(57)【要約】【課題】  余剰反応度を抑制するための特別な設備や、用いる制御棒の本数を増加させる必要もなく、低コストでかつ運転方法を複雑にすることもなく余剰反応度を抑制すること。【解決手段】  本発明は、核燃料物質が装填されてなる複数の燃料棒２と制御棒案内シンブル５とを正方格子状に束ねてなり、一部の燃料棒２が、可燃性毒物が添加された可燃性毒物入り燃料棒３と、原子炉装荷時に可燃性毒物が添加された可燃性毒物棒の挿入を案内する可燃性毒物棒案内シンブル６とに置き換えられてなる原子炉用燃料集合体１の余剰反応度を制御する余剰反応度制御方法であって、第２回目以降の運転サイクルとなる原子炉用燃料集合体１に可燃性毒物が所定量以上添加された可燃性毒物棒を可燃性毒物棒案内シンブル６に挿入した状態で原子炉の運転サイクルを開始することによって、運転サイクルに亘って余剰反応度を抑制する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料物質が装填されてなる複数の燃料棒と制御棒案内シンブルとを正方格子状に束ねてなり、一部の前記燃料棒が、可燃性毒物が添加された可燃性毒物入り燃料棒と、原子炉装荷時に可燃性毒物が添加された可燃性毒物棒の挿入を案内する可燃性毒物棒案内シンブルとに置き換えられてなる原子炉用燃料集合体の余剰反応度を制御する余剰反応度制御方法であって、第２回目以降の運転サイクルとなる原子炉用燃料集合体に可燃性毒物が所定量以上添加された前記可燃性毒物棒を前記可燃性毒物棒案内シンブルに挿入した状態で原子炉の運転サイクルを開始することによって、前記運転サイクルに亘って余剰反応度を抑制するようにした原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法において、前記運転サイクルの終了後には、前記可燃性毒物棒案内シンブルに挿入され、前記運転サイクル中に可燃性毒物が燃焼した可燃性毒物棒を前記可燃性毒物棒案内シンブルから抜き取り、可燃性毒物が前記所定量以上添加された可燃性毒物棒を前記可燃性毒物棒案内シンブルに挿入して次の運転サイクルを開始するようにした原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉に装荷される燃料集合体の余剰反応度を制御する方法の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の炉心に装荷される原子炉用燃料集合体（以下、単に「燃料集合体」と称する）には、ウランやプルトニウム等の核分裂性物質の酸化物が燃料として装填されている。
【０００３】
このような燃料集合体に装填された核分裂性物質は、核分裂の発生とともに消費され、図５に示すように、その炉心体系における無限増倍率は、燃焼度とともに減少してゆく。
【０００４】
このため、原子力発電所では、約１年間の運転サイクルの後に、約２ヶ月間の定期点検期間を設け、この定期点検期間の間に、炉心に装荷された燃料集合体のうち無限増倍率の低い燃料集合体が炉心から取り出され、代わりに無限増倍率の高い新しい燃料集合体が炉心へ装荷されている。このような燃料交換では、通常は、炉心に装荷された全燃料集合体のうちの約１／４から１／３が、新しい燃料集合体へ交換される。
【０００５】
近年、現状約１年間の運転サイクル長さを、例えば１.５年、２年と長期化することによって、原子力発電所の稼働率を向上させることが検討されている。このためには、燃料集合体に含まれる核分裂性物質の量を増加させ、その無限増倍率を高めることが不可欠である。
【０００６】
このように、ウランの濃縮度を高めるなどして燃料集合体に含まれる核分裂性物質の量を増加させると、図６に示すように、燃焼を通じて無限増倍率の値が高くなるために、より高い燃焼度であっても炉心の臨界を保つことができるようになる。すなわち、運転サイクルの長期化が可能となる。しかしながら一方で、炉心の反応度も全体的に高くなってしまう。このため、図７に示すように、炉心の運転サイクル初期の実効増倍率が１.１程度になってしまう場合もある。一定の熱出力を炉心から取り出すためには、単位時間に発生する核分裂数を一定に制御しなくてはならない。このような臨界状態における炉心の実効増倍率は１.０であることから、実効増倍率が１.１程度ということは、１０％Δｋ程度の極めて高い余剰反応度に相当する。
【０００７】
すなわち、炉心から一定の熱出力を取り出すためには、このような余剰反応度を抑制することによって、実効増倍率を１.０に制御する必要がある。このため、加圧水型原子力発電所（以下、「ＰＷＲ」と称する）においては、中性子を吸収する物質であるホウ酸を炉水に混合することによって余剰反応度が抑制されている。一方、沸騰水型原子力発電所（以下、「ＢＷＲ」と称する）においては、中性子を吸収するホウ素（Ｂ）が添加された制御棒あるいはハフニウム（Ｈｆ）の制御棒を炉心に深く挿入することによって余剰反応度が抑制されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような従来の原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法では、以下のような問題がある。
