JPH02147890A - 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） 本発明は燃料集合体に係り、特に運転ザイクルが長い高
燃焼度・高経済性型の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）等の軽
水炉（ＬＷＲ）に好適な燃料集合体に関する。

（従来の技術） 従来のＢＷＲ燃利燃料体は、金属製被覆管内部に核燃料
を充填した多数の燃料棒と少くとも１本の水棒を規則正
しく配列して構成されたバンドルが方形のヂャンネルボ
ックスの内部に収納されて構成されている。（以下第１
従来例） この第１従来例の改良型の一種として、小型のハンドル
即ちサブバンドルを小型のチャンネルボックス状金属筒
即ちサブチ（ｐンネルボックスとでも呼ぶべき金属筒に
収納し、それらを複数集めて一体溝造としたＢＷＲ燃料
集合体が開発されている。（以下第２従来例） また、本発明者はこの改良型として、円筒形の金属筒（
サブチャンネルチューブ）にナブバンドルを挿入したも
のを複数個束ねて一体化し、一体のＢＷＲ燃Ｆｌり合体
とするもの（特願昭６１−２９００４号、特開昭６２−
１８７２８２号、以下第３従来例）を提案した。

ところで、ＢＷＲの炉心では、通常１体の１−字型制御
棒とそれを取り囲む４体の燃料集合体とから構成された
ゼルが規則正しく配置されている。

燃料集合体相互間の間隙（アウトヂＶンネル）には原子
炉運転中で゛ｂ非沸騰水が流れており、水ギャップが形
成されている。この非沸騰水によって核***で放出され
た高速中性子の一部は減速され熱中性子となり、熱中性
子束の盛上りを形成する。

また、前記第１従来例の水悴内、第２従来例のサブチＶ
ンネルボックス間、第３従来例のサブチャンネルチュー
ブ間にも非沸騰水が流れており、前記アラ１〜チセンネ
ルの非沸騰水と同様の機能がおる。従って、熱中性子束
の盛上りが形成されている。

また、長期運転ザイクル化、高燃焼度・高経済性の要求
から燃料の濃縮度はだんだん高められているが、それに
つれて原子炉の潜在的な余剰反応度は必然的に高まるこ
とになる。原子炉を安全に運転・停止するためにはこの
余剰反応度は制御棒と燃料に添加される可燃性毒物と呼
ばれるガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）、加圧水型原子炉（Ｐ
ＷＲ）にあってはざらに冷却水への液体ポイズン（ボロ
ン）によって抑制しなければならない。液体ポイズンは
ＢＷ／Ｒでは添加できないし、ＰＷＲでは添加できるも
のの、添加率が一定値を越えると、原子炉運転時、冷却
材を兼ねる減速材の湿度反応度係数が正になる恐れがあ
るなど、自然現象を利用づる自己制御性を喪失する恐れ
があり、従って、無制限に液体ポイズンを添加すること
はできない。制御棒に大きな反応度をもたせて潜在的な
余剰反応度を抑制することも考えれるが、制御棒により
大ぎな反応度を期待するのは非常に困難である。現実的
には現行各種制御棒の反応度価値を約１．２倍以上に増
大させるためには大幅な炉心改造が必要と考えられてい
る。

このような理由がら、可燃性毒物のＧ　ｄ２Ｏ３を添加
する燃料の本数を増加させて潜在的な余剰反応度を、運
転サイクルの大部分の期間にわたって抑え、サイクル終
了前にＧ　ｄ２Ｏ３の反応度抑制効果（中性子毒物効果
）が消滅するようにすることが最も現実性が高い。Ｇ　
ｄ２Ｏ３の中性子毒物効果はよく知られているように、
Ｇｄ−１５５と（３ｄ−１５７によって生じるが、（３
ｄ−１５５は中性子吸収によって比較的吸収断面積の小
さいＱｄ−１５６になった後、これが中性子を吸収して
（３ｄ−１５７として生れ代り、大きな中性子吸収効果
を発生する。この現象が主な原因となって運転（ノイク
ル末期に毒物効果を完全に削減させることは不可能であ
る。（３ｄ−１５５を除去したＧ　ｄ２Ｏ３を用いれば
このような問題は解決するが、将来のレーザ濃縮技術の
開発と商用化ができない限り（３ｄ−１５’＋をほぼ除
去したＧ　ｄ２Ｏ３を安価に入手することはできない。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、Ｇｄ２Ｏ３を用いると運転サイクル未
明において燃え残りあるいは再生した（３ｄ−１５７の
中性子吸収効果により反応度１０失が発生し、運転サイ
クルの長期化が抑制される。高濃縮度化にともないＧｄ
ｐ０３添加燃お１棒の本数は不可避的に増大するので、
反応度損失問題は重大な高経演性化の妨げとなる。これ
を抑制するために、燃料ベレット表面にＺｒ　Ｂ２をコ
ーティングする方法がＰＷＲ燃利用として米国で開発さ
れている。

