JPH03215787A - Fuel assembly - Google Patents

Fuel assembly

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JPH03215787A
JPH03215787A JP2008408A JP840890A JPH03215787A JP H03215787 A JPH03215787 A JP H03215787A JP 2008408 A JP2008408 A JP 2008408A JP 840890 A JP840890 A JP 840890A JP H03215787 A JPH03215787 A JP H03215787A
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JP
Japan
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coolant
fuel
water rod
water
increases
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008408A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Sadao Kusuno
楠野 貞夫
Kiyoshi Ueda
精 植田
Ritsuo Yoshioka
律夫 吉岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

PURPOSE:To improve fuel economy by guiding a cooling material to outside of a water rod when neutron flux increases or into inner side the water rod when the neutron flux decreases. CONSTITUTION:The fuel assembly 20 contains fuel rods 22 arrayed in a square lattice shape and the water rod 23 as a cooling material guide member arranged in the center of them in a prismatic cylinder channel box 21. A flow rate control element 27 which guides the cooling material to outside of the water rod 23 when the neutron flux increases or into innerside of the water rod 23 when the neutron flux decreases and a heat generating body 36 which generates vapor by heat generation as the neutron flux increases are provided below the water rod 23. Further, a flow passage resistance control mechanism 40 which increases or decreases flow passage resistance as vapor increases or decreases is provided above the water rod 23. Consequently, neutron moderation effect increases at the upper end part of the fuel rods and plutonium accumulated at the upper end parts in the fuel rods in the beginning of an operation cycle can be burnt.

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
タクロス等の冷却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。
[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a fuel assembly for a light water reactor such as a boiling water reactor (hereinafter referred to as BWR), and particularly relates to a fuel assembly for a light water reactor such as a boiling water reactor (hereinafter referred to as BWR), and in particular a fuel assembly such as a water rod or a water cross. The present invention relates to a fuel assembly capable of performing spectrum shift operation by controlling the flow path resistance of a coolant guiding member.

(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6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。
(Prior Art) An example of a conventional fuel assembly loaded into a BWR core is one constructed as shown in FIG. It houses the fuel bundle 3.

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より例
えば太径のウォータロッド5を配置し、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
に結束している。
In the fuel bundle 3, a plurality of fuel rods 4 are arranged in a square grid of, for example, 8 rows and 8 columns, and a water rod 5, which has a larger diameter than the fuel rods 4, is arranged in the center, and the water rods 4 are arranged in the axial direction. They are bound into a bundle by spacers 6 in the shape of flat rectangular cylinders arranged in multiple stages.

また各燃料棒4およびウォータロッド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、上部端栓7が上部タイプレート9に、下部端
栓8が下部タイプレート10にそれぞれ支持されている
Further, an upper end plug 7 is fixed to the upper end of each fuel rod 4 and water rod 5, and a lower end plug 8 is fixed to the lower end of each fuel rod 4 and water rod 5. Furthermore, the upper end plug 7 is fixed to the upper tie plate 9, and the lower end plug 8 is fixed to the lower end of each fuel rod 4 and water rod 5. are supported by the lower tie plate 10, respectively.

下部タイプレート10はその間口10aから減速材と冷
却材としての機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上方
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、加熱されて炉心上部へ流れ、気液
二相流となる。
The lower tie plate 10 introduces reactor water, which functions as both a moderator and a coolant, into the interior through the opening 10a as shown by the arrow in the figure, and the gap between each fuel rod 4 is directed upward from the bottom. While the heat released from each fuel rod 4 is removed at this time, the fuel is heated and flows to the upper part of the core, becoming a gas-liquid two-phase flow.

そして、ウォータロツド5はその下端部の水入口5aよ
り炉水を内部へ導入し、軸方向上方へ案内して水出口5
b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
相流と合流して混合される。なお、チャンネルボックス
2の外周部およびウォータクロス(図示せず)によって
も、炉水がウォータロツド5と同様に炉心上方へ案内さ
れる。
The water rod 5 introduces reactor water into the interior through the water inlet 5a at its lower end, guides it upward in the axial direction, and guides it axially upward to the water outlet 5.
b and guided to the upper end of each fuel rod 4. Here, the reactor water mainly acts as a moderator, flows slowly from the lower part of the core to the upper part, and joins and mixes with the gas-liquid two-phase flow in the upper part of the core. Incidentally, reactor water is also guided upward into the reactor core by the outer periphery of the channel box 2 and the water cross (not shown) in the same manner as the water rod 5.

ところで、BWRでは、原子炉出力が冷却材流量(再循
環流量)と図示しない制御棒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、主として冷却材流量の制御によっ
て出力制御が行なわれている。
By the way, in a BWR, the reactor output is controlled by the coolant flow rate (recirculation flow rate) and the insertion and removal of control rods (not shown). In recent years, control rods have been used relatively infrequently to control reactor power, and power is primarily controlled by controlling the flow rate of coolant.

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BWR特有の優れた制
御手段であることはよく知られている。
This reduces the thermal impact on the fuel assembly 1,
It is well known that this is an excellent control means unique to BWR in ensuring the integrity of the fuel rods 4.

