JPS62204189A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、沸騰水型原子炉等の軽水型動力炉の炉心に装
荷される燃料集合体に係り、特に、高転換・バーナ型原
子炉に好適な燃料集合体に関する。

（従来の技術） 一般に、軽水型動力炉（ＬＷＲ）の炉心に装荷される燃
料の中には、低エネルギの中性子を捕獲して核分裂反応
を起こすウラン２３５等の核燃料と、中性子を吸収して
プルトニウム等の核分裂性物質に核変換するウラン２３
８等の親物質とが含まれている。

このために、沸騰水型原子炉等の軽水型動力炉から取り
出された使用済燃料の中には、核燃料となり得るプルト
ニウム（Ｐｕ）が蓄積されている。

そこで、このプルトニウム（Ｐｕ）を使用済燃料の再処
理により回収し、回収されたｐｕを高速増殖炉（ＦＢＲ
）に使用して核燃料の有効利用を図れば、理想的な核燃
料サイクルが得られることが知られている。

しかしながら、高速増殖炉の建設コストは、軽水型動力
炉のものに比べて著しく高いために、高速増殖炉の実用
化にとってネックになっており、高速増殖炉の実用化時
期が遠のいたという認識が一般的である。このような現
状では多くのプルトニウムが蓄積されたままとなり、核
燃料として有効に利用されないという不都合がある。

そこで、最近では、高速増殖炉を実用化する前に、プル
トニウムを核燃料として再活用する原子炉の研究が積極
的に進められており、これに適した原子炉として高転換
・バーナ型原子炉が開発されている。

高転換・バーナ型原子炉は炉心を高転換領域とバーナ領
域とに２分したもので、高転換！Ｗ域には減速材対燃料
の体積比（以下水対ウラン比という。

）が小さく、転換率を高めた稠密型燃料集合体が装荷さ
れる。高転換領域では減速材（水）による中性子の減速
を抑制し、親物質から核燃料であるＰｕ−２３９等をＷ
４極的に生成することを目的としている。

また、バーナ領域は水対燃料比を高めて、燃料の燃焼の
向上を図るようにしたもので、具体的には転換領域で蓄
積されたＰｕなどの燃料を水対燃料比を改善することに
より、燃焼させるものである。

すなわち、これまで提案されている高転換・バーナ型原
子炉の燃料集合体は第４図に示すように構成され、多数
本の長尺燃料棒１を格子状に配列して、これらの上下両
端部を上部および下部タイプレート２，３により支持し
、その中間部をスペーサ４により束状に結束している。

このように構成された燃料集合体には炉心中央部の高転
換領域に装荷されるものと、炉心周辺部のバーナ領域と
に装荷されるものの２種類があり、前者は長尺燃料棒１
を後者よりも稠密に組み込んでいる。

そして、燃料が所定段階まで燃焼したときには、高転換
領域に装荷された稠密型の燃料集合体をバーナ領域の燃
料集合体に再構成するための解体および再組立を行なう
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の燃料集合体では高転換
用のものと、バーナ用のものとでは長尺燃料棒１の装荷
密度も、水対ウラン比も異なるので、高転換用の燃料集
合体の解体および再組立をせずに、そのままバーナ用の
燃料集合体として用いることはできない。

そこで、稠密型の一体の燃料集合体の長尺燃料棒１を２
体程度の燃料集合体に分配して、長尺燃料棒１を疎に配
列し直し、バーナ用に適した燃料集合体に再組立する必
要がある。このように、従来の燃料集合体では、高転換
領域用の稠密型燃料集合体の解体および再組立に多大な
時間、労力および経費が必要となる等、作業性が低いと
いう問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになさ
れたもので、高転換用の稠密型燃料集合体をバーナ用の
ものに極めて容易に再構成することができ、作業性の良
好な燃料集合体を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は水対ウラン比が炉心部の下部から上部へ行くに
従って漸次小さくなることに着目してなされたものであ
り、短尺燃料棒の複数本を束状に結束してなる短尺燃料
集合体を、この短尺燃料棒の装荷本数を異にして複数体
設け、これら短尺燃料集合体を上下方向に置換可能に積
層するようにしたことに特徴がある。

（作用） まず、燃料集合体の初装荷時には、短尺燃料棒の装荷密
度が疎である短尺燃料集合体の上に、短尺燃料棒の装荷
密度が稠密である短尺燃料集合体を積み重ねた状態の燃
料集合体の複数体を高転換バーナ型原子炉の炉心に装荷
する。

この状態で原子炉を運転すると、燃料の寿命初期におい
ては、水対ウラン比が高い炉心下部にある短尺燃料集合
体で燃焼して、ボイドを発生させる。

一方、水対ウラン比が低い炉心上部にあって、短尺燃料
棒が密である短尺燃料集合体では、その炉心下部で発生
したボイド効果も加わって、さらに水対ウラン比が小さ
くなり、燃料中の親物質（Ｕ−２３８，Ｕ−２４０）か
ら転換されたプルトニウム（Ｐｕ−２３９，Ｐｕ−２４
１）等が次第に蓄積される。

