JPH05150073A - 沸騰水型原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】熱的に余裕の小さい燃料棒に対するスペーサの
セル枠の端部に、燃料表面を流れる液膜流に対する蒸気
流の偏流強度が大きくなるように傾斜を設定して液滴の
再付着を促進する。また熱的に比較的余裕のある燃料
棒、及び水ロッドに対するセル枠の入口部には偏流方向
を逆として液滴の再付着を妨げる傾斜を設け、余分な液
滴の供給により燃料除熱能力を平均化し、燃料冷却性を
向上させて燃料健全性を高め、燃料の運転領域を拡大す
る燃料集合体を提供する。 【構成】複数の燃料棒及び水ロッドに対して軸方向に複
数個配設したスペーサで支持した燃料集合体において、
前記燃料棒を囲むセル枠が熱的に余裕の小さい燃料棒に
対しては冷却材の液膜の流れに向かう入口部の内側に傾
斜を施すと共に、熱的に比較的余裕のある燃料棒及び水
ロッドに対してはセル枠あるいは水ロッド枠の入口部の
外側に傾斜を施したセル枠を適用したスペーサを具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉の燃料
集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉の炉心を構成して
いる燃料集合体は、図８の横断面図で示すように、複数
の燃料棒２を格子状に配置し、この燃料棒２内での核分
裂によって生じる高速中性子の効果的な減速を促進さ
せ、中性子束分布を平坦化させるために、内部に中性子
減速材としての冷却水を流す水ロッド３を配置し、この
周囲をチャンネルボックス４で覆って燃料集合体１が構
成されている。

【０００３】燃料棒２は内部に燃料ペレットを収容し、
これを被覆管で取り巻いて放射性物質を周囲の冷却材等
から隔離している。この中性子減速材の機能を兼ねる冷
却材は、飽和温度以下の温度のサブクール水として燃料
集合体１の内部に下方から流入して燃料棒２の間を流
れ、燃料棒の除熱後は沸騰して蒸気ボイドを含んだ２相
水として上方へ流出する。また燃料集合体１内には、図
９の一部切断正面図に示すように、燃料棒２、及び水ロ
ッド３を互いの水平方向間隔を一定値以上に保持して整
列支持するスペーサ５が垂直方向に適当な間隔をおいて
複数個嵌設されている。

【０００４】この整列支持された燃料棒２、及び水ロッ
ド３は、さらに上下端が上部タイプレート６、及び下部
タイプレート７により支持されている。前記スペーサ５
は、図10の平面図に詳細に示されるように、燃料棒２、
及び水ロッド３を挿通して支持する丸セル状に形成され
た丸セル枠８と、燃料棒２、及び水ロッド３を押圧する
スプリング部材９、これら全体を取り巻いて保持するサ
イドバンド10、さらに、このサイドバンド10の上部に設
けられたフロータブ11とから構成されている。上記燃料
棒２は、通常運転時は勿論、予想しうる運転上の過渡状
態、即ち、運転員の単一誤操作、または機器の単一故障
等によって生ずる過渡状態においても、燃料棒２内部の
燃料ペレット、及び核分裂生成物を被覆管の内部に完全
に封じ込めるため、熱的限界から一定の余裕をもって運
転するように設計・運用されている。

【０００５】また、この設計に際しては、燃料集合体１
に対する十分な数の限界出力実験を実施し、これに基づ
いて各熱水力設計計算から得られる燃料寿命中の燃料集
合体内各燃料棒相対熱出力分布から、燃料寿命中の熱的
余裕度が夫々の燃料棒２に対して評価される。通常運転
時では燃料棒２の上部領域では、冷却材ボイド率が70〜
80％程度に達して、水−蒸気２相流の流動様式は環状流
状態となり、燃料棒２の表面を上方に流れる液膜流によ
り冷却される。この時、被覆管の表面温度は冷却材の飽
和温度付近で一定に保たれている。一方、何らかの原因
により、燃料棒２の表面が過大に加熱され、液膜厚さが
零に至ると、この部分でドライアウト状態となり、被覆
管−冷却材間熱伝達系数が低下して被覆管表面温度の増
大を招く。この状態は被覆管の破損に直接結び付く限界
状態ではないが、高い温度で長時間運転を続けると被覆
材の劣化により燃料棒２の健全性が低下するため、通常
運転時、あるいは過渡状態時においても運用上許容され
ない領域である。

