JPH04143694A - 燃料集合体 - Google Patents
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- JPH04143694A JPH04143694A JP2266229A JP26622990A JPH04143694A JP H04143694 A JPH04143694 A JP H04143694A JP 2266229 A JP2266229 A JP 2266229A JP 26622990 A JP26622990 A JP 26622990A JP H04143694 A JPH04143694 A JP H04143694A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
- G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
- G21C3/326—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements comprising fuel elements of different composition; comprising, in addition to the fuel elements, other pin-, rod-, or tube-shaped elements, e.g. control rods, grid support rods, fertile rods, poison rods or dummy rods
- G21C3/328—Relative disposition of the elements in the bundle lattice
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
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- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Control Of The Air-Fuel Ratio Of Carburetors (AREA)
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。
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、燃料集合体に係り、特に原子燃料資源の有効
利用、炉心の安全性及び運転操作性向上に好適な燃料集
合体に関する。
利用、炉心の安全性及び運転操作性向上に好適な燃料集
合体に関する。
沸騰水型原子炉においては、減速材と冷却材の働きをす
る水が、チャンネルボックス内側の２相流部分と、チャ
ンネルボックス外側の飽和水部分の２つの領域に分かれ
て存在する。現在の限られた空間の中で、これら２つの
領域の面積割合に対する最適値は、評価する対象により
異なる。
る水が、チャンネルボックス内側の２相流部分と、チャ
ンネルボックス外側の飽和水部分の２つの領域に分かれ
て存在する。現在の限られた空間の中で、これら２つの
領域の面積割合に対する最適値は、評価する対象により
異なる。
沸騰水型原子炉において、燃料の高燃焼度化を図り燃料
の寿命延長、省ウラン等の対策を通じて燃料経済性を向
上させるには、燃料集合体の中に非沸騰領域つまり多数
本のウォータロッドを配置する方法、燃料集合体内のウ
ラン装荷量を従来より増加させる方法、格子の構成数を
増加させる方法などが考えられる。この従来例としては
、特開昭６２−２１７１８６号公報に記載のように９行
９列の燃料集合体において、燃料集合体に配置するウォ
ータロッドを太径にし、この太径ウォータロッドを２本
、燃料棒配列に対して、斜め方向に、２本の太径ウォー
タロッド同士を隣り合せに配置することにより、ウラン
装荷量を減少せずに格子の構成数及び非沸騰領域を増加
させ、かつ出力分布を平坦化し、燃料経済性を向上させ
ることができる。
の寿命延長、省ウラン等の対策を通じて燃料経済性を向
上させるには、燃料集合体の中に非沸騰領域つまり多数
本のウォータロッドを配置する方法、燃料集合体内のウ
ラン装荷量を従来より増加させる方法、格子の構成数を
増加させる方法などが考えられる。この従来例としては
、特開昭６２−２１７１８６号公報に記載のように９行
９列の燃料集合体において、燃料集合体に配置するウォ
ータロッドを太径にし、この太径ウォータロッドを２本
、燃料棒配列に対して、斜め方向に、２本の太径ウォー
