JPH0432355B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉の炉心構造、特に、沸騰水型
原子炉の炉心構造に関するものである。

沸騰水型原子炉は、一般に、各々隣接配置され
た４体の燃料集合体とこれらの燃料集合体に取り
囲まれる位置に挿入可能な制御棒とを含む多数の
燃料セルで構成されている。このような従来の沸
騰水型原子炉においては、運転サイクル期間の間
に、核燃料の燃焼により核分裂性物質の量および
その分布が変り、これに伴つて、炉心の余剰反応
度の変化および出力分布の変化を含む炉心の反応
度変化が生じる。このような出力運転中の反応度
変化を制御するには、燃料セルの隣接燃料集合体
間に位置する複数本の制御棒を利用し、その位置
または挿入本数または両者を変化させて制御棒パ
ターンを変化させたり、または制御棒挿入深さを
変化させたり、または制御棒パターンと挿入深さ
とを変化させている。このため、例えば、１年間
の運転サイクル期間の間に数回制御棒を操作し
て、制御棒パターンまたは制御棒挿入深さまたは
両者を変更する必要がある。しかし、従来の炉心
では、燃料健全性の見地から、制御棒に隣接した
燃料の出力レベルを一定値以下にした上で、制御
棒を操作することが望ましいものとされており、
そのため、制御棒パターンおよび制御棒挿入深さ
の変更に際し、炉心出力を一端低下させて制御棒
を操作し、その後、元の出力レベルに復帰させる
という運転手順をとつている。このため、原子炉
運転時に、多数の制御棒を必要としている。

また、従来の沸騰水型原子炉においては、前述
した出力運転中に生じる炉心の反応度変化のた
め、制御棒が全引抜きの状態となる運転サイクル
の末期において半径方向出力分布が平坦にならな
い。

本発明の目的は、より少ない平均無限増倍率の
低い燃料セルによつて炉心半径方向の出力平坦化
を効果的に達成できる原子炉の炉心構造を達成す
ることにある。

本発明の特徴は、燃料セルが、複数の第１燃料
セルと、燃料セル平均の無限増倍率が第１燃料セ
ルのそれよりも低い複数の第２燃料セルとを含
み、第２燃料セルが原子炉運転時に反応度制御の
ための制御棒を含み、１つの第２燃料セルが炉心
中心に配置され、残りの全ての第２燃料セルが、
炉心中心から炉心半径の約２分の１までの領域に
おいて、炉心中心に位置する前記第２燃料セルの
周囲に一列に配置されており、前記炉心中心に配
置された第２燃料セルと前記一列に配置された第
２燃料セルとの間、及び前記一列に配置された第
２燃料セルの相互間に、前記第１燃料セルが配置
されていることにある。

以下、実施例について説明する。

第１図は、本発明の一実施例である原子炉の炉
心構造の概略断面図で、熱出力3300MWの沸騰水
型原子炉の炉心全体を符号１で示してある。炉心
１は、各々隣接配置された４体の燃料集合体とこ
れら燃料集合体に取り囲まれる位置に挿入可能な
制御棒とを含む多数の燃料セル２で構成されてい
る。

燃料セル２は、燃料セル平均の無限増倍率が比
較的高く、かつ４体のうち１体は可燃性毒物、好
ましくはガドリニアを含有する燃料集合体である
第１燃料セル３と、燃料セル平均の無限増倍率が
比較的低く（燃料セル３よりも低い）かつ可燃性
毒物を含有する燃料集合体は含まない第２の燃料
セル４と、を含む。第１図において、第１の燃料
セル３は細線で４等分された無印の破線のボツク
スで表示され、第２の燃料セル４は、細線で４等
分されその中にＣが書き込んである太線のボツク
スで表示されている。従つて、第２の燃料セル４
は、炉心中央領域、好ましくは炉心中心から炉心
半径の約２分の１までの範囲の炉心中央領域に配
置され、炉心中央領域の外側の炉心周辺領域には
配置されていないことを示している。すなわち、
炉心中央領域、好ましくは炉心中心から炉心半径
の約２分の１までの範囲の炉心中央領域は第１お
よび第２の燃料セル３，４の両方で構成され、炉
心中央領域の外側の炉心周辺領域の大部分は第１
の燃料セル３のみで構成され、第２の燃料セル４
を含まない。

