JPS623916B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉の炉心部構造に係り、特に沸騰
水型原子炉の炉心部構造の改良に関する。

従来の沸騰水型原子炉の炉心は、炉心の50％以
上の中央部の領域に初期装荷される燃料集合体が
すべて可燃性毒物のガドリニア（Gd₂O₃）入りの
平均濃縮度が高いものであるため、燃料の燃焼に
ともなう炉心余剰反応度の変化が大きく、そのた
め、余剰反応度を制御棒操作、炉心流量の調整に
よつて制御していた。ところで、制御棒によつて
余剰反応度を制御すると、出力ピーキングの急激
な変化を招き、それが燃料破損の原因になるとい
う心配があり、定格運転中の制御棒操作方法がき
びしく規制されている。このため、制御棒を操作
するときは、まず、炉心流量を調節して出力を定
格の20％程度まで低下させてから制御棒を操作
し、その後、再び炉心流量を調節して出力を回復
させるという手順を踏んでいた。したがつて、原
子力プラントの嫁動率が低下し、プラントの有効
利用の点から問題になつていた。

本発明は上記に鑑みてなされてものであつて、
その目的とするところは、炉心余剰反応度の変化
を減少させて制御棒操作を節減してプラントの嫁
動率を向上させ、さらに、燃料経済性を改善する
ことができる原子炉の炉心部構造を提供すること
にある。

本発明の第１の特徴は、炉心の50％以上の中央
部の領域に装荷される燃料集合体のうちの隣接す
る４体の燃料集合体を燃料交換の１単位と定め、
初期装荷時における各単位の燃料集合体の構成を
１体は可燃性毒物入りの燃料集合体とし、残りの
３体は可燃性毒物を含まない燃料集合体とした点
にある。第２の特徴は、さらに、燃料交換サイク
ル毎に上記の可燃性毒物を含まない燃料集合体を
１体づつ上記の可燃性毒物入りの燃料集合体と同
一の燃料集合体と順次取り替える手段を設けた点
にある。

まず、実施例の説明をする前に第１図ないし第
５図を用いて、本発明を総括的に説明する。

沸騰水型原子炉においては、可燃性毒物（以
下、ガドリニアを例に説明する）を含有する燃料
棒を有するガドリニア入りの燃料集合体を使用す
ることにより、燃料装荷後の一定期間の間、炉心
余剰反応度を規定値に保持する設計になつてい
る。

第１図はガドリニアを含有する燃料の無限大中
性子増倍率Ｋ_∞特性図で、横軸を炉心平均燃焼度
と比例関係にある燃料の炉心滞存サイクル数、縦
軸を炉心の反応度を表わすパラメータである無限
大中性子増倍率Ｋ_∞として示してある。ガドリニ
アを含有する燃料は、装荷後の最初のサイクルに
おいては、可燃性毒物であるガドリニアが燃焼す
ることによつて反応後の増加が顕著であり、図に
示すように、1GWd／stの燃焼度当り約３％の割
合でＫ_∞が上昇する。また、ガドリニアを含有す
る燃料のガドリニアの含有量を４サイクルの燃料
炉内滞在期間の１サイクル目でほぼ燃焼するよう
にした場合は、２サイクル以降においては、核分
裂物質の燃焼により反応度が単調に低下する。こ
のとき、Ｋ_∞は燃料濃縮度にあまり依存せず、図
に示すように1GWd／stの燃焼度当りの約１％の
割合で減少する。

第２図はガドリニアなしの燃料のＫ_∞特性図
で、この場合は、４サイクルの炉内滞在期間を通
じてＫ_∞が単調に減少し、Ｋ_∞の減少の割合は、
燃料濃縮度にあまり依存せず、1GWd／stの燃焼
度当り１％程度の割合で減少する。これは、ガド
リニアを含有する燃料のガドリニアが燃焼しきつ
た後のＫ_∞の減少率と同じである。