そして、燃料が所定段階まで燃焼したときは上部、下部
両短尺燃料集合体を上下方向に逆転させてｆａ層する。

すなわち、Ｐｕが充分に蓄積されている短尺燃料棒が稠
密である短尺燃料集合体を下部に、燃焼流の短尺燃料棒
が疎である短尺燃料集合体を上部にして積み重ね、再組
立する。

これにより、炉心下部の稠密型の短尺燃料集合体はボイ
ドが殆どない減速材（水）により中性子を減速させて有
効的に燃焼せしめられ、効果的な平衡炉心サイクルが得
られる。

また、短尺燃料棒の装荷本数が異なる各短尺燃料集合体
は、上下にタイブレートをそれぞれ有しており、これら
の組立および分解はタイブレートのねじ結合で行なえる
ために、極めて容易で、取扱時の安全性も高めることが
できる。

（実施例） 以下、本発明に係る燃料集合体の実施例について第１図
〜第３図を参照して説明する。

第１図は高転換・バーナ型原子炉に好適な本発明の一実
施例の燃料集合体の正面を示しており、バーナ用短尺燃
料集合体１０上に転換用短尺燃料集合体１１を上下方向
に置換可能に積層している。

バーナ用および転換用短尺燃料集合体１０．１１は複数
本の短尺燃料棒１２を六角格子状にそれぞれ配列して、
それらの上端部を上部タイブレート１３．１４により、
それらの下端部を下部タイブレート１５．１６によりそ
れぞれ支持させ、それらの中間部を偏平六角筒状のスペ
ーサ１７，１８により横方向を支持させて、複数本の短
尺燃料棒１２を束状に結束している。

このように束状に結束された両短尺燃料集合体１０．１
１は上下に積み重ねられた状態で、その外周には第２図
に示すように六角筒状のチャンネルボックス１９を外嵌
し、複数本の短尺燃料棒１２の六角格子状配列のほぼ中
央部にて複数本、例えば６本の短尺制御棒ガイドチュー
ブ２０８．２０ｂをほぼ六角形状に配列している。

これら短尺制御棒ガイドチューブ２０ａ、２０ｂは第３
図に示すように両短尺燃料集合体１０゜１１が上下方向
に積み重ねられるときに管継手２１により上下方向にね
じ結合されて、１本に接続され、図示しないクラスタ型
の制御棒を上下動自在に収容して、その上下動方向を案
内し、しかも上記スペーサ１７．１８を支持するように
なっている。

また、転換用短尺燃料集合体１１は第１図に示すように
バーナ用短尺燃料集合体１０よりも多くの短尺燃料棒１
２を稠密に装荷している。

短尺燃料棒１２は従来の長尺燃料棒１（第４図参照）と
ほぼ同様に構成され、ウラン２３５等の核燃料と、ウラ
ン２３８等の親物質を含む燃料を内蔵しているが、長尺
燃料棒１よりも短かく形成されている。

そして、バーナ用短尺燃料集合体１０の上部タイブレー
ト１４は第３図に示すように構成され、転換用短尺燃料
集合体１１の下部タイブレート１５の外周に外嵌して、
その嵌合部を複数個の締結ボルト２２により緊締してい
る。

また、この上部タイブレート１４は第３図に示すように
各短尺燃料棒１２の柱状上端部をそれぞれ嵌入させて支
持するための嵌入孔１４ａを有し、短尺制御棒ガイドチ
ューブ２０ｂの上端部を上方へ貫通させて、その上方突
出端部外周に止めナツト２３を螺着して固定している。

一方、転換用短尺燃料集合体１１の下部タイブレート１
５は第３図に示すように各短尺燃料棒１２の下端部をそ
れぞれ嵌入させて支持するための嵌入孔１５ａと、転換
用短尺燃料集合体１１の短尺制御棒ガイドチューブ２０
ａの上端部外周に水密に外嵌すると共に、これと同軸状
にバーナ用短尺燃料集合体１０の下方より伸びている短
尺制御棒ガイドチューブ２０ｂの上端部外周に水密に外
嵌して、１本の長尺制御棒ガイドチューブ２０に接続す
る管継手２１とを有する。

さらに、転換用短尺燃料集合体１１の上部タイブレート
１３は上記したバーナ用短尺燃料集合体１０の上部タイ
ブレートとほぼ同様に構成され、バーナ用短尺燃料集合
体１０の下部タイブレート１６の下部外周に外嵌してボ
ルト２２により締結されるようになっており、その外側
面には吊持用のハンドル２４を取着している。

上記バーナ用短尺燃料集合体１０の下部タイブレート１
６も転換用短尺燃料集合体１１の下部タイブレート１５
とほぼ同様に構成され、転換用短尺燃料集合体１１の上
部タイブレート１３の上部内周に内嵌してボルト２２に
より締結されるようになっており、その外側面には吊持
用のハンドル２５を取着している。

