JP2504514B2

JP2504514B2 - 原子炉燃料集合体

Info

Publication number: JP2504514B2
Application number: JP63079056A
Authority: JP
Inventors: 徹光武; 精植田; 次郎木村
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JPH01250894A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は原子炉燃料集合体に係り、特に水減速原子炉
の燃料集合体に関するものである。

（従来の技術）最近の水減速炉、特にその主流たる軽水減速型原子炉
においては、原子力プラントの運転コスト低減のため、
長期サイクル運転とこれを実現するための燃料集合体の
経済的燃焼方法が検討されている。また、経済性の向上
に伴う炉心運転特性への影響を軽減するための燃料の改
良が必要とされている。

一般に、水減速型原子炉、例えば沸騰水型原子炉（BW
R）で用いられている燃料集合体では、炉心の実効増倍
率は四因子公式を用いて、次式のように表すことができ
る。

ｋ_eff＝ε・η・ｆ・ｐ・Ｐ_L ………（１）ここで、ｋ_eff：炉心の実効増倍率 ε ：高速中性子の核分裂効果 η ：再生率ｆ：熱中性子利用率ｐ：共鳴を逃れる確率Ｐ_L ：炉心から中性子が漏れる割合第５図は、従来の沸騰水型軽水炉で採用されている燃
料集合体の断面形状の一例を示す図で、燃料集合体１
は、チャンネルボックス２と、このチャンネルボックス
２内に８行８列の正方格子形状に配列された燃料棒３
と、チャンネルボックス内の水平断面中央部に配置され
た２本の水ロッド４とから構成されている。

この水ロッド４は、その内部に非沸騰水を貫流させ
て、この水の中性子減速効果により、燃料集合体中央部
における熱中性子束の低下を緩和し、熱中性子利用効率
を向上させて、上記実効増倍率を大きくする役割を果し
ている。

近年、燃料の効率的燃焼を実現するための設計が検討
されており、例えば、水ロッドの本数を増やしたり、ロ
ッド径を大きくする等して、水ロッドの断面積を大きく
する手段が検討されている。

即ち、水ロッドの断面積を大きくすることにより、炉
心内のH/U比（水素原子対核分裂性ウラン原子）を増し
て中性子の減速（熱化）を効果的に行わせ、中性子の増
倍率を高めようとするものである。

例えば、第６図に示すように、チャンネルボックス２
内に細径の燃料棒５を９行９列の正方格子形状に配列
し、このチャンネルボックス２内の水平断面中央部に配
置する９本の細径燃料棒の代わりに１本の太径水ロッド
６を配置した構成の燃料集合体が検討されている。

ところで上述したように、水ロッドの断面積を増し、
燃料棒ピッチを小さくしていくと、冷却材の分布は燃料
棒と水ロッド周囲で異なり、水ロッドの周囲に多くの冷
却材が集まる傾向を示すようになる。第６図に示したよ
うな格子配列では、上述のように燃料の効率的燃焼の観
点からは良い特性を持つものの、冷却材が水ロッド６周
辺に集り燃料棒５の冷却に寄与しない構造となっている
ため、燃料棒の効果的冷却の観点からは良い構造とはい
えなかった。

また、このような傾向は、燃料棒を２種類の燃料棒ピ
ッチＰ₁、Ｐ₂を採用して配列させた燃料集合体、例え
ば、第７図に示すように、３行３列からなる燃料棒７を
小単位として、この小単位８をチャンネルボックス２内
に８組収容した構成とし、チャンネルボックス２の断面
中央部に小単位８に相当する大きさの太径水ロッド６を
配置した構成の燃料集合体１では、燃料棒７がピッチの
広い流路、特に太径水ロッドの対角位置の比較的大きな
流路面積の部分に冷却材が集まるため、燃料棒ピッチの
狭い流路で冷却材流量が減少し、熱的限界出力が従来の
均一格子配列に比べて低下すると考えられる。

ところで、燃料集合体内の冷却材流量分布に影響を与
えるものとしては、上述した燃料集合体の断面内格子形
状の他に、燃料棒スペーサがある。

第８図に示すように、燃料棒スペーサ９は、燃料棒７
を支持するとともに、所定の燃料棒間隔を確保する目的
で設置されている。

第９図は、このような燃料棒スペーサとして、第７図
に示した２種類の燃料棒ピッチＰ₁、Ｐ₂を採用した格子
形状の燃料棒支持に用いられる燃料棒スペーサを示す図
で、燃料棒スペーサ９は、格子交点状に配置されたリン
グ10a、10b、10cと、これらリング10a、10b、10cを夫々
連結して支持するリング支持格子11とから構成されてい
る。そして、燃料棒７間の非一様なギャップ間隙を確保
するために、燃料棒７の対角位置のギャップ部のリング
10a、10bの直径を変えて、異なる燃料棒ピッチを含む燃
料棒を支持している。

