JPS63234192A - 原子炉用燃料集合体 - 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し、特に燃
料経済性を高めながら、燃料集合体の圧損を減少させて
熱水力特性を改善した燃料集合体に関する。

（従来の技術） 第１０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あり
、第１１図は、前記燃料集合体を構成する燃料棒の構造
を示したものである。

図中、燃料棒１１は濃縮ウランの酸化物をセラミックに
したペレット１２を被覆管１３の中に充填し、これをス
プリング１４およびゲッター１５で保持し、上部端栓１
６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。

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およびスペーサ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１２図（ａ）は、第１０図のＩ−Ｉ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１１（図中、丸の中に数字および記号Ｇ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つ
ｌ−タロラド２１とが８×８の格子状に規則正しく並べ
られている。なお、２６は原子炉の核反応を制御するた
めの制御棒を示す。

第１２図（ｂ）は第１２図（ａ）に示した各燃料棒のウ
ラン濃縮度およびガドリニア濃度を説明するもので、各
燃料棒の下の数字は燃料棒番号を示し、０１〜ｅ４はウ
ラン濃縮度を、ｑはガドリニア（Ｇｄｚ　０３　）濃度
を示す。ｅｌ　＞ｅ２　＞ｅ３　＞ｅ４である。

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。濃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。例えば第１２図（ａ）に示すように、
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棒３，４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
な反応度を制御する目的でウラン中にガドリニア（Ｇｄ
２０３　）が数％含まれているのが普通で、第１２図（
ａ）に示した例で↓よ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）への吸収
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
少なくなり、中性子スペクトルが硬くなる。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、熱
的特性。

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
ルを軟化させ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、減速材を増やすかまたは燃料を減ら
すかのいずれかの方法をとればよい。

上記問題に対応した設計として、水ロンド本数又は太さ
を増し、更に、燃料棒本数を増して９行９列配置とした
燃料集合体が提案されている。この場合、上記中性子ス
ペクトルの硬化が抑えられ、それに伴う諸特性の悪化も
抑えられ、平均線出力密度も低下して熱的余裕も増すが
、一方では燃料棒数が増したことによって、燃料集合体
内圧力損失が増大し安定性を悪化させてしまう。

この改善策として、燃料の一部を短尺型とし、圧力損失
を低下させる方法が考えられており、例えば上方に向か
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。また、短尺燃料棒の上
端では燃料棒が欠如するためにこの部分の熱中性子束が
高くなり、隣接する燃料棒の線出力が局所的に上昇し、
熱的余裕を減少させる可能性がある。

（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、本発明の解
決しようとする問題点は、燃料集合体において、熱的余
裕や炉心の反応酸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することにある。

［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なされたもので、す
なわち本発明は長尺型燃料棒と該長尺型燃料棒より軸方
向長さの短い短尺型燃料棒とからなる多数の燃料棒を複
数のスペーサにより束ねてなる原子炉用燃料集合体にお
いて、短尺型燃料棒の上端が最上位のスペーサ位に位置
していることを特徴とする原子炉用燃料集合体に関する
。

（作　用） 本発明によると、燃料上部では、核分裂性物質量の減少
、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。また短尺型燃料
棒を使用しているが、その燃料有効長が長尺型燃料のそ
れに近い（約５７６またはそれより大）ので、トータル
の濃縮ウラン重りの減少を最小限に抑えることができ、
また、短尺型燃料棒の上方で生ずる線出力の上昇を制限
範囲内に抑えることができる。

さらに、燃料集合体径方向断面でみたとき、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、燃料上部での径方向断面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、軸方向出力分布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尺型燃料棒および短尺型
燃料棒の軸方向位置関係を模式的に示した断面図である
。同図において、燃料棒３１は長尺型燃料棒（従来と同
じ規定長さのもの）、燃料棒３２および３３は短尺型燃
料棒である。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、長
尺型燃料棒３１のそれよりも低くなっており、同時に燃
料集合体を貫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っている。また、短尺型燃料棒３３
は下部にもガスプレナム３４を設けている。

燃料棒は複数個のスペーサによって正方格子状に束ねら
れて燃料集合体を構成するが、短尺型燃料棒の上端部３
６は最上位のスペーサによって保持される構造となって
いる。

第２図は本発明の一実施例である燃料集合体（以下「ケ
ースＡ」という）を説明するもので、（ａ）はその燃料
棒配置図、（ｂ）はその艮尺型燃１１棒と短尺型燃料棒
の軸方向断面を示す模式図である。第２図（ａ）に示さ
れるように、本実施例の燃料集合体は大径水ロッド４１
を中央に配した９行９列燃料棒配置の燃料集合体であり
、記号Ｐで示される２４本の短尺型燃料棒４２と、４８
本の長尺型燃料棒４３からなり、このうち短尺型燃料棒
４２は、最外周から２行目以内の燃料棒位置に配してい
る。

