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発明の名称 燃料集合体
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−93272(P2007−93272A)
公開日 平成19年4月12日(2007.4.12)
出願番号 特願2005−279867(P2005−279867)
出願日 平成17年9月27日(2005.9.27)
代理人 【識別番号】100078765
【弁理士】
【氏名又は名称】波多野 久
発明者 黒木 政彦
要約 課題
燃料経済性を確保しつつ一連の燃料サイクルにおいて炉心の軸方向炉出力分布が平坦化された高燃焼度化燃料集合体を提供することを目的とする。

解決手段
チャンネルボックス9内に多数の燃料棒を正方格子状に束ねて収納する沸騰水型原子炉用の燃料集合体1において、前記燃料棒は、炉心軸の高さ方向における下部2/3内の領域にのみ可燃性毒物を有する部分領域可燃性毒物燃料棒G2を含むとともに、前記部分領域可燃性毒物燃料棒G2の可燃性毒物濃度を2wt%以下とした。
特許請求の範囲
【請求項1】
チャンネルボックス内に多数の燃料棒を正方格子状に束ねて収納する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記燃料棒は、炉心軸の高さ方向における下部2/3内の領域にのみ可燃性毒物を有する部分領域可燃性毒物燃料棒を含むとともに、前記部分領域可燃性毒物燃料棒の可燃性毒物濃度を2wt%以下としたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項2】
前記燃料棒は、所定の軸方向長さを有する燃料棒である長尺燃料棒と、前記長尺燃料棒の約2/3の軸方向長さを有する燃料棒である短尺燃料棒とから構成される請求項1記載の燃料集合体。
【請求項3】
前記長尺燃料棒の炉心高さ方向の上端及び下端に、天然ウランを有する天然ウランブランケット部が設けられた請求項2記載の燃料集合体。
【請求項4】
前記燃料集合体の燃料棒本数をB、原子炉炉心に装荷される全燃料集合体数をN、前記新燃料集合体の数をN1とした時、前記部分領域可燃性毒物燃料棒の本数が、B・(N1/N)・(1/15)を計算し四捨五入して得られた整数で決定される請求項1〜3のいずれか記載の燃料集合体。
【請求項5】
前記燃料棒を10行10列以上の正方格子状に配置してなる請求項1〜4のいずれか記載の燃料集合体。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は沸騰水型原子炉の燃料集合体に係り、特に高燃焼度化燃料集合体に関する。
【背景技術】
【0002】
沸騰水型原子炉の運転時において、炉心上部のボイドの割合が炉心下部のボイドの割合よりも高くなる。このため、炉心上部より炉心下部の炉出力が高くなってしまう傾向がある。炉心軸方向における炉出力の平坦化の対応策として燃料に軸方向の濃縮度分布を設けることが考えられたが、商用炉用の燃料については、燃料ペレットの最高濃縮度に制限があり、高燃焼度化及び長期運転を達成するために十分な濃縮度分布を設けることが困難であった。
【0003】
そこで、原子炉の炉出力の軸方向分布を平坦化するために、炉心下部において、軸方向の濃縮度分布を低くするとともに可燃性毒物の濃度を高くする方法が提案されてきた(例えば特許文献1)。
【特許文献1】特開平8−285976号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
炉出力の軸方向分布を平坦化する方法では初期の燃料サイクルにおいて可燃性毒物の燃焼により新燃料下部の燃焼が遅れるため、次の燃料サイクルでの燃料下部の炉出力を増大させてしまうという課題があった。
【0005】
また、燃料集合体内に可燃性毒物を含有させることにより、燃料集合体内のウラン量が減少し燃料経済性が悪化してしまうという課題もあった。
【0006】
本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、燃料経済性を確保しつつ一連の燃料サイクルにおいて炉心の軸方向炉出力分布が平坦化された高燃焼度化燃料集合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料集合体では、請求項1に記載したように、チャンネルボックス内に多数の燃料棒を正方格子状に束ねて収納する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記燃料棒は、炉心軸の高さ方向における下部2/3内の領域にのみ可燃性毒物を有する部分領域可燃性毒物燃料棒を含むとともに、前記部分領域可燃性毒物燃料棒の可燃性毒物濃度を2wt%以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明の燃料集合体においては、下端部のみにガドリニアを含有させた長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒を使用し、かつ、そのガドリニアの濃度を薄く、例えば1wt%以下にすることにより、ガドリニア含有によるウラン量の減少を少量に抑えて燃料経済性の悪化を防止することが可能となった。
