JPH01195393A - 燃料集合体 - Google Patents

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、燃料集合体に係わり、特に沸騰水型原子炉に
適用して核燃料物質の消費節約に良好かつ安定に運転で
きる燃料集合体に関するものである。

［従来の技術］ 従来の沸騰水型原子炉は、特開昭５４−１２１３８９号
公報に記載されているように、中性子の減速を促進させ
るために冷却水のみが流れる管（以下、水ロッドと称す
る）を有する燃料集合体を炉心内に装荷している。この
ような水ロッドの使用は、従来の沸騰水型原子炉の運転
条件では、ウラン原子に対する水素原子の数が多いほど
反応度が高く、炉心に装荷された核燃料物質を有効に活
用できるしかし、さらに核燃料物質の有効利用をはかる
ためには、核燃料物質の燃焼に伴って炉心の水素原子数
を変えて反応度を制御したほうが良い。その方法の一つ
に、スペクトルシフト運転法がある、ここではまずスペ
クトルシフト運転の原理について説明する。

沸騰水型原子炉において用いられる核燃料物質中には、
ウラン２３５とウラン２３８とが含まれており、ウラン
２３５が核燃料物質全体の数％で大部分はウラン２３８
である。このうち中性子を吸収して核分裂を生じるのは
主にウラン２３５であり、ウラン２３８はほとんど核分
裂を起こさない。したがってウラン２３５が燃焼によっ
て減少すると反応度は減少する。

しかし、ウラン２３８も核分裂によって生じる高エネル
ギーの中性子を吸収するとプルトニウム２３９に変わる
。プルトニウム２３９はウラン２３５と同じく、減速さ
れた中性子を吸収して核分裂を起こす。

ボイド率が大きいほど水素原子の数は少なく中性子のエ
ネルギーが高くなって、ウラン２３８からプルトニウム
２３９に転換される割合が大きく、ウラン２３５及びプ
ルトニウム２３９の総量の燃焼に伴う減少が小さい、た
だし、ボイド率が高いままでは反応度の絶対値が小さい
ので、ボイド率が低い場合に比べて反応度が臨界を維持
できるべき最低レベルに早く達してしまう、そこで、そ
の時点でボイド率を下げると中性子が十分減速されて反
応度が増して、ボイド率を一定で燃焼させるよりも核分
裂物質を長く燃焼させることができる。

第２図の従来例により沸騰水型炉における水ロツド１構
造を説明する。水ロッド１の内部に上昇流路２と下降流
路３を設け、上昇流路２の入口は燃料集合体流路と接続
しており、下降流路３の出口はバイパス流路に接続して
いる。このため水ロツド１内流路の出入口差圧は、炉心
圧力損失とほぼ同じである。ガンマヒーティングにより
水ロツド１内に蒸気が発生し、上昇流路２にこれと釣り
合うヘッドを生じる水位が形成される。流量が大きいと
きは炉心圧力損失が大きいので水位が高く、流量が小さ
いときは逆に水位が低い。

水位の変化１主炉心のボイド率の変化と同じ効果があり
、従来炉心ボイド率変化のみに依存していたスペクトル
シフトを水ロッド１水位変化を加えることにより大幅な
シフトが可能になった。

