JPS63247691A

JPS63247691A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPS63247691A
Application number: JP62082124A
Authority: JP
Inventors: 桜田　光一; 宏司平岩; 安藤　良平
Original assignee: Toshiba Corp; Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
Priority date: 1987-04-02
Filing date: 1987-04-02
Publication date: 1988-10-14
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JP2507408B2

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、軽水型原子炉に用いる燃料集合体に関する。

。（従来の技術）近年、軽水型原子炉では、その発電量の増加に伴い、発
電経済性の向上が厳しく要求され、燃料集合体に関して
も種々の改良が加えられている。

また、経済性の向上には燃料の燃焼度を高めることが効
果的であり、高燃焼度化に伴う炉心運転特性への影響を
軽減するための燃料の改良が要望されている。

第１４図は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられてい
る従来の燃料集合体の一例を示すもので、燃料集合体１
は、チャンネルボックス２と、このチャンネルボックス
２内に８行８列の正方格子状に配列された燃料棒３と、
チャンネルボックス２内の水平断面中央部に配置された
２本のウォータロッド４とから構成されている。

ＢＷＲの炉心では、隣接するチャンネルボックス２とチ
ャンネルボックス２との間に幅１０〜２０＋ｎｍ程度の
水ギャップを設け、ここ、に十字型制御棒５を挿入して
いる。ＢＷＲではチャンネルボックス２内を流れる軽水
は運転時には沸騰し、平均４０％程度の体積割合の蒸気
を含む二相流となる。これに対して、チャンネルボック
ス２外側の水ギヤツプ領域を流れる軽水は運転時におい
ても沸騰はしない。この水ギヤツプ領域にある軽水の中
性子減速効果のため、燃料集合体１における水平方向の
熱中性子束分布は、外周部はど大きく、中央部では小さ
くなる傾向がある。このため、燃料集合体１では、その
中央付近に内部を非沸騰水が質流する２本のウォータロ
ッド４が設けられており、この水の減速効果によって、
中央部での熱中性子束の低下を緩和し、出力ビーキング
を小さくするとともに、熱中性子束を富めることにより
熱中性子利用率を大きくする役割を果たしている。

すなわち、軽水型熱中性子炉の炉心の実効増倍率は四因
子公式を用いて次のように表すことができる。

Ｋｅｆｆ＝ε×η×ｆｘＰｘＰＬＫｅＨ＝炉心の実効増倍率 ε−高高中中性子核分裂効果 η＝再生率ｆ＝熱中性子利用率Ｐ−共鳴を逃れる確率Ｐ［−炉心から中性子が漏れる割合前記ウォータロッド４は、上記熱中性子利用率ｆを高め
て、実効増倍率を大きくするものである。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、経済性の向上を目的として高燃焼度化を
図ると、燃料集合体間の出力ミスマツチが大きくなり、
最大線出方密度や最小限界出方比などの熱的な制限が厳
しくなる。

この対策として、燃料棒の本数を増す９行９列燃料集合
体等の使用も検討されているが、燃料棒本数を増加する
と燃料棒外径が小さくなり、共鳴吸収の確率が増大し、
共鳴を逃れる確率が低下して、前述のウォータロッドの
配置による熱中性子利用率の向上効果を減少させる。

上述のように、高燃焼度化に対応し、かつ経済性の優れ
た燃料を得るためには、熱中性子利用率の向上と、共鳴
を逃れる確率の増大とを同時に実現する必要がある。

また、高燃焼度化を達成するためには、燃料の初期核分
裂性物質濃度（ウラン−２３５の濃縮度、プルトニウム
富化度）を高める必要があり、原子炉の炉心特性に種々
の影響を及ぼす。これらの影響のうち設計土量も問題と
なる点は冷態時における未臨界度（炉停止余裕）の減少
と、減速材の密度変化による炉心反応度の変化（ボイド
反応度係数、減速材温度反応度係数）の増大である。こ
れらの問題点を改善するためには水と燃料物質の比を大
きくすることが考えられるが、軽水領域の体積を増すと
炉心体積が大きくなり、建設コストが増大する。また燃
料物質の量を減らすと、１サイクル当りの燃料集合体の
取替体数が増加して燃料の経済性を低下させる。

したがって、高燃焼度化に対応して炉心特性の優れた燃
ｆ４集合体を得るためには、軽水の体積の増加や燃料物
質の量の減少を行うことなく、炉停止余裕の増大や減速
材密度反応度係数の低減を図る必要もある。

