JPS6361991A

JPS6361991A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPS6361991A
Application number: JP61205874A
Authority: JP
Inventors: 肇男青山; 裕一森本; 貞夫内川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-03
Filing date: 1986-09-03
Publication date: 1988-03-18
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: JPH0644052B2

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〕本発明は燃料集合体に係り、特に取り出し燃焼度が増大
し、運転サイクル期間が長期化した場合の余剰反応度制
御に好適な沸騰水型原子炉の燃料集合体に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の構成を第７図に示
す。燃料集合体は、四角筒のチャンネルボックス１と、
このチャンネルボックス１の内部に収納された燃料バン
ドル２とからなる。この燃料バンドル２は、チャンネル
ボックス１の上下部にはめ込む上部タイプレート３およ
び下部タイプレート４と、チャンネルボックス１内部で
軸方向に沿って間隔を置いて設置した複数個のスペーサ
５と、このスペーサを貫通し、上下部タイプレート３，
４に両端を固定した複数本の燃料棒６と水ロッド７とか
ら構成しである。

原子炉を一定の期間運転するためには、運転初期におい
て、運転中の核分裂性物質の燃焼による反応度劣化分だ
け余剰反応度を有している必要がある。そして、原子炉
を臨界に保つために、この余剰反応度を制御する必要が
あり、従来、その方法として、第８図に示すように、中
性子吸収物質からなる制御棒８を炉心に挿入する方法と
、濃縮燃料ペレット中にＧｄｚＯａ等の中性子吸収断面
積の大きい可燃性毒物を添加した特殊燃料棒９（以下ガ
ドリニア入り燃料棒という）を含む燃料集合体を用いる
方法とが併用されていた。

近年、燃料経済性を向上させるため、濃縮度を高くして
燃料を長寿命化することが考えられているが、これには
次のような問題がある。第１は、濃縮度の増加により中
性子の平均エネルギーが高くなるため、ガドリニア入り
燃料棒１本当りの余剰反応度制御効果が減少することで
ある。第２は、連続運転期間の延長により制御しなけれ
ばならない余剰反応度が第９図のように増大し、従来の
ガドリニア入り燃料棒の本数を増加しなければならない
ということである。第８図に示した燃料集合体は、取出
し燃焼度が３０ＧＷｄ／を程度で、９ケ月連続運転のも
のでガドリニア入り燃料棒９が６本配置しである。例え
ば、連続運転期間を１．５倍の１３．５　ケバ間にする
場合を考えると、ガドリニア入り燃料棒９が接近して配
置されることによる反応度制御量の減少、さらに前述し
た濃縮度増加にともなう反応度制御量の減少を考慮する
と、必要なガドリニア入り燃料棒９の本数は１３本程度
と考えられる。しかし、ガドリニア入り燃料棒９の本数
の増加は、燃料集合体の局所出力ビーキング係数を増大
する影響があり、配置場所の制約からその本数には上限
が存在する。したがって、連続運転期間を１５ケ月以上
にすることは、現実的には困難となることが予想される
。

このような課運の対策としては、特開昭５３−４１６９
６号公報に記載しであるように、可燃性毒物と減速材を
混在させた制御ロッドを燃料集合体に組み込む方法、ま
た、燃料ペレットに占めるガドリニアの重量割合を増加
し、第２サイクル初期においてもガドリニアが燃え残る
ようにする方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、前者がウラン装荷量の減少、また、後
者がサイクル末期のガドリニアの燃え残りによる反応度
低下によって、いずれも燃料経済性の面で犠牲を払うと
いう問題があった。

本発明の目的は、燃料の長寿命化にともなう余剰反応度
増加という問題を燃料経済性を悪化させることなく解決
することができる沸騰水型原子炉の燃料集合体を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、燃料棒の燃料有効部の上下端部領域に核分
裂性物質の量が他の領域より少なく、しかも、少なくと
もその一部には可燃性毒物を含んだ燃料ペレットを配置
しである燃料棒を多数本格子状に配置した燃料集合体を
用いることによって達成するようにした。

〔作用〕

本発明は、以下に示す検討結果に基づいてなされたもの
である。なお、以下の説明では、核燃料としてウラン−
２３５を用いた場合を取り上げたが、プルトニウム−２
３９，２４１，さらにはウラン−２３３を用いた場合も
同様である。

