JPS61111488A - 原子炉炉心の燃料装荷および運転方法 - 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】 本発明は、原子炉用の燃料の設計および配置ならびにか
する配置の原子炉を運転プる方法に（以下余白） 関する。

核燃料はウランおよび／またはプルトニウムを適当々形
態で含有する。例えば、水冷却兼減速動力用原子炉に晋
通用いられる燃料は二酸化シラン（σ０２）より々り、
そのうち約１７〜４．０％は核分裂性ｔｌＦ−２３５と
燃料層、ｔｒ−２３８との混合物である、原子炉の運転
中に燃料ＲＵ−２３８は核分裂性Ｐｕ−２５９およびＰ
ｕ　−２４１Ｋ　望換され、後者が原子炉出力を維持す
るように働らく、Ｕ’−２３８４核分裂性であるが、そ
れは原子炉内の高エネルギー中性子に対してのみである
。

周知の商業用沸曙水契動力炉、例えば米国イリノイ州シ
カゴ近郊のドレスデン原子力発電所に使用されている動
力炉では、核燃料は代表的には、例えば米国特許第４３
６５．３７１号に示されているように、焼結ペレットを
ジルコニウム合金のようが適当な金属よりなる細長い被
棟管に光重して燃＃４喪素または弾を形成した形態をと
っているｎ熾部プラグで密封された被覆管は核燃料を減
速冴恢冷却材から分離するとと吃に、核分裂生成物の放
出を防止する作用をシす。

このような燃料要素は、例えば米国特許早・４６８９．
３５８号て示妬れでいるように、群毎に配置さ几、別々
に交換でさる燃料集合体まｔは束として上部および下部
タイプレート間に支持される。十分カ数の燃料集合体を
角柱に近いマ）　１７ツクス状に配列して、自己持続核
分裂反応をする原子炉炉心を形成する。この炉心を作動
流体および中性子減速材として作用する流体、例えば軽
水中に沈める。

典型的な原子炉は、たいてい１／１Ｆ−８度の長さの運
転サイクルの間ずつと運転状態を維持するのに十分が以
上の反応度の燃料を定期的に再装荷する（運転サイクル
の長さを「燃料サイクル間隔」と称する）ｎここで原子
炉を停止し、代表的（ては約ハのｆｆ、特集合体を交換
する。、運転サイクルの開始時には反応度が過剰である
ので、運転中実効増倍率ｔ−１に維持するためには十分
欧強さの制御システムが必要である、制御システムは慎
ｔｉｌでは中性子の核分裂を起こさない捕獲または吸収
により中性子４文を制御する作用をなす中性子吸収＠を
具える。

代表的な制御システムｄ１中性子吸収材を含有する複数
本の制御棒の形態の保械的制御部を有する。、制御棒を
燃＠集合体間の空間またはギャップに選択的に挿入して
、炉心の反応度、ｌた従って運転出力レベルを制御する
ことができる。例えば米国特許第４０２　（１８８８号
に開示されているような既知の配置では、割８１棒ブレ
ードは横断面が十字形で、従って各制御棒のブレードの
「羽根」（ウィング）を隣接する４個の燃料具合体間の
空間に挿入することができる。、１本の制御棒を囲む４
個のＢＮ集合体のクラスタを炉心「セル」と称する。（
適当が中性子吸収材および制御ブレード！ＡＡ動機構は
前記米国特許第五０２１８８８号に記載されている。、
） 制御システムは、燃料の一部を６ｃ合芒れたガドリニウ
ムのような可燃性中性子吸収材も含払天然に産出するＧ
ｄ−１５５およびＧｄ−１５７同位体は強い中性子吸収
材で、中性子の吸収により−層低い見１＃価値（中性子
吸収ｉヒ）の同位坏に変換されるつこのように可燃性吸
収材を用いることにより、機械的制御の必要差が減少し
、また可燃性吸収材の適切々配置により出力分布を改善
するこ七ができる。大抵の場合、可燃性吸収材を燃料要
素に核燃料の選択部分との混合物として４人する。

可燃性吸収材の配置は、例えば米国特許第ム７９９、８
５９号に示されている。

さらに、原子炉についての説明が、例えば「原子カニ学
（Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇ
　）　ＪＮ、　Ｍ、　ＨＡ　−Ｗａｋｉｌ著、ＭｃＧｒ
ａｗ　−Ｈｌｌｌ　Ｂｏｏｋ　Ｃｏｍｐａｎｙ。

：［ｃ、刊、１９６２／４に見られる。

管状燃料要素クラツディングは普通（１８１１１１（（
１０３２インチ）程度の厚さのもので、原子炉炉心の環
境内での高圧、高温、核放射線および化学的核分裂生成
物攻ガを含む比較的苛酷六使用会件にさらされる。、挿
入された制御棒を引抜くと隣接燃料要素の局所出力は急
に増加する。このように燃料の局所線出力レベル（ｊＸ
／九）が急、に大きく変わると、燃料ペレットとクラツ
ディングとの相互作用により大きな局部的応力および歪
７５５生じる。隣接ペレットの膨張する分晴端蔵（ｌた
ζペレットのへ裟の隣接側部）がクラツディングに失い
込むように接すすると、そのｆ５来生じる局部的歪がク
ラツディングのｔ、−ｉ　限歪に超え、クラツディング
に亀裂を生じる。クラツディングに亀＆ができると、冷
却材が燃＃＋賛素中に進入し、核分裂生成物が燃料要素
からこれを囲む冷却材中に逃げ出してしまう。この望ま
しく乞い現象は「ペレット−クラツディング相互作用Ｊ
　（Ｐｅ１ｌｅｔ−ｃｌａｄｄｉｎｑｌｕｔｅｒａａｔ
ｉｏｎ　＝　ＰＣＩ　）として知られるようにたってき
た。線出力の増大の大きさにか＼わりなくそれ以下では
クラツディングが欠損しないことの知られている燃料燃
焼依存しきい値が存在する。

ペレット−クラツディング相互作用（ＰＣＩ）問題を解
決する方法として、セ々提案されているなかで、後の急
速な出力変化に耐えるように燃料を状態調整する方法が
用いられるようにたったつか＼る方法は米国特許第４．
０５７．４６６号に記載されている。簡潔に脱明すると
、この方法によれば、出力増加速度を、例えばｕ１瞑／
化／ｈｒ　　以下に系統的にＶ＠節制御して局部的ＰＣ
Ｉ生成ペレットカを扮和させ２．ｐｃ工しきい値と所望
のπ高局所線出力レベルとの間での局部線出力の増加で
クラツディング破損をもたらす臨界速度以下に出力増加
速度を制御する。このような状態詞整後、最高調整レベ
ル以下での比較的迅速な出力変化を、クラツディング破
損を生じることη〈行えることがＴａ　％Ｎされている
。この方法の＠１の欠点は、このよう々調整または再調
整に比較的長い時間が必要で、このため定格出力レベル
での運転に使える時間が短く々ることであるｎまた、多
くの実際の運転状況において、挿入制ａｌＰＡ付近の鱈
科を完全に調整することは不可能である。

原子炉の運転に付随する別の現象に所１Ａ［％ｉ制御制
御層５履歴Ｊ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｏｄ　ｈｉｓｔｏｒ
ｙ　）がある口制御棒ブレードの存在する効果は、隣接
燃料シ′こおける核分袋江燃料燃焼またにバーンアップ
の速度を大幅に下げる一方、燃料貌σ−２３８の核分裂
性Ｆｕ−２３９へのＸ侠を者しく低いレベルに迎えるこ
とにある。従って匍１例棒を引扱くと、その郁Ｊ御棒に
奄つとも近い［−語されたＪ　（ｕｔｌｃｏｖｅｒｅｄ
）燃料（即ち燃料集合体の角およびｉ１倒棒−接要貴の
燃料）の出力は９１慎棒からもつとにｊれた燃料より大
きく増加する。この制御ｅｉ履歴効果は、％１１何１棒
に隣接する溶料集合体の角の燃料要素の一一衿において
最大であり、制御棒が燃料の隣りに留ｌる時間が長く彦
るＫつれてこの効果は−ｗＪＰｉ著に攻る。制御ｍ履歴
効果は制御棒に従′＠棒またはフォロワがｈい設計の場
合に最大である。

沸騰水型原子炉によく生じる別の現象は「軸方向蒸気ボ
イド抑制Ｊ　（ａｘｉａｌ　ｓｔｅａｍ　ｖｏｉａＢｕ
ｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　）である。この種の原子炉で冷却
材が個々のチャネル内で沸騰すると負の出力フィードバ
ックの原因となる。、ｊｃの理由は、燃料の局部反応度
が蒸気ボイドの坪加とと電に減少するりらである。、制
御棒をチャネルの底に部分的に挿入すると、この制＠ｌ
伜が制御ブレードの近くの沸慶を抑制し、これに対応し
て制御ブレードより上の一層高反Ｘ乙度の電域での蒸気
ボイドを減少さぜる、部分的に挿入されたはｊ御棒よ〇
上での沸嗟の減少が原因で、激しい出カビー命ングが生
じ、出力ビークがｑ）［有］砂を完全に引抜いたときの
チャネル同の扇力の大きさを超えるこさがある。

