JP3079609B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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Description
集合体に関するものである。
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235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。
の向上、あるいは取替燃料の低減を図るためには、燃料
の高燃焼度化が有効である。
して、特開昭63−25592 号公報では、燃料集合体内の非
沸騰領域を大きくすることができ、燃料集合体内の水と
ウランの分布をより均質にして反応度を向上した。燃料
集合体1A(図6)が提案されている。この燃料集合体
は、チャンネルボックス内幅が、201mmで、従来燃料
の約2倍の面積を持ち、燃料棒を14行14列で配列し
たものであり、燃料棒よりも径の太い水ロッド9本を有
している。また、燃料棒108本のうち67.5%が水ロッ
ドに面している。
型原子炉用の燃料集合体1Aは、高燃焼度化達成を目的
としたウランの効率的な燃焼を実現するものである。
はされておらず、上記従来技術の燃料集合体は、ボイド
係数の絶対値が大きいという問題があった。これは、圧
力急増等でボイドがつぶれたときの反応増加が大きく、
プラント操作員の負担となる。
さい負の値を持つ大型の燃料集合体を提供することにあ
る。
棒と1本の水ロッドとを束ね、その外側を四角筒状のチ
ャンネルボックスで取り囲んだ燃料集合体において、前
記チャンネルボックスの内幅を203mm以上222mm以
下にし、前記水ロッドの流路面積を55cm2以上65cm2
以下とすることにより達成される。
列の最外周から数えて4層目よりも内側に置く。
列とする。
水ロッドとを束ね、その外側を四角筒状のチャンネルボ
ックスで取り囲んだ燃料集合体において、前記チャンネ
ルボックスの内幅が203mm以上222mm以下であり、
前記水ロッドの流路面積の合計が55cm2以上65cm2以
下であり、燃料棒全長が他の大部分の燃料棒の1/3以
下である部分長燃料棒を前記水ロッドの間に配置するこ
とにより達成される。
ボックスの内幅が203mm以上222mm以下の条件下
で、燃料集合体の水ロッドの流路面積を55cm2以上6
5cm2以下とすることにより、ボイド係数を絶対値の小
さな負の値にすることができる。また、水ロッドを1本
とすることにより、ボイド率が小さくなるときに、熱中
性子の弱い吸収体として作用する。更に、チャンネルボ
ックスの内幅を203mm以上222mm以下にすると、燃料
集合体内の燃料インベントリ又は冷却材流路面積を増加
するように作用する。
周から4層目よりも内側に配置すると、燃料集合体内の
狭い領域に水ロッドが集中配置されるように作用する。
ことにより、燃料棒間隔を広げて、冷却能力を高める作
用がある。また、燃料棒全長が他の大部分の燃料棒の1
/3以下である部分長燃料棒を水ロッドの間に配置する
ことにより、燃料集合体下部において反応度を向上する
作用がある。
のである。
原子数比(H/U)の関係を示すものである。冷却材ボ
イド率VI のときのボイド係数は、図中の曲線の傾き
で表され、その符号を反転したものである。
においてボイド係数を、より絶対値の小さな負の値にし
ようとする場合、H/U比を大きくすることが有効であ
る。H/Uを大きくする方法としては、燃料インベント
リを減らし、水を増やす方法と、燃料インベントリは減
らさずに、水ロッド部又は水ギャップ部を増やす方法が
考えられる。
で、燃料経済性が損なわれるという問題がある。
領域は、燃料,沸騰領域,非沸騰領域(水ロッド+水ギ
ャップ部),構造材で分けられているため、水ロッドを
大きくすると、沸騰領域又は水ギャップ部を減らさなけ
ればならない。しかし、沸騰領域を減らすことは、冷却
材流路面積を減らすことであり、これは炉心圧損の増大
を起こす。圧損が大きいと、安定性に影響するととも
に、ポンプ容量が足りなくなるという問題もある。ま
た、水ロッドを大きくして、その分水ギャップ部を小さ
くしたのでは、H/Uは大きくならない。
夫することにより、同じH/U比を有する燃料集合体で
あっても、ボイド係数を負の絶対値の小さな値にするこ
とができる。
る大型燃料集合体において、燃料棒を32本配置可能な
領域に1体の大型水ロッドと、燃料棒を1本配置可能な
領域に1本配置した合計32本の小水ロッドを分散配置
したケースAと、ケースAの水ロッド横断面積の合計を
持つ1体の正方水ロッドを配置したケースBの各々につ
いて、中性子無限増倍率k∞ ,熱中性子利用率f,求
鳴吸収を逃れる確率pと、H/U比の関係を示すもので
ある。ここで、水素対ウラン原子数比は、冷却材ボイド
率を変えることによる変化を示す。
