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JPS6359116B2 - - Google Patents
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JPS6359116B2 - - Google Patents

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JPS6359116B2
JPS6359116B2 JP54123945A JP12394579A JPS6359116B2 JP S6359116 B2 JPS6359116 B2 JP S6359116B2 JP 54123945 A JP54123945 A JP 54123945A JP 12394579 A JP12394579 A JP 12394579A JP S6359116 B2 JPS6359116 B2 JP S6359116B2
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enrichment
reactor core
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、原子炉に係り、特に、制御棒操作の
容易な原子炉に関するものである。 沸騰水型原子炉では、軸方向にボイド分布をも
つため、他の炉型にはみられない出力分布のスキ
ユウイングが発生する。その出力分布を第1図に
示す。第1図は、軸方向に一定の濃縮度分布を有
する燃料集合体を装荷した炉心部の軸方向ボイド
分布1と出力分布2を示している。冷却材の入口
になつている炉心部の下部では、約10Kcal/Kg
のサブクール状態にあり、冷却材が炉心部内を上
昇するに従つて、サブクール沸騰、飽和沸騰の領
域に入り、冷却材の出口である炉心部の上部で
は、ボイド体積率は70%前後に達している。その
ため、炉心部上部より炉心部下部における中性子
の熱化が進み、他の炉型ではコサイン分布に近い
軸方向出力分布をしているにもかかわらず、沸騰
水型原子炉では、出力ピークの位置が炉心部下部
にスキユウイングしている。したがつて、出力ピ
ークの位置は燃料集合体の下端(炉心部の下端)
から炉心部高さの約1/4の位置に移動し、出力ピ
ークの値も他の炉型にくらべて大きい。この問題
点を解決するため、現在の沸騰水型原子炉では、
炉心部の下端から約1/4の出力ピークの位置に制
御棒を浅く挿入(この制御棒をシヤロー制御棒と
いう)したり、出力ピークが発生する位置にガド
リニア(Gd2O3)を入れた燃料棒を用いる等の対
策を施している。 炉心部下端から約1/4の位置に生じる出力ピー
クを押えるために、その位置にシヤロー制御棒を
挿入される。出力分布は、第2図に示すようにな
る。シヤロー制御棒による軸方向の出力分布制御
においては、第2図に示すように、シヤロー制御
棒の尖端近傍に出力ピークおよび急激な出力分布
の変化が生じる。シヤロー制御棒を引抜く時に、
急激な出力変動が燃料棒に与えられ、燃料棒の破
損の危険性がある。炉心部内には、軸方向の出力
分布制御を行うシヤロー制御棒と、炉心部の半径
方向の出力分布制御を行う制御棒(この制御棒を
デイープ制御棒という)が挿入される。デイープ
制御棒は、炉心部内に深く挿入され、その挿入度
合はシヤロー制御棒よりも大きい。原子炉の出力
制御は、デイープ制御棒とシヤロー制御棒との組
合せで、デイープ・シヤロー制御棒駆動方式と反
応制御を含めた3つの機能を同時に満足させるた
めに、制御棒操作の計画の立案に多くの計算を必
要とする等の欠点を有している。制御棒操作も、
極めて複雑なものとなる。 第3図は、下端から約1/4にガドリニアが添加
された燃料棒を有する燃料集合体を、沸騰水型原
子炉の炉心部に装荷した時の燃料集合体の出力分
布の特性を示す。図中の3の位置にガドリニアが
添加されている。このようなガドリニア入りの燃
料棒を有する燃料集合体を用いる場合は、そのガ
ドリニアを配置する位置により、出力分布が大き
く変化するため、少しの設計誤差が出力分布制御
をむずかしくしたり、燃焼による出力分布の変化
が大きい等の運用上の困難をひきおこしている。
また、原子炉の運転時間の経過によつてガドリニ
アの量が減少すると、出力分布が変化し、領域3
のガドリニアが完全になくなつた時、出力分布は
第1図のようになる。このため、制御棒操作によ
る調節が、複雑になる。 本発明の目的は、軸方向の出力分布を平坦化で
きると共に燃料交換時において燃料集合体のシヤ
フリングが不要で、しかも交換用の燃料集合体の
構造を単純化できる原子炉を提供することにあ
る。 本発明の特徴は、上部領域の無限増倍率が前記
下部領域のそれよりも大きい複数の第1燃料集合
体と、無限増倍率が軸方向に一様になつている複
数の第2燃料集合体とを、下部から上部に向かつ
て冷却材が流れてしかも上部でボイドが発生する
炉心部内に配置し、出力分布調節用制御棒とし
て、前記炉心部の半径方向に配置された複数の深
挿入制御棒のみを設けたことにある。 このような本発明は、炉心部の軸方向における
出力分布が著しく平坦化できて原子炉運転時の制
御棒操作が著しく単純化される。しかも、深挿入
制御棒のみを出力分布調節用制御棒として用いて
いるので炉心の半径方向において燃料集合体が均
一に燃焼し、燃料交換時に燃料集合体をシヤフリ
ングする必要がない。更には、交換用の燃料集合
体として軸方向の無限増倍率が一様でかつ構造の
単純な第2燃料集合体を用いることができ、交換
用の燃料集合体の構造が容易になる。第2燃料集
合体は、原子炉の運転時間の経過に伴つて上部領
域の無限増倍率が下部領域のそれよりも高い燃料
集合体として機能する。 本発明は、基本的には炉心部の上部と下部で無
限増倍率を変えること、すなわち、上部の無限増
倍率を下部のそれよりも大きくすることである。
このように無限増倍率を変える方法として、次の
3つがある。第1の方法は、燃料集合体の軸に垂
直な平面での平均濃縮度を、燃料集合体の上部と
下部でかえる方法である。なお以下で濃縮度と
は、ウランの濃縮度およびプルトニウムの富化度
の少なくともいずれか一方をさす。第2の方法
は、軸に垂直な平面での平均濃縮度は殆んど同じ
であつて、燃料集合体の上部と下部で軸に垂直な
平面内での濃縮度分布を変化させて、無限増倍率
を変化させる方法である。一般に燃料集合体の軸
に垂直な平面での濃縮度分布は、中心で高く、周
辺部で比較的低くなつている。これは、燃料集合
体の周辺には、飽和温度に近いギヤツプ水があ
り、濃縮度分布を均一にすると、ギヤツプ水によ
る中性子の熱化のために、中心部にくらべて周辺
部の出力が非常に高くなり、いわゆる局所出力ピ
ーキングが過大になるのを防止するためである。
しかし、燃料集合体内でのインポータンスは周辺
部の方が中心部より高いので、局所出力ピーキン
グがゆるされる範囲で、出力ピーキングの出る場
所が周辺部になるように、中心部と周辺部との濃
縮度の差が最小になるよう設計されている。そこ
で、中心部の濃縮度と周辺部の濃縮度との差をさ
らに大きくして、中心部に出力ピーキングが生じ
るようにすると、平面の平均濃縮度は同じで、無
限増倍率が従来のものより少し小さい燃料集合体
が製作可能となり、燃料集合体の下部をこのよう
な濃縮度分布とし、上部を従来と同じ周辺部に出
力ピーキングが出るような濃縮度分布にすること
により、所要の燃料集合体が得られる。第3の方
法は、燃料集合体に組み込む燃料棒の下部に添加
するガドリニアの量をその上部に添加するガドリ
ニアの量よりも多くする方法である。一般に、こ
れら3つの方法を組み合わせてもよい。 以下本発明を実施例によつて詳しく説明する。 実施例 1 熱出力2400MWの沸騰水型原子炉が第4図に示
されている。沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器
9内に収容された炉心部10を有している。炉心
部10には多数の第5図に示される燃料集合体1
6が互に平行にかつ間隔をおいて配置されてい
る。本例では炉心部10の高さ146インチ、燃料
集合体16の数は560体ある。断面が十字架状の
制御棒11が炉心部10内の燃料集合体16間に
挿入し得るように配置されている。原子炉圧力容
器9内には冷却材が満されており、ポンプ12が
冷却材を循環させている。冷却材は、燃料集合体
16から熱を受け、一部が蒸気となつて、タービ
ン13を駆動し、コンデンサー14によつて凝縮
され、ポンプ15によつて再び原子炉圧力容器9
内に戻る。 燃料集合体16は断面方形のチヤンネルボツク
ス17を備えていて、その内部には上下両端の上
部および下部タイプレート18,19間に亘つて
多数の燃料棒20が配設されている。 本実施例では一種類の燃料集合体Aが炉心部1
0に装荷されている。第6図は炉心部10の1/4
横断面における燃料集合体Aの配列を示してい
る。燃料集合体Aは第7図に示すように、8×8
の正方格子状に配列された燃料棒を含み、6種類
の燃料棒31,32,33,34,35,36
