JPH0792511B2

JPH0792511B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH0792511B2
Application number: JP61221873A
Authority: JP
Inventors: 貴顕持田; 通裕小沢; 幸久深沢; 章西村; 勝正配川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-22
Filing date: 1986-09-22
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: JPS6378093A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、沸騰水型原子炉の炉心に配置される燃料集合
体に係り、特に高濃縮度ウランを燃料として用いる場合
の反応度特性を改善するのに好適な燃料集合体に関す
る。

〔従来の技術〕

沸騰水型原子炉の炉心は、相互にある間隔を有して配置
される燃料集合体と、燃料集合体相互の間に挿入される
制御棒から構成されている。

第８図は、沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造図であ
り、第９図は燃料棒の構造図である。第８図において燃
料集合体10は、チヤネルボツクス12の下端に下部タイプ
レート14が装着してある。この下部タイプレート14には
複数の孔が穿設され、燃料棒16の下部端栓18が挿入して
ある。そして、燃料棒16は、上部端栓20が挿通している
膨張スプリング22により下方に押圧され、中間部におい
てペーサ26により横方向の動きが規制されている。ま
た、燃料集合体10には、チヤネルボツクス12の上部に上
部タイプレートと一体に形成してある取つ手28が設けら
れている。

燃料棒16は、第９図に示すように同筒状の燃料被覆管30
内に燃料ペレツト32が充填されており、この燃料ペレツ
ト32がスプリング34により下方に押圧されている。ま
た、第９図で燃料ペレツト32が充填されている区間Ｃは
燃料有効部と呼ばれその長さを燃料有効長という。

第10図は、第８図に示した燃料集合体の横断面と制御棒
17を示す図で、62本の燃料棒16と２本のウオータロツド
15は８行８列の格子状に配列されている。

このような構造をもつ燃料集合体内を冷却材である水が
流れ、この水は燃料棒16内に存在するウラン235などの
該分裂性物質の反応によつて発生する熱エネルギーを除
去する。また、水はチヤンネルボツクスの外側の燃料集
合体間の間隙にも流れる。燃料ペレツトの濃縮度は、所
定の燃焼度（単位ウラン当りの発生熱エネルギー）を達
成するように決定される。従来の燃料の濃縮度は約3.0
重量％であるが、最近は、燃料の高燃焼度化のために、
濃縮度を高くすることが検討されている。しかしなが
ら、濃縮度を変更する場合には、ボイド反応度係数や炉
停止余裕等の該特性が変化するので、この変更に伴う安
全性への影響について検討する必要がある。

炉停止余裕とは、炉心に制御棒をそう入した時に炉心は
未臨界にし、原子炉を安全に停止する能力を示すもの
で、原子炉設置許可の安全設計指針では、高温状態、低
温状態において、反応度効果の最も大きい制御棒が完全
に炉心の外に引抜かれ、固着してそう入できない時で
も、炉心を臨界未満にできるように制御棒による原子炉
停止系が設計されていることが規定されている。

また、ボイド反応度係数とは、沸騰水型原子炉において
通常時に炉心内に発生しているボイドが変化した時の反
応度変化を示すもので、出力増加等によるボイド発生に
対しては、常に負の反応度が投入されるように設計され
ている。しかしながら、主蒸気管隔離弁閉止のように原
子炉の圧力が上昇する過度変化では、ボイドが減少する
ため、炉心には正の反応度が投入されることになる。こ
のため、ボイド反応度係数の絶対値が大きくなると、圧
力上昇時の反応度投入量が大きくなり、燃料の熱的余裕
が減少する。

原子炉の熱的余裕は、燃料集合体の出力（BP）が遷移沸
騰出力（限界出力、CP）に比べてどの程度の余裕がある
かを両者の比で示す指標、限界出力比により示され、炉
心内の最小値は最小限界出力比（MCPR,Minimum Critica
l Power Ratio）と呼ばれる。

原子炉の設計にあたつては、過度変化による限界出力比
の減少を求めて、運転中にかかる過度変化が起きても、
燃料集合体の出力が限界出力に至らないように、運転限
界MCPRが決定される。

原子炉の運転にあたつては、運転時MCPRが運転限界MCPR
より常に大きくなるようしなければならないため、運転
時MCPRと運転限界MCPRの差が大きいほど、原子炉の熱的
余裕が大きいことを意味する。従つて、原子炉の熱的余
裕を大きくするためには、運転制限MCPRを小さくするこ
と、又は運転時MCPRを大きくする必要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

