JPH0350231B2

JPH0350231B2 -

Info

Publication number: JPH0350231B2
Application number: JP55061012A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Watanabe; Mamoru Nagano; Jiro Ootsuji
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-05-08
Filing date: 1980-05-08
Publication date: 1991-08-01
Also published as: JPS56157890A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は炉心の健全性を増大した沸騰水形原子
炉に関する。

一般に沸騰水形原子炉は被覆管内に酸化ウラン
からなる燃料ペレツトを充填して燃料棒を形成
し、この熱料棒をチヤンネルボツクス内に多数本
装荷して燃料集合体を構成している。そして、こ
の燃料集合体を多数体配置して炉心を構成してい
る。そして、沸騰水形原子炉はこの燃料集合体内
を冷却材が流れ、ボイドな発生されるが、このボ
イド率は上部では大きく、下部では小さい。そし
て、このボイドが存在することにより、その分だ
け冷却材（軽水）の割合が少なくなり、高速中性
子の熱中性子化の割合が減少する。したがつてボ
イド率が大きくなるに従つてその部分の反応度が
低下する。

このため、第１図に示す如く炉心に装荷された
燃料の下部における無限増倍率（第１図中曲線Ｌ
で示す）と上部における無限増倍率（第１図中曲
線Ｕで示す）が異なり、燃料の燃焼サイクル初期
から中期にかけて下部における無限増倍率が大と
なる。このため炉心の上下方向の出力分布は付近
一となり、炉心下部に大きな出力ピークが生じ
る。ところで、炉心に装荷された燃料棒は出力が
過度に上昇すると燃料ペレツトの体積がスエリン
グや熱膨張によつて過度に増大し、燃料ペレツト
の両端部の径が増大してつづみ形に変形し、この
燃料ペレツトが被覆管内面に干渉していわゆる燃
料ペレツト対被覆管の機械的相互作用（PCI）を
生じ、被覆管が破損する危険性が生じる。そし
て、上記炉心下部に生じた大きな出力ピークの箇
所ではこのPCIの危険性が増大し、炉心の健全性
が低下する不具合があつた。このような不具合を
解消するため、従来の炉心の上下に生じるボイド
率の差による燃料の無限増倍率の差を補償し、炉
心の上下方向の出力分布を均一化するため、燃料
棒の下部のウラン235の含有量を小さくしたり、
また燃料ペレツト中に含有する可燃性毒物の含有
量を下部において大きくしたりすることがなされ
ているが、いずれも充分な効果を得ることができ
なかつた。すなわち、炉心の上下に生じるボイド
率の差による影響を補償するには第２図に直線Ａ
で示す如く炉心の上下における反応差が＋1.5％
程度のすなわち炉心上部の方が反応度が1.5％程
度大きくなるような特性を燃料に与える必要があ
る。しかし、実際には炉心の燃焼度の進行に伴つ
て浅く挿入されている調整用の制御棒が徐々に引
抜かれる。

したがつて燃焼初期ではこの調整用の制御棒に
よつて炉心下部の反応度が抑制される燃焼末期に
はこれら調整用の制御棒が引抜かれることによつ
て炉心下部の反応度抑制効果が減少する。よつ
て、この調整用の制御棒の影響を考慮すると炉心
燃焼度の進行に対する燃料としての炉心上下の反
応度差の特性は直線Ｂで示されるように設定する
必要がある。ところで、一様なウラン235含有量
の燃料棒のみを装荷した場合には炉心燃焼度の進
行に対する炉心上下反応度差は曲線Ｃに示す如き
特性を示す。そして、ウラン235含有量が上下で
異なる熱料棒を装荷した場合は、曲線Ｄに示す如
き特性が得られるが、この曲線Ｄは曲線Ｃが全体
的にプラス側に移動しただけのものであり、その
パターン自体は変らないので、たとえば第２図に
示す如く燃焼末期でのみ直線Ｂと合致させるよう
な特性を得ることはできるが、燃焼全域にわたつ
て直線Ｂに合致させることはできない。また可燃
性毒物性の含有量の上下で変えた燃料棒を装荷し
た場合、この可燃性毒物の反応度の変化特性は燃
焼度の進行に伴つて直線的に減少するものであ
り、上記直線Ｂと曲線Ｄの差は燃焼度の進行に対
応して直線的に変化するものではなく、また単調
に変化するものではないので、上下で可燃性毒物
を含有量を変えた燃料棒を装荷しても直線Ｂに合
致させることはできないものであつた。

