JPS60244892A - 核燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉に関わり特に加圧水型原子炉（ＰＷＲ
）の燃料集合体に関するものである。

原子炉における核分裂により大量の熱エネルギを発生す
ることは良く知られている。このエネルギは、細長い核
燃料棒で熱として放出される。典型的には複数個の核燃
料棒は、別々に抜き出し可能な燃料集合体を形成するよ
うに列状に群別集合化されている。多数のこのような核
燃料集合体は、一般に、自己持続核分裂反応が可能な炉
心を形成するようにマトリックス形態で配列されている
。炉心は、典型的には、軽水のような流体に冠水され、
該流体もしくは軽水は原子炉の燃料棒から熱を取出すた
めの冷却材としての働きをなすと共に中性子減速材とじ
ての働きをなす。

典型的な燃料集合体においては、燃料棒は、成る長さの
管状被覆材料内に包入された濃縮核燃料ペレットの積重
体（スタック）を含む燃料領域を備えている。典型例に
おいては、被覆管内で燃料領域の上方に、燃焼中、燃料
棒内で発生する核分裂生成ガスを集めるための核分裂ガ
スプレナム領域が配置されている。

例えば、米国特許第３，４２５，９０８号明細書に記述
されているような従来構造のものにおいては、燃料棒は
、放物線形または球形のドームの形態に断面を形成する
ように、軸方向に互いに変位して横方向に離間した列形
態で保持されている。

この構成においては、核分裂ガスプレナム領域は、互い
に軸方向に変位しているが、総ての核分裂ガス領域は、
燃料棒が燃料集１合体に保持されてい、る状態で核燃料
棒の頂部もしくは上部に位置する。

米国特許第３，５８６，６０５号明細書には、炉心冷却
材のポンプ循環所要量の軽減を可能にするように、横方
向に段違いに配列された核分裂ガスプレナム領域を有す
る燃料集合体が開示されている。この構成においては、
総ての核分裂ガスプレナム領域は燃料集合体の上部で互
いに隣接した関係にある。

米国特許第４，１２５，４３３号および第４，１３０，
４０６号各明細書には、中心部に配置された燃料棒には
、燃料領域から１つの軸方向に延在する核分裂ガスプレ
ナムが設けられ、他方、周辺部の燃料棒の核分裂ガスプ
レナム領域は、群に集合化されて上部の１つの軸方向と
は反対の軸方向に延在している原子炉燃料集合体が記述
されている。上記２つの米国特許明細書に記述されてい
る燃料集合体の総ての燃料棒の燃料領域は段差もしくは
オフセットを有さす「間延関係」にある。

米国特許第３，６７９，５４５号明細書には、プレナム
領域を形成するために、被覆管内に配置された弾性の波
付きスペーサ部材を用いている原子炉燃料棒もしくは制
御棒の構造例が記述されている。プレナム領域は、燃料
棒または制御棒内でその上部、下部あるいは中間領域内
に配設することができ、さらにまたこれらの配設の組合
せを採用することができる。

英ｌ特許第９２３，６３３号明細書には、燃料格子を軸
方向領域に分割し、そして燃料のバーンアップを等化す
るために燃料棒を領域ベースで移動することにより、良
好な燃料利用率を実現するための非均資炉の燃料装入方
法が開示されている。

本発明の主たる目的は、燃料利用率が高められ、中性子
の漏れが減少し、しかも軸方向出力ビーキングが軽減さ
れた加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の燃料集合体を提供する
ことにある。

上の目的で、本発明によれば、上部ノズル組立体と、該
上部ノズル組立体から離間した下部ノズル組立体と、上
記上部および下部ノズル組立体間に延在して該上部およ
び下部ノズル組立体を相互接続する複数の案内シンプル
管と、該案内シンプル管に沿い軸方向に離間して該案内
シンプル管に取付けられた複数個のスペーサ格子組立体
と、上記上部および下部ノズル組立体間で上記スペーサ
格子組立体により離間した横方向配列で保持された複数
個の燃料棒とを備え、該燃料棒の各々が燃料領域と核分
裂ガスプレナム領域とを備えている核燃料集合体におい
て、上記燃料棒の第１の群を上記核分裂ガスプレナム領
域が上記上部ノズル組立体に隣接するように上記燃料集
合体内に配列し、そして上記燃料棒の第２の群は、上記
核分裂ガスプレナム領域が上記下部ノズル組立体に隣接
して位置するように上記燃料集合体内に配列し、それに
より上記第１の群の燃料棒の燃料領域が、上記第２の群
の燃料棒の燃料領域に対して軸方向に変位されているこ
とを特徴とする核燃料集合体が提供される。

