JP2559446B2 - 燃料集合体 - Google Patents

燃料集合体

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JP2559446B2
JP2559446B2 JP63035270A JP3527088A JP2559446B2 JP 2559446 B2 JP2559446 B2 JP 2559446B2 JP 63035270 A JP63035270 A JP 63035270A JP 3527088 A JP3527088 A JP 3527088A JP 2559446 B2 JP2559446 B2 JP 2559446B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料集合体に係り、特に短尺燃料棒を有す
る燃料集合体に関するものである。
〔従来の技術〕
従来の原子炉用燃料棒は、ジルコニウム合金製の被覆
管内中に燃料ペレツトを装填し、上下両端をジルコニウ
ム系合金製またはステンレス鋼製の端栓で密封したもの
である。被覆管は燃料棒内にて生成される核分裂生成物
(FPガス)が冷却材中に漏洩するのを防止している。燃
料棒内の圧力が過大に上昇するのを防ぐため、被覆管内
の上端部ガスプレナムを設けている。ガスプレナム内に
は、燃料取扱時に燃料ペレツト2が移動しないように、
しかも原子炉で使用されたときに被覆管と燃料ペレツト
の軸方向膨張差を吸収できるようにインコネル系合金,
ステンレス鋼もしくは、ピアノ線よりなるコイルスプリ
ングが配置されている。コイルスプリング6は、絶縁体
を介して燃料ペレツトを下向きに押圧保持している。
一方、高燃焼度の燃料集合体が最近多く提案されてい
る。その1つの燃料集合体として、熱的余裕の増加及び
圧損低減等を目的とした短尺燃料棒を有する燃料集合体
がある。これは、最外周から第二列目の燃料棒のうち4
本ないし8本を他の燃料棒よりも短くし、燃料棒の長さ
が短くなることにより作られた空間は冷却材の通路にし
ている。この燃料集合体は、二相流部で短尺化された燃
料棒自身及びその周囲の燃料棒の熱的余裕の増加と、冷
却材流路面積増加による二相流部の圧力損失低減を図つ
たものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は、燃料の高燃焼度化のために、短尺燃
料棒を用いることによる中性子経済性の低下の点につい
て配慮がなされておらず短尺燃料棒のまわりの燃料棒の
燃焼度が低下するという問題があつた。
本発明の目的は、短尺燃料棒を用いた場合でも、中性
子経済性を向上できる燃料集合体を提供することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するための第1の手段は、該燃料ペレ
ットを充填した第1燃料棒と、核燃料ペレットを充填し
前記第1燃料棒よりも軸方向長さが短い第2燃料棒とを
有する燃料集合体において、前記第2燃料棒は、その上
端部及び下端部の両方にガスプレナムを有し、該第2燃
料棒の上端部のガスプレナムの軸方向長さが、前記第1
燃料棒の上端部のガスプレナムの軸方向長さよりも短
く、前記第2燃料棒の下端部のガスプレナム内に、前記
第1燃料棒の上端部のガスプレナム内のスプリングより
も中性子吸収断面積が小さな円筒状の支持部材を設け
る。
また、第2の手段は、核燃料ペレットを充填した第1
燃料棒と、核燃料ペレットを充填し前記第1燃料棒より
も軸方向長さが短い第2燃料棒とを有する燃料集合体に
おいて、前記第2燃料棒の上端部のガスプレナム内のス
プリングの材料を、前記第1燃料棒の上端部のガスプレ
ナム内のスプリングの材料よりも中性子吸収断面積が小
さいものとする。
〔作用〕
第1の手段によれば、第2燃料棒の上端部のガスプレ
ナム長さを短くすると共に、第2燃料棒の下端部のガス
プレナム内の支持部材の中性子吸収断面積を小さくする
