JPS6359116B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、原子炉に係り、特に、制御棒操作の
容易な原子炉に関するものである。 沸騰水型原子炉では、軸方向にボイド分布をも
つため、他の炉型にはみられない出力分布のスキ
ユウイングが発生する。その出力分布を第１図に
示す。第１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の軸方向ボイド
分布１と出力分布２を示している。冷却材の入口
になつている炉心部の下部では、約10Kcal／Kg
のサブクール状態にあり、冷却材が炉心部内を上
昇するに従つて、サブクール沸騰、飽和沸騰の領
域に入り、冷却材の出口である炉心部の上部で
は、ボイド体積率は70％前後に達している。その
ため、炉心部上部より炉心部下部における中性子
の熱化が進み、他の炉型ではコサイン分布に近い
軸方向出力分布をしているにもかかわらず、沸騰
水型原子炉では、出力ピークの位置が炉心部下部
にスキユウイングしている。したがつて、出力ピ
ークの位置は燃料集合体の下端（炉心部の下端）
から炉心部高さの約1/4の位置に移動し、出力ピ
ークの値も他の炉型にくらべて大きい。この問題
点を解決するため、現在の沸騰水型原子炉では、
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（この制御棒をシヤロー制御棒と
いう）したり、出力ピークが発生する位置にガド
リニア（Gd₂O₃）を入れた燃料棒を用いる等の対
策を施している。 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、その位置にシヤロー制御棒を
挿入される。出力分布は、第２図に示すようにな
る。シヤロー制御棒による軸方向の出力分布制御
においては、第２図に示すように、シヤロー制御
棒の尖端近傍に出力ピークおよび急激な出力分布
の変化が生じる。シヤ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、燃料棒の破
損の危険性がある。炉心部内には、軸方向の出力
分布制御を行うシヤロー制御棒と、炉心部の半径
方向の出力分布制御を行う制御棒（この制御棒を
デイープ制御棒という）が挿入される。デイープ
制御棒は、炉心部内に深く挿入され、その挿入度
合はシヤロー制御棒よりも大きい。原子炉の出力
制御は、デイープ制御棒とシヤロー制御棒との組
合せで、デイープ・シヤロー制御棒駆動方式と反
応制御を含めた３つの機能を同時に満足させるた
めに、制御棒操作の計画の立案に多くの計算を必
要とする等の欠点を有している。制御棒操作も、
極めて複雑なものとなる。 第３図は、下端から約1/4にガドリニアが添加
された燃料棒を有する燃料集合体を、沸騰水型原
子炉の炉心部に装荷した時の燃料集合体の出力分
布の特性を示す。図中の３の位置にガドリニアが
添加されている。このようなガドリニア入りの燃
料棒を有する燃料集合体を用いる場合は、そのガ
ドリニアを配置する位置により、出力分布が大き
く変化するため、少しの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ひきおこしている。
また、原子炉の運転時間の経過によつてガドリニ
アの量が減少すると、出力分布が変化し、領域３
のガドリニアが完全になくなつた時、出力分布は
第１図のようになる。このため、制御棒操作によ
る調節が、複雑になる。 本発明の目的は、軸方向の出力分布を平坦化で
きると共に燃料交換時において燃料集合体のシヤ
フリングが不要で、しかも交換用の燃料集合体の
