JPH01250788A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）用燃料集合体に係
り、更に詳細には、大口径ウォータチャンネルを備えた
９×９型燃料集合体であフて、炉心内燃料配置が非対称
（Ｄ格子）のＢＷＲに対して減速材分布を極力に一様化
するとともに、低圧損化を図った燃料集合体に関するも
のである。

［従来の技術］ １．８ｘａ型燃料集合体 現在、我国のＢＷＲで実用に供されている燃料集合体の
殆どは、８行８列の正方格子配列で二本のウォータロッ
ドとともに６２木の燃料棒を束ねた形式（８Ｘ８−２）
である。

この従来の８×８型燃料集合体を第５図〜第７図に示す
。

第５図は、従来の８×８型燃料集合体をＢＷＲの炉心の
１／４について表わしたものであり、残りの３／４炉心
は、図の１／４炉心の１！ｌｌＩｈとＪ軸について対称
に配置される。

図において、１００は中性子の吸収体を含む十字形状の
制御棒であり、１０１ｄは燃料集合体を表わす。

燃料集合体１０１ｄは、第６図に示すようにＮｏ、１〜
６２の計６２木の燃料棒１０２ｂと、内部に燃料物質を
含まず中空で冷却水を流通する２本のクォータロッド１
０８とを８行８列の正方格子状に配列して構成され、ジ
ルカロイ製のチャンネルボックス１０３ｂで外周を囲ん
で、制御棒１００に隣接して原子炉に装荷される。原子
炉の出力運転中は、冷却水が燃料下部から上部に向フて
流れ、燃料棒１０２ｂの発生熱を除去する。

第７図は、上記８Ｘ８型燃料集合体１０１ｄの構造を示
すものであり、図において、燃料棒１０２ｂ及びウォー
タロッド１０８は、上部タイ・プレート１０９と下部タ
イ・プレート１】０によって固定される。また、燃料集
合体１０１ｄに沿って一定間隔でスペーサ１１１ｂが配
されており、燃料棒間距離が一定に保たれるようになっ
ている。

ところで、近年は核燃料の経済性を高めるために、燃料
の高燃焼度化が希求されている。

しかし、燃料の高撚、焼度化を図るためには、基本的に
燃料の高濃縮度化が必要であり、その結果、２３５　Ｕ
の中性子吸収の増加と中性子の減速不足を生じ、燃料の
反応度特性（ボイド反応度特性、原子炉停止余裕）が悪
化することになる。

そのため、燃料の濃縮度の増加に対応して集合体中の非
沸騰水領域を増加させる必要がある。

一方、高燃焼度燃料物質内に蓄積される核分裂生成物（
ＦＰ）のうち、ガス成分は燃料物質を構成する結晶と粒
界の中に溶は込んで保持されているが、温度が高くなる
と燃料物質の外に放出されて燃料棒の内圧を上昇させる
。

従って、高燃焼度化に際しては、燃料棒被覆管の機械的
健全性を保つために燃料棒の内圧上昇に耐え得る設計余
裕を持たせる必要もある。

１１．９ｘ９型燃料集合体 上述の要請を満足させるため、燃料の高濃縮度化を図る
と同時に、燃料棒−本当りの出力を下げて温度を低減さ
せる９行９列の正方格子配列の燃料棒を採用するととも
に、燃料の高濃縮度化に対応して集合体中央部の非沸騰
水領域の面積を更に大きくするために大口径のウォータ
チャンネルを燃料集合体中央部に配置した９×９型燃料
集合１体が検討されている。

従来から知られる大口径ウォータチャンネルを備えた９
×９型燃料集合体としては、特開昭６２−１１８２９７
号公報に示されたものがある。

このものでは、第８図に示すように、非沸騰水領域を出
来るだけ大きくとるという目的に従って、３×３の正方
格子配列の燃料棒挿通用セルの全ての桝目を占める寸法
の断面正方形状のウォータチャンネル１０６ｂを燃料集
合体中央部に配置している。このウォータチャンネル１
０６ｂの周囲にはＮＯ，１〜７２の計７２本（９ｘ９−
３ｘ３）の燃料棒１０２ａが９行９列の正方格子状に配
列されている。

