JPH0555836B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は主として沸騰水型原子炉に用いられる
燃料集合体に関する。

〔発明の技術的背景〕

一般に、沸騰水型原子炉には第１図および第２
図に示す燃料集合体が装架されている。

この燃料集合体は、上部タイプレート１と下部
タイプレート２との間に、複数本の燃料棒３と複
数本の可燃性毒物入燃料棒４（符号Ｇを付してあ
る。）と２本のウオータロツド５（符号Ｗを付し
てある。）とを、第２図に示すように８行８列の
正方格子状に配列し、中間部の数箇所をスペーサ
６により支持して形成されており、チヤンネルボ
ツクス７内に収容されている。そして、燃料集合
体は第２図に示すように断面十字形の制御棒８に
沿つて炉心内に装荷される。

前期ウオータロツド５はジルカロイ製の管で、
冷却材が下方から上方に向けて流通するように形
成されている。

また、燃料棒３は、ジルカロイ製の燃料被覆管
３ａ内に、ウラン２３５を濃縮した二酸化ウラン
（UO₂）を焼き固めてペレツト状にした二酸化ウ
ランペレツト（図示せず）を軸方向に複数個装填
して形成されている。そして、各燃料棒３の軸方
向の二酸化ウランの濃縮度は一定に形成されてい
る。

また、可燃性毒物入燃料棒４は、ジルカロイ製
の燃料被覆管内に、二酸化ウランにガドリニア
（Gd₂O₃）等の可燃性毒物を数重量％の濃度で混
入して焼き固めてペレツト状にしたガドリニア混
入ペレツトを軸方向に複数個装填して形成されて
いる。そして、各可燃性毒物入燃料棒４の軸方向
の二酸化ウランの濃縮度およびガドリニア混入量
は一定に形成されている。

〔背景技術の問題点〕

燃料集合体中の核燃料は燃焼が進むにつれて、
内部のウラン２３５の濃度が減少し、燃料集合体
の無限増倍率が低下し、反応度が低下してゆく。

そこで高い反応度のもとで原子炉運転を行なう
ため、一定期間毎に原子炉を停止し、炉心に装荷
された全燃料集合体のうちの1/4〜1/3を新燃料集
合体と交換している。

ところが、この燃料交換によつて原子炉が長期
間に亘つて停止し、稼働率が低下するので、燃料
交換の間隔はできるだけ長くすることが望まれて
いる。

このため、従来は各燃料棒のウラン２３５濃縮
度を大きくし、長期間に亘つて燃料集合体の無限
増倍率を運転に必要な値以上に維持できるように
形成している。更に、ウラン２３５の濃縮度が大
きくなることによつて生じる燃焼運転期間の初期
の余剰の無限増倍率を、前記したように複数の可
燃性毒物入燃料棒４，４によつて抑制している。

しかし、各燃料棒３，３のウラン２３５の濃縮
度を大きくすると燃料製造のコストが高くなり、
また可燃性毒物棒による燃料集合体の無限増倍率
抑制の能力にも限界があるため、ウラン濃縮度を
あまり大きくすることはできず、燃料交換間隔の
長期化にも限界があつた。

また、核燃料の燃焼効率を向上させることも要
求されているが、従来の燃料集合体においてはそ
の燃焼効率の向上にも限界があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであ
り、長期間に亘つて反応度を所定値以上に維持す
ることができ、燃料交換の間隔を長期化すること
ができ、原子炉の長期間の連続運転を可能として
原子炉の稼働率を向上させ、また燃料の燃焼効率
を向上させることができる燃料集合体を提供する
ことを目的とする。

〔発明の概要〕 本発明は、複数本の燃料棒とN₂本の少なくと
も下半部に可燃性毒物が混入された可燃性毒物入
燃料棒とを配列して形成されている燃料集合体に
おいて、下半部に可燃性毒物が混入された可燃性
毒物入燃料棒のN₂本の内、上半部に可燃性毒物
を混入した可燃性毒物入燃料棒をN₁本とし、少
なくとも下半部に可燃性毒物が混入された（N₂
−N₁＋１）本以上の可燃性毒物入燃料棒の下半
部の可燃性毒物濃度を、上半部に可燃性毒物が混
入された可燃性毒物入燃料棒の上半部の可燃性毒
物濃度より小さく形成したことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を第３図から第１１図に示す実施
例について説明する。

