JPH0452912B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、燃料集合体に係り、特に沸騰水型原
子炉に適用するのに好適な燃料集合体に関するも
のである。

〔発明の背景〕

沸騰水型原子炉の炉心は、特公昭57−476号公
報に示されるように多数の燃料集合体が相互間に
ギヤツプを形成するように格子状に配置され、隣
接する４体の燃料集合体の間に十字形の制御棒を
挿入するように構成されている。燃料集合体は、
内部に多数の燃料ペレツトを充填した複数の燃料
棒、上部及び下部タイプレート及びチヤンネルボ
ツクスを有している。燃料棒の上下端部は、上部
及び下部タイプレートにてそれぞれ保持されてい
る。チヤンネルボツクスは、上部タイプレートに
取付けられ、上部及び下部タイプレートにて保持
された燃料棒の束の外側を取囲んでいる。

冷却水は、燃料集合体の下端から上端に向つて
チヤンネルボツクス内を流れる。冷却水は、チヤ
ンネルボツクス内を上昇する間に燃料棒にて加熱
されて蒸気となる。このため、燃料集合体内の上
部では、冷却水と蒸気との二相流状態となる。燃
料集合体相互間に形成されるギヤツプにも、冷却
水が流れる。この冷却水は、沸騰せず、飽和水に
なつている。このように炉心の横断面において二
相流の領域と飽和水の領域が偏在することは、燃
料集合体の局所出力ピーキングを増大させること
につながる。さらに、燃料集合体相互間のギヤツ
プに存在する冷却水が中性子の減速に対して有効
に寄与せずに中性子を無駄に吸収するので、燃料
経済性が悪化する。

このような問題を解決するものとして、特開昭
52−112096号公報の第１図に示された炉心が提案
されている。この炉心は、４体の燃料集合体を取
囲む大きさのチヤンネルボツクス内に、チヤンネ
ルボツクスを有しない４体の燃料集合体を配置
し、制御棒は、大きなチヤンネルボツクス相互間
に形成されるギヤツプ内に挿入されている。この
ような炉心では、制御棒に面していない反対側で
の燃料集合体相互間のギヤツプを狭くすることが
でき、しかも１つのチヤンネルボツクス内で４体
の燃料集合体間で冷却水が自由に移動できる。こ
のため、二相流と飽和水の偏在が緩和されるの
で、炉心の半径方向における出力分布の平坦化及
び燃料経済性の度合いがよくなる。

しかしながら、特開昭52−112096号公報では、
チヤンネルボツクスが炉心支持板に設置される燃
料支持金具にボルト等で取付けられている。この
ような炉心構成は、複雑な構造であるがために、
下端部に円形のスピードリミツタを有する制御棒
及び燃料支持金具の交換が面倒になる。燃料支持
金具は、特開昭52−64590号公報に示されるよう
に中央に制御棒が挿入される十字状の貫通孔が設
けられ、その周囲に下部タイプレートが据付けら
れる４つの円形の孔が設けられている。燃料支持
金具の４つの円形の孔には、特開昭52−112096号
公報の第１図に示す制御棒１２を取囲む４体の燃
料集合体１０の下部タイプレートが嵌合される。
従つて、制御棒及び燃料支持金具を交換する場合
には、燃料集合体を取出すとともにチヤンネルボ
ツクス１１を燃料支持金具から取外さなければな
らない。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、燃料経済性が高くしかも制御
棒の交換が容易にできる燃料集合体を提供するこ
とにある。

本発明の他の目的は、燃料集合体の耐震性を向
上させたことにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、燃料集合体の隣り合う２辺に
制御棒ガイド部材を設けたことにある。

