JPH0713663B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子炉用燃料集合体に係り、特に、太径ウォ
ータロッドを有する燃料集合体に関する。

〔従来の技術〕

燃料経済性を向上させるには、燃料の燃焼度を大きくす
ることによつて実現できる。燃料の燃焼度を大きくする
には、燃料ペレツトに含まれるウラン235の濃縮度を上
げればよいが、減速材／燃料比を大きくしないで、濃縮
度を上げたのでは中性子スペクトルが硬化してしまい、
燃料集合体の無限増倍率は、その濃縮度における無限増
倍率の最大値とはならない。

第２図は、燃料の濃縮度が増加するに従つて、減速材／
燃料比と無限増倍率の関係がどのように変化するかを示
している。第２図に示したように同じ濃縮度でできるだ
け大きい無限増倍率を得るには、濃縮度に応じた、最適
の減速材／燃料比を実現する必要がある。

すなわち燃料経済性を向上させるために、濃縮度を上げ
ると最適の減速材／燃料比が大きくなるので、ウオータ
ロツドを増やす必要ががある。

従来の燃料では、第３図に示すよう通常２本程度ウオー
タロツドが使用されているが、高濃縮度燃料では、さら
にウオータロツドを増やす必要ががある。第４図は、ウ
オータロツドの本数を第３図の２倍の４本にした場合の
例を示す。ウオータロツドの本数が４本の場合のウオー
タロツドの配置場所も、２本の場合と同様燃料集合体の
中央部に４本固めるのがよい。これは、中央部の中性子
減速効果を高め、熱中性子束の分布を周辺部、中央部で
平坦にし、出力分布を平坦化するためであり、第４図の
例は、その様にウオータロツド４本を中央部に配置して
ある。第４図の４本のウオータロツドを第５図のよう
に、太径１本のウオータロツドに置き換えるとさらに効
果が上がる。これは、４本のウオータロツドより１本の
太径ウオータロツドの方がウオータロツド内の流路面積
が大きく、そのため減速材／燃料比をより大きく取るこ
とが出来るためである。

さらに濃縮度の高い燃料の場合には、第６図に示すよう
に太径ウオータロツドを１本から２本に増やすことが考
えられる。この場合、燃料集合体内の太径ウオータロツ
ドおよび燃料棒の配置は燃料集合体内の局所出力分布係
数を小さくするために対称性が保たれており、対称性が
保たれる範囲内でできるだけウオータロツドを中央部に
設置してある。

これら、第３図から第６図においては、減速材／燃料比
を増加させる場合、燃料棒を取り除いてウオータロツド
を設置することにより実施していた。通常径のウオータ
ロツドの場合には、燃料棒１本と、太径ウオータロツド
の場合には、燃料棒４本と、置き換えていた。このた
め、ウオータロツドが増加した分だけは、燃料棒が少な
くなり、燃料装荷量が減少していた。

第６図に示した、９行９列の燃料集合体において太径ウ
オータロツドを２本設置する場合には、燃料集合体内の
対称性を保つようにしているので燃料集合体中央にウオ
ータロツドを配置できなくなり、熱中性子束分布の平坦
化が不充分になつていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、減速材／燃料比を大きくするために、
燃料棒を取り除いてウオータロツドを設置しているの
で、ウオータロツドが増加した分、装荷ができる燃料の
量が減少していた。

さらに９行９列の燃料集合体において、２本の太径ウオ
ータロツドを設ける場合には、従来の方法では、第６図
に示した配置が、燃料集合体内の対称性および燃料集合
体内の熱中性子束分布平坦化のために、最も優れてい
る。しかし、燃料集合体中央には、ウオータロツドがな
いため、熱中性子束分布の平坦化は不充分であつた。

