JPH06214072A - 燃料集合体及び原子炉炉心 - Google Patents

燃料集合体及び原子炉炉心

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JPH06214072A
JPH06214072A JP5005620A JP562093A JPH06214072A JP H06214072 A JPH06214072 A JP H06214072A JP 5005620 A JP5005620 A JP 5005620A JP 562093 A JP562093 A JP 562093A JP H06214072 A JPH06214072 A JP H06214072A
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JP
Japan
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burnable poison
fuel
rod
poison
rods
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JP5005620A
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English (en)
Inventor
Yoko Ishibashi
洋子 石橋
Tadao Aoyama
肇男 青山
Junichi Koyama
淳一 小山
Riyouji Masumi
亮司 桝見
Hideo Soneda
秀夫 曽根田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料経済性を向上する燃料集合体を提供する。 【構成】管内水位が可変な水ロッド3を備えた燃料集合
体の水ロッド3に隣接する総ての可燃性毒物入り棒2の
可燃性毒物量が、隣接しない総ての可燃性毒物入り棒2
の可燃性毒物量より少なく、かつ軸方向上部領域の可燃
性毒物の平均濃度が下部領域以下であり、さらに隣接す
る可燃性毒物入り棒2の少なくとも1本において、軸方
向上部の可燃性毒物濃度を下部より低くする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉の燃料
集合体及び、この燃料集合体を装荷した炉心に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体は、
特開昭54−121389号公報に記載されているように、中性
子の減速を促進させるために冷却水のみが流れる管(以
下、水ロッドと称する)をもつ燃料集合体を炉心内に装
荷している。水ロッドの採用により、燃料集合体中での
熱中性子束の分布が平坦化でき、ウラン原子に対する水
素原子の数を増大できるため、炉心に装荷された核燃料
を有効に活用できる。
【0003】しかし、さらに核燃料物質の有効利用を図
るためには、核燃料物質の燃焼にともなって炉心内の水
素原子数を変え、中性子エネルギを調節する方法が有効
である。
【0004】特開昭57−125390号公報及び特開昭57−12
5391号公報は、低速中性子吸収水押棒及びこの水押棒よ
りも反応度価値の大きいステンレス鋼で構成される中速
中性子吸収棒を設け、これらの水押棒の炉心への挿入量
を制御して炉心内の冷却水量を調整することを述べてお
り、特開昭61−38589 号公報は、水ロッド内にウラン2
35濃度の低い燃料棒を設置し、この燃料棒のウラン2
35の消失前後における水ロッド内のボイド量の変化を
利用することを述べている。また、特開昭63−73187 号
公報は、炉心冷却水流量を調節することによって、可動
部なしで管内の減速材液面高さを変化させることのでき
る水ロッドを提案している。この水ロッドは、炉心冷却
材流量変化による冷却材のボイド率変化の効果と、水ロ
ッド内の減速材量変化の効果で、炉心内の中性子エネル
ギを大きく変化させることができるため、核燃料物質を
より有効に活用できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の水ロッ
ドは、炉心冷却材流量を制御することで水ロッド管内の
液面高さが変化する。すなわち、管内液面高さは炉心冷
却材流量を増大させると上昇し、減少させると下降す
る。一方、冷却材である水は、中性子減速効果を持つの
で、水ロッド管内の液面の上昇は、原子炉炉心の反応度
を増大させる。従って、炉心冷却材流量を増大させて水
ロッド管内の液面を上昇させることにより、核分裂性物
質の燃焼によって起きた反応度の損失を補償することが
できる。このため、出力運転中の原子炉炉心の反応度を
制御するために、炉心に挿入して反応度を制御する制御
棒を挿入する必要がなくなる。すなわち、制御棒挿入の
ない炉心流量制御のみによる運転が可能となる。また、
運転サイクル前半においては、原子炉の余分な反応度を
抑えて、適切なレベルに反応度を維持するために、炉心
流量を少なくして水ロッド管内の液面を低い位置に保つ
ことになる。したがって、燃料の上部領域では水ロッド
管内のボイド率が100%となるので、中性子の減速は
