JPS61181993A - 圧力管型原子炉用燃料集合体 - 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〕 本発明は圧力管型原子炉に装荷する燃料集合体に係り、
特に燃料の燃焼効率を大幅に向上すると共に燃料集合体
の有する核特性を良好にする燃料集合体に関する。

〔発明の背景〕

従来の圧力管型原子炉用燃料集合体は圧力管内に同心円
状に燃料棒を一様に分散させる例が一般的であった。こ
の例として原子カバンドブツク（昭和５１年、オーム社
）図１３・５の新型転換炉“小げん″の２８本燃料集合
体等がある。このように圧力管内に一様に燃料を分散さ
せると圧力管型原子炉では核分裂に大きく寄与する熱中
性子束が圧力管側から燃料方向に入るため、燃料中央部
で熱中性子束が低下するという現象が見られる。

これを第９図に示す、この結果、燃料径方向の局所出力
分布を平坦化するため、内層、中間層燃料と外層燃料で
燃料濃縮度を変化させ、内層、中間層を外層よりも濃く
する必要が生じた。これは高濃縮燃料を用いる程著しく
なった。この結果冷却材ボイド係数がより正側になると
いう不利な面が生じた。これは冷却材ボイド発生時に燃
料中間層、内層部の熱中性子束が増大し、高濃縮度の燃
料が配置されているため核分裂数が増加するためと説明
できる。

上記問題点に対し特公昭５９−３３８６２号では圧力管
型原子炉用燃料集合体径方向中央部の燃料物質中に可燃
性毒物を添加し冷却材ボイド係数をより負にするという
考案がなされた。しかし上記例では局所出力分布がより
歪み、燃料が熱的に厳しくなるという問題があると共に
可燃性毒物が消滅後は冷却材ボイド係数が再び正側に移
行するという問題があった。

また圧力管型原子炉燃料集合体の冷却材ボイド係数を負
にする発明で特開昭５２−６１６９７号では減速材を含
む減速材捧を集合体内に複数本分散させて燃料棒に並列
に配置させている。しかし上記例では燃料のプルトニウ
ム富化度を濃くした場合にボイド係数を負にする効果が
失なわれると共に燃料集合体中央部の燃料は熱中性子束
が低いために有効に燃焼せず燃焼効率については配慮さ
れていなかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は圧力管型原子炉の圧力管内の燃料配置を
最適化し、同一燃料濃縮度で最大の燃焼度を得ると共に
、半径方向中央部に燃料を配置しないことにより冷却材
ボイド変化時の反応度変化を小さくすることにより圧力
管型原子炉燃料の燃焼度向上及び運転制御性、安全性を
向上することにある。

〔発明の概要〕

圧力管型原子炉の圧力管半径方向の熱中性子束分布は、
第７図に示すように燃料による中性子じゃへい効果のた
めに中央で著しく減少する傾向を有している。このため
従来は半径方向中央部の燃料濃縮度を外周部よりも増大
させ局所出力ビーキング係数を低下させることが一般的
であった。しかし半径方向中央部は燃焼末期になっても
熱中性子レベルは外周部よりもかなり低いため中央部の
燃料は燃焼せずに残るという現象が見られた。

そこで本発明では半径方向中央部には燃料を配置せず、
より熱中性子束の高い外周側に燃料を配置するものとし
、燃料層の内側には冷却材を流す領域を太径の分離壁で
他領域とは区画してもうけるものとした。この結果、熱
中性子束の高い領域に燃料を配置するため燃料の燃焼効
率を大幅に向上することが可能となった。また冷却材ボ
イド率変化時に熱中性子束の変化の著しい燃料集合体中
央部に高濃縮燃料を配置しない構造としたため、冷却材
ボイド増大時でも実効増倍率は不変あるいは負側に移行
するため本発明の燃料を用いることにより原子炉の運転
制御性が向上すると共に安全性を向上させることが可能
となった。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。第１図は本発明の
実施例の圧力管型原子炉装荷用の３０本燃料棒クラスタ
の径方向断面図である。第１図の３００本タラスフ第２
図の従来型３６本クラうクの中央部６本の燃料棒を削除
し、中央部は太径円管により分離し冷却材の大部分を燃
料部に流す構造としている。太径円管の中は冷却材が沸
とうしない程度にゆっくりと流れている。第１図の本発
明の実施例の３０本燃料棒クラスタは３０本の燃料棒１
．及び１本の冷却材分離管２で構成されている。また他
に燃料棒を保持するためのスペーサ、及び燃料上部、下
部の燃料タイプレート等があるが第１図には示していな
い、また第１図には圧力管４を示している。燃料棒１の
外径は約１５ｍｍであり、内部には直径が約１３ａｍの
燃料ペレット３が装荷されている。燃料ペレットの燃料
物質としては微濃縮ウラン酸化物燃料及び酸化プルトニ
ウム富化ウラン酸化物燃料を用いることができる。