本発明は、かかる問題に対処してなされたもので、熱中
性子利用率と共鳴を逃れる確率を共に高めることにより
従来の燃料集合体より優れた経済性を有し、かつ高燃焼
度化に対応可能な炉停止余裕および減速材密度反応度係
数の改善効果を有する燃料集合体を提供しようとするも
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、円筒形の燃料ペレットを封入した燃料棒を規
則正しく束ねてなる燃料集合体において、前記燃料棒の
中心間の距離を一定にして少数本束ねて小単位を構成し
、この小単位を、それぞれ別な小単位に属する隣接した
燃料棒の中心間の距離が該小単位内の隣接した燃料棒の
中心間の距歪より大きくなるよう複数組配置し、これら
の複数組の小単位間の中央付近にウォータロッドを配置
したことを特徴とする。

（作　用）本発明の燃料集合体は、燃料棒の中心間の距離を一定に
して少数本束ねて小昨位を構成し、この小単位を、それ
ぞれ別な小単位に属する隣接した燃料棒の中心間の距離
が該小単位内の隣接した燃料棒の中心間の距離より大き
くなるよう複数組配置し、これらの複数組の小単位間の
中央付近にウォータロッドを配置することによって、優
れた燃料経済性を有し、高濃縮度燃料を用いた場合にも
十分な炉停止余裕を確保し、減速材密度反応度係数を低
下させることができるようにしたものである。

（実施例）以下本発明の詳細を図面に示す実施例について説明する
。

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体を示すもので、
この実施例の燃料集合体１１では、燃料棒１２によって
３行３列の小単位１３が構成されており、この小単位１
３が、正方形状のチャンネルボックス１４内に８組収容
されている。また、チャンネルボックス１４の中央部に
は、小単位１３に相当する大きさの外径の大きいウォー
タロッド１５が配置されている。

なお、別な小単位１３に属しかつ隣接する燃料棒１２の
心間距離Ｐ２は、同じ小単位１３内で隣接する燃料棒１
２の中心間距離Ｐ１よりも大きく例えばＰ２　＝１．５
　ＸＰｌとされている。

上記構成のこの実施例の燃料集合体１１は、沸騰水型原
子炉に多数配置される。そして、隣接するチャンネルボ
ックス１４との間の水ギヤツプ領域には沸騰しない軽水
が流通され、ここに十字型制御棒１６が挿入される。

第２図は、この実施例の燃料集合体１１と、第１４図に
示した従来の燃料集合体１との比較を示すもので、第２
図（ａ）に示すように、全ての燃料棒３が一定の間隔Ｐ
Ｏで配置されている従来の燃料集合体１に較べて、第２
図（ｂ）に示すように、燃料集合体１１の上記Ｐ１は、
ＰＯより小さく、上記Ｐ２はｐｏより大きくなる。

このような燃料集合体１１においては、共鳴を逃れる確
率ｐは、燃料集合体１に比べて、共鳴エネルギー中性子
に対する燃料棒１２間の相互遮蔽効果が大きくなるので
大となる。また、熱中性子利用率ｆは、小単位１３間の
境界で、熱中性子束が高く、小単位１３の内部で熱中性
子束が低くなるため、燃料集合体１に比べて低下する。

この中性子利用率の低下割合は、隣接する小単位１３と
小単位１３との間隔、すなわち第２図（ｂ）に示す距離
Ｗと、熱中性子拡散距離との比が大きいほど大となり、
また小単位１３の大きさ、すなわち第３図（ｂ）に示ず
距ＮＴと、熱中性子拡散距離との比が大きいほど大とな
る。また、熱中性子拡散距離は水の密度が小さいほど大
きく、大きいほど小さくなる。したがって、上記熱中性
子利用率の低下割合は、運転時では小さく、冷温停止時
では大きくなる。また、共鳴を逃れる確率の増加割合は
、水の密度が小さいほど相互遮蔽効果が大きくなるため
、大となる。

このような効果により、例えば沸騰水型原子炉において
３行３列〜５行５列程度の小単位１３を用いる場合には
、運転時には共鳴を逃れる確率の増加割合が熱中性子利
用率の低下割合より十分大きくなり、冷温停止時には逆
に熱中性子利用率の低下割合が゛共鳴を逃れる確率より
大きくなる。

