JPS6129478B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は燃料集合体で係り、特に燃料の経済性
を向上するのに好適な燃料集合体に関する。 沸騰水型原子炉では、軸方向にボイド分布をも
つため、一般には軸方向出力分布は、炉下端近傍
で出力がピーク値に達する歪んだ特性になつてい
る。このため、制御棒を下方から挿入して、炉心
下部の燃料反応度（無限増倍率）を小さくし、ボ
イドによる反応度の上下アンバランスを相殺する
ようにしている。ところが、ボイド領域では燃料
棒の燃焼に伴うプルトニウム生成率が比較的高い
ので、燃焼に伴う反応度の劣化は、一般に第１図
に示すようになり、Ｌで示した低燃焼度領域で
は、１で示してあるボイド率が大きい炉心上部に
おける反応度の劣化は、２で示してあるボイド率
が小さい炉心下部における反応度の劣化よりも小
さい。このため、燃焼につれて炉心上部と炉心下
部との反応度差が自然に小さくなる傾向がある。
従来、燃料集合体の燃料棒に上部と下部とに反応
度差をつけていないのに出力分布が実用上支障の
ない程度に平坦になるのは、このためである。と
ころで、上記したような燃料の燃焼特性を利用で
きるのは、第１図にＬで示した領域、すなわち、
燃料棒の燃料の燃焼度がある限定された低い範囲
内にある場合だけである。例えば、燃料の平均燃
焼度が約10000MWD/Tから約18000MWD/Tの範
囲内にある低燃焼度領域にある場合だけである。
従来は、この程度の燃焼度を目標に炉心設計がな
されており、別に問題がなかつたが、燃料の経済
性の観点からいえば、燃料の燃焼度はできるだけ
大きくして、使用期間をのばし、燃料棒取替体数
を少なくする方が、ウラン原料費、成形加工費等
の面から有利である。特に、再処理費が相対的に
高くなる場合は有利である。 しかし、燃料の燃焼度を大きくすると、従来の
燃料集合体の燃料棒のように、軸方向のウラン濃
縮度の分布が一様な場合は、下記のような問題が
起る。すなわち、第１図において、特性１と特性
２との交点Ｐの燃焼度（30000MWD/T）以上の
Ｈで示した高燃焼度領域では、炉心上部と炉心下
部との反応度差が低燃焼度領域Ｌの場合と逆方向
で次第に大きくなる。このため、ボイド率による
反応度のアンバランス分を打ち消し過ぎて、逆方
向のアンバランスを生じ、炉心上部の反応度が炉
心下部の反応度より大きくなり、出力分布は炉心
上部で出力がピーク値に達する歪んだ特性にな
る。しかも、沸騰水型原子炉では、制御棒を炉心
の下部から挿入するようになつており、制御棒に
よるこの出力歪みの制御が不可能になる。その
上、制御棒を炉心内に挿入すると、出力分布はま
すます炉心上部になるほど大きくなり、また、出
力ピーク値も大きくなつて、燃料棒の局所的熱負
荷が大きくなり、燃料の健全性が損われるように
なる。これを避けるためには、出力密度を下げざ
るを得なくなる。さらに、炉心上部に出力ピーク
値が生ずるように出力分布が歪むと、原子炉の事
故等の場合のように、制御棒を緊急挿入して炉を
停止させねばならないときに、制御棒が出力の高
い領域に達して制御棒の反応度抑制効果があらわ
れるまでに多くの時間がかかり、原子炉の安全性
が損われるという可能性もある。 本発明の目的は、高燃焼度時において上部半分
の領域に生じる出力ピークを抑制できる燃料集合
体を提供することにある。 本発明の特徴は、燃料集合体の炉心部にあたる
領域の反応度が炉心下部にあたる領域の反応度に
くらべ、ボイド率による影響を考慮しても大きく
ならない範囲内で、燃料集合体の軸方向上部半分
の領域における平均無限増倍率を下部半分の領域
における平均無限増倍率より低くした点にある。 以下本発明を第２図に示した実施例および第３
図、第４図を用いて詳細に説明する。 第２図は本発明の燃料集合体の一実施例を説明
するための燃料集合体断面図で、第２図におい
て、３は燃料ペレツト、４は被覆管で、これらで
燃料棒が構成されている。５は冷却材領域、６は
チヤンネルボツクス、７は水ロツド、８は制御棒
である。燃料棒のところに示してある１から５ま
での番号はそれぞれの燃料棒のウラン濃縮度の種
別を示しており、それの軸方向の濃縮度分布例を
第１表に示してある。第１表において、Ａ〜Ｊは
ウラン濃縮度を示しており、Ａ≦Ｂ、Ｃ≦Ｄ、Ｅ
≦Ｆ、Ｇ≦Ｈ、Ｉ≦Ｊとなつている。そして、炉
心上部の平均濃縮度は約５重量％、炉心下部の平
均濃縮度は約5.6重量％となつており、燃料集合
体合体の平均濃縮度は約5.3重量％となつてい
る。

【表】 したがつて、燃料集合体の軸方向（炉心軸方
向）上部半分の領域における平均濃縮度無限増倍
率は下部半分の領域における平均無限増倍率より
