JPH02205794A - 原子炉および燃料集合体 - 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、スペクトルシフト捧を利用したスペクトル運
転に好適な原子炉の炉心構成、及び、燃料集合体に関す
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、水ロンドと称す
る）をもつ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
度を制御した方が良い、その方法の一つに、スペクトル
シフト運転法がある。

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。従ってウラン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
ネルギが高くなって、ウラン２３８からプルトニウム２
３９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。

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を示している。この燃料集合
体は水ロツ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
ルの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で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。

水押棒が、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量からの炉心に入
る冷却水が持っているエネルギ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し、燃料サイクルの途中から
流量、また、サブクールを大きくする。

特膣昭６３−７３１８７号公報では、冷却水流量の調節
によりボイド率を変化させる効果を最大限に引き出すた
めの水ロッドとしてスペクトルシフト捧を提案している
。

スペクトルシフト棒の構造を第２図を用いて説明する。

スペクトルシフト捧１は冷却材の流入口４と、冷却材上
昇流路２、この冷却材流を反転させて下方に導く下降流
路３と、さらに、下部タイプレート上方の領域に存在す
る冷却材吐出口５をもつ構造になっている。このスペク
トルシフト捧１は第３図に示すように燃料集合体９内の
燃料棒８の間に複数本、あるいは−本を配置する。

次にスペクトルシフト捧の動作原理を第４図を用いて説
明する。スペクトルシフト捧１は燃料棒８を支持する下
部タイプレート６の下方に冷却材流入口４を持ち、下部
タイプレート６の上方に冷却材吐出口５を設ける。

冷却水はスペクトルシフト捧１の周囲にある燃料棒８か
ら照射される中性子、及び、ガンマ線によって、０．５
〜２　Ｗ／ｒＪ程度の割合で発熱するとともに蒸発し、
蒸気１１が上昇流路２の上部。

及び、下降流路３内に充満する。

上昇流路２内に生じる水位７の冷却材流入口４からの高
さをＱ（ｍ）とし、その静圧差をΔＰｓ（ｐａ）とする
と、ΔＰｓは次の関係式を満たす。

八Ｐ　ｓ　＝ρｇＱ　　　　（但しＱ≦Ｌ）　　　　　
（１）ここで、ρニスベクトルシフト棒内平均冷却材密
度（ｋｇ／ｒｎ’） ｇ：重力加速度（ｍ／５２） Ｌ：下降流路高さ（ｍ） 一方、下部タイプレートに設けられた流入口６ｃとスペ
クトルシフト捧吐出口５との差圧は、下部タイプレート
の圧損ΔＰＬＴＰ　（Ｐａ）にほぼ等しく、次式で表わ
せる。

ここで、ＫＬＴＰ：下部プレート圧損係数ρ、：冷却材
密度（ｋｇ／醒） Ｗ　：集合体流量（ｋｇ／ｓ） Ｖ　：下部タイプレート部流速 （ｍ／ｓ） Ａ　：下部タイプレート部流路面積 （ボ） 水位７と吐出口５の間は蒸気で満たされており、差圧は
ほぼ０と考えられるから、 Δｐｓ″：ΔＰ　ＬＴＰ　　　　　　　　　　　　（３
）すなわち、 となり、流量Ｗが少ない時は液面高さが下がり、流量が
大きくなると液面高さは高くなる。この結果、流量を増
減したときの冷却材密度の変化が一般の水ロンドを使用
したときより大きくなり、スペクトルシフト効果が大き
くなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで（４）式から分かるようにスペクトルシフト捧
を効果的に作用させるには、スペクトルシフト棒の構造
のみならず、燃料集合体の下部に設置された下部抵抗体
（下部タイプレート）６の特性が重要な因子であるが、
従来これについては考慮されていなかった。

第５図は、横軸に、下部タイプレート６の圧損係数、縦
軸にスペクトルシフト棒内の相対減速材密度をとり、流
量をパラメータとして特性を示したグラフである。ここ
で、下部タイプレートの圧損係数Ｋ　ｔ、ｒｐは次式で
定義する。

ここでＡは燃料集合体内の流路面積［ｒｒｆ］他は（２
）式と同様、Ｋ　ＬＴＰの値は参照面積として、どこの
面積をとるかによって異なる。この様に、燃料集合体内
流路面積を参照面積としたときに。

