JPH06201875A

JPH06201875A - 設計の異なる複数の燃料バンドルを炉心に再装填する手段及び方法

Info

Publication number: JPH06201875A
Application number: JP5273973A
Authority: JP
Inventors: Jr Richard A Wolters; リチャード・アーサー・ウォルタース，ジュニア; Roland O Jackson; ロランド・オット・ジャクソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1993-11-02
Publication date: 1994-07-22
Also published as: MX9306944A; EP0596738A1; US5272736A; TW229315B

Abstract

(57)【要約】【目的】再装填される沸騰水型原子炉の炉心に関連し
て、改良された炉心再装填用燃料と再装填方法を提供す
る。【構成】炉心再装填用燃料の第一の部分(y, 図4)に
は、比較的高い臨界出力マージン(critical power marg
in) と比較的低めの線発熱速度マージン(linear heat g
eneration rate margin)を有する燃料バンドル( 図2
(A),(B)) を配置し、炉心再装填用燃料の第二の部分(x,
図4)には、比較的高い線発熱マージンと比較的低い臨
界出力マージンを有する燃料バンドル( 図3(A),(B)) を
配置する。再装填された燃料バンドル(B) の炉心全体に
おける分布は、臨界出力マージンと線発熱速度マージン
の関数とする。ひとつのマージン設計を炉心全体に均一
に分布せしめた場合よりも大きな全体出力を有する全炉
心装填が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉の炉心
再装填に関する設計に係る。特に、好ましい臨界出力マ
ージン(critical power margin) の燃料バンドルが原子
炉炉心の第一の部分にまとめられて設置される炉心再装
填用の燃料と炉心の再装填法を開示する。一方、好まし
い線発熱速度マージン(linear heat generation rate m
argin)の燃料バンドルは同じ燃料バンドル再装填用燃料
の一部として原子炉炉心の別の部分にまとめられて設置
される。この組み合わせによって炉心から取出される全
体出力が増大する。

【０００２】

【発明の背景】沸騰水型原子炉は公知である。一般にこ
れらの原子炉は並んで配置された燃料バンドルを含む再
装填可能な炉心をもっている。本発明を理解するに際し
ては、まず燃料バンドルの構成・構築を概論し、次に原
子炉炉心内において燃料バンドルがいかに作動するのか
論じ、最後に過去において原子炉の再装填がどのように
なされていたのか理解するのが有効である。

【０００３】沸騰水型原子炉における燃料バンドルは、
内部に核燃料のペレットを有する密閉された燃料棒を収
容している。これらの燃料棒群がまとまって、燃料バン
ドルといわれる直立した燃料棒の一体化した集合体を構
成している。このような燃料バンドルは燃料棒群を支え
る下部タイプレートをもっている。この下部タイプレー
トは、蒸気を発生する冷却材としての水が燃料バンドル
中に流入できるようになっている。燃料棒のうちの少な
くとも何本かは上部タイプレートまで伸びており、通常
はそこに固定されている。この上部タイプレートは冷却
材の水と発生した蒸気が流出できるようになっている。
これらタイプレートおよびその間にある燃料棒の回りに
燃料バンドルチャネルが伸びている。このチャネルはタ
イプレート間の冷却材の流れを制限しており、ある燃料
バンドルの内部の蒸気および水の流路を、直接取囲んで
いて中性子減速用の減速材としての水を収容している炉
心バイパスゾーンおよび他のすべての燃料バンドルから
隔離している。この燃料バンドル内部の燃料棒は撓みや
すく、もし拘束されていなければ正規の位置から外れ、
接触して磨滅することさえある。したがって、いわゆる
燃料バンドルスペーサが燃料バンドル内で間隔をもって
適当な高さのところに配置されていて燃料棒をその設計
通りに並んだ関係に保っている。

【０００４】燃料バンドルは沸騰水型原子炉の内部で円
筒形の中央部すなわち原子炉の「炉心」内に配置され
る。この炉心は並んで直立するたくさん（３００〜１０
００本）の燃料バンドルを収容している。冷却材の水は
下部プレナムから下部タイプレートを通って燃料バンド
ルに入り、燃料バンドルを通過する際に燃料バンドルの
核反応に伴って加熱されて蒸気を発生し、上部タイプレ
ートを通って上部プレナムに排出される。発生した蒸気
はこの上部プレナムで処理されてその蒸気のエネルギー
が取出される。

【０００５】一般に燃料バンドルの反応度はいわゆる
「セル」、すなわち４本の燃料バンドルのクラスタ内で
制御される。これらの細長いバンドルは、同様に長く伸
びた十字形の空間的間隔によって離されている。この細
長い十字形の空間的間隔は燃料バンドルのチャネルの外
部で定められる。原子炉の運転中、この細長い十字形セ
クションは、原子炉の運転継続に必要な中性子減速の役
割を果たす水で満たされる。原子炉を局部的に制御(con
trol) 又は調節(shape) するか、または核反応を完全に
停止することが望まれる場合、細長い十字形の制御棒
を、各制御セル内で同様に長く伸びた十字形セクション
の空間的間隔の中に貫通させてその空間を占領させる。
この貫通の結果として核反応が制御される。