また燃焼初期反応度を低下させるために酸化ガドリニウ
ム等の可燃性毒物を含むウラン酸化物燃料を上記燃料の
一部に配置することも可能である。

また中心管２は外径が約４７ａｍであり内部には軽水あ
るいは重水の冷却材がゆっくり流れている。

第１図の燃料集合体を用いる原子炉の圧力管内径は約１
２０ａである。また圧力管中央間の距離は約２４０ｍか
ら２６０ｍｍの間を選択することが可能である。

第１図の本発明実施例の３０本クラスタと第２図の従来
例の３６本クラスタの特性比較を第３図。

第４図に示す。従来３６本クラスタは内層燃料、中間層
燃料として天然ウラン酸化物に３．６重量％の核分裂性
プルトニウム酸化物を富化したものとし、外層燃料とし
ては天然ウラン酸化物に１．２重量％の核分裂性プルト
ニウム酸化物を富化したものとした。一方本発明の実施
例である３０本クラスタ１体には３６本クラスタ１体に
装荷したプルトニウムを装荷するものとし、２層の燃料
棒には同一の２．８８重量％の核分裂性プルトニウムを
富化したものとした。第２図は両燃料の実効増倍係数の
燃焼変化を示したものであり３６本クラスタに比較し３
０本クラスタの方が実効増倍率が燃焼初期で約６％大き
く、燃焼を通じても大きいことがわかる。この結果３６
本クラスタでは取出燃焼度が３１ａｗｄ／ｌであるのに
対し３０本クラスタは４５（ＩＷｄ／ｌに１４ＧＷｄ／
ｌ　（４５％）燃焼度を増大できることがわかる。

第４［ｉｉ！Ｉは両燃料の冷却材ボイド率に対するボイ
ド反応度の変化の比較を示す。第４図より従来３６本ク
ラスタに対し３０本クラスタは冷却材ボイド反応度が負
側になることがわかる。第４図より第１図の本発明の実
施例燃料により冷却材ボイド反応度、ボイド反応度係数
を負にできるため運転制御性が向上すると共に安全性が
向上する。

次に本発明の他の実施例を第４図により説明する。第５
図は本発明の他の実施例の圧力管型原子炉装荷用の４２
本燃料棒クラスタの径方向断面図である。第５図の４２
本クラスタは第６図の均等分散配列の６１本クラスタの
中央部１９本の燃料棒を削除し、中央部は太径円管によ
り燃料部と中央部を分離し冷却材の大部分を燃料部に流
す構造としている。第５図の実施例は４２本の燃料棒１
と１本の冷却材分離管２で構成されている。燃料棒１の
外径は約１５ｍであり、内部には直径が約１３閣の燃料
ペレットが装荷されている。燃料物質は第１図の実施例
と同様である。

