JP2000162353A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、燃料集合体内の平均ボイド率
を大幅に変化させることができると共に、燃料サイクル
後半においても出力分布を平坦化できる燃料集合体を提
供することである。 【解決手段】燃料集合体の水ロッドで、冷却材上昇流路
と冷却材下降流路を上下に複数個持つようにし、上方に
ある冷却材下降流路の冷却材吐出口位置を、下方にある
冷却材下降流路の冷却材吐出口位置よりも上方に位置さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料集合体に係わ
り、特に核燃料物質の有効利用に好適な沸騰水型原子炉
の燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉では、核燃料物質
の有効利用を図るため、炉心内の冷却水のうち蒸気の体
積率（ボイド率）を燃料サイクル（燃料集合体を炉心に
装荷した後の原子炉の起動から、炉心内の燃料集合体を
交換するために原子炉の運転を停止するまでの期間）の
初期で、大きくしてプルトニウムを積極的に炉心内に蓄
積させ燃料サイクル末期で、そのプルトニウムを燃焼さ
せる運転方法が考えられている。

【０００３】図６は、沸騰水型原子炉に用いられる代表
的な燃料集合体について、横軸に燃焼度，縦軸に反応度
の一つの指標である無限増倍率をとって、特性を示した
ものである。２本の線はいずれも同一の燃料集合体であ
るが、破線は燃料集合体内の冷却材流路における蒸気泡
の体積率（ボイド率）を一定（ボイド率３０％）にし
て、燃焼させた場合を実線は最初高ボイド率（ボイド率
５０％）で運転して、途中でボイド率を下げた（ボイド
率３０％）場合を示す。始めボイド率を高くして燃焼さ
せて後でボイド率を下げた方が、より高い燃焼度を得る
ことができる。

【０００４】これは、ボイド率が高く、ウラン原子数に
対する水素原子の比が小さい、すなわち水素原子数が小
さい方が、中性子の平均速度が大きく、ウラン２３８に
吸収されやすいためである。沸騰水型原子炉で用いられ
ている核燃料物質中には、ウラン２３５とウラン２３８
とが含まれており、ウラン２３５が核燃料物質全体の数
％で大部分をウラン２３８が占めている。このうち、中
性子を吸収して核分裂を生じるのは主にウラン２３５の
みであり、ウラン２３８はほとんど核分裂を生じない。
したがって、ウラン２３５が燃焼によって減少すると反
応度は低下する。

【０００５】しかし、ウラン２３８も核分裂によって生
じる高エネルギの中性子を吸収するとプルトニウム２３
９に変わる。プルトニウム２３９は、ウラン２３５と同
じく、減速された熱中性子を吸収して核分裂を起こす。
ボイド率が高い程、中性子のエネルギが高くてウラン２
３８からプルトニウム２３９に転換される割合いが大き
く、ウラン２３５およびプルトニウム２３９の核分裂が
抑制される。したがって、ボイド率が高いほど、ウラン
２３５とプルトニウム２３９の総量の減少は遅い。

【０００６】ただし、ボイド率が高いと、反応度の絶対
値は低い。このため、ボイド率が高いままでは、ボイド
率が低い場合に比べて反応度が臨界を維持できる最低レ
ベルに早く達してしまう。そこで、その時点でボイド率
を下げると、中性子の減速効果が増し、高ボイド率一定
で燃焼した場合に比べてウラン２３５およびプルトニウ
ム２３９の核分裂が増し、反応度はより高くなる。した
がって、臨界に必要な最低反応度になるまで、核燃料物
質に含まれる核分裂性物質をより長く燃焼させることが
できる。

【０００７】以上述べたことが、核分裂性物質の燃焼に
伴ってボイド率を変化させることにより核燃料物質の有
効利用を図る原理であって、スペクトルシフト運転と呼
ばれる。

【０００８】図７は炉心流量に対する炉心平均ボイド率
の依存性を示すものである。炉心流量は、下限を熱的限
界によって制限され、上限を再循環ポンプ能力および流
動振動によって制限されている。したがって、沸騰水型
原子炉が定格の熱出力を出している状態では、定格の１
００％炉心流量を中心に、ある狭い範囲でしかボイド率
を変化させることができない。たとえば、炉心流量を変
化できる幅を８０〜１２０％までとすると、ボイド率の
変化幅は約９％となる。