したがつて、燃料交換の単位となる４体の燃料
集合体の中の１体をガドリニア入りの燃料集合体
とし、残りの３体をガドリニアなしの燃料集合体
とし、これを炉心に装荷したとすると、１体のガ
ドリニア入りの燃料集合体は1GWd／stの燃焼度
当り約３％の割合でＫ_∞が増加し、他の３体のガ
ドリニアなしの燃料集合体は、それぞれ1GWd／
stの燃焼度当りの約１％の割合でＫ_∞が減少する
から、全体としては燃焼によつてＫ_∞があまり変
化せず、燃料交換の１単位当りの炉心余剰反応度
は、第３図に示すように、最初の第１サイクルを
通してほぼ一定になるはずである。

そこで、本発明においては、沸騰水型原子炉の
炉心の50％以上の中央部領域に装荷する燃料集合
体は、隣接する４体の燃料集合体を１つの燃料交
換単位とし、燃料交換サイクル毎に順次１体づつ
燃料集合体を取り替えるようにし、かつ、初期装
荷時においては、各燃料交換単位の４体の燃料集
合体のうち１体はガドリニア入りの燃料集合体と
し、残りの３体はガドリニアなしの燃料集合体と
し、燃料交換サイクル毎にガドリニアなしの燃料
集合体を１体づつ初期装荷時のガドリニア入りの
燃料集合体と同じ取替用燃料集合体と取り替える
ようにした。したがつて、３サイクル後には各単
位の４体の燃料集合体がすべて取替用燃料集合体
に置きかえられることになる。

これに対し、従来は、初期装荷時に４体とも取
替用燃料集合体と燃料濃縮度が異なるガドリニア
入り燃料集合体（ガドリニアの量も異なる。）と
しているので、この場合は、初期装荷燃料集合体
がすべて取替用燃料集合体に置きかえられるのに
４サイクルを必要とする。

なお、本発明のように、初期装荷時から取替用
燃料集合体と同じガドリニア入りの燃料集合体が
含まれている場合は、第１サイクルから次の燃料
交換サイクルへの移行がスムーズとなり、また、
第１サイクルにおける炉心特性は次のサイクルに
おける炉心特性に近いものとなる。すなわち、第
１サイクルにおける炉心余剰反応度が安定化し、
また、第２サイクル以降でも、炉心燃料の燃焼に
ともなうＫ_∞の増加、減少が全体として打ち消し
合い、炉心余剰反応度の変化が小さくなる。ま
た、初期装荷時にガドリニアにより余剰反応度を
抑える必要がないから、燃料濃縮度の低い燃料を
使用することができる。以下これらについて詳細
に説明する。

第４図は第１サイクル時における無限大中性子
増倍率Ｋ_∞特性図で、従来のようにガドリニア入
りの初期装荷用燃料集合体のみとした場合は、図
の１に示すように、途中で極大値を示すよう変化
するが、本発明のように、各燃料交換単位の４体
のうち１体をガドリニア入りの燃料集合体とし、
他の３体をガドリニアなしの初期装荷用燃料集合
体とした場合は、ガドリニア入りの燃料集合体に
ついては図の２で示す特性となり、ガドリニアな
しの初期装荷用燃料集合体については図に３で示
す特性となる。

したがつて、第４図の１の特性を示すガドリニ
ア入りの初期装荷用燃料集合体のみによつて炉心
の50％以上の中央部領域を構成すると、炉心余剰
反応度の変化は第５図６に示すようになる。そこ
で、従来は、この余剰反応度の変化を制御棒操作
によつて補償していた。これに対し、本発明のよ
うに、第４図の２の特性を示すガドリニア入りの
燃料集合体１体に体し、第４図の３の特性を示す
ガドリニアなしの初期装荷用燃料集合体３体の割
合で炉心の50％以上の中央部領域を構成すると、
余剰反応度は、第５図７に示すように期間中ほぼ
一定となる。したがつて、余剰反応度を一定にす
るため、制御棒操作を行う必要がなくなり、原子
力プラントの嫁動率を向上することができる。

