JPH0331794A - 沸騰水型原子炉 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲと称す）に係り、
特に平均濃縮度を異にする複数種類の燃料集合体により
初装荷炉心が構成されるＢＷＲの燃料集合体に関する。

（従来の技術） 一般に、ＢＷＲの炉心は、ｎ行〜ｎ列に配置した複数本
の燃料棒からなる燃料集合体を、正方状に配列して構成
されている。そして、旧来は、通常、すべて同一形状の
燃料集合体を用いて炉心を構成している。

一方、近年では、燃料サイクルコストの改浮のため、初
装荷炉心において、平均濃縮度の異なる複数種類の燃料
集合体を用いて炉心を構成し、第１サイクル終了時点で
は、最も濃縮度の低い燃料集合体を取出し、サイクルが
進む毎に、濃縮度の高い燃料集合体を取出していく方法
が採られている。

ところで、この種の初装荷炉心において、平均濃縮度の
最も高い燃料集合体は、初期過剰反応度を抑え、出力ビ
ーキングが大きくならないようにする必要があるため、
他の相対的に濃縮度の低い燃料集合体よりも、燃料棒に
より多くの可燃性毒物を含有させるようにしている。

（発明が解決しようとする課題） 前記従来のＢＷＲにおいては、平均濃縮度の最も高い燃
料集合体の燃料棒に、より多くの可燃性毒物を含有させ
るようにしているため、第１サイクル末期で可燃性毒物
の燃え残りが生じ、燃料経済性の上から好ましくない。

また、燃料に倉入する可燃性毒物を減らすと、出力ビー
キングが大きくなり、最大線出力密度、ＭＣＰＲ等の熱
的制限値の運転裕度が小さくなるので、燃料の高濃縮度
化（高燃焼度化）を妨げ好ましくない。

また、熱的裕度の確保のため、燃料集合体の燃料棒本数
を一律に増やすと、平均濃縮度の低い燃料集合体につい
ては、過度の無駄な設計余裕が生じ、かつ燃料棒１本当
りの製造コストが嵩むという問題がある。

また、第１サイクルを終了し、第２サイクルでの燃料交
換は、反応度の低い、すなわち初期濃縮度の低い燃料集
合体を取出し、高濃縮度燃料と基本的に同一使用の新燃
料が装荷される。そして今後、高燃焼度化に対応し、取
替燃料は、従来の８×８型から９×９型に移行する傾向
にあるが、取替燃料として、９×９型燃料が装荷された
場合には、サイクル初期で最も出力の高い燃料が、８×
８型、９×９型の両方にあられれ、形状の相違による流
動特性の相違が問題となる。

本発明は、このような点を考慮してなされたもので、燃
料の運転裕度および燃料の製造性を損なうことなく、燃
料の高燃焼度化および運転の長期化が可能となり、しか
も燃料の流量配分の不整合による熱的余裕の減少、アン
バランスが生じない沸騰水型原子炉を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、前記目的を達成する手段として、平均濃縮度
を異にする複数種類の燃料集合体で構成される初装荷炉
心を備えた沸騰水型原子炉において、平均濃縮度の最も
高い燃料集合体を構成する燃料集合体１体当りの燃料棒
本数を、少なくとも平均濃縮度の最も低い燃料集合体を
構成する燃料集合体１体当りの燃料棒本数よりも多くす
るようにしたことを特徴とする。

（作　用） 本発明に係る沸騰水型原子炉においては、平均濃縮度の
最も高い燃料集合体を構成する１体当りの燃料棒本数が
、少なくとも平均濃縮度の最も低い燃料集合体のそれよ
りも多くなっている。このため、燃料棒本数が多い分、
実効熱伝達面積が増加し、燃料の熱的余裕が向上する。

したがって、その分可燃性毒物の倉入量を減らすことが
でき、運転サイクル末期での反応度が向上し、燃料サイ
クルコスト上有利となる。

また、第１サイクルが終了し、第２サイクルでの取替燃
料は、平均濃縮度のもっとも高い燃料集合体と同一仕様
の燃料集合体が装荷される。このため、燃料の流動特性
が同じになり、流量配分の不整合による熱的余裕の減少
、アンバランスは生じない。

（実施例） 以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第４図を参照
して説明する。

第２図は、燃料の平均濃縮度を異にする３種類の燃料集
合体で構成される沸騰水型原子炉の初装荷炉心を示す断
面図であり、図中、１は低濃縮度燃料、２は中濃縮度燃
料、３は高濃縮度燃料の各燃料集合体を示す。

