JPH03215787A - 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） 本発明は沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲという）等の軽水
炉用の燃料集合体に係り、特にウォータロッドやウォー
タクロス等の冷却材案内部材の流路抵抗を制御すること
によりスペクトルシフト運転を行なうことができる燃料
集合体に関する。

（従来の技術） ＢＷＲの炉心に装荷される従来の燃料集合体の一例とし
ては第６図に示すように構成されたものがあり、この燃
料集合体１は角筒状のチャンネルボックス２内に燃料バ
ンドル３を収容している。

燃料バンドル３は燃料棒４の複数本を、例えば８行８列
の正方格子状に配列して、その中央部に燃料棒４より例
えば太径のウォータロッド５を配置し、これらの軸方向
に多段に配設された偏平角筒状のスペーサ６により束状
に結束している。

また各燃料棒４およびウォータロッド５の上端部には上
部端栓７が、下端部には下部端栓８がそれぞれ固着され
、さらに、上部端栓７が上部タイプレート９に、下部端
栓８が下部タイプレート１０にそれぞれ支持されている
。

下部タイプレート１０はその間口１０ａから減速材と冷
却材としての機能を併有する炉水を図中矢印に示すよう
に内部に導入し、各燃料棒４相互間の間隙を下から上方
へ向けて昇流させ、その際に各燃料棒４から放出される
熱を除去する一方で、加熱されて炉心上部へ流れ、気液
二相流となる。

そして、ウォータロツド５はその下端部の水入口５ａよ
り炉水を内部へ導入し、軸方向上方へ案内して水出口５
ｂより外部へ流出させ、各燃料棒４の上端部に案内する
。ここで、炉水は主として減速材として作用し、緩やか
に炉心下部からその上方へ流れ、炉心上部で上記気液二
相流と合流して混合される。なお、チャンネルボックス
２の外周部およびウォータクロス（図示せず）によって
も、炉水がウォータロツド５と同様に炉心上方へ案内さ
れる。

ところで、ＢＷＲでは、原子炉出力が冷却材流量（再循
環流量）と図示しない制御棒の挿脱によって制御される
。制御棒は近年では原子炉出力制御のために使用される
頻度が比較的少なく、主として冷却材流量の制御によっ
て出力制御が行なわれている。

これは燃料集合体１に対する熱的インパクトを低減し、
燃料棒４の健全性を確保する上でＢＷＲ特有の優れた制
御手段であることはよく知られている。

また、チャンネルボックス２内ではボイド（気泡）が燃
料集合体１上部へ行くほど多くなり、燃料集合体１の発
熱部上端付近ではボイド率が７０％を超えることもあり
、燃料集合体１の下端よりやや上方がボイド発生の最下
位点である。

そして、従来の燃料集合体１は、燃料棒４の健全性を確
保するために、その出力分布を、運転サイクルの初期（
以下、ＢＯＣという）から末期（以下、ＥＯＣという）
まで全期間に亘って軸方向になるべく一様な状態にする
必要があった。

しかし、最近では燃料棒４の燃料被覆管内面にバリア層
を設けることにより、燃料棒４の健全性を著しく向上さ
せているので、運転サイクル全期間を通して軸方向出力
分布をなるべく一定１こ保つ必要性が大幅に低下した。

ＢＷＲでは本来、炉心の上方へ行くに従ってボイド率が
高くなるので、出力分布はＢＯＣで燃料集合体の上端部
が抑えられる一方、燃料集合体の下端部に歪む。

一方、ＥＯＣでは燃料集合体の下端部の核分裂性核種濃
度が燃焼により減耗し、燃料集合体上端部ではボイドに
より減耗が遅れると共にボイドによるスペクトル硬化の
ためにプルトニウムがより多く蓄積され、そのために、
炉心下方で出力が低下し、燃料集合体上端部で高くなる
挙動を示している。

このような本来の性質をなるべ《利用するのが燃料の経
済性として優れているが、従来は燃料健全性の確保ない
し向上のために、燃料集合体下部に、より多くの減耗性
中性子吸収材を配置したり、燃料集合体上部の燃料濃縮
度を高めるなどして対処して来た。これらは中性子経済
の悪化を招き、あるいは燃料の燃え残りによる燃料経済
性の悪化を招いていた。

このような自然現象的な性質は再循環流量の調節により
、相当広範囲に調節されるものであり、ＢＯＣでは炉心
のより下方でボイドが発生するため、冷却材の圧力損失
が高くなり、その結果、冷却材炉心流量が低下しやすく
なり、一方、ＥＯＣでは丁度、これとは逆の挙動を示す
。

