JPH01232291A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は洲騰水型原子炉（以下１３ＷＲというン等の軽
水炉用の燃料集合体に係り、特にウォータ０ツドやウォ
ータクロス等の減速材案内部材の流路抵抗を制御するこ
とによりスペクトルシフト運転を行なうことができる燃
料集合体に関する。

（従来の技術） ＢＷＲの炉心に装荷される従来の燃料集合体の一例とし
ては第５図に示すように構成されたものがあり、この燃
料集合体１は角筒状のチトンネルボックス２内に燃料バ
ンドル３を収容している。

燃わｌバンドル３は燃料棒４の複数本を、例えば８行８
列の正方格子状に配列して、その中央部に燃料棒４より
例えば大径のウォータロッド５を配置し、これらの軸方
向に多段に配設された偏平角筒状のスペーサ６により束
状に結束している。

また各燃料棒４およびウォータロッド５の上端部には上
部端栓７が、下端部には下部端栓８がそれぞれ固着され
、さらに、上部端栓７が上部タイブレート９に、下部端
栓８が下部タイブレート１０にそれぞれ支持されている
。

下部タイプレート１０はその間口１０ａから減速材と冷
却材としての機能を併有づ′る炉水を図中矢印に示すよ
うに内部に導入し、各燃料棒４相互間の間隙を下かＩう
上方へ向けて昇流させ、その際に各燃料棒４から放出さ
れる熱を除去する一方で、加熱されて炉心上部へ流れ、
気液二相流となる。

そして、ウォータロッド５はその下端部の取入口５ａよ
り炉水を内部へ導入し、軸方向上方へ案内して排出口５
ｂより外部へ流出させ、各燃料棒４の上端部に案内する
。ここで、炉水は主どして減速材として作用し、緩やか
に炉心下部からその上方へ流れ、炉心上部で上記気液二
相流と合流して混合される。なお、チＶンネルボックス
２の外周部およびウォータクロス（図示せず）によって
も、炉水がウォータロッド５と同様に炉心上方へ案内さ
れる。

ところで、ＢＷＲでは、原子炉出力が冷却材流量（再循
環流量）と図示しない制御棒の炉心への挿脱によって制
御される。制御棒は近年では原子炉出力制御のために使
用される頻度が比較的少なく、主として冷却材流量の制
御によって出ツノ制御が行なわれている。

これは燃料集合体１に対する熱的インパクトを低減し、
燃料棒４の健全性を確保υる上でＢＷＲ待右の侵れた制
御手段であることはよく知られている。

また、チｉ／ンネルボックス２内ではボイド（気泡）が
燃料集合体１上部へ行くほど多くなり、燃料集合体１の
発熱部上端付近ではボイド率が７０％を超えることもあ
り、燃料集合体１の下端よりやや上方がボイド発生の最
下位吊である。

そして、従来の燃料集合体１は、燃料棒４の（）ｒ全性
を確保するために、その出力分布を、運転サイクルの初
期から末期まで全期間に亘って軸方向になるべく−様な
状態にする必要があった。

しかし、最近では燃料棒４の燃料被覆管内面にバリア層
を設けることにより、燃料棒４の健全性を著しく向上さ
せているので、運転サイクル全１９１間を通して軸方向
出力分布をなるべく一定かつ平坦に保つ必要性が大幅に
低下した。

ＢＷＲでは本来、炉心の上方へ行（に従ってボイド率が
高くなるので、出力分布は運転サイクル初期（以下ＢＯ
Ｃという）で燃料集合体の上端部が抑えられる一方、燃
料集合体の下部に歪む。

一方、運転ザイクル末期（以下ＥＯＣという）では燃料
集合体の下部の核分裂性核種濃度が燃焼により減耗し、
燃料集合体上部ではボイドにより減耗が遅れると共にボ
イドによるスペクトル硬化のためにブルトニウムがより
多く蓄積され、そのために、炉心下方で出力が低下し、
燃料集合体上部で高くなる挙動を示している。

