JPS61264291A - 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
いるに好適な燃料集合体に関するものである。

〔発明の背景〕

燃料集合体の外観を第３図に示す。燃料集合体は、チャ
ンネルボックス１０、下部タイプレート１１、上部タイ
プレート１２、スペーサ１５及び燃料棒１６からなって
いる。燃料棒１６の上下端部は、下部タイプレート１１
及び上部タイプレート１２にて保持される。スペーサ１
５は、燃料棒１６の軸方向に幾つか配置され、燃料棒１
６相互間の間隙を適切な状態に保持している。チャンネ
ルボックス１０は、上部タイプレート１２に取付けられ
、スペーサ１５で保持された燃料棒１６の束の外周を取
囲んでいる６チヤンネルフアスナ１３が、上部タイプレ
ート１２に取付けられる。

第４図は、燃料棒１６の詳細構造を示す。燃料棒１６は
、下部端栓１７及び上部端栓１８にて両端を密封して被
覆管２０内に多数の燃料ペレット２１を装荷したもので
ある。スプリング２２が、被覆管２０内のガスプレナム
内に配置され、燃料ペレット２１を押圧している。

第５図は、第３図の燃料集合体の横断面を示す。

チャンネルボックス１０内には、燃料棒１６が格子状に
配置され、中央に２本のウェータロッド１４が配置され
ている。燃料棒１６の数本は、可燃性毒物であるガドリ
ニアを含有している。隣接している燃料集合体相互間に
は水ギャップが形成され、この水ギャップに制御棒１９
が挿入される。

一方、沸騰水型原子炉では、炉心上下方向（又は軸方向
）にボイド分布があるため、ボイド反応度の軸方向差違
のために出力分布が下方にひずむという特性をもってい
る。この軸方向下方ピーク出力分布を是正し、軸方向出
力分布を平担化する燃料集合体として、上下領域の濃縮
度分布を有する燃料集合体がある。この燃料集合体は、
特公昭！５８−２９８７８号公報に詳述されている。こ
のような濃縮度上下二領域の燃料集合体は、外周部に配
置された数本の燃料棒が上部領域の濃縮度が下部領域の
濃縮度よりも１５％程度高くなっている。

上記公報に示された燃料集合体は、軸方向の出力分布を
平担化できる。しかし、沸騰水型原子炉の燃料集合体は
、チャンネルボックス１０内でボイドが発生し、その外
側でボイドが発生しないので、第５図の一点鎖線の断面
における水（減速材）の密度分布が一様ではない。すな
わち、水の密度分布は、チャンネル１０内で低くなって
いる。このため、第５図の一点鎖線での熱中性子束φは
、第６図に示すように燃料集合体中心で低く、チャンネ
ルボックス１０の外で高くなる分布となる。

燃料集合体内の各燃料棒出力Ｐは、次式で示される。

Ｐ＝φ・σ、・Ｎ　　　　　　　　　　　・・・（１）
ここで、 φは、燃料棒１６位置での熱中性子束、φ２は核分裂性
物質の核分裂断面積及びＮは、燃料棒１６内の核分裂性
物質の原子数密度である。

従来の燃料集合体では、各燃料棒の出力分布（これを局
所出力分布という）を平担化し、燃料棒の最大出力ビー
キングをできるだけ小さくするために、熱中性子束φの
大きい外周部に配置された燃料棒での核分裂性物質の原
子数密度Ｎ（濃縮度ｅに比例する）を第７図に示すよう
に小さくしている、上記公報に示される燃料集合は、チ
ャンネルボックスに隣接する燃料棒のウラン２３５の濃
縮度は、中心の燃料棒のそれより２５〜５０％低くなっ
ている。

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１９だけでは余剰反応度
の抑制は困難である。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ウラン２３５よりも急激に減
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８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８
図の実線に示すようにガドリニアが燃えつきる約１０Ｇ
Ｗｄ／ｌまでは単調に増加し、それ以後は単調に減少す
る。無限増倍率がピークとなる時点までを燃焼前期、そ
れ以後を燃焼後期と呼ぶことにする。

