JPH02242193A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - 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（ＢＷＲ）用燃料集合体に係
り、更に詳細には、大口径クォータチャンネルを備えた
形式の９×９型燃料集合体における耐バーンアウト性能
の改善に関するものである。

［従来の技術］ 、Ｌ工」二ε旦Ｖ　ｆ４且」し１塁 バーンアウトの主因の説明に先だって、先ず従来のＢＷ
Ｒ用燃料集合体の構成について説明する。

第５図及び第６図には、従来からＢＷＲで実用に供され
る８×８型燃料集合体が示されている。

図において、全体を符号８０で示される８×８型燃料集
合体は、Ｎｏ、１〜６２の計６２本の燃料棒ｆｒと、内
部に冷却水を流通する中空管状要素としての２本のつオ
ータロラドｗｒとを８行８列の正方格子状に配列し、こ
れらをジルカロイ製のチャネルボックスｃｂに収めたも
のである。

なお、燃料棒ｆｒ及びつオータロラド冑「は、上部及び
下部タイプレートｕｔ、　ｄｔによって固定される。ま
た、燃料棒ｆｒ間距離を一定に保つためのスペーサ（燃
料棒支持格子）Ｓは、はぼ等間隔に７段設けられている
（但し、第６図においては２段のみ示されている）。

上記のように構成された燃料集合体８０は、十字形制御
棒Ｃ「に隣接して原子炉に装荷される。そして原子炉の
出力運転中は、冷却水が燃料下部から上部に向って流れ
、燃料棒ｆｒの発生熱を除去する。

＋１　、バーンアウト 次に、燃料棒ｆｒのバーンアウト（焼損）について説明
する。

ＢＷＲは原子炉で蒸気を発生させる直接サイクル方式で
あるため、炉心内で冷却水の沸騰を許している。従って
燃料棒の冷却は、液相・蒸気（ボイド）相の二相流条件
の下に行なわれることになる。

この二相流は、ボイド率が高い燃料集合体上部では第７
図に示す如くの状態となる。即ち、膜状の液相（液膜）
ｌが燃料棒ｆｒの周りで連続した環状流れを形成し、こ
の燃料棒ｆｒと隣接する燃料棒との間のギャップを蒸気
相Ｖが連続体（但し、一部に冷却水ＣＷを含む）として
流れる。このような状態がいわゆる環状流であり、液膜
ｌが燃料棒ｆｒの冷却に重要な役割りを果たしている。

ここで、何等かの原因（例えば過出力状況）により燃料
集合体が熱的にきびしい状態におかれ、いわゆる核沸騰
状態から膜沸騰状態への沸ｌＩｉ遷移が生じると、液膜
ｌが消失して熱除去が急激に悪化するため、燃料棒ｆｒ
の表面温度が急上昇してバーンアウトを生じることにな
る。このバーンアウトはスペーサＳ直上で生じ易いが、
特に第７スペーサ（最上部スペーサ）若しくはその一段
下段の第６スベーサの上流側の数ｃｍの位置で生じ易い
。このバーンアウトが生じる燃料集合体全体の熱負荷、
即ち沸騰遷移が起こるような限界熱出力は、集合体８０
内の冷却水流動状態や個々の集合体の熱負荷状態によっ
て決定される。

１１１．９Ｘ９型　料集合体 ところで近年は、上述の８×８型燃料集合体８０に代る
新燃料として、燃料棒ｆｒの外径を細（し、その本数を
増やした９×９型燃料集合体が提案されている。その代
表的な構成例を第８図に示す。

図に示される９×９型燃料集合体９０において、その中
空管状要素としては、集合体中央部のウラン利用率の向
上と共に、安全上の観点からはボイド係数の絶対値の低
下を図る目的で、ジルカロイ製の角型ボックス、即ち大
口径ウォータチャンネルＷが採用されている。このウォ
ータチャンネルＷの横断面積は、一般には燃料棒挿通セ
ルの３行３列分に相当する。

一方、細径化された燃料棒ｆｒは、ウォータチャンネル
Ｗの周囲にＮ０１１〜７２の計７２本（９×９−３　Ｘ
　３　）が９行９列の正方格子状に配列されている。

なお、スペーサ（図示せず）は８×８型燃料集合体と同
様にほぼ等間隔に７段配置されている。

上記のように構成された９×９型燃料集合体９０は、８
×８型燃料集合体８０に比して下記のような利点を有し
ている。

（ａ）燃料棒ｆ「を９行９列としたため、８ｘ８型燃料
集合体８０と同一の燃料集合体出力の条件で燃料棒ｆ「
−本あたりの熱負荷を低減できる。

（ｂ）大口径のウォータチャンネルＷの採用により、コ
ーナーロッド（Ｎｏ、１．９，６４．７２）を除く全て
の燃料棒ｆｒの囲りの冷却水の面積がほぼ等しくなるた
め、冷却水の流れがほぼ一様となる。

