JPH0640138B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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- JPH0640138B2 JPH0640138B2 JP62063886A JP6388687A JPH0640138B2 JP H0640138 B2 JPH0640138 B2 JP H0640138B2 JP 62063886 A JP62063886 A JP 62063886A JP 6388687 A JP6388687 A JP 6388687A JP H0640138 B2 JPH0640138 B2 JP H0640138B2
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- fuel assembly
- rod
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- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
- G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
- G21C3/322—Means to influence the coolant flow through or around the bundles
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- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
- G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
- G21C3/322—Means to influence the coolant flow through or around the bundles
- G21C3/3225—Means to influence the coolant flow through or around the bundles by waterrods
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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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、特に燃料棒を９行９列の
格子状に配列しての格子状の燃料棒群の内部に水ロッド
を配置する燃料集合体に係り、特に燃料経済性，安定性
を良くした沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。
格子状に配列しての格子状の燃料棒群の内部に水ロッド
を配置する燃料集合体に係り、特に燃料経済性，安定性
を良くした沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。
従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体の構造を第２図に示
す。従来の燃料集合体は、８行８列の格子状に配列され
た燃料棒２及び水ロツド３、これらを取囲むチヤンネル
ボツクス１等より構成される。この燃料集合体を、以下
８×８燃料集合体という。冷却水は、チヤンネルボツク
ス１内で燃料棒２の相互間を流れ、燃料棒２内で発生し
た熱エネルギーを運搬する。ところが、燃料棒２の外径
を細くし、本数を増やした９×９燃料集合体（第３図参
照）にするアイデアがある。９×９燃料集合体は、燃料
棒及び水ロツドを９行９列に配置したものである。９×
９格子型にすると、冷却水と接する燃料棒の伝熱面積が
増え、また、燃料棒一本当たりの熱負荷が減る。このた
め、原子炉の運転の自由度が増す。この運転の自由度を
利用して、燃料をうまく燃やし切ることができ、燃料の
経済性が高められる。しかし、一方、冷却材に接する濡
れ縁長さが増大し、摩擦が増える。また、燃料棒内の発
熱量が変化した時の熱流束の応答が鋭敏となり、二相流
による圧損が増加し、安定性が悪くなるという問題点が
ある。
す。従来の燃料集合体は、８行８列の格子状に配列され
た燃料棒２及び水ロツド３、これらを取囲むチヤンネル
ボツクス１等より構成される。この燃料集合体を、以下
８×８燃料集合体という。冷却水は、チヤンネルボツク
ス１内で燃料棒２の相互間を流れ、燃料棒２内で発生し
た熱エネルギーを運搬する。ところが、燃料棒２の外径
を細くし、本数を増やした９×９燃料集合体（第３図参
照）にするアイデアがある。９×９燃料集合体は、燃料
棒及び水ロツドを９行９列に配置したものである。９×
９格子型にすると、冷却水と接する燃料棒の伝熱面積が
増え、また、燃料棒一本当たりの熱負荷が減る。このた
め、原子炉の運転の自由度が増す。この運転の自由度を
利用して、燃料をうまく燃やし切ることができ、燃料の
経済性が高められる。しかし、一方、冷却材に接する濡
れ縁長さが増大し、摩擦が増える。また、燃料棒内の発
熱量が変化した時の熱流束の応答が鋭敏となり、二相流
による圧損が増加し、安定性が悪くなるという問題点が
ある。
従来の技術では、安定性の余裕を増やすため、燃料集合
体の直下部にオリフイス板を設けてあるが、このオリフ
イス板での抵抗を増やすことにより、安定性余裕を増加
させる方法がある。この方法の定量評価を第４図に示
す。第４図の横軸がオリフイスでの抵抗値であり、縦軸
は、安定性の指標である減幅比を示す。この減幅比は、
第５図に示すように、隣合つた振幅の比で定義される。
減幅比が１以上の時には振幅は時間の経過と共に増大す
るので流動は不安定になり、逆に減幅比が１未満のとき
には振動は時間経過と共に減衰するので、流動は安定に
なる。減幅比が小さくなるほど安定性の余裕が増える。
したがつて、オリフイス板の抵抗を増やすことが安定性
を向上させる上で有効と考えられる。しかし、オリフイ
ス板の抵抗を増やすと、炉心全体の抵抗も増え、冷却水
流量が少なくなる。このため、多量の冷却水流量を確保
するためには、大容量のポンプが必要となる欠点があ
る。なお、この従来例として、特開昭60−131487号公報
及び特開昭57−52897号公報に示されるものがあり、こ
れらの従来例はオリフイス口径を変化させる構造になつ
ている。このため、信頼性が低下するという問題が生じ
る。
体の直下部にオリフイス板を設けてあるが、このオリフ
イス板での抵抗を増やすことにより、安定性余裕を増加
させる方法がある。この方法の定量評価を第４図に示
す。第４図の横軸がオリフイスでの抵抗値であり、縦軸
は、安定性の指標である減幅比を示す。この減幅比は、
第５図に示すように、隣合つた振幅の比で定義される。
減幅比が１以上の時には振幅は時間の経過と共に増大す
るので流動は不安定になり、逆に減幅比が１未満のとき
には振動は時間経過と共に減衰するので、流動は安定に
なる。減幅比が小さくなるほど安定性の余裕が増える。
したがつて、オリフイス板の抵抗を増やすことが安定性
を向上させる上で有効と考えられる。しかし、オリフイ
ス板の抵抗を増やすと、炉心全体の抵抗も増え、冷却水
流量が少なくなる。このため、多量の冷却水流量を確保
するためには、大容量のポンプが必要となる欠点があ
る。なお、この従来例として、特開昭60−131487号公報
及び特開昭57−52897号公報に示されるものがあり、こ
れらの従来例はオリフイス口径を変化させる構造になつ
ている。このため、信頼性が低下するという問題が生じ
る。
また、安定性の余裕を増やす他の方法として、燃料棒や
水ロツドの外径を細くし、冷却水流路面積を大きくする
ことによつて、二相流による圧損を下げ、安定性の余裕
を増やす方法がある（第６図参照）。しかし、この場合
には、燃料棒の外径を細くしたことに起因して、燃料物
質であるウランの装荷量が減少するので、燃料集合体の
交換周期が短くなる。その結果、燃料サイクルコストが
高くなるという問題がある。第７図に、燃料サイクル費
と水ロツド内の流路断面積との関係を、燃料集合体一体
当たりのウラン装荷量をパラメータとして示す。燃料サ
イクル費は、水ロツド内の水領域面積が増えることによ
り、また、ウラン装荷量が増えることにより、低減す
る。すなわち、燃料棒を細くすると、ウラン装荷量が減
るために燃料サイクル費が高くなり、前述したように、
燃料経済性は悪くなる。このため、９×９燃料集合体に
おいて、燃料経済性を向上させる発明として、特開昭61
−159185号公報及び特開昭58−172580号公報がある。し
かし、これらの従来例では、安定性の制限により燃料棒
の細径化が余儀なくされるため、ウラン装荷量が下が
り、経済性の向上はあまり期待できない。
水ロツドの外径を細くし、冷却水流路面積を大きくする
