JPH0542638B2

JPH0542638B2 -

Info

Publication number: JPH0542638B2
Application number: JP57147683A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Hida; Ritsuo Yoshioka
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-08-27
Filing date: 1982-08-27
Publication date: 1993-06-29
Also published as: JPS5938684A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は燃料経済性の向上した原子炉燃料集合
体に関する。

〔発明の技術的背景〕原子炉燃料集合体は複数本の燃料棒を格子状に
配列して構成されているが、従来の原子炉燃料集
合体は核分裂性物質の含有量が燃料集合体の軸方
向に関して一様である。また、燃料の初期反応度
を抑制する目的で添加される可燃性毒物の含有量
も燃料集合体の軸方向に関して一様である。ここ
で、核分裂性物質の含有量とは、ウランの濃縮度
およびプルトニウムの富化度の少なくともいずれ
か一方を指し、また可燃性毒物含有量とは、燃料
集合体を構成する燃料棒の中で可燃性毒物を含有
する燃料棒の本数および可燃性毒物を含有する燃
料棒における可燃性毒物の濃度の少なくともいず
れか一方を指す。

ところが、このような燃料集合体を炉心に装荷
した原子炉では次の２点で反応度の損失を被つて
いる。すなわち、 (1) 炉心表面付近で発生した中性子のうち、ある
割合の中性子は炉心外へ漏れ出て、核分裂連鎖
反応に寄与しなくなる。

(2) 可燃性毒物の含有量は、燃料が炉心に装荷さ
れて１サイクル終了した時点で燃えつきるよう
に決定されているが、その場合でも炉心周辺の
燃料や、あるいは炉心中央部の燃料であつても
燃料集合体の上下端付近では、燃焼が進まない
ためにサイクル末期において可燃物毒物が燃え
残る。

その結果、従来の燃料集合体では反応度がその
分低下するので、燃料の効率的な利用の点で問題
がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記問題を解決するためになされたも
のであつて、炉心上下面からの中性子の漏れを減
少させると同時にサイクル末期での燃料棒の燃え
残りを減少させることによつて原子炉の反応度損
失を減少させ、もつて原子炉における燃料経済性
の向上を図るものである。

〔発明の概要〕

本発明は炉心軸方向に原子炉燃料集合体を上部
領域、中央部領域及び下部領域の３領域にわけ、
前記上部領域と前記中央部領域との境界が前記原
子炉燃料集合体の上端からその全長の1/12〜1/8
の位置にありかつ前記下部領域と前記中央部領域
との境界が前記原子炉用燃料集合体の下端からそ
の全長の1/24〜1/12の位置にあり、前記上部領域
及び前記下部領域の核分裂性物質含有量が前記中
央部領域の核分裂性物質含有量よりも少なく、か
つ前記上部領域及び前記下部領域の可燃性毒物含
有量が前記中央部領域の可燃性毒物含有量よりも
少ないことを特徴とする沸騰水型原子炉用原子炉
燃料集合体に関するものである。また核分裂性物
質含有量の少ない上部領域および下部領域には核
燃料物質として天燃ウラン、あるいは濃縮工程で
廃棄される、天然ウランよりも濃縮度の低い廃棄
ウラン、あるいはまた使用済み燃料を再処理して
得られる回収ウランを使用することができる。

上記の如き燃料集合体の構成と燃料経済性向上
との関係を以下に説明する。

まづ核分裂性物質の含有量を上部領域および下
部領域において中央部領域よりも少なくする点に
ついて述べる。本発明の第１の目的である炉心上
下面からの中性子の漏れを減少させることに関連
して、中性子移動面積（M²）を考えてみる。中
性子移動面積（M²）は、核分裂によつて生まれ
た高速中性子が、その生まれた位置から熱中性子
となつて吸収されるまでに移動する直線距離
（ｌ）と次式のような関係にある。

M²＝１／６＜l²＞（＜）は平均値であることを示す。） (1) したがつて炉心から漏れる中性子は、原子炉表
面から大よそ√＜²＞＝√6²だけ内側に入つた
位置と表面との間で生まれた中性子であると考え
られる。それゆえ炉心から漏れる中性子の数を減
少させるためには、この領域の核分裂性物質含有
量を低くすることによつてこの領域での核分裂数
を減少させればよい。

中性子移動面積M²は燃料の核分裂性物質含有
量あるいは燃焼度によつては余り変化化せず、沸
騰水型原子炉において炉心下部から上部に向つて
分布しているボイド率によつて大きく変化する。
炉心下端付近ではボイド率はおよそ０％であり、
そこでの中性部子動面積M²は約60cm²である。一
方炉心上端付近ではボイド率は約70％であり、そ
こでの中性子移動面積M²は約140cm²である。

