JPH04283691A - 冷却材バイパス流路を有する燃料バンドル - 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】

【０００１】

【発明の背景】本発明は原子炉に関するものであって、
更に詳しく言えば、沸騰水型原子炉用の燃料バンドルに
関する。本発明の主たる目的は、一定の大きさの沸騰水
型原子炉においてより高い出力を得ることにある。

【０００２】原子炉は、ウラン同位体（　２３３Ｕ、　
２３５Ｕ）およびプルトニウム同位体（　２３９Ｐｕ、
　２４１Ｐｕ）のごとき核分裂性原子の核分裂に基づい
て動作する。中性子を吸収すると、核分裂性原子は崩壊
し、それによってより小さい原子量および大きい運動エ
ネルギーを持った原子と数個の高エネルギー中性子とを
生成することがある。核分裂生成物の運動エネルギーは
熱として急速に放散されるが、かかる熱が原子炉の一次
エネルギー生成物である。崩壊時に放出された中性子の
一部は他の核分裂性原子によって吸収されることがあり
、それによって崩壊および熱発生の連鎖反応が引起こさ
れる。原子炉内における核分裂性原子は、かかる連鎖反
応が持続し得るように配置されている。

【０００３】取扱いを容易にするため、通例、核分裂性
物質は燃料要素内に保持されている。かかる燃料要素は
耐食性の被覆を有するのが通例である。かかる燃料要素
を一定の間隔で配列することによって燃料バンドルが形
成される。燃料要素の位置および間隔を維持するため、
燃料バンドルはスペーサグリッドを含んでいる。十分な
数の燃料バンドルを組合わせることにより、持続連鎖反
応の可能な炉心が形成される。かかる炉心の反応度を制
御するため、中性子吸収用の制御棒が炉心内に挿入され
る。炉心の反応度は、制御棒の段階的な挿入および引抜
きによって調整することができる。

【０００４】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、炉
心内で発生した熱は炉心を通って上方に流れる水によっ
て移送される。水の一部は蒸気に変えられるが、かかる
蒸気は原子炉容器から抽出することができる。抽出され
た蒸気はタービンを駆動するために使用することができ
る。このタービンが発電機を駆動することによって発電
が行われる。蒸気に変えられなかった水は再び炉心の下
方に戻される。

【０００５】ＢＷＲにおいては、水は冷却材として役立
つばかりでなく、減速材としても役立つ。減速材として
の役割について述べれば、水は核分裂に際して放出され
た当初は高速の中性子を減速する。減速された中性子（
すなわち「熱中性子」）は、核燃料物質中に吸収されて
新たな核分裂を生起させるのに適したエネルギーを有し
ている。蒸気は密度が小さいため、減速材としては液体
の水よりも遥かに劣っている。水が炉心内を上昇するの
に伴って蒸気の割合が増加する結果、減速効果は低下す
る。従って、一部の燃料バンドルは燃料要素の位置にお
いて発生する最も激しい熱から１〜２％の水を隔離する
ための冷却材バイパス流路を含んでいる。かかる冷却材
バイパス流路は燃料バンドルの下端から上端にまで伸び
る管から成るのが普通であって、それにより燃料バンド
ルの鉛直方向の全範囲にわたって減速効果が得られる。 このようにすれば、燃料バンドル内のあらゆる鉛直方向
位置において十分な液体冷却材が確保されることになる
。

【０００６】上記のごとき冷却材バイパス流路に付随す
る問題の１つは、一定の割合の冷却材がもっぱら減速機
能を果たすためにのみ使用されることである。別の設計
例においては、回旋状の部分長バイパス流路が使用され
る。この場合、管内を上昇する水の一部は第２の内部管
に送り込まれる。外部管の上端は閉鎖されている結果、
内部管の上端から出た水は下方に向きを変え、そして周
囲の穴から流出することになる。

【０００７】強制循環式の沸騰水型原子炉（ＦＣＢＷＲ
）においては、ポンプを用いて水の循環が促進されるの
に対し、自然循環式の沸騰水型原子炉（ＮＣＢＷＲ）に
おいては、ポンプを使用することなく対流に基づいて水
の循環が促進される。典型的なＮＣＢＷＲにおいては、
炉心の上方にチムニーを使用することによって駆動水頭
が維持される。かかる駆動水頭により、炉心上方の区域
とダウンカマ区域との間には差圧が生み出される。 ダウンカマ区域とは、原子炉容器と炉心およびチムニー
との間に規定された環状の空間である。ダウンカマ区域
は、チムニーから流出した水が炉心に戻るための流路を
提供する。炉心およびチムニーとダウンカマ区域との間
における差圧は再循環速度を決定する。また、再循環速
度は炉心から移送し得る最大動力を決定し、従って原子
炉の最大出力を決定する。

