JPH026784A - 原子炉用燃料集合体 - 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】 Ｃ発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、原子炉用燃料集合体に係り、特に制御棒案内
管によって制御棒要素を挿抜する原子炉用燃料集合体に
関する。

（従来の技術） 現在、商業用原子力発電所として、世界中で広く用いら
れているものに加圧木型原子炉（Ｐｒｅｓｓｕｒｘｚｅ
ｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅａｃｔｏｒ、以下ＰＷＲと称す）
がある。

以下、ＰＷＲ用燃料集合体を第４図〜第６図について説
明する。第４図に示すように、燃料集合体１は燃料棒２
を一辺が十数本の正方格子状にまとめ、上端および下端
にそれぞれ上部ノズル３および下部ノズル４が取り付け
られている。この燃料集合体１の高さ方向には燃料棒２
をまとめておくための支持格子５が数箇所に設けられて
いる。

また、第５図の詳細図に示されているように、この燃料
集合体１の燃料棒２のうち二十数本は、燃料棒２より太
い径の金属製の制御棒案内管６に置き換えられており、
この案内管６の内部をＰＷＨの制御棒７が上下するよう
に構成されている。

なお、８は計装案内管、９は制御棒集合体である。

第６図（Ａ）は第４図の燃料集合体の横断面図であり、
第６図（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図で
ある。第６図（Ａ）に示すように、本燃料集合体は１７
　Ｘ　１７型燃料棒配置で、中央部には１本の計装案内
管８が、また２４本の制御棒案内管６が燃料集合体中に
ほぼ均一に取り付は配置されている。制御棒案内管６は
同図（Ｂ）に示すように、ボルトナツト１１により下部
ノズル４に固定されている。冷却水は下部ノズル４の通
水孔１０から燃料集合体１内に流入するが、燃料棒２下
端と下部ノズル４との間に１〜２（１）程度の間隔が設
けられているので、冷却水は燃料棒２間に均等に流れる
。上記したようにＰＷＲの制御棒は制御棒集合体９によ
り、燃料集合体の中を一様に分布する形で挿入されるの
で、燃料集合体の横断面方向の出力分布に大きな歪みを
生じさせないという特徴を備えている。

ここで、燃料集合体の制御棒案内管６内髪上下する制御
棒要素について、さらに説明する。

制御棒要素は普通中性子吸収材である。Ａｇ−Ｉｎ−Ｃ
ｄ合金（重量％比でＡｇ　８０ｗｔ％、　Ｉｎ　１５ｗ
ｔ％、　Ｃｄ　５ｗｔ％）をステンレス鋼管によって被
覆したものや、やはり中性子吸収材である８４Ｃの粉末
をステンレス鋼管に充填したものが用いられている。こ
れらＡｇＩｎ−Ｃｄ合金やＢ、、Ｃ等は原子炉の炉内の
環境（高温。

高圧でかつ流れの速い水中）には直接材料学的に耐える
ことが困難であるので、ステンレスの被覆管が用いられ
ている。

（発明が解決しようとする課題） ＰＷＲは現在世界中で用いられ、商業用原子炉として運
転実績も豊富であり、最も一般的な原子炉と言うことが
できる。しかし近年、従来のＰＷＲを改良し、経済性安
全性の優れた原子炉を開発する動きがさかんになってき
た。従来のＰＷＲの運転性能を更に向上させる目的で原
子炉全体に亘って改良を加えた改良型Ｐ　Ｗ　Ｒ（Ａｄ
ｖａｎｃｅｄ　Ｐｒｅｓ−ｓｕｒｉｚｅｄ　１ｉｌａｔ
ｅｒ　Ｒｅａｃｔｏｒ　：　ＡＰＷＲ）のみならず、従
来の原子炉にそのまま適用できる燃料集合体の改良や変
更が行われている。例えば燃料経済性を向上させること
を目的とし、運転期間を長期化することのできる高燃焼
度用の燃料や炉心、可燃性毒物としてガドリニア（Ｇｄ
２０３）を燃料ペレットに混ぜ、反面ホウケイ酸ガラス
を取り除いた燃料集合体などが良い例である。運転性や
安全性を向上させる目的の改良も当然行われつつある。