ことによつて、二相流による圧損を下げ、安定性の余裕
を増やす方法がある（第６図参照）。しかし、この場合
には、燃料棒の外径を細くしたことに起因して、燃料物
質であるウランの装荷量が減少するので、燃料集合体の
交換周期が短くなる。その結果、燃料サイクルコストが
高くなるという問題がある。第７図に、燃料サイクル費
と水ロツド内の流路断面積との関係を、燃料集合体一体
当たりのウラン装荷量をパラメータとして示す。燃料サ
イクル費は、水ロツド内の水領域面積が増えることによ
り、また、ウラン装荷量が増えることにより、低減す
る。すなわち、燃料棒を細くすると、ウラン装荷量が減
るために燃料サイクル費が高くなり、前述したように、
燃料経済性は悪くなる。このため、９×９燃料集合体に
おいて、燃料経済性を向上させる発明として、特開昭61
−159185号公報及び特開昭58−172580号公報がある。し
かし、これらの従来例では、安定性の制限により燃料棒
の細径化が余儀なくされるため、ウラン装荷量が下が
り、経済性の向上はあまり期待できない。
また、特開昭59−178387号公報は、燃料経済性が向上す
るが、後述するように、不安定領域内にあるために使用
上困難となる。
るが、後述するように、不安定領域内にあるために使用
上困難となる。
このように、９×９燃料集合体の安定性の余裕を増大さ
せる各案は、安定性を良くすると燃料サイクル費が上昇
し、逆に燃料サイクル費を下げると安定性が悪くなる。
せる各案は、安定性を良くすると燃料サイクル費が上昇
し、逆に燃料サイクル費を下げると安定性が悪くなる。
本発明の目的は、炉心安定性を向上させると共に燃料経
済性を向上できる燃料集合体を提供することにある。
済性を向上できる燃料集合体を提供することにある。
本発明の他の目的は、炉心及びチヤンネルの両安定性を
向上させると共に燃料経済性を向上できる燃料集合体を
提供することにある。
向上させると共に燃料経済性を向上できる燃料集合体を
提供することにある。
上記した本発明の目的を達成するための本発明の特徴
は、９行９列に配置された複数の燃料棒、及び前記燃料
棒間に配置された水ロッドを有する燃料集合体におい
て、前記燃料集合体内の前記水ロッドの横断面積の総和
がAW(cm2)、前記燃料集合体の横断面積がACH(cm2)、前
記燃料集合体内の前記燃料棒の横断面積の総和がArod(c
m2)及び被覆管の肉厚がδ（mm）であるとき、Arod/ACH
が下記の２つの式を満足する範囲に設定されている燃料
集合体にある。
は、９行９列に配置された複数の燃料棒、及び前記燃料
棒間に配置された水ロッドを有する燃料集合体におい
て、前記燃料集合体内の前記水ロッドの横断面積の総和
がAW(cm2)、前記燃料集合体の横断面積がACH(cm2)、前
記燃料集合体内の前記燃料棒の横断面積の総和がArod(c
m2)及び被覆管の肉厚がδ（mm）であるとき、Arod/ACH
が下記の２つの式を満足する範囲に設定されている燃料
集合体にある。
（Arod/ACH） ≦（0.337δ＋0.1421）（AW/ACH） ＋0.0804δ＋0.302 （Arod/ACH） ＞（−0.0428δ−0.0359） ×(AW/ACH)＋0.1449δ ＋0.2745 上記した本発明の他の目的を達成するための本発明の他
の特徴は、９行９列に配置された複数の燃料棒、及び前
記燃料棒間に配置された水ロッドを有する燃料集合体に
おいて、前記燃料集合体内の前記水ロッドの横断面積の
総和がAW(cm2)、前記燃料集合体の横断面積がACH(c
m2)、前記燃料集合体内の前記燃料棒の横断面積の総和
がArod(cm2)及び被覆管の肉厚がδ（mm）であるとき、A
rod／ACHが下記の３つの式を満足する範囲に設定されて
いる燃料集合体にある。
の特徴は、９行９列に配置された複数の燃料棒、及び前
記燃料棒間に配置された水ロッドを有する燃料集合体に
おいて、前記燃料集合体内の前記水ロッドの横断面積の
総和がAW(cm2)、前記燃料集合体の横断面積がACH(c
m2)、前記燃料集合体内の前記燃料棒の横断面積の総和
がArod(cm2)及び被覆管の肉厚がδ（mm）であるとき、A
rod／ACHが下記の３つの式を満足する範囲に設定されて
いる燃料集合体にある。
（Arod/ACH） ≦（−1.050（AW/ACH）＋0.469 （Arod/ACH） ≦（0.337δ＋0.1421）（AW/ACH） ＋0.0804δ＋0.302 （Arod/ACH） ＞（−0.0428δ−0.0359） ×(AW/ACH)＋0.1449δ ＋0.2745 〔作用〕 本発明の特徴は、炉心安定性が安定な領域を規定した式
及び燃料経済性が向上する領域を規定した式を満足する
ので、炉心安定性が向上すると共に燃料経済性が向上す
る燃料集合体を得ることができる。
及び燃料経済性が向上する領域を規定した式を満足する
ので、炉心安定性が向上すると共に燃料経済性が向上す
る燃料集合体を得ることができる。
本発明の他の特徴は、上記の２つの式に加えてチャンネ
ル安定性が安定な領域を規定する式を満足するので、炉
心安定性及びチャンネル安定性が向上すると共に燃料経
済性が向上する燃料集合体を得ることができる。
ル安定性が安定な領域を規定する式を満足するので、炉
心安定性及びチャンネル安定性が向上すると共に燃料経
済性が向上する燃料集合体を得ることができる。
安定性には、二つの安定モード（チヤンネル安定性及び
炉心安定性）がある。まず、チヤンネル安定性は、冷却
水の流量配分の振動を防止するためのもので、炉心内の
一番出力の高い燃料集合体に対して評価する。炉心安定
性は、炉心内の中性子束と熱水力振動とがカツプリング
して生じる不安定現象を防止するためのものである。そ
れぞれの制限値は、第５図で定義した減幅比であらわさ
れる。すなわち、チヤンネル安定性は減幅比が０．７以
下に、炉心安定性は減幅比が１．０以下になるように制
限される。
炉心安定性）がある。まず、チヤンネル安定性は、冷却
水の流量配分の振動を防止するためのもので、炉心内の
一番出力の高い燃料集合体に対して評価する。炉心安定
性は、炉心内の中性子束と熱水力振動とがカツプリング
して生じる不安定現象を防止するためのものである。そ
れぞれの制限値は、第５図で定義した減幅比であらわさ
れる。すなわち、チヤンネル安定性は減幅比が０．７以
下に、炉心安定性は減幅比が１．０以下になるように制
限される。
そこで、発明者等は、９×９燃料集合体を対象にチヤン
ネル安定性及び炉心安定性について検討した。その結果
を以下に述べる。まず、水ロツド内の流路面積に対する
減幅比の依存性を第８図に示す。第８図（Ａ）及び
（Ｂ）内のパラメータはウラン装荷量である。第８図
（Ａ）はチヤンネル安定性、第８図（Ｂ）は炉心安定性
を示す。チヤンネル安定性は、水ロツド内の流路面積が
大きい程、またウラン装荷量が多い程、減幅比が増大し
て安定性が悪くなることがわかつた。これは、以下の理
由による。水ロツド内の流路面積及びウラン装荷量が増
大すると、燃料集合体内の流路面積が減少して燃料集合
体の圧力損失が増大し、チヤンネル安定性が悪くなる。
一方、炉心安定性は、ウラン装荷量を増加させると減幅
比が大きくなるが、水ロツド内の流路面積を増加させる
と逆に、減幅比が減少することがわかつた。これが、ボ
イド係数が第９図に示すようにウラン装荷量と水ロツド
内流路面積で逆の特性を示すためである。すなわち、ウ
ラン装荷量が増えると、ボイド係数の絶対値が増大し、
ボイド率の変化に対する中性子束の変動が増え、炉心安
定性が悪くなつた。一方、水ロツド内の流路面積が増加
すると、ボイド率によつて変化しない減速材の面積の割
合が増大するため、ボイド係数は０に近づき、炉心安定
性は良くなつた。
ネル安定性及び炉心安定性について検討した。その結果
を以下に述べる。まず、水ロツド内の流路面積に対する
減幅比の依存性を第８図に示す。第８図（Ａ）及び
（Ｂ）内のパラメータはウラン装荷量である。第８図
（Ａ）はチヤンネル安定性、第８図（Ｂ）は炉心安定性
を示す。チヤンネル安定性は、水ロツド内の流路面積が
大きい程、またウラン装荷量が多い程、減幅比が増大し
て安定性が悪くなることがわかつた。これは、以下の理
由による。水ロツド内の流路面積及びウラン装荷量が増
大すると、燃料集合体内の流路面積が減少して燃料集合
体の圧力損失が増大し、チヤンネル安定性が悪くなる。
一方、炉心安定性は、ウラン装荷量を増加させると減幅
比が大きくなるが、水ロツド内の流路面積を増加させる
と逆に、減幅比が減少することがわかつた。これが、ボ
イド係数が第９図に示すようにウラン装荷量と水ロツド
内流路面積で逆の特性を示すためである。すなわち、ウ
ラン装荷量が増えると、ボイド係数の絶対値が増大し、
ボイド率の変化に対する中性子束の変動が増え、炉心安
定性が悪くなつた。一方、水ロツド内の流路面積が増加
すると、ボイド率によつて変化しない減速材の面積の割
合が増大するため、ボイド係数は０に近づき、炉心安定
性は良くなつた。
次に、これらの安定性を水ロツド内の流路面積及びウラ
