JPH07234295A - 原子炉炉心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ガドリニア入燃料棒１５の本数が異なる燃料集
合体により初装荷炉心が構成されている。 【効果】初装荷炉心の過渡特性が改善されることによ
り、熱的余裕が増大し、原子炉の経済性が向上する。

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（以下
ＢＷＲと呼ぶ）の燃料集合体および、この燃料集合体を
装荷した初装荷用の原子炉炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガドリニウムは、大きな中性子吸収断面
積を持つ同位体があるため、可燃性の中性子吸収材とし
て優れており、ガドリニア（Ｇｄ₂Ｏ₃）として既にＢＷ
Ｒでは長い使用実績を持つ。

【０００３】ガドリニアは、大きな中性子吸収断面積を
持つため以下のように、ガドリニア入燃料棒の本数とガ
ドリニア濃度との二つのパラメータをほぼ独立に決定で
きる利点を持っている。

【０００４】すなわち、ガドリニアは大きな中性子吸収
断面積を持つため、ガドリニアを含む燃料棒では表面で
大部分の中性子が吸収される。従って、ガドリニア入燃
料棒の本数を増やすことにより表面積が増え、これに比
例して中性子吸収量を増やすことができる。一方、ガド
リニア入燃料棒のガドリニア濃度を高くした場合は、大
きな中性子吸収断面積による自己遮蔽効果のために、中
性子吸収量はあまり増えず、中性子を吸収する期間が長
くなる。すなわち、ガドリニアによる制御期間を長くす
ることができる。

【０００５】このように、ガドリニア入燃料棒の本数及
びガドリニアの濃度を調整することにより、制御棒によ
り制御すべき炉心の余剰反応度を適当な量に調整でき
る。

【０００６】ガドリニア装荷量の調整により求めた燃料
集合体を用いた炉心の余剰反応度の燃焼変化例を図６に
示す。図６においてサイクル初期からサイクル末期近く
までの期間において、制御棒で制御すべき余剰反応度を
ほぼ一定にすることができ、制御棒のパターン調整の回
数を減少させることが可能となっている。

【０００７】他方、原子炉の過渡特性は、原子炉の種々
の反応度フィードバックにより決定される。そのため、
各燃焼サイクルでの反応度係数が過渡特性を考える上で
重要なパラメータとなっている。

【０００８】初装荷炉心を構成する燃料は、全く燃焼が
進んでいない純粋なウラン燃料である。この燃料には遅
発中性子割合βの小さいプルトニウム同位体が含まれて
いないため、初装荷炉心では反応度係数の絶対値が小さ
くなっている。このため、初装荷炉心では、過渡事象に
対する制限が厳しくなる場合がある。

【０００９】過渡事象の一つに、流量減少過渡事象があ
る。これは、炉心流量の喪失に起因するものである。従
来の初装荷炉心、特に、第一サイクル初期では図７に示
すようにボイド反応度係数の絶対値が小さいため、この
事象に対する熱的制限が厳しくなっている。なぜなら、
炉心流量の減少でボイド率が増加しても、負の反応度印
加量が小さく、出力抑制効果が小さいためである。

【００１０】この種の過渡事象に対して、従来は再循環
ポンプの慣性を大きくするなどして炉心流量の急激な喪
失が起こらないように工夫をしていたが、ポンプが大型
化する等、コスト面からみて不経済な設計となる場合が
あった。しかも、ボイド反応度係数の絶対値が小さいこ
とに起因する上述のような過渡特性上の課題はほとんど
初装荷炉心、特に、第一サイクル初期に限られたもので
あるので、第一サイクル初期のみの事象対策のために膨
大な投資を避ける効果的な方策が模索された。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、炉心
過渡特性上の課題を解決し、経済的な原子炉炉心を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、初装荷炉心が
構成される原子炉炉心において、燃料集合体の燃焼初期
の反応度を引き下げるために装荷された可燃性の中性子
吸収体であるガドリニアの装荷量を原子炉停止余裕を許
容する範囲で、原子炉中の一定割合の燃料集合体で少な
くし、燃料集合体の反応度を増加することにより、これ
に伴う炉心の過剰反応度を制御棒の挿入割合増加により
制御し、炉心の水とウラン燃料の体積比（以下で、減速
材対燃料比と呼ぶ。）を変化させることを特徴とするも
のである。炉心の減速材対燃料比は、制御棒の挿入割合
が増加すると減少し、これに伴いボイド反応度係数の絶
対値が増大するため、初装荷炉心、特に、第一サイクル
初期におけるボイド反応度係数の絶対値を増加できれ
ば、流量減少過渡事象を緩和することができる。

