JPH028789A - 原子炉燃料集合体 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は原子炉燃料集合体に係り、特に水減速原子炉の
燃料集合体に関するものである。

（従来の技術） 近年、水減速炉、特に主流である軽水減速型原子炉にお
いては、原子カプラントの運転コスト低減のため、長期
サイクル運転とこれを実現するだめの燃料集合体の経済
的燃焼方法が検討されている。

第１０図は、従来の沸騰水型軽水炉で採用されている燃
料集合体の断面形状の一例を示す図で、燃料集合体１は
、チャンネルボックス２と、このチャンネルボックス２
内に８行８列の正方格子形状に配列された燃料棒３と、
チャンネルボックス内の水平断面中央部に配置された２
本の水ロッド４とから構成されている。

この水ロッド４は、その内油に非沸騰水を貫流させて、
この水の中性子減速効果により、燃料集合体中央部にお
ける熱中性子束の低下を緩和し、熱中性子の利用効率を
向上させる役割を果している。

このような沸騰水型軽水炉における燃料集合体の構造は
、燃料の効率的燃焼を実現するための設工１がなされて
いなければならない。

従来より考えられている手段としては、水ロッドの本数
を増やしたり、ロッド径を大きくする等して、水ロッド
の断面積を大きくする手段が考えられている。

即ち、水ロッドの断面積を大きくすることにより、炉心
内のＨ／Ｕ比（水素原子対核分裂性ウラン原子）を増し
て中性子の減速（熱化）を効果的に行わせ、中性子の増
倍率に、、、を高めようとするものである。

例えば、第１１図に示すように、チャンネルボックス２
内の水平断面中央部に配置する４本の燃料棒の代わりに
１本の大径水ロッド５を配置した構成の燃料集合体１や
、また、第１２図に示すように、このチャンネルボック
ス２内に細径の燃料棒６を９行９列の正方格子形状に配
列し、このチャンネルボックス２内の水平断面中央部に
配置する９本の細径燃料棒の代わりに１本の太径水ロッ
ド７を配置した構成の燃料集合体が検討されている。こ
のような断面積を大きくした水ロッドを何する燃料集合
体では、水ロッドのない構造の燃料集合体に比べて、燃
料集合体内の燃料棒本数の減少による表面熱流束の増加
や、非発熱部の導入による冷却材流量の不均一化等によ
り、熱的限界出力が低下することから、径方向出力分布
の平坦化等の対応策がとられている。

また、水ロッドの断面積を増加する場合、高燃焼度化に
より水ロッドに隣接する燃料棒が熱的に厳しくなるため
、水ウッドと隣接燃料棒との間隙が極端に狭くならない
範囲で、水ロッドの断面積を最大にする必要がある。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述した第１１図および第１２図のような正
方格子状に配列した燃料棒中に太径水ロッドを設置した
構造の燃料集合体の短所としては、水ロツド径を増すと
ともに、大径水口・ソド周辺の流路面積が大径水ロッド
なしの燃料集合体に比べて増加し、また、大径水口・ソ
ド周辺の熱的等価直径も減少するため、全体の冷却材流
量のうち大径水ロツド周辺に流れる割合が増加し、燃料
棒の冷ｔ、１１に費やされる冷却材が相対的に減少する
。

このような傾向は、第１３図に示すような燃料棒６を２
種類の燃料棒ピッチＰＩ、Ｐ２を採用して配列させた燃
料集合体に大径水ロッド８を配置した場合には、特に燃
料棒ピッチの狭い流路の冷却ｌ流量の減少を増幅し、熱
的限界出力が均−洛子配列に比べて低下すると考えられ
る。

このような熱的限界出力の減少は炉心の設計余を谷を少
なくし、運転性の悪化につながる恐れがあるという問題
があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
ので、水ロッドの断面積を大きくするとともに、燃料集
合体内の冷却材流量を均一化させることができ、中性子
増倍率が大きく、熱的性能も良好な原子炉燃料集合体を
提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の原子炉燃料集合体は、チャンネルボックス内に
多数収容された燃料棒と、この燃料棒詳の中に配置され
た水ロッドとを備えた原子炉燃料集合体において、前記
水ロッドの側面形状を、前記水ロッドに隣接する燃料棒
とほぼ一定の間隙を保持するような曲面の集合により構
成したことを特徴とするものである。

（作　用） 水ロッドと水ロッドに隣接する燃料棒との間隙を一定以
上に保つような凹面形状によって水ロッドの外周を構成
することにより、水ロッドの断面積を大きくするととも
に、水ロッドに隣接する冷却材の流路が大きくならない
ようにすることができる。水ロッドの外周を構成する凹
面形状は、燃料棒が円柱形状であることを考慮して、水
ロッドに隣接する燃料棒との間隙を一定以上に保つよう
に燃料棒との間隙の狭い部分を円弧または楕円等の滑ら
かな曲線形状とする。

