JPS6193984A

JPS6193984A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPS6193984A
Application number: JP59215692A
Authority: JP
Inventors: 下重　孝則; 章西村; 持田　貴顕; 淳一山下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-10-15
Filing date: 1984-10-15
Publication date: 1986-05-12

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、燃料集合体に係シ、特に沸騰水型原子炉に用
いるのに好適な燃料集合体に関する。

〔発明の背景〕

近年、燃料経済性を向上するために燃料集合体の燃焼度
を長くすること、すなわち高燃焼度化が検討されつつあ
る。

現在、原子炉では、原子炉の反応度（余剰反応度）が運
転期間を通じて適切となるよう燃料集合体の数本の燃料
棒内に可燃性毒物であるガド１７　ニアを添加している
。ガドリニアは熱中性子吸収断面積の大きい可燃性毒物
である。したがって、運転サイクル末期にガドリニアが
燃料棒内に残留することは、前述の燃料集合体で構成さ
れる原子炉炉心の反応度を低下させることになり、燃料
経済上不利となる。そこで、燃料集合体に添加するガド
リニアの濃度を適切にする必要がある。

しかし、前述の如くガドリニアは原子炉の反応度制御に
も関係しており、ガドリニアの毒物効果すなわち濃度を
薄くしすぎると原子炉の反応度は大きくなり安全上（炉
停止余裕等）好ましくない。

また、原子炉の設計においては、運転期間の多少の変動
があっても、次の運転サイクルにおいても適切な炉停止
余裕が確保できるよう、考慮する必要がある。

燃料経済性を向上させる燃料集合体に関連するものには
例えば特公昭５８−２９８７８号公報に示す原理を用い
た特開昭５８−２６２９２号公報の第４図に示す燃料集
合体びが挙げられる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高燃焼度化と安全上適切な炉停止余裕
を確保することを同時に実現できる燃料集合体を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、複数の燃料棒を有する燃料集合体の軸
方向でその下部領域における可燃性毒物の濃度をその下
部領域におけるその濃度よりも少なくシ、しかも可燃性
毒物を含有する燃料棒の本数を、燃料集合体の下部領域
よりも燃料集合体の下部領域で多くしだことにある。

本発明：ハ、従来の燃料集合体の特性を詳細に検討する
ことによってなされたものである。以下にその検討結果
を述べる。

原子炉の炉心に新しい燃料集合体を装荷した場合は、炉
心の余剰反応度が大きくなって、制御棒たけでは途剰反
応度の抑制は困難でちる。燃焼初期におけるこの余剰反
応を抑制するために、前述したように燃料集合体の数本
の燃料棒内に可燃性毒物であるガドリニアを添加してい
る。このような可燃性毒物は、中性子吸収断面積が非常
に太きいので原子炉の運転時間の経過とともに急激に減
少する。運転時間がちる程度経過すれば、可燃性毒物は
完全に消滅し、燃焼後期では反応度に対して悪影響を及
ぼさないという有益な効果を持つ。

第６図にガドリニア利用による反応度抑制効果を示す。

実線は、ガドリニア入り燃料集合体の無限増倍率を示し
、破線はガドリニアを含まない燃料集合体の無限増倍率
を示している。両者の無限増倍率の差がガドリニアによ
る反応度抑制効果を　　　　　　１表わしている。また
、ガドリニア入り燃料集合体の無限増倍率は、第２図の
実線に示すようにガドリニアが燃えつきるまでは単調に
増加し、それ以降は単調に減少する。

ここで燃料経済性について考えてみる。運転サイクル末
期で炉心内の燃料集合体でガドリニアの反応度抑制効果
が残留していると、炉心反応度を低下させて経済性上不
利となる。従って、炉心内のすべての燃料集合体は、ガ
ドリニアの反応度抑制効果が運転サイクル末期で残留し
ないように適切なガドリニア濃度を選定することが経済
上重要となる。