(全部で62本)および2本の水ロツド24からな
つている。21は燃料ペレツト、22は被覆管お
よび23は冷却材領域である。6種類の燃料棒は
表1に示すように燃料棒中のウラン濃縮度に変化
を有している。燃料集合体Aは、前述した第1の
方法(燃料集合体の軸に垂直な平面での平均濃縮
度を上部領域と下部領域で変える)と第2の方法
(軸に垂直な平面での平均濃縮度は殆んど同じで
あつて、燃料集合体の上部領域と下部領域で軸に
垂直な平面内での濃縮度分布を変える)を適用し
たものである。
The present invention relates to a nuclear reactor, and in particular to a nuclear reactor in which control rods can be easily operated. Boiling water reactors have a void distribution in the axial direction, which causes skewing in the power distribution that is not seen in other reactor types. The output distribution is shown in Figure 1. FIG. 1 shows an axial void distribution 1 and a power distribution 2 of a reactor core loaded with fuel assemblies having a constant enrichment distribution in the axial direction. Approximately 10Kcal/Kg at the bottom of the core, which is the inlet of the coolant.
As the coolant rises in the core, it enters the region of subcool boiling and saturated boiling, and at the top of the core, where the coolant exits, the void volume fraction reaches around 70%. There is. As a result, the thermalization of neutrons in the lower part of the reactor core progresses more than in the upper part of the reactor core, and although other reactor types have an axial power distribution close to a cosine distribution, in boiling water reactors the position of the power peak is skiwing at the bottom of the reactor core. Therefore, the position of the output peak is at the lower end of the fuel assembly (lower end of the core)
It moves to a position approximately 1/4 of the height of the reactor core, and the peak output value is also larger than that of other reactor types. To solve this problem, current boiling water reactors
A control rod is shallowly inserted at the position of the output peak, about 1/4 from the bottom of the reactor core (this control rod is called a shallow control rod), or gadolinia (Gd 2 O 3 ) is inserted at the position where the output peak occurs. Countermeasures such as using fuel rods are being taken. In order to suppress the power peak that occurs at about 1/4 of the way from the bottom of the core, shallow control rods are inserted at that location. The output distribution is as shown in FIG. In the axial power distribution control using the shallow control rod, as shown in FIG. 2, an output peak and a sudden change in the output distribution occur near the tip of the shallow control rod. When pulling out the shallow control rod,
Sudden power fluctuations are applied to the fuel rods, and there is a risk of damage to the fuel rods. Inserted into the reactor core are shallow control rods that control the power distribution in the axial direction and control rods that control the power distribution in the radial direction of the reactor core (these control rods are referred to as deep control rods). Deep control rods are deeply inserted into the reactor core, and the degree of insertion is greater than that of shallow control rods. Reactor power control is achieved by a combination of deep control rods and shallow control rods, and in order to simultaneously satisfy three functions, including the deep/shallow control rod drive system and reaction control, it is necessary to formulate a control rod operation plan. It has drawbacks such as requiring a lot of calculations. Control rod operation,
It becomes extremely complex. FIG. 3 shows the characteristics of the power distribution of a fuel assembly when a fuel assembly having fuel rods doped with gadolinia in about 1/4 of the lower end is loaded into the core of a boiling water reactor. Gadolinia is added at position 3 in the figure. When using fuel assemblies with such fuel rods containing gadolinia, the output distribution changes greatly depending on the position where the gadolinia is placed, so a small design error may make it difficult to control the output distribution or reduce the output due to combustion. This causes operational difficulties such as large changes in distribution.
