JP4318500B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料の高燃焼度化に対応して部分長燃料棒を導入した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、圧力損失の増大を伴わずに熱的余裕（限界出力特性）の改善を可能にする混合羽根（ミキシングベーン）付きスペーサを具備した燃料集合体に関するものである。

沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと略す）に装荷される燃料集合体は、図８に示すように燃料棒Ａで代表される棒状燃料要素を正方配列し、それらの上下端は端栓を介して上下の支持板（タイプレート）２、３に装着し、中間高さ位置の複数箇所にはスペーサ５を所定間隔に保持したものが一般的である。

このような燃料集合体１は、炉心Ｒにおいては各燃料棒Ａを除熱する冷却水確保のため、ジルカロイ製の角筒状のチャンネルボックス４内に収められて炉心構造部の受座に所要数装荷され、原子炉運転中は受座の入口オリフィスからチャンネルボックス４内及びウォータチャンネルＷ内に冷却水を送り込んで各燃料集合体の燃料棒の間を上向きに流れるようにし、制御棒Ｃで制御すると共に燃料棒の反応熱で冷却水を沸騰させて熱を外部に取り出すと共に燃料集合体の除熱を行うようにしている。

ＢＷＲは炉内で水蒸気を発生させる直接サイクル方式であるため、炉心内で沸騰を許容している。したがって、燃料の冷却は、液相・蒸気（ボイド）の二相流の条件下で行われ、ボイド率の高い燃料集合体上部の冷却水の流動様式は、図９に示すように膜状の液相（液膜）ａ１がチャンネルボックス４の内壁面と燃料棒Ａの外周面でそれぞれ連続した環状流れが、また、チャンネルボックスと燃料棒の間及び燃料棒同士の間には液滴ａ２を伴う蒸気相ｂが流れるいわゆる環状流が形成され、燃料棒の外周面の前記液膜ａ１が燃料棒の冷却に重要な役割を果たす。

しかしながら、例えば過出力状態等の何らかの原因で燃料集合体が熱的に厳しい状態におかれ、いわゆる核沸騰状態から膜沸騰状態への遷移（沸騰遷移）が生じると、図１０に示すように燃料棒Ａの外周面の液膜ａ１が消失して除熱効果が急激に悪化するため、燃料棒Ａの液膜消失領域における温度が急激に上昇し、ついにはその部分でバーンアウトを生ずることとなる。ＢＷＲに特徴的な液膜の消失に伴うバーンアウトを特にドライアウトと呼び、ドライアウトの生ずる燃料集合体全体の熱負荷を限界出力と呼んでいる。

限界出力を向上させる方策として種々のスペーサが提案されており、その代表として混合羽根、即ちミキシングベーン付きスペーサが種々提案されている。（例えば、特許文献１参照）。図１１に従来のミキシングベーン付きスペーサを示す。

図１１に示すミキシングベーン９１は、燃料棒Ａを抑圧、支持するスプリング９２を具備した外側板及び格子板９３と、燃料棒Ａで囲まれたサブチャンネル流路のおよそ中心位置に相当する格子板９３の交点に設けた複数の羽根９４で構成される。ミキシングベーン９１はスペーサ５の上面、すなわち冷却材流れ方向の下流側に取り付けられる。これらのミキシングベーン９１はサブチャンネル内で冷却材に遠心力を付加して旋回流を引き起こし、重量の重い液滴を選択的に燃料棒に付着させ、軽い蒸気はサブチャンネル中央付近に偏流させる効果がある。このことによってスペーサ下流側の燃料棒の液膜が厚くなり、液膜の消失に至るまでの熱負荷が大きくなるため、限界出力は増大する。

なお、本発明で言うミキシングベーンとは図１１のように格子板の交点に設けた複数の羽根のみならず、特許文献２で開示されている図１２に示すような燃料棒挿通路が形成されるよう互いに点溶接された円筒状の丸セルの上端に設けられた突起物、及び特許文献３で開示されている図１３に示すような上記点溶接された複数個の丸セルの間隙部上端に設けられた羽根もしくは突起物を含む。

