JPH0833466B2 - 沸騰水型原子炉の炉心 - 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、燃焼によるプルトニウム蓄積量が多く、か
つこのプルトニウムを効率的に利用し得る燃料経済性の
高い沸騰水型原子炉炉心に関する。

（従来の技術） 沸騰水型原子炉は軸方向にボイド分布をもつため、炉
心上部よりも炉心下部において中性子の減速が大きくな
って、下部の反応度が高くなる。そのため出力ピークの
位置が炉心下部に偏るように出力分布が歪むという性質
がある。

従来の炉心設計では、燃料健全性の確保およびプラン
ト利用率向上の観点から、出力ピークをできるだけ抑え
ることにより線出力密度を低く抑えるように設計が行な
われており、そのため炉心下部の出力ピーク位置に制御
棒を浅く挿入する等の対策を施してきた。

また近年、軸方向に二領域を有する上下二領域燃料が
開発されている。この燃料では、燃料上部の可燃性毒物
（ガドリニア）の含有量を燃料下部よりも少なくする
か、燃料上部のウラン濃縮度を燃料下部よりも高くする
か、あるいはこれらを併用し、それによって燃料下部の
反応度を小さくして出力を低下させ、出力分布の平坦化
を図っている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、近年の燃料技術の発展により、燃料被
覆管内面にZrメッキを施したライナー燃料の如きPCI
（燃料−被覆管相互作用）対策を施した燃料が開発され
た結果、出力分布を従来ほど平坦化する必要は特になく
なり、線出力密度を燃料の健全性が維持される範囲内で
上昇させることが可能となった。このような炉心では出
力分布平坦化にとらわれずに沸騰水型原子炉の特徴を活
かした新たな炉心設計が望まれる。

この観点からみると、沸騰水型原子炉には、高いボイ
ド率で運転された燃料は低いボイド率で運転された燃料
よりも中性子スペクトルが硬化するためプルトニウムの
蓄積が多くなり、その傾向が燃焼の進行につれて増大す
るという特徴があり、その点に着目して燃料経済性を向
上させることが考えられる。

この特徴を活かす方法として、運転サイクル中の出力
ピークを炉心下部に発生させることによって高いボイド
率で原子炉を運転し、特に炉心上部でプルトニウムの蓄
積を促進させるという方法が考えられる。このようにす
ると、炉心上部でのプルトニウム蓄積の結果、運転サイ
クル末期で出力ピークが炉心上部に移動し、そのため炉
心平均のボイド率が低下するとともに炉心上部に蓄積し
たプルトニウムを効率的に燃焼させることができる。

このような効果を最大限に利用するために、燃料上部
のウラン濃縮度を下部よりも高くして、プルトニウムの
蓄積をより多くしかつより効率的に燃焼させることが考
えられるが、単に濃縮度分布をこのように付けただけで
は運転サイクルを通じて出力ピークが炉心上部に発生
し、その結果運転サイクル末期に至って出力ピークが炉
心下部に移動することになって所期の目的を達成しない
ことになる。したがって、このような現象を避け、しか
も上記の濃縮度分布の効果を運転末期において効果的に
発揮するためには、運転サイクル初期から中期にかけて
出力ピークを炉心下部に発生させる工夫が必要となる。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、多数の燃料集合体が装荷され、該多数の燃
料集合体の間を制御棒が挿出入するようになっている沸
騰水型原子炉炉心において、燃料集合体が上部領域およ
び下部領域に区分されており、燃料集合体に装荷される
核分裂性物質含有量が上部領域で多く下部領域で少ない
軸方向分布を有し、可燃性毒物含有量が上部領域および
下部領域で一様かもしくは上部領域で少なく下部領域で
多い軸方向分布を有し、かつ運転中に炉心に挿入される
制御棒の中性子吸収能力が上部から下部に向って減少し
ており、上端と上端から全長の1/4ないし1/2の位置との
間の領域において中性子吸収能力が最大であることを特
徴とする沸騰水型原子炉炉心に関する。