またペレッ１〜内部にＺｒ　Ｂ２を含有させるω１究も
日本で２Ｏ年はど前に行われたことがある。ボロンは中
性子を吸収して中性子吸収断面積の小さい１−１ｃとＬ
ｌ　となり、再生により吸収効果が残る恐れはない。

ところが、Ｂ−１０はＧｄ−１５５、Ｇｄ−１５７に比
べて吸収断面積が小さいために、運転サイクル未明で８
−１０を完全に燃焼させ尽すことは困難であり、よほど
運転サイクルを長くしないと燃え尽きない。

これが原因で運転ナイクル末期で反応度損失を引き起す
ことになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目
的は、Ｇｄ２Ｏ：＋添加燃料棒の本数を削減し、Ｚｒ　
Ｂ２を燃料集合体の中性子束が高くなる位置に配置する
ことによって、運転サイクル末期の反応度損失を低下し
た軽水炉（ＬＷＲ）に好適な燃料集合体を提供すること
にある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、多数の燃料棒と少
なくとも１本の水棒を規則正しく配列してバンドルまた
はサブバンドルとし、このバンドルまたはサブバンドル
を取り囲むように金属製チｉ・ンネルを配置して構成し
た燃料集合体において、水棒もしくは金属製ヂレンネル
の少なくとも一方にジルコニウムボライド（Ｚｉ　８２
　）を塗イ「シー部の燃料枠内にガドリニア（Ｇｄ２Ｏ
３）を添加した燃わ１ペレツトを装填したことを特徴と
するものである。

（作　用） 上記したように、本発明の燃料集合体によると、燃焼に
伴なう中性子吸収効果再生のないボロンの化合物Ｚｒ　
８２を、熱中性子束の高い水棒内部またはその近傍、お
よびアウトチャンネル水ギャップに面したチＶンネルボ
ックス側面、あるいはナブバンドルを取り囲む非沸騰水
に面したサブチャンネルボックスないしサブヂャンネル
チューブ側面に、運転サイクル末期に燃え尽きる程度に
かつ熱中性子束の中性子吸収による低下の程度を微小な
範囲（例えば歪み１０〜３０％程度）にうずく塗布（１
００〜２Ｏ０μｍ以内）して使用したので、サイクル末
期で吸収効果再生のあるＧｄ２Ｏ３添加燃料本数を削減
することができ、その分だけサイクル末期の反応度損失
を低減でき、その分に対応してサイクル長期化が図れる
ので燃料の発熱効率が向上し、高燃焼度・高経済性が達
成される。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１実施例の概略構成図である。第１
図（八）は同図（８）のＡ−Ａ線に沿う横断面図、同図
（Ｂ）は同図（八）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図である。

図に示すように、本実施例の燃料集合体１は３Ｘ３サブ
バンドルの集合体とし、このサブハンドル２相互間に水
ギャップ３を設り、中央に超太径水棒４（燃ｉｌｌ　９
本分）を配置した構成としている。

５は燃料棒、６，１０はＧｄ入り燃料棒、７はチセンネ
ルボックスである。この様な構成の燃料集合体は高濃縮
度化による長期サイクル・高燃焼度・高経済性が達成で
きることが判った。この設計では超太径水俸部で非常に
高い熱中性子束ピークを発生させることができるので、
そこにＺｒ　Ｂ２をコーティングして被ｌｌ９８を形成
している。