一般に、燃料棒スペーサ９は、燃料集合体の軸方向７
ヶ所に設置されており、この燃料棒スペーサ９により、
燃料棒群の集合体形状が維持されている。なお、リング
10には、第10図に示すように円筒状リング本体の表面
に、燃料棒と当接する凸部12が複数形成されている。

この燃料棒スペーサの設計において考慮されている点
には、燃料棒間隔の保持、燃料棒振動の抑制、燃料棒熱
膨脹のゆとり、燃料集合体組立ての容易さ、燃料棒との
接触面積の最小化、熱的限界出力の最大化、圧力損失の
最小化、寄生的中性子吸収の最小化、部品点数の最小化
等がある。

燃料棒スペーサ部では、スペーサ上流側の冷却材流量
分布に対して、燃料棒スペーサの断面内圧力損失分布と
冷却材流れへの強制力の作用により、断面内で流量再配
分が起こる。

燃料棒スペーサによって再配分された流量分布は、下
流側で燃料棒スペーサのない幾何形状に対応する流量分
布に漸近するが、平衡分布に到達するに要する距離は、
集合体入口から沸騰開始点までの水単相流状態で流路の
水力等価直径の数10倍であり、より下流側の二相流状態
ではさらに長い距離が必要である。

軸方向スペーサ間隔は薬50cm、流路の水力等価直径
は、８行８列配列の燃料集合体で約1.3cmであるから、
スペーサとスペーサの間では流量分布はスペーサによる
流量再配分の影響が及んでいる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述した従来の燃料棒スペーサでは、
スペーサの流量再配分効果を考慮した設計か行われてい
ないので、燃料棒配置およびそれを支持するスペーサ等
で定まる断面内の圧力損失分布により冷却材流量分布が
与えられるため、上述の太径水ロッド、２種類の燃料棒
ピッチ等の導入により燃料棒の効果的冷却が悪化して
も、燃料棒スペーサはその改善に寄与することができな
いという問題があった。

このような燃料の経済的燃焼に伴う熱的限界出力の減
少は、炉心の設計余裕は少なくし、運転性の悪化につな
がる恐れがある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされた
もので、２種類の燃料棒ピッチを有する集合体内におい
て、冷却材流量分布の偏りによって生じる熱的限界出力
の低下を防止し、熱的性能の良好な原子炉燃料集合体を
提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の原子炉燃料集合体は、多数の燃料棒をチャン
ネルボックス内に収容し、前記燃料棒の中心間の距離を
一定にして少数本束ねて小単位を構成し、この小単位を
それぞれ別な小単位に属する隣接した燃料棒の中心間の
距離が当該小単位内の隣接した燃料棒の中心間の距離よ
り大きくなるよう複数組配置し、これら燃料棒群を燃料
棒スペーサにより支持した原子炉燃料集合体において、
前記燃料棒を支持する燃料棒スペーサの当該燃料棒中心
間距離の大きな燃料棒の対角位置の隙間部に、この隙間
部を流れる冷却材の流れの向きを制御する冷却材制御機
構を設けたことを特徴とするものである。

また、燃料棒を支持する燃料棒スペーサの当該燃料棒
中心間距離の大きな燃料棒の対角位置の隙間部に設ける
冷却材制御機構の形状としては、円錐形、または、多角
形とすればよい。

さらに、燃料棒を支持する燃料棒スペーサの当該燃料
棒中心間距離の大きな燃料棒間の隙間部に設ける冷却材
制御機構は、冷却材の流路を狭めるオリフィス形状とし
てもよい。

（作用）本発明は、軸方向に設置された燃料棒スペーサの形状
に、水ロッド周辺に偏る冷却材を燃料棒の冷却に向ける
作用を持たせることによって、スペーサの流量再配分効
果を促進させ、熱的限界出力を向上させる。

燃料棒スペーサの形状は、水ロッドと隣接する燃料棒
との間隔を保持するスペーサ要素には、オリフィス効果
を持たせるような例えば絞り形状をもつ要素を設置し、
スペーサ上流側で水ロッド周辺を流れる冷却材をスペー
サ部では排除し、スペーサ下流側で燃料棒の冷却に用い
る。

また、水ロッド周辺の冷却材をより効果的に燃料棒周
辺に向けるために、燃料棒スペーサの形状は、水ロッド
と隣接する燃料棒との間隔を保持するスペーサ要素例え
ばリングに、冷却材の流れの向きに対して逆円錐形また
は多角形をなす形状を持たせる。その形状によって、水
ロッド周辺の流路を軸方向上方に向かう冷却材に、逆円
錐形または、多角形の面に沿う断面方向の速度成分を与
える流量再配分効果により、スペーサ上流側で水ロッド
周辺を流れる冷却材をスペーサ下流側で燃料棒の冷却に
用いる。

