JPH0382993A - 沸謄水型原子炉の燃料集合体 - 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の燃料集合体に係わり、特に水
ロッドを使用した燃料集合体に関する。

「従来の技術」 第４図、は、従来の燃料集合体の配置構造を表わしたも
のである。この図に示したように、燃料集合体１１のチ
ャンネルボックス１２内には、８行８列の格子状に燃料
棒１３が配置され、このうちの一部が水ロッド（ウォー
タロッド）１４と置き換えられている。ここで水ロッド
１４は、燃料棒１３内の核分裂によって発生する高速中
性子の効果的な減速を促進させ、中性子束分布を平坦化
させるためのものであり、その内部に冷却水を流すよう
にした管である。

第５図は、水ロッドの外観を表わしたものである。水ロ
ッド１４は、この図に示すように上部が高速中性子を効
率良く減速するために太い径の円筒形をしており、下方
は絞り込まれて細い径の円筒形をしている。この水ロッ
ド１４の細い径の下部円筒部には冷却水を取り込むため
の小孔２１が設けられている。また、この水ロッド１４
の太い径の上部円筒部には取り込まれた冷却水を排出す
るための小孔２２が配置されている。

冷却水はサブクール水として燃料集合体内に下方から流
入し、燃料棒１３を除熱した後、蒸気ボイドを含んだ２
相水となって上方へと流出する。

第５図に示した水ロッド１４では、燃料集合体に流入し
たサブクール水が小孔２１を通ってその内部に流入する
。そして、水ロツド１４内を通過して上部の小孔２２か
ら流出し、燃料棒１３を冷却した後の前記した２相水と
混合されて炉心外に出される。

ところで、水ロツド１４内を流れる冷却水は、管壁を通
じて外部から熱を伝達され、また水中および管材内にお
ける中性子やＴ線による発熱等によって加熱される。し
かしながら、水ロッド１４は効果的に中性子の減速を行
なうために設けられるものなので、流入した冷却水は沸
騰しない状態、すなわち単相流の状態で管内を流れ、上
部の小孔２２から排出されることが必要とされている。

この観点からは、水ロツドＩ４内に十分な流量で冷却水
を供給することが望ましいが、水ロツド１４内に必要以
上の冷却水を流すことはチャンネルボックス１２内の燃
料棒１３の冷却を行うための冷却水の割合が相対的に減
少することになり、好ましくない。そこで、水ロッド１
４の出入口の小孔２工、２２は、炉心の運転状態の中で
最も熱的に厳しい状態でも、内部の冷却水が沸騰しない
最低限の流量を維持するようにそれらのサイズが定めら
れている。

「発明が解決しようとする課題」 このように水ロッドを使用した沸騰水型原子炉の通常運
転条件の下では、ウラン原子に対する水素原子の数が多
いほど反応度が高いという見地から、水ロンド内に密度
の高い冷却水を使用することが、燃料経済性を高める上
で不可欠のものとされていた。

一方、燃料経済性を向上させる手段としてスペクトルシ
フト運転と呼ばれる運転方法が従来から推奨されている
。このスペクトルシフト運転では、（イ）燃料の無限増
倍率の高いザイクル初期から中期にかけてチャンネルボ
ックス内に冷却水を少なめに流して、燃料集合体内のボ
イド率を高め中性子スペクトルを硬化させるようにして
いる。そして、この期間に、核分裂物質であるプルトニ
ウム２３９を蓄積させている。また（口）反応度の低下
するサイクル末期には冷却水の流量を増加させることで
ボイド率を下げて、反応度を稼ぐと同時にスペクトルを
軟化させ、蓄積されたプルトニウム２３９を燃焼させて
反応度を向上、させている。

ところが、従来用いられた沸騰水型原子炉の燃料集合体
では、スペクトルシフト運転を行っても流量変化に伴う
水密度の差異が小さく、燃料経済性を十分向上させるこ
とができないという問題があった。すなわち、燃料集合
体の熱的健全性や、燃料および炉心に対する安定性上の
観点から、冷却水の流量つまり炉心流量の下限が制限さ
れており、また炉心流量を循環させるポンプの揚程から
その上限が存在している。そこで、定格炉心出力状態で
は、炉心の流量を定格流量に対して８０〜１２０％程度
しか変化させることができず、これによる水密度の変化
は燃料集合体の平均ボイド率に換算して数％程度にしか
過ぎなかった。

そこで本発明の目的は、炉心流量を現在の変化に止めて
、しかもスペクトルシフト運転の性能を向上させて燃料
の経済性を一層改善することのできる沸騰水型原子炉の
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」 本発明では、水ロツド自体の水密度を調整することで、
上述した目的を達成する。このため本発明では、炉心流
量に応じて水ロッドに流入する冷却水の流量を加減する
流量調整手段を沸騰水型原子炉の燃料集合体に具備させ
る。

