JPH0588792B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料集合体に係り、特に沸騰水型原
子炉に装荷するのに好適な燃料集合体に関する。 〔従来の技術〕 沸騰水型原子炉に装荷される従来の燃料集合体
は、四角筒のチヤンネルボツクスと、このチヤン
ネルボツクスの内部に収納された燃料バンドルか
らなる。この燃料バンドルは、チヤンネルボツク
スを取付ける上部タイプレート及びチヤンネルボ
ツクスの下端部内に挿入される下部タイプレート
と、チヤンネルボツクスの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と、こ
のスペーサを貫通して上部及びタイプレートに両
端部を固定した複数本の燃料棒及び水ロツドとか
ら構成される。この燃料集合体では、わずかに未
飽和状態の冷却水が下部タイプレートの孔から燃
料棒間に流入し、燃料棒間を下部から上部に流れ
るにつれ加熱され、沸騰し二相流となつて上部タ
イプレートの孔から流出していく。燃料集合体出
口におけるボイド率は70％前後となり、燃料集合
体上部は中性子減速材である軽水が不足した状態
にある。 燃料集合体相互間には制御棒及び中性子検出器
計装管が配置されている。このため各燃料集合体
相互の間隔はそれらの装置が挿入されるだけ広げ
られている。従つて、燃料集合体の周辺部に位置
する燃料棒は、中心部に位置する燃料棒に比べて
より多くの水に囲まれることになる。 このように、運転中の燃料集合体は、水平方向
にも垂直方向にも２相流の部分と飽和水の部分が
偏在した構造になつている。燃料集合体の核的な
特性は減速材対燃料比に依存しており、従来の燃
料集合体では核特性が位置により大きく異なるこ
とになる。 このような非均質な構成を改善して燃料集合体
各位置での減速材対燃料比を、核的な最適値に近
づける構造として、水ロツド、またさらにこの効
果を高めるものとして特開昭52−50498号公報に
記載のように燃料集合体の内部に上方に向つて次
第に拡大する減速材の通路（２相流）もしくは減
速棒を配置する構造がある。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上述した従来技術のうち水ロツドもしくは減速
棒を用いる場合は、燃料装荷量の減少に伴う必要
濃縮度の上昇もしくは燃料寿命の短縮等の点につ
いて配慮がされておらず、燃料経済性を損なうと
いう問題があつた。また燃料経済性の観点から燃
料棒径を太くし燃料装荷量を保持した場合は、冷
却材流路面積の減少及び漏れ縁長さの増加等の点
について配慮がされておらず、燃料集合体の圧力
損失増大という問題があつた。 本発明の目的は、燃料インベントリーの減少及
び燃料集合体圧力損失の増大を伴うことなく燃料
経済性を向上できる燃料集合体を提供することで
ある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、下部タイプレートから上部タイプ
レートに達する空隙領域であつて燃料棒を配置可
能な大きさの空隙領域が設けられ、減速棒をその
空隙領域に隣接させて配置し、燃料棒、減速棒及
び前記空隙領域を格子状に配置することにより達
成できる。 〔作用〕 下部タイプレートから上部タイプレートに達す
る空隙領域であつて燃料棒を配置可能な大きさの
空隙領域が減速棒に隣接して配置されることによ
つて、空隙領域のボイド率が燃料集合体の平均ボ
イド率よりも低くなり、反応度が上昇する。減速
棒に隣接する空隙領域は、高ボイド率下において
は減速棒と同様に機能し、また低ボイド率におい
ては水素原子数の増加による燃料集合体半径方向
の均質効果の増大及び円筒管がないことによる中
性子吸収量の減少により反応度が向上する。 また空隙領域には円筒管がないので投影面積及
び濡れぶち面積が減少する。このため燃料集合体
の圧力損失が減少する。 〔実施例〕 本発明の実施例を以下に詳細に説明する。 （実施例 １） 沸騰水型原子炉に用いられる本発明の好適な一
実施例である燃料集合体を第１図及び第２図に基
づいて説明する。燃料集合体１は、多数の燃料棒
２の両端部を上部タイプレート３及び下部タイプ
レート４に保持してなり、水ロツド６を燃料棒２
