JPH03264892A

JPH03264892A - 燃料集合体及び原子炉の炉心並びに下部タイプレート

Info

Publication number: JPH03264892A
Application number: JP2064794A
Authority: JP
Inventors: Koji Fujimura; 幸治藤村; Taisuke Bessho; 別所　泰典; Yoshihiko Ishii; 佳彦石井; Sadao Uchikawa; 貞夫内川; Yuichiro Yoshimoto; 吉本　佑一郎; Junjiro Nakajima; 中島　潤二郎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1991-11-26
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JP2520181B2; DE4108559A1; US5167911A

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に係わり、特に、沸騰水型原子
炉に装荷される燃料集合体、その燃料集合体の下部タイ
プレート、燃料集合体により構成される炉心、燃料集合
体を支持する炉心支持板に関する。

〔従来の技術〕

沸騰水型原子炉においては、圧力容器の中央部に炉心が
位置し、この炉心には多数の燃料集合体が装荷され、燃
料集合体の側面部には、制御棒駆動装置により挿入量が
調整される十字型制御棒が設けられている。

ところで、原子炉の発熱反応は核分裂の連鎖反応によっ
て維持される。すなわち、原子炉内では、中性子がウラ
ンに衝突しウランを分裂させ、主に分裂片の運動エネル
ギーが熱エネルギーとなる。

また、ウランが分裂する際に２〜３個の高速中性子が発
生し、減速材中の水素原子と何回か衝突を繰り返し、炉
心を構成する原子と熱平衡状態となるまで減速された後
、次のウランを分裂させる。

以下連鎖反応によりウランは燃え続ける。この反応を核
分裂というが、ウランと中性子は衝突すれば常に核分裂
を起こすとは限らない。天然に存在するウラン同位体の
うち、中性子と衝突し核分裂反応を起こすのは、ウラン
２３５である。ウラン２３５の同位体組成割合は０．７
％程度であり、残りは核分裂反応を起こさないウラン２
３８である。そのために、主な商用炉では、ウラン２３
５を数％程度まで濃縮した濃縮ウランが燃料物質として
使われている。

従来の沸騰水型原子炉では、核分裂の連鎖反応を制御す
るために、燃料集合体の側面部に設けられる十字型制御
棒を使用している。すなわち、制御棒の内部には、中性
子の吸収材であるＢ４Ｃが封入されていて、制御棒の炉
心内への挿入割合を制御棒駆動装置を用いて変化させる
ことによって、連鎖反応の維持に不必要な、余分の中性
子を吸収することによって核分裂反応を制御している。

特に、運転サイクル初期には、サイクル末期までの全運
転期間を通じて反応度を維持するために、燃料物質は潜
在的に高い反応度を有しており、また運転時と冷温時の
反応度差も加わって冷温時における炉停止余裕が厳しく
なる。

そこで、運転サイクル初期の余剰反応度の制御と炉停止
余裕確保の観点より、上述の制御棒を用いた反応度制御
とは別に、燃料物質にガドリニア等の可燃性毒物を混入
する方策がとられている。

ところで、この反応度を制御する他の方法としては、炉
心内の蒸気体積率（以下、ボイド率と呼ぶ）を変化させ
る方法がある。例えば、炉心流量を変えると、炉心内の
ボイド率が変わるが、このボイド率が変わると、減速材
中の水素原子による中性子の減速効果が変化するために
、反応度も変化する。従って、炉心の反応度制御にボイ
ド率を変える方法が利用できる。

第１５図に、代表的な沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）燃料の
寿命初期（ＯＧＷｄ／ｌ）における中性子無銀増倍率と
ボイド率との関係を示す。この図より、ボイド率が小さ
い程、中性子無限増倍率が大きくなることが分かる。従
って、流量を増大させるとボイド率が下がり、中性子の
減速効果が促進されて、中性子無限増倍率が上がり、炉
心の反応度が増大する。

第１６図（ａ）〜（ｃ）に、ボイド率を変化させる反応
度制御の運転法を示す。図の横軸は、サイクル増分燃焼
度を、縦軸はそれぞれ、炉心流量、炉心ボイド率、反応
度を示している。第１６図（ａ）に示すように、サイク
ル初期においては炉心流量を小さく、サイクル末期に炉
心流量を大きくするように炉心流量を制御する。炉心の
反応度が余っているサイクル初期に流量を小さくすると
、第１６図（ｂ）に示すようにボイド率が増加し、第１
６図（ｃ）に示すように反応度が低下する。

また、この時、炉心の中性子スペクトルが硬くなり、ウ
ラン２３８の中性子共鳴吸収確率が増えて、核分裂性核
種であるプルトニウム２３９の生成が促進される。運転
サイクル末期に流量を大きくすると、サイクル前半に生
成されたプルトニウム２３９の核分裂反応が促進されて
運転期間末期における反応度が増加するので、第１６図
（Ｃ）に示すように、流量制御を行わない場合よりも、
運転期間（燃焼度）を延ばすことができる。

