JPS5858036B2 - 軽水炉とその運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子力発電所における軽水炉とその運転方法に
関する。

経済的な発電には、原子炉の出力レベルの向上が要求さ
れる。

原子炉の出力レベルを向上するには、原子炉の出力密度
（ＫＷ／Ｊ）を向上することが考えられる。

しかしながら、原子炉の出力レベルの上限を制限する要
因の１つＧこ燃料棒の表面熱流束がある。

表面熱流束（Ｋｃａｌ／Ｔｌｌ： ｈｒ ）は燃料棒表
面の単位面積・単位時間当りの伝熱量であるが、原子炉
ではこれと同等の線出力密度（ＫＷ／７７Ｚ ）を慣例
的に使用する。

この線出力密度は燃料棒軸方向単位長さ当りの発熱量で
あり、表面熱流束に燃料棒円周長さく２πｒ）を乗じた
ものである。

例えばジルカロイ−２製の被覆管内に入れられた二酸化
ウラン焼結ペレットを７×７の正方格子に配列した燃料
集合体を考える。

この燃料集合体が例えば３６８体直円筒形に近い形状に
配置され、４体の燃料集合体の中央に１体の割合で十字
形断面の制御棒が挿入される。

いま、前記各燃料集合体の核分裂性物質２３５Ｕの平均
濃縮度が一様のものとして装荷されると中性子のもれが
あるので、中性子束は炉心中心部で高く、外周部で低い
ものとなる。

したがって、出力も炉中心部で高く、外周部で低いもの
となる。

すなわち、燃料集合体を構成する燃料棒の線出力密度（
表面熱流束）が炉心中心部で高く、外周部で低い。

この結果、原子炉運転上の熱的制限である線出力密度等
が制限値を越えてしまうおそれがあり、原子炉運転中の
制御棒運用に困難を伴う可能性がある。

これを改善するために、燃料装荷の方法に色々工夫がな
されている。

例えば、原子炉中心部の燃料集合体の核分裂性物質の量
（平均濃縮度）を減らし、外周部の核分裂性物質の量を
多くしたりしているが、これは出力分布の平均化（こは
大きな効果があるが、反応度の高い燃料集合体を中性子
のもれの大きい外周部に配置しているので、中性子経済
的には悪く、取得燃焼度を減らすことになる。

取得燃焼度を高めるには、炉心中央部に核分裂性物質の
量を多くした方がよい。

また、燃料集合体を構成している燃料棒本数を増加して
、燃料集合体の総伝熱面積を大きくすることにより熱的
制限（こ対する余裕を増すことも考えられる。

例えば炉心全体を９×９燃料集合体のみで考える。

この場合、熱的制限は現行の８×８燃料集合体よりも熱
伝達表面積が増加し、表面熱流束が低下（線出力密度が
低下）するため改善される。

しかしながら、８×８燃料では６４本、９×９燃料では
８１本の燃料棒になるため、約２７％も燃料棒本数が増
加する。

燃料集合体の製造コストは燃料棒本数の増大につれて大
幅に増加するため、熱的制限上余裕のある位置の燃料ま
で９×９燃料を使用するのは燃料製造コスト上不利であ
る。

本発明は、このような中性子経済の不利、燃料製造コス
トの不利をできるだけ低減し、熱的制限を満し、燃焼度
取得の向上または出力レベルの向上をはかることを目的
とする。

この目的は、本発明の特定発明によれば、軽水炉におい
て、炉心を構成する外寸法の等しい多数の燃料集合体に
、外径が小さく本数の多い燃料棒の正方格子配列からな
るものと、外径が大きく本数の少ない燃料棒の正方格子
配列からなるものを用い、前者本数の多い燃料棒からな
る燃料集合体を有する中心領域と、後者本数の少ない燃
料棒からなる燃料集合体のみを装荷するようにした周辺
領域との２領域に炉心を分けることにより遠戚される。

以下、本発明の第１実施例を説明する。

前述の燃料集合体の配列において、中心部の７×７燃料
を、この７×７燃料と２３５Ｕの量が同じ８×８燃Ｈ，
に置き換えた場合、燃料集合体の出力密度（ＫＷ／ｌ）
は７×７燃料、８×８燃料とも同じであるから、燃料棒
本数が増した分だけ、８×８燃料の燃料棒の線出力密度
は約１２％低下しく表面熱流束の低下は、もう少し小さ
い）、熱的制限に対する余裕が増す結果となる。

