JPH0452913B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、燃焼集合体及び原子炉の炉心構造に
係り、特に沸騰水型原子炉に適用するのに好適な
燃焼集合体及び原子炉の炉心構造に関するもので
ある。

〔発明の背景〕

沸騰水型原子炉は、特公昭57−476号公報に示
されるように、多数の燃料集合体が相互間にギヤ
ツプを形成するように格子状に配置され、隣接す
る４体の燃料集合体の間に十字形の制御棒を挿入
するように構成されている。燃料集合体は、内部
に多数の燃料ペレツトを充填した複数の燃料棒、
上部及び下部タイプレート及びチヤンネルボツク
スを有している。燃料棒の上下端部は、上部及び
下部タイプレートにてそれぞれ保持されている。
チヤンネルボツクスは、上記タイプレートに取付
けられ、上部及び下部タイプレートにて保持され
た燃料棒の束の外側を取囲んでいる。

冷却水は、燃料集合体の下端から上端に向つて
チヤンネルボツクス内を流れる。冷却水は、チヤ
ンネルボツクス内を上昇する間に燃料棒にて加熱
され、蒸気となる。このため、燃料集合体内の上
部では、冷却水が液相と蒸気との二相流状態で流
動する。隣接する燃料集合体相互に形成されるギ
ヤツプにおいては、沸騰が行われず、飽和水が存
在する。

このように二相流部分と飽和水の部分が偏在す
ることにより炉心が非均質になり、燃料経済性と
出力ピーキングの面でいくらかの犠性をはらつて
いる。

上記の問題点を解消するものとして特開昭52−
112096号公報に示された炉心がある。この炉心
は、制御棒が挿入されなち燃焼集合体間のギヤツ
プをなくしたものであつて、炉心の均質化が促進
されている。

また、特開昭47−649号公報の第２図に示され
た沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体は、制御棒
案内管を燃焼棒間に配置している。この制御棒案
内管内には、特開昭47−649号公報の第１図に示
されるように制御棒を構成する一本一本の中性子
吸収棒がそれぞれ挿入される。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、炉心下部構造が単純な構造で
あつて熱中性子利用率を向上できる燃料集合体及
び原子炉の炉心構造を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の燃料集合体の特徴は、下部及び上部タ
イプレートの一側面付近に複数の制御棒案内管を
取付けたことにある。

本発明の原子炉の炉心構造の特徴は、炉心の下
端から上端に向つて伸びる各子状の仕切板を設
け、複数の燃料棒を有してしかも一側面付近に複
数の制御案内管を有する４体の燃料集合体を、１
つの燃料集合体の制御棒案内管が隣接する燃料進
合体の燃料棒に対向する如く格子状仕切板の１つ
の升目内に配置し、４体の燃料集合体の制御棒案
内管内にそれぞれ挿入される複数の中性子吸収棒
を有する制御棒を設けたことにある。

次に本発明での燃料経済性向上の原理を述べ
る。第１図は、中性子無限増倍率と水対ウラン原
子数比の関係を示したものである。水対ウラン比
を大きくすると、水による中性子減速効果が有効
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。従来の炉心では、
各燃料集合体の間にギヤツプ水が存在する。この
ため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１図に記した点Ａ、Ｂ及び
Ｃは、それぞれ燃料集合体平均、燃料集合体周辺
部及び燃料集合体中心部の中性子無限増倍率を示
す。従来と燃料集合体では、ギヤツプ水に面した
燃料集合体周辺部の燃料棒とそれ以外の燃料集合
体中心部の燃料棒の数はほぼ同数であつて、燃料
集合体平均の中性子無限増倍率（点Ａ）は、点Ｂ
及び点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１図から、燃料集合
体中心部と周辺部の水対ウラン比の差を小さくす
ればよいことが分かる。すなわち、炉心の中で燃
焼棒を均一に配置すればよい。本発明のごとくチ
ヤンネルボツクスを除去して制御棒クラスター案
内管を設け、燃料棒間隔を拡大して、燃料棒を例
えば８×８の正方格子状に配置した場合には、制
御棒クラスター案内管に面した部分と燃料集合体
中央部の中性子無限増倍率は、点Ｄおよび点Ｅと
なる。従つて、この場合、燃料集合体平均の中性
子無限増倍率もＦ点となつて従来の点Ａより高く
なり、中性子利用効率が向上して燃料経済性が向
上する。

