JPS5823913B2 - 原子炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉に係り、特に沸騰水型原子炉の炉心軸方
向に対する出力分布を平坦化して運転性能を向上させた
原子炉に関する。

炉心の超過反応度を抑制する一手段として燃料中にガド
リニア（Ｇｄ２０３）を少量混入することが行なわれて
いる。

このガドリニアは天然に存在する元素の中で他に類をみ
ないほど大きな中性子吸収能力をもち、且つ、パーナブ
ルポイズン（可燃性毒物）としても優れた特性をもって
いる。

ところで、ガドリニアは炉心の軸方向に対して燃料中に
その濃度がほぼ一様になるよう分布し混入させている。

このため、燃料中に混入させたガドリニアは炉心初期の
超過反応度を抑制するのみで軸方向に対する出力分布の
平坦化にはほとんど寄与していなかった。

よって、炉心の軸方向には、絶えず出力ピーク点がどこ
かに発生し、この出力ピークを下げるために平均出力を
低下させなければならない要因となっていた、この出力
ピーク点は主に炉心の下方３分の１付近に生じる。

これは炉心内に発生するボイドのためである。

又、炉出力を調整する制御棒の挿入・引抜きによって、
前記出力ピーク点は移動する。

即ち、出力ピーク点は常に制御棒の先端付近に存在し、
制御棒の挿入引抜きに伴って移動する。

これは制御棒の急激な移動を阻害し原子炉の運転性能を
低下せしめるものである。

即ち、炉心内に装荷された燃料には、それが焼損するこ
となく安全に且つ継続的に燃焼できる限界値がある。

これは、一般に最大線出力密度と呼ばれ通常１３．４Ｋ
Ｗ／ｆｔである。

原子炉は、この１３．４ＫＷ／ｆｔを１度たりとて越え
ないように制御棒を調整して炉出力を変化させる必要が
ある。

これは、原子炉の制御性を複雑にし運転員に余計な神経
を使わせている。

更に多数の核燃料集合体と、制御棒とを密に配列してな
る原子炉は、制御棒に接する面の近傍における核燃料集
合体の熱出力が低く、反対側が高くなっている。

これは１体の核燃料集合体の水平方向にも出力分布かあ
ることを意味する。

これによって、１体の核燃料集合体にボイド分布が発生
し、ボイドの多い部分の熱的条件が厳しくなっていた。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、軸方向の
出力分布を平坦化して燃料棒の最高線出力密度を低減し
、以って運転制御性を向上させ得る原子炉を提供するこ
とにある。

以下図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例を説明するための平面図であ
る。

即ち、本発明の原子炉は、整列配置された多数本の核燃
料集合体１１と、深挿入と全引抜きのみの作動をさせる
複数本の制御棒１２とで構成されている。

前記核燃料集合体１１は、第２図に示す如く正方格子状
に配列された複数本の燃料棒２１と、この燃料棒２１の
上端及び下端を夫々支持する上側結合板２２及び下側結
合板２３と、前記燃料棒２１の途中に位置して燃料棒間
の間隔を期制する数個のスペーサ２４と、これらを覆う
チャンネルボックス２５とから構成される。

この核燃料集合体１１の燃料棒２１には、核分裂物質で
ある二酸化ウラン（ＵＯ２）と可燃性毒物であるガドリ
ニア（Ｇｄ２０３）とが装填されている。

二酸化ウランの混入量は燃料棒２１全長に亘ってほぼ同
一であるが、複数本ある燃料棒２１の何本かにはガドリ
ニアが混入されており、その濃度分布は軸方向に変化を
持たせて混入されている。

