JPH1123762A - 燃料集合体及び初装荷炉心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の第１の目的は、平均濃縮度を高くして
も、余剰反応度を効果的に抑制できる燃料集合体を提供
することにある。 【解決手段】Ｇｄ燃料棒２の数は、対角線Ａで分割され
た反制御棒側領域が１０本，制御棒側領域が２本で、そ
の差は８本である。Ｇｄ燃料棒２は、対角線Ａと異なる
他の対角線の頂点から２層目のコーナーに位置する燃料
棒２ａを起点として、対角線Ａに平行な一列置きの列に
配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉の
燃料集合体に係わり、特に初装荷炉心に用いるのに好適
な燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉は、中性子が核分裂性物質に吸収
されて核分裂が起こり、その際にエネルギーと共に放出
される中性子が次の核分裂を引き起こす連鎖反応により
エネルギーを出し続ける。この連鎖反応が平衡にある状
態を臨界といい、逆に減少していく状態を未臨界とい
う。原子炉は一定の期間にわたって燃料の補給なしに運
転し続けねばならないために、炉心内には臨界維持に必
要な量よりも多い核分裂性物質が装荷されている。従っ
て、原子炉は制御材なしには臨界超過になる。この超過
した反応度を余剰反応度といい、余剰反応度を運転期間
を通して適切に制御することが重要になる。

【０００３】余剰反応度を運転期間を通して制御する技
術としては、制御棒を炉心に挿入する方法と、可燃性毒
物を燃料中に混入する方法が知られている。可燃性毒物
とは、運転期間を通して徐々に燃焼しその物質量が減少
していく中性子吸収材のことで、ガドリニアなどが知ら
れている。

【０００４】しかし、余剰反応度を抑えるために出力運
転中に多数の制御棒を用いると、炉心の径方向や軸方向
の出力分布が大きく変化して熱的にも厳しくなる。この
ため、可燃性毒物を有効に活用して余剰反応度を適切に
抑制する方法が重要となる。次に、可燃性毒物による反
応度の抑制効果を図１３を用いて説明する。図１３は、
可燃性毒物（ガドリニア）を混入した燃料集合体の無限
増倍率の燃焼度変化の一例を示す。図１３に破線で示す
ように、可燃性毒物が混入している燃料棒の本数が減少
すれば、燃焼初期での無限増倍率が増加する。また、一
点鎖線で示すように、混入する可燃性毒物の濃度を高く
すれば、可燃性毒物の燃え尽きる時期を遅らせることが
でき、その結果無限増倍率の最大値を抑えることが可能
になる。従って、可燃性毒物の混入濃度とそれが混入し
た燃料棒の本数の組み合わせにより、余剰反応度を適切
に制御することが可能となる。

【０００５】しかし、燃料集合体を構成する燃料棒の何
本かに可燃性毒物を混入すると、可燃性毒物を混入した
燃料棒は強い中性子吸収体となるために、この燃料棒の
配置によっては、燃料集合体内の局所ピーキングが高く
なり熱的余裕が減少する。このため、従来は熱的余裕を
改善するという観点から、燃料集合体の横断面におい
て、可燃性毒物入り燃料棒をできるだけ対称に配置して
局所ピーキングを低減していた。

【０００６】一方、初装荷炉心では、できるだけ炉心の
平均濃縮度を高めて燃料の炉内滞在期間を長くすること
で、燃料経済性を向上させている。しかし、初装荷炉心
に装荷される高濃縮度燃料集合体の平均濃縮度を高くす
ることにより炉心の平均濃縮度を高くすれば、その分だ
け余剰反応度が上昇するという問題がある。

【０００７】また、初装荷炉心を構成する燃料集合体の
うち早期に取り出される燃料集合体は、その燃焼度が進
まないため、これに見合った低い平均濃縮度にすること
で燃料経済性を向上させる技術がある。しかし、平均濃
縮度の異なる燃料集合体が混在した場合、両者の間に中
性子の流れが起こり熱的余裕が減少する。この現象は、
燃料集合体間の平均濃縮度差が大きくなるほど著しくな
る。従って、初装荷炉心を構成する高濃縮度燃料集合体
の平均濃縮度を高くすることにより、炉心の平均濃縮度
を高くして取り出し燃焼度を増大させようとすると、熱
的余裕も減少するという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、燃料
集合体の平均濃縮度を高くすると、これに伴い余剰反応
度が高くなる。また、初装荷炉心の平均濃縮度を高くす
ると、熱的余裕も減少する。

