JPH0415436B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は沸騰水形原子炉等の初装荷炉心に関す
る。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 一般に沸騰水形原子炉の燃料および炉心は第１
図ないし第３図に示す如く構成されている。第１
図には燃料棒１を示す。図中２はジルコニウム合
金製の燃料被覆管であつて、その上端部および下
端部は上部端栓３および下部端栓４によつて密閉
されている。そして、この燃料被覆管２内には酸
化ウランの粉末を焼結した短円柱状の燃料ペレツ
ト５…が充填されている。このように構成された
燃料棒１…は第２図に示す如く８行８列の格子状
に配列されて所定の間隙をもつて束ねられ、この
燃料棒１…の束は断面略正方形のチヤンネルボツ
クス６内に収容され、燃料集合体７が構成され
る。そして、第３図に示す如く上記燃料集合体７
…は断面十字形の制御棒８…の周囲に４体ずつ装
荷されて単位格子９…を構成し、これら単位格子
９をさらに格子状に配列して平面形状が略円形に
近い炉心が構成される。この炉心は原子炉圧力容
器内に収容されている。この原子炉圧力容器内に
は軽水すなわち減速材を兼用する冷却材が収容さ
れ、この冷却材は炉心の燃料集合体７…のチヤン
ネルボツクス６…内を通つて循環され、燃料ペレ
ツト５…内の核分裂によつて発生する熱により加
熱されて沸騰し、水と蒸気の二相流となつて炉心
から流出し、この蒸気をタービン等に送るように
構成されている。また、上記冷却材は前述の如く
減速材を兼用しており、核分裂によつて発生した
高速中性子を減速して熱中性子とし、この熱中性
子によつて次の核分裂反応を維持するように構成
されている。また、炉心の出力制御は制御棒８…
の挿入、引抜によつて炉心の反応度を調整してお
こなうとともに炉心を通過する冷却材の流量を変
えることによつて炉心内の蒸気泡の量すなわちポ
イド率を変え、炉心内に存在する冷却材すなわち
減速材の量を変えることにより中性子の減速作用
を調整し、これによつて炉心の反応度の調整をお
こなう。なお、前記燃料集合体７の中心部には内
部に軽水すなわち減速材を収容した複数本のウオ
ータロツド１０，１０を燃料棒１…の代りに配置
し、この燃料集合体７の中心部における中性子の
減速作用を大きくし、燃料集合体７内の出力分布
を均一化するように構成されている。 ところで、上記の燃料集合体７…は３〜４年間
にわたつて炉心内で燃焼させることができるもの
であるが、燃料の交換は１年毎の定期点検の際に
全燃料集合体７…の1/3〜1/4の燃料集合体７…を
交換してゆく。したがつて、原子炉を建設して全
て新燃料集合体を装荷した状態すなわち初装荷炉
心の状態から数年間運転をおこなうと炉心内には
たとえば３年間燃焼された燃料集合体、２年間燃
焼された燃料集合体、１年間燃焼された燃料集合
体、新たな装荷された新燃料集合体がそれぞれ1/
４ずつ均等に存在するいわゆる平衡炉心の状態と
なり、以降は燃料交換毎に最も古い燃料集合体を
新燃料集合体と交換してゆけばこの一定の平衡炉
心の状態が維持される。 しかし、このようなものでは初めの数年間たと
えば最初の燃料交換の際には１年間しか燃料され
ていない燃料集合体が炉心から取り出されて新燃
料集合体と交換されることになり、経済的な無駄
が大きくなる不具合を生じる。このため、初装荷
炉心に装荷される燃料集合体は交換されるまでの
期間に対応して燃料集合体のウラン235等の核分
裂物質の濃度を変え、短期間で交換される燃料集
合体については核分裂物質の濃度を低くして経済
性の向上を図ることがなされている。しかし、核
分裂物質の濃度をあまり低下すると必要な反応度
が得られなくなるので、核分裂物質の濃度をあま
り低下させることはできない。また、一部の燃料
集合体の核分裂物質の濃度を低下させると炉心全
体の核分裂物質の平均濃度が低下するので、これ
を補償するため他の燃料集合体の核分裂物質の濃
度を上げなければならない。また、核分裂物質の
濃度を低くすると燃焼の進行が緩やかとなり、燃
料を効率的に燃焼させることができなくなる。し
たがつて、短期間で交換される燃料集合体の核分
裂物質の濃度を低下させても上記の理由により経