間に配置して構成される。燃料棒２及び水ロツド
６は、軸方向に複数個配置された燃料スペーサ５
により相互に接触しないように所定間隔に保持さ
れる。チヤンネルボツクス７は、上部タイプレー
ト３に取付けられ、燃料棒２の束を取囲むように
下方へ延びている。 空隙領域８が、燃料集合体１の横断面の中央部
に形成される。空隙領域８の下端は、下部タイプ
レート４の上面に位置し、空隙領域８の上端は上
部タイプレート３の下面に位置している。水ロツ
ド６は、空隙領域８より２本ずつ外側に向つて
（チヤンネルボツクス７の四辺に向つて）放射状
に配置されている。空隙領域８は、４本の水ロツ
ド６に取囲まれており、第１図において便宜的に
点線による四角形にて示されている。実際には、
点線の四角形で示すような構成は存在しない。空
隙領域８は、燃料集合体１が原子炉外にある時に
は単なる空間であり、燃料集合体１が原子炉内に
装荷された状態では冷却水の通路となる。４本の
水ロツド６が、空隙領域８に直接隣接している。
空隙領域８は、燃料棒２または水ロツド６を１本
配置できる大きさである。燃料棒２、水ロツド６
及び空隙領域８は、第１図に示すように格子状に
配置されている。 燃料棒２としては、表１に示すように４種類の
燃料棒２１〜２４が用いられている。燃料棒２１
〜２３は可燃性毒物であるガドリニアを含んでい

【表】 ないが、燃料棒２４はガドリニアを含んでいる。
濃縮度は、燃料棒２１が1.8重量％、燃料棒２２
が2.5重量％及び燃料棒２３及び２４が3.3重量％
である。 本実施例の燃料集合体１が沸騰水型原子炉の炉
心内に装荷された後、沸騰水型原子炉の運転が開
始される。沸騰水型原子炉の運転中においては、
冷却水が下部タイプレート４より燃料集合体１内
に流入する。この冷却水は、燃料棒２相互間に形
成される間隙、水ロツド６内及び空隙領域８を通
つて上昇する。この上昇過程において、冷却水は
燃料棒２を冷却することによつて加熱され、その
一部が蒸気となる。水ロツド６内へは、下部タイ
プレート４の上面近傍で冷却水が流入するので、
水ロツド６内を流れる冷却水中には蒸気がほとん
ど含まれていない。蒸気は、燃料棒２相互間の間
隙及び空隙領域８を通つて上昇する。本実施例に
おいては、水ロツド６が空隙領域８に隣接してい
るので、空隙領域８のボイド率が燃料集合体１の
平均ボイド率よりも低くなる。その理由を以下に
述べる。 第３図は、空隙領域８と水ロツド６の相対位置
の違いが空隙領域８の水素原子数に及ぼす影響
を、燃料集合体の平均ボイド率をパラメータとし
て示したものである。基準値は、燃料集合体の平
均ボイド率が０％の時の水ロツドが配置された単
位格子升目での水素原子数である。単位格子升目
とは、ｘ及びｙ方向に配置されて互いに直交する
方向の異なる格子板にて構成される格子状の燃料
スペーサにおいて、直交する格子板にて形成され
る１つの升目である。特性１１は空隙領域８に隣
接している単位格子升目にすべて燃料棒２が設置
されている場合の特性及び特性１２は第１図に示
すように空隙領域８に隣接している格子升目の1/
２，すなわち４つの単位格子升目が水ロツド６の
場合の特性である。 空隙領域８における低ボイド率での水素原子数
は、水ロツドとの相対位置にかかわらず水ロツド
６の中空管が無い分だけ特性１３で示す水ロツド
６におけるその水素原子数よりも多くなつてい
る。しかし燃料集合体での軸方向及び半径方向の
非均質さが最も大きくなる高ボイド率の状態で
は、隣接している単位格子升目のすべてに燃料棒
が配置されている空隙領域８の水素原子数が水ロ
ツド６のそれに比べて大きく減少する（特性１１
を参照）。一方、隣接している単位格子升目の半
分に水ロツド６が配置されている空隙領域８にお
いては（第１図参照）、ボイド率が40％以下にお
ける水素原子数が水ロツド６よりも多く、40％を
越えるボイド率でも水素原子数が水ロツド６より
大幅に減少することがない。これは、水ロツド６
を配置した燃料集合体では、チヤンネルボツクス
内におけるボイド率の分布が場所により大きく変
わるという現象によるものである。つまり、空隙
領域８に隣接している単位格子升目のすべてに燃
料棒が配置されている場合は、空隙領域８のボイ
ド率が燃料集合体の平均ボイド率と同程度まで高
くなり、空隙領域８に隣接している単位格子升目
