JPH03199996A

JPH03199996A - Ｂｗｒ用燃料集合体

Info

Publication number: JPH03199996A
Application number: JP1338100A
Authority: JP
Inventors: Riichiro Suzuki; 理一郎鈴木
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1991-08-30

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）の冷却水喪失事故
（ＬＯＣＡ）発生時において、緊急冷却による燃料棒の
再冠水が効率的に行われる燃料集合体、特にその下部タ
イプレート周辺の構造に関する。

［従来の技術］沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、最も完成度の高い動力炉
の１つとして国内でも数多く実用運転されているが、そ
の燃料集合体には、通常運転時はもちろん、冷却水喪失
事故（ＬＯＣＡ）等の緊急事態発生時にも高い安全性を
有することが要求される。

第５図は、従来のＢＷＲ用燃料集合体の構成を部分的に
示したもので、（ｂ）は下部タイプレートを付近を一部
断面で示した正面図、（ａ）はその平面図である。また
、第６図は、燃料棒Ｆの組立て構造を示す断面図である
。ここで、燃料棒Ｆの配列は６×６型であるが、通常は
、８×８型または９×９型の配列が選択される。

第５図（ａ）　、　（ｂ）において、燃料集合体Ｂは、
下部タイプレートｔの開口Ｈを支持板Ｋに挿入して炉心
中に数１００体配置されていて、開口Ｈから冷却水の供
給を受ける。また、燃料集合体すのチャネルボックスＣ
Ｂ内に６本×６木の正方格子状に配列された燃料棒ｆは
、下部タイプレートｔの支持格子Ｍに形成された支持穴
にその下部端栓ＣＬを挿入して自重を支える。ここで、
チャネルボックスＣＢ内の燃料棒ｆに沿った水路をサブ
チャネルと呼び、炉心の通常運転時にはここを冷却水が
熱交換を伴って上昇し、沸騰する。また、このとき開口
Ｈから供給される冷却水の一部を、燃料集合体す相互間
のバイパス部と呼ばれる水路に分流するために、下部タ
イプレートｔの下部にはリーク孔βが、また外側面には
リーク制御具ＬＣが設けられている。

ここで、リーク孔ぶは、炉心下部から開口Ｈを通って下
部タイプレートを内に流入した冷却水の一部をバイパス
部に供給する。また、リーク制御具ＬＣは、チャネルボ
ックスＣＢと下部タイブレトｔの間に間隔を確保して、
支持格子Ｍを通ってサブチャネルに流入した冷却水の一
部をバイパス部に供給する。

第６図は、第５図（ａ）、（ｂ）の燃料集合体すにおけ
る燃料棒ｆの構造を示す。

第６図において、燃料棒ｆは、下部端栓ＣＬを溶接した
被覆管Ｐに核燃料ペレットＵとプレナムスプリングＳＵ
を挿入、ヘリウムガスを充填した後に上部端栓ＣＵを溶
接して密閉構造としたもので、プレナムスプリングＳＵ
が挿入された空間を上部プレナムＰＵと呼び、この空間
は、核反応およびそれに伴う温度上昇により核燃料ペレ
ットＵから放出されるガス（ＦＰガス）に起因する燃才
４棒ｆ内の圧力上昇を緩和する。

さて、以上のような燃料集合体すで構成された炉心では
、通常運転において、支持板に下部から開口Ｈを通って
下部タイプレートを内に流入した冷却水の一部分はリー
ク孔βから、また他の一部分は支持格子Ｍを通過した後
にリーク制御具ＬＣを通ってチャネルボックスＣＢ下端
から矢印のようにバイパス部に流出するが、大部分は支
持格子Ｍを通過してサブチャネルを上昇して燃料棒ｆと
直接の熱交換を行う。ここで、バイパス部は、未沸騰の
冷却水を貯留して、沸騰水に囲まれた燃料棒ｆ上部の核
燃料にも十分な中性子減速効果を与え、また燃料集合体
す相互間に挿入された図示しない制御棒の冷却を行わせ
るためのもので、通常開口Ｈを通った冷却水の約１０％
がここに流出する。

