JPS60256085A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、燃料集合体に係シ、特に沸騰水型原子炉に適
用するのに好適な燃料集合体に関するものである。

〔発明の背景〕

沸騰水型原子炉の炉心は、特公昭５７−４７６号公報に
示されるように、多数の燃料集合体が相互間にギャップ
を形成するように格子状に配置され、隣接する４体の燃
料集合体の間に十字形の制御棒を挿入する工うに構成さ
れている。燃料集合体は、内部に多数の燃料ペレットを
充填した複数の燃料棒、上部及び下部タイプレート及び
チャ／ネルボックスを有している。燃料棒の上下端部は
、上部及び下部タイプレートにてそれぞれ保持されてい
る。チャンネルボックスは、上部タイプレートに取付け
られ、上部及び下部タイプレートにて保持された燃料棒
の束の外側を取囲んでいる。

冷却水は、燃料集合体の下端から上端に向ってチャンネ
ルボックス内を流れる。冷却水は、チャンネルボックス
内を上昇する間に燃料棒にて加熱されて蒸気となる。こ
のため、燃料集合体内の上部では、冷却水と蒸気との二
相流状態となる。燃料集合体相互間に形成されるギャッ
プにも、冷却水が流れる。この冷却水は、沸騰せず、飽
和水になっている。このように炉心の横断面において二
相流の領域と飽和水の領域が偏在することは、燃料集合
体の局所出力ビーキングを増大させることにつながる。

さらＫ、燃料集合体相互間のギャップに存在する冷却水
が中性子の減速に対して有効に寄与せずに中性子を無駄
に°吸収するので、燃料経済性が悪化する。

この工うな問題を解決するものとして、特開昭５２−１
１２０９６号公報の第１図に示された炉心が提案されて
いる。この炉心は、４体の燃料集合体を取囲む大きさの
チャンネルボックス内に、チャンネルボックスを有しな
い４体の燃料集合体を配置し、制御棒は、大きなチャン
ネルボックス相互間に形成されるギャップ内に挿入さｈ
ている。

このような炉心では、制御棒に面していない反対側での
燃料集合体相互間のギャップを狭くすることができ、し
かも１つのチャンネルボックス内で４体の燃料集合体間
で冷却水が自由に移動できる。

このため、二相流と飽和水の偏在が緩和されるので、炉
心の半径方向における出力分布の平坦化及び燃料経済性
の度合いが工くなる。

しかしながら、特開昭５２−１１２０９６号公報では、
チャンネルボックスが炉心支持板に設置される燃料支持
金具にボルト等で取付けられている。

このような炉心構成は、複雑な構造であるがために、下
端部に円形のスピードリミッタを有する制御棒及び燃料
支持金具の交換が面倒になる。燃料支持金具は、特開昭
５２−６４５９０号公報に示されるように中央に制御棒
が挿入される十字状の貫通孔が設けられ、その周囲に下
部タイブレートが据付けられる４つの円形の孔が設けら
れている。

燃料支持金具の４つの円形の孔には、特開昭５２−１１
２０９６号公報の第１図に示す制御棒１２を取囲む４体
の燃料集合体１０の下部タイプレートが嵌合される。従
って、制御棒及び燃料支持金具を交換する場合には、燃
料集合体を取出すとともにチャンネルボックス１１を燃
料支持金具から取外さなければならない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料経済性が高くしかも制御棒の交換
が容易に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、燃料集合体の耐震性を向上させた
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、燃料集合体の隣り合う２辺に制御棒ガ
イド部材を設けたことにある。

本発明の他の特徴は、燃料集合体の制御棒に面するコー
ナ部に対して反対側にある燃料集合体のコーナ部付近に
支持棒を設けたことにある。

従来の沸騰水型原子炉の炉心においては、前述したよう
に燃料集合体相互間にギャップ水が存在する。このギャ
ップ水に工り燃料集合体周辺部と中心部間で水（Ｈ）対
ウラン（Ｕ）比が大きく異なる。第５図は中性子無限増
倍率と水対ウラン比の関係を示したものである。水対ウ
ラン比を大きくすると、水による中性子減速効果が有効
になシ一般に中性子無限増倍率は上昇する。しかし、水
対ウラン比がある値以上になると、減速効果による中性
子無限増倍率の増加分と、水の中性子吸収効果による減
少分がｆｌは等しくなり中性子無限増倍率が上昇しなく
なる。第４図に記した点Ａ、　Ｂ及びＣは、それぞれ燃
料集合体の平均中性子無限増倍率、燃料集合体周辺部の
中性子無限増倍率及び燃料集合体中心部の中性子無限増
倍率を示す。

