JPH0631762B2 - Light water reactor core - Google Patents

Light water reactor core

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JPH0631762B2
JPH0631762B2 JP62280312A JP28031287A JPH0631762B2 JP H0631762 B2 JPH0631762 B2 JP H0631762B2 JP 62280312 A JP62280312 A JP 62280312A JP 28031287 A JP28031287 A JP 28031287A JP H0631762 B2 JPH0631762 B2 JP H0631762B2
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light water
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control rod
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精 植田
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • 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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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は軽水炉の炉心、特に運転サイクルが長く、高停
止余裕型炉心として炉心内にその軸と直角方向に介在領
域を形成し、そのような炉心を好適な制御棒を配置した
軽水炉の炉心に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application] The present invention has a core of a light water reactor, in particular, a long operation cycle, and has an intervening region in the core in a direction perpendicular to its axis as a high stop margin type core. The present invention relates to a core of a light water reactor in which such a core is formed and suitable control rods are arranged.

(従来の技術) 沸騰水型原子炉の炉心は、通常1体の十字型制御棒とそ
れを取り囲む4体の燃料集合体から構成されたセルが規
則正しく配置されている。すなわち各燃料集合体および
制御棒は、それらの軸が垂直で互いに平行になるように
配列され、減速材としての機能を有する冷却水は炉心の
下方から上方に向って流れるように構成されている。炉
心有効部下端即ち発熱部の下端付近では気泡は発生しな
いが、炉心の中央部から上端部にかけては大量の気泡が
発生し、この発生した気泡は炉心上方に流れる。気泡の
占める体積割合即ちボイド割合が高くなると、中性子の
減速特性が低下するため熱中性子束が低下し、出力が低
下する。これを避けるため、ボイド割合の高い部位では
核分裂核種濃度即ち濃縮度を高めたり、或いはボイド割
合の低い部位の出力上昇を抑えるべく可燃性毒物を入れ
るなどして対処してきた。
(Prior Art) In the core of a boiling water nuclear reactor, cells composed of one cross-shaped control rod and four fuel assemblies surrounding the cross control rod are regularly arranged. That is, the fuel assemblies and the control rods are arranged so that their axes are vertical and parallel to each other, and the cooling water having a function as a moderator is configured to flow upward from below the core. . No bubbles are generated near the lower end of the effective core, that is, the lower end of the heat generating part, but a large amount of bubbles are generated from the center to the upper end of the core, and the generated bubbles flow above the core. When the volume ratio of bubbles, that is, the void ratio, increases, the moderating characteristics of neutrons deteriorate, so the thermal neutron flux decreases, and the output decreases. In order to avoid this, it has been dealt with by increasing the fission nuclide concentration, that is, the enrichment at the site with a high void ratio, or by adding a combustible poison to suppress the output increase at the site with a low void ratio.

したがって、沸騰水型原子炉では炉心上部の燃焼が遅れ
易く、これによってU−235濃度が相対的に他の部分よ
り高くなり、また、ボイドによりPu-239などの核分裂性
核種が生成されるため、炉心上部では原子炉の停止余裕
がきびしくなり易い事はよく知られている。さらに、経
済性向上を主目的として、運転サイクルの長期化や燃料
の燃焼度向上のための努力が続けられている。この場合
も燃料の濃縮度は必然的に高められるので、原子炉の停
止余裕は一段ときびしくなる。
Therefore, in a boiling water reactor, combustion in the upper part of the core is likely to be delayed, which causes the U-235 concentration to be relatively higher than other parts, and voids generate fissile nuclides such as Pu-239. It is well known that the reactor shutdown margin tends to be severe in the upper part of the core. Furthermore, efforts are being made to prolong the operating cycle and improve the burnup of fuel, mainly for the purpose of improving economic efficiency. In this case as well, the fuel enrichment is inevitably increased, and the shutdown margin of the reactor becomes even more severe.

次に、沸騰水型原子炉に用いられた従来の燃料集合体及
び近い将来用いられると期待される燃料集合体の代表例
を図面を参照して説明する。
Next, typical examples of the conventional fuel assemblies used in the boiling water reactor and the fuel assemblies expected to be used in the near future will be described with reference to the drawings.

第8図(A)および動図(B)は、それぞれ従来の燃料集合体
の斜視図および燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦断
面図である。
8A and FIG. 8B are a perspective view of a conventional fuel assembly and a schematic vertical cross-sectional view of a fuel rod forming the fuel assembly, respectively.

第8図(A)において、燃料集合体は水棒(図示せず)と
燃料棒2を上部タイプレート4,スペーサ5,下部タイ
プレート6により固定し、その外側をチャンネルボック
ス1で取囲むように構成されている。燃料棒2は同図
(B)に示すように、被覆管7内に燃料ペレット8を配設
し、その上部のガスプレナムにスプリング9を設け、上
端に上部端栓10を、下端に下部端栓11を設けている。
In FIG. 8 (A), in the fuel assembly, a water rod (not shown) and a fuel rod 2 are fixed by an upper tie plate 4, a spacer 5 and a lower tie plate 6, and the outside thereof is surrounded by a channel box 1. Is configured. Fuel rod 2 is the same figure
As shown in (B), a fuel pellet 8 is provided in the cladding tube 7, a spring 9 is provided at the upper part of the gas plenum, an upper end plug 10 is provided at the upper end, and a lower end plug 11 is provided at the lower end.

第9図は第8図に示す従来の燃料集合体の横断面図であ
る。チャンネルボックス1内には62本の燃料棒2と2本
の水棒3が配列されて燃料集合体を構成している。水棒
3は集合体内部で減速材である水が不足するのを抑制し
ているが、この水棒3は軸方向に一様であるため炉心下
方では水過剰、上方では水不足になるという問題点があ
る。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the conventional fuel assembly shown in FIG. In the channel box 1, 62 fuel rods 2 and 2 water rods 3 are arranged to form a fuel assembly. The water rod 3 suppresses a shortage of water as a moderator inside the assembly. However, since the water rod 3 is uniform in the axial direction, there is an excess of water below the core and a shortage of water above. There is a point.

第10図に示す燃料集合体は前記燃料集合体の特性を改良
するために開発されたものであり、集合体内部に1本の
太水棒5を配置して非沸騰水を導入している。しかしな
がら、この例でも炉心下方では水過剰、上方では水不足
になるという問題点がある。
The fuel assembly shown in FIG. 10 was developed to improve the characteristics of the fuel assembly, and one thick water rod 5 is arranged inside the assembly to introduce non-boiling water. . However, even in this example, there is a problem in that water is excessive below the core and water is insufficient above the core.

第11図に示す燃料集合体も第9図の燃料集合体の改良で
あり、4つの小チャンネルボックス13を設け、小チャン
ネルボックス13内には沸騰冷却水を、また小チャンネル
ボックス13相互間の十字状間隙14には非沸騰減速材水領
域とすることにより、水平方向出力分布の平坦化を図っ
たものであるが、このタイプの燃料集合体も炉心下方で
は水過剰、上方では水不足になるという問題点がある。
The fuel assembly shown in FIG. 11 is also an improvement of the fuel assembly shown in FIG. 9, and four small channel boxes 13 are provided. Boiling cooling water is provided in the small channel boxes 13 and also between the small channel boxes 13. By making the non-boiling moderator water region in the cross-shaped gap 14, the horizontal power distribution is flattened, but this type of fuel assembly also has excess water below the core and insufficient water above. There is a problem.

第12図に示す燃料集合体は、第11図の燃料集合体の改良
型として開発されたものである。この燃料集合体は9ケ
のサブアセンブリ15で構成されており、各サブアセンブ
リ15はそれぞれ9本の燃料棒2で構成されている。サブ
アセンブリ15の間にはやや広い間隙16が設けられてい
る。この燃料集合体の場合も炉心上下部の水の過不足問
題は解決されていない。
The fuel assembly shown in FIG. 12 was developed as an improved version of the fuel assembly shown in FIG. This fuel assembly is composed of nine subassemblies 15, and each subassembly 15 is composed of nine fuel rods 2. A relatively wide gap 16 is provided between the subassemblies 15. Even in the case of this fuel assembly, the problem of excess and deficiency of water above and below the core has not been solved.

(発明が解決しようとする問題点) 上述したように、沸騰水型原子炉(BWR)の発熱部で
ある燃料集合体の最下端では気泡は発生しないものの、
その他の部分ではどこででも発生し、しかも発生した気
泡は炉心上方(下流)へ流れていく。従ってBWRの気
泡割合(ボイド割合)は炉心上方ほど高くなる。その結
果、中性子の減速特性が低下するので、核分裂割合が低
下することになる。すなわち、燃焼は炉心下方で進み、
炉心上方で遅れることになる。そこで、炉心上方の出力
の低下を抑制するために、炉心上方の核分裂核種濃度を
高くすることが提案されている。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, although no bubbles are generated at the lowermost end of the fuel assembly which is the heat generating part of the boiling water reactor (BWR),
In other parts, they are generated everywhere, and the generated bubbles flow upward (downstream) of the core. Therefore, the bubble ratio (void ratio) of the BWR becomes higher toward the upper part of the core. As a result, the neutron moderating property deteriorates, and the fission rate decreases. That is, combustion proceeds below the core,
It will be delayed above the core. Therefore, in order to suppress the decrease in power above the core, it has been proposed to increase the fission nuclide concentration above the core.

