JPH04294294A - 原子炉炉心 - 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］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉に用い
られる原子炉炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという）
の初装荷炉心は、特開昭６０−１３２８３号に開示され
ているように、複数種類の濃縮度の燃料集合体を組み合
わせて構成している。この時、燃料集合体内の全流体流
通量における気泡の割合を示す平均ボイド率（以下、ボ
イド率という）に対する反応度の変化は燃料集合体の濃
縮度によって異なる。燃料集合体の濃縮度が低い場合、
燃料集合体のボイド率増加に対する反応度の変化（以下
、ボイド反応度という）がプラスの符号となることがあ
る。つまり、他の濃縮度の高い燃料集合体とはボイド反
応度が逆の符号となる場合がある。しかしながら、従来
の方式では、低い濃縮度の燃料集合体は平均的に出力が
低いためボイド率が低く、逆に高い濃縮度の燃料集合体
は、濃縮度の低い燃料集合体に比べ出力が高く、このた
めボイド率が高くなっていた。この結果として、従来の
燃料集合体は、ボイド反応度を抑制していることになり
燃焼効率上損失があった。

【０００３】また、ＢＷＲ用の燃料集合体では、濃縮度
の違い以外にもボイド反応度の符号が異なる組み合わせ
の炉心も構成されている。例えば、ウォータロッドの本
数が多い燃料集合体とウォータロッドの本数が少ない燃
料集合体では、前者のボイド反応度がプラス、後者のボ
イド反応度がマイナスとなる。このような場合には、ボ
イド反応度がプラスの燃料集合体の流量を抑制し、ボイ
ドを発生させることが反応度上好ましいが、従来、この
点については考えられていなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この様に、従来の原子
炉炉心では、燃料集合体のボイド反応度について、燃焼
効率上の考慮はなされていなかった。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、燃料集合体のボイド反応度の違いを利用して炉心
の反応度を大きくし、燃焼効率の高い原子炉炉心を提供
することにある。［発明の構成］

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る原子炉炉心は、燃料集合体の無限増倍
率が燃料集合体内の全流体流通量における気泡の割合を
示す平均ボイド率の増加に対し増加する第１の燃料集合
体と、燃料集合体の無限増倍率が燃料集合体の前記平均
ボイド率の増加に対し減少する第２の燃料集合体を組み
合わせて成り、前記第１の燃料集合体を通過する冷却水
の流路抵抗を前記第２の燃料集合体を通過する冷却水の
流路抵抗より大きくしたことを特徴とする。また、前記
第１の燃料集合体の平均濃縮度を１．２　重量％未満と
し、前記第２の燃料集合体の平均濃縮度を１．２　重量
％より大きくしたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】以上の様な構成の原子炉炉心においては、第１
の燃料集合体と第２の燃料集合体の流路抵抗を変えるこ
とにより、第１と第２の燃料集合体の間に圧力損失の違
いが生じ、冷却材の流量が異なってくる。この冷却材の
流量が多いほど冷却能力が高まるためボイド率が低くな
り、逆に流量の少ないものはボイド率が高くなる。一方
、沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲという）用の燃料集合体
の場合、燃料と減速材の比率の違いや燃料集合体の平均
濃縮度の違いによってボイド率に対する反応度変化の方
向が異なり、また同一の燃料集合体の場合でも、炉内の
滞在期間が異なってくることがある。このような場合、
原子炉炉心内の燃料集合体の間のボイド率に差を設ける
ことによって、効率的な燃焼を行うことができる。 すなわち、燃料集合体の構造に差を設けて圧力損失係数
を変えることによりボイド率を制御して燃料集合体の燃
焼効率を上げることができる。

【０００８】つまり、燃料集合体の無限増倍率が燃料集
合体のボイド率増加に対し増加する第１の燃料集合体で
は、流路抵抗を大きくしているため、圧力損失が大きく
なり、冷却材の流量は小さくなる。このためボイド率は
大きくなり、反応度が大きくなる。また、燃料集合体の
無限増倍率が燃料集合体のボイド率増加に対し増加する
第２の燃料集合体では、流路抵抗を小さくしているため
、圧力損失が小さくなり、冷却材の流量は大きくなる。 このためボイド率は小さくなり、反応度が大きくなる。 よって原子炉炉心の反応度が大きくなり燃焼効率を上げ
ることができる。