【０００９】本発明の第１の目的は、平均濃縮度を高く
しても、余剰反応度を効果的に抑制できる燃料集合体を
提供することにある。

【００１０】本発明の第２の目的は、平均濃縮度を高く
しても、熱的余裕を確保できる初装荷炉心を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の目的を達成するた
めの第１の発明は、９行９列以上の正方格子状に配置さ
れた複数の燃料棒と、該燃料棒の上端及び下端をそれぞ
れ支持する上部タイプレート及び下部タイプレートと、
チャンネルボックスを前記上部タイプレートに固定する
ために１つのコーナー部に設置されるチャンネルファス
ナとを備えた燃料集合体において、前記複数の燃料棒
は、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない第１燃料棒
と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む第２燃料棒とから
なり、燃料集合体内を１つの対角線でチャンネルファス
ナ側の第１領域と反チャンネルファスナ側の第２領域と
に領域分けした場合、第２領域内の第２燃料棒の数が第
１領域内の第２燃料棒の数よりも多く、前記第２領域内
の第２燃料棒が、他の対角線の頂点から２層目のコーナ
ー位置を起点として、前記１つの対角線に平行な１列置
きの列に配置されるように構成する。

【００１２】第２の目的を達成するための第２の発明
は、平均濃縮度が最低の第１燃料集合体と、該第１燃料
集合体よりも平均濃縮度が高い第２燃料集合体とを装荷
した初装荷炉心において、前記第１燃料集合体１体と前
記第２燃料集合体３体とで正方形状の単位セルを構成
し、複数の前記単位セルを初装荷炉心の中央領域に配置
し、単位セルの辺方向で前記第１燃料集合体に隣接する
前記第２燃料集合体を、第１の発明の燃料集合体で構成
する。

【００１３】

【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１は本発明による燃料集合体の第１実
施例の横断面図を、図２は第１実施例の概略縦断面図
を、それぞれ示す。

【００１４】本燃料集合体は、９行９列の正方格子状に
配列された燃料棒，燃料棒の上端及び下端をそれぞれ支
持する上部タイプレート３及び下部タイプレート４，燃
料棒の間隔を保持するために軸方向に複数設けられたス
ペーサ５，これらの構成要素を取り囲むチャンネルボッ
クス６，チャンネルボックス６を上部タイプレート３に
固定するためのチャンネルファスナ７などから構成され
る。

【００１５】燃料棒は、核燃料物質を含みガドリニア
（可燃性毒物）を含まない燃料棒１と、核燃料物質及び
ガドリニアを含む燃料棒（以下、Ｇｄ燃料棒という）２
とからなる。燃料集合体の中央部の７本の燃料棒が配置
可能な領域に、太径のウォータロッド８が２本配置され
ている。核燃料物質としては、燃焼前(初装荷)の段階
で、ウラン燃料のみ、ウラン燃料及びウランとプルトニ
ウムの混合酸化物(ＭＯＸ)燃料の両方、又はＭＯＸ燃料
のみ、を用いることができる。

【００１６】図１に示すように、燃料集合体の内部を対
角線Ａにより、制御棒側領域と反制御棒側領域とに分割
すると、Ｇｄ燃料棒の数は、反制御棒側領域が１０本
で、制御棒側領域が２本である。即ち、反制御棒側領域
のＧｄ燃料棒の数は、制御棒側領域のＧｄ燃料棒の数よ
り８本多い。尚、燃料集合体の４つのコーナーのうち制
御棒９に最も近いコーナーに、チャンネルファスナ７が
設置されている。即ち、制御棒側領域はチャンネルファ
スナ側領域とも言える。

【００１７】本燃料集合体の燃料棒中の軸方向の濃縮度
分布及びガドリニア分布を図３に示す。燃料棒は、燃料
有効長が長くガドリニアを含まない長尺燃料棒ａ１〜ａ
４,燃料有効長が長尺燃料棒の１５／２４でガドリニア
を含まない短尺燃料棒ａ５,燃料有効長が短尺燃料棒と
等しくガドリニアを含む短尺Ｇｄ燃料棒ａ６,燃料有効
長が長尺燃料棒と等しくガドリニアを含む長尺Ｇｄ燃料
棒ａ７などから構成される。即ち、燃料棒ａ１〜ａ５が
図１の燃料棒１に対応し、燃料棒ａ６及びａ７が図１の
Ｇｄ燃料棒２に対応する。

