JP4308940B2 - Fuel assembly - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉用の燃料集合体に係り、特に燃料経済性および炉心特性を悪化させることなく、サイクル初期の冷温時炉停止余裕を向上した高燃焼度の燃料集合体に関する。
【0002】
【従来の技術】
原子炉の炉心は多数の燃料集合体と、その間に挿抜自在に設けられた制御棒とにより形成されており、一般に沸騰水型原子炉に用いられる燃料集合体は、燃料被覆管内に酸化ウランなどの燃料ペレットを多数充填した複数の燃料棒から構成されている。
【0003】
この燃料集合体の一例を図13(a)の縦断面図と、(b)の(a)におけるB−B矢視断面図、および(c)の(a)におけるC−C矢視断面図に示す。
燃料集合体1は、それぞれ複数本の長尺燃料棒2と短尺燃料棒3、および1本または2本のウォーターロッド4を、軸方向に配置した複数のスペーサ5で正方格子状に束ねている。
【0004】
また、この束ねた複数の燃料棒のうちで、長尺燃料棒2は外部スプリング6と共に上部タイプレート7と下部タイプレート8で、また、短尺燃料棒3は下部タイプレート8に固定されていて、この燃料棒の束は、周囲をチャンネルボックス9で包囲して構成される。
【0005】
なお、前記チャンネルボックス9内における長尺燃料棒2と短尺燃料棒3、およびウォーターロッド4の長さと本数、さらに形状や配置については、それぞれ原子炉によって異なることから、上記図13に示す燃料集合体1に限定されるものではない。
【0006】
ところで、原子炉燃料の設計における設計条件の一つに、運転サイクルを通じ冷温時炉停止余裕を 1.0%Δk以上確保するという条件があり、この炉停止余裕とは、最も反応度制御効果の大きい制御棒が一本引き抜かれ、他の制御棒がすべて挿入された状態における未臨界度を表すもので、原子炉安全性のために炉停止余裕は確保されなければならない。
【0007】
また、一般に可燃性毒物を含まない燃料集合体の無限増倍率は、核分裂性物質の燃焼の進行に伴って燃焼度に対して直線的に減少することから、燃焼の初期において炉停止余裕は最も小さくなる。
【0008】
これを解決するためには、燃料棒における燃料ペレットの幾つかには、ガドリニアなどの可燃性毒物を含有させ、この可燃性毒物は中性子を吸収する能力を備えていることから、燃焼初期には無限増倍率は低下して、必要な炉停止余裕を確保することができる。
【0009】
しかし、燃焼が進行すると前記可燃性毒物は燃え尽きることから、中性子を吸収する能力がなくなるために、無限増倍率を低下させる効果はなくなる。即ち、可燃性毒物は燃焼期間中における無限増倍率の燃焼変化を平坦化する役割を果たしている。
【0010】
しかしながら、過剰に可燃性毒物の含有量を増加させた場合には、サイクル末期にも可燃性毒物が残存することから、反応度を損失してしまうために、結果的に燃料経済性を低下させることになる。
また、軸方向で均一に可燃性毒物を含有させた場合には、炉心周辺部や上下部においては原子炉の出力が低いために、含有させた可燃性毒物の燃焼が中心部に比較して進まず、サイクル末期にも可燃性毒物が残存して反応度を損失する。
【0011】
このような問題に対処するために、例えば特開昭59-102188 号公報「燃料集合体」や、特開昭60-259988 号公報「原子炉用燃料棒」においては、軸方向上半部の可燃性毒物入り燃料棒の本数を少なくしたり、あるいは可燃性毒物濃度を下げた上で、冷温時に軸方向で中性子束が最も高くなる下端から、19/24乃至21/24(シャットダウンゾーンと呼ぶ)までの範囲の軸方向上半部の一部領域にのみ、可燃性毒物高装填率領域あるいは高濃度領域を形成している。
【0012】
このようにすることで、上半部の大部分は可燃性毒物の含有量が少ないために、サイクル末期における反応度の損失を少なくすることができ、なおかつ、冷温時に中性子束が大きくなる上半部の一部領域のみ可燃性毒物の含有量が多いため、炉心の過剰な反応度を効率よく抑制することが可能となり、必要な炉停止余裕を確保することができる。
【0013】
また、冷温時に軸方向上部で中性子束が大きくなる理由としては、沸騰水型原子炉では出力運転中に炉心において冷却材である水中にボイドが形成されるが、このボイドは上部ほどボイド率が大きく、従って、形成されたボイドによる負の反応度効果により、相対的に上部より下部の出力が大きくなる傾向がある。
そこで、出力運転中の軸方向出力分布を平坦化するように、軸方向の濃縮度および可燃性毒物分布を最適化した設計がされているが、このことは逆にボイドがなくなる冷温時には、上部において出力分布が大きくなることを招いている。
【0014】
また、取替炉心においては、特に冷温時の上部の出力ピークは顕著であり、この理由としては、中性子の漏洩が大きな炉心周辺部や上下部では、出力が低くいことから、核分裂性物質や可燃性毒物の燃焼が遅れる。
特に炉心上部においては、前記ボイド率が大きくなるために中性子の減速が悪く、核分裂性物質や可燃性毒物の燃焼の遅れが顕著である。また、プルトニウムの生成においても、ボイド率が大きいため炉心上部において促進され、より高い割合でプルトニウムの蓄積が進む。
【0015】
このように、核分裂性物質の燃焼の遅れや、プルトニウムの蓄積の影響により、燃焼の進んだ燃料が存在する取替炉心では、冷温時の反応度は炉心上部において最大となる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
近年は原子力発電の運転経済性を向上するために、燃料の高燃焼度化が進められている。この高燃焼度燃料集合体においては、高燃焼度を達成するために核分裂性物質の初期濃縮度を大きくしており、従って、冷温時の無限増倍率が大きくなって、冷温時炉停止余裕が悪化する傾向が強くなる支障がある。
特に新燃料では、中性子吸収物質であるSm(サマリウム)が生成されていないこともあり、サイクル初期において炉停止余裕が低下し易く、この傾向は炉心に装荷される全燃料が新燃料となる初装荷炉心において、より顕著である。
【0017】
しかし、サイクル初期の炉停止余裕を確保するために、可燃性毒物の含有量を増加させると、サイクル末期に可燃性毒物が残存し、サイクル末期の反応度が低下してしまうので、燃料の経済性を低下させる結果となり、このような傾向は、高燃焼度化を行う際の炉心設計上の大きな制約となっていた。
【0018】
本発明の目的とするところは、燃料棒の軸方向位置における可燃性毒物の含有領域から、原子炉におけるサイクル末期の反応度低下や運転中の炉心特性悪化がなく、燃焼初期の反応度のみを抑制してサイクル初期の冷温時炉停止余裕を改善した燃料集合体を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項1記載の発明に係る燃料集合体は、複数の燃料棒を束ねて構成する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、濃度が 1.0%以下の可燃性毒物を含有する領域を上部天然ウランブランケット部の直下に形成し、その領域の長さが燃料有効長さの13%以下である燃料棒を設けたことを特徴とする。
【0020】
サイクル初期では冷温時に中性子束が大きくなる軸方向上半部領域に、濃度 1.0%以下の可燃性毒物を含む燃料棒があることから、効果的に過剰な反応度を抑制して炉停止余裕を改善する。
【0021】
また、前記燃料棒の軸方向上半部領域における可燃性毒物の濃度は、サイクル中期までには完全に燃え尽きる程度の極薄い 1.0%以下であることから、サイクル中期までには可燃性毒物の効果はなくなり、これ以降は反応度を低下させることはない。
これにより、サイクル末期の反応度を低下させることがないので、サイクル初期の反応度のみを抑制して冷温時炉停止余裕を改善する。
【0025】
