JPH0644056B2 - 原子炉の炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、原子炉の炉心に係り、特に沸騰水型原子炉に
適用するのに好適な原子炉の炉心に関する。

〔発明の背景〕

従来の沸騰水型原子炉の炉心の構成を第１１図に示す。
この炉心は、格子状に等間隔に配置された多数の燃料集
合体５、燃料集合体５間に挿入される制御棒６及び中性
子検出器７とを有している。

燃料集合体の交換操作は、燃料集合体を単位として行な
われて規則的なパターンをもって炉心内に配置される。
燃料集合体交換の際には、使用済燃料集合体の代わりに
新燃料集合体が装荷される。燃料集合体交換のパターン
は、エネルギー発生過程における制限や必要条件等によ
り決定される。

原子力発電の全発電電力量に占める割合が増加している
今日、原子力発電所の経済性を向上させることが重要な
課題となっている。しかし、それと同時に十分な熱的余
裕を確保し、原子炉を安全に運転することも重要であ
る。

一般に、燃料経済性の向上と熱的余裕の増加とは相反す
る関係にある。このような相反する現象の上に両者を最
適化した原子炉が、特開昭４８−４２２９４号公報に開
示されている。この炉心は、炉心を径方向に３つの領域
に分割し、中性子インポータンスの低い炉心最外周領域
に反応度価値の最も低い燃料集合体を配置し、その内側
の領域に最も反応度価値の高い燃料集合体を配置し、経
済性の向上と熱的余裕の確保をねらったものであり、燃
料集合体当りの燃料棒本数が等しい原子炉においては最
適なものである。しかし、このような原子炉でも、出力
分布の平坦化を図るため燃料経済性を犠牲にしているこ
とに変わりない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、熱的余裕を確保できるとともに燃料経
済性を向上できる原子炉の炉心を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明は、多数の燃料集合
体を装荷してなる原子炉の炉心において、炉心の最外周
部を除く領域を半径方向に少なくとも二領域に分割し、
中心側に位置する領域の燃料集合体の平均濃縮度を、外
側に位置する領域の燃料集合体よりも高くし、前記中心
側に位置する領域の燃料集合体内の燃料棒本数を、前記
外側に位置する領域の燃料集合体よりも多くすると共
に、前記中心側に位置する領域の燃料集合体内の減速材
に占める水ロッドの割合を、前記外側に位置する領域の
燃料集合体よりも大きくしたものである。

本発明は、以下に示す検討結果に基づいてなされたもの
である。すなわち、第５図は、後述する第１図に示すよ
うに原子炉を半径方向に二領域（中央領域及びその外側
にある外周領域）に分割した場合において、１サイクル
の間に発生する出力積算量を一定とした場合に必要とな
る各領域の平均濃縮度及びそれに伴う半径方向出力ピー
ク値を示したものである。第５図における点Ａは、各領
域の濃縮度が等しい、すなわち一種類の燃料集合体で構
成された炉心に対応している。この点Ａの平均濃縮度を
有する燃料集合体で構成された炉心は、第５図（Ａ）に
示すように炉心の中央領域に大きな出力ピークを生じ
る。一方、点Ｂの平均濃縮度を有する炉心は、各領域の
出力ピーク値が等しく、出力分布が最も平坦化されてい
る。この状態は、外周領域の平均濃縮度を中央領域のそ
れに比べて高くすることによって実現する。しかし、中
性子インポータンスは、炉心中心部で高い。従って、こ
のような点Ｂの平均濃縮度を有する炉心は、インポータ
ンスの低い外周領域に平均濃縮度の高い燃料集合体が装
荷されるので、運転期間に発生する出力積算量を確保す
るには、炉心全体における平均濃縮度を高くする必要が
ある。

経済性を向上して燃料の有効利用を図るためには、中性
子インポータンスの高い炉心中心側の領域に平均濃縮度
の高い燃料集合体を装荷すればよい。この場合は、第５
図から分かるように、半径方向の出力ピークは大きくな
るものの、所要の炉心平均濃縮度は低下し、燃料経済性
が向上する。更に燃料経済性を向上させるためには、炉
心中心側の領域の核分裂性物質をその領域よりも外側に
位置する領域のそれよりも多く充填し、かつ、炉心中心
側の領域における濃縮度をその領域よりも外側に位置す
る領域のそれよりも大きくし、これにより炉心中心側の
領域の中性子インポータンスを高めるとよい。

