JPS5829877B2 - 沸騰水型原子炉の炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、沸騰水型原子炉の炉心に関するものである。

沸騰水型原子炉では、炉心部の軸方向にボイド分布をも
つため、他の炉型にはみられない出力分布のスキュウイ
ングが発生する。

その出力分布を第１図に示す。

第１図は、軸方向に一定の濃縮度分布を有する燃料集合
体を装荷した炉心部の軸方向ボイド分布１と出力分布２
を示している。

冷却材の入口になっている炉心部の下部では、約１０Ｋ
ｃａｌ ７ｋｇのサブクール状態にあり、冷却材が炉心
部内を上昇するに従って、サブクール沸騰、飽和沸騰の
領域に入り、冷却材の出口である炉心部の上部では、ボ
イド体積率は７０％前後に達している。

そのため、炉心部上部より炉心部下部における中性子の
熱化が進み、出力ピークの位置が炉心部下部にスキュウ
イングしている。

したがって、出力ピークの位置は燃料集合体の下端（炉
心部の下端）から炉心部高さの約１／４の位置に移動し
、出力ピークの値も他の炉型にくらべて大きい。

この問題点を解決するため、現在の沸騰水型原子炉では
、炉心部の下端から約１／４の出力ピークの位置に制御
棒を浅く挿入（この制御棒をシャロー制御棒という）し
たり、出力ピークが発生する位置にガドリニア（Ｇｄ２
０３）を入れた燃料棒を用いる等の対策を施している。

炉心部下端から約１／４の位置に生じる出力ピークを押
えるために、その位置にシャロー制御棒を挿入される。

出力分布は、第２図に示すようになる。

シャロー制御棒による軸方向の出力分布制御においては
、第２図に示すように、シャロー制御棒の尖端近傍に出
力ピークおよび急激な出力分布の変化が生じる。

シャロー制御棒を引抜く時に、急激な出力変動が燃料棒
に与えられ、燃料棒の破損の危険性がある。

炉心部内には、軸方向の出力分布制御を行うシャロー制
御棒と、炉心部の半径方向の出力分布制御を行う制御棒
（この制御棒をディープ制御棒という）が挿入される。

ディープ制御棒は、炉心部内に深く挿入され、その挿入
度合はシャロー制御棒よりも大きい。

原子炉の出力制御は、ディープ制御棒とシャロー制御棒
との組合せで、ディープ・シャロー制御棒駆動方式と反
応制御を含めた３つの機能を同時に満足させるために、
制御棒操作の計画の立案に多くの計算を必要とする等の
欠点を有している。

制御棒操作も、極めて複雑なものとなる。

第３図に、下端から約１／４にガドリニアが添加された
燃料棒を有する燃料集合体を、沸騰水型原子炉の炉心部
に装荷した時の燃料集合体の出力分布の特性を示す。

図中の２３の位置にガ下りニアが添加されている。

このようなガドリニア入りの燃料棒を有する燃料集合体
を用いる場合は、そのガドリニアを配置する位置により
、出力分布が大きく変化するため、少しの設計誤差が出
力分布制御をむずかしくしたり、燃焼による出力分布の
変化が太きい等の運用上の困難をひきおこしている。

また、原子炉の運転時間の経過によってガドリニアの量
が減少すると、出力分布が変化し、領域２３のガドリニ
アが完全になくなった時、出力分布は第１図のようにな
る。

このため、制御棒操作による調節が複雑になる。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくシ、炉
心部の軸方向の出力分布を平坦にでき、しかも、単純な
構造の燃料集合体を交換用として用いる原子炉の炉心を
提供することにある。

本発明の特徴は、軸方向が下部より１／３〜７／１２の
範囲で実質的に上部領域と下部領域に分割されかつ前記
上部領域の平均濃縮度が前記下部領域の平均濃縮度より
も大きくしかもそれぞれの領域における軸方向の平均濃
縮度が実質的に一様でありかつ原子炉の運転中に前記上
部および下部の各領域内にそれぞれピークを形成する平
均濃縮度差を設けてペレットを配置した第１の燃料集合
体と、軸方向の平均濃縮度が実質的に一様であるようペ
レットを配置した第２燃料集合体とを含む燃料集合体で
炉心を形成したことにある。