（発明が解決しようとする課題） このような本来の性質をなるべく利用するのが燃ＩＩの
紅汎性として優れているが、従来は燃料針金性の確保な
いし向上のために、燃料集合体下部に、より多くの可燃
性毒物を配置したり、燃料集合体上部の燃料濃縮瓜を高
めるなどして対処して来た。これらは中性子経済の悪化
を招ぎ、あるいは燃料の燃え残りによる燃料経済性の悪
化を招いていた。そこで本発明は上記事情を考慮してな
されたもので、その１」的は燃料経済性を向上させるこ
とができる燃料集合体を提供することを目的とする。

（発明の構成） （課題を解決するための手段） 上記した原子炉の自然現象的な性質は再循環流量の調節
により、相当広節囲に調節されるものであり、ＢＯＣで
は炉心のより下方でボイドが発生ずるため、冷却材の圧
力損失が高くなり、その結果、冷却材炉心流量が低下し
ゃすくなり、一方、ＥＯＣでは丁度、これとは逆の挙動
を示す。

ところで、運転サイクル前半で減速材として機能する水
の密度を低下させ、中性子スペクトルを硬化させ、それ
によってプルトニウム生成を助長して蓄積し、このプル
トニウムをＥＯＣで減速材（水）の密度を上昇さＶるこ
とにより、核分裂を起させることができれば、核燃料の
有効利用が図れることはよ（知られてＪ３す、これを実
施する手段として、ＢＷＲでは冷ＩＩ材流量制御法があ
る。

これはＢＯＣで６月１材炉心流吊を下げることにより、
燃料集合体の下部で高出力とする一方、燃料集合体の上
部でボイド割合を高くして、プルトニウムを生成蓄積す
るものである。

また、ＥＯＣでは炉心流量を増大させることにより、燃
料集合体の上部で高出力とし、ＢＯＣで蓄積されたプル
トニウムと残存ウランを燃焼させる。このような運転方
法はスペクトルシフト運転法と言われている。

ＢＷＲのＢＯＣではつ４−タロラドをボイド棒として、
すなわちつ４−タロラドから水を排除するボイド捧とし
、また、ＥＯＣではウォータロッドとして利用できれば
スペクトルシフト運転はより効果的となり、燃料の経済
性を大幅に向上させることができる。このような特性は
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）においても全く同様である。

そこで本発明は、核燃料を充填した複数本の燃料棒と、
これら燃料棒周りへ減速材を案内する減速材案内部材と
を有し、上記減速材に浸漬される炉心に装荷される燃料
集合体において、上記減速材案内部材に、上記減速材を
上記燃料棒の軸方向中間部ないし下部用りに排出する１
ノ１出口と、上記減速材の炉心流量の最小時に上記減速
材案内部材の流路抵抗を最大とする一方、この流路抵抗
を上記炉心流用の増大に応じて連続的に低減させる流路
抵抗体とを設けたことを特徴とする。

（作用） 運転ナイクル初期では冷却材の炉心流量が比較的小さく
、炉心のボイドが多いので、流路抵抗体により減速材案
内部材の流路抵抗が、燃料棒周りの流路抵抗に比して高
められ、両者の流路抵抗差が増大している。

このために、減速材案内部材の排出口により燃料集合体
の軸方向中間部ないし下部に案内される減速材の流量が
低下し、燃料集合体の上端から中間部ないし下部までの
ボイド率が高められ、スペクトル硬化のためにプルトニ
ウムが燃料集合体の上端から中間部ないし下部までに多
く生成、蓄積される。

一方、運転サイクル末期では冷却材の炉心流量が運転サ
イクル初期のときよりも増大され、炉心のボイドが低減
されるので、流路抵抗体により減速材案内部材の流路抵
抗が、燃料棒周りの流路抵抗に比して低減され、両省の
流路抵抗差が低減している。

このために、減速材案内部材の排出口により燃料集合体
の中間部ないし下部に案内される減速材の流量が増大し
、燃料集合体の上端から下部までのボイド率が低減され
、運転サイクル初期に蓄積されたプルトニウムを燃焼ケ
る。

したがって本発明によれば、運転ナイクル初期で生成蓄
積したプルトニウムを運転サイクル末期で燃焼すること
ができるので、その分、燃料経済性の向上を図ることが
できる。

また、プルトニウムを燃料集合体の上端部から、中間部
ないし下部までに亘って生成蓄積し、燃焼することがで
きるので、大幅な燃料経済性の向上を図ることができる
。

（実施例） 以下本発明の実施例を第１図に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例の要部縦断面図であり、同図（
Ａ）において、ウォータロッド１１は例えば正方格子状
に配列された複数本の燃料棒の中央部に配置されて、こ
れら燃料棒と共に燃料スペーサにより束状に結束され、
炉水を減速材として燃料棒周りに案内する減速４４案内
部材に構成されており、燃料棒有効長全長しとほぼ等し
い軸長を有する。

ウォータロッド１１は外管１２内に内管１３を同軸状に
収容して２重管に構成し、外管１２と内管１３との間に
環状流路１４を形成している。

また、内管１３の図中上端には軸直角方向く幅方向）に
Ｌ！通する横孔１３ａを複数穿設して、環状流路１４の
上端部と幅方向に連通させる一方、内管１３の図中下端
を下部タイプレート１５の上面上における嵌通孔１５ａ
の外周部上に載置しでいる。

また、内管１３の下端部内には両端間口の短軸管１６を
内嵌固着し、この短軸管１６の間口上端には流路抵抗体
１７を内嵌固着する一方、その間口下端を下部タイブレ
ート１５の若干下方まで延出させて取入口１６ａを形成
している。

一方、内管１３の外周には軸方向に所要の間隔をおいて
例えば環状で上下一対の内管保持用スペーサ１８．１８
を外■固着し、これら内管保持用スペーサ１８．１８の
外周と外管１２内周而に固着して内管１３を外管１２に
支持させており、各内管保持用スペーサ１８．１８には
炉水を通水させる通水孔１８ａ、１８ａを軸方向に穿設
している。

外管１２の閉塞底部の外周面には、この外管１２の外周
面を図示しない複数の燃料棒と共に径方向に束状に結束
する所要の燃料スペーサ１９のやや上方にて、図中外側
斜め上方に開口する排出口１２ａを例えば径方向対称位
置にて穿設しており、これら排出口１２ａは例えば燃Ｉ
ｔ捧右効発熱部下端より１／４Ｌ程度ないし、やや下端
側の箇所に位置している。

上記流路抵抗体１７は燃料棒有効発熱部下端から例えば
約４０〜９０α程度上方の出力分布のボトムビーク時な
いし、やや下端側に対応する部分であって、燃料スペー
サ１９と下部タイブレート１５との間に位置し、軸方向
に通水孔１７ａをａ＋通させている。

なお、燃料スペーサ１９は＋７）出口１２ａからの減速
材排出をＪ：り効果的かつ確実化する為に上述の配置と
したが、設計条件によっては燃わ１スペーサ１９と排出
口１２ａとの位置関係を変えてｂよい。

流路抵抗体１７は通水孔１７ａ周りに放射線吸収発熱体
を内蔵して＋３す、ＢＯＣ（運転サイクル初期）等のボ
トムビーク時に発熱する放射線吸収発熱体の発熱により
通水孔１７ａを通水する炉水を加熱してボイド（気泡）
を発生させ、このボイドにより流路抵抗体１７の通水孔
１７ａの流路を調節して、通水孔１７ａの流路抵抗を制
御するようになっている。

上記放射線吸収発熱体としては、いろいろのものがある
が、その−例は中性子を吸収して発熱する天然ウラン、
微濁縮ウラン、減損ウラン等がある。

その本質的な理由は全運転サイクを通じて残存ウランと
生成蓄積したプルトニウムの核分裂性核種の合甜が余り
変化しないからである。

これが全サイクルを通じて変化すると、運転サイクルに
よって、また、運転サイクルの時期によって同一中性子
（γ線）レベルでも流路抵抗が変化す゛るので、炉心運
転特性の変化に対して十分な対応を考虐する必要が生じ
るためである。　また、他の放射線吸収発熱体としては
中性子吸収材であるボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）、ハフ
ニウム（Ｈｆ）、酸化ユーロピウム（Ｅｕ２０３）等が
あり、これらは中性子を吸収して発熱する。

さらに、伯の放射線吸収発熱体としてはγ線吸収体があ
る。中性子束が高ければ核分裂等に伴う即発ガンマ線が
比例的に高くなるので、そのγ線を吸収して発熱させて
もよい。そのような物質としては、核外電子の多い（し
たがって原子番号の大きい）元素が優れている。

但し、融点が低いもの、高い放射能を帯び易いものはＭ
Ｇプるべぎである。上述のｌ−１ｆ、ＨｆＯ２等はγ線
吸収体としても優れている。ウォータロッド１１と同一
４４質のジルカロイ、あるいは１−（ｆを少聞含むＺｒ
−）−１ｆ合金などは原子炉での使用実績が充分あり、
実用上優れている。

上記の例は外部から照射されたγ線を吸収する揚台につ
いて記したが、中性子を吸収して発熱するものであって
もよい。この場合はあまり原子番号が大きくなく、鉄に
近いものがよい。しかし中性子吸収断面積が著るしく小
さければ役に立たない。上述のＨｆ、ＨｆＯ２はこれら
の点でも優れている。

なお、第１図（△）中、符号２１は外管１２の開口上端
を閉塞する上部端栓である。

次に本実施例を例えばＢＷＲ型原子炉の炉心に装荷した
場合の作用について説明する。

ＢＷＲ型原子炉の炉心に装荷された燃料集合体の軸方向
出力分布は第２図（Ａ）に示づ゛ように分布し、その出
力ピニクは、ＢＯＣでは燃料集合体の有効発熱部小端（
以下、燃料集合体の下端という）から１／４Ｌ付近まで
の下部にあるが、運転サイクル中期（以下ＭＯＣという
）からＥＯＣへ進行するに従って燃料集合体の上部へと
次第に移行して行く。実際には制御棒操作も行なわれる
為、この説明から、いくらかずれるが、ＥＯＣでトップ
ビークとするのが好適であるのに変りはない。

このように軸方向出力分布を変化させる主たる原因は第
２図（Ｂ）で示すボイド率分布変化に起因し、燃料集合
体の下端からほぼ３／４Ｌ付近までのボイド率がＢＯＣ
からＭＯＣ，ＥＯＣへと進行するに従って順次低下する
。これは炉水の炉心温間がＢＯＣで最小であり、ＭＯＣ
，ＥＯＣへと順次進行するに従って増大し、炉水流動圧
力が昇圧してボイドを潰す効率が向上するためである。

したがって、ＢＯＣでは炉心流量が他の運転サイクルの
とぎに比して比較的少ないが、炉心部の軸方向出力分布
が第２図（Ａ）に示すように炉心下部で高出力であり、
中性子束、γ線も増大するボトムビークを示している。

このために、中性子束、γ線を吸収等しだ流路抵抗体１
７の放射線吸収発熱体はその発熱量を増大させている。

そこで、下部タイブレート１５の下方の高圧炉水がウォ
ータロッド１１の内管１３の取入口１６よりその内部へ
取り入れられて、図中矢印に示すように昇流し、流路抵
抗体１７の通水孔１７ａを通水すると、上記したように
ボトムビークにより既に発熱量を増大さじでいる放射線
吸収発熱体にＪ、り炉水を加熱させてボイドをより多く
発生さけ、内管１３内の炉水中のボイド率を高める。

この通水孔１７ａでボイド率が高まると、そのボイドに
より通水路が狭隘化されるので、ここでの流路抵抗が増
大し、炉水の液相が減少する。

この液相を減少させてボイド率を高めた炉水は、さらに
上方へ昇流して一ヒ部端栓２１の内端に衝突して径方向
に拡散し、各横孔１３ａを通って環状流路１４の上端部
に到達して、さらに内管１３の炉水圧により１１状流路
１４を下向きに転流して降下し、外管１２底部の排出口
１２ａの内側に到達する。

この排出口１２ａの内側に到達した炉水の流速は内管１
３の取入口１６ａから環状流路１４へ転流し、ここをさ
らに降下して長い流路を流れる間に、その流路抵抗によ
り減速されているので、この排出口１２ａの外側を昇流
している炉水の流速に比して低速である。

したがって、排出口１２ａの外側の静圧の方がその内側
の静圧よりも低い差圧が形成され、その差圧により排出
口１２ａの内側の炉水が外側へ強制的に、連れ出され、
排出される。

したがって、ＢＯＣではウォータロッド１１の排出口１
２ａから燃料棒下部周りへ案内される減速材の炉水の液
相が低減するので、炉水による中性子減速効果が低減し
、燃料棒にはプルトニウムが炉水の減少分だけ、より多
く、生成蓄積される。

またウォータロッド１１の排出口１２ａは燃料集合体の
下端から１／４Ｌ付近ないし、やや下端側付近で開口し
ているので、この１／４Ｌないし、やや下端側から上端
までの間にて燃料棒内にプルトニウムの生成蓄積が行な
われるので、プルトニウムの生成蓄積量の増大を図るこ
とができる。

一方、ＥＯＣでは炉水の炉心流饋がＢＯＣのときよりも
増大される反面、炉心の軸方向出力分布がボトムビーク
に代わって１−ツブビークに変動する。

このために、１クオータロツド１１の流路抵抗体１７の
放射線吸収発熱体の発熱ｈ１が減少している。

したがって、内管１３の取入口１６ａよりその内部へ取
り入れられた高圧炉水が流路抵抗体１７の通水孔１７ａ
を通水する際に、放射線吸収体により加熱されてボイド
を発生させるボイド発生率を低下させる。

そして、ボイドを減少さける一方で液相を増大させた炉
水に上記したように内管１３内を昇流してから、環状流
路を流下して排出口１２ａの内側に到達する。

一方、排出口１２ａの外側を＋ｙ？流する炉水は炉心ｒ
Ｑｆｆｌの増大に伴なってＢＯＣのときよりし一段と流
速を高めているので、その分、排出口１２ａの内外の差
圧がＢＯＣのときよりも一段と増大する。このために、
排出口１２ａの内側から外側へ強制的に連れ出される炉
水の流量も一段と増大する。

したがって、ＥＯＣではウォータロッド１１の排出口１
２ａから燃料棒下部周りへ案内される炉水の液相が増大
するので、炉水による中性子減速効果が増大し、ＢＯＣ
で燃料棒内に生成蓄積したプルトニウムを燃焼さμるこ
とができ、その燃焼弁たり燃焼期間の延長を図ることが
できるので、燃１１経済性の向上を図ることができる。

また、ウォータロッド１１の排出口１２ａが燃料スペー
サ１９より下流側で間口しているので、このスペーサ１
９の下流側における圧力損失により、排出口１２ａの外
側の炉水圧がさらに低下し、排出口１２ａの内外の差圧
の増大を図ることができ、その内側から外側へ連れ出す
炉水の流量の増大を図ることができる。

なお、つ４−タロラド１１の排出口１２ａの開口位置を
取入口１６ａの近傍まで、下げてちにり、これによれば
排出口１２ａの間口位置を下げる分だ【ノ、燃料棒内の
ブルトニウム生成蓄積領域の拡大を図ることができ、燃
料経済性の向上を図ることができる。但し、その場合に
は当然流路抵抗体１７の流路抵抗が変更される。なお、
炉心設計条件によっては排出口１２ａの間口位置を燃料
棒の軸方向中間部高さ付近まで上げてもよい。

また、流路抵抗体１７は第３図（Δ）（Ｂ）もしくは第
４図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように構成してもよい。

すなわら、流路抵抗体１７は第３図（△）の平面図、（
Ｂ）の縦断面図に示すように円柱体の本体４０にその軸
方向に通水孔１７ａである複数のＬ′！ｉ通孔４１を穿
設しており、これらＣ１通孔を通水する炉水のボイドの
多少に応じてその流路抵抗を連続的に制御するように構
成されている。

貫通孔４１は第４図（Ａ）の平面図に示すように直径を
異にする複数のリング状し′Ａ通孔４１ａを同心円状に
配設してもよい。

さらに、第４図（Ｂ）、（Ｃ）には他の流路抵抗体４２
．４３をそれぞれ示しており、前者は両端間口で細径の
螺旋＠４２の開口下端をウォータロッド１１の取入口１
６ａ側に向けて固着している。

したがって、細径の螺旋管４２の流路抵抗は通水する炉
水のボイド率の高い程流路抵抗を連続的に増大上しめ、
ボイド率の低減に応じて流路抵抗を連続的に低減せしめ
ることができる。

また、後者の流路抵抗体４３は有蓋円筒体の底部開口端
をウォータロッド１１の取入口１６ａ側に向けて同軸状
に開口させて固定し、取入口１６ａから取水した炉水を
下向に転流させ、その下方へ流出させることにより、取
水した炉水のボイド率が高いときに流路抵抗を高め、ボ
イド率の低減と共に、流路抵抗を連続的に低減するよう
に制御しようとするものである。

第３図および第４図では、４種類の流路抵抗体について
説明したが、伯にもいろいろ考えられる。

例えばウォータロッド１１の外、内管１２．１３の内面
を粗面にしたり、スロート状としても効果を奏する。

第１図（Ｂ）は本発明の他の実施例を示し、この実施例
は内管１３ＩＩの下半部、例えば内管１３■の１／２Ｌ
より下方までの直径（幅）を所要径（幅）に縮少し、必
要に応じて外ｔ−′１１２の下部を内管１３１１の細径
化に応じて縮少するものであり、これ以外は上記第１図
（Ａ）で示す実施例と同様の構成であるので、第１図（
［３）巾、第１図（Ａ）と共通する部分には同一符号を
付して、その重複した部分の説明を省略する。

本実施例は内管１３Ｍの下半部を細径化したので、この
内管１３１１の細径化部分の径（幅）と燃料棒の径との
差が下部タイブレー１−１５付近で縮少し、両者の耐震
上の応力のアンバランスを低減することができ、燃料集
合体としての別械的強度の増強を図ることができる。

また、内管１３１１の細径化により、その溝成索祠のジ
ルカロイの物ｍの低減を図ることができると共に、この
内管１３１１の中性子吸収量を低減して中性子経演の向
上を図ることができる。

さらに、内管１３ＩＩのＩ径部周りに、その細径部長さ
にほぼ匹敵する短尺型燃料棒（図示せず）を配設するこ
とができるので、燃料の増大を図ることができる。

〔発明の効果〕

以」ニ説明したように本発明は、流路抵抗体により炉心
流量に応じて減速材案内部材の流路抵抗を連続的に制御
することができるので、スペクトルシフト運転を安全に
行なうことができる。

イの結束、１３０ＧでプルトニウムをＪ：り多く生成、
蓄積し、このプルトニウムをＥＯＣで燃焼することがで
きるので、燃料経済性の向上を図ることができる。

また、減速材案内部材の排出口が減速材を燃料棒の軸方
向中間部ないし下部周りへ案内するので、燃料棒におけ
るプルトニウムの生成蓄積領域の増大を図ることができ
、その分、より一層の燃料経済性の向上を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る燃料集合体の各実
施例の縦断面図、第２図（Ａ）、（Ｂ）は−膜内な燃料
集合体の軸方向出力分布と、ボイド率分布をそれぞれ示
ずグラフ、第３図（Ａ）は第１図で示１−流路抵抗体の
一例の平面図、第３図（Ｂ）は第３図（△）の縦断面図
、第４図（Ａ）。 （Ｂ）、（Ｃ）は第１図で示す流路抵抗体の他の例をそ
れぞれ示す図、第５図は従来の燃料集合体の縦断面図で
ある。 １１・・・ウォータロッド、１２・・・外管、１２ａ・
・・排出口、１３．１３ｍ・・・内管、１７・・・流路
抵抗体。 出願人代理人　　波　多　野　　　　久（Ａ） 第１図 、（Ｂ） 第１図 ４１ａ （Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 核燃料を充填した複数本の燃料棒と、これら燃料棒周り
   へ減速材を案内する減速材案内部材とを有し、上記減速
   材に浸漬される炉心に装荷される燃料集合体において、
   上記減速材案内部材に、上記減速材を上記燃料棒の軸方
   向中間部ないし下部周りに排出する排出口と、上記減速
   材の炉心流量の最小時に上記減速材案内部材の流路抵抗
   を最大とする一方、この流路抵抗を上記炉心流量の増大
   に応じて連続的に低減させる流路抵抗体とを設けたこと
   を特徴とする燃料集合体。