JPH0644052B2

JPH0644052B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH0644052B2
Application number: JP61205874A
Authority: JP
Inventors: 肇男青山; 裕一森本; 貞夫内川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-03
Filing date: 1986-09-03
Publication date: 1994-06-08
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: JPS6361991A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は燃料集合体に係り、特に取り出し燃焼度が増大
し、運転サイクル期間が長期化した場合の余剰反応度制
御に好適な沸騰水型原子炉の燃料集合体に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の構成を第７図に示
す。燃料集合体は、四角筒のチヤンネルボツクス１と、
このチヤンネルボツクス１の内部に収納された燃料バン
ドル２とからなる。この燃料バンドル２は、チヤンネル
ボツクス１の上下部にはめ込む上部タイプレート３およ
び下部タイプレート４と、チヤンネルボツクス１内部で
軸方向に沿って間隔を置いて設置した複数個のスペーサ
５と、このスペーサ５を貫通し、上下部タイプレート
３，４に両端を固定した複数本の燃料棒６と水ロツド７
とから構成してある。

原子炉を一定の期間運転するためには、運転初期におい
て、運転中の核分裂性物質の燃焼による反応度劣化分だ
け余剰反応度を有している必要がある。そして、原子炉
を臨界に保つために、この余剰反応度を制御する必要が
あり、従来、その方法として、第８図に示すように、中
性子吸収物質からなる制御棒８を炉心に挿入する方法
と、濃縮燃料ペレツト中にＧｄ_２Ｏ_３等の中性子吸収断
面積の大きい可燃性毒物を添加した特殊燃料棒９（以下
ガドリニア入り燃料棒という）を含む燃料集合体を用い
る方法とが併用されていた。

近年、燃料経済性を向上させるため、濃縮度を高くして
燃料を長寿命化することが考えられているが、これには
次のような問題がある。第１は、濃縮度の増加により中
性子の平均エネルギーが高くなるため、ガドリニア入り
燃料棒１本当りの余剰反応度制御効果が減少することで
ある。第２は、連続運転期間の延長により制御しなけれ
ばならない余剰反応度が第９図のように増大し、従来の
ガドリニア入り燃料棒の本数を増加しなければならない
ということである。第８図に示した燃料集合体は、取出
し燃焼度が３０ＧＷｄ／ｔ程度で、９ケ月連続運転のも
のでガドリニア入り燃料棒９が６本配置してある。例え
ば、連続運転期間を1.5倍の１３．５ケ月間にする場合
を考えると、ガドリニア入り燃料棒９が接近して配置さ
れることによる反応度制御量の減少、さらに前述した濃
縮度増加にともなう反応度制御量の減少を考慮すると、
必要なガドリニア入り燃料棒９の本数は１３本程度と考
えられる。しかし、ガドリニア入り燃料棒９の本数の増
加は、燃料集合体の局所出力ピーキング係数を増大する
影響があり、配置場所の制約からその本数には上限が存
在する。したがつて、連続運転期間を１５ケ月以上にす
ることは、現実的には困難となることが予想される。

このような課題の対策としては、特開昭53−41696号公
報に記載してあるように、可燃性毒物と減速材を混在さ
せた制御ロツドを燃料集合体に組み込む方法、また、燃
料ペレツトに占めるガドリニアの重量割合を増加し、第
２サイクル初期においてもガドリニアが燃え残るように
する方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、前者がウラン装荷量の減少、また、後
者がサイクル末期のガドリニアの燃え残りによる反応度
低下によつて、いずれも燃料経済性の面で犠牲を払うと
いう問題があつた。

本発明の目的は、燃料の長寿命化にともなう余剰反応度
増加という問題を燃料経済性を悪化させることなく解決
することができる沸騰水型原子炉の燃料集合体を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するためにとられた本発明の構成は、格
子状に配置された多数本の燃料棒からなる燃料集合体に
おいて、前記燃料棒は燃料有効部の上下端部領域の核分
裂性物質の量が該燃料有効部の他の領域より少なく、か
つ、一部の前記燃料棒は前記上下端部領域に可燃性毒物
を含んだ燃料ペレットを配置してあることを特徴とする
ものである。

〔作用〕

本発明は、以下に示す検討結果に基づいてなされたもの
である。なお、以下の説明では、核燃料としてウラン−
２３５を用いた場合を取り上げたが、プルトニウム−２
３９，２４１、さらにはウラン−２３３を用いた場合も
同様である。

