JPS63127190A - 原子炉燃料集合体 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は原子炉に装荷される燃料集合体に関する。

（従来の技術） 第８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９
図は、前記燃料集合体を構成する燃料棒１１の構造を示
している。

図中燃料棒１１は濃縮ウランの酸化物をセラミックにし
たベレット１２を被覆管１３の中に充填し、これをスプ
リング１４及びゲッター１５で保持し、上部端栓１６と
下部端栓１７を被覆管１３に溶接して密封し、内部にヘ
リウムを満たした構造をしている。図中、１８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１１および水ロッド２１を
８行８列の格子状に配置して、上部タイプレート２２．
下部タイプレート２３及びスペーサ２４で固定し、その
外側をチャンネルボックス２５で囲んだ構造をしている
。

第１Ｏ図ａは、第８図の１−１線に沿う断面図を示した
もので、前述のように、内部にウランを°含む燃料棒１
１　（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２１が８×８の格子状に規則正しく並べられている
。なお、２６は〃１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。′ａ縮度の分布の方法は、燃料集合体の設計
目的により異なる６例えば第１０図すに示すように（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
。以下同様）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４９３．４を配置する方法が知られ
ている。

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ニア（Ｇｄ
２０ｚ）が数％含まれているのが普通で、第１Ｏ図ａに
示した倒ではＧ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
燃料集合体と交替される。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
硬化によっておこる、炉停止余裕の減少およびボイド係
数絶対値の増加である。

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）へめ吸収
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、ボイド係数は負
の方向に増大して、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、特に燃料の上部で著
しい、これは、沸騰水型原子炉では、ボイド発生がある
ため、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
材を増やすか又は燃料を減らすかのいずれかの方法をと
ればよｔ）。

たとえば、比較的容易な手段として燃料集合体上部で燃
料棒内に封入されている燃料ペレットを減らすことによ
って、減速材／燃料比を高めて炉停止余裕を増す等ある
程度核特性を改善できるが。

燃料ハードは不変であり、熱水力特性は特に改善されな
い。もし、燃料ハードも変えて冷却材の圧損を小さくす
ることができれば、熱水力特性も改善されて前記炉心安
定性や過渡特性の余裕の減少を効果的に押えることが可
能となる。燃料集合体のハードを変えた公知例としては
、たとえば上方に向かって拡大す゛る形状の水棒と短尺
型燃料棒を燃料集合体下部に配置したもの（特開昭５２
−５０４９８号）がある、このような設計を採用した場
合、上記の目的はある程度は達成される。しかし、燃料
集合体軸方向でみたとき出力の高い中央部でも燃料が減
っているため、燃焼に伴う核分裂性物質の減損も大きく
、その分反応度は低下するので、燃焼が進むに従って、
出力運転時のピーキングは炉心下部で大きくなってしま
う。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料有効部
下端から約２／３長さ以上での核分裂性物質量を減らす
ことによって、熱的余裕や炉心の反応度を低下させるこ
となくウランの節約と炉停止余裕の向上を図り、しかも
冷却材の圧損を減らして熱水力特性を改善した燃料集合
体を提供することを目的とするものである。

［発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、全長に一様な水棒
と燃料棒長さが複数種類からなる多数の燃料棒を有する
燃料集合体において、燃料棒長さの短い燃料棒の燃料棒
有効部分の上端位置は、燃料棒長さの最も長い燃料棒有
効部分下端からその全長の約２７３以上であることを特
徴とするものである。

（作用） 本発明によると、燃料上部では、核分裂性物質はの減少
、水対ウラン燃料比の増加により゛炉停止余裕が増大し
、また燃料上部で流路面積が増すので冷却材の圧損が低
下して熱水力特性や安定性が改善される。

さらに、燃料集合体断面方向でみたとき、上記短尺型燃
料を、燃料集合体外周部を除く位置に配置することによ
って、燃料上部での断面方向での減速材分布をより均一
にすることができ、中性子減速効果を高めることによっ
て出力運転時での反応度を増して燃料インベントリの減
少を補い軸方向出力を平坦化することになる。

（実施、例） 第１図は本発明の一実施例の長さの異なる燃料棒の高さ
方向位置関係の例を模式的に示した断面図である。同図
において、燃料棒３１は規定の長さく最大長さ）のもの
、燃料棒３２および３３は短尺のものである。図中空白
部分３４で示したものは、ガスプレナム、斜線部分３５
で示したものは燃料ペレットである。

短尺型燃料棒３２．３３の燃料ペレット上端位置は、規
定長さの燃料のそれよりも低くなっており、同時に燃料
集合体を１￥流する冷却材の圧損を減らすために、燃料
棒先端位置も低くな７っている。また、燃料棒３３は燃
料棒３２よりも上部ガスプレナム長さを小さくしてより
短尺のものとし、下部にもガスプレナムを設けて・いる
。

次に、上記実施例の作用を説明する。

まず、第８図に示した従来型燃料を装荷した炉心でのサ
イクル末期における低温時炉心平均軸方向出力分布およ
びフィツサイル（２３−Ｕおよび核分裂性プルトニウム
）重量率の軸方向分布を第２図に示す。

ＢＷＲでは、炉心下部で燃焼が進みまた炉心上部で中性
子スペクトルが硬いためプルトニウムが蓄積しやすいた
め１図に示されるように炉心上部でフィツサイル燃え残
りが大きくなり、出力ビーキングは炉心上部で生ずる。

この対策として図に実線で例示するように、炉心下端か
ら、約２／３以上の位置で燃料棒数を減らすことによっ
てフィツサイル量を減らし更に、その短尺燃料棒種類を
複数種類とすることによってとくに燃料上端部でのフィ
ツサイル燃え残りを大幅に減らすことができる。