構造を単純化できる原子炉を提供することにあ
る。 本発明の特徴は、上部領域の無限増倍率が前記
下部領域のそれよりも大きい複数の第１燃料集合
体と、無限増倍率が軸方向に一様になつている複
数の第２燃料集合体とを、下部から上部に向かつ
て冷却材が流れてしかも上部でボイドが発生する
炉心部内に配置し、出力分布調節用制御棒とし
て、前記炉心部の半径方向に配置された複数の深
挿入制御棒のみを設けたことにある。 このような本発明は、炉心部の軸方向における
出力分布が著しく平坦化できて原子炉運転時の制
御棒操作が著しく単純化される。しかも、深挿入
制御棒のみを出力分布調節用制御棒として用いて
いるので炉心の半径方向において燃料集合体が均
一に燃焼し、燃料交換時に燃料集合体をシヤフリ
ングする必要がない。更には、交換用の燃料集合
体として軸方向の無限増倍率が一様でかつ構造の
単純な第２燃料集合体を用いることができ、交換
用の燃料集合体の構造が容易になる。第２燃料集
合体は、原子炉の運転時間の経過に伴つて上部領
域の無限増倍率が下部領域のそれよりも高い燃料
集合体として機能する。 本発明は、基本的には炉心部の上部と下部で無
限増倍率を変えること、すなわち、上部の無限増
倍率を下部のそれよりも大きくすることである。
このように無限増倍率を変える方法として、次の
３つがある。第１の方法は、燃料集合体の軸に垂
直な平面での平均濃縮度を、燃料集合体の上部と
下部でかえる方法である。なお以下で濃縮度と
は、ウランの濃縮度およびプルトニウムの富化度
の少なくともいずれか一方をさす。第２の方法
は、軸に垂直な平面での平均濃縮度は殆んど同じ
であつて、燃料集合体の上部と下部で軸に垂直な
平面内での濃縮度分布を変化させて、無限増倍率
を変化させる方法である。一般に燃料集合体の軸
に垂直な平面での濃縮度分布は、中心で高く、周
辺部で比較的低くなつている。これは、燃料集合
体の周辺には、飽和温度に近いギヤツプ水があ
り、濃縮度分布を均一にすると、ギヤツプ水によ
る中性子の熱化のために、中心部にくらべて周辺
部の出力が非常に高くなり、いわゆる局所出力ピ
ーキングが過大になるのを防止するためである。
しかし、燃料集合体内でのインポータンスは周辺
部の方が中心部より高いので、局所出力ピーキン
グがゆるされる範囲で、出力ピーキングの出る場
所が周辺部になるように、中心部と周辺部との濃
縮度の差が最小になるよう設計されている。そこ
で、中心部の濃縮度と周辺部の濃縮度との差をさ
らに大きくして、中心部に出力ピーキングが生じ
るようにすると、平面の平均濃縮度は同じで、無
限増倍率が従来のものより少し小さい燃料集合体
が製作可能となり、燃料集合体の下部をこのよう
な濃縮度分布とし、上部を従来と同じ周辺部に出
力ピーキングが出るような濃縮度分布にすること
により、所要の燃料集合体が得られる。第３の方
法は、燃料集合体に組み込む燃料棒の下部に添加
するガドリニアの量をその上部に添加するガドリ
ニアの量よりも多くする方法である。一般に、こ
れら３つの方法を組み合わせてもよい。 以下本発明を実施例によつて詳しく説明する。 実施例 １ 熱出力2400MWの沸騰水型原子炉が第４図に示
されている。沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器
９内に収容された炉心部１０を有している。炉心
部１０には多数の第５図に示される燃料集合体１
６が互に平行にかつ間隔をおいて配置されてい
る。本例では炉心部１０の高さ146インチ、燃料
集合体１６の数は560体ある。断面が十字架状の
制御棒１１が炉心部１０内の燃料集合体１６間に
挿入し得るように配置されている。原子炉圧力容
器９内には冷却材が満されており、ポンプ１２が
