JPH1194973A - 原子炉の炉心及び燃料装荷方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】運転サイクル間の燃料移動を最小限に押さえつ
つ、運転サイクルごとの炉心出力の変動も十分に低減で
きる原子炉の炉心及び燃料装荷方法を提供することであ
る。 【解決手段】同じ炉内滞在期間の燃料集合体が直線状に
並びしかもその方向は炉心の外周部に若い燃料と古い燃
料とが混在する方向である炉心を用いる。さらに運転サ
イクル間の燃料交換時には一部の燃料集合体は移動させ
ないという燃料装荷方法を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉の
炉心及び燃料装荷方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以下に従来の技術による炉心及び燃料装
荷方法を説明する。図２は従来の技術による炉心の１／
４図である。炉心は図２を構成単位とする１／４回転対
称である。以下炉心は全て１／４図にて表す。図２にお
いて１は１年目の燃料の位置、２は２年目の燃料の位
置、３は３年目の燃料の位置、４は４年目の燃料の位置
を表す。図２の炉心では最外周５及びコントロールセル
６に４年目の燃料が配置され、それ以外の領域７には左
下から右上への直線状８に同一炉心滞在期間の燃料を配
置し、１，２，３年目が周期的に並ぶように配置されて
いる。

【０００３】図３は従来の技術による燃料の装荷方法で
ありミニマムシャッフリングと呼ばれるものである。図
３の装荷方法により、炉心図は図２→図４→図５→図２
→図４→図５→図２→・・・・・・の運転サイクルの繰り返し
となる。

【０００４】図３の装荷方法では１，２年目の燃料は移
動しないため、運転サイクル間の燃料移動は最小限に押
さえられる。しかも、図２のように燃料集合体を層状に
並べることにより、燃料集合体の炉心内での分布は図
２，図４，図５をつうじて平均化され、ピーキングの減
少，炉停止余裕の増加などの効果が得られ、炉心を成立
可能なものにする。上記のように図２に示された炉心と
図３による燃料装荷方法は運転サイクル間の燃料移動を
最小限に押さえた原子炉運転を可能にする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図２，図４，図５の炉
心の場合、外周部に若い燃料集合体が集まるサイクルと
古い燃料が集まるサイクルが生じる。図２では外周部９
に１年目の燃料が、図４では外周部１０に２年目の燃料
が、図５では外周部１１に３年目の燃料が位置する。一
般に燃料集合体は、炉内滞在期間が増加するにつれて核
分裂反応が減少し、放出する中性子の量も減少する。し
たがって若い燃料が外周部に位置する場合は古い燃料が
外周部に位置する場合に比べて全燃料集合体が占める領
域から外部への中性子漏洩量が増加し、そのため原子炉
全体の反応度は減少する。

【０００６】この例では図２＜図４＜図５の順に反応度
は高くなり、図６のようにサイクルにより反応度が変化
してしまう。図６は横軸に運転サイクルをとり縦軸に反
応度をとっているが、運転サイクルが進むにつれて
（１，２，３，・・・・・・，Ｎ，Ｎ＋１，Ｎ＋２，・・・・）反
応度が振動する様子を説明している。実際の原子炉運転
ではこのサイクル差を解消するために、外周部で若い燃
料と古い燃料が混在するよう、例えば図２→図７のよう
に燃料集合体を入れ替える必要がある。これは図３の燃
料装荷方法以上の燃料交換が必要になる。

