JPH04208898A - 原子炉燃料集合体 - 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】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は、原子炉燃料集合体に係
り、特に燃料経済性とスクラム特性がともに向上した沸
騰水型原子炉用燃料集合体に関する。 ［０００２］ 【従来の技術】沸騰水型原子炉の炉心では、炉心下部か
ら上方に向かう冷却材の流れに沿って冷却材中にボイド
が発生するために、減速材の密度は炉心下部で大きく上
部で小さくなる。このために出力ビーキングが炉心下部
に生じやすく、これを低減することがこれまでの重要な
課題であった。ところが近年では、燃料要素の熱的・機
械的強度の向上に伴ない、出力ビーキングの許容範囲内
で、発電コスト低減のために燃料経済性を向上させるこ
とが要求されるようになってきた。この点からみると、
前記した炉心上下方向の減速材密度分布を燃料経済性の
向上に利用することができる。すなわち、運転の１サイ
クルにおいて、初期から中期にかけては出力分布を下方
ピークで運転し、末期には出力分布を上方ピークとする
。これにより、運転中には燃料上部のウラン２３５の燃
焼を抑制するとともにプルトニウムを蓄積し、末期にお
いては燃料上部に十分残っているウラン２３５と蓄積し
たプルトニウムを効率的に燃焼させることができる。 ［０００３］このような効果を十分に発揮するために提
案された燃料集合体は、例えば特開昭５’８−１９６４
８３号公報に示されており、このような燃料集合体の構
成を、第１の従来例として図８に示す。この燃料集合体
は、上部のウラン濃縮度を下部よりも大きくし、かつ可
燃性毒物であるガドリニア（Ｇｄ）を含有する燃料棒の
本数を、上部で下部よりも多くしている。このように構
成することにより、図２に第１の従来例として示すよう
に、出力ピークの制御値（この例では１．４）の範囲内
において、サイクル末期の軸方向出力分布を、十分上方
ピークとすることができる。 ［０００４］なお、第１の従来例では、図８に示すよう
に、上端部に全長の２／２４．下端部に全長の１／２４
の長さの天然ウランブランケットが設置されており、こ
れにより、上下端からの中性子の漏洩が少なくなって燃
料経済性の向上が図られている。そして、このような天
然ウランブランケットの設置は、現在の設計では標準的
となっている。 ［０００５］

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のごと
く構成した燃料集合体を装荷した炉心では、サイクル末
期におけるスクラム特性が悪化するという問題が生ずる
。すなわち、原子炉内で何らかの異常が発生した場合に
は、中性子吸収材であるボロンを含む制御棒をただちに
炉心内に全挿入することによって核分裂連鎖反応を抑制
し原子炉を緊急停止（スクラム）する。サイクルの初期
から末期の少し前までは、原子炉の出力および出力分布
の調整のために、１０本前後の制御棒が炉内に挿入され
ている。これらの制御棒は、炉心下部からその全長の２
／３〜３／４の部分が炉内に挿入されているため、スク
ラムの際には、運転中制御棒が届いていない炉心中〜上
部の比較的出力の高い部分に、制御棒がただちに挿入さ
れるために速やかに原子炉を停止することができる。 ［０００６］ところが、サイクル末期では全ての制御棒
が炉心から引き抜かれている。従って、図２に示すよう
に、燃料経済性の向上のために、サイクル末期の軸方向
出力分布が上方ピークとなっている場合には、制御棒が
有効に核分裂連鎖反応を抑制できるため′には、制御棒
が全引き抜きの状態から炉心上部まで到達しなければな
らず、従って、スクラム開始から原子炉を停止するまで
にサイクル初期に比較してより長い時間が必要となり、
安全上の問題がある。 ［０００７］スクラム特性を向上させるためには、サイ
クル末期の軸方向出力分布が、極端な上方ピークとなら
ないように燃料集合体の濃縮度およびＧｄの軸方向分布
を設定すればよい。そのような燃料集合体を第２の従来
例として図９に示し、またその軸方向出力分布を図２に
示す。この第２の従来例と図８の第１の従来例とについ
て、サイクル末期のスクラム曲線（制御棒のスクラム挿
入に伴なう炉心の実効増倍率の変化）を図１０に示す。 制御棒が全て挿入された時点では実効増倍率の低下はほ
ぼ同程度であるが、実際には制御棒が炉心の１／２付近
に到達するまでが重要であり、明らかに第２の従来例の
方が勝っている。なお、図１０のスクラム曲線を制御棒
挿入深度が１／２まで積分したものをスクラム指標と呼
び、スクラム特性の良否の目安として用いることがある
。第２の従来例では、第１の従来例に比べてスクラム指
標は０．１６改善されている。 ［０００８］ところが、前記二つの燃料集合体は同一の
期間原子炉を運転できるものであるが、図９の従来例の
方が、スクラム特性を改善するために、サイクル末期に
おける出力分布の上方ピークを押さえたため、平均濃縮
度が相対値で１．５％高くそれだけ燃料経済性が低下し
ている。 ［０００９１本発明は、このような点を考慮してなされ
たもので、スクラム特性を向上させることができ、しか
も燃料経済性も向上させることができる沸騰水型原子炉
用燃料集合体を提供することを目的とする。 ［００１０１

