JP2931573B2 - Fuel assembly - Google Patents

Fuel assembly

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JP2931573B2
JP2931573B2 JP9342831A JP34283197A JP2931573B2 JP 2931573 B2 JP2931573 B2 JP 2931573B2 JP 9342831 A JP9342831 A JP 9342831A JP 34283197 A JP34283197 A JP 34283197A JP 2931573 B2 JP2931573 B2 JP 2931573B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は燃料集合体に係り、
特に運転サイクルが長くかつ高停止余裕型の沸騰水型原
子炉に好適な燃料集合体に関する。 【0002】 【従来の技術】沸騰水型原子炉の燃料集合体は、金属製
被覆管内部に核燃料物質を充填した多数の燃料棒を規則
正しく配列されたものが方形のチャンネルボックスの内
部に収納されて構成されている。そして、沸騰水型原子
炉の炉心では、通常1体の十字型制御棒とそれを取り囲
む4体の燃料集合体とから構成されたセルが規則正しく
配置されている。すなわち、沸騰水型原子炉の炉心の各
燃料集合体および制御棒は、それらの軸が垂直で互いに
平行になるように配列され、減速材としての機能を有す
る冷却材は炉心の下方から上方に向って流れるように構
成されている。そして、炉心有効部下端即ち発熱部の下
端付近では気泡は発生しないが、炉心の中央部から上端
部にかけては大量の気泡が発生し、この発生した気泡は
炉心上方に流れる。気泡の占める体積割合即ちボイド割
合が高くなると、中性子の減速特性が低下するため熱中
性子束が低下し、出力が低下する。これを避けるため、
ボイド割合の高い部位では核分裂核種濃度即ち濃縮度を
高めたり、或いはボイド割合の低い部位の出力上昇を抑
えるべく可燃性毒物を入れる等して対処してきた。 【0003】したがって、沸騰水型原子炉では炉心上部
の燃焼が遅れやすく、これによってU-235濃度が相対的
に他の部分より高くなり、また、ボイドによりPu-239
などの核分裂性核種が生成されるため、炉心上部では原
子炉の停止余裕がきびしくなり易い事はよく知られてい
る。さらに、経済性向上を主目的として、運転サイクル
の長期化や燃料の燃焼度向上のための努力が続けられて
いる。この場合も燃料の濃縮度は必然的に高められるの
で、原子炉の停止余裕は一段ときびしくなる。次に、沸
騰水型原子炉に用いられた燃料集合体及び近い将来用い
られると期待される燃料集合体の代表例を図面を参照し
て説明する。第14図(a) および同図(b) はそれぞれ従来
の燃料集合体の斜視図および燃料集合体を構成する燃料
棒の概略縦断面図である。 【0004】同図(a) において、燃料集合体は水棒(図
示せず)と燃料棒2を上部タイプレート4,スペーサ
5,下部タイプレート6により固定し、その外側をチャ
ンネルボックス1で取囲むように構成されている。燃料
棒2は同図(b) に示すように、被覆管7内に燃料ペレッ
ト8を配設し、その上部のガスプレナムにスプリング9
を設け、上端に上部端栓10を下端に下部端栓11を設けて
いる。 【0005】第15図は第14図に示す従来の燃料集合体の
横断面図である。チャンネルボックス1内には62本の燃
料棒2と2本の水棒3が配列されて燃料集合体を構成し
ている。水棒3は集合体内部で減速材である水が不足す
るのを抑制しているが、この水棒3は軸方向に一様であ
るため炉心下方では水過剰、上方では水不足になるとい
う問題点がある。 【0006】第16図に示す燃料集合体は前記燃料集合体
の特性を改良するために開発されたものであり、集合体
内部に1本の太径水棒(太水棒)12を配置して非沸騰水
を導入している。しかしながら、この例でも炉心下方で
は水過剰、上方では水不足になるという問題点がある。 【0007】第17図に示す燃料集合体も第15図の燃料集
合体の改良であり、4つの小チャンネルボックス13を設
け、小チャンネルボックス13内には沸騰冷却水を、また
小チャンネルボックス13相互間の十字状間隙14には非沸
騰冷却水領域とすることにより、水平方向出力分布の平
坦化を図ったものであるが、このタイプの燃料集合体も
炉心下方では水過剰、上方では水不足になるという問題
点がある。 【0008】第18図に示す燃料集合体は、第17図の燃料
集合体の改良型として開発されたものである。この燃料
集合体は9ケのサブアセンブリ15で構成されており、各
サブアセンブリ15はそれぞれ9本の燃料棒2で構成され
ている。サブアセンブリ15の間にはやや広い間隙16が設
けられている。この燃料集合体の場合も炉心上下部の水
の過不足問題は解決されていない。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】上述したように、沸騰
水型原子炉(BWR)の発熱部である燃料集合体の最下
端では、気泡は発生しないものの、その他の部分ではど
こででも気泡は発生し、しかも発生した気泡は上方(下
流)へ流れていく。従って、BWRの気泡割合(ボイド
割合)は炉心上方ほど高くなる。その結果、中性子の減
速特性が低下するので核分裂割合が低下することにな
る。すなわち、燃焼は炉心下方で進み、炉心上方で遅れ
ることになる。そこで、炉心上方の出力の低下を抑制す
るために、炉心上方の核分裂核種濃度を高くすることが
提案されている。 【0010】ところが、炉心上方でのボイド割合の上昇
と核分裂核種濃度を高くすることは、原子炉停止時の炉
心上部での未臨界度を浅くすることになる。一方、運転
サイクルを長期化して経済性を向上するためには燃料の
濃縮度を更に高めなければならないが、このことは炉心
上部での未臨界度をますます浅くすることになり、終に
は原子炉を停止できなくなる場合も考えられる。すなわ
ちこの点がネックとなって、従来の原子炉炉心では運転
サイクルの長期化が出来ないという問題点があった。 【0011】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、その目的は、燃料の濃縮度を高くしても原
子炉停止を可能とするとともに軸方向出力分布を改良し
た沸騰水型原子炉の炉心を構成する燃料集合体を提供す
ることにある。 【0012】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は金属製被覆管内部に核燃料物質を充填した
多数の燃料棒と互いに隣り合う少なくとも2本の燃料棒
を包含する大きさの減速材棒とを規則正しく配列した燃
料集合体において、前記燃料棒は、長尺燃料棒と、前記
長尺燃料棒の燃料有効部全長(H)のうち、前記長尺燃
料棒の燃料有効部下端から2/3H位置ないし5/6H
位置の範囲の少なくとも一部を含む領域に核燃料物質
が充填されず、かつこの核燃料物質が充填されていない
領域より上部の領域には核燃料物質が充填されていない
短尺燃料棒、とからなり、前記短尺燃料棒を少なくとも
前記減速材棒に隣接する位置あるいは複数の前記減速材
棒に挟まれる位置に配置したことを特徴とするものであ
る。あるいは、前記燃料棒を十字状非沸騰冷却水領域に
よって複数の小単位に分割し、前記短尺燃料棒を前記十
字状非沸騰冷却水領域に隣接する位置に配置したことを
特徴とするものである。なお、以下前記短尺燃料棒をP
燃料棒と略す。 【0013】上記したように、本発明の燃料集合体によ
ると、短尺燃料棒の有効長より上部の核分裂性物質を排
除した部分と減速材棒または十字状非沸騰冷却水領域と
からなる非発熱部即ち介在領域を挟んで、介在領域の両
側の中性子相互作用(結合効果)が冷態時に弱まり、高
温運転時,特にボイド発生時に強まる現象が発生する。
この現象は主として拡散距離の短い熱中性子の作用によ
って説明することができる。すなわち、冷態時は水の密
度(約 1.0g/cm 3 )が大きいので熱中性子の拡散距
離は短くなり、介在領域を挟んだ両側の中性子の相互作
用が減少し、その結果中性子増倍特性が低下する。高温
運転時はボイドが発生していない状態でも沸騰水型原子
炉では水温(基準値)は約 286℃で、水の密度は約0.74
g/cm3 となる。水中の熱中性子移動距離は冷態時の
1/0.74(=1.35)倍に増大する。さらに、ボイド発生
時の気水混合体の密度は 0.3程度にまで低下し、その結
果、気水混合体の中の熱中性子拡散距離は 1/0.3 (≒
3)倍に増大する。この結果、介在領域を挟んだ両側の
中性子相互作用が増大し、中性子増倍特性が上昇する。 【0014】上述の作用を利用すると、介在領域の導入
により、冷態時は増倍率を低下させ即ち原子炉停止余裕
(未臨界度)を増大させ、高温運転時は燃料の量を介在
領域の導入によって減少させた場合でも増倍率の低下を
防止したり、好適な設計を行なえばかえって介在領域が
ない場合より増倍率を増大させることさえ可能となる。 【0015】次に、本発明の作用を第3図を参照して説
明する。同図(a) に示すように、直方形断面を有する2
つの燃料領域I,IIがあり、その間に幅wの水ギャップ
が存在するものとする。また燃料領域I,IIの水ギャッ
プ幅wと同じ方向の幅wf は水ギャップ幅wに比べて充
分広いものとする。このときの水ギャップ幅wと中性子
増倍率の変化の関係は同図(b) に示すとおりであり、同
図(b) のc部分を拡大して同図(c) に示す。ここで、
「中性子増倍率の変化」は、高温時(破線)、冷態時
(実線)とも、水ギャップ幅が0のときの中性子増倍率
からの変化であることを示す。燃料集合体の中で軸方向
と直角方向(軽水炉では通常水平方向)では、広い水ギ
ャップ領域をとることは困難である。すなわち、外形が
与えられた範囲で水ギャップを広くとることは燃料領域
が狭くなることであり、発熱領域が狭くなることであ
る。 【0016】本発明では、燃料集合体の軸と直角方向に
介在領域を挿入するので、狭い幅の介在領域の特性を明
らかにする必要がある。第3図(c) はこの主旨のもとに
同図(b) のc部を拡大して示したものである。精々3〜
5cm程度の水ギャップを設けた場合に対する理論計算
値もほぼ同図(c) と同様な曲線を与える。即ち、高温運
転時(ボイド発生時)は水ギャップ幅とともに増倍率の
変化は正方向に増大し(実効増倍率 keff が増大し)、
冷態時は水ギャップ幅が約1cmを越えると顕著に k
eff が水ギャップ幅の増大により減少し、炉停止時の未
臨界度の増大に役立つことがこの図から理解できる。 【0017】なお、上記の作用に関する説明では、水ギ
ャップを挟む2つの燃料領域間の中性子相互作用の変化
という見方をしたが、燃料集合体の無限増倍率 kを古
