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JP2005265696A - Fuel assemblies for boiling water reactors - Google Patents

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JP2005265696A
JP2005265696A JP2004080586A JP2004080586A JP2005265696A JP 2005265696 A JP2005265696 A JP 2005265696A JP 2004080586 A JP2004080586 A JP 2004080586A JP 2004080586 A JP2004080586 A JP 2004080586A JP 2005265696 A JP2005265696 A JP 2005265696A
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boiling water
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fuel rods
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JP2004080586A
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Japanese (ja)
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Koji Hiraiwa
宏司 平岩
Kenichi Yoshioka
研一 吉岡
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel assembly for boiling water type atomic reactors, in which the void coefficient becomes a proper value and the adjustment of reactivity can be realized in a proper flammable poison amount in a reactor core having high burnup and continuously operating for a long term. <P>SOLUTION: A fuel assembly for boiling water type atomic reactors, comprising a plurality of fuel bars 101 aligned in a square grid form, and a channel box 104 which encloses the outer periphery of these fuel bars as a whole, wherein the fuel bars 101 includes a plurality of first fuel bars (groups 1 to 4) to which no flammable poison is added, at least one second fuel bar (G) to which gadolinium alone is added as a flammable poison, and at least one third fuel bar (Er) to which a rare earth oxide alone, other than gadolinium, is added as a flammable poison. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体に関し、特に、可燃性毒物を添加した燃料棒を含み、高燃焼度や長期サイクル運転に好適な沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。   The present invention relates to a boiling water reactor fuel assembly, and more particularly to a boiling water reactor fuel assembly that includes a fuel rod to which a flammable poison is added and is suitable for high burnup and long-term cycle operation.

沸騰水型原子炉においては、一般に燃料棒の一部に可燃性毒物を添加して可燃性毒物入り燃料棒として用いており、ほとんどの場合可燃性毒物として酸化ガドリニウム(ガドリニア)を用いている。ガドリニウム以外の希土類酸化物のうちエルビウム、サマリウム、ユーロピウム、ディスプロシウム等の断面積が大きい核種も可燃性毒物としての性質を持っているため一部の原子炉での利用も考えられている(特許文献1〜3参照)。   In a boiling water reactor, a flammable poison is generally added to a part of a fuel rod and used as a fuel rod containing a flammable poison. In most cases, gadolinium oxide (gadolinia) is used as a flammable poison. Among rare earth oxides other than gadolinium, nuclides with large cross-sectional areas such as erbium, samarium, europium, and dysprosium are also considered to be used in some nuclear reactors because of their properties as flammable poisons ( Patent Literatures 1 to 3).

ここでは、図3〜図6を用いてガドリニウムとガドリニウム以外の希土類酸化物(エルビウム、サマリウム、ユーロピウムの酸化物)の可燃性毒物としての特徴、沸騰水型原子炉用燃料集合体における可燃性毒物入り燃料棒の利用方法について説明する。   Here, using FIG. 3 to FIG. 6, characteristics of flammable poisons of gadolinium and rare earth oxides other than gadolinium (oxides of erbium, samarium, and europium), flammable poisons in fuel assemblies for boiling water reactors How to use the fuel rods will be described.

ガドリニウムは軽水炉で最も吸収断面積が大きく、たとえばガドリニウム157(Gd−157)では熱群の断面積は250,000バーンと全アイソトープ中で最大であり燃焼により濃度が減少して毒物反応度が減少する可燃性毒物としての特性を持つ。図3にGd−157断面積のエネルギー依存性を示す。図の一点鎖線(CAPTURE)に示されるように、熱吸収断面積は熱エネルギー側で非常に大きく、共鳴吸収の鋭い多数のピークを除外すれば、中性子エネルギーが高速となるほど吸収断面積が減少していく。   Gadolinium has the largest absorption cross-section in light water reactors. For example, in gadolinium 157 (Gd-157), the cross-sectional area of the heat group is 250,000 burns, which is the largest among all isotopes. It has characteristics as a flammable poison. FIG. 3 shows the energy dependence of the Gd-157 cross section. As indicated by the one-dot chain line (CAPTURE) in the figure, the heat absorption cross section is very large on the thermal energy side, and if many peaks with sharp resonance absorption are excluded, the absorption cross section decreases as the neutron energy increases. To go.

次に、図4にエルビウム167(Er−167)の断面積のエネルギー依存性を示す。図の一点鎖線(CAPTURE)に示されるように、Er−167の熱群の吸収断面積は600バーン程度とGd−157よりは小さいものの、可燃性毒物として使用できる程度の吸収断面積を持つ。また、エネルギー依存性はGd−157とは異なり、共鳴領域に大きな吸収ピークを持ち、共鳴積分の値はGd−157の760バーンに対し3000バーンと約4倍大きい。   Next, FIG. 4 shows the energy dependence of the cross-sectional area of erbium 167 (Er-167). As indicated by the alternate long and short dash line (CAPTURE) in the figure, the absorption cross-section of the heat group of Er-167 is about 600 barn and smaller than Gd-157, but has an absorption cross-section that can be used as a flammable poison. Unlike Gd-157, the energy dependence has a large absorption peak in the resonance region, and the value of the resonance integral is about 4 times as large as 3000 burns compared to 760 burns of Gd-157.