従来の燃料集合体では、ギャップ水に面した燃料集合体
周辺部の燃料棒と、それ以外の燃料集合体中心部の燃料
棒の数は、はぼ同数であり、燃料集合体平均の中性子無
限増倍率（点Ａ）は、点Ｂ。

点Ｃの平均値例なっている。

局所出力ビーキング係数を低く抑え、かつ燃料経済性を
向上させるには、第４図より燃料集合体中心部の水対ウ
ラン比を大きくすればよいことが分かる。そこで制御棒
が挿入されない側のチャンネルボックスの側壁をとシは
らい、丁度、制御棒とは反対側の水ギャップがなくなる
ように燃料間隔を拡大し、隣りあった４体の燃料集合体
の燃料棒が１６Ｘ１６の正方格子の大型燃料集合体を構
成する構造を考えた。本位格子の水対ウラン比が増大す
る結果、燃料集合体周辺部及び中心部の中性子無限増倍
率は第４図で点Ｂから点Ｂ′に、また点Ｃから点Ｃ′に
変化する。燃料集合体中心部は減速不足領域であるため
、水対ウラン比の増大に伴い中性子無限増倍率が大きく
増加し、燃料集合体周辺部の中性子無限増倍率とほぼ等
しくなる。

その結果、燃料集合体周辺部の燃料棒の割合が１／２か
ら１／４に減少したにもかかわらず、燃料集合体平均の
中性子無限増倍率（第４図点Ａ／）は、従来の点Ａニジ
高くなる。

また、チャンネルボックスの側壁及びギャップ水が減少
するため熱中性子の無駄な吸収がなくなり、中性子利用
率が向上する。さらに１．冷却材の流路断面積が増加す
ることにより、流量制御によるスペクトルシフト幅が増
大し、省ウランが嚢現できる。

単位格子の水対ウラン比が増大したことを利用し、ウラ
ン装荷量を増大する可能性がでてくる。

これは燃焼度一定で燃料集合体の寿命を延長できること
になシ燃料経済性が向上する。

一方、冷却材の流路断面積が増大し、燃料集合体の圧力
損失が低下する結果、安定性が向上する。

〔発明の実施例〕

沸騰水型原子炉に適用した本発明の好適な一実施例であ
る燃料集合体を第１図に示す。本実施例の燃料集合体１
は、上部タイプレート、３、下部タイプレート４、スペ
ーサ５及び複数の燃料棒６からなる燃料バンドル２に、
Ｌ字型の側板７を取付けたものである。燃料バンドル２
は、燃料棒６の上、下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、軸方向に燃料棒６相互の接
触を防止するスペーサ５を軸方向に複数個配置して構成
される。上部タイプレート３及び下部タイプレート４の
燃料＄６を保持している部分の断面は、正方形になって
いる。上部タイプレート３と下部タイプレート４は、図
示されていないが内部に燃料ペレットを有する複数本の
タイロッドによって連結されている。第３図に示すよう
に燃料集合体１＃ｉ、２本のウォータロッド９を有して
いる。Ｌ字型の側板７は、ジルカロイ製であってそのコ
ーナが上部タイプレート３及び下部タイプレート４の１
つのコーナに対向し、側板７の二辺が各タイプレートの
二辺に対向するように取付けられる。

側板７は、各スペーサ５にねじにて取付けられる。

側板７は、上部タイプレート３に取付けてもよい。

側板７は、制御棒のガイド部材である。スペーサ５は、
ウォータロッド９に取付けられる。

燃料集合体１の下部タイプレート４の冷却水流入口８の
中心軸は、第２図に示すようＫｆｆｉ料集合体の中心軸
とずれている。すなわち、前者の中心軸は、後者の中心
細工すも側板７のコーナ側にずれている。これは、従来
用いていた燃料支持金具に燃料集合体１の下部タイプレ
ートを挿入しやすくするためである。

第３図は、燃料集合体１にて構成した炉心の局部横断面
である。４体の燃料集合体１は、側板７のない部分が向
き合って配置されている。４体の燃料集合体１の間に中
性子検出器１２が設置されている。このエラに配置する
ことによって燃料集合体１の側板７は、制御棒１１側を
向いてそれと対向している。