タロッド同士を隣り合せに配置することにより、ウラン
装荷量を減少せずに格子の構成数及び非沸騰領域を増加
させ、かつ出力分布を平坦化し、燃料経済性を向上させ
ることができる。
また、現在、沸騰水型原子炉におけるニーズとして、安
全性向上、運転操作性向上を目的にボイド反応度係数を
より零に近づける必要がある。
全性向上、運転操作性向上を目的にボイド反応度係数を
より零に近づける必要がある。
沸騰水型原子炉においてボイドは、出力レベルと冷却材
流量により変化し、出力運転時に減速材密度を変化させ
る主因となる。
流量により変化し、出力運転時に減速材密度を変化させ
る主因となる。
ボイド反応度係数は、大きな負の値を有しており、反応
度印加時に出力上昇を抑える効果を持つ。
度印加時に出力上昇を抑える効果を持つ。
それで、原子炉圧力の上昇を生じる事象が発生し、それ
が制御されない場合には、炉心内のボイドを減少させ、
正の反応度印加による急速な出力上昇をきたし、燃料の
過熱による損傷を引起こす可能性がある。
が制御されない場合には、炉心内のボイドを減少させ、
正の反応度印加による急速な出力上昇をきたし、燃料の
過熱による損傷を引起こす可能性がある。
従って、ボイド反応度係数を小さくすることにより、上
記事象を緩和し、安全性及び運転操作性を向上させる。
記事象を緩和し、安全性及び運転操作性を向上させる。
ボイド反応度係数を小さくする方法として、水対燃料体
積比を大きくする方法、水対燃料体積比を小さくする方
法、ボイドの発生面積を減少させる方法が考えられる。
積比を大きくする方法、水対燃料体積比を小さくする方
法、ボイドの発生面積を減少させる方法が考えられる。
水対燃料体積比を大きくする方法としは、特開昭６３−
２５５９２号公報に、燃料集合体当りのウラン装荷量を
減らすことなく、運転時の非沸騰領域であるウォータロ
ッド領域を増加することにより中性子の減速効果をよく
シ、ウランの効率的な燃焼を促進する手段として、燃料
集合体を約２倍に大きくしたうえで、燃料集合体のウォ
ータロッドを増加させ、各燃料体にほぼ同等量の非沸騰
水が配置されるように、燃料集合体の減速材（水）と燃
料（ウラン）を均質化にする方法が記載されている。
２５５９２号公報に、燃料集合体当りのウラン装荷量を
減らすことなく、運転時の非沸騰領域であるウォータロ
ッド領域を増加することにより中性子の減速効果をよく
シ、ウランの効率的な燃焼を促進する手段として、燃料
集合体を約２倍に大きくしたうえで、燃料集合体のウォ
ータロッドを増加させ、各燃料体にほぼ同等量の非沸騰
水が配置されるように、燃料集合体の減速材（水）と燃
料（ウラン）を均質化にする方法が記載されている。
また、水対燃料体積比を小さくする方法とじては、特開
昭６２−２５９０８６号公報に、燃料集合体内の燃料棒
配列を三角形格子状にし、燃料棒配列行数をＮ、配列列
数をＭとする（Ｎ、Ｍは整数）とき、Ｍの値は、０．８
７Ｎ に最も近い整数にすることにより、水対燃料体積
比を小さくし、中性子減速効果を小さくして、ウラン２
３８を核分裂性のプルトニウム２３９に転換する高転換
炉について記載されている。
昭６２−２５９０８６号公報に、燃料集合体内の燃料棒
配列を三角形格子状にし、燃料棒配列行数をＮ、配列列
数をＭとする（Ｎ、Ｍは整数）とき、Ｍの値は、０．８
７Ｎ に最も近い整数にすることにより、水対燃料体積
比を小さくし、中性子減速効果を小さくして、ウラン２
３８を核分裂性のプルトニウム２３９に転換する高転換
炉について記載されている。
以上のように、ボイド反応度係数を小さくするためには
、従来の燃料集合体を大きくするか、高転換炉にする等
、従来の沸騰水型原子炉を大幅に設計変更する必要があ
る。
、従来の燃料集合体を大きくするか、高転換炉にする等
、従来の沸騰水型原子炉を大幅に設計変更する必要があ
る。
上記従来技術は、特開昭６２−２１７１８６号に示すよ
うに燃料集合体内において燃料棒本数増加とウォータロ
ッドを太径にし最適な配置にすることにより、現行燃料
集合体格子ピッチを変えることなく、燃料経済性の向上
を図ろうとしているものである。
うに燃料集合体内において燃料棒本数増加とウォータロ
ッドを太径にし最適な配置にすることにより、現行燃料
集合体格子ピッチを変えることなく、燃料経済性の向上
を図ろうとしているものである。
また、特開昭６３−２５５９２号、特開昭６２−２５９
０８６号に示すように燃料集合体を大きくして水対燃料
体積比を大きくする方法と、燃料配列を正方形格子状か
ら三角形格子状に変更し、出来るだけ多数の燃料体を燃
料集合体に装荷して水対燃料体積比を小さくする方法で
