JPH05150064A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】二相流圧損の低減と限界出力の向上をはかり、
かつより除熱効率の高い燃料集合体を得ること。 【構成】所定の長さを有する複数の燃料棒３と、この燃
料棒３よりも短い部分長燃料棒23とをスペーサー６ａで
保持してなる燃料集合体において、部分長燃料棒23にく
びれ部25を設け、このくびれ部25に流れ擾乱部材29を設
ける。くびれ部25の上端は接続部材28を介して中空管部
材27に接続している。中空管部材27は被保持端26となっ
てスペーサー６ａに保持されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は部分長燃料棒を備えた沸
騰水型原子炉用燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の炉心では、炉心下方か
ら上方に向かう冷却材の流れに沿って、冷却材中に蒸気
ボイドが発生する。従って、炉心上部ほどボイド率が高
くなる。このため、炉心上部での圧力損失が大きくなり
易い傾向がある。

【０００３】また、炉心上部では原子炉停止時にボイド
がなくなると、運転時からの減速材密度の変化量が非常
に大きくなり、中性子の減速が良くなり制御棒により炉
心を未臨界に保つための余裕（炉停止余裕と呼ばれ
る。）が小さくなる問題があった。

【０００４】この様な問題を解決するために、図11およ
び図12に示す燃料集合体１が従来から知られている。な
お、図11は燃料集合体１の軸方向縦断面図で、図12
（ａ）は図11のＧ−Ｇ矢視方向を切断した横断面図、図
12（ｂ）はＨ−Ｈ矢視方向の横断面図である。

【０００５】燃料集合体１は燃料束が角筒状のチャンネ
ルボックス２で覆われて構成されている。すなわち、チ
ャンネルボックス２内には９行９列に所定の長さを有す
る燃料棒３（以下、燃料棒３と記す）が配列されてい
る。燃料棒３の上端及び下端は、上部タイプレート４お
よび下部タイプレート５で支持され、軸方向の複数個所
には燃料棒３の間隔を保持する第１および第２のスペー
サー６ａ，６ｂが配置されている。この例では、スペー
サーは第１のスペーサー６ａが５個、第２のスペーサー
６ｂが２個の計７個使用されている。

【０００６】燃料集合体の水平方向断面中央部つまり、
上記９行９列の燃料棒３のうち７本を取り除いた部分に
は、内部を冷却材が流通するウォーターロッド７が２本
配置されている。また、上記燃料棒３を８本取り除いた
部分には燃料棒３より短く構成され図中ハッチングを施
した部分長燃料棒８が８本配置されている。この部分長
燃料棒８の上端は第１のスペーサー６ａから少し上方に
突き出た形で保持されている。部分長燃料棒８の上端よ
り上方に位置する第２のスペーサー６ｂは、部分長燃料
棒８を保持する必要がないので圧損低減のためスペーサ
ーの格子部材の円筒スリーブ11が削除されている（図12
（ａ）参照）。

【０００７】この様に、一部の燃料棒を部分長とする事
により、燃料集合体の上部の冷却材流路面積を広げて圧
力損失を低減し、かつ同時に燃料集合体の上部に装荷す
る燃料（核分裂物質：ウラン、プルトニウム等）の量を
減じて炉停止余裕を確保している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料集合体は燃料棒の除熱と言う観点からは以下のよう
な課題をはらんでいる。燃料棒３の除熱は冷却材のサブ
クール状態から飽和温度までの加熱と、飽和水の沸騰に
よって行われている。従って、理想的には冷却材の内、
液相（飽和水）は燃料棒３の表面付近を流れ、気相（蒸
気）は燃料棒３，３間の空間を流れる事が最も除熱効率
が良い事になる。

【０００９】一方、実際の燃料集合体の冷却材流動状態
を見ると、ボイド率が高く除熱上余裕の少ない燃料集合
体の上半部領域では環状流と呼ばれる流動状態となって
いる。この流動状態では図13に示すように燃料棒３，３
間の空間17でボイド率が高くなり、燃料棒３の表面は冷
却材の液膜15で覆われている。この液膜15の沸騰により
燃料棒３の除熱が行われている。図中符号16は液膜15か
ら飛散する液滴を示している。

