JPS58179391A - Fuel flux having enrichment devided axially - Google Patents

Fuel flux having enrichment devided axially

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JPS58179391A
JPS58179391A JP58046077A JP4607783A JPS58179391A JP S58179391 A JPS58179391 A JP S58179391A JP 58046077 A JP58046077 A JP 58046077A JP 4607783 A JP4607783 A JP 4607783A JP S58179391 A JPS58179391 A JP S58179391A
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enrichment
axial
fuel
fuel assembly
rods
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JP58046077A
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ロバ−ト・エドワ−ド・ブラウン
ウイリアム・ア−サ−・ゴルブ
ステイ−ブン・ロバ−ト・スペツカ−
ロジヤ−・デ−ル・ウイリアムス
ケネス・ア−ル・ガ−ドナ−
ムニ−ル・ハメル
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General Electric Co
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は原子炉に関するもので、更に詳しく言えば、沸
騰水形原子炉用の燃料束の構成に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention This invention relates to nuclear reactors and, more particularly, to fuel bundle configurations for boiling water nuclear reactors.

発明の背景 原子炉においては、核分裂性物質(たとえばウランJ3
j)の原子が核内に中性子を吸収して原子核崩壊を起こ
し、その結果として大きい運動エネルギーを持った平均
2個の低原子量の核分裂破片およびやはり高エネルギー
の数個の中性子が生成する。
BACKGROUND OF THE INVENTION In a nuclear reactor, fissile material (e.g. uranium J3
The atom j) absorbs neutrons into its nucleus and undergoes nuclear decay, resulting in the production of an average of two low atomic mass fission fragments with high kinetic energy and several neutrons, also of high energy.

典型的な沸騰水形原子炉(BWR)の場合、核燃料は燃
料棒の形態を有していて、その各々は細長い被覆管の内
部に収容された複数の焼結ペレットから成っている。 
7群のかかる燃料棒を上部および下部タイプレートの間
に支持することにより、独立に交換可能な燃料集合体ま
たは燃料束が形成される。 十分々数のかかる燃料集合
体を全体として直円柱に近似するようマトリックス状に
配列することにより、持続核分裂反応の可能な炉心が形
成される。 核分裂生成物の運動エネルギーは、燃料棒
内に熱として放散される。 また、核分裂過程から生じ
る中性子、ガンマ線およびその他の放射線によっても燃
料構造物および減速材中にエネルギーが放出される。 
炉心は冷却材(たとえば水)の中に沈められていて、そ
れにより除去された熱を取出せば有用な仕事に役立てる
ことができる。 冷却材が水である場合、それは中性子
を減速させて核分裂反応を起こし易くするだめの中性子
減速材としても役立つ。
In a typical boiling water reactor (BWR), the nuclear fuel is in the form of fuel rods, each consisting of a plurality of sintered pellets contained within an elongated cladding tube.
Seven groups of such fuel rods are supported between upper and lower tie plates to form an independently replaceable fuel assembly or bundle. By arranging a sufficient number of such fuel assemblies in a matrix so that the whole approximates a right circular cylinder, a reactor core capable of a sustained nuclear fission reaction is formed. The kinetic energy of the fission products is dissipated as heat within the fuel rods. Neutrons, gamma rays and other radiation resulting from nuclear fission processes also release energy into the fuel structure and moderator.
The core is submerged in a coolant (such as water), and the heat removed can be extracted and used to perform useful work. When the coolant is water, it also serves as a neutron moderator, slowing down neutrons and making them more susceptible to nuclear fission reactions.

水を冷却材兼減速材とする動力用原子炉において一般に
使用される燃料は二酸化ウランから成っているが、これ
は約07〜約よθチの核分裂性ウラン、23夕と燃料親
物質であるウラン23ととの混合物を含んでいる。 原
子炉の運転中には、燃料親物質であるウラン23e!?
の一部が核分裂性のプルトニウム、239およびプルト
ニウム62り/に転換される。 ウラン623ともまた
核分裂性を示すが、高エネルギーの中性子によってしか
核分裂を起こさない。 なお、生成される核分裂性物質
(たとえばプルトニウム、239およびプルトニウム2
グ/)と破壊される核分裂性物質(たとえばウラン23
夕、プルトニウム239およびプルトニウム2グ/)と
の比は「転換比」として定義される。
The fuel commonly used in power reactors that use water as a coolant and moderator consists of uranium dioxide, which is fissile uranium of about 0.7 to about 0.23 degrees and is the parent material of the fuel. Contains a mixture of uranium-23 and During operation of a nuclear reactor, uranium-23e, a parent fuel substance, is ?
A portion of this is converted to fissile plutonium, 239 and plutonium-62. Uranium-623 is also fissile, but it can only be fissioned by high-energy neutrons. Note that the fissile materials produced (e.g. plutonium, 239 and plutonium 2)
/) and fissile materials that are destroyed (e.g. uranium-23
The ratio between plutonium-239 and plutonium-2g/) is defined as the "conversion ratio".

定常的な出力レベルで原子炉を運転する場合、核分裂を
誘導する中性子の数は一定に保たれなければならない。
When operating a nuclear reactor at a steady power level, the number of neutrons that induce fission must remain constant.

 すなわち、各回の核分裂反応は正味7個の中性子を生
成すべきであって、その中性子が次の核分裂反応を引起
こすことによって運転が持続されることになる。 原子
炉の運転状態は実効増倍率keffによって示されるが
、定常的な運転のためにはその値が/でなければならな
い。
That is, each nuclear fission reaction should generate a net of seven neutrons, and the neutrons cause the next nuclear fission reaction, thereby sustaining operation. The operating state of the nuclear reactor is indicated by the effective multiplication factor keff, and for steady operation the value must be /.

なお、実効増倍率kcffは原子炉を全体として考察し
た場合の中性子再生率であって、局部または無限増倍率
kinfとは区別する必要がある点に留意すべきである
。 無限増倍率kinrとは、問題となる炉心の局部領
域と同じ組成および特性を全域にわたって有する無限に
大きい系の中性子再生率を規定するものである。
It should be noted that the effective multiplication factor kcff is the neutron regeneration rate when considering the nuclear reactor as a whole, and needs to be distinguished from the local or infinite multiplication factor kink. The infinite multiplication factor kinr defines the neutron regeneration rate of an infinitely large system that has the same composition and properties throughout the local region of the core in question.

