JPS60119491A - 燃料集合体 - 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】 し発明の技術分野］ 本発明は、沸騰水形原子炉の燃料集合体に関する。

［発明の技術的前頭とその問題点］ 一般に原子炉では、炉心からより多くの熱エネルギーを
取り出すため燃料集合体内の出力分布をできるだけ平坦
化することが行われており、沸騰水形原子炉では核分裂
性核種濃度の異なる多種類の燃料棒を燃料集合体内に適
切に配置することにより燃料集合体内の出力分布をより
平１Ｂ化にすることが行われ−Ｃいる。

第１図はこのような燃料集合体を示すもので、図におい
て符＠１は多数本の燃料棒２を収容するチャンネルボッ
クスを示している。この例では燃料集合体の中央部には
核分裂性核種濃度の高い燃料棒２が配設されており、ま
た周辺部には核分裂性核種濃度の低い燃料棒２が配設さ
れている。

すなわち、図中燃料棒２に付した符号１〜４は核分裂性
核種８１度の大小を示しており、符号１〜４の順にその
１１度は小さくなっている。なお、図において符＠Ｇは
熱中性子吸収物質を含む燃料棒を、符号Ｗは水棒を示し
−Ｃいる。

しかしながら、このように構成された燃料集合体では、
炉心内で燃焼され使用済となった燃料集合体の内部にか
なりの核分裂性核種の燃え残りが存在するという問題が
ある。

また、一般に燃料集合体の反応度を高めるためには、熱
中性子束分布の大きい場所に核分裂性核種濃度の高い燃
料棒を配置することが望ましいが、以−トのように構成
された燃料集合体では熱中性子束分布の小さい燃料集合
体の内部に核分裂性核秒′ａ度の高い燃１３１棒が配置
されているため、反応度の損失が大きくなるという問題
がある。

すなわら、一般に沸騰水形原子炉の燃料集合体ひは、チ
ャンネルボックス１の外側には非沸騰水が存在するため
、燃料集合体の周辺部では中性子の減速効果が大きくな
り、熱中性子束分布は燃料集合体周辺部で大ぎく、内部
で小さい分布となっている。

そこで、このような燃え残りを減らし、かつ高い反応度
を１りるため第２図に示すように、燃料集合体内にお（
プるずべての燃料棒２の核分裂性核種ｍ度の分布を一様
とし、燃料集合体外周部または外周近傍に符号Ｇで示さ
れる可燃性毒物を含む燃料棒を配回してなる燃料集合体
が開発されている。

しかしながら、このような燃料集合体では、燃料集合体
内の出力分布を平坦化することが回動ぐあり、また燃料
集合体外周部の出力が大きくなりすぎ、原子炉運転時に
熱的制限値を渦たざない等の問題が生ずるおそれがある
。

また、このような燃料集合体では、熱中性子束分布の大
ぎい燃料集合体周辺部はど核分裂性核種の燃焼が速く進
行するため、反応１工Ｃの利得は燃焼の初期て最も大き
く燃焼とともに徐々に減少しでくるが、燃１１１集合体
の反応度を高め燃料集合体の燃焼度をできるだｔ）増大
さけるためには、反応度の利得は燃焼の初期よりもむし
ろ燃焼の中期から後半に８５いて大きくすることが望ま
しい。

そして、このためには燃焼の初期にはできるだけ燃料集
合体外周部の燃料棒の燃焼を抑制し、燃焼の中期以降に
燃焼を活発化させることが必要である。

さらに、このような燃料集合体では、燃料集合体外周部
の燃焼度が大きく進行するため、これらの燃料棒の機械
的かつ熱的な健全性が損われるおそれがある。

［発明の目的１ 本発明はかかる従来の事情に対処してなされたもので、
燃料集合体の反応面を特に燃焼の中期以３− 鋳において大きくするとともに、燃料集合体内の出力分
布を平坦化して一様な燃焼度分布を達成し、核分裂性核
種の燃え残りの減少を図ることのできる燃料集合体を提
供しようとするものである。

［発明の概要１ ずなわら本発明は、複数の燃料棒を正方格子状に配列し
その外側をチャンネルボックスで囲繞しでなる燃料集合
体において、前記燃料棒のうち前記チャンネルボックス
に隣接して配置される燃料棒の全部または一部を、軸心
部分に熱中性子吸収物質を含有づる核燃料物質により形
成したことを特徴とする燃料集合体である。

［発明の実施例１ 以下本発明の詳細を図面に示す一実施例について説明す
る。

第３図は本発明の一実施例の燃料集合体を示１もので、
図において符号３は断面四角形状のチャンネルボックス
を示しており、このチャンネルボックス３内には多数の
燃料棒４が規則的に配列され収容され−Ｃいる。なお、
図において符号Ｗは水４− 棒を示しでいる。

