JP2005172746A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料集合体の最外層に配置された短尺燃料棒の上端に発生する出力スパイクを抑え、燃料健全性を向上させる。
【解決手段】 核燃料を充填した燃料充填部９を被覆管２０内に形成する複数の燃料棒を直立させて格子状に配列した沸騰水型原子炉用燃料集合体である。燃料棒は、複数の標準燃料棒２と、標準燃料棒よりも燃料充填部が短くかつその燃料充填部の上端が低い位置にある短尺燃料棒３ａ、３ｂとを含み、短尺燃料棒の一部３ａが、燃料集合体の最外周に配置され、かつ、その最外周に配置された短尺燃料棒の燃料充填部の上方の被覆管内に中性子吸収物質１７が配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の燃料集合体に係り、特に経済性の向上、燃料被覆管の機械的健全性の観点で好適な構造を有し、短尺燃料棒を含む燃料集合体に関する。

従来の通常の発電用の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の燃料集合体は、細長い円柱状の燃料棒が多数格子状に配列されて、上下タイプレートで互いに結束されており、これら燃料棒同士の間隔はスペーサにより保持されている。また、他の燃料集合体と流路を分かつための角筒状のチャンネルボックスが燃料集合体の側面に被せられている。

９×９格子の燃料集合体の場合は、８×８格子の燃料集合体よりも、ぬれぶち長さが長くなり炉心における圧力損失が増大するので、多数の燃料棒の何本かを短尺燃料棒とし、圧力損失の増大を抑制している（特許文献１参照）。

短尺燃料棒については、燃料ペレットの上方に、核分裂によって発生する気体状の核分裂生成物を溜めるプレナム部があり、また燃料輸送時に燃料ペレットの移動を防止するためプレナムスプリングがプレナム部に配置されている。短尺燃料棒の上部および下部にはそれぞれ上部端栓および下部端栓が結合されている。

また、より高燃焼度化を目指した改良型９×９格子燃料集合体では、ボイド係数の低減効果、制御棒価値の向上などを目的として、燃料集合体の最外層に短尺燃料棒を配置した設計が提案されている（特許文献２参照）。

短尺燃料棒の上方は燃料による熱中性子の吸収がないため、熱中性子の量が多い。このため、短尺燃料棒中の積層された燃料ペレットの上端部では出力が高くなり、いわゆる出力スパイクが発生する。燃料体の最外層でなく内側に短尺燃料棒が配置される場合は、厚肉ばね受け部材（特許文献３参照）や、プレナムスプリングの密着巻きのような方法（特許文献４参照）で出力スパイクはある程度抑えられる。
特開昭６３−２３５８８９号公報 特開平５−２３２２７３号公報 特開平６−７５０７６号公報 特開平８−２９５６８号公報

ところで、燃料集合体の最外層に短尺燃料棒を配置する場合を考えると、次のような課題がある。すなわち、燃料集合体の最外層では、燃料集合体内部に配置された短尺燃料棒に比べて、ボイドのない水がチャンネルボックスの外側にあることから、中性子減速効果が大きい。したがって、燃料集合体の最外層に短尺燃料棒を配置する場合には、その短尺燃料棒の上端付近での熱中性子の量が特に多くなり、出力スパイクの程度が大きくなる恐れがある。

また、最外層に配置された短尺燃料棒は、中性子吸収制御棒の操作による出力変化も燃料集合体内部に配置された短尺燃料棒より大きく、出力スパイクが発生する被覆管部分でペレット−被覆管相互作用による応力が大きくなり、燃料健全性が損なわれる恐れがある。

