JPH065320B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

沸騰水型原子炉用燃料集合体

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JPH065320B2
JPH065320B2 JP61251854A JP25185486A JPH065320B2 JP H065320 B2 JPH065320 B2 JP H065320B2 JP 61251854 A JP61251854 A JP 61251854A JP 25185486 A JP25185486 A JP 25185486A JP H065320 B2 JPH065320 B2 JP H065320B2
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庄一 渡辺
護 永野
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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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  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
  • 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) 本発明は燃料集合体、持にプルトニウムを富化した燃料
棒を有する沸騰型水原子炉用燃料集合体(以下BWR燃料
集合体という)に関する。
(従来の技術) 第4図は従来の燃料集合体の斜視図である。この図にお
いて、断面方形状のチャンネルボックス1内には、多数
の燃料ペレットを燃料被覆管内に装填して成る多数の燃
料棒2が格子状に配置されており、それらの燃料棒は上
部タイプレート3、下部タイプレート4によって支持さ
れている。また、燃料棒2の中間部はスペーサ5により
燃料棒相互間およびチャンネルボックス1との間隔を維
持されている。
第5図は、濃縮ウランのみを燃料とする従来の燃料集合
体の燃料棒の配置を示す。この図において二重円は燃料
棒をあらわし、その中に記入された数字1〜7は数字1
を最高とし同7を最低とするU235の濃縮度、文字Wはウ
ォータロッド、文字Gは可燃性毒物であるガドリニアの
濃度が1〜8%のガドリニア燃料棒を示す。すなわち、
数字1は最高濃縮度燃料棒、2は高濃縮度燃料棒、数字
3〜5は中間濃縮度燃料棒、数字6は低濃縮度燃料棒、
数字7は最低濃縮度燃料棒である。なお、図中CRは制御
棒を示す。
燃料棒、ウォータロッドの数の和は64本であり、2本の
ウォータロッドWは、チャンネルボックス1の制御棒に
隣接しない隅角間を連ねる対角線の中央に並んで配置さ
れている。また、最高濃縮度燃料棒1は、前記対角線上
のウォータロッドWの隣の燃料棒配置位置を原点とする
正方形状に計12本が配置され、高濃縮度燃料棒2は前記
正方形内の2つの燃料棒配置位置および前記正方形に隣
接し各辺の中央に対向するそれぞれの2つの燃料棒配置
位置計10本が配置されている。ガドリニア燃料棒Gは、
前記正方形周辺に配置した高濃縮度燃料にそれぞれ隣接
した配置位置に計8本が配置され、中間濃縮度燃料棒3
は、高濃縮度燃料棒2およびガドリニア燃料棒Gを含む
燃料棒の列を辺とする正方形の原点に配置されている。
最外周の燃料棒の列は、7,6,5,4,4,5,6,
7となっている。
第6図は第4図の燃料集合体と反応度的にはほぼ等価と
なるよう、プルトニウムを富化した燃料棒(MOX燃料
棒)を使用した燃料集合体の燃料棒の配置を示す。数字
11〜16はプルトニウムの富化度を数字11を最高として示
す。最高富化度燃料棒11は第3図における最高濃縮度燃
料棒1と同様に配置されている。しかしながら、ウォー
タロッドWに隣接する配置位置には、プルトニウムを富
化したガドリニア燃料棒Gが配置されている。最高富化
度燃料棒11の配置された正方形の外側の正方形を形成す
る配置位には制御棒CRのタイロッドに近接した頂点をガ
ドリニア燃料棒Gとして、前記頂点からの二辺に頂点か
ら順にG,12,G,12,G,13の燃料棒を配置し、他の二
辺には前記頂点の対頂点から順にG,12,G,12,G,13
の燃料棒を配置する。最外周の燃料棒の列は16,15,1
4,13,13,14,,15,,16となっている。
第5図,第6図からわかるようにMOX燃料棒を使用した
燃料集合体では通常のそれよりも、ガドリニア燃料棒の
本数が多くなっている。
すなわち、一般にMOX燃料では、UO2燃料に比し中性子ス
ペクトルが硬いため、ガドリニアの反応度価値がUO2
料の場合とかなり異り、ガドリニアの中性子吸収断面積
は熱群中性子エネルギに対して大きく熱外に対して小さ
