JPS62249096A - 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〕 本発明は、軽水型原子炉に装荷する燃料集合体に関する
。

〔従来の技術〕

沸騰水型原子炉では、炉心部の軸方向にボイド分布を本
つため、他の炉型にはみられない出力分布のスキュウイ
ングが発生する。燃料集合体の軸方向の出力分布とボイ
ド分布を第７図に示す。すなわち第７図は従来の燃料集
合体の下端からの軸方内位ＩＰｆ（Ｆｌｔ軸）と出力分
布及びボイド分布（チ）（縦軸）との関係を示すグラフ
である。グラフの横軸の数値は全長を２４に分割した位
置を示している。第７図は軸方向に一定の濃縮度分布を
有する燃料集合体を装荷した炉心部にかける軸方向の出
力分布とボイド分布を示している。冷却材の入口になっ
ている炉心部の下部では冷却材がサブクー！状態にあり
、炉心部内を上昇するにつれて、サブクーＡ／＠騰、飽
和沸騰の領域に入シ、冷却材の出口である炉心部の上部
では、ボイド率（資）は７０チ前後に達する。そのため
、炉心部上部よシも炉心部下部において中性子の減速が
進み、出力ピークの位置が炉心部下部にスキュウイング
している。したがって、出力ピークの位置は燃料集合体
の下端（すなわち炉心部の下端）から炉心部高さの約１
／４の位置に移動する。

この問題点を解決するため、従来は炉心部の下端から約
１／４の出力ピークの位置に制御棒を浅く挿入したり（
シャロー制御棒という）、出力ピークが発生する位置に
ガドリニア（Ｇｄ＊Ｏｓ）　　を入れた燃料棒を用いる
等の対策を行っている。

炉心部下端から約１／４の位置に生じる出力ピークを押
えるために、その位置にＶヤロー制御棒が挿入されるが
、そのときの出力分布は第８図のようになる。すなわち
、第８図は従来の燃料集合体の下端からの軸方向位置（
横軸）と相対出力（縦軸）の関係を示すグラフである。

シャロー制御棒による軸方向の出力分布制御においては
、第８図に示すようにシャロー制御棒の先端近傍に出力
ピーク及び急激な出力分布の変化が生じる。また、シャ
ロー制御棒を引抜く時に、急激な出力変動が燃料棒に与
えられ、このため燃料棒の破損の可能性がある。

炉心部内には、軸方向の出力分布制御を行うシャロー制
御棒と、炉心部の半径方向の出力分布制御を行う制御棒
（ディープ制御棒という）が挿入されている。このディ
ープ制御棒は、炉心部内に深く挿入され、原子炉の出力
制御はこれらディープ制御棒とシャロー制御棒との組合
せにより行われる。このため、制御棒の操作が極めて複
雑なものとなる。

一方、余剰反応度制御という点からガドリニア入シの燃
料棒が用いられる。この場合は、そのガドリニアを配置
する位置によシ出力分布が大きく分布するため、小さな
設計誤差が出力分布制御をむずかしくしたり、燃焼によ
る出力分布の変化が大きい等の運用上の困難を引起して
いる。また、原子炉の運転時間の経過に従って、ガドリ
ニアの量が減少し、このため出力分布が変化するため制
御棒操作による出力調節が複雑になる。

以上述べた従来型燃料集合体の欠点をなくすため、現在
の沸騰水型原子炉では燃料集合体を上下２領域に分割し
、下部の平均濃縮度を上部より低くした２領域濃縮度燃
料集合体が採用されている（特公昭５８−２９８７８号
）、これは平均濃縮度を高めることにより出力分布を平
担化するものでちる。このため二領域濃縮度燃料集合体
においてはシャロー制御棒は不要となる。また、上下濃
縮度差による効果は局所的にガドリニアを添加する場合
のように燃焼が進んでも消失することがないので、平担
な出力分布を運転期間を通じて安定に維持することがで
きる。このように、２領域濃縮度燃料集合体は平坦な出
力分布を実現でき熱的余裕が増大し、クヤロー制御棒の
撤廃等により連軸法の簡素化できるなどの多くの利点を
有している。

〔発明が解決しようとする間瑠点〕

しかしながら、１＠域燃料集合体に比べ燃料スプリット
数が増え、更に上部平均濃縮度が大きいため濃縮費等の
燃料コストが高くなる傾向にある。

また、今後運転期間を長期化して燃料経済性を向上する
高燃焼度（高濃縮度）型炉心が考えられているが、高濃
縮度化を実現する上で上部領域の最高ぺＶット濃縮度の
高いことがベレット製造面での制約となる可能性もある
。更に、ガドリニアを含有するときは上部領域のガドリ
ニア濃度が高くなるので、ペレット製造面での制約はよ
り厳しくなることが推定される。

