JPS6212890A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

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】 □ 〔産業上の利用分野〕　　　　　　　　　　　　　　　
１本発明は、発電用の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に使用
される燃料集合体に関する。

〔従来の技術〕

ＢＷＲの燃料集合体は、運転中に発生する蒸気泡　　　
′（ボイド）のため燃料棒ごとの出力が著しく不均一と
なり、局所ピーキング係数が増大する。それ　　　゛ゆ
え、局所ピーキング係数を小さくするように、出力の高
くなる位置における燃料棒の濃縮度を低く、出力の低く
なる位置における燃料棒の濃縮度　　　□を高くするよ
う構成した燃料集合体が用いられる。

ところが、このように局所ピーキング係数を最適化した
燃料集合体においては、燃料のバーンアウト余裕に影響
する集合体内の出力分布を最適化できないという欠点が
あった。

第２図は、ＢＷＲの炉心の１／４についてその横断面図
を表すものである。残りの６／４炉心は、図のＶ４炉心
のＩ軸とＪ軸について対称に配置される。

図において１０７は、中性子の吸収体を含む十字形の制
御棒であり、１０１は燃料集合体を茨す。燃料゛集合体
は、第６図に示すようにＡ１−６２の計６２本の燃料棒
１０４と、内部に燃料物質を含まず中空で冷却水を流通
する２本のウォータロッドＷ１０５とを８ｘ８正方格子
状に配列して構成され、ジルカロイ製のチャンネルボッ
クス１０６で外周を囲んで、制御棒１０７に隣接して原
子炉に装荷される。原子炉の出力運転中は、冷却水が燃
料下部から上部に向って流れ、燃料棒の発生熱を除去す
る。

このとき、第６図のチャンネル内部領域１０２の冷水は
沸騰状態となり、多量のボイドが発生するため、チャン
ネルの外部領域１０６にくらべて冷却水の密度が著しく
小さくなる。それゆえ、減速材すなわち冷却水による中
性子減速の結果として生ずる熱中性子の数はチャンネル
外部領域１０６で大きく、チャンネル内部領域１０２で
小さ”い。てらに、熱中性子は拡散によって密度の高い
方から低い方に流れて勾配をもった分布を生じ、“この
分布によって燃料棒内のウラン２３５の核分裂が集合体
の外周部において高く、中央部において低くなり、何個
の燃料棒の単位長さあたりの線出力と６２本の燃料棒の
平均線出力との比として定義される局所ピーキング係数
が増大する。燃料棒の過大な線出力は燃料棒の破損を来
たすもので、局所ピーキング係数を小さくする必要があ
る。したがってＢＷＲ燃料においては、第４Ａ図と第４
Ｂ図に示すように個々の燃料棒ごとにウラン２３５同位
体の濃縮度を変え、熱中性子の分布が高めになる位置で
の濃縮度を低くして全体の局所ピーキング係数を最小に
するように構成される。第４Ａ図は５種類の濃縮度に区
分される燃料棒１〜５を用いた例であり、第４Ｂ図はこ
の濃縮度の具体例を示す。なお、第４Ａ、４Ｂ図中で記
号Ｗはウォータロッドを示し、記号Ｇは可燃性毒物であ
るガドＩＪ　ニウムの同位体を含む酸化物（Ｇｄ２０ｓ
）を燃料物質に混入して用いることを示す。ガドリニウ
ムは燃焼初期の余剰反応度を抑制する目的で用いられる
が、燃焼がある程度進むとその効果が消滅するようにそ
の濃度を適切に選択される。

さて、この“ように構成された従来の燃料では、局所ピ
ーキングの最小化を行うことができる。しかしながら、
燃料のバーンアウト余裕は最小化されないため、熱的性
能の改善に限界があった。このことを以下に説明する。

バーンアウトは、燃料棒災面の熱流束が過大となり、冷
却水による除熱が不十分となって燃料棒の温度が急上昇
し、最悪の場合は、破損に至る結果をもたらす現象であ
る。バーンアウトを引き起す東件は、実験的に求められ
ており１次のように表される（文献：　ＥＰＲＩ　ＮＰ
−１８９８，１９８１）。