次に図5および図6にそれぞれ、サマリウム149(Sm−149)、ユーロピウム151(Eu−151)の断面積のエネルギー依存性を示す。これらのアイソトープはエルビウム167と同じようにGd−157とは違って共鳴領域に大きな吸収ピークを持ち、共鳴積分の値はGd−157より大きな値を持つ。ディスプロシウム162は断面積図を示さないが、サマリウム149(Sm−149)、ユーロピウム151(Eu−151)と同様な断面積のエネルギー変化を示す。   Next, FIG. 5 and FIG. 6 show the energy dependence of the cross-sectional areas of samarium 149 (Sm-149) and europium 151 (Eu-151), respectively. These isotopes, like erbium 167, have a large absorption peak in the resonance region unlike Gd-157, and the value of the resonance integral is larger than that of Gd-157. Although dysprosium 162 does not show a cross-sectional area diagram, it shows energy changes in cross-sectional areas similar to those of samarium 149 (Sm-149) and europium 151 (Eu-151).

なお、図3〜図6は日本原子力研究所エネルギーシステム研究部核データセンターホームページ(http://wwwndc.tokai.jaeri.go.jp/jendl/j33/J33_J.html)に掲載されているJENDL−3.3の断面積図から引用した。   3 to 6 are JENDL- posted on the website of the Nuclear Data Center of the Japan Atomic Energy Research Institute Energy System Research Department (http://wwwndc.tokai.jaeri.go.jp/jendl/j33/J33_J.html). Quoted from the cross-sectional area diagram of 3.3.

沸騰水型原子炉用燃料集合体における可燃性毒物入り燃料棒は、酸化ウランなどの母材にガドリニアを混合して焼結したいわゆる固容体にして用いられる。添加するガドリニアの濃度は、原子炉の運転期間や燃焼度、ウランの濃縮度、集合体内での位置などを考慮して決定され、通常2〜10wt%の濃度の範囲で用いられている。可燃性毒物入り燃料棒の集合体内での配置としては様々のものが用いられている。可燃性毒物入り燃料棒同士が相互に隣接しないよう配置する場合、一部をL字状に隣接させる場合、一部をウォータロッドに隣接させる場合、一部をチャンネルボックスに隣接させる場合などがある。
特開平4−212093号公報 特開平8−201555号公報 特開2000−298187号公報
A fuel rod containing a flammable poison in a boiling water reactor fuel assembly is used as a so-called solid body obtained by mixing gadolinia with a base material such as uranium oxide and sintering it. The concentration of gadolinia to be added is determined in consideration of the operation period of the reactor, the burnup degree, the enrichment of uranium, the position in the assembly, and the like, and is usually used in the concentration range of 2 to 10 wt%. Various arrangements of fuel rods containing flammable poisons are used in the assembly. There are cases where fuel rods containing flammable poisons are arranged so as not to be adjacent to each other, some are adjacent in an L shape, some are adjacent to a water rod, some are adjacent to a channel box, etc. .
Japanese Patent Laid-Open No. 4-212093 JP-A-8-201555 JP 2000-298187 A

上述の従来のガドリニウムのみまたはガドリニウム以外の希土類酸化物のいずれかのみを可燃性毒物として用いる燃料集合体では以下の点が課題であった。   In the fuel assemblies using only the above-mentioned conventional gadolinium or only rare earth oxides other than gadolinium as a flammable poison, the following points have been problems.

(1)ガドリニウムを単独で用いる場合は、熱エネルギー領域でのみ大きい断面積となるため、可燃性毒物反応度が特に大きい燃料集合体の場合ではボイド反応度係数が正側になる場合があった。たとえば、取出燃焼度が80GWd/t程度以上に大きい炉心や連続運転期間が5年以上となるような炉心では可燃性毒物入り燃料棒数が多くなり、燃焼初期でボイド係数が負で小さいまたは正になる場合がある。また、ガドリニウムで10年以上の長い連続運転用に用いる場合には吸収断面積が大きいため減耗が早く濃度をそれに応じて高めることが必要であり、天然のガドリニウムの場合には、数10wt%の濃度が必要である。そのため、ウランなどの核分裂性物質装荷量が減少してしまう欠点があった。   (1) When gadolinium is used alone, it has a large cross-sectional area only in the thermal energy region, so the void reactivity coefficient may be on the positive side in the case of a fuel assembly with particularly high flammable poison reactivity. . For example, in a core with a take-off burnup of about 80 GWd / t or more, or in a core with a continuous operation period of 5 years or more, the number of fuel rods containing combustible poisons increases, and the void coefficient is negative and small or positive at the beginning of combustion. It may become. In addition, when gadolinium is used for a long continuous operation of 10 years or more, the absorption cross-sectional area is large, so it is necessary to quickly deplete the concentration, and in the case of natural gadolinium, it is several tens wt%. Concentration is required. For this reason, there is a drawback that the amount of fissile material such as uranium is reduced.

