JPH0588439B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、原子炉に装荷される燃料集合体に係
り、特に、燃料のウラン濃縮度を高くして、高燃
焼度を図るのに好適な燃料集合体に関する。

〔発明の背景〕

第７図は、従来から知られている沸騰水型原子
炉に装荷される代表的な燃料集合体の構造を示し
たもので、第８図は、前記燃料集合体を構成する
燃料棒１６の構造を示している。

図中燃料棒１６は、燃料であるウラン235の濃
度（濃縮度という。）を高くした濃縮ウランの酸
化物をセラミツクにしたペレツト２１を被覆管２
０の中に充填し、これをスプリング２２及びゲツ
ター２３で保持し、上部端栓１８と下部端栓１７
を被覆管２０に溶接して密封し、内部ヘリウムを
満たした構造をしている。図中、２４で示す空間
はヘリウムが充填されておりプレナムと呼ばれて
いる。

燃料集合体は、前記の燃料棒１６を８行８列の
格子状に配置して、上部タイプレート１３、下部
タイプレート１１及びスペーサ１５で固定し、そ
の外側をチヤンネルボツクス１０で囲んだ構造を
している。

第９図は、前記燃料集合体の水平方向の断面を
示したもので、前述のように、内部にウランを含
む燃料棒１６（図中、丸の中に数字・記号を記入
したもので示す）と、内部にウランを含まず冷却
材が流れるウオータロツド１４が８×８の格子状
に規則正しく並べられている。なお１９は原子炉
の核反応を制御するための制御棒を示す。

沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、濃縮度の異
なる数種類の燃料棒を用いて、濃縮度分布を持た
せているのが一般である。濃縮度の分布の方法
は、燃料集合体に設計目的により異なる。例えば
第９図に示すように（図中、燃料棒に付した数
字・記号は燃料棒番号を示し、数字が小さいほど
濃縮度が高い）、濃縮度の高いペレツトを含む番
号１の燃料棒（これを単に燃料棒１と表記する。
以下同様）を燃料集合体の中央部に配置し、チヤ
ンネルボツクスに近い燃料集合体周辺部には、濃
縮度の低いペレツトを含む燃料棒５，６を配置す
る方法や、特開58−26292号公報の第４図又は本
明細書第１１図に示されるように、濃縮度の高い
ペレツトを含む燃料棒１を燃料集合体周辺部に配
置し、燃料集合体中央部には、濃縮度の低いペレ
ツトを含む燃料棒６を配置する方法などが知られ
ている。また、例えば第１０図に示すように、１
本の燃料棒の中を濃縮度についての上下二領域に
分割し、上部領域の濃縮度を下部領域の濃縮度よ
り高くして、炉心の軸方向出力分布を平坦化する
技術が特公昭58−29878号公報に記載されており、
よく知られている。第１０図の例において、e₁，
e₂，…e₆は濃縮度を示し、e₁＞e₂＞e₃＞e₄＞e₅＞
e₆である。また、燃料集合体を構成する燃料棒の
いくつかには過剰な反応度を抑制する目的でウラ
ン中にガドリにア（Gd₂O₃）が数％含まれている
のが普通で、第９図、第１０図に示した例では
G₁及びG₂がガドリニア入り燃料棒である。

原子炉炉心に装荷された燃料集合体のうち、所
定量のエネルギーを発生したものは、毎年の定期
検査時に新しい燃料集合体は交替される。燃料経
済性の観点からは、燃料集合体１体が発生する熱
エネルギーをできるだけ多くすること、すなわ
ち、取出燃料の燃焼度をできるだけ高くすること
が望ましい。取出燃料の燃焼度を高くするために
は、濃縮度を増す必要がある。

しかし、燃料の高濃縮度化、高燃焼度化には、
いくつかの技術的問題が伴う。その主なものは、
ウラン235の熱中性子吸収による中性子スペクト
ルの硬化、及び炉停止余裕の減少、核分裂生成ガ
スの増加による燃料内圧の増大、並びに最小限界
出力比の低下である。

すなわち、燃料の高濃縮度化（ウラン235含有
量の増加）により、熱中性子の燃料（ウラン235）
への吸収が増加するために、減速材への熱中性子
吸収が相対的に減少し、中性子のエネルギー分布
は、熱領域で相対的に少なくなる。これを、一般
に中性子スペクトルが硬くなるという。中性子ス
ペクトルが硬くなつたときには、熱外領域での共
鳴吸収が増加するために、ボイド係数の負値で増
大して、炉心安定性や過渡特性の余裕が減少した
り、制御棒価値の低下により炉停止余裕が減少し
て、原子炉の安全性への影響がある。この高濃縮
度化による中性子スペクトル硬化の影響は、時に
燃料の上端部で著しい。これは、沸騰水型原子炉
では、ボイド発生があるために、燃料上部では減
速材が少なく、もともと中性子スペクトルが硬く
なつているためである。