【００１８】図中、記号ａ〜ｅは濃縮度を、記号αはガ
ドリニア濃度を、それぞれ示す。濃縮度は、ａ＞ｂ＞ｃ
＞ｄ＞ｅの関係にある。斜線を施した部分がガドリニア
を混入した領域である。

【００１９】長尺燃料棒ａ１〜ａ４は、燃料有効長のう
ち上端部の２／２４の領域及び下端部の１／２４の領域
の濃縮度がｅで、燃料有効長の下端から１／２４〜２２
／２４の領域の濃縮度が、それぞれａ，ｂ，ｃ，ｄであ
る。短尺燃料棒ａ５の濃縮度はｂである。短尺Ｇｄ燃料
棒ａ６は、長尺燃料棒の燃料有効長の下端から１／２４
〜１５／２４の領域の濃縮度がｂで、更に下端から１／
２４〜８／２４の領域に濃度αのガドリニアを含む。長
尺Ｇｄ燃料棒ａ７は、燃料有効長のうち上端部の２／２
４の領域及び下端部の１／２４の領域の濃縮度がｅで、
燃料有効長の下端から１／２４〜２２／２４の領域の濃
縮度がｂで、更に下端から１／２４〜２２／２４の領域
に濃度αのガドリニアを含む。

【００２０】沸騰水型原子炉では、軸方向にボイドが分
布している（軸方向上部の方がボイド率が高い）ので、
軸方向の出力分布が下膨らみになる傾向がある。これに
対して、図３のように、燃料集合体の下部領域のＧｄ燃
料棒の数を多くする（ガドリニア量を多くする）ことに
より、軸方向の出力分布を効果的に平坦化できる。

【００２１】Ｇｄ燃料棒２は、対角線Ａと異なる他の対
角線の頂点から２層目のコーナーに位置する燃料棒２ａ
を起点として、対角線Ａに平行な一列置きの列に配置さ
れている。本実施例による余剰反応度への影響を確認す
るために、図４に示す比較例と比較した。図４の比較例
は、図１の第１実施例において、１２本のＧｄ燃料棒２
を反制御棒側領域と制御棒側領域に対称に配置したもの
である。

【００２２】第１実施例と比較例の無限増倍率の燃焼度
変化を解析により求めた結果を、図５に示す。図５か
ら、Ｇｄ燃料棒の本数や濃度は同じであるにも関わら
ず、第１実施例の方が比較例よりも燃焼初期の無限増倍
率が高くなっていることが判る。また、ガドリニアが燃
え尽きて無限増倍率が最大になる燃焼度付近では、第１
実施例の方が比較例よりもガドリニアの燃え尽きる時期
が遅くなり、その分無限増倍率の最大値が低く抑えられ
ていることが判る。これは、図１のように、Ｇｄ燃料棒
を集中させて配置したことにより、Ｇｄ燃料棒同士が互
いに中性子から遮蔽されることになり、ガドリニアの燃
焼が遅れるためである。

【００２３】従って、本実施例によれば、燃料集合体の
平均濃縮度を高くしても、ガドリニアの燃焼を十分に遅
らせて、余剰反応度を効果的に抑制することができる。

【００２４】次に、図６，図７及び図８を用いて、本発
明による燃料集合体の第２実施例，第３実施例及び第４
実施例を説明する。図６，図７及び図８は、それぞれ第
２実施例，第３実施例及び第４実施例の横断面図を示
す。

【００２５】図６は、第１実施例において反制御棒側領
域のＧｄ燃料棒２を最外周にも設置した例である。この
場合、Ｇｄ燃料棒の数は、反制御棒側領域が１６本で、
制御棒側領域が２本である。即ち、反制御棒側領域のＧ
ｄ燃料棒の数は、制御棒側領域のＧｄ燃料棒の数より１
４本多い。本実施例でも、第１実施例と同様の効果を得
ることができる。