すなわち、ガドリニアは、第３図に示す如くコア（二酸
化ウランの存在する領域で、有効炉心部をさす。

）高さ０〜５及び５０〜１００％（コアの最下端を起点
として；以下においてもこの定義である。

）の範囲に２重量パーセント（Ｗｌｏ）のガドリニアが
混入され、又、コア高さ５〜５０％の範囲に４Ｗ１０の
ガドリニアが夫々混入されている。

ガドリニアによる反応度のコントロールの仕方には２種
類ある。

その一つはガドリニアを含む燃料棒の本数をかえること
であり、他の一つは含まれるガドリニアの濃度をかえる
ことである。

これを具体的に示すためにガドリニアの濃度差による燃
焼挙動と、ガドリニア入りの燃料棒２１本数の差による
燃焼挙動を第４図を参照して洋間する。

第４図は縦軸にガドリニアによる負の反応度（△ＫＧ）
をパーセントで示し、横軸に燃焼度（ＧＷＤ／ＳＴ）を
示す。

なお、図中、線Ａは２Ｗ１０のガドリニアが混入された
燃料棒を５本有する燃料集合体、線Ｂは４Ｗ１０のガド
リニアが混入された燃料棒を５本有する燃料集合体、線
Ｃは４Ｗ１０のガドリニアが混入された燃料棒を６本有
する熱料集合体に対するガドリニアの挙動を夫々示して
いる。

この挙動や理解するための技術的背景を述べる。

ガドリニアには何種類かのガドリニウムのアイソトープ
が含まれており、その中で中性子を吸収し易い反応度毒
物として作用するのは主にＧ ｄ ”とＧｄ”である。

これら２種のアイソトープは中性子を吸収して中性子毒
としてほとんど機能しない他の核種に変化してゆく。

この過程を１ガドリニアが燃える”と称している。

ガドリニアの中性子吸収断面積は非常に大きいので燃料
棒２１の燃料ペレット内で分布するガドリニアの表面だ
けで中性子はほとんど捕獲されてしまい燃料ペレットの
中心部には余り侵入しない。

従って燃焼初期では燃料ペレットの最表面までガドリニ
アは存在するか、燃焼と共にガドリニアの中性子毒とし
ての有効表面は徐々にシリンダー状に小さくなり、最後
には消失してしまう。

この有効表面積の小さくなる速度はガドリニアの濃度が
濃い程遅くなるので、濃度を調節することによりガドリ
ニアの反応度毒性の消失時期をコントロールできる。

またガドリニアを含む燃料棒の本数の多い方が核燃料集
合体として全体のガドリニアの有効表面積が大きくなり
、反応度毒性が大きいことはいうまでもない。

したがって第４図から分るようにガドリニア入り燃料棒
２１本数が同一で濃度が異なれば燃焼に伴なうガドリニ
アの消失量の早さが異なる。

即ち、ガドリニア入り燃料棒２１本数が同一で濃度が小
さければ早く消失しくＡの場合）、太きければ遅くまで
残る（Ｂの場合）。

又、ガドリニアの濃度が同一でガドリニア入り燃料棒２
１本数が異なるときは、燃焼に伴なう消失早さは同一で
あるが、負の反応度ΔＫＧが異なる。

即ち、ガドリニアの濃度が同一でガドリニア入り燃料棒
２１本数が多ければ負の反応度ΔＫＧが大きくなり（Ｃ
の場合）、少なければ負の反応度ΔＫＧが小さくなる（
Ｂの場合）。

又、燃料棒２１は第５図に示す如く燃焼時にはその周り
に気泡（ボイド）が発生する。

このボイドは主にコア高さで最下端より６％前後から徐
々に発生し始め、５０％前後から核反応に影響し得る程
度の量が発生する。

このボイドは、沸騰水型原子炉においては、負の反応度
△Ｋｖとして作用する。

前記制御棒１２は、第６図に示す如く十字形に配列され
中性子吸収物質を内蔵する複数本の制御棒素子４１と、
この制御棒素子４１の上端を支持するハンドリングヘッ
ド４２と、前記制御棒素子４１の下端を支持して制御棒
の落下速度を規制するスピードリミッタ４３とから構成
される。

