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JP3977979B2 - Fuel assembly - Google Patents
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉炉心に装荷する燃料集合体に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、沸騰水型原子炉の炉心は、四角筒型のチャンネルボックスの内部に燃料バンドルを収納した燃料集合体が多数配置されており、各燃料集合体の燃料バンドルは、ウランやプルトニウム等の核分裂性物質を含む燃料ペレットが封入されn行n列(n=8,9,10,11,…等)の正方格子状に配列された多数の燃料棒と、それらを上下で支持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、燃料棒間の間隔を保持するスペーサ等から構成されている。
【0003】
この炉心は、所定の期間(=1サイクル)運転を実施した後に停止され、装荷されている燃料集合体の一部が取り出されて新しい燃料集合体と交換される。この交換時の新しい燃料集合体の燃料装荷量は、原子炉を1サイクルの間臨界に保つために必要な核分裂性物質量が装荷されるように設定されるが、運転期間の末期においてちょうど臨界になるように、あらかじめ余剰に設定される。つまり、運転末期以外では、原子炉は臨界を超過した状態となる。したがって、沸騰水型原子炉の炉心では、燃料集合体間に挿入される制御棒と、一部の燃料棒の燃料中に添加される可燃性吸収材とによって、この余分に発生した中性子を吸収し、これにより運転期間を通じて臨界状態を維持している。
【0004】
なお、可燃性吸収材としては、例えばガドリニア等、熱中性子吸収断面積の大きな物質が用いられるが、これらはその熱中性子の吸収によって消耗し、燃焼に伴いその効果が小さくなっていく。そのため、可燃性吸収材は、主として燃焼初期の超過反応度(余剰反応度)を抑えるために用いられる。
【0005】
ここで、近年、連続運転期間の延長、燃料資源の有効利用、さらに使用済み燃料廃棄物発生量の低減等の観点から、燃料集合体の設計は高燃焼度化(例えば、目標取り出し平均燃焼度40GWd/t以上)の傾向にある。高燃焼度化のためには、燃料集合体一体あたりの核分裂性物質の装荷量を増やす(すなわち燃料濃縮度を高くする)ことが望ましい。
【0006】
ところが、燃料濃縮度を高くすると、余剰反応度はより大きくなるため、余剰反応度を抑えるために必要な可燃性吸収材量も増えることになるため、可燃性吸収材入り燃料棒における核分裂性物質の装荷量を減らさざるを得なくなる。また可燃性吸収材を燃料棒に混入すると熱伝導率が小さくなって燃料温度が高くなる傾向となる(すなわち燃料棒の健全性を確保するための熱的余裕が小さくなる)ため、可燃性吸収材入り燃料棒ではあらかじめ燃料濃縮度を小さくし出力を抑える工夫が必要となり、この意味でも当該可燃性吸収材入り燃料棒の核分裂性物質の装荷量を減らさざるを得なくなる。
【0007】
以上のように可燃性吸収材入り燃料棒の核分裂性物質の装荷量を低減しても、他の燃料棒の核分裂性物質の装荷量をその分増加できればよいが、通常、局所出力ピーキングの低減、熱的余裕の確保等の観点から燃料集合体中の濃縮度には上限がある。そのため、他の燃料棒の核分裂性物質の装荷量の増大には限界があり、この結果、燃料集合体平均濃縮度を低下させなければならず、燃料集合体一体あたりの核分裂性物質の装荷量を低減せざるを得なくなる。
【0008】
また一方、近年、原子力発電所の核燃料リサイクルを図る観点から、再処理によって使用済み燃料から取り出されたプルトニウムをウランと混合し、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料(以下適宜、MOX燃料という)として、軽水炉で利用することが提唱されている(いわゆるプルサーマル計画)。MOX燃料は、その核分裂性物質であるプルトニウム239やプルトニウム241の熱中性子吸収断面積がウラン235より大きいこと、及びプルトニウム240による中性子の吸収がウラン238より大きいこと等により、通常のウラン燃料よりも熱中性子の割合が減少し、中性子スペクトルが硬くなるという性質がある。
【0009】
ここで、通常用いるガドリニア等の可燃性吸収材は、熱中性子に対する吸収断面積が大きいので、その燃焼特性(すなわち吸収特性)は中性子スペクトルに強く依存しており、中性子平均エネルギーが低く(中性子スペクトルが軟らかく)なるほど燃焼が進行して中性子吸収効果が大きくなる一方、中性子スペクトルが硬くなるほど中性子吸収効果が小さくなる。そのため、MOX燃料を備えたMOX燃料集合体では、ウラン燃料のみを備えていたウラン燃料集合体よりも可燃性吸収材の中性子吸収効果が低下し、余剰反応度を抑えるためにはより多くの可燃性吸収材が必要になり、燃料集合体一体あたりの核分裂性物質の装荷量をさらに減らすことになる。
以上のような背景から、従来、例えば、特開昭58-113785号公報、特開平2-147890号公報、及び特開平10-10257号公報に記載のように、可燃性吸収材を、燃料棒以外の燃料集合体構造物に含有させる手法が提唱されている。
【0010】
特開平10-10257号公報に記載の燃料集合体では、燃料棒の正方格子状配列を取り囲むチャンネルボックスの外周側又は内周側に可燃性吸収材を配備している。具体的には、ガドリニウム、カドミウム、サマリウム、ホウ素、銀、インジウム、ハフニウム等を含有させた(又は過飽和状態に固溶させた)金属、合金、金属間化合物、セラミックスを配置したり、チャンネルボックスを構成する母材(ジルコニウム合金等)に対し前記ガドリニウム等を合金元素として添加(又は金属、金属間化合物、酸化物、水素化物、窒化物等として分散)したりしている。
【0011】
特開平2-147890号公報に記載の燃料集合体では、第6図においては、チャンネルボックス内に内部を非沸騰水が流れる十字形サブチャンネルを設け、そのサブチャンネルの壁面内周側に非沸騰水と接するように可燃性吸収材(ジルコニウムボライド)の被膜をコーティングしている。
また第7図においては、燃料バンドルを複数のサブバンドルに小分けして、チャンネルボックスに代え各サブバンドルを取り囲むようにサブチャンネルをそれぞれ配置して各サブチャンネル内に非沸騰水を流し、その各サブチャンネルの壁面内周側に非沸騰水と接するように可燃性吸収材(ジルコニウムボライド)の被膜をコーティングしている。このとき、可燃性吸収材を非沸騰水に面して設けることにより、ガドリニウムよりも中性子吸収断面積の小さいボロンでも十分に初期余剰反応を抑制できるように図られている。
【0012】
特開昭58-113785号公報に記載の燃料集合体では、燃料集合体径方向出力分布の平坦化を目的として燃料バンドルの径方向中心部に配置される減速材棒(水ロッド)の被覆管外管と内管との間に、ガドリニウム、カドミウム、サマリウム、ユーロビウム、ジスプロシウム、ホウ素(ボロン)、インジウム、ハフニウム等の可燃性吸収材を充填させている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、沸騰水型原子炉では、核分裂で発生する熱を除熱する冷却材として軽水(冷却水)を用いているが、この冷却水は、中性子の減速材としての役割も果たしており、水密度(詳細には、水素の原子数密度)の大きな方が中性子をより減速する性質をもつ。
【0014】
ここで、沸騰水型原子炉ではチャンネルボックスにより冷却水の流路が分けられており、チャンネルボックスの中の燃料棒の間を流れる冷却水は燃料棒からの発熱により沸騰して生じた気泡を含む気液2相流(以下適宜、沸騰水という)となっており、チャンネルボックスの外(言い換えれば隣接2燃料集合体間)を流れる冷却水(ギャップ水)は気泡を含まない液1相流(以下適宜、非沸騰水という)となっており、冷却水の密度差が生じている。このため、沸騰水型原子炉の燃料集合体では、チャンネルボックスに近い外周部にくらべて中央部で熱中性子束が低くなるといった分布ができる。
【0015】
そして通常、沸騰水型原子炉の燃料は主としてエネルギの低い熱中性子により核分裂を起こし易い性質をもつ核分裂性物質であり、熱中性子束の高い位置にある燃料棒は高い出力を出しやすいことから、水密度が大きいチャンネルボックスに近い外周部では燃料棒の出力が比較的高くなり、中央部では燃料棒の出力が比較的低くなるという具合に燃料集合体内で出力分布が生じる。そのため、通常、燃料集合体径方向中央部に、熱中性子束の分布を少しでも改善するために、気泡を含まない非沸騰水を貫流させ減速材棒(いわゆる水ロッド)を設置していることが多い。
【0016】
一方、先に述べたように可燃性吸収材の燃焼は中性子スペクトルに強く依存しており、中性子平均エネルギーが低く(中性子スペクトルが軟らかく)なるほど燃焼が進行して中性子吸収効果が大きくなる一方、中性子スペクトルが硬くなるほど中性子吸収効果が小さくなる。したがって、一般的に、水密度が相対的に小さくなり中性子スペクトルが硬くなる通常運転中においては中性子吸収効果が小さくなり、水密度が相対的に大きくなり中性子スペクトルが軟らかくなる冷温停止時には中性子吸収効果が大きくなる。
すなわち、上述した通常運転時から冷温停止時に移行するとき、反応度の増大に伴って中性子吸収量を大きくするので、可燃性吸収材の燃焼特性は、トータルで見た通常運転時・冷温停止時の反応度差(中性子無限増倍率差)をある程度緩和し、ホット・コールドスウィングを低減する方向に作用することとなる。
【0017】
しかしながら、チャンネルボックス外部の非沸騰水領域とチャンネルボックス内部の沸騰水領域とでは、通常運転時と冷温停止時における水密度の変化の程度に大きな差がある。
【0018】
チャンネルボックス外部の非沸騰水領域は、上記のように温度によってある程度水密度は変化するが、チャンネルボックス内部の沸騰水領域のようなボイド(気泡)の発生・消滅という相の変化が生じないため、中性子スペクトルの通常運転時(スペクトル相対的に硬い)と冷温停止時(スペクトル相対的に軟らかい)とにおける変化が、チャンネルボックス内部の沸騰水領域に比べて小さい。
【0019】
上記特開平10-10257号公報に記載の従来技術では、上記チャンネルボックス外部の非沸騰水領域の近くに可燃性吸収材を配置しているため、中性子エネルギースペクトルの通常運転時と冷温停止時とにおける変化は、チャンネルボックス中心部での変化に比べて小さくなる。したがって、前述した可燃性吸収材のホット・コールドスウィング低減作用、すなわち、通常運転時から冷温停止時に移行するときに中性子吸収量を大きくするという作用が小さくなるため、燃料棒に可燃性吸収材を含有させた場合よりもホット・コールドスウィングが増大する傾向となる。
また、チャンネルボックスに可燃性吸収材を含有させると、チャンネルボックスと制御棒とが非常に近い距離で対向するため、互いの中性子吸収効果が相殺してしまい、制御棒価値が下がるという課題もある。
【0020】
特開平2-147890号公報に記載の従来技術では、サブチャンネル内部の非沸騰水領域に可燃性吸収材を配置しているため、上記特開平10-10257号公報と同様、中性子エネルギースペクトルの通常運転時と冷温停止時とにおける変化が小さく、ホット・コールドスウィングが増大する傾向となる。
【0021】
特開昭58-113785号公報に記載の従来技術では、減速材棒の被覆管に可燃性吸収材を充填する構造であるが、通常、減速材棒の大きさはそれほど大きくなく、せいぜい、正方格子状配列の7本分の燃料棒を置き換えた程度の大きさである。これ以上大きくするには、燃料棒を配置する空間を減らさなければならない。このような制約のため、減速材棒被覆管が周囲の冷却水と接している面積は、通常一定の上限があり、この結果中性子吸収量も制限されるので、十分な反応度抑制効果を確保することが困難である。
【0022】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分に余剰反応度を抑制しつつ、ホット・コールドスウィングを小さくすることができる燃料集合体を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
