JPS62194494A

JPS62194494A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPS62194494A
Application number: JP60220107A
Authority: JP
Inventors: 配川　勝正; 淳一山下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-04
Filing date: 1985-10-04
Publication date: 1987-08-26
Also published as: JPH0588439B2

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、原子炉に装荷される燃料集合体に係り、特に
、燃料のウラン濃縮度な高くして、高燃焼度を図るのに
好適な燃料集合体に関する。

〔発明の背景〕

第７図は、従来から知られている沸騰水型原子炉に装荷
される代表的な燃料集合体の構造を示したもので、第８
図は、前記燃料集合体を構成する燃料棒１６の構造を示
している。

図中燃料棒１６は、燃料であるウラン２３５の濃度（濃
縮度という。）を高くした濃縮ウランの酸化物をセラミ
ックにしたペレット２１を被覆管２０の中に充填し、こ
れをスプリング２２及びゲッター２３で保持し、上部端
栓１８と下部端栓１７を被覆管２０に溶接して密封し、
内部ヘリウムを満たした構造をしている０図中、２４で
示す空間はヘリウムが充填されておりプレナムと呼ばれ
ている。

燃料集合体は、前記の燃料棒１６を８行８列の格子状に
配置して、上部タイプレート１３、下部タイプレート１
１及びスペーサ１５で固定し、その外側をチャンネルボ
ックス１０で囲んだ構造をしている。

第９図は、前記燃料集合体の水平方向の断面を示したも
ので、前述のように、内部にウランを含む燃料棒１−６
（図中、丸の中に数字・記号を記入したもので示す）と
、内部にウランを含まず冷却材が流れるウォータロッド
１４が８×８の格子状に規則正しく並べられている。な
お１９は原子炉の核反応を制御するための制御棒を示す
。

沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、濃縮度の異なる数種
類の燃料棒を用いて、濃縮度分布を持たせているのが一
般である。濃縮度の分布の方法は、燃料集合体に設計目
的により異なる。例えば第９図に示すように（図中、燃
料棒に付した数字・記号は燃料棒番号を示し、数字が小
さいほど濃縮度が高い）、濃縮度の高いペレットを含む
番号１の燃料棒（これを単に燃料棒１と表記する。以下
間様）を燃料集合体の中央部に配置し、チャンネルボッ
クスに近い燃料集合体周辺部には、濃縮度の低いペレッ
トを含む燃料棒５，６を配置する方法や、特開５８−２
６２９２号公報の第４図又は本明細書第１１図に示され
るように、濃縮度の高いペレットを含む燃料棒１を燃料
集合体周辺部に配置し、燃料集合体中央部には、濃縮度
の低いペレットを含む燃料棒６を配置する方法などが知
られている。

また、例えば第１０図に示すように、１本の燃料棒の中
を濃縮度についての上下二頭域に分割し、上部領域の濃
縮度を下部領域の濃縮度より高くして、炉心の軸方向出
力分布を平坦化する技術が特公昭５８−２９８７８号公
報に記載されており、よく知られている。第１０図の例
において、ｅｌ、　ｅ２゜”’　ｅ　Ｂは濃縮度を示し
、ｅｘ＞ｅｘ＞ｅｓ＞ｅｓ＞ｅｓ）　ｅ　ｅである。ま
た、燃料集合体を構成する燃料棒のいくつかには過剰な
反応度を抑制する目的でウラン中にガドリにア（Ｇ　ｄ
　２０８）が数％含まれているのが普通で、第９図、第
１０図に示した例ではＧｌ及びＧ２がガドリニア入り燃
料棒である。

原子炉炉心に装荷された燃料集合体のうち、所定量のエ
ネルギーを発生したものは、毎年の定期検査時に新しい
燃料集合体は交替される。燃料経済性の観点からは、燃
料集合体１体が発生する熱エネルギーをできるだけ多く
すること、すなわち、取出燃料の燃焼度をできるだけ高
くすることが望ましい。取出燃料の燃焼度を高くするた
めには、濃縮度を増す必要がある。

しかし、燃料の高濃縮度化、高燃焼度化には、いくつか
の技術的問題が伴う。その主なものは、ウラン２３５の
熱中性子吸収による中性子スペクトルの硬化、及び炉停
止余裕の減少、核分裂生成ガスの増加による燃料内圧の
増大、並びに最小限界出力比の低下である。

すなわち、燃料の高濃縮度化（ウラン２３５含有量の増
加）により、熱中性子の燃料（ウラン２３５）への吸収
が増加するために、減速材への熱中性子吸収が相対的に
減少し、中性子のエネルギー分布は、熱領域で相対的に
少なくなる。これを、一般に中性子スペクトルが硬くな
るという。