低くなる。第３図は、第２図の実施例に示した本
発明の燃料集合体を炉心上部のボイド体積率が炉
心下部のボイド体積率より大きい沸騰水形原子炉
の炉心に装荷したときの、炉心反応度特性曲線図
で、従来の燃料集合体の場合の炉心下部の特性
は、同図に９で示した曲線となるが、本発明の燃
料集合体の場合は、それが１０で示した曲線とな
り、１１で示した炉心上部での反応度より高燃焼
度領域に至るまで大きくなつている。 第４図は本実施例の燃料集合体を使用した場合
の炉心の軸方向出力分布例を示す図で、それが、
１２の曲線で示してある。上記したように、従来
の燃料集合体を高燃焼度とすると、第４図に１３
の曲線で示してあるように、炉心上部に出力ピー
クを生ずるが、本実施例の燃料集合体では炉心下
部に出力ピークを生ずる。ところで、炉心下部で
出力ピークを生じても、これは制御棒の挿入によ
り制御することは容易であり、また、事故時に制
御棒を緊急挿入して炉を停止させるときも、制御
棒の反応度抑制効果が短時間にあらわれて、原子
炉の安全性を高めることができる。しかも、本実
施例では、高燃焼度時での炉心上部における出力
ピークを抑制できるので、原子炉の安全性の高い
状態で、高焼燃度領域の運転が可能となる。この
ため、燃焼度を従来より高くすることが可能とな
り、燃料の経済性を向上するのに極めて有効であ
る。このように、本発明の実施例によれば、燃料
棒を高燃焼度とすることにより燃料の経済性を向
上することが可能で、しかも、そのときに、炉心
下部に出力ピークを生ずるから、それを制御棒で
制御することが容易であり、燃料の健全性を保持
する上で何ら問題を生ずることがない。また、炉
の安全性も充分に確保することができる。 なお、軸方向上部、下部に平均無限増倍率の差
をつけるときに、上記した実施例のように濃縮度
に差をつけるかわりに、バーナブルボイズンを用
いるようにしても良く、効果は同一である。前述
のようにバーナブルポイズン（可燃性毒物）を用
いて軸方向における上部の無限増倍率を下部のそ
れよりも低くするためには、燃料集合体上部にお
けるバーナブルポイズンの含有量を、燃料集合体
下部におけるバーナブルポイズンの含有量よりも
多くすればよい。燃料集合体上部のバーナブルポ
イズンを燃料集合体下部より多くするためには、
２つの方法がある。第１の方法は、燃料集合体上
部のバーナブルポイズン濃度を燃料集合体下部の
バーナブルポイズン濃度をより濃くする方法であ
り、第２の方法は、燃料集合体上部に配置された
バーナブルポイズンを含む燃料棒の本数を燃料集
合体下部に配置されたその本数よりも多くする方
法である。 バーナブルポイズンを用いた本発明の他の実施
例である燃料集合体を第５図に基づいて説明する
（前述の第１の方法を適用）。この燃料集合体は、
62本の燃料棒９と２本の水ロツドを

【表】 有する。 燃料棒９に付してある２１〜２５までの番号
は、ウラン濃縮度の異なる燃料棒９を示してい
る。２５より番号が小さい燃料棒９ほど、濃縮度
が高くなる。２１〜２５の燃料棒９はバーナブル
ポイズンを含んでいなく、軸方向の濃縮度分布は
一様になつている。特に、３１で示した燃料棒９
にはバーナブルポイズンであるガドリニアが含ま
れている。燃料棒３１のガドリニア濃度分布例を
第２表に示す。第２表において、G₁、G₂はガド
リニア濃度を示しており、G₁＞G₂となつてい
る。 第２の方法を適用した燃料集合体の実施例を第
６図に示す。２１〜２５で示される燃料棒９は、
第５図の実施例と同一のものである。本実施例で
は、第２表に番号３２及び３３にて示すガドリニ
ア分布を有するガドリニア入りの燃料棒が配置さ
れている。燃料棒３３は、全長にわたつて一様な
濃度（G₃）のガドリニアを含んでいる。燃料棒３
２は、上部にのみガドリニアを有している。本実
施例では、燃料集合体上部でのガドリニア入りの
燃料棒の本数は10本、燃料集合体下部でのガドリ
ニア入り燃料棒の本数は８本であり、燃料集合体
上部のガドリニア含有量は燃料集合体下部よりも
多い。従つて、燃料集合体上部の平均無限増倍率
は、燃料集合体下部の平均無限増倍率より低くな
る。 前述のバーナブルポイズンを用いた第１及び第
２の方法における燃料反応度及び炉心反応度の変
化を第７図及び第８図に示す。第７図は、沸騰水
形原子炉の炉心に装荷された新しい１つの燃料集
合体に対する燃料反応度の燃焼変化を示したもの
である。特性１４は軸方向のガドリニア濃度が一
様な従来の燃料集合体の上部における燃料反応度
の変化を、特性１５は上記従来の燃料集合体の下
部における燃料反応度の変化を示している。交点
P₁は、燃焼度30000MWD/Tである。特性１６は
第１の方法及び特性１７は第２の方法における燃