また、中央に配置した太径水棒４は第１図ＣＢ）に示す
ように、下方で細く（全長の１／３Ｌ）、上方で超人径
となっている。ただ、上端部（〜１／１２Ｌ）は圧損低
減と機械的強度のバランスを主目的として細径とされて
いる。この太径水棒４の下方〜１／３Ｌ部のまわりに短
尺の部分長燃料９を配置し１ノランインベントリの低減
を抑制し、過剰の水を排除している。上部（〜１／４Ｌ
）は長尺の部分長燃料１０が切れてなくなってバニッシ
ング部となっているが、これは主として熱水力特性の改
良のためである。

上記した太径水棒４は、第１図（Ｃ）に示すように、大
径内管４１の表面にＺｉ　Ｂ２を１０〜１００ｕｎ程度
コーティングして被膜８を形成したものを、上側細径水
棒４２とは上側つなぎ４３で）ｄ接し、また下側細径水
棒４４とは下側っなぎ４５で溶接し、しかる侵水密用の
外側管４０をはめ込み上側から溶接する。

また、Ｚｒ　８２被膜のＢはト１ｅガスを放出するので
、必要に応じて上側つなざ４３にガスベレナムを設ける
。ざらに、内管４１を所定のピッチでコルゲートし、外
側管４０のはめ合わせ時のＺｒ　８２被膜保護と脱落防
止対策としてもよい。ざらにまた、大径内管表面にコー
ティングしたＺｒ　８２被膜が、万一剥離した時でも下
方へ脱落しないように大径外管を局所的に絞った絞り込
み太径水棒を用いることもできる。

現在まだＺｒ　Ｂ２をコーティングした水棒をそのまま
高温水に直接さらした実績がないので水密とされている
。将来実績が得られれば外管なしとした方が望ましい。

細径水棒では熱中性子束の盛上りが小さいので超大径部
のみＺｒ　Ｂ２をコーティングしている。なお、熱中性
子束の需上りが小さいと運転サイクル終了時（以下ＥＯ
Ｃと略す）で反応度ロスがあるのでＥＯＣで燃え尽き４
Ｔい恐れかめる。

このように７ｉＢｚを塗イ［するのは、軸方向出力分イ
［シフト型運転にＪ：る経済性の向上に好適、かつ熱中
性子束が高い部位の超人径部であり、超人径部では熱中
性子束の盛上りが大ぎく、ＥＯＣで燃え尽きる設計と製
造が容易でおる。またこの部位は原子炉停止時停止余裕
がきびしくなり易い部位である。

本実施例によれば、ＥＯＣで吸収断面積の比較的小さい
Ｂ−１０でも燃焼し尽くすことができる。

さらに、運転サイクル開始時（以下ＢＯＣと略す）及び
ナイクル中間明（以下ＭＯＣと略す）では高中性子東部
にボロンが配置すれているため、大きな反応度制御効果
があり、その分だＣプＧｄ棒の本数を減らずことができ
る。その−例は第１図（Ａ）の０部の燃料棒１０にＧｄ
を含ませなくてもよくなることでおる。また、上記の部
の燃ｔ３１棒１０のＧｄを高濃度とし、バンドル内の他
のＧｃ＋棒８本のＧｄ濃度を下げてもよい。そうすると
、ローカルピーキングファクタがよくなる。

次に、本発明の作用を第２図の運転サイクル内経過時間
と炉心反応度抑制効果の関係を示す図を参照して説明す
る。図から分るように、Ｇ　ｄａ　Ｏ３添加燃利（図で
はＧ−Ｕ）はＢＯＣで大きな反応度を有し、時間経過と
ともに急激に減少するがＥＯＣでＰＧなる反応度ロスが
ある。

