JPS63250587A - 原子炉の燃料集合体 - Google Patents
原子炉の燃料集合体Info
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- JPS63250587A JPS63250587A JP62084766A JP8476687A JPS63250587A JP S63250587 A JPS63250587 A JP S63250587A JP 62084766 A JP62084766 A JP 62084766A JP 8476687 A JP8476687 A JP 8476687A JP S63250587 A JPS63250587 A JP S63250587A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
- G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
- G21C3/324—Coats or envelopes for the bundles
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
- G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
- G21C3/322—Means to influence the coolant flow through or around the bundles
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
- Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
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。
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、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと表す。）に
装荷される燃料集合体に関する。
装荷される燃料集合体に関する。
従来の沸騰水型原子炉の炉心の構成を第２図に示す、炉
心は、格子状に等間隔に配置された多数の燃料集合体１
．燃料集合体１間に挿入される制御棒２及び炉内計装系
３とを有している。また第３図には、従来型の８×８燃
料燃料体の横断面図が示されている。燃料集合体は四角
筒のチャンネルボックス１１と、このチャンネルボック
ス１１の内部に収納された燃料バンドルからなる。燃料
バンドルは、正方格子状に規則正しく配列された複数本
の燃料体６と中性子減速棒である水ロッド７とから構成
される。一方チヤンネルボックス１１の周囲には制御棒
であるいは中性子検出器計装管３が挿入できるよう飽和
水の領域であるギャップ水８が存在するようになってい
る。
心は、格子状に等間隔に配置された多数の燃料集合体１
．燃料集合体１間に挿入される制御棒２及び炉内計装系
３とを有している。また第３図には、従来型の８×８燃
料燃料体の横断面図が示されている。燃料集合体は四角
筒のチャンネルボックス１１と、このチャンネルボック
ス１１の内部に収納された燃料バンドルからなる。燃料
バンドルは、正方格子状に規則正しく配列された複数本
の燃料体６と中性子減速棒である水ロッド７とから構成
される。一方チヤンネルボックス１１の周囲には制御棒
であるいは中性子検出器計装管３が挿入できるよう飽和
水の領域であるギャップ水８が存在するようになってい
る。
この様な現行の軽水冷却型原子炉においてウラン資源を