いので、中性子スペクトルが硬くなるガドリニアの反応
度価値が下り、同時にガドリニアの燃焼速度が遅くな
る。
そこで、ガドリニアによる反応度制御をUO2燃料と同様
に行うためには、ガドリニア濃度を低くし、ガドリニア
入り燃料棒の本数を多くする必要がある。
例えば第5図に示すUO2燃料のガドリニアが3w/o×8本
であるのに対して、第6図に示したMOX燃料棒では1.5w/
o×12となっている。
プルトニウムはα崩壊をするため、人体への内部被曝を
防止する必要があり、また崩壊、自発核分裂によって中
性子、γ線を放出するため、遮蔽装置が必要となる。従
って、MOX燃料は完全に密閉された状態で成型加工する
ことが必要であり、成型加工工程、設備等の保守点検に
ついてUO2燃料の場合とは異る配慮を必要とする。
核燃料製造工場ではウラン−235濃縮度別、プルトニウ
ム富化度別、ガドリニア棒の種類別に製造ラインが設定
されるが、ウラン燃料製造の場合に比し、MOX燃料の製
造設備は密閉されており、複雑化しているので、製造コ
ストは著しく高価である。従って、MOX燃料棒は上下方
向に一様富化度にするとともに種類を極力少くすること
が望ましい。また、ガドリニア棒の成型加工において、
ガドリニア、酸化ウラン、酸化プルトニウムの3種類の
粉末を取扱う場合、工程、装置は一層複雑高価となる。
従ってガドリニア棒にはプルトニウムを含有させない設
計が望ましい。
さて、軽水炉用MOX燃料集合体の設計は大別して、以下
の2種類に分けられている。
第1の設計例は燃料集合体の制御棒から離れた中央部分
にMOX燃料(全本数の約1/2以下)を使用し、外周部はUO
2燃料棒を使用するアイランド型設計であり、例えば、
特願昭47−95833号(特公昭55−26437号)に於て実例が
示されている。この場合は多数のUO2燃料棒を使用する
ため、可燃性毒物(ガドリニア)をUO2燃料棒にのみ添
加させることが可能である。
第2の設計例は燃料集合体あたりのプルトニウム装荷量
を極力増すために、すべての燃料棒にMOX燃料棒を使用
するディスクリート型設計である。この場合は、可燃性
毒物を含む燃料棒としてMOX燃料棒が使用されている。
第4図に示したものはこれに含まれる。また第1と第2
の中間の設計として、一部の燃料棒としてUO2燃料棒を
使用した設計も考えられている。
本発明は上記第2の設計のディスクリート型燃料のよう
な多数のMOX燃料棒から構成される燃料集合体の軸方向
出力分布平坦化設計に関連する。BWR炉心では、炉心上
方でボイド率が高くなり、ボイド反応度差によって、炉
心下部に出力ピーキングが生ずることが知られている。
炉心軸方向出力分布平坦化のためには、上下ボイド反応
度差を相殺するように燃料上下に核分裂性物質量やガド
リニアを分布させればよい。上記第1の設計例ではこれ
をUO2燃料棒に適用することによって容易に実施できる
が、第2の設計例ではMOX燃料棒が複雑になり、燃料製
造コストの上昇をまねく。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明は上記情報に鑑みてなされたもので、全燃料棒の
うち、MOX燃料棒が多数を占める燃料集合体において、M
OX燃料棒の構造を複雑にすることなく、炉心上下方向出
力分布を平坦化できるBWR用燃料集合体を得ることを目
的とするものである。
〔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MOX燃料棒
およびプルトニウムを含まないガドリニア燃料棒を正方
形の格子状に配置した沸騰水型原子炉用燃料集合体にお
いて、前記ガドリニア燃料棒の上下方向に濃縮度もしく
はガドリニア濃度を分布させたことを特徴とするもので
ある。
(実施例) 第1図は本発明の実施例の模式的断面図である。同図に
おいて、数字18〜20は18を最高として番号順にプルトニ
ウムの富化度を示す。また、Gは3.0w/o濃縮度のウラン
に2.5w/oのガドリニアを含むガドリニア棒、Wはウォー
タロッドを示す。この実施例では、燃料棒配置位置の外
側から2例目を辺とする正方形の各頂点を除き、最高富
化度の燃料棒18が配置され、前記各頂点には中富化度の
燃料棒19が配置されている。また、最外側の列をなす正
方形の頂点には最低富化度の燃料棒20が、それに隣接し
た配置位置にはガドリニア燃料棒Gがそれぞれ配置さ
れ、他の位置には中富化度の燃料棒19が配置されてい
る。
上記構成の本発明にあっては、ガドリニア棒Gが中性子
スペクトルの軟い水ギャップに沿った位置に配置されて
いるため、中性子反応率が増す。そのため、ガドリニア
棒1本あたりの中性子吸収量も増すので、ガドリニア棒
本数は8本となる。また、これらのガドリニア棒上下に
濃縮度差あるいはガドリニア濃度差をつけると、中性子
反応量の上下差も増すので、燃料上下反応度差が増す。
たとえば、ガドリニア棒の下半分で天然ウラン、上半分
