JP2010145232A

JP2010145232A - 燃料集合体

Info

Publication number: JP2010145232A
Application number: JP2008322513A
Authority: JP
Inventors: Jun Saeki; 潤佐伯; Takao Kageyama; 隆夫影山; Jiro Kimura; 次郎木村
Original assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Current assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】製造コストの増加および燃料集合体内部での圧力損失の増加を抑制しつつ、燃料集合体の内部での冷却材の除熱効率を向上させる。
【解決手段】ウォーターロッドと、ウォーターロッドを包囲する包囲部の水平方向の外側に複数の棒配置部を形成し、包囲部でウォーターロッドに支持される標準スペーサと、被覆管内に核分裂性物質を充填して棒配置部にそれぞれ配置された複数の燃料棒とを備え、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体に、部分スペーサ１８を設ける。部分スペーサ１８の外幅は、標準スペーサの外幅よりも小さい。また、部分スペーサ１８は、標準スペーサと同様の構造の、ウォーターロッドを包囲するサポートプレート２３、セル２２およびウォータロッドスプリング２７を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体に関する。

一般に、沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、核燃料物質を収めた複数の燃料棒とウォーターロッドとを備えている。燃料棒に収められる核燃料物質は、たとえば二酸化ウランを焼結した燃料ペレットとして被覆管の内部に充填される。ウォーターロッドは、内部に冷却水が流れるように円筒状あるいは角筒状に形成される。各燃料棒およびウォーターロッドは、たとえば正方格子状に束ねられて、上下両端は上部タイプレートおよび下部タイプレートに支持される。また、上部タイプレートおよび下部タイプレートの間には、各燃料棒相互間の水平方向間隔を一定に保持する複数のスペーサが配置される。スペーサは、ウォーターロッドに設けられたタブで支持される。スペーサは、一般的に燃料棒の束を外周側から支持する四角枠状の支持バンドと、この支持バンド内に燃料棒および短尺燃料棒を通過させる燃料棒挿入通路をそれぞれ独立に形成する燃料保持部を有している。

冷却材である水は、下部タイプレートの開口から流入し、燃料集合体内を上昇する間に燃料棒により加熱される。加熱された水中には、ボイドが発生する。ボイドが発生した位置より下流、つまり、集合体上部では、蒸気と水の気液二相流となる。

ボイドが発生すると、冷却水の実効的な流路面積は小さくなる。このため、一部の燃料集合体設計では、標準燃料棒および短尺燃料棒の長さが異なる２種類以上の燃料棒を配置し、燃料集合体上部での流路面積を増加させる工夫が施されている。たとえば、短尺燃料棒の上端より上側には、燃料棒が内部を貫通するセルがそれよりも下側のスペーサよりも少ないスペーサが配置される。

ウォーターロッドは、燃料集合体の横断面中央部の冷却材の割合を高める。したがって、ウォーターロッドを導入することにより、燃料集合体の横断面中央部における中性子の減速作用が増加する。このため、燃料集合体の横断面中央部の反応度が高くなるとともに、横断面における出力分布が平坦化される。

しかし、ウォーターロッドの内部では発熱しないため、その表面に冷却材の液膜が形成される。ウォーターロッドの表面の液膜は、隣接する燃料棒の除熱に対してあまり寄与しない。

また、短尺燃料棒を用いた燃料集合体において、短尺燃料棒の上端では、それまで短尺燃料棒の表面を流れてきた液膜が燃料棒間の空間に放出される。このように燃料棒間の空間に放出された水は、大きな液滴を形成し、その周辺の燃料棒の除熱にあまり寄与しない。短尺燃料棒がウォーターロッドに隣接して配置される場合には、特に液相の冷却材が集中する傾向にある。

そこで、特許文献１には、大径のウォーターロッドに固定した流れ転向タブあるいは管状の構造物（ベース）に流れ転向タブを設けることが開示されている。これにより、ウォーターロッド表面に沿って流れる液相の冷却水を隣接する燃料棒の方に転向させ、除熱に寄与させている。また、特許文献２には、ウォーターロッドに短尺燃料棒が隣接して配置された燃料集合体において、ウォーターロッドを保持するスペーサのセルに冷却材の流れを転向させるようなフロータブを設置する方法が開示されている。
特開平５−８０１７１号公報特開平１１−３８１７１号公報