水ロッドの面禎を最大にする凹面形状は、水ロッドに隣
接する燃料棒の半径に水ロッドと隣接燃料棒との最少間
隙を加えた半径の同心円を、隣接する燃料棒の外周を中
心として描き、その円弧を結ぶ曲線により水ウッドの外
周を構成することであり、このような構成により水ロッ
ドの周長に沿う最少間隙の部分の長さが最長となり、最
も水ロッドの断面積が最大になる。

また、水ロッドの面積を最大にする凹面形状は、上記凹
曲面に外接する凸曲面の集合により構成してもよい。

この場合、水ロッドの外周を構成する凸曲線としては、
水ロッドに隣接する燃料棒の半径に水ロッドと隣接する
燃料棒との最小間隙を加えた半径の同心円を、隣接する
燃料棒の外周を中心として描き、その円弧を繋げた曲線
に外接する円弧を、上記同心円と同半径を有する円の円
弧を繋げた凸曲線とする。

こうして、水ロッドの断面積を増加しながら水ウッド周
辺の冷却材流路断面積の増加を抑制し、集合体内を流れ
る冷却材が水ロツド周辺に偏在しないようにするととも
に、水ロッドに隣接する燃料棒の冷却も同時に確保する
ことができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図を参照して説明する。

第１図は、実施例の燃料集合体の断面構造を示す図で、
燃料集合体１１は、チャンネルボックス１２と、ジルコ
ニウム合金製被覆管に二酸化ウランのペレットを内挿し
てチャンネルボックス内に９行９列の正方格子形状に配
列された細径の燃料棒１３と、このチャンネルボックス
１２内の水平断面中央部に細径燃料棒９本分の代わりに
配置した１本の大径水ロッド１４とから主要部分が構成
されている。

大径水ロッド１４の断面形状は、従来の太径水ロッドの
形状ａと隣接燃料棒１３ａとの最少間隙を保持するよう
な外周形状１４ａを有している。

即ち、大径水ロッド１４の外周形状１４ａは、隣接する
燃料棒１３ａの径の中心を中心点として描いた燃料棒１
３ａよりも大きい円弧を繋ぎ合せて形成した形状を有し
ている。

大径水ロッド１４をこのような断面形状にすることによ
り、大径水ロッド１４に隣接する流路面積は約４５％低
減し、−力水ロッド断面積を約４５％増加させることが
可能となる。

なお、大径水ロッド１４の外周形状は、円弧の繋ぎ合わ
せでなくともよく、例えば楕円の一部やなだらかな曲線
でもよい。

第２図は本発明の他の実施例を示す図で、燃料集合体１
１は、３行３列からなる燃料棒１３を小単位１５として
、この小単位１５をチャンネルボックス１２内に８組収
容した構成となっており、チャンネルボックス１２の断
面中央部に小単位１５に相当する大きさの大径水ロッド
１６が配置されている。

大径水ロッドの断面形状は、第１図と同様に隣接燃料棒
１３　ａとの最少間隙を保持するように円弧を繋ぎ合わ
せた外周形状１６ａを有している。

この（１■造の燃料集合体１１では、大径水ロッド１６
に隣接する流路面積は約３７％低減し、一方、水ロツド
断面積を約５４％増加させることが可能である。

このように、上述した実施例では、内部燃料棒の冷却に
使われる流量比Ｗ　　　／Ｗ　　　（但し、ｒｏｄ　　
　Ｌｏｔ Ｗ　　：全チャンネル流量、Ｗ　　：全チャンネｔｏｔ
　　　　　　　　　　　　　ｔｏｔル流量）が高まるた
め、第３図中曲線（ロ）て示熱的限界出力が増加する。

また、本例によれば第４図中曲線（ロ）で示したように
、水ロッドの断面積の増加により、曲線（イ）で示した
従来装置に比べて中性子無限増倍率が高くなるため、燃
料の効率的燃焼を増すことができる。

ところで、本例により、冷却材の流量分布が燃料集合体
内で均一化する機構について以下に説明する。

集合体断面内を前述第７図に示すように燃料棒間の間隙
が最少になる点で副流路Ａ（サブチャンネル）に分割し
、簡単のため、副流路Ａ（サブチャンネル）を流れる単
位面積当りの冷却材流量Ｇ、のプロフィールが、単相部
の△Ｐが等しくなるように定まると仮定する。すると、
各サブチャンネルの単位面積当りの冷却材流量Ｇｌは単
位面積当りの平均冷却材流ｆｆ１Ｇ　　を用いて、下記
Ｖｅ （１）式より与えられる。