【０００７】本発明の目的は運転サイクル間の燃料移動
を最小限に押さえつつ、運転サイクルごとの炉心出力の
変動も十分に低減できる原子炉の炉心及び燃料装荷方法
を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、炉心内の最外周とコントロールセル以外の
部分を１／４点対称となるように分割して見た場合に、
同一滞在期間の燃料集合体どうしが面で隣接しないで、
斜め方向に連続して直線的に隣接し、上記の燃料集合体
が直線的に装荷される線が互いに平衡となりながら燃料
集合体の炉心滞在期間が周期的に変わるように並んでお
り、上記の線の１つが炉心の中央に装荷された燃料集合
体からはじまり炉心の外周方向に向かっていることを特
徴とする炉心を提案する。また本発明は上記炉心におい
て一定の期間原子炉を運転した後に燃料集合体を取り替
える場合に、最外周部と出力分布及び余剰反応度を制御
するために用いられる制御棒を囲む部分に位置する燃料
集合体は一部を除いて炉外に取出し、上記以外の同一滞
在期間の燃料集合体が線上に配置される領域では上記領
域内で最も古い燃料集合体は上記領域以外に移動し、上
記領域内で最も古い燃料集合体以外の燃料集合体は移動
させないことを特徴とする燃料装荷方法も提案する。

【０００９】本発明の燃料装荷方法によれば、運転サイ
クル間の燃料装荷の際に１年目と２年目燃料については
移動せずにすむので運転サイクル間の燃料移動を必要最
小限に押さえることができる。また本発明の炉心のよう
に、燃料集合体を異なる炉内滞在年数ごとに層状に並べ
ることにより、燃料集合体の炉心内での分布は平均化さ
れ、ピーキングの減少，炉停止余裕の増加などの効果が
得られる。

【００１０】更に、本発明の炉心によれば運転サイクル
に関わらず常に炉心の外周部に若い燃料と古い燃料とが
混在するため、運転サイクル間の炉心出力の変動を従来
に比べて低減できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を説明す
る。

【００１２】図１は本発明による第１の実施例の炉心の
１／４図である。炉心は図１を構成単位とする１／４回
転対称である。図１の炉心では最外周１２及びコントロ
ールセル１３に４年目の燃料が配置され、それ以外の領
域１４には、炉心の中央に装荷された燃料集合体からは
じまり炉心の外周方向に向かっている直線上及びそれに
平行な直線上１５に同一炉心滞在期間の燃料を配置し、
１，２，３年目が周期的に並ぶように配置されている。

【００１３】図８は本発明による燃料の装荷方法であ
る。図８の装荷方法により、炉心図は図１→図９→図１
０→図１→図９→図１０→図１→・・・・・・の運転サイクル
の繰り返しとなる。

【００１４】ところで原子炉の炉心においては、何年間
か炉心内に滞在して反応度が低下した使用済みの燃料集
合体を周期的に取り替える必要がある。燃料集合体を定
期的に取り替える場合に、使用済みとなった燃料集合体
を炉心から使用済み燃料プールに移動し、新燃料を炉心
へ移動する燃料集合体交換作業が必要になる。

【００１５】この時に、新燃料を装荷した新しい炉心に
おいて、適正な炉心特性を得るために、新燃料以外の何
年間か炉内で燃焼した燃料を炉心内で交換する必要があ
る。この時、燃料集合体の交換回数が増加するが、この
燃料集合体の交換回数の増加は、定期点検中の作業量を
増加させることになり、定検期間の増加につながる。こ
のことは、原子力発電所の設備利用率を低下させること
につながる。

【００１６】本実施例の図８の装荷方法では１，２年目
の燃料は移動しないため、運転サイクル間の燃料交換は
最小限に押さえられ、設備利用率の向上に効果がある。

【００１７】また一般に燃料集合体は、炉内滞在期間が
増加するにつれて核分裂反応が減少する。したがって炉
内滞在期間の短い燃料集合体ほど反応度が高く、炉内滞
在期間が長い燃料集合体ほど反応度が低い。このため炉
心内に燃料集合体を配置する際に、新しい燃料どうしが
固まって配置されたり古い燃料どうしが固まって配置さ
れたりすると、新しい燃料が固まるところに出力のピー
クができてしまい、またこのピークが出る付近の制御棒
の一本引抜き炉心停止余裕が小さくなる。上記の理由の
ため炉心内には異なる炉内滞在期間の燃料集合体が均一
に分布する必要がある。