に水ロツド６が配置されている場合は、水ロツド
６内の領域同様に、空隙領域８のボイド率が燃料
集合体の平均ボイド率よりも大幅に減少する。第
３図において、特性１２は特性１１に比べ燃料集
合体の平均ボイド率が70％の時に水素原子数が約
70％増加している。これは、水ロツド６の場合と
比較して約10％の減少にすぎない。さらに空隙領
域８の配置によつてそれに隣接の水ロツド内のボ
イド率が下がる効果を考慮すれば、特性１２の空
隙領域８は水ロツドと同等の水素原子数を有する
ことになる。 第４図は、第３図に示した特性１１及び１２の
核的効果を示すため、水素原子数と反応度の関係
を示したものである。たとえば第３図のＡ点から
Ｂ点への変化に伴い燃料集合体の平均ボイド率70
％での反応度が約0.04％△Ｋ∞上昇する。つま
り、空隙領域８に隣接している単位格子升目に水
ロツドを配置した場合は、高ボイド率において空
隙領域８が核的には水ロツド６と同等の働きをす
ることが分かる。また低ボイド率においては、水
素原子数の増加による燃料集合体半径方向の均質
効果の増大及び中空管がないことによる中性子吸
収量の減少により水ロツド６の場合に比べ、空隙
領域８の反応度は約0.05％△Ｋ∞（１単位セルの
空隙領域に対して）上昇する。このように本実施
例の燃料集合体１は、水ロツド６と空隙領域８と
を隣接させているので反応度が向上し、それによ
り燃料経済性が向上する。 一方、空隙領域８の圧力損失低減効果は、水ロ
ツド６との相対位置によらず空隙領域８の広さに
依存する。第５図は、空隙領域８の広さと圧力損
失量との関係を示している。本実施例では、空隙
領域８内にも水ロツド６を配置した場合に比べて
投影面積及び濡れぶち面積が減少するので、圧力
損失が軽減される。 本実施例の燃料集合体１は、圧力損失及び燃料
経済性のいずれの点でも水ロツド６だけを用いた
燃料集合体よりも優れていることが分かる。これ
までは空隙領域８による流路面積増大の効果とし
て圧力損失の低減だけを述べてきたが、圧力損失
に余裕がある場合は、圧力損失の低減を押えて、 (i) 水ロツド本数の増加による燃料集合体構造の
均質化の促進 (ii) ウラン装荷量の増加による燃料集合体の寿命
の延長 等の対策を併用して燃料経済性を向上することも
可能となる。 今まで述べてきた効果は、第１図に示した燃料
集合体１のように空隙領域８とされた隣接してい
る単位格子升目の1/2に水ロツド６が配置されて
いる場合に限られるものではない。第６図は、空
隙領域８に隣接している単位格子升目に占める水
ロツド６の本数と空隙領域８の水素原子数との関
係を示したものである。第６図より、隣接してい
る単位格子升目のうちの少なくとも１つに水ロツ
ド６が配置されていれば、上述した効果が得られ
ることが分かる。 本実施例（第１図）の効果を本実施例の空隙領
域８を水ロツド６に置きかえた第７図に示す燃料
集合体３０との比較で示す燃料集合体３０の濃縮
度分布は、本実施例と同じである。第７図に示す
領域Ａにおける流路のボイド率について、本実施
例と燃料集合体３０で比較する。燃料集合体上端
での結果は表２に示すとおりで、本実施例では、
空隙領域８である領域ｆだけでなく、隣接してい
る単位格子升目である領域ｄ及びｅでのボイド率
をも減少する効果がある。その結果、領域Ａでの
水素原子数は、本実施例の燃料集合体１と第７図
の燃料集合体３０でほぼ等しい値になつている。

【表】 したがつて、中性子無限増倍率は、燃料集合体
１の上部で燃料集合体３０と等しく、燃料集合体
１の下部で約0.05％△Ｋ∞だけ燃料集合体３０よ
り高くなつている。一方、燃料集合体１の圧力損
失は、燃料集合体３０よりも約３％（約0.3psi）
低くなつている。 以上述べた実施例は、水ロツドを多数本配置す
ることで燃料棒本数が減少し線出力密度が増大す
ることを考慮して、燃料集合体内における燃料棒
等の配列を９行９列にしている。しかしながら、
10行10列及び11行11列の燃料集合体にも、本実施
例の考え方を適用することが可能である。また近
年、被覆管内壁にCuまたは、Zrの薄膜をはりつ
けて燃料ペレツトと被覆管との相互作用を減少
し、線出力密度を増大できる燃料集合体が開発さ
れつつあるが、このような燃料集合体の場合は８
行８列の燃料棒配列のものにも適用が可能であ