この制御棒１２は、図示しないが、深挿入と、全引抜き
の２点動作しかさせない。

すなわち、制御棒１１は、その挿入量を炉心内で微調整
されず深挿入（コア高さにして約８０〜１００％の範囲
においては微調整をしている。

）と、炉心内から完全に引き抜かれる全引抜きの２点動
作である。

次に第７図および第８図を参照して上記原子炉の運転方
法について鮮明する。

第７図は横軸に炉心流量を、縦軸に炉心出力を取って炉
心出力と炉心流量の関係を示す図である。

又、第８図は横軸に燃焼度を、縦軸に炉心出力を取り炉
心出力と燃焼度の関係を示す図である。

原子炉の出力上昇は、先ず全ての制御棒あるいは指定さ
せた制御棒１２をコア高さにして２０％前後引抜く。

この制御棒１２の引抜きによって核燃料集合体１１は核
分裂して発熱し、冷却材に自然対流が発生する。

その後指定された数本の制御棒１１を炉心より全て引き
抜いて炉出力を一気に上昇させる。

これは第７図および第８図のＡに相当する。

次に制御棒１１は固定した状態で、炉心流量を強制循環
して定格出力まで炉出力を上昇させる。

これは、第７図および第８図のＢに相当する。

炉出力が定格出力になったならば、そのままの状態で運
転を継続する。

燃料の消失による炉出力の低下は、炉心流量を増すこと
により補償する。

これは、第７図および第８図のＣに相当する。

炉心流量の増大のみでは炉出力の低下を維持できなくな
ったならば、炉心流量を一旦低下させる。

こる低下量は、次に示す手順における制御棒１１の引抜
きによって上昇する燃料の最大線出力密度が制限値（１
３，４ＫＷ／ｆｔ ）以上にならない程度とする。

これは、第７図および第８図のＤに相当する。

その後、深挿入されている制御棒１１の指定された数本
を全引抜きとして制御棒による負の反応度を低下して炉
出力を上昇させる。

又、このとき、燃焼し尽くした燃料は新燃料と交替する
。

以後、Ａ −＋ Ｂ −＋ Ｃ−＋ Ｄを繰り返えして
運転を継続する。

この運転期間中における炉心の軸方向平均出力分布は、
第９図のようになる。

第９図ａ、ｂ、ｃは縦軸にコア高さをパーセントで、横
軸に出力分布を１．０に規制化して夫々示している。

即ち、平均出力密度が１，０になるようにしである。

ここで、ａは炉心初期（運転開始直後のこと：Ｂｅｇｉ
ｎｉｎｇｏｆ Ｃｙｃｌｅ二ＢＯＣ）を、ｂは炉心中期
（Ｍｉｄｄｌｅｏｆ Ｃｙｃｌｅ： ＭＯＣ）を、Ｃは
炉心末期（Ｅｎｄｏｆ Ｃｙｃｌｅ： ＥＯＣ）を夫々
示す。

又、○印は本発明による炉心の挙動を、Ｘ印はＧｄ２Ｏ
３の一様分布（軸方向に対して）の炉心の挙動を夫々示
す。

この図から分る様に本発明の原子炉においてはＢＯＣ，
ＭＯＣ共にコア高さ０〜５０％の範囲の出力密度が、従
来のＧｄ２Ｏ３一様分布の炉心に比べて押えられ、反対
にコア高さ５０〜１００％の範囲の出力密度は押し上げ
られる。

これにより軸方向の出力密度分布が平坦化される。

又、ＥＯＣにおいては、従来低下ぎみであったコア高さ
０〜２０％前後の範囲の出力密度が高くなって全体とし
ての出力密度分布が平坦化される。

すなわち、ＢＯＣにおいては、ガドリニアが炉心全体の
超過反応度を抑制すると共にコア高さ５〜５０％の範囲
に存在する熱中性子φｔｈをより多く吸収するからであ
る。

又、ＭＯＣにおいては、コア高さ０〜５及び５０〜１０
０％の範囲のガドリニアの初期濃度が２Ｗ１０と低濃度
なので消失してコア高さ５〜５０％の範囲の初期濃度が
４Ｗ１０の部分のガドリニアが残る。

反対に核分裂する二酸化ウランは、コア高さ５〜５０％
の範囲に位置するものが、コア高さ０〜５及び５０〜１
００％の範囲に位置するものに比べて核分裂を多くひき
起こして出力密度が高い。

よって核分裂する二酸化ウランはコア高さで最下端から
５〜５０％の範囲では他の範囲より早く減少している。

したがってコア高さ５〜５０％の範囲における出力密度
は従来と比較すると低下している。

更にＥＯＣにおいては、燃料棒内のガドリニアがすべて
の領域でほとんどなくなり、核分裂する二酸化ウランの
残留分布が主に出力密度に寄与する。

この二酸化ウランの分布は、コア高さで０〜５％及び５
０〜１００％の範囲で核分裂する二酸化ウランが他の範
囲より多く残っているため出力密度も比較的比、コア高
さ最下端より０〜２０％前後の範囲は従来に比較して本
発明では出力密度が低く押さえられた燃焼経過であった
ためＥＯＣにおいても従来と比較すると出力密度が高く
なっている。