【００１８】本実施例では図１，図９，図１０のよう
に、燃料集合体を異なる炉心滞在年数ごとに層状１５，
１９，２０に配置し、しかも１，２，３年目が周期的に
並ぶように配置することにより、燃料集合体の炉心内で
の分布は図１，図９，図１０をつうじて均一化され、ピ
ーキングの減少，炉停止余裕の増加などの効果が得ら
れ、炉心の成立性を高める。

【００１９】更に、既に述べたように燃料集合体は、炉
内滞在期間が増加するにつれて核分裂反応が減少する。
したがって放出する中性子の量も減少し、若い燃料が外
周部に位置する場合は古い燃料が外周部に位置する場合
に比べて全燃料集合体が占める領域から外部への中性子
漏洩量が増加し、そのため原子炉全体の反応度は減少す
る。したがって運転サイクルによって外周部に新しい燃
料が並ぶ場合と古い燃料が並ぶ場合があると、運転サイ
クルによって反応度が振動するという現象が起こる。

【００２０】従来の技術による炉心図２，図４，図５で
は［発明が解決しようとする課題］で述べたように、図
２では外周部９に１年目の燃料が、図４では外周部１０
に２年目の燃料が、図５では外周部１１に３年目の燃料
が位置するため、図２＜図４＜図５の順に反応度が高く
なる。そして運転サイクルによって反応度が振動してし
まう。それに対して本実施例図１，図９，図１０では外
周部１６，１７，１８で常に１年目２年目３年目の燃料
が均一に混在しており、従来技術による図２，図４，図
５ほどサイクル間の反応度差等の炉心特性の差が生じな
い。

【００２１】図１１は運転サイクル初期の反応度差を従
来技術と本発明とで比較したものである。図１１は従来
の技術による炉心図２，図４，図５の炉心と本実施例図
１，図９，図１０による炉心によるシミュレーション結
果を比較したものであるが、炉心の形，燃料体数，取替
体数等の条件は同じである。図１１は横軸に運転サイク
ル、縦軸に従来技術と本発明それぞれのサイクル初期反
応度の差分をとったものである。

【００２２】運転サイクルが進むにつれて(１，２，３,
・・・・・・，Ｎ，Ｎ＋１，Ｎ＋２,・・・・)両者とも反応度は振
動するが、本発明のほうが振動を小さく押さえている。
したがって従来技術で必要であったサイクルごとの反応
度差を解消するための燃料集合体の交換（図２→図７）
は本発明の場合は必要なく図８の燃料装荷方法のみで原
子炉運転が行える。

【００２３】上記のように本発明の炉心と装荷方法によ
れば、運転サイクル間の燃料移動を最小限に押さえつ
つ、運転サイクルごとの炉心出力の変動を十分に低減す
ることができる。

【００２４】以下、本発明による燃料装荷方法について
詳しく説明する。

【００２５】図１において、１となっている新燃料は、
次のサイクルでは、図９における２と記載した２年目燃
料として、図１から図９の間では燃料の移動操作を行っ
ていない。また、図１において、２となっている燃料
は、次のサイクルでは、図９における３と記載した３年
目燃料として、図１から図９の間では燃料の移動操作を
行っていない。

【００２６】さらに、図１において、３となっている燃
料においては、次のサイクルでは、図９における４と記
載した４年目燃料として、図１から図９の間では燃料の
移動操作を行うことになる。図１において、３となって
いる燃料のうち、この例だと、３６体（全炉心）の燃料
集合体は、コントロールセルと呼ばれる場所へシャッフ
リングされ、９２体（全炉心）の燃料集合体は、炉心の
最外周部の位置へシャッフリングされ、残りの燃料集合
体は炉外へ取出すことになる。このように、図１に３と
して示した３年目の燃料集合体は、すべて燃料の移動を
行い、図９に示す燃料装荷パターンとなる。図９におい
て、１で示した燃料集合体は、このサイクルに新燃料と
して新しく装荷されたものである。

