JPH0232293A

JPH0232293A - 沸騰水型原子炉

Info

Publication number: JPH0232293A
Application number: JP63181575A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sakurada; 桜田　光一; Hisao Suzuki; 鈴木　寿生; Hiroyuki Yoshida; 博之吉田
Original assignee: Toshiba Corp; Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
Priority date: 1988-07-22
Filing date: 1988-07-22
Publication date: 1990-02-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は沸騰水型原子炉、特にプルトニウムを含む燃料
を用いる沸騰水型原子炉に関する。

（従来の技術）従来、使用済燃料の再処理によって得られるプルトニウ
ムは、原子炉の燃料として、熱中性子炉での利用（いわ
ゆるプルザーマル）、高速増殖炉での利用あるいは高転
換軽水炉での利用などが考えられてきた。

ところで、ウラン資源の有効利用の観点から最も期待さ
れてきた高速増殖炉は、その発電経済性上の問題により
商用的な実用化は従来の予測よりかなり遅れると考えら
れている。また、プルサーマル利用では、その使用済燃
料を再度再処理して得られるプルトニウムは核分裂性Ｐ
ｔＬ同位元素の占める割合いが低下するため、繰り返し
利用することは効率的でなく、ウラン資源の利用率を向
上させる面では十分なものではなかった。

このため、近年において高転換軽水炉の開発が進められ
ている。軽水炉においてウラン利用率を向上させるため
には燃料の転換比を向上させることが必要であり、この
ためには運転時における炉心内の水素対燃料原子数比（
Ｉ（／Ｕ比）を小さくすることが必要である。高転換軽
水炉では燃料棒表面間の距離を従来の軽水炉より狭めて
、軽水と燃料の体積比を小さくして水素対燃料原子数比
を低下させている。このため、高転換軽水炉では燃料棒
表面間の距離が狭いことによる技術的問題点の解決が必
要となっている。

一方、ウラン燃料を用いる現行軽水炉では、経済性向上
のために燃お１の高燃焼度化が進められている。高燃焼
度化のためには、より高い′ａ縮度の燃料を使うことが
必要である。軽水炉においては、取出燃焼度を最大とす
るために最適な運転時の水素対燃料原子数比は濃縮度に
より変化するが、−膜内には濃縮度が高いほど大きな値
となる。高濃縮度化に伴い、運転時の水素対燃料原子数
比を大きくするためには、炉心内で軽水の占める体積を
増やすことおるいは燃料の装荷量を減らすことが効果的
である。しかし、これらの方法では、炉心体積の増加ま
たは燃料の全装荷母の減少を伴い、発電経済性や炉心の
熱特性を悪化させる恐れがある。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、前記のプルトニウム有効利用を図る必要性お
よびウラン燃料を用いた高燃焼度化に対処するためにな
されたもので、その目的はプルトニウム燃料（ＰＬＬ燃
料）とウラン燃料（Ｕ燃料）を共用して、プルトニウム
燃料の領域では、一定の転換比（一定の水素対撚お１原
子数比）を得る上で、燃料棒表面間の距離（クリアラン
ス）を極端に狭める必要をなくし、また、ウラン燃料の
領域では、燃料の量を減らすことなく水素対燃料原子数
比を増加させて高燃焼度化に対応することを可能とする
沸騰水型原子炉を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、上記目的を達成するために、燃料ペレットを
被覆管内に封入した多数の燃料棒を規則的に束ねた燃料
集合体を用いて炉心とし、この炉心内に冷却材を流通さ
せて蒸気を発生させるように構成した沸騰水型原子炉に
おいて、前記燃料集合体は冷却材の流れ方向に対して垂
直な面で複数の領域に区分され、上流側領域にはウラン
燃料を用い、下流側領域にはプルトニウムを含む燃料を
用いるとともに前記下流側領域における冷却材と燃料の
体積比を前記上流側領域における冷却材と燃料の体積比
よりも小さくなるように構成したことを特徴とするもの
である。

