JP2804752B2 - 核燃料集合体 - Google Patents
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- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、核燃料集合体、特
に、沸騰水型原子炉に装荷される核燃料集合体に関する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】沸騰水型原子炉には、核燃料集合体が数
多く装荷され、例えば電気出力１１００ＭＷ級の沸騰水
型原子炉には約７６０体の核燃料集合体が装荷されてい
る。 【０００３】全発電量の中で、原子力発電が占める割合
が増えている今日、原子力発電コストを下げることは重
要な課題となつている。そのための方法の一つとして核
燃料集合体構造を変えることによつて、中性子を充分に
減速してその利用率を高め、燃料ウランなどを有効に利
用して燃料費を削減する方法がある。勿論、燃料費削減
と同時に十分な熱的余裕と安定性を確保し、原子炉を安
全に運転することも重要である。 【０００４】図２には核燃料集合体の縦断面が示してあ
り、図３には図２のＩ−Ｉ’横断面が示してある。核燃
料集合体１は、格子状に規則正しく配置された燃料棒
２、水ロツド３、スペーサー４、下部タイブレート５、
上部タイプレート６とそれらを取り囲む集合体壁７とか
ら成つている。図３の１１は制御棒を示している。 【０００５】冷却材であるとともに中性子を減速する軽
水８は、単相流状態で入ロオリフィス９から流入し、燃
料棒２から熱を奪いながら上方に流れ、沸騰を起し蒸気
と水の混じつた二相流状態で流出する。また集合体壁７
の外側も軽水１０が流れてる。 【０００６】水ロツドは、特開昭５９−１３９８１，５
９−６５７９２，５９−１６６８９３，５９−１７８３
８７号公報等にみられるように、中性子を充分に減速し
て利用率を高め、燃料経済性を向上させるのに用いられ
ており、また、最近は通常の燃料棒の上部を切り取つた
いわゆる短尺燃料棒も便われている。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】前述の短尺燃料棒では
その上部を切り取つてあるので、短尺燃料棒の先では燃
料を欠いており発熱はなく、しかも冷却材流路も広がつ
ている。また前述の水ロツドの発熱割含は燃料棒の数パ
ーセント以下である。そのために、たとえば短尺燃料棒
や水ロツドの位置が適切に分散せず一ヵ所にかたまつた
りすると、核燃料集合体内の冷却材流量や蒸気体積率の
分布が均一でなく歪んだものとなつて、熱的余裕が小さ
くなつたり、圧力損失が大きくなつて炉心安定性が悪く
なつたりする。 【０００８】このような事情に鑑み、本発明は中性子利
用率向上による燃料経済性向上、核燃料集合体内での圧
力損失低減による炉心安定性向上、沸騰遷移に対する熱
的余裕向上を可能にすることのできる沸騰水型原子炉用
の核燃料集合体を提供することを目的とするものであ
る。 【０００９】 【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
になされたた本発明の構成は、（１） 長さの異なる二種類以上の燃料棒と水ロツド
を、格子状に配置した核燃料集合体において、前記核燃
料集合体の横断面を中央部と周辺部に分けたとき、前記
水ロッドが前記中央部に配置され、該水ロッドの総断面
積は前記燃料棒の４本分以上の断面積を有し、前記燃料
棒のうち短尺の燃料棒は前記水ロツドと隣り合わない位
置に配置され、最外周のコーナーに前記短尺の燃料棒を
設けたことを特徴とする。（２） （１）において、さらに、外側から２層目のコ
ーナーに前記短尺の燃料棒を設けた ことを特徴とする。（３） （１）又は（２）において、前記短尺の燃料棒
が通常の長さを有する燃料棒の１５／２４〜２１／２４
の長さの燃料棒であることを特徴とする。 【００１０】ここで、核燃料集合体（以下集合体と称す
る）断面の周辺部とは、集合体の外側から２層目までの
燃料棒の含まれる領域をさし、チヤンネルボツクスの外
側の水の影響で中性子が充分に減速されている領域をさ
し、それより内側の領域を中央部とみなしている。 【００１１】 【００１２】このように溝成される本発明の集合体の作
用を、その構成理由によつて説明する。 【００１３】まず、集合体内に燃料棒を正方格子状に規
則正しく配置した場含、集合体断面の中央部では減速材
が足りない状態であつて中性子が充分に減速されないの
で中性子利用率は悪くなつている。そこで、本発明の集
合体では、集合体断面の中央部に水ロツドを設け、中央
部においては４本分以上の大きい断面積を確保できるの
で、中性子を十分に減速して利用率を高め、燃料経済性
を向上させることができる。これに対して、集合体断面
の周辺部では、中性子がチヤンネルボツクス外の水で充
分に減速されており、水ロツドなどを設けても燃料経済
性を向上させる効果は小さい。 【００１４】燃料棒の先端を切り取つたいわゆる短尺燃