そして、この実施例ぐは、チャンネルボックス３に隣接
づるすべての燃料棒４ａは、それぞれ軸心部分に熱中性
子吸収物質を含有し、外周部分には熱中性子吸収物質を
含有しない核燃料物質からなる燃料棒どされ°Ｃいる。

第４図はこのような燃料棒４ａの詳細を示すもので、図
においで符号５は燃料被覆管を示しＣおり、この燃料被
覆管５内には中心軸部分、すなわち軸心部分６ａに熱中
性子吸収物質を含有し、外周部分６ｂには熱中性子吸収
物質を含有しない核燃料物質からなる多数のペレッｌへ
６が挿入されている。なお、ここで熱中性子吸収物質と
しては、ＵＯ２−Ｇｄ　２０３　、△／２２０３−Ｇｄ
　２０３、Ｓ！　０２−Ｇｄ　２０３　、Ｍ（ｌ　０−
Ｇｄ　２０３　（７）ｃｌ；うな物質が用いられでいる
。

また、この実施例では、燃料棒４ａは軸心部分６ａの熱
中性子吸収物質を含有している領域の大きさと、熱中性
子吸収物質の種類により第３図に示Ｊように符号Ｇ１〜
Ｇ３ぐ示す３種類の燃料棒に分類されている。

すなわち、燃料棒Ｇ１は熱中性子吸収物質を含有する領
域の体積がペレット６全体に対して約８゜５％を占めて
おり、熱中性子吸収物質どしてＵＯ２−Ｇｄ　２０３が
用いられている。燃料棒Ｇ２は熱中性子吸収物質の含有
される領域がペレット６全体に対して約８．５％であり
、熱中性子吸収物質としてＡｆｔ２０Ｂ　−Ｇｄ　２０
３が用いられている。燃料棒Ｇ３は熱中性子吸収物質を
含有する領域の体積がペレッ１へ６全体に対しＣ約２４
％であり、熱中性子吸収物質としてＡｊ２２０３　Ｇｄ
２Ｏ３が用いられている。

また、この実施例の燃料集合体では、燃料棒４はづべて
同一の核分裂性核種濃度とされでいる。

以上のように構成された燃料集合体では、熱中性子束分
布の大きいチャンネルボックス３に隣接する燃料棒４を
第４図に示したような燃料棒４ａで構成したのＣ゛、燃
料集合体内の核分裂性核種濃度が一様であっても燃料集
合体周辺部にｄ５いて大きな出力ビーキングを生ずるこ
とを抑制づ−ることができる。

また、燃おｌ集合体内の燃料棒４の核分裂性核種濃度が
一様であり、ざらに燃料集合体周辺部の燃料棒４ａでは
、燃焼の初期には熱中性子吸収物質が存在（るため、核
分裂性核種の燃焼が抑制され、燃焼中期以降まで燃料集
合体周辺部に配設される燃料棒４ａの核分裂性核種′７
Ｍ度を高く保つことができる。この結果、燃焼の中期以
降まで燃′ｌＩ！Ａ集合体の反応度を高く保つことがで
きる。

第５図は以上のように構成された燃お１集合体と、従来
の燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を比較して示すも
ので、横軸には燃焼（資）が＃Ｘ軸には無限増倍率がと
られている。

すなわら、図中曲線ａは第３図に示す本発明の燃料集合
体の揚台を、曲線すは第１図に示した核分裂性核種濃度
の異なる多種類の燃料棒から構成される従来の燃料集合
体の場合を、また曲線Ｃは第２図に示した核分裂性核種
濃度が燃料集合体内でほぼ同様でパあり、燃料集合体外
周部の一部に可燃性毒物を含む燃料棒を配置した燃料集
合体の場７− 合を示しでいる。なお、これらの燃料集合体の核分裂性
核種濃度はすべて同一であり、燃料集合体平均で約３．
３Ｗ１０のウラン２３５が含まれている。

このグラフから明らかなように、可燃性毒物である熱中
性子吸収物質、例えばガドリニアが消滅する燃焼度約１
０Ｇｗｄ／ｓｔ以降では、本発明による燃料集合体の無
限増倍率は他の２つの従来例より大きくなる。これは前
述したように、燃料集合体内での核分裂性核種８ｉ度を
一様にしたことにより熱中性子束分布の大きい燃料集合
体周辺部の核分裂性核種濃度が従来のものに比べ高くな
っている効果によるものである。

また、本発明の燃料集合体では、曲線Ｃで示される第２
図に示した核分裂性核種濃度が一様である燃料集合体よ
りも無限増倍率が大きくなっている。これは本発明の燃
料集合体では、燃料集合体周辺部の燃料棒４ａに熱中性
子吸収物質が含有されているため、燃焼の初期には核分
裂性核種の燃焼が抑制され、燃焼の中期以降まで周辺部
の根分−８＝ 裂性核種濃度が高く保たれ、従つ−Ｃ燃焼の中期以降で
無限増倍率を高く覆ることができるどの理由による。

