JPH01197694A - 沸騰水型原子炉 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉の炉心構造に係り、特に、構
造的に照射に伴う変形が少なく、熱中性子の経済性が向
上し、圧力損失が小さく、かつ、再組み立てが簡単な炉
心構造からなる沸騰水型原子炉に関する。

〔従来の技術〕

現在、高燃焼度化、及び、プルトニウムの有効活用によ
る燃料サイクル費の大幅低減を目指した次世代型軽水炉
として高転換バーナ炉が開発されている（特願昭５９−
２５１３８９号公報）高転換バーナ炉では、燃料寿命前
半に高転換領域で現行軽水炉より転換比を高め、後半に
バーナ領域で熱中性子利用率を向上させて、核分裂性物
質を効率よく燃焼させる。

高転換領域、及び、バーナ領域の燃料集合体の一例をそ
れぞれ第４図にＡおよびＢで示した。また、高転換バー
ナ炉に用いられる燃料集合体の縦断面図を、第５図に示
す。燃料集合体は、主に上部タイプレート４、スペーサ
１３、複数本の燃料棒３、水ロッド１２、下部タイプレ
ート５、及び。

これらを収納するチャンネルボックス１１より構成され
る。燃料棒３は、Ｈ／Ｕ比を高めるため、三角配列の最
密充填構造となる。そのため、燃料集合体の水平断面は
六角形状となる。上部及び下部タイプレート５は複数本
の燃料棒３の両端を固定している。スペーサ１３は、チ
ャンネルボックス１１内で軸方向に間隔を置いて複数個
設けられ、複数本の燃料棒を整列支持し燃料バンドルを
構成する。燃料バンドルを囲むチャンネルボックス１１
は、水平断面が六角筒状をしている。第６図に、隣接す
る二律の燃料集合体の水平断面図を示す。各燃料集合体
には、燃料棒配列の中にクラスタ型制御捧１０が制御棒
案内管７に挿入される。

隣接する集合体間には、チャンネルボックスにより区切
られるギャップが存在し、沸騰していない冷却水が少量
流れている。

燃料集合体に設れられるチャンネルボックスは下記の機
能をもつ。

（１）燃料集合体ごとに隔離された冷却材流路を形成す
ることにより、集合体間の出力ミスマツチ。

及び、ボイド率の差に起因する冷却材のクロスフローを
部止する。さらに、燃料集合体内を流れる冷却材流量を
確保し、冷却材を均一に流す。

（２）燃料集合体の剛性を高め、取り扱いを容易にする
。

燃料集合体の炉内装荷期間中には、燃料集合体内を流れ
る冷却材の圧力損失のため、チャンネルボックス１１の
内外面に圧力差が生じる。そのため、チャンネルボック
ス１１は、中性子照射量の増大に伴い、照射クリープ変
形を生じ、第７図に示すように外側へ膨らむ。このよう
なチャンネルボックスの変形は、上述のチャンネルボッ
クスの機能を低下させる可能性を生じる。さらに、変形
が著しい場合は、チャンネルボックス間のギャップが閉
じ、燃料集合体が炉内から取り出せなくなる可能性もあ
る。

大幅な高燃焼度化（燃焼度約１００ＧＷｄ／ｌＵ）をめ
ざす高転換バーナ炉では燃料集合体の炉内装荷期間が十
−〜十二年と長期化する。また、高転換領域でチャンネ
ルボックス内外の圧力差が現行ＢＷＲの場合の１．５〜
２倍となる。更に、高転換領域では、高速中性子束も従
来のＢＷＲの場合の数倍あり、チャンネルボックスのふ
くれ変形量は、従来のＢＷＲの場合よりさらに増加する
と予測できる。従来の燃料集合体では、中性子経済性を
高めるためにチャンネルボックスの厚みが１．５　ｍｍ
、集合体間のギャップ幅が１．５　ｍであす、ＢＷＲの
チャンネルボックス厚み２．５ｍ。

集合体間ギャップ幅１５．８ｍｍと比較して小さく。

チャンネルボックスの径方向のふくれに対して厳しい構
造となっている。

また、高転換バーナ炉では、燃料集合体間のギャップ幅
が小さいため、炉心上部支持構造として。

従来のＢＷＲで用いている上部格子板は使用できない。

そのため、第８図に示したように、炉心最外周に燃料集
合体支持リング板を設置する構造をとる。このような構
造では、一体の燃料集合体の曲がりが炉心全体の集合体
構成に影響してくる。

そのため、燃料集合体の曲がりは従来のＢＷＲ以上に抑
制する必要がある。一方、高転換バーナ炉では、前述の
ように、照射期間が長期化し、高速中性子束も高くなる
ため、現在設計されている燃料集合体に生じる曲がりは
、従来のＢＷＲ以上に増加すると予測されている。

