JPS63133086A

JPS63133086A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体

Info

Publication number: JPS63133086A
Application number: JP61278764A
Authority: JP
Inventors: 宏司平岩; 庄一渡辺
Original assignee: Toshiba Corp; Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
Priority date: 1986-11-25
Filing date: 1986-11-25
Publication date: 1988-06-04
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPH0636049B2

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）本発明は特に高燃焼度長期サイクル運転に好適な沸騰水
型原子炉用燃料果合体に関する。

（従来の技術）一般に燃料集合体の濃縮度と可燃性毒物分布は概路次の
手順により決定される。

すなわち、取替燃料では運転期間と平均取出燃焼度が与
えられると、燃料取替え体数および必要な平均ａ縮度が
わかり、この濃縮度が決定されると炉心の初期余剰反応
度を適切な値とし、ざらにその燃焼変化を平坦とするよ
うな可燃性毒物の本数と濃度を決める。次に、集合体局
所出力ビーキング係数が一定の値以下になるように燃料
棒の濃縮度種類数および燃料棒配置を定める。

ところで、従来の設計方法ではこの燃料設計に際して可
燃性毒物は集合体の周辺位置を避けて配置し、また可燃
性毒物同士の吸収反応の干渉をなるべく避けるために可
燃性毒物は隣接させないようにしていた。

この方法である運転期間および必る取出燃焼度を前提と
して設計された燃料の濃縮度および可燃性毒物の配置例
を第５図に示す。第５図のマスは燃料棒位置を示し、ｅ
ｌ、　ｅ２　、　ｅ３　、　ｅ４　。

ｅ５は可燃性毒物を含まない燃料棒を示し、番号が少い
ほどウラン２３５濃縮度が高いことを示す。

また、Ｇは可燃性毒物入り燃料棒の位置を示し、全部で
２０本使用されている。この燃料による局所出力ビーキ
ング係数の燃焼変化の例を第６図に示す。

（従来技術の問題点）一般に濃縮度を増すことによって高燃焼度化燃料炉心を
設計する場合、初期余剰反応度抑制のために必要な可燃
性汚物の本数が増加してくることと高′ａ縮度化にとも
なってウラン２３５の中性子吸収が増すので、可燃性毒
物の一本当りの反応度価値か次第に減少してくることと
から急激に必要な可燃性汚物の本数か増えてくる。特に
、高燃焼度の領域では第５図に示したように多数本必要
となる。

この場合法の■、■、■の如き問題点が生じる。

■、可燃性毒物の本数を増やせない。　　　”中央に大
径のウォーターロッドのある９×９燃料の場合、集合体
周辺部に配置せず隣接させない方法では可燃性毒物２０
本が限界でありそれ以上はできない。このため場合によ
っては適切な初期余剰反応度がとれず、やむをえず運転
サイクル末期で可燃性汚物を燃え残すことによって、炉
停止余裕を満足させる必要がある。この場合、取出燃焼
度が減少し経済性が悪化する。

■、濃縮度種類数が増える。

集合体の中央部のほとんどの部分に出力の低い可燃性汚
物があるため、相対的に周辺部の局所出力が大きくなる
。したかって、その周辺の濃縮度を低くし、種類数も多
くする必要がおり燃料製造工程が複雑となる。