また、燃料にＺｒ　８２をコーティングしたもの（図で
はＢ−Ｕ）はＧｄより反応度が小さいので、より多数の
燃ａ’ｌにＺｉ　８２を］−ティングするかＧ　ｄａ０
３添加燃利（Ｇ−Ｕ）と併用する必要がある。そうでな
いと充分な反応度抑制効果がとれない。しかもＦＯＣで
ＰＢの燃え残りによる反応度ロスが生じる。これは燃料
品の熱中性子束をあまり高くできないためである。本発
明のように水棒、チャンネル等にＺｒ　Ｂ２をコーティ
ングしたちのく図ではＢ−Ｗ＞は、熱中性子束の高い位
置に入れるのでＢＯＣで反応度を大きくとれるとともに
、勾配も大きくなるのでＥＯＣで燃え残りはより小さい
。ただし、−殻内には（Ｂ−Ｗ）燃（′ｌのみではＢＯ
Ｃで充分な反応度抑制効果は得られないので、（Ｇ−Ｕ
）燃料と併用する必要がある。

第３図は本発明の第２実施例の横断面図である。

本実施例が上記第１実施例と相違する点はバンドルの中
央部に配置された超太径水棒１１の中にＺｒ　８２被Ｐ
ＩＡ８３を設けた水棒１２を配置するとともにチャンネ
ルボックス７の内側にもＺｒ　８２の被膜８１．８２を
設けた構成とした点であり、その他の構成は上記第１実
施例と同一であるので、第１実施例と同一部分には同−
符丹を付して説明する。

以下の実施例の説明についても同様である。

本実施例の燃料集合体ではチャンネルボックス７の内側
コーナ部７１にＺｒ　８２被膜８１を、またチャンネル
ボックス７の内側中央部の間隔７２．または７３を隔て
てＺｒ　Ｂ２被膜８１．８２を設けている。

したがって、コーナ部７１のＺｒ　Ｂ２被膜８１と内側
壁面に設けたＺｒ　Ｂ２被膜８２どの間にはＺｒ　Ｂ２
被膜のない間隔７４がある。

ところで、チャンネルボックス７の内側中央部の間隔７
２（２ケ所）または７３（２ケ所）のいずれか一方はコ
字状チｔノンネルの突き合わせ溶接で箱状とするので、
この部分にはＺｒ　Ｂ２をコーチングしない。また、間
隔７４（計８ケ所）は燃料スペーサがチャンネルボック
ス７と当接するスペーサ当接部（図示せず）が当接する
位置であるためここにもＺｒ、Ｂ２をコーチングしない
。チャンネルボックス７の内側コーナ部７１はＢＯＣ，
ＭＯＣでコーナロッドの出ツノピーキング抑制および炉
心反応度抑制に大きな効果あり、ＥＯＣではコーナロッ
ドにピークを発生させ、炉心反応度を向上させる。つま
りＥＯＣではフィスザイル（Ｆｉｓｓｉｌｃ　）が減っ
ているので、熱的制限が大幅に改良され、ピークを出し
てもよくなる。チャンネルボックス７の内側壁面に設け
たＺｒ　Ｂ２被膜８２は主として炉心反応度コントロー
ルに活用する。超太径水棒１１の内部は高い熱中性子束
になるので、そこにＺｒ　８２被膜８３を設けた内管１
２を配置している。

本実施例の燃料集合体によると、Ｇｄを大幅に減らせる
ので、ＥＯＣでの（３ｄ燃え残り問題が大ぎく緩和され
、運転サイクルを延長することが可能になる。また、ロ
ーカルピーキングファクタ（ＬＰＦ）　、特にコーナロ
ッドのＬＰＦがコントロールでき、ＥＯＣで反応度が向
上するので、ざらに運転サイクルの延長が可能になり、
高経済性である。

第４図は本発明の第３実施例の横断面図である。

本実施例が上記第１実施例と相違する点はバンドルの中
央部に配置された超太径水棒１１の中にＺｒＢ２を塗布
した水棒１２を配置するとともに超太径水棒１１のまわ
りに細径棒１３を配置し、この細径棒１３内に例えば多
孔質で中性子吸収率を低下さぜるＡ２２Ｏ３やＺｒ　０
２セラミツクにＺｒ　Ｂ２を塗布８３シたものを充填し
た構成とした点で必り、その他の構成は上記第１実施例
と同一である。

