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JP6726596B2 - Fuel assembly and core of boiling water reactor loaded with it - Google Patents
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Description

本発明は、燃料集合体及びそれを装荷する沸騰水型原子炉の炉心に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel assembly and a core of a boiling water reactor for loading the fuel assembly.

現在運転中の燃料集合体及び十字型制御棒を装荷している沸騰水型原子炉において燃料集合体内の燃料棒を三角格子稠密に配置するとともに、運転中にチャンネルボックス内でボイドを発生させることによって中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉(以下、低減速スペクトル沸騰水型原子炉と称する)が提唱されている。
低減速スペクトル沸騰水型原子炉は液体ナトリウムを冷却材とする高速炉と同様にプルトニウム燃料を装荷した燃料領域と劣化ウラン燃料を装荷したブランケット領域を配置した高転換炉とすることができる。
しかしながら、低減速スペクトル沸騰水型原子炉では中性子スペクトルの硬化のため、冷却材である水(冷却水)の炉心流量が減少しチャンネルボックス内のボイド率が上昇した際に投入される反応度であるボイド反応度係数の負の絶対値が減少するという課題がある。原子炉の安全な運転のためにはボイド反応度係数の負を維持する必要がある。
このような低減速スペクトル沸騰水型原子炉でボイド反応度係数を低減する技術として、例えば、特許文献1に記載される技術が提案されている。特許文献1では、ブランケット領域に低プルトニウム富化度燃料を配する低濃度領域を設けるとともに、このブランケット領域に中性子吸収材を配置することで、ボイド率増加時の中性子吸収量を増大させて、ボイド反応度係数をより負にしている。具体的には、燃料集合体の横断面(水平断面)内において、低濃度領域に、ボロン10(B10)の濃度を高めた濃縮ボロンを中性子吸収材として、分散配置する構成が開示されている。
In a boiling water reactor currently loaded with fuel assemblies and cruciform control rods, the fuel rods in the fuel assembly are arranged in a dense triangular lattice and voids are generated in the channel box during operation. Has proposed a boiling water reactor having a hardened neutron spectrum (hereinafter referred to as a reduced-speed spectrum boiling water reactor).
The low-moderation spectrum boiling water reactor can be a high conversion reactor in which a fuel region loaded with plutonium fuel and a blanket region loaded with depleted uranium fuel are arranged, similarly to a fast reactor using liquid sodium as a coolant.
However, due to the hardening of the neutron spectrum in the reduced-rate spectral boiling water reactor, the reactivity that is input when the core flow rate of the coolant water (cooling water) decreases and the void ratio in the channel box rises There is a problem that the negative absolute value of a certain void reactivity coefficient decreases. It is necessary to keep the void reactivity coefficient negative for safe operation of the reactor.
As a technique for reducing the void reactivity coefficient in such a reduced-speed spectrum boiling water reactor, for example, a technique described in Patent Document 1 has been proposed. In Patent Document 1, a low-concentration region for arranging a low plutonium-rich fuel in the blanket region is provided, and a neutron absorber is arranged in this blanket region to increase the neutron absorption amount when the void fraction increases, The void reactivity coefficient is made more negative. Specifically, a configuration is disclosed in which, in a low-concentration region within a cross section (horizontal section) of a fuel assembly, concentrated boron having an increased concentration of boron 10 (B10) is dispersed and arranged as a neutron absorber. ..

特開2000−241582号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2000-241582

しかしながら、特許文献1に記載される構成では、低プルトニウム富化度燃料のブランケット領域(低濃度領域)に配置される中性子吸収材はボイド率増加時のみならず、通常運転時においても中性子を吸収しており、そのため沸騰水型原子炉の炉心を臨界にするための核分裂性物質量を増加させるためにプルトニウム富化度を高くする必要があり、中性子経済性が悪化する懸念がある。そのため、特許文献1では中性子吸収材が配置される低プルトニウム富化度燃料のブランケット領域を軸方向において短尺化すべきとしており、これでは、ボイド反応度係数の改善が不十分となる。
そこで、本発明は、運転中に中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉におけるボイド反応度係数を改善し、原子炉の安全性を向上し得る燃料集合体及びそれを装荷する沸騰水型原子炉の炉心を提供する。
However, in the configuration described in Patent Document 1, the neutron absorber arranged in the blanket region (low concentration region) of the low plutonium-enriched fuel absorbs neutrons not only when the void ratio increases but also during normal operation. Therefore, it is necessary to increase the plutonium enrichment in order to increase the amount of fissile material to make the core of a boiling water reactor critical, and there is a concern that neutron economic efficiency will deteriorate. Therefore, in Patent Document 1, the blanket region of the low plutonium-enriched fuel in which the neutron absorber is arranged should be shortened in the axial direction, and this makes the improvement of the void reactivity coefficient insufficient.
Therefore, the present invention improves the void reactivity coefficient in a boiling water reactor in which the neutron spectrum is hardened during operation, and a fuel assembly capable of improving the safety of the reactor and a boiling water atom loaded with the fuel assembly. Provides the core of the furnace.

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料集合体は、沸騰水型原子の炉心に正方格子状に装荷される燃料集合体であって、前記燃料集合体は、炉心が定格出力で運転されている状態で軸方向に高出力の燃料領域及び低出力のブランケット領域を備え、炉心が定格出力で運転されている状態で、前記燃料集合体のチャンネルボックス内のウラン核種と超ウラン核種の合計の個数密度に対する水素の個数密度の比が0.6以上2.1以下であり、且つ、燃焼度ゼロの燃料集合体の前記低出力のブランケット領域は、燃料のウラン核種及び超ウラン核種に占めるプルトニウム239が0.1wt%以上1.0wt%以下となるよう前記超ウラン核種が劣化ウラン酸化物に富化されていることを特徴とする。
また、本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心は、正方格子状に複数体の燃料集合体が装荷される沸騰水型原子炉の炉心であって、前記燃料集合体は、炉心が定格出力で運転されている状態で軸方向に高出力の燃料領域及び低出力のブランケット領域を備え、炉心が定格出力で運転されている状態で、前記燃料集合体のチャンネルボックス内のウラン核種と超ウラン核種の合計の個数密度に対する水素の個数密度の比が0.6以上2.1以下であり、且つ、燃焼度ゼロの燃料集合体の前記低出力のブランケット領域は、燃料のウラン核種及び超ウラン核種に占めるプルトニウム239が0.1wt%以上1.0wt%以下となるよう前記超ウラン核種が劣化ウラン酸化物に富化されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a fuel assembly according to the present invention is a fuel assembly loaded in a tetragonal lattice on a core of boiling water type atoms, and the fuel assembly has a core operated at a rated output. With a high-power fuel region and a low-power blanket region in the axial direction in a state where the core is operating at the rated power, the total of uranium nuclide and transuranium nuclide in the channel box of the fuel assembly The ratio of the number density of hydrogen to the number density of hydrogen is 0.6 or more and 2.1 or less, and the low-power blanket region of the fuel assembly having a burnup of 0 occupies the uranium nuclide and the transuranium nuclide of the fuel. The transuranic nuclide is enriched in depleted uranium oxide such that plutonium 239 is contained in an amount of 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less.
Further, the core of the boiling water reactor according to the present invention is the core of the boiling water reactor in which a plurality of fuel assemblies are loaded in a square lattice, and the fuel assembly has a rated output. Uranium nuclides and transuranium in the channel box of the fuel assembly with the fuel region of high power and the blanket region of low power in the axial direction in a state where the core is operated at a rated power. The ratio of the number density of hydrogen to the total number density of nuclides is 0.6 or more and 2.1 or less, and the low-power blanket region of the fuel assembly with a burnup of zero is the uranium nuclide and transuranium of the fuel. The transuranic nuclide is enriched in depleted uranium oxide such that plutonium 239 in the nuclide is 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less.

本発明によれば、運転中に中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉におけるボイド反応度係数を改善し、原子炉の安全性を向上し得る燃料集合体及びそれを装荷する沸騰水型原子炉の炉心を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, the void reactivity coefficient in a boiling water reactor whose neutron spectrum is hardened during operation is improved, and a fuel assembly capable of improving the safety of the reactor and a boiling water atom loaded with the fuel assembly can be improved. It becomes possible to provide the core of the furnace.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.

