JP3402142B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
装荷される核燃料集合体に関する。
み燃料の低減を目的に、原子炉用燃料集合体の高燃焼度
化が進められている。燃焼度とは、ウラン燃料単位重量
当りから取り出せるエネルギー量であり、これを増加さ
せることによって燃料経済性を向上できる。
に、最小限界出力比(MCPR)がある。MCPRは、
各燃料集合体の限界出力と運転出力の比(限界出力/運
転出力)のうち、炉心内での最小値に対応する。燃料集
合体の限界出力は、沸騰遷移により燃料棒表面近傍の冷
却材が消失するときの燃料集合体出力であり、限界出力
を越えると燃料被覆管の急激な温度上昇が生じて燃料棒
が破損する恐れがある。従って、原子炉の定常運転時は
もちろん過渡運転時においても、MCPRが1.0以下
にならないように、燃料集合体は限界出力に十分な余裕
を持たせた設計になっている。
集合体内において、熱中性子束が高く燃焼し易い位置に
ウラン濃縮度の高い燃料を、熱中性子束が低い位置にウ
ラン濃縮度の低い燃料を配置することになる。これは、
燃料集合体内における出力分布を不均一にし、局所ピー
キング係数の増大を招く。一般に、局所ピーキング係数
が増大すると、限界出力は低下する。従って、燃料集合
体の高燃焼度化は、熱的余裕の低下を招くことになる。
第1の従来例として、特開昭63−311195号公報に、燃料
棒を9行9列の正方格子状に配置しその中央部に2本の
太径の水ロッドを設けた構成が記載されている。
来例として、特公平8−16709号公報がある。同公報の図
10には、第1の従来例と同じ構成の燃料集合体におい
て、隣り合う燃料棒の間隙をG1,最外周の燃料棒とチ
ャンネルボックスの内面との間隙をG2とすると、限界
出力が間隙比G2/G1の影響を受けることが記載され
ている。例えば、局所ピーキング係数が約1.05付近
では、間隙比を1.0から1.2,1.4と増大すると限
界出力が大きくなり、更に間隙比を1.7 まで増大する
と限界出力は低下してしまう傾向が記載されている。
して、特公平8−16709号公報がある。同公報には、燃料
棒を9行9列の正方格子状に配置しその中央部に2本の
太径の水ロッドを設けた燃料集合体において、短尺燃料
棒を最外周から2層目に分散配置し、50GWd/t以
上の平均取出燃焼度E(GWd/t),最外周の燃料棒
とチャンネルボックスの内面との間隙a、及び燃料集合
体間ピッチbの間に、(a/b)≧0.07E−0.65
(%)の関係が成立する構成が記載されている。本構成
の目的は、燃料集合体の高燃焼度化を目指した際に、限
界出力を悪化させずに炉停止余裕を改善することであ
る。
要以上に増加させ過ぎると局所ピーキング係数も大きく
なること、燃料棒間ピッチが過度に小さくなると限界出
力が低下すること、比率a/bは炉停止余裕の目標値を
満足する範囲で適切に設定しなければならないこと、も
記載されている。
間隙比が約1.2 の構成を開示しているに過ぎない。第
2の従来例では、限界出力を向上するためには間隙比に
最適範囲が存在することは開示しているが、間隙比をど
のような範囲に設定すべきかまでは開示していない。ま
た、第3の従来例では、限界出力を悪化させないための
比率a/bの下限値に関しては開示しているが、上限値
までは開示していない。従って、これらの従来例の場
合、限界出力を確実に向上することまではできない。
を目指した場合でも、限界出力を確実に向上して熱的余
裕を改善できる燃料集合体を提供することにある。
に、本発明は、長尺燃料棒及び該長尺燃料棒より燃料有
効長が短い短尺燃料棒を9行9列の正方格子状に配列
し、中央部に燃料棒よりも太径の水ロッドを配置した燃
料バンドルと、該燃料バンドルを覆う四角筒状のチャン
ネルボックスとを備えた燃料集合体において、前記短尺
燃料棒が前記燃料バンドルの最外周の各辺に1本ずつ配
置され、隣り合う燃料棒の間隙G1,最外周の燃料棒と
前記チャンネルボックスの内面との間隙G2、及び平均
取出燃焼度E[GWd/t]の間に、1.2<(G2/
G1)<0.04Eの関係が成立するように構成する。
する本発明を適用した図1の燃料集合体の限界出力特性
を、解析により評価した。間隙比G2/G1と限界出力
の関係を求めた解析結果を図2に示す。原子炉の運転中
にMCPRが最小となるのは、燃料中に混入されている
可燃性毒物が燃焼し終わる燃焼度10GWd/t程度の
燃料集合体である。このとき、一般に、燃料集合体のコ
ーナー付近に位置する燃料棒の出力が最大となる。図2
の特性も、LPFが最外周のコーナーに位置する燃料棒
で最大となる条件で評価したものである。
て、限界出力は急激に増大して最大となり、その後緩や
かに減少する。また、局所ピーキング係数(LPF)の
増加に伴い限界出力の最大値は低下する。更に、LPF
の増加に伴い限界出力が最大となる間隙比の値が大きく
なる。
できる間隙比の範囲について、図3を用いて説明する。
図3には、第1の従来例に記載された燃料集合体の間隙
比1.2に相当する実線sも表示している。LPFが1.