ところが、炉心上方でのボイド割合の上昇と核分裂核種
濃度を高くすることは、原子炉停止時の炉心上部での未
臨界度を浅くすることになる。一方、運転サイクルを長
期化して経済性を向上するためには燃料の濃縮度を更に
高めなければならないが、このことは炉心上部での未臨
界度をますます浅くすることになり、終には原子炉を停
止できなくなる場合も考えられる。すなわち、この点が
ネックとなって、従来の原子炉炉心では運転サイクルの
長期化が出来ないという問題点があった。
However, increasing the void fraction and increasing the fission nuclide concentration above the core will reduce the subcriticality above the core when the reactor is shut down. On the other hand, in order to prolong the operation cycle and improve economic efficiency, it is necessary to further increase the fuel enrichment, but this means that the subcriticality in the upper part of the core will become shallower and eventually It is possible that the reactor cannot be shut down. That is, this point becomes a bottleneck, and there is a problem that the operation cycle cannot be extended in the conventional reactor core.

本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、
その目的は、燃料の濃縮度を高くしても原子炉停止を可
能とし、この原子炉停止を可能とする新規な手段を好適
に配置することによって、炉心軸方向の停止余裕がきび
しくなる,いわゆる停止領域(シャットダウンゾーン)
を、制御棒挿入側へシフトさせ、それに対応して制御棒
を好適に構成して長寿命化と高反応度価値化を図り、原
子炉緊急停止速度を早くするこができる軽水炉の炉心構
成を提供することにある。
The present invention has been made to solve the above problems,
The purpose is to enable the reactor shutdown even if the fuel enrichment is increased, and by suitably arranging a new means for enabling the reactor shutdown, the shutdown margin in the direction of the core axis becomes severe, so-called Stop area (shutdown zone)
To the control rod insertion side, and correspondingly configure the control rod to achieve a long life and high reactivity value, and to create a core structure of a light water reactor that can accelerate the reactor emergency shutdown speed. To provide.

[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明は、多数の燃焼棒を
規則正しく束ねた燃料集合体を、その軸がそれぞれ垂直
で互に平行になるように配置され、前記燃料集合体の内
部または隣接する燃料集合体相互間の間隙で制御棒を挿
抜可能に配置された炉心と、前記各燃料棒間にその燃料
棒の下方から上方に向って冷却材である軽水が流れるよ
うに構成された軽水炉の炉心において、前記炉心の一部
分または全体を上下方向に少なくとも2ケの炉心切片に
分割しかつ未臨界度の浅くなるとともに核分裂性核種濃
度を上下の燃料より大幅に低下させた位置に介在領域を
配置し、前記介在領域はその幅が軽水炉停止時の熱中性
子の移動距離より大きくかつ軽水炉出力運転時の熱中性
子の移動距離より小さくして、常温停止中に未臨界度が
浅くなる部分を制御棒挿抜側に移行させるとともに、制
御棒はその機能を軸方向に三領域に形成され、中部領域
の中性子吸収特性を下部領域より高くし、上部領域の中
性子吸収寿命を下部領域より長くして成ることを特徴と
するものである。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel assembly in which a large number of combustion rods are regularly bundled so that their axes are vertical and parallel to each other. And a core in which the control rods can be inserted and removed in the interior of the fuel assembly or in a gap between adjacent fuel assemblies, and between the fuel rods, the fuel rods extend from the bottom to the top of the fuel rods. In a core of a light water reactor configured so that light water as a coolant flows, a part or the whole of the core is vertically divided into at least two core sections, and the subcriticality is reduced and the fissile nuclide concentration is reduced. The intervening region is arranged at a position significantly lower than the fuel above and below, and the width of the intervening region is larger than the moving distance of thermal neutrons when the light water reactor is shut down and smaller than the moving distance of thermal neutrons during light water reactor power operation. Then, the part where the subcriticality becomes shallow during normal temperature stop is moved to the control rod insertion / extraction side, and the control rod has its function formed in three regions in the axial direction, and the neutron absorption characteristics in the middle region are higher than those in the lower region. However, the neutron absorption lifetime of the upper region is longer than that of the lower region.

(作用) 上記したように、本発明の炉心構成によると、核分裂性
物質濃度の低い領域(介在領域)を挟んで上下の燃料領
域の中性子相互作用(結合効果)が減少し、その結果停
止中の炉の未臨界度をより大きく(深く)することがで
き、また原子炉運転中の不要な過剰反応度が抑制され、
サイクル末期で過剰反応度がなくなる際の結合効果がよ
くなり、その結果、過剰反応度が回復して運転サイクル
を延長することができる等により燃料の健全性が保たれ
るとともに、前記介在領域を未臨界度が浅くなる部分に
好適に配置することによって、新たに未臨界度が浅くな
る部分を制御棒挿入側へシフトさせ、それに対応して制
御棒を好適に構成し、それによって制御棒の長寿命化と
高反応度価値化を同時に達成し、原子炉の緊急停止速度
を早くすることができる。
(Operation) As described above, according to the core configuration of the present invention, the neutron interaction (coupling effect) in the upper and lower fuel regions with the region of low fissile material concentration (intervening region) interposed therebetween is reduced, and as a result, the fuel cell is stopped. The subcriticality of the reactor can be made larger (deeper), and unnecessary excess reactivity during reactor operation is suppressed,
The binding effect when the excess reactivity disappears at the end of the cycle is improved, and as a result, the excess reactivity is restored and the operating cycle can be extended, and the fuel integrity is maintained, and the intervening region is By suitably arranging the part where the subcriticality becomes shallower, the part where the subcriticality becomes shallower is newly shifted to the control rod insertion side, and the control rod is suitably configured correspondingly, whereby the control rod It is possible to achieve longer life and higher reactivity value at the same time, and to speed up the emergency shutdown speed of the reactor.

次に、本発明で導入する介在領域の作用原理について説
明する。
Next, the operation principle of the intervening region introduced in the present invention will be described.

炉心の実効増倍率をKeffとする。(ここでは簡素化のた
めKで表わし、“eff”を省略する) そうすると、修正1群モデル(軽水炉のKに関する記述
として簡単で信頼性が高い)では下記のように表わせ
る。
The effective multiplication factor of the core is K eff . (Here, it is represented by K for simplification, and “eff” is omitted.) Then, the modified first group model (simple and reliable as a description of K of a light water reactor) can be represented as follows.

ここで、K∞…無限増倍率 M…中性子移動面積 B…バックリング(cm-2単位) K∞は炉心設計では、通常、便宜的に各点(又は一定の
体積点)における核分裂による中性子放出率と中性子吸
収率との比として取扱われる。
Here, K ∞ ... infinite multiplication factor M 2 neutron moving area B 2・ ・ ・ Buckling (cm −2 unit) K ∞ is usually due to nuclear fission at each point (or constant volume point) in the core design. It is treated as the ratio of the neutron emission rate to the neutron absorption rate.

はM=τ+Lで表わされる。τはフェルミ年齢
で、炉心設計では高速中性子の移動面積と呼ばれる。
M 2 is represented by M 2 = τ + L 2 . τ is the Fermi age, which is called the moving area of fast neutrons in core design.

なお、τ=τ+τ(又はτ+τ)であり、τは
このように更に高速(fast)中性子と熱外(epithermal)中
性子に分けることもあるが、本発明ではここまで分けて
説明する必要は殆どない。Lは熱中性子移動面積(熱
中性子拡散係数と吸収断面積の比で与えられる)、 は中性子移動距離、 は熱中性子移動距離、またBはバックリング(cm-2
位)であり、B=B +B で表わせる。B
は半径方向バックリング,B は軸方向バックリング
である。
It should be noted that τ = τ F + τ E (or τ 1 + τ 2 ), and τ may be further divided into fast neutrons and epithermal neutrons as described above, but in the present invention, it is divided up to this point. There is little need to explain. L 2 is a thermal neutron migration area (given by the ratio of thermal neutron diffusion coefficient and absorption cross section), Is the neutron travel distance, Is a thermal neutron transfer distance, and B 2 is a buckling (cm −2 unit), which can be represented by B 2 = B r 2 + B Z 2 . Br 2
Is a radial buckling and B Z 2 is an axial buckling.

ところで、Kの値は中性子炉物理学としては臨界近傍で
は体系全体で定義されるが、本発明では、K∞に空間依
存性を取り入れる炉心設計の立場に立つので、K値も上
式を用い、空間依存性を取り入れたものとして取扱うこ
とにする。
By the way, the value of K is defined as the whole system in the vicinity of criticality as neutron reactor physics, but in the present invention, since it is in the position of core design that incorporates spatial dependence in K∞, the above K value is also used. , I will treat it as one that incorporates spatial dependence.