運転に際し、核分裂性の燃料は減損し、かつまだ核分裂
生成物の中にはそれ自体が中性子吸収材すなわち「毒物
質」を成すものがあることも事実である。 それに対す
る対策として、原子炉には初期に過剰量の核燃料を装荷
するのが通例で、その結果として初期余剰反応度が生じ
る。 このような初期余剰反応度が存在することにより
、原子炉の運転時における実効増倍率を/に維持すると
同時に、原子炉の停止が要求される場合には実効増倍率
を7未満に低下させるだめの制御系が必要となる。 か
かる制御系においては、中性子の非核分裂性吸収または
捕獲によって中性子の数を制御するのに役立つ中性子吸
収材を使用するのが通例である。 核分裂性の燃料自体
もある意味では中性子吸収材であるが、本明細書中にお
ける「−中性子吸収」という用語は核分裂性の吸収を除
外した意味で使用される。
It is also true that during operation, fissile fuel is depleted, and some fission products may themselves constitute neutron absorbers or "poisons." To counter this, it is customary to initially load a nuclear reactor with an excess amount of nuclear fuel, resulting in an initial surplus of reactivity. The existence of such initial excess reactivity allows the effective multiplication factor to be maintained at / during reactor operation, while at the same time preventing the effective multiplication factor from decreasing below 7 when the reactor is required to shut down. A control system is required. In such control systems, it is customary to use neutron absorbing materials that help control the number of neutrons by non-fissile absorption or capture of neutrons. Although fissile fuel itself is also a neutron absorbing material in a sense, the term "-neutron absorption" in this specification is used to exclude fissile absorption.

中性子吸収材の少なくとも一部は選択的に操作可能な複
数の制御棒中に組込″!、、+1でいて、出力レベルや
分布の調整および運転の停止のために必要な際にはその
制御棒が炉心の底部から軸方向に沿って挿入される。 
必要な機械的制御を低減させるため、一部の燃料棒中に
可燃性の吸収材を導入することもできる。 可燃性の吸
収材とは、中性子吸収によって中性子吸収能の小さい物
質に転換される中性子吸収材である。 公知の可燃性吸
収材としては、通例カドリニアの形態を有するガドリニ
ウムが誉けられる。 それの奇核同位体(カドリニウム
/jjおよびガドリニウム/j7)は熱中性子に対して
非常に大きい捕獲断面積を鳴する。
At least a portion of the neutron absorbing material is incorporated into multiple control rods that can be selectively operated. A rod is inserted from the bottom of the core along the axial direction.
Combustible absorbent material can also be introduced into some fuel rods to reduce the required mechanical controls. A flammable absorbing material is a neutron absorbing material that is converted into a substance with low neutron absorption capacity by neutron absorption. A known combustible absorbent is gadolinium, usually in the form of cadlinium. Its odd-nuclear isotopes (cadrinium/jj and gadolinium/j7) exhibit very large capture cross sections for thermal neutrons.

しかしながら、設計時に使用し得るこれらの可燃性吸収
材は、中性子吸収断面積の小さな同位体吸収材による残
留中性子吸収のだめに燃料交換サイクルの末期において
も中性子吸収反応度が残存する点で望ましくない。 た
とえばガドリニウムを可燃性吸収材とj−で使用した場
合、断面積の大きい同位体(ガドリニウム/3オおよび
カドリニウム/j2)は急速に減損するが、偶核同位体
(ガドリニウム15グ、ガドリニウム15乙およびガド
リニウムBl”)による中性子捕獲が継続するために残
留中性子吸収が存続するのである。
However, these combustible absorbers that can be used during design are undesirable in that neutron absorption reactivity remains even at the end of the refueling cycle due to residual neutron absorption by isotope absorbers with small neutron absorption cross sections. For example, when gadolinium is used in combination with combustible absorbers, isotopes with large cross sections (gadolinium/3O and gadolinium/J2) are rapidly depleted, whereas even-nuclear isotopes (gadolinium 15g, gadolinium 15o) are depleted rapidly. Residual neutron absorption persists because neutron capture by Gadolinium and Gadolinium Bl'' continues.

公知の通り、ガドリニウムのごとき可燃性吸収材は十分
な濃度で燃料棒中に混入されると自己遮蔽的に働く。 
すなわち、中性子束に暴露された場合、中性子吸収は本
質的に吸収材含有撚料棒の外面で起こるのである。 そ
の結果、吸収材の体積は半径方向に沿って収縮するが、
その速度は吸収材の濃度に依存する。 このような場合
、吸収材含有撚料棒の数およびその中の吸収材濃度を適
尚に選択すれば、7回以上の原子炉運転サイクルにわた
って吸収価値を所望通りに変化させることが可能となる
As is known, combustible absorbent materials such as gadolinium act as self-shielding agents when incorporated into fuel rods in sufficient concentrations.
That is, when exposed to a neutron flux, neutron absorption occurs essentially at the outer surface of the absorber-containing twisted rod. As a result, the volume of the absorbent material contracts along the radial direction;
Its speed depends on the concentration of absorbent. In such cases, by choosing the number of absorbent-containing twist rods and the absorbent concentration therein appropriately, it is possible to vary the absorption value as desired over seven or more reactor operating cycles. .

運転時には、蒸気ボイドの割合は原子炉の上部に向かっ
て増大するから、上部領域における減速の程度は低下し
、そのため出力分布は炉心の下部領域に向かって増加す
るようにゆがむ。 これを゛補償するため、可燃性吸収
材を軸方向に沿って不均等に分布させる方法が公知であ
る。 すなわち、温態運転時に最大の反応度を示す軸方
向領域に向かって増加するような分布を持った可燃性吸
収材が一部の燃料棒中に導入されるのである。典型的な
構成の食倒は米国特許第3799と39号明細書中に記
載されている。
During operation, since the proportion of steam voids increases towards the top of the reactor, the degree of deceleration in the upper region decreases and the power distribution is therefore skewed towards the lower region of the core. To compensate for this, methods are known in which the combustible absorbent material is distributed unevenly along the axial direction. That is, combustible absorbent material is introduced into some of the fuel rods with a distribution that increases toward the axial region where it exhibits maximum reactivity during hot operation. Typical configurations of the diet are described in US Pat. Nos. 3,799 and 39.