【０００６】制御棒は挿入されると中性子を吸収する。
反応を調節するには、吸収は核反応を局部的に抑制す
る。反応を停止させるには、制御棒は原子炉を臨界状態
以下にするのに充分な中性子を吸収する。放出され乍ら
も減速された中性子は反応を継続させるには不十分であ
る。このような原子炉の燃料再装填（再装荷）は次のよ
うに要約することができる。一般に原子炉には「停止
期」がある。すなわち、普通原子炉を分解して原子炉の
炉心内部の燃料バンドルを取替えたりその位置を替えた
りする期間である。通常は原子炉の停止期の度に、燃料
バンドルの約１／３〜１／５を新しい燃料バンドルと取
替え、使用済みの燃料バンドルは廃棄する。さらに、そ
して通常は稼動寿命に応じて、燃料バンドルはその使用
期間（年齢）に基づいて原子炉内でその位置を取替え
る。

【０００７】燃料バンドルの位置の交換はその燃料バン
ドルの使用期間または相対稼動寿命に関連して行なうの
が典型的である。従来、取替用の新しい燃料バンドルの
配置は、燃料バンドルの設計マージンに関係なく原子炉
炉心を横切って均一な分布の燃料バンドルの設計に限定
されている。通常、新しい未使用の燃料バンドルは、原
子炉炉心の中で、本質的にその新たに配置された燃料の
動力学によって燃料設計中で炉心を均一に横切る望まし
い全体出力設計が調節される領域に配置される。中間の
運用寿命の燃料バンドルは、新たに加えられる燃料とバ
ランスをとった関係で炉心全体に均一に分配される。よ
り古い、ほとんど完全に消耗された燃料バンドルは、炉
心の周辺を取り巻いてリング状に配置されて、とりわけ
炉心からの中性子の漏れを最小限に維持する。このよう
に、過去において原子炉炉心内部のある立体配置に燃料
バンドルを分配するのに利用されてきたパラメーターま
たは「自由度」のひとつは、燃料バンドルの相対的な稼
動寿命である。

【０００８】反応度の異なるいろいろな燃料ペレット設
計をもつ燃料棒を収容している燃料バンドルを、原子炉
の炉心内でいろいろな炉心位置に配置することはすでに
知られている。いろいろな反応度を有する燃料バンドル
と燃料ペレットの設計の一例は、燃料バンドル内部の燃
料ペレットにガドリニウムを添加して燃料バンドルの運
転寿命中にその燃料バンドルをいわば「出力調節する(p
ower shaping) 」ことである。そのような出力調節は、
最初に沸騰水型原子炉の一般的な中性子密度特性を述べ
た後、どのように「出力調節された」燃料バンドルが沸
騰水型原子炉炉心内部の特定の位置に分布しているかを
述べることによって最も良く理解することができる。

【０００９】沸騰水型原子炉内部の燃料バンドルは下部
の「単相」領域と上部の「二相」領域とをもっている。
単純にいって、水が燃料バンドルの下方部分に入ったと
き、蒸気は存在しない。その水が燃料バンドル内を上昇
するにつれて、上向きに上昇する流体の蒸気になる割合
が増大する。このため、燃料バンドルの上部二相領域で
は、水が燃料バンドルの底部から燃料バンドルの頂部ま
で進むにつれてボイド率が次第に高くなるといわれてい
る。

【００１０】このボイド率特性は、原子炉炉心内部の個
々の燃料バンドルに共通であるばかりでなく、炉心全体
についてもいえることである。簡単にいうと、炉心全体
の底部は減速材の水の密度が比較的高く、炉心全体の頂
部は減速材の水の密度が比較的に低い（すなわち、蒸気
の「ボイド分率」が高い）。原子炉炉心における水のこ
のようないろいろな密度は、沸騰水型原子炉炉心内部の
核「中性子」密度に直接影響する。沸騰水型原子炉にお
いて主要な原子反応は高速の中性子を生成することを思
い起こされたい。これらの高速中性子は、反応を継続す
るためには低速または「熱」中性子にまで減速しなけれ
ばならない。原子炉内では、水からなる「減速材」がこ
の機能を果たす。

【００１１】特に、原子炉炉心の水に富む底部は、炉心
の周辺に向かって外側に伸びる熱中性子密度の高い領域
をもつ傾向がある。水に対するボイド率が高い原子炉炉
心頂部は、炉心頂部に、特に炉心の周辺領域に、中性子
密度が低い領域をもっている傾向がある。熱中性子密度
は燃料バンドル内の燃料棒から取り出せる出力と直接関
係するから、この中性子密度の変化はいわゆる「出力調
節された」燃料を炉心に装填する方法に直接関連してい
ることができる。

【００１２】（極めて簡略化した）上記の中性子密度は
別の要因のため複雑になっている。この要因は「熱／冷
反応度変化(hot to cold reactivity swing)」といわれ
るものである。この問題については、本明細書の開示目
的からみて、簡単に概略を述べれば充分であろう。原子
炉は、核反応という観点からみて、それが「冷(cold)」
状態にありまさに始動しようとするときに停止するのは
極めて困難である。この冷状態の原子炉は水の含量が高
い（すなわち、蒸気はほとんど、またはまったくな
い）。このため、最高の効率をもっているかまたは運転
できなくするのに有用な制御棒を炉心に挿入しないで、
原子炉を冷状態で停止し得ることは通常的な調節要件で
ある。