また動力用原子炉では、Mは0.03〜0.05程度、B
は0.0001〜0.0002(cm-2)程度、軸方向は通常平板状
であり、炉心の高さをZ,軸方向反射体節約(軸方向外
端距離ということもある)をδ≡δ+δ(上側+下
側の意)とすれば、 で与えられる。
In a power reactor, M 2 B 2 is about 0.03 to 0.05,
2 is about 0.0001 to 0.0002 (cm -2 ), the axial direction is usually a flat plate, the core height is Z, and the axial reflector saving (sometimes called the axial outer end distance) is δ≡δ + + δ (Upper side + lower side) Given in.

(未臨界体系を取扱う為に反応度の定義で符号を変えた
もの) ρの値は中性子炉物理学における臨界近傍では体系全体
で定義されるが、本発明ではK∞に空間依存性を取り入
れる炉心設計の立場に立つので、(K∞→K→ρ)ρ値
にも空間依存性を取り入れたものとして取扱う。
(The sign is changed in the definition of reactivity to handle the subcritical system) The value of ρ is defined for the entire system in the vicinity of criticality in neutron reactor physics, but in the present invention, the spatial dependence is incorporated into K∞. Since we are in the position of the core design, we will treat it as if (K∞ → K → ρ) ρ value also incorporates spatial dependence.

従って、本発明における未臨界度は上記した理由で空間
依存の未臨界度を論じている。炉心体系内でこのような
未臨界度が小さい(臨界に近い)場所があると、そこが
臨界になり易いことを示す指標となる。
Therefore, the subcriticality in the present invention discusses the space-dependent subcriticality for the above reason. If there is such a place in the core system where the degree of subcriticality is small (close to criticality), it is an index that indicates that it tends to become critical.

次に、本発明の作用を第2図を参照して説明する。同図
(A)に示すように直方形断面を有する2つの燃料領域
I,IIがあり、その間に幅Wの水ギャップが存在するも
のとする。このときの水ギャップWと中性子増倍率Keff
の関係は同図(B)に示すとおりである。実線は冷態時
(原子炉停止時のように原子炉はほとんど発熱していな
い状態)のKeffの水ギャップWの広さ依存性を、また破
線は高温時でボイド割合が高い場合のKeffの水ギャップ
の広さ依存性を示している。比較し易いようにW=Oで
両曲線が一致するように規格化している。燃料集合体は
最適減速即ち臨界質量が最小になる近傍でやや減速不足
の状態に設計されることが多いので、水ギャップWがO
からわずかに大きくなると、Keff値はほぼ一定か徴かに
(+)になることがあるが、Wを更に大きくするとKeff
値はぐんぐん小さくなる。すなわち、燃料領域(I)と
(II)の中性子結合作用が目立って小さくなってくる。そ
の一つの目安として、熱中性子拡散距離(20℃の水中で
〜2.5cm)が参考になる。
Next, the operation of the present invention will be described with reference to FIG. Same figure
As shown in (A), there are two fuel regions I and II having a rectangular cross section, and a water gap having a width W exists between them. Water gap W and neutron multiplication factor K eff at this time
The relationship is as shown in FIG. The solid line shows the dependence of K eff on the width of the water gap W in the cold state (the state in which the reactor hardly generates heat like when the reactor is shut down), and the broken line shows K when the void ratio is high at high temperature. It shows the dependence of eff on the size of the water gap. For easy comparison, standardization is performed so that both curves match when W = O. Since the fuel assembly is often designed to be slightly decelerated in the vicinity of the optimum deceleration, that is, the critical mass is minimized, the water gap W becomes O.
The value of K eff may be almost constant or may be (+) when the value becomes slightly larger than K eff.
The value becomes smaller and smaller. That is, the fuel region (I)
The neutron coupling effect of (II) becomes noticeably smaller. The thermal neutron diffusion distance (~ 2.5cm in water at 20 ° C) can be used as a guideline.

次に、体系が高温でボイド割合が高い場合、例えばBW
R炉心の上部では約286℃(水の密度約0.74)で、ボイ
ド割合が60%を越える場合がある。この場合の実効的な
水の密度は20℃の場合に比べて〜0.74×(1-0.6)=0.3程
度となる。熱中性子の拡散距離は定義式から容易に理解
できるごとく、ほぼ密度の変化(1→0.3)の逆数に比例す
る。従って、この場合熱中性子拡散距離は8cm程度とな
る。水ギャップがこの程度広い場合には、高温でボイド
割合が高い場合でもKeff値は最大値よりやや小さくな
る。その半分程度、即ち4〜5cm程度の場合にKeff値は
最大となる。破線に極大値が現われるのは、高温高ボイ
ド状態では減速材不足となっているからである。即ち減
速材不足の状態(under-moderate状態)になっており、
別に水を導入することによってKeffを大きくすることが
できる。この状態は2つの燃料領域I,IIが最適の状態
にあることを示している。
Second, if the system is hot and has a high void fraction, for example BW
At the upper part of the R core, the void ratio may exceed 60% at about 286 ° C (water density of about 0.74). In this case, the effective water density is about 0.74 x (1-0.6) = 0.3, compared to the case of 20 ° C. The diffusion distance of thermal neutrons is almost proportional to the reciprocal of the density change (1 → 0.3), as can be easily understood from the definition formula. Therefore, in this case, the thermal neutron diffusion distance is about 8 cm. When the water gap is wide like this, the K eff value becomes slightly smaller than the maximum value even at high temperature and a high void ratio. The K eff value becomes maximum when it is about half, that is, about 4 to 5 cm. The maximum value appears on the broken line because the moderator is insufficient in the high temperature and high void state. That is, the moderator is in a shortage state (under-moderate state),
By introducing water separately, K eff can be increased. This state indicates that the two fuel regions I and II are in the optimum state.

本発明は上記した特性を巧みに応用したものである。す
なわち、燃料が殆ど存在しない領域は凡そ水ギャップの
幅(W)に対応し、原子炉が出力を出していない状態で
はギャップによって原子炉のKeffが明らかに低下し(結
合域の弱まっている状態)、高温高ボイド時はKeff値が
ギャップ導入によって逆に増大するか、殆ど減少しない
範囲の特性を利用するものである。そして、高温高ボイ
ド時に水不足であった部分に水を導入するので、中性子
減速特性が改善され、これにより出力が改善されること
になる。
The present invention skillfully applies the above characteristics. That is, the region where fuel is scarcely present corresponds to the width (W) of the water gap, and the Keff of the reactor is obviously reduced by the gap when the reactor is not producing power (state where the coupling region is weakened). ), At high temperature and high void, the K eff value is increased by the introduction of the gap, or the characteristic is in the range where it hardly decreases. Then, since water is introduced into the portion where water was insufficient at the time of high temperature and high void, the neutron moderation characteristic is improved, and thereby the output is improved.

次に、第3図(A)に示すように、炉心を軸方向に3分割
し、2個の介在層が存在する場合について説明する。同
図において、各炉心片の未臨界度ρ、ρ、ρを求
めると下記のようになる。
Next, as shown in FIG. 3 (A), the case where the core is divided into three in the axial direction and two intervening layers are present will be described. In the figure, the subcritical degrees ρ 1 , ρ 2 , ρ 3 of each core piece are obtained as follows.

ここで、δは上下隣接炉心片の影響を取り入れた反射
体節約、B は各炉心片とも共通とする。炉心の温度
が上昇すると、減速材の温度が上りボイドが発生する。
すると、K∞iは僅かに変化し(軽水炉では平均的には
減少する)、Miは増加し、δの増加によりB
は減少する。介在層の厚さd,dを適切に選ぶ
と、δが著しく増大する。そして、各炉心片は一体的
に結合し、軸方向バックリングは一体化し、 となる。逆に炉心温度が下ると、介在層により各炉心片
が分割されたような特徴が現れてくる。これは、炉心温
度が下ると水の密度が上昇し、介在層の水が炉心を上下
に分割遮蔽する働きが現れてくるためである。
Here, δ i is the reflector saving that incorporates the influence of the upper and lower adjacent core pieces, and B r 2 is common to each core piece. When the core temperature rises, the moderator temperature rises and voids occur.
Then, K∞i is (decrease in average in light water reactors) slightly changed, Mi 2 increases, B due to an increase in [delta] i Z i
2 decreases. Proper selection of the thicknesses d 1 and d 2 of the intervening layer significantly increases δ i . And each core piece is integrally connected, the axial buckling is integrated, Becomes On the contrary, when the core temperature drops, the feature that each core piece is divided by the intervening layer appears. This is because the water density increases as the core temperature decreases, and the water in the intervening layer appears to have a function of vertically shielding the core.