有効に活用する方法として、燃料集合体の燃料の平均濃
縮度を高め、取り出し燃焼度を増大し、経済性を向上す
ることが考えつける。しかし高濃縮度燃料で集合体を構
成すると、核分裂性物質に対する冷却材量が相対的に減
少するため、中性子の平均エネルギーが上昇し、ボイド
係数の絶対値が増大するとともに制御棒価値が減少する
。
有効に活用する方法として、燃料集合体の燃料の平均濃
縮度を高め、取り出し燃焼度を増大し、経済性を向上す
ることが考えつける。しかし高濃縮度燃料で集合体を構
成すると、核分裂性物質に対する冷却材量が相対的に減
少するため、中性子の平均エネルギーが上昇し、ボイド
係数の絶対値が増大するとともに制御棒価値が減少する
。
これらは、原子炉の安定性を悪くするとともに、核分裂
性物質の有効利用の面からも好ましくない。
性物質の有効利用の面からも好ましくない。
またボイド係数の増大に対応して冷温停止時に発生する
反応度が増加し、原子炉が安全に停止する能力があるか
どうかを示す指標として設けられた設計基準である炉停
止余裕が減少とするという問題点があった。
反応度が増加し、原子炉が安全に停止する能力があるか
どうかを示す指標として設けられた設計基準である炉停
止余裕が減少とするという問題点があった。
本発明の目的は、安定性、安全性、燃料経済性を向上さ
せた燃料集合体を提供することにある。
せた燃料集合体を提供することにある。
上記目的は、沸騰水型原子炉の炉心部に、第１図に示す
ように、正方格子間隔Ｐで装荷されている燃料集合体に
おいて、チャンネルボックスの外幅、内幅の長さをそれ
ぞれＤ、Ｄとした時（ｐ −Ｌ）１０で定まる値を従来
になく大きくするとともに、従来よりも高濃縮度な燃料
を使用することによＤ、達成される。
ように、正方格子間隔Ｐで装荷されている燃料集合体に
おいて、チャンネルボックスの外幅、内幅の長さをそれ
ぞれＤ、Ｄとした時（ｐ −Ｌ）１０で定まる値を従来
になく大きくするとともに、従来よりも高濃縮度な燃料
を使用することによＤ、達成される。
（Ｐ−Ｌ）／Ｄを従来になく大きく設定することは、炉
心にセットした状態にあってはチャンネルボックス間の
冷却材存在領域が従来になく大きくなＤ、これにより高
濃縮度な燃料集合体を使用した際に生じゃすいボイド係
数の増加による冷温時の反応度増加や制御棒価値減少を
チャンネルボックス周囲の大量な冷却材による中性子減
速を利用して反応度増加分を減少方向へ制御棒価値減少
を増加方向へ修正する。
心にセットした状態にあってはチャンネルボックス間の
冷却材存在領域が従来になく大きくなＤ、これにより高
濃縮度な燃料集合体を使用した際に生じゃすいボイド係
数の増加による冷温時の反応度増加や制御棒価値減少を
チャンネルボックス周囲の大量な冷却材による中性子減
速を利用して反応度増加分を減少方向へ制御棒価値減少
を増加方向へ修正する。
本発明の実施例では、現行炉心の炉心構造物を変更する
必要がない高燃焼度燃料体を開発することもねらってい
るのであるが、炉心構造物の変更を行わないという前提
は、燃料集合体が装荷される間隔（装荷ピッチ）Ｐ（以
下燃料集合体ピッチと略記する）を変えないことにほか
ならない、現行ＢＷＲの燃料集合体ピッチは、大半は６
インチ（１５，２ａｍ）となっておＤ、以下の説明もＰ
＝６インチを例にとって行うが、Ｐ≠６インチの場合も
同様の効果が得られる。
必要がない高燃焼度燃料体を開発することもねらってい
るのであるが、炉心構造物の変更を行わないという前提
は、燃料集合体が装荷される間隔（装荷ピッチ）Ｐ（以
下燃料集合体ピッチと略記する）を変えないことにほか
ならない、現行ＢＷＲの燃料集合体ピッチは、大半は６
インチ（１５，２ａｍ）となっておＤ、以下の説明もＰ