燃料セル２は、さらに炉心周辺領域の最外側部
分に配置された第３の燃料セル５を含む。第３の
燃料セル５は、燃料セル平均の無限増倍率が第１
の燃料セル３のそれとほぼ同じであるが、可燃性
毒物の仕様の点で異なる。すなわち、後述する理
由で、第３の燃料セル５における新燃料としての
燃料集合体の可燃性毒物の濃度は第１の燃料セル
３におけるそれよりも低くされている。

第２図は、第１図に示した炉心構造の制御セル
となる１つの燃料セルの拡大断面図で、第２の燃
料セル４はそれぞれ制御セルを構成し、これら制
御セル中の制御棒６のみが、原子炉の通常運転
中、炉心の反応度変化を制御するために操作さ
れ、所定のパターンおよび深さで燃料集合体７，
８，９，１０間に挿入される。なお、第１の燃料
セル３に挿入される制御棒は、原子炉の停止時
（スクラム時を含む）にのみ炉心内に挿入され、
通常運転中は炉心外に引抜かれている。

第１図に示した実施例では、炉心中央領域には
９個の第２の燃料セル４が配置され、１個は炉心
中心に８個はほぼ炉心中心に中心を持つリング１
１にほぼ沿つて、ほぼ等間隔に位置している。第
２の燃料セル４は、他の形態で配置されてもよ
い。すなわち、１つの燃料セル４は、炉心中心に
配置されている。また、残りの燃料セル４は、炉
心中心に位置する燃料セル４の周囲に一列に配置
されている。上記のように燃料セル４を配置する
ことにより、炉心中心に位置する燃料セル４とリ
ング１１に沿つて配置された各燃料セル４との
間、及びリング１１に沿つて配置されている各燃
料セル４相互間に、それぞれ燃料セル３が配置さ
れている。

次に、第１の燃料セル３、第２の燃料セル４お
よび第３の燃料セル５に、それぞれ使用する燃料
集合体の構成を第３図により説明する。第３図ａ
は第１の燃料セル３に使用する燃料集合体１２の
構成を示すもので、燃料集合体平均の濃縮度は約
2.8重量％であり、ガドリニア入り燃料棒は７本
である。ガドリニア入り燃料棒のガドリニア濃度
および位置は、ガドリニア濃度が燃料集合体を軸
方向に24分割したときの上下端の１ノードを除く
中央部分では約3.5重量％となり、上下端の１ノ
ードの部分では約1.5重量％となるように選定さ
れている。第３図ｂは第２の燃料セル４に使用す
る燃料集合体１３の構成を示すもので、燃料集合
体平均の燃料濃縮度は約1.1重量％で、ガドリニ
ア入りの燃料棒は含まれていない。第３図ｃは第
３の燃料セル５に使用する燃料集合体、すなわ
ち、炉心最外周に装荷する燃料集合体１４を示す
もので、燃料集合体平均の燃料濃縮度は約2.8重
量％でガドリニア入り燃料棒本数は７本である。
ガドリニア入り燃料棒のガドリニア濃度は、燃料
集合体のガドリニア濃度が一様に約1.5重量％と
なるように選定されている。炉心上下端と炉心最
外周でガドリニア濃度を低くしているのは、運転
サイクル末期におけるガドリニアの燃え、残りを
防ぐためである。