本発明では、この介在層により軽水炉停止時は炉心片を
上下に分離する機能が増大し、軽水炉出力運転時は分離
する機能が弱まる(水の密度が低下するため、実質的に
,dが小さくなる効果が現れる。これは結合効果
といえる。)特性を利用する。d,dの値を適切に
選定すると、軽水炉出力運転時の水(減速材)不足の効
果を補う効果も現われて、介在層が存在しない(d
部も燃料あり)場合よりKeff値を多少増大させるこ
とさえ可能となる。
According to the present invention, the intervening layer increases the function of separating the core pieces into upper and lower parts when the light water reactor is stopped, and weakens the function of separating the core pieces during the light water reactor power output operation (since the density of water decreases, d 1 , d The effect that 2 becomes smaller appears. This can be said to be the coupling effect.) The property is used. If the values of d 1 and d 2 are appropriately selected, an effect of compensating for the effect of water (moderator) shortage during light water reactor power operation is also exhibited, and there is no intervening layer (d 1 ,
It is even possible to increase the Keff value a little more than in the case where the d 2 part also has fuel).

介在層の厚さは、軽水炉停止時の熱中性子の移動距離よ
り大きく、軽水炉出力運転時(BWRでは更にボイド発
生時)のそれと同程度かやや小さい程度とするのが最適
である。具体的な値として好ましい範囲は3〜8cm程度
である。2cm未満では冷態時に分離機能が発生せず、10
cm以上では軽水炉出力運転時の分割機能は弱まるもの
の、介在層が介在しない時に比べて炉心の実効増倍率が
減少し、運転サイクルの低減を招くため不利である。B
WRでは介在物の厚さは3〜8cmが好適であり、PWR
では介在物の厚さは3〜5cmが好適である。それはBW
Rでは軽水炉停止時(冷態)から軽水炉出力運転時(高
温)になると水の密度は1/3になるので、中性子移動距
離は3倍となるが、PWRでは加圧炉停止時(冷態)ら
加圧炉出力運転時(高温)になっても水の密度は0.65程
度にしか減少せず、したがって中性子移動距離も2倍以
内にしか増大しない。このように介在物の厚さが異なる
理由の一つは、上記したように介在層が存在する近傍の
減速材密度,減速材対燃料体積比,燃料の中の核分裂性
核種濃度等によって分離・結合効果が影響を受けるため
である。
It is optimal that the thickness of the intervening layer is larger than the moving distance of thermal neutrons when the light water reactor is shut down, and is about the same as or slightly smaller than that during the light water reactor power operation (more voids occur in BWR). A preferable range as a concrete value is about 3 to 8 cm. If it is less than 2 cm, the separation function does not occur when it is cold.
If it is more than cm, the dividing function during light water reactor power operation is weakened, but it is disadvantageous because the effective multiplication factor of the core is reduced and the operation cycle is reduced compared to when there is no intervening layer. B
For WR, the thickness of inclusions is preferably 3-8 cm.
Then, the thickness of the inclusions is preferably 3 to 5 cm. That is BW
In R, the water density becomes 1/3 when the light water reactor is stopped (cold state) to when the light water reactor is in output operation (high temperature), so the neutron migration distance is tripled, but in PWR the pressurized reactor is stopped (cold state). ) Et al., The density of water decreases only to about 0.65 even when the pressure furnace is operated at high temperature (high temperature), and therefore the neutron migration distance increases only within twice. One of the reasons why the inclusions have different thicknesses is that they are separated or separated according to the moderator density near the presence of the intervening layer, the moderator to fuel volume ratio, the fissionable nuclide concentration in the fuel, etc., as described above. This is because the coupling effect is affected.

しかして、介在層が分離効果を発揮する軽水炉停止時で
は、Bzi が急増するため各炉心片のKが減少し、
ρ(未臨界度)が増大する。介在層が結合効果を発揮
する軽水炉運転時では、Bzi の値は急減し、好適状
態ではほぼ介在層がない状態と等しくなり、Kは急増
する(Kは介在層なしの時とほぼ等しいかやや大にす
ることができる)。
Then, when the light water reactor in which the intervening layer exerts the separation effect is stopped, B zi 2 increases rapidly, so that K i of each core piece decreases,
ρ i (subcriticality) increases. During light water reactor operation in which the intervening layer exerts a coupling effect, the value of B zi 2 decreases sharply, and in a suitable state, it is almost equal to the state without an intervening layer, and K i rapidly increases (K i is the same as when there is no intervening layer). Can be approximately equal or slightly larger).

次に、介在層が分離効果および結合効果を発揮する具体
的計算例を示す。
Next, a specific calculation example in which the intervening layer exerts the separation effect and the coupling effect will be shown.

BWRにおいて、初期平均濃縮度3.7%,燃焼度28GWd/t
の体系で制御棒は部分挿入されていないものとする。
In BWR, initial average enrichment 3.7%, burnup 28 GWd / t
In this system, the control rod is not partially inserted.

このようなBWRでは、炉心上端から1/4長付近で炉停
止中に未臨界度が最も小さくなるので、その部分に介在
層を全炉心に亙って水平に配置し、介在層の厚さを変え
て計算した。計算体系は軽水炉停止時(20℃)と軽水炉
出力運転時(286℃,ボイド分布あり)の2種類とし、
また両体系それぞれに対して、介在層の厚さをゼロとし
たときの炉心の実効増倍率Keffを基準とした。この計算
例を示したのが、第3図(B)のグラフである。このグラ
フから次のことが分る。
In such a BWR, the subcriticality becomes the smallest during the reactor shutdown at about 1/4 length from the upper end of the core, so the intervening layer is placed horizontally across the entire core at that part and the thickness of the intervening layer is Was calculated by changing. There are two types of calculation system, one is when the light water reactor is stopped (20 ℃) and the other is at the light water reactor output operation (286 ℃, with void distribution).
The effective multiplication factor K eff of the core when the thickness of the intervening layer was set to zero was used as a reference for both systems. An example of this calculation is shown in the graph of FIG. The graph shows the following.

軽水炉停止時においては、〜5cm(これが分離効果が
顕著に増加する範囲となる)まで急に減少、それから飽
和状態に向かう。この漸近値は炉心切片(本例では炉心
下方3/4部)のKeff値になる。
When the light water reactor is stopped, it suddenly decreases to ~ 5 cm (this is the range in which the separation effect remarkably increases), and then approaches saturation. The asymptotic value is a K eff value of (core lower 3/4 parts in this example) the core sections.

軽水炉出力運転時においては、≦10cmまではKeff値は
介在層によって殆ど減少しない。これが結合結果による
もので、特に、3〜6cm付近ではかえってKeffが増大し
ている。これは高温ボイド時の減速材不足による熱中性
子束不足を介在層から補給する作用が有効に作用するた
めである。
During light water reactor power operation, the Keff value hardly decreases due to the intervening layer up to ≤10 cm. This is due to the bonding result, and K eff rather increases in the vicinity of 3 to 6 cm. This is because the effect of replenishing the thermal neutron flux shortage due to the moderator shortage during the high temperature void from the intervening layer is effective.

(実施例) 本発明の実施例を図面を参照して説明する。(Example) The Example of this invention is described with reference to drawings.

第1図は本発明をBWRに適用した場合であり、同図
(A)は本発明の一実施例の概略縦断面図、同図(B)は本発
明炉心に用いる制御棒の軸方向構成図、同図(C)は炉停
止中の未臨界度分布を示した図である。
FIG. 1 shows the case where the present invention is applied to BWR.
(A) is a schematic vertical cross-sectional view of an embodiment of the present invention, (B) is an axial configuration diagram of a control rod used in the core of the present invention, the same figure (C) is a subcritical distribution during reactor shutdown It is the figure shown.

第1図(A)は燃料集合体(炉心)20の上半部に3段の介
在領域21,22,23を挿入した例である。その結果未臨界度
(炉停止余裕)は同図(C)の曲線イから曲線ロのように
大幅に改善される。曲線イのピーク(未臨界度が特に浅
い)部分は炉心下端(BAF)から2/3H〜5/6H付近に生じ
るが、介在領域の停止余裕改良作用により、曲線ロのよ
うに大幅に停止余裕(未臨界度)が改良され、もはやピ
ークは曲線ロでは炉心高さ中央付近へシフトしており、
しかも未臨界度は深い。
FIG. 1 (A) shows an example in which three stages of intervening regions 21, 22, 23 are inserted in the upper half of the fuel assembly (core) 20. As a result, the subcriticality (furnace shutdown margin) is greatly improved from curve A to curve B in Figure (C). The peak of curve a (the subcriticality is particularly shallow) occurs around 2 / 3H to 5 / 6H from the core bottom end (BAF), but due to the effect of improving the stop margin in the intervening region, the stop margin is greatly increased like curve b. (Subcriticality) has been improved, and the peak has already shifted to the center of the core height in the curve B,
Moreover, the subcriticality is deep.

