JPS62259086A - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、燃料集合体に係り、特に原子燃料資源の有効
利用に好適な炉心及び燃料集合体に関する。

［従来の技術］ ウラン資源の有効利用の観点から、ウラン２３８から核
分裂物質（プルトニウム２３９）への転換を良くした原
子炉で、稠密格子構造を用いた原子炉が、ニュークリア
チクノロシイ　（ＮｕｃｌｃａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
）　、１」、２１２（１９８２）におけるオルデコップ
（Ｏ１ｄｅｋｏｐ）らによるジェネラル　フィーチュア
　オブ　アドバンスト　プレッシアーライズド　ウォー
ター　リアクターズ　ウィズ　インブルーブト　フュー
エル　ユテイライゼーションてＧ　ｅｎｅｒａｌ　　ｆ
ｅａｔｕｒｅｓ　　ｏｆ　　ａｄｖａｎｃｅｄｐｒｅｓ
ｓｕｒｉｚｅｄ　　　ｗａｔｅｒ　　　ｒｅａｃｔｏｒ
ｓ　　　ｖｉｔ、ｈ　　　ｉｍｐｒｏｖｅｄ１’Ｈ６１
ｕｔ、ｉｌｉ翫ａｔｉｏｎ　）と題する文献で示されて
いる。上記文献での原子炉は加圧木型原子炉での技術で
あり、これを沸騰水型原子炉に適用するには、種々の技
術課題を解決する必要がある１例えば。

現在の沸騰水型原子炉では十字型の制御棒が炉心下部よ
り挿入されるのに対して、上記文献では。

径の細い制御棒が炉心上部より挿入されるも・のであり
、沸騰水型原子炉において上記制御棒が炉心上部より挿
入可能となる原子炉内機器の構成が必要である。

これについては、特開昭５９−８４１９２号公報におい
て１Ｍ子炉圧力容器内の気水分離器及び蒸気乾燥器を外
周部に配置することで制御棒駆動が炉心上部により可能
となる構成が示されている。

以上のように、これらの公知例では、沸騰水型原子炉を
高転換型へ変更する際に、大巾な設計変更を必要として
いる。

［発明が解決しようとする問題点］ 原子炉の炉心で発生する中性子は、核分裂性のウラン２
３５に吸収されて、核分裂を引き起こす他に、ウラン元
素の大部分を占めるウラン２３８にも吸収される。ウラ
ン２３８は核分裂性でないために、核分裂を直接に引き
起こすことはないが中性子を吸収すると核分裂性のプル
トニウム２３９に変換される。このウラン２３８のよう
に中性子を吸収して核分裂性物質を作り出す物質は親物
質と呼ばれ、親物質により核分裂性燃料物質を作す出す
過程は、転換と呼ばれる。

そこで、転換比（ＣＲ）を次のように定義する。

転換がある場合には、原子炉運転中に燃料の原子がＮ個
消費されると、ＣＲ−Ｎ個の新しい核分裂性核種の原子
が生み出されることになる。

一般に軽水炉では、この転換比は０．６程度あるが、二
バより幾分高い転換比０．８〜１．０の原子炉は転換炉
と呼ばれる。

転換比を高めることは、そのままでは核分裂を引き起こ
さないウラン２３８を核分裂性のプルトニウムに変える
比率が大きくなるため、ウラン資源の有効利用が図れる
と共に、燃料費の低減に有効である。

炉心内におけるプルトニウム生成量を増大させるには、
ウラン２３８の中性子吸収が比較的エネルギーの高い中
性子により引き起こされる（共鳴捕獲吸収）ことから、
炉心の中性子エネルギスペクトルを高エネルギ側にシフ
トすることにより達成可能である。このためには、中性
子減速効果の大きい水素原子と燃料であるウラン原子の
原子数比（Ｈ／Ｕ比）を小さくする必要がある。

一方、上記のように原子炉内で生成されたプルトニウム
２３９をできるだけ効率良く燃し切る必要がある。この
ためには、中性子の減速を良くして熱中性子の割合を多
くすることにより核分裂性物質への吸収率を大きくすれ
ば良い。

