JP2523674B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

沸騰水型原子炉用燃料集合体

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JP2523674B2
JP2523674B2 JP62211258A JP21125887A JP2523674B2 JP 2523674 B2 JP2523674 B2 JP 2523674B2 JP 62211258 A JP62211258 A JP 62211258A JP 21125887 A JP21125887 A JP 21125887A JP 2523674 B2 JP2523674 B2 JP 2523674B2
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庄一 渡辺
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    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体に関
する。
(従来の技術) 従来、沸騰水型原子炉に用いられている8×8型燃料
集合体を第8図を参照して説明する。この燃料集合体1
は細長い円筒状燃料棒2が多数本結束された結束体によ
り構成されている。この結束体はスペーサ15によって燃
料棒2間が等間隔に保持されており、また結束体内には
燃料棒2の他にウォーターロッド12が組込まれている。
この結束体の外周はチャンネルボックス7で包囲され、
このチャンネルボックス7は上部が上部タイプレート10
に、下部が下部タイプレート11に接合されている。
燃料棒2は被覆管内に図示しない円柱状のUO2燃料ペ
レットが多数装填されたものであり、この被覆管の上下
両端は上部端栓8及び下部端栓9で密閉されている。上
部端栓8は上部タイプレート10中の支持空所に挿入する
ことができる延長部を備えており、また下部端栓9は下
部タイプレート11中の支持空所に嵌合する嵌合部を備え
ている。
前記ウォーターロッド6は下部に冷却水入口孔13が設
けられ、上部には冷却水出口孔14が設けられている。そ
して、このウォーターロッド6内を冷却水が下方から上
方へ流れる構成となっている。
第9図は前記燃料集合体1のIV−IV線に沿う断面図を
示したもので、燃料棒2とウォーターロッド12が8行8
列の格子状に規則正しく並べられている。
(発明が解決しようとする問題点) このような燃料が装荷されて運転されている沸騰水型
原子炉では、冷却水が沸騰し燃料の上下方向に第7図に
示されるようなボイド率分布が生じており、この結果水
素対ウラン原子数比は第5図(a)の分布となる。
軽水を減速材として使用する原子炉、いわゆる軽水炉
においては減速材である水素原子数密度とウラン原子数
の密度の比(以後H/U)は燃料の無限増倍率の燃焼変化
に大きく影響することが知られている。倒えば、標準的
な沸騰水型原子炉(以後BWR)に用いられる燃料におい
て、ボイド率履歴が一定の場合の無限材倍率の燃焼変化
は第3図に示すようになる。即ちボイド率が大きくなり
H/Uが減少することによって中性子スペクトルが硬くな
り燃焼初期の無限増倍率は減少し、一方、転換比が大き
くなるので燃焼にともなう減少率は低くなってくる。
この特性を炉心に装荷された状態で見た場合、例えば
燃料取替割合が1/4の炉心の運転サイクル終了時の炉心
平均無限増倍率Kav[1サイクルに相当する燃焼度(E
c)の整数倍の燃焼度に対応する燃焼度点En=n・Ec
(n=1,2,3,4)における無限増倍率 とH/Uはおよそ第4図に示す関係となる。このように燃
焼を考慮した炉心平均でみた場合、無限増倍率はH/Uに
対して上に凸な曲線となる。
以上は燃料集合体内のボイド率が変化することによっ
てH/Uが変わった場合の例であるが、本発明者等が中性
子拡散理論に基づく燃焼計算により無限増倍率の評価を
行ったところ、ボイド率以外の量が変化してH/Uが変わ
った場合も第4図とほぼ同じ関係が得られることが分か
った。例えばウォーターロッド本数を変化した場合や燃
料棒径を変化させた場合についても無限増倍率とH/Uと
の関係はあまり変化しないことが分かった。
一方、従来のBWR燃料の上下方向のH/Uは先に示した第
5図(a)の分布となっており、この時の無限増倍率は
第10図(a)の範囲となる。さらに、この時炉心平均の
無限増倍率は無限増倍率がH/Uに対して凸であるため、
第10図(a)の○印に示すように炉心平均ボイド率約40
%の無限増倍率より低くなる。この事は逆にいえばH/U
の分布を炉心平均ボイド率の回りになるべく狭く分布さ
せることによって第10図(b)印に示すように炉心平均
の無限増倍率を大きくできることを意味する。