好ましい実施態様において、核分裂ガスプレナム領域か
ら最も離れている燃料領域の端部には、軸方向の中性子
の漏れを減少するために軸方向ブランケット領域が設け
られてる。この軸方向ブランケット領域は、成る程度劣
化（減損）した核燃料、天然ウラン、あるいは濃縮燃料
よりも低い濃縮度のウランで置換することにより形成す
ることができる。

本発明のこの構造によれば、燃料棒の第１の群の燃料領
域は、燃料棒の第２の群の燃料領域に対して、核分裂ガ
スプレナム領域の軸方向長さに実質的に対応する量だけ
軸方向に変位される。その結果として、燃料集合体の実
効反応燃料長は、核分裂ガスプレナム領域の軸方向長に
対応する量だけ増大する。

燃料集合体の下部における燃料棒の交互する核分裂ガス
プレナム領域ならびに上部にいて逆に交互する核分裂ガ
スプレナム領域で、Ｈ／Ｕ比が実質的に２倍となる約１
５ないし２０ｃｒｎ長の領域が燃料集合体の上部および
下部に創成される。この結果、燃料利用率は高められ、
軸方向の出力分布は改善される。

慣用の燃料集合体においては、燃料集合体の上部および
下部における出力発生は非常に低く、これら領域におけ
る核燃料は殆んど使用されず消耗されない状態に留まっ
ている。燃料集合体の最外端部における濃縮核燃料の約
半分を除去することによりＨ／Ｔｊ比は改善され、より
多くの中性子が熱中性子となり、その結果、燃料集合体
の上部および下部領域におけるより大きな出力発生を招
来する核分裂確率が高められる。

さらに、本発明の燃料集合体の反応燃料領域は、下部ノ
ズル組立体に隣接する位置から上部ノズル組立体に隣接
する位置まで延在するので、本発明によれば、燃料集合
体の物理的な軸方向長さを増大することなく、核分裂ガ
スプレナム領域の長さだけ実効的に長くなった炉心が得
られる。

本発明による燃料集合体構造によれば、燃料集合体の寿
命期間に亘り炉心からの中性子の漏れも低くなる。炉心
の上部および下部における出力発生が増加するので、燃
焼が進むにつれ、炉心の上部および下部は、慣用の燃料
集合体の場合よりも高い出力状態になり、より大きい程
度まで燃焼する。したがって、（軸方向ブランケットが
設けられない場合には）初期の中性子。

漏れは若干高いことがあり得るが、燃焼が進むにつれ、
実際上中性子の漏れは減少する。また、反応燃料領域の
増大した軸方向長さは、中性子の漏れを減少する効果を
有する。当該技術分野の専門家には理解されるように、
第６図に示したオフセット領域Ｂを、濃縮燃料の代りに
、天然ウランあるいは劣化ダランで満した場合には、こ
れらの領域は、炉心の過度濃縮部分から逃げる中性子を
吸収することにより中性子経済を高める軸方向ブランケ
ットとしての機能を果すことができる。これら逃げる中
性子は冷却材により熱中性子化されて上記ブランケット
領域内で核燃料により吸収され、付加的な出力を発生す
ることができると共に将来市販することができるプルト
ニウムを形成することができる。