このような無限増倍率の増大による燃料集合体の取り出
し燃焼度の利得は次のようになる。

すなわち今、運転期間が約７８００Ｍｗｄ／ｓｔである
場合には、本発明の燃料集合体の平均取り出し燃焼度は
、約３１　、９００Ｍｗｄ／ｓｔであり、第１図に示し
た従来の燃料集合体では、約２９，８００Ｍｗｄ／ｓｔ
、第２図に示した従来の燃料集合体では、約３１　、　
ＯＯＯＭｗｄ／ｓｔである。

従って、本発明の燃料集合体では、第１図に示した燃料
集合体に対して約７％の、第２図に示した燃料集合体に
対して約３％の平均取り出し燃焼度の利得を得ることが
できる。

第６図は第３図に示す本発明の燃料集合体の局所出力ビ
ーキング係数の燃焼変化を第２図に示した燃料集合体と
比較して示すもので、横軸には燃焼度が縦軸には局所出
力ビーキング係数がとられている。

すなわち、曲線ｄは本発明の燃料集合体の場合を、曲線
ｅは第２図に示した燃ｌｆＡ集合体の場合を示している
。

図から明らかなように、第２図に示す従来の燃料集合体
では、核分裂性核種濃度を燃料集合体内で一様としたた
め、燃料集合体外周部で大きな出力ビーキングが生じ局
所出力ビーキング係数が過度に増大しているが、本発明
の燃料集合体では燃料集合体外周部の燃料棒４ａの軸心
部分に熱中性子吸収物質を含有させたため、局所出力ビ
ーキング係数の増大は抑制されている。

従って本発明の燃料集合体では、核分裂性核種濃度を燃
料集合体内で一様とじても局所出力ビーキング係数が大
きく悪化することがないので、原子炉運転時に熱的制限
値を満たさない等の問題を解消することができる。

さらに本発明の燃料集合体では、局所出力ビーキング係
数が小さい状態、すなわち平坦な出力分布で燃焼が進行
するため、一部の燃料棒だけの燃焼が極端に進行するこ
とを防止することができ、燃料棒の機械的および熱的健
全性を確保することができる。

すなわち、以上のように構成された本発明の燃料集合体
では、燃料集合体内の出力分布が平坦化されかつ燃料集
合体の反応度が高められているので、燃料集合体を長期
間燃焼させることができる。

この結果、使用済となる時点において燃料集合体内に燃
え残る核分裂性核種の量を低減することができる。

なお以上述べた実施例では、チャンネルボックス３に隣
接するすべての燃料棒４ａに熱中性子吸収物質を含有さ
せた例について説明したが、一般に熱中性子吸収物質の
装荷量は原子炉の炉心の余剰反応度によって決まるもの
であり、燃料集合体外周部のすべての燃料棒に熱中性子
吸収物質を含有させる必要はなく、その一部の燃料棒に
含有させてもよいことは勿論である。

「発明の効果」 以上述べたように本発明の燃料集合体では、チャンネル
ボックスに隣接される燃料棒の全部また１１− は一部を軸心部分に熱中性子吸収物質を含有し、外周部
分に熱中性子吸収物質を含有しない核燃料物質で形成し
たので、燃料集合体内で核分裂性核種濃度を一様とした
場合にも燃料集合体内の出力分布を平坦に確保すること
ができ、また高い反応度を得ることができる。

この結果、燃料集合体を長期間燃焼させることができ、
また使用済となった燃料集合体内に残存する核分裂性核
種の燃え残りを減少することができ、燃料経済性を従来
より大幅に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は核分裂性核種濃度の異なる多種類の燃料棒から
なる従来の燃料集合体を示す横断面図、第２図は核分裂
性核種８１度が一様で燃料集合体周辺部の一部に可燃性
毒物を含む燃料棒を配置した従来の燃料集合体内体 明の一実施例の燃料集合体を示す横断面図、第４図は第
３図のチャンネルボックスに隣接する燃料棒の詳細を示
す縦断面図、第５図は無限増倍率の１２− 燃焼変化を示すグラフ、第６図は局所出力ビーキング係
数の燃焼変化を示すグラフである。 ３・・・・・・・・・・・・チャンネルボックス４、Ｉ
Ｊ、　ａ・・・燃料棒 代理人弁理士　須　山　佐　− 第１図 第３図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の燃料棒を正方格子状に配列しその外側をチ
   ャンネルボックスで囲繞してなる燃料集合体において、
   前記燃料棒のうち前記チャンネルボックスに隣接して配
   置される燃料棒の全部または一部を、軸心部分に熱中性
   子吸収物質を含有する核燃料物質により形成したことを
   特徴とする燃料集合体。