したがつて炉心下面からの中性子の漏れを減少
させるためには、下部領域と中央領域との境界
を、炉心下面から√＜²＞〜√６×60〜20（cm）
以上離れた位置に設ければよい。沸騰水型原子炉
の燃料集合体の全長は約370cmであるから、これ
は燃料集合体全長の20/370で約1/18に対応する。
一方炉心上面からの中性子の漏れを減少させるた
めには、上部領域と中央部領域との境界炉心上面
から√＜²＞〜√６×140〜30（cm）以上離れた位
置に設定すればよい。これは燃料集合体全長の3
０／３７０で約1/12に対応する。

以上は中性子の漏れを減少させることに関して
各領域の境界の大よその目安を与えるものである
が、燃料集合体の軸方向に濃縮度分布をもたせた
場合、燃料経済性を左右するのは中性子の漏れだ
けではない。実際、燃料経済性の指標の一つとし
ての炉心の実効増倍率h_effは、次式(2)に示すとお
り中性子の漏れＬと炉心平均無限増倍率∞とに
よつて表わされる。

h_eff＝∞・（１−Ｌ） (2) この炉心平均無限増倍率については後記するこ
とにし、まづ中性子の漏れ減少による燃料経済性
向上の問題を以下に詳細に説明する。

第１図は従来の燃料集合体の核分裂性物質の濃
縮度の軸方向分布を表わしたもので、濃縮度は軸
方向に一様に分布している。燃料集合体平均濃縮
度は3.00重量％である。

第２図は本発明の燃料集合体の核分裂性物質の
濃縮度の軸方向分布図であり、濃縮度は軸方向に
三領域にわかれていて上部領域および下部領域の
濃縮度はe_l重量％、中央部の濃縮度はe_h重量％で
ある。上部領域と中央部領域との境界は燃料集合
体の上端からその全長のｔ倍の位置にあり、下部
領域と中央部領域との境界は燃料集合体の下端か
らその全長のｂ倍の位置にある。この場合も燃料
集合体平均濃度は3.00重量％である。

第３図は第１図に示す軸方向に濃縮度が一様な
燃料に対する第２図の燃料の燃料経済性向上率
を、下部領域と中央部領域との境界位置値ｂをパ
ラメータとして示したものである。ここで用いた
第２図の燃料は、上部領域と中央部領域との境界
位置値ｔを中性子移動面積M²に関する前述の議
論に基づいて燃料集合体全長の1/12とし、上部領
域および下部領域の濃縮度e_lを0.711重量％および
天然ウランとしたものである。また燃料経済性向
上率は、第１図の燃料を装荷した平衡炉心のサイ
クル長さをEo（MWd／st）、第２図の燃料を装荷
した平衡炉心のサイクル長さをＥ（MWd／st）と
して、燃料経済性向上率＝Ｅ−Eo／Eo×100（％）(3) によつて表わしたものである。

第３図から明らかなように、ｂが1/24と1/12と
の間の値をとる時、すなわち下部領域と中央部領
域との境界を燃料集合体の下端よりその全長1/24
と1/12との間に位置させた時に燃料経済性は最大
となる。

このように燃料経済性に関して最適なｂの範囲
が存在する理由について式(2)に基づいて以下に説
明する。

第４図に第１図の燃料に対する第２図の燃料の
中性子の漏れＬの減少量○イおよび炉心平均無限増
倍率∞の増加量○ロ示す。中性子の漏れＬは下部
領域の拡大とともに初めは急速に減少し、後にゆ
るやかに減少している。したがつて式(2)を提示し
て述べたように中性子の漏れＬだけでは第３図の
燃料経済性向上の振舞を説明することはできず、
炉心平均無限増倍率∞の変化に注目しなければ
ならない。

以下に下部領域の拡大とともに炉心平均無限増
倍率∞が減少していく理由について説明する。
ここで炉心平均無限増倍率∞は、軸方向につい
てみた場合、 ∞＝（∫h∞(Z)Ｐ(Z)dZ）／（∫P(Z)dZ）(4) ｈ∞(Z)：軸方向の位置Ｚにおける無限増倍率Ｐ(Z)：軸出向の位置Ｚにおける出力で表わされる。

