JP3770405B2 - 核燃料組立て体 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は沸騰水型原子炉用の燃料組立て体であって、原子炉の作動の間、燃料チャネルによって囲まれた複数の燃料棒からの熱を吸収しながら、燃料組立て体を通して冷却水が上方へ流れうるようにして、冷却水の一部が蒸気に変換され、前記燃料組立て体が、蒸気が出口端に向かって燃料組立て体を通してそこを貫流する蒸気チャネルを含む燃料組立て体に関する。
背景技術
軽水により減速される沸騰水型原子炉においては、燃料は燃料棒の形態で存在しており、各燃料棒は燃料被覆管内に配置された核燃料のペレットの積重ね体を包含している。燃料の束は、所謂格子と称するある明確な、通常は対称形のパターンで相互に対して平行に配置された複数の燃料棒から構成されており、頂部では頂部タイプレートによって、底部では底部タイプレートによって保持されている。燃料組立て体は１個以上の燃料の束からなり、各束は燃料組立て体の大部分に亘って延び、概ね長方形の燃料チャネルによって囲まれている。
炉心が、冷却材および中性子減速材の双方として作用する水中に浸漬される。燃料組立て体が炉心に垂直に配置され、かつ相互に離隔されている。作動中、水は燃料組立て体の底を通して導入され、燃料棒を通過して燃料組立て体を通して上方に流れる。燃料棒によって放出された熱は水によって吸収され、水は沸騰を始め、水の一部は蒸気に変換される。水と蒸気とは燃料組立て体の上端を通して流れる。生成された蒸気はタービンまで送られ、該タービンが発電機を駆動して電気エネルギが発生する。
沸騰水型原子炉に関わる欠点は燃料組立て体の上部分における蒸気の比率が高いことである。冷却材において蒸気の比率が上昇すると、燃料棒から放熱する能力が低下し、それによって ドライアウトの危険性が増し、そのため燃料損傷の危険性が増す。燃料中での蒸気含有量が高いことに関わる別の問題は蒸気が水と比較して減速材として劣ることであって、その結果減速が不十分となり燃料の利用が不十分となる。燃料組立て体の下部分においては、減速材は水からなり、燃料組立て体の上部分においては減速材は蒸気と水の双方からなる。このことは、燃料組立て体の上部分において燃料が効率的に使用されていないことを意味する。このため、冷却材における蒸気含有量を低減するが、一方同時に蒸気の発生を高いレベルに保つことが望ましい。
蒸気の体積パーセントαは燃料と炉心の核特性に対する極めて重要なパラメータである。水相と蒸気相の双方が同じ速度で動くとすれば、αは下記の混合式から直接決定することが可能である。

商ρ_g／ρ_lは約７ＭＰａの圧力における沸騰水型原子炉における通常の作動状態に対しては約０．０５である。αとχとの関係は図１に示されている。
蒸気相と液相とが異なる速度で動く場合、これは等式１の下記する修正式によって表わすことが出来る。

Ｓ（摩砕計数）は例えばＳ＞１が蒸気が液体より速く流れることを意味するというように相間の速度差を表わしている。Ｓは実際には蒸気の重量パーセント、圧力、形状等の複雑な関数である。しかしながら、沸騰水型原子炉においては、蒸気の濃度が著しく低いことによって出口に向かって当然のことながら蒸気の速度が速くなることは周知のことである。蒸気の流れが水の流れより速度が速い場合、燃料組立て体における蒸気の体積パーセントは小さくなる。従って、蒸気の実際の体積パーセントは、蒸気の重量パーセントが４０％以上である少なくとも燃料組立て体の上部分において相間の速度差が何らないときに想定されるものより５−１０％低い。
前記の推論の結論としては、燃料組立て体から蒸気が消えるのが速ければ速いほど、蒸気の含有量が下がることである。このように、燃料組立て体の上部分において蒸気の流れと水の流れとが分離することは蒸気の流れを水の流れより速度を速くし、それによって燃料組立て体における蒸気の体積パーセントを低下する。このように、ドライアウトに対する限界が改善され、燃料組立て体の上部分において燃料がより良好に利用される。
米国特許第5,091,146号の明細書は、１個以上の部分的な長さの燃料棒、すなわち底部タイプレートから延びているが、頂部タイプレートの下方で、かつそこから離れたところで終わっている燃料棒の上方に蒸気通気管を配置することにより燃料組立て体の上部分において蒸気の流れと水の流れとを分離しようとする燃料組立て体を示している。このように、冷却材において発生した蒸気は排出される。前記管は上端および下端において開口を有する。そのような管の欠点は数々ある。例えば、その一つとして、製造が高価に付くことであり、別の欠点は燃料組立て体における圧力低下が増加することである。別の欠点は連続して発生する蒸気が前記管に入りにくくしうることである。明らかに、前記管には開口や、蒸気が該管中へ流入し易くするが水が該管へ入らないようにするその他の装置を設けるが、これが蒸気が前記管へ入るようにさせる効率的な方法であるか否かは依然として疑わしい。