本発明の目的は、燃料物質の減少量が少なく燃料集合体
横断面での出力分布を平坦化でき、燃焼度を増大できる
燃料集合体を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、複数の燃料棒が９行９列の格子状に配置さ
れる燃料集合体において、外周から３層目までの領域
と、該領域より内側で前記燃料棒が３行３列に配置でき
る領域のコーナ部のうち燃料集合体の１つの対角線上に
位置する２つのコーナ部とに、前記燃料棒を配置し、前
記３層目までの領域及び前記２つのコーナ部を除いた領
域で、前記対角線と直交する他の対角線上に、前記燃料
棒の配列ピッチより大きな外径を有する２本のウォータ
ロッドを配置し、前記２本のウォータロッドは、燃料集
合体の中心に前記燃料棒を配置した場合に占有する領域
の一部を夫々含むように隣接して配置されることによっ
て達成できる。

〔作用〕

上記手段によれば、複数の燃料棒が９行９列の格子状に
配置される燃料集合体において、外周から３層目までの
領域及び該領域より内側で前記燃料棒が３行３列に配置
できる領域のコーナ部のうち燃料集合体の１つの対角線
上に位置する２つのコーナ部を除いた領域に、前記燃料
棒の配列ピッチより大きな外径を有する２本のウォータ
ロッド（太径ウォータロッド）を隣接して配置したこと
により、燃料集合体横断面における中央部での中性子の
減速効果が大きくなり、濃縮度が増加した場合でも燃料
集合体横断面での出力分布を平坦化できる。

また、上記２本の太径ウォータロッドが、前記３層目ま
での領域及び前記２つのコーナ部を除いた領域で前記対
角線と直交する対角線上に配置され、前記２本のウォー
タロッドは、燃料集合体の中心に前記燃料棒を配置した
場合に占有する領域の一部を夫々含むように隣接して配
置されることにより、ウォータロッドの配置により取り
除かれる燃料棒の本数を第６図に示した従来例の８本か
ら７本に減らして、燃料集合体における燃料物質の減少
量を最小限に抑制することができる。燃料物質の減少量
が最小限に抑えられるということは、それだけ燃料集合
体内の燃料物質の量を多くできることになり、燃料物質
単位重量当りの発熱量を減少できる。すなわち、一サイ
クル当りの燃焼度を小さくでき、燃焼度の増加幅を大き
くできる。

このように、本願発明は、上記の特徴的な構成を備える
ことにより、濃縮度の増加、燃料物質減少量を最小限に
抑制、かつ水ロッドの横断面積の更なる増加に基づく熱
中性子束分布の著しい平坦化の相乗効果により、燃料集
合体の燃焼度を大幅に向上できる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の好適な一実施例である燃料集合体を
示す。この燃料集合体は、９行９列の正方格子状に配列
された燃料棒を有する。本実施例の燃料集合体は、内部
に燃料ペレットが充填された燃料棒２、燃料棒２間に配
置されて円形の横断面を有する太径ウォータロッド１、
及びこれらの燃料棒２を取り囲むチャンネルボックス３
を有している。なお、図示されていないが、太径ウォー
タロッド１及び燃料棒２は、それぞれの上下端部が上部
タイプレート及び下部タイプレートにより保持されてい
る。チャンネルボックス３は、上部タイプレートに取り
付けられる。

２本の太径ウォータロッド１は、第１図に示すように、
直線４及び５のように配列された９行９列の燃料棒配列
格子に対して斜め方向にある斜線６（燃料集合体の対角
線）上で互いに接して配置され、燃料集合体の中心に燃
料棒を配置した場合に占有する領域（破線で示す）の一
部を夫々含む。燃料棒２は２本のウォータロッド１を取
り囲むように燃料集合体の外側から三層目までに環状に
配置される。２本の太径ウォータロッド１は、燃料集合
体横断面の中央部にあって、燃料棒２が３行３列に配置
できる領域内で７本の燃料棒が配置可能な領域に配置さ
れている。これらの太径ウォータロッド１は、７本の燃
料棒が配置可能な領域内に、２本配置できる太さを有し
ており、後述する範囲の断面積を有する。太径ウォータ
ロッド１の外径は、燃料棒２の配列ピッチよりも大き
い。チャンネルボックス３の対向する内面間の幅は、1
3.24〜13.41cmの範囲にある。

