JPH1048373A

JPH1048373A - 燃料集合体及びチャンネルボックス並びに原子炉の炉心

Info

Publication number: JPH1048373A
Application number: JP8203415A
Authority: JP
Inventors: Masao Chagi; 雅夫茶木; Tadao Aoyama; 肇男青山; Yoko Yuji; 洋子湯地; Hidemitsu Shimada; 秀充嶋田; Junichi Miwa; 順一三輪
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-01
Filing date: 1996-08-01
Publication date: 1998-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、ＭＯＸ燃料を用いた場合で
も、軸方向出力分布を十分に平坦化し安定性余裕を増大
できる燃料集合体及びチャンネルボックス並びに原子炉
の炉心を提供することにある。【解決手段】チャンネルボックス７は、材質が異なる２
種類の構造材から構成されており、上部構造材１２はジ
ルカロイ−２製、下部構造材１１はジルカロイ−２より
も中性子吸収能が大きなステンレス鋼製である。上部構
造材１２と下部構造材１１の境界は、チャンネルボック
ス７の下端からその全長の約５／２４の位置にあり、上
部構造材１２と下部構造材１１は溶接により接続されて
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に装
荷される燃料集合体に係り、特にウラン・プルトニウム
混合酸化物（以下、ＭＯＸという）燃料を含む燃料棒を
備えたＭＯＸ燃料集合体に好適な燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉では原子炉の炉心の軸方
向の出力分布の偏りが必要以上に大きくなることは、除
熱性能や炉心の熱水力的及び核熱水力的安定性の点から
好ましくない。

【０００３】この対策として、現在原子炉で用いられて
いるウラン燃料では、核分裂性物質である ²³⁵Ｕの濃縮
度を軸方向で数種類に変えて軸方向出力分布の調整を行
う第１の従来技術がある。また、可燃性毒物の濃度を軸
方向に変化させることによって軸方向出力分布の調整を
行う第２の従来技術がある。これらの従来技術は、燃料
棒に装填する燃料ペレットを複数種類作ることによって
可能となっている。

【０００４】上記以外に、炉心の軸方向出力分布を改善
して炉心の安定性余裕を増加させる技術として、チャン
ネルボックスの外形は変化させずにチャンネルボックス
内の流路面積を変える第３の従来技術が、特開昭63−26
1190号公報，特開昭63−293490号公報，特開平1−98994
号公報，特開平1−105193号公報，特開平2−147888号公
報，特開平2−216087号公報等に記載されている。

【０００５】また、第４の従来技術として、チャンネル
ボックスの下端からその全長の１／４〜１３／２４の位
置より下部でチャンネルボックスの肉厚を外に膨らませ
ることによって大きくし、厚肉にした部分のチャンネル
ボックスの中性子吸収の増加によって軸方向出力分布を
平坦化することが、特開昭55−55284 号公報に記載され
ている。

【０００６】また、第５の従来技術として、燃料集合体
間に中性子吸収板を設け、この板の中性子吸収によって
軸方向出力分布を平坦化することが、特開昭58−95291
号公報に記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記第１及び
第２の従来技術で、 ²³⁵Ｕや可燃性毒物の濃度が異なる
燃料ペレットを複数種類作ると、燃料ペレットを１種類
しか作らない場合に比べて燃料集合体の製造コストが大
きくなる。即ち、ＭＯＸ燃料集合体の場合、MOX燃料を
含む燃料ペレットの製造はグローブボックスの中での作
業となるため、製造コストの制限から燃料ペレットは１
種類になる可能性があり、上記第１及び第２の従来技術
の適用は難しい。

【０００８】また、第３の従来技術では後述するような
ＭＯＸ燃料を炉心に装荷した場合に必要とされる安定性
余裕の大幅な改善は期待できない。また、第４及び第５
の従来技術でもＭＯＸ燃料を装荷した場合に関しては考
慮されていない。