請求項2記載の発明に係る燃料集合体は、前記燃料集合体において、濃度が 1.0%以下の可燃性毒物を含有する燃料棒を設ける本数を1本または2本としたことを特徴とする。
【0033】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。なお、上記した従来技術と同じ構成部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。第1実施の形態において、図1(a)は高燃焼度燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、(b)は燃料棒の燃料および含有可燃性毒物の軸方向分布図を示す。
【0034】
なお、燃料集合体内では、軸方向や径方向に燃料である核分裂性物質の濃縮度や、可燃性毒物の濃度について分布が付けられているが、ここでは詳細な分布については省略して説明する。
また、本第1実施の形態については、上記図13に示した燃料集合体1に適用した場合と同様に、高燃焼度化して熱的余裕を改善させるために、燃料棒配列を通常の8行8列から、9行9列にして燃料棒本数を増加させている。
【0035】
さらに、この燃料棒本数を増加させたことによる、冷却材流れの圧損増加を緩和するために、一部に一般的な長尺燃料棒2より約2/3短くした短尺燃料棒3を使用し、特に冷却材が二相流となることから圧損が増加する燃料上部において、冷却材の流路を拡大するようにしている。
【0036】
即ち、図1(a)に示す燃料集合体10は、炉心内に挿抜自在で断面が十字状の制御棒11の周囲に配置して、ウラン燃料(以下、Uと略称する)の燃料棒を9行9列の正方格子配列とし、66本の長尺燃料棒として長尺燃料棒U1 を51本、可燃性毒物であるガドリニア(以下、Gdと略称する)を含有した長尺Gd燃料棒G1 を2本、および長尺Gd燃料棒G2 の13本がある。さらに、8本の短尺燃料棒U2 と、2本の太径のウォータロッド4(W)の配置により構成している。
【0037】
また、一般的に高燃焼度燃料集合体では、軸方向の中性子の漏れを少なくして経済性を上げるために、軸方向の上下端部に天然ウランブランケット部を設けているが、図1(b)に示すように、長尺燃料棒U1 と長尺Gd燃料棒G1 、および長尺Gd燃料棒G2 には、下端部で燃料有効長の1/24の長さの領域に、下部天然ウランブランケット部12aを、また上端部で2/24の長さの領域に、上部天然ウランブランケット部12bを形成している。
【0038】
一般に燃料棒に封入した燃料ペレットには、余剰反応度制御のために可燃性毒物であるGdが含まれており、燃焼初期の反応度制御量は、可燃性毒物入り燃料棒本数にほぼ比例し、反応度制御が持続する期間は、可燃性毒物濃度にほぼ比例する。
従って、可燃性毒物の濃度は、取替燃料ではサイクル末期で丁度燃え尽きる程度の濃度にされており、通常の13〜15ヶ月運転の場合には3.0 〜5.0 %程度である。
【0039】
燃料集合体10については、Gd濃度が 3.5%の場合の例を示し、長尺Gd燃料棒G2 については、天然ウランブランケット部12a,12bを除く軸方向で、内部全域に濃度 3.5%のGdが含有されている。
【0040】
また、この濃度 3.5%のGdを含有する長尺Gd燃料棒G2 の本数は、炉心における余剰反応度を制御するために、適切に設定されている。即ち、長尺Gd燃料棒G2 の本数が多過ぎれば余剰反応度が低くなり、炉心に挿入する制御棒11の本数が少なくなるか、制御棒11の挿入深さを浅くする必要が生じる。
これにより、炉心の径方向あるいは軸方向の出力分布に歪みを生じて炉心特性が悪化する。
【0041】
逆に長尺Gd燃料棒G2 の本数が少な過ぎれば、余剰反応度が大きくなり、挿入する制御棒11の本数が多くなるか、あるいは挿入深さが深くなり、この場合も同じく炉心特性を悪化させてしまう。
従って、燃料集合体10においては、このようにして最適に設定されたGd燃料棒の本数として、長尺Gd燃料棒G2 の本数を13本としている。
【0042】
一方、長尺Gd燃料棒G1 の2本については、上部天然ウランブランケット部12bの直下部の燃料下端で、上半部の一部である有効長の20/24乃至22/24の領域において、濃度 1.0%のGdが含有されている。
また、前記燃料集合体10における集合体平均の核分裂性物質の濃縮度は、高燃焼度を達成するために、通常燃料より高い約 3.0重量%以上の 4.0%の高濃縮度としている。
【0043】
このように構成された燃料集合体10を装荷した、取替炉心における典型的な冷温時炉停止余裕の燃焼変化を、図2の冷温時炉停止余裕特性図に示す。
ここで曲線13(実線)は、長尺Gd燃料棒G1 に濃度1.0 %の可燃性毒物を含んだ燃料集合体10の場合で、曲線14(点線)は、長尺Gd燃料棒G1 に可燃性毒物を含まない場合、さらに曲線15(2点鎖線)は、平均濃縮度約3.7 %とした従来設計の高燃焼度燃料集合体を装荷した場合を表わす。
【0044】
この図2に示すように、一般に炉停止余裕の設計目標は、冷温時炉停止余裕(%Δk)が 1.0%Δk以上であり、平均濃縮度約 3.7%の従来設計の高燃焼度燃料集合体を装荷した場合には、曲線15で示すように設計目標を達成する。
しかしながら、平均濃縮度を約 4.0%にまで上げた場合には、曲線14で示すように、サイクル初期において冷温時炉停止余裕の 1.0%Δkを割り込み、設計目標が達成できていないことが分かる。
【0045】
一方、燃料集合体10の場合の曲線13では、前記濃度 1.0%の可燃性毒物を含まない場合(曲線14)と比較して、サイクル初期において冷温時炉停止余裕が約 0.3%Δk増加し、十分に設計目標を達成している。
このことから、前記燃料集合体10のように、長尺Gd燃料棒G1 の軸方向の上半部の一部領域に、濃度 1.0%の可燃性毒物を設けることにより、この可燃性毒物が効果的に中性子を吸収して、冷温時炉停止余裕が改善される。
【0046】
なお、炉停止余裕改善のために長尺Gd燃料棒G1 において、軸方向上半部の一部領域に特に設ける可燃性毒物の濃度を 1.0%以下とする必要性としては、前記燃料集合体10において、濃度が 1.0%の可燃性毒物を含む領域の断面における無限増倍率の燃焼変化を、図3の無限増倍率特性図に示す。
【0047】
ここで曲線16(実線)は、長尺Gd燃料棒G1 に濃度1.0 %の可燃性毒物を含んだ燃料集合体10の場合で、曲線17(点線)は、長尺Gd燃料棒G1 に可燃性毒物を含まない場合、さらに曲線18(2点鎖線)は、濃度3.0 %の可燃性毒物を含んだ場合を表わしている。
【0048】
この図3に示すように、燃料集合体10における長尺Gd燃料棒G1 で、軸方向の上部領域に濃度 1.0%の可燃性毒物を含有させた場合の曲線16は、可燃性毒物を含まない場合の曲線17と比較して、燃焼初期においては可燃性毒物の効果により無限増倍率は低下する。
しかし、燃焼の進行に伴いその効果は次第に薄れ、燃焼度(GWd/t)が約5GWd/tで、ほぼ完全に可燃性毒物の効果はなくなることが分かる。
【0049】
一方、前記長尺Gd燃料棒G1 における可燃性毒物濃度を 3.0%とした場合には、曲線18で示すように5GWd/t以降でも無限増倍率は低く、約10GWd/tまでその効果は持続される。
従って、燃料集合体10を取替炉心に装荷した場合には、サイクル末期での1サイクル目の燃料の、 1.0%の濃度の可燃性毒物を含む断面における平均燃焼度は、約5GWd/t程度となっている。
【0050】
このことから、サイクル末期で可燃性毒物が燃え残らないためには、約5GWd/tまでには燃え尽きる必要があり、この場合の可燃性毒物の濃度は、 1.0%以下とする必要があることが分かる。
【0051】
図4の反応度特性図は、前記長尺Gd燃料棒G1 に含む可燃性毒物の濃度を変化させた場合のサイクル末期における反応度の低下量を示すもので、可燃性毒物濃度が 1.0%以下の場合には、濃度0%、即ち、可燃性毒物を含まない場合と比較して、反応度はほとんど低下しない。
