JPS61165682A

JPS61165682A - 原子炉炉心

Info

Publication number: JPS61165682A
Application number: JP60005749A
Authority: JP
Inventors: 小沢　通裕; 持田　貴顕; 光也中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1985-01-18
Publication date: 1986-07-26
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: JPH0650351B2

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〕本発明は原子力発電所に設置される沸騰水型原子炉の初
装荷炉心の構成に係り、燃焼度の増大と平衡炉心への速
やかな移行を同時に可能とするのに好適な原子炉炉心に
関する。

〔発明の背景〕

沸騰水温原子炉の炉心は第２図に示すように、１本の制
御棒とそれを囲む４体の燃料集合体からなるセルを複数
個配置することにより構成される。

一般に、沸騰水温原子炉では、最初の運転時の炉心、い
わゆる初装荷炉心に装荷される燃料集合体の平均濃縮度
は同一で一種類であった。ところで、原子炉では１サイ
クル毎に全数の約１７３〜１／４の燃料集合体を取出し
、新燃料と交換するが、初装荷炉心用燃料集合体の平均
濃縮度は２〜３サイクル炉心内で燃焼が可能なように設
定されているため、初装荷炉心用燃料集合体を用いる運
転サイクル（以下「第１サイクル」と称し、それ以後に
部分的に燃料を交換し引続き運転するサイクルを「第２
サイクル」、「第３サイクル」・・・・・・と称する。

）終了時の燃料交換では、まだ充分に燃焼の進んでなく
、ウラン２３５残留量の高い燃料集合体を炉心から取シ
出すことになシネ経済であった。

このため、沸騰水型原子炉において、平均濃縮度の異な
る多種類の燃料集合体を組み合せて初装荷炉心を構成し
、１サイクル毎に濃縮度の低い燃料集合体から取出し、
これを新燃料集合体と交換することにより、初装荷燃料
集合体の平均取出燃焼度を増大させるとともに、次サイ
クルへの移行を速やかにする試みがなされている。

第２サイクル以後の初めに装荷される新燃料集合体は取
替燃料集合体と呼ばれ、第１サイクル以後、数サイクル
にわたシ継続的に取替燃料集合体を装荷した炉心は、炉
内全体の燃料成分がほとんど一定の状態に達したサイク
ルで、その前のサイクルおよび次のサイクルとの熱特性
が変らず安定したサイクルとなり、これは平衡サイクル
と呼ばれ、平衡サイクルとなった炉心を平衡サイクルと
いう。

このような原子炉においては、第１サイクルから平衡サ
イクルへ移行する中間のサイクル（以後「移行サイクル
」という。）での熱特性およびサイクル増分燃焼度が平
衡サイクルのそれらと同程度あるいは、速やかにそれら
に収束するのが好ましい。しかしながら、従来の初装荷
炉心のように集合体平均濃縮度が一種類の場合には、平
衡サイクルへの移行も長くかかシ、移行ブイクルでの燃
料取替体数の変動も大きく必ずしも満足なものではなか
った。

また、第１サイクルでは原子炉の営業運転に先だっての
起動試験があるため１サイクル終了までの期間が長くな
）、第１サイクルの燃焼度は、それ以後のサイクルでの
燃焼度より約２０００ＭＷｄ／ｌはど長くしなければな
らない。これは、初装荷炉心の特性が平衡炉心の特性と
異なる要因の一つとなっておシ、平衡炉心への移行を難
しくしていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、平衡サイクルへの移行が速やかに行わ
れ、かつ初装荷燃料集合体の取出燃焼度を増大するのに
適する初装荷炉心を有する原子炉炉心を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明者は、初装荷炉心を平均濃縮度の異なる複数の燃
料集合体により構成し、これら燃料集合体の濃縮度、体
数、及び取出時期を特定することにより、上記発明の目
的を達成できること見出した。その発明の概略は次の６
点で特徴づけられる。

■　集合体平均濃縮度の異なる２種類以上（例えば３種
類）の燃料集合体により初装荷炉心を構成する。

■　第１サイクル後の燃料取替割合を１／Ｎとすると、
上記燃料集合体の種類も約Ｎとする。

■　第１サイクルでは、起動試験期間に相当する燃焼度
だけ、次サイクル以後よりもサイクル増分燃焼度がふえ
るので、この燃焼度増分を、初装荷炉心での高濃縮燃料
の体数を、平衡炉心での取替燃料の体数より多くするこ
とにより、補償する。

