JPH01155292A - 燃料集合体 - Google Patents

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、沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体に係り、
特に炉停止余裕を確保するのに好適な燃料集合体に関す
る。

［従来の技術］ 沸騰水型原子炉では、減速材である水の密度は、運転時
には水が高温になりかつボイドが発生するため、常温時
に比べて低くなる。このため、炉心が潜在的に有する反
応度は、一般に、運転時よりも常温時の方が大きくなる
。

一方、原子炉の設計では、安全性の観点から、常温状態
で、万一、最も反応度価値の大きい制御棒が挿入不能と
なっても、原子炉が確実に停止できることが要求されて
いる。すなわち、最も反応度価値の大きい制御棒が挿入
されない状態での中性子実効増倍率と臨界状態の中性子
実効増倍率１．０との差（すなわち炉停止余裕）を十分
確保する必要がある。この炉停止余裕を確保する手段と
して、主に次のような手段が採られてきた。

（１）燃料集合体配置の変更、 （２）制御棒の反応度価値を高めること、（３）可燃性
毒物入り燃料棒の使用。

上記の（１）では、制御棒の反応度価値が平均化するよ
うに燃料をシャラフリングする。しかし、この手段は、
燃料シャラフリングに時間がかかり、プラント設備利用
率を低下させるという欠点がある。

上記の（２）は、挿入可能な制御棒の反応度制御能力を
高めることにより、炉停止余裕を確保するものである。

しかし、運転時の余剰反応度制御においては、制御棒に
よる出力分布の歪みが大きくなるなどの欠点がある。

上記の（３）は、ガドリニアなどの中性子吸収材を燃料
に添加することにより、燃料の反応度を抑え、余剰反応
度制御と共に炉停止余裕を確保するものである。特に、
炉停止余裕確保の観点から、燃料上部に可燃性毒物の多
い領域を設けた燃料集合体が、特開昭５９−１０２１８
８に提示されている。燃料上部への対策が炉停止余裕に
とって有効なのは、 （イ）燃料下方から冷却材である水が流入しボイドが発
生する通常の沸騰水型原子炉では、水の密度の高い燃料
下部の出力が高くなる傾向があり、燃料上部の燃焼が下
部に比べて進みにくいため、上部に燃料物質が多く残存
する。

（０）ボイド率が大きい燃料上部では、運転時と常温時
との反応度差が下部に比べて大きい。

という理由による。

一方、特開昭５１−８９９９１には、燃焼が進んだ状態
において、上部領域の核分裂性ウランの重量割合及びプ
ルトニウムの重量割合が、下部領域の該重量割合より共
に大きい燃料集合体が記載されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記従来技術のうち前者（特開昭５９−１０２
１８８）は、燃料上部に多くの可燃性毒物を添加してい
るため、運転時において、下部より低い燃料上部での反
応度がさらに小さくなる。このため、出力分布を燃料下
方へますます歪ませる原因となり、出力分布平坦化の観
点から好ましくない。

また、後者（特開昭５１−８９９９１　）は、運転時と
常温時の水素対燃料原子数比の変化が大きい燃料上部に
、下部よりも多くの核分裂性ウランが存在している。つ
まり、結果的に、下部より上部が高濃縮度の燃料になフ
ている。しかし、第２図に模式的に示すように、高濃縮
度のウラン燃料は、低濃縮度の燃料に比べ、運転時と常
温時の中性子増倍率の差が大きくなる。したがフて、炉
停止余裕が小さくなるという問題がある。

本発明の目的は、運転時の軸方向出力分布を悪化させる
ことなく、炉停止余裕の増大を図ることにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は、多数の燃料棒の束
よりなり、燃料棒の長手方向に沿フて流却材が上流側か
ら下流側に流れるにつれて冷却材中にボイドが発生する
ような燃料集合体において、該燃料集合体は冷却材の流
れの方向に二領域に分割され、下流側の領域に含まれる
核分裂性ウランの、該領域に含まれる全燃料物質に対す
る平均の重量割合が上流側の領域でのそれより小であり
、且つ、下流側の領域に含まれる核分裂性プルトニウム
の、該領域に含まれる全燃料物質に対する平均の重量割
合が上流側の領域でのそれよりも大であるように構成し
たことを特徴とする。