【０００９】本発明の目的は、ＭＯＸ燃料を用いた場合
でも、軸方向出力分布を十分に平坦化し安定性余裕を増
大できる燃料集合体及びチャンネルボックス並びに原子
炉の炉心を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明では、チャンネルボックスを、その下端
からその全長の約５／２４の位置を境界として、該境界
より下部の中性子吸収能が該境界より上部の中性子吸収
能よりも大きくする。

【００１１】第２の発明では、燃料集合体，制御棒及び
炉内計装管以外に、燃料集合体間に構造物を設け、該構
造物を、チャンネルボックス下端からチャンネルボック
ス全長の約５／２４の位置を境界として、該境界より下
部の中性子吸収能が該境界より上部の中性子吸収能より
も大きくする。

【００１２】第１の発明によれば、チャンネルボックス
下部の中性子吸収能をチャンネルボックス上部よりも大
きくしたことによって、下部でのチャンネルボックスに
よる中性子吸収が上部より大きくなるので、下部の中性
子束は相対的に小さくなり、下部の出力を抑えることが
できる。しかも、上部と下部の境界をチャンネルボック
ス下端からその全長の約５／２４の位置としたことによ
り、後述するように、ＭＯＸ燃料がウラン燃料に比べて
出力が特に大きくなる下部領域での出力を確実に抑制で
きるので、ＭＯＸ燃料を用いた場合でも、軸方向出力分
布を平坦化して安定性余裕を増大することができる。

【００１３】第２の発明では、第１の発明のチャンネル
ボックスの代わりに構造物を用いて軸方向の中性子吸収
能を調整できるので、第１の発明と同様な効果を達成す
ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】沸騰水型原子炉に用いる本発明に
よる燃料集合体の第１実施例を図１を用いて説明する。
図１は本発明による燃料集合体の第１実施例を示す図
で、（ａ）は燃料集合体の縦断面を、（ｂ）はチャンネ
ルボックスの縦断面を、それぞれ示す。燃料集合体１
は、複数の燃料棒４，燃料棒４の上端部及び下端部を保
持する上部タイプレート２及び下部タイプレート３，燃
料棒４及び水ロッド５の相互の間隔を保持する燃料スペ
ーサ６，チャンネルボックス７等を備える。燃料棒４は
１種類のＭＯＸ燃料ペレットを複数充填したＭＯＸ燃料
棒も含み、所定のピッチで正方格子状に配置される。チ
ャンネルボックス７は上部タイプレート２に取り付けら
れ、燃料棒４を取り囲むように下方に向かって伸びてい
る。チャンネルボックス７の下端部は下部タイプレート
３の上面より下方に伸びており、下部タイプレート３も
取り囲む。

【００１５】チャンネルボックス７は、材質が異なる２
種類の構造材から構成されており、上部構造材１２はジ
ルカロイ−２製，下部構造材１１はステンレス鋼製であ
る。上部構造材１２と下部構造材１１の境界は、チャン
ネルボックス７の下端からその全長の約５／２４の位置
にあり、上部構造材１２と下部構造材１１は溶接により
接続されている。

【００１６】沸騰水型原子炉の場合、炉心下部は冷却材
兼減速材である水が沸騰しておらず、水が沸騰している
炉心上部に比べて水対ウラン比が大きくなる。従って、
炉心下部では、水による中性子の減速作用によって熱中
性子束が大きくなる。原子炉における核分裂反応は熱中
性子が多いほど活発になるので、炉心下部の方が出力は
大きくなる。

【００１７】原子炉が高出力で冷却材流量が低くなった
場合、例えば冷却材である水が自然循環になった場合に
おける、燃料集合体での軸方向出力分布の解析結果の一
例を図２に示す。同図には、ウラン燃料棒のみを装荷し
たウラン燃料集合体と、MOX燃料棒も含むＭＯＸ燃料集
合体の両方を示す。同図の軸方向高さは、０がチャンネ
ルボックスの下端に、１がチャンネルボックスの上端に
対応している。

