JPH0328794A - 沸謄水型原子炉用燃料集合体とその冷却水流通用水管 - 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、一般的には沸騰水型原子炉（ＢＷＲ〉用燃料
集合体に係り、特にその冷却水流通用水管（丸型ウ才一
タロッド、角型ウ才一タチャンネル）の改良に関する。

更に詳述ずれは、燃料集合体内の二相流部の流路断面積
を増加させ、集合休圧損特性を改善するための燃料集合
体構成及びそれに用いる冷却水流通用水管の構造に関す
る。

即ち、燃粕集合体のボイト発生による圧損の大きい二相
流部を低圧損化することにより、ＢＷＲのチャンネル安
定性及び炉心安定性の向上を図ることが本発明の技術分
野に含まれる。

［従来の技術］ 本項では従来のＢＷＲ用燃料集合体として、先ず８×８
型燃料集合体の燃料棒、冷却水流通用水管、集合体全体
の各構成について説明し、次いで９×９型燃料集合体に
ついて説明する。

〈燃料棒〉 第６図（Ａ）に燃料棒の構成を示す。

燃料棒８ｌは、焼結された二酸化ウランベレット１ａを
ジルカロイ製の被覆管１ｂに充填し、更に被覆管１ｂの
上方のブレナム領域にブレナムスプリング１ｃを配置し
て熱伝導度の良い不活性ガス（ヘリウム）を封入し、被
覆管１ｂの土下端をそれぞれ上部端栓１ｄ，下部端栓１
ｅで密封溶接して構成されている。ここでウランベレッ
ト１ａの装填された燃料有効長（ウラン部分）は通常は
約３７０ｃｍであり、ブレナム長さ（ブレナム領域の軸
方向長さ）は通常は約３０ｃｍである。

〈冷却水流通用水管〉 第６図（Ｂ）に冷却水流通用水管（図示の例ではウ才一
タロッド）の構成を示す。

クオータロットｗｒ（以下、”　ｗロッド′゛と略称す
）は内部に燃料物質を含まず中空であり、燃料棒８１と
同様に本体の上下部に上下部端栓１ｄ１ｅが溶接され、
これら端栓１ｄ，Ｉｅの付近にそれぞれ設けられた上部
オリフィス孔ｈ１，下部オリフィス孔ｈ２を介して適量
に制御された未沸騰水が下部から上部へ貫流するように
なっている。

〈８×８型燃料集合体〉 第７図に炉心装荷状態にある８×８型燃粕集合体の横断
面構威を示す。

図において、全体を符号８ｏで示される８×８型燃料集
合体く以下、”８×８燃料゜゜と称する）は、ＮＯ．１
〜Ｎ０．６２の計６２木の上記燃料棒８１と、２木の上
記Ｗロットとを８行８列の正方格子状に配列して燃料バ
ンドルを構成し、これらをジルカロイ製のチャンネルボ
ックス８５に収めたものであり、図示のように十字型制
御棒Ｃｒｋ：隣接して原子炉に装荷される。原子炉の出
力運転中は、冷却水が燃料下部から上部に向かって流れ
、燃料棒８１の発生熱を除去する。尚、図示のｉは計装
管を示す。

この８×８燃料８０の全体的な構造は第８図に示す通り
である。

第８図において、燃料棒８１及びＷロットは、上部タイ
ブレート８２と下部タイブレート８３によって固定され
る。また、集合体に沿って一定間隔でスベーサ８４が配
されさており、燃料棒間隔が一定に保たれるようになっ
ている。

〈９×９型燃料集合体〉 ところで近年は燃料の高燃焼度化を図る目的で、上述の
８×８燃料８０に代って９×９型燃料集合体が採用され
つつある（例えば特開昭６２１１８２９７号公報参照〉
。

第９図に９×９型燃料集合休（以下、″従来型９×９燃
料”と称する）の一構成例を示す。図において全体を符
号９０で示される従来型９×９燃料の構成要素９１，９
２．　　・・・，９５は、夫々上記８×８燃料の構成要
素８１，８２，　　・・・８５に対応している。

図示の構威例では水管として１木の３×３型ウ才一タチ
ャンネルＷ（以下、”　ｗチャンネル′゜と略称す）を
備え、燃料棒９１は７２本配置されている。ここで燃料
棒９１の構造は、燃料棒直径及び燃料濃縮度を除いては
８ｘ８燃料用燃料棒８１と同様である。一方、Ｗチャン
ネルは、中性子の減速を促進して燃料集合体の反応度を
高めると共に、水刻ウラン比を制御してボイド係数を適
正化する重要な構成要素であるが、Ｗヂャンネルの冷却
水流量について詳述すれば、以下の通りである。