第４図、第５図および第６図は、それぞれ、第
３図ａ，ｂおよびｃに示した燃料集合体１２，１
３，１４の具体的構成を示すもので、これらの各
図において、第４図ａ、第５図ａおよび第６図ａ
は燃料集合体の横断面の概略図で、各燃料集合体
は丸で表示した位置にそれぞれ記号を付した複数
の燃料棒を持つことを示し、各図の燃料棒の燃料
濃縮度または燃料濃縮度およびガドリニア濃度
は、それぞれ第４図ｂ、第５図ｂおよび第６図ｂ
に示すようになつている。第４図および第６図に
おいて、記号F₁〜F₆が付されているものがガド
リニアを含まない燃料棒で、それぞれ表示される
燃料濃縮度を持ち、記号F_Gが付されているもの
がガドリニア入り燃料棒で、それぞれ表示される
燃料濃縮度およびガドリニア濃度を持ち、第５図
において、記号F₁〜F₃が付されているものがガ
ドリニアを含まない燃料棒で、それぞれ表示され
る燃料濃縮度を持つている。なお、第４図ａ、第
５図ａおよび第６図ａにおいて、Ｗはウオータロ
ツドを示している。

第７図は、以上説明した各燃料集合体の燃焼に
伴う無限増倍率の変化を示すもので、横軸には燃
焼度（GWd／st）、縦軸には無限増倍率（Ｋ∞）
がとつてあり、１５は第１の燃料セル３に用いる
燃料集合体１２のうち上下端を除く主要部の無限
増倍率の変化、１６は第２の燃料セル４に用いる
燃料集合体１３の無限増倍率の変化、１７は第３
の燃料セル５に用いる、すなわち、炉心最外周に
装荷する燃料集合体１４全体と第１燃料セル３に
用いる燃料集合体１荷重の上下端における無限増
倍率の変化を示している。

炉心全体の特性は、炉心の大部分を占める第１
の燃料セル３に用いる燃料集合体１２の特性によ
り決まる。この燃料集合体１２は、ほとんどシヤ
ツフリングをしない４バツチ分散装荷領域に配置
されている。従つて、隣接する４体の燃料集合体
を持つ第１の燃料セル３には、炉内滞在年数１、
２、３、４年目の燃料集合体１２が含まれてい
る。１サイクルの燃焼度は6.15GWd／st程度であ
り、主要部の燃料の燃焼は進む傾向にあるので、
第７図に示すように、１年以上の炉内滞在を経験
した燃料集合体１２はガドリニアが燃えつきてお
り、燃焼とともに無限増倍率が減少する。従つ
て、２、３、４年目の燃料集合体１２は燃焼とと
もに無限増倍率が低下する。一方、１年目の燃料
集合体１２はガドリニアの燃焼に伴い無限増倍率
が低下する。また、第７図に示すように、燃料集
合体１２は、炉内滞在１年目の燃料の無限増倍率
の増加率が、２年目以降の燃料の無限増倍率の減
少率の約３倍となつている。この結果、４体１組
の燃料集合体でみた燃料セル平均の無限増倍率に
運転サイクルを通してあまり変動しなくなる。従
つて、燃焼に伴う炉心の余剰反応度の変動が小さ
くなり、出力運転時使用制御棒の本数を９本以内
とすることができる。

すなわち、４体のうち１体は可燃性毒物、好ま
しくはガドリニアを含有する燃料集合体を含む第
１の燃料セル３が、炉心中央領域（好ましくは炉
心中心から炉心半径の約２分の１までの範囲）の
一部を除いて炉心のほぼ全域に配置されており、
このため、新燃料時の可燃性毒物の濃度を前述の
ように適切に選定することにより、原子炉の出力
運転中の燃料の燃焼に伴う炉心の余剰反応度の変
化および出力分布の変化を含む炉心反応度の変化
量が比較的小さくなる。従つて出力運転中炉心の
反応度変化を制御するために操作する制御棒の数
を著しく少なくできる。

炉心中央領域に配置される第２の燃料セル４に
使用する燃料集合体１３の無限増倍率は、第５図
からわかるように、全燃焼期間を通して比較的低
い。従つて、炉心中央領域の一部に配置された第
２の燃料セル４の無限増倍率で規定される制御セ
ルの燃料出力レベルは、第１の燃料セル３の無限
増倍率で規定される炉心平均の出力レベルよりも
低い燃料健全性の面から要求されている出力レベ
ル以下の値に設定することができ、出力運転中炉
心の反応度変化を制御するため第２の燃料セル４
内の制御棒を操作するに際し、炉心出力を一時的
に低減する必要をなくすことができる。