一方、近年ＢＷＲでは燃料経済性向上と使用済み燃料体数低減を目的として、燃料集合体から取り出すことのできるエネルギを増大する高燃焼度化が進められている。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、燃料集合体の平均濃縮度を高めることにより、中性子のエネルギスペクトルが硬くなり、ボイド率が変化したときの負の反応度変化の割合がより大きくなって、炉心安定性や運転時の異常な過渡変化時の熱的余裕が厳しくなるという問題が生ずる。これらの問題点を解決する方法として特許文献４に記載されているように部分長燃料棒の採用がある。図１４は部分長燃料棒を装荷した燃料集合体の例を示す説明図である。

ところで、ミキシングベーン９１は上向きに流送される冷却材を強制的に偏流させるため、限界出力向上の効果を有する反面、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失の拡大に伴い圧力損失を増大させる性質を持つ。すなわち、一般的にミキシングベーンは、これら冷却材と接触面積が大きいほど、冷却材の偏流効果が大きいため除熱性能が向上し限界出力は向上するが、逆に局所的な圧力損失（スペーサ圧損）は増大する傾向にある。

また、通常の有効長の燃料棒及び前記燃料棒より有効長の短い短尺燃料棒を正方格子に配置した部分長燃料集合体は、水対ウラン比の適正化により炉心安定性や運転時の異常な過渡変化時の熱的余裕の緩和を目的として使用される。しかしながら、部分長燃料集合体では、短尺燃料棒の上端より上（下流）側において流路断面積増大のため短尺燃料棒の上端より下（上流）側に比べ圧力損失が低い反面、冷却材の偏流効果が小さいことにより、限界出力が低くなる傾向がある。

このようにミキシングベーン付きスペーサを具備した部分長燃料集合体は限界出力の向上と圧力損失低減の観点から十分な最適化がなされていないという課題があった。

この課題を解決する手段として、熱的余裕に与える影響の少ない最下位及び最上位のスペーサにミキシングベーンを設けず、圧力損失の低減を図った燃料集合体が提案されている（例えば、特許文献５参照）。

特許公報３２６７９６７ 特許公報３０３８２６６ 特許公報３１９５１０１ 特許公報２６２６８４１ 特開２００１−３１８１８２

しかしながら、本開示例は上記部分長燃料集合体の短尺燃料棒の上端より下流側の熱的余裕の低下、すなわち限界出力に対する改善策にはなっていない。

本発明は、以上の燃料集合体内の冷却材熱流動特性を考察した上で、燃料集合体の軸方向位置によってスペーサのミキシングベーンの大きさを変えることにより、圧力損失の増大を伴わずに熱的余裕（限界出力特性）の改善を可能にする部分長燃料集合体を提供することである。

本発明は、燃料の高燃焼度化に対応して部分長燃料棒を導入した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、圧力損失の増大を伴わずに熱的余裕（限界出力特性）の改善を可能にする混合羽根（ミキシングベーン）付きスペーサを具備した燃料集合体を得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係るBWR様燃料集合体は、上部タイプレートと下部タイプレートとの間に、平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、これら棒状要素を相互に間隔を開けて保持する複数のスペーサによって、バンドル状に装荷した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記燃料棒の一部が該燃料棒に対して短尺化した短尺燃料棒に置換えられ、
前記スペーサとして、ミキシングベーンの冷却材流れを乱す度合いにより種別される３種類のスペーサを備え、
前記３種類のスペーサのうち、冷却材流れを乱す度合いが最も大きいミキシングベーンを具備するスペーサが、前記短尺燃料棒の上端より上流側であって最も下流側と、短尺燃料棒の上端より下流側にあって最上位を除いて装着されたことを特徴とすものである。

