JPH0527068A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】制御棒による反応度投入によって引き起こされ
る事故事象において、燃料集合体の持つ安全裕度を大き
くすること。 【構成】最外周コーナ燃料棒３のウラン２３５濃縮度を
水平断面の平均ウラン２３５濃縮度の６０％以下にし、
外周二層目コーナ部の短尺燃料棒４に隣接する外周二層
目位置のすべてにガドリニア含有燃料棒５を配置する。 【効果】起動時の制御棒誤引き抜きなどによる反応度投
入事象に対して、最大燃料棒エンタルピの上昇を抑え、
燃料破損に対する余裕を大きくし、安全裕度の大きい燃
料集合体を実現することができる。

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用燃料集
合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の商業用原子炉で使用されている燃
料集合体は、濃縮ウランの二酸化物を焼結したものをジ
ルコニウムの被覆管に充填して燃料棒とし、チャンネル
ボックス内に、この燃料棒をスペーサで正方格子状に束
ね、下端と上端をタイプレートで支持することにより構
成されている。

【０００３】近年、燃料棒被覆管材料の進歩により燃料
の健全性が向上したので、これによって生じた安全上の
余裕を、積極的に経済性向上に利用した燃料集合体が原
子炉に装荷され、発電が行われている。具体的には、燃
料集合体の水平断面内の出力分布を外周ピーク型にする
ことによって、無限増倍率を大きくし、燃料の取出燃焼
度を増大させている。なぜならば、出力分布の外周ピー
クは、熱中性子束の大きい最外周燃料棒のウラン２３５
の含有量を増やすことに相当し、中性子利用率を向上さ
せるからである。また、さらに一歩進んだ改良として、
燃料棒格子配列を八行八列から九行九列にすることによ
って、燃料棒の平均の線出力密度を下げて、上記外周ピ
ークをより一層利用した燃料集合体の開発が行われてい
る。たとえば、燃料棒本数を１０％増やすと、平均線出
力密度が１０％低下し、外周の出力ピーキングを１０％
大きくすることができる。

【０００４】一般に、ウラン２３５の濃縮度の増大と前
述の方法を併用して、燃料の取出燃焼度の増大が図られ
ている。このとき、平均のウラン２３５の濃縮度の増大
によって、中性子スペクトルが高エネルギ側にシフトす
るので、熱中性子利用率が低下する。従って、燃料の高
燃焼度化に伴って、水ロッド断面積を大きくするか、本
数を増やすかして燃料集合体内の非沸騰水部の面積を増
やし、中性子を有効利用するようにしている。ところ
が、このような水ロッド総断面積の増大と前述のような
燃料棒本数の増加は、冷却材の圧力損失の増大につなが
り、炉心及びチャンネルの安定性に対する余裕の減少を
引き起こす。このため、九行九列の燃料集合体では、一
部の燃料棒の軸方向の長さを他の燃料棒より短くし、す
べての燃料棒を同一の下部タイプレートに固定すること
によって、上部領域（高ボイド率領域）の水平断面の燃
料棒本数を低減し、二相流部の圧損を小さくしている。
なぜならば、二相流部の方が単相流部よりも冷却材の圧
力損失が大きいので、前述のようにすることにより燃料
集合体内の圧力損失を効果的に低減できるからである。
燃料集合体の中央部水平断面の典型的なウラン２３５の
濃縮度及びガドリニア分布を図３に示す。最外周以外の
燃料棒は、高濃縮かガドリニア含有となっている。最外
周の燃料棒は、中央部が高濃縮、コーナ部が低濃縮、そ
れらの中間が中濃縮となっている。このような分布で、
各種の運転制限値、及び、安全指針上の条件を満たし、
外周ピークを活かした設計が普通である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】原子炉の安全上から、
起動時（冷温時）の制御棒の誤引抜きによる反応度投入
に対して燃料棒が破損しないように、燃料集合体の設計
がなされている。そこで、従来では、冷温時の臨界近傍
の状態から最大価値の制御棒が引き抜かれた時に、燃料
棒の最大エンタルピの上昇を安全な範囲に抑えるように
している。このため、燃料集合体の冷温時制御棒引抜き
状態における出力ピーキングをできるだけ小さくしてい
る。