一方、沸騰水型原子炉（ＢＷ几）は、軸方向にボイドが
分布する。すなわち、炉心下部風域におけるボイド量は
少なく、上部領域でボイド量が多い分布となる。この軸
方向のボイド分布は、軸方向に中性子スペクトルに分布
を生じさせることになる。その結果、燃料集合体軸方向
のガドリニア濃度を一様とすると燃料集合体上部領域で
ガドリニアが燃え残る場合が生じる。これは、次のよう
な事情による。

炉心下部のボイド量の少ない領域では、水の量が多いこ
とから中性子のエネルギーを減少させる減速効果が大き
い領域となる。これに対して、炉心上部のボイド量の多
い領域は、水の量が少なくなり前述の減速効果が小さい
領域となる。このため核分裂で発生したエネルギーの大
きい高速中性子は、炉心下部の減速効果の大きい領域で
はエネルギーの小さい熱中性子になりやすく、一方、炉
心上部の減速効果の小さい誤域では熱中性子になりにく
い。

従って、軸方向のボイド分布は、炉心下部領域で熱中性
子の数が多く（中性子スペクトルがソフ））、’；’ｙ
’＝炉心上部で熱中性子の数が少ない（中性子スペクト
ルがハード）という軸方向における熱中性子の分布（中
性子スペクトル分布）を生じせしめる。

ところで、ガドリニアは、熱中性子に対する吸収断面積
が大きい。従って、ガドリニアは、熱中性子の数の多い
中性子スペクトルがソフトな炉心下部で、熱中性子の数
が少ない中性子スペクトルがハードな炉心上部に比べて
熱中性子をよシ吸収し、中性子毒として機能しない他の
践積に変化（消滅）する割合が多くなる。ガドリニアの
消滅する時期が、炉心下部では早く、炉心上部では遅く
なる。従って、運転サイクル末期で炉心下部のガドリニ
アが消滅するようなガドリニア濃度を上下一様に分布す
る燃料集合体では、運転サイクル末期で、炉心上部のガ
ドリニアが燃え残ることになる。経済性の観点からは、
運転サイクル末期で添加されたガドリニアが消滅するよ
うに、燃料集合体下部領域のガドリニア濃度を高く、燃
料集合体上部領域のガドリニア濃度を低くすることが有
効でおる。

次に、前述のガドリニア濃度の軸方向分布を有する炉心
についてその安全性、特に、炉停止余裕について検討す
る。ここで、炉停止余裕とは、炉心内の燃料棒の中で、
最も反応度効果の大きい制御棒（最大価値を有する制御
棒）が一本引抜状態にろっても、それを除く他の制御棒
によシ原子炉を冷温停止して未臨界を維持する反応度の
臨界からの余裕である。炉停止余裕は、前述のように冷
温状態で着目するものである。冷温状態では炉心内袖方
向にボイドが発生しないので、炉停止余裕は、燃料果合
体の有する反応度に依存することになる。

従って、炉停止余裕は、最大価値制御棒を囲む４体の燃
料集合体の反応度に大きく依存する。

ＢＷＲのｌ１００Ｍ〜Ｖ級プラントにおける燃料集合体
の装荷パターンの側を第７図に示す。同図で数字は滞在
するサイクル数を意味する。１サイクルとは、定期検査
終了後の原子炉起動時から次回の定期検査のための原子
炉停止時までの原子炉の運転期間をいう。１は、新燃料
集合体である。２は、１サイクル分の燃焼を経験して２
サイクル目に入る燃料集付体である。３は、２サイクル
分の燃焼を経験して３サイクル目に入る燃料集合体であ
る。４は、３サイクル分の燃焼を経験して４サイクル目
に入る燃料集合体である。４サイクル分を経験した燃料
集合体４は、炉心から取出されて　　　　　　　１新し
い燃料集合体１と交換される。

燃料集合体の反応度は、第６図に示すようにガドリニア
の燃焼に犬°きく依存するため、最大価値を有する制御
棒の位置は、燃焼によりｉ化することになる。すなわち
、運転サイクル初期では、１サイクル分の燃焼でガドリ
ニアが燃え尽きて燃焼期間で最も大きい反応ｒ〔を有す
る燃料集合体２が多いセル（燃料集合体１が１体、燃料
集合体２が２体、燃料集合体３が１体）が最大測置とな
る。

