JPH0627277A - 沸騰水型原子炉の作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 作動後燃料集合体のあるものを１８０度回転
させることにより燃料コストを著しく節約する沸騰水型
原子炉を作動する方法である。 【構成】 沸騰水型原子炉は断面が概ね正方形の複数の
垂直燃料集合体（３０，３０ａ）を含み、各燃料集合体
が相互に対して垂直で、中間の水ギャップ（２７ａ，２
７ｂ）によって分離されている二列の燃料集合体に含ま
れている炉心を有する。相互に対して垂直の燃料集合体
の垂直の二辺の各々は、その反対側の垂直の辺が面して
いる水ギャップより幅の大きい水ギャップに面してい
る。少なくとも２年間の作動サイクルの後、完全な作動
サイクルの間使用され、炉心から最も離れた縁部ゾーン
（２５）に位置する燃料集合体の大部分は各燃料集合体
の垂直中心線の周りで１８０度回され、次の原子炉の作
動サイクルに対して使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、断面が概ね四角で格子
状に配置された複数の垂直の燃料集合体を含み、各燃料
集合体が、相互に対して垂直で、中間水ギャップにより
分離された２列の燃料集合体に含まれ、相互に対して垂
直である燃料集合体の垂直方向の二辺の各々が、反対側
の垂直の面が面している水ギャップより幅の大きい水ギ
ャップに面している炉心を備えた沸騰水型原子炉の作動
方法に関する。各燃料集合体は複数の垂直配置の燃料棒
を含んでいる。炉心はまた多数の制御棒を含み、該制御
棒の各々は中性子吸収材を備えた４個の垂直配置のブレ
ードを含み該ブレードは垂直方向の十字を形成し、かつ
燃料集合体の広幅の水ギャップには挿入しうるが狭幅の
水ギャップには挿入できない。

【０００２】

【従来の技術】前述の種類の原子炉の燃焼が最小の許容
芯反応度限界値に達するまで進行すると部分再チャージ
が実行される。交換すべき量の燃料と、交換燃料の濃縮
度とを適当な要領で均衝させることにより、次の燃料供
給が行われるまであるエネルギ出力を許容する過度の反
応度が得られる。部分再チャージの間、例えば燃料の５
分の１を、二回目の作動年度の終りから各作動年度（あ
るいはいずれかの適当な作動年度）に交換することがで
きる。このことは、例えば燃料が安定状態で５年間炉心
に留っているか、あるいは初期段階の間交換された燃料
の部分がより短い時間使用されることを意味する。

【０００３】燃料の再補給は燃料集合体が炉心から引き
出され、通常炉心内に残っている燃料集合体を適当に移
した後新鮮な燃料を備えた燃料集合体が空の空間へ挿入
されるようにして実施される。炉心内の適度のパワー分
布と適度の反応度を達成するために燃料集合体が移しか
えられる。

【０００４】前述の種類の原子炉においては、燃料集合
体の濃縮度分布は通常不均一である。高濃縮度、即ち核
分裂性材料の高含有量の燃料棒が、減速が最低で、低濃
縮度である狭い水ギャップに沿って位置され、低濃縮
度、即ち核分裂性材料の低含有量の燃料棒が減速の良好
な広い水ギャップに沿って位置される。このことは、燃
料集合体が比較的新しく、高パワーであるとき熱限界値
に関する性能が良好となるために必要なことである。こ
の場合の熱限界値は主として乾燥に関しての限界値、即
ち燃料集合体における燃料棒に水の膜が破れる危険性の
ある場合のパワーに関する限界値と、核燃料の材料が膨
張する結果核燃料を囲む被覆材に対して燃焼棒の直線パ
ワー密度が損傷を加える危険性のある場合のパワーに関
してこの限界値を意味する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、作動サイク
ルの間使用されるある燃料集合体を各燃料集合体の垂直
軸心の周りで１８０度回転させ、前述の熱限界値の保持
を損うことなく後続の作動サイクルの間前記燃料集合体
を使用し、一方同時に例えば内部形状係数や運転停止限
度のような原子炉の作動に対するその他の限界係数要件
を満足させることにより燃料コストを著しく節約しうる
という認識に基いている。高濃縮燃料が広い水ギャップ
に対面するようになるので燃料集合体を回転させること
により著しい反応度のゲインを得ることができる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、少なくとも２年間の原子炉の作動時間の後、作動
中使用された燃料集合体で炉心から最も離れた縁部ゾー
ンに位置しているか、あるいは作動サイクル後縁部ゾー
ンに移された燃料集合体の少なくとも大部分が各燃料集
合体の垂直中心線の周りで１８０度回転され、縁部ゾー
ンは炉心の周りを延在し、かつ炉心から最も離れた３個
の燃料集合体を含んでおり、このように回転させられた
燃料集合体が原子炉の次の作動サイクルに対して使用さ
れることである。前述の縁部ゾーンにおいて、ある燃料
集合体は炉心内で移された後十分高度に燃焼され、その
回転を可能とする十分低いパワーを供給することができ
る。また縁部ゾーンの内側に位置し、高度に燃焼された
ため低パワーである燃料集合体も炉の作動を損うことな
く回転させることができる。