Furthermore, as the amount of gadolinia decreases as the reactor operating time passes, the power distribution changes and
When gadolinia is completely eliminated, the output distribution will be as shown in Figure 1. Therefore, adjustment by control rod operation becomes complicated. An object of the present invention is to provide a nuclear reactor that can flatten the power distribution in the axial direction, eliminate the need for shuffling of fuel assemblies during fuel exchange, and simplify the structure of the replacement fuel assembly. . The present invention is characterized by a plurality of first fuel assemblies in which the infinite multiplication factor in the upper region is larger than that in the lower region, and a plurality of second fuel assemblies in which the infinite multiplication factor is uniform in the axial direction. are arranged in the reactor core where coolant flows from the bottom to the top and voids occur at the top, and a plurality of deep insertion control rods are arranged in the radial direction of the reactor core as control rods for power distribution adjustment. The reason is that only the rod is provided. According to the present invention, the power distribution in the axial direction of the reactor core can be significantly flattened, and control rod operations during reactor operation can be significantly simplified. Furthermore, since only the deeply inserted control rods are used as control rods for power distribution adjustment, the fuel assemblies burn uniformly in the radial direction of the core, and there is no need to shuffle the fuel assemblies during fuel exchange. Furthermore, the second fuel assembly, which has a uniform infinite multiplication factor in the axial direction and has a simple structure, can be used as a replacement fuel assembly, which facilitates the construction of the replacement fuel assembly. The second fuel assembly functions as a fuel assembly in which the infinite multiplication factor in the upper region is higher than that in the lower region as the operating time of the nuclear reactor progresses. The present invention is basically to change the infinite multiplication factor between the upper and lower parts of the reactor core, that is, to make the infinite multiplication factor in the upper part larger than that in the lower part.
There are three ways to change the infinite multiplication factor in this way: The first method is to change the average enrichment in the plane perpendicular to the axis of the fuel assembly between the upper and lower parts of the fuel assembly. Note that in the following, the enrichment level refers to at least one of the enrichment level of uranium and the enrichment level of plutonium. In the second method, the average enrichment in the plane perpendicular to the axis is almost the same, but the enrichment distribution in the plane perpendicular to the axis is changed at the upper and lower parts of the fuel assembly, and the concentration is infinite. This is a method of changing the multiplication factor. Generally, the enrichment distribution in a plane perpendicular to the axis of the fuel assembly is high at the center and relatively low at the periphery. This is because there is gap water near the saturation temperature around the fuel assembly, and if the enrichment distribution is made uniform, the output at the periphery will be much higher than at the center due to the thermalization of neutrons by the gap water. This is to prevent so-called local output peaking from becoming excessive.
However, the importance in the fuel assembly is higher in the periphery than in the center, so within the range where local power peaking is allowed, enrichment between the center and the periphery should be adjusted so that the power peak occurs at the periphery. Designed to minimize differences in degrees. Therefore, if we further increase the difference between the enrichment in the center and the enrichment in the periphery so that output peaking occurs in the center, the average enrichment of the plane is the same, and the infinite multiplication factor is higher than that of the conventional one. It is now possible to manufacture a slightly smaller fuel assembly, and by making the lower part of the fuel assembly have such an enrichment distribution and the upper part having an enrichment distribution where output peaks appear in the periphery, as before, it is possible to create the desired fuel assembly. You get a body. The third method is to add more gadolinia to the lower part of the fuel rod to be incorporated into the fuel assembly than to the upper part. Generally, these three methods may be combined. The present invention will be explained in detail below with reference to Examples. Example 1 A boiling water reactor with a thermal output of 2400 MW is shown in FIG. The boiling water reactor has a reactor core 10 housed within a reactor pressure vessel 9 . The reactor core 10 has a large number of fuel assemblies 1 shown in FIG.
6 are arranged parallel to each other and spaced apart. In this example, the height of the core section 10 is 146 inches, and the number of fuel assemblies 16 is 560. A control rod 11 having a cross-shaped cross section is arranged so as to be inserted between fuel assemblies 16 in the reactor core 10 . The reactor pressure vessel 9 is filled with coolant, and a pump 12 circulates the coolant. The coolant receives heat from the fuel assembly 16, and a portion of the coolant turns into steam, which drives the turbine 13, is condensed by the condenser 14, and is sent back to the reactor pressure vessel 9 by the pump 15.
Go back inside. The fuel assembly 16 includes a channel box 17 having a rectangular cross section, and a large number of fuel rods 20 are disposed within the channel box 17 between upper and lower tie plates 18 and 19 at both upper and lower ends. In this embodiment, one type of fuel assembly A is
Loaded with 0. Figure 6 shows 1/4 of the reactor core 10.
The arrangement of fuel assemblies A in a cross section is shown. The fuel assembly A is 8×8 as shown in FIG.
