JPH0429995B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、原子炉内に装荷される燃料集合体の
改良に関するものである。

〔発明の背景〕

原子力発電所に設置される原子炉の炉心部に
は、核分裂性物質を含む燃料集合体が多数装荷さ
れている。

第１図は沸騰水型原子炉用燃料集合体の内部構
造を示し、燃料集合体１は、チヤンネルフアスナ
２、チヤンネルボツクス３、燃料棒４、スペーサ
５、下部タイプレート６、膨張スプリング７およ
び上部タイプレート８などから構成されている。

第２図は第１図に示されている燃料集合体の中
から燃料棒を１本取り出したもので、燃料棒４の
被覆管６内には、核分裂性物質を含む燃料ペレツ
ト１０が封入されており、第１図に示す燃料集合
体１内には、上記燃料棒４が８×８格子状に配列
されている。

しかして、各燃料棒に含有されているウランの
濃縮度は、一般に、燃料棒の位置ごとに異なつて
おり、燃料集合体の中心部で高く、周辺部で低い
濃縮度分布を有している。その理由は、燃料集合
体のチヤンネルボツクスの外側には飽和温度に近
いギヤツプ水があり、燃料集合体の濃縮度分布を
均一にすると、上記ギヤツプ水による中性子の熱
化が原因となつて燃料集合体の中心部よりも周辺
部に位置する燃料棒の出力が非常に高くなり、燃
料集合体水平断面における最大燃料棒出力と平均
燃料棒出力との比、いわゆる局所出力ピーキング
が過大となるためである。

しかしながら、燃料集合体内における中性子の
インポータンスは、中心部よりも周辺部の方が高
いので、局所出力ピーキングが許す範囲内で燃料
集合体の周辺部に出力ピーキングが出るようにし
ている。

第３図は原子炉運転サイクルの初期における燃
料集合体の軸方向出力分布特性図である。また、
第４図は原子炉運転サイクルの末期における燃料
集合体の軸方向出力分布特性図である。沸騰水型
原子炉にあつては、本来、炉心下部から上部にゆ
くにしたがつて体積率の増加する軸方向ボイド分
布を有し、炉心上部よりも下部で中性子の熱化が
大きく、反応度が増加するため、第３図に符号Ｘ
で示すように、燃料集合体の軸方向出力分布が下
方に歪むという特性を有している。

また、高いボイド率で運転された燃料は、プル
トニウムの蓄積が促進される性質があるため、こ
れを利用して、原子炉運転サイクルの初期から中
期までは、第３図に符号Y₁で示すように、燃料
集合体の軸方向出力分布を下方にピークさせて比
較的高いボイド率で原子炉を運転し、プルトニウ
ムの蓄積を促すようにしている。そして、原子炉
運転サイクルの末期にあつては、第４図に符号
Y₂で示すように、燃料集合体の軸方向出力分布
を上方に移動させてボイドを減少させ、これまで
に生成されたプルトニウムの反応度寄与を利用す
ることにより、サイクル末期の反応度を向上させ
て燃料度を増大させ、燃料の有効利用をはかるこ
とが提案されており、このような原子炉の運転方
法を出力分布制御によるスペクトルシフト運転法
と称している。

スペクトルシフト運転法を用いて燃料集合体の
軸方向出力分布を制御するには、従来、次の２つ
の方法が提案されている。

第１の方法は、深挿入制御棒パターンによる方
法であつて、原子炉運転時における燃料集合体の
軸方向出力分布と制御棒挿入量との相関々係を第
５図に示す。濃縮度上下２領域燃料の採用によ
り、全長の80％（ノツチ8/48）が炉心に挿入され
ている制御棒であつても、この制御棒をさらに深
く挿入して全長の90％（ノツチ4/48）以上を炉心
に挿入すると、第５図の出力軸線からも明らかな
ように、炉心上部の出力は大きく抑制されるの
で、燃料集合体の出力分布は相対的に下歪みとな
る。このように、濃縮度上下２領域燃料の採用と
制御棒の挿入量調整とにより、原子炉運転サイク
ルの前半における燃料集合体の出力分布を下歪み
とし、サイクル後半における燃料集合体の出力分
布を上歪みとしている。

