JP2006145414A

JP2006145414A - スペーサ無し核燃料集合体

Info

Publication number: JP2006145414A
Application number: JP2004337010A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Shirakawa; 白川利久
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】スペーサ（３４）は冷却材の流れを乱し循環ポンプの容量を増やして発電コストを上げるばかりでなく、ポンプ停止事故時に冷却不全による核燃料破損を齎す危険性がある。スペーサ（３４）の領域の分だけ減速材である水の領域を不必要に増加させ中性子の速度を低下させプルトニウムの効率的な燃焼消滅には不利である。
【解決手段】中空板（２３５）と自由下側結合板（１３３）によりスペーサ（３４）を削除した。新冷却材通路（１５１）は従来の冷却材通路（５１）よりも狭くなり減速材である水の領域は減り中性子の速度は低下し難くなるため、プルトニウムは効率的に燃焼消滅できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、原子炉に装荷せる核燃料集合体に関する。

図１は従来の核燃料棒（３１）の概観図である。ジルカロイ製の被覆管（４１）と、この被覆管（４１）の上下開口端を気密閉塞する上部端栓（４２）及び下部端栓（４３）と、被覆管（４１）内に装填される多数個の核燃料ペレット（４４）と、スプリング（４５）とから構成されている。核燃料ペレット（４４）は核分裂し易いウラン２３５を濃縮した濃縮ウラニウムの酸化物またはウラニウムとプルトニウムの混合酸化物（MOX）からなる。
図２は沸騰水型原子炉に装荷せる核燃料物質を内包する従来の核燃料集合体（３０）の概略斜視図である（特許文献1）。核燃料集合体（３０）は、多数本正方格子状に配列された核燃料物質を内封している円柱形状の核燃料棒（３１）と、それ等の上端及び下端を夫々支持する上側結合板（３２）及び下側結合板（３３）と、前記核燃料棒（３１）の高さ途中に位置して核燃料棒（３１）間の間隔を規制する数個のスペーサ（３４）と、これ等を４面で覆うチャンネルボックス（３５）とから構成される。下部端栓（４３）は下部端栓差込口（４６）に差し込まれ核燃料棒（３１）の平面位置の固定と重量の支持をする。スペーサ（３４）が位置していない高さでの断面図を図３に示した。核燃料棒（３１）同士は上述のスペーサ（３４）により間隙が確保されているため冷却材通路（５１）は広くなっている。冷却材は下側結合板（３３）に開けられた冷却材流入口（４７）から流入してくる。核燃料集合体（３０）の移動は上側結合板（３２）に固定された上部トッテ（３６）をクレーン等で吊り下げる。
上部端栓（４２）は上側結合板（３２）の穴に差し込まれ平面位置が固定されている。下側結合板（３３）と上側結合板（３２）は核燃料棒（３１）の内の数本により結合されている。
：昭61-37591、「核燃料集合体」。

余剰プルトニウムを経済的に燃焼消滅させるためには除熱できる範囲内で減速材でもある冷却材の水を少なくしたい。スペーサ（３４）があるとその分減速材である水領域を広くしてしまう。従来、スペーサ（３４）は、高価な濃縮ウランを節約するために減速材である水の領域を広く保つためでもあった。かつ、製造し易くして製造コストを低減したい。
また、スペーサ（３４）は冷却材の流れを乱し核燃料棒（３１）表面の水膜を破壊してしまうため除熱を妨げることがある。更に、流動抵抗増加により、循環ポンプ停止事故が生じた場合急速な流量低下により核燃料棒（３１）からの除熱が不十分になり核燃料棒（３１）破損になることも考えられる。

プルトニウムを効率的に燃焼させるために核燃料棒（３１）を稠密に配列して冷却材流路面積を小さくするため、高価な濃縮ウランを効率よく燃焼させるために従来の燃料集合体（３０）において核燃料棒（３１）の間隔を広げて減速材である水の領域を確保していたスペーサ（３４）を削除する。下部結合板（３３）は核燃料棒（３１）重量を支持するだけでなく核燃料棒（３１）の若干の横方向移動ができるようにし、チャンネルボックス（３５）の少なくとも１辺にバネ性を介して最外周の核燃料棒（３１）に緩やかに圧力を加えて熱膨張等による核燃料棒（３１）の横方向移動を許容できるようにした。