本実施例では、側板７のない部分で隣接している２体の
燃料集合体１間の水ギャップがなくなり、それらの燃料
集合体で互いに向きあった燃料棒６の中心間隔は１７．
６５　ｔｅａである（従来の燃料集合体を用いた炉心で
は、３８．６ｍ）。筐た、各燃料集合体１内の燃料棒６
相互の中心間隔は１７．６５１０１であって、従来の８
行８列の燃料集合体のそれ（１６，２６ｖｍ　）工りも
広くなっている。

単位燃料棒格子の水平断面の冷却材流路断面積と二酸化
ウラン（燃料ベレット）断面積の比は、１．７５から２
．３２に約１．３２倍に増加し、その結果、水対ウラン
比が増加する。燃料集合体中心部の中性子の平均エネル
ギーが低下することで、燃料集合体が均質に近づき、燃
料経済性が向上する。

水対ウラン断面積比と炉心平均の中性子無限増倍率の関
係を第８図に示す。燃料集合体が均質に近づいたことに
より、制御棒１１に面した燃料集合体コーナ部の燃料棒
を除き、濃縮度分布を付ける必要がない。また、燃料集
合体中心部の中性子減速効果が増大したため、水ロッド
９を不要にでき、それによりウラン装荷量が約２チ増加
できる。その結果、燃焼度を増加させなくとも連続運転
期間が延長できる。

また、冷却材流路断面積が３２優増加することにより、
冷却材流量が一定の場合、流速が従来０７５％に低下し
、圧力損失は従来の５７チに低下する。

その結果、省ウラン７−低減、安定性減衰係数λの値が
約１／２になる。

燃料集合体１を装荷した炉心では、４体の制御ｍ１ｌｌ
で囲まれた４体の燃料集合体１間で横方向の冷却水の混
合が生じる。この横方向流れには、乱流混合現象および
ボイドドリフト現象による流れがある。乱流混合現象は
、一般にボイド分布を平坦化する。すなわち、高出力燃
料集合体領域と低出力燃料集合体領域のボイド率を平坦
化するＬうに機能する。一方、ボイドドリフト現象は、
蒸気は冷却水の流速の大きい領域に、すなわち質量流量
の大きい領域に集まシ、その反作用として水は逆方向に
流れるという現象であシ、上記の炉心構造においてこれ
もボイド分布を平坦化する方向に寄与する。したがって
、高出力の燃料集合体部分でのボイド率は、従来のよう
に一つの燃料集合体がチャンネルボックスで仕切られて
いる場合よりも小さくなり、冷却水流量は逆に増加する
。これにより、高出力燃料集合体部分での熱的余裕は増
加する。また高出力燃料集合体部分は、中性子無限増倍
率が大きい領域であシ、その領域でボイド率が小さくな
るため、炉心全体での実効増倍率は従来の炉心構造の場
合工すも増加する。

また、燃料集合体１を装荷した炉心では、チャンネルボ
ックスの側壁及びギャップ水が減少するため、熱中性子
の無駄な吸収がなくなり、中性子利用率が向上する。ま
た、冷却水の流路断面積が増加することにニジ、流量制
御によるスペクトルシフト幅が増大し、省ウランが実現
できる。さらＫ、圧力損失が低下する結果、炉心安定性
が向上するとともに、制御棒挿入領域の間隙減少を低減
することができる。

本実施例の燃料集合体１の側板７は、原子炉の出力制御
のために制御棒１１を上下方向に移動する場合Ｋ、制御
棒１１がスペーサ５及び燃料棒６等に接触することによ
る制御棒１１の移動を阻害されることを防止し、制御棒
１１の円滑な移動を図っている。また、制御棒１１と燃
料棒６が接触することによる燃料棒６の損傷を防止して
いる。

制御１１１１には図示されていないがその先端部にガイ
ドローラが設けられているので、側板７をＬ字型ではな
くガイドローラが軸方向に移動する部分に配置されるよ
う細長い板状にしてもよい。

側板７は、燃料集合体１とともに炉心より取出すことが
でき、本実施例の炉心構成が本線化される。従って、制
御棒１１の周囲に存在する４体の燃料集合体１を炉心か
ら取出すことＫよって制御棒１１及び燃料支持金具の交
換を容易に実施することができる。