第８図は、運転サイクル末期における全制御棒
引き抜き状態における炉心径方向の燃料集合体４
体平均の相対出力分布を示す。図中、横軸には径
方向位置、縦軸には燃料セル内の燃料集合体４体
平均、すなわちセル平均の相対出力分布がとつて
ある。第８図の右上部分には1/4炉心１８が示さ
れ、１９は出力分布を計算した位置を示し、２０
は第２の燃料セル４の位置を示し、２１は径方向
の相対出力分布を表わしている。この図は、第２
の燃料セル４のある位置の相対出力は低く、半径
方向出力分布の平坦化に寄与していることを示し
ている。特に、本実施例では１つの第２の燃料セ
ル４を出力が最も高くなる炉心中心に配置してい
るので、炉心中心での出力が大幅に低下する。更
に、残りの８つの第２の燃料セル４を、炉心中心
に位置する燃料セル４の周囲に配置しているの
で、炉心中心を通る各縦断面における径方向の出
力分布は、ほぼ等しい。すなわち、炉心中心を中
心に出力の低下した環状の領域が形成される。

本実施例の原子炉の炉心構造においては、上述
したように、燃料セル平均の無限増倍率が比較的
小さい第２の燃料セルを炉心中央領域に配置した
構成が、制御棒がほとんど引抜かれた運転サイク
ル末期において炉心の半径方向出力分布をほぼ平
坦にすることに貢献することができる。

以上の記載から明らかなように、平均無限増倍
率の小さい第２の燃料セル４は、半径方向出力分
布の調整と、反応度変化の制御のための制御棒操
作領域としての２つの役割りを持つている。なお
このような役割りを持つ第２の燃料セル４は、低
濃縮度の燃料の他、燃焼度が相対的に高い燃料を
用いることによつても得ることができる。

以上述べた本実施例によれば、少ない数の第２
の燃料セル４を用いて炉心半径方向の出力分布平
坦化を効果的に達成できる。この理由を以下に説
明する。

本実施例は、１つの燃料セル４が炉心中心に配
置され、残りの全ての燃料セル４が、炉心中心か
ら炉心半径の約２分の１までの領域において、炉
心中心に位置する燃料セル４の周囲に一列に配置
されているので、炉心内にある全ての燃料セル４
が、半径方向において出力が高い、炉心中心から
炉心半径の約２分の１までの領域に、配置され、
その領域における出力を低減できる。このため、
炉心半径方向の出力分布が平坦化される。特に、
最も出力の高い炉心中心に１つの燃料セル４を配
置していることにより、炉心中心での原子炉出力
が大幅に低減される。これは、全ての燃料セル４
が炉心中心から炉心半径の約２分の１までの領域
に配置されることに起因した、燃料セル４に基づ
く周辺領域の出力減少を、防止できることと相俟
つて、炉心半径方向の出力分布をより平坦化する
ことに著しく貢献する。更に、本実施例は、炉心
中心に配置された燃料セル４と１つのリング１１
に沿つて一列に配置された各燃料セル４との間、
及びその一列に配置された各燃料セル４相互間
に、それぞれ燃料セル３が配置されているので、
前述した周辺領域の出力減少を防止できる状態
で、炉心中心から炉心半径の約２分の１までの領
域に、燃料セル４を分散して配置できる。これ
は、炉心中心に１つの燃料セル４を配置するこ
と、及び残りの全ての燃料セル４を、炉心中心か
ら炉心半径の約２分の１までの領域において、炉
心中心に位置する燃料セル４の周囲に一列に配置
することと共に、燃料セル４の数を少なくさせる
ことに寄与し、少ない燃料セル４で、炉心中心か
ら炉心半径の約２分の１までの領域の出力を平均
的に下げることを可能にする。上記のように燃料
セル４を分散させて配置することは、原子炉運転
時に炉心内に挿入された制御棒も炉心半径方向に
分散させることにつながる。従つて、運転時にお
ける制御棒による出力制御も、上記領域の出力を
平均的に下げることを可能にする。