【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、複数の燃料棒を束ねて構成される沸
騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒
の少なくとも一部に、燃料集合体の下端からその全長の
１２／２４ないし２１／２４の間に属する位置に制御領
域（以下、この領域をスクラムゾーンと称す）を設け、
この制御領域を、その中心位置に応じ、以下の３つの態
様で構成するようにしたことを特徴とする。すなわち、
スクラムゾーンの中心位置が、燃料集合体の下端から１
２／２４ないし１５／２４の間に位置する場合には、ス
クラムゾーンの濃縮度が他の領域よりも低く、かつスク
ラムゾーンの可燃性毒物入り燃料棒本数が他の領域より
も多くなるように構成されている。 ［００１１］また、スクラムゾーンの中心位置が、燃料
集合体の下端から１５／２４ないし１８／２４の間に位
置する場合には、制御領域の濃縮度が他の領域よりも高
いとともに、可燃性毒物入り燃料棒本数が他の領域より
も多くなるように構成され、かつスクラムゾーンの上に
隣接する領域の濃縮度がスクラムゾーンより低く、しか
も可燃性毒物入り燃料棒本数が前記値の領域よりも少な
くなるように構成されている。 ［００１２］さらに、スクラムゾーンの中心位置が、燃
料集合体の下端から１８／２４ないし２１／２４の間に
位置する場合には、スクラムゾーンの濃縮度が他の領域
よりも低く、かつスクラムゾーンの可燃性毒物入り燃料
棒本数が他の領域よりも少なくなるように構成されてい
る。 ［００１３］ 【作　用】図３は、運転サイクルを通じて軸方向出力ビ
ーキングが１．４を越えない範囲で、燃料集合体の平均
濃縮度が最も小さくなるように濃縮度、Ｇｄ入り燃料棒
本数、Ｇｄ濃度を軸方向に連続的に分布させたときの、
サイクル末期での軸方向出力分布である。この出力分布
は、本発明者等が数学的な最適化方法を利用して理論的
に導いたもので、先に述べたサイクル初期から中期にか
けて下方ピークで運転し末期に上方ピークとする運転を
、軸方向出力ビーキングの制限値内で最大限に行なった
結果である。この図から、炉心下端から全長の９／２４
〜２１／２４の範囲（以下、この範囲を高インポータン
ス領域と称す）において出力が制限値に一致しており、
この範囲において出力を高めることが経済性上効果が高
いことがわかる。 ［００１４］一方、スクラム特性を向上させるには、前
記したように、制御棒がほぼ半分挿入されるまでの間に
どれだけ炉心の実効増倍率を下げることができるかが重
要であるから、特に炉心の下半分の平均出力を高める必
要がある。従って燃料経済性の向上とスクラム特性の向
上とは相矛盾する方向にある。この相矛盾する二つの特
性を同時に改善することは、図３の領域Ａの出力を高め
ることによって達成することができる。すなわち、領域
Ａは高インポータンス領域内にあるからその出力を高め
ることによって燃料経済性を向上することができ、同時
に、領域Ａは炉心下部に属しているからその出力を高め
ることによってスクラム特性を向上させることができる
。 ［００１５１本発明においては、サイクル末期において
、図３の領域Ｂ、　Ｃ，Ｄのいずれかの領域の出力を低
下させることにより、領域Ａの出力を高めることができ
るようにしている。 ［００１６］なお、これら以外の領域において、濃縮度
やＧｄを調節しても、燃料経済性の向上とスクラム特性
の向上とを、同時に実現することはできない。すなわち
、 （１）領域Ａよりもさらに下にスクラムゾーンを設置し
た場合には、その出力を下げることによって領域Ａの出
力を高めることは可能ではあるが、炉心下半分内での下
から上への出力の移動になるからスクラム特性は悪化す
る。 （２）領域Ａ自身をスクラムゾーンとした場合には、そ
の出力を高めると、領域Ｂ−Ｄの出力が相対的に低下し
てしまうのでトータルとして燃料経済性が悪化すること
になる。 （３）領域りよりもさらに上の燃料集合体の上端部には
、現在の設計では全長の１／２４〜２／２４の長さの天
然ウランブランケットが設置されるのが標準である。こ
れは上端部の出力を低くして炉心からの中性子の漏れを
少なくすることが主目的であるが、同時に、領域Ａを含
む高インポータンス領域の出力を相対的に高めており、
スクラムゾーンとしての機能を果たしている。ところが
、図２の第一の従来例でも上端に２／２４の長さの天然
ウランブランケットを設置しているが、スクラム特性は
十分ではない。従って、さらに別にスクラムゾーンが必
要である。以上のように、領域Ｂ、　Ｃ，Ｄの全く外側
にスクラムゾーンを設置しても、燃料経済性の向上とス
クラム特性の向上とを同時に実現することはできないの
である。 ［００１７］

