JPS6013284A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は沸騰水型原子炉に用いられる燃料集合体に関す
る。

〔発明の技術的背景〕

沸騰水型原子炉の炉心には、核燃料として多数の燃料集
合体が装荷されている。

第１図は従来のこのような燃料集合体を表わしたもので
ある。燃料集合体１１は、中空の四角柱　状のチャンネ
ルボックス１２内に燃料棒１３を複数本正方格子状に配
列したものである。燃料棒１３はこの図に示すように通
常８行８列の構成となっている。燃料集合体１１は断面
が十字形をした制御棒１４の周囲に４体ずつ配置され、
単位格子が構成されている。炉心はこのような単位格子
が多数配置されたものである。

さて原子炉の運転中には、チャンネルボックス１２の外
側のいわゆるバイパス領域に中性子減速材としての軽水
のみが存在しており、チャンネルボックス１２の内側に
は、冷却材としての軽水と蒸気の混合流が存在している
。このため、中性子の減速は主としてバイパス領域で行
われることになる。これにより、燃料集合体１１内にお
ける熱中性子束の分布は中心部で小となり、周辺部に向
かうほど大きくなる。この結果、集合体中心部の燃料棒
はどその燃焼が低く抑えられ、周辺部に向うほど燃焼が
激しく行われることになる。このような燃焼の不均一は
局所出力の偏在を招き、燃料健全性のうえから好ましく
ない。

そこで従来から、燃料としてのウラン２３５の濃度を周
辺部に位置する燃料棒はど高くした燃料集合体が一般に
用いられている。第１図はウラン２３５の濃度について
このようないわゆるスプリット分布を与えられた燃料集
合体の一例を示している。この燃料集合体のそれぞれの
燃料棒１３に与えられた数字はウラン２３５の濃縮度の
程度を表わしており、数字１で表わされたものが最も濃
縮度が高く、数字５で表わされたものが最も低くなって
いる。燃料集合体１１の中心部には、濃縮度の高い燃料
棒１３の他に、２本の水棒（ウオークロッド）１５が配
置されている。この図で計６２本の燃料棒１３のうちの
数本にはウラン燃料に可燃性毒物が含有されている場合
がある。しかしながら以下に説明する本発明とこれらの
可燃性毒物は特に関係がない。従ってこの明細書では可
燃性毒物についての詳細な記述を省略することにする。

〔背景技術の問題点〕

さてこのような燃料集合体では、濃縮度の高い燃料棒を
燃料集合体の中央部の熱中性子束の小さな部分に配置し
ているので、燃料集合体の反応度（以下無限増倍率とい
う）の観点から大きな損失がある。また所定の燃焼期間
終了後に炉心から燃料棒を取り出すとき、中央部に配置
されていた燃料棒には周辺部に配置されていたそれより
もウラン２３５が多量に残存してしまうことになる。

このような燃料経済性上およびウランの有効利用上の観
点からの不都合を解決するためには、（ｉ）燃料集合体
の無限増倍率を燃焼期間を通じて従来よりも大きくする
こと、ふよび（ｉｉ　）燃焼終了時点においてウラン２
３５の残存量をできるだけ低下させることが必要である
。このため従来から、ウラン２３５の濃縮度分布を細か
く調整したり、燃料棒と軽水の体積比を種々調整する等
の検討が行われている。しかしながらその効果は十分な
ものといえない。

更に従来用いられた燃料集合体では、ウラン２３８が中
性子を吸収して生成される核分裂性プルトニウムが燃料
集合体中央部に蓄積しやすい。

これはこの中央部で熱中性子束が小さいことによるもの
であり、核分裂性プルトニウムを十分燃焼させるために
はこの部分で熱中性子束の高いことが望ましい。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情に鑑み、ウラン資源を更に有効
利用することのできる燃料集合体を提供することをその
目的とする。

〔発明の構成〕

本発明では燃料集合体の中央部に非沸騰水領域を設ける
と共に、この非沸騰水領域とチャンネルボックスの間に
、燃料棒あるいは燃料棒と水棒から成る小集合体を４体
配置する。これらの小集合体は、燃料集合体の中央部に
位置した燃料棒が周辺部に位置するようにそれらの向き
を変更できるようになっている。

