JPS6184591A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、燃料集合体に係り、特に沸騰水製原子炉に用
いるのに好適な燃料集合体に関するものである。

〔発明の背景〕

燃料集合体の外観を第３図に示す。燃料集合体は、チャ
ンネルボックス１０．下部タイプンート１１、上部タイ
プレート１２、スペーサ１５及び燃料棒１６からなって
いる。燃料棒１６の上下端部は、下部タイプレート１１
及び上部タイプレート１２にて保持される。スペーサ１
５は、燃料棒１６の朝方向に幾つか配置され、燃料棒１
６相互間の間隙を適切な状態に保持している。チャンネ
ルボックス１０は、上部タイプレート１２に取付けられ
、スペーサ１５で保持された燃料棒１６の束の外周を取
囲んでいる。チャンネル７アスナ１３が、上部タイプレ
ート１２に取付けられる。

第４図は、燃料棒１６の詳細構造を示す。燃料棒１６は
、下部端栓１７及び上部端栓１８にて両端を密封して＊
覆管２０内に多数の燃料ペレット２１を装荷したもので
ある。スプリング２２が、被覆管２０内のガスプレナム
内に配置され、燃料ペレット２１を押圧している。

第５図は、第３図の燃料集合体の横断面を示す。

チャンネルボックス１０内には、燃料棒１６が格子状に
配置され、中央に２本のウォータロッド１４が配置され
ている。燃料棒１６の数本は、可燃性毒物であるガドＩ
Ｊ　＝アを含有している。隣接している燃料集合体相互
間には水ギャップが形成され、この水ギャップに制御棒
１９が挿入される。

一方、沸騰水型原子炉では、炉心上下方向（又は軸方向
）にボイド分布があるため、ボイド反応度の軸方向差違
のために出力分布が下方にひずむという特性をもってい
る。この軸方向下方ピーク出力分布を是正し、軸方向出
力分布を平坦化する燃料集合体として、上下領域の濃縮
度分布を有する燃料集合体がある。この燃料集合体は、
特公昭５８−２９８７８号公報に詳述されている。この
ような濃縮度上下二領域の燃料集合体は、外周部に配置
された数本の燃料棒が上部領域の濃縮度が下部領域の濃
縮度よ）も１５チ程度高くなっている。

上記公報に示された燃料集合体は、軸方向の出力分布を
平坦化できる。しかし、沸騰水型原子炉の燃料集合体は
、チャンネルボックス１０内でボイドが発生し、その外
側でボイドが発生しないので、第５図の一点鎖線の断面
における水（減速材）の密度分布が一様ではない。すな
わち、水の密度分布は、チャンネル１０内で低くなって
いる。このため、第５図の一点鎖線での熱中性子束φは
、第６図に示すように燃料集合体中心で低く、チャンネ
ルボックス１０の外で高くなる分布となる。

燃料集合体内の各燃料棒出力Ｐは、次式で示される。

Ｐ＝φ・σｒ・Ｎ　　　　　　　・・・・・・・・・（
１）ここで、 φは、燃料棒１６位置での熱中性子束、σｙは核***性
物質の核***断面積及びＮは、燃料棒１６内の核***性
物質の原子数密度である。

従来の燃料集合体では、各燃料棒の出力分布（これを局
所出力分布という）を平坦化し、燃料棒の最大出力と燃
料集合体の平均出力の比で示される局所出力ビーキング
をできるだけ小さくするために、熱中性子束φの大きい
外周部に配置された燃料棒での核***性物質の原子数桁
ｆＮ（濃縮度ｅに比例する）を第７図に示すように小さ
くしている。上記公報に示される燃料集合体は、チャン
ネルボックスに隣接する燃料棒のウラン２３５の濃縮度
は、中心の燃料棒のそれより２５〜５０チ低くなってい
る。

