JPS581396B2 - 沸騰水型原子炉用核燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、炉心軸方向の出力分布の平坦化を図った沸騰
水型原子炉用核燃料集合体に関する。

沸騰水型原子炉の炉心は、第１図の断面配置図に示すよ
うに、原子炉圧力容器内には核燃料集合体１（以下バン
ドル１と云う）が格子状に配置され、バンドル１の四本
毎に制御棒２の一本が配置されて炉心を構成する。

バンドル１は円筒状ペレットに形成された二酸化ウラン
（以下ＵＯ２と略す）とヘリウムガスを封入したジルカ
ロイ被覆管１ａを断面矩形の燃料チャンネル１ｂ内に縦
横規則正しく配列して構成される。

制御棒２は四本のバンドル１間の隙間内に配置される断
面十字形になり、センタポスト２ｃの周りに溶接された
シース２ｂ内に、ボロンカーバイト粉末を充填したボイ
ズンロツド２ａを配列して構成される（第２図）。

そしてこれらバンドル１、制御棒２の周囲は水で満たさ
れている。

上記原子炉の臨界調整、出力分布調整および燃焼による
反応度変化の補償は、燃料が新しいうちは２３５Ｕが燃
焼していないので、バンドル中の燃料棒５の一部分に混
入された可燃性中性子吸収材か、または制御棒２の炉心
への挿入、引抜きによる中性子吸収率変化によって行わ
れている。

一方、上記原子炉では、炉心内に蒸気泡（以下ボイド分
布と称する）が発生するため、中性子減速材および中性
子吸収材として作用する冷却水の密度に粗密が生ずる。

従って、第３図のように、もし核燃料が一様な反応度イ
をもつものであれば、単位時間当りの発熱量の分布（以
下出力分布と称する）は、ボイド分布口の少ないところ
程高い分布ハとなる。

他方、核燃料棒は、その破損防止上一定の温度以下で使
用されねばならず、その結果、炉心の発熱量即ち出力は
、出力分布のピーク値によって制限される。

しかも経済的見地から、取出し炉心出力は可及的に大き
いことが望ましいので、出力分布のピーク値の低下即ち
出力分布の平坦化が望まれる。

従来、出力分布のピーク値を低くするためには、出力の
高い領域に制御棒を挿入して出力分布の歪みを調整する
か、予め燃料製造時に、ボイドの少い領域の燃料に高濃
度の可燃性中性子吸収材を混入して燃料の反応度を低下
するなどの方法があった。

しかし、制御棒による出力分布の調整法は、制御棒操作
が複雑になること、制御棒が燃料から発生する中性子を
吸収するので臨界を維持して燃焼するための反応度を損
失すること、制御棒操作時の出力分布の変化が急激で大
きいために燃料棒に熱的衝撃を与えて破損の恐れがある
ことなど好ましくない傾向がある。

もう一つの燃料棒の一部に高濃度可燃性中性子吸収材を
混入する方法は、例えば第４図に示すように、混入しな
い燃料二、混入量の少い燃利ホをボイド量の多い領域に
置き、前記の混入量の多い燃料へをボイド量の少い領域
に配する。

これで前述の如き欠点を改善できるが、反面、第４図二
、ホ、へに示すように、反応度の燃焼依存性が可燃性中
性子吸収材の有無や量によって異るために、燃焼の進行
とともに軸方向出力分布が変化する。

従ってこの方法にも制御棒による調整を併用する必要が
生ずることがある。

しかして制御棒挿入や炉心からの中性子の漏洩による中
性子分布の歪は、燃焼度分布に不均一性を生ずるおそれ
があり、可燃性中性子吸収材は炉心寿命末期にも残存し
、反応度の損失を生ずる恐れがある。

さらに、出力分布平坦化のために燃料棒の一部分に種々
の濃度の可燃性中性子吸収材を調整して混入することは
、燃料棒の設計、製造、検査の複雑さを増加する欠点も
あった。

一方においてバンドル内部では、核燃料の体積に対して
中性子減速材としての冷却水の体積の割合が小さくなる
ため、核燃料から発生した高中性子が次の核分裂を引き
起すに充分なほど減速されず、核分裂量が減少する傾向
がある。

さらには、バンドル上部はボイドの発生によってこの傾
向はさらに強くなる。

そしてこのような中性子減速材の減少による出力分布の
バンドル内部での低下を補うために、従来から行われる
方法として、バンドル内部に１〜２本の冷却水管を、例
えば第２図Ｗに示すように配置する。