発生の要約
本発明は簡単、かつ効率的な方法で蒸気の流れと水の流れとを少なくとも部分的に分離し、かくして燃料組立て体における蒸気の体積パーセントを低下させる燃料組立て体を提供することを目的とする。
本発明による燃料組立て体の特徴とするところは請求の範囲から明らかである。
本発明による燃料組立て体は原子炉の作動の間蒸気を燃料組立て体を通して上方に導く垂直のチャネルを含む。このチャネルは何ら壁を有しないが、燃料棒の間に、追って蒸気チャネルと称することになる空間からのみ構成されている。
燃料組立て体は冷却材、すなわち水および蒸気が蒸気チャネルの周りで回転するようにされ上方に延びる渦流を形成する。渦流は急速に回転するため蒸気は遠心力により水から分離される。蒸気よりも重い水は外方へ投げ飛ばされて蒸気チャネルから離れ、一方より軽い蒸気は渦流の中心に対して、従って蒸気チャネルに対して押圧される。このため、蒸気に対して自然の蒸気よりも著しく速い速度を与え、そのため蒸気が高速で蒸気チャネルを介して燃料組立て体を出て行くことが出来るようにする。このように、燃料組立て体における蒸気の体積パーセントが低下する。
蒸気を渦流の中心まで運ぶと、慣性モーメントが減少するので回転を強化する。蒸気は水よりも高速で燃料組立て体から消えていくので、冷却材での蒸気の体積パーセントは減少し、そのため燃料の冷却を向上させる。また、水と蒸気との部分的な分離は貴重なものである。実際に、蒸気の体積の減少の最初の数パーセントが最大の効果をもたらす。
本発明は複数の利点を提供する。それらの殆どは蒸気の体積パーセントの減少からもたらされる。冷却が向上し、従ってドライアウトに対する限界が増大する。より少量の蒸気であっても反応性を向上させるので燃料を濃縮する必要性が減少する。蒸気における反応性がより少ないので、停止マージンが改善される。蒸気の体積の軸線方向の変動が少なくなり、束における上方への燃料棒の数が減少するので、燃料組立て体の全長に亘る水／ウラニウムの基本的な最適な比を達成することを可能とし、これが反応性を更に増大させる。より開放した格子と蒸気のより小さい体積パーセントとは圧力低下をより小さくする。蒸気におけるより少ない反応性はより小さい負の反応係数をもたらす。炉心の安定性と数個の異なる過度現象が改善される。
更に別の利点は停止マージンが改善されることであって、これは燃料棒がない場合の少なくとも１個の干渉性領域を燃料の上部分が包含する結果である。停止の間、これらは水で充填され、反応性を著しく低下させ、従って停止マージンを改善することに貢献する。
【図面の簡単な説明】
図１は蒸気の体積パーセントαと蒸気の重量パーセントｘとの間の比を示す図、
図２は本発明による燃料組立て体の実施例の断面を概略図に示す図、
図３ａから図３ｆまでは図１に示す燃料組立て体の多数の水平方向断面図を示す図、
図４は側方から見た、燃料組立て体の上部分における燃料装置を示す図、
図５は燃料装置の底部タイプレートの一部を示す図である。
好適実施例の説明
水と蒸気とが効率的に分離されるような燃料組立て体を構成可能とするには、燃料組立て体は簡単に軸線方向で種々の形状としうるように柔軟性にすることが望ましい。そのような燃料組立て体が国際特許出願PCT/SE95/01478（公告番号ＷＯ96/20483号）に示されている。この燃料組立て体は相互に対して上下に積み重ねられた複数の燃料ユニットであって、各ユニットが頂部タイプレートと底部タイプレートとの間で延びている複数の燃料棒からなる燃料ユニットから構成されている。燃料ユニットは、断面が概ね長方形の共通の燃料チャネルによって囲まれている。この型式の燃料組立て体は簡単に軸線方向に種々の形状としうる。
