JP3761290B2 - Fuel assembly - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型原子炉に用いられる燃料集合体に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、沸騰水型原子炉用の燃料集合体1は、図7に示すように、正方角筒状のチャンネルボックス7内に、核燃料を収容した多数本の燃料棒2,3と内部を冷却材が流れるウォータロッド6を配列すると共に、その上下端部を上部タイプレート4と下部タイプレート5とによりそれぞれ固定し、その中間部を軸方向に適宜間隔を置いて設置された複数個のスペーサ8a,8bによって整列支持されて構成されている。なお、ここで示す9×9配列の燃料では、燃料集合体の圧力損失を低減するため、上端が上部タイプレートに達していないいわゆる短尺燃料棒3が使用されている。
【0003】
スペーサ8の設計に際しては燃料棒2,3の間隔保持等、燃料集合体の機械的構造上の要求に加えて、スペーサにより炉心内を流れる冷却材流動を制御して沸騰遷移に対する余裕を増大させること、および冷却材を循環させるポンプ動力や燃料の熱水力学的な安定性の観点からスペーサ部での圧力損失をなるべく低減させることも重要な要求となっている点も考慮しなければならない。
【0004】
このような要求から設計されたスペーサは、例えば短尺燃料棒を用いた燃料集合体の場合、配置される位置により2種類のものが用いられる。ここで、短尺燃料棒上端より下に配置されるスペーサを下部スペーサ8a、上端より上に配置されるものを上部スペーサ8bとし、それぞれ図8,図9に示す。
【0005】
図8(A)はスペーサの上面図、(B)は側面図である。ここでスペーサ8aは、矩形状に形成されたバンド15内に、燃料棒挿通路を形成するよう、互いに点溶接により接合された円筒状のスペーサセル10(以下セルという)を配列し、隣接したセル10相互の2つの側面部にセルスプリング13を配して形成されている。このセルスプリング13とセル10内に設けられた2つのセルストップ12により、3方向から燃料棒を支持する。また、中央部には、2本の太径ウォータロッド6を支持するためのウォータロッド支持金具11とウォータロッドスプリングとが設けられている。
【0006】
また、バンド15側面には外向きに突出する突起(ローブ)16が設けられ、これによってバンド15とそれを取り囲むチャンネルボックス7の間に適切な間隔を持たせることができる。また、バンド15の上部(下流側)には、限界出力特性向上を目的としてフロータブ18がそれぞれ複数個配設されている。
【0007】
また、スペーサ8bは、図9に示されるように、短尺燃料棒の配置位置の8個所のセル10が削除されている他は、図8に示されたスペーサ8aとほぼ同様の構成である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
近年、原子力発電プラントにおいては、核燃料経済性の向上と使用済燃料体数の低減を目的として、燃料集合体1の1体から取出せるエネルギーを増大させる高燃焼度化が進められている。この高燃焼度化を実現するためには燃料集合体の平均濃縮度を高める必要があるが、これによって炉心特性上いくつかの好ましくない影響が生じる。
【0009】
その一つは燃料の熱的特性への影響である。すねわち、燃料の濃縮度を高めると、燃料の寿命初期における燃料集合体1体が発生する熱出力が増加するため、沸騰遷移に対する熱的余裕が減少することになる。特に、燃料集合体内において外周に配置された燃料棒は、チャンネルボックス7の外の大きな水領域に隣接しているため、熱中性子の供給が多く、出力が高くなる。このため、この位置での熱的裕度が特に低くなり易い。
【0010】
一方、チャンネルボックス7は非発熱であり外側に温度の低い非沸騰水があるため、これに沿って蒸気クオリティの低い(液相の多い)冷却材流が存在している。従って、熱的余裕改善のための対策としては、スペーサの実効外径D(対向する辺と辺の距離)をなるべく大きくしてこの冷却材流をバンド15により剥ぎ取り、また前述のフロータブ18によって外周燃料棒へ導くことにより、外周燃料棒の熱的裕度を向上させるという手段が用いられている。