濃縮度が増加すると、中性子スペクトルが硬くなる（中
性子平均エネルギーが高くなる）ために、熱中性子束が
減少し制御棒価値が低下することと、低温時の反応度が
増加することにより、炉停止余裕が減少することは知ら
れてはいるが、第８図及び第10図に示す燃料集合体にお
いて、濃縮度の増加と炉停止余裕の減少の関係を定量的
に示した例はなかつた。

また、濃縮度の増加は燃料集合体の最大出力を増加する
とともに、ボイド反応度係数の絶対値を増加するために
燃料の熱的余裕が減少することも一般に知られてはいる
が、第８図及び第10図に示す燃料集合体において、濃縮
度の増加と熱的余裕減少の関係を定量化した例はなかつ
た。

発明者等は、第８図及び第10図に示した従来の燃料集合
体形状に対して、濃縮度の増加に対する炉停止余裕、及
び熱的余裕の減少の関係を明らかにした。

第11図は、従来の燃料集合体形成において、濃濃度の増
加と炉停止余裕の関係を示したもので、これは、炉心の
反応度が最大となる、冷温時（冷却材温度約20℃の常温
時を意味するが、出力運転時を高温時と呼ぶことにより
対比させて便宜上冷温時という。）において、最大制御
棒価値を有する制御棒体が未そう入の場合の炉心の実効
増倍率を示している。現行濃縮度約３重量％より濃縮度
を約3.6重量％に増加すると実効増倍率は増加し、設計
目標の実効増倍率0.99（炉停止余裕１％4K）に対する余
裕がなくなる。

また、第12図は濃縮度とボイド反応度係数の関係を第８
図又は第９図に示す燃料集合体形状について明らかにし
たもの、第13図は濃縮度と最小限界出力比（MCPR）との
関係を明らかにしたものである。

第12図によると、濃縮度を現行の3.0重量％より約3.6重
量％に増加すると、ボイド反応度係数は相対値で約９％
増加する。このため、第13図の104に示される運転限界M
CPRは濃縮度とともに増加し、濃縮度3.6重量％で約0.03
増加する。一方、運転時MCPRは、濃縮度増加により燃料
集合体出力が増加するために減少する傾向を示し、濃縮
度3.6重量％では、従来濃縮度3.0重量％の場合より、0.
02減少する。この結果、熱的余裕はMCPRで評価して0.05
減少することになる。

このように、第８図及び第10図に示す現行燃料集合体
は、濃縮度約3.6重量％以上では、炉停止余裕の減少、
熱的余裕の減少等の問題があり、必ずしも、高濃縮度ウ
ランを用いた燃料に対しては適切な形状ではなかつた。

このように従来の技術では、高濃縮度化により反応度を
高くし取出燃焼度を増大する場合には燃料経済性が向上
する安全性に対する余裕を損うという問題があつた。

しかしながら、安全性に対する余裕の向上は燃料経済性
を向上する場合でも重要な課題である。

また、燃料棒より太いウオータロッドを用いることは、
二相部の圧力損失を増加し、ウオータロッドの横方向の
応力変形が大きくなる問題もある。

本発明の目的は、炉停止余裕、熱的余裕及びウオータロ
ッドの機械的強度を向上すると共に、圧力損失を低減し
て、高燃焼度化を達成できる燃料集合体を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、核燃料としてウ
ランを含む燃料棒と、該燃料棒が複数本配置できる空間
を占有して配置され、該燃料棒よりも直径の太いウオー
タロッドとを格子状に配列し、該燃料棒及び該ウオータ
ロッドを束ねて支持するスペーサ及びタイプレートを備
えた燃料集合体において、横断面でのウラン平均濃縮度
が軸方向の何れかの位置で少なくとも3.6重量％以上で
あり、前記ウオータロッドは軸方向の上端部及び下端部
の直径が中心部よりも細く、該上端部及び該下端部の位
置での横断面のウラン平均濃縮度が3.6重量％以下で、
前記上端部の下端は、軸方向最上部に位置する前記スペ
ーサで支持される位置より上側にあり、前記下端部の上
端は、軸方向最下部に位置する前記スペーサで支持され
る位置より下側にあるようにしたもである。