図２と図３ａから図３ｆまでは本発明による燃料組立て体を示す。作動中、燃料組立て体は炉心の中で垂直に配置されている。図２は燃料組立て体のＦ−Ｆ垂直断面図である。図３ａから図３ｆまではＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ１−Ｄ１，Ｄ２−Ｄ２，Ｄ３−Ｄ３に沿って見た燃料組立て体の多数の水平断面図を示す。燃料組立て体は上側ハンドル１、下側端部分２、および相互に対して上下に積み重ねられた複数の燃料ユニット３ａ，３ｂ，３ｃおよび３ｄを含む。各燃料ユニットは頂部タイプレート５と底部タイプレート６との間に配置された複数の燃料棒４からなる。燃料ユニットは燃料組立て体の長手方向に相互に上下に積み重ねられ、１個の燃料ユニットにおける頂部タイプレート５が積重ね体における次の燃料ユニットの底部タイプレート６と面するように積み重ねられている。燃料棒４はクラッドチューブ７に配置されたウラニウムペレット８のカラムの形態の燃料からなる。燃料組立て体は概ね長方形の断面の燃料チャネル９に密閉されている。この実施例において、燃料組立て体はそれぞれ高さが約０．５メートルである８個の燃料ユニットを包含している。
燃料ユニットは直交した１０Ｘ１０の格子状の１００個の燃料棒位置を有する。燃料棒位置は格子内の位置であり、このような位置において燃料組立て体を配置することが可能であるが、前記格子内の全ての位置を燃料棒で占有する必要はない。燃料ユニットは直交した５Ｘ５の格子内の２５個の燃料棒位置からなる４個の小燃料束に分割されている。１個の小燃料束における格子は小燃料束の中心における燃料棒位置に含み、この周りに８個の燃料棒位置から構成される内側の長方形のリングが配置されている。前記の内側リングの外側には１６個の燃料棒位置から構成される外側の長方形のリングが配置されている。
燃料ユニットにおける燃料棒は上端が頂部タイプレートに配置され、下端が底部タイプレートに配置されている。内側あるいは外側リングに属する燃料棒は下端が第１の燃料棒位置に配置され、その上端が第２の燃料棒位置に配置されている。このように、燃料棒の上端および下端は個々の燃料棒位置に配置されている。第１と第２の燃料棒位置は並置され、更に同じリングに属している。これらの条件の双方を満足する２個の位置が格子にある。このように、燃料棒は頂部タイプレートと底部タイプレートとの間で傾斜しており、燃料棒は同じリング内で異なる２方向に傾斜しうる。小燃料束においては、２個のリングの燃料棒全ては、小燃料束中心の周りで、同じ方向、すなわち時計方向あるいは反時計方向に傾斜している。
小燃料束の中心の周りで燃料棒を傾斜させる目的は水と蒸気とを回転させて燃料組立て体を通して上方に流れ続けるようにして小燃料束の中心において渦流を発生させるためである。渦流は２個のリング内の燃料棒が傾斜する方向に応じて、時計方向、あるいは反時計方向に導くことができる。燃料組立て体の長手方向軸線と傾斜した燃料棒の長手方向軸線との間の角度は底部タイプレートと頂部タイプレートとの間の距離、および格子内で相互に近接した２個の燃料棒位置の間の距離によって決まる。
燃料組立て体は４個の異なる型式の燃料ユニット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄからなる。最下方の２個の燃料ユニット３ａは同一のものであって、これらの水平方向のＡ−Ａ断面が図３ａに示されている。燃料ユニット３ａは１０Ｘ１０の格子状に配置された１００個の燃料棒を有し、各小燃料束２５個の燃料棒を有する４個の小燃料束１５ａ，１５ｂ，１５ｃ、１５ｄに分割される。前記格子における全ての燃料棒位置は燃料棒で占有されている。各小燃料束の中心における燃料棒位置において、真っ直ぐな中央燃料棒４ａが配置されている。前記中央燃料棒は燃料組立て体の長手方向軸線に対して平行であり、上端および下端の双方において、同じ燃料棒位置を有する。図面は、矢印によって、内側リング２０ａおよび外側リング２０ｂの燃料棒が傾斜する方向を示している。２個の小燃料束１５ａ，１５ｃにおいて、リング内の燃料棒は中央の燃料棒の周りで時計方向に傾斜しており、他の２個の小燃料束１５、１５ｄにおいて、前記リング内の燃料棒は中央の燃料棒の周りで反時計方向に傾斜している。
図４は燃料組立て体の側方から見たＥ−Ｅ断面図で燃料ユニット３ａを示す。図４は小燃料束１５ａにおける燃料棒が右方へ傾斜し、小燃料束１５ｂにおける燃料棒が左方へ傾斜していることを示す。異なる小燃料束における燃料棒を異なる方向に傾斜させることにより、原子炉の作動中燃料組立て体において４個の渦流が発生し、２個の渦流は時計方向に、２個の渦流は反時計方向に向けられる。同じ直交方向に配置された小燃料束の燃料棒は同じ方向に傾斜している。渦流のあるものが反時計方向に、あるものが時計方向に向けられている場合、その場合に発生する回転作用は機械的に、かつ熱流体力学的に相互に均衡しうるので有利である。
