JPH03108691A - 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） 本発明は燃料集合体に係り、特に沸騰水型原子炉に適用
して核燃料物質の消費を節約すると同時に燃料サイクル
コストを低下させるのに好適な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、中性子減速を促進させるため
に冷却水が流れる管（以下、ウォータロッドと称する）
を有する燃料集合体を炉心内に装荷している。このよう
なウォータロッドの使用によって、ウラン原子に対する
水素原子の数の比（以下Ｈ／Ｕと称する）を燃料集合体
の反応度が最大になるような最適値に設定し、炉心に装
荷された核燃料物質を有効に活用するようにしている。

しかしながら、沸騰水型原子炉においては、水蒸気（ボ
イド）が発生するため燃料集合体の上部はど下部よりも
ボイドの存在率が大きいという特徴があって、燃料集合
体の軸方向に沿って前記Ｈ／Ｕは変化し、軸方向のすべ
ての位置についてＨ／Ｕの最適値を保つことは困難であ
った。この解決方法の一例として、特願昭５０−１２５
９３９号公報に記載されているような燃料集合体の構造
がある。その実施例ではウォータロッドの基本形状は同
心円の漏斗型をしており、燃料集合体の中央にただ一つ
だけ配置された構造となっている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この構造ではウォータロッドの円の直径
が大きくなるにつれて、それによって排除される燃料棒
の数も増加し、そのため燃料集合体に装荷すべき核燃料
の重量が減少して、燃料サイクルコストと比出力の上昇
とをもたらす。また、燃料集合体の上端および下端の領
域は中性子インボータンスが中央部分に比して小さいた
めにＨ／Ｕの値を無理に最適化する必要はない。

本発明の目的は、限られた燃料集合体サイズの中で、そ
れに装荷する核燃料物質の重量を最大にし、かつＨ／Ｕ
を最適にするという矛盾した二つの要求を同時に満足さ
せることが可能な燃料集合体を提供することである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的は、軸方向に断面積の異なる、即ち上部の断
面積が下部の断面積よりも大きなウォータロッドを配置
した燃料集合体において、　■ウォータロッドの上部の
断面積の重心が下部の断面積の重心と一致していない構
造を採用するか、■上部の断面が円形でない形状のもの
を採用するか、または　■燃料棒の配列ピッチを変えて
上記■および■のウォータロッドとするか同心円形状の
ウォータロッドを採用することによって達成することが
できる。

（作　用） 外周の長さを一定に保った条件下では、一つの円が最大
の面積をとることはよく知られているが、燃料集合体で
は燃料棒が規則正しく配置されているため、ただ一つの
大円よりも複数の円または偏平形状を採用した方が排除
される燃料棒の数が少なくて済む。

本発明はこの考えに基づきなされたもので、本発明では
ウォータロッドの形状を前記したような形にしたことに
よって、ウォータロッドにより排除される燃料棒の数を
減少させることができる。

したがって、本発明によれば、Ｈ／Ｕを最適化しながら
核燃料物質量を多くすることができ、燃料経済性が向上
して、燃料棒１本当たりの熱的負担も減少する。

（実施例） 本発明の好適ないくつかの実施例、すなわち沸騰水型原
子炉に装荷する燃料集合体を第１図〜第６図に基づいて
説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す燃料集合体縦断面図で
ある。第１図に示すように、本実施例の燃料集合体１０
は、燃料棒１１．上部タイプレート１．２．下部タイプ
レート１３．燃料スペーサ１６、チャンネルボックス１
７．およびウォータロッド１９からなっている。燃料棒
１１の上下端部は上部タイプレート１２および下部タイ
プレート１３にて保持される。ウォータロッド１９も、
両端部が上部タイプレート１２および下部タイプレート
１３に保持される。燃料スペーサ１６は、燃料集合体１
０の軸方向にいくつか配置され、燃料棒１１相互間の間
隙を適切な状態に保持している。燃料スペーサ１６はつ
十−タロラド１９にて保持される。チャンネルボックス
１７は上部タイフレート１２に取付けられ、燃料スペー
サ１６で保持された燃料棒１１の束の外周を取り囲んで
いる。下部タイプレート１３は、上端部に燃料支持部１
４を有し、しかも燃料棒支持部１４の下方に空間１５を
有している。燃料棒支持部１４が燃料棒１１およびウォ
ータロッド１９の下端部を支持している。

第２図は第１図における燃料棒１１の部分断面図である
。燃料棒１１は、第２図に示すように上部端栓３１およ
び下部端栓３２にて両端が密封された被覆管３０内に多
数の燃料ペレット３３を装荷したものである。ガスプレ
ナム３４が、被ｉ管３０の上端部に形成される。ウォー
タロッド１９の直径は燃料棒１１の直径よりも大きく、
ウォータロッド１９は燃料集合体１０の横断面のほぼ中
央に配置されている。