料集合体の各上部での燃料反応度の変化を示して
いる。 ここで、第１及び第２の方法の燃料集合体のガ
ドリニア濃度は、表２のG₁を６重量％、G₂及び
G₃を５重量％とした。 これらの実施例の如く上部のガドリニア濃度を
高くした場合には、燃料反応度は特性１６及び１
７のように燃焼初期で低下する。第１及び第２の
方法の燃料集合体下部の燃料反応度は、それらの
下部のガドリニア濃度が燃料集合体のそれと同じ
であるので、従来の燃料集合体下部と同じく変化
する。 第１及び第２の方法の燃料集合体は、第７図に
示すように炉心内に４サイクル程度存在する。１
つのサイクルは、原子炉の起動開始にて開始さ
れ、原子炉の運転停止にて終了する。各サイクル
間で、炉心内の燃料集合体の1/4ずつが新しい燃
料集合体と交換される。このため１つのサイクル
期間では、１サイクル目の燃料集合体が炉心内の
全燃料集合体の1/4を占め、他に２〜４サイクル
目の集合体が各々の1/4ずつが炉心内に存在す
る。これらの各サイクルの燃料集合体の燃料反応
度は、それらの各サイクルに対応する第７図の各
サイクルの場合と同じく変化する。炉心の出力分
布を決定する炉心反応度は、１つのサイクルにお
ける１〜４サイクル目の各燃料集合体の燃料反応
度の平均的挙動により決定される。 第８図に炉心反応度の変化を示す。ここで炉心
燃焼度は、一般に第７図の１つのサイクルの開始
時を起点にしてそのサイクルの終了時までの燃焼
度で表わされる。しかし、第８図は、便宜上、第
７図に示す半サイクルずれた期間Ｔに対応する炉
心燃焼度に対する炉心反応度の変化を示してい
る。特性１８は従来、第１の方法及び第２の方法
の燃料集合体をそれぞれ装荷した炉心の下部、特
性１９は従来の燃料集合体を装荷した炉心の上
部、特性２０は第１の方法の燃料集合体を装荷し
た炉心の上部、及び徳性特性２１は第２の方法の
燃料集合体を装荷した炉心の上部における炉心反
応度変化を示している。これらの炉心反応度は、
期間Ｔにおけるサイクルの異なる４種類の燃料集
合体の上部または下部の燃料反応度変化を平均し
たものである。 バーナブルポイズンを用いた第１の方法の燃料
集合体では、１サイクル目の燃料集合体の燃料反
応度の低下が４サイクル目の燃料集合体の燃料反
応度の増加と相殺されるために、特性２０は特性
１９より低くなる。従つて、第１の方法の燃料集
合体における特性１８と特性２０の関係は、第３
図の特性１０と特性１１の関係と同様に高燃焼度
領域にかけて炉心下部の炉心反応度が炉心上部の
それよりも大きくなつている。従つて、第１の方
法の燃料集合体を装荷した炉心は、高燃焼度にお
いて第４図の特性１２に示すような炉心軸方向の
出力分布を得ることができる。 バーナブルポイズンを用いた第２の方法の燃料
集合体でも、第１の方法の燃料集合体と同様に機
能するので、高燃焼度において特性１２は特性１
９よりも低くなる。従つて第２の方法の燃料集合
体を装荷した炉心も、第３図の特性１２のような
出力分布が得られる。 このような本発明によれば、高燃焼度における
燃料集合体上部の出力ピークを抑制できるので、
高燃焼度領域における燃料の健全性及び原子炉の
安全性を向上できる。従つて、燃焼度をより高く
でき、燃料の経済性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃焼に伴う炉心反応度変化を示す線
図、第２図は本発明の燃料集合体の一実施例を説
明するための燃料集合体断面図、第３図、第４図
は第２図の燃料集合体を用いた場合の特性図で、
第３図は炉心反応度特性曲線図、第４図は軸方向
出力分布図、第５図及び第６図は本発明の他の実
施例である燃料集合体の横断面図、第７図は第５
図及び第６図の燃料集合体の燃料反応度変化を示
す特性図、第８図は第５図及び第６図の燃料集合
体を装荷した炉心の反応度変化を示す特性図であ
る。 ３……燃料ペレツト、４……被覆管、６……チ
ヤンネルボツクス、７……水ロツド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多数本の燃料棒を有する燃料集合体におい
   て、軸方向で上部半分の領域における平均無限増
   倍率を下部半分の領域における平均無限増倍率よ
   り低くしたことを特徴とする燃料集合体。 ２ 前記上部半分の領域における平均濃縮度を前
   記下部半分の領域における平均濃縮度よりも低く
   した特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 ３ 前記上部半分の領域における可燃性毒物の含
   有量を前記下部半分の領域における可燃性毒物の
   含有量よりも多くした特許請求の範囲第１項記載
   の燃料集合体。