JPH04357494A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉（以下
、ＢＷＲと記す）用燃料集合体に関し、特に幾つかの燃
料棒を間引いた燃料集合体や短尺燃料棒を備えた燃料集
合体の耐ドライアウト性能の向上に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近では、燃料の経済性を向上させるた
め、高燃焼度化の要求が高まり、燃料の濃縮度を高める
とともに、一本もしくは複数個の大型ウォータロッドを
用いて熱中性子利用率を向上させ、同一濃縮度の場合で
も、平均取り出し燃焼度を増加させることが検討されて
いる。また、燃料集合体を構成する燃料棒を細径化して
燃料棒１本あたりの熱負荷を低くして高燃焼度化した場
合の燃料棒の健全性を高める工夫もなされており、燃料
棒の配列を現行の８行８列から９行９列、さらに多数本
の燃料棒を格子に配列した燃料集合体はその一例である
。

【０００３】この燃料棒本数の増加と集合体内部の中性
子減速材の体積増加という二つの特徴を組み合わせた高
燃焼度化燃料には、冷却材との接触面積増大による摩擦
圧損の増加と、インチャンネルの流路断面積の縮小によ
る冷却材流速の増大のため冷却材流れに対する圧損が増
加するという問題があった。

【０００４】例えば、ＢＷＲでは、冷却材は水と蒸気の
二相流となっているため、水力学的不安定性を配慮する
必要があるが、一般に二相流部は単相部に比べて冷却材
流速が大きくなるため、前述の圧損の増加は二相流部に
対して影響が大きく、そのため水力学的不安定性が助長
されることとなる。

【０００５】このように、高燃焼度化燃料では８×８燃
料に比べて高圧損化しているため、水力学的不安定性が
悪化するという不都合が生ずる。尚、水力学的不安定性
が悪化すると、冷却材の流量が振動し、この振幅が大き
くなった最悪の場合は除熱の不足による燃料の破損に至
る。

【０００６】この水力学的不安定性を解決する一案とし
て、特開平２−１２０８７号公報には一部の燃料棒を通
常の全長燃料棒の有効長の２／３程度に短尺化し、有効
長上部の二相流圧損を小さくして、水力学的不安定性の
抑制を計ることが提案されている。なお、図３は全長燃
料棒と短尺燃料棒との長さの相違を示す説明図である。 確かに、この提案のように燃料集合体の一部の燃料棒を
短尺燃料棒にすると、短尺燃料棒の先端より下流側では
流路断面積が増え、また冷却材との接触面積が減るため
、有効長上部の二相圧力損失が低減し、水力学的不安定
性が抑制されるメリットがあった。

【０００７】ところで、図４は典型的な水−水蒸気の二
相流の分布を示す説明図であり、図５はドライアウト時
の燃料棒の壁面温度分布を示す説明図である。過出力状
態等の何らかの要因で燃料集合体が熱的に厳しい状態に
おかれると、いわゆる核沸騰状態から膜沸騰状態への遷
移が生じ、図４，５に示すように燃料棒１の外周面の液
膜２が消失して液滴３と蒸気４となり、除熱効果が急激
に悪化する。尚、５はチャンネルボックスである。この
ため、燃料棒１の液膜消失領域における温度が急激に上
昇し、遂にはその部分でバーンアウトを生ずることにな
る。尚、ＢＷＲ燃料に特徴的な液膜の消失によるバーン
アウトを特にドライアウトと呼び、ドライアウトの生ず
る燃料集合体全体の負荷を限界出力と呼ぶ。

【０００８】また、８×８型及び９×９型燃料ともに、
一つの燃料集合体に通常７個のスペーサを具備している
が、燃料集合体内の燃料棒が熱的に最も厳しくなるのは
上方から２番目の第６スペーサ直下部よりも上方（冷却
材流れの下流側）の部分で、特にＢＷＲの通常運転範囲
では最上位（第７スペーサ）スペーサ直下部で最も厳し
くなることは既に確認されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図６は短尺燃料棒を備
えた燃料集合体の下流側位置での燃料棒の配置を示す平
面図である。上記のように、全長燃料棒の有効長の２／
３程度に短尺化した燃料棒を用いた構造では、図６に示
すように短尺燃料棒先端より下流側に燃料棒がない空間
のサブチャンネルｃが存在し、この空間を囲むように、
チャンネルボックスとのコーナ部のサブチャンネルａ，
チャンネルボックスの偏平部のサブチャンネルｂ，内央
部のサブチャンネルｅとが存在する。空間のサブチャン
ネルｃの流路抵抗が他のサブチャンネルａ，ｂ，ｅより
も小さいため、周囲の領域から蒸気とともに燃料棒の冷
却に大きく寄与する水が流れ込むような横流れが生じ、
空間のサブチャンネルｃの周囲のサブチャンネルの燃料
棒のまわりを液膜状に流れる水は有効長上部で空間のサ
ブチャンネルｃに流れ込む傾向にあるので、燃料棒の一
部の第６スペーサ直下部及び第７スペーサ直下部は熱的
にさらに厳しくなって限界出力が低下するという問題が
あった。