ン装荷量に基づいて検討した。この結果を第１０図の水
ロツド内流路面積−ウラン装荷量のマツプの上に示し
た。第１０図の右上側（水ロツド内流路面積が大でかつ
ウラン装荷量が大の領域）にチヤンネル不安定による制
限領域（曲線Ａより右側の領域）が、また第１０図の左
上側（水ロツド内流路面積が小でかつウラン装荷量が大
の領域）に炉心不安定により制限領域（曲線Ｂより左側
の領域）が存在する。安定性に対する許容領域は、第１
０図の中央部に存在して曲線Ａと曲線Ｂとで挟まれた山
の形をした領域である。第１０図に、燃料サイクル費の
等高線が破線で示される。第１０図の右上の方向に向つ
て燃料サイクル費は減少する。従つて、第１０図の安定
性の許容領域内で、特性Ａと特性Ｂの交点付近（山の頂
上部分）が、最も燃料サイクル費が低くて最適な部分で
あることがわかつた。すなわち、この頂上部分（水ロツ
ド内流路面積で１３cm2近傍）に近接する燃料集合体が
最良となる。なお、ここで使用した燃料サイクル費は後
述する第１図の実施例を基準としたものである。
ン装荷量に基づいて検討した。この結果を第１０図の水
ロツド内流路面積−ウラン装荷量のマツプの上に示し
た。第１０図の右上側（水ロツド内流路面積が大でかつ
ウラン装荷量が大の領域）にチヤンネル不安定による制
限領域（曲線Ａより右側の領域）が、また第１０図の左
上側（水ロツド内流路面積が小でかつウラン装荷量が大
の領域）に炉心不安定により制限領域（曲線Ｂより左側
の領域）が存在する。安定性に対する許容領域は、第１
０図の中央部に存在して曲線Ａと曲線Ｂとで挟まれた山
の形をした領域である。第１０図に、燃料サイクル費の
等高線が破線で示される。第１０図の右上の方向に向つ
て燃料サイクル費は減少する。従つて、第１０図の安定
性の許容領域内で、特性Ａと特性Ｂの交点付近（山の頂
上部分）が、最も燃料サイクル費が低くて最適な部分で
あることがわかつた。すなわち、この頂上部分（水ロツ
ド内流路面積で１３cm2近傍）に近接する燃料集合体が
最良となる。なお、ここで使用した燃料サイクル費は後
述する第１図の実施例を基準としたものである。
燃料サイクル費を低減するためには、９×９燃料集合体
以外に、８×８燃料集合体において燃料を濃縮度を上げ
て燃焼度を高める方法がある。この方法について解析
し、第１図の実施例の燃焼サイクル費と比較した。その
結果を第１１図に示す。第１１図の縦軸は８×８燃料集
合体から９×９燃料集合体への燃料サイクル費の上昇値
を示す。また、横軸は運転連続期間である。運転連続期
間が長くなると、９×９燃料集合体が優位性となること
がわかる。しかし、運転連続期間１２ケ月では、その差
は０．１％程度である。すなわち、第１１図で、燃料サ
イクル費が０．１％以上となる９×９燃料集合体は、８
×８燃料集合体より性能が悪くなり、９×９型にしたこ
とのメリツトがなくなること予測される。
以外に、８×８燃料集合体において燃料を濃縮度を上げ
て燃焼度を高める方法がある。この方法について解析
し、第１図の実施例の燃焼サイクル費と比較した。その
結果を第１１図に示す。第１１図の縦軸は８×８燃料集
合体から９×９燃料集合体への燃料サイクル費の上昇値
を示す。また、横軸は運転連続期間である。運転連続期
間が長くなると、９×９燃料集合体が優位性となること
がわかる。しかし、運転連続期間１２ケ月では、その差
は０．１％程度である。すなわち、第１１図で、燃料サ
イクル費が０．１％以上となる９×９燃料集合体は、８
×８燃料集合体より性能が悪くなり、９×９型にしたこ
とのメリツトがなくなること予測される。
ところで、第１０図の解析条件は、燃料棒本数７４本、
燃料棒被覆管肉厚０．７２mmであるが、燃料棒及び被覆
管の肉厚が異なると、燃料集合体内の流路面積が変化
し、制限領域が移動すると考えられる。そこで、被覆管
肉厚及び燃料棒本数を変えて、制限領域を検討した。第
１２図の（Ａ）は被覆管肉厚を０．５mm及び０．８mmに
した時の検討結果であり、第１２図（Ｂ）は燃料棒本数
を７２本と７６本にした時の検討結果である。第１２図
（Ａ）及び（Ｂ）とも制限領域は移動するが、第１２図
（Ａ）の被覆管肉厚を変えたほうの制限領域の移動量
は、第１２図（Ｂ）に示された燃料棒の本数を変えた場
合のそれに比べ大きい。被覆管の肉厚が０．５mmから
０．８mmに変わると、制限領域の境界が移動してウラン
装荷量は約１０kg多く装荷できる。さらに、チヤンネル
不安定による制限領域と炉心不安定による制限領域の移
動量を比較すると、被覆管肉厚を変えた場合にはチヤン
ネル不安定による制限領域の方が、燃料棒本数を変えた
場合には炉心不安定による制限領域の方が、それぞれ大
きく移動する。このように、被覆管肉厚及び燃料棒本数
の大小により、不安定による制限領域は複雑に変わつて
くる。そのため、被覆管肉厚、燃料棒本数を変えて最適
形状を検討することは大変面倒となる。そこで、被覆管
肉厚及び燃料棒本数の変化を考慮できる設定条件を検討
した。その内容を次に説明する。
燃料棒被覆管肉厚０．７２mmであるが、燃料棒及び被覆
管の肉厚が異なると、燃料集合体内の流路面積が変化
し、制限領域が移動すると考えられる。そこで、被覆管
肉厚及び燃料棒本数を変えて、制限領域を検討した。第
１２図の（Ａ）は被覆管肉厚を０．５mm及び０．８mmに
した時の検討結果であり、第１２図（Ｂ）は燃料棒本数
を７２本と７６本にした時の検討結果である。第１２図
（Ａ）及び（Ｂ）とも制限領域は移動するが、第１２図
（Ａ）の被覆管肉厚を変えたほうの制限領域の移動量
は、第１２図（Ｂ）に示された燃料棒の本数を変えた場
合のそれに比べ大きい。被覆管の肉厚が０．５mmから
０．８mmに変わると、制限領域の境界が移動してウラン
装荷量は約１０kg多く装荷できる。さらに、チヤンネル
不安定による制限領域と炉心不安定による制限領域の移
動量を比較すると、被覆管肉厚を変えた場合にはチヤン
ネル不安定による制限領域の方が、燃料棒本数を変えた
場合には炉心不安定による制限領域の方が、それぞれ大
きく移動する。このように、被覆管肉厚及び燃料棒本数
の大小により、不安定による制限領域は複雑に変わつて
くる。そのため、被覆管肉厚、燃料棒本数を変えて最適
形状を検討することは大変面倒となる。そこで、被覆管
肉厚及び燃料棒本数の変化を考慮できる設定条件を検討
した。その内容を次に説明する。
チヤンネル安定性及び炉心安定性に対する安定性境界の
データを燃料集合体内の燃流棒横断面積の総和（被覆管
の横断面積も含む）と燃料集合体内の水ロツド横断面積
の総和（水ロッドの管の断面積も含む）とについてまと
めた。第１３図の（Ａ）は、チヤンネル安定性、第１３
図（Ｂ）は炉心安定性の結果である。このように整理す
ると、第１３図の（Ａ）のチヤンネル安定性に関して、
安定性境界線上のデータは被覆管肉厚及び燃料棒本数の
大小に関係なく直線上に点在し、この直線の上側の領域
がチヤンネル安定性が生じる制限領域となる。一方、第
１３図（Ｂ）に示す炉心安定性に関しては、安定性境界
線上のデータは、被覆管肉厚の大小には依存するが、燃
料棒本数にはほとんど依存せず直線上に点在する。この
理由はつきの通りである。チヤンネル安定性に関して
は、燃料集合体内の冷却水流路面積が同一の場合にほぼ
同じ減幅比を示すので、安定性境界はほぼ同じ流路面積
のデータとなる。ところで、流路面積は、燃料集合体横
断面積から燃料棒横面積の総和と水ロツド横面積の総和
を差し引いたものである。このため、安定性境界上のデ
ータは、燃料棒横面積の総和及び水ロツド横面積の総和
の線形関数で記能できるので、直線上に点在する。一
方、炉心安定性は、ボイド係数及び燃流集合体内の冷却
水と流路面積に依存する。この冷却水流路面積は燃流棒
横面積の総和及び水ロツド横面積の総和により一義的に
決まるが、ボイド係数はウラン装荷量によつても変わ
る。このため、被覆管の肉厚が変化すると、ボイド係数
が変化して安定性の境界が移動する。
データを燃料集合体内の燃流棒横断面積の総和（被覆管
の横断面積も含む）と燃料集合体内の水ロツド横断面積
の総和（水ロッドの管の断面積も含む）とについてまと
めた。第１３図の（Ａ）は、チヤンネル安定性、第１３
図（Ｂ）は炉心安定性の結果である。このように整理す
ると、第１３図の（Ａ）のチヤンネル安定性に関して、
安定性境界線上のデータは被覆管肉厚及び燃料棒本数の
大小に関係なく直線上に点在し、この直線の上側の領域
がチヤンネル安定性が生じる制限領域となる。一方、第
１３図（Ｂ）に示す炉心安定性に関しては、安定性境界
線上のデータは、被覆管肉厚の大小には依存するが、燃
料棒本数にはほとんど依存せず直線上に点在する。この
理由はつきの通りである。チヤンネル安定性に関して
は、燃料集合体内の冷却水流路面積が同一の場合にほぼ
同じ減幅比を示すので、安定性境界はほぼ同じ流路面積
のデータとなる。ところで、流路面積は、燃料集合体横
断面積から燃料棒横面積の総和と水ロツド横面積の総和
を差し引いたものである。このため、安定性境界上のデ
