(57)【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。【選択図】  図２
2007093272.tif 000002
【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
【図１】
2007093272.tif 000003
【図２】
2007093272.tif 000004
【図３】
2007093272.tif 000005
【図４】
2007093272.tif 000006
【図５】
2007093272.tif 000007
【図６】
2007093272.tif 000008
【図７】
2007093272.tif 000009
【図８】
2007093272.tif 000010
【図９】
2007093272.tif 000011