JPH05215877A - 沸騰水型原子炉の炉心 - Google Patents

沸騰水型原子炉の炉心

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JPH05215877A
JPH05215877A JP4289795A JP28979592A JPH05215877A JP H05215877 A JPH05215877 A JP H05215877A JP 4289795 A JP4289795 A JP 4289795A JP 28979592 A JP28979592 A JP 28979592A JP H05215877 A JPH05215877 A JP H05215877A
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Larry E Fennern
ラリー・エドガー・フェナーン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 炉心内の全ての燃料棒がそれぞれの熱限界に
均一に接近し、もって炉心のパワー密度を高くできるよ
うにする。 【構成】 各燃料棒４０をそれぞれ個々に円筒形のチャ
ンネル５０で取り囲み、チャンネル内およびチャンネル
間の領域にそれぞれ減速兼冷却材が流れるようにする。
それぞれチャンネルで囲まれた燃料棒は好ましくは三角
形状のピッチで配列し、取扱いが容易なように所定数を
１つのグループとして六角形に束ねる。各燃料棒とそれ
を囲むチャンネルとの間には羽根８６を持つスペーサ８
０を配置して、燃料棒とチャンネルとの間の間隔を維持
し、かつチャンネル内の流れを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高パワー密度を有する
沸騰水型原子炉に関する。更に詳しくは、例えば管状の
クラッディング内に取り囲まれている燃料ペレットを積
み重ねたものからなる個々の燃料棒がそれと同心の燃料
チャンネルをそなえている燃料束構造を開示する。燃料
棒および同心のチャンネルは好ましくは三角形状のマト
リックスに配列される。このような燃料束の炉心は全て
の燃料棒がそれぞれの熱限界に均一に接近する特性を有
し、原子炉のパワー密度より高くできる。
【０００２】
【従来の技術】沸騰水型原子炉のパワー密度は、主にそ
の最初の設計の結果として、従来５６キロワット（Ｋ
ｗ）／リットル以下に限定されている。これらの設計は
熱的制限および安定性の理由によりこれらの原子炉のパ
ワー出力を制限している。熱的制限には最大線形熱発生
率および最小臨界パワー比がある。
【０００３】最大線形熱発生率（ＭＬＨＧＲ）は直線状
の１フィート（ｆｔ）の燃料棒による最大熱出力量であ
る。沸騰水型原子炉の通常のＭＬＨＧＲは、１２．１な
いし１４．４Ｋｗ／ｆｔの範囲である（すなわち、メー
トル法では４０ないし４７Ｋｗ／ｍ）。簡単に説明する
と、ＭＬＨＧＲは燃料ペレットのスウェリングによる燃
料棒のクラッディングとの機械的干渉により制限され
る。ＭＬＧＨＲは燃料棒に損傷が生じないように燃料束
内の個々のどの燃料棒も超えてはならない。個々の棒は
燃料束内において損なわれることが許されないので、全
体の束は所与の燃料棒位置において最大線形熱発生率を
維持するようにその性能が制限される。原子炉の炉心の
一部を構成している特定の束の出力がこのように制限さ
れると、全体の炉心も同様に制限されることを理解され
たい。
【０００４】最小臨界パワー比（ＭＣＰＲ）はある点が
核沸騰から膜沸騰に遷移する燃料束パワーレベルと燃料
束のそのときの出力との比である。この比は個々の燃料
束内のどこでも１の数値より小さいことは許されない。
この制限を燃料束内のいずれかの位置で超えた場合に
は、燃料棒のクラッディングの温度は燃料棒の内部から
燃料棒の外部への熱流路における抵抗の増大により迅速
に増大する。これにより特定の燃料棒クラッディングに
損傷が生じるおそれがある。
【０００５】比の概念は燃料束内に臨界パワーの限界を
設定するのに利用される。この比は動作状態、すなわち
正常な動作状態および予想される異常な動作状態また
「過渡的な動作状態」が原子炉内の密閉された燃料棒に
対して損傷を与える危険をおかすことなく生じる限界に
維持される。既に設計されている原子炉においては、こ
れらの熱的制限は最初の設計によって大部分設定されて
いる。しかしながら、新しく製造する原子炉のパワー出
力密度を増大する要求がある。
【０００６】従って、パワー出力密度に関連する要因に