本発明は、添付図面に単なる例として示す好ましい実施
例に関する以下の説明から一層容易に理解されよう。

本発明と関連腰それぞれ第１図および第２図に示す、よ
うな２種類の燃料棒が用いられる。

第１図および第２図に示されている燃料棒は、はぼ類似
であり、主たる相違は、核分裂ガスプレナム領域の位置
にある。したがって、２つの図面において類似の要素を
表わすのに類似の参照数字が用いられている。説明の便
宜上、第１図の燃料棒は参照数字１００で表わし、第２
図の燃料棒は参照数字１０２で表わすことにする。

各燃料棒の軸方向長さに沿う大部分は、燃料ペレット１
０４の積重体から構成されている。ペレット１０４は、
若干濃縮した酸化ウラン（ＵＯ２）粉末を、冷間プレス
により直円筒体につき固め、該円筒体を所要の密度に焼
結することにより形成することができる。ペレット１０
４の端部Ｃｔ若干皿形にしてペレットの端部において、
より大きな軸方向膨張が許容されるようにするのが好ま
しい。ペレット１０４は、好ましくはジルカロイとして
一般に知られているジルコニウム合金から形成された管
状被覆１０６内に包入される。各燃料棒は、その端部で
、下部端栓１０８および上部端栓１１０により栓塞され
る。端栓１０８および１１０は、燃料ペレット１０４が
、使用中、原子炉冷却材と接触しないように該燃料ペレ
ットを密封するために被覆管１０６に溶接するのが好ま
しい。

燃料棒１００は、その上端部に核分裂ガスプレナム１１
２を有しており、他方、燃料棒１０２はその下端部に核
分裂ガスプレナム１１４を備えている。これら核分裂ガ
スプレナム領域１１２および１１４は、燃焼中、燃料か
ら放出される核分裂ガスを収容し且つ燃料ペレット１０
４の熱膨張ならひに照射中の燃料密度変化を吸収するた
めに設けられるものである。また、燃料ペレット１０４
と被覆管１０６との間に隙間１１６を設けて、照射中の
燃料および被覆管の変化を吸収し且つまた被覆管に過度
の応力が生ずるのを回避することができる。

核分裂ガス領域１１２および１１４を維持するために、
圧縮はね１１８が設けられる。第１図において、圧縮ば
ね１１８は、上部端栓１１０およびセラミックペレット
１２０に当接している。該セラミックペレット１２０は
、好ましくは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から形成
され、圧縮はね１１８と燃料ペレット１０４との間の直
接接触を阻止するために設けられるものである。セラミ
ックペレット１２０は燃料ペレット１０４に対して類似
の寸法および形状とするのが好ましい。ばね１１８は、
ステンレス鋼製のヘリカルばねから形成し、燃料ペレッ
ｌ−１，０４を所要の高さに積重ねた後に燃料棒中に挿
入し、該セラミックペレット１２０で［上記を成端（ｔ
ｏｐ−ｏｆｆ）Ｊするのが好ましい。しかしながら、こ
のセラミックペレット１２０は所望ならば省。

略し得るものと理解されたい。圧縮ばね１・１８の挿入
後に、端栓（第１図では１１０そして傘２図では１０８
）を被覆管１０６内に挿入し、定位置に圧入し溶接する
のが好ましい。燃料棒１００および１０２には、運転中
、冷却材の作用圧力に起因する被覆管の圧縮応力を最小
にし且つ被覆管が平坦化するのを阻止するために、溶接
中ヘリウム等で内部圧力を加えておくことができる。ま
た、圧縮ばね１１８は、輸送および取扱い作業中に、被
覆管１０６内で燃料ペレット１０４が変位するのを阻止
する働きをもなす点を理解されたい。

次に第３図を参照するに、この図には、第１図および第
２図にそれぞれ示した燃料棒１００および１０２を用い
た燃料集合体例が例示しである。燃料棒１００および１
０２に加えて、この燃料集合体１１２の基本的構造要素
には、下部ノズル組立体１２４、上部ノズル組立体１２
６、案内シンプル管１２８および１つまたは複数のスペ
ーサ格子組立体１６０が含まれる。１７×１７配列を有
する典型的な燃料集合体は、２６０本を越える燃料棒１
００および１０２ならびに約２５本の案内シンプル管１
２８を備えることができ、該案内シンプル管のうちの１
つは計装管として用いることができる。燃料棒１００お
よび１０２は、燃料棒と上部および下部ノズル組立体１
２６および１２４それぞれの間に隙間が生ずるように燃
料集合体１２２内に挿入されている。

