JPH03249594A - 燃料集合体及び原子炉 - 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、燃料集合体に係り、特に軽水減速型原子炉に
装荷するのに好適な燃料集合体に関するものである。

〔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
てプルトニウム増倍型ＢＷＲ（以下Ｐｕ増倍炉と略す）
が開発されている（特願昭５９−２５１３８９号）。Ｐ
ｕ増倍炉では、原子炉運転時における核分裂性Ｐｕの発
生量と消減量がほぼ同じで、炉心に装荷される燃料集合
体中の核分裂性Ｐυの量と使用済燃料集合体中の核分裂
性Ｐｕ量の比が、はぼ１．０　となる。このような炉心
核特性を達成するために、燃料体を三角配列に配置して
稠密化することにより、燃料集合体中の水対燃料体積比
（Ｈ／Ｕ比）を小さくする。

Ｐｕ増倍炉に用いられる従来の燃料集合体は、上部タイ
プレート、燃料スペーサ、複数本の燃料棒、下部タイプ
レート、及びこれを収納するチャンネルボックスより構
成される。燃料集合体のＨ７Ｕ比を小さくするために、
燃料棒４は三角配列の最密充填構造となる。従って、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
イプレートは燃料体の両端部を保持している。燃料スペ
ーサは、軸方向に間隔を置いて複数個設けられ。

燃料棒を整列させて横方向に支持する。燃料体の束を取
囲むチャンネルボックスは、水平断面が六角形状の筒状
をしている。

このようなＰｕ増倍炉の燃料集合体において、Ｈ／Ｕ比
を小さくするため、燃料棒間クルアランスを小さくして
いくと、燃料集合体上下間における圧力損失が大きくな
る。この圧力損失を減少する。

稠密格子の燃料集合体の一例が、特開昭６２−２７３４
８５号公報に記載されている。この燃料集合体は、燃料
棒の長さを従来の１／２にし、中間タイプレートを設け
たものである。燃料棒の上端は。

中間タイプレートに支持される。中間タイプレートは、
連結管により上部タイプレートに結合される。

Ｐｕ増倍炉の燃料集合体に用いる制御棒としては、複数
の円柱形状の制御要素（クラスター）からなる制御要素
集合体を用いる。このクラスター型制御棒の挿入方式と
しては、（１）炉心上部より挿入するタイプ（タイプ１
）と、（２）炉心下部より挿入するタイプ（タイプ２）
が検討されている。

第４図に示した燃料集合体は、タイプ１の制御棒挿入方
法に基づく構造例である。Ｐｕ増倍炉にタイプ１の制御
棒形状及び挿入方法を適用した場合、制御棒案内管が、
炉心上部の気水分Ｗｌ器及びドライヤ内を貫通する構造
となる。このような原子炉構造は、複雑である上に、炉
容器全体も大型化する欠点がある。そのため、クラスタ
ー型制御棒の燃料集合体への挿入方法としては、炉心下
部から挿入するタイプ２が望ましい。

さらに、Ｐｕ増倍炉の炉心では、転換比を高くするため
燃料集合体間のギャップを現行ＢＷＲの燃料集合体間隔
の１／１０程度に狭くする。そのため、現行ＢＷＲのよ
うに上部格子板を燃料集合体上部の集合体間に挿入する
ことはできず、燃料集合体の炉心径方向の位置ぎめが難
しくなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

特開昭６２−２７３４８５号公報の燃料集合体は、中間
タイプレートを支持する新たな連結管を設ける必要があ
り、構造が複雑になる。

本発明の目的は、構造が簡単でしかも転換比を増大でき
る燃料集合体及び原子炉を提供することにある。フォロ
ワ一部を先端部に設けたクラスター制御棒が、燃料バン
ドル中に燃料集合体の下部から挿入可能な構造を持ち、
炉心装荷期間中に生じる各種の負荷に対しても機械的、
熱的に安定な燃料集合体及び原子炉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、複数の燃料棒と、前記燃料体間に配置され
前記燃料体よりも軸方向の長さが長い複数の中空の制御
棒案内管と、前記燃料棒及び前記制御棒案内管の下端部
を支持する下部タイプレートと、前記制御棒案内管の上
端部が取付けられる上部タイプレートと、前記上部タイ
プレートよりも下方に位置して前記制御棒案内管に設け
られ、前記燃料棒の上端部を支持する燃料棒上部支持部
材とを備えたことによって達成できる。