本発明の他の特徴は、燃料集合体の制御棒に面
するコーナ部に対して反対側にある燃料集合体の
コーナ部付近に支持棒を設けたことにある。

従来の沸騰水型原子炉の炉心においては、前述
したように燃料集合体相互間にギヤツプ水が存在
する。このギヤツプ水により燃料集合体周辺部と
中心部間で水(H)対ウラン(U)比が大きく異なる。第
５図は中性子無限増倍率と水対ウラン比の関係を
示したものである。水対ウラン比を大きくする
と、水による中性子減速効果が有効になり一般に
中性子無限増倍率は上昇する。しかし、水対ウラ
ン比がある値以上になると、減速効果による中性
子無限増倍率の増加分と、水の中性子吸収効果に
よる減少分がほぼ等しくなり中性子無限増倍率が
上昇しなくなる。第４図に記した点Ａ，Ｂ及びＣ
は、それぞれ燃料集合体の平均中性子無限増倍
率、燃料集合体周辺部の中性子無限増倍率及び燃
料集合体中心部の中性子無限増倍率を示す。従来
の燃料集合体では、ギヤツプ水に面した燃料集合
体周辺部の燃料棒と、それ以外の燃料集合体中心
部の燃料棒の数は、ほぼ同数であり、燃料集合体
平均の中性子無限増倍率（点Ａ）は、点Ｂ、点Ｃ
の平均値になつている。

局所出力ピーキング係数を低く抑え、かつ燃料
経済性を向上させるには、第４図より燃料集合体
中心部の水対ウラン比を大きくすればよいことが
分かる。そこで制御棒が挿入されない側のチヤン
ネルボツクスの側壁をとりはらい、丁度、制御棒
とは反対側の水ギヤツプがなくなるように燃料間
隔を拡大し、隣りあつた４体の燃料集合体の燃料
棒が16×16の正方格子の大型燃料集合体を構成す
る構造を考えた。単位格子の水対ウラン比が増大
する結果、燃料集合体周辺部及び中心部の中性子
無限増倍率は第４図で点Ｂから点B′に、また点
Ｃから点C′に変化する。燃料集合体中心部は減速
不足領域であるため、水対ウラン比の増大に伴い
中性子無限増倍率が大きく増加し、燃料集合体周
辺部の中性子無限増倍率とほぼ等しくなる。その
結果、燃料集合体周辺部の燃料棒の割合が1/2か
ら1/4に減少したにもかかわらず、燃料集合体平
均の中性子無限増倍率（第４図点A′）は、従来
の点Ａよりも高くなる。

また、チヤンネルボツクスの側壁及びギヤツプ
水が減少するため熱中性子の無駄な吸収がなくな
り、中性子利用率が向上する。さらに、冷却材の
流路断面積が増加することにより、流量制御によ
るスペクトルシフト幅が増大し、省ウランが実現
できる。

単位格子の水対ウラン比が増大したことを利用
し、ウラン装荷重を増大する可能性がでてくる。
これは燃焼度一定で燃料集合体の寿命を延長でき
ることになり燃料経済性が向上する。

一方、冷却材の流路断面積が増大し、燃料集合
体の圧力損失が低下する結果、安定性が向上す
る。

〔発明の実施例〕

沸騰水型原子炉に適用した本発明の好適な一実
施例である燃料集合体を第１図に示す。本実施例
の燃料集合体１は、上部タイプレート３、下部タ
イプレート４、スペーサ５及び複数の燃料棒６か
らなる燃料バンドル２に、Ｌ字型の側板７を取付
けたものである。燃料バンドル２は、燃料棒６の
上、下端部を上部タイプレート３及び下部タイプ
レート４に保持し、軸方向に燃料棒６相互の接触
を防止するスペーサ５を軸方向に複数個配置して
構成される。上部タイプレート３及び下部タイプ
レート４の燃料棒６を保持している部分の断面
は、正方形になつている。上部タイプレート３と
下部タイプレート４は、図示されていないが内部
に燃料ペレツトを有する複数本のタイロツドによ
つて連結されている。第３図に示すように燃料集
合体１は、２本のウオータロツド９を有してい
る。Ｌ字型の側板７は、ジルカロイ製であつてそ
のコーナが上部タイプレート３及び下部タイプレ
ート４の１つのコーナに対向し、側板７の二辺が
各タイプレートの二辺に対向するように取付けら
れる。側板７は、各スペーサ５にねじにて取付け
られる。側板７は、上部タイプレート３に取付け
てもよい。側板７は、制御棒のガイド部材であ
る。スペーサ５は、ウオータロツド９に取付けら
れる。

燃料集合体１の下部タイプレート４の冷却水流
入口８の中心軸は、第２図に示すように燃料集合
体の中心軸とずれている。すなわち、前者の中心
軸は、後者の中心軸よりも側板７のコーナ側にず
れている。これは、従来用いていた燃料支持金具
に燃料集合体１の下部タイプレートを挿入しやす
くするためである。