【０００９】
すなわち、上述したようにＰＷＲでは、ホウ酸を炉水に混合して余剰反応度を抑制することから、炉水に含まれるホウ酸の濃度を制御するホウ酸濃度制御装置を備える必要がある。このため、原子力発電所設備の複雑化をもたらすのみならず、コスト高を招くという問題がある。
【００１０】
また、ＢＷＲでは、もともと通常の運転サイクル中おいて出力制御に用いられている制御棒を、余剰反応度の制御にも用いているので、ＰＷＲのように設備の複雑化をもたらすことはない。しかしながら、通常の運転サイクル中において出力制御に用いられる制御棒に加えて、余剰反応度を抑制するために更に別の制御棒をも使用しなくてはならない。このため、使用する制御棒の本数の増加をもたらし、運転方法の複雑化をもたらすという問題がある。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、余剰反応度を抑制するための特別な設備や、用いる制御棒の本数を増加させることもなく、低コストでかつ運転方法を複雑にすることもなく余剰反応度を抑制することが可能な原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法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】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
【００１３】
すなわち、請求項１の発明は、核燃料物質が装填されてなる複数の燃料棒と制御棒案内シンブルとを正方格子状に束ねてなり、一部の燃料棒が、可燃性毒物が添加された可燃性毒物入り燃料棒と、原子炉装荷時に可燃性毒物が添加された可燃性毒物棒の挿入を案内する可燃性毒物棒案内シンブルとに置き換えられてなる原子炉用燃料集合体の余剰反応度を制御する余剰反応度制御方法であって、第２回目以降の運転サイクルとなる原子炉用燃料集合体に可燃性毒物が所定量以上添加された可燃性毒物棒を可燃性毒物棒案内シンブルに挿入した状態で原子炉の運転サイクルを開始することによって、運転サイクルに亘って余剰反応度を抑制する。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載の原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法において、運転サイクルの終了後には、可燃性毒物棒案内シンブルに挿入され、運転サイクル中に可燃性毒物が燃焼した可燃性毒物棒を可燃性毒物棒案内シンブルから抜き取り、可燃性毒物が所定量以上添加された可燃性毒物棒を可燃性毒物棒案内シンブルに挿入して次の運転サイクルを開始するようにする。
【発明の効果】
【００１５】
従って、請求項１および請求項２の発明の原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法においては、以上のような手段を講じることにより、余剰反応度を抑制するための特別な設備や、制御棒を用いることなく、運転サイクルに亘った余剰反応度の抑制を図ることができる。これによって、低コストでかつ運転方法の複雑さも伴わずに運転サイクルに亘った余剰反応度を抑制することが可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、余剰反応度を抑制するための特別な設備や、用いる制御棒の本数を増加させることもなく、低コストでかつ運転方法を複雑にすることもなく余剰反応度を抑制することが可能な原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
本発明の実施の形態を図１から図４を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態に係る原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法を適用した原子炉用燃料集合体の一例を示す斜視図である。また、図２は、同実施の形態に係る原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法を適用した原子炉用燃料集合体の断面の一例を示す模式図である。
【００１９】