下部ノズル組立体１２４は、燃料集合体１２２の下部構
造要素としての働きをなし冷却材の流れを集合体に分配
するように案内する。典型的な下部ノズル組立体はほぼ
矩形の形状を有しているものであり、原子炉等級のステ
ンレス鋼から製造するのが好ましい。また、下部ノズル
組立体は、穿孔板１３２および４つのアングル脚部１６
４を有しており、該アングル脚部の各々は、下部炉心板
（図示せず）上に燃料集合体１２２を支持するための支
承板１６６を有するのが好ましい。

燃料集合体１２２に加わる軸方向の荷重ならびに燃料集
合体の重量は、下部ノズル組立体１２４を介して下部炉
心板に伝達される。アングル脚部１３４は流入冷却材が
燃料集合体へと流れるためのプレナム１３８を形成する
。穿孔板１６２は、冷却材が燃料集合体を経て上方向に
流れることは許容するが、燃料棒１００および１０２が
燃料集合体１２２から偶発的に下方に抜は出るのを阻止
する働きをなす。下部ノズル組立体１２４は、該下部ノ
ズル組立体１２４を貫通して案内シンプル管１２８を介
し締め付けられる溶接弛み止めねじ等（図示せず）によ
り制御棒案内シンプル管１２８に固定するのが好ましい
。

冷却材は、プレナム１３８から、穿孔板１６２ならびに
隣接の燃料棒１００および１０２間に形成された通路を
経て流れる。

上部ノズル組立体１２６は、燃料集合体１２２の上部構
造要素としての機能をなし、燃料棒クラスタ制御組立体
１４０および他の炉心要素のための部分的保護ハウジン
グを成している。上部ノズル組立体は、アダプタ板１４
２および囲壁モジくはエンクロージャ１４４、上部板１
４６およびパッド１４８を備える。一般に、上部板１４
６上には、ボルトまたはフラング等により押さえはね１
５０が取付けられている。この押さえはね１５０は、イ
ンコネルとして・一般に知られている原子炉等級の鋼か
ら製造するのが好ましい。パッド１４８は押さえはね１
５０に隣接して上部ノズル組立体１２６の角部に配置さ
れている。パッド１４８は、燃料集合体１２２の上端を
炉心内で位置決めするための心合せ穴を備えることがで
きる。

アダプタ板１４２は本質的に矩形形状をしており、上部
ノズル組立体１２６を経て上向きに冷却材が流れるのを
許容するように複数の貫通孔を備えている。また、アダ
プタ板１４２に溶接することができ且つ案内シンプル管
１２８が取付けられるスリーブまたは同様物（図示せず
）を受けるための孔を設けることもできる。アダプタ板
はまた、燃料集合体１２２から燃料棒１００および１０
２が偶発的に上方に抜は出色のを阻止する。

囲壁もしくはエンクロージャ１４４は、典型的には、箱
状の構造物であり、その高さで、アダプタ板１４２と上
部板１４６との間の間隔が定められる。上部板１４６に
は、制御棒１５２および制御棒スパイダ１５４を収容す
るための大きな中心穴が設けられている。

案内シンプル管１２８゛は、制御棒１５２または可燃性
毒物棒、中性子源、シンプルプラグ組立体等のような他
の要素のための通路をも形成する構造部材である。この
案内シンプル管１２８は、該管の上部が大きな直径を有
するようにして２つの異なった直径を有するジルカロイ
製の管から製作するのが好ましい。上部の大きな管径に
より、原子炉のトリップ中、迅速な制御棒の挿入を可能
にするのに必要な環状領域が得られる。案内シンプル管
の下側部分は、直径方向の隙間を減少して、通常の原子
炉トリップ中燃料棒移動、の終端点近傍にダシュポット
作用を発生するように、小さい直径にすくめ加工するの
が有オリである。また、制御棒降下時間を減少するため
にダシュポット上方に案内シンプル管１２８に沿って穴
を設けることができる。既に述べたように、案内シンプ
ル管の上端は、上部ノズルアダプタ板１４２に嵌入まれ
て溶接された管状のスリーブに固定することができる。