船釣な沸騰水型原子炉用燃料集合体の下部タイプレート
圧損係数は８程度となる。

縦軸の相対減速度密度は、スペクトルシフト棒内の水位
にほぼ対応する。例えば、ある圧損係数で考えると、集
合体流量を増加させていくと、スペクトルシフト棒内の
水位７（第４図）が上昇し、相対減速材密度も増加する
。スペクトルシフト捧が満水になると、それ以後の減速
材密度変化は、ボイド率の変化に起因する分だけになる
ので、減速材密度の変化は緩やかになる。

スペクトルシフト運転をするときには、流量を同じたけ
変化させた時、減速材の密度がよ６り大きく変化した方
が、燃料経済性向上効果が大きくなる。第６図は、横軸
に圧損係数、縦軸に、流量を１２５％から８０％および
１０５％から８０％まで変化させたときの減速材密度変
化幅を示す。

この図から、流量を同じたけ変化させた時、減速材密度
変化幅を最大とする圧損係数が存在し、最適な圧損係数
は、流量を変化させる範囲に依存することがわかる。既
存の原子炉の設備をそのまま利用して、スペクトルシフ
ト捧を利用したスペクトルシフトを実施する場合、下部
タイプレートの圧損係数は、１０から１２程度となり、
現行の１．３〜１．５倍程度にする必要がある。

本発明の目的は、従来のスペクトルシフト棒を用いたス
ペクトルシフト運転で考慮されていなかった下部タイプ
レートの特性を考慮し、最適な圧損係数を与え、より効
果的なスペクトル運転を実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、下部タイプレートの燃料集合体流路断面積
を変更するか、あるいは、下部タイプレートの冷却材流
路表面粗さを変更するなどして、下部タイプレートの圧
損係数を最適化することにより達成できる。

〔作用〕

すなわち、第６図に示したように、流量変化範囲に対し
て、減速材密度を最適化する圧損係数が存在するので、
最適な下部タイプレート圧損係数を設定することによっ
て、スペクトルシフト棒の効果を高めることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図（ａ）は、単管型水ロッドをもつ燃料集合体９ａを装
荷した沸騰水型原子炉の一部に、二重管構造のスペクト
ルシフト捧をもつ燃料集合体９ｂを装荷した場合の炉心
四半領域を示した図である。第１図（ｂ）は、スペクト
ルシフト捧をもつ燃料集合体９ｂにおける、スペクトル
シフト捧１下端付近の構成を示したものである。スペク
トルシフト捧１は、燃料棒８とともに、下部抵抗体（下
部タイプレート）６ａに装着されている。

第１図（ｃ）は、単管型水ロッド１０をもつ燃料集合体
９ａにおける、水ロツド１０下端の構成を示したもので
、水ロッド１０と燃料棒８が、下部抵抗体（下部タイプ
レート）６ｂに装着されている。

単管型水ロッド１０をもつ燃料集合体９ａのみから構成
された既存の原子炉に、スペクトルシフト捧１をもつ燃
料集合体９ｂを装荷する場合には、第１図に示すように
１段階を追って、順々に従来の単管型水ロッドをもつ燃
料集合体９ａから置き換えてゆく。従って、全ての燃料
集合体をスペクトルシフト捧を備えた燃料集合体９ｂに
置換する途中の時期では、単管型水ロッドをもつ燃料集
合体９ａと、スペクトルシフト捧をもつ燃料集合体９ｂ
が混在した期間が生じる。

