JPH0436354B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原水炉に装荷される燃料集
合体に関する。

〔発明の背景〕

従来、この種の燃料集合体は、主に上部タイプ
レート、スペーサ、複数本の燃料棒、下部タイプ
レート、およびこれらを収納するチヤンネルボツ
クスから構成される。前記スペーサはチヤンネル
ボツクス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する。上記上部お
よび下部タイプレートは複数本の燃料棒の両端を
固定する。またそれぞれのタイプレートには冷却
水通路用の孔が複数個設けられている。

上記燃料集合体では、わずかに未飽和状態の冷
却水が下部タイプレートの孔から燃料棒間に流入
し、燃料棒間を下部から上方に流れるにつれ、加
熱され、沸騰し二相流となつて上部タイプレート
の孔から流出していく。燃料集合体出口における
ボイド率（冷却水中に蒸気が占める体積率）は70
％前後であり、また軸方向平均では40％前後のボ
ンド率となつている。ポンド率の増加、すなわち
中性子減速材としての軽水の体積率の減少は、反
応度低下につながるため、上述したボイド率分布
により、軸方向出力分布は第１図に示すごとく下
方に歪んだ分布となる。

沸騰水型原子炉では、燃料健全性の観点から、
通常運転時の線出力密度（燃料棒単位長さあたり
の出力）は44kW／ｍ以下となるように設計され
る。したがつて、第１図に示した軸方向の出力分
布を平担化することができれば、運転時の最大線
出力密度が低減される。上記の制限値44kW／ｍ
との差が増大することにより、熱的余裕、燃料建
全性を増大することができる。

〔発明の目的〕

よつて、本発明の目的は、燃料集合体の軸方向
上半部における中性子減速能力を相対的に高める
ことにより、燃料集合体の軸方向出力分布の平坦
化を図り、運転時の最大線出力密度を低減して熱
的余裕を増大させた燃料集合体を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明は、筒状のチヤンネルボツクスと、該チ
ヤンネルボツクスに嵌着された上部タイプレート
および下部タイプレートと、該チヤンネルボツク
ス内に軸方向に延び上端及び下端が夫々上部タイ
プレートおよび下部タイプレートに固定された複
数本の燃料棒とを具備した燃料集合体において、
軸方向の上半部のみに固体減速材を内蔵し、下半
部は中空状で下端が解放し且つ上記固体減速材の
下部に冷却水流出用の横穴を有し、上部タイプレ
ートおよび下部タイプレート間に軸方向に延びる
減速用部材を、上記チヤンネルボツクス内の限ら
れたほぼ軸対称部位に配設したことを特徴とする
ものである。

〔発明の実施例〕

第２図は本発明による燃料集合体の一実施例の
縦断面図である。第２図において、燃料集合体は
四角筒のチヤンネルボツクス１と、このチヤンネ
ルボツクス１の内部に収納された燃料バンドル２
からなる。この燃料バンドル２は、前記チヤンネ
ルボツクス１の上下部に嵌着される上部タイプレ
ート３および下部タイプレート４と、前記チヤン
ネルボツクス１内部で軸方向に間隔を置いて設置
された複数個のスペーサ５と、このスペーサ５を
貫通し前記上下部タイプレート３，４に両端を固
定した複数本の燃料棒６と、前記上下部タイプレ
ート３，４で固定された２本の円筒状の中性子減
速用部材７からなる。

上記燃料集合体の横断面図を第３図に示す。中
性子減速用部材７は棒状であり、十字型制御棒８
に対して、従来の燃料集合体内のウオータロツド
に相当する位置に２本配置されている。

前記中性子減速用部材７は、第４図に縦断面図
として示すごとく、燃料棒６の被覆管と同じジル
カロイー２からなる円管９の内部の軸方向上半部
に、金属減速材であるジルコニウムハイドライド
（ZrH₂）１０を収納したものであり、前記金属減
速材（ZrH₂）１０の下端部近傍において円管９
に複数個の孔１１を設けてある。また、中性子減
速用部材７の下端部１２は開管構造とし、冷却水
の一部が下部タイプレート４に設けた冷却水通路
用の孔１３を通らずに直接円管９内に流入し、軸
方向中央部に設けた孔１１から管外に流出するよ
うになつている。金属減速材１０の下端部は、上
昇してきた管内流が管外へ流出する際の流動抵抗
を小さくするため、円錐構造となつている。

