JPH01250092A - 加圧水型原子炉の燃料集合体及び運転方法 - 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］ この発明は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の燃料集合体及
び運転方法に関する。

［従来の技術］ ＰＷＲの運転時には、炉心位置によっては必ずしも全て
の燃料集合体に制御棒を挿入する必要はないが、原子燃
料サイクルにおける燃料資源節約の手段として、この制
御棒を入れる必要のない個所のＰＷＲ燃料集合体の制御
棒案内管を、劣化ウランまたは天然ウランのプルトニウ
ムへの転換に利用する方法が考えられる。

これは、運転時に制御棒を入れる必要のない個所の燃料
集合体の制御棒案内管に劣化ウラン或は天然ウランまた
は低濃縮ウランのスペクトルシフト棒（以下、スペクト
ルシフト燃料棒と称す）を挿入することにより、燃料集
合体の水対燃料体積比（Ｍ／Ｆ比）を減少させ、′３８
Ｕから２３９　ｐ　ｕへの転換を促す方法である。

第５図は従来から知られるＰＷＲ用燃料集合体の制御棒
案内管を示す。

制御棒案内管ＩＢは、その下部に端栓２を有し、この端
栓２をブッシング３を介して燃料集合体（図示せず）の
下部ノズル４にねしこみ、下部リングナツト５Ｂにより
固定され、支持格子（図示せず）により支承されている
。また、制御棒案内管ＩＢには、下部ノズル４から制御
棒案内管ＩＢ内に通じる複数の流水孔６が設けられてお
り、制御棒挿入時間を短縮している。この流水孔６は直
径１ｍｍ程度と小さくなっているが、これはスクラム時
に制御棒の自重による落下を可能とするためである。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のＰＷＲ用燃料集合体における制御棒案内管は、そ
もそも制御棒を挿入するためのものであるから、スペク
トルシフト燃料棒の挿入について＼は同等考慮されてお
らず、以下の不都合を生じる。

制御棒案内管にスペクトルシフト燃料棒を挿入した場合
、スペクトルシフト燃料棒から発生する熱を除去する必
要があるが、従来の制御棒案内管の流水孔は直径１　ｍ
ｍ程度の微細なものである故、制御棒案内管内に流入す
る冷却水流量が制限されることになる。

このため、スペクトルシフト燃料棒から発生する熱除去
が不可能となり、スペクトルシフト燃料棒及び制御棒案
内管の健全性を保つことは困難である。

この発明は上記の従来技術の有する問題点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、制御棒案内
管にスペクトルシフト燃料棒を挿入しても、制御棒案内
管内に冷却材が流通し、スペクトルシフト燃料棒の熱除
去を可能とするＰＷＲ用燃料集合体を提供することであ
る。

［課題を達成するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明のＰＷＲ用燃料集合
体は、燃料棒と制御棒案内管とを格子配列状に束ねてな
り、前記案内管には制御棒またはスペクトルシフト燃料
棒が挿入される加圧水型原子炉用燃料集合体であって、 前記案内管の側周面に穿設され、前記案内管のの内外へ
冷却材を流通させるスリットと、前記案内管内下部に設
けられ、前記案内管内に前記制御棒が全挿入されたとき
に自由状態にある弾性体と、 前記案内管内に前記スペクトルジフト燃料棒を挿入した
ときに前記弾性体を圧縮するように、前記スペクトルシ
フト燃料棒の下端部に設けられた突起と、 前記弾性体に連設され、前記弾性体が圧縮された状態で
は前記スリットを閉じ、前記弾性体が自由状態では前記
スリットを開くように前記弾性体の伸縮に連動して前記
スリットを開閉する開閉手段とを備えたものである。

なお、この場合、前記燃料棒としてはガドリニア（ａ６
２ｏｓ　）を含有する燃料棒を使用してもよい。

或は、ガドリニア入り燃料棒を不要とし、ガドリニア入
り燃料集合体の製造を容易にするために、ガドリニアを
前記スペクトルジフト燃料棒に含有させる構成としＣも
よい。

そして、これら本発明のＰＷＲ用燃料集合体により炉心
が構成されるＰＷＲの運転方法は、新たに装荷された燃
料集合体には前記スペクトルシフト燃料棒を挿入し、反
応度の低下した燃料集合体からは前記スペクトルシフト
燃料棒を引抜くものである。

