JPS61128185A - 原子炉炉心 - Google Patents

原子炉炉心

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JPS61128185A
JPS61128185A JP59249585A JP24958584A JPS61128185A JP S61128185 A JPS61128185 A JP S61128185A JP 59249585 A JP59249585 A JP 59249585A JP 24958584 A JP24958584 A JP 24958584A JP S61128185 A JPS61128185 A JP S61128185A
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JP
Japan
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core
fuel
fuel assemblies
cycle
group
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JP59249585A
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持田 貴顕
小沢 通裕
光也 中村
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は原子力発電所に設置される沸騰水型原子炉の初
装荷炉心の構成に係り、燃f:j8度の増大と平衡炉心
への速やかな4行を同時に可能とするのに好適な原子炉
炉lシ・に関する。
〔発明の背景〕
S騰水型原子炉の炉心は第2図に示すように、1本の制
御棒とそれを囲む4本の燃料集合体からなるセルを複数
個配置することにより構成される。
一般に、沸騰水型原子炉では、最初の運転時の炉心、い
わゆる初装荷炉心に装荷される燃料集合体の平均a11
ii!i度は同一で一種類であった。ところで、原子炉
では1サイクル毎に全数の約1/3〜1/4の燃料集合
体を取出し、新燃料と交換するが、初装荷炉心用燃料集
合体の平均濃縮度は2〜3サイクル炉心内で燃焼が可能
なように設定されているため、初装荷炉心用燃料集合体
を用いる運転サイクル(以下「第1サイクル」と称し、
それ以後に部分的に燃料を交換し引続き運転するサイク
ルを「第2サイクル」、「第3サイクル」・・・と称す
る。)終了時の燃料交換で11、まだ充分に燃焼の進ん
でなく、ウラン235残留量の高い燃料集合体を炉心か
ら取り出すことになり不経済でろつた。
このため、沸騰水型原子炉において、平均濃縮度の異な
る多種類の燃料集合体全組み合せて初装荷炉心を構成し
、1サイクル毎に?−縮度の低い燃料集合体から取出し
、これを新燃料集合体と交換することに:す、初装荷燃
料集合体の平均均取出燃焼度を増大させるとともに、次
サイクルへの移行を速やかにする試みがなされている。
第2サイクル以後の初めに装荷される新燃料集合体は取
替燃料集合体と呼ばれ、第1サイクル以後、数サイクル
にわたり継続的に取替燃料集合体を装荷した炉心は、炉
内全体の燃料成分がほとんど一定の状態に達したサイク
ルで、その前のサイクルおよび次のサイクルとのPA特
性が変らず安定したサイクルとなり、これは平衡サイク
ルと呼ばれ、平衡サイクルとなった炉心を平衡サイクル
という。
このよりな原子炉においては、第1サイクルから平衡サ
イクルへ移行する中間のサイクル(以後「移行サイクル
」という。)での熱特性およびサイクル増分燃焼度が平
衡サイクルのそれらと同程度あるいは、速やかにそれら
に収束するのが好ましい。しかしながら、従来の初装荷
炉心のように集合体平均濃縮度が一種類の場合には、平
衡サイクルへの移行も長くかかり、移行サイクルでの燃
料取替体数の変動も大きく必ずしも満足々ものではなか
った。
また、第1サイクルでは原子炉の営業運転に先だっての
起動試験があるため1サイクル終了までの期間が長くな
り、第1サイクルの燃焼度は、それ以後のサイクルでの
燃焼度より約2000MW、dZtはど長・ぐしなけれ
ばな3らない。これは、初装荷た。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、平衡サイクルへの移行が速やかに行わ
れ、かつ初装荷燃料集合体の取出燃焼度を増大するのに
適する初装荷炉心を有する凍子炉f心を提倶することに
ある。
〔発明の概要〕
本発明者く、初装荷炉心を平均濃縮度の異なる複数の燃
料集合体により構成し、これら燃料集合体の?4縮度、
体数、及び取出博期t−特定することにニレ、上記発明
の目的を達成できること見出した。その発明の概略は次
の7点で特徴づけられる。
■ 集合体平均濃縮度の異なる2種類以上(例えば3種
類)の燃料集合体により初装荷炉心を構成する。
■ 第1サイクル後のに料取替割合を1/Nとすると、
上記燃料集合体の種類も約Nとする。
■ 炉心最外周部には、上記燃料集合体のうち最もz峻
縮度の低い燃料集合体(これを低濃縮度燃料集合体と呼
ぶ。)を配置する。
■ 低濃縮度燃料集合体は、炉心最外周部に配置される
燃料集合体L1と、炉心内部に配置される燃料集合体L
2に分類され、燃料集合体L2の7:!1.は、鴻1サ
イクル終了後取出される燃料集合体の数に等しく、燃料
