JPS6151275B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉燃料集合体に係り、特に重水を
中性子減速材とする原子炉（以下重水炉とい
う。）あるいは軽水を中性子減速材とする原子炉
（以下軽水炉という。）に用いるのに好適な燃料集
合体に関するものである。

従来、燃焼初期の余剰反応度を抑えるため、燃
料集合体中の複数本の燃料棒にガドリニアあるい
はボロンなどの中性子吸収物質（本発明ではバー
ナブルポイズンと呼ぶ。）を混入させた燃料集合
体が用いられている。

バーナブルポイズン入り燃料棒は、バーナブル
ポイズン入り重水炉用燃料集合体では第１図に示
すように、また、バーナブルポイズン入り軽水炉
用燃料集合体では第２図に示すように、燃料集合
体の最外層の燃料棒以外の燃料棒（以下内側層燃
料棒と呼ぶ。）に使用している。

第１図において、１は圧力管、２はバーナブル
ポイズンが入つていない通常の燃料棒、３はバー
ナブルポイズン入り燃料棒、４はタイロツド、５
は冷却材である。

また、第２図において、６はチヤンネルボツク
ス、７は水ロツドで、２，３は第１図と同様それ
ぞれ通常の燃料棒、バーナブルポイズン入り燃料
棒である。

このように、バーナブルポイズン入り燃料棒３
を燃料集合体の最外層燃料として用いない理由は
下記による。従来のバーナブルポイズン入り燃料
棒３はバーナブルポイズンが全体に均一に混入し
てあり、そのため、重水炉では圧力管１の外側の
重水の減速効果により、また、軽水炉ではチヤン
ネルボツクス６の外側の軽水の減速効果により、
熱中性子束および中性子吸収断面積が相対的に大
きくなり、バーナブルポイズン入り燃料棒３を最
外層燃料として用いた場合のバーナブルポイズン
の中性子吸収割合は、内側層燃料として用いた場
合より、約1.7倍程度大きくなる。したがつて、
最外層燃料にバーナブルポイズン入り燃料棒３を
用いて所定の余剰反応度を抑える場合は、バーナ
ブルポイズンの濃度を低くするか、その本数を少
なくしなければならない。しかし、濃度を低くす
ると、バーナブルポイズンが余剰反応度を抑えな
ければならない期間より早く燃えつきてしまう。
また、本数を少なくすると、燃料集合体内の非均
質性が大きくなり、局所出力ピーキングが増大す
る。そこで、従来は、バーナブルポイズン入り燃
料棒３を内側層燃料とする設計法がとられてい
た。

一方、バーナブルポイズン入り燃料棒３を内側
層燃料とした従来の燃料集合体は、燃料経済性が
悪いという欠点がある。すなわち、燃料集合体の
寿命は、本数の多い最外層燃料棒の燃料の燃焼に
よつてほとんど決り、内側層燃料棒の燃料の燃焼
が進んでいなくても寿命となる。したがつて、従
来の燃料集合体では、内側層燃料による出力が低
くなるように燃焼が抑えられ、燃料集合体が寿命
となつた時点での内側層燃料の燃え残りが多く、
内側層燃料が有効に使われず燃料経済性が悪い。
また、重水炉用燃料集合体では非均質性が大き
く、本来出力の低い内側層燃料棒にバーナブルポ
イズン入り燃料棒３を用いると、局所出力ピーキ
ング係数が著しく増大する。

第３図、第４図はそれぞれガドリニア入り燃料
棒（ガドリニア濃度２％）を６本装荷した重水炉
用燃料集合体の燃焼にともなう中性子無限増倍率
および局所出力ピーキング係数を示す線図であ
り、それぞれ実線はガドリニア入り燃料棒なしの
場合、一点鎖線はガドリニア入り燃料棒を最内層
に装荷した場合に対する結果を示し、さらに、第
３図の二点鎖線はガドリニア入り燃料棒を中間層
に、破線はガドリニア入り燃料棒を最外層にそれ
ぞれ装荷した場合に対する結果を示し、第４図の
ａは最外層燃料、ｂは中間層燃料、ｃは最内層燃
料に対するものを示す。第３図からガドリニア入
り燃料棒を最外層燃料棒として装荷した燃料集合
体では、燃焼初期の中性子無限増倍率が極端に小
さいことがわかり、また、ガドリニアは急速に燃
えつきてしまうので、この燃料集合体は使用でき
ない。また、第４図からガドリニア入り燃料棒を
最外層燃料棒として装荷した燃料集合体では、燃
焼初期の局所出力ピーキング係数が1.33で、ガド
リニア入り燃料棒なしの燃料集合体での値1.23に
比べて非常に大きい値になることがわかる。