そして、同図(B)に示すような構成の制御棒すなわち挿
入先端から挿入末端に向かって長寿命型領域,高反応度
型領域,従来型領域で構成された制御棒24を炉心に挿入
することによって、曲線ハのようにほぼ平坦となるか
ら、全体的には深い未臨界度が達成されている。このよ
うな炉心構成において、燃料の濃縮度を上げたりMOX燃
料を用いて高燃焼度型の炉心を構成すると、未臨界度は
軸方向にほぼ一定の状態で浅い方向(曲線ハ)へシフト
する。そして、炉心構成(濃縮度の大きさなど)に対応
して無駄のない効率的な未臨界度曲線が得られる。すな
わち、未臨界度を確保した高燃焼度型炉心といえる。
(従来型BWRで未臨界度が曲線イで表されている状態
で濃縮度を上げると、炉心上半部で未臨界度曲線のピー
クが上へシフトし、臨界となってしまうので、炉が止め
られなくなる。) また、制御棒挿入前の未臨界度の浅い部分が制御棒挿入
側へシフトするので、スクラム時の炉停止速度が早くな
り、炉心の安全停止性が向上する。
Then, a control rod having a structure as shown in FIG. 3B, that is, a control rod 24 composed of a long-life type region, a high reactivity type region, and a conventional type region is inserted into the core from the insertion tip to the insertion end. As a result, it becomes almost flat as shown by curve C, so that a deep subcriticality is achieved overall. In such a core configuration, if the fuel enrichment is increased or a high burnup type core is constructed using MOX fuel, the subcriticality shifts in the shallow direction (curve C) in a substantially constant axial direction. . Then, it is possible to obtain an efficient subcriticality curve with no waste corresponding to the core configuration (magnitude of enrichment, etc.). That is, it can be said that the core has a high burnup type with a subcriticality secured.
(In the conventional BWR, if the subcriticality is represented by the curve a and the enrichment is increased, the peak of the subcriticality curve shifts upward in the upper half of the core and becomes critical. Moreover, since the shallow part of the sub-criticality before the control rod is inserted shifts to the control rod insertion side, the reactor shutdown speed at the time of scram is increased, and the safety shutdown capability of the core is improved.

以上は、従来型BWRに介在領域を配置した場合につい
て説明したが、以下では他の例として加圧水型炉PWR
について簡単に説明する。
Although the case where the intervening region is arranged in the conventional BWR has been described above, the pressurized water reactor PWR will be described below as another example.
Will be briefly described.

棒状の中性子吸収棒(燃料棒程度ないしその2倍程度の
直径を有する)を複数本一括して操作するクラスタ制御
棒が、炉心上方から炉心下方に向って挿入される。この
場合には、介在領域を主として炉心下方に偏在する如く
配置して停止余裕がきびしくなる部分を炉心上半へシフ
トさせる。
A cluster control rod for collectively operating a plurality of rod-shaped neutron absorbing rods (having a diameter of about a fuel rod or about twice that thereof) is inserted from above the core toward the bottom of the core. In this case, the intervening regions are mainly arranged so as to be unevenly distributed below the core, and the portion where the stop margin becomes severe is shifted to the upper half of the core.

一方、中性子吸収棒は挿入先端側(下方側)で長寿命吸
収材を配置し、中央部から上方に向って高反応度価値の
吸収材(10B濃縮BCペレットなど)を配置する。こ
の構成によって本発明の炉心が構成される。
On the other hand, for the neutron absorbing rod, the long-life absorber is arranged on the insertion tip side (lower side), and the high-reactivity value absorber ( 10 B enriched B 4 C pellets or the like) is arranged from the central part upward. This configuration constitutes the core of the present invention.

制御棒を上方から挿抜するその他の原子炉として中小型
原子炉、自然循環型原子炉および高転換型原子炉などが
ある。これ等の炉型は未だ研究開発の段階にあるが、本
発明を適用する場合には上記PWRの場合と同様な構成
となる。
Other reactors in which control rods are inserted and removed from above include small and medium-sized nuclear reactors, natural circulation reactors, and high conversion reactors. These reactor types are still in the stage of research and development, but when the present invention is applied, they have the same configuration as that of the PWR.

次に、第4図と第5図を用いて、原子炉停止中の未臨界
度が炉心の軸方向にどのようになっているか、本発明を
実施することによってそれを如何に変化させるのか、そ
の結果、如何なる制御棒が好適であり、その結果如何に
良好な結果が期待できるのかについて説明する。
Next, referring to FIG. 4 and FIG. 5, how the subcriticality during the reactor shutdown is in the axial direction of the core, and how it is changed by carrying out the present invention, As a result, what kind of control rod is preferable and how good results can be expected will be described.

第4図は本発明の炉心と従来の炉心の炉心軸方向未臨界
度分布を示したものである。
FIG. 4 shows core axial direction subcriticality distributions of the core of the present invention and the conventional core.

同図(A)は従来例の炉心の場合であり、炉心有効部下端
から4/6〜5/6Hの範囲ハで特に未臨界部ρが浅くなる。
すなわち、炉心有効部下端付近イでは中性子のもれによ
り未臨界度ρが深い。それに続く部分ロではボイド割合
が低いためPu生成量が低く燃焼が進むのでU235残存が
少なく未臨界度ρが深い。次の炉心有効部下端から4/6
〜5/6Hの範囲ハでは、ボイド割合が高いためPu生成量が
多く燃焼遅れでU−235残存が多くもれも少ないので、
未臨界度ρは浅い。炉心有効部上端付近ニでは中性子の
もれにより未臨界度ρが深まる。
FIG. 6A shows the case of the conventional core, and the subcritical region ρ becomes particularly shallow in the range of 4/6 to 5 / 6H from the lower end of the effective core.
That is, the subcriticality ρ is deep near the lower end of the core effective portion due to neutron leakage. In the subsequent part B, since the void ratio is low, the amount of Pu generated is low and combustion proceeds, so that U235 remains little and the subcriticality ρ is deep. 4/6 from the bottom of the next effective core
In the range c of ~ 5 / 6H, since the void ratio is high, the amount of Pu produced is large and the combustion delay causes a large amount of U-235 remaining, so there is little leakage.
The subcriticality ρ is shallow. Near the upper end of the effective core, the subcriticality ρ deepens due to neutron leakage.

同図(B)は1段の介在領域を炉心有効部下端から3/4Hよ
りやや上側に配置した場合てある。図に示すように未臨
界度ρは介在領域によって大幅に改良(増大)してい
る。しかし、この例では未臨界度ρが浅くなる部分の下
方へのシフトは小幅に止まっている。
In the same figure (B), the one-stage intervening region is arranged slightly above 3 / 4H from the lower end of the effective core. As shown in the figure, the subcriticality ρ is significantly improved (increased) by the intervening region. However, in this example, the downward shift of the part where the subcriticality ρ becomes shallow is small.

同図(C)は2段の介在領域を図のように配置した場合で
ある。炉心有効部上部の未臨界度ρは同図(B)よりさら
に大幅に増大して(深まって)いる。そして、未臨界度
ρが浅くなる部分は炉心のほぼ中央部までシフトしてい
る。
FIG. 6C shows a case where the two-stage intervening regions are arranged as shown in the figure. The subcriticality ρ in the upper part of the effective core is much larger (deeper) than that in Fig. 2B. Then, the part where the subcriticality ρ becomes shallower is shifted to almost the central part of the core.

第5図は第4図(C)に対応するものであり、炉心の未臨
界度を軸方向にみてほぼ一定となるように構成した場合
の制御棒反応度価値ρCRの分布図である。
FIG. 5 corresponds to FIG. 4 (C) and is a distribution diagram of the control rod reactivity value ρ CR when the subcriticality of the core is configured to be substantially constant in the axial direction.

従来のBWRでは炉心上部、特に下端から3/4H〜4/4Hに
大きな反応度価値を保有させるのが効果的に制御棒反応
度価値を高め、その結果、炉停止余裕を効果的に改良す
る考え方であった。
In the conventional BWR, having a large reactivity value from the upper part of the core, especially from the lower end to 3 / 4H to 4 / 4H effectively enhances the control rod reactivity value, and as a result, effectively improves the reactor shutdown margin. It was a way of thinking.

このように、本発明における原子炉においては、従来の
考えはもはや通用せず、制御棒反応度価値は、全挿入
時、制御棒のほぼ中央部(炉心の中央高さに反応)にお
いて、最大となるのが好適であることを第5図の実線は
示している。このことは制御棒の機能を分離することで
ある。すなわち、先端部は長寿命が第1で反応度は第2
(長寿命領域),中央部は反応度優先(高反応度価値領
域),下部は適当な大きさの反応度があればよい(通過
領域)。このような構成の制御棒を採用すると、炉の緊
急停止が早いので炉の安全性が向上する。
Thus, in the reactor of the present invention, the conventional idea no longer holds, and the control rod reactivity value is the maximum at almost the central portion of the control rod (reacting to the central height of the core) at the time of full insertion. The solid line in FIG. 5 indicates that it is preferable that This is to separate the functions of the control rods. That is, the tip has a long life first and a reactivity second.
(Long life region), reactivity priority in the central part (high reactivity value region), lower part if there is an appropriate amount of reactivity (passing region). When the control rod having such a structure is adopted, the safety of the furnace is improved because the emergency shutdown of the furnace is early.