スペクトルシフト運転による燃料の高燃焼度化の説明を
第３図を用いて行なう。第３図は沸騰水型原子炉に用い
られる代表的な燃料集合体について、横軸に燃焼度、縦
軸に反応度の一つの指標である無限増倍係数を示してい
る。二本の線は同一の燃料集合体であるが、破線は燃料
集合体におけるボイド率を一定（ボイド率３０％）にて
燃焼させた場合を、実線は最初高ボイド率（ボイド率５
０％）で運転して途中でボイド率を下げた（ボイド率３
０％）場合を示す。第３図より、ボイド率を高くして燃
焼させた後でボイド率を下げた方が、より高い燃焼度を
得ている。特開昭６１−３８５８９号公報は、このスペ
クトルシフト運転を用いた燃料集合体であり、水ロンド
内に燃焼に伴って発熱量の低減する発熱体（核燃料物質
）を置いた構造となっており、燃料サイクル後半でボイ
ド率が小さくなる特開昭５７−１２５３９０号公報及び
特開昭５７−１２５３９１号公報は、ボイド率を変化さ
せる方法として、低速中性子吸収水押棒及びこの水押捧
よりも反応度価値が大きいステンレス鋼にて構成される
中性子吸収水押棒を設け、これらの水押捧の炉心内への
挿入量を制御して炉心内の冷却水量を調節することを述
べている。水押捧が、炉心内のボイド率を変える手段で
ある。水押捧の炉心内への挿入量を増やすと炉心内の冷
却水量が減るためボイド率が大きくなり、この挿入量を
減らすと炉心内の冷却水量が増えるためボイド率が小さ
くなる。

また、炉心を流れる冷却水量、またはサブクール（飽和
温度の冷却水が持っているエネルギー量から炉心に入る
冷却水が持っているエネルギー量の単位質量当たりの差
）を調節してボイド率を変える方法がある。燃料サイク
ル始めでは、炉心を流れる流量、またはサブクールを小
さくしボイド率を小さくシ、燃料サイクル途中から流量
またサブクールを大きくするものである。

本発明はこのスペクトルシフト運転をより安定に行なう
ための燃料集合体に関する。

［発明が解決しようとしている課題］ 水ロツド１内の水位は炉心流量とともに増大する炉心圧
力損失と水位下の液相のヘッドとの釣合で決定される。

何等かの原因によって炉心流量が変化したとき、炉心差
圧も変動し、水位が揺動する。これは炉心ボイド率が変
動するのと同じ効果があり、出力も変動する。このとき
、沸騰状態が変わることにより圧力損失が変動し、炉心
流量の変化を引き起こす。

この一連の経過が炉心流量と出力の不安定性の原因とな
り運転が困難になることが考えられる。

またシステム圧力の変動は、飽和蒸気の発生、凝縮を引
き起こし、水ロツド１内の蒸気量を変動する恐れがある
。このため水ロツド１内の水位が変動し、出力の不安定
を発生させる恐れがある。

本発明はの目的は、簡単な構造で、炉心流量やシステム
圧力等の外乱に対して安定に運転することができる燃料
集合体を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的は、水ロツド内の上昇流路２又は下降流路３
或はその両方の流路に流動抵抗源を設けることにより達
成できる。

［作用コ 水ロツド１内の流路の流動抵抗源により、急激な水位変
動をもたらす外乱が発生しても蒸気と水の流速が制限さ
れるので、水ロツド１内の水位の変動は緩やかである。

このため水位が殆ど変動しない間に外乱が終息し、次の
外乱を発生させるような反応度が加わることは無い、こ
のため外乱が新たな外乱を引き起こすことがなく、安定
な運転が可能になる。

［実施例］ 本実施例を説明する前に水ロツド１内の水位変動に対す
る流路の流動抵抗の影響について検討する。炉心の差圧
がΔＰ１であり、水ロツド１内の水位がＬｌである場合
に、炉心差圧が急激にΔＰ２となり、水位がＬｌになる
までの水位変動を考える。

水位りの運動方程式は次式で与えられる。

しｄＬ／ｄｔ　＝　−ｇ（Ｌ−Ｌｌ）−（Ｋｌ＋ＫｄＬ
）！ｄＬ／ｄｔｌ　（ｄＬ／ｄｔ）ここでＬは水位、ｇ
は重力定数、ｔは時間を表す。Ｋｌは局所圧力損失、Ｋ
ｄは分布圧力損失に関係する係数である。左辺は慣性力
、右辺第一項は平衡水位（Ｌｌ）からの変動よって加わ
る力、第二項は摩擦力（流動損失）である、この方程式
を時間ＯのときＬ＝Ｌ１．　ｄＬ／ｄｔ＝０の初期条件
のもとに解けばよい。

