JPS61147183A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料集合体に係り、特に沸騰水型原子炉に用い
るのに好適な燃料集合体に関する。

〔発明の背景〕

近年、燃料経済性を向上するために燃料集合体の燃焼度
を長くすること、すなわち高燃焼度化が検討されつつあ
る。

現在、ｙＫ子炉では、原子炉の反応度（余剰反応度）が
運転期間を通じて適切となるよう燃料集合体の数本の燃
料棒内に可燃性毒物であるガドリニアを添加している。

ガドリニアは熱中性子吸収断面積の大きい可燃性毒物で
あることから、運転サイクル末期にガドリニアが燃料棒
内に残留することは、前記燃料集合体で構成される原子
炉炉心の反応度を低下させることになり、燃料経済上不
利となる。

そこで、燃料集合体に添加するガドリニアの濃度を適切
にする必要がある。

しかし、前述の如くガドリニアは原子炉の反応度制御に
も係っており、ガドリニアの毒物効果すなわち濃度を薄
くしすぎると原子炉の反応度は大きくなり安全上（炉停
止余裕等）好ましくない。

また、原子炉の設計においては、運転期間の多少の変動
があっても、次の運転サイクルにおいても適切な炉停止
余裕が確保できるよう考慮する必要がある。

燃料経済性を向上させる燃料集合体に関連するものには
例えば特公昭５ｇ　−２９８７８号公報に示す原理を用
いた特開昭５８−２６２９２号公報の第４図に示す燃料
集合体等が挙げられる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高燃焼度化と安全上適切な炉停止余裕
を確保することを同時に実現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、軸方向の大部分の領域にガドリニアを
有する燃料の上部領域の燃料として天然ウランを用いた
ことにある。

本発明は、従来の燃料集合体の特性を詳細に検討するこ
とによってなされたものである。以下にその検討結果を
述べる。

炉心に新しい燃料集合体を装荷した場合は、炉心の余剰
反応度が大きくなって、制御棒だけでは余剰反応度の制
御は困難である。燃焼初期におけるこの余剰反応度を抑
制するために、前述したように燃料集合体の数本の燃料
棒内に可燃性毒物であるガドリニアを添加している。こ
のような可燃性毒物は、中性子吸収断面積が非常に大き
いので原子炉の運転時間の経過とともに急激に減少する
。

運転時間がある程度経過すれば、可燃性毒物は完全に消
滅し、燃焼後期では反応度に対して悪影響を及ぼさない
という有益な効果を持つ。

第２図にガドリニア利用による反応度抑制効果を示す、
実線は、ガドリニア入り燃料集合体の無限増倍率を示し
、破線はガドリニアを含まない燃料集合体の無限増倍率
を示している。両者の差がガドリニアによる反応度抑制
効果を表わしている。

また、ガドリニア入り燃料集合体の無限増倍率は第２図
の実線に示すようにガドリニアが燃えつきるまでは単調
に増加し、それ以降は単調に減少する。

ここで燃料経済性についてみると、運転サイクル末期で
炉心内の燃料集合体で前記ガドリニアの反応度抑制効果
が残留していると炉心反応度を低下させ経済性上不利と
なる。従って、炉心内のどの燃料集合体も前記ガドリニ
アの反応度抑制効果が運転サイクル末期で残留しないよ
う適切なガドリニア濃度を選択することが経済上重要と
なる。

一方、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では軸方向にボイドが
分布する。すなわち、炉心下部領域ではボイド量は少な
く、上部領域でボイド量が多い分布となる。この軸方向
のボイド分布は軸方向に中性子スペクトルの分布を生じ
させることになる。

その結果、燃料集合体軸方向のガドリニア濃度を一様と
すると燃料集合体上部領域でガドリニアが燃え残る場合
が生じる。これは１次のような事情による。

炉心下部のボイド量の少ない領域では、水の量が多いこ
とから中性子のエネルギーを減少させる減速効果が大き
い領域となる。これに対して、炉心上部のボイド量の多
い領域では、水の量が少なくなり前記減速効果が小さい
領域となる。このため核分裂で発生したエネルギーの大
きい高速中性子は、炉心下部の減速効果の大きい領域で
はエネルギーの小さい熱中性子になりやすく、一方、炉
心上部の減速効果の小さい領域では熱中性子になりにく
い。

従って、軸方向のボイド分布は、軸方向に炉心下部領域
で熱中性子の数が多く（中性子スペクトルがソフト）、
一方、炉心上部で熱中性子の数が少ない（中性子スペク
トルがハード）という熱中性子の分布（中性子スペクト
ル分布）を生じさしぬる。

