JPS6331062B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は重水減速圧力管型原子炉用燃料集合体
に係り、特に重水減速沸騰水冷却圧力管型原子炉
の炉心核特性を改善すると同時に燃料の燃焼特性
を改善するのに好適な燃料集合体に関するもので
ある。

従来のこの種燃料集合体は、細径棒状の燃料棒
を同心円状に多数配列し、これらを束ねたクラス
タ型燃料集合体が一般的であつた。この従来の燃
料集合体を用いた重水減速圧力管型原子炉の模式
図を第１図に示す。この型の原子炉の一般的な特
性として、原子炉の起動時、特に冷却材ボイドが
発生し始める高温待機からタービン併入までの低
出力領域において、冷却材ボイド係数があまり正
の値を示すと、中性子束および蒸気ドラム水位が
変動しやすくなり、炉の制御が困難になるという
ことがある。以下その原因を説明する。第１図に
おいて、低出力時には給水管１から比較的冷たい
水が蒸気ドラム２へ送られ、これが下降管３およ
び入口管４を通つて炉心５内の圧力管６内の冷却
材中へ入つて行くため、冷たい水により冷却材中
のボイドがつぶれ、蒸気ドラム２の水位が下降す
る。そして冷却材ボイド係数が正の大きな値のと
きは、この傾向を中性子束の変化を通して加速す
る結果となり、原子炉がスクラムしやすい状態と
なる。冷却材ボイド係数は、プルトニウム・ウラ
ン混合燃料を用いた場合は比較的負であり、上記
問題は生じないが、ウラン燃料を用いた場合は、
冷却材ボイド係数が正となり、上記問題を生じや
すくなる。

最近、冷却材ボイド係数を改善する方法とし
て、特開昭55−135784号で提案されているよう
に、燃料物質中あるいは燃料棒外側に燃料棒に並
行させて可燃性毒物である中性子吸収材を燃料棒
の長手方向全領域に装荷する方法が知られてい
る。この方法は、圧力管６内の冷却材中にボイド
がない場合は熱中性子束が大きく減少するのに対
し、ボイド発生とともに圧力管６内熱中性子束が
増大する効果を利用し、圧力管６内に中性子吸収
材を置くことによつてボイドに対して負の反応度
投入効果をもたらすことを応用したものである。

しかし、この方法で冷却材ボイド係数をより負
にする場合は、運転サイクルを通じて効果を維持
するために、可燃性毒物の濃度を高めてサイクル
末期まで可燃性毒物を燃え残す構成とする必要が
ある。この結果として、そのままでは燃料の達成
燃焼度が低下するため、燃料の核燃料濃度を増大
させ、燃焼度を維持する必要があつた。なお、冷
却材ボイド係数をより負にするために中性子吸収
材として可燃性毒物を用いた理由は、中性子吸収
材を用いない燃料の冷却材ボイド係数が運転サイ
クル初期よりもサイクル末期の方が負側に移行す
るため、運転サイクル初期では、冷却材ボイド係
数の負側への移行幅を大きくさせる必要があるた
めである。サイクル中期から末期にかけては、冷
却材ボイド係数はより負側に移行するが、必要値
よりも正側の場合は、可燃性毒物を燃え残すよう
に装荷することによりボイド係数を調整すること
ができる。この場合は燃焼度が低下するために燃
焼度の低下を減少させることが望まれていた。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、低出力時の冷却材ボイド反応
度係数をさらに負側にすることができ、同時に燃
料の達成燃焼度をさらに向上することができる重
水減速圧力管型原子炉用燃料集合体を提供するこ
とにある。

本発明は重水減速沸騰水冷却圧力管型原子炉の
冷却材ボイド率変化による炉心反応度変化が冷却
材流路の沸騰開始点以降の下流側で生じることに
着目してなされたもので、沸騰開始点より下流側
である燃料集合体の炉心有効長の冷却材下流側2/
３の領域の範囲内に中性子吸収材を装荷したこと
を特徴としている。

以下本発明を第２図、第３図に示した実施例お
よび第４図ないし第６図を用いて詳細に説明す
る。

第２図は本発明の燃料集合体の一実施例を示す
中央部分縦断面図である。第２図の燃料集合体
は、同心円状に多数の燃料棒が配置されたクラス
タ型燃料集合体で燃料ペレツト７と燃料ペレツト
７を包む被覆管８とによりなる細径棒状の多数の
燃料棒、被覆管８を束ねている燃料スペーサ９、
燃料棒の上部、下部をそれぞれ固定する上部タイ
プレート１０、下部タイプレート１１および中央
部に配設され、燃料スペーサ９の間隔を保つため
のスペーサタイロツド１２とから構成してある。
ところで、第２図に示す実施例では、スペーサタ
イロツド１２の上部には炭化ボロンの粉末よりな
る中性子吸収材１３を収納してある。

