JPH03267793A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、沸騰水型原子炉において使用される燃料集合
体に関する。

（従来の技術） 沸騰水型（ＢＷＲ）の原子力発電所においては、多数本
の燃料棒を７×７または８×８の正方格子状に配列して
チャンネルボックス内に収納した燃料集合体を、制御棒
と共に炉内に装荷して炉心部を構成している。

上記燃料棒としては、２〜３％の低濃縮二酸化ウランを
焼結した燃料ベレットを被覆管内に多数個充填したもの
が、従来から多用されている。また、ＢＷＲ燃料集合体
では、一般に、炉心反応度を調整するために一部の燃料
棒に可燃性毒物を混入させている。

このような原子力発電所において、その経済性の向上を
図るためには、運転期間の長期化による設備利用率の向
上に対応しつつ、燃料の高燃焼度化による燃料サイクル
費を低減させることが効果的である。

燃料の高燃焼度化を図るためには、従来形の燃料を使用
し、その濃縮度を上げる方法が考えられる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来形の燃料を使用し、単にその濃縮度
を上げただけでは、中性子スペクトルの硬化が生じ、炉
心特性上、次のような現象が生じる。

■ボイド係数絶対値の増加 ■冷温時の炉心反応度の増加 ■ガドリニア等の可燃性毒物の反応度制御能力の低下 これにより、熱的余裕、炉停止余裕が減少する恐れがあ
る。

また、単に濃縮度を上げるだけで高燃焼度化を図る場合
には、燃料当りに必要な天然ウラン費、濃縮費等が増加
するため、高燃焼度化による燃料サイクル費の低減幅は
小さくなる。

本発明は上記の炉心性能上の問題を解決し、可能な限り
低い濃縮度で目標とする高燃焼度化を達成することがで
きる高経済型高燃焼度燃料を提供することを目的とする
。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の燃料集合体は、内部に燃料物質が充填された複
数の燃料棒を有する燃料集合体において、この燃料集合
体の軸方向の領域に関し、上部領域と比べ下部領域の可
燃性毒物の平均含有量を多くし、かつその内１〜２本の
燃料棒の下部領域における単位長さ、燃料棒当りの可燃
性毒物の含有量を上部領域よりも少なくしたことを特徴
とする。

（作用） 以下、本発明の作用を具体的に述べる。

本発明の燃料集合体では、可燃性毒物を混入させた燃料
棒の可燃性毒物の分布を集合体軸方向について２〜５領
域としている。２領域の場合（上部領域、下部領域とい
う。）には、可燃性毒物の濃度を全体的に下部領域の方
を多くする。

ＢＷＲでは一般にボイド率か低い炉心下部の方が中性子
減速効果が大きく、反応度が高く、従って出力が高くな
るので、下部領域の可燃性毒物を多くすることは、サイ
クル初期の下方の出力ピークを抑え、ひいては燃料の運
転制限値である最大線出力密度を設計基準内に収めてお
くことができる。

ところが、このような可燃性毒物分布を与えた場合、サ
イクルを通じて殆どの期間、炉心下部の出力を抑えた軸
方向出力分布で燃焼することになり、炉心反応度の増加
が期待できない。

これとは逆に、サイクル初期からサイクル中期にかけて
炉心下方ピークとすれば、この効果が期待できる。

すなわち、サイクル初期からサイクル中期にかけて軸方
向出力分布が下方ピークとなり、炉心の平均ボイド率が
高くなると、中性子スペクトルが硬くなり、プルトニウ
ムＰｕの蓄積を図ることができ、炉心反応度を増加させ
ることができる。また、サイクル末期では、可燃性毒物
が燃え尽きること、サイクル初期からサイクル中期まで
下部領域の燃焼が進むこと、および前記の濃縮度分布が
下部領域に比べ上部領域を高くしていることがら炉心軸
方向分布が上部ピークとなる。

これにより炉心平均ボイド率が低くなり、炉心反応度を
増加させることができる。

また、この燃料棒の効果により冷温時における炉心反応
度を下げることができるので、炉停止余裕を改善するこ
とができる。

本発明の燃料集合体においては、サイクル初期の下方ピ
ークは全体的に可燃性毒物が多い下部領域で抑え、かつ
、下部領域に濃度が薄い可燃性毒物を１〜２本配置して
いるので、この可燃性毒物が燃え尽きた後のサイクル初
期を過ぎた時点より下方ピークとし、サイクル末期での
炉心反応度を得ることができる。

