JPH0315796A - 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、特に核的特性と熱的余裕を
改善した沸騰水型原子炉に好適な燃料集合体に関する。

（従来の技術〉 Ｓ＊水型原子炉（ＢＷＲ＞の燃料集合体は、金属製被覆
管の内部に核燃料物質を充填した多数の燃料棒を周則正
しく配列したもの（燃料バンドル〉が矩形のチャンネル
ボックス内部に収納されて構成されている。そして、沸
騰水型原子炉の炉心では、通常４体一組の燃Ｆｌ集合体
間に十字型制卯棒を挿入して構成されたセルが規則正し
く配置されている。

すなわち、沸騰水型原子炉の炉心の各燃料集合体および
ｉｉｌｌｌ棒は、それらの軸が垂直であって互いに平行
となるように配列され、減速材としての機能を有する冷
却水は炉心の下方から上方に向って流れるように構成さ
れている。

そして、燃料俸は核分裂反応により発熱しており、冷用
水はその熱を燃料棒から取り除きながら上方（下流〉側
に向って流れ、一部は気化して気泡（ボイド〉を発生す
る。炉心有効ＮＳ下端、すなわち発熱部下端の近傍では
気泡は発生しないが、下端付近を除くとチャンネルボッ
クス内では炉心の随所に気泡が発生しており、炉心の軸
方向中央部から上端部にかけては冷却水通路に占める気
泡の割合、すなわちボイド率は大幅に高まり、炉心上端
近傍では７０％を超える。このようにボイド率が高くな
ると、冷却水通路の軸と直交方向の断面積はチャンネル
ボックス内の高さ方向で一定であるため、冷却水の流速
は必然的に大きくなる。

流路のＦＪ！擦抵抗は流速の約２乗に比例して上昇する
ので、流速が大ぎい（ボイド率が高い）炉心の中央から
上部にかけては冷却水の圧力損失が大きくなる。

この単位長さ当たりの圧力損失ΔＰＴ／△Ｚは、下記４
つの要素の和として示される。

ΔＰＴ ΔＺ ここで、Δｐｈは位置損失、Δｐａは加速罰失、ΔＰ『
は摩擦損失、ΔＰＬはスベーサ等による局所損失である
。スペーサのない区間で最も大きな要素はＩ？！擦損失
であり、次式で表わされる。

ここで、Ｍは冷が材（水）質吊流吊、Ａ１よ冷却材流路
面積、ρは冷却材密度、ｇ重力定数、ｆは燃料バンドル
＊ｍａ失係数、ΔＰＩ’はｆＭＦｌハンドル摩擦損失で
ある。

（発明が解決しようとする課題〉 ところで、冷却材を流すに要する力は主として再循環ボ
ンブの出口部の吐出圧によって与えられるので、上記の
ように圧力損失が大ぎいことはボンブに大きな動力を与
えなければならないことであり、ＩＩ器の大型化と発電
効率の低下原因となる。

また、ボイド率が高いということは、冷却水の冷加能力
が概して低下していることから、熱的余裕の小さい燃料
棒からはより多くの熱を除去できるよう冷加能力の高い
水を流すようにする必要がある。そのために燃料棒の周
囲の冷却水流路を拡大する手段が考えられ、具体的には
ボイド率の高い炉心中央部から上方にかけてチャンネル
ボックスの内側を削り取って減肉し、流路を拡大させる
ことであり、この場合、構造材の減少により中性子経済
が向上し、核燃料の有効利用に寄与するので、原子力発
電の経済性が向上する。

ところが、チャンネルボックスを減肉することは、機械
的強度の低下を招くことであり、容易に受容できない。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、熱的余裕の小さい燃料棒の熱的余裕を
確保するとともに、冷却水の圧力損失を抑制でき、機械
的強度を確保できるようにチャンネルボックスに改良を
加えた燃料集合体を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明による燃料集合体は、多数の燃ｒ１棒を規則的に
配置して燃料バンドルとなし、この燃料バンドルを取り
囲むように矩形チャンネルボックスを配置した燃料集合
体において、上記燃料バンドルはその最外周に配直され
た各燃料棒と外から第２周に配置ざれた各燃料棒との間
隙を他の燃料棒相互間の間隙より広く設定し、かつ燃料
パンドルのコーナ位置の燃料棒を燃料バンドル中心方向
に向ってシフトし、上記チャンネルボックスコーナ部を
！！別バンドルに向って厚肉に形成したことを特徴とす
る。