近年、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。これを達成するためには
、熱中性子束の高いチャンネルボックス近傍に核分裂性
物質の含有量の高い、すなわち濃縮度の高い燃料棒を配
置すればよい。特公昭５８−２９８７８号公報に示す原
理を用いて、高燃焼度化を図る燃料集合体としては、特
開昭５８−２６２９２号公報の第４図に示すものが知ら
れている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料経済性の向上に好適な燃料集合体
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可燃性毒物を
有する燃料棒においてその上部領域に可燃性毒物を含有
しない天然ウランを配置させたことにある。

特開昭５８−２９８７８号公報に示される燃料集合体２
３の横断面を第９図に示す。燃料集合体２３を構成する
燃料棒１〜６、Ｇ１及びＧ２の濃縮度分布及びガドリニ
ア濃度分布を第１ｏ図に示す。燃料棒Ｇ１及びＧ２は、
軸方向にガドリニアを一様に含有している。燃料棒Ｇ１
及びＧ２のガドリニア濃度は等しい、燃料棒１〜６は、
ガドリニアを含有していない。燃料棒１〜６、Ｇ１及び
Ｇ、は、核燃料物質であるＵＯ２をペレット状にして被
覆管内に充填したものである。それぞれの燃料棒のウラ
ン２３５の濃縮度８１〜ｅ２の大小は、ｅｌ）　ａ　、
　）　ｅ　、　＞　ｅ　、　）　ｅ　、　）　ｅ　、の
関係になっている。

、燃料集合体２３は、燃料集合体の平均濃縮度より埴高
い平均濃縮度を有する燃料棒を外周部に多く配置し、平
均濃縮度の低い燃料棒を中央部に配置している。

このような燃料集合体２３では、原子炉の運転期間を通
じて外周部の燃料棒の出力が増大し、外周部の局所出力
が増大する。燃料集合体２３の無限増倍率は、第１１図
に示すように外周部の局所出力の増加にほぼ直線的に比
例して増加する。従って燃料集合体の無限増倍率の増加
を最大にするためには、局所出力ビーキングを大きくす
ればよいことになる。局所出力ビーキングは、燃料棒の
熱的制限からその最大値が決まるために、無限増倍率の
増加量は暴走されてしまうことになる。さらに、無限増
倍率を増加させるために外周部にある燃料棒の局所出力
を上げる場合には、外周部にある燃料棒の出力を平均的
に上げる必要がある。

このため、燃料集合体２３の平均濃縮度と局所出力ビー
キングの最大値を決まれば反応度を最大限向上させる局
所出力分布と濃縮度分布が決まることになる。第１２図
に局所出力ビーキングを１．３０とした時の外周部、特
に最外周部の最適局所出力分布の一例を示す。格子の一
升が一つの燃料棒に該当する。

燃料集合体２３は、局所出力ビーキングを高くする高濃
縮度の燃料棒と軸方向出力ビーキングを低くする濃縮度
上下二領域の燃料棒と外周部に併用したものである。燃
料集合体２３は、軸方向出力ビーキングが低下した分だ
け外周部の局所出力を増加できるので、反応度利得を大
きくできる。

しかし、この燃料集合体２３には、以下の問題があるこ
とがわかった。すなわち、沸騰水型原子炉では軸方向に
ボイド分布が存在し、そのボイド量は炉心上部で多くな
ることから、炉心上部では。

中性子の減速効果も小さく熱中性子の割合が少なくなり
、可燃性毒物であるがガドリニアの消滅が遅れ運転サイ
クル末期でガドリニアが残留し反応度を低下させること
になる。

このような従来の燃料集合体２３の特性を検討した結果
、可燃性毒物を含有する燃料棒の上端領域は可燃性毒物
は含めず低濃縮度、特に天然ウランの燃料を配置するこ
とにより以下のように前記問題点が改善されることがわ
かった。

炉心に新しい燃料集合体を装荷した場合、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抑制は
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。従って、
運転サイクル末期でのガドリニアの残留効果を抑えるた
めに、現在、ガドリニアが添加されている燃料棒の上端
領域のガドリニアを取り除くと、これにより反応度が上
昇し、燃焼初期の余剰反応度の抑制が不十分となる。そ
こで、ガドリニアを取り除いた領域に低反応度の燃料を
配置して、燃焼初期の余剰反応度を従来と同程度に抑制
することができる。