冷却材を循環させている。冷却材は、燃料集合体
１６から熱を受け、一部が蒸気となつて、タービ
ン１３を駆動し、コンデンサー１４によつて凝縮
され、ポンプ１５によつて再び原子炉圧力容器９
内に戻る。 燃料集合体１６は断面方形のチヤンネルボツク
ス１７を備えていて、その内部には上下両端の上
部および下部タイプレート１８，１９間に亘つて
多数の燃料棒２０が配設されている。 本実施例では一種類の燃料集合体Ａが炉心部１
０に装荷されている。第６図は炉心部１０の1/4
横断面における燃料集合体Ａの配列を示してい
る。燃料集合体Ａは第７図に示すように、８×８
の正方格子状に配列された燃料棒を含み、６種類
の燃料棒３１，３２，３３，３４，３５，３６
（全部で62本）および２本の水ロツド２４からな
つている。２１は燃料ペレツト、２２は被覆管お
よび２３は冷却材領域である。６種類の燃料棒は
表１に示すように燃料棒中のウラン濃縮度に変化
を有している。燃料集合体Ａは、前述した第１の
方法（燃料集合体の軸に垂直な平面での平均濃縮
度を上部領域と下部領域で変える）と第２の方法
（軸に垂直な平面での平均濃縮度は殆んど同じで
あつて、燃料集合体の上部領域と下部領域で軸に
垂直な平面内での濃縮度分布を変える）を適用し
たものである。

【表】 ３１，３２，３４，３６の４種類の燃料棒はそ
れぞれ１種類の濃縮度で、３１が2.5重量％、３
２が2.0重量％、３４が1.5重量％、３６が1.5重量
％濃縮度のウランに、５重量％のガドリニアを添
加した燃料棒である。３３，３５の燃料棒は、軸
方向に24等分して、下端から11番目と12番目の間
で上部領域および下部領域の２領域にわかれてお
り、３３は上部領域が2.0重量％、下部領域が1.5
重量％、３５は上部領域が1.5重量％、下部領域
が1.3重量％である。各燃料棒の上部領域と下部
領域における濃縮度はそれらの軸方向に一様に分
布している。したがつて、燃料棒の製作も容易で
ある。表１の燃料棒を第７図のように配置して形
成した燃料集合体のウラン濃縮度分布は、表２の
通りである。

【表】 冷却材のボイド体積率が40％の場合の表２の濃
縮度分布を有する燃料集合体の上部領域と下部領
域の無限増倍率は、それぞれ1.126と1.092であ
り、温度とボイド率が同じ場合の無限増倍率の差
は3.4％である。当然のことながら炉心部１０の
上部領域の無限増倍率は下部領域よりも高くなつ
ている。この燃料集合体を沸騰水型原子炉の炉心
部１０中に装荷すると、軸方向に発生するボイド
分布のために、炉心部１０の上部領域と下部領域
での無限増倍率の差が相殺されて、軸方向に比較
的平坦な軸方向出力分布が実現できる。本実施例
の軸方向出力分布を第８図に示す。特性Ｌは燃料
サイクルの初期の出力分布、特性Ｍは燃料サイク
ル中期の出力分布および特性Ｎは燃料サイクル末
期の出力分布を示している。上部領域と下部領域
にそれぞれ出力のピークが形成され、軸方向出力
ピーキング係数が、1.3程度以下におさまつてい
る。したがつて、シヤロー制御棒や、特殊なガド
リニア分布を用いることなく、制御棒としてはデ
イープ制御棒のみを用い、簡単な制御棒操作で軸
方向の出力分布を第８図のような原子炉の運転期
間中にわたつてほぼ平坦に維持することができ
る。 第９図に本実施例の制御棒パターンの一例を示
す。第９図は、炉心部１０の水平断面図で、一つ
のますには燃料集合体が４体が配置され、それら
の燃料集合体の中心に制御棒１本が配置されてい
る。記載された数値は、制御棒の炉心部１０への
挿入率で、炉心部１０の軸方向を、24等分し、炉
心部１０下端から数字の位置まで挿入されている
ことを示す。数字が大きくなる程、制御棒は炉心
部１０内に深く挿入されている。また、空白のま