【００２７】図９と図１０の間の燃料の移動方法も図１
から、図９における燃料移動方法と同じである。図９に
おいて、１となっている新燃料は、次のサイクルでは、
図１０における２と記載した２年目燃料として、図９か
ら図１０の間では燃料の移動操作を行っていない。ま
た、図９において、２となっている燃料は、次のサイク
ルでは、図１０における３と記載した３年目燃料とし
て、図８から図１０の間では燃料の移動操作を行ってい
ない。

【００２８】さらに、図９において、３となっている燃
料においては、次のサイクルでは、図１０における４と
記載した４年目燃料として、図９から図１０の間では燃
料の移動操作を行うことになる。図９において、３とな
っている燃料のうち、この例だと、３６体（全炉心）の
燃料集合体は、コントロールセルと呼ばれる場所へシャ
ッフリングされ、９２体（全炉心）の燃料集合体は、炉
心の最外周部の位置へシャッフリングされ、残りの燃料
集合体は炉外へ取出すことになる。

【００２９】このように、図９に３として示した３年目
の燃料集合体は、すべて燃料の移動を行い、図１０に示
す燃料装荷パターンとなる。図１０において、１で示し
た燃料集合体は、このサイクルに新燃料として新しく装
荷されたものである。

【００３０】図１０と図１の間の燃料の移動方法も図１
から、図９における燃料移動方法と同じである。図１０
において、１となっている新燃料は、次のサイクルで
は、図１における２と記載した２年目燃料として、図１
０から図１の間では燃料の移動操作を行っていない。

【００３１】また、図１０において、２となっている燃
料は、次のサイクルでは、図１における３と記載した３
年目燃料として、図１０から図１の間では燃料の移動操
作を行っていない。さらに、図１０において、３となっ
ている燃料においては、次のサイクルでは、図１におけ
る４と記載した４年目燃料として、図１０から図１の間
では燃料の移動操作を行うことになる。

【００３２】図１０において、３となっている燃料のう
ち、この例だと、３６体（全炉心）の燃料集合体は、コ
ントロールセルと呼ばれる場所へシャッフリングされ、
９２体（全炉心）の燃料集合体は、炉心の最外周部の位
置へシャッフリングされ、残りの燃料集合体は炉外へ取
出すことになる。このように、図９に３として示した３
年目の燃料集合体は、すべて燃料の移動を行い、図１に
示す燃料装荷パターンとなる。

【００３３】このように、燃料装荷パターンは、図１→
図９→図１０→図１→図９→図１０→図１→・・・・・・の繰
り返しとなる。

【００３４】次に第２の実施例について説明する。図
１，図９，図１０に示した本発明の実施例は、新燃料が
２１２体装荷され、２年目の燃料が２１２体、３年目の
燃料が２１２体、４年目の燃料が１２８体装荷されるケ
ースである。この燃料集合体の数が変化しても同じよう
に本発明を実施した燃料装荷方法を適用することができ
る。

【００３５】図１２に本発明の第２の実施例として、新
燃料が２１２体装荷され、２年目の燃料が２１２体、３
年目の燃料が２１２体、４年目の燃料が１２８体装荷さ
れる場合を示す。

【００３６】図１２の最外周とコントロールセルを除い
た領域では、１年目，２年目，３年目の燃料が図１２の
炉心中央付近から始まり炉心外周方向に延びる線上及び
その線と平行な線上に配置される。これらの線上には、
すべて同じ炉内滞在期間の燃料が配置されるわけではな
く、燃料取替体数により図１２に示すように違う炉内滞
在期間の燃料が装荷される場合もあり得る。図１２の場
合には、４で示した４年目の燃料が配置されている。ま
た図１２にはないが１，２，３年目の燃料が異なる炉内
滞在期間の燃料が並ぶ線上に割り込むこともありうる。

【００３７】このような場合でも図１，図９，図１０と
同様に、図８の燃料装荷方法により、運転サイクルは図
１２とその他２つの炉心パターンの繰り返しになり、し
かもその３つの炉心パターンは図１，図９，図１０と同
じ炉心性能を保持する。