なお、各々のセルの桝目は、燃料集合体１０１Ｃのチャ
ンネルボックス１０３ａで囲まれる横断面領域を区画す
る破線１０４で示される。図から明らかなように、各セ
ルの桝目面積はコーナ一部を除いて同一である。

この大口径ウォータチャンネル１０６ｂを備えた９×９
型燃料集合体１０１ｃによれば、燃料棒１０２ａを９行
９列としたため、上記８×８型燃料集合体１０１ｄに比
すると、同一の燃料集合体出力の条件で燃料棒−木あた
りの出力を低減できる。従って、ベレット温度が低くな
り、上記のＦＰの放出が小さく、高燃焼度化における設
計余裕が増加する。

更に、中央部３×３個の桝目を覆うウォータチャンネル
１０６ｂの採用により、コーナーロッド（Ｎｏ、１．９
，６４．７２の燃料棒１０２ａ）の４木を除き、全ての
燃料棒１０２ａの囲りの冷却水の面積が等しくなるため
、冷却水の流れが一様となり熱的運転性能（バーンアウ
ト余裕）が改善される。

しかしながら、炉心内燃料集合体配置が非対称、すなわ
ち水ギャップ（隣接する燃料集合体間の空間であり、運
転中は非沸騰の冷却水が流れる空間）が非対称な所謂り
格子のＢＷＲ炉心におい−では、燃料集合体１０１ｃの
中心部にウォータチャンネル１０６ｂを設けても減速材
としての冷却水の分布は対称とならない。

ここで、上記第８図に示した燃料集合体１０１ＣをＤ格
子のＢＷＲに装荷した場合を考える。

第８図において、中心線１０５はＤ格子のＢＷＲ炉心に
おける水ギャップの中心を示し、十字形の制御棒（図示
せず）は広ギャップＡ側に挿入されるものとする。また
、狭ギャップＢは、制御棒と反対側のギャップを示し、
その幅の大きさはギャップＡの約１／２である。

このように水ギャップが非対称なりＷＲの出力運転状態
においては、燃料棒１０２ａの囲りを蒸気ボイドを大量
に含む沸騰水が流れ、水ギャップとウォータチャンネル
１０６ｂには非沸騰水が流れ、中心線１０５で囲まれる
全体の減速材の分布が広ギャップＡ側に片寄る。その結
果、燃料棒１０２ａの出力は広ギャップＡに面する部位
では増大し、反対側の狭ギャップＢに面する部位では低
下するとともに、局所ピーキング係数が増大するという
問題点が生じる。

なお、局所ピーキング係数を低減させるためには、燃料
棒の燃料濃縮度を広ギャップＡ側では低くし、狭ギャッ
プＢ側では高くするのが通例ではあるが、このような濃
縮度分布を持つ燃料集合体は、周知の通り局所ピーキン
グ係数の低減とともに反応度が低下するという不都合が
ある。

１１１．９Ｘ９型燃料集合体（Ｄ格子用）上記の炉心内
燃料集合体配置が非対称性のＤ格子のＢＷＲ炉心におけ
る問題点を解決する手・段として、上記大口径ウォータ
チャンネル１０６ｂを、燃料集合体中心に関して狭ギャ
ップＢ側方向に片寄らせた配置とすることにより、減速
材分布の一様性を改善することが下記文献に提案されて
いる。

（技術雑誌”　Ｋｅｒｎｔｅｃｈｎｉｋ　　第５０号／
１９８７年”第２２２頁ＨＤ、Ｂｅｎｄｅｒ他著、 Ｂｏｉｌｉｎｇ　　ｗａｔｅｒ　　ｒｅａｃｔｏｒｒｅ
ｌｏａｄ　　ｆｕｅｌ　　ｆｏｒ　　ｈｉｇｈｂｕｒｎ
ｕｐ：９ｘ９　　ｗｉｔｈ　　１ｎｔｅｒ−ｎａｌ　　
ｗａｔｅｒ　　ｃｈａｎｎｅｌ”）この文献に記載され
たウォータチャンネルを非対称配置とする９×９型燃料
集合体の横断面図を第９図に示す。

