JPS6134639B2

JPS6134639B2 -

Info

Publication number: JPS6134639B2
Application number: JP54164501A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Shirakawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1979-12-18
Publication date: 1986-08-08
Also published as: JPS5687891A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は沸騰水形原子炉等の炉心構造に関す
る。一般に沸騰水形原子炉は断面十字形の制御棒の
周囲に４体の燃料集合体を配置して単位格子を形
成し、この単位格子を配列して炉心を構成してい
る。そして、この単位格子内には未燃焼の燃料集
合体、１炉心年燃焼して燃料集合体、２炉心年燃
焼した燃料集合体および３炉心年燃焼した燃料集
合体がそれぞれ１体ずつ装荷され、１炉心年毎に
最も燃焼の進んだ燃料集合体を未燃焼の燃料集合
体と交換するように構成されている。ところで、
沸騰水形原子炉の燃料は燃焼期間を長くするため
ウラン235の濃度を高くしてあり、この場合に第
２図に破線で示す如く燃焼初期における、余剰反
応度を制限内に規制するため可燃性毒物が混入さ
れている。そしてこの可燃性毒物は約１炉心年の
燃焼すなわち燃焼度が約8000MWD／Ｄ程度で燃
焼されてその毒性が消失するように構成されてい
る。この可燃性毒物は燃料の燃焼初期における過大
な反応度を抑制するものであり、所定の期間たと
えば１炉心年燃焼された後はすみやかに消滅し、
燃料の燃焼を妨げないようにすることが好まし
い。しかし従来のものは上述の如く炉心の全域に
わたつて、単位格子内に未燃焼の燃料集合体およ
び１〜３炉心年燃焼して燃料集合体を１体ずつ装
荷した装荷パターンを形成してあるので、炉心周
辺部では可燃性毒物の燃焼が充分に進行せず、毒
性が残り余剰反応度の損失をひきおこす不具合が
あつた。すなわち、一般に炉心の径方向の中性子
束分布は第３図に示す如き特性を示し、炉心周辺
部では中性子束が小さくなつている。したがつて
炉心周辺部に装荷された燃料集合体では可燃性毒
物の燃焼が進行せず、毒性が残るものである。本発明は以上の事情にもとづいてなされたもの
で、その目的とするところは燃料に混入された可
燃性毒物の燃焼効率がよく、この可燃性毒物の残
留による余剰反応度の損失が少ないとともに炉心
の出力分布を平均化できる原子炉を得ることにあ
る。以下本発明を第１図に示す一実施例にしたがつ
て説明する。図中１は炉心であつて、この炉心１
には制御棒２…および燃料集合体３…が配置され
ている。上記制御棒２…は断面十字状をなし、そ
の周囲には４体の燃料集合体３…が配置され、単
位格子４…を構成している。そして、これらの単
位格子４…は格子状に配列されて炉心１を構成し
ている。そして、燃料集合体３…中に収容された
核燃料中にはガドリニア等の可燃性毒物が混入さ
れており、燃焼初期における余剰反応度を制限内
に規制するように構成されている。そして、炉心
１の最外層すなわち第１層目に配置されている燃
料集合体３…から炉心１の中心側に向つて第４層
目に配置されている燃料集合体３…までの間を周
辺領域５とし、また第５層目の燃料集合体３…か
ら内側を中央領域６とし、これら周辺領域５と中
央領域６とでは燃料集合体３…の装荷パターンが
異なつている。そして、中央領域６では各単位格
子４…内に新しく装荷された未燃焼の燃料集合体
３…、１炉心年燃焼された燃料集合体３…、２炉
心年燃焼された燃料集合体３…および３炉心年燃
焼された燃料集合体３…がそれぞれ１体ずつ装荷
されている。なお、図中燃料集合体３…の位置に
記された数字はその燃料集合体３…の燃焼期間を
示し、０は未燃焼のもの、１は１炉心年燃焼させ
たもの、２は２炉心年燃焼されたもの、３は３炉
心年燃焼されたもの、４は４炉心年燃焼されたも
のであることを示す。また、周辺領域５では単位
格子４…とは無関係な装荷パターンであり、最外
層すなわち１層目には２炉心年以上燃焼した燃料
集合体３…が装荷され、２層目には１炉心年以上
燃焼した燃料集合体３…が装荷され、第３層目に
は新しく装荷される未燃焼の燃料集合体３…が装
荷され、さらに第４層目には２炉心年以上燃焼し
た燃料集合体３…が装荷されている。そして、上
記燃料集合体３…の装荷パターンは炉心１のＸ方
向およびＹ方向の中心線に対して対称であり、第
１図にはひとつの象限の装荷パターンのみを示
す。なお、回転対称をもたせた装荷パターンの場
合には炉心１の中心に位置する単位格子４には３
炉心年以上燃焼した燃料集合体３…を装荷する。以上の如く構成された本発明の一実施例は、周
辺領域５と中央領域６とで燃料集合体３…の装荷
パターンを異ならせ、周辺領域５の第３層目に未
燃焼の燃料集合体３…を装荷したので、燃料中に
混入された可燃性毒物が効率よく燃焼され、かつ
炉心１の出力分布が平坦となる。次にその理由を
述べる。炉心１の径方向の中性子束分布φ（γ）
は無限円柱状均一炉心の場合 φ（γ）＝2.3J₀（２．４０５／Ｒγ）……(1) で示される。なおJ₀は第１種ベツセル関数、Ｒは
炉心半径である。そして、炉心１ではその中性子
束分布は第３図に示す様な特性を示す。そして、
従来このような炉心の周辺部に装荷された未燃焼
の燃料集合体が１炉心年燃焼されたときの可燃性
毒物の燃焼の割合を調べたところ、第１表に示す
如き結果を得た。