【００１３】

【作用】以下、具体的に述べる。

【００１４】一般に、軽水型原子炉では、水は冷却材と
してだけでなく、中性子の減速材としても重要な役割を
担っており、減速材対燃料体積比が、炉心特性における
重要な指標となっている。

【００１５】減速材対燃料比は、高速中性子エネルギ及
び共鳴（中速）中性子エネルギ領域での中性子吸収率に
影響する。微濃縮ウランを用いる熱中性子炉では、熱外
中性子の吸収反応の大半は、例えば、Ｕ²³⁸ のような物
質への捕獲反応であり、核分裂によるエネルギ発生と中
性子の増倍には寄与しない。これに対して、減速材対燃
料比が増加すると、核分裂中性子（平均約２ＭｅＶのエ
ネルギを有する。）が熱中性子まで減速される割合が増
加する。熱中性子炉では、熱中性子の増加に伴って、Ｕ
²³⁵ への中性子吸収が増加し、核分裂に寄与する中性子
が増えるため、無限増倍率が大きくなる。しかし、減速
材対燃料比の増加による中性子の減速が飽和すれば、そ
れ以上減速材対燃料比が増加しても、水による中性子の
吸収が増加する効果が支配的となり、無限増倍率は減少
する傾向になる。つまり、減速材対燃料比と無限増倍率
との関係は、図８のように極大値を持つ分布となる。こ
の事実より、無限増倍率を最大にする最適の減速材対燃
料比が存在することが分かる。燃料経済性の観点から
は、中性子無限増倍率が最大となる点に、減速材対燃料
比を設定するのが望ましいが、実際には安全上の理由か
ら最大点よりもわずかに減速材不足の状態に設計点が置
かれている。すなわち、そのような設計点では、減速材
である水が減少した際に印加される反応度（ボイド反応
度）が負となる。

【００１６】ボイド反応度係数は、図８の曲線の微分係
数として与えられる。なぜなら、ボイド率の変化に起因
する無限増倍率の変化は、減速材対燃料比の変化によっ
て引き起こされるからである。軽水炉において、減速材
対燃料比を小さくすると、図８から明らかなように、曲
線の微分係数、即ち、ボイド反応度係数の絶対値が大き
くなる。つまり、減速材対燃料比を小さくすることで、
ボイド反応度係数の絶対値を大きくすることができる。
制御棒の挿入割合を増加させると、その分、減速材であ
る水が排除され、減速材対燃料比が小さくなるため、ボ
イド反応度係数の絶対値が増大する。図１０は、この制
御棒挿入割合とボイド反応度係数の関係を示したもので
ある。

【００１７】初装荷炉心では、ボイド反応度係数は絶対
値が小さくなる傾向にある。これは、遅発中性子割合の
小さなプルトニウムの蓄積が無いためである。このた
め、特に第一サイクル初期には、炉心再循環流量減少時
等で、熱的余裕の指標である限界出力比の変化（ΔＭＣ
ＰＲ）が厳しくなる傾向にある。例として、全ＲＩＰ
（再循環インターナルポンプ）トリップ時のボイド反応
度係数とΔＭＣＰＲの関係を図９に示す。これは、流量
の減少に伴って、ボイド率が増加するものの、ボイド反
応度係数の絶対値が小さいため出力抑制効果はあまり大
きくなく、また、流量の減少により除熱が十分でないこ
とも相まって、ΔＭＣＰＲが厳しくなっている。しか
し、制御棒挿入割合を増加させ、ボイド反応度係数の絶
対値を大きくすることにより、上述のような過渡事象を
緩和することができる。