【0052】
しかし、これに対して可燃性毒物濃度を 3.0%とした場合では、反応度が約 0.1%Δk低下しており、このことから可燃性毒物濃度を 1.0%以下とすれば、サイクル末期の反応度はほとんど低下せず、従って、燃料の経済性を低下させることがないことが分かる。
【0053】
また、燃料集合体10における長尺Gd燃料棒G1 は、濃度 1.0%以下の可燃性毒物を含む領域を、可燃性毒物を含有しない燃料集合体を装荷した炉心で、冷温時における軸方向の中性子束分布が最も大きくなる位置を含む領域に形成した構成とする。
【0054】
燃料集合体10で長尺Gd燃料棒における可燃性毒物の含有する軸方向領域長さは、長くなるほどその反応度制御量は大きくなり、炉停止余裕改善の効果は大きくなるが、燃料経済性の面においては、サイクル末期における反応度の損失につながるために好ましくない。
また、運転中の軸方向の出力分布や余剰反応度の観点からも、長尺Gd燃料棒における濃度が 1.0%の可燃性毒物を含む領域は、必要以上に長くしない方が、運転中の炉心特性に与える影響も少なく好ましい。
【0055】
このためには、前記図1(b)に示す燃料集合体10における長尺Gd燃料棒G1 のように、濃度が 1.0%の可燃性毒物を冷温時に最も出力分布が大きくなる炉心の領域にのみ設けることによって、炉心特性を悪化させることなく効果的に出力ピークを抑え、かつ、必要以上の可燃性毒物を含有せずに、サイクル末期までには完全に可燃性毒物を燃やすことが可能となる。
【0056】
さらに、燃料集合体10では、長尺Gd燃料棒G1 において、濃度 1.0%の可燃性毒物を含む領域を、上部天然ウランブランケット部12bの直下部に形成した構成としている。
一般に高燃焼度燃料集合体では、軸方向の中性子の漏れを少なくして燃料経済性を向上するために、軸方向の下上端部にそれぞれ、天然ウランブランケット部12a,12bが形成されている。
【0057】
冷温時の炉心で中性子束は、軸方向上部で局所的にピークを持つが、この軸方向上端部に上部天然ウランブランケット部12bがある場合には、この上部天然ウランブランケット部12bにおける出力は低いために、上部天然ウランブランケット部12bの直下近傍で出力は大きくなる。
【0058】
このために、長尺Gd燃料棒G1 のように、上部天然ウランブランケット12bの直下部に、濃度 1.0%以下の可燃性毒物を含む領域を設定することにより、効率的に炉停止余裕を確保すると共に、サイクル末期までに完全に可燃性毒物を燃やすことが可能となる。
【0059】
図5の軸方向出力分布図に示すように、曲線19(実線)は燃料集合体10を取替炉心に装荷した場合で、また、曲線20(点線)は濃度 1.0%の可燃性毒物を含まない燃料集合体を装荷した冷温時のサイクル初期の炉心平均軸方向出力分布を表わす。
【0060】
この図5における曲線19および曲線20とからも分かるように、軸方向ノードに対する炉心平均軸方向出力分布は、上部天然ウランブランケット部12bの直下の領域では比較的出力が大きい。
また、濃度 1.0%の可燃性毒物を含まない燃料集合体の曲線20に比較し、燃料集合体10における曲線19は、軸方向出力の最大値が低下して、効果的に出力ピークを抑制していることが分かる。
【0061】
また、燃料集合体10の長尺Gd燃料棒G1 においては、濃度 1.0%の可燃性毒物を含む領域の長さを、図1(b)に示すように、燃料下端から有効長の19/24から22/24の領域で、燃料有効長さの13%以下に形成するように構成している。
【0062】
燃料集合体で可燃性毒物を含有する燃料棒において、可燃性毒物を含有する軸方向領域長さは、長くなるほどその反応度制御量は大きくなるために、炉停止余裕の完全の効果は大きくなる。
従って、図6の炉停止余裕特性図に示すように、燃料集合体10における長尺Gd燃料棒G1 で、濃度 1.0%の可燃性毒物を含む領域の長さを変えることにより、炉停止余裕の改善の度合いが変化する。
【0063】
この時に、濃度 1.0%の可燃性毒物を含む領域は、燃料下端から有効長の21/24から22/24の領域(全長の4%)、および20/24から22/24の領域(全長の8%)、さらに19/24から22/24の領域(全長の13%)と長さを変えた。
この図6で示すように、濃度 1.0%の可燃性毒物を含む領域の長さが長くなるにつれて、炉停止余裕は上昇して炉停止余裕は改善されるが、その単位長さ当たりの効果は長くなるほど小さくなり、およそ13%近傍で飽和する傾向があることが分かる。
【0064】
一方、濃度 1.0%の可燃性毒物を含む領域の長さが長くなるにつれて、炉心での反応度制御量が大きくなるため、必要以上に当該領域を長くすることは、運転中の軸方向出力分布や、運転中の余剰反応度が影響を受けて好ましくない。
【0065】
このことから、前記燃料集合体10においては、濃度が 1.0%以下の可燃性毒物を含有する軸方向領域の長さを、燃料有効長さの13%以下とすることにより、運転中の炉心特性や余剰反応度に大きな影響を与えない範囲で、サイクル初期の反応度制御量を適切に設定することができると共に、サイクル初期の炉停止余裕を改善することができる。
【0066】
次に、前記燃料集合体10において、濃度 1.0%以下の可燃性毒物を含有する長尺Gd燃料棒G1 の本数を1本または2本として構成する。
可燃性毒物の含有する燃料棒の本数は、多くなるほどその反応度制御量は大きくなるため、炉停止余裕の改善の効果は大きくなる。
【0067】
従って、図7の炉停止余裕特性図に示すように、燃料集合体10においては、濃度 1.0%の可燃性毒物を含む長尺Gd燃料棒G1 の本数を変えることにより、本数が多くなるにつれて炉停止余裕は改善される。
しかしながら、その本数当たりの改善効果は、本数が多くなるほど小さくなり、およそ2本で飽和する傾向があることが分かる。
【0068】
一方、長尺Gd燃料棒G1 の本数が多くなるにつれて、炉心における反応度制御量が大きくなるために、軸方向出力分布や運転中の余剰反応度が受ける影響は大きくなり好ましくない。
【0069】
これらのことから、前記燃料集合体10においては、濃度 1.0%の可燃性毒物を含有する長尺Gd燃料棒G1 の本数を、1本または2本に設定することにより、運転中の炉心特性や余剰反応度に大きな影響を与えない範囲で、サイクル初期の反応度制御量を適切に設定することができ、また、サイクル初期の炉停止余裕を改善することができる。
【0070】
なお、前記燃料集合体10は、高燃焼度を達成するために設計された高燃焼度燃料集合体の一例であり、従って、前記長尺Gd燃料棒G1 およびウォータロッド4の長さと、本数や形状および配置位置と、短尺燃料棒U2 や天然ウランブランケット部12a,12bの有無、さらに、長尺Gd燃料棒G2 の可燃性毒物の濃度は設計によって異なる。
【0071】
また、本第1実施の形態は、燃料棒配列が9行9列で短尺燃料棒U2 があり、天然ウランブランケット部12a,12bを設置した燃料に適用した例であるが、上記の特性は、これに限定されるものではなく、燃料棒配列が8行8列や10行10列などの他の設計においても同様の効果が得られる。
【0072】
第2実施の形態を図8(a)及び(b)を用いて説明する。なお、上記第1実施の形態と同様の構成部分については詳細な説明を省略し、異なる部分について説明する。
【0073】
図8(a)は高燃焼度燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、(b)は燃料棒の燃料および含有可燃性毒物の軸方向分布図を示す。燃料集合体21は、上記図13に示した高燃焼度燃料集合体1に適用した例で、66本の長尺燃料棒として長尺燃料棒U1 を58本、可燃性毒物であるGdを含有した長尺Gd燃料棒G3 を2本、および長尺Gd燃料棒G4 の6本がある。
