JPH05157867A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料装荷量を減少させずに、燃料集合体内を流
れる冷却材の圧力損失を低減させる燃料棒配置を提供す
る。 【構成】燃料棒１を三角格子状に配列した四体の小集合
体で構成し、これらの小集合体を９０°ずつ回転させて
正方のチャンネルボックス４内に配置するとともに、長
さが通常の燃料棒１よりも短く、かつ、上端部は切り取
った構造を持つ部分長燃料棒２を燃料集合体内に配置す
る。 【効果】燃料集合体内を流れる冷却材の気液二相流の圧
力損失を大幅に低減でき、炉心の安定性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉用燃料
集合体の構造に係わり、特に、燃料集合体において燃料
装荷量を多くしつつ、水，蒸気からなる二相流領域で生
じる圧力損失を低減させるのに好適な燃料集合体内の燃
料棒の配置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料集合体の気液二相流領域で生じる圧
力損失を低減させる方法の一つに、部分長燃料棒があ
る。部分長燃料棒は、特開昭62−194494号公報に示す様
な構造のもので、長さが通常の燃料棒よりも短く、かつ
上端部は切り取った構造となっている。

【０００３】また、従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体
には、燃料棒を正方格子に配列したものが使用されてい
るが、燃料集合体内のウラン装荷量を増加させる方法と
して、特開昭62−228193号および特願平2−266229 号に
示すように正方チャンネルボックス内に燃料棒を三角格
子状に配列するものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】部分長燃料棒を使用
し、正方チャンネルボックス内の上方において冷却材流
路面積を拡大すれば、圧力損失の低減には効果がある
が、部分長燃料棒の上端部の切り取った部分には燃料が
ないわけであるから燃料集合体あたりの装荷量は減少す
る。また、チャンネルボックス内に燃料棒を三角格子状
に配列した場合には、三角格子配列は最ちゅう密配列で
あるので、燃料棒径が同じ場合には正方格子配列よりも
燃料装荷量を多くできる。しかし、冷却材の流路面積が
減少するため、結果的に圧力損失の増加は避けられない
という問題がある。また、燃料の高燃焼度化を図るため
に、ウランの濃縮度を大きくした場合には、水ロッドを
使用するなどして燃料集合体内に確保すべき水領域を大
きくする必要がある。

【０００５】本発明の目的は、燃料サイクルコスト低減
のために検討されている高燃焼度燃料を使用した新型燃
料集合体において、燃料装荷量を減少させずに、燃料集
合体の圧力損失の増加を抑え、同時に燃料棒の熱的余裕
度が大きな燃料集合体を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する第
一の手段は、三角格子状に燃料棒および部分長燃料棒を
配列した四体の小集合体を９０°ずつ回転させて配置す
ることである。

【０００７】課題を解決する第二の手段は、部分長燃料
棒を複数本隣接して設置することにある。

【０００８】課題を解決する第三の手段は、複数本隣接
して設置した部分長燃料棒の上部の空間部に旋回流促進
用構造物を設けることである。

【０００９】

【作用】課題を解決する第一の手段による作用を、燃料
集合体の冷却材流動状況を参考にして説明する。図２に
示すように、沸騰水型原子炉の燃料集合体内では、冷却
材は下方から飽和温度以下の液単相流で流入し、燃料集
合体内で沸騰を開始し、蒸気と水の気液二相流となって
燃料集合体から出て行く。流路の摩擦損失は、同一質量
流量が流れる場合、液単相流よりも気液二相流のほうが
はるかに大きい。また、摩擦損失は蒸気の質量流量割合
が大きいほど大きくなる。燃料集合体内に上端部を切り
取った部分長燃料を複数本配置すれば、蒸気流量の大き
い燃料集合体の上方（下流側）で流路面積が大きくなる
ので、気液二相流の圧力損失の低減に効果がある。しか
し、部分長燃料棒の上端部の切り取った部分には燃料が
ないわけであるから燃料集合体あたりの装荷量は減少す
る。そこで、蒸気発生量が小さく摩擦損失の小さい燃料
集合体下方で、あらかじめ燃料装荷量を多くしておき、
部分長燃料を使用したとしても使用しない場合と同一の
燃料を装荷できるようにしておく案がある。この場合、
三角格子配列は、燃料棒ピッチを小さくすることなしに
最も多くの燃料棒を配置することができる。図３は現行
ＢＷＲ用チャンネルボックスを用いた燃料集合体で、燃
料装荷量を１７４kg、燃料棒ピッチを１３.０mm、燃料
棒径を１０.３mmの同一条件とした場合について正方格
子と三角格子の、冷却材，燃料および水ロッドそれぞれ
が占有する面積の、高さ方向の変化を示したものであ
る。図から明らかなように、三角格子では冷却材の流路
面積を上方で大幅に大きくすることが可能であって、気
液二相流の圧力損失の低減に効果があることがわかる。

