JPH0432354B2

JPH0432354B2 -

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Publication number: JPH0432354B2
Application number: JP57065127A
Authority: JP
Priority date: 1982-04-19
Filing date: 1982-04-19
Publication date: 1992-05-29
Also published as: JPS58182585A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は燃料集合体に係り、特に燃料経済性の
向上が図れる燃料集合体に関する。

（従来の技術）一般に、炉心平均の反応度は、＝∫k（γ）・Ｐ（γ）dγ／∫P（γ）dγ……（）なる式により近似することができる。

ここでｋ（γ）は炉心内の位置γにおける反応
度を示しており、またＰ（γ）は炉心内の位置γ
における出力を示している。

より厳密には、式（）における重みはその位
置におけるインポータンス関数を用いるべきであ
るが、ここではこれを出力で近似するものであ
る。

従つて、たとえば炉心平均濃縮度が同一の場合
に、炉心平均反応度を大きくし、それに伴つて
燃料経済性を向上させるためには、出力Ｐ（γ）
の大きい領域の反応度ｋ（γ）を大きくすればよ
いことがわかる。

一方、炉心の出力を、炉心の軸方向についてみ
ると、炉心の上端部および下端部の出力は炉心の
上面および下面からの中性子漏洩のために、炉心
中央部の出力よりも小さくなつている。

第１図は、従来の燃料集合体の核分裂性物質
（例えばU₂₃₅）が天然物質より濃縮された領域す
なわち核分裂性物質の濃縮部における核分裂性物
質含有量の分布を示す図である。同図に曲線ａで
示すように、炉心の上下方向に一様な核分裂性物
質含有量の分布を有する従来の燃料集合体を装荷
した炉心の軸方向相対出力分布Ｐ（ｚ）は、裸の
円柱形原子炉に対するフエルミ理論を用いると、
炉心高さをＨ、高さ方向の中心をｚ＝０とする
と、Ｐ（ｚ）＝π／2Hcos（π／Ｈｚ） ……（）によつて表わすことができ、横軸に相対出力分布
を縦軸に炉心部の中心の高さをとると第２図の曲
線ｂのようになる。

そしてこのように、上下方向に一様な核分裂性
物質含有量の分布を有する従来の燃料集合体で
は、反応度分布ｋ（ｚ）も一様でありk₀を定数と
すると、ｋ（ｚ）＝k₀ ……（）と表すことができる。

そして式（）、（）を式（）に代入する
と、炉心平均反応度は、＝∫^H/2 _-H/2ｋ（ｚ）・Ｐ（ｚ）dz＝k₀ ……（）となる。

（発明が解決しようとする課題）ところで、このような燃料集合体は、原子力プ
ラントの運転コストの低減、長期サイクル運転を
実現するために、炉心平均反応度が高く、燃料経
済性に優れたものが要望されている。

本発明は、このような従来の事情を鑑みてなさ
れたもので、燃料集合体の中央部における核分裂
性物質含有量を、上端部および下端部の核分裂性
物質含有量よりも大きくすることにより、炉心平
均反応度を高め、燃料経済性の向上が図れる燃料
集合体を提供することを目的とするものである。

［発明の構成］（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おいては、
原子炉内に収容される燃料集合体において、核分
裂性物質の濃度が軸方向の上部及び下部において
最も低く、この軸方向の上部及び下部を除く中心
部が軸方向に３領域に形成され、この中心部に形
成された３領域の核分裂性物質の濃度が３領域の
中央部において最も高く、かつ前記燃料集合体の
平均核分裂性物質濃度が軸方向中心部において上
部より下部の方が低くなるように構成されて成る
ことを特徴とする燃料集合体を提供する。

また、核分裂性物質含有量の低い部分ほど可燃
性毒物含有量が低くなるように構成してもよい。

（作用）本発明は、燃料集合体の中央部における核分裂
性物質含有量を、上端部および下端部の核分裂性
物質含有量よりも大きくすることにより、炉心平
均反応度を高め、燃料経済性の向上を図ることが
可能となる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について図を参照して
説明する。

本発明の燃料集合体は、中央部における核分裂
性物質の含有量を上端部および下端部における核
分裂性物質の含有量よりも大とされている。

第３図は、このような燃料集合体を装荷した炉
心の反応度を示すもので、横軸には反応度が、縦
軸（Ｚ軸）には炉心部の高さがとられており、図
中k₁は上端部および下端部の反応度を、k₀は前述
した従来の燃料集合体の炉心平均反応度を、k₂は
中央部の反応度を示している。

