JP2711342B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、一本または複数本の大口径中空管状要素
と、燃料被覆管内部に上部のプレナム室を残してほぼ下
端まで燃料物質を装填してなる複数の全長燃料棒とを９
行９列の正方格子状配列に従うバンドル中に含み、これ
ら全長燃料棒及び大口径中空管状要素の上下端部を上部
タイプレートと下部タイプレートによって支持すると共
に胴部の複数のスペーサによってバンドル形状に保持し
てなる沸騰水型原子炉（BWR）用燃料集合体に関するも
のであり、特にその水力学的不安定性の改善に関するも
のである。

［従来の技術］ ８×８型燃料集合体 第３図には、従来よりBWRで実用に供されている８×
８型燃料集合体が炉心に装荷された状態の横断面図で示
されている。

図において、全体を符号80で示す８×８型燃料集合体
（以下、従来型８×８燃料という）は、NO.1〜NO.62の
計62本の燃料棒81と、内部に燃料物質を含まず中空で冷
却材（冷却水）を流通する二本のウォータロッドwrとを
８行８列の正方格子状に配列してバンドルとし、これを
ジルカロイ製のチャンネルボックス10に収めたものであ
り、図示のように十字型制御棒１及び計装管ｉに隣接し
て原子炉に装荷される。原子炉の出力運転中においては
冷却材が燃料集合体内外を下部から上部に向って流れ、
燃料棒81の発生熱を除去する。その際、冷却材流路はチ
ャンネルボックス10によりインチャンネル領域Ｉとバイ
パス領域Ｂとに区物されるが、原子炉の出力運転中に発
生する熱量のうち、約98％は燃料の核分裂に伴ってイン
チャンネル領域Ｉに発生する。この熱量は、炉心流量の
約90％をインチャンネル領域Ｉに流すことにより除去さ
れる。

また、この従来型８×８燃料80の全体的な構造は第４
図に示す通りである。

第４図において、燃料棒81とウォータロッドwrの上下
部端栓（図示せず）は、ステンレス鋼製の上部タイプレ
ート２及び下部タイプレート３によって夫々固定され
る。また、集合体軸方向に一定間隔をあけて複数の支持
格子ｓが配されており、バンドルの燃料棒相互間隔が保
たれるようになっている。

燃料棒 第５図は燃料棒81の内部構造を示し、燃料物質82がジ
ルカロイ製の被覆管83中に装填されており、被覆管83の
上下両端はジルカロイ製の上部端栓84及び下部端栓85に
より密封されている。なお、燃料棒81中には、燃料物質
の移動を防止するためのスプリング86を配した自由空間
（プレナム室）が設けられている。このプレナム室の容
積は、燃料から発生した核分裂生成ガスを蓄積し、燃焼
が進んだときの燃料棒81の内圧が過大にならないように
調整する重要な役割を有する。この燃料棒81のプレナム
室の軸方向長さ（以下、プレナム長さと称する）は、上
下端栓84,85を除く燃料棒81の全長約400cmに対し、約30
cm程度に設計される。このような燃料を全長燃料棒と称
している。

９×９型燃料集合体 ところで、近年は燃料の高燃焼度化を図る目的で、前
述の従来型８×８燃料80に代って９×９型燃料集合体が
採用されつつある（例えば特開昭62−118297号公報参
照）。その構成例は第６図及び第７図に横断面図で示さ
れている。

第６図に示した９×９型燃料集合体90Aは、NO.1〜NO.
72の計72本の燃料棒91と一本の角型の大口径ウォータチ
ャンネルＷとを備えた形式である。

一方、第７図に示した９×９型燃料集合体90Bは、NO.
1〜NO.72の計72本の燃料棒91と二本の丸型の大口径ウォ
ータロッドWRとを備えた形式である。

これらの９×９型燃料集合体（以下、９×９燃料とい
う）90A,90Bは、従来型８×８燃料80に比すると、燃料
の高濃縮度化を図ると同時に、燃料棒本数を増加させた
ことにより同一の出力条件で燃料棒一本あたりの出力が
下がり、温度が低減されるという利点を有している。

