JPH0375075B2

JPH0375075B2 -

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Publication number: JPH0375075B2
Application number: JP60149880A
Authority: JP
Priority date: 1985-07-10
Filing date: 1985-07-10
Publication date: 1991-11-28
Also published as: JPS6212890A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、発電用の沸騰水型原子炉（BWR）
に使用される燃料集合体に関する。

〔従来の技術〕

BWRの燃料集合体は、運転中に発生する蒸気
泡（ボイド）のため燃料棒ごとの出力が著しく不
均一となり、局所ピーキング係数が増大する。そ
れゆえ、局所ピーキング係数を小さくするよう
に、出力の高くなる位置における燃料棒の濃縮度
を低く、出力の低くなる位置における燃料棒の濃
縮度を高くするよう構成した燃料集合体が用いら
れる。ところが、このような局所ピーキング係数
を最適化した燃料集合体においては、燃料のバー
ンアウト余裕に影響する集合体内の出力分布を最
適化できないという欠点があつた。

第２図は、BWRの炉心の1/4についてその横
断面図を表すものである。残りの3/4炉心は、図
の1/4炉心のＩ軸とＪ軸について対称に配置され
る。図において１０７は、中性子の吸収体を含む
十字形の制御棒であり、１０１は燃料集合体を表
す。燃料集合体は、第３図に示すようにNo.１〜62
の計62本の燃料棒１０４と、内部に燃料物質を含
まず中空で冷却水を流通する２本のウオータロツ
ドＷ１０５とを８×８正方格子状に配列して構成
され、ジルカロイ製のチヤンネルボツクス１０６
で外周を囲んで、制御棒１０７に隣接して原子炉
に装荷される。原子炉の出力運転中は、冷却水が
燃料下部から上部に向つて流れ、燃料棒の発生勢
を除去する。このとき、第３図のチヤンネル内部
領域１０２の冷却水は沸騰状態となり、多量のボ
イドが発生するため、チヤンネルの外部領域１０
３にくらべて冷却水の密度が著しく小さくなる。
それゆえ、減速材すなわち冷却水による中性子減
速の結果として生ずる熱中性子の数はチヤンネル
外部領域１０３で大きく、チヤンネル内部領域１
０２で小さい。さらに、熱中性子は拡散によつて
密度の高い方から低い方に流れて勾配をもつた分
布を生じ、この分布によつて燃料棒内のウラン
235の核分裂が集合体の外周部において高く、中
央部において低くなり、個個の燃料棒の単位長さ
あたりの線出力と62本の燃料棒の平均線出力との
比として定義される局所ピーキング係数が増大す
る。燃料棒の過大な線出力は燃料棒の破損を来た
すもので、局所ピーキング係数を小さくする必要
がある。したがつてBWR燃料においては、第４
Ａ図と第４Ｂ図に示すように個々の燃料棒ごとに
ウラン235同位体の濃縮度を変え、熱中性子の分
布が高めになる位置での濃縮度を低くして全体の
局所ピーキング係数を最小にするように構成され
る。第４Ａ図は５種類の濃縮度に区分される燃料
棒１〜５を用いた例であり、第４Ｂ図はこの濃縮
度の具体例を示す。なお、第４Ａ，４Ｂ図中で記
号Ｗはウオーターロツドを示し、記号Ｇは可燃性
毒物であるガドリニウムの同位体を含む酸化物
（Gd₂O₃）を燃料物質に混入して用いることを示
す。ガドリニウムは燃焼初期の余剰反応度を抑制
する目的で用いられるが、燃焼がある程度進むと
その効果が消滅するようにその濃度を適切に選択
される。

さて、このように構成された従来の燃料では、
局所ピーキングの最小化を行うことができる。し
かしながら、燃料のバーンアウト余裕は最小化さ
れないため、熱的性能の改善に限界があつた。こ
のことを以下に説明する。