ところで、運転サイクル前半で減速材として機能する水
の密度を低下させ、中性子スペクトルを硬化させ、それ
によってプルトニウム生成を助長して蓄積し、このプル
トニウムをＥＯＣで減速材（水）の密度を上昇させるこ
とにより、核分裂を起させることができれば、核燃料の
有効利用が図れることはよく知られており、これを実施
する手段として、ＢＷＲでは冷却材流量制御法がある。

これはＢＯＣで冷却材炉心流量を下げることにより、燃
料集合体の下部で高出力とする一方、燃料集合体の上部
でボイド割合を高くして、プルトニウムを蓄積するもの
である。

また、ＥＯＣでは炉心流量を増大させることにより、燃
料集合体の上部で高出力とし、ＢＯＣで蓄積されたプル
トニウムと残存ウランを燃焼させる。このような運転方
法はスペクトルシフト運転と言われている。

ＢＷＲのＢＯＣではウォータ・ロッドをボイド棒として
、すなわちウォータ・ロッドから水を排除するボイド棒
とし、また、ＥＯＣではウォータロッドとして利用でき
ればスペクトルシフト運転はより効果的となり、燃料の
経済性を大幅に向上させることができる。このような特
性は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）においても全く同様であ
る。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、その目
的は燃料経済性を向上させることができる燃料集合体を
提供することである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は核燃料を充填した複数本の燃料棒と、これら燃
料棒の下部から上部へ冷却材を案内する冷却材案内部材
とを有し、減速材を兼ねる冷却材に浸漬される炉心に装
荷される燃料集合体において、少なくとも中性子束が増
大すると上記冷却材案内部材の外部へ冷却材を案内し、
少なくとも中性子束が低下すると冷却材案内部材の内部
へ冷却材を案内する流量制御素子と、中性子束の増大に
伴って発熱により蒸気を生成する発熱体とが上記冷却材
案内部材の下部に設けられ、蒸気が増加すると、流路抵
抗を増大させ、蒸気が減少すると流路抵抗を減少させる
流路抵抗制御機構が上記冷却材案内部材の上部に設けら
れたものである。

（作用） ＢＷＲでは一般に流量を低下させると下部ピークを増大
させ、あるいは制御棒を中途挿入させると上部ピークと
することができる。炉心を通過する冷却材の流量を低下
させると炉心下部に出力ビーキングが出るような運転モ
ードでは、冷却材流量制御素子が冷却材を冷却材案内部
材の外部へ案内するとともに、発熱体が蒸気を多く発生
させる。また、蒸気の増加により流路抵抗制御機構が流
路抵抗を増大させる。したがって、冷却材案内部材の上
部１と多くの蒸気が蓄まり、減速材としての冷却材が減
少するため、スペクトルシフト効果により燃料棒の上部
にプルトニウムが多く生成・蓄積される。

一方、炉心を通過する冷却材の流量を増加させて炉心上
部に出力ピーキングを出すような運転法または、炉心下
部に制御棒を浅く挿入して発熱体の発熱を抑えるような
運転モードでは、冷却材流量制御素子が冷却材を冷却材
案内部材の内部へ案内するとともに発熱体からの蒸気の
生成は減少する。また、蒸気の減少により流路抵抗制御
機構が流路抵抗を減少させる。したがって、冷却材案内
部材内に多くの減速材兼冷却材が流れ、燃料棒の上部に
蓄積されたプルトニウムを燃焼させる。

（実施例） 本発明の実施例を第１図〜第５図に基づいて説明する。

なお、第１図〜第５図中、共通する部分には同一符号を
付して、その重複した部分の説明は省略する。

第１図は本発明の第１実施例の横断面図であり、この実
施例の燃料集合体２０は角筒状のチャンネルボックス２
１内に、正方格子状に配列された複数の燃料棒２２と、
これら燃料棒２２のほぼ中央部に配置された有蓋有底円
筒状の冷却材案内部材としてのウォータロッド２３を収
容している。