このように運転期間中に中性子スペクトルを変えて、運
転期間の延長を図る運転方法は、「スペクトルシフト運
転」と呼ばれる。運転期間中にボイド率を変えるスペク
トルシフト運転法としては、特開昭５７−１２５３９０
号公報及び特開昭５７−１２３９１号公報等に記載の方
法がある。

ここで、炉心流量は、下限を限界熱出力によって、上限
をポンプの揚程及び流動安定性基準によって制限される
。従って、第１７図に示すように、定格出力運転時の沸
騰水型原子炉における流量の可変幅は８０〜１２０％程
度であり、ボイド率変化幅は９％程度となる。従って、
流量変化のみでは、サイクル初期の余剰反応度をすべて
制御できず、制御棒操作を併用した反応度制御が必要と
なる。

他のスペクトルシフト運転法としては、特開昭６０−１
７７２９３号公報に記載の方法がある。

すなわち、沸騰水型原子炉において、炉心流量が大きい
時に、チャンネルボックスの外側を流れるバイパス流量
を増加させることを可能とするバイパス流量調節構造を
炉心支持板に設置して、ノくイパス流のボイド率を運転
期間中に変えて、スペクトルシフト運転を行っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記バイパス流量調節構造を用いてスペ
クトルシフト運転を行う従来技術は、まず第一に、バイ
パス流量調節構造にノくネの復元力を利用した流量調整
弁を用いているので、中性子照射下における信頼性に問
題があり、第二に、炉心支持板に流量調節弁を設置する
ので、既存の原子炉に適用することができないという問
題があった。

本発明の目的は、可動部が無く、スペクトルシフト運転
の効果を高められる燃料集合体、その燃料集合体の下部
タイプレート、その燃料集合体により構成される炉心、
炉心支持板および原子炉を提供することにある。

本発明の他の目的は、既存の沸騰水型原子炉にパックフ
ィツト可能で、スペクトルシフト運転の効果を高められ
る燃料集合体を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、核燃料物質を密封
した複数本の燃料棒と、これら燃料棒の長手方向両端部
を保持する上部および下部タイプレートと、前記燃料棒
相互の間隔を保持するスペーサと、前記燃料棒、上部お
よび下部タイプレートならびにスペーサを取り囲み、炉
心冷却材を、前記燃料棒を冷却する有効流と燃料棒を冷
却しない漏洩流とに分離するチャンネルボックスとを有
する燃料集合体において、前記下部タイプレートの側壁
に、前記有効流の一部を前記チャンネルボックスの外側
に漏洩させる開口を形成し、この間口に圧力損失係数が
通過冷却材の流速に依存する可変オリフィス手段を設置
したものである。

また、本発明は、複数本の燃料棒と、これら燃料棒の上
端および下端をそれぞれ支持する上部および下部タイプ
レートと、前記燃料棒および上部および下部タイプレー
トを取り囲み、炉心冷却材を、前記燃料棒を冷却する有
効流と燃料棒を冷却しない漏洩流とに分離するチャンネ
ルボックスとを各々備えた多数の燃料集合体を有し、前
記燃料集合体が、各々、隣接燃料集合体との間に前記漏
洩流の流れるギャップ領域を形成するように配置され、
前記下部タイプレートが、各々、前記ギャップ領域のそ
れぞれの側に位置する側面を有している原子炉の炉心に
おいて、前記各下部タイプレートの側面の少なくとも１
つに、前記有効流の一部を前記第１のギャップ領域に漏
洩させる開口を形成し、この開口に圧力損失係数が通過
冷却材の流速に依存する可変オリフィス手段を設置した
ものである。

燃料集合体が、各々、隣接燃料集合体との間に前記漏洩
流の流れる比較的幅の狭い第１のギャップ領域と比較的
幅の広い第２のギャップ領域とを形成するように配置さ
れ、前記下部タイプレートが、各々、前記第１のギャッ
プ領域の側に位置する第１の側面と前記第２のギャップ
領域の側に位置する第２の側面とを有している原子炉の
炉心においては、好ましくは、前記各下部タイプレート
の第１の側面に、前記有効流の一部を前記第１のギャッ
プ領域に漏洩させるリーク口を形成し、第２の側面に、
前記有効流の一部を前記第１のギャップ領域に漏洩させ
る開口を形成し、この開口に圧力損失係数が通過冷却材
の流速に依存する可変オリフィス手段を設置する。