まだ、米国特許第グ、!ググ2ざグ号明細書中には別の
方法が記載されている。 この場合には、炉心の上部領
域におけるウラン23.3−濃縮度またはプルトニウム
富化度の増大によって軸方向の出力ビーキングがある程
度まで補償される。
Still no U.S. patent! Another method is described in the Gugu 2 Zagu specification. In this case, the axial power peaking is compensated to a certain extent by increasing the uranium-23.3 enrichment or plutonium enrichment in the upper region of the core.

ところで、冷態停止時には事情が全く異なる。By the way, the situation is completely different during cold shutdown.

詳しく述べれは、冷態においては照射を受けたBWR炉
心の上部が下部よりも高い反応度を示す。
Specifically, in the cold state, the upper part of the irradiated BWR core exhibits a higher reactivity than the lower part.

なぜなら、運転時には上部の方がプルトニウムの生成が
多くかつウラン23jの破壊が少ないからである。  
(すなわち、炉心の上部は転換比が大きくかつ燃焼度が
低いのである)。 寸だ、冷態停止時には炉心の上部に
おける蒸気ボイドが排除されるため、炉心の上部の方が
下部よりも高い反応度を示すことになる。 典型的な認
可基準によれば、いずれか7本の制御棒が炉心から引抜
かれたままになっても03と係の停止余裕(099乙2
未満のkcff)が存在することが要求される。 なお
、予測の不確実性を考慮に入れるため、制御棒および可
燃性吸収材によって付与されるべき予測停止余裕の設計
基準としては/%(099未満のkeff)を使用する
のが通例である。
This is because during operation, more plutonium is produced in the upper part and less uranium-23j is destroyed.
(That is, the upper part of the core has a high conversion ratio and low burnup). In fact, during cold shutdown, the steam voids in the upper part of the core are eliminated, so the upper part of the core exhibits a higher degree of reactivity than the lower part. According to typical approval standards, even if any seven control rods are pulled out of the reactor core, the shutdown margin for 03 and the staff (099 Otsu 2)
kcff) is required to exist. Note that in order to take prediction uncertainty into account, it is customary to use /% (keff less than 099) as the design standard for the predicted shutdown margin to be provided by control rods and combustible absorbers.

軸方向出力分布の調整は炉心の下部における可燃性吸収
材の増量または濃縮度の低下によって達成することがで
きるが、最大出力時の軸方向出力分布にとって最適の吸
収材および燃料分布が十分な冷態停止余裕を維持するの
に役立つわけではない。 冷態停止時の制約条件を満足
するためには過剰の残留中性子吸収材を用いて設計を行
うことが通例必要であるが、これは初期濃縮度およびウ
ラン鉱に関する要求条件に対して不利益をもたらすと同
時に、原子炉の燃料サイクルコストを増加させることに
なる。
Adjustment of the axial power distribution can be achieved by increasing the amount of combustible absorber or reducing its enrichment in the lower part of the core, but the optimal absorber and fuel distribution for the axial power distribution at maximum power is It does not help maintain downtime margin. It is usually necessary to design with an excess of residual neutron absorber to meet cold shutdown constraints, but this has disadvantages for initial enrichment and uranium ore requirements. At the same time, it increases the fuel cycle cost of the nuclear reactor.

もう7つの問題点は、ガドリニアが燃料棒の熱伝導率を
低下させかつ核分裂によるガス放出を増加させることで
ある。 その結果、ガドリニア含有燃料棒はしばしば燃
料集合体中で最も制限的な燃料棒となる。 そのため、
ガドリニア含有燃料棒の定格出力は低く設定することが
必要であり、それに応じて局部的な出力分布は悪い影響
を受ける。 定格出力を低下させるべき程度はガドリニ
ア濃度に依存するとは言え、十分な冷態停止余裕を得る
ために高いガドリニア濃度が要求される長期燃焼用燃料
束の設計および(まだは)高エネルギーサイクルの設計
においてはそれが重大な問題となる。
Another problem is that gadolinia reduces the thermal conductivity of the fuel rods and increases fission gas release. As a result, gadolinia-containing fuel rods are often the most restrictive fuel rods in a fuel assembly. Therefore,
It is necessary to set the rated power of the gadolinia-containing fuel rod low, and the local power distribution will be adversely affected accordingly. Although the extent to which the rated output should be reduced depends on the gadolinia concentration, the design of long-term combustion fuel bundles and (yet) high-energy cycle designs where high gadolinia concentrations are required to provide sufficient cold shutdown margin. This becomes a serious problem.

このように、湿態運転時および冷態停止時に要求される
条件は原子炉の炉心の設計に対して互いに競合する制約
を加え、そのために最適炉心構成の達成が妨げられる傾
向があった。
Thus, the conditions required during wet operation and cold shutdown impose competing constraints on the design of a nuclear reactor core, which tend to prevent the achievement of an optimal core configuration.

発見の概要 本発明は、運転効率の低下を最少限に抑えなから冷態停
止余裕の達成を可能にするような原子炉用燃料集合体の
構成に関するものである。 本発明の実施に当っては、
特殊な燃料ペレットなどはほとんどあるいは全く必要と
されない。
SUMMARY OF THE DISCOVERY The present invention is directed to the construction of fuel assemblies for nuclear reactors that enable the achievement of cold shutdown margins with minimal reduction in operating efficiency. In implementing the present invention,
Little or no special fuel pellets or the like are required.

一般的に言えば、本発明に基づく燃料集合体はそれの実
質的な軸方向範囲にわたって分布した核分裂性物質成分
を含んでいて、かかる核分裂性物質成分は冷態停止時に
最大の反応度を示す軸方向領域の少なくとも一部分に該
当する上部の軸方向区域(すなわち「低濃縮度区域」)
において相対的に低下した濃縮度を有する。
Generally speaking, a fuel assembly according to the present invention includes a fissile material component distributed over a substantial axial extent thereof, such fissile material component exhibiting maximum reactivity during cold shutdown. an upper axial zone (i.e. "low enrichment zone") which corresponds to at least a portion of the axial zone;
has a relatively reduced concentration.