【0011】
ところが、スペーサ8の実効外径を増したり、フロータブ18を設置することによって、冷却材流に対する障害物が増えて燃料集合体1の圧力損失が増加するという新たな課題が発生することになった。
【0012】
次に燃料濃縮度の増加によるもう一つの悪影響として、ボイド係数の増大や原子炉停止余裕の減少といった核特性上の影響が挙げられる。前者は過渡変化時における炉心の過出力を増大させ、後者は制御棒による原子炉の停止能力を悪化させるという原子炉の核的な安全性に関わる問題である。これに対する一つの対策が前述した短尺燃料棒の採用であって、これらの核特性の改善に有効な手段である。特に短尺燃料棒3をチャンネルボックス7に隣接して配置した場合、その効果が非常に大きいことが知られているが、これまで実際に採用された例はほとんどない。その理由を簡単に説明すると以下のようになる。
【0013】
もともと短尺燃料棒3上端より上方(下流側)は局所的に流路が広くなるので、冷却材が集中しやすく、そこから離れた位置の燃料棒へ供給される冷却材が減少する傾向が多少あった。ところが前述したように短尺燃料棒3をチャンネルボックスに隣接配置した場合は液相がチャンネルボックス7の表面に沿って流れやすいために、この傾向がさらに強まって熱的余裕を損なうことが懸念される。従ってせっかく短尺燃料棒3を導入しても十分にその効果を生かすことができないという問題点があった。
【0014】
本発明は上記の諸課題を解決するためになされたもので、特に燃料集合体外周部の燃料棒の冷却効率を改善し、また短尺燃料棒をチャンネルボックスに隣接して配置させ核特性を改善し、なおかつ燃料の熱的特性が悪化しない燃料集合体を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に係わる発明は、複数本の燃料棒と内部に冷却材の一部が流れるウォータロッドを、軸方向に複数個配列されるスペーサによって結束し、チャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体において、前記スペーサの1個以上については外枠であるバンドの下流側に冷却材の流れを燃料棒側に向ける傾斜したフロータブを突出して形成するとともに、前記フロータブの数が異なる2種類以上のスペーサを含むことを特徴とする。
【0016】
この構成により、フロータブによる圧損増加を低減し、燃料集合体の圧損増加を防ぐことができる。請求項2に係わる発明は、燃料集合体の最下端から連続する複数個のスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする。
【0017】
請求項3に係わる発明は、短尺燃料棒のうち最も長いものの上端より下方に位置するスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする。請求項4に係わる発明は、燃料集合体の最上端のスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする。
【0018】
請求項2ないし請求項4に係わる発明の構成により、燃料集合体の熱的余裕を高めながら燃料集合体の圧力損失を低減することができる。請求項5に係わる発明は、複数本の燃料棒と内部に冷却材の一部が流れるウォータロッドを、軸方向に複数個配列されるスペーサによって結束し、チャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体において、前記スペーサの外側に設けられたチャンネルボックスと接触しうる突起部を除くスペーサの外径である実効外径が異なる2種類以上のスペーサを有し、かつ少なくとも燃料集合体の最下端から連続する複数個のスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする。
【0019】
請求項6に係わる発明は、短尺燃料棒のうち最も長いものの上端より下方に位置するスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする。
【0020】