また、確保すべき最小の炉心余剰反応度は、原
子炉の運転上の制約からあらかじめ決められてい
るが、通常の設計においては、燃焼期間中を通し
て、この決められた値以上の余剰反応度となるよ
う燃料濃縮度を決定し、さらに、余分の余剰反応
度を打ち消すように制御棒挿入量を決定してい
る。

これに対し、本発明による沸騰水型原子炉で
は、第４図２，３に示す特性の２種類の燃料集合
体を１：３の割合にして初期装荷をしているか
ら、炉心の余剰反応度を維持するのに必要なガド
リニアなしの初期装荷用燃料集合体の平均燃料濃
縮度は、従来は第４図の４で示すＫ_∞の値に対応
する高い平均燃料濃縮度のものを必要としていた
が、それが第４図の５で示すＫ_∞の値に対応する
低い平均燃料濃縮度のものでよいことになり、そ
れだけ平均燃料濃縮度を小さくすることができ
る。なお、一般に燃料棒は低い燃料濃縮度の燃料
棒ほど安価に製作できるから、燃料経済性が向上
する。

なお、４体の燃料集合体を燃料交換の単位とす
るのは、炉心中央部の出力の高い部分では、燃料
濃縮度の面より燃料の炉内滞在は、１サイクルを
１年として４サイクルで全部の燃料を取り替え得
るようにしておくのが適当だからである。また、
隣接した４体の燃料集合体を１つの燃料交換の単
位とするのは、炉心の対称性および均質性を維持
するためである。また、炉心の50％以上の中央部
領域の燃料集合体のみに限定したのは、第１に炉
心に占める割々が小さいと十分効果を発揮でき
ず、第２に炉心周辺部では出力が低く、１サイク
ルを１年としたときに、５サイクル以上燃料集合
体の炉内滞在が可能であり、隣接した４体を単位
として考えなくともよいからである。

次に第６図、第８図、第１０図ないし第１２図
に示した実施例および第７図、第９図、第１３図
を用いて本発明をさらに詳細に説明する。

ただし、本発明が適用される沸騰水型原子炉が
定格電気出力1100MWeであつて、炉心は764体の
燃料集合体から構成されていて、燃料集合体は、
１体につき、高さ146インチの燃料棒が62本、水
ロツドが２本納められているものについて説明す
る。

第６図はガドリニア入りの取替用燃料集合体の
一実施例を示す構成図で、初期装荷時のガドリニ
ア入りの燃料集合体もこれと同じになつている。
第６図において、ａは断面図、ｂはそれぞれの燃
料棒および水ロツドを示しており、８〜１２はそ
れぞれ燃料濃縮度3.7％、3.4％、2.4％、2.0％、
1.6％の燃料棒、１３は燃料濃縮度2.4％、ガドリ
ニア濃度3.5％の燃料棒、１４は水ロツドで、燃
料集合体としての平均燃料濃縮度は2.77％になつ
ていて、これらがチヤンネルボツクス１５内に収
納されている。

第７図は第６図の取替用燃料集合体の燃焼度と
無限大中性子増倍率Ｋ_∞との関係線図で、冷却材
のボイド率40％の場合の計算結果を示してある。
第７図に示すよう、最初のうちは燃焼とともに可
燃性毒物であるガドリニアが減少するため、Ｋ_∞
は単調に増加し、燃焼度が約6GWd／stになると
Ｋ_∞の上昇傾向が緩慢となり、約8GWd／stから
はＫ_∞が単調に減少することになる。燃焼ととも
にＫ_∞が増加するときのＫ_∞の変化率は、
1GWd／s.t当り約3.5％でＫ_∞が減少するときの
Ｋ_∞の変化率は、1GWd／st当り約1.1％である。
なお、この例では、燃焼度約6.2GWd／stが第１
図の１サイクルに相当している。

