專利名稱:壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體及燃料集合體的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體及燃料集合體的設(shè)計(jì)方法，尤其涉及 通過(guò)燃料芯塊的粗徑化實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性的提高。
背景技術(shù)：
在壓水型原子反應(yīng)堆(PWR :Pressurized Water Reactor)中，將輕水作為原子反 應(yīng)堆冷卻材料及中子減速材料使用，且貫穿反應(yīng)堆芯整體后變?yōu)椴环序v的高溫高壓水，并 將該高溫高壓水送往蒸汽產(chǎn)生器，通過(guò)熱交換產(chǎn)生蒸汽，并將該蒸汽送往渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行 發(fā)電。
在此種壓水型原子反應(yīng)堆中，在原子反應(yīng)堆容器內(nèi)，收容有規(guī)定數(shù)量的在多個(gè)燃 料棒之間插入規(guī)定數(shù)的控制棒并排列成格子狀的燃料集合體。該燃料集合體例如由形成 17X17正方形排列的264根燃料棒、1根反應(yīng)堆內(nèi)檢測(cè)儀器引導(dǎo)管道、和24根控制棒引導(dǎo) 管道構(gòu)成。并且，該燃料棒形成為將低濃縮二氧化鈾的燒結(jié)芯塊插入鋯合金被覆管，并加壓 封入氦的密封構(gòu)造。
然而，在原子反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆芯壽命從燃料棒的燃燒特性進(jìn)行推定，為實(shí)現(xiàn)高燃 燒度化，提出了各種使燃燒棒的性能提高的方案。例如，在下述專利文獻(xiàn)1中，在被覆管內(nèi) 重疊多個(gè)二氧化鈾芯塊，由上部端栓與下部端栓對(duì)內(nèi)部進(jìn)行密封，且通過(guò)使設(shè)置在下部端 栓內(nèi)的中空部與被覆管的內(nèi)部連通，擴(kuò)大氣體空間容積，可進(jìn)行高燃燒度化運(yùn)轉(zhuǎn)。
專利文獻(xiàn)1 日本特開平11-142560號(hào)公報(bào)
燃料集合體的燃燒度依賴于燃料棒的性能，根據(jù)反應(yīng)堆芯熱輸出、運(yùn)轉(zhuǎn)期間、最高 燃燒度等決定燃料裝載重量，并由該燃料裝載重量決定燃料棒的根數(shù)、長(zhǎng)度、直徑(芯塊的 直徑)，并根據(jù)鈾和輕水的比率與燃料經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系決定燃料棒間距。在此情況下，芯塊的 直徑根據(jù)基于鈾與輕水的比率的減速率進(jìn)行設(shè)定，但總要求提高燃料經(jīng)濟(jì)性，并期望提高 燃料的反應(yīng)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述問(wèn)題，目的在于提供一種通過(guò)利用燃料芯塊的直徑的最佳化使 反應(yīng)性提高，從而可延長(zhǎng)反應(yīng)堆芯壽命的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體及燃料集合體的 設(shè)計(jì)方法。
為達(dá)到上述目的的第一方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其如下這 樣構(gòu)成，即，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料 棒，多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀而構(gòu)成，其特征在于，在燃料集合體的壽命中的產(chǎn)生熱量 設(shè)為恒定的情況下，通過(guò)所述燃料芯塊的外徑增加，產(chǎn)生在所述燃料集合體中裝載的所述 鈾的重量的增加，求得粗徑化增益區(qū)域，在該區(qū)域中，與所述鈾的重量增加相伴的燃燒度的 降低引起的反應(yīng)性的增加量超過(guò)因?yàn)樗鋈剂闲緣K外徑的增加導(dǎo)致的輕水/鈾的體積比 的降低所帶來(lái)的減速不足而產(chǎn)生的反應(yīng)性的降低量，在所述反應(yīng)性超出的粗徑化增益區(qū)域內(nèi)設(shè)定所述燃料芯塊的外徑。
在第二方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體中，所述反應(yīng)性超出的粗徑 化增益區(qū)域是如下這樣的區(qū)域，即即使因所述燃料芯塊的外徑的增加而導(dǎo)致分批燃燒度 降低，也以超過(guò)分批燃燒度的相對(duì)的降低量的方式使循環(huán)燃燒度降低，其中分批燃燒度是 指在循環(huán)末期假定的硼素濃度殘量、輸出水平下可正好維持臨界的燃燒度。
第三方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其如下這樣構(gòu)成，S卩，將對(duì)鈾 氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被 集束成格子狀而構(gòu)成，其特征在于，在所述多個(gè)燃料棒以17X17的正方格子狀、且燃料棒 間距為12. 6mm進(jìn)行排列的情況下，所述燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于8. 25mm、且在8. 62mm以 下。
第四方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其如下這樣構(gòu)成，即，將對(duì)鈾 氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被 集束成格子狀而構(gòu)成，其特征在于，在所述多個(gè)燃料棒以15X15的正方格子狀、且燃料棒 間距為14. 3mm進(jìn)行排列的情況下，所述燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于9. 35mm、且在10. Ilmm 以下。
第五方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其如下這樣構(gòu)成，S卩，將對(duì)鈾 氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被 集束成格子狀而構(gòu)成，其特征在于，在所述多個(gè)燃料棒以14X14的正方格子狀、且燃料棒 間距為14. Imm進(jìn)行排列的情況下，所述燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于9. 35mm、且在9. 64mm以 下。
第六方面的發(fā)明的燃料集合體的設(shè)計(jì)方法，所述燃料集合體是壓水型原子反應(yīng)堆 的燃料集合體，其如下這樣構(gòu)成，即，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊填充在鋯合金制 的覆蓋管從而形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀而構(gòu)成，所述燃料集合體的設(shè)計(jì) 方法的特征在于，通過(guò)使所述燃料芯塊的外徑增加，使在所述燃料集合體中裝載的所述鈾 的重量增加，在燃料集合體的壽命中的產(chǎn)生熱量設(shè)為恒定的情況下，求出粗徑化增益區(qū)域， 在該區(qū)域中，與所述鈾的重量增加相伴的燃燒度的降低引起的反應(yīng)性的增加量超過(guò)因?yàn)樗?述燃料芯塊外徑的增加導(dǎo)致的輕水/鈾的體積比的降低所帶來(lái)的減速不足而產(chǎn)生的反應(yīng) 性的降低量，在所述反應(yīng)性超出的粗徑化增益區(qū)域內(nèi)設(shè)定所述燃料芯塊的外徑。
