JPH04296693A - 原子炉の炉心 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉（以下Ｂ
ＷＲという）などの軽水炉に用いる燃料集合体に関する
。

【０００２】

【従来の技術】従来のＢＷＲ（ＡＢＷＲ）に装荷されて
いる燃料集合体としては図２０のような例がある。この
集合体１０６は６０本の燃料棒１００と、１本のウォー
タ・ロッド１０１を規則的に配列し、スペーサ１０２に
より結束し、下端を下部タイプレート１０３で、上端を
上部タイプレート１０４で固定し、これらを角筒状のチ
ャンネルボックス１０５に収容したものである。

【０００３】図２１は前記燃料集合体が炉心に装荷され
た状態での制御棒１１０との位置関係を示したものであ
る。燃料集合体１体につき１体の制御棒が対応している
。見方を変えると、制御棒１１０は燃料集合体４体を纏
めたセルの中央位置に１体の割合で配置されている。 全炉心はこの破線で囲まれたセルを単位として構成され
ている。セルの中心にある制御棒は図示しない制御棒駆
動装置（ＣＲＤ）によって上下方向に動かすことができ
、これによって炉心の反応度を制御している。

【０００４】図２２は、８７２体の燃料集合体が炉心に
配置された例を示している。燃料集合体１０６は、この
図では一つの正方形で表してある。従って、前記セルは
４つの正方形から成り立つものであり、その中心にある
制御棒１１０の位置は○印で表されており、炉心全体で
は２０５体に達する。なお、炉内の計装系としては局所
出力領域モニタ（ＬＰＲＭ）１１１が◆で示した位置に
５２体、広領域モニタ（ＷＲＭ）１１２が△で示した位
置に１０体配置されている。

【０００５】原子炉は一定期間運転された後、定期的に
点検される。このとき反応度の低下した燃料集合体の交
換はもちろんのことであるが、寿命の来たＬＰＲＭ、制
御棒、ＣＲＤなどの交換も行う必要が生じる。そのため
にはこれら機器の周辺の燃料集合体を少なくとも４体以
上は取り出して実施する必要がある。各機器１体の交換
のために取り出すべき燃料集合体数は、ＬＰＲＭの場合
には７体、制御棒の場合には１０体、ＣＲＤの場合には
４体が通例である。

【０００６】このように、定期点検期間中に多数の燃料
集合体を動かすことは作業工程数を上昇させるので、交
換すべき機器や燃料集合体が多いことは、定検期間長期
化の原因となり、運転維持費の上昇と原子炉稼働率の低
下をもたらしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、燃料
集合体を従来例よりも大型化すると同時に、交換すべき
ＣＲＤの本数を減少させるけれども燃料集合体１体当た
りの制御棒本数は増加させ、反応度制御能力を増加し、
かつ、装荷する燃料の性質（ウラン濃縮度、ＭＯＸ燃料
富化度割合など）が広範囲に変わっても、燃料集合体の
内部構造に工夫をすることによって、良好な特性を持つ
原子炉の炉心構造を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、横断面に
おける一辺の燃料棒の配列数がＮであるＮ×Ｎ正方格子
配列を、さらにＩ，Ｊ，Ｋの３つの配列数に分けて、Ｎ
×Ｎ正方格子をＩ×Ｉ，Ｊ×Ｊ，Ｋ×Ｋ及びそれぞれ２
個ずつのＩ×Ｊ，Ｉ×Ｋ，Ｊ×Ｋの合計９個の副格子に
区分けされた副燃料領域によって構成し、これら各副燃
料領域を分離し、井字型の炉水で満たされた水路を成す
ように構造材で補強してなる燃料集合体を規則的に配置
するとともに、炉心周辺部をのぞいて、各燃料集合体１
体当たりに２体の十字型制御棒が配置してなる原子炉の
炉心によって達成される。

【０００９】

【作用】本発明においては、燃料集合体の一辺の長さを
現行の沸騰水型原子炉に装荷する燃料集合体のほぼ２倍
、すなわち面積にしてほぼ４倍にすると同時に、燃料集
合体１体に対して２体の制御棒を対応させる。このとき
制御棒の制御能力を増加するために、同時に十字型制御
棒の１翼の長さを増加させる。その結果、制御棒による
反応度制御能力を落とさずに、炉心に装荷する燃料集合
体数をほぼ４分の１に、制御棒本数をほぼ２分の１に削
減することができ、定検工程の大幅な短縮が可能になる
と同時に、燃料管理の工数もまた少なくとも４分の１程
度に減少することができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。

