JPH048757B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉の燃料集合体に係
り、特に、圧損を低減させる一方で熱的余裕を増
大させ結果的に燃料経済性を向上させるのに好適
な燃料集合体の構造に関する。

〔従来の技術〕

沸騰水型原子路（BWR）では、燃料をより有
効に使うためにいわゆるスペクトルシフト運転が
行われている。この運転方法は、そのままでは核
分裂を起こさないウラン２３８に中性子を吸収さ
せプルトニウム２３９に変えて、これを燃料とし
て使おうというものである。具体的には、初めに
ボイド率を高くして中性子増倍率を上げ、プルト
ニウム２３９がたまるようにし、燃焼が進んで中
性子増倍率が下がつてきたらボイド率を下げる運
転方法である。

このように燃焼初期にボイト率を上げて運転す
るためには、定格出力運転の可能な炉心量の下限
を、より小さくできることが望ましい。それに
は、燃料集合体での圧損を押える必要があるが、
一方では、特に燃料棒上部の熱的に厳しい部分の
熱的余裕を増大させることが求められる。

沸騰水型原子炉に使用される燃料集合体は、第
２図に示すように、複数本の燃料棒１と、これら
燃料棒およびウオータロツド２の水平方向間隔を
一定に保持するスペーサ３と、それらを取り囲む
チヤンネルボツクス４などから構成される。冷却
材は単相流として燃料集合体下部の下部タイプレ
ート５から流入して上方に流れ、燃料棒の約3.7
ｍの発熱部から熱を奪い、沸騰を起こし二相流と
なつて燃料集合体上部の上部タイプレート６から
流出する。スペーサ３は燃料棒の発熱部に約50cm
間隔で７個配置されている。

従来は、スペーサ３として、第５図に示すよう
に、格子状のものを用いていた。格子状のスペー
サは、後述の如く、圧損の点では有利である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、燃料棒１の表面に沿つて上昇し
てきた冷却材を格子部分が燃料棒の表面から剥離
してしまうために、特に冷却材が気液二相流とな
る燃料集合体上部に熱的余裕がないという問題が
あつた。それは、チヤンネルボツクス４に近い部
分において、特に厳しくなる。

このような問題を避けるため、チヤンネルボツ
クス４に近い部分のスペーサ３の圧損係数を小さ
くして、冷却材流量分布を燃料集合体内部で均質
化し、熱的余裕を増加させるようとする試みがあ
る（特願昭59−78525号）。しかし、この方法では
安定性に対する改善がなされていなかつた。

安定性が悪いと、炉心流量の低下割合が制限さ
れ、スペクトルシフト運転における流量調節範囲
が限られる。従つて、スペクトルシフト運転によ
る燃焼度利得が充分に得られないことになり、効
率が悪い。

本発明の目的は、圧損を低減させる一方で熱的
余裕を増大させ、スペクトルシフト運転における
流量調節範囲を拡大し、結果的に燃料経済性を向
上させた燃料集合体を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、複数個
のスペーサのうち、上から少なくとも１個を相隣
接する多数の円筒セルからなる丸セル型スペーサ
とし、残りのスペーサを正方形状の多数の格子か
らなる格子型スペーサとして燃料集合体を提案す
るものである。

また、丸セル型スペーサにはインコネル材を用
いるのが望ましく、格子型スペーサにはジルカロ
イ材を使用する。

さらに、インコネル材を用いた丸セル型スペー
サに保持される燃料部分には、核分裂性物質とし
て天然ウランを内包させることが好ましい。

〔作用〕

安定性の指標は減幅比で示される。減幅比は第
３図に示すように、となりあう正弦波の振幅の比
（x2／x0）であり、流量等の減衰率を表す。すな
わち、 x2／x0＜１……安定 ……(1) x2／x0＞１……不安定 ……(2) である。この減幅比により、スペーサの効果を検
討する。第４図はスペーサ正損低減率と減幅比の
低減量の関係を示す。同図では、チヤンネル安定
性および安定性について示している。チヤンネル
安定性は、チヤンネル出力を一定としたときにチ
ヤンネル流量の振動に注目する熱水力的安定性で
あり、炉心安定性は、核的フイードバツクを考慮
し炉心出力、炉心流量の振動に注目する核熱的安
定性を意味する。第４図からスペーサ圧損を低減
すると、減幅比が低減されるため、チヤンネル・
炉心安定性が改善されることがわかる。

