JP4282652B2

JP4282652B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JP4282652B2
Application number: JP2005305041A
Authority: JP
Inventors: 大輔後藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP2006053162A

Description

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。

一般に、沸騰水型原子炉用の燃料集合体１は、図５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。

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。

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６，図７に示す。

図６（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。

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。

また、スペーサ８ｂは、図７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６に示されたスペーサ８ａとほぼ同様の構成である。
特開平０５−２５６９７０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

上記課題を解決するために、請求項１に係わる発明は、長さの異なる複数種類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、矩形状に形成されるバンドを有し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、最も長い燃料棒である長尺燃料棒とそれ以外の燃料棒である短尺燃料棒が前記チャンネルボックスに隣接して配置され、かつ前記スペーサの一部または全部について、前記バンドの前記短尺燃料棒に面する位置の外側に外向きの突起を、このバンドとチャンネルボックスの間隙を流れる冷却材をこの突起に最近接する短尺燃料棒から遠ざかる方向に偏向させるように設けてなることを特徴とする。

請求項２に係わる発明は、長さの異なる複数種類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、矩形状に形成されるバンドを有し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、最も長い燃料棒である長尺燃料棒とそれ以外の燃料棒である短尺燃料棒が前記チャンネルボックスに隣接して配置され、かつ前記スペーサの少なくとも一部のバンドに外向きの突起を、このバンドと前記チャンネルボックスの間隙を流れる冷却材を前記軸方向に対して斜め方向にかつ前記チャンネルボックスに隣接する短尺燃料棒のうちこの突起に最近接するものから遠ざかる方向に偏向させるように設けてなることを特徴とする。

これらの構成により、燃料チャンネルに隣接して短尺燃料棒を配置しても、その下流側に冷却材が過度に集中することがないので、燃料集合体の熱的余裕を損なうことなく原子炉停止余裕を効率よく改善することができる。

請求項３に係わる発明は、前記突起の直上流側に開口部を有することを特徴とする。

この構成により、燃料チャンネル表面を流れる液膜を周辺燃料棒に供給することができ
るので、熱的余裕を向上することができる。

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。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に適用するスペーサを示したものである。燃料集合体全体の構成は図５に示す従来の技術と同様である。なお、従来のスペーサを示す図６，７と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。

図１において、短尺燃料棒３は図１（Ａ）のスペーサ平面図の破線で示した位置、すな
わち燃料集合体外周部に４本とその内側に４本の計８本が配置されている。この外周部短
尺燃料棒位置に対応してバンド外側に突起１６が形成されいる。

短尺燃料棒３の一部が外周部に位置している場合、短尺燃料棒上端部より上方（下流側
）では、これらの短尺燃料棒３に近いチャンネルボックス表面に冷却材の液相が特に集ま
りやすくなる。逆にこのことは、そこから遠い部分、例えば本実施の形態の燃料集合体で
はコーナ近傍への冷却材液相供給が減少することを意味し、コーナ付近の燃料棒の熱的余
裕が減少することになる。

そこで、本実施の形態の構成のように外周部短尺燃料棒位置に対応してバンド外側に突
起１６を形成することにより、これがチャンネルボックス７内面における流動抵抗となる
ため、この部分に過度に液相が集中することがなく、燃料集合体の熱的余裕の低下を抑止
することができる。

なおここでは、短尺燃料棒を支持するスペーサセルが無いことでわかるように、短尺燃
料棒上端より上方（下流側）に位置するスペーサの例を示したが、短尺燃料棒上端より下
方（上流側）のスペーサに適用することもできる。この場合、短尺燃料棒上端より上流側
であらかじめ短尺燃料棒付近の液相流を排除することになるので同様の効果が得られる。

（第２，第３の実施の形態）
図２に第２の実施の形態を示す。これは図１に示した第１の実施の形態と同様の燃料集合体に装着するスペーサを示したものである。本実施形態ではスペーサのバンド１５外側に、短尺燃料棒位置（バンドの辺の中央付近）から遠ざかる方向に冷却材を偏向させるよう、斜めあるいは逆Ｌ字型等の突起１６が形成されている。

これによりチャンネルボックス７内面付近を流れる冷却材は集合体コーナ方向へと誘導
されこの部分の熱的余裕を改善することができる。

図３に第３の実施の形態を示す。第２の実施形態では短尺燃料棒３が燃料集合体最外周
のうち辺の中央部にある場合を示したが、本実施形態は短尺燃料棒３がコーナ部に配置さ
れている燃料集合体に対応するものである。この場合はチャンネルボックス７内面付近の
冷却材をなるべくコーナから遠ざけるようバンド外側の突起１６が形成されている。

（第４の実施の形態）
図４は第４の実施の形態のスペーサであり、第２の実施形態にさらに改良を加えたものである。第２の実施形態ではチャンネル７内面付近を流れるほとんどの冷却材は短尺燃料棒３から遠ざかる方向に偏向されるが、バンド１５外側の突起部１６下端に正対した冷却材流については左右に分流するので、半分は短尺燃料棒３に近づく方向に偏向される。本実施の形態では突起部１６下端に開口部２０を設けてあるため、ここに正対した冷却材流はバンド１５内側に導かれ、その付近の燃料棒の冷却に寄与することができる。

（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第２の実施の形態における上部スペーサの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図。本発明に係わる燃料集合体の第３の実施の形態におけるスペーサの側面図。（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第４の実施の形態における上部スペーサの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図。本発明に係わる燃料集合体の第５の実施の形態におけるスペーサの側面図。（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。（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。（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、１
３…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、
１８…フロータブ、２０…ローブ下端の開口部

Claims

長さの異なる複数種類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、矩形状に形成されるバンドを有し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、最も長い燃料棒である長尺燃料棒とそれ以外の燃料棒である短尺燃料棒が前記チャンネルボックスに隣接して配置され、かつ前記スペーサの一部または全部について、前記バンドの前記短尺燃料棒に面する位置の外側に外向きの突起を、このバンドとチャンネルボックスの間隙を流れる冷却材をこの突起に最近接する短尺燃料棒から遠ざかる方向に偏向させるように設けてなることを特徴とする燃料集合体。
長さの異なる複数種類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、矩形状に形成されるバンドを有し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、最も長い燃料棒である長尺燃料棒とそれ以外の燃料棒である短尺燃料棒が前記チャンネルボックスに隣接して配置され、かつ前記スペーサの少なくとも一部のバンドに外向きの突起を、このバンドと前記チャンネルボックスの間隙を流れる冷却材を前記軸方向に対して斜め方向にかつ前記チャンネルボックスに隣接する短尺燃料棒のうちこの突起に最近接するものから遠ざかる方向に偏向させるように設けてなることを特徴とする燃料集合体。
前記突起の直上流側に開口部を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料集合体。