JP5106344B2 - Fuel assembly - Google Patents
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Description
本発明は水冷却型原子炉用燃料集合体に係り、特にボイド反応度を負とするための燃料集合体に関する。 The present invention relates to a fuel assembly for a water-cooled nuclear reactor, and more particularly to a fuel assembly for making a void reactivity negative.
一般に水冷却型原子炉の炉心は、核分裂性物質(燃料)を装填した多数の燃料ロッドを結束した燃料集合体を多数体配置して構成され、核分裂性物質で発生する熱除去のための冷却材として水が使用されている。 In general, the core of a water-cooled nuclear reactor is composed of a large number of fuel assemblies in which a large number of fuel rods loaded with fissile material (fuel) are bound, and cooling for removing heat generated by the fissile material. Water is used as a material.
水は中に含まれる水素原子の中性子減速能力が大きいため、水の割合が大きい従来の水冷却型原子炉では核分裂により発生する高エネルギ中性子を大きく減速し、エネルギの低い熱中性子が中性子の大部分をしめている。 Because water has a large neutron moderating ability for hydrogen atoms contained in water, high-energy neutrons generated by nuclear fission are greatly decelerated in conventional water-cooled nuclear reactors with a large proportion of water, and thermal neutrons with low energy are large neutrons. The part is tightened.
エネルギの低い中性子を核分裂性物質が吸収した場合には、中性子を約3個発生させる核分裂反応ではなく、核分裂を起こさず原子核の中に取り込んでしまう捕獲反応の割合が大きくなる。即ち、中性子吸収当たりの発生中性子数が低エネルギ中性子による核分裂では少なくなる。 When a fissile material absorbs neutrons with low energy, the ratio of the capture reaction that does not cause fission and is captured in the nucleus increases rather than the fission reaction that generates about three neutrons. That is, the number of neutrons generated per neutron absorption is reduced by fission by low energy neutrons.
一方、高エネルギ中性子では、捕獲反応の割合が小さいため、捕獲による効果を含めても吸収当たりの平均中性子発生数は2個以上とすることが可能であり、1個が連鎖反応の維持に使われ、残りの1個はU−238等の親物質に吸収させて核分裂性物質を効率的に生成することが可能である。この核分裂性物質の生成と消滅の比率が1以上であれば燃料の増殖ができたこととなり資源エネルギの確保の点から各国で増殖炉が開発されている。 On the other hand, with high-energy neutrons, the rate of capture reaction is small, so the average number of neutrons generated per absorption can be 2 or more, including the effect of capture, and one is used to maintain the chain reaction. The remaining one can be absorbed by a parent material such as U-238 to efficiently produce a fissile material. If the ratio of generation and extinction of this fissile material is 1 or more, it means that the fuel has been propagated, and breeding reactors have been developed in various countries from the viewpoint of securing resource energy.
しかし、従来の水冷却型原子炉では水の燃料に対する割合が大きく中性子は低エネルギであるために、増殖はできず、核分裂性物質の生成と消滅の比率(増殖比と称する。なお、この比が1以下であれば、転換比と称しているがここでは簡単にすべて増殖比と称する。)が1以下(0.5程度)の値となっていた。このため増殖炉であれば原理的には100%熱エネルギに変換できるウラン資源の1%程度が利用できるに過ぎなかった。 However, in a conventional water-cooled nuclear reactor, the ratio of water to fuel is large and neutrons have low energy. Therefore, breeding cannot be performed, and the ratio of generation and extinction of fissile material (referred to as the proliferation ratio. If it is 1 or less, it is referred to as a conversion ratio, but here it is simply referred to as a growth ratio.) Was 1 or less (about 0.5). For this reason, in the case of a breeder reactor, in principle, only about 1% of uranium resources that can be converted to 100% heat energy can be used.
但し、高エネルギスペクトルとすると従来の大型高速炉のように冷却材の沸騰による反応度(ボイド反応度)が正となる可能性がある。水冷却型原子炉では炉心の安定性や安全性の観点でボイド反応度は負の値にすることが重要である。 However, if the high energy spectrum is used, the reactivity due to boiling of the coolant (void reactivity) may be positive as in a conventional large fast reactor. In water-cooled nuclear reactors, it is important to make the void reactivity negative in terms of core stability and safety.
このため、従来では燃料集合体の中に内部が空洞の中性子漏れ管を設けてボイド反応度を低減する構造が提案されている。すなわち、チャンネルボックスの内部に多数本の燃料ロッドを配置し、かつ多数本の燃料ロッドの中央部に中性子漏れ管を設けた構造の燃料集合体である。この種の燃料集合体は、横断面が正六角形の筒状チャンネルボックス内に多数本の燃料棒が整列配置され、中央部軸心線に沿って中性子漏れ管が配置され冷却水が下方から上方へ流れるように構成されている。中性子漏れ管の内部を流れる冷却材のボイド率は、炉心の出力が上昇とともに大きくなるので中性子の漏洩が増加する。この効果により、ボイド反応度を低減させている。 For this reason, conventionally, a structure has been proposed in which a neutron leak tube having a hollow inside is provided in the fuel assembly to reduce the void reactivity. That is, the fuel assembly has a structure in which a large number of fuel rods are arranged inside the channel box and a neutron leakage tube is provided at the center of the large number of fuel rods. In this type of fuel assembly, a number of fuel rods are aligned in a cylindrical channel box having a regular hexagonal cross section, a neutron leak tube is arranged along the center axis, and cooling water flows upward from below. It is configured to flow to. The void fraction of the coolant flowing inside the neutron leak tube increases as the power of the core rises, so neutron leakage increases. This effect reduces the void reactivity.