ウォーターロッドなどに流れ転向タブを設けるためには、新たな追加部品の調達、加工が必要であり、また、溶接などによってウォーターロッドに固定する必要がある。このため、ウォーターロッドの加工あるいは燃料集合体組立工程に、新たな工程が必要となる。また、管状構造物の場合には角管型ウォーターロッドに取り付けることができない。

また、ウォーターロッドあるいは短尺燃料棒に隣接した燃料棒の除熱性能のみを増加させたい場合であっても、スペーサを追加して設けた場合、冷却材の流路面積に占めるスペーサの投影面積がスペーサ一つ分だけ増大する。このため、燃料集合体での圧力損失が増大する。二相流領域における燃料集合体内での圧力損失の過度の増大は、炉心を不安定な状態にして、原子炉の運転が困難になるおそれがある。また、ウォーターロッドに短尺燃料棒が隣接して配置されていない場合には、フロータブを取り付けたセルは配置することができない。

そこで、本発明は、製造コストの増加および燃料集合体内部での圧力損失の増加を抑制しつつ、燃料集合体の内部での冷却材の除熱効率を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体において、ウォーターロッドと、前記ウォーターロッドを包囲する包囲部の水平方向の外側に複数の棒配置部を形成し、前記包囲部で前記ウォーターロッドに支持される標準スペーサと、被覆管内に核分裂性物質を充填して前記棒配置部にそれぞれ配置された複数の燃料棒と、外幅が前記標準スペーサの外幅よりも小さく、前記包囲部と同一の形状の部分を備えて前記ウォーターロッドに支持される部分スペーサと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、製造コストの増加および燃料集合体内部での圧力損失の増加を抑制しつつ、燃料集合体の内部での冷却材の除熱効率を向上させることができる。

本発明に係る燃料集合体の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における一部を切欠いた側面図である。

燃料集合体１０は、燃料棒１１，１２およびウォーターロッド１３を有している。燃料棒１１，１２は、ジルコニウム合金製の被覆管の内部にウランなどの核燃料物質を焼結したペレットを収納したものである。燃料棒１１，１２には、標準燃料棒１１と、標準燃料棒１１よりも短い短尺燃料棒１２とがある。ウォーターロッド１３は、内部に水が流れるジルコニウム合金製の管である。

燃料棒１１，１２およびウォーターロッド１３の下端は、下部タイプレート１４で支持されている。標準燃料棒１１およびウォーターロッド１３の上端は、上部タイプレート１５で支持されている。また、燃料集合体１０は、下部タイプレート１４および上部タイプレート１５の間に、互いに離間して配置されたたとえば７個の標準スペーサ１６，１７および１個の部分スペーサ１８を有している。標準スペーサ１６，１７には、短尺燃料棒１２の上端よりも下方に配置される第１の標準スペーサ１６と、短尺燃料棒１２の上端よりも上方に配置される第２の標準スペーサ１７とがある。

また、燃料集合体１０は、短尺燃料棒１２の上端よりも上方に配置された部分スペーサ１８を有している。この燃料集合体１０は、角筒状のチャンネルボックス１９が装着された状態で沸騰水型原子炉に装荷される。

図３は、本実施の形態における第１の標準スペーサの上面図である。図４は、本実施の形態における第２の標準スペーサの上面図である。

第１の標準スペーサ１６および第２の標準スペーサ１７は、バンド２１とセル２２とサポートプレート２３とウォータロッドスプリング２７とを有している。円筒状に形成されたセル２２は、９行９列の正方格子状に配列されている。セル２２のそれぞれには２ヶ所のセルストップ２５が形成されていて、また、スプリング２６が取り付けられている。セル２２の内部は、それぞれ燃料棒１１，１２が配置される棒配置部となっている。また、第２の標準スペーサ１７は、第１の標準スペーサ１６から短尺燃料棒１２が配置される位置のセル２２が取り除かれた形状をしている。