ところで、ガドリニアは熱中性子に対する吸収断面積が
大きい。

このことより、ガドリニアは、熱中性子の数の多い中性
子スペクトルがソフトな炉心下部では。

熱中性子の数の少ない中性子スペクトルがハードな炉心
上部に比べ、熱中性子を吸収して消滅しやすくなる。

これは、ガドリニアの消滅する時期が、炉心下部では早
く、炉心上部では遅いということになる。

このことから、運転サイクル末期で炉心下部のガドリニ
アが消滅するようなガドリニア濃度が上下一様に分布す
る燃料集合体では、運転サイクル末期で、炉心上部のガ
ドリニアは燃え残ることになる。

従って、経済性の観点からは、運転サイクル末期で添加
されたガドリニアが消滅するよう軸方向の大部分の領域
にガドリニアを有する燃料の上部領域の濃縮度を低くす
ることが有効であるといえる。

次に、前記ガドリニア濃度の軸方向分布を有する炉心に
ついてその安全性、特に、炉停止余裕について検討する
。ここで、炉停止余裕とは、炉心内の制御棒の中で最も
反応度効果の大きい制御棒（最大価値を有する制御棒）
が一本引抜状態にあっても、それを除く他の制御棒によ
り冷温停止して未臨界を維持する反応度の臨界からの余
裕である。炉停止余裕は、前述のように冷温状態で着目
するものである。冷温状態では、炉心内軸方向にボイド
は発生しないことから、炉停止余裕は、燃料集合体の有
する反応度に依存することになる。

従って、炉停止余裕は、最大価値制御棒を囲む４燃料集
合体の反応度に大きく依存する。

ＢＷＨのＩ１００ＭＷ級プラントの燃料装荷パターンの
例を第３図に示す、同図で数字は滞在するサイクル数を
意味する。１は、新燃料である。２は。

１サイクル分の燃焼を経験して２サイクル目に入る燃料
である。３は、２サイクル分の燃焼を経験して３サイク
ル目に入る燃料である。４は、３サイクル分の燃焼を経
験して４サイクル目に入る燃料である。

燃料集合体の反応度は、第２図に示すようにガドリニア
の燃焼に大きく依存するため、最大価値を有する制御棒
の位置は、燃焼により変化することになる。

すなわち、運転サイクル初期では、１サイクル分の燃焼
でガドリニアが燃え尽きて燃焼期間で最も大きい反応度
を有する第３図の２の燃料が多いセル（１が１体、２が
２体、３が１体）が最大価値となる。さらに、運転サイ
クル末期では、反応度が大きい燃料は第３図の１の燃料
であり、１の燃料が多いセル（１が２体、２が１体、３
が１体）が最大価値となる。

ところで、炉停止余裕は、炉心の有する反応度が小さい
と大きくなる。運転サイクル末期では。

運転サイクル初期より燃焼が進んでいることから炉心の
有する反応度は小さくなり、炉停止余裕は運転サイクル
初期で特に注目する必要がある。

また９Ｍ子炉の実際の運転においては、運転期間が多少
変動することも予想され、これに対応できる融通性のあ
る設計である必要がある。この時。

特に問題となるのは炉停止余裕である。炉停止余裕が厳
しくなるケースは、当該サイクルの前サイクルの運転期
間が短かくなった場合で、前サイクルの燃焼が十分でな
いため、当該サイクルの初期で炉停止余裕が厳しくなる
。

従って、炉停止余裕の観点からは、運転サイクル初期で
の炉停止余裕を適切に確保しておくことが重要となる。

前述の如く、炉停止余裕を大きくするには、炉心の反応
度を下げることで実現できる。そこで。

運転サイクル末期で反応度抑制効果が消滅するガドリニ
アを添加した燃料棒を多くする方法が有効となる。

しかし、ガドリニアを添加した燃料棒が多すぎても、運
転サイクル初期の反応度が低くなりすぎて適切な制御が
難しくなる。従って、炉停止余裕に効果的な位置にガド
リニアを添加した燃料棒を配置することが肝要である。

炉停止余裕を評価する上では、ウランによる反応度の寄
与の他に、燃焼により蓄積されたプルトニウムによる効
果を考慮する必要がある。プルトニウムは、ウラン−２
３８が核分裂で発生したエネルギーの大きい高速中性子
との核反応によって生成されるものである。従って、プ
ルトニウムの蓄積量は、中性子スペクトルがハードな領
域で多くなる。すなわち、炉心上部の中性子スペクトル
のハードな領域では、炉心下部に比べ、プルトニウムの
蓄積量が多くなる。プルトニウムの蓄積により燃料の燃
焼度が増加する。