さらに、8本の短尺燃料棒U2 と、2本の太径のウォータロッド4を配置して構成している。
【0074】
また、図8(b)のように長尺燃料棒U1 ,G3 ,G4 には、それぞれ下端部で燃料有効長の1/24の長さの領域に下部天然ウランブランケット部12aが、上端部の燃料有効長で2/24の長さの領域に上部天然ウランブランケット部12bが設けられている。
さらに、第1群の燃料棒として6本の長尺燃料棒G4 においては、前記天然ウランブランケット部12a,12bを除く軸方向内部全域に、高濃度の可燃性毒物である7.0 %のGdが含有されている。
【0075】
また、第2群の燃料棒として長尺燃料棒G3 の2本については、上部天然ウランブランケット部12bの直下部で、燃料下端から有効長の20/24から22/24の領域において濃度 1.0%のGdが、それ以外の領域には高濃度の7.0 %のGdが含まれている。
【0076】
なおここでは、初装荷炉心用に用いられる燃料の例を示しており、この初装荷炉心用の燃料の可燃性毒物濃度は、余剰反応度制御の観点から取替燃料より高くするのが一般的であり、前記長尺燃料棒G3 における濃度1.0 %とした領域以外のGdの濃度を3.0 %以上に構成している。
また、前記燃料集合体21における核分裂性物質の平均濃縮度は、高燃焼度を達成するために、通常燃料より高い約 4.0%の高濃縮度となっている。
【0077】
一般に、沸騰水型原子炉においては、出力運転中はボイドが形成され、上部ほどボイド率が大きく、このボイドによる負の反応度効果により、相対的に炉心の上部より下部の出力が大きくなる傾向がある。
特に初装荷炉心においては、すべての燃料が新燃料であり、ある程度軸方向下部の燃焼が進んだ2サイクル目以降の燃料が存在しないために、サイクルを通じて下部の出力ピークが出易く、この傾向は高燃焼度化を図った高濃縮度燃料において大きくなる。
【0078】
また、前記燃料集合体21においては短尺燃料棒U2 を用いているが、このことは、さらに炉心下部における出力ピークを促進させることになる。
なお、この炉心下部の出力が大きくなる傾向を抑制するものとして、軸方向上部に可燃性毒物を含有しない燃料棒を設ける方法がある。
【0079】
この例としては、図9(a)の燃料棒配置を示す横断面図と、(b)の燃料棒の燃料および含有可燃性毒物の軸方向分布図に示す、燃料集合体22においては、66本の長尺燃料棒として長尺燃料棒U3 を58本、可燃性毒物であるGdを含有した長尺Gd燃料棒G5 を2本、および長尺Gd燃料棒G6 の6本がある。
さらに、8本の短尺燃料棒U2 と、2本の太径のウォータロッド4を配置して構成している。
【0080】
また、図9(b)のように長尺燃料棒U3 ,G5 ,G6 には、それぞれ下端部で燃料有効長の1/24の長さの領域に下部天然ウランブランケット部12aが、上端部の燃料有効長の1/24の長さの領域に上部天然ウランブランケット部12bが設けられている。
さらに、6本の長尺燃料棒G6 においては、前記天然ウランブランケット部12a,12bを除く軸方向内部全域に、高濃度のGd7.0 %が含有されている。
【0081】
しかし、長尺燃料棒G5 の2本については、上部天然ウランブランケット部12b直下部で、燃料下端から有効長の20/24から22/24の軸方向上部の一部領域においては可燃性毒物を含まず、その他の領域は高濃度のGd7.0 %を含有させている。
これにより、炉心上部での出力を増加させると共に、炉心下部での出力ピークを緩和することができる。
【0082】
しかしながら、本燃料集合体21においては長尺燃料棒G3 のように、前記燃料集合体22における長尺燃料棒G5 の軸方向上部で可燃性毒物を含有しない部分を、サイクル初期の冷温時炉停止余裕を増加させるために、濃度 1.0%以下の可燃性毒物を含む領域として形成している。
この結果から初装荷炉心では、特にサイクル初期において炉停止余裕が悪化する傾向があるが、燃料棒の上部領域に濃度 1.0%の可燃性毒物を入れることにより、炉停止余裕を改善することができる。
【0083】
一方、前記長尺燃料棒G3 の上部領域に濃度 1.0%以下の可燃性毒物を含む領域を新たに形成することにより、サイクル初期では下方ピークが再び促進されるが、可燃性毒物濃度が 1.0%以下と低いことと、この可燃性毒物が 1.0%以下の領域の長さを必要最小限とすることで、運転中の炉心特性や余剰反応度に与える影響はほとんどない。
【0084】
さらに、特に初装荷炉心では、 100%出力での運転が始まる前の約1GWd/tの期間には、低出力での起動試験が行われるために、軸方向出力分布が多少悪化しても炉心特性上問題はなく、濃度 1.0%の可燃性毒物を含有させた効果は、この起動試験期間中に小さくなり、 100%出力運転開始以降の軸方向出力分布への影響は小さい。
【0085】
一般に初装荷炉心は、濃縮度の異なる複数の燃料、例えば高,中,低濃縮度の3種類の燃料により構成されるが、本燃料集合体21を高濃縮度燃料として用いた場合の初装荷炉心の冷温時炉停止余裕の燃焼変化の例を、図10の冷温時炉停止余裕特性図に示す。
【0086】
ここで、曲線23(実線)は燃料集合体21を装荷した場合で、曲線24(点線)は燃料集合体21の代りに、燃料集合体22を装荷した場合を示す。なお、燃料集合体21,22は、いずれも高燃焼度を達成するために、初期濃縮度を通常の燃料集合体より高く設定してある。
このために、燃料集合体22で濃度 1.0%の可燃性毒物を含まない場合には、曲線24で示すように、特にサイクル初期での炉停止余裕が小さく、設計目標を満足していない。
【0087】
一方、上部領域に濃度が 1.0%の可燃性毒物を設けた燃料集合体21の場合には、曲線23のように効果的に反応度を抑制することができ、特にサイクル初期で冷温時炉停止余裕が改善されて約 0.3〜 0.4%Δk増加しており、設計目標を満足することが分かる。
これにより、前記燃料集合体21においては、 100%出力運転中の出力の下方ピークを緩和すると共に、燃焼初期の反応度を抑制して、サイクル初期の冷温時炉停止余裕を改善することができる。
【0088】
なおここでは、初装荷炉心に装荷した例を示したが、本発明の適用は初装荷炉心燃料に限らず、取替燃料であっても、運転中の炉心下部の出力ピークを抑制するために、可燃性毒物含有燃料棒の上部の可燃性毒物の濃度を1%以下とした場合には適用ができるものである。
また、このような燃料集合体21は、高燃焼度を達成するために設計された高燃焼度燃焼集合体で、燃料棒配列が9行9列とし天然ウランブランケット部を設けた一例である。
【0089】
従って、燃料棒およびウォーターロッド4の長さや本数と、形状および配置位置、短尺燃料棒U2 あるいは天然ウランブランケット部12a,12bの有無、長尺Gd燃料棒G4 の可燃性毒物の濃度、および長尺Gd燃料棒G3 における下部の可燃性毒物の濃度は設計によって異なる。
【0090】
第3実施の形態を図11(a)及び(b)を用いて説明する。なお、上記第1実施の形態と同様の構成部分については、詳細な説明を省略し、異なる部分について説明する。
図11(a)の燃料棒配置の横断面図と、(b)の燃料棒の燃料および含有可燃性毒物の軸方向分布図に示すように、燃料集合体25は、66本の長尺燃料棒として長尺燃料棒U3 を53本、可燃性毒物であるGdを含有した長尺Gd燃料棒G7 を2本、および長尺Gd燃料棒G8 の11本がある。さらに、8本の短尺燃料棒U2と、2本の太径のウォータロッド4を配置して構成している。
【0091】
長尺燃料棒U3 ,G7 ,G8 には、いずれも下端部と上端部とにそれぞれ燃料有効長の1/24の領域に天然ウランブランケット部12a,12bが設けられている。
【0092】
さらに、第1群の燃料棒である11本の長尺Gd燃料棒G8 においては、上下部天然ウランブランケット部12a,12bを除く軸方向内部全域に、濃度 3.5%の可燃性毒物であるGdが含有されている。