（ｃ）上記（ａ）　、　　（ｂ）により限界熱出力が向
上し、熱的運転性能（バーンアウト余裕）が改善される
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来の９Ｘ９型燃料集合体
９０における燃料棒ｆｒの囲りの冷却水面積は、厳密に
はコーナーロンド以外でも燃料棒ｆｒの位置によって相
違している。従って、集合体平面方向の冷却水の流量分
布もＭ＠には不均一となっている。

これは、燃料集合体９０を第９図に示す如く燃料棒同志
、燃料棒ｆｒとウォータチャンネルＷ若しくはチャンネ
ルボックスｃｂがなすサブチャンネル（各行列の燃料棒
ｆ「に沿った仮想的な格子線Ｘで区画される各桝目に相
当）に分割して考えると明らかである。

第９図において、ウォータチャンネルＷに接するサブチ
ャンネル（例えばサブチャンネルｄ）の水力等価直径は
、他の位置のサブチャンネル（例えばサブチャンネルｂ
）に比べて大きいため、不均一な流量分布を生じる。

なお、第１０図（Ａ）　、　（Ｂ）　には、それぞれ集
合体９０の対角線方向のサブチャンネルａ、ｂ、ｃ、ｄ
及び中心線方向のサブチャンネルｅ、ｆ、ｇ、ｈの質量
流量分布が示されている。この図から各サブチャンネル
における流量は不均一となっており、特につオータデヤ
ンネルＷに接するサブチャンネルｄ、ｈには冷却水が過
多に流れることが解る。

従って従来型９×９型燃料集合体９ｏの限界熱出力には
、上述の流量分布の改善を図ることにより一層向上させ
得る余地がある。また安全性の観点からも、その実現が
望ましい。

本発明は係る点に着目してなされたものであり、その目
的とするところは、流量分布を改善することにより限界
熱出力の一層の向上を図り、高いバーンアウト余裕が得
られる９×９型燃料集合体を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、９行９列の正方格
子状に配列された複数の燃料棒及びその配列中央部の燃
料棒複数本を置換えた一層の角型ウォータチャンネルを
備えた形式の燃料集合体において、前記クォータチャン
ネルの外周に、前記集合体外周方向へ冷却水を案内する
冷却水案内手段（例えば第１図に示される案内板１００
）を取付けたものである。

この場合、前記冷却水案内手段を取付けるに代えて、前
記つオータデヤンネルの外周表面を湾曲状に加工（例え
ば第４図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（ｆｌ：）に示され
る凹凸加工）する構成としてもよい。

［作用］ 従来の９×９型燃料集合体において、冷却水が比較的過
多に流れるのは、上述したようにウォータチャンネルに
近接したサブチャンネルである。

そこで本発明に係る９×９型燃料集合体においては、こ
のウォータチャンネルに近接したサブチャンネルを流れ
る冷却水を、ウォータチャンネルの外周面に取付けられ
た冷却水案内手段により外周方向へ案内するようにして
いる。即ち、ウォータチャンネルから外周方向へ向う乱
流を生じさせ、外周側の燃料棒の除熱に寄与するように
している。従って、冷却水の流量分布はウォータチャン
ネル周囲に偏ることがなく、集合体の限界熱出力が向上
する。

なお、ウォータチャンネルの外周表面を湾曲状に加工す
ると、その加工面（湾曲面）により乱流が生じる。この
加工面の作用効果は冷却水案内手段と同様である。

本発明の特徴と利点を一層明確にするために、好ましい
実施例について添付図面とともに説明すれば以下の通り
である。

［実施例］ 実施例１ 第１図には、本発明に係るＢＷＲ用９×９型燃料集合体
の一実施例としてクォータチャンネル部の構成が示され
ている。

本発明に係る９Ｘ９型燃料集合体の構成は、ウォータチ
ャンネルＷに取付けられた案内板（冷却水案内手段）１
０を除いては従来型９Ｘ９型燃料集合体９０（第８図、
第９図）と同様である。

ここで案内板１００は、図示の如くウォータチャンネル
Ｗの外周上方向へ向って傾斜するように、ウォータチャ
ンネルＷの四辺にそれぞれ取付けられている。その取付
は高さ位置は、この実施例では一例として第６スベーサ
（図示せず）の上端から数ｃｍ上流に相当する高さ位置
とする。

このように案内板１００を取付けると、ウォータチャン
ネルＷに近接したサブチャンネルに過多に流れる冷却水
は、その一部が案内板１００に沿って図中の矢印方向に
流れ、集合体外周方向へ乱される。即ち、ウォータチャ
ンネルＷ周辺に偏よることなく、外周方向へ拡散される
。