【０００６】図11の横断面図は、従来の別の燃料集合体
12でスペーサのない高さ位置における断面を示すもの
で、燃料棒２は９×９の正方格子、あるいは粗密格子状
に配列され、さらに複数本の短尺燃料棒13と水ロッド３
が配置されている。この燃料集合体12内の燃料棒２は、
優れた経済性、燃料度特性を得るため核特性上の最適設
計がなされ、各燃料棒毎に濃縮度、可燃性毒物濃度の出
力分布、及びその燃焼度依存性を定める条件を決定して
いる。その結果、制御棒による制御状態にない場合の燃
料棒毎の発熱量は、図12の横断面図に一例を示すように
定められる。

【０００７】即ち、燃料寿命を通じて一般に、最外周の
燃料棒２ａで出力が高く、一方水ロッド３に近い中心付
近の燃料棒２ｂでは出力が低い。また燃料集合体１内の
冷却材の流れは、一般に流路が広く、水力等価直径の大
きな燃料集合体１の中央部の燃料棒２ｂ間に集中し、一
方、流路が狭く、水力等価直径の小さな最外周、即ち、
燃料棒２ａとチャンネルボックス４との間では不足する
傾向がある。このため、図12に示す例の場合には、燃料
寿命を通して、最外周燃料棒２ａがより熱的に厳しい状
況にあると同時に、一方で、中央部の燃料棒２ｂに対し
ては熱的に比較的余裕のある状態が続く。

【０００８】さらに、ドライアウトが生じる可能性のあ
る領域では、通常環状流状態になっているため、燃料棒
表面を上昇してきた液膜流は、液膜上に発生する波と蒸
気流との相互作用、沸騰現象などを通じて蒸気流中に剥
離されて一部が液滴となる。

【０００９】一方、液滴は蒸気流に輸送される過程で一
部が液膜への衝突を通して燃料棒２の表面へ再付着され
る。この液滴の生成・再付着は、燃料棒２を支持するス
ペーサ５等の異物が気相流路中に存在すると蒸気流が偏
流を起こして液膜流との相互作用が増減し、促進あるい
は阻害される。この時、介在する異物の形状は相互作
用、即ち液滴生成率、及び再付着率に大きな影響を与え
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】スペーサ５に設けられ
ている燃料棒２を支持する丸セル枠８においては、その
形状、特に燃料棒表面を上昇してきた液膜流の入口部に
おける形状は、偏流角度、強度を左右する主要な要素の
一つとなる。また一般に液膜流への蒸気流の偏流の影響
は、定格運転状態近傍の高流量条件下の場合、ドライア
ウト発生が生じる可能性のあるような熱的に厳しい領域
では、液滴流が液膜流を十分上回る流量となっているた
め液滴生成の促進よりも液滴再付着の方が優越する。

【００１１】一方、低出力、即ち低流量条件下では、ド
ライアウト領域は、高ボイド条件、即ち、低液滴流量状
態となるので、蒸気偏流の効果が液滴生成を促進する方
向に作用するが、流量が少ないためドライアウト発生を
左右するものではない。液滴流は一般に燃料棒表面の冷
却に寄与しないため、冷却性能を向上させるためには、
発生した液滴を燃料棒表面に効果的に供給することが重
要となる。特に、ドライアウト発生可能性を低減させる
ためには、熱的に厳しい燃料棒２に対しては液滴の再付
着を促進し、一方、熱的に余裕のある燃料棒２に対して
は、液滴の再付着を妨げるようにスペーサ５の入口部に
傾斜部を設定して、他の燃料棒２に対する液滴供給を促
進することが効果がある。

