JPS60100086A - 原子炉炉心 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は原子炉炉心に係り、特に燃料交換作業が少なく
かつ燃料経済性に優れた原子炉炉心に関する。

〔発明の背景〕

原子炉は約１年間運転した後、定期検査を行ない、その
際、炉心に装荷されている燃料集合体の約Ａ−届を新燃
料と取替えている。燃料取替は、運転中の最大出力燃料
の炉心平均燃料出力に対する比（径方向ピーキング）を
最小とすることを目的としたもの、燃料経済性を最大と
することを目的としたもの、および燃料交換作業を最少
とすることを目的としたもの１等の考え方の違いによっ
て同じ燃料取替体数でも何通りもの炉内装荷パターンが
可能である。

燃料交換作業を最少とすることを目的とした燃料装荷Ｉ
Ｑターンの従来例を第１図により説明する。

この図は成るサイクルの時点における原子炉内の燃料集
合体の装荷パターンを示したものであり。

小さな正方形一つが燃料集合体一体を我わしている。図
中、１は炉内滞在１サイクル目の燃料集合体、以下２な
いし６はそれぞれ炉内滞在２ないし６サイクル目の燃料
集合体を示す。この図に示す燃料装荷パターンでは、炉
内滞在１サイクル目に装荷された燃料はその後最終的に
炉外へ取出されるまでその位置から動くことがない。す
なわち。

図中の符号を○枠で囲んでいない炉心内側領域では炉内
滞在１サイクル目から４サイクル目まで各燃料が同一位
置から動かず、４サイクル滞在後５サイクル目となった
燃料が炉外へ取出されるものである。また図中の符号を
○枠で囲んでいる炉心外周領域では炉内滞在１サイクル
目から６サイクル目まで各燃料が同一位置から動かず、
６サイクル滞在後７サイクル目となった燃料が炉外へ取
出されるものである。上述のような装荷パターンは、定
期検査における実際の燃料交換作業時には、炉外へ燃料
が取出された後の位置に新燃料を装荷するだけでアリ、
他の燃料が炉心内を移動することがないので、燃料交換
作業を最少にするという観点からは最適な燃料装荷パタ
ーンである。

しかし、第１図の燃料装荷パターンは燃料経済性の観点
から評価すると、下記に述べるように、必ずしも最適と
なっていない。

すなわち第２図は、第１図の燃料装荷パターンを採用し
た炉心を径方向同心円状に５領域に分け。

ウラン濃縮既約３．３重量％の新燃料を装荷して数サイ
クル運転した後の平衡サイクルにおける各領域の１サイ
クル当り平均出力を、炉心平均出力を１．０と（７て規
格化した相対出力値で表わしたものである。第２図にお
いて領域１〜４は第１図で符号を○枠で囲っていない内
側領域、領域５は第１図で符号を○枠で囲った外周領域
に相当する。

第２図の領域１〜４のどの領域も炉内滞在１サイクル〜
４サイクル目の燃料が均等に装荷されているにも拘らず
、炉心外周に近い領域４の相対出力は炉心中央の領域１
の相対出力の約７５％でしかない。新燃料として炉心に
装荷されて以来第２図に示す相対出力分布で４サイクル
運転された後に第２図の領域１から取出された燃料と領
域４から取出された燃料との取出燃焼度を比較すると、
領域４から取出された燃料は領域１から取出された燃料
の約７５％しか燃焼していないことになる。

このように、従来、燃料交換作業を最少とするような燃
料装荷パターンは、全ての燃料を有効に燃焼させるとい
う燃料経済性の観点からは劣っているという欠点があっ
た。

一方、燃料経済性を高めるという観点からは。

炉外へ取出されない燃料を、その炉内滞在期間中の数サ
イクルの間に炉心内の様々な位置へ移動させて、全ての
燃料を有効に燃焼させる装荷パターンが考えられる。す
なわち、燃焼の進んでいない、従ってウラン２３５が多
く残っていて反応度が高い燃料をできるだけ炉心中央部
に装荷することによって、その燃料をよく燃焼させるよ
うにする。また炉心外周から中央部に行くに従って中性
子インポータンスが高いことから１反応度の高い燃料を
炉心中央部に装荷することは、炉心全体の中性子増倍率
を増大させ、より長期間原子炉を運転することを可能に
する。従って、燃料１体当シの発生熱量も増大し、燃料
経済性が向上する。

燃料の炉内移動（燃料シャラフリングという）が燃料経
済性に及ぼす効果は、径方向ピーキング（最大出力燃料
の炉心平均燃料出力に対する比）と取出燃焼度利得との
関係で定量的に表わすことができる。第３図は横軸に径
方向ピーキング、縦軸に取出燃焼度利得を示したもので
あり１両者は（５） 互いに増加函数の関係にある。取出燃焼度利得を大きく
するように燃料シャラフリングを行なうことは、中性子
インポータンスの高い炉心中央部に反応度の高い燃料を
装荷することになるので径方向ピーキングが大きくなる
が、しかし燃料経済性は取出燃焼度利得が大きいほど良
くなる。通常の原子炉では、このような燃料シャラフリ
ングによって燃料経済性を１〜３チ程度向上させること
が可能である。