第１Ａ図〜第１Ｃ図は、前記各燃料集合体の断面図であ
り、図中、符号１は燃料棒、符号２はチャンネルボック
ス、符号３は水ロッドである。これらの各燃料集合体の
うち、低濃縮度燃料および中濃縮度燃料の各燃料集合体
は、第１Ｂ図および第１Ｃ図に示すように、８行８列の
正方格子形状をなしており、また高濃縮度燃料の燃料集
合体は、第１Ａ図のように９行９列の正方格子形状をな
している。

本実施例の場合には、第１Ｂ図および第１Ｃ図に示すよ
うに、８×８型燃料は、ウランベレット人燃料棒１が６
０本、内部を水が流れる大型の水ロッド３が一本で構成
され、また９×９型燃料は、第１Ａ図に示すように同様
の燃料棒１が７２本、水ロッド３が１本で構成されてい
る。

なお、設計条件により８×８型燃料、９Ｘ９型燃料とも
に、水ロッド３の径、本数の設定により、燃料棒１の本
数が増減する格子設計も当然考えられるが、９×９型燃
料の方が、８×８型燃料よりも必ず燃料棒１の本数が多
くなるように設定されでいる。

次に、本実施例の作用について説明する。

８×８型燃料と９×９型燃料との最も大きな相違点は、
実効熱伝達面積である。−例として、燃料棒断面積の総
和および燃料有効長が、８×８型燃料と９×９型燃料と
で等しいと仮定し、かつ燃料棒本数が、第１Ｂ図および
第１Ｃ図に示すように、８×８型燃料では６０本、第１
Ａ図に示すように９×９型燃料では７２本であるものと
する。

ここで、燃料集合体１体当りの実効熱伝達面積をＳ　　
（８Ｘ８型）、Ｓ９　（９×９型）とし、燃料棒径をＤ
　　（８Ｘ８型）、Ｄ９　（９Ｘ９型）とすると、次式
が成立する。

また、両者の燃料棒断面積の総和が等しいと仮定したの
で、 となる。すなわち、９×９型燃料の方が、約１０％実効
熱伝達面積が増加する。したがって、燃料集合体の出力
が８×８型燃料と９×９型燃料とで等しい場合には、限
界出力に代表される燃料の熱的余裕は、９×９型燃料の
方が約１０％大きくなる。換言すれば、９×９型燃料の
方が、８×８型燃料に比べ、約１０％亮い出力でも同等
の熱的余裕が確保できる。

したがって、高濃縮度燃料は、初期の過剰な反応度を抑
えるために、多くの可燃性毒物（例えばガドリニア）を
ベレット内に含入する必要があるが、９Ｘ９型燃料を用
いることにより、可燃性毒物の含入量を軽減でき、運転
サイクル末期での反応度が向上し、燃料サイクルコスト
を低減できる。

すなわち、同一反応度を得るためには、高濃縮度燃料の
濃縮が、９×９型の方が少なくて済むことになる。

なお、低濃縮度燃料は、元来反応度が低いため、初期可
燃性毒物含有量が少ない。したがって、初装荷炉心のサ
イクル初期で熱的に厳しくなることもあるが、その期間
は短く、８×８型燃料でも充分熱的余裕を確保すること
ができる。

一方、第１サイクルが終了した後の第２サイクルでの取
替燃料は、高濃縮度燃料と基本的に同一仕様の燃料が装
荷され、初装荷燃料のうち、初期濃縮度が低く反応度の
低い燃料が取出される。

第２サイクル初期では、初装荷燃料として装荷された燃
料の反応度が最も高いが、燃焼が進むにつれ可燃性毒物
の燃焼により、取替燃料の出力が次第に高くなっていく
。そして、この際、燃料の流動特性が同一であるため、
流量配分の不整合による熱的余裕の減少、アンバランス
が生じることはない。

次に、第２図に示す炉心配置において、全燃料集合体形
状を同一の８×８型にした場合と、本実施例のように最
高濃縮度燃料の燃料棒本数を増やして９Ｘ９型とした場
合の効果の相違について説明する。

第３図は燃焼度に対する高濃縮度燃料の中性子の無限増
倍率の関係を示すもので、図中、実線グラフＡは本実施
例の場合を、また破線グラフＢは従来の場合をそれぞれ
示す。

前述のように、燃料棒本数が多い場合には、熱的余裕が
増加するので、初期過剰反応度を抑えるための可燃性毒
物の含有量を少なくすることができる。したがって、炉
心トータルの余剰反応度は、第４図にグラフＡ、Ｂで示
すように高くなり、サイクル燃焼度も延びて紅済性上、
省資源上有利である。

なお、一般に初装荷炉心は、炉心停止余裕が大きいので
、可燃性毒物の低減は充分可能である。

第５Ａ図〜第５Ｃ図は、本発明の第２実施例を示すもの
で、高濃縮度燃料および中濃縮度燃料の各燃料集合体を
９×９型燃料とし、低濃縮度燃料の燃料集合体のみを８
×８型燃料としたものである。

