JPH05249270A

JPH05249270A - 原子炉の炉心

Info

Publication number: JPH05249270A
Application number: JP4045696A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Hida; 和毅肥田; Hisao Suzuki; 壽生鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-03
Filing date: 1992-03-03
Publication date: 1993-09-28

Abstract

(57)【要約】【目的】初装荷燃料を高濃縮度化することが可能とな
り、初装荷燃料の取出燃焼度を増大させ、燃料経済性を
向上させる。【構成】第１サイクルにおいて濃縮度が低，中，高と異
なる３種類以上の初装荷燃料が装荷され、低濃縮度の初
装荷燃料の体数が第１回取替体数以上で、かつ、中濃縮
度の初装荷燃料の体数と第２サイクルに炉心内に残る低
濃縮度の初装荷燃料の体数との合計が第２サイクルにお
けるコントロールセルの数の４倍以上で、しかも第２サ
イクルにおいて炉心最外周には低濃縮度燃料以外の初装
荷燃料だけが装荷される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は初装荷燃料の取出燃焼度
が増大し、燃料経済性が向上した原子炉の炉心に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉の初装荷炉心（第
１サイクル）は、濃縮度が 2.0〜 2.5％の１種類の燃料
が装荷された一様炉心であった。このような炉心では、
第１サイクル終了後に取出される燃料には未だ多くの
²³⁵Ｕが残っており、燃焼余力を有するにもかかわらず
炉心から取出され、新しい取替燃料と交換されていた。
従って、ウラン資源の効率的利用という観点からは十分
とはいえなかった。

【０００３】これに対して、近年、燃料経済性を向上さ
せるために、濃縮度の異なる２種類以上の燃料を用いた
初装荷炉心（多種類炉心）が考えられるようになった。
この場合、濃縮度の低い燃料ほど早い時期に炉心から取
り出され、濃縮度の高い燃料ほど長い間炉心に装荷され
ている。このような燃料交換方法によって、各初装荷燃
料の取り出し時の残留²³⁵Ｕ量を互いにほぼ等しくでき
るので、ウラン資源を効率的に利用することができる。

【０００４】このような多種類炉心のうち、３種類の濃
縮度の燃料からなる第１の従来例を図４に示す。本炉心
は電気出力 110万kWの沸騰水型原子炉であり、炉心には
全部で 764体の燃料が装荷されている。図は炉心平面図
の１／４を示したもので、一つの□印が燃料集合体１の
１体分を表しており、互いに隣接する４体の燃料集合体
１の中心に示された○印は制御棒位置２を、太枠は取替
燃料を表している。また、□内の数字１は低濃縮度燃
料、２は中濃縮度燃料、３は高濃縮度燃料を表してい
る。以下では、１本の制御棒とこれを囲む位置に装荷さ
れている４体の燃料集合体１を併せて一つのセルと呼
ぶ。ただし、炉心最外周の一部にはセルを構成しない燃
料集合体がある。なお、燃料集合体１の燃料棒の被覆管
内に充填される濃縮ウランを燃料と称するが、本明細書
では燃料集合体１を含めて燃料と称する。

【０００５】図５はセルの１／４を拡大した断面図であ
る。燃料集合体１は多数の燃料棒４とウォータロッド５
を正方格子状に配列したものをチャンネルボックス６で
囲んで構成されている。制御棒７は中性子吸収材である
Ｂ₄Ｃの粉末を充填したチューブ８を多数収納してい
る。一点鎖線で示した正方形領域が図４における一つの
□印に対応している。

【０００６】本炉心では全部で 185本の制御棒がある
が、原子炉の運転中はこれらのうち一部だけが炉心内に
挿入され、他は炉心から引き抜かれている。運転中炉心
内に挿入される制御棒は通常取替燃料、つまりコントロ
ールセル（図中太枠で表示、以下ＣＣと記す）３に属す
る制御棒のみであり、制御棒の挿入・引抜が燃料に過大
な影響を与えないよう、ＣＣには４体とも反応度の低い
燃料が装荷される。

【０００７】ＣＣの数や位置は炉心の余剰反応度や制御
棒パターンなどによって異なる。本例では、第１，第２
サイクルとも25個のＣＣがある。炉出力の調整、主とし
てウランが燃焼するにつれて炉全体の出力が低下するの
で、それを補うために制御棒を引き抜いていく。この制
御棒のある燃料集合体の位置を「ＣＣ」と言い、出力微
調整用の燃料集合体が存在する炉心内の位置である。

