JPH0990077A - 初装荷炉心及び燃料集合体 - Google Patents

初装荷炉心及び燃料集合体

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JPH0990077A
JPH0990077A JP7245768A JP24576895A JPH0990077A JP H0990077 A JPH0990077 A JP H0990077A JP 7245768 A JP7245768 A JP 7245768A JP 24576895 A JP24576895 A JP 24576895A JP H0990077 A JPH0990077 A JP H0990077A
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JP
Japan
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fuel
uranium
rod
fuel assembly
enrichment
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JP7245768A
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Akiko Kanda
亜紀子 神田
Katsumasa Haikawa
勝正 配川
Akihiro Yamanaka
章広 山中
Hiroko Haraguchi
裕子 原口
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、長期間連続運転が可能な、高
燃焼度化対応の初装荷炉心及びこれに用いる燃料集合体
を提供することにある。 【解決手段】初装荷炉心のコントロールセルを構成する
燃料集合体は、少なくとも制御棒側のコーナーにウラン
235の同位体存在比が天然ウランよりも低いウラン燃
料を含む燃料棒を装荷している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉
(以下、BWRと略す)の初装荷炉心及びこれに用いる
燃料集合体に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のBWR炉心において、コントロー
ルセル(以下、CCと略す)に用いる低濃縮度燃料集合
体は、燃料集合体内の出力むらをなくし出力を平坦化す
るために、図7に示すようにそのコーナー4カ所付近の
最外層に、それぞれ3本乃至5本の天然ウラン燃料棒4
(斜線で表示)を装荷していた。ここで、CCとは原子
炉出力を制御するための制御棒15のまわりに、反応度
の低い低濃縮度燃料集合体11を4体装荷したセルを表
す。すなわち、燃料集合体の軸方向に垂直な断面におけ
る、燃料棒出力の最高値と燃料集合体の平均値の比を表
す局所ピーキング係数が高くなるコーナー付近の燃料棒
の濃縮度を下げることにより、局所ピーキング係数を平
坦化していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】初装荷炉心の高燃焼度
化を目指し炉心の平均濃縮度を高くすると、余剰反応度
が高くなるため、反応度を抑えるために制御棒は長期間
挿入された後、引き抜かれることになる。このようなC
Cに従来の燃料集合体を用いると、制御棒を挿入した状
態では燃料集合体横断面の出力分布が制御棒側が小さく
反制御棒側が大きくなったまま燃焼しており、制御棒側
の燃料棒の燃焼が遅れる。従って、制御棒を引き抜いた
時に制御棒側の燃料棒の出力が大きくなり、単位長さ当
たりの熱出力の最大値を表す最大線出力密度が制限値を
超えてしまうという問題があった。この傾向は、制御棒
挿入期間が長くなるほど顕著となる。
【0004】本発明の目的は、長期間連続運転が可能
な、高燃焼度化対応の初装荷炉心及びこれに用いる燃料
集合体を提供することにある。
【0005】
【課題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、初装荷炉心のCCを構成する低濃縮度燃
