原
子炉を臨界状態に保つためには、中性子無限増倍
率を1.00以上にする必要があるので、燃料集合体
中心部の燃料棒の平均濃縮度と燃料集合体周辺部
の燃料棒の平均濃縮度との比は、1.4以下でなけ
ればならない。この条件を踏まえて、燃料集合体
中心部の燃料棒の平均濃縮度と燃料集合体周辺部
の燃料棒の平均濃縮度との比を1.0を越えて1.25
までの値に平坦化することにより、第３図に示さ
れるように中性子無限増倍率は増加し、取出し燃
焼度は上昇する。しかし、それらの燃料棒の平均
濃縮度の比が1.25以下になると、局所出力ピーキ
ング係数が著しく悪化する。これは、第４図の実
線の特性からも明らかなように、燃料集合体中心
部の燃料棒の平均濃縮度と燃料集合体周辺部の燃
料棒の平均濃縮度との比が1.25以下になると、そ
の比が1.25よりも大きい場合と比較して、燃料集
合体周辺部における燃料棒の出力割合の増加率が
著しく増加する。このため、前述のように、燃料
集合体周辺部のペレツト平均密度を中心部のそれ
よりも低くすることにより、燃料集合体中心部の
燃料棒の平均濃縮度と燃料集合体周辺部の燃料棒
の平均濃縮度との比が1.25以下での局所出力ピー
キング係数の著しい悪化を中性子無限増倍率を下
げることなく改善できる。燃料集合体中心部の燃
料棒の平均濃縮度と燃料集合体周辺部の燃料棒の
平均濃縮度との比が1.25よりも大きい場合に周辺
部のペレツト平均密度を中心部のそれよりも低く
すると、周辺部におけるウラン−235の量が少な
くなりすぎ、熱化された中性子の中心部への流入
量の減少度合が著しく大きくなる。従つて、燃料
集合体中心部の燃料棒の平均濃縮度と燃料集合体
周辺部の燃料棒の平均濃縮度との比を、1.0を越
えて1.25までの値に平坦化し、燃料集合体周辺部
のペレツト平均密度を中心部のそれよりも低くす
ることにより、周辺部から中心部への熱化された
中性子の流入量が増大し、中心部における中性子
無限増倍率が上昇する。これは、燃料集合体の周
辺部と中心部におけるウランの燃焼均一化につな
がり、燃料経済性を向上させる。また、本発明
は、燃料集合体横断面における濃縮度分布の平坦
化により生じる局所ピーキングの悪化を改善で
き、出力の平坦化にも寄与する。更に、周辺部の
ペレツト平均密度を下げることで集合体平均の
Ｈ／Ｕが増加するため、中性子平均エネルギーが
低下し、制御棒価値・ガドリニア反応度価値のの
増加及び出力係数の減少が実現できる。これは、
高濃縮度燃料を用いる高燃焼度炉心に有効である
ばかりか、従来の炉心においても安定性のよい炉
心を実現することができる。Ｈ／Ｕと制御棒価値
及びボイド係数・ガドリニア反応度価値の関係を
それぞれ第７図、第８図に示す。 また発明者らの知見によれば、燃料ペレツト中
の238Uによる中性子の共鳴吸収の確率を示す共
鳴積分値は、燃料ペレツトを中空ペレツトとして
見かけの二酸化ウラン密度を低減させる場合は、
中空度の増加と共に幾何級数的に増加する。しか
し本願発明のごとく燃料ペレツトを中空とするこ
となく二酸化ウランの密度を低減する場合は、共
鳴積分値の増加は算術級数的な増加であつて、中
空ペレツトの場合に比べて密度低減に伴う中性子
共鳴吸収の確率増加の度合が少ない。 以上の方法で得られた燃料集合体は、燃料集合
体平均濃縮度を上昇させることも、局所出力ピー
キング係数を悪化させることもなく、炉心装荷燃
料を減少させることができると共に中性子の有効
利用により、燃料棒の寿命が長くなる。必要天然
ウラン量・作業分離単位（以下SWUと略記する）
及び再処理量の減少が実現できる。 〔実施例〕 以下、具体的実施例について説明する。 実施例 １ 本実施例は、一般的な８×８燃料集合体に本発
明を適用したものである。まず、比較のため、第
９図によつて従来の燃料集合体の横断面を示して
いる。１は燃料棒、３Ａは冷却材領域、２はチヤ
ンネルボツクス、１１はロツド、４は制御棒であ
る。燃料棒１内に夫々示した数字６……10は濃縮
度の異なる燃料棒を示し、表１に６から10までの
濃縮度を示す。

【表】 また、第１０図は本実施例の燃料集合体の横断
面を示している。燃料棒１としては12〜17で示さ
れる種類のものを使用する。各燃料棒１の濃縮
度、ペレツト平均密度を表２に示す。この集合体
３は従来の集合体中心部の濃縮度の0.9倍にし、
集合体平均濃縮度を一定にした。１８は水ロツド
を示す。表３に本実施例による燃料集合体30周辺
部と中心部の平均濃縮度と平均ペレツト密度をそ
れぞれ従来値と比較して示す。