燃料集合体には下部タイプレートの孔から冷却材が流入
し、上部タイプレートの孔から流出する。

その間、燃料棒間で加熱された冷却材は２相流となり、
燃料集合体上部ではボイド率が７０％前後になる。その
結果、燃料集合体上部の中性子拡散係数が大きくなり、
燃料集合体上部からの中性子の漏れが著しく大きくなる
。中性子経済を向上して燃料の有効利用をはかるために
は、運転状態において中性子インポータンスが高い領域
に中性子無限増倍率が高い燃料を配置し、中性子インポ
ータンスの低い領域には中性子無限増倍率が低い燃料を
配置すればよい。つまり、燃料集合体上下端部の中性子
インポータンスの低い領域の核分裂性物質量を他の領域
より少なくすればよい。

第１０図はガドリニア入り燃料棒の濃縮度とガドリニア
入り燃料棒１本あたりの余剰反応度制御量との関係を示
した線図である。濃縮度の減少にともなって中性子の平
均エネルギーが減少するため、ガドリニア入り燃料棒１
木当たりの余剰反応度制御量が増大する。また、ガドリ
ニアの燃え残　。

りも減少する。

そこで、中性子インポータンスの低い領域にガドリニア
を混在させたので、中性子無限増倍率をより低くするこ
とができ、燃料経済性をさらに向上させることができ、
また、低濃縮度燃料領域では線出力密度が最大になるこ
とはないので、局所出力ビーキング係数を気にせず必要
なだけガドリ・ニア入り燃料に置きかえることができる
。また。

燃料集合体上下端部を除く燃料領域（中央燃料領域）の
燃焼度分布を平坦化することができる。

また、前述したように、燃料集合体はボイドが発生する
ため、上部の燃焼の進みが遅れ、燃料集合体軸方向の燃
焼度分布が一様にならないが、燃料集合体上下端部に可
燃性毒物を配置するようにしたので、上下端部に接する
中央燃料領域の燃焼度を制御することができ、その結果
、燃焼度分布を平坦化することができる。

また、核分裂性物質の量を減少する炉心上下端部領域は
、燃料経済性を悪化させない領域となる。

第１１図は燃料集合体上下端部領域をそれぞれ天然ウラ
ンに置き換えたときの省ウラン効果を示した線図である
。第１１図より、燃料集合体の燃料有効長に対して上下
端よりそれぞれ１５％の長さの領域を燃料集合体上下端
部とした。

〔実施例〕

以下本発明を第１図〜第６図に示した実施例を用いて詳
細に説明する。

第１図は本発明の燃料集合体の一実施例を示す水平断面
図で、０〜０で示しであるものは、それぞれ濃縮度の異
なる燃料ペレットを充填した燃料棒を示している。０は
水ロッドである。第２図は第１図の各種燃料棒の軸上向
の濃縮度分布の説明図で９図中のａ　”　ｈは燃料ペレ
ットの濃縮度を示しており、それは第１表のようになっ
ている。なお、第１表において、濃縮度（Ｗｌｏ）と第
１表は、Ｕ−２３５とＵ−２３８との合計に対する草ロー２３５の濃度を示している。

第２図に示すように、各燃料ｌｓＯ〜○の燃料上端部（
燃料有効長の２７２４″：約８％）と燃料下端部（燃料
有効長の１／２４：約４％）が天然ウランにおきかわっ
ており、そのうち、燃料棒０．０の２４本の上下端部に
はそれぞれ４Ｗ１０の濃度のガドリニアが混在している
。

その結果、次の効果が得られる。燃料棒上下端部にｇ、
ｈのペレットを設置しないａ　−ｆのペレットだけから
なる燃料棒で燃料集合体を構成した場合に比べて、単位
出力あたりの所要天然ウラン量が約５％減少するととも
に、余剰反応度制御量が約０．２　　％Δに増大する。

