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発明の名称 燃料集合体及び炉心にこの燃料集合体が装荷された原子炉
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2007−139615(P2007−139615A)
公開日 平成19年6月7日(2007.6.7)
出願番号 特願2005−334851(P2005−334851)
出願日 平成17年11月18日(2005.11.18)
代理人 【識別番号】100078765
【弁理士】
【氏名又は名称】波多野 久
発明者 桜井 俊吾 / 大川 雅弘 / 樋口 真一
要約 課題
超臨界圧軽水炉において、燃料集合体の所要濃縮度を低減すること、被覆管温度を低減すること、及び、燃料集合体の冷却材出口付近の冷却材温度を均一化することを目的とする。

解決手段
チャンネルボックス2内に燃料棒3が正方格子状に配列され炉心に充填される軽水炉用または超臨界圧軽水炉用の燃料集合体1において、燃料棒3をN×N(Nは12以上の整数)本の正方格子状に配列し、燃料棒3のチャネルボックス2内中央部の[(N+1)/2]×[(N+1)/2]本分([X]は実数Xを超えない最大の整数)の領域には角筒状の水ロッド4を配置した。
特許請求の範囲
【請求項1】
チャンネルボックス内に燃料棒が正方格子状に配列されて炉心に充填される軽水炉用の燃料集合体において、
燃料棒はN×N(Nは12以上の整数)本の正方格子状に配列され、
前記燃料棒のチャンネルボックス内中央部の[(N+1)/2]×[(N+1)/2]本分([X]は実数Xを超えない最大の整数)の領域には角筒状の水ロッドが配置されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項2】
チャンネルボックス内に燃料棒が正方格子状に配列されて炉心に充填される超臨界圧軽水炉用の燃料集合体において、
燃料棒はN×N(Nは12以上の整数)の正方格子状に配列され、
前記燃料棒のチャンネルボックス内中央部の[(N+1)/2]×[(N+1)/2]本分([X]は実数Xを超えない最大の整数)の領域には角筒状の水ロッドが配置されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項3】
隣り合う前記各々の燃料棒間の間隙が1.5mm以下である請求項1または2記載の燃料集合体。
【請求項4】
前記燃料棒が16×16本の正方格子状に配列された際に、隣り合う各々の燃料棒間の間隙が1.3mmである請求項3記載の燃料集合体。
【請求項5】
チャンネルボックスの外周側の角部付近に配置される前記燃料棒のうちの少なくとも3本の燃料棒が可燃性毒物入り燃料棒である請求項1または2記載の燃料集合体。
【請求項6】
前記各々の燃料棒において、炉心軸方向上端から燃料有効長の1/6の長さの部分の核分裂性物質濃度が0.2〜0.71wt%である請求項1または2記載の燃料集合体。
【請求項7】
燃料有効長の炉心軸方向上端から燃料有効長の1/4の長さの部分の核分裂性物質濃度がそれ以外の部分の核分裂性濃度より1wt%以上低い請求項1または2記載の燃料集合体。
【請求項8】
燃料棒の濃縮度分布と可燃性毒物入り燃料棒の配置とが、1/4対角対称性をもつ請求項5記載の燃料集合体。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれか記載の燃料集合体を炉心に装荷した原子炉において、正方格子状に配置された4体1組の燃料集合体の中心に制御棒が1体各組毎に配置され、前記4体1組の燃料集合体の各燃料棒のサイクル数がほぼ等しいことを特徴とする原子炉。
【請求項10】
前記炉心の外周側に反応度の高い初期の燃料サイクルの燃料で構成された燃料集合体が2列配置されるとともに、炉心の中央部に反応度の低い燃焼の進んだ燃料サイクルの燃料集合体が配置され、炉心の外周側から中央部に至る領域に燃料集合体が、燃料サイクルが炉心周方向に2列ずつ層状になるように配置された請求項9記載の原子炉。
【請求項11】