(1)上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を充填した複数の燃料棒をn行n列の正方格子状に配列した燃料集合体において、可燃性吸収材を備えた中性子吸収手段を設け、この中性子吸収手段は、少なくとも一部が、前記格子状配列の格子位置間の間隙に前記行方向又は前記列方向に直線状に配置されかつ前記正方格子状配列を取り囲むチャンネルボックス内の2相流冷却水に接するように配置され、前記中性子吸収手段の前記少なくとも一部は、前記チャンネルボックス内の2相流冷却水に両面が接するように配置された少なくとも1つの平板手段であるものとする。
【0024】
本発明においては、中性子吸収手段の少なくとも一部が、チャンネルボックス内の2相流冷却水(沸騰水)に接している。このチャンネルボックス内の2相流領域では、原子炉が通常運転時から冷温停止時に移行するとき、温度の変化に加えてボイド(気泡)の発生・消滅という相の変化が生じるため、チャンネルボックス外部の非沸騰水領域に比べ、中性子スペクトルの通常運転時(スペクトル相対的に硬い)と冷温停止時(スペクトル相対的に軟らかい)とにおける変化が大きい。これにより、非沸騰水領域近傍に可燃性吸収材を配置している従来構造に比べて、通常運転時から冷温停止時に移行するときにおける可燃性吸収材の中性子吸収量を大幅に増大できるので、その分ホット・コールドスウィングを大きく低減することができる。
【0025】
また、一般に、可燃性吸収材が周囲の2相流冷却水と接する面積が大きいほど中性子吸収量が大きくなるが、本発明においては、上述の中性子吸収手段の少なくとも一部が、前記格子状配列の格子位置間の間隙に前記行方向又は前記列方向に直線状に配置されチャンネルボックス内の2相流の冷却水に接する面積を十分大きく確保できることにより、減速材棒の被覆管に可燃性吸収材を充填する従来構造と異なり、可燃性吸収材による反応度抑制効果を十分に確保できる。
【0027】
さらに中性子吸収手段の少なくとも一部を、チャンネルボックス内の2相流冷却水に両面が接するように配置された少なくとも1つの平板手段とすることにより、安価に製造でき、かつ2層流冷却水への十分な接触面積を容易に確保できる構成を実現できる。
【0028】
(2)上記(1)において、さらに好ましくは、前記平板手段は複数個設けられており、それら複数個の平板手段は、前記格子状配列の前記行方向に配置された行方向平板手段と、前記格子状配列の前記列方向に配置された列方向平板手段とを含む。
【0029】
これにより、2層流冷却水へのさらに十分な接触面積を確保することができる。
【0030】
(3)上記(2)において、好ましくは、前記行方向平板手段と前記列方向平板手段とが、互いに略直角の状態で結合された格子状板部材として構成されている。
【0031】
(4)上記(1)において、また好ましくは、前記n=8又は9であり、前記中性子吸収手段の燃料集合体径方向中心側の部分は、少なくとも前記正方格子状配列の最外層から2層目の格子位置よりも前記燃料集合体径方向中心側に配置されている。
【0032】
チャンネルボックス内の2相流領域では、燃料集合体径方向外周側すなわちチャンネルボックス側ほど、チャンネルボックス外部の非沸騰水領域の影響により、中性子スペクトルの通常時運転時と冷温停止時とにおける変化が小さくなる。したがって、8行8列又は9行9列の燃料棒格子状配列の場合、正方格子状配列最外層から2層目の格子位置付近より燃料集合体径方向中心側であれば、チャンネルボックス外部の非沸騰水領域の影響が小さくなり、中性子スペクトルの通常運転時と冷温停止時とにおける変化が大きくなると推定できる。本発明においては、中性子吸収手段の中心側部分を少なくとも当該2層目より中心側に配置することにより、確実に中性子スペクトルの通常運転時と冷温停止時とにおける変化の大きい位置に配置することができ、ホット・コールドスウィングを確実に抑制することができる。
【0033】
(5)上記目的を達成するために、また本発明は、核分裂性物質を充填した複数の燃料棒を正方格子状に配列した燃料集合体において、可燃性吸収材を備え、前記正方格子状配列の外周4辺の中点から燃料集合体径方向中心に向かってそれぞれ延設された4つの平板手段を有し、前記4つの平板手段は、その両面が前記正方格子状配列を取り囲むチャンネルボックス内の2相流冷却水に接するように配置されている。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【0035】
図2は、本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の全体構造を表す縦断面図であり、図3は、図2に示した燃料集合体の下部の構造を表す破断斜視図であり、図1は、図2中I−I断面でみた横断面図である。
【0036】
これら図1〜図3において、本実施形態による燃料集合体1は、沸騰水型原子炉の炉心に装荷されるものであり、8行8列の正方格子状に配列され内部に核分裂性燃料物質としてのウラン−235が充填された60本の燃料棒2と、正方格子状配列の径方向(図1中上下方向又は左右方向)中央部領域の水の量を増やすのを目的として燃料棒2が1本配列可能な領域にそれぞれ配置された4本のウォータロッド(減速材棒)3と、これら燃料棒2及びウォータロッド3により形成される燃料バンドルの周囲を囲む四角筒型のチャンネルボックス4とを備えている。
【0037】
燃料バンドルの上部及び下部はそれぞれ上部タイプレート5及び下部タイプレート6により支持されており、また燃料バンドルの軸方向複数箇所には、燃料棒2及びウォータロッド3の間隔を保持するためのスペーサ7が設けられている。燃料棒2は、特に図示や詳細な説明を行わないが、この種の燃料集合体として公知であるものと同様、濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から構成されている。そして各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布を設けることにより軸方向出力ピーキングの平坦化を図ったり、各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより径方向出力ピーキングの平坦化が図られている。なお、このとき同様の目的で、燃料有効長が通常の燃料棒2よりも短いいわゆる短尺燃料棒(部分長燃料棒ともいう)を適宜配置しても良い。
【0038】
以上のような本実施形態の燃料集合体1の要部は、チャンネルボックス4内に可燃性吸収材(図示せず、詳細は後述)を備えた可燃性吸収材含有部材8を設けたことである。
【0039】
この可燃性吸収材含有部材8は、チャンネルボックス4内部、すなわち気液2相流が流れる領域(=沸騰水領域)に配置されており、チャンネルボックス4長手方向から見て略十字形状(すなわち水平横断面形状が略十字形状)をなしている。
【0040】
すなわち、可燃性吸収材含有部材8は、正方格子状配列の外周4辺の中点から燃料集合体径方向中心に向かってそれぞれ延設された4つの平板部材8a,8b,8c,8dから構成されている。これら4つの平板部材8a〜dは、すべて燃料棒2の配列された格子状配列の格子位置ではなく、格子位置と格子位置との間の間隙に配置されており、図1に示すように、チャンネルボックス4内を4つの正方形領域9A,9B,9C,9Dに4等分するように配置されている。このような配置により、各平板部材8a〜dの両面が、チャンネルボックス4内の2相流冷却水に接するようになっている。
【0041】
また、これら4つの平板部材8a〜dは、格子状配列の行方向(例えば図1中の左右方向)に直線状配置された平板部材8a,8cと、格子状配列の前記列方向(例えば図1中の上下方向)に直線状に配置された平板部材8b,8dとが、互いに略直角の状態で結合され、これによって格子状板部材である可燃性吸収材含有部材8を構成している。すなわち、各平板部材8a〜dの径方向中心側の部分は、各平板部材8a〜dの接合部において燃料集合体径方向中心軸に至っている。そして、各平板部材8a〜dの燃料集合体径方向外側(すなわちチャンネルボックス4側)端部がチャンネルボックス4の内周面に溶接等にて接合されることにより、可燃性吸収材含有部材8が位置決め固定されている。
【0042】
なお、可燃性吸収材含有部材8自体は、前述した特開昭58-113785号公報、特開平2-147890号公報、及び特開平10-10257号公報等において公知の方法で製造すれば足りる。
【0043】
例えば、可燃性吸収材含有部材8を1対2枚の素材板(例えばジルコニウム合金の板材等)で構成するようにしておき、それら2枚のうち一方に凹みを設け、この凹み内に可燃性吸収材の板を配置した後、他方の素材板で可燃性吸収材の板が埋設されるようにはさんで接合すればよい。
また、可燃性吸収材含有部材8の板厚の中心部に板の長手方向にスリットを設け、溶融状態又は溶解状態の可燃性吸収材をスリットに流し込むようにしてもよい。
なお、上記2つの場合、可燃性吸収材含有部材8内に可燃性吸収材のない位置又は領域が生じることとなるが、燃料棒間の2相流の流動面積を確保することを目的として、必要に応じ、その可燃性吸収材のない位置・領域に穴をあけ、沸騰水が可燃性吸収材含有部材8で仕切られた4つのチャンネルボックス4内領域9A〜9D間相互を自由に流れるようにしてもよい。
【0044】
また、可燃性吸収材としては、ガドリニウム、カドミウム、サマリウム、ホウ素、銀、インジウム、ハフニウム等を含有させた(又は過飽和状態に固溶させた)金属、合金、金属間化合物、セラミックスの板、あるいはチャンネルボックスを構成する母材(ジルコニウム合金等)に対し前記ガドリニウム等を合金元素として添加(又は金属、金属間化合物、酸化物、水素化物、窒化物等として分散)したりしたもの等が考えられる。
【0045】
なお、以上において、平板部材8a,8cが、特許請求の範囲各項記載の、格子状配列の行方向に配置された行方向平板手段を構成し、平板部材8b,8dが、格子状配列の列方向に配置された列方向平板手段を構成し、これら4つの平板部材8a〜dが正方格子状配列の外周4辺の中点から燃料集合体径方向中心に向かってそれぞれ延設された4つの平板手段を構成する。
【0046】
そして、これら4つの平板部材8a〜dからなる可燃性吸収材含有部材8が、格子状板部材を構成するとともに、可燃性吸収材を備えた中性子吸収手段をも構成する。
【0047】
次に、以上のように構成した本実施形態の燃料集合体の作用効果を、以下順次説明する。
【0048】
(1)ホット・コールドスウィング低減作用
本実施形態の燃料集合体1によれば、中性子吸収手段としての可燃性吸収材含有部材8が、チャンネルボックス4内の2相流冷却水(沸騰水)に接している。このチャンネルボックス4内の2相流領域では、沸騰水型原子炉が通常運転時から冷温停止時に移行するとき、温度の変化に加えてボイド(気泡)の発生・消滅という相の変化が生じるため、チャンネルボックス4外部の非沸騰水領域(ギャップ水領域)に比べ、中性子スペクトルの通常運転時(スペクトル相対的に硬い)と冷温停止時(スペクトル相対的に軟らかい)とにおける変化が大きい。これにより、非沸騰水領域近傍に可燃性吸収材を配置している従来構造(特開平2-147890号公報、特開平10-10257号公報)に比べて、通常運転時から冷温停止時に移行するときにおける可燃性吸収材の中性子吸収量を大幅に増大できるので、その分ホット・コールドスウィングを低減することができる。
【0049】
なお、このとき併せて得る作用として、前述したように、可燃性吸収材含有部材8が周囲の2相流冷却水と接する面積が大きいほど中性子吸収量が大きくなるので、通常運転時から冷温停止時に移行したときの中性子吸収量の増加量も、可燃性吸収材含有部材8が周囲冷却水と接する面積が大きい方がより大きくなる。すなわち、本実施形態の燃料集合体1によれば、中性子吸収手段としての可燃性吸収材含有部材8が、各平板部材8a,8b,8c,8dの両面という広い接触面積を介してチャンネルボックス4内の2相流冷却水(沸騰水)に接しているので、チャンネルボックス内の2相流冷却水と接する面積をあまり大きくできない従来構造(特開昭58-113785号公報)に比べても、ホット・コールドスウィングを若干小さくすることができる。しかも平板であることから安価に製造できる。
【0050】
以下、この作用を比較例を参照しつつ具体的に説明する。
【0051】