ことにより、第2燃料棒の上端部及び下端部のガスプレ
ナムにおいて無駄に吸収される中性子の量を低減できる
ので、中性子経済性を向上することができる。
また、第2の手段によれば、第2燃料棒の上端部のガ
スプレナム内のスプリングに中性子吸収断面積が小さな
材料を用いることにより、第2燃料棒の上端部のガスプ
レナムにおいて無駄に吸収される中性子の量を低減でき
るので、中性子経済性を向上することができる。
〔実施例〕
本発明の好適な一実施例である燃料集合体を第1図及
び第2図に基づいて説明する。
本実施例の燃料集合体9は、上部タイプレート14及び
下部タイプレート15を有し、多数の燃料棒11の上下端部
が上部タイプレート14及び下部タイプレート15に保持さ
れ、燃料棒11よりも軸方向の長さが短い短尺燃料棒10が
下部タイプレート15にネジ結合によつて保持されてい
る。燃料集合体9は、第2図に示すように横断面の中央
部に太径の2本の水ロツド16を配置している。水ロツド
16の直径は燃料棒の配列ピツチよりも大きく、2本の水
ロツド16は7本の燃料棒が配置される空間に隣接して配
置されている。水ロツド16は、下部タイプレート15に保
持される。短尺燃料棒10は、第2図に示すように燃料集
合体横断面のコーナ部付近に配置される。
短尺燃料棒10を含む燃料棒11の束は、チヤンネルボツ
クス13によつて囲まれる。チヤンネルボツクス13は、上
部タイプレート14に取付けられる。燃料棒は、9行9列
に配置されている。燃料棒11は、ジルコニウム合金(ジ
ルカロイ−2又はジルカロイ−4が一般的)製の被覆管
21内に燃料ペレツト22を充填し、被覆管21の上下端を被
覆管21と同一材料にて作られた端栓23,24で密封したも
のである。燃料棒21内でその上端部にFPガスを捕集する
ガスプレナム25を有している。また、燃料ペレツト22が
輸送中に滑動しない様に、しかも原子炉内で燃焼中に被
覆管21と燃料ペレツト22の軸方向膨張差を吸収する様
に、インコネル系合金,ステンレス鋼またはピアノ線に
て製作されるコイルスプリング6がガスプレナム25内に
配置されている。ガスプレナム25の軸方向長さLPは、原
子炉運転中でのFPガス放出による燃料棒22の内圧増加を
抑制して被覆管21の機械的健全性を確保できるように定
められている。
次に短尺燃料棒10の構成を第3図により説明する。短
尺燃料棒10は、上下端部を端栓3,4にて密封された被覆
管(ジルコニウム合金製)2内に燃料ペレツト22を充填
している。短尺燃料棒10は、内部で上端部に長さLUのガ
スプレナム5を、下端部に長さLDのガスプレナム5Aを有
している。ガスプレナム5の軸方向長さは、ガスプレナ
ム25のそれよりも短かい。短尺燃料棒10のガスプレナム
5の上端は、燃料棒21の燃料有効長(燃料ペレツト22が
充填された領域の軸方向長)の上端よりも下方に位置し
ている。ガスプレナム5内には、Zr−Nb合金、ジルカロ
イ−2またはジルカロイ−4等のジルコニウム合金を強
伸線加工してなるコイルスプリング6Aを配置している。
コイルスプリング6Aは、コイルスプリング6よりも、微
視的中性子吸収断面積の小さな物質で構成される。コイ
ルスプリング6Aの軸方向長さLUも中性子吸収を抑制する
意味からできるだけ短くする。すなわち LU≧ΔLE+Lsolid …(1) ここで、ΔLEは原子炉運転中に生じる被覆管2と燃料
ペレツト22との軸方向膨張差、及びLsolidはコイルスプ
リング6Aの密着高さである。
短尺燃料棒10のガスプレナム5の長さは、原子炉運転
中に燃料ペレツト22が軸方向に膨張したとき、コイルス
プリング6Aが密着しないだけの初期長さを有している。
FPガスの補集に必要なガスプレナム容積は、ガスプレナ
ム5Aの容積との合計で確保する。ガスプレナム5A内にス
リーブ7が配置され、スリーブ7は絶縁体8Aを介して燃
料ペレツト22を支持している。8も絶縁体である。
短尺燃料棒10に用いるコイルスプリング6Aは通常の圧