【０００８】ＮＣＢＷＲの出力を高める方法の１つは、
チムニーの高さを増大させることである。より高いチム
ニーはより大きい駆動水頭を発生し、ひいてはより大き
い差圧を生み出す。こうして得られた冷却材流量の増加
は、炉心からより多くの動力を移送することを可能にす
る。

【０００９】しかしながら、チムニーの高さを増大させ
ることはより大形の原子炉容器を必要とする。より大形
の原子炉容器はまた、より大形の原子炉格納施設を必要
とする。このように、チムニーの高さの増大に伴って原
子炉施設の費用および複雑度は幾何級数的に増大するの
である。チムニーの高さの増大のごとき基本的な変更は
、将来の原子炉に対してしか適用できない。すなわち、
強制循環式の現行の原子炉の性能を向上させるためにか
かる変更を適用することはできないのである。

【００１０】現在要望されているのは、原子炉の大きさ
および複雑度を変えることなしに出力を増大させ得るよ
うな設計の改良である。このような改良は新しいＮＣＢ
ＷＲに適用し得るものでなければならない。かかる改良
はまた、旧型装置の改造を目的として、現行のＦＣＢＷ
Ｒの価値を高めるためにも適用し得るものであることが
好ましい。

【００１１】

【発明の概要】本発明に基づくＮＣＢＷＲ用の燃料バン
ドルは、開放された上端を有する少なくとも１本の部分
長冷却材バイパス管を含んでいる。かかるバイパス管は
燃料バンドルの下端付近から限界熱流束位置付近にまで
伸びているが、その限界熱流束位置は燃料バンドルの下
端から５０〜８５％の位置に存在している。バイパス管
の位置および間隔を維持するためには、燃料要素を支持
するために使用されるものと同じスペーサグリッドを使
用すればよい。実際には、中央にただ１本のバイパス管
を使用することができる。あるいはまた、燃料要素が構
成する格子の内部において、より小さい二次格子を成す
ようにして複数のバイパス管を配列することもできる。 たとえば、バイパス管および燃料要素が正方格子を成し
て配列されると共に、バイパス管がその内部に二次正方
格子を成して配列されるようにすることができる。なお
、燃料バンドルを通過する水の少なくとも４％が１本以
上のバイパス管を通って流れることが好ましい。

【００１２】主たる冷却材の流れを通して燃料要素とバ
イパス管との間に起こる熱伝達は（比較的小さい温度勾
配のために）限られているから、バイパス管内の水は液
体のままに保たれる。従って、バイパス管は液体の水を
水／蒸気混合物中に導入し、それによって炉心の上部付
近における減速効果および熱伝達特性を改善する。なお
、炉心の上部はかかる改善が最も必要とされる部位であ
る。バイパス管からの水が外部の水と混合することによ
り、比熱含量を低下させるという意味で外部の水は冷却
される。バイパス冷却材を導入することの利益はまた、
程度は低いが、鉛直方向に沿って設けられた開口の使用
によってバイパス管の上端より下方の位置においても得
ることができる。これらの開口はバイパス管の外部にお
ける沸騰速度を遅くするために役立つ。なお、乱流によ
って誘起される燃料要素の振動を最少限に抑えるため、
これらの開口はそれぞれのスペーサグリッドの直ぐ上方
に位置している。また、一部の水を側壁の開口から強制
的に流出させるため、バイパス管の上端付近に狭窄部を
設けることもできる。

【００１３】バイパス管を通って流れる水は、スペーサ
グリッドのごとき主な乱流発生源に出会うことなく、鉛
直方向に沿ってバイパス管の上端にまで流れることがで
きる。前述のごとき同心管から成る冷却材流路もスペー
サグリッドを迂回しているが、この場合には、バイパス
管内の水が外部の水と合流するまでに流れの方向を反転
しかつ横方向に流れることが必要であり、そのために追
加の流れ抵抗が生じる。乱流および流れ方向の反転を回
避することにより、本発明は炉心内における圧力降下を
低減させる。かかる低減の程度は、バイパス管内に比較
的高い割合（４％以上）の冷却材を導入することによっ
て増大する。