本発明は以上の事情にもとづいてなされたもの
で、その目的とするところは炉心の上下に生じる
ボイド率の差による影響を完全に補償し、炉心の
上下方向の出力分布を均一にでき炉心の上下方向
の出力分布を均一にでき炉心の健全性を大幅に向
上することのできる沸騰水形原子炉を得ることに
ある。

以下本発明を第８図ないし第１８図に示す一実
施例にしたがつて説明する。図中１は制御棒であ
つて、断面十字形をなしている。そして、この制
御棒１の周囲には４体の燃料集合体２が配置され
て単位格子を構成し、この単位格子が格子状に配
列されて炉心を形成している。なお、第３図には
１体の燃料集合体２のみを示す。そして、上記燃
料集合体２は断面略正方形のチヤンネルボツクス
３内に62体の燃料棒４…と２本の水棒とを装荷し
て構成されている。そして、これらの燃料棒４…
は酸化ウランを焼結して形成した円柱状の燃料ペ
レツト５…を被覆管６内に収容し、被覆管６の上
端部および下端部を上部端栓７および下部端栓８
で密封したもので、被覆管６内上部にはブレナム
９が形成されている。そして、このブレナム９内
にはスプリング１０が収容されており、このスプ
リング１０によつて燃料ペレツト５…が弾性的に
押圧固定されている。そして、これらの燃料棒４
…は上部と下部とで核分裂物質であるウラン235
の含有量の異なるものあるいは可燃性毒物の含有
量の異なる等数種類のものが用いられている。第
３図で各燃料棒４…に附したローマ数字はその種
類を示すもので、各種類の燃料棒４…はそれぞれ
第５図に示す如く構成されている。種類Ｉの燃料
棒４…は第５図に模式的に示す如くウラン235の
含有量3.9w／ｏ（重量％）である燃料ペレツト５
…を充填したもので、ウラン235の含有量が上方
方向にわたつて均一なものである。また、種類
の燃料棒４…は上半分にウラン235含有量3.5w／
ｏの燃料ペレツト５…を収容し、下半分にこれよ
りウラン235含有量の小さなウラン235含有量
3.3w／ｏの燃料ペレツト５…を収容したもので
ある。また、種類の燃料棒４…は上半分にウラ
ン235含有量2.9w／ｏの燃料ペレツト５…を収容
し、下半分にこれよりウラン235含有量の小さな
ウラン235含有量2.5w／ｏの燃料ペレツト５…を
収容したものである。また種類，，の燃料
棒４…はそれぞれウラン235含有量が2.5w／ｏ，
2.2w／ｏおよび1.7w／ｏの燃料ペレツト５…を
収容し、下半分これによりウラン235含有量の小
さなウラン235含有量2.5w／ｏの燃料ペレツト５
…を収容したもので、上下でウラン235含有量の
差は与えられていないものである。また、種類
の燃料棒４…はウラン235含有量が2.5w／ｏでか
つ可燃性毒物として4.0w／ｏのガドリニアを含
有した燃料ペレツト５…を収容したいわゆるポイ
ズン棒であつて、上下でウラン235およびガドリ
ニアの含有量の差は与えられていないものであ
る。また種類の燃料棒４…は上部にウラン235
含有量が2.9w／ｏの燃料ペレツト５…を収容し、
ウラン235含有量は上下で差が与えらえていない
が、ガドリニアは下半分のみに収容されているも
のである。また、種類の燃料棒４…は上半分に
ウラン235含有量2.9w／ｏでかつ4.0w／ｏのガド
リニアを含有した燃料ペレツト５…を収容し、ま
た下半分にウラン235含有量2.9w／ｏでかつ
5.0w／ｏのガドリニアを含有した燃料ペレツト
５…を収容したもので、ウラン235含有量は上下
で差が与えられていないが、ガドリニアの含有量
は下半分で大きくなつている。また、Ｗの符号を
附したものは水棒である。