しかし、従来の水冷却型原子炉において、チャンネルボックス内に中性子漏れ管を設けて増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とする燃料集合体は、水の分子の放射化および被覆管と水との反応により水素が発生し、この水素が中性子漏れ管内部に閉じ込められ、最悪の場合は爆発する危険性の課題がある。 However, in a conventional water-cooled nuclear reactor, a fuel assembly having a neutron leakage tube in the channel box to increase the proliferation ratio and at the same time have a negative void reactivity is used for the activation of water molecules and the cladding tube. Hydrogen is generated by the reaction with water, and this hydrogen is trapped inside the neutron leak tube. In the worst case, there is a risk of explosion.
また、従来の中性子漏れ管では、下端の角が鋭角なため中性子漏れ管に溜まった多量の蒸気が急にあるいは偏って抜けるため、ボイド反応度が時間的に急激に変化し、被覆管の健全性に悪い影響を与える。過渡変化時においては、炉心の熱的な健全性が劣化するので、ボイド反応度をさらに小さくし、炉心出力を小さくし、炉心の熱的余裕をさらに向上させる必要がある。 In addition, in the conventional neutron leak tube, the corner at the lower end is acute, so a large amount of vapor accumulated in the neutron leak tube suddenly or unevenly escapes. Adversely affects sex. At the time of transient change, the thermal integrity of the core deteriorates, so it is necessary to further reduce the void reactivity, reduce the core output, and further improve the thermal margin of the core.
中性子の漏れを効果的に行うためには、冷却材流路と中性子漏れ管からなる全体の断面積に占める中性子漏れ管の面積比を大きくする必要がある。従来のように、冷却材流路を環状部とし、中央部に中性子漏れ管を設ける構成では、中性子漏れ管の断面積比を大きくすると環状部の冷却材流路の内壁(中性子漏れ管の外壁)と外壁との間隙が狭くなり、流路直径が狭くなって流路抵抗が増して冷却材流路を流れる流量が低下したり、流速が大きくなって流力振動の問題が生じるおそれがある。 In order to effectively perform neutron leakage, it is necessary to increase the area ratio of the neutron leakage tube to the entire cross-sectional area composed of the coolant channel and the neutron leakage tube. In the conventional configuration in which the coolant channel is an annular part and the neutron leak tube is provided in the center, the inner wall of the coolant channel in the annular part (the outer wall of the neutron leak tube is increased when the cross-sectional area ratio of the neutron leak tube is increased. ) And the outer wall are narrowed, the diameter of the flow path is narrowed, the flow resistance is increased, the flow rate flowing through the coolant flow path is decreased, and the flow velocity is increased to cause a problem of hydrodynamic vibration. .
さらに、稠密バンドルの核特性として、出力が増加し、ボイド率が増加すると共にボイド反応度(ボイド率増加に対する反応度増加割合)が正になる傾向がある。そこで、炉心のボイド率が増加すると共に、中性子漏れ管での中性子漏れ率が増加する必要がある。 Furthermore, as the core characteristics of the dense bundle, the output increases, the void ratio increases, and the void reactivity (reactivity increase ratio with respect to the void ratio increase) tends to be positive. Therefore, it is necessary to increase the void rate of the core and increase the neutron leakage rate in the neutron leakage tube.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とする水冷却型原子炉においてその性能を向上させた冷却型原子炉用燃料集合体を提供する事を目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a fuel assembly for a cooled nuclear reactor whose performance has been improved in a water-cooled nuclear reactor having an increased proliferation ratio and negative void reactivity at the same time. The purpose is to provide.
また、本発明は運転状態で中性子漏れ管の機能を損なうことなく、出力上昇時には中性子漏れ管内部にボイドを効果的に溜めることができる燃料集合体を提供することにある。
さらに、ボイド反応度が時間的に急激に変化することがなく、燃料皮覆管の健全性に悪影響を及ぼすことがない燃料集合体を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a fuel assembly that can effectively store voids inside the neutron leak tube when the output is increased without impairing the function of the neutron leak tube in the operating state.
It is another object of the present invention to provide a fuel assembly in which the void reactivity does not change rapidly with time and does not adversely affect the soundness of the fuel cladding tube.