このよう々燃料集合体は、通例、低濃縮度区域において
低下した濃縮度を有する第1群の燃料棒および軸方向寸
法に沿って一様な濃縮度を有する第Ω群の燃料棒から成
る。 軸方向に沿って一様でない濃縮度を有するべき燃
料棒の数をできるだけ少なくするため、第1群の燃料棒
は燃料集合体中に使用される最高濃縮度の燃料棒を含む
ことが好ましい。 また、低濃縮度区域における濃縮度
は一様な燃料棒のいずれかが示す濃縮度に一致すること
が好ましい。 そうすれば、第1群中の燃料棒は標準の
濃縮度を有する燃料ペレットから製造することができる
Such fuel assemblies typically consist of a first group of fuel rods having a reduced enrichment in a low enrichment zone and a Ωth group of fuel rods having a uniform enrichment along the axial dimension. In order to minimize the number of fuel rods that should have non-uniform enrichment along the axial direction, the first group of fuel rods preferably includes the highest enrichment fuel rods used in the fuel assembly. Further, it is preferable that the enrichment in the low enrichment zone corresponds to the enrichment exhibited by any of the uniform fuel rods. The fuel rods in the first group can then be manufactured from fuel pellets with standard enrichment.

上記のような低濃縮度区域の存在によって軸方向出力ピ
ークは燃料集合体の下部に向かってやや高くなるが、こ
れは対応する下部区域において可燃性吸収材を増量する
ことによって補償できる。
The presence of such low enrichment zones causes the axial power peak to be slightly higher toward the bottom of the fuel assembly, but this can be compensated for by increasing the amount of combustible absorbent material in the corresponding lower zone.

その結果、高い濃縮度および低いガドリニウム含量を有
する中間区域は炉心内で最大の反応度を有する部分を成
すことになる。
As a result, the intermediate zone with high enrichment and low gadolinium content constitutes the part of the reactor core with the greatest reactivity.

上記のよう々低濃縮度区域は、湿態の余剰反応度に極め
て僅かな影響しか及ぼすことなしに冷態停止時の反応度
を低下させる効果を有することが認められる。 その結
果、燃料が一層効率的に使用されるから、燃料集合体中
に同じ量のウラン、233を装荷した場合でもより大き
いサイクルエネルギーを得ることができる。 本発明に
よって可能となる大きい制御幅はサイクルエネルギーの
顕著な計画外変動に対しても余裕をもたらすから、元来
の計画サイクルエネルギーから逸脱した原子炉運転に対
しても融通性が得られることになる。
It is recognized that the low enrichment zone as described above has the effect of reducing the reactivity during cold shutdown without having a very slight effect on the excess reactivity in the wet state. As a result, more cycle energy can be obtained with the same amount of uranium, 233, in the fuel assembly because the fuel is used more efficiently. The large control width made possible by the present invention provides margin for significant unplanned fluctuations in cycle energy, so flexibility can be obtained even for reactor operations that deviate from the originally planned cycle energy. Become.

本発明の特質および利点が一層明確に理解されるように
するだめ、以下において添付の図面を参照しながら更に
詳細な説明を行うこととする。
In order that the nature and advantages of the invention may be more clearly understood, a more detailed description will be given below with reference to the accompanying drawings.

好適な実施態様の説明 第1図は、水を冷却材兼減速材とする沸騰水形原子炉1
0を略示する部分切欠き側面図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT FIG. 1 shows a boiling water reactor 1 using water as a coolant and moderator.
0 is a partially cutaway side view schematically illustrating FIG.

かかる原子炉は圧力容器11を含んでいて、その内部で
は炉心12が軽水のごとき減速冷却材中に沈められてい
る。 炉心12は環状の囲い板14によって包囲された
複数の燃料セル13から成っている。 各々の燃料セル
はグつの燃料集合体(または燃料たば)15および制御
棒16を含んでいる。 かかる燃料セルは上部炉心グリ
ッド18および下部炉心プレート19によって互いに離
隔した状態に保持され、かつそれぞれの底部は適当な支
持体20によって支持されている。 制御棒は、炉心の
反応度を制御するため燃料集合体の間に選択的に挿入す
ることができる。 各々の制御る。 第2図は、炉心1
2の内部における燃料セル13の配列状態を示す路上面
図である。 なお、典型的な炉心は30θ〜900程度
の燃料集合体を含むことを了解すべきである。
Such a nuclear reactor includes a pressure vessel 11 within which a reactor core 12 is submerged in a moderating coolant, such as light water. The core 12 consists of a plurality of fuel cells 13 surrounded by an annular shroud 14. Each fuel cell includes a fuel assembly (or fuel tube) 15 and a control rod 16. The fuel cells are held apart from each other by an upper core grid 18 and a lower core plate 19, each supported at the bottom by a suitable support 20. Control rods can be selectively inserted between fuel assemblies to control core reactivity. Each control. Figure 2 shows the core 1
FIG. 2 is a road view showing the arrangement of fuel cells 13 inside the vehicle. It should be understood that a typical reactor core includes fuel assemblies of the order of 30[theta] to 900.

圧力容器11の炉心12より下方の部分は冷却材供給室
22を形成する一方、炉心12より下方の部分は蒸気分
離乾燥装置25を含んでいる。
A portion of the pressure vessel 11 below the core 12 forms a coolant supply chamber 22 , while a portion below the core 12 includes a steam separation and drying device 25 .

運転に際しては、冷却材再循環ポンプ27が冷却材供給
室22内の冷却材を加圧することにより、冷却材は炉心
12内を通って上方へ送られる。かかる冷却材は炉心内
で起こる核分裂反応によって発生した熱を吸収し、その
結果として冷却材の一部は蒸気に変わる。 この蒸気は
分離乾燥装置られる。 排出蒸気はタービンと直列の復
水器32によって凝縮され、こうして得られた復水は復
水返送ポンプ35により給水として冷却材再循環ポンプ
270入力側に戻される。
In operation, the coolant recirculation pump 27 pressurizes the coolant in the coolant supply chamber 22, thereby forcing the coolant upwardly through the reactor core 12. Such coolant absorbs the heat generated by the nuclear fission reactions occurring within the reactor core, with the result that some of the coolant is converted to steam. This vapor is separated and dried. The exhaust steam is condensed by a condenser 32 in series with the turbine, and the condensate thus obtained is returned to the input side of the coolant recirculation pump 270 as feed water by a condensate return pump 35.