本発明の一実施例に係る実施例1の燃料集合体の軸方向における概略構成及び当該燃料集合体のA−A断面矢視図(横断面図)である。FIG. 1 is a schematic configuration in the axial direction of a fuel assembly of Example 1 according to an embodiment of the present invention and an AA sectional arrow view (transverse sectional view) of the fuel assembly. 図1に示す燃料集合体が複数体装荷される沸騰水型原子炉の炉心の横断面図(水平断面図)である。FIG. 2 is a horizontal cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) of a core of a boiling water reactor in which a plurality of fuel assemblies shown in FIG. 1 are loaded. 図2に示す炉心を有する改良型沸騰水型原子炉の概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an improved boiling water reactor having the core shown in FIG. 2. H/HMが1.8の第1内部ブランケット領域の横断面(水平断面)における燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of a void reactivity coefficient with respect to burnup in the cross section (horizontal section) of the 1st internal blanket field where H/HM is 1.8. H/HMが1.2の第2内部ブランケット領域の横断面(水平断面)における燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows change of a void reactivity coefficient with respect to burnup in the cross section (horizontal section) of the 2nd internal blanket field whose H/HM is 1.2. 燃焼度ゼロの第2内部ブランケット領域の横断面(水平断面)におけるH/HMに対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of a void reactivity coefficient with respect to H/HM in the cross section (horizontal section) of the 2nd internal blanket field of burnup zero. 燃焼度15GWd/tの第2内部ブランケット領域の横断面(水平断面)におけるH/HMに対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of a void reactivity coefficient with respect to H/HM in the cross section (horizontal section) of the 2nd internal blanket field of burnup 15GWd/t. H/HMが0.6の第2内部ブランケット領域の横断面(水平断面)における燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows change of a void reactivity coefficient with respect to burnup in the cross section (horizontal section) of the 2nd internal blanket field where H/HM is 0.6. 第1内部ブランケット領域及び第2内部ブランケット領域のプルトニウム239富化度に対する、沸騰水型原子炉のボイド反応度係数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the void reactivity coefficient of a boiling water reactor with respect to the plutonium 239 enrichment of a 1st internal blanket area|region and a 2nd internal blanket area. 本発明の他の実施例に係る実施例2の燃料集合体の横断面図(水平断面図)である。FIG. 6 is a horizontal cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) of a fuel assembly of Example 2 according to another example of the present invention. H/HMが1.8の第2内部ブランケット領域の横断面(水平断面)における燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows change of a void reactivity coefficient with respect to burnup in a cross section (horizontal section) of the 2nd internal blanket field where H/HM is 1.8.

本明細書において、本発明に係る燃料集合体及びそれを装荷する沸騰水型原子炉の炉心が適用される沸騰水型原子炉とは、再循環ポンプを備え冷却材として水(冷却水)を原子炉圧力容器外へ通流し再び原子炉圧力容器内のダウンカマへ流入させることで冷却水を循環させる通常の沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor:BWR)、インターナルポンプを備え冷却水を原子炉圧力容器内で循環させる改良型沸騰水型原子炉(Advanced Boiling Water Reactor:ABWR)、チムニによる冷却水の自然循環方式を用いることで、BWRにおける再循環ポンプ、ABWRにおけるインターナルポンプを不要とする高経済性単純化沸騰水型原子炉(Economic Simplified Boiling Water Reactor:ESBWR)等を含む。以下では、本発明に係る燃料集合体が装荷される炉心を有する沸騰水型原子炉として、ABWRを一例に説明する。
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
In the present specification, the boiling water reactor to which the core of the fuel assembly according to the present invention and the boiling water reactor for loading the fuel assembly is applied is equipped with a recirculation pump, and water (cooling water) is used as a coolant. A normal boiling water reactor (BWR) that circulates cooling water by flowing it outside the reactor pressure vessel and then again flowing it into a downcomer inside the reactor pressure vessel. By using an improved boiling water reactor (ABWR) that circulates in the reactor pressure vessel and a natural circulation system of cooling water by chimney, a recirculation pump in BWR and an internal pump in ABWR are not required. It includes a high-economy simplified boiling water reactor (ESBWR) and the like. In the following, an ABWR will be described as an example of a boiling water reactor having a core loaded with a fuel assembly according to the present invention.
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

以下、本実施例では872体の燃料集合体を炉心に装荷する改良型沸騰水型原子炉(ABWR)を対象に説明するが、上述のように、本発明に係る燃料集合体は、横断面十字状の制御棒(十字型制御棒)を装荷する燃料集合体の体数が異なる他の沸騰水型原子炉にもて適用可能である。 Hereinafter, in the present embodiment, an improved boiling water nuclear reactor (ABWR) in which 872 fuel assemblies are loaded in the core will be described. However, as described above, the fuel assembly according to the present invention has a cross section. The present invention can also be applied to other boiling water reactors in which the number of fuel assemblies loaded with cross-shaped control rods (cross-shaped control rods) is different.

先ず、沸騰水型原子炉の一例として、改良型沸騰水型原子炉(ABWR)について説明する。図3は、改良型沸騰水型原子炉(ABWR)の概略構成図である。図3に示すように、本実施例の燃料集合体(詳細後述する)が装荷される炉心を備える改良型沸騰水型原子炉20は、原子炉圧力容器21内に円筒状の炉心シュラウド26が設けられ、炉心シュラウド26内に、複数体の燃料集合体(図示せず)が装荷された炉心22が設置されている。また、原子炉圧力容器21内には、炉心22を覆うシュラウドヘッド30、シュラウドヘッド30に取り付けられ上方へと延伸する気水分離器28、及び気水分離器28の上方に配される蒸気乾燥器29が設けられている。
上部格子板24が、シュラウドヘッド30の下方で炉心シュラウド26内に配され、炉心シュラウド26に取り付けられて炉心22の上端部に位置している。炉心支持板23が、炉心22の下端部に位置して炉心シュラウド26内に配され、炉心シュラウド26に設置されている。また、複数の燃料支持金具25が炉心支持板23に設置されている。
また、原子炉圧力容器21内には、燃料集合体の核反応を制御するため炉心22へ複数の横断面十字状の制御棒(図示せず)を挿入可能とする制御棒案内管32が設けられている。原子炉圧力容器21の底部より下方に設置された制御棒駆動機構ハウジング(図示せず)内に制御棒駆動機構33を備え、制御棒は制御棒駆動機構33に連結されている。
First, an improved boiling water reactor (ABWR) will be described as an example of the boiling water reactor. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an improved boiling water nuclear reactor (ABWR). As shown in FIG. 3, an improved boiling water reactor 20 including a core loaded with a fuel assembly (described later in detail) of the present embodiment has a cylindrical core shroud 26 inside a reactor pressure vessel 21. A core 22 provided with a plurality of fuel assemblies (not shown) is installed in the core shroud 26. Further, in the reactor pressure vessel 21, a shroud head 30 covering the core 22, a steam separator 28 attached to the shroud head 30 and extending upward, and steam drying arranged above the steam separator 28. A container 29 is provided.
An upper grid plate 24 is disposed in the core shroud 26 below the shroud head 30, is attached to the core shroud 26, and is located at the upper end of the core 22. The core support plate 23 is located in the core shroud 26 at the lower end of the core 22, and is installed in the core shroud 26. A plurality of fuel support fittings 25 are installed on the core support plate 23.
Further, in the reactor pressure vessel 21, a control rod guide pipe 32 is provided which allows a plurality of control rods (not shown) having a cross-shaped cross section to be inserted into the core 22 for controlling the nuclear reaction of the fuel assembly. Has been. A control rod drive mechanism housing (not shown) installed below the bottom of the reactor pressure vessel 21 is provided with a control rod drive mechanism 33, and the control rods are connected to the control rod drive mechanism 33.