第２の方法は、特開昭59−84184号に記載のよ
うに、燃料濃縮度差による上下反応度の差と可燃
性毒物ガドリニアによる上下反応度の差とを利用
することにより、原子炉運転サイクルの前半にお
ける燃料集合体の出力分布を下歪みとし、サイク
ル後半における燃料集合体の出力分布を上歪みに
するというものである。

このように、出力分布制御によるスペクトルシ
フト効果を最大限に活用するためには、原子炉運
転サイクルの前半における燃料集合体の出力分布
をできるだけ不歪みにし、ボイドの発生させるこ
とが望ましいが、実際には、燃料の線出力密度に
よる影響がこれを阻害している。すなわち、 最大線出力密度＝炉心平均線出力密度×軸方向
出力ピーク×径方向出力ピーク
×局所出力ビーク …(1)式 の関係から明らかなように、燃料集合体の軸方向
出力を下歪ませ、燃料下部の軸方向出力を増加さ
せることは、その部分の線出力密度を増加させる
不具合がある。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の点を考慮してなされたもので
あつて、その目的とするところは、原子炉運転サ
イクルの前半における燃料下部の出力が増加して
も、線出力密度を運転制限値以下に抑え、既述し
た出力分布制御によるスペクトルシフト運転を良
好におこなわしめることにより、燃料経済性にす
ぐれた燃料集合体を提供しようとするものであ
る。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は、核分裂性
物質を含む多数の燃料棒を備えてなり、原子炉の
炉心部に装荷される燃料集合体の構造において、
上記燃料集合体を上部領域と下部領域との２領域
に分割し、かつ原子炉運転サイクルの前半におけ
る下部領域の軸方向出力分布を上部領域の軸方向
出力分布よりも大きくし、上部領域の局所出力ピ
ーキングを下部領域の局所出力ピーキングよりも
大きくした燃料棒を備えてなることを特徴とする
ものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を、第６図を参照しつつ、第７図
および第８図の一実施例にもとづいて詳細に説明
する。

第６図は燃料集合体内における中性子束分布の
代表的一例を示し、図中、符号Ｗはウオータロツ
ド、Ｇはガドリニア入り燃料棒の配列位置をそれ
ぞれ示している。第６図から明らかなように、中
性子束の分布は、燃料集合体の中心部よりも周辺
部で高くなつているが、これは、既述のごとく、
チヤンネルボツクスの外側に存在するギヤツプ水
の影響による。

一方、燃料棒の出力P_iは、 P_i＝Σ_iφ_i ＝∝_in_iφ_i ∝e_iφ_i ただし、 ｉ ：燃料棒位置 φ_i： 〃 ｉでの中性子束 Σ_i： 〃 ｉでのマクロ断面積 σ_i： 〃 ｉでのミクロ断面積 n_i： 〃 ｉでの核分裂性物質の数 e_i： 〃 ｉでのウラン濃縮度 で決定される。したがつて、各燃料の出力P_iをで
きるだけ均一にし、局所出力ピーキングを低下さ
せるためには、中性子束φ_iの高い場所での濃縮度
e_iを低くし、中性子束φ_iの低い場所での濃縮度e_i
を高くすればよい。