なお、これら９×９燃料90A,90Bがウォータチャンネ
ルＷ、ウォータロッドWr等の大口径中空管状要素を採用
しているのは、燃料の高濃縮度化に対応して集合体中央
部の非沸騰水領域の面積を大きくするためである。

すなわち、９×９型燃料集合体では、従来の８×８型
燃料集合体に比べて燃料棒の本数が多いため、冷却材と
接触する燃料棒の表面積の和が相対的に多くなる。又、
高燃焼度化燃料集合体は、燃料の濃縮度を増加させる必
要があり、そのためボイド反応度係数等の核特性が悪化
するが、これを改善するには大口径のウォータロッド又
はウォータチャンネルを用いて、集合体内部の中性子減
速材の体積を増加するとよい。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、燃料棒本数の増加と集合体内部の中性子減
速材の体積増加という二つの特徴を組み合わせた高燃焼
度化９×９型燃料集合体は、冷却材流れに対する圧損の
増加という新たな問題がある。すなわち、燃料棒表面積
の増加による摩擦圧損の増加、並びに大口径ウォータロ
ッド又はウォータチャンネルに占有される分だけインチ
ャンネル冷却材流路面積が縮小されて冷却材流速が増加
することに伴う圧損の増加である。沸騰水型原子炉で
は、周知のように冷却材は水と蒸気の二相流となるた
め、特に水力学的不安定性に配慮する必要がある。一般
に二相流部は単相流部と比べて冷却材流速が大きいた
め、蒸気の圧損の増加は二相流部に対して影響が大き
く、そのため水力学的不安定性が助長されることが知ら
れている。

このように９×９燃料では、８×８燃料に比べて高圧
損化しているため、チャンネル安定性と炉心安定性が水
力学的に悪化するという不都合を生じる。

ここで、チャンネル安定性とは、冷却材流量の振動に
対してこれを抑制する作用の程度を意味する。一方、炉
心安定性とは、流量の振動が出力の振動と協調して炉心
全体、或は局所的な出力の持続振動を生じる程度を意味
する。但し、この炉心安定性は、チャンネル安定性の改
善に伴って改善されるので、以下の説明では専らチャン
ネル安定性について問題とする。

このチャンネル安定性の不安定現象はBWRに固有の現
象であり、ボイドの発生による二相流部の圧損が大きい
ほど不安定であることが指摘されている。この不安定現
象が生じると、流量の振動が大きくなり、最悪の場合は
除熱不足による燃料の破損に至る。更に、流量の振動は
冷却材蒸気体積率（ボイド率）の振動と、それによる核
反応率の振動による炉心全体、または局所的な中性子束
の振動を引き起こし、遂には原子炉スクラムに至る。

従って、BWRにおいて水力学的なチャンネル安定性を
確保することが重要な課題である。

この問題を解決する一案として、特開昭62−177486号
公報には一部の燃料棒を第８図に示すように通常の全長
燃料棒の有効長の2/3程度に短尺化した短尺燃料棒を用
い、有効長上部の二相流圧損を小さくして、水力学的不
安定性を抑制しようとすることが提案されている。しか
しながら、この提案の方式では燃料集合体上部のウラン
量が少ないため、上部の出力が下部に対して大幅に低下
する。その結果、原子炉の出力を一定に維持するために
は、燃料下部の出力を上部に対して高くしなければなら
ず、燃料下部の出力ピーキングが著しく大きい下部歪み
の出力分布となる。このような出力分布は、局所的に燃
料棒の線出力を増加させるため燃料の健全性が阻害され
るのみならず、冷却水の沸騰開始点が燃料の下端に近づ
く方向へ移動する作用を生じ、そのため蒸気体積率（ボ
イド率）の増加が避けられない。このボイド率の増加
は、二相流の圧損を増加させて蒸気の水力学的安定性を
悪化させる。したがって上記のような短縮燃料棒の構成
では問題の解決になりにくい。