（実施例） 次に、第１図ないし第３図を参照して本発明の燃料集合
体の実施例を説明する。

本実施例の燃料集合体１０は、多数本の燃料棒２０と、
それらの中心に形成されたウォータロッド２１と、これ
らを収容するチャンネルボックス２２とから構成されて
いる。また、燃料集合体１０には、下部タイブレート、
上部タイブレートおよびスペーサ（いずれも図示せず）
が取付けられている。

燃料棒２０およびウォータロッド２１の上下端部は、上
部タイブレートおよび下部タイブレートによって保持さ
れている。スペーサは燃料棒２０の軸方向にいくつか配
置され、燃料棒２０およびウォータロッド２１の相互間
の間隙を適切な状態に保持している。また、上部タイブ
レートにはチャンネルファスナ（図示せず）が取付けら
れている。

燃料棒２０は、図示されていない下部端栓および上部端
栓にて両端を密封された被覆管内に多数の燃料ペレット
を装荷したものである。

燃料ペレットは燃料物質である二酸化ウランＵＯ２にて
構成され、核分裂物質であるウラン２３５を含んでいる
。また、被覆管内のガスブレナム内にはスプリングか配
置され、燃料ペレットを下方に押圧している。

ウォータロッド２１は燃料棒２０と同し材質の被覆管で
構成されているか、燃料物質を装荷しておらず、被覆管
（図示せず）の上部および下部の側面に孔を透設され、
内部を沸騰しない冷却材が通過する構造とされている。

ＢＷＲの炉心には、４体の燃料集合体１０に対して１体
の割合いで、横断面十字型の制御棒３０が挿入されてい
る。

この炉心には、挿入される制御棒３０に面する燃料集合
体１０の側壁側に形成された水ギャップの幅が、その反
対側にあって制御棒３０に面しない燃料集合体１０の側
壁側に形成された水ギャップの幅よりも広くなっている
炉心（Ｄ格子炉心）と、制御棒３０に面する燃料集合体
１０の側壁側に形成された水ギャップの幅が、その反対
側にあって制御棒３０に面しない燃料集合体１０の側壁
側に形成された水ギャップの幅と等しい炉心（Ｃ格子炉
心）とがある。

本実施例の燃料集合体１０は、上記Ｃ格子炉心に装荷さ
れる燃料集合体である。

燃料集合体１０を構成する燃料棒２０には、第１図に示
すように、燃料棒１１〜１８の８種類がある。これらの
燃料棒１１〜１８が、第１図のようにチャンネルボック
ス２２内の燃料集合体横断面に配置されている。

本実施例におけるウォータロッド２１の口径は第１図の
ように、４本の燃料棒２０の領域を占領する大きさとさ
れ、燃料集合体１０の横断面中央に位置している。

これにより水対燃料費が従来燃料より大きくなり、高燃
焼度化による炉心特性の悪化を解決し、同時に反応度の
向上をはかっている。

燃料棒２０を構成する８種の燃料棒１１〜１８には、燃
料物質充填領域の下端部および上端部に天然ウランから
なる燃料ペレットを充填した天然ウランブラケット領域
ＮＩ　ＳＮ２が形成されている。

これらの天然ウランブラケットＮｌ　、Ｎ２は、第２図
に示すように、燃料物質充填領域の下端０及び上端２４
からそれぞれ燃料物質充填領域の軸方向の長さ（以下、
有効燃料長Ｈという）の１／２４の位置までを占めてい
る。

なお、燃料物質充填領域は、燃料ペレットを充填してい
る領域を意味し、各燃料棒１１〜１８の燃料物質充填領
域の軸方向の長さは等しい。また各燃料棒において、燃
料物質充填領域の下端から燃料有効長Ｈの１／２４〜２
３／２４の範囲は濃縮ウランか充填されている濃縮ウラ
ン領域Ｃである。

第２図に示すように燃料棒１１．１３．１６．１７およ
び１８ては、濃縮ウラン領域Ｃが軸方向において−様な
濃縮度になっており、また、燃料棒１２．１４および１
５では、濃縮ウラン領域が軸方向で濃縮度の異なる３つ
の領域ＣＩ　ＳＣ２、Ｃ３から構成されている。

