JPS6044637B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沸騰型軽水炉の燃料集合体に関するものて
ある。

〔発明の背景〕

沸騰型軽水炉すなわち、沸騰水型原子炉に用いられる
燃料集合体の水平断面を第１図に示す。

この燃料集合体（燃料集合体Ａ）は、８×８葉合体の一
例であり、濃縮ウラン燃料棒１と、可燃性毒物としてガ
ドリニア（Ｇａ２Ｏ３）を添加したＧｄロッド２及ひ水
ロッド３をそれぞれ５本及び２本有している。可燃性毒
物は、燃料サイクル初期における余剰反応度を抑制する
ために用いられる。チャ ンネルボックス５内を冷却材
（軽水）４が軸方向下端から上端に向つて流れており、
隣接する燃料集合体のチャンネルボックス相互間には制
御棒６が挿入される。 沸騰型軽水炉では、冷却材が燃
料集合体内で沸騰するため、第２図に示したように軸方
向に冷却材ボード率分布が生じる。

一般にボード率が高くなると中性子が核分裂で発生する
割合を表わす無限増倍率（ｋｏｏ）の値は小さくなる傾
向をもつている。したがつて、ｋｏｏの値は炉心軸方向
に異なつており、出力は炉心下部にピークを持つ分布と
なる。第３図に軸方向出力分布の一例を示した。燃料集
合体Ｂは、Ｇｄロッド本数、ガドリニア濃度を燃料集合
体の上部及び下部で共通とした１領・域の燃料集合体の
例である。燃料集合体Ｃは、下部領域に局所ガ下リニア
を用いて出力分布平坦化を図つた例である。このように
、ボード率分布による軸方向出力ピーキングが大きいた
め、通常の炉心ではシヤロー制御棒（炉心下部に浅く挿
入しフた制御棒）を併用して出力分布平坦化を実現して
いる。 第４図に、燃料集合体Ａにおけるｋｏｏの燃
焼に伴なう変動をボード率７０％（炉心上部）およびボ
イド率１０％（炉心下部）の特性を示した。

このように、炉心上下の燃焼特性が大きく異なつている
ことは、制御棒計画立案を困難にし、出力分布平坦化を
実現しにくい。その結果、熱的に厳しい条件が生ずると
いう問題点を持つている。第５図に燃料集合体の上下領
域の反応度差（ボイド率０．１−０．７）を示した（燃
料集合体Ａ）。

Ｇｄロッド２を装荷しない燃料集合体の反応度差も同図
に示したが、これら二つのカーブの比較から、Ｇｄロッ
ド２の燃焼特性の差（上下ボイド差による）が変動を大
きくしていることがわかる。〔発明の目的〕本発明の目
的は、上記の従来型燃料集合体の問題点を改良し、余剰
反応度を抑制てきるとともに出力分布の平坦化か図れ、
燃焼期間を通して出力分布平坦化を維持できる燃料集合
体を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、燃料集合体を軸方向で上部及び下部の
二領域に分割して上部領域の平均濃縮度を下部領域のそ
れよりも高くし、可燃性毒物を含んでいる燃料棒を水ロ
ッドに隣接させて配置したことにある。

燃料集合体の無限増倍率の燃焼に伴なう変化を原理的に
第６図に示した。

燃料集合体の燃焼特性は、Ｇｄの燃えつきる時点までは
、Ｇｄロッドの燃焼特性に大きく依存する。Ｇｄロッド
の燃焼特性は、燃料集合体の濃縮度およびボイド率に依
存する。第７図および第８図にＧｄロッドの反応度変化
（燃焼度＝０．２ＧＷｄ／Ｓｔて規格化）をそれぞれ．
示す。本発明の原理は、可燃性毒物を含有する燃料棒（
すなわち可燃性毒物ロッド）の周辺の実効的なボイド率
が燃料集合体上下でできるだけ変化しないように可燃性
毒物ロッドを配置することであ．る。