【００１３】このことを充分に理解して、熱反応度は原
子炉炉心全体に渡ってほとんど均一な現象であることに
注意すべきである。しかし冷反応度(cold reactivity)
は別の事象である。一般的な場合の冷反応度は原子炉全
体に渡って均一な現象であるが、最も臨界的な制御棒を
引抜くと冷反応度の測定は局部的な事象となる。原子炉
に関する現代の調節（および安全）実務では、原子炉を
停止するのが困難な「冷」状態で停止することの可能性
を（少なくとも理論的に）検討する必要がある。さら
に、この可能性のモデルとして、反応に対して最大の減
速効果を有する特定の制御棒は有効でないと仮定する。
このような制限の下で、ある燃料装填設計が、臨界状態
から少なくとも１％のマージン内で冷状態で停止するこ
とができるということを解析して示さなければならな
い。

【００１４】この場合、冷反応度は明らかに局部的な状
態であることを理解されたい。それは炉心全体に渡る冷
反応度に依存するばかりでなく、冷状態で核反応を停止
させるのに最も臨界的な効果を有する制御棒の付近にお
ける局部的な反応度にも依存する。さらに、これらの熱
／冷反応度変化は、現代の沸騰水型原子炉炉心の設計に
おいて必要とされる複雑な中性子密度相互作用というも
うひとつ別の要因を構成する。

【００１５】中性子密度のこのような変化を検討するた
めに、可燃性の中性子吸収材であるガドリニウムを燃料
ペレット中に用いて、いくつかの設計の燃料バンドルを
「出力調節」した。特に、原子炉炉心の外側で直径の１
／３までに配置した新しい燃料バンドルについては、燃
料バンドルの下部領域に収容されている燃料棒の方が、
燃料バンドルの上部二相領域にある同じ燃料棒より、線
発熱速度が高い傾向がある。この中性子密度の差は、典
型的にはそのような燃料バンドルの下部領域にガドリニ
ウムを配置することによって「調節」されたものであ
る。原子炉の寿命の第一サイクル（および第二サイクル
の一部）中、ガドリニウムはそのような燃料バンドルの
下部単相領域で余剰中性子を吸収し、そのような燃料バ
ンドルの線発熱速度を越えてしまうのを予防する。

【００１６】沸騰水型原子炉における中性子の吸収は決
して完全に有益なわけではないものと理解されたい。
「連鎖反応」に寄与しない中性子をそのように吸収して
も、所望の核反応に効果がないのは当然である。しか
し、稼動寿命の早期にあるそのような燃料バンドルに関
しては、過大な線発熱速度を防止することの効果は中性
子吸収による不利益を補ってなお余りある。残念なが
ら、燃料バンドルの寿命の残りのサイクルでは、燃焼し
て残っているガドリニウム中性子吸収材が速度は遅いが
中性子を吸収し続ける。すなわち、本質的に完全な寄生
であり、核反応に対して有害である。

【００１７】このようにガドリニウムで「出力調節し
た」設計にはもうひとつ別の困難な点がある。特に、添
加するガドリニウムの量は、再装填後炉心が形成された
とき予想される炉心の局部的出力に基づかなければなら
ない。したがって、燃料の設計者は、最初にこの全体出
力を予想し、その後理論的効率を達成するために燃料バ
ンドルに添加しなければならないガドリニウムの量と位
置を特定する。たとえば、線発熱速度を１０％向上させ
たいならば、この結果を達成するのに充分なガドリニウ
ムを燃料バンドルに添加する。

【００１８】残念ながら、そのような設計予想を正確に
間違いなくできるのは極めてまれである。さらに、設計
の予想過程を複雑にすることとして覚えておかなければ
ならないのは、（中性子吸収材として働く）ガドリニウ
ムが、このガドリニウムが添加されたバンドル内の局部
的な中性子密度に影響を及ぼすのみでなくて、局部的に
取り囲んでいる燃料バンドル（これらの多くは稼動寿命
範囲内にある）にも影響を与えるということである。こ
のような燃料の性能を予言する過程は複雑であることが
分かろう。上で挙げた例についていうと、線発熱速度の
１０％向上が予見され、この結果を達成するのに充分な
ガドリニウムが添加されたとしても、現実に必要なガド
リニウムはさまざまに異なる可能性がある。たとえば、
たった８％のマージンが必要とされることもあれば、１
２％のマージンが必要であったことが分かることもあ
る。いずれの場合も、ガドリニウム設計は最適とは言え
ず、燃料サイクルにおいては効率を悪くする。

【００１９】燃料バンドルの寸法はほとんどの場合もと
もとの原子炉の設計によって固定されている。したがっ
て、ほとんどの燃料バンドルは長さが１６０インチ程度
で、断面寸法が６インチ×６インチの程度である。そこ
で、現代の燃料バンドルの設計には、そのような燃料バ
ンドルの内容量を変更することが含まれている。ほとん
どの場合全体の寸法は不変である。内部の燃料バンドル
の設計を変えるには、燃料棒列の密度、燃料棒の長さお
よび燃料バンドル内のスペーサ設計を変更する。２つの
異なる設計条件を有する２つの異なる設計の一例を推定
することができ、本発明の燃料バンドルの炉心配置に関
連している。