【0093】
一方、第2群の燃料棒である2本の長尺Gd燃料棒G7 については、燃料下端から有効長の1/24から8/24の領域、および20/24から23/24の領域において、濃度 1.0%の可燃性毒物であるGdが含有されている。従って、その他の領域はUのみである。
また、ここで前記燃料集合体25における核分裂性物質の平均濃縮度は、高燃焼度を達成するために、通常燃料より高い約 4.0%の高濃縮度とされている。
【0094】
前記のような高燃焼度燃料集合体においては、燃料棒が増加したことによる冷却材流れの圧損の増加を緩和するために、一般的な長尺燃料棒より約2/3短くした短尺燃料棒を使用する場合がある。
しかし、可燃性毒物が前記長尺燃料棒の全長に含有された場合には、軸方向上半部と下半部では可燃性毒物入り燃料棒本数が等しくなり、燃焼初期における反応度制御量は、断面当たりの燃料棒本数が少なく、減速材量が多い上部において下部よりも大きくなる。
【0095】
このために、結果的に炉心下部の出力が大きくなる傾向がある。そこで、炉心下部の出力が大きくなる傾向を抑制する対策として、特開平6-118188号公報「燃料集合体および沸騰水型原子炉炉心」では、前記短尺燃料棒が存在する軸方向下部領域の一部分に濃度の薄い可燃性毒物を形成し、出力運転中、特にサイクル初期の軸方向下部の出力ピークを緩和している。
【0096】
しかしながら、本燃料集合体25の長尺Gd燃料棒G7 では、前記のような軸方向下部領域の一部分に可燃性毒物を形成した燃料において、さらにサイクル初期の冷温時炉停止余裕を増加させるために、軸方向下部領域の一部分に可燃性毒物を形成した同一の燃料棒の上部領域に濃度 1.0%以下の可燃性毒物を含む領域を形成している。
【0097】
従って、前記軸方向上部に 1.0%濃度の可燃性毒物を形成するに際し、燃料集合体における燃料棒の種類を増加させる必要がないことから、部品点数が増加するなど製造上不利になることはなく、炉停止余裕を改善することができる。
【0098】
このように構成された燃料集合体25による取替炉心において、冷温時炉停止余裕の燃焼変化の例を図12の冷温時炉停止余裕特性図に示す。なお、曲線26(実線)は燃料集合体25を装荷した場合で、曲線27(点線)は燃料集合体25において、前記第2群の燃料棒である長尺Gd燃料棒G7 の軸方向上部の濃度 1.0%の可燃性毒物を含まない場合を示す。
なお、燃料集合体25は高燃焼度を達成するために、初期濃縮度を通常の燃料集合体1より高く設定してある。
【0099】
従って、曲線27に示すように長尺Gd燃料棒で、上部に濃度 1.0%の可燃性毒物を含まない場合には、特にサイクル初期において炉停止余裕が小さく、設計目標を満足していない。
一方、燃料集合体25においては、曲線26で示すように上部領域に濃度 1.0%の可燃性毒物を設けることにより、特にサイクル初期での冷温時炉停止余裕が改善されて約 0.2〜 0.3%Δk増加しており、設計目標を満足することが分かる。
【0100】
これにより、本第3実施の形態によれば、サイクル初期での出力の下方ピークを緩和しつつ、燃焼初期の反応度を抑制してサイクル初期の冷温時炉停止余裕を改善することができる。
なお、これら上記の特性は、燃料棒配列が9行9列で、天然ウランブランケット部12a,12bを設けている場合に限定されるものではなく、燃料棒配列が8行8列や10行10列などの他の設計においても同様の効果が得られるものである。
【0101】
【発明の効果】
以上本発明によれば、沸騰水型原子炉に装荷した燃料集合体において、高燃料度を達成すると共に、燃料棒に含有させた可燃性毒物でサイクル末期の反応度を低下させることなく、燃焼初期の反応度のみを抑制してサイクル初期の冷温時炉停止余裕を改善する。
【0102】
また、過剰な反応度を効率よく抑制して炉停止余裕の改善と共に、燃料棒に含有させる可燃性毒物の軸方向領域および長さと、設置本数を適切に選定することから、サイクル末期までに完全に可燃性毒物を燃やして、燃料の経済性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1実施の形態の燃料集合体で、(a)は燃料棒配置の横断面図、(b)は燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図2】本発明に係る第1実施の形態で、燃焼度に対する冷温時炉停止余裕特性図。
【図3】本発明に係る第1実施の形態で、燃焼度に対する無限増倍率特性図。
【図4】本発明に係る第1実施の形態で、可燃性毒物濃度に対するサイクル末期の反応度特性図。
【図5】本発明に係る第1実施の形態の軸方向出力分布図。
【図6】本発明に係る第1実施の形態で、濃度 1.0%の可燃性毒物領域に対する炉停止余裕特性図。
【図7】本発明に係る第1実施の形態で、濃度 1.0%の可燃性毒物含有燃料棒数に対する炉停止余裕特性図。
【図8】本発明に係る第2実施の形態の燃料集合体で、(a)は燃料棒配置の横断面図、(b)は燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図9】第2実施の形態における比較例の燃料集合体で、(a)は燃料棒配置の横断面図、(b)は燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図10】本発明に係る第2実施の形態で、燃焼度に対する冷温時炉停止余裕特性図。
【図11】本発明に係る第3実施の形態の燃料集合体で、(a)は燃料棒配置の横断面図、(b)は燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図12】本発明に係る第3実施の形態で、燃焼度に対する冷温時炉停止余裕特性図。
【図13】高燃焼度の燃料集合体で(a)は縦断面図、(b)は(a)におけるB−B矢視断面図、(c)は(a)におけるC−C矢視断面図。
【符号の説明】
1,10,21,22,25…燃料集合体、2,U1 〜U3 …長尺燃料棒、3,U2 …短尺燃料棒、4…ウォーターロッド(W)、5…スペーサ、6…外部スプリング、7…上部タイプレート、8…下部タイプレート、9…チャンネルボックス、G1 〜G8 …長尺Gd燃料棒、11…制御棒、12a…下部天然ウランブランケット部、12b…上部天然ウランブランケット部、13,16,19,23,26…曲線(実線)、14,17,20,24,27…曲線(点線)、15,18…曲線(一点鎖線)。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel assembly for a boiling water reactor, and more particularly, to a fuel assembly having a high burnup with improved cold shutdown at the initial stage of a cycle without deteriorating fuel economy and core characteristics.
[0002]
[Prior art]
The core of a nuclear reactor is made up of a number of fuel assemblies and control rods that can be inserted and removed between them. Generally, fuel assemblies used in boiling water reactors contain uranium oxide in the fuel cladding tube. It is composed of a plurality of fuel rods filled with many fuel pellets.