〔発明の実施例〕

沸騰水型原子炉に適用した本発明の好適な一実
施例を第２図及び第３図に基づいて説明する。第
２図は、沸騰水型原子炉の炉心横断面の一部を示
す。炉心は、格子状の仕切板１及び多数の燃料集
合体２から構成されている。仕切板１の１つの升
目内には、４体の燃料集合体２Ａ〜２Ｄが設置さ
れる。

燃料集合体２の構造を、第３図及び第４図に基
づいて説明する。燃料集合体２は、上部タイプレ
ート３、下部タイプレート５、複数の燃料棒６、
複数のスペーサ７、水ロツド８及び複数の制御棒
案内管９からなつている。上部タイプレート３
は、ハンドル４を有している。各々の燃料棒６の
両端部は、上部タイプレート３及び下部タイプレ
ート５に保持される。水ロツド８の両端部も、上
部タイプレート３及び下部タイプレート５に保持
される。下部タイプレート５の形状は、上方から
見ると第４図に示すように矩形状をしている。上
部タイプレート３も、上方から見ると下部タイプ
レート５と同様に矩形状をしている。

複数（本実施例では８本）の制御棒案内管９
は、第３図及び第４図に示すように上部タイプレ
ート３及び下部タイプレート５の一側面付近で
各々のタイプレートに取付けられている。燃料棒
６、水ロツド８及び制御棒案内管９の配置は、第
４図のようになつている。複数のスペーサ７、燃
料集合体２の軸方向に配置され、各子状に配列さ
れた燃料棒６相互管の間隔を所定副に保持する。
スペーサ７は、各制御棒案内管９の相互間隔をも
所定副に保持する。スペーサ７は、水ロツド８に
取付けられている。

燃料集合体２は、従来のようにチヤンネルボツ
クスを有していない。

格子状の仕切板１は、炉心の下端から上端に向
つて伸びており、炉心内を多数の升目に区画する
ものである。仕切板１の下端は、第５図に示すよ
うに、原子炉圧力容器（図示せず）内に設置され
た炉心支持板１０に図示していないがボルトにて
取付けられる。仕切板１の格交点には炉心軸方向
に伸びる孔部が設けられており、その孔部内に中
性子検出器１１が設置されている。仕切板１の各
各の升目内には、４体の燃料集合体２Ａ〜２Ｄ
（構造は第３図に示す）が配置されている。これ
らの４体の燃料集合体は１つの燃料集合体のすべ
ての制御棒案内管９がその燃料集合体に隣接して
いる燃料集合体の燃料棒に対向するようにそれぞ
れ配置される。例えば、燃料集合体２Ａの一側面
に位置している制御棒案内管９は、隣接している
燃料集合体２Ｂの一側面に位置している燃料棒６
にそれぞれ対向している。すなわち、１つの燃料
集合体に設けられた燃料棒は間に制御棒案内管９
を介存させ他の燃料集合体に設けられた燃料棒と
対向している。このため、仕切板１の升目内にお
いては、制御棒案内管９が第２図に示すように十
字形に配置される。

燃料集合体２は、第５図に示すように炉心支持
板１０を貫通して設けられる制御棒案内管１２の
上端に据付けられた燃料支持金具１４に保持され
る。すなわち、燃料集合体２は、その下部タイプ
レート５を燃料支持金具１４の上部に設けられた
上部開口１５内に挿入することによつて保持され
る。制御棒案内管１２及び燃料支持金具１４は、
仕切板１の１つの升目に対して１づずつ配置され
ている。４個の上部開口１５が、燃料支持金具１
４に設けられている。各々の上部開口１５に、仕
切板１の１つの升目内に配置された燃料集合体２
Ａ〜２Ｄの、下端部が挿入される。燃料支持金具
１４は、４個の上部開口１５とともに４個の下部
開口１６、及び１個の上部開口１５と１個の下部
開口１６を連絡して１体の燃料集合体２の冷却水
を導く４つの冷却水通路１８を有している。下部
開口１６にはオリフイス１７が設けられる。燃料
支持金具１４の中央部には、４つの冷却水通路１
８で囲まれた十字形状の間隙１９形成される。こ
の間隙１９の上端にはそれを塞ぐように仕切部材
２０が配置される。仕切部材２０は、第６図に示
すように十字形をしており、後述する制御棒２５
の各中性子吸収棒２６を通すための多数の貫通孔
２２を有している。貫通孔２２の上端部にテーパ
状を孔部２３が設けられる。仕切部材２０は、燃
料支持金具１４に取付けられる。燃料集合体２に
設けられた制御棒案内管９の下端部は、第５図に
示すように仕切部材２０の貫通孔２２内に挿入さ
れる。テーパ状の孔部２３は、制御棒案内管９を
貫通孔２２内に挿入するためのガイドの機能を有
している。