上述したタイプの動力炉の設計および運転の初期に、制
グ１緒挿入および引抜きプロセスおよびパターンが開発
逼れた１缶本的解決指針として、制御棒パターンを定期
的に変更および相互交換（スワツピング）することによ
り、燃料燃焼、プルトニウム生成および＄す御捧〜歴効
果を炉心の燃料集合体間でできるだけ均等に分布させる
ように試みている。

上述したタイプの原子炉用の既知の制御棒操作手順によ
れば、制机楼を幾つかの交番パターンに配列し、これに
より１群の制御棒を繰作時に別群のｔｊｒｌ棒と交換す
ることができる。が＼る制御棒のパターンは甘過２．３
″！たは４つあり、出力形状および燃焼反応産制ｔｉｊ
　Ｉｃ　Ｌｉじてが＼るパターンの制御棒を択一的に原
子炉炉心に挿入する。

駄句の制＠棒操作手唄によれは、炉心を所定の制御棒パ
ターンで１エネル干−発生〜１−１の間に転する。次い
で出力を下け、所定訓φ１９パターンを別のパターンと
交換する。、促って、１缶の原子炉運転サイクルの間に
５〜８回の制御橿パターン変更を行うことに々る。が−
る制−１ｉ’ｌ　４６パターンおよびパターン交換は米
国特許Ｑ３．３８＆７５８号に詳述されている。

既知の制５ＪＡＪ棒楊作手ｊ独ではほとんどの燃料が約
４缶の炉心内滞在期間の間に出力時の募接罪Ｊ鉤榛＃動
を経験する。が〜るＩ１７御棒運励は燃宅制御、制御棒
パターン交換、負荷追従、キセノン過渡制御、燃料ｖ４
整々どの結果であるうこれらの運転変数が原因で、鱈科
が＠吟する制ｆＩａｇ動の總数が望ましくないａＫ増加
する。さらに？ＩＩＩ＠棒パターン交換により空間的出
カ分布キ七ノン過渡が励起壊れ、熱的、水力学的、安全
および一料門整限度に基づく制ａ１ｍ移セ制約により原
子炉運転が望ましくない程に複雑に々す、オペレータの
誤操作の可能性が増す、、促って執仰の扱咋手ｌ臓には
熱的および安全余裕を減少させ、製造上の複雑さを増し
、稼祷尖を下げ、び科損３の恐れを増す傾向がある、 制御棒バター／を相互交洟またはスワツピングする既知
のＥＷＲ運転方法に見られる問題を要約する七人の通り
である。

（１）パターン交換を行うなめには原子炉出力を減少さ
ぞる一方、ｐｃ工制約に適合嘔せ力けれは力ら々い、大
抵の場合、交換後に原子炉を全出力に戻すのに５日程の
多くの日数を要し、従って原子炉稼動名が低下する。

（２）パターン交換により原子炉設計および運転がか雑
Ｌ′ｃ′ｐ！る。出力が何が別の理由で下ったときに制
御棒交換を行うのが望ましいので、原子炉運転のプラン
を定めるのが難しく、同じ原子炉で４１燃料サイクル間
隔の運転が（れぞれ異々る。

（３）たり御Ｐｉ文換および＝ｉミする呂カ低下が原因
で、空間的および非空間的キセノン過渡が生じこ几が原
子炉運転をＪＪ確にし、またＰＩＪ限界に適合させるの
が困難になる。

（４１床子炉オペレータ学習臼耐が、４ｉ軸がっ相互作
用する三次元的ｉ数および制〒りにより長くなる。この
ため、オペレータがＰＣＩまたは他の制約を破るよう六
誤操作をする可馳法が増ｔ。

（５）炉心の外周部に位置する燃料以外のすべての燃料
が、再装荷と次の舛装荷との闇の燃料サイクル間４０間
の隣接！′１１御列移動に基づき、太きｉ線形出力増加
を経験する６通常炉心外周部は燃料が隣接制御Ｓ移動を
旺喉し力いように燃料を配りできる唯一の区域である。

（６）炉心の外周部に位置する制御棒以外のすべての制
御棒が、出力整形−燃焼反応度制御と原子炉停止との二
重機能を果さ力ければ々ら彦い。従ってこれらの異々る
機能に必璧乏＃！！殊力投計崎性を制ａ棒および制御棒
駆動機構の設計に内包させることは容易でない。

（力負荷追従または他の目的に自局出力分布空間形状？
１１１ａｌｔ−適用することは、変数の数カニ多くこれ
らが複雑に相互作用するので非ｇ　Ｋ　ａ　先にな本石
らに、制／ＡＩ禅を高出力ｔＬ＜框高反応度燃料の瞼り
Ｋまたは未減損可燃性吸収材含舊燃料の−りに配置する
ことから仄の欠点が認められている。

部分的に押入されたＥＩＩ例悼ｌ９上の低≦気ボイド水
はしばしばピーク局所原子炉出力をこれらの領域に達し
させる原因となるｎ　核＄　１０限界からの移行または
雌親のような熱的限界も高反応度燃料の隣りに部分的に
、挿入された制御棒により悪影響を受ける。

未減損可燃性吸収材含有之料に隣接して挿入された制御
棒は、吸収材の燃焼をゆがめがちであり、望ましく力い
可燃性吸収材空間過渡を起し、これにより原子炉のピー
ク局所出力が増児するが、または燃料をり雑々可燃性吸
収材形状に設計し製造する必要が生じる。

本発明を達成するにあたっては、制御棒の機能を出力整
形−反応度ｖ制御機能と停止・辰能とに分け、低度Ｆ、
区の特別ｆ！設計の燃料を制御セル内に維持して出力整
形−反応度制御用制＠棒を出力時にこの制御セルに挿入
する。

初期炉心では、？１のＩ制御セルに相対的に低社Ａ６°
匿を有する特別設計の燃料集合体を装荷する。非？ｌ１
１１釧セルには、相対的に高い初期通う夏を有し、後続
のｆＰ、科サイクル間隔の間に°ろ：ｊ倒セルに配置で
きる特別設計の燃料集合体を装荷する。、原子炉を運転
開始し定格出力１でもって行くにつれて、非制御セルの
制御棒をはソ完全に引抜き、イしてそれ以後運転サイク
ル中ずつと原子炉を１６：ｊ御セルの制御棒のみてう制
御する。従って制御セルの特別設計の低濃縮度燃料のみ
が運転サイクル中隣接制御棒移動を経験する、との語法
手段により炉心運転を著しく簡単にし、制御棒交換に伴
う多数の問題を回避することができる。

運転サイクルの終点で再装荷のために原子炉を停止し、
通常制御セルの燃料集合体を排出する（即ち原子炉から
取出す）か、または炉心の外周燃＃＋集合体位置だ移動
する。制御セル以外からの最低反応度の照射ずみ燃料集
合体を制御セルに挿入する。新しい（即ち未照射の）燃
料集合体を、定格出力時に押入すべき制御棒から遠去か
った、＋Ｓｌｊ　＠ｌセルの外側に（即ち非制御セルに
）押入する。

燃料は炉心内Ｋｎ炉心運転サイクルの間涌在する（代表
的ｐ（はｎは４である）、、・給料条合体は代表的には
その炉心内滞在時間のうち（Ｃ−１）サイクルの量弁制
御セルに滞在しく但し、非制御セル内である位置から別
の位置に移動することができる）、炉心内滞在時間の最
終サイクルで制御セルに移動され、しかる後炉心から取
出されるかまたは炉心外周部に移動される。場合によっ
ては、未照射の特別設計の高信類性燃料を第１サイクル
以外で制御セルに直接に挿入でき、この場合燃料はｍサ
イクルだけ炉心に滞在する。但し、ｍは非制御セル燃料
の滞在サイクルの数ｎと同じかまたは異方る。本発明に
従って制御棒機能の分離および出力整形−反応度制御用
制御構の隣りへの低反応度党勢のみの配置を実現する炉
心設計は「制御セル炉心」と称される、 非制御１セルの停止ｔ；］御ブレードは出力時に引抜か
れ、従って少ない燃焼、照射損傷および応力を受けるだ
け々ので、制御ブレードの寿命は長い。従ってこれらの
制御ブレードに、特にその上方部分に高価なか」惧物質
を用いてコールド停止１−値を最大にするとともに原子
炉の燃料サイクル燃焼能力を改畳するのが容易であるｎ
また、非％ｌ制御セルの制御棒の駆動υ構も比較的ｍｊ
朧かつ安価な電のとすることができる。

他方、制御セルに配置された制御棒は炉心の全制＠禅の
約只を古めるにすざないので、制御セルの制御棒および
駆動機構をその出力整形および燃焼反応度制御という主
要用途から見て最適にするのが容易である。か＼る最適
化として、微細移動駆動機構およびダレイチツプ（テー
バ北側側価値）制御ブレードを設ける。これら２つの硼
素により、制御棒を移動する際の降接燃料の出力変化を
一層ゆっくりにすることができ、有利である。