炉心に新しい燃料集合体を装荷した場合は、炉心の余剰
反応度が大きくなって、制御棒１９だけでは余剰反応度
の抑制は困難である。燃焼初期におけるこの余剰反応度
を抑制するために、前述したように燃料集合体の数本の
燃料棒内にガドリニアを添加している。このような可燃
性活物は、中性子吸収断面積が非常に大きいので、原子
炉の運転時間の経過とともに急激に減少する。運転時間
がある程度経過すれば、可燃性毒物は完全に消滅し、燃
焼後期では反応度に対して悪影啓を及ぼさないという有
益な効果を持つ。

第８図にカドリニア利用による反応度抑制効果を示す。

尖縁はガドリニア入シ燃料集合体の無限増倍率を示し、
破綜はガドリニアを含まない燃料集合体の無限増倍率を
示している。両者の差が、ガドリニアによる反応度抑制
効果を表わしている。

また、ガドリニア入υ燃料集合体の無限増倍率は、第８
図の実線に示すようにガドリニアが燃えつきる約１００
Ｗｄ／ｌ′！では単調に増加し、それ以後は単調に減少
する。無限増倍率がピークとなる時点までを燃焼前期、
それ以後を燃焼後期と呼ぶことにする。

近年、燃料集合体の燃焼度を長くすること、すなわち高
燃焼度化が検討されつつある。これを達成するためには
、熱中性子束の高いチャンネルボックス近傍に核***性
中質の含有量の高い、すなわち以縮度の高い燃料棒を配
置すればよい。特公昭５８−２９８７８号公報に示す原
理を用いて、高燃焼度化を図る燃料集合体としては、特
開昭５８−２６２９２号公報の第４図に示すものが知ら
れている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、軸方向の各位置での横断面の出力分布
の差を低減できる燃料集合体を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の第一の特徴は、軸方向の大部分の領域に可燃性
毒物を有する第１燃料棒の上部領域の大部分における平
均濃縮度を第１燃料棒の下部領域の大部分における平均
濃縮度よりも高くシ、可燃性毒物を含有していない他の
第２燃料棒のａｍ度をその軸方向の大部分の領域で一様
に分布させたことにある。

第二の特徴は、可燃性毒物を含有している燃料棒に従っ
て上記第１燃料棒）において、上部領域をさらに細く分
割し、燃料棒最上端付近にある燃料棒部分の可燃性毒物
濃度をこの燃料棒の上部領域の平均値に比べ低くしたこ
とにある。

本発明は、前述した特開昭５８−２９８７８号公報に示
され、従来の燃料集合体の特性を詳細に検討することに
よってなされたものである。以下にその検討結果を述べ
る。

特開昭５８−２９８７８号公報に示される燃料集合体２
３の横断面を第９図に示す。燃料集合体２３を構成する
燃料棒１〜６、Ｇ１及びＧ２の濃縮度分布及びガドリニ
ア濃度分布を第１０図に示す。燃料棒Ｇ１及びＧ２は、
軸方向にガドリニアを一様に含有している。燃料棒Ｇ１
及びＧ２のガドＩＪ　ニア濃度は等しい。燃料棒１〜６
は、ガドリニアは含有していない。燃料棒１〜６、Ｇ１
及びＧ３は、核燃料物質でおるＵ　０２をペレット状に
して被＆管内に充填したものでおる。それぞれの燃料棒
のウラ／２３５の濃縮度ｅ１〜ｅ６の大小は、ｅｌ　）
６ｚ　＞ａｓ　）Ｇ４　）Ｇ５　＞ｅｓの関係になって
いる。燃料集合体２３は、燃料集合体の平均濃縮度より
も高い平均濃縮度を有する燃料棒を外周部に多く配置し
、平均濃縮度の低い燃料棒を中央部に配置している。

このような燃料集合体２３では、原子炉の運転期間を通
じて外周部の燃料棒の出力が増大し、外周部の局所出力
が増大する。燃料集合体２３の無限増倍率は、第１１図
に示すように外周部の局所出力の増加にほぼ直線的に比
例して増加する。従って燃料集合体の無限増倍率の増加
を最大にするためには、局所出力ビーキングを大きくす
ればよいことになる。局所出力ビーキングは、燃料棒の
熱的制限からその最大値が決まるために、無限増倍率の
増加量は規定されてしまうことになる。さらに、無限増
倍率を増加させるために外周部にある燃料棒の局所出力
と上げる場合には、外周部にある燃料棒の出力を平均的
に上げる必要がある。