【００１２】しかしながら、現行の燃料集合体１に嵌設
されている丸セル枠８を備えたスペーサ５は、全ての燃
料棒２に対してサイドバンド10部を除いて均一形状にて
設計されており、燃料寿命を通して燃料棒間で熱的余裕
に差異があることは考慮されていない。従って、熱的に
余裕のある燃料棒２の表面を流れる液膜流が過大となる
ことを許容し、冷却材の効果的な配分を行わないまま燃
料集合体１から流出させることになり、効率的な冷却が
実現されていないという課題があった。

【００１３】本発明の目的とするところは、核設計から
判明する燃料寿命を通して熱的に余裕の小さい燃料棒に
対するスペーサのセル枠の端部に、燃料表面を流れる液
膜流に対する蒸気流の偏流強度が大きくなるように傾斜
を設定して液滴の再付着を促進する。また熱的に比較的
余裕のある燃料棒、及び水ロッドに対するセル枠の入口
部には偏流方向を逆向きとして液滴の再付着を妨げる傾
斜を設け、周囲の熱的に厳しい燃料棒表面に余分な液滴
を供給して燃料除熱能力を平均化し、燃料集合体全体と
しての燃料冷却性を向上させて燃料健全性を高めると同
時に燃料の運転領域を拡大する燃料集合体を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】複数の燃料棒及び水ロッ
ドに対して軸方向に複数個配設したスペーサで支持した
燃料集合体において、前記燃料棒を囲むセル枠が熱的に
余裕の小さい燃料棒に対しては冷却材の液膜の流れに向
かう入口部の内側に傾斜を施すと共に、熱的に比較的余
裕のある燃料棒及び水ロッドに対してはセル枠あるいは
水ロッド枠の入口部の外側に傾斜を施したセル枠を適用
したスペーサを具備する。

【００１５】

【作用】燃料集合体の上部に通常現われる冷却材の環状
流領域において、核設計から判明する燃料寿命を通して
熱的に余裕の小さい燃料棒に対し、セル枠の入口部の傾
斜により燃料棒の表面に流れる液膜流に対する蒸気流の
偏流強度が大きくし、液滴再付着を促進して液膜を厚膜
化する。一方、熱的に比較的余裕のある燃料棒や短尺燃
料棒、及び水ロッドについては、セル枠の入口部の傾斜
により偏流方向が逆向きで液滴の再付着を妨げる。この
結果、周囲のより熱的に厳しい燃料棒の表面に余分な液
滴が供給・再配分され、その表面を流れる液膜をより厚
膜化されることにより、ドライアウトが防止され燃料冷
却性能を向上して、燃料健全性を高めると同時に燃料の
運転領域を拡大し、経済性も改善される。

【００１６】

【実施例】本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。なお、上記した従来技術と同じ構成部分について
は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図１の平
面図は、丸セルスペーサ20の一実施例を示し、これに備
えた丸セル枠は、その入口部の内側に傾斜部である面取
り角を設けた丸セル枠21と、外側に傾斜部である面取り
角を設けた丸セル枠22、さらに燃料棒２、及び水ロッド
３を押圧するスプリング部材９と、これら全体を取り巻
いて保持するサイドバンド10、このサイドバンド10の上
部に設けられたフロータブ11とから構成されている。

【００１７】前記丸セル枠21は、図２（Ａ）の正面図、
及び図２（Ｂ）の平面図に示すように、円筒状の丸セル
枠21における入口部である下端の内側に面取り21ａを形
成した構成である。また一方の丸セル枠22は、図３
（Ａ）の正面図、及び図３（Ｂ）の平面図に示すよう
に、前記丸セル枠21と異なり、丸セル枠22の下端の外側
に面取り22ａが施してある。

【００１８】次に上記構成による作用について説明す
る。図４の横断面図は、燃料集合体23の通常環状流領域
中に位置する中で、何らかの過渡事象により、出力が過
大になった場合に最もドライアウトが生じやすくなる、
例えば燃料集合体の上から第２番目のスペーサ高さにお
ける断面を示し、従来のスペーサ５に対するＲ因子の燃
料寿命中を通しての最大値を示す分布の一例である。