本発明は、基本的には炉心部の上部の無限増倍率を下部
の無限増倍率よりも大きくすることにある。

無限増倍率を変える方法としては、燃料集合体に組み込
む燃料に添加するガドリニア等の毒物の量を調整するこ
とが知られている。

しかしながら、毒物は中性子を吸収して徐々に消失する
。

それ故、原子炉の運転時間が経過し、毒物が消失するに
したがって毒物の添加による無限増倍率の調整効果は失
われてしまうことになる。

発明者等は無限増倍率を変化させる方法について検討を
加え、濃縮度の変化に基づくものが有効であり、しかも
無限増倍率の変化すなわち濃縮度の変化は所定の濃縮度
差を与えて実質的に上下２領域に分割すれば出力の平坦
化に充分な効果を発揮することを確認した。

以下本発明を実施例によって詳しく説明する。

実施例 １ 熱出力２４００ＭＷの沸騰水型原子炉が第４図に示され
ている。

沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器９内に収容された炉
心部１０を有している。

炉心部１０には多数の第５図に示される燃料集合体１６
が互に平行に、かつ間隔をおいて配置されている。

本例では炉心部１０の高さ１４６インチ、燃料集合体１
６の数は５６０体ある。

断面が十字果状の制御棒１１が炉心部１０内の燃料集合
体１６間に挿入し得るように配置されている。

原子炉圧力容器９内には冷却材が満されており、ポンプ
１２が冷却材を循環させている。

冷却材は、燃料集合体１６から熱を受け、一部が蒸気と
なって、タービン１３を駆動し、コンデンサー１４によ
って凝縮され、ポンプ１５によって再び原子炉圧力容器
９内に戻る。

燃料集合体１６は断面方形のチャンネルボックス１７を
備えていて、その内部には上下両端の上部および下部タ
イプレート１Ｂ、１９間に亘って多数の燃料棒２０が配
設されている。

☆ ☆ 本実施例では二種類の燃料集合体Ａ及びＢが炉心部
１０に装荷されている。

第６図は炉心部１０の１／４横断面における燃料集合体
ＡおよびＢの配列を示している。

燃料集合体Ａは第７図に示すように、８×８の正方格子
状に配列された燃料棒を含み、６種類の燃料棒３１，３
２．３３，３４３５．３６（全部で６２本）および２本
の水ロッド２４からなっている。

２１は燃料ペレット、２２は被覆管および２３は冷却材
領域である。

６種類の燃料棒は表１に示すように燃料棒中のウラン濃
縮度に変化を有している。

３１．３２，３４，３６の４種類の燃料棒はそれぞれ１
種類の濃縮度で、３１が２．５重量％、３２が２．０重
量％、３４が１．５重量％、３６が１．５重量％濃縮度
のウランに、５重量％のガドリニアを添加した燃料棒で
ある。

３３．３５の燃料棒は、軸方向に２４等分して、下端か
ら１１番目と１２番目の間で上部領域および下部領域の
２領域にわかれており、３３は上部領域が２．０重量％
、下部領域が１．５重量％、５は上部領域が１．５重量
％、下部領域が１．３重量％である。

各燃料棒の上部領域と下部領域における濃縮度は、それ
らの軸方向に一様に分布している。

したがって、燃料棒の製作も容易である。

表１の各燃料棒を第４図のように配置して形成した燃料
集合体Ａのウラン濃縮度分布は、表２の通りである。

表２より明らかなように、燃料集合体Ａの上部領域の平
均濃縮度が下部領域の平均濃縮度よりも大きく、かつ横
断面での濃縮度差が上部領域で下部領域よりも小さくな
っている。

このような濃縮度分布を有するから、燃料集合体Ａはそ
の上部領域の無限増倍率が下部領域の無限増倍率よりも
大きくなっている。

第７図の燃料集合体Ａは、前述した第１の方法（軸に垂
直な平面での平均濃縮度を、燃料集合体の上部領域と下
部領域でかえている）と第２の方法（軸に垂直な平面内
の濃縮度分布を燃料集合体の上部領域と下部領域で変化
させた場合）を併用したものである。

〔■ 一方、燃料集合
体Ｂは表３に示すように軸方向に均一な濃縮度をもつ燃
料棒４１，４２．４３゜４４．４５および４６及び２本
の水ロッド２４を第８図に示すように配置している。

従って、燃料集合体Ｂは軸方向に一定の無限増倍率を有
している。

冷却材のボイド体積留が４０％の場合、表２の濃縮度分
布を有する燃料集合体Ａの上部領域と下部領域の無限増
倍率は、それぞれ１．１２６と１．０９２であり、温度
とボイド率が同じ場合の無限増倍率の差は３．４％で、
上部領域が高くなっている。