縮コイルスプリングとし、その材料は前述したようなZr
基合金とする。特に、Zr−Nb系合金は燃料棒11に用いら
れるステンレス線材またはインコネル線材製のコイルス
プリング6に比べ、微視的中性子吸収断面積が約1/20と
なる。しかも、Zr−Nb系合金製のコイルスプリング6A
は、Nbの添付量,加工率及び熱処理条件を適正化するこ
とによつて高強度のバネ特性を持たせうる。更に、Zr−
Nb系合金は、強伸線加工により高強度化をはかりうるの
で短尺燃料棒10のコイルスプリング材として最適であ
る。またジルカロイ−2及びジルカロイ−4も強伸線加
工してコイルに成型すれば高強度になる。Zr−Nb系合金
としては、Nbを5〜25重量%を含んでいる。
短尺燃料棒10の上下のガスプレナム5.5Aの軸方向長さ
の合計量は短長燃料棒10の長さが燃料棒11の長さよりも
短くなる分だけ燃料ペレツト22が少なくFPガスの全放出
量が減少するので、燃料棒11のガスプレナム25の軸方向
長さよりも短くできる。さらにガスプレナム5Aはガスプ
レナム5よりも温度が低いため、FPガスの捕集という観
点からは、ガスプレナム5よりも有効であるので、短尺
燃料棒10の全プレナム長の短尺化が図れる。すなわち下
部のガスプレナム5Aの軸方向長としての必要な長さは、 LD≧LP−ΔLf−LU …(2) LP:燃料棒11のガスプレナム25の長さ LU:短尺燃料棒10の下部のガスプレナム5Aの長さ ΔLf:短尺燃料棒10のために生じる全ガスプレナム長の
短縮量 ガスプレナム5Aを用いることの効果は、スリーブ7を
ガスプレナム5A内に配することによつて短尺燃料棒10の
高燃焼度化が図れる。すなわち上部のみに同一長さのガ
スプレナムを有する燃料棒よりペレツト有効長さ部を熱
中性子束の高い軸方向中央部にずらすことができるため
(第4図参照)、燃料物質の有効燃焼が図れる。
スリーブ7はコイルスプリング6Aの材料と同じZr−Nb
系合金にて構成され、中性子吸収量を減少させている。
スリーブ7は構造原子炉運転中に構造が降伏しないよう
にしかもスリーブ7の体積が最小になり、FPガスの通過
が容易になるように第5図及び第6図に示す構造にする
とよいスリーブ7にて燃料ペレツトを軸方向に支持して
FPガスは通過孔17を通して下部のガスプレナム5Aに捕集
する。
以上述べた実施例は下記の効果を得ることができる。
(i)燃料棒11の燃料有効長上端よりも下方に位置する
上部のガスプレナム5の長さを(1)式で制限すること
により、コイルスプリング6Aの体積を減少でき、コイル
スプリング6Aによる中性子吸収量が減少する。
(ii)コイルスプリング6A及びスリーブ7にZr−Nb系合
金を用いることで中性子吸収が減少する。
(iii)スリーブ7を用いて燃料ペレツトを軸方向中央
部にずらすことで短尺燃料棒10の有効燃焼がはかれる。
第1図の燃料集合体は、従来例で述べた短尺燃料棒を
有する燃料集合体で得られる機能も生じる。すなわち、
燃料集合体の高燃焼度化,燃料棒の熱的余裕の増加及び
二相流部の圧力損失の低減が図れる。
燃料棒11の上端部に位置するガスプレナムと短尺燃料
棒10の上端部に位置するガスプレナムとの高さを等しく
した場合において、短尺燃料棒10の上記ガスプレナムに
配置されたコイルスプリングを、燃料棒11の上記ガスプ
レナム内のコイルスプリング(上記コイルスプリングの
長さと等しい)よりも微視的中性子吸収断面積の小さな
材料にて構成してもよい。この例においても、中性子経
済が従来例よりも向上する。しかし、中性子経済の向上
の度合は、第1図の実施例よりも小さい。
また、燃料棒11の上端部に位置するガスプレナム内に
配置されるコイルスプリングと短尺燃料棒10の上端部に
位置するガスプレナム内に配置されるコイルスプリング
との材質を同じくした場合において、短尺燃料棒10のガ
スプレナムの高さを燃料棒11のその高さよりも短くして
