JPH0519672B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、沸騰水形原子炉の燃料集合体に関す
る。

［発明の技術的背景とその問題点］ 一般に原子炉では、炉心からより多くの熱エネ
ルギーを取り出すため燃料集合体内の出力分布を
できるだけ平坦化することが行われており、沸騰
水形原子炉では核分裂性核種濃度の異なる多種類
の燃料棒を燃料集合体に適切に配置することによ
り燃料集合体内の出力分布をより平坦化にするこ
とが行われている。

第１図はこのような燃料集合体を示すもので、
図において符号１は多数本の燃料棒２を収容する
チヤンネルボツクスを示している。この例では燃
料集合体の中央部には核分裂性核種濃度の高い燃
料棒２が配設されており、また周辺部には核分裂
性核種濃度の低い燃料棒２が配設されている。

すなわち、図中燃料棒２に付した符号１〜４は
核分裂性核種濃度の大小を示しており、符号１〜
４の順にその濃度は小さくなつている。なお、図
において符号Ｇは熱中性子吸収物質を含む燃料棒
を、符号Ｗは水棒を示している。

しかしながら、このように構成された燃料集合
体では、炉心内で燃焼され使用済となつた燃料集
合体の内部にかなりの核分裂性核種の燃え残りが
存在するという問題がある。

また、一般に燃料集合体の反応度を高めるため
には、熱中性子束分布の大きい場所に核分裂性核
種濃度の高い燃料棒を配置することが望ましい
が、以上のように構成された燃料集合体では熱中
性子束分布の小さい燃料集合体の内部に核分裂性
核種濃度の高い燃料棒が配置されているため、反
応度の損失が大きくなるという問題がある。

すなわち、一般に沸騰水形原子炉の燃料集合体
では、チヤンネルボツクス１の外側には非沸騰水
が存在するため、燃料集合体の周辺部では中性子
の減速効果が大きくなり、熱中性子束分布は燃料
集合体周辺部で大きく、内部で小さい分布となつ
ている。

そこで、このような燃え残りを減らし、かつ高
い反応度を得るため第２図に示すように、燃料集
合体内におけるすべての燃料棒２の核分裂性核種
濃度の分布を一様とし、燃料集合体外周部または
外周近傍に符号Ｇで示される可燃性毒物を含む燃
料棒を配置してなる燃料集合体が開発されてい
る。

しかしながら、このような燃料集合体では、燃
料集合体内の出力分布を平坦化することが困難で
あり、また燃料集合体外周部の出力が大きくなり
すぎ、原子炉運転時に熱的制限値を満たさない等
の問題が生ずるおそれがある。

また、このような燃料集合体では、熱中性子束
分布の大きい燃料集合体周辺部ほど核分裂性核種
の燃焼が速く進行するため、反応度の利得は燃焼
の初期で最も大きく燃焼とともに徐々に減少して
くるが、燃料集合体の反応度を高め燃料集合体の
燃焼度をできるだけ増大させるためには、反応度
の利得は燃焼の初期よりもむしろ燃焼の中期から
後半において大きくすることが望ましい。

そして、このためには燃焼の初期にはできるだ
け燃料集合体外周部の燃料棒の燃焼を抑制し、燃
焼の中期以降に燃焼を活発化させることが必要で
ある。

さらに、このような燃料集合体では、燃料集合
体外周部の燃焼度が大きく進行するため、これら
の燃料棒の機械的かつ熱的な健全性が損われるお
それがある。

［発明の目的］ 本発明はかかる従来の事情に対処してなされた
もので、燃料集合体の反応度を特に燃焼の中期以
降において大きくするとともに、燃料集合体内の
出力分布を平坦化して一様な燃焼度分布を達成
し、核分裂性核種の燃え残りの減少を図ることの
できる燃料集合体を提供しようとするものであ
る。

［発明の概要］ すなわち本発明は、複数の燃料棒を正方格子状
に配列しその外側をチヤンネルボツクスで囲繞し
てなる燃料集合体において、前記燃料棒のうち前
記チヤンネルボツクスに隣接して配置される燃料
棒の全部または一部を、軸心部分に熱中性子吸収
物質を含有する核燃料物質により形成したことを
特徴とする燃料集合体である。

［発明の実施例］ 以下本発明の詳細を図面に示す一実施例につい
て説明する。

第３図は本発明の一実施例の燃料集合体を示す
もので、図において符号３は断面四角形状のチヤ
ンネルボツクスを示しており、このチヤンネルボ
ツクス３内には多数の燃料棒４が規則的に配列さ
れて収容されている。なお、図において符号Ｗは
水棒を示している。