なお、本発明のＰＷＲ用燃料集合体を、バーナブルポイ
ズンロッドの中性子吸収による発熱の除去に適応させる
ために、前記スペクトルシフト燃料棒に替わって、バー
ナブルポイズンロッドを前記案内管に挿入する構成とし
てもよい。

［作用］ 上記のように構成されたＰＷＲ用燃料集合体は、制御棒
案内管の側周面にスリットを穿設し、このスリットに案
内管内下部の弾性体の伸縮に連動して開閉する開閉手段
を設け、この開閉手段は弾性体が圧縮されたときにスリ
ットを開くようにしたので、スペクトルシフト燃料棒を
制御棒案内管に挿入すると、スペクトルシフト燃料棒の
下端部に設けられた突起が弾性体を圧縮してスリットを
開くから、このスリットを通じて冷却材が制御棒案内管
内に流入し、スペクトルシフト燃料棒から発生する熱を
除去する。　なお、スペクトルシフト燃料棒に替わって
バーナブルポイズンロッドを用いても、同様に熱を除去
できる。

また、制御棒案内管に制御棒を挿入すると、制御棒には
突起を設けていないため、弾性体が圧縮されず、スリッ
トが閉じた状態にあるから冷却水は制御棒案内管内に流
入せず、スクラム時における制御棒の自重による速やか
な落下が可能となる。

そして、これら本発明のＰＷＲ用燃料集合体により炉心
が構成されるＰＷＨの運転方法においては、新たに装荷
された燃料集合体にスペクトルシフト燃料棒を挿入し、
Ｍ／Ｆ比を小さくすることにより新燃料の初期反応度が
抑制され、逆に反応度の低下した燃料集合体からはスペ
クトルシフト燃料棒を引抜き、Ｍ／Ｆ比を大きくするこ
とにより反応度が上がるから、新燃料と旧燃料との反応
度差が小さくなり、炉心内径方向出力分布が平坦化する
。

［実施例］ 以下、実施例について添付図面を参照して説明する。

なお、本発明の燃料集合体は既設のＰＷＲの制御棒駆動
機構や圧力容器上蓋等の構造物を改造することな〈実施
するため、スペクトルシフト燃料棒は制御棒が挿入され
ない燃料集合体のみに挿入するものとし、スペクトルシ
フト燃料棒専用の特別な駆動機構は考えない。

第１図〜第２図は本発明の燃料集合体における制御棒案
内管の動作説明図である。

図において、制御棒案内管ＩＡは、外周面にスリット７
を設けた下部リングナツト５Ａとリンブナ・ノド下Ｍ８
とを備えている。また、下部リングナフト５Ａにはシリ
ンダ９が挿嵌されており、このシリンダ９は、下Ｍ８の
内底面に固定された弾性体（例えばスプリング）１０の
伸縮により下部リングナツト５Ａ内で上下動自在となっ
ている。

なお、１〜４については上記第５図に示した従来の制御
棒案内管ＩＢと同様である。

第１図に示される実施例は、本発明の燃料集合体を制御
棒を挿入する必要のない個所に配置した場合を示し、こ
の場合、制御棒案内管ＩＡにはスペクトルシフト燃料棒
が挿入される。

図において、スペクトルシフト燃料棒１１は、天然ウラ
ン或は劣化ウランまたは低濃縮ウラン等の燃料ベレット
１２を複数個重ねて被覆管１３内に装填し、その上端（
図示せず）及び下端を密閉してなり、下端側の下部端栓
１４は突起状に形成されている。

このスペクトルシフト燃料棒１１が制御棒案内管ＩＡ内
に挿入されると、下部端栓１４がシリンダ９を押し下げ
、スブリグ１０を圧縮することにより、下部リングナツ
ト５Ａのスリット７が開く。このスリット７を通じて冷
却水が矢印で示すように制御棒案内管ＩＡ内に流入し、
スペクトルシフト燃料棒１１から発生する熱を除去する
。