くから知られている4因子に分ける方式で説明すること
もできる。この方式では、第3図(c) の曲線は主として
熱中性子利用率と共鳴を逃れる確率の特性の変化によっ
ても説明される。燃料集合体内部で燃料棒本数を減らさ
ないで水ギャップを拡げる場合には、燃料棒間の間隙を
縮小しなければならず、これが共鳴吸収における燃料棒
相互間の共鳴中性子の遮蔽効果を増大させ、その結果、
共鳴を逃れる確率が増大する効果が生じ、一方では、燃
料領域対水ギャップ部の熱中性子束比が減少し、その結
果熱中性子利用率が低下する効果が生じる。第3図(c)
は上記2つの効果の水密度依存性と水ギャップ幅依存性
の相殺効果によりほぼ決定される。 【0018】燃料棒間間隙を固定しかつ水ギャップを拡
げるためには、燃料棒内から燃料物質を排除しなければ
ならない。その場合には、上記の共鳴吸収を逃れる確率
の変化は、共鳴中性子の遮蔽効果ではなく、減速効果の
増大によって共鳴を逃れる確率が増大することになる。
即ち、原子炉を高温で運転しており、ボイドも発生して
いる場合には減速材不足状態になっているため、水ギャ
ップの導入によってそれが緩和され、その結果やはり共
鳴を逃れる確率は増大する。熱中性子利用率の変化は上
記の例とほぼ同様である。 【0019】本発明では、高温運転時に実効増倍率 k
eff を増大させ、過大な負のボイド係数を緩和させ、冷
態停止時にあっては keff を減少させ、従って未臨界度
即ち炉停止余裕を増大させる特性を有する介在領域、即
ち短尺燃料棒の有効長より上部の核分裂性物質を排除し
た部分と太径減速材棒(水棒もしくは高密度に水素を含
み中性吸収効果の小さい水素化ジルコニウムZr H 2
ど)または十字状非沸騰冷却水領域の相乗作用を利用す
る。 【0020】即ち、互いに隣り合う少くとも2本の燃料
棒を包含する大きさの太径減速材棒を配置すると、減速
材棒は高温運転時は keff を増大させ、冷態停止時は k
effを減少させる働きがあるので、高温運転時は正の干
渉効果が発生し、冷態停止時は負の干渉効果が発生す
る。このような干渉効果は、炉心内に、まわりより高濃
縮度の燃料をある程度近接して2体配置すると正の干渉
効果が発生し、逆に制御棒をある程度近接して2体配置
すると負の干渉効果が発生するのと本質的には同じ干渉
効果である。本発明ではこのような現象を太径の減速材
棒で効果的に発生させ、かつ短尺燃料棒の有効長より上
部の核分裂性物質を排除した部分を配置することによっ
て干渉効果を一段と高めている。このような特性を利用
すると、燃料のインベントリをあまり減らさないで、よ
り太い減速材棒を導入した場合と同様の特性が得られ
る。インベントリが減らない事は発熱物質の利用が多い
ことであり、原子炉出力向上に寄与する。出力を一定と
する場合には燃料棒の出力密度を低減できるので、燃料
の健全性が向上する。 【0021】また、このような大きな相乗効果を発生さ
せ、特に炉停止余裕を大きくさせる部位を炉心上部の炉
停止余裕がきびしくなる部分に限定してインベントリの
低減を抑制している。炉心下端から全長の 2/3程度まで
は太径減速材棒が配置されており、前記減速材棒間また
は前記減速材棒のまわりには従来どおり燃料棒が配置さ
れている。減速材棒のまわりは熱中性子束が上昇してい
るが、太径減速材棒では熱中性子束の上昇している範囲
が燃料棒1本分相当の細径減速材棒の場合に比べてより
広い。特に互いに隣り合う少なくとも2本の燃料棒を包
含する大きさの太径減速材棒では、燃料棒間の沸騰水を
も非沸騰水に置換するので、減速材棒によって減少する
燃料インベントリの割に効果的に広い範囲の減速材棒ま
わりの熱中性子束を上昇させることができる。 【0022】以上の説明において、大径減速材棒に代え
て十字状非沸騰冷却水領域を設けても、同様の効果を達
成することができる。すなわち、第17図の従来例におい
て、小チャンネルボックス13相互間の十字状間隙14の非
沸騰冷却水領域は、大径水棒と同様の作用を有する。従
って、十字状非沸騰冷却水領域に隣接して短尺燃料棒を
配置することによって、短尺燃料棒の有効長より上部の
核分裂性物質を排除した部分により上記の干渉効果を一
段と高めることができる。 【0023】熱中性子束上昇領域では燃料の反応度が上
昇するので keff の増大に寄与できる。また高濃縮度燃
料ではより多くの可燃性毒物入り燃料棒を用いて潜在的
な増倍率を抑制しなければならないが、熱中性子束上昇
領域が広いと集合体内配置位置が広がり、また反応度効
果の増大により本数を低減させることもできる。 【0024】さらに、本発明の特徴は、大径減速材棒ま
たは十字状非沸騰水領域に隣接して、短尺燃料棒を配置
する点にあり、上述の炉停止余裕を向上させると同時に
冷却材の圧力損失を低減させることができる。すなわ
ち、短尺の燃料棒を用いることにより、高いボイド率の
ため流速が特に高くなり大きな圧力損失を生じる冷却材
の下流(燃料集合体の上部)において冷却材流路が拡大
するので、圧力損失が効果的に低減される。この結果冷
却材駆動用のポンプ動力が減少し、原子力発電の効率が
向上する。 【0025】すなわち本発明によれば、燃料インベント
リの低減を抑制しつつ、冷却材の圧力損失を低減しなが
ら効果的に、高温出力運転時にkeff を増大させ、冷態
停止中にkeff を減少させることが可能となる。 【0026】 【発明の実施の形態】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平面図である。
本実施例の燃料集合体は、太径の減速材棒として4燃料
棒セルに相当する大きさの太水棒44(A,B)が2本
と、この太水棒Aと太水棒Bの間に5本のP燃料棒45
(第2図参照)が配置されている。この太水棒A,Bと
5本のP燃料棒45が配置された領域を除いた領域に通常
の燃料棒33が規則的に9行9列配置されている。したが
って、本燃料集合体は太水棒44は2本,P燃料棒45は5
本,通常の燃料棒33は68本から構成されている。燃料集
合体全体としては対角線に対して対称配置構造になって
いる。そして、本燃料集合体は停止余裕が厳しくなる炉
心の 3/4H 付近を含むようにP燃料棒の非燃料部(vani
shing rod )が位置しており、この高さ位置では点線で
示すように、太水棒Aから太水棒Bにかけて広い非燃料
領域が形成されるので、炉停止余裕(SDM:shut down ma
rgin)が向上する。また、これら太水棒44とP燃料棒45
を取り囲む燃料棒Hと燃料棒hは普通の燃料棒である
が、燃料棒hより燃料棒Hの方が太水棒44と接する部分
が大きいので、反応度への寄与が大きい。さらに、P燃
料棒45の非燃料部高さでは燃料棒Hと燃料棒hの部分で
熱中性子束が高くなり、燃料棒の反応度効果が上昇し、
P燃料棒45の非燃料部高さを除く部位では燃料棒HとP
燃料棒45で熱中性子束が上昇する。したがって、これら
部位は keff を意図的に上昇または低下させるのに好適
である。 【0027】第2図(a) は本発明の燃料集合体の側面
図、同図(b) (e) は本発明の燃料集合体に使用される燃
料棒の概略断面図である。第2図(b) において、燃料棒
33は普通の燃料棒で燃料被覆管34の中に燃料ペレット35
が封入され、その上部にはガスプレナム36が形成されて
いる。第2図(e)の45が本発明に係るP燃料棒である。
P燃料棒45は第2図(e) に示すように短尺燃料棒であ
り、全長がほぼ普通の燃料棒の3/4Hに相当し、その下端
にガスプレナム36が、上端には出力スパイク抑制材38を
介して補助ガスプレナム40が設けられており、この補助
ガスプレナム40の上部に非燃料部(vanishing rod )39
が位置している。 【0028】通常冷却材流の下流域すなわち燃料集合体
の上部においてはボイド率が高いため、流速が非常に大
きく、流速の2乗に略比例して増大する圧力損失もまた
大きくなる。しかし第2図に示したP燃料棒43を用いた
場合、冷却材流の下流域すなわち燃料集合体の上部にお
いて冷却材の流路が拡大するので、冷却材の流速が低下
する。よってこの部位の圧力損失を大幅に低減すること
ができる。なお、こうした作用効果は、特に断らない限
り以下述べる他の実施例についても共通するものであ
る。 【0029】そして、上記P燃料棒の特徴は炉停止余裕
が厳しくなる2/3H〜5/6H部の一部を含む位置で核分裂性
核種を排除させた点にある。これは燃料有効長下端から
3/4H 付近で特に未臨界度が浅くなるためである。ま
た、出力スパイク防止のために出力スパイク抑制材38が
上端に隣接して挿入されている。 【0030】第4図は本発明の第2の実施例の平面図で
ある。既に説明した第1の実施例と同一個所には同一符
号を付して説明する。以下の各実施例についても同様で
ある。 【0031】本実施例では第1実施例において、太水棒
Aを1行下に移動し、また太水棒Bを1列右に移動した
構成であるから、本燃料集合体は太水棒A,Bの間には
2本のP燃料棒45が配置された構造になっている。した
がって、本燃料集合体では太水棒44は2本,P燃料棒45
は2本,通常の燃料棒33は71本から構成されている。炉
心上部のSDM が厳しくなる位置では第1実施例よりも太
水棒44およびP燃料棒45を囲む非燃料域は点線で示すよ
うに小さい。本実施例は燃料集合体外周の水ギャツプ幅
が異なる炉心(BWR―D格子炉心)に好適である。 【0032】第5図は本発明の第3の実施例の平面図で
ある。本実施例の燃料集合体は全体としては3×3サブ
バンドル9ケで構成されている。そして、各サブバンド
ル間はやや広い水ギャップ50が形成されている。ギャッ
プがやや広い部分を中心とする2個の太水棒44(A,
B)が挿入されており、この太水棒AとBの間にP燃料
棒45が5本配置されている。このようにギャップのやや
広い部分に太水棒44が挿入されているので、インベント
リを減らす量の割りに太い水棒とすることができるし、
また、この部分に集まり易い冷却水を水棒で集まりにく
くできる。したがって、炉心上部では太水棒AとBはP
燃料棒45を介して広い非燃料領域を形成する。さらに、
太水棒A,Bと直角方向のギャップの広い部分の交点に
は細いFC(フローコントロール材)49を入れて冷却水
の集まりを抑制しており、太水棒A,Bもギャップの冷
却材の流れをコントロールする作用を有している。FC
49は通常細い水棒で構成し、矢印のように(炉心の上半
において)冷却水を排出できる程度の流量とするのがよ
い。なお、本燃料集合体は太水棒44は2本,P燃料棒45
は5本,通常の燃料棒33は68本,FC49は2本から構成
されている。 【0033】第6図は本発明の第4の実施例の平面図で
ある。本実施例の燃料集合体は前記第5図と同様に全体
としては3×3サブバンドル9ケで構成されている。そ
して、各サブバンドル間はやや広い水ギャップ50が形成