【０００９】このような背景から、単純な構造で燃料集
合体内平均ボイド率を大幅に変化させることを可能とす
るため、原子力学会「昭６３年会」（１９８８．４／４
−４／６）発表Ｎo.Ｆ１５「大幅スペクトルシフトＢＷ
Ｒ炉心概念（１）」、および特願昭61−217165号出願
（参照）には、燃料集合体下部に抵抗体を設け、水ロッ
ドに、前記抵抗体より下方の領域で開口した冷却材流入
口を有する冷却材上昇流路と、前記冷却材上昇流路に連
絡され前記抵抗体よりも上方の領域に開口した冷却材吐
出口を有する冷却材下降流路とを設けることが提案され
た。

【００１０】このように構成された燃料集合体において
は、炉心を通過する冷却材の流量が低下すると、水ロッ
ドの冷却材流路内に蒸気が充満され、その冷却材流量が
増加すると冷却材流路内の蒸気量が著しく減少する。し
たがって、燃料集合体内平均ボイド率を大幅に変化させ
ることが可能となり、燃料サイクル末期での反応度増加
が可能となる。すなわち、冷却材流量が小さい燃料サイ
クル前半では、水ロッド冷却材流路内において冷却材が
位置する炉心下部で減速材密度が大きく、蒸気が位置す
る炉心上部で減速材密度が小さくなる。

【００１１】したがって、燃料サイクル前半では主に炉
心下部が燃焼し、炉心上部ではウラン２３８からプルト
ニウム２３９への転換が図られ、燃料サイクル後半で
は、サイクル前半で転換された炉心上部のプルトニウム
２３９が主に燃焼に寄与するため、スペクトルシフト効
果による燃料の燃焼効率が高まる。

【００１２】ここで、上記水ロッドの原理を説明する。
図８は、その構造を示している。基本的には、燃料集合
体の下部に設けられた抵抗体（たとえば下部タイプレー
ト）よりも下方の領域に冷却材流入口が開口した冷却材
上昇流路と、この冷却材上昇流路内を流れる冷却材流を
反転させて下方に導く冷却材下降流路と、しかも冷却材
上昇流路の断面積が冷却材下降流路の断面積よりも大き
く、下部タイプレートより上方の領域に冷却材吐出口を
有する水ロッドを、燃料集合体に設けたものである。

【００１３】下部タイプレートに設けられた冷却材流孔
を流れる冷却材（冷却水）の流量が変化すると、下部タ
イプレートより下方の領域と下部タイプレートより上方
の領域との差圧ΔＰが変化する。縮流拡大による差圧は
冷却材流量のほぼ２乗に比例するので、たとえば下部タ
イプレートを通過する冷却水量が８０％から１２０％に
変わったとすると、差圧ΔＰは約２.３倍になる。

【００１４】一方、水ロッド内を流れる冷却水の流量が
非常に小さい場合は、水ロッド内の冷却水が中性子等の
照射によって発熱するとともに蒸発し、この蒸気が冷却
材上昇流路および冷却材下降流路の上部に充満する。冷
却材上昇流路内には液面が形成され、水ロッドの出入口
差圧は液面と水ロッドの冷却材吐出口（冷却材下降流路
の出口）位置の静圧差によって生じる。このため、冷却
水流量が増加すると下部タイプレートの差圧ΔＰが増
え、冷却材上昇流路内の液面を上昇させる。これによ
り、水ロッド内の蒸気量を大幅に調整することができ
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の燃料集合体
では、燃料サイクル後半でプルトニウム２３９が燃焼に
寄与することにより、燃料棒の軸方向出力分布がプルト
ニウム２３９が位置する燃料棒上部で高くなる。このた
め、異常状態が生じた場合、原子炉を停止するため炉心
下部から炉心内に挿入される制御棒の反応度の入り方が
遅くなり、異常状態での熱的裕度が小さくなる問題があ
った。

【００１６】本発明の目的は、燃料集合体内の平均ボイ
ド率を大幅に変化させることができると共に、燃料サイ
クル後半においても出力分布を平坦化できる燃料集合体
を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の燃料
棒と、下端部に設けられた抵抗体と、前記抵抗体よりも
下方で開口して前記抵抗体よりも上方に伸び前記燃料棒
間に配置された冷却材上昇流路および前記冷却材上昇流
路に連絡された前記抵抗体よりも上方で開口し前記冷却
材上昇流路に導かれた冷却材を下方に導く冷却材下方流
路を有する水ロッドとを備えた燃料集合体において、前
記冷却材上昇流路と前記冷却材下方流路の組みを上下に
複数個有し、上方にある冷却材下降流路の開口部が、下
方にある冷却材下降流路の開口部よりも上方にあること
を特徴とする燃料集合体によって達成される。