【００１０】図７は短尺燃料棒を備えた９×９燃料集合
体の限界出力の増減を示した説明図である。図７に示す
通り、高燃焼度化９×９燃料集合体で、有効長の２／３
程度に短尺化した８本の短尺燃料棒を用いた場合の短尺
燃料棒周囲の限界出力と、短尺燃料棒を用いない従来設
計の燃料棒の限界出力との関係から判るように、短尺燃
料棒７の中間に位置する燃料棒１の限界出力は最大で約
７％低下する。尚、６はウォーターチャンネルを示す。

【００１１】本発明は、耐ドライアウト性能を改善した
ＢＷＲ用燃料集合体を得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本請求項１に記載の発明
では、上下タイプレート及び長手方向に間隔を開けて複
数配置したスペーサによって燃料棒をバンドル状に束ね
たＢＷＲ用燃料集合体において、前記燃料集合体を構成
する燃料棒の一部又は一部分に置換える空間部を設け、
前記空間部のスペーサ対応位置に冷却材の流れを乱す羽
根を設けたものである。

【００１３】更に具体的に、本請求項２に記載の発明で
は、前記請求項１に記載のＢＷＲ用燃料集合体において
、前記燃料集合体を構成する一部の燃料棒が、冷却材流
れの下流側を空間部で置換した短尺燃料棒であり、前記
短尺燃料棒の下流側に配置されたスペーサの前記短尺燃
料棒対応位置に冷却材の流れを乱す羽根を設けたもので
ある。

【００１４】また請求項３に記載の発明では、前記羽根
が、前記冷却材の流れに沿った旋回流を発生させるよう
に構成されたものを開示する。

【００１５】

【作用】本発明では、燃料集合体を構成する燃料棒の一
部又は一部分を空間部に置換え、前記空間部のスペーサ
の対応位置に冷却材の流れを乱す羽根を設けたものであ
るため、前記空間部に流れ込む冷却材を強制的に乱流混
合させることによって、その周囲の燃料棒の液膜流を増
加し、耐ドライアウト性能を改善することができる。

【００１６】具体的には、燃料集合体を構成する一部の
燃料棒が冷却材流れの下流側を空間部で置換した短尺燃
料棒であり、前記短尺燃料棒の下流側に配置されたスペ
ーサの前記短尺燃料棒対応位置に冷却材の流れを乱す羽
根を設けたものであるため、短尺燃料棒先端より下流側
の燃料棒の排除された空間部では選択的な流量配合によ
り、冷却材が周辺部からその空間部に流れ込みながら、
軸方向に沿って上昇する。短尺燃料棒先端より下流側の
燃料棒の排除された空間部に流れ込んだ冷却材を強制的
に乱流混合させることによって、その周囲の燃料棒の液
膜流を増やし、耐ドライアウト性能を改善する。

【００１７】更に具体的には、短尺化された短尺燃料棒
の下流位置に対応するスペーサセルの上面に該スペーサ
セルを縮径するように板状の羽根を設け、乱流混合を促
進させるものである。これによれば、このスペーサセル
を流れる冷却材は乱流混合によって、水は液滴となって
周囲の燃料棒表面に付着し、燃料棒表面の液膜流が増え
ることにより、その耐ドライアウト性能が改善される。

【００１８】また、前述の板状の羽根を傾斜させて流れ
に指向性、即ち冷却材の流れに沿った旋回流を発生させ
るものでは、乱流拡散に旋回流の効果が加わるので、周
囲の燃料棒表面への液滴付着速度が増大し、耐ドライア
ウト性能の更なる改善が期待できる。