第３図および第４図のグラフは、ＰｌとＰｌの差を横軸
として、それぞれ運転時と冷温時の共鳴を逃れる確率ｐ
、熱中性子利用率ｆおよびｐｘｆの相対変化を示してい
る。

運転時には水の密度が小さく、熱中性子の拡散圧ｍが大
きいので、第３図に点線で示すように熱中性子利用率ｆ
はＰｌとＰｌの差が大きくなるにつれてゆるやかに低下
する。冷温時は水の密度が大きく、熱中性子拡散距離が
小さいため、第４図に点線で示すように、熱中性子利用
率ｆは、運転時に較べて急激に減少する。

これに対して、第３図および第４図に一点鎖線で示すよ
うに、共鳴を逃れる確率ｐは運転時でも冷温時でもＰｌ
とＰｌの差が大きくなるにつれて増加する。ただし、水
の密度が大きいほど、共鳴エネルギーを持つ中性子が燃
料棒間を移動する間に水によって減速される確率が大き
くなる。したがって水の密度が大きいほど、共鳴エネル
ギーを持つ中性子に対する燃料棒間の相互遮蔽効果が大
きいため、共鳴を逃れる確率の相対変化は冷温時の方が
やや小さい。

炉心の実効増倍率は前述のようにｐＸｆに比例する。ま
た、第３図に実線で示すように、運転時においては、Ｐ
ｌとＰｌの差を大とすることによりｐｘｆが増大する。

したがって、ＰｌとＰｌの差を大とすることにより実効
増倍率を増大させることができる。なお、第３図に示し
た範囲よりさらにＰｌとＰｌの差を大とするとｆの減少
割合が大となり、運転時においても実効増倍率は低下を
始める。

また第４図に実線で示すように、運転時と同じＰｌとＰ
ｌの差において、冷温時ではＰｌとＰｌの差を大とする
ことによりｐＸｆが減少する。したがって、ＰｌとＰｌ
の差を大とすることにより実効増倍率は低下する。

したがって、全ての燃料棒３を一定の間隔で配置した従
来の燃料集合体１に比較して、この実施例の燃料集合体
１１では、運転時には炉心の実効増倍率を富めて経済性
を改善し、冷温停止時には実効増倍率を低下させて炉停
止余裕を増すことができる。

また、十字型制御棒を使用する軽水型原子炉では、チャ
ンネルボックスの外側に１０〜２０市程度の幅を持つ水
ギヤツプ領域がある。このため、水平方向の熱中性子束
分布は燃料集合体１１の外周部で高く、中央部で低くな
る。この熱中性子束分布の平坦化を行えば、更に熱中性
子利用率が改善され、経済性を向上させることができる
。高燃焼度化に対応するためには、この点についての改
良を併せて行う必要がある。

この実施例では、第１図に示したように、中央部に燃料
棒１２の３行３列分に相当する大径のつオータロラド１
５が配置されている。そして、このウォータロッド１５
内の水に加えて、前記小単位１３によってウォータロッ
ド１５周囲の水の領域が増大している。このウォータロ
ッド１５と、ウォータロッド１５と小単位間１３との間
の水の領域とによって燃料集合体１１の中央部の熱中性
子束が高くなり、熱中性子束分布が平坦比する。

この結果、従来に比べて、熱中性子利用率が大きく、経
済性の優れた燃料集合体を得ることができる。

なお、上述の実施例の燃料集合体１１では、小単位１３
の中央部にある燃料棒１２の周囲の冷却材流路が他の燃
料棒１２の周囲の冷却材流路に比べて狭いので、熱的な
制限が厳しくなる恐れがある。このような問題に対して
は、次に示すような方法が有効である。

第５図は、小単位１３の中央部の燃料棒１２の全部また
は一部を、軸方向に部分長の燃料棒２０とした燃料集合
体を示すものである。この燃料棒２０には、第６図に示
すように、燃料棒の上部が雉くなっている部分長燃料棒
２０ａ、燃料棒の下部が短くなっている部分長燃料棒２
０ｂ、燃料棒の上部および下部が短くなっている部分長
燃料棒２０ｃ等を用いることができる。なお、燃料棒の
下部が短くなっている部分長燃料棒２０ｂｔたは部分長
燃料棒２０ｃを用いる場合には、現行のＰＷＲで既に採
用されているように、燃料棒をスペーサで保持する方式
によれば実施可能である。また、部分長燃料棒２０に換
えて、他の燃料棒１２より径の細い燃料棒を用いること
も有効である。