【０００８】第１の従来例における第１，第２サイクル
の炉心構成を表１にまとめて示す。初装荷燃料の平均濃
縮度は 2.5％である。第１サイクルの運転終了後、 144
体の低濃縮度燃料が濃縮度 3.4％の取替燃料と交換され
る。第２サイクルでは残り28体の低濃縮度燃料が炉心最
外周に、中濃縮度燃料は炉心最外周とＣＣおよびその他
の位置に装荷されている。

【０００９】炉心最外周へのこれら低反応度燃料の配置
は、炉心からの中性子の漏れを低減して燃料経済性を高
めるためであり、最も反応度の低い低濃縮度燃料が通常
炉心最外周に優先的に配置される。また、炉心最外周や
ＣＣ以外の位置は、主として炉停止余裕の確保のために
適宜選択される。

【００１０】なお、本例では、第１サイクルでは炉心最
外周に高濃縮度燃料が配置されている。これは、たとえ
ば特開昭59-15888号公報に開示されている発明に基づい
たもので、第１サイクルでは高濃縮度燃料の燃焼を抑制
するとともに炉心内部に装荷された低濃縮度燃料の燃焼
を促進させ、第２サイクル以降で高濃縮度燃料を活発に
燃焼させることによって、初装荷燃料の取出燃焼度を増
大させるものである。第１サイクルでは、炉心からの中
性子の漏れが増加するため実効増倍率が低下するが、取
出燃焼度の増加の効果が勝り、トータルとしての燃料経
済性は向上する。

【００１１】

【表１】

【００１２】本炉心の余剰反応度と炉停止余裕を図６お
よび図７に示す。全制御棒が炉心から引き抜かれた状態
での炉心の実効増倍率が余剰反応度であり、運転中は適
当な本数の制御棒を炉心に挿入して臨界状態にする。第
１サイクルでは、各初装荷燃料のガドリニアＧｄの本数
と濃度の適切な設定により平坦な余剰反応度を実現し、
運転中に使用する制御棒の変更を最小限にとどめて原子
炉の稼働率を高めている。第２サイクルでは、取替燃料
のＧｄによって余剰反応度を最高 3.2％Δｋに抑えてい
る。

【００１３】なお、本例では、ＣＣに属する25本の制御
棒のうち、第１サイクルでは最高16本が、第２サイクル
では最高24本が使用される。従って、本例におけるＣＣ
の数は必要最低限に近いものである。

【００１４】また、全制御棒が炉心内に挿入された原子
炉の停止時においては、いずれか１本の制御棒が炉心か
ら引き抜けたときにも原子炉は未臨界でなければなら
ず、最大価値の制御棒が引き抜けたときの未臨界度が炉
停止余裕である。炉停止余裕は局所的な燃料の配置によ
って左右されるものであり、反応度の高い燃料が１つの
セルに集中すると炉停止余裕は減少する。

【００１５】従って、制御棒価値の大きいセルには少な
くとも１体の低反応度燃料を配置して、炉停止余裕を確
保する必要がある。本例では、第１サイクルでは低濃縮
度燃料が、第２サイクルでは中濃縮度燃料が、各々低反
応度燃料として炉停止余裕増大の役目を果たしており、
炉停止余裕は第１，第２サイクルとも２％Δｋを超え、
設計目標の１％Δｋを十分満足している。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような初装荷多
種類炉心に対して、燃料経済性を向上させるために平均
濃縮度をさらに高めることが考えられる。初装荷燃料の
平均濃縮度を 2.7％に高めた第２の従来例を図８に示
す。本例は図４の第１の従来例と同一の沸騰水型原子炉
であり、図８はその炉心平面図の１／４を示したもので
ある。表２は第２の従来例における第１，第２サイクル
の炉心構成である。

【００１７】初装荷燃料の平均濃縮度が高いため、第１
サイクルの運転終了後の取替体数は図４の第１の従来例
よりも少なく、76体の低濃縮度燃料が濃縮度 3.4％の取
替燃料と交換される。第２サイクルでは、残り80体の低
濃縮度燃料は全て炉心最外周に、中濃縮度燃料は炉心最
外周に12体、ＣＣに 100体、およびその他の位置に32体
装荷されている。ＣＣの数は、第１，第２サイクルとも
25個である。

【００１８】

【表２】

【００１９】図８の炉心の余剰反応度と炉停止余裕を図
２および図３に示す。第１サイクルの余剰反応度は最高
2.5％Δｋであり、最高21本の制御棒の挿入によって原
子炉を臨界状態で運転することができる。