第７図イは本発明の一実施例を示す燃料集合体
の燃料装荷パターン説明図、第７図ロは第７図イ
に示されている燃料集合体の濃縮分布説明図であ
る。図からも明らかなように、第７図の実施例に
おいては、中性子束の高い燃料集合体周辺部に、
上下濃縮度の異なる燃料棒３および４が配置され
ている。ここで、上下濃縮度の異なる燃料棒位
置、たとえば第６図の座標（３，Ａ）と（４，
Ａ）とでは、同図から明らかなように、座標
（３，Ａ）の方が２％程中性子束が高い。したが
つて、第６図の座標（３，Ａ）と（４，Ａ）とに
注目して第７図の実施例を説明すると、中性子束
の高い位置（３，Ａ）の燃料下部領域は、中性子
束の低い位置（４，Ａ）の燃料下部領域よりも濃
縮度が低いので、位置（３，Ａ）の濃縮度が位置
（４，Ａ）の濃縮度よりも高い燃料上部領域に比
較して、燃料棒出力を平均化することができ、局
所出力ピーキングを低下させることができる。第
８図イは第７図に示されている燃料集合体の上部
領域出力パターン説明図、第８図ロは同じく第７
図に示されている燃料集合体の下部領域出力パタ
ーン説明図で、上部領域の局所出力ピーキングは
1.17であるのに対し、下部領域の局所出力ピーキ
ングは1.13であり、下部領域の局所出力ピーキン
グが上部領域の局所出力ピーキングよりも約５％
減少していることが判る。以上のことから、原子
炉運転サイクルの前半において、燃料集合体の軸
方向出力を炉心下部で増加し、その出力ピークを
約５％増しても、既述のごとく、下部領域の局所
出力は減少しているため、最高線出力密度を従来
と同じ値に維持することができる。

これをさらに詳述すると、 (a) 第８図イの出力比は、（燃料集合体内のある
燃料棒の上半分の出力）／（燃料集合体内燃料
棒の上半分の出力の平均値）により求められ
る。

(b) また、上記(a)の式中、分母である「燃料集合
体内燃料棒の上半分の出力の平均値」は、「集
合体内燃料棒の下半分の出力の平均値」より小
さくなる。

しかして、本発明の主旨は、集合体内燃料棒の
下半分、上半分の局所出力の絶対値の大小を限定
したものではなく、それぞれの局所出力ピーキン
グ係数の比較に意味がある。

すなわち、「集合体内燃料棒の上半分の出力の
平均値」は、「下半分の出力の平均値」より小さ
いのであるから、上記(a)で定められる下半分での
局所出力ピーキング係数を上半分での局所出力ピ
ーキング係数より小さくしておけば、小さな「局
所出力ピーキング係数」と大きな「燃料集合体内
燃料棒の下半分の出力の平均値」の積として求め
られる「燃料集合体内燃料棒の下半分の出力の絶
対値（これは局所出力の絶対値）」は、燃料棒の
上半分の出力の絶対値と差が小さくなり、出力は
平坦化され、既述のごとく、最高出力密度を従来
と同じ値にまで下げることができる。

このように、本発明によれば、燃料棒の最高線
出力密度を上昇させることなく、炉心下部の出力
を増加させ、ボイド率を高くした運転が可能とな
るので、プルトニウムの生成量を増加させること
ができる。なお、上下２領域に分割された燃料集
合体において、原子炉運転サイクルの前半におけ
る軸方向出力ピークは、炉心下端より3/24〜5/24
の位置に出るので、本発明において、燃料集合体
を上下２領域に分割する位置は、炉心下端より1/
４〜7/12の範囲が適当である。また、第７図の実
施例において、燃料集合体の上部領域と下部領域
とのウラン濃縮度はトータルにおいて同一である
が、上部領域の局所出力ピーキングは、下部領域
の局所出力ピーキングよりも高いため、計算か
ら、上部領域の無限増倍率は、下部領域の無限増
倍率に比べて約0.08％Δk上昇する。

第９図イは本発明の他の実施例を示す燃料集合
体の燃料装荷パターン説明図、第９図ロは第９図
イに示されている燃料集合体の濃縮度分布説明図
で、第９図の実施例においては、上部領域の濃縮
度をトータルにおいて3.65％とし、下部領域の濃
縮度をトータルにおいて3.45％としたものであつ
て、第９図の場合、上部領域の局所出力ピーキン
グは1.25であるのに対し、下部領域の局所出力ピ
ーキングは1.19であり、第７図の実施例と同様、
下部領域の局所出力ピーキングが上部領域の局所
出力ピーキングよりも約５％減少していることを
確認した。すなわち、第９図の実施例において
も、第７図と同様、出力分布制御によるスペクト
ルシフト効果を利用することができ、燃料棒の燃
焼度が増加するので、燃料の有効利用化をはかる
ことができる。