図4は、十字型の可燃性吸収材含有部材8を備えた本発明の上記実施形態の燃料集合体1と、同様の構造の燃料集合体(但し可燃性吸収材含有部材8は省略)において水ロッド3の被覆管に可燃性吸収材を含有させた第1比較例(特開昭58-113785号公報にほぼ相当)及びチャンネルボックス4に可燃性吸収材を含有させた第2比較例(特開平2-147890号公報にほぼ相当)とにおいて、通常運転時でボイド率40%の場合と冷温停止時で制御棒なしの場合との中性子無限増倍率の変化率(すなわちホット・コールドスウィング)の解析結果を比較して示したものである。
【0052】
このとき、解析条件として、各場合におけるガドリニウムの含有量は同じとした。また、水ロッド3は半径1.6cmの円筒形と仮定した。また、縦軸は、本実施形態の燃料集合体1と同様の構造の燃料集合体(但し可燃性吸収材含有部材8は省略)においてガドリニア入りウラン燃料棒を用いた場合のホット・コールドスウィングを基準値とし、上述の3つの場合(本実施形態、第1比較例、第2比較例)におけるホット・コールドスウィング値から当該基準値を減じた相対値で示している。
【0053】
図4において、本実施形態の燃料集合体1におけるホット・コールドスウィング相対値は、チャンネルボックス4に可燃性吸収材を含有させた第2比較例の約1/3であり、水ロッド3の被覆管に可燃性吸収材を含有させた第1比較例と比べても約3/5程度であり、第1及び第2比較例に比べてホット・コールドスウィングを小さく抑えていることが分かる。
【0054】
なお、特開平10-10257号公報の従来構造については、可燃性吸収材は、チャンネルボックスほど外周側に配置されてはおらず、減速材棒よりは広い面積で周囲冷却水に接触しているものの、その周囲冷却水はチャンネルボックスと同様に非沸騰水であるため、その特性は第1比較例か第2比較例に準じるものとなるか若しくは両者の中間的な特性になると思われる。したがって、本実施形態は、この場合に比べてもホット・コールドスウィングを小さく抑制できる。
【0055】
(2)反応度抑制作用
前述したように、本実施形態によれば、可燃性吸収材含有部材8のチャンネルボックス4内の2相流の冷却水に接する面積を十分大きく確保することができる。したがって、減速材棒の被覆管に可燃性吸収材を充填する従来構造(特開昭58-113785号公報)と異なり、可燃性吸収材による十分な反応度抑制効果を確保することができる。
【0056】
この効果を比較例を参照しつつ具体的に説明する。
【0057】
図5は、上記図4同様、十字型の可燃性吸収材含有部材8を備えた本発明の上記実施形態の燃料集合体1と、同様の構造の燃料集合体(但し可燃性吸収材含有部材8は省略)において水ロッド3の被覆管に可燃性吸収材を含有させた第1比較例(特開昭58-113785号公報にほぼ相当)及びチャンネルボックス4に可燃性吸収材を含有させた第2比較例(特開平2-147890号公報にほぼ相当)とにおいて、冷温停止時で制御棒を挿入した場合及び挿入しなかった場合、及び通常運転時で沸騰水のボイド率がそれぞれ0%、40%、70%であった場合の各場合における中性子無限増倍率の値の解析結果を比較して示したものである。
このとき、解析条件は、上記図4同様、各場合におけるガドリニウムの含有量は同じとし、水ロッド3は半径1.6cmの円筒形と仮定した。また、縦軸は、本実施形態の燃料集合体1と同様の構造の燃料集合体(但し可燃性吸収材含有部材8は省略)においてガドリニア入りウラン燃料棒を用いた場合における中性子無限増倍率を基準値とし、上述の3つの場合(本実施形態、第1比較例、第2比較例)における中性子無限増倍率から当該基準値を減じた相対値で示している。
【0058】
図5において、冷温停止時で制御棒を挿入した場合及び挿入しなかった場合、及び通常運転時で沸騰水のボイド率がそれぞれ0%、40%、70%であった場合の合計5つの場合のいずれにおいても、水ロッド3の被覆管に可燃性吸収材を含有させた第1比較例の中性子無限増倍率相対値が最も高く、余剰反応度抑制効果が不十分であることが分かる。これに対し、本実施形態の燃料集合体1における中性子無限増倍率相対値は、冷温停止時で制御棒を挿入した場合及び冷温停止時で制御棒を挿入しない場合においては、上記第1比較例のみならず、チャンネルボックス4に可燃性吸収材を含有させた第2比較例よりも低い。また、通常運転時で沸騰水のボイド率がそれぞれ0%、40%、70%の場合には、第2比較例よりは若干高いものの、第1比較例に比べれば十分小さく抑えられていることが分かる。
【0059】
(3)本実施形態の効果
(3−1)主たる効果
以上(1)(2)で説明したように、本実施の形態の燃料集合体1によれば、非沸騰水領域近傍に可燃性吸収材を配置した従来構造や減速材棒の被覆管に可燃性吸収材を充填する従来構造と異なり、可燃性吸収材による反応度抑制効果を十分に確保しつつ、ホット・コールドスウィングを低減することができる。
【0060】
(3−2)その他の効果
(a)ホット・コールドスウィングのより確実な低減
チャンネルボックス内の2相流領域では、径方向外周すなわちチャンネルボックス側ほど、チャンネルボックス外部の非沸騰水の影響が大きく、中性子スペクトルの通常運転時と冷温停止時とにおける変化が小さくなる。本願発明者等の検討によれば、8行8列又は9行9列の燃料棒格子状配列の場合、正方格子状配列最外層から2層目の格子位置付近より燃料集合体径方向中心側であれば、チャンネルボックス外部の非沸騰水領域の影響が小さく、中性子スペクトルの通常運転時と冷温停止時とにおける変化が大きい位置にあると推定できることがわかった。
【0061】
本実施の形態によれば、前述のように可燃性吸収材含有部材8の中心側部分は燃料集合体中心軸にまで至っており、前記2層目格子位置よりも中心側に配置している。これにより、確実に中性子スペクトルの通常運転時と冷温停止時とにおける変化が大きい位置に配置することができ、ホット・コールドスウィングを確実に抑制することができる(前述の図4の結果を参照)。
【0062】
(b)制御棒価値低下防止
本実施形態の燃料集合体1によれば、チャンネルボックス4には可燃性吸収材を含有させない。したがって、チャンネルボックスに可燃性吸収材を含有させた従来構造のように、制御棒価値を損うのを防止できる。
【0063】
(c)チャンネルボックス強度補強
本実施形態の燃料集合体1によれば、可燃性吸収材含有部材8はチャンネルボックス4の側面中央部を支えることとなるので、チャンネルボックス4の強度を補強し、増大させることができる。
【0064】
なお、上記実施形態においては、可燃性吸収材含有部材8を構成する平板部材8a〜dのすべてが、格子状配列の格子位置間の間隙に行方向又は列方向に直線状に配置されるとともに、正方格子状配列を取り囲むチャンネルボックス4内の2相流冷却水に接するように配置されていたが、これに限られない。すなわち、部分的に、2相流冷却水には接しないように配置されていたり、行方向又は列方向に直線状に配置されず曲線状であったり、格子状配列の格子位置に配置されていても良い。すなわち、少なくとも一部が、格子状配列の格子位置間の間隙に行方向又は列方向に直線状に配置されるとともに、正方格子状配列を取り囲むチャンネルボックス4内の2相流冷却水に接するように配置されていれば足りる。
【0065】
また、以上は本発明を図1〜図3に示す構造で具現化した実施形態を例にとって説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、その趣旨及び技術的範囲を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。以下、その変形例を順次説明する。
【0066】
▲1▼従来構造と併用した場合
すなわち、図6に示すように図1の構造において一部の燃料棒2を可燃性吸収材入り燃料棒としたり、図7に示すように図1の構造において太径ウォータロッド3Aとするとともにその被覆管内管3Ai・外管3Ao間に可燃性吸収材12を充填したり(特開昭58-113785号公報と同様の構造を併用)、図8に示すように図1の構造においてチャンネルボックス4内に可燃性吸収材13を配置したり(特開平10-10257号公報と同様の構造を併用)する場合である。
【0067】
なお、図7の場合、可燃性吸収材含有部材8の4つの平板部材8a,8b,8c,8dは、大径のウォータロッド3Aの外周部にそれぞれ接合されており、その位置が可燃性吸収材含有部材8の最も径方向中心側の部分となる。すなわちこの接合位置は、正方格子状配列の最外層から3層目の格子位置よりも燃料集合体径方向中心側に配置されている。
【0068】
これら変形例においても、従来構造を残しながらも、上記実施形態の構造を大部分で採り入れているため、上記実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。
また、例えば図6の構造では、従来構造に本発明の構造を組み合わせたととらえた場合には、十分な余剰反応度抑制効果を得るために必要な可燃性吸収材入り燃料棒2Aの本数、あるいは燃料棒2Aの1本あたりの可燃性吸収材含有量を低減できると考えることもできる。同様に、図8の構造では、十分な余剰反応度抑制効果を得るためにチャンネルボックス4に含有させなければならない可燃性吸収材13の量を減らすことができ、制御棒価値の低下を低く抑えることができると考えることもできる。
【0069】
▲2▼異形のウォータロッドを用いた場合
すなわち、図9に示すように、図1の4本の円形断面のウォータロッド3に代えて1本の菱形断面のウォータロッド3Bを用いた場合である。この場合、可燃性吸収材含有部材8の4つの平板部材8a,8b,8c,8dは、菱形のウォータロッド3Bの4つの頂点にそれぞれ接合されており、その位置が可燃性吸収材含有部材8の最も径方向中心側の部分となる。すなわちこの接合位置は、正方格子状配列の最外層から3層目の格子位置よりもわずかに燃料集合体径方向中心側に配置されている。
【0070】
本変形例によっても、上記実施形態と同様の効果を得る。
【0071】
なお、上記のような菱形のウォータロッドに限らず、横断面四角形やその他の形状、さらに5本以上のウォータロッドを用いた場合にも本発明は適用できることは言うまでもない。
【0072】
▲3▼「井」形の可燃性吸収材含有部材を用いた場合
すなわち、図10に示すように、図1〜図3の十字型格子状の可燃性吸収材含有部材8に代え、「井」形の格子状板部材である可燃性吸収材含有部材8Aを配置した場合である。この場合、ウォータロッド3についても、図1のような中央の仕切り(正方格子状配列外周4辺の中点を通る平板部材)がなくなったことに対応し、燃料集合体径方向中央部領域の燃料棒2が4本配列可能な領域に、減速効果の大きい1本の太径ウォータロッド3Cを配置している。
【0073】
可燃性吸収材含有部材8Aは、正方格子状配列の最外層から3層目の各格子位置の外周側を取り囲む正方形4辺状に直線状に設けられた4つの平板部材8Aa(列方向),8Ab(行方向),8Ac(列方向),8Ad(行方向)と、その略正方形状の4つの頂点から列方向及び行方向外側に向かって直線状に延設された8つの平板部材8Ae(列方向),8Af(行方向),8Ag(行方向),8Ah(列方向),8Ai(列方向),8Aj(行方向),8Ak(行方向),8Al(列方向)とから構成されている。
【0074】
これら平板部材8Aa〜lはすべて燃料棒2の配列された格子状配列の格子位置ではなく、格子位置と格子位置との間の間隙に配置されており、図1に示すように、チャンネルボックス4内を、1つの大正方形領域10A、4つの小正方形領域10B,10C,10D,10E、及び4つの長方形領域10F,10G,10H,10Iに仕切るように配置されている。このような配置により、各平板部材8Aa〜lの両面が、チャンネルボックス4内の2相流冷却水に接するようになっている。
このとき、この可燃性吸収材含有部材8Aの最も径方向中心側の部分は、前記正方形4辺をなす平板部材8Aa〜dが構成しており、これらは前述のように正方格子状配列の最外層から2層目の格子位置よりも燃料集合体径方向中心側に配置されている。そして、前記8つの平板部材8Ae〜lの燃料集合体径方向外側(すなわちチャンネルボックス4側)端部がチャンネルボックス4の内周面に溶接等にて接合されることにより、可燃性吸収材含有部材8Aが位置決め固定されている。
【0075】
なお、以上において、平板部材8Af,8Ad,8Ak及び8Ag,8Ab,8Ajが、特許請求の範囲各項記載の、格子状配列の行方向に配置された行方向平板手段を構成し、平板部材8Ae,8Aa,8Ah及び8Al,8Ac,8Aiが、格子状配列の列方向に配置された列方向平板手段を構成し、これら12個の平板部材8Aa〜lがそれぞれ平板手段を構成する。そして、これら12個の平板部材8Aa〜lからなる可燃性吸収材含有部材8Aが、格子状板部材を構成するとともに、可燃性吸収材を備えた中性子吸収手段をも構成する。
