JPH04296694A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水力学的安定性を改善
させ、ドライアウト性能を向上させた沸騰水型原子炉用
燃料集合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近では、燃料の経済性を向上させるた
め高燃焼度化の要求が高まり燃料濃縮度を高めるととも
に、大口径ウォータチャンネルを用いて熱中性子利用率
を向上させて同一濃縮度の場合でも平均取出燃焼度を増
加させることが検討されている。また、燃料棒を細径化
して多数本の燃料棒を一つのバンド内に組み込み、燃料
棒１本当たりの熱負荷を少なくして高燃焼度化した場合
の燃料棒の熱・機械的健全性を高める工夫がなされてい
る。例えば、燃料棒の配列を現行の８行８列から９行９
列にする燃料集合体はその一例である。

【０００３】また従来より、実用化されている大口径ウ
ォータチャンネルを用いた燃料集合体として、特開昭６
２−１１８２９７号公報に示されたものがある。図７は
従来の大口径角型ウォータチャンネル１１を用いた９行
９列型燃料集合体の断面図であり、図８は図７に示した
ウォータチャンネル１１と燃料棒１２を集合体部品とし
て上部タイプレート１４およびスペーサ１３とともにバ
ンドル形状に保持されている全体の構造を示す模式図で
ある。尚、尚、１５はチャンネルボックスであり、図８
は集合体の上部のみ示しており、下部タイプレートを含
む下部の構造は省略している。

【０００４】図７に示すように非沸騰水領域を出来るだ
け大きくとるという目的に従って、中央部分の３行３列
の正方格子配列の燃料棒挿入用セルの全ての桝目を占め
る寸法の正方形断面形状のウォータチャンネル１１を用
いるものである。

【０００５】図９は図７の燃料棒の外周列Ａ、中間列Ｂ
、内周列Ｃのドライアウト性能を評価した結果をＣＰＲ
で示した線図である。ここでＣＰＲ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ
　Ｐｏｗｅｒ　Ｒａｔｉｏ）は、原子炉運転時の燃料集
合体の出力Ｐ（ＭＷ）に対し、ある燃料棒がドライアウ
トする出力ＰＣ　（ＭＷ）の比ＰＣ　／Ｐとして定義さ
れ、燃料集合体の熱的運転余裕を示す指標である。

【０００６】図７に示した燃料集合体は非沸騰水領域を
大きくとってはいるが、図９に示したように、外周列Ａ
のＣＰＲが高く、内周列Ｃと中間列ＢのＣＰＲが低いこ
とが判る。実際の運転余裕は、最小のＣＰＲで決定され
るため、図７の燃料集合体では内周列と中間列のＣＰＲ
の更なる改善を行ない、ドライアウト性能の向上が望ま
れていた。

【０００７】そこで、上述した大口径角型ウォータチャ
ンネルのドライアウト性能の更なる向上を目的として、
ウォータチャンネルの面積を３行３列正方格子の面積に
対して縮小した燃料集合体断面を有する燃料集合体が特
開昭６４−９１０８８号公報に開示されている。図１０
はこの縮小した大口径角型ウォータチャンネルを備えた
燃料集合体の断面図であり、図１１は図１０の燃料棒の
外周列Ａ、中間列Ｂ、内周列Ｃのドライアウト性能を評
価した結果をＣＰＲで示した線図であり、ａ，ｂ，ｃは
縮小率１００％、ａ８５，ｂ８５，ｃ８５は縮小率８５
％、ａ８１，ｂ８１，ｃ８１は縮小率８１％を示す。図
１２は角型ウォータチャンネル２１のサイズ縮小率と平
均取出燃焼度の変化を示す線図である。

【０００８】図１０に示す例では、面積を３行３列正方
格子の面積に対して９５〜７５％に縮小した大口径角型
ウォータチャンネル２１を備えている。尚、２５はチャ
ンネルボックスである。また、図１１に示す通り、この
縮小型ウォータチャンネル２１では８５％又は８０％に
縮小した場合の例のごとく、ドライアウト性能が燃料棒
２２ごとに内周列Ｃ、中間列Ｂ、外周列Ａの差が小さく
なり最小のＣＰＲが向上するという効果があることが判
る。