■　出力運転中に炉心に挿入される制御棒を囲む４体の
燃料集合体は、低濃縮度燃料集合体Ｌ１により構成され
る。

■　上記の低濃縮度燃料集合体の濃縮度は約１．０重量
％〜１．５重量％の範囲である。

■　初装荷炉心を構成する燃料集合体のうち、濃縮度が
最も高い燃料集合体（これを高濃縮度燃料集合体と呼ぶ
）の濃縮度は、取替燃料集合体の濃縮度と等しい。

る上で基本となるもので、平衡炉心への移行を速やかに
するとともに、■で述べる燃料の取出し方の限定によυ
、取出燃焼度の増大に寄与する。

これらの技術は、例えば特開昭５７−８４８６、特開昭
５８−６３８８７等に述べられているが、これだけでは
、本発明の目的を充分に達成するものではなく、さらに
次に述べる技術が必要であった。

■によると、第１サイクル末期での初装荷燃料の種類は
、平衡炉心でのバッチ数とほぼ等しくなるので、初装荷
炉心から平衡炉心への移行がスムーズとなる。

全燃料装荷体数をＮｔｓ取替体数をＮ凰とすると、バッ
チ数（これは取替体数割合の逆数で定義される。）は、ＮもＮ凰で示されるので、■に示すように、初装荷燃料の濃縮度
種類ｎを、バッチ数とほぼ等しくするためには、ｎをとなる整数に選べばよい。即ち、取替体数Ｎ凰と、濃縮
度種類ｎの間には、の関係が成り立つ。

■は次のような原理により決定される。

一般に、無限増倍率は燃焼度の一次式でよく近似される
。第５図は、無限増倍率と燃焼度の関係を模式図に示し
たもので、ｅｓで示される直線は、３バツチ炉心を例に
とシ、毎サイクル終了時に炉心の１／３の燃料が交換さ
れる平衡炉心での、燃焼度と無限増倍率の関係を示す。

Ｎ＋１サイクルで炉心に装荷された新燃料の無限増倍率
は燃焼がＯなのでに÷の値を持つ。セしてＮ＋１サイク
ル終了時には燃焼度がＥＮＩとなるので、無限増倍率は
ＫＬｎとなる。同様にＮ＋２サイクル終了時にはこの燃
料の無限増倍率はＫＡｇ　、Ｎ＋３サイクル終了時すな
わち燃料取出し時にはに：Ｎ３となる。

この場合平衡サイクルを想定しているので、各サイクル
毎の取替体数は同じで、各サイクルのサイクル増分燃焼
度ΔＥはすべて等しい。この時、各サイクル末期には、
無限増倍率ＫＬ、に％２．に２ｇの燃料が同数存在する
ので、炉心の平均無限増倍率はこの平均で示され、これ
が臨界となっていればよい。

このような、平衡炉心を第１炉心から実現するためには
、燃焼０での無限増倍率がＫｈｌと等しいｅ２で示され
る濃縮度の燃料と、燃焼Ｏでの無限増倍率ＫＬｔ＠に等
しいｅｌで示される濃縮度の燃料を等しい数だけ炉心に
装荷すればよい。

しかしながら、初装荷炉心では起動試験があるため、第
１サイクルの燃焼度Ｅは、それ以後のサイクルの燃焼度
Ｅ２〜Ｅ３より多くなる。このため、ｅｌで示される平
衡炉心に装荷される燃料を初装荷炉心を装荷すると、第
１サイクル末での無限増倍率はに％、となシ、Ｋ：、よ
りもΔにだけ低くなってしまい、サイクル末では臨界未
満となる。

この事情はｅ２＋　ｅｌでも同様であるため、上記ｅＩ
　＋　　ｅ２　＋　ｅＩＩの燃料で初装荷炉心を構成し
た場合には、第１サイクル〜第３サイクルの毎サイクル
末期の無限増倍率が低下してしまい、臨界を維持できな
くなる。

この対策としては、燃焼度Ｅ１で無限増倍率が、燃料ｅ
３の燃焼度Ｅ　ＦＮｔでの無限増倍率に：、と等しくな
るように濃縮度を高くした燃料ｅ３′を用いることが考
えられる。同様にして、ｅｌの替りにｅ　、　／がＮ　
　ｅｊの替シにｅ　、　／が用いられるが、ｅ　３／に
ついてはこれを取替燃料の濃縮度以上に高くすることは
好ましくない。