第３図は第２図のスペーサタイロツド１２の一
実施例を示す縦断面図である。スペーサタイロツ
ド１２は、２本のジルカロイ合金製の円管１４を
連結用端栓１５にネジ込み結合し、２本の円管１
４の上部、下部にはそれぞれタイプレート固定用
端栓１６が溶接してあり、上部の円管１４内には
炭化ボロン１７よりなる中性子吸収材１３を中性
子吸収材収納管１８に収納した状態で納めた構成
としてある。なお、収納管１８内の炭化ボロン１
７は端栓１９により密封されており、かつ、収納
管１８の中には炭化ボロン１７から発生するガス
をためる空間がばね２０によつて確保してある。
このようにして、中性子吸収材である炭化ボロン
１７を収納してある部分の長さは、炉心の有効長
の約1/2としてあり、かつ、軸方向上部である下
流側に収納してある。そして下部の円管１４の内
部には冷却材が流れる構造としてあり、また、
上、下部のそれぞれの円管１４にはスペーサ保持
用の突起２１が溶接してある。

第４図は沸騰水冷却圧力管型原子炉における炉
心出力と冷却材の沸騰開始点位置との開係を示す
線図で、沸騰開始点位置は炉心の軸方向有効距離
で示してある。第４図によれば、軸方向有効距離
1850mmで冷却材が沸騰を開始するのは、炉心出力
が約20％のときとなる。すなわち、炉心出力20％
以下の低出力では、冷却材ボイドの変化は、炉心
軸方向上半分で生じ、冷却材ボイド変化による反
応度変化も炉心の上半分で生じることになる。し
たがつて、炉心出力が約20％以下では、燃料集合
体の有効長全長にわたつて中性子吸収材を装荷し
た場合と、上記した実施例のように有効長の上部
半分に装荷した場合とで、冷却材ボイド反応度係
数をより負にする効果は同じになる。

第５図はウラン燃料の場合の炉心出力と冷却材
ボイド反応度係数差との関係を示す線図で、約２
％濃度の微濃縮ウラン燃料を用い、炭化ボロン１
７の中の中性子吸収材であるボロン同位元素（質
量約10）の原子数密度を新燃料時に約１×10²¹
個／cm³とし、燃焼サイクル末期に対応する約
13GWD／Ｔ燃焼した時点のものを示してある。
第５図において、ａ曲線は中性子吸収材を装荷し
ない場合、ｂ曲線は中性子吸収材を有効長全長に
装荷した場合、ｃ曲線は本発明の実施例のように
中性子吸収材を軸方向上半分に装荷した場合の特
性であり、中性子吸収材を装荷しない燃料の炉心
出力０％における冷却材ボイド反応度係数を基準
（零）として示してある。なお、この図の約
13GWD／Ｔの燃焼時点における中性子吸収材
（ボロン）の原子数密度は約２×10²⁰個／cm³であ
る。

第５図より、中性子吸収材を装荷した方が装荷
しない場合よりも−４×10^-5ΔK／Ｋ／ボイド程
度冷却材ボイド反応度係数を負にしていることが
わかる。また、炉心出力20％程度までは、中性子
吸収材を有効長全長に装荷した場合と軸方向上半
分に装荷した場合とで冷却材ボイド反応度係数差
が全く同一で、炉心出力が20％以上であつても、
それが約40％程度までは、両者の間の差がわずか
であることがわかる。なお、炉心出力が約40％以
上では、冷却材ボイド反応度係数の出力係数に対
する重みが小さくなるため、冷却材ボイド反応度
係数差が多少正方向に向つても炉心の出力上昇制
御上特に問題になることはない。

次に、本発明の実施例のように中性子吸収材を
軸方向上半分に装荷するようにすると、有効長全
長にわたつて装荷した場合より有利になる点につ
いて説明する。

第６図は燃料取出時の燃料集合体中央部の中性
子吸収材（ボロン）の原子数密度と取出平均燃焼
度差との関係線図で、ｄ曲線は中性子吸収材を有
効長全長に装荷した場合、ｅ曲線は軸方向上半分
に装荷した場合の特性曲線である。第６図に示す
ように、中性子吸収材を有効長全長に装荷した場
合より本発明に係るように軸方向上半分に装荷し
た方が取出平均燃焼度差が向上する。例えば、燃
料取出時の中性子吸収材の原子数密度が２×10²⁰
個／cm³の場合、中性子吸収材を有効長全長に装荷
した場合、燃焼度が約3.5GWD／Ｔ低下するのに
対し、軸方向上半分に装荷した場合のそれは、約
1.6GWD／Ｔの低下にとどまり、約2GWD／Ｔだ
け燃焼度が向上する。