ついて簡単に説明する。特に中性子密度および関連する
パワー出力に多くの異なる分布を用いている従来の燃料
設計について簡単に説明する。その後、新しい原子炉の
設計について説明する。パワー密度の増大に関連する要
因について考えると、既存の製造設備で容器を製造する
ために鍛造を使用し続けたいとしても、容器の大きさは
直径が７メートルに制限されている。現在の市場の実状
においては既存の大きさの制限を超えて容器の製造設備
を拡大するには抵抗がある。従って、各原子炉容器は実
際にはその直径に制限されている。従って、これはＢＷ
Ｒの炉心内における燃料束の数を制限することを必要と
している。
【０００７】また、燃料棒の長さが長くなるに従って、
熱マージンおよび安定性が重要になるので、燃料棒の束
の実際の燃料の長さを設定するのにも制限がある。燃料
束が長くなればなるほど、かなりの入口冷却材の流れが
追加されない場合には遷移沸騰の可能性が大きくなる。
しかしながら、これは増大した長さおよび入口流量の増
大に伴なって燃料束での圧力降下が高くなることによっ
て悪化する。更に、あるパワー率において安定性の点で
棒が短く維持されることを必要としている。沸騰の長さ
があまりにも長く、２相圧力降下があまりにも高い場合
には、熱水力学的不安定性および熱水力学的核不安定性
が発生する。実際上、有効な燃料の長さは約１２．５フ
ィート（すなわち、メートル単位では３．８１ｍ）に制
限されている。
【０００８】容器の直径および燃料棒の長さの両方が実
際上制限されていることを一度理解すると、所与の原子
炉容器内において利用できる全容積が限界に近づくこと
が明らかになる。従って、原子炉の実際の容積の限界は
約１００，０００リットルである。原子炉が建設される
とき、設置されるプラントのパワー出力に関係なく固定
の一定の多大な費用がかかる。設置されるプラントが高
いパワー密度を有することができる場合には、これらの
固定された一定の費用は実質的により有効になる。
【０００９】従って、原子炉の資本費を低減するように
高いパワー密度を達成する可能性を有した新規な燃料の
設計方法に対する要望がある。これは原子炉のパワー出
力を高くすることを可能にする。強制循環沸騰水型原子
炉は高いパワー密度要求を達成することができる１つの
原子炉である。簡単に説明すると、このような原子炉
は、冷却材の流れを内部の通路に沿って強制することに
よって原子力プラントにおいてより多くパワーを集中す
ることができる。
【００１０】入って来る冷却材を全て沸騰させて蒸気に
し、この蒸気を過熱する新しい概念の沸騰水型原子炉は
この燃料設計の使用から利益を得ることができる他の原
子炉である。これについては、１９９１年４月４日に出
願の「２ベル炉心を有する蒸気冷却式原子炉（ＳＴＥＡ
Ｍ ＣＯＯＬＥＤ ＮＵＣＬＥＡＲ ＲＥＡＣＴＯＲＷ
ＩＴＨ ＢＩ−ＬＥＶＥＬ ＣＯＲＥ）」という名称の
米国特許出願第６８１，２４６号を参照されたい。
【００１１】沸騰水型原子炉の従来の設計は下側タイプ
レート上に支持され、かつ上側タイプレートによって垂
直に維持されている垂直方向にまっすぐ直立している燃
料棒のグループよりなる個別の燃料束を有している。チ
ャンネルが垂直方向にまっすぐ直立した燃料棒をタイプ
レートの間に取り囲み、タイプレートの間の流体の流れ
を原子炉の残りの部分から分離している。とりわけ、こ
の構成は燃料束の性能を燃料束だけで予測することが可
能である。
【００１２】最近の燃料束の設計における主な関心事は
核効率の改良である。詳しくは、燃料束は、典型的には
中性子吸収材料の炉心への導入を最小にしながら燃料棒
パワーレベルを均一にするように努力することによって
核分裂を起こす核燃料から最大エネルギを引き出すよう
に設計される。しかしながら、多くの実際的な理由のた
めに、沸騰水型原子炉に利用されている最近の燃料束は
均一でなく、燃料束内の個々の燃料棒に異なるパワー出
力を持たせている。例えば、燃料束チャンネルは燃料束
の外側の、動作中は水で満たされるいわゆる炉心バイパ
ス領域によって取り囲まれている。動作停止のために、
該領域内に制御棒ブレードが挿入される。更に、局部的
および全体的パワーレベルを測定するために炉心におけ
る中性子およびガンマ線束を測定する計器が水を満たさ
れたバイパス領域内に設けられる。
【００１３】この結果、チャンネルに隣接している燃料
棒はバイパス水内の中性子の減速（この減速は束の内側
の蒸気／水の混合によって行われる減速よりも大きい）
によって一層高い密度の熱中性子束を受けて動作し、よ
