JPH067182B2

JPH067182B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH067182B2
Application number: JP61166012A
Authority: JP
Inventors: 厚治蛭川
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-07-15
Filing date: 1986-07-15
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPS6321589A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲという）の燃料集
合体の改良に関する。

（従来の技術）ＢＷＲで使用されている燃料集合体は、一般に以下のよ
うな構成となっている。すなわち断面が略正方形のチャ
ンネルボックス内には複数本（例えば８行×８列＝６４
本）の燃料棒が格子状に装荷されており、その上端およ
び下端は上部タイプレートおよび下部タイプレートによ
り固定されている。また軸方向数箇所に亘ってスペーサ
が設置されており、このスペーサにより燃料棒の間隔保
持をなしている。上記燃料棒は被覆管内に二酸化ウラン
（ＵＯ_２）を焼固めた複数の燃料ペレットを装荷した構
成をなしており、その上端および下端は上部端栓および
下部端栓により密封されている。

原子炉の運転に際して上記燃料棒の健全性を確保するた
めには、燃料棒単位長さ当りの出力（以下線出力密度と
いう）を設計制限値以下に抑制する必要があり、その為
通常以下に示すような設計をなしている。

まず場合燃料集合体の横断面における熱中性子束分布
は、水ギャップに面した最外周位置の燃料棒が最とも高
く、内側では低いものとなっている。そこで出力分布を
平坦化して出力ピーキングを下げるために燃料集合体の
中央にウォーターロッドを配置して冷却材を流通させ
て、燃料集合体中央部の熱中性子束を増加させることが
なされている。又燃料棒の濃縮度としては４種類のもの
を使用し、熱中性子束が高い位置（燃料集合体のコーナ
部及び最外周部）に低濃縮度の燃料棒を配置するととも
に、熱中性子束が段階的に低くなる内側にいく程高濃縮
度の燃料棒を配置することが行なわれている。

次にＢＷＲの場合にはボイドが発生する為に、軸方向
出力分布が下方ピークとなる特性を有している。そこで
軸方向出力分布を平坦化するべく、第５図に示すような
軸方向濃縮度分布設計及びガドリニア設計を行なってい
る。すなわち燃料濃縮度を上方で高くするとともに、ガ
ドリニア濃度については逆に下方で高くなるようにして
いる。これによって軸方向上方での燃焼を促進させて線
出力密度の低減（10〜20％）を図っている。尚第５図中
左側の線図は横軸に濃縮度をとり縦軸に炉心軸方向位置
（図中斜線部の長さを燃料有効長とする）をとって、濃
縮度の軸方向分布を示した図である。又第５図中右側の
線図は横軸にガドリニア濃度をとり縦軸に燃料有効長を
とってガドリニアの軸方向分布を示している。このよう
に従来の場合には、線出力密度を設計制限値以下に抑制
するべく低出力ピーキングの複雑な核設計を行なってい
た。

また（８行×８列）の燃料集合体の代わりに、（９行
×９列）の燃料集合体の採用が考えられている。これは
燃料棒の本数を増加させることによって、燃料棒１本当
りの出力を低減させる、すなわち線出力密度を低減させ
る方法である。この方法によれば約20％程度線出力密度
を低減させることが出来る。