バーンアウトは、燃料棒表面の熱流束が過大と
なり、冷却水による除熱が不十分となつて燃料棒
の温度が急上昇し、最悪の場合は、破損に至る結
果をもたらす現像である。バーンアウトを引き起
す条件は、実験的に求められており、次のように
表される（文献：EPRI NP−1898，1981）。

cQ＝AZ／Ｂ＋Ｚ〔２−Ｊ〕 (1) ただし cQ＝限界蒸気重量率Ａ，Ｂ＝実験で求められる定数Ｚ＝無次元沸騰長さ＝nπDL_B／Ａｎ＝集合体を構成する燃料棒の数Ｄ＝燃料棒直径 L_B＝沸騰長さＡ＝集合体の流路断面積Ｊ＝J₁−0.19／Ｇ（J₁−１）²−J₃ (2) Ｇ＝冷却材の質量流束ここで、J₁は局所ピーキングの関数であり、例
えば集合体の中央部に位置する燃料棒に着目する
と J₁＝１／32〔20f_p＋２・₄ 〓ⁱ⁼¹ ＋₄ 〓^j=1 〕 (3) と表される。ただしf_pは着目する燃料棒の局所ピ
ーキング係数，f_iは、位置ｐの燃料棒に隣接する
４本の燃料棒それぞれの局所ピーキング係数、f_j
は位置ｐの燃料棒に対角に隣接する４本の燃料棒
それぞれの局所ピーキング係数である。

また(2)式ではJ₃は着目する燃料棒の位置を集合
体の４つの角、側面部、その他の中央部の３通り
に区分したとき、それぞれの区分内で定数項とし
て実験的に決められるが、(2)式の右辺第２項とと
もに第１項のJ₁にくらべて無視できるほど小さ
い。それゆえ簡単のため(2)式をＪ＝J₁ (4) と書く。

(1)式は、集合体の熱負荷が増大し、バーンアウ
トが生じるための条件を限界の蒸気重量率cQと
して与えるものである。そのようなcQ値は、燃
料の高さ方向にみて沸騰の開始点から測つた沸騰
長さL_B，すなわちＺの関数であるとともに、(3)
式の局所ピーキング係数の関数である。(1)，(3)，
(4)式から、cQが局所ピーキング係数の重みつき
平均値J₁に依存し、その平均値が高いほどcQ値
が低くなること、すなわちバーンアウトが起りや
すくなることがわかる。J₁に対して着目する燃料
棒の寄与の割合が20/32であるが、残りの12/32は
周囲の燃料棒の局所ピーキングの寄与である。こ
れから判るように、単純に局所ピーキング係数を
最小化してもバーンアウト余裕が最小化されるこ
とにはならない。

また第４Ａ図に示すような濃縮度の区分を増や
すほど局所ピーキングならびに(3)式のJ₁を容易に
最小化できることは明らかであるが、濃縮度の異
なる多種類の燃料物質を製造するための工程が増
大する難点がある。

第５図は、燃料集合体を構成する燃料棒の濃縮
度区分の数に対して局所ピーキング係数を示した
ものである。濃縮度区分の数を増やすほど局所ピ
ーキング係数を小さくすることができる。また濃
縮度区分の数を固定した場合、局所ピーキング係
数は、集合体内部の平均蒸気体積率（以下ボイド
率という）に依存する。通常の出力運転時におい
て燃料下部から上部に向つてボイド率が高くな
り、燃料の上端付近で約70％ボイド率に達する。

それゆえ中性子の減速作用を有する冷却水によ
つて、熱化された中性子の数は熱料上部にくらべ
て下部の方が多くなる。その結果としてBWRに
おいては、燃料下部の集合体断面平均の出力が上
部にくらべて高くなる傾向を有する。

このような特性を考慮して燃料棒の局所的な線
出力の最大値、すなわち最大線出力密度を小さく
するには、燃料下部の低ボイド領域において局所
ピーキング係数を小さくするよう燃料棒の濃縮度
構成を決定するのが望ましい。こうした場合、第
５図の曲線１１０のように局所ピーキング係数が
小さくなるとともに平均ボイド率の高い燃料上部
の局所ピーキング係数は曲線１１１のように高め
になるが、上記のように集合体断面平均の線出力
は小さいので、炉心全体の最大線出力は小さく抑
えることができる。このようにして燃料棒の濃縮
度区分の数を少なくして最大線出力密度が低い燃
料集合体を構成できる。