本発明の目的は、上記の従来技術の不具合をなくし、単
純な構造で軸方向の出力分布を常に平坦に維持でき、高
燃焼度化の容易な燃料集合体を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明は燃料集合体に関する発明
であって、多数の濃縮ウランペレットを装てんした多数
本の核燃料棒、及び多数本の減速棒をスペーサで格子状
に配列し、外側をチャンネルボックスの角筒管で囲んで
なる燃料集合体において、複数の該核燃料棒及び／又は
該減速棒が、上部領域と下部領域との２領域に分割され
、かつ該上部領域には中性子減速能が水よシも大きい中
性子減速材を装てんした構成のものであり、それにより
燃料集“合体の上部領域の垂直断面における中性子減速
材の割合が下部領域におけるそれより本大きいことを特
徴とする。

本発明の特徴は、燃料集合体内に冷却材が流れる領域と
は独立して、中性子減速材及び構造材から構成される領
域を設けることにより、この燃料集合体の上部及び下部
領域内における減速材割合又は減速能を前者の方が後者
よりも大きくすることにある。

すなわち、複数の該核燃料棒を上部領域及び下部領域の
２領域に分割し、上部領域には前記のような中性子減速
材、下部領域には濃縮ウランペレットを装てんして、上
部領域の垂直平面での減速材の割合を下部領域の垂直平
面におけるそれよりも大きくすることである。

また、現在用いられている複数の水ロッド（減速棒）に
おいて、上部領域及び下部領域の２領域に分割し、上部
領域に前記のような中性子減速材、下部領域に冷却水を
充てんして、上部領域の垂直平面での減速能を下部領域
の垂直平面におけるそれよりも大きくすることでもよい
。また、これらを組合せてもよい。

上記の方法により、原子炉の運転期間中は常に軸方向の
出力分布を平坦に維持することができる。

前記の燃料棒及び減速棒における該上部領域と下部領域
との分岐点は、その全長の下端から１／３〜７／１２　
　の範囲にあることが好ましい。

また、本発明による燃料棒又は減速棒において、上部領
域に装てんされる中性子減速材の例としては、Ｚｒ　−
Ｈ、Ｚｒ　−Ｇｄ−ＨＳＢｅ及びグラファイトなどが挙
げられる。

前記した本発明の燃料集合体は、沸騰水型原子炉用に好
適であるが、他の炉型の加圧水型原子炉、ＡＴＲ，更に
高転換炉用の燃料集合体としても利用することができる
。

また、沸騰水型原子炉では、現行の８Ｘ８燃料集合体の
みでなく、将来の９Ｘ９燃料集合体に対しても有効であ
る。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例によシ更ＫＡ体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されない。

実施例　１ 本実施例は燃料集合体内に配置する複数の燃料棒を上部
領域と下部領域とに分割することにより燃料集合体の上
部と下部の減速材割合を変化させるものである。

第１図は、本実施例の燃料棒の垂直断面図である。第１
図において符号１は燃料被覆管、２は下部端栓、３は上
部端栓、４は濃縮ウランペレット、５は中性子減速材を
意味する。この燃料棒はその全長を軸方向に２４等分し
た場合、下端から１１番目と１２番目で上部領域と下部
領域の２領域とに分けられる。上部領域にはジルコニウ
ム水素化物等の中性子減速材５が充てんされており、下
部領域には燃料の酸化ウランペレット４が充てんされて
いる。

第３図は本実施例の９Ｘ９燃料集合体の横断面図である
。第３図において符号４は燃料ベレット、１は被覆管、
７はチャンネルボックス、９は本発明による燃料棒、８
は制御棒である。燃料ベレットのところに示されている
符号Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ及びＥは濃縮度の異なる通常の燃料
棒を示す。

沸騰水型原子炉の燃料集合体中心部領域ではギャップ水
に面する外周部領域に比べ中性子減速効果が小さいため
、核分裂に大きく寄与する低エネルギーの熱中性子数が
少ないので、内部領域の燃料棒の濃縮度を外周部領域の
燃料棒より高くして燃料集合体内部の出力分布を平坦化
している。

本発明による燃料集合体の軸方向の出力分布を第９図に
示す。すなわち第９図は本発明の燃料集合体の下端から
の軸方向位置（槓軸）と相対出力（縦軸）の関係を示す
グラフである。第９図に示すように出力分布が濃縮度２
領域燃料集合体と同様な平坦なものとなる。