図において、参照符号１０２ａ〜１０６ｂは上記第８図
と同様の構成部材を示す。但し、ウォータチャンネル１
０６ｂの配置は、燃料集合体１０１ｂの中心に対して１
行１列の燃料棒配列に相当する分だけ狭ギャップＢの方
に片寄らせた非対称配置としである。なお、制御棒挿入
側の角のセルの位置、すなわちＮｏ、１の燃料棒が配置
された桝目の位置を１行１列目とすると、ウォータチャ
ンネル１０６ｂの中心位置の桝目は６行６列目と表わさ
れる。

このウォータチャンネル１０６ｂを非対称配置とした燃
料集合体は、比較的平坦な濃縮度分布により、局所ピー
キング係数を高めることなく反応度を高くすることが可
能であり、経済的である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の大口径ウォータチャンネルを非対
称配置とした９×９型燃料集合体１０１ｂは、以下のよ
うな問題点を有している。

第一に、上記第６図に示した従来の８×８型燃料集合体
１０１ｄのウォータロッド１０８に比して、著しく大き
な面積を有するウォータチャンネル１０６ｂの採用は、
必然的に燃料集合体内玲却水流路断面積の縮小を伴ない
、燃料集合体圧損の増加を招き、冷却材循環ポンプの能
力に変りがなければ炉心内冷却水流量の低下を惹起し、
燃料集合体１０１ｂの除熱能力が低下するという問題点
がある。

第二に、ウォータチャンネル１０６ｂの面積が大きいた
めに、燃料集合体中の配置の自由度が少なく、Ｄ格子用
に最適配置とすることが困難である。例えば第９図に示
した配置では、ウォータチャンネル１０６ｂの面積が大
きいためギャップＢの方に片寄り過ぎになり易く、コー
ナーロッドＮ０８７２とその周辺の局所ピーキング係数
が増大し、濃縮度分布を調整する必要が生じ、再び反応
度が最適値にならないという問題点がある。

本発明は、従来の技術の有する上記の問題点６に鑑みて
なされたものであり、その目的とするところは、核燃料
の経済性を高めるために好適な大口径ウォータチャンネ
ルを備えた９×９型燃料集合体において、減速材分布を
極力に一様化するとともに低圧損化を図ることにより、
炉心内燃料集合体配置が非対称なり格子のＢＷＲに適用
せしめることである。

ｃ問題点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ＢＷＲ用燃料集合
体は、燃料集合体配置が非対称なり格子の炉心に装荷さ
れる燃料集合体であって、制御棒挿入側の角の燃料棒挿
通用セルを１行１列目として９×９正方格子配列をなす
複数の燃料棒のうち、６行６列目の燃料棒挿通セルを中
心とする３×３正方格子配列の燃料棒を一本の角型の大
口径ウォータチャンネルで置換えた沸騰水型原子炉用の
燃料集合体において、 前記ウォータチャンネルの横断面積を３×３正方格子配
列の燃料棒挿通用セルの全ての桝目の占める正方形の面
積よりも縮小するとともに、その３Ｘ３正方格子配列の
桝目中で前記ウォータチャンネルを前記制御棒挿入側方
向に片寄らせて配置したものである。

この場合、前記縮小ウォータチャンネルの横断面積は、
好ましくは、前記３×３正方格子配列の燃料棒挿通用セ
ルの全ての桝目の占める正方形の面積に対して８０％乃
至９０％の範囲である。

なお、ウォータチャンネルの縮小及び片寄りに伴なって
、前記ウォータチャンネルと前記３×３正方格子配列の
燃料棒挿通用セルの全ての桝目の占める正方形との間に
ギャップが生じるが、このギャップを流通する冷却水を
燃料棒側へ導くために、ギャップに沿ったスペーサ格子
板の上端に、ウォータチャンネル外周方向へ冷却水を案
内する冷却水案内手段を設けてもよい。

［作用］ 上記のように構成された燃料集合体は、大口径ウォータ
チャンネルの横断面の面積を従来のそれ（３×３正方格
子配列の燃料棒挿通用セルの全ての桝目の占める正方形
の面積に相当）よりも小、さくしたことにより、沸騰領
域の冷却水流路面積が増加する故、低圧損化が図られる
。更に、このウォータチャンネルを３×３正方格子配列
の桝目中で水ギャップの広い制御棒挿入側に片寄らせて
配置したことにより、減速材としての冷却水分布が対称
化するので、反応度が最適化する。