以上の如く構成された本発明の一実施例は下部
のウラン235を含有量が上部のウラン235含有量よ
り小さな種類およびの燃料棒４…、下部にの
みガドリニアを含有した種類の燃料棒４…、上
部および下部にガドリニアを含有し下部のガドリ
ニア含有量の大きな種類の燃料棒４…およびウ
ラン235含有量が上下で均一な種類，，，
，の燃料棒４…が燃料集合体２内に装荷され
ているので、この燃料集合体２を炉心に装荷した
場合第６図に示す如く、燃料集合体２としての燃
焼サイクル全体にわたつてその上部の無限増倍率
（第６図中曲線Ｕで示す）と下部の無限増倍率
（第６図中曲線Ｌで示す）との差が少なく、また
その差の平均がきわめて小さいので炉心の出力ピ
ークが生じることがなく、炉心の上下の出力分布
が均一化され、炉心の健全性が向上する。次にそ
の理由を説明する。燃料重合体２は燃料集合体と
しての燃焼度の進行に対する無限増倍率の変化は
第６図に示す如きものであるが、燃料重合体はた
とえば１年毎に炉心全体に装荷されている数の1/
３ずつ交換される。したがつて燃料集合体は８年
間炉心に装荷されていることになり、炉心全体か
ら見れば常に燃焼度の進行が３段階の燃料集合体
２が1/3ずつ装荷されていることになり、炉心全
体としての無限増倍率はその平均となる。そし
て、実際に炉心の上下に生じるボイド率の等差に
よつて生じる炉心全体としての上下の反応度差と
炉心としての燃焼度との関係は第７図に示す如く
なる。第７図に曲線Ｃで示すものはウラン235の
含有量やガドリニアの含有量を上下で変化させな
い熱料棒のみを使用した場合のもので、炉心の燃
焼サイクル全体にわたつてマイナスつまり炉心下
部の反応度の方が大であり、かつこの上下の反応
度差の変化な非線形である。また直線Ａは炉心上
下に生じるボイド率の差による影響を補償して炉
心の上下方向の出力分布を均一化するために必要
な特性を示すもので、炉心上下反応度差が＋1.5
％程度すなわち上部の方が1.5％程度反応度が大
きいことを必要とするものである。しかし、実際
には炉心の燃焼度の進行に対向して炉心下部に浅
く挿入されている調整用の制御棒を徐々に引抜い
てゆくので、この徐々に引抜かれてゆく調整用の
制御棒によつて炉心下部の反応度抑制効果が徐々
に減少するので、燃料として要求される特性は直
線Ｂで示す如くなる。そして、この一実施例のも
のは下部のウラン235含有量が上部のウラン235含
有量より小さな種類およびの燃料棒４…が燃
料集合体２に装荷されているので、全体として炉
心下部の反応度が減少し、曲線Ｄで示す如き特性
が得られる。そして、これら種類およびの燃
料棒４…における上下のウラン235含有量の差を
適当に設定することにより、炉の燃焼サイクル
（この一実施例では約9GWD／Ｔ）の末期におい
てこの曲線Ｄが直線Ｂと合致するような特性が得
らえる。しかし、この曲線Ｄは曲線Ｃを上方に平
行移動した如きものであり、曲線Ｃのパターンは
変らないので上下でウラン235含有量の異なる種
類およびの燃料棒４…を装荷しただけでは直
線Ｂで示す如き目標とする特性は得られない。し
かし、この燃料集合体２内には上記上下でウラン
235含有量を変えた種類および燃料棒４…の
他に上下でガドリニア含有量を変えた種類の燃
料棒４…および下部にのみガドリニアを含有させ
た種類の燃料棒４の装荷しているので、これに
よつて炉心燃焼度に対する炉心上下反応度差の目
標とする直線Ｂに合致されることができる。すな
わち、第７図における直線Ｂと曲線Ｄとの差分
AGdを求めると、第９図において模式的に示す
直線Ｆで示す如くなり、この直線Ｆで示される如
き特性の差AGdを種類およびの燃料棒４…
によつて補償すれば直線Ｂなる特性を達成できる
ものである。そして、一般に燃料ペレツト５…に
ガドリニアを含有させた場合、その毒物としての
反応度は第１０図ａに示す如くその含有量に影響
され、ガドリニアの含有量が大きくなる程毒物と
しての反応度効果が増大し、また第１０図ｂに示
す如くガドリニアが燃え尽きて消滅するまでの燃
焼度もガドリニア含有量が大となるほど大きくな
る。また、このガドリニアは燃焼度の進行に伴つ
て燃焼され、その毒物としての反応度が直線的に
減少してゆく。したがつて、上記種類の如き上
下でガドリニア含有量に差のあるものでは炉心に
装荷された場合、上部におけるガドリニアの毒物
としての反応度は第８図に直線Ｇで示す如く減少
し、また下部におけるガドリニアの毒物としての
反応度は直線Ｈで示す如く減少し、またこれらの
直線ＧおよびＨは匂配が異なる。したがつて上部
および下部におけるガドリニア含有量の絶対値お
よび上下の含有量の差を適当に設定することによ
り、第８図に示す如く上下のガドリニアの毒物と
しての反応度差が上記直線ＧとＨの匂配の差によ
つて燃焼度の進行に伴つて除去に増大し、燃焼末
期において上部のガドリニアが先に燃焼し尽し、
この上部のガドリニアが燃焼し尽した後は直線Ｈ
の匂配に従つて逆に上下のガドリニアの毒物とし
ての反応度差が減少するような特性が得られる。
なお、この第８図に示す特性は第７図の場合と同
様に３段階の燃焼度の燃焼集合体が1/3ずつ炉心
に装荷された場合における平均値を示すものであ
る。したがつて、この種類の如き燃料棒４…を
燃焼集合体２内に装荷することにより、第７図お
よび第９図で示す特性の差分AGdのうちのAGd₁
で示す部分の補償がなされ、第７図に曲線Ｅで示
す如き特性が得られ、炉の燃焼サイクルの中期か
ら後期にわたつて目標とする直線Ｂに合致した炉
心上下反応度差の特性が得られる。次に下部のみ
ガドリニアを含有し、かつその含有量が比較的小
さな種類の燃料棒４では、その含有したガドリ
ニアは第８図に直線で示す如く燃焼度の進行に
伴つて毒物としての反応度が直線的に減少し、炉
の燃焼サイクル初期に燃料し尽してしまうような
特性が得られる。したがつて、この種類の燃料
棒４によつて第７図の直線Ｂと曲線Ｅとの特性の
差分AGd₂が補償され、炉の燃焼サイクルの初期
がら末期全体にわたつて目標とする直線Ｂに合致
した炉心上下反応度差の特性が得らえれるもので
ある。