すなわち、同実施の形態に係る原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法を適用した原子炉用燃料集合体（以下、単に「燃焼集合体」と称する）１は、ウランやプルトニウム等の核燃料物質が装填されてなる長尺状の燃料棒２と、これら核燃料物質に加えて、更に所定量の可燃性毒物が添加された可燃性毒物入り燃料棒３とを、軸方向に所定の間隔で設けられた支持格子９で支持することによって複数本数正方格子状に束ねて構成している。可燃性毒物とは、中性子を吸収しやすい物質のことであり、たとえばガドリニウム（Ｇｄ）や、ホウ素（Ｂ）などが好適である。
【００２０】
つまり、燃料集合体１の断面は、図２に示すように、空間的に規則的に区分された断面正方形状の格子４によって構成された正方形状をなしており、各格子４に燃料棒２または可燃性毒物入り燃料棒３を配置している。また、一部の格子４には、燃料棒２および可燃性毒物入り燃料棒３ともに配置しておらず、代わりに制御棒案内シンブル５あるいは可燃性毒物棒案内シンブル６を配置している。
【００２１】
制御棒案内シンブル５と可燃性毒物棒案内シンブル６とは共に中空管である。制御棒案内シンブル５は、制御棒７を内部に案内して挿入することが可能なようにしている。このような制御棒案内シンブル５は、図１に示すように１つの格子４に配置可能なサイズであっても、また図２に示すように、例えば２行×２列の格子４に配置可能なサイズであってもよい。制御棒７は、図１に示すように、所定本数毎（図２の場合１２本）に、制御棒クラスタ８に吊設されてなる。制御棒７の内部にはホウ素（Ｂ）など中性子の吸収効果の大きい物質を含む材料を装填しており、図示しない制御棒駆動機構を駆動させ、制御棒クラスタ８を下方へ移動させることによって、制御棒７を制御棒案内シンブル５内に挿入し、核分裂を抑制する。あるいは、制御棒クラスタ８を上方へ移動させることによって、挿入していた制御棒７を制御棒案内シンブル５から引き抜き、核分裂の割合を促進する。
【００２２】
可燃性毒物棒案内シンブル６は、１つの格子４に配置可能なサイズであって、図示しない可燃性毒物棒を内部に案内し挿入することが可能なようにしている。可燃性毒物棒は、長尺形状をしており、その内部に、上述したような可燃性毒物を装填している。そして、この燃料集合体１が原子炉に装荷された場合に、可燃性毒物棒案内シンブル６の内部に挿入されるようにしている。このように可燃性毒物棒が可燃性毒物棒案内シンブル６の内部に挿入されたまま原子炉を運転する。そして、運転サイクル終了後には、挿入していた可燃性毒物棒を可燃性毒物棒案内シンブル６から引き抜き、放射性廃棄物として廃棄する一方、次の運転サイクル用として、新たな未照射の可燃性毒物棒を、可燃性毒物棒案内シンブル６の内部に挿入する。このように、可燃性毒物棒案内シンブル６には、運転サイクル毎に新しい可燃性毒物棒を挿入した状態で原子炉を運転する。
【００２３】
これら燃料棒２、可燃性毒物入り燃料棒３、制御棒案内シンブル５、および可燃性毒物棒案内シンブル６は、その上端部を上部ノズル１０に、またその下端部を下部ノズル１１にそれぞれ固定している。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態に係る原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法の作用について説明する。
【００２５】
たとえば、燃料棒２および可燃性毒物入り燃料棒３に装填される核分裂性物質の量、および可燃性毒物の濃度を調整することによって、可燃性毒物棒案内シンブル６に可燃性毒物棒を挿入した状態で、図３中の曲線ａに示すような無限増倍率特性を示す燃料集合体１を設計したものとする。なお、このような燃料集合体１は、可燃性毒物入り燃料棒３が全く可燃性毒物を含まず、かつ可燃性毒物棒案内シンブル６に可燃性毒物棒が未挿入の状態では、図３中の曲線ｂに示すように燃焼度に対して単調に減少するような無限増倍率特性を示す。図３中の曲線ｂにその特性を示すような燃料集合体を便宜上、以下、リファレンス燃料体と称する。
【００２６】
すなわち、本実施の形態に係る燃料集合体１には、可燃性毒物入り燃料棒３に、中性子を吸収する効果の大きい可燃性毒物が含まれているので、可燃性毒物を含まないリファレンス燃料体と比べて、第１サイクルの燃焼に相当する期間（0〜約15GWd/t）における無限増倍率が抑制され、燃焼に伴う変化を小さくできている。無限増倍率の抑制量（リファレンス燃料体との無限増倍率の差）が燃焼と共に減少しているのは、可燃性毒物が消費され、中性子の吸収効果が弱くなったためである。
【００２７】