請求項２に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１に記載のスペーサとして、
最下位と最上位と又は最下位から１番目と２番目と最上位とに装着された冷却材流れを乱すミキシングベーンを具備しない第１のスペーサと、
前記短尺燃料棒の上端より上流側であって最も下流側と、短尺燃料棒の上端より下流側にあって最上位を除いて装着された冷却材流れを乱す度合いが最も大きいミキシングベーンを具備する第３のスペーサと、
第１のスペーサと第３のスペーサとを除く位置に装着された冷却材流れを乱すミキシングベーンを具備する第２のスペーサと、
を備えたことを特徴とするものである。

本発明は以上説明した通り、圧力損失の増大を伴わずに熱的余裕（限界出力特性）の改善を可能にする混合羽根（ミキシングベーン）付きスペーサを具備した燃料集合体を得ることができるという効果がある。

図１に一般的な部分長燃料集合体の燃料棒表面の液膜厚さの軸方向変化を示す。ボイド率の低い軸方向下部では液膜は厚く、上（下流）側に行くに従ってボイド率が大きくなるため、液膜厚さは小さくなる。スペーサの直上ではミキシングベーンによる冷却材の偏流効果のため液膜厚さが回復するが、短尺燃料棒の上端より上（下流）側では液膜の厚さが減少し、通常最上位もしくはそれより一段下側のスペーサの直下でドライアウトが発生する。最上位のスペーサの上（下流）側は、ボイド率が高いにもかかわらず熱流束が低いため、熱的余裕は大きくなる。

図２に部分長燃料集合体の一般的な圧力損失の軸方向分布を示す。圧力損失はスペーサ圧力損失を含む局所圧力損失、摩擦圧力損失、加速圧力損失、静水頭からなるが、局所圧力損失及び摩擦圧力損失はボイド率が大きくなると二相圧損倍率が急増するため、軸方向の長さに対して下に凸の曲線になる。スペーサ位置ではスペーサの局所圧力損失のため圧力損失が大きくなり、その増分はボイド率が大きくなるが、短尺燃料棒の上端より上（下流）側では流路断面積増のため圧力損失の増加割合は減少する。

図３は本発明のＢＷＲ型燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。本発明ではミキシングベーンの大きさの違いにより種別される３種類のスペーサを具備した部分長燃料集合体であり、熱的余裕の厳しさに応じてミキシングベーンの異なる３種類のスペーサを配置することにより熱的余裕向上と圧力損失低減を両立するものである。

具体的には、(1) ボイド率が低く熱的裕度の大きな区間にある最下位のスペーサ又は最下位及び下端から２番目のスペーサ、並びにボイド率が高いにもかかわらず熱流束が低いため熱定余裕に与える影響の少ない区間にある最上位のスペーサのミキシングベーンの実質全部を削除することによってスペーサ圧損を低減させた第１のスペーサと、低減した圧力損失を補償しかつ短尺燃料棒より上（下流）側の熱的余裕を改善するため、(2) 短尺燃料棒の上端より下（上流）側であって最も上（下流）側にあるスペーサと短尺燃料棒の上端より上（下流）側であって最上位にあるスペーサを除くスペーサとのミキシングベーンの大きさを燃料集合体に装備される全スペーサのミキシングベーンが一律に同じ大きさとした標準ケース（第２のスペーサ）に比べて大きくして冷却材流れを乱す度合いが最も大きいものとした第３のスペーサ、(1) 及び(2) 以外のスペーサを標準タイプの第２のスペーサとの３種類のスペーサとすることによって燃料集合体の圧力損失の増大を伴わずに熱的余裕を向上させることができる。

即ち、図４はミキシングベーンが１種類の従来の燃料集合体の状態を示す説明図であり、ａ図は７個のスペーサを装着した燃料集合体、ｂ図は８個のスペーサを装着した燃料集合体を示す。各図に示す通り、下端からｎ番目のスペーサのミキシングベーンの大きさをＳＭｎと表記する。ａ図に示した７個のスペーサを装着した燃料集合体では、ＳＭ１＝ＳＭ２＝ＳＭ３＝ＳＭ４＝ＳＭ５＝ＳＭ６＝ＳＭ７の式が成り立ち、ｂ図に示した８個のスペーサを装着した燃料集合体では、ＳＭ１＝ＳＭ２＝ＳＭ３＝ＳＭ４＝ＳＭ５＝ＳＭ６＝ＳＭ７＝ＳＭ８の式が成り立つ。