第５図の燃料集合体を用いる原子炉の圧力管内径は約１
５０ｏｎであり、肉厚は約５．５　ｍｍである。

また圧力管中央間の距離は約２７０ｍｍから約２９０ｍ
の間を選択できる。

第５図の本発明実施例の４２本クラスタと第２図の従来
例の３６本クラスタの特性比較を第７図、第８図に示す
。従来例の３６本クラスタは内層。

中間層に３．６重量％のプルトニウムを富化し。

外層燃料に１．２重量％のプルトニウムを富化した燃料
とした。一方本発明の実施例の４２本クラスタは従来３
６本クラスタの集合体平均富化度である２、４重量％の
単一のプルトニウム富化度を２層の燃料に共通に用いる
ものとした。第７図は両燃料の実効増倍係数の燃焼変化
を示したものであり４２本クラスタの方が３６本クラス
タよりも燃料初期で約４％大きく、２４ＧＷｄ／を程度
まで４２本クラスタの方が大きいことがわかる。この結
果従来例の３６本クラスタの取出燃焼度が約３１０Ｗｄ
／ｌであったのに対し１本発明の実施例の４２本クラス
タは約３６ＧＷｄ／ｌまで取出燃焼度が増大することが
わかる。

また従来の３６本クラスタを用い電気出力１００万ＫＷ
を発生させるためには原子炉の圧力管本数を約１１００
本とした必要があったのに対し、本実施例の４２本クラ
スタを用いると約９００本に削減できる。

第８図は４２本クラスタと従来３６本クラスタのボイド
反応度比較を示す図である。第８図より従来例の３６本
クラスタより４２本クラスタの方が冷却材ボイド反応度
、冷却材ボイド係数が負となり運転制御性が向上すると
共に安全性が向上する。

いずれの実施例も、燃料棒の配列は、分離管２に近い内
層と、圧力管４内壁に近い外層との２層の配列を有し、
中間層の無い配列を多くの層にて配列する従来例の欠点
は無い。又、それに加えて内外層の燃料棒１の数は外層
でＮ本とした場合、内層をＮ−６本として、種違の通り
、良好な特性を得ている。

冷却材分離管２内の冷却材の流速、流量は、例えば冷却
材分離管２の下部に冷却材入口としてオリフイスを設け
ることなどが考えられる。

本発明の各実施例によれば圧力管型原子炉の燃料集合体
内の燃料棒配置を熱中性子束レベルの高い位置に限定し
たため燃料の燃焼度が増大し、核燃料の有効利用を計る
ことが可能となった。また燃料中央部の燃料非装荷部と
燃料部分を分離壁で分離し、冷却材の大部分を燃料部に
流すため、燃料の冷却効果が良好になる効果を得ると共
に分離壁内部の中央部には沸騰しない程度の冷却材を流
すため、冷却材ボイド発生時の径方向熱中性子束分布変
動が減少し、冷却材ボイド係数をより負にできるという
運転制御上、及び安全上望ましい効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上の如く２本発明によれば、燃料の燃焼効率と核特性
が良好となる圧力管型原子炉用燃料集合体が提供できる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の３０本クラスタの径方向断面
図、第２図は従来の３６本クラスタの径方向断面図、第
３図は第１図と第２図の燃料の実効増倍率変化を示すグ
ラフ図、第４図は同じく冷却材ボイド係数を示すグラフ
図、第５図は本発明の他実施例の４２本クラスタの径方
向断面図、第６図は均等分散配列の６１本クラスタの径
方向断面図、第７図は第５図の４２本のクラスタと第１
図の従来例の３６本クラスタの実効増倍率変化を示すグ
ラフ図、第８図は同じく冷却材ボイド係数を示すグラフ
図、第９図は第１図と第２図との例における熱中性子分
布曲線と燃料棒配列との関係を示した縦断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数本の燃料棒を圧力管内に納め、前記圧力管内に
   冷却材を通す圧力管型原子炉において、前記圧力管内中
   央部に前記燃料棒よりも太径の前記冷却材を通す筒状断
   面形状の構造体を設け、前記構造体と前記圧力管内壁と
   の間隙に前記複数本の燃料棒を納めたことを特徴とした
   圧力管型原子炉用燃料集合体。 ２、前記複数本の燃料棒は、筒状断面形状の構造体外壁
   に近接する内層と、圧力管内壁に近接する外層との２層
   に配置したことを特徴とした特許請求の範囲第１項に記
   載の圧力管型原子炉用燃料集合体。 ３、前記外層の燃料棒をＮ本とした場合に、内層の燃料
   棒をＮ−６本としたことを特徴とした特許請求の範囲第
   ２項に記載の圧力管型原子炉用燃料集合体。