しかし、燃料シャラフリングは定期検査時の燃料交換作
業を増大させ、定期検査期間を延長させる原因となる。

比較のため、第４図に燃料シャラフリング無しの燃料交
換手順の例を、第５図に燃料シャラフリング有りの燃料
交換手順の例を、それぞれ＆炉心（第２象限）について
示す。これらの図から明らかなように、燃料シャラフリ
ングを行なうと燃料交換作業が大幅に増大する。

下衣は、ある原子炉において燃料ジャリフリングの少な
い場合と多い場合との燃料交換ステップ数を例示したも
のである。どちらの場合も２００体（６） の燃料取替を行なうが、燃料交換ステップの総数はシャ
ラフリングの少ない場合と多い場合とでは訃 約２倍の開きがある。

以上のように、従来、燃料経済性を向上させるために燃
料シャラフリングを行なうことは燃料交換ステヅグ数を
増大させ、定期検査期間を延長させるという欠点があり
１反対に、燃料交換ステヴグ数を少なくするため燃料シ
ャラフリングをせず又は少なくすることは燃料経済性を
低下させるという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料交換作業を少なくし且つ燃料経済
性を向上させるという、従来は相反すると考えられてい
た二つの要求を満たす燃料装荷パターンを有する原子炉
炉心を提供することにある。

〔発明の概要〕

燃料交換作業を少なくするためには、取出される燃料と
新たに炉心内に装荷する燃料の他は、なるべく燃料移動
を行なわないようにすることが必要である。而して、燃
料経済性の向上に関して第３図で説明した径方向ピーキ
ングと取出燃焼度利得との関係は、燃料シャラフリング
をすることが本質的なのではなく、燃料シャ９フリング
をするしないにかかわらず、結果として、反応度の高い
燃料を中性子インポータンスの高い炉内の中央部に集め
、径方向ピーキングを大きくすることが本質的であるこ
とに本発明者は気づき、従って燃料ジャリフリングを最
少とした炉心に対しても１反応度の高い燃料を炉心中央
に装荷すれば、径方向ピーキングの増大とそれに伴う燃
料経済性の向上を実現することができるという着想に到
達した。

本発明の原子炉炉心は上記の着想に基づくものであり、
その構成の特徴は、炉心が中央から周辺まで複数領域に
分割されており、炉心を構成する燃料要素は、少なくと
も内側の領域に装荷される燃料要素が所定回数のサイク
ルの間炉心内の同一位置に留まる装荷パターンに従って
装荷されており、且つ中央に近い領域はど中央より遠い
領域に比して初期ウラン濃縮度の高い燃料要素が装荷さ
れていることにある。

本発明によれば１例えば第４図に示したような燃料交換
作業を少なくした燃料装荷・ぐターンを採用した原子炉
に対して、炉心を径方向に多領域に分け、炉心中央部に
近い領域はどウラン濃縮度の高い燃料全装荷することに
よって、燃料経済性を向上させることができる。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第６図により説明する。第６図に示
す燃料装荷パターンは第１図の燃料装荷パターンとほぼ
同じものであり１図中、符号１は炉内滞在ｌサイクル目
の燃料集合体、以下、符号２〜６はそれぞれ炉内滞在２
〜６サイクル目の燃料集合体を示す。装荷された燃料は
最終的に取出されるまでその位置から動くことは無い。

すなわち、第６図で符号を○枠で囲んでいない領域では
／Ｑ　） ４サイクルの期間中、また、符号を○枠で囲んでいる領
域では６サイクルの期間中、燃料が同じ位置で燃焼した
後に炉外へ取出される。

第６図で斜線で示した内側領域には初期ウラン濃縮度が
約３．５重量％、それよりも外側の領域には初期ウラン
濃縮度が約３．１重量％の燃料を装荷する。但し、これ
らの平均のウラン濃縮度は第１図で示した従来の原子炉
と同じ約３．３重ｉｓである。この場合、第２図と同じ
ように、径方向の各領域の相対出力値を示したのが第７
図である。第７図には、比較のために第１図および第２
図に示した従来の原子炉における相対出力値も示しであ
る。本実施例では、第７図の領域１および２は第６図の
斜線で示した領域に相当し、初期ウラン濃縮度約３．５
重量％の燃料が装荷されている。また。

