JP2010151494A

JP2010151494A - 高速炉用燃料集合体

Info

Publication number: JP2010151494A
Application number: JP2008327527A
Authority: JP
Inventors: Noboru Kobayashi; 登小林; Tomoyasu Mizuno; 朋保水野
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】局所的な冷却材温度の増大を抑制することができる高速炉用燃料集合体を提供する。
【解決手段】断面多角形のラッパ管１内に、複数の燃料ピン３と、減速材を封入した複数の減速材ピン２とが三角格子状に配列された高速炉用燃料集合体である。ラッパ管１の断面中心には減速材ピン２が配置されている。ラッパ管１における隣接する２角部と断面中心とを頂点とする三角形状の各領域内には、ラッパ管１の壁面から２ピン分の範囲を除いて、所定数の減速材ピン２が分散配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、ラッパ管内に複数の燃料ピンおよび減速材ピンが装荷された高速炉用燃料集合体に関するものである。

従来より、減速材（非燃料物質）を封入した減速材ピンを、燃料ピンに対して所定の割合でラッパ管内に装荷することにより、高速炉炉心のドップラー係数絶対値の増加や冷却材温度係数の低減を図るようにした燃料集合体が提案されている。
このような燃料集合体においては、減速材ピンの周りを流れる冷却材の除熱に対する寄与が小さくなるため、燃料集合体内の冷却材温度が局所的に増大することが知られているが、これを抑制するための方法としては、これまでのところ、燃料集合体単位での配置検討がなされているのみであり、個々の燃料集合体における減速材ピンの配置についての検討は十分になされていなかった。

例えば、減速材ピンを用いた従来の燃料集合体としては、特許文献１に記載のものが知られている。この燃料集合体においては、ケーシングの壁面に沿う環状のピンの配列として、燃料ピンと減速材ピンとが交互に現れる第１配列と、燃料ピンのみからなる第２配列とを設け、それら第１配列および第２配列をケーシングの壁面側から中心部に向けて交互に配置するものとなっている。かかる配置方法によれば、ケーシング横断面全域に減速材ピンを均等配置することができるが、高速炉炉心における減速材ピンの必要本数が増減した場合に、それに応じて減速材ピンの配置や本数を変えることができず、また上述した局所的な冷却材温度の増大にも対応することができなかった。
特開平０７−１９１１７６号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、高速炉炉心における減速材ピンの必要本数が増減しても減速材ピンを適切に配置することができ、これにより局所的な冷却材温度の増大を抑制することができる高速炉用燃料集合体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る高速炉用燃料集合体は、断面多角形のラッパ管内に、複数の燃料ピンと、減速材を封入した複数の減速材ピンとが三角格子状に配列された高速炉用燃料集合体であって、上記ラッパ管の断面中心には減速材ピンが配置されるとともに、上記ラッパ管における隣接する２角部と断面中心とを頂点とする三角形状の各領域内には、上記ラッパ管の壁面から２ピン分の範囲を除いて、所定数（Ｎ本）の減速材ピンが分散配置されていることを特徴とするものである。

上記高速炉用燃料集合体においては、上記ラッパ管の断面形状がＰ角形である場合に、当該ラッパ管内に充填される上記減速材ピンの本数は、Ｐ×Ｎ＋１となる。すなわち、原子炉炉心核設計において「減速材ピンの本数」が決まれば、Ｎを導き出すことができる。

また、上記高速炉用燃料集合体においては、上記ラッパ管における断面中心と角部とを結ぶ各線分上に配置される複数のピンのうち、角部から２番目に配置されるピンを特定ピンとして、隣接する２本の特定ピンと上記断面中心とを頂点とする三角形の重心位置に、上記減速材ピンが配置されている。

本発明によれば、ラッパ管の断面中心に減速材ピンを配置するとともに、ラッパ管における隣接する２角部と断面中心とを頂点とする三角形状の各領域内に、ラッパ管の壁面から２ピン分の範囲を除いて、所定数（Ｎ本）の減速材ピンを分散配置するようにしたので、高速炉炉心における減速材ピンの必要本数が増減しても減速材ピンを適切に配置することができ、これにより局所的な冷却材温度の上昇を抑制することができる。

図１は、本発明に係る高速炉用燃料集合体（燃料ピンパンドル部）の一実施形態を示す横断面図で、図中符号１がラッパ管、２が減速材ピン、３が燃料ピンである。

この高速炉用燃料集合体は、断面多角形のラッパ管１と、このラッパ管１内に三角格子状に配列された多数本のピンとを備える。ラッパ管１内に装填されるピンとしては、燃料ピン３（○印のピン）と減速材を封入した減速材ピン２（●印のピン）の２種類あり、それぞれがラッパ管１内の予め設定された位置に配置されている。本実施形態では、ラッパ管１の断面中心に減速材ピン２が配置されている。また、ラッパ管１における隣接する２角部と断面中心とを頂点とする三角形状の各領域内（図１の一点鎖線で区分けされる各領域）には、ラッパ管１の壁面から２ピン分の範囲を除いて、所定数の減速材ピン２が分散配置されている。その結果、ラッパ管１の壁面から２ピン分の範囲内にあるピンがすべて燃料ピン３となっている。ラッパ管１の断面形状がＰ角形である場合、当該ラッパ管１に装填される減速材ピン２の本数は、Ｐ×Ｎ＋１（本）となる。ここで、Ｎは整数であり、その値は原子炉炉心核設計で決定される。