【0009】
また、初期の燃料サイクルにおいて新燃料下部の燃焼が遅れることにより次の燃料サイクルでの新燃料下部の炉出力が増大してしまうことを防止して、一連の燃料サイクルにおいて炉出力の軸方向分布を平坦化することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
本発明に係る燃料集合体の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【0011】
〔第1実施形態〕
図1〜図3は、本発明に係る燃料集合体の第1実施形態を示すものである。燃料集合体1は高燃焼度燃料集合体であり、図1にその燃料棒配置を表す横断面構成図を示す。また図2に、燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図を示す。
【0012】
なお、燃料集合体1内では、径方向に燃料である核分裂性物質の濃縮度について分布がつけられており、また、軸方向に可燃性毒物の濃度について分布がつけられているが、ここではそれらの詳細な分布については省略して説明する。
【0013】
燃料集合体1は、角筒状のチャンネルボックス9内に、ウラン等を含有する燃料棒10が各々の間隔を保持するスペーサ(図示せず)により例えば10行10列の正方格子状に配置された構造を有する。また、4体1組の燃料集合体1間には、横断面が十字状の制御棒2が炉心内に挿抜自在に設けられる。
【0014】
例えば10行10列の燃料棒10を備えた燃料集合体1の中央部には、燃料棒10の約2倍の径(燃料棒4本分)を有する太径ウォータロッド3(W)が2本配置されている。
【0015】
また、残りの92本の燃料棒10は、長尺燃料棒U1を67本、可燃性毒物であるガドリニア(以下、Gdと略称する)を全体に含有した長尺全領域可燃性毒物入り燃料棒G1を12本、燃料棒の下端部(下部天然ウランブランケット部4aの部分)を除く炉心軸の高さ方向の下部2/3内の軸方向領域(図2の2/24〜15/24の領域)にのみ可燃性毒物Gdを含有した長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2を1本、長尺燃料棒の約2/3倍の軸方向長さを有する短尺燃料棒U2を12本備えて、燃料集合体1が構成される。
【0016】
長尺全領域可燃性毒物入り燃料棒G1の可燃性毒物Gdの濃度は、適宜設定することができる。
【0017】
長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2に含まれる可燃性毒物Gdの濃度は例えば1wt%とする。また、長軸部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2のGdを含有する領域の軸方向長さは、短尺燃料棒U2の軸方向長さと等しい。
【0018】
長尺燃料棒U1と短尺燃料棒U2とを組み合わせることにより沸騰(ボイド)領域のスペースを増大させ、ボイド領域での圧力損失を下げるとともに、停止時の制御棒の効果を高めている。
【0019】
燃料集合体1の長尺燃料棒U1、長尺全領域可燃性毒物入り燃料棒G1、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2には、炉心軸方向の中性子の漏れを少なくして経済性を上げるための下部天然ウランブランケット部4a及び上部天然ウランブランケット部4bが設けられている。下部天然ウランブランケット部4a及び上部天然ウランブランケット4bは、それぞれ炉心軸の高さ方向の下端部及び上端部において、燃料有効長の1/24の長さの領域に形成されている。
【0020】
また、チャネルボックス9の外周側が冷却水によって炉出力が抑えられる一方で、中央側の炉出力が高くなってしまうことを回避するため、炉出力を抑えるウォータロッド3、長尺全領域可燃性毒物入り燃料棒G1、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2が炉出力が平均化される位置に配置される。
【0021】
一般に新燃料では、原子炉容器内においてボイドが燃料棒軸方向の上部、すなわち炉心上部に多く分布することにより、燃料下部の炉出力が大きくなって燃料下部の燃焼の方が燃料上部の燃焼よりも早く進んでしまう。そこで、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の下部領域のみにGdを含有して炉心下部の炉出力ピークを小さくする。
