JPS6378093A - 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】 〔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３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、チャネルボックス１２の下端に下部タイ
プレート１４が装着しである。この下部タイプレート１
４には複数の孔が穿設され、燃料棒１６の下部端栓１８
が挿入しである。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。

チャネルボックス１２の上部に上部タイプレートと一体
に形成しである取っ手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内に燃料ペレット３２が充填されており、この燃料
ペレット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図で燃料ペレット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本のウォー
タロッド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
どの核分裂性物質の反応によって発生する熱エネルギー
を除去する。また、水はチャンネルボックスの外側の燃
料集合体間の間隙にも流れる。燃料ペレットの濃縮度は
、所定の燃料度（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核特性が変化するの
′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人した時に炉心を
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１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。

固着してそう人できない時でも、炉心を臨界未満にでき
るよう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渡変化では、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（Ｂ　Ｐ）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（Ｍ　ＣＰ　Ｒ、
Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｃｒ１ｔｉｃａｌ　ＰｏｗｅｒＲａｔ
ｉｏ）と呼ばれる。

Ｐ 原子炉の設計にあたっては、過渡変化による限界出力比
の減少を求めて、運転中にかかる過渡変化が起きても、
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っては、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。従って
、［子炉の熱的余裕を大きくするためには、運転制限Ｍ
ＣＰＲ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〕

１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った。

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
った。

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状において、！ｌ１ｆ
ｉ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２
０℃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来そう人の場合の炉心
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％４
Ｋ）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（ＭＣＰ
Ｒ）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ＭＣＰＲは濃縮度とともに増加し、濃縮ｇ
３．６重景％重景０．０３　増加する。一方、運転時Ｍ
ＣＰＲ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
な形状ではなかった。

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
するが安全性に対する余裕を損うという問題があった。

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。

本発明の目的は、高濃縮度ウランを燃料とした場合に、
炉停止余裕と熱的余裕を改善するのに好適な燃料集合体
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、濃縮度３．６重量％以上の燃料集合体中の
水対燃料比を増加すべく、ウォータロッド断面積の増加
とこれに伴うスペーサ、上部タイプレート、下部タイプ
レートの改良により達成される。

〔作用〕

ウォータロッ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６ 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゜６ｗ１０以上の
濃縮ウランを燃料として用いる場合に、ウォータロッド
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核分裂が減少す
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、ウォータロッド断面積の増加は、ボイド反応度係
数の減少に次のように作用する。

ウォータロッ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
みで起こるためウォータロッ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９反応度変化は、９Ａ
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
って、ウォータロッド断面積の増加は、ボイド率変化に
対する反応度変化、すなわちボイド反応度係数の変化を
小さくするように作用する。

また、ウォータロッド断面積を変更する場合には、これ
を支持するスペーサ、上部タイプレート。

下部タイプレートの改良が必要となるが、この場合に１
部材の削減等により投影面積を減らすことは圧力損失（
圧損）を低減できるので、限界出力が向上する効果があ
る。

なお、ウォータロッドの断面積を燃料集合体中央部で増
加することは、出力分布の平坦化及び。

反応度の向上（燃料経済性向上）の効果があることは、
特願昭５７−１２２４７８号、特願昭５７−１７６６１
９号に記載されているが、炉停止余裕の向上及びボイド
反応度係数の低減に効果があり、特に濃縮度３．６重量
％以上の高濃縮度における設計余裕の減少を改善する効
果があることを述べた例はない６〔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、
太径ウォータロッド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１５■の長さにわたっ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１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ォータ
ロッド断面積を大きくした太径ウォータロッド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、太径ウォータロッド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２
２８と下部タイプレート２１４で固定し、外側をチャン
ネルボックス２１２でおおった構造となっている。

第４図は、太径ウォータロッド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
径ウォータロッドは、その上端部及び下端部の直径を中
央部より細くしである。