さらに、燃料集合体１は、制御棒１１及び中性子検出器
１２に面するコーナを除く他のコーナを結ぶ直線（第３
図の直線Ｂ＋　Ｂｚ　）を境に制御棒１１に近い第４領
域と制御棒１エエりも遠い領域の２つの領域にわけた時
、後者の領域に配置される連結棒であるタイロッドの本
数を前者の領域よりも多くしているので、耐震性が向上
する。第１領域でタイロッドの本数の少ない分の剛性は
、側板７に工って確保されている。本実施例では、燃料
集合体横断面において剛性のバラツキが少ない。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第５図及び第６
図に基づいて説明する。本実施例の燃料集合体１５は、
燃料集合体１のスペーサ５に代えて支持格子１６を用い
たものであってその他の構成は燃料集合体１と同一であ
る。

支持格子１６は、従来のスペーサ５に代わるもので、第
６図に示すごとく、インコネル板を打ち抜いた一体型の
ものである。燃料棒６は支持格子１６に設置した突起（
ディンプル）および板バネ罠より支持する。軸方向に配
置された７個の支持格子１６Ｖｉ、上部タイプレート３
及び下部タイプレート４に保持された側板７に取付けら
れる。この支持格子１６を用いることによって燃料集合
体１５の剛性が燃料集合体ｒｇ増大する。他の効果は、
燃料集合体１と同じである。

本発明の他の実施例である燃料集合体にて構成した炉心
の横断面を第７図に示す。本実施例の燃料集合体１７は
、燃料棒６及びウォータロッド９を９行９列に配置した
ものである。隣接する燃料棒６中心間の距離は１５．６
９ｍである。本実施例では、タイロッドが用いられず、
ウォータロッドにて上部タイプレート３と下部タイプレ
ート４が連結されている。ウォータロッドの本数は、前
述の第１領域工すも第２領域が多くなっている。本実施
例の他の構成は、燃料集合体１と同一である。

本実施例では、燃料集合体１と同じ効果が得られる。さ
らに燃料棒６の本数が増加しているので、燃料棒１本あ
たシの発熱量が燃料集合体１及び１５の約８０％となる
。その結果、最小限界出力比（ＭＣＰＲ）は燃料集合体
１及び１５に比べて５−以上増加し、熱的余裕が増大す
る。また、冷却水の流路断面積の増大に工す、圧力損失
の小さい９ｘ９燃料燃料体を実現することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料経済性が高くしかも制御棒の交換
の容易な単純な構造の炉心を得ることができる。さらに
、 第２の特徴Ｋ１れば、燃料集合体の横断面において剛性
を均一化することができる。

【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斜
視図、第２図は第１図の燃料集合体の縦断面図、第３図
は第１図の燃料集合体で構成した沸騰水型原子炉の炉心
の局部横断面図、第４図はＨ／Ｕと中性子無限増倍率と
の関係を示す特性図、第５図は本発明の他の実施例の斜
視図、第６図はの他の実施例の局部横断面図である。 １．１５．１−７・・・燃料集合体、２・・・燃料バン
ドル、３・・・上部タイプレート、４・・・下部タイプ
レート、５・・・、＜ヘーサ、６・・・燃料棒、９・・
・ウォータロッド、￥１図 Ｙ１４−図 Ｑ　／　２　３　ダ　５１，７８ １（／　ｕ　（即＃上ヒフ Ｈｓの

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　上部タイプレートと、下部タイプレートと、両端
   部が前記上部及び下部タイプレートに保持されて内部に
   複数の燃料ペレットを有する複数の燃料棒とからなる燃
   料集合体において、前記燃料集合体の制御棒に面する隣
   り合う二辺にのみ制御棒ガイド部材を設けたことを特徴
   上する燃料集合体。 ２　上部タイプレートと、下部タイプレートと、両端部
   が前記上部及び下部タイプレートに保持されて内部に一
   １！数の燃料ペレットを有する複数の燃料棒とからなる
   燃料集合体において、前記燃料集合体の制御棒に面する
   隣り合う二辺にのみ制御棒ガイド部材を設け、前記上部
   タイプレートと前記下部タイプレートを連結する連結棒
   を、前記制御棒に近い領域と前記制御棒から遠い領域に
   前記燃料集合体の横断面を分割した時に前者の領域より
   も後者の領域に多く配置したことを特徴とする燃料集合
   体。