り多くのパワーを発生する。この不釣合いを避けるた
め、燃料の濃縮度をこれらの種々の速いおよび遅い中性
子束密度に応じて変えると共に、最大のエネルギを引き
出すという目的を考慮しながら必要な高速中性子の減速
を付加的に行うように選択した内部の位置の燃料棒を水
棒と置換する。
【００１４】少なくともこれらの理由のために、燃料束
は個々に分離され、従って予想し得るように分離される
が、最近の燃料束内の個々の燃料棒はパワー出力が互い
に同じではない。所与の燃料束内における燃料棒が同質
でない場合、これは実際上燃料束の一部分が熱限界に達
する前に燃料束の他の部分が燃料限界に達することを意
味している。本技術分野に専門知識を有する者は、燃料
束内のどこにおいてでも熱限界に一度達すると、その同
じ燃料束の他の部分および多分原子炉の炉心内の他の燃
料束が局部的な熱限界を超えないパワー出力に制限され
るということが理解されよう。
【００１５】最近の燃料設計は核効率に関係している
が、新規な原子力プラントの設計に適したパワー密度を
企図している場合には、低いパワー密度にする方が一般
に有利であるエネルギ利用および燃料サイクル費用に影
響する核効率と、規模の節約の点高いパワー密度にする
方が有利であるプラント建設時の固定したプラント資本
費とのかねあいがとられる。高いパワー密度のプラント
の場合には、燃料束を設計する際の従来の設計上の制約
は無視される。これは事実であるので、これらの従来の
設計上の制約は本発明によるものにも通用されうること
を理解されたい。したがって、燃料のサイクル費用が実
際上プラント資本費に対して二次的であり、従来のよう
に核効率を考慮すべきという点は以下説明する本発明に
もあてはまる。
【００１６】
【発明の概要】本発明は、必ずしも核効率を重点として
いない燃料設計を（もちろん、この従来の目標を考慮に
入れながら）提案することによってより高いパワー密度
を達成しようとするものである。設計の重点は炉心全体
にわたって燃料棒のパワー出力を均一にすることであ
る。したがって、原子炉炉心を全ての燃料棒がそれぞれ
の熱限界に均一に接近するようにした個々の燃料束ユニ
ットで構成する。全ての燃料棒がそれぞれの熱限界に均
一に近づくことにより高パワー密度を得ることが可能と
なる。
【００１７】この新しい設計においては、燃料棒のグル
ープを取り囲む従来のＢＷＲ燃料チャンネルは使用され
ない。この代わりに、各燃料棒がそれ自身の個々の円筒
形のチャンネルによって取り囲まれる。各燃料棒に設け
たこの個々の円筒形チャンネルは燃料束内の全ての燃料
棒がそれ自身の熱限界に均一に近づくことができるよう
にする熱水力学的および熱伝達利点を有する。同時に、
個々の燃料棒チャンネルにより、複雑な３Ｄ分析および
多重集合体熱水力学的確認試験を必要とすることなく許
容し得る流れ分布を確保するように燃料炉心を個々の燃
料棒ユニットに予想通り分離することが可能である。
【００１８】個々の燃料棒がそれら自身のチャンネルに
よって個々に取り囲まれているので、好ましい燃料棒ピ
ッチは個々の燃料棒の間の三角形状のピッチである。こ
の新規な三角形状の配列構造は全ての燃料棒内に、従っ
て全てのグループの燃料棒内に更に均一な（フラット
な）パワー分布を生じさせる。バイパス流は現在のＢＷ
Ｒ燃料設計におけるようにチャンネル間隙および水棒に
別異に導入されるよりも、燃料棒チャンネル間に均一に
導入される。個々の燃料棒チャンネルには必要に応じて
相異なる開口部を形成して、入ってくる流れを燃料棒パ
ワー出力に整合させて、全ての燃料棒がそれぞれの熱限
界に均一に近づくようにする。燃料束間の間隙をなくす
か、または少なくとも最小にして、更に高いパワー密度
を得ることができる。更に、蒸気による冷却が重要であ
る炉心内の領域においては、燃料棒の外側表面とチャン
ネルの内側表面との間の熱の放射伝達により蒸気の冷却
材に対する全体の熱伝達がかなり改良される（伝達され
る全体の熱の約５ないし１０％）。
【００１９】スペーサが燃料棒チャンネル内に設けら
れ、チャンネル壁と燃料棒クラッディングとの間の相対
的変位を制限し、かつ乱流促進器として作用する。
【００２０】
【実施例の記載】図１を参照すると、強制循環沸騰水型
原子炉の原子炉容器Ｖが断面で示されている。原子炉は
炉心Ｃおよびその下側にプレナムＰを有している。プレ
ナムＰを通って延出している複数の制御棒Ｒが核分裂反
応における炉心Ｃの反応出力を制御するように選択的に
貫入している。容器Ｖは炉心Ｃを通って蒸気分離器Ｓお