（作　用）沸騰水型原子炉では棒状の燃料要素を規則的に束ねた燃
料集合体をチャンネルボックスで囲み、炉心内に垂直に
配置する。冷却材でかつ減速材の役目を兼ねる軽水は炉
心下部より上部へ向けて流れ、燃料棒のあるヂＶンネル
ボックス内における冷却材の蒸気体積率は炉心入口では
０％であるが、軸方向の高さに沿って徐々に増加し、炉
心上部出口では約７０％となる。従って、冷却材（減速
材）と燃料の体積比が一様であっても、水素対燃料原子
数比は蒸気体積率の変化によって軸方向に変化する。す
なわち、炉心上部の蒸気体積率の高い領域では冷却材と
燃料の体積比が一定であっても水素対燃料原子数比が小
さくなる。高転換軽水炉（ＨＣＬＷＲ）のようにＰＬＬ
燃料を用い、燃料の格子を稠密化（クリアランスを小さ
くする）して、水素対燃料原子数比を低下させて転換比
を高める場合には、水の密度が小さい方が一定のクリア
ランスで水素対燃料原子数比が小さくなるため、蒸気体
積率の高い領域にＰｃ燃料を配置してクリアランスを狭
める構成にすれば、従来の高転換軽水炉よりもより高い
転換比を得ることができる（また、一定の転換比を得る
ためには従来の高転換軽水炉よりも広いクリアランスで
すむ）。

逆に、炉心下部の蒸気体積率の低い領域では、水の密度
が大きいので転換比を高める上では有利でない。ウラン
燃料を用いて高燃焼度化を図る場合には従パ来のＢＷＲ
より水素対燃料原子数比を大きくすることが必要である
。従って、炉心下部にウラン燃料を用いて、燃料棒クリ
アランスを現行ＢＷＲと同一とすれば、水の密度が大き
いため燃料の徂を減らすことなく、高燃焼度化に最適な
水素対燃料原子数比を得ることができる。また、炉心下
部をウラン燃料とすることにより１炉心当りに必要なプ
ルトニウム（ＰｔＬ）ｆｆｉを大幅に低減することがで
きる。

上述したように、燃料下部のウラン燃料領域で運転時の
水素対燃料原子数比を現行ＢＷＲの炉心平均の水素対燃
料原子数比と同程度、もしくは高燃焼度化に対応して現
行ＢＷＲよりやや大きな値（４，０〜６．０程度）とし
、燃料上部のプルトニウム燃料領域において、水素対燃
料原子数比を現在考えられている高転換軽水炉と同程度
（１，０〜３．０程度）とするためには、蒸気体積率の
軸方向分布（０〜１０％）だけでは十分でなく、次に示
すような燃料構造の改善を施す必要がある。

（１）Ｕ燃料領域（燃料下部領ｌｌ１）とＰＵＬ燃利燃
料（燃料上部領域）で燃料棒本数を変える。すなわち、
ＰＬＬ燃料領域の燃料棒本数をＵ燃料領域の燃料棒本数
より多くして、ＰＬＬ燃料領域の水素対燃料原子数比を
より小さくする。

（２）燃料上部にＰｃ燃料ベレットを封入し、燃料下部
に減速材物質を封入するかもしくは燃料下部に軽水が流
入する構造とした燃料棒を燃料集合体内に複数本設ける
ことにより、燃１１下部領域の水素対燃料原子数比を増
し、燃料上部領域の水素対燃料原子数比を低下させる。

このように、本発明では蒸気体積率の軸方向分布（変化
）に加えて、上記したＪ：うに炉心構造を改善したので
、炉心下部ではウラン燃料を用いた高燃焼度化に好適な
水素対燃料原子数比を達成し、炉心上部ではＰＬＬ燃料
を用い、水素対燃料原子数比を転換比向上を目的とした
好適な値に、従来研究されている高転換軽水炉より広い
クリアランスで設定することができる。

この結果、ＰＬＬ燃料については従来研究されている高
転換軽水炉よりクリアランスを広くして目的の転換比を
達成することが可能となり、Ｕ燃料ついては燃料の姓を
減らすことなく高燃焼度化に対応した燃料が達成でき、
経済性を高めることができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図について説明する。

第１図（ａ）は本発明の一実施例の斜視図、第１図（１
））は同図（ａ）の左半分の縦断面図、第１図（Ｃ）お
よび（ｄ）はそれぞれ同図（ａ）のＣ−Ｃ線およびｄ−
ｄ線に沿う横断面図である。

第１図（ａ）〜（ｄ）に示すように、本実施例の燃料集
合体１は六角柱状をなしており、燃料集合体１の中央部
より上方に設けられた中間タイプレート４により燃料集
合体を上部領域３と下部領域２に区分されている。炉心
下部２の高燃焼度領域ではＵＯ２燃料棒５が１５０本配
置され、炉心上部３の高転換領域ではＭＯＸ燃料棒６が
３１２本配置されている。また燃料集合体全長にわたり
クラスター制御棒ガイド管７が１９本配置されている。