燃料集合体が、各々、隣接燃料集合体との間に漏洩流の
流れる幅のほぼ等しいギャップ領域を形成するように配
置され、下部タイプレートが、各々、前記ギャップ領域
のそれぞれの側に位置する複数の側面を有している原子
炉の炉心においては、好ましくは、前記各下部タイプレ
ートの全ての側面に、前記有効流の一部を前記ギャップ
領域に漏洩させる開口を形成し、この開口に圧力損失係
数が通過冷却材の流速に依存する可変オリフィス手段を
設置する。

さらに、本発明は、多数の燃料集合体の下端を支持する
隔壁からなる原子炉の炉心支持板において、前記隔壁に
開口を形成し、この開口に圧力損失係数が通過冷却材の
流速に依存する可変オリフィス手段を設置したものであ
る。

〔作用〕

冷却材を前記ギャップ領域に漏洩させると共に、圧力損
失係数が通過冷却材の流速に依存する可変オリフィス手
段を下部タイプレートの側壁に設置することにより、炉
心流量が上限にあるときにある漏洩流量が得られるよう
可変オリフィス手段を設計した場合、炉心流量が小さい
ときには圧力損失係数が大きくなって、炉心流量が上限
にあるときに同じ漏洩流量が得られる単なる開口に比較
して、漏洩流量の減少が大きくなる。このため、炉心流
量を下限に設定したときのチャンネルボックス内を流れ
る有効流が増加し、限界熱出力によって制限される炉心
流量の下限を下げることが可能となる。これと同時に、
漏洩流量の減少したバイパス領域ではボイド発生の効果
が期待できる。これらは共に、水素対ウラン原子数比（
Ｈ／Ｕ）を下げるものであり、この両方の相乗効果によ
りスペクトルシフト運転の効果が高まる。

そして、可変オリフィス手段は可動部を有しないので、
中性子照射下において安定的に機能し、高い信頼性を確
保できる。

また、可変オリフィス手段を燃料集合体の下部タイプレ
ートに設けることにより、変更は所定の期間で交換され
る燃料集合体の小変更に止どまり、既存の原子炉に容易
に適用可能であり、すなわち、パックフィツト可能であ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の好適実施例を図面を用いて説明する。

実施例１まず、本発明の第１の実施例を第１図〜第９図により説
明する。

第１図および第２図において、本実施例の燃料集合体１
は複数本の燃料棒２と、これら燃料棒２の長さ方向両端
部側にそれぞれ設けられ、燃料棒２の上部端栓および下
部端栓をそれぞれ挿入して燃料棒２の上下端を保持する
上部タイプレート３および下部タイプレート４、燃料棒
２の間隔を保持するスペーサ５、およびこれらを取り囲
むチャンネルボックス６とから構成されている。

下部タイプレート４は、燃料棒２の下端を支持する燃料
支持部８と、燃料支持部８の外周部より先細りに垂下し
、内部に空洞を画定する断面方形の側壁９とを有し、側
壁９の先端には第３図に示すようにノズル部１０が開口
しており、側壁９の４つの側面のうち隣接する２面には
開ロアが形成され、この間ロアに圧力損失係数が通過冷
却材の流速に依存する可変オリフィス１１が設置されて
いる。可変オリフィス１１は特開昭６１−２８４６９６
号公報に記載のものである。

第４図に、燃料集合体１を装荷した原子炉の構造を示す
。沸騰水型原子炉においては、圧力容器２０の中央部に
炉心シュラウド２９に囲まれて炉心２１が位置し、この
炉心２１に多数の燃料集合体１が装荷され、燃料集合体
１の側面部には、制御棒駆動装置２２と連動した十字型
制御棒２３が設けられている。十字型制御棒２３は燃料
集合体４体に１本の割合で設置されており、その４体の
燃料集合体は１つのユニットとして、炉心支持板２４に
取り付けられた燃料支持金具２５に支持されている。燃
料支持金具２５は外周部に冷却材の流入口２６が設けら
れ、かつその中央部を十字型制御棒２３が通る構成とな
っている。燃料支持金具２５の下端には制御棒ガイドチ
ューブ２７が取り付けられ、その下端に制御棒駆動機構
２２の制御棒駆動ハウジング２８が連結されている。

このような原子炉の炉心２１での装荷状態において、燃
料集合体１の周囲には第２図に一点鎖線で示すようにギ
ャップ領域１２が形成され、炉心冷却材はチャンネルボ
ックス６により、チャンネルボックス６内の燃料棒２を
冷却する有効流とギャップ領域１２内の燃料棒を冷却し
ない漏洩流とに分離して流れる。本実施例では、燃料集
合体断面積内の冷却材流路面積に対するギャップ領域１
２の面積割合は約３２％である。