また、第７図および第８図に示すように、上述の問題に
対しては、小用位１３の中央部の燃料棒１２の全部また
は一部をウォータロッド３０とした燃料集合体、もしく
は燃料棒１２を挿入しない燃料集合体とする方法も有効
である。

さらに、小単位１３の中央部の燃料棒１２の全部または
一部を、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２０ｚ）等の可燃性毒
物を含む燃料とする方法も有効である。

第１図に示した燃料集合体１１では、熱中性子束が、小
単位１３の外周部で中央部より大きくなる。このため、
熱中性子利用率を高めるために小単位１３の外周部の燃
料棒１２の濃縮度を相対的に高め、熱的制限の緩和を目
的として小単位中央部の燃料棒１２の濃縮度を下げるこ
とが好適である。第９図は、このような燃料集合体の例
を示すもので、図中記号り、Ｈ，Ｍ、Ｌ、、ｇ、この順
で、核分裂性物質の相対的な濃縮度が高い燃料棒を示し
ている。なお、記号り、Ｈで示される燃料棒の濃縮度の
差および記号り、ｆｆｌで示される燃料棒の濃縮度の差
は、他の燃料棒の濃縮度の差に較べて少なくされている
。

第１４図に示した従来の燃料集合体内では、水平方向に
は分離されていないスペーサを軸方向に数個設けて燃料
棒３の位置固定を行っている。第１図に示した燃料集合
体１１では、小単位１３ごとに区分されたスペーサを用
いることにより、以下に示す効果が得られる。

プルトニウム酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）の軽水炉での使
用（プルサーマル）では、ＭＯＸ燃料棒とウラン燃料棒
とを同じ燃料集合体内に混在させる（アイランドＭＯＸ
燃料）方法が行われている。

アイランドＭＯＸ燃料の製造は、ウラン燃料を製造する
工場においてウラン燃料棒のみを挿入した集合体を完成
し、これをＭＯＸ燃料工場に輸送し、ここでＭＯＸ燃料
棒を挿入する。

これに対し、小単位１３をそれぞれＭＯＸ燃料のみ、ウ
ラン燃料のみによって構成すれば、燃料集合体の組立て
、輸送、品質管理上で工数を省くことが可能となる。

また、アイランドＭＯＸ燃料の再処理では、核分裂性同
位元素の割合が大きな品質の良いプルトニウムを含む照
射済燃料と核分裂性同位元素の割合が低い品質の良くな
いプルトニウムを含む照射済燃料が同じ集合体内に混在
するため、同時に再処理される。これに対して、小単位
１３ごとに区分されたスペーサを用いれば、ウラン燃料
で構成される小単位１３とＭＯＸ燃料で構成される小単
位１３を別個に再処理することが可能であり、再処理の
処理能力をより有効に活用することができる。

また、使用済燃料を長期間貯蔵する場合には、小単位１
３ごとに取扱うことによって、容易に減容化が可能とな
る。

また、複数の小単位１３から構成された燃ｆ：４集合体
１１では、別な小単位１３に属する隣接した燃料棒１２
間の距離が大きくなるために、ここに例えば板状の構造
材等を設けることができる。

第１０図は、このような構造材を設けた燃料集合体内の対向する辺を板状の構造材４０により連結した構造と
されている。この構造材４０は軸方向全長にわたって設
置する必要はなく、軸方向の一部に１または複数個設置
すれば良い。また、ｔｇ造材４０の材料の量を低減し、
構造材４ｏによる中性子吸収量を減らすためには、構造
材４０に多数の透孔を設けることも有効である。

チャンネルボックス１４は、照射によって変形し、一般
に外側に脹らみ、断面が円に近づく傾向がある。この構
造材４０は、この脹らみを減少させる働きをし、高燃焼
度化に対応すると共にチャンネルボックス１４の板厚の
低減を可能とする。

なお、以上の実施例ではＰＷＲ用の９行９列燃１棒から
なる燃料集合体間ついて説明したが、本発明は他の構成
の燃料集合体にも適用可能である。

第１１図は、チャンネルボックス７０内に、燃料棒７１
を８行８列に配置したＢＷＲ用燃料集合体に本発明を適
用した例を示すものである。この燃料集合体では、チャ
ンネルボックス７０内のウォータロッド７２の周囲に、
１５本の燃料棒７１からなる小単位７３が配置されてい
る。