【０００９】しかし、図１０に示した燃料集合体は、ウ
ォータチャンネル２１の面積を最大限にとって非沸騰水
領域の面積を増し、燃料の経済性を高めるという目的に
矛盾するものであった。このことは、前記特開昭６４−
９１０８８号公報から引用した図１２で示される平均取
出燃焼度の低下がウォータチャンネルの断面積の縮小に
よって著しくなることから、定量的に評価される。即ち
、平均取出燃焼度の低下を１％以内に止めるためには図
１２から８５％以下に縮小できないこと、このとき図１
１からＣＰＲは内周部Ｃおよび中間部Ｂで低く、外周部
Ａで高いことが完全には解決されないことが判る。

【００１０】一方、燃料棒本数の増加と集合体内部の中
性子減速材の体積増加という二つの特徴を組合せた高燃
焼度化９行９列の型燃料集合体は、冷却材流れに対する
圧損の増加という新たな問題があった。即ち、燃料棒表
面積の増加による摩擦圧損の増加、並びに大口径ウォー
タロッド又はウォータチャンネルに占有される分だけイ
ンチャンネル冷却材流路面積が縮小されて冷却材流速が
増加することに伴う圧損の増加である。

【００１１】沸騰水型原子炉では、周知のように冷却材
は水と蒸気の二相流となるため、特に水力学的不安定性
に配慮する必要がある。一般に二相流部は単相流部と比
べて冷却材流速が大きいため、上記の圧損の増加は二相
流部に対して影響が大きく、そのため水力学的不安定性
が助長されることが知られていた。

【００１２】このように９行９列燃料集合体では、８行
８列の燃料集合体に比べて高圧損化しているため、チャ
ンネル安定性と炉心安定性が水力学的に悪化するという
不都合を生じる。水力学的不安定性が悪化すると冷却材
の流量が振動し、この振動の振幅が大きくなった最悪の
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（ボイド率）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。

【００１３】従って、沸騰水型原子炉において水力学的
なチャンネル安定性を確保することが重要な課題であっ
た。この問題を解決するものとして、燃料集合体の一部
の燃料棒を通常の全長燃料棒の有効長の２／３程度に短
尺化した短尺燃料棒を用い、有効長上部の二相流圧損を
小さくして、水力学的不安定性を抑制しようとすること
が特開平２−１２０８７号公報で提案された。

【００１４】図１３はこの短尺燃料棒を備えた燃料集合
体の断面図であり、図１４は図１３に示した短尺燃料棒
と通常の全長燃料棒との比較を示す説明図である。この
場合、複数の短尺燃料棒３０を図１３に示すように９行
９列に配列した燃料棒３２の最外周より数えて第２列（
即ち、中間列Ｂ）に配置することが特徴である。これは
比較的に小口径のウォータロッド３１を備えた燃料集合
体に用いる場合に有効である。尚図中、３５はチャンネ
ルボックスである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１３
に示した短尺燃料棒を大口径角型ウォータチャンネルを
備えた燃料集合体に用いる場合、即ち、図１３に示され
るように９行９列の配列の第２列を用いる場合には、ド
ライアウト性能が改善されないばかりでなく、ドライア
ウト性能が低下するという欠点があった。これは従来の
比較的小口径の丸型ウォータロッドと短尺燃料棒を組み
合わせた場合と、大口径角型ウォータチャンネルと短尺
燃料棒を組み合わせた場合のドライアウト性能が熱水力
的に大きく異なるためである。すなわち、大口径ウォー
タチャンネルでは、小口径の丸型ウォータロッドに比べ
、濡れぶち長さが大きく、摩擦抵抗によりウォータチャ
ンネルの近くで冷却材の流量が不足するためである。