第３図から第８図は本発明の一実施例を示す。

第３図において従来と同一部分には同一符号を
付してある。

本発明は、第３図および第４図に示すように８
本の可燃性毒物入燃料棒（以下、Gdロツドとい
う。）のうち、符号G₁の２本をその上部には二酸
化ウランにガドリニアを５重量％程度混入し焼き
固めペレツト状にしたものを装填し、その下部に
は二酸化ウランにガドリニアを１重量％程度混入
し焼き固めペレツト状にしたものを装填して形成
している。また、他の符号G₂の６本には二酸化
ウランにガドリニアを５重量％程度混入し焼固め
ペレツト状にしたものをその長さ方向全体に装填
している。

すなわち、燃料運転期間（サイクル）の初期す
なわち燃焼度が０〜2GWD／Ｔの場合には、第
５Ａ図に示すように、Gdロツドの上半部と下半
部との本数は共に８本と同数であるが、２本の
GdロツドG₁の下部のガドリニア濃度が上部より
低く、全体としてGdロツドG₁、G₂の上半部のガ
ドリニア濃度が下半部より多くしてあり、第６図
に示すように燃料集合体全体の下半部の無限増倍
率Ｂより、上半部の無限増倍率Ａが同程度か若干
低くなるようにしてある。

そして、濃度の低い２本のGdロツドG₁の下部
のガドリウム（Gd155とGd157）が燃焼し尽くし
てしまつたサイクル中期すなわち燃焼度が２〜
9GWD／Ｔの場合には、第５Ｂ図に示すように、
上半部のGdロツドが８本となり、下半部の６本
より多くなり、第６図に示すように、燃料集合体
全体の下半部の無限増倍率Ｂより、上半部の無限
増倍率Ａが約３％程度低くなるようにしてある。

そして、このような燃焼の結果、サイクル末期
すなわち燃焼度９〜11GWD／Ｔにおいては、燃
料集合体の上半部のウラン２３５の残存量が下半
部に比較して相対的に多くなり、上半部の無限増
倍率がＡが下半部の無限増倍率Ｂに次第に近づく
ようにしてある。

しかして、このような燃料集合体の装填によつ
てその燃焼運転期間中、原子炉はそのサイクル初
期から中期にかけては、第７図実線に示すように
炉心の軸方向の出力分布が下部ピークとなり、サ
イクル末期においては、第８図実線に示すように
軸方向の出力分布は上部ピークとなる。

また、炉心内のボイド率についてみると、サイ
クルの初期および中期からなる大部分において、
蒸気が炉心の下部から発生し、第７図破線で示す
炉心内の平均ボイド率は従来の沸騰水型原子炉に
比較して約５〜10％高くなる。このボイド率が高
いと、中性子の減速作用が抑制され熱中性子より
高いエネルギの共鳴領域のエネルギを保有する中
性子が増加する。そして、これに伴つてウラン２
３８の共鳴吸収が増加し、プルトニウムへの転換
量が増加する。これによつて燃料の燃焼効率が向
上し、ひいては燃料経済性が向上することとな
る。

そして、サイクル末期へ移行するにつれて蒸気
の発生域は、軸方向上方に移動する。これによつ
て第８図破線で示す平均ボイド率は従来に比較し
て約５〜10％低くなる。そして、中性子の減速作
用が促進され、炉心反応度が増加される。これに
より、炉心の反応度を長期に亘つて必要な値以上
に維持し、原子炉の長期間の運転が可能となる。

このように燃料集合体の下部のガドリニア混入
量を上部のそれより少なくし、上半部の無限増倍
率が下半部の無限増倍率より小さくなるようにし
たことにより、炉心出力分布をサイクルの大部分
において下部ピークとし、サイクル末期において
上部ピークとすることができる。更に、プルトニ
ウム転換量が増加し、燃料を経済的に燃焼させる
ことができ、燃料経済性を向上させることができ
る。

本実施例は上半部と下半部とにおけるGdロツ
ドの本数が等しい場合に、少なくとも１本の下半
部のガドリニア濃度をガドリニアが混入した上半
部のガドリニア濃度より小さく形成したものであ
る。

