JPH04301592A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料集合体に係り、特
に、水素対燃料原子数比の最適化により、高燃焼度化及
び運転性の向上に好適な燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の燃料集合体は、「軽水
炉」（秋山守著、同文書院刊）に記載のように、一般に
、核分裂性物質を含む燃料ペレットを被覆管に充てんし
た燃料棒を多数束ねて断面形状が正方形のチャネルボッ
クスで覆って構成される。炉心は上記の燃料集合体を、
さらに束ねて円柱状に形成される。燃料としては、濃縮
ウランあるいはプルトニウムを富化したウランが酸化物
の化学形態で使用される。炉心の反応度は、燃料の燃焼
に伴って減少していくので、運転末期でも原子炉が臨界
を保つように、運転初期には燃料を臨界量よりも多く装
荷している。その結果生じる余剰反応度は、ガドリニア
等の可燃性毒物を燃料に混合すると共に、炭化硼素ある
いはハフニウムからなる十字型の制御棒を隣接する複数
の燃料集合体の間に挿入することによって中性子の吸収
量を調節して制御している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の燃料集
合体では、チャンネルボックスの周囲に十字型の制御棒
を挿入するために、制御棒ブレード幅のおよそ２倍の水
ギャップを設けている。したがって、中性子の減速は、
燃料集合体の外側ほど進んで、熱中性子束は外側ほど高
くなるので、ウラン濃縮度の分布を一様とすれば、出力
分布は外側でピークをもつようになる。出力分布を平坦
化するためには、燃料集合体の外側に位置する燃料棒の
ウラン濃縮度を低くしている。したがって、濃縮度一様
の場合に比べ、燃料集合体の内側の燃料棒の濃縮度を高
くする必要があり、ウラン濃縮費が増え、燃料サイクル
費が増大するという問題がある。

【０００４】また、チャンネルボックスの外側に不飽和
水が偏在するため、チャンネルボックス内部の沸騰水の
ボイド率（水蒸気の体積割合）が変化したときの反応度
の変化量（ボイド反応度係数）が大きくなり、炉心流量
や炉出力の変化を伴う過渡事象の進展が速くなりやすい
という問題がある。

【０００５】本発明の目的は、上記の第一の問題点を解
決し、燃料の最高濃縮度を低減して燃料サイクル費の低
減に好適な燃料集合体を提供することにある。

【０００６】本発明の他の目的は、上記の第二の問題点
を解決し、ボイド反応度係数を低減して、過渡事象の進
展が緩やかな燃料集合体及び原子炉の炉心を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料集合体は、
燃料棒を三角格子状に配列し、下記の位置に未飽和水を
満たした水ロッドを配置して構成とする。すなわち、燃
料集合体の水平断面で燃料集合体の中心と各コーナーと
を結ぶ線分で複数の三角形領域に分割した場合において
、各三角形領域の重心の位置、または、前記線分上の位
置、または前記燃料集合体の中心である。

【０００８】本発明の他の燃料集合体は、前記水ロッド
の内部または周囲にガドリニアやボロン等の可燃性毒物
を配置して構成する。

【０００９】本発明の他の燃料集合体は、前記水ロッド
の周囲に、それ以外の領域に比べ、重金属密度の高い燃
料を配置して構成する。

【００１０】本発明の原子炉の炉心は、上記の燃料集合
体を少なくとも一種類装荷して構成する。

【００１１】

【作用】上記の構成により、本発明の燃料集合体では、
燃料棒を正方格子状に配列し、チャンネルボックスの外
側に水ギャップを設けて、そこに十字型の制御棒を挿入
する構造とした従来の燃料集合体または炉心と比較して
、以下のように作用する。

【００１２】未飽和水に隣接する燃料棒の割合が大きく
なるため、水素対ウラン原子数比の分布が均一になる。 したがって、燃料のウラン濃縮度分布を一様としても、
熱中性子束分布及び出力分布が平坦化される。また、ボ
イド率が変化したときに、燃料棒の周囲の水素対ウラン
原子数比の変化が小さくなるため、ボイド反応度係数の
絶対値が小さくなる。

【００１３】上記の他の構成の燃料集合体によれば、水
ロッドの内部または周囲に配置した可燃性毒物によって
、ウラン−２３５が多数存在する燃料寿命初期には、水
ロッドへの中性子を遮蔽して反応度が高くなりすぎない
ように抑え、ウラン−２３５量が減少する燃料寿命末期
には、可燃性毒物が燃えつきて、水ロッド内に中性子が
入射して減速が促進され、反応度を増大させることがで
きる。したがって、燃焼に伴う反応度変化を低減するこ
とができる。