よび蒸気乾燥器Ｄに入る上方への流れを含む循環流路を
有している。分離器Ｓで分離された液体は炉心と容器の
外壁との間を矢印１４の方向に下方に通過して、プレナ
ムＰに入る。プレナムＰにおいて、水は再び炉心を通過
して上方に循環する。
【００２１】この原子炉はポンプ１６−１９を有してい
る強制循環原子炉であり、ポンプの各々は炉心の側部に
沿って水を下方に引き込んで、プレナムＰに入れるプロ
ペラ２０を有している。プレナムＰにおいて、解放され
た水は炉心を通って上方に通過し、ここに記載された流
路でエンドレスな循環サイクルを繰り返す。典型的に
は、給水が入口２２から入れられ、散水器２４を通して
分配される。同様に、エネルギ取り出し用の蒸気は出口
２６から放出され、エネルギの取り出しは通常のタービ
ンおよび復数器（図示せず）で行われる。復水器からの
放出は給水補給装置（図示せず）へ行われ、原子炉の開
口部２２に戻る。
【００２２】炉心の底は炉心プレート２９として知られ
ている境界を有している。炉心プレート２９は燃料支持
片用の横方向支持部を形成し、底部、すなわち炉心Ｃへ
の入口における流体境界を形成している。燃料支持片は
制御棒案内管２７上に設けられている。また、燃料集合
体３１が燃料支持片上に位置決めされている。特に、燃
料集合体の下側タイプレート３０は炉心プレート２９内
に埋め込まれている燃料支持片上に載置されている。
【００２３】下側タイプレートについて切取り平面図を
示す図２を参照して説明する。２種類の開口部が下側タ
イプレート３０に形成されている。第１の組の開口部３
２は、以下に説明するように燃料集合体の各燃料棒を取
り囲んでいる各チャンネルの内部に連通している。開口
部３２を通って入る減速兼冷却材は燃料棒を冷却し、最
終的にはエネルギを引き出すための蒸気になる。
【００２４】更に、第２の組の開口部３４が示されてい
る。開口部３４はチャンネル間のいわゆる炉心バイパス
領域に水を流す。このバイパス領域はそれぞれの燃料棒
に対してそれを囲む減速材を構成する。図３および図４
を参照すると、炉心の構造をよく理解することができ
る。まず、図４を参照すると、各燃料棒４０はクラッデ
ィング４３を有し、このクラッディングは柱状に積み重
ねられた燃料ペレット４２を取り囲んでいる。解放され
た核分裂生成ガスを収集して分配するように間隙４１が
典型的にペレットとクラッドとの間に設けられている。
本技術分野で通常行われているように、クラッディング
はそれぞれの端部４４において密閉され、燃料ペレット
および核分裂生成ガスを密閉する個別の圧力容器を構成
している。
【００２５】本発明の新規な特徴として、各燃料棒はそ
れ自身の個別のチャンネル５０によって取り囲まれてい
る。チャンネル５０の下端部５２は下側タイプレート３
０の開口部３２の各々に連通している。炉心の内部に２
つの流れ領域があることを理解されたい。第１の流れ領
域は燃料棒４０の周りのチャンネルで囲まれた直立した
同心の環状領域６０である。この領域において冷却材は
燃料棒によって加熱される。
【００２６】第２として、それぞれのチャンネル間のバ
イパス領域６４がある。この領域では、液体減速材が図
３に矢印で示すように適当な大きさの開口部３４を通っ
て下側タイプレートから炉心の上部までの全距離にわた
って存在する。燃料棒４０はチャンネル５０からスペー
サ８０によって隔てられている。種々のスペーサの設計
が可能であるが、図５には新規で典型的な設計のものが
示されている。リング８２および８４はそれぞれチャン
ネル壁５０と燃料棒４０との間にきちんと合ったフェル
ールブッシングを形成している。角度をもって配設され
た羽根８６がチャンネル５０と燃料棒４０との間を一定
距離に維持している。スペーサは図３に示すように燃料
チャンネルの軸方向に沿って一定間隔で設けられてい
る。
【００２７】この新しい設計は従来のＢＷＲ燃料設計に
対してチャンネル５０内に追加構造材料を有している。
この追加材料は内部の燃料棒４０に対してかなりの剛性
を加える利点がある。このチャンネル設計は不運なこと
に中性子を吸収する。各燃料棒はそれ自身のチャンネル
を有しているので、従来の燃料設計におけるよりもチャ
ンネルでの吸収によって一層多くの中性子が失われる。
【００２８】チャンネル壁における中性子の吸収は部分
的に緩和することができる。燃料棒のクラッディングお
よびチャンネルの寸法を最適化するとチャンネル材料の
半分は従来の設計の比較的厚い燃料束チャンネルを使用
しないことによって補償できる。従って、利用すること