ータは、燃料棒横面積の総和及び水ロツド横面積の総和
の線形関数で記能できるので、直線上に点在する。一
方、炉心安定性は、ボイド係数及び燃流集合体内の冷却
水と流路面積に依存する。この冷却水流路面積は燃流棒
横面積の総和及び水ロツド横面積の総和により一義的に
決まるが、ボイド係数はウラン装荷量によつても変わ
る。このため、被覆管の肉厚が変化すると、ボイド係数
が変化して安定性の境界が移動する。
また、両方安定性とも安定性の境界データは、第１３図
より明らかのように直線上に点在する。そのため、安定
性の境界を簡易に評価するフイツト式が作成できる。こ
のフイツト式を用いると、安定性に関する許容領域は、
次のように記述できる。
より明らかのように直線上に点在する。そのため、安定
性の境界を簡易に評価するフイツト式が作成できる。こ
のフイツト式を用いると、安定性に関する許容領域は、
次のように記述できる。
チヤンネル不安定に対する許容領域 (Arod/ACH)≦−１．０５０(AW/ACH)＋０．４６９…(1) 炉心不安定に対する許容領域 (Arod/ACH)≦（０．３３７δ＋０．１４２１）(AW/ACH) ＋０．０８０４δ＋０．３０２ …(2) ここで、ＡＷは燃料集合体内の水ロツドの横断面積の総
和（cm2）、 Arodは燃料集合体内の燃料棒の横断面積の総和（c
m2）、 及び δは被覆管肉厚（mm） である。ただし、燃料集合体の断面積はチヤンネルボツ
クスの内側の横断面積である。
和（cm2）、 Arodは燃料集合体内の燃料棒の横断面積の総和（c
m2）、 及び δは被覆管肉厚（mm） である。ただし、燃料集合体の断面積はチヤンネルボツ
クスの内側の横断面積である。
また、前述したように、８×８燃料集合体（高濃縮度）
の燃料サイクル費を計算すると、燃料サイクル費は基準
値に比べ、０．１％ほど悪くなる。したがつて、９×９
燃料集合体の燃料サイクル費がこの８×８燃料集合体の
値以上になると、９×９燃料集合体したメリツトがなく
なる。そのため、燃料サイクル費が８×８燃料集合体の
値より小さいという制限値が追加される。そこで、この
制限値を、前述と同様にして整理すると、下記のような
関係式を得る。
の燃料サイクル費を計算すると、燃料サイクル費は基準
値に比べ、０．１％ほど悪くなる。したがつて、９×９
燃料集合体の燃料サイクル費がこの８×８燃料集合体の
値以上になると、９×９燃料集合体したメリツトがなく
なる。そのため、燃料サイクル費が８×８燃料集合体の
値より小さいという制限値が追加される。そこで、この
制限値を、前述と同様にして整理すると、下記のような
関係式を得る。
(Arod/ACH)＞（−０．０４２８δ＋０．０３５９） ×(AW/ACH)＋０．１４４９δ＋０．２７４５ …(3) 以上述べた設定条件(1)〜(3)式を用いて、チヤンネルボ
ツクス内幅１３２．４mm（燃料集合体の横断面積１７
４．７cm2）、燃料棒の被覆管肉厚０．７２mmの場合を
例にとり、許容領域を明示した。その結果を第１４図に
示す。
ツクス内幅１３２．４mm（燃料集合体の横断面積１７
４．７cm2）、燃料棒の被覆管肉厚０．７２mmの場合を
例にとり、許容領域を明示した。その結果を第１４図に
示す。
第１４図において直線Ｋがチヤンネル安定性の限界を示
し、直線Ｋより上方でチヤンネル不安定が生じる。直線
Ｋを含んでそれより下方が(1)式の領域である。直線Ｌ
が炉心安定性の限界を示し、直線Ｌより上方で炉心不安
定が生じる。直線Ｌを含んでそれより下方が(2)式の領
域である。直線Ｍが燃料サイクル費に関するものであつ
て直線Ｍより上方が(3)式を満足する領域である。設定
条件(1)，(2)及び(3)式で形成される三角形の領域の内
部すなわち、直線Ｋ，Ｌ及びＭにて囲まれた三角形の領
域Ｎが許容領域となり、この三角形領域の頂部Ｙで燃料
サイクル費が最も小さくなり、最適領域であることが分
かる。さらに、この最適領域の条件は、前述の(1)及び
(2)式及び下記の(4)及び(5)式を満足することである。
（１）、（２）、（４）及び（５）式を満足すること
は、一例として第１０図を用いて説明した前述の特性Ａ
と特性Ｂの交点付近（山の頂上部分、すなわち頂部Ｙ）
の最適な領域を規定することになる。この最適な領域
は、当然のことながら（３）式を満足している。（４）
及び（５）式は、（１）式と（２）式の交点を基準とし
てArod/ACH及びAW/ACHについて±２％の領域を規定して
いる。
し、直線Ｋより上方でチヤンネル不安定が生じる。直線
Ｋを含んでそれより下方が(1)式の領域である。直線Ｌ
が炉心安定性の限界を示し、直線Ｌより上方で炉心不安
定が生じる。直線Ｌを含んでそれより下方が(2)式の領
域である。直線Ｍが燃料サイクル費に関するものであつ
て直線Ｍより上方が(3)式を満足する領域である。設定
条件(1)，(2)及び(3)式で形成される三角形の領域の内
部すなわち、直線Ｋ，Ｌ及びＭにて囲まれた三角形の領
域Ｎが許容領域となり、この三角形領域の頂部Ｙで燃料
サイクル費が最も小さくなり、最適領域であることが分
かる。さらに、この最適領域の条件は、前述の(1)及び
(2)式及び下記の(4)及び(5)式を満足することである。
（１）、（２）、（４）及び（５）式を満足すること
は、一例として第１０図を用いて説明した前述の特性Ａ
と特性Ｂの交点付近（山の頂上部分、すなわち頂部Ｙ）
の最適な領域を規定することになる。この最適な領域
は、当然のことながら（３）式を満足している。（４）
及び（５）式は、（１）式と（２）式の交点を基準とし
てArod/ACH及びAW/ACHについて±２％の領域を規定して
いる。
また、図中には、○印，△印及び□印で、後述の第１
図，第１５図、及び第２０図の各実施例を、また、●印
は特開昭59−178387号公報の第１図及び第２図の燃料集
合体を示す。後述の第１図，第１５図及び第２０図の実
施例ではこの三角形の領域Ｎ内に位置し安定でかつ燃料
経済性が良いことが分かる。一方、●印の従来例は、特
開昭59−178387号公報の記載（燃料棒外径：１０．７５
mm、水ロツド角径：１３．７mm）に基づいて計算する
と、この三角形の領域Ｎの範囲外となり、使用上困難と
なる。特開昭59−178387号公報の燃料集合体に対応する
第１４図の●印の値は、特開昭59−178387号公報の燃料
棒の被覆管肉厚が記載されていないので、この被覆管肉
厚を、第１４図の直線Ｌ及びＭを求めるときに用いた
０．７２mmと想定して求めたものである。
図，第１５図、及び第２０図の各実施例を、また、●印
は特開昭59−178387号公報の第１図及び第２図の燃料集
合体を示す。後述の第１図，第１５図及び第２０図の実
施例ではこの三角形の領域Ｎ内に位置し安定でかつ燃料
経済性が良いことが分かる。一方、●印の従来例は、特
開昭59−178387号公報の記載（燃料棒外径：１０．７５
mm、水ロツド角径：１３．７mm）に基づいて計算する
と、この三角形の領域Ｎの範囲外となり、使用上困難と
なる。特開昭59−178387号公報の燃料集合体に対応する
第１４図の●印の値は、特開昭59−178387号公報の燃料
棒の被覆管肉厚が記載されていないので、この被覆管肉
厚を、第１４図の直線Ｌ及びＭを求めるときに用いた
０．７２mmと想定して求めたものである。
以上の検討により、設定条件（１）〜（３）式の、いず
れかの条件を満たすならば、すなわち（１）式及び
（３）式、または（２）式及び（３）式、または（３）
式の条件を満足するならば、燃料サイクル費は低減し、
燃料経済性が大幅に向上する。特に、（４）及び（５）
式の範囲では、各安定性を満足した上で、燃料サイクル
費が最も小さくなる。
れかの条件を満たすならば、すなわち（１）式及び
（３）式、または（２）式及び（３）式、または（３）
式の条件を満足するならば、燃料サイクル費は低減し、
燃料経済性が大幅に向上する。特に、（４）及び（５）
式の範囲では、各安定性を満足した上で、燃料サイクル
費が最も小さくなる。
以下、図面を用いて、本発明の実施例について説明す
る。
る。
第１図は、本発明の一実施例である燃料集合体を示した
ものである。本実施例は、燃料棒を９行９列の格子状に
配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体である。チヤン
ネルボツクス１の内幅は１３２．４mm（燃料集合体横断
面積１７４．７cm2）である。この燃料集合体中央の３
行３列の格子の部分に、円形断面の水ロツド３を対角線
上に２本配列し、あいた空間に２本の燃料棒４を配置し
て燃料棒２の本数を７４本としたものである。さらに、
水ロツド横断面積の総和AW、燃料棒の横断面積の総和A
rodは、被覆管肉厚δと関連して、設定条件(1)〜(3)式
の条件を満たし設定したものでもある。AW及びδの値と
しては、第１４図の１７４．７cm2及び０．７２２mmを
用いた。円形断面の水ロツド３の外径は燃料棒２のピツ
チよりも大きい。しかし、水ロツド３の周囲には燃料棒