料棒を用いると集合体圧力損失を有効に低滅できる。一
般に冷却材の流路面積を増加させると摩擦圧力損失を低
減できるが、特に短尺燃料棒の先端のような集合体の上
部では蒸気体積率が大きいために二相流圧力損失係数が
大きくなつているのでそこで流路面積が増加すると、蒸
気体積率が小さい集合体下部などに較べて、圧力損失低
減効果は大きい。 【００１５】燃料経済性の観点からからウラン燃料装荷
量（インベントリ）一定という条件で評価すると、後述
するように、短尺燃料棒の１５／２４〜２１／２４の長
さのとき、圧力損失低減効果が大きい。 【００１６】燃料棒のうち短尺の燃料棒が最外周のコー
ナーまたは外側から第２層目のコーナーの何れかに配置
されている場合には、冷温時の反応度上昇の抑制、ボイ
ド変化時の反応度変化の抑制が可能となる。 【００１７】沸騰水型原子炉に装荷される集合体は、チ
ャンネルボックスの外部に制御棒や中性子検出器計装管
を配置する必要があり、そのため集合体間にはそれらの
装置が挿入されるだけの間隙が設けられている。この間
隙は非沸騰水で満たされているため、間隙に近い最外
層、特にコーナー部のような集合体周辺部と集合体内層
では、この非沸騰水領域の効果が異なる。 【００１８】沸騰水型原子炉では、核分裂によって発生
する高エネルギー中性子を軽水(水素原子)と衝突させる
ことで、熱エネルギーに減速し、核分裂反応を促進させ
ているが、必要以上に軽水(水素原子)が存在する領域で
は、中性子減速の効果より軽水による中性子吸収の効果
が支配的となり、核分裂反応を抑制することになる。 【００１９】すなわち、核分裂反応を効率良く発生させ
るためには、減速効果の最適値がある。すなわち、間隙
(非沸騰水領域)の効果により、集合体周辺部の間隙に近
い最外層、特に、コーナー部は集合体内層より減速が進
んだ領域になっている。このような領域に隣接して短尺
燃料棒を配置すれば、間隙の効果をさらに増大すること
になり、集合体の減速効果を増大することができる。 【００２０】沸騰水型原子炉用燃料集合体は、減速効果
を最適値より小さくするように設計しているが、このよ
うに減速効果を増大し、最適値に近づけることによっ
て、運転状態(高温時あるいは冷温時）やボイド率が変
化した場合（減速効果が変化した場合）の核分裂反応効
率の変化割合を小さくすることができるので、その結果
冷温時の反応度上昇の抑制、ボイド変化時の反応度変化
の抑制が可能となる。 【００２１】次に、短尺燃料棒が水ロツドと相隣りあつ
た場含には、短尺燃料棒の上部では冷却材流路面積が広
がり、また水ロツドなどの発熱量が小さいことなどのた
めに、蒸気体積率が減つて冷却水が多く流れるようにな
る。このとき集合体の他の部分では、冷却材流量が減
り、蒸気体積率が増して、沸騰遷移が起こりやすくなつ
ている。また集合体内で、このように蒸気体積率や冷却
材流量の分布が歪むと圧力損失が大きくなつて、炉心に
装荷されたときの安定性が悪くなる。そこで、本発明の
集合体では、短尺燃料棒は集合体周辺部のコーナー部に
配置して、水ロツドと相隣りあわないようにして集合体
内での蒸気体積率や冷却材流量などの分布を歪ませない
ようにして圧力損失をできるだけ小さくし、かつ熱的余
裕を大きく保って炉心安定性をを良好に保つようにす
る。 【００２２】すなわち、本発明では集合体断面の中央部
に配置した水ロツドで中性子を有効に減速して燃料経済
性を高め、集合体断面の周辺部の短尺燃料棒によつて沸
騰遷移がおこりやすい燃料発熱部をのぞいて熱的余裕を
向上させ、さらに短尺燃料棒を周辺部のコーナーに水ロ
ツドとは相隣りあわないように配置して燃料集合体内の
冷却材流量や蒸気体積率の分布をできるだけ平坦にして
圧力損失を低滅し炉心安定性を向上させるのである。 【００２３】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例により、詳細に説明する。 【００２４】図ｌは、本発明の実施例の集合体の横断面
を示し、図２及び図３と同一部分には同一符号が付して
あり、１２及び１３はそれぞれ断面中央部及び断面周辺
部を示し、１４は短尺燃料棒を示している。 【００２５】本実施例では、集合体壁７の内側に長さ３
７０．８ｃｍ（１４６ｉｎｃｈ）の燃料棒２を正方９×
９格子状に規則正しく配置し、その断面中央部１２に水
ロツド３を９本、断面周辺部１３に長さ２７８．ｌｃｍ
（１０９．５ｉｎｃｈ）の短尺燃料棒１４を８本設け、
しかも、水ロツド３と短尺燃料棒１４とが相隣りあわな
いように離して配置してある。短尺の燃料棒１４は図４
の説明図に示すように、燃料装荷部すなわち発熱部の長
さが、そのほかの通常燃料棒２の１８／２４の長さにな
つている。 【００２６】この実施例では、集合体中央部の９本の水
ロツド３により、例えば図３に示すような従来の核燃料
集合体に較べて、８％の天然ウランの節約、すなわち燃
料経済性の向上を達成している。 【００２７】次に、表１は短尺燃料棒の位置による集合
体圧力損失の変化を示している。この表は、図５の横断