燃料集合体内で、燃料棒の位置を定めているグリッド型
のスペーサーの形状の改良などがその一例である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は
制御棒価値を増して原子炉の安全性を向上させた原子炉
用燃料集合体を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は制御棒案内管内で
制御棒要素を挿抜する原子炉用燃料集合体において、前
記制御棒案内管の周辺に配置される燃料棒の一部で原子
炉停止時に反応度が高い部分について核物質の量を減少
させるか、または冷却水が存在する領域を設けて制御棒
価値を増大させるように構成したことを特徴とするもの
である。

（作　用） 軽水炉用炉心には燃料集合体とともに大量の水（Ｈ２Ｏ
）が存在している。軽水炉の運転中ではこの水が燃料棒
の熱を取り去る冷却制の役割および燃料の核分裂によっ
て発生する中性子の速度を落とし２３５Ｕ　と反応しや
すくするための減速材の役割を兼ね備えている。

また、原子炉の余剰反応度を抑制するためにホウ酸（８
３ＢＯ，）がこの水中に溶かされて運転が行なわれてい
る。

このように水（Ｈ２ｏ）を減速材として使用している軽
水炉（Ｌｉｇｈｔ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅａｃｔｏｒ、ＩＪ
Ｒと称す。軽水とは１］２０のことで、重水Ｄ２０と対
比するために用いられる）では核燃料（通常、ウランＵ
）とその周りに存在する水の、特にその中の水素（Ｈ）
の量の比（水対ウラン比、もしくは１１／Ｕ比と呼ばれ
る。）が、中性子増倍率に大きく関係しており、燃料集
合体の幾何学形状が定まれば１（／Ｕ比で凡その無限増
倍率にいを評価できる。第７図（Ａ）は無限増倍率とＨ
／Ｕ比との関係を示したものである。

また、原子炉の安全性の面からもこの）Ｉ／Ｕ比は重要
である。原子炉で異常が発生し、減速材である水の温度
が上昇し、水、すなわちＨの密度が減じた時、安全のた
めにはこの時原子炉の反応は減らされる方向でなければ
ならない。このことを−般に減速材温度係数が負でなけ
ればならないと表現する。この関係が成り立つためには
１１／Ｕ比が小さくなった時ｋ。が小さくなる領域にＨ
／Ｕ比が存在することが必要である。第７図（Ｂ）のグ
ラフではｋいのピークの左側の領域がその領域にあたる
。

このグラフのピークの左右の領域を中性子の速度に注目
し、水（Ｈ２Ｏ）によって十分減速されたかどうかとい
う意味で、左の領域を減速不足（ｕｎｄｅｒｍｏｄｅｒ
ａｔｅｄ）領域、右の領域を過減速（ｏｖｅｒ　ｍｏｄ
ｅｒａｔｅｄ）領域と呼んでいる。ＰＷＲでは水中にホ
ウ酸（Ｈ３ＢＯ３）を溶かすので、その時は第７図（Ａ
）の様に１１７Ｕ比のグラフが少し左に移動するが、そ
の時でも減速材温度係数の値が負になる様に、減速不足
領域に１４／Ｕ比が設定されている。

以上の知見に基づいて本発明の作用について説明する。

本発明は制御棒案内管の周辺の燃料棒の核物質の量を減
らすことであるが、核物質を減らすと燃料集合体の無限
増倍率は減る傾向であると考えられる。しかし核物質を
減らすことはＨ／ｌｌ比の分母のＵの値を小さくするこ
とであるので、）Ｉ／Ｕ比としては増す方向にある。そ
して、核物質を減らしていない以前の燃料集合体の１１
７Ｕ比は、減速材温度係数が負である領域に設定されて
いるので、核物質を減らすことで、１１７Ｕ比を大きく
すれば、無限増倍率に、、Ｏは大きくなる方向である。

実際の問題として、無限増倍率に−はＨ／Ｕ比のみで決
定されるものではないが、核物質を減らしてもそれが少
しの量であれば、無限増倍率は減少せず場合によれば増
加しうる。