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1上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
位点である。
In addition, the voids (bubbles) in the channel box 2 increase as they move toward the upper part of the fuel assembly 1, and the void ratio may exceed 70% near the upper end of the heat generating part of the fuel assembly 1. Slightly above is the lowest point of void occurrence.

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(
以下、BOCという)から末期(以下、EOCという)
まで全期間に亘って軸方向になるべく一様な状態にする
必要があった。
In order to ensure the integrity of the fuel rods 4, the conventional fuel assembly 1 changes its power distribution to the initial stage of the operation cycle (
(hereinafter referred to as BOC) to terminal stage (hereinafter referred to as EOC)
It was necessary to keep the condition as uniform as possible in the axial direction over the entire period.

しかし、最近では燃料棒4の燃料被覆管内面にバリア層
を設けることにより、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1こ保つ必要性が大幅に低下した。
However, recently, by providing a barrier layer on the inner surface of the fuel cladding tube of the fuel rod 4, the integrity of the fuel rod 4 has been significantly improved, so it is necessary to maintain the axial power distribution as constant as possible throughout the entire operating cycle. sex has decreased significantly.

BWRでは本来、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BOCで燃料集合体の上端部
が抑えられる一方、燃料集合体の下端部に歪む。
In a BWR, the void ratio originally increases as one moves upwards in the core, so while the BOC suppresses the power distribution at the upper end of the fuel assembly, it is distorted toward the lower end of the fuel assembly.

一方、EOCでは燃料集合体の下端部の核分裂性核種濃
度が燃焼により減耗し、燃料集合体上端部ではボイドに
より減耗が遅れると共にボイドによ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、燃料集合体上端部で高くなる
挙動を示している。
On the other hand, in EOC, the concentration of fissile nuclides at the lower end of the fuel assembly is depleted by combustion, and at the upper end of the fuel assembly, depletion is delayed due to voids, and more plutonium is accumulated due to spectrum hardening due to voids.
The behavior shows that the output decreases below the core and increases at the upper end of the fuel assembly.

このような本来の性質をなるべ《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、より多くの減耗性
中性子吸収材を配置したり、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。これらは中性子経済
の悪化を招き、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。
Utilizing these inherent properties as much as possible is good for fuel economy, but in the past, in order to ensure or improve fuel integrity, the lower part of the fuel assembly was designed to absorb more depleting neutrons. Measures have been taken to deal with this problem, such as placing materials in the upper part of the fuel assembly and increasing the fuel enrichment at the top of the fuel assembly. These have led to a deterioration in the neutron economy, or a deterioration in the fuel economy due to unburned fuel.

このような自然現象的な性質は再循環流量の調節により
、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発生するため、冷却材の圧力損失
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
This natural phenomenon can be adjusted over a fairly wide range by adjusting the recirculation flow rate, and in BOC, voids occur lower in the core, resulting in higher coolant pressure loss. , the coolant core flow rate tends to decrease, while EOC exhibits exactly the opposite behavior.

ところで、運転サイクル前半で減速材として機能する水
の密度を低下させ、中性子スペクトルを硬化させ、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
トニウムを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では冷却材流量制御法がある。
By the way, in the first half of the operation cycle, the density of water, which functions as a moderator, is reduced, hardening the neutron spectrum, thereby promoting the production and accumulation of plutonium, and using this plutonium in EOC to increase the density of the moderator (water). It is well known that if nuclear fission can be caused by this, nuclear fuel can be used effectively, and as a means of implementing this, there is a coolant flow rate control method in BWR.

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、燃料集合体の上部
でボイド割合を高くして、プルトニウムを蓄積するもの
である。
This is achieved by lowering the coolant core flow rate with BOC to achieve high output in the lower part of the fuel assembly, while increasing the void ratio in the upper part of the fuel assembly to accumulate plutonium.

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ト運転と言われている。
In addition, in EOC, by increasing the core flow rate, high output is achieved in the upper part of the fuel assembly, and the plutonium and residual uranium accumulated in BOC are burned. Such a driving method is called spectrum shift driving.

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運転はより効果的となり、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。
Spectral shift operation would be more effective if the water rod could be used as a void rod in the BOC of a BWR, i.e., to remove water from the water rod, and as a water rod in the EOC, which would greatly improve fuel economy. can be improved. These characteristics are exactly the same in pressurized water reactors (PWRs).

(発明が解決しようとする課題) 本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、その目
的は燃料経済性を向上させることができる燃料集合体を
提供することである。
(Problems to be Solved by the Invention) The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to provide a fuel assembly that can improve fuel economy.