料集合体の少なくとも制御棒側コーナーに、ウラン23
5の同位体存在比(ウラン235の濃縮度)が天然ウラ
ンよりも低いウラン燃料棒、又は、使用済燃料から回収
したウランを含むウラン燃料棒を装荷する。
【0006】また、好ましくは、前記少なくとも制御棒
側のコーナーに装荷した燃料棒に隣接し燃料集合体最外
周に位置する燃料棒が、天然ウランよりウラン235の
同位体存在比が高いものとする。
【0007】本発明による作用を検討するために、CC
を構成する低濃縮度燃料集合体の局所ピーキング係数を
解析的に求めた。従来のCCに用いる平均濃縮度(ウラ
ン235の濃縮度)1.3wt%の低濃縮度燃料集合体
で、燃焼度15GWd/tまで制御棒を挿入したまま運
転しその後制御棒を引き抜いたときの、軸方向に垂直な
下部断面の局所ピーキング係数を解析的に求めた結果を
図8に示す。ここで、下部断面とは、燃料集合体を軸方
向に24ノードに分割したときの下から2ノード目から
10ノード目の領域における断面を指す。
【0008】図8は、燃料棒が9行9列の正方格子状に
配置された低濃縮度燃料集合体(9×9低濃縮度燃料集
合体)11内の各燃料棒位置における局所ピーキング係
数を、その最大値で規格化して表している。同図から、
制御棒15側のコーナーAの局所ピーキング係数が最も
高くなっていることが判る。従って、少なくとも制御棒
側コーナーAの燃料棒に劣化ウランを装荷することによ
り、低濃縮度燃料集合体11の局所ピーキング係数を効
果的に平坦化することができる。ここで、劣化ウランと
はウラン235の同位体存在比が天然ウランより小さい
ウランである。また、劣化ウランの代わりに、使用済燃
料から回収したウラン(回収ウラン)を使用することも
可能である。回収ウランの場合、ウラン235の濃縮度
は天然ウランより高いものの、負の反応度を示すウラン
236も含むために、実質的には天然ウランよりも反応
度が低くなる場合がある。このような回収ウランを少な
くとも制御棒側コーナーに配置すれば、劣化ウランを用
いた場合と同じ効果を得ることができる。
【0009】以下、図9を用いて本発明の作用を説明す
る。図9は、CCを構成する燃料集合体の平均濃縮度と
制御棒側コーナーの燃料棒の局所ピーキング係数との関
係を求めた解析結果であり、本発明及び従来例の両方の
場合を示している。図9の本発明とは、後述する図1に
示すように制御棒側コーナーに劣化ウランを装荷したも
のであり、従来例とは図7に示したものである。また、
局所ピーキング係数は、燃焼度15GWd/tまで制御
棒を挿入したまま運転し、その後制御棒を引き抜いたと
きの、制御棒側コーナーの燃料棒の軸方向に垂直な下部
断面における相対値を表している。図9から、制御棒側
コーナーの燃料棒の1本を劣化ウラン燃料棒とすること
により、局所ピーキング係数を大幅に低下できているこ
とが判る。
【0010】更に、燃料集合体の制御棒側コーナーに隣
接した燃料棒の影響について、図10を用いて説明す
る。図10は、燃料集合体の制御棒側コーナーA(図8
参照)を劣化ウラン燃料棒とし、その隣接位置B及びC
(図8参照)の燃料棒濃縮度を変えたときの、位置Aの
燃料棒と、位置B及びCの燃料棒の下部断面における局
所ピーキング係数の変化を解析的に求めた結果である。
同図は、燃料集合体の平均濃縮度として1.3wt%及
び1.5wt%の2つの場合を示しており、20GWd
/tまで制御棒を挿入したまま運転し、その後制御棒を
引き抜いたときの局所ピーキング係数を求めている。
【0011】図10から、燃料集合体の局所ピーキング
係数の最大値は位置Aで生じていることが判る。また、
位置B及びCの燃料棒濃縮度が増加するに伴い、位置A
の局所ピーキング係数は小さくなり、位置B及びCの局
所ピーキング係数は大きくなることが判る。但し、位置
Aの局所ピーキング係数の減少割合の大きさは、位置B
及びCの局所ピーキング係数の増加割合の大きさよりも
小さい。
【0012】以上の解析結果から、燃料集合体の局所ピ
ーキング係数を低下させるためには、位置Aに劣化ウラ
ン燃料棒を配置し、位置B及びCの燃料棒濃縮度を高く
すれば良いことが判る。位置B及びCの燃料棒濃縮度の