【００１８】図２から、軸方向高さが５／２４〜１の範
囲では、ＭＯＸ燃料集合体の方がウラン燃料集合体より
も出力は小さい。逆に、軸方向高さが０〜５／２４の範
囲では、ＭＯＸ燃料集合体の方がウラン燃料集合体より
も出力は大きい。即ち、MOX燃料集合体の方がウラン燃
料集合体よりも出力分布の下歪が激しくなる。このた
め、原子炉の安定性余裕、特にチャンネル安定性や領域
安定性の余裕は、ＭＯＸ燃料集合体の方がウラン燃料集
合体よりも小さくなる。

【００１９】本実施例では、チャンネルボックス７の下
端からその全長の約５／２４の位置を境界として、上部
構造材１２にジルカロイ−２を、下部構造材１１にジル
カロイ−２よりも中性子吸収能が大きなステンレス鋼を
用いているので、図２に示したＭＯＸ燃料集合体の出力
分布の下歪を改善し、軸方向出力分布を平坦化できる。
従って、原子炉の安定性余裕、特にチャンネル安定性や
領域安定性の余裕を大きくできる。

【００２０】図２では、ＭＯＸ燃料集合体の下部の出力
がウラン燃料集合体に比べて５０％以上大きくなってい
る。このＭＯＸ燃料集合体において、ウラン燃料集合体
と同等なチャンネル安定性の余裕を確保するためには、
チャンネル安定性の減幅比で０.１以上の改善が必要と
なる。ここで、減幅比とは、燃料集合体に入る冷却水の
流量が変化した際に、冷却水入口における流量の変化分
が時間的に減衰する割合を表す。

【００２１】減幅比が１以下の場合チャンネル安定性は
安定となり、減幅比が１より大きい場合チャンネル安定
性は不安定となる。チャンネル安定性の減幅比を０.１
以上改善するためには、軸方向出力分布の下部のピ−ク
を１０％以上減少させることが必要である。このために
は、下部構造材１１と上部構造材１２の中性子吸収能の
差を、ジルカロイ−２で１.５mm 以上の肉厚に相当する
大きさとする必要がある。

【００２２】本実施例のように炉心下部で中性子吸収を
大きくすると、原子炉の炉心全体の出力は小さくなる。
これに対しては、ＭＯＸ燃料集合体のプルトニウム富化
度を大きくすることで対応できる。プルトニウム富化度
は純度の高いプルトニウムと天然ウランとの混合率で調
節できる。従って、プルトニウム富化度を上げることは
コスト上昇にはならず、むしろコストを低下させる。

【００２３】本実施例では、チャンネルボックス７の下
端からその全長の約５／２４の位置でのみ中性子吸収能
を変化させる例を示した。しかし、中性子吸収能を変化
させる位置を複数設けても良く、中性子吸収能が異なる
複数の構造材を溶接して軸方向に複数段の中性子吸収能
の変化をつけ、より細かな軸方向出力分布の調整を行う
ことも可能である。

【００２４】また、下部構造材１１の中性子吸収能を軸
方向で連続的に変化させれば更に細かな軸方向出力分布
の調整が可能である。構造材１１の中性子吸収能の変化
のつけ方としては、中性子吸収能の大きい材料を単体で
用いるか、中性子吸収能の大きな材料を他の物質に混ぜ
たものなどが考えられる。具体的には、ステンレス鋼以
外に、ステンレス鋼にガドリニアやほう素を添加したも
の，ステンレス鋼にガドリニアやほう素を封入したも
の，ハフニウムなどが挙げられる。

【００２５】また、下部構造材１１や上部構造材１２の
水平断面全体で一様に中性子吸収能を変化させるのでは
なく、一部分のみを変化させてもよい。具体的には、下
部構造材１１や上部構造材１２のコーナー部に近いとこ
ろだけ中性子吸収能を変化させたり、逆にコーナー部以
外のところだけ中性子吸収能を変化させてもよい。