前記炉心を流れる冷却水の流量区分が炉心径方向に少なくとも高中低3区分に区別されるとともに、外周側に装荷される前記燃料集合体の周囲の流量区分が少なくとも2区分からなる請求項9記載の原子炉。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、軽水炉用の燃料集合体に関し、特に、冷却材として超臨界圧水が用いられる超臨界圧軽水炉用の燃料集合体に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、冷却材として超臨界圧水を用いた超臨界圧軽水炉の開発が行われている。超臨界圧軽水炉は、冷却水として、高温高圧の超臨界圧水(500℃、25MPa)を冷却材として使用した原子炉である。超臨界圧軽水炉では、燃料集合体は、従来の軽水炉よりも200度以上高い温度領域で使用されるため、燃料集合体の健全性を保つために局所での温度上昇量の低減が要求されていた。
【0003】
そこで、超臨界圧軽水炉において燃料集合体の出力分布を平坦化するために、燃料集合体の内部や外周部に水ロッドを配置する方法が提案されてきた(例えば特許文献1参照)。
【特許文献1】特開2003−294878号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
軽水炉(特に超臨界圧軽水炉)における燃料集合体の出力分布を平均化するためには、燃料集合体の形状の最適化、集合体形状にあわせた濃縮度分布の設定及び原子炉における燃料集合体配置が重要であるが、これらを合わせた包括的な検討はなされていないのが現状である。
【0005】
本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、軽水炉(特に超臨界圧軽水炉)において、燃料集合体の所要濃縮度を低減させること、被覆管温度を低減させること、及び、燃料集合体の冷却材出口付近の冷却材温度を均一化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料集合体は、請求項1及び2に記載したように、チャンネルボックス内に燃料棒が正方格子状に配列されて炉心に充填される軽水炉用または超臨界圧軽水炉用の燃料集合体において、燃料棒はN×N(Nは12以上の整数)の正方格子状に配列され、前記燃料棒のチャンネルボックス内中央部の[(N+1)/2]×[(N+1)/2]本分([X]は実数Xを超えない最大の整数)の領域には角筒状の水ロッドが配置されることを特徴とする。
【0007】
また、本発明に係る原子炉は、請求項9に記載したように、請求項1または2記載の燃料集合体を炉心に装荷した原子炉において、正方格子状に配置された4体1組の燃料集合体の中心に制御棒が1体各組毎に配置され、前記4体1組の燃料集合体の各燃料棒のサイクル数がほぼ等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明に係る燃料集合体によると、軽水炉または超臨界圧軽水炉において、燃料集合体の所要濃縮度を低減すること、被覆管温度を低減すること、及び、燃料集合体の冷却材出口付近の冷却材温度を均一化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
本発明に係る燃料集合体の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【0010】
〔第1実施形態〕
図1〜図5は、本発明に係る燃料集合体の第1実施形態を示す図である。
【0011】
第1実施形態の燃料集合体1は、図1に示すように、角筒状のチャンネルボックス2を備える。チャンネルボックス2の内部には、多数の燃料棒3が炉心軸方向に延設されて正方格子状に配置され、チャネルボックス2内の炉心径方向中央部に炉心軸方向に延びる角筒状の水ロッド4が配置される。
【0012】
第1実施形態では、例えば、燃料棒3が16×16本の正方格子状に配置されるとともに水ロッド4が燃料棒3の8×8本分の大きさのスペースを占めるように配置される。すなわち、燃料集合体1には、例えば192本の燃料棒23が配置される。192本とは、16×16本から水ロッド4が配置されるスペースである8×8本を除いた数である。
【0013】
ここで、燃料集合体1の1辺当りの燃料棒3の本数(以下、燃料棒本数と言う)をNとし、水ロッド4の1辺の長さに相当する炉心設置状態での燃料棒3の相当本数(以下、水ロッド対応本数と言う)をMとする。
【0014】