【００１６】本発明は、大口径の角型ウォータチャンネ
ルを備えた燃料集合体であって、水力学的安定性の改善
，ドライアウト性能の向上と共に最外周列の局所ピーキ
ング係数を高めることによって経済性を高めた沸騰水型
原子炉用燃料集合体を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る沸騰水型原
子炉用燃料集合体では、９行９列の正方格子状配列に燃
料棒をバンドル形状に保持し、該配列の中央部の複数の
燃料棒を一本の角型ウォータチャンネルに置換えた沸騰
水型原子炉用燃料集合体において、前記燃料棒の一部を
該燃料棒に対して短尺化した短尺燃料棒に置換え、前記
格子状配列のうち前記角型ウォータチャンネルに隣接す
る内周列と、該内周列の外側に隣接する中間列とに前記
短尺燃料棒を点在させて配置し、最外周列の燃料棒と、
燃料集合体を被覆するチャンネルボックスとの間隙を３
．８ｍｍ以上に広げたものである。

【００１８】具体的には、前記短尺燃料棒の長さを前記
燃料棒の有効長の約２／３を越えない長さとしたもの、
前記角型ウォータチャンネルの面積を３行３列の正方格
子配列の桝目を占める面積の８５％以上の面積としたも
の、前記燃料棒又は短尺燃料棒の核燃料物質として二酸
化ウラン、または二酸化ウランと二酸化プルトニウムと
の混合酸化物としたものを開示するものである。

【００１９】

【作用】本発明では、角型ウォータチャンネルを備えた
９行９列の正方格子状配列の燃料棒の一部を該燃料棒に
対して短尺化した短尺燃料棒に置換え；前記格子状配列
のうち前記角型ウォータチャンネルに隣接する内周列と
、該内周列の外側に隣接する中間列とに前記短尺燃料棒
を点在させて配置し；最外周列の燃料棒と、燃料集合体
を被覆するチャンネルボックスとの間隙を３．８ｍｍ以
上に広げたものであるため、水力学的安定性の改善，ド
ライアウト性能の向上と共に、最外周列の局所ピーキン
グ係数を高めた経済性の高い燃料集合体の熱的安全性の
大幅な向上を図ることができる。

【００２０】即ち、水力学的安定性の向上をはかるため
の手段として短尺燃料棒を用いる場合には、比較的小口
径の丸型ウォータロッドと短尺燃料棒を組み合わせた場
合と、角型ウォータチャンネルと短尺燃料棒を組み合わ
せた場合のドライアウト性能が熱水力的に大きく異なる
ため、単に角型ウォータチャンネルを備えた９行９列の
正方格子状配列の燃料集合体の９行９列の配列の最外周
から第２列目に配置すると、ドライアウト性能が改善さ
れないということがわかった。即ち、角型ウォータチャ
ンネルでは、小口径の丸型ウォータロッドに比べ、濡れ
ぶち長さが大きく、摩擦抵抗により角型ウォータチャン
ネルの近くで冷却材の流量が不足するためである。

【００２１】ところで、燃料の経済性を高めるには、熱
中性子利用率を高めるように熱中性子束の高い位置の局
所ピーキング係数を高めるように熱中性子束の高い位置
の局所ピーキング係数を大きくすることが望ましい。沸
騰水型原子炉では最も熱中性子束の高い場所は、チャン
ネルボックスの外側の水領域（即ち、ギャップ水）であ
る。通常の沸騰水型原子炉ではチャンネルボックスと隣
接するチャンネルボックスの間隔は約１５ｍｍ程度であ
り、このギャップに非沸騰水が満たされているため、チ
ャンネル内に比べて大量の中性子減速材が存在する。こ
のために、燃料集合体の最外周列の局所ピーキング係数
を高めると燃料の経済性が増加することになる。

【００２２】しかしながら、最外周の局所ピーキング係
数をこのように大きくすると、燃料棒のドライアウト性
能が著しく低下する。一方、最外周列の燃料棒と、燃料
集合体を被覆するチャンネルボックスとの間隙を広げる
ことにより、最外周列の燃料棒と中間列の燃料棒のドラ
イアウト性能が同等となり、燃料集合体の最小のドライ
アウト性能が増加することとなる。