第七方面的發(fā)明的燃料集合體的設(shè)計(jì)方法中，其特征在于，所述反應(yīng)性超出的粗 徑化增益區(qū)域是如下這樣的區(qū)域，即即使因所述燃料芯塊的外徑的增加而導(dǎo)致分批燃燒 度降低，也以超過(guò)分批燃燒度的相對(duì)的降低量的方式使循環(huán)燃燒度降低，其中分批燃燒度 是指在循環(huán)末期假定的硼素濃度殘量、輸出水平下可正好維持臨界的燃燒度。
發(fā)明效果
根據(jù)第一方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固 后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，且多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀 而構(gòu)成燃料集合體，通過(guò)燃料芯塊的外徑增加，產(chǎn)生在該燃料集合體中裝載的鈾的重量的 增加，并求出粗徑化增益區(qū)域，在該區(qū)域中，與該鈾的重量增加相伴的燃燒度的降低引起的 反應(yīng)性的增加部分超過(guò)因?yàn)槿剂闲緣K外徑的增加導(dǎo)致的減速材料的減少所帶來(lái)的減速不 足所產(chǎn)生的反應(yīng)性的降低部分，在該反應(yīng)性超出的粗徑化增益區(qū)域內(nèi)設(shè)定燃料芯塊的外徑。如果增大燃料芯塊的外徑，則由于減速材料量的減少，減速發(fā)生惡化，從而反應(yīng)性降低， 但因?yàn)殁櫻b載量增加，燃燒度降低，所以反應(yīng)性增加，在此兩者的關(guān)系中，存在因燃料芯塊 的外徑的增加、即鈾重量增加所引起的反應(yīng)性的增加量超過(guò)由于減速材料的減少帶來(lái)的減 速不足所造成的反應(yīng)性的降低量的區(qū)域，通過(guò)在該區(qū)域內(nèi)設(shè)定燃料芯塊的外徑，從而燃料 芯塊的直徑被最佳化，能夠使反應(yīng)性增加，從而延長(zhǎng)反應(yīng)堆芯壽命。
根據(jù)第二方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，因?yàn)閷⒎磻?yīng)性超出的粗 徑化增益區(qū)域設(shè)為即使因燃料芯塊的外徑增加導(dǎo)致分批燃燒度降低，也以超過(guò)分批燃燒度 的相對(duì)的降低量的方式使循環(huán)燃燒度降低的區(qū)域，所以循環(huán)燃燒度的降低量超過(guò)因燃料芯 塊的直徑的增加導(dǎo)致的分批燃燒度的降低量的區(qū)域，是能夠使燃料棒的替換根數(shù)減少的區(qū) 域，并能夠使經(jīng)濟(jì)性提高。
根據(jù)第三方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固 后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，構(gòu)成將多個(gè)該燃料棒被集束成格 子狀而構(gòu)成的燃料集合體，在多個(gè)燃料棒以17X17的正方格子狀、且燃料棒間距為12. 6mm 進(jìn)行排列的情況下，燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于8. 25mm、且在8. 62mm以下，所以在17X 17 型的燃料集合體中，燃料芯塊的直徑被最佳化，且能夠使反應(yīng)性增加。
根據(jù)第四方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固 后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，構(gòu)成將多個(gè)該燃料棒被集束成格 子狀而構(gòu)成的燃料集合體，在多個(gè)燃料棒以15X15的正方格子狀、且燃料棒間距為14. 3mm 進(jìn)行排列的情況下，燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于9. 35mm、且在10. Ilmm以下，所以在15X 15 型的燃料集合體中，燃料芯塊的直徑被最佳化，且能夠使反應(yīng)性增加。
根據(jù)第五方面的發(fā)明的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固 后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，構(gòu)成將多個(gè)該燃料棒被集束成格 子狀而構(gòu)成的燃料集合體，因?yàn)樵诙鄠€(gè)燃料棒以14X14的正方格子狀、且燃料棒間距為 14. Imm進(jìn)行排列的情況下，燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于9. 35mm、且在9. 64mm以下，所以在 14X 14型的燃料集合體中，燃料芯塊的直徑被最佳化，且能夠使反應(yīng)性增加。
根據(jù)第六方面的發(fā)明的燃料集合體的設(shè)計(jì)方法，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固后的燃料 芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，且多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀而構(gòu)成燃 料集合體，通過(guò)使燃料芯塊的外徑增加，使在該燃料集合體中裝載的鈾的重量增加，并求出 粗徑化增益區(qū)域，在該區(qū)域中，與該鈾的重量增加相伴的燃燒度的降低引起的反應(yīng)性的增 加部分超過(guò)因?yàn)槿剂闲緣K外徑的增加導(dǎo)致的減速材料的減少所帶來(lái)的減速不足所產(chǎn)生的 反應(yīng)性的降低部分，在該反應(yīng)性超出的粗徑化增益區(qū)域內(nèi)設(shè)定燃料芯塊的外徑。如果增大 燃料芯塊的外徑，則由于減速材料量的減少，減速發(fā)生惡化，從而反應(yīng)性降低，但因?yàn)殁櫻b 載量增加，燃燒度降低，所以反應(yīng)性增加，在此兩者的關(guān)系中，存在因燃料芯塊的外徑的增 加、即鈾重量增加所引起的反應(yīng)性的增加量超過(guò)由于減速材料的減少帶來(lái)的減速不足所造 成的反應(yīng)性的降低量的區(qū)域，通過(guò)在該區(qū)域內(nèi)設(shè)定燃料芯塊的外徑，從而燃料芯塊的直徑 被最佳化，能夠使反應(yīng)性增加，從而延長(zhǎng)反應(yīng)堆芯壽命。
根據(jù)第七方面的發(fā)明的燃料集合體的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)閷⒎磻?yīng)性超出的粗徑化增益 區(qū)域設(shè)為即使因燃料芯塊的外徑的增加而導(dǎo)致分批燃燒度降低，也以超過(guò)分批燃燒度的 相對(duì)的降低量的方式使循環(huán)燃燒度降低的區(qū)域，所以循環(huán)燃燒度的降低部分超過(guò)燃料芯塊
6的直徑的增加導(dǎo)致的分批燃燒度的降低部分的區(qū)域，是能夠使燃料棒的替換根數(shù)減少的區(qū) 域，并能夠使經(jīng)濟(jì)性提高。


圖1是具有本發(fā)明的實(shí)施例1所述的壓水型原子反應(yīng)堆的發(fā)電設(shè)備的概略結(jié)構(gòu) 圖。
圖2是表示實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的內(nèi)部構(gòu)造的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖3是表示壓水型原子反應(yīng)堆的反應(yīng)堆芯構(gòu)造的示意圖。
