JPH04223295A - 核燃料集合体 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉に装荷
され、核燃料物質を含む燃料棒として一部軸方向の長さ
の短い燃料棒（短尺燃料棒）を含む核燃料集合体におい
て、スクラム反応度特性の低下を防止して原子炉の安全
性を高めることができる核燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に、沸騰水型原子炉に装荷される核
燃料集合体１の構造を示す。チャンネルボックス２内に
は、核燃料物質を納めた燃料棒３と中性子減速棒として
のウォータロッド４とが、スペーサ５で互いに隔離され
ながら、軸方向を垂直にして８行８列の格子状に収納さ
れる。この核燃料集合体１においては、燃料棒３の長さ
はすべて等しい。このため、燃料棒３とウォータロッド
４の両端はそれぞれ上部タイプレート６と下部タイプレ
ート７で支持・固定されるが、各燃料棒３の上端と下端
の位置（高さ）は揃えることができる。

【０００３】ところで、最近、経済性の向上のため、燃
料の高燃焼度化がすすんでいる。これに伴い、ピーキン
グ係数が上昇して燃料棒３の１本当りの熱的特性が悪化
するので、これを緩和するため、核燃料集合体内に格子
状に配列される燃料棒３の格子数を従来の８行８列の格
子数より増やす設計が考えられている。しかし、格子数
の増加により、チャンネルボックス２内における圧力損
失が増大し、安定性が低下するなど問題が発生してきた
。

【０００４】そこで、こうした問題を解決するため、図
６の（Ａ）に示す従来の軸方向長さの燃料棒（以下「長
尺燃料棒」と呼ぶ）３に対して、図６の（Ｂ）に示す、
長尺燃料棒３より軸方向長さの短い短尺燃料棒８が考案
された。長尺燃料棒３および短尺燃料棒８とも、被覆管
９の下端を下部端栓１０で封止し、燃料ペレット１１を
下方から順次充填する。そして最上部の燃料ペレットの
上に、燃焼時に燃料ペレット１１の膨脹を吸収するエク
スパンションスプリング１２を配置した後上部端栓１３
で被覆管９の上端を封止する。短尺燃料棒８は長尺燃料
棒３に比べ、被覆管９が短く、収納される燃料ペレット
１１の数が少ない。

【０００５】そして、この短尺燃料棒８を長尺燃料棒３
と混在させて９行９列の格子状に配列した核燃料集合体
を図７に示す。図５と対応する箇所には同一の符号を付
す。

【０００６】この核燃料集合体１４においては、短尺燃
料棒８（斜線を付した）は、下部タイプレート７には取
り付けられるが、上部タイプレート６には届かない。

【０００７】図８および図９は、それぞれ図７のＶＩＩ
Ｉ−ＶＩＩＩ線およびＩＸ−ＩＸ線断面図である。図８
に示すように、短尺燃料棒８は、太径の２本のウォータ
ロッド４を取り囲みながら９行９列に計６６本配列され
る長尺燃料棒３の中にあって、外側から２行目・２列目
に計８個配置されるが、短尺燃料棒８が届かないＩＸ−
ＩＸ線断面領域においては、空隙１６が生ずる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、核燃料集合
体は、炉心燃料の安全性および健全性の観点から、核燃
料集合体全体として平坦な出力分布を達成する必要があ
る。そこで、特開昭６１−２４０１９３号公報において
は、燃料棒としては長尺燃料棒３だけを含む核燃料集合
体１について、径方向および軸方向においてそれぞれ核
分裂性物質、例えばウラン２３５の量を異ならせた核設
計を提案している。

【０００９】図１０の（Ａ）はこの核設計における核燃
料集合体２０の径方向断面図である。各燃料棒は碁盤の
目状に模式化して示し、各燃料棒内の数字・記号２１〜
２５およびＧ５　は、含有される核分裂性物質量と可燃
性毒物量が異なる燃料棒の種類を示す参照符号である。 記号Ｗはウォータロッドを表す。

【００１０】また図１０の（Ｂ）は、この核燃料集合体
２０に収納される長尺燃料棒２１〜２５およびＧ５　の
軸方向のウラン２３５の濃縮度および可燃性毒物濃度を
示す。