(2)エルビウムを単独で用いる場合は、熱エネルギー領域での吸収断面積が十分に大きくないため、初期反応度を抑制するためには可燃性毒物の添加量をガドリニウムと比較して大幅に増やす必要がある。また、単独で用いると共鳴領域の吸収のみ大きいため、ボイド係数が負側に大きくなりすぎる課題がある。   (2) When erbium is used alone, the absorption cross section in the thermal energy region is not sufficiently large, so the amount of flammable poison added is significantly increased compared to gadolinium to suppress the initial reactivity. There is a need. Further, when used alone, only the absorption in the resonance region is large, so that there is a problem that the void coefficient becomes too large on the negative side.

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、特に高燃焼度の炉心、長期連続運転の炉心において、ボイド係数が適切な値になりかつ反応度調整を適切な可燃性毒物量で実現することのできる沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and in particular, in a high burnup core and a long-running continuous core, the void coefficient becomes an appropriate value and the reactivity is adjusted appropriately. The objective is to obtain a boiling water reactor fuel assembly that can be realized with a toxic amount.

本発明は上記目的を達成するものであって、請求項1に記載の発明は、正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加しない複数の第1の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウムのみが添加された少なくとも1本の第2の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウム以外の希土類酸化物のみが添加された少なくとも1本の第3の燃料棒と、を含むこと、を特徴とする。   The present invention achieves the above object, and the invention according to claim 1 is a boiling device having a plurality of fuel rods arranged in a square lattice and a channel box surrounding the outer periphery of the fuel rods as a whole. In the fuel assembly for a water reactor, the plurality of fuel rods include a plurality of first fuel rods to which no combustible poison is added and at least one second fuel to which only gadolinium is added as a combustible poison. It includes a rod and at least one third fuel rod to which only a rare earth oxide other than gadolinium is added as a combustible poison.

また、請求項6に記載の発明は、正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加しない複数の第1の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウムおよびガドリニウム以外の希土類酸化物の両方が添加された少なくとも1本の第2の燃料棒と、を含むこと、を特徴とする。   The invention according to claim 6 is a boiling water nuclear reactor fuel assembly comprising a plurality of fuel rods arranged in a square lattice and a channel box surrounding the outer periphery of the entire fuel rods. The plurality of fuel rods includes a plurality of first fuel rods to which no flammable poison is added, at least one second fuel rod to which both gadolinium and a rare earth oxide other than gadolinium are added as a flammable poison, It is characterized by including.

本発明によれば、可燃性毒物の吸収能力を大幅に高めることができるため、可燃性毒物入り燃料棒本数を減らした燃料集合体を提供することができる。また、ガドリニア単独の場合に較べて長期間毒物反応度を持続できる燃料集合体を提供することができる。   According to the present invention, the ability to absorb flammable poisons can be greatly increased, so that a fuel assembly with a reduced number of fuel rods containing flammable poisons can be provided. Further, it is possible to provide a fuel assembly that can maintain the toxic reactivity for a long period of time as compared with the case of Gadolinia alone.

本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第1の実施形態を、図1を参照して説明する。図1は燃料集合体100における燃料棒101およびウォータロッド102の配置を模式的に示す平面図である。燃料棒101は正方格子状に12行12列に配置され、全体が角筒状のチャンネルボックス104に囲まれている。ウォータロッド102としては、燃料棒並びの中央部に、円形断面のもの1本が配置されている。なお、図1は燃料棒101などの配置を示すための図であって、実際の各燃料棒101の平断面は円形であることが好ましい。   A first embodiment of a boiling water nuclear reactor fuel assembly according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a plan view schematically showing the arrangement of fuel rods 101 and water rods 102 in the fuel assembly 100. The fuel rods 101 are arranged in 12 rows and 12 columns in a square lattice shape, and the whole is surrounded by a channel box 104 having a rectangular tube shape. As the water rod 102, one having a circular cross section is arranged at the center of the fuel rod array. FIG. 1 is a view for illustrating the arrangement of the fuel rods 101 and the like, and it is preferable that the actual cross section of each fuel rod 101 is circular.

燃料棒101には、可燃性毒物が添加されていない濃縮ウランペレットが充填された燃料棒と、可燃性毒物入り燃料棒とが含まれている。可燃性毒物が添加されていない燃料棒はウラン濃縮度により、グループ1〜4の4種類に分けられる。図1で、記号1〜4と記載されているのは、各グループ1〜4に対応する位置を示している。グループ1の燃料棒の濃縮度が最も高く、グループ2、3、4の順に濃縮度が低くなっている。   The fuel rod 101 includes a fuel rod filled with concentrated uranium pellets to which no combustible poison is added, and a fuel rod containing a combustible poison. Fuel rods to which no flammable poison is added are classified into four types of groups 1 to 4 according to uranium enrichment. In FIG. 1, symbols 1 to 4 indicate positions corresponding to the groups 1 to 4. The enrichment of the fuel rod of group 1 is the highest, and the enrichment is lower in the order of groups 2, 3 and 4.