済性をあまり向上するとができなかつた。 〔発明の目的〕 本発明は以上の事情にもとづいてなされたもの
で、その目的とするところは燃料を効率的に燃焼
させることができ、経済性を向上させることがで
きる原子炉の初装荷炉心を提供することにある。 〔発明の概要〕 本発明は複数の燃料集合体を装荷して炉心を構
成し、燃料交換時毎に上記燃料集合体を一部ずつ
交換するものにおいて、上記燃料集合体の核分裂
物質の濃度および減速材対燃料比をその燃料集合
体が交換させるまでの期間に対応して設定し、装
荷から燃料交換までの期間の短い燃料集合体につ
いてはその核分裂物質の濃度を低くするとともに
減速材対燃料比を大きくし、装荷から燃料交換ま
での期間が長い燃料集合体についてはその核分裂
物質の濃度を高くするとともに減速材対燃料比を
小さくしたものである。したがつて、短期間で交
換される燃料集合体ではその減速材対燃料比を大
きくしたので中性子の減速作用が大となり、反応
度が大きくなる。よつての短期間で交換される燃
料集合体の核分裂物質の濃度を充分に低くするこ
とができるとともに他の燃料集合体の核分裂物質
の濃度を高くする必要もない。さらに、この短期
間で交換される燃料集合体では中性子の減速作用
が大であるため燃焼の進行度合が大きくなり、交
換されるまでの短期間のうちに核分裂物質を効率
的に燃焼させることができ、燃料の経済性を大幅
に向上させることができるものである。 〔発明の実施例〕 以下第４図ないし第１３図を参照して本発明の
第１実施例を説明する。この第１実施例は沸騰水
形原子炉の炉心に本発明を適用した場合のもので
ある。第１図には燃料棒１１の構成を示す。図中
１２はジルコニウム合金製の燃料被覆管であつ
て、その上端部および下端部は上部端栓１３およ
び下部端栓１４によつて密封されている。そし
て、この燃料被覆管１２内には酸化ウランの粉末
を焼結した短円柱状の燃料ペレツト１５…が充填
されている。このように構成された燃料棒１１…
は第５に示す如く８行８列の格子状に配列されて
所定の間隔をもつて束ねられ、その燃料棒１１…
の束は断面正方形のチヤンネルボツクス１６内に
収容され、燃料集合体１７が構成される。そし
て、第６図に示す如く上記の燃料集合体１７…は
断面十字形の制御棒１８…の周囲に４体ずつ装荷
されて単位格子１９…を構成し、これら単位格子
１９…をさらに格子状に配列して第７図に示す如
く平面形状が略円形に近い炉心が構成される。な
お、第７図中ひとつのます目はひとつの燃料集合
体１７…を示す。このように構成された炉心は原
子炉圧力容器（図示せず）内に収容される。この
原子炉圧力容器内には軽水すなわち減速材を兼用
する冷却材が収容され、この冷却材は炉心の燃料
集合体１７…のチヤンネルボツクス１６…内を通
つて循環され、燃料ペレツト１５…内の核分裂反
応によつて発生する熱により加熱されて沸騰し、
水と蒸気の二相流となつて炉心から流出し、この
蒸気をタービン等に送つてこれを駆動するように
構成されている。また、上記冷却材は前述の如く
減速材を兼用しており、核分裂によつて発生した
高速中性子を減速して熱中性子とし、この熱中性
子によつて次の核分裂反応を維持するように構成
されている。また、炉心の出力制御は制御棒１８
…の挿入、引抜によつて中性子の吸収量を変え、
炉心の反応度を調整しておこなうとともに炉心を
通過する冷却材の流量すなわち炉心流量を変える
ことによつて炉心内の蒸気泡の量すなわちポイド
率を変え、炉心内に存在する冷却材すなわち減速
材の量を変えることにより中性子の減速作用を調
整し、これによつて炉心の反濃度の調整をおこな
う。 また、このような炉心に装荷された燃料集合体
１７…は炉心の中心部については燃料交換の際に
１／４ずつ交換され、また周辺部については燃料交
換の際に1/6ずつ交換される。したがつて、中心
部の燃料集合体１７…は４炉心年（燃料交換から
次の燃料交換までの約１年間を１炉心年と称す
る）の間炉心内に滞在し、また周辺部の燃料集合
体１７…は６炉心年の間炉心内に滞在する。ただ
し、初装荷炉心から平衡炉心に達するまでの期間
においては１炉心年、２炉心年、３炉心年、４炉
心年で交換される燃料集合体１７…がそれぞれ1/
４ずつあり、また周辺部では１炉心年、２炉心年、
３炉心年、４炉心年、５炉心年、６炉心年で交換
される燃料集合体１７…がそれぞれ1/6ずつある。
なお、第７図の各ます目すなわち燃料集合体１７