なお、このような特性を達成するには燃料棒４
…の上下のウラン235含有量の差、上下のガドリ
ニア含有量の差および下部に含有されるガドリニ
ア含有量等を適当に設定する必要があり、これら
は次のようにして設定される。まず、第７図で目
標とする直線Ｂと曲線との炉心上下反応度差を
Avoidとすると、 Avoid＝A_Gｄ＋A_E ……(1) となる。ここでA_Gｄはガドリニアの含有によつ
て補償される炉心上下反応度差の積分値すなわち
第７図において直線Ｂと曲線Ｄで囲まれた部分の
面積であり、またA_Eは上下のウラン235含有量の
差によつて補償される炉心上下反応度差の積分値
すなわち第７図において曲線Ｄと曲線Ｃで囲まれ
る部分の面積を示す。そして、下部にのみガドリ
ニアを含有した種類の燃料棒４の下部における
ポイズン棒としての反応度効果をAg₁、上下でガ
ドリニア含有量に差のある種類の燃料棒４…の
上部におけるポインズ棒としての反応度効果を
Ag₂、こ種類の燃料棒４…の下部におけるポイ
ズン棒としての反応度効果をAg₃とし、また下部
にのみガドリニアを含有した種類の燃料棒４の
本数をｍ、上下でガドリニア含有量の差のある種
類の燃料棒４の本数をｎとすると、上記のA_G
ｄは A_Gｄ＝mAg₁＋ｎ（Ag₃−Ag₂） ……(2) となる。なお、その(2)式におけるAg₁，Ag₂，
Ag₃は燃焼度がＮ段階の燃焼集合体が１／Ｎずつ
炉心に装荷されている場合の炉心全体の平均値で
あり、上記各種の燃料棒４…のポインズ棒として
の反応度を一般的にAgKとすれば AgKΔKg・Egk／2N ……(3) となる。すなわち、上式におけるAgKは第８図
に示される各々の線分とＸ，Ｙ軸で囲まれる三角
形の部分の面積で示されるが、ガドリニアが存在
するのは１年目の燃焼集合体においてのみである
から、全体の平均は燃料のバチツサイズＮで除し
た値となるものである。