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

(課題を解決するための手段) 本発明は核燃料を充填した複数本の燃料棒と、これら燃
料棒の下部から上部へ冷却材を案内する冷却材案内部材
とを有し、減速材を兼ねる冷却材に浸漬される炉心に装
荷される燃料集合体において、少なくとも中性子束が増
大すると上記冷却材案内部材の外部へ冷却材を案内し、
少なくとも中性子束が低下すると冷却材案内部材の内部
へ冷却材を案内する流量制御素子と、中性子束の増大に
伴って発熱により蒸気を生成する発熱体とが上記冷却材
案内部材の下部に設けられ、蒸気が増加すると、流路抵
抗を増大させ、蒸気が減少すると流路抵抗を減少させる
流路抵抗制御機構が上記冷却材案内部材の上部に設けら
れたものである。
(Means for Solving the Problems) The present invention includes a plurality of fuel rods filled with nuclear fuel, and a coolant guide member that guides a coolant from the lower part to the upper part of these fuel rods, and which also serves as a moderator. In a fuel assembly loaded in a reactor core immersed in fuel, at least when the neutron flux increases, guiding the coolant to the outside of the coolant guiding member,
A flow control element that guides the coolant into the coolant guide member at least when the neutron flux decreases, and a heating element that generates steam by heat generation as the neutron flux increases are provided at the lower part of the coolant guide member. A flow path resistance control mechanism is provided above the coolant guide member, which increases the flow path resistance when the steam increases and decreases the flow path resistance when the steam decreases.

(作用) BWRでは一般に流量を低下させると下部ピークを増大
させ、あるいは制御棒を中途挿入させると上部ピークと
することができる。炉心を通過する冷却材の流量を低下
させると炉心下部に出力ビーキングが出るような運転モ
ードでは、冷却材流量制御素子が冷却材を冷却材案内部
材の外部へ案内するとともに、発熱体が蒸気を多く発生
させる。また、蒸気の増加により流路抵抗制御機構が流
路抵抗を増大させる。したがって、冷却材案内部材の上
部1と多くの蒸気が蓄まり、減速材としての冷却材が減
少するため、スペクトルシフト効果により燃料棒の上部
にプルトニウムが多く生成・蓄積される。
(Function) In general, in a BWR, lowering the flow rate increases the lower peak, or inserting a control rod midway can increase the upper peak. In an operating mode in which power peaking occurs at the bottom of the core when the flow rate of coolant passing through the reactor core is reduced, the coolant flow control element guides the coolant to the outside of the coolant guide member, and the heating element directs the steam. generate a lot. Furthermore, the flow path resistance control mechanism increases the flow path resistance due to the increase in steam. Therefore, a lot of steam accumulates in the upper part 1 of the coolant guide member, and the coolant as a moderator decreases, so that a large amount of plutonium is generated and accumulated in the upper part of the fuel rod due to the spectral shift effect.

一方、炉心を通過する冷却材の流量を増加させて炉心上
部に出力ピーキングを出すような運転法または、炉心下
部に制御棒を浅く挿入して発熱体の発熱を抑えるような
運転モードでは、冷却材流量制御素子が冷却材を冷却材
案内部材の内部へ案内するとともに発熱体からの蒸気の
生成は減少する。また、蒸気の減少により流路抵抗制御
機構が流路抵抗を減少させる。したがって、冷却材案内
部材内に多くの減速材兼冷却材が流れ、燃料棒の上部に
蓄積されたプルトニウムを燃焼させる。
On the other hand, in operation modes in which the flow rate of coolant passing through the reactor core is increased to produce power peaking in the upper part of the core, or in operating modes in which control rods are inserted shallowly into the lower part of the core to suppress the heat generated by the heating elements, cooling The material flow control element directs the coolant into the interior of the coolant guide member and the generation of steam from the heating element is reduced. Additionally, the flow path resistance control mechanism reduces the flow path resistance due to the reduction in steam. Therefore, more moderator and coolant flows in the coolant guide member and burns off the plutonium accumulated in the upper part of the fuel rods.

(実施例) 本発明の実施例を第1図〜第5図に基づいて説明する。(Example) Embodiments of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 5.

なお、第1図〜第5図中、共通する部分には同一符号を
付して、その重複した部分の説明は省略する。
Note that in FIGS. 1 to 5, common parts are given the same reference numerals, and explanations of the overlapping parts will be omitted.

第1図は本発明の第1実施例の横断面図であり、この実
施例の燃料集合体20は角筒状のチャンネルボックス2
1内に、正方格子状に配列された複数の燃料棒22と、
これら燃料棒22のほぼ中央部に配置された有蓋有底円
筒状の冷却材案内部材としてのウォータロッド23を収
容している。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention, and a fuel assembly 20 of this embodiment has a rectangular cylindrical channel box 2.
1, a plurality of fuel rods 22 arranged in a square grid,
A water rod 23 serving as a coolant guiding member in a cylindrical shape with a lid and a bottom is disposed approximately in the center of these fuel rods 22 .

