JPS6327671B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は沸騰水形原子炉に装荷される燃料集合
体に関する。

一般に沸騰水形原子炉に装荷される燃料集合体
は、例えば第１図に示すように、被覆管１とこの
被覆管１内に挿入される多数の、例えば二酸化ウ
ランからなる燃料ペレツト２とからなる燃料棒３
と、これ等の燃料棒３を多数本規則正しく配列す
るチヤンネル４とから主体部分が構成されてお
り、チヤンネル４の上下端開口部にはそれぞれ上
部タイプレート５および下部タイプレート６が形
成されている。

なお、図において、７はスペーサを示してい
る。

このように構成された燃料集合体は、炉心内に
多数本規則正しく配列されて、核燃料として用い
られるが、沸騰水形原子炉では、この燃料集合体
内を冷却材が流過するときにボイドが発生するこ
とが知られている。

そしてこのボイドの発生量は、第２図に示すよ
うに燃料集合体の上部では下部より大きく、下部
から上部に向かつて連続的に大きくなつている。

なお、第２図において、縦軸には燃料集合体に
おける位置が、横軸にはボイド率がとられてい
る。

またこのボイドが存在するときには、例えば軽
水からなる冷却水の密度は小さくなるため、逆に
冷却水の密度は、第３図に示すように燃料集合体
の上部では下部より小さく、下部から上部に向か
つて連続的に小さくなつている。

なお、第３図において、縦軸には燃料集合体に
おける位置が、横軸には冷却材密度がとられてお
り、冷却材密度は、燃料集合体下端部に存在する
冷却材の密度を１としたときの相対値で示されて
いる。

しかして一般に反応度は冷却材の密度に比例す
るため、燃料集合体の反応度は、燃料集合体の下
部では上部より大きく、下部から上部に向かつて
連続的に小さくなつている。このため燃料集合体
の下部において出力分布のピークを生じ、燃料集
合体の健全性が損われる惧れがある。

従来から、この燃料集合体下部における出力分
布のピークを抑制するために、燃料集合体下部に
制御棒を浅く挿入することが行なわれているが、
このときには浅く挿入された制御棒の先端上方近
傍において、ボイドの発生量が小さく抑制されて
いるため、この部の冷却材の密度は大きく、従が
つて、この部分には、制御棒を引き抜いたときよ
り大きな出力分布のピークが発生する惧れがあ
る。

また、冷却材流量を調整することにより、燃料
集合体の軸方向出力分布を調整する方法も行なわ
れているが、この方法による調整能力は非常に小
さいものである。

そこで、燃料集合体を構成する燃料棒３の被覆
管１に挿入される燃料ペレツト２に含まれる核分
裂物質例えばウラン235の含有量を例えば第４図
ａに示すように、被覆管１の上部に位置するもの
と、下部に位置するものとで異ならせ、上部に位
置する燃料ペレツト２のウラン235の含有量を下
部に位置する燃料ペレツト２のそれより高富化度
としたり、また、燃料ペレツト２に含まれる可燃
性毒物例えばガドリニアの含有量を例えば第４図
ｂに示すように、被覆管１の上部と下部とで異な
らせ、上部に位置する燃料ペレツト２のガドリニ
アの含有量を下部に位置するそれより低富化度と
して、燃料集合体の軸方向の出力分布を均一化す
ることが行なわれている。

なお、第４図ａおよびｂにおいて、縦軸には燃
料集合体における位置が、横軸には、ウラン235
およびガドリニアの含有量がそれぞれとられてい
る。

しかし、このような従来の方法では、第４図ａ
およびｂから明らかなように、一点鎖線で示され
る被覆管１の上部と下部との境界Ｃの位置は、ウ
ラン235の場合も、ガドリニアの場合も、同一位
置とされており、この境界Ｃの上部と下部とで
は、燃料集合体の反応度は大きく段階的に変化す
る。

しかるに、ボイドの発生量は第２図に示したよ
うに燃料集合体の下部から上部に向かつて連続的
に変化しているため、このような方法によるとき
には、第４図ａおよびｂに示した燃料集合体の軸
方向の出力分布は、第５図〜第７図に示すよう
に、境界Ｃ近傍において大きく歪んだ部分が生
じ、燃料サイクルの途中でこの部分に大きな出力
ピークが生じ燃料集合体の健全性が損われる惧れ
があつた。

すなわち、従来の方法は、ボイドの発生による
軸方向に連続的な反応度損失を、境界Ｃにおいて
反応度を不連続的に変化させることで補おうとす
るものであつた。

なお、第５図〜第７図では、縦軸に燃料集合体
における位置が、横軸に出力密度がそれぞれとら
れており、第５図は炉心の燃焼サイクル初期のも
のを、第６図は中期のものを、第７図は末期のも
のをそれぞれ示している。

