JPH0291597A - 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】 ［産業上の利用分野］ 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、大口径ウォーターチャネルまたは大
口径ウォーターロンドを備えた形式の９Ｘ９型燃料集合
体の圧力損失特性の改善を図り、水力学的安定性を向上
させるための構造上の改良に関するものである。

［従来の技術］ 第２図には、従来よりＢＷＲで実用に供されている８×
８型燃料集合体が示されている。

図において、１は中性子の吸収体′を含む十字形状の制
御棒であり、２は燃料集合体を表わす。

この燃料集合体２は、図示の如＜Ｎｏ、１〜６２の５４
６２本の燃料棒３と、内部に燃料物質を含まず中空で冷
却水を流通する２木のつオータロラド４とを８ｘ８正方
格子状に配列して構成され、ジルカロイ製のチャネルボ
ックス５で外周を囲まれて、制御棒１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
から上部に向っで流れ、燃料棒の発生熱を除去する。

第３図は上記８×８型燃料集合体２の構造を示すもので
あり、図において、燃料棒３及びつオータロラド４は、
上部タイ・プレート６と下部タイ・プレート７によって
固定される。また、燃料集合体２に沿って一定間隔で支
持格子８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。

第４図は燃料棒３の内部構造を示し、燃料物質白がジル
カロイ製の被覆管１０中に装填されており、被覆管１０
の両端はジルカロイ製の上部端栓１１及び下部端栓１２
により密封されている。なお、燃料棒３中には、燃料物
質の移動を防止するためのスプリング１３を配した自由
空間（プレナム領域）が設けられている。このプレナム
領域の体積は、燃料から発生した核分裂生成ガスを蓄積
し、燃焼が進んだときの燃料棒３の内圧が過大にならな
いように調整する役割を有する。

ところで、核燃料の経済性を高めるためには燃料の高撚
、焼度化を図ることが有効である故、近年は燃料の高燃
焼度化が希求されている。燃料の高燃焼度化を図るため
には、基本的に燃料の高濃縮度化が必要であり、その結
果、例えば２３！ｉ　Ｕの中性子吸収の増加や中性子の
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。

そこで、燃料の濃縮度の増加に対応して集合体中央部の
非沸騰水部の面積を大きくするために、大口径のウォー
タロッドまたはクォータチャネルの専大が提案されてい
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、高燃焼度化において、被覆管の機械的健全
性を保つためには、この内圧上昇に耐え得る設計余裕を
持たせる必要がある。

そのため上記従来型８×８型燃料集合体に代って、燃料
物質（ベレット）の温度を低減させる９・＜シ゛型ｐり
料集合体が提案されている。

代表的な９×９型燃料集合体としては、第５図及び第６
１７１に示す如く、上述の大口径ウオータロ・ソトよた
はウォー・”Ｚ壬ヤネルを備えた形式のものが知られて
いる。

第５図に示される９Ｘ９型燃料集合体２０は、９行９列
の正方格子配５１ｊの燃料棒３１と、２木の丸形の大口
径つ才〜りしラド１４とから構成され、燃料棒３１の本
数は７３木の例である。

一方、第６図に示される９×９型燃料集合体２０は、９
行９列の正方格子配列の燃料棒３１と、１本の角型ウォ
ータチャネル１５とから構成されるものであり、燃料棒
３１の本数は７２木の例である。なお、何れの例におい
ても燃料棒３１の燃料有効長の燃料棒直径は、軸方向に
対して一様である。

これらの９×９型燃料集合体２０は、従来型８×８架燃
料集合体２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た・め、ベレッ
ト温度が低くなり、上記のＦＰの放出率が小さい。従フ
て、高燃焼度化した場合の設計余裕が増加し、例えばＦ
Ｐガス内圧を小さくできるという利点を有している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、高燃焼度向は従来型９×９望燃料集合体
２０は、大口径のつオータロラド１４またはつオータチ
ャネル１５を用いることにより燃料棒の冷却のための冷
却材流路面積が縮小すること、及び濡れ壁長さが増加す
るため、必然的に冷却材流路の摩擦圧損の増加を伴い、
燃料集合体２０の圧損が増加するという欠点を・有する
。この圧損の増加は特に集合体軸方向上部で顕著である
。すなわちＢＷＲ炉心に形成される蒸気と液相との二相
流領域の蒸気体積率は、炉心上部側から上部側になるに
従って大きくなるが、この二相流領域の圧損（摩擦圧損
と局所圧損）は液相単相流領域の圧損に比して大きく、
蒸気体積率が７０％程度となる集合体上端部では、単相
流圧損の約５倍にも達する。