〔作用〕

ウオータロツド断面積の増加は炉停止余裕の増加に対し
て次のように作用する。

冷温時は、水の密度が出力運転時に比べて高いために減
速が最もよい状態となるが、濃縮度3.6重量以上の濃縮
ウランを燃料として用いる場合に、ウオータロツド断面
積を増加して水を増加することは、冷温時での水による
熱中性子吸収が増加することになり、相対的に熱中性子
が燃料中に吸収される割合が減少することになる。熱中
性子の燃料中への吸収が減少すると該分裂が減少するた
めに冷温時の中性子増倍率は減少し、炉停止余裕（臨界
に対する余裕）は増大する。この効果は特に濃縮度が高
くなるほど大きくなる。

また、ウオータロツド断面積の増加は、ボイド反応度係
数の減少に次のように作用する。

ウオータロツド断面積を増加した場合には、ボイドが発
生しない領域（非沸騰領域）の断面積が増加するため
に、逆にボイドが発生する領域の断面積は減少する。ボ
イド率の変化による減速材個数密度の変化は、沸騰領域
のみで起こるためウオータロツドの断面積増加により非
沸騰領域が増加する場合には、ボイド率変化時の集合体
平均の減速材個数変化は小さくなる。反応度変化は、集
合体平均の減速材個数変化に主に影響されるため、減速
材個数変化が小さくなると反応度変化も小さくなる。従
つて、ウオータロツド断面積の増加は、ボイド率変化に
対する反応度変化、すなわちボイド反濃度係数の変化を
小さくするように作用する。

ウオータロッドは軸方向最上部に位置する燃料スペーサ
よりも上方における直径が軸方向中央部におけるそれよ
りも小さくなっているので、圧力損失を低減できる。こ
れにより、燃料チヤンネルの水力学的安定性が向上す
る。

更に、ウオータロッドは軸方向最下部に位置する燃料ス
ペーサよりも下方における直径が軸方向中央部における
それよりも小さくなっているの、ウオータロッドの機械
的強度が増大する。

燃料有効長部の上端部及び下端部に天然ウラン充填領域
を設けているので、燃料有効長部外に飛び出す中性子が
少なくなって中性子の有効活用が図れ、燃料を有効に利
用できる。これは、燃料経済性の向上につながる。

以上のように、炉停止余裕、熱的余裕、燃料経済性の向
上、圧力損失の低減、およびウオータロッドの機械強度
の増大を達成できるので、燃料集合体の高燃焼度化を容
易に達成できる。

このようにしてボイド反応度係数が低下すると運転制限
MCPRが低下するので、運転時MCPRと運転制限MCPRの差で
与えられる熱的余裕は増大する。

また、ウオータロッドは、軸方向最上部に位置するスペ
ーサで支持される位置より上側の上端部直径が中心部よ
りも細くなっているので、圧力損失を低減することがで
きる。これにより、燃料チャンネルの水力学安定性が向
上する。

更に、ウオータロッドは、軸方向最下部に位置するスペ
ーサで支持される位置より下側の下端部直径が中心部よ
りも細くなっているので、表面での変形量が少なく機械
的強度を増大することができる。

以上のように、濃縮度3.6重量％以上の燃料を用いて
も、炉停止余裕、熱的余裕及びウオータロッドの機械的
強度を向上できると共に、圧力損失を低減して、高燃焼
度化を達成することができる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を第１図〜第７図により説明する。

第１図は、本発明に基づく燃料集合体の横断面図で、燃
料棒216を８行８列の格子状に配列し、中央部には、太
径ウオータロツド215が１本配置されている。燃料棒に
記した１〜７の数字は、各燃料棒の濃縮度分布を表わし
たもので、第２図の燃料棒濃縮度分布に対応する。第３
図は燃料棒１〜７の軸方向濃縮度分布を示したもので、
各燃料棒とも、上下端の約15cmの長さにわたつて天然ウ
ランが配置されている。各燃料棒とも軸方向中央部は濃
縮ウランで構成され、濃縮度は燃料棒１で4.6重量％、
燃料棒３で3.8重量％燃料棒４で3.3重量％、燃料棒５で
2.3重量％、燃料６で3.8重量％、燃料棒７で3.3重量％
で、燃料棒２については濃縮度は軸方向中央部で分割さ
れており、分割面の上部で4.6重量％、分割面の下部で
3.3重量％である。この結果、軸方向各領域の平均濃縮
度は上下端で0.71重量％（天然ウラン）、中央部上部領
域で3.77重量％、中央部下部領域で3.57重量％となる。
この例では、中央部上部領域の濃縮度が3.6重量％以上
となるため、従来燃料集合体のままでは、第11図，第13
図に示すように、炉停止余裕、熱的余裕が減少する。こ
の特性改善のためにはウオータロツド断面積を大きくし
た太径ウオータロツド215を用いている。