可燃性毒物入り燃料棒には2種類があって、一方の燃料棒Gは、濃縮ウランの母材にガドリニアのみが添加されており、図で記号Gで表されている。もう一方の燃料棒Erは、濃縮ウランの母材に酸化エルビウム(エルビア)のみが添加されており、図で記号Erで表されている。   There are two types of fuel rods containing flammable poisons, and one fuel rod G is obtained by adding only gadolinia to the base material of enriched uranium, and is represented by the symbol G in the figure. In the other fuel rod Er, only erbium oxide (erbia) is added to the base material of the enriched uranium, and is represented by the symbol Er in the figure.

図1の例では、グループ1が58本、グループ2が24本、グループ3が8本、グループ4が4本で、燃料棒Gが12本、燃料棒Erが22本である。   In the example of FIG. 1, group 1 is 58, group 2 is 24, group 3 is 8, group 4 is 4, fuel rod G is 12, fuel rod Er is 22.

可燃性毒物なしの濃縮ウラン燃料棒グループ1〜4は、低い濃縮度の燃料棒グループ3および4が外周位置に配置されている。またグループ2の燃料棒は外周位置およびウォータロッド102に隣接する位置に配置されている。燃料棒Gは燃料棒の並びの外周から2層目に配置され、燃料棒G同士が隣接している。また、燃料棒Erは2層目以内の位置に、相互に隣接しないよう配置されている。ただし、ここで、「隣接」とは縦または横方向に隣り合うことをいい、斜め方向に向かい合うものは含まない。燃料棒Gの本数と燃料棒Erの本数は前者の方が少ない。   In the enriched uranium fuel rod groups 1 to 4 having no flammable poison, the fuel rod groups 3 and 4 having low enrichment are arranged at the outer peripheral position. The group 2 fuel rods are arranged at the outer peripheral position and at a position adjacent to the water rod 102. The fuel rods G are arranged in the second layer from the outer periphery of the fuel rod arrangement, and the fuel rods G are adjacent to each other. The fuel rods Er are arranged at positions within the second layer so as not to be adjacent to each other. However, here, “adjacent” means adjacent in the vertical or horizontal direction, and does not include those facing diagonally. The number of fuel rods G and the number of fuel rods Er are smaller in the former.

蒸気を含む冷却材の軽水は、チャンネルボックス104内で燃料棒101の間を下部から上部に向って流れる。ウォータロッド102の内部には、蒸気をほとんど含まない冷却材が流れる。また燃料集合体100のチャンネルボックス104の外側は蒸気を含まない冷却水が流れている。また燃料集合体100は原子炉の中に規則的に配置されることから隣接位置には集合体間の一定間隔を保って同様の燃料集合体が並んでいる。   Light water of the coolant containing steam flows between the fuel rods 101 in the channel box 104 from the lower part to the upper part. Inside the water rod 102, a coolant containing almost no vapor flows. Further, outside the channel box 104 of the fuel assembly 100, cooling water not containing steam flows. Further, since the fuel assemblies 100 are regularly arranged in the nuclear reactor, similar fuel assemblies are lined up at a predetermined interval between adjacent assemblies.

上記構成の燃料集合体で、燃料棒Erは大きな共鳴領域での中性子吸収断面積を持つことから、共鳴エネルギーの中性子を吸収する。一般に、共鳴領域の吸収のみでは毒物反応度は十分確保できないが、燃料棒Gは熱中性子の吸収断面積が極めて大きく熱エネルギーでの毒物効果が大きく、両者で大きな毒物効果が得られる。たとえば、燃料棒Gのみの場合や燃料棒Erのみの場合に比べて、総量が同じであっても熱と共鳴の両方のエネルギーにおいて毒物効果を発揮することから、単独での使用より毒物反応度効果が大きい。   In the fuel assembly having the above configuration, the fuel rod Er has a neutron absorption cross section in a large resonance region, and therefore absorbs neutrons of resonance energy. In general, the toxic reactivity cannot be sufficiently secured only by absorption in the resonance region, but the fuel rod G has a very large absorption cross section of thermal neutrons and has a large toxic effect with thermal energy, and a great toxic effect can be obtained in both cases. For example, compared to the fuel rod G alone or the fuel rod Er alone, the poisonous reactivity is exerted in both heat and resonance energy even if the total amount is the same. Great effect.

燃料棒Gと燃料棒Erは中性子の吸収によって吸収断面積の大きくない核種に変換される。燃料棒Gは断面積が非常に大きいため、変換の速度が速い。それに比較すると、燃料棒Erは相対的に遅い速度で変換される。この実施形態では燃料棒G同士が相互に隣接しているため隣接していない場合より中性子が局所的に凹む。そのためガドリニアの変換速度は、燃料棒G同士が隣接していない場合よりは緩やかな速度で変換される。一方、燃料棒Erはいずれも隣接していないため、燃料棒Gが隣接している場合のような変換速度の減少は起きない。   The fuel rod G and the fuel rod Er are converted into nuclides having a large absorption cross section by neutron absorption. Since the cross section of the fuel rod G is very large, the conversion speed is fast. In comparison, the fuel rod Er is converted at a relatively slow speed. In this embodiment, since the fuel rods G are adjacent to each other, the neutrons are locally recessed as compared with the case where they are not adjacent. Therefore, the gadolinia conversion speed is converted at a slower speed than when the fuel rods G are not adjacent to each other. On the other hand, since the fuel rods Er are not adjacent to each other, the conversion speed does not decrease as in the case where the fuel rods G are adjacent.