本発明は、燃料集合体の最外層に配置された短尺燃料棒の上端部に発生する出力スパイクを抑え、燃料健全性を向上させた燃料集合体を提供することを目的とする。

本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、核燃料を充填した燃料充填部を被覆管内に形成する複数の燃料棒を直立させて格子状に配列した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、複数の標準燃料棒と、この標準燃料棒よりも前記燃料充填部が短くかつその燃料充填部の上端が低い位置にある短尺燃料棒とを含み、この短尺燃料棒の少なくとも１本が、前記燃料集合体の最外周に配置され、かつ、その最外周に配置された短尺燃料棒の前記燃料充填部の上方の前記被覆管内に中性子吸収物質が配置されていること、を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料集合体において、前記中性子吸収物質としてハフニウムを含むことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料集合体において、前記中性子吸収物質としてハフニア・イットリアペレットを含むことを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の燃料集合体において、前記中性子吸収物質として酸化ディスプロシウムペレットを含むことを特徴とする。

本発明によれば、燃料集合体の最外層に配置された短尺燃料棒の燃料充填部の上端部に発生する出力スパイクの低減が可能となる。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料集合体の実施の形態について説明する。図２および図３に示すように、この燃料集合体１では、複数の標準燃料棒２と複数の短尺燃料棒３が例えば９行９列の正方格子状に並べられ、この燃料棒配置の一部は、中性子を減速させるためのウォータロッド５（図３の例では２本）で置き換えられている。燃料棒２、３およびウォータロッド５の横方向の間隔を保つために、複数の燃料スペーサ４が、上下方向に互いに間隔をあけて複数個配置されている。

標準燃料棒２の上端および下端はそれぞれ、上部タイプレート６、下部タイプレート７で結束されている。一方、短尺燃料棒３は標準燃料棒２よりも短く、下端は標準燃料棒２と同様に下部タイプレート７まで延びているが、上端は上部タイプレート６よりも下方にある。短尺燃料棒３には、燃料集合体１の最外周に配置される外周短尺燃料棒３ａ（図３の例では右上がりのハッチングで示す４本）と、最外周以外に配置される内部短尺燃料棒３ｂ（図３の例では交差ハッチングで示す４本）とがある。

燃料集合体１の側面は、横断面がほぼ正方形の角筒状のチャンネルボックス８で覆われている。燃料集合体１を炉心内に装荷して原子炉を運転する状態では、チャンネルボックス８の内側では水の沸騰によって気液二相流となるが、チャンネルボックス８の外側は液単相になる。また、図３に示すように、チャンネルボックス８の外側には、横断面が十字状の制御棒１６が配置される。

内部短尺燃料棒３ｂは、図４に示すように、円筒状の金属製被覆管２０と、被覆管２０内に充填された核燃料を含む複数の燃料ペレット９を有し、被覆管２０の上端および下端はそれぞれ、上部端栓１２、下部端栓１３によって密封されている。被覆管２０内の上部端栓１２よりも下方でかつ燃料ペレット９の上端の上方には、プレナム部１０が形成され、プレナム部１０には、核分裂により発生する気体状の核分裂生成物を溜めることができるようになっている。また、プレナム部１０内にはプレナムスプリング１１が配置されて、それにより、燃料輸送時などに燃料ペレット９の移動を防止するようになっている。

標準燃料棒２は、短尺燃料棒３に比べて長いが、その内部構造は、内部短尺燃料棒３ｂとほぼ同様である。
外周短尺燃料棒３ａは、図１（ａ）に示すように、燃料ペレット９の上端とプレナムスプリング１１の間に中性子吸収物質１７が配置されている点が、内部短尺燃料棒３ｂ（図４）と異なる。中性子吸収物質１７は、例えば、図１（ｂ）に示すような金属ハフニウム製の円板である。

上述のように、燃料ペレット９の上端部では出力スパイクが発生しやすいが、この中性子吸収物質１７が熱中性子を吸収するので、燃料ペレット９の上端部での出力スパイクを抑制することができる。例えば、ハフニウムの熱中性子吸収断面積は１０５バーンで、例えばステンレス鋼の主成分鉄２．５バーンよりはるかに大きいので効果的である。