このような燃料集合体１が炉心内において第１サイクルの燃焼に供され、第１サイクルの運転が終了すると、原子炉の運転が停止される。次の運転サイクルである第２サイクルのために新たな未照射の可燃性毒物棒が燃料集合体１に挿入される。可燃性毒物棒に含まれていた可燃性毒物は、第１サイクルの運転中に中性子を吸収することによって燃焼し減少している。したがって、このような可燃性毒物棒を新しい可燃性毒物棒に交換することによって、図３に示すように第２サイクルの初期における無限増倍率が抑制される。第２サイクルの運転が開始されると、可燃性毒物が消費され、中性子の吸収効果が弱くなるために、無限増倍率はほぼ平坦な傾向を示す。
【００２８】
第２サイクルの運転終了時もまた同様に原子炉の運転が停止され、可燃性毒物棒が可燃性毒物棒案内シンブル６から引き抜かれ、次の運転サイクルである第３サイクルのために新たな可燃性毒物棒が可燃性毒物棒案内シンブル６に挿入される。したがって、このような可燃性毒物棒を新しい可燃性毒物棒に交換することによって、図３に示すように第３サイクルの初期における無限増倍率もまた抑制される。第３サイクルの運転が開始されると、可燃性毒物が消費され、中性子の吸収効果が弱くなるために、無限増倍率は燃焼度とほぼ平坦な傾向を示す。
【００２９】
図４中に示す曲線Ｂは、図３中の曲線ｂに示すような特性を持つリファレンス燃料体を、運転サイクル毎に１／３ずつ交換することによって構成される平衡炉心のサイクル燃焼度に対する実効増倍率である。
【００３０】
リファレンス燃料体は、その特性を図３中の曲線ｂに示すように、無限増倍率が燃焼度の進行に伴って単調に減少する。したがって、このようなリファレンス燃料体によって構成された炉心の実効増倍率もまた、図４中の曲線Ｂに示すように燃焼度の進行に伴って単調に減少する傾向をとる。このため、運転サイクルの初期における余剰反応度（図中斜線で示す）が極めて高くなるために、炉水にホウ素を注入したり、使用する制御棒の本数を増加するなどして余剰反応度を抑制しなければならない。当然のことながら、これはコストアップ、運転方法の複雑化をもたらし、運転サイクルの長期化の障害となるものである。
【００３１】
一方、図４中に示す曲線Ａは、図３中の曲線ａに示すような特性を持つ本発明の実施の形態に係る燃料集合体１を、運転サイクル毎に１／３ずつ交換することによって構成される平衡炉心のサイクル燃焼度に対する実効増倍率である。
【００３２】
本発明の実施の形態に係る燃料集合体１は、その特性を図３中の曲線ａに示すように、各運転サイクルの初期における無限増倍率が抑制されることによって、燃焼度が進んでも、無限増倍率の値は同一の運転サイクルを通じてさほど変化がない。したがって、このような燃料集合体１によって構成された炉心の実効増倍率は、図４中の曲線Ａに示すように燃焼度が進行しても、あまり変化のない平坦な特性を有する。すなわち、運転サイクルを通じて余剰反応度（図中網線で示す）が適正に抑制されるために、通常の運転時に用いる制御棒を若干深めに挿入する程度の軽微な対応で、炉心の臨界状態を維持することができる。
【００３３】
したがって、本発明の実施の形態に係る原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法では、ホウ酸注入設備のような付帯設備を必要とせず、また制御棒の使用本数を増加して運転方法を複雑にするようなこともなく、余剰反応度を適切に抑制することが可能となるために、コスト的にも有利であり、運転サイクルの長期化に対しても適用することが可能である。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法を適用した原子炉用燃料集合体の一例を示す斜視図。
【図２】同実施の形態に係る原子炉用燃料集合体の余剰反応度制御方法を適用した原子炉用燃料集合体の断面の一例を示す模式図。
【図３】同実施の形態に係る原子炉用燃料集合体の燃焼度に対する無限増倍率の一例を示す図。
【図４】同実施の形態に係る原子炉用燃料集合体を装荷することによって構成される平衡炉心のサイクル燃焼度に対する実効増倍率の一例を示す図。
【図５】従来技術による原子炉用燃料集合体の燃焼度に対する無限増倍率の一例を示す図。
【図６】異なる濃縮度の原子炉用燃料集合体の燃焼度に対する無限増倍率の一例を示す図。
【図７】従来技術による原子炉用燃料集合体を装荷することによって構成される平衡炉心のサイクル燃焼度に対する実効増倍率の一例を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１…原子炉用燃料集合体
２…燃料棒
３…可燃性毒物入り燃料棒
４…格子
５…制御棒案内シンブル
６…可燃性毒物棒案内シンブル
７…制御棒
８…制御棒クラスタ
９…支持格子
１０…上部ノズル
１１…下部ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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