【０００９】また、燃料集合体の濃縮度はボイド反応度
に大きい影響があり、濃縮度の減少とともにボイド反応
度がプラス方向に増加する。ここで、燃料集合体の無限
増倍率と濃縮度の関係を二次元拡散燃焼プログラムによ
って検討すると、燃料集合体の平均濃縮度が１．２　重
量％を境にボイド反応度がプラスとマイナスに変化して
いる。すなわち、平均濃縮度が１．２　重量％未満の第
１の燃料集合体と１．２　重量％より大きい第２の燃料
集合体を組み合わせた原子炉炉心では、第１と第２の燃
料集合体の間の流路抵抗を変えることにより、原子炉炉
心の反応度を変えることが可能である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係る原子炉炉心の一実施例を
図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明の第
１実施例に係る原子炉炉心を構成する第１の燃料集合体
の縦断面図であり、図１（ｂ）は本発明の第１実施例に
係る原子炉炉心を構成する第２の燃料集合体の縦断面図
である。

【００１１】図１（ａ）において、第１の燃料集合体１
は、８行８列に規則的に配列された燃料棒２を収容して
いる。この燃料棒２は上端部を上部タイプレート３で下
側部を下部タイプレート４により支持されており、さら
にこの燃料棒２の中間部は中間スペーサ５を複数個配設
して支持することにより燃料棒２の間隔を一定に保って
いる。これらの燃料棒２の集合体はチャンネルボックス
６内に収容されている。図１（ｂ）に、第２の燃料集合
体１０を示す。なお、図中、図１（ａ）と同一部分には
同一符号で示し、重複する部分の説明は省略する。

【００１２】ここで図１（ａ）における第１の燃料集合
体１の下部タイプレート４の冷却材の流路７は、図１（
ｂ）における第２の燃料集合体１０の下部タイプレート
１１の冷却材の流路８に比べ狭くなっている。つまり、
第１の燃料集合体１の冷却材の流路抵抗が第２の燃料集
合体の冷却材の流路抵抗よりも大きくなっている。

【００１３】図２は、本発明の第１実施例に係る原子炉
炉心の４分の１に略して示す炉心の概略平面図である。 図２において、炉心２０は複数の濃縮タイプの燃料から
構成され、また運転中に制御棒（図示せず）が挿入され
る位置にはコントロール・セル２１が配設されている。 炉心２０は３種類の濃縮度タイプの燃料から構成され、
低濃縮タイプ１燃料２２が炉心の周辺部に１層配置され
、またコントロール・セル２１の位置にも配置され、そ
れ以外にも一部配置されている。高濃縮度タイプ３燃料
２４は炉心周辺部より一列内側に主として配置され、ま
た中濃縮度タイプ２燃料２３は炉心の内側に分散して配
置される。ここで低濃縮度タイプ１燃料２２には平均濃
縮度１．０　重量％ウラン濃縮度を用い、中濃縮度タイ
プ２燃料２３には平均濃縮度２．５　重量％ウラン濃縮
度、高濃縮度タイプ３燃料には３．５　重量％ウラン濃
縮度を用いている。さらに低濃縮度タイプ１燃料は第１
の燃料集合体１であり、中濃縮度タイプ２燃料および高
濃縮度タイプ３燃料は第２の燃料集合体１０である。

【００１４】ここで、図３にウラン濃縮度と炉心滞在期
間平均無限増倍率の関係についてボイド率０％とボイド
率７０％の状態で比較したグラフを示す。図３において
、ウラン濃縮度が１．２　重量％未満では、ボイド率増
加に伴い炉心滞在期間平均無限増倍率が増加し、また１
．２　重量％より大きい場合には、ボイド率増加に伴い
炉心滞在期間平均無限増倍率が減少している。つまり、
１．２　重量％を境にボイド反応度がプラスとマイナス
に変化していることがわかる。

【００１５】これにより、低濃縮度タイプ１燃料は濃縮
度１．０　重量％としたため、平均ボイド率増加に対し
無限増倍率が増加し、さらに冷却水の流路抵抗が大きい
第１の燃料集合体となっている。また、中濃縮度タイプ
２燃料および高濃縮度タイプ３燃料は濃縮度がそれぞれ
、２．５　重量％および３．５重量％としたため、ボイ
ド率増加に対し無限増倍率が減少し、さらに冷却材の流
路抵抗は第１の燃料集合体に比べ小さい第２の燃料集合
体となっている。これらの燃料のうち、低濃縮度タイプ
１燃料は初装荷第１サイクル終了時で取り出され、中濃
縮度タイプ２燃料及び高濃縮度タイプ３燃料は、次サイ
クルで順次、取り出される。