【００１１】長尺燃料棒２１〜２５とＧ５　はウラン２
３５の濃縮度がそれぞれ異なり、燃料棒２１，２３，２
４，２５，Ｇ５　はそれぞれ濃縮度が３．８、３．５、
３．０、１．９および３．５％である。また燃料棒２２
は軸方向において濃縮度が異なる（中央部２２ｂが高く
（３．８％）、上部２２ａと下部２２ｃが低い（２．８
％））。その結果、燃料棒全体で軸方向にみた平均濃縮
度は、上下端の天然ウランブランケット２６に含まれる
ウラン２３５量０．７１重量％を除外すると、下部から
３．１５、３．３５、３．１５重量％となる。燃料棒Ｇ
５　は軸方向において下部から順次５．０、４．０およ
び２．５重量％と３段階で減少する濃度の可燃性毒物（
ガトリニア；Ｇｄ２Ｏ３）を含む。可燃性毒物は核燃料
の燃焼の際、中性子を吸収して反応度を低下させる。

【００１２】この燃料棒によれば、原子炉の運転サイク
ルを通じて軸方向に平坦な出力分布が得られる。

【００１３】しかし、この核設計を上述の短尺燃料棒を
含む核燃料集合体１４に適用すると、次のような問題点
が起こる。図１１は、核燃料集合体１４中の無限増倍率
を燃焼度（燃焼時間のパラメータ）との関係でみたもの
である。

【００１４】この図から、燃焼度の小さい領域（燃焼初
期）においては、短尺燃料棒８が存在せず核燃料物質量
が（相対的に）少ない径方向断面（図７のＩＸ−ＩＸ線
断面；上部断面）の無限増倍率は、短尺燃料棒８が存在
して核燃料物質が（相対的に）多い径方向断面（図７の
ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面；下部断面）の無限増倍率に
比べて小さいことが分る。なお、両断面において、断面
平均の核分裂性物質の濃縮度および可燃性物質の量は等
しくしてある。

【００１５】核分裂性物質の濃縮度と可燃性毒物の量を
等しくしてもなお生ずるこの無限増倍率の差は、下部断
面は上部断面に比べて冷却材の通過面積が小さいため減
速材量が少なく中性子スペクトルが硬く、可燃性毒物に
よる反応度低下量が少ないことから起る。

【００１６】燃焼初期においてこのように軸方向の無限
増倍率に差異があると、原子炉の運転サイクルを通して
軸方向の平坦な出力分布を得ることは難しく、燃焼初期
においては下部断面の無限増倍率が高いため、図１２に
示すように、軸方向の下部で出力が高くなる。そして運
転サイクルの末期になると、図１３に示すように、今度
は初期に燃焼があまり進行せず燃料の残留割合が高い軸
方向上部が、サイクル初期に燃料の燃焼が進んだ軸方向
下部より出力が高くなる。

【００１７】ところで、沸騰水型原子炉においては、ス
クラム時には、原子炉の底部から制御棒が挿入される。 したがって、運転サイクルの末期にスクラムが生じたと
きは、出力分布が軸方向の上部に偏っているため、軸方
向の下方から制御棒が挿入されても反応度の低下割合は
小さい。すなわち、サイクル末期にはスクラム反応度特
性が劣化するため、原子炉の安全性確保の上で支障が生
ずることになる。

【００１８】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
、沸騰水型原子炉において、短尺燃料棒を含む場合でも
、スクラム反応度特性の劣化を防止して原子炉の安全性
を高めることができる核燃料集合体を提供することを目
的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成する手段として、核燃料物質を含有する燃料棒と、核
燃料物質および可燃性毒物を含有する燃料棒とを、チャ
ンネルボックス内に正方格子状に束ねて構成し、かつ前
記燃料棒を、軸方向長さの異なる長尺燃料棒と短尺燃料
棒とで構成して軸方向に核燃料物質量を異ならしめた核
燃料集合体において、前記チャンネルボックス内の燃料
棒配列の外層から２列目に配置される可燃性毒物含有の
燃料棒の配置位置を、核燃料物質量が相対的に少ない軸
方向領域においては、他の軸方向領域における可燃性毒
物含有の燃料棒の配置位置に比べ、チャンネルボックス
の四隅のコーナより平均的に離れた位置としたことを特
徴とする。