（作用） 上記の構成を有する本発明においては、燃料バンドルの
最外周に配置された燃料棒と外から第２周に配置された
燃料棒との間隙をその他の部分の間隙より大とするとと
もに、燃料バンドルのコ一ナ位置の燃料棒をバンドル内
側へシフ１−させ、それに対応してチャンネルボックス
コーナ部をバンドル内部に向って厚肉に形成して機械的
強度を高め、コーナ部を除く部分ではチャンネルボック
スの横断面積が拡大するように薄肉に形成したので、燃
料棒の熱的余裕が確保され、チャンネル材の実質的な減
少により中性子経済が向上して原子力発電の経済性向上
に寄与し、またチャンネル材の実質的な減少分に対応し
て炉水がより多く炉心部に占めるので、原子炉停止時の
未臨界性（停止余裕）の向上が図られ、さらに運転中は
冷却材流路の拡大により冷却水の圧力損失が低減される
。

（実施例） 以下、本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

第１図（Ａ＞は本発明の第１実施例を示す縦断面図であ
り、第１図（Ｂ）は第１図（Δ）のＢ−８Ｐｉ！に沿う
横断面図、第１図（Ｃ）は第１図（Ａ）のｃ−ｃＰＪに
沿う横断面図である。

本実施例の燃料東合体は第１図（Ｂ）に示すように矩形
筒状のチャンネルボックス１内に疎密形のバンドルが沖
入される。この疎密形のバンドルは９Ｘ９格子で、１−
３−１−３−１型の配列となっており、すなわち燃料捧
は第１図（Ｂ）Ｊ５よび（Ｃ）において、左（上）から
１列、３列（第２列〜第４列〉の塊、１列、３列（第６
列〜第８列〉の塊、１列となっており、塊の内部では燃
料棒表面間距ｌｉｆｔ（間隙）は他の例えば左端の１列
目と２列目の間隙より小さ《なっている。そして、その
上端および下端はそれぞれ上部タイブレート２および下
部タイブレート３により固定されている。上部タイブレ
ート２は第１図（Δ）に示すように最外周ｔｉ料棒と双
子型水棒４のみを保持し、上部タイブレート２での冷却
材圧力１員失を低下ざせている。なお、同図においては
、下部タイプレート３に通水孔が省略されている。

チャンネルボックス１の中央にＦｌｉ！置された大径の
双子型水棒４は、その直径を可及的に大きくづるために
、十字型に配列された介在物挿入燃料棒５および短尺燃
料棒６の両側の間隙を広くとってある。また、双子型水
棒４は第１図（Ａ＞に示すように下方で一体となってお
り、その周囲に短尺燃料捧６が配置され、これにより、
炉心下方（燃料棒有効長全長Ｌの１／４〜１／３程度〉
で生じる運転中の水過剰現象の発生を防止するとともに
、水棒配置によるイベントリの減少を抑υ１している。

双子型水棒４は上方でも一体となっており、外周を流れ
る冷却水の流路の低下を防止している。上部において、
このような水捧横断面積の低減は燃料有効民全長しの上
端から通常２０〜３００程度とされる。高経済性燃料で
は炉心上部と下部は天然ウランや場合によっては減損ウ
ランが用いられるが、その場合、やはり水過剰となり圧
力損失も大きいので、これらを改良するため上記のよう
に横断面積を低減させている。