大きさ,燃料棒の本数は同じであり、ケースAでは、中
央部に集めた水ロッドを少なくした分、32本の小水ロ
ッドを適当にちらばせて配置している。したがって、ケ
ースA,ケースBにおいて同じボイド率の場合、H/U
比は同一である。
曲線はケースBの方が、極大値に近い範囲で変化してい
る。したがってケースBのボイド係数は、ケースAより
も絶対値の小さな負の値となる。pは両者の間に、あま
り差異はないが、fはケースBの方がH/Uが大きくな
ると、より小さくなる。k∞は、pとfの積に、ほぼ比
例するので、このfの差がボイド係数の違いに大きな影
響を及ぼしている。ケースBのように水ロッド横断面積
が大きいと、熱中性子移動距離(熱中性子が発生してか
ら吸収されて消滅されるまでに動く距離)に較べて水ロ
ッド領域が大きくなるため、この水ロッド部の減速材
(水)に吸収される熱中性子の割合が増加する。水に吸
収されても熱中性子は核分裂を行わないので、fの値は
低下する。ボイド率が変化して0%になると、水ロッド
部と冷却材の水が合計されて、大きな水領域が形成され
るため、水ロッドでの熱中性子吸収割合の変化は大き
い。
合は、ケースAに較べて小さな水のかたまり領域がいく
つかあるが、各々のかたまりは小さいため、ボイドが0
%になってもケースBに較べ、水ロッドでの熱中性子の
吸収割合の変化は小さい。つまり、水のかたまりがもと
もと小さいため、冷却材のボイド率が0%となっても、
熱中性子移動距離に対する、水のかたまりの大きさはあ
まり大きくならない。このため、ボイドが0%になって
もfの減少割合は、ケースBの大型水ロッドの場合に較
べて小さい。したがって、ケースAとBでは図7のよう
なfの差異が生じ、ケースBのボイド係数はケースAに
較べて絶対値の小さな負の値を有する。ここで、水ロッ
ドは、その合計面積が同じでありながら、ケースBの配
置にした場合、H/U比が大きいときのfを低下させて
おり、従来技術に近いケースAにおいて水ロッドが中性
子減速材として機能していたのに対し、ケースBでは、
むしろ中性子の弱い吸収体として機能している。この中
性子弱吸収手段としては、大型水ロッドの他に固体減速
材ロッド等が考えられる。そして、水ロッドの横断面積
は大きいほど、この効果が期待される。
において、水ロッドを大きくする場合、その分、燃料イ
ンベントリ、又は冷却材流路等、他の部分を減らさなけ
ればならず、これらは、燃料経済性を損ない、あるいは
圧損の増加をもたらす。燃料インベントリは、燃料格子
におけるウランの面積割合を公知燃料と同じにすること
で、炉心に装荷するウラン量は同じにすることができ
る。
おける面積割合を同一にすることで、炉心においては同
じにすることができる。これは、炉心圧損を従来燃料と
同等にする作用がある。また、ポンプ能力(すなわちポ
ンプ設備)も従来と同等でよい作用がある。したがっ
て、燃料集合体を大型化したことにより、水ロッド横断
面積を大きくできる。そして燃料インベントリ,冷却材
流路面積の格子面積に対する割合を、従来燃料と同じに
することができる。つまり、燃料集合体1体あたりの燃
料装荷量は異なるが、炉心の全燃料装荷量,冷却材流路
面積は同一である。よって、同じH/U比であっても、
燃料集合体を大型化したことにより、水ロッド面積を増
大し、ボイド係数をより絶対値の小さな負の値にするこ
とができる。また、燃料径が約11mmの燃料格子につい
て、H/Uが同一の場合の中性子無限増倍率k∞ と、
燃料格子面積に対する水ロッド内流路面積割合の関係を
図9に示す。図9より、燃料集合体内に配置する水ロッ
ド面積が、格子面積の約11%の場合、k∞ は最大と
なることがわかった。
ボイド率70%時のk∞−冷却材ボイド率0%時のk
∞ )と、水ロッド面積の燃料格子面積に占める割合が
11%の1本の水ロッドを配置して燃料集合体を大型化
したときの水ロッド内流路面積の関係をH/U比が同一
の場合について示したものである。燃料集合体を大型化
して水ロッド面積を増大していくと、ボイド反応度Δk
は、より絶対値の小さな負の値となる。
積の増大にほぼ比例してより絶対値の小さな負の値とな
るが、水ロッド内流路面積が55cm2以上になると、水
ロッド内流路面積の増加に対するボイド反応度の変化割
合は減少し始める。水ロッド内流路面積が65cm2のと
き、ボイド反応度は、水ロッド内流路面積の増大にほぼ
比例して減少していく場合に較べて、0.1 %Δk/k
以上の差を生じる。0.1 %Δk/k以上は有意な差で
ある。水ロッド内流路面積が更に増大すると、ボイド反
応度Δkの変化割合は小さくなっていく。
水ロッド内の水が、中性子減速材として機能するより
も、中性子の弱い吸収体として機能するため、出力運転
時の中性子無限増倍率もわずかながら減少していくこと
になる。したがって、ボイド反応度が水ロッド内流路面
積の増加とともに比例して変化した場合に較べて、反応