セルとは、４つの制御棒で取囲まれた隣接する４体の燃
料集合体で構成される。さらに、運転サイクル末期では
、反応度が大きい燃料集合体は燃料集合体１であシ、燃
料集合体１が多いセル（燃料集合体１が２体、燃料集合
体２がｕＥ、燃料集合体３が１体）が最大１曲値となる
。

ところで、炉停止余裕は、炉心の有する反応度が小さい
と大きくなる。運転サイクル末期では、運転サイクル初
期より燃焼が進んでいることから炉心の有する反応度は
小さくなシ、炉停止余裕は運転サイクル初期で特に注目
する必要がある。また、原子炉の実際の運転においては
、運転期間が多少変動することも予想され、これに対応
できる融通性のある設計である必要がある。この時、特
に問題となるのは炉停止余裕である。この炉停止余裕が
厳しくなるケースは、当該サイクルの前のサイクルの運
転期間が短かくなった場合である。

すなわち前のサイクルの燃焼が十分でないため、当該サ
イクルの初期で炉停止余裕が厳しくなる。

従って、炉停止余裕の観点からは、運転サイクル初期で
の炉停止余裕を適切に確保しておくことが重要となる。

前述の如く、炉停止余裕を大きくするには、炉心の反応
度を下げることで実現できる。しかし、装荷ウラン量を
少なくすると、所定の運転期間が確保できなくなるため
有効な手段とはいえない。

そこで、運転サイクル末期で反応度抑制効果が消滅する
ガドリニアを添加した燃料棒を多くする方法が有効とな
る。しかし、ガドリニアを添加した燃料棒が多すぎても
１．運転サイクル初期の反応度が低くなシすぎて適切な
制御が難しくなる。従って、炉停止余裕に効果的な位置
にガドリニアを添加した燃料棒を配置することが肝要で
ある。

炉停止余裕を評価する上では、ウランによる反名産の寄
与の他に、燃焼により蓄積されたプルトニウムによる効
果を考慮する必要がある。プルトニウムは、ウラン−２
３５の核分裂で発生したエネルギーの大きい高速中性子
とウラン−２３８との核反応によって生成されるもので
ある。従って、プルトニウムの蓄７漬量は、中性子スペ
クトルがハードな領域で多くなる。すなわち、炉心上部
の中性子スペクトルのハードな領域では、炉心下部に比
べ、プルトニウムの蓄積量が多くなる。このプルトニウ
ムの蓄積量の軸方向の差異により燃焼が進んだ炉心での
冷温状態での反応度の重みは炉心上部領域にある。従っ
て、炉停止余裕を適切に確保するには、炉心上部領域で
ガドリニアを添加した燃料棒を多くする方法が有効であ
る。

以上、可燃性毒物であるガドリニアを利用している原子
炉においては、高燃焼度化を計る為には燃料集合体上部
領域に添加されるガドリニアを薄くして、かつ、適切な
炉停止余裕を確保するためには、前述Φ上部領域でガド
リニアが添加される燃料棒の本数を多くすることが有効
であることがわかった。

本発明は、このような検討結果に基づいてなされたもの
である。

伺、牲公昭５８−１９６４８３号公報の第６図に燃料棒
の上部にのみガドリニアを含む燃料棒の記載がらシ、燃
料集合体中の上部領域のガドリニア入シ燃料棒の本数が
、下部領域のガドリニア入シ燃料棒の本数より多くなっ
ているがこれは、上部における可燃性毒物混入量を、下
部における可燃性４物混入量よシ大きくすることを目的
としている。これに対し、本発明でも、上部領域のガド
リニア入シ燃料棒の本数を下部領域のガドＩＪ　ニア入
シ燃料棒の本数よりも多くしている。しかし、本発明で
は、燃料集合体の上部領域におけるガドリニアｓｒが、
下部領域のガドリニア領域の濃度より小さいために、上
部領域のガドリニア混入量（燃料棒内のガドリニア濃度
）Ｘ（ガドリニアを含む燃料棒の本数）は、下部領域の
ガドＩＪ　ニア混入量よシも小さくなっている。本発明
は、特公昭５８−１９６４５３号公報に記載の発明とは
、全く別のものである。