【００２０】以下、臨界出力と線発熱速度の設計条件に
ついて順次述べる。ただしここでは、これらの設計条件
の概要を述べるにとどめる。このような設計条件を完全
に理解するのは複雑であるので当業者に委ねることとす
る。以下、これらの設計条件に対する許容度が異なる燃
料バンドル設計の特別な例を２つ挙げる。ここで、臨界
出力について多少説明しておこう。

【００２１】核燃料バンドルの内部の燃料棒は液体の水
−蒸気で連続して覆われているのが好ましい。この液体
の水−蒸気の被覆は一定の割合で水蒸気（スチーム）に
変わり、通過する冷却材の水−水蒸気流によって一定の
割合で補充される。その結果、この水の被覆により、沸
騰水型原子炉内の燃料棒のクラッディング(cladding)が
一定の温度を維持できるようになる。

【００２２】燃料棒から取り出される出力が高くなり過
ぎたら、この冷却材の水の被覆はいわゆる「沸騰遷移」
過程によって遮断される。燃料棒のクラッディングの外
部にある水の被覆は局部的に遮られて消失する。この遮
断の領域にあるクラッディングはすぐに過熱し、その燃
料封じ込め特性を逆に変化させ、局部的に破壊されるよ
うになる危険な状態になり得る。このような燃料棒はそ
の「臨界出力」を越えたといわれる。

【００２３】いわゆる「臨界出力比」は、燃料棒を臨界
出力で作動させるのに理論的に必要な出力の、その燃料
棒の現在の出力レベルと比較した（すなわち、後者の出
力レベルで除算した）比である。この臨界出力比が大き
くなればなるほど臨界出力限界に対するマージンは大き
くなる。臨界出力比が小さくなれば運転状態と理論的臨
界出力限界とのマージンは小さくなる。したがって、
（最小の）１という臨界出力は（理論的な）燃焼事象に
一致するであろう。この場合、臨界出力との「マージ
ン」はない。

【００２４】「臨界出力」は有用な設計条件として利用
されていることを理解されたい。設計はその臨界出力標
準の付近でなされるが、通常は前記の比で燃料棒の運転
条件測定の誤差として約０．０７および原子炉の寿命の
間遭遇する可能性が予想される一時的な状態（原子炉運
転状態に通常予想されるが好ましくない変化）として約
０．１４の許容度がある。

【００２５】もうひとつ別のタイプの燃料バンドル設計
条件は「線発熱速度」である。単位長さ当たり過剰量の
出力を出す燃料棒は、線発熱速度といわれるものを越え
る可能性がある。燃料棒のセグメントに沿ってこの線発
熱速度を越えると、その燃料棒内の燃料とガスから過大
な圧力が発生し、一方燃料棒の回りのクラッディングは
過熱のために劣化する。したがって、線発熱速度（およ
びこれに匹敵する、許容可能な最小平面発熱速度といわ
れバンドル全体に渡る機能）が設計基準として使用され
る。臨界出力と同様に、線発熱速度および許容可能な最
小平面発熱速度は設計条件として用いられ、多少の許容
度が加わる。

【００２６】公知の燃料バンドルのひとつのタイプは最
小臨界出力比制限に対して特に良好な耐性がある。特定
すると、そのような再装填用燃料は、ゼネラル・エレク
トリック社(General Electric Company)の米国カリフォ
ルニア州サンジョーズ(San Jose)のオフィスからＧＥ９
およびＧＥ１０という商品名で販売されている。この燃
料バンドルは、８×８本の密度の全長燃料棒６０本から
なるマトリクスを含んでおり、マトリクス中の中央の４
本の燃料棒は中央の大きいウォーターロッドで置き換え
られている。この燃料バンドルの改良された臨界出力は
部分的にフェルールスペーサ(ferrule spacer)に起因す
る。このフェルールスペーサは燃料バンドルの上部二相
領域で燃料棒の回りの水の被覆を保存して遷移沸騰の起
こるのを遅らせるように働く。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】残念ながら、これらの
燃料バンドルの設計は線発熱速度とのマージンが小さめ
である。したがって、これは主として、その線発熱速度
マージンによって制限されるということができる。公知
の燃料バンドルのもうひとつのタイプは、許容可能な最
小平面発熱速度または線発熱速度に対して特に良好な耐
性をもっている。ゼネラル・エレクトリック社(General
Electric Company)からＧＥ１１という商品名で販売さ
れている燃料バンドル設計は、この設計条件に対して特
に良好な耐性をもっている。簡単に述べると、このよう
な燃料バンドルは前記のものより燃料バンドルの棒の密
度が大きい。すなわち、この燃料バンドルの設計では９
×９本程度の燃料棒マトリクスである。この高めの密度
の燃料棒により、これらの設計の燃料バンドルでは個々
の燃料棒からその回りの冷却材への熱伝達がより速くで
きるようになる。したがって、これらの燃料棒は、線発
熱速度または許容可能な最小平面発熱速度に関連する制
限に対して簡単に屈服することはない。