が配置されているので、水ロツド３の大きさには上限値
がある。この上限値より２本の水ロツド３の水ロツド横
断面積の総和AWを求めると、９．１６cm2となる。第１
４図に本実施例の対応点を○印で示す。本実施例は、許
容領域Ｎ内に位置し、チヤンネル及び炉心安定性及び燃
料経済性ともが向上していることがわかる。さらに、安
定性が向上したことにより、安定性向上用に設けられて
いた機器が不要となる。また、既設の沸騰水型原子炉に
対してもバツクフツトが可能である。このため、既設の
沸騰水型原子炉においても、本実施例の燃料集合体を採
用することによつて８×８格子から９×９格子への増加
分とさらに本実施例による効果により、著しく燃料サイ
クル費を低減でき、燃料経済性を高めることができる。
また、本実施例に用いる水ロツドは、前述のように円形
をしているので、製作性がよく、また信頼性も高いとい
う長所もある。さらに、本実施例の燃料集合体中央部の
３×３格子部分に着目すると、この部分で２本の燃料棒
４を前述のように水ロツド３を太くしたにもかかわらず
水ロツド３に近接して設置できるので、燃料集合体の空
間利用率が高くなる。すなわち、燃料集合体内の燃料棒
２の本数が増えるので、１本の燃料棒あたりの熱負荷が
低減して原子炉の運転の自由度が増し、核分裂性物質を
効率的に燃やし切る原子炉の運転ができ、さらに、燃料
経済性を高めることができる。
ものである。本実施例は、燃料棒を９行９列の格子状に
配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体である。チヤン
ネルボツクス１の内幅は１３２．４mm（燃料集合体横断
面積１７４．７cm2）である。この燃料集合体中央の３
行３列の格子の部分に、円形断面の水ロツド３を対角線
上に２本配列し、あいた空間に２本の燃料棒４を配置し
て燃料棒２の本数を７４本としたものである。さらに、
水ロツド横断面積の総和AW、燃料棒の横断面積の総和A
rodは、被覆管肉厚δと関連して、設定条件(1)〜(3)式
の条件を満たし設定したものでもある。AW及びδの値と
しては、第１４図の１７４．７cm2及び０．７２２mmを
用いた。円形断面の水ロツド３の外径は燃料棒２のピツ
チよりも大きい。しかし、水ロツド３の周囲には燃料棒
が配置されているので、水ロツド３の大きさには上限値
がある。この上限値より２本の水ロツド３の水ロツド横
断面積の総和AWを求めると、９．１６cm2となる。第１
４図に本実施例の対応点を○印で示す。本実施例は、許
容領域Ｎ内に位置し、チヤンネル及び炉心安定性及び燃
料経済性ともが向上していることがわかる。さらに、安
定性が向上したことにより、安定性向上用に設けられて
いた機器が不要となる。また、既設の沸騰水型原子炉に
対してもバツクフツトが可能である。このため、既設の
沸騰水型原子炉においても、本実施例の燃料集合体を採
用することによつて８×８格子から９×９格子への増加
分とさらに本実施例による効果により、著しく燃料サイ
クル費を低減でき、燃料経済性を高めることができる。
また、本実施例に用いる水ロツドは、前述のように円形
をしているので、製作性がよく、また信頼性も高いとい
う長所もある。さらに、本実施例の燃料集合体中央部の
３×３格子部分に着目すると、この部分で２本の燃料棒
４を前述のように水ロツド３を太くしたにもかかわらず
水ロツド３に近接して設置できるので、燃料集合体の空
間利用率が高くなる。すなわち、燃料集合体内の燃料棒
２の本数が増えるので、１本の燃料棒あたりの熱負荷が
低減して原子炉の運転の自由度が増し、核分裂性物質を
効率的に燃やし切る原子炉の運転ができ、さらに、燃料
経済性を高めることができる。
(1)〜(3)式におけるACH及びδの値を前述の値以外を用
いても、それに対応する領域Ｎを(1)〜(3)式で求めるこ
とができる。
いても、それに対応する領域Ｎを(1)〜(3)式で求めるこ
とができる。
第１５図，第１６図及び第１７図は本発明の他の実施例
を示す。これらの実施例では、第１図の実施例と同様、
燃料棒２の総本数を７４本とし、燃料集合体の中央部
に、それぞれ、瓢箪型（第１５図），長円型（第１６
図）及び角めがね型（第１７図）の断面形状の水ロツド
５，６及び７を一本配置したものである。チヤンネルボ
ツクス１の大きさ、各燃料棒の外径及び被覆管の肉厚
は、第１図の実施例に用いられるチヤンネルボツクス及
び燃料棒と同じである。これは、後述の第１８図〜第２
２図の実施例においても同様である。係る構造にしたこ
とにより、水ロツドの横断面積の総和は大きくなり、そ
の上限値は、それぞれ１２．０１cm2（第１５図），１
０．９cm2（第１６図）及び１３．９９cm2（第１７図）
となり、第１図の実施例に比べて第１４図の最適点によ
り近付けることができ、燃料サイクル費を大きく低減で
きる。第１４図の△印は、第１５図の実施例のものであ
る。また、第１図の実施例と同様に水ロツドを太くした
にもかかわらず水ロツドに近接して２本の燃料棒４の余
分に設置できるので、第１図の実施例と同様に空間利用
率も上がり、さらに、燃料棒一本当たりの熱負荷も下が
るので、運転の自由度が上がり、燃料を効率的に燃やす
こともできる。
を示す。これらの実施例では、第１図の実施例と同様、
燃料棒２の総本数を７４本とし、燃料集合体の中央部
に、それぞれ、瓢箪型（第１５図），長円型（第１６
図）及び角めがね型（第１７図）の断面形状の水ロツド
５，６及び７を一本配置したものである。チヤンネルボ
ツクス１の大きさ、各燃料棒の外径及び被覆管の肉厚
は、第１図の実施例に用いられるチヤンネルボツクス及
び燃料棒と同じである。これは、後述の第１８図〜第２
２図の実施例においても同様である。係る構造にしたこ
とにより、水ロツドの横断面積の総和は大きくなり、そ
の上限値は、それぞれ１２．０１cm2（第１５図），１
０．９cm2（第１６図）及び１３．９９cm2（第１７図）
となり、第１図の実施例に比べて第１４図の最適点によ
り近付けることができ、燃料サイクル費を大きく低減で
きる。第１４図の△印は、第１５図の実施例のものであ
る。また、第１図の実施例と同様に水ロツドを太くした
にもかかわらず水ロツドに近接して２本の燃料棒４の余
分に設置できるので、第１図の実施例と同様に空間利用
率も上がり、さらに、燃料棒一本当たりの熱負荷も下が
るので、運転の自由度が上がり、燃料を効率的に燃やす
こともできる。
第１８図，第１９図に本発明の他の実施例である燃料集
合体を示す。第１８図の実施例は長方形断面の水ロツド
９を燃料集合体内の中央部に配置し、燃料棒本数を７５
本としたものである。第２１図の実施例は、十字形断面
の水ロツド１０を燃料集合体を中央部に設け、燃料棒を
７６本配置したものである。係る構造では、水ロツドの
横断面積の総和は、それぞれ、１１．４cm2（第１８
図），８．３cm2（第１９図）となり、燃料サイクル費
は、第１図の実施例とほぼ同程度低減できる。さらに、
これらの実施例では、燃料棒の総本数が多くなるので、
燃料棒一本当たりの熱負荷が下がり、原子炉の運転の自
由度が増える。従つて、この自由度の増加を利用して効
率的に核分裂性物質を燃やし切ることができ、さらに経
済性が向上する。
合体を示す。第１８図の実施例は長方形断面の水ロツド
９を燃料集合体内の中央部に配置し、燃料棒本数を７５
本としたものである。第２１図の実施例は、十字形断面
の水ロツド１０を燃料集合体を中央部に設け、燃料棒を
７６本配置したものである。係る構造では、水ロツドの
横断面積の総和は、それぞれ、１１．４cm2（第１８
図），８．３cm2（第１９図）となり、燃料サイクル費
は、第１図の実施例とほぼ同程度低減できる。さらに、
これらの実施例では、燃料棒の総本数が多くなるので、
燃料棒一本当たりの熱負荷が下がり、原子炉の運転の自
由度が増える。従つて、この自由度の増加を利用して効
率的に核分裂性物質を燃やし切ることができ、さらに経
済性が向上する。
第２０図に本発明の他の実施例である燃料集合体を示
す。本実施例は、燃料棒本数を７３本とし、燃料集合体
内の最外周の燃料棒の位置から３層内側に位置する正方
形線上に燃料棒２本分のスペースを持つ長円形水ロツド
１１を４本配列し、さらにこの水ロツド１２の片側を上
記正方形線上のコーナ部に配置した燃料集合体である。
従つて、本実施例における４本の水ロツド１１の横断面
積の総和は約燃料棒８本分であり、非常に大きくなる。
例えば、チヤンネルボツクス１の内幅１３４．６mmの燃
料集合体で検討したところ、燃料棒２のピツチが１４．
６mmになるので、燃料棒２の間隔を保持するスペーサ等
の構造物で水ロツド１１の寸法は制限されるが、水ロツ
ド１１の短辺を１３．７mm及び長辺を２８．３mmまで大
きくすることが可能である。この寸法を用いて燃料集合
体内の水ロツド横断面積の総和を求めると、１３．９cm
2となる。第１４図において本実施例を□印で示すが、
ほぼ三角形の領域Ｎの頂部Ｙに位置させることができ