すなわち、燃料集合体を軸方向で上部及び下部の二領域
に分割して上部領域の平均濃縮度を下部領域のそれに比
べて高くなるとともに燃料集合体内に配置された水ロッ
ドに可燃性毒物ロッドを隣接させる。可燃性毒物ロッド
周辺での実効的な・ボイド率の燃料集合体の上部領域と
下部領域とにおける差が小さくなれば、可燃性毒物ロッ
ドに流入する熱中性子のエネルギースペクトルの差が小
さくなり、可燃性毒物ロッドの燃焼特性の差が小さくな
る。その結果、燃焼サイクル初期における余剰反応度を
抑制でき、しかも燃料集合体上下のＫＣＸ）の差は燃焼
による変動が小さくなつて出力分布の平坦化が燃焼サイ
クルを通して維持できる。上記の物理現象を以下に説明
する。可燃性毒物、例えばガドリニアの燃焼は、ガ下リ
ニア付近の中性子束φとガドリニアの中性子吸収断面積
σの積（σ・φ）に依存する。すなわち、σ・φの値が
大きければガ下リニアの燃焼は速くなり、そノれが小さ
ければその燃焼は遅くなる。沸騰型軽水炉では、炉心軸
方向に前述したようにボイド分布が存在するので、軸方
向で濃縮度が一様でＧｄロッドが水ロッドに隣接してい
ない燃料集合体（燃料集合体Ｄ）を用いた場合、上部領
・域での中性子束φ１及びガ下リニアの中性子吸収断面
積σ１と下部領域での中性子束φ２及びガ下リニアの中
性子吸収断面積σ２との関係は、φ１〈φ２及びσ１〈
σ２となる。

この結果、σ・φは燃料集合体の下部領域で大きくなり
、Ｇｄロツ・ドの下部領域におけるガドリニアがその上
部領域のそれに比べて速く燃焼する。ガ下リニアの中性
子吸収断面積は、ｕロッドの周囲の局所的な中性子スペ
クトルに依存するため、軸方向の濃縮度が一様である燃
料集合体１のようにＧｄロッドを水ロッドに隣接させて
そのαロッド周囲での中性子スペクトルの軸方向変化を
小さくすることによりσ。

とσ２との差を小さくすることができる。このような燃
料集合体１の水ロッドに隣接しているＧｄロッドの周囲
でφ１くφ２となり、しかもそのＧｄロッドではσ１＆
σ２となる。このため、σ・φは、水ロッドに隣接して
いるＧｄロッドの下部領域て大きくなり、そのＧｄロッ
ドの下部領域のガドリニアがその上部領域のそれよりも
早く燃える。これは、特開昭４８一４１１９６号公報の
第６図及び第７図に示された燃料集合体においても言え
ることである。本発明は、このような従来の燃料集合体
における物理現象を解消するものである。

すなわち、本発明の燃料集合体は、上部領域の平均濃縮
度を下部領域よりも高くしているので、原子炉の運転に
よつてボイド分布が生じた際に上部領域と下部領域のＫ
ＯＯが等しくなり、燃料集合体の上部領域及び下部領域
における中性子束（中性子束分布はｋ１分布に比例する
）はほぼ等しくなる。このような本発明の燃料集合体の
水ロッドに隣接している可燃性毒物を含む燃料棒、例え
ばＧｄロッドの周囲ではφ１（φ２となり、そのＧｄロ
ッドではσ１（σ２となる。従つて、σ・φは、水ロッ
ドに隣接しているＧｄロッドの軸方向で一様となり、そ
のＧｄロッドの軸方向におけるガ下リニアの燃焼は均一
化される。本発明は燃料集合体では、水ロッドに隣接し
ている可燃性毒物を含んでいる燃料棒において軸方向で
可燃性毒物の燃焼が一様になり、余剰反応度を抑制する
可燃性毒物が存在している期間においても軸方向の出力
分布を著しく平坦化することができる。

しかも、可燃性毒物が燃焼により消滅した後においては
、上部領域の平均濃縮度が下部領域のそれよりも高くし
たことによつて燃料集合体の軸方向における出力分布の
平坦化を図ることができる。このように本発明の燃料集
合体は、可燃性毒物が存在している期間及び可燃性毒物
が消滅後の期間を通して軸方向の出力分布の平坦化を維
持することができる。燃料集合体内に設けられた可燃性
毒物を含んでいる燃料棒の本数のうち水ロッドに隣接さ
れている本数が多くなる程度、可燃性毒物が存在してい
る期間における燃料集合体の軸方向の出力分布をより平
坦化することができる。