6 types of fuel rods 31, 32, 33, 34, 35, 36, including fuel rods arranged in a square grid pattern.
(62 rods in total) and two water rods 24. 21 is a fuel pellet, 22 is a cladding tube, and 23 is a coolant region. The six types of fuel rods have different uranium enrichment levels as shown in Table 1. Fuel assembly A was prepared using the first method described above (changing the average enrichment in the plane perpendicular to the axis of the fuel assembly in the upper and lower regions) and the second method (changing the average enrichment in the plane perpendicular to the axis). The enrichment is almost the same, but the enrichment distribution in the plane perpendicular to the axis is changed between the upper and lower regions of the fuel assembly.

【表】 31,32,34,36の4種類の燃料棒はそ
れぞれ1種類の濃縮度で、31が2.5重量%、3
2が2.0重量%、34が1.5重量%、36が1.5重量
%濃縮度のウランに、5重量%のガドリニアを添
加した燃料棒である。33,35の燃料棒は、軸
方向に24等分して、下端から11番目と12番目の間
で上部領域および下部領域の2領域にわかれてお
り、33は上部領域が2.0重量%、下部領域が1.5
重量%、35は上部領域が1.5重量%、下部領域
が1.3重量%である。各燃料棒の上部領域と下部
領域における濃縮度はそれらの軸方向に一様に分
布している。したがつて、燃料棒の製作も容易で
ある。表1の燃料棒を第7図のように配置して形
成した燃料集合体のウラン濃縮度分布は、表2の
通りである。
[Table] The four types of fuel rods 31, 32, 34, and 36 each have one type of enrichment, with 31 being 2.5% by weight and 3
2 is a fuel rod with uranium enrichment of 2.0% by weight, 34 with 1.5% by weight, and 36 with 1.5% by weight of uranium to which 5% by weight of gadolinia is added. The fuel rods Nos. 33 and 35 are divided into 24 equal parts in the axial direction and divided into two regions, an upper region and a lower region, between the 11th and 12th from the bottom end. area is 1.5
% by weight, 35 is 1.5% by weight in the upper region and 1.3% by weight in the lower region. The enrichment in the upper and lower regions of each fuel rod is uniformly distributed along their axis. Therefore, manufacturing of fuel rods is also easy. Table 2 shows the uranium enrichment distribution of a fuel assembly formed by arranging the fuel rods shown in Table 1 as shown in FIG.

【表】 冷却材のボイド体積率が40%の場合の表2の濃
縮度分布を有する燃料集合体の上部領域と下部領
域の無限増倍率は、それぞれ1.126と1.092であ
り、温度とボイド率が同じ場合の無限増倍率の差
は3.4%である。当然のことながら炉心部10の
上部領域の無限増倍率は下部領域よりも高くなつ
ている。この燃料集合体を沸騰水型原子炉の炉心
部10中に装荷すると、軸方向に発生するボイド
分布のために、炉心部10の上部領域と下部領域
での無限増倍率の差が相殺されて、軸方向に比較
的平坦な軸方向出力分布が実現できる。本実施例
の軸方向出力分布を第8図に示す。特性Lは燃料
サイクルの初期の出力分布、特性Mは燃料サイク
ル中期の出力分布および特性Nは燃料サイクル末
期の出力分布を示している。上部領域と下部領域
にそれぞれ出力のピークが形成され、軸方向出力
ピーキング係数が、1.3程度以下におさまつてい
る。したがつて、シヤロー制御棒や、特殊なガド
リニア分布を用いることなく、制御棒としてはデ
イープ制御棒のみを用い、簡単な制御棒操作で軸
方向の出力分布を第8図のような原子炉の運転期
間中にわたつてほぼ平坦に維持することができ
る。 第9図に本実施例の制御棒パターンの一例を示
す。第9図は、炉心部10の水平断面図で、一つ
のますには燃料集合体が4体が配置され、それら
の燃料集合体の中心に制御棒1本が配置されてい
る。記載された数値は、制御棒の炉心部10への
挿入率で、炉心部10の軸方向を、24等分し、炉
心部10下端から数字の位置まで挿入されている
ことを示す。数字が大きくなる程、制御棒は炉心
部10内に深く挿入されている。また、空白のま
すのところの制御棒は全引き抜きである。沸騰水
型原子炉の運転時、炉心部10での最大線出力密
度は、デイープ制御棒が同一深さに挿入される単
純な制御棒パターンであるにもかかわらず、
11.3kw/ftと非常に低くおさえられている。この
ような本実施例では、炉心部の軸方向における出
力分布の平坦化を制御棒によつて行う必要がな
く、デイープ制御棒のみによつて炉心部における
半径方向の出力分布の平坦化を行えばよい。参考
のため従来の軸方向1領域(ウランの濃縮度が軸
方向で一定)の燃料集合体で構成された炉心部の
制御棒パターンを第10図に示す。第10図から
明らかなように炉心部内にシヤローおよびデイー
プ制御棒が挿入され制御棒パターンは複雑であ
る。この時の最大線出力密度は、11.9kw/ftあ
る。最大出力密度は、本実施例の炉心部10の方
が従来の炉心部に比べて0.6kw/ft低く、制御棒
パターンも本実施例のほうが従来のものよりも単
純である。それだけ、原子炉の運転中における制
御棒操作が簡単になる。 本実施例では、燃料集合体Aによつて炉心部1
0の軸方向の出力分布が平坦化されて炉心部10
の半径方向に配置された複数のデイープ制御棒に
よつて炉心部10の半径方向の出力分布が平坦化
され、しかもシヤロー制御棒を用いていないの
で、従来の原子炉のように燃料集合体の交換時
に、燃料集合体のシヤフリング操作(炉心部内に
装荷されている燃料集合体を炉心部内の他の位置
に移動させる操作)を行なう必要がない。従つ
て、燃料集合体の交換に要する時間が、著しく短
縮される。 本実施例では、前述の第1および第2の方法に
基づいて軸方向の出力分布の平坦化を図つている
