JPH052958B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は原子炉炉心に係り、特に燃料交換作業
が少なくかつ燃料経済性に優れた原子炉炉心に関
する。 〔発明の背景〕 原子炉は約１年間運転した後、定期検査を行な
い、その際、炉心に装荷されている燃料集合体の
約1/4〜1/3を新燃料と取替えている。燃料取替
は、運転中の最大出力燃料の炉心平均燃料出力に
対する比（径方向ピーキング）を最小とすること
を目的としたもの、燃料経済性を最大とすること
を目的としたもの、および燃料交換作業を最少と
することを目的としたもの、等の考え方の違いに
よつて同じ燃料取替体数でも何通りもの炉内装荷
パターンが可能である。 燃料交換作業を最少とすることを目的とした燃
料装荷パターンの従来例を第１図により説明す
る。この図は或るサイクルの時点における原子炉
内の燃料集合体の装荷パターンを示したものであ
り、小さな正方形一つが燃料集合体一体を表わし
ている。図中、１は炉内滞在１サイクル目の燃料
集合体、以下２ないし６はそれぞれ炉内滞在２な
いし６サイクル目の燃料集合体を示す。この図に
示す燃料装荷パターンでは、炉内滞在１サイクル
目に装荷された燃料はその後最終的に炉外へ取出
されるまでその位置から動くことがない。すなわ
ち、図中の符号を〇枠で囲んでいない炉心内側領
域では炉内滞在１サイクル目から４サイクル目ま
で各燃料が同一位置から動かず、４サイクル滞在
後５サイクル目となつた燃料が炉外へ取出される
ものである。また図中の符号を〇枠で囲んでいる
炉心外周領域では炉内滞在１サイクル目から６サ
イクル目まで各燃料が同一位置から動かず、６サ
イクル滞在後７サイクル目となつた燃料が炉外へ
取出されるものである。上述のような装荷パター
ンは、定期検査における実際の燃料交換作業時に
は、炉外へ燃料が取出された後の位置に新燃料を
装荷するだけであり、他の燃料が炉心内を移動す
ることがないので、燃料交換作業を最少にすると
いう観点からは最適な燃料装荷パターンである。 しかし、第１図の燃料装荷パターンは燃料経済
性の観点から評価すると、下記に述べるように、
必ずしも最適となつていない。 すなわち第２図は、第１図の燃料装荷パターン
を採用した炉心を径方向同心円状に５領域に分
け、ウラン濃縮度約3.3重量％の新燃料を装荷し
て数サイクル運転した後の平衡サイクルにおける
各領域の１サイクル当り平均出力を、炉心平均出
力を1.0として規格化した相対出力値で表わした
ものである。第２図において領域１〜４は第１図
で符号を〇枠で囲つていない内側領域、領域５は
第１図で符号を〇枠で囲つた外周領域に相当す
る。 第２図の領域１〜４のどの領域も炉内滞在１サ
イクル〜４サイクル目の燃料が均等に装荷されて
いるにも拘らず、炉心外周に近い領域４の相対出
力は炉心中央の領域１の相対出力の約75％でしか
ない。新燃料として炉心に装荷されて以来第２図
に示す相対出力分布で４サイクル運転された後に
第２図の領域１から取出された燃料と領域４から
取出された燃料との取出燃焼度を比較すると、領
域４から取出された燃料は領域１から取出された
燃料の約75％しか燃焼していないことになる。 このように、従来、燃料交換作業を最少とする
ような燃料装荷パターンは、全ての燃料を有効に
燃焼させるという燃料経済性の観点からは劣つて
いるという欠点があつた。 一方、燃料経済性を高めるという観点からは、
炉外へ取出されない燃料を、その炉内滞在期間中
の数サイクルの間に炉心内の様々な位置へ移動さ
せて、全ての燃料を有効に燃焼させる装荷パター
ンが考えられる。すなわち、燃焼の進んでいな
い、従つてウラン235が多く残つていて反応度が
高い燃料をできるだけ炉心中央部に装荷すること
によつて、その燃料をよく燃焼させるようにす
る。また炉心外周から中央部に行くに従つて中性
子インポータンスが高いことから、反応度の高い
燃料を炉心中央部に装荷することは、炉心全体の
中性子増倍率を増大させ、より長期間原子炉を運
転することを可能にする。従つて、燃料１体当り
の発生熱量も増大し、燃料経済性が向上する。 燃料の炉内移動（燃料シヤツフリングという）
が燃料経済性に及ぼす効果は、径方向ピーキング
（最大出力燃料の炉心平均燃料出力に対する比）
と取出燃焼度利得との関係で定量的に表わすこと
ができる。第３図は横軸に径方向ピーキング、縦
軸に取出燃焼度利得を示したものであり、両者は
互いに増加函数の関係にある。取出燃焼度利得を
大きくするように燃料シヤツフリングを行なうこ
とは、中性子インポータンスの高い炉心中央部に
反応度の高い燃料を装荷することになるので径方
