JPS6367870B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料棒を複数組込んだ燃料集合体に
関する。

核分裂性物質を燃料とする発電用原子炉等の燃
料棒は、取扱いの容易さ、原子炉の制御の容易さ
等から、複数の燃料棒を組込んで一体化された燃
料集合体とされて原子炉内に装荷されるのが一般
的である。このような燃料集合体の一例を第１
図、第２図に示す。この燃料集合体は、沸騰水型
原子炉に用いられるものである。図において燃料
集合体１０は、チヤンネルボツクス１２内に燃料
棒１４を第２図に示すように８行８列の格子状に
組込んで構成されている。そして各燃料棒１４の
間には、燃料棒スペース１６を介在させ、燃料棒
１４は下端が下部タイプレート１８に嵌入され、
上端が上部タイプレート２０との間に圧縮介在さ
れたエクスパツシヨンスプリング２２に当接して
チヤンネルボツクス１２内で動かないようにされ
ている。また、チヤンネルボツクス１２の上部側
面には、炉心に装荷するのを容易にするための案
内羽根２３が設けられており、チヤンネルボツク
ス１２の上端には、燃料集合体１０を吊るための
係合部２４が設けられている。

燃料集合体１０は、局所出力ピーキングを小さ
くするために、各燃料棒内の核分裂物質の原子
（以下燃料原子という）の濃度（濃縮度）を異な
らせ、燃料集合体の横断面の中心部には燃料原子
の濃縮度が高い燃料棒を配置し、燃料集合体の横
断面における周縁部には燃料原子の濃縮度の低い
燃料棒を配置するようにしていた。その一例を第
３図に示す。第３図は燃料集合体１０の燃料棒配
置を示している。２６は原子炉中に挿入された制
御棒である。そして、２８は最も燃料原子の濃度
が高い最高濃縮度燃料棒であり、３０は２番目に
濃縮度が高い高濃縮度燃料棒、３２は高濃縮度燃
料棒３０より濃度が低い中間高濃縮度燃料棒、３
４はさらに濃縮度が低い中間低濃縮度燃料棒、３
６は中間低濃縮度燃料棒３４より濃縮度が低い低
濃縮度燃料棒、そして３８は燃料原子の濃度が最
も低い最低濃縮度燃料棒である。また、４０は中
性子を吸収するガドリニウムGd等のいわゆる可
燃性毒物が入つた可燃性毒物入り燃料棒であり、
４２は中性子を減速して燃料集合体１０の中心部
での核分裂反応を増大させるために収納されたウ
オータロツドである。

他方、近年燃料棒の長手方向をほぼ中央におい
て２領域に分け、各領域の燃料棒中の含有物質の
濃度を変える技術が開発された。そして、燃料集
合体上部の燃料原子の濃度を下部より高くし、燃
料集合体上部の無限増倍率を大きくして、燃料集
合体下部の無限増倍率を小さくし、燃料集合体の
長手方向の核分裂反応を均一化し、沸騰水型原子
炉に特有な蒸気ボイドによつて生ずる軸方向出力
ピーキングの増加を抑えることが可能となつた
（特開昭53−40188号公報）。この軸方向出力ピー
キングの増加を抑える技術により、沸騰水型原子
炉内の熱的余裕は増大した。

本発明の目的は、燃焼期間を長くできる燃料集
合体を提供することにある。

本発明の特徴は、燃料集合体の横断面の周縁部
における平均濃縮度を、その横断面において周縁
部に取囲まれた中心部の平均濃縮度よりも大きく
し、しかも燃料集合体の軸方向における上部領域
の無限増倍率を下部領域の無限倍率よりも大きく
したことにある。

本発明は、寿命を延長できる燃料集合体の構造
を発明者等が検討することによつてなされたもの
である。以下にその内容を詳細に説明する。

燃料集合体を多数装荷して運転される原子炉の
炉内最高出力は、次の３つのピーキングの積（グ
ロスピーキング）に原子炉内燃料集合体平均出力
を乗じて求められる。この３つのピーキングと
は、第１が径方向出力ピーキングで、原子炉内に
おける燃料集合体の最高出力と原子炉平均出力と
の比であり、第２が軸方向出力ピーキングであつ
て、燃料集合体の上下方向の最高出力と上下方向
平均出力の比であり、第３が局所出力ピーキング
であつて、燃料集合体内燃料棒の最高出力と燃料
集合体内燃料棒平均出力との比である。また、燃
料集合体の各燃料棒の出力Ｐは、燃料棒位置の熱
中性子束をφ、核分裂性物質の核分裂断面積を
σ_f、燃料棒中の燃料原子の濃度をＮとすれば、 Ｐ＝φ・σ_f・Ｎ で与えられる。