しかし１〜２本の冷却水管では必ずしも中性子減速に充
分でなく、バンドル内部の燃料棒の２３５Ｕ濃縮度を高
くする必要が残っている。

しかし２３５Ｕ濃縮度を高くするのは、燃料製造上限度
があることや、原子炉負荷遮断等による過渡圧力変化時
のボイド分布の増減と共に反応度変化量を大きくし、炉
心の安定性向上上好ましくないなどの不具合がある。

以上の背景から本発明は、炉心軸方向（上下方向）の出
力分布の平坦化を向上し、燃料棒の健全性を保持して出
力密度のト昇を可能にし、また燃焼に伴う軸方向出力分
布の変化に自己制御性を備えることを容易にすると共に
、バンドル内の燃料棒の除熱効果を向上したバンドルを
提供しようとするものである。

即ち、バンドル内部燃料のうち特定の数本のものの下部
に、下端から冷却水を導入して上端からバンドル内に排
出するようにした長さが等しいかあるいは異なるように
設定した冷却管を付設することによって、バンドル平均
反応度の軸方向分布をボイド軸方向分布に対応して変化
させ、軸方向およびバンドル内出力分布を平坦化するこ
とによって、上記の目的が達成される。

以下図について本発明の実施例を詳しく説明する。

第５図はバンドル縦断面を示す。

燃料棒５は外ケース６内に整列配置され、スペーサ７で
固定されている。

外ケース６と燃料棒５の空隙部９は、下部より上部に流
れる中性子減速材を兼ねた冷却水の流路となる。

第６図ａ，ｂ，ｃ，ｄは第５図１−１’，２−２’，３
−３’，４−４’線に沿う横断面で、冷却水管の配置例
を示す（符号１５で示す）。

また第７図は冷却水管付核燃料棒８を例示する。

ペレット状核燃料要素１０は燃料棒を形成する被覆管１
１内の上部に充填され上端栓１３および仕切栓１４によ
り密封される。

被覆管１１の下部は冷却水管１５を構成し、下端開口部
から冷却水１１２を導入し、上端部に設けたーないし複
数個の開口部より外方へ放出されるよう構成する。

この冷却水管付核燃料棒８の核燃料部８′と冷却水管１
５の長さの割合いは、全て等しいとは限らない。

原子炉への装荷に先立って、この割合、核燃料の２３５
Ｕ濃縮度、冷却水管内に流入する冷却水量、冷却水管付
核燃料棒の本数およびバンドル内の配置位置などは、予
想される原子炉の運転状態に応じて決定される。

例えば、原子炉の運転状態で予想されるボイド分布に対
して出力分布を平坦化するように、冷却水管付核燃料棒
の冷却水管の長さおよび本数を決定する。

また各核燃料棒の２３５Ｕ濃縮度も、バンドル内の発熱
分布を平坦化するように考慮される。

また核燃料棒の上下端部および冷却水管付核燃料棒８の
冷却水管１５に隣接する部分の核燃料として、出力分布
の平坦化のため、２３５Ｕ濃縮度が他の部分と異るもの
を用いることもある。

原子炉の臨界性の調節のため可燃性中性子吸収材を燃料
に混入することもあるが、混入量を軸方向によって変化
することはない。

従って、反応度の燃焼依存性は軸方向位置によって変ら
ない。

ただ、軸方向の上端、下端では、中性子の漏洩によって
出力が低下するので、必ずしも上下端の反応度変化率を
他の部分と等しくすることはない。

冷却水管部へ流入する水量は、管内でボイドが発生しな
いよう流入口、流出口の口径を調整する。

以上のようにして、種々適切な長さの冷却水管１５を有
する冷却水管付核燃料棒８と従来の普通の核燃料棒５と
を内部に適切に配置したバンドルを原子炉内に装荷する
ことにより、例えば第８図に示すように、バンドル平均
軸方向反応度分布トは、ボイド分布チの発生により平坦
化され、従って出力分布りは平坦化し、出力密度の上昇
が可能である。

バンドル内部では、中性子減速材としての水の体積の核
燃料体積に対する比が、下部においては冷却水管１５に
より、上部においてはこの排出水によって大きくなり、
中性子減速能力が従来より改善され、バンドル内核燃料
棒出力の分布の平坦化が容易になる。

燃料の燃焼による反応度変化率は、軸方向で可燃性中性
子吸収材の量が異ならないので、燃焼とともに軸方向位
置によって変化することがない。

従って燃焼とともに軸方向出力分布が変化せず、平坦化
した軸方向出力分布が維持される。

例えは、第９図トａ，トｂ，トＣ・・・のような反応度
の燃焼依存性を持つ可燃性中性子吸収材が混入されない
核・燃料を用いた場合には、明らかに軸方向出力分布は
燃焼が進んでも変化せず、自己制御性があることが分る
。