【００１０】図14は前述した部分長燃料棒８を中心にし
て燃料棒３，３間の上端部付近の冷却材の流動状態を模
式的に示したものである。この図14から明かなように部
分長燃料棒８の上端部では、それまで部分長燃料棒８の
表面を流れてきた液膜15が燃料棒間の空間17へ放出さ
れ、大きな液滴16ａとなって周りの燃料棒３の冷却に寄
与していない。したがって、従来の部分長燃料棒８を備
えた燃料集合体は除熱効率が低い課題がある。

【００１１】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、気液二相流による圧損の低減と限界出力の向
上をはかることができ、かつより除熱効率の高い沸騰水
型原子炉用の燃料集合体を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は所定の長さを有
する複数本の燃料棒と、この所定の長さの燃料棒より短
い部分長燃料棒および所定の長さを有するウォーターロ
ッドを複数のスペーサーで間隔をもたせるとともに前記
所定の長さの燃料棒およびウォーターロッドの上端部を
上部タイプレートに保持し、前記所定の長さの燃料棒、
部分長燃料棒およびウォーターロッドの下端部を下部タ
イプレートに保持して燃料束が形成され、この燃料束を
角筒状チャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体に
おいて、前記部分長燃料棒の上部にこの部分長燃料棒に
付着した冷却材の液膜を剥離して液滴を飛散させる流れ
擾乱部材を設けるか、または前記部分長燃料棒より上方
に位置するスペーサの格子部から下方に延びた部材に前
記流れ擾乱部材を設けてなることを特徴とする。

【００１３】

【作用】燃料棒の上端が上部タイプレートの代わりにス
ペーサーで保持される部分長燃料棒が組み込まれた燃料
集合体において、部分長燃料棒の上端に断面積が小さく
流路抵抗が小さいくびれ部を設け、そのくびれ部に冷却
材流擾乱部材を設けるか、または部分長燃料棒上端より
上方に位置するスペーサーの格子部から断面積が小さく
流路抵抗が小さい構造部材が下方に伸び、その下端に冷
却材流擾乱部材を設ける。

【００１４】このような構成を採ることによって部分長
燃料棒の上端から液膜が剥がれて燃料棒間の空間に飛散
する液滴を隣接する燃料棒の表面に付着させる事が出
来、隣接燃料棒の液膜を厚くし、燃料集合体の沸騰遷移
発生までの熱的余裕が増大する。また、沸騰遷移の生じ
易いスペーサーの直下近傍にまで部分長燃料棒の液膜を
誘導した後、隣接する燃料棒の表面に効果的に液滴を付
着させる事が出来る。更に、部分長燃料棒の上端が片持
ち梁の状態でスペーサーから上方に長く突出しないの
で、部分長燃料棒上端の水力振動によるフレティング腐
食が防止できる。

【００１５】

【実施例】本発明に係る燃料集合体の第１の実施例を図
１から図４を参照しながら説明する。図１は本発明に係
る燃料集合体21ａの軸方向断面図であり、図２（ａ）は
図１のＡ−Ａ矢視図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ矢視図であ
る。

【００１６】第１の実施例の燃料集合体21ａは燃料束が
角筒状チャンネルボックス２で覆われており、このチャ
ンネルボックス２内には９行９列に所定の長さを有する
燃料棒３が配列されている。燃料棒３の上端および下端
は、上部タイプレート４および下部タイプレート５で支
持され、軸方向の複数箇所には燃料棒３の間隔を保持す
る第１および第２のスペーサー６ａ，６ｂが配置されて
いる。この例では、スペーサーは第１のスペーサー６ａ
が６個、第２のスペーサー６ｂが１個の計７個使用され
ている。

