JPS61129594A - 軽水減速型原子炉 - 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、軽水減速型原子炉に関するものである。

〔発明の背景〕

軽水減速型原子炉（以下、軽水炉と記す）での燃料物質
の利用方式は、ワンススル一方式と再処理リサイクル方
式に大別される。ワンススル一方式では、原子炉は濃縮
ウランを用い、原子炉から取り出された使用済燃料棒に
含まれている燃料物質のどの成分も、軽水炉で再利用し
ない（リサイクルされない）方式である。この方式は燃
料再処理の費用がウラン濃縮の費用を上回っている場合
には、燃料サイクル費の面で有利な方法である。

再処理リサイクル方式は、使用済燃料棒に含まれている
燃料物質全再処理して新たな燃料棒を作シその燃料棒を
軽水炉内に装荷して燃料物質の再利用を図るものである
。ワンススル一方式で燃料物質の有効利用全図る。１つ
の方法は、燃料集合体からの取出し燃焼度を大きくする
、すなわち高燃焼度を実現することである。燃料集合体
は、多数の燃料棒にて構成されている。高燃焼度を達成
するためには、濃縮ウランのＩＡ縮度を向くする必要が
あるが、！Ｉ縮度が高くなると、次の問題が生じる。

新燃料集合体の濃縮度が高くてしかも燃料集合体の取出
燃焼度が太さいために、軽水炉の炉心内には、中性子無
限増倍率の大きく異なる燃料集合体が混在することにな
９、各燃料集合体の出力分担割合に差が生じて出力ミス
マツチが犬きくなり、出力ピーギングが増大する。また
濃縮度の増加に伴ない燃焼初期で制御しなければならな
い余剰反応度が増大し、従来のガドリニア入り燃料棒を
使った燃料集合体では、ガドリニア入シ燃料棒を多くす
る必要がある。

一方、ウラン資源の有効利用の観点から、ウラン２３８
から核分裂物質（プルトニウム２３９）への転換を良く
した軽水炉が提案されている。

Ｎｕｃｌ、　’ｌ’ｅｃｈｎｏｌ、　、　５９．２１２
　（１９８２年）ＫおけるＱｌｄｅｋｏｐ　　らによる
’　（）ｅｎｅｒａｌ　　ｆｅａｔｕｒｅｓｏｆ　ａｄ
ｖａｎｃｅｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ　ｗａｔｅｒ　
ｒｅａｃｔｏｒｓｗｉｔｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｆｕｅ
ｌ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ”と題する文献では、軽水
炉の炉心間での水対燃料体積比を従来の２０から０．５
まで下げて、中性子の平均エネルギーを高め、プルトニ
ウム転換１ｔ−０，９以上にした炉心が示されている。

この水対燃料比（Ｌ５・１　　　　　　　を実現する構
造として、稠密格子構造を用いている。この例も含めて
、従来の高転換軽水炉では、炉心から取出された使用済
の燃料集合体を再処理して炉心にリサイクルすることに
よシ、燃料物質の有効利用を図るもので燃料再処理や再
加工等の燃料サイクルが完結している必要がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料物質全再利用することなく軽水炉
の単位エネルギーを発生するのに必要な天然ウラン量を
減少できる軽水減速型原子炉を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、単位断面積当９の燃料棒の平均密度の
異なる複数の領域を炉心の半径方向に設け、単位断面積
当９における燃料棒の平均密度の小さな領域に配置され
ている燃料棒がその領域よシもその平均密度の大きな領
域に配置されていた燃料棒であることにある。

炉心内におけるプルトニウム生産を増大させるには、中
性子のエネルギースペクトルを高エネルギー側にシフト
させプラン２３８に捕獲吸収させる割合を大きくさせれ
ばよい。このためには、中　　　　′性子の減速能の最
も大きい水素原子に対するウラン原子数の比を少さくす
る必要がある、ワンススル一方式の原子炉では生産され
た核分裂性物質である。プルトニウム−２３９，−２４
１および濃縮されたウラン−２３５をできるだけ効率よ
く燃し切る必要がある。このためには、中性子の減速を
よくし熱中性子の割合を多くすることによシ核分裂性物
質への吸収率を良くすればよい。これは水素原子に対す
るウラン原子数の比を大きくすることに工り実現できる
。このように、プルトニウム生産増大の対策と核分裂性
物質（プルトニウム−２３９，−２４１、ウラン−２３
５）の高効率燃焼の対策とでは中性子減速すなわち水素
原子対ウラン原子数の比に関しては反するものとなる。