しかしながら、既に述べたごとく、バーンアウ
トの最小限界出力を定める因子である(3)式のＪ
（以下Ｊ因子という）は、燃料集合体の縦方向の
各断面のすべてにおける局所的な出力分布に関係
している。それゆえ、バーンアウト余裕を改善す
るためには、上記のごとく燃料下部の局所ピーキ
ング係数を小さくするだけでは不十分である。

〔発明が解決すべき問題点〕

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであ
り、小数の燃料物質の濃縮度区分を用いて最大線
出力密度を低減しかつバーンアウト余裕を大きく
できる熱的性能の向上を行つた沸騰水型原子炉用
燃料集合体を提供することを目的とするものであ
る。

〔問題点の解決手段〕

本発明によれば、正方格子状配列の燃料棒が第
１群と第２群の燃料棒からなる前記燃料集合体が
提供され、前記第１群の燃料棒の本数が４〜８本
であつて、前記第１群の燃料棒ではその上下端部
を除く大部分について濃縮度分布が長手方向に上
下二つの領域に分割されると共にその上部領域の
濃縮度が下部領域の濃縮度に比べてほぼ１重量パ
ーセントだけ低くされ、第２群の燃料棒ではその
上下端部を除いて長手方向に一様な濃縮度分布が
形成されている。

このように本発明では、一部の燃料棒の濃縮度
分布が上下二領域に分割されて、上部領域におい
て前記Ｊ因子が大きくなる位置での濃縮度を下部
領域に対して低くすることを特徴とするものであ
る。

〔作用〕

Ｊ因子が燃料上部で大きくなる理由は、燃料下
部にくらべてボイド率が高い上部において、中性
子の減速が集合体断面方向に不均一になる結果、
燃料棒ごとの出力分布が歪だことによる。

このように構成された燃料集合体のＪ因子は、
平均ボイド率が高くても小さい値に抑えられ、集
合体のバーンアウト余裕が改善される。

〔実施例〕

第１Ａ図は５種類の濃縮度に区分される燃料棒
１〜５を用いた本発明の実施例を示す正方格子状
の燃料棒の配置図、第１Ｂ図はその濃縮度区分の
例を燃料棒長さ方向について示す模式図であり、
特定位置の燃料棒２，１１２は濃縮度分布が上下
二領域に分割されると共に二酸化ウラン濃縮度が
上部領域で2.60wt％、下部領域で3.20wt％と、下
部より上部のほうが低濃縮度領域にされている。

第６図の曲線１１４は集合体断面方向にのみ濃
縮度区分を有する従来の燃料集合体のＪ因子を示
し、曲線１１５は、本発明によるＪ因子を示す。

本発明の燃料物質は、二酸化ウラン粉末を焼結
した円柱のペレツト多数よりなり、燃料棒は長さ
約４ｍのジルカイロ製の被覆管にこれらのペレツ
トを封入したものである。また一部の燃料棒には
二酸化ウランと可燃性毒物として用いられるガド
リニウム（Gd）の酸化物を焼結したペレツトを
含む燃料棒が、第１Ａ図と第１Ｂ図に番号113で
示されるような位置に用いられる場合もある。

このように燃料物質が構成されるため、濃縮度
の区分を多くするとペレツトの製作工程が複雑と
なる。したがつて濃縮度の区分は少ないほど望ま
しい。本発明は、濃縮度の区分の数、すなわちペ
レツトの種類の数を増やさないでも第６図に示す
ようにＪ因子を改善し、簡単な工程で、しかも熱
的性能の高い燃料集合体を提供することができ
る。

ところで本発明では、集合体を構成する一部の
燃料棒の濃縮度分布が上下方向に２分割され、上
部の濃縮度が下部にくらべて低い。それゆえ第７
図に示すように、燃料集合体断面ごとの平均出力
は、従来にくらべて下部において高めとなる。第
７図において曲線１１６は従来例、曲線１１７は
本発明の場合を示す。この出力上昇の一部は、す
でに説明したように低ボイドにおいて局所ピーキ
ング係数を最小とするよう濃縮度区分を適切に選
択することによつて、最大線出力密度の過度の上
昇を避けることができるが、燃料集合体断面平均
で少くとも約0.15wt％以上の上下の濃縮度の差を
設けると出力上昇が大きくなる。第８図は、燃料
棒を上下に２分割して濃縮度差を約1wt％とした
軸方向領域区分を有する燃料棒の数に対して最小
限界出力の向上割合と最大線出力の増加割合を示
したものである。これからの最小限界出力が向上
し、最大線出力の増加が抑えられる範囲は、８×
８正方格子配列の場合、軸方向領域区分を有する
燃料棒の数として４〜８本程度の範囲である。こ
れは断面平均の濃縮度差換算して約0.05〜0.15wt
％の範囲に相当する。