されているが、太水棒AとBが第5図よりも近接してい
る。そこで、太水棒AとBは水棒結合材兼フローコント
ロールフィン51で軸方向に数か所結合されている。この
フィン51が集合体の中央部に冷却水が集まる傾向のある
ものを押し返す作用を有する。炉心上部では点線内が非
燃料部となる。P燃料棒45はフィン51の長手方向に沿っ
て3本づつ配置されている。したがって、本燃料集合体
は太水棒44は2本,P燃料棒45は6本,通常の燃料棒33
は68本から構成されている。 【0034】第7図は本発明の第5の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は燃料棒の配置が4-1-4 形粗密
格子集合体である。対角線上の4×4サブバンドルの内
側で普通の燃料棒33の4本分の太水棒44(A,B)を挿
入し、この太水棒AとBの間に5本のP燃料棒45を配置
したものである。第1図の実施例に似ているがP燃料棒
の間隔が広いので、炉心上部の点線で囲まれた非燃料部
も広く形成される。本燃料集合体は太水棒44は2本,P
燃料棒45は5本,通常の燃料棒33は68本から構成されて
いる。 【0035】第8図は本発明の第6の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は燃料棒の配置が 5-4形粗密格
子集合体である。太水棒AとBは非対称の格子集合体の
内側角部に挿入されている。P燃料棒45は対称の格子集
合体の内側角部に1本づつ配置されている。本燃料集合
体は太水棒44は2本,P燃料棒45は2本,通常の燃料棒
33は71本から構成されている。なお、本実施例はBWR
―D格子炉心に好適である。 【0036】第9図は本発明の第7の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は燃料棒の配置が4-2-3 形粗密
格子集合体である。本実施例は第8図に似ているが、第
5図のようにFC(フローコントロール材)49が設けら
れている。本燃料集合体は太水棒44は2本,P燃料棒45
は2本,通常の燃料棒33は71本,FC49は2本から構成
されている。なお、本実施例はBWR―D格子炉心に好
適である。 【0037】第10図は本発明の第8の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は燃料棒の配置が4-3-2 形粗密
格子集合体である。本実施例は第9図に似ているが、格
子の形状の影響により太水棒Aと太水棒Bの太さがやや
異なっている。本燃料集合体は太水棒44は2本,P燃料
棒45は2本,通常の燃料棒33は71本,FC49は2本から
構成されている。なお、本実施例はBWR―D格子炉心
に好適である。 【0038】第11図は本発明の第9の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は10×10型で燃料棒の配置が4-
2-4 形粗密格子集合体である。したがって、太水棒44
(A,B)が大きくとれるが、それ以外は第9図に似た
構成である。本燃料集合体は太水棒44は2本,P燃料棒
45は2本,通常の燃料棒33は90本,FC49は2本から構
成されている。 【0039】第12図は本発明の第10の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は11×11型の一種で燃料棒の配
置が(5×5)×4 形粗密格子集合体の変形である。第8図
の燃料集合体において、サブバンドル間のギャップに合
計8本の燃料棒を配置し、5−4形を5−5形とし、8
本の燃料棒追加により燃料インベントリーの増加を図っ
ている。本実施例の一つの特徴としては、チャンネルボ
ックス側面中央部でチャンネル材と燃料棒との間にやや
広い水領域を設けている点がある。この構成によって対
向する図示しない燃料集合体との間の水ギャップが拡が
り、炉停止余裕の向上に寄与する点があげられる。太水
棒44(A,B)は大きくとれる。本燃料集合体は太水棒
44は2本,P燃料棒45は2本,通常の燃料棒33は98本か
ら構成されている。 【0040】第13図は本発明の第11の実施例の平面図で
ある。本実施例は4つのサブバンドル51を設け、各サブ
バンドル相互間の十字状間隙52を非沸騰冷却水領域と
し、各サブバンドル51で集合体中央に位置するコーナ部
分にP燃料棒45を3本と細水棒46を1本、計4本を団塊
的に配置している。本燃料集合体は、P燃料棒45は12
本、細水棒46は4本、燃料棒33は84本で構成されてい
る。この実施例では炉心上部では点線で囲む大きな非燃
料領域が形成される。 【0041】以上述べてきた実施例において、P燃料棒
45の上端部では、その上方には核燃料物質がないため、
中性子束が高い。そのため上端部の核燃料物質では、2
cm程度(多くても5cm)の範囲で出力ピーク(スパイ
ク)が生じ、燃料の健全性上不利であるため、軸心近傍
にのみ可燃性毒物を含むペレットが2ケ(約2cm)配置
されている。これらのペレットは外周には毒物が含まれ
ていないため、出力は運転サイクル全般にわたって比較
的変動が少ない。サイクル末期に近づくにつれて毒物の
吸収特性が消滅し、この部分の出力が緩やかに上昇する
ように設計する。さらに細径Gdペレットを挿入した燃料
ペレットのかわりにペレット全体にGdを混入してもよ
い。 【0042】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば以
下に記載したような効果を奏する。 (1) 原子炉停止時は水温も低く水の密度が高いので、熱
中性子の拡散距離は小さいが、本発明の燃料集合体によ
ると、核分裂性物質の存在しない非燃料領域(介在領
域)を挟んで水平方向の燃料領域の中性子相互作用(結
合効果)が減少し、その結果停止中の炉の未臨界度をよ
り大きくすることができる。 【0043】(2) 高温運転時は、水の平均密度が大幅に
低下するので、熱中性子拡散距離が大幅(2〜3倍)に
延びる。その結果、介在領域を挟んだ結合効果が向上
し、実効増倍率は核分裂性物質が存在しない領域がある
にもかかわらず、かえって僅かではあっても増大させる
ことさえできる。介在領域の導入により不利にならな
い。 【0044】(3) 本発明では、介在領域に軸方向に隣接
する燃料の限られた部分に可燃性毒物が効果的に配置さ
れるので、局所的な出力ピーク(出力スパイク)は発生
せず、従って燃料の健全性が保たれる。 【0045】(4) 太径減速材棒または十字状非沸騰冷却
水領域の正の干渉効果により、燃料インベントリの減少
を低く抑えながら、太径減速材棒または十字状非沸騰冷
却水領域のまわりおよび太径減速材棒間の広い範囲にわ
たって熱中性子束を上昇させることができるので、その
部分での燃料反応度効果が上昇する。その結果、実効増
倍率を向上させることができ、あるいは可燃性毒物挿入
本数の低減が可能となる。 【0046】(5) さらにまた、本願発明によれば短尺燃
料棒の採用により冷却材下流部において発生する大きな
冷却材圧力損失を大幅に低減することができ、冷却材駆
動ポンプの動力低減ができ、原子力発電の効率を高める
ことができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel assembly,
In particular, a boiling water type with a long operation cycle and a high stop margin
The present invention relates to a fuel assembly suitable for a nuclear reactor. [0002] 2. Description of the Related Art A fuel assembly of a boiling water reactor is made of metal.
Numerous fuel rods filled with nuclear fuel material inside cladding
What is correctly arranged is inside the rectangular channel box
It is housed in a unit. And the boiling water atom
In the core of the furnace, there is usually one cruciform control rod and it surrounds it.
Cells composed of four fuel assemblies
Are located. In other words, each core of the boiling water reactor
The fuel assemblies and control rods are perpendicular to each other and
It is arranged so that it becomes parallel and has a function as a moderator
Coolant is configured to flow upward from below the core.
Has been established. Then, the lower end of the core effective portion, that is, below the heating portion
No bubbles are generated near the end, but from the center to the upper end of the core.
A large amount of air bubbles are generated in the area, and the generated air bubbles
It flows above the core. Volume ratio occupied by bubbles, that is, void splitting
The neutron moderation characteristics decrease when the
The neutron flux decreases and the output decreases. To avoid this,
At sites with a high void fraction, the fission nuclide concentration or enrichment
Or suppress output rise in areas with low void ratio.