【００１４】かかる圧力降下の低減は、炉心／チムニー
区域とダウンカマ区域との間により大きい差圧を生み出
す。それ故、冷却材の流量が増加し、従って炉心からよ
り多くの動力を移送し得る結果、ＮＣＢＷＲにおいて出
力の増大を達成することができる。また、現行の燃料バ
ンドルと同じ形状因子を有する燃料バンドルにおいて本
発明を具体化すれば、現行の原子炉の出力を増大させる
こともできる。

【００１５】更にまた、本発明は冷却材バイパス管を含
まない燃料バンドルに比べてより大きい減速効果および
より小さい流れ抵抗をもたらす。また、全長にわたる冷
却材バイパス管を含む燃料バンドルと比べた場合、本発
明は（冷却材の一部をもっぱら減速目的のみに使用する
のではなく）冷却材を熱伝達のために十分に利用するこ
とができる。その結果、全長の冷却材バイパス管を含む
燃料バンドルに比べ、本発明は燃料要素に隣接して存在
する蒸気の体積を減少させる。かかる蒸気分率の減少は
水が流れるために利用し得る断面積を増大させることが
できる。これもまた炉心内における圧力降下を低減させ
、従って動力の移送を向上させる。本発明においてはま
た、冷却材バイパス流路を通る冷却材はそれが主たる冷
却材の流れに合流する位置において密度の変動を均等化
するために役立つ結果、燃料バンドルの核安定性および
熱力学的安定性が向上することにもなる。

【００１６】このように、本発明は従来の様々なＮＣＢ
ＷＲ用燃料バンドルに比べて動力発生能力の増大をもた
らす。更にまた、このような改良された燃料バンドルを
現行および将来のＦＣＢＷＲに組込むことによって出力
密度の増大を得ることもできる。本発明の上記およびそ
の他の特徴や利点は、添付の図面を参照しながら以下の
説明を読むことによって自ら明らかとなろう。

【００１７】

【好適な実施の態様の説明】本発明の好適な実施の態様
は、図１に示されるような原子炉容器１０２および内部
部品から成る原子炉１００において使用するために設計
されたものである。詳しく述べれば、核燃料物質から成
る燃料バンドル１０６を含む原子炉１００の炉心１０４
内において熱が発生される。その結果、炉心１０４を通
って上方に流れる水の少なくとも一部は蒸気に変えられ
る。気水分離器１０８によって蒸気が分離された後、水
は再循環される。なお、蒸気中に残留する水は蒸気乾燥
器１１０によって除去される。その後、蒸気は容器頂部
１１４の近くに設けられた蒸気出口１１２を通って原子
炉１００から流出する。

【００１８】炉心１０４内において発生される熱の量は
、制御棒１１６の挿入および引抜きによって調節される
。制御棒１１６は、十字形の横断面を有しかつ鉛直方向
に伸びる部品である。それらは、炭化ホウ素またはハフ
ニウムのごとき中性子吸収材から成る吸収棒を含んでい
る。制御棒１１６が炉心１０４内に挿入される程度に応
じ、炉心１０４内において熱を発生する連鎖反応を促進
するために利用し得る中性子の一部が吸収される。炉心
１０４の下方に設けられた制御棒案内管１１８は、制御
棒１１６の挿入および引抜きに際してそれの鉛直方向運
動を支持するために役立つ。

【００１９】燃料バンドル１０６は、炉心１０４の底部
に位置する炉心支持板１２２上に取付けられた燃料支持
金具１２０によって下方から支持されている。上部案内
板１２４は、燃料バンドル１０６を炉心１０４内に降下
させる際にそれらの位置合せを行うために役立つ。原子
炉容器１０２はコンクリート製の台１２６上に取付けら
れていると共に、台１２６の下方には制御棒駆動機構１
２８を操作するための空間が設けられている。

【００２０】図２に示されるごとく、燃料バンドル１０
６は外被２０１、下部流入端２０２および上部流出端２
０４を有している。取手２０６は、燃料バンドル１０６
を炉心１０４内に出し入れするために役立つ。燃料バン
ドル１０６は８×８の格子を成して配列された６０本の
燃料ピン２０８を含んでいるが、図２および３に示され
るごとく、中央の４つの格子位置は冷却材バイパス管２
１０によって占められている。燃料ピン２０８の鉛直方
向位置および間隔は７個のスペーサグリッド２１２によ
って維持されている。スペーサグリッド２１２は格子板
２１４およびばね２１６を含んでいる。ばね２１６は格
子板２１４上に取付けられていて、燃料ピン２１８を柔
軟に支持している。バイパス管２１０は格子板２１４に
よって支持されているが、それらの格子板２１４は約０
３．ｍｍの厚さを有している。熱膨張に対処するため、
燃料ピン２０８はコイルばね２２０を介して上部タイプ
レート２１８に結合されている。やはり熱膨張に対処す
るため、燃料ピン２０８およびバイパス管２１０はスペ
ーサグリッド２１２に対して滑動可能になっている。