燃料積重ね体の後続の２個の燃料ユニット３ｂは同じ型式のものであって、これらの水平断面図Ｂ−Ｂが図３ｂに示されている。燃料棒３ｂは４個の小燃料束に分割された９６個の燃料棒を有する。各小燃料束は内側リング２０ａと外側リング２０ｂとに配置された２４個の燃料棒を含む。小燃料束の中心の燃料棒位置は空である。このように、小燃料束の中央には空間が形成されている。あるいは、燃料ユニット３ｂは燃料ユニット３ａと同じように配置される。前記空間は燃料組立て体における６個の最上方燃料ユニットを通して延びる垂直の蒸気チャネルの下部分を構成している。２個の最下方の燃料ユニット３ａにおいては、底には蒸気が無いため蒸気チャネルは必要でないが、一方、この初期段階において渦流を形成し始めておくことが有利である。
各小燃料束に１個ずつ４個の蒸気チャネル１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが燃料組立て体に設けられている。小燃料束における傾斜した燃料棒は蒸気チャネルの周りで水と蒸気との渦流を発生させる。蒸気チャネル内の渦流の方向を矢印で示している。この渦流において、水を外方へ投げ出して、従って蒸気チャネルから離すことにより、一方蒸気が渦流の中心に対して押圧されることにより水と蒸気とは相互に分離される。蒸気の密度が低く、蒸気チャネルにおける流れ抵抗が低いため、蒸気は速い速度で蒸気チャネルを通って上方へ流れ、燃料組立て体の頂部を通って消える。このように、冷却材における蒸気の体積パーセントが低下する。
燃料積重ね体における燃料ユニット３ｂの頂部に、２個の燃料ユニット３ｃが積み重ねられている。これらの燃料ユニットの水平断面Ｃ−Ｃが図３ｃに示されている。燃料ユニット３ｃは８８個の燃料棒を有し、各小燃料束は２２個の燃料棒を含む。１個の小燃料束において、中央の燃料棒位置は占有されておらず、更に内側リングにおける２個の位置は占有されていない。あるいは、燃料ユニット３ｃは燃料ユニット３ａと同じ様に配置される。非占有の燃料棒の位置の数を増やすことにより、蒸気チャネル１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは燃料組立て体における更に下方の燃料ユニット３ｂと比較して、これらの燃料ユニットにおける断面積はより大きくなる。このように、蒸気チャネルは燃料組立て体の頂部に向かって断面積が増大し、従って体積が増大するが、これは、運び出すべき蒸気のパーセントが燃料組立て体の頂部に向かって増えるため必要なことである。
燃料組立て体の頂部において、２個の燃料ユニット３ｄが相互に対して上下に積み重ねられている。底部タイプレートの直ぐ上方の燃料ユニット３ｄの水平断面Ｄ１−Ｄ１が図３ｄに示されている。燃料ユニット３ｄは８０個の燃料棒を有し、各小燃料束は２０個の燃料棒を含む。１個の小燃料束において、中央の燃料棒位置と、内側リングの４個の位置とは占有されていない。非占有の燃料棒位置は燃料ユニットの中心に最も近い燃料棒位置である。あるいは、燃料ユニット３ｄは燃料ユニット３ａと同じように配置される。蒸気チャネル１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは２個の最上方の燃料ユニットにおいて断面積が最大である。蒸気チャネルは燃料積重ね体の最上方の燃料ユニットの頂部タイプレートの孔を通る出口２１を有する。
燃料棒の格子状位置が頂部タイプレートと底部タイプレートとの間でずれている態様を示すために、図３ｅは燃料ユニット３ｄの高さの半分のところの水平断面Ｄ２−Ｄ２を示している。図３ｆにおいて、頂部タイプレートの直ぐ下方の燃料ユニットの水平断面Ｄ３−Ｄ３が示されている。燃料棒は、それが関連しているリング内で時計方向あるいは反時計方向に一段格子状位置をずらせている。内側リング内の燃料棒４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅが内側リングにおいて反時計方向に一段次の格子状位置に対してずれていることが特に示されている。
これまで説明してきた実施例は格子状位置に関して頂部タイプレートと底部タイプレートとが同一である直交格子に基づいている。しかしながら、本発明は、格子が不規則状である場合にも適用可能であり、また格子位置を頂部タイプレートと底部タイプレートとにおいて同一にする必要も無い。また、燃料棒を同じ燃料ユニットにおいて異なる角度に傾斜させてもよい。そのような実施例は、例えば隅部での傾斜方向を変えるように燃料棒の間の距離を増やす場合には好ましいものである。
