JPH05346477A - 沸騰水型原子炉の燃料配列方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料の濃縮度が高く、燃料取替体数が前サイク
ル燃料の90％以下の場合でも、炉停止余裕の減少や、熱
的特性の低下、最大燃焼度の超過等の支障がなく、良好
な炉心特性が得られる沸騰水型原子炉の燃料配列方法を
提供する。 【構成】新燃料１の濃縮度が前サイクル燃料２乃至５の
初期濃縮度より高く、燃料取替体数が前サイクル燃料の
90％以下となるような炉心で、制御棒操作のセル７と、
このセル７に隣接するセル８および炉心最外周のセル９
を除く前記炉心の60％以上のセル内に、１サイクル目
１、２サイクル目２の燃料が１体ずつ対角位置に装荷さ
れ、かつ制御棒操作のセル７に隣接するセル８で20％以
上のセルに２サイクル目の燃料２が２体対角位置に装荷
する。また４サイクル目以降の燃料４，５の平均燃焼度
を、最外周位置10の燃料Ｅ₁ ＞制御棒操作のセル７領域
11の燃料Ｅ₂ ＞他の中央領域12の燃料Ｅ₃ とする。さら
に炉心中心で４分割の各領域をさらに２等分し、滞在期
間が異なる大部分の燃料が当該２等分線に対し鏡映対称
に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉に装荷さ
れる燃料集合体の配置に係り、良好な原子炉運転特性を
得る沸騰水型原子炉の燃料配列方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉の炉心における燃
料配置は、図５の単位格子の横断面図に示すように、断
面が十字型の制御棒６の周囲に夫々核分裂性物質等を充
填した多数の燃料棒20をほぼ正方形に配列した４体の燃
料集合体21を配して１つの単位格子（以下セルと呼ぶ）
22とし、このセル22を多数、格子状に配列している。

【０００３】この原子炉の運転は通常予め計画された一
定の期間（これを１サイクルと呼ぶ）連続して行われ、
この期間終了後に古くなった燃料集合体21を炉心から取
出し（以下これを取出燃料と呼ぶ）、新燃料に取換えて
燃料の再配列を行い、再び計画された一定の期間連続し
て運転を行っている。

【０００４】通常、初めて炉心に装荷する燃料集合体21
を新燃料、若しくは第１サイクル目燃料と呼び、同様に
既に１サイクル炉心内に滞在し、次に２サイクル目とな
る燃料を第２サイクル目燃料、３サイクル目になる燃料
を第３サイクル目燃料、４サイクル目になる燃料を第４
サイクル目燃料と、以下同様に呼んでいる。また出力運
転中において制御棒６が挿入される予定のセル22をコン
トロールセルと呼んでいる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年は高濃縮度燃料の
導入に伴い、その導入期においてサイクル終了時の燃料
取換体数が、前サイクル終了時の燃料取換体数の90％以
下に減少するような炉心が考えられるようになってきて
いる。しかしながら、新燃料の濃縮度が他の燃料より高
い場合には、可燃性毒物が燃え尽きるサイクル末期にお
いて新燃料の出力が大きくなる。

【０００６】このために制御棒６が炉心に挿入された停
止状態において、最大の制御棒価値を有する１本の制御
棒６が何らかの理由によって抜けた場合の原子炉におけ
る未臨界性の余裕（以下炉停止余裕と呼ぶ）の減少や、
熱的特性の低化、さらに取出燃料体数の減少に伴い、古
い燃料の燃焼が進んで、その古い燃料の燃焼度が最大燃
焼度を超える可能性が発生する等の支障が生じる。

【０００７】本発明の目的とするところは、新燃料等の
炉心における配置により、濃縮度を上げて燃料取替体数
が前サイクル燃料の90％以下になるような場合でも、炉
停止余裕の減少や、熱的特性の低下、最大燃焼度の超過
等の支障が生じない、良好な炉心特性を得る沸騰水型原
子炉の燃料配列方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】断面が十字型の制御棒の
周囲に４体の燃料集合体を配置した単位格子（セル）を
多数格子状に配置した沸騰水型原子炉の炉心に新らたに
装荷される燃料集合体の核分裂性物質の濃縮度が当該炉
心内で滞在期間２サイクル目以降の燃料集合体の核分裂
性物質の初期濃縮度に比べて高く、燃料集合体の取替体
数が前サイクルの燃料集合体の90％以下となるような炉
心において、出力運転中に制御棒操作が行われる単位格
子（コントロールセル）と、このコントロールセルに隣
接する単位格子および最外周に位置する単位格子を除く
前記炉心の60％以上の単位格子内に、滞在期間が第１サ
イクル目、第２サイクル目の燃料集合体が夫々１体ずつ
対角位置に装荷され、かつ前記コントロールセルに隣接
する単位格子のうち20％以上の当該単位格子内に炉心で
の滞在期間が第２サイクル目の燃料集合体が２体対角位
置に装荷されることを特徴とする。

