JPH0631745B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は原子炉の燃料集合体に関し、特に、燃料棒束及
びウオータ・クロスへの入口に下部流れ混合室を備えて
いて、この下部流れ混合室により、前記燃料棒束を構成
する別個の小燃料棒束に入る流れの不均一な配分を可及
的に軽減する沸騰水型原子炉(BＷR)用燃料集合体に関す
るものである。

先行技術の説明 原子炉内の核分裂によって大量のエネルギが放出され、
このエネルギは、原子炉の長い燃料要素、即ち燃料棒内
で熱として放散されるのが典型的である。有用な仕事を
行うため、この熱を冷却材から取り出すように、燃料棒
に対して熱交換関係で冷却材を流すことによってこの熱
を除去するのが普通である。

原子炉内では、一般に、複数の燃料棒が一緒に群別され
１つの燃料集合体を形成している。複数のこれ等の燃料
集合体は、通常、自己持続性の核分裂反応を行うことが
できる原子炉炉心を形成するように、マトリックスに配
置されている。炉心は、軽水のような流れる液体中に浸
漬されている。この軽水は、燃料棒から熱を除去する冷
却材として、また、中性子減速材として作用する。より
詳細には、BＷRの場合、燃料集合体は、４つ１組のクラ
スタに通常組分けされ、４つずつの燃料集合体に１つの
制御棒が組み合わされている。制御棒は、炉心の反応度
を制御するため燃料集合体に挿入することができる。１
つの制御棒を囲む４つの燃料集合体の各クラスタは、通
常、原子炉炉心の燃料セルと呼ばれている。

クラスタ中の典型的なBＷR燃料集合体は、Ｎ列×Ｎ列の
長い燃料棒の配列によって通常形成される。燃料棒束
は、横方向に離隔された関係に支持され、一般に矩形断
面の外側管状チャンネルにより囲まれている。このよう
な燃料集合体の例は、特公平02−21758号公報及び特開
昭61−120995号公報の他に、米国特許第3,689,358号、
米国特許第3,802,995号及びカナダ特許第1,150,423号明
細書に開示されている。

この形式の燃料集合体においては、燃料棒束の中心領域
の燃料棒が減速不足且つ濃縮過剰となる場合があり、燃
料集合体の該領域を通る減速材の重量を増してかかる状
態を救済するため、種々の構成が提案されてきた。米国
特許第3,802,995号明細書によれば、１つ以上の長い空
ロッドが燃料集合体の中心領域における燃料棒の代りに
用いられている。前記カナダ特許第1,150,423号におい
ては、垂直の水通路を有して中心に配置された長い補剛
装置が、燃料集合体中において使用されている。前記特
公平02−21758号公報及び特開昭61−120995号公報によ
れば、中心配置の長いウオータ・クロスが燃料集合体に
用いられている。

中央のウオータ・クロスは、これ等の２つの公報に開示
されているように、協働して十字形の水流れチャンネル
を形成する４つの半径方向パネルを有し、該十字形の水
流れチャンネルが、４つの別々の長い隔室に燃料集合体
を区画し、燃料棒束は、それぞれの隔室中に配設された
小燃料棒束に区画される。従って、ウオータ・クロス
は、その小燃料棒束中の隣接した燃料棒の長さに沿って
水流れチャンネル内にサブクールされた減速材が流れる
ための中心位置の十字形の流路を形成している（減速材
流はこの隣接した燃料棒から隔てられている）。

各小燃料棒束の燃料棒は、上部タイプレート及び下部タ
イプレート間を横方向に離間した関係で延びると共に、
これ等のタイプレートに一緒に結合されて、チャンネル
の各隔室内に別個の燃料棒サブアセンブリを構成する。
各燃料棒サブアセンブリの燃料棒に沿って軸方向に隔置
された複数の格子は、燃料棒を横方向に離間した関係に
保持する。

最初に述べたように、冷却材は燃料棒から熱を除去する
ため燃料棒に沿って流れる。米国の沸騰水型原子炉構造
の場合、サブクールされた水は側方の入口から燃料集合
体の下部ノズルに入る。その後、水は４つの小燃料棒束
及びウオータ・クロスへと上方に配分される。典型的に
は、ウオータ・クロスを通る流量は燃料棒束を通る流量
の約９〜10％である。これ等の沸騰水型原子炉における
側方からの流入という特徴のため、流れの配分が相当に
不均一になることが分かった。即ち、最大及び最小の質
量流量を示す燃料棒束間の差は約15％である。