これに対して、図５は本発明の各実施例を示す燃料集合体の状態を示す説明図であり、ａ図は７個のスペーサを装着した一実施例の燃料集合体、ｂ図は７個のスペーサを装着した別の実施例の燃料集合体、ｃ図は８個のスペーサを装着した一実施例の燃料集合体、ｄ図は８個のスペーサを装着した別の実施例の燃料集合体を示す。下端からｎ番目のスペーサのミキシングベーンの大きさをＳＭｎと表記する。なお、本実施例はあくまでも本発明の一例であることを明記したい。

図５のａ図に示した燃料集合体では、ＳＭ１＝ＳＭ７＜ＳＭ２＝ＳＭ３＝ＳＭ４＜ＳＭ５＝ＳＭ６の式が成立する。また、ｂ図に示した燃料集合体では、ＳＭ１＝ＳＭ２＝ＳＭ７＜ＳＭ３＝ＳＭ４＜ＳＭ５＝ＳＭ６の式が成立する。図５のｃ図に示した燃料集合体では、ＳＭ１＝ＳＭ８＜ＳＭ２＝ＳＭ３＝ＳＭ４＜ＳＭ５＝ＳＭ６＝ＳＭ７が成立する。また、ｄ図に示した燃料集合体では、ＳＭ１＝ＳＭ２＝ＳＭ８＜ＳＭ３＝ＳＭ４＜ＳＭ５＝ＳＭ６＝ＳＭ７が成立する。

即ち、最下位と最上位と又は最下位から１番目と２番目と最上位とに装着された冷却材流れを乱すミキシングベーンを具備しない第１のスペーサ（ＳＭ１、ＳＭ７（ＳＭ８）又はＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ７（ＳＭ８））と、短尺燃料棒の上端より上流側であって最も下流側と、短尺燃料棒の上端より下流側にあって最上位を除いて装着された冷却材流れを乱す度合いが最も大きいミキシングベーンを具備する第３のスペーサ（ＳＭ５、ＳＭ６又はＳＭ５、ＳＭ６、ＳＭ７）と、第１のスペーサと第３のスペーサとを除く位置に装着された冷却材流れを乱すミキシングベーンを具備する第２のスペーサ（ＳＭ２、ＳＭ３、ＳＭ４又はＳＭ３、ＳＭ４）との３種類のスペーサを備えている。

図６は本発明の燃料集合体の圧力損失の軸方向分布を標準の燃料集合体と比較した線図である。具体的な本発明の燃料集合体としては、図５のｂ図に示した燃料集合体、即ち、部分長燃料集合体に装備した７個のスペーサのうち、最下位及び下端から２番目のスペーサと最上位にある下端から７番目のスペーサを冷却材流れを乱すミキシングベーン（ＭＶ）を実質的に具備しない第１のスペーサとし、短尺燃料棒の上端より下（上流）側であって最も上（下流）側にある下端から５番目のスペーサと、短尺燃料棒の上端より上（下流）側にあって最上位にあるスペーサを除く下端から６番目のスペーサとを部分長燃料集合体に装備される全スペーサのミキシングベーンが一律に同じ大きさとした標準ケース（第２のスペーサ）に比べて大きくし、前記以外のスペーサに標準タイプのスペーサを備えた燃料集合体を用いた。比較対象の燃料集合体は、全スペーサを標準ケース（第２のスペーサ）とした燃料集合体を用いた。

また、図７は図６と同じ本発明の燃料集合体と標準の燃料集合体との熱的余裕に直接関連する液膜厚さの軸方向変化を比較した線図である。図６及び図７に示す通り、本発明では、最下位及び下端から２番目のスペーサ並びに最上位のスペーサを低圧損型とすることによる圧力損失低下分を、下端から５番目及び６番目のスペーサのミキシングベーンの大きさを大きくすることによって補償しており、圧力損失は標準ケースと同等となることがわかる。また、本発明では下端から５番目及び６番目のスペーサのミキシングベーンの大きさを大きくすることにより、標準ケースに比べて短尺燃料棒の上端より上（下流）側熱的余裕、すなわち限界出力が改善されることがわかる。