また、近年、燃料の上下端な熱中性子が少ないことから
天然ウランを配置して中性子経済の向上を図り燃料経済
性を高める設計が考案されている。

そこで、前記ガドリニアを取り除いた領域を天然ウラン
とすると、燃料種類を増加させることなく前記効果を達
成することが可能となる。

さらに、前記ガドリニアを取り除いた領域を天然ウラン
とすることにより、燃料の燃焼期間を通じて特に燃焼後
半において燃料集合体外周部の局所出力を増加させて反
応度利得を大きくする効゛果（以下、外周ピーク効果と
呼ぶ）をさらに高めることが可能となる。すなわち、外
周ピーク効果を大きくするには、燃料集合体内の同局部
燃料棒以外の燃料棒の出力を小さくすれば良い。

従来の燃料集合体で、ガドリニアが添加されていた燃料
棒は、ガドリニアが消滅後は本来のウラン２３５の量に
より核反応を起こし出力を発生し、高出力を得ていた０
本発明では従来ガドリニアが添加されていた燃料棒の燃
料上端領域を天然ウランとしており、ウラン２３５の含
有量が最も少ないものとなっている。従って、本発明で
の燃料上端領域を天然ウランとした領域では、燃料の燃
焼後半（従来のガドリニア燃焼後）においても天然ウラ
ンを有する燃料棒の出力は十分小さいことから他の燃料
棒の相対出力を高めることになり、特ｉムウラン２３５
を含有していた）に出力を高めることになり外周ピーク
効果が大きくなる。

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図によって説明す
る。

本発明による燃料集合体１ｏは、次のような構成である
。

燃料棒３１〜３７は、核燃料物質として、二酸化ウラン
（ＵＯ２）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３７は、ＵＯ２と同時にガドリニアを含んでいる
。濃縮度６１〜ｅ、の大小は、ｅ　、　〉ｅ　２　＞　
ｅ　３）　ｅ　４＞　６　。

の関係がある。燃料棒３７は、下部の１０／２４＋９／
２４の領域では、ガドリニアを添加しているが、上部の
３／２４領域では、ガドリニアを含まない天然ウラン燃
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３１〜３７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ｅ、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
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３／２
４にあたる上部領域に、可燃性毒物を含まない天然ウラ
ンを用いている。第１３図に、本発明による燃料集合体
の無限増倍率を従来と比較して示す。本図より、本発明
による燃料集合体は燃焼期間を通じて無限増倍率が大き
いことから、従来に比べ同一運転サイクル長さに対して
取替体数を少なくすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、可燃性毒物の残留を抑え、燃料集合体
外周部燃料による反応度利得効果を大きくでき燃料の燃
料の燃焼期間を長くすることができる。

【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、第２図は第１図の燃料集合体に用いられる各燃
料棒の濃縮度分布の説明図、第３図は燃料集合体の構造
図、第４図は燃料棒の構造図、第５図は第３図のｖ−■
断面図、第６図は第５図のへ〇−Ａ２断面における熱中
性子束分布を示す特性図、第７図は第５図のＡ、−Ａ、
断面における濃縮度分布を示す特性図、第８図は燃焼度
と無限増倍率との関係を示す特性図、第９図は従来の燃
料集合体の横断面図、第１０図は第９図の燃料集合体に
用いられる各燃料棒の濃縮度分布の説明図、第１１図は
外周部平均局所出力の増加と無限倍率の増加との関係を
示す特性図、第１２図は第９図の燃料集合体の横断面に
おける最適な局所出力分布を示す説明図、第１３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
。 １０・・・チャンネルボックス、１１・・・下部タイプ
レート、１２・・・上部タイプレート、１５・・・スペ
ーサ、２１・・・燃料ペレット、３Ｑ・・・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いる
   燃料集合体において、軸方向の大部分の領域に可燃性毒
   物を有する燃料棒の内の１本又はすべての燃料棒の燃料
   有効部の上部３／２４〜５／２４領域に、可燃性毒物を
   含まない天然ウラン燃料を用いたことを特徴とする燃料
   集合体。