【００２３】そこで本発明では、短尺燃料棒を使用する
ため、有効長上部の二相流圧損を小さくし、水力学的不
安定性を抑制することができる。また、短尺燃料棒の使
用の際に問題となるドライアウト性能が低下は、格子状
配列のうち角型ウォータチャンネルに隣接する内周列と
、該内周列の外側に隣接する中間列とに前記短尺燃料棒
を点在させて配置することによって、大きく改善される
ものである。更に、最外周列の燃料棒と、燃料集合体を
被覆するチャンネルボックスとの間隙を３．８ｍｍ以上
に広げたものであるため、最外周列の燃料棒と中間列の
燃料棒のドライアウト性能が同等となり、熱中性子束の
高い最外周の局所ピーキング係数を高めてもドライアウ
ト性能の低下は最小限に留められる。以下、実施例に基
づき構成、作用を説明する。

【００２４】

【実施例】図１は本発明の一実施例の配置を示す燃料集
合体の断面図、図２は本発明の別の実施例の配置を示す
燃料集合体の断面図である。図１は８本の短尺燃料棒４
０を用いる場合、図２は４本の短尺燃料棒４０を用いる
場合を示し、いずれも、少なくとも４本の短尺燃料棒４
０がウォータチャンネル４１の４辺の各辺の中央部に隣
接している。また、図中のウォータチャンネル４１は３
行３列の正方格子配列の面積の８５％とした例である。

【００２５】本実施例では、短尺燃料棒４０の配置によ
る燃料棒ごとのドライアウト性能の均質化がウォータチ
ャンネルを縮小した場合と同様に期待できるのでウォー
タチャンネル４１の面積は経済性の低下しない程度に充
分大きくすることが可能である。即ち、８５％以上の面
積を確保したウォータチャンネル４１を用いることがで
きる。

【００２６】本発明の基準となる燃料集合体は、前述の
図１０に示す７２本の全長燃料棒を有する集合体であり
燃料棒直径約１１ｍｍとした。尚図中、４５はチャンネ
ルボックスである。図１又は図２の燃料集合体は、短尺
燃料棒４０を８本又は４本用いるが、その短尺燃料棒４
０の長さは全長燃料棒４２の有効長の約２／３とした。 短尺燃料棒４０の採用により集合体当たりの燃料物質の
装荷量が低下することを補償するため、燃料棒の直径は
、全長燃料棒４２および短尺燃料棒４０ともに基準の約
１１ｍｍに対し、８本の短尺燃料棒４０を用いる場合、
約２％、４本の短尺燃料棒４０を用いる場合、約１％、
それぞれ大きい直径とした。

【００２７】本発明の効果について、まずチャンネル安
定性の改良効果を示す。図３は図１及び図２に示した短
尺燃料棒によるチャンネル安定性減幅比の解析値を示す
線図である。図に示す通り、燃料集合体の数７６４体を
装荷した定格熱出力約３３００ＭＷの原子炉において、
原子炉の炉心冷却材流量を約３０％としたときのチャン
ネル安定性をホットチャンネルについて解析したもので
ある。ホットチャンネルとは７６４体の燃料集合体の中
で最大の出力を有する燃料集合体であり、本解析ではピ
ーキング係数１．５を仮定している。

【００２８】尚、図３の減幅比は、チャンネル安定性を
示す指標であり、振動の振幅の減衰の程度を表し、減幅
比１．０以上で不安定となる。短尺燃料棒を用いる本発
明の燃料棒集合体のチャンネル安定性の限界の出力、す
なわち図３において、減幅比１．０となる原子炉熱出力
は８本の短尺燃料棒を用いる場合、約６０％、４本の短
尺燃料棒を用いる場合、約５５％となり基準の約５３％
に対し、それぞれ７％および２％改善される。

【００２９】次に短尺燃料棒の集合体配置に係るドライ
アウト性能の改良効果を示す。図４は図１及び図２の燃
料棒の外周列Ａ、中間列Ｂ、内周列Ｃのドライアウト性
能を評価した結果をＣＰＲで示した線図である。図４に
おいてａ，ｂ，ｃは従来の燃料集合体においてウォータ
チャンネルを縮小しない場合の燃料棒のドライアウト性
能をＣＰＲて示し、Ａは外周列燃料棒、Ｂは中間列燃料
棒、Ｃは内周列燃料棒のＣＰＲてある。これは前述の図
９又は図１１と同様に示す。