We have taken measures such as adding burnable poisons as much as possible. Therefore, in a boiling water reactor, the upper part of the core
Combustion is easily delayed, which causes relative U-235 concentration
Is higher than other parts, and voids cause Pu-239
Fissile nuclides such as
It is well known that the shutdown margin of a reactor is likely to be severe.
You. In addition, with the primary objective of improving
Efforts to extend fuel consumption and improve fuel burnup continue
I have. In this case too, the enrichment of the fuel is necessarily increased
As a result, the shutdown margin of the reactor becomes one step higher. Next, boil
Fuel assemblies used in rising water reactors and their use in the near future
A typical example of a fuel assembly expected to be
Will be explained. Figures 14 (a) and (b) show the conventional
Perspective view of a fuel assembly and fuel constituting the fuel assembly
It is an outline longitudinal section of a stick. In FIG. 1A, a fuel assembly is a water rod (see FIG.
(Not shown) and fuel rod 2 are connected to upper tie plate 4 and spacer
5.Fix with lower tie plate 6
It is configured to be surrounded by a channel box 1. fuel
The rod 2 is inserted into the cladding tube 7 as shown in FIG.
And a spring 9 in the gas plenum above it.
With an upper end plug 10 at the upper end and a lower end plug 11 at the lower end.
I have. FIG. 15 shows the conventional fuel assembly shown in FIG.
FIG. Channel box 1 contains 62 fuels.
The fuel rod 2 and the two water rods 3 are arranged to form a fuel assembly.
ing. Water rod 3 lacks water as moderator inside the assembly
This water rod 3 is uniform in the axial direction.
Water in the lower part of the core and water shortage in the upper part
There is a problem. [0006] The fuel assembly shown in FIG.
It was developed to improve the characteristics of
Place one large-diameter water rod (thick water rod) 12 inside and use non-boiling water
Has been introduced. However, even in this example,
There is a problem that water is excessive and water shortage occurs above. [0007] The fuel assembly shown in FIG.
This is an improvement of coalescence, and four small channel boxes 13 are installed.
Boiled cooling water in the small channel box 13
Non-boiling in the cross-shaped gap 14 between the small channel boxes 13
The rise in the cooling water area allows the horizontal power distribution to be flat.
This type of fuel assembly is
The problem of excessive water below the core and water shortage above the core
There is a point. [0008] The fuel assembly shown in FIG.
It was developed as an improved version of the assembly. This fuel
The assembly is composed of nine subassemblies 15
Each sub-assembly 15 is composed of nine fuel rods 2.
ing. A slightly wider gap 16 is provided between the subassemblies 15.
Have been killed. In the case of this fuel assembly as well, the water
The problem of overs and shorts has not been solved. [0009] As mentioned above, boiling
The bottom of the fuel assembly, which is the heating section of a water reactor (BWR)
No air bubbles are generated at the end, but
Even here, bubbles are generated, and the generated bubbles are upward (below).
Flow). Therefore, the bubble ratio of the BWR (void
Ratio) becomes higher toward the upper part of the core. As a result, neutron reduction
And the fission rate decreases.
You. That is, combustion proceeds below the core and lags above the core
Will be. Therefore, a reduction in power above the core is suppressed.
To increase the fission nuclide concentration above the core
Proposed. [0010] However, an increase in the void ratio above the reactor core
Increasing the concentration of fission nuclides in the reactor
The subcriticality in the upper part of the heart will be shallow. Meanwhile, driving
In order to extend the cycle and improve economics,
The enrichment must be further increased, but this is the core
The subcriticality at the top will become increasingly shallow and eventually
May be unable to shut down the reactor. Sand
This point is a bottleneck, and the conventional reactor core
There was a problem that the cycle could not be lengthened. The present invention has been made to solve the above problems.
The purpose is to increase the fuel enrichment
Enables reactor shutdown and improves axial power distribution
To provide a fuel assembly that constitutes the core of a boiling water reactor
It is to be. [0012] [MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS] To achieve the above object
In the present invention, the nuclear fuel material was filled inside the metal cladding tube.
Multiple fuel rods and at least two fuel rods next to each other
With a moderator rod of a size that contains
In the fuel assembly, the fuel rod includes a long fuel rod and the fuel rod.