また、特公昭５８−２３９１３号公報の第３図に軸方向
ガドリニア濃度分布の記載がおり、燃料集合体中の上方
５０％〜１００チの上部領域ではその下方の下部領域よ
りガドリニア濃度が小さいことが示されているが、ガド
リニア入シ燃料棒の本数は、前記上部領域で、前記下部
領域より少ないか同一となっている。これに対し本発明
では、ガドリニアの濃度は、上部領域で下部領域よシ小
さいが、ガドリニア入り燃料棒の本数は、上部領域で下
部領域より多くしたものであシ、前記特公昭５　Ｂ−２
３９１３号公報に記載の発明とは異なるものでおる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の好適な一実施例を第１図及び第２図によ
シ説明する。

本実施例における燃料集合体１４は、チャンネルボック
ス内に燃料棒５〜１２及びウォータロッドＷを第１図の
ように配置したものである。各々の燃料棒及びウォータ
ロッドの両端部は、図示されていないが上部タイプレー
ト及び下部タイプレートに保持されている。燃料棒５〜
１０は、核燃料物質としてＵ　Ｏ２を用いており、それ
に含まれている核分裂性物質はウラ／２３５である。燃
料棒５〜１０は、可燃性毒物であるガドリニアを含んで
いない。燃料棒１１及び１２は、ＵＯ３と同時にガドリ
ニアを含んでいる。燃料棒１１及び１２も、核分裂性物
質としてウラン２３５を含んでいる。

燃料棒５〜１２は、ＵＯ！ペレットが充填された燃料充
填領域の高さを「１」とした場合、燃料充填領域の上端
及び下端からそれぞれ燃料充填領域の高さの１／２４ま
での範囲に天然ウラン（または劣化ウラン）のＵ　Ｏｚ
ペレットを配置してい・る。燃料棒５〜１２内には、燃
料充填領域の上方にガスブレナムが形成されている。第
２図は、各燃料棒の燃料充填領域におけるウラン２３５
の濃縮度ｅ及びガドＩＪ　ニア濃度Ｇａの分布を示して
いる。第２図に示す各燃料棒の燃料充填領域の上下端部
に示されるｅｆｉが、天然ウランの充填領域を示してい
る。燃料棒５，６．８及び１０〜１２は、天然ウランを
充填した領域を除いた部分、すなわち、燃料充填領域の
下端から上方に向って燃料充填領域の高さの１／２４〜
２３／２４の範囲で濃縮度（ｅｌ　＋　ｅｌ　ｔ　ｅｌ
及びｅ４　）が一様に分布している。燃料棒７及び９は
、前述の燃料充填領域の高さの１／２４〜２３／２４の
範囲の領域が燃料充填領域の下端から燃料充填領域の高
さの１１７２４の位置で上下の二頭域に分割されて上部
風域の濃縮度（ｅｌ及びｅｌ　）が下部領域よりも濃縮
度（ｅｓ及びｅ４　）が高くなっている。第２図に示す
各燃料棒の濃縮度ｅ！〜ｅ４は、以下の値を有している
。すなわち、濃縮度ｅ１は３．７重量％、濃縮度ｅλは
３．５重量％、濃縮度ｅ３は２．９重量％及び濃縮度ｅ
４は２．２重量％である。

燃料棒１１及び１２は、燃料充填領域の下端から燃料充
填領域の高さの２０／２４〜２３／２４の範囲に可燃性
毒物であるガドリニアが充填されている。この領域（ガ
ドリニア低濃度領域）のガドリニア濃度Ｇａｌは、３．
０重量％で一様である。

燃料棒１２は、前述のガドリニア低濃度領域にのみガド
１７　エアが充填されている。しかし、燃料棒１１は、
前述の領域以外にもガドリニアが充填されている。すな
わち、燃料棒１１Ｆｉ、、燃料充填領域の下端から燃料
充填領域の高さの１／２４〜２０／２４の範囲の領域（
ガドリニア高濃度領域）に４．５重量％のガドリニアが
一様に分布している。