スペクトルシフト捧の機能を十分に働かせるには、スペ
クトルシフト捧をもつ燃料集合体の下部抵抗体（下部タ
イプレート）６ａでの圧損を、従来の単管型水ロッドを
もつ燃料集合体９ａの下部タイプレート６ｂの圧損より
、１．３ないし１．５倍程度大きくしなければならない
８本実施例では、下部タイプレートでの圧損を増加させ
るために、燃料集合体の下部タイプレート６の冷却材流
路面積を、従来型燃料集合体の下部タイプレート冷却材
流路面積より小さくしている。下部タイプレートの圧損
ΔＰｃ、ｒｐ［Ｐａｌは、 ・・・（６） 但し、Ｋ’ｔ、ｔｐは参照面積として下部タイプレート
流路断面積をえらんだ時の 下部タイプレート圧損係数 Ｖ：下部タイプレート部流速 ［ｍ／ｓコ Ａ：下部タイプレート流路面積 ［耐］ 他は（２）式と同様 であるから、圧損を１．５倍にするには、圧損係数に’
　ＬＴＰが等しいと仮定すると、流路断面積を本実施例
では、下部タイプレート６ａでの圧損を増加させるため
に、下部タイプレートの流路断面積を小さくしたが、圧
損を増加させるための手段は、他に、圧損係数に’ＬＴ
Ｐを増加させる方法がある。圧損係数を増加するには、
下部タイプレートの冷却材流路表面粗さを粗くする、下
部タイプレートの冷却材流路に流れを乱す突起などの障
害物を設ける方法などが考えられる。

ところで、以上のように、単管型水ロッド１０をもつ燃
料集合体９ａを、スペクトルシフト捧１をもつ燃料集合
体９ｂに置き換えると、下部タイプレート６での圧損が
相異するため、そのままでは、燃料集合体への流量配分
の分布が変わり、炉心の出力分布まで大きく影響を受け
る。その点に対しては、以下の構造をとることで対応で
きる。

第７図は、単管型水ロッド１０をもつ燃料集合体９ａと
スペクトルシフト捧をもつ燃料集合体９ｂの下部構造、
及び、集合体を支持する燃料支持金具２２の概要を示す
。燃料支持金具２２の冷却材流路には、入口オリフィス
２１が設けてあり、この部分で大きな流路抵抗をもつ。

この入口オリフィス２１での圧損抵抗は、下部タイプレ
ート６の圧損の三〜四倍程度であり、この圧損は、入口
オリフィス２１の口径を変化させることで、任意に設定
することができる。そこで、単管型水ロッドをもつ燃料
集合体９ａを、スペクトルシフト捧をもつ燃料集合体９
ｂに置き換える場合には、それと同時に、燃料支持金具
２２に設置された入口オリフィス２１を、下部タイプレ
ートでの圧損増大分だけ圧損が小さくなる口径のものに
、取り換える。下部タイプレート６と入口オリフィス２
１の位置では、流れは液相単相流であるので下部タイプ
レートと入口オリフィスの圧損の和が等しければ圧損の
分布割合が変化しても、炉心、及び、チャンネル安定性
には何ら影響しない。このように、炉心出力分布などの
時性を大きく変えることなく、単管型水ロッドをもつ燃
料集合体９ａを、スペクトルシフト捧をもつ燃料集合体
９ｂにおきかえることができる。

スペクトルシフト捧の効果を最大限に活用するには、更
に、考慮すべき点がある。

第８図は、炉心全体をスペクトルシフト捧をもつ燃料集
合体に置き換えたときの、平衡サイクルにおける燃料集
合体の出力分布の一例である（日本原子力学会昭６３年
年会）。図は、炉心の１／４領域を示しており、出力は
規格化している。

方、燃料集合体の規格化した出力と流量には、おおよそ
、第９図のような関係があり、集合体出力が高くなると
集合流量は少なくなり、出力が低くなると、流量は逆に
多くなる。第８図と第９図から以下の事がわかる。炉心
の最外周を除いたとしても、燃料集合体の出力は０．７
４〜１．４０まで広く分布する。その結果、集合体流量
も１．２〜０．９　程度まで分布する。

スペクトルシフト捧の効果を最適化する下部タイプレー
ト圧損係数は、集合体の最大流量によって異なる。従っ
て、炉心として、スペクトルシフトの効果を高めるため
には、下部タイプレートでの圧損特性が異なる複数の種
類の燃料集合体を利用すべきである。

第１０図は、その観点から、複数の種類の燃料集合体を
用いた、装荷パターンの一実施例を示す。

炉心は、一般に、中心部の方が周辺部より出力が高く、
流量が少ないので、下部タイプレート圧損係数の大きな
、あるいは、下部タイプレート流路面積の小さな下部タ
イプレートを使用した燃料集合体９ｃを装荷した。炉心
最外周は、出力が低く、スペクトルシフトによる経済性
向上への寄与が少ないので、下部タイプレートの圧損係
数は、それほど問題にならない。