■、最高濃縮度が高くなる。

上記■により濃縮度の種類数を多くする結果最高濃縮度
が高くなり、燃料製造時の臨界安全性管理を厳しくする
必要か生ずる。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は以上述べたように大径ウォーターロッドを使用
する燃料集合体を高い取出し燃焼度で使用する場合の問
題点を解決するためになされたもので、可燃性汚物入り
燃料棒の配置に自由度を持たせ、少数種類の濃縮度を使
用しても低い局所出力ビーキング係数とすることができ
る可燃性毒物入り燃料棒配置を採用することによって最
高濃縮度をＦげ、かつ炉心の余剰反応度を抑えて、燃料
経済性を損わず、高燃焼度であっても適切な燃料設計の
可能な原子炉用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、正方格子状の燃料
棒配列を有し、その燃料棒配列の中央位置に丸形ないし
角形のつ汁−ターロッド１個または複数個配置し、これ
ら配列の外周をチャンネルボックスで囲むことによって
構成される沸騰水型原子炉用燃料集合体において、少数
種類のウラン２３５濃縮度の燃料棒を使用し、最も低い
ウラン２３５溌縮度でかつ可燃性毒物を使用しない燃料
棒を当該燃料集合体の４つの周辺のコーナー位置に配置
し、可燃性毒物を使用する燃料棒を当該燃料集合体の４
つのチャンネルに隣接した周）Ｕ位置およびウォーター
ロッドに隣接した位置の一部に配置することを特徴とす
るものである。

（作　用）次に、本発明の基本的考え方を説明する。

高燃焼度、高濃縮度における可燃性毒物の一本当りの反
応度低下等についての前述の問題を解決するために、本
発明者等は精度の確認されている燃料設計用の２次元拡
散燃焼計痺コードを使用して局所出力ビーキング係数を
抑制し、可燃性汚物の一本当りの反応度を高められる燃
料棒位置を調べて次の事実を見出だした。この点につい
て第３図および第４図を参照しながら説明する。

（１）第３図ａに示す燃料集合体において燃料棒配置図
１列（Ｘ＋　、Ｘ２．Ｘ３．Ｘ４．Ｘ５）、第２列（ｘ
６．ｘ了、Ｘ８．Ｘ９＞、第３列（ＸＩＯ。

Ｘｌｌ、Ｘｌ２）に可燃性毒物を配置した場合、可燃性
毒物入り燃料棒１本当たりの未燃焼時における反応度（
負）の絶対値は第１列〉第３列〉第２列の順に大きく、
第３図すに示すように第１列の反応度は第２列に比較し
て約４０％大きいことが分った。

（２）第３図ａの４つのコーナー位置×１の濃縮度を十
分に低くし、かつ可燃性毒物入り燃料棒の濃縮度をその
濃縮度と同じとすることによって、第４図に示すように
、燃料集合体で使用する濃縮度＠ｅ１およびＧ２の２種
類としても全燃焼期間にわたり十分に局所出力ビーキン
グ係数を抑制することが可能である。この結果、濃縮度
種類数を２乃至３種類としても燃料設計が可能となるこ
とが分った。

（８）可燃性毒物の位置については、第１列と第３列で
は可燃性毒物の反応度減少速度が異なり、同一の濃縮度
とした場合第１列の位置のものの可燃性毒物の燃焼速度
は第３列の位置に比較して約３０％速い。したがってこ
の２つの位置の可燃性汚物の反応度を同時に無くなるよ
うにするためには第１列の位置のものの可燃性毒物の濃
度を第３列の位置の３０％程度増加させるとよいことが
分った。

（実施例）本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図および第２図により本発明の一実施例を説明する
。第１図（ａ）は本発明の一実施例である燃料集合体の
燃料棒配置図であり、第２図は第１図（ａ）に示す燃料
集合体の横断面図でおる。第２図に示すように、本発明
の燃料集合体は燃料棒１を正方格子状に９行９列に配列
し、その中央に燃料棒９本分の領域に入る直径をもつ太
径つを一ターロッド２を配置し、これらを東ねてチャン
ネルボックス３により周囲を囲むことによって構成され
る。制御棒は十字型の制御棒シース４の内部に中性子吸
収棒５を配列して構成され、制御棒挿入時には燃料集合
体に近接して第２図に示すような配置となる。

