JPH022986A - 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） 本発明は沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲという）等の軽水
炉用の燃料集合体に係り、特にウォータロッドやウォー
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は角筒状のチャンネルボックス２内に燃料バ
ンドル３を収容している。

燃料バンドル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より大
径の例えばウォータロッド５を減速材案内部材として配
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構成されている。

また各燃料棒４およびつＡ−タロラド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、下部端栓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
。

下部タイブレート１０はその間口１０ａから減速材と冷
Ｗ材としての様能を併有す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ら−Ｆ
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、炉水は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Ｔ一端部の取入口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
５ｂ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、炉水は主と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Ｕ合される。なお、チ１１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
環流芥）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、主として冷却材流出の制
御によって出力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の健全性を確保する上で８ＷＲ特右の優れた制
御手段であることはよく知られている。

また、チャンネルボックス２内ではボイド（気泡）が燃
料集合体１１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
位置である。

そして、従来の燃料集合体１は、燃料棒４の健全性を確
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り一様な状態
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
を設置プることにより、燃料棒４の健全性を著しく向上
させているので、運転サイクル全期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、第６図（Ｂ）に示すように炉心の上方
へ行くに従ってボイド率が高くなるので、出力分布は第
６図（Ａ）に示すＪ：うに運転サイクル初期（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
料集合体の下部において高くなるような歪ｌしだ分布を
ヱする。

一方、運転サイクル末期（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Ｊ：るスペクトル硬化のためにプルトニウムがよ
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料の経
済性として優れているが、従来は燃料健全性の確保ない
し向上のために、燃料集合体下部に、より多くの可燃性
毒物を配置し下部の出力を抑制したり、燃料集合体上部
の燃料濃縮度を高めるなどして対処して来た。これらの
対策では運転操作が複雑化する上に、燃ｒ１棒のｆＪ　
造が煩雑になることに加え、中性子経済の悪化をＲ１１
き、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ｂ１シてなされたもので、
その目的は燃料経済性を向上さＵ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采的な性質は再循環流間の調節
により、相当広範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光生するため、冷却材の圧
力Ｉ１失が高くなり、その結果、冷却材炉心流量が低下
しやすくなり、一方、ＥＯＣでは丁度、これとは逆の挙
動を示す。

ところで、運転φイクル萌半で減速材としてｎ能する水
の密瓜を低下させ、中性子スベク］・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１−ニウムをＥＯＣで減速材（水）の密度を上昇させ
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く知られており、これを
実施する手段として、ＢＷＲでは冷、ＩＪＩ材流皐制御
法がある。

これはＢＯＣで冷却材炉心流量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ｒ１集合体の上
部でボイド割合を高くして、プル１−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ミル運転法と言われている。

ＢＷＲのＢＯＣではウォータロッドをボイド棒として、
すなわちウォータロッドから水を排除するボイド棒とし
、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、
これらの燃料棒周りへ減速材を案内する減速材案内部材
とを有する燃料集合体において、上記減速材案内部材は
燃料集合体の中心部軸方向に配設した減速材案内管と、
減速材案内管の外側面に設（）られ、断面十字状に形成
された中空案内１？，Ｊ管とから構成し、減速材案内管
内を讐流り°る減速材を中空案内翼管内上部に案内する
連通孔を減速材案内管上部に穿設する一方、中空案内Ｗ
管内を流下する減速材を燃料棒の軸方向の下部層りに排
出する排出孔を中空案内専管下端部に穿設するとともに
、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、炉心流ωの増大に伴って
流路ｗ１抗を連続的に低減させる流路抵抗体を減速材案
内管入口部に配設したことを特徴とする。

（作用） 運転サ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＾
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］ヘル硬化のためにプルト
ニウムムが燃料集合体の上端から中間部ないし下部まで
に多（生成、蓄積される。

一方、運転リイクル末期では冷却材の炉心流量が運転サ
イクル初Ｉｎのときよりら増大され、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で低減され、両者
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Ｎｌａされたプルトニウムを燃焼
する。

したがって本発明によれば、運転サイクル初期で生成蓄
積したプルトニウムを運転ナ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添付図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る燃料集合体の一実施例を示１平断
面図であり、第２図は第１図における■−ｍ矢視縦断面
図である。なお第５図に示す従来例と同一要素には同一
符号を付してその詳ｍ説明は省略する。