ができる従来の燃料設計と比較した代表的な寸法を次の
表に示す。
【００２９】
【表１】 本発明 従来 燃料棒の数 ９１ ６４ 燃料棒の配列構造 三角形ピッチ 四角形ピッチ クラッディングの外径 ８．０ｍｍ １２．３ｍｍ クラッディングの厚さ ０．６４ｍｍ ０．７６ｍｍ チャンネルの数 ９１ １ チャンネル構造 円筒形の管 四角形の箱 チャンネルの内部スパン １５ｍｍ １３４ｍｍ チャンネルの厚さ ０．６４ｍｍ ２．０ｍｍ この結果の炉心および燃料棒構造はより均質な断面を有
することがわかるであろう。この結果、収容されている
全ての燃料棒４２は均一にそれぞれの熱限界に接近す
る。この結果として、原子炉のパワー密度を増大でき
る。
【００３０】この設計によって実現される利点の概要は
最大線形熱発生率、最小臨界パワー比および定格より少
ない冷却材流量における原子炉の安定性を実現すること
ができる利点がある。 ［最大線形熱発生率］更に均一に分布した炉心バイパス
領域６４（ＢＷＲでは液相の水が流れる）は炉心の全体
にわたる材料の比較的均質な混合により任意の軸方向の
レベルにおける燃料棒間のパワー不整合を小さくし
（「局部的ピーキング」の減少）軸方向パワー分布をフ
ラットにする。この結果、動作の間最大線形熱発生率
（ＭＬＧＨＲ）の平均値からの偏差が小さくなり、ＭＬ
ＨＧＲ基準を満足しながらパワー密度もより高くするこ
とが出来る。
【００３１】また、三角形状のピッチを使用することに
より四角形のピッチで達成されるものに比較して炉心内
における燃料棒の実装密度が増大する。従来の四角形ピ
ッチに比較して、これは同じパワーレベルでは燃料棒あ
たりのパワーが低いことを意味し、更にＭＬＨＧＲを軽
減し、パワー密度を増大する機会を形成する。 ［最小臨界パワー比］また、燃料棒間のパワー不整合の
低減は最小臨界パワー比（ＭＣＰＲ）に対して有益な効
果をもたらす。全ての棒はこの臨界パワー比の限界に同
じように近づく。流量をパワー発生率に整合させ、かつ
燃料棒のクラッド境界近くにおける乱流状態を助長する
ように各燃料棒のチャンネルに個別に選択的に流れ調節
手段を形成できることによって更に利益がある。この結
果、燃料束の臨界パワーが増大し、パワー密度を増大す
るマージンが得られる。
【００３２】図５に示す固定された羽根８６の偏向角度
を調整することによって上記の選択的な流れ調節を行う
ことができる。これは個々のチャンネルの冷却材の流れ
抵抗または圧力降下特性を変化させ、入って来る流れを
特定の分布に強制する。選択的な流れ調節の別の手段が
図７に示されている。図７を参照すると、２つのチャン
ネル５０の底部５２が示されている。各底部５２には異
なる大きさの開口部７２、７４を形成することが示され
ている。これらの異なる大きさの開口部は減速兼冷却材
の流入を調整し、本発明の燃料束を通る流量を変えるこ
とができる。 ［安定性］安定性は必ずしも図１に示した強制循環プラ
ントにおけるパワー密度の増大に対する制約にはならな
い。このような強制循環原子炉において、パワー流れマ
ップ除外領域を限定でき、適当な制御装置および計器を
設置して、チャンネルの流れを不安定にするおそれのあ
る動作領域において、乱れた状態の場合でも、動作を回
避する。例えば、設計によっては流量が設定点以下に低
下したときに自動的に制御棒を選択的に挿入し、炉心パ
ワーレベルを制限し、不安定なパワー流れ領域を避け
る。
【００３３】それにも関わらず、本発明は燃料束の上側
の二相領域における高い圧力降下および不十分な冷却材
の流れのような根本的原因の観点から安定性を改良する
能力を有している。選択的な流量調節により燃料棒チャ
ンネル内の流量をより大きくして、安定な動作のための
マージンを下げないようにできる。 ［スペーサの構造］図５を参照すると、本発明で利用さ
れるスペーサの構造を理解することができる。スペーサ
８０は冷却材の流れが通過する羽根８６によって分離さ
れた２つの同心フェルール８２、８４から構成されてい
る。内側のフェルール８２は燃料棒クラッド４３上には
め込まれ、外側のフェルール８２は燃料棒チャンネル５
０の内壁にはめ込まれる。
【００３４】スペーサ８０は機械的要求条件を満足し、
燃料棒およびチャンネルの変位を制限するのに必要なよ
うに燃料棒チャンネルの入口、出口および中間位置に設
けられている。また、スペーサは乱流を助長し、熱伝達
特性を改良するように適当に位置決めすることもでき
る。羽根８６はプロペラのような配列で設けられてい
る。羽根８６のピッチは上方に流れる流体に対して螺旋