特に、燃料集合体内の可燃性毒物を含んでいる燃料棒の
少なくとも半数を水咄ンドに隣接させることによつて可
燃性毒物が存在している期間での上記出力分布を著しく
平坦化することができる。〔発明の実施例〕 沸騰型軽水炉に適用される本発明の好適な一実施例であ
る燃料集合体を第９図に基づいて説明する。

燃料集合体Ｅは、燃料棒１１，１２，１３，１４，１５
及びＧを第９図ａのよに配置したものである。第９図ｂ
は各燃料棒の濃縮度、ガ下リニア濃度を示している。燃
料棒１１，１５及びＧは、濃縮度が軸方向に一様になつ
ている。このうち、燃料棒Ｇは５重量％のガ下リニアを
含んでいる。燃料棒１２，１３及び１４は、軸方向で上
部領域と下部領域に分割され、上部領域の濃縮度が下部
領域のそれよりも高くなつている。燃料棒Ｇの数個５（
これはガドリニア濃度）を除いて、燃料棒１１〜１５及
びＧに示されている数値は濃縮度（単位：重量％）を示
している。燃料集合体Ｅの平均濃度は、２重量％である
。燃料集合体Ｅは、燃料棒１２〜１４を有しているので
、軸方向で二領域に分割され、上部領域の平均濃縮度が
下部領域のそれよりも高くなつている。２本のロッドＷ
が、中央部に配置され、ガ下リニアを含有する燃料棒Ｇ
が水ロッドＷに隣接して配置されている。

燃料集合体Ｅを炉心に装荷した沸騰型軽水炉を運転する
と、ボイドが発生し、ボイド量は炉心の下部領域よりも
上部領域で多くなる。

燃料集合体Ｅでは、前述したように上部領域の平均濃縮
度が高いので、ボイド率の高い上部領域のＫＯＯの低下
を防止でき、上部領域と下部領域のＫＯＯがほぼ等しく
なる。また、燃料集合体Ｅでは、燃料棒Ｇを水ロッドＷ
に隣接しているので、前述した如くφ１たφ２及びσ１
■σ２となり、燃料棒Ｇ内のガドリニアがその軸方向で
一様に燃焼する。燃料棒Ｇ内にガ下リニアが存在してい
る間は、余剰反応度の抑制が図れるとともに、ガドリニ
アの軸方向での一様な燃焼及び上部領域での高い平均濃
縮度に基づき燃料集合体の軸方向での著しい出力分布の
平坦化が図れる。燃料棒Ｇ内のガ下リニアが消滅した後
の期間は、上部領域での高い平均濃縮度に基づいて、燃
料集合体Ｅの軸方向の出力分布が平坦化される。このよ
うに、燃料棒Ｇ内のガ下リニアの有無に係わらず、燃料
集合体Ｅの軸方向の出力分布を平坦に維持することがで
きる。第１０図に燃料集合体Ｅの上部領域と下部領域と
の無限増倍率の差を示す。

燃料集合体Ｅは、前述した現象により第５図に示す燃料
集合体Ａに比べて燃焼に伴う上下領域のＫＯＯの差の変
動が著しく少なくなつている。第１１図に燃料集合体の
燃焼期間を通しての最大線出力密度の変化を示す。

最大線出力密度は、炉心の熱的限界値を表わしている。
本実施例では、最大線出力密度が全燃焼期間にわたつて
１０．５ＫＷ／Ｆｔ以下に抑えられている。本実施例は
、燃料集合体Ｂ及びＣに比べて最大線出力密度が著しく
低下している。燃料棒Ｇ内のガ下リニア・は、燃焼期間
の初期において消滅する。本発明の他の実施例である燃
料集合体Ｆを第１２図に示す。

