JPH04286989A - 稼動式短尺燃料棒クラスタ,燃料集合体および原子炉の炉心 - Google Patents

稼動式短尺燃料棒クラスタ,燃料集合体および原子炉の炉心

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JPH04286989A
JPH04286989A JP3052169A JP5216991A JPH04286989A JP H04286989 A JPH04286989 A JP H04286989A JP 3052169 A JP3052169 A JP 3052169A JP 5216991 A JP5216991 A JP 5216991A JP H04286989 A JPH04286989 A JP H04286989A
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JP
Japan
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fuel
reactor core
core
area
fuel assembly
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Pending
Application number
JP3052169A
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English (en)
Inventor
Koji Fujimura
幸治 藤村
Kunitoshi Kurihara
栗原 国寿
Kazuo Azekura
畦倉 和雄
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉等の軽水
減速型原子炉の炉心に、運転中出しいれする稼動式短尺
燃料棒クラスタに係わり、特に、それを用いて運転する
原子炉の炉心及び燃料集合体に関する。
【0002】
【従来の技術】我が国では、軽水炉は成熟期を迎え、燃
料の高燃焼度化・運転期間長期化による経済性向上を目
指した設計研究が行われてきた。その一例として、特開
昭61−129594号公報に高転換・バーナ型原子炉
が開示されている。高転換・バーナ型原子炉は、炉心を
半径方向二領域に分割し、内側には高転換領域燃料集合
体を、外側にはその二倍程度のバーナ領域燃料集合体を
装荷するものである。高転換領域燃料集合体は、ウラン
燃料棒を六角形状のチャンネルボックス内に稠密配列し
て、ウラン−238からプルトニウム−239への転換
を促進する。また、燃料寿命中期に、高転換領域燃料集
合体からバーナ領域燃料集合体への燃料再組立を行い、
燃料の水対ウラン比(以下、H/U比と略記)を現行B
WR並に高め、燃料寿命前半に蓄積されたプルトニウム
を燃焼することにより、高燃焼度を達成する。すなわち
、高転換・バーナ型原子炉は、燃料再組立によるH/U
比の変化を利用した、スペクトルシフトによって、高燃
焼度をはかる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
H/U比を燃料寿命途中に大幅に変えるために、高転換
領域燃料集合体からバーナ領域燃料集合体への燃料再組
立を行う必要がある。従って、燃料集合体の解体、再組
立の時間やコストがかかるという問題があった。本発明
の目的は、燃料集合体の再組立を行わずに、大幅なスペ
クトルシフトを行い、高燃焼度を達成するための燃料集
合体、及びそれで構成した炉心を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、核燃料物質を封入した領域の先端部及
び後端部に固体減速材を封入した燃料棒被覆管を複数本
束ねた稼動式短尺燃料棒クラスタを、運転期間中に原子
炉の燃料集合体に出しいれする。
【0005】
【作用】本発明では、燃料領域の先端部及び後端部に固
体減速材を封入した短尺燃料棒クラスタを、駆動装置に
よって、運転期間中に原子炉燃料集合体の下部より出し
いれ可能な構造とし、運転期間初期には、燃料領域を炉
心の上部に、また、固体減速材領域を炉心の下部に配置
する。また、運転期間末期には、初期と上下逆の配置と
する。すなわち、運転期間初期には、冷却材のボイド率
が大きな炉心上部のH/U比をさらに小さくして、ウラ
ン−238からプルトニウム−239への転換を促進し
つつ、後端部の固体減速材を炉心下部に挿入して、中性
子を減速させて反応度を高める。従って、運転期間初期
には、炉心の出力分布は下ピークとなり、ボイド発生位
置が炉心の下側にシフトして、炉心平均のボイド率が大
きくなる。逆に、運転期間末期には、短尺燃料を炉心下
部に移すことによって炉心上部のH/U比を大きくし、