また、高転換バーナ炉の燃料集合体では、燃料棒の配列
が稠密格子となるため、流路断面積が減少し、集合体間
での圧力損失が増加する。

さらに、高転換バーナ炉では、照射期間中に燃料集合体
の再組み立てを行なうため１分解・組み立てが簡単な集
合体構造が必要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、高転換バーナ炉の炉心構造において、照射に
伴う変形が少なく構造的に安定で、熱中性子経済性が向
上し、圧力損失が少なく、かつ、燃料集合体の再組み立
てが簡単な構造からなる炉心を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、複数本の燃料棒、制御棒案内管、水ロッド
及び上、下部タイプレート、軸方向に複数個設けたスペ
ーサよりなる燃料バンドルを装荷する原子炉において、
チャンネルボックスを燃料集合体に装着せず、チャンネ
ルボックスの代りに、燃料バンドル相互の冷却水流路を
分離する仕切り板を、各燃料バンドル間に炉心高さ方向
に設け、仕切り板が、炉心高さ方向で、特定の領域にお
いてのみ、燃料バンドル間に設けられるか、又は、同等
出力の複数の燃料バンドルの冷却水流路が一体となるよ
うに、炉心高さ方向にこれらの燃料バンドルを取り囲ん
だ形状とすることにより達成される。

高転換バーナ炉では、制御棒としてクラスタ型制御棒が
用いられるため、現行ＢＷＲの燃料集合体のように、燃
料集合体側面に制御棒挿入面を形成する必要はない。従
って、燃料集合体間にギャップは存在しなくてもよく、
集合体間のボイド率の差及び出力ミスマツチにより生じ
る冷却材のクロスフローが防止できる構造であればよい
。

沸騰水型原子炉の場合、冷却材のクロスフローが生じ易
い領域は、炉心高さ方向では、ボイドが発生する地点か
ら集合体出口のボイド率にまで上昇する領域であり、炉
心径方向では、集合体間の出力ミスマツチが大きい領域
である。これら以外の領域では、冷却材のクロスフロー
は１問題になる程は生じない。従って、冷却材のクロス
フローを防止する仕切り板は、炉心高さ方向では、ボイ
ドが発生する地点から集合体出口のボイド率にまで上昇
する領域、炉心径方向では、集合体間の出力ミスマツチ
が大きい領域にのみ設置する。そのため、仕切り板は、
全炉心で同一高さ、同一形状ではなく、炉心高さ方向、
成るいは、炉心径方向で異なる形状、及び、高さを持つ
。

〔作用〕

本発明の炉心構造によれば、集合体間に設置した仕切り
板により、チャンネルボックスがなくても、冷却水のク
ロスフローが防止できる。また。

集合体間のギャップがなくなるため、チャンネルボック
スの径方向ふくれが解消する。同時に、チャンネルボッ
クスの照射成長による集合体全体の曲がりも解消し、上
部格子板を使用せず、炉心最外周部に集合体支持リング
板を使用する炉心構造でも、十分、炉心構成要素を構造
的に安定させることができる。

また、仕切り板を、炉心高さ方向、成るいは、炉心径方
向で、冷却水のクロスフローが生じやすい一部分にだけ
集合体間に存在する形状とすることにより、集合体の上
、下問で生じる圧力損失を最小限に抑えることができる
。高転換バーナ炉では、炉心径方向で高転換領域とバー
ナ領域に分かれており、二つの領域で熱水力特性が大き
く異なる。そのため、仕切り板を特定の部分にだけ集合
体間に存在する形状とすることにより、高転換領域とバ
ーナ領域のそれぞれの熱水力特性に合せることが可能と
なり、本発明の効果が最大限に得られる。

同時に、高転換バーナ炉では、上部格子板が存在しない
ため、仕切り板を炉心高さ方向の全領域に設けた場合は
、仕切り板の上部が、燃料バンドルよりも上の位置で、
開放される。この部分では、冷却水のボイド率が高く、
流速も速いため、仕切り板の上部が振動し、疲労により
強度が低下する恐れがある。一方、本発明のように、仕
切り板を炉心高さ方向でクロスフローが生じやすい一部
分にだけ、集合体間に存在する形状とすれば、仕切り板
自体の長さが短くなり、仕切り板上部での冷却水流速が
比較的遅くなるため、振動疲労による強度低下は生じな
い。

また、仕切り板を炉心高さ方向の全領域に設けた場合は
、仕切り板全体の照射変形が大きくなるが、必要な部分
にだけ設けることにより、仕切り板の表面積が減少し、
全体の変形が抑制できる。