請求項1に対応する発明は、チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置され高さ方向に接続された上部の中性子漏れ管と下部の中性子漏れ管からなる中性子漏れ管と、前記上部の中性子漏れ管及び下部の中性子漏れ管の上面にそれぞれ設けられた小孔と、前記各小孔に接続され内部に鉛直な冷却材流路が形成された内管と、前記各内管と前記上部の中性子漏れ管及び下部の中性子漏れ管との間にそれぞれ形成されたボイド蓄積部と、前記下部の中性子漏れ管の下部に設けられた複数の流路孔を有する中性子吸収またはガンマ線吸収による発熱体と、を具備した燃料集合体であって、前記上部の中性子漏れ管の冷却材流路の直径は前記下部の中性子漏れ管の冷却材流路の直径よりも小さいことを特徴とする。
The invention corresponding to
この発明によれば、冷却材流路を中央部に配置し、中性子漏れ機能を有する高ボイド率領域を環状部とする構造とする断面構造を有する中性子漏れ管を軸方向に2段に配置し、冷却材のボイド率増加に先行してボイド蓄積領域のボイド率が増加するために、中央部の冷却材流路の直径が上部で大きく、下部で小さくなっている。 According to the present invention, the neutron leakage tube having a cross-sectional structure in which the coolant channel is arranged in the central portion and the high void ratio region having a neutron leakage function is an annular portion is arranged in two stages in the axial direction. In order to increase the void ratio in the void accumulation region prior to the increase in the void ratio of the coolant, the diameter of the coolant channel in the central portion is larger at the upper portion and smaller at the lower portion.
請求項2に対応する発明は、前記上部の中性子漏れ管の冷却材流路は狭まり流路と広まり流路とからなることを特徴とする。
The invention corresponding to
この発明によれば、上部の冷却材流路を狭まり流路と広まり流路が引き続くベンチュリ型流路とすることにより、冷却材流路中のボイド率が増加すると共に上部の環状ボイド蓄積部が高ボイド領域となる。 According to the present invention, the upper coolant channel is made narrower and the venturi-type channel continues and the flow channel continues, so that the void ratio in the coolant channel is increased and the upper annular void accumulation portion is High void area.
本発明によれば、運転状態では中性子漏れ管の機能を損なう事無く、出力上昇時には中性子漏れ管内部にボイドを溜めることが出来る。さらに、本発明の中性子漏れ管が従来技術に比べて1.5倍以上のボイド断面積比が得られ、効果的にボイドを蓄積することができる。 According to the present invention, voids can be accumulated inside the neutron leak tube when the output is increased without impairing the function of the neutron leak tube in the operating state. Furthermore, the neutron leakage tube of the present invention can obtain a void cross-sectional area ratio 1.5 times or more that of the prior art, and can effectively accumulate voids.
これにより、冷却材中の異常な溶存酸素濃度の増加を抑える事ができ、また、ボイド反応度が時間的に急激に変化する事が無くなり、被覆管の健全性に与える悪い影響を排除できる。加えて、通常時の運転の影響を与える事無く、過渡変化時においてもボイド反応度を小さくし、炉心出力を小さくすることができ、炉心の熱的余裕をさらに向上させる事ができる。 As a result, an abnormal increase in dissolved oxygen concentration in the coolant can be suppressed, and the void reactivity can be prevented from changing rapidly in time, and adverse effects on the soundness of the cladding tube can be eliminated. In addition, the void reactivity can be reduced even during a transient change without affecting the normal operation, the core output can be reduced, and the thermal margin of the core can be further improved.
よって、水冷却型原子炉で増殖を増大できウラン資源の利用率を従来より大幅に増大できるのみならず、従来炉心の径方向サイズと同等の大きさでボイド反応度は負の値にすることができるため、環境保護、安全性、経済性が同時に満足できる原子炉が構成可能となる。 Therefore, not only can the proliferation be increased in water-cooled reactors, but the utilization rate of uranium resources can be greatly increased as compared to the conventional one, and the void reactivity should be negative with a size equivalent to the radial size of the conventional core. Therefore, a nuclear reactor that can simultaneously satisfy environmental protection, safety, and economic efficiency can be configured.
図1から3により、本発明に係る燃料集合体の第1の実施の形態を説明する。 A first embodiment of a fuel assembly according to the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施の形態は図1に示したように正六角形角筒状チャンネルボックス1内に燃料ロッド2と内部が空洞の中性子漏れ管3を設けてボイド反応度を低減する構造の燃料集合体である。なお、ここでは、六角型燃料集合体の実施例を示しているが、特に、燃料集合体の形状にはこだわらず、例えば正方型燃料集合体でも構わない。
As shown in FIG. 1, the present embodiment is a fuel assembly having a structure in which a
図2は図1における中性子漏れ管3の縦断面を示している。すなわち、中性子漏れ管3は上下両端が上部端栓4と下部端栓6により閉塞され、上部端栓4に上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔5を有し、下部端栓6の近傍に冷却材流入孔7を有している。これにより、中性子漏れ管内のボイド率上昇時は、上端部の流出孔5の流動抵抗が増大し、中性子漏れ管内のボイドを抜け難くさせている。
FIG. 2 shows a longitudinal section of the
図3に中性子漏れ管3内部の冷却材の様子を示した。流入孔7から流入した流入冷却材8は、ガンマ線などの放射線により発熱するので、流入孔7及び流出孔5の大きさを適切に設定することで、図3に示すように中性子漏れ管3内部でボイド化が可能となる。
FIG. 3 shows the state of the coolant inside the
その場合、発熱量は炉心の出力によって変化するため、低出力時は図3(a)に示すように中性子漏れ管3内部はボイドが割合が低い状態であるが、高出力時には図3(b)の状態となり、中性子漏れ管3内部のボイド割合が上昇する。このボイド割合の増加により、テーパ状冷却材流出孔5の流動抵抗は増大するため、中性子漏れ管3内のボイドを抜け難くなる。従って、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
In that case, since the heat generation amount changes depending on the output of the core, the void ratio is low in the
つぎに図4(a)、(b)により本発明に係る第2の実施の形態を説明する。 Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施の形態は第1の実施の形態における上部端栓4を改良したことにあり、その他の部分は第1の実施の形態と同様なので、重複する部分の説明は省略する。すなわち、図4(b)に示したように上部端栓4に設けたテーパ状冷却材流出孔5の表面を粗くし、かつ、内部を流れる冷却材の流れに対して抵抗となる階段状溝13を設けて、階段状テーパ形流出孔としたことにある。
This embodiment is obtained by improving the upper end plug 4 in the first embodiment. Since other parts are the same as those in the first embodiment, the description of the overlapping parts is omitted. That is, as shown in FIG. 4 (b), the surface of the tapered
本実施の形態によれば、ボイド流出時の流動抵抗を増加させることで、高出力時の中性子漏れ管内部のボイド流出を更に抑制され、これにより中性子の漏洩をより増加させ、ボイド反応度を低減することができる。 According to the present embodiment, by increasing the flow resistance at the time of void outflow, void outflow inside the neutron leakage tube at high output is further suppressed, thereby further increasing neutron leakage and increasing the void reactivity. Can be reduced.
