JPH07111468B2 - 原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は原子炉に装荷される燃料集合体に関し、特に燃
料経済性を高めながら、燃料集合体の圧損を減少させて
熱水力特性を改善した燃料集合体に関する。

（従来の技術） 第10図は、従来から知られている沸騰水型原子炉に装荷
される代表的な燃料集合体の構造を示したものであり、
第11図は、前記燃料集合体を構成する燃料棒の構造を示
したものである。

図中、燃料棒11は濃度ウランの酸化物をセラミックにし
たペレット12を被覆管13の中に充填し、これをスプリン
グ14およびゲッター15で保持し、上部端栓16と下部端栓
17を被覆管13に溶接して密封し、内部にヘリウムを満た
した構造をしている。18で示す空間はヘリウムが充填さ
れており、プレナムと呼ばれている。

燃料集合体は、前記の燃料棒11および水ロッド21を８行
８列の格子状に配置して、上部タイプレート22,下部タ
イプレート23およびスペーサ24で固定し、その外側をチ
ャンネルボックス25で囲んだ構造をしている。

第12図（ａ）は、第10図のＩ−Ｉ線に沿う断面図を示し
たもので、前述のように、内部にウランを含む燃料棒11
（図中、丸の中に数字および記号Ｇを記入したものを示
す）と、内部にウランを含まず冷却材が流れるウォータ
ロッド21とが８×８の格子状に規則正しく並べられてい
る。なお、26は原子炉の核反応を制御するための制御棒
を示す。

第12図（ｂ）は第12図（ａ）に示した各燃料棒のウラン
濃縮度およびガドリニア濃度を説明するもので、各燃料
棒の下の数字は燃料棒番号を示し、e₁〜e₄はウラン濃縮
度を、ｇはガドリニア（Gd₂O₃）濃度を示す。e₁＞e₂＞e
₃＞e₄である。

沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、濃縮度の異なる数種
類の燃料棒を用いて、濃縮度分布を持たせているのが一
般である。濃縮度の分布の方法は、燃料集合体の設計目
的により異なる。例えば第12図（ａ）に示すように、濃
縮度の高いペレットを含む番号１の燃料棒（これを単に
燃料棒１と表記する。以下同様）を燃料集合体の中央部
に配置し、チャンネルボックスに近い燃料集合体周辺部
には、濃縮度の低いペレットを含む燃料棒3,4を配置す
る方法が知られている。

また、燃料集合体を構成する燃料棒のいくつかには過剰
な反応度を制御する目的でウラン中にガドリニア（Gd₂O
₃）が数％含まれているのが普通で、第12図（ａ）に示
した例ではＧがガドリニア入り燃料棒である。

原子炉炉心に装荷された燃料集合体のうち、所定量のエ
ネルギーを発生したものは、毎年の定期検査時に新しい
燃料集合体と交替させる。燃料経済性の観点からは、燃
料集合体１体が発生する熱エネルギーをできるだけ多く
すること、すなわち、取出燃料の燃焼度をできるだけ高
くすることが望ましい。取出燃料の燃焼度を高くするた
めには、濃縮度を増す必要がある。

しかし、燃料の高濃縮度化，高燃焼度化には、いくつか
の技術的問題が伴う。その主なものは、ウラン235の熱
中性子吸収による中性子スペクトルの硬化によっておこ
る、炉停止余裕の減少およびボイド係数絶対値の増加で
ある。

すなわち、燃料の高濃縮度化（ウラン235含有量の増
加）により、熱中性子の燃料（ウラン235）への吸収が
増加するために、減速材への熱中性子吸収が相対的に減
少し、中性子のエネルギー分布は、熱領域で相対的に少
なくなり、中性子スペクトルが硬くなる。中性子スペク
トルが硬くなったときには、熱外領域での共鳴吸収が増
加するために、ボイド係数は負の方向に増大して、熱的
特性，炉心安定性や過渡特性の余裕が減少したり、制御
棒価値の低下により炉停止余裕が減少して、原子炉の安
全性への影響がある。この高濃度化による中性子スペク
トル硬化の影響は、特に燃料の上部で著しい。これは、
沸騰水型原子炉では、ボイド発生があるため、燃料上部
では減速材が少なく、もともと中性子スペクトルが硬く
なっているためである。

このような、中性子スペクトルの硬化を改善するために
は、減速材／燃料比を大きくすることにより、減速材に
よる熱中性子吸収を相対的に増加させ、中性子スペクト
ルを軟化させることが考えられる。減速材／燃料比を大
きくするためには、減速材を増やすかまたは燃料を減ら
すかのいずれかの方法をとればよい。