さらに、燃料を効率よく燃焼し、燃焼期間を長
くするためには、燃料集合体のいわゆる無限増倍
率を大きくする必要がある。この無限増倍率を大
きくするためには、熱中性子束の大きな領域では
燃料原子の密度（濃度）を大きくし、熱中性子束
の小さな領域では燃料原子の密度を小さくした方
が効果的である。従つて、沸騰水型原子炉では、
中性子の減速材の不均一性及び燃料棒自体の中性
子吸収効果等により、熱中性子束は燃料集合体の
周縁部で大きく、中心部で小さくなつているた
め、沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、燃料集合
体の周縁部の燃料原子の密度を中心部より大きく
することが望まれる。

発明者等は、以上のことに鑑み、燃料集合体の
周縁部における燃料原子の濃度を大きくすること
が、中性子利用率を向上させて燃料集合体の燃焼
期間の増大につながることに気付いた。しかしな
がら、周縁部における燃料原子の濃度の増大は、
燃料集合体の局所出力ピーキングの増加につなが
る。この局所出力ピーキングの増加による燃料集
合体への悪影響は、以下のようにすることによつ
てなくすことができる。局所出力ピーキングの増
加量は、前述の特開昭53−40188号公報に示され
た技術、すなわち燃料集合体上部の無限増倍率を
その下部の無限増倍率よりも大きくするという技
術によつて得られる軸方向出力ピーキングの減少
量内に押える必要がある。換言すれば、軸方向出
力ピーキングの減少分の少なくとも一部を局所出
力ピーキングの増加のために利用することによつ
て、燃料期間を長くできる燃料集合体を得ること
ができる。

沸騰水型原子炉に、用いる本発明の好適な一実
施例である燃料集合体を添付図面に従つて詳説す
る。なお、従来例に示した部材に対応する部材に
ついては同一の符号を付して説明を省略する。

第４図は本発明の実施例における燃料集合体の
横断面を示しており、第５図は第４図の各燃料棒
の燃料原子の濃度を示す図である。なお、燃料棒
中の燃料原子の濃度（濃縮度）は、前記と同様に
最高濃縮度、高濃縮度、中間高濃縮度、中間低濃
縮度、低濃縮度、最低濃縮度の順に小さくなつて
いる。第４図、第５図において燃料集合体１０
は、中心部に２本のウオータロツド４２が組込ま
れ、46本の燃料棒が８行８列の格子状に組込まれ
て配置されている。そして、燃料集合体１０の外
側から２番目の層の各辺中央に２本ずつ配置され
ている最高濃縮度燃料棒４４は、3.7重量パーセ
ント（以下、Ｗ／０と称す）の燃料原子が燃料棒
中のほぼ一様に分布している。また、燃料集合体
１０の最も外側の層の各辺中央部に４本ずつ配置
された高濃縮度燃料棒４６は、燃料棒中の燃料原
子の平均濃縮が3.5W／０であつて、燃料棒の上
半分が3.7W／０、下半分が3.3W／０の濃度にな
つている。高濃縮度燃料棒４６の両側に配置され
た中間高濃縮度燃料棒４８は、燃料原子の平均濃
度が3.1W／０であつて、上半分が3.3W／０、下
半分が2.9W／０の濃度を有する。また、燃料集
合体１０の外側から２番目の層の各コーナ部に配
置された中間低濃縮度燃料棒５０は、2.9W／０
の燃料原子が軸方向に一様に分布しており、燃料
集合体１０の最も外側の各コーナ部に配置された
低濃縮度燃料棒５２は、燃料原子の平均濃度が
2.4W／０であつて、上半分が2.6W／０、下半分
が2.2W／０である。そして、燃料集合体１０の
中心部には、14本の最低濃縮度燃料棒５４が配置
され、この最低濃縮度燃料棒５４は、濃度
2.2W／０の燃料原子が軸方向に一様に分布して
いる。なお、燃料集合体１０の外側から２番目の
層の第４図において左上部と右下部とに配置され
た５６及び右上部と左下部とに配置された５８と
はそれぞれ可燃性毒物（Gd）入り燃料棒である。
そして、可燃性毒物入り燃料棒５６は、2.9W／
０の燃料原子と4.5W／０の可燃性毒物とが軸方
向に一様に分布しており、可燃性毒物入り燃料５
８は、2.9W／０の燃料原子が軸方向に一様に分
布すると共に、上半分は3.5W／０の可燃性毒物
が、下半分には4.5W／０の可燃性毒物が含まれ
ている。