第２図は上記実施例の縦断面図であり、燃料棒２２とウ
ォータロツド２３はその上端部を上部タイプレート２４
に、また、その下端部を下部タイプレート２５の燃料支
持部２６により支持させ、これらの外周には角筒状のチ
ャンネルボックス２１を外嵌している。ウォータロツド
２３の下端部には流量制御素子２７が第１スペーサ２８
を貫通して設置されており、かつ第１の冷却材流路３０
の流入口３１は燃料支持部２６を貫通して下方に露出し
ており、そのすぐ隣には第２の冷却材流路３２の流入口
３３のための小穴３４が燃料支持部２６の中を貫通して
設置されている。この実施例においては第１スペーサ２
８が抵抗体となっている。流量制御素子２７の直上には
冷却材流出口３５がある。ウォータロッド２３の下端は
冷却材流出口３５となっているが、そのすぐ内側には発
熱体３６が設けられている。ウオータロッド２３の上端
部には流路抵抗制御機構４０が備えられる。

そして、これらはスペーサ４１によって常に一定の間隔
を保つようにまとめられている。なお、本実施例では、
軸方向出力分布のサイクルを通じた安定化、スクラム特
性改良、冷却材圧損低減等の炉心特性改良も考慮して、
ウォータ・ロッドは短尺化され、上部は細径とされてい
る例を示した。

第３図は上記実施例のウォータロツド２３、流量制御素
子２７、発熱素子３６、流路抵抗制御機構４０の部分の
みを取り出して拡大したものである。流量制御素子２７
には第１の冷却材流路３０と第２の冷却材流路３２とが
併設されている。第１の冷却材流路３０の流出口４３は
水平面と角度θで交わっており、第２の冷却材流路３２
の流出口４４は水平面と角度φで交わっている。θの値
はなるべく小さい方が良いが、あまり小さ過ぎると、流
量制御素子２７を大型にし、かつ圧損が大きくなり過ぎ
るので、３０度程度が最適である。

他方、φの値は第１の冷却材流路３０の流出口４３から
吐出されるパワージェットの向きを僅かにウォ〜タロッ
ド２３の内側に反らせる目的から、６０度程度に設定し
ておけば十分である。流量制御素子２７の最下端におい
て、第１の冷却材流路３０の流入口３１と第２の冷却材
流路３２の流入口３３との面積は流入口３１の方が大き
く、低流量時には以下に述べる流入口３３から始まる発
熱部分が十分に流量をブロックできるように流入口３３
との面積比を調節して決められる。

流量制御素子２７の斜線を施した部分４５はガンマ線に
よる発熱効果の大きい素材として例えばジルコニウム、
ハフニウム金属、またはそれらの耐蝕性を向上させるた
めに少量の錫、鉄、クロームなどを添加したジルカロイ
などの合金が適切である。この部材には雌ねじ４６のあ
る流入路が設けられており、前記の流出口４４につなが
っている。第３図の例では雌ねじ４６のある流入路は圧
損を高めるために蛇行して設けれられているが、流入口
３１と流入口３３との面積比の調節によって直線状に設
定することも可能である。

流量制御素子２７の斜線を施していない上端部分４７は
ガンマ線による発熱効果の少ない素材として、例えばチ
タン、シリコン、アルミニウムなどの金属ないしそれか
らつくられるセラミックスなどが適切である。

ウォータロッド２３の下端の構造材の周辺部４８はやや
内側に曲がっており、流出口４３から出た冷却水が流量
制御素子２７の上面に沿って流れて行けば、冷却材流出
口３５から直ちにウォータロッド２３の外に出て、燃料
棒２２の冷却に役立つようになっている。

このようにして、低流量時には、流量制御素子２７に流
入した冷却水はウォータロツド２３の中には流入せずウ
ォータロッド２３中の水の流れは実線のようになる。し
たがって、ウォータロツド２３の下方に設けられた発熱
体３６によって発生したボイドはウォータロツド２３の
上方にトラップされる。

発熱体３６とガンマ線による発熱効果の少ない上端部分
４７との間の部材４９は両者の間を断熱する目的からや
はりガンマ線による発熱効果の少ない素材によって構成
されると同時に、冷却効果の向上の目的から部材４９に
はねじ溝またはフィンが設けられている。

ウォータロッド２３の上端部側面には横穴の排出口５１
を穿設し、この排出口５１よりも炉水の流れ方向上流側
（第３図では下方側）で、かつ近傍にてウォータロッド
２３内にオリフィス板５２を水平方向に平行に固定して
いる。

オリフィス板５２はその板厚方向に貫通するオリフィス
５３を複数個穿設しており、これらオリフィス５３はそ
の孔径を炉水のボイド（気泡）に対しては流路抵抗が大
きい反面、液相に対しては小さくなるように設定してい
る。