【００２０】しかしながら、第２サイクルの余剰反応度
は５％Δｋに達しており、25個のＣＣに属する全ての制
御棒を炉心に挿入しても３．５％Δｋ程度しか余剰反応
度を制御できないので、まだ 1.5％Δｋの余剰反応度が
残り原子炉の運転ができない。また、炉停止余裕は、第
１サイクルでは十分余裕があるが、第２サイクルでは余
剰反応度が大きい分だけ減少し設計目標血の１％Δｋを
満足していない。

【００２１】第２サイクルにおけるこのような問題を解
決するための手段はいくつか考えられる。一つ目は、第
２サイクルのＣＣの数を増やすことによって運転中に挿
入できる制御棒の数を増やすことである。このときＣＣ
を構成するために低または中濃縮度燃料が必要になる
が、本例では、中濃縮度燃料は最外周とＣＣ以外の位置
には32体しかないので８個のＣＣしか追加することがで
きず、これら８本の制御棒で1.5％Δｋの余剰反応度を
制御することは難しい。さらに、これら32体の中濃縮度
燃料は炉停止余裕を増大させる役割を担っているが、こ
れらをＣＣの位置に集中すると、現状でも不十分な炉停
止余裕がさらに減少してしまうことになる。

【００２２】二つ目は、第２サイクルで装荷される取替
燃料のＧｄ本数を増やすことである。取替燃料のＧｄ本
数は、図４の従来例では11本であったが、本例ではすで
に12本に増しているがまだ不十分である。これを例えば
16本に増やすことによって第２サイクルの余剰反応度を
約 0.7％Δｋ制御することができるが、まだ不十分であ
る。

【００２３】また、燃料経済性を向上させるために初装
荷燃料の平均濃縮度をさらに高めた場合には、第１サイ
クル終了後の取替体数が減少するので、第２サイクルに
持ち込まれる取替燃料のＧｄによる余剰反応度制御効果
が減少する。従って、取替燃料のＧｄによる第２サイク
ルの余剰反応度の制御には限界があることがわかる。

【００２４】三つ目は、初装荷燃料のＧｄ濃度を高める
ことである。１サイクルの運転に適したＧｄ濃度は４〜
５％であるが、上記二つの従来例とも、初装荷燃料のＧ
ｄ濃度は 7.5％として第２サイクルの余剰反応度制御お
よび炉停止余裕増大に寄与させている。図２の第２サイ
クルの余剰反応度を低減させるためにはこれをさらに高
める必要がある。

【００２５】しかし、Ｇｄ濃度の増加は燃料ペレットの
熱伝導度を減少させる傾向にあるので、燃料の健全性の
観点から高濃度のＧｄの使用は照射実績が必要である。
また、長期的には稼働率向上のために１サイクルの運転
期間を延長させることが考えられるが、この場合にはＧ
ｄ濃度をさらに高める必要がある。このように、初装荷
燃料のＧｄ濃度を高めることにも限界があることが察せ
られる。

【００２６】従って、上記のような方法では、燃料経済
性向上のために初装荷燃料の平均濃縮度を高めること
は、特に第２サイクルの余剰反応度や炉停止余裕の点か
ら容易でないことがわかった。これらの問題は、初装荷
燃料の平均濃縮度を高めるほどさらに困難度を増すこと
は明らかである。初装荷燃料の平均濃縮度が増加するほ
ど第１サイクル終了後の取替体数が減少し、第２サイク
ルに持ち込まれる取替燃料のＧｄ量が減少するからであ
る。

【００２７】ところで、前記した第２サイクルにおける
低または中濃縮度燃料の配置のうち、ＣＣと炉停止余裕
確保のための位置は、高稼働率で安全に原子炉を運転す
るために不可欠である。しかしながら、炉心最外周への
これらの燃料の配置は燃料経済性を高めるためのもので
あって、原子炉運転上で不可欠なものではなく、第１サ
イクルを含めた全体としての燃料経済性が向上する手段
が他にあるならば必ずしも必要なものではない。

【００２８】本発明の目的は、上記のような第２サイク
ルにおける課題を解決して、初装荷燃料の高濃縮度化を
可能にすることによって取出燃焼度を増大させ、もって
燃料経済性を向上させた原子炉の炉心を提供することに
ある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明における原子炉の
炉心では、第１サイクルにおいて濃縮度が低，中，高と
異なる３種類以上の初装荷燃料が装荷され、低濃縮度の
初装荷燃料の体数が第１回取替体数以上であり、中濃縮
度の初装荷燃料の体数と第２サイクルに炉心内に残る低
濃縮度の初装荷燃料の体数との合計が第２サイクルにお
けるＣＣの数の４倍以上であり、しかも、第２サイクル
において炉心最外周には低濃縮度燃料以外の初装荷燃料
だけが装荷されていることを特徴とする。