【００２１】燃料ピン２０８内には、核燃料物質２２２
が部分的に充填されている。燃料ピン２０８の上部には
、気体状の核分裂副生物を収容するためのプレナム２２
４が設けられている。燃料ピン２０８は全体として最低
燃料位置２２６および最高燃料位置２２８を規定してお
り、また最低および最高燃料位置は燃料バンドル１０６
に関する燃料存在範囲２３０を規定している。通例、こ
の燃料存在範囲２３０の下から約２／３　の部位に限界
熱流束位置２３２が現われる。バイパス管２１０の上端
２３４はこの限界熱流束位置２３２にほぼ合致して存在
している。

【００２２】バイパス管２１０の上端において主たる冷
却材の流れの中にバイパス冷却材を導入すれば、燃料バ
ンドル１０６の鉛直方向に沿って蒸気分率が急激に変化
することになる。高さに対する蒸気分率の分布をより一
様なものにするため、バイパス管２１０には開口２３６
が設けられている。各々の開口２３６の直径は、蒸気分
率の分布を最適化するよう実験的に決定される。あるい
はまた、典型的な炉心形状および典型的な動作条件に関
しては、既知の技術を用いて直径を計算することもでき
る。開口２３６を通ってバイパス管２１０から流出する
水によって誘起される振動を最少限に抑えるため、各々
の開口２３６はスペーサグリッド２１２の直ぐ上方に配
置されている。また、開口２３６を通してバイパス冷却
材を強制的に流出させるため、バイパス管２１０の頂部
付近に部分閉鎖部材２３８を配置することによって狭窄
部が規定されている。

【００２３】本発明の別の実施の態様に基づく燃料バン
ドル４００は、図４に示されるごとく、外被４０２、８
１の格子位置を有するスペーサグリッド４０４、７２本
の燃料要素４０６、および９本の冷却材バイパス管４０
８を含んでいる。全体的に見れば、燃料要素４０６およ
びバイパス管４０８は９×９の正方格子を成して配列さ
れており、またバイパス管４０８は３×３の二次格子を
成して配列されている。スペーサグリッド４０４は格子
板４１０およびばね４１２を含んでいる。ばね４１２は
燃料要素４０６の位置および間隔を維持するために役立
つ。格子板４１０はばね４１２を保持すると共に、バイ
パス管４０８を支持している。バイパス管４０８と燃料
要素４０６との間における鉛直方向の位置関係は、燃料
バンドル１０６の場合と同じである。とは言え、バイパ
ス管４０８は側壁の開口および狭窄部を有していない。 燃料バンドル４００の主たる利点は、それの横断面内に
おける減速効果および冷却材の分布がより一様になるこ
とである。

【００２４】いずれの実施の態様においても、バイパス
管の実際の寸法はそれを含む燃料バンドルの熱流束分布
に依存する。冷却材の流量が一定であれば、燃料ピンか
ら水への熱の伝導を制限する蒸気膜が現れるまでは熱流
束の増加に伴って熱伝達量が増加する。上記のレベルを
越えて熱流束が増加すると、熱伝達量は劇的に減少する
。ピーク熱伝達レベルにおいて原子炉を運転することは
、摂動によって華氏数百度の温度変動が生じることがあ
るために望ましくない。このような温度変動は材料の酸
化および応力を引起こすことがある。このような温度変
動を回避するため、原子炉はピーク熱伝達レベルの上側
において運転される。通例、最大熱流束位置に関して１
．３５の安全率が設定される。

【００２５】本発明は、冷却材の流量を増加させて最大
許容熱流束を高めることによって動力発生能力を増大さ
せるものである。更にまた、バイパス管は最大熱流束位
置において相対的に低温の液体を導入するように決定さ
れた寸法を有している。これは最大熱流束位置における
寛容度を高める結果、より多くの動力発生量を取扱うこ
とが可能になる。とは言え、バイパス管の上端において
相対的に低温のバイパス冷却材を主たる冷却材の流れに
合流させることは、ピーク熱流束点を合流が起こる位置
よりも下方に移動させる効果がある。そこで、燃料バン
ドル１０６における開口２３６のごとき開口を追加すれ
ば、鉛直方向における熱流束分布は一層均等化し、従っ
てピーク熱流束点を越える恐れなしにより高い運転出力
を得ることが可能となる。