原子炉圧力容器21の底部である下鏡34に、その下方より原子炉圧力容器21の内部へ貫通するよう複数のインターナルポンプ31が設置されている。複数のインターナルポンプ31は、複数の制御棒案内管32の最外周部より外側であって、環状に相互に所定の間隔にて離間し、複数台配されている。これにより、インターナルポンプ31は、制御棒案内管32等と干渉することはない。そして、各インターナルポンプ31のインペラが、円筒状の炉心シュラウド26と原子炉圧力容器21の内面との間に形成される環状のダウンカマ27内に位置付けられている。原子炉圧力容器21内の冷却材である水(冷却水)は、各インターナルポンプ31のインペラにより、ダウンカマ27を介して、下鏡34側から炉心22へ供給される。炉心22内に流入する冷却水は、燃料集合体(図示せず)の核反応により加熱され気液二相流となり、気水分離器28へ流入する。気水分離器28を通流する気液二相流は、湿分を含む蒸気(気相)と水(液相)に分離され、液相は再び冷却水としてダウンカマ27へ降下する。一方、蒸気(気相)は、蒸気乾燥器29へと導入され湿分が除去された後、主蒸気配管35を介してタービン(図示せず)へ供給される。復水器等を介して給水配管36より原子炉圧力容器21内に流入する冷却水は、ダウンカマ27内を下方へと通流する(降下する)。このように、インターナルポンプ31は、炉心22で発生する熱を効率良く冷却するため、冷却水を炉心22へ強制循環させる。 A plurality of internal pumps 31 are installed in the lower mirror 34, which is the bottom of the reactor pressure vessel 21, so as to penetrate the reactor pressure vessel 21 from below. The plurality of internal pumps 31 are arranged outside the outermost peripheral portion of the plurality of control rod guide pipes 32, are annularly spaced from each other at a predetermined interval, and are arranged in plurality. As a result, the internal pump 31 does not interfere with the control rod guide pipe 32 or the like. The impeller of each internal pump 31 is positioned within an annular downcomer 27 formed between the cylindrical core shroud 26 and the inner surface of the reactor pressure vessel 21. Water (cooling water) as a coolant in the reactor pressure vessel 21 is supplied from the lower mirror 34 side to the reactor core 22 via the downcomers 27 by the impellers of the internal pumps 31. The cooling water flowing into the core 22 is heated by a nuclear reaction of a fuel assembly (not shown) to become a gas-liquid two-phase flow, and flows into the steam separator 28. The gas-liquid two-phase flow that passes through the water-water separator 28 is separated into steam (gas phase) containing moisture and water (liquid phase), and the liquid phase again drops to the downcomer 27 as cooling water. On the other hand, the steam (gas phase) is introduced into the steam dryer 29 to remove moisture, and then supplied to the turbine (not shown) via the main steam pipe 35. The cooling water flowing into the reactor pressure vessel 21 through the water supply pipe 36 via the condenser or the like flows (falls) downward in the downcomer 27. In this way, the internal pump 31 forcibly circulates the cooling water to the core 22 in order to efficiently cool the heat generated in the core 22.

次に、炉心22に装荷される本実施例の燃料集合体及び炉心22の構造について説明する。図1は、本実施例の燃料集合体の軸方向における概略構成及び当該燃料集合体のA−A断面矢視図(横断面図)であり、図2は、図1に示す燃料集合体が複数体装荷される沸騰水型原子炉の炉心の横断面図(水平断面図)である。
図1の右図に示すように、燃料集合体1は、横断面(水平断面)が正方形のチャンネルボックス2の内部に243本の外径7.2mm、間隙1.5mmで燃料棒3を三角稠密配置している。なお、各燃料棒3は上下両端部を上部タイプレート及び下部タイプレート(図示せず)にて、また、燃料棒3の途中を軸方向に一定間隔で離間する燃料スペーサー(図示せず)によって保持されている。チャンネルボックス2の外側には飽和水であるギャップ水領域4と十字型制御棒(横断面十字状の制御棒)5が挿入されている。十字型制御5の上半分は、冷却水である軽水より減速能が小さい物質である炭素で構成されたフォロアー部を設けている。また、十字型制御棒5の反対側(燃料集合体1を挟み十字型制御棒5と対向する側)には、冷却水である軽水より減速能が小さい物質である炭素を封入した水排除板6を設置している。以上の構成により、燃料集合体1内を通流する冷却水を少なくして、炉心22内の中性子スペクトルを硬化した(高エネルギー側にシフトした)低減速スペクトル沸騰水型炉を実現している。
Next, the structure of the fuel assembly and the core 22 of the present embodiment loaded in the core 22 will be described. FIG. 1 is a schematic configuration in the axial direction of the fuel assembly of this embodiment and a sectional view (cross-sectional view) taken along the line AA of the fuel assembly, and FIG. 2 shows the fuel assembly shown in FIG. It is a cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) of a core of a boiling water reactor loaded with a plurality of bodies.
As shown in the right diagram of FIG. 1, the fuel assembly 1 includes a channel box 2 having a square cross section (horizontal cross section) with 243 outer diameters of 7.2 mm and a gap of 1.5 mm. They are densely arranged. The upper and lower ends of each fuel rod 3 are an upper tie plate and a lower tie plate (not shown), and a fuel spacer (not shown) is provided in the middle of the fuel rod 3 so as to be axially spaced at regular intervals. Is held. A gap water region 4 of saturated water and a cross-shaped control rod (cross-shaped control rod) 5 are inserted outside the channel box 2. The upper half of the cross-shaped control 5 is provided with a follower portion made of carbon, which is a substance having a moderating ability smaller than that of light water which is cooling water. On the opposite side of the cross-shaped control rod 5 (the side facing the cross-shaped control rod 5 with the fuel assembly 1 in between), a water exclusion plate in which carbon, which is a substance having a moderating ability smaller than light water that is cooling water, is enclosed. 6 is installed. With the above configuration, the cooling water flowing in the fuel assembly 1 is reduced and the neutron spectrum in the core 22 is hardened (shifted to the high energy side) to realize the reduced-speed spectrum boiling water reactor. ..

図1の左図に示すように、燃料集合体1は燃料有効長さ180cmで、軸方向構成として、定格出力運転時に炉心22の平均線出力密度以上の出力を有する高出力の燃料領域12と炉心22の平均線出力密度以下の出力を有する低出力の上部ブランケット11、第1内部ブランケット領域13、第2内部ブランケット領域14が、交互に配置されている。換言すれば、冷却水の流れの方向に沿って上流側(燃料集合体1の軸方向における下側)に第1内部ブランケット領域13が、また、冷却水の流れの方向に沿って下流側(燃料集合体1の軸方向における上側)に第2内部ブランケット領域14が、燃料領域12を介して配置されている。燃料棒3は、劣化ウランの酸化物或いは劣化ウランに核分裂プルトニウムを含む超ウラン核種を富化した混合酸化物(以下、MOX燃料と称する)のペレット(図示せず)を被覆管(図示せず)に充填している。 As shown in the left diagram of FIG. 1, the fuel assembly 1 has an active fuel length of 180 cm, and has a high-power fuel region 12 having an output in the axial direction which is equal to or higher than the average linear power density of the core 22 during the rated power operation. The low power upper blanket 11 having a power equal to or lower than the average linear power density of the core 22, the first inner blanket region 13, and the second inner blanket region 14 are alternately arranged. In other words, the first internal blanket region 13 is provided on the upstream side (the lower side in the axial direction of the fuel assembly 1) along the flow direction of the cooling water, and the downstream side is provided along the flow direction of the cooling water (on the downstream side). A second inner blanket region 14 is arranged above the fuel assembly 1 in the axial direction) via the fuel region 12. The fuel rod 3 includes a cladding tube (not shown) of pellets (not shown) of depleted uranium oxide or mixed oxide (hereinafter referred to as MOX fuel) enriched with transuranium nuclide containing fission plutonium in depleted uranium. ) Is filled.