【００１１】図１は本発明による原子炉に装荷する燃料
集合体と制御棒との組み合わせの第一の実施例を示す横
断面図である。ここでは、Ｎ＝１８で、Ｉ＝Ｊ＝Ｋ＝６
となっている。合計９個の副燃料束９は、燃料棒２を６
×６の正方格子状に配列したもので、その中央部にはウ
ォータロッド３が配置されている。９個の燃料束相互間
には内側チャンネル５によって構成された井字型の水路
６が存在している。内側チャンネルの軸方向に沿ってチ
ャンネルの強度を増すために数カ所に固定金具８が取り
付けられ、外側チャンネルが大型化してもチャンネルク
リープなどに対して従来燃料よりも強い構造となってい
る。

【００１２】制御棒７はこの大型燃料集合体１に対して
対角線方向に２体配置されている。本実施例においては
、燃料集合体は、従来例よりも面積にしてほぼ４倍とな
っており、反応度の高い燃料の場合には、燃料装荷作業
の途中における臨界管理が重要となってくる。そこで、
図示しない中性子吸収材を含む反応度制御体を領域１１
に装荷した状態で燃料集合体を燃料貯蔵プールに保管し
、集合体が炉心内に装荷され、制御棒が挿入され、炉停
止余裕が確保されてから、はじめて反応度制御体を引き
抜くようにすればよい。反応度制御体は領域１１だけで
なく、サブチャンネル固定金具８を跨る形で井戸字型の
ものでもよい。

【００１３】本実施例では、副燃料束９は６×６の燃料
配列となっているが、その中は図２の（ａ）に示すよう
に一様に燃料棒ピッチでも良いし、また燃料棒間のクリ
アランスが確保される範囲内で図２の（ｂ）のように３
×３の小集団に分け、集団内の燃料棒ピッチＰ１　を集
団間の燃料棒ピッチＰ２　よりも小さくすれば、運転時
の反応度を高め、逆に低温時の反応度は下げる効果を持
たせることができる。

【００１４】燃料装荷の際の未臨界度を高めるための他
の手段として、本実施例では中央燃料束１０だけを取り
外して、大型燃料集合体を装荷したのち、最後に中央燃
料束１０を装荷することもできる。なぜならば、中央燃
料束を取り除いた後の燃料の無い領域は一辺が、ほぼ従
来燃料（ほぼ１４ｃｍ）の３分の２程度の大きさ（約９
ｃｍ）であり、これは燃料交換時の炉水の温度状態では
中性子の移動距離よりも長いために、中央領域は中性子
吸収体として働くからである。

【００１５】本実施例のみならず、以下の実施例におい
ても同様であるが、中央燃料束１０及び副燃料束９は、
それぞれが水チャンネルによって周囲を囲まれている。 大型燃料集合体が炉心の周辺に装荷された場合や、運転
時のある期間に制御棒が挿入されていると、それぞれの
燃料束の中性子スペクトル及び燃焼速度に差異が生じる
。この差異の著しい燃料集合体については、燃料交換時
にプールに取り出して置き、原子炉運転中に副燃料束の
間（異なる大型燃料集合体間の副燃料束を含めて）のシ
ャッフリングをすることができる。この際、一部の副燃
料束をＭＯＸ燃料集合体に置き換えることも可能である
。これらの作業は全て、原子炉運転中にプールサイドに
て行われる（いわゆる、ＩＮ−ＳＥＲＶＩＣＥ　ＲＥＦ
ＵＥＬＩＮＧ）ので、原子炉の稼働率を低下させる原因
とはならない。

【００１６】図３は、本発明による燃料集合体の第２の
実施例であって、中央部分にはボイド管１３が挿入され
ている。運転時にはこの中がボイドに満たされ、炉停止
時にはこの中は炉水で満たされる。第１の実施例におい
て説明したように、中央部分が炉水で満たされた場合に
は減速過剰の状態となり、むしろ中央部分がボイドで満
たされた場合よりも反応度が低い。本実施例において、
中央ボイド管１３の部分が７０％ボイド率の運転時の無
限増倍率はほぼ第１の実施例に等しいが、炉停止時にボ
イド管が炉水で満たされた状態では第１の実施例に比し
てほぼ８％低い無限増倍率を持ち、炉停止余裕上有利で
ある。

【００１７】図４は本発明による燃料集合体の第３の実
施例を示す横断面図である。本実施例では、Ｎ＝１８、
Ｉ＝７、Ｊ＝４、Ｋ＝７となっている。本実施例では図
示してはいないが、第１の実施例と同様に燃料配列を３
×３または２×２の小集団に区分けすることは反応度の
向上と炉停止余裕の向上の２点から有利となる。また、
本実施例においては中央のサブチャンネルに沿った燃料
棒の上部２分の１ないし３分の１が無い部分長燃料棒１
２を装荷している。これによって、運転時はボイドが発
生し、中性子の足が長くなるために反応度上の損失はな
いが、炉停止時には燃料上方が炉水で満され、実質的に
中央の炉水部分が広がり、中性子は過剰減速となり炉停
止余裕が向上する。

