JP3012687B2 - 燃料集合体 - Google Patents

燃料集合体

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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)
  • Fuel-Injection Apparatus (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、特に、沸騰水型原子炉用燃料
集合体に関するものである。
〔従来の技術〕
燃焼度が零の新しい燃料集合体は、所定の期間原子炉
の炉心内に装荷されており、寿命に達した後に使用済の
燃料集合体として炉心外に取出される。燃料集合体が炉
心内に装荷されている間に、燃料集合体を構成している
燃料棒内の核分裂性物質、すなわちウラン235が分裂し
て熱を発生し、この熱が炉心に供給される冷却水に伝え
られる。沸騰水型原子炉であれば、冷却水はウラン−23
5の核分裂によって生じる熱により加熱されて蒸気にな
る。
燃焼度が零の新しい燃料集合体は、所定期間の寿命を
維持するように、すなわち所定期間の末期においても所
定の核分裂を起こすように、必要な濃縮度を有する燃料
ペレットを複数の燃料棒内に充填している。
最近、燃料集合体の燃焼度を大きくする(高燃焼度
化)ことによって燃料経済性を向上することが考えられ
ている。燃料集合体の燃焼度を大きくするための一般的
な手法として、炉心に装架する新しい燃料集合体を構成
する燃料棒内に充填される燃料ペレットの濃縮度、すな
わちウラン−235の割合を大きくする方法がある。
この様に、ウラン−235の濃縮度を大きくし、高燃焼
度化させると、燃料の熱的制約条件である最大線出力密
度が厳しくなる。ここで、最大線出力密度とは、原子炉
に装荷されている燃料集合体内の燃料棒の線出力密度の
最大値を意味している。
燃料集合体を多数装荷して運転される原子炉の最大線
出力密度は、3つのピーキングの積に原子炉内燃料棒平
均線出力密度を乗じて求められる。この3つのピーキン
グは、第1が径方向出力ピーキングで、原子炉内燃料集
合体の最高出力と原子炉平均出力との比であり、第2が
軸方向出力ピーキングであって、燃料集合体の上下方向
の最高出力と上下方向平均出力の比であり、第3が局所
出力ピーキングであって、燃料集合体内燃料棒の最高出
力と燃料集合体内燃料棒平均出力との比である。燃料集
合体の各燃料棒の出力Pは、燃料棒位置の熱中性子束を
φ、核分裂性物質の核分裂断面積をσ、燃料棒中の核
分裂性物質の原子の濃度をNとすれば、 P=φ・σ・N ……(1) で与えられる。
燃料を高燃焼度化させると、原子炉内には、燃焼度差
が大きく異なる燃料集合体が存在することになる。燃焼
度差は、核分裂性物質の原子の濃度Nの差を意味するた
め、径方向ピーキングが高くなり、最大線出力密度が大
きくなる。
最大線出力密度を下げる方法として、例えば、特開昭
61−217186号公報には、局所出力ピーキングを小さくす
る方法が開示されている。すなわち、沸騰水型原子炉で
は、中性子の減速材の不均一性及び燃料棒自体の中性子
吸収効果等により、熱中性子φは、バイパス領域に近い
燃料集合体の周辺部で大きく、中央部で小さくなってい
るのに対して、特開昭61−217186号公報に開示されてい
る方法は、第5図に示す様に、チャンネルボックス1内
に9行9列に配置された燃料棒23の内、中央部7本の燃
料棒を2本の太径水ロッド3に置き換えることにより、
燃料集合体の中央部の中性子減速効果を高めている。こ
のような配置とすることにより、熱中性子束の分布を周
辺部、中央部で平坦化させ、出力分布を平坦化し、局所
出力ピーキングを小さくさせている。
一方、特開昭60−205281号公報には、燃料棒の配置
を、10行10列にすることにより、原子炉内燃料棒平均線
出力密度を小さくする方法が開示されている。すなわ
ち、炉内燃料棒平均線出力密度は、燃料集合体内の燃料
棒数に逆比例するため、燃料棒配置を9行9列から10行
10列にすることにより、炉内燃料棒平均線出力密度を小
さくし、最大線出力密度も、低減させている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述の特開昭61−217186号公報に開示されている方法
は、燃料配置が9行9列の燃料集合体において、中央部
に2本の太径水ロッドを配置することにより、燃料集合
体内の出力分布を平坦化させたものであるが、この場合
でも、燃料集合体外のバイパス領域の中性子減速効果の
方が、依然として中央部の2本の太径水ロッドによる中