十分でなく、ウラン238のプルトニウムへの転換が促
進される。このように、運転サイクル前半では、燃料上
部領域でプルトニウムの蓄積を図り、また後半におい
て、炉心流量の増大により水ロッド管内の液面を上昇さ
せて中性子減速効果を高めて、プルトニウムを燃焼させ
ることができ、核燃料物質の有効利用が図れる。
【0006】しかし、冷却材中に気泡が発生する沸騰水
型原子炉は、炉心軸方向上部と下部の気泡量の違いで水
密度が異なるが、特に上記従来技術の水ロッドを採用し
た場合には、炉心軸方向上部領域と下部領域での水密度
が大きく異なる。このため、上部領域と下部領域の中性
子減速効果に大きな違いができ、下部領域に比べ上部領
域の燃焼が極端に遅れる。炉心には燃焼初期の余剰反応
度抑制のため可燃性毒物が使われているが、可燃性毒物
の燃焼も遅れるため燃料経済性が悪化する。図2に水を
充満した水ロッドと、水が抜けた水ロッドの無限増倍率
を比較して示すが、水ロッド内の水が抜けた時は可燃性
毒物が燃えつきる時期が遅れているのがわかる。
【0007】これは、水ロッド内の水位を変えることの
できる水ロッドを使用した燃料集合体は、水ロッド近傍
の中性子スペクトルが硬くなり、水ロッドに隣接した可
燃性毒物入り燃料棒の燃焼が抑制されるためである。
【0008】このように、水ロッド内の水位を変えるこ
とのできる水ロッドを使用した場合は、水ロッド近傍の
可燃性毒物が燃え遅れ、下部領域と上部領域での燃焼の
進み方の違いが従来の水ロッドの場合より大きくなると
いう問題がある。
【0009】また、可燃性毒物が燃え残ることで、水ロ
ッド内の水位が下降して中性子の減速効果が減ると、可
燃性毒物に吸収される熱中性子の割合が減少するため反
応度が上がるという現象が、初装荷の燃料だけでなく2
サイクル目の燃料でも起こるようになり、水ロッドによ
る炉心の反応度制御効果が低減する。
【0010】本発明の目的は、炉心流量により水位の変
わる水ロッドを使用した燃料集合体の軸方向での可燃性
毒物の分布を改善することにより、燃料経済性の良い燃
料集合体を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的は、核燃料物質
を充填した複数の燃料棒と、複数の可燃性毒物入り棒及
び、炉心流量により管内の液面高さを変えることのでき
る水ロッドを有する燃料集合体において、水ロッドに隣
接する可燃性毒物入り棒の可燃性毒物量を隣接しない可
燃性毒物入り棒より少なくし、更に隣接する可燃性毒物
入り棒の可燃性毒物濃度を集合体軸方向上部領域より下
部領域で低くすることにより達成できる。
【0012】
【作用】図1に示すように、水ロッドに隣接する可燃性
毒物入り燃料棒本数を隣接しないものより少なくし、更
に隣接する可燃性毒物入り燃料棒上部領域の可燃性毒物
濃度を下部領域の可燃性毒物濃度より低くして、上部の
可燃性毒物総量を減らす。これにより、図3に示すよう
に可燃性毒物の燃え方を早めることができる。
【0013】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。
【0014】図1に本発明の第1の実施例を示す。図
中、(a)は燃料集合体の径方向断面の図で、(b)は
(a)中の燃料棒の軸方向の構成である。1は核燃料物
質を充填した燃料棒、2は可燃性毒物を添加した可燃性
毒物入り燃料棒、3は冷却材流量により管内の液面高さ
を変えることのできる水ロッドである。可燃性毒物入り
燃料棒の本数は18本で、そのうち水ロッドに隣接して
いるものは8本である。水ロッドに隣接した可燃性毒物
入り棒の上部の可燃性毒物濃度は下部の可燃性毒物濃度
より低くなっている。軸方向上下での可燃性毒物入り燃
料棒の本数は変わらないが、上部領域における水ロッド
近傍の可燃性毒物量が少ないため可燃性毒物の燃え残り
が減り、可燃性毒物量が上下一様の燃料集合体より反応
度で約0.5%Δkだけ燃料経済性が向上する。また、炉
心内で出力の高い2サイクル目燃料の可燃性毒物残留量
が低減するため、水ロッド内水位低下による反応度制御
効果が、燃焼初期で約0.2%Δk 改善される。
【0015】図4に本発明の第2の実施例を示す。この
実施例では、可燃性毒物入り燃料棒18本の内、8本が
水ロッドに隣接しており、更に、2本の水ロッドに面し
て配置されている2本の可燃性毒物入り燃料棒の、軸方
向上部領域の可燃性毒物濃度が0となっている。このた
め、上部断面の可燃性毒物入り燃料棒本数は下部断面よ
り2本少ない16本となり、可燃性毒物が上下同じ本数
の構成の炉心に比べ燃料経済性が反応度で約0.3%Δ
k 改善される。
【0016】図5に本発明の第3の実施例を示す。この
実施例では、可燃性毒物入り燃料棒で水ロッドに隣接し
ているものは、上部領域の可燃性毒物濃度が集合体中最
小の値となっている。上部領域の水ロッドに隣接した位
置は、集合体中でも燃焼が進まない場所のため、可燃性
毒物濃度を最小とすることで可燃性毒物の燃え残りをさ
らに低減できる。
【0017】図6に本発明の第4の実施例を示す。この
実施例では、34本中18本の可燃性毒物入り燃料棒は
水ロッドに隣接しない位置に配置されており、更に水ロ