【表】この結果から、第４層より内側の領域であれば、
どのような位置に未燃焼の燃料集合体３…を装荷
しても可燃性毒物は効率よく燃焼し、実質的に余
剰反応度の損失を招くような毒性は残らない。し
たがつて、この領域では出力分布が平坦化され、
かつ燃料の燃焼計画に最も都合の良い従来と同様
の装荷パターンすなわち単位格子４…内に未燃焼
および１〜３炉心年燃焼した燃料集合体３…を１
体ずつ装荷パターンが採用できる。しかし、この
ような装荷パターンは単位格子４…を単位とする
ものであるから第４層目より内側の領域でこの装
荷パターンを採用すると第４層目の燃料集合体３
…が余つてしまうことになる。したがつて、第５
層目から内側を中央領域６とすれば中央領域６に
は整数個の単位格子４…が含まれ、上記の単位格
子４…を単位とする装荷パターンが採用できる。
そして、最外層から第４層目までを周辺領域５と
し、この周辺領域５では未燃焼の燃料集合体３…
の装荷位置によつてその可燃性毒物の燃焼に差が
生じるので、上記中央領域６とは異なる装荷パタ
ーンを採用する。この周辺領域５で可燃性毒物が
完全に燃焼するのへ第４層目であるが、この第４
層目に未燃焼の燃料集合体３…を装荷すると単位
格子４…内に２体の未燃焼の燃料集合体３…が配
置され、１本の制御棒２…の周囲の４体の燃料集
合体３…のうち２体までが未燃焼の燃料集合体３
…となる。そしてこの未燃焼の燃料集合体３…は
第２図に示す如く約１炉心年燃焼されると余剰反
応度が最大となるので、燃焼末期にこの単位格子
４…全体の余剰反応度が過大となり、１本の制御
棒２…の引抜きだけでこの部分が臨界に達してし
まう不具合が生じる。しかし、未燃焼の燃料集合
体３…を第３層目に装荷した場合には、上記と同
様に単位格子４…内に２本の未燃焼の燃料集合体
３…が配置されることになるが、この第３層目で
は相対中性子束分布量が約0.6と比較的低いた
め、上記単位格子４…内に２体の未燃焼の燃料集
合体３…が配置されることによる余剰反応度の過
度の上昇は生じない。したがつて、１本の制御棒
２…の引抜によつてこの部分が臨界に達するよう
なことがなく、また局部的な出力上昇を生じるこ
ともなく炉心１の出力分布が平坦化される。また
未燃焼の燃料集合体３…の可燃性毒物は効率的に
燃焼され、残留した可燃性毒物による余剰反応度
の損失を減少させることができる。さらに１炉心
年燃焼した燃料集合体３…は余剰反応度が最大と
なつているので、これを第４層目に配置すると上
述と同様の不具合を生じるため、この第４層目に
は余剰反応度の低下した２炉心年以上燃焼した燃
料集合体３…を装荷するのが好ましいものであ
る。また、１炉心年燃焼した燃料集合体３…を第
２層目に装荷したので、炉心１の出力分布がより
平坦化される。すなわち、１炉心年燃焼した燃料
集合体３…はその余剰反応度が最も大きいが、こ
れを最外層に配置した場合には相対中性子束分布
量が0.1程度であり、炉心１全体としてこの燃料
集合体３…が余剰反応度に寄与する割合が少な
く、また出力分担の割合が低く、出力分布の平坦
化に寄与する割合が少なくなる。これに対し第２
層目では相対中性子束分布量が比較的大きいた
め、この燃料集合体３…の核分裂の度合が大とな
り、余剰反応度に比較的大きく寄与し、また炉心
１の出力分布をより平坦化するものである。なお、実際の炉心において8000MWD／Ｔ燃焼
後における従来炉心を本発明炉心の燃焼特性を比
較した結果を第２表に示す。なお、この第２表中
の各欄に複数の数値が記入されている場合には、
その領域に燃焼サイクル数の異なる複数の燃料集
合体が装荷されていることを示し、各数値はそれ
ぞれ各燃焼サイクル数の異なる燃料集合体に対応
するものである。そして、この第２表から明らかなように、本発
明の炉心は従来の炉心より周辺領域におけるＫ_∞
が大きく、よつて炉心全体の出力分布が平坦化さ
れる。また、本発明の炉心はこの周辺部における
残留可燃性毒物の量が減少し、この周辺部におい
て可燃性毒物が効率よく燃焼されていることが示
されている。したがつて、この残留可燃性毒物に
よる反応度の損失が少ないので、この本発明によ
る炉心は燃焼度を8200MWD／Ｔまで延長させる
ことができる。

