JPH04113296A - 原子炉及び燃料集合体 - 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、軽水減速型原子炉及び同炉に装荷される燃料
集合体及び燃料集合体の同炉への装荷方法に関する。

〔従来の技術〕

現在、高燃焼度化、及び、プルトニウムの有効活用によ
る燃料サイクル費の大幅低減を目指した次世代型軽水炉
としてプルトニウム増倍型ＢＷＲ（以下Ｐｕ増倍炉と略
す）が開発されている（特願昭５９−２５１３８９号明
細書）。Ｐｕ増倍炉では、原子炉運転時における核分裂
性Ｐｕの発生量と消減量がほぼ同じで、炉心への新装荷
燃料中の核分裂性Ｐｕ量と燃料寿命終了後の取り出し燃
料中の核分裂性Ｐｕ量の比が、はぼ１．０　となる。こ
のような炉心核特性を達成するために、燃料体を三角配
列に配置して稠密化することにより、燃料集合体中の水
対燃料体積比（Ｈ／Ｕ比）を小さくする。

このような小さい水対燃料体積比から構成されるＰｕ増
倍炉炉心では、中性子スペクトルが現行ＢＷＲ炉心に比
べて高エネルギ側にシフトし硬くなる。そのため、出力
反応度係数は全燃焼度を通じて負になるが、ボイド反応
度係数のみをみると、燃焼初期は負になり、燃焼度の増
加とともに増加し、燃焼中期以降は正になる。ボイド反
応度係数が正の場合は、ボイド率の増加により正の反応
度が炉心に投入される。そのため、全炉心流量変動時の
ボイド率の変化により生じる投入反応度を最小限に抑制
する必要がある。

また、Ｐｕ増倍炉炉心では、転換比を確保し、同時に燃
料経済性を向上させるため、径方向出力ビーキングを、
現行ＢＷＲよりも高くする。径方向出力ビーキングを高
くした場合、出力の高い燃料集合体と低い燃料集合体と
の出力差が大きくなる。従って、全装荷燃料集合体に関
して、一定値以上の燃料棒の熱的余裕を確保するために
、高出力の燃料集合体は冷却材流量を増加させ、低出力
の燃料集合体は冷却材流量を減少させる必要がある。

また、上述の各燃料集合体毎の冷却材流量を調整方法は
、燃料集合体構造及び原子炉構造として、できるだけ簡
便で信頼性の高い方法が望ましい。

燃料集合体毎の冷却材流量の調整方法として、現行ＢＷ
Ｒでは、燃料集合体が挿入される燃料支持金具のオリフ
ィス径を変更させ、炉心内に燃料支持金具を固定して配
置する。これにより、燃料集合体の装荷位置により、冷
却材流量の調整が可能となる。具体的には、炉心最外周
とそれ以外の領域の二種類の燃料支持金具により、二種
類の冷却材流量を設定している。

Ｐｕ増倍炉では、一体の燃料集合体は１０サイクル期間
炉内に装荷されるため、各サイクル毎の流量調整が必要
となる。そのため、炉心装荷位置により流量が設定され
る構造を用いると、炉心内の燃料集合体の移動パターン
が固定され、各サイクルでの炉心構成を設計する上で大
きな制約となる。そのため、Ｐｕ増倍炉では、燃料集合
体の装荷位置に依存しない冷却材流量の調整方法が必要
となる。

また、高速増殖炉（以下、ＦＢＲと略す）では。

燃料集合体出口温度をどの燃料集合体でも一定とするた
め、燃料集合体の出力に応じて冷却材流量を変化させる
発明がなされている（特開昭５８−１８１９１号公報）
。ＦＢＲでは、冷却材としてナトリウムを用い沸騰は生
じないため、Ｐｕ増倍炉のように、燃焼度によるボイド
反応度係数の変化はない。そのため、燃焼度に応じた冷
却材流量の調整は実施していない。また、ＦＢＲでは、
冷却材は、燃料集合体下部の側面から流入し、燃料集合
体は、炉心下部構造物に、直接、挿入する。