制御棒２５は制御棒案内管１２内の上下方向に
移動し、制御棒２５を構成する各々の中性子吸収
棒２６は、間隙１９を介して制御棒案内管９内に
挿入される。この制御棒２５の詳細構造を第７図
に基づいて説明する。制御棒２５は、十字形をし
た固定板２７の上に本実施例では32本の中性子吸
収棒２６を十字形状に取付けて構成される。各中
性子吸収棒２６内には、中性子吸収材であるB₄C
が充填されている。カツプリング２８が固定板２
７の下部に設けられる。カツプリング２８は、図
示されていない制御棒駆動装置に着脱自在に結合
される。

沸騰水型原子炉の運転時においては、冷却水が
制御棒案内管１２に設けらてた開口１３、燃料支
持金具１４の下部開口１６、冷却水通路１８及び
上部開口１５を介して燃料集合体２内に供給され
る。この運転時において、仕切板１の１つの升目
内に配置された燃料集合体２Ａ〜２Ｄの上部タイ
プレート３及び下部タイプレート５は、熱膨張に
よつて互いに接触するとともに仕切板１とも接触
する。燃料集合体２Ａ〜２Ｄに導かれた冷却水
は、下部タイプレート５から流出して燃料６が配
置されている部分に達すると、仕切板１によつて
画定された１つの升目内を上昇する。すなわち、
燃料集合体２Ａ〜２Ｄに供給された冷却水は、仕
切板１の１つの升目で互いに混合される。仕切板
１が、従来の燃料集合体に設けられたチヤンネル
ボツクスの機能を代行している。

沸騰水型原子炉の出力制御は、制御棒２５を上
下に移動させることによつて行われる。制御棒２
５を上下動させることによつて中性子吸収棒２６
は、制御棒案内管９内を移動する。制御棒２５を
炉心から完全に引抜いた場合でも、中性子吸収棒
２６の上端部は制御棒案内管９の下端部内に挿入
された状態にある。

本実施例の炉心では、水ギヤツプ領域がなく、
また制御棒挿入引抜きのための空間も制御棒案内
管１３の占める領域のみとなり、冷却水の原子炉
の炉心水平面に占める不均一さが和らげられて出
力分布の均一化が図れる。また、各燃料棒の間隔
も、水ギヤツプ領域、チヤンネルボツクスがなく
なつたため、従来の燃料集合体よりも大きくする
ことができる。本実施例を８×８燃料集合体に適
用すると、燃料棒の中心間隔は、従来の16.3mmか
ら17.9mmに増加する。これにより単位燃料棒格子
の水平断面の冷却材流路断面積と燃料棒中の二酸
化ウラン断面積の比は、1.75から2.65に約1.5倍に
増加する。その結果、水体ウラン比が増加する。
燃料集合体中心部の中性子の平均エネルギーが低
下するために、燃料集合体が均質に近づいて燃料
経済性が向上する。またチヤンネルボツクスによ
る中性子の吸収もなくなるため、単位出力あたり
の所要天然ウラン量は、本実施例により、11％低
減できる。また、本実施例では、冷却材流路断面
積が50％増加するので、冷却材流量が一定の場合
に流速が従来の67％に低下して圧力損失は従来の
45％に低下する。なお、特開昭52−112096号公報
の第１図及び第１０図に示された構造では、４体
の燃料集合体を取囲む隣接しているチヤンネルボ
ツクスの間にはギヤツプが形成され、結局チヤン
ネルボツクスの二重壁構造となつている。本実施
例は、仕切板１は一重壁であるので中性子の吸収
量が特開昭52−112096号公報に比べても少なくな
る。従つて、本実施例は熱中性子の有効利用が図
れ、本実施例の単位出力当りの所要天然ウラン量
は、特開昭52−112096号公報でのそれよりも低減
できる。

