JP3900438B2 - 沸騰水型原子炉用の燃料集合体 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は沸騰水型原子炉用の燃料集合体に関するものであり、これは該燃料集合体の全長に亘って延在した第１の長さを有した複数個の第１燃料棒と、該燃料集合体の下部のみにおいて延在する第２の長さを有した複数個の第２燃料棒とからからなっている。
背景技術
沸騰水型原子炉の炉心は複数個の垂直に配置された燃料集合体からなっている。該燃料集合体は、底部タイプレートと頂部タイプレートとの間で、通常は規則的な燃料棒の格子状に配置された複数個の垂直な燃料棒からなっている。燃料棒は、該燃料集合体に沿って互いに離隔関係になって配置された多数のスペーサになって保持、固定されている。前記燃料棒は被覆管の中に配置された燃料レペットの柱を含んでいる。該燃料棒は通常は正方形断面に設計された燃料チャンネルによって取り囲まれている。
前記炉心は冷却材および中性子減速材の両方として作用する水の中に浸かっている。運転中はこの水は燃料集合体の中を上方へ流れ、一部の水が蒸気に変化する。以後は、冷却材という言葉は燃料集合体の中を流れる水と蒸気のことを意味する。燃料棒の間において冷却材の流れるチャンネル、いわゆる冷却材チャンネルが形成される。燃料集合体の規則的な燃料棒格子の断面において、冷却材チャンネルもほぼ同様に大きな領域を有しており、これが燃料集合体の中の冷却材の流れやエンタルピーの均等な分布を与えるという利点になっている。
ＢＷＲ（沸騰水型原子炉）内の水は沸騰するので、形成される水対蒸気の比率は炉心の軸線方向において変化する。炉心の底部においては、冷却材の温度は沸点より低く、従って単相、即ち水だけの状態になっている。炉心の頂部おいては、冷却材は沸点に到達しているので、一部の水は水蒸気に変わっており、従って冷却材は２相状態になっている。炉心内を上方にければいく程、蒸気の比率は水の比率に比べて多くなる。炉心の最上部においては、燃料棒は単に薄い水の膜で覆われているのみで、その外側には水滴と混合され蒸気、いわゆる環状流が流れる状態になっている。
もし燃料棒からの熱の流れが冷却材の流れに比べて非常に大きいと、ドライアウトの危険が生じる。ドライアウトというのは、液体の膜が極めて薄くなり、燃料の周りを保持できなくなり、膜がなくなってしまい、その結果乾燥した壁部を形成してしまうことを意味しており、このことは燃料棒と冷却材との間の熱伝達を局部的にかなり低下させることになり、燃料棒の壁部の温度が大きく上昇することになる。壁部の温度が上昇すると、燃料棒に厳しい結果をもたらす損傷にまで到ることがある。従って、燃料集合体における各々の燃料棒が全ての燃料棒の周囲において均等でかつ厚い水の膜を有していることが望まれる。もし燃料棒のどこかの部分で水の膜が薄くなり過ぎると、ドライアウトの危険性はかなり増大する。そのような局部的なドライアウトの危険性が、全ての燃料集合体から得ることのできる出力を規定することになる。
蒸気の比率が大きいので、燃料集合体の上部における方が燃料集合体の下部におけるよりも圧力降下が大きい。燃料集合体の上部と下部との間の圧力降下の差が大きければ大きい程、炉心が不安定になる危険性も大きくなる。燃料集合体に対して良好な安定特性を与えるために、燃料集合体の上部における圧力降下を小さくすることが目標となる。
蒸気の比率が増加すると、蒸気の方が減速材として水より劣るので、冷却効果に加えて中性子減速効果も悪くなる。原子炉の反応度は燃料と減速材との比率に依存している。反応度を改善するためには、燃料集合体の上部における水対蒸気の比率を増加させなければならない。この問題に対する１つの既知の解決策は、何本かの燃料棒を部分長燃料棒に置き換えることである。前記部分長燃料棒は従来の全長燃料棒より軸線方向の長さが短く、燃料集合体の下部に配置されている。米国特許第５，２２９，０６８は、大部分の燃料棒が全長燃料棒、即ち、底部タイプレートから頂部タイプレートまで延在する燃料棒であり、少数の燃料棒が部分長燃料棒であって、底部タイプレートから延在しているが、頂部タイプレートより幾らか下方のところで終わっている燃料棒になった燃料集合体を開示している。