本実施例に係る燃料集合体１は、核燃料を充填した複数
本の燃料棒４と、これらの燃料棒４周りへ減速材を案内
する減速材案内部材１１とを有する燃料集合体において
、上記減速材案内部材１１は燃料集合体１の中心部軸方
向に配設した角筒状の減速材案内管１２と、減速材案内
管１２の外側面に設けられ、断面十字状に形成された中
空案内兎管１３とから構成し、減速材案内管１２内を胃
流する減速材を中空案内Ｍ管１３内の上部に案内する連
通孔１４を減速材案内管１２上部に穿設する一方、中空
案内翼管１３内を流下する減速材を燃料棒４の軸方向の
下部用りに排出する排出孔１５を中空案内翼管１３下端
部に穿設づ゛るとともに、上記減速材の炉心流Ｍ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、
炉心流ωの増大に伴って流路抵抗を連続的に低減させる
流路抵抗体１６を減速材案内管１２人口部に配設して構
成される。

燃料集合体１を構成する燃料棒４は、５行×５列に配列
された４体のサブバンドル３ａに分割されており、燃料
集合体１の中心部に対向する各サブバンドル３ａの角部
の燃料棒が１本ずつ取り除かれている。

また第２図に示ずように減速材案内管１２内の下部で、
燃料有効長りの下端から３０〜９０　ｃｍの位置に流路
抵抗体１６が固着されている。この流路抵抗体１６は第
３図（△）、（Ｂａｔ’示すようにジルカロイなど減速
材案内管１２と近似した特性を口する部材で形成され、
軸方向に沿って複数の貫通孔１７が穿設されている。Ｊ
：４通孔１７の内周面には周方向にねじ山状の溝１８が
形成されている。

また流路抵抗体１６は貫通孔１７周りに放射線吸収発熱
体を内蔵しており、ＢＯＣ（運転サイクル初ｍ）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
貫通孔１７を通過する炉水を加熱してボイド（気泡）を
発生させ、このボイドの多少により流路抵抗体１６のｎ
通孔１７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、
微濃縮ウラン、減損ウラン、ボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ
）、ハフニウム（Ｈｆ）、酸化ニー０ピウム（ＥＬＪ２
０３＞等がある。

さらに、他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、融点が低いしの、高い放射能を帯び易いものは避
けるべきである。上述の１−１ｆ、ＨｆＯ２等はγ線吸
収体としてら擾れている。減速材案内管１２と同一材質
のシルカａイ、あるいは１１Ｃを少母含むＺｒ−Ｈｆ合
金などは原子炉での使用実績が充分あり、実用上層れて
いる。

上記の例は外部から照射されたγ線を吸収する場合につ
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茗しく小さ
ければ役に立たない。

１述のＨｆ、）−１ｆ０２はこれらの点で６優れている
。

また第２図に示すように流路抵抗体１６の外周部には断
熱層１９が形成されており、この断熱層１９によって、
流路抵抗体１６において発生した熱が減速材案内管１２
方向へ伝播することが抑ａＩすされる構造となっている
。

一方、十字状に形成された中空案内Ｔ！ｉ管１３の各外
側縁には、軸方向に一定間隔で通水孔２０を穿設した固
定板２１が装着される。固定板２１は、例えば第１図に
示づように各中空案内胃管１３を構成する２枚の板材の
側縁部を張り合せて形成される。この固定板２１の外ｍ
縁は、チャンネルボックス２の軸方向側壁に形成したス
リン］・または穴に挿入され、溶接等によって固定され
る。上記固定板２１には、隣接するサブバンドル３ａを
収容するそれぞれの空間を連通する通水孔２０が形成さ
れているため、各空間内の圧力は均一となる。

また減速材案内管１２および中空案内翼管１３の軸方向
長さは、一般に、燃料有効長りよりやや短かく設定され
る。また中空案内翼管１３内を流下し、燃料棒４の下部
周りへ減速材を排出する排出孔１５の位置は、燃料有効
長しの下端より１／６Ｌ〜１／３ＬだＧノ上方に設定さ
れる。