［作　　　用］ 本発明によれば、運転時と常温時の中性子増倍率の差が
小さくなり、前記の目的を達成し得る。

以下では、燃料集合体が上下方向に配置され、これに沿
って冷却材が下から上へ流れる沸騰水型原子炉の場合を
例にとって、説明する。また、以下では、ウラン燃料と
は、燃料がウランのみであってプルトニウムを含まない
燃料をいい、プルトニウム燃料とは、劣化ウラン、天然
ウラン又は微濃縮ウランをプルトニウムで富化してなる
燃料をいう。

本発明の作用を第３図を用いて説明する。この図には、
水対燃料体積比が約１．３の燃料集合体におけるボイド
率と中性子無限増倍率との関係が示されている。濃縮度
６．Ｏｗｔ％の酸化ウラン（１１０２）からなるウラン
燃料を用いた場合の、運転時のボイド率７０％の状態と
常温時との中性子無限増倍率の差は、約２３％△に／に
である。これに対し、例えば、劣化ウランに酸化プルト
ニウム（ＰＬＩ０２）を富化度１０．０ｗｔ％で富化し
てなるプルトニウム燃料を用いた場合は、運転時のボイ
ド率７０％の状態と常温時との中性子無限増倍率の差は
、約７％Δに／にである。すなわち、運転時にボイド率
が大きくなり、運転時と常温時の水素対燃料原子数比の
差が大きい燃料上部に、ウラン燃料の替りにプルトニウ
ム燃料を用いることにより、上述のように運転時と常温
時の中性子無限増倍率の差を小さくすることができる。

したがって、運転時の反応度を小さくすることなく、炉
停止余裕の増大が図れる。

また、劣化ウランの替りに、天然ウランあるいは微濃縮
ウランに、プルトニウムを富化してなるプラトニウム燃
料についても、同様のことがいえる。

一方、プルトニウム燃料は、高速中性子に対しての巨視
的核分裂断面積がウラン燃料の約１，３倍になる。この
ため、ウラン燃料に比べ、プルトニウム燃料の方が出力
が高くなる傾向がある。したがって、下部に比べ出力が
低い燃料上部に、ウラン燃料に替えてプルトニウム燃料
を用いることにより、上部の出力を高め、炉停止余裕の
増大を図ると同時に軸方向出力分布の平坦化を図ること
ができる。

［実　施　例］ 以下の実施例は、燃料集合体が上下方向に配置され、冷
却材が下から上へ流れる沸騰水型原子炉についての実施
例である。

え胤里ユ 第１図は、本発明になる燃料集合体の第１の実施例であ
る。同図（ａ）に示すように燃料集合体１は六角形状を
しており、チャンネルボックス２と六方稠密格子状に配
置された燃料棒３．４と制御案内管５（図中、黒丸で示
したもの）から成っている。本燃料集合体の水対燃料体
積比は約１．３である。燃料棒３（図中、斜線をつけた
丸で示したもの）は、上部１／３の領域に劣化ウランに
１０．０ｗｔ％のプルトニウムを富化したプルトニウム
燃料６を、また下部２／３の領域に濃縮度６．Ｏｗｔ％
のウラン燃料７を装荷したものである（第１図（ｂ）参
照）。一方、燃料棒４（図中、白丸で示したもの）は、
濃縮度６．０ｗｔ％のウラン燃料７を装荷したものであ
る（第１図（Ｃ）参照）。