図2は、図1に示す燃料集合体1が複数体装荷される改良型沸騰水型原子炉(ABWR)の炉心22の横断面図(水平断面図)である。図2に示すように、炉心22に872体の燃料集合体1が正方格子状に装荷されており、最外周に配される複数体の燃料集合体1を除き、相互に隣接する4体の燃料集合体1は、十字型制御棒5を囲むよう炉心22に装荷されている。上述の図1の右図に示した燃料集合体1の横断面図(水平断面図)は、上記4体の燃料集合体の内の1体の燃料集合体1を示している。図1の右図に示すように、横断面(水平断面)が正方形のチャンネルボックス2を構成する1つの角部で接続する2辺が、十字型制御棒5の2本のブレードと僅かな間隙を介して対向するよう炉心22に装荷されている。一方、上記1つの角部に対し対角線上に位置する他の角部で接続する2辺は、横断面(水平断面)がL字状の水排除板6を構成する2辺と僅かな間隙を介して対向するよう炉心22に装荷されている。 FIG. 2 is a horizontal cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) of a core 22 of an improved boiling water reactor (ABWR) loaded with a plurality of the fuel assemblies 1 shown in FIG. As shown in FIG. 2, 872 fuel assemblies 1 are loaded in the core 22 in a square lattice shape. Except for the plurality of fuel assemblies 1 arranged at the outermost periphery, four fuel assemblies 1 adjacent to each other are provided. The fuel assembly 1 is loaded in the core 22 so as to surround the cross-shaped control rod 5. The horizontal cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) of the fuel assembly 1 shown in the right side of FIG. 1 above shows one of the four fuel assemblies. As shown in the right diagram of FIG. 1, the two sides connecting at one corner forming the channel box 2 having a square cross section (horizontal cross section) are slightly separated from the two blades of the cross-shaped control rod 5. Are loaded in the core 22 so as to face each other. On the other hand, the two sides connected at the other corner located diagonally with respect to the one corner have a slight gap with the two sides forming the water removal plate 6 having an L-shaped cross section (horizontal section). The core 22 is loaded so as to face each other.

次に図4から図9により図1に示した本実施例の燃料集合体1の作用について説明する。図4は、図1の左図に示す第1内部ブランケット領域13について、チャンネルボックス2内の定格出力時の平均ボイド率を、図1の右図に示す横断面を二次元体系で燃焼させたときの燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。第1内部ブランケット領域13の定格出力で運転されている状態で、燃焼度ゼロにおけるチャンネルボックス2内のウラン核種と超ウラン核種の合計の個数密度に対する水素の個数密度の比(以下、H/HMと称する)は1.8である。図4において、曲線aは、ブランケットに通常用いられている劣化ウラン酸化物の燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。また、曲線bは、核分裂性プルトニウム富化度0.4wt%であり、プルトニウム239富化度0.3wt%のMOX燃料の燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。曲線cは、核分裂性プルトニウム富化度1.1wt%であり、プルトニウム239富化度0.9wt%のMOX燃料の燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。ここで核分裂性プルトニウム富化度とは、ウラン核種と超ウラン核種の合計重量に占める核分裂性プルトニウム(プルトニウム239とプルトニウム241の合計)の重量割合のことであり、プルトニウム239富化度とは、ウラン核種と超ウラン核種の合計重量に占めるプルトニウム239の重量割合のことである。 Next, the operation of the fuel assembly 1 of this embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 4 to 9. FIG. 4 shows the average void fraction at the rated output in the channel box 2 in the first internal blanket region 13 shown in the left diagram of FIG. 1 in which the cross section shown in the right diagram of FIG. 1 is burned in a two-dimensional system. The change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup is shown. The ratio of the number density of hydrogen to the total number density of the uranium nuclide and the transuranium nuclide in the channel box 2 at the burnup of zero when operating at the rated output of the first internal blanket region 13 (hereinafter referred to as H/HM Referred to as) is 1.8. In FIG. 4, the curve a shows the change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup of depleted uranium oxide that is usually used in blankets. Further, the curve b shows the change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup of the MOX fuel having the fissile plutonium enrichment of 0.4 wt% and the plutonium 239 enrichment of 0.3 wt %. The curve c shows the change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup of the MOX fuel having a fissile plutonium enrichment of 1.1 wt% and a plutonium 239 enrichment of 0.9 wt %. Here, the fissile plutonium enrichment is the weight ratio of fissile plutonium (the total of plutonium 239 and plutonium 241) to the total weight of uranium nuclides and transuranium nuclides, and the plutonium 239 enrichment is It is the weight ratio of plutonium 239 to the total weight of uranium and transuranium nuclides.

図5は、図1の左図に示す第2内部ブランケット領域14について、チャンネルボックス2内の定格出力時の平均ボイド率を、図1の右図に示す横断面を二次元体系で燃焼させたときの燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。第2内部ブランケット領域14の定格出力で運転されている状態で、燃焼度ゼロにおけるチャンネルボックス2内のH/HMは1.2である。図5において、曲線aは、ブランケットに通常用いられている劣化ウラン酸化物の燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。また、曲線bは、燃焼度ゼロにおいて、核分裂性プルトニウム富化度0.4wt%であり、プルトニウム239富化度0.3wt%の組成を有するMOX燃料の燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。曲線cは、燃焼度ゼロにおいて、核分裂性プルトニウム富化度1.1wt%であり、プルトニウム239富化度0.9wt%の組成を有するMOX燃料の燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。 FIG. 5 shows the second internal blanket region 14 shown in the left side of FIG. 1 in which the average void fraction at the rated output in the channel box 2 is burned in a two-dimensional system in the cross section shown in the right side of FIG. The change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup is shown. When operating at the rated output of the second internal blanket region 14, the H/HM in the channel box 2 at the burnup of zero is 1.2. In FIG. 5, the curve a shows the change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup of depleted uranium oxide that is usually used for blankets. Further, the curve b shows the change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup of the MOX fuel having the composition of the fissionable plutonium enrichment of 0.4 wt% and the plutonium 239 enrichment of 0.3 wt% at the burnup of zero. Showing. The curve c shows the change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup of the MOX fuel having a composition of fissile plutonium enrichment of 1.1 wt% and plutonium 239 enrichment of 0.9 wt% at zero burnup. There is.

定格出力で運転時、冷却と中性子減速機能を有する水(冷却水)が燃料棒3の間を、図1の左図に示す燃料集合体1の下部から上部に向けて流れているので、第1内部ブランケット領域13のチャンネルボックス2内のH/HMは、第2内部ブランケット領域14のチャンネルボックス2内のH/HMより大きい。劣化ウラン酸化物をブランケットとして用いる曲線aは、燃焼度ゼロの時点でボイド反応度係数は大きく、燃焼に伴い急激に負となる。これに対し、図4及び図5に示すように。低富化度MOX燃料(核分裂性プルトニウム富化度0.4wt%であり、プルトニウム239富化度0.3wt%のMOX燃料)の曲線b、及び低富化度MOX燃料(核分裂性プルトニウム富化度1.1wt%であり、プルトニウム239富化度0.9wt%のMOX燃料)の曲線cは、燃焼によるボイド反応度係数の変化が小さい。第1内部ブランケット領域13(図4)及び第2内部ブランケット領域14(図5)では、ボイド反応度係数にプルトニウム239の核分裂、捕獲が大きく寄与する。劣化ウラン酸化物をブランケットとして用いる曲線aは燃焼度ゼロでプルトニウム239はゼロであり、プルトニウム239の生成によりボイド反応度係数が負となる。一方、曲線b及び曲線cの低富化度MOX燃料は燃焼初期からプルトニウム239を含有しているため、ボイド反応度係数は劣化ウラン酸化物をブランケットとして用いる曲線aより負である。MOX燃料でも燃焼によりプルトニウム239が蓄積していくが、同時に、中性子スペクトルが硬くなり(高エネルギー側にシフトし)、また、ボイド反応度係数正に寄与するプルトニウム240が蓄積するのでボイド反応度係数の減少は緩やかである。チャンネルボックス2内のH/HMが小さくなり中性子スペクトルが硬くなるに従い、ボイド反応度係数を正側にする核種の寄与が大きくなるため、図5では、プルトニウム239富化度0.9wt%の曲線cはプルトニウム239富化度0.3%の曲線bよりボイド係数がより正側になるが、燃焼の初期では劣化ウラン酸化物をブランケットとして用いる曲線aより負である。 During operation at the rated output, water having a cooling and neutron moderating function (cooling water) flows between the fuel rods 3 from the lower part to the upper part of the fuel assembly 1 shown in the left diagram of FIG. The H/HM in the channel box 2 of the first inner blanket area 13 is larger than the H/HM in the channel box 2 of the second inner blanket area 14. The curve a using the depleted uranium oxide as a blanket has a large void reactivity coefficient at the time when the burnup is zero, and suddenly becomes negative with combustion. On the other hand, as shown in FIGS. Curve b of a low enrichment MOX fuel (MOX fuel with a fissionable plutonium enrichment of 0.4 wt% and plutonium 239 enrichment of 0.3 wt%) and a low enrichment MOX fuel (fissile plutonium enrichment Curve 1.1% of the MOX fuel having a plutonium 239 enrichment of 0.9 wt%), the change in the void reactivity coefficient due to combustion is small. In the first internal blanket region 13 (FIG. 4) and the second internal blanket region 14 (FIG. 5), the fission and capture of plutonium 239 greatly contribute to the void reactivity coefficient. The curve a using the depleted uranium oxide as a blanket has a burnup of zero and the plutonium 239 has zero, and the formation of the plutonium 239 makes the void reactivity coefficient negative. On the other hand, since the low enrichment MOX fuels of the curves b and c contain plutonium 239 from the early stage of combustion, the void reactivity coefficient is more negative than the curve a using depleted uranium oxide as a blanket. Plutonium 239 accumulates even when burned with MOX fuel, but at the same time, the neutron spectrum becomes harder (shifts to the higher energy side), and the plutonium 240 that contributes to the positive void reactivity coefficient accumulates, so the void reactivity coefficient is increased. Is gradual. As H/HM in the channel box 2 becomes smaller and the neutron spectrum becomes harder, the contribution of the nuclide that makes the void reactivity coefficient to the positive side becomes larger. Therefore, in FIG. 5, the curve of plutonium 239 enrichment 0.9 wt% is shown. Although the void coefficient of c is more positive than that of the curve b with the plutonium 239 enrichment of 0.3%, it is more negative than the curve a using depleted uranium oxide as a blanket in the early stage of combustion.