このような、中性子スペクトルの硬化を改善す
るためには、減速材／燃料比（水素原子数と燃料
原子数の比）を大きくすることにより、減速材に
よる熱中性子吸収を相対的に増加させ、中性子ス
ペクトルを軟化することが考えられる。減速材／
燃料比を大きくするためには、減速材を増やす又
は燃料を減らすのいずれかの方法をとればよい。

燃料上端での中性子スペクトル改善する方法と
して、燃料上端部の燃料濃縮度を低くする、例え
ば天然ウランにする技術が特開昭54−162086号公
報に記載されているが、この方法では、前述の炉
停止余裕の改善の効果はあるけれども、高燃焼度
燃料使用の場合におけるもう一つの問題である核
分裂生成ガスの増加に対して解決されるものでは
ない。

減速材を増加して減速材／燃料比を増大する方
法は、沸騰水型原子炉用燃料集合体の軸方向出力
分布の平坦化の技術と関連して公知となつている
例がある。例えば、特開昭52−50498号公報では、
長さの短い燃料棒を燃料集合体の下部にのみ採用
し、燃料上部の減速材／燃料比を増大する技術が
記載されているし、また、特開昭55−26432号公
報では、燃料棒の下部領域に燃料を充填し、上部
領域に減速材を充填した燃料棒を採用する技術の
記憶があるが、いずれも、高燃焼度時における核
分裂生成ガスの増大の問題に対して技術的解決を
与えるものではない。この他、減速材を増加する
方法としては、燃料棒の配列を９行９列にするこ
とが考えられるが、圧力損失の増大により、冷却
材の流動が不安定になるという新たな問題が発生
する。また、このらの方法は、いずれも、最小限
界出力比の低下に対する解決策とはならない。

〔発明の目的〕

本発明は、燃料上部での中性子スペクトルの硬
化、それに伴う炉停止余裕の減少を防止し、しか
も核分裂生成ガスの増加による燃料棒内圧の増
大、最小限界出力比の低下を防止して、燃料の高
濃縮度化、高燃焼度化を図ることのできる燃料集
合体の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、燃料ペレツトを内蔵する多数
の燃料棒を有する９行９列燃料集合体において、
無限増倍率の高い燃料棒は、無限増倍率の低い燃
料棒の燃料有効長（燃料ペレツト部の長さ）より
短い燃料有効長を有し、無限増倍率の低い燃料棒
の燃料被覆管の長さより短い燃料被覆管長さを有
し、且つ燃料有効長の減少分から燃料被覆管の長
さの減少分を差し引いた分だけ長いプレナム部を
有し、さらにこれら無限増倍率の高い燃料棒を燃
料集合体の外周部に配置したことにある。

無限増倍率の高い燃料棒が高濃縮度燃料棒であ
り、無限増倍率の耐い燃料棒が低濃縮度燃料棒で
ある燃料集合体の場合には、該高濃縮度燃料棒に
は、該低濃縮度燃料棒の燃料有効長より短い燃料
有効長を有せしめ、該低濃縮度燃料棒の燃料被覆
管の長さより短い燃料被覆管長さを有せしめ、且
つ燃料有効果の減少分から燃料被覆管の長さの減
少分を差し引いた分だけ長いプレナム部を有せし
め、さらにこれら該高濃縮度燃料棒を燃料集合体
の外周部に配置させる。

これにより、燃料上部では、ウラン燃料量の減
少、冷却材流路面積の増大により、減速材／燃料
比が増大して、炉停止余裕が増大し、また、軸方
向出力分布も平坦化され、高濃縮度燃料棒では、
燃料有効長の減少分から燃料被覆管の長さの減少
分を差し引いた分だけ、ガスプレナム部が増加す
るので、高燃焼度時の核分裂生成ガス増加の問題
が解決し、外周部に燃料被覆管の長さの短い燃料
棒が配置されているので、最小限界出力比の発生
する燃料上部の外周部に燃料がなくなり最小限界
出力比の低下の問題も解決し、冷却材流路面積の
増加により、圧力損失の増大の問題も解決でき
る。

燃料棒の有効長を無限増倍率によつて異ならし
めたのは、無限増倍率が高いほど出力が大きく、
核分裂生成物ガスが多く発生するので、燃料棒内
圧増大の防止上より多くのプレナム部を要するた
めである。高濃縮度燃料棒が高い無限増倍率の燃
料棒となつている場合には、燃料棒の燃料濃縮度
に依つて燃料有効長を異ならしめることとなる。