面図に示した９×９正方格子の中央部に水ロツドを９本
設けたものを基準として、その他に燃料棒の位置を（Ｉ
ｘ，Ｉｙ）て示したとき、それぞれケースＡ：（１，
１）、ケースＢ：（２，２）、ケースＣ：（３，３）、
ケースＤ：（４，５）の燃料棒とそれと９０°回転対称
の位置にある合計４本の燃料棒を長さ１５／２４の短尺
燃料としたときの、集合体圧力損失の増加をプラスで、
減少をマイナスで示している。図５中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
は表１に示した各ケースＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄでの短尺燃料棒
の位置を示している。 【００２８】 【表１】【００２９】ケ一スＡ，Ｂのように、短尺燃料棒が集合
体周辺部にあるとき、圧力損失低減効果が大きいのに対
し、ケースＤのように集合体中央部で水ロツドに囲まれ
ているときは、実質的に流路は広くなつているにもかか
わらず、圧力損失はむしろ増加する。 【００３０】この圧力損失の増加は図５を参照して説明
てきる。すなわち水ロツドに囲まれた中央部では発熱燃
料棒が少ないのて蒸気体積率が小さく、しかも短尺燃料
棒の先端では流路が広がつているので、摩擦圧力損失係
数は小さく冷却材は多く流れる。これに対し集合体周辺
部では発熱量が大きいにもかかわらず、冷却材が比較的
少ししか流れず蒸気体積率が大きくなる。このように中
央部に水ロツドと短尺燃料棒が集まると蒸気体積率や冷
却材流量の分布が歪んで圧力損失が大きくなるのであ
る。又、このとき集合体周辺部では流量が少なく蒸気体
積率が大きいので沸騰遷移が起りやすく熟的余裕が小さ
くなつている。 【００３１】このような圧力損失や熟的余裕などの伝熱
流動特性にもとづいて短尺燃料棒は集合体周辺部にしか
も水ロツドとは離して配置する。 【００３２】図６は、短尺燃料棒の長さによる集合体圧
力損失の変化を示している。（２，２）及び９０°回転
対称の位置にある合計４本の燃料棒の長さが変わつたと
きの集合体圧力損失を、短尺燃料棒のない集合体と較べ
たもので、横軸にば短尺燃料棒の長さ（通常燃料棒との
比）、縦軸にほ集合体圧力損失の変化（％）が、△
Ｐ1，△Ｐ0を、それぞれ当該集合体の圧力損失、短尺燃
料棒などの基準集合体の圧力損矢としたとき、 【００３３】 【数１】 【００３４】で示してある。 【００３５】図６は、燃料経済性を悪くしないためにウ
ラン燃料装荷量（インベントリ）一定という条件のもと
で比較している。このため、短尺燃料棒が短くなつて燃
料の切り取り部分が大きくなると残リの燃料棒は太くな
る。そして、この図に示すように、短尺燃料棒が通常燃
料棒の１５／２４〜２１／２４の長さのとき、一定の燃
料切り取リ長さに対する圧力損失低減効果は大きく、燃
料棒が短くなるにつれて次第に小さくなる傾向をもち、
さらに短くなると燃料棒が太くなつて流路面積が滅少し
て摩擦圧損増加が顕著となりむしろ圧力損失は増加す
る。 【００３６】以上のような圧力損失低減効果にもとづい
て、短尺燃料棒は通常燃料棒の長さの１５／２４〜２１
／２４の長さとする。これは蒸気体積率の高い集合体上
部の二相流圧損係数が大きいところで流路面積を広げて
圧力損失を低減するのである。 【００３７】図７は、短尺燃料棒の長さによる集合体限
界出力比の変化を示しており、図６と同じく（２，２）
及ぴそれと９０°回転対称の位置にある合計４本の燃料
棒の長さが変つたときの集合体限界出力比を短尺燃料棒
のない燃料集合体と較べている。ここで、限界出力比
（ＣＰＲ）とは、燃料棒表面で沸騰遷移が起るときの集
合体出力Ｐcrに対する当該集合体出力Ｐの比、つまり 【００３８】 【数２】 【００３９】で表わされる。したがつて、限界出力比が
１．０を越えて大きくなるほど、沸勝遷移に対する熱的
余裕が増し、逆に１．０に近づくほど沸騰遷移を起す確
率が増す。 【００４０】図７の横軸にほ短尺燃料棒の長さ（通常燃
料棒との比）、縦軸には集合体限界出力比の変化（％）
が、ＣＰＲ1及びＣＰＲ0をそれぞれ当該集合体の限界出
力比及ぴ短尺燃料棒なしの基準集合体の限界出力比とし
たとき、 【００４１】 【数３】 【００４２】で示してある。 【００４３】図７は、燃料集合体出力を一定として比較
している。このため、短尺燃料棒が短くなつて燃料の切
り取り部分が大きくなると残りの燃料棒の単位体積あた
りの発熱量は増加する。したがつて一般に短尺燃料棒が
短くなるにつれ、熟的余裕は小さくなる。ところが沸騰
遷移は比較的発熱量の大きい水平方向には（２，２）な
どの位置にある燃料棒で、しかも軸方向には集合体出口
に近い発熱部分全長の〜２０／２４にあるスペーサの直
下で起こつているので、この燃料棒を通常燃料棒の長さ
の〜１９／２４程度の短尺にしてやれぼ沸騰遷移は起ら
なくなり、熱的余裕は増大する。短尺燃料棒をこの長さ
にしたとき、熱的に最も厳しいのは他の燃料棒となるの
で、この燃料棒を更に短くしても熱的余裕は大きくなら
ない。また、（２，２）などの位置にある短尺燃料棒を