上記の相反する対策を同一の炉心で実現させ、核分裂性
物質をよシ多く生産し、かつよシ有効に利用することで
省ウランと高燃焼度化をはかる本発明の概要を第１２図
及び第１３図に基づいて具体的に述べる。炉心４５仕切
シ部材４９によって半径方向に第１領域４６、第２領域
４７、・・・・・・、及び第Ｎ領域４８に分割されてい
る。第１領域４６の水素対ウラン原子数比ｒ　ａ　／　
ｕはａｌ、第２領域４７のその比ｒ　ｗ　／ｙはａｌ、
第Ｎ領域４８のそのｒ　Ｈ／ｙはａＮでメジ、 ａｔ＜ａｘ＜・・・・・・（ａ　Ｎ　　　　　・・・・
・・・・・・・・（１）の関係にある。またａｌは、現
行の軽水減速型原子炉の水素対ウラン原子数比よりも少
さい値、すなわちＬＯ〜λ０の値とし、ａＮは現行の軽
水型原子炉の水素対ウラン原子数比よシ大きな値、すな
わち、５．０Ｌす大の値とする。燃焼度０の新燃料棒は
、最初に第１領域４６に装荷され、第１２図に示す切替
え点Ｅ１まで燃焼させる。次にＥｌまで燃焼された燃料
棒は、第２領域４７に移行される。第２領域４７で切替
え点Ｅ８まで燃焼された燃料棒は、第３領域に移行され
る。以上の燃料体の移替えを燃料交換時ごとに実施させ
ることにより、最初第１領域４６に装荷された新燃料棒
は、その寿命中領域を次々に移替）第Ｎ＋１の交換時に
最後の第Ｎ領域４８でＥＮまで燃焼して原子炉外に取出
される。したがって、燃料棒の寿命の前半は、水素対ウ
ラン原子数比の小さい領域に存在して燃料棒中のプルト
ニウム生産の増大が計られ、寿命の後半では水素対ウラ
ン原子数比のよシ大きい領域に存在することによって燃
料棒中の核分裂性物質ｔ−よシ効率よく燃焼させていく
ことができる。第１４図に、ウランｒａｍ度約４憾の燃
料棒について水素対ウラン原子数比をパラメータに、燃
焼度に対する転換比（初期ウラン−２３５原子数濃度に
対する燃焼後の核分裂性物質原子数濃度の比）の変化を
示す。第１領域４６の水素対ウラン原子数比を約ＬＯＫ
−すると３００Ｗｄ／ｌ　　燃焼させた後にも、初期の
σ−２３５原子数濃度の約９５１の核分裂性物質が残っ
ている。第１２図の仕切９部材１４は領域間を仕切る境
界層で各領域間で冷却材流体の出入かないようにセパレ
ータとして設ける。材料としては中性子吸収が少ない物
質、例えばジルカロイ等の合金を用いる。また、第１３
図に、本発明を実施した場合の燃料棒寿命ｊ　　　　　
　中の燃焼度に対する中性子増倍率の変化を示す。

領域４６で中性子増倍率の平均値が臨界条件を満たして
いなくとも全領域の平均が条件を満たすように設計すれ
ばよい。第２領域以降には反応度制御のためガドリニア
を入れる。

第１５図は、本発明による炉心の各領域における出力密
度と冷却材流量の半径方向分布を示したものである。出
力密度は、中心に近い領域はど燃料棒が密に詰っている
ため高くなっておシ、冷却材炉心の冷却材入口で各領域
に設けたオリフィスを調整して、各領域の燃料棒および
燃料被覆管１夏が設計基準値を越えないよう冷却材のＯ
ｗ、量を配分する。さらに、冷却材を沸騰式せる炉心で
は、流量を調整して各領域のボイド率を変えることによ
シ水素対ウラン原子数比を調整することも可能である。

〔発明の実施例］ 軽水炉に含まれる加圧水星原子炉に適用した本発明の好
適な一実施例を、第１図及び第２図に基づいて説明する
。

本実施例は、炉心を半径方向に三領域にわけた場合の例
である。

加圧水星原子炉ｌは、炉心を内蔵する原子炉圧力容器２
全有して騒る。原子炉容器２は、その壁面に入口ノズル
３及び出口ノズル４を有し、頂部に密閉蓋５を設置して
いる。実質的に円筒形の炉心シュラウド６は、密閉蓋５
近くにある原子炉圧力容器２のたなに吊下げられている
。バックル７が、炉心シュラウド６の下部で炉心シュラ
ウド６内に取付けられている。燃料集合偉人及びＢの下
端部を収容するための穴を有する下部炉心支持板８が、
炉心シュラウド６の下端に取付けられる。

燃料集合偉人及びＢの上端部を収容するための穴を有す
る上部炉心支持板９が、複数の支柱１０によって太い梁
のある上部支持板１１に支持される。

複数の案内筒２６が、上部支持板１１と上部炉心支持板
９との間に配置されている。案内筒２６には開口３３が
設けられている。

炉心１２は、炉心シュラウド６内の下部に構成され、多
数の燃料果合偉人及びＢ１及び筒状の仕切９部材１３か
らなっている。仕切り部材１３は、ジルカロイ（ジルコ
ニウム合金）にて作られている。本実施例では、炉心１
２は、仕切シ部材１３によってそれより内側の中央領域
２７とそれよシ外側の周辺領域２８の２つの領域に分割
されている。燃料集合偉人は、仕切シ部材１３内の中央
領域２７にそれぞれ配置され、燃料集合体Ｂは仕切勺部
材１３外の周辺領域２８にそれぞれ配置されている。

燃料果合偉人は、第３図及び第４図に示すように、複数
の燃料棒１５、下部タイプレート１６、上部タイプレー
ト１７及びスペーサ１８−ｉ有している。２１は、ハン
ドルである。下部タイプレート１６及び上部タイプレー
ト１７は、正六角形をしている。燃料棒１５は、その両
端が下部タイプレート１６及び上部タイプレート１７に
それぞれ保持される。下部タイプレート１６は、内側に
円筒部１６Ａｋ有しておシ、その円筒部１６Ａが外側の
円筒部１６ｃに放射状に配置された複数の連結板１６Ｂ
にて結合されて構成されている。燃料棒１５は、第４図
に示すように正六角形になるように配置されている。燃
料棒１５のうちの何本かはタイロッド１５Ａとして機能
している。タイロッド１５Ａの両端は、下部タイプレー
ト１６及び上部タイプレート１７を貫通している。タイ
ロッド１５人の下端にはナツト１９が取付けられ、タイ
ロッド１５Ａの上端には締付ナツト２０が取付けられて
いる。これらのタイロッド１５Ａによって下部タイプレ
ート１６と上部タイプレート１７が連結されている。燃
料棒１５（タイロッド１５人も含む）は、密封されｔシ
ルカロイ製の被覆管内に燃料ペレットを充填したもので
ある。燃料ペレット内には、濃縮されたウラン２３５が
核分裂性物質として含れている。燃料＄１５の束の軸方
向には、複数のスペーサ１８が配置されている。スペー
サ１８は、隣接している燃料棒１５相互の接触を防止し
、それらの燃料棒１５相互間に冷却水が流れる通路を確
保するものである。