こうして、燃料集合体内を流れる冷却材が水ロッド周
辺に偏在しないようにすることができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について図を参照して説明す
る。

第１図は、２種類の燃料棒ピッチＰ₁、Ｐ₂を採用した
格子形状の燃料棒支持に用いられる燃料スペーサに本発
明を適用した実施例を示す図で、同図は、燃料集合体の
軸方向スペーサ位置の断面図を示している。

燃料棒スペーサ21は、チャンネルボックス22内に格子
交点状に配列された大径リング23a、中径リング23b、小
径リング23cと、これら各リングを連結するリング支持
格子24とから構成されている。

燃料棒25は、このリング23およびリング支持格子24と
から構成される格子内に挿入されており、燃料棒ピッチ
Ｐ₁、Ｐ₂は、上記リング23の径の大きさにより決定され
る。

ところで、流路面積の大きなギャップ部のリングであ
る大径リング23aおよび中径リング23bは、冷却材制御機
構を備えており、この冷却材制御機構は、第２図に示し
たように、リング23内のほぼ中央部に形成された絞り要
素26により構成されている。即ち、この絞り要素26によ
り、冷却材流量が制限され、冷却材の断面分布を是正す
ることが可能となっている。

第３図は、本発明の他の実施例を示す図で、大径リン
グ31aおよび中径リング31bの形状を、冷却材の流れ方向
に対して逆円錐形状としたものである。このようにリン
グ形状を逆円錐形状とすることにより、燃料棒スペーサ
下部より流入する比較的大きな冷却材流量に横方向の速
度ベクトルを加えて、冷却材流量の流れの一部を燃料チ
ャンネルの方向へ変えることができる。

ここで、冷却材の流量分布が燃料集合体内で均一化す
る機構について以下に説明する。

集合体断面内を前述第５図に示したように燃料棒間の
間隙が最少になる点で副流路Ａ（サブチャンネル）に分
割し、簡単のため、副流路Ａ（サブチャンネル）を流れ
る単位面積当りの冷却材流量Ｇ_iのプロフィールが、単
相部のΔＰが等しくなるように定まると仮定する。する
と、各サブチャンネルの単位面積当りの冷却材流量Ｇ_i
は単位面積当りの平均冷却材流量Ｇ_aveを用いて、下記（１）式より与えられる。

Ｇ_i＝Ｆ_g＊Ｇ_ave ………（２）Ｆ_g＝［Ａ_tot＊（Ｄ_i）^1/2］／［nA（Ｄ_h）^1/2＋ｎ_WＡ_W
（Ｄ_hW）^1/2＋ｎ_cＡ_c（Ｄ_hc）^1/2＋ｎ_W/RＡ_W/R］………
（３）ここで、Ａ_tot ：集合体流路断面積Ａ_tot :nA＋ｎ_WＡ_W＋ｎ_cＡ_c＋ｎ_W/RＡ_W/R ｎ：内部サブチャンネルの数ｎ_W/R ：水ロッドに隣接するサブチャンネルの数ｎ_W ：外周サブチャンネルの数（ｎ_cを除く）ｎ_c ：コーナサブチャンネルの数Ｄ_h ：内部サブチャンネル水力直径Ｄ_W/R ：水ロッドに隣接するサブチャンネル水力直径Ｄ_W ：外周サブチャンネル水力直径（ｎ_cを除く）Ｄ_c ：コーナサブチャンネル水力直径Ａ：内部サブチャンネル流路面積Ａ_W/R ：水ロッドに隣接するサブチャンネル流路面積Ａ_W ：外周サブチャンネル流路面積Ａ_c ：コーナサブチャンネル流路面積但し、Ｄ_iは内部サブチャンネル、水ロッドに隣接す
るサブチャンネル、外周、コーナ、それぞれのサブチャ
ンネルの水力直径を表す。

従って、単位面積当りの流量分布は、サブチャンネル
ごとの水力直径の平方根に比例し、また全チャンネル流
量Ｗ_totと全チャンネル流量Ｗ_totから、水ロッドに隣接
する燃料棒の冷却に使われる流量を除いた内部の燃料棒
の冷却に使われる流量Ｗ_rodとの比Ｗ_rod/W_totは以下の
式のように与えられる。

Ｗ_rod/W_tot＝1/｛１＋［Ａ_W/R（Ｄ_W/R）^1/2］／［Ａ_rod
（Ｄ_rod）^1/2］｝ ………（４）ここで、添字_rodは水ロッドに隣接するサブチャンネ
ルを除いた流路に関する量であることを示す。