＝６インチを例にとって行うが、Ｐ≠６インチの場合も
同様の効果が得られる。
第４図、第５図は、第３図に示す現行の集合体（Ｌ＝
１３．８ａｎ、 Ｋ＝ １３．２ｃｍ）で平均濃縮度を
増加した場合の、冷温時反応度上昇及び冷温時制御棒価
値の変化を示したものである。現在、ＢＷＲの代表的な
取替燃料は、濃縮度３重量％。
１３．８ａｎ、 Ｋ＝ １３．２ｃｍ）で平均濃縮度を
増加した場合の、冷温時反応度上昇及び冷温時制御棒価
値の変化を示したものである。現在、ＢＷＲの代表的な
取替燃料は、濃縮度３重量％。
平均取り出し燃焼度２８ＧＷｄ／ｌである。例えば、平
均取り出し燃焼度を１．５倍以上にするためには、４重
量％以上の濃縮度が必要となるが、冷温時の反応度上昇
が現行より約１％増大し、制御棒価値が約０．７％減少
する。その結果、原子炉が安全に停止する能力があるか
どうかを示す指標として設けられた設計基準である炉停
止余裕が約２％Δｋｅｆｆ減少することが予想される。
均取り出し燃焼度を１．５倍以上にするためには、４重
量％以上の濃縮度が必要となるが、冷温時の反応度上昇
が現行より約１％増大し、制御棒価値が約０．７％減少
する。その結果、原子炉が安全に停止する能力があるか
どうかを示す指標として設けられた設計基準である炉停
止余裕が約２％Δｋｅｆｆ減少することが予想される。
上述した核特性を本質的に改善するためには、減速材対
燃料比を増大し、中性子平均エネルギーを減少すれば良
い。本発明の実施例では、チャンネルボックス外に存在
する減速材（軽水）の効果に注目したものである。
燃料比を増大し、中性子平均エネルギーを減少すれば良
い。本発明の実施例では、チャンネルボックス外に存在
する減速材（軽水）の効果に注目したものである。
現行ＢＷＲの炉心にバックフィツトすることを考えると
除熱の面及び圧損による安定性の面からチャンネルボッ
クス内の冷却材流路面積は現行と同程度確保することが
望ましい。冷却材流路面積を同じにして減速材対燃料比
を増大する方法としては、 （１）燃料装荷量を減少し、チャンネルボックス内部の
飽和水領域（水ロツド領域）を増大する。
除熱の面及び圧損による安定性の面からチャンネルボッ
クス内の冷却材流路面積は現行と同程度確保することが
望ましい。冷却材流路面積を同じにして減速材対燃料比
を増大する方法としては、 （１）燃料装荷量を減少し、チャンネルボックス内部の
飽和水領域（水ロツド領域）を増大する。
（２）燃料装荷量を減少し、チャンネルボックス外部の
飽和水領域（ギャップ領域）を増大する。
飽和水領域（ギャップ領域）を増大する。
の２つが考えられる。
第６図は、冷温時反応度上昇を減少する効果に対する雨
音の比較を示している。（２）の方が約１．３倍の効果
がある。これは、水ロツド領域よりギャップ水領域の方
が減速材の集中度が高く、燃料に吸収される以前に効果
よく中性子の減速が行われるためである。またその結果
、（２）の方法ではギャップ領域での熱中性子束が増大
し制御棒価値も増大する。一方（１）の方法では、水ロ
ッドを増加するに伴い燃料棒本数を減少しなければなら
ず、（２）の方法に比較し熱的余裕が減少することにな
る。
音の比較を示している。（２）の方が約１．３倍の効果
がある。これは、水ロツド領域よりギャップ水領域の方
が減速材の集中度が高く、燃料に吸収される以前に効果
よく中性子の減速が行われるためである。またその結果
、（２）の方法ではギャップ領域での熱中性子束が増大
し制御棒価値も増大する。一方（１）の方法では、水ロ
ッドを増加するに伴い燃料棒本数を減少しなければなら
ず、（２）の方法に比較し熱的余裕が減少することにな
る。
第７図、第８図は、炉心部での効果を示したもルボツク
