JPS5984184A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

沸騰水型原子炉用燃料集合体

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JPS5984184A
JPS5984184A JP57194300A JP19430082A JPS5984184A JP S5984184 A JPS5984184 A JP S5984184A JP 57194300 A JP57194300 A JP 57194300A JP 19430082 A JP19430082 A JP 19430082A JP S5984184 A JPS5984184 A JP S5984184A
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JP
Japan
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fuel
fuel assembly
core
region
gadolinia
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JP57194300A
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持田 貴顕
淳一 山下
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/32Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
    • G21C3/326Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements comprising fuel elements of different composition; comprising, in addition to the fuel elements, other pin-, rod-, or tube-shaped elements, e.g. control rods, grid support rods, fertile rods, poison rods or dummy rods
    • GPHYSICS
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    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
    • G21C3/16Details of the construction within the casing
    • G21C3/18Internal spacers or other non-active material within the casing, e.g. compensating for expansion of fuel rods or for compensating excess reactivity
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃焼度を向上させることの可能な改良された沸
騰水型原子炉勝料集合体に関する。
沸騰水型原子炉は軸方向にボイド分布を持つため、炉心
上部よシも炉心下部において中性子の減速が大きく、反
応度が高いため、出力ピークの位置が炉心下部に偏るよ
うに出力分布が歪むという性質がある。
ところが従来の炉心設計では、燃料健全性の確保及びプ
ラント利用率向上の観点から、出力ピークをできるだけ
抑・えることによシ線出力密度(燃料棒即位長当シの出
力)を低く抑えるように設計が行われているために、炉
心下部の出力ピーク位置に制御棒を浅く挿入したシ(こ
の制御棒をシャロー制御棒という)、出力ピーク位置に
反応度抑制用の可燃性毒物であるガドリニア(Gd20
3)を入れた燃料棒を用いる等の対策を施して来た。
また近年開発された濃縮度上下2領域燃料は、燃料下部
領域のウラン濃縮度を燃料上部領域のウラン濃縮度よシ
低くすることによシ、中性子無限増倍率を小さくして燃
料下部の出力を減少させ、出力分布の平坦化を図ってい
る。この濃縮度上下2領域燃利け、軸方向出力分布平坦
化の効果が前記対策に比べて特に優れていることが立証
され、広く採用されるようになってきた。
しかしながら、近年の燃料技術の発展によシ、燃料被嗟
管内周にCuメッキを施したバリア燃料の如きPCI 
(燃料−被覆相互作用pellet −claddin
ginteraction )対策を施した燃料が開発
された結果、従来のような出力分布平坦化は特に必要で
なくなり、線出力密度を燃料の健全性が維持される範囲
内で一ヒ昇させることができるようになった。
このような炉心では出力分布平坦化にとられれずに沸騰