その結果その余裕分だけ出力レベルを増加させることが
可能となる。

また、燃料棒本数の多い燃料集合体の数は、中心部領域
の燃料に限るので、燃料製造コストの上昇を緩和するこ
とができる。

この効果は、７×７燃料と８×８燃料の組み合わせに限
らず、８×８燃料と９×９燃料とでも同じことが言える
。

つぎに、図面を参がしつつ本発明の第２の実施例を説明
する。

まず、第１図に示されるような本発明の軽水炉において
は、炉心１を中心領域２（左下り斜線記入部分）と、中
心領域２を囲む中間領域３（右下り斜線記入部分）と、
外周領域４（空白部分）とに分け、燃料棒配列の異った
燃料集合体５，６゜７を装荷する。

燃料集合体５は第２図に示されるような８×８正方格子
配列であり、燃料集合体６，７は第３図に示されるよう
な７×７正方格子配列である。

燃料集合体５と６，７は８×８配列と７×７配列の差が
あるものの総核物質（例えば２３５Ｕと２３８ｇ）量は
、例えば７×７は１８７時、８×８は１８３に７といっ
たように殆んど変らない。

なお、ここで燃料集合体５，６における燃料棒の核分裂
性物質（例えば２３５ｕ）の量は多く、燃料集合体７の
核分裂性物質の量は少ない。

核分裂性物質（，２３５Ｕ）量を多くするには、その濃
縮度を上げればよい。

軽水炉の場合、燃料集合体平均濃縮度２％程度の微濃縮
燃料を使用しているので、これを例えば３％程度に濃縮
度を上げるだけで、核分裂性物質量３％ は２％−１，５となり、一挙（こ５割増となる。

このような炉心では、中心領域および中間領域には２３
５Ｕの多い燃料集合体を、また外周領域（こは２３５Ｕ
の少ない燃料を配置するので中性子経済上有利である。

また、中心領域の燃料は燃料棒本数の多い８×８燃料を
使用しているので、′３５Ｕ量が多くても熱的制限は満
足できる。

中間領域では出力ビーキングが低いので、２３５Ｕ量の
多い７×７燃料でも熱的制限が満足できる。

ここで、中間領域には７×７燃料の新燃料（未照射燃料
）を配置し、つぎのサイクルではこの燃料を最外周領域
へ移動し、中間領域へは７×７の新燃料を装荷する炉心
の運用方法をとれば、最外周には２３５Ｕの少ない燃料
を装荷することと同一となり、前記実施例と同一の効果
がでる。

ここで、７×７燃料と８×８燃料の組み合わせのかわり
Ｏこ８×８燃料と９×９燃料の組み合せＯこしても同様
である。

つぎに、図面を参照しつつ本発明の第３の実施例を説明
する。

第４図に示されるように、中心領域の燃料集合体５，６
は制御棒９が中心に位置するように装荷する。

このとき、制御棒９を中心にして燃料５が４体、同様に
燃料６が４体と市松模様に装荷される。

また、中間領域３には制御棒９が中心に位置するように
４体１組ずつ燃料集合体６が装荷され、さらに外周領域
４には、最外側部分にのみ燃料集合体７が装荷されてい
る。

このような燃料装荷炉心において、原子炉全体に装荷す
る２３５Ｕ量を一定とし、８×８燃料集合体の２３５Ｕ
量を多く、７×７燃料集合体の２３５Ｕ量を少くすると
、８×８燃料集合体の出力密度（ＫＷ／ｌ）は７×７燃
料のそれより大きくなる。

８×８燃料の方が燃料棒本数が多いため、線出力密度は
その分だけ低いことから、線出力密度の運転制限までに
は、７×７燃料以上の余裕があるので、この余裕を７×
７燃料と８×８燃料が同等ｌこなるよう７×７燃料の出
力密度（ＫＷ／ｌ）を下げ、８×８燃料の出力密度を上
げることができる。

さらに、前記８×８燃料を中心領域に装荷すると、核分
裂性物質の多い燃料が中性子のもれが少なく反応度の大
きい位置におかれることになるので、中性子経済上、効
率が上がり原子炉の実効増倍率が増し、その結果、取得
燃焼度が増大する。