燃料捧７が中尺燃料棒Ｐ１であり、普通燃料棒（長尺燃
料棒）８の３／４長程度の軸方向長さ、つまりその上部
（〜１／４）はカットされバニツシング８Ｉｌ７ａ　（
Ｖ）を形成している。これにより、冷却材流路が拡大す
るとともに、比較的熱的余裕の小さいその部分が潰滅し
ているので、燃籾集合体としての熱的余裕が改良されて
いる。炉停止時はバニツシング部７ａの導入により水過
剰となり、未臨界度の改良に寄与することができる。

Ｐ２で示す上記短尺燃料棒６は、酋通燃料棒８の長さし
の１／４〜１／３長程度であり、炉心下部まで大径の双
子型水捧４とすると、下部で水過剰となり、さらに燃料
イベントリも低下するので、双子型水棒４を下部におい
て１１１１径化し、その外周に短尺燃料棒６を配直して
いる。

Ｓで示す上記介在物挿入燃料棒５は、燃料有効部下端か
ら３／４Ｌ当りの炉停止時に未臨界度が浅くなる部分に
通常１５〜４５ＣｊＩｖｉ度の長さに亘って、核分裂性
核種濃度を大幅に下げた介在物を挿入した燃料棒である
。このような燃料については本発明者が特開昭６３−２
４　１　３８１：公報および特願＋１ｊ＋　６　２　−
　１　７　８　１　９　０弓などで詳細に説明したが、
代表的な介在物としては減損ウラン、ガスブレナム、固
体減速材などがある。これらの存在によって原子炉運転
中の影響は殆どなく、炉停止時に大きな未臨界度を誘起
させることができる。

すなわち、高経済性燃料では核分裂性核種の濃ＩＩＩ（
例えばＵ−２３５の濃縮度）が高められるのは必至であ
るが、その場合中性子増倍率が一般に増大するため、制
御棒を全押入しても原子炉を停止するのが困号となる事
態も予想される。これを回避しないと、高経済性燃料は
実現できない。つまり、高経済性燃料では原子炉を安全
に未臨界に保持するための対策が極めて重要である。

本実施例の燃料東合体では介在物挿入燃料棒５を短尺燃
料棒６とともに集合体中央部の双子型水棒４を中心とし
て十字型に配置している。介在物挿入燃料棒５の周囲に
は広い冷却水通路が形成されているので、そこでさらに
介在物挿入燃料棒５の特定の高さで核燃料物資囚度を著
しく下げると、介在物挿入燃料棒５を挟む両側の燃料サ
ブバンドル（塊）間の中性子結合は原子炉停止時水の密
度が運転中に比べて著しく増大するため弱くなる。

すなわち、中性子増倍率が小さくなり、原子炉停止中ば
未臨界度が深くなる。運転中は水の密度が低下している
ので、中性子増倍率は殆ど減少しないか、設ｉｔによっ
ては若干それを大きくずることさえ可能である。

介在物を挿入する軸方向位置は、炉停止時に未臨界度が
浅くなる部分、すなわちＢＷＲ燃料では燃料有効長しの
内，下から３／４Ｌ当りで、介在物軸方向長さは５〜９
０ｃｆＲ１通常１５〜４５ｃＩＩＩ程度である。

次に、ｆＭ料バンドルのコーナ位置の燃利棒（コーナロ
ッド）およびチャンネルボックス１のコーナ部の構造に
ついて説明する。

本実施例の燃料集合体では、燃料棒が正方格子状に配列
されているが、第１図（Ｂ）．（Ｃ）に示すようにコー
ナロツド９の４本だけが集合体の中心方向に向って熱的
許容限界の範囲で若干（例えば２〜３　ｍ　）シフトさ
れている。これを可能としているのは、最外周（最外層
）と外から第２周（第２層）との間の燃料棒間間隙Ｄが
他の燃料棒相互間の平均的な間隙ｄより広く設定されて
いるからである。コーナロッド９は集合体中心方向に向
って位置をシフトさせても未だ充分に冷却水に取り囲ま
れているため、熱的制限値に対しては余裕を確保するこ
とができる。したがって、コーナロッド９を集合体中心
方向にシフトさせた結果、コーナロツド９とチャンネル
ボックス１のコーナ部１ａ内面との間にＧよ広い間隙が
形成される。