第２図は上記制御棒案内管ＩＡに制御棒が挿入された場
合を示す。

図において、制御棒１５は制御棒案内管ＩＡに全挿入さ
れているが、このときスプリング１０は自由状態にある
ため、スプリング１０によって押し上げられたシリンダ
９がスリット７を覆う。従って、冷却水は制御棒案内管
ＩＡ内に流入せず、スクラム時における制御棒の自重に
よる速やかな落下を可能とする。

なお、本発明の燃料集合体はガドリニア（Ｇｄ２０３）
入り燃料棒を使用したものでもよいが、スペクトルシフ
ト燃料棒１１にガドリニアを含有させる構成とすれば、
ガドリニア入り燃料棒を使用する必要がなくなり、ガド
リニア入り燃料集合体製造ラインの？ｌ雑化を避けるこ
とができる。

また、本発明の燃料集合体は、スペクトルシフト燃料棒
１１に替えてホウ素（Ｂ）等を含む中性子吸収棒、すな
わちパーナブルポイズンロッド（ＢＰＲ）を制御棒案内
管ＩＡに挿入する構成としても、上記第１図に示した実
施例と同様に、ＢＰＲの中性子吸収により発生する熱を
除去できる。

次に本発明の燃料集合体を用いたＰＷＲの運転方法につ
いて説明する。この場合、制御棒を挿入する必要のない
個所の燃料集合体の制御棒案内管ＩＡには、スペクトル
シフト燃料棒またはガドリニア入りスペクトルシフト燃
料棒を挿入するものとする。

これらスペクトルシフト燃料棒またはガドリニア入りス
ペクトルシフト燃料棒の使用は、Ｍ／Ｆ比が小さく、中
性子エネルギースペクトルの硬い高転換型軽水炉におい
て有効である。

第３図及び第４図は燃料集合体の無限増倍率（Ｋ’１Ｘ
））燃焼特性を示す。

第３図において点線はスペクトルシフト燃料棒を使用し
た場合の本発明の燃料集合体、実線はスペクトルシフト
燃料棒もガドリニアも用いない通常の燃料集合体を示す
。

スペクトルシフト燃料棒を新燃料に挿入すると、Ｕ、２
３ａの中性子吸収効果と水排除効果により新燃料の初期
反応度を抑えることができる。燃料の燃焼が進むとスペ
クトルシフト燃料棒に蓄積するプルトニウムが正の反応
度を与えるため、燃料集合体無限増倍率の燃焼特性はゆ
るやかになり、ＰＷＲの長期サイクル運転が可能となる
。

一方、反応度の低下した旧燃料からはスペクトルシフト
燃料棒を引き抜き（第３図中、Ｑ印で示した位置）、Ｍ
／Ｆ比を大きくすることにより燃料の反応度を上げ、新
燃料と旧燃料との反応度差を小さくシ、炉心内径方向出
力分布を平坦化することができる。

また、第４図において、点線はガドリニア入りスペクト
ルシフト燃料棒を使用した場合の本発明の燃料集合体、
−点鎖線はスペクトルシフト燃料棒を用いないガドリニ
ア入り燃料集合体、実線は上記第３図と同様に通常の燃
料集合体を示す。

ガドリニア入りスペクトルシフト燃料棒を新燃料に挿入
すると、上記第３図に示したスペクトルシフト燃料棒を
挿入する場合に比して、新燃料の初期反応度を更に抑え
ることができる。反応度の低下した旧燃料からはガドリ
ニア入りスペクトルシフト燃料棒を引き抜き抜く（第４
図中、Ｏ印で示した位置）ことにより、新燃料と旧燃料
との反応度差を更に小さくし、また残存ガドリニアによ
る旧燃料の反応度損失を避けることができる。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

スペクトルシフト燃料棒を制御棒案内管に挿入した際、
冷却材が制御棒案内管内に流入１７、スペクトルシフト
燃料棒から発生ずる熱を除去できるようにしたから、制
御棒を挿入する必要のない個所の燃料集合体の制御棒案
内管にスペクトルシフト燃料棒を挿入することが可能と
なる。

なお、炉心の初期反応度抑制及び出力分布平坦化のため
の中性子吸収は、通常はＢＰＲやガドリニア入り燃料棒
によって行なわれているが、スペクトルシフト燃料棒の
挿入によって中性子を有効利用することができる。すな
わち、スペクトルシフト燃料棒内の２３８Ｕの高速核分
裂によりプルｌ−ニウムへの転換を促すことかでき、こ
のプルトニウムの熱核分裂および２３８Ｕの高速核分裂
によって生じる中性子及び熱を利用できる。