ここにおいて、中間領域では出力ビーキングがそれ程大
きくないので、８×８燃料でなく７×７燃料の２３５Ｕ
量の多い燃料でもよい。

また、中性子もれの大きい最外周には２３５Ｕ量の少な
い７×７燃料を装荷する方が中性子経済上効率がよい。

この結果８×８燃料は出力密度の高い燃料にのみ使用さ
れることになるので、前述した第２実施例より本数が少
なく、製造コストの低減に効果がある。

ここで、７×７燃料、８×８燃料との組み合わせのかわ
りに８×８燃料と９×９燃料との組み合わせを考えても
よい。

また、中間領域の燃料には、燃料棒本数の少ない新燃料
（未照射燃料）を装荷し、次サイクルにおいて中心領域
および外周領域の燃料棒本数の少ない燃料装荷位置（第
４図の燃料６，７Ｇこ該当）４こ装荷するようにしても
、前記の燃料６，７の配置と目等の効果がある。

つぎに、前述したようにして燃料集合体の装荷を行なっ
た本発明に係る軽水炉の運転状態の１例を説明する。

第５図（こは本発明軽水炉運転時の制御棒操作のパター
ンが示されている。

図中×印は深挿入、＊と十印は浅挿入、空白部分は全引
抜きの各状態である。

この図から明らかなように、中心領域において、８×８
燃料集合体に対しては、制御棒が深挿入状態で運転され
ている。

この８×８燃料集合体の制御棒は燃焼（こよる反応度変
化の補償のために主として用いられ、サイクル期間中燃
焼が進む（こ従って引き抜かれて、挿入深さ、挿入本数
が減少し、サイクル末期において制御棒は全引き抜きさ
れる。

サイクル期間中、長期に渡り、深く制御棒が挿入されて
いる燃料は、他の燃料と比較して燃焼が進まないため、
制御棒が引き抜かれる時点においては、他の燃料より出
力が太きい。

したがって、線出力密度の小さい、８×８燃料を深挿入
匍脚棒とした方が熱的制限上有利である。

また、浅挿入制御棒についても、中心領域では８×８燃
料とし、中間および外周領域では７×７燃料としている
。

浅挿入制御棒は出力分布の調整のためサイクル期間中４
こ挿入度が頻繁に変化するため、制御棒の引き抜き操作
前後で出力分布の変化が大きい。

出力ビーキングの大きい中心領域では、この変化幅も大
きいため、線出力密度の低い８×８燃料を浅挿入制御棒
位置とすることは、線出力密度変化が小さくなるので、
燃料棒の被覆管の健全性上は都合がよい。

すなわち、線出力密度の増大変化が太きいと燃料棒のペ
レットと被覆管の機械的相互作用が過大になり燃料被覆
管が破損する場合があるため、この出力増大をできるだ
け小さくすることが望ましい。

前記第４図に示される燃料集合体の装荷と、第５図Ｇこ
示される制御棒の挿入で運転され、第１サイクルが終了
したとき、第４図の燃料集合体を第６図に（Ｎ）で示さ
れるもの、すなわち、中心領域内における燃料集合体５
は８×８燃料の未照射燃料Ｎと、その外側に隣在する中
間領域における燃料集合体６は７×７燃料の未照射燃料
Ｎと交換し、残余の部分は第１サイクルにおけるままの
状態で第２サイクルの運転を行なう。

この場合、制御棒のパターンは第５図（こ示される状態
に戻される。

第２サイクルの末期（こ近づいたとき、再び第５図にお
いて深挿入としている制御棒を引抜くよう運転する。

第２ザイクル終了後、第７図に示されるようＯこ、中心
領域において（Ｎ）で示される位置の燃料を８×８燃料
の、中間領域の燃料を７×７燃料の未照射燃料と交換す
る。

これにより図中（ｎ）で示される第２サイクルで装荷さ
れた未照射燃料はそのまま球し、図中（Ｎ）で示された
ものは、中心領域内の燃料集合体と中間領域の燃料集合
体と中間領域の燃料集合体についてほとんどすべて未照
射燃料に交換されることになる。