また各燃料棒４は第５図に示す従来例と同様に上部タイ
ブレート９と下部タイプレート１０とによってそれぞれ
上下端を保持され、軸直角方向位ｅｔは図示しない燃料
スペーサによって一定位置に保持される。

さらに減速材案内管１２の下端部は、下部プレート１０
の下部まで１１通しており、下部タイプレート１０の下
側から昇流する減速材を内部に導入する構造となってい
る。

次に本実施例に係る燃料集合体を例えばＢＷＲ型原子炉
の炉心に装荷しＩζ場合の作用について説明する。

本実施例に係る燃料集合体１によれば、原子炉運転→ノ
イクル初期（ＢＯＣ）ないし中期（ＭＯＣ）においては
、冷却材流量が少なく、燃料集合体１の軸方向出力分布
は第６図（Ａ）に示ずように下方において歪んだ分布を
呈し、いわゆるボトムピークとなっている。このとき燃
料集合体１の下部において核分裂時に同時に放出される
即発ガンマ線や中性子を吸収する吊が増大するため、流
路抵抗体１６の発熱率が高まり、流路抵抗体１６を通過
する炉水が加熱されボイドが発生する。流路抵抗体１Ｇ
に穿設した１通孔１７の内周面にはねじ山状の満１８が
形成されているため、炉水への熱伝達面積が広く、ボイ
ドが効率的に発生する。また流路抵抗体１６の外周部に
は断熱層１９が設（）られ、流路抵抗体１６において発
生した熱が減速材案内管１２方向に逸散づ−ることが防
止されるように構成されているため、発生した熱はより
効果的にボイド発生に供される。

こうして運転開始後、減速材案内管１２はボイドで満た
され、そのボイドは頂部に穿設した連通孔１４を通り、
断面十字形に配列された中空案内翼管１３内に流れ込む
。ボイドの増加に伴い中空案内Ｗ管１３内も、やがてボ
イドで充満される。

過分のボイドは中空案内Ｗ管１３の下部側面に穿設され
た排出孔１５から排出される。

この状態が継続するＢＯＣでは中空案内翼管１３の排出
孔１５から燃料棒４の下部周りへ案内される減速材の液
相が低減され、ざらに減速材案内管１２および中空案内
胃管１３全体がボイド棒として機能するため、炉水によ
る中性子減速効宋が低減°し、燃料棒４には炉水の減少
分に対応してより多くのプル］−ニウムが生成蓄積され
る。

一方、運転サイクル末期（ＥＯＣ）では炉水の炉心流量
がＢＯＣのときよりｂ増大される反面、炉心の軸方向出
力分布が第６図（Ａ＞に示すようにボトムピークに代っ
て、炉心上部において高くなる。いわゆるトップビーク
へと移行する。

このとき炉心下部における出力はＢＯＣの出力と比べて
大幅に低下しているため、流路抵抗体１６の放射線吸収
発熱体の発熱ｍが低下し、気泡の発生率ら小さくなる。

加えて炉心流ωが増大されているため、５１ケした少ω
の気泡も流路抵抗体１６の表面から洗い流される状態と
なる。

したがって、流路抵抗体１６の流路抵抗が減少し、減速
材案内管１２および中空案内Ｗ管１３内に多量の炉水が
流入する。この流路抵抗を減少させる特性は、制御棒を
炉心下部からその先端を流路抵抗体１６の配設位置まで
浅く挿入（シャロー挿入）することによってより確実に
することができる。すなわちシャロー挿入によって流路
抵抗体１６近傍の即発ガンマ線や中性子束レベルがざら
に低下りるため、流路抵抗体１６の発熱率が一段と４１
Ｆしボイド発生率を一段と低くすることかできる。

このようにして、ＥＯＣを迎える頃においてはボイドを
減少さぜる一方で、減速材案内管１２および中空案内翼
管１３内は非沸麗水で満たされる。

したがってＥＯＣでは、中空案内翼管１３の排出孔１５
から燃料棒４の下部周りへ案内される炉水の液旧が増大
し、減速材案内部材１１全体が水捧として機能するため
、炉水にＪ：る中性子減速効果が増大し、運転初期（Ｂ
ＯＣ）において生成蓄積されたプルトニウムを効率的に
燃焼さ拷ることができる。またプルトニウムの燃焼分だ
け燃焼期間の延長を図ることができるので燃料経溜性を
大幅に向上させることができる。