このような炉心は、平均濃縮度の異なる二種類以上の燃
料集合体により構成され、炉心中心側の領域に平均濃縮
度の大きい燃料集合体を装荷することによって実現され
る。このように、炉心中心側に位置する領域の濃縮度を
高くすることによって、燃料経済性の向上が図られる。
しかし、炉心の半径方向の出力ピークが大きくなって熱
的余裕が減少するという問題が生じる可能性がある。こ
の問題は、燃料棒１本当りの線出力密度を低減すること
により解決される。燃料集合体１体当りの出力を減少さ
せることなく線出力密度を低減させるには、燃料集合体
内の燃料装荷量を保ったまま、燃料集合体内の燃料棒本
数を増加すればよい。すなわち、炉心中心側に位置する
領域に装荷された濃縮度の高い燃料集合体内の燃料棒本
数を、その領域よりも外側に位置する領域に装荷された
濃縮度の低い燃料集合体内の燃料棒本数よりも増加させ
ることにより、熱的余裕の確保を図りながら燃料経済性
の向上を実現することができる。なお、炉心中心側に位
置する領域内に装荷された燃料集合体内の燃料装荷量と
その領域より外側に位置する領域内に装荷された燃料集
合体内の燃料装荷量とは、ほぼ等しい。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を、詳細に説明する。

(a)実施例１ 第１図は、本実施例になる原子炉の炉心の構成を示した
ものである。この炉心１０は、１１００ＭＷｅ級の沸騰
水型原子炉のものであり、７６４体の燃料集合体から構
成されている。炉心１０は、半径方向において炉心中心
側に位置している中心領域１１及びその領域の外側に位
置する外周領域１２の二領域に分割されており、中心領
域１１には３０４体及び外周領域１２には４６０体の燃
料集合体がそれぞれ装荷されている。また、図示されて
いないが外周領域１２の外側、すなわち炉心１０の最外
周領域には、外周領域１２に装荷されれていてしかも燃
焼の進んだ燃料集合体が取だされて配置される。この最
外周領域は、反射体の役を担っている。

中心領域１１に装荷された燃料集合体１３の構造を、第
２図に示す。燃料集合体１３は、チャンネルボックス１
６内に多数の燃料棒１４を有し、９本の水ロッド１５を
燃料棒１４間に配置したものである。燃料集合体１３
は、７２本の燃料棒１４を有している。外周領域１２に
装荷された燃料集合体１７の構造を、第３図に示す。燃
料集合体１７は、チャンネルボックス１６内に多数の燃
料棒１８を有し、太径の水ロッド１９を燃料棒１８間に
配置したものである。燃料集合体１７は、６０本の燃料
棒１８を有している。燃料集合体１３の平均濃縮度は
４、１８重量％、燃料集合体１７の平均濃縮度は３、４
６重量％である。これらの平均濃縮度は、新燃料集合体
の状態での値である。なお、燃料集合体１３内における
燃料物質の装荷量と燃料集合体１７内における燃料物質
の装荷量は、ほぼ等しい。

本実施例のように濃縮度によって中心領域１１の核分裂
性物質（ここでは、^２３５Ｕ）の量を増加させて外周領
域１２で減少させた場合の省ウラン効果を第４図に示
す。ベースとした炉心は、平均濃縮度が３、８１重量％
である一種類の新装荷燃料集合体を装荷してなる平衡炉
心である。本実施例では、中心領域１１の反応度は前述
の平衡炉心のそれよりも３％Δｋだけ増加し、外周領域
１２の反応度は前述の平衡炉心のそれよりも３％Δｋだ
け減少する。この時、中心領域１１の出力ピークは１、
１となり、炉心１０は前述の平衡炉心に比べて省ウラン
効果が約３％向上する。燃料棒１本当りの出力ピークを
前述の平衡炉心の場合と同程度に抑えるには、中心領域
１１に装荷される燃料集合体内の燃料棒本数を前述のよ
うに燃料物質の装荷量を等しくしたまま増加させればよ
い。中心領域１１に９行列格子で９本の水ロツド１５を
有する燃料集合体（燃料棒１４の本数７２本）１３、外
周領域１２に８行８列格子で太径の水ロッド１９を有す
る燃料集合体（燃料棒１８の本数６０本）１７を装荷し
た炉心１０は、燃料棒１本当りの線出力密度が前述の平
衡炉心と同じになる。