第７図の領域３および４は第６図の斜線で示した領域と
符号を○枠で囲んだ領域との間の領域に。

そして、第７図の領域５は第６図の符号を○枠で囲んだ
領域に相当し、これら領域は初期ウラン濃縮度約３・１
重量％の燃料が装荷されている。

（１０） 第７図かられかるように１本実施例の炉心中央部（領域
１および２）−では相対出力値が増大しており、径方向
ピーキングも増大している。

本実施例によれば、燃料交換作業量は第１図および第２
図で示した従来の原子炉と同じであるのに、燃料経済性
は約２チ向上する。

本発明の他の実施例を第８図を参照して説明する。この
実施例の燃料装荷ｉ４ターンは第６図において炉心中央
の斜線で示す領域に初期ウラン濃縮度的３．６重量％の
燃料、その外側で外周領域（符号をＯ枠で囲んだ領域）
との間に在る領域に初期ウラン濃縮度的３．２重量％の
燃料、そして外周領域には初期ウラン濃縮度的２．０重
量％の燃料を装荷したものである。この場合の各領域毎
の相対出力値を第８図に示す。本実施例は第７図により
説明した前記実施例よりも更に燃料経済性向上の効果が
大きく、第１図および第２図で示した従来の原子炉燃料
装荷ノＪ？ターンに比べて、燃料経済性が約３係向上す
る。

更に本発明のもう一つの実施例を第９図および第１０図
により説明する。第９図中、符号１は炉内滞在１サイク
ル町、の燃料集合体、以下、符号２〜４はそれぞれ炉内
滞在２〜４サイクル目の燃料集合体を示す。これらの番
号で示された燃料は炉内に装荷されてから４サイクルの
間同じ位置に留る。内側の十四箇所および外周の黒塗り
つぶしで示した領域は５サイクル目の燃料を装荷した領
域を示し、この領域には常にそれ以外の炉心領域で４サ
イクル燃焼した燃料を移動して装荷しである。

この５サイクル目の燃料は、もう１サイクルだけそこに
留まり、そして６サイクル目に入った時点で炉外へ取り
出されるものである。

従って今まで述べてきた実施例とは異なり１本実施例で
は新燃料および取出し燃料以外の引き続き炉心に留まる
燃料の炉内移動、つまり燃料シャラフリングがある燃料
装荷パターンを採用しているけれども、その燃料交換作
業は僅かで済むものである。

本実施例では、第９図中、炉心中央の斜線で示す領域に
は初期ウラン濃縮度的３．５重量％の燃料、その外側で
番号を付した領域には初期ウラン濃縮度的３．１重量％
の燃料を装荷する。新たに装荷される燃料の平均初期ウ
ラン濃縮度は約３．３重量％である。この原子炉炉心の
各領域毎の相対出力値を第１０図に示す。第１０図にお
いて領域１および２．領域５．並びに領域３および４は
、第９図中の斜線で示した領域、外周の黒塗りで示した
領域およびこれら領域の間の領域にそれぞれ相当する。

なお第１０図には、比較のために、第９図の燃料装荷・
ぐターンの黒塗りつぶしで示した以外の全ての領域にお
いて初期ウラン濃縮度的３．３重量％の燃料を装荷した
従来の原子炉の出力相対値も併せて示してちる。第１０
図で示した従来の原子炉と本実施例を比較すると、本実
施例では燃料経済性が約２チ向上する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料交換作業を少なく保ちながらしか
も炉心径方向ピーキングひいては取出燃焼度利得を増大
させる燃料装荷ノＪ？ターンを実現することができるの
で、燃料交換作業をできるだけ（１３） 少なくしつつ燃料経済性を向上させるという従来両立困
難と考えられていた要求を満足させることが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の原子炉の燃料装荷パターンを示す図。 第２図は第１図の従来原子炉の径方向領域毎の相対出力
値を示す図、 第３図は径方向ピーキングと取出し燃焼度利得との関係
を示す図、 第４図は燃料交換作業が少ない装荷・母ターンの場合の
燃料交換作業手順を示す図。 第５図は燃料交換作業が多い装荷パターンの場合の燃料
交換作業手順を示す図、 第６図は本発明の一実施例による燃料装荷ｔ４’ターン
を示す図、 第７図は同実施例における径方向領域毎の相対出力値を
従来原子炉の相対出力値と比較して示した図、 第８図は第６図において燃料濃縮度を異らしめ（１４） た本発明の他の実施例における径方向領域毎の相対出力
値を従来原子炉のそれと比較して示した図。 第９図は本発明の更に他の実施例による燃料装荷パター
ンを示す図。 第１０図は該実施例における径方向領域毎の相対出力値
を従来原子炉の相対出力値と比較して示した図である。 （１５） 第４図 第３図 径方向ビーキンク“ 第４図 第５図 第６図 領　１或

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多数の装荷された燃料要素からなる原子炉炉心であって
   、炉心は中央から周辺まで複数の領域に分割されており
   、炉心を構成する燃料要素は、少なくとも内側の領域に
   装荷された燃料要素が所定回数のサイクルの間炉心内の
   同一場所に留まる燃ｊＦ［荷−ｆターンに従って装荷さ
   れており、且つ中央に近い領域には、中央より遠い領域
   に比べて初期ウラン濃縮度の高い燃料要素が装荷されて
   いることを特徴とする原子炉炉心。