次に、上述の案内板１００の取付は高さ位置の好ましい
範囲について説明する。

第２図は、乱流拡散の案内板１００からの距離に対する
依存性の一例を示すものである。

この第２図から明らかなように、拡散係数εは、案内板
１００から下流側への距ａＺが大きく遠くなるほど小さ
くなる（即ち、案内板１００による乱流が弱まる）。一
方、液通は乱流が強いほど液膜へ供給される。そのため
、・案内板１００の取付は高さ位置は、乱流の下流側へ
の伝達の度合い（拡散率）によって定まる。こごで、バ
ーンアウトが第７若しくは第６スベーサの上流側の数ｃ
ｍの位置で発生し易いことを考慮すると、冷却水案内手
段の取付は高さ位置は、第７若しくは第６スベーサの上
端から上流側の数Ｃｍ〜２０ｃｍの間とするのが適切で
ある。

また、第３図（八）　、　ＣＢ）には、本発明に係る９
×９型燃料集合体におけるそれぞれ対角線方向、中心線
方向の燃料棒の限界熱出力の改善の一例が、従来例（案
内板１００を有さない従来型９Ｘ９型燃料集合体９０）
との比較で示されている。なお、燃料棒の番号、行列配
置については上記第８図、第９図を参照されたい。

第３図から明らかなように、本発明における燃料棒の限
界熱出力（点線）は、従来例（実線）に比して向上して
いる。特に第２行２列の燃料棒（Ｎｏ、１１）及び第３
行３列の燃料棒（Ｎｏ、　２１）にあっては、数％向上
している。これら燃料棒の限界熱出力の向上の結果、燃
料集合体一体当りの限界熱出力も当然に向上する。

叉Ｊ１１呈 第４図には、本発明に係るＢＷＲ用９ｘ９型燃料集合体
の他の実施例が示されている。この第４図は、上記案内
板１００を取付けるに代えて、ウォータチャンネルＷの
四辺の外表面を湾曲状に加工した実施例を縦断面で示し
たものである。

図において、ウォータチャンネルＷの外表面には、湾曲
状の凹部１１０ａまたは凸部１１０ｂが設けられている
。この場合、ウォータチャンネルＷに沿った冷却水の流
れ（矢印で示される）は、凹部１１０ａまたは凸部１１
０ｂにより実施例１と同様にその一部が集合体外周方向
へ乱される。

また、湾曲加工を施すべき好ましい高さ位置についても
実施例１と同様である。

なお、ここでは湾曲状の加工例として（＾）、（Ｂ）。

（Ｃ）の三種類の例を図示したが、本発明における加工
形状は図示した形状に限定されるものではない。

［発明の効果］ 本発明に係るＢＷＲ用９Ｘ９型燃料集合体によれば、従
来型９×９型燃料集合体に比して以下に記載されるよう
な効果を奏する。

本発明に係る燃料集合体においては、ウォータチャンネ
ル近傍に過多に流れる冷却水を、ウォータチャンネルに
設けられた冷却水案内手段または湾曲状加工面により集
合体外周方向へ分散するようにしている。それ故、燃料
棒の冷却効率が高まり、集合体一体当りの限界熱出力が
一層に向上する。

従って、本発明に係る燃料集合体で構成されたＢＷＲ炉
心においては、熱的制限が向上し、バーンアウト余裕が
改善される。その結果、通常運転時はもとより異常な過
渡変化時においても燃料の健全性が高まり、安全性が向
上することになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る９×９型燃料集合体の
要部を示す斜視図、第２図は拡散係数の案内板からの距
離に対する依存性を示す線図、第３図（八）　、　（Ｂ
）は本発明の一実施例に係る９×９型燃料集合体の限界
熱出力の改善の例を示す説明図、第４図（Ａ）、（Ｂ）
　、（Ｃ）は本発明の他の実施例に係る９×９型燃料集
合体の要部を示す縦断面図、第５図は従来の８Ｘ８型燃
料集合体を示す横断面図、第６図は前図の燃料集合体の
全体を示す構成図、第７図は環状流を示す説明図、第８
図は従来の９×９型燃料集合体を示す横断面図、第９図
は前図をサブチャンネルに分割して示す横断面図、第１
０図（＾）　、　（Ｂ）は従来の９Ｘ９型燃料集合体に
おける冷却水の流量分布を示す説明図である。 〔主要部の符号の説明〕 １００・・・・・・・冷却水案内板 ｆｌｏａ、　　＋１０ｂ−−−凹部、凸部Ｗ　・・・・
・・・・・クォータチャンネルなお、 各図中、同一符号は同 または相当部を 示す。 代 理 人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）９行９列の正方格子状に配列された複数の燃料棒
   及びその配列中央部の燃料棒複数本を置換えた一本の角
   型ウォータチャンネルを備えた形式の燃料集合体におい
   て、 前記ウォータチャンネルの外周に、前記集合体外周方向
   へ冷却水を案内する冷却水案内手段を取付けたことを特
   徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. （２）前記冷却水案内手段を取付けるに代えて、前記ウ
   ォータチャンネルの外周表面を湾曲状に加工したことを
   特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合
   体。