９行９列の正方格子の一部には、ウォーターロッド１３が配置される部分が形成されている。このウォーターロッド１３が配置される部分の周囲は、セル２２、サポートプレート２３およびウォータロッドスプリング２７が包囲している。ウォーターロッド１３には、軸方向の異なる位置に複数のタブが設けられている。このタブにサポートプレート２３挟み込まれて標準スペーサ１６、１７は支持され、また、軸方向の位置が決められている。

図１は、本実施の形態における部分スペーサの上面図である。

部分スペーサ１８は、バンド２９とセル２２とサポートプレート２３とウォータロッドスプリング２７とを有している。部分スペーサ１８のバンド２９は、５行５列に配列されたセル２２の外周を囲んでいる。部分スペーサ１８のセル２２、サポートプレート２３およびウォータロッドスプリング２７は、標準スペーサ１６，１７の中央の５行５列の領域と同じものである。つまり、標準スペーサ１６，１７および部分スペーサ１８は、ウォーターロッド１３を包囲する包囲部が同一の形状をしている。また、９行９列分の燃料棒１１，１２を支持する標準スペーサ１６，１７の外幅に比べて、５行５列分の燃料棒１１，１２を支持する部分スペーサ１８の外幅は小さい。

標準スペーサ１６，１７は、正方格子状に配列した燃料棒１１，１２およびウォーターロッド１３の相互間の水平方向間隔を一定に保持するという機能を持つ。また、標準スペーサ１６，１７は、燃料集合体１０中の燃料棒１１，１２の間隙を流れる冷却材の液滴あるいはウォーターロッド１３の表面を流れる液膜を飛散させ、燃料棒１１，１２の表面に再付着させることで、除熱性能を向上させる機能を持つ。

さらに、本実施の形態では、ウォーターロッド１３およびその周辺の燃料棒１１，１２を囲む部分スペーサ１８を設けている。この部分スペーサ１８も、燃料棒１１，１２の間隙あるいはウォーターロッド１３の表面の液相の冷却材を隣接する燃料棒１１，１２の表面に再付着させ、除熱効率を向上させている。

一般的に、燃料棒１１，１２の表面の液膜が消失し、除熱効率が急激に劣化する沸騰遷移を起こすのは、スペーサの冷却材流れの上流側である。そこで、この軸方向位置での除熱効率を向上させるためにスペーサの数を増やすと、冷却材の流路面積に占めるスペーサの投影面積がスペーサ一つ分だけ増大することになる。その結果、特に、二相流領域における燃料集合体内での圧力損失が増大する。

しかし、本実施の形態の部分スペーサ１８は、標準スペーサ１６，１７と比較して、部材が少なく冷却材の流路面積に占める投影面積も小さいため、燃料集合体全体の冷却材の流れを阻害することがなく過度に二相流圧損を増大させない。

また、短尺燃料棒１２を用いる燃料集合体１０において、短尺燃料棒１２の上端では、それまで短尺燃料棒１２の表面を流れてきた液膜が燃料棒１１，１２の間の空間に放出される。この燃料棒１１，１２の間の空間に放出された冷却水は大きな液滴を形成し、周りの燃料棒１１，１２の除熱にあまり寄与しない。

しかし、本実施の形態では、短尺燃料棒１２の上端よりも上方に部分スペーサ１８を設置することで、部分スペーサ１８の上端部より上方の燃料棒１１，１２の間隙あるいはウォーターロッド１３の表面の液相の冷却材を隣接する燃料棒表面に再付着させ、除熱効率を向上させている。

部分スペーサ１８は、ウォーターロッド１３や燃料棒１１，１２を包囲する構造が、標準スペーサ１６，１７と同一であるから、バンド２９などの一部の部品のみを標準スペーサ１６，１７とは別に調達あるいは加工すればよく、大部分の部品を標準スペーサ１６，１７と同じものを用いることができる。このため、追加部品の調達や加工を最小限にすることができ、製造に要するコストの上昇を抑制することができる。

また、部分スペーサ１８は、ウォーターロッド１３を包囲する構造が標準スペーサ１６，１７と同一である。このため、標準スペーサ１６，１７がウォーターロッド１３に取り付け可能であれば、同様の手順で部分スペーサ１８をウォーターロッド１３に取り付けることができる。したがって、ウォーターロッド１３および標準スペーサ１６，１７の形状がどのようなものであっても、部分スペーサ１８を取り付けのためだけに、たとえば溶接などの新たな工程が必要となることはない。