ただし ｃＱ＝＝限界蒸気重量率 Ａ、Ｂ＝実験で求められる定数 ２＝無次元沸騰長さ ＝ｎπＤＬＢ／Ａ ｎ＝集合体を構成する燃料棒の数 Ｄ＝燃料棒直径 ＬＢ＝沸騰長さ Ａ＝集合体の流路断面積 Ｇ＝冷却材の質量流束 ここで、Ｊｌは局所ピーキングの関数であり、例えば集
合体の中央部に位置する燃料棒に着目すると と表される。ただしｆｐは着目する燃料棒の局所ピーキ
ング係数、ｆｉは、位置ｐの燃料棒に隣接する　　　□
４本の燃料棒それぞれの局所ピーキング係数、ｆｊｆ１
位置ｐの燃料棒に対角に隣接する４本の熔料棒それぞれ
の局所ピーキング係数である。

また（２）式で５３は着目する燃料棒の位置を集合体の
４つの角、側面部、その他の中央部の３通りに区分した
とき、それぞれの区分内で定数項として実験的に決めら
れるが、（２）式の右辺第２項とともに第１項のＪ、に
くらべて無視できるほど小さい。

それゆえ簡単のため（２）式を Ｊ＝Ｊ、　　　　　　　　　　　　　　　（４）と書く
。

（１）式は、集合体の熱負荷が増大し、バー７アウトが
生じるための条件を限界の蒸気重量率ｃＱとして与える
ものである。そのようなｃＱ値は、燃料の高さ方向にみ
て沸騰の開始点から測った沸騰長さＬａ、すなわち２の
関数であるとともに、（３）式の局所ピーキング係数の
関数である。（１）、（３）、（４）式から、ｃＱが局
所ピーキング係数の重みつき平均値Ｊ。

に依存し、その平均値が高いほどｃＱ値が低くなること
、すなわちバーンアウトが起りやすくなることがわかる
。Ｊｌに対して着目する燃料棒の寄与の割合が２０／３
２であるが、残りの１２／３２は周囲の燃料棒の局所ピ
ーキングの寄与である。これから判るように、単純に局
所ピーキング係数を最小化してもバーンアウト余裕が最
小化されることにはならない。

また第４Ａ図に示すような濃縮度の区分を増やすほど局
所ピーキングならびに（３）式の５１を容易に最小化で
きることは明らかであるが、濃縮度の異なる多種類の燃
料物質を製造するための工程が増大する難点がある。

第５図は、燃料集合体を構成する燃料棒の濃縮度区分の
数に対して局所ピーキング係数を示したものである。濃
縮度区分の数を増やすほど局所ピーキング係数を小さく
することができる。また濃縮度区分の数を固定した場合
、局所ピーキング係数は、集合体内部の平均蒸気体積率
（以下ボイド率という）に依存する。通常の出力運転時
において燃料下部から上部に向ってボイド率が高くなり
、燃料の上端付近で約７０％ボイド率に達する。

それゆえ中性子の減速作用を有する冷却水によりて、熱
化された中性子の数は熱料上部にくらべて下部の方が多
くなる。その結果としてＢＷＲにおいてぼ、燃料下部の
集合体断面平均の出力が上部にくらべて高くなる傾向を
有する。

このような特性を考慮して燃料棒の局所的な線出力の最
大値、すなわち最大線出力密度を小さくするｖｃｆ′ｉ
、燃料下部の低ボイド領域において局所ピーキング係数
を小さくするよう燃料棒の濃縮度構成を決定するのが望
ましい。こうした場合、第５図の曲線１１０のように局
所ピーキング係数が小さくなるとともに平均ボイド率の
高い燃料上部の局所ピーキング係数は曲線１１１のよう
に高めになるが、上記のように集合体断面平均の線出力
は小さいので、炉心全体の最大線出力は小さく抑えるこ
とができる。このようにして燃料棒の濃縮度区分の数を
少なくして最大線出力密度が低い燃料集合体を構成でき
る。

しかしながら、既に述べたごとく、バー７アウトの最小
限界出力を定める因子である（３）式のＪ（以下Ｊ因子
という）は、燃料集合体の縦方向の各断面のすべてにお
ける局所的な出力分布に関係している。それゆえ、バー
ンアウト余裕を改善するためには、上記のごとく燃料下
部の局所ピーキング係数を小さくするだけでは不十分で
ある。