【００１８】あるいは、上記目的は、複数の燃料棒と、
下端部に設けられた抵抗体と、前記抵抗体よりも下方で
開口して、前記抵抗体よりも上方に伸び前記燃料棒間に
配置された冷却材上昇流路、および前記冷却材上昇流路
に連絡された前記抵抗体よりも上方で開口し、前記冷却
材上昇流路に導かれた冷却材を下方に導く冷却材下方流
路を有する水ロッドとを備えた燃料集合体において、前
記水ロッドを隣接して複数個有し、各々の冷却材下降流
路の開口部の上下方向の位置が異なることを特徴とする
燃料集合体によっても達成される。

【００１９】即ち、水ロッド内の冷却材水位を形成する
部分を上下に複数個設けて、上方にある冷却材下降流路
の開口部が、下方にある冷却材下降流路の開口部よりも
上方にすることにより、上方にある冷却材上昇流路内の
冷却材水位を下方にある冷却材上昇流路内の冷却材水路
内の冷却材水位よりも高くすることができる。このた
め、水ロッド内に蒸気が存在する部分と冷却水が存在す
る部分が複数個となり燃料サイクル前半で、蒸気が存在
することによるウラン２３８からプルトニウム２３９へ
の転換が促進される部分を軸方向に複数箇所設けること
が可能となる。このため、燃料サイクル後半でプルトニ
ウムが燃焼することにより反応度が高くなる部分も軸方
向に複数箇所形成され、軸方向の反応度の偏りを緩和
し、出力分布を平坦化することができる。このため、異
常状態が生じた場合、原子炉を停止するため炉心下部か
ら炉心内に挿入される制御棒の反応度の入り方が速くな
り、異常状態での熱的裕度が大きくなる。

【００２０】また、水ロッドを隣接して複数個設置し
て、各々の冷却材下降流路の開口部の上下方向の位置が
異なるようにすることにより、隣接した水ロッド内の冷
却材水位を異なるようにすることが可能である。これに
より、燃料サイクル後半でプルトニウムを燃焼させるこ
とにより反応度が高くなる軸方向上部と相対的に反応度
が低くなる軸方向下部の間に、その中間の反応度を持つ
部分が形成され、軸方向の反応度の偏りを緩和し、出力
分布を平坦化することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例による燃
料集合体を図１〜図４を参照して説明する。本実施例の
燃料集合体は、図１に示すように、燃料棒１，上部タイ
プレート２，下部タイプレート３、および水ロッド４を
有している。燃料棒１の上下端部は、上部タイプレート
２および下部タイプレート３にて保持される。水ロッド
も、両端部が上部タイプレート２および下部タイプレー
ト３に保持される。

【００２２】また、図２に示すように、燃料集合体の軸
方向には燃料スペーサ９が幾つか配置され、燃料棒相互
間の間隙を適切な状態に保持している。燃料スペーサ９
は、水ロッド４にて保持される。上部タイプレート２は
チャンネルボックス１０に取り付けられ、チャンネルボ
ックス１０は、燃料スペーサ９で保持された燃料棒１の
束の外周を取り囲んでいる。下部タイプレート３は、上
端部に燃料棒支持部１１を有し、しかも燃料棒支持部１
１の下方に空間１２を形成している。燃料棒支持部１１
が、燃料棒１および水ロッド４の下端部を支持してい
る。

【００２３】燃料棒１は、図３に示すように、上部端栓
１３および下部端栓１４にて両端が密封された被覆管１
５内に多数の燃料ペレット１６を装荷したものである。
ガスプレナム１７が被覆管１５内の上端部に形成され
る。

【００２４】水ロッド４の詳細構造を図１により説明す
る。水ロッド４は、上下２段に構成され、それぞれ冷却
材上昇流路７の下端部に形成された冷却水流入口５は、
下部タイプレート３の燃料棒支持部１１を貫通し、下部
タイプレート３の空間１２に開口している。上部の冷却
材上昇流路７は、下部の冷却材上昇流路７内では下部冷
却材上昇流路７の内管となり、冷却材流入口５と上部水
ロッドを連絡している。

【００２５】上部，下部ともに、冷却材上昇流路７の上
端部分で、冷却材下降流路８に連絡する反転部を有し、
冷却材下降流路８の下端に冷却水吐出口６が形成され、
冷却材吐出口６は、燃料棒支持部１１より上方に開口
し、また、上部の冷却材吐出口６は、下部の冷却材吐出
口６より上方に位置している。

【００２６】図４は、本発明の水ロッド４を従来の８行
８列型燃料集合体の中央部に配した場合の燃料集合体横
断面を示す。

【００２７】このように構成された水ロッド４では、下
部の冷却材流入口５と吐出口６間の差圧よりも、上部の
冷却材流入口５と吐出口６間の差圧の方が大きくなり、
下部の冷却材上昇流路７内の液面よりも、上部の冷却材
上昇流路７内の液面の方が高くなる。したがって、水ロ
ッド４内の蒸気層と液層が上下に２段形成され、燃料サ
イクル後半でプルトニウムが燃焼することにより反応度
が高くなる部分も軸方向に２段形成され、軸方向の反応
度の偏りを緩和し、出力分布を平坦化することができ
る。