[0003]
An example of this fuel assembly is a longitudinal sectional view of FIG. 13 (a), a sectional view taken along line BB in (a) of (b), and a sectional view taken along line CC in (a) of (c). Shown in
In the
[0004]
Among the bundled fuel rods, the
[0005]
The length and number of the
[0006]
By the way, one of the design conditions in the design of nuclear reactor fuel is to ensure a cold reactor shutdown margin of 1.0% Δk or more throughout the operation cycle. This reactor shutdown margin is the control with the greatest reactivity control effect. This represents the subcriticality when one rod is pulled out and all other control rods are inserted, and a reactor shutdown margin must be secured for reactor safety.
[0007]
In general, the infinite multiplication factor of fuel assemblies that do not contain flammable poisons decreases linearly with the degree of burnup as the fissile material burns. Get smaller.
[0008]
In order to solve this problem, some of the fuel pellets in the fuel rod contain a flammable poison such as gadolinia, which has the ability to absorb neutrons. The infinite multiplication factor decreases, and the necessary furnace shutdown margin can be secured.
[0009]
However, as the combustion proceeds, the flammable poison is burned out, and the ability to absorb neutrons is lost, so the effect of reducing the infinite multiplication factor is lost. That is, the flammable poison plays a role in flattening the combustion change at an infinite multiplication factor during the combustion period.
[0010]
However, if the content of the flammable poison is excessively increased, the flammable poison remains at the end of the cycle, and the reactivity is lost, resulting in a decrease in fuel economy. It will be.
In addition, when the flammable poison is contained uniformly in the axial direction, the power of the nuclear reactor is low in the periphery and upper and lower parts of the core. The flammable poison remains at the end of the cycle and the reactivity is lost.
[0011]
In order to deal with such a problem, for example, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-102188 “Fuel Assembly” and Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-259988 “Fuel Rod for Reactor”, the upper half of the axial direction is used. 19/24 to 21/24 (referred to as the shutdown zone) from the lower end where the number of flammable poison-containing fuel rods is reduced or the concentration of the flammable poison is lowered and the neutron flux is highest in the axial direction when cold. The high combustible poison loading area or the high concentration area is formed only in a partial area in the upper half of the axial direction in the range up to.
[0012]
In this way, most of the upper half has a low content of flammable poisons, so it is possible to reduce the loss of reactivity at the end of the cycle, and the neutron flux increases during cold temperatures. Since the content of the flammable poison is large only in a partial region of the section, it is possible to efficiently suppress the excessive reactivity of the core, and it is possible to secure a necessary reactor shutdown margin.
[0013]
In addition, the reason why the neutron flux increases at the upper part in the axial direction when the temperature is low is that in a boiling water reactor, voids are formed in the coolant water in the core during power operation. Therefore, the output at the lower part tends to be relatively higher than the upper part due to the negative reactivity effect due to the formed void.
Therefore, the design has been optimized to optimize the axial concentration and the distribution of flammable poisons so as to flatten the axial output distribution during output operation. In this case, the output distribution is increased.
[0014]
In the replacement core, the power peak at the upper part is particularly noticeable when the temperature is low. This is because the power is low at the core periphery and the upper and lower parts where neutron leakage is large. Combustion of flammable poisons is delayed.
In particular, in the upper part of the core, the void ratio is large, so that the neutrons are slowed down, and the combustion delay of the fissile material and combustible poison is remarkable. In addition, the generation of plutonium is promoted in the upper part of the core because the void ratio is large, and the accumulation of plutonium proceeds at a higher rate.
[0015]
As described above, in the replacement core in which the fuel having advanced combustion exists due to the delay in the burning of the fissile material and the accumulation of plutonium, the reactivity at the cold temperature becomes the maximum in the upper part of the core.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, in order to improve the operational economy of nuclear power generation, the degree of combustion of fuel has been increased. In this high burnup fuel assembly, the initial enrichment of the fissile material is increased in order to achieve a high burnup, and therefore the infinite multiplication factor at the cold temperature is increased, and the furnace shutdown margin at the cold temperature is increased. There is a problem that the tendency to get worse becomes stronger.
In particular, in the new fuel, the neutron-absorbing material Sm (samarium) is not generated, and the reactor shutdown margin tends to decrease at the beginning of the cycle. This trend is the first time that all fuel loaded in the core becomes the new fuel. This is more noticeable in the loading core.
[0017]
However, increasing the content of flammable poisons in order to ensure the furnace shutdown margin at the beginning of the cycle will leave the flammable poisons at the end of the cycle and reduce the reactivity at the end of the cycle, thus reducing the fuel economy. As a result, this tendency has become a major limitation in the core design when increasing the burnup.
[0018]
The object of the present invention is that there is no decrease in reactivity at the end of the cycle and deterioration of core characteristics during operation from the region containing the flammable poison at the axial position of the fuel rod, and only the reactivity at the initial stage of combustion An object of the present invention is to provide a fuel assembly that suppresses and improves the cold shutdown time at the beginning of the cycle.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel assembly according to the first aspect of the present invention is a fuel assembly for a boiling water reactor configured by bundling a plurality of fuel rods.A region containing a flammable poison with a concentration of 1.0% or less is formed immediately below the upper natural uranium blanket, and the length of the region is 13% or less of the effective fuel lengthA fuel rod is provided.
[0020]
At the beginning of the cycle, there is a fuel rod containing a flammable poison with a concentration of 1.0% or less in the upper half of the axial direction where the neutron flux increases at cold temperatures, effectively suppressing excess reactivity and increasing the reactor shutdown margin. Improve.
[0021]
In addition, the concentration of the flammable poison in the upper half region in the axial direction of the fuel rod is 1.0% or less, which is extremely thin enough to burn out by the middle of the cycle, so that the effect of the flammable poison by the middle of the cycle. After this, the reactivity will not decrease.
Thereby, since the reactivity at the end of the cycle is not lowered, only the reactivity at the beginning of the cycle is suppressed, and the cold shutdown furnace margin is improved.
[0025]
Claim2The fuel assembly according to the described invention is characterized in that in the fuel assembly, the number of fuel rods containing a combustible poison having a concentration of 1.0% or less is one or two.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the same component as the above-mentioned prior art, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted. First embodimentInFIG. 1A is a transverse sectional view showing the arrangement of fuel rods in a high burnup fuel assembly, and FIG. 1B is an axial distribution diagram of fuel in the fuel rods and contained combustible poisons.
[0034]
In the fuel assembly, the distribution of the fissile material concentration and the concentration of the flammable poison are given in the axial and radial directions, but the detailed distribution will be omitted here. .
Further, in the first embodiment, in the same manner as when applied to the
[0035]
Further, in order to alleviate the increase in pressure loss of the coolant flow due to the increase in the number of fuel rods, a
[0036]
That is, the
[0037]
In general, high burnup fuel assemblies are provided with natural uranium blanket portions at the upper and lower ends in the axial direction in order to reduce the leakage of neutrons in the axial direction and improve the economy. As shown in b), the long fuel rod U1And long Gd fuel rod G1, And long Gd fuel rod G2The lower natural uranium blanket portion 12a is formed in the region of 1/24 of the effective fuel length at the lower end portion, and the upper natural
[0038]
In general, fuel pellets enclosed in fuel rods contain Gd, which is a flammable poison for controlling excess reactivity, and the amount of reactivity control at the initial stage of combustion is approximately proportional to the number of fuel rods containing flammable poisons. The duration of reactivity control is approximately proportional to the flammable poison concentration.
Therefore, the concentration of the flammable poison is such that the replacement fuel is burned out at the end of the cycle, and is about 3.0 to 5.0% in the case of normal 13 to 15 month operation.
[0039]
For the
[0040]
Also, this long Gd fuel rod G containing 3.5% Gd2Is appropriately set in order to control the excess reactivity in the core. That is, long Gd fuel rod G2If the number of the
As a result, the power distribution in the radial direction or the axial direction of the core is distorted and the core characteristics are deteriorated.