長尺燃料棒上部に蓄積されたプルトニウムの燃焼を促進
し、プルトニウムが蓄積された短尺燃料を下部のボイド
率が小さな領域に移すことによって、下部領域の反応度
劣化を抑止する。運転期間末期には、炉心の出力分布は
上ピークとなり、ボイド発生位置が炉心の上側にシフト
して、炉心平均のボイド率は小さくなる。
【0006】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。
【0007】図1は、本発明による稼動式短尺燃料棒ク
ラスタの縦断面図である。短尺燃料棒クラスタ1は、燃
料領域4の先端部に設置した固体減速材領域3及び後端
部に設置した固体減速材領域3´よりなる短尺燃料要素
2を複数本束ねて、駆動機構5に取付ける。固体減速材
の一例として、金属水素化物の一種である、ジルコニウ
ムハイドライド(ZrH2)が挙げられる。ZrH2は
、中性子吸収断面積が小さく、また、1cm3 当りの
水素原子数も7.25×1022/cm3 であり、通
常の沸騰水炉の運転状態である70気圧における飽和水
中の水素原子数5×1022/cm3よりも大きい。さ
らに、中性子減速能(ξΣs〔1/cm〕)は、軽水1
.36に対して1.47 となる。
【0008】本発明の第二の実施例を、図2,図3およ
び図4を用いて説明する。図2(a),(b)はそれぞ
れ、運転期間初期及び末期における、本実施例になる燃
料集合体の縦断面図を示している。また、図3の(a)
,(b)はそれぞれ、運転期間初期における、図2(a
)の上部断面I1 及び下部断面I2 を示した図であ
る。燃料集合体21は、上部タイプレート23と下部タ
イプレート24によって、上下端部を保持された複数本
の長尺燃料棒22とそれを取り囲むチャンネルボックス
33、そして、駆動装置5によって燃料集合体21の下
部より出しいれ可能な固体減速材を封入した短尺燃料棒
クラスタ1とから構成されている。
【0009】運転期間初期には、図2(a)に示した様
に、短尺燃料棒クラスタ1の燃料領域4を炉心の上部に
、また、固体減速材領域3′を炉心の下部に配置して炉
心を運転する。集合体の断面平均の減速材対燃料体積比
(Vm/Vf)は、従来技術の高転換・バーナ型沸騰水
炉と同程度であり、上部断面I1,下部断面I2でそれ
ぞれ、約1.2,2.7である。すなわち、本実施例で
は、運転期間初期には、冷却材のボイド率が大きな炉心
上部のH/U比をさらに小さくして、ウラン−238か
らプルトニウム−239への転換を促進しつつ、炉心下
部に固体減速材を挿入することによって、反応度を高め
る。 従って、炉心の出力分布は下ピークとなり、ボイド発生
位置が炉心の下側にシフトして、炉心平均のボイド率が
大きくなる。
【0010】一方、運転期間末期には、図2(b)に示
したように、短尺燃料棒クラスタ1を炉心有効長分だけ
引き抜いて、短尺燃料領域4を炉心の下部に、また固体
減速材領域3を炉心の上部に配置して炉心を運転する。 すなわち、炉心上部のH/U比を大きくし、長尺燃料棒
22の上部に蓄積されたプルトニウムの燃焼を促進する
と共に、プルトニウムが蓄積された短尺燃料を下部のボ
イド率が小さな領域に移すことによって、下部領域の反
応度劣化を抑止する。この結果、炉心の出力分布は上ピ
ークとなり、ボイド発生位置が炉心の上側にシフトして
、炉心平均のボイド率は小さくなる。
【0011】すなわち、本実施例によると、余剰反応度
が大きな運転期間初期に、炉心平均ボイド率を大きくし
、末期には小さくできるので、運転期間の長期化,燃料
の高燃焼度化が達成できる。
【0012】図4は、核燃料物質としてウラン−235
を用いた場合の中性子無限増倍率と水対ウラン原子数比
(H/U比)の関係を示した図である。縦軸は中性子無
限増倍率の相対値、横軸はH/U比である。この図より
、H/U比が小さくなるにつれて中性子無限増倍率が小
さくなることが分かる。従って、一般に、ウラン−23
5を用いた稠密格子燃料のボイド係数は、負であって、
その絶対値は大きくなる。因に、従来技術になる高転換
・バーナ型沸騰水炉の高転換領域、バーナ領域燃料集合
体のボイド40%時の値は、それぞれ図中のa点とb点
である。本実施例で、運転期間初期における、H/U比
は下部断面I2 がc点、上上部断面I1 がd点とな
る。従って、炉心下部領域におけるボイド係数の絶対値
は大きく改善される。
【0013】本発明の第三の実施例を、図5を用いて説
明する。51は本実施例の原子炉炉心の断面であり、炉
心は内側炉心領域52と外側炉心領域53の二領域で構
成されている。内側炉心領域52には、第二の実施例に
なる六角燃料集合体21を、外側炉心領域53には、H
/U比が現行BWRと同程度の六角燃料集合体54を装
荷してある。燃料集合体21は、長尺燃料棒22と、固
体減速材付き稼動式短尺燃料クラスタ1とそれらを取り
