JPH0441796B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉の炉心に関するもの
である。

〔発明の背景〕

沸騰水型原子炉の炉心は、第１図にその水平断
面を示すように、燃料棒１がウオータロツド２と
ともにチヤンネルボツクス３内に正方格子状に配
置された燃料集合体４と十字型制御棒５とで構成
されている。６は中性子検出器計装管、７はギヤ
ツプ水を示している。第２図、第３図及び第４図
はそれぞれ従来の燃料集合体の外観、縦断面及び
第２図のＸ方向平面図で、この燃料集合体４は四
角筒のチヤンネルボツクス３とこのチヤンネルボ
ツクス３の内部に収納される燃料ハンドル８とか
ら構成されている。燃料ハンドル８はチヤンネル
ボツクス３の上、下部にはめこまれる上部タイプ
レート９及び下部タイプレート１０と、チヤンネ
ルボツクス３内部で軸方向に沿つて間隔を置いて
設置された複数個のスペーサ１１と、このスペー
サ１１を貫通し上、下部タイプレート９，１０に
両端を固定した複数本の燃料棒１２とから構成さ
れる。燃料棒１２はスペーサ１１によつて正方格
子状に整列支持される。

燃料集合体４のチヤンネルボツクス３の内部で
は、冷却材は炉心上方に向つて流れており、下部
入口から10Kcal／Kg前後のサブクール水の状態
で燃料集合体に入り、上部出口では約60％のボイ
ド率になつている。一方燃料集合体４のまわりは
ギヤツプ水７でかこまれており、飽和水の状態に
ある。このような炉心構造においては、炉心下部
からチヤンネルボツクス３内部に入つた冷却材
は、炉心出口から出ていくまで、同一の燃料集合
体内を流れるので隣りあう燃料集合体間での冷却
材の混合はない。その結果、炉心全体の冷却材
は、全ての燃料集合体での圧力損失が等しくなる
様に配分される。一般に、出力の大きい燃料集合
体では、ボイド発生量が大きく二相流圧力損失が
増える結果、冷却材流量は小さくなり、逆に出力
の小さい燃料集合体では、冷却材流量が大きくな
る。

一方、沸騰水型原子炉では、燃料交換時に、約
４体に１体の割合で新しい燃料と交換される。従
つて、炉心内には、炉心滞在期間の異なる燃料が
混在することになる。すなわち、燃焼度の異なる
燃料が存在し、各燃料集合体の出力にばらつき
（ミスマツチ）が生じる。出力のミスマツチは取
出し燃焼度を高めるために、燃料の濃縮度を高く
するほど大きくなる。従来の炉心構成では、出力
の大きい燃料集合体には、冷却材が流れにくいた
め、熱的余裕が低下するという問題がある。

また、従来の炉心構成では、炉心の中に、二相
流部分（チヤンネルボツクス内）と飽和水の部分
（ギヤツプ領域）が偏在する。このことは、燃料
棒の局所出力ピーキングを増大させる他に、ギヤ
ツプ水が中性子の減速に有効に寄与せず、かつ中
性子を無駄に吸収するため、燃料経済性を悪化さ
せ、又ギヤツプ水の分だけ、冷却材の流路がせま
くなり、冷却材の圧損が増加するため、炉の安定
性を悪化させる原因となつている。

〔発明の目的〕

本発明は、これらの問題点を除去し、熱的余裕
の増大と、燃料経済性の向上の可能な沸騰水型原
子炉の炉心を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、隣接する４個の十字型の制御棒によ
つて区画された各空間内に４体の燃料集合体が配
列している沸騰水型原子炉の炉心において、前記
４体の燃料集合体が、それぞれの外周の前記制御
棒に対向する二面の少なくとも該制御棒に面する
部分にのみ制御棒ガイド用の薄板が付設してあ
り、その他の外周部分はそれぞれ該燃料集合体を
構成する燃料棒が露出しており、該燃料集合体の
前記制御棒に対向しない面を対向配置したとき、
４体の該燃料集合体それぞれの前記対向配置する
面の間が冷却材流路となるように構成されている
ことを特徴とするものである。

本発明では、４体の制御棒で囲まれた炉心領域
ごとに、燃料集合体間での冷却材の混合がおこる
ようにするため、制御棒に対向しない側のチヤン
ネルボツクスを撤廃して水ギヤツプ領域をなく
し、さらに水ギヤツプ領域であつた空間を冷却材
流路として利用し、燃料棒間隔を広くして、炉心
の中で燃料棒をより均質に配置することにより、
中性子利用率の向上を図るものである。