ギャップ領域１２内の十字型制御棒２３が挿入される側
と反対側には炉内計装管１３が設置されている。従来の
ＢＷＲでは、炉内計装管１３の熱除去の観点より、下部
タイプレート４の４つの側面のうち、この炉内計装管１
３が位置する側の２面（第２図の右側および下側の２面
）にそれぞれ１つづつ、前記有効流の一部をチャンネル
ボックス外側のギャップ領域１２に漏洩させるためのリ
ーク孔が設けられている。本実施例では、従来のこのリ
ーク孔の位置に可変オリフィス１１を設置する。

第５図に、可変オリフィス１１の構造を示す。

この可変オリフィス１１は、リング３０内に３本の丸棒
３１を相互間に隙間３２を設けて並行に配列し、丸棒３
１の両端をリング３０に取り付けたものであり、隙間３
２を冷却材が流れる。冷却材が隙間３２を流れるとき、
丸棒３１は抵抗部材として働き、丸棒３１の表面には境
界層が形成され、この境界層は隙間３２の出側で丸棒３
１の表面から剥離する。この境界層の剥離点およびその
下流側の剥離領域の大きさは隙間３２を流れる冷却材の
流速に依存して変化する。一方、剥離領域は圧力損失を
もたらす。すなわち、可変オリフィス１１は、隙間３２
を通過する流体が丸棒３１表面に形成する境界層の剥離
現象を利用して、オリフィスの圧力損失係数（オリフィ
ス係数Ｋｏｒ）をレイノルズ数によって変化させる機能
を有する。

第６図に、可変オリフィス１１のオリフィス係数Ｋｏｒ
のレイノルズ数（Ｒｅ）依存性を実測した一例を示す。

これより、Ｒｅ＝（１３〜３４）×１０４の範囲ではＫ
（Ｂニア７、Ｒｅ＝（４４〜４５）ＸＩＯ’の範囲では
Ｋｏｒ二６０であり、オリフィス係数Ｋｏｒを２２％程
度変えることができる。

ここで、Ｒｅ　＝３４Ｘ１０’付近は炉心流量が約８０
〜８５％の時に対応し、Ｒｅ　＝４５Ｘ１０’付近は炉
心流量が約１００〜１１０％のときに対応する。

このように、複数の丸棒３１を取り付けた可変オリフィ
ス１１は、可動部を有していなく、シかも流量の増加に
よってオリフィス係数が減少する、すなわち、流量増加
によって圧力損失が低下する機能を有している。なお、
この可変オリフィス１１は、特開昭６１−２８４６９６
号公報に記載のように種々の変形が可能である。

次に、本実施例による燃料集合体１の作用を説明する。

第７図に、取出燃焼度３８　ＧＷｄ／を程度を達成する
ＢＷＲの従来の燃料集合体の断面形状を示す。

燃料集合体４０は多数本の燃料棒４１と１本の水ロッド
４２を有し、これら燃料棒および水ロッドをチャンネル
ボックス４３が取り囲んでいる。定格運転時において、
冷却材流量の約９０％はチャンネルボックス４３の内部
を流れ、残りの１０％程度はチャンネルボックス４３外
側のバイパス領域、すなわち、ギャップ領域４４に漏洩
する。

般的には、水ロツド４２内およびギャップ領域４４の冷
却材は飽和水であり、ボイド率は０％である。炉心流量
の変更によるスペクトルシフト運転を行う場合にボイド
率を変えることができるのは、チャンネルボックス４３
内の沸騰水が流れる領域４５のみである。

第８図に、原子炉内における上述の燃料集合体４０およ
びその下方部分における冷却材の流れを示す。図中、第
４図に示す部材と同等の部材には同じ符号を付している
。燃料集合体４０の下部タイプレート４６には、前述し
たように、炉内計装管１３（第２図参照）の熱除去に観
点から、同じ側の隣接する２側面にそれぞれ１つづつ、
冷却材有効流の一部をチャンネルボックス外側のギャッ
プ領域４４に漏洩させるためのリーク孔４７が設けられ
ている。

炉心下方から流入する全冷却材４８−１のうち、チャン
ネルボックス４３内を有効流４８−２として流れるのは
上述したように９０％程度である。残りの１０％は、主
に制御棒ガイドチューブ２７と制御棒駆動ハウジング２
８の間隙を流れるもの４８−３、制御棒ガイドチューブ
２７と燃料支持金具２５の間隙を流れるもの４８−４、
炉心支持板２４と燃料支持金具２５の間隙を流れるもの
４８−５、下部タイプレート４６と燃料支持金具２５と
の隙間を流れるもの４８−６、下部タイプレート側面の
リーク孔４７を流れるもの４８−７、下部タイプレート
４６とチャンネルボックス４３の間隙を流れるもの４８
−８とに分けることができる。これらの全漏洩流に占め
る割合が最も大きいものは下部タイプレート側面のリー
ク孔４７から流れ出るもので、６０％程度である。

