JPS59170792A - 原子炉の初装荷炉心 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は沸肌水形原子炉等の初装荷炉心に関する。

〔発明の孜術的背景とその間照点〕

ｋに沸、１・：水彩原子炉の燃料および炉心は第１図ム
いし第３図に示す如く何故されている。

第１図に（・よ燃料林１を示す。図中２はノルコニワム
合金製の燃料被覆官であって、その上瑞相Ｓおよび下端
部は上部端栓３および下部端栓４によって＠閉されてい
る。そして、この燃料被柱肯２内．には酸化ウランの粉
末を焼結した短円柱状の燃料ベレット５・・・が充填さ
れている。このように４成された燃料棒１・・・ぽ第２
図に示す如く８行８列の格子状に配列されて所定の間１
ｍｋ・もって−束ねられ、この燃料棒ｌ・・・の未は断
面略正方形のチャンネルボックス６内に収谷芒几、燃料
集合体Ｌが構成きれる。そして、第３図に示す如く上記
燃料集合体乙・・・ぽ断面十字形の１１ｊｌｌ銅１’ａ
ｓ・・・の周囲に４体ずつ装化工さｎて単位格士旦・・
・を・９背成し、これら単位格子ユ・・・ケさらに格子
状に配夕１」シて平面形状が略円杉に近い炉心が構成さ
れる。この炉心は原子炉圧力容器内に収容さ庇ている。

この原子炉圧力６指＋）ｑ　ｖｃは付水すなわち織込イ
〉ツ盆麻用する怜却材が収容さノｔ１このにｉ囚Ｊ拐は
炉ＪｔＪの燃、１−１集合体ヱ・・・のチャンネルホッ
クス６・・・内を通って１朋猿され、：’ｗ、ｉ　ａ’
Ａペレット５・・・内の（亥分阜くにょって発生する熱
にょ９ｂｌｒ　ｒ”□ＷＶさ）１．てθ１・騰し、水と
蒸気の二相？カｈとなって炉心から流出し、この魚気盆
タービン岱に込るように（ｔイ成されている。また、上
記とδ却材ば「）ＩＩ述の如く減蓮イレ″をＡ）Ｌ用し
ておシ、核分裂に工って発生した高速・＋ｌ住子を減速
して熱中ｉ’：ｌ：子とし、この々す１コ性子Ｖこよっ
てｒ〈の核分裂反応ｆ　ｂ　Ｈ−４するようしく構成さ
Ｉ’Ｌでいる。−Ｊ、た、炉心の呂カ１ｌｊｌｌ釧］は
１ｄ制御杼８・・・の挿入、引抜によって炉、Ｌ、の反
応′ｊ４；ヶ個督しておこなうとともに炉心をｊｔ１適
する？′１）却（Ａの流計を変えることによって炉心内
のｌξ気（しくの岸−ｆなわちボイド率金変え、炉心＋
Ｉ７ＳにイＪ、在する〆′１１却イ、ツずなイノち減速
材の量を変えるごとにより中性−」１の必、応ユ１乍用
紫ハノ・・１・旺し、こｒＬｖこよ、って炉心の反応；
ｖｊり駅１．（をおこなう。ｉお゛、ｔｊｉＪ、ｊ已燃
ネを床台４＄　ｙ　Ｑ甲］し・８１）にはＰ」恥に札）
水ずなゎＳｔＩ叱速伺”電収容した叔も３本のウメ−タ
ロラド１０．１０才燃料悼１・・・の代りに配ｋｇｊ：
　Ｌ　、この燃料芽：合体Ｚの中心部における中性−ｊ
−の弘速ど［：用ケ大きくし、燃料集合体Ｚ内のｕ３力
分布ケ、＋６１−化スるように構成されている。