【０００９】また前記炉心に装荷されている第４サイク
ル目以降の燃料集合体の燃焼度が、最外周位置に装荷さ
れる燃料の平均燃焼度をＥ₁ 、コントロールセルに装荷
される燃料の平均燃焼度をＥ₂ 、その他の中央領域に装
荷される燃料の平均燃焼度をＥ₃ とした場合に、Ｅ₁ ＞
Ｅ₂ ＞Ｅ₃ の関係が成立することを特徴とする。

【００１０】さらに、前記炉心の中心軸を中心に４分割
された各領域において、当該各領域をさらに２等分した
ときに、前記滞在期間が異なる大部分の燃料集合体が当
該２等分線に対し鏡映対称に配置されたことを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】１本の制御棒を含む位置のセルには、無限増倍
率の大きさがサイクル末期で特に最大となる新燃料（高
濃縮燃料）が１体以上装荷されることは無く、しかも炉
心内に均等に配置されているため、制御棒価値が極端に
大きくなることがないので炉停止余裕が大きくなる。

【００１２】また熱的特性が厳しくなり易い第２サイク
ル目燃料を炉心の大部分で新燃料と隣接させず、対角位
置に１体のみ配置することによって、第２サイクル目燃
料についても、この熱的特性が悪化することはなくな
る。

【００１３】しかし、第２サイクル目燃料の体数は新燃
料数より多いため、このような燃料配列だけでは、第２
サイクル目燃料が余ることになるが、この第２サイクル
目燃料の体数の調整については、熱的特性が厳しくなり
難いコントロールセルに隣接するセルに第２サイクル目
燃料を２体対角位置に配するか、または炉心外周部のセ
ル内に２体（最外周は除く）配することによって解決さ
れる。

【００１４】なお、取出燃料体数が減少するために、本
来であれば炉心外に取り出されている筈の燃焼が進んだ
古い燃料が、さらに、もう１サイクル炉心内に滞在する
ことになり、これらの燃料が予め定められている当該燃
料の最大燃焼度を超える可能性が生じる。

【００１５】これに対処するために、今サイクル終了時
に炉心から取り出される可能性のある燃料集合体のう
ち、燃焼が進むことが予想される第４サイクル目以降の
燃料集合体の燃焼度について、最外周位置に装荷される
燃料の平均燃焼度をＥ₁ 、コントロールセル内に装荷さ
れる燃料集合体の平均燃焼度をＥ₂ 、その他の中心領域
に装荷される燃料集合体の平均燃焼度をＥ₃ とした場合
に、Ｅ₁ ＞Ｅ₂ ＞Ｅ₃ の関係を成り立たせる。

【００１６】これにより、今サイクル終了時の取出燃焼
度を超えるようなことはなくなる。これは、炉心内での
燃焼は、一般的にその他の中央領域、コントロールセ
ル、最外周領域の順で燃焼が進み易いことによる。また
炉心の中心軸を中心に４分割された各領域内において
は、当該領域をさらに２等分する線分に対し、大部分の
燃料集合体が鏡映対象に配置されているため、炉心特性
に優れ炉心監視上も有利な原子炉内の燃料配置となる。

【００１７】さらに、出力運転中に制御棒操作が行われ
るセルには、炉心滞在期間が３サイクル目以上の燃料集
合体が配置されているため、制御棒の操作性に優れ、炉
心特性を損なうことがない。なお、炉心の最外周位置に
は、３サイクル目以上の燃料集合体が配置されているた
め、中性子漏洩を低減でき、燃料経済性に優れている。