このように、本実施の形態によれば、製造コストの増加および燃料集合体内部での圧力損失の増加を抑制しつつ、燃料集合体の内部での冷却材の除熱効率を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態における標準スペーサの上面図である。

本実施の形態の燃料集合体は、燃料棒１１（図２参照）が９行９列の正方格子状に配列され、水平方向の中央部に１本の角筒状のウォーターロッド３０が配列される。標準スペーサ３１には、直行する２方向に延びる複数の格子板３２によって区分されるセル３３が形成されている。セル３３を囲む四方壁のそれぞれ中央部にはスプリング３４が設置されている。セル３３の二辺におけるスプリング３４の山形弾性片と他の二辺のスプリング３４の固定突部によって燃料棒１１が保持されている。また、標準スペーサ３１は、ウォーターロッド３０に溶接固定されて軸方向に移動することが防止されている。

図６は、本実施の形態における部分スペーサの上面図である。

本実施の形態の部分スペーサ３５は、ウォーターロッド３０を囲む格子板３２と、スプリング３４を有している。部分スペーサ３５は、標準スペーサ３１の最も内側の部分と同じ構造を有している。つまり、標準スペーサ３１および部分スペーサ３５は、ウォーターロッド３０を包囲する包囲部が同一の形状である。また、標準スペーサ３１の外幅に比べて、部分スペーサ３５の外幅は小さい。

このように、ウォーターロッド３０を包囲する部分スペーサ３５を追加配置することにより、ウォーターロッド３０の表面に沿って流れる冷却材の液膜や、あるいは燃料棒１１との間隙を流れる冷却材の液滴を燃料棒１１に振り向けることができる。このため、燃料棒１１からの除熱効率を高めることができる。一方、標準スペーサ３１と比較して、部分スペーサ３５は、部材が少なく冷却材の流路面積に占める投影面積も小さい。したがって、冷却材の流れをあまり阻害せず、過度に二相流圧損を増大させない。

また、部分スペーサ３５は、ウォーターロッド３０に溶接固定される。標準スペーサ３１もウォーターロッド３０に溶接固定されることから、新たな追加部品の調達や加工を最小限とし、ウォーターロッド加工あるいは燃料集合体組立工程に新たな工程を必要としない。

［第３の実施の形態］
図７は、本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における部分スペーサの上面図である。

本実施の形態の燃料集合体は、第１の実施の形態と短尺燃料棒１２（図２参照）の位置と、部分スペーサ４１の形状が異なる。本実施の形態において、短尺燃料棒１２はウォーターロッド１３（図２参照）に隣接する短尺燃料棒位置４２に配置される。部分スペーサ４１は、短尺燃料棒１２の上端部より軸方向の上方に配置される。本実施の形態の部分スペーサ４１は、第１の実施の形態の部分スペーサ１８（図１参照）から、ウォーターロッド１３が配列する方向に直行する対角に位置するセル２２およびバンド２９を削除したものである。しかし、本実施の形態の部分スペーサ４１のウォーターロッド１３を包囲する包囲部は、第１の実施の形態と同じ構造である。

したがって、第１の実施の形態と同様に、標準スペーサ１６，１７（図３および図４参照）および部分スペーサ１８は、ウォーターロッド１３を包囲する包囲部が同一の形状をしている。また、９行９列分の燃料棒１１，１２を支持する標準スペーサ１６，１７の外幅に比べて、５行５列分の燃料棒１１，１２を支持する部分スペーサ４１の外幅は小さい。

このような燃料集合体では、短尺燃料棒１２の上端部より上方の領域には大きな空間が形成され、液相の冷却材が集中する傾向にある。特に短尺燃料棒１２がウォーターロッド１３に隣接して配置される場合には、液相の冷却材が燃料棒１１，１２の間の空間に集中する傾向が高い。しかし、本実施の形態では、短尺燃料棒１２の上端部より上方に部分スペーサ４１を配置しているため、セル２２などの部分スペーサ４１の部材により液滴の冷却材の流れが攪乱される。これにより冷却材が、隣接する燃料棒１１，１２の表面に付着し、除熱効率を向上させる。