【００２６】本発明は様々な寸法の燃料バンドルに対し
て適用し得るのであって、燃料バンドルはそれを組込む
原子炉に応じて選定することができる。本発明はまた、
様々な数の燃料要素およびそれらの様々な配列状態に対
しても適用することができる。更にまた、１本もしくは
数本のバイパス管を使用することができる。かかるバイ
パス管は、円形、正方形および三角形をはじめとする様
々な横断面形状を有し得る。なお、バイパス管の入口は
燃料バンドルの最低燃料位置またはそれよりも低い位置
に存在していればよい。

【００２７】上記のバイパス管は、燃料バンドルの燃料
存在範囲の下から５０〜８５％の位置にまで伸びていれ
ばよい。たとえば、６６％の位置にまで伸びるバイパス
管の場合、それの上端と最高燃料位置との距離はそれの
上端と最低燃料位置との距離の１／２　である。バイパ
ス管においてはまた、別種の狭窄部を使用することもで
きる。あるいは、バイパス管の直径を縮小することもで
きる。場合によっては、狭窄部は不要である。一般的に
述べれば、側壁の開口が設けられる場合に狭窄部が必要
とされる。更にまた、バイパス管の外部において十分な
量の冷却材が流れない場合にも狭窄部を使用することが
できる。この場合には、狭窄部はバイパス管の下端に設
けられることが好ましい。本明細書中に記載された実施
の態様に対する上記およびその他の変更もまた本発明の
範囲内に含まれるのであって、本発明の範囲はもっぱら
前記特許請求の範囲によって規定されるものと理解すべ
きである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用し得る自然循環式沸騰水型原子炉
の部分切欠き略図である。

【図２】図１の原子炉において使用される燃料バンドル
の概略断面立面図である。

【図３】図２の燃料バンドルの横断面図である。

【図４】本発明に基づく別の燃料バンドルの横断面図で
ある。

【符号の説明】

１０６　　燃料バンドル ２０１　　外被 ２０２　　下部流入端 ２０４　　上部流出端 ２０８　　燃料ピン ２１０　　冷却材バイパス管 ２１２　　スペーサグリッド ２２６　　最低燃料位置 ２２８　　最高燃料位置 ２３０　　燃料存在範囲 ２３２　　限界熱流束位置 ２３６　　開口 ２３８　　部分閉鎖部材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　運転に際して冷却材が炉心を通って上
   方に流れるような沸騰水型原子炉用の燃料バンドルにお
   いて、（ａ）　鉛直方向に沿って伸びかつ下端および上
   端を有する外被、（ｂ）　鉛直方向に沿って伸び、核燃
   料物質をそれぞれに含有し、全体として前記外被の内部
   に鉛直方向の燃料存在範囲を規定し、かつ前記燃料存在
   範囲の下端および上端として最低燃料位置および最高燃
   料位置をそれぞれ規定する複数の燃料要素、（ｃ）　互
   いに離隔した状態で前記燃料要素を支持するスペーサ部
   材、並びに（ｄ）　少なくとも部分的に開放された流入
   端および少なくとも部分的に開放された流出端を有して
   いて、前記流入端は前記最低燃料位置よりも下方に配置
   され、かつ前記流出端は前記燃料存在範囲の５０〜８５
   ％に相当する距離だけ前記最低燃料位置よりも上方に配
   置されているような冷却材バイパス管の諸要素から成る
   ことを特徴とする燃料バンドル。
2. 【請求項２】　　前記スペーサ部材が鉛直方向に沿った
   それぞれのスペーサ位置に配置されていて、前記スペー
   サ部材は中間にいかなるスペーサ部材も存在しない１対
   の隣り合ったスペーサ部材を含み、前記１対のスペーサ
   部材は下方のスペーサ部材および上方のスペーサ部材か
   ら成り、前記バイパス管は前記下方のスペーサ部材と前
   記上方のスペーサ部材との間に開口を有し、かつ前記開
   口は前記上方のスペーサ部材よりも前記下方のスペーサ
   部材に近接している請求項１記載の燃料バンドル。
3. 【請求項３】　　前記燃料バンドルを通過する水の少な
   くとも４％が前記バイパス管を通って流れるように前記
   バイパス管が形成されている請求項１記載の燃料バンド
   ル。
4. 【請求項４】　　前記燃料要素の間に複数の前記バイパ
   ス管が配置されている請求項１記載の燃料バンドル。
5. 【請求項５】　　前記バイパス管および前記燃料要素が
   全体として正方格子を成して配列されており、かつ前記
   バイパス管が二次正方格子を成して配列されている請求
   項４記載の燃料バンドル。