Effective fuel length of long fuel rod(H)The long fuel
Fuel effective part of fuel rodFrom the bottom2 / 3H position to 5 / 6H
In an area that includes at least part of the location rangeIsNuclear fuel material
Is filledNot filled with this nuclear fuel material
The area above the area is not filled with nuclear fuel material
A short fuel rod; and
A position adjacent to the moderator rod or a plurality of the moderators
Characterized by being arranged at a position sandwiched between rods.
You. Alternatively, the fuel rod is placed in a cross-shaped non-boiling cooling water region.
Therefore, the fuel rod is divided into a plurality of small units, and the short fuel rod is
That it is located adjacent to the non-boiling cooling water area
It is a feature. Hereinafter, the short fuel rod is referred to as P
Abbreviated as fuel rod. As described above, according to the fuel assembly of the present invention,
Fissile material above the effective length of the short fuel rod
And the moderator rod or cross-shaped non-boiling cooling water area
Of the intervening region, with the non-heat generating portion consisting of
Neutron interaction (coupling effect) weakens during cold
A phenomenon that increases during warm operation, particularly when voids occur, occurs.
This phenomenon is mainly due to the action of thermal neutrons with a short diffusion distance.
Can be explained. That is, when cold, the water
Degree (about 1.0g / cm Three ), The diffusion distance of thermal neutrons
The separation is shortened, and neutron interaction on both sides of the intervening region
The neutron multiplication properties are reduced as a result. high temperature
During operation, boiling water atoms even in the absence of voids
In the furnace, the water temperature (reference value) is about 286 ° C and the water density is about 0.74
g / cmThreeBecomes Thermal neutron migration distance in water is cold
 It increases 1 / 0.74 (= 1.35) times. Furthermore, void generation
The density of the air-water mixture at that time drops to about 0.3,
As a result, the thermal neutron diffusion distance in the air-water mixture is 1 / 0.3 (≒
3) It increases twice. As a result, both sides of the intervening region
Neutron interaction increases, and neutron multiplication properties increase. By utilizing the above-described operation, the introduction of the intervening region
Reduces the multiplication factor during cold conditions, that is, the reactor shutdown margin
(Subcriticality) to increase the amount of fuel during high-temperature operation
Even if it is reduced by introducing an area,
If it is prevented or a suitable design is made,
It is even possible to increase the multiplication factor over the case without one. Next, the operation of the present invention will be described with reference to FIG.
I will tell. As shown in FIG.
There are two fuel zones I and II, between which a water gap of width w
Shall exist. In addition, water gaps in fuel areas I and II
Width w in the same direction asfIs larger than the water gap width w.
It shall be wide enough. Water gap width w and neutrons at this time
The relationship of the change in the multiplication factor is as shown in Fig.
Part (c) of FIG. (B) is enlarged and shown in FIG. here,
"Changes in neutron multiplication factor" are for high temperature (dashed line) and cold
(Solid line), neutron multiplication factor when water gap width is 0
It indicates that it is a change from Axial direction in fuel assembly
At right angles (usually horizontal in light water reactors)
It is difficult to take a gap area. That is,
Widening the water gap over a given range is a fuel area
And the heat generation area becomes narrower.
You. In the present invention, in the direction perpendicular to the axis of the fuel assembly,
Since the intervening area is inserted, the characteristics of the narrower intervening area are clarified.
Need to be clear. Fig. 3 (c) shows the purpose of this
This is an enlarged view of a portion c in FIG. 3 at best
Theoretical calculation for the case where a water gap of about 5cm is provided
The value gives a curve almost similar to that of FIG. That is, high temperature luck
When turning (when a void occurs), the multiplication factor increases with the width of the water gap.
The change increases in the positive direction (effective multiplication factor keffIncreases),
In the cold state, when the water gap width exceeds about 1 cm,
effDecreased due to the increase in the width of the water gap.
It can be seen from this figure that it helps to increase the criticality. In the above description of the operation,
Of neutron interaction between two fuel regions sandwiching a gap
The infinite multiplication factor k of the fuel assemblyThe old
To be explained in the well-known four-factor method
Can also. In this method, the curve in FIG.
Changes in the properties of thermal neutron utilization and the probability of escape from resonance
Is also explained. Reduced number of fuel rods inside fuel assembly
When widening the water gap without
Must shrink, this is the fuel rod in resonance absorption
Increase the shielding effect of resonant neutrons between each other, so that
This has the effect of increasing the probability of escaping resonance, while
The thermal neutron flux ratio between the feed region and the water gap decreases,
The effect of reducing the thermal neutron utilization rate occurs. Fig. 3 (c)
Is the water density dependence and water gap width dependence of the above two effects
Is largely determined by the offset effect of The gap between fuel rods is fixed and the water gap is widened.
To remove fuel material from the fuel rods
No. In that case, the probability of escaping the above resonance absorption
Is not a shielding effect of resonant neutrons, but a deceleration effect.
The increase will increase the probability of escaping resonance.
In other words, the reactor is operating at high temperature,
If there is no moderator,
This has been alleviated by the introduction of
The probability of escaping increases. Thermal neutron utilization changes above
This is almost the same as the above example. In the present invention, the effective multiplication factor k during high-temperature operation
effTo reduce excessive negative void coefficient,
When the state is stopped keffAnd thus the subcriticality
That is, the intervening region having the characteristic of increasing the furnace stop margin,
Eliminate fissile material above the effective length of the short fuel rod
Part and large diameter moderator rod (water rod or high density hydrogen
Zirconium hydride with small neutral absorption effect Two What
Or the synergy of the cross-shaped non-boiling cooling water region
You. That is, at least two fuels adjacent to each other
When a large-diameter moderator rod large enough to contain the rod is placed,
The bar is k at high temperature operation.effAnd k during cold shutdown
effPositive operation during high-temperature operation.
Interference effect occurs, and a negative interference effect occurs during cold shutdown
You. Such interference effects are more concentrated in the core than in the surroundings.
Positive interference when two fuels of different shrinkage are placed close to each other
The effect occurs, and conversely, two control rods are placed close to each other
This is essentially the same interference that produces a negative interference effect
The effect is. In the present invention, such a phenomenon is considered as a large-diameter moderator.
Generated effectively with rods and above the effective length of short fuel rods
By placing a part excluding fissile material,
The interference effect is further enhanced. Take advantage of these characteristics
Then do not reduce the fuel inventory too much,
The same characteristics as when a thick moderator rod is introduced can be obtained.
You. If the inventory does not decrease, much use of pyrogens
This contributes to the improvement of reactor power. When the output is constant
The power density of the fuel rods
The soundness of the vehicle is improved. Further, such a large synergistic effect is generated.
In particular, place the part that increases the reactor shutdown margin in the furnace above the core.
The inventory is limited to the areas where
The reduction is suppressed. From the bottom of the core to about 2/3 of the total length
Has a large-diameter moderator rod disposed between the moderator rods.
The fuel rods are arranged around the moderator rods as before.
Have been. The thermal neutron flux is rising around the moderator rod
However, for large diameter moderator rods,
Is smaller than a small moderator rod equivalent to one fuel rod.
wide. In particular, wrap at least two fuel rods next to each other
For large diameter moderator rods of a size that includes
Is also replaced by non-boiling water, so it is reduced by moderator rods
A wide range of moderator rods can be used effectively for fuel inventory
The thermal neutron flux can be increased. In the above description, a large-diameter moderator rod is used instead of a large-diameter moderator rod.
The same effect can be achieved by providing a cross-shaped non-boiling cooling water area
Can be achieved. That is, in the conventional example of FIG.
Of the cross-shaped gap 14 between the small channel boxes 13
The boiling cooling water region has the same action as the large diameter water rod. Obedience
The short fuel rod adjacent to the cross-shaped non-boiling cooling water area
By arranging, the effective length of the short fuel rod is
The above-mentioned interference effect is eliminated by the part excluding fissile material.
Can be raised step by step. In the thermal neutron flux rising region, the reactivity of the fuel increases.
Ascending, keffCan be increased. Also highly concentrated fuel
Use more fuel rods with burnable poisons
Multiplication factor must be suppressed, but thermal neutron flux rise
If the area is large, the location within the assembly will be widened and the reactivity will be effective
The number of fruits can be reduced by increasing the number of fruits. Further, a feature of the present invention is that a large-diameter moderator rod is provided.
Or short fuel rods located adjacent to the cross-shaped non-boiling water area
At the same time as improving the furnace shutdown margin described above.