そこで、初装荷炉心に装荷される最高濃縮度燃料の濃縮
度を取替燃料の濃縮度と同一にした上で、起動試験時の
燃焼度増分を補償する方法としては、初期に装荷される
最高濃縮度燃料の体数を、他の燃料の体数より多くすれ
ばよい。

この場合、起動期間Ｅ。を補償する体数ΔＮは、平衡サ
イクルでの取替体数をＮｍ、サイクル増分燃焼度をΔＥ
とすると、 ΔＮＮｍＥｏ　　　ΔＥよりとなる。

従って求める最高濃縮度燃料体数Ｎ１は（８）式よりＮ−＝Ｎ　Ｒ＋　Δ　ＮここでＥｌ＝第１サイクル増分燃焼度Ｅｗ＝第２サイクル以後の平均増分燃焼度となる。ここ
で（２）式の関係を用いると、濃縮度の種類ｎ、！：Ｎ
ａの関係はとなる。

このように燃料の体数を決定すると、移行サイクルでの
燃料集合体取替体数を一定にすることができ、平衡サイ
クルへ速やかに移行することができる。

■は、特開昭５６−１３８６に記載されるように、運転
中に炉心に挿入される制御棒を限定し、制御棒のパター
ン交換を不要とした運転するために必要である。このよ
うな運転を行なうためには、運転中に炉心に挿入される
制御棒を囲む４体の燃料集合体を低反応度燃料集合体で
構成する必要があシ、本発明では低反応度燃料集合体と
して、濃縮度の低い燃料集合体を採用していることが特
徴である。

■は、次のような事情により特徴づけられる。

第１サイクルの燃焼度は、現在９〜１２ケ月の運転期間
に起動期間を加えただけ必要であり、１１００ＭＷｅ級
原子炉で約１００Ｗｄ／ｌである。

取替燃料集合体は濃縮度３重量％で約３００Ｗｄ／ｌだ
け燃えるので、濃縮度１重量％につき約、１０ＧＷｄ／
ｌの割合で燃えることになる。これ（対して、従来まで
の初装荷燃料集合体では、第１サイクル終了時に取出さ
れる燃料集合体は、初期濃縮度が約２重量％であるのに
対し、燃焼度が約１００Ｗｄ／ｌであるため充分に燃え
ているとはいえず、不経済の原因であった。このため、
第１サイクル終了時に取出される低濃縮度燃料集合体の
燃焼度が約１００Ｗｄ／ｌであることから考えると、そ
の濃縮度は約１．０重量％にするのがよい。さらに今後
予定される運転期間の長期化により、第１サイクルの燃
焼度も約１５０Ｗｄ／ｌまで増加すると考えられるので
、低濃縮度燃料の濃縮度は約しＯ重量％〜１．５重量％
とするのが適当である。

■に述べたように、高濃縮度燃料の濃縮度を取替燃料集
合体の濃縮度と等しくすると、初装荷炉心の構成が、平
衡サイクルの炉心構成に似てくるので、平衡炉心への移
行が速やかになる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の１実施例を説明する。第１図は１１００
ＭＷ６級沸騰水型原子炉の炉心の１／４を模式的に示し
た平面図である。図中、４１．４２は制御棒を示し、そ
の周囲には４体の燃料集合体が装荷され、この制御棒１
体と燃料集合体４体で単位セルを構成し、この単位セル
を複数個配置して炉心が構成される。制御棒は、通常運
転時に炉心に挿入され炉心の反応度を調整することを目
的とした制御棒４１と、通常は炉心から引抜かれ炉心停
止時のみ炉心に挿入される制御棒４２に分類される。燃
料集合体はその平均濃縮度について２種類以上に分類さ
れ、第１図に示した例では３種類に分類される。本実施
例は、全燃料装荷体数は７６４体で目標とする平衡炉心
の平均取替体数を２１２体とした例で前記（１）式によ
れば濃縮度の種類は７６４／２１２＝＆６を超えない最
大の整数として３が選ばれている。図中１で示される燃
料集合体は高濃縮度燃料集合体で、燃料集合体平均濃縮
度は取替燃料集合体と同一で約１０重量％、体数は２４
８体である。