燃料集合体Ｂは、第５図及び第６図に示すように、複数
の燃料棒１５及び可燃性毒物棒１５Ｂ１１　　　　　　
下部タイプレート２３、上部タイプレート２４及びスペ
ーサ２５を有している。燃料集合体Ｂも、燃料集合偉人
と同様に複数の燃料棒１５の一部分であるタイロッド１
５Ａによって下部タイプレート２３及び上部タイプレー
ト２４が連結されている。下部タイプレート２３は、内
側に円筒部２３人を有しており、その円筒部２３Ａが外
側の円面部２３ＣＫ放射状に配置された複数の遅結板２
３Ｂにで結合されている。燃料棒１５及び可燃性毒物棒
１５Ｂの両端は、下部タイプレート２３及び上部タイプ
レート２４に保持されている。燃料棒１５（タイロッド
１５Ａｔ含む）は、燃料集合偉人のそれと同一構成であ
る。可燃性毒物棒１５Ｂは、密封された被覆管内に、減
速材である水素化ジルコニウムと可燃性毒物でおるガド
リニアの混合物を充填したものである。可燃性毒物棒１
５Ｂの水素化ジルコニウム及びガドリニアの濃度分布は
、その軸方向に一様である。スペーサ２５は正六角形で
ろって各々のタイプレートに保持されている燃料棒を正
六角形状に束ねている。スペーサ２５は、軸方向に複数
個配置され、燃料棒相互間の接触を防止している。可燃
性毒物棒１５Ｂの代シに燃料棒１５のσ０鵞ペレット内
にガドリニアを混入したものを１燃料渠合体Ｂ内に配置
してもよい。

燃料集合体ＢＫおける隣接している燃料棒相互間の距ｗ
１（ピッチ）は、燃料集合偉人における七のピンチより
も大きい。すなわち、燃料集合体Ｂを構成している燃料
棒の本数は、燃料集合偉人におけるその本数よ）も多い
。下部タイプレート１６及び２３及び上部タイプレート
１７及び２４の水平断面（燃料集合体の軸に垂直な方向
の断面）の断面積は、すべて等しい。

燃料集合偉人の円筒部１６Ａ及び燃料集合体Ｂの円筒部
２３Ａが、下部炉心支持板８の前述した穴内に挿入され
る。そして、燃料集合体Ａの円筒部１６ｃ及び燃料果合
体Ｂの円筒部２３Ｃが、下部炉心支持板８上に設置てれ
る。燃料集合偉人の上部タイプレート１７の上部１７Ａ
及び燃料果合体Ｂの上部タイプレート２４の上部２４Ａ
が、上部炉心支持板９の前述した穴内に挿入される。こ
のようにして燃料集合偉人及びＢが、下部炉心支持板８
及び上部炉心支持板９に保持される。中央領域２７内に
おいて、隣接している燃料集合体Ａの下部タイプレート
１６及び上部タイプレート１７は、それぞれ接触してい
る。中央鎖酸２７の最外周に位置している燃料集合偉人
の下部タイプレート１６及び上部タイプレート１７は、
仕切９部材１３の内面に接している。周辺領域２８にお
いても、隣接している燃料集合体Ｂ同士は、下部タイプ
レート２３及び上部タイプレート２４が接している。周
辺領域２８の最も内側に位置している燃料集合体Ｂは、
下部タイプレート２３及び上部タイプレート２４が仕切
り部材１３の外面に接している。

加圧水型原子炉は、流体圧力で作動される制御＃駆動機
構２９を備えている。制御棒駆動機構２９の構成は、米
国特許第３６０７６２９　　号明細書に示されているも
のと同じである。制御棒駆動機構２９は、アダプタ管３
１の上部７う／ジ３２に取付けられる。アダプタ管３１
は、密閉蓋５を貫通するとともに密閉蓋５に溶接にて取
付けられている。制御棒駆動機構２９の下端に、第７図
に示す制御棒３４が着脱可能に取付けられる。制御棒３
４は、案内筒２６内を上下動する。制御棒駆動機構２９
は、ｉｉｆ制御棒３４の燃料集合偉人及びＢの内へ挿入
操作、それからの引抜き操作を行う。制御棒３４が挿入
される燃料果合偉人及びＢは、一般に制御用燃料果合体
Ａｏ及びＢｏと言われている。制御用燃料果合体Ａ０及
びＢｏは、第１図に示すように燃料集合偉人及びＢのそ
れぞれの３体に１体の割合で炉心１２内に配置てれ、ア
ダプタ管３１の真下九位にする案内筒２６と同一軸心上
に配列されている。

制御＄３４の構造を第７図に基づいて説明する。

制御棒３４は、制御棒駆動機構２９に連結される本体３
５、本体３５に放射状に取付けられた支持部材３６及び
支持部材３６の先端部に取付けられた中性子吸収ｆ１３
７ｔ−Ｎしている。中性子吸収棒３７は、密封嘔れた被
覆管内に中性子吸収材であるＢ４Ｃを充填したものであ
る。

このような制御棒３４が挿入される制御用燃料集合体Ａ
ｏ及びＢｏについて説明する。制御用燃料果合体八〇は
、タイロッド１５Ａの代９に第８図に示すように中空管
である、′ＦＪＬ収の制御棒案内管３８が配置されてい
る点が前述の燃料集合偉人と異っている。制御棒案内管
３８が下部タイプレート１６及び上部タイプレート１７
を連絡している。

制御用燃料集合体Ｂｏは、タイロッド１５Ａの代シに第
９図に示すように配置された制御棒案内管３８が下部タ
イプレート２３と上部タイプレート２４を連結している
点が前述した燃料集合体Ｂと異っている。