The pressure loss of the coolant can be reduced. Sand
By using short fuel rods, high void fraction
Coolant that causes a particularly high flow rate and a large pressure loss
Coolant flow path downstream (upper of fuel assembly)
Therefore, the pressure loss is effectively reduced. This results in cold
Pump power for driving waste material is reduced, and the efficiency of nuclear power generation is improved.
improves. That is, according to the present invention, the fuel vent
Pressure loss of the coolant while
Effectively, during high-temperature output operationeffIncrease the coldness
While stoppedeffCan be reduced. [0026] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
explain. FIG. 1 is a plan view of one embodiment of the present invention.
The fuel assembly of the present embodiment uses four fuels as moderator rods having a large diameter.
Two thick water sticks 44 (A, B) of the size equivalent to a stick cell
And five P fuel rods 45 between the heavy water rods A and B.
(See FIG. 2). With these thick water rods A and B
Normally in the area excluding the area where five P fuel rods 45 are arranged
Are regularly arranged in 9 rows and 9 columns. But
Therefore, this fuel assembly has two fat rods 44 and five P fuel rods 45.
The normal fuel rod 33 is composed of 68 rods. Fuel collection
As a whole, the united structure is symmetrical with respect to the diagonal.
I have. And, this fuel assembly is a furnace with a tight shutdown margin
The non-fuel portion of the P fuel rod (vani
shing rod), and at this height,
As shown, from non-fuel rod A to non-fuel rod B
Since an area is formed, the reactor shutdown margin (SDM: shut down ma
rgin) is improved. The thick water rod 44 and the P fuel rod 45
The fuel rods H and h surrounding the fuel rods are ordinary fuel rods
However, the part where the fuel rod H is in contact with the fat rod 44 more than the fuel rod h
, The contribution to the reactivity is large. In addition, P
In the non-fuel part height of the fuel rod 45, the fuel rod H and the fuel rod h
The thermal neutron flux increases, the reactivity effect of the fuel rod increases,
Except for the height of the non-fuel portion of the P fuel rod 45, the fuel rods H and P
The thermal neutron flux rises at the fuel rod 45. Therefore, these
Site is keffSuitable for intentionally raising or lowering
It is. FIG. 2 (a) is a side view of the fuel assembly of the present invention.
Figures (b) and (e) show the fuel used in the fuel assembly of the present invention.
It is a schematic sectional drawing of a material rod. In FIG. 2 (b), the fuel rod
33 is a normal fuel rod and a fuel pellet 35 in a fuel cladding tube 34.
Is enclosed, and a gas plenum 36 is formed on the upper part
I have. FIG. 2 (e)45Is a P fuel rod according to the present invention.
P fuel rod45Is a short fuel rod as shown in Fig. 2 (e).
The total length is almost 3 / 4H of a normal fuel rod,
Gas plenum 36 and output spike suppressor 38 at the upper end
An auxiliary gas plenum 40 is provided via
Non-fuel part (vanishing rod) 39 on top of gas plenum 40
Is located. Normally downstream of the coolant flow, ie the fuel assembly
The flow rate is very high at the top of
Pressure loss, which increases almost in proportion to the square of the flow velocity,
growing. However, the P fuel rod 43 shown in FIG. 2 was used.
In this case, the area downstream of the coolant flow,
And the flow path of the coolant expands, reducing the flow rate of the coolant
I do. Therefore, the pressure loss at this part is greatly reduced.
Can be. These effects and effects are provided unless otherwise specified.
The same applies to the other embodiments described below.
You. The feature of the P fuel rod is that the furnace can be stopped.
Fissile at a location that contains part of the 2 / 3H to 5 / 6H section
The point is that nuclides were eliminated. This is from the lower fuel effective length
This is because the subcriticality becomes particularly shallow near 3 / 4H. Ma
The output spike suppressor 38 is used to prevent output spikes.
It is inserted adjacent to the upper end. FIG. 4 is a plan view of a second embodiment of the present invention.
is there. The same parts as those in the first embodiment described above have the same reference numerals.
A description will be given with numbers. The same applies to the following embodiments.
is there. This embodiment is different from the first embodiment in that a thick water rod is used.
A was moved down one row, and thick water stick B was moved down one column.
Because of this configuration, this fuel assembly
The structure is such that two P fuel rods 45 are arranged. did
Therefore, in this fuel assembly, two fat rods 44 and two P fuel rods 45 are used.
Is composed of two rods, and the normal fuel rod 33 is composed of 71 rods. Furnace
At the position where the SDM in the upper part of the heart becomes severe,
The non-fuel area surrounding the water rod 44 and the P fuel rod 45 is indicated by a dotted line.
So small. In this embodiment, the water gap width around the fuel assembly
Is suitable for a different core (BWR-D lattice core). FIG. 5 is a plan view of a third embodiment of the present invention.
is there. The fuel assembly of the present embodiment is a 3 × 3
It consists of 9 bundles. And each subband
A slightly wide water gap 50 is formed between the holes. Gya
Two thick water rods 44 (A,
B) is inserted, and P fuel is inserted between the thick water rods A and B.
Five rods 45 are arranged. In this way, a little bit of the gap
Since the thick water rod 44 is inserted in the wide part, the vent
You can use a thick water stick to reduce the amount of water
Also, it is difficult to collect the cooling water that is
I can do it. Therefore, in the upper part of the core, the thick water rods A and B are P
A large non-fuel area is formed through the fuel rod 45. further,
At the intersection of the wide sections of the water rods A and B and the gap at right angles
Add thin FC (flow control material) 49 and cool water
And the thick water rods A and B also cool the gap.
It has the function of controlling the flow of waste material. FC
49 is usually composed of a thin water rod, as shown by the arrow (upper half of the core)
It is recommended that the flow rate be sufficient to discharge the cooling water.
No. The fuel assembly is composed of two thick water rods 44 and two P fuel rods 45.
Consists of 5 pieces, normal fuel rod 33 consists of 68 pieces, FC49 consists of 2 pieces
Have been. FIG. 6 is a plan view of a fourth embodiment of the present invention.
is there. The fuel assembly of the present embodiment has the same overall structure as in FIG.
Is composed of nine 3 × 3 sub-bundles. So
And a slightly wide water gap 50 is formed between each sub-bundle.
However, the thick water rods A and B are closer than in FIG.
You. Therefore, the thick water rods A and B are water rod binding material and flow control.
The roll fins 51 are joined at several places in the axial direction. this
Fins 51 tend to collect cooling water in the center of the assembly
It has the effect of pushing things back. In the upper part of the core,
It is the fuel section. P fuel rod 45 extends along the longitudinal direction of fin 51
Are arranged three by one. Therefore, the fuel assembly
Represents two thick water rods 44, six P fuel rods 45, and normal fuel rods 33.
Consists of 68 lines. FIG. 7 is a plan view of a fifth embodiment of the present invention.
is there. In the assembly of this embodiment, the arrangement of the fuel rods is 4-1-4 type.
It is a lattice aggregate. Of the diagonal 4 × 4 subbundle
At the side, insert four thick water rods 44 (A, B) of normal fuel rods 33.
And put five P fuel rods 45 between these thick water rods A and B.
It was done. Similar to the embodiment of FIG. 1, but with P fuel rods
The non-fuel area surrounded by the dotted line at the top of the core
Is also widely formed. This fuel assembly has two thick water rods 44, P
Five fuel rods 45 and 68 normal fuel rods 33
I have. FIG. 8 is a plan view of a sixth embodiment of the present invention.
is there. In the assembly of this embodiment, the arrangement of fuel rods is 5-4 type.
It is a child aggregate. Thick rods A and B are asymmetric lattice assemblies
Inserted into the inner corner. P fuel rod 45 is a symmetric grid
They are arranged one by one at the inner corners of the union. This fuel assembly
The body is two thick water rods 44, two P fuel rods 45, normal fuel rods.
33 is composed of 71 lines. In this embodiment, the BWR
-Suitable for D lattice core. FIG. 9 is a plan view of a seventh embodiment of the present invention.
is there. In the assembly of the present embodiment, the arrangement of the fuel rods is 4-2-3 type.
It is a lattice aggregate. This embodiment is similar to FIG.
FC (flow control material) 49 is provided as shown in Fig. 5.
Have been. This fuel assembly consists of two thick water rods 44 and a P fuel rod 45
Consists of two, normal fuel rod 33 consists of 71 and FC49 consists of two
Have been. This embodiment is suitable for a BWR-D lattice core.
Suitable. FIG. 10 is a plan view of an eighth embodiment of the present invention.
is there. In the assembly of this embodiment, the arrangement of the fuel rods is 4-3-2 type.
It is a lattice aggregate. This embodiment is similar to FIG.