本発明は、上記の欠点を解決する改良された端尺燃料
棒の構成によって９×９型燃料集合体の水力学的安定性
を改善することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、９行９列の正方
格子配列に従って複数の全長燃料棒及び一本または複数
本の大口径の角型もしくは丸型の中空管状要素をバンド
ル状に配置し、それらを上部及び下部タイプレート並び
に複数のスペーサによってバンドル形状に保持した９×
９型燃料集合体において、複数の燃料棒の一部を短尺と
すると共に、この短尺燃料棒の長さを、通常の全長燃料
棒の長さとくらべてプレナム室の長さにほぼ相当する寸
法（約30cm）だけ短くし、また短尺燃料棒には下部にプ
レナム部を設け、この下部プレナムと上部燃料物質装填
部との間には、好ましくは全長燃料棒の有効長の1/4〜1
/3の長さを有するセラミックス焼結体などからなる非燃
料物質の可燃性毒物含有中空体を装填し、前記短尺被覆
管の上端密閉部と前記燃料装填部との間に断熱スプリン
グを介装して、前記短尺被覆管の上端と前記上部タイプ
レートとの間に集合体内に開放された空間が形成される
ようにしてなるものである。

［作 用］ ９×９型燃料集合体の下部タイプレートの入口から上
部タイプレートの出口までの圧損に対し、全長燃料棒プ
レナム室領域における圧損は約5.0％であり、このうち
燃料棒の摩擦圧損が4.5％、水頭圧損が0.5％である。本
発明の構成による短尺燃料棒を用いることにより集合体
の全燃料棒の表面積の和が従来に比べて減少し、その分
だけ流路面積が拡大するため前記摩擦圧損を低減させる
ことができる。

さらに短尺燃料棒の下部には通常の全長燃料棒の有効
長の1/4〜1/3の長さに亘って可燃性毒物入りの非燃料物
質製中空体が装填されている。この中空体は好ましくは
高密度セラミックス焼結体である。この中空体は、一般
にBWRで発生しやすい燃料下部の出力ピーキングを抑
え、ボイドの発生点を燃料の上部に移動させる作用をす
る。この結果、燃料集合体内を流れる冷却材のボイド体
積が減少して冷却材の流速が小さくなり、圧損が小さく
なる。

短尺燃料棒のプレナム部は下部に設けられているが、
この流さは通常の全長燃料棒のプレナム室の約2/3以下
でよい。すなわち、本発明に係る構成の短尺燃料棒で
は、短尺化によって燃料物質の装填量が全長燃料棒の2/
3〜3/4以下となっていることと、可燃性毒物含有中空体
の中空部の容積も核分裂生成部（FP）ガスのプレナムと
して作用するからである。

以上のように、本発明に係る構成の９×９型燃料集合
体は、改良された短尺燃料棒により二相流の圧損を有効
に低減させ、水力学的安定性を大幅に改善できるもので
ある。

［実施例］ 第１図に、本発明の構成要素である短尺燃料棒911を
通常の全長燃料棒91と並べて示す。短尺燃料棒911の上
端は、全長燃料棒91の燃料有効長の上端とおおむね同じ
高さに一致させている。従って端尺燃料棒911の長さ
は、通常の全長燃料棒91に比べてそのプレナム室99の長
さ（約30cm程度）だけ短かい。短縮燃料棒911に装填さ
れる燃料物質921は、全長燃料棒91の燃料物質92の装填
長さのほぼ1/3〜3/4であり、両者の燃料装填部の上端位
置はほぼ対応している。短縮燃料棒911の下部プレナム
部911の空間内にはプレナムスプリング961とアルミナ
（Al₂O₃）等の円筒状中空セラミックス焼結体971が挿入
されている。下部プレナム部991の長さは、全長燃料棒9
1の上部プレナム室99の長さにくらべて短く、約20cm以
下とする。またアルミナ等のセラミックス焼結体971
は、軸心に沿って直径２〜3mmの中空孔を有する円筒状
のものであり、この中空孔も下部プレナム部991に連通
するFPガスの移動空間及びプレナムとして作用する。さ
らにセラミックス焼結体971には可燃性毒物として数wt
％〜10wt％のガドリニア（Gd₂O₃）が含まれており、燃
焼初期の原子炉余剰反応度の抑制および燃料下部に発生
する出力ピーキングを抑制する働きをする。