圖4是實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖5是表示實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體中的排列結(jié)構(gòu)的概略剖面 圖。
圖6是實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體中的燃料棒的局部剖面圖。
圖7是表示實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體中的燃料棒的詳細(xì)的主要 部分剖面圖。
圖8是表示中子倍增率相對(duì)于17X 17型燃料集合體的燃燒度的圖表。
圖9是表示中子倍增率相對(duì)于燃料芯塊直徑的圖表。
圖10是表示循環(huán)燃燒度及分批(batch)燃燒度相對(duì)于燃料芯塊直徑的降低比例 的圖表。
圖11是表示燃料芯塊直徑的最佳區(qū)域的圖表。
圖12是表示中子倍增率相對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例2所述的壓水型原子反應(yīng)堆中的 15X15型燃料集合體的燃燒度的圖表。
圖13是表示中子倍增率相對(duì)于燃料芯塊直徑的圖表。
圖14是表示燃料芯塊直徑的最佳區(qū)域的圖表。
圖15是表示中子倍增率相對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例3所述的壓水型原子反應(yīng)堆中的 14X14型燃料集合體的燃燒度的圖表。
圖16是表示中子倍增率相對(duì)于燃料芯塊直徑的圖表。
圖17是表示燃料芯塊直徑的最佳區(qū)域的圖表。
圖中，
12-壓水型原子反應(yīng)堆；31-原子反應(yīng)堆容器；39-反應(yīng)堆芯；40-燃料集合體； 45-控制棒驅(qū)動(dòng)裝置；47-控制棒(控制棒群)；49-反應(yīng)堆內(nèi)檢測(cè)儀器引導(dǎo)管；51-燃料 棒；55-控制棒引導(dǎo)管道；56-反應(yīng)堆內(nèi)檢測(cè)儀器用引導(dǎo)管道；61-燃料棒；62-燃料被覆管； Dp-燃料芯塊直徑；燃料被覆管外徑。
具體實(shí)施方式
以下參照附圖，對(duì)本發(fā)明所述的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體及原子反應(yīng)堆的 適宜的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。而且，本實(shí)施例并不限定本發(fā)明。
實(shí)施例1
圖1是具有本發(fā)明的實(shí)施例1所述的壓水型原子反應(yīng)堆的發(fā)電設(shè)備的概略結(jié)構(gòu) 圖，圖2是表示實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的內(nèi)部構(gòu)造的概略結(jié)構(gòu)圖，圖3是表示壓水型原子反應(yīng)堆的反應(yīng)堆芯構(gòu)造的示意圖，圖4是實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體 的概略結(jié)構(gòu)圖，圖5是表示實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體中的排列結(jié)構(gòu)的概 略剖面圖，圖6是實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體中的燃料棒的局部剖面圖， 圖7是表示實(shí)施例1的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體中的燃料棒的詳細(xì)的主要部分剖面 圖，圖8是表示相對(duì)于17X 17型燃料集合體的燃燒度的中子倍增率的圖表，圖9是表示相 對(duì)于燃料芯塊直徑的中子倍增率的圖表，圖10是表示循環(huán)燃燒度及分批燃燒度相對(duì)于燃 料芯塊直徑的降低比例的圖表，圖11是表示燃料芯塊直徑的最佳區(qū)域的圖表。
實(shí)施例1的原子反應(yīng)堆是將輕水用作原子反應(yīng)堆冷卻材料及中子減速材料，貫穿 反應(yīng)堆芯整體后成為不沸騰的高溫高壓水，并將該高溫高壓水送往蒸汽產(chǎn)生器，通過(guò)熱交 換產(chǎn)生蒸汽，并將該蒸汽送往渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的壓水型原子反應(yīng)堆(PWR =Pressurized Water Reactor)0
S卩，在具有該壓水型原子反應(yīng)堆的發(fā)電設(shè)備中，如圖1所示，在原子反應(yīng)堆容納容 器11內(nèi)，收納有壓水型原子反應(yīng)堆12及蒸汽產(chǎn)生器13，該壓水型原子反應(yīng)堆12及蒸汽產(chǎn) 生器13經(jīng)由冷卻水配管14、15進(jìn)行連結(jié)，并在冷卻水配管14上設(shè)置加壓器16，在冷卻水配 管15上設(shè)有冷卻水泵17。在此情況下，使用輕水作為減速材料及一次冷卻水，為抑制反應(yīng) 堆芯部的一次冷卻水發(fā)生沸騰，一次冷卻系統(tǒng)通過(guò)加壓器16施加150 160大氣壓左右的 高壓。從而，在壓水型原子反應(yīng)堆12中，利用低濃縮鈾或MOX作為燃料對(duì)作為一次冷卻水 的輕水進(jìn)行加熱，且利用加壓器16將高溫的輕水維持在規(guī)定的高壓，在該狀態(tài)下，通過(guò)冷 卻水配管14將所述輕水送往蒸汽產(chǎn)生器。在該蒸汽產(chǎn)生器13中，高壓高溫的輕水與作為 二次冷卻水的水之間進(jìn)行熱交換，被冷卻的輕水通過(guò)冷卻水配管15返回壓水型原子反應(yīng) 堆12。
蒸汽產(chǎn)生器13經(jīng)由冷卻水配管20、21與設(shè)置在原子反應(yīng)堆容納容器11的外部的 渦輪18及冷凝器19進(jìn)行連結(jié)，在冷卻水配管21上設(shè)有給水泵22。此外，在渦輪18上連接 發(fā)電機(jī)23，并在冷凝器19上連接給排冷卻水(例如，海水)的供給管24及配水管25。從 而，在蒸汽產(chǎn)生器13中與高壓高溫的輕水進(jìn)行熱交換而生成的蒸汽通過(guò)冷卻水配管20被 送往渦輪18，并利用該蒸汽對(duì)渦輪18進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而由發(fā)電機(jī)23進(jìn)行發(fā)電。對(duì)渦輪18進(jìn) 行驅(qū)動(dòng)的蒸汽在冷凝器19中被冷卻后，通過(guò)冷卻水配管21，返回到蒸汽產(chǎn)生器13。
此外，在壓水型原子反應(yīng)堆12中，如圖2及圖3所示，原子反應(yīng)堆容器31為能夠 向其內(nèi)部插入反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)造物，由原子反應(yīng)堆容器主體32與安裝在其上部的原子反應(yīng)堆 容器蓋33構(gòu)成，且原子反應(yīng)堆容器蓋33相對(duì)于該原子反應(yīng)堆容器主體32可開閉。原子 反應(yīng)堆容器主體32形成為上部開口、下部閉塞的圓筒形狀，在內(nèi)表面上固定有熱屏蔽材料 34，并在上部形成有給排一次冷卻水(輕水)的入口噴嘴35及出口噴嘴36。
在該原子反應(yīng)堆容器主體32內(nèi)，通過(guò)上下的反應(yīng)堆芯板37、38形成反應(yīng)堆芯39， 并在內(nèi)部插入多個(gè)燃料集合體40?？紤]燃料的更換順序，該反應(yīng)堆芯39被劃分為三至四個(gè) 區(qū)域(新燃料、1循環(huán)照射燃料、2循環(huán)照射燃料、3循環(huán)照射燃料)，且設(shè)計(jì)成保持90度的 對(duì)稱性。在本實(shí)施例中，設(shè)計(jì)成17X17型的燃料集合體40的形式，各燃料集合體的集合體 間距P1設(shè)定為215mm。此外，在上部反應(yīng)堆芯板37的上部，經(jīng)由支柱41固定上部反應(yīng)堆芯 支撐板42，在該上部反應(yīng)堆芯支撐板42與上部反應(yīng)堆芯37之間支撐多個(gè)控制棒群引導(dǎo)管 43。此外，在原子反應(yīng)堆容器蓋33上支撐有控制棒驅(qū)動(dòng)裝置45，各控制棒群驅(qū)動(dòng)軸46通過(guò)控制棒群引導(dǎo)管43內(nèi)而延伸到燃料集合體40，并在下部安裝有控制棒群(控制棒)47。