すのところの制御棒は全引き抜きである。沸騰水
型原子炉の運転時、炉心部１０での最大線出力密
度は、デイープ制御棒が同一深さに挿入される単
純な制御棒パターンであるにもかかわらず、
11.3kw／ftと非常に低くおさえられている。この
ような本実施例では、炉心部の軸方向における出
力分布の平坦化を制御棒によつて行う必要がな
く、デイープ制御棒のみによつて炉心部における
半径方向の出力分布の平坦化を行えばよい。参考
のため従来の軸方向１領域（ウランの濃縮度が軸
方向で一定）の燃料集合体で構成された炉心部の
制御棒パターンを第１０図に示す。第１０図から
明らかなように炉心部内にシヤローおよびデイー
プ制御棒が挿入され制御棒パターンは複雑であ
る。この時の最大線出力密度は、11.9kw／ftあ
る。最大出力密度は、本実施例の炉心部１０の方
が従来の炉心部に比べて0.6kw／ft低く、制御棒
パターンも本実施例のほうが従来のものよりも単
純である。それだけ、原子炉の運転中における制
御棒操作が簡単になる。 本実施例では、燃料集合体Ａによつて炉心部１
０の軸方向の出力分布が平坦化されて炉心部１０
の半径方向に配置された複数のデイープ制御棒に
よつて炉心部１０の半径方向の出力分布が平坦化
され、しかもシヤロー制御棒を用いていないの
で、従来の原子炉のように燃料集合体の交換時
に、燃料集合体のシヤフリング操作（炉心部内に
装荷されている燃料集合体を炉心部内の他の位置
に移動させる操作）を行なう必要がない。従つ
て、燃料集合体の交換に要する時間が、著しく短
縮される。 本実施例では、前述の第１および第２の方法に
基づいて軸方向の出力分布の平坦化を図つている
ので、上下領域に無限増倍率の差をつけることを
上下領域の平均濃縮度に差をつけるという第１の
方法のみによつて達成する場合に比較すると、燃
料集合体内の核分裂性物質を有効に利用すること
ができ、燃料経済性が向上するという新しい効果
が得られる。すなわち、第１の方法のみを用いる
場合には、上部領域の核分裂性物質の含有量が下
部領域のそれよりも著しく多くなる。核分裂性物
質の量が少ない下部領域では、運転時間の経過に
よつて上部領域よりも著しく早く核分裂性物質が
消失してしまう。このため、下部領域の核分裂性
物質が消失して上部領域に多量の核分裂性物質が
残つている場合でも燃料集合体Ａは、新しい燃料
集合体と取替えなければならない。このために上
部領域の核分裂性物質の有効利用ができない。 本実施例では、前述の第１の方法とともに前述
の第２の方法を併用しているので、第１の方法だ
けを用いる場合に比較して上部領域の平均濃縮度
と下部領域の平均濃縮度との差（無限増倍率の
差）が小さくなる。従つて、本実施例は、第１の
方法のみを用いた場合よりも上部領域の核分裂性
物質を有効に利用できる。 本実施例では、炉心部の上部領域と下部領域の
平均濃縮度を変えて上部領域の無限増倍率を大き
くしているので、上部領域と下部領域との無限増
倍率の差は原子炉の運転期間を通して変化しな
い。したがつて、原子炉の運転期間を通して前述
したように軸方向の出力分布を常に平坦に維持で
きる。 燃料集合体Ａの軸方向の下端からその全長の1/
３と7/12の間で、燃料集合体を上部領域と下部領
域の２領域に分割し、無限増倍率を上部で大きく
すれば、最も効果的に出力の平坦化を成遂げるこ
とができる。すなわち、第３図に示すようにガド
リニアを添加した場合に比べて、出力ピーキング
係数を小さくできる。 実施例 ２ 本実施例は、前述した燃料集合体Ａの代りに、
表３に示す燃料棒５１，５２，５３，５４，５５
および５６を第１図に示すように配置してなる燃
料集合体Ａ１を炉心部内に配置したものである。