【０００７】炉の部分的な再チャージに関連して燃料集
合体の回転を実施することが特に適当である。前述のよ
うに、再チャージの間完全な作動サイクルの間使用した
燃料集合体のあるものは新しい燃料集合体と交換され、
あるものは炉心内での新しい位置へ移される。

【０００８】本発明の好適実施例においては、本発明
は、各燃料集合体が概ね十字形断面の垂直水チャンネル
によって分離された４個の垂直の小組立体から構成され
る原子炉に適用される。もし各燃料小集合体が５×５の
棒の格子状に配置された２５本の燃料棒と非エネルギ発
生棒とから構成させるか、あるいは５×５の棒の格子に
配置されるが水チャンネルの中央部を大きくするため十
字形水チャンネルの中心線に最も近く位置した棒を外し
た２４本の燃料棒と非エネルギ発生棒とから構成される
とすれば前述の種類の燃料組立体により特に好ましい結
果が得られる。前述のように大量の燃料棒を有する燃料
集合体を用いることにより、所定量の燃料に対する燃料
棒の伝熱面は比較的大きくなり、本発明によって得られ
る結果を利用する可能性を向上させる。本発明の他の適
当な実施例によれば、特に各燃料集合体は９×９、１０
×１０あるいは１１×１１の燃料棒あるいは小組立体に
分割されることなくそれ以上の燃料棒から構成しうる。

【０００９】本発明を添付図面を参照して実施例を説明
することにより詳細に説明する。

【００１０】

【実施例】図５、図６および図７は図２および図８より
増尺して示す。

【００１１】図１および図２に例示する燃料集合体３０
は、断面が概ね正方形の燃料チャンネル１を有してい
る。燃料チャンネルは、冷却水および減速水のための円
形で下方に面した入口開口３を備えた底部分２の上方四
角部分を大した遊びもなく囲んでいる。底部分２は燃料
チャンネル１を支持する他、支持プレート４も支持して
いる。燃料チャンネル１はその下部分において比較的厚
肉の部分を有し、この部分は鎖線５で示す数個の水平方
向のボルトにより底部２と支持プレート４とに固定する
ことができる。燃料チャンネルは、該チャンネルの４個
の壁に固定されている中空のチャンネル形成支持部材７
により４個の垂直部分６に分割されている。チャンネル
形成支持部材は４個の中空のウイング８と中空で拡大さ
れた十字形中央部２３とから構成され、断面が十字形の
垂直チャンネル２４を形成している。チャンネル２４は
その下部において減速水用の入口チューブ９に接続され
ている。４個の垂直部分６は小組立体を形成し、該小組
立体の各々は５×５本の棒を含む対称形格子状に配置さ
れた燃料棒１０の束を含み、各束は均一に分配された燃
料棒の四角の格子から１つの隅の１本の棒が除去されて
角の欠けた部分を有している。各小組立体は格子状底部
結着プレート１１と、格子状頂部結着プレートと、複数
のスペーサ１３とを備えて配置されている。燃料チャン
ネル１と、チャンネル形成部材７と、スペーサ１３とは
例えばジルカロイ４のようなジルコニウム合金から作る
ことができる。４個の底結着プレート１１は支持プレー
ト４によって支持され、それらはそれぞれ支持プレート
の各々の四角孔１４に部分的に挿入されている。各小組
立体において、燃料棒の少なくとも１本は比較的長いね
じを切ったプラグを備え、下端プラグは底結着プレート
１１を通され、かつナット１５を備え、上端プラグは頂
部結着プレート１２を通り、ナット１６を備えている。
燃料棒１０は、相互に重ねられ、ジルカロイ２の被覆チ
ューブに密閉された二酸化ウラニウムの多数の円形の円
筒形ペレットから構成されている。