燃料集合体１４は、燃料棒′５を１２本、燃料棒６を８
本、燃料棒７を８本、燃料棒８を１２本、燃料棒９を８
本、燃料棒１０を４本、燃料棒１１を８本、燃料棒１２
を２本及びウォータロッドＷを２本有している。

燃料棒５〜１２の上下端部には、前述したように、天然
ウランが充填されている。應料棒の端部は出力が小さい
ためにたとえ濃縮ウランを用いてもあまり燃焼しないの
でウランの有効利用とならない。このだめ、燃料棒の端
部には濃縮を必要と？しない天然ウランを配置してウランの有効利用を・図っ
ている。

燃料集合体１４は、燃料棒７及び９を有しているので、
燃料充填領域の下端からその高さの１／２４〜１１／２
４の範囲にある燃料集合体の上部領域における平均濃縮
度が、燃料充填領域の下端からその高さの１１／２４〜
２０／２４の範囲にある燃料集合体の下部領域における
平均濃縮度よりも高くなっている。このため、特公昭５
８−２９８７８号公報に示される燃料集合体と同様に、
燃料集合体１４の上部領域と下部領域の各々に出力のピ
ークが形成されて燃料集合体１４の軸方向特公昭５　Ｂ
　−２９８７８号公報に示されるようにシャロー制御棒
（炉心内に浅く挿入される制御棒）が不要となレディー
プ制御棒（炉心内に深く挿入されている制御棒）のみの
操作により原子炉出力制御が可能となる。

本実施例では、燃料棒１１における燃料充填領域の上端
部付近のガドリニア低濃度領域のガドリニア濃度がそれ
よシも下方のガドリニア高濃度領域のそれに比べて１．
５重量−程度低くなっており、また燃料棒１２における
燃料充填領域の上端付近のガドリニア低濃度領域のガド
リニア濃度も燃料棒１１のガド１７　ニア高濃度領域の
それに比べて１．５重量−程度低くなっている。さらに
、燃料集合体１４の上部領域におけるガドリニアを含有
している燃料棒の本数は１０本であシ、その下部領域に
おけるガドリニアを含有している燃料棒の本数ｉｔ、８
本である。

このように本実施例では、燃料集合体の上部領域でのガ
ドリニア含有燃料棒の本数がその下部領域でのその本数
よりも多くてしかもガドリニア含有燃料棒における燃料
充填領域の上端部でのガドリニア濃度がそれよりも下方
の領域のその濃度よシも低くなっているので、運転サイ
クル末期でのガドＩＪ　ニア残留に基づく反応度抑制効
果が低減でき、運転サイクル初期での適切な炉停止余裕
確保が可能となる。

第３図に、燃料集合体１４の燃料充填領域の上端部にお
けるガドリニア低濃度領域の長さの効果をガドリニア低
濃度領域の長さが零の場合を基準にして示す。ガドリニ
ア低濃度領域の下端の位置が、燃料充填領域の上端から
燃料充填領域の高さの４／２４よシ長くなると、第３図
から明らかであるように運転サイクル末期での反応度利
得がほぼ飽和する。これは、その領域でのガドリニアに
よる反応度抑制効果が大きいことによる。