【0076】
本変形例によれば、上記実施形態と同様の効果を得るのに加え、可燃性吸収材含有部材8Aのチャンネルボックス4内沸騰水と接する面積が大きくなって中性子吸収量がより大きくなることから、上記実施形態に比べ余剰反応度抑制効果がより大きくなり、またホット・コールドスウィングをより小さく抑えられるという効果がある。
【0077】
なお、図11のように、9行9列(もしくはそれ以上)の格子状配列に適用してもよい。図11では、燃料集合体径方向中央部領域の燃料棒2が7本配列可能な領域に、2本のウォータロッド3Dを配置している。またこのとき、可燃性吸収材含有部材8Aの最も径方向中心側の部分は、正方格子状配列の最外層から3層目の格子位置よりも燃料集合体径方向中心側に配置されている。
【0078】
▲4▼十字型格子状の可燃性吸収材含有部材を複数個設けた場合
すなわち、図12(a)に示すように、図1〜図3の十字型格子状の可燃性吸収材含有部材8より小さな4つの十字型格子状板部材である可燃性吸収材含有部材8B1,8B2,8B3,8B4を配置した場合である。ウォータロッド3Cは上記変形例▲3▼と同様のものを配置している。
【0079】
各可燃性吸収材含有部材8B1,8B2,8B3,8B4は、正方格子状配列のうち、それぞれ図12(a)でみて左上側、左下側、右下側、右上側の燃料棒2の4行4列配置正方形領域11A,11B,11C,11D内に配設されている。4つの可燃性吸収材含有部材8B1〜B4は、前記4行4列配置領域の外周4辺の中点から当該領域中心に向かってそれぞれ延設された4つの平板部材8Ba,8Bb,8Bc,8Bdから構成されている。これら4つの平板部材8Ba〜dは、すべて燃料棒2の配列された格子状配列の格子位置ではなく、格子位置と格子位置との間の間隙に配置されており、図12(a)に示すように、対応する4列配置正方形領域11A〜Dをほぼ4等分するように配置されている。このような配置により、各平板部材8Ba〜dの両面が、チャンネルボックス4内の2相流冷却水に接するようになっている。また、これら4つの平板部材8Ba〜dは、格子状配列の行方向に直線状配置された平板部材8Ba,8Bcと、格子状配列の列方向に直線状に配置された平板部材8Bb,8Bdとが、互いに略直角の状態で結合され、これによって格子状板部材である可燃性吸収材含有部材8B1〜B4を構成している。
【0080】
このとき、各可燃性吸収材含有部材8B1〜B4において、その径方向最中心側の部分は、平板部材8Ba,8Bb,8Bc,8Bdのいずれか(可燃性吸収材含有部材8B1では平板部材8Bb又は8Bc、可燃性吸収材含有部材8B2では平板部材8Bc又は8Bd、可燃性吸収材含有部材8B3では平板部材8Ba又は8Bd、可燃性吸収材含有部材8B4では平板部材8Ba又は8Bb)であり、いずれも正方格子状配列の最外層から2層目の格子位置よりも燃料集合体径方向中心側に配置されている。
【0081】
そして、各可燃性吸収材含有部材8B1〜B4の燃料集合体径方向外側(すなわちチャンネルボックス4側)端部は、チャンネルボックス4の内周面に到達せず、チャンネルボックス4の内周面と所定の間隙を介して対向している。これに対応して、各可燃性吸収材含有部材8B1〜B4は、その上・下端部(図示せず)あるいは軸方向適宜の箇所が溶接等にて上・下タイプレート5,6あるいはスペーサ7(図2参照)に接合されることにより、位置決め固定されている。
【0082】
以上において、各可燃性吸収材含有部材8B1,8B2,8B3,8B4の平板部材8Ba,8Bcが、特許請求の範囲各項記載の、格子状配列の行方向に配置された行方向平板手段を構成し、平板部材8Bb,8Bdが、格子状配列の列方向に配置された列方向平板手段を構成し、すべての可燃性吸収材含有部材8B1〜8B4を合計した16個の平板部材8Ba,8Bb,8Bc,8Bdがそれぞれ平板手段を構成する。そして、これら16個の平板部材8Ba〜dからなる可燃性吸収材含有部材8B1〜8B4がそれぞれ格子状板部材を構成するとともに、可燃性吸収材を備えた中性子吸収手段をも構成する。
【0083】
なお、図12(b)のように、局所出力ピーキングを抑えることを目的としてにさらに小さい十字型格子状板部材の可燃性吸収材含有部材8Cを多数(この例では12個)配置してもよい。各可燃性吸収材含有部材8Cは、いずれも行方向に直線状配置された平板部材8Ca,8Ccと列方向に直線状に配置された平板部材8Cb,8Cdとから構成され、最も径方向中心側の部分は正方格子状配列の最外層から2層目の格子位置よりもわずかに燃料集合体径方向中心側に配置されている。
【0084】
▲5▼板材でないもので中性子吸収手段を構成した場合
すなわち、図13に示すように、可燃性吸収材含有部材8′の十字形状各辺8a′,8b′,8c′,8d′を、平板部材でなく、可燃性吸収材15を含有した細い管14を行方向又は列方向に直線状に組み合わせ配列することにより構成した場合である。
この場合、4辺8a′,8b′,8c′,8dを備えた可燃性吸収材含有部材8′が、可燃性吸収材を備えた中性子吸収手段を構成する。
【0085】
なお、可燃性吸収材を含有させる部材は、前述の平板部材8a〜d等や上記細管14等に限定されるものでもなく、部材体積をあまり大きくすることなくかつ部材がチャンネルボックス4内の沸騰水と接する面積を大きくできる形状ならば足りる。
【0086】
なお、以上は本発明を、ウラン燃料を用いたウラン燃料集合体に適用した場合を例にとって説明したが、これに限られるものではなく、プルトニウムをウランと混合したウラン・プルトニウム混合酸化物燃料(MOX燃料)を用いたMOX燃料集合体に適用することもできる。この場合も、上記本発明の実施形態と同様、可燃性吸収材による反応度抑制効果を十分に確保しつつ、ホット・コールドスウィングを低減できるという効果を得る。
【0087】
【発明の効果】
本発明によれば、中性子吸収手段の少なくとも一部が、チャンネルボックス内の2相流冷却水(沸騰水)に接しており、この領域はチャンネルボックス外部の非沸騰水領域に比べて中性子スペクトルの通常運転時と冷温停止時とにおける変化が大きい。したがって、通常運転時から冷温停止時に移行するときにおける可燃性吸収材の中性子吸収量を大幅に増大できるので、その分ホット・コールドスウィングを大きく低減することができる。
また、上述の中性子吸収手段の少なくとも一部が、格子状配列の格子位置間の間隙に行方向又は列方向に直線状に配置され、チャンネルボックス内の2相流の冷却水に接する面積を十分大きく確保できるので、可燃性吸収材による反応度抑制効果を十分に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図2】図1に示した沸騰水型原子炉用燃料集合体の全体構造を表す縦断面図である。
【図3】図2に示した燃料集合体の下部の構造を表す破断斜視図である。
【図4】図1に示した可燃性吸収材含有部材を備えた燃料集合体、水ロッドの被覆管に可燃性吸収材を含有させた第1比較例、及びチャンネルボックスに可燃性吸収材を含有させた第2比較例における、ホット・コールドスウィングの解析結果を比較して示した図である。
【図5】図1に示した可燃性吸収材含有部材を備えた燃料集合体、水ロッドの被覆管に可燃性吸収材を含有させた第1比較例、及びチャンネルボックスに可燃性吸収材を含有させた第2比較例における、中性子無限増倍率の値の解析結果を比較して示した図である。
【図6】一部の燃料棒を可燃性吸収材入り燃料棒とした変形例を示す横断面図である。
【図7】太径ウォータロッドに可燃性吸収材を充填した変形例を示す横断面図である。
【図8】チャンネルボックス内に可燃性吸収材を配置した変形例を示す横断面図である。
【図9】菱形断面のウォータロッドを用いた変形例を示す横断面図である。
【図10】「井」形の可燃性吸収材含有部材を用いた変形例を示す横断面図である。
【図11】9行9列格子状配列に適用した変形例を示す横断面図である。
【図12】十字型格子状の可燃性吸収材含有部材を複数個設けた変形例を示す横断面図である。
【図13】可燃性吸収材を含有した細い管を行方向又は列方向に直線状に組み合わせ配列した変形例を示す横断面図である。
【符号の説明】
1 燃料集合体
2 燃料棒
4 チャンネルボックス
8 可燃性吸収材含有部材(格子状板部材、中性子吸収手段)
8′ 可燃性吸収材含有部材(中性子吸収手段)
8A 可燃性吸収材含有部材(格子状板部材、中性子吸収手段)
8Aa,c,e,
h,i,l 平板部材(列方向平板手段、平板手段)
8Ab,d,f,
g,j,k 平板部材(行方向平板手段、平板手段)
8B1〜4 可燃性吸収材含有部材(格子状板部材、中性子吸収手段)
8Ba,c 平板部材(行方向平板手段、平板手段)
8Bb,d 平板部材(列方向平板手段、平板手段)
8C 可燃性吸収材含有部材(格子状板部材、中性子吸収手段)
8Ca,c 平板部材(行方向平板手段、平板手段)
8Cb,d 平板部材(列方向平板手段、平板手段)
8a,c 平板部材(行方向平板手段、平板手段)
8b,d 平板部材(列方向平板手段、平板手段)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a fuel assembly loaded in a nuclear reactor core.
[0002]
[Prior art]
For example, the core of a boiling water reactor has a large number of fuel assemblies containing fuel bundles inside a rectangular tube channel box, and each fuel assembly has a nuclear fission such as uranium or plutonium. A large number of fuel rods filled with fuel pellets containing active substances and arranged in a square grid of n rows and n columns (n = 8, 9, 10, 11,...), And an upper tie plate that supports them vertically And a lower tie plate and a spacer or the like for maintaining a space between the fuel rods.
[0003]
This core is stopped after a predetermined period (= 1 cycle) of operation, and a part of the loaded fuel assembly is taken out and replaced with a new fuel assembly. The fuel loading of the new fuel assembly at the time of replacement is set so that the amount of fissile material necessary to keep the reactor critical for one cycle is loaded, but at the end of the operation period It is set in advance to be surplus. In other words, the reactor is in a state of exceeding criticality except at the end of operation. Therefore, the boiling water reactor core absorbs this extra neutron generated by the control rods inserted between the fuel assemblies and the combustible absorber added to the fuel of some fuel rods. Thus, the critical state is maintained throughout the operation period.