周辺領域２８に装荷された燃料集合体Ｂ及び制御用燃料
集合体Ｂｏを構成している燃料棒１５は、後で詳細に述
べるように中央領域２７内に装荷されていた燃料集合偉
人及び制御用燃料集合体Ａ。

を構成していた燃料棒１５であって中央領域２７内で所
定期間燃焼されたものである。

周辺領域２８に装荷された燃料集合体Ｂ（制御用燃料集
合体Ｂｏｔ−含む）の本数は、中央領域２７に装荷され
た燃料集合体Ａ（制御用燃料集合体Ａｏを含む）の本数
の２倍になっている。すなわち、周辺領域２８の横断面
積は、中央領域２７のその面積の２倍である。

原子炉の運転中、蒸気発生器（図示せず）から送られて
きた減速材でもある冷却水（＠水）は、入口ノズル１４
より原子炉容器２内に入シ、原子炉容器２と炉心シュラ
ウド６との間に形成された環状通路３９を下方へ流れ、
下部炉心支持板８より下方に形成された下部ブレナム４
０に流入する。

この冷却水は、さらに下部炉心支持板２２に支持されて
いる燃料集合体Ａ、　Ａｏ　、　Ｂ及びＢｅの各各の下
部タイプＶ　−）　１６及び２３０円筒部１６Ａ及び２
３Ａｔ−通って各々の燃料集合体内に流入する。燃料果
合体Ｂ及びＢｏは、燃料棒１５等の本数が燃料果合体Ａ
及びＡｏ　よりも少ないので圧力損失が燃料集合偉人及
びＡｎよシも小さい。このため、燃料集合体Ｂ及びＢｏ
に多量の冷却水が流れ易くなる。すなわち中央領域２７
及び周辺領域２８に供給される冷却水流量全均一にする
ために、燃料集合体Ｂ及びＢｏの円筒部２３Ａ内に第５
図に示すようにオリフィス４１が設けられている。

オリフィス４１ｔ−設けることによる燃料集合体Ｂ及び
Ｂｏの浮上りは、上部炉心支持板９が上部タイプレート
２４の円筒部２４Ｂの上端に接しているので防止できる
。

冷却水は、各々の燃料集合体内を上昇する過程で加熱さ
れて高温の水になる。制御用燃料集合体Ａｏ及びＢｅか
ら吐出された高温の冷却水は、真上にある案内筒２６内
に流入して上部炉心支持板９より上方に位置している上
部ブレナム４２内に開口３３より流出する。残９の燃料
集合偉人及びＢから吐出された高温の冷却水は、上部炉
心支持板９全通して上部ブレナム４２内に達する。中央
領域２７及び周辺領域２８内を流れる冷却水は、仕切り
部材１３が存在するので炉心６内では混合されず、上部
ブレナム４２内で混合される。高温の冷却水け、上部プ
レナム４２より出口ノズル４全通して原子炉容器２外へ
流出し、蒸気発生器に送られる。原子炉の出力の制御は
、制御棒３４の中性子板収ｓ３７を、制御用燃料果合体
Ａｏ及びＢｏの制御棒案内管３８内へ出入れすることに
よって行なわれる。

本実施例では、前述したように中央領域２７の単位断面
積車シに配置された燃料棒１５（タイロッド１５人を含
む）の平均本数は、周辺領域２８の単位断面積車シに配
置された燃料＄１５（タイロッド１５Ａｔ−含む）の平
均本数よりも多い。すなわち、中央領域２７での単位断
面積車シにおける燃料棒の平均密度は、周辺領域２８で
の単位断面積当りにおけるその平均＠区よりも大きい。

本実施例においては、各々の領域における燃料棒の平均
密度は、中央領域２７において水素対燃料物質の原子数
比（平均値）が約ＬＯＫｎるように、周辺領域２８にお
いて水素対燃料物質の原子数比（平均値）が約５．０に
なるように設定されている。

従って、前述したように中央領域２７は、水素対燃料物
質の原子数比が約ＬＯと小さいので増殖領域となシ、原
子炉の運転中において中央領域１　　　　　２７に配置
された燃料棒１５のＵ　Ｏｚベレットに含まれているウ
ラン２３８のプルトニウム２３９への転換比が増大する
。周辺領域２８は水素対燃料物質の原子数比が約５．０
と大きいので燃焼領域となり、原子炉の運転期間中にお
いて周辺領域２７に配置された燃料棒１５のＵＯｚぺＶ
ットに含まれているウラン２３５及びプルトニウム２３
９等の核分裂性物質の核分裂が活発となって核分裂性物
質を有効に燃焼させることができる。

中央領域２７に装荷された燃料棒１５、すなわち燃料集
合偉人及びＡｏは、第１０図に示すように燃焼度Ｏから
燃焼度Ｅ１までの期間、中央領域２８に装荷でれている
。燃料集合偉人及びＡ６の中性子増倍率は、曲線Ｐｒ　
　（実線）のように燃焼期間の経過とともに低下する。

周辺領域２８に装荷された燃料棒１５、すなわち燃料集
合体Ｂ及びＢｏは、第１０図に示すよつに燃焼［Ｅ、か
ら燃焼度Ｅ１までの期間、周辺領域２８に装荷されてい
る。燃料集合体Ｂ及びＢｏの中性子増倍率は、曲線Ｐｓ
　　（笑Ｍ）のように燃焼期間の経過とともに低下する
。曲線Ｐ！の初期、すなわち燃焼度Ｅ、経過後において
中性子増倍率がＸ点に向って増大している。これは、燃
料果合体Ｂ及びＢｅの可燃性毒物棒１５Ｂ内のガドリニ
アが徐々に消失するためである。Ｘ点でガドリニアは完
全になくなる。中央領域２７に装荷されていて燃焼度Ｅ
１に達した燃料乗合偉人及びＡｏは、中性子増倍率が低
いので水素対燃料物質の原子数が約１．０と小さい中央
領域２７における燃焼の経続が困難になる。この九め、
中央領域２７に装荷されていて燃焼度Ｅ、に達した燃料
集合偉人及びＡｏ内の燃料４１１５は、原子炉の運転を
停止した状態で、周辺領域２８内に装荷され、その後、
水素対燃料物質の原子数比が約５．０と大きい周辺領域
２８で燃焼度Ｅｂまで燃焼が経続される。中央領域２７
から周辺領域２８への燃料棒１５の移動は、該当する燃
料集合偉人及びＡｏ　ｅ分解して燃料集合体Ｂ及びＢｏ
に再組立てした状態で行われる。