本実施例においては、このリーク孔４７に可変オリフィ
ス１１が設置されており、この可変オリフィス１１にお
いては、第６図に示すように、運転サイクル初期の炉心
流量８５％時にＲｅ：３４×１０４でＫｏｒ丑７７、末
期の炉心流量１１０％時にＲｅ　＃４５Ｘ１０’でＫｏ
ｒ：６０となる。すなわち、炉心流量を８５〜１１０％
の範囲で変えた場合、オリフィスを通過する冷却材のレ
イノルズ数を３０％程度変えることができ、オリフィス
係数を２２％程度変えることができる。

従って、炉心流量１１０％時に可変オリフィス１１を通
過する流量が、従来の定格運転時に下部タイプレート側
面のリーク孔４７を通過する流量と同じになるように第
５図のオリフィス形状、レイノルズ数を設定すれば、炉
心流量８５％時のリーク流量を２０％程度小さくでき、
漏洩法全体の流量を１０％以上小さくできる。その結果
、チャンネルボックス６内部を流れる有効流（第８図の
４８−２）が増加するので、限界出力に対する熱的余裕
が増加し、炉心流量の下限を２％程度下げることが可能
である。すなわち、炉心平均の水素対ウラン原子数比（
Ｈ／Ｕ比）を小さくできる。

一方、ギャップ領域４４では流量が従来よりも１０％以
上減少しており、炉心部で発生した中性子による（ｎ、
　　γ）反応の発熱によってギャップ領域１２のボイド
率が大きくなる。

このような炉心流量の低下とギャップ領域４４でのボイ
ド発生の効果の両方から、本実施例ではＨ／Ｕ比を０．
０５下げることができる。これを炉心流量の変化のみに
よるＨ／Ｕ比の変化量０１３０と比較すると、Ｈ／Ｕ比
の変化量は約１７％拡大したことになる。そして、Ｕ／
Ｈ比が小さくなることにより中性子スペクトルが硬くな
るので、ウラン２３８等の親核種による中性子の共鳴吸
収反応が増加し、余剰反応度が減少すると共に、転換比
が増大し、スペクトルシフト運転の効果が向上する。

また、本実施例では、冷却材喪失時に、炉心流量が減少
した場合に、チャンネルボックス４３内に流れ込む流量
の割合が相対的に増えるので、安全上も余裕度が向上す
る。

さらに、一般的にＢＷＲの燃料集合体においては、チャ
ンネルボックス内部には燃料棒やスペーサ等、冷却材流
れの障害となる構造物が存在し、さらに冷却材が沸騰す
ることによって二相流部の圧力損失が生じており、炉心
下端においてチャンネルボックス内部の圧力の方がギャ
ップ領域の圧力よりも高＜（１０ｐｓｉ程度）なってい
る。第９図に従来のチャンネルボックス内外の圧力差（
ΔＰ）の炉心高さ方向変化を実線で示す。この圧力差の
結果、チャンネルボックス側面には、内部より外側に向
かう荷重が作用しており、チャンネルボックスが膨れる
原因となっている。チャンネルボックスが膨れると、制
御棒挿入時のチャンネルボックスと制御棒のクリアラン
スの減少やチャンネルボックス間の接触等の問題が発生
する恐れがある。

本実施例では、運転サイクル前半の低流量時に、ギャッ
プ領域４４にもボイドが発生し、二相流部の圧力損失が
生じるので、第９図に破線で示すように、チャンネルボ
ックス内外の圧力差が減少し、チャンネルボックス４３
の膨れが低減できる。

以上のように、本実施例によれば、可動部を有しない可
変オリフィス１１を用いてスペクトルシフト運転の効果
を高めることができ、中性子照射下においても高い信頼
性を確保できる。また、冷却材喪失時の安全上も余裕度
が向上する。

また、運転サイクル前半の低流量時に、チャンネルボッ
クス４３の膨れが低減できるので、チャンネルボックス
と制御棒またはチャンネルボックス間の接触の恐れが低
減し、安全性が向上する。

さらに、可変オリフィス１１が設置される燃料集合体は
所定の運転サイクル期間で交換されるものであるので、
既存の原子炉に容易に適用可能であり、しかも下部タイ
プレートの小変更で済むのでコスト的にも有利である。

実施例２本発明の第２の実施例を第１０図および第１１図により
説明する。本実施例はＤ格子炉心に装荷される燃料集合
体に係わるものである。

第１０図において、燃料集合体ＩＡの下部タイブレー）
４Ａの側壁９Ａには、一方の隣接する側面のそれぞれに
第１の実施例と同様に開ロアＡが形成されかつこの間ロ
アＡに圧力損失係数が流量に依存する可変オリフィス１
１Ａが設置され、もう一方の隣接する側面のそれぞれに
通常のリーク孔１４が設けられている。