…内に記された数字はその燃料集合体の炉心内滞
在炉心年を示す。 そして、この初装荷炉心において装荷されてい
る燃料集合体１７…は装荷から交換されるまでの
期間すなわち滞在炉心年数に対応してウラン235
等の核分裂物質の濃度および減速材対燃料比が異
なるように設定されている。すなわち、核分裂物
質の濃度は滞在炉心年数が１炉心年の燃料集合体
１７…が最も低く、滞在炉心年数が２炉心年、３
炉心年、４炉心年の燃料集合体１７…の順に核分
裂物質の濃度が高くなる。なお、滞在炉心年数が
５炉心年以上の燃料集合体１７…についてはその
核分裂物質濃度は滞在炉心年数が４炉心年の燃料
集合体１７…と同じである。また、減速材対燃料
比すなわち燃料集合体１７…の占める体積から燃
料ペレツト１５…の体積を差引いた体積を燃料ペ
レツト１５…の体積で除した値は滞在炉心年数が
短かくなる程大きく設定され、滞在炉心年数が１
炉心年の燃料集合体１７…で減速材対燃料比が最
も大きく、滞在炉心年数が２炉心年、３炉心年、
４炉心年の燃料集合体１７…の順にその減速材対
燃料比が小さくなつてゆく。なお、滞在炉心年数
が５炉心年以上の燃料集合体１７…ではその減速
材対燃料比は滞在炉心年数が４炉心年の燃料集合
体１７…と同様である。また、この第１実施例で
は燃料集合体１７…の燃料棒１１…の径を変える
ことによつて減速材対燃料比を変えるように構成
されている。すなわち、第８図は滞在炉心年数が
１炉心年の燃料集合体１７を示し、この燃料集合
体１７では燃料棒１１…すなわち燃料ペレツトの
径を最も細径とすることによつて減速材対燃料比
が最も大きくなるように構成されている。また、
第９図、第１０図、第１１図はそれぞれ滞在炉心
年数が２炉心年、３炉心年、４炉心年以上の燃料
集合体１７…を示し、燃料棒１１…の径が順次大
きくなり、減速材対燃料比が順次大きくなるよう
に構成されている。 上述の如き本発明の第１実施例は、滞在炉心年
数の短かい燃料集合体１７…では減速材体燃料比
を大きくしたので、中性子の減速作用が大きく、
核分裂物質の濃度が低くても反応度を大きくする
ことができる。よつて、滞在炉心年数の短かい燃
料集合体１７…における核分裂物質の濃度を充分
に低くするとができる。また、滞在炉心年数の短
かい燃料集合体１７…の核分裂物質の濃度を低下
させても反濃度は確保できるので、滞在炉心年数
の長い燃料集合体１７…の核分裂物質の濃度を高
くして炉心全体の反応度低下を補償する必要はな
い。なお、第１２図には減速材対燃料比αに対す
る反応度k_∞の特性を示し、第１２図中のＡは核
分裂物質の濃度εが低い場合、Ｂは核分裂物質の
濃度εが高い場合を示し、またＣは一般的な燃料
集合体の減速材対燃料比の領域を示す。この第１
２図から明らかなように一般的な燃料集合体にお
ける減速材対燃料比の領域あるいはその近傍の領
域では減速材対燃料比αが大きくなるに従つて反
応度k_∞も大となるものである。 また、減速材対燃料比αが大きくなると燃焼の
進行度合が大きくなる。第１３図には燃焼度Ｅに
対する反応度k_∞の変化を示し、図中Ｄは減速材
対燃料比αが大きな場合、Ｆは減速材材燃料比α
が小さな場合を示す。この第１３図から明らかな
ように減速材対燃料比αが大きな場合には燃焼が
急速に進行するため、燃焼度Ｅに対する反応度
k_∞の低下が大きい。よつて滞在炉心年数の短か
い燃料集合体１７…の減速材対燃料比αを大きく
すれば、この燃料集合体１７…が交換されるまで
の短期間に効率的に燃焼をおこなうことができ
る。また、滞在炉心年数の長い燃料集合体１７…
では燃焼度Ｅに対する反応度k_∞の低下が少なく、
長期間にわたる炉心の反応度の変化を少なくする
ことができる。さらに、滞在炉心年数の長い燃料
集合体１７…では減速材対燃料比αが小さいた
め、減速されない高速中性子が親物質であるウラ
ン238に捕獲され、このウラン238が核分裂物質で
あるプルトニウム239に変換される割合が大きく
なる。よつて滞在炉心年数の長い燃料集合体１７
…ではプルトニウム239が多く生成され、このプ
ルトニウム239が燃焼後期において燃焼するので
燃料の経済性が一層向上する。 なお、各燃料集合体１７…の減速対材燃料比α
等はその滞在炉心年数に対応して燃料が最も経済
的に燃焼されるように設定される。この燃料を最
も経済的に燃焼させるには装荷時から取出時まで