Ｐｕ増倍炉では、燃料集合体構造及び燃料集合体挿入部
分の炉内構造物がＦＢＲと異なるため、Ｐｕ増倍炉構造
に適合した流量調整のための構造が必要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、稠密格子の燃料棒配列により構成される沸騰
水型原子炉において、全炉心流量の変動時における各燃
料集合体のボイド率の変化により生じる投入反応度を最
小限に抑制可能で、同時に、全燃料集合体に、−室以上
の熱的余裕を確保できる燃料集合体及び原子炉構造、及
び、原子炉運転方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的の内、全炉心流量の変動時における各燃料集合
体のボイド率の変化により生じる投入反応度を最小限に
抑制するため、本発明は燃焼度の低い燃料集合体では、
冷却材流量を増加させ、燃焼度の高い燃料集合体では、
冷却材流量を減少させる。

〔作用〕

本発明の原子炉及び燃料集合体によれば、燃料集合体の
下部タイプレートと燃料支持金具間の冷却材の流入孔面
積を大きくすることにより燃料集合体一部分の冷却材流
量を増加させ、燃焼度の高い燃料集合体では、燃料集合
体の下部タイプレ−トと燃料支持金具間の冷却材流入孔
面積を小さくすることにより燃料集合体一部分の冷却材
流量を減少させることが可能となり、全炉心流量の変動
時における各燃料集合体のボイド率の変化により生じる
投入反応度を最小限に抑制することができる。

前述のように、Ｐｕ増倍炉では、出力反応度係数は全燃
焼度を通じて負になるが、ボイド反応度係数のみでは、
第６図に示したように、燃焼初期は負になり、燃焼度の
増加とともに増加し、燃焼中期以降は正になる。従って
、どの燃料集合体でも冷却材流量が一定の場合は、全炉
心流量が変動した時の各燃料集合体毎のボイド率の変化
も一定となり、低燃焼度の燃料集合体では、投入反応度
は負になり、高燃焼度の燃料集合体では、投入反応度は
正になる。第６図に示したように、ボイド係数の絶対値
は、燃焼初期より燃焼中期以降の方が大きいため、全炉
心の投入反応度は正になる。

一方、燃焼度の低い燃料集合体の冷却材流量を増加させ
、燃焼度の高い燃料集合体の冷却材流量を減少させると
、全炉心流量を変動した時の各燃料集合体毎のボイド率
の変化は、低燃焼度の燃料集合体では大きくなり、高燃
焼度の燃料集合体では小さくなる。すなわち、ボイド反
応度係数が負、又は、正の値が小さい燃料集合体でのボ
イド率の変化が大きく、ボイド反応度係数の正の値が大
きい燃料集合体でのボイド率の変化が小さくなる。

従って、全炉心の投入反応度は、どの燃料集合体でも冷
却材流量が一定の場合に比較して抑制され、炉心動特性
が向上する。

燃料集合体毎の冷却材の調整は、現行ＢＷＲでは、熱的
余裕を確保する観点から、出力の高い燃料集合体には、
冷却材流量を増加させ、出力の低い燃料集合体は、冷却
材流量を減少させる方法が考案されている。しかし、ボ
イド反応度係数が全燃焼度を通じて負であるため、燃焼
度に依存する冷却材流量の調整は実施する必要がない。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

第一の実施例として、第１図に本発明による燃料集合体
の縦断面を、第２図には、本発明による燃料集合体を本
発明による原子炉に装荷した時の下部タイプレート及び
燃料支持金具、制御棒案内管上部を、第３図には、下部
タイプレート最下部の冷却材流入断面を示した。

第１図に示したように、本発明による燃料集合体は、上
部タイプレート７、スペーサ３．複数本の燃料棒２．制
御＃棒を挿入する制＃捧シンブル管５、下部タイプレー
ト１、及び、これを収納するチャンネルボックス４より
構成される。燃料棒２は、Ｈ／Ｕ比を小さくするため、
三角配列の最密充填構造となる。そのため、燃料集合体
の水平断面は六角形状となる。上部及び下部タイプレー
ト１は複数本の燃料棒２の両端を固定している。スペー
サ３は、チャンネルボックス４内で軸方向に間隔を置い
て複数個設けられ、複数本の燃料棒を整列支持し燃料バ
ンドルを構成する。燃料バンドルを囲むチャンネルボッ
クス４は、水平断面が六角形状の筒状をしている。