〔作用〕

燃料体の上端部を支持する燃料棒上部支持部材を燃料集
合体の構成要素である制御棒案内管に設けられるので、
その部材を支持するために他の部材を設ける必要がなく
、燃料集合体の構造が簡単になる。また、燃料棒よりも
長さの長い制御棒案内管を設けているので、フォロワ一
部を有する制御棒を制御棒案内管内に挿入することがで
き、プルトニウム転換比が向上する。フォロワ一部を先
端部に設けたクラスター制御棒が、燃料バンドル中に燃
料集合体の下部から挿入可能な構造を持ち、炉心装荷期
間中に生じる各種の負荷に対しても機械的、熱的に安定
である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例である燃料集合体を図面に基づ
いて詳細に説明する。第１図に本実施例における燃料集
合体を示す。

本実施例の燃料集合体５０は、一定長さのフォロワ一部
を先端部に設けたクラスター制御棒が下端部より挿入さ
れるため、クラスター制御棒が挿入される制御棒シンプ
ル管３を有する。制御棒シンプル管３は、下部タイプレ
ート７のシンプル管取付部７ａより上部タイプレート１
のシンプル管取付部１ａまで貫通し、各々のシンプル管
取付部７ａに取付けられる６制御捧シンプル管３は、第
２図に示したように燃料棒４の中に分散して配置する。

本実施例では、１５１本の燃料棒４に対して１８本の制
御棒シンプル管３を設ける。燃料棒４の下端部は、下部
タイプレート７の燃料保持部７ｂにて支持される。燃料
保持部７ｂは、シンプル管取付部７ａよりも上方にある
。

Ｐｕ増倍炉では、燃料棒４間隔が狭くなるため圧力損失
が増大し、燃料棒４に対する上方への揚力が大きくなる
。従来の燃料集合体のように、各燃料棒を燃スペーサの
拘束力のみで所定位置に保持することは難しい。このた
め、燃料集合体５゜は、各燃料棒３の上部端栓を挿入す
る燃料棒端栓支持板２を、上部タイプレート１のシンプ
ル管取付部１ａよりも下方の位置で制御棒シンプル管３
に取付ける。燃料棒端栓支持板２は、燃料棒３の上部端
栓を支持する。この燃料棒端栓支持板２を設けることに
より、揚力による燃料棒３の上方への浮上がりを防止で
きる。燃料棒端栓支持板２は、制御棒シンプル管３を介
して上部タイプレート２に保持される。

制御棒シンプル管３と上部タイプレート１、燃料棒端栓
支持板２及び下部タイプレート７とのそれぞれの係合構
造を、第３図及び第４図により説明する。

第３図は、上部タイプレート１のシンプル管取付部１ａ
及び燃料棒端栓支持板２と制御棒シンプル管３との係合
構造を示す。

制御棒シンプル管３は、内部にクラスター型制御棒に設
けられた１本の中性子吸収棒を挿入するために、中空部
を有する。この中空部は、制御棒シンプル管３の下端で
開口する。制御棒シンプル管３の上端部は中実であり、
この中実部の直径が大きくなっている。この部の外側に
ネジが設けられる。中実部がシンプル管取付部１ａ内に
挿入される。この状態で制御棒シンプル管３の上端部に
ナツト５１が取付けられ、制御棒シンプル管３は、シン
プル管取付部１ａに結合される。また、制御棒シンプル
管３と燃料棒端栓支持板２は、制御棒シンプル管３に設
けられた止め金２７と燃料棒４の上部端栓２９に装着す
る膨張スプリング３０により結合される。なお、制御棒
シンプル管３と燃料棒端栓支持板２とを溶接にて接合す
ることも可能である。

第５図は、下部タイプレート７のシンプル管取付部７ａ
の横断面を示す。シンプル管取付部７ａは、制御棒シン
プル管３の貫通孔３３と冷却材流通孔３２が設けられる
。貫通孔３３の幾つかに対しては１貫通孔３３の外周部
に制御棒シンプル管３の下端部に設けた止め金部３５Ａ
及び３５Ｂが貫通可能な溝３４が設けられる。

第４図は、止め金部３５Ａ及び３５Ｂを設けた制御棒シ
ンプル管３を下部タイプレート７に結合した状態を示す
。止め金部３５Ａは、下部タイプレートの燃料保持部７
ｂの下面に接する制御棒シンプル管３の下部タイプレー
ト上部の下面７ａに接する位置と下部タイプレートの底
面の上面７ｂに接する位置と２ケ所に設けられる。止め
金部３５Ｂは、シンプル管取付部７ａの上面に接するよ
うに制御棒シンプル管３に設けられる。止め金部３５Ａ
及び３５Ｂを設けた制御棒シンプル管３は、溝３４が設
けられた貫通孔３３に挿入される。