スペクトルシフト捧をもつ燃料集合体の特性は、下部タ
イプレートの圧損を変えることが有利であるが、スペク
トルシフト棒の冷却材出口の高さを変えることによって
も特性を変えることができる。

第１１図に示すように、スペクトルシフト捧の冷却材出
口高さを・変えると、流量変化に対する水位変化幅はほ
とんど変化しないが、水位が変化する区間を変えること
ができる。すなわち、スペクトル効果の高い区間での減
速材密度変化を大きくするように設計できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、既存の原子炉設備をそのまま使って、
既存の燃料集合体をスペクトルシフト効果の大きなスペ
クトルシフト棒をもつ燃料集合体に順次取り換えていく
ことが容易である。

また、スペクトルシフト捧をもつ燃料集合体の性能を有
効に引き出すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図はスペクト
ルシフト捧の構造を示す斜視図、第３図はスペクトルシ
フト棒の燃料集合体内の配置を示す断面図、第４図はス
ペクトルシフト捧の原理を示す図、第５図は下部タイプ
レート圧損係数と、スペクトルシフト棒内の相対減速材
密度の関係を示す図、第６図は圧損係数と減速材密度変
化幅の関係を示す図、第７図は燃料集合体下部構造及び
支持金具を示す断面図、第８図は燃料集合体出力分布図
、第９図は燃料集合体の出力と流量の関係を示す図、第
１０図は燃料集合体の装荷パターンの一実施例を示す図
、第１１図はスペクトルシフト捧の冷却材出口高さを変
化させた説明図である。 １・・・スペクトルシフト棒、２・・・上昇流路、３・
・・下降流路、４・・・冷却材流入口、５・・・冷却材
吐出口。 帛 区 （ｂ） （Ｃ） １０−一一水口ンド 第３図 下部フイブレート乃己乍郵保委文 Ｃ １−−一水僅 １−−一工気 高６区 下部タイプし−トｌＥ巾−イ茶数 ｚｒａ。 高９図 簾台俸記力 ｃ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、二重管型水ロッドをもつ燃料集合体と、単管型水ロ
   ッドをもつ燃料集合体を装荷した原子炉において、 前記二重管型水ロッドをもつ前記燃料集合体の下部抵抗
   体の圧損係数を、単管型水ロッドをもつ燃料集合体の下
   部抵抗体の圧損係数より大きくしたことを特徴とする原
   子炉。 ２、特許請求項第１項記載の原子炉に使用される、二重
   管型水ロッドをもつ燃料集合体。 ３、二重管型水ロッドをもつ燃料集合体と、単管型水ロ
   ッドをもつ燃料集合体を装荷した原子炉において、 前記二重管型水ロッドをもつ前記燃料集合体の下部抵抗
   体の流路断面積が、前記単管型水ロッドをもつ燃料集合
   体の前記下部抵抗体の流路断面積より小さいことを特徴
   とする原子炉。 ４、特許請求項第３項記載の原子炉に使用される、二重
   管型水ロッドをもつ燃料集合体。 ５、二重管型水ロッドをもつ燃料集合体を炉心全体、あ
   るいは、一部に装荷した原子炉において、前記二重管型
   水ロッド下部に設置された下部抵抗体の圧損係数が相異
   なる複数種類の燃料集合体を設けたことを特徴とする原
   子炉。 ６、特許請求項第５項記載の原子炉に使用される、二重
   管型水ロッドをもつ燃料集合体。 ７、二重管型水ロッドをもつ燃料集合体を炉心全体、あ
   るいは、一部に装荷した原子炉において、前記二重管型
   水ロッドの下部に設置された下部抵抗体の流路断面積が
   相異なる複数種類の燃料集合体を設けたことを特徴とす
   る原子炉。 ８、特許請求項第７項記載の原子炉に使用される、二重
   管型水ロッドをもつ燃料集合体。 ９、二重管型水ロッドをもつ燃料集合体を炉心全体、あ
   るいは一部に装荷した原子炉において、前記二重管型水
   ロッドの冷却材出口の高さが相異なる複数の種類の燃料
   集合体を設けたことを特徴とする原子炉。 １０、特許請求項第９項記載の原子炉に使用される、二
   重管型水ロッドを設けた燃料集合体。