一方、炉心の冷却水が流出して燃料棒ｆが露出する冷却
水喪失事故（ＬＯＣＡ）発生時においては、冷却されな
い燃料棒ｆは、温度が急上昇して破裂や溶融に至る可能
性があるので、これを防止するための緊急炉心冷却装置
（ＥＣＣ３）が備えられている。

第７図は、ＬＯＣＡ発生時おけるＥＣＣ５の動作を説明
するための図である。上述のように炉心Ｒには数１００
体の燃料集合体すを含むが、ここでは、その２木のみを
示す。

第７図において、ＥＣＣ５は、注入系Ｐとスプレー系Ｑ
とからなり、両系Ｐ、Ｑから供給される冷却水によって
燃料棒ｆが再冠水したときに緊急冷却が完了する。

ここで、注入系Ｐから供給されて支持板に上のバイパス
部にたまった冷却水は、チャネルボックスＣＢの外側を
冷却するとともに、その一部分はチャネルボックスＣＢ
の下端からリーク制御具ＬＣを通ってサブチャネルに流
入し、他の一部はリーク孔ｌを通って下部タイプレート
を内に流入する。また、スプレー系から供給された冷却
水は燃料棒ｆの上部に直接降りかかる。

［発明が解決しようとする課題］従来の燃料集合体すにおいては、リーク孔℃から下部タ
イプレートを内に流入した冷却水は開口Ｈを通って炉心
下部ＲＵに向って直ちに流出するから、少なくとも炉心
下部ＲＵに冷却水が満たされるまでの間、燃料棒ｆの冷
却に関与しない。

方、スプレー系Ｑから供給された冷却水は過熱状態の燃
料棒ｆに接触すると蒸発して急膨張するので、この蒸気
圧によって後続の冷却水が吹き上げられたり、燃料棒ｆ
の上端を拘束するための格子面である図示しない上部タ
イプレート部分で冷却水の蓋が形成されてサブチャネル
部分に冷却水が落下しない、いわゆる落下水抑制現象（
ＣＣＦＬ）が発生する。従って、燃料集合体すにおける
緊急冷却は、主として燃料集合体すの下部から供給され
る、燃料棒ｆに沿って上昇する冷却水によるが、実際に
サブチャネルに冷却水がたまり始めるのは炉心下部ＲＵ
に冷却水が満たされて水位が下部炉心支持板Ｋから支持
格子Ｍを越えた後となるから、炉心Ｒ冷却に多大な時間
を要し、燃料棒ｆの過熱破損に至る可能性が残っていた
。

方、従来の燃料棒ｆにおいては、装填された燃料ベレッ
トＵの寿命中に放出されるＦＰガスに対しても被覆管Ｐ
が十分な耐え得るような上部プレナムＰＵ体積が選択さ
れていたが、初期封入ヘリウムガスより熱伝導度の低い
ＦＰガスが燃料棒ｆ中に次第に増えると核燃料ベレット
Ｕと被覆管Ｐとの間の熱伝導度が低下するため、通常運
転においても核燃料ペレットＵ温度が上昇、これにより
ＦＰガス放出が加速されてさらなる温度上昇を招くとい
うサーマルフィードバックが発生、内圧を高めて被覆管
Ｐの信頼性を脅かした。また、高い内圧下で、核燃料ベ
レットＵと被覆管Ｐとの間の機械的な相互作用（ＰＣＭ
Ｉ）により被覆管Ｐが応力状態に置かれると、よう素等
の核分裂生成物による被覆管Ｐの応力腐食割れ（ＳＳＣ
）を弓起こす可能性もあった。

本発明は、炉心Ｒの緊急冷却を行う際に、炉心下部ＲＵ
に冷却水が満たされて水位が支持格子Ｍを越えるのを待
たずに、効果的な燃料棒ｆの冷却が開始される、またＦ
Ｐガスによる燃料棒ｆの内圧上昇を緩和できるＢＷＲ用
燃料集合体を提供することを目的とする。