本発明におけるウォータロッドの代表的な実施例の構造
を第３図（ａ）および（ｂ）に示す。第３図（ａ）は２
本のウォータロッドが並んで配置された構造をもつウォ
ータロッド１９Ｂを示している。ウォータロッドの軸方
向の中央部分は大径であるが下部２０はそれよりも細径
となっており、しかも偏心しているために下部の空間部
分２３には部分長の燃料棒が装荷可能である。沸騰水型
原子炉においては、運転中はＨ／Ｕの軸方向分布が下が
最大で、下から上の方１／２〜１／３の間で急に減少し
、さらに上に行くにつれてなだらかに小さくなる。した
がってウォータロッド１９Ｂまたは１９Ｃの下部２０の
長さを全長の１／２〜１／３とすることによって、Ｈ／
Ｕの軸方向変化を小さくすることができる。さらに空間
部分２３に部分長燃料棒を追加することにより、Ｈ／Ｕ
はほぼ一様にすることが可能である。２４はウォータロ
ッドの上部であって、中央部よりも細径を持っている。

上部を細径とすることによって、燃料集合体内部の沸騰
している冷却材の流路が拡大され、冷却材の圧力損失が
低減される。上部の長さは３０〜６０ＣＯ１が望ましい
。２５はウォータロッド上部支持部、２６はウォータロ
ッド下部支持部、２７は冷却水の下部流入口、２８は上
部流出口である。

２８は太径部の上部に設けた実施例第３図（ａ）でもよ
いし、また上部２４の上端に設けた実施例第３図（ｂ）
でもよい。

第３図（ｂ）は本発明の他の実施例であって、中央部分
の断面が小判状の構造１９Ｃとなって、その下部には細
径のウォータロッド下部２０が漏斗型につながっている
。この場合には下部２．０の位置は必ずしも偏心させる
必要はない。

次に第４図により本発明の種々の実施例を更に説明する
。第４図（ａ）〜（ｄ）は燃料集合体の上部と下部の断
面（第１図のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿う断面）の断面図
をそれぞれ瓜ねて示したものである。

第４図（ａ）は比較例として示すもので、ウォータロッ
ド１９Ａはウォータロッドの構造として下部２０がその
上部と同心円の位置にある。この場合には下部２０の位
置を燃料棒１１のピッチとほぼ合った位置に設定しよう
とすれば、排除される燃料棒の数が増加し、反対に燃料
棒のピッチとずれた位置に設定する場合には、本図のよ
うに下部２０の直径は大きくできないという不具合があ
る。

第４図（ｂ）は上記の問題点を解決するための実施例の
一つであって、ウォータロッドの下部の細径部がそれぞ
れの上部と偏心した構造をもつウォータロッド１９Ｂを
燃料集合体のほぼ中央部分に配置した実施例を示してい
る。斜線を施した燃料棒２１はウォータロッドの下部の
空間部２３に装荷可能である。偏心構造を採用している
ため、ウォータロッドの下部２０の位置をほぼ燃料棒１
１のピッチの位置に設定でき、その直径を上記（ａ）の
場合に比べて大きくすることができる。

その結果、Ｈ／Ｕを増加できるばかりでなく、熱的・機
械的強度の点からも有利となっている。

第４図（Ｃ）は第３図（ａ）に示した２本組のウォータ
ロッド１９Ｂを４本組のウォータロッド１９Ｄに変更し
た実施例である。１９Ｄの外観図はほぼ第３図（ａ）の
１９Ｂから容易に類推できるのでここでは図示していな
い。本図では１９Ｂよりも大きなＨ／Ｕを必要とする燃
料集合体の設計に適用可能である。１９Ｂを採用した燃
料集合体では全長燃料棒は７本排除されているのに対し
て、１９Ｄを採用すると全長燃料棒は９水域ることにな
る。ただし、燃料棒２２に全長燃料棒を採用すれば８水
域で済む。もちろん、ウォータロッドの組合わせの数と
して第４図（ｂ）または（Ｃ）に示した偶数本ばかりで
なく、奇数本の組合わせを採用してもよい。奇数本の場
合は、チャネルボックスの制御棒側とその反対側との水
ギャップの幅が異なるタイプの炉心に装荷する燃料集合
体に対して特に好適である。

第４図（ｄ）は第３図（ｂ）に示したウォータロッド１
９Ｃを配置した燃料集合体の実施例である。この例では
排除した全長燃料棒の数は第４図（ｂ）と同様に７本で
あるが、ウォータロッドの中に取り入れられる水の量は
多くなっている。また、部分長燃料棒の本数は第４図（
ｂ）の５本に対して、１本多い６本となっている。

以上、第４図の例はいずれも燃料棒のピッチが燃料集合
体の場所によらず一定であった。これに対して、次に示
す第５〜６図は、燃料棒ピッチが一様でない粗密格子の
場合の本発明の実施例である。