中性子スペクトルが硬くなったときには、熱外領域での
共鳴吸収が増加するために、ボイド係数の負値で増大し
て、炉心安定性や過渡特性の余裕が減少したり、制御棒
価値の低下により炉停止余裕が減少して、原子炉の安全
性への影響がある。この高濃縮度化による中性子スペク
トル硬化の影響は、時に燃料の上端部で著しい。これは
、沸騰水型原子炉では、ボイド発生があるために、燃料
上部では減速材が少なく、もともと中性子スペクトルが
硬くなっているためである。

このような、中性子スペクトルの硬化を改善するために
は、減速材／燃料比（水素原子数と燃料原子数の比）を
大きくすることにより、減速材による熱中性子吸収を相
対的に増加させ、中性子スペクトルを軟化することが考
えられる。減速材／燃料比を大きくするためには、減速
材を増やす又は燃料を減らすのいずれかの方法をとれば
よい。

燃料上端での中性子スペクトル改善する方法として、燃
料上端部の燃料濃縮度を低くする、例えば天然ウランに
する技術が特開昭５４−１６２０８６号公報に記載され
ているが、この方法では、前述の炉停止余裕の改善の効
果はあるけれども、高燃焼度燃料使用の場合におけるも
う一つの問題である核分裂生成ガスの増加に対して解決
されるものではない。

減速材を増加して減速材／燃料比を増大する方法は、沸
騰水型原子炉用燃料集合体の軸方向出力分布の平坦化の
技術と関連して公知となっている例がある。例えば、特
開昭５２−５０４９８号公報では、長さの短い燃料棒を
燃料集合体の下部にのみ採用し、燃料上部の減速材／燃
料比を増大する技術が記載されているし、また、特開昭
５５−２６４３２号公報では、燃料棒の下部領域に燃料
を充填し、上部領域に減速材を充填した燃料棒を採用す
る技術の記憶があるが、いずれも、高燃焼度時における
核分裂生成ガスの増大の問題に対して技術的解決を与え
るものではない。この他、減速材を増加する方法として
は、燃料棒の配列を９行９列にすることが考えられるが
、圧力損失の増大により、冷却材の流動が不安定になる
という新たな問題が発生する。また、これらの方法は、
いずれも、最小限界出力比の低下に対する解決策とはな
らない。

〔発明の目的〕

本発明は、燃料上部での中性子スペクトルの硬化、それ
に伴う炉停止余裕の減少を防止し、しかも核分裂生成ガ
スの増加による燃料棒内圧の増大、最小限界出力比の低
下を防止して、燃料の高濃縮度化、高燃焼度化を図るこ
とのできる燃料集合体の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、燃料ペレットを内蔵する多数の燃料棒
を有する９行９列燃料集合体において、無限増倍率の高
い燃料棒は、無限増倍率の低い燃料棒の燃料有効長（燃
料ペレット部の長さ）より短い燃料有効長を有し、無限
増倍率の低い燃料棒の燃料被覆管の長さより短い燃料被
覆管長さを有し、且つ燃料有効長の減少分から燃料被覆
管の長さの減少分を差し引いた分だけ長いプレナム部を
有し、さらにこれら無限増倍率の高い燃料棒を燃料集合
体の外周部に配置したことにある。

無限増倍率の高い燃料棒が高濃縮度燃料棒であり、無限
増倍率の耐い燃料棒が低濃縮度燃料棒である燃料集合体
の場合には、該高濃縮度燃料棒には、該低濃縮度燃料棒
の燃料有効長より短い燃料有効長を有せしめ、該低濃縮
度燃料棒の燃料被覆管の長さより短い燃料被覆管長さを
有せしめ、且つ燃料有効果の減少分から燃料被覆管の長
さの減少分を差し引いた分だけ長いプレナム部を有せし
め、さらにこれら該高濃縮度燃料棒を燃料集合体の外周
部に配置させる。

これにより、燃料上部では、ウラン燃料量の減少、冷却
材流路面積の増大により、減速材／燃料比が増大して、
炉停止余裕が増大し、また、軸方向出力分布も平坦化さ
れ、高濃縮度燃料棒では。

燃料有効長の減少分から燃料被覆管の長さの減少分を差
し引いた分だけ、ガスプレナム部が増加するので、高燃
焼度時の核分裂生成ガス増加の問題が解決し、外周部に
燃料被覆管の長さの短い燃料棒が配置されているので、
最小限界出力比の発生する燃料上部の外周部に燃料がな
くなり最小限界出力比の低下の問題も解決し、冷却材流
路面積の増加により、圧力損失の増大の問題も解決でき
る。