この燃料果合偉人及びＡＯから燃料集合体Ｂ及びＢｏへ
の組立てを、燃料集合体Ａ及びＢに基づいて以下に説明
する。

中央領域２７に装荷されていて寿命のきた（燃焼度がＥ
、に達した）燃料棒１５ｔ−有している燃料果合偉人は
、原子炉が停止された後、炉心１２より取出されて原子
Ｐ容器２の外部にある燃料プール（図示せず）に移され
る。すなわち、原子炉の運転が停止された後、密閉蓋５
、上部支持板１１及び案内筒２６が、原子炉容器２よす
取外される。制御棒３４は、制御棒駆動機構２９と切離
されてそれぞれの燃料果合体Ａｏ及びＢｏ内に挿入され
ている。このような状態で燃焼度がＥ、に達した燃料集
合偉人は、炉心１２．Ｊ：！０燃料プールに移される。

燃料果合体Ａｏ及びＢｏの炉心１２から取出し作業は、
その中に挿入されている制御棒３４を引抜いた後に実施
する。燃料プールに移された燃料集せ偉人の締付ナラ）
２０が、取外される。そして上部タイプレート１７がタ
イロッド１５Ａより取外された後、各々の燃料棒１５が
上方に引抜かれて下部タイプレート１６より取外される
。ナツト１９が取外された後、タイロッド１５人が下部
タイブレート１６から取外される。

スベー？１８も、タイロッド１５Ａから外される。

このような燃料集合偉人の分解作業は、燃料プール内の
水中で遠隔操作のできる工具を用いて行われる。燃料集
合偉人の分解作業にて取外されたタイロッド１５Ａは、
燃料集合体Ｂｔ−構成する下部タイレート２３に取付け
られてその下端部にナツト１９が取付けられる。スペー
サ２５は、すでにタイロッド１５Ａに取付けられている
。燃料集合体Ａから取外された燃料棒１５は、スペー？
２５内に挿入されてその下端部が下部タイプレート２３
に取付けられる。別途準備されている可燃性毒物棒１５
Ｂが、燃料棒１５と同様にスペーサ２５内に挿入されて
下部タイプレート２３に取付けられる。可燃性毒物棒１
５Ｂは、周辺領域２８に装荷された燃料集合体Ｂ及びＢ
ｏの初期における余剰反応度を第１０図の曲線ＰｚのＸ
点以前の如く抑制する効果を有している。これは、燃料
集合体Ｂ及びＢｏが水素対燃料物質の原子数比の大きな
領域に装荷されているために必要なものでめＩ　　　　
　　る。上部タイプレート２４が、燃料棒１５を挾んで
下部タイプレート２３とは反対側に設置されてタイロッ
ド１５Ａに締付ナツト２０にて取付けられる。可燃性毒
物棒１５Ｂの代シに燃料ペレット内にガドｌＪニアを混
入した燃料棒を用いる場合には、その燃料棒の燃料ペレ
ット内の核分裂性物質の組成は、燃焼度Ｅ、の燃料隅合
体を構成する燃料棒１５内に含まれている核分裂性物質
のそれと同じにする必要がるる。一体の燃料果合偉人か
ら再組立てによシニ体の燃料集合体Ｂが得られる。

制御用燃料集合体Ａｏの分解作業及び制御用燃料集合体
Ｂｅの組立て作業も、同様に行われる。

制御用燃料集合体Ａｏの燃料棒１５（タイロッド１５人
含む）及び制御棒案内管３８は、制御用燃料集合体Ｂｏ
に再利用される。なお、燃料集合偉人の燃料棒１５ｔ−
制御用燃料集合体Ｂｅに、燃料集合体Ｂの燃料棒１５ｔ
−制御用燃料集合体Ａｏに用いてもよい。

燃焼度がＥｌになった燃料集合偉人及びＡｏが中央領域
２７から外部に取出される時に１燃焼度がＥｂになった
燃料集合体Ｂ及びＢｏが周辺領域２８から外部に取出さ
れる。前述のように組立てられた燃料集合体Ｂ及びＢｏ
は、燃料プールから原子炉容器２内に移送されて周辺領
域２８内の所定の位置に装荷される。中央領域２７で燃
料集合偉人及びＡａを取出した位置には、新しい燃料集
合偉人及びＡｏが装荷される。この新しい燃料集合偉人
及びＡｏｔ−構成する燃料棒１５内には、原料である天
然ウランｔ−濃縮して作られた濃縮ウランが充填されて
いる。燃焼度がＲｈに達して炉心１２から取出された燃
料集合体Ｂ及びＢｏは、使用済燃料集合体として静置さ
れ、再処理が行われない。前述した燃料集合体の交換作
業はほぼ年１回の割合で行われ、年１回の燃料交換作業
で中央領域２７及び周辺領域２８のそれぞれ１／４の燃
料集合体が前述のように交換される。