スペーサ圧損は、ほぼスペーサの投影面積に比
例する。

第５図に従来の格子型スペーサ３を示す。この
格子型スペーサは、本発明においては、下方領域
のスペーサ３ｂとして用いられる。格子型スペー
サ３，３ｂは、格子板７により形成される多数の
格子を備えている。本発明の上方領域に用いる丸
セル型スペーサ３ａを第６図に示す。丸セル型ス
ペーサ３ａは、相隣接する多数の円筒セル８から
なる。

これら両スペーサのスペーサ肉厚と圧損の関係
を第７図に示す。この図から、スペーサ部材肉厚
が同一であれば、格子型スペーサ３ｂの方が丸セ
ル型スペーサ３ａより圧損は小さく、また、各ス
ペーサにおいて、圧損を小さくするには、スペー
サ部材肉厚を薄くしてやればよいことがわかる。

一方、燃料の熱的余裕を、格子型スペーサ３ｂ
と丸セル型スペーサ３ａを用いた場合とで比較す
ると、第８図に示すように限界出力が高いため、
丸セル型スペーサの方が格子型スペーサ３ｂより
熱的余裕は約10％改善される。従つて、燃料の熱
的余裕改善の面からは、丸セル型スペーサ３ａを
用いることが有効である。

このように丸セル型スペーサの限界出力が格子
型スペーサよりも高いのは、スペーサ部分におけ
る冷却材の流れ方の差によるものと考えられる。
すなわち、格子型スペーサにおいては、格子の十
文字部分では、燃料棒表面を流れて来た冷却材の
膜の剥離が生じ易くなるのに対し、丸セル型スペ
ーサにおいては、十文字部分のようなものがない
ので、冷却材の膜の剥離が殆ど生じない。

従つて、圧損の面からは、格子型スペーサが有
利であるが、熱的余裕の面からは、丸セル型スペ
ーサが有利ということになる。既に述べたように
熱的に厳しいのは、燃料集合体の上部領域である
から、ここに熱的余裕のある丸セル型スペーサを
用い、それより下方は、圧損を上昇させないよう
に格子型スペーサとすることが望ましいと考えら
れる。

燃料の熱的余裕を改善するため丸セル型スペー
サ３ａを用いた場合には、圧損が大きくなるので
スペーサ部材は、できるだけ薄い方がよいから、
インコネル材を用いる。インコネル材は、例え
ば、Ni80％、Cr15％、Fe5％程度を主成分とし、
チタン、アルミ、マンガン、ケイ素、炭素などを
改良材として含む合金であり、耐熱性や耐食性な
どに優れている。従来から用いられているジルカ
ロイと比べて、部材の肉厚を約40％低減できる。

ただし、インコネルはジルカロイと比較して中
性子吸収割合が大きいため、その使用部分はでき
るだけ限定することが望ましい。燃料が熱的に厳
しいのは、沸騰により冷却材中の蒸気重量率が大
きくなる燃料有効部の上部領域においてであるた
め、燃料の熱的余裕の改善には、軸方向の上から
１個または２個のスペーサを丸セル型にすれば十
分である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明す
る。本実施例においては、燃料有効部の軸方向に
７個存在するスペーサ３のうち上部の２個を丸セ
ル型スペーサ３ａ、残りの５個を格子型スペーサ
３ｂとする。格子型スペーサ３ｂの部材として
は、中性子吸収割合の小さい、ジルカロイを用い
る。下部の５個のスペーサを格子型とする理由
は、同一部材を用いた場合、丸セル型と比較して
格子型の方が圧損が小さいからである。上部の２
個を丸セル型スペーサ３ａとすることにより、燃
料の熱的余裕は約10％改善される。