【００２６】図７は、第１実施例において、反制御棒側
領域のＧｄ燃料棒２のうち２本のウォータロッド８の両
方に隣接する燃料棒を、ガドリニアを含まない燃料棒１
に置き換えた例である。この場合、Ｇｄ燃料棒の数は、
反制御棒側領域が９本で、制御棒側領域が２本である。
即ち、反制御棒側領域のＧｄ燃料棒の数は、制御棒側領
域のＧｄ燃料棒の数より７本多い。本実施例でも、第１
実施例と同様の効果を得ることができる。

【００２７】図８は、第１実施例において、対角線Ａ上
のＧｄ燃料棒２の数及び制御棒側領域のＧｄ燃料棒２の
数を増やした例である。この場合、Ｇｄ燃料棒の数は、
反制御棒側領域が１１本で、制御棒側領域が５本であ
る。即ち、反制御棒側領域のＧｄ燃料棒の数は、制御棒
側領域のＧｄ燃料棒の数より６本多い。本実施例でも、
第１実施例と同様の効果を得ることができる。

【００２８】次に、図９を用いて、本発明による燃料集
合体の第５実施例を説明する。図９は第５実施例の横断
面図を示す。本燃料集合体は、第１実施例において、２
本のウォータロッド８に替えて１本のウォータボックス
１０を設置している。ウォータボックス１０は、燃料集
合体の中央部の９本の燃料棒が配置可能な領域を占めて
いる。

【００２９】本実施例の場合、Ｇｄ燃料棒の数は、反制
御棒側領域が９本で、制御棒側領域が２本である。即
ち、反制御棒側領域のＧｄ燃料棒の数は、制御棒側領域
のＧｄ燃料棒の数より７本多い。本実施例でも、第１実
施例と同様の効果を得ることができる。

【００３０】次に、図１０を用いて、本発明による燃料
集合体の第６実施例を説明する。図１０は第６実施例の
横断面図を示す。本燃料集合体は、燃料棒が１０行１０
列の正方格子状に配列されており、Ｇｄ燃料棒の数は、
反制御棒側領域が１３本で、制御棒側領域が１本であ
る。即ち、反制御棒側領域のＧｄ燃料棒の数は、制御棒
側領域のＧｄ燃料棒の数より１２本多い。本実施例で
も、第１実施例と同様の効果を得ることができる。

【００３１】次に、図１１及び図１２を用いて、本発明
の燃料集合体の初装荷炉心への第１の装荷方法及び第２
の装荷方法を説明する。図１１及び図１２は、本発明の
燃料集合体を備えた単位セルの横断面図で、それぞれの
単位セルが初装荷炉心の中央領域に周期的に複数装荷さ
れる。

【００３２】図１１で、正方形状の単位セルを構成する
４体の燃料集合体のうち、３体は図８に示した本発明の
燃料集合体１３であり、残りの１体は、Ｇｄ燃料棒を含
まず燃料集合体１３よりも平均濃縮度が低い燃料集合体
１１である。本構成によれば、平均濃縮度の低い燃料集
合体１１から平均濃縮度の高い燃料集合体１３に中性子
が流入しても、燃料集合体１３の反制御棒側領域にＧｄ
燃料棒２を集中的に配置したことにより、この領域内の
出力を効果的に抑制できる。従って、初装荷炉心の平均
濃縮度を高くしても、熱的余裕を十分に確保できる。

【００３３】図１２は、図１１において、平均濃縮度が
低い燃料集合体１１と対角の位置関係にある燃料集合体
１３を、平均濃縮度が燃料集合体１３よりも高い燃料集
合体１２に置き換えた例である。燃料集合体１２は、燃
料集合体１３のように反制御棒側領域にＧｄ燃料棒２を
集中的に配置してはおらず、Ｇｄ燃料棒２の配置は均等
配置に近い。

【００３４】平均濃縮度の低い燃料集合体１１からの中
性子の流入量は、単位セルの辺方向に隣接する燃料集合
体１３の方が、単位セルの対角線方向に隣接する燃料集
合体１２よりも遥かに多い。従って、本構成でも、初装
荷炉心の平均濃縮度を高くしても、熱的余裕を十分に確
保できる。

【００３５】

【発明の効果】第１の発明によれば、燃料集合体の平均
濃縮度を高くしても、可燃性毒物の燃焼を十分遅らせる
ことができるので、余剰反応度を効果的に抑制すること
ができる。

【００３６】第２の発明によれば、初装荷炉心の平均濃
縮度を高くしても、熱的余裕を十分に確保することがで
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実施例の横断面
図。