通常燃料棒の長さの〜２２／２４の長さとしても、沸騰
遷移は依然として発熱部分全長の〜２０／２４にあるス
ペーサの直下で起こることはかわらないので熱的余裕は
大きくならない。 【００４４】このような、熟的余裕の観点から短尺燃料
棒は通常燃料棒の長さの〜１９／２４の長さとする。 【００４５】以上述ベたような圧力損失や熟的余裕など
の伝熟流動特性にもとづき本発明の実施例では短尺燃料
棒は通常燃料棒の長さの１８／２４の長さとする。この
実施例では、短尺燃料棒を全く用いなかつた場合に比
べ、圧力損失の低減４．５％により炉心安定性は約５％
向上する。熱的余裕は５％向上する。 【００４６】また、本発明の実施例でば短尺燃料棒を通
常燃料棒の長さの１８／２４の長さとしたが、例えば炉
心安定性の改善に重きをおくならば、１５／２４の長さ
としても良い。このときには１８／２４の長さとしたと
きに較べ、集合体圧力損失は１．８％滅少し、炉心安定
性は１．８％向上する。なお、通常燃料棒の長さの１５
／２４と１８／２４の短尺燃料棒を混在させても良く、
この場合にほ、外側に１５／２４、内側に１５／２４の
短尺燃料棒を配置する。この場合の集合体圧力損失は
０．９％滅少し、炉心安定性は０．９％向上する。 【００４７】以上、説明したように本発明によれば、中
性子を充分に減速して利用率を高め、燃料経済性を向上
することがてきる。また集合体内の冷却材流量や蒸気体
積率の分布を平坦にして沸騰遷移に対する熟的余裕を大
きくしたり、集合体圧力損失を小さくして安定性を向上
させることができる。 【００４８】そのほかに、例えば熟的余裕が大きい本発
明の集合体を用いた原子炉では、熟的制限値を容易に満
足できることにより、原子炉の利用率を高めることがで
きる。さらに熟的余裕を従来並みとした場合、出力密度
の大きい小型の原子炉が実現できる。 【００４９】特に、図５に示すように、最外層のコーナ
ーに短尺燃料棒を配置してある場合は、制御棒価値が増
大する。これは短尺燃料棒より上方で短尺燃料棒の延長
線上の領域で冷却材量が増大するため、その領域での減
速効果が増し、制御棒に吸収されやすい熱中性子が増大
することによるものである。 【００５０】 【発明の効果】本発明は、中性子利用率向上による燃料
経済性向上、核燃料集合体内での圧力損失低減による炉
心安定性向上、沸騰遷移に対する熱的余裕向上、特に、
制御棒価値の増大を可能とすることのできる沸騰水型原
子炉用の核燃料集合体を提供可能とするもので、産業上
の効果の大なるものである。
に、沸騰水型原子炉に装荷される核燃料集合体に関する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】沸騰水型原子炉には、核燃料集合体が数
多く装荷され、例えば電気出力１１００ＭＷ級の沸騰水
型原子炉には約７６０体の核燃料集合体が装荷されてい
る。 【０００３】全発電量の中で、原子力発電が占める割合
が増えている今日、原子力発電コストを下げることは重
要な課題となつている。そのための方法の一つとして核
燃料集合体構造を変えることによつて、中性子を充分に
減速してその利用率を高め、燃料ウランなどを有効に利
用して燃料費を削減する方法がある。勿論、燃料費削減
と同時に十分な熱的余裕と安定性を確保し、原子炉を安
全に運転することも重要である。 【０００４】図２には核燃料集合体の縦断面が示してあ
り、図３には図２のＩ−Ｉ’横断面が示してある。核燃
料集合体１は、格子状に規則正しく配置された燃料棒
２、水ロツド３、スペーサー４、下部タイブレート５、
上部タイプレート６とそれらを取り囲む集合体壁７とか
ら成つている。図３の１１は制御棒を示している。 【０００５】冷却材であるとともに中性子を減速する軽
水８は、単相流状態で入ロオリフィス９から流入し、燃
料棒２から熱を奪いながら上方に流れ、沸騰を起し蒸気
と水の混じつた二相流状態で流出する。また集合体壁７
の外側も軽水１０が流れてる。 【０００６】水ロツドは、特開昭５９−１３９８１，５
９−６５７９２，５９−１６６８９３，５９−１７８３
８７号公報等にみられるように、中性子を充分に減速し
て利用率を高め、燃料経済性を向上させるのに用いられ
ており、また、最近は通常の燃料棒の上部を切り取つた
いわゆる短尺燃料棒も便われている。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】前述の短尺燃料棒では
その上部を切り取つてあるので、短尺燃料棒の先では燃
料を欠いており発熱はなく、しかも冷却材流路も広がつ
ている。また前述の水ロツドの発熱割含は燃料棒の数パ
ーセント以下である。そのために、たとえば短尺燃料棒
や水ロツドの位置が適切に分散せず一ヵ所にかたまつた
りすると、核燃料集合体内の冷却材流量や蒸気体積率の
分布が均一でなく歪んだものとなつて、熱的余裕が小さ
くなつたり、圧力損失が大きくなつて炉心安定性が悪く
なつたりする。 【０００８】このような事情に鑑み、本発明は中性子利
用率向上による燃料経済性向上、核燃料集合体内での圧