ところで、昨今燃料再処理の増加傾向及びサイクル長期
化の傾向があり、取替え燃料を高濃縮度化して取替え体
数を低減して燃料サイクル費を改善することか要求され
ている。又ジルコニウムライナ燃料棒（燃料棒の被覆管
の内側にジルコニウムをライニングしてペレットと被覆
管との熱膨張差を吸収するものである）の開発により、
線出力密度制限の中でできるだけ低濃縮度で高反応度の
燃料を設計し、燃料サイクル費を低減させることが要求
されている。かかる昨今の設計要求に対して第６図に示
すような核設計概念の（８行×８列）燃料集合体が実用
化されている。しかしながら（９行×９列）の燃料集合
体に対しては、上記ジルコニウムライナ燃料棒と組合わ
せた最適概念の確立はなされていないという問題があ
る。これを更に具体的にいうと、例えば燃料サイクル費
改善の原子炉運転方法として、サイクル初期から中期に
かけて線出力密度制限ぎりぎりまで下方出力分布にて運
転し、サイクル末期においては、出力分布を中央ピーク
或いは上方ピークとし、それによって炉心ボイド率を低
減させて炉心反応度を得るという運転方法が採用されて
いる（以下ＢＳＯ運転と称す）。しかしながら（８×
８）燃料集合体の場合には前述したように軸方向設計を
複雑にして軸方向出力分布を制御しているので、上記Ｂ
ＳＯ運転による反応度利得は小さい。これに対して（９
×９）燃料集合体の場合には、軸方向設計を複雑にしな
くとも出力密度制限は充足される。ところが（９×９）
とすることにより共鳴吸収が増大し、かつボイド係数が
負値で絶対値が大きくなり（８×８）の場合に比べて反
応度的に不利となる。尚ここに共鳴吸収とは、燃料棒の
本数を増加させることにより燃料棒相互間の距離が短く
なり（本数を増加させても燃料集合体としての寸法は同
じであるため）、その結果燃料棒同志が相互に干渉する
現象をいう。その為燃料サイクル費を（８×８）燃料集
合体以上に有利にするには、上記ＢＳＯ運転において、
（８×８）燃料集合体の場合よりも末期軸方向出力分布
を上方ピークにしてボイド反応度を小さくしなければな
らない。しかしながら（９×９）燃料集合体の場合に
は、上述したようにボイド係数が負の方向に大きくなる
ので、軸方向出力分布が（８×８）燃料集合体の場合よ
りも上方ピークとなり、その結果スクラムカーブが悪化
する。すなわち制御棒を挿入しても燃焼部分が上方にあ
るので、スクラムするのに時間がかかるのである。それ
と同時に圧力上昇過度現象（例えば発電機負荷遮断又は
タービントリップ）時に、ΔＭＣＰＲ（限界出力比の変
化量）が（８×８）燃料集合体の場合よりも大きくな
り、その為通常運転時のＣＰＲ（限界出力比）制限値
（ＯＣＭＣＰＲ）を大きくしなければならないという問
題が有る。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来の（８×８）燃料集合体および（９×
９）燃料集合体にあっては種々の問題があり、本発明は
まさにこのような点に基づいてなされものでその目的と
するところは、（９×９）燃料集合体において、線出力
密度制限の中でより燃料経済性の高い燃料集合体を提供
することにある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）すなわち本発明による燃料集合体は、チャンネルボック
ス内に燃料棒を９行×９列に格子状に配列し、その上端
及び下端を上部タイプレート及び下部タイプレートで固
定するともに、軸方向複数箇所に燃料棒の間隔保持をな
すスペーサを設置してなる燃料集合体において、最外周
位置に燃料濃縮度の高い燃料棒を配置するとともに、軸
方向下部の燃料濃縮度を軸方向上部の燃料濃縮度より高
くしたことを特徴とするものである。

（作用）まず（９×９）燃料集合体の採用により（８×８）燃料
集合体の場合より熱的余裕が増大することに着目して、
最外周位置に燃料濃縮度が高い燃料を配置して燃料経済
性を向上させんとする。つまり（９×９）燃料集合体は
（８×８）燃料集合体に比べて略20％程度燃料棒の本数
が増加し、その結果平均線出力密度が20％程度低下す
る。これについては前述した通りである。したがって従
来と同様の出力ピーキング係数（局所ピーキング係数）
の設計を行なえば、（９×９）燃料集合体の最大線出力
密度は約20％程度低下して熱的余裕が増大するのであ
る。これは逆に言えば同一の最大線出力密度を採用ると
すれば1.2倍まで局所出力ピーキング係数を高くするこ
とができるのである。また軸方向下方の燃料濃縮度を軸
方向上方より高くすることにより、（９×９）燃料集合
体における軸方向出力分布を下方ピークとするものであ
る。

（実施例）以下第１図乃至第４図を参照して本発明の一実施例を説
明する。第１図は本実施例による燃料集合体１０１の横
断面図である。図中符号１０２はチャンネルボックスで
あり、このチャンネルボックス１０２はその断面が略正
方形をなしている。このチャンネルボックス１０２内に
は複数本（９×９）の燃料棒１０３が格子状に配置され
ている。これら複数本の燃料棒１０３はその上端および
下端を図示しない上部タイプレートおよび下部タイプレ
ートにより固定されている。軸方向には複数箇所に亘っ
てスペーサが設置されており、振動防止が図られてい
る。尚図中符号１０４は制御棒であり、４体の燃料集合
体１０１の中心に１体の制御棒１０４が配置され、単位
格子を形成している。