、ボイド反応度係数を小さくすることができる。
０８６号に示すように燃料集合体を大きくして水対燃料
体積比を大きくする方法と、燃料配列を正方形格子状か
ら三角形格子状に変更し、出来るだけ多数の燃料体を燃
料集合体に装荷して水対燃料体積比を小さくする方法で
、ボイド反応度係数を小さくすることができる。
本発明の目的は、現行の燃料集合体の大きさで、かつ、
水対燃料体積比を太径ウォータロッドを使用せずに大き
くし、燃料経済性向上を図り、ボイド反応度係数を小さ
くできる燃料集合体を提供することにある。
水対燃料体積比を太径ウォータロッドを使用せずに大き
くし、燃料経済性向上を図り、ボイド反応度係数を小さ
くできる燃料集合体を提供することにある。
上記目的は、燃料棒及び水ロッドの配列を三角形格子状
とし、燃料棒及び水ロッドの合計本数に対する水ロッド
の本数の割合を１０％以上にすることによって達成でき
る。
とし、燃料棒及び水ロッドの合計本数に対する水ロッド
の本数の割合を１０％以上にすることによって達成でき
る。
本発明による燃料集合体は、現行の燃料集合体内に多数
の燃料体とウォータロッドを配置することにより、燃料
経済性は、特開昭６２−２１７１８６号公報に示された
燃料集合体と同等程度に向上し、がつ、減速材流路面積
減少に伴うボイド発生領域の減少することにより、ボイ
ド反応度係数を小さくできることから、沸騰水型原子炉
の安全性、あるいは、運転操作性の向上が図れることに
なる。
の燃料体とウォータロッドを配置することにより、燃料
経済性は、特開昭６２−２１７１８６号公報に示された
燃料集合体と同等程度に向上し、がつ、減速材流路面積
減少に伴うボイド発生領域の減少することにより、ボイ
ド反応度係数を小さくできることから、沸騰水型原子炉
の安全性、あるいは、運転操作性の向上が図れることに
なる。
また、ウォータロッドと数本の燃料棒の上部を短くする
ことは、次のような理由に基づき圧損を低減するように
作用する。
ことは、次のような理由に基づき圧損を低減するように
作用する。
燃料チャンネルの水力学的安定性を向上させるには、燃
料チャンネル内での圧損の低減が重要である。沸騰水型
原子炉のような気液二相流による摩擦圧損ΔＰ、は、次
の次で表わされる。
料チャンネル内での圧損の低減が重要である。沸騰水型
原子炉のような気液二相流による摩擦圧損ΔＰ、は、次
の次で表わされる。
２ｇρ Ｄ−Ａ
ここで、ΔＰｚは摩擦圧損、Ｗはチャンネル流量、ｇは
重力加速度、ρは水の密度、Ｄはチャンネル水力直径、
Ａはチャンネル流路面積、Ｌは長さ、ｆは摩擦圧損係数
、及びΦは二相流摩擦圧損増倍率である。
重力加速度、ρは水の密度、Ｄはチャンネル水力直径、
Ａはチャンネル流路面積、Ｌは長さ、ｆは摩擦圧損係数
、及びΦは二相流摩擦圧損増倍率である。
燃料有効長（燃料ペレットが充填されている部分の軸方
向長さ）の上端より上部の領域は、炉心内での燃料の燃
焼による影響はほとんどなく、がっ、この領域でのボイ
ドは大きい、上式での摩擦圧損の式において、二相流摩
擦圧損増倍率Φは、ボイド率が大きいほど、大きくなる
。従って、上部を短くすることで、上部のチャンネル流
路面積Ａを大きくし、かつ、長さＬを小さくすることに
より、圧損を低減することができる。
向長さ）の上端より上部の領域は、炉心内での燃料の燃
焼による影響はほとんどなく、がっ、この領域でのボイ
ドは大きい、上式での摩擦圧損の式において、二相流摩
擦圧損増倍率Φは、ボイド率が大きいほど、大きくなる
。従って、上部を短くすることで、上部のチャンネル流
路面積Ａを大きくし、かつ、長さＬを小さくすることに
より、圧損を低減することができる。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は燃料集合体の横断面を示す。第１図において１は、
チャンネルボックス、２はウォータロッド、３は燃料棒
を示す。
図は燃料集合体の横断面を示す。第１図において１は、
チャンネルボックス、２はウォータロッド、３は燃料棒
を示す。
本実施例は、正方形のチャンネルボックス１に燃料棒３
を正三角形格子状に１１行１ｏ列に配列したものである
。チャンネルボックス内幅を従来の１３４閣にした場合
に、本実施例に基づく燃料集合体内のウラン装荷量を従
来の燃料集合体のウラン装荷量と単位体積当りで等しく
するためには。
を正三角形格子状に１１行１ｏ列に配列したものである
。チャンネルボックス内幅を従来の１３４閣にした場合
に、本実施例に基づく燃料集合体内のウラン装荷量を従
来の燃料集合体のウラン装荷量と単位体積当りで等しく
するためには。
燃料棒直径を１０．３ｍ とし、かつ燃料棒ピッチを１