【表】なお、本発明は上記の一実施例には限定されな
い。たとえば周辺領域における燃料集合体の装荷パ
ターンは必らずしも上記の一実施例のものに限定
されず、要は第３層目に未燃焼の燃料集合体を装
荷すればよいものである。また、中央領域における燃料集合体の装荷パタ
ーンも必らずしも上記一実施例のものに限定され
ない。上述の如く本発明は炉心の最外層に位置する燃
料集合体から第４層目の燃料集合体までを周辺領
域、第５層目から内側を中央領域とし、周辺領域
では中央領域と異なる燃料集合体の装荷パターン
とし、この周辺領域の第３層目に未燃焼の燃料集
合体を装荷したものである。したがつて、周辺領
域では単位格子内の２体の未燃焼の燃料集合体が
中性子束分布量の適当な第３層目に装荷され、こ
の周辺領域に装荷された未燃焼の燃料集合体の可
燃性毒物が効率的に燃焼され、余剰反応度を損な
うことがないとともに炉心の出力分布も平坦化さ
れ炉心の健全性も向上する等、その効果は大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体装荷パ
ターン図、第２図は核燃料の燃焼度と余剰反応度
の特性図、第３図は炉心の相対中性子分布図であ
る。１……炉心、２……制御棒、３……燃料集合
体、４……単位格子、５……周辺領域、６……中
央領域。

Claims

【特許請求の範囲】１炉心の最外層に位置する燃料集合体から中心
に向つて第４層目に位置する燃料集合体までの間
を周辺領域とし、第５層目に位置する燃料集合体
から中心までを中央領域とし、上記周辺領域は上
記中央領域とは異なる燃料装荷パターンとし、第
３層目に未燃焼燃料集合体を装荷したことを特徴
とする原子炉。２前記周辺領域は第４層目に２炉心年以上燃焼
した燃料集合体が装荷されていることを特徴とす
る前記特許請求の範囲第１項記載の原子炉。３前記周辺領域は第２層目に１炉心年燃焼した
燃料集合体が装荷され、また最外層には２炉心年
以上燃焼した燃料集合体を装荷されていることを
特徴とする前記特許請求の範囲第１項または第２
項記載の原子炉。