JPS6158789B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉の炉心に係り、特に、平均無
限増倍率の異なる燃料セルを配置した原子炉の炉
心に関するものである。

沸騰水型原子炉においては、可燃性毒物である
ガドリニアを含有した燃料集合体を用いて、炉心
余剰反応度変化を調整している。このガドリニア
で調整しきれない炉心余剰反応度は、制御棒で制
御していた。更に、制御棒は出力分布制御も同時
に行う必要があることから、従来の沸騰水型原子
炉では、出力調整のために使用される制御棒本数
が多く、サイクル途中で流量制御等により出力を
低下させて制御棒パターンの交換を行う必要があ
る。このため、炉心運用の簡素化、プラント利用
率の向上とあう面から問題であつた。

これらの点を鑑みて、炉心余剰反応度の変化幅
を縮小して制御棒による操作を最小限にさせた原
子炉の炉心が提案されている。このような炉心の
一例として、炉心中央領域に低濃縮度の燃料集合
体４体からなる燃料セル（コントロールセル）を
少数個配置し、制御棒操作は原則としてそのコン
トロールセル内で行うようにした炉心構成が考え
られている。第１図は、平衡サイクルにおける炉
心部構成を示す。炉心７において、８がコントロ
ールセルを示す。コントロールセル８の平均中性
子無限増倍率は、コントロールセル以外の燃料セ
ルの平均中性子無限増倍率よりも低くなつてい
る、１〜６は取替燃料集合体の炉心内の滞在年数
を示している。

平均中性子無限増倍率の小さいコントロールセ
ル内では原子炉の定格運転中での制御棒の操作に
際し、出力ピーキングの急激な変化を招くことが
なく、従つて炉心流量を調節して出力を低下させ
てから制御棒の引抜き操作するという手順が不要
となる。

このようなコントロールセル８を配置すること
は、制御棒操作をコントロールセル８内のみで行
わせるという以外に、炉心の半径方向出力分布の
平坦化に寄与する効果が大である。一般に、同一
の燃料セルを一様に装荷した炉心では炉心中央部
での出力割合が高く、半径方向出力分布の平坦化
がむつかしい。第１図のように配置したコントロ
ールセル８は、炉心中央部での出力割合を低下さ
せ、半径方向出力分布の平坦化に寄与することが
わかる。この事情を第２図で示す。図中Ａが、コ
ントロールセル８を配置した部分である。第２図
は、サイクル末期で制御棒を全部引き抜いた時の
炉心の半径方向出力分布を示したものである。コ
ントロールセル８の位置での出力割合が少ないた
め、半径方向出力分布の平坦化が実現されている
ことがわかる。

しかし、コントロールセル８を炉心の中央領域
に集めると、新しい燃料集合体のみを炉心に装荷
する初期炉心（原子炉を初めて運転する時の炉
心）の場合、あるいは大型の炉心の場合において
は、コントロールセル８の外側に位置する炉心領
域で出力ピーキングが大となる傾向が生じ、熱的
余裕の低下をもたらす。

このようにコントロールセルを炉心の中央領域
に集めた炉心に対して、コントロールセル８を炉
心全体に多数個配置させた炉心が従来考えられて
いる。しかし、この場合には、第１図に示す炉心
に比べて燃料集合体の交換時にシヤフリングを実
施する必要があつたり、原子炉運転中の出力調節
に使用される制御棒の本数が多くなるなどのため
に、プラント利用率の向上が図れない面があつ
た。