向ピーキングが大きくなるが、しかし燃料経済性
は取出燃焼度利得が大きいほど良くなる。通常の
原子炉では、このような燃料シヤツフリングによ
つて燃料経済性を１〜３％程度向上させることが
可能である。 しかし、燃料シヤツフリングは定期検査時の燃
料交換作業を増大させ、定期検査期間を延長させ
る原因となる。比較のため、第４図に燃料シヤツ
フリング無しの燃料交換手順の例を、第５図に燃
料シヤツフリング有りの燃料交換手順の例を、そ
れぞれ1/4炉心（第２象限）について示す。これ
らの図から明らかなように、燃料シヤツフリング
を行なうと燃料交換作業が大幅に増大する。 下表は、ある原子炉において燃料シヤツフリン
グの少ない場合と多い場合との燃料交換ステツプ
数を例示したものである。どちらの場合も200体
の燃料取替を行なうが、燃料交換ステツプの総数
はシヤツフリングの少ない場合と多い場合とでは
約２倍の開きがある。

〔発明の概要〕

燃料交換作業を少なくするためには、取出され
る燃料と新たに炉心内に装荷する燃料の他は、な
るべく燃料移動を行なわないようにすることが必
要である。而して、燃料経済性の向上に関して第
３図で説明した径方向ピーキングと取出燃焼度利
得との関係は、燃料シヤツフリングをすることが
本質的なのではなく、燃料シヤツフリングをする
しないにかかわらず、結果として、反応度の高い
燃料を中性子インポータンスの高い炉内の中央部
に集め、径方向ピーキングを大きくすることが本
質的であることに本発明者は気づき、従つて燃料
シヤツフリングを最少とした炉心に対しても、反
応度の高い燃料を炉心中央に装荷すれば、径方向
ピーキングの増大とそれに伴う燃料経済性の向上
を実現することができるという着想に到達した。 本発明の原子炉炉心は上記の着想に基づくもの
であり、その構成の特徴は、多数の装荷された燃
料集合体からなる原子炉炉心であつて、炉心は中
央から周辺まで複数の領域に分割されており、炉
心を構成する燃料集合体は、少なくとも内側の領
域に装荷された燃料集合体が所定回数のサイクル
の間炉心内の同一場所に留まる燃料装荷パターン
に従つて装荷されており、且つ、炉心の全領域に
わたり一様な初期のウラン濃縮度の燃料集合体を
用いる場合に比べて、中央に近い領域における初
期ウラン濃縮度と中央より遠い領域における初期
ウラン濃縮度との平均が上記一様な初期ウラン濃
縮度と略等しくなるように中央に近い領域ほど中
央より遠い領域に比して初期ウラン濃縮度の高い
燃料集合体が装荷されていることにある。 本発明によれば、例えば第４図に示したような
燃料交換作業を少なくした燃料装荷パターンを採
用した原子炉に対して、炉心を径方向に多領域に
分け、炉心中央部に近い領域ほどウラン濃縮度の
高い燃料を装荷することによつて、燃料経済性を
向上させることができる。 〔発明の実施例〕 本発明の一実施例を第６図により説明する。第
６図に示す燃料装荷パターンは第１図の燃料装荷
パターンとほぼ同じものであり、図中、符号１は
炉内滞在１サイクル目の燃料集合体、以下、符号
２〜６はそれぞれ炉内滞在２〜６サイクル目の燃
料集合体を示す。装荷された燃料は最終的に取出
されるまでその位置から動くことは無い。すなわ
ち、第６図で符号を〇枠で囲んでいない領域では
４サイクルの期間中、また、符号を〇枠で囲んで
いる領域では６サイクルの期間中、燃料が同じ位
置で燃焼した後に炉外へ取出される。 第６図で斜線で示した内側領域には初期ウラン
濃縮度が約3.5重量％、それよりも外側の領域に
は初期ウラン濃縮度が約3.1重量％の燃料を装荷
する。但し、これらの平均のウラン濃縮度は第１
図で示した従来の原子炉と同じ約3.3重量％であ
る。この場合、第２図と同じように、径方向の各
領域の相対出力値を示したのが第７図である。第
７図には、比較のために第１図および第２図に示
した従来の原子炉における相対出力値も示してあ
る。本実施例では、第７図の領域１および２は第
６図の斜線で示した領域に相当し、初期ウラン濃
縮度約3.5重量％の燃料が装荷されている。また、
第７図の領域３および４は第６図の斜線で示した
領域と符号を〇枠で囲んだ領域との間の領域に、
そして、第７図の領域５は第６図の符号を〇枠で
囲んだ領域に相当し、これら領域は初期ウラン濃
縮度約3.1重量％の燃料が装荷されている。 第７図からわかるように、本実施例の炉心中央
部（領域１および２）では相対出力値が増大して
おり、径方向ピーキングも増大している。 本実施例によれば、燃料交換作業量は第１図お
よび第２図で示した従来の原子炉と同じであるの
に、燃料経済性は約２％向上する。 本発明の他の実施例を第８図を参照して説明す
る。この実施例の燃料装荷パターンは第６図にお