ので、上下領域に無限増倍率の差をつけることを
上下領域の平均濃縮度に差をつけるという第1の
方法のみによつて達成する場合に比較すると、燃
料集合体内の核分裂性物質を有効に利用すること
ができ、燃料経済性が向上するという新しい効果
が得られる。すなわち、第1の方法のみを用いる
場合には、上部領域の核分裂性物質の含有量が下
部領域のそれよりも著しく多くなる。核分裂性物
質の量が少ない下部領域では、運転時間の経過に
よつて上部領域よりも著しく早く核分裂性物質が
消失してしまう。このため、下部領域の核分裂性
物質が消失して上部領域に多量の核分裂性物質が
残つている場合でも燃料集合体Aは、新しい燃料
集合体と取替えなければならない。このために上
部領域の核分裂性物質の有効利用ができない。 本実施例では、前述の第1の方法とともに前述
の第2の方法を併用しているので、第1の方法だ
けを用いる場合に比較して上部領域の平均濃縮度
と下部領域の平均濃縮度との差(無限増倍率の
差)が小さくなる。従つて、本実施例は、第1の
方法のみを用いた場合よりも上部領域の核分裂性
物質を有効に利用できる。 本実施例では、炉心部の上部領域と下部領域の
平均濃縮度を変えて上部領域の無限増倍率を大き
くしているので、上部領域と下部領域との無限増
倍率の差は原子炉の運転期間を通して変化しな
い。したがつて、原子炉の運転期間を通して前述
したように軸方向の出力分布を常に平坦に維持で
きる。 燃料集合体Aの軸方向の下端からその全長の1/
3と7/12の間で、燃料集合体を上部領域と下部領
域の2領域に分割し、無限増倍率を上部で大きく
すれば、最も効果的に出力の平坦化を成遂げるこ
とができる。すなわち、第3図に示すようにガド
リニアを添加した場合に比べて、出力ピーキング
係数を小さくできる。 実施例 2 本実施例は、前述した燃料集合体Aの代りに、
表3に示す燃料棒51,52,53,54,55
および56を第1図に示すように配置してなる燃
料集合体A1を炉心部内に配置したものである。
本実施例の炉心部は、燃料集合体A1によつて構
成される。燃料集合体A1は、燃料集合体Aと同
様に第1および第2の方法を併用したものであ
る。
[Table] When the void volume fraction of the coolant is 40%, the infinite multiplication factors in the upper region and lower region of a fuel assembly with the enrichment distribution shown in Table 2 are 1.126 and 1.092, respectively, and the temperature and void fraction are The difference in infinite multiplication factor in the same case is 3.4%. Naturally, the infinite multiplication factor in the upper region of the core 10 is higher than in the lower region. When this fuel assembly is loaded into the core 10 of a boiling water reactor, the difference in infinite multiplication factors between the upper and lower regions of the core 10 is canceled out due to the void distribution that occurs in the axial direction. , a relatively flat axial power distribution in the axial direction can be achieved. FIG. 8 shows the axial power distribution of this embodiment. Characteristic L shows the power distribution at the beginning of the fuel cycle, characteristic M shows the power distribution at the middle stage of the fuel cycle, and characteristic N shows the power distribution at the end of the fuel cycle. Output peaks are formed in the upper and lower regions, respectively, and the axial output peaking coefficient is approximately 1.3 or less. Therefore, without using shallow control rods or special gadolinia distribution, only deep control rods are used as control rods, and the power distribution in the axial direction can be controlled by simple control rod operations, as shown in Figure 8. It can be maintained substantially flat throughout the operating period. FIG. 9 shows an example of the control rod pattern of this embodiment. FIG. 9 is a horizontal sectional view of the reactor core 10, in which four fuel assemblies are arranged in one square, and one control rod is arranged at the center of these fuel assemblies. The numerical values shown are the insertion rate of the control rods into the reactor core 10, which divides the axial direction of the reactor core 10 into 24 equal parts, and indicate that the control rods are inserted from the lower end of the reactor core 10 to the position indicated by the number. The larger the number, the deeper the control rod is inserted into the reactor core 10. Also, the control rods in the blank spaces are fully withdrawn. During operation of a boiling water reactor, the maximum linear power density in the reactor core 10 is determined by a simple control rod pattern in which deep control rods are inserted at the same depth.