【００２６】これらの場合においても、チャンネルボッ
クス下端から全長の約５／２４の位置より下部の中性子
吸収能を上部より大きくすることが大切である。

【００２７】次に、図３を用いて本発明によるチャンネ
ルボックスの第２実施例を説明する。図３は第２実施例
のチャンネルボックスの縦断面図である。本チャンネル
ボックスは、ジルカロイ−２製のチャンネルボックス７
の下部に、ジルカロイ−２よりも中性子吸収能の大きな
中性子吸収板１３を溶接したものである。中性子吸収板
１３の材質としては、ステンレス鋼，ハフニウム，ガド
リニウム，ボロンなどを用いることができる。中性子吸
収板１３の長さは、チャンネルボックス７の全長の約５
／２４とする。

【００２８】本チャンネルボックスをＭＯＸ燃料集合体
に設けることにより、第１実施例と同様に、ＭＯＸ燃料
集合体の軸方向出力分布を平坦化し、原子炉の安定性余
裕を増大することができる。本実施例では、チャンネル
ボックス７の上端から下端までに第１実施例のような軸
方向に接続する溶接部がないので、チャンネルボックス
７の強度は第１実施例よりも強くなる。

【００２９】また、中性子吸収板１３の肉厚を軸方向で
連続的に変化させることによって、より細かい軸方向出
力分布の調整が可能となる。更に、中性子吸収板１３を
筒状にしてチャンネルボックス７の外周を覆うようにし
ても良い。この場合、図３に比べて溶接点の数が少なく
なることが期待できる。

【００３０】尚、チャンネルボックス７に溶接する中性
子吸収能の大きな部材は、図３のような板状に限定され
ず、例えば、図４に示すような棒状の中性子吸収棒１４
を、チャンネルボックス７の下部に軸方向に所定の間隔
を空けて設けても良い。この場合も、中性子吸収棒１４
を設ける高さは、チャンネルボックス７の全長の約５／
２４とする。図４では、軸方向の中性子吸収能の差を中
性子吸収棒１４の間隔を変えることにより調整できる。
更に、図４で中性子吸収棒１４をリング状にしても良
い。

【００３１】また、図５に示すように、長さの違う棒状
の中性子吸収棒１４を、チャンネルボックス７の下部の
周方向に並べて溶接しても良い。この場合も、長い中性
子吸収棒１４の長さは、チャンネルボックス７の全長の
約５／２４とする。図５では、軸方向の中性子吸収能の
差を中性子吸収棒１４の長さを変えることにより調整で
きる。

【００３２】次に、図６を用いて本発明によるチャンネ
ルボックスの第３実施例を説明する。図６は第３実施例
のチャンネルボックスの縦断面図である。本実施例で
は、チャンネルボックス７を、肉厚が等しいチャンネル
ボックス上部７ａと、チャンネルボックス上部７ａより
も肉厚が厚いチャンネルボックス下部７ｂとを一体で構
成する。チャンネルボックス７の材質としては、中性子
吸収能の大きなステンレス鋼又はステンレス鋼にボロン
を添加したものを用い、チャンネルボックス上部７ａと
チャンネルボックス下部７ｂの中性子吸収能の差を、ジ
ルカロイ−２で１.５mm 以上の肉厚に相当する大きさと
する。チャンネルボックス上部７ａとチャンネルボック
ス下部７ｂの境界は、チャンネルボックス７の全長の約
５／２４の位置とする。

【００３３】本チャンネルボックスをＭＯＸ燃料集合体
に設けることにより、第１実施例と同様に、ＭＯＸ燃料
集合体の軸方向出力分布を平坦化し、原子炉の安定性余
裕を増大することができる。本実施例でも、チャンネル
ボックス７の上端から下端まで溶接部がないので、チャ
ンネルボックス７の強度は第１実施例よりも強くなる。
また、チャンネルボックス下部７ｂの肉厚を、図７のよ
うに連続的に変化させることによって、より細かい軸方
向出力分布の調整が可能となる。