【0022】
そして、原子炉燃料の燃料サイクルが進み可燃性毒物であるGdが燃焼していくにつれて炉心上部の燃料の炉出力が高くなっていく傾向があるため、燃料サイクルが進むにつれて炉心下部の炉出力ピークが緩和されていく。しかしながら、燃料サイクル初期においては、炉心下部の炉出力ピークが大きくなり過ぎてしまうという問題がある。
【0023】
このとき、燃料集合体1において、Gd濃度を濃くすることにより燃料サイクル初期の炉心下部の炉出力ピークを抑えることは可能であるが、Gd濃度を濃くしたことにより燃料集合体1内のウラン量が減少し燃料経済性が悪化するとともに、新燃料集合体の下部の燃焼が遅れるため、次の燃料サイクルで下部の炉出力を増大させる恐れがある。したがって、Gd濃度は必要最小限の濃度とすることが望ましい。具体的には2wt%以下とすることが望ましい。
【0024】
第1実施形態では、例えば、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2に含まれる可燃性毒物Gdの濃度を1wt%とし、燃料サイクル初期における炉心下部の炉出力を抑えている。
【0025】
ここで、燃料集合体1を炉心に装荷した場合の、平衡炉心の燃料サイクル初期における軸方向炉出力分布を図3の実線5に示す。ここで、炉心の全燃料集合体数Nは例えば872体であり、新燃料の燃料集合体数N1は例えば200体である。なお、新燃料の燃料集合体数を200体装荷することにより、約15ヶ月の連続運転が可能である。
【0026】
一方、図3の点線6は、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2を1本としたままで、新燃料の燃料集合体数N1を例えば292体とした平衡炉心の、燃料サイクル初期における軸方向炉出力分布を表している。新燃料の燃料集合体数を292体装荷することにより、約21ヶ月の連続運転が可能である。新燃料の燃料集合体数を多くしたため、新燃料の燃料集合体数を200体装荷した実線5に比べると炉心下部の炉出力ピークが高くなっている。炉出力ピークが高くなると、熱的制限値のひとつである最大線炉出力密度が増加し、好ましくない。
【0027】
燃料集合体の燃料棒本数B、炉心の全燃料集合体数をN、新燃料の燃料集合体数をN1とすれば、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数は、B及びN1/N(新燃料の体数割合)に比例することとなる。これを式で表せば、
[数1]
(長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数)=B・(N1/N)・(1/F)
Fは比例定数
となる。
【0028】
数式1に上記数値をあてはめると、B=92、N=872であり、図1の例ではN1=200で長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数は1であり、図2の例ではN1=292で長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数であるので、F=15とすれば、数式1で求まる値を四捨五入することにより、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数が求まる。
【0029】
また、図4及び図5に、67本の長尺燃料棒U1のうちの1本を長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2に置き換え、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2を2本とした燃料集合体1Aを示す。また、この燃料集合体1Aを新燃料292体の燃料集合体を炉心に装荷した場合の、燃料サイクル初期における軸方向炉出力分布を図3の破線7に示す。なお、新燃料を292体装荷することにより、約21ヶ月の運転が可能である。
【0030】
一方、図3の点線6は、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2を、図1に示すように1本としたままで、新燃料体数N1を292体とした平衡炉心の、燃料サイクル初期における軸方向炉出力分布である。新燃料の体数を多くしたため、実線5及び破線7に比べると炉心下部の炉出力ピークが高くなっている。炉心下部の炉出力ピークが高くなると、熱的制限値のひとつである最大線炉出力密度が増加するため好ましくない。
【0031】
しかし、図4及び図5に示すように、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2を2本とすることにより、炉心下部の炉出力ピークが適切に抑えられることがわかる。
【0032】