上記燃料棒１０３は複数種類のものからなり、夫々所定
位置に配置されている。まず図中符号Ｇで示す燃料棒１
０３は二酸化ウラン（ｕｏ_２）の中に可燃性毒物として
のガドリニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）を含有した燃料ペレットを
積層してなるものである。この燃料棒１０３は（２，
３）、（２，７）、（３，２）、（３，５）、（３，
８）、（５，３）、（５，７）、（７，２）、（７，
５）、（７，８）、（８，３）、（８，７）位置に配置
されている。尚第１図中位置を示すために横軸および縦
軸に番号を付して示し、縦軸および横軸の番号によりそ
の位置を特定するようにしている。またこの燃料棒１０
３は第２図に示すように上端にブランケット領域（Ｎ）
を有している。これはガドリニアを含有した燃料ペレッ
トは熱伝導度が若干低いのでペレットの温度が上昇し、
その結果核分裂生成ガス（以下ＦＰガスという）の放出
がガドリニアを含有しない燃料棒と比較して多くなり、
内圧が高くなる傾向に有るからである。そして下部ブラ
ンケット領域については、ガスプレナムに当てる。仮に
内圧が高い場合には上部ブランケット領域についてもガ
スプレナムに当てる。又濃縮領域は２つに分離されてお
り、上方の濃縮領域（燃料有効長の1/12〜1/6）は濃縮
度が3.0wt％でありガドリニア濃度が4.5wt％である。又
下方の濃縮領域はその濃縮度が4.6wt％であって、ガド
リニア濃度は4.5wt％である。

又図中符号Ｐで示す燃料棒は部分長燃料棒である。この
部分長燃料棒１０３は第２図に示すように他の燃料棒１
０３と比較してその軸方向長さが短くなっている。この
部分長燃料棒１０３は（２，２）、（２，５）、（２，
８）、（５，２）、（５，８）、（８，２）、（８，
５）、（８，８）なる位置に配置されている。また上記
部分長燃料棒１０３は水力振動を考慮してスペーサグリ
ッドより若干上方に突出することが望ましい。よって部
分長燃料棒の燃料が欠落している部分の長さは上記スペ
ーサグリッドの間隔に依存した値となる。そして部分長
燃料棒１０３は炉停止余裕の改善、冷却材圧力損失の低
減、ボイド係数の改善といった効果を奏するもので、現
在のＢＷＲのように７個のスペーサグリッドを有する設
計では１スペーサ間隔あるいは２スペーサ間隔とするの
が望ましい。本実施例では２スペーサ間隔としている。
またその濃縮度は4.85wt％ある。

又図中符号Ｗで示すのはウォーターロッドであって、中
空状となっており中を冷却材が流通する。

図中符号１で示す燃料棒１０３は、燃料有効長の1/24〜
1/12の長さの天然ウラン又は劣化ウランブランケット領
域（第２図中符号Ｎで示す）を有しており、またその濃
縮領域は上下２段に分離され、燃料有効長の上端から約
1/3〜1/2の箇所に境目を有している。そして上方の濃縮
度が4.60wt％であるのに対して下方は4.85wt％と高くな
っている。また上記境目の位置は前記部分長燃料棒１０
３の燃料有効長の上端と一致させている。

図中符号２で示す燃料棒は１０３は、上記符号１で示す
燃料棒１０３と同様に上下端に天然ウラン又は劣化ウラ
ンブランケット領域Ｎを有しているが、濃縮領域は分離
されておらず、その濃縮度は4.00wt％である。また符号
３で示す燃料棒１０３も同様であり、その濃縮度は3.00
wt％である。

以上各種類毎に説明したが、夫々の本数については第２
図に示す通りであり、その本数および各濃縮度等につい
ては、（９×９）燃料集合体１０１を採用する運転長さ
に依存して決定されるもので、本実施例では15〜18月間
実効出力（ＥＦＰＭ：ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＦｕｌｌ
ＰｏｗｅｒＰｅｒＭｏｎｔｈ）用のものである。又
各燃料棒１０３の被覆管はジルコニウム合金よりなり、
内側に薄いＰＣＩバリア層が有る。本実施例では純Ｚｒ
のライナ層である。

上記構成によると以下のような効果を奏することが出来
る。

まず本実施例による燃料集合体１０１の場合には、中
性子束分布が高い水ギャップに面した最外周の燃料棒１
０３の濃縮度が高いために、熱中性子利用率が向上し、
反応度利得を得ることができ、燃料経済性が向上する。

次に符号１、２、３で示す燃料棒１０３はその上下端
にブランケット領域（Ｎ）が設置されているので、上下
方向への中性子の漏洩を低減させることができ、中性子
インポータンスが高い中央部分の濃縮度を高めているの
で、燃料集合体１０１としての反応度が高くなってい
る。

そして濃縮領域の内軸方向上端から１／１２〜１／６
の領域が低濃縮領域となっているので（Ｇで示す燃料棒
の上端）、燃料の燃え残りが少なく、炉停止余裕が改善
される。すなわち（９×９）燃料集合体１０１の場合に
は（８×８）燃料集合体に比較して共鳴吸収が大きく、
かつ上部でのＰｕの蓄積が多い上に、ボイド係数が大き
いので、上部の出力割合いも（８×８）燃料集合体より
若干小さく、Ｕ²³⁵の燃え残りも多い。その結果燃焼が
進行した低温状態では、軸方向反応度分布が上方ピーク
になる傾向に有った。この点を本実施例により改善する
ことが出来た。