本発明の別の実施例を第９Ａ図ならびに第９Ｂ
図に示す本実施例は１部の燃料棒１１８に上下濃
縮度差1wt％の燃料棒４本を使用した例であり、
燃料上部の高ボイド領域で発生するＪ因子の最大
値を小さくするように構成されている。各燃料棒
の上端と下端には0.7wt％のウラン235同位体を含
む天然ウランブランケツトを配置してある。また
燃料棒１１９には上部において3.5wt％濃縮度の
ウランに3.5wt％のガドリニア（Gd₂O₃）を含む
ペレツトを配置し、下部には4.5wt％のガドリニ
アを含むペレツトを配置している。ガドリニアに
含まれる同位体¹⁵⁵Gdと¹⁵⁷Gdは中性子の強吸体で
あり、本実施例の燃料集合体の断面平均の上下濃
縮度差約0.6wt％に基づく上下の出力差を補償し
て出力分布をより平担化する効果を有する。

〔発明の効果〕

以上述べたとおり、本発明によれば、従来の燃
料集合体にくらべて、燃料棒に使用される燃料ペ
レツトの濃縮度区分を増加させることなく、最小
限界出力ならびに最大線出力密度に関する熱的性
能を改善した燃料集合体を提供できる。また従来
の燃料集合体と同等の熱的性能の燃料集合体を、
従来よりも少ない燃料ペレツトの濃縮度区分で構
成しうるため、燃料製造工程の簡略化を達成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の一実施例に係る燃料集合体
の燃料棒配列の配置図、第１Ｂ図はその濃縮度分
布の例を燃料棒長さ方向について示す模式図、第
２図はBWR炉心1/4横断面を示す模式図、第３
図は燃料集合体の横断面図、第４Ａ図と第４Ｂ図
は従来例の燃料棒配列の配置図と濃縮度分布の模
式図、第５図は濃縮度区分に対する局所ピーキン
グ係数の特性を表す線図、第６図は本発明の効果
を示す濃縮度区分に対するＪ因子の特性を表す線
図、第７図は従来例と本発明との効果の比較を示
す燃料集合体の高さ方向の出力分布の相違を表す
線図、第８図は本発明の最小限出力改善効果を示
す線図、第９Ａ図と第９Ｂ図は本発明の別の実施
例に係る燃料棒配列の配置図と濃縮度分布の模式
図である。２，１１２，１１８……第１群の燃料棒、１，
３，４，５，６，１１３，１１９，Ｇ……第２群
の燃料棒、Ｗ……ウオーターロツド。

Claims

【特許請求の範囲】１複数の二酸化ウランペレツトを被覆管内に多
段に充填してなる燃料棒の複数本を、正方格子状
配列で束ねてなる沸騰水型燃料集合体において、前記配列中に第１群の複数の燃料棒と第２群の
複数の燃料棒とが含まれており、前記第１群の燃料棒の本数が４〜８本であり、前記第１群の燃料棒ではその上下端部を除く大
部分について濃縮度分布が長手方向に上下二つの
領域に分割されて上部領域の濃縮度が下部領域の
濃縮度よりもほぼ１重量パーセントだけ低くさ
れ、前記第２群の燃料棒ではその上下端部を除いて
長手方向に一様な濃縮度分布が形成されているこ
とを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。２第２群の燃料棒がその上下端部を除く大部分
にて長手方向に上下二領域に分割され、下部領域
の可燃性素物濃度が上部領域に比べて高くされて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の燃料集合体。３充填された二酸化ウランペレツトの濃縮度の
種類が、上下端部にブランケツトとして配置され
るペレツトを除いて５種類以下であることを特徴
とする特許請求の範囲第１項に記載の燃料集合
体。