このように従来のBWR燃料では燃料の上下方向にH/Uが
幅広く分布しているため出力運転時での炉心平均の無限
増倍率が十分高められていない。
また、従来のBWR炉心では、炉心軸方向出力分布が下
方ふくらみの状態で燃料が進むため炉心上方での235U燃
え残り量が大きいこと、さらに炉心上方ではボイド率が
高いため、中性子スペクトルが硬く転換比が大きくプル
トニウムの生成割合が大きいことによって核分裂性物質
量が上方で局所的に大きくなる。これは減速材量が十分
にある冷態時において炉心反応度を高める効果をもたら
し、炉停止余裕をそれだけ小さくしている。
〔発明の構成〕
(問題を解決するための手段および作用) 本発明は上記問題点を解決するために、燃料棒が格子
状に規則的に配列してなる燃料集合体において、冷却材
流路の下流側で太く上流側で細いウォーターロッドと上
流側の一部領域のみにウランが装荷され短尺とした長さ
の異なる2種類の部分燃料を組合わせて炉心運転時にお
ける水素対ウラン原子数比を5.0を中心値として4.5から
6.0の範囲で分布させて平坦化したことを特徴とするも
のである。
したがって、本発明によると、水素対ウラン原子数比
を接近させることにより燃料が炉心に装荷された状態で
無限増倍率を最大にすることができる。
(実施例) 本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本発明の一実施例の縦断面図であり、同図に
示すように燃料集合体1は全長燃料2、全長燃料のほぼ
2/3長さの短尺燃料3、全長燃料のほぼ1/3長さの短尺燃
料4、全長のうち下部の1/3が上部の外径のほぼ1/3とな
っているウォーターロッド6を9行9列の正方格子状に
配列して中央部をスペーサー5により束ねて位置が固定
されている。
燃料棒2は上部端栓8により密閉され、上部タイプレ
ート10に固定される。
ウォーターロッド6の上部は燃料のペレットの上端部
に水排出口14が複数個あり、その上部からくびれて細く
なり、上端部が上部端栓8で接続され、さらに上部端栓
8は上部タイプレート10の中心部に固定されている。ウ
ォーターロッド6の下部は全長の約1/3以下の部分でく
びれ、細くなり燃料棒の外径とほぼ等しい外径となる。
下端部には水導入口13があけられ、その下で下部端栓9
と接続され、さらに下部端栓9は下部タイプレート11に
接続されている。また、このウォーターロッド6の下部
における縮小部直下においてスペーサー16により水平方
向位置が固定されている。
全長燃料の約2/3長さの短尺燃料3の上端部はスペー
サー5により固定されており、それより上部では燃料棒
がない。
全長燃料の約1/3長さの短尺燃料4の上端部はスペー
サー16により固定されており、それより上部では燃料棒
がない。
またすべての燃料棒2,3,4はその下端部が下部端栓9
により密閉され、さらにその下部が下部タイプレート11
と接続されている。
第2図(a),(b),(c)はそれぞれ第1図のI
−I線,II−II線,III−III線に沿う断面図である。同図
(a)はスペーサー5より上部の燃料有効部断面を示
し、同図(b)はスペーサー5の下部からウォーターロ
ッド6がくびれる部分より上部の断面を示し、同図
(c)はスペーサー16より下部の燃料有効部断面を示し
ている。
次に、本実施例の作用について説明する。
BWRの運転時の典型的な上下方向ボイド率分布が第7
図に示されている。このようなボイド率分布がある場
合、本実施例ではH/Uが第5図(b)に示されるように
それぞれ4.5以上6.0以下の範囲となり、第5図(a)の
従来例によるH/U分布が4.0ないし7.0の範囲であるのと
比較してH/Uが平坦化されている。
また、短尺燃料3の採用により、第2図(a)部分の
断面の冷却材の流路面積は第2図(b)及び(c)部分
よりも大きくなっている。
さらに、燃料が炉心に装荷された状態での無限増倍率
は、第4図に示されるようにH/Uを平坦化するほど大き
くなる特徴があり、燃料のH/Uを平坦化することによっ
て平均の無限増倍率を大きくできる。この結果、炉心の
反応度を増加でき、取出燃焼度を増すか、あるいは集合
体平均濃縮度を下げることが可能になり燃料経済性を高
めることができる。
また、燃料集合体内部の冷却材圧力損失は、ボイドの
発生しない単層流の流れる燃料下部よりもボイドの混在
する2層流の流れる燃料上部の方が大きいため、本実施
例のように燃料上部の流路面積をふやすことは圧力損失
低下に大きな効果を有する。
さらに、燃料下部では燃料棒本数が増加しており、そ
の分線出力密度を低くできる。
炉停止時の炉心軸方向出力分布は、第11図に示すよう
に軸方向にウラン量が一様に分布した従来炉心に比べて
より平坦化されてピークが中央部にずれている。これは
核分裂性物質量が従来のものよりも、下方により多く分
布していることを意味し、炉心上方での局所的の核分裂