Ｇ１−Ｆｇ＊Ｇ、ｖｏ　　　　　　　　・・−・−・（
１）Ｆ　　−［Ａ　　　＊（Ｄ、）４］ ｇ　　　　　ｔｏｔ したように、曲線（イ）で示した従来装置に比べ／　［
ｎＡ　（Ｄ　　）　ｔ＋ｎ、　Ａｙ　　（Ｄｈｖ）〜ｈ ＋ｎ　Ａ　（Ｄ　）１＋ｎｗｌＲＡｗｌＲｅｈｃ ＋Ｄ　　　　］　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・・・・・・・（２）Ｗ／Ｒ ここで、 Ａ　　：集合体流路断面積 ｔｏｔ Ａ　　　：　ｎＡ＋ｎ、Ａ、＋ｎｃＡｃｏｔ ＋０ｗｌＲＡｗｌＲ ｎ　　：内部サブチャンネルの数 ”Ｗ／Ｒ’水ロッドに隣接するサブチャンネルの数 ：外周サブチャンネルの数（ｎ　を除く）：コーナサブ
チャンネルの数 ：内部サブチャンネル水力直径 ：水ロッドに隣接するサブチャンネル 水力直径 ：外周サブチャンネル水力直径 （ｎ　を除く） ：コーナサブチャンネル水力直径 ：内部サブチャンネル流路面積 Ａ　　：水ロッドに隣接するサブチャンネルＷ／Ｒ 流路面積 ＡＩ、：外周サブチャンネル流路面積 Ａｏ　　：コーナサブチャンネル流路面櫃但し、Ｄ、は
内部サブチャンネルの水力直径を表す。

従って、単位面積当りの流量分布は、サブチャンネルご
との水力直径の平方根に比例する。

また全チャンネル流量Ｗ　　と全チャンネル流ｏｔ 量Ｗ　　から、水ロッドに隣接する燃料棒の冷却ｏｔ に使われる流量を除いた内部の燃料棒の冷却に使われる
流＠Ｗ　　　との比Ｗ　　　／Ｗ　　　は以下のｒｏｄ
　　　　　ｒｏｄ　　　ｔｏｔ 式のように与えられる。

Ｗ　　　　／Ｗ　　　　−１／ｌｌ＋［Ａ　　　　　（
Ｄ　　　　）１ｒｏｄ　　　　　ｔｏｔ　　　　　　　
　　　　Ｗ／ＲＶ／Ｒ／［Ａ　　　　　（Ｄ　　　　）
　　〜　］　）　・・・（３）ｒｏｄ　　　　　　ｒｏ
ｄ ここで添字　　は水ロッドに隣接するサブチャｏｄ ンネルを除いた流路に関する量であることを示す。

通常、（Ｄ　　　）’／（Ｄ　　　）’は１より大、Ｗ
／Ｒｒｏｄ 流路面積比Ａ　　　／Ａ　　　は０．１程度であるから
、Ｗ／Ｒｒｏｄ 内部の燃料棒の冷却に使われる流量は、全チャンネル流
量の９０％以下と評価される。

本例による作用は、同一断面積を有する円柱状の水ロッ
ドに比べて、上記（３）式中の（Ｄ　　　”）〜／（Ｄ
　　）〜 Ｖ／Ｒｒｏｄ 流路面積比Ａ　　　／Ａ Ｖ／Ｒｒｏｄ を共に減少させ、内部燃料棒の冷却に使われる流量比Ｗ
　　　／Ｗ　　　を高めることができる。

ｒｏｄ　　　　　　ｔｏｔ ところで、水ロッドの外周形状は照射成長等を考慮した
場合、各円弧の交点が鋭角的にならないように配慮する
ことも必要であり、そのような場合には第５図に示した
ように、交点を切り落とした外周形状１７ａを有する水
ロッド１７とすることも考えられる。

さらに本発明の他の実施例として、第６図に示したよう
に、水ロッドの断面形状が角型形状の水ロッドｂを採用
した従来の燃料集合体（特公昭節６２−１１８２９７号
公報参照）に本発明を適用することもできる。一般に、
従来の角型水口・ノドｂを採用した燃料集合体では、断
面形状が円形状の水口・ノドに比べ、内部燃料棒の冷却
に使われる流量比は小さくないが、本発明を適用した水
ロッド１８を採用することにより、内部燃料棒の冷却効
率を改善することが期待できる。