下部タイプレート４の冷却水通路用の孔１３を
通り燃料棒間を上昇する流路に比べると、上述し
たバイパス流路、すなわち、中性子減速用部材７
の円筒９内を通り、軸方向中央部に設けた孔１１
から流出する流路では、下部タイプレート４の孔
１３およびスペーサ５における圧力損失が生じな
いため、冷却材流速が増大し、燃料集合体内部を
流れる全冷却材流量の約５％をこれに流すことが
可能である。

第５図は、本発明の上記実施例による燃料集合
体内の軸方向ボイド率分布を従来例と比較したも
のである。本発明の実施例による燃料集合体では
中性子減速用部材７で形成される上記バイパス流
路のため、燃料棒間を流れる冷却材流量が減少
し、その結果、軸方向の下半部においてはボイド
率が約４％増加し、水素対ウラン比（Ｈ／Ｕ）は
従来の燃料集合体に比べ約３％小さくなる。

一方、本発明の上記実施例による燃料集合体の
上半部には、固体減速材としてZrH₂が挿入され
ており、ZrH₂に含まれる水素密度は7.2×10²²
個／cm³であつて、原子炉運転時の温度約280℃で
の軽水（非沸騰水）の水素密度約5.0×10²²個／
cm³より多い。燃料集合体上半部におけるこの
ZrH₂によつて、軸方向下半部とは逆に上半部で
のＨ／Ｕ比は約４％大きくなる。

したがつて、本発明による上記実施例の燃料集
合体では、従来の燃料集合体に比べ、Ｈ／Ｕが軸
方向下半部で約３％減少すると共に上半部で約４
％増加し、相対的に上半部の中性子減速能が向上
する結果、軸方向出力ピーキング（軸方向出力分
布の最大値対平均値の比）を3.5％減少すること
ができ、熱的余裕、燃料健全性を増大することが
可能となる。

第６図は、燃料集合体の無限増倍率のボイド率
依存性により上述の軸方向上半部における中性子
減速能力の相対的向上を示したものである。上述
実施例の燃料集合体下半部においては約４％ボイ
ド率が増大するため、図中、ａのごとく、ボイド
率30％の位置では無限増倍率は約0.26％ΔK／Ｋ
低下する。一方、燃料集合体上半部ではZrH₂装
荷によりＨ／Ｕが約４％大きくなるが、これはボ
イド率に換算すると約５％の減少に相当する。し
たがつて、燃料集合体上半部においては図中、ｂ
のごとくボイド率65％の位置では無限増倍率は約
0.54％ΔK／Ｋ増加する。以上の結果、無限増倍
率は燃料集合体下半部では平均0.25％ΔK／Ｋ減
少、上半部では平均0.5％ΔK／Ｋ増加する。これ
により、軸方向出力分布が平担化され、軸方向出
力ピーキング（軸方向出力分布の最大値対平均値
の比）を3.5％減少することができ、熱的余裕、
燃料健全性を増大することが可能となるのであ
る。

また、上記実施例では、燃料集合体の水平断面
でみた場合、燃料集合体中心に中性子減速材が設
置されており、さらに軸方向中央部での孔１１か
ら流出した冷却水が主に燃料集合体中心付近を上
昇するため、燃料集合体中心領域での中性子減速
能が向上し、水平方向の出力分布が平担化される
という効果も生ずる。

なお、上記実施例において、中性子減速用部材
７の内部の冷却水は、上述したごとく下端から上
方へ流れているため、内部でボイドが発生するこ
とはない。また、ZrH₂は融点が約1850℃であり、
原子炉運転時に溶融することはない。

第７図は、本発明による燃料集合体の別の実施
例を示す。本実施例では、十字型断面の中性子減
速用部材１４を集合体内に設置する。中性子減速
用部材１４は、第８図に縦断面図として示すごと
く、ジルカロイ−２からなる外壁１５と、上半部
に収納されたZrH₂からなる固体減速材１６と、
非沸騰の冷却水部１７とからなる。冷却水は、中
性子減速用部材１４の外壁１５の下端部に設けら
れた孔１８から内部に流入し、外壁１５の軸方向
中央部に設けられた孔１９から外部に流出する。
孔１９は燃料集合体の中央部付近にのみ設けら
れ、また、固体減速材１６は図のごとく下端部に
燃料集合体の中央に向けて勾配をつけてある。孔
１９より流出した冷却水は、主に燃料集合体の中
央部付近を外壁１５に沿つて上昇する。