第2図は上記実施例の縦断面図であり、燃料棒22とウ
ォータロツド23はその上端部を上部タイプレート24
に、また、その下端部を下部タイプレート25の燃料支
持部26により支持させ、これらの外周には角筒状のチ
ャンネルボックス21を外嵌している。ウォータロツド
23の下端部には流量制御素子27が第1スペーサ28
を貫通して設置されており、かつ第1の冷却材流路30
の流入口31は燃料支持部26を貫通して下方に露出し
ており、そのすぐ隣には第2の冷却材流路32の流入口
33のための小穴34が燃料支持部26の中を貫通して
設置されている。この実施例においては第1スペーサ2
8が抵抗体となっている。流量制御素子27の直上には
冷却材流出口35がある。ウォータロッド23の下端は
冷却材流出口35となっているが、そのすぐ内側には発
熱体36が設けられている。ウオータロッド23の上端
部には流路抵抗制御機構40が備えられる。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the above embodiment, in which the fuel rods 22 and water rods 23 have their upper ends connected to the upper tie plate 24.
Further, the lower end portion thereof is supported by a fuel support portion 26 of a lower tie plate 25, and a rectangular cylindrical channel box 21 is fitted around the outer periphery of the fuel support portion 26 of the lower tie plate 25. A flow control element 27 is attached to a first spacer 28 at the lower end of the water rod 23.
The first coolant flow path 30 is installed through the first coolant flow path 30.
The inlet 31 penetrates the fuel support 26 and is exposed downward, and immediately adjacent thereto, a small hole 34 for the inlet 33 of the second coolant flow path 32 is inserted through the fuel support 26. It is installed through. In this embodiment, the first spacer 2
8 is a resistor. Directly above the flow control element 27 is a coolant outlet 35 . The lower end of the water rod 23 serves as a coolant outlet 35, and a heating element 36 is provided just inside thereof. A flow path resistance control mechanism 40 is provided at the upper end of the water rod 23 .

そして、これらはスペーサ41によって常に一定の間隔
を保つようにまとめられている。なお、本実施例では、
軸方向出力分布のサイクルを通じた安定化、スクラム特
性改良、冷却材圧損低減等の炉心特性改良も考慮して、
ウォータ・ロッドは短尺化され、上部は細径とされてい
る例を示した。
These are grouped together by a spacer 41 so as to always maintain a constant interval. In addition, in this example,
Considering improvements in core characteristics such as stabilization of axial power distribution through cycles, improvement of scram characteristics, and reduction of coolant pressure loss,
An example is shown in which the water rod is shortened and the upper part has a narrow diameter.

第3図は上記実施例のウォータロツド23、流量制御素
子27、発熱素子36、流路抵抗制御機構40の部分の
みを取り出して拡大したものである。流量制御素子27
には第1の冷却材流路30と第2の冷却材流路32とが
併設されている。第1の冷却材流路30の流出口43は
水平面と角度θで交わっており、第2の冷却材流路32
の流出口44は水平面と角度φで交わっている。θの値
はなるべく小さい方が良いが、あまり小さ過ぎると、流
量制御素子27を大型にし、かつ圧損が大きくなり過ぎ
るので、30度程度が最適である。
FIG. 3 is an enlarged view of only the water rod 23, flow control element 27, heating element 36, and flow path resistance control mechanism 40 of the above embodiment. Flow control element 27
A first coolant flow path 30 and a second coolant flow path 32 are provided together. The outlet 43 of the first coolant flow path 30 intersects the horizontal plane at an angle θ, and the outlet 43 of the first coolant flow path 30 intersects with the horizontal plane at an angle θ.
The outlet 44 intersects the horizontal plane at an angle φ. It is better for the value of θ to be as small as possible, but if it is too small, the flow rate control element 27 will have to be large and the pressure loss will become too large, so a value of about 30 degrees is optimal.

他方、φの値は第1の冷却材流路30の流出口43から
吐出されるパワージェットの向きを僅かにウォ〜タロッ
ド23の内側に反らせる目的から、60度程度に設定し
ておけば十分である。流量制御素子27の最下端におい
て、第1の冷却材流路30の流入口31と第2の冷却材
流路32の流入口33との面積は流入口31の方が大き
く、低流量時には以下に述べる流入口33から始まる発
熱部分が十分に流量をブロックできるように流入口33
との面積比を調節して決められる。
On the other hand, it is sufficient to set the value of φ to about 60 degrees for the purpose of slightly warping the direction of the power jet discharged from the outlet 43 of the first coolant flow path 30 to the inside of the water rod 23. It is. At the lowest end of the flow rate control element 27, the area of the inlet 31 of the first coolant flow path 30 and the inflow port 33 of the second coolant flow path 32 is larger, and at low flow rate, the area is as follows: The inlet 33 is designed so that the heat generating part starting from the inlet 33 described in 2 can sufficiently block the flow rate.
It can be determined by adjusting the area ratio between

流量制御素子27の斜線を施した部分45はガンマ線に
よる発熱効果の大きい素材として例えばジルコニウム、
ハフニウム金属、またはそれらの耐蝕性を向上させるた
めに少量の錫、鉄、クロームなどを添加したジルカロイ
などの合金が適切である。この部材には雌ねじ46のあ
る流入路が設けられており、前記の流出口44につなが
っている。第3図の例では雌ねじ46のある流入路は圧
損を高めるために蛇行して設けれられているが、流入口
31と流入口33との面積比の調節によって直線状に設
定することも可能である。
The shaded portion 45 of the flow rate control element 27 is made of a material that has a large heat generation effect due to gamma rays, such as zirconium,
Hafnium metal or alloys such as Zircaloy with small amounts of tin, iron, chromium, etc. added to improve their corrosion resistance are suitable. This member is provided with an inlet channel with an internal thread 46, which leads to the outlet port 44 mentioned above. In the example shown in FIG. 3, the inlet passage with the female thread 46 is provided in a meandering manner to increase the pressure loss, but it can also be set in a straight line by adjusting the area ratio of the inlet 31 and the inlet 33. It is.