このような燃料集合体Ａと燃料集合体Ｂを配置した炉心
部１０の上部領域は、当然、下部領域よりも無限増倍率
が大きくなる。

燃料集合体ＡおよびＢを沸騰水型原子炉の炉心部１０内
に装荷して原子炉の運転を始めると、軸方向に発生する
ボイド分布のために、炉心部の上部領域と下部領域での
無限増倍率の差が相殺され、すなわち、炉心部上部での
ボイドによる無限増倍率の低下が燃料集合体Ａの上部領
域の高濃縮度による無限増倍率の増加によって補償され
るので、軸方向に比較的平坦な軸方向出力分布が実現で
きる。

本実施例の軸方向出力分布を第９図に示す。

本実施例は、燃料サイクルを通して第９図に示すように
出力のピークが上部および下部領域にそれぞれ形成され
、特開昭４９−７８０９２号公報および特開昭４９８１
７９６号公報の燃料棒を用いたものよりも軸方向の出力
分布が著しく平坦化されている。

また、軸方向の出力ビーキング係数が、１，４以下にお
さまっている。

第１図の特性２と比べて明らかなように、本実施例の出
力分布は、従来例の出力分布に比べて大巾に軸方向出力
分布が改善されていることがわかる。

従来の炉心部は、その軸方向においてウランの濃縮度が
本実施例のように変わっていない。

本実施例では、制御棒による出力分布の平坦化を炉心部
の軸方向について行う必要はなく、半径方向のみの出力
分布の平坦化を制御棒を用いて行えばよい。

したがって、シャロー制御棒や第３図に示すガドリニア
入り燃料棒を用いることなく制御棒としては、炉心部に
深く挿入されたディープ制御棒のみを用い、簡単な制御
棒操作で第９図のような平坦な出力分布を原子炉の運転
期間全体を通して維持することができる。

第１０図に本実施例の制御棒パターンの一例を示す。

第１０図は、炉心部１０の水平断面図で、一つのますに
は燃料集合体が４体配置され、それらの燃料集合体の中
心に制御棒１本が配置されている。

記載された数値は、制御棒の炉心部１０への挿入率で、
炉心部１０の軸方向を、２４等分し、炉心部１０下端か
ら数字の位置まで挿入されていることを示す。

数字が大きくなる程、制御棒は炉心部１０内に深く挿入
されている。

また、空白のますのところの制御棒は全引き抜きである
。

沸騰水型原子炉の運転時、炉心部１０での最大線出力密
度は、制御棒が同−深さに挿入される単純な制御棒パタ
ーンであるにもかかわらず、１１．３ｋｗ／ｆｔと非常
に低くおさえられている。

参考のため従来の軸方向１領域（ウランの濃縮度が軸方
向で一定）の燃料集合体で構成された炉心部の制御棒パ
ターンを第１１図に示す。

第１１図より明らかな如く、制御棒パターンは複雑であ
る。

この時の最大線出力密度は、１１．９ ｋｗ／ｆ ｔあ
る。

最大出力密度は、本実施例の炉心部１０の方が従来の炉
心部に比べて０．６ｋｗ／ｆｔ低く、制御棒パターンも
本実施例のほうが同じ深さの従来のものよりも単純であ
る。

それだけ、原子炉の運転中における制御棒操作が簡単に
なる。

本実施例のような軸方向の出力分布の平坦な炉心部１０
では、第１０図に示すような制御棒パターンをディープ
制御棒によって構成することができるので、炉心部１０
の半径方向の出力分布の平坦化も容易に行なうことがで
きる。

このため、炉心部１０では従来のように燃料集合体の交
換時に、燃料集合体のシャフリング操作（炉心部内に装
荷されている燃料集合体を、炉心部内の他の位置に移動
させる操作）を行う必要がない。

従って、燃料集合体の交換に要する時間が、著しく短縮
される。

原子炉の運転時間の経過に伴って、燃料集合体Ｂの上部
領域の無限増倍率がその下部領域の無限増倍率よりも大
きくなる。

すなわち、沸騰水型原子炉では、冷却材中のボイドによ
る中性子エネルギ、スペクトルの硬化により、炉心部の
上部ではその下部に比べてプルトニウムの生成量が多い
。

このため、燃料集合体Ｂのように軸方向に一様な濃縮度
を有する燃料集合体を用いても、上部領域の核分裂性物
質が下部領域に比べて相対的に多くなり、自然に上部領
域の無限増倍率が下部領域よりも大きくなる。