新しい燃料集合偉人及びＡＯ％及び組立てられた燃料集
合体Ｂ及びＢｏが炉心１２に装荷された後に、密閉蓋５
、上部支持板１１及び案内筒２６が原子炉容器２に取付
けられる。そして切離されていた制御棒駆動機構２９と
制御棒３４が、制御棒駆動機構２９の操作によシ結合さ
れる。その後、制御棒３４が炉心１２よ）引抜かれて原
子炉出力が上昇され、原子炉の運転が開始される。

一旦、炉心１２内に装荷された燃料棒１５は、まず、燃
料集合偉人またはＡｆＩ内に組込まれて中央領域２７内
に装荷され、第１０図の曲ｍ　Ｐ　＞の如く燃焼されて
燃焼度Ｅ、に達する。この間において燃料棒１５円には
前述したように転換比が増大して多量のプルトニウムが
蓄積される。そしてその燃料棒１５は、中央領域２７か
ら取出され、燃料果合体ＢまたはＢｅに組込まれて周辺
領域２８に装荷され、第１０図の曲線Ｐ３　　（二点鎖
線。

Ｘ点以降は曲線Ｐ２に一致）の如く燃焼されて燃焼度Ｅ
ｂに達する。燃焼度Ｅｂに達した燃料棒１５は、周辺領
域２８から取出されて前述の如く廃棄処分に付される。

本実施例では、燃料棒１５内に充填された核分裂性物質
は、再処理されることなく有効に燃焼される。

第１０図に示す曲線Ｐ４は、水素燃料物質の原子数比が
炉心内で一様（その原子数比的２．．０）の従来の加圧
水型原子炉における中性子増倍率の変化を示している。

炉心に初めて装荷する燃料棒の濃縮度は、本実施例の中
央領域２７に初めて装荷する燃料棒１５の濃縮度に等し
い。従来の原子炉においては、燃焼度Ｅ、で燃料集合体
は新しい燃料集合体と交換される。中央領域２７でのプ
ルトニウム生産増大と周辺領域２８での核分裂性物質の
高効率燃焼の過程を得た本実施例における燃料棒１５の
平均取出し燃焼度はＥｂとなシ、従来の原子炉の炉心に
装荷された燃料棒の平均取出し燃焼度はＥ、となシ、前
者の平均取出し燃焼度が大きくなる本実施例と従来例で
燃料物質の装荷量が同じである場合には、本実施例の炉
心は従来の炉心に対して（Ｅｂ−Ｅ、）／ＥｂＯ省ウラ
ノウラン。？−、／　Ｂ　ｂが２７３であると、本実施
例の炉心での省ウランは従来炉心の３３係となる。

本実施例は、ワンスル一方式で燃料物質の有効利用を図
ることができ、しかも、省ウランを達成できる。

１　　　　　　　第１１図は、第１図に示す本実施例の
炉心と水素対燃料物質の原子数比が約２．０で一様であ
って本実施例の取出し燃焼度Ｅｂｔ”達成できるまで燃
料棒の初期鏝縮度を高めた従来炉心との特性を比較した
ものである。従来炉心の特性は、曲線Ｐ５にて表わされ
る。この従来炉心では、初期の中性子増倍率が大きくな
シ、これを抑えるためガドリニア等の可燃性毒物質を多
量に燃料集合体に入れなければならず中性子経済を悪化
させる。また、中性子増倍率の大きく異る燃料集会体が
炉心に混在することは、出力分布平坦化が困難となって
、ピーク出力の燃料棒によって最高燃焼度が制限される
ため、取出し平均燃焼度の低下を招く。これに対し、本
実施例の炉心では、燃料間の中性子増倍率の食違いが比
較的少さく取出し平均燃焼度をよシ高くできる。

軽水炉の一種である沸騰水星原子炉に適用した本発明の
他の実施例を以下に説明する。第１６図は、本実施例の
沸騰水散原子炉の縦断面を示す。

沸騰水星原子炉５０は、上部が密閉蓋５２にて密封嘔れ
た原子炉圧力容器５１を有している。炉心シュラクト５
３が、原子炉圧力容器５１内に設置されている。気水分
離器５４が炉心シュラウド５３の上端に取付けられ、ド
ライヤ５５が気水分離器５４より上方に位置している。

下部炉心支持板５６及び上部炉心支持板５７が、炉心シ
ュラウド５３内に設置されている。下部炉心支持板５６
及び上部炉心支持板５７は、炉心５８内に装荷された燃
料集合体６１人及び６１Ｂの上下端部がそれぞれ保持さ
れる。筒状の仕切）部材６２は、下部炉心支持板５６と
上部炉心支持板５７の間に設置され、炉心５８ｔ−半径
方向に中央領域５９と周辺領域６０に分割している。燃
料集合体６１Ａは中央領域５９に、燃料果合体６１Ｂは
周辺領域６０にそれぞれ装荷されている。燃料集合体６
１Ａは、第３図に示す燃料集合偉人に六角節状のチャン
ネルボックスを取付けたものである。チャンネルボック
スはスペーサ１８で束ねられた燃料バンドルの外側を取
囲み、チャンネルボックスの上端部が上部タイプレート
１７に着脱可能に取付けられる。燃料集合体６１Ｂは、
第５図に示す燃料集合体Ｂに燃料果合体６１Ａと同様に
六角状のチャンネルボックスを着脱可能に取付けたもの
である。

このチャンネルボックスは燃料棒１５の束の外側を取囲
み、チャンネルボックスの上端部は上部タイプレート２
４に着脱可能に取付けられている。

中央領域５９に装荷された燃料果合体６１Ａの一部は、
制御用燃料集合体で６って制御棒案内管３８ｔ−有する
第８図の制御用燃料集合体Ａ６にチャンネルボックスを
着脱可能に取付けたものである。周辺領域６０に装荷さ
れた燃料集合体６１Ｂの一部は、制御用燃料集合体であ
って第９図の制御用燃料集合体Ｂｅにチャンネルボック
スを着脱可能に取付は九ものである。燃料集合体６１Ａ
及び６１Ｂ及び各々の制御用燃料集合体は、第１図の炉
心１２と同様に炉心５８内に配置されている。