本発明の目的は、上記の点を考慮し、余剰反応
度変化幅の少ない炉心において、炉心の半径方向
出力分布の平坦化に寄与する原子炉の炉心を提供
することにある。

本発明の特徴は、４体の燃料集合体から構成さ
れる燃料セルが、可燃性毒物を含まない４体の第
１燃料集合体で構成される複数の第１燃料セル
と、１体の可燃性毒物を含む第３燃料集合体以外
は第１燃料集合体である複数の第２燃料セルと、
１体の第３燃料集合体以外に可燃性毒物を含まな
い第２燃料集合体を有する複数の第３燃料セルと
を含み、第１、第２および第３燃料集合体の無限
増倍率は、（第１燃料集合体）＜（第２燃料集合
体）＜（第３燃料集合体）の関係にあり、第１およ
び第２燃料セルが同心円状に配置され、第１燃料
セルが炉心中心から炉心半径の約２分の１までの
範囲に配置され、第２燃料セルは第１燃料セルの
外側に配置されることにある。

まず本発明の前提となる炉心余剰反応度変化幅
の小さな炉心の構成法について説明する。

第３図に種々の燃焼特性をもつた燃料集合体の
中性子無限増倍率（ｋ∞）の変化を示す。図中の
１１は、可燃性毒物であるガドリニアを含有した
高濃縮度の燃料集合体であり、燃焼初期のｋ∞増
加はガドリニアの燃焼に伴うものである。曲線１
１が極大となる燃焼度の点でガドリニアが燃えつ
きていると考えられる。一般に、ガドリニアが燃
えつきる燃焼度をサイクル燃焼度の近くにとるよ
うに設計する。直線１２，１３は、ガドリニアを
含まず、濃縮度が直線１２，１３の順に低くして
あるそれぞれの燃料集合体のｋ∞曲線である。も
し、曲線１１の燃料集合体の燃焼初期でのｋ∞の
増加割合が、他の低濃縮度の燃料集合体のｋ∞減
少の割合の３倍程度であれば、各燃料交換単位
を、隣接する４体の燃料集合体で構成し、そのう
ちの１体をガドリニア入り高濃縮度の燃料集合体
（曲線１１の特性を有するもの）とし、他の３体
をガドリニアを含まない低濃縮度の燃料集合体
（直線１２，１３の特性を有するもの）を用いれ
ば、サイクルを通しての平均ｋ∞が平坦となり、
炉心余剰反応度変化幅の縮小が実現できる。

このようにして構成した初期炉心では、サイク
ル末期で低濃縮度の燃料集合体を取り出し、その
替りにガドリニア入りの高濃縮度の燃料集合体と
同じ取替用の燃料集合体を装荷することにより、
次サイクルでも炉心余剰反応度変化を少なくする
ことができる。これ以降のサイクルにおいても、
低濃縮度の燃料集合体を順次、取替用の燃料集合
体と取り替えていくことにより平衡サイクルへの
接近が極めて容易となる。低濃縮度の燃料集合体
を更に３種類に分けて順次濃縮度を変えたものを
作つておけば、最も濃縮度の低いものから取り替
えていくことにより、燃料経済性の面からも有利
となる。

以上述べた燃料集合体の装荷方法は、隣接する
４体の燃料集合体からなる燃料セルを単位として
構成しており、燃料集合体の取替時におけるシヤ
フリングは原則として行わない。シヤフリングな
しの炉心では、燃料集合体の燃焼度の増加に伴う
出力分布の自己平坦化が有効に作用することと、
燃料集合体取替期間の短縮によるプラント利用率
の向上が図られること等が認められている。本発
明における炉心において、燃料セルの平均中性子
無限増倍率が炉心平均の平均中性子無限増倍率よ
り低い第１および第２燃料セルを４体の燃料集合
体から構成し、同心円状に配置することは、上記
ノーシヤフリングを前提としていることによる。

炉心内に第１燃料セルと第２燃料セルを交互に
配置する理由は、少数個のコントロールセルを炉
心内に配置した原子炉では、コントロールセルか
ら離れた領域の出力割合が大きくなる傾向があ
り、これをおさえるためである。

平衡サイクル炉心においては燃焼度の異なる４
体の燃料集合体が併在するから、第３図の曲線１
１で示される燃焼特性を有する取替用の燃料集合
体を用いれば、炉心余剰反応度変化幅の小さい炉
心を構成することが可能となる。