このため、燃料集合体２３の平均濃縮度と局所出力ビー
キングの最大値が決まれば反応度を最大限向上させる局
所出力分布と濃縮度分布が決まることなる。第１２図に
局所出力ビーキングを１．３０とした時の外周部、特に
最外周部の最適局所出力分布の一例を示す。格子の一升
が１つの燃料棒に該当する。

燃料集合体２３は、局所出力ビーキングを高くする高濃
縮度の燃料棒と軸方向出力ビーキングを低くする濃縮度
上下二領域の燃料棒とを外周部に併用したものである。

燃料集合体２３は、軸方向出力ビーキングが低下した分
だけ外周部の局所出力を増大できるので、反応度利得を
大きくできる。

しかし、この燃料集合体２３には、以下の問題がちるこ
とがわかった。すなわち、上下に濃縮度差を有する燃料
棒２及び３が第９図に示すように燃料集合体２３の外周
部に配置されているので、燃料集合体２３の上部領域又
は下部領域のいずれかの局所出力分布が、第１２図に示
す最適な局所出力分布からずれてしまう。このため、燃
料集合体２３の上部領域と下部領域の相方で反応度を最
大にする局所出力分布を実現できなくなってしまう。第
１３図は、燃料集合体２３の未燃焼時における上部領域
の局所出力分布を示したものである。

第１４図は、燃料集合体２３の未燃焼時における下部領
域の局所出力分布を示したものである。これらの局所出
力分布は、第１２図の局所出力分布のように外周部、特
に最外周部の燃料棒の出力を均一（例えば１．３０）に
することはできない。しかも、燃料集合体２３の上部領
域と下部領域の最外周部の局所出力分布に差が生じる。

このような従来の燃料集合体２３の特性を検討した結果
、発明者等は軸方向の大部分の領域に可燃性毒物を有す
る燃料棒に上部と下部で濃縮度差をつければ、前述の燃
料集合体２３の問題点が解消できることがわかった。す
なわち、燃料棒の出力Ｐは、濃縮度ｅと熱中性子束φと
の積に比例する（ｐ−ｅ・φ）。このため、熱中性子束
φまたは出力Ｐが大きい燃料棒の上部領域の濃縮度を下
部領域のそれよりも大きくした場合は、濃縮度ｅの変化
に対する出力Ｐの変化が大きくなる。これは、淡縮度差
を設けた燃料棒の軸方向における出力差が太きくなシ、
燃料棒の上部領域と下部領域の出力分布差の増大をもた
らす。これに対して軸方向の大部分の領域にガドＩＪ　
ニアを含有している燃料棒では、ガドリニアの存在下に
おいて熱中性子束φが小さいので、濃縮度ｅの変化に対
する出力Ｐの変化が小さい。従って、軸方向の大部分の
領域にガドＩＪ　ニアを含有している燃料棒の軸方向向
の大部分の領域にガドリニアを含有している燃料棒に上
下の匝縮度差をつけた場合には、その燃料棒め上部と下
部の局所出力分布をほぼ同一にすることが可能となる。

一方、冷温時の炉心の実効増倍率（従って炉停止余裕）
Ｋ注目すると、燃料棒上端部の濃縮度が低いと冷温度時
の無限増倍率を低く抑えることができ炉停止余裕を増大
できる利点がある。ここで、ガドリニアが冷温度時の無
限増倍率に及ぼす影響についてはガドリニアを含有する
燃料棒の本数が大きく寄与し、ガドリニア良度自体の影
響は小さいことが知られている。そこで、燃料棒上端部
の濃縮度を下げるとともに、ガドリニアを含有する燃料
棒については燃料棒上端部のガドリニア濃度も小さくし
たところ、炉停止余裕を増大でき、且つガドリニアの燃
焼が促進されることにニジ、出力運転時の反応度利得が
得られ、経済性が向上することがわかった。