本実施例では、制御棒案内管９を付設した燃料
集合体２間に間隙がなく、隣合う燃料集合体が直
接的（タイプレートどうしが接触）にまたは格子
状の仕切板１を介して互いに押し合う構造になつ
ているため、地震等によつて原子炉に水平荷重が
作用しても異常な振れが生じない。また制御棒案
内管９が燃料集合体２の一側面に固定支持されて
いるので、制御棒２５の挿入性も確保できる。制
御棒２５は、従来のように十字形に構成できるの
で、炉心下部の構造、すなわち燃料支持金具１４
の構造を変えることなく間隙１９を利用して炉心
に挿入することができる。特開昭47−649号公報
のごとく制御棒案内管９を燃料棒６間に設ける
と、下部タイプレート５及び燃料支持金具１４を
通して中性子吸収棒を制御案内管９内に挿入する
ことが面倒になる。従つて、炉心下部構造を変え
る必要があり、構造的に複雑となる。本実施例に
おける炉心下部構造は、極めて単純な構造であ
る。また、格子状の仕切板１は、両面から燃料集
合体によつて抑えつけられるため、仕切板１自体
に耐震強度を持たせる必要はなく、仕切板１の板
厚を薄くすることが出来る。これによつても、熱
中性子の吸収量が低減できる。

以上説明のように本実施例によれば、炉心の均
質化により燃料経済性が向上できるとともに、少
ない炉内構造物で耐震強度を向上させることがで
きる。また局所出力ピーキングが低減するので、
局所出力ピーキングを小さくするために従来実施
されていた燃料集合体水平断面内での燃料棒の濃
縮度分布を付ける必要がない。また冷却水の流路
面積に余裕が生じるので、燃料棒径を増加してウ
ラン装荷量を増やすこも可能で、燃焼度を増加さ
せなくとも連続運転時間が延長できる。また本発
明では、燃料集合体を従来と同様に１本ずつ燃料
変換することができる。

制御棒２５の交換は、仕切板１の１つの升目内
の４本の燃料集合体２Ａ〜２Ｄ及び燃料支持金具
１４をその升目内から取出し、制御棒駆動装置と
の結合関係を解除することによつて行われる。

燃料集合体２では、燃料集合体２と一側面の全
部に制御棒案内管９を設けているが、第８図に示
す燃料集合体２Ｅの如くその一部は燃料棒１４に
おきかえて、炉心内の燃料装荷量を増加させても
よい。このような４体の燃料集合体２Ｅが、仕切
板１の１つの升目内に装荷される。この場合に
は、炉心の均質化がさらに進み、炉心内の燃料装
荷量が増加し、燃料度を増加させることなく連続
運転期間延長が図られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、炉心下部構造が単純な構造で
あつて熱中性子利用率が向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は水対ウラン比と中性子無限増倍率との
関係を示す特性図、第２図は本発明の好適な一実
施例である沸騰吸水型原子炉の炉心部の水平断面
図、第３図は第２図の炉心部に装荷される本発明
の好適な一実施例である燃料集合体の構造図、第
４図は第３図の−断面図、第５図は第２図の
−断面における下部の詳細断面図、第６図は
第５図に示す仕切部材の平面図、第７図は第５図
に示す制御棒の斜視図、第８図は本発明の他の実
施例である燃料集合体の横断面図である。 １……仕切板、２，２Ａ〜２Ｅ……燃料集合
体、３……上部タイプレート、５……下部タイプ
レート、６……燃料棒、９……制御棒案内管、１
１……中性子検出器、１４……燃料支持金具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上部及び下部タイプレートと、各々の前記タ
   イプレートに両端部が保持される複数の燃料棒と
   からなる燃料集合体において、複数の制御棒案内
   管を、前記上部タイプレート及び前記下部タイプ
   レートの一つの側面付近に配置し、各々の前記制
   御棒案内管の両端部を前記上部及び下部タイプレ
   ートに取付けたことを特徴とする燃料集合体。 ２ 上部及び下部タイプレートと、各々の前記タ
   イプレートに両端部が保持される複数の燃料棒と
   からなる複数の燃料集合体が配置されてなる原子
   炉と炉心構造において、炉心の下端から上端に向
   つて伸びる格子状の仕切板を設け、両端部が前記
   上部及び下部タイプレートの一つの側面付近に取
   付けられた複数の制御棒案内管を有する４体の燃
   焼集合体を前記仕切板の１つの升目内に設置し、
   前記４体の燃焼集合体を１つの燃焼集合体に設け
   られた複数の制御棒案内管が隣接する燃焼集合体
   の燃焼棒に対向するように配置し、前記４体の燃
   料集合体のそれぞれの制御棒案内管内に挿入され
   る複数の中性子吸収棒を有する制御棒を設けたこ
   とを特徴とする原子炉の炉心構造。