【００１６】図４に二次元拡散燃料計算プログラムによ
り求めた低濃縮度タイプ１燃料のボイド率０％とボイド
率７０％時の無限増倍率と燃焼度の関係を示す。図４に
おいて、無限増倍率は炉心に滞在している期間中、ボイ
ド率の高い７０％時の方が常に大きい値となる。また、
図５に中濃縮度タイプ２燃料のボイド率０％とボイド率
７０％時の無限増倍率と燃焼度の関係を示す。中濃縮度
タイプ２燃料の濃縮度は２．５重量％であり、ボイド率
増加に対する反応度変化はマイナスとなる。図５におい
て、無限増倍率は炉心に滞在している期間の平均では、
ボイド率の高い７０％時の方が小さい値となる。さらに
、高濃縮度タイプ３の濃縮度は３．５　重量％であり明
らかに無限増倍率は大半の燃焼度の期間ボイド率の高い
７０％時の方が常に小さい値となる。

【００１７】このような濃縮度の組み合わせに対して、
低濃縮度タイプ１の燃料には、圧力損失の大きい下部タ
イプレートが、中濃縮度タイプ２の燃料および高濃縮度
タイプ３の燃料には圧力損失の小さい下部タイプレート
が用いられているため、低濃縮度タイプ１燃料には、中
濃縮度タイプ２の燃料および高濃縮度タイプ３の燃料と
比較して冷却材が流れにくくなり、ボイド率が増加する
。逆に、中濃縮度タイプ２の燃料および高濃縮度タイプ
３の燃料は冷却材の流量が多くボイド率が減少する。 三次元ＢＷＲ核熱計算プログラムにより、運転時の燃料
集合体ごとの平均ボイド率を求めた結果を表１に示す。 これは、従来例に対しての本発明における第一実施例に
係る原子炉炉心の各濃縮度タイプの燃料集合体ごとのボ
イド率変動を示したものである。

【００１８】

【表１】

【００１９】上述したように、低濃縮度タイプ１燃料の
ボイド率が増加したことにより無限増倍率が増加し、ま
た、中濃縮度タイプ２燃料および高濃縮度タイプ３燃料
についてもボイド率が低下したことにより、無限増倍率
が増加する。この結果、炉心平均の無限増倍率も増加し
、従来と同じ濃縮度の燃料を用いた時と比べ運転サイク
ルの運転期間を長くすることができる。また、運転期間
を変えない場合には、燃料集合体全体の平均濃縮度を下
げることができる。以上により、原子炉炉心の反応度を
大きくし、燃料の性能を向上させることができる。次に
、本発明の第２実施例に係る原子炉炉心の４分の１に省
略した炉心の概略平面図を図６に示し、以下に説明する
。

【００２０】図６において、炉心３０は平均濃縮度３．
０　重量％でありかつ燃料集合体中のウォータロッドの
本数が異なる４種類の燃料集合体から構成されている。 この４種類の燃料集合体は、ウォータロッド１本の燃料
集合体２５、ウォータロッド９本の燃料集合体２６、ウ
ォータロッド１３本の燃料集合体２７、ウォータロッド
２５本の燃料集合体２８であり、これらの燃料集合体の
横断面図を図７（ａ）〜（ｄ）に示す。図７において、
燃料集合体２５〜２７は９行９列で構成されウォータロ
ッドの本数と配置が異なっている。これらの燃料集合体
２５〜２７から構成される炉心では、ウォータロッド２
５本の燃料集合体２８は炉心の中央に配置され、またコ
ントロールセル２９の位置には必ず配置されている。ウ
ォータロッド１３本の燃料集合体２７は炉心の内側に主
に配置されている。またウォータロッド９本および１本
の燃料集合体２６，２５は炉心の周辺および中央に配置
されている。

【００２１】これらの燃料集合体は、第一運転サイクル
終了時にはウォータロッド本数が２５本の燃料集合体２
８を取り出し、次の運転サイクル終了時にはウォータロ
ッド本数が１３本の燃料集合体２７を取り出すというよ
うに順次ウォータロッドの本数の多い順に取り出してい
く。

【００２２】また、これらの燃料集合体では、ウォータ
ロッド２５本の燃料集合体２８には燃料棒の間隔を維持
するためのスペーサを１０コ使用し、ウォータロッド１
３本の燃料集合体２７にはスペーサを９コ、ウォータロ
ッド９本の燃料集合体２６にはスペーサを８コ、ウォー
タロッド１本の燃料集合体２５にはスペーサを７コ使用
している。