この燃料集合体の燃料棒配列は第１図（ａ）に示すよう
になっている。このうちｅｘ　ａよびＧ２およびｐで示
す燃料棒は可燃性毒物を含まず、Ｇ２燃料は燃料集合体
の４コ一ナー位置にのみ配置される。Ｇ１．　　Ｇ２は
可燃性毒物入りの燃料であり、Ｇ１　はＧ２に隣接する
周辺部位置に配列され、Ｇ２はウォーターロッド２に隣
接する位置に配置される。第１図（ｂ）は第１図（ａ）
に示される各燃料棒の軸方向濃縮度分布である。ｅ１燃
料の有効部の下部２／２４の位置から２２／２４の位置
までの中央部分のウラン２３５濃縮度ｅ＋＋は７．２ｗ
１０であり、上端２／２４および下端１／２４は天然ウ
ラン相当の濃縮度ｅＮが使用される。Ｇ２燃料の有効部
の下部２／２４の位置から２２／　２４の位置までの中
央部分のウラン２３５　′ａ縮度ｅ２＋は５．４ｗ１０
であり、上端２／２４および下端１／２４は天然ウラン
相当の濃縮度ｅＮが使用される。ｐ燃料は上端の９／２
４の長さが欠損させておる部分長燃料でおり有効部の下
部２／２４の位置から１５／２４までの位置の中央部分
のウラン２３５　！！縮度ｅｐは５．４Ｗ１０で必り、
下端１／２４は天然ウラン相当の濃縮度ｅＮが使用され
る。

Ｇ１　燃料の有効部の下部２／２４の位置から２２／２
４の位置までの中央部分のウラン２３５濃縮度ｅＧ１は
５．４Ｗ１０でめり、ざらに可燃性毒物でおるガドリニ
アの濃度ｑ１　が１０．５ｗ１０となっている。上端２
／２４および下端１／２４は天然ウラン相当の濃縮度ｅ
Ｎが使用されており、可燃性毒物は含まれない。Ｇ２の
有効部の下部２／２４の位置から２２／２４の位置の中
央部分のウラン２３５濃縮度ｅ。２は５．４Ｗ１０あり
、ざらに可燃性毒物であるガドリニアの濃度ｇ２が８．
０Ｗ１０となっている。上端２／２４および下端１／２
４は天然ウラン相当の濃縮度ｅＨが使用されており、可
燃性毒物は含まれない。

このような燃料棒濃縮度を使用すると、燃料集合体平均
で約５．７ｗ１０の濃縮度となる。

次に、本実施例の作用について説明する。

本実施例の燃料は高燃焼度、長期運転サイクルを目標と
して設計された燃料でおり、次に示すような特性を示す
。

すなわち、本実施例の燃お１の局所出力ビーキング係数
の燃焼変化（イ）は第７図に示すように従来例（ロ）と
同程度となっている。また第８図に示すように、Ｇ１　
、　　Ｇ２の局所出力ビーキング係数はほぼ同様の燃焼
変化となっており、Ｇ１　。

Ｇ２の可燃性毒物の汚物反応度はほぼ同時期になくなっ
ている。ざらに、第９図に示すように、本実施例の炉心
の余剰反応度の燃焼変化（ハ）は運転期間にわたって従
来例（ニ）よりも平坦な特性を示し、サイクル燃焼度も
伸びる。また、燃料の上下端部分におる天然ウランのブ
ランケットによって垂直方向の中性子の洩れが従来例よ
り減少する。

上述したところから明らかなように、以下に本実施例の
効果を列挙する。

（１）濃縮度種類を２種類とし簡単化したにもかかわら
ず局所出力ビーキング係数は従来の配列方式と同等かも
しくは低くできる。

（２）　Ｉ縮度種類を２種類とし簡単化したことによっ
て燃料′＠Ｉ造工程が簡略化される。

（３）濃縮度種類を２種類とし最高濃縮度の燃料棒本数
を増やしたことによって、最高濃縮度の値を従来方式に
比較して低下でき燃料製造時等の臨界管理がより容易と
なる。