そして、この実施例では、チヤンネルボツクス
３に隣接するすべての燃料棒ａは、それぞれ軸心
部分に熱中性子吸収物質を含有し、外周部分には
熱中性子吸収物質を含有しない核燃料物質からな
る燃料棒とされている。

第４図はこのような燃料棒４ａの詳細を示すも
ので、図において符号５は燃料被覆管を示してお
り、この燃料被覆管５内には中心軸部分、すなわ
ち軸心部分６ａに熱中性子吸収物質を含有し、外
周部分６ａには熱中性子吸収物質を含有しない核
燃料物質からなる多数のペレツト６が挿入されて
いる。なお、ここで熱中性子吸収物質としては、
UO₂−Gd₂O₃、Al₂O₃−Gd₂O₃、SiO₂−Gd₂O₃、
MgO−Gd₂O₃のような物質が用いられている。

また、この実施例では、燃料棒４ａは軸心部分
６ａの熱中性子吸収物質を含有している領域の大
きさと、熱中性子吸収物質の種類により第３図に
示すように符号G₁〜G₃で示す３種類の燃料棒に
分類されている。

すなわち、燃料棒G₁は熱中性子吸収物質を含
有する領域の体積がペレツト６全体に対して約
8.5％を占めており、熱中性子吸収物質として
UO₂−Gd₂O₃が用いられている。燃料棒G₂は熱中
性子吸収物質の含有される領域がペレツト６全体
に対して約8.5％であり、熱中性子吸収物質とし
てAl₂O₃−Gd₂O₃が用いられている。燃料棒G₃は
熱中性子吸収物質を含有する領域の体積がペレツ
ト６全体に対して約24％であり、熱中性子吸収物
質としてAl₂O₃−Gd₂O₃が用いられている。

また、この実施例の燃料集合体では、燃料棒４
はすべて同一の核分裂性核種濃度とされている。

以上のように構成された燃料集合体では、熱中
性子束分布の大きいチヤンネルボツクス３に隣接
する燃料棒４を第４図に示したような燃料棒４ａ
で構成したので、燃料集合体内の核分裂性核種濃
度が一様であつても燃料集合体周辺部において大
きな出力ピーキングを生ずることを抑制すること
ができる。

また、燃料集合体内の燃料棒４の核分裂性核種
濃度が一様であり、さらに燃料集合体周辺部の燃
料棒４ａでは、燃焼の初期には熱中性子吸収物質
が存在するため、核分裂性核種の燃焼が抑制さ
れ、燃焼中期以降まで燃料集合体周辺部に配設さ
れる燃料棒４ａの核分裂性核種濃度を高く保つこ
とができる。この結果、燃焼の中期以降まで燃料
集合体の反応度を高く保つことができる。

第５図は以上のように構成された燃料集合体
と、従来の燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を
比較して示すもので、横軸には燃焼度が縦軸には
無限増倍率がとられている。

すなわち、図中曲線ａは第３図に示す本発明の
燃料集合体の場合を、曲線ｂは第１図に示した核
分裂性核種濃度の異なる多種類の燃料棒から構成
される従来の燃料集合体の場合を、また曲線ｃは
第２図に示した核分裂性核種濃度が燃料集合体内
でほぼ同様であり、燃料集合体外周部の一部に可
燃性毒物を含む燃料棒を配置した燃料集合体の場
合を示している。なお、これらの燃料集合体の核
分裂性核種濃度はすべて同一であり、燃料集合体
平均で約3.3w／ｏのウラン235が含まれている。

このグラフから明らかなように、可燃性毒物で
ある熱中性子吸収物質、例えばガドリニアが消滅
する燃焼度約10Gwd／st以降では、本発明による
燃料集合体の無限増倍率は他の２つの従来例より
大きくなる。これは前述したように、燃料集合体
内での核分裂性核種濃度を一様にしたことにより
熱中性子束分布の大きい燃料集合体周辺部の核分
裂性核種濃度が従来のものに比べ高くなつている
効果によるものである。

また、本発明の燃料集合体では、曲線ｃで示さ
れる第２図に示した核分裂性核種濃度が一様であ
る燃料集合体よりも無限増倍率が大きくなつてい
る。これは本発明の燃料集合体では、燃料集合体
周辺部の燃料棒４ａに熱中性子吸収物質が含有さ
れているため、燃焼の初期には核分裂性核種の燃
焼が抑制され、燃焼の中期以降まで周辺部の核分
裂性核種濃度が高く保たれ、従つて燃焼の中期以
降で無限増倍率を高くすることができるとの理由
による。