ス内幅に対するギャップ水領域の厚さの伴い本発明の効
果が得られることが分かる１例えば４重量％以上の濃縮
度を有する燃料集合体で炉停止余裕を確保するためには
、水ロツド断面積に−Ｌ よらず□がｏ、１２以上であることが必要である。第７
図においては、水ロンド断面積を２例に変えた場合につ
いて効果を示しているが。
ス内幅に対するギャップ水領域の厚さの伴い本発明の効
果が得られることが分かる１例えば４重量％以上の濃縮
度を有する燃料集合体で炉停止余裕を確保するためには
、水ロツド断面積に−Ｌ よらず□がｏ、１２以上であることが必要である。第７
図においては、水ロンド断面積を２例に変えた場合につ
いて効果を示しているが。
−Ｌ
□に対する感度は同じである。
以下本発明の各実施例をより具体的に説明する。
第９図に示す第１実施例は、燃料集合体の平均濃縮度が
６重量％程度の高燃焼度燃料体に本発明を適応した実施
例の燃料集合体の横断面である。
６重量％程度の高燃焼度燃料体に本発明を適応した実施
例の燃料集合体の横断面である。
燃料ペレットとしては表１に示す２１〜２６を使用して
いる。２７は十字形水ロッドで水ロツド領域断面積は約
９ｄで、現行の３ａｉｆより大きくしている。これは、
ギャップ水領域の増大による中性子束分布の歪みを解消
し、熱的余裕及び燃料経済性を向上する働きがある０本
発明においては、燃料集合体ピッチＰ＝１５．２４ｃｍ
チャンネルボックスの外幅、内幅は、それぞれＬ”１３
．６ａｍ。
いる。２７は十字形水ロッドで水ロツド領域断面積は約
９ｄで、現行の３ａｉｆより大きくしている。これは、
ギャップ水領域の増大による中性子束分布の歪みを解消
し、熱的余裕及び燃料経済性を向上する働きがある０本
発明においては、燃料集合体ピッチＰ＝１５．２４ｃｍ
チャンネルボックスの外幅、内幅は、それぞれＬ”１３
．６ａｍ。
０．１２５ となＤ、本実施例は、第７図、第８図よ
り濃縮度６ Ｗ ／ Ｏにおいても、炉停止余裕が確保
できることが分かる。つまＤ、濃縮度が６重量％に増加
することによＤ、増大した冷温時反応度上昇２．５％Δ
に／にと、減少した制御棒価値−Ｌ １．５％Δに／ｋを、□の値を０．１１ からＯ，１２
５に増加することによＤ、冷温時反応度上昇を３．５％
Δに／ｋ 減少し、制御棒価値を０．７％Δに／に増大
して解決した。また本実施例では、冷温時の反応度上昇
を従来と同程度にできるのと同様に、運転時のボイド係
数も現行と同程度の値にすることができる。そのため、
現行炉心の炉内構造物を何ら変更することなる現行取出
燃焼度を２倍以上延長できる高燃焼度炉心が実現できる
ことになる０本実施例の省ウラン効果は、現行燃料集合
体に比べ約２０％、また再処理量は約４０％減少できる
。
り濃縮度６ Ｗ ／ Ｏにおいても、炉停止余裕が確保
できることが分かる。つまＤ、濃縮度が６重量％に増加
することによＤ、増大した冷温時反応度上昇２．５％Δ
に／にと、減少した制御棒価値−Ｌ １．５％Δに／ｋを、□の値を０．１１ からＯ，１２
５に増加することによＤ、冷温時反応度上昇を３．５％
Δに／ｋ 減少し、制御棒価値を０．７％Δに／に増大
して解決した。また本実施例では、冷温時の反応度上昇
を従来と同程度にできるのと同様に、運転時のボイド係
数も現行と同程度の値にすることができる。そのため、
現行炉心の炉内構造物を何ら変更することなる現行取出
燃焼度を２倍以上延長できる高燃焼度炉心が実現できる
ことになる０本実施例の省ウラン効果は、現行燃料集合
体に比べ約２０％、また再処理量は約４０％減少できる
。
表 １
本発明の第２実施例は、燃料集合体の平均濃縮度が５重
量％程度の高燃焼度燃料体に本発明を適応した場合であ
る。第１０図に本実施例の濃縮度分布を示す、燃料ペレ