燃料棒の軸方向断面は第２図（ｂ）に示すように、長尺
型燃料棒４３の燃料ペレットを封入した部分の高さく燃
料有効長）を２４ノード長さとしたとき、短尺型燃料棒
の先端位置を高さ２３ノード目、燃料有効部分の最高位
置を高さ２１ノードとしている。

図中、破線で囲む部分（長尺型で高ざ２４ノード目より
上、短尺型で２２ノードおよび２３ノードはガスプレナ
ム３４としている。また短尺型燃料棒４２は高さ２３ノ
ード目で最上位のスペーサで保持されている。なお、図
中斜線で示す上端２ノード、下端１ノード長さでは天然
ウランペレットが封入されていることを表している。

本実施例ではこのように短尺型燃料棒を使用することに
よって、燃料集合体の冷却材の圧損は低下し、第１２図
（示した従来の８Ｘ８型のものとほぼ同程度とすること
ができた。

ところで上記実施例と同程度の圧損値を得るだけならば
、短尺型燃料棒の本数を減らしかつその長さを短くする
ことによっても可能である。このような上記実施例と同
程度の圧損値の燃料集合体の例を比較例として第８図お
よび第９図に示し、これらと比較することによって本発
明の効果をより詳しく説明する。第８図および第９図の
それぞれにおいて（ａ）は燃料棒配置図、（ｂ）は長尺
型燃料棒と短尺型燃料棒の軸方向断面の模式図である。

第８図（以下「ケースＢ」という）では１２本の短尺型
燃料棒４４を使用しているが、その軸方向長さが本発明
のそれより短く、その上端位置は上から２番目のスペー
サの位置（２０ノード目）である。

また、第９図の例（以下ＦケースＣ」という）も本発明
より短い８本の短尺型燃料棒４５を使用しており、その
上端位置は上から３Ｗｉ目のスペーサの位置（１６ノー
ド目）である。本発明の実施例であるケースＡ＠基準と
してこれらケースＢおよびＣの圧損を比較すると、第３
図のようになる。第３図において、縦軸はケースＡを基
準とした各側の圧損値の差である。この図かられかるよ
うに、これら３つのケースには圧損値において大きな差
はない。

しかしながら、これらの例のうち、ケースＡが以下の点
で優れた効果を発揮する。

（１）短尺型燃料棒を使用することによって燃料集合体
当りのウラン重量が減るが、ケースＡのように短尺型燃
料棒の本数を増してその長さを長くした方が、本数を減
らして長さを短くするよりも濃縮ウラン装荷重量の減少
を抑えることができる。

第４図は上記ケースＡ、Ｂ、Ｃについて、ケースＡを基
準として天然ウラン部分の重量および濃縮ウラン部分の
重量の大小を相対値で表したものである。ケースＡでは
、天然ウラン部分の重量が減るが、主要な部分を占める
濃縮ウラン部分の重量が大きいことが示されている。

（２）一般に短尺型燃料棒を使用した場合、短尺型燃料
棒の上端より上の部分では燃料棒が欠如しているので、
出力運転時には熱中性子吸収が減ったことによって熱中
性子束が高くなり、隣接する燃料棒の線出力が上昇する
。ところで線出力上昇の大きさは、炉心中央部に近いほ
ど大であるので、ケースＡのように短尺型燃料棒の上端
位置が上の方、すなわち炉心の中央部から離れた位置に
あれば、この短尺型燃料棒による線出力上昇はそれほど
大きくならずに制限値より十分小さい範囲の値となり、
むしろこの部分での線出力を高めることによって燃焼が
進むので、燃料経済上好ましいことになる。これに対し
てケースＢおよびＣでは、もともと線出力の高い炉心中
央部に近い位置で燃料棒欠如による線出力の上昇が起こ
るので、この部位における線出力上昇はケースＡのそれ
よりも著しくなる。

第５図（ａ）および（ｂ）はケースＡのより詳細な実施
例を示す燃料棒配置図および各燃料棒のウラン濃縮度と
軸方向断面の模式図である。同図に示すように一水ギャ
ップに沿う最外周位置を除く位置に２４本の短尺型燃料
棒４２が配置され、長尺型燃料棒４３は丸の中に番号１
．２．３を付したウラン濃縮度の異なる３種類とＧを付
したガドリニア入り燃料棒とからなっている。ウラン濃
縮度はｅｌ　。

ｅ２　、　ｅ３　　（ｅｌ　＞ｅ２　＞ｅ３　）の３種
類であり、Ｑはガドリニア濃度である。ガドリニア入り
燃料棒は１２本となっている。燃料集合体平均濃縮度は
約４％である。