上記したように、本発明の実施例によれば、原
子炉起動時の低出力時の冷却材ボイド反応度係数
をさらに負側にすることができ、起動時の運転制
御を容易にできる。また、燃料の達成燃焼度を従
来と同一の濃縮度でさらに向上することができ
る。

なお、上記した実施例では、中性子吸収材とし
て炭化ボロンの粉末を用いたが、炭化ボロンの焼
結ペレツトあるいはほうけい酸ガラスを用いるよ
うにしてもよく、同様の効果を得ることができ
る。また、中性子吸収材である炭化ボロン１７を
燃料集合体径方向中央のスペーサタイロツド１２
の上部円管１４内に収納するようにしたが、燃料
棒の軸方向上部1/2の燃料ペレツト中に中性子吸
収材を混入するようにしてもよく、ただし、この
場合は中性子吸収材として酸化ガドリニウムを用
いる。このようにしても、上記した実施例と同一
の効果が得られる。また、実施例では中性子吸収
材を軸方向上半分に装荷したが、下流側2/3の領
域の範囲内であれば、同様の効果がある。

なお、本発明の実施例において、中性子吸収材
として可燃性毒物を用いた場合の効果を下記に示
す。

(1) 可燃性毒物は、中性子吸収が極めて大きく、
冷却材ボイド係数を負側に移行させる効果が著
しい。

(2) サイクルを通じてボイド係数を負にする場
合、サイクル末期まで可燃性毒物を燃え残す必
要があるが、これは毒物の装荷濃度を高くする
ことにより任意に調整が可能で、サイクルを通
じてのボイド係数低減を実現できる。また、こ
の際、ボイド係数低減上、ボイドが発生しない
ため無関係な燃料下部には可燃性毒物を装荷し
ないため、軸方向全長に可燃性毒物を装荷する
従来の場合よりも燃焼度を改善できる。

(3) サイクル初期は、一般的に新燃料に出力ピー
クが発生し、熱的に厳しくなるが、本発明の実
施例では、軸方向上部2/3の範囲に可燃性毒物
を配置したため、新燃料軸方向上部の出力を低
下させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、低出力
時の冷却材ボイド反応度係数をさらに負側にする
ことができ、原子炉起動時の運転制御を容易にで
き、かつ、燃料の達成燃焼度をさらに向上するこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は重水減速圧力管型原子炉の模式図、第
２図は本発明の重水減速圧力管型原子炉用燃料集
合体の一実施例を示す中央部分縦断面図、第３図
は第２図のスペーサタイロツドの一実施例を示す
縦断面図、第４図は炉心出力と冷却材の沸騰開始
点位置との関係を示す線図、第５図は炉心出力と
冷却材ボイド反応度係数の差との関係を示す線
図、第６図は中性子吸収材の原子数密度と取出平
均燃焼度差との関係線図である。 ７……燃料ペレツト、８……被覆管、９……燃
料スペーサ、１２……スペーサタイロツド、１３
……中性子吸収材、１４……円管、１５……連結
用端栓、１７……炭化ボロン、１８……収納管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多数の燃料棒からなる重水減速圧力管型原子
   炉用燃料集合体において、該燃料集合体の炉心有
   効長の冷却材下流側2/3の領域の範囲内に中性子
   吸収材を装荷してなることを特徴とする重水減速
   圧力管型原子炉用燃料集合体。 ２ 前記中性子吸収材が前記燃料棒に沿つて配置
   してあり、中性子吸収材として炭化ほう素あるい
   はほう素を含むガラスを用い、該中性子吸収材の
   周囲を被覆管で包んである特許請求の範囲第１項
   記載の重水減速圧力管型原子炉用燃料集合体。 ３ 前記中性子吸収材が燃料集合体の中央位置に
   装荷してある特許請求の範囲第２項記載の重水減
   速圧力管型原子炉用燃料集合体。 ４ 前記中性子吸収材は酸化ガドリニウムよりな
   り前記燃料棒の燃料物質中に添加してある特許請
   求の範囲第１項記載の重水減速圧力管型原子炉用
   燃料集合体。