る。従つて、燃料経済性を一段と向上させることができ
る。また、本実施例では他の効果も生じる。すなわち、
本実施例では、沢山の燃料棒が水ロツド１１に面してい
る。水ロツド１１およびバイパス領域（燃料集合体を炉
心内に装荷した時に、隣接する燃料集合体相互間に形成
される水ギヤツプ）１３とに接していない燃料棒１２の
本数は１７本である。残りの５６本の燃料棒２は、水ロ
ツド１１あるいはバイパス領域１３に接している。一般
に、水の多い所で濃縮度の高い燃料を燃やすと燃料経済
性が向上することが知られている（特開昭58−26292号
公報）。従つて、本実施例では、水ロツド１１あるいバ
イパスは領域１３と接している燃料棒の数が多いので、
濃縮度の高い燃料棒を多数配置でき、その結果、燃料経
済性を著しく向上させることができる。また、水ロツド
１１の配置も比較的に均一化されているため、燃料集合
体内の中性子束分布及び発熱分布も均一化される。その
結果、熱的余裕度が増加し、原子炉の運転の自由度が一
段と向上することが分かる。
す。本実施例は、燃料棒本数を７３本とし、燃料集合体
内の最外周の燃料棒の位置から３層内側に位置する正方
形線上に燃料棒２本分のスペースを持つ長円形水ロツド
１１を４本配列し、さらにこの水ロツド１２の片側を上
記正方形線上のコーナ部に配置した燃料集合体である。
従つて、本実施例における４本の水ロツド１１の横断面
積の総和は約燃料棒８本分であり、非常に大きくなる。
例えば、チヤンネルボツクス１の内幅１３４．６mmの燃
料集合体で検討したところ、燃料棒２のピツチが１４．
６mmになるので、燃料棒２の間隔を保持するスペーサ等
の構造物で水ロツド１１の寸法は制限されるが、水ロツ
ド１１の短辺を１３．７mm及び長辺を２８．３mmまで大
きくすることが可能である。この寸法を用いて燃料集合
体内の水ロツド横断面積の総和を求めると、１３．９cm
2となる。第１４図において本実施例を□印で示すが、
ほぼ三角形の領域Ｎの頂部Ｙに位置させることができ
る。従つて、燃料経済性を一段と向上させることができ
る。また、本実施例では他の効果も生じる。すなわち、
本実施例では、沢山の燃料棒が水ロツド１１に面してい
る。水ロツド１１およびバイパス領域（燃料集合体を炉
心内に装荷した時に、隣接する燃料集合体相互間に形成
される水ギヤツプ）１３とに接していない燃料棒１２の
本数は１７本である。残りの５６本の燃料棒２は、水ロ
ツド１１あるいはバイパス領域１３に接している。一般
に、水の多い所で濃縮度の高い燃料を燃やすと燃料経済
性が向上することが知られている（特開昭58−26292号
公報）。従つて、本実施例では、水ロツド１１あるいバ
イパスは領域１３と接している燃料棒の数が多いので、
濃縮度の高い燃料棒を多数配置でき、その結果、燃料経
済性を著しく向上させることができる。また、水ロツド
１１の配置も比較的に均一化されているため、燃料集合
体内の中性子束分布及び発熱分布も均一化される。その
結果、熱的余裕度が増加し、原子炉の運転の自由度が一
段と向上することが分かる。
第２１図及び第２２図に第２０図の実施例の変形例を示
す。第２１図の実施例は、第２０図の実施例の燃料集合
体中心部に１４の水ロツドをさらに一本追加したもので
ある。水ロツド１１及び１４及びバイパス領域１３に接
していない燃料棒１２の数は１２本と減る。このため、
濃縮度の高い燃料棒をさらに多数配置できるので、燃料
経済性は一段向上する。また、第２０図の実施例と同様
な効果も生じる。一方、第２２図では、円形断面（四角
断面でも可能）の９本の水ロツド１５を第２１図の実施
例の水ロツド１１及び１４の位置に配置したものであ
る。９本の水ロツド１５の横断面積の総和は最大１３．
３cm2まで可能であるため、第１４図の領域Ｎの頂部Ｙ
近傍に位置させることができる。さらに、本実施例で
は、水ロツドの形状が円形であるため、製作性がよく、
信頼性が高いという点もある。
す。第２１図の実施例は、第２０図の実施例の燃料集合
体中心部に１４の水ロツドをさらに一本追加したもので
ある。水ロツド１１及び１４及びバイパス領域１３に接
していない燃料棒１２の数は１２本と減る。このため、
濃縮度の高い燃料棒をさらに多数配置できるので、燃料
経済性は一段向上する。また、第２０図の実施例と同様
な効果も生じる。一方、第２２図では、円形断面（四角
断面でも可能）の９本の水ロツド１５を第２１図の実施
例の水ロツド１１及び１４の位置に配置したものであ
る。９本の水ロツド１５の横断面積の総和は最大１３．
３cm2まで可能であるため、第１４図の領域Ｎの頂部Ｙ
近傍に位置させることができる。さらに、本実施例で
は、水ロツドの形状が円形であるため、製作性がよく、
信頼性が高いという点もある。
第１２図で示したように、チヤンネル及び炉心の安定性
は被覆管の肉厚に大きく依存する。すなわち、被覆管の
肉厚を０．５mm程度まで薄くすれば、著しく安定性の許
容領域が広がつて燃料サイクル費が１％程度下がり、燃
料経済性が著しく向上することが予想される。耐腐食性
が高くて中性子経済性の良好な金属を用いることによつ
て、燃料棒の薄肉化が可能となり、燃料サイクル費はさ
らに低減され、燃料経済性が著しく向上する。
は被覆管の肉厚に大きく依存する。すなわち、被覆管の
肉厚を０．５mm程度まで薄くすれば、著しく安定性の許
容領域が広がつて燃料サイクル費が１％程度下がり、燃
料経済性が著しく向上することが予想される。耐腐食性
が高くて中性子経済性の良好な金属を用いることによつ
て、燃料棒の薄肉化が可能となり、燃料サイクル費はさ
らに低減され、燃料経済性が著しく向上する。
第２３図に示す燃料集合体について(1)〜(3)式の条件を
検討した。この燃料集合体の中央部の９本分の燃料棒が
挿入される横断面に、横断面が正方向の１本の水ロツド
８を配置したものである。燃料棒２は７２本配置され
る。このような構造にしたことにより、水ロツド８の横
断面積の総和はさらに大きく取れ、水ロツド流路面積の
上限が１６．８cm2となる。このため、水ロツドを細く
することにより水ロツドの総断面積を第１４図の領域Ｎ
の頂部Ｙの位置（１３cm2）に設定できる可能性があ
る。しかし、このような７２本の燃料棒を用いた案では
水ロツド８を細くすることによつて燃料集合体中央部で
水ロツド８に隣接して大きな隙間ができ、冷却水がこの
隙間をバイパスして流れる。従つて、燃料棒２の囲りの
実質的な冷却水流量が減り、燃料棒の限界出力に対する
余裕が減少する。そのため、第１４図に示すような限界
出力の制限領域が生じ、■印（第１４図）までしか水ロ
ツド８を細くできない。その結果、本実施例は第１４図
の領域Ｎの範囲の外となり、８×８燃料集合体に比べ燃
料経済性は悪くなる。
検討した。この燃料集合体の中央部の９本分の燃料棒が
挿入される横断面に、横断面が正方向の１本の水ロツド
８を配置したものである。燃料棒２は７２本配置され
る。このような構造にしたことにより、水ロツド８の横
断面積の総和はさらに大きく取れ、水ロツド流路面積の
上限が１６．８cm2となる。このため、水ロツドを細く
することにより水ロツドの総断面積を第１４図の領域Ｎ
の頂部Ｙの位置（１３cm2）に設定できる可能性があ
る。しかし、このような７２本の燃料棒を用いた案では
水ロツド８を細くすることによつて燃料集合体中央部で
水ロツド８に隣接して大きな隙間ができ、冷却水がこの
隙間をバイパスして流れる。従つて、燃料棒２の囲りの
実質的な冷却水流量が減り、燃料棒の限界出力に対する
余裕が減少する。そのため、第１４図に示すような限界
出力の制限領域が生じ、■印（第１４図）までしか水ロ
ツド８を細くできない。その結果、本実施例は第１４図
の領域Ｎの範囲の外となり、８×８燃料集合体に比べ燃
料経済性は悪くなる。
第２１図及び第２２図の実施例も第２３図の燃料集合体
と同様に燃料棒９本に相当する領域に水ロツドを配置し
たものであるが、第２１図及び第２２図の実施例では水
ロツドが燃料集合体内にばらまかれているので第２３図
の燃料集合体のように燃料棒の限界出力に対する余裕が
減少することがなく領域Ｎ内に含まれることになる。
と同様に燃料棒９本に相当する領域に水ロツドを配置し
たものであるが、第２１図及び第２２図の実施例では水
ロツドが燃料集合体内にばらまかれているので第２３図
の燃料集合体のように燃料棒の限界出力に対する余裕が
減少することがなく領域Ｎ内に含まれることになる。
本発明によれば、炉心安定性を向上させると共に燃料経
済性を向上できる。
済性を向上できる。
更に、本発明の他の特徴によれば、炉心及びチャンネル
の両安定性を向上させると共に燃料経済性を向上でき
る。
の両安定性を向上させると共に燃料経済性を向上でき
る。
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図は従来の８×８燃料集合体の横断面図、
第３図は従来例の９×９燃料集合体の横断面図、第４図
は炉心入口のオリフイス抵抗係数と安定性との関係を示
す特性図、第５図は安定性の指標である減幅比の説明