したがって、燃料交換によって炉心部１０内に装荷する
燃料集合体は、燃料集合体Ｂでよい。

構造の複雑な燃料集合体Ａは建設されたばかりの原子炉
の炉心部１０に装荷するだけでよく、交換用の燃料集合
体としては燃料集合体Ａよりも構造の単純な燃料集合体
Ｂのみを製作すればよいことになる。

燃料集合体Ｂに比べて構造が複雑な燃料集合体Ａは、軸
方向の出力分布を平坦化できるものとして考えられるも
ののうちでは上下２領域という最も単純な構造であり、
製作も容易である。

燃料集合体ＡおよびＢの燃料棒の両端付近に存在する２
、３個の燃料ペレットが天然ウランで作られていたとし
ても、残りの軸方向の大部分の燃料ペレットが所定の濃
縮度であれば、前述した効果を達成できる。

燃料集合体Ａの燃料棒の軸方向の下端から燃料棒の全長
の１／３と７／１２の間で、燃料集合体Ａを上部領域と
下部領域の２領域に分割し、無限増倍率を上部で大きく
すれば、最も効果的に出力の平坦化を成遂げることがで
きる。

すなわち、第３図に示すようにガドリニアを添加した場
合に比べて、出力ビーキング係数が小さくでき、しかも
第９図に示すように燃料サイクルを通してほぼ同程度の
出力ピークが炉心部の上部および下部領域に形成され、
出力分布が最も平坦化される。

上部領域と下部領域の境界を上記の範囲外に位置させた
場合は、下部の出力ピークが大きくなり、平坦化の効果
が減少する。

本実施例では、炉心部の上部領域と下部領域の平均濃縮
度を変えて上部領域の無限増倍率を大きくしているので
、上部領域と下部領域との無限増倍率の差は原子炉の運
転期間中を通して変化しない。

したがって、原子炉の運転期間を通して軸方向の出力分
布は常に平坦に維持される。

実施例 ２ 本実施例は、前述した燃料集合体Ａの代りに、表４に示
す燃料棒５１，５２，５３，５４，５５および５６を第
１２図に示すように配置してなる燃料集合体Ａ１を炉心
部内に配置したものである。

本実施例の炉心部は、燃料集合体Ａ１およびＢによって
構成される。

燃料集合体Ａ１は、燃料集合体Ａと同様に第１および第
２の方法を併用したものである。

５１と５５は、１領域の燃料棒。

５２，５３゜５４は、下端から１１／２４の位置で上、
下の２領域にわかれている。

上部領域と下部領域の濃縮度は、それぞれの軸方向に一
様に分布している。

表３の燃料棒を第１２図の如く配置して形成した燃料集
合体のウラン濃縮度分布は表５の通りである。

表５より明らかなように、燃料集合体Ａ１でも、上部領
域の平均濃縮度を下部領域のものより大きくなし、かつ
横断面での中心部と周辺部の濃縮度差は、上部領域が下
部領域よりも小さくなるようになしている。

このような濃縮度の分布を有する☆燃料集合体Ａ１と燃
料集合体Ｂが配置された炉心部は、実施例１の炉心部１
０と同程度の無限増倍率の差を上下領域で有しており、
軸方向の出力分布も、第９図と殆ど同じである。

本実施例は、実施例１に比べて、一本の燃料棒中の濃縮
度の差が大きく、製造時の検査が比較的容易であること
、局所出力ビーキングが１．１２で、非常に小さいこと
が、実施例２の特徴である。

実施例２は実施例１と同様な効果が得られる。

燃料集合体Ａ１の上部領域と下部領域の境界は前述した
燃料集合体Ａと同様に１／３〜７／１２の範囲に位置さ
せることが望ましい。

実施例 ３ 本実施例は、実施例１の燃料集合体Ａの代りに、表６に
示す濃縮度を有する６本の燃料棒を第１３図に示すよう
に配置してなる燃料集合体Ａ２を炉心部に配置したもの
である。

燃料集合体Ａ２は、前述の第２の方法（軸に垂直な平面
での平均濃縮度分布は上部領域と下部領域で殆ど同じで
あって、集合体の上部領域と下部領域の軸に垂直な平面
内での濃縮度分布を変化させている）を用いたものであ
る。