【００２０】

【作用】本発明に係る核燃料集合体においては、軸方向
において核燃料物質量の多い領域と少ない領域、および
冷却材通過面積の少ない領域と多い領域とが生じており
、これが軸方向出力密度の差異となって表われる。

【００２１】ところで、チャンネルボックス四隅のコー
ナ付近では、熱中性子束が他の径方向領域に比べて多い
ため、四隅のコーナ付近に可燃性毒物入り燃料棒を多く
配置すると、反応度低下量が多くなる。

【００２２】そこで本発明においては、外層から２列目
に配置される可燃性毒物含有の燃料棒の配置位置を、核
燃料物質量が相対的に少ない軸方向領域においては、他
の軸方向領域における可燃性毒物含有の燃料棒の配置位
置に比べ、チャンネルボックスの四隅のコーナより平均
的に離れた位置とし、可燃性毒物による反応度低下量を
少なくしている。そしてこれにより、平坦な軸方向出力
密度分布が得られ、運転サイクルのどの時期においても
、燃料棒の軸方向下方から挿入される制御棒に対し、反
応度特性の劣化を生じさせることなく、スクラム時にお
いても原子炉の安全性を高めることが可能となる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００２４】図２の（Ａ）は、本発明に係る核燃料集合
体を示す径方向断面図であり、この核燃料集合体３０は
、燃料棒をチャンネルボックス４０内に９行９列の格子
状に束ね配置して構成されている。

【００２５】なお、断面が円形の各燃料棒内の数字・記
号３１〜３４およびＰ，Ｇ１　，Ｇ２　，Ｇ３　は、核
燃料物質（ウラン）量および可燃性毒物量の異なる燃料
棒の種類を示す参照符号であり、記号Ｗはウォータロッ
ドを表わす。

【００２６】また図２の（Ｂ）は、この核燃料集合体３
０に収納されている長尺燃料棒３１〜３４およびＧ１　
，Ｇ２　，Ｇ３　並びに短尺燃料棒Ｐの軸方向のウラン
濃縮度（核燃料物質量）と可燃性毒物としてのガドリニ
ウム含有量を示す。ウラン濃縮度ａ，ｂ，ｃ，ｄの大き
さは、ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄであり、ガドリニウム含有量Ｘ，
Ｙ，Ｚの大きさは、Ｘ＞Ｙ＞Ｚである。

【００２７】本実施例に係る核燃料集合体３０は、チャ
ンネルボックス２内に長尺燃料棒３１〜３４およびＧ１
　，Ｇ２　，Ｇ３　を計６６本、短尺燃料棒Ｐを８本、
そしてウォータロッドＷを２本納めて構成される。長尺
燃料棒３２は軸方向においてウラン濃縮度が異なり、下
部がｃ、中央部がａ、上部がｃである。また長尺燃料棒
Ｇ１　におけるガドリニウム含有量も軸方向で異なり、
下部がＸ、中央部がＹ、上部がＺである。

【００２８】また本実施例においては、高さｌ３　の短
尺燃料棒Ｐ（ウラン濃縮度ｂ）を含むため、核燃料集合
体の下方部分（高さｌ１　から高さｌ３　まで）の軸方
向領域は、短尺燃料棒が存在しない高さｌ３　から高さ
ｌ６　までの軸方向領域に比べてウラン量が多い。逆に
、高さｌ３　からｌ６　までの軸方向領域断面は、高さ
ｌ１　から高さｌ３　までの軸方向領域断面に比べて、
減速材の通過面積が大きい。