【００２８】さらにまた、これらの燃料バンドルはいわ
ゆる部分長燃料棒も含んでいる。これらの部分長燃料棒
はそれを支持する下部タイプレートから上部タイプレー
トまでの距離全体よりは短い長さで伸びている。この全
長より短い長さのため、原子炉の「冷」状態で、これら
の燃料棒より上の間隔は水で満たされる。この水で満た
されるために、このような燃料バンドルの熱／冷反応度
変化が増大する。

【００２９】残念なことに、これらの燃料バンドルは、
燃料棒の直径が小さめであることに関連して熱定数が短
めであるので、臨界出力に関連した（予想される一時的
状態に対処する）設計マージンが小さめである。したが
って、この燃料バンドルはその臨界出力マージンによっ
て制限される。従来、炉心の再装填は、原子炉の所有者
の指令により、所与のサイクルに対してひとつのタイプ
の燃料設計を原子炉全体に分配することであった。この
実務に対するたったひとつの例外は、燃料バンドルの在
庫品を利用するために、前述したガドリニウムによる
「出力調節」を行い乍ら、マージン制限に関係なくさま
ざまな設計の燃料を間欠的に分散させることである。燃
料バンドルの特に有利な制限マージンが、総計として、
改良された原子炉出力アウトプットに寄与することがで
きる特定の炉心位置に特定の設計の燃料バンドルを利用
することは知られていない。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、再装填
しようとする沸騰水型原子炉の炉心に関連して、改良さ
れた炉心再装填用燃料と再装填法が開示される。この炉
心再装填用燃料は、臨界出力と線発熱速度に対して異な
る設計マージンを有する燃料バンドルの混合物で構成さ
れている。特に、炉心再装填用燃料の第一の部分は、比
較的高い臨界出力マージンと比較的低めの線発熱マージ
ンを有する燃料バンドルの中から選択される。炉心再装
填用燃料の第二の部分は、比較的高い線発熱マージンと
比較的低い臨界出力マージンを有する燃料バンドルの中
から選択される。再装填された燃料バンドルの原子炉炉
心全体における分布は、臨界出力マージンと線発熱速度
マージンの関数となっている。特に、高い臨界出力マー
ジンを有する燃料バンドルは円筒形炉心の中央部分から
定められた間隔で配置される。高い線発熱マージンを有
する燃料バンドルは炉心の周辺領域に配置される。その
結果、従来技術に従って炉心全体に均一に分布するひと
つのマージン設計を利用して達成することができる全体
出力を越える全体出力を有する全炉心装填が達成され
る。

【００３１】本発明の燃料バンドルの設計によると、予
想もされなかった利点が得られる。燃料バンドル分布
は、その燃料バンドルを配置する領域に局限して予想さ
れる燃料バンドル出力設計には基づいていない。むし
ろ、有利な臨界出力マージンと線発熱速度マージンを有
する燃料バンドルが、それに隣接する局部的燃料バンド
ルの予言される特性に関係なく炉心に加えられる。こう
して、燃料バンドルの設計マージンが完全に実現され、
これはその新しい燃料バンドルまたはそれを取巻く隣接
の燃料バンドルのいずれの予言される性能にも依存して
いない。

【００３２】まったく予想もされなかった添加要素はＧ
Ｅ１１設計に存在する。特定的にいうと、これらの燃料
バンドルは比較的密度の高い９×９本の燃料棒を収容し
ているばかりでなく、部分長の燃料棒ももっている。こ
れらの部分長燃料棒は改良された熱／冷反応度変化をも
っていることが知られている。さらに、ほとんどの炉心
形状と同じく、核反応の停止に利用される最も臨界的な
制御棒は、円筒形の炉心の中心から周辺に向かう半径の
約２／３のところにある。言い換えると、本発明の好ま
しい態様において部分長燃料棒をもった９×９本の混ん
だ燃料棒を配置することは、この領域の熱／冷反応度変
化を改良する必要性と一致する。その結果、ガドリニウ
ムはまったく燃料設計に使用する必要がないか、または
より効率の良い核反応を実現するためにより限られた量
で使用することができる。

【００３３】

【実施例】図１に典型的な燃料バンドルの構成を図示し
た。この構造は垂直方向を一部省略してあるので、燃料
バンドルの一般的な寸法を覚えておくことが重要であ
る。一般に、燃料バンドルは長さが１６０インチ程度で
あり、断面積が６インチ×６インチの程度である。

【００３４】図１に示した燃料バンドルは、下部タイプ
レート１４、上部タイプレート１６、およびその間に直
立する複数の燃料棒Ｆが見えるように切り欠いてある。
燃料バンドルＢは、タイプレートの間でチャネルＣが取
り巻いている。運転時には減速材としての水が上方に向
かって下部タイプレート１４を通り、チャネルＣ内で燃
料棒Ｆの回りに限定された流体流路を通る。この制限さ
れた流体流路内を通る水は燃料棒Ｆの表面で一定の割合
の水蒸気を発生し、上部タイプレート１６を通り抜けて
エネルギーの生成を含めてさらに加工・処理される。こ
の図に示した流路は例示の目的であるのでスペーサＳ１
（最も上部のスペーサ）がひとつしか示されていない。
垂直方向に等間隔で配置されたスペーサＳを５〜９個、
通常は７個使用して、そうでなければ撓みやすい個々の
燃料棒をその設計された並んだ関係に維持する。