各燃料棒の濃縮ウラン領域の濃縮度は、燃料棒１１で４
．３重量％、燃料棒１３．１６．１７および１８て、３
．３重量％になっている。

燃料棒１２は、濃縮ウラン領域において、燃料物質充填
領域の下端を基点として燃料有効長Ｈの１７２４〜１０
／２４の範囲の濃縮度ｃｉが３．３重量％、燃料有効長
Ｈの１０７２４〜２０／２４の範囲Ｃ２の濃縮度カ３．
８％重量、燃料有効長Ｈ（７）　２０／２４〜２３／２
４の範囲の濃縮度Ｃ３が３．３重量％である。

同様に、燃料棒１４では、Ｃ１−２，９、Ｃ２−３，３
、Ｃ３−２，９重量％であり、燃料棒１５ではＣ１−２
，１、Ｃ２−２，５、Ｃ３−２，１重量％である。

燃料棒１６．１７．１８は濃縮ウラン領域の燃料ペレッ
ト内に可燃性毒物であるガドリニアを含有している。

燃料棒１６における濃縮ウラン領域の軸方向におけるガ
ドリニア濃度は、燃料物質充填領域の下端を基点として
燃料有効長Ｈのｌ／２４〜Ｉ　Ｏ／２４の範囲テ５．０
重量％、燃料有効長Ｈ（７）　１０／２４〜２０／２４
の範囲で４．０重量％、２０／２４〜２３／２４の範囲
で３．０重量％である。

燃料棒１７のガドリニア濃度は、燃料物質充填領域の下
端を基点として、燃料有効長Ｈの１／２４〜２０／２４
の範囲テ４．０重量％、燃料有効長Ｈの２ｏ／２４〜２
３／２４の範囲で８．０重量％である。

本発明の特徴をなす燃料棒１８のガドリニア濃度は、燃
料有効長Ｈの１／２４〜１０／２４　（７）範囲テ２．
０重量％、１０／２４〜２０／２４の範囲テ４．０重量
％、２゜／２４〜２３／２４の範囲で３．０重量％であ
る。

なお、燃料棒１１〜１５は、ガドリニアを含有していな
い。

上記のような軸方向濃縮度分布を有する燃料棒１１〜１
８を第１図のように配置することによって、燃料集合体
１０の軸方向における各部の断面平均濃縮度分布は第２
図の右端に示すように、燃料集合体の燃料物質充填領域
の下端を基点として燃料有効長Ｈ（７）ｌ／２４〜１０
／２４　ノ範囲ＣＩ（ａ縮つラン領域の下部領域）およ
び燃料有効長Ｈの２０／２４〜２３／２４の範囲（濃縮
ウラン領域の上部領域）で３．４４重量％、燃料有効長
Ｈの１ｏ／２４〜２ｏ／２４ノ範囲（濃縮ウラン領域の
中央部領域）で３．６４重量％となる。また、燃料物質
充填領域の上下端部に形成される天然ウランブランケッ
ト領域Ｎｌ　、Ｎ２は０．７１重量％のウラン２３５を
含有している。

本実施例における燃料集合体は、濃縮ウラン領域の下部
領域Ｃ１の断面平均濃縮度を低くし、濃縮ウラン領域の
中央部領域Ｃ２の断面平均濃縮度を高くし、それらの領
域の間で約０．２重量９６の平均濃縮度差をつけている
。

ＢＷＲでは炉心上端に行くに従って蒸気泡（ボイド）が
多いため、炉心上部で中性子減速材であろ水の密度が低
下する。このため、軸方向の濃縮度分布が−様な燃料集
合体を炉心内に装荷した場合には、燃料集合体下部に出
力ピークが生ずる下歪みの出力分布となる傾向がある。

従って、前述のように、燃料集合体の下部領域よりも中
央部領域の濃縮度を高くすることによって、燃料集合体
の軸方向の出力分布を平坦化することができる。

本実施例の燃料集合体における中央部領域ｃ２と下部領
域Ｃ１との平均濃縮度の差、約０．２重量％と、中央部
領域ｃ２および下部領域ｃ１の境界位置（燃料有効長Ｈ
の１０７２４の位置）は、軸方向出力分布平坦化の効果
が最大となるよう選んだものである。