流れの不均一な配分は幾つかの問題を引き起こし得る。
第１に、燃料棒束の限界出力比(CＰR)マージンの総合的
な劣化が生じる可能性がある。小燃料棒束を流れる水は
燃料棒の加熱された表面に沿って流れながら燃料棒を冷
却するので、各小燃料棒束に入る水の量が少燃料棒束の
CＰR特性を決定する。しかし、小燃料棒束の全CＰRマー
ジンは最も制限的な小燃料棒束のCＰRマージンによって
決定される。既知の関係が示すところによると、１つの
小燃料棒束における質量流量の15％の減少は約７％のC
ＰRマージンの劣化になり、これは非常な問題を秘めて
いる。

第２に、ウオータ・クロスのパネルの外側垂直縁には、
幾つかの軸方向位置で放出孔又は流れ連通開口が設けら
れていたので、小燃料棒束間の流れの15％の不均一配分
により横方向に圧力勾配が発生して、横方向への水の噴
流を生じさせる。このような勾配次第で、噴流が構造的
な振動を生じさせることが考えられる。かかる状況での
熱的、水力的、機械的衝撃を評価するための適切な解析
コンピュータ装置が現在得られないので、小燃料棒束の
CＰRマージンの予測が更に不確実なものとなり、その結
果、運転状及び許認可上の問題が生じてくる。

第３に、流れの沸騰は、沸騰水型原子炉の燃料棒束にお
ける加熱された長さの最初の数フィートの後で始まるの
が典型的であるが、上述したような大きさの流れの不均
一配分が存在すると、各小燃料棒束において異なった軸
方向位置で沸騰過程を起こさせる、即ち開始させようと
する。この沸騰位置の相違は各小燃料棒束について発生
されるボイド量に正味の不均衡を生じさせる。これは中
性子の不適切な利用、即ち不適切な減速を示している。

従って、小燃料棒束入口流の不均一な配分を無くすか、
相当に少なくして、上述したような状態を伴う望ましく
ない影響を回避するように、BＷR燃料集合体を更に改良
する必要性がある。

発明の概要 本発明は、前記の必要性を満たすように設計された変更
を提案している。本発明の基礎となっているのは、ウオ
ータ・クロス構造のない燃料集合体においては、入口流
の不均一な配分は最初の約６〜12in(約15〜30cm)以内で
低い値に指数的に弱まるという認識にある。

この認識のため、不均一な配分問題に対する本発明によ
って提供される解決策は、ウオータ・クロスによる燃料
棒束の物理的な分離を無くすことによって燃料棒束への
入口での自由な混合を許容するという比較的に簡単なも
のになる。ウオータ・クロスは、従来のように下部タイ
プレートで始まる代わりに、下部タイプレートの上方
に、６〜12in(約15〜30cm)というような短い距離で離間
した位置で始まる。この簡単な変更によって燃料棒束の
入口領域において流れの自由な混合室が形成され、その
ため、流れのいかなる不均一配分も、それに関連した望
ましくない影響も大幅に排除もしくは可及的に軽減され
る。熱的、水力的、中性子的、構造的及びLOCAマージン
の特性に対する上述した簡単な構造の変更の相対的効果
は実際に非常に明確であることが示された。

従って、本発明はBＷR燃料集合体における改良構造を提
供するものである。燃料集合体は、離間燃料棒の配列を
形成するように並置関係に配設された複数の長い燃料棒
の束と、該燃料棒に沿って冷却・減速材流体の流れを導
くように前記燃料棒を囲む外側管状流れチャンネルと、
該外側管状流れチャンネルを複数の別個の隔室に区画す
ると共に、前記燃料棒の束を前記別個の隔室内にそれぞ
れ配置される複数の小燃料棒束に区画するように、前記
外側管状流れチャンネルに相互に接続され且つ前記外側
管状流れチャンネル内を通って延びる中空のウオータ・
クロスとを有する。この燃料集合体の改良構造は、前記
ウオータ・クロスの下方において前記小燃料棒束の下端
部間に流れ混合室を画成し、前記小燃料棒束間での流れ
の不均一な配分を可及的に軽減する流れ混合室画成手段
からなっている。混合室は、外側管状流れチャンネルの
下方部分のほぼ中央に配置されており、ほぼ十字形の横
断面形状を有する。

より具体的には、混合室画成手段はウオータ・クロスの
流入端と各小燃料棒束の下端部とであり、ウオータ・ク
ロスの流入端は小燃料棒束の下端部間でそれ等の上方に
離間して配置されている。軸方向に隔置された複数の格
子を使用して、各小燃料棒束の複数の燃料棒を並置関係
に保持している。下方の流れ混合室は、各小燃料棒束の
下端部から各小燃料棒束の軸方向に隔置された格子のう
ちの最も下方のものまでの軸方向の距離よりも小さい軸
方向の高さを有する。