このプルトニウムの蓄積量を増加するためには、炉心上
部領域において天然ウランを充填した燃料を用いる方法
が有効である。

以上、可燃性毒物であるガドリニアを利用している原子
炉においては、高燃焼度化を図る為には。

ガドリニアを添加した燃料の上部領域に天然ウランを用
いることが有効であることがわかった。

本発明は、このような検討結果に基づいてなされたもの
である。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の好適な一実施例を第１図により説明する
。

本発明による燃料集合体１４は次のような構成である。

燃料棒５〜１０は、核燃料物質としてＵＯ，を用いてお
り、それに含まれている核分裂性物質はウラン２３５で
ある。これらの燃料棒は。

可燃性毒物であるガドリニアを含んでいない、燃料棒１
１は、ＵＯ８と同時にガドリニアを含んでいる。濃縮度
ｅ、〜ｅ、の大小は、ｅ　１　＞　ｅｍ　＞　６　ｘ　
＞ａ、）ｏ、の関係がある。

燃料棒１１は、その燃料有効部の下端から燃料有効長１
／２４上方位置から燃料有効部の上端かノら燃料有効長
１／２４下方位置までガドリニアを添加しており、燃料
有効部の上端から燃料有効長３／２４の上部領域に天然
ウラン燃料を用いている。

燃料有効部とは、燃料棒内で核燃料物質が充填されてい
る部分であり、燃料有効長とは前記燃料有効部の長さで
ある。ここで、燃料棒５〜１１の濃縮度及びガドリニア
濃度は、表１のようになっている。

表　　　１ また、燃料棒の上下端、すなわち濃縮度ｅ５は天然ウラ
ンである。燃料の端部は出力が小さいためにたとえ濃縮
度ウランを用いてもあまり燃焼しないのでウランの有効
利用とならない、このため、端部には濃縮を必要としな
い天然ウランを配置してウランの有効利用を図っている
。また、第１図でＷは水ロッドを意味する。

本実施例では、燃料有効部の上方の燃料有効長の３７２
４にあたる上部領域に天然ウラン燃料を用い、燃料有効
部の下端から１／２４上方位置から、燃料有効部の上端
から燃料有効長１／２４下方位置まで、ガドリニアが添
加された構成である。

このため、運転サイクル末期でのガドリニア残留に基づ
く反応度抑制効果が低減でき、運転サイクル初期での適
切な炉停止余裕確保が可能となる。

ここで、本実施例の上記効果を従来と比較して示す。

本発明については前述の通りである。

第３図に本発明の燃料装荷パターンの例を示す。

従来と本発明の無限増倍率の比較を第４図に示す。

第４図より１本実施例によれば、従来と比較して。

ガドリニアが燃え尽きる時間（無限増倍率が最大となる
時点に相当）が早く、燃焼初期で無限増倍率が小さくな
ることが分かる。

この結果１本実施例の原子炉では、ガドリニアの残留に
よる反応度抑制効果が低減し、従来に比較し運転期間が
約２０日長くなる。また、サイクル初期での炉停止余裕
は、約０．３　％Δに従来より大きくなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、運転サイクル末期に可燃性毒物である
ガドリニアの反応度抑制効果が消滅でき燃料経済性を向
上でき、運転サイクル前半で適切な炉停止余裕が確保可
能である。従って、原子炉を安全に燃焼度を高くできる
。

【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燃料集合体の横
断面図及び燃料集合体に用いられる各燃料棒の濃縮度・
ガドリニア分布の説明図、第２図は燃焼度と無限増倍率
との関係を示す特性図、第３図は燃料装荷パターンの例
を示す説明図、第４図は従来と本発明での無限増倍率の
比較を示す説明図である。 １・・・新燃料、２・・・２サイクル目経験燃料、３・
・・３サイクル目経験燃料、４・・・４サイクル目経験
燃料、５〜１１・・・燃料棒、１３・・・制御棒、１４
・・・燃料集合体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃料ペレットを内蔵する複数の燃料棒を有してなる
   燃料集合体において、有効燃料部の上端から、有効燃料
   区間の２〜３／２４までの上部領域に可燃性毒物及び天
   燃ウラン燃料を用いたことを特徴とする燃料集合体。