【００１２】燃料チャンネル１の上端部分は、燃料チャ
ンネルの内壁面と部分的に接触する昇降プレート１７を
囲む。昇降ハンドル１８が昇降プレート１７に接続さ
れ、共に一体鋳造の鋼製昇降部材を形成する。昇降プレ
ート１７は、例えば垂直バー１９を支持部材７の各ウイ
ング部分８に挿入し、かつ固定することによりチャンネ
ル形成支持部材に固定される。各バー１９は頂部におい
て垂直方向のボルト状部分２０を有し、該ボルト状部分
は昇降プレートの中間部にある対応する孔に遊びをつけ
て通され、ナット２１が設けられる。図から明らかなよ
うに、燃料チャンネル１には、長手方向に間欠的に配設
されたくぼみが設けられ、それにチャンネル形成支持部
材が固定される。

【００１３】図３に概略図示する炉心は水ギャップの間
の燃料集合体のみを示し、炉心におけるそれらの間の制
御棒は示されていない。炉心から最も離れて位置する縁
部ゾーン２５における燃料集合体は×の印を付し、３０
ａで指示している。その内側において炉心は２５で示す
中央ゾーンを有している。図示例においては、炉心は計
画した最終燃焼が４０Ｍｗｄ／kgＵ以上である７４６個
の燃料集合体を有している。

【００１４】図４は図３に示す炉心の小部分を示す。こ
の部分は図１および図２に示す種類の９個の全体燃料組
立体３０，３０ａを含んでいる。燃料組立体の中、１個
のみ詳細に示し、他のものは単に中空の四角として示し
ている。各小組立体６内での燃料棒１０の間の空間には
チャンネル２４と同様水が流れる。燃料集合体の間の空
隙２７ａおよび２７ｂにも水が流れせる。制御棒２８を
挿入しうる空隙２７ａは制御棒を挿入することのできな
い空隙２７ｂより広い。１本以上の燃料棒を非エネルギ
発生棒に代えてもよい。このように、例えば棒２９（図
２と図４）はジルカロイ２製の中実の棒あるいは水を充
てんした棒で代えることができる。制御棒２８は垂直方
向の十字を形成するブレード２８ａ，２８ｂ，２８ｃお
よび２８ｄを有する。炉心の図示部分における全体燃料
集合体の中、３０ａで指示する３個は縁部ゾーンに含ま
れ、炉心から最も離れて位置する２列の組立体内に位置
する一列の組立体があり、その内側に位置した列の組立
体即ち中央ゾーン２６には３０で指示する６個の集合体
がある。

【００１５】燃料集合体を構成する際、種々の位置にお
いて核分裂性材料の種々濃縮度の燃料棒が用いられる。
図５は、本発明を実施する場合炉心全体内で使用する新
しい燃料集合体の例を示す。燃料棒に示す数字は燃料中
のウラニウムの初期重量のパーセントとして表現した各
燃料におけるＵ２３５の初期含有量を示す。８種類の濃
縮度、即ち１．７１％、２．３６％、２．６４％、３．
００％、３．５０％、４．０７％、４．６０％および
４．９５％が使用される。さらに、３．５０％の濃縮度
の棒を、これもウラニウムの初期重量を基準に計算した
６．３０％の含有量の酸化ガドリニウムと共に使用され
る。後者の棒は図５において、３．５０Ｇｄで指示す
る。水ギャップ２７ａ，２７に対する組立体の位置を示
すために、これらは点線で示している。新しい燃料集合
体の平均濃縮度は３．６２８％に達する。各燃料集合体
は炉心において、１．７１％の濃縮度を有する隅の燃料
棒が広い水ギャップ２７ａの交差部即ち制御棒位置の中
心線に最も近く位置されるように各燃料集合体が方向づ
けられる。

【００１６】例示した原子炉が約２４ケ月作動すると運
転停止され、原子炉の部分的再チャージが実施される。
その場合、２４０個の燃料集合体が新しい燃料集合体に
代えられる。これらの燃料集合体は若干の例外を除いて
中央ゾーン２６（図３）に入れられる。交換された燃料
集合体のあるものは部分的に中央ゾーン内で、部分的に
は縁部ゾーン２５まで取り出されることにより位置変え
が行われる。完全な作動サイクルの間使用された燃料集
合体や、縁部ゾーン内にあるもの、あるいは縁部ゾーン
に移された燃料集合体は例えば約２０Ｍｗｄ／kgＵ程度
の高度、あるいは相対的に高度に燃焼されている。少な
くとも大部分、即ち少なくとも５０％以上の集合体は本
発明によりそれらの軸線の周りで１８０度回転される。
例としては２２８の燃料組立体が回転させられる。図５
に示し、炉心においてその位置を保っている燃料集合体
は完全な作動サイクルの後は図６に示すような濃縮度分
布を示す。燃料組立体の平均濃縮度は１．６４％Ｕ２３
５と約０．６４％核分裂性プルトニウムに達する。燃焼
は２２Ｍｗｄ／kgＵに達する。図７は回転させた後の燃
料集合体を示す。さらに２４ケ月の作動サイクルの後の
図７に示す集合体の濃縮度は０．８１％Ｕ２３５と約
０．４５％核分裂性プルトニウムになる。その場合の燃
焼は約３６Ｍｗｄ／kgＵである。図６と図７とにおい
て、Ｕ２３５の濃縮度は各燃料棒において上列に、核分
裂性プルトニウムの濃縮度は下列に示されており、全て
の数字は重量比で含有量を示す。