請求項7に係わる発明は、燃料集合体の最上端のスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする。請求項5ないし請求項7に係わる発明の構成により、燃料スペーサの部材量を最小限に抑えられるので圧力損失が低減するとともに、燃料チャンネル付近を流れる液相が増加し、かつそれを燃料スペーサのバンドにより最外周燃料棒へ振り向けられるので熱的余裕が増加する。
【0021】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態の燃料集合体を示したものであり、図1(A)は燃料集合体の一部縦断面図、(B)(C)はそれぞれ(A)のB−B,C−C矢視横断面図である。なお、図中、従来の技術と同一部分は同一符号を附し、重複する説明は省略する。
【0022】
図1において、燃料集合体1には7個所に4種類の構造の異なるスペーサが配置されている。下側から数えて第1〜4番目を第1スペーサ8c、第5番目を第2スペーサ8d、第6番目を第3スペーサ8e、第7番目の第4スペーサ8fとし、これらのスペーサの上面図と側面図を図2ないし図5に示し、それぞれ比較しながら説明する。
【0023】
図2に示す第1スペーサ8cと図3に示す第2スペーサ8d、及び図4に示す第3スペーサ8eと図5に示す第4スペーサ8fは、バンド15以外の部分の構造が同じである。それぞれのスペーサ位置で保持する燃料棒2,3の本数に対応しているもので、短尺燃料棒3の上端より下方に配置された第1及び第2スペーサ8c,8dと比較して、上端より上方に配置された第3及び第4スペーサ8e,8fは、短尺燃料棒配置位置のセル10が削除されている。
【0024】
一方、バンド15の構造については第1スペーサ8cと第4スペーサ8f、及び第2スペーサ8dと第3スペーサ8eがそれぞれ同じである。以下、この2種類のバンド構造について述べる。
【0025】
図3において、第2スペーサ8dには、バンド15bの各辺にフロータブ18が形成されており、この基本的構造は従来例と同様であるが、バンド15bをなるべくチャンネルボックス7に近接させるようにしている。すなわち、バンド15bの上下端部の一部を内側方向に打ち出してセル支持突起19を作り、この部分でスペーサ8内部のセル10と溶接して保持している。この構造の詳細は本特許出願人の先願である特願平9−52657に記載されている。なお、図4に示す第3スペーサ8eのバンド15も同様の構成である。
【0026】
一方、図2及び図5において、第1スペーサ8c及び第4スペーサ8fのバンド15aにはフロータブ18が形成されていない。またバンド15aも内側への突出部を介さず平板部が直接丸セル10と溶接されているので実効外径D1が第2スペーサ8dと第3スペーサ8eの実効外径D2よりも小さくなっている。このためチャンネルボックス7内面とバンド15の距離が第2スペーサ8dと第3スペーサ8eの場合よりも大きく、それに対応してバンド15外側方向への突起の高さ(以下ローブという)16が第2スペーサ8dと第3スペーサ8eより高くなっている。
【0027】
なお、第1スペーサ8c及び第4スペーサ8fには、フロータブに代えてリードインタブ17を設けている。これは、燃料集合体を組み立てる等の際のガイドとして斜面部を設けたものである。このリードインタブ17は、フロータブに比べて小さいため、圧力損失等の熱水力的な影響はほとんどない。
【0028】
図6にそれぞれのスペーサによる冷却材の流れを模式的に示す。図6(A)は、第2及び第3スペーサ部での冷却材の流れを示しており、チャンネルボックス7内面を流れる冷却材液相部Fがフロータブ18により、引き剥がされて燃料棒2,3に供給されている。このため、燃料棒2,3の冷却を促進することができる。また、図6(B)は、フロータブ18を有さない第1スペーサ部での冷却材の流れを示しており、スペーサ15aは、フロータブ18がないため圧力損失が少なく、チャンネルボックス内面近傍に蒸気クオリティの低い冷却材が流れている。さらに、第1スペーサの軸方向から見た投影面積は第2スペーサ8dと第3スペーサ8eよりも小さく、すなわちスペーサの実効外径が小さく、バンド15aとチャンネルボックス7内面の距離を広げているため、圧力損失が低減できる。