本発明のこれ等の利点及びその他の利点は、本発明の実
施例を例示し記載した図面に関する以下の詳細な説明を
読むことにより当業者にとって一層明らかとなろう。

発明の詳細な説明 以下の説明において、同一の符号は、各図を通じ同一又
は同種の部材を表すように用いられている。また、以下
の説明において、「前方」、「後方」、「左側」、「右
側」、「上方」又は「下方」等の用語は、説明の都合上
用いられており、本発明を限定するように解釈すべきで
はない。

一般的な説明 図面、特に第１図〜第３図には、本発明による改良が組
み込まれた沸騰水型原子炉(BＷR)用の核燃料集合体10が
示されている。該燃料集合体10は、管状の長い外側チャ
ンネル12を有し、外側チャンネル12は、燃料集合体10の
ほぼ全長に亘って延び、上部支持取付構造、即ち上部ノ
ズル14を下部基体、即ち下部ノズル16に相互に連結して
いる。燃料集合体10の外側チャンネル12内への冷却材の
入口となる下部ノズル16は、該下部ノズル16及び燃料集
合体10を炉心支持板（図示せず）内へ又は例えば使用済
み燃料プール中の燃料貯蔵ラック内へ案内するための複
数の脚部18を備えている。

ほぼ矩形断面の外側チャンネル12（第４図及び第５図参
照）は、互いに連結された４つの直立壁部20から成って
おり、各壁部は、次の壁部から約90゜隔たっている。複
数の構造リブ22は、外側チヤンネル12の各壁部20の内面
に、互いに隔てられた関係に形成され、該内面に沿った
中心位置で垂直列になって延びている。外側チャンネル
12（従って、このチャンネルに形成された構造リブ22）
は、例えばジルカロイとして通常知られるジルコニウム
合金のような金属材料から好ましくは形成される。外側
チャンネル12の壁部20上に固定された複数の上方に延び
る取付ボルト24は、上部ノズル14をチャンネル12に連結
するために構造リブ22の上端部の上方で使用されてい
る。

第１図、第２図及び第４図に全体として符号26によって
示した中空ウオータ・クロスは、中性子経済及び減速を
改善するために、燃料集合体10を通るサブクールされた
減速材流のための開放された内側チヤンネル28を造ると
共に、燃料集合体10を４つの別々の長い隔室30に区画す
るように、外側チャンネル12を通り軸方向に延びてい
る。ウオータ・クロス26は、４つの半径方向中空パネル
32を有し、これ等のパネルは、４つの金属製の長いほぼ
Ｌ字形のアングル材即ち板部材34によって形成され、こ
れ等の板部材は、後述する本発明の改良構造を除いて、
外側チャンネル12のほぼ全長に亘り延びている。各パネ
ル32のこれ等の板部材34は、そこに形成され両方の間に
延在するディンプル36の形態の一連の要素によって、相
互に連結され且つ相互から隔てられている。ディンプル
36は、板部材34の軸方向の長さに沿って垂直の柱状（図
示せず）に形成され配設されている。好ましくは、各板
部材34に設けられたディンプル36は、板部材34の向かい
合つた部分を適切な離間関係に保持するために板部材34
の長さに沿って互いに接触する向かい合うデインプル対
を形成するように、隣接した板部材34の対応したディン
プル36に対し横方向及び垂直方向に整列されている。互
いに接触したディンプル36の対は、中心部のウオータ・
クロス26のパネル32を形成する板部材34間の間隔が正確
に保たれるように、例えば溶接により結合されている。

中空のウオータ・クロス26は、外側チャンネル12の角度
的に変位された壁部20に取り付けられている。好ましく
は、ウオータ・クロス26のパネル32の長い外端は、燃料
集合体10中の所望の中心位置にウオータ・クロス26を確
実に保持するために、構造リブ22にその全長に沿って例
えば溶接により結合されている。更に、パネル32の内端
は、その外端と共に、中空のウオータ・クロス26の軸方
向の全長に延びる十字形の内側チャンネル28を画定して
いる。また、ウオータ・クロス26は下方の流入端38と、
反対側の上方の流出端39とを有し、これ等は、サブクー
ルされた流れが内側チャンネル28を還流できるように、
内側チャンネル28とそれぞれ連通している。