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料棒Gや燃料棒Erの単独使用の場合よりも同じ本数でも毒物効果を高められることから、可燃性毒物入り燃料棒本数を削減できる。一般に可燃性毒物を添加すると燃料棒の熱伝達が悪化するため可燃性毒物入り燃料棒のウラン濃縮度を平均程度に制限する例があるが、可燃性毒物入り燃料棒を減らすことができれば濃縮度を高めた燃料集合体が実現できる。そのため、より高燃焼度の燃料集合体とでき、その結果、燃料コストの低減も実現できる。   As described above, according to the present embodiment, the toxic effect can be enhanced even with the same number of fuel rods G and fuel rods Er as in the case of single use of fuel rods Er, so that the number of flammable poison-containing fuel rods can be reduced. In general, there is an example of limiting the uranium enrichment of fuel rods containing flammable poisons to an average level because the addition of flammable poisons deteriorates the heat transfer of the fuel rods, but if the fuel rods containing flammable poisons can be reduced, the enrichment level This makes it possible to realize a fuel assembly with improved Therefore, a fuel assembly with a higher burnup can be obtained, and as a result, fuel cost can be reduced.

さらに、燃料棒G同士を隣接させたことから燃料棒G中のガドリニア変換速度が減少し、より長期間の使用ができる。一方、燃料棒Er中のエルビアは中性子断面積がガドリニアより小さいため、変換速度が遅い。したがって、燃料棒Er同士を隣接させないことによって燃料棒Gの変換速度に近づけることができる。このようにすることにより、エルビアのみまたはガドリニアのみが先に変換されて片方が残留してしまうことを避けることができる。   Further, since the fuel rods G are adjacent to each other, the gadolinia conversion speed in the fuel rod G is reduced, and the fuel rod G can be used for a longer period of time. On the other hand, the conversion rate of the elvia in the fuel rod Er is slow because the neutron cross section is smaller than the gadolinia. Therefore, it is possible to approach the conversion speed of the fuel rod G by not adjoining the fuel rods Er. By doing so, it is possible to avoid that only elvia or only gadolinia is converted first and one of them remains.

さらに、燃料棒Gの中性子吸収効果は燃料棒Erよりもはるかに大きいため、燃料棒Gの1本当りの吸収能力は燃料棒Erより大きい。したがって、燃料棒Gの本数を燃料棒Erより少なくすることで熱中性子と共鳴中性子をバランスよく吸収させることができる。ただし、初期の反応度を抑制するために、設計によっては燃料棒Gの本数を燃料棒Erの本数と同程度とすることも可能である。   Furthermore, since the neutron absorption effect of the fuel rod G is much greater than that of the fuel rod Er, the absorption capacity per fuel rod G is greater than that of the fuel rod Er. Therefore, thermal neutrons and resonance neutrons can be absorbed in a balanced manner by making the number of fuel rods G smaller than that of the fuel rod Er. However, in order to suppress the initial reactivity, the number of fuel rods G can be set to be approximately the same as the number of fuel rods Er depending on the design.

燃料棒Gのガドリニア重量割合は2〜10wt%の範囲で一般に用いるが、燃料棒Er中のエルビアについてはガドリニアの重量割合よりも大きい重量割合を用いると、一方が大幅に残留することがなく、いわゆる残留反応度ペナルティーを最小限にすることができる。さらにエルビアを主体に用いて長期運転に用いる場合には、ガドリニア濃度をエルビアの濃度より小さく設定することが考えられる。たとえば10年連続運転用の炉心に用いるような場合が該当する。   The gadolinia weight ratio of the fuel rod G is generally used in the range of 2 to 10 wt%, but if the weight ratio of the elvia in the fuel rod Er is larger than the weight ratio of gadolinia, one of them does not remain significantly, The so-called residual reactivity penalty can be minimized. Further, when the elvia is mainly used for long-term operation, it is conceivable to set the gadolinia concentration to be smaller than the elvia concentration. For example, the case where it is used for a core for continuous operation for 10 years corresponds.