スペーサ（３４）が無くなったため核燃料棒（３１）表面の水膜が維持でき除熱の乱れがなくなり、更に流動抵抗が減少するため循環ポンプ停止事故が生じた場合急速な流量低下がなくなり核燃料棒（３１）からの除熱不十分による核燃料棒（３１）破損を低減できる。削除できたスペーサの分コスト低減もできる。
減速材でもある水領域が小さくなったため中性子の速度が速いためプルトニウムも核分裂しやすくなりプルトニウムが有効に燃焼できるようになる。貯蔵し難いプルトニウムが燃焼により減っていくため貯蔵費用削減、高価な濃縮ウランが不要になった。

発電コストが安く、安全性の高い核燃料集合体が提供できた。

図４は本発明のスペーサ無し核燃料集合体の実施例1の断面図である。スペーサ（３４）は排除して核燃料棒（３１）は三角格子状に配列し互いに接することもできるようにし、チャンネルボックス（３５）に接した核燃料棒は半円核燃料棒（１３１）とし、チャンネルボックス（３５）の少なくとも１辺には中空板（２３５）を固着せしめたことを特徴とする。この結果、新冷却材通路（１５１）は狭く中性子減速材が少なくなり、高速中性子の割合が多くなるためプルトニウムが効率よく燃焼する。核燃料棒（３１）が熱等により膨張してもバネの働きをする中空板（２３５）が凹むことにより対応できる。核燃料棒（３１）が膨張しない場合は中空板（２３５）により余分な冷却材が排除される。流動がある場合、相隣り合う核燃料棒（３１）は互いに近づきあう傾向が生じるが近づき過ぎると反発する傾向に転じ、結局、一定の間隔が保たれるようになるため、相隣り合う核燃料棒（３１）の間には微小な間隙が保たれる。中空板（２３５）のバネ力により調節もできる。
図５は本発明の自由下側結合板（１３３）の上面図である。核燃料棒（３１）が膨張して横方向に移動したとしても、核燃料棒（３１）の下部端栓（４３）が自由下側結合板（１３３）の上を滑ることにより対応できる。冷却材が流入する主冷却口（２３３）の口径は下部端栓（４３）よりも小さくすることにより下部端栓（４３）が固着することがない。主冷却口（２３３）の位置を新冷却材通路（１５１）の中心近傍にとっておくことにより核燃料棒（３１）が膨張して横方向に移動したとしてもズレが小さいため下部端栓（４３）が主冷却口（２３３）の位置まで移動して主冷却口（２３３）を塞ぐことがない。更に、補助冷却口（２３４）を設けることにより冷却口総数を下部端栓（４３）総数よりも多くすることにより冷却材の流入がゼロになることがない。
なお、チャンネルボックス（３５）は自由下側結合板（１３３）にネジまたは溶接により固着せしめる。これに核燃料棒（３１）を装荷する。最後に上部トッテ（３６）をチャンネルボックス（３５）にネジまたは溶接により固着せしめる。従来あった上側結合板（３２）も不要となる。
ウランは重い物質であるため冷却材の流れにより核燃料棒（３１）は破壊的な振動をすることはない。核燃料棒（３１）が互いに接したとしても線で接すること及び被覆管（４１）の熱伝導により除熱が大きく妨げられることはない。したがって、従来の核燃料集合体（３０）においてスペーサ（３４）のみを無しにして、通常運転時の核燃料棒（３１）間隙がほぼゼロになる設計も可能である。

図6は本発明のスペーサ無し核燃料集合体の実施例２の断面図である。核燃料棒（３１）は従来同様正４角格子状に配列し、チャンネルボックス（３５）の少なくとも１辺には中空板（２３５）を固着せしめたことを特徴とする。
実施例１に比べて製造がし易くなりコスト低下となる。

図７は本発明のスペーサ無し核燃料集合体の実施例３の断面図である。スペーサ（３４）は排除して核燃料棒（３１）は三角格子状に配列し、チャンネルボックス（３５）に接した核燃料棒は半円核燃料棒（１３１）とし、チャンネルボックス（３５）の少なくとも１辺にはバネ板（３３５）を高さ方向数箇所に固着せしめたことを特徴とする。製造が簡単になり製造コストが低減する。