ところで、上記の燃料集合体ム・・ば３〜４年間にわた
って炉）し内でＥ　９Ａさせることかでさるものである
が、燃料の交侠ば１年毎のン「期点次の際に全燃料集合
体Ｚ・・・の１／３〜１／４の燃％ｉ粂合体Ｌ・・・全
交俟してゆく。したかって、原子炉を娃役して全て新燃
料集合ｔトを装荷した状ｐ１すなわち初装荷炉心の状態
刀・ら叙年間】Ｍ・鉱をおこなうと炉心内にはたとえば
３年間；Ｒ−〉・慰されブこ九′〉科夾合俸、２年間燃
焼さ７したＬ然月姿合不、１本間燃焼された燃料集合体
、蝉またＶＣ装荷されたｉｊ１燃料集合体がそれぞれ１
／４ずつＳ咎に有圧するいわゆる平衡炉心の状態となり
、以呻（′ユム、メ）科ズ侯毎に最も古い燃月巣合坏全
仙へ′鳴侭合体と父侠してゆＣ・すはこの一定の平１対
炉心の４（、懸か刑［７、。

畑れる。

しかし、このようなものでは初めの表ν年１’＋ｊｊ　
／’Ｃとλ幻、Ｊ４＊　ｒ刀の酎；・・Ｉ神父４突の絵
にば１自−出１し刀）癒し□、見笛れていない嶋イ・−
１頃合体が炉心から取、！、ｌ吊ａａて壊ｒ　）、？：
　４４封千合１−４・と父侠芒れることになり、村？ｊ
−（的な蛎、臘が犬きく′／、【る不具合を生じる。こ
のため、ｆＪＪ装イ’＝Ｊ炉）Ｌ・に・装荷層れる燃料
集合体は父戻ン−さノする壕での期曲シこ対応して燃料
集合体のウラン２；３５等の核分裂物ｊ、ｌ＝ｊの０艮
度を変え、短期ｉ１．ｉ４で父換される□−ｉｙ　ｉ；
ｊ１↓合１１１については核分裂物゛Ｎのｏ、１度／ｆ
：低くして１ｉ）１−倍付の同上を図ることがなδ！し
てい２）。しかし、俵分裂吻質の。８、鳩゛全あ擾りｉ
、ｌ−に−トすると必安な反応度〃・得られなくなるの
で、核分裂物゛ｈのｉ’：＋８：味ケあ１り低下させる
ことに：できない。１７こ、一部の’＋＋Ａ”（科央合
捧の１俵分裂′１・’ａ　’ＰＩの（ｊｔ”−１ｉ　ｋ
低下させると炉心全体の核分矢′１す″を社の°ト」す
（辰；シ：か１見下すあので、こ汎を袖１質する／こめ
：１ｉ４の燃料東片捧の核分裂勿′資のＨ７ｉ；ｆｆｉ
を上けｌけれ）よならない。また、俵分裂物質の践Ｕを
ＩＩ（りすると燃焼の走行が後やかとなり、燃、ｉ−＋
τヌカ′＋・的ＶＣｔ＋名ｒ）苑式ぜることができなく
なる。したかって、性用１間で交戻される燃料集合体の
核分表吻實の、伐度ｒ低下させても上ｉ己の理由Ｑこよ
り触渣旺′？ｃあまり同上することができなかった。

〔九鴨の目的〕

本弁明は以上の事情にもとついてなさルたもので、−ｆ
：の目的とするところは７６　Ｎ　ｋ効奔・的に燃貌芒
せることかでき、叶済性全回上草せることかでさる原子
炉の初装偵炉心金偉洪することにある。

〔弁明の概要〕

不殆門（Ｉ−ｊ、複数の燃料集合体ｒ装置１・ｌして炉
心１ｃ構取し、・ケ：・科交侯時毎に上記、・ンヘ科小
合棒ｋ　−’１ｉｉ−１ずつ父−・−するものに−ｂ・
いて、上記熱ｉ　ｈ　”Ｊき合′ト（４の核号りそ物ｆ
４のｔ丈厩２よび減速材対・名料比葡その燃料集合体が
父戻されるまでの期１ｉｉｉ　Ｖこ；＜’ｔ　Ｌ６　し
て設定し、装荷から燃料父侠ｌでの期ｄ］の位い・′・
）科ｌ＋七・体についてはその俵分裂物行のＪ・、朋足
１ｊ〜、ぐするとともに減速材ＡＪ燃料比を人ａ＜Ｌ、
＝荷から感科交侠までの勘ｔ’＋Ｊか長い燃衡東合１４
＝　：、Ｌついてはぞの核分裂′＋／Ｊ質の議題て尚く
するとともに減速材対燃料比？小さくしたものて゛めり
。