本実施例の炉心部は、燃料集合体Ａ１によつて構
成される。燃料集合体Ａ１は、燃料集合体Ａと同
様に第１および第２の方法を併用したものであ
る。

【表】 ５１と５５は、１領域の燃料棒。５２，５３，
５４は、下端から11/24の位置で上、下の２領域
にわかれている。上部領域と下部領域の濃縮度
は、それぞれの軸方向に一様に分布している。 表３の燃料棒を第１１図の如く配置して形成し
た燃料集合体のウラン濃縮度分布は表４の通りで
ある。

【表】 表４より明らかなように、燃料集合体Ａ１で
も、上部領域の平均濃縮度を下部領域のものより
大きくなし、かつ横断面での中心部と周辺部の濃
縮度差は、上部領域が下部領域よりも小さくなる
ようになしている。このような濃縮度の分布を有
する燃料集合体Ａ１が配置された炉心部は、実施
例１の炉心部１０と同程度の無限増倍率の差を上
下領域で有しており、軸方向の出力分布も、第８
図と殆んど同じである。本実施例は、実施例１に
比べて、一本の燃料棒中の濃縮度の差が大きく、
製造時の検査が比較的容易であること、局所出力
ピーキングが1.12で、非常に小さいことが、実施
例２の特徴である。実施例２は実施例１と同様な
効果が得られる。運転時に炉心部内に挿入される
制御棒は、第９図に示すようにデイープ制御棒の
みである。燃料集合体Ａ１の上部領域と下部領域
の境界は前述した燃料集合体Ａと同様に1/3〜7/1
２の範囲に位置させることが望ましい。 実施例 ３ 本実施例は、実施例１の燃料集合体Ａの代り
に、表５に示す濃縮度を有する６本の燃料棒を第
１２図に示すように配置してなる燃料集合体Ａ２
を炉心部に配置したものである。燃料集合体Ａ２
は、前述の第２の方法（軸に垂直な平面での平均
濃縮度分布は上部領域と下部領域で殆んど同じで
あつて、集合体の上部領域と下部領域の軸に垂直
な平面内での濃縮度分布を変化させている）を用
いたものである。

【表】 燃料棒６１，６２，６３，６４，６５および６
６は、すべて燃料集合体の下端から11/24の位置
で２領域にわかれており、濃縮度は、上下で異つ
ている。上部領域および下部領域の濃縮度はその
軸方向に一様に分布している。 本実施例での濃縮度分布は表６に示す通りであ
る。

【表】 燃料集合体Ａ２では、平均濃縮度は、上部領域
が2.37重量％、下部領域が2.33重量％とほとんど
同じであるが、横断面での濃縮度分布が上部領域
と下部領域で異なつている。即ち、上部領域で
は、中心部と周辺部との濃縮度の差が小さく、下
部領域では、この差が大きく、周辺部の濃縮度は
上部領域が下部領域よりもかなり大きい。周辺部
の方が中心部よりインポータンスが高いため、平
面の平均濃縮度は同じであつても、無限実効増倍
率は、燃料集合体Ａ２の下部領域より上部領域の
方が約2.2％高くなる。このような燃料集合体Ａ
２を配置した炉心部の上部領域の無限増倍率は、
下部領域のそれよりも、当然大きくなり、軸方向
の出力分布は第８図に示されるように平坦化され
る。実施例３は、実施例１と同様な効果を達成で
き、しかも実施例１、２にくらべて燃焼による反
応度劣化が、上部領域と下部領域で比較的よくに
た傾向を示すことが特徴である。燃料集合体Ａ２
は、燃料集合体Ａと同様に1/3〜7/12の範囲に、
上下領域の境界を位置させることが望ましい。 実施例 ４ 第１３図に示す炉心部２５は、前述した燃料集
合体Ａと後述する燃料集合体Ｂの二種類の燃料集
合体が装荷されて構成される。 燃料集合体Ｂは表７に示すように軸方向に均一
な濃縮度をもつ燃料棒４１，４２，４３，４４，
４５および４６及び２本の水ロツド２４を第１４
図に示すように配置している。従つて、燃料集合
体Ｂは軸方向に一定の無限増倍率を有している。