次に、本発明によって制御棒価値がどの様に変化するか
について説明する。

制御棒案内管の周辺の燃料棒の核物質の量を減らせば、
制御棒案内管の周辺に存在する速度の速い中性子（高速
中性子）の割合が小さくなり、熱中性子の割合が増す。

燃料ペレットの替りに中空ペレッ１〜を充填したり、そ
の場所をガスプレナムとした場合もそうであるが、特に
その場所を水ロッドにして水を持ち込んだ場合、水（Ｈ
２Ｏ）という減速材によって高速中性子が多く熱中性子
に変えられるので、その効果は顕著となる。これは固体
減速材を用いた場合も同様である。

現在、通常のＰＷＲにおいて用いられている制御棒はＡ
ｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金をステンレス鋼製の被覆管で保護し
たものや、Ｂ４Ｃ粉末を金属棒に充填したものであるが
、これら制御棒に用いられている中性子吸収材であると
ころのＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金や、Ｂ（ボロン）と中性子
との反応は特に熱領域で盛んであり、制御棒の周辺に熱
中性子が多く存在することは制御棒と中性子の反応上、
好ましいことと言える。

以上説明したことから分るように制御棒案内管の周辺の
核物質の量を減らすことは制御棒未挿入時ではそれほど
無限増倍率ｋｃ、３を減少させないが、制御棒挿入時に
は熱中性子が多く存在するので、制御棒と中性子との反
応を増加させることになる。

このことは制御棒価値の増加を意味する。

今、代表的なＰＷＲの燃料集合体を例にとって凡その数
値を評価する。制御棒案内管に隣接する燃料棒のうち特
定の２４本について ａ）濃縮度を減らす ｂ）　水ロッドにする Ｃ）　ガスプレナムにする 場合を考えると、運転時での無限増倍率にωは０．５〜
０．６ｘΔに増加し、運転時での制御棒価値は変化前と
比較して５〜６％　Δに／に増加する。これは、水にホ
ウ酸（８３ＢＯ３）を溶かした場合でも少量溶かした場
合でも大差はない。なおホウ酸を大量に溶かす場合には
制御棒を挿入する必要が少ないので評価は重要ではない
。

次に、原子炉を停止している場合についても凡そ評価す
る。水温が２０°Ｃ（冷温時）、ホウ酸が水中に溶けて
いない場合、微量溶けている場合（５０ｐｐｍ）につい
て述べると、本発明によって制御棒価値は、本発明実施
以前に比べて５〜１０％八に／に増加する。制御棒は炉
心停止時に極めて重要であるので、本発明による利点は
大きいと言える。

以上述べたとおり、本発明によって燃料集合体に用いる
核物質の量が減り経済性が高まり、また制御棒価値が増
すことによって、安全性を高めることができる。

また、本発明において、制御棒周辺の核物質を減らすだ
けではなく、その減じた核物質を他の燃料棒に振り分け
るなどして核物質の総量を一定に保った場合は、従来の
ものよりも制御棒価値を大きくして、なおかつ燃焼でき
る期間を延ばした燃料集合体を提供することができる。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例である燃料集合体の横断面図
であり、既に説明した第５図と同し構成であるので、同
一部分には同一符号を附している。

同図において、２は燃料棒、４は下部ノズル、６は制御
棒案内管、８は計装案内管である。本実施例の燃料集合
体は１７　Ｘ　１７型でそのうち２４本が制御棒案内管
６．１本が計装案内管８であるので、燃料棒２は２６４
本存在している。制御棒案内管８に隣接する燃料棒は、
それぞわの制御棒案内管８につき４本ずつ存在するので
、２４本金石については、／１−Ｘ２４＝９６本となる
。

本実施例ではそのうちの２４本の燃料棒について核物質
の量を減らしたもので、斜線で示された符号１２がその
燃料棒である。

第２図は本発明の他の実施例の横断面図であり、本実施
例では核物質の量を減らした燃料棒１２を」１記実施例
より、さらに８本増し、３２本配置したものである。核
物質の量を変化させる燃料棒はその数、どの制御棒案内
管に近いものかなど特に限定されるものではなく、目的
とする効果の大小に応して適当な数・配置を選へば良い
。但し燃料集合体の平面方向の対称性はできる限り保つ
ことが重要である。