【００１４】上記の他の構成の燃料集合体によれば、水
ロッドの周囲は水素の原子数密度が高くなるため、ウラ
ン密度の高い燃料を配置して、反応度がほぼ最大になる
ように水素対ウラン原子数比を調整することができる。

【００１５】上記の構成の原子炉の炉心によれば、過渡
事象の進展をより一層緩やかにすることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例に従って説明する。図
１は本発明の第一の実施例を示しており、沸騰水型原子
炉の燃料集合体に適用したものの水平断面図である。燃
料集合体１０は、ジルカロイの被覆管２０に、濃縮ウラ
ン酸化物からなる燃料を充てんした燃料棒１を束ね、ジ
ルカロイでできた正六角管状のチャネルボックス２１で
覆って構成されている。燃料集合体１０の周囲にはＹ字
型制御棒６が挿入され、反応度を制御する。表１に燃料
の仕様を示す。燃料棒１は、六角形の１辺に７本並ぶよ
うに三角格子配列で装荷されている。燃料棒１のウラン
濃縮度は約４％である。本実施例では、断面が六角形の
燃料集合体の中心に加え、中心と各コーナーとを結ぶ線
分上に水ロッド２を配置している。水ロッドの大きさは
、いずれも、燃料棒と周囲の水からなる単位セル約７つ
分の面積となっている。このような燃料棒１及び水ロッ
ド２の配置によって、すべての燃料棒１を水ロッド２ま
たはチャンネルボックス周囲の未飽和水領域１２に隣接
させることができる。したがって、中性子の減速効果を
燃料集合体内で均一にすることができ、熱中性子束分布
及び出力分布を、ウラン濃縮度分布を一様としても平坦
化することができる。

【００１７】以下、本発明の他の実施例について説明す
る。図２は、燃料集合体の水平断面図であり、燃料棒１
は、六角形の１辺に６本並ぶように三角格子配列で装荷
されている。本実施例では、燃料集合体３０には未飽和
水を満たした水ロッド２及び３を水平断面の中心、及び
中心と各コーナーを結ぶ線分とでできる６つの正三角形
の重心を含むように配置してある。水ロッドの大きさは
、周辺の６本の水ロッド３では、燃料棒と周囲の水から
なる単位セル約３つ分の面積となっており、中心の水ロ
ッド２では、上記単位セル７つ分の面積となっている。 このような燃料棒及び水ロッドの配置によって、燃料棒
６６本のうち、９０％以上の６０本を、水ロッドまたは
チャンネルボックス周囲の未飽和水領域に隣接させるこ
とができる。したがって、中性子の減速効果を燃料集合
体内で均一にすることができ、第一の実施例とほぼ同様
な効果が得られる。

【００１８】

【表１】

【００１９】図３は、燃料集合体４０の水平断面におい
て中心と各コーナーとを結ぶ領域に放射状の水ロッド４
を配置したことが特徴である。このような構成において
も上記の実施例とほぼ同様な効果が得られる。

【００２０】図４は、第一の実施例の燃料集合体におい
て、クラスター型制御棒７を上記水ロッド２に挿入する
構造とした実施例である。このような構成によれば、第
一の実施例の効果に加え、制御棒挿入時にも水素対ウラ
ン原子数比の分布を均一化できるため、出力分布平坦化
を実現できると同時に制御棒反応度価値を確保すること
ができる。

【００２１】図５は、本発明を燃料集合体に適用した他
の実施例を示している。水ロッド２２を二重管構造とし
、内側には未飽和水を満たし、外側にはガドリニアから
なる可燃性毒物領域２３を配置してある。ガドリニアの
燃焼によって、水ロッドによる中性子の減速効果を、燃
料寿命の初期では小さく、燃料寿命末期では大きくする
ことができ、ウランの燃焼による反応度の変化量を低減
することができる。上記の実施例では、水ロッド及びク
ラスター型制御棒の断面形状を円形としたが、三角形や
六角形として、表面積を増やした実施例も考えられる。 図６は、水ロッドの形状を中心の太径のものを六角形と
し、周辺の細径のものを三角形（おむすび型）にした実
施例を示している。本実施例では、さらに、六角水ロッ
ド３２と三角水ロッド４２に挾まれた領域の燃料棒をガ
ドリニア入燃料棒１１としている。このような構成によ
れば、図５に示した実施例と同様に、燃料寿命を通じて
出力分布を平坦化でき、燃焼による反応度変化を低減で
きる。

【００２２】図７は、本発明を燃料集合体に適用した他
の実施例を示している。太径水ロッド５２の周囲には、
酸化物燃料に比べウラン原子数密度の高い金属燃料を被
覆管に充填した高密度燃料棒５を配置したことが特徴で
ある。このような構成によれば、水素対重金属原子数比
を少数本の水ロッドによって均一化することができる。 また、太径水ロッド５２の周囲に、金属燃料の替わりに
炭化物燃料、窒化物燃料、あるいはスミア密度の高い酸
化物燃料などを配置しても上記と同様な効果が得られる
。