さらに燃料棒Erはエルビア単独でなく、ガドリニアも同時に添加して用いることもできる。この場合、燃料棒Erの本数を増加させることなく可燃性毒物総量を増加できる。なお、燃料棒Gにエルビアを添加して用いることももちろん可能であり、この場合はさらに可燃性毒物総量を増加できる。このように両者を同時に添加して用いる場合は、ガドリニアの重量割合をエルビアより小さくすることでいわゆる残留反応度ペナルティーを最小限にすることができる。ただし、長期運転に用いる場合には、エルビアの濃度をガドリニアの濃度より大きく設定する設計とすることも考えられる。   Furthermore, the fuel rod Er can be used by adding not only Elvia alone but also gadolinia. In this case, the total amount of combustible poisons can be increased without increasing the number of fuel rods Er. Of course, it is possible to add erbia to the fuel rod G, and in this case, the total amount of the flammable poison can be further increased. Thus, when both are added and used simultaneously, what is called a residual reactivity penalty can be minimized by making the weight ratio of gadolinia smaller than elvia. However, when used for long-term operation, it may be possible to design the elvia concentration to be larger than the gadolinia concentration.

なお、上記説明では12行12列の配列を例に説明したが、この発明は沸騰水型原子炉用燃料集合体一般に適用が可能である。さらに可燃性毒物入り燃料棒は集合体の最外周位置に配置することも可能であり、たとえば最外周位置には燃料棒Gや燃料棒Erのいずれかを必要に応じて配置することが可能である。   In the above description, the arrangement of 12 rows and 12 columns has been described as an example, but the present invention can be applied to a fuel assembly for boiling water reactors in general. Further, the fuel rods containing the flammable poisons can be disposed at the outermost peripheral position of the assembly. For example, either the fuel rod G or the fuel rod Er can be disposed at the outermost peripheral position as necessary. is there.

本実施形態ではウォータロッドを円形断面のものを1本としたが、ウォータロッドの断面形状はどのようなものでも適用でき、たとえば四角断面のものとしたり、円形断面のものを複数本としても良い。またさらにウォータロッドのような円形や角型断面ではなく実質的にウォータロッドの役割を果す非沸騰水の流れる流路がチャンネルボックス内に形成されている燃料集合体でも適用できる。このような例としては内部十字ギャップ型の燃料集合体が知られている。   In this embodiment, the water rod has a single circular cross section, but any cross section shape of the water rod can be applied. For example, a square cross section or a plurality of circular cross sections may be used. . Furthermore, the present invention can also be applied to a fuel assembly in which a flow path for non-boiling water that substantially serves as a water rod is formed in a channel box, instead of a circular or square cross section like a water rod. As such an example, an internal cross gap type fuel assembly is known.

上記説明では希土類酸化物としてエルビアを可燃性毒物として用いているが、エルビアの代わりにサマリウム、ユーロピウム、ディスプロシウムの酸化物を用いても同様な効果が得られる。   In the above description, erbia is used as the flammable poison as the rare earth oxide, but the same effect can be obtained by using an oxide of samarium, europium, or dysprosium instead of erbia.

次に、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第2の実施形態を、図2を参照して説明する。ただし、第1の実施形態と共通の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。   Next, a second embodiment of the boiling water nuclear reactor fuel assembly according to the present invention will be described with reference to FIG. However, parts common to the first embodiment are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.

図2は第2の実施形態の沸騰水型原子炉用燃料集合体200を上からみた平面において、燃料棒101およびウォータロッド202の配置を模式的に示したものである。第2の実施形態では、燃料棒101が10行10列の正方格子状に配置されている。また、2本の円形断面のウォータロッド202が燃料棒並びのほぼ中央に配置されている。   FIG. 2 schematically shows the arrangement of the fuel rods 101 and the water rods 202 in a plan view of the boiling water nuclear reactor fuel assembly 200 according to the second embodiment. In the second embodiment, the fuel rods 101 are arranged in a 10 × 10 square lattice. In addition, two water rods 202 having a circular cross section are arranged at substantially the center of the fuel rod arrangement.

可燃性毒物が添加されていない燃料棒のグループ1〜4および濃縮ウランの母材にエルビアのみが添加された燃料棒Erのそれぞれの構成は、第1の実施形態と同様である。   The configurations of the fuel rod groups 1 to 4 to which no flammable poison is added and the fuel rod Er to which only Elvia is added to the base material of the enriched uranium are the same as those in the first embodiment.

第2の実施形態では、濃縮ウランの母材にガドリニアのみが添加された燃料棒が、その位置により燃料棒G1、G2、G3の3種類に分けて表示されている。燃料棒G1は外周から2列目にあって、可燃性毒物が添加されていない燃料棒のみと隣接している。燃料棒G2は外周から3列目にあって、燃料棒Erのみと隣接している。燃料棒G3はウォータロッド202および可燃性毒物が添加されていない燃料棒と隣接している。燃料棒G1、G2、G3について、ガドリニア濃度はG1、G2、G3の順で濃度が高く、G2とG3の濃度は等しくてもよい。またウランの濃度はG1とG2が等しく、G3が最も低く設定されている。   In the second embodiment, fuel rods in which only gadolinia is added to the base material of enriched uranium are displayed in three types, fuel rods G1, G2, and G3, depending on their positions. The fuel rod G1 is in the second row from the outer periphery, and is adjacent to only the fuel rod to which no flammable poison is added. The fuel rod G2 is in the third row from the outer periphery and is adjacent to only the fuel rod Er. The fuel rod G3 is adjacent to the water rod 202 and the fuel rod to which no flammable poison is added. Regarding the fuel rods G1, G2, and G3, the gadolinia concentrations are higher in the order of G1, G2, and G3, and the concentrations of G2 and G3 may be equal. The concentration of uranium is set such that G1 and G2 are equal and G3 is the lowest.