図6は、第2内部ブランケット領域14の横断面(水平断面)においてチャンネルボックス2内のH/HMを0.6から2.1まで変化させたときの燃焼度ゼロにおけるボイド反応度係数を示している。すなわち、燃焼度ゼロの第2内部ブランケット領域14の横断面(水平断面)におけるH/HMに対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。図7は、第2内部ブランケット領域14の横断面(水平断面)においてチャンネルボックス2内のH/HMを0.6から2.1まで変化させたときの燃焼度15GWd/tにおけるボイド反応度係数を示している。すなわち、燃焼度15GWd/tの第2内部ブランケット領域14の横断面(水平断面)におけるH/HMに対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。燃焼度度15GWd/tは、第2内部ブランケット領域14の運転サイクル末期における平均燃焼度である。図6及び図7における曲線aは、燃焼度ゼロにおいてブランケットに通常用いられている劣化ウラン酸化物であり、曲線bは、燃焼度ゼロにおいて核分裂性プルトニウム富化度0.4wt%であり、プルトニウム239富化度0.3wt%の組成を有するMOX燃料、曲線cは、燃焼度ゼロにおいて核分裂性プルトニウム富化度1.1wt%であり、プルトニウム239富化度0.9wt%の組成を有するMOX燃料である。燃焼度ゼロの図6では、劣化ウラン酸化物をブランケットして用いる曲線aは、プルトニウム239が蓄積していないため、低富化度MOX燃料の曲線b及び曲線c共に曲線aよりボイド反応度係数がより負である。これに対し、燃焼が進んだ図7では低富化度MOX燃料の曲線cは、H/HMを0.6以上2.1以下の全域において、劣化ウラン酸化物をブランケットとして用いる曲線aよりボイド反応度係数が悪化する。 FIG. 6 shows the void reactivity coefficient at zero burnup when H/HM in the channel box 2 is changed from 0.6 to 2.1 in the horizontal cross section (horizontal cross section) of the second internal blanket region 14. ing. That is, it is a graph showing changes in the void reactivity coefficient with respect to H/HM in the cross section (horizontal section) of the second internal blanket region 14 where the burnup is zero. FIG. 7 is a void reactivity coefficient at a burnup of 15 GWd/t when H/HM in the channel box 2 is changed from 0.6 to 2.1 in the horizontal cross section (horizontal cross section) of the second internal blanket region 14. Is shown. That is, it is a graph showing changes in the void reactivity coefficient with respect to H/HM in the horizontal cross section (horizontal cross section) of the second internal blanket region 14 having a burnup of 15 GWd/t. The burnup of 15 GWd/t is the average burnup of the second internal blanket region 14 at the end of the operation cycle. Curves a in FIGS. 6 and 7 are depleted uranium oxides commonly used in blankets at zero burnup, and curves b are fissionable plutonium enrichment of 0.4 wt% at zero burnup. MOX fuel with a composition of 239 enrichment of 0.3 wt%, curve c shows fissionable plutonium enrichment of 1.1 wt% at burnup of zero and MOX composition of plutonium 239 enrichment of 0.9 wt% It is fuel. In FIG. 6 in which the burnup is zero, the curve a used as a blanket of depleted uranium oxide has no void accumulation of plutonium 239. Is more negative. On the other hand, in FIG. 7 in which combustion progressed, the curve c of the low enrichment MOX fuel has a void from the curve a using the depleted uranium oxide as a blanket in the entire range of H/HM from 0.6 to 2.1. The reactivity coefficient deteriorates.

内部ブランケット領域(第1内部ブランケット領域13、第2内部ブランケット領域14)のチャンネルボックス2内のH/HMを2.1より大きくするためにはボイド率を減らすのみならず、燃料棒3を細径化し、冷却水の領域を増やす必要があり転換比が悪化する。一方、チャンネルボックス2内のH/HMを0.6より小さくして中性子スペクトルをより硬くすると、図5より限りなく燃焼度ゼロに近い点、すなわち、燃焼直後を除いて、MOX燃料は劣化ウラン酸化物よりボイド反応度係数が悪化する。 In order to make H/HM in the channel box 2 of the inner blanket region (first inner blanket region 13, second inner blanket region 14) larger than 2.1, not only the void ratio is reduced, but also the fuel rod 3 is thinned. It is necessary to increase the diameter and increase the area of the cooling water, which deteriorates the conversion ratio. On the other hand, when H/HM in the channel box 2 is made smaller than 0.6 and the neutron spectrum is made harder, the MOX fuel is depleted uranium except at the point where burnup is as close to zero as possible, that is, immediately after combustion. The void reactivity coefficient is worse than that of oxide.

図8は、第2内部ブランケット領域14の横断面(水平断面)について、燃焼度ゼロにおけるチャンネルボックス2内のH/HMを0.6とし、チャンネルボックス2内の定格出力時の平均ボイド率を、図1の右図に示す横断面を二次元体系で燃焼させた時の燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。すなわち、H/HMが0.6の第2内部ブランケット領域14の横断面(水平断面)における燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。図8において、曲線aは、燃焼度ゼロにおいてブランケットに通常用いられている劣化ウラン酸化物であり、曲線bは、燃焼度ゼロにおいて核分裂性プルトニウム富化度0.4wt%であり、プルトニウム239富化度0.3wt%の組成を有するMOX燃料、曲線cは、燃焼度ゼロにおいて核分裂性プルトニウム富化度1.1wt%であり、プルトニウム239富化度0.9wt%の組成を有するMOX燃料である。図8に示すように、チャンネルボックス2内のH/HMを0.6より小さくして中性子スペクトルをより硬くする(高エネルギー側にシフトする)と、燃焼度がゼロから少し進むと低富化度MOX燃料(曲線b及び曲線c)は劣化ウラン酸化物(曲線a)よりボイド反応度係数が悪化することが分かった。 FIG. 8 shows the average void fraction in the channel box 2 at the rated output when the H/HM in the channel box 2 at the burnup of zero is 0.6 for the transverse section (horizontal section) of the second internal blanket region 14. 1 shows changes in the void reactivity coefficient with respect to burnup when the cross section shown in the right side of FIG. 1 is burned in a two-dimensional system. That is, it is a graph showing the change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup in the cross section (horizontal section) of the second internal blanket region 14 where H/HM is 0.6. In FIG. 8, curve a is the depleted uranium oxide normally used for blankets at zero burnup, curve b is a fissionable plutonium enrichment of 0.4 wt% at zero burnup, and plutonium 239 enrichment. MOX fuel with a composition of 0.3 wt% enrichment, curve c is a MOX fuel with a fissionable plutonium enrichment of 1.1 wt% at zero burnup and a composition of plutonium 239 enrichment of 0.9 wt%. is there. As shown in FIG. 8, when H/HM in the channel box 2 is made smaller than 0.6 to make the neutron spectrum harder (shifted to the high energy side), the enrichment becomes low when the burnup progresses slightly from zero. It was found that the MOX fuels (curve b and curve c) have a worse void reactivity coefficient than the depleted uranium oxide (curve a).