原子炉出力運転状態においてＷチャンネルに流通する冷
却水流量か多過ぎると、燃料棒９１の冷却に使われるイ
ンヂャンネル流量か減少し、燃料棒９１の冷却能力が低
下するのて危険である。逆に玲却水流量が少ない場合は
、Ｗチャンネル内の冷却水とγ線．中性子との反応及び
Ｗチャンネル側壁を通しての熱伝達に起因する発熱によ
りＷチャンネル内に蒸気泡（ボイト）が発生し、中性子
減速の妨げとなる。

従って、原子炉出力運転時におけるＷチャンネル内のボ
イト発生は避ける必要かある。このため従来では第１０
図に示す如くｗチャンネルの上下部端栓Ｗ１，Ｗ２に上
下部オリフィス孔ｈ３，ｈ４を設け、冷却水の流通を適
量に制御された状１態にするようにしている。

尚、従来の水管（Ｗチャンネル，Ｗロット）は、その軸
方向全長か燃料棒の軸方向全長とほぼ同一であり、板厚
は軸方向に一定（例えばＷチャンネルては０．７ｍｍ）
となっている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような９×９燃料９０は、８×８燃料８０に比す
ると、燃料の高ｆＡ縮度化を図ると同時に燃料棒本数を
増加させたことにより、同一の出力条件で燃料棒一本あ
たりの出力が下がり、温度が低減されるという利点を有
している。

しかしながら、燃料棒本数の増加に伴って圧損も増加し
てしまう。更に、９×９燃料９０では、燃料の高濃縮度
化に対応して集合体中央部の非沸騰水領域の面積を大き
くするために、通常は大口径の水管（例えは大口径Ｗロ
ット或いは第１０図の例におリるＷヂャンネル等）が採
用されている。この水管の大口径化により、インチャン
ネル領域の流路面積が益々縮小し、圧損は更に高くなる
。従って９×９燃料９０では、ＢＷＲにおいて問題とな
るヂャンネル安定性の不安定現象がｊ；り顕著に表れる
ことになる。

ここでチャンネル安定性とは、流量の振動に対し、これ
を抑制する作用の程度を息味ずる。

方、炉心安定性とは、流量の振動か出力の振動と協調し
て炉心全体域は局所的な出力の持続振動を生しる程度を
意味する。但し、この炉心安定ａは、チャンネル安定性
の改戎に伴い改苦されるので、以下の説明では専らチャ
ンネル安定性について問題とする。

このヂャンネル安定性の不安定現象は、ＢＷＲに固有の
現象てあり、ボイトの発生による二相流部の圧損が大き
いほど不安定てあることが指摘されている（例えは榎木
、他著「沸騰水型軽水炉安定性の最近の知見と将来の展
望」、日木原子力学会誌第２７巻，ＮＯ．１０．第８９
０頁，１９８５年）。また、特に原子炉出力が定格の約
５０％以」二で、再循環流量が比較的低流量の運転時′
１に不安定となることも知られている。

＊１　例えは原子炉の起動時、負荷追従運中云における
低出力調整、或は再循環ボンブ故障による炉心流量低減
時などにおける自然循環流量（定格流量の約３０％）乃
至は再循環ポンプ速度が定格の約２０％の運転状態。

この不安定現象か生しると、流量の振動か大きくなり、
最悪の場合は除熱不足による燃料の破損に至る。更に、
流量の振動は冷却材蒸気体積率（ボイト率）の振動と、
それによる核反応率の振動による炉心全体、または局所
的な中性子束の振動を引き起こし、遂には原子炉スクラ
ムに至る。

従ってＢＷＲにおいてヂャンネル安定性を確保すること
は重要な課題である。

更に、上記Ｗロット，Ｗヂャンネル等の従来型水管には
、その使用に伴ない変形するという問題点かある。この
問題について９×９燃料９０のＷチャンネルに代表させ
て説明する。

Ｗチャンネルを流通する冷却水の駆動圧は、Ｗチャンネ
ルとインヂャンネルの間の圧力差であり、この圧カズ−
分布をＷチャンネル’ｌ’ｌｌｌ方白て表ずと第１１図
に示す一点鎖線の如くとなる。即ち、Ｗチャンネル入口
（下部オリフィス孔ｈ４）ではインヂャンネルの圧力を
基準としてＷチャンネル内が負圧であり、冷却水がＷヂ
ャンネル側に押込まれる。一方、Ｗヂャンネル出口（上
部オリフィス孔ｈ３）ではＷチャンネル内か正圧てあり
、」二部オリフィス孔ｈ３の圧損抵杭により冷却水が押
出される。このＷチャンネル内外の圧力差によりＷチャ
ンネルの変形が生じるのであるが、より詳しくは以下の
通りである。