次に第3図を見ると、7つの燃料セル13の構造が示さ
れている。 制御棒16は十字形の横断面を有していて
、それにより規定される制御羽根40の各々は互いに隣
接したλつの燃料集合体の間に配置される。 各々の燃
料集合体15は、上部タイプレート45および下部タイ
プレート46の間に保持されかつ矩形の断面を持った管
状のチャネルボックス48によって包囲された複数の細
長い燃料棒42から成っている。 かかる燃料集合体の
下部には開口52を持ったノーズ50が装備されていて
、その開口から入った冷却材がチャネルボックス48内
の燃料棒42に沿って上方へ流れる。 なお、ノーズ5
0は燃料集合体用支持体20内の対応するソケット(図
示せず)にはまり込むようになっている。
Turning now to FIG. 3, the structure of seven fuel cells 13 is shown. The control rod 16 has a cruciform cross-section, and each of the control vanes 40 defined thereby is disposed between λ adjacent fuel assemblies. Each fuel assembly 15 consists of a plurality of elongated fuel rods 42 held between an upper tie plate 45 and a lower tie plate 46 and surrounded by a tubular channel box 48 of rectangular cross section. The lower part of the fuel assembly is equipped with a nose 50 having an opening 52 through which coolant flows upwardly along the fuel rods 42 within the channel box 48. In addition, nose 5
0 is adapted to fit into a corresponding socket (not shown) in the fuel assembly support 20.

公知の通り、各々の燃料棒は円筒状の被覆管並びにその
中に収容された複数の濃縮酸化ウランおよび(また・は
)酸化プルトニウム焼結ペレットから構成され得る。 
濃縮度は7つの燃料集合体中でも燃料棒により異なるの
であって、通例、その範囲は約02〜りθ(重量)%か
つ平均値は約/!〜3.!(重量)%である(なお、天
然ウランではθ2(重量)%である)。 燃料棒の直径
は約Aインチかつ長さは約/、2〜/!フィートであり
得る。
As is known, each fuel rod may be comprised of a cylindrical cladding tube and a plurality of enriched uranium oxide and/or plutonium oxide sintered pellets contained therein.
The enrichment varies from fuel rod to fuel rod within the seven fuel assemblies, and typically ranges from about 02 to θ (weight)% with an average value of about /! ~3. ! (by weight)% (for natural uranium, it is θ2 (weight)%). The diameter of the fuel rod is approximately A inch and the length is approximately /, 2~/! It can be feet.

第gAおよび98図は、本発明に基づく2種の交換用燃
料集合体中における燃料棒の横方向(または水平方向)
分布を示す略図である。 以下に説明する通り、これら
一種の燃料集合体は主としてガドリニア含有燃料棒の数
の点で異なるのであって、典型的な炉心にはこれらの両
方が含まれるものとする。 燃料棒42はト×トのマト
リックスを成して配列されているが、中心部の2つの燃
料棒位置は冷却水チャネル55によって占められている
。 なお、各々の燃料棒は内側にコード番号を記入した
円として示されている。
Figures gA and 98 show the lateral (or horizontal) orientation of fuel rods in two types of replacement fuel assemblies according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the distribution. As explained below, these types of fuel assemblies differ primarily in the number of gadolinia-containing fuel rods, and a typical core will include both. The fuel rods 42 are arranged in a matrix of holes, with the two central fuel rod positions occupied by cooling water channels 55. Note that each fuel rod is shown as a circle with a code number written inside.

第96図は、かかると種の燃料棒の縦方向組成を示すも
のである。 各燃料棒は最上部の6インチの区域60に
天然ウランのブランケットを具備しているが、以後の説
明にわいてはかがるブランケットを無視することにする
。 第2〜との燃料棒は(ブランケットを別にすれば)
/認フィートの全長にわたり軸方向に沿って一様な濃縮
度を有するが、第1の燃料棒は軸方向に沿って区分され
た濃縮度を有する。 更に詳しく言えば、第1の燃料棒
では下方の9フイートの区域65に比べ上方の3フイー
トの区域62における濃縮度が低くなっている(「低濃
縮度区域」)。 第2およびとの燃料棒は可燃性吸収材
としてガドリニアを含有している。 その濃度は軸方向
に沿って区分されていて、上方の7フイートの区域68
に比べ下方のjフィートの区域67における濃度が高く
なっている(「高ガドリニア区域」)。 その結果、炉
心は3つの軸方向区域すなわち低濃縮度区域62、(区
域65と区域68との重複部分である)中間区域70お
よび高ガドリニア区域67から成ると見なすことができ
る。
FIG. 96 shows the longitudinal composition of such a fuel rod. Each fuel rod has a blanket of natural uranium in the top six inch area 60, but the warping blanket will be ignored for the remainder of the discussion. The fuel rods with the second ~ (aside from the blanket)
The first fuel rod has a segmented enrichment along the axial direction, while the first fuel rod has a uniform enrichment along the axial direction over the entire length of the first fuel rod. More specifically, the first fuel rod has a lower enrichment in the upper 3 foot zone 62 (the "low enrichment zone") compared to the lower 9 foot zone 65. The second and second fuel rods contain gadolinia as a combustible absorbent material. The concentration is divided along the axis, with an upper 7-foot area 68
The concentration is higher in zone 67, j feet below (the "high gadolinia zone"). As a result, the core can be considered to consist of three axial zones: a low enrichment zone 62, an intermediate zone 70 (which is the overlap of zones 65 and 68), and a high gadolinia zone 67.