【００１０】課題を解決する第二の手段による作用は、
以下のものがある。部分長燃料棒を複数本隣接して設置
することにより、燃料集合体の気液二相流の領域に大き
な空間部が形成される。気相は、大きな空間部に集まり
やすいという性質があるため、蒸気はこの空間部を流れ
やすくなり、気相と液相の分離が促進され流動抵抗が小
さくなる。従って、圧力損失の低減に効果がある。ま
た、液相の空間割合が大きくなるので、燃料の経済性も
向上する。

【００１１】課題を解決する第三の手段では、第二の手
段による作用に加え、気液二相流に旋回を与え、遠心力
により、気相と液相の分離をさらに促進するという作用
がある。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の第一の実施例で、燃料集合体
の水平方向断面を示したものである。チャンネルボック
ス４内に燃料棒１および部分長燃料棒２が三角格子状に
配列され、燃料集合体の中央部には四本の水ロッド３が
設置されている。まず、この第一実施例の小集合体配置
に関し、図４を参照しながら説明する。第一実施例で
は、図４の点線で区切られた小領域に２３本の燃料棒お
よび部分長燃料棒が三角格子状に配列されて小集合体を
構成し、これらの四体の小集合体は９０°ずつ回転して
正方のチャンネルボックス内に配置される。対称性から
明らかに、Ｌ１＝Ｌ２である。この第一実施例の燃料棒
配列の特徴の一つに、正方格子配列に比べ、燃料棒のピ
ッチＰを大きくできるということがある。現行のＢＷＲ
のチャンネルボックス内に燃料棒を十列×十列の正方格
子状に配置する場合、最大百本の燃料棒が配置でき、燃
料棒ピッチはＰ＝１３.０mm になるが、この第一実施例
の場合には最大９２本の燃料棒が配置でき、燃料棒ピッ
チはＰ＝１３.７mm に大きくすることができる。燃料棒
ピッチと燃料棒径が比例すると仮定すれば、この第１実
施例の配列では十列×十列の正方格子配列にくらべ、
２.２％ 燃料装荷量を増加させることができる。この値
は、集合体内の燃料装荷量を一定とした時、第一実施例
では正方格子配列よりも５／８部分長燃料棒を五本多く
使用できることに相当する。（作用）で述べたように、
燃料集合体内では、冷却材は液単相流から、気液二相流
へと変化して流れる。圧力損失は、同一質量流量が流れ
る場合、液相よりも気液二相流のほうがはるかに大き
く、燃料集合体内の冷却材流路面積を上方と下方で大き
く変化させることのできる本発明は、気液二相流領域で
の圧力損失の低減に大きな効果が期待できる。また、正
方格子状に燃料棒を配置した場合と圧力損失を同じに
し、燃料装荷量を増加させる、あるいは、燃料集合体内
の冷却材流路面積を正方格子状に燃料棒を配置したとき
よりも大きくしながら、燃料装荷量を幾分増加させると
いった中間的な配置も可能である。

【００１３】一方、集合体内の燃料棒は温度の上昇や、
照射による延び、冷却材の流れによる抗力等によって応
力をうけ、曲がりが生じるため、燃料棒の間隔を所定の
値に維持するようにスペーサが配置されている。この第
一実施例は、正方格子配列の場合よりも、燃料棒ピッチ
を大きくすることができるため、燃料棒を太くし、曲が
りに対する機械的強度を強くすることが可能である。あ
るいは、燃料棒間隔を広げ、燃料棒の曲がりに対する許
容度を大きくし、スペーサの数を減らし、圧力損失の低
減がはかれる可能性がある。

【００１４】また、核特性の観点からは、図１に示すよ
うに水ロッド３が燃料集合体の中央部にあるので、燃料
集合体の中央で発生する核分裂中性子をよく減速し、熱
中性子を多くして燃料集合体の熱中性子束を高め、燃料
集合体内の熱中性子束を平坦化するという効果もある。

【００１５】なお、特願平2−266229 号明細書に示すよ
うに正方チャンネルボックス内に燃料棒を三角格子状に
配列したものと本発明の三角格子状に配列した小集合体
を組み合わせて構成したものの違いは以下の点にある。