丸セル型スペーサ３ａの部材としては、圧損を
低減するため、薄肉部材としてインコネルを用い
る。丸セル型スペーサ３ａの部材にインコネルを
用いることにより圧損が約0.7psi低減されるた
め、これにより安定性が約３％改善される。

燃料有効部の上部２個の丸セル型スペーサ３ａ
の部材としてインコネルを用いた場合、インコネ
ルによる中性子吸収のために反応度が下がるの
で、燃料経済性の面からは不利になる。この対策
として、インコネル部材を用いた丸セル型スペー
サ３ａの存在する燃料有効部上端から、軸方向ノ
ードで5/24下の位置までの領域を天然ウラン燃料
１ａを用いた領域から下の領域に濃縮ウラン燃料
１ｂを用いて必要燃焼度を達成している。天然ウ
ランの反応度は濃縮ウランの反応度より小さいた
め、スペーサ部材としてインコネルを用いた領域
を天然ウランとすれば、インコネルによる反応度
の低下を無視でき、必要燃焼度を達成するのに燃
料経済性上不利になることはない。

本実施例によれば、燃料の熱的余裕が約10％、
安定性が約３％改善される。

本実施例では、インコネル材を用いた丸セル型
スペーサ３ａを上から２個とし、燃料有効部の上
端から5/24下の領域までを天然ウラン燃料１ａを
用いているが、インコネル材を用いた丸セル型ス
ペーサ３ａを上から１個（または必要ならば３
個）としてもよい。この場合も上記と同様に、イ
ンコネル材の存在する燃料有効部の上部領域にお
いて天然ウラン燃料１ａを用いることが望まし
い。

なお、ここでは上部領域に丸セル型スペーサを
用いるとしたが、燃料棒からの冷却材流の剥離が
少ない８角形等の多角形セルを用いても実現でき
ることは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料の熱的余裕および安定性
が改善されるので、スペクトルシフト運転におけ
る流量調節範囲が拡大され、結果的に燃料経済性
が向上する。

【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
模式図、第２図は燃料集合体全体を示す縦断面
図、第３図は安定性の指標となる減幅比の説明
図、第４図はスペーサ圧損低減率と減幅比の低減
量との関係を示す図、第５図は格子型スペーサの
平面図、第６図は丸セル型スペーサの平面図、第
７図はスペーサ部材の肉厚とスペーサ圧損との関
係を示す図、第８図は流量と限界出力との関係を
示す図である。 １……燃料棒、１ａ……天然ウラン燃料棒、１
ｂ……濃縮ウラン燃料棒、２……ウオーターロツ
ド、３……スペーサ、３ａ……丸型スペーサ、３
ｂ……格子型スペーサ、４……チヤンネルボツク
ス、５……下部タイプレート、６……上部タイプ
レート、７……格子板、８……同筒セル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数本の燃料棒と、これら燃料棒の上下方向
   に複数個設置されそのうち上から少なくとも１個
   が相隣接する多数の円筒セルからなる丸セル型ス
   ペーサであり残りの部分が正方形状の多数の格子
   からなる格子型スペーサであり燃料棒の水平方向
   間隔を一定に保持するスペーサとにより構成した
   ことを特徴とする燃料集合体。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の燃料集合体に
   おいて、丸セル型スペーサがインコネル材からな
   り、格子型スペーサがジルカロイ材からなること
   を特徴とする燃料集合体。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の燃料集合体に
   おいて、前記燃料棒の核分裂性物質を充填した燃
   料有効部のうちインコネル材丸セル型スペーサで
   保持された上部領域が核分裂物質として天然ウラ
   ンを内包することを特徴とする燃料集合体。