３ｍとすると、１０行１０列の正方格子に比べ５本多く
燃料集合体内に装荷することができる。
３ｍとすると、１０行１０列の正方格子に比べ５本多く
燃料集合体内に装荷することができる。
本実施例の燃料棒配列としては、従来のように正方格子
に配列された燃料棒を正方形のチャンネルボックス内に
おさめるためには、縦横の燃料棒の配列ピッチを等しく
すればよいが、本実施例では第１図に示すように正三角
形格子に燃料棒が配置され、縦方向の燃料棒の配列ピッ
チをａとするときは、横方向の燃料棒の配列ピッチは、
ｆ「ａ／２＝０．８７ａ となる。従って、本実施例における縦横の燃料棒配列数
の比をほぼ１対０．８７ となる整数比にして、燃料棒
配列の形状をほぼ正方形にしている。
に配列された燃料棒を正方形のチャンネルボックス内に
おさめるためには、縦横の燃料棒の配列ピッチを等しく
すればよいが、本実施例では第１図に示すように正三角
形格子に燃料棒が配置され、縦方向の燃料棒の配列ピッ
チをａとするときは、横方向の燃料棒の配列ピッチは、
ｆ「ａ／２＝０．８７ａ となる。従って、本実施例における縦横の燃料棒配列数
の比をほぼ１対０．８７ となる整数比にして、燃料棒
配列の形状をほぼ正方形にしている。
正方形のチャンネルボックス内に燃料棒を三角形格子の
形状で無駄なく配置することができる。これによれば本
実施例の１０列の場合の行数は、１０÷０．８７＝１１
．４９ により１１行としている。これにより、従来の正方格子
に対して減速材流路面積が５％程度減少することができ
る。
形状で無駄なく配置することができる。これによれば本
実施例の１０列の場合の行数は、１０÷０．８７＝１１
．４９ により１１行としている。これにより、従来の正方格子
に対して減速材流路面積が５％程度減少することができ
る。
ウォータロッド２の本数については、第２図より求める
。すなわち、第２図は、ウォータロッド２本数割合（燃
料集合体内装荷可能燃料棒本数に対する割合）に対する
各燃料集合体平均濃縮度での無限増倍率を示す。これに
よれば、ウォータロッド２本数割合を１０％以上にすれ
ば高濃縮度化が図れることが分かる。従って、燃料集合
体平均濃縮度が高くなる程、ウォータロッド本数を増加
する必要があり、本実施例の燃料集合体平均濃縮度４．
９ｗｔ％の場合、１９本程度になる。このウォータロッ
ドをできるだけ燃料集合体内の減速材と燃料の分布がよ
り均質化されるように配置する。
。すなわち、第２図は、ウォータロッド２本数割合（燃
料集合体内装荷可能燃料棒本数に対する割合）に対する
各燃料集合体平均濃縮度での無限増倍率を示す。これに
よれば、ウォータロッド２本数割合を１０％以上にすれ
ば高濃縮度化が図れることが分かる。従って、燃料集合
体平均濃縮度が高くなる程、ウォータロッド本数を増加
する必要があり、本実施例の燃料集合体平均濃縮度４．
９ｗｔ％の場合、１９本程度になる。このウォータロッ
ドをできるだけ燃料集合体内の減速材と燃料の分布がよ
り均質化されるように配置する。
以上、本実施例の燃料集合体は、燃料集合体内の燃料棒
及びウォータロッドの配列の変更のみでその他の設計変
更は生じないことにより第３図に示す現行格子で使用す
ることができる。
及びウォータロッドの配列の変更のみでその他の設計変
更は生じないことにより第３図に示す現行格子で使用す
ることができる。
また、第３図に示す大型格子炉心に用いる大型燃料集合
体へ本発明を適用した場合の実施例を第４図に示す。第
４図は、燃料集合体の横断面を示す。第４図において１
は、チャンネルボックス、２はウォータロット、３は燃
料体を示す。本実施例は、正方形のチャンネルボックス
１に燃料体３とウォータロッド２を正三角形格子状に１
７行１５列に配列したものである。
体へ本発明を適用した場合の実施例を第４図に示す。第
４図は、燃料集合体の横断面を示す。第４図において１
は、チャンネルボックス、２はウォータロット、３は燃
料体を示す。本実施例は、正方形のチャンネルボックス
１に燃料体３とウォータロッド２を正三角形格子状に１
７行１５列に配列したものである。
本実施例において、二相流による圧損の低減を図り安定
性を増すために、第５図、第６図に示すように数本の燃
料棒とウォータロッド全数の上部を短くした（部分長）
燃料棒５とウォータロッド４を配置することにより達成
できる。本実施例は、水対燃料体積比を特開昭６２−２
１７１８６号と同等程度に維持しながら、燃料棒の格子
配列を多くすると同時にウォータロッドを多数配置した
。このため、特開昭６２−２１７１８６号の燃料集合体
に比べて、減速材流路面積減少に伴いボイド発生領域が
減少することによりボイド反応度係数が減少する。本実