図１の例では、ラッパ管１の断面形状が正六角形で、Ｎを３としたため、減速材ピン２の本数が１９本、燃料ピン３の本数が３１２本、ピンの総数が３３１本となっている。また、燃料集合体の仕様は、例えば表１のように設定することができ、この燃料集合体を原子炉へ装着したときの垂直方向の出力特性を相対値で表現すると、図２に示すようになる。

減速材ピン２の具体的な配置については、サブチャンネル解析を用いて決定することができる。
サブチャンネル解析とは、原子炉の燃料集合体内部の冷却材流路を、隣接する燃料ピン３どうし或いは燃料ピン３と燃料集合体壁面（ラッパ管１の壁面）との間で区分された並行小流路（サブチャンネル）が集まったものと考え、サブチャンネル間のクロスフローや混合による物質やエンタルピーの移動を考慮して冷却材の質量、運動量及びエネルギー保存式を解くことにより、冷却材の流動や温度分布を解析するモデルである。解析の入力には、燃料ピン３や燃料集合体の形状、冷却材の流量や温度、全燃料ピン３の発熱量およびその分布等が必要となる。減速材ピン２などの非発熱ピンは発熱量がゼロの燃料ピンとして扱う。

燃料ピン２本と減速材ピン１本とで囲まれたサブチャンネル（サブチャンネルＡと称する。）では、燃料ピン３本で囲まれたサブチャンネル（サブチャンネルＢと称する。）と比較して、サブチャンネル流量は同じであるが、冷却材に加えられるエンタルピーが２／３と小さくなることから、温度上昇幅が小さくなる。仮に、サブチャンネルＡとサブチャンネルＢが隣接する場合、両サブチャンネル間で温度上昇幅が異なることから、両サブチャンネル間でエンタルピーが移動することとなる。その結果、サブチャンネルＡに隣接するサブチャンネルＢにおける冷却材温度上昇幅は小さくなる。

以下、具体的なシミュレーションとして、燃料集合体内に減速材ピン２を４９本配置する場合について説明する。
シミュレーションにあたっては、図３（ａ）に示すように、ラッパ管１における断面中心（図の配置で１−ａの位置）と隣接する２角部（図の配置で１１−ａと１−ｋの位置）とを頂点とする三角形状の領域に、ピン（燃料ピン３または減速材ピン２）が三角格子状に配置されるものとして、図３（ｂ）に示すように、２１通りの減速材ピン２の配置パターンについてシミュレーションを行い、減速材ピン２の最適配置を模索した。

図４は、シミュレーションにより求めた各パターンの冷却材最高温度を示すもので、縦軸が冷却材最高温度、横軸がパターン番号を示している。また、この図４には、基本配置（パターン０）として、減速材ピン無しの場合の冷却材最高温度も併せて示している。
この図から明らかなように、パターン１９の冷却材最高温度が最も低く、パターン１〜２１の中ではこれが最良の方法であることが分かる。
また、全体の傾向として、燃料集合体の中心付近に減速材ピン２が集中しているパターン（例えばパターン１，２）よりも、分散しているパターン（例えばパターン１５，１９）の方が冷却材最高温度が低くなることが分かる。例えば、パターン１９では、冷却材最高温度が６０１．０℃となり、パターン１よりも８．９℃温度上昇を抑制することができる。

次に、原子炉炉心設計の出力検討段階で、燃料集合体内の減速材ピン２の収納本数が異なってくる場合を想定し、それぞれの本数について、減速材ピン２の最適配置をシミュレーションにより求めた。
ここでは、原子炉炉心設計の出力検討段階で決定される減速材ピン２が、１３本（Ｎ＝２）、１９本（Ｎ＝３）、２５本（Ｎ＝４）、３１本（Ｎ＝５）、３７本（Ｎ＝６）および４３本（Ｎ＝７）である場合について、前述した４９本（Ｎ＝８）の場合と同じ要領で、冷却材最高温度が最も低くなるパターンをシミュレーションにより求めた。

図５は、それぞれの本数における最適パターン（冷却材最高温度が最も低くなるパターン）を示すもので、この図に示すように、減速材ピン無しの場合に冷却材最高温度が６０１．７℃となるのに対して、減速材ピン１３本の場合には冷却材最高温度が６０５．５℃、１９本では６０２．６℃、２５本では６０１．７℃、３１本では６０２．１℃、３７本では６０２．８℃、４３本では６０２．４℃となることが分かった。