【００１８】

【実施例】本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。なお、上記した従来技術と同じ構成部分については
同一符号を付して詳細な説明を省略する。図１は炉心に
おける燃料および制御棒の配置図で、第１サイクル目燃
料である新燃料１が 168体、第２サイクル目燃料２が 1
92体、第３サイクル目燃料３が 192体、第４サイクル目
燃料４が 192体、第５サイクル目燃料５が20体の計 764
体の燃料集合体が装荷された沸騰水型原子炉の炉心の横
断面を示している。なお、ここで新燃料１の体数は、第
２サイクル目燃料２の体数の87.5％である。

【００１９】図１における１つの小さな升が１体の燃料
集合体を表しており、４つの升の交点で黒丸の位置に制
御棒６が配置されている。また太線で４つの小さな升を
囲んだセルは出力運転中に制御棒操作が行われるコント
ロールセル７を表していて、この炉心内燃料配置におい
ては、第４サイクル目燃料４が４体からなるコントロー
ルセル７が17個配列してある。

【００２０】さらに、このコントロールセル７に隣接す
るセル、および炉心周辺部のセルを除いた他のセルは、
60％以上が第１サイクル目燃料１、および第２サイクル
目燃料２が夫々１体ずつ対角線方向に配置され、残り２
体の燃料集合体は、第３サイクル目燃料３もしくは第４
サイクル目燃料４の燃料集合体からなっている。またコ
ントロールセル７に隣接するセルの20％以上は、第２サ
イクル目燃料２が２体、対角線方向に配置されるように
構成されている。

【００２１】図２は説明のための炉心配置図で、燃料装
荷の配置は前記図１に示したものと同一である。図２中
には、炉心を大きく４領域に分割する炉心中心部を通過
する直線Ｘ−Ｘ1 ，Ｙ−Ｙ1 および、その領域をさらに
２等分する直線Ａ−Ａ1 ，Ｂ−Ｂ1 が記載されている。

【００２２】コントロールセル７に隣接するセルの内、
４つの小さな升を点線で囲んで示したセル８は第２サイ
クル目燃料２が２体対角線方向に配置されるように構成
されているセルである。また炉心外周部付近に配列され
ているセルのうち、実線で囲んだセル９は第２サイクル
目燃料２が２体配置されるように構成されているセルで
ある。

【００２３】図３の炉心配置図は、以下の説明用で燃料
装荷方式は前記図１に示したものと同一である。但しこ
こでは説明上、Ｘ−Ｙ線で１／４に分割された炉心の左
上部のみを示している。図３中には第４サイクル目以降
の燃料については斜線を施しており、これらを最外周領
域10と、コントロールセル７内11、その他の中心領域12
の３つのグループに分けている。

【００２４】次に上記の燃料配列方法による作用につい
て説明する。新燃料においては図４の燃料集合体の無限
増倍率特性図に示すように、濃縮度に例えば曲線ａ，ｂ
のように相違があっても、可燃性毒物の燃え尽きるサイ
クル末期においてはいずれも無限増倍率が最大となり、
高濃縮燃料ではその値も大きい。

【００２５】本発明では図１乃至図３に示す一実施例の
ように原子炉炉心内の燃料集合体配列を行うと１本の制
御棒６を含む位置のセルには、サイクル末期において無
限増倍率の大きさが最大となる新燃料１（高濃縮燃料）
が１体以上装荷されることはなく、しかも炉心内に均等
に配置されているので、制御棒価値が極端に大きくなる
ことはなく、従って炉停止余裕が大きくなる。

【００２６】また熱的特性が悪化しやすい第２サイクル
目燃料２の大部分を新燃料１と対角位置に配することに
よって、第２サイクル目燃料２は、無限増倍率の低い第
３サイクル目燃料３および第４サイクル目燃料４に囲ま
れることになり、熱的特性の極端な悪化は防ぐことがで
きる。

【００２７】さらに、図３において斜線を施した第４サ
イクル目以降の燃料４，５については、最外周領域10に
装荷された燃料集合体の平均燃焼度はＥ₁ 、コントロー
ルセル７内に装荷されたグループ11の燃料集合体の平均
燃焼度はＥ₂ 、その他の中心領域12に装荷された燃料集
合体の平均燃焼度はＥ₃ であり、これらの関係は燃料装
荷時点でＥ₁ ＞Ｅ₂ ＞Ｅ₃ を満たしている。このため
に、今サイクル終了時の取出燃焼度の分布は小さくな
り、最大燃焼度を超えるようなことはなくなる。