これは、Ｈ／Ｕ比を、転換の場合とは逆に、大きくする
ことにより実現される。

尚２以上に示した核分裂性元素への転換は、プルトニウ
ムが装荷された燃料の場合、プルトニウム２４０の中性
子吸収によるプルトニウム２４１の生成によっても起こ
るため、以下では、水素原子と燃料原子の原子数比をＨ
／ＨＭ　（燃料重金属）により表わす。

水素原子と燃料原子の原子数比（Ｈ／ＨＭ比）を変えて
、転換比の向上、核分裂性物質の有効燃焼を図るために
は１次の方法がある。　゛転換比を向上させるためにＨ
／ＨＭ比を小さくする方法として、燃料棒間隔を狭くし
た稠密格子の採用がある。この場合、燃料棒間の間隙を
一定値以上確保し、かつ、Ｈ／　ＨＭ比を低下させるた
めには、三角形格子の燃料棒配列が有利である。

このような燃料棒配列の場合、燃料集合体形状も六角形
にすることが考えられるが、この場合には。

十字形の制御棒を用いることができない。

本発明の目的は、三角形格子の燃料棒配列の燃料集合体
にて、現行沸騰水型原子炉において特徴的な十字形の制
御棒を用いることが可能な燃料集合体形状を提供し、従
来の沸騰水型原子炉の制御棒構造等炉内構造を大巾に変
更することなく、高転換炉を実現することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記の目的は、チャンネルボックスの水平断面形状は正
方形で、かつ前記燃料棒の配列を三角形格子状とし、燃
料棒配列行数をＮ、配列列数をＭとする（Ｎ、Ｍは整数
）とき１Ｍの値は、０６８７Ｎに最も近い整数になるこ
とによって達成できる。

［作用］ この結果、正方形のチャンネルボックス内に燃料棒を三
角形格子の形状で無駄なく配置することができ、三角形
格子の稠密化によりＨ／ＨＭ比を高めて転換比を高くす
ることができる。また、正方形チャンネルボックスは、
十字型制御棒の上下方向移動時の案内の役目をはたす。

又、燃料集合体間の水ギヤツプ部を有効に活用するため
に、燃料の燃焼の前期（又は、運転サイクルの前期）に
おいては、燃料集合体間の水ギヤツプ部に中性子吸収の
小さい物質により構成された制御棒フォロワを挿入し、
Ｈ／ＨＭ比を低下させ転換比を増大させ、核分裂物質の
蓄積を計った後、燃料燃焼の後期（又は、運転サイクル
の後期）においては、制御棒フォロワを引き抜き、Ｈ／
ＨＭ比を増加させ、中性子の減速を良くすることにより
炉心の反応度を高め、燃料の有効な燃焼を計ることがで
きる。

［実施例］ 以下、沸騰水型原子炉に適用した本発明の燃料集合体の
一実施例を第１図及び第２図により説明する。

第１図は、本実施例の燃料集合体の水平断面を示したも
のである。この燃料集合体８を沸騰水型窩転換炉の炉心
に装荷して構成される本単位正方格子セルは、多数の燃
料棒１及びチャンネルボックス２からなる燃料集合体８
と、隣接する燃料集合体８相互間の水ギヤツプ部７より
構成される。

水ギヤツプ部７には、ホロア付制御捧３が挿入される。

本実施例の燃料集合体８は、チャンネルボックス２が正
方形状であり、チャンネルボックス２内の燃料棒ｌの配
列が正三角形格子であり、稠密格子となっている。さら
に、燃料集合体８相互間の水ギヤツプ部７には、十字形
状のホロワ付制御棒３が単位正方格子セルと同一のピッ
チで出し入れされる（これをに格子と呼ぶ）ことである
。