この高濃縮燃料の体数は、前に述べた原理に基づき、次
のように決定された。

本実施例では、目標とする平衡炉心の燃料集合体取替体
数が２１２体で、第１サイクル増分燃焼度Ｅ１が約１１
ＧＷｄ／ｌ、第１サイクル以後平衡サイクルまでの各サ
イクルの平均サイクル増分燃焼度Ｅには約９０Ｗｄ／ｌ
であるから、（８）式に従い、高濃縮燃料の体数増加Δ
Ｎａを計算すると、となる。燃料炉心装荷時の炉心の１
／４対象性を考慮するとΔＮａには４０倍数を選ぶこと
が望しいので、ΔＮａは３６体として、高濃縮度燃料集
合体の数は、２１２＋３６＝２４８体としている。燃料集合体２は、中濃縮度燃料集合体で濃
縮度は約２４重量％、体数は２１２体である。

残シの燃料集合体は、濃縮度約１．４重量％の低濃縮度
燃料集合体で、３１は炉心最外周部に配置され、３２は
制御棒４１のまわシに配置され、３料集合体３，３２の
合計体数は２１２体で、これは第１サイクル末には取出
される。また低濃縮度燃料集合体３１の体数は９２体で
ある。

このような燃料集合体で構成された炉心は以下のように
作用する。まず、第１サイクルの運転が終了すると、３
２．３で示される炉心内部に配置した低濃縮度燃料集合
体２１２体取出し、代りに濃縮度約３重量％の取替燃料
集合体を装荷する。

この場合、必要に応じて燃料配置の交換（シャツ７リン
グ）を行なうが、この場合も目標とする平衡炉心への移
行を速やかに行なうことを目的として実施する。この時
に、炉心最外周部に配置した低濃縮度燃料集合体を取シ
出さない理由は、前述した通シで、この方法により炉心
最外周部に配置した燃料集合体の燃焼度増大をさせるこ
とができる。従って、第１サイクル終了時に取出される
燃料集合体は、常にウラン２３５の残留量が少ないもの
である。

第２サイクル運転終了時匡は、前述の炉心最外周部に配
置された低濃縮度燃料集合体３１．９２体と中濃縮度燃
料集合体の一部、１２０体が取出され、この時にも合計
２１２体の燃料集合体が濃縮度約３％の取替燃料集合体
と交換される。同様に、第３サイクル運転終了時には、
残シの中濃縮度燃料集合体９２体と、高濃縮度燃料集合
体１２０体、合計２１２体が濃縮度約３％の取替燃料集
合体と交換される。このようにして構成された第３サイ
クル炉心は、毎年２１２体ずつ燃料を交換し続けた第４
サイクル以後と炉心構成が同じとなるため、平衡炉心と
なっている。

第２表は、初装荷炉心に装荷された上娑の燃料集合体の
取り出し時期を示したもので、各サイクル末での取替体
数は２１２体で一定である。このようにして燃料集合体
の交換を行なった場合には、常にウラン２３５残留量の
少ない燃料集合体から取出されるので、従来の初装荷炉
心のようにウラン２３５の残留量が高く、充分に燃焼し
ていない燃料を取出すことはなくなるので、ウランを有
効（゛声量することができ、燃料経済性が向上する。

）′ 第３図は、各サイクルでの余剰反応度の燃焼度変化を比
較したものであり、第１サイクルだけは起動試験期間の
分だけサイクル増分燃焼度は多いが、各サイクル間の余
剰反応度変化は少なく、第３サイクル以後の余剰反応度
の燃焼度変化は同一となり、炉心は平衡になっていると
いってよい。

このように、速やかに平衡炉心に収束するのは、第２表
に示したように、第１サイクル以後の燃料度変化を比較
したものであるが、各サイクル毎の余剰反応度の変化が
大きく、平衡になるのが難しくなっている。また、第４
図に余剰反応度を示した従来からの初装荷炉心では、そ
の平均取出燃焼度が約１７ＧＷｄ／ｌであったのに対し
、本実施例では、同一の初期炉心平均濃縮度で、平均取
出燃焼度は約２１０Ｗｄ／ｌとなり、約２３％増加する
。

さらに、本実施例では、第４図に示したように各サイク
ルとも、余剰反応度の燃焼変化が少なく平坦であるため
、低濃縮度燃料４体に囲まれた制御棒４１だけを利用し
て、制御棒パターン交換を不要とした単一パターン運転
が、第１サイクルから可能となる。