本実施例の燃料集合体は、平均濃縮度が第３図及び第４
図に示す燃料集合体よりも高くなっている。しかしなが
ら、上記のような２本の太径ウォータロッド１を備える
ことにより減速材／燃料比を大きくすることができ、核
分裂が効率良く行なわれるので、燃料集合体の燃焼度を
大きくすることができる。濃縮度を高めることによって
燃料棒の線出力密度は増大しようとするが、本実施例で
は燃料棒配列を第３図及び第４図に示す８行８列から９
行９列に変更しているので、その線出力密度は増加しな
い。

２本の太径ウォータロッド１が、燃料棒２が３行３列に
配置できる領域内で７本の燃料棒が配置可能な領域に配
置されてるので、斜線６と直行する燃料集合体の他の対
角線上で、上記３行３列の領域のコーナ部に燃料棒７を
それぞれ配置できる。これら燃料棒７は、斜線６上に配
置された２本の太径ウォータロッド１に隣接している。
このため、本実施例の燃料集合体は、74本の燃料棒を有
する。これに対して、第６図に示す燃料集合体内の燃料
棒は73本である。本実施例の燃料集合体は、第６図に示
す燃料集合体よりも燃料棒が１本多くなり、それだけ装
荷できる燃料物質の量を多くできる（燃料物質の装荷量
の増加1.4％）。換言すれば、本実施例ではウォータロ
ッドの配置によって減少する燃料物質の量が最少限に抑
制できる。このように、燃料集合体に装荷された燃料物
質量が多いことは、前述の作用で述べたように、燃焼度
をより増大させる。また、本実施例は、第６図の燃料集
合体に比べて、同じ燃焼度を得る場合、燃料集合体の平
均濃縮度を低くできる。

本実施例においては、前述の構成を有する２本の太径ウ
ォータロッド１を燃料集合体横断面の中央部に配置して
いるので、燃焼集合体の中央部で発生する中性子の減速
効果を高めることができる。これは、燃料集合体横断面
中央部における熱中性子束の増加につながり、燃料集合
体横断面における熱中性子束分布の平坦化、すなわち出
力分布の平坦化をもたらす。このような出力分布の平坦
化は、燃料集合体中央部で燃え残る核分裂性物質（燃料
物質中に含まれる）の量を減少させ、燃料集合体中に装
荷した核分裂性物質を有効に利用できる。これによって
も、燃料集合体から取り出されるエネルギーが増加し、
燃焼度がより増大する。

以上のように、本実施例は、９行９列の燃料棒配列を有
する燃料集合体において、濃縮度を高めたことによる燃
焼度の増大だけでなく、燃料物質の減少量が少ないこと
による燃焼度の増大、及び燃料集合体横断面中央部にお
ける熱中性子束の増加に伴う出力分布の平坦化による燃
焼度の増大を可能にする。本実施例の９行９列の燃料集
合体は、上記の各要因に基づく燃焼度の増大によって燃
焼度が著しく増大する。すなわち、本実施例の燃料集合
体の寿命が延び、燃料経済性が向上する。本実施例は、
第６図の燃料集合体よりも燃焼度を増大できる。

隣接した２本の太径ウォータロッド１が配置された斜線
６に対して燃料集合体内の太径ウォータロッド１及び燃
料棒２の配置は線対称である。また、燃料集合体内の太
径ウォータロッド１及び燃料棒２の配置は燃料集合体の
中心に対する回転対象配置から大きくはずれていないの
で、濃縮度の等しい燃料棒をほぼ回転対象の位置に配置
できる。これによっても、燃料集合体横断面における出
力分布をより平坦化できる。

第７図は、本発明の他の実施例の燃料集合体を示す。本
実施例の燃料集合体は、第１図の実施例において接して
配置された２本の太径ウォータロッド１を隣接した状態
で離して配置したものである。本実施例も、２本の太径
ウォータロッド１は燃料集合体の中心に燃料棒を配置し
た場合に占有する領域（破線で示す）の一部を夫々含ん
でいる。本実施例は、第１図の実施例で得られる効果を
生じ、更に太径ウォータロッド１同士によるフレッティ
ング腐食を防止できる。また、隣接する太径ウォータロ
ッド１間に大きなクリアランスが形成されるので、燃料
集合体の組立が容易になる。