すなわち、転換用短尺燃料集合体１１上にバーナ用短尺
燃料集合体１０を載せて固定することができるようにな
っている。

次に本実施例の作用について述べる。

燃料集合体の初装荷時には、第１図に示すようにバーナ
用短尺燃料集合体１０の上部タイプレート１４上に転換
用短尺燃料集合体１１の下部タイブレート１５を嵌合さ
せてボルト２２により締結して燃料集合体を構成し、そ
の複数体を原子炉の炉心に装荷して運転する。

これにより、水対ウラン比の大きい炉心下部に装荷され
たバーナ用短尺燃料集合体１０は燃焼してボイドを発生
させる。

一方、このボイドのために一層水対ウラン比を小さくし
ている炉心上部に装荷された転換用短尺燃料集合体１１
では核変換によりプルトニウム（Ｐｕ）等を蓄積させて
いる。

そして、燃料が所定の段階まで燃焼したときは、所要数
のバーナ用と転換用の短尺燃料集合体１０゜１１相互を
上下を逆転させて、今度は転換用短尺燃料集合体１１を
下にして、その上にバーナ用短尺燃料集合体１０を積み
重ねる。

すなわち、ボルト２２を取り外してバーナ用短尺燃料集
合体１０上から転換用短尺燃料集合体１１を取り外す。

この取り外しを複数体の燃料集合体について行なうが、
ボルト２２の取り外し、両短尺燃料集合体１０．１１の
上下の積み替えにより、著しく容易、かつ迅速に行なう
ことができる。

次に、上記転換用短尺燃料集合体１１の上部タイブレー
ト１３上に、バーナ用短尺燃料集合体１０の下部タイブ
レート１６を嵌合させて、ボルト２２を緊締する。

これにより、転換用短尺燃料集合体１１上にバーナ用短
尺燃料集合体１０を積層し、水対ウラン比が大きい炉心
下部にあるでプルトニウムを蓄積している転換用短尺燃
料集合体１１の燃焼を行なうことができる。

なお、上述実施例では高転換・バーナ型原子炉に適用さ
れる燃料集合体について述べたが、本発明はこれに限定
されるものではなく、本発明を例えば軽水炉一般に適用
すれば、炉心反応度の自由度の拡大を図ることができる
。

また、上述の実施例では複数本の短尺燃料棒を六角格子
状に配列した燃料集合体について述べたが、本発明は、
複数本の短尺燃料棒を正方格子状、もしくはこれ以外の
配列による燃料集合体についても適用することができる
。

さらに、上述実施例では短尺燃料集合体を上下２段に積
層した場合について述べたが、本発明は短尺燃料集合体
を上下３段以上に積層してもよく、積層段数を増せば、
その分、炉心反応度の自由度の拡大を図ることができる
。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、短尺燃料棒の複数本を束
状に結束してなる短尺燃料集合体を、この短尺燃料棒の
装荷本数を異にして複数体設け、これら短尺燃料集合体
を上下方向に置換可能に積層するようにした。

したがって、本発明を、高転換・バーナ型原子炉に適用
すれば、短尺燃料棒の装荷密度が稠密である短尺燃料集
合体を転換用とし、短尺制御棒の装荷密度が疎である短
尺燃料集合体をバーナ用として、上下に積層することが
できる一方、その上下を置換して積層することにより、
転換用の短尺燃料集合体をバーナ用とし使用することが
できるので、転換用短尺燃料集合体の解体および再組立
の作業を行なうことなく、転換用の短尺燃料集合体をバ
ーナ用に変換することができ、その作業性を顕著に高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料集合体の一実施例を示す正面
図、第２図は第１図で示す転換用短尺燃料集合体の横断
面図、第３図は第１図で示す両短尺燃料集合体相互の結
合部分の部分拡大縦断面図、第４図は従来の燃料集合体
の正面図である。 １０・・・バーナ用短尺燃料集合体、１１・・・転換用
短尺燃料集合体、１２・・・短尺燃料棒、１３，１４・
・・上部タイブレート、１５．１６・・・下部タイブレ
ート、１７．１８・・・スペーサ、２０・・・制御棒ガ
イドチューブ、２１・・・管継手、２２・・・ボルト、
２３・・・止めナツト。 ＄　１　回 第２図 第　３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、短尺燃料棒の複数本を束状に結束してなる短尺燃料
   集合体を、この短尺燃料棒の装荷本数を異にして複数体
   設け、これら短尺燃料集合体を上下方向に置換可能に積
   層するようにしたことを特徴とする燃料集合体。 ２、各短尺燃料集合体は制御棒の挿脱方向を案内する短
   尺の制御棒ガイドチューブをそれぞれ有し、これら制御
   棒ガイドチューブは各短尺燃料集合体が上下方向に積層
   されたときに上下方向に一体的に接続されるように構成
   されている特許請求の範囲第１項に記載の燃料集合体。