另一方面，在下部反應(yīng)堆芯板38的下部固定下部反應(yīng)堆芯支撐板48，并在該下部 反應(yīng)堆芯支撐板48上支撐反應(yīng)堆內(nèi)檢測(cè)儀器引導(dǎo)管49。
從而，利用控制棒驅(qū)動(dòng)裝置45移動(dòng)控制棒群47，通過(guò)將未圖示的控制棒插入燃料 集合體40中，由此，對(duì)在反應(yīng)堆芯39內(nèi)的核分裂進(jìn)行控制，并利用產(chǎn)生的熱能對(duì)填充到原 子反應(yīng)堆容器31內(nèi)的輕水進(jìn)行加熱，高溫的輕水從出口噴嘴36排出，并如上述地送往蒸汽 產(chǎn)生器13。即，作為構(gòu)成燃料集合體40的燃料的鈾或钚通過(guò)核分裂放出中子，作為減速材 料及一次冷卻水的輕水使放出的高速中子的動(dòng)能降低而形成熱中子，易引起新的核分裂， 并且?guī)ё弋a(chǎn)生的熱而冷卻。此外，通過(guò)將控制棒群47插入燃料集合體40，對(duì)在反應(yīng)堆芯39 內(nèi)產(chǎn)生的中子數(shù)進(jìn)行調(diào)整，此外，在緊急停止原子反應(yīng)堆時(shí)，急速地插入反應(yīng)堆芯內(nèi)。
如圖4及圖5所示，該燃料集合體40如下構(gòu)成，即多個(gè)燃料棒51被支撐格子52 集束成格子狀，在上端部固定上部噴嘴53，另一方面在下端部固定下部噴嘴54。而且，圖5 中，因?yàn)閺?fù)雜故省略燃料棒51間的格子部分，僅示意地圖示了外周部。本實(shí)施例的燃料集 合體40為17 X 17型，并由264根燃料棒51、插入控制棒47的24根控制棒引導(dǎo)管道55、以 及插入未圖示的反應(yīng)堆內(nèi)檢測(cè)儀器用檢測(cè)器的一根反應(yīng)堆內(nèi)檢測(cè)儀器引導(dǎo)管道56構(gòu)成， 且各燃料棒51的燃料棒間距P2設(shè)定為12. 6mm。
并且，在燃料棒51中，如圖6所示，燃料芯塊61是對(duì)將作為核分裂性物質(zhì)的鈾235 濃縮到5%以下的濃縮二氧化鈾進(jìn)行燒固，并形成芯塊狀。燃料被覆管62是鋯合金制的，且 在內(nèi)部填充規(guī)定數(shù)的燃料芯塊61，并通過(guò)在上部安裝彈簧63進(jìn)行按壓，同時(shí)在內(nèi)部填充有 氦氣的狀態(tài)下，在上端部及下端部固定端栓64、65，由此形成燃料棒51。
然而，在上述的壓水型原子反應(yīng)堆12中，為使該原子反應(yīng)堆在規(guī)定期間可以維持 恒定的熱輸出，對(duì)反應(yīng)堆芯熱輸出、運(yùn)轉(zhuǎn)期間、燃料集合體的最高燃燒度進(jìn)行設(shè)定，并由此 決定需要的燃料裝載重量。并且，考慮輸出峰值系數(shù)(peaking factor)來(lái)決定燃料棒的根 數(shù)、長(zhǎng)度，由燃料裝載重量與根數(shù)決定燃料棒的直徑，以能夠滿足可維持燃料的健全性的最 大線輸出密度(最大 出力密度)。然后，適當(dāng)?shù)剡x定燃料被覆管，考慮燃燒棒的特性(照 射成長(zhǎng)、芯塊變形、芯塊溫度、被覆管變形、FP氣體放出、被覆管腐蝕)來(lái)決定燃料被覆管的 內(nèi)徑及外徑，以使即便在運(yùn)轉(zhuǎn)中的異常的過(guò)度變化時(shí)，仍確保燃料的健全性。另一方面，輕 水對(duì)鈾的體積比(H/U比)與燃料經(jīng)濟(jì)性(中子倍增率)的關(guān)系為在H/U比達(dá)到某值時(shí)， 中子倍增率具有極大值，而且成為凸曲線，在壓水型原子反應(yīng)堆中，如果以在減速材料(輕 水)溫度上升時(shí)中子倍增率降低的方式而處于最佳值的左側(cè)，即如果H/U比進(jìn)一步變大，則 在中子倍增率增加的區(qū)域選定燃料棒間距。該技術(shù)記載于“輕水反應(yīng)堆燃料的特性”第27 頁(yè)(財(cái)團(tuán)法人原子能安全研究協(xié)會(huì)輕水反應(yīng)堆燃料的特性編輯委員會(huì)第四版平成15年7 月)。因此，如果一旦選定燃料棒間距，則因?yàn)樵诜磻?yīng)堆芯內(nèi)的相互關(guān)系被確定，所以能夠最 優(yōu)化的燃料棒的直徑的范圍被嚴(yán)格地限定。
一般認(rèn)為，在將燃料棒的間距固定的條件下，如果增大燃料棒(燃料芯塊)的直 徑，則H/U比降低，即減速材料減少，減速惡化，且反應(yīng)性降低。然而，在將燃料集合體的壽 命中的產(chǎn)生熱量設(shè)為恒定的情況下，如果增大燃料棒(燃料芯塊)的直徑，則因?yàn)殁櫻b載量 增加，所以通過(guò)取出燃燒度(取D出L·燃燒度)降低，存在反應(yīng)性增加的區(qū)域。
在本申請(qǐng)人提出的燃料集合體的設(shè)計(jì)方法中，在用于使燃料經(jīng)濟(jì)性(中子倍增率)提高的燃料棒(燃料芯塊)達(dá)到最優(yōu)化時(shí)，在將從燃料集合體中取出的熱量設(shè)為恒定 的條件的基礎(chǔ)上，使該燃料棒的直徑或燃料芯塊的直徑發(fā)生變化，從而H/U比發(fā)生變化時(shí)， 考慮由于燃料的重量發(fā)生變動(dòng)導(dǎo)致的燃燒度的變化，對(duì)中子倍增率進(jìn)行評(píng)價(jià)。由此，在燃料 棒間距一定的條件下，如果燃料棒或燃料芯塊的直徑發(fā)生變化，則因?yàn)閷?duì)中子倍增率進(jìn)行 評(píng)價(jià)的燃燒度發(fā)生變化，所以H/U比對(duì)中子倍增率的曲線發(fā)生錯(cuò)位。例如，如果使燃料棒及 燃料芯塊粗徑化，則在同一取出熱量下，因?yàn)槿紵冉档?，所以中子倍增率變大。即，得到?使燃料棒及燃料芯塊的直徑發(fā)生變化前的H/U比對(duì)中子倍增率的曲線更大的值。其結(jié)果可 知，在從燃料集合體取出的熱量一定的條件下，相比于以往設(shè)計(jì)點(diǎn)將燃料棒及燃料芯塊在 某范圍粗徑化時(shí)，存在中子倍增率增加的區(qū)域。
如果詳細(xì)地說(shuō)明，壓水型原子反應(yīng)堆的反應(yīng)堆芯能夠基本由單一種(濃縮度)的 燃料構(gòu)成，根據(jù)該燃料的反應(yīng)性特性能夠推定與反應(yīng)堆芯壽命有關(guān)的特性。為此的基本參 數(shù)為“分批燃燒度”，其賦予“由該燃料構(gòu)成的反應(yīng)堆芯的循環(huán)末期的所有燃料集合體的平 均燃燒度”，且定義為在循環(huán)末期假定的硼素濃度殘量、輸出水平下，能夠正好維持臨界的 燃燒度。這是因?yàn)槿绻俣ǖ姆磻?yīng)堆芯的大小(燃料集合體的體數(shù))發(fā)生變化，則中子的泄 漏發(fā)生變化，所以受到若干影響，但基本上是“燃料特性”量，而不是個(gè)別反應(yīng)堆芯的特性。 如果構(gòu)成反應(yīng)堆芯的燃料集合體的濃縮度升高，則分批燃燒度提高，例如，如果是4. Swt % 17 X 17型燃料，則分批燃燒度約在34GWd/t前后。并且，壓水型原子反應(yīng)堆的反應(yīng)堆芯壽命 不妨認(rèn)為是在構(gòu)成反應(yīng)堆芯的燃料整體的平均燃燒度到達(dá)該分批燃燒度的時(shí)刻即終止，幾 乎沒(méi)有影響。因而，一般地，由分批燃燒度高的燃料構(gòu)成的反應(yīng)堆芯的壽命變長(zhǎng)。或者，通 過(guò)使用分批燃燒度大的燃料，能夠減少用于維持同一反應(yīng)堆芯壽命的新燃料替換體個(gè)數(shù)。