【００２９】しかし、本実施例においては、長尺燃料棒
Ｇ２　，Ｇ３　が存在する。長尺燃料棒Ｇ２　の高さｌ
１　から高さｌ３　までのウラン濃縮度はｃで、高さｌ
３　から高さｌ５　までのウラン濃縮度はａである。ま
た、この長尺燃料棒Ｇ２　のガドリニウム含有量は、下
部がＸで、中央部の高さｌ２　から高さｌ３　までの領
域がＹで、他の領域では可燃性毒物は含有されていない
。すなわち、長尺燃料棒Ｇ２　において、高さｌ１　か
ら高さｌ３　までの軸方向領域では、長尺燃料棒Ｇ１　
と同一であり、高さｌ３　からｌ５　までの軸方向領域
では、長尺燃料棒３１と同一である。

【００３０】一方、長尺燃料棒Ｇ３　の高さｌ１　から
高さｌ３　までのウラン濃縮度はａで、高さｌ３　から
高さｌ５までの軸方向領域のウラン濃縮度はｃである。 また、ガドリニウム含有量は、上部がＺで、中央部の高
さｌ３　から高さｌ４　までの領域がＹで、他の領域で
は可燃性毒物は含有されていない。すなわち、長尺燃料
棒Ｇ３　においては、長尺燃料棒Ｇ２　とは逆で、高さ
ｌ１　から高さｌ３　までの軸方向領域では、長尺燃料
棒３１と同一であり、高さｌ３　から高さｌ５　までの
軸方向領域では長尺燃料棒Ｇ１　と同一になっている。

【００３１】以上のように、高さｌ３　から高さｌ５　
までの減速材の通過面積の大きい軸方向領域の外層から
２列目に配置される可燃性毒物含有の燃料棒の配置は、
高さｌ１　から高さｌ３　までの減速材通過面積の小さ
い軸方向領域の外層から２列目に配置される可燃性毒物
含有の燃料棒の配置より、チャンネルボックスの４隅の
コーナから、平均的に離れた位置に配置されることにな
る。

【００３２】図１の（Ａ）は、高さｌ３　から高さｌ５
　までの軸方向領域の断面図で、可燃性毒物含有の燃料
棒の配置のみを示している。

【００３３】図１の（Ｂ）は、高さｌ１　から高さｌ３
　までの軸方向領域の断面図で、可燃性毒物含有の燃料
棒の配置のみを示している。

【００３４】この図１の（Ａ）および（Ｂ）に示す例で
は、外層から２列目に配置されている可燃性毒物含有燃
料棒のうち、対角線上に制御棒が存在しない２隅のコー
ナ付近の可燃性毒物含有燃料棒について、可燃性毒物含
有燃料棒の配置が、図１の（Ａ）に比べて、図１の（Ｂ
）の方が、コーナから、平均的に離れた位置に配置され
ている。すなわち、核燃料集合体内の外層から２列目に
、配置される可燃性毒物含有の燃料棒の配置位置が、核
燃料物質量が相対的に少ない軸方向領域においては、他
の軸方向領域における可燃性毒物含有の燃料棒の配置位
置に比べ、チャンネルボックスの４隅のコーナより、平
均的に離れた位置に配置された核設計になっている。

【００３５】図３は、核燃料集合体の中性子無限増倍率
を、図１１と同様に燃焼度（燃焼時間のパラメータ）と
の関係でみたものである。

【００３６】図３からも明らかなように、本実施例の核
燃料集合体３０は、その燃焼前半において、短尺燃料棒
Ｐが存在せず、核燃料物質量が少ない径方向断面（図２
の（Ｂ）の高さｌ３　からｌ６　までの領域の断面；上
部断面）も、短尺燃料棒Ｐが存在して核燃料物質量が多
い径方向断面（図２の（Ｂ）の高さｌ１　からｌ３　ま
での領域の断面；下部断面）も、無限増倍率がほぼ等し
いことが分る。これは、核燃料物質量が少ない軸方向領
域、すなわち、減速材通過面積が大きいため、可燃性毒
物による反応度低下量が多い軸方向領域における可燃性
毒物入り燃料棒の配置を他の領域の配置よりも熱中性子
束が低くなるような位置に配置して、その効果を相殺し
ているためである。

【００３７】したがって、本実施例の核燃料集合体３０
における軸方向の出力密度は、原子炉運転サイクルを通
じて軸方向における燃焼率の差が小さいため、図４に示
すように、原子炉運転サイクルの初期と末期を含め、常
にほぼ平坦である。

