JPH01176986A

JPH01176986A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH01176986A
Application number: JP63000375A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Bessho; 別所　泰典
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-01-06
Filing date: 1988-01-06
Publication date: 1989-07-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体に係
り、特に、沸Ｓ遷移に対する熱的余裕向上を図るのに好
適な燃料集合体に関する。

〔従来の技術〕

沸騰水型原子炉には、燃料集合体が数多く装荷され、例
えば、電気出力１３５０ＭＷ級の沸騰水型原子炉には約
８７０体の燃料集合体が装荷されている。

この沸騰水型原子炉用の燃料集合体には、特開昭６１−
２８１９９３号公報に記載のように短尺燃料棒といって
、通常の燃料棒の上部を切り取り、有効発熱部を最大６
０％と短くした燃料棒の使用が検討されている。

第２図（ａ）に−は、燃料集合体の縦断面図を示す。ま
た、第２図（ｂ）には第２図（ａ）の上部１−１’横断
面図を示しており、第２図（ｃ）には下部ｎ−ｎ’横断
面図を示している。燃料集合体１は、格子状に規則正し
く配置された通常燃料棒２、短尺燃料棒２１．水ロッド
３、スペーサー４、下部タイプレート５、上部タイプレ
ート６とそれらを取り囲む集合体壁７とから成っている
。

ここで、第２図（ｂ）に示すように、燃料棒の位置を（
Ｉ？Ｊ）座標で示すと、短尺燃料棒は（２゜２）、（２
，５）、（２，８）・・・（８，８）の位置に合計八本
が用いられている。

冷却材であるとともに中性子を減速する軽水８は、第２
図に示した燃料集合体入口オリフィス９から単相流状態
で流入し、通常燃料棒２、短尺燃料棒２１から熱を奪い
ながら上方に流れ、沸騰を起し蒸気と水の混じった二相
流状態で流出する。

燃料集合体１の中に短尺燃料棒２１がある場合　′には
、短尺燃料棒の先では燃料を欠いており、発熱はなく、
しかも冷却材流路も広がっている。そのために、燃料集
合体内の冷却材流量や蒸気重量率の分布が均一でなく歪
んだものとなって、沸騰遷移に対する熱的余裕が小さく
なる。

スペーサ４は燃料棒を平行に、しかも接触しないように
保つ役目をもつもので、燃料有効発熱部約３．８ｍにわ
たり、約５０１の間隔で七個配置されている。従来のス
ペーサの横断面図を第３図（ａ）に、第３図（ａ）の短
尺燃料棒（（Ｉ、Ｊ）＝　（８，８）　）の位置２１１
を通るｍ−ｍ’縦断面図を第３図（ｂ）に示す。第３図
（ｃ）は、短尺燃料棒（（Ｉ、Ｊ）＝　（８，８））位
置の丸セル１ｏの詳細断面図を示す。燃料集合体上部も
下部と同じ肉厚、及び、構造としており、短尺燃料棒に
よる冷却材流量や蒸気重量率の分布を均一にする役目は
持っていない。図中２０１は通常燃料棒位置、３０１は
水ロツド位置、１１はバンド、１２はデインプル、１３
はスプリング、１４はフロータブ、１５はバスタブ。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の燃料集合体では、短尺燃料棒を用いたとき、冷却
材流量や蒸気重量率の分布が歪むことを考慮しておらず
、沸騰遷移に対する熱的余裕が小さくなるという問題が
あった。

本発明の目的は、短尺燃料棒を用いたときに、沸騰遷移
に対する熱的余裕を向上させるのに好適な燃料集合体を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の沸騰水型原子炉用
の燃料集合体では、複数種類の長さの異なる燃料棒を用
い、スペーサによって、その長手方向軸線を平行にして
、しかも、離間させるとき、短尺の燃料棒の上部、即ち
、下流部にあたるスペーサ格子を肉厚にしたり、突起を
設けたり、または、冷却材の流れを阻害する障害物を設
ける。

〔作用〕

このように核燃料集合体を構成する理由は次の通りであ
る。すなわち、第４図（ａ）及び（ｂ）は燃料集合体内
の燃料棒に囲まれた流路での、冷却材の蒸気重量率およ
び流速の分布を示す。蒸気は主に流路中央部を高速で流
れやすく、逆に、水は燃料棒表面で液膜を作って低速で
流れる。