さらに中心領域の交換されていない燃料および最外周部
分の燃料集合体７は１つ内側の外周領域の燃料集合体に
より交換され、（Ｎ）の位置にあった燃料及び、中心領
域の（Ｎ）、（ＩＩ）でない位置にあった燃料、外周領
域の燃料のうち燃焼が充分進んだものは未照射の７×７
燃料と交換して１つ内側の外周領域Ｇこ装荷される。

このようにして第３サイクルの運転が行なわれ、サイク
ル末期には第５図に示される状態の深挿入の制御棒の引
抜きが行なわれる。

第３サイクル終了後は再び第１サイクルに戻り、その後
は第１〜第３サイクルの順に従って反復運転される。

運転に際し、第５図に示される深挿入の制御棒は、所定
の出力が得られる間は、全挿入のままで運転され、出力
維持が困難になったときに引抜くことＯこなり、中心領
域Ｏこおける燃料集合体の核分裂性物質量は第１サイク
ル末期においても充分な量があり、以下第２サイクル、
第３サイクル末期（こおいても、いずれも炉心サイクル
末期に充分な核分裂性物質量が存在し、中性子経済性も
よく熱料交換の手間が省けるなど優れた利点を有する。

以上説明したように、本発明（こよれば、燃料製造コス
トの不利を可及的に低減できるばかりでなく、熱的制限
を満し、燃焼度取得の向上または出力レベルの向上また
は出力レベルの向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は炉心領域の分は方説明図、第２図は燃料棒８×
８配列の燃料集合体の装荷状態を示す平面図、第３図は
同じく７×７配列の燃料集合体の装荷状態を示す平面図
、第４図は第１サイクルの燃料装荷説明図、第５図は制
御棒操作パターン、第６図は第２サイクルの燃料装荷説
明図、第７図は第３サイクルの燃料装荷説明図である。 １・・・・・・炉心、２・・・・・・中心領域、３・・
・・・・中間領域、４・・・・・・外周領域、５，６，
７・・・・・・燃料集合体、８・・・・・・ポイズンカ
ーテン、９・・・・・・制御棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉心を構成する外寸法の等しい多数の燃料集合体に
   、外径が小さく本数の多い燃料棒の正方格子配列からな
   るものと、外径が大きく本数の少ない燃料棒の正方格子
   配列からなるものを用い、前者本数の多い燃料棒からな
   る燃料集合体を有する中心領域と、後者本数の少ない燃
   料棒からなる燃料集合体のみを装荷するようにした周辺
   領域との２領域に炉心を分けたことを特徴とする軽水炉
   。 ２ 炉心を構成する外寸法の等しい多数の燃料集合体を
   、核分裂性物質量が多く、本数の多い燃料棒の正方格子
   配列からなるものと、核分裂性物質量が多く、本数の少
   ない燃料棒の正方格子配列からなるものと、核分裂性物
   質量が少なく、本数も少ない燃料棒の正方格子配列から
   なるものとし、核分裂性物質量および本数ともσこ多い
   燃料棒からなる燃料集合体と、核分裂性物質量及び本数
   がともに少ない燃料棒からなる燃料集合体とを、炉心の
   中心領域Ｇこ交互配置となるようＱこ装荷するととも（
   こ、中心領域を囲む中間領域には、核分裂性物質が多く
   、本数の少ない燃料棒からなる燃料集合体を装荷し、さ
   らに、外周領域には核分裂性物質および本数がともに少
   ない燃料棒からなる燃料集合体を装荷して運転する軽水
   炉。 ３ 炉心を構成する外寸法の等しい多数の燃料集合体に
   、外径が小さく本数の多い燃料棒の正方格子配列からな
   るものと、外径が大きく本数の少ない燃料棒の正方格子
   配列からなるものを用い、前者本数の多い燃料棒からな
   る燃料集合体を有する中心領域と、後者本数の少ない燃
   料棒からなる燃料集合体のみを装荷するようにした周辺
   領域との２領域に炉心を分けてなる軽水炉において、第
   １サイクルの運転をこの状態で行なった後、前記中心領
   域、および該中心領域および前記周辺領域の中間領域の
   燃料集合体の一部を未照射燃料からなる燃料集合体と交
   換して第２サイクルの運転を行なうようにしたことを特
   徴とする軽水炉の運転方法０