JPS63142293A - 原子炉の運転方法 - 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、軽水減速沸騰水型原子炉の運転方法に係り、
特に、高燃焼度・省ウランを達成するのに好適な原子炉
の運転方法に関する。

〔従来の技術〕

軽水減速型原子炉において、濃縮ウランを用いたワンス
スル一方式で高燃焼度を達成し、ウランの有効利用を図
るために、例えば特開昭６１−１２９５９４号に開示さ
れている高転換バーナー型炉心が開発された。この炉心
は、第２図に示すように。

炉心を半径方向に分割して、燃料の水素対ウラン原子数
比（以下、Ｈ／Ｕという）の異なる領域を設け、燃料の
寿命前半はＨ／Ｕの小さい高転換領域に装荷し、後半は
Ｈ／Ｕの大きいバーナー領域に装荷する炉心構成を採っ
ている。すなわち、炉心滞在期間前半はＨ／Ｕが小さく
中性子スペクトルの硬い領域（高転換領域Ａ）に装荷し
、燃料親物質の核分裂性物質への転換を図り、炉心滞在
期間後半はＨ／Ｕが大きく中性子スペクトルの軟い領域
（バーナー領域Ｂ）に装荷し、核分裂性物質を効率よく
燃焼寧せることを意図している。

このときの中性子無限増倍率の燃焼度依存性を第３図に
示す、高濃縮度ウラン燃料である新燃料が装荷される高
転換領域は、中性子無限増倍率が低く、燃焼の進んだ燃
料が装荷されるバーナー領域は中性子無限増倍率が高く
なるため、出力ミスマツチを低減でき、また燃料の余剰
反応度を低く抑えることができる。

従来の沸騰水型原子炉の制御棒は板状で、各燃料集合体
のチャンネルボックスの外側の隙間を移動できるように
設置されている。これに対して。

高転換バーナー炉においては、燃料棒１が稠密に配置さ
れており、格子状に配置した燃料棒位置の一部に燃料棒
に代えて制御棒案内管が置かれ、その中を棒状の制御棒
２が移動するクラスター型制御棒が用いられている。

さて、沸騰水型原子炉においては、沸騰により炉心下部
に蒸気泡（ボイド）が発生し、炉心上部はど冷却材中に
占めるボイド体積割合が大きくなる。つまり、燃料集合
体のＨ／Ｕが炉心下部はど大きいので、炉心下部に出力
のピークが発生する。

第４図は、濃縮度６ｗ１０のウラン燃料の中性子無限増
倍率とＨ／Ｕの関係を示したものである。

上記高転換バーナー型炉心のボイド率Ｏ〜８０％に対す
る高転換およびバーナーの各領域におけるＨ／Ｕの変化
は、それぞれ３．０７〜１．２６゜６．２４〜３．３３
である。第４図から、対応する中性子無限増倍率の変化
、すなわち反応度変化は、高転換領域燃料集合体におい
ては、バーナー領域とほぼ同じ反応度変化の従来の沸騰
水型原子炉に比べて大きくなることがわかる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、稠密格子燃料を配置した高転換領域
集合体におけるＨ／Ｕの変化による反応度変化が従来の
炉心より大きくなる点についての配慮がなく、軸方向の
出力ピークが大きくなるという問題があった。

本発明の目的は、稠密格子燃料集合体を用いた沸騰水型
高転換バーナー炉のＨ／　Ｕの変化を低減し、軸方向出
力分布を平坦化する原子炉の運転方法を提供することで
ある。

〔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、ウランを燃料と
する稠密格子燃料集合体に挿入する制御棒のうち、出力
調整に用いないすべての制御棒の案内管内の炉心下端よ
り燃料棒発熱長の１／６〜１／２の範囲の飽和水を制御
棒先端に設けた水除去部により排除し、燃料集合体の減
速材対燃料原子数比を低減させて原子炉を運転する方法
を提案するものである。

ここで、稠密格子とは、′ｔｉ、速材である軽水の占め
る断面積と燃料物質の占める断面積との比が１．５以下
となるように構成した燃料集合体内の燃料棒格子をいう
。また、上記水除去部内には、中性子吸収材の吸収断面
積より小さい吸収断面積を有する物質を封入する。