図2に、燃料棒本数N毎の、水ロッド対応本数Mと、一定期間の燃焼(例えば取出平均燃焼度45GWd/t)を行うために必要な初期濃縮度(以下、所要濃縮度と言う)との関係を示す。
【0015】
図2から、所要濃縮度を最小にする燃料棒本数Nと水ロッド対応本数Mとの関係が、
[数1]
M=[(N+1)/2] ……(1)
(ここで、[X]は実数Xを超えない最大の整数を表す。)
であることがわかる。
【0016】
ここで、水ロッド4内の冷却水は相反する二つの効果を有している。一つは、高速中性子を熱中性子にまで減速する減速材としての働きにより生じる所要濃縮度を下げる効果である。もう一つは、中性子から熱エネルギーを吸収する吸収材としての働きにより生じる所要濃縮度を上げる効果である。
【0017】
中性子の減速材としての効果が水ロッド4の大きさが大きくなると飽和するのに対し、中性子の吸収材としての効果は水ロッド4の大きさが大きくなるのに比例して大きくなる。すなわち、水ロッド4は、水の量が少なくなると減速材としての働きによる効果が大きくなり、水の量が大きくなると吸収剤としての働きによる効果が大きくなる。
【0018】
したがって、所要濃縮度を最小にする観点から、燃料棒本数Nと水ロッド対応本数Mとは最適な関係が存在し、その関係が式(1)に示すような関係であることがわかる。
【0019】
また、図3は、所要濃縮度(7.4、7.6、7.8、8.0、8.2、8.4wt%)毎の、隣り合う燃料棒3間の間隙と燃料棒本数Nとの関係を示したものである。図3によると、隣り合う燃料棒3間の間隙が広くなるにつれて、所要濃縮度が小さくなっているとともに、所要濃縮度の、隣り合う燃料棒3間の間隙に対する依存性が小さくなることがわかる。なお、隣り合う燃料棒3間の間隙は、間隙保持スペーサによって保持される。
【0020】
隣り合う燃料棒3間の間隙と所要濃縮度とを小さくするとともに燃料棒本数Nを大きくすることが望まれていることを考慮すると、図3より、燃料棒3間の間隙を1.3mm、燃料棒本数Nを16本とすることが最も好ましいことがわかる。
【0021】
図4は、被覆管表面温度の、指標となる被覆管表面における温度上昇量の基準値との比(0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3)毎に、隣り合う燃料棒3間の間隙と燃料棒本数Nとの関係を示したものである。この温度上昇量の基準値との比が1以下となる範囲F(図4において斜線で塗りつぶした範囲)が、被覆管表面温度を低減できる範囲である。
【0022】
図4によると、燃料棒間隙を1.5mm以下とすることにより、被覆管表面温度を低減できることがわかる。
【0023】
図5に、第1実施形態の燃料集合体1の他の例として燃料集合体1Aを示す。燃料集合体1Aのチャンネルボックス2Aを成形する際に必要な強度を維持しつつ角部Aを角ばらせることが困難であるため、実際には、図5に示すように、チャンネルボックス2Aの角部Aを緩やかに湾曲させることが多い。そのように角部Aが湾曲している場合であっても、上記の燃料棒3の一辺の本数Nと水ロッド4の一辺の長さMとの関係を当てはめることができる。
【0024】
第1実施形態に係る燃料集合体1、1Aによると、水ロッド4の大きさを燃料棒3の本数から決定することにより、被覆管温度を低減させ、燃料集合体1、1Aの冷却水出口付近での冷却材温度を均一化させることが可能となる。
【0025】
〔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〜図9に基づいて説明する。なお、第1実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0026】
第2実施形態の燃料集合体1Bは、図6に示すように、角筒状のチャンネルボックス2の内部に、燃料棒3が炉心径方向に正方格子状に配置され、角筒状の水ロッド4が炉心径方向中央部に配置される。
【0027】
第2実施形態では、第1実施形態と同様に、例えば燃料棒3が16×16の正方格子状に配置され、水ロッド4が燃料棒3の8×8本分の大きさで形成される。
【0028】
図7は、燃料集合体1Bで使用される燃料棒3の燃料棒タイプU1、G1、G2の、燃料棒3の炉心軸方向の濃縮度分布を示したものである。図6に示した燃料棒タイプU1、G1、G2は、図7に示した燃料棒タイプU1、G1、G2にそれぞれ対応している。