第１図および第２図の燃料集合体における符号１２で示
す燃料棒の燃料を変化させる他の例を第３図に示す。

第３図（Ａ）は通常の燃料棒であり、被覆管２１の中に
燃料ペレッ１−２２が充填され上部をスプリング２３で
押さえ、ガスプレナム２４を形成した後に端栓２０て密
封されている。

第３図（Ｂ）〜（Ｅ）は第３図（Ａ）の被覆管２１内の
燃料を変化させた具体側である。

第３図（Ｂ）は被覆管２１内の燃料ベレン１−の一部を
中空ペレット２５または低濃縮ペレット、天然ウランペ
レット、あるいは固体減速材に置き換えたものである。

第３図（Ｃ）は長いガスプレナム２６を設けて、燃料ペ
レットの一部を取り除いたものである。

第３図（Ｄ）は燃料ペレットの一部を水ロッドにするか
、または水の通る場所２７を設けたものである。

第３図（Ｅ）は燃料を短尺化２８シて燃料を少くしたも
のである。

上記第３図（Ｂ）〜（Ｅ）は軸方向の長さや位置につい
ては任意に選定しても効果を奏するが、通常ＰＷＲでは
制御棒は炉心上部より挿入されることから、燃料棒の上
部ないし上部近傍について適用すると、効果をより大き
くできる。

なお、上記各実施例では燃料棒１２について説明したが
、他の位置の燃料棒についても同様に実施できる。また
、第３図（Ｂ）〜（Ｅ）の各方法を組み合わせて適用す
ることもできる。

上述した各実施例はＰＷＲの燃料集合体について説明し
たが、本発明はこれに限定するものではない。

例えば、高転換型軽水炉（ｔ＋ｊ４ｈ　Ｃｏｎｖｅｒｓ
ｉｏｎＬｉｇｈｔ　１Ｊａｔｅｒ　Ｒｅａｃｔｏｒ）の
燃料集合体に適用しても同様の効果が期待できる。すな
わち、制御棒価値を大きくすべき場所としては、原子炉
の運転サイクルを通じて、原子炉を停止した時の未臨界
度の余裕（Ｓｈｕｔ　Ｄｏｗｎ　Ｍａｒｇｉｎ）が最も
小さくなる時点でかつ軸方向で最も反応度が高く余裕の
ない部分であるので、そのような位置に本発明を適用す
るのが最も効果的である。

〔発明の効果〕

以−に説明したように、本発明によれば、燃料集合体に
使用する核物質の量を減らし、制御棒価値を増大させる
ことが可能となり、原子炉の経済性。

安全性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の横断面図、第２図は本発明
の他の例の横断面図、第３図は本発明で用いられる燃料
棒の他の例であり、第３図（Ａ）は通常の燃料棒の縦断
面図、第３図ＣＢ）〜（Ｅ）はいずれも本発明の燃料集
合体に用いられる燃料棒の縦断面図、第４図は従来のＰ
ＷＲ燃料集合体の斜視図、第５図は第４図は詳細面、第
６図（Ａ）は第４図のＰＷＲ燃料集合体の横断面図、第
６図（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図、第
７図は無限増倍率とＨ７Ｕ比との関係を示す図である。 １・燃料集合体　　　　　２・・・燃料棒３・上部ノズ
ル　　　　　４・・下部ノズル５・・支持格子　　　　
　　６・・制御棒案内管８・・計装案内管　　　　　９
・・制御棒集合体１０・・通水孔　　　　　　　１１−
ポル１〜ナツト１２・・・燃料棒 （８７３３）　　代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（は
が１名）（Ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部に制御棒要素を挿抜するための制御棒案内管を有す
   る原子炉用燃料集合体において、前記制御棒案内管の周
   辺に配置される燃料棒の一部で、原子炉停止時に反応度
   が高い部分について、核物質の量を減少させるか、また
   は冷却水が存在する領域を設けて制御棒価値を増大させ
   るように構成したことを特徴とする原子炉用燃料集合体
   。