【００３０】これに対し、８本の短尺燃料棒を用いる場
合、ａ’，ｂ’，Ｃ’、４本を用いる場合、ａ”，ｂ”
，ｃ”でそれぞれの燃料棒のＣＰＲを示す。この解析に
よって、従来のウォータチャンネルを縮小した場合のＣ
ＰＲを示す図１１と同様に、中間列と内周列の燃料棒の
ＣＰＲが向上し、集合体全体としてのＣＰＲの最小値が
改善されることが判る。なお、従来の図１３のような短
尺燃料棒の配置、すなわち中間列に限定して配置する場
合、外周列のＣＰＲが著しく低下してドライアウト性能
が悪化することも判った。

【００３１】ところで、燃料の経済性を高めるには、熱
中性子利用率を高めるように熱中性子束の高い位置の局
所ピーキング係数を高めるように熱中性子束の高い位置
の局所ピーキング係数を大きくすることが望ましい。沸
騰水型原子炉では最も熱中性子束の高い場所は、チャン
ネルボックスの外側の水領域（即ち、ギャップ水）であ
る。通常の沸騰水型原子炉ではチャンネルボックスと隣
接するチャンネルボックスの間隔は約１５ｍｍ程度であ
り、このギャップに非沸騰水が満たされているため、チ
ャンネル内に比べて大量の中性子減速材が存在する。こ
のために、燃料集合体の最外周列の局所ピーキング係数
を高めると燃料の経済性が増加することになる。

【００３２】しかしながら、最外周の局所ピーキング係
数をこのように大きくすると、燃料棒のドライアウト性
能が著しく低下する。一方、最外周列の燃料棒と、燃料
集合体を被覆するチャンネルボックスとの間隙を広げる
ことにより、最外周列の燃料棒と中間列の燃料棒のドラ
イアウト性能が同等となり、燃料集合体の最小のドライ
アウト性能が増加することとなる。

【００３３】図５は最外周列の燃料棒の局所ピーキング
係数の平均値に対する燃料集合体の平均取出燃焼度の計
算値を示す線図である。これから、最外周列の平均局所
ピーキング係数を１．１０とすると約１％の大幅な平均
取出燃焼度の向上が得られることが判った。

【００３４】しかしながら、最外周の局所ピーキング係
数をこのように大きくすると、燃料棒のドライアウト性
能が著しく低下する。図４は平坦な出力分布、即ち最外
周の局所ピーキング係数を１．０とした場合のＣＰＲの
計算値を示す線図である。また、この時用いた燃料棒の
直径は１１．２ｍｍ、燃料棒とチャンネルボックスの間
のギャップｄは３．５ｍｍとした。

【００３５】上記の最外周の局所ピーキング係数を１．
１０に高めた場合、燃料棒とチャンネルボックスのギャ
ップ間隔ｄをパラメータとしてＣＰＲの計算を行った結
果を図６に示す。これから判るように間隔ｄを約３．８
ｍｍ以上とすることによって最外周列の燃料棒と中間列
の燃料棒のＣＰＲで表わしたドライアウト性能が同等と
なり、集合体のＣＰＲ即ち最小のＣＰＲが増加すること
が判る。

【００３６】尚、中間列のＣＰＲ及び内周列のＣＰＲが
外周列の燃料棒とチャンネルボックスのギャップ間隔ｄ
にあまり影響されない理由は、各々４本ずつの短尺燃料
棒を用いて冷却材流路面積が最外周列に比べて増加して
いるためである。