ッドに隣接した燃料棒のうち8本は上部領域の可燃性毒
物量が0で、上部領域断面における可燃性毒物入り燃料
棒の75%は水ロッドに隣接しないように配置されてい
る。この燃料集合体は、水ロッド内の水位により中性子
減速効果変化の影響が大きな上部領域の水ロッド周囲に
可燃性毒物入り燃料棒を配置しないことで、可燃性毒物
吸収量が水ロッドによる中性子減速効果変化の影響を受
けなくなるため、水ロッド内水位による反応度制御効果
が約1.0%Δk 向上する。
【0018】実施例の可燃性毒物入り燃料棒に添加され
る可燃性毒物としては、ガドリニア,ボロン,ジスプロ
シウムなどがある。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、燃料集合体上下方向で
の燃焼の進み方の違いを改善し、可燃性毒物を有効に燃
焼させることで反応度にして約0.5%Δk の燃料経済
性を確保できる。さらに、可燃性毒物の燃え残りを低減
することで、水ロッド内水位と可燃性毒物の相互作用を
小さくし、水ロッドによる反応度制御効果を向上するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の燃料集合体を示す説明
図。
【図2】水ロッド内満水状態とボイド状態の無限増倍率
の比較を示す特性図。
【図3】可燃性毒物濃度による無限増倍率の違いを示す
特性図。
【図4】本発明の第2の実施例の燃料集合体を示す説明
図。
【図5】本発明の第3の実施例の燃料集合体を示す説明
図。
【図6】本発明の第4の実施例の燃料集合体を示す説明
図。
【符号の説明】
1…燃料棒、2…可燃性毒物入り棒、3…水ロッド。
フロントページの続き (72)発明者 桝見 亮司 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 曽根田 秀夫 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】核燃料を充填した複数の燃料棒及び、可燃
    性毒物を添加した複数の可燃性毒物入り棒及び、集合体
    に流入する冷却材流量により管内の液面高さを変えるこ
    とのできる水ロッドから構成される燃料集合体におい
    て、前記可燃性毒物入り棒で前記水ロッドに隣接してい
    るもの総ての可燃性毒物量は、隣接していないもの総て
    の可燃性毒物量より少なく、軸方向上部2分の1の領域
    における可燃性毒物の平均濃度が下部2分の1における
    可燃性毒物の平均濃度以下であり、水ロッドに隣接して
    いる前記可燃性毒物入り棒の少なくとも1本は上部2分
    の1の領域における可燃性毒物濃度が、下部2分の1の
    領域における可燃性毒物濃度より低いことを特徴とする
    燃料集合体。
  2. 【請求項2】核燃料を充填した複数の燃料棒及び、可燃
    性毒物を添加した複数の可燃性毒物入り棒及び、冷却材
    流量により管内の液面高さが変わる水ロッドから構成さ
    れる燃料集合体において、総ての前記可燃性毒物入り棒
    は前記水ロッド隣接しない配置となっており、かつ軸方
    向上部2分の1における可燃性毒物の平均濃度は下部2
    分の1における可燃性毒物の平均濃度より低いことを特
    徴とする燃料集合体。
  3. 【請求項3】請求項1の前記燃料集合体の軸方向上部2
    分の1の領域の径方向断面において、前記可燃性毒物入
    り棒の総数の50%より多くの前記可燃性毒物入り棒
    が、炉心流量により管内液面高さの変化する前記水ロッ
    ドとの間に燃料棒を1本以上挟んだ位置に配置されてい
    る燃料集合体。
  4. 【請求項4】請求項1,2または3において、軸方向上
    部領域の径方向断面における前記可燃性毒物入り棒の本
    数より、下部領域の径方向断面における前記可燃性毒物
    入り棒の本数が多い燃料集合体。
  5. 【請求項5】請求項1,2,3または4において、前記
    可燃性毒物入り棒は可燃性毒物が核燃料中に添加されて
    いる可燃性毒物入り燃料棒である燃料集合体。
  6. 【請求項6】請求項1,2,3または4において、前記
    可燃性毒物入り棒は可燃性毒物が核燃料を充填した燃料
    棒の被覆管中に添加されている燃料集合体。
  7. 【請求項7】請求項1,2,3または4の前記燃料集合
    体を少なくとも1体装荷した原子炉炉心。
JP5005620A 1993-01-18 1993-01-18 燃料集合体及び原子炉炉心 Pending JPH06214072A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009145363A (ja) * 2009-03-30 2009-07-02 Toshiba Corp 燃料集合体
CN111584106A (zh) * 2020-04-17 2020-08-25 岭东核电有限公司 核电站燃料机组替代方法、装置、设备和存储介质

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