従って燃焼の途中でこれらの小集合体の向きを変えるよ
うにすると、中央部の燃料棒に残ったウラン２３５を周
辺部で燃焼させることができる。

また非沸騰水領域の存在によって熱中性子束が大きくな
るので、核分裂性プルトニウムの燃焼効率が向上する。

〔実施例〕

以下実施例につき本発明の詳細な説明する。

第２図は沸）成木型原子炉に用いられる本実施例の燃料
集合体を表わしたものである。この燃料集合体２１を構
成する燃料棒１３は５行３列あるいは３行５列の４体の
小集合体２２１〜２２．にまと釣られている。これら小
集合体２２１〜２２゜ごとに燃料棒スペーサ、上部クイ
プレート、下部タイプレート（共に図示せず）が設けら
れており、これらは８本×８本の燃料集合体用に設けら
れた下部クイプレートと、これに結合したチャンネル部
から成るチャンネルボックス１２に収容されている。

燃料集合体２１の中央部には、中空四角柱型の非沸騰水
流路壁２３が設けられており、内部を非沸騰水（軽水）
が流れるようになっている。チャンネルボックス１２と
非沸騰水流路壁２３の間に配置される４体の小集合体２
２．〜２２４　は、前記したスペーサの働きでそれぞれ
小集合体単位で入れ換えを行うことができ、かつそれら
の向きを１８０度回軸回転て元の位置に差し込むことが
可能な構造となっている。各小集合体２２□〜２２、に
は、勃に外壁は設けられていない。

第３図はこの燃料集合体における燃焼度と無限増倍率と
の関係を表わしたものである。燃焼初期には、可燃性毒
物が比較的多量に存在し、無限増倍率が低（抑えられて
いる。燃焼が進行すると共に燃料集合体の無限増倍率は
増加し、やがてピークに達する。そしてこのままの状態
で燃焼を行えば、実線で示したようにこれ以後ゆるやか
に減少する。

ところでこの実施例の燃料集合体では、従来の水棒１５
（第１図）よりも非ｓ　謄水の占める領域の大きな非沸
騰水流路を設けている。非沸１］穴水は、例えばジルコ
ニウムの合金がら成る非沸騰水流路壁２３によって、軽
水と蒸気の混合流がら隔離されている。非沸騰水の占め
る領域は従来に比してはるかに大きくなっているので、
この領域によって減速される熱中性子はかなり増加して
おり、燃料集合体２１内の熱中性子束分布が平坦化して
いる。しかしながら、やはりチャンネルボックス１２に
隣接した最外周の燃料棒Ａでウラン２３５の燃焼速度が
最も速く、これらの燃料棒Δに隣接する燃料棒Ｂがこれ
に次いでおり、非沸騰水流路壁２３に隣接する最内周の
燃料棒Ｃでは燃焼速度が最も遅くなる。従って熱中性子
束分布の平坦化によって燃料棒間の濃縮度分布を従来よ
りも差の小さいものにすることができたとしても、最内
周の燃料棒Ｃでは最外周の燃料棒Ａに比して燃料の燃え
残りが増加していくことになる。

そこで、この実施例の燃料集合体２１では、無限増倍率
がピークを越した所定の時点Ｔにおいて小集合体２２、
〜２２４の配置をそれぞれ１８０度変更する。第４図は
変更後における配置を表わしたものである。燃料棒Ｃは
配置変更後にすべてチャンネルボックス１２に隣接する
ことになる。

しかもチャンネルボックス１２の四隅の最も燃焼が活発
化する場所には、燃料棒Ｃが確実に配置される。このよ
うにして燃え残りの最も多い燃料棒が熱中性子束の高い
外周部に移動する。

一方、配置変更によって非沸騰水流路壁２３には燃料棒
Ａが隣接することになり、位置関係が逆転する。燃料棒
Ｂの大部分は以前と同様の位置に留まる。

このような配置変更の行われた時点Ｔで、燃料集合体の
無限増倍率は１％Δに程度増加する。これは、（１）燃
え残ったウラン２３５の燃焼が良好に行われるようにな
ったことと、（ｉｉ　）燃料集合体の中央部に生成され
たまま蓄積されていた核分裂性プルトニウムの燃焼が進
行することによるものである。配置変更後は、以上の結
果として第４図の破線で示すように無限増倍率が増加し
た状態で燃焼が行われることになり、燃料の有効利用が
達成される。

このような小集合体の配置変更による無限増倍率の利得
がサイクル燃焼度に寄与する程度を以下に示してみる。

リニアアクティビイティモデルによると、燃焼度をＥと
するとき燃料の無限増倍率に■は以下の式で表わされる
。

ｋ′″（Ｅ）　−に０−ａＥ　＝　（１）ここでに０　
は可燃性毒物がない状態でかつ燃焼度が零の場合の無限
増倍率である。

従ってｎバッチ炉心におけるサイクル末期の平均無限増
倍率πは、次式、で表わされる。

ｎ十ｌ ＝　ｋｏ−−−ａ　Ｅｃ＝　（２） ここでＥＣはサイクル燃焼度であり、また符号１は各バ
ッチの炉心滞在サイクル数である。

今、第ｍサイクルロの燃料の無限増倍率が、小集合体の
配置変更によってΔにだけ上昇するとする。そして、サ
イクル末期における平均無限増倍率が、（２）式と同じ
値になるまでサイクル燃焼度Ｅ。を延長するものとする
。このときのサイクル燃焼度の延長分を△Ｅｏ　とする
。サイクル末期平均無限増倍率には次の式で表わされる
。