６５はジェットポンプで６４）、炉心５８に冷却材であ
り減速材である軽水を供給する。

中央領域５９における単位断面積当りの燃料棒１５の平
均密度及び周辺領域６０における単位断面積当りの燃料
棒１５の平均密度は、第１図の炉心１２と同一で６９、
前者の平均＠度は後者のそれよシも大きい。各領域の水
素対燃料物質の原子数比は、第１図の炉心１２と同じで
ある。

制御棒駆動機構（図示せず）が、原子炉圧力容器５１の
底部の碗部に取付けられる。制御棒案内管６３は、制御
棒駆動機構よシ上方の原子炉圧力容器５１内で制御棒駆
動機構の延長線上に設置される。制御棒６４の下端部が
、制御棒駆動機構に着脱可能に連結される。制御棒６４
は、制御案内管６３内を上下動し、制御棒３４と同様に
複数のアブソーバロッドを有している。これらのアブソ
ーバロッドは、上方に向って延びている。各々の制御棒
６４のアブソーバロッドは、中央領域５９及び周辺領域
６０に配置された各制御用燃料集合体の制御棒案内管３
８内に下方よシ出入れされる。

前述の実施例である加圧水型原子炉と同様に、中央領域
５９に装荷された燃料集合体６１人が限界の燃焼度Ｂ、
に違した時、その集合体６１Ａに組込まれていた燃料棒
１５は、燃料集合体６１人１　　　　　　よシ取外され
て燃料集合体６１Ｂの構成要素として用いられる。そし
て、その燃料集合体６１Ｂを構成する燃料棒１５は、水
素対燃料物質の原子数比の大きな周辺領域６０に装荷さ
れて燃焼度Ｅ。

まで燃焼が継続嘔れる。本実施例においても、前述した
実施例と同様にワンスル一方式で燃料物質を有効に利用
でき、しかも省ウランを達成できる。

第１６図に示す実施例の炉心５８Ｆ′ｉ、炉心５８内で
隣接している燃料果合体は、相互にチャンネルボックス
が接触するように配置されている。しかしながら、第１
７図に示すように、周辺領域６０Ｋｋいて燃料集合体６
１Ｂｔ−隣接しているそれらの相互間にギャップ６６を
設けてもよい。このギャップ６６内には、制御棒６４の
代シに制御棒駆動機構に連結された制御棒６７が下方よ
シ挿入される。制御棒６７は、アブソーバロッドを内蔵
するブレードが三方向に延びており、周辺領域６０での
み用いられる。制御棒６４は、前述の実施例と同様に中
央領域５９に挿入され、周辺領域６０には挿入されない
。周辺領域６０ｆＣおける単位断面積轟りの燃料棒の平
均密度は、燃料集合体６１Ｂ相互間にギャップ６６が存
在するので第１６図に示す実施例の周辺領域６０のその
平均密度よシもさらに小さくなる。本実施例においても
前述の実施例と同様な燃料交換が行われ、同じ効果を奏
することができる。

第２図の加圧水散原子炉における炉心構造の他の実施例
を第１８図に示す。本実施例における炉心は、第１８図
（Ａ）で示す中央領域６８及び第１８図（Ｂ）で示す周
辺領域６９ｔ−！している。

中央領域６８及び周辺領域６９は、第１図の中央領域２
７及び周辺領域２８に−それぞれ対応する。

周辺領域６９は、中央領域６８ｔ−取囲んでいる。

中央領域６８では、多数の燃料集合体７０Ａ’ｉ相互に
隣接させて配置している。周辺領域６９では、多数の燃
料集合体７０Ｂｔ−軽水領域７１ｆｃ間に介在させて隣
接させている。燃料集合体７０Ａは第１９図に示すよう
に燃料棒１５ｔ−配置してｌ）、燃料棒１５は上部及び
下部タイプレートに保持されている。燃料集合体７０Ｂ
は、燃料集合体７０Ａの中央の燃料棒１５ｆ：可燃性毒
物棒１５Ｂに代えたものである。中央領域６８と周辺領
域６９との間には、前述したように仕切シ部材が設置さ
れている。中央領域６８の所定の燃料集合体７０Ａに設
けられた制御棒案内管内に制御棒のアブソーバロッドが
挿入される。周辺領域６９の所定の軽水領域７１に制御
棒が挿入される。

第２図の加圧水型原子炉における炉心構造の他の実施例
を第２０図に示す。本実施例の炉心は、第２０図（Ａ）
で示す中央鎖酸７２及び第２０図（Ｂ）Ｋ示す周辺領域
７３を有している。中央領域７２及び周辺領域７３は、
第１図の中央領域２７及び周辺領域２８にそれぞれ対応
する。周辺領域７３は、中央領域７２ｔ″取囲んでいる
。中央領域７２と周辺領域７３は、前述のように仕切シ
部材で分割されている。中央領域７２では多数の燃料集
合体７３Ａが相互に隣接されて配置されている。周辺領
域７３では、燃料果合体７３Ｂの間に軽水領域７４が配
置きれている。燃料果合体７３Ａは、第２１図に示すよ
うに燃料棒１５が配置されてい石。燃料棒１５の両端部
は、上部及び下部タイプレートにて保持されている。燃
料集合体７３Ｂは、燃料集合体７３Ａの中央の燃料棒１
５ｔ−可燃性毒物棒１５Ｂに代えたものである。