通常、（Ｄ_W/R）^1/2／（Ｄ_rod）^1/2は１より大、流路
面積比Ａ_W/R/A_rodは0.1程度であるから、内部の燃料棒
の冷却に使われる流量は、全チャンネル流量の90％以下
であり、水ロッド周辺の流路面積が増すとともに燃料棒
の冷却に使われる冷却材流量が少なくなる。

燃料棒スペーサによる流量再配分Ｇ_iをサブチャンネ
ルごとの圧力損失ΔＰが等しくなるように定まると仮定
すると、次式のように与えられる。

Ｇ_i＝（２ρｇΔP/K_i）^1/2 ………（６）ここで、Ｋ_iはサブチャンネルｉの局所圧力損失係数
である。

サブチャンネルごとの局所圧力損失係数はＫ_iは、オ
リフィス効果を持たせたスペーサ要素を含む流路に対し
ては大きくなり、単位面積当りの冷却材流量を抑える作
用がある。

また、水ロッド周辺のスペーサ要素を上述の逆円錐形
状の要素にすることによって逆円錐形の面に沿う強制的
な断面方向の速度成分を与える場合には、鉛直方向との
なす角度をθとして、スペーサ部直下流部の単位面積当
りの冷却材流量Giを、近似的に次式で与える。

Ｇ_i＝Ｇ_i ¹−Ｇ_i ⁰・ε・cosθ ……（６）ここで、Ｇ_i ¹：強制項のない場合のＧ_i Ｇ_i ⁰：スペーサ部入口の軸方向流量 ε :G_i ⁰のうち横方向強制流れを生じる割合（６）式に示すように、スペーサにより強制的横方向
流れが生じ、スペーサ下流部で軸方向の冷却材が減少
し、その減少分は燃料棒の冷却に寄与することができ
る。

本例の燃料スペーサによれば、燃料チャンネルの冷却
に寄与しなかった冷却材の一部が燃料チャンネルの冷却
に使われ、上記（３）式の燃料棒の冷却に使われる流量
比Ｗ_rod/W_totが高まるため、第４図中曲線（ロ）で示し
たように、曲線（イ）で示した従来装置に比べ熱的限界
出力が増加する。

この作用は逆多角形要素でも実現できる。なお、流れの
向きと平行な円錐または、多角形でも流れに対して絞り
要素として作用することができる。

また、従来よりスペーサの圧力損失を流路断面の中心
部で大、周辺部で小となるように構成した燃料集合体が
知られており（特公昭第60-222792号公報参照）、この
場合、中心部と周辺部を最外周ロッドと第２列ロッドの
間で分け、最外周ロッドの熱的余裕の向上を計っている
が、通常の燃料棒出力分布では第２列ロッドで熱的に厳
しくなる例も多いため、限界出力特性の向上を期待でき
なが、本発明によれば、燃料棒の冷却に寄与しない冷却
材流量を減少させ、燃料棒の冷却に与える冷却材の割合
を高めることができる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の原子炉燃料集合体によ
れば、２種類の燃料棒ピッチを有する燃料集合体内にお
いて、冷却材流量分布の偏りによって生じる熱的限界出
力の低下を防止でき、熱的性能を向上させることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は燃料棒スペーサのリングに流れの
絞り要素を導入した実施例を示す図、第３図は、燃料棒
スペーサのリングに冷却材の流れの向きに対して逆円錐
形の流れ制御器を導入した実施例を示す図、第４図は実
施例の効果を熱的限界出力と流量の関係で示した図、第
５図は従来の原子炉燃料集合体を示す断面図、第６図は
９行９列格子形状に配列した燃料集合体に太径水ロッド
を設置した従来の燃料集合体を示す断面図、第７図は燃
料棒ピッチを２種類にした従来の燃料集合体を示す断面
図、第８図は原子炉燃料集合体の外観図、第９図および
第10図は従来の燃料棒スペーサを示す断面図である。 21……燃料棒スペーサ 22……チャンネルボックス 23……リング 24……スペーサ支持格子 25……燃料棒 26……絞り要素 31……リング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−29794（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−31090（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−31089（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−222792（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の燃料棒をチャンネルボックス内に収
容し、前記燃料棒の中心間の距離を一定にして少数本束
ねて小単位を構成し、この小単位をそれぞれ別な小単位
に属する隣接した燃料棒の中心間の距離が当該小単位内
の隣接した燃料棒の中心間の距離より大きくなるよう複
数組配置し、これら燃料棒群を燃料棒スペーサにより支
持した原子炉燃料集合体において、前記燃料棒を支持する燃料棒スペーサの当該燃料棒中心
間距離の大きな燃料棒の対角位置の隙間部に、この隙間
部を流れる冷却材の流れの向きを制御する冷却材制御機
構を設けたことを特徴とする原子炉燃料集合体。