ところで、制御棒が挿入されない状態では、制御棒案内
管５内は非沸騰水で満たされている。このため、制御棒
案内管５を取囲む燃料棒の回りでは、局所的に中性子減
速のよい状態が生じる。−方、プルトニウム燃料は、熱
中性子に対しての巨視的核分裂断面積がウラン燃料の約
２．０倍になる。これに対し、前述のように、高速中性
子に対してのプルトニウム燃料の該断面積は、ウラン燃
料の約１．３倍である。すなわち、プルトニウム燃料は
、ウラン燃料に比べ、中性子減速のよい領域で出力がよ
り高くなる傾向にある。この点を考慮して、径方向の出
力分布平坦化の観点から、本実施例では、制御棒案内管
５の周囲にはウラン燃料を装荷した燃料棒４を配置した
。

本実施例の燃料集合体では、燃料棒数は１２０本であり
、その内訳は、上部１／３の領域にプルトニウム燃料を
、下部２／３の領域にウラン燃料を装荷した燃料棒３が
６０本、ウラン燃料のみを装荷した燃料棒４が６０本で
ある。また、本燃料集合体の上部１／３の領域での全燃
料物質に対する核分裂性ウランの平均の重量割合は約３
．１　ｗｔ％、該領域での核分裂性プルトニウムの平均
の重量割合は約５．９　ｗｔ％である。これに対して、
本燃料集合体の下部２／３の領域での核分裂性ウランの
平均の重量割合は６．Ｏｗｔ％、該領域での核分裂性プ
ルトニウムの重量割合は０である。したがって、本燃料
集合体は、その上部領域で、下部領域よりも、全燃料物
質に対する核分裂性ウランの平均の重量割合は小さく、
かつ、核分裂性プルトニウムの平均の重量割合は大きく
なっている。

第４図に、本燃料集合体に招けるボイド率と中性子無限
増倍率を示す。本実施例の燃料集合体は、上部１／３に
プルトニウム燃料を有する燃料棒３とウラン燃料よりな
る燃料棒４との本数比が１：１になるようにしているこ
とにより、運転時のボイド率７０％の状態での中性子無
限増倍率をあまり変えることなく、常温時の中性子無限
増倍率を、ウラン燃料だけで構成した比較例の燃料集合
体に比べ、約４％Δに／Ｉ低くすることができる。この
結果、炉停止余裕を約０．９％Δに／に増大させること
ができる。

また本実施例では、前述したように、上部領域にプルト
ニウム燃料を装荷することにより、該領域での出力を比
較例であるウラン燃料のみの場合よりも高くすることが
できる。この結果、第５図に示すように、軸方向の出力
分布の平坦化をも同時に図ることができる。

夫１■ユ 、　　本発明になる燃料集合体の第２の実施例を第６図
に示す。本実施例の燃料集合体（第８図（ａ））は、上
部１／３の領域に豊化度９．Ｏｗｔ％のプルトニウム燃
料１０、下部２／３の領域に濃縮度６．Ｏｗｔ％のウラ
ン燃料７を装荷した燃料棒８　（第６図（ｂ））と、前
述燃料棒のプルトニウム燃料１０を富化度８、Ｑ　ｗｔ
％のプルトニウム燃料１１に替えた燃料棒９（第６図（
Ｃ））とから構成されている。前述のように、径方向の
出力分布平坦化の観点から、出力が高くなる制御棒案内
管の回りには、富化度の低いプルトニウム燃料１１を装
荷した燃料棒９を配置した０本実施例では、前実施例と
ほぼ同等の軸方向出力分布平坦化を実現しながら、常温
時の中性子無限増倍率を、ウラン燃料だけで構成した燃
料集合体に比べ、約４．５％Δに／に低くすることがで
き、炉停止余裕を約１．０％Δに／に増大させることが
可能である。