つぎに図5により本発明に係る第3の実施の形態を説明する。
図5は、本発明の第3の実施の形態にける中性子漏れ管の縦断面形状を示している。
Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 shows a vertical cross-sectional shape of a neutron leak tube according to the third embodiment of the present invention.
本実施の形態は第1の実施の形態において示した中性子漏れ管3aを、図5に示したように、中性子漏れ管3aの内部に冷却材が上部へ流れ、かつ中性子漏れ管3の内部は両端を閉じた薄肉密閉細管15を束ねた密閉細管束14の構造としたことにあり、その他の部分は第1の実施の形態と同様である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the coolant flows upward in the neutron leak tube 3a shown in the first embodiment, and the inside of the
本実施の形態によれば、密閉細管15の肉厚は管径が小さいため、0.2mm程度まで薄くすることができる。したがって、密閉細管15による中性子の吸収を抑制する事が出来、かつ、流動条件に係わらず中性子漏れ管内の中空を安定して維持出来るため、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
According to the present embodiment, since the thickness of the sealed
つぎに図6により本発明に係る第4の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第3の実施の形態に準じるもので、図6は本実施の形態に係る中性子漏れ管3bの縦断面形状を示している。すなわち、図6において、中性子漏れ管3bの内部は薄肉ハネカム密閉構造16にすることで中性子の吸収を抑制し、かつ、流動条件に係わらず中性子漏れ管3b内の中空を安定して維持出来るため、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
Next, a fourth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
This embodiment conforms to the third embodiment, and FIG. 6 shows the longitudinal sectional shape of the neutron leakage tube 3b according to the present embodiment. That is, in FIG. 6, since the inside of the neutron leak tube 3b has a thin-walled
つぎに図7により本発明に係る第5の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第1の実施の形態における中性子漏れ管3の他の例にあり、図7は本実施の形態の中性子漏れ管3cとその周囲の蒸気流の流れの状態を示している。
Next, a fifth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
The present embodiment is another example of the
本実施の形態は図7に示したように、中性子漏れ管、3cとその下方に中性子またはガンマ線吸収により発熱する材質、例えば、ハフニウム、ステンレス鋼等で形成した流路孔18を有する発熱体19を配置し、中性子漏れ管3cの上部に形状記憶合金で構成される形状記憶合金製管20とから構成されている。常温では、中性子漏れ管3c内部と外部が形状記憶合金製管20により連通している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, a
従来のように形状記憶合金製管20が無い場合は、この中性子漏れ管3c内部に閉じ込められた空気23が抜ける通路が無いため、除去する事ができない。このため、この空気23が冷却材に溶け込み冷却材の溶存酸素濃度が上昇し、燃料被覆管に悪い影響を及ぼす。
If there is no shape
本実施の形態では、常温では形状記憶合金製管20が連通しており、運転状態(つまり、冷却材温度が高い)では形状記憶合金製管20が塞がれるように構成されている。つまり、常温状態で形状記憶合金製管20を通って空気23がすべて外に出てしまう。
In the present embodiment, the shape
高温状態になると、形状記憶合金製管20が封鎖されるため、発熱体18で加熱され発生した蒸気21は、中性子漏れ管3cの内部が蒸気24で満たされるまで、中性子漏れ管3cに流入する。一方、中性子漏れ管3cの内部が蒸気24で満たされた後は、発生した蒸気21の大部分は、燃料ロッド被覆管25との間の外側の流路22を通過するようになる。
When the temperature becomes high, the shape
つぎに図8(a)、(b)により本発明の第6の実施の形態を説明する。
図8(a)は、本実施の形態における中性子漏れ管の縦断面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
Fig.8 (a) is a longitudinal cross-sectional view of the neutron leak tube in this Embodiment, (b) is AA arrow sectional drawing of (a).