本実施例の燃料集合体にＪこると、超太径水棒１１の内
部では一段と熱中性子束が盛上っているためＢ−１０の
燃焼速度が早くなり、確実にＥＯＣで燃焼し尽くすよう
に設計することが可能となる。また細径棒１３の位置も
比較的熱中性子束が高いので、ＥＯＣで燃焼し尽くすよ
うに設計が可能である。

第５図は本発明の第４実施例の横断面図である。

本実施例の燃料集合体は中央部に方形水棒１４（燃Ｆ１
９本分）の内部にＺｉ　Ｂ２を塗布８３シた水棒１５を
設け、燃料棒を９×９規則正しく配置してバンドルとし
、このバンドルの外側にチャンネルボックス１６を配置
し、このチャンネルボックス１６の外側面にＺｒ　Ｂ２
を塗イｂ８４シている。ただ、チャンネルボックスの中
央部には制陣棒ローラが接触したり、またチャンネルボ
ックス製造０；’ｊ溶接する位置でもあるのでＺｒ　８
２を塗布していない。

本実施例によると、熱中性子束の高い部位にＺｒ　Ｂ２
を塗イ１１シたのでＥＯＣで燃え尽きさせることができ
る。８０Ｃでは高い反応度抑制効果が得られるのでＧｄ
−Ｕ棒を減らすことができる。

第６図は本発明の第５実施例の横断面図である。

本実施例の燃ｒ１集合体の中央に配置される超太径水棒
は第４図と同様な構成としている。チャンネルボックス
１フ内に超太径水棒１１を中心として十字形チャンネル
１８を形成しており、この十字形チャンネル１８によっ
てバンドルは４つのサブハンドル１９に区切られている
。そして十字形チャンネル１８内は非沸騰水領域であり
、Ｚｒ　８２はこの十字形チャンネル１８内の非沸騰水
側にコーティングして被膜８５を形成している。なお、
本実施例は欧州で開発された燃料をベースとした改良型
集合体への適用例である。

第７図は本発明の第６実施例の横断面図である。

図に示すように、本実施例の燃料集合体２Ｏは７本の燃
料棒２５をサブバンドル用スペーサ（図示せず）により
一体として燃料サブバンドル２４を構成し、燃料サブハ
ンドル２４をザブチャンネルチューブ２１内に配置する
。このサブチャンネルデユープ２１を９体接するように
ほぼ方形に配置し、またこれら１ノブヂヤンネルヂユ一
ブ２１相互間の間隙部２６に棒状物質挿入管２２を／ｉ
本配装置るとともにリーブヂャンネルスベー→ノ２３の
外面がザブチャンネルチューブ２１の外接２点鎖線をは
みださないように設ける。サブチャンネルスペーサ２３
は軸方向に一定の間隔で配置されているが、棒状物質挿
入管２２で溶接保持するのが好適である。サブバンドル
用スペーサは図示されていないが、従来の燃料集合体用
スペーサと同様の構成であり、またサブハンドルを構成
する７本の燃料枠中中央の燃料棒でスペーサを保持する
。

ぞして、Ｚｒ　Ｂ２はサブヂ（ノンネルチューブ２１ま
たは棒状物質挿入管２２の少なくとも一方の外表面にコ
ーティングして被膜を形成している。

本燃料集合体を炉心に挿扱するときは、サブチャンネル
デユープ２１の外面が案内部となるので、サブチャンネ
ルスペーサの外面は破線より外にはみださないようにす
る。またサブチャンネルスペーサ２１の相互間はサブチ
ャンネルスペーサの厚さの分だ【プ離れているので、非
沸騰減速材が横に流れることが可能である。

第８図は本発明の第７実施例の横断面図である。

本実施例の燃料集合体３０はＰＷＲ用であり、１６Ｘ１
６バンドルに適用した例である。

図に示すように、Ｇｄ−Ｕ棒（ＧｄａＯ３添加燃利棒、
Ｇｄ２Ｏ３濃度は３〜１０ｗ１０　）　３１は太水棒３
２から離れて配置された構成となっているので、太水棒
部の中性子束が相対的に増大し、その分だ（プ甲く太水
棒に塗布されたＺｒ８２のＢの燃焼を速めることができ
、ＥＯＣで８−１０を燃焼し尽くすことができる。