Ｋ五■ユ 第７図は、本発明になる燃料集合体の第３の実施例であ
る。本実施例では、燃料下部から燃料有効長の１９／２
４〜２１／２４の領域に富化度１０．０ｗｔ％のプルト
ニウム燃料６、その他の領域に濃縮度６、Ｏｗｔ％のウ
ラン燃料フを装荷した燃料棒１２（第７図（ｂ））と、
濃縮度６．Ｏｗｔ％のウラン燃料７を装荷した燃料棒４
（第７図（Ｃ））とで燃料集合体（第７図（ａ））を構
成している。本燃料集合体は、プルトニウム燃料６の替
りにガドリニア入りのウラン燃料を装荷した特開昭５９
−１０２１８８号記載の燃料集合体と比べ、その領域で
の反応度を小さくすることなく、はぼ同等の炉停止余裕
の増加を図ることができる。

大！（＊４ 第８図は、本発明になる燃料集合体の第４の実施例であ
る。本実施例では、中性子の漏れを小さくし、中性子の
有効利用を図るため、上下１／２４の領域に天然ウラン
燃料１５、燃料下部から１５７２４〜２３／２４の領域
に富化度１０．０ｗｔ％のプルトニウム燃料６、その他
の領郷に濃縮度６．Ｏｗｔ％のウラン燃料７を装荷した
燃料棒１３（第８図（ｂ））と、同じく上下１／２４の
ｆ域に天然ウラン燃料１５、その他の領域に濃縮度６゜
Ｏｗｔ％のウラン燃料７を装荷した燃料棒１４（第８図
（Ｃ））とで燃料集合体（第８図（ａ））を構成してい
る。本実施例においても、第１の実施例と同等の炉停止
余裕の増大及び軸方向出力分布平坦化を図れる。

実施例５ 本発明になる燃料集合体の第５の実施例を第９図に示す
。本実施例の燃料集合体（第９図（ａ））は、燃料下部
から１５／２４〜２３／２４の領域に富化度１０．０ｗ
ｔ％のプルトニウム燃料６．１／２４〜１５／２４の領
域に富化度５．Ｏｗｔ％のプルトニウム燃料１７、その
他の領域に天然ウラン燃料１５を装荷した燃料棒１６（
第９図（ｂ））と、第８図（ｃ）と同じ燃料棒１４（第
９図（Ｃ））とから成っている。本実施例では、軸方向
出力分布平坦化の観点から、ボイド率が低く出力が高く
なる傾向のある燃料下部で、富化度の低いプルトニウム
燃料を使用している。

衷Ｊｕ」互 本発明になる燃料集合体の第６の実施例を第１０図に示
す。本実施例の燃料集合体（第１０図（ａ））は、燃料
下部から１／２４〜２３／２４の領域に富化度１（１，
０ｗｔ％のプルトニウム燃料６、その他の領域に天然ウ
ラン燃料１５を装荷した燃料棒１８（第１０図（ｂ））
が１２本、第８図（ｂ）と同じ燃料棒１３（第１０図（
Ｃ））が４８本、第８図（Ｃ）と同じ燃料棒１４（第１
０図（ｄ））が６０本の燃料棒から成っている。これも
、前実施例と同様、軸方向出力分布平坦化の観点から、
燃料下部でプルトニウムを富化した燃料棒の数を少なく
している。

去ＪＣ１工 本発明になる燃料集合体の第７の実施例を第１１図に示
す０本実施例の燃料集合体（第１１図（ａ））は、燃料
下部から１５／２４〜２３／２４の領域に濃縮度１．Ｏ
ｗｔ％の徴濃縮ウランに９．５　ｗｔ％のプルトニウム
を富化したプルトニウム燃料２０，１／２４〜１５／２
４の領域に濃縮度６．Ｏｗｔ％のウラン燃料７、その他
の領域に天然ウラン燃料１５を装荷した燃料棒１９から
成っている。本実施例においても、前述の実施例と同等
の炉停止余裕の増大を図れる。