以上のように、第1実施形態によると、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数を、燃料集合体の燃料棒本数、炉心の全燃料集合体数、新燃料の体数を用いて算出することにより、炉心下部の炉出力ピークが適切に抑えることが可能となる。
【0033】
〔第2実施形態〕
次に、本発明に係る燃料集合体の第2実施形態を図6及び図7に基づいて説明する。
【0034】
沸騰水型原子炉(BWR)の炉心には、全燃料集合体数Nが例えば660体、新燃料の燃料集合体数N1が例えば176体、装荷させるように設計されたものである。この原子炉炉心に装荷される少なくとも1体の燃料集合体1Bは、図6及び図7に示すように構成される。
【0035】
燃料集合体1Bの中央部には、燃料棒の約4倍の径(燃料棒16本分)を有する角筒状のウォータボックス8(W)が配置されている。
【0036】
燃料集合体1Bには、角筒状のチャネルボックス9内に多数の燃料棒が12行12列の正方格子状に配置されており、1つの燃料集合体1Bは、長尺燃料棒U1を例えば90本、短尺燃料棒U2を例えば四隅部及び最外周中央部に12本、長尺Gd燃料棒G1を例えば24本、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2をウォータボックス8の角部に隣接するように2本備えて、構成されている。一つの燃料集合体1Bに装荷される燃料棒総数Bは例えば128本である。
【0037】
ここで、長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数は、数式1より求まる値、すなわち、
[数2]
B・(N1/N)・(1/F)
=128×(176/660)×(1/15)
=2.3
を四捨五入した2本としているため、第1実施形態と同様に、軸方向炉出力ピークが適切に抑えられる。
【0038】
第2実施形態によると、燃料集合体1Bの燃料棒本数B、全燃料集合体数N、新燃料の燃料集合体数N1を用いて適切な長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数を算出することにより、燃料集合体1Bが大容量である場合においても炉心下部の炉出力ピークが適切に抑えることが可能となる。
【0039】
〔第3実施形態〕
次に、本発明に係る燃料集合体の第3実施形態を図8及び図9に基づいて説明する。
【0040】
図8及び図9に示すように、燃料集合体1Cは、炉心の全燃料集合体数Nは第2実施形態と同じく例えば660体であるが、新燃料集合体の数が例えば212体、炉心に装荷されるように設計されたものである。第2実施形態で示した燃料集合体1Bより長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒G2の本数を1本増やし、3本としているが、これは、(1)式より求まる値、すなわち、
[数3]
B・(N1/N)・(1/F)
=128×(212/660)×(1/15)
=2.7
を四捨五入して得られたものであり、第1実施形態及び第2実施形態に示された燃料集合体1、1A、1Bと同様に、軸方向炉出力ピークが適切に抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明の第1実施形態に係る燃料集合体の横断面構成図。
【図2】本発明の第1実施形態に係る燃料集合体において、燃料集合体を構成する燃料棒の種類毎の炉心軸方向の核分裂性物質の濃縮度及び可燃性毒物の濃度を示す模式図。
【図3】本発明の第1実施形態に係る燃料集合体の軸方向炉出力分布を示す図。
【図4】本発明の第1実施形態に係る燃料集合体の横断面構成図。
【図5】本発明の第1実施形態に係る燃料集合体において、燃料集合体を構成する燃料棒の種類毎の炉心軸方向の核分裂性物質の濃縮度及び可燃性毒物の濃度を示す模式図。
【図6】本発明の第2実施形態に係る燃料集合体の横断面構成図。
【図7】本発明の第2実施形態に係る燃料集合体において、燃料集合体を構成する燃料棒の種類毎の炉心軸方向の核分裂性物質の濃縮度及び可燃性毒物の濃度を示す模式図。
【図8】本発明の第3実施形態に係る燃料集合体の横断面構成図。
【図9】本発明の第3実施形態に係る燃料集合体において、燃料集合体を構成する燃料棒の種類毎の炉心軸方向の核分裂性物質の濃縮度及び可燃性毒物の濃度を示す模式図。
【符号の説明】
【0042】
1、1A、1B、1C 燃料集合体
2 制御棒
3 ウォータロッド
4a 下部天然ウランブランケット部
4b 上部天然ウランブランケット部
5、6、7 炉心軸方向炉出力分布を表す線
8 ウォータボックス
U1 長尺燃料棒
U2 短尺燃料棒
G1 長尺全領域可燃性毒物入り燃料棒
G2 長尺部分領域可燃性毒物入り燃料棒
9 チャンネルボックス
10 燃料棒




 

 


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