第3Aおよび5B図は、それぞれ第&Aおよび98図の
燃料集合体に関する濃縮度およびガドリニア含量の(全
ての燃料棒について平均した)総合的な軸方向分布を示
すものである。 これらの実施例では区域62における
濃縮度低下が約0.2(重量)チに等しいことが認めら
れるが、かかる濃縮度低下の好適な範囲は約07!〜θ
3(重量)チである。 この範囲は、平均濃縮度が約3
0(重量)%でありかつ各燃料棒の濃縮度が一般に/認
〜グ0(重量)チの範囲内にあるよう々燃料集合体に対
して適用されるものである。 第&Aおよび98図に示
された実施例の場合、燃料m0ss度は(天然ウランの
ブランケットを除外すれば)720〜39夕(重量)%
の範囲内にあり、従って濃縮度低下率は約j〜10チに
相当する。濃縮度のより高い燃料集合体においては同等
の低下率を使用すべきであり、従って区域62における
濃縮度低下(の絶対量)は濃縮度に対応して増大するこ
とになる。
Figures 3A and 5B show the overall axial distribution of enrichment and gadolinia content (averaged over all fuel rods) for the fuel assemblies of Figures &A and 98, respectively. Although it is recognized that in these examples the enrichment loss in zone 62 is equal to about 0.2 (by weight) H, the preferred range for such enrichment loss is about 0.7! ~θ
3 (weight). This range has an average enrichment of about 3
0% (by weight) and the enrichment of each fuel rod is generally within the range of 0% to 0% by weight. For the embodiment shown in Figures
Therefore, the concentration reduction rate corresponds to about j to 10. Similar reduction rates should be used in more enriched fuel assemblies, so that the (absolute amount of) enrichment reduction in zone 62 increases correspondingly with enrichment.

軸方向に沿って区分する必要のある燃料棒の数をできる
だけ少なく1−ながら所望の程度の軸方向区分を達成す
るためには、最高の使用濃縮度を有する燃料棒に対して
軸方向区分を施すことが好ましい。 更に捷だ、特別な
濃縮度のペレットが要求されないようにするだめ、区域
62における低い濃縮度は燃料集合体中のその他の燃料
棒における一様な濃縮度に一致することが好ましい。す
なわち、図示された特定の実施例の場合、第1の燃料棒
の区域62における330(重量)チの濃縮度は第2の
燃料棒の一様な濃縮度に一致しているのである。
To achieve the desired degree of axial segmentation while minimizing the number of fuel rods that need to be segmented along the axial direction, the axial segmentation should be done for the fuel rods with the highest working enrichment. It is preferable to apply The low enrichment in zone 62 preferably corresponds to a uniform enrichment in the other fuel rods in the fuel assembly, so as to avoid requiring pellets of a more delicate or special enrichment. That is, for the particular embodiment illustrated, the 330 (by weight) enrichment in section 62 of the first fuel rod corresponds to the uniform enrichment of the second fuel rod.

第乙A−gc図は、第KAおよび4B図に示されたよう
な燃料集合体から成る炉心を含みかつ全ての制御棒を引
抜いた状態で運転される原子炉に関し、サイクル初期(
BOC)、サイクル中期(MOC)およびサイクル末期
(EOC)における相対出力を軸方向位置の関数として
プロットしたグラフ80a〜80Cをそれぞれ示してい
る。 これらのグラフは平均出力を単位として規準化し
たものである。 また、比較のため、一様な濃縮度を持
った炉心に関する軸方向出力分布の対応するグラフ82
a〜8−2Cが第gA−にC図中に点線で示されている
。  BOCにおいては、図かられかる通り、区域67
における吸収材(ガドリニア)の増量が区域62におけ
る濃縮度低下の影響を打消す結果、本発明によって得ら
れる運転特性は軸方向に沿って一様な濃縮度を持った対
応する炉心の場合とほぼ同じになる。  MOCにおい
ては、一様な濃縮度の炉心に比べて軸方向出力分布が著
しく平坦化するという点で顕著な改善が見られる。  
EOCにおいては、本発明によって得られる軸方向出力
分布は一様な濃縮度の炉心の場合とほぼ同じである。
Diagram B A-GC relates to a nuclear reactor that includes a core consisting of fuel assemblies such as those shown in FIGS. KA and 4B and is operated with all control rods withdrawn.
BOC), mid-cycle (MOC), and end-of-cycle (EOC) relative power as a function of axial position are shown in graphs 80a-80C, respectively. These graphs are normalized using average output as a unit. Also, for comparison, a corresponding graph 82 of the axial power distribution for a core with uniform enrichment.
A to 8-2C are indicated by dotted lines in Fig. gA-C. In BOC, as can be seen from the diagram, area 67
As a result of the increased amount of absorbent material (gadolinia) in zone 62 counteracting the effect of the enrichment loss in zone 62, the operating characteristics obtained with the present invention are approximately those of a corresponding core with uniform enrichment along the axial direction. It will be the same. A significant improvement in the MOC is that the axial power distribution is significantly flatter compared to a uniform enrichment core.
In an EOC, the axial power distribution obtained by the present invention is approximately the same as in a uniform enrichment core.

第2A〜2C図は、全ての制御棒を挿入した冷態停止時
の炉心に関し、BOC,MOCおよびEOCにおける相
対出力を軸方向位置の関数としてプロットしたグラフ8
5a〜85Cをそれぞれ示している。 これらのグラフ
も平均出力を単位として規準化したものである。 また
、比較のため、軸方向に沿って一様な濃縮度を持った炉
心に関する出力分布の対応するグラフ87a〜87Cが
第7A〜2C図中に点線で示されている。 なお、第2
A〜7C図に関する絶対中性子束は第乙A−gc図の湿
態運転時に比べて一般に約7桁だけ小さいことに留意す
べきである(湿態では1013個/c4/秒であるのに
対し冷態では106個/Ca/秒である)。
Figures 2A-2C are graphs plotting the relative power at BOC, MOC, and EOC as a function of axial position for the core at cold shutdown with all control rods inserted.
5a to 85C are shown, respectively. These graphs are also normalized using average output as a unit. For comparison, corresponding graphs 87a-87C of the power distribution for a core with uniform enrichment along the axial direction are shown in dotted lines in FIGS. 7A-2C. In addition, the second
It should be noted that the absolute neutron flux for diagrams A-7C is generally about 7 orders of magnitude lower than during wet operation in diagram A-gc (compared to 1013 neutrons/c4/sec in the wet state). In the cold state, it is 106 pieces/Ca/sec).

濃縮度の軸方向区分の効果は、サイクル中の全ての時期
における区域62の出力の劇的な低下として現われる。
The effect of the axial division of enrichment is manifested as a dramatic reduction in the power output of zone 62 at all times during the cycle.