短尺燃料棒10のコイルスプリングの体積を燃料棒11のコ
イルスプリングの体積よりも小さくしても、従来例より
も中性子経済が向上する。しかし、第1図の実施例程
は、中性子経済が向上しない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、短尺燃料棒を用いた場合でも、短尺
燃料棒のガスプレナムにおいて無駄に吸収される中性子
の量を低減できるので、中性子経済性を向上することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である燃料集合体の縦断面
図、第2図は第1図のII−II断面図、第3図は第1図の
短尺燃料棒の構成図、第4図は軸方向における熱中性子
束及びボイド率分布の特性図、第5図及び第6図は、下
部プレナム内のスリーブの構成図である。 2,21……被覆管、5,5A,25……ガスプレナム、6,6A……
コイルスプリング、7……スリーブ、9……燃料集合
体、10……短尺燃料棒、11……燃料棒、14……上部タイ
プレート、15……下部タイプレート、22……燃料ペレツ
ト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安田 哲郎 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭61−264290(JP,A) 特開 昭63−127190(JP,A) 特開 昭64−23195(JP,A) 特公 昭61−13196(JP,B1) 特公 平4−37391(JP,B2)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】核燃料ペレットを充填した第1燃料棒と、
    核燃料ペレットを充填し前記第1燃料棒よりも軸方向長
    さが短い第2燃料棒とを有する燃料集合体において、 前記第2燃料棒は、その上端部及び下端部の両方にガス
    プレナムを有し、 該第2燃料棒の上端部のガスプレナムの軸方向長さが、
    前記第1燃料棒の上端部のガスプレナムの軸方向長さよ
    りも短く、 前記第2燃料棒の下端部のガスプレナム内に、前記第1
    燃料棒の上端部のガスプレナム内のスプリングよりも中
    性子吸収断面積が小さな円筒状の支持部材を設けたこと
    を特徴とする燃料集合体。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記第2燃料棒の上端
    部のガスプレナム内のスプリングの体積は、前記第1燃
    料棒の上端部のガスプレナム内のスプリングの体積より
    も小さいことを特徴とする燃料集合体。
  3. 【請求項3】核燃料ペレットを充填した第1燃料棒と、
    核燃料ペレットを充填し前記第1燃料棒よりも軸方向長
    さが短い第2燃料棒とを有する燃料集合体において、 前記第2燃料棒の上端部のガスプレナム内のスプリング
    の材料は、前記第1燃料棒の上端部のガスプレナム内の
    スプリングの材料よりも中性子吸収断面積が小さいこと
    を特徴とする燃料集合体。
  4. 【請求項4】請求項3において、前記第2燃料棒の上端
    部のガスプレナム内のスプリングがZr−Nb合金製である
    ことを特徴とする燃料集合体。
  5. 【請求項5】請求項3において、前記第2燃料棒の下端
    部のガスプレナム内に、前記第1燃料棒の上端部のガス
    プレナム内のスプリングよりも中性子吸収断面積が小さ
    な円筒状の支持部材を設けたことを特徴とする燃料集合
    体。
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JPS61123261U (ja) * 1985-01-22 1986-08-02

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