この実施例では、短尺型燃料棒を使用することによって
、長尺型燃料棒のみを使用した従来型のものく第１２図
）よりも所要天然ウラン漬を約１％だけ減らし、かつサ
イクル末期出力運転時の炉心反応度を同じとしつつ、し
かも低温時での炉停止余裕は約０．３％Δにだけ改善さ
れる仁いう効果を奏する。また、第６図に示すようにサ
イクル末期での炉心軸方向出力分布（第６図において実
線は本発明例、破線は従来例である）は従来例と殆ど同
じであり、この例かられかるように本発明では出力分布
はむしろ若干平坦化される傾向である。

第７図（ａ）および（ｂ）は本発明の他の実施例を示す
燃料棒配置図および各燃料棒のウラン濃縮度と軸方向断
面の模式図である。同図に示されるように、この実施例
では短尺型燃料棒４２として下端にもガスプレナムを設
けたものを使用している。

これはとくに短尺型燃料棒において核分裂性ガスの圧力
を下げることを目的としたものである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の燃料集合体は所定長さの
短尺型燃料棒を使用することによって、燃料経済性を高
めながら熱水力特性を改善し、ざらに濃縮ウラン重１の
減少を最小限に抑え、短尺。

型燃料棒上端付近での線出力上昇を小ざくすることがで
きる。

【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（ａ）
および（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施例である燃料集
合体の燃料棒配置図およびその長尺型燃料棒および短尺
型燃料棒の軸方向断面を模式的に示した図、第３図は第
２図、第８図および第９図に示す３体の燃料集合体の圧
力損失値を比較した図、第４図は上記３体の燃料集合体
中のウラン重量を比較した図、第５図（ａ）および（ｂ
）は第２図に示す燃料集合体のより詳細な燃料棒配置図
およびその各燃料棒のウラン濃縮度と軸方向断面を模式
的に示した図、第６図は第５図に示す燃料集合体と従来
の８Ｘ８燃料集合体のサイクル末期出力運転時における
炉心軸方向出力分布図、第７図（ａ）および（ｂ）は本
発明の他の実施例である燃料集合体の燃料棒配置図およ
びその各燃料棒のウラン濃縮度と軸方向断面を模式的に
示した図、第８図（ａ）および第９図（ａ）は第２図に
示す燃料集合体と同じ圧力損失値の燃料集合体（比較例
）の燃料棒配置図、第８図（ｂ）および第９図（ｂ）は
第８図（ａ）および第９図（ａ）の燃料集合体の燃料棒
の軸方向断面を模式的に示した図、第１０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１１図は第１０図の燃料集合体を構成す
る燃料棒の側断面図、第１２図（ａ）および（ｂ）は第
１０図のＩ−Ｉ線に沿う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である。 ２６・・・制御棒 ３１、３２．３３・・・燃料棒 ３４・・・ガスプレナム ３５・・・燃料ペレット ４１・・・水ロッド ４２・・・短尺型燃料棒 ４３・・・長尺型燃料棒 （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名） 第１図 （ａ） （ｐｓｉ） 顎スＡ　　　　　ケースＢ　　　　　ケースＣ第３「）
１ ケー１Ａ　　　　　ケースＢ　　　　　号−又Ｃ（ａ） 惚潜硝屯’Ａ１２　　３　　　Ｐ　　　　ａ第５図 第６図 （ａ） Ｌ吻ｉ１２　　　３　　　Ｐ　　　　Ｇ（−＆） （ａ） （昏） 姑　　ＱＩＷ （ａ） 第９図 第１０図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）長尺型燃料棒と該長尺型燃料棒より軸方向長さの
   短い短尺型燃料棒とからなる多数の燃料棒を複数のスペ
   ーサにより束ねてなる原子炉用燃料集合体において、短
   尺型燃料棒の上端が最上位のスペーサ位に位置している
   ことを特徴とする原子炉用燃料集合体。
2. （２）短尺型燃料棒の燃料有効長が長尺型燃料棒の燃料
   有効長の５／６以上である特許請求の範囲第１項記載の
   原子炉用燃料集合体。
3. （３）短尺型燃料棒が燃料集合体の燃料棒配列の外周部
   を除く位置に配置されている特許請求の範囲第１項記載
   の原子炉用燃料集合体。
4. （４）短尺型燃料棒は上端部のみかあるいは上下両端部
   にガスプレナム部が配置されている特許請求の範囲第１
   項記載の原子炉用燃料集合体。
5. （５）長尺型燃料棒の上端部には天然ウランペレットが
   封入され、短尺型燃料棒の上端部には天然ウランペレッ
   トが封入されていない特許請求の範囲第１項記載の原子
   炉用燃料集合体。