［発明を解決するための手段］本発明の請求項（１）に係るＢＷＲ用燃料集合体は、核
燃料を装填した燃料棒と、リーク孔を設けた下部タイプ
レートとを有するＢＷＲ用燃料集合体において、下部タ
イプレートの燃料棒支持格子の上面よりも高い位置に通
じるリーク孔を有するものである。

本発明の請求項（２）に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請
求項（１）の燃料集合体において、燃料棒を正方格子状
に配列させるための下部タイプレートの対向するコーナ
部分にリーク孔を設けたものである。

本発明の請求項（３）に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請
求項（１）もしくは（２）の燃料集合体において、燃料
棒支持格子の外側部分を高く形成した下部タイプレート
を有し、この外側部分に隣接する燃料棒が他の燃料棒よ
りも細いものである。

本発明の請求項（４）に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請
求項（１）〜（３）のいずれかの燃料集合体において、
リーク孔よりも高い位置に核燃料を保持するための下部
プレナム空間を設けた燃料棒を有するものである。

［作用］本発明の請求項（１）に係るＢＷＲ用燃料集合体におい
ては、通常運転時、ＢＷＲ用燃料集合体の下部タイプレ
ート内に供給された冷却水が下部タイプレートの燃料棒
支持格子を通り、燃料棒に沿ったサブチャネルを上昇し
て熱交換を行うが、このとき一部の冷却水は、リーク孔
を通ってバイパス部に流出する。一方、ＬＯＣＡ発生時
、緊急冷却を行う際には、通常運転時とは逆に、バイパ
ス部に供給された冷却水がリーク孔を通って燃料集合体
内に流入するが、流入位置は、燃料棒支持格子よりも高
い位置である。従って、冷却水は下部タイプレート内が
満水状態でなくてもオリークィス面である燃料棒支持格
子の上にたまり、サブチャネル内の水位を上昇させて燃
料棒の冷却に関与する。

本発明の請求項（２）に係るＢＷＲ用燃料集合体におい
ては、緊急冷却の際に、対向するコーナ部分のリーク孔
から冷却水が燃料集合体内に流入して燃料棒の冷却に関
与する。このとき、従来のチャネルボックスの転用等に
より、リーク孔がチャネルボックスで覆われてしまう場
合には、チャネルボックスのリーク孔に相当するコーナ
部分を切り欠くのが望ましい。

本発明の請求項（３）に係るＢＷＲ用燃料集合体におい
ては、チャネルボックスと下部タイブレー・トの接合部
分を燃料棒支持格子の上面よりも高く採るために、下部
タイプレートの外側部分が壁状に高く形成されるが、こ
の外側部分に隣接する燃ｌＩ４棒が他の燃料棒よりも細
いために、チャネルボックスの水平断面積を拡大するこ
となく、また燃料棒本数やその支持位置を変更すること
なく、下部タイプレートの壁状の外側部分と燃料棒との
間隔を必要十分に保つことが可能である。また、このと
き、例えば燃料棒の下部端栓の長さを延長して、被覆管
と下部端栓との接合部を壁状の外側部分よりも高い位置
に設定する場合には、下部端栓を部分的に細く形成して
従来径の被覆管や核燃料ベレットを使用できる。

本発明の請求項（４）に係るＢＷＲ用燃料集合体におい
ては、従来より燃料棒支持格子面が低い下部タイプレー
トを採用した場合にも、従来同様の高さに位置に核燃料
を保持できる。また、燃料棒の上部プレナム空間を従来
同様に採る場合、ＦＰガスの受容空間体積が増すから、
ＦＰガスによる内圧上昇が緩和される。

［発明の実施例］本発明の実施例を図面を参照して説明する。以下の各実
施例は、従来例の燃料集合体すにおいてその下部タイプ
レートを付近の構造を改善したものであり、従来例の場
合と同様な構成と機能を有する部材には同一の符号を付
してその説明を省略する。

