JPS6232386A - 軽水炉用燃料集合体 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は、軽水冷却形原子炉の燃料集合体に関する。

［発明の技術的前■とその問題点］ 一般に原子炉では、炉心からより多くの熱エネルギーを
取り出すため燃料集合体内の出力分布をできるだけ平坦
化することが行われており、沸騰水形原子炉では核分裂
性核種濃度の異なる多種類の燃料棒を燃料集合体内に適
切に配置することにより燃料集合体内の出力分布をより
平坦化することが行われている。

第６図はこのような燃料集合体を示すもので、図におい
て符号１は多数本の燃料棒２を収容するチャンネルボッ
クスを示している。この例では燃料集合体の中央部には
核分裂性核種ａ反の高い燃料棒２が配設されており、ま
た周辺部には核分裂性核種濃度の低い燃料棒２が配設さ
れている。

すなわち、図中燃料棒２に付した符号（イ）〜（ニ）は
核分裂性核種濃度の大小を示しており、符号（イ）〜（
ニ）の順にその濃度は小さくなつている。なＪ３、図に
おいて符号Ｇは熱中性子吸収物質を含む燃料棒を、符号
Ｗは水棒を示している。

以■、添付の図面に４３いて、同一部分には同一符号を
付記する。

しかしながら、このように構成された燃料集合体では、
炉心内で燃焼され使用済となった燃料集合体の内部にか
なりの核分裂核種の燃え残りが存在するという問題があ
る。

また、一般に燃料集合体の反応度を高めるためには、熱
中性子束分布の大きい場所に核分裂性核種濃度の高い燃
料棒を配置することが望ましいが、以上のように構成さ
れた燃料集合体では熱中性子束分布の小さい燃料集合体
の内部に核分裂性核種濃度の高い燃料棒が配置されてい
るため、反応度の損失が大きくなるという問題がある。

づなわち、一般に沸騰水形原子炉の燃料集合体では、チ
ャンネルボックス１の外側には非沸騰水が存在するため
、燃料集合体の周辺部では中性子の減速効果が大きくな
り、熱中性子束分布は燃料集合体周辺部で大きく、内部
で小さい分布となっている。

そこで、このような燃え残りを減らし、かつ高い反応度
を得るため第７図に示すように、燃料果合体内における
づべての燃料棒２の核分裂性核種濃度の分布を一様とし
、燃料集合体外周部または外周近傍に符号Ｇで示される
熱中性子吸収物質を含む燃料棒を配置してなる燃料集合
体が開発されている。

しかしながら、このような燃料集合体では燃料集合体内
の出力分布を平１■化することが困難であり、また、熱
中性子吸収物質含右棒一本あたりの反応度価値が大きい
ため、必要な初期反応度を（ｑるためには熱的制限値を
満たさないおそれがある。

［発明の目的１ 本発明はかかる点に対処してなされたもので、熱中性子
吸収物質によって行なう燃料集合体の初期反応度を、熱
的制限値を満たしつつよりきめ細かく行なうことができ
、かつ出力分布の平坦化によってより多くの熱エネルギ
ーを取り出すことができるとともに、燃え残りが少なく
かつ高い反応度を得ることができる軽水炉用燃料集合体
を提供しＪ、うとするものである。

［発明の概要１ ずなわら本発明は、格子状に配列された多数本の燃料棒
中にＦｉ数本の熱中性子吸収物質を含有する燃料棒を配
置してなる燃料集合体において、前記熱中性子吸収物質
を含有する燃料棒は、その燃料集合体の水平断面におい
て熱中性子吸収物質の濃度の異なる２種類以上の燃料棒
から成るとともに、少なくども軸芯部のみに熱中性子吸
収物質を含有する燃料棒を含むことを特徴とする軽水炉
用燃料集合体である。

［発明の実施例］ 以下本発明の詳細を図面に承り一実施例について説明す
る。

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体内示すもので、
図においてチャンネルボックス１内に多数の燃料棒２が
規則的に配列され収容されている。

そして、この実施例では、チャンネル内部の最外周の角
に隣接する位置に、軸方向に均一に熱中性子吸収物質を
含有する燃料棒Ｇが配置され、これらの燃料棒Ｇの隣り
に軸芯部分にのみ熱中性子吸収物質を含有する燃料棒９
が配置されている。

第２図はこのような燃料棒ｇの縦断図を示すもので、図
において符号３は燃料被覆管を示しており、この燃料被
覆管３内には中心軸部分、すなわち、軸芯部分４ａに熱
中性子吸収物質を含有し、外周部分４ｂには熱中性子吸
収物質を含有しない核燃料物質からなる多数のベレット
４が挿入されている。なお、ここで熱中性子吸収物質と
しては、ＵＯ２−Ｇｄ　２０３　、Ａｊ！２０３−Ｇｄ
　２０３、Ｓｉ　０２−Ｇｄ　２０３　、ｆｖｌＱ　０
−Ｇｄ　２０３　（７）ような物質が用いられている。