部分長燃料棒を導入する時に生じる１つの問題は、燃料集合体の上部で部分長燃料棒の上方における部分において、圧力降下の小さい大きなオープン領域が形成されるという点にあり、このことは、圧力降下の大きな隣接した冷却材チャンネルにおける冷却材がなくなって、代わりにこの大きなオープン領域の中へ流入することを意味している。この結果として、部分長燃料棒に隣接し格子配置に配置されている燃料棒に関して、後側、即ち、部分長燃料棒とは反対側に面した側において水の膜が薄くなってしまう。その結果、ドライアウトの危険性は部分長燃料棒に最も近く配置されたこれらの燃料棒の上部の後側において最大となる。
例えば上述した米国特許明細書から、冷却材チャンネルの大きなオープン領域における圧力降下を各種の装置によって増加させ、冷却材の流れに影響を与え、従って燃料バンドルを取り囲んでいる部分におけるドライアウトの危険性を減少させることが知られている。この改善策は燃料集合体の上部における圧力降下を増加させることによって行われるが、これは一方で燃料集合体の安定特性の低下を招いている。
発明の要約
本発明の目的は沸騰水型原子炉用の燃料集合体におけるドライアウトの危険性を減少させることにあり、全長燃料棒と部分長燃料棒とを有し、他方燃料集合体の安定特性をも維持している。
本発明による燃料集合体の特性は添付の請求の範囲から明らかになるであろう。
本発明によると、部分長燃料棒の上方において形成された大きなオープン領域に隣接した燃料棒、即ち、ドライアウトの危険性が最大になっている燃料棒は、その上部において、大きなオープン領域の中央へ向かう方向に曲げられ、従って、該大きなオープン領域は面積が減少し、同時に隣接の冷却材チャンネルの面積が増加することになる。このようにすると、隣接の冷却材チャンネルから大きなオープン領域への冷却材の移動が減少し、それによって曲状燃料棒の後側への冷却材の供給が増加され、該燃料棒の後側における水の膜の厚さが増加する。このようにして燃料集合体におけるドライアウトの危険性が減少する。
本発明の１つの利点は、燃料集合体の上部における圧力降下を増大させるのに寄与するような別の装置を燃料集合体に提供することなしに、ドライアウトの危険性を減少させることにある。このようにすると、燃料集合体の安定特性が維持される。
仏国特許明細書第２ ６０３ ４１６においては、燃料集合体の全長に亘って延在する第１の長さを有した複数個の第１燃料棒と、燃料集合体の下部のみにおいて延在する第２の長さを有する複数個の第２燃料棒とからなっていて、該燃料棒が、該燃料棒の間において冷却材の移動が可能になるように、多くの冷却材チャンネルが形成されるように配置されている、そのような加圧水型原子炉用の燃料集合体が開示されている。この燃料集合体においては、燃料棒は燃料集合体の上部においても、また燃料集合体の下部においても、規則的な格子が得られるように曲げられている。燃料集合体の上部における規則的な格子は、燃料集合体の下部にける格子よりも位置が少ない。このように異なった規則的な格子への移行を達成するためには、大部分の燃料棒を曲げる必要がある。
本発明による燃料集合体においては、燃料集合体の上部において規則的な格子を得ようとするものではなく、ある種の特に危険にさらされる燃料棒におけるドライアウトの危険性を減少させるようにしている。このことを達成するために、これらの特別に危険にさらされる燃料棒のみが曲げられる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による第１の燃料集合体を示している。
図２ａは図１における燃料集合体の下部にＡ−Ａ断面図である。
図２ｂは図１における燃料集合体の上部にＢ−Ｂ断面図である。
図３ａは本発明による第２の燃料集合体の下部の断面図である。
図３ｂは本発明による第２の燃料集合体の上部の断面図である。
図４ａおよび図４ｂは本発明の他の実施例を示す図である。
図５は曲状燃料棒と該曲状燃料棒を取り囲んだスペーサの設計をより詳細に示している。
好的実施例の説明
図１、図２ａ、図２ｂは本発明の第１の実施例による燃料集合体１を示す。図２ａは図１の燃料集合体の下部のＡ−Ａ断面図である。図２ｂは図１の燃料集合体の上部のＢ−Ｂ断面図である。該燃料集合体は沸騰水型原子炉用のものであり、燃料チャンネル２と呼ばれる長方形断面の長尺の管状容器を有している。該燃料チャンネル２は両端が開放されており、従って冷却材の流れる貫通流路を形成している。該燃料チャンネル２には十字形断面の中空サポート装置１１が設けられており、該装置は燃料チャンネルの４つの壁部に固定されている。該サポート装置は４つの中空の翼部と、中空の拡大された十字形中央部とからなっている。該サポート装置１１は垂直な十字形チャンネル８を形成し、その中を非沸騰水が燃料集合体内を上方へ流れる。前記燃料チャンネル２はサポート装置１１と一緒になって４つの垂直なほぼ正方形断面のチャンネル形成部分１２ａ〜１２ｄ、いわゆるサブチャンネルを取り囲んでいる。各々の前記サブチャンネルは、複数個の平行で離隔された燃料棒３ａ，３ｂ，３ｃからなる燃料バンドルからなっている。１本の燃料棒は二酸化ウランでできた多数の円筒状のペレット４からなり、これらは上下に積まれ、被覆管の中に収納されている。