また、サイクル初期、特に取替サイクルにおい
て、前サイクルの燃焼履歴に応じて、炉心の軸方
向出力分布を調整するために、Gdロツドの上半
部と下半部とのガドリウム量の分布を次のように
変えるとよい。

例えば、前サイクルで下半部のウラン２３５の
燃焼が余り進まず、多量のウラン２３５が残存し
ている場合には、下半部の燃焼速度を上半部より
若干早い速度にさせて炉心の熱的健全性を保持す
る必要がある。

この時には、第９図から第１１図に示すよう
に、少なくとも下半部にガドリニアを混入させた
Gdロツドの本数N₂を上半部にガドリニアを混入
させたGdロツドの本数N₁より多くし、下半部に
ガドリニアが混入された（N₂−N₁＋１）本以上
のGdロツドの下半部のガドリニアの濃度を、上
半部にガドリニアが混入されたGdロツドの上半
部のガドリニアの濃度より小さく形成するとよ
い。すなわち、第９図から第１１図に示す実施例
は、上半部のガドリニア濃度が５重量％で下半部
が１重量％のGdロツドG₁が３本、上半部および
下半部をも５重量％のGdロツドG₂が４本、上半
部が０重量％で下半部が５重量％のGdロツドG₃
が２本とされている。

この場合、下半部のガドリニア濃度の小さい
GdロツドG₁の本数が下半部のガドリニア濃度の
大きいGdロツドG₃の本数より１本多いので、燃
料集合体全体としては下部ピークとして燃焼する
が、そのピークの度合は低く抑えられる。そし
て、サイクル初期から中期に入ると、Gdロツド
G₁の下半部のガドリウムが燃焼し尽すので、上
半部のGdロツドの本数が下部よりも１本多くな
り、以後は前記と同様にして下部ピークとなる燃
焼が行なわれる。また、この場合サイクル初期に
おいて更に下部ピークの度合を低く抑えるには、
GdロツドG₂およびG₃のガドリニア濃度を６重量
％とすればよい。

〔発明の効果〕

このように本発明の燃料集合体は構成され、作
用するものであるから、長期間に亘つて反応度を
所定値以上に維持することができ、燃料交換の間
隔を長期化することができ、原子炉の長期間の連
続運転を可能とし、原子炉の稼働率を向上させ、
更に燃料の燃焼効率を向上させる等の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料集合体を示す一部切断斜視
図、第２図は第１図の−線に沿つた拡大断面
図、第３図から第１１図は本発明の燃料集合体の
実施例を示し、第３図から第８図は本発明の一実
施例を示し、第３図は第２図同様の図、第４図は
Gdロツドの種類とその炉心軸方向のガドリニア
濃度を示す説明図、第５Ａ図はサイクル初期にお
けるGdロツドの軸方向本数を示す線図、第５Ｂ
図はサイクル中期および末期のGdロツドの軸方
向本数を示す線図、第６図は燃焼度（GWD／
Ｔ）に対する無限増倍率（Ｋ∞）の変化を示す特
性図、第７図はサイクル初期および中期における
炉心軸方向の炉心出力分布およびボイド発生分布
を示す特性図、第８図はサイクル末期における第
７図同様の図、第９図および第１０図はそれぞれ
本発明の他の実施例を示す第３図同様の図、第１
１図は第９図および第１０図におけるGdロツド
を示す第４図同様の図である。 ３……燃料棒、G₁，G₂，G₃……Gdロツド（可
燃性毒物入燃料棒）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数本の燃料棒とN₂本の少なくとも下半部
   に可燃性毒物が混入された可燃性毒物入燃料棒と
   を配列して形成されている燃料集合体において、
   下半部に可燃性毒物が混入された可燃性毒物入燃
   料棒のN₂本の内、上半部に可燃性毒物を混入し
   た可燃性毒物入燃料棒をN₁本とし、少なくとも
   下半部に可燃性毒物が混入された（N₂−N₁＋
   １）本以上の可燃性毒物入燃料棒の下半部の可燃
   性毒物濃度を、上半部に可燃性毒物が混入された
   可燃性毒物入燃料棒の上半部の可燃性毒物濃度よ
   り小さく形成したことを特徴とする燃料集合体。