また前述のように、臨界性維持のために可燃性中性子吸
収材を燃料に混入しても、軸方向位置で濃度を変える必
要はないから、第１０図トａ，トｂ，トＣ・・・または
第１１図トａ，トｂ，トＣ・・・のような反応度の燃焼
度依存性をもつ。

従って軸方向出力分布は燃焼が進行しても初期の平坦な
出力分布を維持する。

第１０図は、可燃性中性子吸収材を混入する場合に、軸
方向出力分布の自己制御性を保有させる例を示すもので
ある。

以上説明した通り、本発明は、バンドル内に冷却水管付
燃料棒８を、軸方向出力分布およびバンドル内出力分布
が平坦化されるように設け、バンドル平均軸方向反応度
の燃料燃焼に対する変化率が軸方向位置によって変化し
ないようにしたもので、平坦化された出力分布を燃焼進
行中維持できる。

可燃性中性子吸収材を混入しない場合は、軸方向分布の
燃焼に伴う変化に自己制御性がある。

可燃性中性子吸収材を混入しても、混入された燃料の反
応度の燃焼依存性が単調減少にすれば、上記自己制御性
を保有させることができる。

従って、燃料の健全性を損わずに炉心の出力密度を上昇
できる。

また冷却水管上部からバンドル内に排出された冷却水は
上部燃料棒の除熱に役立つ。

下部では冷却水管内の水が、上部では冷却水管からバン
ドル内に排出されて上昇する水が中性子減速材として効
果があるため、バンドル内部核燃料棒として使用する高
濃縮度燃料の２３５Ｕ濃縮度を従来より低下できる。

またこの結果、減速材体積と核燃料体積の比が改善され
、微小なボイド率変化による炉心の反応度変化量を小さ
くすることができ、炉心の安定性を向上できる。

沸騰水型原子炉用核燃料集合体として特徴あるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の原子炉炉心の一部の断面図、第２図は第
１図Ａ部の拡大断面図、第３図は核燃料の炉心軸方向反
応度分布とボイド率の軸方向分布と軸方向出力分布の関
係を示す図表、第４図は従来の核燃料の軸方向による反
応度の燃焼度依存性の相異を示す図表、第５図はバンド
ルの縦断面図、第６図は本発明に用いる冷却水管付燃料
棒のバンドル内配置の一例を示し、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそ
れぞれ第５図の１−１’，２−２’，３−３’，４−４
’線に沿う拡大した横断面図、第７図は冷却水管付核燃
料棒の構成を示す斜視図、第８図は本発明によるバンド
ルの平均軸方向反応度分布とバンドル平均軸方向ホイド
分布とバンドル平均軸方向出力分布の関係を示す図表、
第９〜１１図はバンドルの反応度対燃焼度の関係を示し
、第９図は可燃性中性子吸収を混入しない場合第１０図
は混入した場合を示し、第１１図は同じく可燃性中性子
吸収材を混入し反応度が増加する場合の実施例をそれぞ
れ示す図表である。 １・・・・・・核燃料集合体（バンドル）、２・・・・
・・制御棒、５・・・・・・核燃料棒、６・・・・・・
外ケース、７・・・・・・スペーサ、８・・・・・・冷
却水管付核燃料棒、９・・・・・・空隙部、１０・・・
・・・核燃料要素、１１・・・・・・被覆管、１２・・
・・・・冷却水、１３・・・・・・上端栓、１４・・・
・・・仕切栓、１５・・・・・・冷却水管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多数の核燃料棒と、下部に冷却水の導入管を設けた
   いくばくかの冷却水管付核燃料棒とを整列してケース内
   に収容し、各核燃料棒間および上記冷却水導入管に中性
   子減速材としての冷却水を下から上へ流すようにすると
   共に、冷却水管付核燃料棒の配置および本数並びに核燃
   料部分と冷却水導入管部分との長さの比率を調整設定す
   ることにより、原子炉出力運転時の炉心軸方向の出力分
   布を平坦化させるようにしたことを特徴とする沸騰水型
   原子炉用核燃料集合体。 ２ 冷却水管付核燃料棒は、被覆管の上部にのみ核燃料
   ペレットを充填密封し、下部を空胴として、その空胴部
   の上下端にそれぞれ１ないし複数個の導出口および導入
   口を形成して冷却水の導入管を構成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の沸騰水型原子炉用核燃料
   集合体。