従来の燃料集合体では、中央の２本を被覆管内部に冷却
水が流れるようにした水ロッドとして、中心部の減速材
の割合を増加して最高ぺＶット濃縮度の増大を抑えてい
る。それでも最高ベレット濃縮度は燃料集合体平均濃縮
度の１．５倍程度に達する。本実施例では、本発明によ
る燃料棒を燃料集合体内部に十字型に１７本配置するこ
とによシ、中心部領域の中性子減速効果を高め、最高ベ
レット濃縮度を１０−以上下げることができる。

本実施例では９Ｘ９燃料集合体について本発明の効果を
示したが、第４図に示す現状の８Ｘ８燃料集合体につい
ても同様な効果が得られる。なお、第４図において、符
号１０は水ロッドを意味する。

本発明によれば、べＶット濃縮度が下るので、必要な濃
縮作業址を減らすことができ、燃料コストを低減できる
と共にウラン資源の節約にも効果的である。更に、最高
ベレット濃縮度は燃料集合体平均濃縮度を高める上での
燃料製造面からの制約となる。

炉心用燃料集合体として最適である。

本実施例の変形として、本発明による燃料棒の燃料集合
体内における配置を変えた場合を第５図及び第６図に示
す。第５図は本発明による燃料棒９を燃料集合体内部に
ほぼ同一円周上に２層配置した場合、第６図は本発明に
よる燃料棒９を中心に１本と中心から数えて第３層目に
配置した場合でちる。なお、符号１１は通常の燃料棒を
意味する。両図いずれの場合も前記本発明の効果を達成
できる。

実施例　２ 本実施例は、本発明による減速体の１例であり、その断
面図を第２図に示す。第２図中野号１〜５は第１図と同
義であり、６は冷却水を意味する。

実施例１と同様に減速体をその全長を軸方向に２４等分
した場合、下端から１１番目と１２番目で上部領域と下
部領域の２領域とに分けられ、上部領域にはジルコニウ
ム水素化物等の中性子減速材が充てんされており、下部
領域は冷却水で満されている。

本発明による減速体を第３図、第５図及び第６図に示す
集合体の配置に構成しても、前記本発明の効果を達成で
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、単純な構造で燃
料集合体を構成し、しかも原子炉の運転期間を通して常
に炉心部の軸方向の出力分布を平坦に維持することがで
きる効果がある。

また、本発明による燃料集合体は最高ベレット濃縮度が
従来と比較して低くなることより、燃料コストの低減及
びウラン資源の節約ができ、更に高濃縮な高燃焼度用燃
料集合体として最適なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃料棒の縦断面図、第２図
は本発明の一実施例の減速体の縦断面図、第３図、第５
図及び第６図は本発明の一実施例の燃料集合体の横断面
図、第４図は従来の燃料集合体の横断面図、第７図は従
来の燃料集合体の軸方向の出力分布とボイド率分布を示
すグラフ、第８図はＶヤロー制御棒が挿入されたときの
従来の燃料集合体の軸方向の出力分布を示すグラフ、第
９図は本発明の一実施例における燃料集合体の軸方向の
出力分布を示すグラフである。 １・・・燃料被覆管、２・・・下部端栓、３・・・上部
端栓、４・・・濃縮ウランペレット、５・・・中性子減
速材、６・・・冷却水、７・・・チャンネルボックス、
８・・・制御棒、９・・・本発明の燃料棒、１１・・・
通常の燃料棒

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数の濃縮ウランペレットを装てんした多数本の核
   燃料棒、及び多数本の減速棒をスペーサで格子状に配列
   し、外側をチャンネルボックスの角筒管で囲んでなる燃
   料集合体において、複数の該核燃料棒及び／又は該減速
   棒が、上部領域と下部領域との２領域に分割され、かつ
   該上部領域には、中性子減速能が水よりも大きい中性子
   減速材を装てんした構成のものであり、それにより該燃
   料集合体の上部領域の垂直断面における中性子減速材の
   割合が下部領域におけるそれよりも大きいことを特徴と
   する燃料集合体。 ２、該核燃料棒の下部領域には濃縮ウランペレットが装
   入され、また該減速棒の下部領域には冷却水が満されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 ３、該中性子減速材が、ジルコニウム合金の水素化物で
   ある特許請求の範囲第１項又は第２項記載の燃料集合体
   。 ４、該ジルコニウム合金が、ジルコニウム−ガドリニウ
   ム（Ｚｒ−Ｇｄ）合金である特許請求の範囲第３項記載
   の燃料集合体。