グループ1が44本、グループ2が8本、グループ3が8本、グループ4が4本で、燃料棒G1が4本、燃料棒G2が4本、燃料棒G3が2本、燃料棒Erが22本である。   44 in group 1, 8 in group 2, 8 in group 3, 4 in group 4, 4 fuel rods G1, 4 fuel rods G2, 2 fuel rods G3, and fuel rod Er 22.

上記構成によれば、ガドリニアのみを含む可燃性毒物入り燃料棒G1、G2、G3同士やエルビアのみを含む可燃性毒物入り燃料棒Er同士を隣接させないことによって、同じエネルギー領域の中性子を局所的に吸収することがなくなる。また、熱エネルギー領域の中性子が多いウォータロッド202に燃料棒G3が隣接されていることによって、燃料棒G3の中性子吸収量が、ウォータロッド202に隣接しない場合より大きくなる。   According to the above configuration, flammable poison-containing fuel rods G1, G2, and G3 containing only gadolinia and flammable poison-containing fuel rods Er containing only elbia are not adjacent to each other, so that neutrons in the same energy region are locally Absorbs. Further, since the fuel rod G3 is adjacent to the water rod 202 having a large amount of neutrons in the thermal energy region, the neutron absorption amount of the fuel rod G3 becomes larger than that in the case where the fuel rod G3 is not adjacent to the water rod 202.

この第2の実施形態によれば、異なる種類の可燃性毒物入り燃料棒同士を隣接させることにより、同種の可燃性毒物入り燃料棒を隣接させるよりも本数あたりの毒物効果を高められることから、可燃性毒物入り燃料棒本数を削減できる。特に、反応度を大きく抑制する必要のある長期運転サイクル用の燃料では可燃性毒物入りの燃料棒を多数配置する必要があるため、本方式を採用することによって可燃性毒物入り燃料棒の本数の制約が緩和される。また燃料棒Erは共鳴中性子の吸収断面積が大きいため、ウォータロッド202に隣接させても吸収効果がむしろ小さくなってしまう。そのためガドリニアを含む燃料棒G3を優先してウォータロッド202に隣接させている。これにより、可燃性毒物入り燃料棒全体の吸収効果を高めている。   According to this second embodiment, by adjoining fuel rods containing different types of combustible poisons, the toxic effect per number can be enhanced rather than adjoining fuel rods containing the same kind of combustible poisons, The number of fuel rods containing flammable poisons can be reduced. In particular, fuels for long-term operation cycles that require a significant reduction in reactivity require the placement of a large number of fuel rods containing flammable poisons.By adopting this method, the number of fuel rods containing flammable poisons can be increased. Restrictions are relaxed. Further, since the fuel rod Er has a large absorption cross-sectional area of resonance neutrons, even if it is adjacent to the water rod 202, the absorption effect is rather small. Therefore, the fuel rod G3 including gadolinia is preferentially adjacent to the water rod 202. Thereby, the absorption effect of the whole fuel rod containing a flammable poison is enhanced.

なお、この実施形態においては10行10列配列を例に説明したが、この発明は沸騰水型原子炉用燃料集合体一般に適用が可能であるのはいうまでもない。さらに、ガドリニア入りの燃料棒は集合体の最外周位置に配置することでも効果を高められることも明らかである。たとえば最外周位置には、燃料棒G1、燃料棒G2、燃料棒G3のいずれかを必要に応じて配置することが可能である。また本実施形態ではウォータロッドを円形断面のものを2本としたが、ウォータロッドの断面形状はどのようなものでも適用でき、たとえば四角断面のものとしたり、円形断面のものを1本としても良い。   In this embodiment, the 10-row 10-column arrangement has been described as an example, but it goes without saying that the present invention is applicable to general boiling water nuclear fuel assemblies. Furthermore, it is clear that the effect can be enhanced by arranging the fuel rods containing gadolinia at the outermost peripheral position of the assembly. For example, at the outermost peripheral position, any one of the fuel rod G1, the fuel rod G2, and the fuel rod G3 can be arranged as necessary. In this embodiment, two water rods having a circular cross section are used, but any cross section shape of the water rod can be applied. For example, a square cross section or a single circular cross section can be used. good.

本実施形態でも、希土類酸化物としてエルビアを可燃性毒物として用いているが、エルビアの代わりにサマリウム、ユーロピウム、ディスプロシウムの酸化物を用いても同様な効果が得られる。   Even in this embodiment, erbia is used as the flammable poison as the rare earth oxide, but the same effect can be obtained by using samarium, europium, or dysprosium oxide instead of erbia.