ところで、ＢＷＲの原子炉起動時、負荷加追従運転等の
低出力調整時、或は再循環ポンプ故障時等には、低流量
運転（再循環ポンプ定格速度の２０％程度の流量ないし
は自然循環状態）が行われる。このような炉心冷却材が
少ない低出力・低流量運転状態においては、二相流領域
が炉心軸方向に広がり、炉心冷却材の全圧損に対する二
相流圧損の割合が大きくなり、安定性減幅比（水力学的
振動の減衰特性を表す指標）が増加して安定余裕が減少
するため、炉の運転が制限されるという問題がある。す
なわち二相流圧損の増加に伴ない外乱による冷却材流量
の変動が大きくなフてチャネル安定性が悪化し、最悪の
場合、除熱不足による燃料要素の破損に至る。また、冷
却材流量の変動が太きく　１すると蒸気体積率の変動幅
も大きくなり、それに伴なう核反応率の変動による炉心
全体または局所的な中性子束の揺らぎを惹起し、遂には
原子炉スクラムに至るという不都合がある。従って、Ｂ
ＷＲにおいてはチャネル安定性を確保することが２重要
な課題である。

本発明は、従来技術の有する上記問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、低圧損化、特
に二相流に対する低圧損化を達成するとともに、チャネ
ル安定性を確保し、低流量時のＢＷＲの運転性を向上さ
せるＢＷＲ用燃料集合体を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明のＢＷＲ用燃刺集合
体は、複数の燃料棒を角型の大口径クオータヂャネルま
たは丸型の大口径ウォータロッドとともに９行９列の正
方格子配列に°束ねてなる９ｘ９型燃料尖合体において
：前記複数の燃料棒の一部または全部が、その燃料有効
長を軸方向中央部を境として上下部の三領域に分割され
；その上部領域の燃料棒直径が下部部領域の燃料棒直径
に対して細径にされるとともに；これら上下部領域が、
両領域燃料棒内を連通する通孔を有する中間端栓で結合
されたものである。

又、本発明の燃料集合体と従来の軸方向に一様な燃料棒
直径を有する燃料棒から成る燃料集合体の燃料物質重量
を同一またはほぼ同じとする目的で、前記分割燃料棒の
上下部領域についての燃料棒平均直径を、従来の燃料集
合体の燃料棒直径と同一またはほぼ同じとしてもよい。

この場合、具体的な値を示せば以下の通りである。

燃料棒直径が軸方向に一様な燃料棒、すなわち従来の９
ｘ９型燃料尖合体の燃料棒の燃料棒直径として１．１０
ｃｍの設計例があるが、本発明の９ｘ９型燃料尖合体に
使用する前記分割燃わ棒の燃料棒直径は、前記上部領域
については１．０８ｃｍ、前記下部領域ついては１．１
２ｍとすれば、 （１，０８＋１．１２）／２＝１．１０ｃｍとして、上
下部領域についての燃料棒平均直径を従来型燃料棒と同
じ＜１．１０ｃｍとすることができる。この場合、本発
明の燃料集合体と従来型燃料集合体の燃料物質重量に変
化はない。

［作用］ 本発明のＢ　Ｗ　Ｒ，燃料集合体は、上記第５図まｊ：
は第６図に示しｔ：如き従来型９ｘ９型燃料尖、ハ休に
おいて、その集合体を構成する複数の燃料ｉ不の一部ま
たは全部に、第１図に示される如き分１．））燃料棒（
以下、第２の燃料棒という）を採用し！−・ｔのである
。

この第２の燃料棒から構成される本発明のり×９型燃料
においては、その上部領域の燃料棒直径を下部領域のそ
れよりも細径化したことにより、集合体軸方向上部の冷
却水流路面積が軸方向下部のそれよりも大きくなるため
、大口径ウォータロッドまたは大口径ウォータチャネル
を採用しているにも係らず低圧損化が達成される。

また、前述のように燃料集合体中を流れる二相流の蒸気
体積率は集合体軸方向上部で大きくなる傾向にあるため
、集合体軸方向上部の冷却水流路面積を大きく確保する
ことは、特に二相流に対する低圧損化に有益である。こ
の二相流に対する低圧損化はチャネル安定性を向上させ
るため、低流量時のＢＷＲの運転性を向上させる。