燃料棒の有効長を無限増倍率によって異ならしめたのは
、無限増倍率が高いほど出力が大きく、核分裂生成物ガ
スが多く発生するので、燃料棒内圧増大の防止上より多
くのプレナム部を要するためである。高濃縮度燃料棒が
高い無限増倍率の燃料棒となっている場合には、燃料棒
の燃料濃縮度番ご依って燃料有効長を異ならしめること
となる。

□〔発明の実施例〕第１図に示した本発明実施例の燃料集合体では、第２図
に示す如き燃料有効長を異にする種類の燃料棒１００，
１０１，１０２が用いられている。

これら２種類の燃料棒の全長は従来の燃料棒と同じであ
るが、第１の燃料棒１００は従来の燃料棒と同じ燃料有
効長（燃料ペレット２１が充填されている長さ）Ｌｌを
持つのに対して、第２の燃料棒１０１はその燃料有効長
Ｌ２がＬｌより短かくなっており、第３の燃料棒１０２
は、その燃料有効長Ｌ８がＬ２よりも短かくなっている
。第１の燃料棒１．　ＯＯは、従来の燃料棒と同じ燃料
被覆管の長さであるのに対して、第２の燃料棒１０１は
その燃料被覆管長さが第１の燃料棒１００より短く、第
３の燃料棒１０２はその燃料被覆管長さが第２の燃料棒
１−０１より短くしである。さらに、第１の燃料棒１０
０は、従来の燃料棒と同じプレナム部長さＰｌを持つの
に対して、第２の燃料棒１０１はそのプレナム部長さＰ
２がＰｌより長くなっており、３の燃料棒］−０２はそ
のプレナム部長さＰ８がす” Ｐ２より長くなっている。また特に燃料有効長の短い第
２の燃料棒１０１の濃縮度を第１の燃料棒１００の濃縮
度よりも高くしである。さらに、第３の燃料棒１０２の
濃縮度を第２の燃料棒１０１の濃縮度よりも高くしであ
る。

第３図は、本実施例の燃料集合体の燃料棒配置を示す水
平断面図で、図中、燃料棒に付した数字・記号は燃料棒
番号を表わしている。第４図は、第３図に示した燃料集
合体を構成する各番号の燃料棒の濃縮度分布を示してい
る。燃料棒３１および燃料棒３２は、燃料棒有効長が短
く、燃料被覆管の長さが短く、プレナム部の長さが長い
前述の第３の燃料棒および第２の燃料棒である。燃料棒
３１の濃縮度ａ１は、燃料棒３２の濃縮度ｅ２．。

ｅｓよりも高く、燃料棒３２の濃縮度ｅ２．．ｅｓは、
燃料棒３３の濃縮度ｅ４よりも高い。なお、濃縮度はｅ
　ｓ＞　ｅ　２＞　ｅ　＞ａ＞　ｅ　ｔの関係を有する
ものとする。また濃縮度の高い燃料棒３１，３２が燃料
集合体の外周部に配置されており、濃縮度の低い燃料棒
３４が、燃料集合体の中央部に配置されており、このた
め、特開制５８−２６２９２号公報に記載の燃料集合体
のように、集合体内熱中性子束分布の改良により集合体
の無限増倍率が増大する効果が得られる。またこの燃料
集合体では、集合体外周部の高濃度燃料棒の出力が大き
くなり、核分裂生成ガスの発生が増大するが、燃料棒３
１，３２は、プレナム部の長さが長くなっているので、
ガス内圧が増加することはない。

第１２図は、本実施例に基づく燃料集合体の炉停止余裕
（図中のＡ）を、従来技術に基づく燃料集合体のそれ（
図中のＢ）と比較して示したものである。炉停止余裕と
いうのは、原子炉炉心に異常があった時に炉心に制御棒
を挿入して炉心を未臨界にできる能力を示す指標で、最
も制御棒価値の高い制御棒１本が万一炉心に挿入されな
くても］−％Δに以上の余裕を持って炉心を臨界未満に
できなければならない。従来技術に基づく燃料集合体に
おいて、燃料を高濃縮度化すると、中性子スペクトルの
硬化による制御棒価値の低下のために、第１２図中破線
Ｂで示すように炉停止余裕が約１％Δに程度になってし
まい、安全上の余裕が減少しているが、本発明に基づく
上記実施例では、燃料上部で燃料が減っていること及び
冷却材流路面積が増えていることにより、減速材／燃料
比が大きくなり、中性子スペクトルが軟化しているため
に、実線Ａで示すように、炉停止余裕が増大し、安全性
が確保される。