〔発明の実施例〕

第１図に示した本発明実施例の燃料集合体で
は、第２図に示す如き燃料有効長を異にする種類
の燃料棒１００，１０１，１０２が用いられてい
る。これら２種類の燃料棒の全長は従来の燃料棒
と同じであるが、第１の燃料棒１００は従来の燃
料棒と同じ燃料有効長（燃料ペレツト２１が充填
されている長さ）L₁を持つのに対して、第２の
燃料棒１０１はその燃料有効長L₂がL₁より短か
くなつており、第３の燃料棒１０２は、その燃料
有効長L₃がL₂よりも短かくなつている。第１の
燃料棒１００は、従来の燃料棒と同じ燃料被覆管
の長さであるのに対して、第２の燃料棒１０１は
その燃料被覆管長さが第１の燃料棒１００より短
く、第３の燃料棒１０２はその燃料被覆管長さが
第２の燃料棒１０１より短くしてある。さらに、
第１の燃料棒１００は、従来の燃料棒と同じプレ
ナム部長さP₁を持つのに対して、第２の燃料棒
１０１はそのプレナム部長さP₂がP₁より長くな
つており、第３の燃料棒１０２はそのプレナム部
長さP₃がP₂より長くなつている。また特に燃料
有効長の短い第２の燃料棒１０１の濃縮度を第１
の燃料棒１００の濃縮度よりも高くしてある。さ
らに、第３の燃料棒１０２の濃縮度を第２の燃料
棒１０１の濃縮度よりも高くしてある。

第３図、本実施例の燃料集合体の燃料棒配置を
示す水平断面図で、図中、燃料棒に付した数字・
記号は燃料棒番号を表わしている。第４図は、第
３図に示した燃料集合体を構成する各番号の燃料
棒の濃縮度分布を示している。燃料棒３１および
燃料棒３２は、燃料棒有効長が短く、燃料被覆管
の長さが短く、プレナム部の長さが長い前述の第
３の燃料棒および第２の燃料棒である。燃料棒３
１の濃縮度e₁は、燃料棒３２の濃縮度e₂，e₃より
も高く、燃料棒３２の濃縮度e₂，e₃は、燃料棒３
３の濃縮度e₄よりも高い。なお、濃縮度はe₁＞e₂
＞e₃＞e₄の関係を有するものとする。また濃縮度
の高い燃料棒３１，３２が燃料集合体の外周部に
配置されており、濃縮度の低い燃料棒３４が、燃
料集合体の中央部に配置されており、このため、
特開制58−26292号公報に記載の燃料集合体のよ
うに、集合体内熱中性子束分布の改良により集合
体の無限増倍率が増大する効果が得られる。また
この燃料集合体では、集合体外周部の高濃度燃料
棒の出力が大きくなり、核分裂生成ガスの発生が
増大するが、燃料棒３１，３２は、プレナム部の
長さが長くなつているので、ガス内圧が増加する
ことはない。

第１２図は、本実施例に基づく燃料集合体の炉
停止余裕（図中のＡ）を、従来技術に基づく燃料
集合体のそれ（図中のＢ）と比較して示したもの
である。炉停止余裕というのは、原子炉炉心に異
常があつた時に炉心に制御棒を挿入して炉心を未
臨界にできる能力を示す指標で、最も制御棒価値
の高い制御棒１本が万一炉心に挿入されなくても
１％Δk以上の余裕を持つて炉心を臨界未満にで
きなければならない。従来技術に基づく燃料集合
体において、燃料を高濃縮度化すると、中性子ス
ペクトルの硬化による制御棒価値の低下のため
に、第１２図中破線Ｂで示すように炉停止余裕が
約１％Δk程度になつてしまい、安全上の余裕が
減少しているが、本発明に基づく上記実施例で
は、燃料上部で燃料が減つていること及び冷却材
流路面積が増えていることにより、減速材／燃料
比が大きくなり、中性子スペクトルが軟化してい
るために、実線Ａで示すように、炉停止余裕が増
大し、安全性が確保される。

また、特に本実施例において第２燃料棒１０１
の燃料有効長L₂を第１の燃料棒１００の燃料有
効長L₁の約3/4とし、第３の燃料棒の燃料有効長
L₃も第１の燃料棒１００の燃料有効長L₁の約3/4
とした場合には、燃料上端部の中性子スペクトル
が軟化するために、出力が増大し軸方向出力分布
が平坦化される。第１３図は、その効果を示した
もので、破線Ｃで示される出力分布は、従来技術
に基づく燃料集合体のように全ての燃料棒有効長
が等しい場合のものであり、これに対して、本発
明のように燃料有効長の異なる燃料棒を採用した
場合には、実線Ｄのように出力分布を平坦にする
ことが可能になる。

