JPS5829878B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料集合体に関するものである。

沸騰水型原子炉では、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２１と出力分布
２２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
ｍ／ｋｇ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、他の炉型ではコサイン分布に近い軸方向出
力分布をしているにもかかわらず、沸騰水型原子炉では
、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（Ｇｄ
２０３）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の位置にガドリ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
変化が大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、単純な構造で軸方向の出力分布を常に
平坦に維持できる燃料集合体を提供することにある。

本発明の特徴は、燃料集合体を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領域に分割し、前記上部領域の軸に垂直
な平面での平均濃縮度を前記下部領域の軸に垂直な平面
での平均濃縮度より大きくし、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することにある。

このような本発明によれば、原子炉の運転期間中、常に
軸方向の出力分布を平坦に維持することができる。

以下本発明を実施例によって詳しく説明する。

実施例 １ 本実施例は、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るを併用
した実施例を記載する。

第４図は、本実施例の８×８燃料集合体の横断面である
。

１１は燃料ベレット、１２は被覆管、１３は冷却材領域
、１４はチャンネルボックス、１５は水ロッド、１６は
制御棒である。

燃料ペレットのところに示されている数字１，２，３，
４゜５および６は濃縮妾の異なる燃料棒を示し、表１に
１から６までの燃料棒の濃縮度を示す。

１．２，４，６の４種類の燃料棒はそれぞれ１種類の濃
縮度で、１が２．５重量％、２が２．０重量％、４が１
．５重量％、６が１．５重量％濃縮度のウラ刀こ、５重
量％のガドリニアを添加した燃料棒である。

３，５の燃料棒は、軸方向に２４等分して、下端から１
１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、３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の燃料棒を第４図のように配置して形成した燃料集
合体のウラン濃縮度分布は、表２の通りである。

冷却材のボイド体積率が４０％の場合の表２の濃縮度分
布を有する燃料集合体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、炉
心部の上部領域が高くなっている。

この燃料集合体を沸騰水型原子炉の中に装荷すると、軸
方向に発生するボイド分布のために、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５図に示す。

特性Ａは燃料サイクルの初期の出力分布、特性Ｂは燃料
サイクル中期の出力分布および特性Ｃは燃料サイクル末
期の出力分布を示している。

第５図から明らかなように、本実施例は、燃料サイクル
を通して上部領域および下部領域にそれぞれ出力のピー
クが形成され、特開昭４９−７８０９２号公報および特
開昭４９−８１７９６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る。

また、軸方向の出力ビーキング係数が、１．３程度以下
におさまっている。

したがって、シャロー制御棒や、特殊なガドリニア分布
を用いることなく、制御棒としてはディープ制御棒のみ
を用い、簡単な制御棒操作で軸方向の出力分布を第５図
のように原子炉の運転期間中にわたってほぼ平坦に維持
することができる。

本実施例の燃料集合体は、上下２領域の単純な構造であ
り、製作も容易である。

本実施例において、上部および下部領域で濃縮度が異な
る燃料棒の出力分布の小さい両端部に存在する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。

燃料棒の軸方向の下端からその全長の１／３ と７／１
２の間で、燃料集合体を上部領域と下部領域の２領域に
分割し、濃縮度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を小さくでき、しかも
第５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。

実施例 ２ 第６図は、本実施例の燃料集合体の横断面を示している
。

燃料棒としては３１〜３６で示される６種類のものが使
用される。

各燃料棒の濃縮度は表３に示されている。

１５は、水ロッドである。３１と３５は、１領域の燃料
棒。

３２，３３゜３４は、下端から１１７２４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６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４の通りである。

表４より明らかなように、本実施例でも、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は実施例１
と同程度の無限増倍率の差を上下領域で有しており、軸
方向出力分布も、実施例１と殆んど同じである。

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。

上部領域と下部領域の境界は前述した実施例１と同様に
１／３〜７／１２の範囲に位置させることが望ましい。

従来用いられていたボイドによる無限増倍率の補償方法
、すなわち、燃料集合体の下部領域の可燃性毒物の含有
量を、上部領域のその含有量よりも大きくすることは、
ＮＵＣＬＥＯＮＩＣ８。

Ｖｏ１２３．慮５の７３頁の説明および７７頁の第３図
に示されている。

特に、その第３図には高さ７０ｉｎの炉心部で炉心部の
下端から９〜４４ｉｎの間に、可燃性毒物、すなわち、
ボロンカーバイトを配置することが記載されている。

ボロンカーバイトは沸騰水型原子炉の運転時間の経過に
伴い中性子を吸収して徐々に消失する。

沸騰水型原子炉の運転時間の経過に伴って、上部領域と
下部領域との無限増倍率の差が減少する。

このため、運転時間が経過して燃料サイクルの末期に近
ずくにつれて、上部領域で発生するボイドによる無限増
倍率の補償を行うことができず、軸方向の出力分布が変
化して下部領域に大きな出力ピークが形成される。

可燃性毒物が完全に消失した時は、本発明の第１図の特
性２２のような出力分布となる。

ＮＵＣＬＥＯＮＩＣ８、Ｖｏｌ、２３ 、Ａ５の炉心部
では、燃料サイクル初期では軸方向の出力分布は平坦に
なるが、燃料サイクル末期に近ずくにつれて軸方向の出
力分布の平坦化が損われ、運転期間を通して常に出力分
布の平坦化を維持することができない。

このように運転期間を通して出力分布が変化すると、平
坦にするための制御棒操作も複雑なものとなる。

可燃性毒物が消失して下部領域に大きな出力ピークのあ
る燃料集合体を次の燃料サイクルに用いる場合は、その
出力ピークによって悪影響が出ないように炉心部内での
燃料集合体の装荷位置を変えるシャフリング操作をしな
ければならない。

前述した本発明の各々の実施例では、上部領域と下部領
域の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、本発明では、原子炉の運転期間を通して出
力分布は常に平坦に維持され、制御棒の操作も簡単にな
る。

さらに、燃料集合体の装荷位置を変えるシャフリング操
作を行う必要がない。

本発明によれば、単純な構造で燃料集合体を構成し、し
かも原子炉の運転期間を通して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。

【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
図は本発明の好適な一実施例である燃料集合体の水平断
面図、第５図は第４図に示す実施例の燃料集合体を装荷
した炉心部の軸方向出力分布を示す特性図、第６図は本
発明の他の実施例の水平断面図、である。 １．２，３・・・・・・燃料棒、４，５，６・・・・・
・燃料棒、１１・・・・・・燃料ペレット、１２・・・
・・・被覆管、１４・・・・・・チャンネルボックス、
１５・・・・・・水ロッド。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下部から上部に向って冷却材が流れてしかも上部で
   ボイドが発生する沸騰水型原子炉の炉心部に装荷される
   複数の燃料棒を有する燃料集合体において、この燃料集
   合体を、前記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
   に分割し、前記上部領域の軸に垂直な平面での平均濃縮
   度を前記下部領域の軸に垂直な平面での平均濃縮度より
   太きくし、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
   ペレットを配置したことを特徴とする燃料集合体。