【００１７】燃料集合体の水平方向断面中央部つまり、
燃料棒３を７本取り除いた部分には、内部を冷却材が流
通するウォーターロッド７が２本配置されている。ま
た、燃料棒３を８本取り除いた部分には燃料棒３より短
く構成され、ハッチングを施した部分長燃料棒23が８本
配置されている。部分長燃料棒23の上端はスペーサー６
ａから少し上方に突き出た形で保持されている。

【００１８】図中符号11は円筒スリーブ、12はスペーサ
ー・サイドバンド、13はループバネをそれぞれ示してい
る。図３に燃料棒３，３間に介在した本発明で使用する
部分長燃料棒23の上端部と、その作用の概念を詳細に示
す。図３は所定の長さの燃料棒３，３間に部分長燃料棒
23が介在されかつ冷却材の液膜15が付着した状態で示し
ている。

【００１９】この部分長燃料棒23の燃料ペレット充填部
分より上方の部分は特殊な上部端栓形状をしている。す
なわち、上部端栓は緩やかに細くなったくびれ部25が形
成され、このくびれ部25の先端部に第１のスペーサー６
ａに保持される被保持端26を連結している。

【００２０】被保持端26は部分長燃料棒23の外径と同一
外径の中空管部材27で形成され、その下部に十字形の接
続部材28が溶接され、接続部材28は前記くびれ部25に溶
接接続している。被保持端26の中空管部材27の長さは部
分長燃料棒23の伸び等による第１のスペーサー６ａとの
接触部の移動を考慮した長さになっている。

【００２１】被保持端26を保持する第１のスペーサー６
ａの下端から下方に約20cm以内の位置に当たるくびれ部
25に螺旋形の流れ擾乱部材29を設けている。この擾乱部
材29は誘導された液膜15が剥がれ易く、圧損が少なく、
隣接する燃料棒３，３に液滴16を拡散付着させ易い構造
であれば、他の形状でも良い。図４は擾乱部材の変形例
で、上方に開いたラッパ形擾乱部材29ａをくびれ部25に
設けた例を示しており、他の部分は図３と同様であるの
で、その説明は省略する。

【００２２】しかして、部分長燃料棒23に設けた流れ擾
乱部材29または29ａは、部分長燃料棒23の表面を流れて
きた冷却材の液膜15を剥して、その液滴16を周囲の燃料
棒３，３の方向へ飛散させる様に働き、それと同時に部
分長燃料棒23と周囲の燃料棒３，３との間の空間を蒸気
に混じって流れている液滴16をも、周囲の燃料棒３，３
の方向へ偏向させ付着させる。

【００２３】本発明の部分長燃料棒23の上端は被保持端
26がスペーサーによって保持されているので、軸方向に
離散的に配置されたスペーサー間のどの様な位置に流れ
擾乱部材29または29ａを設けても、流れの擾乱による流
体振動によるスペーサーと部分燃料棒23との間のフレテ
ィング腐食を防止出来る。

【００２４】また、部分長燃料棒23の上端の構造はくび
れ部25、中空円筒部材27および十字形の接続部材28から
構成される被保持端26の形状により気液二相流は被保持
端26の内外を流れる事が出来るので、圧損低減の目的を
大きく損なう事なく、流れ擾乱構造を実現している。

【００２５】上記実施例によれば、沸騰遷移はスペーサ
ーの直下近傍で発生し易いので、本発明によれば流れ擾
乱部材をスペーサー直下近傍に設け易く、水力振動によ
るフレティングが防止できる。

【００２６】本実施例の部分長燃料棒の水平断面におけ
る配置は、燃料集合体のなかで沸騰遷移が生じ易い位
置、または生じ易い燃料棒位置の隣接位置にしているの
で、燃料集合体の限界出力（沸騰遷移が発生しない最大
熱出力）の向上に大きく寄与する。同時に、燃料集合体
上部の圧力損失低減および燃料装荷量の低減・減速材量
の増加による炉停止余裕の改善の当初目的にも効果があ
る。

【００２７】また、これまでの部分長燃料棒ではスペー
サー位置に拘束されて、部分長燃料棒の燃料有効長上端
が決まっていたが、本実施例によればくびれ部25の長
さ、位置を調整する事により、容易に他の標準燃料棒の
軸方向の濃縮度、可燃性毒物濃度の分布設計における軸
方向区切りと燃料有効長上端を合わせる事が出来る。そ
の結果、燃料集合体の水平断面の濃縮度分布、可燃性毒
物分布の異なる軸方向組み合わせを、従来設計より１種
類減じて、設計の合理化に役立たせることができる。

【００２８】つぎに図５から図８を参照しながら本発明
に係る燃料集合体の第２の実施例を説明する。この第２
の実施例は部分長燃料棒８が配設されている従来の燃料
集合体において、部分長燃料棒の上方位置のスペーサー
格子部から下方に延びた部材に擾乱部材を下方に突出し
て設けた例である。なお、各図とも図１から図３に示し
た部分と同一部分には同一符号を付して重複する部分の
説明は省略する。

【００２９】この第２の実施例では図６（ａ）の第３の
スペーサー６ｃに示すように、部分長燃料棒８の位置の
格子部に図７で示す十字形の部材32を隣接する円筒スリ
ーブ11に溶接固定し、前記十字形部材32の下方に、円柱
状または円筒状の延伸材33を接続し、この延伸材33の先
端に突出した螺旋形の流れ擾乱部材34を設けている。こ
の流れ擾乱部材34は第３のスペーサー６ｃの下端から20
cm以内とする。

【００３０】この第２の実施例では第１の実施例におけ
る部分長燃料棒23の上端の被保持端26の中空管部材27お
よびスペーサー格子部材（フェルールスペーサーの円筒
スリーブ11）がない分、流路断面積が増加して圧損が少
ない利点がある。この第２の実施例では部分長燃料棒８
の表面液膜15は上端で剥がれて燃料棒３の間の空間17に
蒸気流に混じって上方に流れるが、沸騰遷移の生じ易い
第３のスペーサー６ｃの下端近傍で、流れ擾乱部材34に
よって隣接燃料棒３の表面に液滴16が偏向、付着する。

【００３１】なお、この実施例では流れ擾乱部材34と第
３のスペーサー６ｃとが接続材31によって溶接固定の一
体構造である。従って、片持ち梁の構造であるが流体振
動による問題は生じない。つまり、十字形接続部材が十
分な剛性を与えている。

【００３２】図８は図７における流れ擾乱部材34の他の
例として上方に開いた傘型流れ擾乱部材34ａを設けた例
を示している。

【００３３】つぎに、図９および図10により本発明の第
３の実施例を説明する。この第３の実施例は第１の実施
例と第２の実施例の組み合わせである。即ち、部分長燃
料棒としては前記部分長燃料棒23を使用し、スペーサー
としては下方から６個のスペーサーは図２（ｂ）の第１
のスペーサー６ａを使用し、最上段のスペーサーのみ図
６（ａ）の第３のスペーサー６ｃを使用したものであ
る。その他の部分は前記第１および第２の実施例と同様
なので、重複する部分の説明は省略する。

【００３４】この第３の実施例によれば図３および図４
の様な部分長燃料棒の上端構造、または図６（ａ）の様
な第３のスペーサー６ｃを使用する事により、燃料棒保
持機能のスペーサーとは別に流路抵抗が小さく、限界出
力の向上のための流れ擾乱部材を設ける手段に比べて、
より簡単な構造で限界出力の向上が図ることができる。
特に前記流れ擾乱用スペーサーを追加すると、その部材
による中性子吸収が増加し、中性子経済的に本発明は不
利になる。

【００３５】なお、上記実施例では燃料棒３が９×９に
配置され、そのうち15本の燃料棒３を取り除いた部分に
太径のウォーターロッド７が中央に２本配置され、部分
長燃料棒23が８本配置された原子炉燃料集合体を参照し
て説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。また、部分長燃料棒23を有するいかなる構造の燃料
集合体に対しても適用でき、スペーサーの個数も７個の
例で説明したが、他の組み合わせでもよい。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、部分長燃料棒の導入目
的とする燃料集合体上部での２相流圧損の低減と炉停止
余裕の改善を行いながら、更に部分長燃料棒上方の空間
の利用による限界出力の向上への寄与を簡単な構造で、
水力振動によるフレティング腐食を生じる事なく実現で
きる。また、限界出力向上用のスペーサーの追加よりも
中性子経済上有利に実現出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施例を示す
縦断面図。

【図２】（ａ）は図１におけるＡ−Ａ矢視方向を切断し
て示す横断面図、（ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ矢視方向
を切断して示す横断面図。

【図３】図１における部分長燃料棒と所定の長さの燃料
棒との関係を作用とともに拡大して示す立面図。

【図４】図３における部分長燃料棒の他の例と、所定の
長さの燃料棒との関係を作用とともに拡大して示す立面
図。

【図５】本発明に係る燃料集合体の第２の実施例を示す
縦断面図。

【図６】（ａ）は図５におけるＣ−Ｃ矢視方向を切断し
て示す横断面図、（ｂ）は図５におけるＤ−Ｄ矢視方向
を切断して示す横断面図。

【図７】図６における部分長燃料棒と、スペーサーに取
着した流れ擾乱部材と所定の長さの燃料棒との関係を作
用とともに拡大して示す立面図。

【図８】図７における流れ擾乱部材の他の例と、部分長
燃料棒と、所定の長さの燃料棒との関係を作用とともに
拡大して示す立面図。

【図９】本発明に係る燃料集合体の第３の実施例を示す
縦断面図。

【図１０】（ａ）は図９におけるＥ−Ｅ矢視方向を切断
して示す横断面図、（ｂ）は図９におけるＦ−Ｆ矢視方
向を切断して示す横断面図。

【図１１】従来の燃料集合体を示す縦断面図。

【図１２】（ａ）は図11におけるＧ−Ｇ矢視方向を切断
して示す縦断面図、（ｂ）は図11におけるＨ−Ｈ矢視方
向を切断して示す縦断面図。

【図１３】図11における所定の長さの燃料棒間の流動状
態を示す模式図。

【図１４】図11における所定の長さの燃料棒と部分長燃
料棒の上端付近の流動状態を示す模式図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、1a…燃料集合体、２…チャンネルボッ
クス、３…燃料棒、４…上部タイプレート、５…下部タ
イプレート、６ａ…第１のスペーサー、６ｂ…第２のス
ペーサー、６ｃ…第３のスペーサー、７…ウォーターロ
ッド、８…部分長燃料棒、11…円筒スリーブ、12…スペ
ーサー・サイドバンド、13…ループバネ、15…液膜、16
…液滴、17…燃料棒間空間、21ａ…燃料集合体、21ｂ…
燃料集合体、21ｃ…燃料集合体、23…部分長燃料棒、25
…くびれ部、26…被保持端、27…中空管部材、28…接続
部材、29…流れ擾乱部材、29ａ…流れ擾乱部材、31…接
続部材、32…十字形部材、33…延伸材、34…流れ擾乱部
材、34ａ…流れ擾乱部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の長さを有する複数本の燃料棒と、
   この所定の長さの燃料棒より短い部分長燃料棒および所
   定の長さを有するウォーターロッドを複数のスペーサー
   で間隔をもたせるとともに前記所定の長さの燃料棒およ
   びウォーターロッドの上端部を上部タイプレートに保持
   し、前記所定の長さの燃料棒、部分長燃料棒およびウォ
   ーターロッドの下端部を下部タイプレートに保持して燃
   料束が形成され、この燃料束を角筒状チャンネルボック
   スで包囲してなる燃料集合体において、前記部分長燃料
   棒の上部にこの部分長燃料棒に付着した冷却材の液膜を
   剥離して液滴を飛散させる流れ擾乱部材を設けるか、ま
   たは前記部分長燃料棒より上方に位置するスペーサーの
   格子部から下方に延びた部材に前記流れ擾乱部材を設け
   てなることを特徴とする燃料集合体。