中心領域１１の出力ピークが１、２に向上すると、省ウ
ラン効果は約５％となる。

第４図からわかるように、省ウラン効果は中心領域１１
の出力ピークが大きくなる程、大きくなる。

本実施例の炉心は、熱的余裕を確保できるとともに燃料
棒経済性を向上させることができる。

(b)実施例２ 第６図は、本実施例の沸騰水型原子炉の炉心２０を示し
ている。炉心２０は、燃料集合体１３を配置した中心領
域１１と、燃料集合体２２を配置した外周領域２１とか
らなっている。燃料集合体２２の構造を第７図に示す。
燃料集合体２２は、チャンネルボックス１６内に多数の
燃料棒１８を有し、２本の水ロッド１５を燃料棒１８間
に配置したものである。本実施例においても、実施例１
と同様に最外周領域が図示されていない。

燃料集合体１３の燃料物質の装荷量は、燃料集合体２２
の燃料棒本数が燃料集合体１７のその本数よりも２本多
いだけ燃料集合体２２の燃料物質の装荷量よりも若干少
なくなるが、それらにおける燃料物質の装荷量はほぼ等
しい。

燃料集合体１３は減速材に占める水ロッド領域の割合が
大きいので、原子炉運転時ボイドが発生すると、中心領
域１１の水対ウラン比が外周領域２１に比べ高くなる。
さらに、中心領域１１の燃料集合体１３の平均濃縮度が
外周領域２１の燃料集合体２２の平均濃縮度よりも高い
ので、濃縮度は中心領域１１で高く外周領域２１で低く
なる。中心領域１１の燃料集合体１３の出力と外周領域
２１の燃料集合体２２の出力の比は従来例より大きくな
るものの、中心領域１１の線出力密度は従来例と同程度
以下に抑えることが可能となる。実施例２においても、
実施例１と同様な効果が得られる。

(c)実施例３ 第８図は本発明の第３の実施例である沸騰水型原子炉の
炉心を示す。本実施例の炉心２３は、第９図に示す燃料
集合体２７が装荷された中心領域２４と、第７図に示す
燃料集合体２２が装荷された外周領域２５と、外周領域
２５を取り囲む最外周領域２６とを有している。燃料集
合体２７は、チャンネルボックス１６内に７７本の燃料
棒２８を有し、４本の水ロッド１５を燃料棒２８間に配
置したものである。燃料集合体２７の平均濃縮度は４、
１８重量％、燃料集合体２２の平均濃縮度は３、４６重
量％である。これらの平均濃縮度は、新燃料集合体の状
態での値である。なお、燃料集合体２７内における燃料
物質の装荷量と燃料集合体２２内における燃料物質の装
荷量は、ほぼ等しい。

最外周領域２６には、燃焼の進んだ燃料集合体２２及び
燃料集合体２７が混在して装荷されている。最外周領域
２６は、反射体としての役割が主である。中心領域２４
及び外周領域２８の平均濃縮度が実施例１の中心領域１
１及び外周領域１２の平均濃縮度と同じであるので、省
ウラン効果、すなわち燃料経済性の向上が実施例１と同
程度に実現される。

本実施例も、実施例１と同様な効果を得ることができ
る。

(d)実施例４ これまでの実施例は、最外周領域を除き炉心の各領域に
はそれぞれ同じ種類の燃料集合体を装荷している。本実
施例のように１つの領域に異なる種類の燃料集合体を装
荷してもよい。本実施例の沸騰水型原子炉の炉心２９を
第１０図に示す。炉心２９は、燃料集合体１３と燃料集
合体１７とが混在している中心領域３０及び燃料集合体
１７を有する外周領域１２を有している。本実施例にお
いても、最外周領域が存在する。

このような炉心構成は、例えば、次の様な場合に構成さ
れる。すなわち、燃料集合体として８行８列格子の燃料
集合体１７のみを用いた沸騰水型原子炉の炉心中心部に
ある使用済みの燃料集合体１７を、９行９列格子の新し
い燃料集合体１３に置き換えることによって得られる。
新しい燃料集合体１３を、炉心に一様に配置していく場
合に比べて炉心２９の中心領域３０により多く配置す
る。これによって、中心領域３０により多くの核分裂性
物質が装荷されることとなり燃料が有効に利用されるこ
とになる。前述の平衡炉心からの移行も容易である。