【００３５】図２（Ａ）に、ＧＥ９またはＧＥ１０とい
うタイプの燃料バンドルの断面を示す。この断面図はス
ペーサＳ１の近くでとったものである。８×８本のマト
リクス状に並んだ燃料棒Ｆがあり、中央の４本の燃料棒
は中央の大きい１本のウォーターロッドＷによって置き
換えられている。スペーサＳはフェルールタイプであ
り、フェルールの詳細を図２（Ｂ）に示す。

【００３６】図２（Ｂ）を参照すると、スペーサＳ１の
フェルール２０は各々がそれぞれ独立に燃料棒Ｆを取り
巻いていることが分かる。このようなフェルールスペー
サを通って流れる水蒸気−水混合物は、その流れが、ス
ペーサのすぐ上（または下流）の領域内の燃料棒Ｆに限
定されることが判明した。特に、臨界出力制限の防止に
必要とされる水被覆は、水蒸気−水混合物がスペーサＳ
１を通って上方に通過した後この下流領域で高められ
る。この効果は、原子炉の上部二相領域で、特に第二、
第三のスペーサ（すなわち、スペーサＳ２、Ｓ３−図
示してない）で最も顕著である。

【００３７】図３（Ａ）には、ＧＥ１１の構造に従って
構築された燃料バンドルの断面を示す。特に、９×９本
の燃料棒Ｆが示されており、中央の７本の燃料棒がマト
リクスの中心から外されて２つの大きいウォーターロッ
ドＷ１とＷ２によって置き替わっている。これらの燃料
バンドルはスペーサＳ１の近くが図示されており、１０
本の部分長燃料棒Ｆ′が示されている。

【００３８】図３（Ｂ）に示した燃料バンドルＢの頂部
の概略透視図と図３（Ａ）とを両方同時に参照すると部
分長燃料棒Ｆ′の配置を理解することができる。簡単に
述べると、部分長燃料棒Ｆ′は、その部分長燃料棒が全
長燃料棒に隣接するような位置で燃料バンドル内に分配
されている。この部分長燃料棒の複雑な相互作用を説明
することは本明細書の目的ではない。むしろ、強調すべ
き重大なポイントは、９×９本のマトリクスに部分長燃
料棒Ｆ′を加えると、改良された線発熱速度と改良され
た熱／冷反応度変化とを両方とも有する燃料バンドルが
得られるということである。

【００３９】２つのタイプの好ましい燃料バンドル構造
について説明したが、ここで、原子炉炉心内部のそれぞ
れの配置に注意を向けることができる。図４を参照する
と、典型的な炉心の１／４が図示されている。図示した
炉心Ｒは、図示の１／４の断面図で、１３×１３本の燃
料バンドルのマトリクスを基礎としている。炉心は原子
炉容器のほぼ円形の断面の中に嵌まる必要がある。従っ
て炉心はほぼ円形でなければならない。このためには、
いくつかの燃料バンドルを、図４の右上にあるこの１／
４の断面から省略する。

【００４０】さらに、この炉心バイパス領域は単に概略
的に示されているだけであることが分かる。水が満たさ
れており、制御棒Ｄが貫通するのがこの領域である。ま
た、燃料バンドルＢの間には制御棒Ｄが点在しているこ
とが分かる。これらの制御棒Ｄはそれぞれが、４つの燃
料バンドルＢの間の隙間にある炉心バイパス領域を貫通
している。すべての制御棒が挿入されると反応は停止す
る。制御棒を引き抜くと反応が始まる。

【００４１】図に示されている燃料バンドルのほぼ１／
４には「ｘ」か「ｙ」のマークが付けられている。原子
炉の停止期の間、燃料バンドルの再配置の前の原子炉状
態のいくつかの説明は有益である。原子炉が停止期に入
ったら古い使用済みの燃料バンドルを廃棄する（通常は
燃料バンドルの１／３〜１／５）。その後、少なくとも
１回の燃料サイクルは使用したがそれぞれの燃料サイク
ルのすべては使用していない燃料バンドルを、（通常
は）稼動寿命に依存して原子炉内で移動して入れ替え
る。そのような入れ替え後の原子炉の状態を図示した。
「ｘ」または「ｙ」のマークが付いている燃料サイクル
位置は空であると仮定する。すぐに分かるように、これ
ら２つの位置に、図２（Ａ）、（Ｂ）（位置「ｙ」）お
よび図３（Ａ）、（Ｂ）（位置「ｘ」）の燃料バンドル
を配置するのである。

【００４２】炉心の燃料バンドルの配置の説明を上記の
ように特定の配列でしたのは理解し易くするためであ
る。しかし、最終的な配置のみが要求されるものと理解
すべきである。実際の原子炉の再装填（および修復）に
は、ここに例示した配列からかなりの変形が必要とされ
るかもしれない。図４では、１４０本の燃料バンドルが
示されており、図示した１／４の炉心断面内で２８本の
燃料バンドルが取り替えられることが容易に確認され
る。したがって、１／４の部分すべてを合わせると５６
０本の燃料バンドルを含んでおりそのうちの１１２本の
燃料バンドルが取り替えられる原子炉の炉心Ｒが図示さ
れていることになる。