の反応度の積分値K_∞を原子炉の自己制御性を損
なわない範囲で長となるように、すなわち K_∞＝^max〓∫^Ed _E0k_∞（Ｅ、α）dE が最大となるように設定すればよい。なお、ここ
で Ｅ：燃焼度 α：減速材対燃料比 E₀：燃料集合体の装荷時の燃焼度 E_d：燃料集合体の取出時の燃焼度 k_∞：燃料集合体の原子炉内での反応度 である。 なお、本発明は上記の第１実施例には限定され
ない。 たとえば第１４図ないし第１７図には本発明の
第２実施例の燃料集合体を示す。この第２実施例
では燃料集合体１７…の燃料棒１１…の径はそれ
ぞれ等しいものとし、滞在炉心年数が１炉心年の
燃料集合体１７については第１４図に示す如く内
部に冷却材すなわち減速材を収容したウオータロ
ツド２０…を８本装荷し、また滞在炉心年数が２
炉心年のものについては第１５図に示す如くウオ
ータロツド２０…を４本装荷し、また滞在炉心年
数が３年の燃料集合体１７については第１６図に
示す如くウオータロツド２０…を２本装荷し、さ
らに滞在炉心年数が４炉心年以上の燃料集合体１
７では第１７図に示す如くウオータロツドを装荷
しない等、ウオータロツド２０…の本数を変える
ことにより燃料集合体１７…の減速材対燃料比を
変えたものである。さらに、本発明は沸騰水形原
子炉には限定されず、その他の軽水炉等、熱中性
子良一般に適用できるものである。 〔発明の効果〕 上述の如く本発明は複数の燃料集合体を装荷し
て炉心を構成し、燃料交換時毎に上記燃料集合体
を一部ずつ交換するものにおいて、上記燃料集合
体の核分裂物質の濃度および減速材対燃料比をそ
の燃料集合体が交換されるまでの期間に対応して
設定し、装荷から燃料交換までの期間の短い燃料
集合体についてはその核分裂物質の濃度を低くす
るとともに減速材対燃料比を大きくし、装荷から
燃料交換までの期間が長い燃料集合体については
その核分裂物質の濃度を高くするとともに減速材
対燃料比を小さくしたものである。したがつて、
短期間で交換される燃料集合体ではその減速材対
燃料比を大きくしたので中性子の減速作用が大と
なり、反応度が大きくなる。よつてこの短期間で
交換される燃料集合体の核分裂物質の濃度を充分
に低くすることができるとともに他の燃料集合体
の核分裂物質の濃度を高くする必要もない。さら
に、この短期間で交換される燃料集合体では中性
子の減速作用が大であるため燃焼の進行度合が大
きくなり、交換されるまでの短期間のうちに核分
裂物質を効率的に燃焼させることができ、燃料の
経済性を大幅に向上させることができる等、その
効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は従来例を示し、第１図は
燃料棒の縦断面図、第２図は燃料集合体の概略的
な平面図、第３図は炉心の一部の概略的な平面図
である。第４図ないし第１３図は本発明の第１実
施例を示し、第４図は燃料棒の縦断面図、第５図
は燃料集合体の概略的な平面図、第６図は炉心の
一部の概略的な平面図、第７図は炉心の模式的な
平面図、第８図ないし第１１図は燃料集合体の概
略的な平面図、第１２図は減速材対燃料比と反応
度との関係を示す線図、第１３図は燃焼度と反応
度との関係を示す線図である。第１４図ないし第
１７図は本発明の第２実施例の燃料集合体の概略
構成図である。 １１……燃料棒、１２……燃料被覆管、１５…
…燃料ペレツト、１６……チヤンネルボツクス、
１７……燃料集合体、１８……制御棒、２０……
ウオータロツド。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の燃料集合体を装荷して炉心を構成し、
   燃料交換時毎に上記燃料集合体を一部ずつ交換す
   るものにおいて、上記燃料集合体の核分裂物質の
   濃度および減速材対燃料比をその燃料集合体が交
   換されるまでの期間に対応して設定し、装荷から
   燃料交換までの期間の短い燃料集合体については
   その核分裂物質の濃度を低くするとともに減速材
   対燃料比を大きくし、装荷から燃料交換までの期
   間が長い燃料集合体についてはその核分裂物質の
   濃度を高くするとともに減速材対燃料比を小さく
   したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。