本実施例のウォータロッドの下方部を細くするのは強度
上の理由による。これはウォータロッドに水平にかかる
荷重に対しては、直径を細くしたほうが、ウォータロッ
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、この特性は特にウォータロッドの下部端栓と最
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。またウォータロッド上
部を細くすることは、次のような理由に基づく圧損を低
減するように作用する。

燃料チャンネルの水力学的安定性を向上させる上には、
燃料チャ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。

Ｗ”　　　　ｆ−Ｌ ここで、 ΔＰｆ＝摩擦圧損 Ｗ＝チャンネル流量 ｇ＝重力加速度 ρ＝水の密度 Ｄ＝チャンネル水力直径 Ａ＝チャンネル流路面積 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ＰＩ
！擦圧損増倍率Φは、ボイド率が大きいほど、大きくな
る。従って燃料有効長より上部の太径ウォータロッドを
細くすると、チャンネル流路面積Ａは、ウォータロッド
断面積が小さくなった分だけ大きくなるために、圧損は
小さくなり、また、ウォータロッドを短かくすると。

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って、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人しこれを支持
する円筒形丸形セルフ１と、中央部にて太径ウォータロ
ッドを支持する嬌絡部材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低くなる
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。大
径ウォータロッドを固定するボス８１は、７字形のウェ
ブ９１により連結されている゛のが特徴で、ボス及びウ
ェ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損が低減できる効果があ
る。

また、第７図は下部タイプレート２１４の平面図で、太
径ウォータロッドを下部で固定するボス８２は、７字形
のウェブ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
ォータロッ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１Ｓ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、′ａ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の低下と高限界出カ
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〕

本発明のように、濃縮度３．６重量％以上の燃料に燃料
棒断面積の２倍以上の断面積を持つ太径ウォータロッド
を用いることにより、炉停止余裕、熱的余裕を損うこと
なく、高濃縮度燃料を用いることができ、高燃焼度化が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第３図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
ォータロッド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−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
係数低減の効果を示す図、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・・・チャンネルボックス、１５・・・従来ウォー
タロッド、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・・・燃料ペレット、３４・・・スプリング、１７
・・・制御棒、２１０・・・本発明に基づく燃料集合体
、２１２・・・チャンネルボックス、２１４・・・本発
明による下部タイプレート、２１５・・・太径ウォータ
ロッド、２１６・・・燃料棒、２２８・・・本発明によ
る上部タイプレート、２２６・・・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ＭＣＰＲ１１１
５・・・本発明での運転時ＭＣＰＲ，１１４・・・本発
明での運転限界ＭＣＰＲ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料物質としてウランを含む燃料棒と、この燃料
   棒複数本が配置される空間を占有して配置され、燃料棒
   よりも直径の太い太径ウオータロツドを格子状に配列し
   、燃料棒と太径ウオータロツドをスペーサで束ねて支持
   した燃料集合体において、横断面でのウランの平均濃縮
   度すなわちウラン中に占めるウラン２３５の含有率が軸
   方向のいずれかの位置で少なくとも３．６重量％以上で
   あることを特徴とする燃料集合体。 ２、前記スペーサは、前記燃料棒をそう入しこれを保持
   する円筒形をなす多数の丸形セルを格子状に組み、前記
   太径ウオータロツドの位置については前記丸形セルを省
   略し、この省略の結果生ずる空所の周囲の相隣る丸形セ
   ルのこの空所に面する面間を少なくとも一個所の面間を
   残して嬌絡部材で連絡することにより生ずる空間で前記
   太径ウオータロツドを支持する特許請求の範囲第１項記
   載の燃料集合体。 ３、前記太径ウオータロツドは、軸方向上端部及び下端
   部の直径が軸方向中央部の直径より細くなつておりその
   区分は、上端部については、軸方向最上部に位置する前
   記スペーサによつて保持される位置より上部と、下端部
   については、軸方向最下部に位置する前記スペーサによ
   つて保持される位置より下部にもうけたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の燃料集合体。