【００３７】以上のように、短尺燃料棒の配置によりウ
ォータチャンネルを縮小することなく、チャンネル安定
性とドライアウト性能が改善された沸騰水型原子炉用燃
料集合体を提供することができ、しかも、燃料集合体の
最外周列の局所ピーキング係数を高めた経済性の高い燃
料集合体の熱的安全性を大幅に向上することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、角型ウォータチャ
ンネルを備えた９行９列の正方格子状配列の燃料棒の一
部を該燃料棒に対して短尺化した短尺燃料棒に置換え；
前記格子状配列のうち前記角型ウォータチャンネルに隣
接する内周列と、該内周列の外側に隣接する中間列とに
前記短尺燃料棒を点在させて配置し；最外周列の燃料棒
と、燃料集合体を被覆するチャンネルボックスとの間隙
を３．８ｍｍ以上に広げたものであるため、水力学的安
定性の改善，ドライアウト性能の向上と共に、最外周列
の局所ピーキング係数を高めた経済性の高い燃料集合体
の熱的安全性を大幅に向上を図ることができ、従来の沸
騰水型原子炉用燃料集合体にくらべて、大口径の角型ウ
ォータチャンネルの特徴を最大限に生かして経済性の高
い、かつ安定性およびドライアウト性能に係る運転余裕
、従って安全性の高い燃料集合体を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の配置を示す燃料集合体の断
面図である。

【図２】本発明の別の実施例の配置を示す燃料集合体の
断面図である。

【図３】図１及び図２に示した短尺燃料棒によるチャン
ネル安定性減幅比の解析値を示す線図である。

【図４】図１及び図２に示した燃料集合体のドライアウ
ト性能を示す線図である。

【図５】最外周列の燃料棒の局所ピーキング係数の平均
値に対する燃料集合体の平均取出燃焼度の計算値を示す
線図である。

【図６】最外周の局所ピーキング係数を１．１０とした
場合のＣＰＲの計算値を示す線図である。

【図７】従来の大口径角型ウォータチャンネルを備えた
燃料集合体の断面図である。

【図８】図７の全体の構造を示す模式図である。

【図９】図７に示した燃料集合体のドライアウト性能を
示す線図である。

【図１０】従来の縮小した大口径角型ウォータチャンネ
ルを備えた燃料集合体の断面図である。

【図１１】図１０に示した燃料集合体のドライアウト性
能を示す線図である。

【図１２】大口径角型ウォータチャンネルのサイズ縮小
率と平均取出燃焼度の変化を示す線図である。

【図１３】従来の短尺燃料棒を備えた燃料集合体の断面
図である。

【図１４】図１３に示した短尺燃料棒と通常の燃料棒と
の比較を示す説明図である。

【符号の説明】 １１，２１，４１…ウォータチャンネル１２，２２，３
２，４２…全長燃料棒 １３…スペーサ １４…タイプレート １５，２５，３５，４５…チャンネルボックス３０，４
０…短尺燃料棒 ３１…ウォータロッド

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　９行９列の正方格子状配列に燃料棒を
   バンドル形状に保持し、該配列の中央部の複数の燃料棒
   を一本の角型ウォータチャンネルに置換えた沸騰水型原
   子炉用燃料集合体において、前記燃料棒の一部を該燃料
   棒に対して短尺化した短尺燃料棒に置換え、前記格子状
   配列のうち前記角型ウォータチャンネルに隣接する内周
   列と、該内周列の外側に隣接する中間列とに前記短尺燃
   料棒を点在させて配置し、最外周列の燃料棒と、燃料集
   合体を被覆するチャンネルボックスとの間隙を３．８ｍ
   ｍ以上に広げたことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料
   集合体。
2. 【請求項２】　　前記短尺燃料棒の長さを前記燃料棒の
   有効長の約２／３を越えない長さとしたことを特徴とす
   る請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. 【請求項３】　　前記角型ウォータチャンネルの面積を
   ３行３列の正方格子配列の桝目を占める面積の８５％以
   上の面積とした請求項１又は２の何れかに記載の沸騰水
   型原子炉用燃料集合体。
4. 【請求項４】　　前記燃料棒又は短尺燃料棒の核燃料物
   質として二酸化ウラン、または二酸化ウランと二酸化プ
   ルトニウムとの混合酸化物としたことを特徴とする請求
   項１〜３の何れかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体
   。