状の曲がりを与える。この流体に与えられた螺旋状の曲
がりは更に乱流を助長する。更に、スペーサの羽根８６
のピッチにより入って来る流れを個々の燃料棒パワー発
生に整合させるための流量調節効果を持たせることがで
きる。図５の羽根８６はそれを通った流体に螺旋状の経
路を与えることがわかる。
【００３５】図６を参照すると、それぞれ燃料棒４０お
よびスペーサ８０をそなえた個々の燃料チャンネル５０
が外部の束取巻具１００（ストラップ）を使用して束ね
られていることがわかる。こうして作られた燃料束の底
部および上部はそれぞれ下側タイプレート３０および上
側タイプレート３１によって固定されている。選択され
たチャンネルがタイプレートを通り抜け、その端部に
は、固定された集合体を形成するように燃料束をボルト
留めするためのねじ部が設けられている。図６に示すよ
うに、それぞれチャンネル５０で取り囲まれた９１個の
燃料棒４０が六角形の束構造を形成するように固定され
る。９１個の燃料棒４０およびチャンネル５０からなる
このグループは従来の燃料束内に設けられた燃料棒と同
じように単一のグループとして取扱うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】原子炉容器の限られた容積内で高パワー密度を
達成し得るように内部の軸駆動原子炉ポンプによって強
制循環が行われる強制循環沸騰水型原子炉の斜視図であ
る。
【図２】減速兼冷却材を流入させるために炉心の下側部
分に設けられた炉心プレートの一部を示す平面図であ
り、冷却材を燃料棒およびチャンネルに通す第１の開口
部および冷却材を炉心のバイパス領域に通す第２の開口
部が示されている。
【図３】各々が炉心プレートの開口部に連通している個
別の燃料チャンネルを有する３つの燃料棒の斜視図であ
る。
【図４】図３のライン３Ｂ−３Ｂに沿って取った断面図
である。
【図５】燃料棒と個々のチャンネルとの間に設けられる
スペーサを詳細に示す斜視図であり、このスペーサがチ
ャンネルと燃料棒との間で燃料棒の周りを同心に上方に
通過する冷却材を旋回させる羽根の形状を持っているこ
とが示されている。
【図６】原子炉における燃料の取扱いを容易にするため
にタイプレート間に個々の燃料棒および燃料チャンネル
を１つのグループにまとめて取付けて構成した六角形状
の燃料束の斜視図である。
【図７】燃料棒およびチャンネルの入口を示す斜視図で
あり、入口が高温動作を制御して所望の熱制限に均一に
近づくように燃料棒およびチャンネルを通る流体の流れ
を個々に制御するように形成されている。
【符号の説明】
Ｃ 炉心 Ｄ 蒸気乾燥器 Ｐ プレナム Ｒ 制御棒 Ｓ 蒸気分離器 Ｖ 原子炉容器 ３０ 下側タイプレート ３２，３４ 開口部 ４０ 燃料棒 ５０ チャンネル ７２，７４ チャンネルの開口部 ８０ スペーサ
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｃ 15/02 ＧＤＢ Ｍ 8805−2Ｇ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 原子炉において、 原子炉圧力容器と、 核分裂反応を生じる燃料を収容した密閉管を含む、前記
    圧力容器の中央の炉心と、 前記密閉管から核分裂の熱を取り出すために前記圧力容
    器を通って循環する減速兼冷却材と、 前記減速兼冷却材に熱を伝達するために前記炉心の底か
    ら炉心の上部へ上向きに通過するように前記減速兼冷却
    材を前記容器を通して循環させる流路と、 前記炉心において前記減速兼冷却材に与えられたエネル
    ギを放出するために前記圧力容器の外部に設けられたパ
    ワー放出路と、 連続したパワー発生サイクルが前記容器内で生じるよう
    に前記原子炉に減速兼冷却材を再供給する減速兼冷却材
    流入手段とを有し、 前記炉心が、 複数の垂直に直立した燃料棒と、 対応する複数の垂直に直立したチャンネルであって、該
    チャンネルの各々は燃料棒を個々に取り囲み、各チャン
    ネルの内部に減速兼冷却材への熱伝達路を画成し、各チ
    ャンネルの外部にチャンネルバイパス領域を画成する当
    該複数の垂直に直立したチャンネルと、 前記炉心の底部において減速兼冷却材を受けるように前
    記各チャンネルを接続する手段と、 前記炉心の上部において前記減速兼冷却材を放出するよ
    うに前記各チャンネルを接続する手段と、 前記チャンネルバイパス領域を前記減速兼冷却材流入手