緩やかで微小な振動（ｄＬ／ｄｔ＝ｏ、ＩＬＩ−Ｌ２１
　＜＜Ｌｌ）の場合を考えると、上記微分方程式は近似
的に次のように書き換えられる。

（Ｋｌ＋ＫｄＬ２）　Ｉｄ（Ｌ−Ｌｌ）／ｄｔｌ　（ｄ
（Ｌ−Ｌｌ）／ｄｔ）＝−ｇ（Ｌ−Ｌｌ）この微分方程
式の解は次の通りである。この式から水位の変化率の絶
対値は次式で与えられる。

ｌｄＬ／ｄｔｌ＝（ｇ（Ｌ−Ｌｌ）／（Ｋｌ＋ＫｄＬ２
））１／２すなわち、水位の変化率は平衡水位と実際の
水位の差の１７２乗に比例し、摩擦損失係数の１７２乗
に反比例することが分かる。このため摩擦損失係数を大
きくすれば、外乱によって平衡水位が急速に変化したと
きも水ロツド１内の蒸気量の急速な変動ひいては出力変
動を抑制することができる。

以下、本発明について、実施例を用いて詳細に説明する
。第１図に本発明の一実施例を示す。本実施例では水位
が形成される上昇流路２において孔空き板１２を設け、
その流動抵抗により水位の変化に伴う流れを抑制してい
る。

第４図は別の実施例を示す１本実施例では流路に疎なメ
ツシュ１３を充填し、流動抵抗を発生させている。第１
図の実施例では水位が孔空き板１２の前後にある場合に
流動抵抗が不連続に変化するが、本実施例では水位の変
化とともに流動抵抗も連続的に変化するのでより安定な
水位挙動が期待できる。

実施例は水ロッド１の上昇管に流動抵抗源を設けたが、
下降管に設けた場合も蒸気の凝縮或は圧縮により外部か
ら水が流入するとき水の流入を遅らせ、急激な反応度の
変化を抑制できる。もちろん上昇管、下降管の両方に流
動抵抗源を設ければさらに効果は大ぎい。

なお、本発明は沸騰水型原子炉に限定して説明したが、
加圧水型原子炉においても、同様の効果が期待できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、単純な構造で炉心流量やシステム圧力
等の外乱による水ロンド内の水位の変化を抑制し、出力
変動を防止して安定性を向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は水ロッド
の構造を示す図、第３図はスペクトルシフト運転の効果
を示す図、第４図は別の実施例を示す図である。 １・・・水ロッド、２・・・上昇流路、３・・・下降流
路、４・・・流入口、５・・・吐出口、６・・・下部タ
イプレート、７・・・燃料棒、８・・・上部タイプレー
ト、９・・・燃料ペレット、１０・・・プレナム、１１
・・・バネ、１２・・・孔空き板。 １３・・・メツシュ。 ｔ・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上端部が前記上部タイプレートに保持され下端部が
   下部タイプレートの燃料保持部に保持され、しかも内部
   に複数の燃料ペレットを充填した複数の燃料棒と前記燃
   料棒間に配置された水ロッドを有する燃料集合体におい
   て、前記集合体の下端部に抵抗体を設け、前記水ロッド
   の内部に上端部が連絡されている複数の上昇流路と複数
   の下降流路を設け、前記上昇流路を抵抗体の下部領域か
   ら流入する冷却材の流路とし、それとは逆に前記下降流
   路を前記水ロッド内上端部から前記抵抗体より上方に冷
   却材を吐出させるための流路とする構造とし、さらに上
   昇流路又は下降流路或は両方の流路に流動抵抗源を設け
   ることを特徴とする燃料集合体。 ２、前記下降流路を前記水ロッドの内部に設けた請求項
   第１項記載の燃料集合体。