本発明は上記に鑑みてなされたもの、その目的
とするところは、燃料経済性を高め、かつ、炉心
制御性を向上させることができる原子炉燃料集合
体を提供することにある。

本発明の特徴は、燃料集合体を構成する複数本
の燃料棒は中心部領域と外周領域とに分け、上記
外周領域の燃料棒はすべて外側領域のみにバーナ
ブルポイズンを混入したバーナブルポイズン入り
燃料棒とした構成とした点にある。

以下本発明を第５図に示した実施例および第６
図ないし第８図を用いて詳細に説明する。

第５図は本発明の燃料集合体の一実施例を示す
説明図で、重水炉用のものを示してある。第５図
において、第１図と同一部分は同じ符号で示し、
ここでは説明を省略する。第５図においては、最
外層に装荷する燃料棒は、中心部領域と外周領域
とに２分割し、外周領域が中性子吸収物質を混入
した燃料よりなるバーナブルポイズン入り燃料棒
８としてある。

この燃料集合体は、熱出力2000MW級の実用炉
級重水炉を対象にしたものでは、PuO₂−UO₂
（Pu；プルトニウム、Ｕ；天然ウラン）燃料のフ
イツサイルプルトニウム富化度は、最内層、中間
層、最外層でそれぞれ2.7％、2.7％、1.5％として
あり、また、バーナブルポイズンとしてはB₄Cを
使用し、B₄Cの混入割合は、重量比で1.17％（Ｂ
は天然ボロンで、¹⁰Bの重量比では0.17％）、B₄C
を混入する外側領域の体積は、その燃料棒体積の
約12％とした。

第５図の実施例においては、最外層の装荷する
燃料棒は、すべてバーナブルポイズン入り燃料棒
８としてあるが、これは最外層燃料の燃焼初期の
局所出力ピーキングを低減するためである。そし
て、最外層に装荷するバーナブルポイズン入り燃
料棒８を外側領域のみにバーナブルポイズンを混
入した燃料棒とした理由は、全領域に混入する
と、最外層燃料棒の本数が多いので、反応度が低
下し過ぎるためである。

第６図、第７図はそれぞれ第５図に示す燃料集
合体の燃焼にともなう局所出力ピーキング係数お
よび中性子無限増倍率をバーナブルポイズン入り
燃料棒が零の燃料集合体のそれと比較して示した
線図であり、それぞれ実線はバーナブルポイズン
入り燃料棒が零の燃料集合体、一点鎖線は第５図
の燃料集合体のものを示し、また、第６図のｄは
最外層燃料、ｅは中間層燃料、ｆは最内層燃料に
対するものを示す。第６図の結果から、本発明に
係る燃料集合体の局所出力ピーキング係数は、そ
れが最も大きい燃焼度0GWD／Ｔで約1.11（最外
層）となり、バーナブルポイズン入り燃料棒零の
燃料集合体での値1.15より約３％小さくなること
がわかる。また、燃焼度が約5GWD／Ｔまでは、
バーナブルポイズンが入らない燃料集合体より局
所出力ピーキング係数を小さくできることから、
この期間で燃料として価値が高い最外層燃料の燃
焼を抑えることができる。そして5GWD／Ｔ以上
で、燃焼初期にその減少を抑えられていた価値の
高い最外層燃料の核分裂量を増加させることがで
きる。

また、第７図の結果から、本発明に係る燃料集
合体は、燃焼初期で余剰反応度を充分抑えること
ができ、そして取出し燃焼度約30GWD／Ｔでの
中性子無限増倍率を約0.5％ΔＫ大きくできるこ
とがわかる。これは、燃焼度に換算すると、約
500MWD／Ｔの増加に相当し、プラント利用率
に換算すると、約７％の向上（運転日数が１年間
に約20日間延びる。）となる。第６図に示したバ
ーナブルポイズンによる反応度の抑制量およびバ
ーナブルポイズンの燃えつきる時期は、バーナブ
ルポイズンの濃度の変更、バーナブルポイズンを
混入する外側領域の大きさの変更およびバーナブ
ルポイズンとしてボロン、ガドリニアのほかにサ
マリウムやユーロピウムなどを使用することによ
つて自由に調整することができる。