微細移動駆＠機構は高価でＶ雑であるが、制御セル位置
のみに用いるようＩＣ限定でき、好都合である。また、
−市長い寿命および−、ｋ好迫力中性子吸収スペクトル
を保証する別のＸ１ｉｌｌ　’ＡＩブレード物質を用い
ることも可能になる。例えば長寿命のＩ・フニクム制御
物・寅により−カ整形ブレードの出力徴乱を＠減しブレ
ード侍う６を伸ばすことかでさる。

炉心力ら取出す以前のｆＬ２燃＃＋→イクルまたは最後
より１口約の燃料ブイタルで７５１　Ｍセルに挿入すべ
＠燃料集合体を適切に設計することにより、制御セル炉
心の最大運転能力を改呑することができる。制御棒履歴
効果およびこの制御棒η歴効果が生じる関連燃料燃焼期
間に備えて燃料呉合坏をｔｌＬ遍に設計するのが望まし
い。

初期炉心については、制御セルに滞在するはずの燃料集
合体を上記目的に合わせて特別に設計する。、また、第
１回再装荷時に）！制御セルに移動する予定の燃料集合
体の設計は、後読の再装荷時に制御セルに移動する予定
の燃料集合体の設計とはＪ！々る。言い換えると、燃料
具合体はその炉心内位置およびその予想される炉心内滞
在時間に応じて特別設計される、 再装荷燃料集合体は、通常その炉心内滞在の第３またＦ
ｉ鷹４サイクルまで制御セルに移動せず、か＼る再装荷
燃料の可燃性吸収材設計は初期ｒ心燃料の場合とは異な
る。従って再装荷燃料集合体もｊｆｌｌｊ　＠ｌ　礪り
の分−菟から耐大の利益を引出すようにａｉＫ設計する
ことができる。

多数の適用例において、燃料の約半分だけがその炉心内
峻歴のがかで制御セルに滞在するので、特別設計の燃料
集合体を制御セルに用いることができる。か＼る特別設
計の燃料集合体を制偵１セルに七の炉内滞在の４１、名
２、第３、第４または第５サイクルで導入することがで
き、場合によっては２サイクル以上制例セルに残してお
くことができる。しかし、普通の縦適例では燃料は炉心
内滞在の最終サイクルまたは最後より１回前のサイクル
のみ制御セルに滞在する。

製造基憩から、標漁設計のぐ科要素を用いて燃料集合体
を形成すること、そして異なる標準燃料要素タイプの数
を最小にすることが要求される。従って、燃料集合体は
設計、性能２よび安全要件を満たす一方、できるだけ多
くの？攬燃料要素を共通に使用できるように設計する６
制御セル炉心用の初期および組合せ再装荷燃料集合体設
計により、必要な燃料集合体の製造に用いる必要のある
椋羊燃料委素タイプの数の減少を含むこれら要件を容易
に達成することができるう 本発明に係わる拘御セル炉心設計により、禾減損の可燃
注吸収材含有撚料臭合体を出力時に挿入される制御棒の
隣りに配置するのを迫けることができ、このＰ４徴に基
づいて、可燃性吸収材含有撚料費素内の可燃性吸収材の
異でる帥方向領域の数を減らすことによって、燃料集合
体内の可燃性吸収材含有撚料教素の設計ｔ−簡単にする
ことができる。

特定の炉心必要条件および原子炉設計に応じて別の制御
セルパターンを用匹ることかできるう主要基隼はｔ１１
籍１セルのパターンにより最大炉心対称性を与えること
き、原子炉運転開始の容易≧、出力形状訃よひ最大過剰
反応度の制ソ１１、および使用格子の負荷追従を保証で
きる十分η制御セルが存在することである。、訓仰セル
の蝕および位ｆＲｍその変災により性能上のまたは他の
利点がある高台に、耕しい燃料サイクル間隔の開始時に
沁更することができる。

制御機能の分嶋と特別な炉心設計とにより以下の基本的
基準を実現することかで＝、ｂＭｔｘ＞未減損可燃注吸
収材含有撚料をＭ慈出力時にラリ両区の鴎りに配置しな
いこと。１２）高反応度性科を定常状態定格出力時に制
御棒の斜りに配置し力いこと。

（３）制御棒パター＝７ｒ＆更および制＠Ｊ弾移動を１
燃料サイクル間隔円で最小限にすることｎ（４）隣接制
御棒移動ＶＣ基づく大きなδ出力に化を経験する活勢を
制御棒引抜き時に比較的低い出力に維持することｎ（５
）制御棒でコールド停止反応度を最高反応度の局部領域
で触火にするとともに、制御棒燃焼のコールド停止制御
への影響を最小限にすること。

（６）定格出力で出力整形に用いられる制！９棒による
局部および全体的出力の擾乱を最小にするとともに、制
へブレード寿命を出力時に部署な〒性子照射が何匹（重
する制御ブレードに関しては飛火にすること。

これらの原理を制御セル炉心設計に適用する結果として
、大きな熱的余裕、プラント稼動量の上昇、オペレータ
誤操作Ｃｉ′ｒ能性の減少および安食性の向上、燃料信
頼性の向上、燃料サイクル経済上の向上、簡単が燃料製
造および負荷追従速度および範囲の向上きいった利点が
得られる。さら！（、制御棒パターン変数の数の減少に
より設計が簡単になり、全白？ＪＪ直接出力整形色＋Ｉ
御を適用する可能性が増加する。

次に図面を参照し々がら本発明を詳述する。

本発明を沸騰水型の水冷減速原子炉に適用するものとし
て説明するが、本発明はこれのみに限定される噂のでは
ｈい。沸騰水型原子炉の１例を第１図の略図に示す。こ
の原子炉は圧力容器１０を具え、圧力容器は、軽水のよ
う々冷却材兼減速材中に沈められた炉心１１を肩する。

炉心１１は環状シェラウド１２により包囲され、上部炉
心グリッド１４と下部炉心プレート１６七の間に、互に
開−をあけて配列された多数の文換可能力燃料集合体１
３を含む、 呑数個の？ｔ！ＩＩ御棒駆動機構収納管１７内に収容さ
れた制＠偉小動機榊によって、炉心の反応度を指１ｊ御
する目的で、複数個のびｊ御棒１８を燃料集合体１３間
に選択的に挿入することができる、谷収納１ｆ１７には
燃料集合体支持部材１９が装看され、各支吾部材１９に
は４個の■接燃料集合体のノーズ部材２１を受入れるソ
ケットが形成されている。ノーズ部材２１および叉愕部
材１９には、冷却材偵給室２２と連通する冷却材通路ま
たは開口が形成されている。、耐却材傭環用ポンプ２３
により供給室２２中の冷却材を加圧し、かくして冷却材
を供給室２２から支持部材１？および燃料集合体ノーズ
部材２１の開口を経て燃＃＋集合体１５内に上向きに強
制送給する。これにより冷却材の一部は水蒸気に転喚さ
れ、水蒸気は、気水分な４−蒸気乾燥器２４を通過して
タービン２６のよう々蒸気使用装置に達する。、復水器
２７で形既された＃給水をポンプ２８により給水として
′６器１０に戻す。

１不のｉＵ制御棒１８とこれを囲む４つの燃料集合体が
炉心の１つの＠科セルｒ何成する。このようカセル２９
の代表例を８２図の平面図に示を制御ｊｉｓ１８を囲む
４つの燃料集合体１３１１１〜１３（４）は、その上端
で、ビーム３０と３２を父差遵話することにより形成さ
れた上部炉心支持格子により、横力向く支持されている
。

交誤可耗な燃料集合体１３七れぞ几は、複数個の細長い
燃料要素５４を、上部および下部クイプレート（図示せ
ず）間で相互に間隔をあけて支持するとと庵に、管状の
流れチャネル３６で囲んで形成される。チャネル３６は
冷却材を燃＃＋要素の間で上方に郡びく作用を力す。こ
のような燃料集合体のさらに詳しい図解は、前述した米
国特許第＆　６８９．３５８号に見られる。

上述したタイプの原子炉では、炉心の一部を々すある部
分量（パッチ）の燃料を定期的に再装荷する。代表的な
例では、原子炉を燃料援縮度、再装荷パッチの寸法およ
び使用格子の条件に応じて再装荷から次の再装荷まで１
２〜１８ケ月間作動させる。この再装荷と久の再装荷と
の間の運転間隔を「搏装荷サイクルＪ　（ｒｅｆｕｅｌ
ｌｎｇ　ｃｙｃｌｅ）と称する。