このように、本実施例では炉心上部３の燃料棒本数を炉
心下部２の燃料棒本数より多くなるように構成されてい
る。８は下部タイプレート、９は上部タイプレート、１
０はチャンネルボックスである。

第２図は第１図に示す中間タイプレート４の一部拡大図
である。第２図に示すように、中間タイプレート４は３
個の帯状体４１．４２．４３から構成されている。そし
て、帯状体４２でＭＯＸ燃料棒６を支持しており、帯状
体４１でＭＯＸ燃料棒６の下部を保持している。また、
帯状体４３でＵＯ２燃斜燃料棒上部を保持している。し
たがって、炉心上部と炉心下部で燃料棒はそれぞれＭＯ
Ｘ燃料棒６とＵＯ２燃料棒５のように異なる燃料棒で構
成されているが、クラスター制御棒ガイド管７は共通の
管で構成されている。

第３図（ａ）は本発明の第２の実施例の斜視図、第３図
（ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ同図（ａ）のｂ−す線お
よびＣ−Ｃ線に沿う横断面図である。上記第１図の実施
例と同一部分には同一符号を付して説明する。

本実施例の燃料集合体１１は上記実施例と同様に六角柱
状をなしてあり、燃料集合体１１の上部に設けた境界線
より上方を高転換部とし、下方を高燃焼度部としたもの
である。高転換部は第３図（１））に示すようにＭＯＸ
燃料棒６を用い、高燃焼度部にはＵＯ２燃、１４４７Ｊ
とウォータロッド１２から構成されている。また、第４
図に示すように、上部−にＭＯＸ燃料ベレット１７が封
入され、下部に冷却材（減速材）が流入する構成とした
燃ｉｌｌ仝１４を５４本配置している。また、上部にＭ
ＯＸ燃利燃料ット１７を封入し、下部にＵＯ２ペレット
１８を封入した燃料棒１３を１４５木、ざらにクラスタ
ー制御案内管７を１９本配置している。

炉心を構成する燃料棒１４は第４図（ａ）に示すように
燃料被覆管１５に仕切材１６を配置し、この仕切材１６
より上にＭＯＸペレット１７を封入し、仕切材１６のす
ぐ下に通水孔２０を設けて仕切材１６より下を冷却材の
流れ路となるように構成されている。また、下部が冷却
材の流れ路となっている燃料棒１４の代わりに、仕切材
１６より下に減速材物質（軽水。

重水、カーボン、Ｚｒ１−１ｎ、Ｂｅなどを含む物質）
１９を封入した燃料棒１４′　を用いることもできる。

第５図（ａ）は本発明の第３の実施例の斜視図であり、
第５図（ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ同図（ａ）のｂ−
ｂ線およびＣ−Ｃ線に沿う横断面図である。

なお、上記各実施例と同一部分には同一符号を付して説
明する。

本実施例の燃料集合体２１は上記各実施例と同様に六角
柱状をなしており、第４図に示すように燃料下部に冷却
材が流入する構造の燃料棒１４を５５本と、燃料下部が
短くなっている部分長燃料棒２２を３６本と、燃料下部
にＭＯＸ燃料ペレットを封入し。

その燃料下部にＵＯ２ペレットを封入した燃料棒１３を
１０８本と、さらにクラスター制御棒案内管７を１８本
とを燃料集合体内に規則的に配置したものでおる。

このような構成により燃料集合体の上部領域を高転換部
、下部領域を高燃焼度部になるように構成したものであ
る。この場合の部分長燃料棒２２は、燃料集合体の上部
タイプレートあるいはスペーサに固定された構造として
いる。

本実施例では、運転時の水素対燃料原子数比は集合体上
部（平均ボイド率６０％）で１．２、集合体下部（平均
ボイド率２０〜２５％）で５．０〜５．５となる。特に
、集合体全体を高転換部で構成した場合には、平均ボイ
ド率は約４０％であり、この時の水素対燃料原子数比は
１．５である。

このように集合体上部のみを高転換部で構成した場合は
、この領域の平均ボイド率は６０％であり、この時の水
素対燃料原子数比は１．２となる。

第６図は平均ボイド率４０％時と６０％時の転換比を燃
焼度の関数として示したもので市る。転換比は、本実施
例のごとく集合体上部にのみ高転換部を配置した場合の
平均ボイド率６０％の方（実線）が、平均ボイド率４０
％の方（点線）よりもどの燃焼度においても０．０５（
５〜６％）程度大きくなることが示されている。また、
集合体下部の高燃焼度部では、Ｕ燃お１の♀（インベン
トリ）は現行ＢＷＲ並であり、集合体全体を高燃焼度部
で構成した場合に平均ボイド率は４０％で、この時の水
素対燃料原子数比は約４．５で坦行ＢＷＲ燃料とほぼ等
しい値となる。本実施例のごとく炉心下部のみ高燃焼度
部で構成する場合には、この領域の平均ボイド率は２０
〜２５％程度となり、この時の水素対燃料原子数比は５
．０〜５．５程度となり、燃料インベントリを減らさず
に高燃焼度化に適切な水素対燃料原子数比の値となって
いる。