集合体L2は@1サイクル終了後にすべて取出さ几、燃
料集合体L1け、炉心最外周部に2サイクル滞在しfC
後、すなわち第2サイクル終了後取出される。
■ 出力運転中に炉心に挿入される制御棒を囲む4体の
燃料集合体は、低濃縮度燃料集合体L1によね構成され
る。
■ 上記の低濃縮度燃料集合体の濃縮度は約1.0重量
S〜1.5重景チの範囲である。
■ 初装荷炉心を構成する燃料集合体のうち、濃@M度
が最も高い燃料集合体(これを高濃縮度燃料集合体と呼
ぶ)の濃縮度は、取替燃料集合体の!!’1度と等しい
やかにするとともに、■で述べる燃料の取出し方の限定
により、取出燃焼度の増大に寄与する。
この技術は、例えば特開昭57−8486、特開昭58
−63887等に述べられているが、これだけでは、本
発明の目的を充分に達成するものではなく、さらに次に
述べる技術が必要であった。
■によると、第1サイクル末期での初装荷燃料の種類は
、平衡炉心でのバッチ数とは/?E’等しくなるので、
初装荷炉心から平衡炉心への移行がスムーズとなる。
全燃料装荷体数をN4、取替体数をN8とするとバッチ
数(これは取替体数割合の逆数で定義される。)は、 N。
R で示されるので、■に示すように、初装荷燃料の濃ia
度種類n′t−、バッチ数とほぼ等しくするためには、
nf: となる整数に選べばよい。則ち、取替体数N翼と、濃i
a度徨類nの間には、 の関係が成り立つ。
■によると、炉心からの中性子の濁−rLを小さくする
ことができ、燃焼度を向上することができる。
これは炉心から外へもれて失われる中性子の大部分は炉
心最外周部の燃料集合体から発生したもので、−列以上
内側の燃料集合体で発生した中性子は炉心外へもれるこ
とがないため、発生中性子数の少ない低反応度燃料集合
体だけで炉心最外周部を構成する場合には、炉心から外
へもれる中性子を減少することができ、燃焼度が向上す
るからである。取替燃料を装荷した、移行サイクル炉心
や平衡サイクル炉心では、低反応度燃料集合体として燃
料の進んだ燃料集合体、すなわち次サイクル伺、特開昭
59−15888にに、初装荷用燃料集合体の濃縮度を
多種類とし、炉心最外周部を高濃縮度燃料で構成する例
が記述されているが、本特許では、炉心最外周部を低濃
縮度燃集を配置していることが特徴であるため、これと
は全く別のアイデアである。特開昭59−15888で
は、出力分布の平坦化のために炉心外周部に高濃縮度燃
料を配置しているが、炉心からの中性子のもれが大きく
なるので、反応度が損失する。この反応度損失を補うた
めには濃縮度を高くする必要があるため、同一の取出燃
焼度を得るのに必要な濃縮度は、特開昭59−1588
8記載の例のほうが、本発明よりも高く、燃料経済性は
本発明のほうが浸れている。
■は低濃縮度燃料の燃焼度を増大する上で特に重要とな
る。炉心外周部は中性子のもれにより出力が小さいので
、炉心中央部に比べて半分程度しか燃焼が進まない。第
1表は、同一濃縮度の燃料るが、炉心内部の燃料集合体
平均濃縮度は約110Wd/lでちるのに対し、炉心号
外部の燃料集合体平均燃焼度は約5QWd/lで、K2
2サイクル末で約10()Wd/lとなり、炉心内部で
の第1サイクル末での燃焼度と等しくなる。このため、
炉心最外周部の燃料集合体を第1サイクル末に取り出す
と充分に−りしないうちに取出すこと第1表 になり、不経済である。このため、初装荷時に炉心最外
周部に配置した燃料は少なくも2サイクル以上炉心に滞
在させる必要がア敷 このような燃料集合体が低濃縮度
燃料集合体である場合には、炉心に3サイクル滞在させ
ると反応度損失が大きいので、炉内滞在する期間は2サ
イクルがi&適である。また、第一サイクル末期に取出
される燃料は低濃縮度燃料だけであることが取出燃焼度
を増大すち上で重要となるので、取替体数と等しい数の
低濃縮度燃料が中心内部に配置され、これが第1サイク
ル終了時に炉心から取出され交換される。
これによると第1b群の燃料集合体数N 1 bは取替
体数とNmと等しいので(2)式よりの関係が成り立つ
■け、特開昭56−1386に記載されるように、運転
中に炉心に挿入される制御棒を限定し、制御棒のパター
ン交換を不要とした運転するために必要でおる。このよ
うな運転を行なうためには、運転中に炉心に挿入される
制御棒を囲む4体の燃料集合体を低反応度燃料集合体で
構成する必要がらり、本発明では低反応度燃料集合体と
して、濃縮度の低い燃料集合体を採用していることが特
徴で第1サイクルの燃焼度は、現在9〜12ケ月の運転
期間に起動時間を加えただけ必要でろり、1100MW
e 級原子炉で約100Wd/lである。
取替燃料集合体は濃縮度3重f&チで約300Wd/l
だけ燃えるので、濃a度lit慢につき約10GWd/
lの割合で燃えることになる。これに対して、従来まで
の初装荷燃料集合体では、第1サイクル終了時に取出さ
れる燃料集合体は、初期濃縮度が約2t、11−チでち
るのに対し、燃焼度が約100Wd/lでおるため充分
に燃えているとくいえず、不経済の原因であった。この
ため、第1サイクル終了時に取出される低濃縮度燃料集
合体の一一度が約100Wd/lであることから考える
と、その濃縮度は約1.0重量%にするのがよい。さら
に今後予定される運転期間の長期化により、第1サイク
ルの燃焼度も約15GWd/lまで増加すると考えられ
るので、低濃縮度燃料の濃縮度は約1.0重tチ〜1.