ところで、グラフ85a〜85Cおよび87a〜87C
は規準化されているから、濃縮度の軸方向区分による中
性子束の絶対減少量に関する情報を導き出すことは不可
能である。 かかる効果は第ざ図を検討することによっ
て知ることができる。第と図は運転サイクル全体にわた
ってkeffをプロットしたグラフ90a〜90Cを示
すもので、軸方向に沿って濃縮度が一様である場合につ
いての対応するグラフ92a〜92cも点線で示されて
いる。 グラフ90aおよび92aは全ての制御棒を引
抜いた湿態運転(HARO)時に関するものであり、グ
ラフ90Cおよび92Cは全ての制御棒を挿入した冷態
停止(CARI)時に関するものであり、またグラフ9
0bおよび92bは7本の制御棒を引抜いた冷態停止時
に関するものである。 これらのグラフから容易にわか
る通り、全ての制御棒を挿入した場合および7本の制御
棒を引抜いた場合のいずれにおいても、軸方向に沿って
区分された本発明の炉心によれば冷態停止余裕の増大(
keffの減少)が得られるのである。
By the way, graphs 85a to 85C and 87a to 87C
Since is normalized, it is not possible to derive information about the absolute reduction in neutron flux due to axial division of enrichment. This effect can be understood by examining the diagram. Figures 9 and 9 show graphs 90a-90C plotting keff over the entire operating cycle, with corresponding graphs 92a-92c for the case of uniform enrichment along the axial direction also shown in dotted lines. Graphs 90a and 92a relate to wet operation (HARO) with all control rods pulled out, graphs 90C and 92C relate to cold shutdown (CARI) with all control rods inserted; 9
0b and 92b relate to the cold shutdown when seven control rods were pulled out. As can be easily seen from these graphs, the core of the present invention, which is segmented along the axial direction, achieves cold shutdown both when all control rods are inserted and when seven control rods are withdrawn. Increased margin (
keff) is obtained.

要約すれば、湿態の余剰反応度に対する影響を最少限に
抑えなから冷態停止時の出力を低下させ、それにより核
燃料の一層効率的な使用を可能にする燃料集合体の構成
が本発明によって提供されることがわかる。 本発明の
好適な実施例を上記において詳細かつ十分に説明したと
は言え、本発明の精神および範囲から逸脱することなし
に様様な変形実施例、別種の構造および同等の構成要素
を使用することが可能である。 たとえば、記載の実施
例ではごインチの天然ウランブランケットが使用されて
いるが、その他の寸法のものを使用してもよい。 また
、かかるブランケットは、上部、下部、あるいは上部お
よび下部の両方に配置することができる。
In summary, the present invention provides a configuration of a fuel assembly that minimizes the influence on excess reactivity in the wet state, reduces the output during cold shutdown, and thereby enables more efficient use of nuclear fuel. It can be seen that it is provided by Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail and fully above, various modifications, alternative constructions, and equivalent components may be used without departing from the spirit and scope of the invention. is possible. For example, although the described embodiment uses a one-inch natural uranium blanket, other dimensions may be used. Also, such blankets can be placed on the top, bottom, or both the top and bottom.

更に、濃縮度や吸収材濃度の値も例示的々ものに過ぎな
い。 その他の可能な炉心構成に関しては、本発明の改
善された制御幅をもたらすその他の可能な設計例を示す
第9A−9L図を参照されたい。 これらの実施例にお
いても濃縮度の上限は39j(重量)%に設定されてい
るが、本発明はそれより高い濃縮度を有する炉心に関し
ても実施可能である。 それ故、前記特許請求の範囲に
よって規定される本発明の範囲が上記の説明および例示
によって制限を受けると考えてはならない。
Further, the values of concentration and absorbent concentration are exemplary only. For other possible core configurations, please refer to Figures 9A-9L, which illustrate other possible designs that provide the improved control width of the present invention. In these examples as well, the upper limit of the enrichment is set at 39j (weight)%, but the present invention can also be implemented with respect to a core having a higher enrichment. Therefore, the scope of the invention, as defined by the appended claims, is not to be considered limited by the above description and illustrations.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は水を冷却材兼減速材とする原子炉の略図、第Ω
図は原子炉の炉心の全体的構成を示す略平面図、第3図
は炉心内の燃料セルの7つを示す部分切欠き等角図、第
グAおよび98図はそれぞれの燃料集合体中における燃
料棒の横方向分布を示す略図、第グC図は第FAおよび
4B図の燃料集合体中における各種燃料棒の縦方向組成
を示す略図、第jAおよび、tB図は第4Aおよび98
図の燃料集合体の横方向に関して平均した縦方向組成を
示す略図、第6A、gBおよび30図はサイクルの初期
、中期および末期における湿態運転時の相対出力を示す
グラフ、第7A、7Bおよび7C図はサイクルの初期1
.中期および末期における冷態停止時の相対出力を示す
グラフ、第と図は湿態および冷態の両方に関し運転サイ
クルの全期間にわたるkeffを示すグラフ、そして第
9A〜9L図は使用可能なその他の燃料集合体組成を示
す略図である。 図中、10は沸騰水形原子炉、11は圧力容器、12は
炉心、13は燃料セル、15は燃料集合体、16は制御
棒、40は制御羽根、42は燃料棒、45は上部タイプ
レート、46は下部タイプレート、48はチャネルボッ
クス、50はノーズ、62は低濃縮度区域、67は高ガ
ドリニア区域、そして′rOは中間区域を表わす3、F
IG、  2          ん/G  31−1
0. 4(、。 f&1ff(盲1イtl 賽h9プ1管1イ1−聚 ?ン racy、  9/、   P/ひ:  !:1.l 
  P/ひ、9に  と/&:  9L。 第1頁の続き 0発 明 者 ロジャー・ゾール・ウィリアムス アメリカ合衆国カリフォルニア 州モーガン・ヒル・ブリスン・ コート15260番 0発 明 者 ケネス・アール・ガードナーアメリカ合
衆国カリフォルニア 州サン・ホセ・トウリー・トラ プ・コート5899番 0発 明 者 ムニール・ハメル アメリカ合衆国カリフォルニア リ刊サン・ホセ・カルモール・ア ベニュー・ナンバー2 5652番
Figure 1 is a schematic diagram of a nuclear reactor that uses water as a coolant and moderator.
The figure is a schematic plan view showing the overall configuration of the reactor core, Figure 3 is a partially cutaway isometric view showing seven fuel cells in the reactor core, and Figures A and 98 are inside the respective fuel assemblies. FIG. 98 is a schematic diagram showing the lateral distribution of fuel rods in the fuel assemblies of FIGS. FA and 4B; FIGS.
Figures 6A, gB and 30 are graphs showing the relative power during wet operation at the beginning, middle and end of the cycle; Figures 7A, 7B and Diagram 7C is the initial stage of the cycle.
.. Graphs showing the relative power during cold shutdown in the middle and end stages; Figures 1 and 2 are graphs showing keff over the entire operating cycle for both wet and cold; Figures 9A-9L are other available graphs. 1 is a schematic diagram showing fuel assembly composition. In the figure, 10 is a boiling water reactor, 11 is a pressure vessel, 12 is a reactor core, 13 is a fuel cell, 15 is a fuel assembly, 16 is a control rod, 40 is a control vane, 42 is a fuel rod, and 45 is an upper type rate, 46 is the lower tie plate, 48 is the channel box, 50 is the nose, 62 is the low enrichment zone, 67 is the high gadolinia zone, and 'rO is 3, F representing the middle zone.
IG, 2/G 31-1
0. 4(,. f&1ff(blind 1 itl die h9p1 tube 1i1-ju?nracy, 9/, P/hi: !:1.l
P/Hi, 9 and/&: 9L. Continued on page 10 Inventor Roger Zoll Williams 15260 Brison Court, Morgan Hill, California, United States 0 Inventor Kenneth Earl Gardner 5899 Trap Court, San Jose Towley, California, United States 0 Inventor Munir Hamel Published by California, USA San Jose Carmor Avenue Number 2 5652