また、ペレットｈを使わず、燃料棒上下端部をすべてペ
レットｇで構成した場合に比べて、余剰反応度制御量が
約０．５％Δに増大する。

なお、第１図では、中性子インポータンスの高い領域の
出力が増加し、線出力密度が増大することを考慮して燃
料集合体の配列を現行８Ｘ８格子から９×９格子に変更
しているが、これは９×９格子に限定されるものではな
く、ｌ０ＸＩ０゜１１×１１格子でもよい。また、近年
、被覆管内壁にＣｕまたはＺｒの薄膜をはりつけ、燃料
ペレットと被覆管の相互作用を減少し、線出力密度を増
大できる燃料集合体が開発されつつあるが、このような
燃料集合体の場合は、８Ｘ８格子とすることができる。

また５第２図では燃料有効部の上端部が燃料有効長の約
８％、下端部が約４％としであるが、これらはそれぞれ
燃料有効長の１５％以下であればよい。

第３図は本発明の他の実施例を示す第１図に相当する水
平断面図で、０〜Ｏはそれぞれ濃縮度の異なる燃料ペレ
ットを充填した燃料棒で。

○は水ロッドで第４図は第３図の各燃料棒の軸上向の濃
縮度分布の説明図で、燃料ペレットａ〜ｈの濃縮度は第
１表と同じである。第３図は燃焼度分布を平坦化するよ
うにしたもので、第１図に示した実施例との相違点は、
第４図に示すように、燃料棒上端部と下端部とでペレッ
トｈが用いられている本数が異なる点である。すなわち
、上端部では１２本、下端部では２４本となっている。

その結果、前の実施例に比べて余剰反応度制御効果は半
減するが、燃焼度の進みが遅れる燃料集合体上部での燃
焼を進めることが可能になり、燃焼度分布の平坦化を実
現できるという効果がある。

第５図は本発明のさらに他の実施例を示す第１図に相当
する水平断面図で、○〜０はそれぞれ濃縮度の異なる燃
料ペレットを充填した燃料棒で、０は水ロッドで、第６
図は第５図の各燃料棒の軸方向の濃縮度分布の説明図で
、燃料ペレットａ　−ｈの濃縮度は第１表と同じである
。第５図は第３図と同じ効果を実現するためのもので、
第１図に示した実施例との相違点は、第６図に示すよう
に、燃料棒■、■の上部端の燃料ペレットｈの一部をガ
ドリニアの入っていない燃料ペレットｇにした点にある
。その結果、第３図に示した実施例と同様、燃焼度の進
みが遅れる燃料集合体上部での燃焼を進めることができ
る。ただし、余剰反応度制御効果は、第１図に示した実
施例の場合のほぼ半分となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、燃料棒の燃料有
効部の上下端部領域に核分裂性物質の量が他の領域より
少なく、しかも、少なくともその一部には可燃性毒物を
含んだ燃料ペレットを配置するようにしたので、燃料経
済性を悪化することなく、反応度制御効果が増大できる
ので、長期サイクル運転時の余剰反応度制御量を増大す
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料集合体の一実施例を示す水平断面
図、第２図は第１図の各種燃料棒の軸方向の濃縮度分布
の説明図、第３図、第５図はそれぞれ本発明の他の実施
例を示す第１図に相当する水平断面図、第４図、第６図
はそれぞれ第４図。ご第８図の各種燃料棒の軸方向の濃縮度分布の説明図、第
７図は従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の構成図、第
８図は従来の燃料集合体の水平断面図、第９図は連続運
転期間と余剰反応度との関係を示す線図、第１０図は濃
縮度とガドリニア入り燃料棒１本あたりの余剰反応度制
御との関係を示す線図、第１１図は天然ウラン領域の割
合と天ウラン節約量との関係を示す線図である。ｏ−ｏ、ｏ−ｏ、　　○〜Ｏ・・・燃料棒。ａ　”　ｈ・・・燃料ペレット。

Claims

【特許請求の範囲】１、格子状に配置された多数本の燃料棒からなる燃料集
合体において、前記燃料棒の燃料有効部の上下端部領域
に核分裂性物質の量が他の領域より少なく、しかも、少
なくともその一部には可燃性毒物を含んだ燃料ペレット
を配置してあることを特徴とする燃料集合体。２、前記燃料有効部の上下端部領域が燃料有効長の１５
％以下である特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。