【００３４】次に、図８及び図９を用いて本発明による
原子炉炉心の第４実施例を説明する。図９は第４実施例
の横断面図（水平断面図）の一部を、図８は図９のＡ−
Ａ矢視の概略図を、それぞれ示す。

【００３５】本実施例では、図９に示すように、４体の
燃料集合体を１つのセルとして構成し、セルの周囲に棒
状の中性子吸収棒１６を所定の間隔で複数設けている。
図９はセルの中心に十字形の制御棒１５が挿入された状
態を示しており、このセルは制御セルに対応する。

【００３６】セルを構成する燃料集合体は、９行９列の
正方格子状に配置された燃料棒４と、中央部の７本の燃
料棒が配置可能な領域に対角線状に配置された２本の太
径の水ロッド５と、チャンネルボックス７とを備える。
セルを構成する４つの燃料集合体のうち、少なくとも１
つはＭＯＸ燃料棒を含む燃料集合体である。

【００３７】中性子吸収棒１６は、図８に示すように、
上部格子板（図示せず）から燃料集合体１の間に吊るさ
せている。中性子吸収棒１６は、太さが等しい中性子吸
収棒上部１６ａと、中性子吸収棒上部１６ａよりも太い
中性子吸収棒下部１６ｂとが一体で構成されている。中
性子吸収棒１６の材質としては、中性子吸収能の大きな
ステンレス鋼又はハフニウムを用い、中性子吸収棒上部
１６ａと中性子吸収棒下部１６ｂの中性子吸収能の差
を、ジルカロイ−２で１.５mm 以上の肉厚に相当する大
きさとする。中性子吸収棒上部１６ａと中性子吸収棒下
部１６ｂの境界は、チャンネルボックス７の全長の約５
／２４の位置とする。

【００３８】本実施例では中性子吸収棒１６がＭＯＸ燃
料集合体の出力分布の下歪を改善するので、第１実施例
と同様に、ＭＯＸ燃料集合体の軸方向出力分布を平坦化
し、原子炉の安定性余裕を増大することができる。本実
施例の場合、燃料集合体１の特性（出力分布など）に合
わせて中性子吸収棒１６の太さ，材質，本数などを変え
ることが可能であり、燃料集合体１の特性に合わせた細
かな出力の調整ができると共に、炉心の半径方向の出力
分布も調整できる。

【００３９】尚、図９では制御セルに関して示している
が、制御セル以外のＭＯＸ燃料集合体が装荷されたセル
に対しても同じように中性子吸収棒１６を設けて炉心を
構成することにより、原子炉の安定性余裕を増大するこ
とができる。

【００４０】中性子吸収棒１６の材質としては、ステン
レス鋼，ハフニウム以外にも、中性子吸収断面積がステ
ンレス鋼より大きいハフニウム，ガドリニウム，ボロン
などを、ステンレス鋼やジルコニウムに混入もしくは封
入したものも用いることができる。

【００４１】また、中性子吸収棒１６の中性子吸収能を
軸方向に連続的に変化させることにより、出力の調整が
より細かくできる。中性子吸収棒１６は棒状に限定され
ず、板状にして上部格子板から吊るしても良く、その上
端が燃料棒４の燃料有効長より上側にきても良い。

【００４２】更に、中性子吸収棒１６の代わりに、図１
０に示すように、筒状の中性子吸収筒１７の内部のう
ち、チャンネルボックス全長の約５／２４の高さまでの
下部領域に中性子吸収断面積が大きいハフニウム，ガド
リニア，ボロンなどの中性子吸収体１８を封じ込んだも
のを用いても良い。この場合、中性子吸収筒１７の外径
を変えずに軸方向出力分布を調整できる。中性子吸収体
１８は複数のペレットを積み重ねた構造としても良く、
この場合、ペレットの中性子吸収能に変化をつけること
により、細かな出力分布の調整ができる。

【００４３】また、中性子吸収筒１７の内部空間全体
に、中性子吸収体１８の中性子吸収能を軸方向に変化さ
せて封入しても良い。この場合も、チャンネルボックス
全長の約５／２４の位置を境界にして、境界より下側の
領域の中性子吸収能を境界より上側の領域の中性子吸収
能よりも大きくする。