度的に有意な差を生じるときの水ロッド内流路面積65
cm2を上限として、55cm2以上65cm2以下の流路面積
を持つ1本の大型水ロッドを配置するのが効果的であ
る。すなわち、水ロッド内流路面積を上記のようにする
ことにより、この大型水ロッドは、ボイド係数低減棒と
して機能する。このとき、水ロッド内流路面積の燃料格
子面積に対する割合は上記のように約11%とすること
が適当であることから、燃料格子ピッチは224mm以上
243mm以下とするのが適当である。炉心においては、
燃料集合体間に制御棒挿入のため約13mmの水ギャップ
幅を設ける必要があり、また、チャンネルボックス厚み
が4mm程度となることから、燃料集合体のチャンネルボ
ックス内幅を203mm以上222mm以下とすることが適
当である。また、燃料棒外径は通常10mm〜12mm程
度,燃料棒ピッチは13mm〜15mm程度なので、燃料格
子配列は15行15列が適当である。
の検討、及び燃料集合体の大きさに基づくものであり、
以下にその実施例について説明する。
て、1は燃料集合体、2はチャンネルボックス、3は燃
料棒、4は水ロッドである。また、5は制御棒である。
燃料棒は15行15列の格子状に配置されていて、燃料
集合体中心部に1本のボイド係数低減作用のある大型水
ロッドを持つ。この水ロッドは、1辺の長さが約80mm
であり、燃料棒7行7列分の正方領域内にある。本実施
例の燃料の濃縮度は約8wt%である。
約210mmであり、燃料棒径は11mmである。
外周から数えて4層目よりも内側に集中されている。大
型の水ロッドを配置したことにより、冷却材ボイドがつ
ぶれて中性子スペクトルが軟らかくなった場合でも、こ
の水ロッド部には中性子の弱吸収体としての効果があ
り、吸収される熱中性子が多いため、反応度投入を小さ
くすることができる。すなわち、本実施例の燃料集合体
ではボイド係数を絶対値が小さい負の値にすることがで
きる。
する場合、隣り合う燃料集合体との間に水ギャップ6が
形成される。この領域には、制御棒5が挿入される。本
実施例においては、燃料集合体の格子ピッチLは約23
0mmである。このため、集合体内のウランインベントリ
割合は、図6の従来発明の燃料集合体1Aとほぼ同等の
量となる。また、燃料棒を冷却する冷却材が流れる領域
の面積割合も前記従来例の燃料集合体と同等になる。し
たがって、本実施例の燃料集合体を用いて炉心を構成す
る場合、ポンプ等の設備はこれまでと同じ物でよい。こ
れは炉心圧損が従来の燃料集合体燃料と同等であるため
である。本炉心の水素対ウラン原子数比は、冷却材ボイ
ド率が40%のとき、約5である。
り、上記格子ピッチBLを1辺とする正方形の面積つま
り、格子面積の11%程度である。本実施例のボイド係
数は、炉心平均ボイド率40%の場合、−4×10-4Δ
k/k/%voidが実現可能である。この効果は、水ロッ
ド4の横断面積に起因する。このような水ロッド4は、
ボイド係数低減棒である。以下の各実施例でも同じであ
る。
化して燃料集合体中央部に配置した水ロッド横断面積を
大型化したことにより、水ロッド部の熱中性子吸収割合
の増加により、ボイド反応度を従来のボイド係数,−8
×10-4Δk/k/%voidの約半分の大きさの負の値と
する効果がある。
化により実現しているため、従来例と同等の燃料インベ
ントリ,冷却材流路面積を実現している。これにより、
従来例と同等の燃料経済性,炉心圧損を実現する効果が
ある。
施例の燃料集合体により構成する場合、その体数は39
2体程度であり、制御棒本数は177本程度とすること
ができる。
行15列の格子状に配置されていて、燃料集合体中心部
に1本の大型水ロッドを持つ。この水ロッドは、1辺が
約87mmで、燃料棒7行7列分正方形状の、4隅が各々
燃料棒1本分ほど欠けた燃料棒45本分の領域を占有す
る形状を持つ本実施例の燃料の濃縮度は約8wt%であ
る。
クス内幅は約210mmであり、燃料棒径は約11mmであ
る。
列の最外周から数えて4層目よりも内側に集中されてい
る。この比較的大型の水ロッドを配置したことにより、
チャンネルボックス内のボイドがつぶれて中性子スペク
トルが軟らかくなった場合でも、水ロッド内の冷却水に
吸収される熱中性子が多いため、反応度投入を小さくす
ることができる。すなわち、本実施例の燃料集合体で
は、ボイド係数を小さな負の値に抑えることができる。
成する場合、隣り合う燃料集合体との間に水ギャップ6
が形成される。この水ギャップ領域には、制御棒5が挿
入される。本実施例も、第1実施例と同様、2本の制御
棒を挿入している。本実施例を用いた炉心においては、
燃料集合体の格子ピッチLは約230mmである。このた
め燃料集合体内のウランインベントリ割合は、従来の燃
料集合体1Aとほぼ同等の量となる。また、燃料棒を冷
却する冷却材が流れる領域の面積割合も従来の燃料集合
体と同等になる。したがって、本燃料を用いて炉心を構
成する場合、ポンプ等の設備はこれまでと同じ物でよ