上記問題に対応した設計として、水ロッド本数又は太さ
を増し、更に、燃料棒本数を増して９行９列配置とした
燃料集合体が提案されている。この場合、上記中性子ス
ペクトルの硬化が抑えられ、それに伴う諸特性の悪化も
抑えられ、平均線出力密度も低下して熱的余裕も増す
が、一方では燃料棒数が増したことによって、燃料集合
体内圧力損失が増大し安定性を悪化させてしまう。

この改善策として、燃料の一部を短尺型とし、圧力損失
を低下させる方法が考えられており、例えば上方に向か
って拡大する形状の水棒と短尺型燃料棒を燃料集合体下
部に配置したもの（特開昭52−50498号）がある。この
ような設計を採用した場合、上記の目的はある程度は達
成される。しかし、燃料集合体軸方向でみたとき、出力
の高い中央部でも燃料が減っているため、燃焼に伴う核
分裂性物質の減損も大きくその分反応度は低下するの
で、燃焼が進むに従って出力運転時のピーキングは炉心
下部で大きくなってしまう。また、短尺燃料棒の上端で
は燃料棒が欠如するためにこの部分の熱中性子束が高く
なり、隣接する燃料棒の線出力が局所的に上昇し、熱的
余裕を減少させる可能性がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の解
決しようとする問題点は、燃料集合体において、熱的余
裕や炉心の反応度を低下させることなくウランの節約と
炉停止余裕の向上を図り、しかも冷却材の圧損を減らし
て熱水力特性を改善することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するためになされたもので、す
なわち本発明は長尺型燃料棒と該長尺型燃料棒より軸方
向長さの短い短尺型燃料棒とからなる多数の燃料棒を複
数のスペーサにより束ねてなる原子炉用燃料集合体にお
いて、短尺型燃料棒の上端が最上位のスペーサ位に位置
していることを特徴とする原子炉用燃料集合体に関す
る。

（作 用） 本発明によると、燃料上部では、核分裂性物質量の減
少，水対ウラン燃料比の増加により炉停止余裕が増大
し、また燃料上部で流路面積が増すので冷却材の圧損が
低下して熱水力特性や安定性が改善される。また短尺型
燃料棒を使用しているが、その燃料有効長が長尺型燃料
のそれに近い（約5/6またはそれより大）ので、トータ
ルの濃縮ウラン重量の減少を最小限に抑えることがで
き、また、短尺型燃料棒の上方で生ずる線出力の上昇を
制限範囲内に抑えることができる。

さらに、燃料集合体径方向断面でみたとき、上記短尺型
燃料を燃料集合体外周部を除く位置に配置することによ
って、燃料上部での径方向断面での減速材分布をより均
一にすることができ、中性子減速効果を高めることによ
って出力運転時での反応度を増して燃料インベントリの
減少を補い、軸方向出力分布を平坦化することになる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の長尺型燃料棒および短尺型
燃料棒の軸方向位置関係を模式的に示した断面図であ
る。同図において、燃料棒31は長尺型燃料棒（従来と同
じ規定長さのもの）、燃料棒32および33は短尺型燃料棒
である。図中空白部分34で示したものはガスプレナム、
斜線部分35で示したものは燃料ペレットである。

短尺型燃料棒32,33の燃料ペレット上端位置は、長尺型
燃料棒31のそれよりも低くなっており、同時に燃料集合
体を貫流する冷却材の圧損を減らすために、燃料棒先端
位置も低くなっている。また、短尺型燃料棒32は下部に
もガスプレナム34を設けている。

燃料棒は複数個のスペーサによって正方格子状に束ねら
れて燃料集合体を構成するが、短尺型燃料棒の上端部36
は最上位のスペーサによって保持される構造となってい
る。

第２図は本発明の一実施例である燃料集合体（以下「ケ
ースＡ」という）を説明するもので、（ａ）はその燃料
棒配置図、（ｂ）はその長尺型燃料棒と短尺型燃料棒の
軸方向断面を示す模式図である。第２図（ａ）に示され
るように、本実施例の燃料集合体は太径水ロッド41を中
央に配した９行９列燃料棒配置の燃料集合体であり、記
号Ｐで示される24本の短尺型燃料棒42と、48本の長尺型
燃料棒43からなり、このうち短尺型燃料棒42は、最外周
から２行目以内の燃料棒位置に配している。

