JPS6133393B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は沸騰水型原子炉に係り、特に炉心構成
の改良に関する。

沸騰水型原子炉においては、炉心反応度調整の
為に、制御棒を使用している。原子炉運転初期か
ら燃料交換の為の炉停止時までの時間（１サイク
ルと称する）を考えると、炉心の余剰反応度をお
さえる為に制御棒が挿入される。沸騰水型原子炉
における制御棒は十字型をしており、制御棒が挿
入された位置の燃料集合体（以後制御棒セルと記
す）の燃料の燃焼の進み方は、制御棒が挿入され
ていない燃料集合体のそれに比べて遅く、したが
つてウラン235の核分裂の割合は制御棒が挿入さ
れていないバンドルに比べて小さい。炉心に挿入
される制御棒密度は、炉心余剰反応度が小さくな
るにつれて小さくなつていくが、サイクルを通じ
て制御棒が挿入される期間の長い燃料集合体程、
燃料の燃焼の進み方は遅くなる。したがつて長期
間制御棒が挿入された燃料集合体程、その燃料集
合体の燃焼に伴う反応度損失は、制御棒が挿入さ
れない燃料集合体のそれに比べて小さい為に、制
御棒が引抜かれた時制棒セルの出力は急激に大き
くなり、時には炉心全体で最大出力を出す燃料集
合体になる可能性があり、燃料の健全性上好まし
くない。

そこで１サイクル中、特定の制御棒が長期間挿
入の状態をさける為には制御棒の配列（以後パタ
ーンという）を大巾に変える必要があるが、その
パターン変更時に、それまで挿入されていた制御
棒を引抜く操作があるが、その際引き抜かれる制
御棒のセルの出力の急激な上昇はさけられない。
この為、制御棒操作時は炉心出力を下げておこな
うなどの方式をとつているが、これが設備利用率
を下げる要因となつている。一方、炉心内の燃料
集合体出力分布を炉心中心から炉心最外周部へ、
炉心半径方向にみた時の出力分布（以後径方向出
力分布と記す）は、炉心中心部で大きく、炉心最
外周で最低となる。これは炉心最外周部の燃料集
合体からの炉心の外への中性子のもれが炉心内で
最大であるためである。そのため、径方向出力分
布の炉心の中心と最外周部での勾配が大きい程、
炉心中心部燃料集合体に大きな出力が集中するこ
とになり、やはり燃料健全性上好ましくない。

本発明は上記の事情に基きなされたもので、１
サイクル中、特定の制御棒の長期間の挿入状態を
可能にし、パターン変更回数を低減することによ
り設備利用率の向上を図り、同時に制御棒セルの
出力を制御棒引抜時にも低くおさえるとともに、
径方向出力分布の勾配をゆるやかにすることによ
り燃料の健全性の向上を図ることを目的としてい
る。

本発明においては１サイクル中で挿入及び引抜
き操作をする制御棒を固定しておき、それら制御
棒セルの燃料濃縮度は制御棒が挿入されないバン
ドルの燃料濃縮度より低くしたものを使用するこ
とにより、制御棒引抜き時における出力を低くお
さえる事を実現する。又、制御棒セルの燃料濃縮
度を２種類以上とし、炉心半径方向にみて炉心中
心部近くでは最も低い濃縮度の制御棒セルを用
い、炉心外周部に向つて同心円上に、濃縮度の高
い制御棒セルを配列することにより、径方向出力
分布の平担化を実現する。但し、２種類以上の制
御棒セルの濃縮度は、制御棒が挿入されない燃料
集合体のそれに比べて低いことは上記の通りであ
る。

第１図は炉心の横断面を模式的に示したもので
十字型の記号は制御棒１０であり、十字型の記号
の各象限に書かれた数字１，２，３は各々種類の
異る燃料集合体１，２，３を表わす。

３種類の燃料集合体のうち燃料集合体１が最大
の濃縮度を有し、燃料集合体１に接する制御棒は
原子炉運転中操作されず引抜かれたままの状態で
ある。第１図で燃料集合体２，３が制御棒セルと
なり、炉心中心に近い燃料集合体３が最も低濃縮
度燃料であり、炉心周辺部に在る燃料集合体２は
燃料集合体３より濃縮度は高いが燃料集合体１よ
り低い燃料濃縮度である。

第２図は横軸に炉心中心と炉心最外周を結ぶ炉
心径方向をとり、縦軸に制御棒が挿入されないと
きの燃料集合体出力（相対値）を示したものであ
る。第２図で、曲線Ａは炉心内に低濃縮度制御棒
セルを使用せず、１種類の燃料集合体のみを使用
して炉心を構成したときの出力分布である。曲線
Ｂは１種類の制御棒セル（燃料集合体２と燃料集
合体３の濃縮度が同じ場合）を用いたときの燃料
集合体出力分布である。曲線Ｂの凹部が制御棒セ
ルに対応する部分である。曲線Ｂの凸部分と曲線
Ａの凹を比較すると、曲線Ｂの方が径方向出力分
布がゆるやかである。

これは、制御棒セルの存在によつて炉心中央部
の制御棒セルのバンドル出力が下がるがこのこと
によつて制御棒セル周辺のバンドル出力も低くな
ることによる。しかしながら、１種類の制御棒セ
ルを使用するときは、炉心周辺部のもともと出力
分担が少ない制御棒セルについても大きな出力低
下をもたらす低濃緒燃料を入れることになる。従
つて、実際の運転時において炉周辺部（第２図γ
又はδ）に制御棒が挿入される場合には、制御棒
セル（γ又はδ）の出力が下がりすぎ径方向の出
力分布の平担化にあまり大きな効果が得られなく
なる。