さらに１本発明の炉心構成によれば、チャンネルボック
スに相当する構造材の量が半分以下に減少し、中性子経
済性が向上する。同時に、廃棄物の量も半分以下に減少
するため、発電コスト全体の低減にも寄与できる。

また、高転換バーナ炉では、照射期間中に燃料集合体の
再組み立てを行う必要がある１本発明の炉心構成によれ
ば、燃料集合体からチャンネルボックスがなくなるため
、再組気立て工程が大幅に簡素化できる。

〔実施例〕

本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。第１図、第
２図、第３図、第９図、第１０図、第１２図、第１３図
に本発明の炉心を構成する各種の仕切り板、燃料集合体
を示した。

第一の実施例として、第１図に、炉心上部のボイド率が
一定となる領域を除いて、炉心高さ方向に仕切り板１を
設けた例を示した。第２図には、第１図におけるＡＡ’
の横断面図、第３図には、第１図の仕切り板１のみの斜
視図を示した。本実施例では、個々の燃料バンドル２に
対して、冷却水流路を分離する形に仕切り板１が設けら
れる。

高転換バーナ炉では、燃料バンドル２が六角形状である
ため、炉心内に設けられる仕切り板１も、第２図に示し
たように、−個のセルが六角形状となる。この仕切り板
１は、炉内全体としては第３図に斜視図で示したように
一体化され、全体として一つのハニカム型の構造物とな
る。また、本実施例では、仕切り板１が、炉心高さ方向
に燃料バンドル最上部までは存在せず、下部炉心支持板
６から、炉心上部のボイド率が一定となる高さにまで設
ける。本実施例のように、炉心高さ方向に特定の領域の
みに、仕切り板１を設置することにより、チャンネルボ
ックス使用時、又は、炉心高さ方向の全領域にわたって
仕切り板１を設置した場合に比べて、燃料集合体の上、
下問の圧力損失が１２％減少する。

また１本実施例では、仕切り板１の長さが、炉心高さ方
向の全領域にわたって仕切り板１を設置した場合より短
くなるため、ジルカロイの照射に伴う変形量（照射成長
ひずみ）が少くなる。

仕切り板１は、燃料バンドル２の下部タイプレート５と
は、結合させず、下部炉心支持板６に結合させる。仕切
り板１の材質はジルカロイとし、燃料バンドル２を装荷
する前に炉内に設置する。

また、燃料バンドル２は、チャンネルボックス１１を除
いた他は、第５図に示した従来の燃料集合体と同様の構
成からなる。チャンネルボックスには、燃料集合体の剛
性を確保し、取扱いを容易にする役割がある。本発明の
炉心に装荷する燃料バンドル２では、チャンネルボック
ス１１が存在しないが、制御棒案内管７が一体の燃料バ
ンドル２中に十二本あり、これらで、燃料集合体の剛性
を確保する。本発明の炉心に装荷する燃料バンドル２を
取り扱う場合、集合体重量の計算値から、制御棒案内管
７に加わる荷重は、３２．９ｋｇ／本となる。この値は
、同様の構成からなる現行ＰＷＲの制御棒案内管に加わ
る荷重（４４，０ｋｇ／本）より小さく、燃料バンドル
２では、チャンネルボックス１１がなくとも、燃料集合
体の剛性が確保可能であることがわかる。

次に、第二の実施例を、第９図に示す。本実施例では、
冷却水が単相である領域、すなわち、下部炉心支持板６
からボイドが発生しはじめる地点まで、仕切り板１４が
、板の中央部が欠け、コーナーの支柱のみ存在する形状
である。さらに、仕切り板１４は、炉心高さ方向に燃料
バンドル最上部までは存在せず、炉心上部のボイド率が
一定となる高さまで設けられている。第１０図は、第二
の実施例の斜視図である。

第三の実施例として、高転換領域とバーナ領域で、炉心
高さ方向の長さが異なる仕切り板１５．１５′を、それ
ぞれ用いた例を第１１図に示した。

高転換領域とバーナ領域では、第１２図に示したように
、炉心高さ方向のボイド率分布が大きく異なる。高転換
領域では、ボイドの発生地点が低く、出口のボイド率に
低い位置で達する。一方、バーす領域では、ボイ゛ドの
発生地点が高く、出口のボイド率に高い位置で達する。

このため、本実施例では、高転換領域の仕切り板の高さ
をバーナ領域の仕切り板の高さよりも低くする。また、
高転換領域とバーナ領域の境界ではクロスフローが生じ
やすいために、この境界部のみ、仕切り板１５′を集合
体最上部まで設置する。