本実施例ではこの間隙を活用してチャンネル肉厚をチャ
ンネル内側に向って拡大させている。つまり、チャンネ
ルボックス１Ｇよぞのコーナ部１ａにＪｉいて外表面に
突出させず、集合体中心方向に向ってチャンネルボック
ス１の軸方向全長に亘り厚肉に形成されている。そして
この肉厚の拡大とともにコーナｔ！Ｉ１ａの曲率半径を
拡大させている。

同一肉厚の矩形チャンネルボックスでは、チャンネル内
外の水圧差（内側の方が圧力が高い〉によって、コーナ
部では外向きの大きな応力が発生することやコーナ部の
曲率半径を大きくしたり面取りを行なうと、その応力を
大幅に低減させることができることを本発明者は特願昭
６２−２８０３１３＠において開示した。本実塘例では
コーナロツド９を集合体中心部ヘシフトすることによっ
てそれを実現可能とした。そして、チャンネルボックス
１のコーナ部１ａを厚肉とする理由は、例えば建物の］
一ナに丈夫な柱を立設し、鱗接コーナ間を板状体で結合
するのと同じであり、コーナ部１ａを剛性を有する構造
としている。その結果、コーナ間の板材の肉厚を薄くシ
ても堅牢なチャンネルボックスが得られる。すなわち、
総合的にはチャンネル林の量を低減できることになる。

また、コーナ部１ａを除くチｐンネル板の肉厚は炉心下
方、すなわち冷却水の上流で厚く、下流でａくなるＪ：
うな構造であって、冷却水の流路を下流に向って拡大し
、圧力損失の低減や熱的余裕の改良を行なっている。チ
ャンネル材の板厚を軸方向に変えるにあたっては、チャ
ンネル内外の圧力差、圧力差と高速中性子照射量に係る
チＶンネルクリープの問題、さらにはＪｔ！ｌ　ｇ　Ｒ
の応力の発生状態を評価しなければならない。第２図（
Ａ）で示す燃料集合体にこれらの応力が発生した場合の
応力の合成値を第２図（Ｂ）で示し、この分布形から第
２図（Ｃ）に示ずようにチャンネル肉厚は冷却水の上流
側で厚く、下流側で薄くできることが判る。このような
構成については本発明者は既に特願昭６２−２５６１９
１号で詳細に説明したので、ここでは省略する。なお、
第２図（Ａ）において、ＳＰ１〜ＳＰ７は燃料スベーサ
、矢印はインチャンネルフロー、すなわち冷却水の流れ
方向を示している。

次に作用を説明ずる。

本実施例の燃料集合体は、燃料バンドルの最外層と第２
層との燃料棒間間隙Ｄをその他の部分の平均的な間隙ｄ
より大きく設定し、かつバンドルのコーナに位置するコ
ーナロツド９を方形格子の交点位置よりバンドル内側ヘ
シフトさせ、それに対応してチャンネルボックス１のコ
ーナ部１ａを外表面には突出させず、バンドル内部に向
って張り出させて厚内とし、さらに必要に応じてコーナ
部１ａの曲率半径を増大させて機械的強度を高め、コー
ナ部１ａを除く部分ではチャンネルボックス１の横断面
積が拡大するように減肉して薄肉に形成したので、燃料
棒の熱的余裕が確保され、チャンネル材の実質的な減少
により中性子経済が向上して原子力［の経済性が向上し
、またチャンネル材の実質的な減少分に対応して炉水が
より多く炉心部に占めるので、原子炉停止時の未臨界性
（停止余裕）の向上が図られ、また運転中は冷却材流路
の拡大により冷却水の圧力損失が低減されることになる
。