さて、本実施例の効果をガドＩＪ　ニア低濃度領域がな
いガドリニア濃度分布が上端部まで一様な従来の燃料集
合体と比較して以下に述べる。第４図は、従来の燃料集
合体と本実施例の燃料集合体１４とにおける濃縮度及び
ガドリニア濃度の軸方向分布を示したものである。第４
図囚は従来の燃料集合体及び第４図（Ｂ）は本実施例の
燃料集合体１４の各々の場合を示している。第４図囚及
び（５）の各々の左側に示しである分数は、燃料充填領
域の高さに対する分割された各領域の軸方向長さの占め
る割合を示している。本実施例の燃料集合体１４は、第
４図（５）に示す如く、前述したように燃料充填領域の
上下端部に天然ウラン（ａ縮度０．７１重量％）を配置
し、天然ウラン充填域を除く燃料集合体の燃料充填領域
の上部領域における平均濃縮度が３．２９重量％、及び
燃料集合体の燃料充填領域の下部領域における平均濃縮
度が３．１０重量％である。従来の燃料集合体の濃縮度
分布は、本実施例の燃料集合体１４のそれに等しい。ま
た、本実施例の燃料集合体１４は、ガドリニア低濃度領
域（ガドリニア濃度３重量％）及びガドリニア低濃度領
域（ガドリニア濃度４．５重ｔ％）を有している。従来
の燃料集合体は、燃料充填領域の大部分においてガドリ
ニア濃度が４．５重ｉ％で一様である。第４図囚及び■
のガドリニア濃度分布を示す図面における０内の数字は
、ガドＩＪ　ニア含有燃料棒の本数を示している。従来
の燃料集合体及び本実施例の燃料集合体１４の燃料充填
領域の上下端部（燃料充填領域の高さの１／２４の長さ
）においては、ガドリニア濃度はそれぞれ０．０重量チ
である。すなわち、それらの領域にはガドリニアが含ま
れていない。これは、それらの領域に天然ウランを配置
しているので、さらにガドリニアを添加して出力を下げ
る必要がないからである。

第５図は、従来の燃料集合体と本実施例の燃料集合体１
４において燃焼度に対応する無限増倍率の変化を示して
いる。本実施例によれば従来と比較して、ガドリニアが
燃え尽きる時間（無限増倍率が最大となる時点に相当）
が早くなり、運転サイクル初期で無限増倍率が低下し始
めることが分かる。

この結果、本実施例の原子炉では、ガドリニアの残留に
よる反応度抑制効果が低減し、従来に比較し運転期間が
約２０日長くなる。また、サイクル初期での炉停止余裕
は、約０，３チΔに従来より犬きくなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、運転サイクル末期に可燃性毒物である
ガドリニアの反応度抑制効果が消滅でき燃料経済性を向
上でき、運転サイクル前半で適切な炉停止余裕が確保可
能でおる。従って、原子炉を安全に燃焼度を高くできる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である燃料集合体の横
断面図、第２図は第１図に示す燃料集合体に用いられる
各燃料棒の濃縮度・ガドリニア分布の説明図、第３図は
上端部におけるガドリニア低濃度領域の長さによる効果
を示す説明図、第４図（ト）は従来の燃料集合体の濃縮
度及びガドリニア濃度分布を示す説明図、□第４図（５
）は第１図の燃料集合体の濃縮度及びガドリニア濃度分
布を示す説明図、第５図は従来と本発明での無限増倍率
の比較を示す説明図、第６図は燃焼度と無限増倍率との
関係を示す特性図、第７図はＢＷＲ炉心での燃料装荷パ
ターンの例を示す説明図である。５〜１２・・・燃料棒、１３・・・制御禅、１４・・・
燃料集合体。め　３　超だ科／１４損機４よ踊Δ父膳ｊ句４ρ工登（Ａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（Ｂ）メ　ｔ７纂　７　図

Claims

【特許請求の範囲】１、核分裂性物質及び可燃性毒物を含有してなる複数の
第１燃料棒と、核分裂性物質を含有してしかも可燃性毒
物を含有していない複数の第２燃料棒とを有する燃料集
合体において、燃料集合体の上部領域における第１燃料
棒内の可燃性毒物の濃度が燃料集合体の下部領域におけ
る第１燃料棒内の可燃性毒物の濃度よりも小さく、しか
も燃料集合体の上部領域における第１燃料棒の本数が燃
料集合体の下部領域における第１燃料棒の本数よりも多
いことを特徴とした燃料集合体。２、前記上部領域の範囲は、燃料棒内の燃料物質充填領
域の上端から前記燃料充填領域の高さの１／２４〜４／
２４の範囲である特許請求の範囲第１項記載の燃料集合
体。