【００１９】なお、本発明では最も熱的に厳しいスペー
サより上部、あるいは下部位置における燃料組成等の差
異によるＲ因子分布の違いは考慮しない。前記Ｒ因子最
大値は燃料寿命中の燃料棒２の熱的な厳しさを表し、核
設計解析から得られる燃料棒毎の相対出力分布、及び実
験による経験側に基づき評価される。この原子炉の炉心
内に配置される燃料集合体の第２番目のスペーサ位置に
おけるＲ因子最大値分布は、燃料集合体の核熱水力設計
だけではなく、炉心内の制御棒履歴、及び燃料集合体交
換履歴等の炉心設計にも依存した幾つかのパターンにグ
ループ分けられる。

【００２０】従って、一実施例では、各グループＲ因子
最大値分布に対応させて、入口部面取り角方向を逆にし
た２種の丸セル枠21，22を夫々、次ぎに述べる手法で配
設させた丸セルスペーサ20を装荷する。即ち、図４に示
した燃料集合体23におけるＲ因子分布に対して、Ｒ因子
が大きく熱的に厳しい燃料棒２ａに対しては、前記図２
（Ａ），（Ｂ）で示す内側面取りの丸セル枠21を適用す
る。

【００２１】また一方、Ｒ因子に比較的余裕のある他の
多くの燃料棒２ｂ、短尺燃料棒13及び水ロッド３に対し
ては、前記図３（Ａ），（Ｂ）で示す外側面取りの丸セ
ル枠22を使用する。これにより、燃料集合体23の上部に
通常現われる冷却材の環状流領域においては、核設計か
ら判明する燃料寿命を通して熱的に余裕の小さい燃料棒
２ａに対し、丸セル枠21の入口端部で内側に形成した面
取り21ａの傾斜により燃料棒２ａの表面に流れる液膜流
に対する蒸気流の偏流強度が大きくし、液滴再付着を促
進して液膜を厚膜化する。

【００２２】一方、熱的に比較的余裕のある燃料棒２ｂ
や短尺燃料棒13、及び水ロッド３については、丸セル枠
22の入口端部で外側に形成した面取り22ａの傾斜により
偏流方向が前記丸セル枠21と逆で、燃料棒２ｂ等の表面
より離れて液滴の再付着を妨げる。この結果、周囲のよ
り熱的に厳しい燃料棒２ａの表面に余分な液滴が供給・
再配分され、その表面を流れる液膜をより厚膜化される
ことにより、ドライアウトが防止され、かつ燃料冷却性
能を向上して、燃料健全性を高めると同時に燃料の運転
領域を拡大する。

【００２３】また丸セルスペーサ20の投影面積は従来の
丸セルスペーサ５と変わらないため、燃料集合体23にお
ける圧力損失特性、ひいては熱水力的安定性は大きく悪
化しない。なお、上記一実施例は、丸セル枠21，22の入
口部に施す傾斜を、入口端部の面取り21ａ，22ａにより
形成したが、別途圧力損失特性を考慮して拡管、あるい
は絞り加工により形成しても良い。

【００２４】図５は燃料集合体23における丸セルスペー
サ20の軸方向装荷位置を示した説明構成図で、複数の燃
料棒等を支持した上部タイプレート６と下部タイプレー
ト７との間に、７個の丸セルスペーサが間隔をもって配
設しているが、本発明による丸セルスペーサ20は環状流
開始位置より上方位置において効果をもつので、高ボイ
ド領域にある上部４個に採用し、下部３個は従来の丸セ
ルスペーサ５を使用している。