図9は、第1内部ブランケット領域及び第2内部ブランケット領域のプルトニウム239富化度に対する、沸騰水型原子炉のボイド反応度係数の変化を示すグラフである。すなわち、図9は、図1の左図に示す第1内部ブランケット領域13及び第2内部ブランケット領域14を劣化ウラン酸化物から低富化度MOXに変更したときの図1の左図に示す燃料集合体1を装荷した図2の炉心22のボイド反応度係数を低富化度MOXのプルトニウム239富化度に対してプロットしたグラフである。図1の左図に示す上部ブランケット11は劣化ウラン酸化物、燃料領域12は核分裂性プルトニウム富化度26wt%の高富化度MOX燃料を装荷している。炉心22は熱出力3926MW、取り出し燃焼度45GWd/tである。プルトニウム239富化度ゼロの点は従来のブランケットとして劣化ウラン酸化物を用いた場合(以下、劣化ウラン酸化物ブランケットと称する)を示している。図9より内部ブランケット領域(第1内部ブランケット領域13、第2内部ブランケット領域14)にプルトニウム239富化度1.0wt%までの低富化度MOXを装荷することにより、従来の劣化ウラン酸化物ブランケットよりボイド反応度係数をより負にすることができた。図9の曲線aにて示されるようにボイド反応度係数はプルトニウム239富化度0.3wt%のとき最小の−11pcm/%voidとなった。 FIG. 9 is a graph showing changes in the void reactivity coefficient of a boiling water reactor with respect to the plutonium 239 enrichment in the first inner blanket region and the second inner blanket region. That is, FIG. 9 shows the fuel shown in the left diagram of FIG. 1 when the first internal blanket region 13 and the second internal blanket region 14 shown in the left diagram of FIG. 1 are changed from depleted uranium oxide to low enrichment MOX. 3 is a graph in which the void reactivity coefficient of the core 22 of FIG. 2 loaded with the assembly 1 is plotted against the enrichment degree of plutonium 239 having a low enrichment degree MOX. The upper blanket 11 shown on the left side of FIG. 1 is loaded with depleted uranium oxide, and the fuel region 12 is loaded with highly enriched MOX fuel having a fissionable plutonium enrichment of 26 wt %. The core 22 has a heat output of 3926 MW and a take-out burnup of 45 GWd/t. The point where the plutonium 239 enrichment is zero indicates the case where a deteriorated uranium oxide is used as a conventional blanket (hereinafter referred to as a deteriorated uranium oxide blanket). As shown in FIG. 9, by loading a low enrichment MOX of plutonium 239 enrichment up to 1.0 wt% in the inner blanket region (first inner blanket region 13, second inner blanket region 14), the conventional depleted uranium oxide The void reactivity coefficient could be made more negative than the blanket. As shown by the curve a in FIG. 9, the void reactivity coefficient became the minimum of −11 pcm/% void when the plutonium 239 enrichment was 0.3 wt %.

以上のとおり、本実施例では、燃料集合体1は、炉心22が定格出力で運転されている状態で軸方向に(冷却水の流れの方向に沿って)高出力の燃料領域12と低出力の燃料領域(第1内部ブランケット領域13、第2内部ブランケット領域14)を備える。そして、炉心22が定格出力で運転されている状態で、燃料集合体の1のチャンネルボックス2内のウラン核種と超ウラン核種の合計の個数密度に対する水素の個数密度の比(H/HM)が0.6以上2.0以下であり、且つ、燃焼度ゼロの燃料集合体1の低出力の燃料領域(第1内部ブランケット領域13、第2内部ブランケット領域14)は、燃料のウラン核種及び超ウラン核種に占める核分裂性プルトニウム(プルトニウム239)が0.1wt%以上1.0wt%以下となるよう超ウラン核種を劣化ウラン酸化物に富化する。これにより、運転中に中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉におけるボイド反応度係数を改善し、原子炉の安全性を向上し得る燃料集合体1を実現できる。また、上述の燃料集合体1を炉心22に装荷することにより、運転中に中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉におけるボイド反応度係数を改善し、原子炉の安全性を向上し得る沸騰水型原子炉を実現できる。 As described above, in the present embodiment, the fuel assembly 1 has the high-power fuel region 12 and the low-power output in the axial direction (along the direction of the flow of the cooling water) while the core 22 is operating at the rated output. Fuel region (first internal blanket region 13, second internal blanket region 14). When the core 22 is operating at the rated output, the ratio (H/HM) of the number density of hydrogen to the total number density of the uranium nuclide and the transuranium nuclide in the channel box 2 of 1 of the fuel assembly is The low-power fuel region (first internal blanket region 13, second internal blanket region 14) of the fuel assembly 1 having a burnup of 0.6 or more and 2.0 or less and a burnup of zero is the uranium nuclide of the fuel and the The transuranic nuclide is enriched with depleted uranium oxide so that the fissile plutonium (plutonium 239) in the uranium nuclide becomes 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less. As a result, it is possible to realize the fuel assembly 1 capable of improving the void reactivity coefficient in the boiling water reactor in which the neutron spectrum is hardened during operation and improving the safety of the reactor. Further, by loading the above-described fuel assembly 1 into the core 22, it is possible to improve the void reactivity coefficient in the boiling water reactor in which the neutron spectrum is hardened during the operation and to improve the safety of the reactor. A water reactor can be realized.

本実施例によれば、運転中に中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉におけるボイド反応度係数を改善し、原子炉の安全性を向上し得る燃料集合体及びそれを装荷する沸騰水型原子炉の炉心を実現することが可能となる。 According to the present embodiment, the boiling reactivity of the fuel assembly and the fuel assembly that can improve the safety of the reactor by improving the void reactivity coefficient in the boiling water reactor in which the neutron spectrum is hardened during operation are improved. It becomes possible to realize the core of a nuclear reactor.

図10は、本発明の他の実施例に係る実施例2の燃料集合体の横断面図(水平断面図)であり、図11は、H/HMが1.8の第2内部ブランケット領域の横断面(水平断面)における燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示すグラフである。本実施例では、燃料集合体の横断面(水平断面)内において、最外周に配される燃料棒の内部ブランケット領域のみに低富化度MOX燃料を充填し、最外周に配される燃料棒以外の燃料棒の内部ブランケット領域に劣化ウラン酸化物を充填する構成とした点が実施例1と異なる。実施例1と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例1と重複する説明を省略する。 FIG. 10 is a cross-sectional view (horizontal cross-sectional view) of a fuel assembly of Example 2 according to another embodiment of the present invention, and FIG. 11 shows a second internal blanket region of H/HM of 1.8. It is a graph which shows change of a void reactivity coefficient with respect to burnup in a cross section (horizontal section). In the present embodiment, in the cross section (horizontal section) of the fuel assembly, the low enrichment MOX fuel is filled only in the inner blanket region of the fuel rod arranged in the outermost periphery, and the fuel rods arranged in the outermost periphery are filled. It differs from the first embodiment in that it is configured to fill the depleted uranium oxide in the inner blanket region of the fuel rods other than the above. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the duplicated description of the first embodiment will be omitted below.