【００１９】尚、本発明は後述するような短尺燃料棒だ
けでなく、燃料棒のあるべき格子位置に燃料棒が一本そ
っくり存在しない燃料集合体にも適用でき、この欠落し
た燃料棒に対応するスペーサセル位置に羽根を装着する
ことによって耐ドライアウト性能が改善されることは言
うまでもなく、即ち９×９のみらなず、１０×１０，１
２×１２など、燃料棒本数が増える設計になった場合の
圧損増加の措置として、燃料棒全長をまるごと間引いた
燃料集合体にも適用することができる。更に、本発明は
、格子型スペーサのみならずリング型スペーサ等を備え
た燃料集合体にも広く適用可能である。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の一実施例の燃料集合体のスペ
ーサの構成を示す平面図である。図に示す通り、スペー
サ格子１０で区切られたスペーサセル中に燃料棒１１が
嵌挿され、固定スプリング１２で固定されている。図の
中央部のスペーサセルＣには燃料棒が嵌挿されておらず
、空間部となっているが、上流側のスペーサの対応セル
には短尺燃料棒１３が嵌挿されている。短尺燃料棒１３
の下流位置のスペーサ位置に相当するスペーサセルＣの
スペーサ格子１０の上面にスペーサセルを縮径するよう
に、板状の羽根１４が設けられている。この羽根１４に
よりにスペーサセルＣに流れ込む冷却材を強制的に乱流
混合させることによって、その周囲の燃料棒の液膜流を
増やし、耐ドライアウト性能を改善することができる。

【００２１】図２は別の実施例の燃料集合体のスペーサ
の構成を示す平面図である。図１と同様に、図の中央部
のスペーサセルＣ’には燃料棒が嵌挿されておらず、空
間部となっているが、上流側のスペーサの対応セルには
短尺燃料棒２３が嵌挿されている。短尺燃料棒２３の下
流位置のスペーサ位置に相当するスペーサセルＣ’のス
ペーサ格子２０の上面に板状の羽根２４を傾斜させて冷
却材流れに指向性、即ち冷却材の流れに沿った旋回流を
発生させるように配置した。この羽根２４によりにスペ
ーサセルＣ’に流れ込む冷却材を旋回混合させることに
よって、その周囲の燃料棒の液膜流を増やし、耐ドライ
アウト性能を改善することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した通り、燃料集合体を構成す
る燃料棒の一部又は一部分に置換える空間部を設け、前
記空間部のスペーサ対応位置に冷却材の流れを乱す羽根
を設けたものであるため、前記空間部に流れ込む冷却材
を強制的に乱流混合させることによって、その周囲の燃
料棒の液膜流を増やし、耐ドライアウト性能を改善する
ことができる。具体的には、燃料集合体を構成する一部
の燃料棒が冷却材流れの下流側を空間部で置換した短尺
燃料棒であり、前記短尺燃料棒の下流側に配置されたス
ペーサの前記短尺燃料棒対応位置に冷却材の流れを乱す
羽根を設けたものであるため、冷却材が短尺燃料棒先端
より下流側の燃料棒の排除された領域では選択的な流量
配合により、周辺部からその排除領域に流れ込みながら
、軸方向に沿って上昇する。短尺燃料棒先端より下流側
の燃料棒の排除された領域に流れ込んだ冷却材を強制的
に乱流混合させることによって、その周囲の燃料棒の液
膜流を増やし、耐ドライアウト性能を改善することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の燃料集合体のスペーサの構
成を示す平面図である。

【図２】別の実施例の燃料集合体のスペーサの構成を示
す平面図である。

【図３】全長燃料棒と短尺燃料棒との長さの相違を示す
説明図である。

【図４】典型的な水−水蒸気の二相流の分布を示す説明
図である。

【図５】ドライアウト時の燃料棒の壁面温度分布を示す
説明図である。

【図６】短尺燃料棒を備えた燃料集合体の下流側位置で
の燃料棒の配置を示す平面図である。

【図７】短尺燃料棒を備えた９×９燃料集合体の限界出
力の増減を示した説明図である。

【符号の説明】

１０，２０…スペーサ格子 １１，２１…燃料棒 １２，２２…固定スプリング １３，２３…短尺燃料棒 １４，２４…羽根

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　上下タイプレート及び長手方向に間隔
   を開けて複数配置したスペーサによって燃料棒をバンド
   ル状に束ねた沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前
   記燃料集合体を構成する燃料棒の一部又は一部分に置換
   える空間部を設け、前記空間部のスペーサ対応位置に冷
   却材の流れを乱す羽根を設けたことを特徴とする沸騰水
   型原子炉用燃料集合体。
2. 【請求項２】　　前記請求項１に記載の沸騰水型原子炉
   用燃料集合体において、前記燃料集合体を構成する一部
   の燃料棒が、冷却材流れの下流側を空間部で置換した短
   尺燃料棒であり、前記短尺燃料棒の下流側に配置された
   スペーサの前記短尺燃料棒対応位置に冷却材の流れを乱
   す羽根を設けたことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料
   集合体。
3. 【請求項３】　　前記請求項１又は２に記載の沸騰水型
   原子炉用燃料集合体において、前記羽根が、前記冷却材
   の流れに沿った旋回流を発生させるものであることを特
   徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。