したかって、短期１０Ｊで交換される燃料集合体では七
の減速材対燃料比を大きくしたので中性子の減速作用が
犬とな夛、反応度が大きくなる。

よってこの短期間で交換される燃料集合体の核分散物質
の礫層を充分に低くすることができるとともに他の燃料
集合体の核分裂物質のａ度ｔ＾くするノする要もない。

さらに、この短期間で交換される燃料集合体では中性子
の減速作用か大であるため燃・境の進行度合か太きくな
シ、父氷される１での短期間のうちに核分裂物質全効率
的に燃焼させることができ、燃料の経肯性金大）陥に向
上させることができるものでるる。

〔発明の実施例〕

以下第４図ないし第１３図を参照して本発明の第１実施
例金説明する。この第１実施例は沸臆・水彩原子！１７
″ｉＱＴ心に本発明を通用した場合のものである。第１
図には燃料棒１１の何成金示す。Ｉ菌中１２はジルコニ
ウム合金製のり然料破積官であって、その下端部および
下端部は上部端４♀１３および下部端栓１４によって密
封されている。そして、この燃料被復１′１２内には酸
化ウランの粉末全焼結した短円柱状の於科ペレ。

ト１５・・・が充填されている。このように構成された
燃朴作１１・・・は第５に示す如く８行８列の格子状に
配列されて所定の間噛全もって束ねられ、この燃料棒１
１・・・の果は断面喘正方形のチャンネルボックス１６
内に収容され、燃ｆ４巣合体１７が構成される。そして
、第６図に示すμｍ」〈上記の燃料集合体１７・・・は
酊［１」十字形の制側ｊ棒１８・・・の周囲に４体ずつ
装荷芒れて単位信子Ｌヱ・・・全構成し、これら単位格
子り乏・・・全さらに格子状に配列して第７図に示す如
く平面形状が略円形に近い炉心が構成される。なお、第
７図中ひとつのます目はひとつの燃料果合体１７・・・
を示す。このように構成された炉心は原子Ｐ圧力容器（
図示せず）内に収容される。この原子炉圧力容器内には
粧水すなわち減速材全兼用する耐邸材が収容され、この
冷却材ｒｉＴノ１ノの恕料果合体１７・・・のチャンネ
ル＆７クス１６・・・内を遡って俯虫され、燃料ペレッ
ト１５・・・内の４ン分裂反応Ｖこよって発生する熱に
よＩＣ７ＪＯ熱さｎて沸Ｊｉへし、水と蒸気の二相流と
なって炉ｊＧｊからＵＩＬ出し、この蒸気全タービン等
に送ってこれを易動するように構成されている。また、
上記冷却材はｉｉＪ述の如く減速材を兼用しておシ、核
分裂ＶＣよって発生した尚速中性子全減速して熱中性子
とし、この熱中性子Ｖこよって次の核分裂反応金維狩す
るように構成烙れている。また、炉心の出力制征Ｊは制
御棒１８・・・の挿入、引抜によって中性子の吸収箭金
変え、炉心の反応度金調歪しておこなうとともに炉心を
通過する冷却材の０１Ｃｍ：　ｊ−なわち炉心流前金変
えることによって炉心内の蒸気泡の一敬すなわちボイド
率を変え、炉心内に存在する冷却材すなわち減速材の量
全変えることにより中叶子の減速作用を調當し、これに
よって炉心の反応度の調整をおこなう。