本発明によれば、炉心の燃料セルを？１のｌｌ　＃セル
および非削りセルのパターンに配列し、制４セルを互に
少くとも１個の非制御セルにより分大玉する。か＼るパ
ターンとして使用できる２つの）力］を、舅３ムおよび
３Ｂ図の炉心の対杯な４象限のうちの１象限の平面図に
よって説明する。制御セルの燃料集合体５　ａｔ−ｒ　
ｃ　Ｊで示し、非制御セルの燃料集合体４０をｒＮＪで
示す（ａｈよびＮはｃｏｎｔｒｏｌおよびｍａｎ　−ｃ
ｏｎｔｒｏｌの頭文字）、これらのパターンは、両者と
も炉心の中心に関して制御セルのＱ々るパターンと％炉
心対称である。（炉心の対称性は望ましい庵のではある
が、ここで説明する制御セル炉心配列の必頃要件ではな
い、、）再装荷サイクルと仄の再装荷サイクルとの間で
、制御セルの数を増減したりパターンを別のパターンに
変えたりすることができる。、′ｇＡ１えば、第３Ａ図
のパターンを１回の代表的１に開存装荷サイクルの闇使
用し、七の次の１年間再装荷サイクルの間、第３Ｂ図の
位置に配貨転換された制御セルを使用することができる
う 炉心の外周は、例えば高い熱中任子束勾配により４キ徴
付けらする特殊〒）域とみな丁ことかできる。この領域
に便用ブるのに好適々婢ミ科集合体を同定し易くするた
めに、外周燃料集合体をｒＰＪで示し、これにｆＱ接す
るｆぺ科果合体を原則として「工」で示す。

図示の１更宜上、炉心の１象限のみを示しであるが、炉
心が対称であるとすれば、炉心配列全体を示すのに１象
限を図示すれば十分である。

さらに、本発明によれば　’Ｊｉ制御セル（以下Ｃセル
）３８には相対的に低い反応度の燃料を装荷し、非制御
セル（以下Ｎセル）４０には相対的に高い反応度の燃料
を装荷する。例えば、特定ケースの必要東件に応じて、
Ｃセルは、運転サイクルの開始時に、約α７１１〜１．
２　Ｗｌｏ　（核分裂性物質重量パーセント）の新燃料
濃縮度（初期炉心の場合代表値はＣＬ　９２　ａ　ｖｌ
ｏ　）に等価な反応波を有し、Ｎセには、約１．　ｂ　
〜２．　ｙ　ｖｙｏ　ｉたはλ１５Ｗ１０程度の平均値
の竹燃ｔＰ３ｒ諷縮度に等価な反応度ｒ有する。Ｎセル
中の核分裂注物質対Ｃセル中の核分裂江物質の比は、通
常、設計、運転およびτさ料サイクル条件に従って良友
にけ°る、さらに、外周燃料集合体ＰｖＣは、Ｖ］えば
天然ウランの新燃料８縮度（α７１１　Ｗｌｏ　）に等
価な低い反応度のｐ料を兵衛し、−府中間燃料集合体工
には、例えば約３Ｗ１０の′＃ｒ燃料墾葡度して等価な
高い反応度の燃料を装荷する、このように低反応度外周
燃料と高反応度除液中間燃料との組合せを用いることに
より、炉心からの中性予電れを最小にする一方、炉心の
半径方向出力分布を平坦化し、熱的性能限鹿に関する余
裕（ｍａｒｇｉｎ　）　　を改善する。

本発明によれば、このように燃料を配列した状態で、原
子炉を停止状態から運転状些にするために、Ｎセルの制
御棒を外周部分の庵のから順次炉心から引抜き、七れ以
彼運転サイクルの間ずつとＣセルの制御棒のみを用いて
出力レベルおよび分布を制御する。Ｃセルの制＠棒の操
作′Ｉ：１′画は色々な要素の中でも特に泣接Ｎセル甲
の燃料の反応度分布に依存する。、（運転サイクル千の
Ｃセルのず１例棹の操作計画ψりは後で示す。）原子炉
運転の一般的１１°画一±、　アｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
　　ｏｆ　　工ＡＥＡ　　Ｐａｎｅｌ　　。

ｖｉｅｎｎａ　　　１　９　６　７　　、　　Ｉｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌ　　ＡｔｏｍｉｃＥｔｌｅｒｇｙ　
Ａｇｅｎｃｙ　（１９６８）　ＣＦＩのＲ，Ｌ、　ｃｒ
ｏ’ｗｔｈｅｒの論文　Ｂｕｒｎｕｐ　Ａｎａｌｙｓｉ
ｓ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　ＢＯｌのｎｇＷａｔｅｒ　Ｒｅ
ａｃｔｏｒｓ　’　　（大形沸騰水Ｗ［’Ｘ子炉の燃暁
分析）に記載されている。このＭ文に記載された一定の
＠焼出力サイクル初期−末期状態は「へ−リング分布Ｊ
　（Ｅａｌｎｇ　ｄｉｓｔｒｉｕｔｉｏｔＬ　）と称さ
れる。

原子炉炉心が十分１回数の均一反復運転サイクル運転さ
れると、炉心は交換燃料集合体の数および濃縮度ならび
に七の炉心内分布に関して「平衡」にうする。従ってこ
のような炉心は平衡炉心と称され、その運転サイクルは
平衡サイクルと称逼れるう代表的な例では、平衡炉心を
全燃料集合体の４分の１程度の交換によりはソ１佐毎に
再装荷する。従って平衡炉心では燃料集合体は、２＆　
０００　ＭＷＤ／ＳＴ　（メガワット・日／襟早トン）
程度の代表的出力照射の場合、炉心内に約４！ｉ！−間
滞在する。

平衡炉心において、本発明によれは、！４セルの最大燃
焼即ち最小反応度の燃料４ト合体をか＼る集合体の炉心
内滞在の最終サイクルの間Ｃセルに使用する。この例で
は、Ｎセル燃料は七の最終サイクルの間Ｃセル内に配に
できるように、そして触火熱余裕および燃料信頼性を呈
するように特別に設計されている。本発明の他のｓｈ例
では、特別力燃料集合体ｔ−Ｃセル内に新燃料として、
庵しくは幾つかのＮセルＰＣ１〜３再装荷サイクルの間
滞在させた後に装荷する。

実用運転において、原子炉が真の「平衡」に達するのは
ごく稲である、従って実用原子炉炉心設計では、原子炉
運転状態の実際の変動に適合するように反応度、再装荷
ノ（ツチ寸法、制＠＋棒）くターンおよび原子炉運転モ
ードを鰐部できることが必要である、本発明によれば、
この目的を連成するために、に制御セルおよび非制御セ
ルの反ｔ；ｔ　＝ｔ：。

クリを炉心の中心部分に、低反応度セルを外周惧域に継
持して、炉心からの中性子のもれを最Ｊ＼ンこし、かつ
中心領域と外周ｖＡ域との間の中間領域は、燃科キ合体
の敬および体へｔ変えることができるようにする。

従って、Ｃセルの数はある再装荷サイクルから次の再装
荷サイクルで変えることがでさる。

２稿以上の燃料集合体を４装荷できると止により融通性
がさらく増す。再装荷中（挿入する燃料集合体はタイプ
、平均Ｑ縮阻、可燃性吸収材含量および他の設計特性を
変えることができ、先の再装荷サイクルから取出された
燃料を４って構成することもできる。

しかし、稼動状態に入ったばかりの新しい原子炉におい
ては、を通炉心の燃料のすべてが新しい。このよう々初
期炉心に用いる燃料集合体は平衡炉心を事実上まねるよ
５に設計配置され１．これにより初期炉心から平衡炉心
への移行を容易にする。本発明の初期および移行サイク
ル運転への適用を以下に説明する。

第４Ａ〜４Ｇ図は初期炉心に用いる炉心配瀘例およびこ
れＥで用いる燃料集合体匍を示す。

第４Ａ図に示す初期炉心配列には、第４Ｂ〜４Ｆ図に示
す講なるジ負：料巣合体タイプｃ１、Ｎａ、１１、工１
２よひＰｌを用いる。、、早４Ｂ〜４Ｆ図に２いて、Ｗ
で示される燃料菅素位暫に、不減速材が流動する下部お
よび上部四〇七有する非燃料装η１管で占められている
（劉えば米国特許第ム８ｏ２゜９９５号に説明されてい
る）。巳４ｃ、４Ｄおよび４！！ｉ図において、ＢＡで
示される一１１累は、その燃料物質の部分に可燃性吸収
材、例えばガドリニウムか混合されている。か＼る可・
ｉ性吸収材の軸方向分布例を’５’−４Ｇ図に示す、こ
のよう々簡鳳々可熱性吸収材配置は、本発明に係わる制
御セル炉心およびその運転に適当である、その理由は、
このような配置では出力時に有意の未燃焼の可燃性吸収
材を含有する燃＃−＋集合体付近く制御棒を挿入し々い
からである。かくして、側倒Ｉ柿に起因する出力分布扮
乱およびｉ′１１判柿の可燃性吸収材燃焼との相互作用
が回避される。、また第４０および４Ｂ図に示すように
特定の燃料検素は特定のｔ心の必安悄件に応じてまた炉
心内の燃料集合体の位置に応じて可燃性吸収材を含有し
てもしなくてもよ煉科埠合体Ｃ１、Ｎａ、Ｎ’ｂ、　Ｉ
ｉおよびＰｌは、看ζ４ム図の配列に、設計上の安全制
約を満たす一方、初期運転サイクル全体にわたって炉心
の全出力能力を峡大にするよう々ダ様で、並べられてい
る、炉心容積の約％を占める外周領域には低ａ縮度の集
合体Ｐｉ（第４Ｂ図＞を装填して炉心からの中性子のも
れを最小にする。高濃ｉｔａ度のＰｌ、粗菓合体１１．
（第４１図）を外周集合体の隣り（配置して炉心半径方
回出力分布を平坦圧し、熱的性能を改番する。