本実施の形態は中性子漏れ管3dの上蓋26の中央部に金属円筒27を設け、この金属円筒27の内部に金属円筒27の金属よりも熱膨脹率の大きな金属で作られた金属円柱28を設置し、金属円筒29の上と下に図8(b)に示すように複数の板29を設置したことにある。
In this embodiment, a
常温では、金属円筒27と金属円柱28の間に隙間30があるため、中性子漏れ管3d内部の空気23がこの隙間30から抜ける事ができる。本実施の形態では、金属円柱28は、金属円筒27よりも熱膨脹率の大きな金属で作られているため、運転状態(つまり、冷却材温度が高い)では隙間30が無くなるように構成されている。
At normal temperature, since there is a
つまり、常温状態で隙間30を通って空気23がすべて外に出てしまう。高温状態になると、隙間30が封鎖されるため、図7に示すように発熱体19で加熱され発生した蒸気21は、中性子漏れ管の内部が蒸気で満たされるまで、中性子漏れ管3dに流入する。一方、中性子漏れ管3dの内部が蒸気24で満たされた後は、発生した蒸気21の大部分は、外側の流路22を通過するようになる。
That is, all the
つぎに図9(a)(b)により本発明の第7の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第6の実施の形態に準じたものなので、図9中、図8と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
Since this embodiment conforms to the sixth embodiment, the same parts in FIG. 9 as those in FIG.
本実施の形態は中性子漏れ管3dの上蓋26をNiで構成したことにある。運転状態では、図9に示すように水の分子の放射化および被覆管と水との反応により水素31が発生し、水素31が中性子漏れ管3dの内部に閉じ込められ最悪の場合は、爆発する危険性がある。本実施の形態では、中性子漏れ管3dは上蓋26がNiで形成されている。この構成では、水素原子は小さいので、Ni製の上蓋26から抜け、水素31を除去する事が可能となる。
In this embodiment, the
つぎに図10により本発明の第8の実施の形態を説明する。
図10(a)は本実施の形態を説明する中性子漏れ管の縦断面図、図10(b)は(a)の比較図である。
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 10A is a longitudinal sectional view of a neutron leakage tube for explaining the present embodiment, and FIG. 10B is a comparative view of FIG.
本実施の形態における基本的な構成は図7から図9に示した実施の形態と同様である。上述した中性子漏れ管3c、3dでは図10(b)に示したように、下端の角が鋭角なため、多量の蒸気泡32が溜まって急にあるいは偏って抜けるため、ボイド反応度が時間的に急激に変化し、被覆管の健全性に悪い影響を与える可能性がある。そこで、本実施の形態では図10(a)に示すように中性子漏れ管の角を丸く曲面33に形成することにある。本実施の形態によれば蒸気の抜けをスムーズにして上述したボイド反応度の急激な時間変化を緩和する事ができる。
The basic configuration of the present embodiment is the same as that of the embodiment shown in FIGS. In the
つぎに図11により本発明の第9の実施の形態を説明する。
本実施の形態は、中性子漏れ管3cまたは3dの下部に多数の横穴34を開けたことにある。本実施の形態によれば、蒸気の抜けをスムーズにして上述したボイド反応度の急激な時間変化を緩和する事ができる。
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, a large number of
つぎに図12により本発明の第10の実施の形態を説明する。
図12は、本実施の形態を説明する中性子漏れ管の縦断面図である。
本実施の形態の基本的な構成は図7から図11の実施の形態と同様であるが、本実施の形態は中性子漏れ管3cまたは3dの上蓋35を大径としたことにある。すなわち、上蓋の外径を大きくした大径上蓋35により外側の流路22を中性子漏れ管3cまたは3dの出口で絞ったことにある。
Next, a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 12 is a vertical cross-sectional view of a neutron leakage tube for explaining the present embodiment.
Although the basic configuration of the present embodiment is the same as that of the embodiment of FIGS. 7 to 11, the present embodiment is that the
例えば、ポンプが停止した場合、発熱体18への冷却材の量が少なくなるため、発生蒸気量は増大する。中性子漏れ管の内部はすでの蒸気24で満たされているため、発生した蒸気21は外側の流路22を流れ、この部分のボイド率を増大し、これによりボイド反応度を減少させる事ができる。
For example, when the pump is stopped, the amount of generated steam increases because the amount of coolant to the
本実施の形態によれば、外側の流路22のボイド率を大きくし、ボイド反応度を抑えるために、上蓋35の端部Bの部分を絞っている。過渡変化時には通常に比べて発生ボイド量が増える。上部を狭くしておくと、過渡変化時にはそこを通過するボイド量が増えで結果的に圧損が増える。つまり、蒸気が抜けにくくなり、結果的に外側の流路22のボイド率が上昇し、ボイド反応度をさらに抑える事ができる。
According to the present embodiment, the portion of the end portion B of the
つぎに図13(a)、(b)により本発明の第11の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第10の実施の形態において、大径上蓋35に図13(b)に示したように複数の縦穴36を設けたことにある。図12に示した構成では、通常時にボイドが角に溜まり急激に抜けて、脇の流路のボイド変化が激しい。そこで、大径35に複数の穴36を設ける事により通常時のボイドの抜けをスムーズにすることができる。
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13 (a) and 13 (b).