第１２図は、従来より大型化したＢＷＲ用燃料集合体に
本発明を適用したした例を示すもので、大型のチャンネ
ルボックス８０中央部には、２本のウォータロッド８１
が配置されており、ウォータロッド８１の周囲には、９
本の燃料棒８２からなる小単位８３が配置されている。

この燃料集合体の場合には、チャンネルボックス８０の
辺の長さが大きくなるので、チャンネルボックス８０の
対向面を結ぶ構造材８４を配置すれば、チャンネルボッ
クス８０の脹らみを減少させる著しい効果′を得ること
ができる。

また、本発明はクラスター型制御棒を用いる軽水型原子
炉に配置される燃料集合体ついても適用可能である。第
１３図は現行の加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）用の燃料集合
体に本発明を適用した例を示すものである。ＰＷＲ用の
燃料集合体では、燃料棒９０とともに、クラスタ制御棒
用シンプル管９１および計装用シンプル管９２が配置さ
れており、これらの燃料棒９０シンプル管９１．９２に
より正方形状および長方形状の小単位９３を形成する。

このようなＰＷＲ用の燃料集合体では、燃料集合体間の
水キャップの幅が狭いので、必ずしも集合体中心にウォ
ータロッドを設ける必要はない。

なお、第１１図および第１３図に示したように、本発明
における小単位は必ずしも正方形状である必要はなく、
長方形状や不規則な形状でも良い。

また、六方格子状に燃料棒を配置する軽水炉では六角形
状の小単位を用いること等によって適用可能であること
は明らかである。

［発明の効果］以上述べたように本発明の燃料集合体では、運転時の増
倍率を高めて経済性を向上させ、冷温停止時の増倍率を
低下せしめて炉停止余裕を増大させることにより、高い
経済性を持つと共に、高燃焼度化にも十分対応のできる
炉心性能を有する原子炉を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体を示す横断面図
、第２図は第１図に示す燃料集合体と従来の燃料集合体
との違いを示す説明図、第３図および第４図はＰ２とＰ
ｌとの差と、共鳴を逃れる確率、中性子利用率、および
これらの積との関係を示すグラフ、第５図は第１図に示
す燃料集合体の変形例を示す横断面図、第６図は第５図
に示す燃料集合体の燃料棒の構成を示す説明図、第７図
〜第１３図は第１図に示す燃料集合体の変形例を示す横
断面図、１４図は従来の燃料集合体を示す横断面図であ
る。１１・・・・・・・・・・・・燃料集合体１２・・・・
・・・・・・・・燃料棒１３・・・・・・・・・・・・小単位１４・・・・・・・・・・・・チャンネルボックス１５
・・・・・・・・・・・・つオータロラド出願人　　　
　　　日本原子力事業株式会社出願人　　　　　　株式
会社　東芝代理人　弁理士　　須　山　佐　− １転吋第３図Ｏ２−ＰＩ第４図第５図き翫　　　　　　　　　　　ｉ第７図第８図第９図第１２図第１３０

Claims

【特許請求の範囲】

（１）円筒形の燃料ペレットを封入した燃料棒を規則正
しく束ねてなる燃料集合体において、前記燃料棒の中心
間の距離を一定にして少数本束ねて小単位を構成し、こ
の小単位を、それぞれ別な小単位に属する隣接した燃料
棒の中心間の距離が該小単位内の隣接した燃料棒の中心
間の距離より大きくなるよう複数組配置し、これらの複
数組の小単位間の中央付近にウォータロッドを配置した
ことを特徴とする燃料集合体。
（２）前記小単位の中央部分に上部または下部もしくは
上部と下部の一部を短くした部分長燃料棒を配置したこ
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）前記小単位の中央部分の一部の燃料棒の外径を他
の燃料棒の外径より小さくした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。
（４）前記小単位の中央部分の一部の燃料棒を可燃性毒
物入り燃料とした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。
（５）前記小単位の中央部分にウォータロッドを配置し
た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。
（６）前記小単位の中央部分の一部の燃料棒位置に燃料
棒を配置しない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。
（７）前記小単位の中央部分の一部の燃料棒の核分裂性
物質の濃度を、燃料集合体のコーナー付近の燃料棒以外
の他の燃料棒の核分裂性物質の濃度より低くしたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。
（８）前記小単位は、これらの小単位ごとに区分された
スペーサによって構成した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。
（９）前記小単位の間に、対向するチャンネンボックス
内面を連結する構造材を設けた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。