更に、スペクトルシフト燃料棒に蓄積したプルトニウム
を再処理によって回収することにより、原子燃料資源の
節約が可能となる。

また、新たに装荷された燃料集合体に前記スペクトルシ
フト燃料棒を挿入し、反応度の低下した燃料集合体から
は前記スペクトルシフト燃料棒を引抜く運転方法を採る
と、新燃料と旧燃料との反応度差が小さくなり、炉心内
径方向出力分布が平坦化するという効果がある。

この場合、前記スペクトルシフト燃料棒にガドリニアを
含有する構成を採ると、新燃料の初期反応度を更に抑え
てＢＷＲの長期サイクル運転を可能にし、新燃料と旧燃
料との反応度差を更に小さくして出力分布を一層平坦化
でき、残存ガドリニアによる旧燃料の反応度損失を避け
ることができるという効果もある。

なお、燃料集合体は、前記スペクトルシフト燃料棒に替
えてＢＰＲを制御棒案内管に挿入する構成を採ると、Ｂ
ＰＲの中性子吸収による発熱を除去できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明のＰＷＲ用燃料集合体のスペ
クトルシフト燃料棒挿入時及び制御棒挿入時の制御棒案
内管の動作説明図、 第３図及び第４図はスペクトルシフト燃料棒及びガドリ
ニア入りスペクトルシフト燃料棒使用時の燃料集合体無
限増倍率特性を示すグラフ、第５図は従来のＰＷＲ用燃
料集合体の制御棒案内管の縦断面図である。 ＩＡ・・・制御棒案内管、７・・・スリット、９・・・
シリンダ、１０・・・スブリグ、１１・・・スペクトル
シフト燃料棒、１４・・・下部端栓 なお、各図中、同一符号は同一または相当部を示す。 代　　理　　人　　弁理士　　佐　　藤　　正　　年第
１図 第２図 １５・　・　・　・制ｍ棒 第３図 第４図 ガυ免覆 第５図 ２・・・・・端栓 ３・・・・・ブッシング ４・・・・・下部ノズル ５Ｂ・・・・下部リングナツト ５Ａ・・・・下部リングナツト ６・・・・・流水孔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料棒と制御棒案内管とを格子配列状に束ねてなり
   、前記案内管には制御棒またはスペクトルシフト燃料棒
   が挿入される加圧水型原子炉用燃料集合体であって、 前記案内管の側周面に穿設され、前記案内管のの内外へ
   冷却材を流通させるスリットと、前記案内管内下部に設
   けられ、前記案内管内に前記制御棒が全挿入されたとき
   に自由状態にある弾性体と、 前記案内管内に前記スペクトルシフト燃料棒を挿入した
   ときに前記弾性体を圧縮するように、前記スペクトルシ
   フト燃料棒の下端部に設けられた突起と、 前記弾性体に連設され、前記弾性体が圧縮された状態で
   は前記スリットを閉じ、前記弾性体が自由状態では前記
   スリットを開くように前記弾性体の伸縮に連動して前記
   スリットを開閉する開閉手段とを備えた加圧水型原子炉
   用燃料集合体。 ２、前記燃料棒がガドリニア（Ｇｄ＿２Ｏ＿３）を含有
   する燃料棒を含むことを特徴とする請求項１記載の加圧
   水型原子炉用燃料集合体。 ３、前記スペクトルシフト燃料棒がガドリニア（Ｇｄ＿
   ２Ｏ＿３）を含有していることを特徴とする請求項１記
   載の加圧水型原子炉用燃料集合体。 ４、前記スペクトルシフト燃料棒に替わって、バーナブ
   ルポイズンロッドを用いることを特徴とする請求項１記
   載の加圧水型原子炉用燃料集合体。 ５、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料集合体により
   炉心が構成される加圧水型原子炉において、新たに装荷
   された燃料集合体には前記スペクトルシフト燃料棒を挿
   入し、反応度の低下した燃料集合体からは前記スペクト
   ルシフト燃料棒を引抜くことを特徴とする加圧水型原子
   炉の運転方法。