10,1.15,1.20の各特性曲線と実線sとの交点
をP1,Q1,R1とし、これらの点における限界出力
と等しい限界出力が得られるもう一つの点をそれぞれP
2,Q2,R2とする。
を向上できる間隙比は、P1〜P2,Q1〜Q2,R1
〜R2の各範囲である。この限界出力を向上できる間隙
比の上限値を示す点P2,Q2,R2は、図3のように
ほぼ直線で結ぶことができる。この直線tは、限界出力
を向上できる間隙比の上限値とLPFの関係を示してお
り、次式で表される。
PRが最小となる燃焼度が約10GWd/tの時のLP
Fとの間には、図4のような関係がある。現行燃料で
は、ウラン酸化物の濃縮度に5%という上限値が存在す
るため、MCPRが最小となる時のLPFの値は、図4
のように平均取出燃焼度Eにほぼ比例して増加する。こ
の特性直線は、次式で表される。
次式が得られる。
の従来例の燃料集合体よりもMCPRを向上するために
は、次式が成立するように構成すれば良い。
することにより、従来燃料集合体の中央部に偏っていた
冷却材分布が均一化されるため、最外周の燃料棒出力が
大きい場合の限界出力が大きくなる。また、最外周の燃
料棒とチャンネルボックス内面との間の領域が広くなる
ため、この領域での中性子減速効果が増大し、ボイド反
応度係数が改善する。
を図1を用いて説明する。図1(a)は第1実施例の縦
断面図を、図1(b)は図1(a)のA−A断面図を、
それぞれ示す。本燃料集合体は、燃料棒が9行9列の正
方格子状に配列され、中央部に燃料棒よりも太径の水ロ
ッド3が2本配置された燃料バンドルと、燃料バンドル
を覆う四角筒状のチャンネルボックス7とを備える。
長尺燃料棒1よりも燃料有効長が短い4本の短尺燃料棒
2、水ロッド3,長尺燃料棒1及び短尺燃料棒2の下端
部を保持する下部タイプレート4,長尺燃料棒1の上端
部を保持する上部タイプレート5,燃料棒間隔を保持す
るスペーサ6などから構成される。2本の水ロッド3
は、7本の燃料棒が配置可能な中央領域の対角線上に隣
接して配置され、スペーサ6は、燃料集合体の軸方向の
7箇所にほぼ等間隔に配置されている。
辺の中央位置に1本ずつ配置されている。短尺燃料棒2
の燃料有効長は長尺燃料棒1の燃料有効長の約2/3で
あり、短尺燃料棒2の上部には長尺燃料棒1の燃料有効
長の約1/3に相当する空間が形成されている。この空
間では、冷却材が自由に流れることができる。これによ
って、燃料集合体の上部における冷却材の流動抵抗を低
減できるとともに、チャンネルボックス7の外部のギャ
ップ水領域との相互作用によりボイド反応度係数を大き
く改善できる。
離)hは、第1の従来例よりも0.1mm小さい約14.3
mm である。燃料棒外径d及びチャンネルボックス内幅
wはそれぞれ11.2mm及び134.1mmであり、間隙比
はG2/G1=1.37 である。本燃料集合体は平均取
出燃焼度50GWd/t程度を想定しており、数4から
間隙比の上限値は2.0となるので、数4の関係を満足
する。
もる。図4から、平均取出燃焼度50GWd/tの場
合、LPFは約1.18である。図3にはLPF=1.1
8の特性曲線がないので、LPF=1.15と1.20の
特性曲線から内挿して評価する。この結果、間隙比1.