（作 用） 本発明炉心の燃料集合体では、核分裂性物質の濃縮度
分布またはこれと可燃性毒物濃度分布との併用により、
上に高く下に低いという上下の反応度差を有し、これが
ボイド差による上に低く下に高いという反応度差を打ち
消すことになる。したがって、これを炉心に装荷した場
合には、軸方向に一様な中性子吸収能力を有する制御棒
を使用すると、軸方向に一様な出力分布を示すことにな
る。ところが、本発明炉心では、中性子吸収能力が上部
から下部に向って減少している制御棒を使用しているの
で、出力分布は下方が高くなる。しかしながら、運転サ
イクル末期では、制御棒はすべて炉心から引き抜かれて
いるのでこのような出力分布の歪みがなくなり、運転中
に特に上部に蓄積したプルトニウムの効果と濃縮度差の
効果とにより出力ピークは上方にシフトする。その結
果、炉心平均ボイド率が低下し、燃焼度が増大する。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

以下の表に示すウラン濃縮度分布およびガドリニア濃
度分布を有する燃料集合体を使用する。ここで上部領域
および下部領域の境界は、燃料下端より全長の11/24の
所である。

この燃料集合体の40％ボイド（炉心平均ボイド率に相
当する）時の無限増倍率の燃焼変化を第１図に示す。図
中、破線ａは上部領域燃料、実線ｂは下部領域燃料を示
す。第１図に示されるように、ウラン濃縮度差およびガ
ドリニア濃度差により、上部領域燃料の無限増倍率は下
部領域燃料より大きい。しかしこの燃料を炉心に装荷す
ると、上下方向のボイド率分布によって、運転サイクル
初期から中期にかけての出力分布は第２図に示す平坦な
分布22となる。ただしこの場合は、軸方向に一様な中性
子吸収能力をもつ制御棒が使用されている。そして制御
棒が炉心から引き抜かれたサイクル末期では、第３図に
示すような出力分布32となる。なお、第２図および第３
図には対応するボイド率分布24および34が示されてい
る。

一方、上記と同じ燃料集合体を炉心に装荷して、軸方
向に中性子吸収能力分布を有する制御棒を使用した時の
出力分布を第２図および第３図に示す。

すなわち制御棒として第４図に示すように上部1/4が
下部3/4より中性子吸収能力が大きい（下部は上部の８
割）ような軸方向中性子吸収能力分布を有するものを使
用すると、運転サイクル初期から中期にかけての出力分
布は第２図の出力分布21となり、また運転末期の出力分
布は第３図の出力分布31となる。これらに対応するボイ
ド率分布は23および33で示されている。

なお、従来の炉心では、全炉心で185本ある制御棒の
うち12ないし13本の制御棒が炉心に挿入されているが、
本実施例では、制御棒下部の中性子吸収能力が低くなっ
ているので、炉心に挿入する制御棒を１本増やしてい
る。運転サイクルのある時点における制御棒パターンを
第５図に示す。同図において従来例ではＡで記された12
本の制御棒が挿入されており、本実施例ではＢで記され
た13本の制御棒が挿入されている。

第２図に示されるように、運転サイクル初期から中期
にかけては、本発明の実施例（21）では、従来の軸方向
中性子吸収能力分布が一様な制御棒を使った場合（22）
より下部の出力ピークが大きくなり、そのためボイド率
が増大して炉心平均ボイド率は約１％増大する。その結
果、運転サイクル末期では、第３図に示されるように、
本実施例（31）では従来の制御棒を使用した例（32）よ
り出力分布が上方にシフトしており、炉心平均ボイド率
は約２％減少している。その結果、サイクル末期の実効
増倍率が約0.3％△Ｋ増大し、これにより燃料経済性が
約２％向上される。

なお、制御棒に中性子吸収能力分布を付けるには、B₄
C粉末を使用した制御棒においては粉末の充填率を変え
ることによってなし得、ハフニウム金属板を使用した制
御棒ではハフニウム金属板の厚さを変えること等によっ
てなし得る。

また本実施例の燃料集合体はほぼ中央で上部領域およ
び下部領域に分かれており、ここに挿入される制御棒の
挿入長さは全長の3/4程度であるので、制御棒全長の1/4
に相当する先端部が燃料集合体の上部領域に位置するこ
とになり、したがってそれを除いた下部3/4の中性子吸
収能力を低下させている。また、すべての制御棒が炉心
内に挿入される原子炉停止時には、ボイドが発生しない
ことと、運転中の出力分布の結果燃料上部に多くの核分
裂性物質が残っていることとの結果、中性子増倍率は第
６図に示すように燃料上部においてより高い分布とな
る。このような原子炉停止時において未臨界度が従来の
炉心と同程度になるためには、少なくとも炉心上部の1/
4程度に相当する位置の制御棒中性子吸収能力を低下さ
せてはならない。