燃料棒の軸方向断面は第２図（ｂ）に示すように、長尺
型燃料棒43の燃料ペレットを封入した部分の高さ（燃料
有効長）を24ノード長さとしたとき、短尺型燃料棒の先
端位置を高さ23ノード目、燃料有効部分の最高位置を高
さ21ノードとしている。図中、破線で囲む部分（長尺型
で高さ24ノード目より上、短尺型で22ノードおよび23ノ
ードはガスプレナム34としている。また短尺型燃料棒42
は高さ23ノード目で最上位のスペーサで保持されてい
る。なお、図中斜線で示す上端２ノード，下端１ノード
長さでは天然ウランペレットが封入されていることを表
している。

本実施例ではこのように短尺型燃料棒を使用することに
よって、燃料集合体の冷却材の圧損は低下し、第12図に
示した従来の８×８型のものとほぼ同程度とすることが
できた。

ところで上記実施例と同程度の圧損値を得るだけなら
ば、短尺型燃料棒の本数を減らしかつその長さを短くす
ることによっても可能である。このような上記実施例と
同程度の圧損値の燃料集合体の例を比較して第８図およ
び第９図に示し、これらと比較することによって本発明
の効果をより詳しく説明する。第８図および第９図のそ
れぞれにおいて（ａ）は燃料棒配置図、（ｂ）は長尺型
燃料棒と短尺型燃料棒の軸方向断面の模式図である。第
８図（以下「ケースＢ」という）では12本の短尺型燃料
棒44を使用しているが、その軸方向長さが本発明のそれ
より短く、その上端位置は上から２番目のスペーサの位
置（20ノード目）である。また、第９図の例（以下「ケ
ースＣ」という）も本発明より短い８本の短尺型燃料棒
45を使用しており、その上端位置は上から３番目のスペ
ーサの位置（16ノード目）である。本発明の実施例であ
るケースＡを基準としてこれらケースＢおよびＣの圧損
を比較すると、第３図のようになる。第３図において、
縦軸はケースＡを基準とした各例の圧損値の差である。
この図からわかるように、これら３つのケースには圧損
値において大きな差はない。

しかしながら、これらの例のうち、ケースＡが以下の点
で優れた効果を発揮する。

（１）短尺型燃料棒を使用することによって燃料集合体
当りのウラン重量が減るが、ケースＡのように短尺型燃
料棒の本数を増してその長さを長くした方が、本数を減
らして長さを短くするよりも濃縮ウラン装荷重量の減少
を抑えることができる。第４図は上記ケースA,B,Cにつ
いて、ケースＡを基準として天然ウラン部分の重量およ
び濃縮ウラン部分の重量の大小を相対値で表したもので
ある。ケースＡでは、天然ウラン部分の重量が減るが、
主要な部分を占める濃縮ウラン部分の重量が大きいこと
が示されている。

（２）一般に短尺型燃料棒を使用した場合、短尺型燃料
棒の上端より上の部分では燃料棒が欠如しているので、
出力運転時には熱中性子吸収が減ったことによって熱中
性子束が高くなり、隣接する燃料棒の線出力が上昇す
る。ところで線出力上昇の大きさは、炉心中央部に近い
ほど大であるので、ケースＡのように短尺型燃料棒の上
端位置が上の方、すなわち炉心の中央部から離れた位置
にあれば、この短尺型燃料棒による線出力上昇はそれほ
ど大きくならずに制限値より十分小さい範囲の値とな
り、むしろこの部分での線出力を高めることによって燃
焼が進むので、燃料経済上好ましいことになる。これに
対してケースＢおよびＣでは、もともと線出力の高い炉
心中央部に近い位置で燃料棒欠如による線出力の上昇が
起こるので、この部位における線出力上昇はケースＡの
それよりも著しくなる。

第５図（ａ）および（ｂ）はケースＡのより詳細な実施
例を示す燃料棒配置図および各燃料棒のウラン濃縮度と
軸方向断面の模式図である。同図に示すように、水ギャ
ップに沿う最外周位置を除く位置に24本の短尺型燃料棒
42が配置され、長尺型燃料棒43は丸の中に番号1,2,3を
付したウラン濃縮度の異なる３種類とＧを付したガドリ
ニア入力燃料棒とからなっている。ウラン濃縮度はe₁,e
₂,e₃（e₁＞e₂＞e₃）の３種類であり、ｇはガドリニア濃
度である。ガドリニア入り燃料棒は12本となっている。
燃料集合体平均濃縮度は約４％である。

