JPH0222916B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］ 本発明は沸騰水型原子炉の運転法ならびに燃料
集合体に関する。 ［発明の技術的背景］ 原子炉の運転法に対する従来の考え方は、線出
力密度あるいは限界出力比などの熱的余裕を増大
することによつて、燃料の健全性を向上させるこ
とにあつた。熱的余裕の増大は、また、制御棒の
操作を容易にし、原子炉の稼動率の向上にもつな
がるものである。 最大の熱的余裕を得る原子炉の運転法は、運転
サイクルを通じて出力分布が一定であるような運
転法であり、そのような出力分布は、ヘーリング
分布として良く知られている。沸騰水型原子炉に
おけるヘーリング分布の例ａを第１図に示す。沸
騰水型原子炉では、軸方向にボイド率分布が生じ
るため、ボイド率の小さい炉心下部の方が、ボイ
ド率の大きい炉心上部よりも中性子の熱化が進
み、そのため出力ピークの位置が炉心下方にやや
シフトしている。第１図には、ヘーリング出力分
布に対する軸方向ボイド率分布ｂも示してある。 しかしながら、ヘーリング分布は仮想的なもの
であり、実際の原子炉、特に軸方向に出力分布の
歪みを有する沸騰水型原子炉においてヘーリング
分布を達成することは容易ではない。このため、
沸騰水型原子炉の燃料集合体の改良が行なわれ、
燃料集合体を軸方向に２領域に分割し、炉心下部
よりも炉心上部の核分裂性物質含有率を大きくし
たり、あるいは炉心下部よりも炉心上部の可燃性
毒物含有量を小さくすることによつて運転サイク
ルを通じて、ヘーリング分布に近い出力分布を達
成することができるようになつた。 このような運転法に対して、ハードウエア面か
らの改良による燃料自身の健全性が向上してきた
現在、原子炉の運転法ならびに燃料集合体に対し
て、燃料経済性の向上が要求されるようになつて
きた。 沸騰水型原子炉における、運転サイクルの初期
から中期にかけて、炉心下部の出力を炉心上部の
出力よりも大きくするような運転法は、燃料経済
性を向上させる運転法の一つとして、すでに知ら
れているものである。前記したように、沸騰水型
原子炉では軸方向にボイド率分布が発生している
が、ボイド率が大きい炉心上部ほど ²³⁸Uの共鳴
吸収が多いため核分裂性物質 ²³⁹Puが多く生成さ
れる。従つて、運転サイクルの初期から中期にか
けて、炉心下部の出力を炉心上部の出力よりも大
きくして運転すると、たとえばヘーリング分布で
運転した場合よりも、特に炉心上部のボイド率が
大きくなり ²³⁹Puが多く生成される。この間、炉
心下部ほど燃料の燃焼が進み、反応度が低下す
る。従つて、このような運転を実施した運転サイ
クルの末期では、炉心下部の方が炉心上部よりも
反応度が低下しているために、出力のピークは炉
心上部に発生し、炉心平均ボイド率が小さくな
る。このため、運転サイクル末期付近での炉心全
体の反応度が増大し、原子炉をさらに長く運転す
ることができ、燃料経済性が向上する。 ところが、運転サイクルの初期から中期にかけ
て、炉心下部の出力を炉心上部の出力よりも大き
くする運転を実施した運転サイクルの次の運転サ
イクルではもはやこのような運転は実施できな
い。たとえば、全燃料のおよそ３分の１の燃料を
新燃料と取り替える燃料交換を行う場合には、次
の運転サイクルの初期では、全体のおよそ３分の
２の燃料が前記運転を経験し炉心下部の反応度が
低下しているため、炉心下部の出力を炉心上部よ
りも大きくすることは不可能である。これは、沸
騰水型原子炉では、制御棒が炉心下部より挿入さ
れるため、炉心上部のみの反応度を制御すること
ができないからである。 このため、前記運転を実施した運転サイクルに
おいて、より長く原子炉を運転したことによつて
燃料の燃焼が進んでいることが、次の運転サイク
ルに現われることになり、次の運転サイクルで
は、ヘーリング運転の場合よりも運転サイクルの
長さが短くなつてしまう。 ［発明の目的］ 本発明は、以上の点に鑑み、運転サイクルの初
期から中期にかけて、炉心下部の出力を炉心上部
の出力よりも大きくする運転を実施する沸騰水型