流量制御素子27の斜線を施していない上端部分47は
ガンマ線による発熱効果の少ない素材として、例えばチ
タン、シリコン、アルミニウムなどの金属ないしそれか
らつくられるセラミックスなどが適切である。
The upper end portion 47 of the flow control element 27 that is not shaded is preferably made of a material that has little heat generation effect due to gamma rays, such as metals such as titanium, silicon, and aluminum, or ceramics made from them.

ウォータロッド23の下端の構造材の周辺部48はやや
内側に曲がっており、流出口43から出た冷却水が流量
制御素子27の上面に沿って流れて行けば、冷却材流出
口35から直ちにウォータロッド23の外に出て、燃料
棒22の冷却に役立つようになっている。
The peripheral portion 48 of the structural material at the lower end of the water rod 23 is slightly bent inward, so that when the cooling water from the outlet 43 flows along the upper surface of the flow control element 27, it immediately flows from the coolant outlet 35. It exits the water rod 23 and serves to cool the fuel rods 22.

このようにして、低流量時には、流量制御素子27に流
入した冷却水はウォータロツド23の中には流入せずウ
ォータロッド23中の水の流れは実線のようになる。し
たがって、ウォータロツド23の下方に設けられた発熱
体36によって発生したボイドはウォータロツド23の
上方にトラップされる。
In this way, when the flow rate is low, the cooling water that has flown into the flow rate control element 27 does not flow into the water rod 23, and the flow of water in the water rod 23 is as shown by the solid line. Therefore, voids generated by the heating element 36 provided below the water rod 23 are trapped above the water rod 23.

発熱体36とガンマ線による発熱効果の少ない上端部分
47との間の部材49は両者の間を断熱する目的からや
はりガンマ線による発熱効果の少ない素材によって構成
されると同時に、冷却効果の向上の目的から部材49に
はねじ溝またはフィンが設けられている。
The member 49 between the heating element 36 and the upper end portion 47, which has little heat generation effect due to gamma rays, is made of a material that has little heat generation effect due to gamma rays in order to insulate the space between them, and at the same time, for the purpose of improving the cooling effect. The member 49 is provided with thread grooves or fins.

ウォータロッド23の上端部側面には横穴の排出口51
を穿設し、この排出口51よりも炉水の流れ方向上流側
(第3図では下方側)で、かつ近傍にてウォータロッド
23内にオリフィス板52を水平方向に平行に固定して
いる。
A horizontal outlet 51 is provided on the side of the upper end of the water rod 23.
An orifice plate 52 is fixed in parallel to the horizontal direction in the water rod 23 on the upstream side (lower side in FIG. 3) of the discharge port 51 in the flow direction of the reactor water and in the vicinity. .

オリフィス板52はその板厚方向に貫通するオリフィス
53を複数個穿設しており、これらオリフィス53はそ
の孔径を炉水のボイド(気泡)に対しては流路抵抗が大
きい反面、液相に対しては小さくなるように設定してい
る。
The orifice plate 52 has a plurality of orifices 53 penetrating through it in the thickness direction, and these orifices 53 have a hole diameter that has a large flow resistance against voids (bubbles) in the reactor water, but on the other hand, it has a large flow resistance against the liquid phase. It is set so that it is small.

したがって、オリフィス板52はオリフィス53を通る
炉水のボイドが増大するときに、その流路抵抗を連続的
に増大せしめて、ウオータ。,,ド23内を通水する炉
水の通水量を減少させる一方、ボイドの減少に応じて流
路抵抗を連続的に低減せしめて、ウォータロツド23内
を通水する炉水の通水量を増大させることができ、流路
抵抗制御機構40に構成されている。
Therefore, the orifice plate 52 continuously increases its flow path resistance as the void of reactor water passing through the orifice 53 increases. ,, While reducing the amount of reactor water flowing through the water rod 23, the flow path resistance is continuously reduced as the voids decrease, increasing the amount of reactor water flowing through the water rod 23. It is configured in the flow path resistance control mechanism 40.

次に、本実施例を例えばBWR型原子炉の炉心に装荷し
た場合の作用について説明する。
Next, the effect when this embodiment is loaded into the core of a BWR type nuclear reactor, for example, will be explained.