また、第１図の燃料集合体においては、軸芯部分にのみ
熱中性子吸収物質を含有する燃料棒９の軸芯部の径と熱
中性子吸収物質濃度はすべて同一であり、燃料棒２の核
分裂性核種濃度もずべて同一である。

以上のように構成された燃料集合体では、熱中性子束分
布の大きいチャンネルボックスコーナー部に隣接する燃
料棒２を第２図に示したような燃料棒９で構成したので
、燃料集合体内の核分裂性核種濃度が一様であっても燃
料集合体主辺部において人きへ出力ビーキングを生ずる
ことを抑制御にとができる。

また、燃料集合体内の燃料棒２の核分裂性核種濃度が一
様であり、ざらに燃料集合体周辺部の燃料棒りでは、燃
焼の初期には熱中性子吸収物質が存在するため、核分裂
核種の燃焼が抑制され、燃焼中期以降Ｊ、′ｃ燃料集合
体周辺部に配設される燃料棒ｑの核分裂性核種濃度を高
く保つことができる。この結果、燃焼の中期以降燃料集
合体の反応麿を高く保つことができる。

第３図は以上のように構成された燃料集合体と従来の燃
料集合体の無限増倍率の燃焼変化を比較して示すムので
、横軸には燃焼度が縦軸には無限増倍率がとられている
。

すなわち、図中曲線ａは第１図に示す本発明の燃料集合
体の場合を、曲線すは第６図に示した核分裂核種濃度の
異なる多種類の燃料棒から構成される従来の燃料集合体
の場合を示している。

また、曲線Ｃは第１図に示づ燃料集合体の燃料棒Ｑを、
この燃料棒と同量の熱中性子吸収物質を軸方向均一に分
布させたものに置き換えた場合を示し、曲線ｄは第７図
に示した従来の燃料集合体の場合を示している。なお、
これらの燃料集合体の核分裂性核種濃度はすべて同一で
あり、集合体平均で約３．３Ｗ１０のウラン２３５を含
？ｉ（）ている。

このグラフから明らかなように、燃焼とともに減少する
熱中性子吸収物質、例えばガドリニアが消滅づる燃焼度
約１０Ｇｗｄ／ｓｔ以降では、本発明による燃料集合体
の無限増４Ｂ率は第６図に示した従来例より人さくなり
、第７図に示した例とほぼ同じである。これは前述した
ように、燃料集合体内での核分裂核種濃度を一様にした
ことにより熱中性子束分布の大きい燃料集合体周辺部の
核分裂性核種濃度が従来のものに比べ高くなっている効
果によるものである。

このような無限増倍率の増大による燃料集合体の取り出
し燃焼度の利得は次のようになる。

すなわち今、運転期間が約７８００Ｍｗｄ／ｓｔである
場合には、本発明の燃料集合体の平均取り出し燃焼度は
、約３１　、　ＯＯＯＭｗｄ／ｓｔであり、第６図に示
した従来の燃料集合体では、約２９，８００Ｍｗｄ／ｓ
ｔ、第７図に示した従来の燃料集合体では、約３１　、
０００Ｍｗｄ／ｓｔで本発明と同等である。

従って、本発明の燃料集合体では、第６図に示した燃料
集合体に対して約４％の平均取り出し燃焼度の利得を得
ることができる。

第４図は第１図に示す本発明の燃料集合体の局所出力ビ
ー４：ング係数の燃焼変化を第７図に示した燃料集合体
と比較して示すもので、横軸には燃焼度が縦軸には局所
出力ビーキング係数がとられている。

すなわち、曲線０は本発明の燃料集合体の場合を、曲線
ｒは第７図に示した燃料集合体の場合を示している。ま
た曲線りは第１図の燃料集合体の燃料棒ｇを、この燃料
棒と同（六の熱中性子吸収物質を軸方向均一に分布させ
たものにｎき換えた場合を示している。

図から明らかなように、第７図に示す従来の燃料集合体
では、核分裂性核種濃度を燃料集合体内で一様としたた
め、燃料集合体外周部で大きな出力ビーキングが生じ局
所出力ビーキング係数が過度に増大しているが、本発明
の燃料集合体では燃料集合体外周部の燃料棒０の軸芯部
分に熱中性子吸収物質を含イｊさせたため、局所出力ビ
ーキング係数の増大は抑制されている。

従って本発明の燃料集合体では、核分裂性核種濃度を燃
料集合体内で一様としても局所出力ビーキング係数が大
きく悪化することがないので、原子炉運転時に熱的制限
値を満たさない等の問題を解消づることができる。

さらに本発明の燃料集合体では、局所出力ビーキング係
数が小さい状態、すなわち平坦な出力分布で燃焼が進行
するため、一部の燃料棒だけの燃焼が極端に進行するこ
とを防止することができ、燃料棒の機械的および熱的背
金性を確保することができる。