【０００６】一般に、出力運転時より冷温時の方が出力
ピーキングが大きくなる傾向にある。一方、前述のよう
な高燃焼度をめざした燃料集合体は、従来より多数の可
燃性毒物含有燃料棒（ガドリニア燃料棒）を含んでいる
ので、出力ピーキング差がさらに大きくなる。なぜなら
ば、ガドリニアの中性子吸収能は冷温時の方が大きいか
らである。さらに、短尺燃料棒の採用によりガドリニア
燃料棒の配置に制約が生じるので、冷温時出力ピーキン
グを抑制することが困難になることが多い。

【０００７】本発明の目的は、出力運転時と冷温時の出
力ピーキング差を抑制して、起動時の制御棒誤引抜など
の制御棒によって引き起こされる反応度投入に対して燃
料棒最大エンタルピの上昇を安全な範囲に抑え、燃料棒
破損に対する余裕が大きく、安全裕度の大きな燃料集合
体を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は、短尺燃
料棒の上端部付近の水平断面において、最外周の燃料棒
のうちのコーナ部の燃料棒の濃縮度をその水平断面の平
均濃縮度の６０％以下にし、外周二層目で、そのコーナ
部に隣接する位置のすべてにガドリニア含有燃料棒を配
置することによって達成される。

【０００９】

【作用】燃料集合体の冷温時の軸方向出力ピーキング
は、燃料の発熱部有効長の二分の一以上の高さに生じ
る。また、短尺燃料棒の上端も同様の位置にある。そし
て一般に、前者の方が高い位置にあるがそれらの間隔は
接近している。従って、本発明では、まず、短尺燃料棒
の上端部付近の水平断面において、最外周コーナ部の燃
料棒の濃縮度をその水平断面の平均濃縮度の６０％以下
にすることによって、最外周コーナ部の冷温時出力ピー
キングを低減する。次に、九行九列配列の外周二層目に
おいて、そのコーナ部に隣接する位置にガドリニア含有
燃料棒を配置することによって、コーナ部以外の最外周
燃料棒の冷温時出力ピーキングを低減する。こうするこ
とにより、冷温時の出力ピーキングが出力運転時とほぼ
同じ値になり、起動時の制御棒誤引き抜きなどに代表さ
れる制御棒落下事故において、局所的な中性子束の上昇
を抑え、すなわち、出力ピーキングが生じている燃料棒
の位置の中性子束を低く抑え、最大燃料棒エンタルピの
上昇を抑えるようにした。