【実施例】以下、本発明を図面を参照して説明する。図
１は、本発明の第１実施例に係る沸騰水型原子炉用燃料
集合体を示すもので、燃料集合体の上下端部には、従来
と同様、天然ウランブランケットが設置されており、ま
た、燃料集合体の下端から１２／２４ないし１５／２４
の間、すなわち図３における領域Ｂには、燃料集合体全
長の３／２４の長さを有するスクラムゾーンが設置され
ている。このスクラムゾーンは、隣接する他の領域に比
べ、Ｇｄ入り燃料棒本数が多く濃縮度が低くなるように
構成されている。 ［００１８１本実施例に係る燃料集合体を装荷した炉心
のサイクル初期および末期での軸方向出力分布を、図２
に第１実施例として示す。図２からも明らかなように、
スクラムゾーンの出力がやや低下し、その分領域Ａの出
力が増大している。このため、第２の従来例に比べ、平
均濃縮度を相対値で１４１％低くすることが可能となる
。なお、スクラム指標は、第２の従来例に比べ０．０２
悪化するが、この程度では特に問題はない。 ［００１９］本実施例のように領域Ｂにスクラムゾーン
を設置した場合には、スクラムゾーンの濃縮度を下げる
ことによってサイクル末期におけるスクラムゾーンの出
力を低下させ、相対的に領域Ａの出力を高める。さらに
、Ｇｄ入り燃料棒本数を多くすることによって図４に示
すように領域Ｂとともに領域Ａの出力をもサイクル初期
で低下させて燃焼を遅れさせ、サイクル末期で領域Ａの
出力を大きくしている。 ［ｏ　ｏ　２０１図４は、本発明の第２実施例を示すも
ので、スクラムゾーンを、図３の領域Ｃに設置するよう
にしたものである。すなわち、スクラムゾーンは、図４
に示すように、燃料集合体の下端から１５／２４ないし
１８／２４の間に燃料集合体全長の３／２４の長さで設
定されており、このスクラムゾーンは、隣接する他の領
域に比べ、Ｇｄ入り燃料棒本数が多く、かつ濃縮度が高
くなるように構成されている。− ［００２１１本実施例に係る燃料集合体を装荷した炉心
のサイクル初期および末期での軸方向出力分布を１図２
に第２実施例として示すが、高インポータンス領域の範
囲内で、出力分布が全体的に下方にシフトされている。 そして、第２の従来例に比べ、スクラム指標で０．０４
改善することができ、また平均濃縮度は、相対値で１４
２％低くすることができる。 ［００２２］なお、本実施例のように領域Ｃにスクラム
ゾーンを設置する場合には、スクラムゾーンのＧｄ入り
燃料棒本数を多くして燃焼を遅らせ、さらに濃縮度を高
めることにより、サイクル末期におけるスクラムゾーン
の出力を増加させることが好ましい。そして、この場合
にはさらに、スクラムゾーンの上の領域のＧｄ入り燃料
棒本数を少なくしてこの領域の燃焼を促進させ、もって
この領域のサイクル末期での出力を低下させることが効
果的である。 ［００２３１図５は、本発明の第３実施例を示すもので
、スクラムゾーンを、その中心が図３の領域りに位置す
るように設置したものである。すなわち、本実施例に係
るスクラムゾーンは、図５に示すように、燃料集合体の
下端から１９／２４ないし２２／２４の間に設置され、
その長さは、燃料集合体全長の３７２４に設定されてい
る。 ［００２４］このスクラムゾーンは、その下方の領域に
比べ、濃縮度が低くＧｄ入り燃料棒本数も少なく設定さ
れており、Ｇｄ入り燃料棒本数を少なくすることにより
燃焼を速め、かつ濃縮度を低くすることによりサイクル
末期におけるスクラムゾーンの出力を低下させるように
している。 ［００２５］本実施例に係る燃料集合体を装荷した炉心
のサイクル初期および末期の軸方向出力分布を、図２に
第３実施例として示すが、サイクル末期での軸方向出力
分布は、第２の実施例とほとんど等しい分布であり、高
インポータンス領域の範囲内での出力分布が、全体的に
下方にシフトしている。このように、第２の従来例に比
べ、スクラム指標を０．０４改善することができ、また
平均濃度は、相対値で０．７％低下させることができる
。 ［００２６］なお、スクラムゾーンは、前記第３実施例
のように、その全部が領域Ｂ、　Ｃ，Ｄのいずれかに完
全に含まれている必要はなく、その中心がどの領域に属
しているかによって、前記各実施例で示したように、そ
の濃縮度およびＧｄの設計を決定すればよい。 ［００２７１図６および図７は、スクラムゾーンの長さ
が異なる本発明の第４実施例および第５実施例をそれぞ
れ示すもので、いずれもスクラムゾーンの中心が領域Ｃ
となっている。図６に示す燃料集合体は、そのスクラム
ゾーンが、燃料集合体の下端から１５／２４ないし１７
／２４の間に設置され、その長さは、燃料集合体全長の
２／２４に設定されている。このスクラムゾーンは、隣
接する領域に比べ、濃縮度が高＜Ｇｄ入り燃料棒本数も
多くなるように構成され、第２の従来例に比べ、スクラ
ム指標が０．０３改善され、平均濃縮度は、相対値で鉤
　９％低くできるようになっている。 ［００２８］また、図７に示す燃料集合体は、そのスク
ラムゾーンが、燃料集合体の下端から１５／２４ないし
１９／２４の間に設置され、その長さは、燃料集合体全
長の４／２４に設定されている。このスクラムゾーンも
、前記第４実施例と同様、隣接する領域に比べ、濃縮度
が高＜Ｇｄ入り燃料棒本数も多くなるように構成され、
第２の従来例に比べ、スクラム指標が０．０３改善され
、平均濃縮度は、相対値で１．４％低くできるようにな
っている。 ［００２９］前記第４実施例および第５実施例からも明
らかなように、スクラムゾーンの中心が同じ領域であれ
ば、濃縮度およびＧｄ量の隣接領域との関係は、スクラ
ムゾーンの長さとは無関係である。ただし、濃縮度やＧ
ｄ量の隣接領域間での差は、スクラムゾーンの長さに応
じて若干修正する必要がある。 ［００３０１ 【発明の効果］以上説明したように本発明によれば、運
転サイクルを通じて軸方向の出力分布を適切に制御する
ことにより、サイクル末期において、高インボータンス
領域内の一部の出力を、高インポータンス領域内の下方
にシフトさせることができる。このため、燃料経済性お
よびサイクル末期のスクラム特性を同時に向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る沸騰水型原子炉用燃
料集合体の軸方向濃縮度およびＧｄ分布を示す説明図。