【００３０】さらに望ましくは、第１サイクルにおいて
炉心最外周には高濃縮度の初装荷燃料を配置し、第２サ
イクルを、第１サイクルにおいて炉心最外周に配置され
ていた高濃縮度の初装荷燃料を炉心内部に移動し、第１
サイクルにおいて炉心内部に配置されていた高濃縮度の
初装荷燃料を炉心最外周に移動して構成されていること
を特徴とする。

【００３１】

【作用】低，中，高と３種類の濃縮度の初装荷燃料を用
いた多種類炉心では、通常、低および中濃縮度燃料の濃
縮度は各々、第１サイクルおよび第２サイクル終了後炉
心から取り出されることを想定して設定されている。従
って、本発明において、低濃縮度燃料の体数を第１回取
替体数以上としたことによって、中濃縮度燃料が１サイ
クル終了後取り出されることがないので、中濃縮度燃料
のウランを効率的に利用することができる。

【００３２】また、ＣＣにはＣＣに属する制御棒の数の
４倍の数の低反応度燃料が必要であるので、本発明にお
いて、中濃縮度燃料の体数と第２サイクルに炉心内に残
る低濃縮度燃料の体数との合計を第２サイクルにおける
ＣＣの数の４倍以上としたことによって、ＣＣを構成す
るのに必要な低反応度燃料を確保することができる。

【００３３】さらに本発明によれば、第２サイクルにお
いて、低濃縮度燃料は炉心最外周を除く炉心内部のみに
装荷し、炉心最外周には反応度の高い中または高濃縮度
燃料のみが配置されるため、中性子の漏れが増大し炉心
の実効増倍率が低下する。従って、第２サイクルを所定
期間運転するためには、第１サイクル終了後の取替体数
を増やさなければならない。

【００３４】その結果、取替燃料に含まれているＧｄが
炉心内により多く投入されることになり、第２サイクル
の余剰反応度を十分制御することが可能となる。また、
第２サイクルにおいて、従来は炉心最外周に配置されて
いた低または中濃縮度燃料を、炉心内部にあって制御棒
価値が大きく炉停止余裕を減少させる制御棒の付近に有
効に配置することができるので、炉停止余裕をも同時に
向上させることができる。

【００３５】本発明は、第１サイクルの燃料装荷方法に
関係なく、初装荷燃料の平均濃縮度を高める場合に一般
に適用できるものである。ただし、第１サイクルにおい
て炉心最外周に最高濃縮度の初装荷燃料を配置し、第２
サイクルではこれを炉心内部に移動することによって、
第１サイクルであまり燃焼が進まずまだＧｄが十分残っ
ている燃料が炉心内部に配置されることになるので、第
２サイクルの余剰反応度をより一層効果的に制御するこ
とができる。

【００３６】

【実施例】本発明に係る原子炉の炉心の実施例を図１に
より説明する。本実施例は図８の従来例と同一の沸騰水
型原子炉であり、図１はその炉心平面図の１／４を示し
たものである。表３は本実施例における第１，第２サイ
クルの炉心構成である。第１サイクルの炉心構成は図８
の第２の従来例と全く同一であり、初装荷燃料の平均濃
縮度は 2.7％である。

【００３７】本実施例では第２サイクルの炉心構成が異
なっており、炉心最外周には高濃縮度燃料が配置されて
いる。このため、中性子の漏れが増加して炉心の実効増
倍率が低下するので、第２サイクルを所定期間運転する
ために、取替体数を図８の第２の実施例の76体から 108
体に32体増加している。

【００３８】なお、第２サイクルで炉心最外周に配置さ
れている燃料は、第１サイクルで炉心内部に配置されて
いた高濃縮度燃料である。一方、第１サイクルで炉心最
外周に配置されていた高濃縮度燃料は、第２サイクルで
は炉心内部に配置されており、余剰反応度を減少させる
役割を果たしている。

【００３９】

【表３】

【００４０】第２サイクルにおける低または中濃縮度燃
料の体数は、取替体数の増加により32体減少するが、92
体要する最外周には配置しないので、結局60体の低また
は中濃縮度燃料をＣＣや炉停止余裕の増大のために適宜
配置することができる。その結果、本実施例では、ＣＣ
の数は第１，第２サイクルとも29とできた。