燃料集合体ＩＡはＤ格子炉心用である。Ｄ格子炉心とは
、第１１図に示すように、燃料集合体間のギャップ領域
のうち、制御棒２３が挿入される側のギャップ１２Ａ（
ワイドギャップ）が、反対側のギャップ１２Ｂ（ナロー
ギャップ）よりも広くなるように燃料集合体が配列され
る炉心のことである。第１０図において、可変オリフィ
ス１１Ａはワイドギャップ１２Ａ側の下部タイプレート
側面に設置され、リーク孔１４はナローギャップ１２Ｂ
側の下部タイプレート側面に形成されている。

Ｄ格子炉心を備えた従来のＢＷＲではギャップ領域を飽
和水が流れており、この場合は、ワイドギャップ１２Ａ
側の水の量が、ナローギャップ１２Ｂ側よりも多くなり
、中性子束分布がワイドギャップ１２Ａ側にひずんだ形
となる。その結果、チャンネルボックス内の中性子によ
る照射伸び量に付近−が生じ、チャンネルボックスの曲
がりが発生する。

本実施例では、ワイドギャップ１２Ａ側の側面に可変オ
リフィス１１Ａを設置し、ナローギャップ１２Ｂ側の側
面に通常のリーク孔１４を設置しである。従って、炉心
流量を低くするサイクル前半に、ワイドギャップ側に漏
洩する冷却材流量がナローギャップ側よりも小さくなっ
て、ボイド率が高くなって、水素原子数密度が小さくな
る。その結果、ワイドギャップ１２Ａの実効的な面積が
小さくなったことによって、上述の中性子束のひずみが
解消されて、チャンネルボックス６の曲がり量が減少す
る。

実施例３本発明の第３の実施例を第１２図および第１３図により
説明する。本実施例はＣ格子炉心に装荷される燃料集合
体に係わるものである。

第１２図において、燃料集合体１Ｂの下部タイプレート
４Ｂの側壁９Ｂには、４つの側面全てに第１の実施例と
同様に開ロアＢを形成しかつこの開ロアＢに圧力損失係
数が流量に依存する可変オリフィス１１Ｂが設置されて
いる。

燃料集合体ＩＢはＣ格子炉心用である。Ｃ格子炉心とは
、第１３図に示すように、燃料集合体間のギャップ領域
のに広さがいずれも等しくなるように燃料集合体が配列
される炉心のことである。

従って、Ｄ格子炉心の場合のような中性子束のひずみは
ない。そこで、本実施例では、下部タイプレート４Ｂの
すべての側面に同一の可変オリフィスＩＩＢを設置して
いる。

本実施例によれば、第１の実施例と比べ可変オリフィス
１１によって制御できる漏洩流の割合が増加するので、
スペクトルシフト運転の効果をさらに増加できる。

実施例４本発明の第４の実施例を第１４図により説明する。図中
、第８図に示す部材と同等の部材には同じ符号を付して
いる。本実施例は、燃料集合体の下部タイプレート以外
の部分に可変オリフィスを設置し、同様の効果を得るも
のである。

第１４図において、炉心支持板２４Ａには冷却材のリー
ク孔１５が設けられ、そこに圧力損失係数が流量に依存
する可変オリフィス１１Ｃが設置されている。

本実施例では、運転サイクル前半に炉心流量を定格値よ
りも小さくすると、可変オリフィス１１Ｃのオリフィス
係数が大きくなり、ギャップ領域４４の流量が減少し、
炉心部で発生した中性子による（ｎ、　　γ）反応の発
熱によってギャップ領域４４のボイド率が大きくなる。

また、チャンネルボックス４３内に流れ込む有効冷却材
が増えて、熱的余裕が向上し、炉心流量をより小さくで
きる。

その結果、炉心平均のＨ／Ｕ比が小さくなって、中性子
スペクトルが硬くなるので、ウラン２３８等の親核種に
よる中性子の共鳴吸収反応が増加し、余剰反応度が減少
すると共に転換比が増大し、スペクトルシフト運転の効
果が高められる。

また、第１の実施例と同様に、冷却材喪失時に、炉心流
量が減少した場合に、チャンネルボックス内に流れ込む
流量の割合が相対的に増えるので、安全上も余裕度が向
上する。また、運転サイクル前半の低流量時に、チャン
ネルボックス４３の膨れが低減できるので、チャンネル
ボックスと制御棒またはチャンネルボックス間の接触の
恐れが低減し、安全性が向上する。