〔発明が解決すべき問題点〕

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、小数
の燃料物質の濃縮度区分を用いて最大線出力密度を低減
しかつバーンアウト余裕を犬きくできる熱的性能の向上
を行った沸騰水型原子炉用燃料集合体を提供することを
目的とするものである。

〔問題点の解決手段〕

本発明によれば、正方格子状配列の燃料棒が第１群と第
２群の燃料棒からなる前記燃料集合体が提供され、前記
第１群の燃料棒の本数が４〜８本であって、前記第１群
の燃料棒ではその上下端部を除く大部分について濃縮度
分布が長手方向に上下二つの領域に分割されると共にそ
の上部領域の濃縮度が下部領域の濃縮度に比べてほぼ１
重量パーセントだけ低くされ、第２群の燃料棒ではその
上下端部を除いて長手方向に一様な濃縮度分布が形成さ
れている。

このように本発明では、一部の燃料棒の濃縮度分布が上
下二領域に分割きれて、上部領域において前記Ｊ因子が
大きくなる位置での濃縮度を下部領域に対して低くする
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

Ｊ因子が燃料上部で大きくなる理由は、燃料下部にくら
べてボイド率が高い上部において、中性子の減速が集合
体断面方向に不均一になる結果、燃料棒ごとの出力分布
が歪だことによる。

このように構成された燃料集合体のＪ因子は。

平均ボイド率が゛高くても小さい値に抑えられ、集合体
のパーンアウト余裕が改善される。

〔実施例〕

第１Ａ図は５種類の濃縮度に区分される燃料棒１〜５を
用いた本発明の実施例を示す正方格子状の燃料棒の配置
図、第１Ｂ図はその濃縮度区分の例を燃料棒長さ方向に
ついて示す模式図であり、特定位置の燃料棒（２）１１
２は濃縮度分布が上下二領域に分割されると共に二酸化
ウラン濃縮度が上部領域で２．６０ｗｔ％、下部領域で
３．２０ｗｔ％と、下部より上部のほうが低濃縮度領域
にされている。

第６図の曲線１１４は集合体断面方向にのみ濃縮度区分
を有する従来の燃料集合体のＪ因子を示し、曲線１１５
は、本発明によるＪ因子を示す。

本発明の燃料物質は、二酸化ウラン粉末を焼結した円柱
のベレット多数よりなり、燃料棒は長さ約４ｍのジルカ
イロ製の被覆管にこれらのペレットを封入したものであ
る。また一部の燃料棒には二酸化ウランと可燃性毒物と
して用いられるガドリニウム（Ｇｄ）の酸化物を焼結し
たペレットを含む燃料棒が、第１Ａ図と第１Ｂ図に番号
１１６で示されるような位置に用いられる場合もある。

このように燃料物質が構成されるため、濃縮度の区分を
多くするとペレットの製作工程が複雑となる。したがっ
て濃縮度の区分は少ないほど望ましい。本発明は、濃縮
度の区分の数、すなわちベレットの種類の数を増やさな
いでも第６図に示すようにＪ因子を改善し、簡単な工程
で、しかも熱的性能の高い燃料集合体を提供することが
できる。

ところで本発明では、集合体を構成する一部の燃料棒の
濃縮度分布が上下方向に２分割され、上部の濃縮度が下
部にくらべて低い１．それゆえ第７図に示すように、燃
料集合体断面ごとの平均出力は、従来にくらべて下部に
おいて高めとなる。第７図において曲線１１６ハ従来例
、曲線１１７は本発明の場合を示す。この出力上昇の一
部は、すでに説明したように低ボイドにおいて局所ピー
キング係数を最小とするよう濃縮度区分を適切に選択す
ることによって、最大線出力密度の過度の上昇を避ける
ことができるが、燃料集合体断面平均で少くとも約０．
１５ｗｔ％以上の上下の濃縮度の差を設けると出力上昇
が大きくなる。第８図は、燃料棒を上下に２分割して濃
縮度差を約１ｗｔ％とじた軸方向領域区分を有する燃料
棒の数に対して最小限界出力の向上割合と最大線出力の
増加割合を示したものである。これから最小限界出力が
向上し、最大線出力の増加が抑えられる範囲は、８×８
正方格子配列の場合、軸方向領域区分を有する燃料棒の
数として４〜８本程度の範囲である。これは断面平均の
濃縮度差換算して約０．０５〜０．１５ｗｔ％の範囲に
相当する。