すなわち本発明では、サイクル末期までの炉心流量が少
ない状態では水ロンド内に流入する冷却水の量を積極的
に少なくして、水ロツド内にボイドを発生させ、水密度
を小さくしてプルトニウム２３９を生成、蓄積させる。

一方、反応度の低下するサイクル末期の炉心流量が多い
状態では水ロツド内に冷却水を多く流し、沸騰しない状
態に、すなわち水密度の高い状態に保つ。そして、この
低ボイド率状態の下でプルトニウム２３９を燃焼させ、
反応度を稼いで燃料経済性を向上させ、スペクトルシフ
ト運転の性能を一層向上させる。

−例としては、水ロンドの冷却水の入口を開□閉する弁
を水ロツド内に配置し、８０％程度の低流量時にはこの
弁を閉じて冷却水が水ロツド内に入らないようにし、こ
れ以外の流量の場合には弁を開いて冷却水が水ロンド内
部を通過するようにする。

「実施例」 以下、実施例につき本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例における沸騰水型原子炉の
燃料集合体に使用される水ロッドを表わしたものである
。第５図と同一部分には同一の符号を付しており、これ
らの部分の説明を適宜省略する。

さて、この水ロッド３１は、第４図に示した８行８列の
格子状に配置された燃料棒１３の内の２本を置き換えた
ものであり、水ロッド３１の配置される位置は第４図に
おける従来の水ロッド１４と同一となっている。

水ロッド３１は、その構成が従来の水ロッド１４と基本
的に同一であるが、第４図に示した冷却水を取り込むた
めの小孔２１の代わりに、細い径の円筒部分３３の同一
高さの位置に１対の長孔３４が設けられている。但し、
この図では長孔３４の一方のみが現われており、他方は
反対側に位置するため陽れている。細い径の円筒部分３
３内には、流体素子３５が上下動自在に配置されている
。

流体素子３５は、円筒部分３３の内壁に嵌合する嵌合部
３６と、円筒部分３３の外部に配置されたリング状の抵
抗板３７と、これらを連結する２本の連結棒３８とによ
って構成されている。ここで抵抗板３７は、水ロッド３
１の周囲を流れる冷却水の流量〈炉心流量）に応じて、
嵌合部３６を上下させるためのものである。この図では
抵抗板３７を連結する連結棒３８の一方のみが現われて
おり、他方はこの反対側に位置するため、隠れている。

第２図は、流体素子の外観を表わしたものである。流体
素子３５の嵌合部３６は、２本の連結棒３８のそれぞれ
一端が螺着された円筒４１を有している。これらの連結
棒３８の他端には、半円形の抵抗板部分が同じく螺合さ
れており、これら抵抗板部分が合わさってリング状の抵
抗板３７を構成している。

円筒４１の外径は第１図に示した円筒部分３３の内径よ
りもわずかに小さな径となっており、そのやや上部の位
置とやや下部の位置にそれぞれリング状のシール材４２
．４３が取り付けられている。下部に取り付けられたシ
ール材４３の下方には、軸方向に所定幅で切り込み４４
が設けられている。これに対応して、第１図に示した円
筒部分３３の内面には金属板（図示せず〉の溶接によっ
て１か所だけ図示しない凸部が形成されている。

円筒４１が円筒部分３３に挿入され、この凸部が切り込
み４４と嵌合することで、円筒４１の上下動のみが許さ
れ、円周方向に回転することが禁止されるようになって
いる。

円筒４１の下部に取り付けられたソール材４３のやや上
方には、軸方向に沿って複数個（図では２個〉の小孔４
５が穿たれている。これらの小孔４５は、第１図に示し
た水ロッド３１に長孔３４を介して冷却水を流入させる
ための孔で”ある。円筒４１の下部には、円柱状の錘４
６の頭部が嵌入されている。錘４６は炉心流量が少ない
状態で、すなわち抵抗板３７が上向きの力を強く受けな
い状態で、この流体素子３５を円筒部分３３の下部に止
めるために取り付けられている。

なお、円筒部分３３の軸方向における長孔３４の長さは
、流体素子の円筒４１の高さよりも短く設定されており
、錘４６の頭部上面から小孔４５の下側の方の孔までの
軸方向における間隔よりも大きく設定されている。また
炉心が低流量の状態で、錘４６はその下端が水ロッド３
１の図示しない端栓に接触し、支持されるようにその最
小高さが設定されている。

以上のような構成の水ロンドでは、炉心流量が比較的少
ないとき、流体素子３５は錘４６の作用で連結棒３８が
長孔３４の下端にほぼ接する位置まで下降して、この状
態を保つ。このとき、小孔４５は長孔３４よりも下の位
置にあり、水ロッド３１への冷却水の流入は阻止される
。この結果、水ロッド３１内部の冷却水は加熱によって
全量がボイド状態となり、燃料集合体の平均水密度を低
下させる。