この場合には、中濃縮度燃料の可燃性毒物の含有量の低
減も可能となり、第１サイクル初期での燃料の熱的余裕
の増大、サイクル長さの延長を図ることができ、燃料経
済性の向上、運転融通性の向上が可能となる。

なお、９Ｘ９型燃料とすることにより、初期製造コスト
が増加するので、９Ｘ９型燃料とするか否かは、設計条
件、すなわちサイクル長さ、取出燃焼度との絡みで決定
する必要がある。

第６Ａ図〜第６Ｃ図は、本発明の第３実施例を示すもの
で、高濃縮度燃料の燃料集合体を９Ｘ９型燃料、中濃縮
度燃料の燃料集合体を８Ｘ８型燃料、低濃縮度燃料の燃
料集合体を７×７型燃料としたものである。

低濃縮度燃料の濃縮度が低く出力が小さい設計条件の場
合は、熱的余裕の観点から、熱伝達面積を多くとる必要
がないので、７×７型燃料のように、燃料棒本数が少な
い燃料でも、充分な熱的余裕を確保することができる。

例えば、平均濃縮度の異なる複数種類の燃料集合体を用
いた初装荷炉心の設計例の一つとして、最外周に天然ウ
ランベレットのみからなる燃料集合体を配置する案が考
えられる。

これは、最外周は、中性子の漏れが大きいので出力が低
く、第１サイクル終了時に取出す場合は、炉心中央領域
の熱的余裕が許す範囲で、可能な限り低濃縮度燃料を配
置した方が、燃料経済性上有利となるためである。

最外周に天然ウラン燃料を配置した場合は、燃料の熱的
余裕が充分大きいので、燃料棒本数を減らした７×７型
燃料の方が製造コストが低くなり、燃料経済性上有利で
ある。

第７Ａ図〜第７Ｃ図は、本発明の第４実施例を示すもの
で、高濃縮度燃料の燃料集合体を９Ｘ９型燃料とすると
ともに、中濃縮度燃料および低濃縮度燃料の各燃料集合
体を８Ｘｇ型燃料で構成し、かつ低濃縮度燃料の燃料集
合体の燃料棒本数を、中濃縮度燃料の燃料集合体の燃料
棒本数よりも多くしたものである。

低濃縮度燃料の燃料集合体の場合、燃料内部での減速を
促す水ロッド３を必要としない場合もあるので、水ロッ
ド３の分だけ、低濃縮度燃料の燃料集合体の燃料棒本数
が、中濃縮度燃料のそれよりも多くなることがある。第
７Ａ図〜第７Ｃ図はこのような場合を示したものである
が、この場合でも、高濃縮度燃料の燃料集合体の燃料棒
本数は、低濃縮度燃料のそれよりも多くなるように設定
されているので、前記各実施例と同様の効果が期待でき
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、初装荷炉心において、平
均濃縮度の最も高い燃料集合体を構成する１体当りの燃
料棒本数を、少なくとも平均濃縮度の最も低い燃料集合
体を構成する１体当りの燃料棒本数よりも多くしている
ので、燃料の運転裕度および燃料の製造性を損なうこと
なく、燃料の高燃焼度化および運転の長期化が可能とな
り、しかも燃料の流量配分の不整合による熱的余裕の減
少、アンバランスが生じることもない。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図〜第１Ｃ図は本発明の第１実施例に係る沸騰水
型原子炉における初装荷炉心の各種類の燃料集合体をそ
れぞれ示す断面図、第２図は初装荷炉心の全体構成を示
す断面図、第３図は燃焼度に対する無限増倍率の関係を
従来のものと比較して示すグラフ、第４図はサイクル燃
焼度と余剰反応度との関係を従来のものと比較して示す
グラフ、第５Ａ図〜第５Ｃ図は本発明の第２実施例を示
す第１図相当図、第６Ａ図〜第６ＣＩＺは本発明の第３
実施例を示す第１図相当図、第７Ａ図〜第７Ｃ図は本発
明の第４実施例を示す第１図相当図であ１ ・・・燃料棒、 ２・・・チャンネルボックス、 ３・・・水ロッド。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平均濃縮度を異にする複数種類の燃料集合体で構成され
   る初装荷炉心を備えた沸騰水型原子炉において、平均濃
   縮度の最も高い燃料集合体を構成する燃料集合体１体当
   りの燃料棒本数を、少なくとも平均濃縮度の最も低い燃
   料集合体を構成する燃料集合体１体当りの燃料棒本数よ
   りも多くしたことを特徴とする沸騰水型原子炉。