〔作用〕

稠密格子燃料集合体の制御棒案内管内の飽和水を、制御
棒先端に設けた水除去部（以下、フォロアという）で除
去すると、燃料集合体の減速材対燃料原子数比（ここで
は、水素対ウラン原子数比Ｈ／Ｕ）が低減される。

第５図は、高転換バーナー炉心の高転換領域集合体にお
いて、制御棒案内管内が飽和水で満されている場合、お
よび上記案内管内の飽和水がフォロアによって排除され
ている場合の、集合体の水素対ウラン原子数比と冷却材
（軽水）のボイド体積比率との関係を示したものである
。この図から、フォロアを挿入すると、同じボイド体積
比率に対して、Ｈ／Ｕが約０．４　低減していることが
わかる。

第４図に関して既に述べたように、Ｈ／Ｕの変化が反応
度の変化に与える影響はＨ／Ｕが小さいほど大きいので
、Ｈ／Ｕが３．０　より小さいすなわち減速材である軽
水の占める断面積と燃料物質の占める断面積との比が１
．５　より小さい稠密格子燃料集合体において、フォロ
アの効果がより大きくなる。

さて１本発明で解決しようとしている稠密格子燃料集合
体の軸方向出力ピークは、主に燃料集合体のＨ／Ｕが軸
方向位置により変化した結果生じている。したがって、
軸方向出力ピークの大きさは、上記フォロアを炉心下端
より軸方向のどの位置まで挿入するかに依存する。

第６図は、制御棒フォロアの炉心下端からの軸方向挿入
位置と、稠密格子燃料集合体の軸方向出力ピーク値との
関係を調べたものである。この図から、フォロアを炉心
下端より６／２’４（＝１／４）ノードの位置に挿入し
たときに、出力ピークが最も低減されることがわかる。

なお、軸方向出力ピークが２．２程度に抑えられるフォ
ロアの挿入範囲は、炉心下端より４／２４〜１２／２４
（１７６〜１／２）ノードである。

第７図は、高転換バーナー炉のすべての稠密格子燃料集
合体の炉心下端より６／２４　（＝１／４）ノードの範
囲にフォロアを挿入したときの、稠密格子燃料集合体燃
料の運転サイクル末期における軸方向出力分布を示した
ものである。比較のために、フォロアを挿入しない場合
の出力分布を併記しである。フォロアを挿入すると、フ
ォロア注入範囲の出力ピークが約３３％低減されること
になる。なお、炉心下部の出力ピークが抑えられた結果
、フォロア先端より上側の領域における出力が相対的に
増大し、炉心軸方向の出力分布が平坦化されている。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。

第１図は、本発明による原子炉の運転方法の第１実施例
を示す図である０本実施例の炉心は、稠密格子燃料集合
体の高転換領域のまわりに、Ｈ／Ｕが現行炉心と同程度
のバーナー領域を配置した結合型高転換バーナー炉心で
ある。各領域の燃料集合体そのものは、第２図に示すも
のと変わらない。高転換領域燃料集合体Ａにおいて、ｆ
ｆｉ料棒と制御棒案内管からなるクラスターは、チャン
ネルボックス６で囲まれ、減速材と冷却材を兼ねた軽水
の沸騰によって生じるボイドの横方向への浮遊を防止し
ている。バーナー領域集合体Ｂにおいては、Ｈ／Ｕを高
くするために、燃料棒の代わりに水ロッドが置かれてい
る。また、高転換バーナー炉においては、燃料棒あるい
は水ロッドが稠密に配置されているので、制御棒として
は第８図に示すようなりラスター制御棒を使用する。こ
のクラスター制御棒の中性子吸収材領域４の長さは、燃
料棒発熱長と等しくし、内部にはＢ４Ｃを充填する。ま
た、フォロア部３は、中性子吸収材領域よりも先端側で
燃料棒発熱長の１／６〜１／２の領域に設け、内部には
中性子吸収材よりも吸収断面積の小さな物質９例えば炭
素を充填する。クラスター制御棒の駆動装置は、燃料集
合体３体に対して１体設置されている。上記のように構
成した高転換バーナー炉の高転換領域において、第１図
に示したように、運転サイクル初期の余剰反応度を抑え
るために、本実施例では、Ａｏで示した７組（２１体）
の燃料集合体の制御棒を全挿し、Ａｌで示した残りすべ
ての燃料集合体において、制御棒先端のフォロア部３の
みを炉心下部に挿入して運転する。