The power output is extremely low at 11.3kw/ft. In this embodiment, it is not necessary to use the control rods to flatten the power distribution in the axial direction of the reactor core, and the power distribution in the radial direction in the reactor core can be flattened only by the deep control rods. That's fine. For reference, FIG. 10 shows a conventional control rod pattern for a reactor core composed of fuel assemblies in one region in the axial direction (uranium enrichment is constant in the axial direction). As is clear from FIG. 10, shallow and deep control rods are inserted into the reactor core, and the control rod pattern is complicated. The maximum linear power density at this time is 11.9kw/ft. The maximum power density of the reactor core 10 of this embodiment is 0.6 kw/ft lower than that of the conventional reactor core, and the control rod pattern of this embodiment is also simpler than that of the conventional one. This makes it easier to operate the control rods during reactor operation. In this embodiment, the fuel assembly A
The axial power distribution of 0 is flattened and the core 10
The power distribution in the radial direction of the reactor core 10 is flattened by the plurality of deep control rods arranged in the radial direction of the reactor, and since shallow control rods are not used, the fuel assembly At the time of replacement, there is no need to perform a shuffling operation of the fuel assemblies (an operation of moving the fuel assemblies loaded in the reactor core to another position in the reactor core). Therefore, the time required to replace the fuel assembly is significantly reduced. In this example, the output distribution in the axial direction is flattened based on the first and second methods described above. Compared to the case achieved only by the first method of making a difference, the fissile material in the fuel assembly can be used effectively, resulting in a new effect of improving fuel economy. That is, when only the first method is used, the content of fissile material in the upper region is significantly higher than that in the lower region. In the lower region, where the amount of fissile material is small, the fissile material disappears much faster than in the upper region over the course of operation time. Therefore, even if the fissile material in the lower region disappears and a large amount of fissile material remains in the upper region, the fuel assembly A must be replaced with a new fuel assembly. For this reason, the fissile material in the upper region cannot be used effectively. In this example, since the above-mentioned second method is used together with the above-mentioned first method, the average enrichment in the upper region and the average enrichment in the lower region are higher than when only the first method is used. (difference in infinite multiplication factor) becomes smaller. Therefore, in this embodiment, the fissile material in the upper region can be used more effectively than when only the first method is used. In this example, the average enrichment of the upper and lower regions of the reactor core is changed to increase the infinite multiplication factor in the upper region, so the difference in the infinite multiplication factor between the upper region and the lower region is does not change throughout the period. Therefore, the power distribution in the axial direction can always be maintained flat throughout the operating period of the nuclear reactor, as described above. 1/1/2 of the total length of fuel assembly A from the lower end in the axial direction
If the fuel assembly is divided into two regions, an upper region and a lower region, between 3 and 7/12, and the infinite multiplication factor is increased in the upper region, flattening of the output can be achieved most effectively. That is, the output peaking coefficient can be made smaller than when gadolinia is added as shown in FIG. Example 2 In this example, instead of the fuel assembly A described above,
Fuel rods 51, 52, 53, 54, 55 shown in Table 3
and 56 are arranged as shown in FIG. 1, and a fuel assembly A1 is arranged in the reactor core.
The reactor core of this embodiment is composed of a fuel assembly A1. The fuel assembly A1, like the fuel assembly A, uses both the first and second methods.

【表】 51と55は、1領域の燃料棒。52,53,
54は、下端から11/24の位置で上、下の2領域
にわかれている。上部領域と下部領域の濃縮度
は、それぞれの軸方向に一様に分布している。 表3の燃料棒を第11図の如く配置して形成し
た燃料集合体のウラン濃縮度分布は表4の通りで
ある。
[Table] 51 and 55 are fuel rods in one area. 52, 53,
54 is divided into two areas, upper and lower, at the 11/24th position from the bottom end. The enrichment levels in the upper and lower regions are uniformly distributed along their respective axes. Table 4 shows the uranium enrichment distribution of a fuel assembly formed by arranging the fuel rods shown in Table 3 as shown in FIG.

【表】 表4より明らかなように、燃料集合体A1で
も、上部領域の平均濃縮度を下部領域のものより
大きくなし、かつ横断面での中心部と周辺部の濃
縮度差は、上部領域が下部領域よりも小さくなる
ようになしている。このような濃縮度の分布を有
する燃料集合体A1が配置された炉心部は、実施
例1の炉心部10と同程度の無限増倍率の差を上
下領域で有しており、軸方向の出力分布も、第8
図と殆んど同じである。本実施例は、実施例1に
比べて、一本の燃料棒中の濃縮度の差が大きく、
製造時の検査が比較的容易であること、局所出力
ピーキングが1.12で、非常に小さいことが、実施
例2の特徴である。実施例2は実施例1と同様な
効果が得られる。運転時に炉心部内に挿入される
制御棒は、第9図に示すようにデイープ制御棒の
みである。燃料集合体A1の上部領域と下部領域
の境界は前述した燃料集合体Aと同様に1/3〜7/1
2の範囲に位置させることが望ましい。 実施例 3 本実施例は、実施例1の燃料集合体Aの代り
に、表5に示す濃縮度を有する6本の燃料棒を第
12図に示すように配置してなる燃料集合体A2
を炉心部に配置したものである。燃料集合体A2
は、前述の第2の方法(軸に垂直な平面での平均
濃縮度分布は上部領域と下部領域で殆んど同じで
あつて、集合体の上部領域と下部領域の軸に垂直
な平面内での濃縮度分布を変化させている)を用
いたものである。
[Table] As is clear from Table 4, even in fuel assembly A1, the average enrichment in the upper region is larger than that in the lower region, and the difference in enrichment between the center and peripheral regions in the cross section is smaller than that in the upper region. is smaller than the lower area. The core section in which the fuel assembly A1 having such an enrichment distribution is arranged has a difference in infinite multiplication factor in the upper and lower regions that is similar to that of the core section 10 of Example 1, and the axial output The distribution is also the 8th
It is almost the same as the figure. In this example, compared to Example 1, the difference in enrichment in one fuel rod is large;
The characteristics of Example 2 are that inspection during manufacturing is relatively easy and that the local output peaking is 1.12, which is very small. In the second embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained. The control rods inserted into the reactor core during operation are only deep control rods, as shown in FIG. The boundary between the upper region and the lower region of fuel assembly A1 is 1/3 to 7/1 as in fuel assembly A described above.
It is desirable to locate it in the range of 2. Example 3 In this example, instead of the fuel assembly A of Example 1, a fuel assembly A2 is constructed in which six fuel rods having the enrichments shown in Table 5 are arranged as shown in FIG.
is placed in the reactor core. Fuel assembly A2
The above-mentioned second method (the average enrichment distribution in the plane perpendicular to the axis is almost the same in the upper and lower regions, and (the enrichment distribution is changed).