    段に接続して、前記燃料棒の周りの前記個々のチャンネ
    ルが前記炉心の前記減速兼冷却材によって取り囲まれる
    ようにする手段とを有することを特徴とする原子炉。
  2. 【請求項２】 前記燃料棒およびチャンネルは三角形状
    のピッチで配列されている請求項１記載の原子炉。
  3. 【請求項３】 前記炉心に入る前記減速兼冷却材は液体
    の水である請求項１記載の原子炉。
  4. 【請求項４】 前記炉心に入る前記減速兼冷却材は蒸気
    である請求項１記載の原子炉。
  5. 【請求項５】 前記チャンネルは前記燃料棒の周りに同
    心に設けられている請求項１記載の原子炉。
  6. 【請求項６】 前記燃料棒と前記チャンネルとの間にス
    ペーサが設けられ、該スペーサは半径方向に延在する羽
    根を有し、該羽根は半径方向の内側の端部によって前記
    燃料棒を前記チャンネルの内部に同心に位置決めしてい
    ると共に、半径方向外側の端部において前記チャンネル
    まで延在し、前記内側および外側端部の間に、前記チャ
    ンネルと燃料棒との間の減速兼冷却材の流れを制御する
    流れ制御面を形成している請求項１記載の原子炉。
  7. 【請求項７】 前記チャンネルの各々は前記燃料棒の各
    々の周りで個々に絞られている請求項１記載の原子炉。
  8. 【請求項８】 循環する減速兼冷却材の存在下で核分裂
    反応を生じる核燃料を収容した密閉管を含む中心の炉
    心、および炉心に減速兼冷却材を供給して、炉心から熱
    を取り出すための連続した減速兼冷却材の流れを形成す
    る減速兼冷却材流路を有している沸騰水型原子炉で、前
    記原子炉の流路内に並設される燃料要素において、 両端において密閉され、核分裂反応を生じる燃料を内部
    に収容した垂直な燃料棒と、 前記燃料棒を同心に取り囲んでいるチャンネルであっ
    て、前記炉心の底部において開放している当該チャンネ
    ルの底部から減速兼冷却材を受け入れて、当該チャンネ
    ルの上部から減速兼冷却材を放出し、底部と上部との間
    に減速兼冷却材環状部を画成しているチャンネルと、 前記チャンネルから前記燃料棒まで延在し、前記燃料棒
    を前記チャンネルに対して隔てた状態に維持するように
    前記減速兼冷却材環状部内に設けられたスペーサ手段
    と、 前記スペーサ手段に設けられ、前記チャンネルと燃料棒
    との間の前記減速兼冷却材環状部内を上向きに通過する
    減速兼冷却材の流れを制御する流れ制御手段と、 を有する沸騰水型原子炉の燃料要素。
  9. 【請求項９】 前記流れ制御手段は圧力降下を制御する
    手段である請求項８記載の燃料要素。
  10. 【請求項１０】 前記流れ制御手段は乱流を助長して、
    熱伝達を増強する手段である請求項８記載の燃料要素。
  11. 【請求項１１】 沸騰水型原子炉において、 原子炉圧力容器と、 核分裂反応を生じる燃料を収容した密閉管を含む前記圧
    力容器の中央に設けられた炉心と、 前記圧力容器を通って循環し、前記密閉管から核分裂の
    熱を取り出す減速兼冷却材と、 前記容器を通して前記減速兼冷却材を循環させる流路で
    あって、前記減速兼冷却材に熱エネルギを伝達するため
    に前記炉心の底部におけるプレナムから前記炉心の上部
    まで上方に通過する流路部分を含む流路と、 前記圧力容器の外部に設けられ、前記炉心において前記
    減速兼冷却材に与えられた熱エネルギを放出するための
    パワー放出路と、 前記原子炉に減速兼冷却材を再供給して、前記容器内に
    連続したパワー発生サイクルを生じさせる減速兼冷却材
    流入手段とを有し、 前記炉心が、 複数の垂直に直立した燃料棒と、 対応する複数の垂直に直立したチャンネルであって、該
    チャンネルの各々は燃料棒を個々に取り囲んで、該チャ
    ンネルの外部の炉心バイパス部から分離された前記燃料
    棒の周りの前記チャンネル内に減速材路を画成している
    複数の垂直に直立したチャンネルと、 前記炉心の底部に設けられた炉心プレートであって、該
    炉心プレートに埋め込まれた燃料支持片と共に前記プレ
    ナムと前記炉心との間の境界を形成している炉心プレー
    トと、 前記炉心プレート内に埋め込まれた燃料支持片上に載置
    された前記複数の燃料棒の底部に設けられた燃料タイプ
    レートと、 前記炉心プレートおよび前記燃料タイプレートで画成さ