上記各実施例は、六角柱状の燃料集合体とクラスター制
御棒を用いた沸騰水型原子炉に関するもので必る（現在
研究されている高転換軽水炉の通常の構造）が、本発明
は正方形の燃料集合体内十字幣制ａ棒を有する沸騰水型
原子炉にも適用できることは勿論である。以下−例を図
面について説明する。

第７図（ａ）および（ｂ）は本発明の第４の実施例の燃
料集合体下部および下部の横断面図である。

同図に示すように、本実施例は燃料棒を１６行１６列正
方格子状に配置した燃料集合体２３と十字型制御棒２６
を用いた場合である。この例における燃料棒は２種類用
いられている。その１つは第４図に示すように燃料上部
にＭＯＸ燃料ベレットを封入し、その燃料下部にＵＯ２
ペレットを封入した燃料［１３であり、他の１つは燃料
上部にＭＯＸ燃料ペレットのみを封入した部分長燃料棒
２４である。

したがって、燃料集合体上部では第７図（ａ）に示すよ
うにＭＯＸ燃料棒のみから構成されており、燃料集合体
下部では第７図（１））に示すように、ＵＯ２燃料棒１
３が１つおきに配置された構成となつている。

［発明の効果１以上説明したように、本発明によれば、ＰｔＬ燃料につ
いては従来研究されている高転換軽水炉よりクリアラン
スを広くして目的の転換比を達成することができ、Ｕ燃
料については燃料の母を減らすことなく高燃焼度化に対
応した燃料が達成でき、経済性を高めることができると
いう優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の斜視図、第１図（ｂ
）は同図（ａ）の左半分の縦断面図、第１図（Ｃ）およ
び（ｄ）はそれぞれ同図（ａ）のＣ−Ｃ線およびｄ−ｄ
線に沿う横断面図、第２図は第１図に示す中間タイプレ
ート４の一部拡大図、第３図（ａ）は本発明の第２の実
施例の斜視図、第３図（ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ同
図（ａ）のｂ−ｂおよびＣ−Ｃ線に沿う横断面図、第４
図（ａ）および（ｂ）は第３図で使用されるそれぞれ異
なる燃料棒の縦断面図、第５図（ａ）は本発明の第３の
実施例の斜視図、第５図（ｂ）おＪ：び（Ｃ）ハそれぞ
れ同図（ａ）のｂ−ｂ線およびＣ−Ｃ線（こ沿う横断面
図、第６図は平均ボイド率４０％時と６０％時の転換比
を燃焼度の関数として表した図、第７図（ａ）および（
ｂ）はそれぞれ本発明の第４の実施例の集合体上部およ
び下部の横断面図である。１　、１１，２１．２３・・・燃料集合体２・・・炉心
下部３・・・炉心上部４・・・中間タイプレート５・・・１ＪＯ２燃利棒６・・・ＭＯＸ燃料俸７・・・クラスター制御棒ガイド管８・・・下部タイブレート９・・・上部タイブレー１− １０、２５・・・ヂャンネルボックス１２・・・つを−タロラド１３、１４．１４’・・・燃料棒１５・・・燃料被覆管１６・・・仕切材１７・・・ＭＯＸペレット１８・・・ＵＯ２ベレット１９・・・減速材物質２０・・・通水孔２２、２４・・・部分長燃料棒２６・・・十字型制御棒（８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名）（ａ）（ｂ）第１図（ａ）（Ｃ）（ｄ）第図第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料ペレットを被覆管内に封入した多数の燃料棒
を規則的に束ねた燃料集合体を用いて炉心とし、この炉
心内に冷却材を流通させて蒸気を発生させるように構成
した沸騰水型原子炉において、前記燃料集合体は冷却材
の流れ方向に対して垂直な面で複数の領域に区分され、
上流側領域にはウラン燃料を用い、下流側領域にはプル
トニウムを含む燃料を用いるとともに前記下流側領域に
おける冷却材と燃料の体積比を前記上流側領域における
冷却材と燃料の体積比よりも小さくなるように構成した
ことを特徴とする沸騰水型原子炉。