このような炉心構造において出力の異なる燃料
集合体がとなり合つた場合、冷却材は炉心の各高
さ方向で圧力損失が等しくなるように流れる。す
なわち、出力の大きい燃料集合体部分では、ボイ
ド発生による二相流圧力損失が大きいため、冷却
材の質量流量は低下し、逆に出力の小さい燃料集
合体部分では冷却材の質量流量は増加する。ボイ
ド率も高出力燃料集合体部分で大きく、低出力燃
料集合体部分で小さい分布を持つ。このような状
況において燃料集合体間での横方向の流れとし
て、乱流混合現象およびボイドドリフト現象によ
る流れが生じる。乱流混合現象は、一般にボイド
分布を平坦化する。すなわち、高出力燃料集合体
領域と低出力燃料集合体領域のボイド率を平坦化
するように機能する。一方、ボイドドリフト現象
は、蒸気は冷却材流速の大きい領域に、すなわち
質量流量の大きい領域に集まり、その反作用とし
て水は逆方向に流れるという現象であり、これも
このような炉心構造ではボイド分布を平坦化する
方向に寄与する。従つて、高方向の燃料集合体部
分でのボイド率は、従来のように一つの燃料集合
体がチヤンネルボツクスで仕切られている場合よ
りも小さくなり、冷却材流量は逆に増加する。こ
れにより、高出力燃料集合体部分での熱的余裕は
増加する。また高出力燃料集合体部分は、中性子
無限増倍率が大きい領域であり、その領域でボイ
ド率が小さくなるため、炉心全体での実効増倍率
は、従来の炉心構造の場合よりも増加する。

沸騰水型原子炉は、304.8mmのピツチで、十字
型の制御棒が配置されており、４個の制御棒でか
こまれた空間に４体の燃料集合体が正方格子状に
配置されている。典型的な炉では、各燃料集合体
の間に13.26mmのギヤツプ水が存在する。ギヤツ
プ水により燃料集合体周辺部と中心部間で水対ウ
ラン比が大きく異なる。第５図は中性子無限増倍
率と水対ウラン比の関係を示したものである。こ
の図で横軸には、Ｈ／Ｕ（相対比）（ここでＨ、Ｕ
はそれぞれ水素、ウランの原子数を示す）、縦軸
には中性子無原増倍率（相対比）がとつてあり、
水対ウラン比を大きくすると、水による中性子減
束効果が有効になり、一般に中性子無限増倍率は
上昇する。しかし水対ウラン比がある値以上にな
ると、減速効果による中性子無限増倍率の増加分
と、水の中性子吸収効果による減少分がほぼ等し
くなり中性子無限増倍率が上昇しなくなる。第５
図に記した点Ａ，Ｂ及びＣは、それぞれ集合体平
均、集合体周辺部及び集合体中心部の中性子無限
増倍率を示す。従来の燃料集合体では、ギヤツプ
水に面した集合体周辺部の燃料棒と、それ以外の
集合体中心部の燃料棒の数は、ほぼ同数であり、
点Ａで示す燃料集合体平均の中性子無限増倍率
は、点Ｂ、点Ｃの平均値になつている。

局所出力ピーキング係数を低く抑え、かつ燃料
経済性を向上させるには、第５図から集合体中心
部の水対ウラン比を大きくすればよいことが分か
る。そこで制御棒が対向しない側のチヤンネルボ
ツクスをとりはらい、丁度、水ギヤツプがなくな
るように燃料間隔を拡大し、隣りあつた４体の燃
料集合体の燃料棒が16×16の正方格子の大型燃料
集合体を構成する構造を考える。このような構造
にすると、単位格子の水対ウラン比が増大する結
果、集合体周辺部及び中心部の中性子無限増倍率
は第５図で点Ｂから点B′に、また点Ｃから点C′に
変化する。集合体中心部は減速不足領域であるた
め、水対ウラン比の増大に伴い中性子無限増倍率
が大きく増加し、集合体周辺部の中性子無限増倍
率とほぼ等しくなる。その結果、集合体周辺部の
燃料棒の割合が1/2から1/4に減少したにもかかわ
らず、点A′で示す燃料集合体平均の中性子無限
増倍率は、従来の点Ａより高くなる。