【００１８】初装荷炉心では、平衡炉心の定格出力での
運転期間に加え、起動試験時の出力維持のための余剰反
応度として約２〜３％Δｋ必要である。この結果、初装
荷炉心の余剰反応度は、サイクル長さが約１２ケ月の場
合、サイクル初期では１４％Δｋ程度となる。この余剰
反応度は、出力分布に対する制御余裕１〜２％Δｋ程度
を除き、ガドリニア入燃料棒の本数とガドリニア濃度で
抑制することにより、サイクル運転期間を通じて余剰反
応度が平坦になるようにすることができる。ガドリニア
入燃料棒１本当たりの反応度制御量は約４％Δｋである
ので、１２〜１３Δｋの余剰反応度を抑制するのに必要
な炉心平均のガドリニア入燃料棒本数は約３本となる。

【００１９】余剰反応度を抑制するガドリニア入燃料棒
本数は、燃料集合体の平均濃縮度，濃縮度の異なる燃料
棒の集合体内での配置やガドリニア入燃料棒の集合体内
での配置等の燃料集合体の詳細設計に依存する。サイク
ル長さが約１５〜１８ケ月の場合、余剰反応度が２〜４
％Δｋ程度増大するため、ガドリニア入燃料棒本数も１
本程度増加する。

【００２０】初装荷炉心を構成する燃料集合体の約１／
４〜１／２の燃料集合体のガドリニア入燃料棒本数を１
本分低減すると、炉心の過剰反応度は約１〜２％Δｋ増
大する。これは、炉停止余裕が、設計基準値に対し１〜
２％Δｋ以上ある場合に適用される。増大した余剰反応
度約１〜２％Δｋを抑制するために、制御棒の挿入割合
が約５〜１０％増加する。制御棒の挿入割合を約５〜１
０％増加させることで、ボイド反応度係数の絶対値は約
５〜１０％増加させることができる。ガドリニア入燃料
棒数を低減する燃料集合体の全燃料集合体に占める割合
は、炉心特性として炉停止余裕がどの程度あるかに依存
する。

【００２１】制御棒挿入量の増加により、制御棒操作量
も多くなるという短所もあるが、ジルコニウムライナ燃
料と組み合わせると、制御棒操作が運転上の制約となら
なくなることから、原子炉停止余裕が許容される範囲で
ガドリニア装荷量を減少させ、これに伴う余剰反応度の
増加を制御棒挿入割合増加により制御し、炉心の減速材
対燃料比を小さくしてボイド反応度係数の絶対値を増加
させることができる。原子炉では、１サイクル毎に全数
の約１／３〜１／４の燃料集合体を取り出し、新燃料と
交換するが、初装荷炉心用燃料集合体の平均濃縮度は、
２〜３サイクル炉心内で燃焼可能なように設定されてい
るため、第一サイクル終了時の燃料交換では、まだ十分
に燃焼の進んでいない、Ｕ²³⁵ 残留量の高い燃料集合体
を炉心から取り出すことになり不経済である。第二サイ
クル以降の運転サイクル初めに装荷される新燃料集合体
は取替燃料集合体と呼ばれ、第二サイクル以後、数サイ
クルにわたり継続的に取替燃料集合体を装荷した炉心
は、炉心全体の燃料成分がほとんど一定の状態に達した
サイクルで、その前のサイクル及び次のサイクルとの熱
特性が変わらず安定したサイクルとなる。これは平衡サ
イクルと呼ばれ、平衡サイクルとなった炉心は平衡炉心
と言われる。このような原子炉において、第一サイクル
から平衡サイクルへ移行する中間のサイクル（以後、移
行サイクルと呼ぶ）での熱特性及びサイクル増分燃焼度
が平衡サイクルのそれらと同程度に速やかに収束するこ
とが望ましい。しかし、燃料集合体平均濃縮度が１種類
の初装荷炉心の場合には、平衡サイクルへの移行も長く
かかり、移行サイクルでの燃料取替体数の変動も大き
い。このため、平均濃縮度の異なる３種類の燃料集合体
を組み合わせて初装荷炉心を構成し、１サイクル毎に平
均濃縮度の低い燃料集合体から取り出し、これを新燃料
集合体と交換することにより、初装荷燃料集合体の平均
取り出し燃焼度を増大させると共に、次サイクルへの移
行を速やかにすることができる。ほぼ同数からなる３種
類の異なった濃縮度の燃料集合体を構成する高濃縮度，
中間濃縮度、及び低濃縮度燃料集合体は、それぞれ異な
るガドリニア入燃料棒本数を有するが、中間濃縮度の燃
料集合体は炉心平均の燃料濃縮度に近いため、ガドリニ
ア入燃料棒本数は３〜４本となる。この中間濃縮度燃料
集合体のガドリニア入燃料棒本数を２本とすることによ
り、一様濃縮度の初装荷炉心と同様の改善効果を得るこ
とができる。