なお、ΔKgはこの燃料棒のサイクル初期での
１本当りの反応度効果、EgKはこの燃料棒４…
の１年目の燃焼末期の燃焼度である。また、上記
のA_Eは A_EＣ・Δ〓・Eo ……(4) で与えられる。ただし、Ｃ10（％Δk／ｗ／ｏ） Δ〓：上下のウラン235含有量差（ｗ／ｏ） Eo：炉心の燃焼度である。すなわち、この上下反応度差は上下のウ
ラン235含有量の差にほぼ比例し、しかもこのウ
ラン235の含有量差は燃焼度の進行によつてもほ
とんど変わらないので第７図に示す如く炉の燃焼
サイクル初期から末期までほぼ一定とみなされる
ものである。

そして、これら(1)〜(4)式を満足するように上下
のウラン含有量やガドリニア含有量の差等を適宜
設定すればよく、通常の原子炉では下部にのみガ
ドリニアを含有した種類の燃料棒４における下
部のガドリニア含有量が上下でガドリニア含有量
の差を設けた種類の燃料棒４…の上部における
ガドリニア含有量より小さく、かつそのガドリニ
ア含有量が１〜2w／ｏであり、また上下でガド
リニア含有量の差があれ種類の燃料棒４…にお
ける上下のガドリニア含有量の差が1.0〜．5w／
ｏであることが好ましい。なお、本発明の効果を
確認するために、上記一実施例のものについて炉
心の上下方向に生じる相対出力分布を求めた結果
を第１１図ないし第１３図示し、第１１図は炉の
燃焼サイクル初期のもの、第１２図は炉の燃焼サ
イクル中期のもの、第１８図は炉の燃焼サイクル
末期のものを示す。そして図中の曲線Ｊは本発明
の一実施例のものを示し、また曲線Ｋは上下でウ
ラン235含有量の差を与え、またガドリニア含有
量は上下一様な従来のものを示すものである。そ
して、この結果から明らかなように従来のものは
炉の燃焼サイクル初期および中期において炉心の
下部に出力ピークな生じるものであるが、本発明
の一実施例のものは炉の全燃焼サイクルを通して
炉心下部に出力ピークは生じることがなく、かつ
出力分布のパターンは炉の全燃焼サイクル中ほぼ
一定であり、炉心の健全性が大幅に向上するもの
である。