各燃料棒１の燃料濃縮度又は富化度を一様とすると燃料
集合体周辺部の燃料棒の出力が高くなり。

乃所出カビーキング係数が大きくなるため、燃料集合体
８の中央領域の燃料棒ＩＡと周辺領域の燃料棒ＩＢに分
け、中央領域の燃料棒ＩＡは大径で高濃縮度、又は高富
化度燃料棒を採用し１周辺領域の燃料棒ＩＢは、細径で
低濃縮度又は低富化度燃料棒を用いている。

燃料集合体８のチャンネルボックス２の一辺の長さは、
従来の燃料集合体のチャンネルボックスノー辺の長さの
５倍となっており、燃料集合体もそれだけ大きくなって
いる。

単位格子セルの寸法としては、転換比を高めるために燃
料集合体８を大きくすることが望ましいが、従来の沸騰
水型原子炉の制御棒のピッチを変えないことが、炉内構
造物の改造を最小にする観点からは望ましい、このため
、燃料集合体８を装荷した炉心内における第２図に示す
制御棒の配列ピッチＰは、従来の沸騰水型原子炉の制御
棒軸の配列ピッチと同じであって、十字型制御棒３のブ
レードの角度を従来に比べて４５°回転させている。特
願昭６０−１４２４６５号明細ＩＦ６頁７行から８頁１
３行及び第１図に詳細が示されている。

特願昭６０−１４２４６５号の第１図に示す燃料集合体
５を、本実施例の燃料集合体８に交換した構造が、本実
施例の燃料集合体８を装荷した炉心構造である。このよ
うに構成されるに格子配列を前述の単位正方格子セルと
している。これによって、制御棒の配列ピッチ等炉内構
造物の大ｒＩＪ改造をせずに前述のように燃料集合体８
を大きくすることができる。

従来の沸騰水型原子炉で用いられている制御棒と同様な
十字型制御棒を沸騰水型窩転換炉で用いるためには、制
御棒移動時の案内となるチャンネルボックスが必要であ
り、この形状は制御棒に合せると断面の縦横方向の長さ
が等しい正方形がよい。一方燃料捧の配列は、前述のよ
うに正三角形格子とする必要があるため、縦横の燃料棒
配列数を工夫した。

従来のように、正方格子に配列された燃料棒を正方形の
チャンネルボックス内におさめるためには、縦横の燃料
棒の配列ピッチを等しくすればよいが１本実施例では第
３図に示すように三角形格子に燃料棒が配列され、縦方
向の燃料棒の配列ピッチをａとするときには、横方向の
燃料棒の配列ピッチは、 となる。従って、本実施例における縦横の燃料棒配列数
の比をほぼ１対０．８７となる整数比にして、燃料棒配
列の形状をほぼ正方形にしている。

正方形のチャンネルボックス内に燃料棒を三角形子の形
状で無駄なく配置することができる。

従来の燃料集合体の外寸は１３．７ｃｍ〜１３゜９ｃｍ
であるのに対して、本発明の正方格子の外寸は約２０．
７ｃｍで約１．５倍の大きさとなっている。チャンネル
ボックスの肉厚は約３　ｍ　ｍであるため、チャンネル
ボックスの内幅は約２０゜１ｃｍとなる。この中に直径
約１１．４ｍｍの燃料棒を約２ｍｍの間隙で並べること
を考えると最大１５列並べることができる。従って行の
数は１５÷０．８７＝１７．２ より１７行としている。

このような行列数を選択することにより、燃料配列形状
を三角格子形状としたままで、正方形のチャンネルボッ
クス内に燃料をおさめることが可能となる。

第４図は、十字型ホロワ付制御棒３の操作を示したもの
である。ホロワ付制御棒３は、中性子吸収材領域３Ａと
ホロワ部３Ｂを有している。中性子吸収材領域３ＡはＢ
、Ｃが充填され、ホロワ部３Ｂは中性子を吸収しにくい
材質、例えばジルコニウム合金にて構成される。中性子
吸収材領域３Ａ及びホロワ部３Ｂの軸方向長さは、燃料
集合体８の燃料棒１の軸方向長さに等しい。ホロワ付制
御棒３は炉心下方に位置する制御棒駆動装置の上端部に
接続される。第４図に示す原子炉停止時には燃料棒１に
隣接する位置に中性子吸収材領域３Ａが来るが、第４図
（Ｂ）の燃料サイクル前半の高転換運転時にはホロワ部
３Ｂが来るようにし、又第４図（Ｃ）に示す燃料サイク
ル後半のバーナ運転時には、中性子吸収材領域３Ａ及び
ホロワ部３Ｂが燃料集合体８間から引き抜かれるように
する。