燃料集合体Ｃ１（第４Ｂ図）は、初Ｎ１運転サイクル全
体にわたってＣセルに用いるように設計されている。、
低い平均浪縮度に加えて、この燃料集合体の黙料要素の
ｉ縮度分布は、ミ低良九度の燃料５素を隣接妙ｊ御棒に
畷つとｔ近い燃料云累位置に配置するように設計されて
いる。、燃料要素の分布は、制＃棒を燃料に隣接するよ
う挿入した状態で長期の出力運転に通合する二うに最適
化されている。この配置により、燃料集合体が押入され
た宿１ｊ御担ブレードに除接する状態力・ら七の代５り
惧棒引戒きに致る必４ｉた長期間に；禎応でき、かつ先
の制御棒７入の履歴に基づく関連した局部的出カビー゛
キングｔ−補償することができる。、（なふ・、燃料集
合体Ｃ１は、炉心の外周位置で燃料集合体Ｐ１　　の代
替品として用いることもできる。）燃料集合体Ｎａ％Ｎ
ｌ）およびＸｉは、初期にＮセルに滞在させ、十分な照
射を重ねた後、最終的にＣセルに使用するよりに設計さ
れている。例えば、燃料集合体ＮＩＬ　　は第２サイク
ルでＣセルに、燃料集合体Ｎ′ｂ　　は爪５サイクルで
Ｃセルに、燃料集合体重１　は瀉４サイクルでＣセルに
移動することができる。このようが使用を可能１てする
これらの燃料集合体の設計１４徴の１つが、制御Ａ棒を
長期運転期間中挿入しておいた一合のａ終すイクル運転
を保証する独特のへ料ニ縮σ分布でろ５己。

別の方式においては、新しい（未照射）Ｃｉタイプの燃
料集合体を各再装荷サイクル毎に制御セル中に装入する
ことができる。これらのフ然′＃＋集合体のｅ料資累は
、−接制御ブレード移動から生じる大き乃δ出力からの
社別の′ｒ３！、ｉ美、Ｖ］え４ゴ米国４許第ム９２５
１５１号に記載さ几たようカベ榎シｉ時（つように設計
することづ：できる。

前述したように、制御セル・Ｐ心の運転にあってと、原
子炉を出力状態にもって行くにつれてＣセルのｙｌ　５
ｉ　鼻を除くすべてのｊｉｉｌｌ　伺棒を引抜くう従っ
て出力時の運転はＣセルの＄１１り；ｔ５によって昂１
ｊ・卸される。Ｃセル制御棒の操作計画は、特に従来つ
利個樟操作計画と比較して、極めて簡単である。

第４　Ａ図に示す−Ｔ！ｔ！、料鶏合体の特殊カバター
ンにより、原子炉運転開始が容易にカフ、運転の６通性
が高壕る。２番目に低い反応度の燃料集合体Ｎａ（第４
Ｃ図）は％炉心対称な別の制御セル位置に配置する、運
転開始の間、Ｎａ　　位置の制御棒は、蒸気ボイド係数
、ドツプラー係りおよびキセノン反応度を部分的に９：
（ｊ御するのに用いられ、づの後Ｔ心運転を制御するた
めに制御棒をＣ１位置″のみに用いる前に引抜くべき最
後の゛制御今群となる。このことにより低い原子炉出力
時に移動される’′ｌ１の御ブレードの先端をはずれた
局部的出力が最小限に８１１えら九、さらに迅速かつイ
コ碩住める原子炉運転ｉ陽始を行える。

矢の再装荷サイクル０闇、ｉＪＩ御セル（Ｃ１）の位置
をＮａ　　位′ａｉ′こ荻えることができ、０１　　位
置で・らの、燃料集合体を取出すかフたに外周位＠Ｐｉ
に移動し、Ｎｂ　　位置の燃料集合体をＣ１位置に移動
し、新しい燃料集合体を空になったＮ）位！Ｓに配電す
る。

その次の再装荷サイクルでは、制御セルを瀉４ム図に示
す０１　　位ｉズに戻す、この組合せの再装荷および運
転プランにより、再装荷中に移動し々ければなら々い燃
料集合体の数を少くするつ同様の計画を用いる統合化平
衡再装荷プランを以下に説明する。

１例としてＣセル制御樟禄作計画を一般用語で草５図に
関連して説明するｎ竺５図ではＣセル制御棒を８個のセ
ル群の１構ＦＥＬ袂六として示しである。

萬５図の８！指定を用いた場合、サイクル全体にわたっ
てのＣセル４１１Ｊ　備Ｑｉパターンの迫択は代貴的Ｙ
こζ次のようになる。

Ｉｌｌ評１．２および８の制御棒ｒ相対的に深い位置に
挿入する。これらの％ｚｌ　＠　ｕを用いて、その長さ
の切屍がＰ心から引抜かれるまで、サイクル中の反ｒＣ
）度変化を補償する。次いでこれらの？Ｉｌ’ｌＪ御勾
を炉心から完全に引抜く。

（２）群３の制御棒を中間位置にかつ群１．２および８
のち制御棒に関連して挿入して炉心を臨界状態にし、全
半径方向炉心出力分布を炉心の中心て向けてピーキング
させるとと４に、中心ピークの大きさを前述したヘーリ
／グ燃焼分布の中心ピーク（少〈と庵等しくする。

（３）群７の制御棒を浅い位置から深い位置に挿入する
。これらの制御棒は二重の役割を果す。

これらのづ制御棒は、群１および２の制御棒を深く挿入
するサイクルの部分期間の間半径方向炉心出力分布を整
形するのに用いられる。その上、これらのｔｌｊぺＪ棒
は、外周集合体に隣接する高反応度の燃料集合体に許容
範囲内に限定された出力密反を維持するのに必要な軸方
向出力整形をにｔ’ｌ’ｌさらに、運転６通性が必女と
さＩＬる具入懐の運転開始および他の状憩の間、群７の
ＦＩｉＩ碑＠に３シ〈挿入して、制御棒を部分的に引抜
いた際にブレード先端をはずれたｆ！Ｓ科の局所出力密
度がベレット−クラッド相互作用（ＰＣＩ）シキい１Ｊ
限定出力より小さく欧るようにし、この結果、これらの
制ａ棒を定格出力時に深い位置から移動することができ
る。

（４）群４および５の制勿棒は、群１．２および８の制
御棒を挿入したサイクルの部分期間の間軸方向出力整形
のためのみに用いられる。この期間中制御棒を必要に応
じてのみ挿入して隣接高反応度燃料集合体く許容し得る
出力否変余裕を維持する。、詳１．２および８０制御棒
を完全に引抜いたとき、群４および５のτ制御棒を挿入
して七のサイクルの残りの期間の反応度制倫の役割を引
継ぐ。

この群１．２および８０制御棒を群４および５の’１ｂ
ｌＪ　ａｌ棒と交換するこ、！−は、時にはＣセル燃料
集合体におけるピーク出力密度を最小にするために行わ
れる。＃Ｆ４および５のセル中のＣセル燃ｐｒａ合体は
交換時に七の中心面より上に劉御贅履歴をもたでぃので
、これらの局所出力ビーキングは交９４を行わ力かった
場合に群１．２および８ｔｌＪｌ七ルの燃料集合体が呈
するであろうピーキングより但い。

（５）最後に、ｐ６の制御棒を必袂な声、１合にのみ挿
入して高反応！１！：燃料奥合体に許容し得る出力密度
を維持するか、または前述した群７の制御棒の適用に類
似した深い制御および全出力運転融通性を達成する、 １運転サイクルの最後に、再装荷のために原子炉を停止
する。５！！常、外周燃料集合体を炉心から取出すｎＣ
セル集合体をＣセルから外し、炉心から取出すか、また
は場合によってはこれらの集合体を炉心でもう１サイク
ル用いるために外周燃料集合体位置に移動してもよい７
ＣセルにはＮセルから最高燃焼最低反応度の燃料集合体
を再装荷する、（Ｎセル力・らの高燃焼集合体吃外周燃
粗菓合体位箇に移動することができる。）新しい燃料集
合体をＮセルに（好ましくは散礼装入悲徐で）挿入する
。これらの新しい集合体は次の運転サイクル全体にわた
って必妙な反１６度を与えるのにｉ当々績縮度を有する
。