[0004]
In addition, as a combustible absorbent material, for example, a substance having a large thermal neutron absorption cross section such as gadolinia is used, but these are consumed by absorption of the thermal neutron, and the effect is reduced with combustion. Therefore, the combustible absorbent material is mainly used to suppress the excess reactivity (excess reactivity) at the early stage of combustion.
[0005]
Here, in recent years, from the viewpoints of extending the continuous operation period, effectively using fuel resources, and reducing the amount of spent fuel waste, the design of the fuel assembly has been increased (for example, target takeout average burnup) 40 GWd / t or more). In order to increase the burnup, it is desirable to increase the amount of fissile material loaded per fuel assembly (ie, increase the fuel enrichment).
[0006]
However, if the fuel enrichment is increased, the surplus reactivity increases, so the amount of combustible absorbent necessary to suppress the surplus reactivity also increases. Therefore, the fissile material in the fuel rod containing the combustible absorbent You will have to reduce the amount of loading. Combustible absorbents mixed with fuel rods tend to reduce the thermal conductivity and increase the fuel temperature (ie, the thermal margin for ensuring the integrity of the fuel rods decreases). In the fuel rod containing material, it is necessary to devise in advance to reduce the fuel enrichment and suppress the output. In this sense, the load of the fissile material of the fuel rod containing the combustible absorbent material must be reduced.
[0007]
As described above, even if the load of fissile material in the fuel rod containing the combustible absorbent is reduced, it is only necessary to increase the amount of fissile material loaded in the other fuel rods. From the standpoint of securing thermal margin, etc., there is an upper limit on the enrichment in the fuel assembly. For this reason, there is a limit to increasing the amount of fissile material loaded on other fuel rods. As a result, the average enrichment of the fuel assembly must be reduced, and the amount of fissile material loaded per fuel assembly is limited. Must be reduced.
[0008]
On the other hand, in recent years, from the viewpoint of nuclear fuel recycling in nuclear power plants, plutonium extracted from spent fuel by reprocessing is mixed with uranium, and as uranium / plutonium mixed oxide fuel (hereinafter referred to as MOX fuel as appropriate), It is proposed to use it in light water reactors (so-called pull thermal plan). MOX fuel is more than normal uranium fuel because its fissile material, plutonium 239 and plutonium 241 has a larger thermal neutron absorption cross section than uranium 235 and neutron absorption by plutonium 240 is larger than uranium 238. The ratio of thermal neutrons decreases and the neutron spectrum becomes hard.
[0009]
Here, usually usedGadoliniaCombustible absorbers such as these have a large absorption cross-section for thermal neutrons, so their combustion characteristics (ie absorption characteristics) are strongly dependent on the neutron spectrum, and the lower the neutron average energy (softer the neutron spectrum), the more the combustion As the neutron absorption effect increases, the neutron absorption effect becomes smaller as the neutron spectrum becomes harder. Therefore, the neutron absorption effect of the combustible absorbent is lower in the MOX fuel assembly equipped with the MOX fuel than the uranium fuel assembly equipped only with the uranium fuel, and more combustible in order to suppress the excess reactivity. This will reduce the amount of fissile material loaded per unit of fuel assembly.
From the above background, conventionally, for example, as described in JP-A-58-113785, JP-A-2-147890, and JP-A-10-10257, a combustible absorbent is used as a fuel rod. The method of making it contain in other fuel assembly structures is proposed.
[0010]
In the fuel assembly described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-10257, a combustible absorbent material is provided on the outer peripheral side or the inner peripheral side of the channel box surrounding the square lattice array of fuel rods. Specifically, metals, alloys, intermetallic compounds, ceramics containing gadolinium, cadmium, samarium, boron, silver, indium, hafnium, etc. (or solid solution in a supersaturated state) are arranged, or channel boxes are arranged. The gadolinium or the like is added as an alloy element (or dispersed as a metal, an intermetallic compound, an oxide, a hydride, a nitride, or the like) to a constituent base material (zirconium alloy or the like).
[0011]
In the fuel assembly described in Japanese Patent Laid-Open No. 2-147890, in FIG. 6, a cross-shaped subchannel through which non-boiling water flows is provided in the channel box, and non-boiling is performed on the inner peripheral side of the wall surface of the subchannel. A film of flammable absorbent (zirconium boride) is coated so as to come into contact with water.
In FIG. 7, the fuel bundle is subdivided into a plurality of sub-bundles, sub-channels are arranged so as to surround each sub-bundle instead of the channel box, and non-boiling water is allowed to flow in each sub-channel. A coating of a flammable absorbent (zirconium boride) is coated on the inner peripheral side of the wall surface of the subchannel so as to be in contact with non-boiling water. At this time, by providing the combustible absorbent facing the non-boiling water, the initial excess reaction can be sufficiently suppressed even with boron having a smaller neutron absorption cross section than gadolinium.
[0012]
In the fuel assembly described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-113785, a cladding tube of a moderator rod (water rod) disposed at the radial center of the fuel bundle for the purpose of flattening the fuel assembly radial output distribution Gadolinium, cadmium, samarium, eurobium, dysprosium, boron (boron), indium, hafnium between the outer and inner tubesEtc.Filled with flammable absorbent material.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In general, boiling water reactors use light water (cooling water) as a coolant to remove heat generated by fission, but this cooling water also plays a role as a moderator for neutrons. (In detail, the hydrogen atom number density) has the property of decelerating neutrons more.
[0014]
Here, in the boiling water reactor, the flow path of the cooling water is divided by the channel box, and the cooling water flowing between the fuel rods in the channel box is free from bubbles generated by boiling due to heat generated from the fuel rods. It is a gas-liquid two-phase flow (hereinafter referred to as boiling water as appropriate), and the cooling water (gap water) flowing outside the channel box (in other words, between two adjacent fuel assemblies) is a liquid one-phase flow that does not contain bubbles. (Hereinafter referred to as non-boiling water as appropriate), and there is a difference in density of cooling water. For this reason, the fuel assembly of the boiling water reactor can be distributed such that the thermal neutron flux is lower in the central portion than in the outer peripheral portion near the channel box.
[0015]
Usually, boiling water reactor fuel is a fissionable material that has the property of being prone to fission mainly by low energy thermal neutrons, and fuel rods at high thermal neutron flux positions tend to produce high power, An output distribution is generated in the fuel assembly such that the fuel rod output is relatively high at the outer peripheral portion near the channel box having a large water density, and the fuel rod output is relatively low at the central portion. Therefore, in order to improve the distribution of thermal neutron flux as much as possible, normally, non-boiling water that does not contain bubbles is allowed to flow through the center of the fuel assembly in the radial direction.TheA moderator rod (so-called water rod) is often installed.
[0016]
On the other hand, as described above, the combustion of the combustible absorber strongly depends on the neutron spectrum, and the lower the neutron average energy (softer the neutron spectrum), the more the neutron absorption effect becomes, while the neutron absorption effect increases. The harder the spectrum, the smaller the neutron absorption effect. Therefore, in general, during normal operation where the water density becomes relatively small and the neutron spectrum becomes hard, the neutron absorption effect becomes small, the water density becomes relatively large and the neutron spectrum becomes small.SoftThe neutron absorption effect becomes large at the cold stop.
That is, when shifting from normal operation to cold shutdown, the amount of neutron absorption increases as the reactivity increases. The reactivity difference (neutron infinite multiplication factor difference) is moderated to some extent, and the hot / cold swing is reduced.
[0017]
However, there is a large difference in the degree of change in water density between the normal operation and the cold shutdown between the non-boiling water region outside the channel box and the boiling water region inside the channel box.
[0018]
In the non-boiling water area outside the channel box, the water density changes to some extent depending on the temperature as described above, but there is no change in phase such as the generation or disappearance of voids (bubbles) like the boiling water area inside the channel box. During normal operation of the neutron spectrum (relative to the spectrumhard) And cold shutdown (relative to spectrum)soft) Is smaller than the boiling water area inside the channel box.
[0019]
In the prior art described in the above-mentioned JP-A-10-10257, a flammable absorbent material is disposed near the non-boiling water region outside the channel box. The change in is smaller than the change in the center of the channel box. Therefore, the above-described hot / cold swing reducing action of the flammable absorbent, that is, the action of increasing the neutron absorption amount when shifting from the normal operation to the cold shutdown is reduced, so that the flammable absorbent is attached to the fuel rod. Hot cold swing tends to increase as compared with the case where it is contained.
In addition, if a flammable absorber is contained in the channel box, the channel box and the control rod face each other at a very close distance, so that the mutual neutron absorption effect cancels out, and there is a problem that the value of the control rod is reduced. .
[0020]
In the prior art described in Japanese Patent Laid-Open No. 2-147890, since a combustible absorbent is disposed in the non-boiling water region inside the subchannel, the normal neutron energy spectrum is the same as in Japanese Patent Laid-Open No. 10-10257. The change between the operation and the cold stop is small, and the hot / cold swing tends to increase.
[0021]
In the prior art described in Japanese Patent Laid-Open No. 58-113785, the structure is such that the cladding of the moderator rod is filled with a combustible absorbent, but the size of the moderator rod is usually not so large, and at most square. The size is such that seven fuel rods in a grid array are replaced. To make it larger, the space for fuel rods must be reduced. Because of these restrictions, the area where the moderator rod cladding tube is in contact with the surrounding cooling water usually has a certain upper limit, and as a result, the amount of neutron absorption is also limited. Difficult to do.
[0022]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a fuel assembly capable of reducing hot and cold swing while sufficiently suppressing excess reactivity. is there.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  (1) In order to achieve the above object, the present invention provides a neutron provided with a combustible absorber in a fuel assembly in which a plurality of fuel rods filled with a fissile material are arranged in a square grid of n rows and n columns. Absorbing means is provided, and the neutron absorbing means is a channel box at least partly arranged linearly in the row direction or the column direction in the gap between the lattice positions of the lattice-like array and surrounding the square lattice-like array Is placed in contact with the two-phase cooling water insideThe at least part of the neutron absorption means is at least one flat plate means arranged so that both surfaces thereof are in contact with the two-phase cooling water in the channel box.
[0024]
In the present invention, at least a part of the neutron absorbing means is in contact with the two-phase flow cooling water (boiling water) in the channel box. In the two-phase flow region in this channel box, when the reactor moves from normal operation to cold shutdown, a phase change occurs in addition to the temperature change, the generation and disappearance of voids (bubbles). Compared with the non-boiling water region of neutron spectrum during normal operation (relative spectrumhard) And cold shutdown (relative to spectrum)soft) And a large change. As a result, compared to the conventional structure in which a flammable absorber is disposed in the vicinity of the non-boiling water region, the neutron absorption amount of the flammable absorber can be significantly increased when shifting from normal operation to cold shutdown. Accordingly, the hot / cold swing can be greatly reduced.
[0025]
In general, the larger the area in which the combustible absorbent is in contact with the surrounding two-phase flow cooling water, the larger the neutron absorption amount. In the present invention, at least a part of the neutron absorbing means described above is arranged in the lattice arrangement. Combustible absorption in the cladding of the moderator rod by securing a sufficiently large area in contact with the cooling water of the two-phase flow in the channel box, which is arranged linearly in the gap between the grid positions in the row direction or the column direction. Unlike the conventional structure filled with the material, the reactivity suppression effect by the combustible absorbent material can be sufficiently secured.
[0027]
  Furthermore, at least a part of the neutron absorption means is at least one flat plate means arranged so that both surfaces thereof are in contact with the two-phase cooling water in the channel box.Therefore, it is possible to realize a configuration that can be manufactured at a low cost and can easily secure a sufficient contact area with the two-layer flow cooling water.
[0028]
  (2)the above(1)More preferably, a plurality of the flat plate means are provided, and the plurality of flat plate means includes row direction flat plate means arranged in the row direction of the lattice arrangement and the column of the lattice arrangement. Row direction plate means arranged in the direction.