い。これは炉心圧損が前記公知燃料と同等であるためで
ある。
ド率40%のとき約5である。
面積の約11%程度である。
ある。
は、燃料棒が15行15列の格子状に配置されていて、
燃料集合体中心部に1本の大型水ロッドを有する。この
水ロッドは、燃料棒37本分が配置可能な領域を占有す
る形状を有する。本実施例の燃料の濃縮度は約8wt%
である。
クス内幅は約206mmであり、燃料棒外径は約11mmで
ある。
列の最外周から数えて4層目よりも内側に集中して配置
されている。この比較的大型の水ロッドを配置したこと
により、チャンネルボックス内のボイドがつぶれて中性
子スペクトルが軟らかくなった場合でも、水ロッド内の
冷却水に吸収される熱中性子が多いため、反応度投入を
小さくすることができる。すなわち、本実施例の燃料集
合体ではボイド係数を絶対値の小さな負の値にすること
ができる。
成する場合、隣り合う燃料集合体との間に水ギャップ6
が形成される。この領域には、制御棒5が挿入される。
本実施例においては、燃料格子ピッチLは約227mmで
ある。このため、集合体内のウランインベントリ割合
は、従来例の燃料集合体1Aと同等の量となる。また、
燃料棒を冷却する冷却材が流れる領域の面積割合も前記
従来例の燃料集合体と同等になる。したがって、第3実
施例の燃料集合体を用いて炉心を構成する場合、ポンプ
等の設備はこれまでと同じ物でよい。
ド率が40%のとき約5である。
面積の10%程度である。
同等のものである。
示す。本実施例は、図1の実施例の水ロッド横断面積の
約1/4の横断面積を持つ4体の水ロッド4を持つ燃料
集合体である。この4体の水ロッドは、燃料棒を1本配
置可能なすきまがあくように並べられている。この隣り
合う水ロッド間のすき間には、長さが、他の大部分の燃
料棒長さの約1/3以下である部分長燃料棒7が配置さ
れる。この部分長燃料の上部は冷却材流路である。冷却
材は燃料棒から熱エネルギを受け取るので、燃料集合体
下部では、冷却材ボイド率は小さく、0%に近いが、上
部では70%程度のボイド率になる。このため、燃料集
合体下部は水が多くなっていて、この下部断面で約60
cm2 の面積を持つ水ロッドを1本配置すると、冷却材ボ
イド率が0%になったとき、複数本の小さな横断面積を
持つ水ロッドを配置した燃料集合体に較べて、ボイド係
数が絶対値の小さい負の値になることからもわかるよう
に反応度は低下することになる。このため、本実施例
は、燃料集合体の下部約1/3の領域での反応度を増加
させるため、合計の横断面積が約60cm2となる4体の
水ロッドを隣り合う水ロッドとの間に、他の燃料棒の1
/3以下の長さの部分長燃料棒を配置し、水対ウラン原
子数比を小さくした。燃料集合体の下部1/3以下の領
域は、もともと冷却材ボイド率が小さく0%に近いの
で、たとえ原子炉の圧力上昇等によりボイドがつぶれて
も、ボイド変化による反応度変化は小さい。一方、燃料
集合体の軸方向の上部2/3の領域では、部分長燃料の
上部領域であるため、4体の水ロッドの間のすき間は冷
却材流路であり、通常の原子炉運転状態では、ボイド率
が40%以上のボイド水により満たされる。このため、
この領域のボイド水中に、他の場所から散乱されてきた
熱中性子のうち、その大部分は次の散乱により4体の水
ロッド中に移動することになり、第1の実施例の水ロッ
ドを使用した時とほぼ同じボイド係数が達成可能であ
る。
数を絶対値が小さい負の値にする効果があり、また、燃
料集合体下部における反応度、したがって本燃料集合体
の反応度を向上する効果がある。
尺燃料棒配置は、燃料格子配列が奇数配列の場合に適し
たものである。すなわち、偶数配列の燃料格子におい
て、4体の水ロッドを、隣り合う水ロッドの間に燃料棒
を配置できる領域をあけて置く場合、水ロッド間に配置
可能な燃料棒は2列程度となる。ここに部分長燃料棒を
配置すると、熱中性子利用率が向上し、水ロッドによる
中性子弱吸収機能が効きにくくなるため、ボイド係数の
絶対値が大きくなってしまう。したがって、本実施例の
ように、燃料集合体チャンネルボックス内幅が210mm
程度の場合、燃料格子配列は15行15列とすることが
適している。
つつ、ボイド係数の絶対値を小さな負の値にできる。
ントリ,冷却材流路面積を従来例と同等にする効果があ
る。これにより、従来技術によるボイド係数低減方法を
実施した場合に比べて、燃料経済性,炉心圧損を改善
し、従来燃料と同等にする効果がある。
図である。
ある。
ある。
料比と無限増倍率との関係を示す特性図である。
ある。
い)と無限増倍率,熱中性子利用率及び共鳴を逃れる確
率との関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
率の関係を示す特性図である。
棒、4…水ロッド、5…制御棒、6…水ギャップ。
Claims (4)
- 【請求項1】複数の燃料棒と1本の水ロッドとを束ね、