【００３８】よって、本実施例においては、スクラムが
運転サイクルのいかなる時期に発生しても、軸方向下方
から挿入される制御棒に対して良好な反応度特性を示し
、原子炉の安全性が保たれる。

【００３９】なお、前記実施例においては、軸方向の長
さが２種類、すなわち長尺燃料棒と短尺燃料棒の長さが
それぞれ１種類ずつの核燃料集合体を用いる場合につい
て説明したが、これに限られるものではなく、軸方向の
長さが３種類以上の核燃料集合体でも、軸方向の核燃料
物質量の多寡に対応して均一な軸方向出力密度が得られ
るように可燃性毒物入り燃料棒の配置を調整したものな
ら、本発明の範囲に含まれる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の核燃料集
合体においては、短尺燃料棒を含むことにより、軸方向
において核燃料物質量の相違が生じても平坦な軸方向出
力密度分布が得られ、運転サイクルのどの時期において
も、スクラム時に挿入される制御棒に対して反応度特性
の劣化を生じることがなく、原子炉の安全性を高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）および（Ｂ）は本発明の一実施例に係る
核燃料集合体の軸方向に異なる位置での径方向断面にお
ける可燃性毒物入り燃料の配置状態をそれぞれ示す説明
図である。

【図２】（Ａ）は本発明の一実施例に係る核燃料集合体
の径方向断面図である。 （Ｂ）は各燃料棒の軸方向における核燃料物質量と可燃
性毒物量とを示すグラフである。

【図３】本実施例に係る核燃料集合体の上部断面および
下部断面における燃焼度と中性子増倍率との関係を示す
グラフである。

【図４】本実施例に係る核燃料集合体の原子炉運転サイ
クル初期および末期の軸方向出力密度を示すグラフであ
る。

【図５】燃料棒がすべて長尺燃料棒で構成される核燃料
集合体の軸方向断面図である。

【図６】（Ａ）は長尺燃料棒の軸方向断面図である。 （Ｂ）は短尺燃料棒の軸方向断面図である。

【図７】燃料棒が長尺燃料棒と短尺燃料棒とで構成され
る核燃料集合体の軸方向断面図である。

【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。

【図９】図７のＩＸ−ＩＸ線断面図である。

【図１０】（Ａ）は燃料棒が長尺燃料棒だけの核燃料集
合体に従来の核設計を適用したときの径方向断面図であ
る。 （Ｂ）はこの核設計における各燃料棒の核燃料物質量と
可燃性毒物量を示すグラフである。

【図１１】この核設計を適用した核燃料集合体の上部断
面および下部断面における燃焼度と中性子増倍率との関
係を示すグラフである。

【図１２】この核設計を適用した核燃料集合体の原子炉
運転サイクル初期の軸方向出力密度を示すグラフである
。

【図１３】同様の核燃料集合体の原子炉運転サイクル末
期の軸方向出力密度を示すグラフである。

【符号の説明】

３０　　核燃料集合体 ４０　　チャンネルボックス ３１　　長尺燃料棒 ３２　　長尺燃料棒 ３３　　長尺燃料棒 ３４　　長尺燃料棒 Ｇ１　　　長尺燃料棒 Ｇ２　　　長尺燃料棒 Ｇ３　　　長尺燃料棒 Ｐ　　短尺燃料棒

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核燃料集合体を含有する燃料棒と、核燃料
   物質および可燃性毒物を含有する燃料棒とを、チャンネ
   ルボックス内に正方格子状に束ねて構成し、かつ前記燃
   料棒を、軸方向長さの異なる長尺燃料棒と短尺燃料棒と
   で構成して軸方向に核燃料物質量を異ならしめた核燃料
   集合体において、前記チャンネルボックス内の燃料棒配
   列の外層から２列目に配置される可燃性毒物含有の燃料
   棒の配置位置を、核燃料物質量が相対的に少ない軸方向
   領域においては、他の軸方向領域における可燃性毒物含
   有の燃料棒の配置位置に比べ、チャンネルボックスの四
   隅のコーナより平均的に離れた位置としたことを特徴と
   する核燃料集合体。