また、ざらに本発明の燃１１集合体では、サイクル長さ
、バッチサイズに応じて、初期反応度および中性子吸収
物質の燃えつきる燃焼度を自由に制御できる。

すなわち、以上のように構成された本発明の燃料集合体
では、燃料集合体内の出力分布が平坦化されかつ燃料集
合体の反応度が高められているので、燃料集合体を長期
間燃焼させることができる。

この結果、使用済となる時点において燃料集合体内に燃
え残る核分裂性核種の分を低減することができる。

本発明の燃料集合体は第１図に示した燃料集合体に限ら
ず、第５図に示すように熱中性子吸収物質含有燃料棒を
、すべて軸芯部のみに熱中性子吸収物質を含有する燃料
棒’Ｊ＋、Ｑ２にしてもよい。

この場合、その熱中性子吸収物質含有燃料棒の位置によ
って熱中性子束が異なるので、軸芯部径及び熱中性子吸
収物質濃度の少なくともどちらが−１５付変える必要が
ある。

例えば、燃料棒Ｑ＋、（Ｊ２共に熱中性子吸収物質を３
右づる軸芯部における熱中性子吸収物質濃度を１５％理
論密度として、燃料棒（１＋及び燃料棒ｇ２の軸芯部の
ベレッ１−仝休に対して占める体質割合をそれぞれ約３
．８％及び約１５％とする。

また別の例として、燃料棒ｇ１と燃料棒ｇ２の軸芯部の
径を等しくして、そのベレッ１へ全体に対して占める割
合を共に約８．５％とし、軸芯部における熱中性子吸収
物質濃度を燃料棒り１では１２％理論密度、燃料棒ｇ２
では２０？６理論密Ｔｑとすることもできる。

尚、以上の説明では、燃料バンドル最外周にのみ熱中性
子吸収物質含有燃料棒を配置したが、それ以外の位置に
配置してももちろんよい。

［発明の効果１ １ス上の説明からも明らかなように、本発明によれば、
熱的制限値を満たしつつ初期反応度制御をきめ細かく行
なうことができ、燃料集合体内の出力分布を平坦化する
ことができるとともに、より高い反応度を得ることがで
きる。

従って、燃料集合体を長期間燃焼させることがでさ、ま
た使用済みとなった燃料集合体内に残存する核分裂性核
種の燃え残りを減少させることができ、燃料経済性を従
来より大幅に向上することができる。

その上、燃料集合体のサイクル長さ及び取替バッチ数に
対する自由度を増加することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の燃料集合体の一実施例を示す概略断
面図、第２図は軸芯部のみに熱中性子吸収物質を含有す
る燃料棒を示ず縦断面図、第３図は本発明の燃料集合体
の燃焼度と無限増倍率の関係を、従来例等と比較して示
すグラフ、第４図は本発明の燃料集合体の燃焼度と局所
出力ビーキング係数の関係を従来例等と比較して示すグ
ラフ、第５図は本発明の燃料集合体の他の実施例を示す
概略断面図、第６図及び第７図は従来の燃料集合体を示
す概略断面図である。 １・・・・・・・・・・・・チャンネルボックス２・・
・・・・・・・・・・燃料棒 ３・・・・・・・・・・・・燃料被覆管４・・・・・・
・・・・・・ベレット ４ａ・・・・・・・・・熱中性子吸収物質を含む軸芯部
Ｇ・・・・・・・・・・・・均一に熱中性子吸収物質を
含む燃料棒 ＩＪ、ＯＩ、Ｑ２・・・軸芯部のみに熱中性子吸収物質
を含む燃料棒 Ｗ・・・・・・・・・・・・水　棒 出願人　　　　　日本原子力事業株式会社株式会社　東
芝 代理人弁理士　　須　山　佐　− ガ１図 第２図 燃ル！１．（Ｇ　Ｗｄ／ｓ□ 第３図 畑μ＆　　（Ｇ　Ｗｄ／Ｓｔ　） 第４図 鬼７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）格子状に配列された多数本の燃料棒中に複数本の
   熱中性子吸収物質を含有する燃料棒を配置してなる燃料
   集合体において、前記熱中性子吸収物質を含有する燃料
   棒は、その燃料集合体の水平断面において熱中性子吸収
   物質の濃度の異なる２種類以上の燃料棒から成るととも
   に、少なくとも軸芯部のみに熱中性子吸収物質を含有す
   る燃料棒を含むことを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
2. （２）軸芯部のみに熱中性子吸収物質を含有する燃料棒
   は、その軸芯部の径の異なる２種類以上の燃料棒から成
   る特許請求の範囲第１項記載の軽水炉用燃料集合体。
3. （３）軸芯部のみに熱中性子吸収物質を含有する燃料棒
   は、その軸芯部における熱中性子吸収物質の含有濃度が
   異なる２種類以上の燃料棒から成る特許請求の範囲第１
   項記載の軽水炉用燃料集合体。