【表】 燃料棒61,62,63,64,65および6
6は、すべて燃料集合体の下端から11/24の位置
で2領域にわかれており、濃縮度は、上下で異つ
ている。上部領域および下部領域の濃縮度はその
軸方向に一様に分布している。 本実施例での濃縮度分布は表6に示す通りであ
る。
[Table] Fuel rods 61, 62, 63, 64, 65 and 6
No. 6 is divided into two regions at the 11/24th position from the bottom of the fuel assembly, and the enrichment is different between the upper and lower regions. The enrichment of the upper and lower regions is uniformly distributed in the axial direction. The concentration distribution in this example is as shown in Table 6.

【表】 燃料集合体A2では、平均濃縮度は、上部領域
が2.37重量%、下部領域が2.33重量%とほとんど
同じであるが、横断面での濃縮度分布が上部領域
と下部領域で異なつている。即ち、上部領域で
は、中心部と周辺部との濃縮度の差が小さく、下
部領域では、この差が大きく、周辺部の濃縮度は
上部領域が下部領域よりもかなり大きい。周辺部
の方が中心部よりインポータンスが高いため、平
面の平均濃縮度は同じであつても、無限実効増倍
率は、燃料集合体A2の下部領域より上部領域の
方が約2.2%高くなる。このような燃料集合体A
2を配置した炉心部の上部領域の無限増倍率は、
下部領域のそれよりも、当然大きくなり、軸方向
の出力分布は第8図に示されるように平坦化され
る。実施例3は、実施例1と同様な効果を達成で
き、しかも実施例1、2にくらべて燃焼による反
応度劣化が、上部領域と下部領域で比較的よくに
た傾向を示すことが特徴である。燃料集合体A2
は、燃料集合体Aと同様に1/3〜7/12の範囲に、
上下領域の境界を位置させることが望ましい。 実施例 4 第13図に示す炉心部25は、前述した燃料集
合体Aと後述する燃料集合体Bの二種類の燃料集
合体が装荷されて構成される。 燃料集合体Bは表7に示すように軸方向に均一
な濃縮度をもつ燃料棒41,42,43,44,
45および46及び2本の水ロツド24を第14
図に示すように配置している。従つて、燃料集合
体Bは軸方向に一定の無限増倍率を有している。
[Table] In fuel assembly A2, the average enrichment is 2.37% by weight in the upper region and 2.33% by weight in the lower region, which are almost the same, but the enrichment distribution in the cross section is different between the upper region and the lower region. There is. That is, in the upper region, the difference in enrichment between the center and the periphery is small, and in the lower region, this difference is large, and the enrichment in the periphery is much larger in the upper region than in the lower region. Since the peripheral portion has higher importance than the central portion, the infinite effective multiplication factor is approximately 2.2% higher in the upper region than in the lower region of the fuel assembly A2 even if the average enrichment of the plane is the same. Such a fuel assembly A
The infinite multiplication factor of the upper region of the core where 2 is placed is:
It is naturally larger than that in the lower region, and the axial power distribution is flattened as shown in FIG. Example 3 was able to achieve the same effects as Example 1, and was characterized in that the reactivity deterioration due to combustion showed a relatively even tendency in the upper and lower regions compared to Examples 1 and 2. be. Fuel assembly A2
is in the range of 1/3 to 7/12, similar to fuel assembly A.
It is desirable to locate the boundaries of the upper and lower regions. Embodiment 4 The reactor core 25 shown in FIG. 13 is configured by loading two types of fuel assemblies, the above-mentioned fuel assembly A and the below-mentioned fuel assembly B. As shown in Table 7, fuel assembly B includes fuel rods 41, 42, 43, 44, which have uniform enrichment in the axial direction.
45 and 46 and two water rods 24 to the 14th
They are arranged as shown in the figure. Therefore, the fuel assembly B has a constant infinite multiplication factor in the axial direction.

【表】 炉心部25の上部領域の無限増倍率は、燃料集
合体Aが装荷される関係上、当然、下部領域のそ
れよりも大きくなる。本実施例は、実施例1と同
様な効果を得ることができる。第9図に示すよう
に、炉心部25内に挿入される制御棒は、デイー
プ制御棒のみであり、制御棒操作が簡単になる。 原子炉の運転時間の経過に伴つて、燃料集合体
Bの上部領域の無限増倍率がその下部領域の無限
増倍率よりも大きくなる。すなわち、沸騰水型原
子炉では、冷却材中のボイドによる中性子エネル
ギ、スペクトルの硬化により、炉心部の上部では
その下部に比べてプルトニウムの生成量が多い。
このため、燃料集合体Bのように軸方向に一様な
濃縮度を有する燃料集合体を用いても、上部領域
の核分裂性物質が下部領域に比べて相対的に多く
なり、自然に上部領域の無限増倍率が下部領域よ
りも大きくなる。 交換用の燃料集合体としては、構造の単純な燃
料集合体Bのみを用いることも可能である。 本実施例は、複雑な構造の燃料集合体Aととも
に構造の単純な燃料集合体Bが炉心部に装荷され
ているので、燃料集合体Aのみで炉心を構成する
場合に比べて炉心構成が単純になる。このため、
炉心部を燃料集合体Aのみで構成する場合に比べ
て複雑な構造の燃料集合体Aの数が少なくなり、
燃料集合体の製造が容易になる。 前述した燃料集合体A1およびA2に燃料集合
体Bとをそれぞれ組合せた炉心部を有する原子炉
においても、実施例4と同様な効果が得られる。
[Table] The infinite multiplication factor in the upper region of the core 25 is naturally larger than that in the lower region because the fuel assembly A is loaded therein. This embodiment can obtain the same effects as the first embodiment. As shown in FIG. 9, the control rods inserted into the reactor core 25 are only deep control rods, which simplifies control rod operation. As the operating time of the nuclear reactor progresses, the infinite multiplication factor in the upper region of fuel assembly B becomes larger than the infinite multiplication factor in its lower region. In other words, in a boiling water reactor, the amount of plutonium produced in the upper part of the reactor core is greater than in the lower part due to neutron energy and spectrum hardening due to voids in the coolant.