第四の実施例として、第１３図に、出力が同等の複数の
燃料バンドルの冷却水流路が一体となるように、炉心高
さ方向にこれらの燃料バンドルを取り囲んだ形状とした
仕切り板１６を示した。この実施例においても、第−及
び第二の実施例と同様に、炉心高さ方向の特定の領域の
みに仕切り板１６を設ける。

本発明の炉心の構成は、現在、高転換バーナ炉以外に次
世代軽水炉として研究開発が進められている高転換沸騰
水型炉、Ｐｕ増倍型沸騰水炉、及び高速炉の改良炉心と
して最近注目されている超長寿命高速炉にも将来適用可
能である。これらの炉では、燃料集合体の炉内装荷期間
が、従来のＢＷＲの二〜三倍、超長寿命高速炉では、十
倍以上にも長期化する。そのような使用条件下では。

全燃料期間を通して−っのチャンネルボックスを使用し
続けた場合、チャンネルボックスの水平方向ふくれは、
設計許容限界を大幅に超えると予測される。

チャンネルボックスを用いず、仕切り板を用いて炉心を
構成する本発明によれば、これらの原子炉でも、照射に
伴う変形が少なく構造的に安定で、熱中性子経済性が向
上し、圧力損失が少なく、がっ、燃料集合体の再組み立
てが簡単な構造からなる炉心を提供することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高転換バーナ炉の炉心構造において、
照射に伴う変形が少なく、構造的に安定で、熱中性子の
経済性が向上し、圧力損失が少なく、かつ、熱料集合体
の再組み立てが簡単な炉心を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の沸騰水型原子炉の一実施例の部用縦断
面図、第２図は本発明による仕切り板を用いた燃料集合
体１体の横断面図、第３図は本発明の仕切り板の一実施
例の斜視図、第４図は従来の高転換バーナ炉炉心構成及
び各炉心領域の燃料集合体の横断面図、第５図は従来の
高転換バーナ炉用燃料集合体の縦断面図、第６図は従来
の高転換バーナ炉用燃料集合体１体の横断面図、第７図
はチャンネルボックスの内外圧力差による水平方向のふ
くれを示す図、第８図は従来の高転換バーナ炉の炉心上
部支持構造図、第９図は本発明による沸騰水型原子炉の
一実施例の部分縦断面図、第１０図は本発明の仕切り板
の一実施例の斜視図、第１１図は本発明の沸騰水型原子
炉の一実施例の一部縦断面図、第１２図は現行設計によ
る高転換バーナ炉の高転換領域及びバーナ領域の軸方向
出力分布及びボイド率分布図、第１３図は本発明の仕切
り板の一実施例の斜視図を示す。 １・・・仕切り板、２・・・燃料バンドル、３・・・燃
料棒、４・・・上部タイプレート、５・・・下部タイプ
レート、６・・・炉心支持板、７・・・制御棒案内管、
１０・・・制御棒。 図ｒｏの、ニー：ｆμ・ニー上゛二１ニミ一い第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 口面の浄コ（内容に変更なし） 第９図 第１０図 図面の、！：ｆ会（内容：二変更れ） 第１１区 第１２国 （ｆＪｌ！Ｅ）　　　軸方向ノード　　　　（炉頂）（
Ｆ底）　　軸方向ノード　　　　（Ｆ′１ｙＲ’）箒１
３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数本の燃料棒、制御棒案内管、水ロッド及び上、
   下部タイプレート、軸方向に複数個設けたスペーサより
   なる燃料バンドルを装荷する原子炉において、前記燃料
   バンドル間に、前記燃料バンドルの相互の冷却水流路を
   分離する仕切り板を炉心高さ方向に設けたことを特徴と
   する沸騰水型原子炉。 ２、前記仕切り板が、前記炉心の高さ方向で、特定の領
   域においてのみ、前記燃料バンドル間に設けたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の沸騰水型原子炉。 ３、前記仕切り板が前記燃料バンドル間に設けられる特
   定の前記炉心の高さ方向の領域を、前記燃料集合体の下
   部の炉心支持板から冷却水のボイド率が集合体出口のボ
   イド率に達する地点までとするか、又は、前記燃料バン
   ドル内のボイドが発生する地点から冷却水のボイド率が
   集合体の出口のボイド率に達する地点までとしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の沸騰水型原子炉
   。 ４、前記仕切り板が、出力が同等の複数の前記燃料バン
   ドルの前記冷却水流路を一体となるように、前記炉心の
   高さ方向にこれらの前記燃料バンドルを取り囲んだ形状
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   沸騰水型原子炉。