この実施例では、短尺型燃料棒を使用することによっ
て、長尺型燃料棒のみを使用した従来型のもの（第12
図）よりも所要天然ウラン量を約１％だけ減らし、かつ
サイクル末期出力運転時の炉心反応度を同じとしつつ、
しかも低温時での炉停止余裕は約0.3％Δｋだけ改善さ
れるという効果を奏する。また、第６図に示すようにサ
イクル末期での炉心軸方向出力分布（第６図において実
線は本発明例、破線は従来例である）は従来例と殆ど同
じであり、この例からわかるように本発明では出力分布
はむしろ若干平坦化される傾向である。

第７図（ａ）および（ｂ）は本発明の他の実施例を示す
燃料棒配置図および各燃料棒のウラン濃縮度と軸方向断
面の模式図である。同図に示されるように、この実施例
では短尺型燃料棒42として下端にもガスプレナムを設け
たものを使用している。これはとくに短尺型燃料棒にお
いて各分裂性ガスの圧力を下げることを目的としたもの
である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の燃料集合体は所定長さの
短尺型燃料棒を使用することによって、燃料経済性を高
めながら熱水力特性を改善し、さらに濃縮ウラン重量の
減少を最小限に抑え、短尺型燃料棒上端付近での線出力
上昇を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の長さの異なる燃料棒の高さ
方向位置関係を模式的に示した縦断面図、第２図（ａ）
および（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施例である燃料集
合体の燃料棒配置図およびその長尺型燃料棒および短尺
型燃料棒の軸方向断面を模式的に示した図、第３図は第
２図，第８図および第９図に示す３体の燃料集合体の圧
力損失値を比較した図、第４図は上記３体の燃料集合体
中のウラン重量を比較した図、第５図（ａ）および
（ｂ）は第２図に示す燃料集合体のより詳細な燃料棒配
置図およびその各燃料棒のウラン濃縮度と軸方向断面を
模式的に示した図、第６図は第５図に示す燃料集合体と
従来の８×８燃料集合体のサイクル末期出力運転時にお
ける炉心軸方向出力分布図、第７図（ａ）および（ｂ）
は本発明の他の実施例である燃料集合体の燃料棒配置図
およびその各燃料棒のウラン濃縮度と軸方向断面を模式
的に示した図、第８図（ａ）および第９図（ａ）は第２
図に示す燃料集合体と同じ圧力損失値の燃料集合体（比
較例）の燃料棒配置図、第８図（ｂ）および第９図
（ｂ）は第８図（ａ）および第９図（ａ）の燃料集合体
の燃料棒の軸方向断面を模式的に示した図、第10図は沸
騰水型原子炉に使用される従来型燃料集合体の一部破断
して示した側面図、第11図は第10図の燃料集合体を構成
する燃料棒の側断面図、第12図（ａ）および（ｂ）は第
10図のＩ−Ｉ線に沿う断面図および燃料集合体中の濃縮
度・ガドリニア分布を表わす図である。 26……制御棒 31,32,33……燃料棒 34……ガスプレナム 35……燃料ペレット 41……水ロッド 42……短尺型燃料棒 43……長尺型燃料棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−125589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−281993（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−127190（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−235889（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−127190（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−276493（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長尺型燃料棒と該長尺型燃料棒より軸方向
   長さの短い短尺型燃料棒とからなる多数の燃料棒を複数
   のスペーサにより束ねてなる原子炉用燃料集合体におい
   て、短尺型燃料棒の上端が最上位のスペーサ位に位置し
   ていることを特徴とする原子炉用燃料集合体。
2. 【請求項２】短尺型燃料棒の燃料有効長が長尺型燃料棒
   の燃料有効長の5/6以上である特許請求の範囲第１項記
   載の原子炉用燃料集合体。
3. 【請求項３】短尺型燃料棒が燃料集合体の燃料棒配列の
   外周部を除く位置に配置されている特許請求の範囲第１
   項記載の原子炉用燃料集合体。
4. 【請求項４】短尺型燃料棒は上端部のみかあるいは上下
   両端部にガスプレナム部が配置されている特許請求の範
   囲第１項記載の原子炉用燃料集合体。
5. 【請求項５】長尺型燃料棒の上端部には天然ウランペレ
   ットが封入され、短尺型燃料棒の上端部には天然ウラン
   ペレットが封入されていない特許請求の範囲第１項記載
   の原子炉用燃料集合体。