去ＪＣＩ旦 第１２図は、本発明になる燃料集合体の第８の実施例で
ある。本実施例では、燃焼初期の余剰反応度を抑えるた
め、再燃焼毒物であるガドリニアを混合したウラン燃料
２２を装荷した燃料棒２１を配置した。ガドリニアはプ
ルトニウム燃料にも混合することは可能であるが、ウラ
ン燃料に比ベプルトニウム燃料は転換比が高いという特
性があり、将来さらに再処理技術が進んだ時に、プルト
ニウム燃料はリサイクル方式、ウラン燃料はワンススル
一方式で利用することを考慮し、再処理するプルトニウ
ム燃料にはなるべく不純物を混入しないようにした。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、軸方向出力分布
平坦化をも図りながら、運転時と常温時の中性子無限増
倍率の差を小さくし、炉停止余裕を０．９％Δに／に以
上増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）は本発明の第１
の実施例を示す図、第２図は濃縮ウラン燃料の水素対燃
料原子数比と中性子増倍率の関係を示す図、第３図はボ
イド率と中性子無限増倍率の関係を示す図、第４図は第
１の実施例におけるボイド率と中性子無限増倍率の関係
を示す図、第５図は軸方向の出力分布を示す図、第６図
（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）　、第７図（ａ）。 （ｂ）、（Ｃ）　、第８図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）　、
第９図（ａ）　、　（ｂ）　。 （Ｃ）、第１０図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、
　（ｄ）　、第１１図（ａ）。 （ｂ）、第１２図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、
　（ｄ）は本発明の第２の実施例ないし第８の実施例を
夫々示す図である。 １・・・燃料集合体 ２・・・チャンネルボックス ３・・・燃料棒　　　　　　４・・・燃料棒５・・・制
御棒案内管 ６・・・富化度１０．０＋ｙｔ％のプルトニウム燃料７
・・・濃縮度６．Ｏｗｔ％のウラン燃料８・・・燃料棒
　　　　　　９・・・燃料棒１０・・・富化度９．５　
ｗｔ％のプルトニウム燃料１１・・・富化度８．Ｏｗｔ
％のプルトニウム燃料１２・・・燃料棒　　　　　１３
・・・燃料棒１４・・・燃料棒　　　　　１５・・・天
然ウラン燃料１６・・・燃料棒 １７・・・富化度５．Ｏｗｔ％のプルトニウム燃料１８
・・・燃料棒　　　　　１９・・・燃料棒２１・・・燃
料棒 燃料 第１図 （α） （ｂ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（Ｃン燃料捧３　　　　　　　　　吸召樟４ 水素対燃料原子数比−犬 ホ゛イト争　（％） ホ゛イト率　（％） 相ヌｑ出力 第６図 （ｂ）　　　　　　　　　（Ｃ） 燃料枠８　　　　　　　　　　燃料棒９第７図 ＜ａ＞ （ｂ）　、　　　　　　　（Ｃ） 燃料棒）２　　　　　　　　　　燃料棒４第８図 （ｂ）　　　　　　　　ＣＣ） 燃料棒１３　　　　　　　　　燃料帰１４第９図 （α） （ｂ）　　　　　　　（Ｃ） 燃料棒１６　　　　　　　　　燃料棒１４第１０図 （ｂ）　　　　　　　（Ｃ）　　　　　　　（ｄ）燃羽
捧１８　　　　　　　燃柵１３　　　　　　　燃料棒１
４第１１図 に） （ｂ） 燃料棒１９ 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　多数の燃料棒の束よりなり、燃料棒の長手方向に沿
   って流却材が上流側から下流側に流れるにつれて冷却材
   中にボイドが発生するような燃料集合体において、該燃
   料集合体は冷却材の流れの方向に二領域に分割され、下
   流側の領域に含まれる核分裂性ウランの、該領域に含ま
   れる全燃料物質に対する平均の重量割合が上流側の領域
   でのそれより小であり、且つ、下流側の領域に含まれる
   核分裂性プルトニウムの、該領域に含まれる全燃料物質
   に対する平均の重量割合が上流側の領域でのそれよりも
   大であるように構成したことを特徴とする燃料集合体。