性子減速効果より大きく、燃料集合体内の出力分布は周
辺部で大きくなっている。従って、中央部の出力をより
高くするためには、中央部の燃料棒をさらに水ロッドに
置き換える必要がある、これを実施すると、燃料の経済
性の低下及び燃料装荷量の減少と言う問題が生じる。
ここで、燃料の経済性の点について第6図を用いて説
明する。第6図は燃料集合体内の全水ロッドの減速材領
域の合計横断面積と原子炉出力運転時の無限増倍率との
関係を示す特性図で、この図において、全水ロッドの減
速材領域の合計横断面積をMxの値にした場合(Lは使用
可能範囲)が、最も経済性のよい燃料の開発ができるこ
とを示している。
上述の特開昭61−217186号公報に開示されている方法
は、全水ロッドの合計横断面積を、Mxに最適に近づけた
ものであり、水ロッドをさらに追加すると経済性が低下
してしまう。また、水ロッドを追加することは、燃料棒
が減ることになり、燃料装荷量も減少してしまう。従っ
て、9行9列の燃料配置において、経済性及び線出力密
度の観点より最適に設計されたものである。
しかし、9行9列の燃料配置では、高燃焼度化させた
場合は、最大線出力密度の観点では困難となる。これ
を、第7図を用いて説明する。第7図は、燃料配置ごと
の、取出し燃焼度(GWd/t)と最大線出力密度(KW/ft)
との関係を示す特性図であり、運転制限値(13.4KW/f
t)、設計余裕(10%)及び燃料棒8行8列、9行9
列、10行10列の場合の値が示してある。この図から取り
出し燃焼度が増すに従って、燃料集合体間の出力ミスマ
ッチにより最大線出力密度が増加する傾向及び燃料棒数
が増す(8×8→9×9→10×10に従って)ことによ
り、平均線出力密度の減少による最大線出力密度の低下
の傾向がわかる。この図より、取出し燃焼度として、60
GWd/t以上を目標とした場合には、燃料配置を10行10列
にする必要がある。
特開昭60−205281号公報に開示されている方法は、上
述の観点より、燃料配置を10行10列としたものである
が、燃料配置を10行10列にすることにより、最大線出力
密度の問題は解決するが、新たに圧力損失の増加の問題
が生じる。ここで、圧力損失の増加の問題を第8図を用
いて説明する。
第8図は、取出し燃焼度(GWd/t)と炉心圧力損失(P
SI)との関係を燃料棒8行8列、9行9列、10行10列の
場合について示した特性図である。この図から燃料棒数
が増す(8×8→9×9→10×10に従って)ことによ
り、ぬれ縁長さが増加するため、圧力損失も増加する。
圧力損失の増加は、以下に示すチャンネル安定性を悪化
させる傾向がある。
チャンネル安定性とは、チャンネルボックス内に存在
するボイドが上部へ移動する効果と、このボイドの二相
流圧損のチャンネル入口流量へのフィードバック効果に
より生ずる、いわゆる密度波振動と呼ばれる現象に関係
した流動の安定性である。
これは、炉心内の相対的に出力の高い燃料集合体の流
量が振動する現象で、その機構は、燃料集合体の入口の
流量が増大したときに炉心上部の流量が遅れて増大する
ことによる。
炉心上部では沸騰によって蒸気泡が出ており、流速が
高いため流動抵抗が大幅に増大し、この結果、入口の流
量が低下し、炉心上部の流量が再び遅れて低下する。こ
の時、炉心上部の沸騰部の抵抗が大きく、フィードバッ
クによる流量変動が最初の流動変量より大きいと不安定
になる。
すなわち、燃料集合体の燃料棒配置が9行9列の場合
には、高燃焼度化燃料の場合、最大線出力密度が厳しく
なる。一方、燃料棒配置を10行10列とした場合には、圧
力損失の増加によるチャンネル安定性の悪化が問題とな
る。
本発明は、圧力損失は、9行9列の燃料集合体と大差
ないが、最大線出力密度は、10行10列の燃料集合体と同
等となる燃料集合体を提供可能と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〕
上述の課題を解決するためにとられた本発明の構成
は、 (1) チャンネルボックス内に、多数の燃料棒をその
軸方向をそろえて整列配置してなる原子炉用燃料集合体
において、最外周のみに配置してある前記燃料棒の相互
間距離が、中央部に配置してある前記燃料棒の相互間距
離より短かく、前記最外周に配置してある前記燃料棒の
径が、前記中央部に配置してある前記燃料棒の径より小
さいことを特徴とし、 (2) チャンネルボックス内に、多数の燃料棒をその
軸方向をそろえて整列配置してなる原子炉用燃料集合体
において、最外周及び該最外周より第2層目のみに配置
してある前記燃料棒の相互間距離が、中央部に配置して