本実施例も、実施例１と同様な効果を得ることができ
る。

(e)実施例６ 軽水減速型原子炉では、^２３８Ｕを親物質として、
^２３９Ｐｕがつくられる。この^２３９Ｐｕを使用済み燃
料集合体から取り出してリサイクルを図れば、ウラン資
源の有効利用が可能となる。また、回収ウランを利用し
ても同様である。

プルトニウム回収ウラン混合物をウラン富化して用いる
場合では、例えば、３、０重量％^２３５Ｕを用いた燃料
集合体と、２、８重量％^２３５Ｕ及び０、２重量％のプ
ルトニウウムを用いた燃料集合体とでは、前者の方が濃
縮度が高い。炉心の中心領域に前者の燃料集合体を、外
周領域には後者の燃料集合体を装荷することにより、燃
料の有効利用が可能となる。^２３９ Ｐｕと^２４１Ｐｕからなる核分裂性混合物からな
る燃料集合体の濃縮度と、^２３５Ｕからなる燃料集合体
の濃縮度が等しい場合には、最適な（減速材／燃料）の
比は、一種の酸化物燃料を有する燃料集合体よりも混合
酸化物燃料を有する燃料集合体のほうが大きくなる。ま
た、プルトニウムを保有している燃料集合体は、プルト
ニウムを含んでいない燃料集合体よりも出力密度が大き
くなる。このような２種類の燃料集合体を用いる場合に
は、例えば、９行９列格子で多数本の水ロッドを有する
とともに混合酸化物燃料を充填してなる燃料集合体を中
心領域に装荷して、中心領域における（減速材／燃料）
の比を大きくするとともに中心領域における線出力密度
を低下させる。外周領域には、８行８列格子で酸化物燃
料として濃縮ウランを充填してなる燃料集合体を装荷す
ればよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、中性子インポータンスが高い炉心の中
心側領域の燃料集合体の平均濃縮度を外側領域に比べて
高くすることにより、半径方向の出力ピークは大きくな
るが、所要の出力を得るのに必要な炉心の平均濃縮度を
低くできるので、燃料経済性を向上することができる。

また、平均濃縮度が高い炉心の中心側領域の燃料集合体
内の燃料棒本数を外側領域に比べて多くすることによ
り、燃料集合体１体当りの出力を減少させずに燃料棒１
本当りの線出力密度を低減できるので、熱的余裕を確保
することができる。

更に、平均濃縮度が高い炉心の中心側領域の燃料集合体
内の減速材に占める水ロッドの割合を外側領域に比べて
大きくすることにより、各領域内の水対ウラン比を平均
濃縮度の高低に応じて最適に調整できるので、燃料経済
性をより確実に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である沸騰水型原子炉
の炉心の概略横断面図、第２図及び第３図は第１図に示
された燃料集合体１３及び１７の横断面図、第４図は第
１図に示した実施例における省ウラン効果を示す特性
図、第５図（Ａ）は第１図の各領域での半径方向の出力
ピークの変化を示す特性図、第５図（Ｂ）は第１図の各
領域の平均濃縮度の変化を示す図である。１１００ＭＷ
ｅ級沸騰水型原子炉の炉心構成を示す特性図、第６図、
第８図およぼ第１０図は本発明の他の一実施例である沸
騰水型原子炉の炉心の概略横断面図、第７図は第６図に
示された燃料集合体２２の横断面図、第９図は第８図に
示された燃料集合体２７の横断面図、第１１図は従来の
沸騰水型原子炉の炉心の概略横断面図である。 １０、２０、２３…炉心、１１、２４、３０…中心領
域、１２、２１、２５…外周領域、１３、１７、２２、
２７…燃料集合体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の燃料集合体を装荷してなる原子炉の
   炉心において、 炉心の最外周部を除く領域を半径方向に少なくとも二領
   域に分割し、 中心側に位置する領域の燃料集合体の平均濃縮度を、外
   側に位置する領域の燃料集合体よりも高くし、 前記中心側に位置する領域の燃料集合体内の燃料棒本数
   を、前記外側に位置する領域の燃料集合体よりも多くす
   ると共に、 前記中心側に位置する領域の燃料集合体内の減速材に占
   める水ロッドの割合を、前記外側に位置する領域の燃料
   集合体よりも大きくした ことを特徴とする原子炉の炉心。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の原子炉の炉
   心において、 前記中心側に位置する領域の燃料集合体内の燃料装荷量
   を、前記外側に位置する領域の燃料集合体とほぼ等しく
   したことを特徴とする原子炉の炉心。