一方、第２図に示されるように運転サイクル中は炉心
全長の1/4に相当する下端部の出力が大きく、本発明の
目的を達成するためには少なくともこの下端部の出力を
増大させることが重要である。運転中炉心に挿入される
制御棒は、通常その全長の3/4程度が挿入されるので、
炉心全長の1/4に相当する下端部の出力を増大させるた
めには、第７図に示すように制御棒の中性子吸収能力が
大きい領域は上半部が限度である。これより下の領域ま
で中性子吸収能力を大きくすると、炉心下端部の出力を
充分増大させることができなくなり、本発明の目的が達
成されなくなってしまう。このような理由により制御棒
の中性子吸収能力を最大とする領域はその全長の1/4な
いし1/2に相当する上部領域に限定される。

以上の例では、制御棒はその中性子吸収能力によって
２領域に分割されていた。しかしながら、中性子吸収能
力に必要な差を付けるためには２領域の場合には境界で
出力分布に大きな歪みが生じることも考えられる。この
ような場合には制御棒の中性子吸収能力を例えば第８図
に示す例のように４領域に分割することによって、各々
の領域における出力分布の歪みを低減することができ
る。また、このような分布は第６図に示した原子炉停止
時の中性子増倍率に対応しているので、原子炉停止時に
おける未臨界度を充分に確保することができる。

なお、上述のように上下に中性子吸収能力の差を設け
ることは、すべての制御棒について必要であるわけでは
なく、運転中に炉心に挿入される制御棒だけでよい。こ
の点から見ると、コントロールセル炉心ではコントロー
ルセルにある制御棒だけでよい。ここでコントロールセ
ル炉心とは第９図に示すように、４本の低反応度の燃料
集合体91を特定の制御棒92を囲むように配置し、運転中
にはその制御棒のみを使用するものである。ただし、制
御棒の中性子吸収能力を分布させるために、下部の吸収
能力を下げるのではなく、上部の吸収能力を高めれば原
子炉停止時における上部の問題もなくなる。

なお、本実施例では燃料集合体上下でウラン濃縮度お
よびガドリニア濃度差を有しているが、既に述べたよう
に、本発明は基本的に上記のような濃縮度分布を有して
いることが重要であるから、ガドリニア濃度分布は上下
一様でウラン濃縮度分布だけを有している燃料集合体を
装荷しても本発明の効果が得られることは明らかであ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、炉心上部にお
けるウラン濃縮度が高く、しかもそれにも拘らずサイク
ル初期から中期にかけてボトムピークの出力分布で運転
できるので、炉心上部においてプルトニウムを多く生成
蓄積することができ、一方、サイクル末期では、トップ
ピークの出力分布となるので、ボイド率が減少するとと
もに蓄積したプルトニウムを効率的に燃焼させることが
できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の実施例に使用された燃料集合体の上部
領域および下部領域の無限増倍率燃焼変化を示す図、第
２図および第３図はそれぞれ本発明の実施例および比較
例の運転サイクル初期〜中期および運転サイクル末期の
それぞれにおける軸方向出力分布およびボイド率分布を
示す図、第４図は本発明の実施例に使用された制御棒の
軸方向中性子吸収能力分布図、第５図は本発明の実施例
および従来例の運転サイクルのある時点における制御棒
パターンを示す図、第６図は原子炉停止時における中性
子増倍率の軸方向分布図、第７図および第８図はそれぞ
れ本発明の第2,第３の実施例における制御棒の中性子吸
収能力の軸方向分布図、第９図はコントロールセル炉心
の炉心配置図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｃ 7/10 ＧＤＢ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の燃料集合体が装荷され、該多数の燃
   料集合体の間を制御棒が挿出入するようになっている沸
   騰水型原子炉炉心において、炉心に装荷される燃料集合
   体が上部領域および下部領域に区分されており、燃料集
   合体に装荷される核分裂性物質含有量が上部領域で多く
   下部領域で少ない軸方向分布を有し、かつ運転中に炉心
   に挿入される制御棒の中性子吸収能力が上部から下部に
   向かって減少しており、上端と上端から全長の1/4ない
   し1/2の位置との間の領域において中性子吸収能力が最
   大であることを特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
2. 【請求項２】核分裂性物質含有量が前記軸方向分布を有
   する燃料集合体において、可燃性毒物含有量が上部領域
   および下部領域で一様かもしくは上部領域で少なく下部
   領域で多い軸方向分布を有していることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の沸騰水型原子炉炉心。