原子炉において、このような運転を実施した運転
サイクルの次の運転サイクルにおいても、再び前
記運転の実施を可能にし、もつて燃料経済性の向
上をはかるものである。 ［発明の概要］ すなわち、本発明は、前記運転を実施した運転
サイクルの次の運転サイクルにおいて、新燃料と
して、軸方向に２領域に分かれ上部の反応度が下
部の反応度よりも小さい燃料を装荷することによ
つて、再び前記運転を可能にし、燃料経済性を向
上させるものである。 ［発明の実施例］ 以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明
する。 第２図は沸騰水型原子炉の、ある運転サイクル
（これを第Ｎサイクルとする）において、運転サ
イクルの初期から中期にかけて出力ピークが炉心
下部に発生する運転を実施したときの、運転サイ
クル初期および末期における軸方向出力分布ｃ，
ｅならびに軸方向ボイド率分布ｄ，ｆを表わした
ものである。ただし、第（Ｎ−１）サイクルまで
はヘーリング分布で運転しており、燃料は平均濃
縮度3.0重量％、ガドリニア入り燃料棒は６本で、
軸方向に一様である。なお、第１図ａ，ｂは、そ
れぞれこの第Ｎサイクルにおいてヘーリング運転
をしたときの軸方向出力分布および軸方向ボイド
率分布であり、運転サイクルを通じて変化しな
い。 第３図は、第Ｎサイクルにおいて運転サイクル
の初期から中期にかけて出力ピークが炉心下部に
発生する運転を実施したときの、次の第（Ｎ＋
１）サイクルのサイクル初期および末期における
軸方向出力分布ｇ，ｉならびに軸方向ボイド率分
布ｈ，ｊである。第（Ｎ＋１）サイクルで装荷さ
れる新燃料は、前記した軸方向に一様な燃料であ
り、全体の約３分の１が新燃料によつて置き換わ
つている。 すでに説明したように、第（Ｎ＋１）サイクル
の初期では、全体の約３分の２の燃料が、第Ｎサ
イクルの運転を経験しているために燃料下部の反
応度の低下が著しく、このため、いかなる制御棒
計画をもつてしても、第Ｎサイクル初期のよう
に、炉心下部に出力ピークを発生させることはで
きない。 第Ｎサイクルにおいてヘーリング運転を行い、
第（Ｎ＋１）サイクルにおいてもヘーリング運転
を行つたときの、第（Ｎ＋１）サイクルにおける
軸方向出力分布およびボイド率分布は、第１図
ａ，ｂとほとんど変わらない。 第４図は、本発明の実施例であり、第Ｎサイク
ルにおいて、運転サイクルの初期から中期にかけ
て出力ピークが炉心下部に発生する運転を実施し
たときの、次の第（Ｎ＋１）サイクルにおいて、
新燃料として装荷される燃料として、軸方向に２
領域に分割され上部の反応度が下部の反応度より
も小さい燃料を装荷したときの、第（Ｎ＋１）サ
イクルの初期および末期の軸方向出力分布ｋ，ｍ
ならびにボイド率分布ｌ，ｎである。第（Ｎ＋
１）サイクルの新燃料として装荷される燃料は、
燃料集合体の中央高さ位置で上下２領域に分割さ
れており、上部ではガドリニア入り燃料棒が６
本、下部では４本である。濃縮度は一様で、上部
下部ともに3.0重量％である。このように軸方向
に２領域に分割され上部の反応度が下部の反応度
よりも低い燃料を、第（Ｎ＋１）サイクルの新燃
料として装荷することによつて、はじめて第（Ｎ
＋１）サイクルにおいても、第Ｎサイクルなみの
軸方向出力分布を達成することができた。 第１表は、各運転法を実施したときの、第Ｎお
よび（Ｎ＋１）サイクルの運転サイクルの長さを
燃焼度（MWd／ｔ）を単位として表わしたもの
である。原子炉を定格出力で運転する場合、燃焼
度は、原子炉の運転日数に比例する。従つて、こ
の燃焼度が大きいほど、燃料は効率的に使用され
たということができ、燃料経済性が向上したこと
になる。

【表】 ここで、ケースＡは、第Ｎおよび（Ｎ＋１）サ
イクルにおいてヘーリング運転を行つた場合であ
る。ケースＢおよびＣは、いづれも、第Ｎサイク
ルにおいて運転サイクルの初期から中期にかけて
出力ピークが炉心下部に発生する運転を行つた場
合であるが、ケースＢとＣとでは、第（Ｎ＋１）
サイクルに装荷する新燃料が異なる。この新燃料