燃料集合体には下部タイプレートの孔から冷却材が流入
し、上部タイプレートの孔から流出する。その間、燃料
棒間で加熱された冷却材は２相流となり、燃料集合体上
部ではボイド率が７０％前後になる。その結果、燃料集
合体上部の中性子拡散係数が大きくなり、燃料集合体上
部からの中性子の漏れが著しく大きくなる。中性子経済
を向上して燃料の有効利用をはかるためには、運転状態
において中性子インポータンスが高い領域に中性子無限
増倍率が高い燃料を配置し、中性子インポータンスの低
い領域には中性子無限増倍率が低い燃料を配置すればよ
い。つまり、燃料集合体上下端部の中性子インポータン
スの低い領域の核分裂性物質量を他の領域より少なくす
けばよい。

第１０図はガドリニア入り燃料棒の濃縮度とガドリニア
入り燃料棒１本あたり余剰反応度制御量と関係を示した
線図である。濃縮度の減少にともなつて中性子の平均エ
ネルギーが減少するため、ガドリニア入り燃料棒１本当
たり余剰反応度制御量が増大する。また、ガドリニアの
燃え残りも減少する。

そこで、中性子インポータンスの低い領域にガドリニア
を混在させたので、中性子無限増倍率をより低くするこ
とができ、燃料経済性をさらに向上させることができ、
また、低濃縮度燃料領域では線出力密度が最大になるこ
とはないので、局所出力ピーキング係数を気にせず必要
なだけガドリニア入り燃料に置きかえることができる。
また、燃料集合体上下端部を除く燃料領域（中央燃料領
域）の燃焼度分布を平坦化することができる。

また、前述したように、燃料集合体はボイドが発生する
ため、上部の燃焼の進みが遅れ、燃料集合体軸方向の燃
焼度分布が一様にならないが、燃料集合体上下端部に可
燃性毒物を配置するようにしたので、上下端部に接する
中央燃料領域の燃焼度を制御することができ、その結
果、燃焼度分布を平坦化することができる。

また、核分裂性物質の量を減少する炉心上下端部領域
は、燃料経済性を悪化させない領域となる。第１１図は
燃料集合体上下端部領域をそれぞれ天然ウランに置き換
えたときの省ウラン効果を示した線図である。第１１図
より、燃料集合体の燃料有効長に対して上下端よりそれ
ぞれ１５％の長さの領域を燃料集合体上下端部とした。

〔実施例〕

以下本発明を第１図〜第６図に示した実施例を用いて詳
細に説明する。

第１図は本発明の燃料集合体の一実施例を示す水平断面
図で、〜で示してあるものは、それぞれ濃縮度の異
なる燃料ペレツトを充填した燃料棒を示している。は
水ロツドである。第２図は第１図の各種燃料棒の軸上向
の濃縮度分布の説明図で、図中ａ〜ｈは燃料ペレツトの
濃縮度を示しており、それは第１表のようになつてい
る。なお、第１表において、濃縮度（Ｗ／Ｏ）とは、Ｕ−２３５とＵ−２３８との合計に対するＵ−２３
５の濃度を示している。

第２図に示すように、各燃料棒〜の燃料上端部（燃
料有効長の２／２４≒約８％）と燃料下端部（燃料有効
長の１／２４≒約４％）が天然ウランにおきかわつてお
り、そのうち、燃料棒の，の２４本の上下端部には
それぞれ４Ｗ／Ｏの濃度のガドリニアが混在している。

その結果、次の効果が得られる。燃料棒上下端部にｇ，
ｈのペレツトを設置しないａ〜ｆのペレツトだけからな
る燃料棒で燃料集合体を構成した場合に比べて、単位出
力あたりの所要天然ウラン量が約５％減少するととも
に、余剰反応度制御量が約０．２％ΔＫ増大する。ま
た、ペレツトｈを使わず、燃料棒上下端部をすべてペレ
ツトｇで構成した場合に比べて、余剰反応度制御量が約
0.5％ΔＫ増大する。