[0041]
Conversely, long Gd fuel rod G2If the number is too small, the excess reactivity increases and the number of
Therefore, in the
[0042]
On the other hand, long Gd fuel rod G1For these two, Gd with a concentration of 1.0% is contained in the 20/24 to 22/24 region of the effective length which is a part of the upper half at the lower end of the fuel immediately below the upper natural
In addition, the enrichment of the average fissionable material in the
[0043]
FIG. 2 shows a typical cold stop reactor surplus characteristic diagram of the cold core shutdown margin combustion change in the replacement core loaded with the
Here, curve 13 (solid line) is a long Gd fuel rod G1In the case of the
[0044]
As shown in Fig. 2, the design target of the reactor shutdown margin is generally the high burnup fuel assembly of the conventional design with the reactor shutdown margin (% Δk) at the cold temperature of 1.0% Δk or more and the average enrichment of about 3.7%. The design target is achieved as shown by the
However, when the average enrichment is raised to about 4.0%, as shown by
[0045]
On the other hand, in the
From this, the long Gd fuel rod G as in the
[0046]
Note that the long Gd fuel rod G is used to improve the furnace shutdown margin.1In the
[0047]
Here, the curve 16 (solid line) is a long Gd fuel rod G1In the case of the
[0048]
As shown in FIG. 3, the long Gd fuel rod G in the
However, as the combustion progresses, the effect gradually diminishes, and it can be seen that when the burnup (GWd / t) is about 5 GWd / t, the effect of the flammable poison is almost completely lost.
[0049]
Meanwhile, the long Gd fuel rod G1When the flammable poison concentration at 3.0 is 3.0%, the infinite multiplication factor is low even after 5 GWd / t as shown by the
Therefore, when the
[0050]
From this, in order for the flammable poison not to burn at the end of the cycle, it is necessary to burn out by about 5 GWd / t. In this case, the concentration of the flammable poison may need to be 1.0% or less. I understand.
[0051]
The reactivity characteristic diagram of FIG. 4 shows the long Gd fuel rod G.1Indicates the amount of decrease in reactivity at the end of the cycle when the concentration of flammable poisons contained in is changed. When the flammable poison concentration is 1.0% or less, the concentration is 0%, that is, includes flammable poisons. Compared with the case without it, the reactivity hardly decreases.
[0052]
However, when the flammable poison concentration is set to 3.0%, the reactivity decreases by about 0.1% Δk. Therefore, if the flammable poison concentration is 1.0% or less, the reactivity at the end of the cycle is reduced. It can be seen that there is almost no decrease in fuel consumption, and therefore does not reduce the fuel economy.
[0053]
Also, the long Gd fuel rod G in the
[0054]
The longer the axial length of the
Also, from the viewpoint of axial power distribution during operation and surplus reactivity, it is better not to lengthen the region containing a flammable poison with a concentration of 1.0% in the long Gd fuel rods longer than necessary. The effect on the characteristics is also small, which is preferable.
[0055]
For this purpose, the long Gd fuel rod G in the
[0056]
Further, in the
Generally, in a high burnup fuel assembly, natural
[0057]
The neutron flux in the cold core has a local peak at the upper part in the axial direction, but when the upper natural
[0058]
For this purpose, the long Gd fuel rod G1As shown above, by setting an area containing flammable poisons with a concentration of 1.0% or less immediately below the upper
[0059]
As shown in the axial power distribution diagram of Fig. 5, curve 19 (solid line) is when the
[0060]
As can be seen from the
Also, compared to the
[0061]
Also, the long Gd fuel rod G of the
[0062]
In fuel rods containing flammable poisons in the fuel assembly, the axial control region length containing flammable poisons increases the reactivity control amount as the length increases, so the complete effect of the furnace shutdown margin increases. .
Therefore, as shown in the furnace stop margin characteristic diagram of FIG. 6, the long Gd fuel rod G in the
[0063]
At this time, the area containing a flammable poison with a concentration of 1.0% is the effective length area from 21/24 to 22/24 (4% of the total length) and the 20/24 to 22/24 area (full length). 8%), and the length was changed from 19/24 to 22/24 (13% of the total length).
As shown in FIG. 6, as the length of the region containing a flammable poison with a concentration of 1.0% increases, the furnace shutdown margin increases and the furnace shutdown margin improves, but the effect per unit length is It turns out that it becomes small, so that it tends to saturate at about 13%.
[0064]
On the other hand, as the length of the area containing a flammable poison with a concentration of 1.0% increases, the reactivity control amount in the core increases. Therefore, making the area longer than necessary increases the axial power distribution during operation. In addition, the excess reactivity during operation is affected, which is not preferable.
[0065]
From this, in the
[0066]
Next, in the
As the number of fuel rods containing the flammable poison increases, the reactivity control amount increases, so the effect of improving the furnace shutdown margin increases.
[0067]
Therefore, as shown in the reactor shutdown margin characteristic diagram of FIG. 7, in the
However, it can be seen that the improvement effect per number decreases as the number increases, and tends to be saturated at about two.
[0068]
On the other hand, long Gd fuel rod G1Since the reactivity control amount in the core increases as the number of the reactors increases, the influence of the axial power distribution and surplus reactivity during operation increases, which is not preferable.
[0069]
For these reasons, the
[0070]
The
[0071]
Further, in the first embodiment, the fuel rod arrangement is 9 rows and 9 columns, and the short fuel rods U2However, the above-mentioned characteristics are not limited to this, and the fuel rod arrangement is 8 rows by 8 columns, 10 rows by 10 columns, etc. Similar effects can be obtained in other designs.
[0072]
Second embodimentWill be described with reference to FIGS. 8A and 8B.Detailed description of the same components as those in the first embodiment will be omitted, and only different portions will be described.
[0073]
FIG. 8A is a transverse sectional view showing the arrangement of fuel rods in the high burnup fuel assembly, and FIG. 8B is an axial distribution diagram of the fuel in the fuel rods and the contained combustible poison. The
In addition, eight short fuel rods U2And two
[0074]
In addition, as shown in FIG.1, GThree, GFourThe lower natural uranium blanket portion 12a is in the region of 1/24 of the effective fuel length at the lower end portion, and the upper natural
Furthermore, six long fuel rods G as the first group of fuel rodsFourIn the above, the entire inside of the axial direction excluding the natural
[0075]
Also, a long fuel rod G as the second group of fuel rodsThreeFor these two, just below the upper natural
[0076]
Here, an example of the fuel used for the initial loading core is shown, and the combustible poison concentration of the fuel for the initial loading core is generally higher than that of the replacement fuel from the viewpoint of excess reactivity control. The long fuel rod GThreeThe concentration of Gd outside the region where the concentration is 1.0% is set to 3.0% or more.The
Further, the average enrichment of the fissile material in the
[0077]
In general, in boiling water reactors, voids are formed during power operation, and the void ratio is higher in the upper part. Due to the negative reactivity effect of these voids, the output at the lower part of the core tends to be relatively higher than the upper part of the core. There is.
Especially in the initial loading core, all the fuel is new fuel, and there is no fuel in the second and subsequent cycles in which combustion in the lower part of the axial direction has progressed to some extent. It becomes large in highly enriched fuel that has achieved high burnup.
[0078]
Further, in the
In addition, there is a method of providing a fuel rod that does not contain a flammable poison at the upper part in the axial direction as a means for suppressing the tendency for the output at the lower part of the core to increase.
[0079]
As an example of this, in the
In addition, eight short fuel rods U2And two large-
[0080]
Also, as shown in FIG. 9B, the long fuel rod UThree, GFive, G6The lower natural uranium blanket portion 12a is in the region of 1/24 of the effective fuel length at the lower end and the upper natural
In addition, six long fuel rods G6, High concentration of Gd 7.0% is contained in the whole area in the axial direction excluding the natural
[0081]
However, the long fuel rod GFiveFor these two, in the lower part of the upper natural
As a result, the power at the upper part of the core can be increased and the output peak at the lower part of the core can be relaxed.