BWR型原子炉の炉心に装荷された燃料集合体20の軸
方向出力分布は第4図(A)に示すように分布し、その
出力ピークはBOCでは燃料集合体20の有効発熱部下
端(以下、下端という)から1/4L付近までの下部に
あるが、運転サイクル中期(以下、MOCという)から
EOCへ進行するに従って、燃料集合体20の上部へと
次第に移行して行く。
The axial power distribution of the fuel assembly 20 loaded in the core of a BWR reactor is distributed as shown in FIG. , the lower end) to around 1/4 L, but as the operating cycle progresses from the middle of the operating cycle (hereinafter referred to as MOC) to EOC, it gradually moves to the upper part of the fuel assembly 20.

このような軸方向分布の主たる原因は第4図(B)で示
すボイド率変化に起因し、燃料集合体20の下端からほ
ぼ3/4L付近までのボイド率がBOCからMOC,E
OCへと進行するに従って順次低下する。これは炉水の
炉心流量がBOCで最小であり、MOC,EOCへと順
次進行するに従って増大し、炉水圧力が昇圧してボイド
を潰す効率が向上するためである。
The main cause of such axial distribution is due to the change in void fraction shown in FIG.
It gradually decreases as it progresses to OC. This is because the core flow rate of reactor water is minimum at BOC and increases as it progresses sequentially to MOC and EOC, increasing the reactor water pressure and improving the efficiency of crushing voids.

ここで、炉心を通過する冷却材の流量を低下させ、かつ
炉心下部に出力ピーキングを出すような運転モードでは
、冷却材流量制御素子27の第2の冷却材流路32を構
成する物質は中性子束増大に起因したガンマ線による発
熱量も増大し、第2の冷却材流路32の流入口33に設
けられた雌ねじ46の部分にボイドが発生するため圧損
が大きくなり、流路は閉じた状態になる。他方、冷却材
流量制御素子27の第1の冷却材流路30の流入口31
は大きな開口部を有し、どのような運転状態においても
冷却材は流入し、冷却材の流出口43がウォータロツド
23の水平断面に対してほぼ30度の角度で外に向って
いるために、狭い流出口34から出た冷却材はジェット
状になって、絶えず冷却材流量制御素子27の上面に沿
ってウオタロツド23の外部へ流出してしまう。同時に
ウォータロッド23の下端中央部分に設けられた発熱体
36は同様に中性子東増大に起因したガンマ線による発
熱効果によりウオータロツド23の中に大量の蒸気を発
生させる。
Here, in an operation mode in which the flow rate of coolant passing through the reactor core is reduced and output peaking is produced in the lower part of the core, the substance constituting the second coolant flow path 32 of the coolant flow rate control element 27 is neutron The amount of heat generated by gamma rays due to the increase in flux also increases, and a void is generated in the female thread 46 provided at the inlet 33 of the second coolant flow path 32, resulting in a large pressure drop and the flow path is closed. become. On the other hand, the inlet 31 of the first coolant flow path 30 of the coolant flow rate control element 27
has a large opening, allowing the coolant to flow in under any operating conditions, and since the coolant outlet 43 faces outward at an angle of approximately 30 degrees with respect to the horizontal section of the water rod 23, The coolant exiting from the narrow outlet 34 forms a jet and constantly flows out of the water rod 23 along the upper surface of the coolant flow control element 27. At the same time, the heating element 36 provided at the center of the lower end of the water rod 23 similarly generates a large amount of steam in the water rod 23 due to the heating effect of gamma rays caused by the increase in neutrons.

したがって、流量制御素子27と発熱体36との相乗効
果によって、BOCからMOCにかけてはウオータロッ
ド23内から外側へ炉水が排出されると同時にウオータ
ロツド23内にボイドが多く発生してオリフィス板52
の下面側ではオリフィス53に溜まるので、ここでのボ
イド率が高まり、液相の炉水の流路が狭隘化して各オリ
フィス53の流路抵抗が連続的に増大し、これらオリフ
ィス53を通る液相の通水量が減少し、排出口51より
外部へ流出して、燃料棒22の上端部へ案内される炉水
が減少する。
Therefore, due to the synergistic effect of the flow rate control element 27 and the heating element 36, reactor water is discharged from the inside of the water rod 23 to the outside from the BOC to the MOC, and at the same time, many voids are generated inside the water rod 23 and the orifice plate 52
As the liquid accumulates in the orifices 53 on the lower surface side, the void ratio increases there, the flow path of liquid phase reactor water narrows, and the flow path resistance of each orifice 53 increases continuously, causing the liquid to flow through these orifices 53. The amount of water flowing through the phase decreases, and the amount of reactor water that flows out from the discharge port 51 and is guided to the upper end of the fuel rod 22 decreases.

したがって、これら燃料棒22の上端部では液相の炉水
による中性子減速効果が低減し、燃料棒22内上端部に
はより多くのプルトニウムが生成し、蓄積される。
Therefore, the neutron moderating effect of liquid-phase reactor water is reduced at the upper ends of these fuel rods 22, and more plutonium is generated and accumulated at the upper ends of the fuel rods 22.