このような無限増倍率の増大による燃料集合体
の取り出し燃焼度の利得は次のようになる。

すなわち、運転期間が約7800Mwd／stである
場合には、本発明の燃料集合体の平均取り出し燃
焼度は、約31900Mwd／stであり、第１図に示し
た従来の燃料集合体では、約29800Mwd／st、第
２図に示した従来の燃料集合体では、約
31000Mwd／stである。

従つて、本発明の燃料集合体では、第１図に示
した燃料集合体に対して約７％の、第２図に示し
た燃料集合体に対して約３％の平均取り出し燃焼
度の利得を得ることができる。

第６図は第３図に示す本発明の燃料集合体の局
所出力ピーキング係数の燃焼変化を第２図に示し
た燃料集合体の比較して示すもので、横軸には燃
焼度が縦軸には局所出力ピーキング係数がとられ
ている。

すなわち、曲線ｄは本発明の燃料集合体の場合
を、曲線ｅは第２図に示した燃料集合体の場合を
示している。

図から明らかなように、第２図に示す従来の燃
料集合体では、核分裂性核種濃度を燃料集合体内
で一様としたため、燃料集合体外周部で大きな出
力ピーキングが生じ局所出力ピーキング係数が過
度に増大しているが、本発明の燃料集合体では燃
料集合体外周部の燃料棒４ａの軸心部分に熱中性
子吸収物質を含有させたため、局所出力ピーキン
グ係数の増大は抑制されている。

従つて本発明の燃料集合体では、核分裂性核種
濃度を燃料集合体内で一様としても局所出力ピー
キング係数が大きく悪化することがないので、原
子炉運転時に熱的制限値を満たさない等の問題を
解消することができる。

さらに本発明の燃料集合体では、局所出力ピー
キング係数が小さい状態、すなわち平坦な出力分
布で燃焼が進行するため、一部の燃料棒だけの燃
焼が極端に進行することを防止することができ、
燃料棒の機械的および熱的健全性を確保すること
ができる。

すなわち、以上のように構成された本発明の燃
料集合体では、燃料集合体内の出力分布が平坦化
されかつ燃料集合体の反応度が高められているの
で、燃料集合体を長期間燃焼させることができ
る。この結果、使用済となる時点において燃料集
合体内に燃え残る核分裂性核種の量を低減するこ
とができる。

なお以上述べた実施例では、チヤンネルボツク
ス３に隣接するすべての燃料棒４ａに熱中性子吸
収物質を含有させた例について説明したが、一般
に熱中性子吸収物質の装荷量は原子炉の炉心の余
剰反応度によつて決まるものであり、燃料集合体
外周部のすべての燃料棒に熱中性子吸収物質を含
有させる必要はなく、その一部の燃料棒に含有さ
せてもよいことは勿論である。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明の燃料集合体では、チ
ヤンネルボツクスに隣接される燃料棒の全部また
は一部を軸心部分に熱中性子吸収物質を含有し、
外周部分に熱中性子吸収物質を含有しない核燃料
物質で形成したので、燃料集合体内で核分裂性核
種濃度を一様とした場合にも燃料集合体内の出力
分布を平坦に確保することができ、また高い反応
度を得ることができる。

この結果、燃料集合体を長期間燃焼させること
ができ、また使用済となつた燃料集合体内に残存
する核分裂性核種の燃え残りを減少することがで
き、燃料経済性を従来より大幅に向上することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は核分裂性核種濃度の異なる多種類の燃
料棒からなる従来の燃料集合体を示す横断面図、
第２図は核分裂性核種濃度が一様で燃料集合体周
辺部の一部に可燃性毒物を含む燃料棒を配置した
従来の燃料集合体を示す横断面図、第３図は本発
明の一実施例の燃料集合体を示す横断面図、第４
図は第３図のチヤンネルボツクスに隣接する燃料
棒の詳細を示す縦断面図、第５図は無限増倍率の
燃焼変化を示すグラフ、第６図は局所出力ピーキ
ング係数の燃焼変化を示すグラフである。 ３……チヤンネルボツクス、４，４ａ……燃料
棒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の燃料棒を正方格子状に配列しその外側
   をチヤンネルボツクスで囲繞してなる燃料集合体
   において、前記燃料棒のうち前記チヤンネルボツ
   クスに隣接して配置される燃料棒の全部または一
   部を、軸心部分に熱中性子吸収物質を含有する核
   燃料物質により形成したことを特徴とする燃料集
   合体。