本発明による燃料集合体では、クラスター型制御棒１６
が集合体下部より挿入されるため、制御棒が挿入される
制御棒シンブル管５が、下部タイプレート１の最下面よ
り上部タイプレート６の底面まで貫通する。ま球、クラ
スター型制御棒１６は燃料集合体三体毎に一体の駆動軸
をもつ構造であるため、燃料集合体三体分を一体の燃料
支持金具と制御棒案内管上部に挿入する構造を持つ。

本発明による燃料集合体を炉内に装荷した場合、第２図
に示したように、燃料集合体の下部タイプレート１が燃
料支持金具８に挿入され、これらが、さらに、制御棒案
内管９に挿入される。原子炉運転時に冷却材は、制御棒
案内管内を炉心下部より上昇し、燃料支持金具８を通過
し、燃料集合体内に流入する。冷却材が燃料集合体に流
入する下部タイプレート最下部の断面には、第３図に示
したように、制御棒シンブル管の挿入孔１０と冷却材流
入孔１１を複数個もつ平板を設ける。

さらに、燃料支持金具８は、燃料集合体内体を一体に挿
入するため、横断面は、第５図に示したように六角形状
を三個合せた形となる。また、下部タイプレートが挿入
される部分には、クラスター制御棒が挿入される孔と冷
却材の流入孔を設ける。

本発明は燃料集合体によれば、各体毎の冷却材流量は、
燃料集合体の燃料支持金具への挿入方向を変化させるこ
とにより調整である。燃料集合体の燃料支持金具への挿
入方向を変化させると、下部タイプレート１の冷却材流
入孔１１と燃料支持具８の冷却材流入孔２０の重なる面
積が変化するため、冷却材流入量が変化する。

燃料度の低い燃料集合体では、下部タイプレート１の冷
却材流入孔１１と燃料支持具８の冷却材流入孔２０が全
て重なる方向に挿入し、冷却材流量を増加させる。一方
、燃焼度の低い燃料集合体では、下部タイプレート２の
冷却材流入孔１１と燃料支持具８の冷却材流入孔２０が
、塞がる方向に挿入し、冷却材流量を減少させる。

第６図に、第二の実施例を示した。この実施例では、燃
料集合体の下部タイプレートの最下部の冷却材流入断面
に複数の小孔が設けられ、中心を基準に６０’毎に分割
した領域毎に小孔の数が異っている。さらに、燃料支持
金具でも中心を基準に６０’毎に分割した領域毎に、断
面積の異なる冷却材流入孔を設ける。これにより、第一
の実施例と同様に、燃料集合体の挿入方向を変更するだ
けで燃料集合体の冷却材流量を調整することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、稠密格子の燃料棒配列により構成され
る沸騰水型原子炉において、全炉心流量の変動時におけ
る各燃料集合体のボイド率の変化により生じる投入反応
度を最小限に抑制することが可能で、同時に、全燃料集
合体に、−室以上の熱的余裕を確保できる燃料集合体、
及び、原子炉構造及び原子炉運転方向を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料集合体の一実施例の縦断面図
、第２図は本発明による燃料集合体の本発明による原子
炉に装荷した時の挿入部分の拡大図、第３図は本発明に
よる燃料集合体の下部タイプレート最下部横断面図、第
４図は本発明による原子炉の一実施例の縦断面図、第５
図は本発明による原子炉に用いる燃料支持金具の断面図
、第６図はＰｕ増倍炉のボイド反応度係数の燃焼度に伴
う変化を示す説明図、第７図はＰｕ増倍炉の炉心流量変
動時における集合体１体当りの流量変動割合を示す説明
図、第８図は本発明による燃料集合体及び燃料支持金具
の他の実施例の断面図、第９図は本発明による燃料集合
体及び燃料支持金具の他の実施例の横断面図である。 １・・・下部タイプレート、２・・・燃料棒、３・・・
スペーサ、４・・・チャンネルボックス燃料棒、５・・
・制御棒シンブル管、６・・・上部タイプレート、７・
・・ホールドダウンスプリング、８・・・燃料支持金具
クラスター型制御棒、９・・・制御棒案内管、１０・・
・制御棒シンブル管挿入孔、１１・・・冷却材流入孔下
部炉心板、１２・・・乾燥器、１３・・・気水分離器、
１４・・・上部炉心板、１５・・・燃料集合体、１６・
・・クラスター型制御棒駆動機構、１７・・・制御棒案
内管、１８・・・制御＄１　１１ 、￥、２Ｉ２１ 葛 図 不 日 草 図 璃 肥 燃°、焼戻　　＜”’Ａｏ） 崖ζ４ド標を乃ヤト”、χ先＆Ｉｌ’？’）＊４Ｌ第 ■ 凹 昆 阻