【００１０】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１に示す。本図
は、燃料集合体の濃縮度及びガドリニア分布を示してい
る。本発明の燃料集合体は、チャンネルボックス１内に
燃料棒２を九行九列に配列し、中央部の燃料棒七本相当
の領域に、太径の水ロッド二本を配置している。最外周
コーナ部燃料棒３の濃縮度は、軸方向の中央部と上部
で、断面平均濃縮度の６０％以下になっている。短尺燃
料棒４は八本で、外周二層目のコーナと中央に配置され
ており、その先端は前述の中央部と上部の境界になって
いる。それらのうちの前者に隣接する外周二層目の八本
の燃料棒のすべては、ガドリニア含有燃料棒５である。
ガドリニア含有燃料棒総本数は十五本である。また、本
発明の燃料集合体の立体的な構成を図６に示す。本図に
示すように、燃料棒２は、チャンネルボックス１内にス
ペーサ６で束ねられており、上下を上部タイプレート７
と下部タイプレート８によって支持されている。以下
に、先に述べた６０％以下という数字の根拠について説
明する。図４に取出燃焼度が約４５ＧＷｄ／ｔの典型的
な九行九列燃料集合体における最外周コーナ部燃料棒の
濃縮度と断面平均濃縮度の関係を示す。これより、コー
ナ燃料棒の冷温時出力ピーキングの濃縮度に関する感度
は、非常に大きいことが分かる。一方、従来の燃料で
は、冷温時出力ピーキングは最大で約１.３５ であり、
またこの程度の値に抑えれば制御棒系の事故時における
燃料エンタルピの上昇が安全な範囲におさまることが知
られている。ゆえに、図４より上記の６０％以下という
数字の根拠の妥当性がいえる。次に、外周二層目のガド
リニア含有燃料棒の位置の根拠について説明する。一般
に、最外周燃料棒の濃縮度分布は、図３に示すように、
低濃縮のコーナ燃料棒、その隣の中濃縮の燃料棒及び中
央の高濃縮の五本の燃料棒から構成されている。これら
三種の燃料棒の出力ピーキングは、それぞれの燃料ペレ
ット濃縮度と断面の平均濃縮度との相対関係、及びガド
リニア含有燃料棒の位置によって決まる。ここで、コー
ナ部以外の最外周燃料棒については、外周二層目のガド
リニア含有燃料棒によって冷温時出力ピーキングを抑え
る。特に、燃料棒の中で最大の出力ピーキングとなるの
は、高濃縮燃料棒のうちの両端か中濃縮燃料棒であるの
で、図１に示すように、外周二層目の燃料棒のうち、そ
のコーナ部の短尺燃料棒に隣接する八本の燃料棒をすべ
てガドリニア含有にすることによって、燃料棒の冷温時
出力ピーキングを抑える。図５に、このガドリニア含有
燃料棒の配置の効果を示す。ここで、従来例とは、前述
の八ヶ所のガドリニア含有燃料棒を配置した位置の少な
くとも一ヶ所にガドリニアを含有しない燃料棒を配置し
たものである。本図より、冷温時、出力ピーキングが
１.４０ 以下に改善されているのがわかる。このよう
に、ガドリニア含有燃料棒の配置によって冷温時の出力
ピーキングを抑えることにより、コーナ部を除いた最外
周燃料棒の濃縮度をできるだけ高くし、燃料の効率的な
燃焼が可能になる。

【００１１】本発明の第二の実施例を図２に示す。本実
施例では、ガドリニア含有燃料棒は、第一の実施例と異
なり十六本であるが、外周二層目のガドリニア燃料棒は
同じ位置におかれている。本実施例は、第一の実施例よ
り若干の燃焼度伸長を狙った燃料集合体である。

【００１２】

【発明の効果】本発明では、最外周コーナ燃料棒のペレ
ット濃縮度とガドリニア含有燃料棒の位置の最適化によ
り、冷温時の局所出力ピーキングを低減したので、起動
時の制御棒誤引き抜きなどに代表される反応度投入事象
に対して、最大燃料棒エンタルピの上昇をおさえ、燃料
棒破損をおこすしきい値に対する余裕を大きくし、安全
裕度の大きい燃料集合体を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の燃料集合体の濃縮度及
びガドリニア分布図。

【図２】本発明の第二の実施例の燃料集合体の濃縮度及
びガドリニア分布図。

【図３】高燃焼度九行九列燃料集合体の典型的な水平断
面の濃縮度及びガドリニア分布図。

【図４】最外周コーナ燃料棒のウラン２３５濃縮度の水
平断面平均濃縮度に対する比とこの最外周コーナ燃料棒
の冷温時出力ピーキングの関係の説明図。

【図５】最外周コーナ部以外の燃料棒の冷温時出力ピー
キングに関する本発明と従来例の比較の説明図。

【図６】本発明の燃料集合体の断面図。

【符号の説明】

１…チャンネルボックス、２…燃料棒、３…最外周コー
ナ部燃料棒、４…短尺燃料棒、５…ガドリニア含有燃料
棒、６…スペーサ、７…上部タイプレート、８…下部タ
イプレート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】長尺と短尺の燃料棒、及び水ロッドからな
   る九行九列の正方格子配列の沸騰水型原子炉用燃料集合
   体において、前記正方格子配列の最外周のコーナ部の燃
   料棒のウラン２３５の濃縮度が、前記短尺燃料棒のペレ
   ット充填部の上端付近の水平断面の平均ウラン２３５の
   濃縮度の６０％以下であり、さらに前記正方格子配列の
   外周二層目において、そのコーナ部隣接位置のすべてに
   ガドリニア含有燃料棒を配置したことを特徴とする燃料
   集合体。