ットとしては、表２に示す３１〜３５を使用している。
量％程度の高燃焼度燃料体に本発明を適応した場合であ
る。第１０図に本実施例の濃縮度分布を示す、燃料ペレ
ットとしては、表２に示す３１〜３５を使用している。
Ｐ、Ｌ、Ｄの値はＰ＝ １５．２４ａｍ、 Ｌ＝ １３
．６６ａｎ、Ｄ＝ １３．１５−Ｌ ■で□４０．１２ である。本実施例においても、第７
〜８図よＤ、濃縮度５重量％の炉停止余裕が確保できる
ことが分かる。つまＤ、濃縮度が５重量％に増加して増
大した。冷温時反応度上昇表 ２ １．７％Δに／ｋ と減少した制御棒価値１．Ｉ−Ｌ ％Δに／ｋを、□の値を０．１１から０．１２に増加す
ることによＤ、冷温時反応度上昇を２．７％Δに／ｋ
減少し、制御棒価値を０．５％Δに／に増大して解決し
た。
．６６ａｎ、Ｄ＝ １３．１５−Ｌ ■で□４０．１２ である。本実施例においても、第７
〜８図よＤ、濃縮度５重量％の炉停止余裕が確保できる
ことが分かる。つまＤ、濃縮度が５重量％に増加して増
大した。冷温時反応度上昇表 ２ １．７％Δに／ｋ と減少した制御棒価値１．Ｉ−Ｌ ％Δに／ｋを、□の値を０．１１から０．１２に増加す
ることによＤ、冷温時反応度上昇を２．７％Δに／ｋ
減少し、制御棒価値を０．５％Δに／に増大して解決し
た。
使用済燃料の再処理が行われるようになれば、核分裂性
物質としてプルトニウム−２３９，プルトニウム−２４
１を用いることになるが、プルトニウムはウランに比べ
核分裂断面積が大きく、濃縮度を高めた場合と同じ問題
が生じる。このような燃料体に対しても本発明により同
様の効果が得られる。
物質としてプルトニウム−２３９，プルトニウム−２４
１を用いることになるが、プルトニウムはウランに比べ
核分裂断面積が大きく、濃縮度を高めた場合と同じ問題
が生じる。このような燃料体に対しても本発明により同
様の効果が得られる。
いずれの実施例にあっても、燃料集合体の上下両端部を
除いた中央部の８０％の部分の集合体軸方向に垂直な断
面での核燃料物質に対する核分裂性物質の重量割合が４
％以上の燃料集合体において、燃料集合体を構成する四
角筒のチャンネルボックスの外幅Ｄ、内幅Ｌの長さを ０．１２Ｄ≦Ｐ−Ｌ となるように設定して燃料集合体を構成することが高燃
焼度と安定性や安全性及び経済性において良い。
除いた中央部の８０％の部分の集合体軸方向に垂直な断
面での核燃料物質に対する核分裂性物質の重量割合が４
％以上の燃料集合体において、燃料集合体を構成する四
角筒のチャンネルボックスの外幅Ｄ、内幅Ｌの長さを ０．１２Ｄ≦Ｐ−Ｌ となるように設定して燃料集合体を構成することが高燃
焼度と安定性や安全性及び経済性において良い。
以上説明したように、本発明によれば、燃料集合体ピッ
チに対する燃料集合体の大きさを小さくし、ギャップ水
領域を増大することによＤ、冷温時の反応時上昇の増大
、冷温時制御棒価値の低下を極力防止できるので、炉停
止余裕を確保できるほか、安定性の確保に効果がある。
チに対する燃料集合体の大きさを小さくし、ギャップ水
領域を増大することによＤ、冷温時の反応時上昇の増大
、冷温時制御棒価値の低下を極力防止できるので、炉停
止余裕を確保できるほか、安定性の確保に効果がある。
第１図は、本発明による燃料集合体の平断面図、第２図
は、従来型ＢＷＲの炉心平断面図、第３図は、従来の燃
料集合体の平断面図、第４図は、燃料濃縮度と冷温時反
応度上昇の関係を示すグラフ線図、第５図は、濃縮度と
制御棒価値の関係を示すグラフ線図、第６図、第７図、
第８図は、本発明燃料集合体の効果を示すグラフ線図、
第９図。 第１０図は、本発明の各実施例における濃縮度分布を示
す図である。 １・・・燃料集合体、２・・・制御棒、３・・・炉内計
装系。