【図２】燃料集合体のサイクル初期および末期における
軸方向出力分布を示すグラフ。

【図３】運転サイクルを通じて軸方向出力ビーキングが
１．４を越えない範囲で燃料集合体の平均濃縮度が最も
小さくなるように濃縮度、Ｇｄ入り燃料棒本数、Ｇｄ濃
度を軸方向に連続的に分布させたときのサイクル末期で
の軸方向分布を示すグラフ。

【図４】本発明の第２実施例を示す図１相当図。

【図５】本発明の第３実施例を示す図１相当図。

【図６】本発明の第４実施例を示す図１相当図。

【図７】本発明の第５実施例を示す図１相当図。

【図８】燃料経済性を向上させるための第１の従来例を
示す図１相当図。

【図９】スクラム特性を満足させるための第２の従来例
を示す図１相当図。

【図１０】両従来例のサイケｉ）末期におけるスクラム
曲線図。

【図７】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の燃料棒を束ねて構成される沸騰水型
   原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒のうち
   の少なくとも一部には、燃料集合体の下端からその全長
   の１２／２４ないし２１／２４の間に属する位置に制御
   領域が設けられ、この制御領域は、その中心位置が燃料
   集合体の下端から１２／２４ないし１５／２４の間に位
   置する場合には、前記制御領域の濃縮度が他の領域より
   も低く、かつ制御領域の可燃性毒物入り燃料棒本数が他
   の領域よりも多く構成され、また、前記制御領域の中心
   位置が、燃料集合体の下端から１５／２４ないし１８／
   ２４の間に位置する場合には、制御領域の濃縮度が他の
   領域よりも高いとともに、制御領域の可燃性毒物入り燃
   料棒本数が他の領域よりも多く構成され、かつ制御領域
   の上に隣接する領域の濃縮度が制御領域よりも低く、し
   かも可燃性毒物入り燃料棒本数が前記他の領域よりも少
   なく構成され、さらに前記制御領域の中心位置が、燃料
   集合体の下端から１８／２４ないし２１／２４の間に位
   置する場合には、制御領域の濃縮度が他の領域よりも低
   く、かつ制御領域の可燃性毒物入り燃料棒本数が他の領
   域よりも少なく構成されていることを特徴とする原子炉
   燃料集合体。