止め金部３５Ａ及び３５Ｂが、溝３４を通って移動する
。止め金部３５Ｂがシンプル管取付部７ａを抜けた位置
で制御棒シンプル管３を９０’回転させることにより、
止め金部３５Ａ及び３５Ｂによって下部タイプレート７
と制御棒シンプル管３とが結合される。制御棒シンプル
管３は、この状態で上部タイプレート１に前述したよう
に取付けられるので、回転が防止される。下部位置決め
ピン穴２５が、下部タイプレート７の側面に設けられる
。制御棒シンプル管３の下端部は、燃料保持部７ｂより
も下方、すなわち下部タイプレート７の下端部に位置す
るシンプル管取付部７ａに取付けられているので、後述
するような中性子吸収棒１０の制御棒シンプル管３への
下方からの挿入が容易である。

さらに、下部タイプレート７の上部から上部タイプレー
ト１の底面まで束ねられた燃料棒４を内包する形でチャ
ンネルボックスが設けられる。

第６図及び第７＠により燃料集合体５０の上部タイプレ
ート１−の構造を詳細に説明する。上部タイプレート１
は、シンプル管取付部１ａの上方に六角形のリング状を
したハンドリング部１ｂを有する。シンプル管取付部１
ａとハンドリング部１ｂとは、コーナー部に位置する支
柱部１ｃによって結合されている。このように上部タイ
プレート１は１箱型の六角形状をなし、各側面が、コー
ナー部と上下端部を除いて切り抜かれる。これは。

上部タイプレート１の重量を低減すると同時に、燃料集
合体移動時のハンドリング部１ｂを形成するためである
。第７図は制御棒シンプル管３を取除いた状態でのシン
プル管取付部１ａを上方から見た状態を示す。シンプル
管取付部１ａも、シンプル管取付部７ａと同様に、冷却
材流通孔３２、及び制御棒シンプル管３が挿入される貫
通孔３３を有する。一部の支柱部１ｃに、上部タイプレ
ート１の底面から最上面まで達するホールドダウンスプ
リング２０が設けられる。このホールドダウンスプリン
グ２０は、燃料集合体５０が炉心内に装荷された状態で
、上部タイプレート１の最上面を上方から押える上部炉
心格子板１３（第１０図）に接触し、燃料集合体５０全
体をそのバネ力により軸方向下方に押えつける役割を果
たす。

さらに、上部タイプレート１の最上面の所定のコーナー
部には、第７図に示したように円錐形のピン穴２１を設
ける。このピン穴２１には、上部炉心支持板１３の下面
に設置した円錐形の位置ぎめピン１４（第１０図）が挿
入される。各燃料集合体５０は、この位貢ぎぬピン１４
により炉心半径方向での位置決めがなされる。

第８図は、燃料棒端栓支持板２の詳細構造を示す。燃料
棒端栓支持板２は、全燃料棒４及び制御棒シンプル管３
の端栓部を挿入するボス穴２３を連結グリッド２４によ
り結合したものである。燃料集合体５０で用いる燃料ス
ペーサ６を第９図に示す。圧力損失を最小限におさえる
ため、投影面積を小さくする複数の円筒を接合して作ら
れる。

第１０図は、燃料集合体５０を炉心に装荷した沸騰水型
原子炉を示す。原子炉圧力容器１９は、内部に炉心シュ
ラウド１６を有し、炉心シュラウド１６の上方を上部シ
ュラウド１５で覆っている。

各燃料集合体５０は、下部炉心支持板１］を介して制御
棒案内管１２の上方に装荷される。上部炉心格子板１３
が炉心シュラウド１６の」二端部に設けられ、燃料集合
体５０は、その上端が上部炉心格子板１３に接触するこ
とにより支持される。

上部炉心格子板１３の下面には、各燃料集合体５０の上
部タイプレート１の最上面のピン穴２］に挿入できるよ
う位置ぎめピン１４を設ける。また、上部炉心格子板１
３は上部シュラウド１５と結合されており、炉心シュラ
ウド１６の上部に連結する。

上部炉心格子板１３を設けることにより、燃料集合体５
０がその上下間での圧力損失増大により上方への過大な
揚力を受けても燃料集合体５ｏの浮き上がりを防止でき
る。

図示されていないが、燃料集合体５０の下端部を支持す
る燃料支持金具に設けられた位置決めピンが、下部タイ
プレート７の位置決め穴２５に挿入される。これにより
、下部タイプレート７の位置決めがなされる。燃料支持
金具は、制御棒案内管１２に支持される。