（４）部分長燃料を採用することによって、集合体の圧
損を低下でき、炉心の制御特性が改善される。

（５）燃料上下端に天然ウランブランケットを採用した
ことによって、炉心上下方向の中性子の洩れを減少でき
、燃料経済性を向上できる。

第１０図（ａ）および（１３）は本発明の第２の実施例
を説明するもので、第１０（ａ）はその燃料棒配置図、
第１０（ｂ）図は同図（ａ）に示される燃料棒の軸方向
！！縮度分イ「図である。本実施例は濃縮度種類をｅｌ
（５，２ｗ１０）、　Ｇ２　（６，２ｗ１０）、　Ｇ３
　（６，６ｗ１０）の３種類とした例でおり、第１１図
に示すように本実施例の未燃焼時の局所出力ビーキング
係数の燃焼変化（ホ）は第１の実施例のその燃焼変化（
へ）より改善されている。また、この実施例では最高濃
縮度を第１の実施例よりざらに低下できており、燃料製
造時の臨界管理が容易になる。

第１２図（ａ）および（ｂ）は本発明の第３の実施例を
説明するもので、第１２（ａ）はその燃料棒配置図、第
１２（ｂ）図は同図（ａ）に示される燃料棒の軸方向濃
縮度分布図である。この実施例では最外周に可燃性毒物
入り燃料棒を１２本、ウォーター［１ラド隣接位置に４
本配置しており、また濃縮度種類は第１の実施例と同様
に２種類の濃縮度とでき、局所出力を第１の実施例から
さらに低下できる。

第１３図（ａ）および（ｂ）は本発明の第４の実施例を
説明するもので、それぞれ燃料棒配置図、燃料棒の軸方
向濃縮度分布図である。この実施例では可燃性毒物入り
燃料棒を最外周に４本、つΔ−ターロツド隣接位置に１
２本それぞれ配置し、３種類の濃縮度で構成されている
。この実施例では最外周の可燃性毒物入り燃料棒を第１
の実施例より減らしている。このため可燃性毒物と制御
棒の吸収の干渉が減少してｉ！ｉ１１御棒価値が第１の
実施例より増加する。

第１４図（ａ）および（ｂ）は本発明の第５の実施例を
説明するもので、それぞれ燃料棒配置図、燃料棒の軸方
向濃縮度分布図である。この実施例は第１の実施例より
低い燃焼度の場合の設計例を示している。燃焼度が低い
場合可燃性汚物入り燃料棒本数を減少できるので、可燃
性毒物入り燃料棒を最外周のみに配列する設計が可能で
ある。

第１５図（ａ）および（ｂ）は本発明の第６の実施例を
説明するもので、それぞれ燃料棒配置図、燃料棒の軸方
向濃縮度分布図である。この実施例は第１の実施例より
低い燃焼度の場合の設計例を示している。燃焼度が低い
場合可燃性毒物入り燃料棒本数を減少できるのでウォー
ターロッド周辺位置にのみに配列する設計が可能である
。

第１６図および第１７図に第７の実施例を示す。この実
施例では第１６図に示すような８行８列燃料に２行２列
相当の丸形のウォーターロッド８を持つ燃料集合体にお
いて適応した場合について示している。第１７図（ａ）
および（ｂ）はこの場合の燃料棒配置および燃料棒の軸
方向濃縮度分布図を示す。

第１８図および第１９図に第８の実施例を示す。この実
施例では第１８図に示すような９行９列において中心の
ずれた２行２列相当の丸形のつ汁−ターロッド９を持つ
燃料集合体において適応した場合について示している。

第１９図（ａ）および（ｂ）はこの場合の燃料棒配置お
よび燃料棒の軸方向濃縮度分布図を示す。

第２０図および第２１図に第９の実施例を示す。この実
施例では第２０図に示すような１０行１０列燃料におい
て４行４列相当の丸形ウォーターロッド１０を持つ燃料
集合体において適応した場合について示している。第２
１図（ａ）おＪ：び（ｂ）はこの場合の燃料棒配置およ
び燃料棒の軸方向濃縮度弁イ［図を示す。

第２２図および第２３図に第１０の実施例を示す。この
実施例では第２２図に示すような９行９列燃料において
３行３列相当の角型のウォーターロッド１１を持つ燃料
集合体において適応した場合について示している。第２
３図（ａ）および（ｂ）はこの場合の燃料棒配置および
燃料棒の軸方向濃縮度分布図を示す。