【００３８】すなわち図１２の炉心とその炉心から図８
の燃料装荷方法により作成されるもう１つの炉心とさら
にそのもう１つの炉心から図８の燃料装荷方法により作
成される３つ目の炉心は、その３つのいずれも図１２、
２１のように異なる炉心滞在期間の燃料が層状に配置さ
れしかも１，２，３年目が周期的に並び、外周部には図
１２、２２のように異なる炉心滞在期間の燃料が混在す
るので、ピーキングの減少，炉停止余裕の増加などの効
果があり、運転サイクル間の炉心出力の変動を十分低減
できる炉心である。つまり、これらの炉心は運転サイク
ル間の燃料移動を最小限に押さえつつ、運転サイクルご
との炉心出力の変動も十分に低減できる炉心である。

【００３９】以上の第２の実施例は取替体数が変わって
も本発明が有効であることを示している。また第２の実
施例は第１の実施例に比べて４年目の燃料体数が増えて
おり、燃料の取出燃焼度増加による経済性の向上につな
がる例である。

【００４０】次に第３の実施例について説明する。これ
までに説明した実施例はいずれも７６４体炉心の場合で
あったが次に４００体炉心による実施例を示す。図１３
の炉心は第３の実施例であり４００体炉心の例である。

【００４１】このような場合でも図１，図９，図１０と
同様に、図８の燃料装荷方法により、運転サイクルは図
１３とその他２つの炉心パターンの繰り返しになり、し
かもその３つの炉心パターンは図１，図９，図１０と同
じ炉心性能を保持する。

【００４２】すなわち図１３の炉心とその炉心から図８
の燃料装荷方法により作成されるもう１つの炉心とさら
にそのもう１つの炉心から図８の燃料装荷方法により作
成される３つ目の炉心は、その３つのいずれも図１３、
２３のように異なる炉心滞在期間の燃料が層状に配置さ
れしかも１，２，３年目が周期的に並び、外周部には図
１３、２４のように異なる炉心滞在期間の燃料が混在す
るので、ピーキングの減少，炉停止余裕の増加などの効
果があり、運転サイクル間の炉心出力の変動を十分低減
できる炉心である。つまり、これらの炉心は運転サイク
ル間の燃料移動を最小限に押さえつつ、運転サイクルご
との炉心出力の変動も十分に低減できる炉心である。

【００４３】以上の第３の実施例は炉心の形状が変わっ
ても本発明が有効であることを示している。また第３の
実施例は第１の実施例に比べて燃料集合体総数が減少し
ており、運転サイクル間の燃料集合体の交換回数減少及
び制御棒本数の減少による経済性の向上につながる例で
ある。

【００４４】次に第４の実施例について説明する。これ
までに説明した実施例はいずれも燃料は４年以内で炉心
から取出され、１，２，３年目の燃料が層状に並ぶ例で
あった。次に燃料集合体の炉内滞在年数が増加し、４年
目の燃料も層状に並ぶ実施例を示す。図１４の炉心は第
４の実施例であり、新燃料が１３６体装荷され、２年目
の燃料が１３６体、３年目の燃料が１３６体、４年目の
燃料が１３６体、５年目の燃料が１３６体、６年目の燃
料が１３６体装荷され、４年目の燃料も層状に並ぶ炉心
の例である。コントロールセル及び最外周部には５，６
年目の燃料体が配置されている。

【００４５】このような場合でも図１，図９，図１０と
同様に、図８の燃料装荷方法により、運転サイクルは図
１４とその他２つの炉心パターンの繰り返しになり、し
かもその３つの炉心パターンは図１，図９，図１０と同
じ炉心性能を保持する。

【００４６】すなわち図１４の炉心とその炉心から図８
の燃料装荷方法により作成されるもう１つの炉心とさら
にそのもう１つの炉心から図８の燃料装荷方法により作
成される３つ目の炉心は、その３つのいずれも図１４、
２５のように異なる炉心滞在期間の燃料が層状に配置さ
れしかも１，２，３年目が周期的に並び、外周部には図
１４、２６のように異なる炉心滞在期間の燃料が混在す
るので、ピーキングの減少，炉停止余裕の増加などの効
果があり、運転サイクル間の炉心出力の変動を十分低減
できる炉心である。つまり、これらの炉心は運転サイク
ル間の燃料移動を最小限に押さえつつ、運転サイクルご
との炉心出力の変動も十分に低減できる炉心である。