図２ａにおけるように、燃料集合体の下部における燃料棒は対称的な５ｘ５格子状に配置され、ただ１つの例外を除き全ての燃料棒位置は燃料棒によって占められている。前記例外の燃料棒位置はサポート装置の十字形中央の内側に位置している。互いに隣接した所定位置における燃料棒に間の空間には冷却材が流れ、その空間のことを以後冷却材チャンネル１４と呼ぶことにする。互いに隣接した所定位置における４本の燃料棒の間に形成された冷却材チャンネルは断面積（Ａ１）を有している。
前記燃料棒は３つの異なった種類、即ち、全長直状燃料棒３ａと、部分長燃料棒３ｂと、全長曲状燃料棒３ｃとからなっている。該部分長燃料棒３ｂは少なくとも燃料集合体の高さの１／２に相当する高さを有しているが、燃料集合体の高さの８０％になっていてもよい。該部分長燃料棒が配置されている燃料集合体部分のことを、本発明の明細書においては、燃料集合体の下部１０と呼ぶことにする。各々のサブバンドルは２本の部分長燃料棒３ｂと、３本の曲状燃料棒３ｃとを有している。この図および以降の図においては、部分長燃料棒を（Ｐ）で示す。またこの図および以降の図においては、曲状燃料棒を（Ｂ）で示す。
燃料バンドルにおける全ての燃料棒３ａ，３ｂ，３ｃは、底部において底部タイプレート６によって保持されている。燃料バンドルにおける前記部分長燃料棒３ａ，３ｃは、頂部において頂部タイプレート５によって保持されている。該燃料棒はスペーサ７ａ，７ｂによって互いに他と離隔保持されている。燃料集合体の下部１０においては、燃料棒３ａ，３ｂ，３ｃはスペーサ７ａによって所定位置に保持され、燃料集合体の上部においては、燃料棒３ａ，３ｃはスペーサ７ｂによって所定位置に保持されている。前記部分長燃料棒３ｂの末端は頂部タイプレート５より下、普通はスペーサの中、あるいはスペーサの近傍に位置している。
本発明によると、曲状燃料棒３ｃは部分長燃料棒３ｂに隣接した所定位置に位置しており、これらの燃料棒に向かって曲がっている。その曲がり部分は燃料集合体の下部におけるスペーサ７ａの最上部分において開始され、燃料集合体の上部におけるスペーサ７ｂの最下部において終了している。前記曲がり部分の前後は直状になっている。この実施例においては、曲がり部分は２つの連続したスペーサの中間において得られ、従って２つの異なったタイプのスペーサだけで十分であるというのが利点である。しかしながら、もしこの曲がり部分が大きいものである場合には、前記曲がり部分を幾つかのスペーサの間に配置することが必要となる。
図２ｂからは、燃料集合体の上部における格子が通常のものではないことが明らかである。部分長燃料棒の上部にはオープン領域１５が形成される。曲状燃料棒３ｃは該オープン領域へ向かって内側へ曲がっている。従って、該オープン領域と継がる冷却材チャンネルは、燃料集合体の上部において断面積（Ａ２）を有することになり、これは燃料集合体の下部におけるその断面積（Ａ１）より大きい。その他の冷却材チャンネルは断面積が（Ａ１）になっており、これはその長手方向においてほぼ一定になっている。
図３ａ、図３ｂは本発明を別のタイプの燃料集合体に適用した例を示している。この燃料集合体はほぼ円形断面を有した２つの垂直な水チャンネル１６ａ，１６ｂを有している。図３ａは該燃料集合体の下部の断面図である。燃料棒は対称的な９ｘ９格子状に配置されている。該燃料集合体は８本の部分長燃料棒３ｂを有し、その他の燃料棒３ａ，３ｃは全長燃料棒である。図３ｂは該燃料集合体の上部の断面図である。部分長燃料棒に直接隣接して配置された４本の燃料棒は、該部分長燃料棒の上部に形成されたオープン領域へ向かって内側へ曲がっている。該部分長燃料棒の上部におけるオープン領域と継がる冷却材チャンネルは、燃料集合体の上部においては断面積（Ａ４），（Ａ６）を有し、これらは燃料集合体の下部における断面積（Ａ３），（Ａ５）より大きい。