次に本発明の他の実施例について第４図を参照して説明
する。

本実施例に係る燃料集合体１は、角筒状のチＶンネルボ
ックス２内に燃料棒４を９行×９列の格子状に配列して
構成される。燃わ１集合体１の中心軸方向に【１角箇状
に形成された減速材案内管１２ａと、断面十字状に形成
された中空案内翼管１３ａどが配設されている。減速材
案内管１２ｒ〕および中空案内翼管１３ａの断面積は第
１図に示すものより大きく設定してあり、減速材案内管
１２ａの外周には、軸方向に所定の間隔をおいて帯状の
スペーサ２２が配設されており、このスベーナ２２を介
して減速材案内管１２ａと中空案内Ｗ管１３ａとが１体
に固着されている。したがってスベー１す２２が配設さ
れていない部分には、減速材案内管１２ａ外面と中空案
内翼管１３ａ内面との間に間隙が形成され、この間隙を
通って冷却材が矢印で示すＪ：うに隣接する翼管内を相
互に流通できるように構成されている。

本実施例は、中空案内翼管１３ａの側縁部がチｔシンネ
ルボックス２に固着されていない点を除いて基本的には
第１図に示す燃料集合体と同様な構造を有しているため
、同様な作用効果を奏する。

しかし、減速材案内管１２ａおよび中空案内翼管１３ａ
の断面積が大きく設定され、大部分の燃料棒４において
は燃１１棒相互間の間隔が狭められ、その結果、共鳴中
性子に対する相ｑＭ１蔽効果（ランコッフ効果）が増大
し、無限増倍率（ｋｏＯ）を向上させることができる上
に、原子炉停止中においては、大きな断面積を有する減
速材案内管１２ａおよび中空案内翼管１３ａ内に滞留す
る水による熱中性子吸収効果によって、より大きな未臨
界度を確保することが可能となり原子炉の安全性を高め
ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、′流路抵抗体により炉心
流分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。

その結果、ＢＯＣでプルトニウムをより多く生成、蓄積
し、このプルＩ・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。

３・・・燃料バンドル、３ａ・・・ザブバンドル、４・
・・燃料棒、５・・・ウォータロッド、５ａ・・・取入
口、５ｂ・・・排出口、６・・・スベーリー、７・・・
上部端栓、８・・・上部端栓、９・・・上部タイプレー
ト、１０・・・下部タイブレート、１１・・・減速材案
内部材、１２．１２ａ・・・減速材案内管、１３．１３
ａ・・・中空案内Ｗ管、１４・・・連通孔、１５・・・
排出孔、１６・・・流路抵抗体、１７・・・貫通孔、１
８・・・溝、１９・・・断熱層、２０・・・通水孔、２
１・・・固定板、２２・・・スペーサ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料集合体の一実施例を示１平断
面図、第２図は第１図における■−■矢祝縦断面図、第
３図（Ａ）、（１３）はそれぞれ流路抵抗体の平面図、
縦断面図、第４図は本発明の他の実施例を示す平断面図
、第５図は従来の燃料集合体の構成を示ず縦断面図、第
６図（△）。 （Ｂ）は一般的な燃料集合体の軸方向出力分布と、ボイ
ド率分布とをそれぞれ示すグラフである。 １・・・燃料集合体、２・・・チセンネルボックス、出
願人代理人　　　波　多　野　　　久第 図

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、これらの燃料棒周
   りへ減速材を案内する減速材案内部材とを有する燃料集
   合体において、上記減速材案内部材は燃料集合体の中心
   部軸方向に配設した減速材案内管と、減速材案内管の外
   側面に設けられ、断面十字状に形成された中空案内翼管
   とから構成し、減速材案内管内を昇流する減速材を中空
   案内翼管内上部に案内する連通孔を減速材案内管上部に
   穿設する一方、中空案内翼管内を流下する減速材を燃料
   棒の軸方向の下部廻りに排出する排出孔を中空案内専管
   下端部に穿設するとともに、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
   、炉心流量の増大に伴って流路抵抗を連続的に低減させ
   る流路抵抗体を減速材案内管入口部に配設したことを特
   徴とする燃料集合体。