第３図は、燃料集合体１にて構成した炉心の局
部横断面である。４体の燃料集合体１は、側板７
のない部分が向き合つて配置されている。４体の
燃料集合体１の間に中性子検出器１２が設置され
ている。このように配置することによつて燃料集
合体１の側板７は、制御棒１１側を向いてそれと
対向している。

本実施例では、側板７のない部分で隣接してい
る２体の燃料集合体１間の水ギヤツプがなくな
り、それらの燃料集合体で互いに向きあつた燃料
棒６の中心間隔は17.65mmである（従来の燃料集
合体を用いた炉心では、38.6mm）。また、各燃料
集合体１内の燃料棒６相互の中心間隔は17.65mm
であつて、従来の８行８列の燃料集合体のそれ
（16.26mm）よりも広くなつている。

単位燃料棒格子の水平断面の冷却材流路断面積
と二酸化ウラン（燃料ペレツト）断面積の比は、
1.75から2.32に約1.32倍に増加し、その結果、水
対ウラン比が増加する。燃料集合体中心部の中性
子の平均エネルギーが低下することで、燃料集合
体が均質に近づき、燃料経済性が向上する。水対
ウラン断面積比と炉心平均の中性子無限増倍率の
関係を第８図に示す。燃料集合体が均質に近づい
たことにより、制御棒１１に面した燃料集合体コ
ーナ部の燃料棒を除き、濃縮度分布を付ける必要
がない。また、燃料集合体中心部の中性子減速効
果が増大したため、水ロツド９を不要にでき、そ
れによりウラン装荷量が約２％増加できる。その
結果、燃焼度を増加させなくとも連続運転期間が
延長できる。

また、冷却材流路断面積が32％増加することに
より、冷却材流量が一定の場合、流速が従来の75
％に低下し、圧力損失は従来の57％に低下する。

その結果、省ウラン７％低減、安定性減衰係数
λの値が約1/2になる。

燃料集合体１を装荷した炉心では、４体の制御
棒１１で囲まれた４体の燃料集合体１間で横方向
の冷却水の混合が生じる。この横方向流れには、
乱流混合現象およびボイドドリフト現象による流
れがある。乱流混合現象は、一般にボイド分布を
平坦化する。すなわち、高出力燃料集合体領域と
低出力燃料集合体領域のボイド率を平坦化するよ
うに機能する。一方、ボイドドリフト現象は、蒸
気は冷却水の流速の大きい領域に、すなわち質量
流量の大きい領域に集まり、その反作用として水
は逆方向に流れるという現象であり、上記の炉心
構造においてこれもボイド分布を平坦化する方向
に寄与する。したがつて、高出力の燃料集合体部
分でのボイド率は、従来のように一つの燃料集合
体がチヤンネルボツクスで仕切られている場合よ
りも小さくなり、冷却水流量は逆に増加する。こ
れにより、高出力燃料集合体部分での熱的余裕は
増加する。また高出力燃料集合体部分は、中性子
無限増倍率が大きい領域であり、その領域でボイ
ド率が小さくなるため、炉心全体での実効増倍率
は従来の炉心構造の場合よりも増加する。

また、燃料集合体１を装荷した炉心では、チヤ
ンネルボツクスの側壁及びギヤツプ水が減少する
ため、熱中性子の無駄な吸収がなくなり、中性子
利用率が向上する。また、冷却水の流路断面積が
増加することにより、流量制御によるスペクトル
シフト幅が増大し、省ウランが実現できる。さら
に、圧力損失が低下する結果、炉心安定性が向上
するとともに、制御棒挿入領域の間隙減少を低減
することができる。

本実施例の燃料集合体１の側板７は、原子炉の
出力制御のために制御棒１１を上下方向に移動す
る場合に、制御棒１１がスペーサ５及び燃料棒６
等に接触することによる制御棒１１の移動を阻害
されることを防止し、制御棒１１の円滑な移動を
図つている。また、制御棒１１と燃料棒６が接触
することによる燃料棒６の損傷を防止している。
制御棒１１には図示されていないがその先端部に
ガイドローラが設けられているので、側板７をＬ
字型ではなくガイドローラが軸方向に移動する部
分に配置されるよう細長い板状にしてもよい。

側板７は、燃料集合体１とともに炉心より取出
すことができ、本実施例の炉心構成が単純化され
る。従つて、制御棒１１の周囲に存在する４体の
燃料集合体１を炉心から取出すことによつて制御
棒１１及び燃料支持金具の交換を容易に実施する
ことができる。