第８図はガドリニアなしの初期装荷用燃料集合
体の一実施例を示す構成図で、第８図において、
ａは断面図、ｂはそれぞれの燃料棒および水ロツ
ドを示しており、１６〜１８はそれぞれ燃料濃縮
度1.7％、1.4％、1.1％の燃料棒、１４は水ロツド
で、燃料集合体としての平均燃料濃縮度は1.15％
になつていて、これらがチヤンネルボツクス１５
内に収納されている。

第９図は第８図の初期装荷用燃料集合体の燃焼
度と無限大中性子増倍率Ｋ_∞との関係線図で、こ
の燃料集合体はガドリニアを含有していないの
で、燃焼とともにＫ_∞が単調に減少する。なお、
Ｋ_∞の減少率は1GWd／st当り約1.1である。

第１０図は隣接する４体の燃料集合体からなる
燃料交換単位の初期装荷時における一実施例を示
す構成図である。第１０図において、２１〜２３
は第８図に示すガドリニアなしの初期装荷用燃料
集合体、２４は第６図に示すガドリニア入りの取
替用燃料集合体と同じ燃料集合体である。第２サ
イクルの初めには、２１の燃料集合体を第６図の
取替用燃料集合体に取り替え、第３サイクルの初
めには２２の燃料集合体を、第４サイクルの初め
には２３の燃料集合体をそれぞれ第６図の取替用
燃料集合体に取り替える。したがつて、第４サイ
クル時には、４体ともガドリニア入りの取替用燃
料集合体となる。なお、燃料集合体を上記した順
序で順次取り替える手段については図示を省略し
てあるが、従来から使用されている手段をそのま
ま流用するようにすればよい。

第１１図、第１２図は沸騰水型原子炉の初期装
荷炉心の構成の一実施例を示す断面図で、第１１
図は右側半分、第１２図は左側半分を示してあ
る。第１１図、第１２図において、２１〜２３は
第１０図と同じ初期装荷用燃料集合体、２４は取
替用燃料集合体である。２５は相対的に出力の低
い炉心周辺部におかれた初期装荷用燃料集合体で
あつて、炉内に５サイクル以上滞在するものであ
る。なお、第１１図、第１２図に示す実施例で
は、２１〜２４の燃料集合体からなる燃料交換の
単位は、炉心の周辺部を除く領域に配置されてい
るが、一般に少なくとも全体の50％以上にあたる
炉心中央部に配置することが好ましい。

第１３図は初期装荷時における炉心構成が第１
１図、第１２図に示すようになつている場合の燃
焼度と実効中性子増倍率Ｋ_effとの関係線図で、
炉心余剰反応度の変動幅を評価するため、炉心内
に一定本数の制御棒を挿入したままの状態で炉心
に燃焼させた場合の計算結果である。これより第
１サイクルを通じてＫ_effの変動を±0.8％程度に
押えられていることがわかる。これは、本発明に
より、初期装荷時における炉心余剰反応度の燃焼
に伴う変化が小さく、安定化されることを示して
いる。

上記したように、本発明の実施例によれば、初
期装荷時における炉心中央部の燃料集合体が、各
燃料交換単位毎に１体をガドリニア入りの取替用
燃料体と同一の燃料集合体とし、残り３体をガド
リニアなしの初期装荷用燃料集合体としてあるの
で、第１サイクル時における炉心余剰反応度の燃
焼に伴う変化が小さく、そのため、炉心余剰反応
度をほぼ一定値に保持するための制御棒操作を行
う必要がなくなり、制御棒操作を節減してプラン
トの嫁動率を向上させることができる。また、燃
料交換サイクル毎に各燃料交換単位の残り３体の
ガドリニアなしの初期装荷用燃料集合体を１体づ
つガドリニア入りの燃料集合体と同一の取替用燃
料集合体と順次取り替えるようにしたので、その
後の第２、第３、第４サイクルにおいても同様で
ある。また、本実施例によれば、規定の炉心余剰
反応度を維持するために必要なガドリニアなしの
初期装荷用燃料集合体の平均燃料濃縮度をガドリ
ニア入りの燃料集合体の平均燃料濃縮度より低く
することができ、燃料経済性の向上をはかること
ができる。