本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第1の実施形態の模式的水平断面図。1 is a schematic horizontal sectional view of a first embodiment of a boiling water nuclear reactor fuel assembly according to the present invention. FIG. 本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第2の実施形態の模式的水平断面図。The typical horizontal sectional view of 2nd Embodiment of the fuel assembly for boiling water reactors which concerns on this invention. ガドリニウム157の断面積図であって、縦軸を断面積(バーン)、横軸を中性子エネルギー(eV)として表すグラフ。It is sectional drawing of gadolinium 157, Comprising: A vertical axis | shaft represents a cross-sectional area (burn), and the horizontal axis represents neutron energy (eV). エルビウム167の断面積図であって、縦軸を断面積(バーン)、横軸を中性子エネルギー(eV)として表すグラフ。It is sectional drawing of erbium 167, Comprising: The vertical axis | shaft represents a cross-sectional area (burn), and the horizontal axis represents neutron energy (eV). サマリウム149の断面積図であって、縦軸を断面積(バーン)、横軸を中性子エネルギー(eV)として表すグラフ。It is sectional drawing of samarium 149, Comprising: A vertical axis | shaft represents a cross-sectional area (burn), and the horizontal axis represents neutron energy (eV). ユーロピウム151の断面積図であって、縦軸を断面積(バーン)、横軸を中性子エネルギー(eV)として表すグラフ。It is sectional drawing of Europium 151, Comprising: A vertical axis | shaft represents a cross-sectional area (burn), and the horizontal axis represents neutron energy (eV).

符号の説明Explanation of symbols

100,200…燃料集合体、101…燃料棒、102…ウォータロッド、104…チャンネルボックス、202…ウォータロッド   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,200 ... Fuel assembly, 101 ... Fuel rod, 102 ... Water rod, 104 ... Channel box, 202 ... Water rod

Claims (7)

正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加しない複数の第1の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウムのみが添加された少なくとも1本の第2の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウム以外の希土類酸化物のみが添加された少なくとも1本の第3の燃料棒と、を含むこと、
を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
In a boiling water nuclear reactor fuel assembly having a plurality of fuel rods arranged in a square lattice shape and a channel box surrounding the outer periphery of these fuel rods,
The plurality of fuel rods include a plurality of first fuel rods to which no flammable poison is added, at least one second fuel rod to which only gadolinium is added as a flammable poison, and other than gadolinium as a flammable poison. Including at least one third fuel rod to which only rare earth oxide is added,
A fuel assembly for boiling water reactors characterized by
請求項1に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記第2の燃料棒の本数が前記第3の燃料棒の本数よりも少ないことを特徴とする請求項1記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。   2. The boiling water reactor fuel assembly according to claim 1, wherein the number of the second fuel rods is smaller than the number of the third fuel rods. 3. Reactor fuel assembly. 請求項1または2に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記第2の燃料棒の少なくとも一部と前記第3の燃料棒の少なくとも一部が互いに隣接していること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。   The boiling water nuclear reactor fuel assembly according to claim 1 or 2, wherein at least a part of the second fuel rod and at least a part of the third fuel rod are adjacent to each other. A fuel assembly for boiling water reactors. 請求項1ないし3のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、少なくとも1本のウォータロッドが中央近辺に配置されていて、前記第2の燃料棒の少なくとも一部が前記ウォータロッドに隣接して配置され、前記第3の燃料棒が前記ウォータロッドに隣接しないで配置されていること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。   The boiling water nuclear reactor fuel assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one water rod is disposed near a center, and at least a part of the second fuel rod is the water fuel. A fuel assembly for a boiling water reactor, wherein the fuel assembly is disposed adjacent to a rod, and the third fuel rod is disposed not adjacent to the water rod. 請求項1ないし4のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記第2の燃料棒が複数あって、これら第2の燃料棒の少なくとも一部が互いに隣接していること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。   5. The fuel assembly for a boiling water reactor according to claim 1, wherein there are a plurality of the second fuel rods, and at least some of the second fuel rods are adjacent to each other. A fuel assembly for a boiling water reactor characterized by the above. 正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これらの燃料棒全体の外周を囲むチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加しない複数の第1の燃料棒と、可燃性毒物としてガドリニウムおよびガドリニウム以外の希土類酸化物の両方が添加された少なくとも1本の第2の燃料棒と、を含むこと、
を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
In a boiling water nuclear reactor fuel assembly having a plurality of fuel rods arranged in a square lattice shape and a channel box surrounding the outer periphery of these fuel rods,
The plurality of fuel rods includes a plurality of first fuel rods to which no flammable poison is added, and at least one second fuel rod to which both gadolinium and a rare earth oxide other than gadolinium are added as a flammable poison. Including,
A fuel assembly for boiling water reactors characterized by
請求項6に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記第2の燃料棒には、酸化ガドリニウムおよび酸化エルビウムが含まれ、前記第2の燃料棒における酸化ガドリニウム重量割合が酸化エルビウム重量割合よりも小さいこと、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。   7. The fuel assembly for a boiling water reactor according to claim 6, wherein the second fuel rod contains gadolinium oxide and erbium oxide, and a weight ratio of gadolinium oxide in the second fuel rod is an erbium oxide weight. A fuel assembly for a boiling water reactor characterized by being smaller than a ratio.
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