【００４４】更に、中性子吸収筒１７の内部に封入する
中性子吸収体１８としてガドリニウムなどの可燃性毒物
を用いることにより、燃料の燃焼度に合わせて中性子吸
収体１８の中性子吸収能を変化させることも可能であ
る。この場合、炉心の余剰反応度を抑制するためには最
も効果的となる。

【００４５】また、上記した各実施例において、更に下
部タイプレートにも中性子吸収材又は可燃性毒物を混入
することによって、軸方向出力分布の調整幅をより大き
くすることが可能となる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、ＭＯＸ燃料を用いた場
合でも、軸方向出力分布を十分に平坦化し、原子炉の安
定性余裕を増大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料集合体の第１実施例を示す図
で、（ａ）は燃料集合体の縦断面を、（ｂ）はチャンネ
ルボックスの縦断面を、それぞれ示す。

【図２】燃料集合体での軸方向出力分布の解析結果の一
例を示す図。

【図３】本発明によるチャンネルボックスの第２実施例
を示す縦断面図。

【図４】第２実施例の変形例を示す図。

【図５】第２実施例の他の変形例を示す図。

【図６】本発明によるチャンネルボックスの第３実施例
を示す縦断面図。

【図７】第３実施例の変形例を示す図。

【図８】図９のＡ−Ａ矢視の概略図。

【図９】本発明による炉心の第４実施例の横断面の一部
を示す図。

【図１０】第４実施例の変形例を示す図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…上部タイプレート、３…下部タイ
プレート、４…燃料棒、５…水ロッド、６…燃料スペー
サ、７…チャンネルボックス、１１…下部構造材、１２
…上部構造材、１３…中性子吸収板、１４，１６…中性
子吸収棒、１５…制御棒、１７…中性子吸収筒、１８…
中性子吸収体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者嶋田秀充茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者三輪順一茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の燃料棒と、該燃料棒の上端部及び下
端部を保持する上部タイプレート及び下部タイプレート
と、前記燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサと、該燃
料スペーサ及び前記燃料棒を取り囲むチャンネルボック
スとを備えた燃料集合体において、前記燃料棒はウラン・プルトニウム混合酸化物燃料を含
み、前記チャンネルボックスはその下端から全長の約５
／２４の位置を境界として、該境界より下部の中性子吸
収能が該境界より上部の中性子吸収能よりも大きいこと
を特徴とする燃料集合体。
【請求項２】請求項１において、前記チャンネルボック
スの下部の肉厚は前記チャンネルボックスの上部の肉厚
よりも厚く、この肉厚差はジルカロイ−２で１.５mm 以
上の肉厚に相当する中性子吸収能の差を有することを特
徴とする燃料集合体。
【請求項３】燃料集合体に使用されるチャンネルボック
スであって、チャンネルボックスの下端から全長の約５
／２４の位置を境界として、該境界より下部の中性子吸
収能が該境界より上部の中性子吸収能よりも大きいこと
を特徴とするチャンネルボックス。
【請求項４】請求項３において、前記チャンネルボック
スの下部の肉厚は前記チャンネルボックスの上部の肉厚
よりも厚く、この肉厚差はジルカロイ−２で１.５mm 以
上の肉厚に相当する中性子吸収能の差を有することを特
徴とするチャンネルボックス。
【請求項５】ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料を含
む燃料棒を束ねた燃料集合体と、該燃料集合体間に挿入
される制御棒及び炉内計装管とを備えた原子炉の炉心に
おいて、前記燃料集合体，前記制御棒及び前記炉内計装管以外
に、前記燃料集合体間に構造物を設け、該構造物は、前記燃料集合体のチャンネルボックス下端
からチャンネルボックス全長の約５／２４の位置を境界
として、該境界より下部の中性子吸収能が該境界より上
部の中性子吸収能よりも大きいことを特徴とする原子炉
の炉心。