【0029】
次に熱的余裕(限界出力)の観点からは、各スペーサ配置位置では以下のような特徴がある。すなわち、燃料集合体上部においては、沸騰遷移に対する余裕が小さい。また、燃料集合体下部は蒸気クオリテイが低く、燃料有効長上端付近は表面熱流束が低いため、いずれも沸騰遷移に対する余裕が非常に大きい部位である。
【0030】
従って、本実施の形態のように、燃料集合体下部に実効外径が小さく、またフロータブを設けない第1スペーサ8cを配置することにより、熱的余裕を低下させることなく圧損を低減し、チャンネルボックス7内面近傍に蒸気クオリティの低い冷却材を流すことができる。このため、燃料集合体上部でのチャンネルボックス7内面近傍の蒸気クオリティの低い冷却材流が温存され、燃料集合体上部で効率よく外周燃料棒を冷却することができる。
【0031】
すなわち、従来のスペーサ配置では、燃料集合体下部に設置されたスペーサ8aと上部に設置されたスペーサ8bとがほぼ同じ構造であったので、チャンネルボックス内面に沿う流れをかき乱し、蒸気クオリティの低い冷却材が燃料集合体の上部まで到達する割合が低くなっていたが、本実施の形態のように、圧損低減できる実効外径の小さい、またはフロータブのない複数種類のスペーサを用いることにより、この課題が解決されるものである。
【0032】
また、本実施の形態では、沸騰遷移に対する余裕が非常に大きい燃料有効長上端付近にも、低圧損の第4スペーサを配置することにより、全体の冷却材流の圧損も低減している。
【0033】
なお、本実施の形態では第1ないし第4スペーサの4種類のスペーサを用いているが、例えば短尺燃料棒3上端より下では全て第1スペーサを用い、それより上では第3スペーサを用いる等によりスペーサ種類数を減らすこともできる。また、第1及び第4スペーサのフロータブを完全に取り去らず、数を第2及び第3スペーサより少なくすることによっても類似の効果が得られることは明らかである。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料の圧力損失を低減しながら、かつ熱的余裕が大きく、健全性の良い燃料集合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明に係わる燃料集合体の第1の実施の形態を一部断面で示す立面図、(B)は(A)のB−B矢視断面図、(C)は(A)のC−C矢視断面図。
【図2】(A)は本発明に係わる燃料集合体の第1の実施の形態における第1スペーサの上面図、(B)は(A)の側面図。
【図3】(A)は本発明に係わる燃料集合体の第1の実施の形態における第2スペーサの上面図、(B)は(A)の及び側面図。
【図4】(A)は本発明に係わる燃料集合体の第1の実施の形態における第3スペーサの上面図、(B)は(A)の側面図。
【図5】(A)は本発明に係わる燃料集合体の第1の実施の形態における第4スペーサの上面図、(B)は(A)の側面図。
【図6】(A)は本発明に係わる燃料集合体の第1の実施の形態における第1スペーサの働きを示す模式図、(B)第2及び3スペーサの働きを示す模式図。
【図7】(A)は従来の燃料集合体を一部断面で示す立面図、(B)は(A)のB−B矢視断面図、(C)は(A)のC−C矢視断面図。
【図8】(A)は従来の燃料集合体における上部スペーサの上面図、(B)は(A)の側面図。
【図9】(A)は従来の燃料集合体における下部スペーサの上面図、(B)は(A)の側面図。
【符号の説明】
1…燃料集合体、2…長尺燃料棒、3…短尺燃料棒、4…上部タイプレート、5…下部タイプレート、6…ウォータロッド、7…チャンネルボックス、8…スペーサ、9…燃料棒有効部、10…スペーサセル、11…ウォータロッド支持金具、12…セルストップ、13…セルスプリング、14…ウォータロッドスプリング、15…バンド、16…ローブ、17…リードインタブ、18…フロータブ、19…セル支持突起、20…ローブ下端の開口部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel assembly used in a boiling water reactor.