[0029]
Thereby, a further sufficient contact area to the two-layer flow cooling water can be ensured.
[0030]
  (3)the above(2)Preferably, the row-direction flat plate means and the column-direction flat plate means are configured as a lattice-like plate member coupled in a substantially perpendicular state.
[0031]
  (4)In the above (1), preferably, n = 8 or 9, and the portion of the neutron absorption means on the center side in the radial direction of the fuel assembly is at least the second layer lattice from the outermost layer of the square lattice arrangement. It is arranged closer to the center side in the fuel assembly radial direction than the position.
[0032]
  In the two-phase flow region in the channel box, the fuel assemblyThe radially outer side, that is, the channel box sideDue to the influence of the non-boiling water region outside the channel box, the change of the neutron spectrum between normal operation and cold shutdown is reduced.Therefore, in the case of the fuel rod lattice array of 8 rows 8 columns or 9 rows 9 columns, if the fuel assembly radial direction center side from the vicinity of the lattice position of the second layer from the outermost layer of the square lattice array,The influence of the non-boiling water region outside the channel box is reduced, and the change of the neutron spectrum between normal operation and cold shutdown is increasedCan be estimated. In the present invention, by disposing at least the center side portion of the neutron absorbing means on the center side from the second layer,It can be surely placed at a position where the neutron spectrum changes greatly between normal operation and cold shutdown,Hot and cold swing can be reliably suppressed.
[0033]
  (5)In order to achieve the above object, the present invention also provides a fuel assembly in which a plurality of fuel rods filled with a fissile material are arranged in a square lattice, and includes a combustible absorbent, and the outer periphery 4 of the square lattice arrangement. It has four flat plate means respectively extended toward the center of the fuel assembly radial direction from the middle point of the side, the four flat plate means,Both sidesIt arrange | positions so that the two-phase flow cooling water in the channel box surrounding the said square grid | lattice arrangement | sequence may be touched.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0035]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the overall structure of the boiling water nuclear reactor fuel assembly according to the present embodiment, and FIG. 3 is a cutaway perspective view showing the lower structure of the fuel assembly shown in FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line II in FIG.
[0036]
1 to 3, the fuel assembly 1 according to the present embodiment is loaded into the core of a boiling water reactor, arranged in a square grid of 8 rows and 8 columns, and a fissile fuel material therein. 60 fuel rods 2 filled with uranium-235, and fuel rods 2 for the purpose of increasing the amount of water in the central region in the radial direction (vertical direction or horizontal direction in FIG. 1) of a square lattice array Four water rods (moderator rods) 3 arranged in a region where one can be arranged, and a rectangular tube-type channel box 4 surrounding the fuel bundle formed by the fuel rods 2 and the water rods 3. And.
[0037]
The upper and lower portions of the fuel bundle are supported by an upper tie plate 5 and a lower tie plate 6, respectively, and spacers 7 for maintaining the distance between the fuel rod 2 and the water rod 3 at a plurality of axial positions of the fuel bundle. Is provided. Although not specifically shown or described in detail, the fuel rod 2 is composed of a plurality of types of fuel rods having different enrichment distributions, as is well known as this type of fuel assembly. Then, the axial output peaking is flattened by providing an appropriate axial concentration distribution for each type, or the radial output peaking is flattened by appropriately devising the arrangement of various fuel rods. . At this time, for the same purpose, a so-called short length fuel rod (also referred to as a partial length fuel rod) having an effective fuel length shorter than that of the normal fuel rod 2 may be appropriately disposed.
[0038]
The main part of the fuel assembly 1 of the present embodiment as described above is that the combustible absorbent containing member 8 including the combustible absorbent (not shown, details will be described later) is provided in the channel box 4. is there.
[0039]
The combustible absorbent-containing member 8 is disposed inside the channel box 4, that is, in a region where the gas-liquid two-phase flow flows (= boiling water region), and has a substantially cross shape (that is, horizontal) when viewed from the longitudinal direction of the channel box 4. The cross-sectional shape is a substantially cross shape).
[0040]
That is, the combustible absorbent-containing member 8 is composed of four flat plate members 8a, 8b, 8c, and 8d extending from the midpoint of the four outer sides of the square lattice array toward the center of the fuel assembly radial direction. Has been. These four flat plate members 8a to 8d are all arranged not in the lattice position of the lattice arrangement in which the fuel rods 2 are arranged, but in the gap between the lattice positions, as shown in FIG. The channel box 4 is arranged so as to be equally divided into four square areas 9A, 9B, 9C, 9D. With such an arrangement, both surfaces of the flat plate members 8 a to d are in contact with the two-phase flow cooling water in the channel box 4.
[0041]
Further, these four flat plate members 8a to 8d are arranged in a straight line in the row direction (for example, the horizontal direction in FIG. 1) of the lattice arrangement and the column direction (for example, FIG. The flat plate members 8b and 8d arranged in a straight line in the vertical direction in FIG. 1 are joined in a substantially perpendicular state to each other, thereby constituting a combustible absorbent containing member 8 which is a lattice plate member. . That is, the radial center side portion of each flat plate member 8a to d reaches the fuel assembly radial central axis at the joint portion of each flat plate member 8a to d. The end portions of the flat plate members 8a to 8d in the fuel assembly radial direction (that is, the channel box 4 side) are joined to the inner peripheral surface of the channel box 4 by welding or the like, so that the combustible absorbent containing member 8 Is fixed.
[0042]
The combustible absorbent-containing member 8 itself may be manufactured by a known method in Japanese Patent Laid-Open No. 58-113785, Japanese Patent Laid-Open No. 2-147890, Japanese Patent Laid-Open No. 10-10257, and the like.
[0043]
For example, the combustible absorbent material-containing member 8 is made up of one to two material plates (for example, a plate material of zirconium alloy, etc.), one of the two plates is provided with a dent, and the flammability is provided in the dent. After the absorbent material plate is disposed, the other material plate may be joined so that the combustible absorbent material plate is embedded.
Alternatively, a slit may be provided in the longitudinal direction of the plate at the center of the thickness of the combustible absorbent-containing member 8 so that the molten or melted combustible absorbent is poured into the slit.
In the above two cases, a position or a region where there is no flammable absorbent is generated in the flammable absorbent containing member 8, but for the purpose of securing a flow area of the two-phase flow between the fuel rods, If necessary, a hole is made in a position / region where there is no flammable absorbent so that boiling water freely flows between the four regions 9A to 9D in the four channel boxes 4 partitioned by the flammable absorbent containing member 8. It may be.
[0044]
In addition, as a combustible absorbent, gadolinium, cadmium, samarium, boron, silver, indium, hafnium, or the like (or a solid solution in a supersaturated state), an alloy, an intermetallic compound, a ceramic plate, or A material obtained by adding gadolinium or the like as an alloy element (or dispersed as a metal, an intermetallic compound, an oxide, a hydride, a nitride, or the like) to the base material (zirconium alloy or the like) constituting the channel box is considered. .
[0045]
In the above description, the flat plate members 8a and 8c constitute row-direction flat plate means arranged in the row direction of the lattice-like arrangement described in the claims, and the flat plate members 8b and 8d have the lattice-like arrangement. A row direction flat plate means arranged in the row direction is configured, and these four flat plate members 8a to 8d are respectively extended from the midpoints of the four outer sides of the square lattice array toward the center of the fuel assembly radial direction. Constitutes two flat plate means.
[0046]
And the combustible absorber containing member 8 which consists of these four flat plate members 8a-d comprises a lattice-shaped plate member, and also comprises the neutron absorption means provided with the combustible absorber.
[0047]
Next, functions and effects of the fuel assembly of the present embodiment configured as described above will be sequentially described below.
[0048]
(1) Hot / cold swing reduction action
According to the fuel assembly 1 of the present embodiment, the combustible absorbent containing member 8 as a neutron absorbing means is in contact with the two-phase flow cooling water (boiling water) in the channel box 4. In the two-phase flow region in the channel box 4, when the boiling water reactor shifts from the normal operation to the cold shutdown, a phase change such as generation and disappearance of voids (bubbles) occurs in addition to a change in temperature. Compared to the non-boiling water region (gap water region) outside the channel box 4, the normal operation of the neutron spectrum (relative to the spectrum)hard) And cold shutdown (relative to spectrum)soft) And a large change. Thereby, compared with the conventional structure (JP-A-2-147890 and JP-A-10-10257) in which a combustible absorbent is disposed in the vicinity of the non-boiling water region, the normal operation is shifted to the cold stop. Since the amount of neutron absorption of the combustible absorbent material can be greatly increased, hot / cold swing can be reduced accordingly.
[0049]
In addition, as an action to be obtained at this time, as described above, the larger the area where the combustible absorbent-containing member 8 is in contact with the surrounding two-phase flow cooling water, the greater the neutron absorption amount. The amount of increase in neutron absorption when shifting to time sometimes becomes larger as the area where the combustible absorbent-containing member 8 is in contact with the surrounding cooling water is larger. That is, according to the fuel assembly 1 of the present embodiment, the combustible absorbent-containing member 8 as the neutron absorbing means is connected to the channel box 4 via a wide contact area such as both surfaces of each flat plate member 8a, 8b, 8c, 8d. Because it is in contact with the two-phase flow cooling water (boiling water) in the inner area, the area in contact with the two-phase flow cooling water in the channel box cannot be made so large (JP-A-58-113785), Hot / cold swing can be slightly reduced. And since it is a flat plate, it can manufacture at low cost.
[0050]
Hereinafter, this operation will be specifically described with reference to a comparative example.
[0051]
FIG. 4 shows a fuel assembly 1 according to the embodiment of the present invention having a cross-shaped combustible absorbent-containing member 8 and a fuel assembly having the same structure (however, the combustible absorbent-containing member 8 is omitted). A first comparative example in which a flammable absorbent is contained in the cladding tube of the water rod 3 (substantially equivalent to JP-A-58-113785) and a second comparative example in which a flammable absorbent is contained in the channel box 4 ( The rate of change in the neutron infinite multiplication factor between the case where the void ratio is 40% during normal operation and the case where there is no control rod during cold shutdown (ie hot / cold swing) The analysis results are compared and shown.
[0052]
At this time, the content of gadolinium in each case was the same as the analysis condition. The water rod 3 was assumed to be a cylinder with a radius of 1.6 cm. In addition, the vertical axis represents hot / cold swing when a uranium fuel rod containing gadolinia is used in a fuel assembly having the same structure as the fuel assembly 1 of the present embodiment (however, the combustible absorbent-containing member 8 is omitted). The reference value is shown as a relative value obtained by subtracting the reference value from the hot / cold swing value in the above three cases (the present embodiment, the first comparative example, and the second comparative example).
[0053]
In FIG. 4, the hot / cold swing relative value in the fuel assembly 1 of the present embodiment is about 1/3 of the second comparative example in which the channel box 4 contains a combustible absorbent, and the water rod 3 is covered. Compared to the first comparative example in which a combustible absorbent is contained in the tube, it is about 3/5, and it can be seen that the hot and cold swings are suppressed to be smaller than those of the first and second comparative examples.
[0054]
As for the conventional structure of Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-10257, the combustible absorbent material is not arranged on the outer peripheral side as much as the channel box, but is in contact with the surrounding cooling water in a larger area than the moderator rod. Since the surrounding cooling water is non-boiling water like the channel box, its characteristics are considered to be the same as those of the first comparative example or the second comparative example, or an intermediate characteristic between them. Therefore, the present embodiment can suppress the hot / cold swing to be smaller than this case.
[0055]
(2) Reactivity suppression action
As described above, according to the present embodiment, it is possible to secure a sufficiently large area in contact with the cooling water of the two-phase flow in the channel box 4 of the combustible absorbent-containing member 8. Therefore, unlike the conventional structure (Japanese Patent Laid-Open No. 58-113785) in which the cladding tube of the moderator rod is filled with the combustible absorbent, a sufficient reactivity suppression effect can be ensured by the combustible absorbent.