なお、本発明は上記の一実施例には限定されな
い。

たとえば、ウラン235等の核分裂物質の上下の
含有量の差や絶対値、ガドリニア等の可燃性毒物
の上下の含有量の差や絶対値、これら各種の燃料
棒の数やその配置等は上記の一実施例には限定さ
れない。

また、上下で核分裂物質の分有量を変えた燃料
棒、上下で可燃性毒物の含有量を変えた燃料棒お
よび下部のみ可燃性毒物を含有させた燃料棒以外
の他の燃料棒は前記一実施例では上下均一な核分
裂物質含有量のものであるが、この他の燃料棒は
必ずしもこの一実施例のものに限らず、炉の特性
を変えるために種々の核的特性を与えるような構
成のものを用いてもよい。

上述の如く本発明は上下で核分裂物質含有量が
異なり下部の核分裂含有量が上部の核分裂物質含
有量より小さい燃料棒と、可燃性毒物を含有し下
部の可燃性毒物含有量が上部の可燃性毒物含有量
より大きな燃料棒と、下部にのみ可燃性毒物を含
有した燃料棒とを燃料集合体内に装荷したもので
ある。したがつて、これらの各種の燃料棒によつ
て炉心の上下に反応度差を与え、炉心の上下にお
けるボイド率の差による炉心上下の反応度差を補
償し、全燃料サイクルを通して炉心上下の出力分
布を均一に維持することができ、炉心の健全性を
大幅に向上できる等その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料集合体の燃焼度と無限増倍
率との関係を示す線図、第２図は炉心燃焼度と炉
心上下反応度差の一般的な関係を示す線図であ
る。また第３図ないし第１３図は本発明の一実施
例を示し、第３図は燃料集合体の横断面図、第４
図は燃料棒の縦断面図、第５図は各種の燃料棒内
の核分裂物質および可燃性毒物の上下方向の分布
を模式的に示す図、第６図は燃料集合体の燃焼度
と無限増倍率との関係を示す線図、第７図は炉心
燃焼度と炉心上下反応度差との関係を示す線図、
第８図は燃焼度とガドリニアの反応度との関係を
示す線図、第９図は燃焼度とガドリニアの上下反
応度差の関係を模式的に示す線図、第１０図ａは
ガドリニア含有量とガドリニアの反応度効果の関
係を示す線図、第１０図ｂはガドリニア含有量と
それが燃焼消滅するまでの燃焼度との関係を示す
線図、第１１図ないし第１３図はそれぞれ炉の燃
焼サイクル初期、中期および末期における本発明
の一実施例および従来のものの炉心上下方向の相
対出力分布を示す線図である。１……制御棒、２……燃焼集合体、４……燃料
棒、５……燃料ペレツト。

Claims

【特許請求の範囲】

１多数本の燃料棒からなる燃料集合体を多数体
配置して炉心を構成したものにおいて、上記燃料
集合体に、下部の核分裂物質の含有量が上部の核
分裂物質の含有量より小さな燃料棒と、可燃性毒
物を含有し下部の可燃性毒物含有量が上部の可燃
性毒物含有量より大きくかつこの上部の下部の可
燃性毒物含有量の差が1.0〜1.5重量％である燃料
棒と、下部にのみ可燃性毒物を含有しかつこの可
燃性毒物含有量は前記可燃性毒物性を含有し下部
の可燃性毒物含有量が上部の可燃性毒物含有量よ
り大きな燃料棒における上部の可燃性毒物含有量
より小さくかつその含有量１〜２重量％である燃
料棒と、その他の燃料棒とを装荷したことを特徴
とする沸騰水形原子炉。