In this embodiment, in the tenth embodiment, the large-diameter
つぎに図14により本発明の第12の実施の形態を説明する。
図14は、本実施の形態における中性子漏れ管3eを概略的に鳥瞰図で示している。すなわち本実施の形態は中性子漏れ管3e内に水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる環状のボイド蓄積部37、水-蒸気二相流が流入し、流出する冷却材流路38、水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39および内管40とから構成されている。
Next, a twelfth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 14 schematically shows the neutron leakage tube 3e in the present embodiment in a bird's-eye view. That is, in the present embodiment, an annular
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向がある。 When the core power is low and the heat generation amount of the heating element is small, the water-steam two-phase flow with a relatively small void rate flows in, so that the steam flowing into the annular part accumulates in the annular part and has a high void rate region. It becomes. As for the distribution of steam (void) in the cross section of the inlet, the void spatial distribution generally has a so-called saddle-type distribution under the subcooled void condition in which the water-steam two-phase flow is still under the condition, and the void ratio tends to increase at the outer periphery.
環状部にボイドが供給される割合が高いため、環状部に効果的にボイドを蓄積することができるメリットがある。また、中央の冷却材流路に流入したボイドは冷却材流路38を通って流出する。入口から流入するボイド率が高くなるとともに、ボイド蓄積部37、冷却材流路共に高ボイド率となり、中性子漏れ率が高くなる。
Since the proportion of voids supplied to the annular part is high, there is an advantage that voids can be effectively accumulated in the annular part. Further, the void flowing into the central coolant channel flows out through the
図15に示す従来の中性子漏れ管41において、ボイドを蓄積する円筒型ボイド蓄積部42が中央に設けられている場合では、本実施の形態の環状のボイド蓄積部37の場合に比べて、次のようにボイド率の面積比を大きくすることができる。図15の中性子漏れ管41の外管の直径をD、従来技術の流路を同心円流路として外壁との幅をdとし、本実施の形態の中央部の流路直径を2dとした場合のボイド蓄積部の面積比を比較すると、従来技術が1-4d/D、本発明が1-4d2/D2である。
In the conventional
例えば、d/D=0.1(10%)とした場合、ボイドの占める断面積比は従来技術が60%、本実施の形態が96%となり、本実施の形態の中性子漏れ管が従来技術に比べて1.5倍以上のボイド断面積比が得られ、効果的にボイドを蓄積することができることがわかる。 For example, when d / D = 0.1 (10%), the cross-sectional area ratio occupied by the void is 60% in the conventional technique and 96% in the present embodiment, and the neutron leakage tube of the present embodiment is compared with the conventional technique. It can be seen that a void cross-sectional area ratio of 1.5 times or more can be obtained, and voids can be accumulated effectively.
つぎに図16および図17(a)、(b)により本発明の第13の実施の形態を説明する。
図16は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管43の鳥瞰図である。本実施の形態は、中性子漏れ管43上部の中性子漏れ管44、下部の中性子漏れ管45、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる上部の環状ボイド蓄積部46、水-蒸気二相流が流入し、流出する上部中性子漏れ管の冷却材流路47、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる下部の環状ボイド蓄積部48、水-蒸気二相流が流入し、流出する下部中性子漏れ管の冷却材流路49、中性子漏れ管上面の小孔50および水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39とから構成されている。
Next, a thirteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 16 and FIGS. 17 (a) and 17 (b).
FIG. 16 is a bird's-eye view of the
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向がある。 When the core power is low and the heat generation amount of the heating element is small, the water-steam two-phase flow with a relatively small void rate flows in, so that the steam flowing into the annular part accumulates in the annular part and has a high void rate region. It becomes. As for the distribution of steam (void) in the cross section of the inlet, the void spatial distribution generally has a so-called saddle-type distribution under the subcooled void condition in which the water-steam two-phase flow is still under the condition, and the void ratio tends to increase at the outer periphery.