[0056]
This effect will be specifically described with reference to a comparative example.
[0057]
FIG. 5 shows a fuel assembly 1 according to the above embodiment of the present invention having a cross-shaped combustible absorbent containing member 8 and a fuel assembly having the same structure (provided that the combustible absorbent containing member is provided). In the first comparative example (substantially equivalent to JP-A-58-113785) in which the cladding tube of the water rod 3 contains a combustible absorbent and the channel box 4 contains a combustible absorbent. In the second comparative example (substantially equivalent to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-147890), the void ratio of boiling water is 0% when the control rod is inserted at the time of cold stop and when it is not inserted, and at the time of normal operation. , 40% and 70%, the comparison results of the analysis results of the neutron infinite multiplication factor in each case.
At this time, the analysis conditions were the same as in FIG. 4 above, assuming that the gadolinium content in each case was the same, and the water rod 3 was assumed to be cylindrical with a radius of 1.6 cm. The vertical axis shows the infinite neutron multiplication factor when a uranium fuel rod containing gadolinia is used in a fuel assembly having the same structure as that of the fuel assembly 1 of the present embodiment (however, the combustible absorbent-containing member 8 is omitted). The reference value is shown as a relative value obtained by subtracting the reference value from the neutron infinite multiplication factor in the above-described three cases (the present embodiment, the first comparative example, and the second comparative example).
[0058]
In Fig. 5, when the control rod is inserted at the time of cold stop and when it is not inserted, and when the void ratio of boiling water is 0%, 40% and 70% in normal operation, respectively, a total of 5 cases In any of the cases, the relative value of the neutron infinite multiplication factor of the first comparative example in which the flammable absorbent is contained in the cladding tube of the water rod 3 is the highest, and it is understood that the excessive reactivity suppression effect is insufficient. In contrast, the neutron infinite multiplication factor relative value in the fuel assembly 1 of the present embodiment is the first comparative example when the control rod is inserted at the time of cold stop and when the control rod is not inserted at the time of cold stop. Not only that, it is lower than the second comparative example in which the channel box 4 contains a combustible absorbent. In addition, when the void ratio of boiling water during normal operation is 0%, 40%, and 70%, respectively, it is slightly higher than the second comparative example, but is sufficiently small compared to the first comparative example. I understand.
[0059]
(3) Effects of this embodiment
(3-1) Main effects
As described above in (1) and (2), according to the fuel assembly 1 of the present embodiment, the conventional structure in which the combustible absorbent is disposed in the vicinity of the non-boiling water region or the cladding of the moderator rod is combustible. Unlike a conventional structure filled with a flammable absorbent, hot / cold swing can be reduced while sufficiently ensuring the reactivity suppression effect of the flammable absorbent.
[0060]
(3-2) Other effects
(a) More reliable reduction of hot / cold swing
In the two-phase flow region in the channel box,Radial circumferencePartIn other words, the channel box sideOutside the channel boxNon-boiling waterThe effect of neutron spectrum is large, and the change in neutron spectrum during normal operation and cold shutdown is small. According to the study by the inventors of the present application, in the case of the 8 × 8 or 9 × 9 fuel rod lattice arrangement, the fuel assembly radial direction center side from the vicinity of the lattice position of the second layer from the outermost layer of the square lattice arrangement If,The influence of the non-boiling water region outside the channel box is small, and the neutron spectrum is in a position where the change between normal operation and cold shutdown is large.It was found that it can be estimated.
[0061]
According to the present embodiment, as described above, the center side portion of the combustible absorbent-containing member 8 reaches the fuel assembly center axis, and is disposed closer to the center than the second layer lattice position. This ensures thatThe neutron spectrum can be placed at a position where there is a large change between normal operation and cold shutdown,Hot and cold swing can be reliably suppressed (see the result of FIG. 4 described above).
[0062]
(b) Prevention of control rod value decline
According to the fuel assembly 1 of the present embodiment, the channel box 4 does not contain a combustible absorbent. Therefore, it is possible to prevent the value of the control rod from being impaired as in the conventional structure in which the combustible absorbent material is contained in the channel box.
[0063]
(c) Strengthening of channel box strength
According to the fuel assembly 1 of the present embodiment, the combustible absorbent-containing member 8 supports the central portion of the side surface of the channel box 4, so that the strength of the channel box 4 can be reinforced and increased.
[0064]
In the above embodiment, all of the flat plate members 8a to 8d constituting the combustible absorbent-containing member 8 are linearly arranged in the row direction or the column direction in the gaps between the lattice positions of the lattice arrangement. Although arranged so as to be in contact with the two-phase cooling water in the channel box 4 surrounding the square lattice arrangement, the present invention is not limited to this. That is, it is partially arranged so as not to come into contact with the two-phase cooling water, is not arranged linearly in the row direction or the column direction, is curved, or is arranged at the lattice position of the lattice arrangement. May be. That is, at least a portion is arranged linearly in the row direction or the column direction in the gaps between the lattice positions of the lattice arrangement, and is in contact with the two-phase flow cooling water in the channel box 4 surrounding the square lattice arrangement. If it is placed in, it is enough.
[0065]
Moreover, although the above demonstrated the embodiment which actualized this invention by the structure shown in FIGS. 1-3, this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the meaning and technical scope. Various modifications are possible. Hereinafter, the modified examples will be sequentially described.
[0066]
(1) When used with conventional structure
That is, as shown in FIG. 6, some of the fuel rods 2 in the structure of FIG. 1 are fuel rods containing a combustible absorbent, or as shown in FIG. A combustible absorbent material 12 is filled between the inner tube 3Ai and the outer tube 3Ao (with a structure similar to that disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 58-113785), or in the structure shown in FIG. This is a case where the combustible absorbent 13 is disposed inside (the same structure as in JP-A-10-10257 is used in combination).
[0067]
In the case of FIG. 7, the four flat plate members 8a, 8b, 8c, and 8d of the combustible absorbent-containing member 8 are respectively joined to the outer peripheral portion of the large-diameter water rod 3A, and the position thereof is combustible absorption. This is the most radially central portion of the material-containing member 8. That is, this joining position is arranged closer to the center side in the fuel assembly radial direction than the lattice position of the third layer from the outermost layer in the square lattice arrangement.
[0068]
Even in these modified examples, the structure of the above-described embodiment is mostly adopted while the conventional structure is left, and therefore substantially the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.
Further, for example, in the structure of FIG. 6, when it is considered that the structure of the present invention is combined with the conventional structure, the number of the fuel rods 2A containing the combustible absorbent necessary for obtaining a sufficient surplus reactivity suppression effect, or It can also be considered that the combustible absorbent content per one fuel rod 2A can be reduced. Similarly, in the structure of FIG. 8, the amount of the combustible absorbent 13 that must be contained in the channel box 4 in order to obtain a sufficient surplus reactivity suppression effect can be reduced, and the decrease in the value of the control rod is kept low. You can also think that you can.
[0069]
(2) When using irregular shaped water rod
That is, as shown in FIG. 9, a single diamond-shaped water rod 3 </ b> B is used instead of the four circular rods 3 in FIG. 1. In this case, the four flat plate members 8a, 8b, 8c, 8d of the combustible absorbent containing member 8 are respectively joined to the four vertices of the rhomboid water rod 3B, and the positions thereof are combustible absorbent containing member 8 Is the most radially central portion. That is, this joining position is arranged slightly on the center side in the fuel assembly radial direction from the lattice position of the third layer from the outermost layer of the square lattice arrangement.
[0070]
Also by this modification, the same effect as the above-mentioned embodiment is acquired.
[0071]
Needless to say, the present invention can be applied not only to the rhombus-shaped water rod as described above but also to a quadrilateral cross-section or other shapes, and even when five or more water rods are used.
[0072]
(3) When using a well containing flammable absorbent material
That is, as shown in FIG. 10, in place of the cross-shaped lattice-shaped combustible absorbent-containing member 8 in FIGS. 1 to 3, a combustible absorbent-containing member 8 </ b> A that is a “well” -shaped lattice-shaped plate member is disposed. This is the case. In this case, the water rod 3 also corresponds to the fact that there is no central partition (a flat plate member passing through the midpoint of the four sides of the square lattice array) as shown in FIG. One large-diameter water rod 3C having a large deceleration effect is arranged in an area where four fuel rods 2 can be arranged.
[0073]
The combustible absorbent-containing member 8A is composed of four flat plate members 8Aa (in the column direction) linearly provided in a quadrangular square shape surrounding the outer peripheral side of each lattice position in the third layer from the outermost layer in a square lattice array. 8Ab (row direction), 8Ac (column direction), 8Ad (row direction), and eight flat plate members 8Ae (linearly extending from the four apexes of the substantially square shape toward the outside in the column direction and the row direction) Column direction), 8Af (row direction), 8Ag (row direction), 8Ah (column direction), 8Ai (column direction), 8Aj (row direction), 8Ak (row direction), 8Al (column direction) Yes.
[0074]
These flat plate members 8Aa to 8l are all arranged not in the lattice position of the lattice arrangement in which the fuel rods 2 are arranged, but in the gap between the lattice positions, and as shown in FIG. The inside is arranged so as to be divided into one large square area 10A, four small square areas 10B, 10C, 10D, and 10E, and four rectangular areas 10F, 10G, 10H, and 10I. With such an arrangement, both surfaces of each flat plate member 8Aa-l come into contact with the two-phase cooling water in the channel box 4.
At this time, the most radially central portion of the combustible absorbent-containing member 8A is constituted by the flat plate members 8Aa to d that form the four sides of the square, as described above. It is arranged closer to the center of the fuel assembly in the radial direction than the lattice position of the second layer from the outer layer. Further, the end of the eight flat plate members 8Ae to 8l in the fuel assembly radial direction (that is, the channel box 4 side) is joined to the inner peripheral surface of the channel box 4 by welding or the like, thereby containing a combustible absorbent. The member 8A is positioned and fixed.
[0075]
In the above description, the flat plate members 8Af, 8Ad, 8Ak and 8Ag, 8Ab, 8Aj constitute the row-direction flat plate means arranged in the row direction of the grid array described in the claims, and the flat plate member 8Ae. , 8Aa, 8Ah and 8Al, 8Ac, 8Ai constitute a row direction flat plate means arranged in the row direction of the grid-like arrangement, and these twelve flat plate members 8Aa to l constitute the flat plate means. And the combustible absorber containing member 8A consisting of these twelve flat plate members 8Aa to l constitutes a lattice plate member and also constitutes a neutron absorbing means provided with the combustible absorber.
[0076]
According to this modification, in addition to obtaining the same effect as the above embodiment, the area of the combustible absorbent material-containing member 8A in contact with the boiling water in the channel box 4 is increased, and the neutron absorption amount is increased. As compared with the above-described embodiment, the effect of suppressing the excess reactivity is further increased, and the hot / cold swing can be suppressed to be smaller.
[0077]
In addition, as shown in FIG. 11, the present invention may be applied to a 9 × 9 (or more) grid array. In FIG. 11, two water rods 3D are arranged in a region where seven fuel rods 2 can be arranged in the central region in the fuel assembly radial direction. Further, at this time, the most radially central portion of the combustible absorbent-containing member 8A is disposed closer to the fuel assembly radial center than the lattice position of the third layer from the outermost layer of the square lattice array.
[0078]
(4) When multiple flammable absorbent material containing cross-shaped grids are provided
That is, as shown in FIG. 12A, the combustible absorbent material-containing member 8B1, which is four cross-shaped lattice-shaped plate members smaller than the cross-shaped lattice-shaped combustible absorbent material-containing member 8 of FIGS. This is a case where 8B2, 8B3, and 8B4 are arranged. The water rod 3C is the same as that of the modified example (3).