【0029】
燃料タイプU1は、炉心軸方向の下部から、C領域(図7の燃料棒有効長を24区分した場合の1〜18内の領域)がウラン濃縮度8.5wt%の濃縮ウラン、D領域(図7の燃料棒有効長を24区分した場合の19〜22内の領域)がウラン濃縮度9.5wt%の濃縮ウラン、E領域(図7の燃料棒有効長を24区分した場合の23〜24内の領域)がウラン235を0.71wt%含んだ天然ウラン(または劣化ウラン)で満たされる。
【0030】
また、燃料タイプG1は、C領域が濃度3.0wt%のガドリニアを含んだウラン濃縮度9.5wt%の濃縮ウラン、D領域が濃度3.0wt%のガドリニアを含んだのウラン濃縮度8.5wt%の濃縮ウラン、E領域がウラン235を0.71wt%含んだ天然ウラン(または劣化ウラン)で満たされる。
【0031】
また、燃料タイプG2は、C領域が濃度15.0wt%のガドリニアを含んだウラン濃縮度9.5wt%の濃縮ウラン、D領域が濃度15.0wt%のガドリニアを含んだのウラン濃縮度8.5wt%の濃縮ウラン、E領域がウラン235を0.71wt%含んだ天然ウラン(または劣化ウラン)で満たされる。
【0032】
なお、図7の右端に、各ノードのウラン235の濃度(ウラン濃縮度)の平均値を示している。
【0033】
また、第2実施形態では可燃性毒物としてガドリニウム(Gd)を用いているが、ヨーロピウム(Eu)、アメリシウム(Am)等の他の可燃性毒物を用いてもよい。
【0034】
燃料集合体1Bの炉心径方向の核分裂性物質濃度分布及び可燃性毒物の濃度分布は、1/4対角対称性を備えている。この様に燃料棒3を対角対称性をもたせて配置すると燃料集合体1B内の出力分布を平坦化することが可能となり、局所的な被覆管表面温度の上昇を抑えることができる。
【0035】
燃料集合体1Bの炉心径方向の角部(コーナー部)Aにおいて、少なくとも3本の可燃性毒物入り燃料棒G2が角部A外周を囲うようにL字状に配置される。可燃性毒物入り燃料棒G2を隣り合わせて配置すると、お互いの遮蔽効果により可燃性毒物による反応度抑制効果を保持できる期間を延長することができ、炉停止余裕の改善及び出力分布の改善の効果が得られる。
【0036】
可燃性毒物入り燃料棒G2において可燃性毒物の濃度を高めることにより可燃性毒物による反応度抑制効果を得ることができる。しかしながら、可燃性毒物の濃度を上げることにより、熱伝達特性が劣化したり、核分裂性物質の減少分を補償するために所要濃縮度を高める必要が生じたりする等のデメリットがあるため、可燃性毒物の濃度を上げることは好ましくない。
【0037】
また、特に超臨界圧軽水炉では、図8に示すように、炉心軸方向における冷却材温度が大きく変化する。冷却材温度が低い炉心下部の出力割合を高め、冷却材温度が超臨界温度(約400℃、圧力25MPaの場合)を超えた領域(図8の、炉心軸方向ノード位置16〜24付近)での出力を下げることにより、被覆管表面最高温度を低下させ得ることがわかった。
【0038】
このため、燃料棒3の炉心軸方向上端から燃料有効長の1/4下がった範囲(炉心軸方向ノード位置18〜24)のウラン濃縮度を下げている。
【0039】
なお、燃料棒3の炉心軸方向上部に天然ウラン(または劣化ウラン)の上部ブランケット(図7の領域E)を設けて、核分裂性物質濃度を0.2〜0.71wt%にすることにより、被覆管表面温度の高くなりやすい上部の被覆管表面温度を下げることが可能である。
【0040】
図8において示していないが、上部ブランケットの長さを燃料有効長の1/24とした場合には、燃料棒3の炉心軸方向中央部において被覆管表面温度が高くなってしまうため、上部ブランケットの長さは、燃料有効長の2/24以上とすることが望ましい。
【0041】
しかし一方で、炉心軸方向上部の出力が下がると他の部分の出力があがり、他の部分の被覆管表面温度が上がってしまうことも考慮する必要がある。
【0042】
図9に、上部ブランケット長さと被覆管表面最高温度との関係を示す。
【0043】
図9によると、上部ブランケットの長さを燃料有効長の1/6(図9のブランケット長さが燃料有効長の約0.16倍)とすると被覆管表面最高温度の低下が飽和してしまった。よって、上部ブランケットの長さを燃料有効長の1/6以下とすることが望ましい。
【0044】