Ｗチャンネルの断面形状は、製造状態では第１２図（Ａ
）に示すように正方形である。ところが、使用状態（原
子炉運転時）にはＷヂャンネルの側面に冷却水の圧力が
作用し、Ｗヂャンネルの軸方向下部では、その圧力がＷ
チャンネル内部よりもインチャンネル領域で高いため、
第１２図（Ｂ）に示すように内側に歪んだ断面形状に変
形する。この変形量は、照射にＪ：って加速されるクリ
ープ変形により時間と共に増犬ずる。・変形量が過大と
なると、スベーサ９４との係合（スプリングの接触）が
外れ、流力振動によるフレッティングを生じ、最悪の場
合Ｗヂャンネルにひひ割れが生ずる危険がある。

本発明は、上記従来の技術の有する問題点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、インチャン
ネル領域の二相流に対する低圧損化を図り、ＢＷＲのチ
ャンネル安定性及び炉心安定性を向上し得ることが可能
で、低流量運転など特に圧損の高い運転状態に好適なＢ
Ｗ’Ｒ用燃料集合体とその冷却水流通用水管を提供する
ことてある。更に、この目的と同時に冷却水流通用水管
のクリープ変形を小さくして安全性を高めることも木発
明の課題の一部である。

［課題を解決するための千段］ 本発明は上記目的を達成するために、正方格子配列の複
数本の燃料棒からなるバントル構成中に前記燃料棒の一
部を置換えた一木または複数木の冷却水疏通用水管を備
えた燃料集合体において、前記水管は、その軸方向全長
か前記燃料棒の燃料有効長とほぼ等しくされ、且つ前記
軸方向全長１１ １２ の上部約１／３〜２／３以上の高さ位置を境とする上下
の二領域のうち、下部領域の管板厚が上部領域の管板厚
よりも厚くされると共に、軸方向上端が前記燃料有効長
上端とほぼ一致するように配置したものである。

また本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体における正
方格子配列の複数本の燃料棒からなるバントル構成中に
前記燃料棒の一部に代って一木または複数本配置される
冷却水流通用水管において、前記バンドルを構威すへき
燃料棒の燃料有効長にほぼ等しい相対的に短尺の全長寸
法を有し、軸方向全長の上部約１／３〜２／３以上の高
さ位置を境とする上下二領域のうち、下部領域の竹板厚
が上部領域の管板厚より厚くしたものを提供するもので
ある。

尚、何れの場合においても、前記水管は、下部領域から
上部領域にかけて前記境部分て管板厚が次第に薄くなる
ようにテーバ状の断面形状に形成された領域を含む構成
としてもよい。

［作用］ 本発明においては、燃料集合体の水管の軸方向全長を燃
料有効長とほぼ等しくしてある。つまり本発明における
水管の軸方向長さは、従来型水管に比へると燃料棒のブ
レナム領域に相当する長さ分だけ短尺となっている。換
言すれば、ブレナム領域に相当する集合体軸方向領域に
は、水管は存在しないことになる。従って、この集合体
軸方向領域におけるインチャンネル領域の・流路面積（
以下、゛゜ブレナムーインヂャンネル流路面積゜゜と称
ず）は、水管の横断面積の分だけ拡大される。

このブレナム領域に相当するインチャンネル領域には高
ボイド率の二相流が生しるのであるが、流路面積の拡大
により低圧損化を達成できる。そのため、本発明の燃料
集合体を装荷したＢＷＲではチャンネル安定性か著しく
向上ずる。

また、本発明の燃料集合体における冷却水流通用水管は
、従来型水管か軸方向に一定の板厚を有するのに対し、
軸方向下部の板厚を」二部よりも厚くされている。ここ
で水管下部を厚肉としたの（は．玲却水の圧力差による
クリープ変形にヌ・］する抵抗を太きぐずるためてある
。一方、水管士部では外側かスベーザによっ“Ｃ固定さ
れ゛Ｃいるため、水管ｌ一部のようなフＩノッディング
の問題はない。