第３図は本発明に基づく燃料集合体の構造図である。燃
料集合体210は、太径ウオータロツド215と燃料棒216を
断面Ａ−Ａ′が第１図で示されるように束ねられ、これ
を燃料スペーサ226と上部タイプレート228と下部タイプ
レート214で固定し、外側をチヤンネルボツクス212でお
おつた構造となつている。

第４図は、太径ウオータロツド215の構造と、燃料スペ
ーサ226の位置関係を示したものである。太径ウオータ
ロツドは、その上端部及び下端部の直径を中央部より細
くしてある。

本実施例のウオータロツドの下方部を細くするのは強度
上の理由による。これはウオータロツドに水平にかかる
荷重に対しては、直径を細くしたほうが、ウオータロツ
ド表面での変形量が少なく機械強度が増すことに基づい
ており、この特性は特にウオータロツドの下部端栓と最
下位のスペーサとで保持される区間で重要となるので、
この区間の直径を細くしている。またウオータロツド上
部を細くすることは、次のような理由に基づく圧損を低
域するように作用する。

燃料チヤンネルの水力学的安定性を向上させる上には、
燃料チヤンネル内での圧損の低減が重要である。沸騰水
形原子炉のような気液二相流による摩擦圧損ΔPfは、次
の式で表わされる。

ここで、 ΔPf＝摩擦圧損Ｗ＝チヤンネル流量ｇ＝重量加速度 ρ＝水の密度Ｄ＝チヤンネル水力直径Ａ＝チヤンネル流路面積Ｌ＝長さｆ＝摩擦圧損係数 Φ＝二相流摩擦圧損倍率燃料有効長により上部の領域は、炉心内での燃料の燃焼
による影響はほとんどなく、かつ、この領域でのボイド
率は大きい。上式での摩擦圧損の式において、二相流摩
擦圧損増倍率Φは、ボイド率が大きいほど、大きくな
る。従つて燃料有効長より上部の太形ウオータロツドを
細くすろ、チヤンネル流路面積Ａは、ウオータロツド断
面積が小さくなつて分だけ大きくなるために、圧損は小
さくなり、また、ウオータロツドを短かくすると、Ｌが
小さくなることにより圧損は小さくなり、その効果は上
部にてΦが大きいことと相まつて、圧損低域に対する寄
与は大きい。

上端で直径を細くする区間は、第４図に示すように最上
位に位置するスペーサの上部となる。

第５図は、燃料スペーサ216の平面図である。本燃料ス
ペーサは、内部に燃料棒をそう入しこれを支持する円筒
形丸形セル71と、中央部にて太径ウオータロツドを支持
する稿絡部材72から構成される。このような丸形セルに
より燃料棒を支持する構造の場合には、従来の格子形ス
ペーサに比べて投影面積が減少しているため、流れのみ
だれが少なくなるため限界出力が大きくなるため、熱的
余裕が大きくなる効果がある。

第６図は、上部タイプレート228の底面図である。太径
ウオータロツドを固定するボス81は、Ｙ字形のウエブ91
により連結されているのが特徴で、ボス及びウエブの部
材が従来のタイプレートに比べて減少しているため、上
部タイプレートでの圧力損失を低減できる効果がある。
これは、上部タイプレート228及び下部タイプレート214
では、隣接する２つのＹ字形ウエブ91、92のそれぞれの
間に形成される空間が、互いに隣接し燃料棒の端部を保
持する４つのボス間に形成される空間よりも広くなって
いるからである。