第１図は、本発明の実施例に係るＢＷＲ用燃料集合体の
構成を部分的に示し、（ｂ）は下部タイプレートＴ付近
を一部断面で示した正面図、（ａ）はその平面図である
。

第１図（ａ）、（ｂ）において、下部タイプレートＴの
支持格子Ｍの高さは従来のものよりも低く設定されるが
、燃料棒Ｆの長さがその分延長されているので、燃料集
合体Ｂの図示されない上部の各構造部材の高さ位置は従
来同様である。また、下部タイプレートＴの支持格子Ｍ
の周囲は壁状に高く形成されて、支持格子Ｍの上面より
も高い位置にリーク孔りが設けられている。しかし、リ
ーク制御具ＬＣの位置は従来と同様の高さに設定されて
いる。また、チャネルボックスＣＢは、リーク孔り直上
でカットされている。

一方、上述のように延長された長尺の燃料棒Ｆ内には、
従来の上部プレナムＰＵに加えて、下部端栓ＣＬと核燃
料ベレットＵとの間に、スプリングＳＬが挿入された下
部プレナムＰＬが設けられていて、核燃料ベレットＵは
、はぼ従来同様な高さ位置に保持される。すなわち、こ
の燃料棒Ｆにおいて、ＦＰガス貯留可能な空間の容積は
、従来の容積に、はぼ長尺化分に相当する容積を加えた
ものとなっている。

さて、通常運転時の本実施例の燃料集合体Ｂにおいては
、従来例と同様に、支持板に下部から開口Ｈを通って下
部タイプレートＴ内に渣大した冷却水の一部がリーク孔
しから、また支持格子Ｍを通過した冷却水の一部がリー
ク制御具ＬＣを通ってチャネルボックスＣＢ下端からバ
イパス部に流出する。

第２図は、本実施例における、冷却水喪失事故（ＬＯＣ
Ａ）発生時の緊急炉心冷却装置（ＥＣＣ３）の動作を説
明するための図である。本実施例においても、ＬＯＣＡ
発生時には従来同様に、ＥＣＣ５の注入系Ｐとスプレー
系Ｑとから供給される冷却水による、燃料棒Ｆを含む炉
心全体の緊急冷却が行われる。

ここで、バイパス部からリーク孔りを通って下部タイブ
レーＩ−Ｔ内に流入する冷却水は、直接燃料棒Ｆの下端
に接触してこれを冷却するのみならず、オリークィス面
である支持格子Ｍ上にたまって徐々に水位を上昇させ、
燃料棒Ｆの再冠水を速やかに実現する。

第３図は、本実施例の燃料集合体Ｂの燃料棒Ｆにおける
、通常運転に伴うＦＰガスによる内圧上ｙ−を従来例の
場合と比較して説明するための線図で、（ａ）はベレッ
ト中心温度の変化、（ｂ）はＦＰガスの放出量の変化、
（Ｃ）は内圧の変化をそれぞれ示す。

本実施例においては、通常運転に伴うＦＰガスの貯留容
積に、下部プレナム容積が加算されるため、従来と比較
して約２０％の容積増加となっている。従って、従来よ
りもヘリウムガス濃度が高く維持されるため、第３図（
ａ）に示されるように通常運転に伴うベレット中心温度
の上昇は１％低下し、この温度上昇の緩和により、第３
図（ｂ）に示されるようにＦＰガス放出量は４％低下し
た。