囲むチャンネルボックス33とから、また、燃料集合体
54は、長尺燃料棒22と、水ロッド55とそれらを取
り囲むチャンネルボックス33とから、それぞれ構成さ
れている。
【0014】本実施例によると、内側炉心領域の平均ボ
イド率を、運転期間初期には大きく、末期には小さくで
きるので、燃料のシャッフリング等の操作をせずに、炉
心径方向の出力分布平坦化が実現できる。
【0015】本発明の第四の実施例を、図6を用いて説
明する。61は本実施例の原子炉炉心の断面であり、炉
心は内側炉心領域62と外側炉心領域63の二領域で構
成されている。内側炉心領域62には、第2の実施例に
なる六角燃料集合体21を、外側炉心領域63には、六
角燃料集合体64を装荷してある。燃料集合体21の稼
動式短尺燃料クラスタには、固体減速材としてジルコニ
ウムハイドライド(ZrH2)を用いている。燃料集合
体64は、燃料集合体21において、稼動式短尺燃料ク
ラスタには、固体減速材としてジルコニウムハイドライ
ド(ZrH2)の水素Hを重水素Dに置き換えたZrD
2 を用いている。ZrD2 の減速比(ξΣs/Σa
)はZrH2よりも大きいので、固体減速材としての反
応度向上の効果も大きくなる。
【0016】本実施例によると、炉心の外側領域におけ
る、中性子減速効果が高められるので、中性子の漏れ量
が低減でき、また、外側の出力を高めることによって、
炉心径方向の出力分布平坦化も図れる。
【0017】本発明の第五の実施例を、図7を用いて説
明する。燃料集合体71は、長尺燃料棒72と、本発明
の第一の実施例の固体減速材付き稼動式短尺燃料棒クラ
スタ73と、それらを取り囲むチャンネルボックス33
より構成されている。本実施例の燃料集合体では、短尺
燃料棒クラスタを、図のように七本ずつ隣接して束ねた
配置とする。短尺燃料棒クラスタをこの様な配置にする
と、複数本が隣接しない均質配置の場合と比較して、固
体減速材領域が挿入されている燃料集合体断面における
中性子のウラン−238による共鳴吸収を逃れる確率が
増えるので、各実施例の効果を一層高めることができる
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、燃料の再組立等を行わ
ずに、原子炉の運転期間長期化,高燃焼度化を図ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】稼動式短尺燃料棒クラスタの縦断面図。
【図2】実施例二の運転期間初期と末期における燃料集
合体の縦断面図。
【図3】実施例二の運転期間初期における燃料集合体の
断面図。
【図4】ウラン燃料の中性子無限増倍率とH/U比の関
係を示す説明図。
【図5】実施例三の炉心及び燃料集合体の断面図。
【図6】実施例四の炉心及び燃料集合体の断面図。
【図7】実施例五の燃料集合体の断面図。
【符号の説明】
1…固体減速材付き稼動式短尺燃料棒クラスタ、2…短
尺燃料要素、3,3′…固体減速材領域、4…燃料領域
、5…駆動機構。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】核燃料物質を封入した領域の先端部及び後
    端部に固体減速材を封入した燃料棒被覆管を複数本束ね
    たことを特徴とする稼動式短尺燃料棒クラスタ。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の前記稼動式短尺燃料棒ク
    ラスタを、運転期間中に出しいれする原子炉の燃料集合
    体。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の前記稼動式短尺燃料棒ク
    ラスタを、運転期間中に出しいれして運転する原子炉の
    炉心。
  4. 【請求項4】請求項2において、前記短尺燃料棒を隣接
    に配置した稼動式短尺燃料棒クラスタを、運転期間中に
    出しいれする原子炉の燃料集合体。
JP3052169A 1991-03-18 1991-03-18 稼動式短尺燃料棒クラスタ,燃料集合体および原子炉の炉心 Pending JPH04286989A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004301831A (ja) * 2003-03-20 2004-10-28 Hitachi Ltd 沸騰水型軽水炉炉心及び燃料集合体

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004301831A (ja) * 2003-03-20 2004-10-28 Hitachi Ltd 沸騰水型軽水炉炉心及び燃料集合体

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