は、従来型ＢＷＲの炉心平断面図、第３図は、従来の燃
料集合体の平断面図、第４図は、燃料濃縮度と冷温時反
応度上昇の関係を示すグラフ線図、第５図は、濃縮度と
制御棒価値の関係を示すグラフ線図、第６図、第７図、
第８図は、本発明燃料集合体の効果を示すグラフ線図、
第９図。 第１０図は、本発明の各実施例における濃縮度分布を示
す図である。 １・・・燃料集合体、２・・・制御棒、３・・・炉内計
装系。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、核分裂性物質を含む燃料物質を内包する多数本の燃
料棒の集合群を、断面形状として互いに向う合う少なく
とも四辺を有し、内幅Ｄ＿１、外幅Ｌ＿１の中空筒上の
チャンネルボックスで囲んで燃料集合体を構成し、前記
燃料集合体の複数体を、冷却材として軽水を有する原子
炉炉心内に装荷ピッチＰ＿１で装荷される原子炉の燃料
集合体において、前記燃料物質に対する核分裂性物質の
平均重量割合を前記集合群における平均重量割合よりも
増加して前記集合群をより一層高濃縮度な燃料集合群に
構成し、前記チャンネルボックスを内幅Ｄ＿２、外幅Ｌ
＿２にして高濃縮度燃料集合体を構成し、前記高濃縮度
燃料集合体に関する前記装荷ピッチがＰ＿２であつて、
（Ｐ＿１−Ｌ＿１）／Ｄ＿１よりも（Ｐ＿２−Ｌ＿２）
／Ｄ＿２が大きい値に成るように前記内幅Ｄ＿２、外幅
Ｌ＿２、装荷ピッチＰ＿２を設定したことを特徴とした
原子炉の燃料集合体。 ２、核分裂性物質を含む燃料物質を内包する多数本の燃
料棒の集合群を、断面形状として互いに向い合う少なく
とも四辺を有し、内幅Ｄ＿１、外幅Ｌ＿１の中空筒上の
チャンネルボックスで囲んで燃料集合体を構成し、前記
燃料集合体の複数体を、冷却材として軽水を有する原子
炉炉心内に装荷ピッチＰで装荷される原子炉の燃料集合
体において、前記燃料物質に対する核分裂性物質の平均
重量割合を前記集合群における平均重量割合よりも増加
して前記集合群をより一層高濃縮度な燃料集合群に構成
し、前記チャンネルボックスを内幅Ｄ＿２、外幅Ｌ＿２
にして高濃縮度燃料集合体を構成し、前記内幅Ｄ＿２、
外幅Ｌ＿２を、（Ｐ−Ｌ＿１）／Ｄ＿１よりも（Ｐ−Ｌ
＿２）／Ｄ＿２が大きい値に成る関係に設定したことを
特徴とした原子炉の燃料集合体。 ３、核分裂性物質を含む燃料物質を内包する多数本の燃
料棒の集合群を、断面形状として互いに向い合う少なく
とも四辺を有し、内幅Ｄ、外幅Ｌの中空筒上のチャンネ
ルボックスで囲んで燃料集合体を構成し、前記燃料集合
体の複数体を、冷却材として軽水を有する原子炉炉心内
に装荷ピッチＰで装荷される原子炉の燃料集合体におい
て、前記燃料物質に対する核分裂性物質の平均重量割合
を前記集合群における平均重量割合よりも増加して前記
集合群をより一層高濃縮度な燃料集合群に構成し、前記
チャンネルボックスの前記内幅Ｄ、外幅Ｌの各値を、０
．１２≦（Ｐ−Ｌ）／Ｄが成立する関係に設定したこと
を特徴とした原子炉の燃料集合体。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62084766A JP2510565B2 (ja) | 1987-04-08 | 1987-04-08 | 原子炉の燃料集合体 |
| US07/178,902 US4871510A (en) | 1987-04-08 | 1988-04-07 | Fuel assembly and reactor core |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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