第２４図および第２５図に第１１の実施例を示す。この
実施例では第２４図に示すような９行９列燃料において
３行３列相当の丸形のウォーターロッド１２および１行
１列相当の４本のウォーターロッド１３を持つ燃料集合
体において適応した場合について示している。第２５図
（ａ）および（ｂ）はこの場合の燃料棒配置および燃オ
［」棒の軸方向濃縮度分布図を示す。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の原子炉用燃料集合体によ
ると以下のような優れた効果を奏する。

すなわち、可燃性毒物入りの燃料棒の配置を最適化した
ことによって、少数種類の濃縮度を使用しても十分集合
体の局所出力ビーキング係数を抑制できる。また、同時
に適切な余剰反応度を得るために必要な可燃性汚物入り
の燃料棒の本数を減らすことかできる。そして、濃縮度
の種類を減らすことにより、最高濃縮度を下げることが
でき燃料製造時の臨界管理が容易になる。可燃性毒物入
りの燃料棒の配置によって可燃性毒物の濃度をその位置
によって適正化したことによって、集合体の燃焼に伴う
反応度変化を適切に制御でき、運転サイクル末期での可
燃性毒物の燃え残りを減らして燃料経済性を増すことが
できる。可燃性毒物入りの燃料棒の濃縮度を低くしたこ
とによって、可燃性毒物が燃焼した後も可燃性毒物入り
の燃料棒の局所出力ビーキング係数を抑制でき、燃料温
度を制限値以下とすることができるので燃料の１全性を
増すことができる。部分長燃料を採用することによって
、集合体の圧損を低下でき、炉心の制御特性が改善され
る。燃料上下端に天然ウランブランケットを採用したこ
とによって、炉心上下方向の中性子の洩れを減少でき、
燃料経済性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の第１の実
施例の燃料棒配置図および燃料棒の軸方向濃縮度分布図
、第２図は本発明か適用される９行９列、大径ウォータ
ーロッド燃料の断面図、第３図（ａ）および（ｂ）はそ
れぞれ燃料集合体内の燃料棒位置を示す図および燃料棒
位置と可燃性毒物入り燃料の反応度価値の関係を説明す
る図、第４図は本発明による燃料棒配置の概念図、第５
図は従来の燃料棒配置の概念図、第６図は従来の燃料の
局所出力ビーキング係数燃焼変化を示す図、第７図は本
発明と従来の燃料の局所出力ビーキング係数燃焼変化を
比較した図、第８図は本発明の可燃性汚物入り燃料の局
所出力ビーキング係数燃焼変化を示す図、第９図は本発
明の燃料を装荷した炉心の余剰反応度月数変化を示す図
、第１０図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の第２
の実施例の燃料棒配置図および燃料棒の軸方向濃縮度分
布図、第１１図は第２の実施例と第１の実施例の局所出
力ビーキング係数燃焼変化を比較した図、第１２図（ａ
）および（ｂ）はそれぞれ本発明の第３の実施例の燃料
棒配置図および燃料棒の軸方向濃縮度分布図、第１３図
（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の第４の実施例の
燃料棒配置図および燃料棒の軸方向濃縮度弁イ［図、第
１４図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の第５の実
施例の燃料棒配置図および燃料棒の軸方向濃縮度分布図
、第１５図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の第６
の実施例の燃料棒配置図および燃料棒の軸方向濃縮度分
布図、第１６図、第１７図（ａ）および（１））はそれ
ぞれ本発明の第７の実施例の燃料棒配置の概念図、燃料
棒配置図および燃料）仝の軸方向濃縮度分布図、第１８
図、第１９図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の第
８の実施例の燃料棒配置の概念図、燃料棒配置図および
燃料棒の軸方向濃縮度分布図、第２０図、第２１図（ａ
）あよひ（ｂ）はそれぞれ本発明の第９の実施例の燃料
棒配置の概念図、燃料棒配置図および燃料棒の軸方向濃
縮度分布図、第２２図、第２３図（ａ）および（１））
はそれぞれ本発明の第１０の実施例の燃料棒配置の概念