従って水管ト部は厚肉化する必要かない。

尚、水管の板厚を厚くする境界点は、第１１図の内外圧
力差の分布におい−ｃ／ｌＴ−カ差か零となる位置を尤
虜ずるど、水管木体の軸方向の上部約１／３〜２／３以
トの高さイウ置か適当である。この場合、水管の板厚加
ｆの都合によって妊、板淳かデハ状に滑らかに変化する
ように形成してもよい。

木発明の特徴と利点を−層明確にするために、女了まし
い実施例について添イ」レ］面とともに説明ずｈは以十
のｊ重りである。

［実ｈ｛（例］ 木発明の燃斜集合体は低ＩＥＥ　ｔｒｔ化を達成できる
ため、現状では特｛ごＥ［ｔｊｌの高い９×９燃利への
適川に効果的である。従っ゜Ｃ以丁の実胞例ては木発明
を９×９燃料に適用した場合を示すか、勿論本発明の適
用対象は９×９燃料に限定されるものではノシＣい。

本発明による９×９燃料の構成例を第１図及び第２図に
示す。

第１図に示される９×９燃料９０Ａ　（実施例Ａ）はＮ
Ｏ．ｌ〜Ｎ０　７３の言４７３木の燃料棒９１ど二木の
大口径ウォータロッドＷＲとを備えた形式である。

方、第２図に示される９×９燃料９０Ｂ　（実施例Ｂ　
）　ハＮＯ．　Ｉ　〜Ｎ０．７　２　（７），ｉｌ７２
木の燃料棒９１と一本の３×３型ウ才一タチャンネルＷ
とを備えた形式である。この９×９燃料９０Ｂの構成ｉ
Ｊ、ウ４−タヂャンネルＷを除いては従来型９×９燃料
９０と同様てある。

各９×９燃料９０Ａ，９０Ｂに：ｌ３　＋′Ｊろ水管（
犬口径ウォータロットＷＲ，　　ウォータヂャンネルＷ
）は、作用の項で説明した通り軸方向全長と肉淳に特徴
かあるか、−例として９×９燃料９０Ｂに．Ｊｊりるウ
Ａ一タチャンネルＷ（以Ｆ、゛短尺型Ｗヂャンネル“と
称ず）の構成例を第３図及び第４図に示す。

図において、短尺型Ｗヂャンネルの軸方向全長は燃料イ
■効長く本実施例では約３　７　０　ｃｍ）と等しくし
てある。この沁尺型Ｗヂャンネルθ）　ｌｊ，：，４尺
化Ｖより、９×９燃籾９　Ｏ　Ｂのブレナｌ＼−インヂ
ャンネル流路面積はｌ−述の通り拡大する。具体的には
、本発明の９×９燃料９０Ｂ及び従来型９×９燃籾９０
のインチへ・ンネル疏路面積は約９５ｃｍ’本発明に′
Ｊ５ける短尺型Ｗヂャンネル及ひ従来型Ｗヂャンネルの
横断面積は約１５ｃｍ”Ｃあるから、本発明の９×９燃
料９０Ｂのプレナムーインヂへ・ンネル流路面積は、従
来型９×９燃料９０に比へて約１６％の拡大となる。こ
れは等価水力的径（４×流路面積／濡れ縁長さ）゛Ｃ老
えると約２５％の増加とｔ．ｆ：る。商、図示の短尺型
Ｗブヘ・ンネルにおいては、その短尺化に伴い従来型Ｗ
ヂャンネル」二部に設Ｃづられ”Ｃいたシャンク（第】
Ｏ図におりる１８部Ｈ，１ｒｈ杼Ｗ１上部の係合川突起
）か削除されている。従来、このシャンクは上部タイプ
ｌノ−１・１６ に遊びを持って嵌合されているのみてあるから、シャン
クを削除した構成としても特に不都合はない このような短尺型Ｗヂャンネルにおいて、クリープによ
る最大変形妊、知尺型Ｗヂャンネル下端から約１／３の
高さ位置Ｐに生しる。これは短尺ｉ｛！ｊ　Ｗヂャンネ
ルのクリープ変形に、内外圧力差の他に高速中性子の加
速囚ｒ一か影響するためてある。そのためケ、１１尺型
Ｗヂャンネルの−１一部領域［Ｊの板厚ｄＵは、その部
分のクリープ変形量か士述の最大変形量と同程度か或い
はそれを下回るように設定される。一例を挙げれは、第
４図（Ａ）に示すＬ部領域Ｕの板厚ｄｕを従来例と同様
に０７１１１１１とするとき、ゴ５４図（Ｂ）に示すト
部領域Ｄの板厚ｄ　１１は１　５……とする。ここで−
ト部領域Ｄから土部領域Ｕにｈｚ　ｉ−Ｊての断面形秋
は、前述した通リテーバ状に形成してもよい。