その他以上、本発明の好適実施例を説明したが、これら実施例
は本発明の精神の範囲内で種々の変形が可能なものであ
る。例えば、本発明は、燃料集合体下部タイプレートま
たは炉心支持板を小変更するだけの簡単な構造を有して
いるので、他の従来技術、例えば特開昭６３−７３１８
７号公報、特開平１−１７６９８２号公報等に記載のス
ペクトルシフトロッドと組み合わせて実施することがで
きる。この場合、本発明によって炉心流量制御幅が広が
るので、運転期間中のスペクトルシフトロッド内の液柱
変化量が増え、より大きなスペクトルシフト効果が得ら
れる。

また、第８図で説明したように、ギャップ領域には下部
タイプレートのリーク孔以外の箇所からも漏洩流４８−
３〜４８−６．４８−８が流入する。従って、これら漏
洩流の流量を低減できれば、本発明の効果は一層増加で
きる。例えば、下部タイプレート４６と燃料支持金具２
５の隙間を塞ぐ構造を採用すれば、漏洩流４８−６が低
減し、より大きなスペクトルシフト運転の効果が得られ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧力損失係数が流量に依存する可変オ
リフィスを用いるだけの構造なので、可動部を有さず、
中性子照射下においても高い信頼性を確保しながら、ス
ペクトルシフト運転の効果を高めることができる。

また、燃料集合体下部タイプレート構造を小変更するだ
けでよいので、既存の原子炉に容易に適用が可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による燃料集合体の部分
切除斜視図であり、第２図はその燃料集合体の横断面図
であり、第３図はその燃料集合体の下部タイプレートを
下方から見た図であり、第４図はその燃料集合体を装荷
してなる原子炉の縦断面図であり、第５図（ａ）は圧力
損失係数が流量に依存する可変オリフィスの平面図であ
り、第５図（ｂ）はその可変オリフィスの断面図であり
、第６図はその可変オリフィスにおけるオリフィス係数
のレイノズル数依存性を表わす図であり、第７図は従来
の燃料集合体の横断面図であり、第８図は原子炉内にお
ける従来の燃料集合体およびその下方部分の構造を示す
縦断面図であり、第９図はチャンネルボックスの内外圧
力差の炉心高さ方向の変化を示す図であり、第１０図は
本発明の第２の実施例による燃料集合体における下部タ
イプレートを下方から見た図であり、第１１図はその燃
料集合体をＤ格子炉心に装荷した状態を示す断面図であ
り、第１２図は本発明の第３の実施例による燃料集合体
における下部タイプレートを下方から見た図であり、第
１３図はその燃料集合体をＣ格子炉心に装荷した状態を
示す断面図であり、第１４図は本発明の第４の実施例に
よる炉心の下部構造の縦断面図であり、第１５図は沸騰
水型原子炉における中性子無限増倍率とボイド率の関係
を示す図であり、第１６図（ａ）〜第１６図（Ｃ）は流
量制御によるスペクトルシフト運転の効果を説明する図
であり、第１７図は沸騰水型原子炉の炉心平均ボイド率
の炉心流量依存性を示す図である。符号の説明１・・・燃料集合体２・・・燃料棒３・・・上部タイプレート４・・・下部タイプレート５・・・スペーサ６・・・チャンネルボックス８・・・燃料支持部９・・・側壁１１・・・可変オリフィス１２・・・ギャップ領域