る。 （実施例 ２） 本実施例の燃料集合体３５は、第８図に示すよ
うに実施例１における燃料集合体１の平均濃縮度
を４重量％程度に高めたものである。本実施例に
おける燃料棒３は、表３に示すように４種類の燃

【表】 料棒３１〜３４が用いられている。 従来の燃料集合体において濃縮度を高めると、
中性子の減速効果が悪くなり、制御棒価値の減少
及びボイド係数（絶対値）の増大等が生じる。一
方、本実施例のように水ロツド６を多数本配置し
て空隙領域８との相乗効果をもたらす場合は、燃
料集合体の圧力損失の増加がほとんどなく、しか
も中性子の減速効果を高めることができる。その
結果、燃料経済性は、従来の燃料集合体に比べ約
７％向上するとともに、炉停止余裕線出力密度は
濃縮度約３重量％の場合と同程度に抑えることが
できる。 （実施例 ３） 第９図は、本発明の他実施例の燃料集合体３６
の横断面を示す。本実施例の燃料集合体３６は、
水ロツド６の位置が実施例１の燃料集合体１と異
なつている例である。燃料棒２は、実施例１と同
じで燃料棒２１〜２４を用いている。本実施例
は、空隙領域８に隣接している単位格子升目のす
べてに水ロツド６を配置している。このような本
実施例も、水ロツド６と空隙領域８とが隣接して
いるので、実施例１と同様な機能が生じる。実施
例１の場合と同様に、燃料集合体３６の領域Ｂに
おける流路のボイド率を、燃料集合体３６とこの
集合体３６の空隙領域８を水ロツド６に置替えた
り燃料集合体とで比較する。燃料集合体３６の上
端での効果は表４に示す通りで、実施例１の場合
より

【表】 効果が大きくなつている。しかし、燃料集合体
３６の下部、すなわち低ボイド領域では、燃料集
合体１の下部よりも反応度の向上が少ない。一
方、燃料集合体３６の圧力損失は、第７図の燃料
集合体３０に比べて約３％（約3psi）減少する。 （実施例 ４） 第１０図は、本発明の他実施例の燃料集合体３
７の横断面図を示している。本実施例は、燃料集
合体の圧力損失の低減効果を大きくするため実施
例１に比べて５倍の大きさの空隙領域１５を有し
ている。また空隙領域１５に隣接している単位格
子升目１６のうち４つに水ロツド６が配置されて
いる。実施例１の場合と同様に、第７図の領域Ａ
における流路のボイド率を、本実施例と第７図の
燃料集合体で比較する。燃料集合体上端での結果
は表５に示す通りで、実施例１の場合より効果

〔発明の効果〕

本発明によれば、空隙領域と減速棒とを隣接さ
せて配置しているので燃料集合体の反応度の向上
が図れて燃料経済性が向上するとともに、空隙領
域が存在するので冷却材流路断面積の増加が可能
となり、燃料集合体の圧力損失の低減が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である燃料集
合体の横断面図、第２図は第１図の燃料集合体の
縦断面図、第３図は水素原子数とボイド率の関係
を示す特性図、第４図は反応度と水素原子数の関
係を示す特性図、第５図は空隙領域と圧力損失の
関係を示す特性図、第６図は隣接している単位格
子升目に占める水ロツド本数と水素原子数の関係
を示す特性図、第７図は仮想的な燃料集合体の横
断面図、第８図〜第１０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…燃料集合体、２…燃料棒、３…上部タイプ
レート、４…下部タイプレート、５…燃料スペー
サ、６…水ロツド、８…空隙領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の燃料棒と、前記燃料棒の間に配置され
   た減速棒と、これらの燃料棒及び減速棒の両端部
   を保持する上部タイプレート及び下部タイプレー
   トと、燃料棒及び減速棒の間隙を所定幅に保持す
   る燃料スペーサとを有する燃料集合体において、
   前記下部タイプレートから前記上部タイプレート
   に達する空隙領域であつて前記燃料棒を配置可能
   な大きさの空隙領域が設けられ、前記減速棒を前
   記空隙領域に隣接させて配置し、前記燃料棒、前
   記減速棒及び前記空隙領域を格子状に配置したこ
   とを特徴とする燃料集合体。 ２ 前記減速棒が水ロツドである特許請求の範囲
   第１項記載の燃料集合体。