図。燃料棒配置図および燃料棒の軸方向濃縮度分布図、第２
４図、第２５図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の
第１１の実施例の燃料棒配置の概念図、燃料棒配置図お
よび燃料棒の軸方向濃縮度弁イ■図でおる。１・・・燃料棒２・・・ウォーターロッド３・・・チセンネルボックス４・・・ｉ！］１１仰棒シース５・・・制御棒ポイズンチューブ６・・・燃料ペレット７・・・燃ｒ１被覆管８・・・８行８列燃料のつ汁−ターロット９・・・９行
９列燃料の中心のずれたウォーターロット１０・・・１０行１０列燃料のウォーターロット１１・
・・９行９列燃料の角形つ４−ターロット１２・・・９
行９列燃料の太径ウォーターロット１３・・・９１１９
列燃料のつＡ−ターロッド（８７３３）代理人　弁理士
　猪　股　祥　晃（ばか　１名）第２１′イ１」−一制ｉ’ｐ吟 □ （ａ）（ｂ）第３図第４図第　５　図第６図第７１″１第８図第９図０　忠１県第１１図（ａ）１　　　　２　　　３　　　　Ｐ　　　　ＧＩ　　　　
Ｇ２（ｂ）第１０図（ａ）（ｂ）（ｂ）第１４図第１５図Ｃａ）ｅ、　　　ｅ、　　　　Ｐ　　　　Ｇ、　　　Ｇ。（ｂ）第１８図（ａ）（ｂ）第１９図（ａ）ｅ、　　　　ｅ２Ｐ　　　　Ｇ、　　　　Ｇ。（ｂ）第２２図（ａ）６、　　　ｅＮｅＮｅ）１　　　ｅＮ（ｂ）第２３図第２４図（ａ）（ｂ）第２５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）正方格子状の燃料棒配列有し、その燃料棒配列の
中央位置に丸形ないし角形のウォーターロッド１個また
は複数配置し、これら配列の外周をチャンネルボックス
で囲むことによって構成される沸騰水型原子炉用燃料集
合体において、可燃性毒物を使用する燃料棒を当該燃料
集合体の４つのチャンネルに隣接した周辺位置およびウ
ォーターロッドに隣接した位置の一部に配置することを
特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
（２）集合体平均濃縮度より低いウラン２３５濃縮度で
かつ可燃性毒物を使用しない燃料棒を当該燃料集合体の
４つの周辺のコーナー位置に配置していることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の沸騰水型原子炉用燃料
集合体。
（３）可燃性毒物の濃度を高低２種類使用し、低い濃度
の可燃性毒物を使用した燃料棒はウォーターロッドに隣
接した位置に配置され、高い濃度可燃性毒物を使用した
燃料棒は集合体の４つの周辺のコーナ位置に隣接して配
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
載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
（４）可燃性毒物の濃度を高低２種類使用し、高い濃度
の可燃性毒物の濃度は低い濃度のものより相対的に約３
割以上高い濃度であることを特徴とする特許請求の範囲
第２項記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
（５）可燃性毒物を使用する燃料棒は低いウラン２３５
濃縮度を使用することを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
（６）燃料棒の有効部の上部１／３ないし１／２が欠け
た４本または８本の部分長燃料棒を燃料の周辺位置以外
の位置に使用することを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
（７）燃料棒の有効部の上部１／３ないし１／２が欠け
た４本または８本の部分長燃料棒には可燃性毒物を使用
しないことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の沸
騰水型原子炉用燃料集合体。
（８）燃料棒の上部１／２４ないし３／２４および下部
１／２４ないし２／２４の部分に天然ウランないしそれ
より低いウラン２３５濃縮度の燃料を使用することを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の沸騰水型原子炉用
燃料集合体。