第２図曲線Ｃは本発明による制御棒セルを使用
したときであり２種類の制御棒セルを用いた場合
である。曲線Ｃと曲線Ｂを比べるとわかるように
曲線Ｃの方が炉心周辺部での出力が曲線Ｂのそれ
よりも大きく、径方向出力分布の平担化の効果は
曲線Ｂの場合より顕著である。

これは、本発明の場合炉周辺部の制御棒セル
（γ又はδ）には炉中央部の制御棒セル（α又は
β）よりも濃縮度の高い燃料集合体を配している
ために周辺部の燃料集合体出力が上記一様燃料炉
心、一種類の制御棒セルを用いた炉心に較べて本
発明の場合、制御棒セルの燃料集合体及び制御棒
セルの周囲の燃料集合体共により高くなり、また
相対的に炉心中央部の燃料集合体出力は、本発明
では前二者の炉心より低くなり、径方向出力分布
の平担化効果が顕著である。

また、実際の運転で制御棒を挿入して運転する
場合でも炉周辺部の制御棒セル（γ又はδ）の出
力が一種類の制御棒セルを用いた炉心程低下しな
い。

従つて、径方向の出力分布の平担化効果は前二
者の炉心に対して最も顕著である。

第３図は第１図中に示した燃料集合体１の濃縮
度を2.2w／ｏ、燃料集合体２の濃縮度を1.8w／
ｏ、燃料集合体３の濃縮度を1.2w／ｏとし、110
万KWe級の沸騰水型原子炉に対して、燃焼初期
より燃料取替のため炉停止までの期間（サイクル
という）の運転計画（制御棒の配列（パターン）
の変化）を1/4炉心について示したものであり、
第３図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉはそ
れぞれ燃焼度0GWd／ｔ、0.2GWd／ｔ、
1.5GWd／ｔ、3.0GWd／ｔ、4.5GWd／ｔ、
6.0GWd／ｔ、7.5GWd／ｔ、9.0GWd／ｔ、
10GWd／ｔでの制御棒パターンである。

なお第３図は炉心の1/4を示し、あとの3/4は省
略している。また、一つの□は制御棒１０１体に
対しその周辺に４体の燃料集合体を収容した単位
セルを示し、この単位セル内に示された数字は制
御棒の引抜かれる割合を示し、４８は全引抜、０
は全挿入を示す。さらに数字が示されていない単
位セルは全引抜きを示している。

第４図は上記運転計画での制御棒密度の推移を
示したものである。Ｍは中央部の制御棒セル、Ｎ
は周辺部の制御棒セルを表わす。第３図、第４図
に示されるようにサイクル初期および中期までは
２種類の制御棒セルの制御棒を用いるが、サイク
ル末期付近では中央部の制御棒セルの制御棒のみ
が挿入されサイクル末期では全制御棒が引抜れて
いる。

第５図は、第３図に示した運転計画をとつたと
きの熱的制限値中の最大線出力密度（本実施例で
の許容最大線出力密度は13.4KW／ftである）に
注目したものである。

ここに、第５図は横軸に１サイクルの炉心平均
燃焼度（GWD／ｔ）を、縦軸に燃料集合体の最
大出力密度（KW／ft）をとつたもので、本発明
による制御棒セルを２種類使用した場合の効果の
１例を表わしている。第５図のＰ、Ｑ、Ｒは各々
第１図中の燃料集合体１，２，３に対応してい
る。第５図からわかるように制御棒セルの出力密
度Ｑ、ＲはＰよりも低くなつており、長期間特定
の制御棒のみによる運転を行つても、燃料健全性
をそこなうことなく十分な熱的余裕をもつて運転
できる事を示している。

以上述べたごとく、本発明によればサイクルを
通じて、炉心の径方向の出力分布（燃料集合体出
力分布）は、平担に保たれ、運転中に使用する制
御棒を特定し、これら特定された制御棒をもつて
炉心の反応度調節をサイクル末期に近ずくにつれ
て徐々に引抜くことによつて、即ち、大巾な制御
棒のパターン変更を要せずに行うことができるた
め、従来必要であつた制御棒パターン変更時の出
力低下が著しく少くなることによつて設備利用率
向上に対する寄与が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を模式的に示す炉心
の横断面図、第２図は本発明の効果の説明図、第
３図は本発明を適用した運転計画での制御棒パタ
ーンの推移を示す図、第４図は燃焼度に対する制
御棒密度の変化を示す図、第５図は本発明の効果
の説明図である。 １……燃料集合体、２……燃料集合体、３……
燃料集合体、１０……制御棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 制御棒と、この制御棒の周囲に配置される４
   体の燃料集合体と、この４体の燃料集合体に対し
   ほぼ１体の割で前記制御棒を配置してなる炉心
   と、この炉心を主要部に配置してなる原子炉にお
   いて、前記燃料集合体に収納されるウラン235の
   濃縮度は３種類以上からなり、原子炉運転期間を
   通してパターン変更のために操作されない制御棒
   周囲は濃縮度の最も高い第１の燃料集合体で構成
   され、原子炉運転期間を通してパターン変更のた
   めに操作されかつ炉心の中心軸に近い制御棒周囲
   は最も濃縮度の低い第３の燃料集合体で構成さ
   れ、原子炉運転期間を通してパターン変更のため
   に操作されかつ炉心周辺部に近い制御棒周囲は前
   記第３の燃料集合体より濃縮度の高い第２の燃料
   集合体で構成されて成ることを特徴とする原子
   炉。 ２ 第１の燃料集合体の濃縮度Ａと、第２の燃料
   集合体の濃縮度Ｂと、第３の燃料集合体の濃縮度
   Ｃは、Ａ＞Ｂ＞Ｃなる関係にあることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の原子炉。