【００４１】本実施例の余剰反応度と炉停止余裕を図２
および図３に示す。本実施例の第１サイクルの両特性は
図８に示した第２の従来例と同一である。しかしなが
ら、第２サイクルにおいては、取替体数が増加したこと
によるＧｄ量の増加により余剰反応度は最高 3.5％Δｋ
に抑えられ、29ＣＣの全ての制御棒を使用して制御する
ことができる。また、従来は炉心最外周に配置されてい
た低および中濃縮度燃料を炉心内部に配置することがで
きたので、炉停止余裕を改善でき２％Δｋ以上となって
いる。

【００４２】このように本実施例によれば、初装荷燃料
の平均濃縮度を高めた炉心を構成することが可能とな
り、その結果、取出燃焼度を増大させることができ、燃
料経済性を向上させることができる。本実施例では、平
均濃縮度が 2.7％の炉心を構成することができ、初装荷
燃料の取出平均燃焼度は28.8ＧＷｄ／ｔであった。

【００４３】これに対して、図４に示した第１の従来例
では、平均濃縮度は 2.5％であり、取出平均濃縮度は2
7.0ＧＷｄ／ｔでった。すなわち本実施例により、取出
燃焼度を約７％増大することができた。なお、図８に示
した第２の従来例は、平均濃縮度は 2.7％であるが、余
剰反応度や炉停止余裕の点で成立しない炉心であるか
ら、これを比較の対象にすることはできない。

【００４４】なお、本実施例では、第２サイクルにおい
て、炉心最外周には全て高濃縮度燃料を装荷した。しか
しながら、初装荷燃料の平均濃縮度が低く、第２サイク
ルの余剰反応度がそれほど過大でない場合には、余剰反
応度がＣＣに属する制御棒のみで制御し得る範囲内で、
炉心最外周の一部を中濃縮度燃料として中性子の漏れを
低減し、実効増倍率を高めた方がよい。

【００４５】ただし、一般的には、燃料経済性を向上さ
せるために初装荷燃料の濃縮度をできるだけ高めたいわ
けであるから、第２サイクルの余剰反応度を低減する必
要が生じるので、炉心最外周には高濃縮度燃料をできる
だけ多く配置する方がよい。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、第２サイクルの余剰反
応度および炉停止余裕を健全に維持することができるの
で、初装荷燃料を高濃縮度化することが可能となり、初
装荷燃料の取出燃焼度を増大させ、もって燃料経済性を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る原子炉の炉心の一実施例における
第１および第２サイクルの燃料装荷パターンを示す１／
４平面図。

【図２】本発明の実施例の炉心および第２の従来例の炉
心の第１および第２サイクルにおける余剰反応度を示す
グラフ。

【図３】本発明の実施例の炉心および第２の従来例の炉
心の第１および第２サイクルにおける炉停止余裕を示す
グラフ。

【図４】初装荷燃料の平均濃縮度が 2.5％である第１の
従来例の炉心の第１および第２サイクルにおける燃料装
荷パターンを示す１／４平面図。

【図５】燃料集合体および制御棒（の一部）の断面図。

【図６】第１の従来例の炉心の第１および第２サイクル
における余剰反応度を示すグラフ。

【図７】第１の従来例の炉心の第１および第２サイクル
における炉停止余裕を示すグラフ。

【図８】初装荷燃料の平均濃縮度が 2.7％である第２の
従来例の炉心の第１および第２サイクルにおける燃料装
荷パターンを示す１／４平面図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…制御棒位置、３…コントロールセ
ル、４…燃料棒、５…ウォータロッド、６…チャンネル
ボックス、７…制御棒、８…Ｂ₄Ｃチューブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の燃料集合体を規則正しく配置して
構成される原子炉の炉心において、第１サイクルにおい
て濃縮度が低，中，高と異なる３種類以上の初装荷燃料
が装荷され、低濃縮度の初装荷燃料の体数が第１回取替
体数以上で、かつ、中濃縮度の初装荷燃料の体数と第２
サイクルに炉心内に残る低濃縮度の初装荷燃料の体数と
の合計が第２サイクルにおけるコントロールセルの数の
４倍以上で、しかも、第２サイクルにおいて炉心最外周
には低濃縮度燃料以外の初装荷燃料だけが装荷されてい
ることを特徴とする原子炉の炉心。