したがって、オリフィス板５２はオリフィス５３を通る
炉水のボイドが増大するときに、その流路抵抗を連続的
に増大せしめて、ウオータ。，，ド２３内を通水する炉
水の通水量を減少させる一方、ボイドの減少に応じて流
路抵抗を連続的に低減せしめて、ウォータロツド２３内
を通水する炉水の通水量を増大させることができ、流路
抵抗制御機構４０に構成されている。

次に、本実施例を例えばＢＷＲ型原子炉の炉心に装荷し
た場合の作用について説明する。

ＢＷＲ型原子炉の炉心に装荷された燃料集合体２０の軸
方向出力分布は第４図（Ａ）に示すように分布し、その
出力ピークはＢＯＣでは燃料集合体２０の有効発熱部下
端（以下、下端という）から１／４Ｌ付近までの下部に
あるが、運転サイクル中期（以下、ＭＯＣという）から
ＥＯＣへ進行するに従って、燃料集合体２０の上部へと
次第に移行して行く。

このような軸方向分布の主たる原因は第４図（Ｂ）で示
すボイド率変化に起因し、燃料集合体２０の下端からほ
ぼ３／４Ｌ付近までのボイド率がＢＯＣからＭＯＣ，Ｅ
ＯＣへと進行するに従って順次低下する。これは炉水の
炉心流量がＢＯＣで最小であり、ＭＯＣ，ＥＯＣへと順
次進行するに従って増大し、炉水圧力が昇圧してボイド
を潰す効率が向上するためである。

ここで、炉心を通過する冷却材の流量を低下させ、かつ
炉心下部に出力ピーキングを出すような運転モードでは
、冷却材流量制御素子２７の第２の冷却材流路３２を構
成する物質は中性子束増大に起因したガンマ線による発
熱量も増大し、第２の冷却材流路３２の流入口３３に設
けられた雌ねじ４６の部分にボイドが発生するため圧損
が大きくなり、流路は閉じた状態になる。他方、冷却材
流量制御素子２７の第１の冷却材流路３０の流入口３１
は大きな開口部を有し、どのような運転状態においても
冷却材は流入し、冷却材の流出口４３がウォータロツド
２３の水平断面に対してほぼ３０度の角度で外に向って
いるために、狭い流出口３４から出た冷却材はジェット
状になって、絶えず冷却材流量制御素子２７の上面に沿
ってウオタロツド２３の外部へ流出してしまう。同時に
ウォータロッド２３の下端中央部分に設けられた発熱体
３６は同様に中性子東増大に起因したガンマ線による発
熱効果によりウオータロツド２３の中に大量の蒸気を発
生させる。

したがって、流量制御素子２７と発熱体３６との相乗効
果によって、ＢＯＣからＭＯＣにかけてはウオータロッ
ド２３内から外側へ炉水が排出されると同時にウオータ
ロツド２３内にボイドが多く発生してオリフィス板５２
の下面側ではオリフィス５３に溜まるので、ここでのボ
イド率が高まり、液相の炉水の流路が狭隘化して各オリ
フィス５３の流路抵抗が連続的に増大し、これらオリフ
ィス５３を通る液相の通水量が減少し、排出口５１より
外部へ流出して、燃料棒２２の上端部へ案内される炉水
が減少する。

したがって、これら燃料棒２２の上端部では液相の炉水
による中性子減速効果が低減し、燃料棒２２内上端部に
はより多くのプルトニウムが生成し、蓄積される。

一方、炉心を通過する冷却材の流量を増加させた運転法
において、炉心上部に出力ピーキングを出すかまたは、
炉心下部に制御棒を浅く挿入して発熱体の発熱を抑える
ような運転モードでは、冷却材流量制御素子２７の第２
の冷却材流路３２の発熱減少のために、流路に発生する
ボイドの減少と、冷却材流量の増加とにより第２の冷却
材流路３２は開いた状態となり、冷却材が噴出してくる
。

このため、第１の冷却材流路３０の流出口４３からウォ
ータ・ロッド２３の外に噴出しているジェット流の流れ
は、その向きをウォータ・ロッド２３の内側に曲げられ
、それまでにウォータ・ロッド２３内に溜っていた蒸気
を上端部の流路抵抗制御機構４０から押し出し、ウォー
タ・ロッド２３の中は冷却材によって満たされる。