【００２８】本発明の他の実施例を図５を用いて説明す
る。

【００２９】従来の９行９列型燃料集合体のように、水
ロッド４を隣接して複数個設置して、各々の冷却材下降
流路８の開口部の上下方向の位置が異なるように配置し
ている。これにより、隣接した水ロッド４内の冷却材水
位を異なるようにすることが可能となり、燃料サイクル
後半でプルトニウムを燃焼させることにより反応度が高
くなる軸方向上部と相対的に反応度が低くなる軸方向下
部の間に、その中間の反応度を持つ部分が形成され、軸
方向の反応度の偏りを緩和し、出力分布を平坦化するこ
とができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、水ロッド内の冷却材水
位を形成する部分を上下に複数個設けて、上方にある冷
却材下降流路の開口部が、下方にある冷却材下降流路の
開口部よりも上方にすることにより、上方にある冷却材
上昇流路内の冷却材水位を下方にある冷却材上昇流路内
の冷却材水位よりも高くすることができる。

【００３１】このため、燃料サイクル後半でプルトニウ
ムが燃焼することにより反応度が高くなる部分も軸方向
に複数箇所形成され、軸方向の反応度の偏りを緩和し、
出力分布を平坦化することができる。このため、異常状
態が生じた場合、原子炉を停止するため炉心下部から炉
心内に挿入される制御棒の反応度の入り方が速くなり、
異常状態での熱的裕度が大きくなる。

【００３２】また、水ロッドを隣接して複数個設置し
て、各々の冷却材下降流路の開口部の上下方向の位置が
異なるようにすることにより、隣接した水ロッド内の冷
却材水位を異なるようにすることが可能である。これに
より、燃料サイクル後半でプルトニウムを燃焼させるこ
とにより反応度が高くなる軸方向上部と相対的に反応度
が低くなる軸方向下部の間に、その中間の反応度を持つ
部分が形成され、軸方向の反応度の偏りを緩和し、出力
分布を平坦化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である燃料集合体と水
ロッド付近の詳細構造を示す断面図。

【図２】図１の水ロッドを有する燃料集合体の縦断面
図。

【図３】図２に示された燃料棒の部分断面図。

【図４】図１の水ロッドを有する燃料集合体の横断面
図。

【図５】本発明の他の実施例を示す燃料集合体の横断面
図。

【図６】スペクトルシフト運転を実施しない場合と、そ
れを実施した場合における燃焼度に対する無限増倍率の
変化を示す特性図。

【図７】炉心流量と炉心平均ボイド率との関係を示す特
性図。

【図８】水ロッドの出入口間に生じる差圧特性の概念
図。

【符号の説明】

１…燃料棒、２…上部タイプレート、３…下部タイプレ
ート、４…水ロッド、５…冷却材流入口、６…冷却材吐
出口、７…冷却材上昇流路、８…冷却材下降流路、９…
燃料スペーサ、１０…チャンネルボックス、１１…燃料
棒支持部、１２…空間、１３…上部端栓、１４…下部端
栓、１５…被覆管、１６…燃料ペレット、１７…ガスプ
レナム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の燃料棒と、下端部に設けられた抵抗
   体と、前記抵抗体よりも下方で開口して前記抵抗体より
   も上方に伸び前記燃料棒間に配置された冷却材上昇流
   路、および前記冷却材上昇流路に連絡された前記抵抗体
   よりも上方で開口し、前記冷却材上昇流路に導かれた冷
   却材を下方に導く冷却材下方流路を有する水ロッドとを
   備えた燃料集合体において、前記冷却材上昇流路と前記
   冷却材下方流路の組みを上下に複数個有し、上方にある
   冷却材下降流路の開口部が、下方にある冷却材下降流路
   の開口部よりも上方にあることを特徴とする燃料集合
   体。
2. 【請求項２】複数の燃料棒と、下端部に設けられた抵抗
   体と、前記抵抗体よりも下方で開口して前記抵抗体より
   も上方に伸び前記燃料棒間に配置された冷却材上昇流
   路、および前記冷却材上昇流路に連絡された前記抵抗体
   よりも上方で開口し、前記冷却材上昇流路に導かれた冷
   却材を下方に導く冷却材下方流路を有する水ロッドとを
   備えた燃料集合体において、前記水ロッドを隣接して複
   数個有し、各々の冷却材下降流路の開口部の上下方向の
   位置が異なることを特徴とする燃料集合体。