ある前記燃料棒の相互間距離より短かく、前記最外周及
び該最外周より第2層目に配置してある前記燃料棒の径
が、前記中央部に配置してある前記燃料棒の径より小さ
いことを特徴とし、 (3) (1)において、前記最外周に配置してある前
記燃料棒が、行、列、各10本の燃料棒よりなり、前記中
央部に配置してある前記燃料棒が7行7列の燃料棒より
なっていることを特徴とし、 (4) (1)又は(2)又は(3)において、前記中
央部に2本の大径水ロッドが配置してあることを特徴と
する。
ものである。
〔作用〕
発明者等が高燃焼度を達成する燃料集合体の特性を種
々の観点から検討した検討結果は次のようになる。
燃料集合体において、高燃焼度化を達成させるために
は、ウラン−235の濃縮度を高める必要がある。高燃焼
度化させるに従って、燃料集合体間の出力ミスマッチは
大きくなり、その結果最大線出力密度も増加する。これ
に対応して、従来は、第7図に示す様に、燃料集合の燃
料棒の配置を、8行8列から9行9列と燃料棒の径及び
燃料棒間のピッチを小さくすることにより対応してき
た。
現在は、取り出し燃焼度60GWd/t以上を目差した高燃
焼度化の燃料の開発が検討されるに到り、燃料配置とし
て、10行10列の燃料集合体が必要となってきた。一方、
燃料集合体の燃料配置を8行8列から9行9列、10行10
列と増やしていくと、第8図に示す様に、圧力損失が大
きくなる。圧力損失の増加は、チャンネル安定性を悪化
させる。更に高燃焼度化に伴うボイド係数の増大も安定
性を悪化させるため、圧力損失の増加を最大に押える必
要がある。
本発明はこれらの検討結果に基づいてなされたもの
で、燃料集合体においては、バイパス領域の水による中
性子減速効果により、出力ピークが周辺部に生じるのに
対して、本発明の燃料集合体では、周辺部の燃料棒の相
互間距離を小さくしたり、周辺部の燃料棒の径及び燃料
棒の相互間距離を小さくしたりする等により、燃料の装
荷量の低減、周辺部の出力ピークを増加させること及び
圧力損失を大幅に増加させることなく熱的制限値である
最大線出力密度を低減することができる。更に、周辺部
の燃料棒の径が小さいため、圧力の大幅な増加はない。
なお、燃料棒相互間の距離を中央部と等しくして、燃
料棒の径のみ小さくした場合には、燃料棒の相互間の距
離の増加は、周辺部における減速材の面積が増加するた
め、周辺部の出力ピークが増加する。また、周辺部の燃
料棒数の減少による燃料装荷量の低減も考えられ好まし
くない。
〔実施例〕
以下、実施例について説明する。
第3図は実施例の燃料集合体の構成を示す説明図で、
第1図、第2図及び第4図はそれぞれ異なる実施例の横
断面図である。
第3図において、1はチャンネルボックス、4は上部
タイプレート、5は下部タイプレート、6は燃料スペー
サ、21は燃料棒を示している。この様に燃料集合体は燃
料棒21、上部タイプレート4、下部タイプレート5を有
しており、燃料棒21の上下端部は、上部タイプレート4
及び下部タイプレート5にて保持され、燃料集合体の軸
方向には、燃料スペーサ6が幾つか配置され、燃料棒の
相互間間隙を適切な状態に保持している。上部タイプレ
ート4は、チャンネルボックス1に取付けられ、チャン
ネルボックス1は、燃料スペーサ6で保持された燃料棒
21の束の外周を取囲んでいる。
第1図及び第2図において、1はチャンネルボック
ス、22は小径の燃料棒、23は大径の燃料棒、A及びB
は、それぞれ、小径の燃料棒22及び大径の燃料棒23の配
置されている領域を示す。第1図及び第2図で示す実施
例では、A領域は最外周の領域で構成され、第4図で示
す実施例では、A領域は最外周及び最外周から第2層よ
りなる領域で構成され、その他の領域がB領域を構成し
ている。第1図、第2図、第4図及び第5図で同一部分
には同一符号が付してある。
第1図に示す実施例のA領域を構成する外周の小径の
燃料棒22は、10行10列の燃料集合体と同一の燃料棒の径
及び燃料棒ピッチで配列されている。一方、B領域を構
成する最外周を除く中央部の台形の燃料棒23は、10行10
列の燃料集合体の場合の8行8列ではなく、7行7列と
なっている。従って、B領域を構成する中央部ではA領
域を構成する最外周よりも燃料棒の径及び燃料棒のピッ
チが大きくなり、9行9列の燃料集合体とほぼ等しい径
及びピッチとなっている。なお、燃料スペーサは、丸セ
ルを利用したもの、又は、内部の7行7列は格子セル、
最外周部は丸セルにしたものも用いられる。
この実施例の燃料集合体では出力ピークが生じるA領
域を構成する最外周の小径燃料棒の径は、10行10列の燃
料集合体と同一であるために、最大線出力密度は、10行