【００２２】

【実施例】本発明の一実施例であるＢＷＲの初装荷炉心
を以下に説明する。本実施例の初装荷炉心は、図１に示
す炉心２０を有している。図１は、炉心２０の横断面の
１／４を示しており、正方形の一つの升目は一体の燃料
集合体を示している。本実施例の初装荷炉心を構成する
燃料集合体の平均濃縮度は、等しく２.２〜２.５重量％
に設定されている。燃料集合体は、ガドリニア入燃料棒
本数の異なる２種類の燃料集合体１及び燃料集合体２か
らなっており、燃料集合体１のガドリニア入燃料棒本数
は、燃料集合体２のガドリニア入燃料棒本数より１本少
なく２本に設定される。燃料集合体１は、炉心２０中の
燃料集合体数の約１／３を占めており、他は、燃料集合
体２である。

【００２３】燃料集合体１及び２の実施例を、図２に基
づいて以下に説明する。本実施例の燃料集合体１及び２
は、燃料棒１１，チャンネルボックス１２，ウオータロ
ッド１３及び図示されていないが、下部タイプレート，
上部タイプレート及びスペーサからなっている。燃料棒
１１及びウオータロッド１３の上下端部は、下部タイプ
レート及び上部タイプレートにて保持される。スペーサ
は、燃料棒１１の軸方向に幾つか配置され、燃料棒１１
及びウオータロッド１３の相互間の間隙を適切な状態に
保持している。チャンネルボックス１２は、上部タイプ
レートに取り付けられ、スペーサで保持された燃料棒１
１の束の外周を取り囲んでいる。チャンネルファスナが
上部タイプレートに取り付けられる。１４は、制御棒で
ある。

【００２４】燃料棒１１は、図示されていないが下部端
栓及び上部端栓にて両端を密封された被覆管内に多数の
燃料ペレットを装荷したものである。燃料ペレットは、
燃料物質であるＵＯ₂ で構成され、核分裂物質であるＵ
²³⁵ を含んでいる。スプリングが被覆管内のガスプレナ
ム内に配置され、燃料ペレットを下方に押圧している。

【００２５】燃料棒１５は、ガドリニア入燃料棒であ
り、燃料ペレットは、ＵＯ₂ にガドリニア（Ｇｄ₂Ｏ₃）
が含有されている。ガドリニアの含有量は、５〜７重量
％である。

【００２６】ウォータロッド１３は燃料棒１１と同じ被
覆管を用いているが、燃料物質を装荷せず、図示されて
いないが被覆管の上部及び下部の側面に孔を設け内部を
沸騰しない冷却材が通過するようになっている。

【００２７】ＢＷＲ炉心は、燃料集合体４体に１体の割
合で十字型の制御棒１４が挿入される。

【００２８】燃料集合体１と燃料集合体２では、ガドリ
ニア入燃料棒本数が異なっており、本実施例では、燃料
集合体１が２本，燃料集合体２が３本のガドリニア入燃
料棒を有している。