また、αは０＜α＜1/2であり、k₁＝βk₀とす
ると、０＜β＜１である。

すなわち、ｋ（ｚ）＝k₁：αH≦｜ｚ｜≦Ｈ／２ k₂：｜ｚ｜≦αH ……（） k₁＝β・k₀，（Ｈ／２−αH）k₁＋αHk₂ ＝Ｈ／２k₀ ……（）の関係を有している。

このような燃料集合体を装荷した炉心の平均反
応度は、出力分布を（）式のままであると仮
定すると、式（）、（）を（）式に代入して
（）式を用いることにより、＝π／Ｈ｛k₁∫^H/2 _dHcos（π／Ｈｚ）dz ＋k₂∫^dH ₀cos（π／Ｈｚ）dz｝＝k₀｛β＋（１−β）・１／2αsinπα｝……（）あるいは＝k₀｛１／2αsinπα＋β（１−１／2αsinπα｝ ……（）と表わすことができる。

ここで０＜α＜1/2 ０＜β＜１ ……（）であることを用いると、（）式よりはαの単
調減少関数であることが、また（）式よりは
βの単調減少関数であることがわかる。

第４図は、横軸にαを、縦軸にをとり、βを
パラメータとしたグラフであり、曲線ｅは β＝1/2のときを示しており、曲線ｄ、ｆはそれ
ぞれβ→１およびβ→０の極限のときを示してい
る。

同図から、α→０、β→０の極限では→π／
２・k₀となり、従来に比べて、57％の反応度利得
が得られることがわかる。

なお、実際には、本発明の燃料集合体を装荷し
た炉心の軸方向出力分布Ｐ（ｚ）は、上下一様反
応度を有する従来の燃料集合体に比べて、炉心上
端部および下端部ではさらに低く、また炉心中央
部ではさらに高くなる。

従つて、この効果を正しく取り入れるならば、
炉心平均反応度はさらに高まることになる。

ただし一方で、出力が高くなるとその領域で中
性子吸収物質であるゼノンの蓄積量が増し、かつ
ドツプラー効果が強められ、反応度低下をもたら
すので、上記ほどには炉心平均反応度は増大しな
い。

第５図は、本発明の一実施例の燃料集合体を示
すもので、横軸には、ウラン235の濃縮度が、縦
軸には、炉心部の高さがとられている。

なお、炉心部の高さは、燃料集合体を軸方向に
24等分し、下端を０、上端を24として表示されて
いる。

すなわち、第５図に曲線ｇで示す燃料集合体で
は、ウラン235の濃縮度は、高さ０〜２および23
〜24において1.33wt％、２〜８および21〜23にお
いて2.08wt％、８〜21において2.25wt％とされて
いる。

この実施例において、ウラン235の濃縮度を燃
料集合体の上下方向で非対称にしたのは、沸騰水
形原子炉では、冷却材中に発生するボイド率の分
布のために、軸方向出力分布が、式（）で表わ
されるコサイン分布と大きく異なり、炉心下方の
出力が高く、炉心上方の出力が低い、いわゆるボ
トム・ピークとなるためである。

すなわち、上下一様の反応度を有する従来の燃
料集合体を装荷した炉心では、サイクル末期のボ
イド率分布は、第６図に破線で示す曲線ｈのよう
になり、この結果、軸方向相対出力分布は第６図
に破線で示す曲線ｉのようにボトム・ピークとな
るためである。

上端部および下端部のウラン235の濃縮度を中
央部よりも低くすることは、上下端部の出力を低
下させ中央部の出力を増大させるので軸方向出力
ピーキングの増大を招くが、本実施例のようにウ
ラン235の濃縮度分布を上下で非対称にすること
によつて出力ピークの生じる炉心下部のウラン
235の濃縮度を上部よりも実効的に低くできるの
でボトム・ピークを抑え、よつて出力ピーキング
の増大を避けることが可能となる。

なお、第６図において、横軸には、ボイド率分
布および軸方向相対出力分布がとられており、縦
軸には、炉心部の高さがとられている。

また、以上の実施例において、上端部および下
端部と、中央部とでウラン235の濃縮度差を比較
的小としたのも、軸方向出力ピーキングを、従来
の炉心の値とほぼ同等に保つためである。