第１０図イは本発明のさらに他の実施例を示す
燃料集合体の燃料装荷パターン説明図、第１０図
ロは第１０図イに示されている燃料集合体の濃縮
度分布説明図で、第１０図の実施例においては、
同図に符号G₁，G₂で示す可燃性毒物ガドリニア
入り燃料棒のうち、燃料集合体の中央部に位置す
る燃料棒G₁の上部領域にガドリニアを封入した
ものであつて、燃料棒G₁の下部領域にガドリニ
アは封入されていない。すなわち、第１１図に示
すように、燃料集合体の中央部に位置する燃料棒
G₁の上部領域にガドリニアを封入し、燃料棒G₁
の下部領域にガドリニアを封入しないでおくと、
原子炉運転時、燃料集合体中央部の出力が上昇す
るのに対し、局所出力ピーキングの出る燃料集合
体周辺部では、相対的に出力が低下するものであ
つて、第１０図の場合、燃料集合体上部領域の局
所出力ピーキングは1.29であるのに対し、下部領
域の局所出力ピーキングは1.27であり、下部領域
の局所出力ピーキングは、上部領域の局所出力ピ
ーキングよりも約２％減少していることを確認し
た。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、原子炉
運転サイクルの前半における燃料下部の出力が増
加しても、線出力密度を運転制限値以下に抑える
ことにより、出力分布制御によるスペクトルシフ
ト運転を実効あるものとし、プルトニウムの生成
を従来よりも促進させることができるものであつ
て、運転サイクルの後半においては、上記プルト
ニウムの反応度寄与を利用して燃料の取出燃焼度
を増加させることができ、燃料経済性を高める上
で効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水型原子炉用燃料集合体の内部構
造を示す縦断面図、第２図は第１図に示されてい
る燃料集合体の中から燃料棒を１本取り出して示
す縦断面図、第３図は原子炉運転サイクルの初期
における燃料集合体の軸方向出力分布特性図、第
４図は原子炉運転サイクルの末期における燃料集
合体の軸方向出力分布特性図、第５図は原子炉運
転時における燃料集合体の軸方向出力分布と制御
棒挿入量との相関々係説明図、第６図は燃料集合
体内における中性子束分布説明図、第７図イは本
発明の一実施例を示す燃料集合体の燃料装荷パタ
ーン説明図、第７図ロは第７図イに示されている
燃料集合体の濃縮度分布説明図、第８図イは第７
図に示されている燃料集合体の上部領域出力パタ
ーン説明図、第８図ロは同じく第７図に示されて
いる燃料集合体の下部領域出力パターン説明図、
第９図イは本発明の他の実施例を示す燃料集合体
の燃料装荷パターン説明図、第９図ロは第９図イ
に示されている燃料集合体の濃縮度分布説明図、
第１０図イは本発明のさらに他の実施例を示す燃
料集合体の燃料装荷パターン説明図、第１０図ロ
は第１０図イに示されている燃料集合体の濃縮度
分布説明図である。 １……燃料集合体、３……チヤンネルボツク
ス、４……燃料棒、９……被覆管、１０……燃料
ペレツト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 核分裂性物質を含む多数の燃料棒を備えてな
   り、原子炉の炉心部に装荷される燃料集合体の構
   造において、上記燃料集合体を上部領域と下部領
   域との２領域に分割し、かつ原子炉運転サイクル
   の前半における下部領域の軸方向出力分布を上部
   領域の軸方向出力分布よりも大きくし、上部領域
   の局所出力ピーキングを下部領域の局所出力ピー
   キングよりも大きくした燃料棒を備えてなること
   を特徴とする燃料集合体。