燃料棒６１，６２，６３，６４．６５および６６は、す
べて燃料集合体の下端から１１７２４の位置で２領域に
わかれており、濃縮度は、上下で異っている。

上部領域および下部領域の濃縮度はその軸方向に一様に
分布している。

本実施例での濃縮度分布は表７に示す通りである。

燃料集合体Ａ２では、平均濃縮度は、上部領域が２．３
７重量φ、下部領域が２．３３重重量上ほとんど同じで
あるが、横断面での濃縮度分布が上部領域と下部領域で
異なっている。

即ち、上部領域では、中心部と周辺部との濃縮度の差が
小さく、下部領域では、この差が大きく、周辺部の濃縮
度は上部領域が下部領域よりもかなり大きい。

周辺部の方が中心部よりインポークンスが高いため、平
面の平均濃縮度は同じであっても、無限実効増倍率は、
燃料集合体Ａ２の下部領域より上部領域の方が約２．２
％高くなる。

このような燃料集合体Ａ２と燃料集合体Ｂとを配置した
炉心部の上部領域の無限増倍率は、下部領域のそれより
も、当然、大きくなり、軸方向の出力分布は第９図に示
されるように平坦化される。

実施例３は実施例１，２にくらべて燃焼による反応度劣
化が、上部と下部で比較的よくにた傾向を示すのが特徴
である。

燃料集合体Ａ２は、燃料集合体Ａと同様に１／３〜７／
１２の範囲に、上下領域の境界を位置させることが望ま
しい。

本発明によれば、沸騰水型原子炉の炉心部の軸方向の出
力分布を著しく平坦化できる。

沸騰水型原子炉の運転期間を通しても常に炉心部の軸方
向の出力分布を平坦に維持することができる。

しかも、シャロー制御棒が不要となり、沸騰水型原子炉
の制御棒操作が著しく単純になる。

さらに、燃料交換時に燃料集合体のシャフリング操作が
不要になって燃料交換時間を著しく短縮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸方向に一定の無限増倍率を有する燃料集合体
を装荷した炉心部の制御棒全引抜き状態での炉心部の軸
方向におけるボイド率分布と相対出力分布とを示す特性
図、第２図は第１図の特性を有する炉心部の下方から浅
く制御棒を挿入した時の制御棒近傍の燃料集合体の軸方
向出力分布を示す特性図、第３図は出力ピークの位置に
ガドリニアを入れた燃料棒を有する燃料集合体を装荷し
た炉心部の軸方向における出力分布を示す特性図、第４
図は沸騰水型原子炉の系統図、第５図は第４図に示す沸
騰水型原子炉の炉心部に装荷される燃料集合体の外観図
、第６図は本発明の好適な一実施例である原子炉の炉心
部の局部平面図、第１図および第８図は第６図の炉心部
に装荷される２種類の燃料集合体の横断面図、第９図は
第６図の炉心部の軸方向の出力分布を示す特性図、第１
０図は第６図の炉心部における原子炉運転時の制御棒パ
ターンを示す説明図、第１１図は従来の炉心部における
原子炉運転時の制御棒パターンを示す説明図、第１２図
および第１３図は第７図に示す燃料集合体の他の実施例
の横断面図である。 ９・・・・・・原子炉圧力容器、１０・・・・・・炉心
部、１２・・・・・・制御棒、ｉ５．Ａ、Ｂ・・・・・
・燃料集合体、２１・・・・・・ペレット、２２・・・
・・・被覆管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原子炉容器内に多数の燃料集合体が配置され、かつ
   下部から上部に向って冷却材が流れる沸騰水型原子炉の
   炉心であって、前記燃料集合体が、燃料集合体を構成す
   る燃料棒の下端からその全長の１／３と７／１２との範
   囲において上部領域および下部領域の２領域に分割され
   、前記上部領域の軸に垂直な平面の平均濃縮度を前記下
   部領域の軸に垂直な平面の平均濃縮度より大きく、前記
   各領域内における平均濃縮度がその領域の大部分におい
   て一様であると共に、前記上部領域と下部領域との間に
   はこの燃料集合体が装荷された前記沸騰水型原子炉の運
   転中に前記上部および下部の各領域内にそれぞれ出力の
   ピークを形成する平均濃縮度差を設けてペレットを配置
   された第１燃料集合体と、軸方向の軸に垂直な平面での
   平均濃縮度が実質的に一様にペレットを配置された第２
   燃料集合体を含んで構成したことを特徴とする沸騰水型
   原子炉の炉心。