目安としては、従来装荷されていた天然ウランの濃縮度
0.711wt% よりも高くすれば良い。更に、燃料集
合体の局所ピーキング係数を最も小さくするためには、
位置Aの局所ピーキング係数と位置B及びCの局所ピー
キング係数が等しくなるように、位置B及びCの燃料棒
濃縮度を設定すれば良い。この条件は、図10で位置A
の局所ピーキング係数を表す曲線と、位置B及びCの局
所ピーキング係数を表す曲線の交点に対応する。
【0013】以上説明したように、CCを構成する低濃
縮度燃料集合体の少なくとも制御棒側コーナーに劣化ウ
ラン燃料棒を装荷することにより、燃料集合体の局所ピ
ーキング係数を低下することができるので、最大線出力
密度を抑制しつつ長期間連続運転が可能となり、高燃焼
度化を図ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図6は本発明による初装荷炉心の1/4
横断面図を、図1は図6に太線で示すコントロールセル
の詳細横断面図を、図2〜図5は図1のコントロールセ
ルを構成する燃料集合体の第1〜第4実施例をそれぞれ
示す。
【0015】図6の初装荷炉心は、平均濃縮度が最も低
い燃料集合体(低濃縮度燃料集合体)208体をコントロ
ールセル6及び最外周に配置し、低濃縮度燃料集合体よ
り平均濃縮度が高い燃料集合体664体をその他の領域
に配置している。コントロールセル6は図6に太線で示
す位置に、29個配置している。コントロールセル6
は、図1に示すように、4体の低濃縮度燃料集合体11
が正方形状に配置され、この4体の低濃縮度燃料集合体
11の真中に十字形状の制御棒15が配置されている。
【0016】図2は、本発明によるコントロールセルを
構成する低濃縮度燃料集合体11の第1実施例の横断面
図及び燃料棒の濃縮度分布を示している。本燃料集合体
は、9×9燃料集合体であり、中央部の燃料棒7本が配
置可能な領域に2本の太径水ロッド14が配置されてい
る。本燃料集合体はその軸方向の濃縮度分布が異なる6
種類の燃料棒から構成される。
【0017】第1の燃料棒1は、燃料有効長の下から0
/24〜1/24及び22/24〜24/24の領域に
天然ウラン(濃縮度0.711wt%)を、1/24〜2
2/24の領域に濃縮度1.6wt% のウランをそれぞ
れ有している。第2の燃料棒2は、燃料有効長の下から
0/24〜1/24及び22/24〜24/24の領域
に天然ウランを、1/24〜10/24の領域に濃縮度
1.3wt% のウランを、10/24〜22/24の領
域に濃縮度1.5wt% のウランをそれぞれ有してい
る。第3の燃料棒3は、燃料有効長の下から0/24〜
1/24及び22/24〜24/24の領域に天然ウラ
ンを、1/24〜22/24の領域に濃縮度1.3wt
% のウランをそれぞれ有している。第4の燃料棒は燃
料有効長の全長に天然ウランを有する天然ウラン燃料棒
4である。第5の燃料棒は燃料有効長の全長に濃縮度
0.2wt% の劣化ウランを有する劣化ウラン燃料棒5
である。第6の燃料棒は他の燃料棒より燃料有効長が短
い部分長燃料棒Pであり、1/24〜15/24の領域
に天然ウランのみを有している。
【0018】6種類の燃料棒のうち、34本の燃料棒1
は燃料集合体の中央部に配置され、8本の部分長燃料棒
Pは最外周から2層目に、1本の劣化ウラン燃料棒5は
制御棒15側のコーナーに、11本の天然ウラン燃料棒
4は最外周の4つのコーナー付近に、燃料棒2及び3は
最外周のその他の領域に、それぞれ配置されている。図
2の燃料集合体は、燃料集合体平均濃縮度が1.3wt
% で、図7に示した従来型燃料集合体(燃料集合体平
均濃縮度1.3wt% 、第1従来例)の制御棒側コーナ
ーの燃料棒を劣化ウラン燃料棒にしたものである。図2
に示した第1実施例と図7に示した第1従来例のそれぞ
れを、燃焼度15,20,25GWd/tまで制御棒を
挿入したまま運転し、その後制御棒を引き抜いた時の軸
方向に垂直な下部断面の局所ピーキング係数を解析的に
求めた。表1に、制御棒側コーナーの燃料棒の局所ピー
キング係数を示す。
【0019】
【表1】
【0020】表1から、第1実施例によれば、制御棒側