１だ、このような炉ノし・に装荷された燃料果合体１７
・・・は炉心の中ノし都については燃料交換の際に１／
４ずつ又侠され、また周辺部については燃１コト又挨の
際に１／６ずつ交換さ詐る。した〃１つて、中心地の燃
料集合体Ｌヱ・・・は４炉心年（燻科波涙から次の燃料
交換１での約１年間全１炉心年と称する）の間炉心内に
滞在し、また１＾」込部の燃料果合体１７・・・セロ炉
心年の間炉心内に滞在する。ただし、初装荷炉心から平
衡炉心しご達する１での期間においては１炉心年、２炉
心年、３炉ノし・年、４炉ノし年で又侠される燃料集ｔ
Ｓ体１７　　・・・がそれぞれ１／４ずつあり、また周
辺部。

では１炉心年、２炉心年、３炉ノし・年、４炉心４ｇ。

５炉心年、６炉心年で交換される燃料集合体１７・・・
がそれぞれ１／６ずつある。なお、第７区１の各１す目
すなわち燃料果合体１７・・内に、ｂ１芒れた数字はそ
の燃料集合体のＰ心内滞在炉ノし・年を示す。

そして、この初装荷炉心において装荷されている燃料果
合体１７・・・は装荷から又侯さ肛る壕での期間すなわ
ち滞在炉ノし・年数に対応してウフン２３５箇の核分矢
物質○巖咬および減速刺メ・ｊ燃料比が異なるように設
定されている。すなわち、後分裂物質の一度は滞在炉心
年数が１駅・１、・年の燃料集合体１ノ・・・か最も低
く、滞在炉心年数か２炉心年、３炉心年、４炉心年の燃
料集合体１７・・・の順に核分裂物質の濃度が高くなる
。

：ｔお、滞在炉心年数が５炉心年以上の燃料集合体１７
・・・ｉＣついてはその核分烈物賀濃度は紹在・カ・心
年数が４炉心年の燃料集合体υ・・・と同じである。ま
た、減速材対燃料比すなわち燃料桑合４１．７・・・の
占める体知から燃料ペレッｌ−１５・・・の体積をデー
引いた体積を燃料ベレット１５・・・の体オシで除した
１繭は滞在炉心年数が短かくなる程大さく設定趙ノ１９
、滞在炉心年数が１炉心年の燃料集合体１７・・・で減
ｚ＋（４相対燃料比が最も大きく、滞在炉心年数が２炉
心年、３炉心年、４炉・６年の燃料集合体り−４・・・
の順にその減速材対燃享−１比が小さくなってゆく。な
お、滞在炉心年数が５炉心年以上の燃料集合体Ｌヱ・・
・ではその減速材対燃料比は滞在炉心年数が４炉心年の
燃料集合体１７・・・と同様である。また、この第１実
施例では燃料芽２合体Ｌヱ・・・の燃料棒１）・・・の
径を変えることによって減速材対燃料比を変えるように
構成でれている。すなわち、第８図に、滞在炉心年越が
１炉心年の燃料集合体１７盆４くし、この燃料集合体Ｌ
ヱでは燃料悼１１・・・すなわち燃料ペレットの径を最
も細径とすることによって減速材対燃料比が蚊も大さく
なるように構成されている。また、第９図、第１０図、
第１１図はそれぞれ滞在炉心年数が２炉７１ノ年、３炉
ノ１ノ年、４炉心年以」二の燃′Ｓ−Ｆ集合坏１７・・
・？７１くし、燃料枠１ノ・・・の径が順次大きくなり
、減速材対燃料比が順次大きくなるようＩ／′Ｃ，構成
されている。