［第４の実施の形態］
図８は、本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態における一部拡大断面図である。

本実施の形態の燃料集合体は、燃料棒５１，５２を１０行１０列の正方格子状に配列したものである。また、燃料集合体の水平方向中央部には、１０行１０列の正方格子のうち２行２列に相当するウォーターロッド５３が、２本配列されている。燃料棒５１，５２には、標準燃料棒５１と、標準燃料棒５１よりも短い短尺燃料棒５２がある。短尺燃料棒５２は、ウォーターロッド５３に隣接して配置されている。部分スペーサ５４は、短尺燃料棒５２の上端よりも上方に設けられている。

部分スペーサ５４は、バンド５５と格子板５６を有している。バンド５５の内側には、直行する２方向に延びる複数の格子板５６によって区分されるセル５７が形成されている。また、燃料棒５１，５２は、第２の実施の形態と同様に、セル５７にそれぞれ設けられたスプリングによって保持されている。この部分スペーサ５４は、たとえば第１の実施の形態と同様にウォーターロッド５３に設けられたタブに挟み込まれて軸方向に移動することが防止されている。また、標準スペーサは、ウォーターロッド５３を包囲する包囲部として部分スペーサ５４と同様の構造を持ち、１０行１０列に配置された燃料棒５１，５２を適切に支持している。

また、部分スペーサ５４のバンド５５および格子板５６は、冷却材の主たる流れの方向を横切る向きに突出する突起部５８を備えている。突起部５８は、冷却材の直進する流れを阻害し、ウォーターロッド５３と燃料棒５１，５２の間隙、あるいは、燃料棒５１，５２の間隙などの液滴の冷却材の流れを攪乱する。このため冷却材は、隣接する燃料棒５１，５２の表面に付着しやすくなり、除熱効率が向上する。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における部分スペーサの上面図である。本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における一部を切欠いた側面図である。本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における第１の標準スペーサの上面図である。本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における第２の標準スペーサの上面図である。本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態における標準スペーサの上面図である。本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態における部分スペーサの上面図である。本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における部分スペーサの上面図である。本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態における一部拡大断面図である。

符号の説明

１０…燃料集合体、１１…燃料棒、１２…燃料棒、１３…ウォーターロッド、１４…下部タイプレート、１５…上部タイプレート、１６…標準スペーサ、１７…標準スペーサ、１８…部分スペーサ、１９…チャンネルボックス、２１…バンド、２２…セル、２３…サポートプレート、２５…セルストップ、２６…スプリング、２７…ウォータロッドスプリング、２９…バンド、３０…ウォーターロッド、３１…標準スペーサ、３２…格子板、３３…セル、３４…スプリング、３５…部分スペーサ、４１…部分スペーサ、４２…短尺燃料棒位置、５１…燃料棒、５２…燃料棒、５３…ウォーターロッド、５４…部分スペーサ、５５…バンド、５６…格子板、５７…セル、５８…突起部

Claims

沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体において、
ウォーターロッドと、
前記ウォーターロッドを包囲する包囲部の水平方向の外側に複数の棒配置部を形成し、前記包囲部で前記ウォーターロッドに支持される標準スペーサと、
被覆管内に核分裂性物質を充填して前記棒配置部にそれぞれ配置された複数の燃料棒と、
外幅が前記標準スペーサの外幅よりも小さく、前記包囲部と同一の形状の部分を備えて前記ウォーターロッドに支持される部分スペーサと、
を有することを特徴とする燃料集合体。
前記燃料棒は標準燃料棒とこの標準燃料棒よりも短い短尺燃料棒とを含み、
前記部分スペーサは前記短尺燃料棒の上端より軸方向上部位置に配置されたことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
前記短尺燃料棒は前記ウォーターロッドに隣接して配置され、
前記部分スペーサの水平方向の最外周部は前記短尺燃料棒の水平方向位置よりも外側に位置することを特徴とする請求項２記載の燃料集合体。
前記部分スペーサは、冷却材の主たる流れの方向を横切る向きに突出する突起物を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料集合体。