For this reason, even if a fuel assembly with uniform enrichment in the axial direction, such as fuel assembly B, is used, the amount of fissile material in the upper region is relatively greater than that in the lower region, and the upper region naturally The infinite multiplication factor of becomes larger than the lower region. It is also possible to use only fuel assembly B, which has a simple structure, as a replacement fuel assembly. In this example, fuel assemblies B with a simple structure are loaded in the reactor core together with fuel assemblies A with a complex structure, so the core configuration is simpler than when the core is made up of only fuel assemblies A. become. For this reason,
The number of fuel assemblies A with a complicated structure is reduced compared to the case where the core part is composed of only fuel assemblies A,
Manufacture of fuel assemblies becomes easier. Even in a nuclear reactor having a reactor core in which the fuel assemblies A1 and A2 described above are combined with the fuel assembly B, the same effects as in the fourth embodiment can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は軸方向に一定の無限増倍率を有する燃
料集合体を装荷した炉心部の制御棒全引抜き状態
での炉心部の軸方向におけるボイド率分布と相対
出力分布とを示す特性図、第2図は第1図の特性
を有する炉心部の下方から浅く制御棒を挿入した
時の制御棒近傍の燃料集合体の軸方向出力分布を
示す特性図、第3図は出力ピークの位置にガドリ
ニアを入れた燃料棒を有する燃料集合体を装荷し
た炉心部の軸方向における出力分布を示す特性
図、第4図は沸騰水型原子炉の系統図、第5図は
第4図に示す沸騰水型原子炉の炉心部に装荷され
る燃料集合体の外観図、第6図は本発明の好適な
一実施例である原子炉の炉心部の局部平面図、第
7図は第6図の炉心部に装荷される燃料集合体の
横断面図、第8図は第6図の炉心部の軸方向の出
力分布を示す特性図、第9図は第6図の炉心部に
おける原子炉運転時の制御棒パターンを示す説明
図、第10図は従来の炉心部における原子炉運転
時の制御棒パターンを示す説明図、第11図およ
び第12図は第7図に示す燃料集合体の他の実施
例の横断面図、第13図は、本発明の他の実施例
である原子炉の炉心部の局部平面図、第14図は
第13図の炉心部に装荷される燃料集合体の横断
面図である。 9……原子炉圧力容器、10……炉心部、12
……制御棒、16,A,A1,A2,B……燃料
集合体、21……ペレツト、22……被覆管。
Fig. 1 is a characteristic diagram showing the void fraction distribution and relative power distribution in the axial direction of the reactor core when the control rods of the reactor core loaded with fuel assemblies having a constant infinite multiplication factor in the axial direction are fully withdrawn; Figure 2 is a characteristic diagram showing the axial power distribution of the fuel assembly near the control rod when the control rod is inserted shallowly from the bottom of the reactor core with the characteristics shown in Figure 1. Figure 3 shows the gadolinia power distribution at the position of the power peak. Figure 4 is a system diagram of a boiling water reactor, and Figure 5 is a diagram showing the power distribution in the axial direction of a reactor core loaded with a fuel assembly having fuel rods containing fuel rods. FIG. 6 is a partial plan view of the core of a nuclear reactor according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 7 shows the core of FIG. 6. Fig. 8 is a characteristic diagram showing the axial power distribution of the reactor core shown in Fig. 6, and Fig. 9 is a cross-sectional view of the fuel assembly loaded in the reactor core shown in Fig. 6 during reactor operation. An explanatory diagram showing a control rod pattern, FIG. 10 is an explanatory diagram showing a control rod pattern during reactor operation in a conventional reactor core, and FIGS. 11 and 12 are other implementations of the fuel assembly shown in FIG. 7. FIG. 13 is a local plan view of the core of a nuclear reactor according to another embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a cross-sectional view of a fuel assembly loaded in the core of FIG. 13. It is a diagram. 9...Reactor pressure vessel, 10...Reactor core, 12
... Control rod, 16, A, A1, A2, B ... Fuel assembly, 21 ... Pellet, 22 ... Cladding tube.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 軸方向が上部領域と下部領域とに二分割され
て前記上部領域の無限増倍率が前記下部領域のそ
れよりも大きい複数の第1燃料集合体と、無限増
倍率が軸方向に一様になつている複数の第2燃料
集合体とを、下部から上部に向かつて冷却材が流
れてしかも上部でボイドが発生する炉心部内に配
置し、出力分布調節用制御棒として、前記炉心部
の半径方向に配置された複数の深挿入制御棒のみ
を設けたことを特徴とする原子炉。 2 前記第1燃料集合体の前記上部領域の平均濃
縮度を前記下部領域のそれよりも高くする特許請
求の範囲第1項記載の原子炉。
[Scope of Claims] 1. A plurality of first fuel assemblies that are divided in the axial direction into an upper region and a lower region, and the infinite multiplication factor of the upper region is larger than that of the lower region; A plurality of second fuel assemblies, which are uniform in the axial direction, are arranged in the reactor core where coolant flows from the bottom to the top and voids occur at the top, and are used as control rods for power distribution adjustment. , A nuclear reactor comprising only a plurality of deep insertion control rods arranged in the radial direction of the reactor core. 2. The nuclear reactor according to claim 1, wherein the average enrichment in the upper region of the first fuel assembly is higher than that in the lower region.
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