また、チヤンネルボツクス及びギヤツプ水が減
少するため、熱中性子の無駄な吸収がなくなり、
中性子利用率が向上する。さらに、冷却材の流路
断面積が増加することにより、流量制御によるス
ペクトルシフト幅が増大し、省ウランが実現でき
る。

単位格子の水対ウラン比が増大したことを利用
すれば、ウラン装荷量を増大する可能性がでてく
る。これは燃焼度一定で燃料集合体の寿命を延長
できることになり燃料経済性が向上する。

一方、冷却材の流路断面積が増大し、圧損が低
下する結果、安定性が向上する。

〔発明の実施例〕

以下、実施例について説明する。

第６図は一実施例の炉心の構成を示す断面図、
第７図は、本実施例の炉心に装荷する燃料集合体
構造を示す斜視図、第１〜第４図と同一の部分に
は同一の符号が付してある。燃料集合体は、炉心
に配置した際に制御棒に面する二面にのみ、ジル
カロイ−４よりなる制御棒ガイド用の薄板１３が
付設してあり、他の二面は横方向に開放された構
造をしている。この燃料集合体は８×８の燃料棒
または水ロツドから構成されている。制御棒ガイ
ド用の薄板１３を付設していない四面を互いに向
きあわせるように前記燃料集合体を配置すること
により、あたかも16×16型の燃料集合体が炉心に
装荷されたように炉心が構成される。すなわち、
従来の８×８燃料集合体での燃料棒間隔は16.26
mmであり、炉心に装荷した際に隣りあつた燃料集
合体の互いに向きあつた燃料棒間隔は38.6mmであ
るのに対して、本実施例では燃料棒間隔を16.26
mmから17.65mmに広げた燃料集合体で炉心を構成
することにより、隣りあつた燃料集合体の互いに
向きあつた燃料棒の中心間隔も17.65mmとなり、
燃料棒間隔が17.65mmの正方格子状の16×16の大
型燃料集合体を装荷した炉心と等価になる。

単位燃料棒格子の水平断面の冷却材流路断面積
と二酸化ウラン材断面積の比は、1.75から2.32
に、約1.32倍に増加し、その結果、水対ウラン比
が増加する。集合体中心部の中性子の平均エネル
ギーが低下することによつて燃料集合体が均質に
近づき、燃料経済性が向上する。第８図は水対ウ
ラン断面積比と炉心平均の中性子無限増倍率の関
係を示し、横軸、縦軸には、それぞれ単位燃料棒
格子の水対ウラン断面積比（相対値）、中性子無
限増倍率がとつてある。燃料集合体が均質に近づ
いたことにより、制御棒に面した燃料集合体コー
ナ部の燃料棒を除き、濃縮度分布を付ける必要が
ない。また、集合体中心部の中性子減速効果が増
大したため、水ロツドが不要となり、ウラン装荷
量が約２％増加でき、その結果、燃焼度を増加さ
せなくとも連続運転期間が延長できる。

又、冷却材流路断面積が32％増加することによ
り、冷却材流量が一定の場合、流速が従来の75％
に低下し、圧損は従来の57％に低下する。

その結果、省ウラン７％低減、安定性減衰係数
の値が約1/2になる。

さらに、この実施例の炉心構造では、燃料を交
換する際には、従来と同様に一体ずつ燃料集合体
を交換できるため、16×16の大型燃料集合体一体
をすべて交換する場合に生じる炉心内での出力分
布の大きな変化は生じないため、16×16大型燃料
集合体を装荷した炉心での問題も解決することが
できる。

このような効果は、８×８燃料集合体の構造に
限らず、７×７、９×９等の燃料集合体にも適用
できる。

なお、この発明では４個の十字型の制御棒で囲
まれた炉心領域ごとに、燃料集合体間での冷却材
の混合がおこるようにするため、制御棒が挿入さ
れない側のチヤンネルボツクスを撤廃し、水ギヤ
ツプ領域をなくすとともに、水ギヤツプ領域であ
つた空間を冷却材流路として利用し、熱的余裕の
増大と燃料経済性向上を図ることが可能になつた
が、制御棒に対向しない面を対向配置したとき、
４体の燃料集合体それぞれの対向配置する面を構
成する燃料棒の中心間隔（以下隣接燃料棒間隔と
称する）は15〜33mmが好適である。すなわち、隣
接燃料棒間隔と流路面積との間には第９図（横
軸、縦軸にそれぞれ隣接燃料棒間隔（mm）、流路
面積（相対比）がとつてある）に示す関係があ
る。Ｄ，Ｅはそれぞれ８×８格子、９×９格子の
場合、Ｆは従来の燃料集合体の場合を示してあ
る。流路面積の増加は、熱的余裕の増大、圧損の
減少のほか、多数水ロツドの配置等集合体設計の
自由度が増し、燃料経済性が向上する。