本発明は、かかる事情に対処してなされたもの
で、境界の上部と下部とで核分裂物質の含有量が
異なり、かつ、下部の核分裂物質含有量が上部よ
り小である燃料棒Ａと、境界の上部と下部とで可
燃性毒物の含有量が異なり、かつ、下部の可燃性
毒物の含有量が上部より大である燃料棒Ｂの少な
くとも一方を含み、かつ前記燃料棒Ａ相互の境界
の高さと、前記燃料棒Ｂ相互の境界の高さと、前
記燃料棒Ａの境界の高さと前記燃料棒Ｂの境界の
高さの少なくともいずれか１つを互いに異ならせ
たことを特徴とする燃料集合体を提供しようとす
るものである。

以下本発明の詳細を図面に示す一実施例につい
て説明する。

第８図に示す燃料集合体は、横断面正方形のチ
ヤンネル８と、このチヤンネル８内に規則正しく
配列される62本の燃料棒９と２本の水棒１０とで
主体部分が構成されている。なお１１は、十字形
状の制御棒を示している。

第９図は、第８図に示した燃料棒９の縦断面図
であり、円筒状の被覆管１２には二酸化ウランを
焼結して形成した円柱状の多数の燃料ペレツト１
３が挿入されている。

そして被覆管１２の上下開口部は上部端栓１４
および下部端栓１５により密封されており、上部
端栓１４と燃料ペレツト１３上端面とで形成され
る空間はプレナム１６とされている。

このプレナム１６にはスプリング１７が収納さ
れており、被覆管１２内に挿入された燃料ペレツ
ト１３を弾性的に押圧固定している。

このように構成された燃料集合体では、燃料棒
９として、この燃料棒９を構成する燃料ペレツト
１３の成分組成の相違により、数種類の燃料棒９
が用いられている。

第８図において、各燃料棒９に付したローマ数
字は、このような燃料ペレツト１３の成分組成の
相違による燃料棒９の種類を示している。

すなわち、第１０図に示すように、ローマ数字
、、、を付して示される種類、、
、の燃料棒９は、それぞれウラン235の含有
量が3.9w／ｏ（重量％）、2.5w／ｏ、2.2w／ｏ、
1.7w／ｏの燃料ペレツト１３を充填したもので、
いずれもウラン235は含有量が上下で均一になつ
ている。

また、種類の燃料棒９はウラン235含有量が
2.9w／ｏでかつガドリニアを、4.5w／ｏ含有し
た燃料ペレツト１３を充填したいわゆるポイズン
棒であるが、ウラン235含有量およびガドリニア
含有量は上下で均一になつている。

種類およびの燃料棒９は、境界C₁および
C₂を境として上部と下部にウラン235含有量の異
なる燃料ペレツト１３を充填したもので、種類
のものは上部で3.9w／ｏ、下部で3.3w／ｏ、種
類のものは上部で2.9w／ｏ、下部で2.5w／ｏ
となつており、いずれも上部におけるウラン235
含有量が大となつている。

なお、ここで境界C₁とC₂は異なる高さに位置
している。

また、種類の燃料棒９は、境界C₃を境とし
て、上部と下部にウラン235含有量およびガドリ
ニア含有量の異なる燃料ペレツト１３を充填した
もので、上部ではウラン235含有量3.3w／ｏ、下
部ではウラン含有量2.9w／ｏとされており、下
部におけるウラン235含有量は小とされ、また、
ガドリニア含有量は上部では零、下部では
1.0w／ｏとされている。

種類の燃料棒９は、境界C₄を境として、上
部にウラン235含有量2.9w／ｏで、かつ4.5w／ｏ
のガドリニアを含有した燃料ペレツト１３を充填
し、また下部にウラン235含有量2.9w／ｏで、か
つ6.0w／ｏのガドリニアを含有した燃料ペレツ
ト１３を充填したもので、ウラン235含有量は上
部と下部とでは差はないが、ガドリニア含有量は
下部の方が大とされている。

なお、ここで、境界C₃とC₄とはそれぞれ被覆
管１２の異なる高さに位置させても良いし、また
同一の高さに位置させても良い。

またＷの付号を付したものはウオータロツドで
あり、スペーサー７を支持するとともに、燃料集
合体の水平方向出力分布の平坦化をはかるのに用
いられる。

以上のように構成された種々の燃料棒９は、第
８図に示すように燃料集合体のチヤンネル８内の
所定の位置にそれぞれ配列されて核燃料として用
いられるが、このとき、種類、の燃料棒９の
境界C₁，C₂および種類、の燃料棒９の境界
C₃，C₄の境界は、第１１図ａおよびｂに示すよ
うにそれぞれ燃料集合体内において異なる高さに
位置している。

なお、第１１図ａおよびｂにおいては、縦軸に
燃料集合体における位置が、横軸にはウラン235
含有量およびガドリニア含有量がそれぞれとられ
ている。

以上のように構成された燃料集合体では、燃料
集合体を形成するチヤンネル８内の所定の位置
に、境界C₁，C₂又はC₃の上部と下部とでウラン
235含有量が異なり、かつ、下部のウラン235の含
有量が小とされる種類、、の燃料棒９と、
境界C₃又はC₄の上部と下部とでガドリニア含有
量が異なり、かつ、下部のガドリニア含有量が大
である種類、の燃料棒９が装荷されているの
で、燃料集合体の下部の反応度が抑制され、燃料
集合体上部と下部におけるボイド発生量の差によ
る上部と下部との反応度の差が補償されて、燃料
集合体の軸方向の出力分布が平坦化され燃料集合
体の健全性が向上する。