[0002]
[Prior art]
In general, as shown in FIG. 7 , a
[0003]
When designing the
[0004]
For example, in the case of a fuel assembly using short fuel rods, two types of spacers designed according to such requirements are used depending on the position where they are arranged. Here, the lower spacer 8a spacers disposed below the length fuel rods upper end, the one arranged above the upper end and the
[0005]
8A is a top view of the spacer, and FIG. 8B is a side view. Here, the spacers 8a are arranged adjacent to each other by arranging cylindrical spacer cells 10 (hereinafter referred to as cells) joined to each other by spot welding so as to form a fuel rod insertion passage in a
[0006]
Further, a protrusion (lobe) 16 that protrudes outward is provided on the side surface of the
[0007]
Further, as shown in FIG. 9 , the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, in a nuclear power plant, for the purpose of improving the nuclear fuel economy and reducing the number of spent fuel bodies, higher burnup has been promoted to increase the energy that can be extracted from one
[0009]
One of these is the effect on the thermal properties of the fuel. That is, when the enrichment of the fuel is increased, the heat output generated by one fuel assembly at the early stage of the fuel life increases, and the thermal margin for the boiling transition decreases. In particular, since the fuel rods arranged on the outer periphery in the fuel assembly are adjacent to a large water region outside the
[0010]
On the other hand, since the
[0011]
However, when the effective outer diameter of the
[0012]
Next, another adverse effect of increasing fuel enrichment is the effect on nuclear characteristics such as an increase in void coefficient and a decrease in reactor shutdown margin. The former is a problem related to the nuclear safety of the nuclear reactor, which increases the overpower of the core at the time of a transient change, and the latter deteriorates the ability of the control rod to shut down the reactor. One countermeasure against this is the use of the above-mentioned short fuel rods, which is an effective means for improving these nuclear characteristics. In particular, when the
[0013]
Originally, the flow path is locally wider above the upper end (downstream side) of the
[0014]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and in particular, improves the cooling efficiency of the fuel rods on the outer periphery of the fuel assembly, and improves the nuclear characteristics by arranging short fuel rods adjacent to the channel box. In addition, an object of the present invention is to provide a fuel assembly that does not deteriorate the thermal characteristics of the fuel.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
[0016]
With this configuration, an increase in pressure loss due to the flow tab can be reduced, and an increase in pressure loss of the fuel assembly can be prevented. The invention according to
[0017]
The invention according to
[0018]
With the configuration of the invention according to
[0019]
The invention according to
[0020]
The invention according to
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 shows a fuel assembly according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (A) is a partial longitudinal sectional view of the fuel assembly, and FIGS. It is a BB, CC arrow cross-sectional view. In the figure, the same parts as those in the prior art are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0022]
In FIG. 1, the
[0023]
The
[0024]
On the other hand, regarding the structure of the
[0025]
In FIG. 3, a
[0026]
On the other hand, in FIGS. 2 and 5, the
[0027]
The
[0028]
FIG. 6 schematically shows the flow of the coolant by each spacer. FIG. 6A shows the flow of the coolant in the second and third spacer portions. The coolant liquid phase portion F flowing on the inner surface of the
[0029]
Next, from the viewpoint of thermal margin (limit output), each spacer arrangement position has the following characteristics. That is, in the upper part of the fuel assembly, there is little margin for boiling transition. Further, the lower part of the fuel assembly has a low vapor quality, and the surface heat flux is low near the upper end of the effective fuel length.
[0030]
Accordingly, by disposing the
[0031]
That is, in the conventional spacer arrangement, the spacer 8a installed at the lower part of the fuel assembly and the
[0032]
Further, in the present embodiment, the pressure loss of the entire coolant flow is also reduced by arranging the fourth spacer with the low pressure loss near the upper end of the fuel effective length having a very large margin for the boiling transition.
[0033]
In the present embodiment, four types of spacers of the first to fourth spacers are used. For example, the first spacer is used below the upper end of the
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a fuel assembly having good soundness while reducing the pressure loss of fuel and having a large thermal margin.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is an elevation view showing a first embodiment of a fuel assembly according to the present invention in a partial cross section, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the line CC of (A).
2A is a top view of a first spacer in the first embodiment of a fuel assembly according to the present invention, and FIG. 2B is a side view of FIG.
3A is a top view of a second spacer in the first embodiment of the fuel assembly according to the present invention, and FIG. 3B is a side view of FIG. 3A.
4A is a top view of a third spacer in the first embodiment of the fuel assembly according to the present invention, and FIG. 4B is a side view of FIG. 4A.
5A is a top view of a fourth spacer in the first embodiment of the fuel assembly according to the present invention, and FIG. 5B is a side view of FIG. 5A.
6A is a schematic diagram illustrating the function of the first spacer in the first embodiment of the fuel assembly according to the present invention, and FIG. 6B is a schematic diagram illustrating the function of the second and third spacers.
7 (A) is an elevational view of a conventional fuel assembly in partial cross section, (B) is taken along line B-B sectional view of (A), C-C of (C) is (A) FIG.
8A is a top view of an upper spacer in a conventional fuel assembly, and FIG. 8B is a side view of FIG. 8A.
9 (A) is a top view of the lower spacer in the conventional fuel assembly, a side view (B) in (A).
[Explanation of symbols]
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