クラスター型制御棒８は、制御棒駆動装置６０により制
御棒案内管１２内を上下動する。クラスター型制御棒８
は、第２図に示すように３体の燃料集合体５０に対して
１体設けられる。１体のクラスター型制御棒８に設けら
れた中性子吸収棒１０（第１１図）は、３体の燃料集合
体５０の各制御棒シンプル管３内にシンプル管３の下端
から挿入される。第１１図は、中性子吸収棒１０を制御
棒シンプル管３内に挿入した状態を示す。１体の燃料集
合体５０内に挿入される複数の中性子吸収棒１０は、下
端部において制御棒８．アーム２６に取付けられ一つの
クラスターを構成する。

３個のクラスターが一つの駆動軸９に取付けられ。

クラスター型制御棒８はこのように構成される。

駆動軸９は、制御棒駆動装置６０に連結される。

クラスター型制御棒８の中性子吸収棒１０は、中性子吸
収部とその上方に位置するフォロワ一部とを有する。中
性子吸収部には、中性子吸収材（例えばＢ４Ｃ）が充填
される。中性子吸収棒１０が全挿入された状態で、フォ
ロワ一部は、燃料棒４よりも上方の制御棒シンプル管３
内の空間を占有する。フォロワ一部は、制御棒シンプル
管３内の冷却水を排除する機能を有し、中性子吸収断面
積の小さい物質で構成される。中性子吸収部及びフォロ
ワ一部の長さは、燃料棒４の長さに等しい。

第１２図は、制御棒８を燃料集合体５０から弓き抜いた
状態を示す。制御棒８の中性子吸収部は燃料集合体５０
内から引き抜かれるが、フォロワ一部は制御棒シンプル
管３内に位置する。このため、フォロワ一部が残存して
いる領域での水対ウラン比が減少し、プルトニウム転換
比を高めることが可能となる。

このような本実施例によれば、制御棒シンプル管３の長
さが、燃料棒４の長さよりも長いので、先端部にフォロ
ワ一部を有する制御棒を下方より容易に燃料集合体５０
内に挿入することができる。

原子炉の起動、停止時にのみ炉心内に挿入され通常の出
力運転時（例えば定格出力運転時）に中性子吸収部が全
引抜きされる制御棒においては、フォロワ一部が燃料集
合体内に残っているので、プルトニウム転換比が向上す
る。また、燃料棒４の上端部を支持する燃料棒端栓支持
板２を、制御棒シンプル管３に取付けるので、燃料棒端
栓支持板２を保持するための部材を新たに設ける必要は
なく、燃料集合体５０の構造は単純な構造である。

燃料棒４が制御棒シンプル管３よりも短かいので、燃料
集合体５０の圧力損失が、小さくなる。また、燃料集合
体５０の上端が上部炉心格子板１３で支持されるので、
燃料集合体において上下間での圧力損失が増大し燃料集
合体全体に過大な揚力が生じても機械的に安定な構造を
保つことができる。

更に、原子炉の通常運転時において、出力制御用の制御
棒８の中性子吸収棒１０は制御棒シンプル管３内に挿入
されているので、フォロワ一部が燃料棒上端支持板２よ
りも上方に位置していてもフォロワ一部が制御棒シンプ
ル管３外を流れる冷却水及び蒸気の二相流と接触しない
。このため、フォロワ一部の流動振動を防止でき、中性
子吸収棒１０の損傷を回避できる。

燃料集合体５０を交換するときは、この燃料集合体５０
内に１個のクラスターを挿入した状態で燃料集合体５０
を炉心外に取出し移動する。フォロワ一部が制御棒シン
プル管３内に挿入されているので、燃料集合体５０の上
記移動に際してフォロワ一部が揺れることがない。この
ため中性子吸収棒１０が損傷を受けなく当該クラスター
の再利用ができる。このクラスターは新燃料集合体の制
御棒シンプル管内に挿入した状態（クラスター及び燃料
集合体が燃料交換機に吊下げられる）で炉心内に装荷さ
れる。特開昭６２−２７３４８５号公報では。

下部タイプレートと中間タイプレートを結合用燃料棒で
連結する必要があるが、本実施例ではこの結合用燃料棒
が不要である。これによっても、集合体の構造が簡単に
なる。

また、本実施例では、燃料集合体中心部から放射状に複
数の薄板状の制御要素を持った制御要素集合体を、炉心
下部から燃料集合体内部に挿入するため、従来例のタイ
プ１で生じる炉心上部構造の複雑化、及び原子炉容器上
部の大型化が回避できる。また、現行ＢＷＲの炉心上部
構造がそのまま用いられるので、現行炉と同様の構造的
安定性を確保することができる。