第８図は、第１図の実施例を適用した場合における燃料
棒の濃縮度分布例を示したものである。燃料棒２内に付
してある番号が同じ燃料棒２は、同じ濃縮度を有する。
なお、可燃性毒物であるガドリニアの含有率が異なる場
合には、別の番号が付してある。太径ウォータロッド１
の近傍を除いて、燃料棒２の配置が燃料集合体の中心に
対して回転対称になっている。このような構成によって
燃料集合体内の出力分布の平坦化とそれの対称性を向上
できる。

燃料集合体の水平断面における太径ウォータロッドの全
横断面積と燃料集合体の省ウラン効果との関係を第９図
に示す。太径ウォータロッド１の全横断面積は、燃料棒
１本の横断面積を１とした値で示している。太径ウォー
タロッド２の横断面積の和が、燃料棒１本の横断面積の
７倍以上16倍以下である範囲において省ウランの効果が
大きい。従って、第１図、第７図及び第８図に示す各実
施例におけるウォータロッドの全横断面積は、上記の範
囲に入っている。太径ウォータロッドが２本ある場合
は、その範囲にある横断面積を２等分することが望まし
い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数の燃料棒が９行９列の格子状に配
置される燃料集合体において、外周から３層目までの領
域及び、該領域より内側で前記燃料棒が３行３列に配置
できる領域のコーナ部のうち燃料集合体の１つの対角線
上に位置する２つのコーナ部を除いた領域で、前記対角
線と直交する他の対角線上に、前記燃料棒の配列ピッチ
より大きな外径を有する２本のウォータロッドを配置
し、前記２本のウォータロッドは、燃料集合体の中心に
前記燃料棒を配置した場合に占有する領域の一部を夫々
含むように隣接して配置されることにより、燃焼度を増
加させるために濃縮度を増加させた場合でも、燃料集合
体横断面での出力分布を平坦化できると共に、燃料集合
体における燃料物質の減少量を最小限に抑制することが
できるので燃焼度を更に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体の説明図、第２
図は減速材／燃料比と無限増倍率の関係図、第３図から
第６図までは従来技術によるウオータロツドの配置例を
示す図、第７図は本発明の別の一実施例の燃料集合体の
説明図、第８図は第１図における燃料の濃縮度分布図、
第９図はウオータロツド断面積と省ウラン効果との関係
を示した特性図である。 １……太径ウオータロツド、２……燃料棒、３……チヤ
ンネルボツクス、４……燃料棒配列格子の縦方向、５…
…燃料棒配列格子の横方向、６……太径ウオータロツド
の並べた方向、７……太径ウオータロツドの横の燃料
棒、８……通常径のウオータロツド。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の燃料棒が９行９列の格子状に配置さ
   れる燃料集合体において、 外周から３層目までの領域と、該領域より内側で前記燃
   料棒が３行３列に配置できる領域のコーナ部のうち燃料
   集合体の１つの対角線上に位置する２つのコーナ部と
   に、前記燃料棒を配置し、 前記３層目までの領域及び前記２つのコーナ部を除いた
   領域で、前記対角線と直交する他の対角線上に、前記燃
   料棒の配列ピッチより大きな外径を有する２本のウォー
   タロッドを配置し、 前記２本のウォータロッドは、燃料集合体の中心に前記
   燃料棒を配置した場合に占有する領域の一部を夫々含む
   ように隣接して配置されることを特徴とする燃料集合
   体。
2. 【請求項２】前記２本のウォータロッドの横断面積の和
   が前記燃料棒の１本の横断面積の７倍以上16倍以下であ
   る特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。
3. 【請求項３】前記２本のウォータロッドは、横断面積が
   等しい特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。