底部タイプレートと頂部タイプレートは蒸気チャネル内で蒸気が通りうるようにする孔を設けている。蒸気チャネルの周りでの渦流を強化するために、底部チャネルと頂部タイプレートとに、渦流が強化されるようにする方向にされたフィンが前記孔の周りに設けられている。図５は図２の断面Ｇ−Ｇにおける燃料ユニット３ｂのための底部タイプレートの一部を示している。前記孔１６の周りにおいて、フィン１７が渦流の方向において水と蒸気とを調整するために配置されている。これらのフィンと、４個の隣接する燃料棒の間のサブチャネルにおいて冷却材を混合するために、従ってドライアウトの限度を改善するために沸騰水型および加圧水型原子炉の双方においてスペーサによく配置されるフィンとの間の相違点に注目することが重要である。これらの場合において、巨視的渦流を強化するためにフィンは配置すべきである。
例えば、頂部タイレートと底部タイプレートとの結合を水平面に対して４５度の傾斜に回転することにより渦流を上述のように強化する別の可能性もある。頂部タイプレート及び／又は底部タイプレートとには、斜めに位置されたフィンあるいは折り曲げ部を坦持しうるフレームを設けることが可能である。
本発明の別の実施例において、全ての燃料棒を真っ直ぐにしてもよく、渦流を、例えば底部タイプレートと頂部タイプレートとにおけるフィンのようなその他の手段によって発生させることも可能である。燃料棒を密封するために、燃料棒にはその上端において頂部プラグが、下端において底部プラグが設けられる。これらの底部プラグと頂部プラグにも、小燃料束において渦流を発生させるフィンあるいはその他の装置を設けることが可能である。

Claims (6)

1. 沸騰水型原子炉用の燃料組立て体であって、該原子炉の作動の間、水が該燃料組立て体を通って上方に流れ、それにより水の一部が蒸気に変換される燃料組立て体にして、
   該燃料組立て体が、相互に上下に積み重ねられた複数の燃料ユニット（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）を有し、
   各燃料ユニットが頂部タイプレート（５）と、底部タイプレート（６）と、前記頂部タイプレートと底部タイプレートとの間を延びている複数の燃料棒（４）とを有し、
   前記複数の燃料ユニット（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）のうちの少なくともあるもの（３ｂ，３ｃ，３ｄ）が、前記底部タイプレートと頂部タイプレートとの間を延び、蒸気チャネル（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）の一部を構成している空間と、燃料組立て体の長手方向に対して傾斜して配置されている大部分の燃料棒（４）とを有し、それによって燃料の束内の水と蒸気とが蒸気チャネルの周りで回転し、水が投げ飛ばされて蒸気チャネルから離れ、一方水から分離された蒸気が蒸気チャネルを通して上方に流れることを特徴とする燃料組立て体。
2. 前記蒸気チャネル（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）がその出口（２１）に向かって断面積が増すことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の燃料組立て体。
3. 複数の平行の蒸気チャネル（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）を含むことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の燃料組立て体。
4. 冷却水が第１の蒸気チャネル（１６ａ，１６ｃ）の周りで時計方向に、第２の蒸気チャネル（１６ｂ，１６ｄ）の周りで反時計方向に回転するように燃料組立て体が構成されていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の燃料組立て体。
5. 前記燃料ユニットの少なくともあるものにおいて、底部タイプレート及び／又は頂部タイプレートには水と蒸気とを蒸気チャネルの周りで回転するように案内する手段（１７）が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の燃料組立て体。
6. 前記燃料棒の少なくともあるものに蒸気チャネルの周りでの水の回転を強化する手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載の燃料組立て体。

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