如果將上述的分批燃燒度設(shè)為B (MWd/t)，替換批數(shù)(反應(yīng)堆芯內(nèi)的燃料集合體的 區(qū)域數(shù))設(shè)為n，可確保的循環(huán)燃燒度(反應(yīng)堆芯壽命)設(shè)為θ (MWd/t)，則存在以下的關(guān) 系。
B = (η+1)/2 · θ
如果將該數(shù)學(xué)式變形，則得到
η = 2Β/θ-1。
在該上述數(shù)學(xué)式中，燃料的濃縮度或鈾裝載量、及反應(yīng)堆芯的輸出等級(jí)等并未直 接表示。這些作為分批燃燒度B或循環(huán)燃燒度(反應(yīng)堆芯壽命)θ的變化進(jìn)行考慮。從上 述數(shù)學(xué)式可知，即使改變?nèi)剂显O(shè)計(jì)，分批燃燒度B降低，如果能夠使循環(huán)燃燒度(反應(yīng)堆芯 壽命)θ降低到超過(guò)分批燃燒度B的相對(duì)降低量，則替換批數(shù)η仍增加。該替換批數(shù)η的 增加與替換燃料體個(gè)數(shù)的減少等價(jià)，并在相同循環(huán)長(zhǎng)度的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)更有利的燃料 運(yùn)用，能夠提高經(jīng)濟(jì)性。
如圖7所示，在燃料棒51，具有直徑 的燃料芯塊61以帶有規(guī)定的間隙G的方式 被填充在燃料被覆管62內(nèi)，該燃料被覆管62以規(guī)定的厚度T設(shè)定為外徑D,。圖8是表示 中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于燃料集合體的燃燒度的圖表，并表示使燃料芯塊61的直徑Dp 在8. 19mm 11. OOmm之間變化時(shí)的中子倍增率的變化程度。而且，因?yàn)橐陨鲜龅囊酝娜?料集合體的設(shè)計(jì)方法設(shè)定的燃料芯塊61的直徑Dp為8. 19mm,且4. Swt% 17X17型燃料的 分批燃燒度B為34200MWd/t，所以將燃料芯塊61的直徑Dp = 8. 19mm，將集合體燃燒度B = 34200MWd/t時(shí)的中子倍增率k -(相對(duì)值)設(shè)定為1. 0。此外，即使使燃料芯塊61的直徑Dp變化，認(rèn)為與燃料被覆管62之間的間隙G和燃料被覆管62的厚度T不發(fā)生變化。
因而，如圖8的圖表所示，因燃燒期間(集合體燃燒度)的增加，中子倍增率 k-(反應(yīng)性)降低，此外，如果使燃料芯塊的直徑 增加，則因?yàn)闇p速材料的量減少，所以 中子倍增率降低。分批燃燒度是提供用于將反應(yīng)堆芯正好維持在臨界所需要的反應(yīng)性(中 子倍增率)的點(diǎn)，即使增大芯塊徑，如果將評(píng)價(jià)k⑴的燃燒度固定在芯塊徑為8. 19mm時(shí)的 分批燃燒度(B = 34200MWd/t)，則因?yàn)槿剂闲緣K的粗徑化，中子倍增率單調(diào)降低(圖8的圖 表的〇標(biāo)記)。在此情況下，即使將芯塊徑粗徑化，也使循環(huán)長(zhǎng)度延長(zhǎng)，以使燃燒度變成相 同。另一方面，考慮將循環(huán)長(zhǎng)度固定的情況下，因伴隨燃料芯塊的粗徑化的鈾重量的增加， 循環(huán)燃燒度降低(圖8的圖表的 標(biāo)記)。即，在將燃料芯塊粗徑化、并在燃料棒全長(zhǎng)上將 其直徑Dp從Dtl變更為D1W情況下，因?yàn)樘峁┫嗤难h(huán)長(zhǎng)度(天數(shù))的循環(huán)燃燒度θ ^與 θ ！中以下的關(guān)系成立，所以因燃料芯塊的粗徑化，循環(huán)燃燒度降低。
θ / θ。= (DcZD1)2
而且，如上所述，根據(jù)反應(yīng)堆芯熱輸出、運(yùn)轉(zhuǎn)期間、燃料集合體的最高燃燒度來(lái)決 定燃料裝載重量，并考慮輸出峰值系數(shù)來(lái)決定燃料棒的根數(shù)、長(zhǎng)度，并由燃料裝載重量與根 數(shù)來(lái)決定燃料棒的直徑，并考慮燃料棒的特性來(lái)決定燃料被覆管的內(nèi)徑及外徑，芯塊的直 徑是根據(jù)燃料被覆管的內(nèi)徑及外徑、以及基于鈾和輕水的比率的減速率來(lái)進(jìn)行設(shè)定的，該 燃料芯塊的直徑Dtl以該方法進(jìn)行設(shè)定，此外，與芯塊的直徑Dtl對(duì)應(yīng)的循環(huán)燃燒度是Θ。。
此外，圖9是表示中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于燃料芯塊的直徑相對(duì)的圖表。從圖 8的圖表可知，在芯塊直徑Dp = Dtl = 8. 19時(shí)，從中子倍增率k -(相對(duì)值)為1. 0的燃燒 度(圖8中的相對(duì)于芯塊直徑Dp = Dtl描繪的曲線，從圖表左上方開始降低，與中子倍增率 k-(相對(duì)值)=1.0的線相交的燃燒度，即與芯塊直徑Dp對(duì)應(yīng)的分批燃燒度)開始，沿伴 隨芯塊直徑Dp的增加的循環(huán)燃燒度的降低比例，求出中子倍增率km (相對(duì)值)。該中子 倍增率k -(相對(duì)值)超過(guò)1. 0意味著在增加芯塊直徑Dp時(shí)，k⑴(相對(duì)值)到達(dá)1. 0的 燃燒度(圖8的按各芯塊直徑描繪的曲線從圖表左上方開始降低，與中子倍增率km (相 對(duì)值)=1.0的線相交的燃燒度，S卩，與各芯塊直徑Dp對(duì)應(yīng)的分批燃燒度)高于以循環(huán)燃 燒度的降低比例減少的燃燒度，分批燃燒度的降低比例僅意味著小于循環(huán)燃燒度的降低比 例。
因此，可以認(rèn)為，該中子倍增率(相對(duì)值)增加等價(jià)于進(jìn)行燃料芯塊的粗徑化時(shí)的 分批燃燒度B與循環(huán)燃燒度θ的比(B/θ)增加。因而，從上述數(shù)學(xué)式可知，與燃料芯塊的 直徑的增加相對(duì)的循環(huán)燃燒度的降低比例帶有逐漸變得平緩的傾向。另一方面，圖10是以 圖8的圖表為基礎(chǔ)，表示循環(huán)燃燒度及分批燃燒度相對(duì)于芯塊直徑的降低比例的圖表。分 批燃燒度的變化，如該圖10所示，可知相對(duì)于燃料芯塊的直徑的增加，其變化量帶有逐漸 增加的傾向。這是因?yàn)槿绻剂闲緣K的直徑的增加量增加，則加速了減速材料量的減少，對(duì) 反應(yīng)性造成的影響帶有增加的傾向。如果比較兩者，可知燃料芯塊的粗徑化的程度在如圖 10所示的增益界限直徑以下的區(qū)域、即在粗徑化增益區(qū)域內(nèi)，循環(huán)燃燒度的降低比例大于 分批燃燒度的降低比例，即，中子倍增率為1. 0以上。
圖11是表示中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于燃料芯塊的圖表，特別是為表示燃料芯 塊的直徑的最佳區(qū)域，將圖9的圖表的一部進(jìn)行放大后的圖表。如該圖11的圖表所示，燃 料芯塊的直徑Dp在大于8. 19mm、且在8. 62mm以下的區(qū)域A17中，分批燃燒度B與循環(huán)燃燒
11度θ分別降低，但其比(B/θ)增加。S卩，中子倍增率的相對(duì)值超過(guò)1.0，在該區(qū)域A17，能夠 得出通過(guò)燃料芯塊的粗徑化能夠降低替換燃料體個(gè)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
S卩，在壓水型原子反應(yīng)堆12中，燃料棒51以17X17的正方格子狀、燃料集合體間 距P1為215mm、燃料棒間距P2為12. 6mm而排列的燃料集合體40中，通過(guò)將燃料芯塊61的 直徑Dp設(shè)定為大于8. 19mm、且在8. 62mm以下，從而能夠?qū)⒃撊剂闲緣K61的直徑最佳化，相 比于以往的燃料集合體使中子倍增率提高，能夠提高反應(yīng)性。在此情況下，將燃料芯塊61 的直徑Dp設(shè)定在8. 19 < Dp ^ 8. 62mm,但最佳值是Dp = 8. 40mm。