力損失低減による炉心安定性向上、沸騰遷移に対する熱
的余裕向上を可能にすることのできる沸騰水型原子炉用
の核燃料集合体を提供することを目的とするものであ
る。 【０００９】 【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
になされたた本発明の構成は、（１） 長さの異なる二種類以上の燃料棒と水ロツド
を、格子状に配置した核燃料集合体において、前記核燃
料集合体の横断面を中央部と周辺部に分けたとき、前記
水ロッドが前記中央部に配置され、該水ロッドの総断面
積は前記燃料棒の４本分以上の断面積を有し、前記燃料
棒のうち短尺の燃料棒は前記水ロツドと隣り合わない位
置に配置され、最外周のコーナーに前記短尺の燃料棒を
設けたことを特徴とする。（２） （１）において、さらに、外側から２層目のコ
ーナーに前記短尺の燃料棒を設けた ことを特徴とする。（３） （１）又は（２）において、前記短尺の燃料棒
が通常の長さを有する燃料棒の１５／２４〜２１／２４
の長さの燃料棒であることを特徴とする。 【００１０】ここで、核燃料集合体（以下集合体と称す
る）断面の周辺部とは、集合体の外側から２層目までの
燃料棒の含まれる領域をさし、チヤンネルボツクスの外
側の水の影響で中性子が充分に減速されている領域をさ
し、それより内側の領域を中央部とみなしている。 【００１１】 【００１２】このように溝成される本発明の集合体の作
用を、その構成理由によつて説明する。 【００１３】まず、集合体内に燃料棒を正方格子状に規
則正しく配置した場含、集合体断面の中央部では減速材
が足りない状態であつて中性子が充分に減速されないの
で中性子利用率は悪くなつている。そこで、本発明の集
合体では、集合体断面の中央部に水ロツドを設け、中央
部においては４本分以上の大きい断面積を確保できるの
で、中性子を十分に減速して利用率を高め、燃料経済性
を向上させることができる。これに対して、集合体断面
の周辺部では、中性子がチヤンネルボツクス外の水で充
分に減速されており、水ロツドなどを設けても燃料経済
性を向上させる効果は小さい。 【００１４】燃料棒の先端を切り取つたいわゆる短尺燃
料棒を用いると集合体圧力損失を有効に低滅できる。一
般に冷却材の流路面積を増加させると摩擦圧力損失を低
減できるが、特に短尺燃料棒の先端のような集合体の上
部では蒸気体積率が大きいために二相流圧力損失係数が
大きくなつているのでそこで流路面積が増加すると、蒸
気体積率が小さい集合体下部などに較べて、圧力損失低
減効果は大きい。 【００１５】燃料経済性の観点からからウラン燃料装荷
量（インベントリ）一定という条件で評価すると、後述
するように、短尺燃料棒の１５／２４〜２１／２４の長
さのとき、圧力損失低減効果が大きい。 【００１６】燃料棒のうち短尺の燃料棒が最外周のコー
ナーまたは外側から第２層目のコーナーの何れかに配置
されている場合には、冷温時の反応度上昇の抑制、ボイ
ド変化時の反応度変化の抑制が可能となる。 【００１７】沸騰水型原子炉に装荷される集合体は、チ
ャンネルボックスの外部に制御棒や中性子検出器計装管
を配置する必要があり、そのため集合体間にはそれらの
装置が挿入されるだけの間隙が設けられている。この間
隙は非沸騰水で満たされているため、間隙に近い最外
層、特にコーナー部のような集合体周辺部と集合体内層
では、この非沸騰水領域の効果が異なる。 【００１８】沸騰水型原子炉では、核分裂によって発生
する高エネルギー中性子を軽水(水素原子)と衝突させる
ことで、熱エネルギーに減速し、核分裂反応を促進させ
ているが、必要以上に軽水(水素原子)が存在する領域で
は、中性子減速の効果より軽水による中性子吸収の効果
が支配的となり、核分裂反応を抑制することになる。 【００１９】すなわち、核分裂反応を効率良く発生させ
るためには、減速効果の最適値がある。すなわち、間隙
(非沸騰水領域)の効果により、集合体周辺部の間隙に近
い最外層、特に、コーナー部は集合体内層より減速が進
んだ領域になっている。このような領域に隣接して短尺
燃料棒を配置すれば、間隙の効果をさらに増大すること
になり、集合体の減速効果を増大することができる。 【００２０】沸騰水型原子炉用燃料集合体は、減速効果
を最適値より小さくするように設計しているが、このよ
うに減速効果を増大し、最適値に近づけることによっ
て、運転状態(高温時あるいは冷温時）やボイド率が変
化した場合（減速効果が変化した場合）の核分裂反応効
率の変化割合を小さくすることができるので、その結果
冷温時の反応度上昇の抑制、ボイド変化時の反応度変化
の抑制が可能となる。 【００２１】次に、短尺燃料棒が水ロツドと相隣りあつ
た場含には、短尺燃料棒の上部では冷却材流路面積が広
がり、また水ロツドなどの発熱量が小さいことなどのた
めに、蒸気体積率が減つて冷却水が多く流れるようにな
る。このとき集合体の他の部分では、冷却材流量が減
り、蒸気体積率が増して、沸騰遷移が起こりやすくなつ
ている。また集合体内で、このように蒸気体積率や冷却