さらに、境界C₁，C₂又はC₃の上部と下部とで
ウラン235含有量が異なる種類、、の燃料
棒９と、境界C₃又はC₄の上部と下部とでガドリ
ニア含有量が異なる種類、の燃料棒９とを用
いて、境界C₁，C₂，C₃およびC₄は、第１１図ａ
およびｂに示したように、燃料集合体の軸方向の
それぞれ異なる位置に配置されているため、この
境界C₁，C₂，C₃およびC₄近傍における反応度の
変化は非常にゆるやかになり、境界近傍に生じる
出力分布の歪みは減少し、核燃料の健全性は向上
する。

第１２図はこの関係を示すもので、縦軸には燃
料集合体における位置が、横軸には出力分布がと
られており、実線で示される曲線ｄはすでに述べ
た本発明の一実施例の燃料集合体の、点線で示さ
れる曲線ｅは、第４図ａおよびｂのように構成さ
れた従来の燃料集合体の出力分布と燃料集合体の
位置との関係をそれぞれ示している。なお、図に
おいて、C₁〜C₄は境界の位置を示している。

この図から明らかなように、本発明の一実施例
の燃料集合体では、境界近傍に生じる出力分布の
歪は従来のものに比較して極端に小さくなつてい
る。

なお、以上述べた実施例では、境界の上下でウ
ラン235含有量の異なる燃料棒９を３種類用いた
例について説明したが、この燃料棒９は２種類又
は４種類以上であつてもよく、４種類以上の場合
には、境界近傍での反応度はよりゆるやかに段階
的となり、より一層出力分布の境界近傍での歪は
小さなものとなる。また、境界の上下でガドリニ
ア含有量の異なる燃料棒９を３種類以上用いた場
合にも、同様である。

第１３図およびｂは、その一例を示すもので、
ａにおいては境界a₁，a₂，a₃およびa₄において段
階的にウラン235含有量が異なつており、ｂにお
いては、境界b₁，b₂およびb₃において段階的にガ
ドリニア含有量が異なつている。

なお、第１３図ａおよびｂにおいて、縦軸には
燃料集合体における位置が、横軸には、ウラン
235含有量およびガドリニア含有量がそれぞれと
られている。

また、本発明に用いられる核分裂物質は必ずし
もウラン235に限定されることはなく、例えばプ
ルトニウムでもよい。同様に可燃性毒物も必ずし
もガドリニアに限定されることはなく、例えばボ
ロンでもよい。

以上述べたように、本発明の燃料集合体によれ
ば、燃料集合体の軸方向の出力分布が平坦化され
るとともに、境界近傍に生ずる出力分布の歪みは
必常に小さいものとなり、燃料集合体の健全性は
従来の燃料集合体に比較して大巾に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、燃料集合体を示す一部切欠き外観
図、第２図は、燃料集合体の上下方向位置におけ
るボイド率を示すグラフ、第３図は燃料集合体の
上下方向位置における冷却材密度を示すグラフ、
第４図ａ，ｂは、燃料集合体の上下方向位置にお
けるウラン235含有量およびガドリニア含有量を
それぞれ示すグラフ、第５図〜第７図は、燃料集
合体の上下方向位置におけるサイクル初期、中
期、末期の出力密度をそれぞれ示すグラフ、第８
図は本発明の一実施例の燃料集合体を示す横断面
図、第９図は燃料棒の縦断面図、第１０図は第８
図に示した燃料棒の組成を示す説明図、第１１図
ａ，ｂは第８図に示した燃料集合体の上下方向位
置におけるウラン235含有量およびガドリニア含
有量をそれぞれ示すグラフ、第１２図は第８図に
示した燃料集合体を用いて炉心を構成したときの
燃料集合体の上下方向位置における出力分分布を
示すグラフ、第１３図は、本発明の他の実施例を
示す説明図である。 ２，１３……燃料ペレツト、３，９……燃料
棒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 境界の上部と下部とで核分裂物質の含有量が
   異なり、かつ、下部の核分裂物質含有量が上部よ
   り小である燃料棒Ａと、境界の上部と下部とで可
   燃性毒物の含有量が異なり、かつ、下部の可燃性
   毒物の含有量が上部より大である燃料棒Ｂの少な
   くとも一方を含み、かつ前記燃料棒Ａ相互の境界
   の高さと、前記燃料棒Ｂ相互の境界の高さと、前
   記燃料棒Ａの境界の高さと前記燃料棒Ｂの境界の
   高さの少なくともいずれか１つを互いに異ならせ
   たことを特徴とする燃料集合体。