図８は本発明のスペーサ無し核燃料集合体の実施例４の断面図である。スペーサ（３４）は排除して核燃料棒（３１）は三角格子状に配列し、チャンネルボックス（３５）に接した核燃料棒は半円核燃料棒（１３１）とし、チャンネルボックス（３５）の少なくとも１辺には押さえ板（４３５）と押さえバネ（４３６）を高さ方向数箇所に固着せしめたことを特徴とする。製造が簡単になり製造コストが低減する。

図９は本発明のスペーサ無し核燃料集合体の実施例５の断面図である。スペーサ（３４）は排除して核燃料棒（３１）は三角格子状に配列し、チャンネルボックス（３５）の少なくとも１辺に接した核燃料棒は扁平核燃料棒（２３１）としたことを特徴とする。核燃料ペレット（４４）は充分小さくして被覆管（４１）は扁平にすることにより核燃料ペレット（４４）と被覆管（４１）の空間を広げることにより被覆管（４１）がバネの役割をして全体の核燃料棒を適度に緩やかに接触せしめ配列を維持し冷却材の乱れをなくせるため除熱が円滑にできる。

図１０は本発明のスペーサ無し核燃料集合体の実施例６の断面図である。スペーサ（３４）は排除して核燃料棒（３１）は三角格子状に配列し、チャンネルボックス（３５）に接した核燃料棒は半円核燃料棒（１３１）とし、チャンネルボックス（３５）の少なくとも１辺には半円核燃料棒（１３１）を押さえるためのチャンネルバネ（５３５）を固着せしめたことを特徴とする。

減速材である水の冷却材通路（５１）が狭くなったため減速材が少なくなり中性子の速度が速いためプルトニウムが核分裂しやすくなりプルトニウムが有効に燃焼できるようになる。貯蔵し難いプルトニウムが燃焼により減っていくため貯蔵費用削減、高価な濃縮ウランが不要になった。
従来の原子炉にすぐに装荷できる核燃料集合体である。スペーサ（３４）と上側結合板（３２）削除の分だけ製造コストが低下する。

従来の核燃料棒（３１）の概観図。従来の核燃料集合体（３０）の概略斜視図。従来の核燃料集合体（３０）の断面図。本発明のスペーサ無し核燃料集合体実施例1断面図。本発明のスペーサ無し核燃料集合体の自由下側結合板（１３３）上面図。本発明のスペーサ無し核燃料集合体実施例２断面図。本発明のスペーサ無し核燃料集合体実施例３断面図。本発明のスペーサ無し核燃料集合体実施例４断面図。本発明のスペーサ無し核燃料集合体実施例５断面図。本発明のスペーサ無し核燃料集合体実施例６断面図。

符号の説明

３０は従来の核燃料集合体。
３１は核燃料棒。
３２は上側結合板。
３３は下側結合板。
３４はスペーサ。
３５はチャンネルボックス。
３６は上部トッテ。
４１は被覆管。
４２は上部端栓。
４３は下部端栓。
４４は核燃料ペレット。
４５はスプリング。
４６は下部端栓差込口。
４７は冷却材流入口。
５１は冷却材通路。
１３１は半円核燃料棒。
１３３は自由下側結合板。
１５１は新冷却材通路。
１５２は狭冷却材通路。
２３１は扁平核燃料棒。
２３３は主冷却口。
２３４は補助冷却口。
２３５は中空板。
３３５はバネ板。
４３５は押さえ板。
４３６は押さえバネ。
５３５はチャンネルバネ。

Claims

核燃料棒（３１）の重量を支持する下部端栓（４３）が横方向に自由に滑ることができて下部端栓（４３）よりも小さい口径の主冷却口（２３３）が新冷却材通路（１５１）の中心にとってあり、更に、補助冷却口（２３４）を設けることにより冷却口総数を下部端栓（４３）総数よりも多い自由下側結合板（１３３）と、中空板（２３５）と、上部トッテ（３６）とをネジまたは溶接により固着せしめたチャンネルボックス（３５）に核燃料物質を内封する核燃料棒（３１）を装荷せる、スペーサ（３４）と上側結合板（３２）を排除したことを特徴とするスペーサ無し核燃料集合体。