【００２３】このような燃料集合体においては、同一濃
縮度の燃料集合体でもウォータロッドの本数が異なるこ
とにより、ボイド反応度がプラスの場合とマイナスの場
合がある。図８にウォータロッド本数と無限増倍率の関
係をボイド率０％とボイド率７０％時について示す。図
８において、ウォータロッド本数が１本の場合ではボイ
ド反応度はマイナスとなっているがウォータロッド本数
が２５本の場合ではボイド反応度はプラスである。

【００２４】一方、本実施例に係る原子炉炉心ではウォ
ータロッドの本数が多いほどスペーサの数を多く設置し
ており、スペーサの流路抵抗によってスペーサが多いほ
ど冷却材の流路抵抗が大きくなっている。このため、ス
ペーサの数が共通である従来のものと比較して冷却材の
流量が少なくなる。

【００２５】このようにウォータロッドの本数が多いほ
ど、ボイド率が高くなり、ボイド反応度プラスであるウ
ォータロッド２５本の燃料集合体では反応度が増加する
。 他の燃料集合体についても同様な理由から反応度が増加
し、炉心全体の反応度が高くなる。従って、第２実施例
においても、第１実施例と同様な作用・効果を得ること
ができる。

【００２６】なお、第２実施例ではスペーサの個数をウ
ォータロッドの本数によって変化させた例について示し
たが、ボイド反応度の大きさおよび符号は燃料と減速材
の比率により変化するものであるから、ウォータロッド
の直径や燃料棒の直径によって燃料集合体の圧力損失係
数を変える場合も同様である。また、圧力損失係数を変
化させるためには第１実施例における下部タイプレート
を使用することもできる。なお、スペーサ部材の肉厚を
厚くすえることや、下部タイプレートに冷却材の流路抵
抗となる突起を設けることによっても圧力損失係数を増
加させることができる。

【００２７】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、ボイド
反応度プラスの燃料集合体のボイド率を上げた燃料集合
体とボイド反応度マイナスの燃料集合体のボイド率を下
げた燃料集合体を組み合わせた原子炉炉心なので、燃料
集合体個々の燃焼度を上げることができるので、原子炉
炉心の燃焼性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）および（ｂ）は本発明の第１実施例に係
る原子炉炉心を構成する第１および第２の燃料集合体の
縦断面図。

【図２】本発明の第１実施例に係る原子炉炉心の燃料集
合体の配置を示す４分の１概略平面図。

【図３】本発明の第１実施例に係る原子炉炉心の燃料集
合体のウラン濃縮度と炉心滞在期間平均無限増倍率の関
係を示す特性図。

【図４】本発明の第１実施例に係る原子炉炉心の燃料集
合体の低濃縮度タイプ１燃料のボイド率変化による無限
増倍率と燃焼度の関係を示す特性図。

【図５】本発明の第１実施例に係る原子炉炉心の燃料集
合体の中濃縮度タイプ２のボイド率変化による無限増倍
率と燃焼度の関係を示す特性図。

【図６】本発明の第２実施例に係る原子炉炉心の燃料集
合体の配置を示す４分の１概略平面図。

【図７】（ａ）および（ｄ）はそれぞれ本発明の第２実
施例に係る原子炉炉心の燃料集合体を示す横断面図。

【図８】本発明の第２実施例に係る原子炉炉心の燃料集
合体のボイド率変化によるウォータロッド本数と無限増
は倍率の関係を示す特性図。

【符号の説明】

１…第１の燃料集合体　　　　　　　　　　　　２…燃
料棒３…上部タイプレート　　　　　　　　　　　　４
，１１…下部タイプレート ５…中間スペーサ　　　　　　　　　　　　　　　　６
…チャンネルボックス ７，８…流路　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　１０…第２の燃料集合体 ２０…炉心　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　２１，２９…コントロール・セル ２２…低濃縮度タイプ１燃料　　　　　　２３…中濃縮
度タイプ２燃料 ２４…高濃縮度タイプ３燃料　　　　　　２５…ウォー
タロッド１本の燃料集合体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃料集合体の無限増倍率が燃料集合体
   内の全流体流通量における気泡の割合を示す平均ボイド
   率の増加に対し増加する第１の燃料集合体と、燃料集合
   体の無限増倍率が燃料集合体の前記平均ボイド率の増加
   に対し減少する第２の燃料集合体を組み合わせて成り、
   前記第１の燃料集合体を通過する冷却水の流路抵抗を前
   記第２の燃料集合体を通過する冷却水の流路抵抗より大
   きくしたことを特徴とする原子炉炉心。
2. 【請求項２】　　前記第１の燃料集合体の平均濃縮度を
   １．２　重量％未満とし、前記第２の燃料集合体の平均
   濃縮度を１．２　重量％より大きくしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の原子炉炉心。