材流量の分布が歪むと圧力損失が大きくなつて、炉心に
装荷されたときの安定性が悪くなる。そこで、本発明の
集合体では、短尺燃料棒は集合体周辺部のコーナー部に
配置して、水ロツドと相隣りあわないようにして集合体
内での蒸気体積率や冷却材流量などの分布を歪ませない
ようにして圧力損失をできるだけ小さくし、かつ熱的余
裕を大きく保って炉心安定性をを良好に保つようにす
る。 【００２２】すなわち、本発明では集合体断面の中央部
に配置した水ロツドで中性子を有効に減速して燃料経済
性を高め、集合体断面の周辺部の短尺燃料棒によつて沸
騰遷移がおこりやすい燃料発熱部をのぞいて熱的余裕を
向上させ、さらに短尺燃料棒を周辺部のコーナーに水ロ
ツドとは相隣りあわないように配置して燃料集合体内の
冷却材流量や蒸気体積率の分布をできるだけ平坦にして
圧力損失を低滅し炉心安定性を向上させるのである。 【００２３】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例により、詳細に説明する。 【００２４】図ｌは、本発明の実施例の集合体の横断面
を示し、図２及び図３と同一部分には同一符号が付して
あり、１２及び１３はそれぞれ断面中央部及び断面周辺
部を示し、１４は短尺燃料棒を示している。 【００２５】本実施例では、集合体壁７の内側に長さ３
７０．８ｃｍ（１４６ｉｎｃｈ）の燃料棒２を正方９×
９格子状に規則正しく配置し、その断面中央部１２に水
ロツド３を９本、断面周辺部１３に長さ２７８．ｌｃｍ
（１０９．５ｉｎｃｈ）の短尺燃料棒１４を８本設け、
しかも、水ロツド３と短尺燃料棒１４とが相隣りあわな
いように離して配置してある。短尺の燃料棒１４は図４
の説明図に示すように、燃料装荷部すなわち発熱部の長
さが、そのほかの通常燃料棒２の１８／２４の長さにな
つている。 【００２６】この実施例では、集合体中央部の９本の水
ロツド３により、例えば図３に示すような従来の核燃料
集合体に較べて、８％の天然ウランの節約、すなわち燃
料経済性の向上を達成している。 【００２７】次に、表１は短尺燃料棒の位置による集合
体圧力損失の変化を示している。この表は、図５の横断
面図に示した９×９正方格子の中央部に水ロツドを９本
設けたものを基準として、その他に燃料棒の位置を（Ｉ
ｘ，Ｉｙ）て示したとき、それぞれケースＡ：（１，
１）、ケースＢ：（２，２）、ケースＣ：（３，３）、
ケースＤ：（４，５）の燃料棒とそれと９０°回転対称
の位置にある合計４本の燃料棒を長さ１５／２４の短尺
燃料としたときの、集合体圧力損失の増加をプラスで、
減少をマイナスで示している。図５中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
は表１に示した各ケースＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄでの短尺燃料棒
の位置を示している。 【００２８】 【表１】【００２９】ケ一スＡ，Ｂのように、短尺燃料棒が集合
体周辺部にあるとき、圧力損失低減効果が大きいのに対
し、ケースＤのように集合体中央部で水ロツドに囲まれ
ているときは、実質的に流路は広くなつているにもかか
わらず、圧力損失はむしろ増加する。 【００３０】この圧力損失の増加は図５を参照して説明
てきる。すなわち水ロツドに囲まれた中央部では発熱燃
料棒が少ないのて蒸気体積率が小さく、しかも短尺燃料
棒の先端では流路が広がつているので、摩擦圧力損失係
数は小さく冷却材は多く流れる。これに対し集合体周辺
部では発熱量が大きいにもかかわらず、冷却材が比較的
少ししか流れず蒸気体積率が大きくなる。このように中
央部に水ロツドと短尺燃料棒が集まると蒸気体積率や冷
却材流量の分布が歪んで圧力損失が大きくなるのであ
る。又、このとき集合体周辺部では流量が少なく蒸気体
積率が大きいので沸騰遷移が起りやすく熟的余裕が小さ
くなつている。 【００３１】このような圧力損失や熟的余裕などの伝熱
流動特性にもとづいて短尺燃料棒は集合体周辺部にしか
も水ロツドとは離して配置する。 【００３２】図６は、短尺燃料棒の長さによる集合体圧
力損失の変化を示している。（２，２）及び９０°回転
対称の位置にある合計４本の燃料棒の長さが変わつたと
きの集合体圧力損失を、短尺燃料棒のない集合体と較べ
たもので、横軸にば短尺燃料棒の長さ（通常燃料棒との
比）、縦軸にほ集合体圧力損失の変化（％）が、△
Ｐ1，△Ｐ0を、それぞれ当該集合体の圧力損失、短尺燃
料棒などの基準集合体の圧力損矢としたとき、 【００３３】 【数１】 【００３４】で示してある。 【００３５】図６は、燃料経済性を悪くしないためにウ
ラン燃料装荷量（インベントリ）一定という条件のもと
で比較している。このため、短尺燃料棒が短くなつて燃
料の切り取り部分が大きくなると残リの燃料棒は太くな
る。そして、この図に示すように、短尺燃料棒が通常燃
料棒の１５／２４〜２１／２４の長さのとき、一定の燃
料切り取リ長さに対する圧力損失低減効果は大きく、燃
料棒が短くなるにつれて次第に小さくなる傾向をもち、