すなわち、第５図に示す本発明の一実施例の燃
料集合体では、現行の原子炉への適用可能性を考
慮しており、反応度利得はあまり大きくされてい
ない。

第６図において、実線で示される曲線ｋおよび
ｌは、上述した実施例の燃料集合体を炉心に装荷
した第１サイクルのサイクル末期での軸方向出力
分布およびボイド率分布を示している。

すなわち、軸方向出力分布が、炉心上端部およ
び下端部で低く、炉心中央部で高くなることによ
つて、サイクル燃焼度は約11200Mwd／ｔとな
り、第７図に曲線ｍで示す従来の燃料集合体に比
べて約10％の燃焼度利得が得られる。

すなわち、第７図は、従来の燃料集合体を示す
もので、燃料集合体全長にわたつて濃縮度2.08wt
％のウラン235が収容されており、この燃料集合
体を炉心に装荷した第１サイクルのサイクル燃焼
度は約10200Mwd／ｔである。

なお、本発明において、上端部および下端部に
おいて、ウラン235濃縮度が低下しているため、
同領域の例えばガドリニアのような可燃性毒物の
含有量を、中央部の可燃性毒物含有量よりも低く
することができる。

すなわち、第７図で示した従来の燃料集合体に
おいては、可燃性毒物含有量が上下方向に一様で
あるために、出力の小さく上端部および下端部に
おけるサイクル末期での可燃性毒物の残留量が多
くなるが、第５図に示した本発明の一実施例の燃
料集合体では、上端部および下端部での可燃性毒
物含有量を低くすることができるため、サイクル
末期での可燃性毒物の残留量は少なくすることが
できる。

なお、前述の燃焼度利得の中にはこのような可
燃性毒物残留量の減少の効果も含まれている。

［発明の効果］以上述べたように、本発明の燃料集合体によれ
ば、燃料経済性を従来の燃料集合体に比べ大幅に
高めることができる。さらに、一般に原子炉停止
時に上部寄りに中性子束のピークが生じることか
ら、中性子束のピークとなる領域の核分裂性物質
の濃縮度が低くなり、炉停止余裕を増大させるこ
とができる。

なお、以上述べた実施例では、軸方向出力ピー
キング係数を従来の炉心とほぼ同様とした例につ
いて述べたが、将来バリア型燃料等の開発によつ
て熱的な制限が緩和された場合には、上端部およ
び下端部の濃縮度を上述した実施例よりもさらに
低くし炉心中央部の濃縮度をさらに高くすること
が可能であり、その場合にはさらに高い燃焼度利
得が得られる。

また、以上述べた実施例では、上端部および下
端部の反応度と中央部の反応度との差を持たせる
ために、ウラン235濃縮度の差を用いたが、本発
明はかかる実施例に限定されるものではなく、燃
料ペレツトの密度の差あるいはウラン235以外の
核分裂性物質を用いてよいことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の上下一様の核分裂性物質含有量
を有する燃料集合体を示す図、第２図は第１図に
示す燃料集合体を炉心に装荷した場合に軸方向出
力分布を示すグラフ、第３図は本発明の一実施例
の燃料集合体を示す図、第４図は第３図の燃料集
合体を炉心に装荷したときの炉心平均反応度を
示すグラフ、第５図は本発明の燃料集合体の他の
一実施例を示す図、第６図は第５図および第７図
の燃料集合体を炉心に装荷した第１サイクルのサ
イクル末期における軸方向出力分布およびボイド
率分布を示すグラフ、第７図は従来の燃料集合体
を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１原子炉内に収容される燃料集合体において、
核分裂性物質の濃度が軸方向の上部及び下部にお
いて最も低く、この軸方向の上部及び下部を除く
中心部が軸方向に３領域に形成され、この中心部
に形成された３領域の核分裂性物質の濃度が３領
域の中央部において最も高く、かつ前記燃料集合
体の平均核分裂性物質濃度が軸方向中心部におい
て上部より下部の方が低くなるように構成されて
成ることを特徴とする燃料集合体。２前記核分裂性物質含有量の低い部分ほど可燃
性毒物含有量が低くなるように構成したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料集合
体。