沸騰水型原子炉では、運転状態で炉心軸方向にボイド分
布が生じ、燃料下端ではボイド率０％であるが、上端で
は約７０％となる。このボイド分布によって、燃料上下
のＨ／Ｕに差が発生し、したがって中性子無限増倍率に
も差ができて、燃料下部に出力ピークが生じる。Ｈ／Ｕ
が３．０　以下である稠密格子燃料集合体においては、
第４図に示したように、Ｈ／Ｕが５．０　に近い従来の
軽水炉に比較し、または上述の高転換バーナー炉のバー
ナー領域Ｂの燃料集合体と比べ、Ｈ／Ｕの変化に伴う中
性子無限増倍率が大きく、ボイド分布によるピーク値も
大きくなる。

これに対し、本実施例の運転方法によると、ボイド率の
低い炉心下部でのＨ／Ｕの炉心軸方向の変化を小さくし
て、稠密格子燃料集合体に発生する出力ピークを抑え、
出力分布を平坦化できる。

このように、本発明では、燃料集合体の高さ方向に濃縮
度分布などの特別の対策を施さなくても、出力分布が平
坦化される。

第９図は、本発明による原子炉の運転方法の第２実施例
を示したものである。高転換領域Ａのすべての燃料集合
体の炉心下部にフォロア部３を挿入し、バーナー領域Ｂ
は全引抜きの状態で炉心を運転する。この運転方法は、
主に燃料の燃焼が進んだ運転サイクル末期に有効である
。すなわち、運転サイクル末期には、余剰反応度が小さ
く、これをフォロア３挿入に伴う反応度低下のみによっ
て抑えられるからである。フォロア部３の中性子吸収断
面積は、中性子吸収材の吸収断面積より小さいので１本
実施例の炉心の運転方法は、中性子吸収棒のみにより余
剰反応度を抑える従来方法よりも中性子経済上有利であ
り、燃料の寿命登延することができる。

第１０図は１本発明による原子炉の運転方法の第３実施
例を示したものである。第１．第２実施例は、高転換領
域とバーナー領域を併置した結合型の高転換バーナー炉
に関するものであるが１本実施例は、高転換領域を独立
炉心とした分離型の高転換バーナー炉に関するものであ
る。第１０図の７と８は、それぞれ分離型高転換バーナ
ー炉における高転換炉心およびバーナー炉心である。高
転換炉心７においては、結合型高転換バーナー炉の高転
換領域集合体と同様に、炉心下部に大きな出力ピークが
発生する。これを抑えるために、本実施例では、高転換
炉心の下部に、先端にフォロア３を設けたクラスター型
制御棒の水除去部を挿入して原子炉を運転する。

本実施例が対象としている分離型の高転換バーナー炉に
おいては、結合型において高転換領域側に発生するよう
な領域間の出力バランスによる半径方向出力ピークが存
在しない、その結果、高転換炉心燃料の炉心下部に発生
する出力ピーク値も、結合型の出力ピーク値より小さく
なるので、上記フォロアの炉心内挿入深さを結合型の場
合よりも小さくしても、結合型の場合と同様の効果が得
られる。なお、フォロアの炉心内挿入深さを小さくする
と、フォロア挿入に伴う反応度低下も小さくなる。

第１１図は、本発明による原子炉の運転方法の第４実施
例を示したものである。この例は、９で示すＹ字型制御
棒をギャップ水領域１−０に挿入する高転換バーナー炉
を対象としている１本実施例においては、Ｙ字型制御棒
の中性子吸収材領域先端部にフォロア部を設け、これを
高転換領域集合体に挿入して原子炉を運転する。