また上に述べたように、案内シンプル管１２８の下一端
には、溶接弛み止めねじ等により下部ノズル組立体１２
４の穿孔板１３２に固定される端栓を嵌着することがで
きる。

格子組立体１６０は、二体構造を形成するために既知の
仕方で案内シンプル管１２８に取付けることができる。

燃料棒１００および１０２は、該燃料棒１００および１
０２間に横方向間隔を維持する格子組立体１６０により
その長さ方向に沿って成る間隔を置いて支持される。各
燃料棒１００および１０２は、周知の仕方で支持ディン
プル（窪み）とばねとの組合せにより各格子組立体１３
０内支持される。燃料棒１００および１０２に加わる格
子の拘束力の大きさは、格子組立体１３０と燃料棒１０
０および１０２との間の接触点で被覆管１０６に過度応
力を生せしめることなく、起り得る摩耗を最少にするよ
うに充分に高く設定される。格子組立体１６０はまた燃
料棒の軸方向における熱膨張差をも吸収する。

格子組立体１３０はまた、冷却材の混合を促進するため
に冷却材流中に突出した攪拌羽根１５６を備えることも
できる。

本発明による燃料集合体は、燃料棒１００および１０２
の燃料領域１５８が重なり合う中央燃料領域「Ａ」を有
する。さらに、燃料集合体１２２は、燃料領域１５８の
一部分に隣接して核分裂ガスプレナム１１２または１１
４が位置している軸方向の端部に周辺領域「Ｂ」を有す
る。典型的な燃料集合体においては、燃料棒の全長は約
３８０ないし３９Ｏｃｔｎ台であり、この長さのうちの
約１５ないし２０ｃｒｎを核分裂ガスプレナム領域が占
拠する。上部および下部端栓１０８および１１０の軸方
向寸法を考慮すると、反応燃料領域１５８の軸方向の長
さは約３６０ないし３７５ｃｒｎ台であろう。本発明に
よれば、総ての核分裂ガスプレナム領域が互いに隣接し
て位置しているかまたは燃料集合体の上部あるいは下部
に一緒に配位されている慣用の燃料集合体と比較して、
炉心の実効軸方向長さは約１２副ないし２０　ｃｍ　”
（核分裂ガスプレナム領域の長さに対応する）もしくは
約４ないし５％増大する。

図示の実施例においては、反応炉心高さは、隣接の燃料
棒１００および１０２の核分裂ガスプレナム領域１１２
および１１４の位置を反転する（即ち、互いに逆にする
）ことにより実効的に増加する。しかしながら特定の燃
料集合体構造に対して最適な原子炉性能を与え、しかも
実効的に長さが増加された炉心を実現するような燃料棒
１００および１０２の他の組合せをも採用し得るもので
あることは理解すべきである。

例えば、隣接する燃料棒の配位もしくは配向を交番する
（即ち、交互に逆にする）代りに、隣接する燃料棒列の
配向を交番したり、あるいは燃料棒１００および１０２
を２×２のサブグループに集合化して、サブグループの
配向を交番することも可能である。採用される特定の群
ベースでの配向の交番は、特定の燃料集合体の核特性に
依存する。

このように、本発明の交番配向の燃料棒集合体構造によ
れば、炉心の物理的長さを変えないで、実効的に長い炉
心を実現することにより、高い燃料利用率が得られる。

また、燃料集合体の端部における大きいＨ／Ｕ比で燃料
利用率はさらに高まる。さらに、燃料集合体の周辺領域
Ｂは、中性子を捕捉して、軸方向出力ビーキング効果を
最小にする軸方向ブランケットとして機能するように形
成することができる。