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、沸騰水型原子炉において、 燃焼度の低い燃料集合体では、前記燃料集合体の下部タ
   イプレートと燃料支持金具間の冷却材の流入孔面積を大
   きくすることにより前記燃料集合体一体分の冷却材の流
   量を増加させ、燃焼度の高い燃料集合体では、前記燃料
   集合体の前記下部タイプレートと前記燃料支持金具間の
   冷却材流入孔面積を小さくすることにより前記燃料集合
   体一体分の冷却材の流量を減少させることを特徴とする
   原子炉。 ２、沸騰水型原子炉の燃料集合体の装荷方法において、 前記燃料集合体の燃料支持金具への挿入方向を変更する
   ことにより、燃焼度の低い燃料集合体では、下部タイプ
   レートと前記燃料支持金具間の冷却材の流入孔面積を大
   きくして前記冷却材の流量を増加させ、燃焼度の高い前
   記燃料集合体では、前記下部タイプレートを前記燃料支
   持金具間の冷却材の流入孔面積を小さくして前記冷却材
   の流量を減少させることを特徴とする燃料集合体の装荷
   方法。 ３、核燃料を内部に充填した複数本の燃料棒と、棒状の
   制御棒を挿入する複数の中空の制御棒シンブル管と、こ
   れら複数の管群を一定の高さに保持するために、管群の
   上部及び下部にそれぞれ設けられた上・下部タイプレー
   トと、前記複数の管群の横方向間隔の保持のために設け
   られたスペーサと、前記構成物を内包するチャンネルボ
   ックスからなる燃料集合体において、 前記燃料集合体の装荷炉心位置を移動させる毎に、前記
   燃料集合体の下部の冷却材の流入孔面積が変更可能な構
   造を持つことを特徴とする燃料集合体。 ４、請求項３において、前記下部タイプレートの最下部
   の前記冷却材の流入断面に、前記制御棒シンブル管の挿
   入孔を複数個持ち、前記冷却材の流入孔を複数個設けた
   平板を設置する燃料集合体。 ５、請求項３において、前記燃料集合体の前記下部タイ
   プレートの最下部の冷却材流入断面に設置した平板に設
   ける前記冷却材の流入孔が、複数に分割された領域毎に
   異なる大きさを持つ燃料集合体。 ６、請求項３において、前記下部タイプレート最下部の
   冷却材流入部分に設置した平板を、下部タイプレート断
   面の中心を基準に、中心角が６０゜毎に領域分割し、前
   記領域毎に設けた冷却材流入孔断面積が全冷却材流入孔
   断面積に対してそれぞれ一定比率をもつ燃料集合体。 ７、燃料集合体と制御棒案内管の上部との中間に挿入さ
   れ、複数体の前記燃料集合体を支持する燃料支持金具に
   おいて、 前記燃料集合体の下部タイプレート最下部が挿入される
   断面に、挿入される燃料集合体の制御棒シンブル管の位
   置と同じ位置に複数の貫通孔を設け、複数に分割された
   領域毎に、異なる大きさを持つ冷却材流入孔をもつた平
   板を設ける事を特徴とする燃料支持金具。 ８、請求項７において、前記燃料支持金具の前記燃料集
   合体の前記下部タイプレートの最下部が挿入される断面
   に設けた前記平板を、前記下部タイプレート断面の中心
   と重なる点を基準に、中心角が６０゜毎に領域分割し、
   これらの領域毎に設けた冷却材流入孔断面積が全冷却材
   流入孔断面積に対してそれぞれ一定比率をもつ燃料支持
   金具。