濃縮度の程度によりＧｄ−Ｕ棒の本数や配置は変化する
が、太水棒部ではなるべく熱中性子束が高くなるように
配置する。通常、Ｚｒ　Ｂ２の塗布厚は５〜１００珈程
度であるが、この厚さは設計条件で変化する。

本撚ＩＩ集合体によると、太水棒塗イ５のＺｒ　Ｂ２の
反応度抑制効果の分だけＧｄ−Ｕ棒を減らせる、つまり
ＥＯＣ反応度ロスを低減することが可能となる。

なａ３、上記した各実施例はＬＷＲについて説明したが
、本発明はＡＴＲのような重水炉等にも適用可能である
。例えば、クラスタ中心に水棒を設けたり、クラスタ外
周に薄いチューブを配置し、Ｚｒ　８２をその表面にコ
ーティングする。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の燃料集合体によると、燃
焼に伴なう中性子吸収効果再生のないボロンの化合物Ｚ
ｒ　８２を、熱中性子束の高い水棒内部またはその近傍
、およびアウトチャンネル水ギャップに面したチャンネ
ルボックス側面、あるいはサブバンドルを取り囲む非Ｉ
Ｅ水に面したｌ）ブチレンネルボックスないしサブヂャ
ンネルヂューブ側面に、運転υイクル末期に燃え尽きる
程度にかつ熱中性子束の中性子吸収による低下の程度を
微小な範囲（例えば歪み１０〜３０％程度）にうずく塗
布して使用したので、サイクル末期で吸収効果再生のあ
るＧ　ｄ２Ｏ３添加燃料本数を削減することができ、そ
の分だけ１ノイクル末期の反応度損失を低減でき、その
分に対応して４ノ一イクル長期化が図れるので燃料の発
熱効率が向上し、高燃焼度・高経済性が達成される。ざ
らに、チャンネルボックスにＺｒ　Ｂ２を塗イロすると
、運転サイクルの前半および半ばまではピーキングを抑
制し、ＥＯＣではピーキングを出して反応度を向上ざＵ
るので、運転り“イクルが延長でき、高燃焼度・高経済
性が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の概略構成図で。 同図（Ａ）は同図（Ｂ）のＡ−Ａ　＠に沿う横断面図、
同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図、同
図（Ｃ）は同図（８）の超太径水棒の拡大断面図、第２
図は運転ザイクル内経過時間と炉心反応度抑制効果の関
係を示す図、第３図〜第８図はそれぞれ本発明の第２実
施例、〜第７実施例の横断面図でおる。 １、２Ｏ．３０・・・燃１’ｌ集合体 ２・・・１ノ−ブバンドル ３・・・水ギＶツブ ４、１１．１５・・・大径水棒 ５、２５．３１・・・燃料棒 ６．３２・・・Ｇｄ入り燃料棒 ７、１６．１７・・・チ（・ンネルボックス８．８１〜
８５−Ｚｒ　Ｂ２被膜 ９．１０・・・部分艮燃料 １２、３３・・・水棒 １３・・・細径棒 １８・・・十字形チャンネル １９・・・リブバンドル ２１・・・サブチャンネルチューブ ２２・・・棒状物質挿入管 ２３・・・サブチャンネルチューブ ２４・・・燃料サブハンドル ２６・・・間隙部 （８７３３’）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ばか
　１名） う （Ａ） 第 図 （Ｃン 第１図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の燃料棒と少なくとも１本の水棒を規則正し
   く配列してバンドルまたはサブハンドルとし、このバン
   ドルまたはサブハンドルを取り囲むように金属製チャン
   ネルを配置して構成した燃料集合体において、水棒もし
   くは金属製チャンネルの少なくとも一方にジルコニウム
   ボライド（ＺｒＢ＿２）を塗布し一部の燃料棒内にガド
   リニア（Ｇｄ＿２Ｏ＿３）を添加した燃料ペレットを装
   填したことを特徴とする燃料集合体。