以上述べてきた考え方を基に構成した本発明の
実施例を第４図に示す。本実施例は、電気出力
1100MWe、出力密度50KW／、燃料集合体数
764体の初装荷炉心に適用したものである。炉心
１４において、１７は最も濃縮度の低い燃料集合
体、１８は中濃縮度の燃料集合体、１９はガドリ
ニア入りの高濃縮度の燃料集合体である。低濃縮
度と中濃縮度の燃料集合体１７および１８は、ガ
ドリニアを含んでいない。１５は４体の低濃縮度
燃料集合体１７から成る第１燃料セル（コントロ
ールセル）、１６は１体のガドリニア入り高濃縮
度燃料集合体１９と３体の低濃縮度燃料集合体１
７から構成した中濃縮度の第２燃料セルである。

第４図で示した実施例で、炉心中央領域を占め
る高濃縮度の第３燃料セルは、第５図中の２０に
示すように燃料集合体１９が１体、燃料集合体１
８が２体、燃料集合体１７が１体で構成されてい
る。第３燃料セルの構成は種々考えられ、その他
の実施例を第６および７図に示す。第６図の第３
燃料セル２１は、１体の燃料集合体１９および３
体の燃料集合体１８で構成される。第７図の第３
燃料セル２２は、各々１体の燃料集合体１７，１
８，１９および２５から構成される。燃料集合体
２５の濃縮度は、燃料集合体１８と燃料集合体１
９の中間の濃縮度である。

第８図は第２燃料セルの他の実施例で、２体の
燃料集合体１７および２体の燃料集合体１８から
構成される。

第４図に示した実施例では、第２燃料セル１６
の外側の領域に高濃縮度の燃料集合体１９を多く
装荷している。これは、サイクル末期での炉心反
応度を維持するためと、炉心周辺領域の出力割合
を高めて半径方向出力分布の平坦化を図るという
２つの目的をもつている。

第９図に第４図の実施例中に用いたガドリニア
入り高濃縮度の燃料集合体１９のｋ∞曲線を示
す。本実施例では、燃料集合体の濃縮度は、炉心
上部で3.04重量％、炉心下部で2.82重量％と上下
に濃縮度差がつけた燃料集合体を用いている。こ
のように上下に濃縮度差をつけるのはボイド分布
に起因する出力分布のゆがみを補償するためであ
る。なお第９図のｋ∞曲線は、ボイド率が40％で
の値である。燃料集合体１９のガドリニア入り燃
料棒の本数は８本であり、ガドリニアの濃度は炉
心上部で4.0重量％、炉心下部で4.5重量％であ
る。

第９図の特性３０は燃料集合体１９の濃縮度が
3.04重量％の場合の特性で、特性３１はそれが
2.82重量％の場合の特性である。

第１０図に燃料集合体１８および第１１図に燃
料集合体１７のボイド率40％におけるｋ∞曲線を
示す。本実施例の場合には、燃料集合体１８の濃
縮度は炉心上部で1.95重量％、炉心下部で1.74重
量％の濃縮度上下２領域、燃料集合体１７の濃縮
度は1.11重量％である。いずれの場合にもガドリ
ニアは含まれていない。

以上のような燃焼特性をもつ燃料集合体を組み
合わせることにより、４体平均の中性子無限増倍
率が炉心全体の平均中性子無限増倍率に比べて５
％以上低い第１燃料セル１５と第２燃料セル１６
を構成することができる。