前述の実施例では、燃料有効長の異なる燃料棒
の数を３種類としたが、この数は、３種類に限ら
れるものではなく、さらに増やしてもよいし、減
らしてもよい。第５図は、本発明の別の実施例に
よる燃料集合体を示し、本実施例の燃料集合体の
燃料棒は、第６図に示すように、燃料棒濃縮度
（e₁＞e₂＞ｅ＞₃＞e₄）ごとに、燃料有効長、燃料
被覆管長さ、およびプレナム部長さが異なつてお
り、濃縮度の高い燃料棒ほど燃料有効長が短く、
燃料被覆管長さが短く、且つプレナム部長さが長
くなつているのが特徴である。

以上述べた実施例では、燃料棒有効長を燃料棒
濃縮度により異ならしめているが、より一般的に
云えば、これを燃料棒の無限増倍率で異ならしめ
るのがよい。燃料棒の有効長とプレナム部の長さ
は、プレナムガス内圧増加量と限界出力比によつ
て決定するのが望ましい。そのため、無限増倍率
の高い燃料棒は出力が高く、核分裂生成物ガスを
多く発生し、限界出力比が小さくなるで、ペレツ
ト部を短くしプレナム部を短くしプレナム部を長
くするとともに、限界出力比の小さい燃料ペレツ
トは除去する必要があるからである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料上端の中性子スペクトル
の硬化を防ぐことができ、これにより、特に高濃
縮度燃料で問題となる炉停止余裕の低下を解決す
ることができると同時に、高燃焼度の場合に問題
となる核分裂生成ガスによる燃料棒内圧の増大、
最小限界出力比の低下を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である燃料集合体の
一部破断せる側断面図、第２図ａ，ｂ及びｃは第
１図に示す燃料集合体を構成する燃料棒の構造断
面図、第３図は同実施例の燃料集合体の燃料棒配
置図、第４図は第３図における燃料棒の濃縮度分
布図、第５図は本発明の他の実施例である燃料集
合体の燃料棒配置図、第６図は第５図における燃
料棒の濃縮度分布図、第７図は沸騰水型原子炉に
使用される従来例としての燃料集合体の一部破断
せる側断面図、第８図は第７図に示す燃料集合体
を構成する燃料棒の構造図、第９図は同じく従来
例による燃料集合体の燃料棒配置図、第１０図は
第９図における燃料棒の濃縮度分布図、第１１図
は同じく従来例による燃料集合体の第９図とは異
なる燃料棒配置図、第１２図は第１図ないし第４
図に示す本発明実施例による燃料集合体と従来例
による燃料集合体のそれぞれの炉停止余裕の比較
図、第１３図は同じくそれぞれの軸方向出力分布
の比較図である。 １０…チヤンネルボツクス、１１…下部タイプ
レート、１３…上部タイプレート、１４…ウオー
タロツド、１５…スペーサ、１６…燃料棒、１７
…下部端栓、１８…上部端栓、１９…制御棒、２
０…被覆管、２１…ペレツト、２２…スプリン
グ、２３…ゲツター、２４…プレナム、１００…
第１の燃料棒、１０１…第２の燃料棒、１０２…
第３の燃料棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料ペレツトを内蔵する複数の燃料棒を有す
   る燃料集合体において、燃料棒中に内蔵される燃
   料ペレツト部長さ（燃料有効長）と、燃料被覆管
   の長さが異なる複数の燃料棒を有し、かつ無限増
   倍率の高い燃料棒の燃料有効長は、無限増倍率の
   低い燃料棒の燃料有効長より短かくし、無限増倍
   率の高い燃料棒のプレナム部の長さを無限増倍率
   の低い燃料棒のプレナム部の長さより長くし、さ
   らに無限増倍率の高い燃料被覆管の長さを無限増
   倍率の低い燃料棒の燃料被覆管の長さより短かく
   したことを特徴とする燃料集合体。 ２ 前記高濃縮度燃料棒は燃料集合体の外周部に
   配置されている特許請求の範囲第１項記載の燃料
   集合体。 ３ 前記燃料有効長の短い燃料棒の燃料有効長は
   前記燃料有効長の長い燃料棒のそれの約3/4であ
   る特許請求の範囲第１項または、第２項記載の燃
   料集合体。