特に、原子炉の運転サイクル末期の全制御棒が
全引抜きされた状態では９個の第２の燃料セル４
によつて炉心半径方向の出力分布が平坦化され、
運転サイクル末期以前、すなわち全制御棒が全引
抜きされる前では、９個の第２の燃料セル４内に
挿入された少数本の制御棒及び燃料セル４によつ
て炉心半径方向の出力分布が平坦化される。ま
た、本実施例は、燃料交換時におけるシヤツフリ
ングが不要となるとともに、出力運転中の制御棒
操作時炉心出力を下げる必要がなく、かつ制御棒
パターンの交換さえも不要とする炉心を構成する
ことが可能となり、原子炉の運転手順の簡素化と
プラント利用率の向上、熱的余裕の増大を計るこ
とができる。

以上のように、本発明の原子炉の炉心構造は、
炉心中心に位置した第２燃料セルによる出力の低
減効果を最大限に活用して、少ない数の第２燃料
セルで効果的な炉心半径方向の出力分布の平坦化
を達成できる。更に、炉心中心から炉心半径の約
２分の１までの領域の出力を平均的に下げること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原子炉の炉心構造の一実施
例の概略断面図、第２図は第１図に示した炉心構
造の制御セルとなる１つの燃料セルの拡大断面
図、第３図ａ，ｂおよびｃは、第１図に示した炉
心構造に用いられる３種類の燃料集合体の構成を
示す説明図、第４図ａおよびｂは、第３図ａに示
す燃料集合体の断面図、およびこの燃料集合体に
入つている複数種類の燃料棒の燃料濃縮度および
ガドリニア濃度を示す説明図、第５図ａおよびｂ
は、第３図ｂに示す燃料集合体の断面図、および
この燃料集合体に入つている複数種類の燃料棒の
燃料濃縮度を示す説明図、第６図ａおよびｂは、
第３図ｃに示す燃料集合体の断面図およびこの燃
料集合体に入つている複数種類の燃料濃縮度およ
びガドリニア濃度を示す説明図、第７図は、第３
図ａ，ｂおよびｃに示した３種類の燃料集合体の
燃焼に伴う無限増倍率の変化を示す線図、第８図
は、第１図に示した炉心構造において、サイクル
末期における全制御棒引き抜き状態における炉心
半径方向の燃料セル平均の相対出力分布を示す線
図である。 ２……燃料セル、３……第１の燃料セル、４…
…第２の燃料セル、５……第３の燃料セル、６…
…制御棒、７，８，９，１０……燃料集合体、１
２……（第１の燃料セル３に使用する）燃料集合
体、１３……（第２の燃料セル４に使用する燃料
集合体、１４……（第３の燃料セル５に使用す
る）燃料集合体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに隣接配置された４体の燃料集合体を含
   む多数の燃料セルと、前記燃料セル内の各々の前
   記燃料集合体に取囲まれる位置に挿入可能な制御
   棒とを有する原子炉の炉心構造において、 前記燃料セルが、複数の第１燃料セルと、燃料
   セル平均の無限増倍率が前記第１燃料セルのそれ
   よりも低い複数の第２燃料セルとを含み、 前記第２燃料セルが原子炉運転時の反応度制御
   のための制御棒を含み、 １つの前記第２燃料セルが炉心中心に配置さ
   れ、 残りの全ての前記第２燃料セルが、前記炉心中
   心から炉心半径の約２分の１までの領域におい
   て、前記炉心中心に位置する前記第２燃料セルの
   周囲に一列に配置されており、 前記炉心中心に配置された第２燃料セルと前記
   一列に配置された第２燃料セルとの間、及び前記
   一列に配置された第２燃料セルの相互間に、前記
   第１燃料セルが配置されていることを特徴とする
   原子炉の炉心構造。 ２ 前記第２燃料セルが炉心内に９個配置され、
   １個は前記炉心中心に配置された前記第２燃料セ
   ルであり、他の８個の前記第２燃料セルは前記一
   列に配置された第２燃料セルである特許請求の範
   囲第１項記載の原子炉の炉心構造。