また、このＦＰガス放出量の低下とＦＰガス貯留空間の
拡大により、通常運転に伴う燃料棒内圧は１５％もの低
下を示した。

第４図は、本発明の別の実施例に係る燃料集合体Ｂの下
部タイプレートＴ付近を一部断面で示した正面図である
。ここで図中、第１図と同一の符号を付した部材は、前
述の従来例同様の作用を有するものである。この実施例
では、下部タイプレ−トＴの支持格子Ｍよりも高い位置
（リーク制御具ＬＣの高さとほぼ同じ）の対向するコー
ナ部分にリーク孔りを設け、このリーク孔し位置に相当
する部分のチャネルボックスに切欠きＣを設けたもので
ある。この実施例では、前述の実施例よりも高い位置に
支持格子Ｍを設定できるため、燃料棒Ｆの長尺化も少な
くて済み、下部タイプレート構造等についても設計変更
が少なくて済む。

［発明の効果］本発明の請求項（１）〜（３）　に係るＢＷＲ用燃料集
合体では、従来のＢＷＲ用燃料集合体を構成する多くの
構成部品、および炉心構造の設計変更を伴うことなく、
また通常運転時の性能を維持したままで冷却水喪失事故
（ＬＯＣＡ）発生時の緊急炉心冷却装置（ＥＣＣ３）に
よる緊急冷却を効率的に、速やかに実行できる。

本発明の請求項（４）　に係るＢＷＲ用燃料集合体では
、燃料棒内のＦＰガスの受容空間体積が増すとともにＦ
Ｐガス発生量も減少するから、通常運転およびＬＯＣＡ
発生等に伴う燃料棒の内圧上ｙ−が緩和される。従って
、炉心全体の信頼性および安全性が増す。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係るＢＷＲ用燃料集合体の
上部タイプレートＴ付近の構造を示し、（ａ）は平面図
、（ｂ）は正面図である。第２図は、本発明の実施例の燃料集合体を用いた炉心に
おける、緊急炉心冷却装置（ＥＣＣＳ）の動作を説明す
るための図である。第３図は、本発明の実施例のＢＷＲ用燃料集合体の燃料
棒における、通常運転に伴うＦＰガスによる内圧上昇を
説明するためのもので、（ａ）はベレット中心温度の変
化を、（ｂ）はＦＰガスの放出量の変化を、（Ｃ）は内
圧の変化を、それぞれ示す線図である。第４図は、本発明の別の実施例に係るＢＷＲ用燃料集合
体の上部タイプレートＴ付近の構造を示し、（ａ）は平
面図、（ｂ）は正面図である。第５図は、従来例のＢＷＲ用燃料集合体の上部タイプレ
ート付近の構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面
図である。第６図は、従来例のＢＷＲ用燃料集合体における燃料棒
の構造を示す断面図である。第７図は、従来例の燃料集合体を用いた炉心における、
緊急炉心冷却装置（ＥＣＣ５）の動作を説明するための
図である。［主要部分の符号の説明］Ｕ・・・核燃料ベレット　　Ｆ・・・燃料棒Ｌ・・・リ
ーク孔　　　　Ｍ・・・支持格子ＴＬ・・・下部タイプ
レートＰＬ・・・下部プレナム

Claims

【特許請求の範囲】

（１）核燃料を装填した燃料棒と、リーク孔を設けた下
部タイプレートとを有するＢＷＲ用燃料集合体において
、前記下部タイプレートの燃料棒支持格子の上面よりも高
い位置に通じる前記リーク孔を有することを特徴とする
ＢＷＲ用燃料集合体。
（２）前記燃料棒を正方格子状に配列させる前記下部タ
イプレートの対向するコーナ部分に前記リーク孔を設け
たことを特徴とする特許請求の範囲（１）に記載のＢＷ
Ｒ用燃料集合体。
（３）前記燃料棒支持格子の外側部分を高く形成した前
記下部タイプレートを有し、該外側部分に隣接する前記
燃料棒が他の前記燃料棒よりも細いことを特徴とする特
許請求の範囲（１）、（２）のいずれかに記載のＢＷＲ
用燃料集合体。
（４）前記リーク孔よりも高い位置に前記核燃料を保持
するための下部プレナム空間を設けた前記燃料棒を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲（１）〜（３）のい
ずれかに記載のＢＷＲ用燃料集合体。