【００２８】また４分の１に分割された炉心の各領域内
では、燃料集合体は、その領域を２等分する線分Ａ−Ａ
1 ，Ｂ−Ｂ1 に対し、ほぼ鏡面対称に配置されているこ
と、および各４分の１領域は、炉心全体に対し４分の１
回転対称になっていることにより、炉心内の出力分布の
歪みが小さく、炉心の熱的特性が悪化することがない。

【００２９】なお、この炉心の燃料集合体配列は１／８
対称性をほぼ満たしているため、同一炉内滞在期間の燃
料集合体が炉心中心軸から等距離に配置され、炉内中性
子計装に基づく出力分布演算の精度を向上でき、炉心監
視上も大変優れた燃料配置となっている。さらに、以上
本一実施例の説明においては、１／８対称性をほぼ満た
した燃料配列になっているが、本発明の効果はこれに限
るものではなく、１／４対称性をほぼ満たした燃料配列
でも同様の効果が得られる。

【００３０】上記特許請求の範囲における実施態様項と
しては、次のものがある。 (1) 前記炉心に装荷されている第４サイクル目以降の燃
料集合体の燃焼度について、最外周位置に装荷される燃
料の平均燃焼度をＥ₁ 、出力運転中に制御棒操作が行わ
れる単位格子に装荷される燃料の平均燃焼度をＥ₂ 、そ
の他の中央領域に装荷される燃料の平均燃焼度をＥ3 と
した場合に、Ｅ₁ ＞Ｅ₂ ＞Ｅ₃ の関係が成り立つことを
特徴とする請求項１の沸騰水型原子炉の燃料配列方法。

【００３１】(2) 前記炉心の中心軸を中心に４分割され
た各領域において、当該各領域を更に２等分したとき
に、前記滞在期間が異なる大部分の燃料集合体が当該２
等分線に対し鏡映対象に配置されたことを特徴とする請
求項１および実施態様項１の沸騰水型原子炉の燃料配列
方法。

【００３２】

【発明の効果】以上本発明によれば、燃料の高濃縮度化
により、サイクル終了時における燃料集合体の取換体数
が減少し、かつ燃料集合体取換体数が前サイクル燃料集
合体の90％以下となるような炉心においても充分な炉停
止余裕が確保され、炉心特性に優れて取出燃料の燃焼度
が最大燃焼度を超えることなく、炉心監視上も優れた原
子炉で運転特性と信頼性、および経済性が向上する効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例の炉心燃料配配置図。

【図２】図１における説明用炉心燃料配配置図。

【図３】図１の１／４分割炉心燃料配配置図。

【図４】燃料の燃焼度と無限増倍率特性図。

【図５】燃料集合体の単位格子の横断面図。

【符号の説明】

１…第１サイクル目燃料、２…第２サイクル目燃料、３
…第３サイクル目燃料、４…第４サイクル目燃料、５…
第５サイクル目燃料、６…制御棒、７…コントロールセ
ル（第４サイクル目燃料が４体配置）、８…第２サイク
ル目燃料が２体対角線方向に配置されたるセル、９…第
２サイクル目燃料が２体配置されたセル、10…最外周領
域グループ、11…コントロールセル内グループ、12…そ
の他の中心領域グループ、20…燃料棒、21…燃料集合
体、22…単位格子（セル）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断面が十字型となる制御棒の周囲に４体
   の燃料集合体を配置した単位格子を多数格子状に配列し
   て構成された原子炉の炉心に新らたに装荷される燃料集
   合体の核分裂性物質の濃縮度が当該炉心内で滞在期間２
   サイクル目以降の燃料集合体の核分裂性物質の初期濃縮
   度に比べて高いことから燃料集合体の取替体数が前サイ
   クルの燃料集合体の90％以下となるような炉心におい
   て、出力運転中に制御棒操作が行われる単位格子と、こ
   の単位格子に隣接する単位格子および炉心最外周に位置
   する単位格子を除く当該炉心の60％以上の単位格子内に
   滞在期間が第１サイクル目および第２サイクル目の燃料
   集合体が夫々１体ずつ対角位置に装荷され、かつ前記出
   力運転中に制御棒操作が行われる単位格子に隣接する単
   位格子のうち20％以上の当該単位格子内に滞在期間が第
   ２サイクル目の燃料集合体が２体対角位置に装荷される
   ことを特徴とする沸騰水型原子炉の燃料配列方法。