また、スペーサ格子板の上端に、ウォータチャンネルと
のギャップに沿って設けられた冷却水案内手段は、ウォ
ータチャンネル外周方向に冷却水を案内するため、ギャ
ップ内を流通する冷却水を燃料棒側へ導き、燃料棒の除
熱に寄与するように働く。

［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明
する。

第１図は本発明の９×９型燃料の集合体断面図を示す。

図において、参照符号１０２ａＮ１０５は上記従来技術
の第８図〜第９図と同様である。

本発明の９×９型燃料集合体１０１ａの特徴は、上記第
９図に示した従来のＤ格子用の９×９型燃料集合体に対
して、ウォータチャンネル１０６ａの面積を８０〜９０
％に縮小し、しかもウォータチャンネル１０６ａの中心
は、３×３の桝目からなる正方形の中心と一致させず、
広ギャップＡの方に片寄らせていることである。

第２図は第１図に示した燃料集合体の特性グラフを示す
。

第２図において、グラフの横軸はウォータチャンネル１
０６ａの横断面積を３×３の桝目からなる正方形の面積
（従来のウォータチャンネル１０６ｂの横断面積）に対
する縮小割合（％）で示し、縦軸は燃料集合体の圧損の
低下割合（％）及び取り出し燃焼度の低下割合（％）を
示す。

グラフ中、本発明の特性は、−点＆ｊｌ線２００（圧損
の低下）及び実線２０１　（取り出し燃焼度の低下）で
示される。

本発明のウォータチャンネル１０６ａの好ましい横断面
積は、３行３列の桝目の面積に対して８０％乃至９０％
の範囲であり、この範囲では第２図から明らかなように
、燃料集合体圧損は約１−５％乃至２．５％低減する。

この低圧損化は、燃料集合体の玲却水流量を増加させる
ため、熱的余裕を改善する。

なお、ウォータチャンネルを単純に縮小する、すなわち
ウォータチャンネルの中心を３×３の桝目からなる正方
形の中心に固定した縮小を行うと、取り出し燃焼度が点
線２０２のように低下してしまう。しかし、本発明のよ
うにウォータチャンネル１０６ａを制御棒挿入側に片寄
らせると、実線２０１で示したように取り出し燃焼度の
低下は僅かである。この理由は、Ｄ格子全体として減速
材分布の対称性が良くなるからである。

ところで、上記第１図に示される本発明の構成によると
、上記３×３正方格子配列の燃料棒挿通用セルの全ての
桝目の占める正方形とウォータチャンネル１０６ａとの
間にギャップ１０７が生じるが、このギャップ１０７に
流れる冷却水は燃料棒の除熱に寄与しないため無駄であ
る。これを改善するためには、第３図（イ）に示すよう
にスペーサの格子板（第１図の破ｊｄ！１０４に相当）
３００の上端の上記ギャップ１０７に面する位置に、冷
却水案内タブ３０１を設けると良い。この冷却水案内タ
ブ３０１はギャップ１０７内を流れる冷却水を燃料棒１
０２ａの方に向ける役割を持つ。

冷却水案内タブ３０１について更に詳しく説明すると、
第３図（ロ）に示すように冷却水案内タブ３０１は、ス
ペーサの格子板３００の上端よりつオータチャンネル１
０６ａに向って折り曲げられ、ウォータチャンネル１０
６ａに接する直前で上向きに折り返すことにより形成さ
れている。スペーサの格子板３００とウォータチャンネ
ル１０６ａの間のギャップ１０７を通ってきた冷却水は
、第３図（ロ）中に矢印で示すように、折り曲げの中央
に設けられた開口部３０２より上方に流れ、冷却水案内
タブ３０１により燃料棒側に流される。また、スプリン
グ部材３０３はウォータチャンネル１０６ａを支持する
ために設けられているもので、ウォータチャンネル１０
６ａを３行３列の仮想格子の制御棒側に押しつけている
。

なお、上記実施例では、冷却水案内タブ３０１をスペー
サの格子板３００の上端に追加したものについて説明し
たが、冷却水案内タブとつオータチャンネル支持用スプ
リング部材を兼ねた第４図に示すような部材を用いても
よい。

このタブ兼スプリング部材４００は、下半部に三個の保
持爪４０１を有し、上半部はスプリング機能を果たすよ
うに湾曲した曲げ部４０２を形成しているが、この曲げ
部４０２はタブ機能をも兼ねるように開口部４０３が設
けられている。