また、特に１本実施例において第２燃料棒１０１の燃料
有効長Ｌｘを第１の燃料棒１００の燃料有効長Ｌ１の約
３／４とし、第３の燃料棒の燃料有効長Ｌ８も第１の燃
料棒１００の燃料有効長Ｌ１の約３／４とした場合には
、燃料上端部の中性子スペクトルが軟化するために、出
力が増大し軸方向出力分布が平坦化される。第１３図は
、その効果を示したもので、破線Ｃで示される出力分布
は、従来技術に基づく燃料集合体のように全ての燃料棒
有効長が等しい場合のものであり、これに対しＹ、本発
明のように燃料有効長の異なる燃料棒を採用した場合に
は、実線りのように出力分布を平坦にすることが可能に
なる。

前述の実施例では、燃料有効長の異なる燃料棒の数を３
種類としたが、この数は、３種類に限られるものではな
く、さらに増やしてもよいし、減らしてもよい。第５図
は、本発明の別の実施例による燃料集合体を示し、本実
施例の燃料集合体の燃料棒は、第６図に示すように、燃
料棒濃縮度（ｅ工＞　ｅ　ｘ＞　ｅ　＞ｓ＞　ｅ　４）
ごとに、燃料有効長。

燃料被覆管長さ、およびプレナム部長さが異なっており
、濃縮度の高い燃料棒はど燃料有効長が短く、燃料被覆
管長さが短く、且つプレナム部長さが長くなっているの
が特徴である。

以上述べた実施例では、燃料棒有効長を燃料棒濃縮度に
より異ならしめているが、より一般的に云えば、これを
燃料棒の無限増倍率で異ならしめるのがよい。燃料棒の
有効長とプレナム部の長さは、プレナムガス内圧増加量
と限界出力比によって決定するのが望ましい。そのため
、無限増倍率の高い燃料棒は出力が高く、核分裂生成物
ガスを多く発生し、限界出力比が小さくなるので、ペレ
ット部を短くしプレナム部を短くしプレナム部を長くす
るとともに、限界出力比の小さい燃料ペレットは除去す
る必要があるからである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料上端の中性子スペクトルの硬化を
防ぐことができ、これにより、特に高濃縮度燃料で問題
となる炉停止余裕の低下を解決することができると同時
に、高燃焼度の場合に問題となる核分裂生成ガスによる
燃料棒内圧の増大。

最小限界出力比の低下を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である燃料集合体の一部破断
せる側断面図、第２図（ａ）、（ｂ）は第１図に示す燃
料集合体を構成する燃料棒の構造断面図、第３図は同実
施例の燃料集合体の燃料棒配置図、第４図は第３図にお
ける燃料棒の濃縮度分布図、第５図は本発明の他の実施
例である燃料集合体の燃料棒配置図、第６図は第５図に
おける燃料棒の濃縮度分布図、第７図は沸騰水型原子炉
に使用される従来例としての燃料集合体の一部破断せる
側断面図、第８図は第７図に示す燃料集合体を構成する
燃料棒の構造図、第９図は同じ〈従来例による燃料集合
体の燃料棒配置図、第１０図は第９図における燃料棒の
濃縮度分布図、第１１図は同じ〈従来例による燃料集合
体の第９図とは異なる燃料棒配置図、第１２図は第１図
ないし第４図に示す本発明実施例による燃料集合体と従
来例による燃料集合体のそれぞれの炉停止余裕の比較図
、第１３図は同じくそれぞれの軸方向出力分布の比較図
である６１０・・・チャンネルボックス、１１・・・下部タイプ
レート、１３・・・上部タイプレート、１４・・・ウォ
ータロッド、１５・・・スペーサ、１６・・・燃料棒、
１７・・・下部端栓、１８・・・上部端栓、１９・・・
制御棒、２０・・・被覆管、２１・・・ペレット、２２
・・・スプリング、２３・・・ゲッター、２４・・・プ
レナム、１００・・・第１の燃料棒、１０１・・・第２
の燃料棒、１０２・・・第３の燃料棒。

Claims

【特許請求の範囲】１、燃料ペレットを内蔵する複数の燃料棒を有する燃料
集合体において、燃料棒中に内蔵される燃料ペレット部
長さ（燃料有効長）と、燃料被覆管の長さが異なる複数
の燃料棒を有し、かつ無限増倍率の高い燃料棒の燃料有
効長は、無限増倍率の低い燃料棒の燃料有効長より短か
くし、無限増倍率の高い燃料棒のプレナム部の長さを無
限増倍率の低い燃料棒のプレナム部の長さより長くし、
さらに無限増倍率の高い燃料被覆管の長さを無限増倍率
の低い燃料棒の燃料被覆管の長さより短かくしたことを
特徴とする燃料集合体。２、前記高濃縮度燃料棒は燃料集合体の外周部に配置さ
れている特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。３、前記燃料有効長の短い燃料棒の燃料有効長は前記燃
料有効長の長い燃料棒のそれの約３／４である特許請求
の範囲第１項または、第２項記載の燃料集合体。