性物質量分布の集中がさけられ、その結果炉停止時の反
応度を低減することができる。本実施例では従来のもの
よりも炉停止余裕を1%ΔKだけ増すことができた。
第6図は本発明の他の実施例の横断面図である。同図
は下部断面を示したもので、1/3短尺燃料4を4本と
し、ウォーターロッドの外径を第1の実施例よりも太く
し、燃料棒外径の約1.5倍としている。この実施例の場
合ウォーターロッドの下部におけり絞りを少なくしてお
り、ウォーターロッド製造が容易になる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、炉心の運転時
において燃料の上部,下部のH/Uを最適値に近づけるこ
とにより炉心の反応度を高めることができるので、燃料
経済性が良くなる。また、定温停止時には反応度をさげ
ることができ、炉停止余裕を大きくできる。さらに、燃
料上部の流路面積を増加でき圧力損失を少なくできるの
で、燃料下部の燃料棒本数を増加することによって線出
力密度制限に対する余裕を大きくすることがきる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の縦断面図、第2図は
(a),(b),(c)はそれぞれ第1図のI−I線,I
I−II線,III−III線に沿う横断面図、第3図はボイド率
が変化した場合の無限増倍率燃焼変化を示す図、第4図
は水素原子対ウラン原子数比と平均無限増倍率との関係
を示す図、第5図(a)及び(b)はそれぞれ水素原子
対ウラン原子数比の軸方向分布の従来例と本発明を比較
した図、第6図は本発明の他の実施例の燃料下部領域の
横断面図、第7図は運転時の典型的なボイド率軸方向分
布図、第8図は従来型8行8列燃料の縦断面図、第9図
は第8図の横断面図、第10図(a)及び(b)はそれぞ
れ従来及び本発明のH/Uと無限増倍率の関係を示す図、
第11図は低温時制御棒挿入時の出力分布を示す図であ
る。 1……燃料集合体 2……全長燃料棒 3……2/3短尺燃料棒 4……1/3短尺燃料棒 5……2/3短尺燃料棒を束ねるスペーサー 6……ウォーターロッド 7……チャンネルボックス 8……上部端栓 9……下部端栓 10……上部タイプレート 11……下部タイプレート 12……従来のウォーターロッド 13……ウォーターロッドの水導入口 14……ウォーターロッドの水排出口 15……従来のスペーサー 16……1/3の短尺燃料を束ねるスペーサー
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−50498(JP,A) 特開 昭57−161582(JP,A) 特開 昭59−92389(JP,A) 実開 昭62−79196(JP,U) 実開 昭62−10695(JP,U)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料棒が格子状に規則的に配列してなる燃
    料集合体において、冷却材流路の下流側で太く上流側で
    細いウォーターロッドと上流側の一部領域のみにウラン
    が装荷され短尺とした長さの異なる2種類の部分長燃料
    を組合わせて炉心運転時における水素対ウラン原子数比
    を5.0を中心値として4.5から6.0の範囲で分布させて平
    坦化したことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合
    体。
  2. 【請求項2】燃料集合体が上下方向にほぼ等しい長さの
    上部,中央部,下部の3領域に区分され、上部と中央部
    領域のウォーターロッドの直径が下部領域より大きく、
    短い部分長燃料は下部領域のみにウランが装荷され、長
    い部分長燃料は中央部領域と下部領域のみにウランが装
    荷されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
  3. 【請求項3】9行9列配置の燃料集合体において、上部
    および中央部領域の直径を燃料棒ピッチの約3倍とし、
    下部領域の直径を燃料棒の外径とほぼ同じとしたウォー
    ターロッドを燃料集合体の中心部に配置し、下部領域に
    おいてウォーターロッドに隣接する格子位置に4本また
    は8本の短い部分長燃料を配置することを特徴とする特
    許請求の範囲第2項記載の沸騰水型原子炉用燃料集合
    体。
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US07/235,629 US4968479A (en) 1987-08-27 1988-08-24 Fuel assembly for nuclear reactor
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