第2実施形態では、上部ブランケットの長さを、被覆管表面最高温度の低下が飽和し始める長さである燃料有効長の2/24、すなわち1/12とした。
【0045】
また、上部ブランケットの長さを燃料有効長の1/6以下とした。
【0046】
第2実施形態に係る燃料集合体1Bによると、チャンネルボックス2の炉心径方向の角部Aに可燃性毒物入り燃料棒G2を配置することにより、被覆管温度を低減させ、燃料集合体1出口での冷却材温度を均一化させることが可能となる。
【0047】
また、燃料集合体1Bによると、上部ブランケットの長さを燃料有効長の1/6以下とすることにより、被覆冠表面最高温度を下げることができる。
【0048】
〔第3実施形態〕
本発明に係る第1実施形態の燃料集合体1を装荷した原子炉を、第3実施形態として、図10〜図12を用いて説明する。
【0049】
図10に、第3実施形態の原子炉の炉心の燃料装荷の1/4炉心を示す。図10において、制御棒位置を○で示すとともに、燃料サイクル数を1〜4に記号化して示している。
【0050】
このとき、炉心の外周側に反応度の大きい初期の燃料サイクルの燃料集合体1を配置し、炉心の中央側に、反応度の小さい燃焼の進んだ燃料サイクルの燃料集合体1を配置するとよい。
【0051】
図10に示すように、制御棒の周りの4体1組の燃料集合体1の燃料サイクル数が等しくなるように装荷すると、横断面十字型の制御棒の操作により制御棒周りの4体1組の燃料集合体1の出力を調整し、炉心全体の出力分布を運転期間中、一定の形状に保つことが可能となる。
【0052】
また、この出力分布形状に合わせて流量区分を変更することにより、冷却材の出口付近の温度分布を平坦化し、且つ被覆管表面温度を下げることができる。図11に、原子炉の炉心の燃料装荷の1/4炉心の流量区分の例を示す。図11は流量区分を3区分としたもので、高流量の区分を区分1、中流量の区分を区分2、低流量の区分を区分3として図に示している。
【0053】
このとき、炉心の外周側において流量を低流量とし、炉心の中央側において流量を高流量とするとよい。また、外周側(例えば最外周の2列)において、中性子の漏れの量が少ない位置では炉の出力が高くなることを考慮しつつ、低流量の区分3と中流量の区分2との2区分からなるように設定するとよい。
【0054】
図12に、第1実施形態の燃料集合体1を炉心に装荷した原子炉における、3区分の流量区分をつけた場合(実線)と流量区分をつけない場合(破線)の冷却材出口温度の最高温度の推移を示す。3区分の流量区分をつけることにより冷却材出口温度の最高温度が約75℃下がっていることがわかる。
【0055】
第3実施形態の原子炉によると、制御棒の周りの4対の燃料棒3を集荷サイクル数が同じものに揃えることにより、または、冷却水に流量区分を設けることにより、冷却水出口付近の温度分布を平坦化しかつ被覆管表面温度を下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明に係る燃料集合体の第1実施形態を示す水平断面図。
【図2】第1実施形態の水ロッドの大きさと所要濃縮度との関係を示した図。
【図3】第1実施形態の燃料棒の本数と燃料棒の間隙と所要濃縮度との関係を示した図。
【図4】第1実施形態の燃料棒の本数と燃料棒の間隙と被覆管表面温度上昇量との関係を示した図。
【図5】第1実施形態の好適な燃料集合体の他の例を示す水平断面図。
【図6】本発明に係る燃料集合体の第2実施形態を示す水平断面図(濃縮度分布)。
【図7】第2実施形態の燃料棒の炉心軸方向濃縮度分布を示した図。
【図8】冷却材温度及び被覆管表面温度の燃料棒の炉心軸方向分布を示した図。
【図9】被覆管表面最高温度と上部ブランケット長さとの関係を示した図。
【図10】本発明に係る燃料集合体を炉心に装荷した原子炉の1/4炉心の燃料装荷パターンの例を示した図。
【図11】本発明に係る燃料集合体を炉心に装荷した原子炉の1/4炉心の流量区分の例を示した図。
【図12】本発明に係る燃料集合体を炉心に装荷した原子炉に流量区分を設けた場合及び設けない場合における冷却水出口付近の温度を示した図。
【符号の説明】
【0057】
1 燃料集合体
2 チャンネルボックス
3 燃料棒
4 水ロッド




 

 


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