以上説明したように、本発明によれば、炉心余
剰反応度の変化が減少するので、制御棒操作が節
減され、プラントの嫁動率を向上させることがで
き、また、可燃性毒物を含まない初期装荷用燃料
集合体として平均燃料濃縮度の低いものを使用で
きるから燃料経済性を向上できるという顕著な効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はガドリニア入りの燃料の無限大中性子
増倍率特性概念図、第２図はガドリニアないし燃
料の無限大中性子増倍率特性概念図、第３図は燃
焼に伴う炉心余剰反応度の変化を示す概念図、第
４図は各種の燃料集合体の無限大中性子増倍率特
性比較説明図、第５図は従来の沸騰水型原子炉の
初期装荷炉心と本発明による沸騰水型原子炉の初
期装荷炉心との炉心余剰反応度の変化の比較を示
す概念図、第６図は本発明で使用するガドリニア
入りの取替用燃料集合体の一実施例を示す構成
図、第７図は第６図の取替用燃料集合体の燃焼度
と無限大中性子増倍率との関係線図、第８図は本
発明で使用するガドリニアなしの初期装荷燃料集
合体の一実施例を示す構成図、第９図は第８図の
初期装荷燃料集合体の燃焼度と無限大中性子増倍
率との関係線図、第１０図は本発明における隣接
する４体の燃料集合体からなる燃料交換単位の初
期装荷時における一実施例を示す構成図、第１１
図、第１２図は沸騰水型原子炉の初期装荷炉心の
構成の一実施例を示す断面図で、第１１図は右側
半分、第１２図は左側半分を示す図、第１３図は
初期装荷時における炉心構成が第１１図、第１２
図に示すようになつている場合の第１サイクルに
おける燃焼度と実効中性子増倍率との関係線図で
ある。 ８〜12……燃料棒、１３……ガドリニア入りの
燃料棒、１４……水ロツド、１５……チヤンネル
ボツクス、１６〜１８……燃料棒、２１〜２３…
…ガドリニアなしの初期装置用燃料集合体、２４
……ガドリニア入りの取替用燃料集合体と同じ燃
料集合体、２５……炉心周辺部の燃料集合体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉心の少なくとも50％以上にあたる中央部の
   領域に装荷される燃料集合体のうちの隣接する４
   体の燃料集合体を燃料交換の１単位と定め、燃料
   交換サイクル毎に各々の前記単位の燃料集合体を
   順次１体づつ取り替えるようにしてなる原子炉に
   おいて、初期装荷時における前記単位を構成する
   燃料集合体のうち、１体は可燃性毒物入りの燃料
   集合体であり、しかも残りの３体は可燃性毒物を
   含まない燃料集合体であることを特徴とする原子
   炉の炉心部構造。 ２ 可燃性毒物を含まない燃料集合体３体のそれ
   ぞれの平均燃料濃縮度を可燃性毒物入りの燃料集
   合体の平均燃料濃縮度より低くしてある特許請求
   の範囲第１項記載の原子炉の炉心部構造。 ３ 炉心の50％以上にあたる中央部の領域に装荷
   される燃料集合体のうちの隣接する４体の燃料集
   合体を燃料交換の１単位と定め、燃料交換サイク
   ル毎に各々の前記単位の燃料集合体を順次１体づ
   つ取り替えるようにしてなる原子炉において、初
   期装荷時における前記単位を構成する燃料集合体
   のうち、１体は可燃性毒物入りの燃料集合体であ
   り、しかも残りの３体は可燃性毒物を含まない燃
   料集合体であり、前記燃料交換サイクル毎に前記
   可燃性毒物を含まない燃料集合体を１体づつ前記
   可燃性毒物入りの燃料集合体と同一の燃料集合体
   と順次取り替える手段を備えていることを特徴と
   する原子炉の炉心部構造。