は、ケースＢでは、軸方向に一様な燃料である
が、ケースＣでは、本発明に基づいた、軸方向に
２領域に分割され上部の反応度が下部よりも小さ
い燃料である。 第Ｎサイクルでは、第２図に示されるように、
運転サイクルの初期から中期にかけて出力ピーク
が炉心下部に発生する運転を行つた結果ヘーリン
グ運転に比べて、燃焼度は約6.1％大きくなつて
いる。ところが、第（Ｎ＋１）サイクルにおいて
新燃料として軸方向に一様な燃料を装荷した場合
には、第３図に示されるように、運転サイクル初
期において出力ピークを炉心下部に発生させるこ
とができず、第（Ｎ＋１）サイクルでは、ヘーリ
ング運転に比べて、燃焼度は約5.2％小さくなつ
てしまう。これらを合計すると、ヘーリング運転
に対する利得は１％に満たない。 これに対して、本発明に基づいて、第（Ｎ＋
１）サイクルにおいて新燃料として軸方向に２領
域に分割され上部の反応度が下部の反応度よりも
小さい燃料を装荷し、かつ、第３図に示されるよ
うに、運転サイクルの初期から中期にかけて出力
ピークが炉心下部に発生する運転を行えば、第
（Ｎ＋１）サイクルにおいてヘーリング運転と同
等の燃焼度を得ることができる。ヘーリング運転
よりも燃焼度が大きくならないのは、全体の約３
分の２の燃料が、第Ｎサイクルにおいて、運転サ
イクルの初期から中期にかけて出力ピークが炉心
下部に発生する運転をすでに経験しているため、
ヘーリング運転の場合以上に燃焼が進み燃料自身
の反応度が低下しているからである。これら２つ
の運転サイクルを合計すると、本発明に基づいた
運転ならびに燃料集合体を用いることによつて、
ヘーリング運転に比べて約３％の燃焼度の利得が
あり、それだけ燃料経済性が向上した。 ［発明の効果］ 上述したように、本発明は、沸騰水型原子炉に
おいて、運転サイクルの初期から中期にかけて炉
心下部の出力を炉心上部の出力よりも大きくする
運転を実施し、前記運転を実施した運転サイクル
の次の運転サイクルにおいて、取替の新燃料とし
て、軸方向に２領域に分割され上部の反応度が下
部の反応度よりも小さい燃料集合体を装荷して、
再び、前記運転を実施することにより、燃料経済
性を向上させる効果を有するものである。 本発明の実施例として挙げた燃料集合体は、ガ
ドリニア入り燃料棒本数の差によつて、上部の反
応度を下部の反応度よりも小さくしたものである
が、濃縮度の差によつても同様の効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、沸騰水型原子炉において、ヘーリン
グ運転を行つたときの軸方向出力分布ａおよび軸
方向ボイド率分布ｂである。第２図は、第Ｎサイ
クルにおいて、運転サイクルの初期から中期にか
けて出力ピークが炉心下部に発生する運転を実施
したときの、運転サイクル初期の軸方向出力分布
ｃ、ボイド率分布ｄ、および運転サイクル末期の
軸方向出力分布ｅ、ボイド率分布ｆである。燃料
は全て軸方向に一様である。第３図は、次の第
（Ｎ＋１）サイクルにおいて、新燃料として軸方
向に一様な燃料を装荷したときの運転サイクル初
期の軸方向出力分布ｇ、ボイド率分布ｈ、および
運転サイクル末期の軸方向出力分布ｉ、ボイド率
分布ｊである。第４図は、本発明の実施例であ
り、第（Ｎ＋１）サイクルにおいて、新燃料とし
て軸方向に２領域に分割され上部の反応度が下部
の反応度よりも小さい燃料集合体を装荷したとき
の、運転サイクル初期の軸方向出力分布ｋ、ボイ
ド率分布ｌ、および運転サイクル末期の軸方向出
力分布ｍ、ボイド率分布ｎである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 運転サイクルの初期から中期にかけて、炉心
   下部の出力を炉心上部の出力よりも大きくする運
   転を実施し、前記運転を実施した運転サイクルの
   次の運転サイクルにおいて、取替燃料として、軸
   方向に２領域に分かれ上部の反応度が下部の反応
   度よりも小さい燃料集合体を装荷して、再び前記
   運転を実施することを特徴とする沸騰水型原子
   炉。