前述の実施例における燃料集合体及び炉心の構成は、現
在、Ｐｕ増増倍炉外外次世代軽水炉として開発が進めら
れている各種高転換炉にも適用可能である。これらの炉
では、運転中の転換比を高めるため、燃料棒配列を密に
した空密格子の燃料集合体を使用する。このような燃料
集合体では、Ｐｕ増増倍上同様に、圧力損失の増大に伴
う燃料集合体の浮き上がり防止対策が必要不可欠となる
さらに、各種高転換炉では、制御棒引き抜き時の転換比
を高めるため制御棒にフォロワーを付ける可能性が高く
、この場合、燃料集合体構造を現行のものから大きく変
更する必要がある。しかしながら前述の実施例の燃料集
合体及び原子炉構造を用いれば、これらの各種高転換炉
においても、上記問題点を解決することができる６ 〔発明の効果〕 本発明によれば、圧力損失の小さい燃料集合体を簡単な
構造で得ることができる。また、フォロワ一部が制御棒
案内管内に挿入されるので、中性子吸収棒の損傷を防止
できると共にプルトニウム転換比を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料集合体の一実施例の縦断面図
、第２図は第１図の燃料集合体３体の横断面図、第３図
は第１図の上部の詳細縦断面図、第４図は下部タイプレ
ートの詳細縦断面図、第５図は第４図の■−■断面図、
第６図は第１図の上部タイプレートの側面図、第７図は
上部タイプレートの平面図、第８図は第１図の燃料棒端
栓支持板の横断面図、第９図は第１図の燃料スペーサの
横断面図、第１０図は第１図の燃料集合体を装荷した原
子炉の縦断面図、第１１図はクラスター型制御棒が燃料
集合体内に挿入されている状態を示す説明図、第１２図
はクラスター型制御棒が燃料集合体から引き抜かれた状
態を示す説明図である。 １・・・上部タイプレート、１ａ・・・シンプル管取付
部、２・・・燃料棒端栓支持板、３・・・制御棒シンプ
ル管、４・・・燃料棒、５・・・チャンネルボックス、
７・・・下部タイプレート＝７ａ・・・シンプル管取付
部、７ｂ・・・燃料保持部、８・・・クラスター型制御
棒、１０・・・中性子吸収棒、１１・・・下部炉心支持
板、１２・・・制御棒案内管、１３・・・上部炉心格子
板、１９・・・原子上第 図 第 ２ 図 制御棒駆動機構 第 図 ０ ・膨張スプリング 第 図 了ａ・・・シングル管取付部 ７ｂ・・・燃１保持部 ２６・・・下部位置決めビン穴 ３６・・止め金部 第 図 第 ６ 図 ｂ ２０・・ホ ルトダウンスプリング 第 図 第 図 第 図 第 ０ 図 １１　下部炉・シ・支持板 １２・制御棒案内管 １３　上部炉＋Ｑ格子板 １４　位置ぎめピノ １６　上部ンユラウド １６・炉ｒし一シュラウド １９　原子炉圧力８雌 ６０・燃料集合体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数本の燃料棒と、前記燃料棒間に配置され前記燃
   料棒よりも軸方向の長さが長い複数の中空の制御棒案内
   管と、前記燃料棒及び前記制御棒案内管の下端部を支持
   する下部タイプレートと、前記制御棒案内管の上端部が
   取付けられる上部タイプレートと、前記上部タイプレー
   トよりも下方に位置して前記制御棒案内管に設けられ、
   前記燃料棒の上端部を支持する燃料棒上部支持部材とを
   備えたことを特徴とする燃料集合体。 ２、前記上部タイプレートが、中空の六角柱形状をなし
   、前記制御棒案内管の上端部を前記上部タイプレートの
   底部に取付け、前記上部タイプレートのコーナー部に底
   面から上面まで到達するスプリングを設けた請求項１の
   燃料集合体。 ３、前記上部タイプレートの最上面が平坦で内部が空洞
   となる形状をなし、該最上面の六角形状の各コーナー部
   に、ピン穴を設けた請求項１の燃料集合体。 ４、前記下部タイプレートは上端部で前記燃料棒の下端
   部を支持し、下端部で前記制御棒案内管を支持する構造
   を有する請求項１の燃料集合体。 ５、請求項１の燃料集合体が装荷された炉心を有し、前
   記燃料集合体の上部タイプレート上面に接触する部材を
   有する原子炉。 ６、前記上面に接触する部材が、各燃料集合体の上部タ
   イプレート上面に設けられているピン穴に挿入可能な複
   数の位置ぎめピンを有する請求項５の原子炉。