Claims

【特許請求の範囲】

（１）核燃料物質を密封した複数本の燃料棒と、これら
燃料棒の長手方向両端部を保持する上部および下部タイ
プレートと、前記燃料棒相互の間隔を保持するスペーサ
と、前記燃料棒、上部および下部タイプレートならびに
スペーサを取り囲み、炉心冷却材を、前記燃料棒を冷却
する有効流と燃料棒を冷却しない漏洩流とに分離するチ
ャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記下部タイプレートの側壁に、前記有効流の一部を前
記チャンネルボックスの外側に漏洩させる開口を形成し
、この開口に圧力損失係数が通過冷却材の流速に依存す
る可変オリフィス手段を設置したことを特徴とする燃料
集合体。
（２）請求項１記載の燃料集合体において、前記下部タ
イプレートの側壁が４個の側面を有し、前記４個の側面
の隣接する２面に前記開口を形成して可変オリフィス手
段を設置したことを特徴とする燃料集合体。
（３）請求項１記載の燃料集合体において、前記下部タ
イプレートの側壁が４個の側面を有し、前記４個の側面
の隣接する２面に前記開口を形成して可変オリフィス手
段を設置し、隣接する他の２面に前記有効流の一部を前
記チャンネルボックスの外側に漏洩させるリーク孔を形
成したことを特徴とする燃料集合体。
（４）請求項１記載の燃料集合体において、前記下部タ
イプレートの側壁が４個の側面を有し、前記４個の全て
の側面に前記開口を形成して可変オリフィスを設置した
ことを特徴とする燃料集合体。
（５）複数本の燃料棒と、これら燃料棒の上端および下
端をそれぞれ支持する上部および下部タイプレートと、
前記燃料棒および上部および下部タイプレートを取り囲
み、炉心冷却材を、前記燃料棒を冷却する有効流と燃料
棒を冷却しない漏洩流とに分離するチャンネルボックス
とを各々備えた多数の燃料集合体を有し、前記燃料集合
体が、各々、隣接燃料集合体との間に前記漏洩流の流れ
るギャップ領域を形成するように配置され、前記下部タ
イプレートが、各々、前記ギャップ領域のそれぞれの側
に位置する側面を有している原子炉の炉心において、前記各下部タイプレートの側面の少なくとも１つに、前
記有効流の一部を前記第１のギャップ領域に漏洩させる
開口を形成し、その開口に圧力損失係数が通過冷却材の
流速に依存する可変オリフィス手段を設置したことを特
徴とする原子炉の炉心。
（６）複数本の燃料棒と、これら燃料棒の上端および下
端をそれぞれ支持する上部および下部タイプレートと、
前記燃料棒および上部および下部タイプレートを取り囲
み、炉心冷却材を、前記燃料棒を冷却する有効流と燃料
棒を冷却しない漏洩流とに分離するチャンネルボックス
とを各々備えた多数の燃料集合体を有し、前記燃料集合
体が、各々、隣接燃料集合体との間に前記漏洩流の流れ
る比較的幅の狭い第１のギャップ領域と比較的幅の広い
第２のギャップ領域とを形成するように配置され、前記
下部タイプレートが、各々、前記第１のギャップ領域の
側に位置する第１の側面と前記第２のギャップ領域の側
に位置する第２の側面とを有している原子炉の炉心にお
いて、前記各下部タイプレートの第１の側面に、前記有効流の
一部を前記第１のギャップ領域に漏洩させるリーク口を
形成し、第２の側面に、前記有効流の一部を前記第１の
ギャップ領域に漏洩させる開口を形成し、この開口に圧
力損失係数が通過冷却材の流速に依存する可変オリフィ
ス手段を設置したことを特徴とする原子炉の炉心。
（７）複数本の燃料棒と、これら燃料棒の上端および下
端をそれぞれ支持する上部および下部タイプレートと、
前記燃料棒および上部および下部タイプレートを取り囲
み、炉心冷却材を、前記燃料棒を冷却する有効流と燃料
棒を冷却しない漏洩流とに分離するチャンネルボックス
とを各々備えた多数の燃料集合体を有し、前記燃料集合
体が、各々、隣接燃料集合体との間に前記漏洩流の流れ
る幅のほぼ等しいギャップ領域を形成するように配置さ
れ、前記下部タイプレートが、各々、前記ギャップ領域
のそれぞれの側に位置する複数の側面を有している原子
炉の炉心において、前記各下部タイプレートの全ての側面に、前記有効流の
一部を前記ギャップ領域に漏洩させる開口を形成し、こ
の開口に圧力損失係数が通過冷却材の流速に依存する可
変オリフィス手段を設置したことを特徴とする原子炉の
炉心。
（８）複数の燃料棒の下端を支持する燃料支持部と、前
記燃料支持部の外周部より垂下し、内部に空洞を画定す
る側壁とを有する下部タイプレートにおいて、前記側壁に、前記空洞に導入される冷却水の一部を漏洩
させる開口を形成し、この開口に圧力損失係数が通過冷
却材の流速に依存する可変オリフィス手段を設置したこ
とを特徴とする燃料集合体の下部タイプレート。
（９）多数の燃料集合体を含む炉心と、前記燃料集合体
の下端を支持する炉心支持板とを有し、前記燃料集合体
が、各々、複数の燃料棒の下端を支持する下部タイプレ
ートと、前記燃料棒および下部タイプレートを取り囲む
チャンネルボックスとを有し、前記チャンネルボックス
が、前記炉心を流れる冷却材を前記各燃料集合体の内側
を流れる有効流と隣接燃料集合体間のギャップ領域を流
れる漏洩流とに分離する原子炉において、前記各チャンネルボックスの下方の構造物に冷却材を前
記ギャップ領域に漏洩させる開口を形成し、この開口に
圧力損失係数が通過冷却材の流速に依存する可変オリフ
ィス手段を設置したことを特徴とする原子炉。
（１０）請求項９記載の原子炉において、前記可変オリ
フィス手段を前記下部タイプレートに設置したことを特
徴とする原子炉。
（１１）請求項９記載の原子炉において、前記可変オリ
フィス手段を前記炉心支持板に設置したことを特徴とす
る原子炉。
（１２）多数の燃料集合体の下端を支持する隔壁からな
る原子炉の炉心支持板において、前記隔壁に開口を形成し、この開口に圧力損失係数が通
過冷却材の流速に依存する可変オリフィス手段を設置し
たことを特徴とする炉心支持板。