第５図は無限増倍率と燃料濃縮度との関係を示
すグラフである。第５図に示すように、無限増倍
率は燃料濃縮度に対して上に凸な関数となつてい
る。したがつて高濃縮度部分と低濃縮度部分とか
らなる燃料の炉心平均無限増倍率は、これと平均
濃縮度の等しい濃縮度の一様な燃料の無限増倍率
よりも小さくなる。これを例を示して説明すると
以下のようになる。高濃縮度部分と低濃縮度部分
とからなる第２図の燃料のうち、上部領域と中央
部領域との境界位置値ｔを1/12、上部領域および
下部領域の濃縮度e_lを0.711重量％、そして下部領
域と中央部領域の境界位置値ｂを1/24としたもの
を燃料Ａとし、ｔおよびe_lがこれと同じでｂを1/
８としたものを燃料Ｂとする。まづ式(4)で定義さ
れる炉心平均無限増倍率∞ではなく、出力分布
の重みかけない単純平均の無限増倍率ｈ∞゜につ
いて考える。

ｈ∞゜＝（∫h∞(Z)dZ）／（∫dZ） (5) 燃料Ａおよび燃料Ｂの中央部領域の濃縮度は、
それぞれの燃料の平均濃縮度が3.00重量％である
ことから算出して、それぞれ3.33重量％および
3.60重量％となるから、第１図の燃料、燃料Ａお
よび燃料Ｂのｈ∞゜はそれぞれ第５図の○ハ，○ニお
よび○ホの位置で示される値となり、下部領域の拡
大とともにｈ∞゜は急激に減少する。

これに対して、下部領域の拡大とともに中央部
領域の出力が増大するため、式(4)において濃縮度
高い中央部領域の重みＰ(Z)が増大することにな
り、燃料ＡおよびＢの∞は第５図のｈ∞゜から
矢印に従つて移動し、○ヘおよび○トの位置で示され
る値となる。このように、式(4)で定義される∞
は、式(5)で定義されるｈ∞゜ほど急激ではない
が、下部領域が拡大し上下両領域と中央部領域と
の濃縮度が拡がるにつれて減少する。

以上述べたように、本発明の燃料を装荷した原
子炉では、下部領域の拡大につれて中性子の漏れ
Ｌ（第４図○イ）が減少するとともに炉心平均無限
増倍率∞（第４図○ロ）も減少し、その結果燃料
経済性向上率は第３図に示すような振舞をする。

以上の説明は下部領域と中央部領域との境界位
置値ｂをパラメータとした燃料経済性向上率に関
して行なつたものであるが、上部領域と中央部領
域との境界位置値ｔをパラメータとして同様に第
１図の燃料に対する第２図の燃料の燃料経済性向
上率を示したものが第６図に示すグラフである。
ここでｂは第３図に基づいて1/24とし、上下両領
域の濃縮度e_lを0.711重量％すなわち天然ウランと
してある。

第６図によれば、ｔを1/12と1/8との間に位置
させた時に燃料経済性向上率は最大となる。この
ように燃料経済性向上率に関して最適なｔの範囲
が存在する理由は、第７図に示す中性子の漏れ減
少量○チと炉心平均無限増倍率増加量○リとによつて
理解できる。

次に、上下両領域の核分裂性物質含有量が燃料
経済性の向上に及ぼす影響について説明する。例
として上記領域と中央部領域との境界位置値ｔを
１／１２とし、下部領域と中央部領域との境界値ｂを
１／２４とした場合について説明する。

第８図は横軸に上下両領域の濃縮度をとり、縦
軸に第１図の燃料に対するこの燃料の燃料経済性
向上率をとつたものである。中央部領域の濃縮度
は燃料集合体平均濃縮度が3.00重量％となるよう
に決定してある。

第９図は横軸に上下両領域の濃縮度をとり、縦
軸に第１図の燃料に対するこの燃料の中性子の漏
れ減少量○ヌおよび炉心平均無限増倍率増加量○ルを
とつたものである。

第８〜９図からわかるように、上下両領域の濃
縮度が低ければ低いほど、中性子の漏れ減少の効
果が増大し、それによつて燃料経済性が向上す
る。

これらの図において、濃縮度0.711重量％は天
燃ウランを、また濃縮度0.3重量％は濃縮工程で
廃棄される廃棄ウランをそれぞれ使用したもので
ある。廃棄ウラン中の²³⁵U濃度は濃縮方法などに
よつて変るが、通常0.2〜0.3重量％である。また
²³⁵U濃度の低いウランとしては、使用済燃料を再
処理して得られる回収ウランが考えられ、その
²³⁵U濃度は0.8〜0.9重量％である。