不発明に従って再装荷した炉心の配列的全第６Ａ図に示
す、燃料集合体の判別符号（３、Ｃ，Ｐ　”）の添字０
〜５はこの再装荷時７でにイ（８科が受けている照射サ
イクルの数を示す。

ｆ　６　Ｂ図は第４ム図の初期炉心設計と同様の反応度
分布を呈する別のパターンを示す。外周（Ｐ４位３）に
位置する第５サイクル燃料は、通常上れ以前のサイクル
からの第４サイクル外周・燃料であるが、制御セル位置
から移動された燃料とすることもできる。このパターン
を平衡時に繰返すには、Ｐ４、ちおよび／またはＰＪ燃
料集合体を取出し、馬および／またはＣ３燃料集合体を
２位匁に移動し、幾燃料奥合体を偽位置に移動し、Ｎ１
燃料集合体を以前のＮ、位！に移動し、新しいセ料を空
のＮ１位匁に装入する。

第６０図は再６Ｂ図と類似した別の装入パターンを示す
が、本例では、ｂ１１＠Ｉセルを炉心の甲心に関して異
々る位置に配置してｇ　Ｂ　Ｂ図のｒＩｃＪ配量と同様
の配置を環成している。、第６Ｃ図の配置の′ＯＩ＠ｌ
七ルは第セル図の配置の一燃料のセルと同じ位置にある
ことに注意すべきである。

島燃料集合体は、七の最終サイクルの量制御セルに慣用
されるように予定されているので、再装荷中に移動し力
ければならかい燃料集合体の数は、ある再装荷サイクル
での第６Ｂ図の制御セルパターンから次の再装荷サイク
ルで第６Ｃ図のパターンに％またその次の再装荷サイク
ルで第６Ｂ図のパターンにと順次変えて行くことにより
最小にすることができる。この別法により５１　胡＋ブ
レードの使用および燃焼が一層多数の制＠棒に広けられ
、従って制御セル内での出力整形および反応度制御のた
めに特殊機能長寿命Ｉｌｊ＠棒の数が約２倍必要である
。

第７図は、第５．６Ａおよび６０図の炉心配貨に新しい
燃料島として使用する再装荷燃料集合体例を示す。この
設計で注目に値するのは、燃料集合体の制御棒角部に相
対的に低い濃緑度のは料要素を配置したことで、これに
より’＋？ｆｌｌ　＃俸履歴効果を最小にするとと畦に
、集合体をＮセルで照射した後Ｃセル位置に使用するこ
とができる、特別乏燃料要素を、再装荷または初期炉心
燃料集合体内の出力変化またはペレット−クラッド相互
作用からの損傷をもつとも受は易い虐料云素位置、例え
ばｕ７図の再袋荷燃料奥合体の位置３．４．５および７
に使用することができる、このよう々燃料要素には保嗟
被覆障壁、Ｎｌえば被覆を核分裂生成物の攻舊から保が
する惰または純粋なジルコニウムの劇を設けることがで
きる。このようが耐損傷性燃料要素は雅状慾科ペレット
および／または添加可塑剤含有燃料ペレット賃金むとと
庵ある。

本発苧に係わる燃料集合体は炉心必要条件および特定の
集合体の炉心内の位置に応じて−Ｉ→多醤または少量の
可燃性吸収材を含有できることを注意すべきである。

第８Ａ図は、第６Ａ図の平衡炉心の運転サイクル全体に
わたっての榎々の照射ポ・ＥにおけるＣセル制書傑パタ
ーンの例を示Ｉ３’ｉ伸梅は杯母に操作され、この制御
棒群の符号１〜８ａ璽５図に示したのと同じである、Ｃ
セルを表わす四角内のり１字はセルのｉｌｌ―稗の全深
さ挿入に対する割合（パーセント）を示ｔ、、従って、
１００は完全押入を示し、０は完全引抜きを示す。

制御セル以外の制＠棒は有意の出力時には連モに用いら
れず、制御セルのＩＳ：１仰根の＃動は原子炉運転中は
最小限に抑えられる。

’Ｘ　ａ　Ｂ図は、音道の設計および運転の炉心に関し
て、制御棒に隣接する相対出力を底部進入制御棒位置の
函数として示す。この図は炉心の頂部における減少した
蒸気ボイド注入の効果を示し、その結果、制＃棒を炉心
の底部に押入したとしても高いピーク出力が生じるう ポ８Ｃ図は、本発明の制御セル炉心思想に基づく設計お
よび運転の炉心に閂する相対出力対組＠傑位置の関係を
示す同様の白恣を示す。注目すべきことには、第８Ｂ図
の通常の炉心と比較して制御ブレードに隣接するピーク
出力が著しく減少し、ｆ心円の上方またｅ工下方で出力
のピークが生じ＃（、出力ビーキングを増さずに樹［１
ブレードを炉心中−に深くに挿入でき、制御ブレードを
完全に引抜いた位置で出力が燃料のＴａ部約８０９ｇに
わたってンｄ少する。

示す、通常の設計の篇反応度燃料出力分布傾向（第８Ｅ
図）と比較して、制御ブレード移動中の出力（口／九）
の変化が小さく、この燃料でに１；１偵１セルブレード
の部分的挿入により釦１方向出力ピークを一層よく制伽
でき、ある制御棒状啓から別の状態への移行が一層スム
ーズで、炉心の頂部における出力増加が著しく小さく、
そしてピークＵ子炉局所出力が減少する。

従って本発明に係わる５１１１η七ル操作そ−ドにおい
ては、制御ブレードを炉心の底部；力１７％に押入して
（、？ＬＬＩＩ■セルの燃料にも１例セルの外側のつま
り非１ｔＩ１１御セルの隅反応度燃料に４著しいピーク
出力の増加かがい、さらに、制−セルのヤ」す（至）ブ
レードを中心デＩし位置に押入することにより、１研接
非重制御セルの燃料のピーク出力が着しく減少了るつこ
几らの傾向を用いて、今まで遅出されてきた従来の柚１
佛法で違反されるより゛一層適切々出力形状を不発明の
判例セル設計で得ることができる。

本発明の制御セル炉心の重≠な硼素はＣセルおよびＮセ
ル制御棒の機能の分り１である。炉心出力レベルおよび
整形制御に用いられるＣセルの制御棒は全制＠棒の約ハ
だけである。残りのヤｊ８ＩＩ棒、即ちＣセル以外の制
＠棒はその主（表能として匝子炉停止を行う。この機能
分離と炉心出力制御に用いられる制御棒の数を最小にす
ることとによって、制り１搾およびその協働１樋の設計
を改質して、すべての７！：’１価棒および駆動機構が
出力整形および停止の二重機能を果さ々ければなら々い
場合には実用で与力いようセ惑様で、前言己？制御朽お
よび駆動Ｐｉ杓が灼定の忙能を果すようにするこさがで
きる、 ？１１えに、Ｃセルの制御棒が長い寿砧を翁し、これら
の制御棒がその移−〇につれてメ接燃料の局所出力を急
故にというよりはむしろ保々に父化させることが望まし
い、、Ｃセルに用いるのに適当ｔちす＠棒１８１および
制御棒駆動峨粥１７１のｄ（Ｉを稟９ム〜９Ｄ図に示″
１．。

制御棒１８１は、ハンドル４４が形部された上部鋳造部
４２と下部鋳造部４６とを十字１ｄ面の中心ポスト４８
で連結して形成される。下部鋳造部４６には速度制限器
５０、案内ローラ５２および駆動機構１７１への取付用
の連結ソケット５４が形成されている。上ｆＳ＠造部４
２にＩＧ内ローラ５５が取付けられ、これにより制御ａ
１８１を燃料集合体間で横方向に支持する。

Ｕ字形のシースを中心ボスト４８および上部鋳造部４２
および下部鋳造部４６に取付けて制御棒の４つのブレー
ド５６（１１〜５６（４１ｉ−形成するーブレード５６
ｆｌｌ〜５Ｎ４１七九それの中には複数個の中法子吸収
捧５８が収容される、代表的には、吸収棒５８は第９Ｂ
図に示す通り、コ轟な午性子吸収材、例えば天然の炭化
帆１素（Ｂ４Ｃ！　）粉末６２を含有する筐封官６０か
ら形成される〜扮末６２の柱状体は、−任の眉間した球
６４によｃ分割妬れ、球６４は、管６０の会に設けられ
た円周方向クリンプ６６により移動を拘束されている、
この構成により、粉末６２の柱状体に空隙が生じるのを
防止するとと唾に、吸収棒の一部に亀裂が入った場合に
吸収部から粉末がすべてＰ、々われるのを防止する。

制御セル内に配置された制御棒が、隣接燃料に最小の衝
撃しか与えず、従って制御棒ブレードを引抜いたときに
局所出力変化を最小てすることが望ましい。このことは
制御棒ブレードに「グレイチップ（ｇｒｅｙ　ｔｉｖ）
　Ｊ　　を設けると七によりある程度達成される。グレ
イチップは水減速材を排水するとともに、制御ブレード
の他の場所の強い制御物質より少量の中性子を吸収する
。