【表】

【表】 燃料集合体中心部と周辺部の濃縮度比を従来の
1.4から1.1にすることで燃料初期の中性子無限増
倍率が役0.8％上昇する。その結果、取り出し燃
焼度が延び、ウラン装荷量が少なくても集合体出
力が従来値と同じになる。一方、局所出力ピーキ
ング係数は集合体周辺部と中心部とでペレツト平
均密度を10％変化させることにより従来と同じ程
度にできる。表４に本実施例の単位出力あたりの
ウラン装荷量、必要天然ウラン量、SWU、制御
棒価値、ボイド係数を従来値を１とした時の値で
示す。

【表】 実施例 ２ 本実施例も、一般的燃料集合体に本発明を適用
したものである。第１１図に本実施例の燃料集合
体の横断面を示す。燃料棒としては19〜24で示さ
れる種類のものが使用される。各燃料の濃縮度、
ペレツト平均密度を表５に示す。水ロツトは用い
ない。 本実施例における燃料集合体中心部と周辺部の
平均濃縮度比は1.25である。

【表】 本実施例は、ボイド係数の減少及び局所出力ピ
ーキング係数の平坦化を集合体周辺部のペレツト
平均密度を中心部のそれよりも10％低くすること
で実現し、そのかわり従来その動きをしていた水
ロツドを燃料棒にかえることを可能にした。その
結果、実施例１よりも燃料集合体数を約４％減少
できることになる。表６に本実施例の単位出力あ
たりのウラン装荷量、必要天然ウラン量、SWU、
制御棒価値、ボイド係数を従来値を１とした時の
値で示す。

【表】 実施例 ３ 本実施例は、燃料集合体平均濃縮度約５重量％
の高燃焼度炉心用燃料集合体に適用したものであ
る。使用ペレツト最高濃縮度の制限を5.5重量％
とした燃料集合体の場合、表７に示す濃縮度分布
により集合体平均濃縮度が5.1w／ｏとなる。

【表】 一方、本実施例では全ての燃料棒濃縮度を5.1
重量％とし（集合体中心部と周辺部の平均濃縮度
の比は１となる）、ペレツト平均密度に関しては
集合体周辺部のペレツト平均密度の平均値を中心
部のそれよりも15％低くしている。この結果、燃
料集合体局所出力ピーキング係数を悪化させるこ
となく、集合体出力を表７の濃縮度分布のある場
合と同様にでき、単位出力あたりの必要天然ウラ
ン量・ウラン量・SWUをそれぞれ約２％（表７
の濃縮度分布のある場合と比較して）減少でき
る。 以上の実施例によれば、使用するペレツト濃縮
度が１種類でも局所出力ピーキング係数を従来値
と同様にできることが分かる。したがつて使用ペ
レツト最高濃縮度に制限がある場合、本発明によ
り集合体平均濃縮度を最大にできる。そして、全
ての燃料棒濃縮度を制限値である5.5重量％とし
た場合、取り出し燃焼度を約3GWd／st延長させ
ることができる。これはサイクル期間で約２ケ月
の延長になる。表８に、単位出力あたりのウラン
装荷量、必要天然ウラン量、SWUを表７の濃縮
度分布のある集合体の場合を１とした時の値で示
す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、集合体中心部と周辺部の
燃料棒の平均濃縮度の比を1.0〜1.25として濃縮
度分布を平坦化し、周辺部のペレツト平均密度の
平均値を中心部のそれより低くするという簡単な
構成によつて、共鳴吸収による中性子の過大の損
失を招くことなく燃料集合体中心部に位置する核
分裂性物質の燃え残りを著しく減少できる。この
ため、燃料集合体内における核分裂性物質の有効
利用が図れ、燃料経済性が向上し燃料集合体の寿
命が長くなる。また、周辺部の平均濃縮度の増大
による局所出力ピーキング係数の悪化を改善で
き、出力の平坦化も可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の燃料集合体の水平断面図、第
２図は中性子無限増倍率の対Ｈ／Ｕ傾向を示す特
性図、第３図は集合体中心部対周辺部の濃縮度比
と中性子無限増倍率との関係を示す特性図、第４
図は同濃縮度比と燃料棒出力割合との関係を示す
特性図、第５図〜第１１図は本発明の実施例を示
すもので、第５図は集合体中心部対周辺部のペレ
ツト平均密度比と中性子無限増倍率との関係を示
す特性図、第６図は同濃縮度比と集合体周辺部燃
料棒出力割合との関係を示す特性図、第７図は制
御棒価値及びボイド係数対Ｈ／Ｕ傾向を示す特性
図、第８図はガドリニア反応度価値対Ｈ／Ｕ傾向
を示す特性図、第９図は従来型燃料集合体を示す
横断面図、第１０図及び第１１図は夫々本発明の
実施例１を示す図、第１１図は実施例２を示す
図。 １……燃料棒、３……燃料集合体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一定領域内に集合した一群の燃料棒を有し、
   原子炉の炉心部の冷却材中に装荷される原子炉用
   燃料集合体において、該燃料集合体の最外層燃料
   棒を除く燃料棒の平均濃縮度と前記最外層燃料棒
   の平均濃縮度の比を1.0を越えて1.25までの値と
   し、前記最外層の燃料棒のペレツトの単位体積中
   の二酸化ウラン重量の平均値を、それ以外の燃料
   棒のペレツトの単位体積中の二酸化ウラン重量の
   平均値よりも低くしたことを特徴とする燃料集合
   体。