而且，在17X17形式的燃料集合體中，在設(shè)計(jì)上，將燃料集合體間距P1設(shè)為 215mm，將燃料棒間距P2設(shè)為12. 6mm，但需要對(duì)燃料集合體間距P1加入士 Imm左右的尺寸 公差，對(duì)燃料棒間距P2加入士0. Imm左右的尺寸公差。此外，需要將燃料芯塊61與燃料被 覆管62的間隙G設(shè)在0. 08mm左右，并需要確保鋯合金制的燃料被覆管62的厚度在0. 57mm 左右。此外，將燃料芯塊61的直徑Dp的下限值設(shè)定在大于8. 19mm，但考慮到尺寸公差，期 望設(shè)在8. 25mm以上。
如此，根據(jù)實(shí)施例1的原子反應(yīng)堆，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊61填充 在鋯合金制的燃料被覆管62中形成燃料棒51，并對(duì)多個(gè)該燃料棒51格子狀地進(jìn)行集束而 構(gòu)成燃料集合體40，在將從燃料集合體40產(chǎn)生的熱量設(shè)為一定的情況下，通過(guò)增加燃料芯 塊61的外徑，裝載于燃料集合體40的鈾的重量增加，并求出相伴于此的燃燒度的降低導(dǎo)致 的反應(yīng)性的增加量超過(guò)因?yàn)樵撊剂闲緣K61外徑的增加引起的輕水(減速材料)量的減少 所導(dǎo)致的減速不足而產(chǎn)生的反應(yīng)性的下降量的區(qū)域(粗徑化增益區(qū)域)A17，并在該中子倍 增率上升的區(qū)域A17內(nèi)設(shè)定燃料芯塊61的直徑。
如果增大燃料芯塊61的外徑，則作為減速材料的輕水的量減少，由此導(dǎo)致減速惡 化，從而反應(yīng)性降低，但因?yàn)殁櫻b載量增加，燃燒度降低，所以反應(yīng)性增加，在此兩者的關(guān)系 中，存在與燃料芯塊61外徑的增加相伴的燃料裝載量增加所引起的反應(yīng)性的增加量超過(guò) 由于減速材料量的減少導(dǎo)致的減速不足所造成的反應(yīng)性的下降量的區(qū)域A17，通過(guò)在該區(qū)域 A17內(nèi)設(shè)定燃料芯塊61的外徑，燃料芯塊61的直徑被最佳化，并能夠使反應(yīng)性增加，從而可 以延長(zhǎng)反應(yīng)堆芯壽命。
在此情況下，反應(yīng)性上升的區(qū)域A17是即使因燃料芯塊61的外徑增加導(dǎo)致分批燃 燒度降低，也超過(guò)其相對(duì)的降低部分而使循環(huán)燃燒度降低的區(qū)域，且循環(huán)燃燒度的降低部 分超過(guò)由于該燃料芯塊61的直徑的增加導(dǎo)致的分批燃燒度的降低部分的區(qū)域A17是使燃料 棒51的替換根數(shù)減少的區(qū)域，并能夠提高經(jīng)濟(jì)性。
具體地，在壓水型原子反應(yīng)堆12中，燃料棒51以17X17的格子狀、燃料集合體間 距P1為215mm、燃料棒間距P2為12. 6mm而排列的燃料集合體40中，將燃料芯塊61的直徑 Dp設(shè)定為大于8. 19mm，且在8. 62mm以下。從而，能夠?qū)⒃撊剂闲緣K61的直徑最佳化，相比 于以往的燃料集合體使中子倍增率提高，且能夠提高反應(yīng)性。
實(shí)施例2
圖12是表示中子倍增率相對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例2所述的壓水型原子反應(yīng)堆中的 15X15型燃料集合體的燃燒度的圖表，圖13是表示中子倍增率相對(duì)于燃料芯塊直徑的圖 表，圖14是表示燃料芯塊直徑的最佳區(qū)域的圖表。而且，具有與上述實(shí)施例中說(shuō)明的相同 的功能的部件標(biāo)注同一標(biāo)記，并省略重復(fù)的說(shuō)明。[0078]實(shí)施例2的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體是燃料棒以15X 15的格子狀、燃料集 合體間距P1S 215mm、燃料棒間距P2為14. 3mm排列而成。并且，在本實(shí)施例中，與上述實(shí) 施例1同樣地，在將燃料芯塊粗徑化的特定的區(qū)域內(nèi)，循環(huán)燃燒度的降低比例大于燃料集 合體的分批燃燒度的降低比例，即中子倍增率提高，并在該區(qū)域內(nèi)對(duì)燃料集合體進(jìn)行設(shè)計(jì)。
圖12是表示中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于15X15形式的燃料集合體的燃燒度的 圖表，并表示使燃料芯塊的直徑Dp在9. 29mm 11. 29mm之間變化時(shí)的中子倍增率的變化 程度。因?yàn)橐陨鲜龅囊酝娜剂霞象w的設(shè)計(jì)方法設(shè)定的燃料芯塊的直徑Dp為9. 29mm, 且4. 8wt% 15X15型燃料的分批燃燒度B = 3310(MWd/t，所以將燃料芯塊的直徑Dp = 9. 29mm、集合體燃燒度B為33100MWd/t時(shí)的中子倍增率k①(相對(duì)值)設(shè)定為1. 0。此外， 即使使燃料芯塊的直徑Dp變化，認(rèn)為與燃料被覆管之間的間隙G和燃料被覆管的厚度T不 發(fā)生變化。
因而，如圖12的圖表所示，因燃燒期間(集合體燃燒度)的增加，中子倍增率 k-(反應(yīng)性)降低，此外，如果使燃料芯塊的直徑 增加，則因?yàn)闇p速材料量減少，所以中 子倍增率降低。分批燃燒度是提供用于將反應(yīng)堆芯正好維持在臨界所需要的反應(yīng)性(中子 倍增率)的點(diǎn)，且即使使芯塊直徑變粗，如果將評(píng)價(jià)kc 的燃燒度固定在芯塊直徑為9. 29mm 時(shí)的分批燃燒度(B = 33100MWd/t)，則因燃料芯塊的粗徑化，中子倍增率單調(diào)降低(圖12 的圖表的〇標(biāo)記)。在此情況下，即使使芯塊直徑粗徑化，也使循環(huán)長(zhǎng)度延長(zhǎng)，以使燃燒度相 同。另一方面，在考慮將循環(huán)長(zhǎng)度固定的情況下，因伴隨燃料芯塊的粗徑化的鈾重量的增加 而導(dǎo)致循環(huán)燃燒度降低(圖12的圖表的 標(biāo)記)。即，在將燃料芯塊粗徑化、并在燃料棒全 長(zhǎng)上將其直徑Dp從Dtl變更為D1的情況下，如上述實(shí)施例1中說(shuō)明的那樣，由于燃料芯塊的 粗徑化，導(dǎo)致循環(huán)燃燒度降低。
此外，圖13是表示中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于燃料芯塊的圖表，可以認(rèn)為，該中 子倍增率(相對(duì)值)增加等價(jià)于進(jìn)行燃料芯塊的粗徑化時(shí)的分批燃燒度B與循環(huán)燃燒度θ 的比(B/ θ )增加。因而如上述實(shí)施例1中的說(shuō)明可知，循環(huán)燃燒度相對(duì)于燃料芯塊直徑的 增加的降低比例帶有逐漸變得平緩的傾向。另一方面可知，與上述實(shí)施例1同樣，分批燃燒 度的變化相對(duì)于燃料芯塊的直徑的增加，帶有其變化量逐漸增加的傾向。這是因?yàn)槿绻?料芯塊的直徑的增加量增加，則加速了減速材料量的減少，對(duì)反應(yīng)性造成的影響帶有增加 的傾向。如果比較兩者，可知在燃料芯塊的粗徑化的程度微小的區(qū)域內(nèi)，循環(huán)燃燒度的降低 比例大于分批燃燒度的降低比例，即，中子倍增率為1. 0以上。
圖14是表示中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于燃料芯塊的圖表，特別是為表示燃料芯 塊的直徑的最佳區(qū)域而將圖13的圖表進(jìn)行放大后的圖表。如圖14的圖表所示，燃料芯塊的 直徑Dp在大于9. 29mm，且在10. Ilmm以下的區(qū)域A15中，分批燃燒度B與循環(huán)燃燒度θ分 別降低，但其比(B/θ)增加。S卩，中子倍增率的相對(duì)值超過(guò)1.0，能夠得出在該區(qū)域A15內(nèi)， 通過(guò)燃料芯塊的粗徑化可降低替換燃料體個(gè)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