以下に、本実施例による核的特性について示す。

第５図は、平均転換比とＨ／　ＨＭ比の関係を示したも
のであるが、本の実施例では、Ｈ／ＨＭの原子数比は０
．８程度であり、約０．８の平均転換比が達成される。

ここで平均転換比の定義は次の通りである。

平均転換比＝（取出時の核分裂物質量）／（装荷時の核
分裂物質量） 第６図は、燃料集合体８の無限増倍率（ｋｃｘ３）の燃
焼変化を示したものであり、燃料サイクル長さを１０Ｇ
Ｗｄ／ｌとし、燃料サイクル前半に炉心部にホロワ部を
挿入し、サイクル後半に炉心部からホロワ部３Ｂを引き
抜いている。

第７図は、第６図に基づいた炉心反応度のサイクル燃焼
度変化を示しており、燃料サイクル初期（ＢＯＣ）には
ホロワ部３Ｂの全挿入により臨界となり、燃料サイクル
末期（ＥＯＣ）にはホロワ部３Ｂの全引抜により臨界と
なることを示している。即ち、ＢＯＣで全挿入されてい
たホロワ部３Ｂは、燃焼と共に徐々に引抜か九ＥＯＣに
全引抜されることになる。

［Ｊ！明の効果］ 本発明によれば、従来の沸騰水型原子炉における制御棒
構造等炉内構造を大巾に変更することなく、三角格子の
燃料棒配列を正方形のチャンネルボックス内におさめ、
Ｈ／　ＨＭを高くしたことにより、平均転換比０．８程
度の高転換沸騰水炉に適した燃料集合体を実現できる。

又、本燃料集合体を十字型のホロワ付き制御棒と合せて
使用し、運転期間の前半は制御棒のホロワ部を炉心に挿
入し、運転期間の後半は、これを引き抜くことにより、
核燃料物質を有効に燃焼することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本几明の一実施例である燃料集合体の水平断
面図、第２図は、第１図の燃料集合体を装荷した沸騰水
型窩転換炉の炉心の局部平面図、第３図は、第１図の燃
料集合体の燃料棒の配列ピッチを示す説明図、第４図は
、十字型ホロワ付制御棒操作の説明図、第５図は、平均
転換比とＨ／ＨＭの原子数比の関係を示した特性図、第
６図は、第１図の燃料集合体の無限増倍率の燃料変化を
示した特性図、第７図は、炉心反応度のサイクル燃焼変
化を示した特性図である。 第Ｚｍ 第４０ ￥５図 Ｈ／ＨＭ北 第６図 Ｘ鯨ｆ＝）集合体だｘ発ル（Ｇｌ／ｖ’、ｄ／τ）○

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料物質を含む複数の燃料棒と、燃料棒を上端部
   、下端部でそれぞれ支持する上部タイプレート、及び下
   部タイプレートと、前記燃料棒の相互間を支持するスペ
   ーサと、前記燃料棒の束を取囲むチャンネルボックスで
   構成された燃料集合体において、チャンネルボックスの
   水平断面形状は正方形で、かつ前記燃料棒の配列を三角
   形格子状とし、燃料棒配列行数をＮ、配列列数をＭとす
   る（Ｎ、Ｍは整数）とき、Ｍの値は、０．８７Ｎに最も
   近い整数であることを特徴とする燃料集合体。 ２、前記燃料棒配列が１７行１５列である特許請求の範
   囲第１項記載の燃料集合体。