以上述たように、燃料集合体を軸方向に上部領
域、中央部領域および下部領域の三領域にわけ、
上部領域および下部領域の核分裂性物質含有量を
中央部領域よりも少なくすることによつて燃料経
済性を向上させることができる。特に上部領域と
中央部領域との境界を燃料集合体の上端からその
全長の1/12と1/8との間に位置させ、かつ下部領
域と中央部領域との境界を燃料集合体の下端から
その全長の1/24と1/12との間に位置させることに
よつて、燃料集合体上下端からの中性子の漏れ減
少の効果を最大限に利用し、それにより燃料経済
性を向上させることができる。さらに上部領域お
よび下部領域の核分裂性物質含有量が少ない程中
性子の漏れが減少し燃料経済性が向上する。

次に核分裂性物質含有量および可燃性毒物含有
量の両者を上部領域および下部領域において中央
部領域よりも少なくすることと燃料経済性向上と
の関係について説明する。

沸騰水型原子炉では一般に初期余剰反応度を抑
制するために燃料集合体を構成する一部の燃料棒
に可燃性毒物を添加している。この可燃性毒物の
濃度は新燃料が炉心に装荷されて１サイクル終了
した時点で可燃性毒物が燃えつきるように決定さ
れる。

第１０図は軸方向に濃縮度が一様な下記の従来
燃料平均濃縮度 3.00重量％可燃性毒物入り燃料棒７本可燃性毒物濃度 4.0重量％の軸方向燃焼度分布を、炉心に装荷して１サイク
ル経過した時点でみたものである。炉心上下端付
近では出力が低いため燃焼が遅れている。これが
反応度損失を招くことを以下に示す。

第１１図は上下一様な従来燃料の無限増倍率変
化を示したもの、○ヲおよび○ワは可燃性毒物を含有
している場合、○カおよび○ヨは可燃性毒物を含有し
ていない場合であり、また○ヲおよび○カはボイド率
70％の場合、○ワおよび○ヨはボイド率０％の場合で
ある。可燃性毒物を含有している燃料集合体の無
限増倍率は燃焼が進むにつれて初めは増加する
が、８〜9GWd／stをピークにやがて減少する。
これに対して可燃性毒物を含有しない燃料集合体
の無限増倍率は燃焼と共に単調に減少する。した
がつて第１０図に示されている炉心中央部分の燃
焼度では可燃性毒物は燃えつきているが、炉心上
下端付近の燃焼度では可燃性毒物はまだ残つてお
り、このため反応度が低下している。

第１２図は炉心上端付近のボイド率を70％、炉
心下端付近のボイド率を０％とみなし、第１０図
に示す燃焼度分布および第１１図に示す無限増倍
率から可燃性毒物の燃え残りによる反応度の損失
を表わしたものである。

このようなサイクル末期における新燃料上下端
での可燃性毒物の燃え残りによつて、炉心平均無
限増倍率ｈ∞は約0.3％Δh低下しており、これに
より燃料経済性は約３％低下している。

第１２図からわかるとおり、サイクル末期にお
ける新燃料での可燃性毒物の燃え残りは、炉心下
部では燃料集合体下端からその全長1/24の位置ま
での間において、一方炉心上部では燃料集合体上
端からその全長の1/12の位置まの間において著る
しい。

したがつて燃料集合体の上、下部位のこの範囲
内の領域の可燃性毒物含有量を減少させることが
できればサイクル末期における可燃性毒物の燃え
残りによる反応度損失を減少させることができ
る。それはこれらの領域の核分裂性物質の含有量
を減少させた場合に可能となり、天燃ウランを用
いた場合等には可燃性毒物を添加せずに装荷する
ことによつて好ましい結果が得られる。

以上説明したように、本発明によると、燃料集
合体の上下端で燃料の濃縮度を下げると共に可燃
性毒物濃度を下げることによつて炉心上下面から
の中性子の漏れを減少させると同時にサイクル末
期での燃料集合体上下端における可燃性毒物の燃
え残りを減少させ、それにより燃料経済性を向上
させることが可能となる。

〔発明の実施例〕

実施例１上部領域と中央部領域との境界：燃料集合体上
端からその全長の 1/12の位置下部領域と中央部領域との境界：燃料集合体下
端からその全長の 1/24の位置上部領域および下部領域の燃料：天燃ウラン可燃性毒物なし中央部領域の燃料：平均濃縮度3.33％可燃性毒物入り燃料棒８本（可燃性毒物Gd₂O₃，濃度4.0重量％）燃料集合体平均濃縮度：3.00重量％以上の燃料を３，４バツチ取替で装荷して作製
した平衡サイクルのサイクル長さは約
8300MWd／stであつた。