したがって、第5図に対応して炉心下端から上端に向っ
て挿入されるBWR制御棒は以下のような構成とする。
すなわち、炉心全長を約3等分し、下端から1/3長まで
は、天然ボロンを用いたBC(Cと記す)、1/
3〜2/3長部は濃縮ボロンを用いたBC(10Cと
記す)、2/3〜3/3長部は長寿命型の例えばHfを用いて
構成する。
Therefore, the BWR control rod inserted from the lower end to the upper end of the core corresponding to FIG. 5 has the following structure.
That is, the total length of the core is divided into 3 equal parts, and from the lower end to 1/3 length, B 4 C using natural boron (referred to as N B 4 C), 1 /
The 3 to 2/3 long part is composed of B 4 C using concentrated boron (referred to as 10 B 4 C), and the 2/3 to 3/3 long part is composed of a long-life type, for example, Hf.

つまり、制御棒挿入先端部(先端部から全長の1/4ない
し1/3長部)は、本発明においても中性子照射量が高
く、従来の制御棒と何ら変わらない。従って、最も好適
なHfを用いるのがよい。Hfを好適に用いると、従来
の制御棒(C使用)とほぼ同じ反応度価値を持た
せることができ、しかも寿命は大幅に増大させることが
できる。
That is, the control rod insertion tip portion (1/4 to 1/3 of the entire length from the tip portion) has a high neutron irradiation dose in the present invention and is no different from the conventional control rod. Therefore, it is preferable to use the most suitable Hf. When Hf is preferably used, the reactivity value can be almost the same as that of the conventional control rod (using N B 4 C), and the life can be greatly increased.

先端部から全長の1/3〜2/3長部(10Cを用いる部
分)では、中性子照射量は上記挿入先端部に比べると大
幅(例えば2/3以下)に低いので長寿命化への要求は殆
どなく、反応度価値が大きいことが最も重要となる。中
性子吸収材としてボロン−10(10B)より反応度価値
の高いものは皆無であるといってもよく、従って、10B
を用いた10B4Cが好適である。
From 1/3 to 2/3 of the total length from the tip part (the part where 10 B 4 C is used), the neutron irradiation dose is significantly lower than that of the above insertion tip part (for example, 2/3 or less), so that the life is extended. There is almost no demand for it, and high reactivity value is of the utmost importance. Boron -10 (10 B) has high reactivity worth than a neutron absorber may be said that none, therefore, 10 B
10 B 4 C using is preferred.

挿入末端部すなわち、全挿入時炉心下部(下端から1/3
長程度)では、中性子照射量が低く、高い反応度価値も
必要ないため、従来から用いられているCを用い
ることができる(制御棒が軸方向に機能分離された形と
もいえる)。
Insertion end, that is, the lower part of the core (1/3 from the bottom
Long), the neutron irradiation dose is low and high reactivity value is not required, so that the conventionally used N B 4 C can be used (it can be said that the control rod is functionally separated in the axial direction). .

以上説明したように、本発明の炉心構成では、未臨界度
が浅くなる部分は炉心の上部から中央部へ、すなわち制
御棒挿入側へシフトしている。従って制御棒を全引抜運
転中で緊急挿入した場合を想定すると、従来に比べてよ
り早く未臨界度が浅くなる部分へ制御棒が到達するの
で、より早く原子炉を緊急停止することができる。すな
わち、原子炉の安全性が向上する。
As described above, in the core structure of the present invention, the part where the subcriticality becomes shallower is shifted from the upper part of the core to the central part, that is, to the control rod insertion side. Therefore, assuming that the control rod is urgently inserted during the full pull-out operation, the control rod reaches a portion where the subcriticality becomes shallower earlier than in the conventional case, so that the reactor can be stopped urgently earlier. That is, the safety of the nuclear reactor is improved.

第6図は従来のBWRに用いられている制御棒と本願発
明に係る制御棒とを比較したものである。すなわち、同
図(A)は従来の制御棒の斜視図、同図(B)は同図(A)で示
す従来の制御棒の横断面図、同図(C)の左半分は従来の
制御棒の縦断面図,同図(C)の右半分は本願発明に係る
制御棒の縦断面図である。
FIG. 6 is a comparison between the control rod used in the conventional BWR and the control rod according to the present invention. That is, (A) is a perspective view of a conventional control rod, (B) is a cross-sectional view of the conventional control rod shown in (A), and the left half of (C) is the conventional control rod. The vertical cross-sectional view of the rod, and the right half of the same figure (C) is a vertical cross-sectional view of the control rod according to the present invention.

第6図において、深い字状に形成されたSUS製シース3
1はその開口部で十字型のタイロッド32に固着され、十
字形制御棒30が構成されている。上端(挿入先端)はハ
ンドル付きの先端構造材33、下部はスピードリミッタと
一体構成された末端構造材34となっている。シース31内
にはBC粉末(粒)をSUS管に充填して構成された棒
状の中性子吸収材35が制御棒の軸と平行方向に並べられ
ている(米国方式)。なお、ウイング部ではシース内に
吸収材を並べる方式でなく約8mm厚のSUS板に、ウイン
グ外側端から制御棒中心軸方向に向って挿抜方向と直角
方向の約6mmの穴を形成し、その中にBC粉末を充填
密封する方式がスェーデンによって開発されている。こ
の方式は前記米国方式の制御棒に比べてより多くのB
Cを充填できるので、反応度価値を(外形が同一の場
合)約10%高めることができる。この10%は原子炉停止
余裕(通常1〜3%△K/K)を約1%(従って2〜4%
△K/K)に向上させることが可能である。BCを用い
る為、大幅な長寿命化に適していないのは米国式と大同
小異である。
In Fig. 6, a SUS sheath 3 formed in a deep shape
The opening 1 is fixed to a cross-shaped tie rod 32 at its opening to form a cross-shaped control rod 30. The upper end (insertion tip) is a tip structural member 33 with a handle, and the lower portion is a terminal structural member 34 integrally formed with a speed limiter. Inside the sheath 31, a rod-shaped neutron absorbing material 35 formed by filling B 4 C powder (grains) into a SUS tube is arranged in the direction parallel to the axis of the control rod (US method). In the wing part, instead of arranging the absorbers in the sheath, a hole of about 6 mm is formed in the SUS plate of about 8 mm thickness from the outer end of the wing toward the central axis of the control rod in the direction perpendicular to the insertion / extraction direction. A method of filling and sealing B 4 C powder therein has been developed by Sweden. This system has more B 4 than the American type control rod.
Since C can be filled, the reactivity value can be increased by about 10% (when the outer shapes are the same). This 10% is about 1% of the reactor shutdown margin (usually 1-3% △ K / K) (hence 2-4%).
ΔK / K) can be improved. Since B 4 C is used, it is almost the same as the US type that it is not suitable for a significantly long life.

第6図(C)は従来型制御棒の2つの実例を左半部と右半
部に分けて示している。すなわち、左半部は軸方向に一
様なものであり、従来型制御棒の代表例である。その反
応度価値は同図(D)の実線に示すように一様である。一
方、右半部は本発明者らが従来型BWR用に近年開発し
た長寿命型制御棒であり、同図(D)の点線で示すよう
に、有効部先端(炉心挿入先端)から末端に向って4段
階36,37,38,39に反応度価値を低下する設計となってい
る。中性子吸収材としてHf板を用い、2枚のHf板間
に水を導き、密度の大きいHf材を減量して反応度価値
の低下を抑制している。従来型BWRでは、先端部の反
応度価値を大きくし、かつ長寿命化する必要があったた
め、このような構成が極めて好適であった(特願昭61
−78746号等を参照)。
FIG. 6 (C) shows two examples of conventional control rods divided into a left half portion and a right half portion. That is, the left half is axially uniform and is a typical example of a conventional control rod. The reactivity value is uniform as shown by the solid line in FIG. On the other hand, the right half is a long-life control rod that the present inventors have recently developed for conventional BWRs, and as shown by the dotted line in the same figure (D), from the effective end (core insertion end) to the end. It is designed to reduce the reactivity value in four stages 36, 37, 38, 39. An Hf plate is used as a neutron absorbing material, water is introduced between the two Hf plates, and the Hf material having a high density is reduced to suppress a decrease in reactivity value. In the conventional BWR, it is necessary to increase the reactivity value of the tip portion and to extend the life thereof, and thus such a configuration is extremely suitable (Japanese Patent Application No. 61-61).
-78746, etc.).

ところで、本発明の原子炉では、原子炉内に介在領域を
導入した結果、挿入先端部の反応度価値を大きくする必
要がなくなった。ただし、制御棒はBWRでは炉心下方か
ら挿抜され、先端部では多量の中性子照射を受ける点で
は従来のBWRと変りない。このような特性は、BWR
に限らず、PWRその他の炉型でも同様である。
By the way, in the nuclear reactor of the present invention, as a result of introducing the intervening region into the nuclear reactor, it becomes unnecessary to increase the reactivity value of the insertion tip. However, in the BWR, the control rod is inserted and removed from below the core, and the tip end receives a large amount of neutron irradiation, which is no different from the conventional BWR. Such characteristics are
The same applies to PWR and other furnace types as well.