上述の如き本発明の第１実画例は、面在炉・し年数の短
かい燃料集合体Ｌヱ・・・では涯速材対ｆ５料比全犬キ
くシたので、中性子の減速作用か大さく、核分裂物質の
濃度が低くても反応度全人きくすることができる。よっ
て、滞在炉心年数の短かい燃料集合体Ｌヱ・・・におけ
る核分裂物質の諷Ｉｔ　全充分に低くすることができる
。また、滞在炉心年数の短かい燃料集合体１７・・・の
核分裂物質の＠度全低下させても反応度は碓株でさるの
で、滞在炉心年数の長い燃料集合体Ｌヱ・・・の核分裂
物質の眞瓜金尚くして炉心全体の反応並低下ｋ　、ｆｉ
ｔｉ偵する必、＊汀ない。なお、第１２図に汀減連材ズ
・１燃料比αに対する反応度に、、）の特性７示し、第
１２図中のＡは核分裂物質の鋲度εが低い場合、Ｂは核
分裂物質の６・４度εが高い８９合ケ示し、またＣは一
般的な燃料集合体の減速イ・づ徽″１燃料比の領域金示
す。この第１２図から明らかなように一辰′的な燃料乗
合体における減速相夕・↑燃料比の領域あるいはその近
傍の領域でに減速材対燃料比αが大きくなるに従って反
応（ｋ、：　ｋ■も犬となるものである。

チだ、減速材対燃料比αが大きくなると燃焼の）１（行
度合が犬きくなる。第１３図ＶｃｒＪ、燃規度Ｅ（Ｃ文
・Ｉする反応１．！２−．　ｋ。々変化を示し、図中り
は減速材対燃料比αが大きな場合、Ｆは戚之材対燃刺比
αが不妊な場合を示す＠この第１３図から明らかなよう
に減速材対燃料比αが太さな場合には燃焼が急速Ｖこ進
行するため、燃焼層Ｅにメ・１する反応度ｋ（Ｊ：、の
低下が太さい。よって滞在炉心年数の短かい燃料集合体
Ｌ１・・・の減速拐′対燃料比α金大きくすれば、この
燃料集合体１７・・・が交換されるまでの短期間に効率
的に燃焼ケおこなうことができる。址だ、滞在炉心年数
の長い燃料集合体１７・・・では燃焼＋ｗ　Ｅに対する
反応度ｋｃｃ＋の低下が少なく、長期間にわたる炉心の
反応度の変化を少なくすることができる。さらに、滞在
炉心年数の長い燃料集合体１７・・・では減速材対燃料
比αが小さいため、減速されない隅速中性子が親物質で
あるウラン２３８にｉ’ｌｉｊ獲され、このウラン２３
８が核分裂物質であるプルトニウム２３９に変換きれる
割合が大きく）る。よって滞在炉心年数の長い燃料等合
体１７・・・ではプルトニウム２３９が多く生成され、
このプルトニウム２３９が燃焼後期において・燃焼する
ので燃料の経済性が一１＝向上する。

なお、各燃料集合体１７・・・の減速材対燃料比α等は
その滞在炉心年数に対応して燃料が最も経済的に燃焼さ
れるように設定される。このたｈ科業最も経済的に燃焼
させるには装荷時から取１１ｉ　Ｌ璽よでの反紀、戊の
積分値Ｋｏｏを原子炉の自己電］呻・ばて損なわない範
囲で工αとなるように、すなわち が最大となるようＶこ設Ｗすれはよい。なお、ここで Ｆ、：燃焼度 α：減速材対・赫料比 ４：燃料集合体の装荷時の燃焼度 Ｅｄ：燃料集合体の取出時の燃焼度 ｋｃｏ：燃料集合体の原子炉内での反応度でおる。