図、第６図は燃料棒の外径と安定性との関係を示す特性
図、第７図は燃料サイクル費と水ロツドの水領域面積と
の関係を示す特性図、第８図は安定性の水ロツド内流路
面積に対する特性を示す説明図であり（Ａ）はチヤンネ
ル安定性及び（Ｂ）炉心安定性に対する各説明図で、第
９図はボイド係数の感度特性を示す説明図であり（Ａ）
はウラン装荷量依存性及び（Ｂ）は水ロツド内流路面積
依存性に対する各説明図、第１０図はウラン装荷量−水
ロツドのマツプに安定性限界を示す特性図、第１１図は
９×９集合体と８×８集合体の燃料サイクル費の差を示
す特性図、第１２図は燃料棒本数および被覆管肉厚の相
違を示す安定性マツプの説明図である（Ａ）は被覆管肉
厚の効果を及び（Ｂ）は燃料棒本数の効果を示す各説明
図、第１３図は安定性の境界線とフイツト式との関連を
示す説明図であり（Ａ）はチヤンネル安定性及び（Ｂ）
は炉心安定性に対する各説明図、第１４図は水ロツド横
断面積の総和と燃料棒横断面図の総和との関係で許容領
域を示す説明図、第１５図〜第２２図は本発明の他の実
施例である燃料集合体の横断面図、第２３図は本発明の
さらに他の実施例を示す図である。 １…チヤンネルボツクス、２，４…燃料棒、３，４，
６，７，９〜１１…水ロツド。
断面図、第２図は従来の８×８燃料集合体の横断面図、
第３図は従来例の９×９燃料集合体の横断面図、第４図
は炉心入口のオリフイス抵抗係数と安定性との関係を示
す特性図、第５図は安定性の指標である減幅比の説明
図、第６図は燃料棒の外径と安定性との関係を示す特性
図、第７図は燃料サイクル費と水ロツドの水領域面積と
の関係を示す特性図、第８図は安定性の水ロツド内流路
面積に対する特性を示す説明図であり（Ａ）はチヤンネ
ル安定性及び（Ｂ）炉心安定性に対する各説明図で、第
９図はボイド係数の感度特性を示す説明図であり（Ａ）
はウラン装荷量依存性及び（Ｂ）は水ロツド内流路面積
依存性に対する各説明図、第１０図はウラン装荷量−水
ロツドのマツプに安定性限界を示す特性図、第１１図は
９×９集合体と８×８集合体の燃料サイクル費の差を示
す特性図、第１２図は燃料棒本数および被覆管肉厚の相
違を示す安定性マツプの説明図である（Ａ）は被覆管肉
厚の効果を及び（Ｂ）は燃料棒本数の効果を示す各説明
図、第１３図は安定性の境界線とフイツト式との関連を
示す説明図であり（Ａ）はチヤンネル安定性及び（Ｂ）
は炉心安定性に対する各説明図、第１４図は水ロツド横
断面積の総和と燃料棒横断面図の総和との関係で許容領
域を示す説明図、第１５図〜第２２図は本発明の他の実
施例である燃料集合体の横断面図、第２３図は本発明の
さらに他の実施例を示す図である。 １…チヤンネルボツクス、２，４…燃料棒、３，４，
６，７，９〜１１…水ロツド。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内川 貞男 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 青山 肇男 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 山下 淳一 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 ▲吉▼本 佑一郎 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 安田 哲郎 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 平川 博▲將▼ 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内
Claims (9)
- 【請求項１】９行９列に配置された複数の燃料棒、及び
前記燃料棒間に配置された水ロッドを有する燃料集合体
において、前記燃料集合体内の前記水ロッドの横断面積
の総和がAW(cm2)、前記燃料集合体の横断面積がACH(c
m2)、前記燃料集合体内の前記燃料棒の横断面積の総和
がArod(cm2)及び被覆管の肉厚がδ（mm）であるとき、A
rod/ACHが下記の２つの式を満足する範囲に設定されて
いることを特徴とする燃料集合体。 （Arod/ACH） ≦（0.337δ＋0.1421）（AW/ACH） ＋0.0804δ＋0.302 （Arod/ACH） ＞（−0.0428δ−0.0359） ×(AW/ACH)＋0.1449δ ＋0.2745 - 【請求項２】９行９列に配置された複数の燃料棒、及び
前記燃料棒間に配置された水ロッドを有する燃料集合体
において、前記燃料集合体内の前記水ロッドの横断面積
の総和がAW(cm2)、前記燃料集合体の横断面積がACH(c
m2)、前記燃料集合体内の前記燃料棒の横断面積の総和
がArod(cm2)及び被覆管の肉厚がδ（mm）であるとき、 Arod/ACHが下記の３つの式を満足する範囲に設定されて
いることを特徴とする燃料集合体。 （Arod/ACH） ≦（−1.050（AW/ACH）＋0.469 （Arod/ACH） ≦（0.337δ＋0.1421）（AW/ACH） ＋0.0804δ＋0.302 （Arod/ACH） ＞（−0.0428δ−0.0359） ×(AW/ACH)＋0.1449δ ＋0.2745 - 【請求項３】前記燃料集合体の中央部における７本の前
記燃料棒が配置される領域に前記燃料棒のピツチよりも
大きな２本の水ロツドを、燃料集合体の対角線方向に隣
接して配置した特許請求の範囲第２項記載の燃料集合
体。 - 【請求項４】前記燃料集合体の外側から２層目の燃料棒
配列のコーナから同一方向に向つて２本の燃料棒が配置
される領域に前記水ロツドを配置した特許請求の範囲第
２項記載の燃料集合体。 - 【請求項５】前記燃料棒の本数が７２〜７６本の範囲に
ある特許請求の範囲第２項記載の燃料集合体。 - 【請求項６】９行９列に配置された複数の燃料棒、及び
前記燃料棒間に配置された水ロッドを有する燃料集合体
において、前記燃料集合体内の前記水ロッドの横断面積
の総和がAW(cm2)、前記燃料集合体の横断面積がACH(c
m2)、前記燃料集合体内の前記燃料棒の横断面積の総和
がArod(cm2)及び被覆管の肉厚がδ（mm）であるとき、 Arod/ACHが下記の３つの式をさらにAW／ACHが下記の１
つの式を満足する範囲に設定されていることを特徴とす
る燃料集合体。 - 【請求項７】前記燃料集合体の中央部における７本の前
記燃料棒が配置される領域に前記燃料棒のピツチよりも
大きな２本の水ロツドを、燃料集合体の対角線方向に隣
接して配置した特許請求の範囲第６項記載の燃料集合
体。 - 【請求項８】前記燃料集合体の外側から２層目の燃料棒
配列のコーナから同一方向に向つて２本の燃料棒が配置
される領域に前記水ロツドを配置した特許請求の範囲第
６項記載の燃料集合体。 - 【請求項９】前記燃料棒の本数が７２〜７６本の範囲に
ある特許請求の範囲第６項記載の燃料集合体。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62063886A JPH0640138B2 (ja) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | 燃料集合体 |
| DE8888104261T DE3877230T2 (de) | 1987-03-20 | 1988-03-17 | Kernbrennstabbuendel. |
| EP88104261A EP0283935B1 (en) | 1987-03-20 | 1988-03-17 | Nuclear fuel assembly |
| CN88101415A CN1013621B (zh) | 1987-03-20 | 1988-03-19 | 燃料装置 |
| US07/171,452 US4926450A (en) | 1987-03-20 | 1988-03-21 | Fuel assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62063886A JPH0640138B2 (ja) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | 燃料集合体 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9270818A Division JP2842439B2 (ja) | 1997-10-03 | 1997-10-03 | 燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63231292A JPS63231292A (ja) | 1988-09-27 |
| JPH0640138B2 true JPH0640138B2 (ja) | 1994-05-25 |
Family
ID=13242216