10列の燃料集合体と同様に低減できる。一方、燃料集合
体としては、9行9列の燃料集合体に近いため、圧力損
失は、10行10列の燃料集合体より改善され9行9列の燃
料集合体と同程度となるため、チャンネル安定性の悪化
を最少に、食い止めることができる。
即ち、燃料集合体の外のバイパス領域は、水で充たさ
れているため、中性子の減速効果が大きい。従って、出
力ピークは、一般に燃料集合体の最外周の燃料棒で発生
する一方、熱的制限値である線出力密度は、燃料棒の径
の2乗に比例する。従って、燃料棒の径を9行9列の燃
料集合体の径より、10行10列のそれに換えると、線出力
密度は、9×9/10×10=0.81の示す様に、2割程度改善
される。本実施例の燃料集合体では、熱的制限値上問題
となる最外周の燃料棒の径を10行10列のそれと同じとで
きるため、9行9列の燃料集合体に比べ、2割程度の改
善が可能となる。
また、圧力損失は、流路面積を変えない場合、ぬれ縁
長さに比例するため、9行9列の燃料集合体を10行10列
にすると約11%増加する。これに対して、本実施例の燃
料集合体では、圧力損失は、9行9列のそれに比べ約4
%増加であり、熱的余裕は10行10列のそれと同一である
のに対し、圧力損失は、10行10列のそれに比べ約7%低
減ができる。
第2図に示す実施例の燃料集合体は、中央部のB領域
を構成する7本分の大型の燃料棒23の位置に、2本の太
径水ロッド3を配置させたもので、このような構成とす
ることにより、減速材対燃料比を最も経済的にした燃料
集合体を提供可能としたものである。
第4図の実施例では、A領域が最外周及び外周から2
層目までの燃料棒によって構成されており、従って、A
領域を構成する小径の燃料棒22の径とピッチが中央部の
B領域を構成する大径の燃料棒23の径とピッチより小さ
くなっており、第1図に示した実施例とほぼ同様の作用
効果を得ることができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、圧力損失は9行9列の燃料集合体と
大差ないが、最大線出力密度は10行10列の燃料集合体と
同等となる、最大線出力密度を低減させた高燃焼度化燃
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】
第1図は本発明の燃料集合体の一実施例の横断面図、第
2図は同じく他の実施例の横断面図、第3図は本発明の
実施例の燃料集合体の構成を示す説明図、第4図は本発
明の燃料集合体のさらに他の実施例の横断面図、第5図
は従来の燃料集合体の横断面図、第6図は従来の燃料集
合体の燃料の経済性を示す特性図、第7図は同じく取出
し燃焼度と最大線出力密度との関係を示す特性図、第8
図は同じく取出し燃焼度と炉心圧力損失との関係を示す
特性図である。 1……チャンネルボックス、22……小径の燃料棒、23…
…大径の燃料棒、3……大径水ロッド、A……小径の燃
料棒の配置されている領域、Bの大径の燃料棒の配置さ
れている領域

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】チャンネルボックス内に、多数の燃料棒を
    その軸方向をそろえて整列配置してなる原子炉用燃料集
    合体において、最外周のみに配置してある前記燃料棒の
    相互間距離が、中央部に配置してある前記燃料棒の相互
    間距離より短かく、前記最外周に配置してある前記燃料
    棒の径が、前記中央部に配置してある前記燃料棒の径よ
    り小さいことを特徴とする燃料集合体。
  2. 【請求項2】チャンネルボックス内に、多数の燃料棒を
    その軸方向をそろえて整列配置してなる原子炉用燃料集
    合体において、最外周及び該最外周より第2層目のみに
    配置してある前記燃料棒の相互間距離が、中央部に配置
    してある前記燃料棒の相互間距離より短かく、前記最外
    周及び該最外周より第2層目に配置してある前記燃料棒
    の径が、前記中央部に配置してある前記燃料棒の径より
    小さいことを特徴とする燃料集合体。
  3. 【請求項3】前記最外周に配置してある前記燃料棒が、
    行、列、各10本の燃料棒よりなり、前記中央部に配置し
    てある前記燃料棒が7行7列の燃料棒よりなっている特
    許請求の範囲第1項記載の燃料集合体。
  4. 【請求項4】前記中央部に2本の大径水ロッドが配置し
    てある特許請求の範囲第1項又は第2項又は第3項記載
    の燃料集合体。
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