これらを具体的数値（最高出力／平均出力の比）で示せ
ば下表のケース３の通りである。

なお表では参考のために他の実施例としてケース１、ケ
ース２及び従来例としてケース４を示しである。

ここで、ケース１、ケース２、ケース３、ケース４とは
、第１０図に示すようなガドリニア分布を持つ燃料棒２
１を含む核燃料集合体１１よりなる炉心である。

即ち、ケース１は、第１０図ａに相当し、コア高さθ〜
４及び３０〜１００％の範囲に２Ｗ１０のガドリニアを
有する燃料棒５本と、コア高さで下端より４〜３０％の
範囲に４Ｗ１０のガドリニアを有する燃料棒５本を具え
る核燃料集合体からなる炉心、ケース２は第１０図すに
相しコア高さ０〜４及び３０〜１００％の範囲に２Ｗ１
０のガドリニアを有する燃料棒５本と、コア高さ４〜３
０％の範囲に４Ｗ１０のガドリニアを有する燃料棒６本
を具える核燃料集合体からなる炉心、ケース３は第１０
図Ｃに相当し、コア高さ０〜５及び５０〜１００％の範
囲に２Ｗ１０のガドリニアを有する燃料棒５本と、コア
高さ５〜５０％の範囲に４Ｗ１０のガドリニアを有する
燃料棒６本を具える核燃料集合体からなる炉心、ケース
４は第１０図ｄに相当し２Ｗ１０のガドリニアを均一に
有する燃料棒５本を具える核燃料集合体からなる炉心で
ある。

以上の実施例では、全ての核燃料集合体が、第３図に示
すガドリニア濃度分布を有する原子炉について説明した
が、本発明は、これに限らず、１セル（制御棒１本と核
燃料集合体４本の組合せ）中に１本でもあれば良い。

第１１図は第３図のガドリニア濃度分布を有する核燃料
集合体に隣接して装荷された通常核燃料集合体の挙動を
示すものである。

第１１図は第９図と同じ表示方法である。この図から分
るようにガドリニア燃料は、隣接する通常燃料の出力分
布をも平坦化する。

以上説明したように本発明の原子炉は構成されているた
め、炉心軸方向の出力密度の分布が平坦化して燃料棒の
最高線出力密度を従来に比較して低減できる。

このことにより定格出力運転時での燃料に対する制限値
である熱的余裕が増加して運転性能が向上する。

又、制御棒は深挿入と全引抜きのみの操作となるため、
制御棒の移動による急激な出力変化がなくなり燃料の健
全性を向上できる。

ざらに又、制御棒のパターン制御が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原子炉の一実施例を示す平面図、第２
図は核燃料集合体の斜視図、第３図は第２図に示す核燃
料集合体の燃料棒内におけるコア高さ方向のガドリニア
濃度分布を示すグラフ図、第４図はガドリニア濃度の差
異による燃焼特性を示すグラフ図、第５図は燃料棒の周
りに発生するボイドの分布を示す曲線図、第６図は制御
棒の斜視図、第７図は炉心流量と炉心出力との関係を示
すグラフ図、第８図は炉心出力と燃焼度との関係を示す
波形図、第９図は本発明の効果を従来と比較して示す出
力分布特性図、第１０図は表に示すケース別の状態を示
す概略断面図、第１１図は本発明の効果を比較する出力
分布特性図である。 １１・・・・・・核燃料集合体、１２・・・・・・制御
棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 可燃性毒物を混入した燃料を内蔵する燃料棒を複数
   本結束しチャンネルボックスで包囲してなる核燃料集合
   体と、この核燃料集合体を複数体収納してなる原子炉の
   炉心内に挿入されている制御棒とからなる原子炉におい
   て、前記燃料棒を軸線に沿ってその燃料有効長の上端か
   ら中央までの上部領域と、中央から下端までの下部領域
   とに区分し、前記可燃性毒物の濃度は前記下部領域が上
   部領域よりも高く分布されてなる核燃料集合体と、この
   核燃料集合体間に設けられ深挿入と全引抜きの２点動作
   をする制御棒とから構成された原子炉。 ２ 可燃性毒物とはガドリニアであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の原子炉。 ３ 深挿入とはコア高さで最下端を起点として約８０〜
   １００％の範囲であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の原子炉。