【００２３】本発明の燃料集合体を装荷した炉心の実施
例も考えられ、従来の燃料集合体を装荷した炉心と比較
して、ボイド反応度係数を低減でき、過渡事象の進展を
より一層緩やかにすることができる。

【００２４】上記の実施例では、いずれも、燃料として
濃縮ウラン酸化物を、炉心構造材としてジルカロイを、
減速材及び冷却材として水を、可燃性毒物としてガドリ
ニアを、それぞれ使用したが、その他の燃料、構造材、
減速材、冷却材、可燃性毒物を使用した場合にも本発明
は適用できる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料集合
体によれば、従来技術に比べ、燃料の核分裂性物質の濃
縮度を一様としても、運転期間を通じて燃料集合体内の
出力分布を平坦化でき、最高ウラン濃縮度を低減するこ
とができる。また、ボイド反応度係数の絶対値を低減す
ることができ、過渡事象の進展をより一層緩やかにする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である燃料集合体の横断面図で
ある。

【図２】本発明の他の実施例である燃料集合体の横断面
図である。

【図３】本発明の他の実施例である燃料集合体の横断面
図である。

【図４】本発明の他の実施例である燃料集合体の横断面
図である。

【図５】本発明の他の実施例である燃料集合体の横断面
図である。

【図６】本発明の他の実施例である燃料集合体の横断面
図である。

【図７】本発明の他の実施例である燃料集合体の横断面
図である。

【符号の説明】

１…燃料棒、１１…可燃性毒物入燃料棒、２…太径水ロ
ッド、３…細径水ロッド、４…放射状水ロッド、５…高
密度燃料棒、６…Ｙ字型制御棒、７…クラスター型制御
棒、１０，３０，４０，５０，６０，７０，８０…燃料
集合体、１２…ギャップ水領域、２０…被覆管、２１…
チャンネルボックス、２２…可燃性毒物入水ロッド、２
３…可燃性毒物領域、３２…六角水ロッド、４２…三角
水ロッド。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核分裂性物質を含む複数の燃料棒を三角格
   子状に配列した燃料集合体において、前記燃料集合体を
   前記燃料棒１本とその周囲の減速材とを含む複数の単位
   セルに分割した場合、前記単位セル２つ分よりも大きく
   、前記単位セル４つ分よりも小さい断面積を有する、減
   速材を満たした減速棒を、配置したことを特徴とする燃
   料集合体。
2. 【請求項２】前記減速棒の断面積を、前記単位セル６つ
   分よりも大きく、前記単位セル８つ分よりも小さくした
   請求項１の燃料集合体。
3. 【請求項３】請求項１記載の前記減速棒及び請求項２記
   載の前記減速棒を含む燃料集合体。
4. 【請求項４】前記燃料集合体の断面を多角形状にすると
   共に前記燃料集合体の中心と各コーナーとを結ぶ線分で
   複数の三角形領域に分割した場合、各三角形領域にそれ
   ぞれ前記減速棒を配置した請求項１または請求項２の燃
   料集合体。
5. 【請求項５】前記各三角形領域の重心の位置を含むよう
   に前記減速棒を配置した請求項４の燃料集合体。
6. 【請求項６】核分裂性物質を含む複数の燃料棒を三角格
   子状に配列した燃料集合体において、前記燃料集合体の
   断面を多角形状にすると共に、前記燃料集合体の中心と
   各コーナーとを結ぶ線分上に減速材を満たした減速棒を
   配置したことを特徴とする燃料集合体。
7. 【請求項７】前記燃料集合体の水平断面の中心を含むよ
   うに前記減速棒を配置した請求項４，５または６の燃料
   集合体。
8. 【請求項８】前記減速棒の中に、中性子吸収材を含む制
   御棒を挿入する構造にした請求項１〜７のうちの１つの
   請求項の燃料集合体。
9. 【請求項９】前記制御棒の直径を、前記燃料棒の直径よ
   りも大きくした請求項８の燃料集合体。
10. 【請求項１０】前記制御棒の断面形状を、多角形状にし
    た請求項８または９の燃料集合体。
11. 【請求項１１】前記減速棒が可燃性毒物を含んでいる配
    置した請求項１〜１０のうちの１つの請求項の燃料集合
    体。
12. 【請求項１２】前記減速棒の周囲にはそれ以外の領域に
    比べ重金属密度の高い燃料を配置した請求項１〜１１の
    うちの１つの請求項の燃料集合体。
13. 【請求項１３】請求項１〜１１のうちの１つの請求項の
    燃料集合体を少なくとも一体装荷したことを特徴とする
    原子炉の炉心。