[0079]
Each of the combustible absorbent-containing members 8B1, 8B2, 8B3, and 8B4 has four rows of fuel rods 2 on the upper left side, the lower left side, the lower right side, and the upper right side as viewed in FIG. It is arranged in the four-row arrangement square areas 11A, 11B, 11C, 11D. The four combustible absorbent-containing members 8B1 to B4 include four flat plate members 8Ba, 8Bb, 8Bc, and 8Bd that extend from the midpoint of the outer periphery of the 4 rows and 4 columns arrangement region toward the center of the region. It is composed of These four flat plate members 8Ba to 8d are all arranged not in the lattice position of the lattice arrangement in which the fuel rods 2 are arranged, but in the gap between the lattice positions, as shown in FIG. As described above, the corresponding four-row arrangement square regions 11A to 11D are arranged so as to be divided into approximately four equal parts. With such an arrangement, both surfaces of each flat plate member 8Ba to d are in contact with the two-phase flow cooling water in the channel box 4. These four flat plate members 8Ba to 8d are flat plate members 8Ba and 8Bc arranged linearly in the row direction of the grid array, and flat plate members 8Bb and 8Bd arranged linearly in the column direction of the grid array. Are connected in a state of being substantially perpendicular to each other, thereby constituting combustible absorbent-containing members 8B1 to B4 which are lattice-like plate members.
[0080]
At this time, in each combustible absorbent material-containing member 8B1 to B4, the most radially central portion is one of flat plate members 8Ba, 8Bb, 8Bc, 8Bd (in the combustible absorbent material-containing member 8B1, the flat plate member 8Bb or 8Bc, flat member 8Bc or 8Bd in combustible absorbent containing member 8B2, flat plate member 8Ba or 8Bd in combustible absorbent containing member 8B3, flat plate member 8Ba or 8Bb in combustible absorbent containing member 8B4, both square It is arranged closer to the center of the fuel assembly in the radial direction than the lattice position of the second layer from the outermost layer of the lattice arrangement.
[0081]
And the fuel assembly radial direction outer side end (that is, the channel box 4 side) end of each combustible absorbent-containing member 8B1 to B4 does not reach the inner peripheral surface of the channel box 4, but the inner peripheral surface of the channel box 4 Opposing via a predetermined gap. Correspondingly, each of the combustible absorbent-containing members 8B1 to B4 has upper and lower tie plates 5 and 6 or spacers 7 at the upper and lower ends (not shown) or at appropriate positions in the axial direction by welding or the like. By being joined to (see FIG. 2), the positioning is fixed.
[0082]
In the above, the flat plate members 8Ba, 8Bc of the combustible absorbent-containing members 8B1, 8B2, 8B3, 8B4 constitute the row-direction flat plate means arranged in the row direction of the grid array according to the claims. The plate members 8Bb and 8Bd constitute a row direction plate means arranged in the row direction of the grid-like arrangement, and 16 plate members 8Ba, 8Bb, which are a total of all the combustible absorbent-containing members 8B1 to 8B4, 8Bc and 8Bd constitute plate means. And the combustible absorber containing member 8B1-8B4 which consists of these 16 flat plate members 8Ba-d each comprises a grid | lattice-like plate member, and also comprises the neutron absorption means provided with the combustible absorber.
[0083]
In addition, as shown in FIG. 12B, a large number of flammable absorbent material-containing members 8C (12 in this example), which are smaller cross-shaped lattice-like plate members, may be arranged for the purpose of suppressing local output peaking. Good. Each combustible absorbent-containing member 8C is composed of flat plate members 8Ca and 8Cc that are linearly arranged in the row direction and flat plate members 8Cb and 8Cd that are linearly arranged in the column direction. This portion is arranged slightly on the center side in the fuel assembly radial direction from the lattice position of the second layer from the outermost layer of the square lattice arrangement.
[0084]
(5) When neutron absorption means is configured with non-plate material
That is, as shown in FIG. 13, each of the cross-shaped sides 8a ', 8b', 8c ', 8d' of the combustible absorbent-containing member 8 'is not a flat plate member but a thin tube containing the combustible absorbent 15 This is a case where 14 are arranged in a linear combination in the row direction or the column direction.
In this case, the combustible absorbent-containing member 8 ′ having four sides 8a ′, 8b ′, 8c ′, and 8d constitutes a neutron absorbing means provided with the combustible absorbent.
[0085]
The member containing the combustible absorbent is not limited to the above-described flat plate members 8a to 8d and the thin tube 14 and the like, and the member does not increase in volume and the member is boiled in the channel box 4. Any shape that can increase the area in contact with water is sufficient.
[0086]
In the above description, the present invention is applied to an uranium fuel assembly using uranium fuel as an example. However, the present invention is not limited to this, and the uranium / plutonium mixed oxide fuel in which plutonium is mixed with uranium ( The present invention can also be applied to a MOX fuel assembly using (MOX fuel). Also in this case, as in the above-described embodiment of the present invention, the effect of reducing hot / cold swing can be obtained while sufficiently ensuring the reactivity suppression effect by the combustible absorbent.
[0087]
【The invention's effect】
According to the present invention, at least a part of the neutron absorption means is in contact with the two-phase cooling water (boiling water) in the channel box, and this region has a neutron spectrum region as compared with the non-boiling water region outside the channel box. The change between normal operation and cold stop is large. Therefore, the amount of neutron absorption of the combustible absorbent when shifting from the normal operation to the cold shutdown can be greatly increased, so that the hot / cold swing can be greatly reduced.
Further, at least a part of the above-described neutron absorbing means is arranged linearly in the row direction or the column direction in the gap between the lattice positions of the lattice arrangement, and has a sufficient area in contact with the cooling water of the two-phase flow in the channel box. Since it can ensure large, the reactivity suppression effect by a combustible absorber can fully be ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a boiling water reactor fuel assembly according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the entire structure of the boiling water nuclear reactor fuel assembly shown in FIG.
FIG. 3 is a cutaway perspective view showing a lower structure of the fuel assembly shown in FIG. 2;
FIG. 4 shows a fuel assembly including the combustible absorbent-containing member shown in FIG. 1, a first comparative example in which a combustible absorbent is contained in a cladding tube of a water rod, and a combustible absorbent in a channel box. It is the figure which compared and showed the analysis result of the hot and cold swing in the 2nd comparative example made to contain.
FIG. 5 shows a fuel assembly including the combustible absorbent-containing member shown in FIG. 1, a first comparative example in which a combustible absorbent is contained in a cladding tube of a water rod, and a combustible absorbent in a channel box. It is the figure which compared and showed the analysis result of the value of the neutron infinite multiplication factor in the 2nd comparative example made to contain.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification in which some of the fuel rods are fuel rods containing a combustible absorbent.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modified example in which a large diameter water rod is filled with a combustible absorbent.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modified example in which a combustible absorbent material is disposed in a channel box.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a modification using a water rod having a diamond-shaped cross section.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a modification using a “well” -shaped combustible absorbent-containing member.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a modification applied to a 9-row 9-column grid array.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a modified example in which a plurality of cross-shaped lattice-shaped combustible absorbent-containing members are provided.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a modified example in which thin tubes containing a combustible absorbent material are linearly combined and arranged in a row direction or a column direction.
[Explanation of symbols]
1 Fuel assembly
2 Fuel rod
4 Channel box
8 Combustible absorber-containing member (grid-like plate member, neutron absorption means)
8 'flammable absorber-containing material (neutron absorption means)
8A Combustible absorbent material-containing member (lattice plate member, neutron absorbing means)
8Aa, c, e,
h, i, l Flat plate member (row direction flat plate means, flat plate means)
8 Ab, d, f,
g, j, k flat plate member (row direction flat plate means, flat plate means)
8B1-4 Combustible absorbent material-containing members (grid-like plate members, neutron absorption means)
8Ba, c Flat plate member (Row direction flat plate means, flat plate means)
8Bb, d flat plate member (row direction flat plate means, flat plate means)
8C Combustible absorbent material-containing member (lattice plate member, neutron absorbing means)
8Ca, c flat plate member (row direction flat plate means, flat plate means)
8Cb, d flat plate member (row direction flat plate means, flat plate means)
8a, c flat plate member (row direction flat plate means, flat plate means)
8b, d flat plate member (row direction flat plate means, flat plate means)

Claims (5)

核分裂性物質を充填した複数の燃料棒をn行n列の正方格子状に配列した燃料集合体において、
可燃性吸収材を備えた中性子吸収手段を設け、
この中性子吸収手段は、少なくとも一部が、前記格子状配列の格子位置間の間隙に前記行方向又は前記列方向に直線状に配置されかつ前記正方格子状配列を取り囲むチャンネルボックス内の2相流冷却水に接するように配置され、
前記中性子吸収手段の前記少なくとも一部は、前記チャンネルボックス内の2相流冷却水に両面が接するように配置された少なくとも1つの平板手段であることを特徴とする燃料集合体。
In a fuel assembly in which a plurality of fuel rods filled with fissile material are arranged in a square lattice of n rows and n columns,
Provide neutron absorption means with combustible absorbers,
The neutron absorbing means is a two-phase flow in a channel box that is at least partially arranged linearly in the row direction or the column direction in the gaps between the lattice positions of the lattice array and surrounds the square lattice array. Placed in contact with the cooling water,
The fuel assembly according to claim 1, wherein the at least part of the neutron absorbing means is at least one flat plate means arranged so that both surfaces thereof are in contact with the two-phase cooling water in the channel box.
請求項記載の燃料集合体において、前記平板手段は複数個設けられており、それら複数個の平板手段は、前記格子状配列の前記行方向に配置された行方向平板手段と、前記格子状配列の前記列方向に配置された列方向平板手段とを含むことを特徴とする燃料集合体。2. The fuel assembly according to claim 1 , wherein a plurality of the flat plate means are provided, and the plurality of flat plate means includes a row direction flat plate means arranged in the row direction of the lattice arrangement and the grid shape. A fuel assembly comprising: a row direction plate means arranged in the row direction of the array. 請求項記載の燃料集合体において、前記行方向平板手段と前記列方向平板手段とが、互いに略直角の状態で結合された格子状板部材として構成されていることを特徴とする燃料集合体。 3. The fuel assembly according to claim 2 , wherein the row direction flat plate means and the column direction flat plate means are configured as a lattice plate member coupled in a substantially perpendicular state to each other. . 請求項1記載の燃料集合体において、前記n=8又は9であり、前記中性子吸収手段の燃料集合体径方向中心側の部分は、少なくとも前記正方格子状配列の最外層から2層目の格子位置よりも前記燃料集合体径方向中心側に配置されていることを特徴とする燃料集合体。  2. The fuel assembly according to claim 1, wherein n = 8 or 9 and a portion of the neutron absorbing means on the center side in the radial direction of the fuel assembly is at least a second layer lattice from the outermost layer of the square lattice array A fuel assembly, wherein the fuel assembly is disposed closer to the center in the radial direction of the fuel assembly than a position. 核分裂性物質を充填した複数の燃料棒を正方格子状に配列した燃料集合体において、
可燃性吸収材を備え、前記正方格子状配列の外周4辺の中点から燃料集合体径方向中心に向かってそれぞれ延設された4つの平板手段を有し、前記4つの平板手段は、その両面が前記正方格子状配列を取り囲むチャンネルボックス内の2相流冷却水に接するように配置されていることを特徴とする燃料集合体。
In a fuel assembly in which a plurality of fuel rods filled with fissile material are arranged in a square lattice,
Comprising a burnable absorber, has the square lattice array of four flat section that extend respectively from the midpoint of the peripheral four sides toward the fuel assembly radial center of the four flat plate means, the A fuel assembly, characterized in that both surfaces are arranged so as to contact two-phase flow cooling water in a channel box surrounding the square grid array.
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