前記実施例においては初期炉心を対象として説
明した。平衡サイクル炉心においては、炉内滞在
年数の異なる燃料集合体が併在する。ガドリニア
入り取り替え燃料集合体１９は、第３図の曲線１
１で表わされるｋ∞変化をするから、炉内滞在年
数の異なる燃料集合体４体で第３燃料セル２０を
構成すれば炉心余剰反応度の小さい炉心をつくる
ことができる。第１２図に出力密度44KW／、
燃料集合体数840体の平衡サイクル炉心に適用し
た実施例を示す。第１２図において３５は第１燃
料セル（コントロールセル）、３６は第２燃料セ
ル、３７は第３燃料セルである。第１燃料セル３
５の構成は燃焼の進んだ取替燃料集合体４体また
は濃縮度が1.1重量％から1.3重量％程度の低濃縮
度の燃料集合体４体で構成し、４年に一度あるい
は２年に一度取り替える方式とする。サイクル初
期における第２燃料セル３６の構成を第１３図に
示す。第１３図において４０は炉内滞在５年目の
燃料集合体、４１は炉内滞在４年目の燃料集合
体、４２は新燃料集合体、４３は炉内滞在３年目
の燃料集合体である。次サイクルの始めにおいて
は、燃料集合体４２を炉内滞在３年目の特定の燃
料集合体の位置にもつていき、そこの燃料集合体
を燃料集合体４２の替りに装荷する。又、燃料集
合体４０は炉外へ取り出し、新燃料集合体を装荷
する。取替用燃料集合体の平均濃縮度は2.82重量
％である。

本実施例で示したような炉心構成とすれば、大
型炉心の平衡サイクル炉心においても第１燃料セ
ル３５を配置した領域以外での出力ピーキングの
増大をおさえることができ、熱的余裕の増大を図
ることができる。

以上実施例を用いて説明したように、径方向出
力分布平坦化のためには、ピーキングが大となる
位置に低濃縮あるいは中濃縮度の燃料セルを配置
するのが効果的である。

本発明による炉心部構成によれば、炉心の半径
方向出力分布の平坦化が容易となり、熱的余裕の
増大をもたらし、コントロールセル内の少数個の
制御棒のみで原子炉の運転を行うことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はコントロールセルを有する平衡サイク
ルにおける炉心構成図、第２図は第１図の炉心に
おける半径方向出力分布を示す特性図、第３図は
種々の燃料集合体の燃焼に伴うｋ∞変化の様子を
図式的に描いた特性図、第４図は中間濃縮度の第
２燃料セルをコントロールセルの外側に配置した
本発明の実施例を示す構造図、第５図から第７図
までは炉心中央部に配置する高濃縮の第３燃料セ
ルの種々の実施例を示す説明図、第８図は中濃縮
の第２燃料セルの他の実施例の説明図、第９図か
ら第１１図は高濃縮燃料集合体、中濃縮燃料集合
体および低濃縮燃料集合体のｋ∞の特性図、第１
２図は本発明の他の実施例である平衡サイクル炉
心の構成図、第１３図は平衡サイクル炉心におけ
る第２燃料セルの構成図である。 １４……炉心、１５……第１燃料セル、１６…
…第２燃料セル、１７，１８，１９……燃料集合
体、２０……第３燃料セル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 隣接して配置された４体の燃料集合体と、こ
   れらの燃料集合体に取囲まれる位置に挿入可能な
   制御棒とを含む多数の燃料セルを有する原子炉の
   炉心において、前記燃料セルが、可燃性毒物を含
   まない４体の第１燃料集合体で構成される複数の
   第１燃料セルと、１体の可燃性毒物を含む第３燃
   料集合体以外は前記第１燃料集合体である複数の
   第２燃料セルと、１体の前記第３燃料集合体以外
   に可燃性毒物を含まない第２燃料集合体を有する
   複数の第３燃料セルとを含み、前記第１、第２お
   よび第３燃料集合体の無限増倍率は、（第１燃料
   集合体）＜（第２燃料集合体）＜（第３燃料集合体）
   の関係にあり、前記第１燃料セルと前記第２燃料
   セルが同心円状に配置され、前記第１燃料セルが
   炉心中心から炉心半径の約２分の１までの範囲内
   に配置され、前記第２燃料セルは前記第１燃料セ
   ルの外側に配置されることを特徴とする原子炉の
   炉心。