本発明は、このような検討結果に基づいてなされたもの
である。本発明の実施例を以下に述べる。

〔発明の実施例〕

本発明の好適な一実施例を第１図及び第２図に示す。燃
料集合体３０は、第３図と同じ構成を有している。異な
っているっけ、燃料棒１６が第２図に示す濃縮度分布及
びガドＩＪ　ニア濃度分布を有する燃料棒３１，３２，
３３，３４．Ｇ４及びＧ、の６穐類であり、これらの燃
料棒が第１図に示すように配置されていることである。

燃料棒３１〜３４は、核燃料物質としてＵ　Ｏｚを用い
ており、それに含まれている核***性物質はウラン２３
５である。これらの燃料棒は、可燃性毒物であるガドリ
ニアを含んでいない。燃料棒Ｇ３及びＧ４は、ＵＯ２と
同時にガドリニアを含んでいる。

第２図に示す濃縮度ｅ１〜ｅ４の大小は、ｅｌ〉Ｇ２　
＞６３）６４の関係がある。燃料棒３１〜３４及びＧ４
は、軸方向の全長にわたってａ縮度が一様に分布されて
いる。燃料棒Ｇ４は、その燃料有効長の下端から燃料有
効長の１１／２４の位置より上方の上部領域にガドリニ
アを一様に含有しておシ、その位置よシ下方の下部領域
にはガドリニアを含んでいない。燃料有効長とは、燃料
棒内で核燃料物質が充填されている高さである。燃料棒
Ｇ３は、軸方向上下三領域となっており、その分割点は
燃料下端から全長の１１／２４の位置と燃料上端から全
長の１／６の位置である。燃料棒Ｇ３の（ウラン濃縮度
子ガドリニア濃度）の組合せは燃料棒下部から上部に向
って （ｅ４＋Ｃ）ｄｔ）−（ｅｚ＋Ｇｄｔ）→（ｅ４＋Ｇｄ
ｚ）である（但し、Ｇ２＞Ｇ４　、Ｇｄｔ　）Ｇｄｚで
ある）。

燃料集合体３０は、燃料棒Ｇ３及びＧ４を有しているの
で軸方向において燃料有効長の下端よシ１１／２４の位
置で上下二値域に分割され、上部領域の軸に垂直な平面
での平均濃縮度が下部領域の軸に垂直な平面での平均−
縮度よりも高くなっている。また、燃料集合体３０は、
上部領域におけるガドリニアの混入量が下部領域のその
混入量よりも多くなっている。燃料果合体３０の無限増
倍率をみると、上部領域の無限増倍率が下部領域のそれ
よυも大きくなつ−いる。また、燃料集合体３０の軸方
向の軸に垂直な平面でみると、その平面の外周部（本実
施例では、チャンネルボックス１０側から外側に向って
二層の燃料棒が存在している環状の領域、すなわち、一
点鎖線よシ外側の領域）の平均ｉ縮度が、その平面の中
央部（本実施例ではチャンネルボックス１０側から内側
に向って三及び四層の燃料棒が存在している領域、すな
わち、一点鎖線の内側の領域）の平均濃縮度よりも高く
なっている。

本実施例では、軸方好の大部分の領域にガドリニアを含
有している燃料棒Ｇ３で上下濃縮度差をつけているので
、前述したように燃料棒Ｇ３の上部と下部の出力分布が
ほぼ同一になる。従って、燃料集合体３０の上部領域の
外周部と下部領域の外周部との局所出力の差が小さくな
シ、それらの値がほぼ同一となる。特に、外周部の最外
周部を除く部分に燃料棒Ｇ３が配置されているのでその
効果が最も大きくなる。このため、反応度が増加し、燃
料経済性が向上する。また、本実施例は、従来の燃料果
合体２３に比べて燃料棒の種類が二種類少なくなシ、燃
料集合体の製造が著しく単純化される。