一方、出力運転時では、燃料上部はボイド率が高くて、
中性子減速は不十分であり、燃料本数を減らすことによ
ってその減速効果が高まり、無限増倍率はむしろ大きく
なる。

次に１本実施例の燃料集合体を用いた原子炉では出力運
転時での出力分布を雀ませることなく。

低温時の炉□心反応度を低下させ、炉停止余裕を改善さ
せることができる。すなわち、第８図に示した従来型燃
料のざち一部の燃料棒を短に型としたもの・を第３図ａ
およびｂに示す。

ここでは、番号４１および４２の燃料棒を短尺と□し外
周部分を除いた位置に配置している番号４１の燃料棒有
効・部分先端位置は２１／２４であり、番号４２の燃料
棒では１６／２４位置となっている。この燃料を装荷・
した炉心でのサイクル末期における炉心平均軸方向分布
を、出力運転時について第４゛図に、低温時について第
５図に示す。図中点線は第８図に示した従来型燃料を装
荷した炉心、実線は本発明の場合を示している。第４図
より、出力運転時においては、炉心上部での反応度増加
に伴って出力も増し、軸方向出力分布歪みは生じなくて
むしろ平坦化されていることが分る。一方、第５図より
。

低温時では炉心上部の反応度が低下して、出力ビーキン
グが小さくなって、その位置は下方にシフトしているこ
とが分かる。

この実施例では、短尺型燃料棒を使用することによって
、所要ウラン量を約２％だけ減らしているが、サイクル
末期出力運転時の炉心反応度は従来のものと同じであり
、しかも低温時における炉停止余裕は約０．５％Δにだ
け改善された。

また、燃料上部での流路面積が増えたことにより冷却材
圧損は従来のものより低下して熱水力特性を改善し高濃
度化に伴う炉心安定性や過渡特性の余裕の減少を抑える
ことができる。

第６図ａは本発明の他の実施例の断面図であり、燃料上
下端を天然ウランブランケットとし番号５１および５２
で示す短尺燃料棒有効部分先端位置は同図すに示すよう
にそれぞれ２１／２４および１８／２４となっている。

第７図ａは本発明のさらに他の実施例の断面図であり、
番号６１および６２で示す短尺燃料棒有効部分先端位置
は同図すに示すようにそれぞれ２３／２４および２２／
２４となっている。また、これらの燃料下端１／２４で
は、天然ウランを除いて、ガスプレナムとしている。

以上の各実施例は燃料棒配列が８行８列の従来型燃料集
合体に本発明を適用した場合についての実施例を示した
が、冷却材の圧損が増大する９行９列の燃料集合体に適
用すると更に効果的である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、燃料上部での減
速材対燃料比を高めることによって、出力運転時での炉
心軸方向出力分布を歪ませることなく炉停止余裕を改善
しつつ所要ウラン量を低減することができ、また、燃料
上部での流路面積を増して冷却材の圧力損失を減らすこ
とによって。

熱水力特性を改善し、炉心安定性や過渡特性の余裕を増
すことができるというすぐれた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の長さの異なる燃料棒の高さ
方向位置関係を模式的に示した縦断面図、第２図は従来
型炉心におけるサイクル末期での炉心軸方向ブイッサイ
ル燃え残りと低温時軸方向出力分布を表わす図、第３図
ａおよびｂは第１図の燃料集合体の断面図および燃料集
合体中の濃縮度・ガドリニア分布を表わす図、第４図は
第３図に示す本実施例↓こよるサイクル末期・出力運転
時における炉心軸方向出力分布の従来例との比較図、第
５図は同じくそれぞれのサイクル末期・低温時における
炉心軸方向出力分布の比較図、第６図ａおよびｂは本発
明の他の実施例の燃料集合体の断面図および燃料集合体
中の濃縮度・ガドリニア５分布を表わす図、第７図ａお
よびｂは本発明のさらに他の実施例の燃料集合体の断面
図および燃料集合体中の濃縮度・ガドリニア分布を表わ
す図、第８図は沸騰水型原子炉に使用される従来型燃料
集合体の一部破断して示した側面図、第９図は第８図の
燃料集合体を構成する燃料棒の側断面図、第１゜図ａお
よびｂは第８図の１−１線に沿う断面図および燃料焦合
体中の濃縮度・ガドリニア分布を表わす図である。 ３１、３２．３３・・・燃料棒　３４・・・ガスプレナ
ム３５・・・燃料ペレット 代理人　弁理士　猪股祥晃（ほか１名）第１図 第２図 （ａ） ｔ１稗（ｔａ＝；＋　　　２　　３　４　　　Ｇ４１　
４２（ｂ） 第Ｃ図 Ｌ聞期１　　２　３　　４　３　　ｓ＋　　５２（ｂ） 第８１Ｘ： （ａ） （ｂン 第１ＯＬ、１

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）全長に一様な水棒と燃料棒の長さが複数種類から
   なる多数の燃料棒を有する燃料集合体において、有効長
   の短い燃料棒の燃料棒有効部分の上端位置は、燃料棒長
   さの有効部分下端からその最も長い燃料棒全長の約２／
   ３以上であることを特徴とする燃料集合体。
2. （２）有効長の短い燃料棒は燃料集合体の外周部を除く
   位置に配置されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の燃料集合体。
3. （３）前記燃料棒長さの短い燃料棒におけるガスプレナ
   ム部分は上部のみかまたは上下端に配置されていること
   を特徴とする第１項記載の燃料集合体。