本発明の燃料集合体１２２は、核的な意味において慣用
の燃料集合体よりも「見掛は上」長いだけであって、そ
の物理的寸法は変わらない。

したがって、本発明による燃料集合体は、燃料交換時に
、炉心内の従来の燃料集合体と互換可能である。さらに
、冷却材は反応燃料長の増加に起因して実効的に増加し
た加熱領域に沿って流れるので、炉心からの熱交換は高
揚される。

上に述べたような利点および有利な効果を達成するのに
極く小さい燃料棒変更しか必要とされない。即ち、核分
裂ガスプレナム領域の約半分を反転した位置（逆の位置
）にするだけで良い。

軸方向ブランケット効果を実現するために、燃料棒１０
０の端栓１０８ならびに燃料棒１０２の端栓１１０に隣
接する燃料ペレット１０４の約１０ないし２５ｃｎ１程
度、特に約１５ないし２０ｃｒｎ台のものを、炉心の中
心部から中性子を吸収する天然ウラン、減損（劣化）ウ
ランペレットまたは同様物で置換すべきである。

奸才しい実施例に関する以上の説明は、単に例示および
説明の目的で行なわれたものである。

したがって、本発明をここに開示した範囲に制限する意
図は全く無く、自明なことであるが、上の教示に照らし
て数多の変形および変更が可能である。ここに開示した
実施例は、本発明の原理ならびにその実際的適用を最も
良く説明するために選び記述したものであり、当該技術
分野の専門家には、企図せる特定の用途に適するように
種々な実施態様で種々な変更を行ないながら本発明を最
良の仕方で利用することができよう。したがって、本発
明の範囲は特許請求の範囲により定義されるものと理解
されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料棒の上部に配置された核分裂ガスプレナム
領域を有する燃料棒を部分的に切除して示す断面図、第
２図は、燃料棒の下部に配置された核分裂ガスプレナム
領域を有する燃料棒を部分的に切除して示す断面図、そ
して第３図は、第１図および第２図の燃料棒に類似の燃
料棒を用いた燃料集合体の例を一部切除して部分的に断
面で示す側面図である。 １００、’１０２・・燃料棒、１０４・・燃料ペレット
、ｊ０６−Ｏ被覆管、１０８，１１０・Ｏ端栓、１１２
．１１４・Ｏ核分裂ガスプレナム、１１６・・隙間、１
１８・・圧縮ばね、１２０・・セラミックペレット、１
２２・・燃料集合体、１２４゜１２６・・ノズル組立体
、１２８・・案内シンプル管、１６０・・スペーサ格子
組立体、１３２・・穿孔板、１６４・・アングル脚部、
１３６・Ｏ支承板、１３８・・冷却材プレナム、１４０
・・燃料棒クラスフ制御組立体、１４２・・アダプタ板
、１４４・・囲壁、１４６・・上部板、１４８・・パッ
ド、１５０・・押さえばね、１５２・・制御棒、１５４
・・制御棒スパイダ、１５６・・Ｊ５攪拌羽根、１５８
・・燃料領域。 麗１図　児２図 ＷＪＢ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 上部ノズル組立体と、該上部ノズル組立体から離間した
   下部ノズル組立体と、前記上部および下部ノズル組立体
   間に延在して該上部および下部ノズル組立体を相互接続
   する複数の案内シンプル管と、該案内シンプル管に沿い
   軸方向に離間して該案内シンプル管に取付けられた複数
   個のスペーサ格子組立体と、前記上部および下部ノズル
   組立体間で、前記スペーサ格子組立体により離間した横
   方向配列で保持された複数個の燃料棒とを備え、該燃料
   棒の各々が燃料領域と核分裂ガスプレナム領域とを備え
   ている核燃料集合体において、前記燃料棒の第１の群を
   前記核分裂ガスプレナム領域が前記上部ノズル組立体に
   隣接するように前記燃料集合体内に配列し、そして前記
   燃料棒の第２の群は、前記核分裂ガスプレナム領域が前
   記下部ノズル組立体に隣接して位置するように前記燃料
   集合体内に配列し、それにより前記第１の群の燃料棒の
   燃料領域が、前記第２の群の燃料棒の燃料領域に対して
   軸方向に変位されていることを特徴とする核燃料集合体
   。