Due to the shape of the child, the thickness of the thick water sticks A and B is slightly
Is different. This fuel assembly consists of two thick water rods 44 and P fuel
2 rods 45, 71 normal fuel rods 33, 2 FC49
It is configured. In this embodiment, a BWR-D lattice core is used.
It is suitable for. FIG. 11 is a plan view of a ninth embodiment of the present invention.
is there. The assembly of the present embodiment is a 10 × 10 type and the arrangement of the fuel rods is 4-
It is a 2-4 type dense and dense lattice aggregate. Therefore, the thick water stick 44
(A, B) can be large, but otherwise it is similar to FIG.
Configuration. This fuel assembly consists of two thick water rods 44 and a P fuel rod.
45 consists of two, normal fuel rod 33 consists of 90, and FC49 consists of two.
Has been established. FIG. 12 is a plan view of a tenth embodiment of the present invention.
is there. The assembly of the present embodiment is a kind of 11 × 11 type and has a fuel rod arrangement.
This is a modification of the (5 × 5) × 4 type close-packed lattice assembly. Fig. 8
Of the fuel bundles
A total of eight fuel rods are arranged, and 5-5 type is changed to 5-5 type.
Increase fuel inventory by adding more fuel rods
ing. One feature of this embodiment is that the channel
Between the channel material and the fuel rods in the center of the
It has a wide water area. This configuration allows
The water gap between the fuel assembly and the fuel
This contributes to improving the furnace shutdown margin. Heavy water
The rod 44 (A, B) is large. This fuel assembly is a thick water rod
44 are two, P fuel rods 45 are two, normal fuel rods 33 are 98
It is composed of FIG. 13 is a plan view of an eleventh embodiment of the present invention.
is there. In this embodiment, four sub-bundles 51 are provided,
The cross-shaped gap 52 between the bundles is defined as the non-boiling cooling water region.
And the corner part located at the center of the aggregate in each sub-bundle 51
3 P fuel rods 45 and 1 water rod 46 per minute
Are arranged in a way. In this fuel assembly, the P fuel rod 45 is 12
The water rod 46 consists of four rods, and the fuel rod 33 consists of 84 rods.
You. In this embodiment, a large non-combustible
A material region is formed. In the embodiment described above, the P fuel rod
At the top of 45, there is no nuclear fuel material above it,
High neutron flux. Therefore, in the nuclear fuel material at the upper end, 2
output peak (spy
H), which is disadvantageous in terms of fuel integrity.
2 pellets (approximately 2 cm) containing burnable poisons
Have been. These pellets contain toxic substances on the outer periphery
Not output, so output is compared over the entire operating cycle
Little fluctuation. As the end of the cycle approaches
Absorption characteristic disappears, output of this part gradually rises
To be designed. Fuel with smaller Gd pellets
Gd may be mixed into the entire pellet instead of the pellet.
No. [0042] As described above, according to the present invention,
The following effects are provided. (1) When the reactor is shut down, the water temperature is low and the water density is high.
Although the neutron diffusion distance is small, the fuel assembly of the present invention
In the non-fuel region where fissile material does not exist,
Neutron interaction in the horizontal direction of the fuel region across the
Effect is reduced, and as a result the subcriticality of the
Can be larger. (2) During high temperature operation, the average density of water is significantly
The thermal neutron diffusion distance is greatly increased (2 to 3 times)
Extend. As a result, the coupling effect across the intervening region is improved
However, the effective multiplication factor has a region where no fissile material exists.
Nevertheless, it increases, though slightly
You can even do it. No disadvantage due to the introduction of intervening areas
No. (3) In the present invention, the intermediate region is adjacent to the intervening region in the axial direction.
Burnable poisons are effectively placed in a limited area of
Causes local output peaks (output spikes)
No fuel integrity is therefore maintained. (4) Large diameter moderator rod or cruciform non-boiling cooling
Reduction of fuel inventory due to positive interference in water area
With low diameter, moderator rod or cruciform non-boiling cold
Wide area around the water reject area and between the large moderator rods
The thermal neutron flux can be raised,
The fuel reactivity effect in the part increases. As a result, the effective increase
Magnification can be improved or burnable poison insertion
The number can be reduced. (5) Furthermore, according to the present invention, a short-range fuel
The large amount of water generated downstream of the coolant
Coolant pressure loss can be greatly reduced,
Reduce the power of dynamic pumps and increase the efficiency of nuclear power generation
be able to.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例の平面図。 【図2】(a) は本発明の燃料集合体の側面図、(b) (e)
は本発明の燃料集合体に使用される燃料棒の概略断面
図。 【図3】(a) 〜(c) は本発明の作用を説明するための
図。 【図4】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図5】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図6】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図7】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図8】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図9】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図10】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図11】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図12】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図13】本発明の各異なる実施例の平面図。 【図14】(a) と(b) はそれぞれ従来の燃料集合体の斜
視図と燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦断面図。 【図15】図14の燃料集合体の横断面図。 【図16】従来の燃料集合体の横断面図。 【図17】従来の燃料集合体の横断面図。 【図18】従来の燃料集合体の横断面図。 【符号の説明】 31…燃料集合体、33…燃料棒、34…燃料被覆管、35…燃
料ペレット、36…ガスプレナム、38…出力スパイク抑制
材、39…バニッシングロッド、40…補助ガスプレナム、
45…P燃料棒、44…太水棒、46…細水棒、49…フローコ
ントロール材、50…間隙。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a plan view of one embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) is a side view of the fuel assembly of the present invention, and (b) and (e).
1 is a schematic sectional view of a fuel rod used in a fuel assembly of the present invention. FIGS. 3A to 3C are diagrams for explaining the operation of the present invention. FIG. 4 is a plan view of each different embodiment of the present invention. FIG. 5 is a plan view of each different embodiment of the present invention. FIG. 6 is a plan view of each different embodiment of the present invention. FIG. 7 is a plan view of different embodiments of the present invention. FIG. 8 is a plan view of each different embodiment of the present invention. FIG. 9 is a plan view of each different embodiment of the present invention. FIG. 10 is a plan view of each different embodiment of the present invention. FIG. 11 is a plan view of different embodiments of the present invention. FIG. 12 is a plan view of each different embodiment of the present invention. FIG. 13 is a plan view of each different embodiment of the present invention. 14 (a) and (b) are a perspective view of a conventional fuel assembly and a schematic longitudinal sectional view of a fuel rod constituting the fuel assembly, respectively. FIG. 15 is a cross-sectional view of the fuel assembly of FIG. FIG. 16 is a cross-sectional view of a conventional fuel assembly. FIG. 17 is a cross-sectional view of a conventional fuel assembly. FIG. 18 is a cross-sectional view of a conventional fuel assembly. [Description of Signs] 31: fuel assembly, 33: fuel rod, 34: fuel cladding tube, 35: fuel pellet, 36: gas plenum, 38: output spike suppressor, 39: burnishing rod, 40: auxiliary gas plenum,