【００１８】図５は本発明による燃料集合体の第４の実
施例を示している。これ以降に示す実施例では、基本的
に図１と同じであるので、簡単のために制御棒を図示し
ていない。この実施例においては、Ｎ＝１８、Ｉ＝８、
Ｊ＝２、Ｋ＝８の場合である。この場合には中央燃料束
１０は中性子に対する消耗性毒物入りの燃料棒を装荷し
てもよい。あるいは、完全に燃料棒を取り去ったウォー
タロッドでもよい。８×２の４つの副燃料束には全長の
燃料棒を装荷してもよいが、第３の実施例のように部分
長燃料棒を装荷すれば、炉停止余裕が向上する。

【００１９】図６は本発明の第５の実施例を示している
。これは、Ｎ＝１８、Ｉ＝５、Ｊ＝８、Ｋ＝５の場合で
ある。ここでも、井字型水路に面する燃料棒を第３の実
施例のように部分長燃料棒に置換すれば、炉停止余裕の
向上が期待される。

【００２０】図７は本発明の第６の実施例を示す図であ
る。これは、Ｎ＝１８、Ｉ＝４、Ｊ＝１０、Ｋ＝４の場
合である。

【００２１】図８は本発明の第７の実施例を示す図であ
る。これは、Ｎ＝１８、Ｉ＝３、Ｊ＝１２、Ｋ＝３の場
合である。

【００２２】図９は本発明の第８の実施例であって、図
１に示した実施例において、井字型水路に沿った燃料棒
を中心に近い方から各１列削ることによって、水対燃料
体積比を増加させたものである。こうすることによって
、ウラン（酸化物）燃料よりも中性子吸収断面積の大き
なＭＯＸ燃料（ウランとプルトニウムとの混合酸化物燃
料）の場合にも中性子スペクトルを硬くすることなく、
ウラン燃料とほぼ同じ炉心特性を得ることが可能になる
。

【００２３】図１０は本発明の第９の実施例であって、
第８の実施例において、中央燃料束のみを６×６に戻し
たものである。これによって、水対燃料体積比の調整の
自由度が増加する。

【００２４】図１１は本発明の第１０の実施例であって
、第１の実施例において、中央燃料束のみを４×４に縮
小したものである。

【００２５】図１２は本発明の第１１の実施例であって
、Ｎ＝１８、Ｉ＝２、Ｊ＝１、Ｋ＝２の場合である。 この場合には、燃料集合体のコーナー部は減速材として
の水が豊富なので、井字型水路を一部燃料棒に置き換え
ている。さらに、井字型水路の構造材は大型燃料集合体
の中央から外れているので、チャンネルクリープ対策と
してチャンネル補強材１４を設置している。

【００２６】図１３は本発明の第１２の実施例であって
、この場合には、Ｎ＝１８、Ｉ＝９、Ｊ＝０、Ｋ＝９と
なっているので、中央燃料束がなくなり、結果として井
字型水路の代わりに、十字型水路がある。

【００２７】図１４は本発明の第１３の実施例であって
、Ｎ＝１７、Ｉ＝６、Ｊ＝５、Ｋ＝６の場合を示してい
る。この例では、第１の実施例よりも径方向がやや小さ
い燃料集合体となっている。燃料集合体の面積としては
、現行のもののほぼ３．６倍程度に対応している。した
がって、炉心に装荷すべき燃料集合体数は第１の実施例
よりも大きく、ＣＲＤの数も多くなっているけれども、
依然として現行サイズの場合に比して著しく少ない。

【００２８】図１５は本発明の第１４の実施例であって
、Ｎ＝１６、Ｉ＝５、Ｊ＝６、Ｋ＝５の場合を代表的に
示してある。これは、さらに前記第１３の実施例よりも
集合体の径方向の幅が小さくなっており、現行燃料のサ
イズのほぼ３．２倍の面積に相当している。

【００２９】図１６は本発明の第１５の実施例であって
、Ｎ＝１５、Ｉ＝５、Ｊ＝５、Ｋ＝５の場合である。 これは、現行燃料のサイズのほぼ２．８倍の面積に相当
している。

【００３０】図１７は本発明の第１６の実施例であって
、Ｎ＝１４、Ｉ＝４、Ｊ＝６、Ｋ＝４の場合である。 これは、現行燃料のサイズのほぼ２．４倍の面積に相当
している。

【００３１】図１８は本発明の第１７の実施例であって
、Ｎ＝１３、Ｉ＝４、Ｊ＝５、Ｋ＝４の場合である。 これは、現行燃料のサイズのほぼ２．１倍の面積に相当
する。

【００３２】図１９は本発明による原子炉の炉心の４分
の１を示している。ここで、薄い実線は現行燃料集合体
１が装荷される領域を表している。黒丸及び白丸は現行
炉心のＣＲＤの位置であって、炉心全体では２０５ある
。燃料集合体数は８７２体である。一つの制御棒を囲む
セル２３は図２１に示したものに対応している。現行燃
料は外接円２８によって囲まれた円にできる限り多く入
るように装荷されている。この炉心を大型燃料集合体と
して現行のほぼ４倍の面積を持つ燃料集合体を装荷した
炉心を同図に重ねて示している。ここで、大型燃料集合
体は太い実線で表してある。またＣＲＤは黒丸の位置に
のみ限定される。白丸の場所にはＣＲＤは無い。このた
めＣＲＤの数は１２１体となり、燃料集合体数は２０８
に減少する。

【００３３】ただし、外接円２８のサイズを一定とする
限り、炉心の最外周には大型燃料集合体を装荷するスペ
ースを確保できない。そのため、最外周にある制御棒を
保持するために、現行燃料並みのサイズの制御棒保持用
集合体２５または模擬燃料集合体２６が必要となる。し
かし、その数はわずかであり、定検工程の妨げになるほ
どのものではない。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料集合体を大型化し、反応度制御能力を増加しつつ交
換すべきＣＲＤを減少させるとともに、装荷する燃料の
性質が広範囲に変っても原子炉の炉心特性を良好に保つ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる炉心の第１の実施例を示す横断
面図であり、各燃料束の一辺の燃料棒配列数がＩ＝６，
Ｊ＝６，Ｋ＝６の場合、すなわち、６−６−６の場合で
ある。

【図２】本発明にかかる炉心に装荷すべき燃料集合体の
燃料棒の配列方法として、燃料棒を小集団毎にまとめて
配列する一例を示す図。

【図３】本発明の第２の実施例を示す横断面図。

【図４】本発明の第３の実施例として、７−４−７配列
の一例を示す横断面図。

【図５】本発明の第４の実施例として、８−２−８の場
合を示す横断面図。

【図６】本発明の第５の実施例として５−８−５の場合
を示す横断面図。

【図７】本発明の第６の実施例として、４−１０−４の
場合を示す横断面図。

【図８】本発明の第７の実施例として、３−１２−３の
場合を示す横断面図。

【図９】本発明の第８の実施例として、６−４−６の場
合を示す横断面図。

【図１０】本発明の第９の実施例として、６−４−６の
場合を示す横断面図。

【図１１】本発明の第１０の実施例として、６−６−６
の場合を示す横断面図。

【図１２】本発明の第１１の実施例として、２−１４−
２の場合を示す横断面図。

【図１３】本発明の第１２の実施例として、９−０−９
の特別な場合を示す横断面図。

【図１４】本発明の第１３の実施例として、６−５−６
の場合を示す横断面図。

【図１５】本発明の第１４の実施例として、５−６−５
の場合を示す横断面図。

【図１６】本発明の第１５の実施例として、５−５−５
の場合を示す横断面図。

【図１７】本発明の第１６の実施例として、４−６−４
の場合を示す横断面図。

【図１８】本発明の第１７の実施例として、４−５−４
の場合を示す横断面図。

【図１９】本発明の効果を説明するために、大型燃料集
合体とＣＲＤの体数が現行よりも大幅に減少している例
を従来の炉心の場合と比較して示した部分横断面図。

【図２０】従来の燃料集合体の一例を示す縦断面図。

【図２１】従来の燃料集合体と制御棒との関係を示す横
断面図。

【図２２】従来の炉心における、燃料集合体、制御棒、
ＬＰＲＭ、ＷＲＭの配置を示す横断面図。

【符号の説明】

１　　燃料集合体 ２　　燃料棒 ３　　ウォータロッド ４　　外側チャンネル ５　　内側チャンネル ６　　井字型水路 ７　　制御棒 ８　　チャンネル固定金具 ９　　副燃料束 １０　　中央燃料束 １１　　反応度制御体挿入領域 １２　　部分長燃料棒 １３　　ボイド管 １４　　チャンネル補強材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料集合体の横断面における一辺の燃料棒
   の配列数がＮであるＮ×Ｎ正方格子配列をさらにＩ，Ｊ
   ，Ｋの３つの配列数に分けてＮ×Ｎ正方格子をＩ×Ｉ，
   Ｊ×Ｊ，Ｋ×Ｋ及びそれぞれ２個ずつのＩ×Ｊ，Ｉ×Ｋ
   ，Ｊ×Ｋの合計９個の副格子に区分けされた副燃料領域
   によって構成し、これら各副燃料領域を分離し井字型の
   炉水で満たされた水路を成すように構造材で補強してな
   る燃料集合体を規則的に配置するとともに、炉心周辺部
   をのぞいて、各燃料集合体１体当たりに２体の十字型制
   御棒が配置してなる原子炉の炉心。