第５図は９×９配列の燃料集合体において、１列９本の
列を３−３−３に分けて、燃料棒を３×３の小集団に分
けている。ウォータロッドは燃料集合体の中央部に配置
する。第５図（ａ）は第４図（ａ）に対応したウォータ
ロッド１９Ａの配置例である。燃料棒の配置が小集団に
分けられ、かつ集団間のギャップが広く取られているた
めに、１９Ａの直径は第４図（ａ）の例よりも大きくし
ても排除される全長燃料棒の数には影響を与えない。ま
た、下部ウォータロッド２０は上部と同心円状であって
も、比較的直径を大きくすることができる。もちろん下
部ウォータロッド２０を偏心させれば、第５図（ｂ）の
ように更に大きな直径を持った下部ウォータロッド２０
を配置可能である。これは第４図（ｂ）に対応するもの
である。

第５図（Ｃ）は４本組のウォータロッドを配置した実施
例である。この例では下部ウォータロッドは上部と同心
円状に設定したものを示しているが、第４図（Ｃ）に対
応して偏心した配置を採用すれば、下部ウォータロッド
２０の直径は更に大きくできる。燃料棒２２は全長でも
部分長でもよい。あるいは全く無しにしても構わない。

第５図（ｄ）は第４図（ｄ）同様のウォータロッド１９
Ｃを配置した燃料集合体の実施例を示している。中央に
配置した小判形断面のサイズは小集団の間のギャップの
分だけ第４図（ｄ）の実施例よりも大きくすることがで
きる。

他の粗密格子における実施例として、９×９配列におい
て１列９本を４−１−４と分けた場合を第６図に説明す
る。この時、燃料棒ピッチは４×４の小集団の中ではし
てあるが、２つの小集団の間にある１列だけの燃料棒と
のピッチはＨとなり、Ｈはしよりも大きいことが特徴で
ある。すなわち第６図の一点鎖線を引いた燃料棒ギャッ
プの部分は、他の部分よりも大きい。したがって、ウォ
ータロッド１９Ａのタイプの第６図（ａ）に示す実施例
では、全く燃料棒を排除しなくとも斜線を引いた部分長
燃料棒の間に偏心させないで下部ウォータロッドを配置
することができる。もちろん、部分長燃料棒を一部排除
すれば、下部ウォータロッドを偏心させることによりそ
の直径をより大きくできる。

第６図（ｂ）ではウォータロッド１９Ｄのタイプの実施
例を示している。この場合には偏心した位置に下部ウォ
ータロッド２０を配置する必要があるが、その位置を一
点鎖線の交点に設定すれば、部分長燃料棒は一切排除し
ない形の設計も可能である。この場合でも前述したと同
様に部分長燃料棒を排除すれば、下部ウォータロッドを
偏心させることによってその直径を大きくし、Ｈ／Ｕを
増すことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、燃料集合体軸方
向のＨ／Ｕ分布が最適化されて反応度が向上し、しかも
核燃料物質量を減少させないでよいので、燃料経済性が
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である燃料集合体の縦断面図
、第２図は第１図に示された燃料棒の部分断面図、第３
図は本発明の実施例におけるウォータロッドの形状を示
すもので、（ａ）は偏心した２本組のウォータロッドの
例、（ｂ）はウォータロッドの上部断面が小判形の例を
示し、第４〜６図は本発明の詳細な説明するために燃料
集合体上部断面と下部断面を重ねて示した図で、第４図
（ａ）は比較例、第４図（ｂ）〜（ｄ）は燃料棒間隔が
一定の場合の本発明の実施例、第５図（ａ）〜（ｄ）は
燃料棒間隔が一定でない場合で、１列の並びを３−３−
３に分けた粗密格子の場合の実施例、第６図（ａ）〜（
ｂ）は１列の並びを４−１−４に分けた粗密格子の場合
の実施例を示す。 １０・・・燃料集合体 １１・・・燃料棒 １９・・・ウォータロッド ２０・・・下部ウォータロツ ２１・・・部分長燃料棒 ド （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の燃料棒が規則的に配置され、それらの間に
   １本または数本のウォータロッドを有する燃料集合体に
   おいて、前記ウォータロッドの少なくとも１本はその全
   長の１／２〜１／３に相当する下部の断面積が残りの上
   部の断面積よりも小さく、かつ下部の断面積の重心が上
   部の断面積の重心と一致していないことを特徴とする燃
   料集合体。
2. （２）多数の燃料棒が規則的に配置され、それらの間に
   １本または数本のウォータロッドを有する燃料集合体に
   おいて、前記ウォータロッドの少なくとも１本はその全
   長の１／２〜２／３に相当する上部が偏平な筒形状をし
   ており、これに漏斗形に１本のより細径のウォータロッ
   ドが下部につながっていることを特徴とする燃料集合体
   。
3. （３）多数の燃料棒が規則的に配置され、それらの間に
   １本または数本のウォータロッドを有する燃料集合体に
   おいて、前記燃料棒間の間隔（ピッチ）が一定ではなく
   、前記ウォータロッドの少なくとも１本はその全長の１
   ／２〜１／３に相当する下部の断面積が残りの上部の断
   面積よりも小さく、かつ下部の断面積の重心が上部の断
   面積の重心と一致していることを特徴とする燃料集合体
   。