45: P fuel rod, 44: thick water rod, 46: thin water rod, 49: flow control material, 50: gap.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G21C 3/328 G21C 3/28 G21C 3/326 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G21C 3/328 G21C 3/28 G21C 3/326

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.金属製被覆管内部に核燃料物質を充填した多数の燃
料棒と互いに隣り合う少なくとも2本の燃料棒を包含す
る大きさの減速材棒とを規則正しく配列した燃料集合体
において、前記燃料棒は、長尺燃料棒と、前記長尺燃料
棒の燃料有効部全長(H)のうち、前記長尺燃料棒の燃
料有効部下端から2/3H位置ないし5/6H位置の範
囲の少なくとも一部を含む領域には核燃料物質が充填さ
れず、かつこの核燃料物質が充填されていない領域より
上部の領域には核燃料物質が充填されていない短尺燃料
棒、とからなり、前記短尺燃料棒を少なくとも前記減速
材棒に隣接する位置に配置したことを特徴とする燃料集
合体。 2.前記短尺燃料棒において、核燃料物質が充填されて
いる上端に隣接する燃料ペレットには、前記上端から2
cmないし5cmの範囲で可燃性毒物を含有させたこと
を特徴とする請求項1記載の燃料集合体。 3.減速材棒は水棒であることを特徴とする請求項1記
載の燃料集合体。 4.多数の燃料棒を相互間隔が広い部分と狭くなる部分
を有するように規則的に配列し、前記間隔が広い部分に
減速材棒を配置したことを特徴とする請求項1記載の
料集合体。 5.前記間隔が広い部分にフローコントロール材を配置
したことを特徴とする請求項4記載の燃料集合体。 6.複数の減速材棒を燃料集合体の少なくとも1つの対
角線に対称となるごとく配置し、かつ隣接する複数の減
速材棒相互間にフローコントロールフィンを設けたこと
を特徴とする請求項1記載の燃料集合体。 7.隣接するチャンネルボックスコーナ間の略中央部に
前記中央部以外の部分よりチャンネルボックス内面と燃
料棒との間隔を拡幅した領域を設けたことを特徴とする
請求項1記載の燃料集合体。 8.燃料棒相互間の間隔が広い部分と狭い部分が形成さ
れるごとく多数の燃料棒を粗密的に配列し、前記間隔が
広い部分を一部分に含むように減速材棒を配置し、該減
速材棒に隣接して少なくとも1本の短尺燃料棒を配置し
たことを特徴とする請求項1記載の燃料集合体。 9.金属製被覆管内部に核燃料物質を充填した多数の燃
料棒と互いに隣り合う少なくとも2本の燃料棒を包含す
る大きさの複数の減速材棒とを規則正しく配列した燃料
集合体において、前記複数の減速材棒は燃料集合体の少
くとも1つの対角線に対称となるごとく配置し、前記燃
料棒は、長尺燃料棒と、前記長尺燃料棒の燃料有効部全
長(H)のうち、前記長尺燃料棒の燃料有効部下端から
2/3H位置ないし5/6H位置の範囲の少なくとも一
部を含む領域には核燃料物質が充填されず、かつこの核
燃料物質が充填されていない領域より上部の領域には核
燃料物質が充填されていない短尺燃料棒、とからなり、
前記短尺燃料棒を少なくとも前記減速材棒に挟まれる位
置に配置したことを特徴とする燃料集合体。 10.前記短尺燃料棒において、核燃料物質が充填され
ている上端に隣接する燃料ペレットには、前記上端から
2cmないし5cmの範囲で可燃性毒物を含有させたこ
とを特徴とする請求項9記載の燃料集合体。 11.減速材棒は水棒であることを特徴とする請求項9
記載の燃料集合体。 12.多数の燃料棒を相互間隔が広い部分と狭くなる部
分を有するように規則的に配列し、前記間隔が広い部分
に減速材棒を配置したことを特徴とする請求項9記載の
燃料集合体。 13.前記間隔が広い部分にフローコントロール材を配
置したことを特徴とする請求項12記載の燃料集合体。 14.隣接するチャンネルボックスコーナ間の略中央部
に前記中央部以外の部分よりチャンネルボックス内面と
燃料棒との間隔を拡幅した領域を設けたことを特徴とす
る請求項9記載の燃料集合体。 15.燃料棒相互間の間隔が広い部分と狭い部分が形成
されるごとく多数の燃料棒を粗密的に配列し、前記間隔
が広い部分を一部分に含むように減速材棒を配置し、該
減速材棒に隣接して少なくとも1本の短尺燃料棒を配置
したことを特徴とする請求項9記載の燃料集合体。 16.金属製被覆管内部に核燃料物質を充填した多数の
燃料棒を規則正しく配列した燃料集合体において、前記
燃料棒が十字状非沸騰冷却水領域 によって複数の小単位
に分割されており、前記燃料棒は、長尺燃料棒と、前記
長尺燃料棒の燃料有効部全長(H)のうち、前記長尺燃
料棒の燃料有効部下端から2/3H位置ないし5/6H
位置の範囲の少なくとも一部を含む領域には核燃料物質
が充填されず、かつこの核燃料物質が充填されていない
領域より上部の領域には核燃料物質が充填されていない
短尺燃料棒、とからなり、前記短尺燃料棒を少なくとも
前記十字状非沸騰冷却水領域に隣接する位置に配置した
ことを特徴とする燃料集合体。 17.前記短尺燃料棒において、核燃料物質が充填され
ている上端に隣接する燃料ペレットには、前記上端から
2cmないし5cmの範囲で可燃性毒物を含有させたこ
とを特徴とする請求項16記載の燃料集合体。
(57) [Claims] In a fuel assembly in which a number of fuel rods filled with nuclear fuel material inside a metal cladding tube and a moderator rod having a size including at least two fuel rods adjacent to each other are regularly arranged, the fuel rods have a long length. A region including at least a part of a range of a 2 / 3H position to a 5 / 6H position from a lower end of a fuel effective portion of the long fuel rod in a full length (H) of a fuel effective portion of the long fuel rod; A short fuel rod not filled with nuclear fuel material, and a region above the region not filled with nuclear fuel material, which is not filled with nuclear fuel material, wherein the short fuel rod is at least the moderator rod. A fuel assembly, wherein the fuel assembly is arranged at a position adjacent to the fuel assembly. 2. In the short fuel rod, the nuclear fuel material is filled.
Fuel pellets adjacent to the upper end
Inclusion of burnable poison in the range of cm to 5 cm
The fuel assembly according to claim 1, wherein: 3. 2. The moderator rod according to claim 1, wherein the moderator rod is a water rod.
The fuel assembly of the mounting. 4. A large number of fuel rods and a part with a narrow distance
Are arranged regularly so as to have
The fuel assembly according to claim 1, wherein a moderator rod is arranged . 5. Place the flow control material in the wide area
The fuel assembly according to claim 4, wherein: 6. A plurality of moderator rods are connected to at least one pair of fuel assemblies.
Arrange them so that they are symmetrical with respect to the corners, and
Provision of flow control fins between fast rods
The fuel assembly according to claim 1, wherein: 7. Near the center between adjacent channel box corners
The inner surface of the channel box and the fuel
It is characterized by providing a widened area with the material rod
The fuel assembly according to claim 1 . 8. Wide and narrow spaces between fuel rods are formed
Many fuel rods are densely arranged as shown in the
Arrange the moderator rod so as to partially include the wide part, and
At least one short fuel rod is located adjacent to the fast rod
2. The fuel assembly according to claim 1, wherein: 9. Numerous fuels filled with nuclear fuel material inside a metal cladding tube
Includes a fuel rod and at least two fuel rods adjacent to each other
With multiple moderator rods of different sizes arranged regularly
In the assembly, the plurality of moderator rods are small in the fuel assembly.
At least one diagonal line is placed so as to be symmetrical.
The fuel rod is composed of a long fuel rod and the entire fuel effective portion of the long fuel rod.
From the lower end of the effective fuel section of the long fuel rod,
At least one of the range from the 2 / 3H position to the 5 / 6H position
The area containing the part is not filled with nuclear fuel material and
The nucleus is located above the area not filled with fuel material.
A short fuel rod, which is not filled with fuel material,
A position where the short fuel rod is sandwiched at least by the moderator rod
A fuel assembly, comprising: a fuel assembly; 10. The short fuel rod is filled with nuclear fuel material.
Fuel pellets adjacent to the upper end
Including combustible poisons in the range of 2cm to 5cm
10. The fuel assembly according to claim 9, wherein: 11. 10. The moderator rod is a water rod.
The fuel assembly as described. 12. Where many fuel rods are wide and narrow
The parts are arranged regularly so as to have minutes
The moderator rod according to claim 9, wherein a moderator rod is disposed on the vehicle.
Fuel assembly. 13. Place flow control material in the wide area
The fuel assembly according to claim 12, wherein the fuel assembly is disposed. 14. Nearly the center between adjacent channel box corners
The inner surface of the channel box from the part other than the central part
It is characterized by providing an area where the distance from the fuel rod is widened.
The fuel assembly according to claim 9, wherein 15. Wide and narrow spaces between fuel rods
As many fuel rods as shown in FIG.
The moderator rod is arranged so as to partially include the wide part,
At least one short fuel rod is located adjacent to the moderator rod
The fuel assembly according to claim 9, wherein: 16. Numerous nuclear fuel materials filled inside metal cladding
In a fuel assembly in which fuel rods are regularly arranged,
Fuel rods have multiple small units by cross-shaped non-boiling cooling water area
The fuel rods are divided into long fuel rods and the fuel rods.
Of the total fuel effective length (H) of the long fuel rod,
2 / 3H position to 5 / 6H from the lower end of fuel effective part of fuel rod
Nuclear fuel material is included in the area including at least a part of the location range.
Is not filled and this nuclear fuel material is not filled
The area above the area is not filled with nuclear fuel material
A short fuel rod; and
Located at a position adjacent to the cross-shaped non-boiling cooling water area
A fuel assembly, characterized in that: 17. The short fuel rod is filled with nuclear fuel material.
Fuel pellets adjacent to the upper end
Including combustible poisons in the range of 2cm to 5cm
17. The fuel assembly according to claim 16, wherein:
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