このような流れの中に短尺燃料棒が存在すると、第５図
に示すように、流路面積が増加するため、蒸気、水とも
流線１８に示すように、短尺燃料棒２１の上部を流れや
すくなり、他の通常燃料棒２の表面の液膜１７が薄くな
ったり、剥離したりする。燃料棒表面から液膜が剥離す
ると、いわゆる、核沸騰から膜沸騰への沸騰遷移が起こ
り、液膜による燃料棒からの除熱がなくなるため、燃料
被覆管温度が急上昇して、焼損する可能性がある。

これに対し、本発明の燃料集合体では、第６図に示すよ
うに、短尺燃料棒の上部（冷却材流れの下流部）に相当
するスペーサ格子を肉厚にするか、または、冷却材流れ
の障害物２ｏを設けるので、冷却材の流線は１９に示す
ようになり、短尺燃料棒の上部を流れる冷却材の量を減
らすことができ、通常（長尺）燃料棒のまわりの冷却材
流量を増すことができる。一般に、沸騰遷移は通常（長
尺）燃料棒２で起こる。短尺燃料棒２１の上部を流れる
冷却材は、通常（長尺）燃流捧の冷却には寄与しない。

従って、本発明のように短尺燃料棒の上部を流れる冷却
材流量を減らし、通常燃料棒まわりの冷却材の流量を増
加させれば、沸騰遷移は起りにくくなり、熱的余裕は増
大する。

また、短尺燃料棒の上部に相当するスペーサ格子に突起
を設けて、冷却材特に水が通常燃料棒の表面に付着する
ようにすれば、通常燃料棒の表面の液膜が厚くなり、沸
騰遷移が起りにくくなるので、沸ＩＩＩ′ｉｎ移に対す
る熱的余裕は増大する。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により、詳細に説明する。

第１図は１本発明の第一の実施例を示すスペーサである
。このスペーサは、第２図に断面図を示した燃料集合体
の燃料有効発熱部約３．６ｍの上部、つまり、短尺燃料
棒の上部に約５０１の間隔で二個とりつける。燃料集合
体の下部、つまり、短尺燃料棒がある場所には、第３図
に示した従来のスペーサを同様に約５０ａｍの間隔で五
個とりつける。

ここで、第１図に示した本発明の実施例を示すスペーサ
の特徴は、短尺燃料棒の位置（２，２）。

（２，５）、（２，８）、・・・、（８，８）を占める
丸セルのスペーサ格子１０１の肉厚が１．５２ｍと他の
丸セル格子の０．５１ｎｎの二倍であり、しかも、その
下部に内側を向いた突起１０２がついていることである
。

第７図に、本発明の第一の実施例を用いたときの集合体
上部での冷却材流量分布を（ｂ）、従来技術を用いた場
合（ｃ）と比較して示す。従来技術を用いた場合、短尺
燃料棒位置で冷却材流量が多いのに対して、本発明を用
いた場合、短尺燃料棒位置で冷却材流量が小さく、通常
燃料棒位置での冷却材流量が、約３％増加し平坦化して
おり、熱的余裕の増大が期待できる。

また、本発明を用いた場合、丸セル格子下部の突起によ
り、短尺燃料棒表面を液膜となって流れていた水を周囲
の通常燃料棒の表ｍｌに移すことができるので、この点
からも熱的余裕の増大が期待できる。

本発明による熱的余裕の増大効果は、出力発生割合が大
きく沸騰遷移が起りやすい燃料棒の位置や冷却材の流動
条件によって異なるが、沸騰遷移の起りやすい燃料棒が
短尺燃料棒に隣接しており、通常の沸騰水型原子炉の運
転条件（質量流量が１６００ｋｇ／ｒｒｒ・ｓ）では、
約４％である。

一般に、スペーサ格子肉厚と冷却材流量分布の平坦化は
ほぼ比例しているが、他方で肉厚とともに集合体内圧力
損失が増加する傾向もある。従って、再循環ポンプの水
頭を満足できる範囲で、肉厚を決めればよい。

次に、丸セル格子下部の突起は、短尺燃料棒表面を流れ
てきた液膜の流れの方向を変えて、周囲の通常燃料棒表
面に付着させるものである。したがって、突起はその先
端が短尺燃料棒の外周とほぼ等しくなれば液膜の水の流
れ方向を変えるのに都合が良い。突起の先端が短尺燃料
棒の外周より。