・・・・・・・・・　（３） 題意により（２）式と（３）式の左辺の平均無限増倍率
には等しい。従ってサイクル燃焼度の延長分△Ｅｃ　は
次のようになる。

よってサイクル燃焼度Ｅ、に対する延長分△Ｅｃの寄与
の割合は次のようになる。

現実的な数値として、１年間連続運転を行う３．３バツ
チ炉心で、２バツチ目の炉心の無限増倍率ｋｃｏが１％
△にだけ上昇したものとする。すなわち燃焼開始から１
年経過した時点で、第４図に示すように小集合体の配置
変更を行ったとする。

この場合、（５）式は次のようになる。

△Ｅｃ／ＥＣ２４％ このように、サイクル途中で小集合体の配置変更を行っ
た場合、無限増倍率に′″の増加による利得を概算する
ことができる。

以上の計算ではサイクル燃焼度を延長させたがサイクル
燃焼度を変えない場合には、燃料の濃縮度をその分だけ
低下させることができる。

〔第１の変形例〕 第５図は以上説明した実施例の第１の変形例を表わした
ものである。この燃料集合体３１では、チャンネルボッ
クス１２内に燃料棒１３が同様に８行８列の格子状に配
列されており、これらは４体の小集合体２２、〜２２４
　にまとめられている。

燃料集合体３１の中央部には、同一幅で同一長さの４枚
の仕切板３２がそれらの一端を他の仕切板３２の中央部
に接触させるようにして、配置されている。これらの仕
切板３２の他端部近傍とこれからやや中央部に寄った位
置には、案内棒３３．３４が取り付けられている。案内
棒３３．３４はその上端を図示しない上部クイプレート
に、また下端を同じく図示しない下部タイプレートに支
持されており、これによって仕切板３２の位置が固定さ
れている。仕切板３２はシルクニウムの合金から成り、
これらによって仕切られた正方形の領域３５が非沸騰水
の流路となる。仕切板３２の周辺部へ突出した部分は、
案内棒３３．３４を固定するための部分にすぎないので
、これらの部分に穴等の開口部が設けられていても良い
。

先の実施例では非沸騰水流路壁を上下のタイプレートで
支持することになるが、この変形例では案内棒３３．３
４を用いることによって非沸騰水の流路の固定が確実か
つ容易となる。

〔第２の変形例〕 第６図は第２の変形例を表わしたものである。

この燃料集合体４１では、チャンネルボックス１２内に
燃料棒１３が同様に８行８列の格子状に配列されている
。これらは４体の小集合体４２１〜４２４　にまとめら
れている。各小集合体４２１〜４２４　はそれぞれジル
コニウムの合金によって作られた小集合体チャンネルボ
ックス４３によって取り囲まれている。小集合体チャン
ネルボックス４３によって包囲された燃料集合体４１の
中央部が非沸騰水用流路４４となる。小集合体チャンネ
ルボックス４３はチャンネルボックス１２に対して挿脱
自在となってふり、小集合体４２．〜４２４の配置変更
が可能となっている。

このようにこの変形例の燃料集合体４１では、２重のチ
ャンネルボックスが設けられている。従って外側のチャ
ンネルボックス１２は小集合体４２、〜４２４を支持で
きる機械的な強度が要求されるのみであり、反応度の損
失を少なくするために壁部に穴が設けられていたり、ま
たは壁部が網目状になっていても良い。

以上の実施例および変形例では、チャンネルボックスに
燃料棒が８行８列の格子状に配列された燃料集合体につ
いて説明した。この場合、小集合体は５本×３本の燃料
棒によって構成された。一般にＮ行Ｎ列の正方格子状に
配列された燃料棒から成る燃料集合体で、Ｎが偶数のと
きには、４体の小集合体は各々（Ｎ／２−１）本Ｘ　（
Ｎ／２＋１）本の燃料棒から構成される。もちろん、長
方形をしたこのような小集合体の一部の燃料棒を水棒に
置き換えることも可能である。