S卩，在壓水型原子反應(yīng)堆中，燃料棒以15X15的正方格子形、且燃料集合體間距P1 為215mm、燃料棒間距P2為14. 3mm排列的燃料集合體中，通過(guò)將燃料芯塊的直徑Dp設(shè)定為 大于9. 29mm，且在10. Ilmm以下，從而能夠?qū)⒃撊剂闲緣K的直徑最佳化，相比于以往的燃料 集合體使中子倍增率提高，且能夠增加反應(yīng)性。在此情況下，將燃料芯塊的直徑Dp設(shè)定在 9. 29 < Dp ^ 10. 11mm，但最佳值是 Dd = 9. 69mm。[0084]而且，在15X15型的燃料集合體中，在設(shè)計(jì)上，將燃料集合體間距P1設(shè)為215mm， 將燃料棒間距P2設(shè)為14. 3mm,但需要對(duì)燃料集合體間距P1加入士 Imm左右的尺寸公差，對(duì) 燃料棒間距P2加入士0. Imm左右的尺寸公差。此外，需要將燃料芯塊與燃料被覆管的間隙 G設(shè)在0. 09mm左右，并需要確保鋯合金制的燃料被覆管的厚度在0. 62mm左右。此外，將燃 料芯塊的直徑Dp的下限值設(shè)定在大于9. 29mm，但考慮到尺寸公差，期望設(shè)在9. 35mm以上。
如此，根據(jù)實(shí)施例2的原子反應(yīng)堆，在壓水型原子反應(yīng)堆中，燃料棒以15 X 15的格 子狀、且燃料集合體間距P1為215mm、燃料棒間距P2為14. 3mm排列的燃料集合體中，在將 來(lái)自燃料集合體的產(chǎn)生熱量設(shè)為一定的情況下，通過(guò)增加燃料芯塊的外徑，裝載于燃料集 合體的鈾的重量增加，與此相伴的燃燒度的降低導(dǎo)致的反應(yīng)性的增加量超過(guò)由于該燃料芯 塊外徑的增加引起的輕水(減速材料)量的減少所導(dǎo)致的減速不足而產(chǎn)生的反應(yīng)性的不 足部分的區(qū)域(粗徑化增益區(qū)域)設(shè)為A15，并將燃料芯塊的直徑Dp設(shè)定在大于9. 29mm且 10. Ilmm以下。從而能夠?qū)⒃撊剂闲緣K的直徑最佳化，相比于以往的燃料集合體能夠使中子 倍增率增加，并可以使反應(yīng)性增加。
實(shí)施例3
圖15是表示中子倍增率相對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例3所述的壓水型原子反應(yīng)堆中的 14X14型燃料集合體的燃燒度的圖表，圖16是表示中子倍增率相對(duì)于燃料芯塊直徑的圖 表，圖17是表示燃料芯塊直徑的最佳區(qū)域的圖表。而且，具有與上述實(shí)施例中說(shuō)明的相同 的功能的部件標(biāo)注同一標(biāo)記，并省略重復(fù)的說(shuō)明。
實(shí)施例3的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體是燃料棒以14X 14的正方格子狀、且 燃料集合體間距P1S 198mm、燃料棒間距P2為14. Imm排列而成。并且，在本實(shí)施例中，與上 述實(shí)施例1同樣地，在將燃料芯塊粗徑化的特定的區(qū)域內(nèi)，循環(huán)燃燒度的降低比例大于燃 料集合體的分批燃燒度的降低比例，即中子倍增率提高，在該區(qū)域?qū)θ剂霞象w進(jìn)行設(shè)計(jì)。
圖15是表示中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于14X14形式的燃料集合體的燃燒度的 圖表，并表示使燃料芯塊的直徑Dp在9. 29mm 11. 29mm之間變化時(shí)的中子倍增率的變化 程度。因?yàn)橐陨鲜龅囊酝娜剂霞象w的設(shè)計(jì)方法設(shè)定的燃料芯塊的直徑Dp為9. 29mm, 且4. 8wt% 14X14型燃料的分批燃燒度B為3200(MWd/t，所以將燃料芯塊的直徑Dp = 9. 29mm、集合體燃燒度B = 32000MWd/t時(shí)的中子倍增率k①(相對(duì)值)設(shè)定為1. 0。此外， 即使使燃料芯塊的直徑Dp變化，認(rèn)為與燃料被覆管之間的間隙G和燃料被覆管的厚度T不 發(fā)生變化。
因而，如圖15的圖表所示，因燃燒期間(集合體燃燒度)的增加，中子倍增率 k-(反應(yīng)性)降低，此外，如果使燃料芯塊的直徑 增加，則因?yàn)闇p速材料量減少，所以中 子倍增率降低。分批燃燒度是提供用于將反應(yīng)堆芯正好維持在臨界所需要的反應(yīng)性(中子 倍增率)的點(diǎn)，且即使使芯塊直徑變粗，如果將評(píng)價(jià)kc 的燃燒度固定在芯塊直徑為9. 29mm 時(shí)的分批燃燒度(B = 32000MWd/t)，則因燃料芯塊的粗徑化，中子倍增率單調(diào)降低(圖15 的圖表的〇標(biāo)記)。在此情況下，即使使芯塊直徑粗徑化，也使循環(huán)長(zhǎng)度延長(zhǎng)，以使燃燒度相 同。另一方面，在考慮將循環(huán)長(zhǎng)度固定的情況下，伴隨燃料芯塊的粗徑化的鈾重量的增加導(dǎo) 致循環(huán)燃燒度降低(圖15的圖表的 標(biāo)記)。即，將燃料芯塊粗徑化，并在燃料棒全長(zhǎng)上將 其直徑Dp從Dtl變更為D1的情況下，與上述實(shí)施例1同樣，由于燃料芯塊的粗徑化導(dǎo)致循環(huán) 燃燒度降低。[0091]此外，圖16是表示中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于燃料芯塊的直徑的圖表，可以認(rèn) 為，該中子倍增率(相對(duì)值)增加等價(jià)于進(jìn)行燃料芯塊的粗徑化時(shí)的分批燃燒度B與循環(huán) 燃燒度θ的比(B/θ )增加。因而與上述實(shí)施例1同樣，循環(huán)燃燒度相對(duì)于燃料芯塊直徑 的增加的降低比例帶有逐漸變得平緩的傾向。另一方面可知，與上述實(shí)施例1同樣，分批燃 燒度的變化相對(duì)于燃料芯塊的直徑的增加，帶有其變化量逐漸增加的傾向。這是因?yàn)槿绻?燃料芯塊的直徑的增加量增加，則加速了減速材料量的減少，對(duì)反應(yīng)性造成的影響帶有增 加的傾向。如果比較兩者，可知在燃料芯塊的粗徑化的程度微小的區(qū)域內(nèi)，循環(huán)燃燒度的降 低比例大于分批燃燒度的降低比例，即，中子倍增率為1.0以上。
圖17是表示中子倍增率(相對(duì)值)相對(duì)于燃料芯塊的直徑的圖表，特別是為表示 燃料芯塊的直徑的最佳區(qū)域而將圖16的圖表進(jìn)行放大后的圖表。如圖17的圖表所示，在 燃料芯塊的直徑Dp大于9. 29mm、且在9. 64mm以下的區(qū)域A14中，分批燃燒度B與循環(huán)燃燒 度θ分別降低，但其比(B/θ)增加。S卩，中子倍增率的相對(duì)值超過(guò)1.0，能夠得出在該區(qū)域 A14內(nèi)通過(guò)燃料芯塊的粗徑化可降低替換燃料體個(gè)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
即，在壓水型原子反應(yīng)堆中，燃料棒以14 X 14的正方格子狀、且燃料集合體間距P1 為198mm、燃料棒間距P2為14. Imm排列的燃料集合體中，通過(guò)將燃料芯塊的直徑Dp設(shè)定為 大于9. 29mm、且在9. 64mm以下，能夠?qū)⒃撊剂闲緣K的直徑最佳化，相比于以往的燃料集合 體使中子倍增率提高，且能夠增加反應(yīng)性。在此情況下，將燃料芯塊的直徑Dp設(shè)定在9. 29 < Dp 彡 9. 64mm,但最佳值是 Dp = 9. 47_。
而且，在14X 14型的燃料集合體中，在設(shè)計(jì)上，將燃料集合體間距P1設(shè)為198mm， 將燃料棒間距P2設(shè)為14. Imm,但需要對(duì)燃料集合體間距P1加入士 Imm左右的尺寸公差，對(duì) 燃料棒間距P2加入士0. Imm左右的尺寸公差。此外，需要將燃料芯塊與燃料被覆管的間隙 G設(shè)在0. 09mm左右，并需要確保鋯合金制的燃料被覆管的厚度在0. 62mm左右。此外，將燃 料芯塊的直徑D1的下限值設(shè)定在大于9. 29mm，但考慮到尺寸公差，期望設(shè)在9. 35mm以上。