【００２９】図４は、ガドリニア入燃料棒本数の少ない
燃料集合体１とこれよりガドリニア入燃料棒本数の多い
燃料集合体２を装荷した炉心の余剰反応度の燃焼変化例
を示したものである。図４より、ガドリニア装荷量が低
減することによって第一サイクル初期の余剰反応度が増
大していることが分かる。これにより、制御棒の挿入割
合が第一サイクル初期で増加する。また、図５は、初装
荷炉心でのボイド反応度係数を示したものであり、従来
の炉心と比べてボイド反応度係数の絶対値が大きくなっ
ており、これにより過渡特性が改善できることが分か
る。

【００３０】本発明の他の実施例であるＢＷＲの初装荷
炉心を以下に説明する。本実施例の初装荷炉心は、図３
に示す炉心２１を有している。図３は、炉心２１の横断
面の１／４を示しており、正方形の一つの升目は一体の
燃料集合体を示している。本実施例の初装荷炉心を構成
する燃料集合体の平均濃縮度は、３種類からなり、高濃
縮度燃料集合体１，中濃縮度燃料集合体２，低濃縮度燃
料集合体３及び４から構成される。起動試験後の運転期
間を１３ケ月とすると、高濃縮度燃料集合体１の濃縮度
は約３.４重量％で約２５０体、中濃縮度燃料集合体２
の濃縮度は約２.６重量％で約２００体、低濃縮度燃料
集合体３の濃縮度は約１.４重量％で約９２体、４は約
２００体に設定されている。この炉心では、低濃縮度燃
料集合体３は、炉心最外周部分に装荷され、高濃縮度燃
料集合体１，中濃縮度燃料集合体２及び低濃縮度燃料集
合体４は最外周部を除く炉心の内側にほぼ均一に装荷さ
れる。ガドリニア入燃料棒本数は、燃料集合体の濃縮度
に依存して設定されるが、本実施例では、全燃料集合体
数の約１／３を占める中濃縮度燃料集合体２のガドリニ
ア入燃料棒本数を２本に設定することにより、実施例１
と同様の効果を得ることができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、初装荷炉心の過渡特性
が改善されることにより、熱的余裕が増大し、原子炉の
経済性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＢＷＲに適用する本発明の好適な一実施例の初
装荷炉心の横断面図。

【図２】図１に示す初装荷炉心を構成する燃料集合体の
ガドリニア入燃料棒分布を示す説明図。

【図３】本発明の他の実施例である初装荷炉心の横断面
図。

【図４】図１に示す初装荷炉心の余剰反応度の燃焼変化
の説明図。

【図５】図１に示す初装荷炉心のボイド反応度係数の説
明図。

【図６】従来の技術における余剰反応度の燃焼変化の説
明図。

【図７】従来の技術におけるボイド反応度係数の燃焼変
化の説明図。

【図８】中性子無限増倍率と減速材対燃料比の関係を示
す特性図。

【図９】ΔＭＣＰＲとボイド反応度係数の関係を示す説
明図。

【図１０】ボイド反応度係数と制御棒挿入割合の関係を
示す特性図。

【符号の説明】

１，２…燃料集合体、１１…燃料棒、１２…チャンネル
ボックス、１３…ウォータロッド、１４…制御棒、１５
…ガドリニア入燃料棒、２０，２１…初装荷炉心。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平均濃縮度の等しい燃料集合体からなる初
   装荷の原子炉炉心において、ガドリニア入燃料棒の本数
   が異なる燃料集合体から構成され、全燃料集合体数の１
   ／４〜１／２をガドリニア入燃料棒２本を含む燃料集合
   体としたことを特徴とする原子炉炉心。
2. 【請求項２】平均濃縮度の等しい燃料集合体からなる初
   装荷の原子炉炉心において、ガドリニア入燃料棒本数の
   差が１本であり、ガドリニア入燃料棒本数が４本以下で
   ある２種類の燃料集合体から構成され、全燃料集合体数
   の１／４〜１／２をガドリニア入燃料棒の本数の少ない
   燃料集合体としたことを特徴とする原子炉炉心。
3. 【請求項３】平均濃縮度の異なる３種類の燃料集合体か
   らなる初装荷の原子炉炉心において、中間濃縮度の燃料
   集合体のガドリニア入燃料棒本数を２本以下としたこと
   を特徴とする原子炉炉心。