燃料集合体Ｆは、第１２図ｂに示す燃焼棒２１〜２５及
びＧ１を第１２図ａの如く配置したものである。燃料棒
２２〜２４は、上部領域の濃縮度が下部領域のそれより
も高くなつている。燃料棒Ｇ１は、５重量％のガドリニ
アを含んでいる。燃料集合体Ｆは、燃料集合体Ｅに比べ
てガ下リニアを含有する燃料棒をより中央部に配置して
水ロッドＷに隣接させたものである。本実施例では、前
述した実施例と同じ効果を得ることができる。

しかし、ガ下リニアを含む燃料棒が中央部に配置された
分だけ、第１０図に示すように燃焼に伴う燃料集合体Ｆ
における上下領域のＫＯＯの差の変動は、燃料集合体Ｅ
のそれに比べてより小さくなる。

制御棒計画にもとづいて５ＧＷｄ／Ｓｔまで燃焼した時
点における炉心の軸方向出力分布を第１３図に示した。

出力ピーキングは燃料集合体Ｆが燃料集合体Ｅにくらべ
て約４％小さくなつている。しかし、どちらの燃料集合
体も１．３５以下であり、本発明の効果が表われている
。燃料集合体Ｆでの最大線出力密度の燃焼に伴う変化は
、第１１図に示すように全燃焼期間にわたつて１０．０
ＫＷ／Ｆｔ以下に押えられ、燃料集合体Ｅよりも少なく
なる。

〔発明の効果〕

本発明によれば余剰反応度を抑制する可燃性毒物を軸方
向で均一に燃焼させることができ、可燃５性毒物が存在
している期間における燃料集合体の軸方向ての出力分布
を著しく平坦化てきる。

また、可燃性毒物が消滅した後の期間でも、その出力分
布を著しく平坦化できる。このため、燃料集合体の全燃
焼期間を通して燃料集合体の軸方向の！出力分布を著し
く平坦に維持することができる。燃焼期間初期における
余剰反応度も可燃性毒物によつて抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰型軽水炉の従来の燃料集合体の横断面図、
第２図は冷却材ポイド率の軸方向分布を示す特性図、第
３図は制御棒引抜き時における従来の燃料集合体Ｂおよ
びＣの軸方向出力分布を示す特性図、第４図は燃料集合
体Ａの上部（ポイド゛率０．７）および下部（ボイド率
０．１）の無限増倍率の燃焼に伴なう変化を示す特性図
、第５図は集合体Ａにおける上下領域のＫＯＯの差の燃
焼に伴なう変動を示す特性図、第６図はＫＯＯの燃焼特
性を概念的に示す説明図、第７図はＧｄロッドの燃焼特
性と平均濃縮度との関係を示す特性図、第８図はｕロッ
ドの燃焼特性のボイド依存性を示す特性図、第９図ａは
本発明の一実施例である燃料集合体の横断面図、第９図
ｂは第９図ａに用いられる燃料棒の濃縮度分布を示す説
明図、第１０図は本発明の実施例てある燃料集合体にお
ける上下領域のＫＯＯの差の燃焼期間を通して変化を示
す特性図、第１１図は燃焼期間における最大線出力密度
の変化を示す特性図、第１２図ａは本発明の他の実施例
である燃料集合体の横断面図、第１２図ｂは第１２図ａ
に示す燃料集合体を構成する燃料棒の濃縮度分布を示す
説明図、第１３図は第９図ａ及び第１２図ａに示す各燃
料集合体の軸方向出力分布を示す特性図である。 １１〜１５，２０〜２５，Ｇ，Ｇ１・・・・・・燃料棒
、Ｗ・・・・・・水ロッド、Ｅ，Ｆ・・・・・・燃料集
合体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下部から上部に向つて冷却材が流れしかも上部でボ
   イドが発生する沸騰型軽水炉の炉心部に装荷されるとと
   もに、水ロツド及び複数の燃料棒を有する燃料集合体に
   おいて、燃料集合体を軸方向で上部及び下部の二領域に
   分割して前記上部領域の平均濃縮度を前記下部領域のそ
   れよりも高くし、前記燃料棒のうち可燃性毒物を含んで
   いる燃料棒を前記水ロッドに隣接させて配置したことを
   特徴とする燃料集合体。