すなわち、ＥＯＣでは再循環流量がＢＯＣのときよりも
増大され、炉水の炉心流量も増大されるので、第４図（
Ａ）に示すように軸方向出力分布は上方に移動するため
、流量制御素子２７と発熱体３６とによるガンマ線発熱
効果は相対的に減少する。したがって、オリフィス板５
２の下面側に溜まるボイドが低減するので、その分、各
オリフィス５３の流路抵抗が連続的に低減している。し
かも炉心流量が増加しているために燃料棒支持部２６に
開けられた小穴３４を通る炉水は流量制御素子２７の流
入口３３に流入すると、発熱の減少によりボイドは流入
口３３の中では減少し、炉水は容易に第２の流出口４４
からウオータ・ロツド２３の内側へ向けて吐出し、第１
の流出口４３から出るパワージェットの方向をウォータ
・ロッド２３の内側に反らせる。このジェット流は前記
流路抵抗が連続的に低減しているオリフィス５３を容易
に通過し、ＭＯＣまで蓄えられていたウォータ・ロツド
２３内のボイドを排出してしまうと同時に燃料棒２２の
上端部へ案内される炉水が増大する。

したがって、これら燃料棒２２の上端部では液相の炉水
による中性子減速効果が増大し、ＢＯＣの際に燃料棒２
２内上端部に蓄積されたプルトニウムを燃焼することが
できる。その結果、プルトニウムを燃焼することができ
る分だけ、燃料経済性の向上を図ることができる。

第５図は本発明の第２実施例の縦断面図を示している。

この実施例では抵抗体として下部タイプレート２５の燃
料支持部２６が機能している。流料制御素子２７の第１
の冷却材流入口３１ばかりでなく第２の流入口３３もま
た燃料支持部２６の下部に露出している。したがって、
第３図の小穴３４は不要となる。燃料集合体２２のこの
付近では中性子束が小さいため、流量制御素子２７のガ
ンマ線による発熱効果はほとんど期待できないので、こ
の実施例では２つの流入口３１と３３との面積比を調整
することによって第１と第２の流路に入る流量を制御す
る。あるいは流入口３３の部分にオリフィスを設けるこ
とによっても、流量制御は可能になる。発熱体３６はＢ
ＯＣで軸方向出力分布がピークとなる付近ないしやや下
方に設置すれば効果的であり、ここでは第１スペーサ２
８よりもやや上の所にある。当然のことながら、この実
施例では第１スペーサ２８は他のスペーサ４１と全く同
様に、圧損の少ない構造となっている。

発熱体３６を流量制御素子２７に保持する連結部４９は
十分に長くなるので、熱除去のためのフィンなどは必要
としない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料集合体の第１実施例の横断面
図、第２図は第１実施例の縦断面図、第３図は第１実施
例におけるウオータロツド、流量制御素子、発熱体、お
よび流路抵抗制御機構を示す拡大図、第４図（Ａ），（
Ｂ）は一般的な燃料集合体の軸方向出力分布とボイド分
布をそれぞれ示すグラフ、第５図は第２実施例の縦断面
図、第６図は従来の燃料集合体の縦断面図である。 ２０・・・燃料集合体、２１・・・チャンネルボックス
、２２・・・燃料棒、２３・・・ウオータロツド、２４
・・・上部タイプレート、２５・・・下部タイプレート
、２６・・・燃料支持部、２７・・・流量制御素子、２
８・・・第１スペーサ、３０・・・第１の冷却材流路、
３１・・・流入口、３２・・・第２の冷却材流路、３３
・・・流入口、３４・・・小穴、３５・・・流出口、３
６・・・発熱体、４０・・・流路抵抗制御機構、４３．
４４・・・流出口、４６・・・雌ねじ、４８・・・周辺
部、５１・・・排出口、５２・・・オリフィス板、５３
・・・オリフィス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 核燃料を充填した複数本の燃料棒と、これら燃料棒の下
   部から上部へ冷却材を案内する冷却材案内部材とを有し
   、減速材を兼ねる冷却材に浸漬される炉心に装荷される
   燃料集合体において、少なくとも中性子束が増大すると
   上記冷却材案内部材の外部へ冷却材を案内し、少なくと
   も中性子束が低下すると冷却材案内部材の内部へ冷却材
   を案内する流量制御素子と、中性子束の増大に伴って発
   熱により蒸気を生成する発熱体とが上記冷却材案内部材
   の下部に設けられ、蒸気が増加すると、流路抵抗を増大
   させ、蒸気が減少すると流路抵抗を減少させる流路抵抗
   制御機構が上記冷却材案内部材の上部に設けられたこと
   を特徴とする燃料集合体。