外周部の平均娘ｍ度が中央部の平均濃縮度よりも大きい
ので、特開昭５８−２６２９２号公報の第４図に示され
た燃料集合体と同じ効果を得ることができる。すなわち
、燃料集合体３０の燃焼期間が長い。また、本実施例は
、上部領域の平均濃縮度が下部領域の平均濃ｍ度よりも
高くなっているので、特公昭５８−２９８７８号公報の
第４図に示す燃料集合体と同じく燃料集合体の軸方向の
出力分布を平坦化できる。この効果は、燃料集合体３０
内のガドリニアが消滅した時点以降で発揮できる。原子
炉は浅挿入の制御棒が不要となシ、深挿入の制御棒のみ
による出力制御が可能となる。

従って、原子炉の制御棒操作が著しく単純化される。上
部領域と下部領域との境界の位置は、特公昭５８−２９
８７８号公報に示されているように、燃料有効長の下端
から燃料有効長の１／３〜７／１２の範囲にすることが
望ましい。さらに、本実施例は、前述したように上部領
域の濃縮度が下部領域よりも高いと同時に、ガドリニア
の混入量が前者の領域が後者の領域よりも多くなってい
る。

このため、特願昭５７−１９４３００号の明細書の８頁
、５行から９頁、２行及びその第３図、第５図に示され
ているスペクトルシフト効果が生じる。

このスペクトルシフト効果によっても、特願昭５７−１
９４３００号に示されているように取出し燃焼度を増加
でき、それだけ燃料集合体の燃焼期間をよシ長期化でき
る。

さらに本実施例では燃料棒Ｇ３を軸方向三領域とし、特
に燃料棒上端部でウラン濃縮度及びガドＩＪ　ニア濃度
を下げているので炉停止余裕の増大及び取り出し燃焼度
の増大が図られる。

第１５図及び第１６図を用いて本発明の他の実施例を説
明する。本実施例の燃料集合体４０は、第１６図に示す
燃料棒４１〜４４、Ｇ５及びＧ６を第１５図の如く配置
したものである。燃料棒４１〜４４、Ｇｌ、及びＧ６は
、第２図に示す燃料棒３１〜３４、Ｇ３及びＧ４の端部
に天然ウランＣ５を第１６図のように配置したものであ
・る。燃料の端部は、出力が小さいために、たとえ温縮
ウランを用いてもあまり燃焼しないのでウランの有効利
用とならない。このため、端部には濃縮を必要としない
天然ウランを配置してウランの有効利用を図っている。

燃料棒Ｇ５及びＧ６は、上端部に天然ウランｅ５を配置
していない。濃縮度ｅ４は、天然ウランｅ５よりもウラ
ン２３５を含んでいる。これは、ガドリニアを含んでお
り、原子炉運転中に燃料棒内で発生するガス量が多く、
ガスプレナムの容積を大きくするためである。燃料集合
体４０の燃料有効長は、燃料棒４１〜４４の燃料有効長
と同じである。天然ウランが充填されている領域の長さ
は、燃料有効長の１／２４である。

本実施例は、天然ウランが端部に充填されている他は、
燃料集合体３０と同じ構成である。燃料棒４１〜４４．
Ｇ、及びＧ６の＠縮度及びガドリニア濃度は、表１のよ
うになっている。

第　　　１ 第１７図は、燃料集合体４０の未燃焼時における上部領
域の最外周部での局所出力分布を示している。第１８図
は、燃料集合体４０の未燃焼時における下部領域の最外
周部での局所出力分布を示している。これらの図から明
らかなように、燃料集合体４０の上部領域の最外周部と
下部領域の最外周部の局所出力な、はぼ同一になってい
る。本実施例は、燃料集合体３０と同じ効果を得ること
　　゛ができる。