5重!壬とするのが最適である。
■に述べたように、高濃縮度燃料の濃縮度を取ので、平
衡炉心への移行が速やかKなる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を説明する。第1図は1100
 MWe級沸騰水墓原子炉の炉心の1/4を模式的に示
した平面図でらる。図中、41.42は制御棒を示し、
その周囲には4体の燃料集合体が装荷され、この制御棒
1体と燃料集合体4体で単位セルを構成し、この単位セ
ルを複数個配置して炉心が構成される。制御棒は、通常
運転時に炉心に挿入され炉心の反応度を調整することを
目的とした制御棒41と、通常は炉心から引抜かれ炉心
停止時のみ炉心に挿入される制御棒42に分類される。
燃料集合体はその平均濃縮度について2種類以上に分類
され、第1図に示した例では3種類に分類される。本実
施例は全燃料装荷体数は764体で、目標とする平衡炉
心の平均取替体数を212体でおり、前記(1)式によ
れば濃縮度の種類は、764/212=16t−超えな
い最大の整数とし取替燃料集合体と同一で約3.0重量
%、体数は248体である。燃料集合体2は、中濃縮度
燃料集合体で濃縮度は約12重量%、体数は212体で
ある。
残りの燃料集合体は、濃縮度約1,4重i−チの低濃縮
度燃料集合体で、31は炉心最外周部に配置され、32
は制観穆41のまわhに配電され、3汀、炉心内部に配
置されるその他の低濃縮度燃料集合体である。炉心内部
に配置される低濃縮度燃料集合体3.32の合計体数F
1212体で、これは第1サイクル末には取出される。
また低濃縮度燃料集合体310体数は92体でおる。
このような燃料集合体で構成された炉心は以下のよって
作用する。まず、第1サイクルの運転が終了すると、3
2.3で示される炉心内部に配置した低濃縮度燃料集合
体212体取出し、代すに衡炉心への移行を速やかに行
なうことを目的として実施する。この時に、炉心最外周
部に配置した低濃縮度燃料集合体を取り出さない理由は
、前述した一部やで、この方法により炉心最外周部に配
置した燃料集合体の燃焼度増大させることができる。
従って、第1サイクル終了時に取出される燃料集合体に
、常にウラン235の残留量が少々いものである。
第2サイクル運転終了時には、前述の炉心最外周部に配
置された低濃縮度燃料集合体31.92体と中濃縮度燃
料集合体の一部、120体が取出され、この時にも合計
212体の燃料集合体が濃縮度約3チの取替燃料集合体
と交換される。同様に、第3サイクル運転終了時には、
残りの中濃縮度燃料集合体92体と、高濃縮度燃料集合
体120体、合計212体が濃1a度約3チの取替燃料
集合体と交換される。このようにして構成された第3サ
イクル炉心は、毎年212体ずつ燃料を交換し続けた第
4サイクル以後と炉心購成が同じとなるため、平衡炉心
となっている。
ル末での取替体数は212体で一定でちる。このように
して燃料集合体の交換を行なった場合には、常にウラン
235残留量の少ない燃料集合体から取出されるので、
従来の初装荷炉心のようにウラン235の残留量が高く
、充分に燃焼していない燃料を取出すことはなくなるの
で、ウランを有効に利可することができ、燃料経済性が
向上する。
第2表 第3図は、各サイクルでの余剰反応度の燃焼度変化を比
較したものであり、第1サイクルだけは起動試験期間の
分だけサイクル増分燃焼度は多いが、各サイクル間の余
剰反応度変化は少なく、第3サイクル以後の余剰反応度
の燃焼度変化は同一となり、?心は平衡になっていると
いってよい。
このように、速やかに平衡炉心に収束するのは、第2表
に示したように、第1サイクル以後の燃料取替体数が同
一となっているためである。
第4図は、従来からの燃料集合体濃縮度を一種類とした
場合の移行サイクルの余剰反応度の燃焼度変化を比較し
たものであるが、各サイクル毎の余剰反応度の変化が大
きく、平衡になるのが難しくなっている。また、第4図
に余剰反応度を示した従来からの初装荷炉心では、その
平均取出燃焼度が約17GWd/lでらったのに対し、
本実施例では、同一の初期炉心平均濃縮度で、平均取出
燃焼度は約210Wd/lと奇妙、約23チ増加する。
さらに、本実施例では、第4図に示したように各サイク
ルとも、余剰反応度の燃焼変化が少なく平坦でるるため
、イ氏濃縮度燃料4体に囲まれた制御棒41だけを利用
して、制御棒パターン交換を不要とした、単一パターン
運転が、第1サイクルから可能となる。
特に本炉心では、余剰j反応度が1.3チΔに喝度なの