環状部にボイドが供給される割合が高くなり、環状部に効果的にボイドを蓄積することができるメリットがある。下部の中性子漏れ管45における下部の環状ボイド蓄積部48では冷却材が二相流となる条件で、上述の機能により高ボイド率領域となる。
There is a merit that the proportion of voids supplied to the annular part increases, and voids can be effectively accumulated in the annular part. In the lower annular
一方、中性子漏れ管44の上部では、蒸気(ボイド)を含む流れが上部ボイド蓄積部46に流入する経路は上部の冷却材流路47と下部の冷却材流路49の冷却材流路径d2,d1の違いによる環状部分(流路幅(d2-d1)/2)である。
On the other hand, in the upper part of the
従って、炉心出力が増加して下部の冷却材流路49の冷却材中のボイド率が増加すると、ボイド蓄積部へのボイド流入量が増加して高ボイド率領域を形成するので、中性子漏れ率が高くなる。
Therefore, if the core power increases and the void rate in the coolant in the
図17(a)、(b)に原子炉運転状態での本実施の形態の中性子漏れ管43内ボイド率を示す。図17(a)は炉心出力が低く、冷却材中のボイド率が低い状態、図17(b)は炉心出力が高く、冷却材中のボイド率が高い状態を示す。
17 (a) and 17 (b) show the void ratio in the
下部の中性子漏れ管45ではボイド蓄積部48が高ボイド率領域となるため、炉心出力が高い状態も低い状態も、高ボイド率となる。上部と下部の冷却材流路径の違いによる環状流路(流路幅(d2-d1)/2)から上部のボイド蓄積部46に流入するボイド率の違いにより、炉心出力が高い状態では上部のボイド蓄積部のボイド率が増加する。
In the lower
沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部のボイド蓄積部48を炉心出力低の状態にも高ボイド率領域とするのは中性子漏れ効果が高い。
In the case of a boiling water reactor, subcooled water enters from the inlet, so the lower void ratio is relatively low. Accordingly, the neutron leakage effect is high when the lower
つぎに図18により本発明の第14の実施の形態を説明する。
図18は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管の鳥瞰図である。
本実施の形態は中性子漏れ管51上部中性子漏れ管44、下部中性子漏れ管45、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる上部の環状ボイド蓄積部46、水-蒸気二相流が流入し、流出する上部中性子漏れ管の冷却材流路47、上部冷却材流路の狭まり流路52、上部冷却材流路の広まり流路53、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる下部の環状ボイド蓄積部48、水-蒸気二相流が流入し、流出する下部中性子漏れ管の冷却材流路49、水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39とからより構成されている。
Next, a fourteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 18 is a bird's-eye view of a neutron leak tube for explaining the present embodiment.
This embodiment includes a
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向があるため、環状部にボイドが供給される割合が高いため環状部に効果的にボイドを蓄積することができる効果がある。 When the core power is low and the heat generation amount of the heating element is small, the water-steam two-phase flow with a relatively small void rate flows in, so that the steam flowing into the annular part accumulates in the annular part and has a high void rate region. It becomes. The distribution of steam (voids) in the cross section of the inlet is generally a so-called saddle type distribution under the subcooled void condition in which the water-steam two-phase flow is still sub-void, and the void ratio tends to increase at the outer periphery. Since there is a high ratio of supplying voids, there is an effect that voids can be effectively accumulated in the annular portion.
下部の中性子漏れ管45のボイド蓄積部では冷却材が二相流となる条件で、上述の機能により高ボイド率領域となる。一方、上部の中性子漏れ管44の上部では、冷却材中のボイド率が低い条件では上部の冷却材流路の広まり流路53の下部の冷却材流れは上部の冷却材流路47に流入するだけであるから、ほとんどボイドの蓄積はない。
In the void accumulation part of the lower
ボイド率が増加し、狭まり流路52と広まり流路53が引き続くベンチュリ型流路ののど部(最小流路直径dt)でボイド率の高い流れが大きな流動抵抗となって流量が低下すると、蒸気(ボイド)を含む流れが上部ボイド蓄積部46に流入し、高ボイド率領域を形成し、中性子漏れ率が高くなる。
When the void ratio increases, the flow with a high void ratio becomes a large flow resistance at the throat (minimum channel diameter dt) of the venturi-type flow path where the narrow flow path 52 and the
ベンチュリ型流路の狭まり角、広まり角は例えば流路壁で流れの剥離が生じない角度(約10゜以下)にすることにより圧力が回復し、流れに対する抵抗を抑えることができる。また、のど部の流路面積を入口部流路面積の半分とすると、のど部直径dtはdt=0.7d2とすれば良い。 The narrowing angle and widening angle of the venturi-type flow path can be set to an angle (about 10 ° or less) at which flow separation does not occur on the flow path wall, for example, so that the pressure is recovered and resistance to flow can be suppressed. If the flow area of the throat is half of the flow area of the inlet, the throat diameter dt may be dt = 0.7d2.
図19(a)、(b)に原子炉運転状態での本発明の中性子漏れ管内ボイド率を示す。図19(a)は炉心出力が低く、冷却材中のボイド率が低い状態、図19(b)は炉心出力が高く、冷却材中のボイド率が高い状態を示す。下部の中性子漏れ管ではボイド蓄積部が高ボイド率領域となるため、炉心出力が高い状態も低い状態も、高ボイド率となる。 19 (a) and 19 (b) show the void ratio in the neutron leakage tube of the present invention in the reactor operating state. FIG. 19 (a) shows a state where the core power is low and the void ratio in the coolant is low, and FIG. 19 (b) shows a state where the core power is high and the void ratio in the coolant is high. In the lower neutron leak tube, the void accumulation portion is in a high void ratio region, so that the void ratio is high in both the high and low core power.
炉心出力が高く、冷却材流路のボイド率が高くなると、下部の冷却材流路から流入する二相流があふれて上部のボイド蓄積部に流入すると共に、ボイド率が蓄積されるので、図20に示すように冷却材流路中のボイド率増加に先行して上部のボイド蓄積部が高ボイド率領域を形成する。 When the core power is high and the void ratio of the coolant flow path becomes high, the two-phase flow flowing from the lower coolant flow path overflows and flows into the upper void accumulation part, and the void ratio is accumulated. As shown at 20, the void accumulation portion in the upper part forms a high void ratio region prior to the increase in the void ratio in the coolant channel.
沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部のボイド蓄積部を炉心出力低の状態にも高ボイド率領域とするのは中性子漏れ効果が高い。 In the case of a boiling water reactor, subcooled water enters from the inlet, so the lower void ratio is relatively low. Therefore, the neutron leakage effect is high when the lower void accumulating portion is in a high void ratio region even in a state where the core power is low.
つぎに図21および図22により本発明の第15の実施の形態を説明する。
図21は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管54の鳥瞰図である。
本実施の形態は中性子漏れ管54内下部に環状ボイド蓄積部55を設け、環状ボイド蓄積部55内に冷却材流路56を設け、上部に燃料領域57を設けるとともに、環状ボイド蓄積部55の下方に発熱体39を設けている。
Next, a fifteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 21 is a bird's-eye view of the
In the present embodiment, an annular
したがって、中性子スペクトルの高い炉心構成とするために冷却材領域を減らしたとえば燃料棒を稠密配置とする炉心の場合、効果的に水を排除するためには冷却材中の水密度の大きな炉心下部に中性子漏れ機能を持つ中性子漏れ管を設ける。中性子漏れ管を設けると、燃料棒を配置する空間が少なくなるので、燃料サイクルコスト上有利とはいえない。 Therefore, in the case of a core in which the coolant region is reduced in order to achieve a core configuration with a high neutron spectrum, for example, in which fuel rods are densely arranged, in order to effectively eliminate water, it is necessary to place the core in the lower part of the core where the water density in the coolant is large. A neutron leakage tube with a neutron leakage function will be provided. Providing the neutron leak tube is not advantageous in terms of fuel cycle cost because the space for arranging the fuel rods is reduced.
そこで、本実施の形態のように中性子漏れ管54の上部を燃料領域57として複数の燃料棒を配置することにより、燃料領域を増やした構成とする。このような中性子漏れ管54を設けたことにより、燃料サイクルコスト上のデメリットを小さくすると共に、ボイド反応度を低減した炉心を提供することができる。
Therefore, as in the present embodiment, the fuel region is increased by arranging a plurality of fuel rods with the upper portion of the
図22に原子炉運転状態での通常の燃料集合体高さ方向のボイド率分布を示す。沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部に中性子漏れ管を設けることにより効果的に水を排除することが可能なる。また、上部を燃料領域として複数の燃料棒を配置することにより、燃料サイクルコストの向上を図っている。 FIG. 22 shows the distribution of the void fraction in the normal fuel assembly height direction when the reactor is operating. In the case of a boiling water reactor, subcooled water enters from the inlet, so the lower void ratio is relatively low. Therefore, it is possible to effectively eliminate water by providing a neutron leakage tube in the lower part. Further, the fuel cycle cost is improved by arranging a plurality of fuel rods with the upper portion as the fuel region.
1…チャンネルボックス、2…燃料ロッド、3…中性子漏れ管、4…上部端栓、5…テーパ状冷却材流出孔、6…下部端栓、7…冷却材流入孔、8…流入冷却材、9…流出冷却材、10…冷却材(液相)、11…冷却材(気泡)、12…冷却材(蒸気)、13…階段状溝、14…密閉細管束、15…密閉細管、16…薄肉ハネカム構造、17…空洞部、18…流路孔、19…発熱体、20…形状記憶合金製管、21…発生した蒸気、22…外側の流路、23…空気、24…中性子漏れ管内の蒸気、25…燃料ロッド被覆管、26…上蓋、27…金属円筒、28…金属円柱、29…板、30…隙間、31…水素、32…蒸気の泡、33…曲面(アール)、34…横穴、35…大径上蓋、36…縦穴、37…環状のボイド蓄積部、38…流出する冷却材流路、39…発熱体、40…内管、41…従来の中性子漏れ管、42…円筒型ボイド蓄積部、43…中性子漏れ管、44…上部の中性子漏れ管、45…下部の中性子漏れ管、46…上部の環状ボイド蓄積部、47…上部の冷却材流路、48…下部の環状ボイド蓄積部、49…下部の冷却材流路、50…小孔、51…中性子漏れ管、52…上部の冷却材流路の狭まり流路、53…上部の冷却材流路の広まり流路、54…中性子漏れ管、55…環状ボイド蓄積部、56…冷却材流路、57…燃料領域。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記上部の中性子漏れ管の冷却材流路の直径は前記下部の中性子漏れ管の冷却材流路の直径よりも小さいことを特徴とする燃料集合体。 A channel box, a plurality of fuel rods arranged in the channel box and loaded with fissile material, an upper neutron leak tube and a lower neutron arranged between the fuel rods and connected in the height direction A neutron leakage tube composed of a leakage tube, small holes respectively provided on the upper surface of the upper neutron leakage tube and the lower neutron leakage tube, and a vertical coolant channel connected to each of the small holes is formed. and the tube another, wherein a void accumulating portions formed respectively between the neutron leakage tube and the lower neutron leakage tube of the upper and the inner tube, a plurality of flow provided in the lower portion of the neutron leakage tube of the lower A fuel assembly comprising a neutron absorbing or gamma ray absorbing heating element having a passage hole ,
The fuel assembly according to claim 1, wherein a diameter of a coolant channel of the upper neutron leak tube is smaller than a diameter of a coolant channel of the lower neutron leak tube.
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