【００４７】以上の第４の実施例は燃料集合体の炉心内
滞在年数が増加しても本発明が有効であることを示して
いる。また第４の実施例は第１の実施例に比べて炉心内
滞在年数が増加するため、燃料の取出燃焼度増加による
経済性の向上につながる例である。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、運転サイクル間の燃料
移動を必要最小限に押さえつつ、運転サイクルごとの炉
心反応度の変動も十分に低減させた原子炉の運転が可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である電子炉の炉心に配
置された燃料集合体の配置図。

【図２】従来の炉心に配置された燃料集合体の配置図。

【図３】従来の燃料集合体装荷方法を示すフローチャー
ト。

【図４】従来の炉心に配置された燃料集合体の配置図。

【図５】従来の炉心に配置された燃料集合体の配置図。

【図６】運転サイクルと反応度との関係を示す特性図。

【図７】従来の炉心に配置された燃料集合体の配置図。

【図８】本発明による燃料集合体装荷方法を示すフロー
チャート。

【図９】本発明の第１の実施例の炉心に配置された燃料
集合体の配置図。

【図１０】本発明の第１の実施例の炉心に配置された燃
料集合体の配置図。

【図１１】運転サイクルと反応度差との関係を示す特性
図。

【図１２】本発明の第２の実施例の炉心に配置された燃
料集合体の配置図。

【図１３】本発明の第３の実施例の炉心に配置された燃
料集合体の配置図。

【図１４】本発明の第４の実施例の炉心に配置された燃
料集合体の配置図。

【符号の説明】

１…炉心滞在１年目の燃料の位置、２…炉心滞在２年目
の燃料の位置、３…炉心滞在３年目の燃料の位置、４…
炉心滞在４年目の燃料の位置、５…炉心最外周部、６，
１３…コントロールセル、７…炉心最外周部，コントロ
ールセルを除いた部分、８，１５，１９，２０，２１，
２３，２５…同一炉心滞在期間の燃料集合体が並ぶ直
線、９，１０，１１，１６，１７，１８，２２，２４，
２６…炉心外周部、１２…最外周部、１４…領域。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】沸騰水型原子炉において、最も古い燃料集
   合体と２番目に古い燃料集合体の一部を最外周部と出力
   分布及び余剰反応度を制御するために用いられる制御棒
   を囲む部分とに配置する炉心において、炉心内の上記以
   外の部分を１／４点対称となるように分割して見た場合
   に、同一滞在期間の燃料集合体どうしが面で隣接しない
   で、斜め方向に連続して直線的に隣接し、上記の燃料集
   合体が直線的に装荷される線が互いに平衡となりしかも
   燃料集合体の炉心滞在期間が周期的に変わるように並ん
   でおり、上記の線の１つが炉心の中央に装荷された燃料
   集合体からはじまり炉心の外周方向に向かっていること
   を特徴とする原子炉の炉心。
2. 【請求項２】請求項１で示した同じ期間炉心内に滞在し
   た燃料集合体が配置される線上に装荷される燃料集合体
   が全燃料集合体の６０％以上であることを特徴とする請
   求項１の原子炉の炉心。
3. 【請求項３】請求項１で示した炉心において一定の期間
   原子炉を運転した後に燃料集合体を取り替える場合に、
   最外周部と出力分布及び余剰反応度を制御するために用
   いられる制御棒を囲む部分に位置する燃料集合体は一部
   を除いて炉外に取出し、上記以外の同一滞在期間の燃料
   集合体が線上に配置される領域では上記領域内で最も古
   い燃料集合体は上記領域以外に移動し、上記領域内で最
   も古い燃料集合体以外の燃料集合体は移動させないこと
   を特徴とする原子炉の炉心燃料装荷方法。