中央領域７２の所定の燃料集合体７３Ａの制御棒案内管
内に制ａｌｉａのアブンーバロッドが挿入される。周辺
領域７３の所定の軽水領域７４に制御棒が挿入される。

第１８図及び第２０図の炉心に配置てれた各燃料集合体
は、第１図の炉心に装荷される燃料集合体よりも著しく
小さくなっている。第１８図及び第２０図に示す炉心は
、周辺領域６９及び７３における単位断面積車りの燃料
棒の平均密度が軽水領域７１及び７４の存在のために中
央領域６８及び７２のその平均密度よシも小さくなって
いる。

水素対燃料物質の原子数比は、中央領域６８及び７２で
約１．０となっておシ、周辺領域６９及び７３で約５．
０となっている。

第１８図及び第２０図に示す炉心ｔＶする加圧水型原子
炉においても、第１図及び１Ｍ２図に示す加圧水温原子
炉と同様に、所定の燃焼ＲＥ、になった燃料集合体７０
Ａ及び７３Ａが解体されて燃料６１５を取外し、この燃
料棒１５と可燃性毒物棒１５Ｂにて燃料集合体７０Ｂ及
び７３人を組立てる。そして、組立てられたこれらの燃
料集合体７０Ｂ及び７３Ａを、周辺領域６９及び７３に
装荷する。従って、一旦、原子炉内に装荷された燃料棒
１５は、′ＩＥ２図の実施例と同様に燃焼度Ｅ。

まで燃焼させることができる。本実施例における燃料棒
１５からの取出し燃焼度は、第２図の実施例と同様に従
来の原子炉に比べて著しく増大する。

このため、燃料物質を有効に利用でき、省ウランを達成
できる。さらに、第１８図及び第２０図の炉心の如く小
製の燃料集合体を用いることによって以下のα）〜（３
）の効果を得ることができる。

（１）　　炉心単位断面積あたりの装荷体数を調整する
ことで水素対燃料原子数比の細かい調整ができる。

偲）　外側領域では、集合体が取り除かれた領域が水ギ
ヤツブ領域になるが、その幅を必要以上に大きくしない
。

Ｇ）　外側領域の燃料棒は、集合体中心部を除いて水ギ
ヤツプ領域に面することができ、熱中性子の有効利用が
可能となる。

第２２図は、燃料集合体７３Ｂｔ−用いた周辺領域７３
の別の配置例である。このような燃料集合体７３Ｂの配
置では、燃料棒１５が等間隔配列になる。

第１８図、第２０図の炉心構造は、沸騰水製原子炉でも
達成できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料棒を、一旦、炉心に装荷してから
廃棄処分にするまでの間で、その燃料棒の取出し燃焼度
を著しく増大でき、燃料物質を有効に利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である加圧水型原子炉
における炉心の概略横断面図、第２図は本発明の好適な
一災施例で第１図の炉心を有する加圧水散原子炉の縦断
面図、第３図は第１図の中央領域に装荷でれる燃料集合
体の側面図、第４図は第３図の■−■断面図、第５図は
第１図の周辺領域に装荷される燃料集合体の側面図、第
６図は第５図の■−Ｖｌ断面図、第７図は制御棒の斜視
図、第８図はに１図の中央領域に装荷される制御用燃料
集合体の横断面図、第９図は第１図の周辺領域に装荷さ
れる制御用燃料集合体の横断面図、第１０図及び第１１
図は燃焼度と中性子増倍率との関係を示す特性図、第１
２図は本発明の原子炉に用いられる炉心の原理構造の説
明図、第１３図は本発明の効果を示す特性図、第１４■
は燃焼度と転換比との関係を示す特性図、第１５図は出
力密度と冷却材流量との関係を示す説明図、第１６図は
本発明の他の実施例である沸騰水製原子炉の縦断面図、
第１７図は第１６図の原子炉忙おける炉心の周辺領域の
他の実施例の構造図、第１８図及び第２０図は炉心の他
の実施例の構造を示すものであって各々の（Ａ）は中央
領域、各々のＣＢ）は周辺領域における燃料集合体配ａ
ｔ示す構造図、第１９図は第１８図に示す燃料集合体の
横断面図、第２１図は第２０図に示す燃料集合体の横断
面図、第２２図は第２０図（Ｂ）の他の実施例である燃
料集合体の配置を示す説明図である。 １・・・加圧水型原子炉、２・・・原子炉容器、６．５
３・・・炉心シュラウド、８．５６・・・炉心下部支持
板、９，５７・・・炉心上部支持板、１２．５８・・・
炉心、１３．６２・・・仕切９部材、１５・・・燃料棹
、１５Ｂ・・・可燃性毒物棒、１６．２３・・・下部タ
イプレート、１７．２４・・・上部タイプレート、１８
，２５・・・スペーサ、２７，５９，６８，７２・・・
中央領域、２８．６０，６９．７３・・・周辺領域、３
４，６４゜６７・・・制御棒、３８・・・制御棒案内管
、Ａ、　　Ｂ。 ６１Ａ、６１Ｂ、７０Ａ、７０Ｂ、７３Ａ、７３Ｂ・・
・燃料集合体、Ａｏ、Ｂｏ・・・制御用燃料集合体。 Ｘ２ノ 第　ｊ　閉 第８　図　　　　ｊｆｒＪＩ ｇ跣度 茅７２図 第１３図 第　７４　図 力４°夫危、／！　　（ｅｗｃｔ／ｌ）第　１７　　図 （Ｂ） 茅　　１９　図 茅　　２０　　図 ＣＢ） 手続補正書（６ｆ） 昭和　６娠　２月２８日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数の燃料棒が配置されて軽水が流れる炉心を有す
   る軽水減速型原子炉において、単位断面積当りの燃料棒
   の平均密度の異なる複数の領域を前記炉心の半径方向に
   設け、前記燃料棒の平均密度の小さな領域に配置されて
   いる燃料棒がその領域よりもその平均密度の大きな領域
   に配置されていた燃料棒であることを特徴とする軽水減
   速型原子炉。