第7図は本発明の原子炉に必要な制御棒特性と、それを
具体化した例を示している。すなわち、第7図(A)は第
5図に対応する制御棒に必要な特性曲線図、同図(B)は
同図(A)に基づいてディスクリート化して実施した本発
明に係る制御棒の特性曲線図、同図(C)は同図(B)に基づ
いて具体化した2つの実施例を図の左半部と右半部で図
示したものである。一つの実施例は同図(C)の左半分に
示すように、制御棒40は軸方向に大凡3等分されてい
る。すなわち、炉心挿入末端部分は通常領域43(天然
B,BC横穴充填)、中央高さの部分が高反応度価値
領域42(10B濃縮BC横穴充填)、炉心挿入先端部分は
高中性子照射領域41(Hf板,トラップ状)で構成され
ている。なお、炉心挿入末端部分および炉心挿入先端部
分には中央部に縦方向の空隙部44,45が設けられてい
る。他の実施例は同図(C)の右半分に示すように、制御
棒40は軸方向に大凡3等分されている。すなわち、炉心
挿入末端部分は通常領域46(SUS管にBC粉を充填し、
それをシース内に並べたもので、古くから用いられてい
る従来型に対応したもの)、中央高さの部分が高反応度
価値領域42(SUS板に横穴をあけBC粉を充填)、炉心
挿入先端部分は高中性子照射領域41(Hf板はトラップ
状でSUSシース内に挿入)で構成されている。この例で
は炉心挿入先端部分の中央部だけに縦方向の空隙部44が
設けられている。
FIG. 7 shows the control rod characteristics required for the nuclear reactor of the present invention, and an example embodying them. That is, FIG. 7 (A) is a characteristic curve diagram necessary for the control rod corresponding to FIG. 5, and FIG. 7 (B) shows the control rod according to the present invention implemented discretely based on FIG. The characteristic curve diagram and FIG. 7C show two examples embodied on the basis of FIG. 2B in the left half part and the right half part of the figure. In one embodiment, the control rod 40 is axially divided into three equal parts, as shown in the left half of FIG. That is, the core insertion end part is the normal region 43 (natural B, B 4 C lateral hole filling), the central height part is the high reactivity value region 42 ( 10 B concentrated B 4 C lateral hole filling), and the core insertion tip part is high. It is composed of a neutron irradiation area 41 (Hf plate, trap shape). The core insertion end portion and the core insertion tip portion are provided with longitudinal voids 44 and 45 in the central portion. In the other embodiment, as shown in the right half of FIG. 6C, the control rod 40 is roughly divided into three equal parts in the axial direction. That is, the core insertion end portion is usually in the area 46 (SUS tube is filled with B 4 C powder,
These are arranged in the sheath, corresponding to the conventional type that has been used for a long time), and the central height part has a high reactivity value region 42 (a horizontal hole is made in a SUS plate and filled with B 4 C powder) The tip portion of the core insertion is composed of a high neutron irradiation region 41 (the Hf plate is trapped and inserted into the SUS sheath). In this example, a vertical void portion 44 is provided only in the central portion of the core insertion tip portion.

本発明者らは長い間BWR用制御棒の開発研究を行なっ
て来たが、外形を同一とした場合、前記スェーデンで開
発されたSUS板に横穴をあけてBCを充填する方式が
最も高反応度価値領域を実現するのに適している。中性
子吸収材についても各種の実験的研究を行ってきたが、
10Bを濃縮したBCまたはEuBが高反応度化に好
適である。
The present inventors have long been conducting research and development of control rods for BWRs, but when the outer shapes are the same, the method of opening a horizontal hole in the SUS plate developed in Sweden and filling it with B 4 C is most suitable. It is suitable for realizing high reactivity value areas. We have also conducted various experimental studies on neutron absorbers,
B 4 C or EuB 6 in which 10 B is concentrated is suitable for increasing the reactivity.

従って、第7図(C)では横穴充填方式を基本とし、中性
子吸収材にBC粉末を、必要な場合には10Bを濃縮し
たBCを用いることとしている。挿入の先端約1/3部
分は中性子照射量が高いので、長寿命型の中性子吸収材
を用いる。長寿命型吸収材としてはHf,Euその他が
考えられるが、Hfが最も現実性がある。Hfはメタル
であり、中性子照射特性や腐食特性が極めて優れてお
り、被覆材なしで使える。欠点としては密度が大きく、
反応度価値が低下し易い点があげられる。
Therefore, in FIG. 7 (C), the horizontal hole filling method is basically used, and B 4 C powder and, if necessary, B 4 C enriched with 10 B are used as the neutron absorbing material. Since the neutron irradiation is high at about 1/3 of the insertion tip, a long-life type neutron absorber is used. Hf, Eu, etc. can be considered as the long-life type absorbent, but Hf is the most practical. Hf is a metal, has excellent neutron irradiation characteristics and corrosion characteristics, and can be used without a coating material. The drawback is that the density is large,
The point is that the reactivity value tends to decrease.

本発明者等が近年開発した(特願昭61−78746
号)Hf板トラップ型、すなわち、2枚のHf板間に水
を導入する方式を用いれば上記の欠点を解消した長寿命
制御棒が実現できる。本実施例では、このような観点か
らHf板とトラップ状に構成することとした。
Recently developed by the present inventors (Japanese Patent Application No. 61-78746)
No.) If a Hf plate trap type, that is, a system in which water is introduced between two Hf plates, a long-life control rod that solves the above drawbacks can be realized. In this embodiment, the Hf plate and the trap are configured from this point of view.

さらに、本発明では反応度価値はやや低くしてよいた
め、(介在領域により炉停止余裕が向上するため、制御
棒により確保すべき停止余裕の分担が減少する)タイロ
ッド近傍ではHfを排除し、空隙としている。これによ
って、タイロッド近傍の中性子束の大幅な低下が緩和さ
れ、その結果、この部分に対応する燃料の出力の大幅な
低下が緩和される。これにより、制御棒挿入時でもこの
部分の燃料の燃焼が進行し、制御棒引抜時の異常な出力
上昇が抑制され、燃料の健全性向上に寄与する。
Further, in the present invention, the reactivity value may be set to be slightly low, so that Hf is eliminated in the vicinity of the tie rod (the sharing of the stop margin to be secured by the control rod is reduced because the furnace stop margin is improved by the intervening region). It is a void. As a result, a large decrease in the neutron flux near the tie rods is mitigated, and as a result, a large decrease in the fuel output corresponding to this portion is mitigated. As a result, combustion of the fuel in this portion progresses even when the control rod is inserted, and an abnormal increase in output when the control rod is pulled out is suppressed, which contributes to the improvement of fuel integrity.

なお、長寿命対策としては本発明者等は他にも既に多く
の具体案を開示している。挿入末端約1/3長は2つの実
施例を示している。
Note that the present inventors have already disclosed many concrete proposals as measures for long life. About 1/3 length of the insertion end shows two examples.

左半部は横穴方式である。この部分は反応度価値を下げ
てよいため、タイロッド側面を空隙44(→水)とし、吸
収材充填部の横方向幅を低減させた例を示している。こ
の水により上述のように燃料健全性が向上する。
The left half is a horizontal hole system. Since the reactivity value may be lowered in this portion, an example is shown in which the lateral width of the absorbent filling portion is reduced by forming the void 44 (→ water) on the side surface of the tie rod. This water improves the fuel integrity as described above.

右半部はSUS管にBCを充填して構成した吸収材をシ
ース内に並べる従来型の方式を示している。横穴方式よ
り反応度価値が小さくなりやすいため、この例ではタイ
ロッド側面には特に空隙(→水)は設けていない。
The right half shows a conventional method of arranging an absorbent material, which is configured by filling a SUS tube with B 4 C, in a sheath. Since the reactivity value tends to be smaller than that of the horizontal hole method, no void (→ water) is provided on the side surface of the tie rod in this example.

本発明では未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿入側へシ
フトさせ、それにあわせて制御棒の構成を好適にした新
規な軽水炉の炉心構成について説明したが、原理的には
高速炉等にも適用できることは勿論である。
In the present invention, the part where the subcriticality becomes shallow is shifted to the control rod insertion side, and the core configuration of the novel light water reactor in which the configuration of the control rod is made suitable has been described, but in principle, it is also applicable to fast reactors and the like. Of course, it can be applied.

また、本発明では水ギャップの場合について説明した
が、天然ウラン劣化ウランを使用しても水ギャップの場
合と同等の効果を奏することは勿論である。
Further, although the case of the water gap has been described in the present invention, it is needless to say that even if natural uranium-depleted uranium is used, the same effect as in the case of the water gap can be obtained.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば以下に記載したよ
うな効果を奏する。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.

(1)介在領域の導入によって高濃縮度燃料(MOXを含む)
を用いた炉心でも停止余裕が確保される。
(1) Highly enriched fuel (including MOX) by introducing the intervening region
The shutdown margin can be secured even in the core using.

(2)介在領域を好適に配置して、停止余裕がきびしくな
る領域(シャットダウンゾーン)をシフトさせ、スクラ
ム時の炉停止までの時間を短縮できる。すなわち、より
安全な炉の停止ができる。
(2) By appropriately disposing the intervening region, the region (shutdown zone) where the stop margin becomes severe can be shifted, and the time to shut down the furnace during scram can be shortened. That is, the furnace can be shut down more safely.