０ これに対して、定格炉心流量に相当する冷却水流量が燃
料集合体内を流れる高流量状態になると、抵抗板３７と
冷却水との流動抵抗による上向きの力が錘４６の下向き
の力よりも大きくなる。この結果、流体素子３５は円筒
部分３３内部を上向きに移動し、連結棒３８が長孔３４
の上端に接した状態で停止する。このとき、小孔４５は
長孔３４によって外部に露出し、冷却水が水ロッド３１
に流れ込む。流れ込んだ冷却水は水ロツド３１内を上部
に移動して上部の小孔２２から排出される。

このため、水ロッド３１内部にボイドの発生はなく、単
相の冷却水で満たされるために、燃料集合体の平均水密
度が上昇する。

ところで、この実施例の燃料集合体で水ロッド３１の小
孔４５の径および数は、第５図に示した従来の小孔２１
のそれと同じか、少なめに設定される。このような設定
が可能になるのは、従来の水ロッド（第５図〉が低炉心
流量、高出力時においてもロンド内でボイドが発生しな
い最小の流量を確保できるように余裕をもって小孔２１
の径の設定を行う必要があったのに対して、この実施例
の燃料集合体ではこのような配慮を必要としないからで
ある。すなわち本実施例の燃料集合体では、高流量状態
でのみボイドの発生を防止することができればよく、し
たがって水ロツド３１内の冷却水の流量をより小さく設
定することが可能になる。

このように水ロツド３１内の冷却水の流量をより小さく
設定できることは、副次的な効果としてチャンネルボッ
クス１２　（第４図）内の燃料冷却水が相対的に増加で
きることを意味する。燃料冷却水が増加すると、燃料集
合体の限界出力と安定性を向上させることができる。

最近では、燃料集合体に大径あるいは超大径の水ロッド
を採用する動きがある。このような大径あるいは超大径
の水ロッドが使用されると、水ロツド内の冷却水の流量
は燃料集合体内の冷却水の総量の１０％近くにまで占め
ることがある。したがって、高出力、高流量時に本実施
例の前記した効果によって炉心流量の２割に相当する余
裕が生じたとすると、燃料集合体内の流量に対して２％
程度の増量が見込まれる。これは、限界出力に換算して
１％強の改善に相当する。

一方、本発明の燃料集合体では限界出力の厳しくなる高
出力・低流量時には水ロンド内に冷却水を流さない。こ
のため、この状態では燃料集合体に流入する冷却水の全
量が燃料棒の冷却に使用されることになる。この結果、
従来の燃料集合体と比較すると、燃料棒に対する冷却水
の割合がかなりのパーセントで増加することになる。例
えば、第３図に示したような９行９列の格子状に配置さ
れた燃料棒５１の一部を３行３列相当のサイズを有する
超大径の水ロッド５２に置き換えた燃料集合体を使用し
、かつ、この水ロツド５２内に流す冷却水を低下させる
と、燃料棒５１に対する冷却水の量を１０％近く増加さ
せることができる。これにより、数％程度の限界出力の
向上や、チャンネルおよび炉心安定性に対して有意な改
善効果を期待することができる゛。

以上説明した実施例等では、炉心流量が低い場合と高い
場合の２段階で水ロツド内の冷却水の流３ 人を制御したが、冷却水の流入量を多段階あるいは連続
制御するようにしてもよい。

「発明の効果」 このように本発明によれば、炉心流量に応じて水ロンド
に対する冷却水の流量を加減することにしたので、水ロ
ツド内のボイドの発生量を調整することができる。した
がって、燃料集合体の平均水密度を炉心のサイクル末期
前までは少ない状態に保ち、一方、サイクル末期に至っ
て炉心流量が増加すると水密度を増加させてスペクトル
シフト運転を行うとき、その運転性能を一層向上させ、
燃料経済性を改善することができる。また、限界出力お
よびチャンネルや炉心安定性の向上にも効果があり、燃
料の熱的余裕を改善し、燃料の健全性を高めて、原子炉
の経済性や安全性の向上に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例を説明するため
のもので、このうち第１図は沸騰水型原子炉の燃料集合
体に使用される水ロッドの要部斜４ 視図、第２図は流体素子の斜視図、第３図は９行９列構
成の燃料集合体の断面図、第４図は８行８列構戊構成料
集合体の断面図、第５図は従来使用された水ロッドの要
部斜視図である。 １２・・・・・・チャンネルボックス、１３．５１・・
・・・・燃料棒、 １４．５２・・・・・・水ロッド、３１・・・・・・流
体素子、３４・・・・・・長孔、３７・・・・・・抵抗
板、４５・・・・・・小孔、４６・・・・・・錘。 出　　願　　人 日本原子力事業株式会社 代 理　　人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 チャンネルボックス内に燃料棒と共に配置され、冷却水
   取り入れ用の小孔を有する水ロッドと、炉心流量に応じ
   て前記小孔から流入する冷却水の流量を加減する流量調
   整手段 とを具備することを特徴とする沸騰水型原子炉の燃料集
   合体。