Claims (1)

【特許請求の範囲】 / 運転時には炉心の上部に向かって実質的な割合の蒸
気ボイドおよびそれに伴う減速度の低下が存在し、かか
る減速度の低下が上部炉心領域における緩徐な燃焼をも
たらす結果、前記上部炉心領域における減速度が相対的
に上昇する冷態停止時には前記上部炉心領域に反応度の
ピークが生じるような沸騰水形原子炉の炉心内に使用す
べき燃料集合体において、前記燃料集合体がそれの実質
的な軸方向範囲にわたって分布した核分裂性物質成分を
含みかつ前記核分裂性物質成分は冷態停止時に反応度の
ピークが存在する軸方向領域の少なくとも一部分に該当
する軸方向区域において低下した濃縮度を有することを
特徴とする燃料集合体。 ス 温態運転時の反応度が最大となる軸方向領域の少な
くとも一部分に該当する軸方向区域において高い濃度を
有するように分布した中性子吸収材成分が追加包含され
る特許請求の範囲第1項記載の燃料集合体。 3 前記燃料集合体が空間的に離隔した複数のほぼ平行
な燃料棒を含んでいて、第1群の前記燃料棒は前記軸方
向区域において低下した核分裂性物質濃縮度を特徴とす
る軸方向分布を示しかつ第Ω群の前記燃料棒は一様な核
分裂性物質濃縮度を特徴とする軸方向分布を示す特許請
求の範囲第1項記載の燃料集合体。 グ 前記第1群中の燃料棒は前記軸方向区域外において
前記第2群中の燃料棒の濃縮度より高い濃縮度を有する
特許請求の範囲第3項記載の燃料集合体。 夕 前記第1群中の燃料棒は前記軸方向区域内において
前記第2群中の少々くとも7本の燃料棒の濃縮度に一致
する濃縮度を有する特許請求の範囲第グ項記載の燃料集
合体。 乙、前記核分裂性物質成分が約70〜/jフイートの軸
方向寸法にわたって存在しかつ前記軸方向区域が約Ω〜
グフィートの軸方向寸法を有する特許請求の範囲第1項
記載の燃料集合体。 2 前記軸方向区域内の濃縮度が前記軸方向区域外の濃
縮度よりも比率にして5〜10チだけ低い特許請求の範
囲第1項記載の燃料集合体。 ざ 前記軸方向区域内の濃縮度が前記軸方向区域外の濃
縮度よりも約θ/!〜θ30(重量)チだけ低い特許請
求の範囲第1項記載の燃料集合体。 ? 前記軸方向区域内の濃縮度が軸方向に沿って一様で
ある特許請求の範囲第1項記載の燃料集合体。
[Claims] / There is a substantial proportion of steam voids and an associated reduction in deceleration towards the top of the core during operation, and as a result of such reduction in deceleration leading to slow combustion in the upper core region, In a fuel assembly to be used in a core of a boiling water reactor in which a peak of reactivity occurs in the upper core region during a cold shutdown in which the deceleration in the upper core region increases relatively, the fuel assembly the body comprises a fissile material component distributed over a substantial axial extent thereof, said fissile material component in an axial region corresponding to at least a portion of the axial region in which a peak of reactivity exists during cold shutdown; A fuel assembly characterized in that it has a reduced enrichment. (S) Claim 1 additionally includes a neutron absorbing material component distributed such that it has a high concentration in an axial region corresponding to at least a part of the axial region where the reactivity during hot operation is maximum. fuel assembly. 3. wherein the fuel assembly includes a plurality of spatially spaced substantially parallel fuel rods, a first group of the fuel rods having an axial distribution characterized by a reduced fissile material enrichment in the axial section; 2. A fuel assembly according to claim 1, wherein said fuel rods of the Ωth group exhibit an axial distribution characterized by a uniform fissile material enrichment. 4. The fuel assembly of claim 3, wherein the fuel rods in the first group have a higher enrichment outside the axial region than the enrichment of the fuel rods in the second group. 2. The fuel of claim 1, wherein the fuel rods in the first group have an enrichment in the axial section that corresponds to the enrichment of at least seven fuel rods in the second group. Aggregation. (b) the fissile material component is present over an axial dimension of about 70 to 100 ft; and the axial area is about Ω to
2. A fuel assembly according to claim 1, having an axial dimension of . 2. The fuel assembly of claim 1, wherein the enrichment within said axial zone is 5 to 10 percentage points lower than the enrichment outside said axial zone. The enrichment within the axial zone is greater than the enrichment outside the axial zone by about θ/! The fuel assembly according to claim 1, which is lower by ~θ30 (weight). ? 2. A fuel assembly according to claim 1, wherein the enrichment within said axial section is uniform along the axial direction.
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