なお、本発明に使用する第２の燃料棒の燃料物質重量は
、上部領域の細径化に伴って従来の軸方向に一様な燃料
棒直径を有する燃料棒（以下、第１の燃料棒という）に
比して減少することになるが、これは下部領域を大径化
することにより補償できる。例えば、第２の燃料棒の燃
料有効長の燃料棒平均直径が、第１の燃料棒の燃料棒直
径と同一またはほぼ同じとなるように下部領域の燃料棒
直径を大径化すれば、第１と第２の燃料棒の燃料物質重
量を同一またはほぼ同じにできる。

ここで、第１と第２の燃料棒の燃料物質重量を同一とす
る具体的な燃料棒直径の値の一例は上述の通りである。

この場合、本発明の燃料集合体−体当りの燃料物質重量
は、燃料棒が第１の燃料棒のみで構成された従来型燃料
集合体と同一である。

なお、第２の燃料棒の下部領域を大径化すると、集合体
軸方向下部の冷却水流路面積が狭くなるが、集１合体軸
方向下部の二相流は蒸気体積率が小さいため、冷却水流
路面積を多少絞っても問題はない。

ところで、第２の燃料棒の上部・下部領域は中間端栓を
介して結合されているが、この中間端栓は、両領域の燃
料棒内を連通ずる通、孔を有している。このため、第２
の燃料棒は、三領域に分割されているにも係らず内圧調
整の点では一木の燃料棒として取扱える。すなわち下部
領域で発生した核分裂生成ガスによる内圧は、中間端栓
の通孔を介して上部ブレナム領域で吸収される。

本発明の特徴と利点を一層明確にするために、好ましい
実施例について添付図面とともに説明すれば以下の通り
である。

［実施例］ 第１図には本発明のＢＷＲ用燃料集合体に組み込まれる
べき第２の燃料棒（分割燃料棒）が示されている。

図において、第２の燃料棒３２は、その燃料有効長の中
央部を境として上部領域Ｕと下部領域りとの三領域に分
割されており、上部領域Ｕの燃料棒直径ｄｌは下部領域
りの燃料棒直径ｄ２に対して細径化されている。なお、
上部領域Ｕの燃料棒直径ｄ、は、第１の燃料棒（上記従
来技術の９×９型燃料用燃料棒）３１の軸方向に一様な
燃料棒直径よりも細径化されている。

また、第２の燃料棒３２の上部領域Ｕと下部領域りとは
、−木の燃料棒を構成するように中間端栓１４を介して
結合されている。中間端栓１４は、その軸心部に両領域
の燃料棒に連通ずる通孔１４ａを有する。３３は下部領
域りの燃料物質の膨張を許容するためのスプリングであ
り、３４は端栓溶接部への熱影響を緩和するための断熱
材である。

なお、第１図において、第４図と同様の符号を付したも
のは同様の構成要素を示し、その説明は省略する。

第１表には、本発明の実施例として、上記のように構成
された燃料棒を組み込んだ９×９型燃料集合体の・設計
諸元及び特性が従来例との比較で示されている。この第
１表では、９×９型燃料集合体の一例として、第６図に
示した如き角型ウォーターチャネルを備えた形式のもの
を用いている。

本実施例の第２の燃料棒３２は、第１の燃料棒３１の燃
料棒直径が軸方向に一様に１．１０ｃｍであることに対
し、有効長中央断面を境界とする上部領域Ｕの燃料棒直
径ｄ１が１．０８ｃｍに細径化され、下部領域りの燃料
棒直径ｄ２が１．１２ｃｍに大径化されている。第２の
燃料棒３２の平均直径、すなわち上部領域Ｕと下部領域
りとの径ｄ、、ｄ２を平均した直径（ｄ、＋ｄ２）／２
は、第ｉの燃料棒３１と同じ＜１．１０ｃｍとしている
。そのため本実施例の集合体に組み込まれる燃料物質の
重量は従来例と変らない。