【００４３】さらに、図示の炉心Ｒの内側の部分は１３
個の「ｙ」位置が図２（Ａ）と（Ｂ）の構造を有する燃
料バンドルＢと取り替えられる。これらの全長燃料棒を
有する８×８のマトリクスでは炉心全体で合計するとそ
のような燃料バンドルが約５２本となる。同様に、図示
の炉心Ｒの外側の部分は１５個の「ｘ」位置が図３
（Ａ）、（Ｂ）の構造を有する燃料バンドルＢと取り替
えられる。これらの部分長燃料棒を有する９×９のマト
リクスでは炉心全体で合計するとそのような燃料バンド
ルが約６０本となる。

【００４４】一般的説明として、比較的高い臨界出力マ
ージンと比較的低めの線発熱速度マージンを有する燃料
バンドルＢは原子炉炉心の中央部分を占めることが分か
る。また、比較的高い線発熱速度マージンと比較的低め
の臨界出力マージンを有する燃料バンドルＢは原子炉炉
心の周辺部分を占める。すでに説明したように、制御棒
Ｄ′のような制御棒は原子炉内で最も臨界的な制御棒を
構成することができる。したがって、これらの位置で、
高めのマトリクス密度と部分長燃料棒を有する燃料バン
ドルを利用するのが好ましい。

【００４５】以上を要約すると、本出願によれば、再装
填される沸騰水型原子炉の炉心に関連して改良された炉
心再装填用燃料と再装填方法が開示されている。この炉
心再装填用燃料は、臨界出力と線発熱速度に対して異な
る設計マージンを有する燃料バンドルで構成されてい
る。特に、炉心再装填用燃料の第一の部分は、比較的高
い臨界出力マージンと比較的低めの線発熱マージンを有
する燃料バンドルの中から選択される。炉心再装填用燃
料の第二の部分は、比較的高い線発熱マージンと比較的
低い臨界出力マージンを有する燃料バンドルの中から選
択される。再装填された燃料バンドルの原子炉炉心全体
における分布は、臨界出力マージンと線発熱速度マージ
ンの関数となっている。特に、高い臨界出力マージンを
有する燃料バンドルは円筒形炉心の中央部分から定めら
れた間隔で配置される。高い線発熱マージンを有する燃
料バンドルは炉心の周辺領域に配置される。好ましく
は、直径で考えて炉心の２／３〜１／３には、高い臨界
出力マージンの燃料バンドルを含む燃料バンドル装填燃
料を点在させる。炉心の外側の１／３には、高い線発熱
速度マージンを有する燃料バンドル装填燃料を点在させ
る。その結果、従来技術に従って炉心全体に均一に分布
するひとつのマージン設計を利用して達成することがで
きる全体出力を越える全体出力を有する全炉心装填が達
成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の燃料バンドルの透視図であり、下部
タイプレート、上部タイプレート、典型的なスペーサ、
および周囲のチャネルが示されている。このバンドルは
一般的な例示の目的で挙げただけである。

【図２】（Ａ）は、８×８本の燃料棒からなるマトリク
スをもち中央の４本の燃料棒が中央の大きいウォーター
ロッドで置き換えられている従来技術の燃料バンドルの
断面図である。この図は、比較的高い臨界出力マージン
と比較的低めの線発熱速度マージンを有する燃料バンド
ルを示している。（Ｂ）は、燃料バンドルの上部二相領
域のフェルールスペーサにおけるいくつかの燃料棒の透
視図であり、上昇する上記−水混合物がフェルールを通
過し、燃料棒の回りの上記−水混合物が保存されて臨界
出力が改良される様子を概略的に示している。

【図３】（Ａ）は、９×９本の燃料棒からなるマトリク
スをもちその燃料バンドルマトリクスの中央の部分が２
本のウォーターロッドで置き換えられている従来技術の
燃料バンドルの断面図である。この図は、比較的高い線
発熱速度マージンと比較的低めの臨界出力マージンを有
する燃料バンドルを示している。（Ｂ）は、燃料バンド
ルの上部二相領域における熱／冷反応度変化を改善する
９×９列の燃料棒と部分長の燃料棒を有する燃料バンド
ルの概略透視図である。

【図４】原子炉の炉心で切った断面図であり、再装填さ
れた燃料バンドルの数が特定されており、高い臨界出力
マージンの燃料バンドルが炉心の中央部分に好ましく分
散されている様子と、高い線発熱速度マージンの燃料バ
ンドルが炉心の外側の部分に好ましく分散されている様
子とを示しており、この結果、２つのマージン設計の再
装填燃料の組み合わせでどちらかの再装填設計のみの分
布の場合より大きい全原子炉出力を得ることが可能にな
る。