尚、以上の実施例においては、軸方向の大部分の領域に
ガドリニアを含有する燃料棒の上端部のみ、ウラン濃縮
度とガドリニア濃度を低下させたが、炉停止余裕をさら
に増大させたい場合はその他の燃料棒についてもウラン
濃度又はガドリニア濃度を低下させてやれば良い。

また、逆に炉停止余裕に余裕がある場合はウラン濃縮度
は変えず、ガドリニア濃縮度のみ低下させることにより
高燃焼度化を図ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料集合体の軸方向の各位置での横断
面の出力分布の差を著しく低減でき、燃料緑済性を向上
できる。従って、燃料集合体の燃焼度を高くできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である燃料集合体の説
明図、第２図は第１図の燃料集合体に用いられる各燃料
棒の濃縮度分布の説明図、第３図は燃料集合体の構造図
、第４図は燃料棒の構造図、第５図は第３図のＶ−Ｖ部
説明図、第６図は第５図のＡ　ＩＡ　２断面における熱
中性子束分布を示す特性図、第７図は第５図のＡｔ−Ａ
２断面における濃縮度分布を示す特性図、第８図は燃焼
度と無限増倍率との関係を示す特性図、第９図は従来の
燃料集合体の説明図、第１０図は第９図の燃料集合体に
用いられる各燃料棒の濃縮度分布の説明図、第１１図は
外周部平均局所出力の増加と無限増倍率の増加との関係
を示す特性図、第１２図は第９図の燃料集合体の横断面
における最適な局所出力分布を示す説明図、第１３図は
第９図の燃料集合体の上部領域での横断面における実際
の局所出力分布を示す説明図、第１４図は第９図の燃料
集合体の下部領域での横断面における実際の局所出力分
布を示す説明図、第１５図は本発明の池の実施例である
燃料集合体の説明図、第１６図は第１５図の燃料集合体
に用いられる各燃料棒の濃、確度分布の説明図、第１７
図は第１５図の燃料集合体の上部領域での横断面におけ
る実際の局所出力分布を示す説明図、第１８図は第１５
図の燃料集合体の下部領域での横断面における実際の局
所出力分布を示す説明図である。 １０・・・チャンネルボックス、１１・・・下部タイプ
レート、１２・・・上部タイプレート、１５・・・スペ
ーサ、２１・・・燃料ペレット、３０，４０・・・燃料
集合体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料ペレットを内蔵する複数の燃料棒を有してなる
   燃料集合体において、軸方向の大部分の領域に可燃性毒
   物を有する第１燃料棒の上部領域の大部分におけるウラ
   ン平均濃縮度を、前記第１燃料棒の下部領域の大部分に
   おけるウラン平均濃縮度よりも高くし、可燃性毒物を含
   有していない第２燃料棒のウラン濃縮度をその軸方向の
   大部分の領域で一様にてなり、前記第１燃料棒または第
   ２燃料棒のうち、少なくとも１本の燃料棒の上端からそ
   の全長の１／２４〜１／４の領域におけるウラン平均濃
   縮度または可燃性毒物平均濃度が、前記上部領域のウラ
   ン平均濃縮度または可燃性毒物平均温度より低いことを
   特徴とする燃料集合体。 ２、前記第２燃料棒を、最外周を除いた部分に配置した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料集合
   体。 ３、前記第１燃料棒における前記上部領域と前記下部領
   域の境界を、前記第１燃料棒の下端からその全長の１／
   ３〜７／１２の範囲に位置させたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の燃料集合体。 ４、前記第２燃料棒の濃縮度をその軸方向の大部分の領
   域で一様にしてなり、軸方向の軸に垂直な平面における
   外周部の平均濃縮度をその平面における中央部の平均濃
   縮度よりも大きくしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の燃料集合体。 ５、前記第２燃料棒を、前記外周部の最外周を除いた部
   分に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第４項記
   載の燃料集合体。 ６、前記第１燃料棒における前記上部領域と前記下部領
   域の境界を、前記第１燃料棒の下端からその全長の１／
   ３〜７／１２の範囲に位置させたことを特徴とする特許
   請求の範囲第４項または第５項記載の燃料集合体。