Ｎが奇数のときには、１体の小集合体を構成する燃料棒
は（Ｎ−１，）／２本ｘ（Ｎ＋１）７２本の構成となる
か、（Ｎ−３）／２本Ｘ（Ｎ＋３）７２本の構成となる
。燃料棒の一部が水棒と置き換えられていても良いこと
はこの場合も同様である。

〔第３の変形例〕 第７図はＮが奇数の場合として７行７列の燃料集合体の
例を模式的に表わしたものである。燃料集合体５１の４
体の小集合体５２．〜５２．は、それぞれ４本×３本の
燃料棒１３によって構成されている。この場合、燃料集
合体５１の中央部には、燃料棒１３の１本分よりも大き
な断面積の非沸騰水用流路５３が形成される。燃料棒１
３の一部を適宜水棒と置き換えて、非沸１１強水の流路
を広くすることは自由である。

〔第４および第５の変形例〕 第８図は同じくＮが奇数の場合として９行９列の燃料集
合体の例を模式的に表わしたものである。

燃料集合体６１の４体の小集合体６２．〜６２４は、そ
れぞれ６本×３本の燃料棒１３によって構成されている
。この場合、燃料集合体６１の中央部には燃料棒１３の
９本分のスペースに非沸騰水用流路６３が形成される。

これに対して第９図の燃料集合体７１では、５行４列あ
るいは４行５列の燃料棒１３から成る４体の小集合体７
２１〜７２４が用いられている。

この場合、燃料集合体７１の中央部には燃料棒１３の１
本分のスペースに非沸騰水用流路７３が形成される。非
沸騰水用流路７３が比較的狭いので、各小集合体７２．
〜７２４には１本ずつ水棒７４が配設されている。水棒
７４の位置および本数はこれに限定されるものではない
。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、４体の小集合体をチャ
ンネルボックスに組み入れたときに生ずる空隙を非沸騰
水の流路として利用している。従って燃料集合体の中央
部に水棒を配置した場合と比べて、単位面積当りの非沸
騰水の流路を広く設定することができる。また本発明で
はこの非沸騰水の流路によって熱中性子束分布が平坦化
するので、燃料の濃縮度を多段階に設定する必要がなく
、燃料の製造や管理が簡略化する。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来の燃料集合体の一例を表わした横断面図、
第２図は本発明の一実施例における配置変更前の燃料集
合体の横断面図、第３はこの実施例における燃焼度と無
限増倍率との関係を表わした特性図、第４図はこの実施
例における配置変更後の燃料集合体の横断面図、第５図
は本発明の第１の変形例における燃料集合体の横断面図
、第６図は本発明の第２の変形例における燃料集合体の
横断面図、第７図は本発明の第３の変形例における燃料
集合体の模式図、第８図は本発明の第４の変形例におけ
る燃料集合体の模式図、第９図は本発明の第５の変形例
における燃料集合体の模式図である。 １２・・・・・・チャンネルボックス、１３・・・・・
・燃料棒、 ２１．３１．４１．５１．６１．７１ ・・・・・・燃料集合体、 ２２、４２、５２、６２、７２ ・・・・・・小集合体、 ２３・・・・・・非沸騰水流路壁、 ３２・・・・・・仕切板、 ４４．５３．６３．７３・・・・・・非沸騰水用流路、
７４・・・・・・水棒。 出　願　人 日本原子力事業株式会社 代　理　人 弁理士　山　内　梅　雄 第　５　ロ 第　６　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｎ本ＸＮ本の正方格子から成る単位格子を制御棒の
   周囲に４体ずつ配置して成る沸騰水型原子炉において、
   Ｎが偶数のとき前記単位格子を（Ｎ／２−１）本Ｘ（Ｎ
   ／２＋１）本の燃料棒あるいは燃料棒と水棒から成る４
   体の小集合体で構成し、またＮが奇数のときはこれらを
   （Ｎ−１）　／２本ｘ（Ｎ＋１）／２本あるいは（１’
   ｍ−３）／２本ｘ（Ｎ＋３）／２本の同様な４体の小集
   合体で構成し、これらの小集合体によって仕切られたチ
   ャンネルボックス中央部の空隙に非沸騰水の流路を配置
   したことを特徴とする燃料集合体。 ２．４体の小集合体が１体ずつ上部クイプレートと下部
   クイプレート、燃料棒スペーサを持ち、４体分の小集合
   体を一体として支持する下部クイプレートとこれに結合
   したチャンネル部から成るチャンネルボックスに着脱自
   在に収納される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、チャンネルボックス中央部の空隙に配置される非沸
   騰水の流路の断面積がこの空隙と略同−の大きさの四角
   形である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。