図４ａ、図４ｂは本発明の他の実施例を示している。この実施例は今までの実施例と異なって、曲状燃料棒３ｃが全長直状燃料棒３ａの直径（ｄ２）より大きな直径（ｄ１）を有している。大直径を有した曲状を配置することの利点は、燃料棒間の距離が減少し、その結果、部分長燃料棒の上部におけるオープン領域と継がる冷却材チャンネルからの冷却材流量が減少するという点にある。この実施例においては、部分長燃料棒３ｂは全長直状燃料棒３ａと同じ直径（ｄ２）を有している。他の実施例においては、部分長燃料棒３ｂは、曲状燃料棒３ｂと同じ直径（ｄ１）を有していてもよい。部分長燃料棒も大きな直径を有していることの欠点は、減速効果が良好な燃料集合体の下部において、ウランの量より多くなるという点にある。
図５は、曲状燃料棒３ｃと、該曲状燃料棒を取り囲むスペーサの設計とをより詳細に示している。該曲状燃料棒は底部タイプレートと頂部タイプレートに固定され、該燃料棒はスペーサ７ａと７ｂとの間で曲げられる。曲状燃料棒からの曲げ力はスペーサ、特に主として燃料棒の曲がり部分２０に最も近く位置している２つのスペーサ７ａ、スペーサ７ｂによって受け留めなければならない。大部分のタイプのスペーサは燃料棒を１あるいはそれ以上の固定式サポートと、１あるいはそれ以上の弾性式サポートとによって、所定位置に保持している。本発明によると、固定式サポートが最大の曲げ力、即ち、燃料棒のくぼみ側における力を吸収するようにして配置されている。固定式サポート２１ａ，２１ｂは各曲状燃料棒の一方の側に取りつけられ、１つのサポート２１ａは曲がり部分２０より上のスペーサ７ｂにおいて、また他のサポート２１ｂは曲がり部分２０より下のスペーサ７ｂにおいて配置されている。該固定式サポートの反対側においては、弾性式サポート２２ａ，２２ｂが配置されている。

Claims (6)

1. 運転中の燃料集合体の間を冷却材が流れる沸騰水型原子炉のための燃料集合体において、
   上部と、
   下部（１０）と、
   燃料集合体の該上部と下部の両方を貫通、延在する複数個の全長燃料棒３ａ，３ｃと、
   燃料集合体の該下部のみにおいて延在する少なくとも１本の部分長燃料棒と、
   該部分長燃料棒あるいは各々の部分長燃料棒の上方において形成されたオープン領域（１５）と、
   を具備し、
   前記部分長燃料棒あるいは各々の部分長燃料棒に直接隣接した位置を有している全長燃料棒の少なくとも半分が、それらが該部分長燃料棒あるいは各々の部分長燃料棒の上方における前記オープン領域（１５）の中央へ向かう方向に内側へ曲がるように配置され、また該部分長燃料棒の上方における該オープン領域と継がる冷却材チャンネルの少なくとも大部分が、燃料集合体の下部（１０）において第１の断面積（Ａ１）を有し、燃料集合体の上部において第２の断面積（Ａ２）を有し、該第２断面積が該第１断面積よりも大きく、また
   燃料集合体における燃料棒の少なくとも半分が直線状になっていることを特徴とする沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
2. 請求の範囲第１項に記載された燃料集合体において、前記第２断面積が第１断面積より１０％大きい沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
3. 請求の範囲第１項に記載された燃料集合体において、前記第２断面積が第１断面積より１０％ないし４０％大きい沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
4. 請求の範囲第１項から第３項に記載された燃料集合体において、前記燃料棒の曲げは１ないし１０ｍｍの曲げ間隔で、好ましくは２ないし４ｍｍの曲げ間隔である沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
5. 請求の範囲第１項から第４項に記載された燃料集合体において、前記曲状燃料棒が第１直径（ｄ１）を有し、その他の半分以上の燃料棒が第２直径（ｄ２）を有し、該第１直径が第２直径より大きい沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
6. 請求の範囲第１項から第５項に記載された燃料集合体において、多数のスペーサ（７ａ，７ｂ）が燃料棒を互いに他と離隔した関係になって保持し、位置決めしており、燃料棒に沿って軸線方向に離隔して配置され、該スペーサが燃料棒の最大曲げ力を受け留めるように配置された固定サポート（２１ａ，２１ｂ）からなっている沸騰水型原子炉用の燃料集合体。

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