比較例１軸方向に濃縮度が一様な燃料：平均濃縮度3.00重量％可燃性毒物入り燃料棒７本（可燃性毒物Gd₂O₃，濃度4.0重量％）上記燃料を３，４バツチ取替で装荷して作製し
た平衡サイクルのサイクル長さは約7750MWd／
stであつたしたがつて実施例１の燃料集合体は、従来の軸
方向に濃縮度が一様な燃料に比べて約７％の燃料
経済性向上が得られた。

実施例２上部領域と中央部領域との境界：燃料集合体上
端からその全長の1/12の位置下部領域と中央部領域との境界：燃料集合体下
端からその全長の1/24の位置上部領域および下部領域の燃料：廃棄ウラン（²³⁵U濃度0.3重量％）可燃性毒物なし中央部領域の燃料：平均濃縮度3.39重量％可燃性毒物入り燃料棒８本（可燃性毒物Gd₂O₃，濃度4.0重量％）燃料集合体平均濃縮度：3.00重量％以上の燃料を、３，４バツチ取替で作製した平
衡サイクルのサイクル長さは約8450MWd／stで
あり、比較例１の燃料に比べて約９％の燃料経済
性向上が得られた。

［発明の効果］上述したように、本発明は沸騰水型原子炉用原
子炉燃料集合体を軸方向に３領域にわけ、上部領
域を上端から全長の1/12〜1/8とし、下部領域を
下端から全長の1/24〜1/12とし、この上下部領域
の核分裂性物質含有量および可燃性毒物含有量が
中央部領域よりも少ないことにより、燃料集合体
上下端からの中性子の漏れ減少の効果を最大限に
利用し、それにより燃料経済性を向上することが
でる。さらに、燃料集合体の上下端にサイクル末
期における可燃性毒物の燃え残りによる反応度損
失を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料の軸方向濃縮度分布図、第
２図は本発明の燃料の軸方向濃縮度分布図、第３
図は下部領域と中央部領域との境界位置をパラメ
ータとした場合の燃料経済性向上率のグラフ、第
４図は第３図と同じ量をパラメータとした場合の
中性子の漏れ減少量および炉心平均無限増倍率増
加量のグラフ、第５図は無限増倍率とと燃料濃縮
度との関係を示すグラフ、第６図は上部領域と中
央部領域との境界位置をパラメータとした場合の
燃料経済性向上率のグラフ、第７図は第６図と同
じ量をパラメータとした場合の中性子の漏れ減少
量および炉心平均無限増倍率増加量のグラフ、第
８図は上部領域および下部領域の濃縮度をパラメ
ータとした場合の燃料経済性向上率のグラフ、第
９図は第８図と同じ量をパラメータとした場合の
中性子の漏れ減少量および炉心平均無限増倍率増
加量のグラフ、第１０図は第１図の燃料の炉心に
装荷して１サイクル経過した時点での軸方向燃焼
度分布図、第１１図は第１図の燃料の可燃性毒物
を含む場合および含まない場合のボイド率０％お
よび70％における各無限増倍率を示すグラフ、そ
して第１２図は第１図の燃料で可燃性毒物を含む
場合のサイクル末期における可燃性毒物の燃え残
りによる反応度損失の軸方向分布図である。

Claims

【特許請求の範囲】１炉心軸方向に原子炉燃料集合体を上部領域、
中央部領域及び下部領域の３領域にわけ、前記上
部領域と前記中央部領域との境界が前記原子炉燃
料集合体の上端からその全長の1/12〜1/8の位置
にあり、かつ前記下部領域と前記中央部領域との
境界が前記原子炉用燃料集合体の下端からその全
長の1/24〜1/12の位置にあり、前記上部領域及び
前記下部領域の核分裂性物質含有量が前記中央部
領域の核分裂性物質含有量よりも少なく、かつ前
記上部領域及び前記下部領域の可燃性毒物含有量
が前記中央部領域の可燃性毒物含有量よりも少な
いことを特徴とする沸騰水型原子炉用原子炉燃料
集合体。２前記上部領域及び前記下部領域に天燃ウラン
または濃縮工程で廃棄される廃棄ウランまたは使
用済み燃料を再処理して得られる回収ウランを装
荷し、かつ可燃性毒物を装荷していない特許請求
の範囲第１項記載の原子炉燃料集合体。