(3)制御棒はその機能を軸方向に三領域に形成され、中
部領域の中性子吸収特性を下部領域より高くし、上部領
域の中性子吸収寿命を下部領域より長くしているので、
上記(2)に好適な制御棒を提供できる。
(3) The control rod is formed in three regions in the axial direction of its function, the neutron absorption characteristic of the middle region is higher than that of the lower region, and the neutron absorption life of the upper region is longer than that of the lower region.
A control rod suitable for the above (2) can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明をBWRに適用した場合であり、同図
(A)は本発明の一実施例の概略縦断面図,同図(B)は本発
明炉心に用いる制御棒の軸方向構成図,同図(C)は炉停
止中の未臨界度分布を示した図、第2図(A)および(B)は
本発明の作用を説明するための図、第3図(A)および(B)
は本発明に係わる炉心の特性を説明するための図、第4
図(A)〜(C)は本発明の炉心と従来の炉心の炉心軸方向未
臨界度分布を示した図、第5図は第4図(C)に対応する
ものであり、炉心の未臨界度を軸方向にみてほぼ一定と
なるように構成した場合の制御棒反応度価値分布図、第
6図(A)は従来の制御棒の斜視図,同図(B)は同図(A)の
横断面図,同図(C)の左半分は従来の制御棒の縦断面
図,同図(C)は右半分は本願発明に係る制御棒の縦断面
図,同図(D)は同図(C)の反応度価値を示した図、第7図
(A)は第5図に対応する制御棒に必要な特性曲線図、同
図(B)は同図(A)に基づいてディスクリート化して実施し
た本発明に係る制御棒の特性曲線図、同図(C)は同図(B)
に基づいて具体化した2つの実施例を図の左半部と右半
部で示した図、第8図(A)および同図(B)は、それぞれ従
来の燃料集合体の斜視図および燃料集合体を構成する燃
料棒の概略縦断面図、第9図は第8図に示す従来の燃料
集合体の横断面図、第10図〜第12図はいずれも従来の燃
料集合体の横断面図である。 20…燃料集合体 21,22,23…介在領域 24,30,40…制御棒 31…シース 32…先端構造材 34…末端構造材 35…中性子吸収材
FIG. 1 shows the case where the present invention is applied to BWR.
(A) is a schematic vertical sectional view of an embodiment of the present invention, (B) is an axial configuration diagram of a control rod used in the core of the present invention, (C) is a subcritical distribution during reactor shutdown 2A and 2B are views for explaining the operation of the present invention, and FIGS. 3A and 3B.
4 is a diagram for explaining the characteristics of the core according to the present invention, FIG.
Figures (A) to (C) are diagrams showing core axial direction subcriticality distributions of the core of the present invention and the conventional core, and Fig. 5 corresponds to Fig. 4 (C). Control rod reactivity value distribution diagram when the criticality is configured to be almost constant in the axial direction, FIG. 6 (A) is a perspective view of a conventional control rod, and FIG. 6 (B) is the same diagram (A). ), A left half of the figure (C) is a vertical cross section of a conventional control rod, a right half of the figure (C) is a vertical cross section of the control rod according to the present invention, and a figure (D) is Diagram showing reactivity value of Fig. 7 (C), Fig. 7
(A) is a characteristic curve diagram necessary for the control rod corresponding to FIG. 5, and (B) is a characteristic curve diagram of the control rod according to the present invention which is implemented discretely based on the same diagram (A). Figure (C) is the same figure (B)
FIGS. 8 (A) and 8 (B) are views showing a left half portion and a right half portion, respectively, of two embodiments embodied based on FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional fuel assembly shown in FIG. 8, and FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional fuel assembly. It is a figure. 20 ... Fuel assembly 21, 22, 23 ... Intervening region 24, 30, 40 ... Control rod 31 ... Sheath 32 ... Tip structural material 34 ... End structural material 35 ... Neutron absorbing material

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】多数の燃料棒を規則正しく束ねた燃料集合
体を、その軸がそれぞれ垂直で互に平行になるように配
置され、前記燃料集合体の内部または隣接する燃料集合
体相互間の間隙で制御棒を挿抜可能に配置された炉心
と、前記各燃料棒間にその燃料棒の下方から上方に向っ
て冷却材である軽水が流れるように構成された軽水炉の
炉心において、前記炉心の一部分または全体を上下方向
に少なくとも2ケの炉心切片に分割しかつ未臨界度の浅
くなるとともに核分裂性核種濃度を上下の燃料より大幅
に低下させた位置に介在領域を配置し、前記介在領域は
その幅が軽水炉停止時の熱中性子の移動距離より大きく
かつ軽水炉出力運転時の熱中性子の移動距離より小さく
して、常温停止中に未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿
抜側に移行させるとともに、制御棒はその機能を軸方向
に三領域に形成され、中部領域の中性子吸収特性を下部
領域より高くし、上部領域の中性子吸収寿命を下部領域
より長くして成ることを特徴とする軽水炉の炉心。
1. A fuel assembly in which a large number of fuel rods are regularly bundled is arranged such that their axes are vertical and parallel to each other, and a gap is formed inside the fuel assembly or between adjacent fuel assemblies. In a core in which control rods are arranged so that the control rods can be inserted and removed, and in the core of a light water reactor in which light water, which is a coolant, flows between the fuel rods from below the fuel rods upwards, a part of the cores is provided. Alternatively, the whole is vertically divided into at least two core sections, and the intervening region is arranged at a position where the subcriticality becomes shallow and the fissionable nuclide concentration is significantly lower than that of the upper and lower fuels. If the width is larger than the moving distance of thermal neutrons when the light water reactor is shut down and smaller than the moving distance of thermal neutrons during light water reactor output operation, and the part where the subcriticality becomes shallow during normal temperature shutdown is moved to the control rod insertion side. The control rod is characterized in that its function is formed in three regions in the axial direction, the neutron absorption characteristic of the middle region is higher than that of the lower region, and the neutron absorption life of the upper region is longer than that of the lower region. The core of a light water reactor.
【請求項2】軽水炉停止時に未臨界度が浅くなる部分を
炉心下方に向って移行させ、制御棒挿抜を炉心下方から
行なう沸騰水型原子炉であることを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載の軽水炉の炉心。
2. A boiling water reactor in which a portion where the degree of subcriticality becomes shallow when the light water reactor is stopped is moved to the lower side of the core and control rods are inserted and removed from the lower side of the core. The core of the light water reactor described in paragraph.
【請求項3】軽水炉停止時に未臨界度が浅くなる部分を
炉心上方に向って移行させ、制御棒挿抜を炉心上方から
行なう加圧水型原子炉であることを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載の軽水炉の炉心。
3. A pressurized water reactor in which a portion where the degree of subcriticality becomes shallow when the light water reactor is stopped is moved toward the upper side of the core, and control rods are inserted and removed from the upper side of the core. The core of the described light water reactor.
【請求項4】軽水炉停止時に未臨界度が浅くなる部分を
炉心上方に向って移行させ、制御棒挿抜を炉心上方から
行なう中小型原子炉,自然循環型原子炉または高転換型
原子炉であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の軽水炉の炉心。
4. A small-to-medium-sized reactor, a natural circulation reactor or a high conversion reactor, in which a portion where the subcriticality becomes shallow when the light water reactor is shut down is moved to the upper part of the core and control rods are inserted and removed from the upper part of the core. The core of a light water reactor according to claim 1, characterized in that
【請求項5】炉心挿入時の制御棒は、未臨界度が浅くな
る部分を中性子吸収特性の強い強中性子吸収構成とし、
その他の部分は中性子吸収特性をそれよりやや小さい吸
収構成としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の軽水炉の炉心。
5. The control rod during core insertion has a strong neutron absorption structure having strong neutron absorption characteristics in the portion where the subcriticality becomes shallow,
The core of the light water reactor according to claim 1, characterized in that the other part has an absorption configuration having a neutron absorption characteristic slightly smaller than that.
【請求項6】中性子吸収特性の強い強中性子吸収構成は
SUS板に横穴をあけてBC粉を充填したものであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の軽水炉の炉
心。
6. A strong neutron absorption structure having strong neutron absorption characteristics
The core of a light water reactor according to claim 5, characterized in that the SUS plate is formed with horizontal holes and is filled with B 4 C powder.
【請求項7】中性子吸収特性の強い強中性子吸収物質は
ボロン10の濃度を高めた濃縮ボロンを主たる中性子吸収
物質としたことを特徴とする特許請求の範囲第5項また
は第6項記載の軽水炉の炉心。
7. The light water reactor according to claim 5 or 6, wherein the strong neutron absorbing substance having a strong neutron absorbing property is mainly boron enriched boron having a high concentration of boron 10. Core of.
【請求項8】原子炉の出力を制御する出力制御用の制御
棒は、少なくともその先端部分がハフニウムなどの長寿
命型の中性子吸収材で構成されていることを特徴とする
特許請求の範囲第5項記載の軽水炉の炉心。
8. A power control rod for controlling power output of a nuclear reactor, wherein at least a tip portion thereof is made of a long-life type neutron absorbing material such as hafnium. The core of a light water reactor according to item 5.
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