2の場合に比べて、間隙比1.37の方が限界出力を約
0.12MW(約1.3%)向上できる。
に影響されるので、数4の関係は基本的には図1の燃料
集合体に固有の特性であり、他の構成の燃料集合体には
適用できない場合がある。但し、限界出力に影響を及ぼ
さない構成の変化であれば、数4の関係を適用できる。
このような構成について以下に述べる。
裕の小さい燃料棒近傍の条件により決定されるので、熱
的余裕の大きい燃料棒の構成が多少変化しても、限界出
力にはほとんど影響しない。MCPRが最小となると
き、最も熱的余裕の小さい場所は、一般に、燃料集合体
の最外周のコーナー付近の燃料棒である。従って、燃料
集合体の中央部の構成が多少変化しても限界出力に大き
な影響はない。
第2実施例を図5に示す。図5は、第2実施例の横断面
図である。本実施例は、第1実施例において、2本の水
ロッド3の両方に隣接する2本の燃料棒を短尺燃料棒2
に置き換えたものである。その他の構成は第1実施例と
同じである。即ち、本実施例でも、間隙比はG2/G1
=1.37としている。
るので、短尺燃料棒2を2本程度設けても限界出力特性
は余り変わらない。本実施例の場合、短尺燃料棒2の数
が増加した分限界出力は低下するが、燃料棒の総表面積
に対する伝熱面積の減少分は約1%であり、ほとんど無
視できる。従って、本実施例でも、第1実施例と同様の
効果が得られる。
び第4実施例を図6及び図7に示す。これらの実施例
は、第1実施例において、短尺燃料棒2の位置を最外周
の各辺上で一つ隣に移動したものである。その他の構成
は第1実施例と同じである。即ち、これらの実施例で
も、間隙比はG2/G1=1.37としている。
位置を最外周で一つ隣に移動しても限界出力特性は余り
変わらない。従って、これらの実施例でも、第1実施例
と同様の効果が得られる。
棒の燃料有効長を変える構成がある。限界出力向上のた
めに燃料棒の燃料有効長を長くしたり、圧力損失低減の
ために燃料棒の燃料有効長を短くするなどの方法があ
る。燃料棒の伝熱面積の増減に対する限界出力の変化率
は小さいため、燃料棒の燃料有効長(約3.7m)の変化
が5%以内であれば、数4に示す本発明の間隙比の条件
を適用できる。
明を適用できる。燃料棒の太径化は圧力損失を増大する
ことになるが、燃料インベントリを増大させるためには
有効である。燃料棒が太くなった場合、図2の特性曲線
は間隙比が小さい左側へシフトし、より鋭い上に凸な曲
線となる。但し、燃料棒径が11.0〜11.5mmの範囲
であれば限界出力に及ぼす影響は小さく、数4に示す本
発明の間隙比の条件を適用できる。
ぼすことが知られているが、従来の格子型スペーサ及び
丸セル型スペーサであれば本発明を適用できる。更に、
燃料集合体中のスペーサの数が変化しても限界出力特性
は定性的には変化しないため、本発明を適用可能であ
る。
ャンネルボックス内幅wが134.1mmの例を示したが、本
発明はwが132.5mmの燃料集合体にも適用できる。
燃料集合体でも、限界出力を確実に向上して熱的余裕を
改善できる。
(a)は縦断面図、(b)は(a)のA−A断面図。
PFの関係図。
図。
図。
図。
下部タイプレート、5…上部タイプレート、6…スペー
サ、7…チャンネルボックス。
Claims (5)
- 【請求項1】長尺燃料棒及び該長尺燃料棒より燃料有効
長が短い短尺燃料棒を9行9列の正方格子状に配列し、
中央部に燃料棒よりも太径の水ロッドを配置した燃料バ
ンドルと、該燃料バンドルを覆う四角筒状のチャンネル
ボックスとを備えた燃料集合体において、 前記短尺燃料棒が前記燃料バンドルの最外周の各辺に1
本ずつ配置され、 隣り合う燃料棒の間隙G1,最外周の燃料棒と前記チャ
ンネルボックスの内面との間隙G2、及び平均取出燃焼
度E[GWd/t]の間に、 1.2<(G2/G1)<0.04E の関係が成立するように構成した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、前記短尺燃料棒は、前
記燃料バンドルの最外周の各辺の中央位置に1本ずつ配
置されたことを特徴とする燃料集合体。 - 【請求項3】請求項1又は2において、平均取出燃焼度
Eが45[GWd/t]より大きいことを特徴とする燃
料集合体。 - 【請求項4】請求項1又は2において、更に前記水ロッ
ドに隣接する燃料棒のうち2本が前記短尺燃料棒である
ことを特徴とする燃料集合体。 - 【請求項5】請求項4において、平均取出燃焼度Eが4
5[GWd/t]より大きいことを特徴とする燃料集合
体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22775297A JP3402142B2 (ja) | 1997-08-25 | 1997-08-25 | 燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22775297A JP3402142B2 (ja) | 1997-08-25 | 1997-08-25 | 燃料集合体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH1164558A JPH1164558A (ja) | 1999-03-05 |
JP3402142B2 true JP3402142B2 (ja) | 2003-04-28 |
Family
ID=16865828
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP22775297A Expired - Lifetime JP3402142B2 (ja) | 1997-08-25 | 1997-08-25 | 燃料集合体 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3402142B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3913386B2 (ja) | 1998-02-10 | 2007-05-09 | 株式会社日立製作所 | 燃料集合体 |
JP6258625B2 (ja) * | 2013-08-01 | 2018-01-10 | 原子燃料工業株式会社 | 沸騰水型原子炉用燃料集合体 |
-
1997
- 1997-08-25 JP JP22775297A patent/JP3402142B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH1164558A (ja) | 1999-03-05 |
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