本実施例における燃料集合体２ｏの内、１０本のガドリ
ニア入り燃料棒１６．１７のガドリニアの平均重量％は
、第２図および第３図に示すように、全体的には下部領
域を高くして中央部領域を低くし、それらの領域の間で
約０．５重量％の差をつけている。

前述のように、ＢＷＲでは炉心上端に行くに従ってボイ
ドが多いため、炉心上部では中性子減速材である水の密
度が低く、炉心下部では水の密度が高い。このため軸方
向のガドリニア平均重量％を同一とすると、炉心下部で
中性子スペクトルが上部に比べて軟らかいことから、ガ
ドリニアの燃焼が早く進む。これによりガドリニアの燃
焼が進む際の炉心下部の反応度の上昇速度か早くなるた
め、軸方向の出力分布が下部ピークとなり易くなる。

本発明では、これを適切に゛制御するため、下部領域に
おけるガドリニアの平均濃度を０．５重量％大きくして
いる。この濃度差０．５重量％は軸方向出力分布の平坦
化の効果が最適となるように選んだものである。

なお、この実施例では、ガドリニア入り燃料棒が３種類
あるが、これは燃料製造上の配慮からであり、同−燃料
内でガドリニアの濃度の差を約１重量％以上とするため
である。

更に本発明では、ガドリニア入り燃料棒１８の下部領域
のガドリニアの平均重量を２．０重量％と中央部領域の
４．０重量％よりも低くし、サイクル初期の軸方向の出
力分布が下部ピークとなるのを押えた後、下部領域のガ
ドリニアが燃焼した後のサイクル中期以降に適度な下部
ピークとなるようにして、炉心反応度を得ている。

このような選択によって得られた軸方向の濃縮度分布お
よびガドリニア濃度差によって生じる燃料集合体の出力
ビーキングの余裕は約１５％〜２０％となる。本発明の
燃料集合体では、この出力ビーキングの余裕を高燃焼度
化によるピーキングの増加の緩和および前述のような反
応度利得に振向けて燃料経済性を向上させている。

なお、第３図にも示すように、燃料集合体における濃縮
ウラン領域の上部領域Ｃ３（燃料有効長Ｈの２０７２４
〜２３／２４）の断面平均濃縮度は、下部領域ＣＩ（燃
料有効長Ｈのｌ／２４〜１０／２４　）の断面平均濃縮
度とほぼ等しく低濃縮度領域であり、かつ燃料棒１６．
１７の可燃性毒物の低濃度領域に対応しており、炉停止
余裕の減少を補償している。また、濃縮ウラン領域の上
部領域の軸方向長さ（燃料有効長Ｈの３７２４）は、可
燃性毒物減少による経済的効果が最大となるよう決定し
たものである。

以上述べたように、本発明の燃料集合体によれば、燃料
経済性を著しく向上できる。

即ち、本発明の燃料集合体は、原子炉の安全余裕を十分
確保しつつ、可能な限り低い濃縮度で、目標とする高燃
焼度を達成することができ、これによって燃料サイクル
に要する費用を著しく低減できる。また使用済み燃料集
合体の発生量も著しく低減することができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、高燃焼度化による炉心性能の悪化を解
消すると共に、出力ビーキングの余裕を燃料経済性の向
上に利用でき、取出しエネルギーを著しく増大できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である燃料集合体の横断面図、
第２図は第１図に示す燃料集合体を構成する燃料棒の濃
縮度およびガドリニア分布を示す説明図、第３図は本発
明の燃料集合体を構成する濃縮度および可燃性毒物の分
布を示す模式図である。 １０・・・・・・・・・燃料集合体 ２０（１１〜１８）・・・燃料棒 ２１・・・・・・・・・ウォーターロッド２２・・・・
・・・・チャンネルボックス３０・・・・・・・・・制
御棒

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部に燃料物質が充填された複数の燃料棒を有する燃料
   集合体において、この燃料集合体の軸方向の領域に関し
   、上部領域と比べ下部領域の可燃性毒物の平均含有量を
   多くし、かつその内１〜２本の燃料棒の下部領域におけ
   る単位長さ、燃料棒当りの可燃性毒物の含有量を上部領
   域よりも少なくしたことを特徴とする燃料集合体。