で、町81櫟1tの制御能力が約0.1壬Δにであるこ
とより、運転中に炉心に挿入される制御棒41は13本
とiす、4体の低濃縮度燃料集合体32で構成されるセ
ルの数も13となる。
尚、特開昭58−223092には、初装荷燃料集合体
を濃縮度についてN群に分数し、第1群(1≦i<N−
1)に属する燃料集合体を第1サイクルに取出す内容の
発明が記載されているが、この場合には、各群の燃料集
合体数と、各サイクル末での取出体数の関係は、上記公
報の実施例によると第3表のようなものであ抄、i群の
燃料集合体数と第1サイクル末の取出し体数が一致する
ので、鴻2表に示した本発明とは全く別のものであるこ
とは明らかである。また、上記公報記載の実施例では、
第1サイクルと第2サイクルでの取替体数が異なってい
るので、平衡炉心へ速やかに移行するのが難しいが、本
発明では各サイクル毎の取替体数を同一にすることによ
抄平衡炉心へ速やかに移行できるようにしている。
第3表 〔発明の効果〕 本発明によれば、初装荷燃料集合体の平均取出燃焼度を
約20%増加することができ、燃料経済性が増す。また
、初装荷炉心から平衡炉心への移行が速やかになり、第
3サイクル以後は平衡サイクルと同じ運転が可能となる
【図面の簡単な説明】
寓1図は本発明の一実施例t−原子炉炉心の構成図、第
2図は原子炉炉心を構成する単位格子セルを示す図、第
3図は本発明に基づく第1サイクルと移行サイクルを示
す図の余剰反応度の燃焼変化を示す図、第4図は従来型
初装荷炉心による第1サイクルと移行サイクルの余剰反
応度の燃焼変化を示す図でおる。 1・・・高濃縮度燃料集合体、2・・・中濃縮度燃料集
合体、3・・・低濃縮度燃料集合体(P心円部配置用)
、31・・・低濃縮度燃料集合体(炉心最外周部配置用
:32・・・低濃縮度燃料集合体(制御セル用)、41
・・・運転中に炉心に挿入される制御棒、42・・・プ
!転中に炉心に挿入されない制御棒。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、燃料集合体と制御棒より成る原子炉炉心において、
    装荷される燃料集合体は、集合体平均濃縮度について複
    数群に分類され、各群の燃料集合体平均濃縮度を第1群
    、第2群、・・・第n群の順に高くし、最も濃縮度の低
    い第1群に属する燃料集合体は、さらに炉心最外周部に
    配置される第1a群と、炉心最外周部を除く炉心内部に
    配置される第1b群に分類され、炉心最外周部には第1
    a群に属する燃料集合体だけが配置され、第1b群に属
    する燃料集合体の数N_i_bは、全燃料装荷体数をN
    _tとした時にN_t/(n+1)<N_i_b≦N_
    t/nとなることを特徴とする原子炉炉心。 2、前記、第1b群に属する燃料集合体だけが第1サイ
    クル終了時に取り出されることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の原子炉炉心。 3、出力運転中に炉心に挿入されて出力調整用に使用さ
    れる制御棒に隣接する4本の燃料集合体は全て、前記第
    1b群に属する燃料集合体であることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項又は第2項記載の原子炉炉心。 4、前記第1群に属する燃料集合体の集合体平均濃縮度
    が1.0重量%〜1.5重量%の範囲にあることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項、第2項又は第3項記載の
    原子炉炉心。 5、前記第n群に属する燃料集合体の集合体平均濃縮度
    が取替燃料集合体の集合体平均濃縮度と等しいことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項〜第4項記載の原子炉炉
    心。 6、第1サイクルから平衡サイクルまでの毎サイクル終
    了時における燃料集合体取替体数が前記第1b群の燃料
    集合体体数N_i_bにほぼ等しく一定であることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項〜第5項の原子炉炉心。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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