そして、水ギヤツプ領域を減少させ、隣接燃料
棒間隔を減少すると、流路面積が増加するが、水
ギヤツプ領域がなくなれば、それ以上隣接燃料棒
を接近させても流路面積は増加しない。

次に、隣接燃料棒間隔と反応度との間には第１
０図（横軸、縦軸にはそれぞれ隣接燃料棒間隔
（mm）、反応度差（％Δk）がとつてあり、反応度
の基準値は現行の集合体の値を用いている。）に
示す関係がある。Ｇ，Ｈはそれぞれ８×８格子、
９×９格子の場合を示している。この図は一例と
して流路面積を現行の1.1倍とした場合で、隣接
燃料棒の減少に伴い水対燃料比の均質化、ギヤツ
プ水による中性子吸収の減少さらに水ロツド本数
の増加が可能となり、反応度が上昇する。しかし
水ギヤツプ領域がなくなれば、それ以上隣接燃料
棒を近づけることは隣接燃料棒付近の水対燃料比
を減少させることになり燃料経済性は逆に悪くな
る。さらに隣接燃料棒付近の熱的余裕も減少す
る。

これに対して、水ギヤツプ領域がなくなる隣接
燃料棒間隔は、８×８格子では1.76mm、９×９格
子では15.7mmであるため約15mmを最小としたもの
であり、最大の隣接燃料棒間隔は従来の最小の値
である約33mm以下にすることによつて所期の目的
が達成されるため、約30mmを最大として、所期の
目的を達成可能とする隣接燃料棒間隔は約15〜30
mmとしたものである。

以上の説明より明らかな如く、制御棒が挿入さ
れていない側の水ギヤツプを撤廃し、その空間を
冷却材流路として利用し、燃料棒間隔を広くし
て、炉心の中で燃料棒をより均質に配置すること
により、燃料集合体間での冷却材混合による熱的
余裕の改善と燃料経済性の向上を図ることが可能
となる。

〔発明の効果〕

本発明は、熱的余裕の増大と、燃料経済性の向
上の可能な沸騰水型原子炉の炉心を提供可能とす
るもので、産業上の効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の沸騰水型原子炉の炉心の水平断
面図、第２図は従来の沸騰水型原子炉の燃料集合
体の外観を示す斜視図、第３図は同じく縦断面
図、第４図は第２図のＸ方向平面図、第５図は水
対ウラン比と中性子無限増倍率との関係を示す線
図、第６図は本発明の沸騰水型原子炉の炉心の一
実施例の水平断面図、第７図は同じく燃料集合体
の外観を示す斜視図、第８図は第６図の実施例に
おける水対ウラン断面積比と中性子無限増倍率と
の関係を示す線図、第９図は隣接燃料棒間隔と流
路面積との関係を示す線図、第１０図は隣接燃料
棒間隔と反応度との関係を示す線図である。 １…燃料棒、５…制御棒、６…中性子検出器計
装管、７…ギヤツプ水、９…上部タイプレート、
１０…下部タイプレート、１１…スペーサ、１２
…燃料棒、１３…制御棒ガイド用の薄板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 隣接する４個の十字型の制御棒によつて区画
   された各空間内に４体の燃料集合体が配列してい
   る沸騰水型原子炉の炉心において、前記４体の燃
   料集合体が、それぞれの外周の前記制御棒に対向
   する二面の少なくとも該制御棒に面する部分にの
   み制御棒ガイド用の薄板が付設してあり、その他
   の外周部分はそれぞれ該燃料集合体を構成する燃
   料棒が露出しており、該燃料集合体の前記制御棒
   に対向しない面を対向配置したとき、４体の該燃
   料集合体それぞれの前記対向配置する面の間が冷
   却材流路となるように構成されていることを特徴
   とする沸騰水型原子炉の炉心。 ２ 前記冷却材流路となる対向配置する面を構成
   する燃料棒の中心間隔が約15〜30mmである特許請
   求の範囲第１項記載の沸騰水型原子炉の炉心。 ３ 前記燃料棒の中心間隔が、前記燃料集合体を
   構成する燃料棒の相互間の中心間隔と等しくなつ
   ている特許請求の範囲第２項記載の沸騰水型原子
   炉の炉心。