【００１７】図８は、それぞれが概ね十字形断面の垂直
の水チャンネル２４によって分離されている４個の垂直
の小集合体６を備えた別の燃料集合体の断面図を示す。
各小組立体は５×５の棒の格子状に配列された２５の燃
料棒１０と非エネルギ発生棒とから構成されている。ま
たそのような組立体は本発明による使用に十分適合し、
特に９×９、１０×１０および１１×１１の燃料棒を含
む前述の燃料組立体に十分適用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２の線Ｉ−Ｉに沿って視た垂直断面で、本発
明による方法を実施するに適した燃料集合体を示す図。

【図２】図１の線II−IIを通る水平面に対して垂直に視
た燃料集合体を示す図。

【図３】原子炉の炉心全体の水平断面を概略的に示す
図。

【図４】原子炉の炉心の一部の増尺した水平断面図。

【図５】各燃料棒に対して核分裂性材料の初期含有量を
記載した図１に示す燃料集合体を示す図。

【図６】原子炉を２４ケ月作動させた後の図５に示す同
じ燃料集合体を示す図。

【図７】燃料集合体の中心線の周りで１８０度回転させ
た後の図６に示す同じ燃料集合体を示す図。

【図８】図１から図３まで示すものとは異なる種類の燃
料集合体の水平断面図。

【符号の説明】

６ 燃料小集合体 ２４ 水チャンネル ２５ 縁部ゾーン ２７ 水ギャップ ３０ 燃料集合体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 格子状に配列された概ね正方形断面の複
   数の垂直の燃料集合体（３０，３０ａ）を含み、各燃料
   集合体が、相互に対して垂直であって、中間の水ギャッ
   プ（２７ａ，２７ｂ）によって分離された二列の燃料集
   合体に含まれ、相互に対して垂直である燃料集合体の垂
   直の二辺の各々が、その反対側の垂直の辺が面する水ギ
   ャップ（２７ｂ）より幅の広い水ギャップ（２７ａ）に
   面している炉心を備えた沸騰水型原子炉を作動させる方
   法において、少なくとも２年間の原子炉作動時間の後、
   作動サイクル中に使用され炉心より最も遠くに位置する
   縁部ゾーン（２５）に位置しているか、あるいは作動サ
   イクル後前記縁部ゾーンに移された燃料集合体の少なく
   とも大部分が各燃料集合体の垂直中心線の周りで１８０
   度廻され、前記縁部ゾーンが炉心の周りを延在し、３個
   の燃料集合体を位置させており、前記の回転させられた
   燃料集合体が原子炉の次の作動サイクルに対して使用さ
   れることを特徴とする沸騰水型原子炉を作動させる方
   法。
2. 【請求項２】 作動サイクルの後原子炉を部分的に再チ
   ャージすることに関して燃料集合体（３０，３０ａ）が
   回転させられることによって作動サイクルの間使用され
   た燃料集合体のあるものが新しい燃料集合体とを交換さ
   れ、ある燃料集合体が炉心の新しい位置へ移されること
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 各燃料集合体（３０，３０ａ）が概ね十
   字形断面の垂直水チャンネル（２４）によって分離され
   ている４個の垂直小集合体（６）から構成されているこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】 各小集合体（６）が５×５の棒の格子状
   に配列された２５本の燃料棒と非エネルギ発生棒とから
   構成されていることを特徴とする請求項３に記載の方
   法。
5. 【請求項５】 各小集合体が５×５の棒の格子状に配列
   された２４本の燃料棒と非エネルギ発生棒とから構成さ
   れ、十字形の水チャンネルの中心に最も近く位置してい
   る棒が外され、水チャンネルの中央部を大きく形成して
   いることを特徴とする請求項３に記載の方法。