で3.0w/o濃縮度ウランとした場合、燃料上下反応度差
は、上下方向一様燃料と比べると、約2%△kだけ小さ
くなる。第2図は、このMOX燃料集合体を炉心に装荷し
たときの炉心軸方向出力分布平坦の効果を示したもので
ある。ここでは、サイクル初期での制御棒全引抜の状態
での炉心軸方向出力分布を示す。図中曲線31は、従来型
の軸方向一様燃料の場合、曲線32は本発明になる場合で
あるが、軸方向出力分布平坦化の効果は明らかである。
この例では、燃料上下領域の切れ目は炉心下端から全長
の10/24となっている。曲線31に示す従来型炉心の場
合、出力ピーキングは全長の1/4以下で生じているが、
切れ目位置が約1/3ないし1/2の範囲にあれば本発明の目
的が達成される。また、本実施例で図中コーナーロッド
20は、最も中性子反応率が大きい場所なので、これをUO
2燃料棒とすると、これに濃縮度差やガドリニア濃度差
をつけることによって、より大きい上下反応度差が得ら
れ、プルトニウム富化度を1種類減らすことができる。
さらに、第6図に示した、従来型のMOX燃料集合体に於
て、ガドリニア棒にプルトニウムを含ませない場合、こ
の燃料棒に濃縮度やガドリニア濃度を分布させることに
よって、MOX燃料棒を複雑にすることなく、燃料上下方
向に反応度を分布させることができる。たとえば、ガド
リニア棒の下半分で天然ウラン、上半分で3.0w/o濃縮度
ウランとすると、燃料上下の反応度差は、上下一様の場
合と比べて約2%△kだけ小さくなり、上下ボイド反応
度差をほぼ相殺できる。同様に、同図における12本のガ
ドリニア棒のうち、数本について上部でガドリニア濃度
を0とした場合も同様に出力分布を平坦化することがで
きる。この場合は上記実施例に比べると、ガドリニア棒
は12本であるが、従来のMOX燃料集合体がそのまま使用
できるという利点がある。
なお、上記各実施例で示した数字は一例であり、第3図
に示すように濃縮度差やガドリニア濃度の組み合わせは
任意であり、両者を併用することによって本発明の目的
を達成することができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によればガドリニア燃料棒
の母材をウランのみとし、この燃料の上下方向に濃縮度
分布や、ガドリニア濃度分布をつけることによって、MO
X燃料の製造を複雑にすることなく、燃料上下方向に反
応度をつけたMOX燃料集合体を作ることができる。ま
た、ガドリニア棒を水ギャップに面した位置に配置する
ことによって、より少ない本数で炉心上下方向出力を平
坦化できるBWR用燃料集合体が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の模式的断面図、第2図は本
発明と従来型の軸方向一様燃料の炉心軸方向出力分布を
比較した図、第3図は本発明に係るガドリニア棒中での
ウラン濃縮度,ガドリニア濃度分布の組み合わせを示す
図、第4図は本発明が適用される燃料集合体の一部を切
除して示す斜視図、第5図,第6図はそれぞれ従来の燃
料集合体の模式的断面図である。 1…チャンネルボックス 2…燃料棒 3…上部タイプレート 4…下部タイプレート 5…スペーサ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多数のプルトニウムを富化した燃料棒およ
    びプルトニウムを含まないガドリニア燃料棒を正方形の
    格子状に配置した沸騰水型原子炉用燃料集合体におい
    て、プルトニウムを含まないガドリニア棒燃料棒の上下
    方向に濃縮度もしくはガドリニア濃度を分布させたこと
    を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
  2. 【請求項2】ガドリニア棒を水ギャップに面する位置に
    配置している特許請求の範囲第1項記載の沸騰水型原子
    炉用燃料集合体。
  3. 【請求項3】燃料上下2領域の切れ目位置は、燃料下端
    から全長の約1/3ないし1/2位置である特許請求の範囲第
    1項記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
JP61251854A 1986-10-24 1986-10-24 沸騰水型原子炉用燃料集合体 Expired - Lifetime JPH065320B2 (ja)

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JP4812793B2 (ja) * 2007-12-13 2011-11-09 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 燃料集合体
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