その外側を四角筒状のチャンネルボックスで取り囲んだ
沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記チャンネルボックスの内幅が203mm以上222mm
以下であり、 前記水ロッドの流路面積が55cm2以上6
5cm2以下であることを特徴とする燃料集合体。 - 【請求項2】請求項1において、前記水ロッドは、燃料
棒格子配列の最外周から数えて4層目よりも内側にある
燃料集合体。 - 【請求項3】請求項1又は2において、燃料棒格子配列
が15行15列である燃料集合体。 - 【請求項4】複数の燃料棒と複数の水ロッドとを束ね、
その外側を四角筒状のチャンネルボックスで取り囲んだ
沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、 前記チャンネルボックスの内幅が203mm以上222mm
以下であり、前記水ロッドの流路面積の合計が55cm 2
以上65cm 2 以下であり、 燃料棒全長が他の大部分の燃料棒の1/3以下である部
分長燃料棒が、前記水ロッドの間に配置されていること
を特徴とする燃料集合体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03066005A JP3079609B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | 燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03066005A JP3079609B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | 燃料集合体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH04301591A JPH04301591A (ja) | 1992-10-26 |
JP3079609B2 true JP3079609B2 (ja) | 2000-08-21 |
Family
ID=13303401
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP03066005A Expired - Lifetime JP3079609B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | 燃料集合体 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3079609B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2016046049A1 (en) * | 2014-09-24 | 2016-03-31 | Westinghouse Electric Sweden Ab | Fuel assembly for a nuclear boiling water reactor |
Families Citing this family (4)
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---|---|---|---|---|
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JP4559957B2 (ja) * | 2005-11-18 | 2010-10-13 | 株式会社東芝 | 燃料集合体及び炉心にこの燃料集合体が装荷された原子炉 |
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-
1991
- 1991-03-29 JP JP03066005A patent/JP3079609B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2016046049A1 (en) * | 2014-09-24 | 2016-03-31 | Westinghouse Electric Sweden Ab | Fuel assembly for a nuclear boiling water reactor |
US10395780B2 (en) | 2014-09-24 | 2019-08-27 | Westinghouse Electric Sweden Ab | Fuel assembly for a nuclear boiling water reactor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH04301591A (ja) | 1992-10-26 |
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