さらに、燃料集合体１は、制御棒１１及び中性
子検出器１２に面するコーナを除く他のコーナを
結ぶ直線（第３図の直線B₁，B₂）を境に制御棒
１１に近い第１領域と制御棒１１よりも遠い領域
の２つの領域にわけた時、後者の領域に配置され
る連結棒であるタイロツドの本数を前者の領域よ
りも多くしているので、耐震性が向上する。第１
領域でタイロツドの本数の少ない分の剛性は、側
板７によつて確保されている。本実施例では、燃
料集合体横断面において剛性のバラツキが少な
い。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第５図
及び第６図に基づいて説明する。本実施例の燃料
集合体１５は、燃料集合体１のスペーサ５に代え
て支持格子１６を用いたものであつてその他の構
成は燃料集合体１と同一である。

支持格子１６は、従来のスペーサ５に代わるも
ので、第６図に示すごとく、インコネル板を打ち
抜いた一体型のものである。燃料棒６は支持格子
１６に設置した突起（デインプルおよび板バネに
より支持する。軸方向に配置された７個の支持格
子１６は、上部タイプレート３及び下部タイプレ
ート４に保持された側板７に取付けられる。この
支持格子１６を用いることによつて燃料集合体１
５の剛性が燃料集合体１より増大する。他の効果
は、燃料集合体１と同じである。

本発明の他の実施例である燃料集合体にて構成
した炉心の横断面を第７図に示す。本実施例の燃
料集合体１７は、燃料棒６及びウオータロツド９
を９行９列に配置したものである。隣接する燃料
棒６中心間の距離は15.69mmである。本実施例で
は、タイロツドが用いられず、ウオータロツドに
て上部タイプレート３と下部タイプレート４が連
結されている。ウオータロツドの本数は、前述の
第１領域よりも第２領域が多くなつている。本実
施例の他の構成は、燃料集合体１と同一である。

本実施例では、燃料集合体１と同じ効果が得ら
れる。さらに燃料棒６の本数が増加しているの
で、燃料棒１本あたりの発熱量が燃料集合体１及
び１５の約80％となる。その結果、最小限界出力
比（MCPR）は燃料集合体１及び１５に比べて
５％以上増加し、熱的余裕が増大する。また、冷
却水の流路断面積の増大により、圧力損失の小さ
い９×９燃料集合体を実現することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料経済性が高くしかも制御
棒の交換の容易な単純な構造の炉心を得ることが
できる。さらに、 第２の特徴によれば、燃料集合体の横断面にお
いて剛性を均一化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である燃料集
合体の斜視図、第２図は第１図の燃料集合体の縦
断面図、第３図は第１図の燃料集合体で構成した
沸騰水型原子炉の炉心の局部横断面図、第４図は
Ｈ／Ｕと中性子無限増倍率との関係を示す特性
図、第５図は本発明の他の実施例の斜視図、第６
図は第５図に示す支持格子の平面図、第７図は本
発明の他の実施例である燃料集合体にて構成した
炉心の他の実施例の局部横断面図である。 １，１５，１７……燃料集合体、２……燃料バ
ンドル、３……上部タイプレート、４……下部タ
イプレート、５……スペーサ、６……燃料棒、９
……ウオータロツド、１１……制御棒、１２……
中性子検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上部タイプレートと、下部タイプレートと、
   両端部が前記上部及び下部タイプレートに保持さ
   れて内部に複数の燃料ペレツトを有する複数の燃
   料棒とからなる燃料集合体において、前記燃料集
   合体の制御棒に面する隣り合う二辺にのみ制御棒
   ガイド部材を設けたことを特徴とする燃料集合
   体。 ２ 上部タイプレートと、下部タイプレートと、
   両端部が前記上部及び下部タイプレートに保持さ
   れて内部に複数の燃料ペレツトを有する複数の燃
   料棒とからなる燃料集合体において、前記燃料集
   合体の制御棒に面する隣り合う二辺にのみ制御棒
   ガイド部材を設け、前記上部タイプレートと前記
   下部タイプレートを連結する連結棒を、前記制御
   棒に近い領域と前記制御棒から遠い領域に前記燃
   料集合体の横断面を分割した時に前者の領域より
   も後者の領域に多く配置したことを特徴とする燃
   料集合体。