このように、本実施例によれば、最外居と第２層の燃料
間隙Ｄを拡大したので、両層の燃料林の熱的余裕が改善
される。また、上記間隙Ｄの拡大によりコーナロッド９
を燃料集合体の中心方向に向って位欝シフトを行なった
ので、チャンネルボックス１のコーナ部１ａの曲率半径
を大きくしたり、厚肉とすることができ、その結果、チ
ャンネルの強度が上界するので、チャンネル側面部はよ
り薄くすることができ、これにより全体的にはチャンネ
ル材の偵を低減可能である。そして、チＰンネル材の低
減にあたっては流路が特にボイド率の高い下流側で拡大
するようにしたから、冷却水の圧力損失が低減されるこ
ととなる。加えて、薄肉化により中性子の無駄吸収量が
低減ざれる。また、炉停止中は過剰の水を炉停止余裕が
厳しくなる炉心の部位に導いたので、炉停止余裕を向上
させることができる。

第３図は本発明の第２実施例の平面図である。

既に説明した第１実施例と同一箇所には同一符号を付し
て説明する，，以下の各実施例についても同様である。

この実施例では、燃料バンドルを１−１−２−１−２−
１−１型の疎密９ｘ９ｍ成とし、最外層とＦ２ｆｆｌと
の燃料棒間間ＦＡＤを拡大している。そして、コーナＯ
ツド９を燃料集合体の中心方向へシフ１〜させること、
チＶンネルボックス１のコーナ部１ａの形状およびチャ
ンネル側面の肉厚の輪方向変化については前記第１実施
例の場合と同様である。

第４図は本発明の第３実施例の平面図である。

この実施例では燃料ハンドルを１−３−３−１型の１密
８×８構成とし、最外層と第２Ｗｌとの燃料棒間間隙Ｄ
を拡大している。その他の構成および作用は第１、第２
実施例と基本的に同様である。

第５図は本発明の第４実施例の平面図である。

この実施例では燃料バンドルを１−１−４−１１型の疎
密８×８構成とし、中央に太径水棒１０を配置し、その
周囲に普通燃料棒８を配置している。そして、最外層と
第２層との燃料棒間間ｒＡＤを拡大している。その他の
構成および作用は第１〜３実施例と基本的に同様である
。

′Ｍ６図は本発明の第５実施例の平面図である。

この実施例では燃料バンドルを１−３−３−３−１型の
疎密１１Ｘ１１構成とし、最外層と第２届との燃料棒間
間隙Ｄを拡大している。その他の構成および作用は第１
〜４実施例と基本的に同様である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明に係る燃料集合体によれば
、燃料バンドルの最外周と第２周の燃料棒間間隙を拡大
し、最外周のコーナ位置の燃料捧を燃料バンドルの中心
方向に向ってその位置をシフトし、その分チャンネルボ
ックスのコーナ部の肉厚をバンドル内側に向って厚内と
したので、チャンネルボックスの機械的強度を充分保持
し、燃料の熱的余裕を確保するとともに．、冷却材の圧
力損失を低減し、中性子経済を向上し、炉停止余裕の向
上を図った燃料集合体を提供すること・ができるという
効果を奏する。

尺燃料棒、７・・・中尺燃料捧、８・・・普通燃料捧、
９・・・コーナロツド、１ｏ・・・太径水棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数の燃料棒を規則的に配置して燃料バンドルとな
   し、この燃料バンドルを取り囲むように矩形チャンネル
   ボックスを配置した燃料集合体において、上記燃料バン
   ドルはその最外周に配置された各燃料棒と外から第２周
   に配置された各燃料棒との間隙を他の燃料棒相互間の間
   隙より広く設定し、かつ燃料バンドルのコーナ位置の燃
   料棒を燃料バンドル中心方向に向ってシフトし、上記チ
   ャンネルボックスコーナ部を燃料バンドルに向って厚肉
   に形成したことを特徴とする燃料集合体。 ２、チャンネルボックスコーナ部を除くチャンネルボッ
   クスの板厚を薄肉に形成した請求項１記載の燃料集合体
   。 ３、チャンネルボックスコーナ部はその曲率半径を大き
   くした請求項１記載の燃料集合体。