本実施例においても、第一の実施例と同様、軸
方向上半部における中性子減速能の増大により、
軸方向出力分布を平担化することができ、さらに
上述の如き中性子減速用部材の形状・配置および
中性子減速部材１４から流出した冷却材の分布に
より、燃料集合体水平断面においては相対的に中
心領域の中性子減速能が向上し、水平方向の出力
分布も平担化されるという効果がある。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく、本発明によれば、燃料集
合体の軸方向上半部における中性子減速能力を相
対的に高めることができ、以て、軸方向出力分布
の平担化を図り、運転時の最大線出力密度を低減
して熱的余裕を増大することができる。

また、本発明によれば従来の燃料集合体に比べ
固体減速材が燃料集合体内に追加されるため、燃
料集合体全体の減速能力が増大し、従つて、同じ
濃縮度のウラン燃料集合体であれば無限増倍率が
高くなる。換言すれば、原子炉を臨界にするのに
必要なウラン量が少なくなるという効果もある。

すなわち、本発明によれば、上下タイプレート
間に軸方向に延びている減速用部材の軸方向下半
分が冷却材のバイバス流路を与えるので、ボイド
しない冷却材が、燃料集合体の軸方向中央領域に
おいて該減速用部材から流出することになる結
果、Ｈ／Ｕの軸方向分布が平坦になり、軸方向出
力分布を平坦にでき、また、上部のＨ／Ｕが増大
することで、上部領域燃料の燃焼が進むため、核
燃料の有効利用とともに、炉停止余裕を増大する
ことが可能となる。

また上記減速用部材を燃料集合体の特に中央部
分に配置することによつて、中性子減速効率の最
も悪い領域に水素密度の高い減速材（非沸騰水あ
るいは固体減速材）が配置されることになるの
で、燃料集合体水平断面における熱中性子束の分
布を平担にでき、これにより、水平断面の局所
（燃料棒）出力分布を平担化できるとともに、燃
料集合体の中央部分に配置された核燃料を有効に
利用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料集合体内の軸方向ボイド率
分布および出力分布を示す図、第２図は本発明に
よる燃料集合体一実施例の縦断面図、第３図は第
２図の燃料集合体の水平断面図、第４図は該燃料
集合体に設置されている中性子減速用部材の縦断
面図、第５図は該燃料集合体および従来の燃料集
合体内の軸方向ボイド率分布を示す図、第６図は
上記実施例における軸方向上半部の中性子減速能
力の相対的向上を物語る図、第７図は本発明によ
る燃料集合体の別の実施例の水平断面図、第８図
は第７図に用いられる中性子減速用部材の縦断面
図である。 符号の説明、１…チヤンネルボツクス、２…燃
料バンドル、３…上部タイプレート、４…下部タ
イプレート、５…スペーサ、６…燃料体、７…棒
状の中性子減速用部材、８…制御棒、９…円管、
１０…固体減速材（ZrH₂）、１１…孔、１２…下
端開管部、１３…下部タイプレート孔、１４…ｔ
字型の中性子減速用部材、１５…外壁、１６…固
体減速材（ZrH₂）、１７…非沸騰の冷却水部、１
８，１９…孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 筒状のチヤンネルボツクスと、該チヤンネル
   ボツクスに嵌着された上部タイプレートおよび下
   部タイプレートと、該チヤンネルボツクス内に軸
   方向に延び上端及び下端が夫々上部タイプレート
   および下部タイプレートに固定された複数本の燃
   料棒とを具備した燃料集合体において、軸方向の
   上半部のみに固体減速材を内蔵し、下半部は中空
   状で下端が解放し且つ上記固体減速材の下部に冷
   却水流出用の横穴を有し、上部タイプレートおよ
   び下部タイプレート間に軸方向に延びる減速用部
   材を、上記チヤンネルボツクス内の限られたほぼ
   軸対称部位に配設したことを特徴とする燃料集合
   体。 ２ 上記減速用部材は棒状であり、燃料集合体の
   ほぼ中央部分に配設されたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の燃料集合体。 ３ 上記減速用部材は断面十字形板状であり、燃
   料集合体のほぼ中央部分に配設されたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の燃料集合
   体。