図10は、上述の実施例1において図1の左図に示した燃料集合体1の横断面図(水平断面)に対応する。上述の実施例1において図6及び図7に示したように、H/HMが大きいほど低富化度MOX燃料のボイド反応度係数が劣化ウラン酸化物より負側となる。図10のギャップ水領域4は飽和水であるので、図10の最外周に配される(チャンネルボックス2に最も近接して配される)燃料棒3aは、それ以外の燃料棒3bよりH/HMが大きい。そこで第1内部ブランケット領域13において低富化度MOX燃料を最外周に配される燃料棒3aのみに充填し、燃料棒3bの第1内部ブランケット領域13には劣化ウラン酸化物を充填したときのボイド反応度係数の燃焼変化を、上述の実施例1における図4と同様に示した図が図11である。すなわち、燃料集合体1の第1内部ブランケット領域13について、チャンネルボックス2内の定格出力時の平均ボイド率を、図10に示す横断面を二次元体系で燃焼させたときの燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。ここで、燃焼度ゼロにおけるチャンネルボックス2内のH/HMは1.8である。 FIG. 10 corresponds to the cross-sectional view (horizontal cross section) of the fuel assembly 1 shown in the left diagram of FIG. 1 in the above-described first embodiment. As shown in FIGS. 6 and 7 in Example 1 described above, the larger the H/HM, the more negative the void reactivity coefficient of the low enrichment MOX fuel becomes with respect to the depleted uranium oxide. Since the gap water region 4 in FIG. 10 is saturated water, the fuel rods 3a arranged at the outermost circumference (placed closest to the channel box 2) in FIG. 10 are higher in H/ than other fuel rods 3b. HM is large. Therefore, when the low enrichment MOX fuel is filled only in the fuel rods 3a arranged at the outermost periphery in the first inner blanket region 13, and when the first inner blanket region 13 of the fuel rods 3b is filled with depleted uranium oxide. FIG. 11 is a diagram showing the combustion change of the void reactivity coefficient in the same manner as FIG. 4 in the above-described first embodiment. That is, for the first internal blanket region 13 of the fuel assembly 1, the average void fraction at the rated output in the channel box 2 is the void reaction with respect to the burnup when the cross section shown in FIG. 10 is burned in a two-dimensional system. The change in the frequency coefficient is shown. Here, H/HM in the channel box 2 at a burnup of zero is 1.8.

図11において、曲線aは、ブランケットに通常用いられている劣化ウラン酸化物の燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。また、曲線bは、燃料棒3a及び燃料棒3bの全てを、核分裂性プルトニウム富化度0.4wt%であり、プルトニウム239富化度0.3wt%のMOX燃料としたときの燃焼度に対するボイド反応度係数の変化を示している。これら曲線a及び曲線bは、上述の実施例1において図4に示した曲線a及び曲線bと同一である。曲線cは、図11に示す最外周に配される燃料棒3aにプルトニウム239富化度1.7wt%の低富化度MOX燃料を充填すると共に、燃料棒3bに劣化ウラン酸化物を充填して断面平均のプルトニウム239富化度を曲線bと同一(0.3wt%)とした横断面(水平断面)のボイド反応度係数を示している。曲線bと曲線cは断面平均のプルトニウム239富化度は0.3wt%と同一であるが、曲線cは曲線bよりボイド反応度係数をより負側にできることが確認できた。第2内部ブランケット領域14においても同様の効果が得られることを確認できている。 In FIG. 11, a curve a shows the change in the void reactivity coefficient with respect to the burnup of depleted uranium oxide that is usually used for blankets. The curve b is a void with respect to burnup when all the fuel rods 3a and 3b have a fissionable plutonium enrichment of 0.4 wt% and MOX fuel with a plutonium 239 enrichment of 0.3 wt%. The change in reactivity coefficient is shown. These curves a and b are the same as the curves a and b shown in FIG. 4 in the above-described first embodiment. A curve c shows that the fuel rods 3a arranged at the outermost periphery shown in FIG. 11 are filled with a low enrichment MOX fuel having a plutonium 239 enrichment of 1.7 wt% and the fuel rods 3b are filled with depleted uranium oxide. 2 shows the void reactivity coefficient of the horizontal cross section (horizontal cross section) in which the cross section average plutonium 239 enrichment is the same as the curve b (0.3 wt %). It was confirmed that the curve b and the curve c have the same cross-sectional average plutonium 239 enrichment of 0.3 wt %, but the curve c can have a void reactivity coefficient more negative than that of the curve b. It has been confirmed that the same effect can be obtained in the second inner blanket region 14.

図2に示す熱出力3926MW、取り出し燃焼度45GWd/tの炉心22に図11の曲線cの燃料棒構成を配置した燃料集合体1を装荷した炉心22のボイド反応度係数は−15pcm/%voidと、上述の実施例1の構成と比較してより負のボイド反応度係数となった。 The void reactivity coefficient of the core 22 loaded with the fuel assembly 1 in which the fuel rod configuration of the curve c of FIG. 11 is arranged in the core 22 with the heat output of 3926 MW and the take-out burnup of 45 GWd/t shown in FIG. 2 is −15 pcm/% void Then, the void reactivity coefficient was more negative than that of the above-described configuration of Example 1.

以上のとおり、本実施例によれば、実施例1の効果に加え、実施例1の構成よりも更にボイド反応度係数を負側とすることができ、より一層、ボイド反応度係数を改善することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, the void reactivity coefficient can be set to the negative side as compared with the configuration of the first embodiment, and the void reactivity coefficient is further improved. It becomes possible.

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

1・・・燃料集合体
2・・・チャンネルボックス
3,3a,3b・・・燃料棒
4・・・ギャップ水領域
5・・・十字型制御棒
6・・・水排除板
11・・・上部ブランケット
12・・・燃料領域
13・・・第1内部ブランケット領域
14・・・第2内部ブランケット領域
20・・・改良型沸騰水型原子炉
21・・・原子炉圧力容器
22・・・炉心
23・・・炉心支持板
24・・・上部格子板
25・・・燃料支持金具
26・・・炉心シュラウド
27・・・ダウンカマ
28・・・気水分離器
29・・・蒸気乾燥器
30・・・シュラウドヘッド
31・・・インターナルポンプ
32・・・制御棒案内管
33・・・制御棒駆動機構
34・・・下鏡
35・・・主蒸気配管
36・・・給水配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Fuel assembly 2... Channel box 3, 3a, 3b... Fuel rod 4... Gap water area 5... Cross control rod 6... Water exclusion plate 11... Upper part Blanket 12... Fuel region 13... First inner blanket region 14... Second inner blanket region 20... Improved boiling water reactor 21... Reactor pressure vessel 22... Core 23・・・Core support plate 24 ・・・Upper lattice plate 25 ・・・Fuel support fitting 26 ・・・Core shroud 27 ・・・Downcomer 28 ・・・Steam separator 29 ・・・Steam dryer 30 ・・・Shroud head 31...Internal pump 32...Control rod guide pipe 33...Control rod drive mechanism 34...Bottom mirror 35...Main steam pipe 36...Water supply pipe

Claims (10)