水型原子炉の特徴を活かした新たな炉心設n1が望まれ
る。
この観点から見るに、沸騰水型原子炉には、高いボイド
率で運転された燃料は、低いボイド率で運転された燃料
よシも中性子スペクトルが硬化するため、プルトニウム
の蓄積が多くなる傾向があり、この傾向が燃料の進行に
つれて増大するという特徴がある。
そこで、運転サイクル中は高いボイド率で運転してプル
トニウムの生成を増大させ、サイクル末期にはがイド率
を低下させてサイクル末期にはボイド率を減少し、中性
子スペクトルを変化、させてこれ甘でに生成[またプル
トニウムの反応度を上昇・させ生成]またプルトニウム
の反応度を土性させることによシ燃焼度を増大させる運
転法が考えられた。これはスペクトルシフト運転法と呼
ばれている。このスペクトルシフトに」:るサイクル末
期の反応度利得は、炉心内平均ボイド率の減少及び軸方
向出力分布の上方へのシフトによって得ることができる
沸騰水型原子炉は、サイクル初期に出力分布が下に歪む
特徴を持つことから、このスペクトルシフト効果を得る
上で有利である。このスにクトルシフトを最大限に活用
するためには、サイクル初期では炉心下部出力が大きく
、ボイド率が高く、サイクル末期では炉心上部の出力が
大きく、ボイド率が低いという特性を持たせる必要があ
る。
この必要を満たすために考えられる一つの手段は、燃料
濃縮度は上下一様とし、ガドリニア存在量は上部が下部
よシ少ないような燃料集合体を用いることによシ、燃焼
末期の炉心上部の反応度を高くすることである。しかし
、このような場合には、原子炉冷温時でも制御棒をそう
入することによシ原子炉を未臨界に保つことができると
いう安全上の余裕である炉停止余裕が減るという問題が
ある。すなわち、冷温時の原子炉の出力分布は上部にピ
ークを持つため、上部のガドリニア存在量が少ないと、
ガドリニアによる制御能力が低下し炉停止余裕は減少す
る。
よって本発明は、前記の必少を満たし且つ上記の問題を
解決して、炉停止余裕を十分に維持しながら燃焼度を向
上し得る沸騰水型原子炉用燃料集合体を提供することを
目的とする。
上記目的を達成するため本発明の沸騰水型原子炉用燃料
集合体は、上下方向に延びる多数の燃料棒を有し、その
幾本かの燃料棒には可燃性毒物が入っておシ、燃料のウ
ラン濃縮度が燃料集合体の下部領域よりも上部領域にお
いて高く、且つ、可燃性毒物の存在量が燃料集合体の上
部領域よシも下部領域において少ないように構成したこ
とを特徴とするものである。この場合、燃料のウラン濃
縮度に関する上部領域と下部領域との分割位置は、可燃
性毒物の存在量に関する上部領域と下部領域の分割位置
と必ずしも一致している必要はない。
以下、本発明の沸騰水型原子炉用燃料集合体の一実雄例
を説明する。第1図はこの実施例による燃料集合体(b
)と従来の燃料集合体の一例(a)との構成を対比的に
示した概念図である。これらの燃料集合体は、多数の上
下方向に延びる燃料棒からなり、そのうちの幾本かには
可燃性毒物であるガドリニアが入っている。これら燃料
棒は上下2組に分割されて燃料集合体の上部領域及び下
部領域を形成しておシ、燃料濃縮度(u235濃縮度)
は、本実施例(b)及び従来例(、)とも、上部領域で
3.08%。
下部領域で2.90%であるが、上部領域及び下部領域
におけるガドリニア入シ燃料棒の数は、本実施例(b)
では夫々7本及び6本で6.1、従来例(a)では夫々
7本及び7本である。即ち本実施例では、燃料濃縮度は
上部領域の方が高く、ガドリニアの存在量は下部領域の
方が少い。なお、第1図(b)に示す本発明の実施例で
は、燃料濃縮度に関する上下分1r+1位置とガドリニ
ア存在量°に関する上下分割位置が一致しているが、必
ずしもこのようにする必要員ない。
本実施例による燃料集合体の中性子無限増倍率と燃焼度
との関係を第2図に示す。濃縮度上下2領jJ11″燃
料を用いた本燃料集合体では燃料下部と燃料下部でウラ
ン濃縮度が異るため、燃料上部の無限増倍率は燃料−ト
部より高くなっている。このため、炉心にふ・いてに、
ボイドによる軸方向の反応゛度差と相殺して出力分布を
平坦にしている。これは、特に燃焼の中期から末期(燃
焼度1ocwa /l〜25GWd/l )にて顕著で
ある。
(lit方、燃焼の初期K IJ6、燃料下部のガドリ
ニア入り燃料棒Vが燃料下部よシ少ないために、燃料下
部でのガドリニアによる反応度抑制効果が少なく々って
オシ、燃料の上下における反応度の差は少なくなってい
る。このため軸方向ボイド分布を持つ炉心においては、
ボイド率の低い炉心下部の反応度が大きくなシ、炉心下
部に出力ピークを持つようになる。
第3図は、本実施例の燃料集合体を装荷した炉心のサイ
クル初期の軸方向出力分布を従来例燃料集合体の場合と
比較して示したものである。本実施例による場合は、従
来例による場合に比べて炉心下部での出力の増大のため
に出力ピークは約15%上昇しておシ、このため炉心の