上記のような配置で燃料棒が組込まれた本実施
例の燃料集合体１０は、燃料原子の濃度が下部よ
り上部で大きくなつていると共に、燃料原子の平
均濃度が中心部より周縁部で大きくなつている。
従つて、燃料集合体１０の長手方向の無限増倍率
が下部より上部が大きくされて核分裂反応が均一
化され、軸方向出力ピーキングが低下する。一
方、前記したように核分裂反応に適した熱中性子
が多い燃料集合体１０の周縁部の燃料原子の濃度
を高くしたことにより、燃料集合体１０の中心部
の無限増倍率の低下以上に周縁部での無限増倍率
を大きくすることができ、燃料集合体１０全体の
無限増倍率を大きくすることができる。周縁部の
燃料原子の濃度を高くしたことによつてて、燃料
集合体１０の局所出力ピーキングは増大するが、
この増大幅は上記の軸方向出力ピーキングの減少
幅内にあるので、燃料集合体１０のグロスピーキ
ングは増大しない。

燃料集合体全体の燃料原子の濃度が等しい前記
実施例の燃料集合体と従来の燃料集合体とを使用
して原子炉を運転したときの無限増倍率と燃料の
燃焼度との関係を第６図に示す。第６図において
縦軸は無限増倍率、横軸は燃焼度であつて単位は
MWd／ｔ（メガワツト日／トン）である。また、
Ａは本実施例の燃料集合体上部の測定値、Ｂは本
実施例の燃料集合体下部の測定値、Ｃは従来の燃
料集合体上部の測定値、Ｄは従来の燃料集合体下
部の測定値である。図に示されているように実施
例の燃料集合体は、従来の燃料集合体に比べ燃焼
度が大きい部分（燃料寿命の後半）において無限
増倍率が0.01増加する。この結果、燃料集合体全
体の燃料原子の濃度が従来と同一であつても、本
実施例の燃料集合体は、燃料寿命後半において従
来より無限増倍率が大きくなるので、燃焼期間を
長くすることができる。即ち、同量の燃料を使用
しても取り出されるエネルギーが多くなり、燃料
の経済性を大幅に向上することができる。

なお、前記実施例では燃料集合体１０の軸方向
出力ピーキングを小さくするのに燃料原子の濃度
を変えて行う場合について説明したが、中性子を
吸収する性質を有する可燃性毒物の濃度を変える
ことによつても行うことができる。また、前記実
施例では、燃料棒を８行８列の格子状に組込んだ
燃料集合体について説明したが、燃料集合体は８
行８列の格子状に限定されず、また、燃料棒を円
形に配置してもよい。

以上説明したように本発明によれば、燃料集合
体上部の無限増倍率を下部の無限増倍率より大き
くし、しかも燃料集合体の周縁部の濃縮度を中心
部のそれよりも大きくしたことにより、燃料集合
体の燃焼期間を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料集合体の概略図、第２図は第１図
の―線に沿う断面図、第３図は従来の燃料集
合体の燃料棒の配置図、第４図は本発明に係る実
施例の燃料集合体の燃料棒の配置図、第５図は第
４図の燃料棒の燃料原子の濃度を示す図、第６図
は燃料集合体の燃焼度と無限増倍率との関係を示
す図である。 １０…燃料集合体、２８，４４…最高濃縮度燃
料棒、３０，４６…高濃縮度燃料棒、３２，４８
…中間高濃縮度燃料棒、３４，５０…中間低濃縮
度燃料棒、３６，５２…低濃縮度燃料棒、３８，
５４…最低濃縮度燃料棒、４０，５６，５８…可
燃性毒物入り燃料棒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 核分裂性物質を含む複数の燃料棒を有する燃
   料集合体において、前記燃料集合体の横断面の周
   縁部における平均濃縮度を、その横断面において
   前記周縁部に取囲まれた中心部の平均濃縮度より
   も大きくし、しかも前記燃料集合体の軸方向にお
   ける上部領域の無限増倍率を下部領域の無限増倍
   率よりも大きくしたことを特徴とする燃料集合
   体。