次に、本発明の燃料集合体の圧損特性について述べる。

第１表に示される本発明及び従来の圧損特性は、炉心冷
却材流量が定格の約４０％、原子炉熱出力が定格の約６
０％のと籾のものである。

第１表に示される実施例では、本発明の９Ｘ９型燃料集
合体は、従来型９×９型燃料集合体に比して炉心圧損が
約２％低減されている。それと同時に、蒸気体積率の大
きい二相流となる集合体軸方向上部の圧損は、軸方向下
部の単相流（但し、ｉ密には蒸気体積率の比較的小さい
二相流を一部含む）の圧損に対して、約９％低減されて
いる。

なお、圧損比としては、炉心入口（オリフィス）から集
合体軸方向中央部位置までの圧損に対する集合体軸方向
中央部位置から集合体出口（上部タイブレート出口）ま
での圧損の比率を示してあ名。

更に、この圧損の減少はＢＷＲのチャネル安定性の指標
である減幅比の約１０％の減少に相当し、低流量・低出
力時の運転性が著しく向上する。

なお、上記実施例では、第２の燃料棒３２の上部領域Ｕ
の燃料棒直径ｄ、を、第１の燃料棒３１よりも細径化す
るものとしたが、本発明はこれに限定されるものではな
い。単に上部領域Ｕの燃料棒直径ｄ、を下部領域りの燃
料棒直径ｄ２よりも細径化す、ることにより、低圧損化
を図ることが可能である。

［発明の効果］ 以上に述べたように、この発明によれば、第２の燃料棒
（分割燃料棒）の上部領域の細径化により、炉心冷却材
の圧力損失を炉心圧損で数％低下できるほか、特に蒸気
体積率の大きい二相流に対する集合体軸方向上部の圧損
を大幅に低下させることが可能である。こわら低圧損化
と圧損特性の改善によりＢＷＲのチャネル安定性が向上
し、特に低流量・低出力時の運転性が向上する。

更に、第２の燃料棒の上部領域の細径化に伴ない、下部
領域の径を適宜に設定することにより、燃料集合体一体
当りの燃料物質の重量を従来型燃料集合体と同等に確保
できるという利点もある。

３２　・ ・：Ａ２の燃料棒（分割燃料棒）。

なお、各図中同一符号は同一または相当部を示す。

代　　理　　人　　弁理士　　佐　　藤　　正　　年

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料集合体に組み込まれる第２の燃料
棒（分割燃料棒）の縦断面図、第２図は従来型８Ｘ８型
燃料集合体の横断面図、第３図は同じく縦断面図、第４
図は前図の集合体に組み込まれる燃料棒の縦断面図、第
５図ないし第６図はいずれも従来型９Ｘ９型燃料集合体
の横断面図である。 ９・・・燃料物質、１４・・・中間端栓、１４ａ・・・
通孔、２０・・・従来型９×９型燃料集合体、 ３１・・・第１の燃料棒（従来型燃料棒）、第 図 に 制御棒 ２：燃料集合体（８ｘ８型） ３：燃料棒 ４：ウォータロッド ５：チャネルボックス 第 図 第 図 ５：チャネルボックス １４．犬口窪ウォータロッド ２０：燃料果合体（９×９型） ３１、燃料棒 ：チャネルボックス ：ウォータチャネル 燃料集合体（９Ｘ９型） ：燃料棒

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の燃料棒を角型の大口径ウォータチャネルま
   たは丸型の大口径ウォータロッドとともに９行９列の正
   方格子配列に束ねてなる９×９型燃料集合体において、 前記複数の燃料棒の一部または全部が、その燃料有効長
   を軸方向中央部を境として上下部の二領域に分割され、 その上部領域の燃料棒直径が下部部領域の燃料棒直径に
   対して細径にされるとともに、 これら上下部領域が、両領域の燃料棒内を連通する通孔
   を有する中間端栓で結合されていることを特徴とする沸
   騰水型原子炉用燃料集合体。
2. （２）軸方向に一様な燃料棒直径を有する燃料棒の直径
   と前記分割燃料棒の上下部領域についての燃料棒平均直
   径を、同一またはほぼ同じとしたことを特徴とする請求
   項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. （３）前記軸方向に一様な燃料棒直径を有する燃料棒の
   直径が１．１０ｃｍであるとき、前記分割燃料棒の燃料
   棒直径を前記上部領域については１．０８ｃｍ、前記下
   部領域ついては１．１２ｃｍとすることにより、前記分
   割燃料棒の上下部領域についての燃料棒平均直径を、１
   ．１０ｃｍとしたことを特徴とする請求項２に記載の沸
   騰水型原子炉用燃料集合体。