もちろん、スペーサの個数が７個以上であっても、全スペーサのミキシングベーンが一律に同じ大きさとした標準ケースに比べて圧力損失の増大を伴わずに熱的余裕（限界出力特性）を改善できることは上記説明から明らかである。また、下端から２番目のスペーサを第２のスペーサとしても熱的余裕、すなわち限界出力が改善される。

なお、本発明で付言したミキシングベーンとは、図１１のように格子板の交点に設けた複数の羽根のみならず、特許文献２で開示されている図１２に示すような燃料棒挿通路が形成されるよう互いに点溶接された円筒状の丸セルの上端に設けられた突起物、及び特許文献３で開示されている図１３に示すような上記点溶接された複数個の丸セルの間隙部上端に設けられた羽根もしくは突起物を含む。

一般的な燃料棒表面の液膜厚さの軸方向変化を示す線図である。 燃料集合体の一般的な圧力損失の軸方向分布を示す線図である。 本発明のＢＷＲ型燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。 ミキシングベーンが１種類の従来の燃料集合体の状態を示す説明図であり、ａ図は７個のスペーサを装着した燃料集合体、ｂ図は８個のスペーサを装着した燃料集合体を示す。 本発明の各実施例を示す燃料集合体の状態を示す説明図であり、ａ図は７個のスペーサを装着した一実施例の燃料集合体、ｂ図は７個のスペーサを装着した別の実施例の燃料集合体、ｃ図は８個のスペーサを装着した一実施例の燃料集合体、ｄ図は８個のスペーサを装着した別の実施例の燃料集合体を示す。 本発明の燃料集合体の圧力損失の軸方向分布を標準の燃料集合体と比較した線図である。 図６と同じ本発明の燃料集合体と標準の燃料集合体との熱的余裕に直接関連する液膜厚さの軸方向変化を比較した線図である。 ＢＷＲ及びＢＷＲ用燃料集合体の構成を示す説明図である。 ＢＷＲにおける冷却水の二相流の様子を示す拡大断面図である。 燃料棒表面の冷却水流れの様子と温度分布を示す説明図である。 従来のミキシングベーン付きスペーサの構成を示す説明図である。 従来の限界出力の向上に寄与するスペーサに備わった管状フェルールの構成を示す説明図である。 従来の限界出力の向上に寄与するスペーサに備わったねじり翼の構成を示す説明図である。 部分長燃料棒を装荷した燃料集合体の例を示す説明図である。

Claims (2)

1. 上部タイプレートと下部タイプレートとの間に、平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、これら棒状要素を相互に間隔を開けて保持する複数のスペーサによって、バンドル状に装荷した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
   前記燃料棒の一部が該燃料棒に対して短尺化した短尺燃料棒に置換えられ、
   前記スペーサとして、ミキシングベーンの冷却材流れを乱す度合いにより種別される３種類のスペーサを備え、
   前記３種類のスペーサのうち、冷却材流れを乱す度合いが最も大きいミキシングベーンを具備するスペーサが、前記短尺燃料棒の上端より上流側であって最も下流側と、短尺燃料棒の上端より下流側にあって最上位を除いて装着されたことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. 前記スペーサとして、
   最下位と最上位と又は最下位から１番目と２番目と最上位とに装着された冷却材流れを乱すミキシングベーンを具備しない第１のスペーサと、
   前記短尺燃料棒の上端より上流側であって最も下流側と、短尺燃料棒の上端より下流側にあって最上位を除いて装着された冷却材流れを乱す度合いが最も大きいミキシングベーンを具備する第３のスペーサと、
   第１のスペーサと第３のスペーサとを除く位置に装着された冷却材流れを乱すミキシングベーンを具備する第２のスペーサと
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
   

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