いて炉心中央の斜線で示す領域に初期ウラン濃縮
度約3.6重量％の燃料、その外側で外周領域（符
号を〇枠で囲んだ領域）との間に在る領域に初期
ウラン濃縮度約3.2重量％の燃料、そして外周領
域には初期ウラン濃縮度約2.0重量％の燃料を装
荷したものである。この場合の各領域毎の相対出
力値を第８図に示す。本実施例は第７図により説
明した前記実施例よりも更に燃料経済性向上の効
果が大きく、第１図および第２図で示した従来の
原子炉燃料装荷パターンに比べて、燃料経済性が
約３％向上する。 更に本発明のもう一つの実施例を第９図および
第１０図により説明する。第９図中、符号１は炉
内滞在１サイクル目の燃料集合体、以下、符号２
〜４はそれぞれ炉内滞在２〜４サイクル目の燃料
集合体を示す。これらの番号で示された燃料は炉
内に装荷されてから４サイクルの間同じ位置に留
る。内側の十四箇所および外周の黒塗りつぶしで
示した領域は５サイクル目の燃料を装荷した領域
を示し、この領域には常にそれ以外の炉心領域で
４サイクル燃焼した燃料を移動して装荷してあ
る。この５サイクル目の燃料は、もう１サイクル
だけそこに留まり、そして６サイクル目に入つた
時点で炉外へ取り出されるものである。 従つて今まで述べてきた実施例とは異なり、本
実施例では新燃料および取出し燃料以外の引き続
き炉心に留まる燃料の炉内移動、つまり燃料シヤ
ツフリングがある燃料装荷パターンを採用してい
るけれども、その燃料交換作業は僅かで済むもの
である。 本実施例では、第９図中、炉心中央の斜線で示
す領域には初期ウラン濃縮度約3.5重量％の燃料、
その外側で番号を付した領域には初期ウラン濃縮
度約3.1重量％の燃料を装荷する。新たに装荷さ
れる燃料の平均初期ウラン濃縮度は約3.3重量％
である。この原子炉炉心の各領域毎の相対出力値
を第１０図に示す。第１０図において領域１およ
び２、領域５、並びに領域３および４は、第９図
中の斜線で示した領域、外周の黒塗りで示した領
域およびこれら領域の間の領域にそれぞれ相当す
る。なお第１０図には、比較のために、第９図の
燃料装荷パターンの黒塗りつぶしで示した以外の
全ての領域において初期ウラン濃縮度約3.3重量
％の燃料を装荷した従来の原子炉の出力相対値も
併せて示してある。第１０図で示した従来の原子
炉と本実施例を比較すると、本実施例では燃料経
済性が約２％向上する。 〔発明の効果〕 本発明によれば、燃料交換作業を少なく保ちな
がらしかも炉心径方向ピーキングひいては取出燃
焼度利得を増大させる燃料装荷パターンを実現す
ることができるので、燃料交換作業をできるだけ
少なくしつつ燃料経済性を向上させるという従来
両立困難と考えられていた要求を満足させること
が可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の原子炉の燃料装荷パターンを示
す図、第２図は第１図の従来原子炉の径方向領域
毎の相対出力値を示す図、第３図は径方向ピーキ
ングと取出し燃焼度利得との関係を示す図、第４
図は燃料交換作業が少ない装荷パターンの場合の
燃料交換作業手順を示す図、第５図は燃料交換作
業が多い装荷パターンの場合の燃料交換作業手順
を示す図、第６図は本発明の一実施例による燃料
装荷パターンを示す図、第７図は同実施例におけ
る径方向領域毎の相対出力値を従来原子炉の相対
出力値と比較して示した図、第８図は第６図にお
いて燃料濃縮度を異らしめた本発明の他の実施例
における径方向領域毎の相対出力値を従来原子炉
のそれと比較して示した図、第９図は本発明の更
に他の実施例による燃料装荷パターンを示す図、
第１０図は該実施例における径方向領域毎の相対
出力値を従来原子炉の相対出力値と比較して示し
た図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多数の装荷された燃料集合体からなる原子炉
   炉心であつて、炉心は中央から周辺まで複数の領
   域に分割されており、炉心を構成する燃料集合体
   は、少なくとも内側の領域に装荷された燃料集合
   体が所定回数のサイクルの間炉心内の同一場所に
   留まる燃料装荷パターンに従つて装荷されてお
   り、且つ、炉心の全領域にわたり一様な初期のウ
   ラン濃縮度の燃料集合体を用いる場合に比べて、
   中央に近い領域における初期ウラン濃縮度と中央
   より遠い領域における初期ウラン濃縮度との平均
   が上記一様な初期ウラン濃縮度と略等しくなるよ
   うに中央に近い領域ほど中央より遠い領域に比し
   て初期ウラン濃縮度の高い燃料集合体が装荷され
   ていることを特徴とする原子炉炉心。