宇制御セル内に配置された七（制御ブレードが長い寿命
を有することも望ましい。制御ブレードの羽根の先端お
よび側縁は奴大故の中性子を吸収し、これらが制御ブレ
ード寿命を限定する。制御ブレードの高拘獲狽城に、中
性子捕獲力・ら気体または他の損傷性反応生成物を生成
しない長所詰物質を辿択使用せることにより、ζ１ｌａ
ｌブレードの膏ｆ６を伸ばすことができる。

ｔｂｌ彷ｉ棒１ｓｔｔ−ｃでルに便用ブるように改作す
る時似は次の迫っでめる。、制御語１８１には長寿命ま
たは「グレイチップ」を種々の方法で形成することがで
きる１、（ここで「グレイチップ」は制御強さが頂部ま
たは〕−ンドル端から徐々に増加することをｔｌＪｔす
る。、）第９Ａ図に示すよう番で、ハンドル４４け正規
より幅広にかつ長くシ、例えば中性子吸収材であるが硼
素より制御強さの低いステンレス鋼で形成する。従って
、拡大嘔れたノ）７ドル４４は水をその分排水し、制御
棒の先端から本体へ制御強さを変移させる、 ダレイチツプ長侍命？ＦＩＩＩ砲捧１８１ｒ形反する別
のまたは追加の方法を第９Ｃ図に示す。本例では、ブレ
ード５６１１１〜５６　（４１内の吸収ｓｓａ。

管６０に吸収材６２を七の而さがブレードに向って仄嘱
に低くなるようＶＣ元１フることＶこより、グレイチッ
グ長寿命制御松を得る。

グレイチップ効果および長い制御プレード侍砧双方をも
たらす配置を第９Ｄ図に示す。この配置では、硼素に代
えて過当ｆＬＣＰ注子吸双子吸収材りえばハフニウムを
内側吸収俸では七の長さの′ｙｉ部１／２４から３Ａま
で、また１本または２本以上の外側吸収棒ではその全長
に元填する．、制（至）ブレードの中性子束勾配が急峻
であるので、制御フ゛レードの先端および外側吸収棒は
最高入射中性子束、最大中性子捕獲速度、従って最短針
金−を有する。これらの位りに用いられる／１フニウム
は１４Ｃよ！７１仕るかく長いブレード舞台を与える。

その理由６１ノ−フニウムがＢ４Ｃから生成されるガス
を含めて損傷性反応生成物を形放し々いからである。

またハフニウムは熱中性子に対してＢ４Ｃ　　より鈍感
であるが、エビサーマル中性子の強い吸収材である。従
って、／％フニウムは熱中性子吸収力；少々いが、エビ
サーマル中性子に関してハａ−２３８とより大きくｎ合
せる６七の甜果、Ｕ　−　２５Ｂの転換が減少し、従っ
て別個Ｓ履歴効果力ｉ減少する。ハフニウムではけ璧か
大きくなることにＣセル制御棒への使用については正当
化逼れるｒ，ｔの理由は、Ｃセル制御棒は炉心の価値１
禄のうち少数部分であり、もつとも厳しい責務を矢すか
らである。＠９Ｄ図の制御棒設計は、高価なノーフニウ
ム物質を制愼１ブレードｆ＃命の廼長にこの物質づ；必
要とされる制御ブレードのｑ域のみに局在化することに
よりコストを最小限に抑えている。

Ｉ＆後に、制＃棒を移動するときに隣接；晧科における
局所出力の変化割合を小さくするたりしで、男３１１　
ｆｉｌ　棒駆動機構　１　７　１　（　原　９　Ａ図　
）　を５ぽ（細移七ミリ　世の庵のとするのが望ましい
，、速当々式細移吻袋スクラム駆８機構が米国特許第五
７　３　４，　８　２　４号１（開示されている。

Ｃセルの外側のびｊ御棒、即ちＮセルの制御棒は、原子
炉炉心が出力運転中は引抜かれる，、従ってこれらの制
御棒け・長い寿命を有し、コールド。

停止価値を最大にするためにより強い吸収部のより高価
な物質でつくることがでさる、 Ｎセルに用いる制りリ綽１８２および帛デフ１櫨構１７
２の詞を＠１０図ＶＣ示す９制個考卓１８２の窒略榴造
−１も９Ａ図の重り七杓１８１とはゾ陶峰である。従っ
て概略の説明ζ４返さ力い。

コールド状態では、例えば棉脚木型原子炉の組合、炉心
の頂部付近の燃料がもつと（反応性である。、ｖＥつて
、Ｎセル制御棒においては、より高価かつ強い中性子吸
収性の物質を吸収棒の頂部３Ａまたは只のみに使用する
ことが必要である。従って、鱈１０図に示すように、吸
収棒の特殊力強力停止ブレードは、例えばブレード５６
’ｌｌｌ〜５６゛（４）の上部％の部分に炭化硼素（Ｂ
−１０）を、その長さの残り下側にに普通のＢ４Ｃを含
有する、最後に、制御棒駆＠機構１７２は比較的簡単に
段階的移動およびヌクラム移動を行うことができる。こ
のようが駆動機構の適当な例が米国特許第４０２１８８
７号に示されている、氏上、原子炉炉心用の一′＃４お
よびづ制御棒の設計および配置と、この炉心設計および
七の運転を着しく簡単にできしかも慾＃４損壊の危険の
低下した運転方法とｋ　Ｌｌ明した。出力時に操作し々
ｔすればならないＫｌ幽碌の１：ｉを着しく少なくシ、
重り御棒パターンをより６筐かつ前車にブることにより
、自動化制御棒操作が一層容易に４る。

４図面のＰｔ１皐々説明 第１図は、水冷却頚減速原子デおよびＲの蒸気使用系統
を示す概ＩＰ！５図、 璽２図は、炉心の燃ｆ４セルの縮図的平面図、第５Ａ図
および第５Ｂ図は、それぞれ制御セル配列の異々るｆｌ
ｊを示す炉心の只の８分のＨａ的平面図、 第４Ａ図は、初期炉心用の制御セル炉心配列を示す線図
的平面図、 第４Ｂ〜４Ｆ図は、第４Ａ図の配列に朗いる燃料集合体
Ｃ１、Ｈａ％Ｎｔｌ、　ＸＬおよびＰｌの配列図、第４
Ｇ図は、熔′＃４璧素内の可燃性吸収材の分布図、 鍼５図は、制御セルのが制御棒の胛指名の説明図、 ５４６　Ａ〜６ｃ図ｄ、平衡炉心設計の再装荷例を示す
平面図、 ４７図は、毎装荷ｆＡ料果合坏の別を示す！判御、 弓８Ａ図は、炉心運転サイクルの間の１μ々の照射ｔに
おける匍１＠警パターンの例（群指定は總ｓｔ！！４参
照のこと）を示し、 ′ｚｇＢＢ図は、従来の設計の炉心における高反応度燃
料県令体の局部出力変化を是の集合体に隣接する制御棒
の種々の位置について示す曲線図（隣接側＆４棒を底部
に向って引き抜く際の従来の設計の新燃＃４県合体の出
力を示す）、第８Ｇ図は、本発明の制御セル内の燃料渠
合体の局部出力変化をその制御セル内の制御１棒の都々
の位りについて示す曲線図（制御セルのも！制御棒を底
部に向って引り＜障の制御セル煙科の出力を示す）、 ｇａＤ図は、本発明の非制御セル内の高反応度燃料県令
体の局部出力変化を２接佃制御セル内のへ制御棒の棟々
の位置について示す曲線図（＄す御セルの？ｔｉｌ！御
棒を底部に向ってガスくざの券ｊ偶１セルの瞬りの宜燃
料の出力を示す）、 第９Ａ〜？Ｄ図は、炉心のＸｌ　ｍセルに用いるｂ１Ｊ
仰棒ｈ・よび駆動砿清を示し、第９Ａ図は制御綽とＩＩ
−ｘ橋の斜視図、第９Ｂ図は吸収棒の断面図、舛９Ｃ図
は、制御ブレード内の吸収材の配置例、第９Ｄ図ｄ制の
ブレード内の吸収材の別の配ｆｆｊ例を示し、 涼１０図は、炉心の非制御セルに用いる捗ｊ御棒および
駆′ｇｈ機祷を示す斜視図である。

１１−炉心、　　　　　　１３−燃料集合体、１８−制
御棒、　゛　　　２９・−燃料セル、３４−燃料要素、
　　　　５６　・・・ブレード、５８−吸収棒、　　　
　　　　　１７１，１７２−０．Ｎセル椰動珀べ１８１
．１８２−　Ｃ，Ｎ　セ／ｌ／制御ａ、。