さらに、内側にまできても、液膜の水の流れ方向を支え
る効果は同じであり、このときには流動抵抗が大きくな
り集合体内圧力損失が大きくなるという悪影響がある。

逆に、短尺燃料棒の表面を流れる液膜の厚さは約０．５
ｎｍ以下なので、突起の先端が短尺燃料棒の外周から０
．５ｎｎ以上離れると液膜水の流れ方向を変える効果は
小さくなる。

本発明の第一の実施例では、短尺燃料棒の位置２０２を
占める丸セルスペーサ格子の肉厚を厚くし、下部に内側
を向いた突起をつけていた。

これらの構造から、（ａ）肉厚を厚くすることにより、短尺燃料棒位置での
冷却材の流量を減少し１通常燃料棒まわりの冷却材流量
を増加して、沸騰遷移に対する熱的余裕を増大する。

（ｂ）突起により、短尺燃料棒表面の液膜を周囲の通常
燃料棒の表面に移すことにより、沸ＩＩ！遷移に対する
熱的余裕を増大する。

という効果を得ていた。従って、丸セルスペーサを厚く
する。または、突起をつけることによって、効果は小さ
いが熱的余裕を増すことができる。丸セルスペーサを厚
くすることのみでは熱的余裕増大効果は約１．２％であ
り、突起をつけることによる効果は約２．８％である。

次に、本発明を第二実施例により、詳細に説明する。第
二の実施例では、第８図に示した８Ｘ８正方格子の中に
四本の短尺燃料棒（（２，２）。

（７，２）、　　（２，７）、　　（７，７））が装荷
された燃料集合体の上部に二個、第９図に示したスペー
サ４１をとりつけている６図中１１はバンド、１３はス
プリング、２２はデバイダ、２３は流れ障害物。

第二の実施例が、第一の実施例と異なるのは、正方のス
ペーサ格子の中で短尺燃料棒の上部に相当する位置に円
型の冷却材流れ障害物２３を取りつけていることである
。このような障害物を用いることにより、冷却材流量の
分布を平坦にすることができる。これによる沸騰遷移に
対する熱的余裕の増大は約１．５％である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、単に燃料集合体のスペーサの構造を変
えることのみで、沸騰遷移に対する熱的余裕を増すこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示すスペーサの断面図
、第２図は燃料集合体の断面図、第３図は従来技術のス
ペーサの断面図、第４図は燃料集合体内の蒸気重量率、
及び流速を示す図、第５図は従来技術による短尺燃料棒
近傍の冷却材流動を示す図、第６図は本発明を用いたと
きの短尺燃料棒近傍の冷却材流動を示す図、第７図は本
発明、及び従来技術による冷却材流量分布を比較した図
、第８図は本発明の第二の実施例を示す燃料集合体の断
面図、第９図は本発明の第二の実施例のスペーサの断面
図である。１・・・燃料集合体、２・・・通常燃料棒、２１・・・
短尺燃料棒、３・・・水ロッド、４・・・スペーサ、５
・・・下部タイプレート、６・・・上部タイプレート、
７・・・集合体壁、８°゛°軽水、９・・・入口オリフ
ィス、１０・・・丸セル、１１・・・バンド、１２・・
・デインプル、１３・・・スプリング、１４・・・フロ
ータブ、１５・・・バスタブ、１６・・・短尺燃料棒表
面の液膜、１７・・・通常燃料棒ｔｔｔ　）ｌ！：ｆ’
ｒＩ　’ｉミニ−４’ｉ　’縦嘘ギ面面（ｔｏ）　＃−Ｚ　　Ｃ１’／５ｅｃ）楢５０（ら）Ｗ−Ｗ’１ｌＴｈｒ；３椿す口（ｂ）　Ｖ−Ｖ’　＠ｒＸ：）口栢″ｒ虐工層璋（ａン　広゛ｆ士１１４シ不トを岳や＠ｋＪ　レフ（、
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Claims

【特許請求の範囲】１、長さの異なる複数種類の燃料棒を格子状に規則正し
く配置し、それらの長手方向軸線を平行にして支持し、
そして離間するスペーサからなり、冷却材が下部から流
入し、上部から流出する原子炉用の燃料集合体において
、短尺の前記燃料棒の上部に相当するスペーサ格子を肉厚
にするか、突起を設けるか、または、前記冷却材の流れ
の障害物を設けたことを特徴とする燃料集合体。