木実施例の効果をヂャンネル安定性の限界出カで表した
グラフを第５図に示す。ここで解析条件は、炉心の流量
か定格の約３０％の自然循環状態とした。また、グラフ
の横軸の圧損比は燃料集合体の二相流部圧損と単相部圧
損の比である。図中、●印．◆印は夫々９×９燃料９０
Ａ，９０Ｂの特性を示し、Ｏ印，◇印は夫々９×９燃料
９０Ａ，９０Ｂに対応する従来構成例（水管の短尺化及
び肉厚変更を施していないもの）の特性を示す。

この図から明らかなように、本実施例の９Ｘ９燃料９０
Ａ，９０Ｂのチャンネル安定性限界出力は、従来型９×
９燃料に比べて約７％高められる。

［発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、水管の短尺化によ
り二相流部の圧損が低減され、大幅なヂャンネル安定性
と炉心安定性の向上が図れる。更に、水管下部を厚肉と
したため、水管のクリープ変形が小さくなり安全性が高
められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実旅例に係る９×９燃判を示す横断
面図、′ｆＪ２図は木発明の他の実施例に係る９×９燃
料を示す横断面図、第３図は前図の９×９燃料に用いる
短尺型ウォータチャンネルを示す斜視図、第４図（Ａ）
は前図のＡ−Ａ断面図、第４図（Ｂ）は同し＜Ｂ−Ｂ断
面図、第５図は本発明の実施例に係る９×９燃料におリ
る圧損比とヂャンネル安定性炉出力との関係を従来例と
の比較で示す線図、第６図　（Ａ）．（Ｂ）は夫々８×
８燃料用燃料棒．８×８燃料用ウォータロットの構成を
示す内部透視縦断面図、第７図は炉心に装荷された状態
の８×８燃料の横断面図、第８図は前図の８×８燃料の
全体構成を示す内部透視斜視図、第９図は従来の９×９
燃料集合体の全体構成を示す内部透視斜視図、第１０図
は従来のウ才一タチャンネルの構成を示す内部透視斜視
図、第１１図は原子炉出力運転中における従来のウォー
タチャンネルの内部と外部の冷却材の圧力分布の計算結
果を示す線図、第１２図　（Ａ）．（Ｂ）は夫々ウォー
タチャンネルの製造時，使用時の形状を示１　９ ２０ す横断面図である。 ［主要部分の符号の説明］ ９ＯＡ　　９０Ｂ・・・９×９燃料 Ｗ・・・短尺型ウオータチャンネル ＷＲ・・・短尺型大口径ウオータロツドＵ・・・上部領
域 ｐ・・・下部領域 Ｐ・・・境界点 尚、各図中、同 す。 符号は同一または相当部を示

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）正方格子配列の複数本の燃料棒からなるバンドル
   構成中に前記燃料棒の一部を置換えた一本または複数本
   の冷却水流通用水管を備えた燃料集合体において、 前記水管は、その軸方向全長が前記燃料棒の燃料有効長
   とほぼ等しくされ、且つ前記軸方向全長の上部約１／３
   〜２／３以上の高さ位置を境とする上下の二領域のうち
   、下部領域の管板厚が上部領域の管板厚よりも厚くされ
   ると共に、軸方向上端が前記燃料有効長上端とほぼ一致
   するように配置されていることを特徴とする沸騰水型原
   子炉用燃料集合体。
2. （２）前記水管が、下部領域から上部領域にかけて前記
   境部分で管板厚が次第に薄くなるようにテーパ状の断面
   形状に形成された領域を含む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。
3. （３）沸騰水型原子炉用燃料集合体における正方格子配
   列の複数本の燃料棒からなるバンドル構成中に前記燃料
   棒の一部に代って一本または複数本配置される冷却水流
   通用水管において、 前記バンドルを構成すべき燃料棒の燃料有効長にほぼ等
   しい相対的に短尺の全長寸法を有し、軸方向全長の上部
   約１／３〜２／３以上の高さ位置を境とする上下二領域
   のうち、下部領域の管板厚が上部領域の管板厚より厚く
   されていることを特徴とする冷却水流通用水管。
4. （４）下部領域から上部領域にかけて前記境部分で管板
   厚が次第に薄くなるようにテーパ状の断面形状に形成さ
   れた領域を含むことを特徴とする請求項３に記載の冷却
   水流通用水管。