    れた前記炉心の底部において減速兼冷却材を受けるよう
    に前記チャンネルの各々を接続して、前記燃料棒の各々
    と前記プレナムとの間に減速材を通す手段と、 前記燃料タイプレートの開口部を介して前記チャンネル
    に冷却材を分配する手段と、 前記チャンネルの各々の外部の炉心バイパス部を前記炉
    心プレートおよび前記燃料タイプレートによって画成さ
    れた前記プレナムに接続して、前記燃料棒の周りの前記
    個々のチャンネルが減速兼用冷却材によって取り囲まれ
    るようにする手段とを有していることを特徴とする原子
    炉。
  12. 【請求項１２】 前記減速兼冷却材は水である請求項１
    １記載の原子炉。
  13. 【請求項１３】 前記減速兼冷却材は蒸気である請求項
    １１記載の原子炉。
  14. 【請求項１４】 前記炉心プレートを通る前記チャンネ
    ルの１つは前記燃料タイプレートにおいて前記チャンネ
    ルの他のものと異なる開口部を有し、これにより前記燃
    料タイプレートを通る前記チャンネルへの流体の流れを
    変えている請求項１１記載の原子炉。
  15. 【請求項１５】 沸騰水型原子炉において、 原子炉圧力容器と、 前記圧力容器の中心に設けられ、核分裂反応を生じる核
    分裂燃料を収容した密閉管に有している炉心と、 前記圧力容器を通って循環し、前記密閉管から核分裂の
    熱を取り出す減速兼冷却材と、 前記容器を通して前記減速兼冷却材を循環させる流路で
    あって、前記減速兼冷却材に熱エネルギを伝達するため
    に前記炉心の底部から前記炉心の上部までの上方に通過
    する流路部分を含む流路と、 前記圧力容器の外部に設けられ、前記炉心において前記
    減速兼冷却材に与えられたエネルギを放出するためのパ
    ワー放出路と、 前記原子炉に減速兼冷却材を再供給し、前記容器内に連
    続したパワー発生サイクルを生じさせる減速兼冷却材流
    入手段とを有し、 前記炉心が、 複数の垂直に直立した燃料棒と、 各々が燃料棒を個々に取り囲んでいる対応する複数の垂
    直に直立したチャンネルと、 前記燃料棒およびチャンネルを堅固な単一構造に連結す
    るスペーサ手段と、 内部に前記スペーサをそなえた前記チャンネル同士を結
    合して、複数の燃料棒および対応する複数のチャンネル
    を有する単一の燃料集合体を構成する手段と、 前記炉心の底部において減速兼冷却材を受けるように前
    記チャンネルの各々を接続する手段と、 前記炉心の上部において前記減速兼冷却材を放出するよ
    うに前記チャンネルの各々を接続する手段と、 前記チャンネルの外部において該チャンネルによって画
    成された隙間部を前記減速兼冷却材の流路に接続して、
    前記燃料棒の周りの前記個々のチャンネルを前記炉心の
    減速兼冷却材によって取り囲むようにした手段とを有す
    ることを特徴とする沸騰水型原子炉。
  16. 【請求項１６】 前記炉心の底部に設けられた炉心プレ
    ートが、埋め込まれた燃料支持片を有していて、前記減
    速兼冷却材が横切って前記炉心に入らなければならな
    い、前記流路と前記炉心との間の境界を画成しており、 前記複数の燃料棒の底部に設けられた燃料タイプレート
    が、前記炉心プレートに埋め込まれた燃料支持片上に載
    置されており、 減速兼冷却材を受けるように前記チャンネルの各々を接
    続する前記手段は前記燃料タイプレートに形成された第
    １の開口を有し、 前記チャンネルの外部において前記チャンネルによって
    画成された隙間部を接続する前記手段は前記燃料タイプ
    レートに形成された第２の開口部を有している請求項１
    ５記載の原子炉。
JP4289795A 1991-10-31 1992-10-28 沸騰水型原子炉の炉心 Withdrawn JPH05215877A (ja)

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US785839 1991-10-31
US07/785,839 US5317613A (en) 1991-10-31 1991-10-31 Fuel design for high power density boiling water reactor

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