一方、炉心を通過する冷却材の流量を増加させた運転法
において、炉心上部に出力ピーキングを出すかまたは、
炉心下部に制御棒を浅く挿入して発熱体の発熱を抑える
ような運転モードでは、冷却材流量制御素子27の第2
の冷却材流路32の発熱減少のために、流路に発生する
ボイドの減少と、冷却材流量の増加とにより第2の冷却
材流路32は開いた状態となり、冷却材が噴出してくる
On the other hand, in operating methods that increase the flow rate of coolant passing through the core, power peaking occurs at the top of the core, or
In an operation mode in which the control rods are inserted shallowly into the lower core to suppress the heat generated by the heating elements, the second
Due to the reduction in heat generation in the coolant flow path 32, the second coolant flow path 32 is opened due to the decrease in voids generated in the flow path and the increase in the flow rate of the coolant, and the coolant is spouted out. come.

このため、第1の冷却材流路30の流出口43からウォ
ータ・ロッド23の外に噴出しているジェット流の流れ
は、その向きをウォータ・ロッド23の内側に曲げられ
、それまでにウォータ・ロッド23内に溜っていた蒸気
を上端部の流路抵抗制御機構40から押し出し、ウォー
タ・ロッド23の中は冷却材によって満たされる。
Therefore, the direction of the jet stream jetting out of the water rod 23 from the outlet 43 of the first coolant flow path 30 is bent inside the water rod 23, and the water - Steam accumulated in the rod 23 is pushed out from the flow path resistance control mechanism 40 at the upper end, and the inside of the water rod 23 is filled with coolant.

すなわち、EOCでは再循環流量がBOCのときよりも
増大され、炉水の炉心流量も増大されるので、第4図(
A)に示すように軸方向出力分布は上方に移動するため
、流量制御素子27と発熱体36とによるガンマ線発熱
効果は相対的に減少する。したがって、オリフィス板5
2の下面側に溜まるボイドが低減するので、その分、各
オリフィス53の流路抵抗が連続的に低減している。し
かも炉心流量が増加しているために燃料棒支持部26に
開けられた小穴34を通る炉水は流量制御素子27の流
入口33に流入すると、発熱の減少によりボイドは流入
口33の中では減少し、炉水は容易に第2の流出口44
からウオータ・ロツド23の内側へ向けて吐出し、第1
の流出口43から出るパワージェットの方向をウォータ
・ロッド23の内側に反らせる。このジェット流は前記
流路抵抗が連続的に低減しているオリフィス53を容易
に通過し、MOCまで蓄えられていたウォータ・ロツド
23内のボイドを排出してしまうと同時に燃料棒22の
上端部へ案内される炉水が増大する。
In other words, in EOC, the recirculation flow rate is increased compared to BOC, and the core flow rate of reactor water is also increased, so as shown in Figure 4 (
Since the axial output distribution moves upward as shown in A), the gamma ray heating effect by the flow rate control element 27 and the heating element 36 is relatively reduced. Therefore, the orifice plate 5
Since the voids accumulating on the lower surface side of 2 are reduced, the flow path resistance of each orifice 53 is continuously reduced accordingly. Moreover, since the core flow rate is increasing, when reactor water passes through the small holes 34 made in the fuel rod support part 26 and flows into the inlet 33 of the flow control element 27, voids are formed in the inlet 33 due to the decrease in heat generation. The reactor water easily flows through the second outlet 44.
The water is discharged from the inside of the water rod 23, and the first
The direction of the power jet exiting from the outlet 43 of the water rod 23 is deflected to the inside of the water rod 23. This jet stream easily passes through the orifice 53 where the flow path resistance is continuously reduced, and discharges the voids in the water rod 23 that have been accumulated up to the MOC, and at the same time, the upper end of the fuel rod 22 The amount of reactor water guided to the reactor increases.

したがって、これら燃料棒22の上端部では液相の炉水
による中性子減速効果が増大し、BOCの際に燃料棒2
2内上端部に蓄積されたプルトニウムを燃焼することが
できる。その結果、プルトニウムを燃焼することができ
る分だけ、燃料経済性の向上を図ることができる。
Therefore, at the upper ends of these fuel rods 22, the neutron moderation effect due to the liquid phase reactor water increases, and the fuel rods 22 during BOC.
The plutonium accumulated in the upper end of 2 can be burned. As a result, fuel economy can be improved by the amount of plutonium that can be burned.

第5図は本発明の第2実施例の縦断面図を示している。FIG. 5 shows a longitudinal sectional view of a second embodiment of the invention.