本実施例以外に、十字型制御棒を用いる高転換バーナー
炉においても、同様のフォロアを設け。

炉心を運転する方法が考えられる。

本発明の第１実施例においては、余剰反応度を抑えるた
めの制御棒（高転換領域集合体ＡＯに挿入する制御棒）
として、フォロアなしの従来型制御棒を用いている。こ
れに代え、余剰反応度を抑えるための制御棒としてフォ
ロア付きの制御棒も組み合わせ、フォロア部の中性子吸
収をも考慮した制御棒駆動計画を実行すると、運転期間
を通じて出力分布を平坦化できる。

さらに、運転初期にガドリニア燃料棒や短尺燃料棒を使
用すれば、出力分布をより一層平坦化可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高転換バーナー炉の稠密格子燃料集合
体の炉心下部に制御棒フォロアを挿入して炉心を運転す
る方法が提供されるので、Ｈ／Ｕを低減でき、したがっ
て反応度も低減できるから、軸方向出力分布が平坦化さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による原子炉の運転方法の第１実施例を
示す図、第２図はワンススル一方式に基づいて構成され
た原子炉炉心の構成を示す図、第３図は第２図の炉心に
使用される従来の燃料集合体の中性子無限増倍率の燃焼
変化を示す図、第４図はワンススル一方式に基づいて構
成された原子炉に装荷されるウラン燃料の中性子無限増
倍率とＨ／Ｕとの関係を示す図、第５図は第２図に示し
た炉心の高転換領域に装荷される燃料集合体のＨ／Ｕと
冷却材ボイド率との関係を１本発明によるフォロアを使
用した場合と使用しない場合とについて示す図、第６図
は第２図に示した炉心の高転換領域に装荷される燃料の
炉心軸方向出力ピークと本発明によるフォロアの挿入位
置との関係を示す図、第７図は上記炉心の高転換領域に
装荷される燃料の運転サイクル末期における炉心軸方向
相対出力分布を１本発明によるフォロアを使用した場合
と使用しない場合とについて示す図、第８図は本発明に
よる第１実施例の原子炉の運転に用いるフォロア付きク
ラスター制御棒の断面図および側面図、第９図は本発明
による原子炉の運転方法の第２実施例を示す図、第１０
図は本発明による原子炉の運転方法の第３実施例を示す
図、第１１図は本発明による原子炉の運転方法の第４実
施例を示す図である。 Ａ・・・高転換領域集合体、Ａ１・・・フォロア制御棒
を挿入する高転換領域集合体、Ｂ・・・バーナー領域集
合体、Ａｏ・・・制御棒を全挿入する高転換領域集合体
、１・・・燃料棒、２・・・制御棒、３・・・フォロア
部、４・・・中性子吸収材、５・・・水ロッド、６・・
・チャンネルボックス、７・・・高転換炉心、８・・・
バーナー炉心、９・・・Ｙ字型制御棒、１０・・・ギャ
ップ水領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の燃料棒が整列して配置され単位断面積当たり
   の冷却材の占める断面積と燃料物質の占める断面積との
   比が１．５以下となるように構成した燃料集合体が装荷
   され軽水が下方から上方に流れる高転換バーナー炉心と
   、前記炉心領域内に炉心下部から挿入される複数の制御
   棒とを有する原子炉の運転方法において、 前記制御棒の中性子吸収材領域よりも先端側に配置され
   内部に上記中性子吸収材よりも小さな吸収断面積を有す
   る物質を封入した制御棒の水除去部分を、原子炉の炉心
   下端から前記燃料棒発熱長の１／６〜１／２の範囲に挿
   入して運転することを特徴とする原子炉の運転方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記水除去部を先端側に有する制御棒の水除去部を原子
   炉の炉心下端から前記燃料棒発熱長の１／６〜１／２の
   範囲に挿入するとともに、運転サイクル初期に、前記水
   除去部を持たない制御棒を前記燃料集合体のいくつかの
   組に全挿入して運転することを特徴とする原子炉の運転
   方法。