持許出願人ゼネラル・エレクトリック物代理人（７６３
１１！生沼　徳二 ＪＡＰＡＩす Ｆｉｇ、３Ａ Ｆｉｇ、３Ｂ に　　−Ｆｉｇ、４Ｂ １ｉ　　　−Ｆｉｇ、４Ｅ 町　−Ｆｉｇ、　４Ｆ Ｆｉｇ、　４Ａ １８祁召７°Ｃ１ １ｉ　　　Ｎｏ−ｕ　−２３５ｗ／Ｄ １　　　　　　２７　　　　　　１．２２　　　　　　
３５　　　　　　０．７１１　　　　　−集会」奎り４
７’Ｎａ＝ Ｌｌ　　　　凶Ｅｕ−ｚ３ｓｗＶｏ鍜５畳　　　　　　
　旧　　　　　　２．２２　　　　２３ｊｆ４２５　　
　　１．７３　　　　　　１４　　　　　　１．２２　
　　　　　１６　　　　　２．４ ３　　　　　　　８　　　　　２．２ ４　　　　　　　８　　　　　２．０ ５　　　　　　３　　　　　１．７ ６　　　　　　　１　　　　　１．２ Ｂａ　　　　　４３ｒ）！３　　　３．０　　　　　　
５Ｆｉｇ、　４Ｄ 情Ｌ＋４４−ｑイア°　１１ ４　　　　　　　３　　　　　　１．７５　　　　　　
３　　　　　　１．２ ＢＡ　　　　　　　１　　　　　　３．０　　　　　３
Ｆｉｇ、４Ｅ 暮者仲９４７°Ｐ１ Ｆｉグ、５ Ｎｏ−１１７ｆｌＰｔ　　１Ｆｉ１．７１Ｆｉｇ、　６
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２Ｆｉｇ、　８Ａ 超　ゲイ　鉱砂 ８８灯仁に ？ｌ］　Ｎ脹カ Ｆｉｇ、　９Ａ　　　　　　　　Ｆｉｇ、　９ＣＦｉｇ
、１０ ハフニウム Ｆｉｇ、９Ｄ ｌ〃

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数個のセルを有する原子炉炉心において、各セル
   が、選択的に挿入可能な制御棒を囲む複数個の個別に置
   換可能な燃料集合体を含み、連続する定期運転サイクル
   １回毎に原子炉を停止して、炉心の燃料集合体の一部を
   交換するようにした原子炉炉心を燃料装荷および運転す
   るにあたり、 （ａ）前記炉心に２種のセルのパターン、即ち制御セル
   セットと非制御セルセットよりなり、制御セルにあって
   これと協働する制御棒は出力整形−反応度制御・制御棒
   として働き、非制御セルにあってこれと協働する制御棒
   は原子炉停止・制御棒として動き、制御セルが互に少な
   くとも１個の非制御セルで分離されたパターンを選定し
   、 （ｂ）前記制御セルに使用するように特に構成された設
   計の比較的低反応度の燃料の燃料集合体を制御セルに配
   置し、 （ｃ）前記制御セルに後に使用するように特に構成され
   た設計の高反応度の燃料集合体を前記非制御セルに配置
   し、この高反応度は、この燃料集合体を炉心にｎ運転サ
   イクル時間（ｎは２以上）滞在させるのに十分なものと
   し、 （ｄ）前記非制御セルの制御棒を、運転開始から定格出
   力までに炉心から実質的に引抜きかつ前記制御セルの少
   なくとも幾つかのセルの制御棒を炉心に選択的に挿入し
   て炉心の出力レベルを制御しながら、炉心を１運転サイ
   クル全体にわたって運転し、 （ｅ）前記サイクルの終点で炉心の再装荷のために原子
   炉を停止し、 （ｆ）前記制御セルそれぞれからすべての燃料集合体を
   取出し、 （ｇ）前記制御セルから取出した燃料集合体すべてを、
   炉心内に（ｎ−１）サイクル滞在していた、前記非制御
   セルから移動される照射ずみ燃料集合体と交換し、 （ｈ）前記制御セルに移動された照射ずみ燃料集合体の
   数と少なくとも等しい数の、炉心内でのｎ運転サイクル
   の滞在時間に十分な反応度を呈する濃縮度の未照射燃料
   集合体を前記非制御セルに挿入し、 （ｉ）前記工程（ｄ）〜（ｈ）に従って、連続する運転
   サイクルで順次炉心を運転する、 以上の諸段階を有する原子炉炉心の燃料装荷および運転
   方法。 ２、前記炉心の運転を、部分的に挿入された制御棒のブ
   レードを高反応度燃料の隣りに挿入しないように行う特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、前記燃料集合体のうち幾つかの燃料集合体が可燃性
   吸収材を含有し、前記炉心の運転を、部分的に挿入され
   た制御棒のブレードを非減損可燃性吸収材含有燃料の隣
   りに挿入しないように行う特許請求の範囲第１または２
   項記載の方法。 ４、前記非制御セルに挿入される前記未照射燃料集合体
   が、四辺配列体に配置された複数個の細長い離間したほ
   ゞ平行な燃料要素よりなり、集合体の２つの隣接辺が炉
   心内で制御棒のブレードに隣接して位置するよう選択さ
   れ；前記集合体の中心群の燃料要素が比較的高濃縮度の
   燃料を含有し；中間群の燃料要素が前記高濃縮度より低
   い中間濃縮度の燃料を含有し；外周群の燃料要素が前記
   中間濃縮度より低い低濃縮度の燃料を含有し；角の燃料
   要素が前記低濃縮度より低い濃縮度の燃料を含有し；前
   記所定隣接辺により画成される角に位置する１つの角燃
   料要素が前記集合体の他のあらゆる燃料要素より低い濃
   縮度の燃料を含有し；前記集合体の幾つかの燃料要素が
   可燃性吸収材を含有し；さらに少なくとも１本の減速材
   流通棒が前記中心群の燃料要素間に延在する特許請求の
   範囲第３項記載の方法。 ５、工程（ｇ）および（ｈ）を変更して、幾つかの燃料
   集合体のみを少なくとも幾つかの制御セルから取出し、
   これらの燃料集合体を、（ｎ−１）サイクル照射されて
   いる非制御セルからの燃料集合体と交換する特許請求の
   範囲第１〜４項のいずれか１項に記載の方法。 ６、工程（ｇ）および（ｈ）を変更して、少なくとも幾
   つかの燃料集合体を少なくとも幾つかの制御セルから取
   出し、これらの燃料集合体を、比較的低反応度の未照射
   燃料集合体と交換する特許請求の範囲第１〜４項のいず
   れか１項に記載の方法。 ７、工程（ｇ）および（ｈ）を変更して、幾つかの燃料
   集合体のみを少なくとも幾つかの制御セルから取出し、
   これらの燃料集合体を、前記非制御セル内で（ｎ−１）
   サイクルより少ないサイクル照射されている比較的低反
   応度の照射ずみ燃料集合体と交換する特許請求の範囲第
   １〜４項のいずれか１項に記載の方法。 ８、燃料要素のペレット−クラッディング相互作用に対
   する抵抗性を増す手段を含む燃料集合体のみを前記非制
   御セルから前記制御セルに移動する特許請求の範囲第７
   項記載の方法。 ９、さらに、反応度が前記制御セルの燃料の反応度より
   大きく前記非制御セルの燃料の反応度より小さい燃料の
   燃料集合体を含む第２制御セルのセットを選定し、前記
   第２制御セルの制御棒を原子炉運転開始時および全出力
   運転に近づく間使用し、前記第２制御セルの制御棒を全
   出力運転中引抜き状態に維持する工程を含む特許請求の
   範囲第１〜８項のいずれか１項に記載の方法。 １０、さらに、グレイチップを有する制御棒を前記制御
   セルに配置する工程を含み、前記グレイチップにより制
   御棒の上端の一部に沿って制御強さを次第に減少させる
   特許請求の範囲第１〜９項のいずれか１項に記載の方法
   。 １１、前記制御セルの制御棒の上方部分および側方部分
   にハフニウムを配置し、前記制御セルの制御棒内の中性
   子吸収材の残りを硼素とする特許請求の範囲第１〜１０
   項のいずれか１項に記載の方法。 １２、上部の制御強さが下部の制御強さより強い制御棒
   を前記非制御セルに配置する工程を含む特許請求の範囲
   第１〜１１項のいずれか１項に記載の方法。 １３、前記非制御セルの制御棒の上部１／４〜１／３の
   部分に炭化硼素（Ｂ−１０）を、それより下方部分に天
   然Ｂ＿４Ｃを充填する工程を含む特許請求の範囲第１〜
   １２項のいずれか１項に記載の方法。 １４、工程（ｂ）で前記制御セルに配置される燃料集合
   体が、制御セルの制御棒チャネルに隣接する集合体の燃
   料要素内に低濃縮度燃料を含むが可燃性吸収材を含まず
   、隣接する制御棒の移動に耐えるように特に設計されて
   いる特許請求の範囲第１〜１３項のいずれか１項に記載
   の方法。