図５に、中性子吸収物質１７として厚さ１mmのハフニウム円板を用いる場合の実施の形態における中性子スパイク抑制効果を示す。この図で、横軸はペレット部上端位置を基準とする高さ方向位置であり、縦軸は出力相対値である。ハフニウム円板がない場合の実線２２に比べて、ハフニウム円板がある場合の点線２４では、ハフニウムの熱中性子吸収効果により、出力スパイクは無視できるものとなる。

通常、ハフニウム円板は、板より打ち抜きにより製造できる。ハフニウムの場合は耐食性に優れ、融点も高いため金属のまま燃料ペレット上端での使用に耐えられる。なお出力スパイクがさらに大きい場合はハフニウムの丸棒から３〜５mm程度の高さの円柱を切り出しても良い。

中性子吸収物質１７として、ハフニウム元素を使用した他の例としては、円柱状のハフニア・イットリアペレットが考えられる。ハフニアは酸化ハフニウムであって、金属ハフニウムより耐食性に優れ、融点も高いので、短尺燃料棒の出力が高い場合に特に適する。ハフニアだけでは形状安定性に問題が生じる恐れがあるので、通常イットリアを添加したハフニア・イットリアペレットとして使用するのが好ましい。ハフニア・イットリアペレットは、ハフニア、イットリアの粉末を混合し、プレス成型の後、焼結して製造する。製造性を考慮すると３〜５mm程度の厚さが好適である。

中性子吸収物質１７のさらに他の例として、ハフニア・イットリアペレットよりさらに熱中性子吸収断面積の大きいディスプロシウム（熱中性子吸収断面積９５０バーン）酸化物のペレットも考えられる。

以上説明した実施の形態では、外周短尺燃料棒３ａだけに中性子吸収物質１７を配置するものとした。これは、中性子経済を考慮して中性子吸収物質１７を最小限に抑える意味で好ましい。しかし、内側短尺燃料棒３ｂにも同様に中性子吸収物質１７を配置する設計も可能である。

本発明に係る燃料集合体の一実施の形態の外周短尺燃料棒を示す図であって、（ａ）は一部切欠立面図、（ｂ）は（ａ）の中性子吸収物質の拡大斜視図。 本発明に係る燃料集合体の一実施の形態の立面図。 図２の燃料集合体を炉心に装荷した状態の一実施の形態の平断面図。 図２の燃料集合体の一実施の形態の内部短尺燃料棒を示す一部切欠立面図。 本発明に係る燃料集合体の一実施の形態の出力スパイク抑制効果を説明するグラフ。

符号の説明

１…燃料集合体、２…標準燃料棒、３…短尺燃料棒、３ａ…外周短尺燃料棒、３ｂ…内部短尺燃料棒、４…燃料スペーサ、５…ウォータロッド、６…上部タイプレート、７…下部タイプレート、８…チャンネルボックス、９…燃料ペレット（燃料充填部）、１０…プレナム部、１１…プレナムスプリング、１２…上部端栓、１３…下部端栓、１６…制御棒、１７…中性子吸収物質、２０…被覆管。

Claims (4)

1. 核燃料を充填した燃料充填部を被覆管内に形成する複数の燃料棒を直立させて格子状に配列した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
   前記複数の燃料棒は、複数の標準燃料棒と、この標準燃料棒よりも前記燃料充填部が短くかつその燃料充填部の上端が低い位置にある短尺燃料棒とを含み、
   この短尺燃料棒の少なくとも１本が、前記燃料集合体の最外周に配置され、かつ、その最外周に配置された短尺燃料棒の前記燃料充填部の上方の前記被覆管内に中性子吸収物質が配置されていること、
   を特徴とする燃料集合体。
2. 請求項１に記載の燃料集合体において、前記中性子吸収物質としてハフニウムを含むことを特徴とする燃料集合体。
3. 請求項１に記載の燃料集合体において、前記中性子吸収物質としてハフニア・イットリアペレットを含むことを特徴とする燃料集合体。
4. 請求項１に記載の燃料集合体において、前記中性子吸収物質として酸化ディスプロシウムペレットを含むことを特徴とする燃料集合体。

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