また、第７図は下部タイプレート214の平面図で、太径
ウオータロツドを下部で固定するボス82は、Ｙ字形のウ
エブ92により連絡されているのが特徴である。

第14図は、本実施例の燃料集合体での、濃縮度と炉停止
余裕の関係を示したものである。本発明によると、ウオ
ータロツド断面積の増加により、実効増倍率111に示さ
れるように約0.01低下し、濃縮度が3.6重量％以上でも
実効増倍率を0.99以下に保つことができ、１％の炉停止
余裕設計基準を満足することができる。

第15図の112は本実施例での濃縮度とボイド反応度係数
の関係を示したもので、濃縮度3.6重量％でボイド反応
度係数は約10％低下し、従来の3.0重量％濃縮度燃料と
ほぼ同等となる。この結果、本実施例での運転制限MCPR
は第16図の114に示すように、約0.03低下する。

一方、第５図に示した燃料スペーサ226では限界出力が
大きくなるため、運転時のMCPRは115に示すように約0.1
増加する。このため、本実施例では、ボイド係数低下に
よる運転制限MCPRの低下と高限界出力スペーサ226によ
る運転時MCPRの増加により、熱的余裕が大きくなるので
濃縮度増加による熱的余裕の減少を大幅に改善する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、濃縮度3.6重量％以上の燃料を用いて
も、炉停止余裕、熱的余裕及びウオータロッドの機械的
強度を向上できると共に、圧力損失を低減して、高燃焼
度化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第３図のＡ−Ａ′断面図、第２図は、第１図
に示す燃料棒の濃縮度分布を示す図、第３図は、本発明
の実施例に基づく燃料集合体の構造図、第４図は、太径
ウオータロツド214とスペーサ226の構造と配置を示す
図、第５図は燃料スペーサ226の平面図、第６図は上部
タイプレートの底面図、第７図は下部タイプレートの平
面図、第８図は従来燃料集合体の構造図、第９図は燃料
棒構造図、第10図は、第８図のＢ−Ｂ′断面に制御棒横
断面を加えた図、第11図は従来燃料集合体における濃縮
度と炉停止余裕の関係を示す図、第12図は従来燃料集合
体における濃縮度をボイド反応度係数の関係を示す図、
第13図は、従来燃料集合体における濃縮度とMCPRとの関
係を示す図、第14図は本発明に基づく燃料集合体による
炉停止余裕増加の効果を示す図、第15図は本発明に基づ
く燃料集合体によるボイド反応度係数低域の効果を示す
図、第16図は本発明に基づく燃料集合体によるMCPR改善
の効果を示す図である。 10……従来燃料集合体、14……従来下部タイプレート、
16……従来燃料棒、18……下部端栓、12……チヤンネル
ボツクス、15……従来ウオータロツド、20……上部端
栓、22……膨張スプリング、26……従来燃料スペーサ、
30……燃料棒被覆管、32……燃料ペレツト、34……スプ
リング、17……制御棒、210……本発明に基づく燃料集
合体、212……チヤンネルボツクス、214……本発明によ
る下部タイプレート、215……太径ウオータロツド、216
……燃料棒、228……本発明による上部タイプレート、2
26……本発明による燃料スペーサ、101……従来燃料の
炉停止余裕、111……本発明の炉停止余裕、102……従来
燃料でのボイド反応度係数、112……本発明でのボイド
反応度係数、103……従来燃料での運転時MCPR、115……
本発明での運転時MCPR、114……本発明での運転制限MCP
R。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西村章茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者配川勝正茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭62−28689（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−242392（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−205281（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−177486（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−74689（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−198096（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核燃料としてウランを含む燃料棒と、該燃
料棒が複数本配置できる空間を占有して配置され、該燃
料棒よりも直径の太いウオータロッドとを格子状に配列
し、該燃料棒及び該ウオータロッドを束ねて支持するス
ペーサ及びタイプレートを備えた燃料集合体において、横断面でのウラン平均濃縮度が軸方向の何れかの位置で
少なくとも3.6重量％以上であり、前記ウオータロッドは、軸方向の上端部及び下端部の直
径が中心部よりも細く、該上端部及び該下端部の位置で
の横断面のウラン平均濃縮度が3.6重量％以下で、前記上端部の下端は、軸方向最上部に位置する前記スペ
ーサで支持される位置より上側にあり、前記下端部の上端は、軸方向最下部に位置する前記スペ
ーサで支持される位置より下側にあることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】前記タイプレートは、前記ウオータロッド
を固定するボスと、該ボスを連結するＹ字型のウエブと
を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
の燃料集合体。