コーナーの燃料棒の局所ピーキング係数を、第1従来例
に比較して約10%低下できることが判る。従って、高
燃焼度化を目指した初装荷炉心においても、最大線出力
密度を抑制しつつ長期間連続運転が可能となる。
【0021】尚、本実施例では制御棒側コーナーの燃料
棒として、燃料有効長の全長に濃縮度0.2wt% の劣
化ウランを有する劣化ウラン燃料棒5を用いたが、濃縮
度はこれに限らず、天然ウランよりも低い濃縮度であれ
ば良い。また、図5に示す変形例のように、劣化ウラン
燃料棒5の上下端部に天然ウランのブランケットを設け
ても良い。
【0022】次に、図3を用いて、本発明によるコント
ロールセルを構成する低濃縮度燃料集合体11の第2実
施例を説明する。図3は、第2実施例の横断面図及び燃
料棒の濃縮度分布を示している。本実施例でも第1実施
例と同じ6種類の燃料棒を用いており、第1実施例と異
なるのは、制御棒側コーナーAの隣接位置B及びCの燃
料棒を、天然ウラン燃料棒4から劣化ウラン燃料棒5に
代えたことである。本燃料集合体は、燃料集合体平均濃
縮度が1.3wt% で、図7に示した第1従来例の制御
棒側コーナーAと、その隣接位置B及びCの燃料棒を劣
化ウランにしたものである。
【0023】第2実施例の燃料集合体を、燃焼度15,
20,25GWd/tまで制御棒を挿入したまま運転
し、その後制御棒を引き抜いた時の軸方向に垂直な下部
断面の局所ピーキング係数を解析的に求めた。表2に、
制御棒側コーナーの燃料棒の局所ピーキング係数を示
す。
【0024】
【表2】
【0025】表2から、第2実施例によれば、制御棒側
コーナーの燃料棒の局所ピーキング係数を、第1従来例
に比較して約10%低下できるので、第1実施例と同様
の効果を得ることができる。また、本実施例では、制御
棒側コーナーの隣接位置B及びCの燃料棒を、第1実施
例の天然ウラン(0.711wt%)から劣化ウラン
(0.2wt%)に代えたために、図10で説明したよう
に、第1実施例に比べて局所ピーキング係数は大きくな
っている。
【0026】次に、図4を用いて、本発明によるコント
ロールセルを構成する低濃縮度燃料集合体11の第3実
施例を説明する。図4は、第3実施例の横断面図及び燃
料棒の濃縮度分布を示している。本実施例でも第1実施
例と同じ6種類の燃料棒を用いており、第1実施例と異
なるのは、制御棒側コーナーAの隣接位置B及びCの燃
料棒を、天然ウラン燃料棒4から燃料棒3に代えたこと
である。本燃料集合体は、燃料集合体平均濃縮度が1.
3wt% で、図7に示した第1従来例の制御棒側コー
ナーAを劣化ウランに、その隣接位置B及びCを濃縮度
1.3wt% の低濃縮ウランにしたものである。
【0027】第3実施例の燃料集合体を、燃焼度15,
20,25GWd/tまで制御棒を挿入したまま運転
し、その後制御棒を引き抜いた時の軸方向に垂直な下部
断面の局所ピーキング係数を解析的に求めた。表3に、
制御棒側コーナーの燃料棒の局所ピーキング係数を示
す。
【0028】
【表3】
【0029】表3から、第3実施例によれば、制御棒側
コーナーの燃料棒の局所ピーキング係数を、第1従来例
に比較して約10%低下できるので、第1実施例と同様
の効果を得ることができる。また、本実施例では、制御
棒側コーナーの隣接位置B及びCの燃料棒の濃縮度を、
第1実施例の0.711wt%から1.3wt%に代えた
ために、図10で説明したように、第1実施例に比べて
更に局所ピーキング係数を低下できている。
【0030】次に、本発明によるコントロールセルを構
成する低濃縮度燃料集合体の第4実施例を説明する。本
燃料集合体は、燃料集合体平均濃縮度が1.4wt%
で、図7に示した従来型燃料集合体(但し、燃料集合体
平均濃縮度は1.4wt% 、第2従来例)の制御棒側コ
ーナーAの燃料棒を劣化ウラン燃料棒にし、制御棒側コ
ーナーの隣接位置B及びCの燃料棒の濃縮度を1.4w
t% としたものである。第4実施例と第2従来例のそ
れぞれを、燃焼度15,20,25GWd/tまで制御
棒を挿入したまま運転し、その後制御棒を引き抜いた時
の軸方向に垂直な下部断面の局所ピーキング係数を解析
的に求めた。表4に、制御棒側コーナーの燃料棒の局所
ピーキング係数を示す。
【0031】
【表4】
【0032】表4から、第4実施例によれば、燃料集合
体平均濃縮度を第1実施例の1.3wt%から1.4wt
% に増加させても、制御棒側コーナーの燃料棒の局所
ピーキング係数を、第2従来例に比較して約10%低下
できることが判る。従って、第1実施例と同様に、高燃
焼度化を目指した初装荷炉心においても、最大線出力密
度を抑制しつつ長期間連続運転が可能となる。
【0033】次に、本発明によるコントロールセルを構
成する低濃縮度燃料集合体の第5実施例を説明する。本
燃料集合体は、燃料集合体平均濃縮度が1.5wt%
で、図7に示した従来型燃料集合体(但し、燃料集合体
平均濃縮度は1.5wt% 、第3従来例)の制御棒側コ
ーナーAの燃料棒を劣化ウラン燃料棒にし、制御棒側コ
ーナーの隣接位置B及びCの燃料棒の濃縮度を1.5w
t% としたものである。第5実施例と第3従来例のそ
れぞれを、燃焼度15,20,25GWd/tまで制御
棒を挿入したまま運転し、その後制御棒を引き抜いた時
の軸方向に垂直な下部断面の局所ピーキング係数を解析
的に求めた。表5に、制御棒側コーナーの燃料棒の局所
ピーキング係数を示す。
【0034】
【表5】
【0035】表5から、第5実施例によれば、燃料集合
体平均濃縮度を第1実施例の1.3wt%から1.5wt
% に増加させても、制御棒側コーナーの燃料棒の局所
ピーキング係数を、第3従来例に比較して約10%低下
できることが判る。従って、第1実施例と同様に、高燃
焼度化を目指した初装荷炉心においても、最大線出力密
度を抑制しつつ長期間連続運転が可能となる。
【0036】図11は、第3〜5実施例で説明した燃料
集合体を図6の初装荷炉心のCCに用い、燃焼度20G
Wd/tまで制御棒を挿入したまま運転し、その後制御
棒を引き抜いた時の燃料集合体の最大線出力密度を解析
的に求めた結果である。ここでは、図6の初装荷炉心に
おいて、最外周とCCには低濃縮度燃料集合体を、それ
以外には中濃縮度燃料集合体(燃料集合体平均濃縮度2.
5wt%)と高濃縮度燃料集合体(燃料集合体平均濃縮
度3.7wt%)を装荷した。
【0037】図11から、第1〜3従来例の燃料集合体
をCCに用いるよりも、第3〜5実施例の燃料集合体を
CCに用いることにより、制御棒引抜時の燃料集合体の
最大線出力密度を大幅に低減できていることが判る。従
って、長期間、同一制御棒を挿入したまま運転し、その
後この制御棒を引き抜いても最大線出力密度を運転制限
値以下に維持することが可能となる。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、長期間制御棒を挿入し
たまま運転し、その後制御棒を引き抜いたときの局所ピ
ーキング係数を低下し、最大線出力密度を低減できるの
で、長期間連続運転が可能となり、高燃焼度化を図るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるコントロールセルの横断面図。
【図2】図1の燃料集合体の第1実施例の横断面図及び
燃料棒の濃縮度分布を示す図。
【図3】図1の燃料集合体の第2実施例の横断面図及び
燃料棒の濃縮度分布を示す図。
【図4】図1の燃料集合体の第3実施例の横断面図及び
燃料棒の濃縮度分布を示す図。
【図5】第1実施例の変形例を示す図。
【図6】本発明による初装荷炉心の1/4横断面図。
【図7】従来例コントロールセルの横断面図。
【図8】コントロールセルを構成する燃料集合体の局所
ピーキング係数の解析例を示す図。
【図9】コントロールセルを構成する燃料集合体の平均
濃縮度と局所ピーキング係数との関係を求めた解析例を
示す図。
【図10】燃料集合体の制御棒側コーナーの隣接位置B
及びCの燃料棒濃縮度と局所ピーキング係数の関係を求
めた解析例を示す図。
【図11】第3〜5実施例の燃料集合体の最大線出力密
度を求めた解析例を示す図。
【符号の説明】
1,2,3…燃料棒、4…天然ウラン燃料棒、5…劣化
ウラン燃料棒、6…コントロールセル、11…低濃縮度
燃料集合体、14…水ロッド、15…制御棒。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G21C 7/10 GDBJ (72)発明者 原口 裕子 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炉心内で平均濃縮度が最も低い燃料集合体
    4体が正方形状に配置され、該4体の燃料集合体の真中
    に十字形状の制御棒が配置されて構成されるコントロー
    ルセルを備えた初装荷炉心において、 前記コントロールセルを構成する燃料集合体は、少なく
    とも制御棒側のコーナーに、ウラン235の同位体存在
    比が天然ウランよりも低いウラン燃料を含む燃料棒を備
    えることを特徴とする初装荷炉心。
  2. 【請求項2】炉心内で平均濃縮度が最も低い燃料集合体
    4体が正方形状に配置され、該4体の燃料集合体の真中
    に十字形状の制御棒が配置されて構成されるコントロー
    ルセルを備えた初装荷炉心において、 前記コントロールセルを構成する燃料集合体は、少なく
    とも制御棒側のコーナーに、使用済燃料から回収したウ
    ランを含む燃料棒を備えることを特徴とする初装荷炉
    心。
  3. 【請求項3】請求項1又は2において、前記少なくとも
    制御棒側のコーナーに装荷した燃料棒に隣接し燃料集合
    体最外周に位置する燃料棒が、天然ウランよりウラン2
    35の同位体存在比が高いことを特徴とする初装荷炉
    心。
  4. 【請求項4】ウラン燃料を含む複数の燃料棒を正方格子
    状に配置して構成される燃料集合体において、 4つのコーナーのうち少なくとも1つのコーナーに、ウ
    ラン235の同位体存在比が天然ウランより低いウラン
    燃料を含む燃料棒を装荷したことを特徴とする燃料集合
    体。
  5. 【請求項5】ウラン燃料を含む複数の燃料棒を正方格子
    状に配置して構成される燃料集合体において、 4つのコーナーのうち少なくとも1つのコーナーに、使
    用済燃料から回収したウランを含む燃料棒を装荷したこ
    とを特徴とする燃料集合体。
  6. 【請求項6】請求項4又は5において、前記少なくとも
    1つのコーナーに装荷した燃料棒に隣接し燃料集合体最
    外周に位置する燃料棒が、天然ウランよりウラン235
    の同位体存在比が高いことを特徴とする燃料集合体。
  7. 【請求項7】請求項4乃至6の何れかにおいて、前記燃
    料集合体は、その軸方向に垂直な横断面での平均濃縮度
    が異なる複数の領域を備えることを特徴とする燃料集合
    体。
  8. 【請求項8】請求項4乃至6の何れかにおいて、前記燃
    料集合体は、燃料有効長が異なる複数種類の燃料棒と、
    該燃料棒より径が太い水ロッドとを備えることを特徴と
    する燃料集合体。
  9. 【請求項9】請求項4乃至6の何れかにおいて、前記複
    数の燃料棒は9行9列に配置されていることを特徴とす
    る燃料集合体。
JP7245768A 1995-09-25 1995-09-25 初装荷炉心及び燃料集合体 Pending JPH0990077A (ja)

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JP7245768A JPH0990077A (ja) 1995-09-25 1995-09-25 初装荷炉心及び燃料集合体

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JP7245768A Pending JPH0990077A (ja) 1995-09-25 1995-09-25 初装荷炉心及び燃料集合体

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007504442A (ja) * 2003-08-28 2007-03-01 ウェスティングハウス エレクトリック スウェーデン アーベー 原子炉の操作方法

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