図６は、図５の各パターンにおける減速材ピン２の分布を示すもので、図中、Ａは燃料集合体中心（ラッパ管１の断面中心）、Ｂは三角形重心位置（燃料集合体中心Ａとラッパ管１の角部とを結ぶ各線分上に配置される複数のピンのうち、角部から２番目に配置されるピン（図３の１０−ａと１−ｊの位置のピン）を特定ピンとして、隣接する２本の特定ピンと燃料集合体中心Ａとを頂点とする三角形の重心位置）、Ｃは第一領域（燃料集合体中心Ａと三角形重心位置Ｂと一方の特定ピンとを頂点とする三角形により囲まれる領域であって、燃料集合体中心Ａ、三角形重心位置Ｂおよび後述する線分上Ｅを除く領域）、Ｄは第二領域（三角形重心位置Ｂと２本の特定ピンとを頂点とする三角形により囲まれる領域であって、三角形重心位置Ｂを除く領域）、Ｅは燃料集合体中心Ａと三角形重心位置Ｂと結ぶ線分上、をそれぞれ示してる。

この図から明らかなように、燃料集合体中心Ａと三角形重心位置Ｂには、必ず減速材ピン２が配置され、減速材ピン２の本数が４９本以下の場合には、第一領域Ｃおよび第二領域Ｄの最大配置本数がそれぞれ３本、線分上Ｅの最大配置本数が１本となることが分かる。また、何れの場合も、燃料集合体中心Ａと三角形重心位置Ｂとを通る直線に対して、減速材ピン２が対称に配置されていることが分かる。

なお、減速材ピン２が１９本の場合の最適パターンは、全体を表すと、図１に示すようなパターンとなる。この最適パターンと、減速材ピン無しのパターンと、減速材ピン２をラッパ管１の断面全域に均等配置したパターンについて、横断面の径方向の各位置における冷却材温度上昇幅（冷却材最高温度と冷却材入口温度との差）をそれぞれ求めると、図７に示すような分布となる。

この図７から分かるように、減速材ピン無しの場合に冷却材温度上昇幅が２０６．７℃であるのに対して、減速材ピン２を全域均等配置した場合には２１０．７℃迄上昇するが、本発明で選定した最適パターンでは２０５．３℃に抑えることができ、減速材ピン２を全域均等配置した場合に対して５．４℃の改善効果を得ることができる。また、減速材ピン無しの場合に対しては１．４℃の改善効果があることが分かる。

以上のように、本実施形態によれば、ラッパ管１の断面中心に減速材ピン２を配置するとともに、ラッパ管１における隣接する２角部と断面中心とを頂点とする三角形状の各領域内に、ラッパ管１の壁面から２ピン分の範囲を除いて、所定数（Ｎ本）の減速材ピン２を分散配置するようにしたので、高速炉炉心における減速材ピン２の必要本数が増減しても減速材ピン２を適切に配置することができ、これにより局所的な冷却材温度の上昇を抑制して、冷却材最高温度と冷却材入口温度との差を一定範囲内に納めることができる。
また、冷却材の配分流量を増加させなくとも、燃料集合体出口温度の高温化、燃料集合体ピンバンドル部の圧力損失の増加を回避することができる。

シミュレーションによれば、燃料ピンパンドル部のラッパ管１から内側２層に減速材ピン２を配置しないことにより、冷却材温度上昇を１３．０℃抑制することができ、また、パターン１９のように減速材ピン２を適切に配置することにより、冷却材温度上昇を７．９℃抑制することができる。

なお、本実施形態では、燃料集合体への燃料ピン３および減速材ピン２の収容総数を３３１本としたが、それ以外の収容総数であっても、同様にシミュレーションによって最適な減速材ピン２の配置を求めることが可能である。

本発明に係る高速炉用燃料集合体の一実施形態を示す横断面図である。表１の燃料集合体を原子炉へ装着したときの垂直方向の出力特性のを示すグラフである。減速材ピンの配置パターン例を示す図である。図３の各パターンの冷却材最高温度を示すグラフである。減速材ピンの本数が変化した場合の最適パターンの一例を示す図である。図５の各パターンにおける減速材ピンの分布を示す図である。燃料集合体の横断面の径方向の各位置における冷却材温度上昇幅を示すグラフである。

符号の説明

１ラッパ管
２減速材ピン
３燃料ピン

Claims

断面多角形のラッパ管内に、複数の燃料ピンと、減速材を封入した複数の減速材ピンとが三角格子状に配列された高速炉用燃料集合体であって、
上記ラッパ管の断面中心には減速材ピンが配置されるとともに、
上記ラッパ管における隣接する２角部と断面中心とを頂点とする三角形状の各領域内には、上記ラッパ管の壁面から２ピン分の範囲を除いて、所定数の減速材ピンが分散配置されていることを特徴とする高速炉用燃料集合体。
上記ラッパ管の断面形状がＰ角形である場合に、当該ラッパ管内に充填される上記減速材ピンの本数は、Ｐ×Ｎ＋１（本）であって、上記Ｎが任意の整数であることを特徴とする請求項１に記載の高速炉用燃料集合体。
上記ラッパ管における断面中心と角部とを結ぶ各線分上に配置される複数のピンのうち、角部から２番目に配置されるピンを特定ピンとして、
隣接する２本の特定ピンと上記断面中心とを頂点とする三角形の重心位置に、上記減速材ピンが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高速炉用燃料集合体。