そして符号１で示す燃料棒にあっては、燃料有効長の
上端から約１／３〜１／２の境目から下の濃縮領域の濃
縮度をその上側の濃縮領域のそれより約0.1〜0.3wt％程
度高めている。この濃縮領域は0〜40％の冷却材ボイド
率に相当し、その上の40〜70％ボイド率部分より水対燃
料比が大きいので、反応度的にも大きい傾向に有る。そ
れによってこの領域の濃縮度を更に高めているので、イ
ンポータンスの高い領域にＵ²³⁵をより多く配置したこ
ととなり、反応度利得を向上させる上で極めて効果的で
ある。

また（９×９）燃料集合体は、（８×８）燃料集合体
よりもボイド係数が大きいので、第３図及び第４図に示
すように軸方向出力分布は自ずと（８×８）燃料集合体
よりも下方ピークの度合いが強い。尚第３図及び第４図
中斜線部は制御棒であり、第３図（ｃ）及び第４図
（ｃ）は制御棒全引抜の状態である。更に濃縮領域の下
方が濃縮度が高くなっているので、ＢＳＯ運転を行なう
場合に制御棒パターンを極端な新挿入制御棒パターンに
しなくとも下方ピーク出力分布が得られる。したがって
制御棒による反応度調整余裕を確保する為に炉心有効長
の１／１２〜１／６程度制御棒を引抜いた状態で制御棒
パターンを組むことが出来、制御棒計画の運用が容易と
なる。又濃縮領域下部の濃縮度が上部のそれより約0.3w
t％高く、ＢＳＯ運転を実施してもサイクル末期に下部
の反応度がまだ高いので、軸方向出力分布の形状が従来
よりも穏やかな上方ピークの形状となる。その結果スク
ラムカーブは改善され、異常な過度事象が発生した場合
のΔＭＣＰＲが従来の軸方向一様濃縮度設計よりも小さ
くなる。

サイクル末期の軸方向出力分布が従来の軸方向一様濃
縮度設計よりも穏やかな上方ピークである為、炉心平均
ボイド率がやや大きくなり、炉心のＫｅｆｆ上若干ボイ
ド反応度が大きく、損失の部分が有るが、炉心上部のボ
イド率が高くインポータンスの低い部分よりインポータ
ンスの高い部分にＵ²³⁵を一部回すことにより、サイク
ル初期からサイクル中期にかけて有効に燃焼させ、上部
のＵ²³⁵の燃え残りが従来燃料設計より少ないためにサ
イクル燃焼度増加分に損失は無い。尚第３図は従来の
（９×９）燃料集合体のサイクル運転中の軸方向出力分
布の変化を示した図であり、第４図は本実施例の場合の
軸方向出力分布の変化を示した図である。

尚本発明は前記一実施例に限定されるものではなく、種
々の実施例が考えられる。例えば部分長燃料棒は前記実
施例のように被覆管を含めて部分長とする以外にも、被
覆管としては通常通りで、中身だけ部分長にしてもよ
い。

［発明の効果］以上詳述したように本発明による燃料集合体によると、
（９×９）燃料集合体にあって、燃料経済性を向上させ
ることができるとともに、軸方向出力分布を下方ピーク
とすることが出来るので、ＢＳＯ運転の適用が容易とな
り、スクラムカーブの悪化を効果的に抑制することが出
来る等その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による燃料集合体の横断面
図、第２図は燃料棒の軸方向の構成を示す図、第３図
（ａ），（ｂ），（ｃ）は従来の（９×９）燃料集合体
であってＢＳＯ運転を行なった場合の軸方向出力分布、
第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の一実施例によ
る燃料集合体にあってＢＳＯ運転を行なった場合の軸方
向出力分布を示す特性図、第５図及び第６図は従来の
（８×８）燃料集合体の軸方向の構成を示す特性図であ
る。１０１ …燃料集合体、１０２…チャンネルボックス、１
０３…燃料棒。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンネルボックス内に燃料棒を９行×９
列に格子状に配列し、その上端及び下端を上部タイプレ
ート及び下部タイプレートで固定するともに、軸方向複
数箇所に燃料棒の間隔保持をなすスペーサを設置してな
る燃料集合体において、最外周位置に燃料濃縮度の高い
燃料棒を配置するとともに、軸方向下部の燃料濃縮度を
軸方向上部の燃料濃縮度より高くしたことを特徴とする
燃料集合体。
【請求項２】上記燃料棒は被覆管の内側にジルコニウム
をライニングしたライナー被覆管を採用するものである
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料集合
体。
【請求項３】軸方向長さが燃料有効長より短い燃料棒を
有しこれを軸方向下部に位置させるとともに、軸方向上
部に低濃縮度の領域を有する燃料棒を有することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。