次にボイド反応度係数について述べる。一般に
重水炉のボイド反応度係数は零近傍の値をとる。
バーナブルポイズンを零として燃料集合体におい
ても、ボイド反応度係数はほぼ零となる。ボイド
反応度係数が正で大きい値になると、出力係数も
正側に移行して、炉心制御性の面で問題になる。
そのため、重水炉の炉心設計では、ボイド反応度
係数を負にすることが重要である。第５図に示す
本発明に係る燃料集合体のボイド反応度係数は、
約−1.2×10^-4ΔＫ／Ｋ／％ボイドと充分負の値
になる。これはボイドの増加により重水中から燃
料中に低エネルギー成分の多い熱中性子束の流入
が増加するので、本発明に係る燃料集合体では、
ボイドの増加とともにバーナブルポイズンの熱中
性子吸収量が増すことによる。

次に燃料棒中心温度について述べる。本発明に
係る燃料集合体の最外層燃料棒は、外側領域にバ
ーナブルポイズンを混入させたバーナブルポイズ
ン入り燃料棒８としてあるので、燃料棒８内の出
力分布は、バーナブルポイズンが燃えつきるまで
の期間では、第８図に示すように、一点鎖線で示
した燃料棒８としたものは、実線で示したバーナ
ブルポイズンが入つてない燃料棒より、外側領域
で低く、中心部領域で高くなる。この結果から、
燃料棒８の中心温度は、バーナブルポイズンが燃
えつきるまでの期間では、バーナブルポイズンを
混入しない燃料棒より高くなるが、この上昇分
は、バーナブルポイズンの影響が最も大きい燃焼
度0GWD／Ｔで約13℃となる。これに対して、燃
焼にともなう燃料中心温度の上昇分は、燃焼末期
で約100℃となる。これは核分裂生成分（クセノ
ン、クリプトン）の生成により、燃料と被覆管と
のギヤツプ・コンダクタンスが増大するためであ
る。したがつて、バーナブルポイズンを混入した
ことによる燃焼初期の燃料中心温度の上昇分は、
燃焼による上昇分よりはるかに小さく、問題がな
い。

次に燃料と被覆管との間のガス圧力について考
察する。上記した実施例では、バーナブルポイズ
ンとしてB₄Cを用いているので、¹⁰Bの（ｎ、
α）反応によりヘリウムガスを生じ、燃料と被覆
管との間のガス圧力が上昇する。そしてB₄Cが入
らない燃料棒の核分裂生成によるガス圧力にくら
べて約30％増加する。従来、ガス圧力に対する設
計値は、計算値の３倍以上の余裕をとつているの
で、ヘリウムによるガス圧力は問題にならない。
むしろ、ヘリウムの生成は、燃料と被覆管との間
のギヤツプ・コンダクタンスを低下させるので、
燃焼が進んだ時点の燃料中心温度を下げる方向に
なり、好ましい。

上記したように、本発明の実施例によれば、 (1) 燃焼度を増加し、プラント利用率が向上す
る。

(2) ボイド係数が負となり、炉心制御性が向上す
る。

(3) バーナブルポイズン入りの燃料棒８の燃料と
被覆管との間のギヤツプ・コンダクタンスが低
下し、燃料健全性が向上する。

なお、第５図に示す実施例においては、バーナ
ブルポイズン入りの燃料棒８を最外層のみに装荷
してあるが、軽水炉用燃料集合体においては、中
間層も装荷するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、燃料経
済性を高め、かつ、炉心制御性を向上させること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のバーナブルポイズン入り重水炉
用燃料集合体の説明図、第２図は従来のバーナブ
ルポイズン入り軽水炉用燃料集合体の説明図、第
３図、第４図はそれぞれ重水炉用燃料集合体の燃
焼にともなう中性子無限増倍率および局所出力ピ
ーキング係数の変化を示す線図、第５図は本発明
の原子炉燃料集合体の一実施例を示す説明図、第
６図、第７図はそれぞれ第５図に示す燃料集合体
の燃焼にともなう局部出力ピーキング係数および
中性子無限増倍率の変化を示す線図、第８図は第
５図のバーナブルポイズン入り燃料棒内の出力分
布を示す線図である。 １……圧力管、２……通常燃料棒、４……タイ
ロツド、５……冷却材、８……バーナブルポイズ
ン入り燃料棒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数本の燃料棒よりなる燃料集合体におい
   て、前記複数本の燃料棒は中心部領域と外周領域
   とに分け、前記外周領域の燃料棒はすべて外側領
   域のみにバーナブルポイズンを混入したバーナブ
   ルポイズン入り燃料棒としたことを特徴とする原
   子炉燃料集合体。