【図２】第１実施例の概略縦断面図。

【図３】第１実施例の燃料棒中の濃縮度分布及びガドリ
ニア分布を示す図。

【図４】比較例の燃料集合体の横断面図。

【図５】第１実施例及び比較例の無限増倍率の燃焼度変
化を求めた解析例を示す図。

【図６】本発明による燃料集合体の第２実施例の横断面
図。

【図７】本発明による燃料集合体の第３実施例の横断面
図。

【図８】本発明による燃料集合体の第４実施例の横断面
図。

【図９】本発明による燃料集合体の第５実施例の横断面
図。

【図１０】本発明による燃料集合体の第６実施例の横断
面図。

【図１１】本発明の燃料集合体の初装荷炉心への第１の
装荷方法を示す図。

【図１２】本発明の燃料集合体の初装荷炉心への第２の
装荷方法を示す図。

【図１３】可燃性毒物による反応度の抑制効果を示す
図。

【符号の説明】

１…燃料棒、２…Ｇｄ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、６…チャンネル
ボックス、７…チャンネルファスナ、８…ウォータロッ
ド、９…制御棒、１０…ウォータボックス、１１，１
２，１３…燃料集合体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 淳一 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 (72)発明者 神田 亜紀子 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】９行９列以上の正方格子状に配置された複
   数の燃料棒と、該燃料棒の上端及び下端をそれぞれ支持
   する上部タイプレート及び下部タイプレートと、チャン
   ネルボックスを前記上部タイプレートに固定するために
   １つのコーナー部に設置されるチャンネルファスナとを
   備えた燃料集合体において、 前記複数の燃料棒は、核燃料物質を含み可燃性毒物を含
   まない第１燃料棒と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む
   第２燃料棒とからなり、 燃料集合体内を１つの対角線でチャンネルファスナ側の
   第１領域と反チャンネルファスナ側の第２領域とに領域
   分けした場合、第２領域内の第２燃料棒の数が第１領域
   内の第２燃料棒の数よりも多く、 前記第２領域内の第２燃料棒は、他の対角線の頂点から
   ２層目のコーナー位置を起点として、前記１つの対角線
   に平行な１列置きの列に配置されていることを特徴とす
   る燃料集合体。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第２領域内の第２
   燃料棒は最外周以外に配置されていることを特徴とする
   燃料集合体。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記複数の燃料
   棒は、燃料有効長が他の燃料棒よりも短い短尺燃料棒を
   含むことを特徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】請求項３において、前記第２燃料棒が前記
   短尺燃料棒を含むことを特徴とする燃料集合体。
5. 【請求項５】請求項１乃至４の何れかにおいて、前記燃
   料棒は９行９列の正方格子状に配置され、前記燃料集合
   体の中央部の７本の燃料棒が配置可能な領域に２本の太
   径ウォータロッドが配置されていることを特徴とする燃
   料集合体。
6. 【請求項６】請求項１乃至４の何れかにおいて、前記燃
   料棒は９行９列の正方格子状に配置され、前記燃料集合
   体の中央部の９本の燃料棒が配置可能な領域に１本のウ
   ォータボックスが配置されていることを特徴とする燃料
   集合体。
7. 【請求項７】請求項１乃至４の何れかにおいて、前記燃
   料棒は１０行１０列の正方格子状に配置されていること
   を特徴とする燃料集合体。
8. 【請求項８】請求項１乃至７の何れかにおいて、燃焼前
   の段階で、前記核燃料物質がウラン燃料からなることを
   特徴とする燃料集合体。
9. 【請求項９】請求項１乃至７の何れかにおいて、燃焼前
   の段階で、前記核燃料物質がウランとプルトニウムの混
   合酸化物燃料を含むことを特徴とする燃料集合体。
10. 【請求項１０】平均濃縮度が最低の第１燃料集合体と、
    該第１燃料集合体よりも平均濃縮度が高い第２燃料集合
    体とを装荷した初装荷炉心において、 前記第１燃料集合体１体と前記第２燃料集合体３体とで
    正方形状の単位セルを構成し、複数の前記単位セルを初
    装荷炉心の中央領域に配置し、 単位セルの辺方向で前記第１燃料集合体に隣接する前記
    第２燃料集合体が、請求項１乃至９の何れかの燃料集合
    体であることを特徴とする初装荷炉心。