平均ディトも約2.6%増加しでい°る。第4図はこの
ときの炉心の軸方向ボイド分布を示したものである。
第5図は、本実施例による場合と従来例による場合との
サイクル末期における炉心の軸方向出力分布を比較して
示したものである。サイクル末期にはガドリニアが燃え
尽きるために、本実施例の場合は従来例の場合に比し7
て出力ピークはよシ上方に移動しておシ、このため炉心
平均ボイド率はより減少し、スペクトルシフト効果がよ
υ顕著に得られる。第6図はこのときの炉心の軸方向出
力分布を示したものであシ、本実施例による場合は従来
例による場合に比べてボイド率が減少している。
本実施例の燃料集合体によれば、サイクル末期の実効増
倍率ΔKが従来例による場合に比べて0.16%増大し
ている。これは濃縮度な上げることなく取出し燃焼度を
約500 iwd / tだけ増大させたことに和尚す
る。
第7図の、原子グ・冷温時において、全制御棒そう入状
態から最大制御棒価イ1@を持つ制御棒が1本引抜かれ
た場合の炉心の実効増倍率を示したもので、]、00か
ら差分が炉停止余裕と呼はれている。設計基準ではこの
時の実効増倍率は、0.99以下となる心火があるが、
本実施例によれば、従来例による場合に比べて、失効増
倍率の増大は僅かであシ、従って炉停止余裕の減少幻少
々く、その影響は少ない。
なお、上記実施例では、ガドリニアの存在量を上部領域
よりも下部領域の方で少くするために、ガドリニア入り
燃料棒の数を下部領域の方で少くしたが、これに限らず
、ガドリニア入り燃料棒中のガドリニア濃度を上部領域
よυも下部領域の方で低くした実施例も可能である。
更には、燃料棒を物理的には上下に分割することなしに
、燃料濃縮度を燃料棒中の上部領域に属する部分と下部
領域に属する部分とで異匂しめること、また幾本かの燃
料棒中には上部領域にのみ、且つ他の幾本かの燃料棒中
には下部領域にのみ、ガドリニアを入れ、それら燃料棒
の本数を異らしめること、またけ、幾本かの燃$:1棒
中には上部領域にのみ、1つ他の幾本かの燃料棒中には
下部領域にのみ、ガドリニア入 の濃度を上部領域と下部領域とで異らしめること、或い
は幾本かの燃料棒中の上部領域及び下部領域に夫々異る
濃度のガドリニアを入れること、などによっても、燃料
集合体の上部領域において下部領域におけるよシも燃料
濃縮度が高く、月一つ上音IS領域におりるよりも下部
領域において可燃性青物の存在量が少い本発明の燃料集
合体の種々の実施例が得られる。これらの実施例によっ
ても、第1図について述べた実施例と同様な効果を得る
ことができる。
以上述べたように、本発明によれば、炉停止余裕を十分
確保しつつ沸騰水型原子炉のスペクトルシフト効果を増
大させ、取出し燃焼度を向上させることができるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1m発明の一実施例における燃料集合体中の燃料濃縮
度及びガドリニア量の分布を従来例との対比において示
す概念図、第2図は上記実施例による無限増倍率と燃焼
度の関係を示す図、第3図はサイクル初期における同実
施例による炉心軸方向出力分布を従来例と対比して示す
図、第4図はサイクル初期におりる同実施例による炉心
ボイド分布を従来例と対比して示す図、第5図はサイク
ル末期における同実施例による炉心軸方向出力分布を従
来例と対比して示す図、第6図はサイクル末期における
同実施例による炉心ボイド分布を従来例と対比して示す
図、第7図は同実施例による炉停止余裕を従来例と対比
して示す図である。 児1図 (a)           (b) 従来イ列             本亮朗第4図 ボ゛イト′率 ボイド・分布(サイタル初期) 鳥5因 木目文士出力 軸方向出力亦卯(サイWν末期)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 上下方向に延びる多数の燃料棒(その幾本かには
    可燃性毒物が入っている)で構成され、沸騰水型原子炉
    の炉心部に装荷される燃料集合体において、燃料集合体
    の下部領域よシも上部領域において燃料のウラン濃縮度
    を高くし、かつ燃料集合体の上部領域よシも下部領域に
    おいて可燃性毒物の存在量を少くしたことを特徴とする
    燃料集合体。 2、燃料集合体の下部領MK可燃性毒物を持つ燃料棒の
    本数が、燃料集合体の上部領域に可燃性毒物を持つ燃料
    棒の本数よシも少いことを特徴とする特許請求の、範囲
    第1項記載の燃料集合体。 3、燃料集合体の下部領域に存在する可燃性毒物の濃度
    が、燃料集合体の上部領域に存在する可燃性青物の濃度
    よシ低いことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    燃料集合体。
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