本発明に従って短尺燃料棒911を第６図の配置のNo.１
1,14,17,35,38,59,59,62に使用した燃料集合体と、従来
の短尺燃料棒８本を同様に配置した燃料集合体との夫々
で構成される平衡炉心の軸方向出力分布を解析した結果
を第２図に示す。本発明の燃料集合体による場合の出力
分布（実線）は、従来のものによる出力分布（破線）に
比べて平坦となっており、従来の場合に比べて下部出力
ピーキングが抑えられていることがわかる。このため、
本発明の燃料集合体によるときは、ボイド発生点が燃料
集合体の上部に移動し、ボイド体積率が減少する。これ
によって、従来の短尺燃料棒を用いる場合にくらべて燃
料棒の表面積の和の減少は少ないが、ボイド体積率の減
少効果により二相圧損がより低下し、チャンネル安定性
が改善されることが理解される。チャンネル安定性の解
析結果によれば、自然循環状態で不安定の限界となる出
力で評価すると、本発明の９×９型燃料集合体は、従来
の短尺燃料棒を用いる９×９型燃料集合体に比べて限界
出力が５％増加し、従ってチャンネル安定性が大幅に増
加することがわかった。

［発明の効果］ 以上に述べたように、本発明に係るBWR用９×９型燃
料集合体によれば、二相流部の圧損特性が有効に改善さ
れ、BWRにおける大幅なチャンネル安定性と炉心安定性
の向上を図ることが可能である。これによって、特に低
流量運転・高出力運転に対して運転余裕を増大できると
いう効果も得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成要素である短尺燃料棒および全長
燃料棒の要部を切り欠いた構成図、第２図は本発明の９
×９型燃料集合体と従来の短尺燃料棒を用いた従来の９
×９型燃料集合体のそれぞれで構成される平衡炉心の原
子炉軸方向出力分布を燃焼初期と終期について示す線
図、第３図は従来の８×８燃料集合体で構成されるBWR
炉心の要部を示す模式断面図、第４図は８×８燃料集合
体の要部を切り欠いて示した斜視図、第５図は燃料棒の
要部を切り欠いた構成図、第６図と第７図は９×９型燃
料集合体の模式断面図、第８図は従来の短尺燃料棒の燃
料物質装填範囲を示す説明図である。 （主要部分の符号の説明） 90A,90B:9×９型燃料集合体、91:全長燃料棒、911:短尺
燃料棒、921:燃料装填部、971:可燃性毒物含有中空体、
991:下部プレナム部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一本または複数本の大口径中空管状要素
   と、燃料被覆管内部に上部のプレナム室を残してほぼ下
   端まで燃料物質を装填してなる複数の全長燃料棒とを９
   行９列の正方格子状配列に従うバンドル中に含み、これ
   ら全長燃料棒及び大口径中空管状要素の上下端部を上部
   タイプレートと下部タイプレートによって支持すると共
   に胴部の複数のスペーサによってバンドル形状に保持し
   てなる沸騰水型原子炉用燃料集合体において、 前記正方格子状配列中に前記全長燃料棒より短い長さ寸
   法の短尺被覆管からなる１本以上の短尺燃料棒が前記下
   部タイプレートに支持されて配置されており、前記短尺
   燃料棒の前記短尺被覆管内には、前記全長燃料棒のプレ
   ナム室の2/3以下の長さ寸法の下部プレナム部と、非燃
   料物質からなる可燃性毒物含有中空セラミックス体装填
   部と、前記全長燃料棒の燃料装填高さと等しい高さまで
   燃料物質が装填された燃料装填部とが下部から順に設け
   られると共に、前記短尺被覆管の上端密閉部と前記燃料
   装填部との間に断熱スプリングが介装され、前記端尺被
   覆管の上端と前記上部タイプレートとの間に集合体内に
   解放された空間が形成されていることを特徴とする沸騰
   水型原子炉用燃料集合体。