【表】 炉心部２５の上部領域の無限増倍率は、燃料集
合体Ａが装荷される関係上、当然、下部領域のそ
れよりも大きくなる。本実施例は、実施例１と同
様な効果を得ることができる。第９図に示すよう
に、炉心部２５内に挿入される制御棒は、デイー
プ制御棒のみであり、制御棒操作が簡単になる。 原子炉の運転時間の経過に伴つて、燃料集合体
Ｂの上部領域の無限増倍率がその下部領域の無限
増倍率よりも大きくなる。すなわち、沸騰水型原
子炉では、冷却材中のボイドによる中性子エネル
ギ、スペクトルの硬化により、炉心部の上部では
その下部に比べてプルトニウムの生成量が多い。
このため、燃料集合体Ｂのように軸方向に一様な
濃縮度を有する燃料集合体を用いても、上部領域
の核分裂性物質が下部領域に比べて相対的に多く
なり、自然に上部領域の無限増倍率が下部領域よ
りも大きくなる。 交換用の燃料集合体としては、構造の単純な燃
料集合体Ｂのみを用いることも可能である。 本実施例は、複雑な構造の燃料集合体Ａととも
に構造の単純な燃料集合体Ｂが炉心部に装荷され
ているので、燃料集合体Ａのみで炉心を構成する
場合に比べて炉心構成が単純になる。このため、
炉心部を燃料集合体Ａのみで構成する場合に比べ
て複雑な構造の燃料集合体Ａの数が少なくなり、
燃料集合体の製造が容易になる。 前述した燃料集合体Ａ１およびＡ２に燃料集合
体Ｂとをそれぞれ組合せた炉心部を有する原子炉
においても、実施例４と同様な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸方向に一定の無限増倍率を有する燃
料集合体を装荷した炉心部の制御棒全引抜き状態
での炉心部の軸方向におけるボイド率分布と相対
出力分布とを示す特性図、第２図は第１図の特性
を有する炉心部の下方から浅く制御棒を挿入した
時の制御棒近傍の燃料集合体の軸方向出力分布を
示す特性図、第３図は出力ピークの位置にガドリ
ニアを入れた燃料棒を有する燃料集合体を装荷し
た炉心部の軸方向における出力分布を示す特性
図、第４図は沸騰水型原子炉の系統図、第５図は
第４図に示す沸騰水型原子炉の炉心部に装荷され
る燃料集合体の外観図、第６図は本発明の好適な
一実施例である原子炉の炉心部の局部平面図、第
７図は第６図の炉心部に装荷される燃料集合体の
横断面図、第８図は第６図の炉心部の軸方向の出
力分布を示す特性図、第９図は第６図の炉心部に
おける原子炉運転時の制御棒パターンを示す説明
図、第１０図は従来の炉心部における原子炉運転
時の制御棒パターンを示す説明図、第１１図およ
び第１２図は第７図に示す燃料集合体の他の実施
例の横断面図、第１３図は、本発明の他の実施例
である原子炉の炉心部の局部平面図、第１４図は
第１３図の炉心部に装荷される燃料集合体の横断
面図である。 ９……原子炉圧力容器、１０……炉心部、１２
……制御棒、１６，Ａ，Ａ１，Ａ２，Ｂ……燃料
集合体、２１……ペレツト、２２……被覆管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸方向が上部領域と下部領域とに二分割され
   て前記上部領域の無限増倍率が前記下部領域のそ
   れよりも大きい複数の第１燃料集合体と、無限増
   倍率が軸方向に一様になつている複数の第２燃料
   集合体とを、下部から上部に向かつて冷却材が流
   れてしかも上部でボイドが発生する炉心部内に配
   置し、出力分布調節用制御棒として、前記炉心部
   の半径方向に配置された複数の深挿入制御棒のみ
   を設けたことを特徴とする原子炉。 ２ 前記第１燃料集合体の前記上部領域の平均濃
   縮度を前記下部領域のそれよりも高くする特許請
   求の範囲第１項記載の原子炉。