このように構成されたタブ兼スプリング部材４００は、
保持爪４０１’によりスペーサの格子板３００に取付け
られ、曲げ部４０２でウォータチャンネル１０６ａを押
しつけながら、開口部４０３より流れ出た冷却水を燃料
棒側に流す。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

ウォータチャンネルの横断面の面積を従来のそれよりも
小さくして沸騰領域の冷却水流路面積を確保することに
より、低圧損化が図られる。

更に、この縮小したウォータチャンネルを、Ｄ格子にお
いて水ギャップの広い制御棒挿入側に片寄らせて配置し
たことにより、減速材分布が対称化する。

従って、Ｄ格子のＢＷＲに装荷した場合、圧損の増加も
生じず、反応度を低減することなく局所ピーキング係数
を小さくすることが可能であり、核燃料の経済性向上に
好適な大口径つオータチャンネルを備えた９×９型燃料
集合体を、Ｄ格子のＢＷＲにも適用できるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の９×９型燃料集合体の横断面図、第２
図は９×９型燃料集合体の特性を示す線図、第３図（イ
）、（ロ）は本発明の９×９型燃料集合体に用いる冷却
水案内タブの要部斜視図及びその要部縦断面図、第４図
は冷却水案内タブ兼ウォータチャンネル支持用スプリン
グ部材の要部斜視図、第５図は沸騰水型原子炉の炉心の
１／４を表わす模式図、第６図及び第７図は従来の８×
８型燃料集合体に係る横断面図及びその透視斜視図、第
８図及び第９図はそれぞれ従来の９×９型燃料集合体に
係る横断面図である。 １．０１　ａ・・・・・９×９型燃料集合体１０６ａ・
・・・・ウォータチャンネル３０１・・・・・・冷却水
案内タブ ４００・・・・・・冷却水案内タブ兼ウォータチャンネ
ル支持用スプリング部材 代　理　人　弁理土佐　藤　正　年 第１図 １０１　ａ　：　９ｘ９型燃料集合体 １０２ａ：燃料棒 １０３ａ：チャンネルボックス １０６ａ：ウォータチャンネル １０７：ギャップ Ａ：広ギャップ Ｂ：狭ギャップ １１２図 ２００：圧損の低下（本発明） ２０１：取り出し燃焼度の低下（本発明）２０２：取り
出し燃焼度の低下（比較例）ｅ−で ・・　℃　ρ　ρ　　・・ Ｑ　−−Ｎ　Ｆ）の 霞７図 第８図 １０１ｃ：９Ｘ９型燃料集合体（従来型）１０２ａ：燃
料棒 １０３ａ：チャンネルボックス １０６ｂ　：クオータチャンネル Ａ：広ギャップ Ｂ：狭ギャップ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料集合体配置が非対称なＤ格子の炉心に装荷され
   る燃料集合体であって、 制御棒挿入側の角の燃料棒挿通用セルを１行１列目とし
   て９×９正方格子配列をなす複数の燃料棒のうち、６行
   ６列目の燃料棒挿通セルを中心とする３×３正方格子配
   列の燃料棒を一本の角型の大口径ウォータチャンネルで
   置換えた沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、 前記ウォータチャンネルの横断面積を３×３正方格子配
   列の燃料棒挿通用セルの全ての桝目の占める正方形の面
   積よりも縮小するとともに、その３×３正方格子配列の
   桝目中で前記ウォータチャンネルを前記制御棒挿入側方
   向に片寄らせて配置したことを特徴とする沸騰水型原子
   炉用燃料集合体。 ２、前記縮小したウォータチャンネルの横断面積が、前
   記３×３正方格子配列の燃料棒挿通用セルの全ての桝目
   の占める正方形の面積の８０％乃至９０％の範囲である
   請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。 ３、スペーサ格子板の上端の前記３×３正方格子配列の
   燃料棒挿通用セルの全ての桝目の占める正方形とウォー
   タチャンネルとのギャップに沿って、前記ウォータチャ
   ンネル外周方向へ冷却水を案内する冷却水案内手段を設
   けた請求項１または２記載の沸騰水型原子炉用燃料集合
   体。