【００２５】この本発明の丸セルスペーサ20の採用数、
及び位置や置き換えについては、通常環状流中のドライ
アウトが生じ易い上部から２番目、及びこれに対応して
上部から３番目のスペーサにだけ限定することや、ある
いは、環状流領域のみに実施するだけでなく、全てのス
ペーサを丸セルスペーサ20に置き換えることも必要に応
じて容易に可能である。また丸セルスペーサ20の適用に
際して、使用熱的余裕の判定を熱的に最も厳しい高さの
スペーサ一位置における水平断面において評価したり、
燃料棒毎の熱的余裕の評価を適当な解折手段により燃料
寿命中の最も厳しい値を採用することや、あるいは、熱
的に最も厳しい高さ位置にあるスペーサの少なくとも上
流側、即ち下部側のスペーサをすることは有効である。

【００２６】なお、図６の横断面図は、本発明の他の適
用例を示したもので、丸セルスペーサ24は、最も厳しい
スペーサ高さ断面における燃料棒毎の寿命中のＲ因子最
大値が図７の横断面図に示すような分布をなしている燃
料集合体25に対応したものである。なお、水ロッド３を
支持する部分には、図６の平面図に示すような丸セル状
の形状をしていないが、外側に面取りをした水ロッド枠
26もある。

【００２７】

【発明の効果】以上本発明によれば、熱的に余裕の小さ
い燃料棒に対しては、スペーサ入口部を燃料棒表面を流
れる液膜流に対する蒸気流の偏流強度が大きくなるよう
に傾斜を設けたことにより、燃料棒表面への液滴再付着
が促進され、液膜を厚膜化する。一方、熱的に比較的余
裕のある燃料棒、短尺燃料棒及び水ロッドに対しては、
入口部の傾斜方向を逆向きとして液滴の再付着を妨げ
て、周囲のより熱的に厳しい燃料棒表面に余分な液滴を
供給・再配分することにより、集合体内の燃料棒のドラ
イアウトを防止して燃料冷却性能を向上させ、燃料健全
性を高めると同時に燃料の運転領域を拡大し、、原子炉
の安全性と経済性を向上する効果がある。スペーサの投
影面積を変えていないため圧力損失特性、ひいては熱水
力的安定性を大きく悪化させない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスペーサの平面図。

【図２】本発明の丸セル枠の正面図（Ａ）と平面図
（Ｂ）。

【図３】本発明の丸セル枠の正面図（Ａ）と平面図
（Ｂ）。

【図４】本発明の燃料集合体の発熱量を表す横断面図。

【図５】本発明の燃料集合体の説明構成図。

【図６】本発明の他の適用例のスペーサの横断面図。

【図７】本発明の他の適用例の燃料集合体の発熱量を表
す横断面図。

【図８】従来の燃料集合体の横断面図。

【図９】従来の燃料集合体の一部切断正面図。

【図１０】従来のスペーサの平面図。

【図１１】従来の別の燃料集合体横断面図。

【図１２】従来の別の燃料集合体の発熱量を表す横断面
図。

【符号の説明】

23，25…燃料集合体、２…燃料棒、２ａ…熱余裕小の燃
料棒、２ｂ…熱余裕大の燃料棒、３…水ロッド、４…チ
ャンネルボックス、６…上部タイプレート、７…下部タ
イプレート、９…スペーサスプリング部材、10…サイド
バンド、11…フロータブ、13…短尺燃料棒、20，24…丸
セルスペーサ、21…内側面取りの丸セル枠、21ａ…内側
面取り、22…外側面取りの丸セル枠、22ａ…外側面取
り、24…丸セルスペーサ、26…外側に面取りの水ロッド
枠。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の燃料棒及び水ロッドに対して軸方
   向に複数個配設したスペーサで支持した燃料集合体にお
   いて、前記スペーサの燃料棒を囲むセル枠が熱的に余裕
   の小さい燃料棒に対しては冷却材の液膜の流れに向かう
   入口部の内側に傾斜を施すと共に、熱的に比較的余裕の
   ある燃料棒及び水ロッドに対してはセル枠あるいは水ロ
   ッド枠の入口部の外側に傾斜を施した丸セル枠を適用し
   たことを特徴とする沸騰水型原子炉の燃料集合体。