さらに短くなると燃料棒が太くなつて流路面積が滅少し
て摩擦圧損増加が顕著となりむしろ圧力損失は増加す
る。 【００３６】以上のような圧力損失低減効果にもとづい
て、短尺燃料棒は通常燃料棒の長さの１５／２４〜２１
／２４の長さとする。これは蒸気体積率の高い集合体上
部の二相流圧損係数が大きいところで流路面積を広げて
圧力損失を低減するのである。 【００３７】図７は、短尺燃料棒の長さによる集合体限
界出力比の変化を示しており、図６と同じく（２，２）
及ぴそれと９０°回転対称の位置にある合計４本の燃料
棒の長さが変つたときの集合体限界出力比を短尺燃料棒
のない燃料集合体と較べている。ここで、限界出力比
（ＣＰＲ）とは、燃料棒表面で沸騰遷移が起るときの集
合体出力Ｐcrに対する当該集合体出力Ｐの比、つまり 【００３８】 【数２】 【００３９】で表わされる。したがつて、限界出力比が
１．０を越えて大きくなるほど、沸勝遷移に対する熱的
余裕が増し、逆に１．０に近づくほど沸騰遷移を起す確
率が増す。 【００４０】図７の横軸にほ短尺燃料棒の長さ（通常燃
料棒との比）、縦軸には集合体限界出力比の変化（％）
が、ＣＰＲ1及びＣＰＲ0をそれぞれ当該集合体の限界出
力比及ぴ短尺燃料棒なしの基準集合体の限界出力比とし
たとき、 【００４１】 【数３】 【００４２】で示してある。 【００４３】図７は、燃料集合体出力を一定として比較
している。このため、短尺燃料棒が短くなつて燃料の切
り取り部分が大きくなると残りの燃料棒の単位体積あた
りの発熱量は増加する。したがつて一般に短尺燃料棒が
短くなるにつれ、熟的余裕は小さくなる。ところが沸騰
遷移は比較的発熱量の大きい水平方向には（２，２）な
どの位置にある燃料棒で、しかも軸方向には集合体出口
に近い発熱部分全長の〜２０／２４にあるスペーサの直
下で起こつているので、この燃料棒を通常燃料棒の長さ
の〜１９／２４程度の短尺にしてやれぼ沸騰遷移は起ら
なくなり、熱的余裕は増大する。短尺燃料棒をこの長さ
にしたとき、熱的に最も厳しいのは他の燃料棒となるの
で、この燃料棒を更に短くしても熱的余裕は大きくなら
ない。また、（２，２）などの位置にある短尺燃料棒を
通常燃料棒の長さの〜２２／２４の長さとしても、沸騰
遷移は依然として発熱部分全長の〜２０／２４にあるス
ペーサの直下で起こることはかわらないので熱的余裕は
大きくならない。 【００４４】このような、熟的余裕の観点から短尺燃料
棒は通常燃料棒の長さの〜１９／２４の長さとする。 【００４５】以上述ベたような圧力損失や熟的余裕など
の伝熟流動特性にもとづき本発明の実施例では短尺燃料
棒は通常燃料棒の長さの１８／２４の長さとする。この
実施例では、短尺燃料棒を全く用いなかつた場合に比
べ、圧力損失の低減４．５％により炉心安定性は約５％
向上する。熱的余裕は５％向上する。 【００４６】また、本発明の実施例でば短尺燃料棒を通
常燃料棒の長さの１８／２４の長さとしたが、例えば炉
心安定性の改善に重きをおくならば、１５／２４の長さ
としても良い。このときには１８／２４の長さとしたと
きに較べ、集合体圧力損失は１．８％滅少し、炉心安定
性は１．８％向上する。なお、通常燃料棒の長さの１５
／２４と１８／２４の短尺燃料棒を混在させても良く、
この場合にほ、外側に１５／２４、内側に１５／２４の
短尺燃料棒を配置する。この場合の集合体圧力損失は
０．９％滅少し、炉心安定性は０．９％向上する。 【００４７】以上、説明したように本発明によれば、中
性子を充分に減速して利用率を高め、燃料経済性を向上
することがてきる。また集合体内の冷却材流量や蒸気体
積率の分布を平坦にして沸騰遷移に対する熟的余裕を大
きくしたり、集合体圧力損失を小さくして安定性を向上
させることができる。 【００４８】そのほかに、例えば熟的余裕が大きい本発
明の集合体を用いた原子炉では、熟的制限値を容易に満
足できることにより、原子炉の利用率を高めることがで
きる。さらに熟的余裕を従来並みとした場合、出力密度
の大きい小型の原子炉が実現できる。 【００４９】特に、図５に示すように、最外層のコーナ
ーに短尺燃料棒を配置してある場合は、制御棒価値が増
大する。これは短尺燃料棒より上方で短尺燃料棒の延長
線上の領域で冷却材量が増大するため、その領域での減
速効果が増し、制御棒に吸収されやすい熱中性子が増大
することによるものである。 【００５０】 【発明の効果】本発明は、中性子利用率向上による燃料
経済性向上、核燃料集合体内での圧力損失低減による炉
心安定性向上、沸騰遷移に対する熱的余裕向上、特に、
制御棒価値の増大を可能とすることのできる沸騰水型原
子炉用の核燃料集合体を提供可能とするもので、産業上
の効果の大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の核燃料集合体の実施例の横断面図であ
る。 【図２】従来の核燃料集合体の縦断面図である。 【図３】図２のＩ−１´線断面図である。 【図４】本発明の核燃料集合体の通常燃料棒及び短尺燃