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62063886A Expired - Lifetime JPH0640138B2 (ja) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | 燃料集合体 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4926450A (ja) |
| EP (1) | EP0283935B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0640138B2 (ja) |
| CN (1) | CN1013621B (ja) |
| DE (1) | DE3877230T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP2525802B2 (ja) * | 1987-04-09 | 1996-08-21 | 株式会社東芝 | 沸騰水型原子炉用燃料集合体 |
| US5002726A (en) * | 1989-12-27 | 1991-03-26 | General Electric Company | Nuclear fuel assembly spacer and loop spring with enhanced flexibility |
| US5149495A (en) * | 1990-05-24 | 1992-09-22 | General Electric Company | Water rod for nuclear reactor and method for providing and using same |
| US5154880B1 (en) * | 1990-10-12 | 1995-03-28 | Gen Electric | Nuclear fuel bundle with coolant bypass channel |
| US5174949A (en) * | 1991-05-17 | 1992-12-29 | General Electric Company | Non circular water rod features |
| JP2873132B2 (ja) * | 1991-12-26 | 1999-03-24 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体 |
| US5383229A (en) * | 1992-01-08 | 1995-01-17 | Hitachi, Ltd. | Fuel assembly and reactor core |
| US5349619A (en) * | 1992-05-21 | 1994-09-20 | Hitachi, Ltd. | Fuel assembly for light water reactor and light water reactor core |
| JP2804205B2 (ja) * | 1992-09-18 | 1998-09-24 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体及び炉心 |
| US5631939A (en) * | 1994-09-09 | 1997-05-20 | Hitachi, Ltd. | Initial core of nuclear power plant |
| US5659304A (en) * | 1995-03-01 | 1997-08-19 | Eaton Corporation | System and method for collision warning based on dynamic deceleration capability using predicted road load |
| JP3411466B2 (ja) * | 1997-03-31 | 2003-06-03 | 株式会社日立製作所 | 沸騰水型原子炉炉心及びその運転方法 |
| US9922732B2 (en) * | 2014-10-07 | 2018-03-20 | Global Nuclear Fuel-Americas, Llc | Moderating fuel rods including metal hydride and methods of moderating fuel bundles of boiling water reactors using the same |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57161581A (en) * | 1981-03-31 | 1982-10-05 | Genshi Nenryo Kogyo | Fuel assembly for bwr type reactor |
| JPS5910880A (ja) * | 1982-07-09 | 1984-01-20 | 株式会社日立製作所 | 燃料スペ−サ |
| JPS59166893A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-20 | 日本原子力事業株式会社 | 燃料集合体 |
| DE3309449A1 (de) * | 1983-03-16 | 1984-09-20 | Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim | Brennelement mit quadratischem querschnitt fuer wassergekuehlte kernreaktoren |
| US4652426A (en) * | 1984-08-20 | 1987-03-24 | Westinghouse Electric Corp. | Water tubes arranged in cross-like pattern in a fuel assembly |
| JPS6196491A (ja) * | 1984-10-17 | 1986-05-15 | 株式会社日立製作所 | 燃料スペ−サ |
| JPS61278788A (ja) * | 1985-06-05 | 1986-12-09 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体 |
| JPS6228689A (ja) * | 1985-07-30 | 1987-02-06 | 株式会社東芝 | 太径ウオ−タロツド |
| JPS6246291A (ja) * | 1985-08-26 | 1987-02-28 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体 |
| JPH0640137B2 (ja) * | 1986-08-01 | 1994-05-25 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体および沸騰水型原子炉 |
-
1987
- 1987-03-20 JP JP62063886A patent/JPH0640138B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-03-17 DE DE8888104261T patent/DE3877230T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1988-03-17 EP EP88104261A patent/EP0283935B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-03-19 CN CN88101415A patent/CN1013621B/zh not_active Expired
- 1988-03-21 US US07/171,452 patent/US4926450A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63231292A (ja) | 1988-09-27 |
| EP0283935A3 (en) | 1989-11-08 |
| EP0283935A2 (en) | 1988-09-28 |
| CN88101415A (zh) | 1988-10-05 |
| EP0283935B1 (en) | 1993-01-07 |
| US4926450A (en) | 1990-05-15 |
| DE3877230T2 (de) | 1993-05-27 |
| DE3877230D1 (de) | 1993-02-18 |
| CN1013621B (zh) | 1991-08-21 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |