JPH05107377A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、チャンネルボックスの強度
を増大して膨脹や耐震性の減少などの問題を解消すると
ともに、燃料棒の冷却効率を高めることによって燃料棒
を過熱状態に至らせないようにすることにある。 【構成】 本発明に係る燃料集合体は、少なくとも上部
１／４以上の範囲においてチャンネルボックス７の側面
と相対する側面とを結合する仕切板13を設け、この仕切
板13の両壁にフロ―トリッパ―20として作用する複数の
横溝14を設けて成ることを特徴とする。

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に用いら
れる燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲと略す）用
燃料集合体の概観を図８に示す。燃料集合体１は、核燃
料物質を含む複数の燃料棒２と１本または複数本のウォ
―タ―ロッド３とこれら燃料棒２とウォ―タ―ロッド３
を一定の間隔をおいて保持するスペ―サ４および上部タ
イプレ―ト５と下部タイプレ―ト６により構成される燃
料束をチャンネルボックス７で囲んだ構造をしている。

【０００３】本例の燃料束は図９に示す断面図のよう
に、８行８列の燃料棒２と太径のウォ―タ―ロッド３か
ら構成されている。チャンネルボックス７により燃料集
合体１は内部と外部に区分される。内部では燃料棒２か
らの熱伝達により冷却材中に蒸気ボイドが発生するが、
外部では熱伝達や発熱が少ないため蒸気ボイドは発生し
ない。また、チャンネルボックス７の外側に配される十
字型の制御棒８が、その上端付近に設けられているガイ
ドロ―ラ９を利用してチャンネルボックス７の滑らかな
外壁を案内として炉心に挿入引抜きされる構造となって
いる。さらに、炉心で直接蒸気ボイドを発生させるＢＷ
Ｒにおいては燃料集合体の出力に応じて発生ボイド量が
異なるため、各々の燃料集合体にチャンネルボックスを
つけて冷却材流路を横方向に制限しないと、燃料束間に
冷却材の横流（クロスフロ―）が生じ、熱出力の大きい
燃料束から熱出力の小さい燃料束へ冷却材が逃れて、燃
料の冷却能力が低下する。

【０００４】このような目的で設けられているチャンネ
ルボックスの内側と外側の間には圧力差が存在し、内圧
の方が高くなっている。この結果チャンネルボックスは
熱効果、中性子照射効果なども加わって外側に膨脹す
る。この膨脹量を抑制し、制御棒の挿入を円滑にし、燃
料集合体の剛性を確保するために、チャンネルボックス
にはある程度の板厚の、中性子吸収の少ないジルコニウ
ム合金材が使われる。通常チャンネルボックスの肉厚
は、上下、周方向とも均一である。

【０００５】図10に示すように、チャンネルボックス７
の下端近傍は冷却材が飽和温度以下から飽和温度にまで
加熱される領域Ａであり、チャンネルボックス内部には
蒸気は存在せず水が充満している。チャンネルボックス
内部の軸方向の大半の領域Ｂでは冷却材流は蒸気と水の
混合物からなり、チャンネルボックス７の内壁および各
燃料棒の表面には水の液膜10が形成される。軸方向に上
方に行くに従って、冷却材は蒸気、液滴12となり、燃料
棒２の表面で発生した蒸気ボイド11が冷却材流の中で占
める体積が増え、燃料棒表面に接する液膜10の厚さは減
少する。もし、燃料棒２に接する液膜10の厚さが過小で
その燃料棒２の発熱が大きいときは、冷却効率が低下し
て燃料棒２が過熱状態になり、極端な場合には遷移沸騰
を経て膜沸騰状態に至り燃料棒２が破損する可能性が生
じる。原子炉は、いかなる事態においてもこのような状
況にならないように設計されなければならない。一方、
燃料棒２と異なりチャンネルボックス７はほとんど発熱
しないので、チャンネルボックス内壁の液膜は厚いまま
で上方に流れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＢＷＲでは、燃料の上
部ほど蒸気量が多くなるため上下方向に水の密度分布が
生じる。その結果原子炉の出力は、水の密度が高く中性
子の減速効率がよい下方に歪んだ形となり、出力ピ―キ
ングが大きくなりやすい。さらに、下方に歪んだ出力分
布のまま原子炉の運転が行なわれると、上部では燃料の
燃焼が進まずしかもプルトニウムの蓄積が多いので、水
の密度が高い原子炉の低温停止状態では燃料上部の反応
度が高くなり、低温停止中の未臨界度が小さくなってし
まう。

【０００７】上記の問題点を解決するために、例えば特
開昭63−261191号には、チャンネルボックスの上部を薄
くすることによって燃料集合体断面内での水の占める割
合を多くする技術が開示されている。これによって、運
転中の出力分布を平坦にするとともに、低温停止中に
は、燃料集合体上部の水の量が過剰になるので、水によ
る中性子の吸収作用によって未臨界度を増大させること
ができる。しかしながら、このような構造ではチャンネ
ルボックスの強度が減少するので、前記したチャンネル
ボックスの膨脹や耐震性の減少などの問題が生じるた
め、そのままの構造では受け入れ難いものである。

【０００８】また、近年、燃料集合体の断面を従来より
も大型化することによって、燃料集合体数および制御棒
本数を削減して燃料のハンドリングの手間を削減すると
ともに、圧力容器下部の貫通部を減少させて安全性をよ
り一層高めることが考えられている。この場合にも、チ
ャンネルボックス断面の一辺が長くなるため、従来の燃
料集合体の場合よりもその強度が減少し、やはりチャン
ネルボックスの膨脹や耐震性の減少などの問題が生じ
る。

【０００９】このようなチャンネルボックスの膨脹や耐
震性の減少などの問題を解消するための手段として、チ
ャンネルボックスの側面と相対する側面とを結合する仕
切板を設けることによってその強度を増加させる技術が
特開昭63−247691号に開示されている。しかしながら、
仕切板は非発熱体であるから、チャンネルボックスの場
合と同様、上部においてもその表面に液膜を形成し、そ
の結果、仕切板近くの燃料棒の周囲の蒸気割合が増加す
るので、燃料の冷却効率を低下させることになる。

【００１０】前記した特開昭63−261191号にはまた、燃
料の冷却状態を向上させるために、チャンネルボックス
の内壁にフロ―トリッパ―として作用する横溝を設ける
技術が開示されている。切削により設けたこの横溝によ
り、チャンネルボックスの内壁を上方に向かって流れる
水の液膜をチャンネルボックスに隣接する燃料棒の方へ
転向させることができるのでより効率的に冷却を行なう
ことができる。燃料経済性向上のために、チャンネルボ
ックスに近い燃料束最外周の燃料棒の出力が大きくなる
ように設計された燃料集合体においては、このような技
術は特にその効果が顕著である。しかしながら、チャン
ネルボックス内壁のフロ―トリッパ―だけでは、特に大
型燃料集合体の場合、燃料束中心付近に位置する燃料棒
の冷却効率を十分に向上させることはできない。

【００１１】本発明の目的は、チャンネルボックスの強
度を増大して膨脹や耐震性の減少などの問題を解消する
とともに、燃料棒の冷却効率を高めることによって燃料
棒を過熱状態に至らせないようにすることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る燃料集合体においては、少なくとも上
部１／４以上の範囲においてチャンネルボックスの側面
と相対する側面とを結合する仕切板を設け、この仕切板
の両壁にフロ―トリッパ―として作用する複数の横溝を
設けて成ることを特徴とする。

【００１３】

【作用】この様に構成された燃料集合体においては、仕
切板を設けることによってチャンネルボックスの強度が
増加するので、耐膨脹性および耐震性が向上する。さら
に、仕切板の両壁に設けたフロ―トリッパ―によって仕
切板表面に形成した冷却水の液膜をその近くの燃料棒に
転向させることができるので、燃料棒の過熱を防ぎ良好
な冷却状態を維持することができる。

【００１４】

【実施例】本発明の第１の実施例である燃料集合体の一
部を切り欠いた概観図を図１に示す。本実施例では、チ
ャンネルボックス７の上部１／３の部分の厚さを下部２
／３の部分よりも薄く、例えば半分とし、断面十字状の
仕切板13を、強度を増すために上部１／３よりもやや長
い範囲にわたってチャンネルボックス７に溶接してい
る。仕切板13はチャンネルボックス７と同じジルコニウ
ム合金製であり、その両壁にフロ―トリッパ―20として
作用する横溝14を有している。横溝以外の部分の厚さは
上部１／３のチャンネルボックス７と同程度である。

【００１５】本実施例において、チャンネルボックス７
の内幅は上下一様であり、上部の外幅を下部の外幅より
も狭くしている。これによって上部におけるチャンネル
ボックス７の外側の非沸騰水領域を拡大し、上下方向の
水の密度分布を小さくしている。この場合、制御棒の挿
入性を悪化させないために、制御棒のガイドロ―ラが移
動する部分だけ突起部15として下部と同一の厚さのまま
残している。

【００１６】前記仕切板13の一翼の縦断面図を図２に示
す。仕切板13が過度に薄くなってその強度が損なわれな
いように、横溝14は両壁で互いに異なる位置に設けてい
る。図３に詳細に示すように、仕切板13の横溝14はテ―
パ―部16とエッジ部17とからなっている。仕切板13の表
面に形成した液膜10は、テ―パ―部16に沿って下から上
に向かって流れ、エッジ部17にぶつかるとそこで方向を
変え、水滴12となって燃料棒２の方へ飛ばされる。この
水滴12が燃料棒２に付着してその液膜10を厚くすること
によって燃料棒２の冷却効率を高める。

【００１７】本実施例の燃料集合体の上部断面図を図４
に示す。本実施例における燃料棒２の本数は図９の従来
例と同一であるが、燃料棒２とほぼ同じ径のウォ―タ―
ロッド３を４本具備している。チャンネルボックス７の
内幅は従来例と同一であるが、外幅は狭くその結果チャ
ンネルボックス７の外側の沸騰水領域が広くなってい
る。制御棒８のガイドのための突起部15は、制御棒８が
挿入される側のみに合計２箇所形成されている。なお、
燃料棒列間の間隙は、図９の従来例に比べて、仕切板13
を挾んだ部分では広く、それ以外の部分では狭くなって
いる。

【００１８】本実施例ではチャンネルボックス７と仕切
板13の断面積の合計は、従来例のチャンネルボックス７
の断面積と同じである。しかしながら、本実施例の方
が、軸方向の出力分布が平坦化され、チャンネルボック
ス７の膨脹に対する強度や耐震性に優れており、さらに
燃料経済性も優れている。チャンネルボックス内の蒸気
割合が多い燃料集合体上部では、燃料棒内での核分裂に
よって発生した高速中性子は、主にチャンネルボックス
７外側の非沸騰水によって減速されて熱中性子となる。
この熱中性子はチャンネルボックス７を通過する際にそ
の一部が吸収されるため、チャンネルボックス７の構造
材の一部を燃料集合体の中央部に移動させることによっ
て、無駄な中性子吸収を少なくすることができる。

【００１９】なお、本実施例では、上部１／３のチャン
ネルボックス７を薄くしたが、軸方向出力分布の平坦化
のためには、上部１／４以上かつ１／２以下の部分にお
いて非沸騰水領域を拡大して水の量を増大させるのが効
果的である。また、本実施例では、フロ―トリッパ―20
も上部１／３の部分に設けられている。通常、燃料棒の
過熱による膜沸騰状態への遷移は、７本設けられている
スペ―サのうち上から２番目の位置、すなわち上端から
全長の１／４の位置付近で起こりやすい。従って、良好
な冷却状態を維持するためには、フロ―トリッパ―14は
少なくとも上部１／４以上の部分にわたって設ける必要
がある。また本実施例では、フロ―トリッパ―20は仕切
板13の両壁のみに設けられているが、さらにチャンネル
ボックス内壁にも追加して設けてもよい。

【００２０】本発明の第２の実施例の燃料集合体の断面
図を図５に示す。外観図は図１に示す第１の実施例の外
観図と同一である。本実施例は燃料棒配列が９行９列で
あり、太径ウォ―タ―ロッド３を２本具備している。第
１の実施例と同様、チャンネルボックスの内幅は従来例
と同一であり、外幅は狭くその分チャンネルボックス７
の外側の非沸騰水領域が広くなっている。仕切板13は井
桁状に配列されており、上部１／３にのみ設置されてい
る。また、燃料棒本数の増加による圧力損失の増大を抑
制するために、８本の燃料棒（図中Ｐで示す）18を、他
の燃料棒２の約２／３の長さの部分長燃料棒としてい
る。すなわち、上部断面においては、これら部分長燃料
棒18の部分には燃料棒はなく、冷却材が流れている。本
実施例ではフロ―トリッパ―20用の横溝14は、仕切板13
の両壁だけでなく、チャンネルボックス７の内壁にも設
けられている。これにより全ての燃料棒２にフロ―トリ
ッパ―20から水滴12が供給されるので、極めて高い効率
で燃料棒２の冷却を行なうことができる。

【００２１】本発明の第３および第４の実施例の燃料集
合体の横断面図を図６および図７に示す。第３の実施例
は、燃料集合体の断面を図９の従来例の約 1.5倍に拡大
した大型燃料集合体の例で、燃料棒配列は10行10列であ
り、４本の太径ウォ―タ―ロッド21を具備している。第
４の実施例は、燃料集合体の断面をさらに大きく図９の
従来例の４倍に拡大した大型燃料集合体で、燃料棒配列
は18行18列であり、12本の太径ウオ―タ―ロッド22を具
備している。

【００２２】これら第３および第４の実施例では、大型
化によりチャンネルボックス断面の一辺が長くなったた
めに膨脹しやすくまた耐震性が悪化するので、チャンネ
ルボックス７の厚さは全長にわたって均一で、仕切板13
も燃料集合体の全長にわたって設けられている。フロ―
トリッパ―として作用る横溝は、燃料集合体の上端から
その全長の１／４以上にわたって設けられる。さらに、
これらの実施例において、仕切板の両壁のみでなく、チ
ャンネルボックスの内壁にもフロ―トリッパ―を設ける
ことによって、燃料束の冷却状態をさらに向上させるこ
とができる。なお、第４の実施例において、全断面の１
／４を占める燃料束の小単位の各々に、図５に示した第
２の実施例のように、井桁状の仕切板を追加してもよ
い。

【００２３】

【発明の効果】仕切板を設けることによってチャンネル
ボックスの強度が増加するので、従来並み以上の耐膨脹
性および耐震性を有する。また、仕切板の導入に伴なっ
て燃料集合体上部のチャンネルボックスを薄くした第１
および第２の実施例では、軸方向出力分布が平坦化さ
れ、燃料経済性も向上する。

【００２４】さらに、仕切板の両壁にフロ―トリッパ―
として作用する複数の横溝を設けて仕切板表面に形成し
た液膜をその近くの燃料棒に転向させることができるの
で、燃料棒の過熱を防ぎ良好な冷却状態を確保すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である燃料集合体の一部
を切り欠いた斜視図。

【図２】図１に示した仕切板の一部を拡大して示す縦断
面図。

【図３】フロ―トリッパ―の作用を示す拡大縦断面図。

【図４】図１に示した燃料集合体の上部横断面図。

【図５】本発明の第２の実施例を示す燃料集合体の上部
横断面図。

【図６】本発明の第３の実施例を示す燃料集合体の上部
横断面図。

【図７】本発明の第４の実施例を示す燃料集合体の上部
横断面図。

【図８】燃料集合体の従来例を示す一部切り欠き斜視
図。

【図９】図８に示した燃料集合体の横断面図。

【図１０】燃料棒およびチャンネルボックス内壁の冷却
水の流れを示す拡大縦断面図。

【符号の説明】

１…燃料集合体 ２…燃料棒 ３，21，22…ウォ―タロッド ７…チャンネルボックス 13…仕切板 14…横溝 15…突起部 16…テ―パ―部 17…エッジ部 20…フロ―トリッパ―

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の燃料棒を格子状に束ねた燃料束を
   角筒状のチャンネルボックスで囲繞してなる燃料集合体
   において、上端から少なくともその全長の１／４以上に
   前記チャンネルボックスの側面と相対する側面とを結合
   する仕切板を配設し、前記仕切板の両壁に複数の横溝を
   形成して成ることを特徴とする燃料集合体。