料棒の縦断面図である。 【図５】同じく水ロツドと短尺燃料棒の位置関係を示す
横断面図である。 【図６】同じく短尺燃料棒の長さによる集合体圧力損失
の変化を示す線図である。 【図７】同じく短尺燃料棒の長さによる集合体限界出力
比の変化を示す線図である。 【符号の説明】 １…核燃料集合体、２…燃料棒、３…水ロツド、７…集
合体壁、８，１０…軽水、１１…制御棒、１２…断面中
央部、１３…断面周辺部、１４…短尺燃料棒。
る。 【図２】従来の核燃料集合体の縦断面図である。 【図３】図２のＩ−１´線断面図である。 【図４】本発明の核燃料集合体の通常燃料棒及び短尺燃
料棒の縦断面図である。 【図５】同じく水ロツドと短尺燃料棒の位置関係を示す
横断面図である。 【図６】同じく短尺燃料棒の長さによる集合体圧力損失
の変化を示す線図である。 【図７】同じく短尺燃料棒の長さによる集合体限界出力
比の変化を示す線図である。 【符号の説明】 １…核燃料集合体、２…燃料棒、３…水ロツド、７…集
合体壁、８，１０…軽水、１１…制御棒、１２…断面中
央部、１３…断面周辺部、１４…短尺燃料棒。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 内川 貞夫
茨城県日立市森山町1168番地 株式会社
日立製作所エネルギ−研究所内
(72)発明者 森本 裕一
茨城県日立市森山町1168番地 株式会社
日立製作所エネルギ−研究所内
(56)参考文献 特開 昭62−177487（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−224092（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．長さの異なる二種類以上の燃料棒と水ロツドを、格
子状に配置した核燃料集合体において、前記核燃料集合
体の横断面を中央部と周辺部に分けたとき、前記水ロッ
ドが前記中央部に配置され、該水ロッドの総断面積は前
記燃料棒の４本分以上の断面積を有し、前記燃料棒のう
ち短尺の燃料棒は前記水ロツドと隣り合わない位置に配
置され、最外周のコーナーに前記短尺の燃料棒を設けた
ことを特徴とする核燃料集合体。 ２．請求項１において、さらに、外側から２層目のコー
ナーに前記短尺の燃料棒を設けたことを特徴とする核燃
料集合体。３．請求項１又は２において、前記短尺の燃料棒が通常
の長さを有する燃料棒の１５／２４〜２１／２４の長さ
の燃料棒であることを特徴とする核燃料集合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9066120A JP2804752B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 核燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9066120A JP2804752B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 核燃料集合体 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61120001A Division JPH0827366B2 (ja) | 1986-05-24 | 1986-05-24 | 核燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09218284A JPH09218284A (ja) | 1997-08-19 |
| JP2804752B2 true JP2804752B2 (ja) | 1998-09-30 |
Family
ID=13306708
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9066120A Expired - Fee Related JP2804752B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 核燃料集合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2804752B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4675154A (en) * | 1985-12-20 | 1987-06-23 | General Electric Company | Nuclear fuel assembly with large coolant conducting tube |
-
1997
- 1997-03-19 JP JP9066120A patent/JP2804752B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09218284A (ja) | 1997-08-19 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |