JPH01239496A

JPH01239496A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH01239496A
Application number: JP63065735A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Ando; 安藤　良平; Kiyoshi Ueda; 精植田; Ritsuo Yoshioka; 律夫吉岡
Original assignee: Toshiba Corp; Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
Priority date: 1988-03-22
Filing date: 1988-03-22
Publication date: 1989-09-25

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）本発明は燃料集合体に係り、特に運転サイクルが長くか
つ高停止余裕型の原子炉に適した燃料集合体に関する。

（従来の技術）沸騰水型原子炉の燃料集合体は、金属製被覆管内部に核
燃料物質を充填した多数の燃料棒を規則正しく配列され
たものが方形のチャンネルボックスの内部に収納されて
構成されている。そして、沸騰水型原子炉の炉心では、
通常１体の十字型制御棒とそれを取り囲む４体の燃料集
合体とから構成されたセルが規則正しく配置されている
。すなわち、沸騰水型原子炉の炉心の各燃料集合体およ
び制御棒は、それらの軸が垂直で互いに平行になるよう
に配列され、減速材としての機能を有する冷却材は炉心
の下方から上方に向って流れるように構成されている。

そして、炉心有効部下端即ち発熱部の下端付近では気泡
は発生しないが、炉心の中央部から上端部にか【ブては
大量の気泡が発生し、この発生した気泡は炉心上方に流
れる。従って炉心中央部から上方では気泡の占める割合
が特に高くなっている。気泡の占める体積割合即ちボイ
ド割合が高くなると、中性子の減速特性が低下するため
熱中性子束が低下し、出力が低下する。

これを避けるため、ボイド割合の高い部位では核分裂核
種濃度即ち濃縮度を高めたり、或いはボイド割合の低い
部位の出力上昇を抑えるべく可燃性毒物を入れるなどし
て対処してきた。′したがって、沸騰水型原子炉では炉
心上部の燃焼が遅れやすく、これによってＵ−２３５１
度が相対的に他の部分より高くなり、また、ボイドによ
りＰｔＪ−２３９などの核分裂性核種が生成されるため
、炉心中央部から上部にかけては原子炉の停止余裕がき
びしくなり易い事はよく知られている。さらに、経済性
向上を主目的として、運転サイクルの長期化や燃料の燃
焼度向上のための努力が続けられている。この場合も燃
料の濃縮度は必然的に高められるので、原子炉の停止余
裕は一段ときびしくなる。

第１６図（ａ）および同図（ｂ）はそれぞれ従来の燃料
集合体の斜視図および燃料集合体を構成する燃料棒の概
略縦断面図である。

同図（ａ）において、燃料集合体１は水棒（図示せず）
と燃料棒３を上部タイプレート４．スペーサ５．下部タ
イプレート６により固定し、その外側をチャンネルボッ
クス２で取囲むように構成されている。燃料棒３は同図
＜１））に示すように、被覆管７内に燃料ペレット８を
配設し、その上部のガスプレナムにスプリング９を設け
、上端に下部端栓１０を下端に下部端栓１１を設けてい
る。

上述したように、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ＞の発熱部で
ある燃料集合体の最下端では、気泡は発生しないものの
、その他の部分ではどこででも気泡は発生し、しかも発
生した気泡は上方（下流）へ流れていく。従って、ＢＷ
Ｒの気泡割合（ボイド割合）は炉心上方はど高くなる。

その結果、中性子の減速特性が低下するので核分裂割合
が低下することになる。すなわち、燃焼は炉心下方で進
み、炉心上方で遅れることになる。そこで、炉心上方の
出力の低下を抑制するために、炉心上方の核分裂核種濃
度を高くすることが提案されている。

（発明が解決しようとする課題）ところが、炉心上方でのボイド割合の上昇と核分裂核種
濃度を高くすることは、原子炉停止時の炉心上部での未
臨界度を浅くすることになる。

一方、運転サイクルを長期化して経済性を向上するため
には燃料の濃縮度を更に高めなければならないが、この
ことは炉心上部での未臨界度をますます浅くすることに
なり、終には原子炉を停止できなくなる場合も考えられ
る。すなわち、この点がネックとなって従来の原子炉炉
心では運転サイクルの長期化が出来ないという問題点が
おった。

本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、
その目的は、同一平均濃縮度で従来の燃料集合体に比べ
ると炉停止余裕は大きくかつ高ボイド割合での反応度は
高くざらに燃料の高濃縮度化に対応できるような燃料集
合体を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明は原子炉運転時に高
ボイド割合となる燃料集合体上部で少なくとも制御棒が
挿入されない水ギャップに沿ってチャンネルボックスの
肉厚を薄くするかまたは少なくとも制御棒が挿入されな
い側のチャンネルボックスに沿って配置されている燃料
棒を細径化することにより燃料集合体間に存在する水の
量を大きくして、出力運転時冷態時反応度差を小さくす
ることにより炉停止余裕の増大を図るようにしたことを
特徴とするものである。

（作　用）燃料集合体間の中性子相互作用（結合効果）は、冷態時
には水の密度が大きい（約ｉ、ｏｇ／ｃｃ）ので熱中性
子の拡散距離が小さいため弱く、高温時には水の密度が
小さい（ボイドがない基準状態で０、７４９　／ＣＣ）
ので熱中性子の拡散距離は大きく強くなる。ざらに、ボ
イドが発生すると気水温合体の密度は０．３ｇ／ｃｃ程
度まで低下するため、熱中性子の拡散距離は冷態時の３
倍（、’：：　１．０１０．３）程度まで大きくなり、
燃料集合体間の結合は一答大きくなる。従って、燃料集
合体内の水の量を同−割合増加した場合、熱中性子利用
率の減少率は冷態時で大きく、高温時では小さく、ボイ
ド率が高くなる程小さくなる。すなわち、本発明の燃料
集合体によると、原子炉運転時に高ボイド領域となる燃
料集合体上部に存在する水の量が従来の燃料集合体に比
べ多くなるので熱中性子利用率は低下するが、これによ
る反応度損失は原子炉停止時（冷態時）に大きく、原子
炉運転時（高温時ボイド重大）では小さい。

一方、燃料集合体内の水の担を増大すると中性子の減速
効果が大きくなり、共鳴吸収を逃れる確率を大きくする
ことができるので、これによる反応度利得がある。すな
わち、本発明の燃料集合体では熱中性子利用率の低下に
よる反応度損失が原子炉停止時に大きく、原子炉運転時
に小さいことを利用し、炉停止余裕の増加を図るととも
に共鳴吸収を逃れる確率の増加による反応度利得を利用
して従来の燃料集合体の中性子無限増倍率と比べて原子
炉停止時には小さく、原子炉運転時には大きくすること
もできる。

本発明の上述の作用を第３図を参照して説明する。

同図（ａ）に示すように、直方形断面を有する２つの燃
料領域が存在するものとする。また、燃料領域Ｉ、ＩＩ
の水ギャップ幅Ｗと同じ方向の幅ｗｆは水ギャップ幅Ｗ
に比べて充分広いものとする。

この時の水ギャップ幅Ｗと中性子増倍率の関係は同図（
ｂ）に示す通りであり、同図（ｂ）のＣの部分を拡大し
たものを同図（Ｃ）に示す。ここで、中性子増倍率の変
化は、高温時（長い点線および短い点線）、冷態時（実
線）とも水ギャップ幅がゼロの時の中性子増倍率からの
変化を示す。同図（Ｃ）から分るように無限増倍率が最
大となる水ギャップ幅Ｗの値は高温時の方が冷態時より
大きく、また、高温時でみるとボイド率が大きい程大き
くなる。これは上述したように、冷態時より高温時でみ
ると、ボイド率が大きい程熱中性子拡散距離が大きくな
るため、熱中性子利用率を最大にする水ギャップ幅Ｗが
大きくなるからである。しかし、炉心の中で燃料集合体
の軸方向と直角方向く軽水炉では通常水平方向）におけ
る燃料集合体の間隔を広くして水ギャップ幅Ｗを大きく
することは困難である。

本発明はかかる状況を鑑みてなされたもので、燃料集合
体の上部でチャンネルボックスの肉厚を薄クシたり、チ
ャンネルボックスに沿って配置されている燃料棒を細径
化することにより第３図（ａ）に示した燃料領域間には
さまれろ水ギャップ幅Ｗを増加させて、水密度による熱
中性子利用率の変化率の違いを利用して出力運転時の中
性子増倍率と冷態時の中性子増倍率の差を小ざくするこ
とによって原子炉の炉停止余裕を大きくしようとするも
のである。また、上記作用により中性子の減速効果が増
大するので、共鳴吸収を逃れる確率が大きくでき、それ
によって得られる反応度利得を利用して原子炉運転時の
中性子増倍率を大きくするものである。

次に、上述の作用に基づく効果を第４図〜第７図を参照
して詳細に説明する。

第４図に示す燃料集合体は燃料棒１２を８×８配列し、
その外側をチャンネルボックス１３で取り囲んでいる。

１４は制御棒である。このチャンネルボックス１３の肉
厚Ｗ（を薄クシ、その分ウォータフィルムと呼ばれる＠
域の幅ｗｅを増した時の中性子無限増倍率の変化を示す
と、第５図（ａ）に示すようなグラフが得られる。この
第５図（ａ）から水ギャップ幅を大きくしていくとく増
加量は第４図のウォータフィルムの幅Ｗｅの増加量の２
倍としである）、冷態時の中性子無限増倍率は小さくな
るのに対し、高温時の中性子無限増倍率は大きくなり、
ボイド率が大きくなるにつれて増倍率も大きくなること
が分る。同図（ｂ）、　（Ｃ）は中性子無限増倍率の変
化の成因を共鳴吸収を逃れる確率の変化による成分と熱
中性子利用率の変化による成分に分解したものである。

これによると、出力運転時冷態時反応度差は水ギャップ
幅を大きくしていくと小さくなり、この傾向はボイド率
が大きくなるほど大きい。また、原子炉運転時の中性子
無限増倍率を大きくすることもできる。これは同図（ｂ
）、（Ｃ）に示す次の２つの効果によって生み出される
。

（１）水ギャップ幅が増加するにつれ、燃料集合体内に
存在する水の量が増すので、中性子の減速効果が良くな
り、共鳴吸収を逃れる確率が大きくなる。これにより、
冷態時、高温時とも反応度利得がおる。この反応度利得
の大きさは燃料集合体内の気水混合体または水の密度に
必まりよらない。

（２）水ギャップ幅が増加するにつれ熱中性子利用率が
低下するので、反応度損失がある。この反応度損失の大
きさは冷態時で大きく、高温時で小さく、高温時ではボ
イド率が大きくなる程小さくなる。これは前述したよう
に気水温合体または水の密度が小さくなるほど熱中性子
拡散距離が大きくなるためでおる。第５図（Ｃ）におい
て、高温時（ボイド率：大）の熱中性子利用率の変化に
よる成分がほとんど変わらないのは、水ギャップ幅が増
加するにつれてチャンネルボックス１３での中性子吸収
量が減少するためである。

第４図に示す本発明の燃料集合体は、原子炉の炉停止余
裕を増加するため、上述の効果（２）を主として利用し
、また効果（１）を利用して原子炉運転時の反応度を高
めるようにしたものでおる。

第６図は燃料集合体間に存在する水の伍を増加する本発
明の他の例を示した平面図である。

すなわち、本発明の燃料集合体は燃料棒１２の相互間隔
Ｗｐを小さくしてウォータフィルムの幅ｗｅを大きくし
た場合でおる。第７図はこの場合の中性子無限増倍率の
変化を示したものである。

（チャンネルボックス１３の形状は第４図と同じであり
、水ギャップ幅の増加量は第５図と同様ウォータフィル
ムの幅ｗｅの増加量の２倍としである）この第７図（ａ
）から水ギャップ幅を大きくしていくと、冷態時では中
性子無限増倍率は小さくなるのに対し、高温時での中性
子無限増倍率はボイド率が小ざい時はやや小さくなるも
のの、ボイド率が大きい時はむしろ大きくなるのが分か
る。同図（ｂ）、（Ｃ）は第５図（ｂ）、　（Ｃ）同様
中性子無限増倍率の変化の成因を共鳴吸収を逃れる確率
の変化による成分と熱中性子利用率の変化による成分に
分解したものである。これから、水ギャップ幅の増加に
よる中性子無限増倍率の変化は次の２つの効果によって
説明される。

（ｉ）この例は第５図の場合と異なり、水ギャップ幅が
変化しても燃料集合体内に存在する水の量は一定である
。しかし、水ギャップ幅が増加するにつれ燃料棒間距離
が小さくなるので、燃料棒間の自己遮蔽効果が大きくな
り、共鳴による中性子吸収量が減少する。これにより共
鳴吸収を逃れる確率が大きくなり１反応度利得につなが
っている。

これは結果的に第５図（ｂ）と同じであるが、反応度利
得の大きさは冷態時より高温時で大きく、高温時ではボ
イド率が大きくなるほど大きい。

（１１）水ギャップ幅が大きくなると、熱中性子利用率
が低下するので反応度損失がある。これは第５図（Ｃ）
に示したものと全く同様である。しかし、水ギャップ幅
の変化によってチャンネルボックスによる中性子吸収量
はほぼ一定なので第７図（Ｃ）に示した量は第５図（Ｃ
）に示した量より、相対的に負の方向に動いている。

第６図に示す本発明の燃料集合体も炉停止余裕の増加を
図るために効果（１１）を主として利用し。

効果（ｉ）も併用することによって、高温時鳥ボイド率
での反応度を大きくするようにしたものでおる。

（実施例）本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例の概略図であり、同図（ａ）
は同図（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う縦断面図、同図（ｂ）は
平面図である。

本実施例の燃料集合体は、中央に方形の水棒１７が配置
され、この中央部を除き燃料棒１５９部分長燃料棒１６
（図ではＰで表わす）が規則的に配置されており、上部
タイプレート１９．スペーサ（図示せず）、下部タイプ
レート２０により固定し、その外側をチャンネルボック
ス１８で取囲むように溝成されている。２１は制御棒で
おる。

第２図は原子炉の冷態停止時の代表的な炉心平均軸分向
出力分ｖＨを表わしている。同図でＡで示した領域は相
対出力の大きい領域、Ｂで示した領域は相対出力の小さ
い領域で、領域Ａと領域Ｂの境界は炉心高さの３７４程
度の位置にある。第１図（ａ）の１８Ａは肉厚の薄いチ
ャンネルボックス、１８Ｂは肉厚の厚いチャンネルボッ
クスであり、その境界は炉心高ざの３７４近傍の位置に
ある。同図では肉厚の薄いチャンネルボックス１８Ａは
チャンネルボックス１８の内側から削り込んだ形で表わ
しているが、本発明では外側から削り込んだ形になって
いてもよい。また、チャンネルボックス１８の肉厚を薄
くする面は、４面すべてであってもよいし、制御棒２１
の挿入されない水ギャップに接する２面だけについて行
ってもよい。

第８図は本発明の他の実施例の縦断面図でおる。

本実施例の燃料集合体はチャンネルボックス２２に沿っ
て配置されている燃料棒１５．２３のうち少なくとも制
御棒が挿入されない水ギャップ側の燃料棒２３が上下２
領域で構成されており、上部燃料棒２３Ａの径は下部燃
料棒２３Ｂの径より細径化されている。制御棒が挿入さ
れる水ギャップ側の燃料棒１５も同様の構造としてもよ
いし、通常の燃料棒と同じ構造としてもよい。なお、上
部燃料棒２３Ａのガスプレナム２４はその上部にあり、
下部燃料棒２３Ｂのガスプレナム２５はその下部におる
。また、上部燃料棒２３Ａと下部燃料棒２３Ｂの接合部
２６は第９図に示したスペーサ３０の近傍に設置する。

第９図（ａ）および（ｂ）は上部燃料棒２３Ａと下部燃
料棒２３８の接合部２６の拡大断面図である。すなわち
、同図（ａ）は上部燃料棒２３Ａの燃料ペレット２８の
下端部と下部燃料棒２３Ｂの燃料ペレット２８の上端部
にそれぞれ断熱材ペレット（出力スパイク抑制兼用）２
７を配置して接合部２６を構成したものである。また、
同図（ｂ）は同図（ａ）の下部燃料棒２３Ｂの上部に配
置した断熱材ペレット２７の上部に中空グラフフィト領
１ｆｉ、２９を配置した構成としたものである。そして
、接合部２６はスペーサ３０の近傍に設けられるが、接
合部２６をはさむ両燃料領域に断熱材ペレット２７およ
び中空グラファイト領域２９を設けるのは、出力ピーク
（スパーク）が生じないようにするためであり、そのた
めに結合部中央に高温特性に優れ、熱中性子吸収が少な
く、減速特性もよい物質グラファイト領域２９を設け、
必るいは耐熱性のすぐれたＡ１２０３　。

Ｙｂ２０３−Ｈｆ０２　、Ａｊ！ｚ　０３−Ｇｄ２０３
などの物質よりなる断熱材ペレット（出力スパイク抑制
並用）２７を配置したものである。

このような接合部２６を第１図の第１の実施例と組み合
わせて適用することもできる。また、燃料棒の一部が細
径化されて面約される核分裂性物質を他の燃料棒に転用
することもできる。

第１０図〜第１５図はいずれも本発明の他の実施例の平
面図でおり、いずれもチャンネルボックス内での通常の
燃料棒、Ｐ燃料棒および後記するＴ燃料棒の配置構成図
である。これらの図において、１５は通常の燃料棒、１
６は部分長燃料棒（Ｐ燃料棒）１７は方形水棒、１８は
チャンネルボックス、３１は上下２領域構成で上部燃料
棒が下部燃料棒より細径化されている燃料棒（Ｔ燃料棒
）、３２はタイロッド用燃料棒（Ｆ燃料棒）である。な
お、既に説明した上記実施例と同一部分には同一符号を
付して説明する。

第１２図および第１３図に示す燃料集合体はそれぞれ第
１０図および第１１図の変形例である。チャンネルボッ
クス１８に沿ったＦを付したタイロッド用燃料棒３２は
通常の燃料棒１５と同じ構成となっている。

第１４図および第１５図に示す燃料集合体ではサブバン
ドル相互間に間隙部３４．３６があるので、この間隙部
３４．３６に面する一部の燃料棒間隔が大きく取られて
いる。なお、３３．３５は丸形水棒でおる。

このため、他の燃料棒間隔は第１０図〜第１３図に示し
た燃料集合体における燃料棒間隔より小さくなるので、
第５図に示した中性子増倍率特性にｈＯえて、第７図に
示した中性子増倍率特性の効果も取り入れることができ
る。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば以下に記載したよ
うな効果を奏する。

（１）原子炉停止時には燃料集合体間の中性子相互作用
（結合効果）の大きざが減少し、炉の未臨界度を大きく
することができる。

（２）原子炉運転時には中性子の減速効果が大きくなる
ので、共鳴吸収によって失われる中性子の割合を少なく
することができ、炉の反応度を高めることができる。

（３）本発明では燃料集合体内の一部の燃料棒間隔を広
くしたような燃料集合体に適用しても、従来の燃料集合
体に適用した場合と同程度の効果（１）　、　（２）が
得られる。

（４）本発明ではチャンネルボックスに沿った燃料棒の
一部またはすべてを上下２領域構成したとしても燃料棒
の接合部での局所的な出力ピーク（出力スパイク）は発
生せず、燃料の健全性は保たれる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施例の概略縦
断面図および平面図、第２図は原子炉の冷態停止時の代
表的な炉心平均軸方向出力分布図、第３図（ａ）〜（Ｃ
）は本発明の詳細な説明するための図、第４図および第
５図は第３図に示す作用に基づく効果を説明するための
平面図および特性図、第６図および第７図は第３図に示
す作用に基づく効果を説明するための他の平面図および
特性図、第８図は本発明の他の実施例の概略縦断面図、
第９図は（ａ）および（ｂ）は第８図の上部燃料棒と下
部燃料棒の接合部の拡大断面図、第１０〜第１５図はい
ずれも本発明の容具なる実施例の平面図、第１６図（ａ
）と（ｂ）はそれぞれ従来の燃料集合体の斜視図と燃料
集合体を構成する燃料棒の概略縦断面図である。１５・・・燃料棒１６・・・Ｐ燃料棒（部分長燃料棒）１７、３３．３５・・・水棒１８、２２・・・チャンネルボックス１９・・・上部タイプレート２０・・・下部タイプレート２１・・・制御棒２３、３１・・・Ｔ燃料棒（上下２領賊で構成される燃
料棒）２４、２５・・・ガスプレナム２６・・・接合部２７・・・断熱材ペレット２８・・・燃料ペレット２９・・・中空グラファイト領域３０・・・スペーサ３２・・・Ｆ燃料棒（タイロッド用燃料棒）３４、３６
・・・間隙部（８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ばか　
１名）（ａ）第　１　図（ｂ）第１４駒はかとη ＠　２　図木も１．、プ１（ｗ）（Ｃ）第３［゛ン１第４図第６図第８図（ａ）　　　　　　　　（ｂ）第９１’ｌ第１１図、　　Ｃつ　　　Ｑ　　く（Ｙ）　　　Ｆ）　　　　　ｒ−ｒワ＼　　　　　＼ｑフ　　　　Ｕ）ＩｎＣｏ□）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）原子炉運転時に高ボイド領域が形成される燃料集
合体において、少なくとも制御棒が挿入されない水ギャ
ップに沿つたチャンネルボックス上部の肉厚を下部の肉
厚より薄くすることにより燃料集合体間に存在する水の
量を大きくしたことを特徴とする燃料集合体。
（２）原子炉運転時に高ボイド領域が形成される燃料集
合体において、水ギャップに沿って配置されている燃料
棒のうち少なくとも制御棒が挿入されない水ギャップ側
の燃料棒を上下２領域構成とし、上部燃料棒が下部燃料
棒より細径化されることにより燃料集合体間に存在する
水の量を大きくしたことを特徴とする燃料集合体。