特に本炉心では余剰反応度が１．３％Δに程度なので制
御棒１本の制御能力は一般に約０．１％Δにであること
より、運転中に炉心に挿入する制御棒４１は１３本とな
り、４体の低濃縮度燃料集合体３２で構成されるセルの
数も１３でよい。

尚、特開昭５８−２２３０９２　には、初装荷燃料集合
体を濃縮度についてＮ群に分数し、第１群（１≦ｉ≦Ｎ
−１）に属する燃料集合体を第１サイクルに取出す内容
の発明が記載されているが、この場合には、各群の燃料
集合体数と、各サイクル末での取出体数の関係は、上記
公報の実施例によると第３表のようなものであり、’群
の燃料集合体数と第１サイクル末の取出し体数が一致す
るので、第２表に示した本発明とは全く別のものである
ことは明らかである。また、上記公報記載の実施例では
、第１サイクルと第２サイクルでの取替体数が異なって
いるので、平衡炉心へ速やかに移行するのが難しいが、
本発明では各サイクル毎の取替体数を同一にすることに
より平衡炉心へ速やかに移行できるようにしている。

第　　　３　　　表〔発明の効果〕本発明によれば、初装荷燃料集合体の平均取出燃焼度を
約２０％増加することができ、燃料経済性が増す。また
、初装荷炉心から平衡炉心への移行が速やかになム第３
サイクル以後は平衡サイクルと同じ運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を原子炉炉心の構成図、第
２図は、原子炉炉心を構成する単位格子セルを示す図、
第３図は、本発明に基づく第１サイクルと移行サイクル
の余剰反応度の燃焼変化を示す図、第４図は、従来型初
装荷炉心による第１サイクルと移行サイクルの余剰反応
度の燃焼変化を示す図、第５図は、燃焼度と無限増倍率
の関係を模式的に示した図である。１・・・高濃縮度燃料集合体、２・・・中濃縮度燃料集
合体、３・・・低濃縮度燃料集合体（炉心内部配置用）
、３１・・・低濃縮度燃料集合体（炉心最外周部配置用
）、３２・・・低濃縮度燃料集合体（制御セル用）、４
１・・・運転中に炉心に挿入される制御棒、４２・・・
運転中に炉心に挿入されない制御棒。

Claims

【特許請求の範囲】１、燃料集合体と制御棒より成る原子炉炉心において、
装荷される燃料集合体は集合体平均濃縮度について複数
群に分類され、各群の燃料集合体平均濃縮度を第１群、
第２群・・・・・・第ｎ群の順に高くし、最も濃縮度の
高い第ｎ群に属する燃料集合体の数Ｎ＿ａが、炉心に装
荷される燃料集合体総数をＮ＿ｔとすると、［Ｎ＿ｔ（１＋α）］／（ｎ＋１）≦Ｎ＿ａ＜［Ｎ＿ｔ
（１＋α］）／ｎただしα＝α＝（Ｅ＿１−Ｅ＿Ｎ）／
Ｅ＿ＮＥ＿Ｎ＝第２サイクル以後のサイクル増分燃焼度
Ｅ＿１＝第１サイクルのサイクル増分燃焼度で特徴づけ
られる原子炉炉心。２、運転サイクル末において、第１群、第２群・・・・
・・第ｎ群の順に炉心から取出され、同一群の中では、
燃焼度の大きいものから取出されることを特徴とする前
記特許請求の範囲第１項記載の原子炉炉心。３、出力運転中に炉心に挿入されて出力調整用に使用さ
れる制御棒に隣接する４本の燃料集合体は全て、前記第
１ｂ群に属する燃料集合体であることを特徴とする、前
記特許請求の範囲第１項、又は第２項記載の原子炉炉心
。４、前記第１群に属する燃料集合体の集合体平均濃縮度
が１．０重量％〜１．５重量％の範囲にあることを特徴
とする前記特許請求の範囲第１項、第２項、又は第３項
記載の原子炉炉心。５、前記第ｎ群に属する燃料集合体の集合体平均濃縮度
が、取替燃料集合体の集合体平均濃縮度と等しいことを
特徴とする前記特許請求の範囲第１項、第２項、第３項
または第４項記載の原子炉炉心。６、第１サイクルから平衡サイクルまでの毎サイクル終
了時における燃料集合体取替体数が一定でほぼ等しいこ
とを特徴とする前記特許請求の範囲第１項、第２項、第
３項、第４項または第５項の原子炉炉心。