なお、第１図では、中性子インポータンスの高い領域の
出力が増加し、線出力密度が増大することを考慮して燃
料集合体の配列を現行８×８格子から９×９格子に変更
しているが、これは９×９格子に限定されるものではな
く、１０×１０，１１×１１格子でもよい。また、近
年、被覆管内壁にＣｕまたはＺｒの薄膜をはりつけ、燃
料ペレツトと被覆管の相互作用を減少し、線出力密度を
増大できる燃料集合体が開発されつつあるが、このよう
な燃料集合体の場合は、８×８格子とすることができ
る。

また、第２図では燃料有効部の上端部が燃料有効長の約
８％、下端部が約４％としてあるが、これらはそれぞれ
燃料有効長の１５％以下であればよい。

第３図は本発明の他の実施例を示す第１図に相当する水
平断面図で、〜はそれぞれ濃縮度の異なる燃料ペレ
ツトを充填した燃料棒で、は水ロツドで第４図は第３
図の各燃料棒の軸上向の濃縮度分布の説明図で、燃料ペ
レツトａ〜ｈの濃縮度は第１表と同じである。第３図は
燃焼度分布を平坦化するようにしたもので、第１図に示
した実施例との相違点は、第４図に示すように、燃料棒
上端部と下端部とでペレツトｈが用いられている本数が
異なる点である。すなわち、上端部では１２本、下端部
では２４本となつている。その結果、前の実施例に比べ
て余剰反応度制御効果は半減するが、燃焼度の進みが遅
れる燃料集合体上部での燃焼を進めることが可能にな
り、燃焼度分布の平坦化を実現できるという効果があ
る。

第５図は本発明のさらに他の実施例を示す第１図に相当
する水平断面図で、〜はそれぞれ濃縮度の異なる燃
料ペレツトを充填した燃料棒で、は水ロツドで、第６
図は第５図の各燃料棒の軸方向の濃縮度分布の説明図
で、燃料ペレツトａ〜ｈの濃縮度は第１表と同じであ
る。第５図は第３図と同じ効果を実現するためのもの
で、第１図に示した実施例との相違点は、第６図に示す
ように、燃料棒，の上部端の燃料ペレツトｈの一部
をガドリニアの入つていない燃料ペレツトｇにした点に
ある。その結果、第３図に示した実施例と同様、燃焼度
の進みが遅れる燃料集合体上部での燃焼を進めることが
できる。ただし、余剰反応度制御効果は、第１図に示し
た実施例の場合のほぼ半分となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、燃料棒の燃料有
効部の上下端部領域に核分裂性物質の量が他の領域より
少なく、しかも、少なくともその一部には可燃性毒物を
含んだ燃料ペレツトを配置するようにしたので、燃料経
済性を悪化することなく、反応度制御効果が増大できる
ので、長期サイクル運転時の余剰反応度制御量を増大す
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料集合体の一実施例を示す水平断面
図、第２図は第１図の各種燃料棒の軸方向の濃縮度分布
の説明図、第３図，第５図はそれぞれ本発明の他の実施
例を示す第１図に相当する水平断面図、第４図，第６図
はそれぞれ第３図，第５図の各種燃料棒の軸方向の濃縮
度分布の説明図、第７図は従来の沸騰水型原子炉用燃料
集合体の構成図、第８図は従来の燃料集合体の水平断面
図、第９図は連続運転期間と余剰反応度との関係を示す
線図、第１０図は濃縮度とガドリニア入り燃料棒１本あ
たりの余剰反応度制御との関係を示す線図、第１１図は
天然ウラン領域の割合と天ウラン節約量との関係を示す
線図である。〜，〜，〜…燃料棒、ａ〜ｈ…燃料ペレツ
ト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−242392（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−84591（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−147183（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】格子状に配置された多数本の燃料棒からな
る燃料集合体において、前記燃料棒は燃料有効部の上下
端部領域の核分裂性物質の量が該燃料有効部の他の領域
より少なく、かつ、一部の前記燃料棒は前記上下端部領
域に可燃性毒物を含んだ燃料ペレットを配置してあるこ
とを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】前記上下端部領域が天然ウランで構成され
ている特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。
【請求項３】前記上端部領域の一部に、可燃性毒物を含
んだ燃料ペレットを配置してある特許請求の範囲第１項
又は第２項記載の燃料集合体。
【請求項４】前記上下端部領域が燃料有効長の１５％以
下である特許請求の範囲第１項から第３項までの何れか
１項記載の燃料集合体。