【符号の説明】

１４下部タイプレート１６上部タイプレート２０フェルールＢ燃料バンドルＣチャネルＤ、Ｄ′ 制御棒Ｆ燃料棒Ｆ′ 部分長燃料棒Ｒ炉心Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３スペーサＷ、Ｗ１、Ｗ２ウォーターロッドｘ燃料バンドルの再装填位置ｙ燃料バンドルの再装填位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒形の炉心と垂直に直立する複数の燃
料バンドルとを有する沸騰水型原子炉の再装填用燃料で
あって、前記バンドルの１／３〜１／５が前記炉心から
取出され、かつ前記再装填用燃料を構成している相当す
る複数の燃料バンドルと取替えられ、前記再装填用燃料は、比較的高い臨界出力マージンおよび比較的低めの線発熱
マージンを有する燃料バンドルの中から選択される炉心
再装填用燃料の第一の部分と、比較的高い線発熱マージンおよび比較的低い臨界出力マ
ージンを有する燃料バンドルの中から選択される炉心再
装填用燃料の第二の部分とを組み合わせて含んでおり、前記高い臨界出力マージンをもつ前記燃料バンドルを有
する前記炉心再装填用燃料の前記第一の部分は円筒形炉
心の中央部分に分散した間隔で配置されており、前記高い線発熱速度をもつ前記燃料バンドルを有する前
記炉心再装填用燃料の前記第二の部分は前記炉心の、周
辺部分で前記炉心の側縁により近い部分に分散した間隔
で配置されており、その結果、前記第一の燃料バンドル
群または前記第二の燃料バンドル群のいずれかを炉心全
体に均一に分布させることによって達成することができ
る出力を越える全体出力を有する全炉心装填が達成され
る、炉心再装填用燃料。
【請求項２】前記炉心再装填用燃料の前記第一の部分
が８×８本の燃料棒からなるマトリクスを含有する燃料
バンドルを含んでおり、前記マトリクスの中央の燃料棒
４本が１本の大きい中央ウォーターロッドで置き換えら
れている、請求項１記載の炉心再装填用燃料。
【請求項３】前記炉心再装填用燃料の前記第一の部分
がさらに、前記燃料バンドルの臨界出力を改良するため
のフェルールスペーサを前記燃料バンドルの上部二相領
域に含有する燃料バンドルを含んでいる、請求項２記載
の炉心再装填用燃料。
【請求項４】前記第一の炉心再装填用燃料が８×８本
の燃料棒からなるマトリクスを含有しており、前記第二
の炉心再装填用燃料が８×８本より大きい密度のマトリ
クスを含有している、請求項１記載の炉心再装填用燃
料。
【請求項５】前記炉心再装填用燃料の前記第二の部分
が部分長燃料棒を含有する燃料バンドルを含んでいる、
請求項１記載の炉心再装填用燃料。
【請求項６】円筒形の炉心と垂直に直立する複数の燃
料バンドルとを有しており、前記バンドルの１／３〜１
／５が前記炉心から取出されかつ再装填用燃料を構成し
ている相当する複数の燃料バンドルと取替えられる沸騰
水型原子炉の再装填方法であって、前記燃料バンドルの１／３〜１／５を前記炉心から取出
し、前記炉心から取出されずにその中に残っている燃料バン
ドルを再配置して、前記炉心の周辺境界上にある燃料バ
ンドルから離間して前記炉心の内部全体に渡り均一に前
記再装填用燃料を受容する間隔をランダムに定め、比較的高い臨界出力マージンおよび比較的低めの線発熱
マージンを有する複数の第一燃料バンドルと、比較的高
い線発熱マージンおよび比較的低い臨界出力マージンを
有する複数の第二燃料バンドルとを含む再装填用燃料バ
ンドルを用意し、比較的高い臨界出力マージンおよび比較的低めの線発熱
マージンを有する前記燃料バンドルの中から炉心再装填
用燃料の第一の部分を選択し、比較的高い線発熱マージンおよび比較的低い臨界出力マ
ージンを有する前記燃料バンドルの中から炉心再装填用
燃料の第二の部分を選択し、前記炉心再装填用燃料の前記第一の部分を前記炉心の中
央部分に前記ランダムに定められた間隔で配置すること
により、前記高い臨界出力マージンを有する前記燃料バ
ンドルを円筒形炉心の中央部分に分散した間隔で配置さ
せ、前記炉心再装填用燃料の前記第二の部分を前記炉心の中
央部分を取囲んで前記ランダムに定められた間隔で配置
することにより、前記高い線発熱速度を有する前記燃料
バンドルを前記炉心の周辺部分で前記炉心の側縁により
近い部分に分散した間隔で配置させ、その結果、前記第一の燃料バンドル群または前記第二の
燃料バンドル群のいずれかを炉心全体に均一に分布させ
ることによって達成することができる出力を越える全体
出力を有する全炉心装填を達成する、炉心再装填方法。
【請求項７】前記炉心再装填用燃料の前記第一の部分
を用意する段階が、８×８本の燃料棒からなるマトリク
スを含有しており、前記マトリクスの中央の燃料棒４本
が１本の大きい中央ウォーターロッドで置き換えられて
いる燃料バンドルを用意することを含んでいる、請求項
６記載の炉心再装填方法。
【請求項８】前記炉心再装填用燃料の前記第一の部分
を用意する段階がさらに、前記燃料バンドルの臨界出力
を改良するためのフェルールスペーサを前記燃料バンド
ルの上部二相領域に含有する燃料バンドルを用意するこ
とを含んでいる、請求項７記載の炉心再装填方法。
【請求項９】前記用意された前記第二の炉心再装填用
燃料が８×８本より大きい密度を有する燃料棒のマトリ
クスを含有している、請求項６記載の炉心再装填方法。
【請求項１０】前記炉心再装填用燃料の前記用意され
た第二の部分が、部分長燃料棒を含有する燃料バンドル
を含んでいる、請求項６記載の炉心再装填方法。