如此，根據(jù)實(shí)施例3的原子反應(yīng)堆，在壓水型原子反應(yīng)堆中，燃料棒以14X14的 正方格子狀、且燃料集合體間距P1為198mm、燃料棒間距P2為14. Imm而排列的燃料集合體 中，在將來(lái)自燃料集合體的產(chǎn)生熱量設(shè)為一定的情況下，通過(guò)增加燃料芯塊的外徑，裝載于 燃料集合體的鈾的重量增加，與此相伴的燃燒度的降低導(dǎo)致的反應(yīng)性的增加部分超過(guò)由于 該燃料芯塊的外徑的增加引起的輕水(減速材料)量的減少所導(dǎo)致的減速不足而產(chǎn)生的反 應(yīng)性的不足部分的區(qū)域(粗徑化增益區(qū)域)設(shè)為A14，并將燃料芯塊的直徑Dp設(shè)定在大于 9. 29mm且9. 64mm以下。從而能夠?qū)⒃撊剂闲緣K的直徑最佳化，相比于以往的燃料集合體能 夠使中子倍增率增加，并使反應(yīng)性增加。
工業(yè)實(shí)用性
本發(fā)明所述的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體及燃料集合體的設(shè)計(jì)方法通過(guò)增 加燃料芯塊61的外徑，求得反應(yīng)性提高的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)燃料芯塊的直徑的最佳化，能夠適用 于任意種類的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體或其設(shè)計(jì)方法。
權(quán)利要求
一種壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其如下這樣構(gòu)成，即，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀而構(gòu)成，其特征在于，在燃料集合體的壽命中的產(chǎn)生熱量設(shè)為恒定的情況下，通過(guò)所述燃料芯塊的外徑增加，產(chǎn)生在所述燃料集合體中裝載的所述鈾的重量的增加，求得粗徑化增益區(qū)域，在該區(qū)域中，與所述鈾的重量增加相伴的燃燒度的降低引起的反應(yīng)性的增加量超過(guò)因?yàn)樗鋈剂闲緣K外徑的增加導(dǎo)致的輕水/鈾的體積比的降低所帶來(lái)的減速不足而產(chǎn)生的反應(yīng)性的降低量，在所述反應(yīng)性超出的粗徑化增益區(qū)域內(nèi)設(shè)定所述燃料芯塊的外徑。
2.如權(quán)利要求
1所述的壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其特征在于，所述反應(yīng)性超出的粗徑化增益區(qū)域是如下這樣的區(qū)域，即即使因所述燃料芯塊的外 徑的增加而導(dǎo)致分批燃燒度降低，也以超過(guò)分批燃燒度的相對(duì)的降低量的方式使循環(huán)燃燒 度降低，其中分批燃燒度是指在循環(huán)末期假定的硼素濃度殘量、輸出水平下可正好維持臨 界的燃燒度。
3.—種壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其如下這樣構(gòu)成，即，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固 后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀而 構(gòu)成，其特征在于，在所述多個(gè)燃料棒以17X17的正方格子狀、且燃料棒間距為12. 6mm進(jìn)行排列的情況 下，所述燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于8. 25mm、且在8. 62mm以下。
4.一種壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其如下這樣構(gòu)成，即，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固 后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀而 構(gòu)成，其特征在于，在所述多個(gè)燃料棒以15X15的正方格子狀、且燃料棒間距為14. 3mm進(jìn)行排列的情況 下，所述燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于9. 35mm、且在10. Ilmm以下。
5.一種壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體，其如下這樣構(gòu)成，即，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固 后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀而 構(gòu)成，其特征在于，在所述多個(gè)燃料棒以14X14的正方格子狀、且燃料棒間距為14. Imm進(jìn)行排列的情況 下，所述燃料芯塊的外徑設(shè)定為大于9. 35mm、且在9. 64mm以下。
6.一種燃料集合體的設(shè)計(jì)方法，所述燃料集合體是壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體， 其如下這樣構(gòu)成，即，將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而 形成燃料棒，多個(gè)該燃料棒被集束成格子狀而構(gòu)成，所述燃料集合體的設(shè)計(jì)方法的特征在于，通過(guò)使所述燃料芯塊的外徑增加，使在所述燃料集合體中裝載的所述鈾的重量增加， 在燃料集合體的壽命中的產(chǎn)生熱量設(shè)為恒定的情況下，求出粗徑化增益區(qū)域，在該區(qū)域中， 與所述鈾的重量增加相伴的燃燒度的降低引起的反應(yīng)性的增加量超過(guò)因?yàn)樗鋈剂闲緣K外徑的增加導(dǎo)致的輕水/鈾的體積比的降低所帶來(lái)的減速不足而產(chǎn)生的反應(yīng)性的降低量， 在所述反應(yīng)性超出的粗徑化增益區(qū)域內(nèi)設(shè)定所述燃料芯塊的外徑。
7.如權(quán)利要求
6所述的燃料集合體的設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述反應(yīng)性超出的粗徑化增益區(qū)域是如下這樣的區(qū)域，即即使因所述燃料芯塊的外 徑的增加而導(dǎo)致分批燃燒度降低，也以超過(guò)分批燃燒度的相對(duì)的降低量的方式使循環(huán)燃燒 度降低，其中分批燃燒度是指在循環(huán)末期假定的硼素濃度殘量、輸出水平下可正好維持臨 界的燃燒度。
專利摘要
本發(fā)明提供一種壓水型原子反應(yīng)堆的燃料集合體及燃料集合體的設(shè)計(jì)方法，其中將對(duì)鈾氧化物進(jìn)行燒固后的燃料芯塊填充在鋯合金制的覆蓋管從而形成燃料棒，且多個(gè)燃料棒被集束成格子狀而構(gòu)成燃料集合體，并通過(guò)燃料芯塊的外徑增加，在燃料集合體中裝載的鈾的重量增加，求出區(qū)域(A)，在該區(qū)域(A)中，與鈾重量增加相伴的燃燒度的降低產(chǎn)生的反應(yīng)性的增加部分超過(guò)因燃料芯塊外徑的增加導(dǎo)致的減速材料的減少所帶來(lái)的減速不足產(chǎn)生的反應(yīng)性的降低部分，并在該反應(yīng)性超出的區(qū)域(A)內(nèi)設(shè)定燃料芯塊的外徑。
文檔編號(hào)G21C3/28GKCN101128885 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 200680006402
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2006年2月17日
發(fā)明者星雅也, 濱崎學(xué), 田淵士郎 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5),