なお、本発明は上記の第１笑施例にｔｒｉ限定きれない
。

たとえは第１４図ないし第１７図には本発明の第２実施
例の燃料集合体金示す。この第２′欠加長すでは燃料果
合体１７・・・の燃料悴ノド・・の径はそれぞれ等しい
ものとし、滞在炉心年数が１炉心年の燃料集合体１７に
ついては第１４凶に示す如く内部に冷却材すなわち減速
材全収容したウォータロッド２ｏ・・・全８本装荷し、
また滞在炉心年数が２炉心年のものについては第１５図
に示す如くウォータロッド２θ・・・を４本装何し、ま
た滞在炉心年数が３年の燃料集合体１７については第１
６図に示す如くウォータロッド２０・・全２本装荷し、
さらに滞在炉ノＬ・年数が１１炉心年以上の燃料集合体
１７では第１７図に示す如くウォータロッドを装荷しな
い等、ウォータロッド２０・・・の本数を変えることに
より燃料集合体Ｌヱ・・・の減速材対燃料比を変えたも
のである。さらに、本発明は沸騰水形原子炉にＶｉ限定
逼れず、その他の軽水炉等、熱中性子炉一般に適用でき
るものである。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明は複数の燃料集合体を装４＋’ｊして
炉心を構成し、燃料又換時毎に上記燃料１Ｊ−合体全一
部ずつ交換するものにおいて、上記＋Ｑ２よ科集合体の
核分裂物質の濃厩および減速材対＋’＋′Ｘ’ｉ料比を
その燃料集合体が父挨されるまでの期ｔ８ノに対応して
設定し、波歪Ｊから燃料交換までのＵｊ間の短い燃料集
合体につしゑではその核分裂物′釣の碇ＩＷを低くする
とともに減速材対燃料比を大きくし、装荷から燃料交換
までの期間が長い燃料集合体についてはその核分裂物質
の８度全局ぐするとともに減速材対燃料比を小さくした
ものである。したがって、短期間で交換される；＃和実
合体ではその減速材対燃料比を大きくしたのでｒ、ｌ＝
Ｉ　ｉｘ子の減速作用が犬となり、反応度が犬きくなる
−、よってこの短期間で交換される燃料集合体の核分裂
物質の７Ｉ９度を充分に低くすることができるとともに
他のπｊ吋料集合体の核分裂物質の忙１度全高くする必
砂もない。さらに、この短期間で交換さハ、る燃料集合
体では中性子の減しグ作用が犬であるため燃焼の進行間
合が大きくなシ、交換される丑での短期間のうちに核分
裂物質を効率的に燃Ｍｒ＝きせることができ、燃料の２
ｕ済性を大幅に向上させることができる等、その効果は
大でりる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は従来例を示し、第１図は燃料棒の
禮断面図、第２歯ｔｆｉ燃料集合体の概略的な平面図、
第３図は炉心の一部の概略的な平面図である。第４図な
いし第１３図は不発）ツ］の第１実施例を示し、第４図
は舶利朽の縦断ゴｌ」図、第５図は燃料集合体の概略的
な平面図、第６図に炉心の一部の概略的な平面図、第７
図（ｒ：１炉）し・の模式的な平面図、第８図ないし第
１１図は燃料集合体の概略的な平面図、第１２図１は桟
速材対燃料比と反応度との関係を示す・唄ｌン１、第１
３図は燃焼度と反応度との関係金示す都図でおる。第１
４図ないし第１７図は不発１４Ｊ］の第２実施例の燃料
集合体の概略構成図である。 １１・・・燃料棒、１２・・・燃料被覆管、１５・・・
燃料ヘレット、１６・・・チャンネルＪ？ックス、１７
・・・燃料集合体、１８・・・制御棒、２０・・・ウォ
ータロッドＯ 第３図 −５６０− 第６図 ４．Ｆｉ’　ｓ図 ６ 第１５図 第１７７１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 枚数の燃料へ′合体を装荷して炉心全構成し１だ）〉料
   交快時旬に−ヒＴｈＬ燃料集合体を一部ずつ交我、−す
   るものにおいて、上記燃料集合体の核分裂物Ｉｅｊの碗
   度および減速材対悉刺比をその燃料集合体が交換される
   １での期間に対応して設定し、装荷から然料父侠せでの
   期間の蝮い燃料集合体についてはその核分裂物質のに２
   １度を低くするとともに減速制対燃料比を太きくし、装
   荷から燃料又保１での期１１」］が長い・燃料集合体に
   ついてはその核分裂物質の咲ＩＷを尚くするとともに減
   速拐対然・刺止を小さくしたことを特徴とする原子炉の
   初装荷炉心。