ところで上述各実施例では、水ロッドの側面形状を、水
ロッドに隣接する燃料棒とほぼ一定の間隙を保持するよ
うな凹曲面の集合により構成したが、本発明はこれに限
定されず、水ロッドの側面形状を水ロッドに隣接する燃
料棒とほぼ一定の間隙を保持するような凹曲面に外接す
る凸曲面の集合により構成してもよい。

以下、このような実施例について説明する。

尚、第１図と同一部分には同一符号を付して重複する部
分の説明を省略する。

第７図は、本実施例の燃料集合体の断面構造を示す図で
、太径水ロッド２１の断面形状は、従来の太径水ロッド
の形状ａと隣接燃料棒１３ａとの最少間隙を保持するよ
うな凹曲線すに外接する円弧を繋ぎ合わせた凸状曲線か
ら構成される外周形状２１ａを有している。

即ち、大径水ロッド２１の断面形状２１ａは、まず、隣
接する燃料棒１３ａの径の中心を中心点として燃料棒１
３ａよりも大きい円弧を繋ぎ合せて凹曲線すを描き、次
にこの凹曲線すに外接するような円弧を繋ぎ合わせて描
いた凸状曲線形状になるように形成されている。

太径水ロッド２１をこのような断面形状にすることによ
り、大径水ロッド２１に隣接する流路重粘は約１５％低
減し、−力水ロッド断重粘を約１５％増加させることが
可能となる。

なお、曲線すの形状は、円弧の繋ぎ合わせでなくともよ
く、例えば楕円の一部やなだらかな曲線でもよい。

また、水ロツド断面の外周形状を凸曲線で構成すること
により、環状二相流流動様式における液膜流量割合が凹
形の曲線の場合よりも小さくでき、従って、水ロッドの
外面上に捕らえられて燃料棒の冷却に寄与しない冷却材
の流量割合を低減させることができる。

ところで、本例の他の実施例として、第８図に示したよ
うに、水ロッドの断面形状が角型形状の水ロッドを採用
した従来の燃料集合体（特公昭第６２−１１８２９７号
公報参照）に本例を適用することもできる。このように
本例を適用した水ロッド２２を採用することにより、内
部燃料棒の冷却効率を改苫することが期待できる。

さらに、本発明の他の実施例として、第９図に示すよう
に、隣接燃料棒１３ａのうち、対角方向に位置する３本
の燃料棒１３ｂを夫々中心とする３つの同心円の円弧を
描き、これら円弧を繋げた凹曲線を水ロッド２３の外周
形状２３ａに含めてもよく、この場合、水ロッド２３の
対角位置における４つのギャップ部２３ａの流路面積を
縮小でき、さらに燃料の冷却に寄与する冷却材流量割合
を増大できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、中性子増倍率が
大きく、熱的性能も良好な原子炉燃料集合体を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料棒を９行９列格子形状に配列した燃料集合
体の太径水ロッドに本発明を適用した実施例を示す断面
図、第２図は燃料棒を９行９列格子形状に配列し、燃料
棒ピッチを２ＦＩｉ類にした燃料集合体の大径水ロッド
に本発明を適用した実施例を示す断面図、第３図は実施
例の効果を熱的限界出力と流量との関係で示した図、第
４図は実施例の効果を中性子無限増倍率と減速材と燃料
の原子数比Ｈ／Ｕ比との関係で示した図、第５図は第１
図の実施例に基づいた他の実施例を示す断面図、第６図
はさらに他の実施例を示す断面図、第７図はさらに他の
実施例を示す断面図、第８図は他の実施例を示す断面図
、第９図はさらに他の実施例を示す断面図、第１０図は
従来の燃料集合体の断面図、第１１図は８行８列格子形
状に配列した燃料集合体に太径水ロッドを設置した従来
の燃料集合体を示す断面図、第１２図は９行９列格子形
状に配列し、燃料集合体に大径水ロッドを設置した従来
の燃料集合体を示す断面図、第１３図は燃料棒ピッチを
２種類にした従来の燃料集合体を示す断面図である。 １１・・・・・・・・・燃料集合体 １２・・・・・・・・・チャンネルボックス１３・・・
・・・・・・燃料棒 １４．１６．１７．１８．２１．２２．２３・・・・・
・・・・水ロッド 出願人　　　　　　日本原子力事業株式会社同　　　　
　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 流量 第３図 Ｈ／Ｕ比 第４図 ｎ 第７図 、１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 チャンネルボックス内に多数収容された燃料棒と、この
   燃料棒群の中に配置された水ロッドとを備えた原子炉燃
   料集合体において、 前記水ロッドの側面形状を、前記水ロッドに隣接する燃
   料棒とほぼ一定の間隙を保持するような曲面の集合によ
   り構成したことを特徴とする原子炉燃料集合体。