本発明の別の実施例を第９Ａ図ならびに第９Ｂ図に示す
本実施例は１部の燃料棒１１８に上下濃縮度差１ｗｔ　
％の燃料棒４本を使用した例であり、燃料上部の高ボイ
ド領域で発生するＪ因子の最大値を小さくするように構
成されている。各燃料棒の上端と下端にはＱ、　７　ｗ
ｔ％のウラン２６５同位体を含む天然ウランブランケッ
トを配置しである。また燃料棒１１９には上部において
５．５　ｗｔ％濃縮度のウランに３．５ｗｔ％のガドリ
ニア（Ｇｄ２０．）　ｆ含むペレットを配置し、下部に
は４．５ｗｔ％のガドリニアを含むペレットを配置して
いる。ガドリニアに含　　　□まれる同位体　Ｇｄと　
Ｇｄは中性子の強吸体であり、本実施例の燃料集合体の
断面平均の上下濃縮度差約０．６　ｗｔ％に基づく上下
の出力差を補償して出力分布をより平坦化する効果を有
する。

〔発明の効果〕

以上述べたとおり、本発明によれば、従来の燃　　　□
料集合体にくらべて、燃料棒に使用される燃料ペレット
の濃縮度区分を増加させることなく、最小限界出力なら
びに最大線出力密度に関する熱的性能を改善した燃料集
合体を提供できる。また従来の燃料集合体と同等の熱的
性能の燃料集合体を、従来よりも少ない燃料ペレットの
濃縮度区分で構成しつるため、燃料製造工程の簡略化を
達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の一実施例に係る燃料集合体の燃料棒
配列の配置図、第１Ｂ図はその濃縮度分布の例を燃料棒
長さ方向について示す模式図、第２図はＢＷＲ炉心１／
４横断面を示す模式図、第３図は燃料集合体の横断面図
、第４Ａ図と第４Ｂ図は従来例の燃料棒配列の配置図と
濃縮度分布の模式図、第５図は濃縮度区分に対する局所
ピーキング係数の特性を我す線図、第６図は本発明の効
果を示す濃縮度区分に対するＪ因子の特性を衣す線図、
第７図は従来例と本発明との効果の比較を示す燃料集合
体の高さ方向の出力分布の相違を衣す線図、第８図は本
発明の最小限界出力改善効果を示す線図、第９Ａ図と第
９Ｂ図は本発明の別の実施例に係る燃料棒配列の配置図
と濃縮度分布の模式図である。 ２．１１２，１１８・・・第１群の燃料棒、１．３．４
゜５．６，１１３，１１９．ａ・・・第２群の燃料棒、
Ｗ・・・ウォーターロンド。 代理人　弁理士　佐　藤　正　年 第１Ａ図 第１Ｂ図 （ｗｔ％Ｕ２３５） 第４Ａ図 （ｗｔ％Ｕ２３５　） １２３４５　　　　　　Ｇ 第７図 第８図 軸方□図りを嘴Ｔる純わ収

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の二酸化ウランペレットを被覆管内に多段に充
   填してなる燃料棒の複数本を、正方格子状配列で束ねて
   なる沸騰水型燃料集合体において、前記配列中に第１群
   の複数の燃料棒と第２群の複数の燃料棒とが含まれてお
   り、 前記第１群の燃料棒の本数が４〜８本であり、前記第１
   群の燃料棒ではその上下端部を除く大部分について濃縮
   度分布が長手方向に上下二つの領域に分割されて上部領
   域の濃縮度が下部領域の濃縮度よりもほぼ１重量パーセ
   ントだけ低くされ、前記第２群の燃料棒ではその上下端
   部を除いて長手方向に一様な濃縮度分布が形成されてい
   ることを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。 ２、第２群の燃料棒がその上下端部を除く大部分にて長
   手方向に上下二領域に分割され、下部領域の可燃性素物
   濃度が上部領域に比べて高くされていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の燃料集合体。 ３、充填された二酸化ウランペレットの濃縮度の種類が
   、上下端部にブランケットとして配置されるペレットを
   除いて５種類以下であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の燃料集合体。