[0082]
However, in this
From this result, in the initial loading core, the reactor shutdown margin tends to deteriorate, especially at the beginning of the cycle, but the reactor shutdown margin can be improved by putting a flammable poison with a concentration of 1.0% in the upper region of the fuel rod. .
[0083]
Meanwhile, the long fuel rod GThreeBy forming a new region containing flammable poisons with a concentration of 1.0% or less in the upper region of the catalyst, the lower peak is promoted again at the beginning of the cycle, but the flammable poison concentration is low at 1.0% or less. By minimizing the length of the area where 1.0% or less of the toxic substance is necessary, there is almost no effect on the core characteristics and excess reactivity during operation.
[0084]
Furthermore, especially in the initial loading core, since the start-up test is performed at a low output during a period of about 1 GWd / t before the operation at 100% output starts, the core is not affected even if the axial power distribution is somewhat deteriorated. There is no problem in characteristics, and the effect of containing a flammable poison with a concentration of 1.0% is reduced during this start-up test period, and the influence on the axial output distribution after the start of 100% output operation is small.
[0085]
In general, the initial loading core is composed of a plurality of fuels having different enrichments, for example, three kinds of fuels of high, medium and low enrichment, but the initial loading when the
[0086]
Here, the curve 23 (solid line) shows the case where the
For this reason, when the
[0087]
On the other hand, in the case of the
As a result, in the
[0088]
In addition, although the example loaded to the initial loading core was shown here, the application of the present invention is not limited to the initial loading core fuel, and even in the case of replacement fuel, in order to suppress the output peak at the bottom of the operating core. It can be applied when the concentration of the flammable poison at the top of the fuel rod containing the flammable poison is 1% or less.
Further, such a
[0089]
Accordingly, the length and number of fuel rods and
[0090]
Third embodimentWill be described with reference to FIGS. 11 (a) and 11 (b).In addition, detailed description is abbreviate | omitted about the component similar to the said 1st Embodiment, and a different part is demonstrated.
As shown in the cross-sectional view of the fuel rod arrangement in FIG. 11 (a) and the axial distribution diagram of the fuel in the fuel rod and the contained combustible poison in FIG. 11 (b), the
[0091]
Long fuel rod UThree, G7, G8Are both provided with natural
[0092]
Further, eleven long Gd fuel rods G which are the first group of fuel rods8, The entire inner part in the axial direction excluding the upper and lower natural
[0093]
On the other hand, two long Gd fuel rods G which are the fuel rods of the second group7In the region of 1/24 to 8/24 of the effective length from the lower end of fuel and 20/24 to 23/24, Gd, which is a combustible poison with a concentration of 1.0%, is contained. Therefore, the other area is only U.
Here, the average enrichment of the fissile material in the
[0094]
In the high burnup fuel assembly as described above, in order to mitigate the increase in the coolant flow pressure loss due to the increase in the number of fuel rods, the short fuel rods shortened by about 2/3 from the general long fuel rods. May be used.
However, when the flammable poison is contained in the entire length of the long fuel rod, the number of fuel rods containing the flammable poison is equal in the upper half and the lower half in the axial direction, and the reactivity control amount at the initial stage of combustion is The number of fuel rods per cross section is small, and the upper part where the amount of moderator is large is larger than the lower part.
[0095]
For this reason, as a result, there is a tendency that the output of the lower core becomes larger. Therefore, as a measure for suppressing the tendency for the output of the lower part of the core to increase, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-118188 “Fuel Assembly and Boiling Water Reactor Core”, a part of the axial lower region where the short fuel rods are present A low-concentration combustible poison is formed, and the output peak in the lower axial direction at the beginning of the cycle is alleviated during the output operation.
[0096]
However, the long Gd fuel rod G of the
[0097]
Therefore, it is not necessary to increase the number of fuel rods in the fuel assembly when forming a 1.0% concentration of flammable poison on the upper part in the axial direction. The furnace shutdown margin can be improved.
[0098]
FIG. 12 shows an example of the change in combustion of the cold stop reactor margin in the cold reactor stop margin characteristic diagram of FIG. 12 in the replacement core with the
The
[0099]
Therefore, as shown by the
On the other hand, in the
[0100]
As a result, according to the third embodiment, the lower peak of the output at the initial stage of the cycle can be relaxed, the reactivity at the initial stage of combustion can be suppressed, and the cold shutdown furnace margin at the initial stage of the cycle can be improved.
These characteristics are not limited to the case where the fuel rod arrangement is 9 rows and 9 columns and the natural
[0101]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the fuel assembly loaded in the boiling water reactor, high fuel degree is achieved, and combustion is achieved without reducing the reactivity at the end of the cycle with the flammable poison contained in the fuel rod. Only the initial reactivity is suppressed, and the cold shutdown furnace margin at the beginning of the cycle is improved.
[0102]
In addition, the excess reactivity is efficiently suppressed to improve the furnace shutdown margin, and the axial area and length of the flammable poison contained in the fuel rod and the number of installations are appropriately selected, so that the complete cycle is achieved by the end of the cycle. Burning flammable poisons to improve fuel economy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a fuel assembly according to a first embodiment of the present invention, in which (a) is a cross-sectional view of a fuel rod arrangement, and (b) is an axial distribution diagram of fuel in a fuel rod and a combustible poison.
FIG. 2 is a chart showing a cold furnace shutdown margin characteristic with respect to the burnup in the first embodiment according to the present invention.
FIG. 3 is an infinite multiplication factor characteristic diagram with respect to the burnup according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a reactivity characteristic diagram at the end of a cycle with respect to a flammable poison concentration in the first embodiment according to the present invention.
FIG. 5 is an axial output distribution diagram of the first embodiment according to the present invention.
FIG. 6 is a furnace shutdown margin characteristic diagram for a flammable poison region having a concentration of 1.0% in the first embodiment according to the present invention.
FIG. 7 is a furnace shutdown margin characteristic diagram for the number of fuel rods containing a combustible poison having a concentration of 1.0% in the first embodiment according to the present invention.
FIGS. 8A and 8B are fuel assemblies according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 8A is a cross-sectional view of fuel rod arrangement, and FIG. 8B is an axial distribution diagram of fuel in the fuel rods and combustible poisons.
FIGS. 9A and 9B are fuel assemblies of a comparative example in the second embodiment, wherein FIG. 9A is a cross-sectional view of the arrangement of fuel rods, and FIG.
FIG. 10 is a graph showing a furnace shutdown margin characteristic with respect to the burnup in the second embodiment according to the present invention.
11A and 11B are fuel assemblies according to a third embodiment of the present invention, in which FIG. 11A is a cross-sectional view of the arrangement of fuel rods, and FIG. 11B is an axial distribution diagram of fuel in the fuel rods and combustible poisons.
FIG. 12 is a graph showing a furnace shutdown margin characteristic with respect to the burnup in the third embodiment according to the present invention.
13A is a longitudinal cross-sectional view of a fuel assembly having a high burnup, FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 10A, and FIG. 13C is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. Figure.
[Explanation of symbols]
1, 10, 21, 22, 25 ... Fuel assembly, 2, U1~ UThree... long fuel rods, 3, U2... short fuel rod, 4 ... water rod (W), 5 ... spacer, 6 ... external spring, 7 ... upper tie plate, 8 ... lower tie plate, 9 ... channel box, G1~ G8... long Gd fuel rod, 11 ... control rod, 12a ... lower natural uranium blanket part, 12b ... upper natural uranium blanket part, 13, 16, 19, 23, 26 ... curve (solid line), 14, 17, 20, 24 , 27 ... Curve (dotted line), 15, 18 ... Curve (dashed line).
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