沸騰水型原子の炉心に正方格子状に装荷される燃料集合体であって、
前記燃料集合体は、炉心が定格出力で運転されている状態で軸方向に高出力の燃料領域及び低出力のブランケット領域を備え、
炉心が定格出力で運転されている状態で、前記燃料集合体のチャンネルボックス内のウラン核種と超ウラン核種の合計の個数密度に対する水素の個数密度の比が0.6以上2.1以下であり、且つ、燃焼度ゼロの燃料集合体の前記低出力のブランケット領域は、燃料のウラン核種及び超ウラン核種に占めるプルトニウム239が0.1wt%以上1.0wt%以下となるよう前記超ウラン核種が劣化ウラン酸化物に富化されていることを特徴とする燃料集合体。
A fuel assembly loaded in a tetragonal lattice on a boiling water atom core,
The fuel assembly includes a high-power fuel region and a low-power blanket region in the axial direction in a state where the core is operated at a rated power,
The ratio of the number density of hydrogen to the total number density of the uranium nuclide and the transuranium nuclide in the channel box of the fuel assembly is 0.6 or more and 2.1 or less in the state where the core is operated at the rated output. In the low-power blanket region of the fuel assembly with zero burnup, the plutonium 239 occupying the uranium nuclide and the transuranium nuclide of the fuel is 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less A fuel assembly characterized by being enriched in depleted uranium oxide.
請求項1に記載の燃料集合体において、
前記低出力のブランケット領域は、
軸方向において下側であって燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に沿って上流側に配される第1内部ブランケット領域と、
軸方向において上側であって燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に沿って下流側に配される第2内部ブランケット領域と、を備え、
前記第2内部ブランケット領域は、前記高出力の燃料領域を介して前記第1内部ブランケット領域の上方に配されることを特徴とする燃料集合体。
The fuel assembly according to claim 1, wherein
The low power blanket area is
A first internal blanket region disposed axially downward and upstream in the direction of the flow of cooling water flowing into the fuel assembly;
A second internal blanket region disposed axially on the upper side and on the downstream side in the direction of the flow of the cooling water flowing into the fuel assembly;
The fuel assembly, wherein the second inner blanket region is disposed above the first inner blanket region through the high-power fuel region.
請求項2に記載の燃料集合体において、
前記第1内部ブランケット領域の下方に配される高出力の燃料領域と、前記第2内部ブランケット領域の上方に配される高出力の燃料領域とを備え、
前記第1内部ブランケット領域の下方に配される高出力の燃料領域の下端部から前記第2内部ブランケット領域の上方に配される高出力の燃料領域の上端部までの長さである燃料有効長さが180cmであることを特徴とする燃料集合体。
The fuel assembly according to claim 2,
A high power fuel region disposed below the first internal blanket region and a high power fuel region disposed above the second internal blanket region;
The active fuel length, which is the length from the lower end of the high-power fuel region disposed below the first internal blanket region to the upper end of the high-power fuel region disposed above the second internal blanket region. The fuel assembly has a size of 180 cm.
請求項1に記載の燃料集合体において、
前記チャンネルボックス内に三角稠密に配される複数の燃料棒を有し、
前記複数の燃料棒は、最外周に配される第1の燃料棒と最外周を除く領域に配される第2の燃料棒からなり、ウラン核種及び超ウラン核種に占めるプルトニウム239の低出力のブランケット領域の横断面における平均割合が0.1wt%以上1.0wt%以下となるように、前記第1の燃料棒にのみ超ウラン核種を劣化ウラン酸化物に富化すると共に、前記第2の燃料棒は劣化ウラン酸化物のみが充填されていることを特徴とする燃料集合体。
The fuel assembly according to claim 1, wherein
A plurality of fuel rods arranged in a triangular close-packed manner in the channel box,
The plurality of fuel rods are composed of a first fuel rod arranged in the outermost periphery and a second fuel rod arranged in a region excluding the outermost periphery, and have a low output of plutonium 239 among uranium nuclides and transuranium nuclides. The transuranic nuclide is enriched in the depleted uranium oxide only in the first fuel rod so that the average ratio in the cross section of the blanket region is 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less, and the second uranium nuclide is enriched in the second fuel rod. A fuel assembly in which the fuel rods are filled only with depleted uranium oxide.
請求項4に記載の燃料集合体において、
前記低出力のブランケット領域は、
軸方向において下側であって燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に沿って上流側に配される第1内部ブランケット領域と、
軸方向において上側であって燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に沿って下流側に配される第2内部ブランケット領域と、を備え、
前記第2内部ブランケット領域は、前記高出力の燃料領域を介して前記第1内部ブランケット領域の上方に配されることを特徴とする燃料集合体。
The fuel assembly according to claim 4,
The low power blanket area is
A first internal blanket region disposed axially downward and upstream in the direction of the flow of cooling water flowing into the fuel assembly;
A second internal blanket region disposed axially on the upper side and on the downstream side in the direction of the flow of the cooling water flowing into the fuel assembly;
The fuel assembly, wherein the second inner blanket region is disposed above the first inner blanket region through the high-power fuel region.
正方格子状に複数体の燃料集合体が装荷される沸騰水型原子炉の炉心であって、
前記燃料集合体は、炉心が定格出力で運転されている状態で軸方向に高出力の燃料領域及び低出力のブランケット領域を備え、
炉心が定格出力で運転されている状態で、前記燃料集合体のチャンネルボックス内のウラン核種と超ウラン核種の合計の個数密度に対する水素の個数密度の比が0.6以上2.1以下であり、且つ、燃焼度ゼロの燃料集合体の前記低出力のブランケット領域は、燃料のウラン核種及び超ウラン核種に占めるプルトニウム239が0.1wt%以上1.0wt%以下となるよう前記超ウラン核種が劣化ウラン酸化物に富化されていることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
A core of a boiling water reactor in which a plurality of fuel assemblies are loaded in a square lattice,
The fuel assembly includes a high-power fuel region and a low-power blanket region in the axial direction in a state where the core is operated at a rated power,
The ratio of the number density of hydrogen to the total number density of the uranium nuclide and the transuranium nuclide in the channel box of the fuel assembly is 0.6 or more and 2.1 or less in the state where the core is operated at the rated output. In the low-power blanket region of the fuel assembly with zero burnup, the plutonium 239 occupying the uranium nuclide and the transuranium nuclide of the fuel is 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less A boiling water reactor core characterized by being enriched in depleted uranium oxide.
請求項6に記載の沸騰水型原子炉の炉心において、
前記低出力のブランケット領域は、
軸方向において下側であって燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に沿って上流側に配される第1内部ブランケット領域と、
軸方向において上側であって燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に沿って下流側に配される第2内部ブランケット領域と、を備え、
前記第2内部ブランケット領域は、前記高出力の燃料領域を介して前記第1内部ブランケット領域の上方に配されることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
The core of the boiling water reactor according to claim 6,
The low power blanket area is
A first internal blanket region disposed axially downward and upstream in the direction of the flow of cooling water flowing into the fuel assembly;
A second internal blanket region disposed axially on the upper side and on the downstream side in the direction of the flow of the cooling water flowing into the fuel assembly;
The core of a boiling water nuclear reactor, wherein the second inner blanket region is disposed above the first inner blanket region through the high-power fuel region.
請求項7に記載の沸騰水型原子炉の炉心において、
前記第1内部ブランケット領域の下方に配される高出力の燃料領域と、前記第2内部ブランケット領域の上方に配される高出力の燃料領域とを備え、
前記第1内部ブランケット領域の下方に配される高出力の燃料領域の下端部から前記第2内部ブランケット領域の上方に配される高出力の燃料領域の上端部までの長さである燃料有効長さが180cmであることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
The core of the boiling water reactor according to claim 7,
A high power fuel region disposed below the first internal blanket region and a high power fuel region disposed above the second internal blanket region;
The active fuel length, which is the length from the lower end of the high-power fuel region disposed below the first internal blanket region to the upper end of the high-power fuel region disposed above the second internal blanket region. A core of a boiling water reactor characterized by having a diameter of 180 cm.
請求項6に記載の沸騰水型原子炉の炉心において、
前記チャンネルボックス内に三角稠密に配される複数の燃料棒を有し、
前記複数の燃料棒は、最外周に配される第1の燃料棒と最外周を除く領域に配される第2の燃料棒からなり、ウラン核種及び超ウラン核種に占めるプルトニウム239の低出力のブランケット領域の横断面における平均割合が0.1wt%以上1.0wt%以下となるように、前記第1の燃料棒にのみ超ウラン核種を劣化ウラン酸化物に富化すると共に、前記第2の燃料棒は劣化ウラン酸化物のみが充填されていることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
The core of the boiling water reactor according to claim 6,
A plurality of fuel rods arranged in a triangular close-packed manner in the channel box,
The plurality of fuel rods are composed of a first fuel rod arranged in the outermost periphery and a second fuel rod arranged in a region excluding the outermost periphery, and have a low output of plutonium 239 among uranium and transuranium nuclides. The transuranic nuclide is enriched in the depleted uranium oxide only in the first fuel rod so that the average ratio in the cross section of the blanket region is 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less, and the second uranium nuclide is enriched in the second fuel rod. The boiling water reactor core is characterized in that the fuel rods are filled only with depleted uranium oxide.
請求項9に記載の沸騰水型原子炉の炉心において、
前記低出力のブランケット領域は、
軸方向において下側であって燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に沿って上流側に配される第1内部ブランケット領域と、
軸方向において上側であって燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に沿って下流側に配される第2内部ブランケット領域と、を備え、
前記第2内部ブランケット領域は、前記高出力の燃料領域を介して前記第1内部ブランケット領域の上方に配されることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
The core of the boiling water reactor according to claim 9,
The low power blanket area is
A first internal blanket region disposed axially downward and upstream in the direction of the flow of cooling water flowing into the fuel assembly;
A second internal blanket region disposed axially on the upper side and on the downstream side in the direction of the flow of the cooling water flowing into the fuel assembly;
The core of a boiling water nuclear reactor, wherein the second inner blanket region is disposed above the first inner blanket region through the high-power fuel region.
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