チャンネル12内には燃料棒40の束が配置されており、図
示の実施例では64本の燃料棒40があり、８×８配列を形
成している。燃料棒束はウオータ・クロス26によって４
つの小燃料棒束に分離されている。各小燃料棒束の燃料
棒40（16本あり、４×４配列を有する）は、上部タイプ
レート42と下部タイプエート44との間を横方向に離間し
た関係で延びている。各小燃料棒束の燃料棒は、上部及
び下部タイプレート42、44に接続され、それ等と一緒に
なって、チャンネル12の各隔室30内に別個の燃料棒サブ
アセンブリ46を構成する。各燃料棒サブアセンブリ46の
燃料棒40に沿つて軸方向に隔てられた複数の格子48は、
燃料棒40を横方向に隔てられた関係に保持している。そ
れぞれの燃料棒サブアセンブリ46の下部及び上部タイプ
レート44、42はそれ等を貫通するように画成された開口
50を有しており、減速・冷却流体が燃料棒サブアセンブ
リに流入したり該燃料棒サブアセンブリから流出するの
を許容している。また、冷却材の流路が、各々の構造リ
ブ22間にその長さに沿って形成された複数の開口52によ
つて、燃料集合体10の別個の隔室30中における燃料棒サ
ブアセンブリ46間に流れの連通を与えている。開口52を
通る冷却材流は、４つの別々の隔室30間の水圧を平衡さ
せ、それによって、燃料棒サブアセンブリ46間の熱的・
水力的不安定の可能性を最小とする作用をする。

燃料棒束入口での流れの自由な混合室 第１図及び第５図を参照すると、別個の燃料棒サブアセ
ンブリ46のそれぞれの小燃料棒束の下端部54間の流体の
自由な横行流を許容して、小燃料棒束間の流れの不均一
な配分を最小限にする、沸騰水型原子炉(BＷR)の燃料集
合体10に組み込まれた改良構造が開示されている。改良
構造は総括的に符号56で示された下方の十字形流れ混合
室の形態であって、該混合室56は、ウオータ・クロス26
の流入端38と、小燃料棒束のそれぞれの下端部54と、そ
こに接続された下部タイプレート44とから構成される混
合室画成手段によつて画成されている。ウオータ・クロ
スの流入端38は下部タイプレート44の上方に離間した関
係で配置されるように変更されている。

更に具体的には、流れ混合室56は小燃料棒束の下部タイ
プレート44とウオータ・クロス26の流入端38との間に配
置され、下部タイプレート44から上方に延び、流入端38
から下方に延びている。第５図に示すように、流れ混合
室56は外側流れチャンネル12の下方部分において中央に
配置されると共に、ほぼ十字形の横断面形状を有してい
る。また、第１図に示すように、下方の流れ混合室56の
軸方向の高さは、下部タイプレート44から、それぞれの
燃料棒サブアセンブリ46の軸方向に離間した格子48のう
ち最下方のものまでの軸方向距離よりも小さい。

本発明及びその付随的利点は前述した説明から理解され
ると思われる。また、本発明の精神及び範囲を逸脱した
り、本発明の重要な利点を犠牲にすることなく、本発明
の形態、構造及び配列に変更を加えることができ、前述
した形態は単なる好適な又は例示的な実施例に過ぎな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の改良構造を組み込んだBＷR燃料集合
体を、一部は切欠き、一部は断面によって表した側面
図、第２図は、第１図の２−２線に沿って矢印の方向に
見た平面図、第３図は、第１図の３−３線に沿って矢印
の方向に見た底面図、第４図は、第１図の４−４線に沿
い切断して示した断面図であり、燃料集合体の燃料棒束
がウオータ・クロスによって別々の小燃料棒束に分離さ
れることを示し、１つの小燃料棒束を囲む格子は実線で
示し、他の３つの小燃料棒束を囲む格子は輪郭線で示し
た図、第５図は、燃料棒束の入口にある小燃料棒束間の
自由な流れ混合室を示すため、第１図の５−５線に沿い
切断して示した第４図と同様の断面図である。 10……燃料集合体、26……ウオータ・クロス 12……外側チャンネル(外側管状流れチャンネル) 30……隔室、40……燃料棒 56……流れ混合室 混合室画成手段 38……ウオータ・クロス26の流入端 44……下部タイプレート 54……小燃料棒束の下端部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】離間燃料棒の配列を形成するように並置関
   係に配設された複数の長い燃料棒の束と、該燃料棒に沿
   って冷却・減速材流体の流れを導くように前記燃料棒を
   囲む外側管状流れチャンネルと、該外側管状流れチャン
   ネルを複数の別個の隔室に区画すると共に、前記燃料棒
   の束を前記別個の隔室内にそれぞれ配置される複数の小
   燃料棒束に区画するように、前記外側管状流れチャンネ
   ルに相互に接続され且つ前記外側管状流れチャンネル内
   を通って延びる中空のウオータ・クロスと、を有する燃
   料集合体であって、 前記ウオータ・クロスの下方において前記小燃料棒束の
   下端部間に流れ混合室を画成し、前記小燃料棒束間の流
   れの不均一な配分を可及的に軽減する流れ混合室画成手
   段を備える、 ように改良した燃料集合体。