施例は、三角形格子配列により燃料体の稠密化を図って
いるが、同様に三角形格子を用いている特開昭６２−２
５９０８６号公報の燃料集合体（前述の第３図に示す燃
料体集合体）に比べて、ウォータロッドを多数配置して
いる（ウォータロッドの燃料体とウォータロッドの合計
本数に対する割合を１０％以上）ので非沸騰領域が増加
し、ボイド反応度係数が減少する。
性を増すために、第５図、第６図に示すように数本の燃
料棒とウォータロッド全数の上部を短くした（部分長）
燃料棒５とウォータロッド４を配置することにより達成
できる。本実施例は、水対燃料体積比を特開昭６２−２
１７１８６号と同等程度に維持しながら、燃料棒の格子
配列を多くすると同時にウォータロッドを多数配置した
。このため、特開昭６２−２１７１８６号の燃料集合体
に比べて、減速材流路面積減少に伴いボイド発生領域が
減少することによりボイド反応度係数が減少する。本実
施例は、三角形格子配列により燃料体の稠密化を図って
いるが、同様に三角形格子を用いている特開昭６２−２
５９０８６号公報の燃料集合体（前述の第３図に示す燃
料体集合体）に比べて、ウォータロッドを多数配置して
いる（ウォータロッドの燃料体とウォータロッドの合計
本数に対する割合を１０％以上）ので非沸騰領域が増加
し、ボイド反応度係数が減少する。
本発明によれば、燃料集合体内の水対燃料体積比を変え
ずにボイド反応度係数を小さくできる。
ずにボイド反応度係数を小さくできる。
これにより、燃料経済性は、現行程度に向上し、過圧事
象等の過渡事象を緩和し安全性及び運転操作性向上の効
果がある。
象等の過渡事象を緩和し安全性及び運転操作性向上の効
果がある。
第１図は本発明の一実施例である燃料集合体水平断面図
、第２図はウォータロッド本数割合と無限増倍率の関係
を示す特性図、第３図（Ａ）は沸騰水型原子炉の炉心の
横断面図、第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）のＸ部の拡大図
、第４図は本発明の他の実施例である大型燃料集合体の
水平断面図、第５図及び第６図は本発明の他の実施例の
燃料集合体水平断面図である。 １・・・チャンネルボックス、２・・・ウォータロッド
、３・・・燃料体、４・・・部分長ウォータロッド、５
・・・部分長燃料体。
、第２図はウォータロッド本数割合と無限増倍率の関係
を示す特性図、第３図（Ａ）は沸騰水型原子炉の炉心の
横断面図、第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）のＸ部の拡大図
、第４図は本発明の他の実施例である大型燃料集合体の
水平断面図、第５図及び第６図は本発明の他の実施例の
燃料集合体水平断面図である。 １・・・チャンネルボックス、２・・・ウォータロッド
、３・・・燃料体、４・・・部分長ウォータロッド、５
・・・部分長燃料体。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、核燃料物質を含む複数の燃料棒と、前記燃料棒の上
端部及び下端部をそれぞれ支持する上部タイプレート及
び下部タイプレートと、前記燃料棒間に配置された複数
の水ロッドと、前記燃料棒相互間を支持するスペーサと
、前記燃料棒の束を取囲む横断面が正方形状のチャンネ
ルボックスとを備え、前記燃料棒及び前記水ロッドの配
列を三角形格子状とし、前記燃料棒及び前記水ロッドの
合計本数に対する前記水ロッドの本数の割合を１０％以
上にしたことを特徴とする燃料集合体。 ２、複数の燃料棒及び水ロッドを部分長にした請求項１
の燃料集合体。 ３、前記燃料棒及び前記水ロッドが１７行１５列に配列
されている請求項１の燃料集合体。 ４、複数の燃料棒及び水ロッドを部分長にした請求項３
の燃料集合体。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2266229A JP2954312B2 (ja) | 1990-10-05 | 1990-10-05 | 燃料集合体 |
| US07/772,440 US5299244A (en) | 1990-10-05 | 1991-10-07 | Fuel assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2266229A JP2954312B2 (ja) | 1990-10-05 | 1990-10-05 | 燃料集合体 |
Publications (2)
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