この実施例では抵抗体として下部タイプレート25の燃
料支持部26が機能している。流料制御素子27の第1
の冷却材流入口31ばかりでなく第2の流入口33もま
た燃料支持部26の下部に露出している。したがって、
第3図の小穴34は不要となる。燃料集合体22のこの
付近では中性子束が小さいため、流量制御素子27のガ
ンマ線による発熱効果はほとんど期待できないので、こ
の実施例では2つの流入口31と33との面積比を調整
することによって第1と第2の流路に入る流量を制御す
る。あるいは流入口33の部分にオリフィスを設けるこ
とによっても、流量制御は可能になる。発熱体36はB
OCで軸方向出力分布がピークとなる付近ないしやや下
方に設置すれば効果的であり、ここでは第1スペーサ2
8よりもやや上の所にある。当然のことながら、この実
施例では第1スペーサ28は他のスペーサ41と全く同
様に、圧損の少ない構造となっている。
In this embodiment, the fuel support portion 26 of the lower tie plate 25 functions as a resistor. The first of the flow control elements 27
Not only the coolant inlet 31 but also the second inlet 33 are exposed at the lower part of the fuel support 26 . therefore,
The small hole 34 in FIG. 3 becomes unnecessary. Since the neutron flux is small in this vicinity of the fuel assembly 22, almost no heat generation effect due to the gamma rays of the flow rate control element 27 can be expected. The flow rates entering the first and second channels are controlled. Alternatively, the flow rate can also be controlled by providing an orifice at the inlet 33. The heating element 36 is B
It is effective to install it near or slightly below where the axial output distribution peaks in the OC.Here, the first spacer 2
It's a little above 8. Naturally, in this embodiment, the first spacer 28 has a structure with little pressure loss, just like the other spacers 41.

発熱体36を流量制御素子27に保持する連結部49は
十分に長くなるので、熱除去のためのフィンなどは必要
としない。
Since the connecting portion 49 that holds the heating element 36 to the flow control element 27 is sufficiently long, no fins or the like for heat removal are required.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に係る燃料集合体の第1実施例の横断面
図、第2図は第1実施例の縦断面図、第3図は第1実施
例におけるウオータロツド、流量制御素子、発熱体、お
よび流路抵抗制御機構を示す拡大図、第4図(A),(
B)は一般的な燃料集合体の軸方向出力分布とボイド分
布をそれぞれ示すグラフ、第5図は第2実施例の縦断面
図、第6図は従来の燃料集合体の縦断面図である。 20・・・燃料集合体、21・・・チャンネルボックス
、22・・・燃料棒、23・・・ウオータロツド、24
・・・上部タイプレート、25・・・下部タイプレート
、26・・・燃料支持部、27・・・流量制御素子、2
8・・・第1スペーサ、30・・・第1の冷却材流路、
31・・・流入口、32・・・第2の冷却材流路、33
・・・流入口、34・・・小穴、35・・・流出口、3
6・・・発熱体、40・・・流路抵抗制御機構、43.
44・・・流出口、46・・・雌ねじ、48・・・周辺
部、51・・・排出口、52・・・オリフィス板、53
・・・オリフィス。
Fig. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of a fuel assembly according to the present invention, Fig. 2 is a longitudinal sectional view of the first embodiment, and Fig. 3 is a water rod, a flow rate control element, and a heat generating element in the first embodiment. Enlarged view showing body and flow path resistance control mechanism, Fig. 4 (A), (
B) is a graph showing the axial power distribution and void distribution of a typical fuel assembly, FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of the second embodiment, and FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of a conventional fuel assembly. . 20... Fuel assembly, 21... Channel box, 22... Fuel rod, 23... Water rod, 24
... Upper tie plate, 25... Lower tie plate, 26... Fuel support section, 27... Flow rate control element, 2
8... first spacer, 30... first coolant channel,
31... Inflow port, 32... Second coolant channel, 33
...Inlet, 34...Small hole, 35...Outlet, 3
6... Heating element, 40... Channel resistance control mechanism, 43.
44... Outlet, 46... Female thread, 48... Peripheral part, 51... Outlet, 52... Orifice plate, 53
...orifice.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 核燃料を充填した複数本の燃料棒と、これら燃料棒の下
部から上部へ冷却材を案内する冷却材案内部材とを有し
、減速材を兼ねる冷却材に浸漬される炉心に装荷される
燃料集合体において、少なくとも中性子束が増大すると
上記冷却材案内部材の外部へ冷却材を案内し、少なくと
も中性子束が低下すると冷却材案内部材の内部へ冷却材
を案内する流量制御素子と、中性子束の増大に伴って発
熱により蒸気を生成する発熱体とが上記冷却材案内部材
の下部に設けられ、蒸気が増加すると、流路抵抗を増大
させ、蒸気が減少すると流路抵抗を減少させる流路抵抗
制御機構が上記冷却材案内部材の上部に設けられたこと
を特徴とする燃料集合体。
A fuel assembly that has multiple fuel rods filled with nuclear fuel and a coolant guide member that guides coolant from the bottom to the top of these fuel rods, and is loaded into a reactor core that is immersed in a coolant that also serves as a moderator. a flow control element that guides the coolant to the outside of the coolant guide member when at least the neutron flux increases and guides the coolant to the inside of the coolant guide member when at least the neutron flux decreases; A heating element that generates steam by heat generation is provided at the lower part of the coolant guide member, and when the steam increases, the flow path resistance is increased, and when the steam decreases, the flow path resistance is decreased. A fuel assembly characterized in that a mechanism is provided above the coolant guide member.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0862185A1 (en) * 1997-02-28 1998-09-02 Siemens Power Corporation Water channel flow control in a nuclear fuel assembly
EP0862186A1 (en) * 1997-02-28 1998-09-02 Siemens Power Corporation Nuclear fuel assembly with variable central water channel moderation

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