【００１６】正方チャンネルボックス内に燃料棒を三角
格子状に配置する場合、例えば、十列×十一列の配列が
可能で、チャンネルボックスの隣合う二辺に対応する両
端の燃料棒の間隔（図４参照）は、燃料棒ピッチを１
３.０mmとした場合Ｌ１＝117.0mm，Ｌ２＝１１２.６mm
となりチャンネルボックスと燃料棒の間隔は等しくなら
ない。このため、三角格子状の配置では燃料棒の燃焼度
にかたよりが生じることが考えられる。しかし、本発明
の配列では、図４に示すように、Ｌ１はＬ２と等しくな
るように配置されるため、燃料棒の配置に基づく燃焼度
のかたよりは小さくなる。

【００１７】図５は本発明の第二の実施例として十列×
十列の燃料集合体を示した例である。燃料集合体内の外
側の領域に三角格子状に燃料棒および部分長燃料棒を配
列した４体の小集合体があり、中央部に三列×三列の正
方格子状に燃料棒を配列した小集合体がある。この実施
例では、現行のＢＷＲのチャンネルボックス内に燃料棒
を最大１０９本配置でき、燃料棒ピッチは１２.８mm に
なる。図１の説明と同様にして評価すれば、この実施例
では十列×十列の正方格子配列に比べ、４.８％燃料装
荷量を増加させることができ、これは５／８部分長燃料
棒を１４本多く使用できることに相当する。なお、この
実施例では、四隅の燃料棒を約１mm内側によせることに
より、チャンネルボックス内の燃料棒のピッチＰを同じ
にできる。

【００１８】また、部分長燃料棒は三角格子配列部に配
置してあるが、これは以下の理由による。この実施例で
は、三角格子状配列と正方格子状配列で燃料棒ピッチが
同じ値となっているため正方格子状配列の方が流動抵抗
が小さく、冷却材流量の片よりが生じると予想できる。
そこで、三角格子状配列に部分長燃料棒を配置し、冷却
材流量の片よりを小さくしようとしているためである。

【００１９】図６は、図５の三角格子配列部の四本の燃
料棒を四本の水ロッドに置き換えた実施例である。ここ
では、水ロッドとして流路断面のアスペクト比が２：３
のものを実施例としたが、この形状は任意でよい。ただ
し、三角格子配列部に水相を確保するため水ロッドは三
角格子配列部におくものとする。

【００２０】図７は本発明の第二の実施例として十四列
×十四列の大型燃料集合体を示した例である。三角格子
状に燃料棒および部分長燃料棒を配列した四体の小集合
体と一体の正方格子状の燃料棒配置で構成され、三角格
子状の燃料集合体を９０°ずつ回転させて正方のチャン
ネルボックス内に配置している。図８はさらに、中央の
十六本の燃料棒を四本の水ロッドに置き換えた実施例で
ある。このようにすると、太径の水ロッド３が燃料集合
体の中央に設置しているので、燃料集合体の中央で発生
する核分裂中性子をよく減速し、熱中性子を大きくして
燃料集合体の熱中性子束を高め、燃料集合体内の熱中性
子束を平坦化するという効果が期待できる。

【００２１】図９は本発明の第三の実施例を示したもの
である。燃料集合体内で熱的に最も厳しい条件にさらさ
れる燃料棒は、通常の場合チャンネルボックスの隅部に
近いａあるいはｂの燃料棒である可能性が高いとされて
いる。そこで、この実施例では、これらの熱的に最も厳
しくなると予想される燃料棒を部分長燃料棒として燃料
棒の上部を切り取った構造としたものである。このよう
な構造とすることにより、燃料集合体の熱的許容度を大
きくすることができる。

【００２２】図１０は本発明の第四の実施例を示したも
のである。沸騰水型原子炉の燃料棒では液膜が消失する
ドライアウトが熱的に最も厳しい状況となる。燃料集合
体の上部では冷却材は気液二相流として、液相と気相が
混在して流れている。また、気相部分にも液滴が含まれ
ている。そこで、上端部を切り取った部分長燃料棒２の
上部の空間部に旋回流促進用構造物（この図中には示さ
れていない）を設け、旋回流を発生させると、質量の大
きな液相および液滴は遠心力により周囲の燃料棒の方向
に移動するので燃料棒１に液相が供給され、燃料棒１の
ドライアウトを抑止させるという効果が期待できる。

【００２３】図１１は、本発明の第五の実施例を示した
ものである。部分長燃料棒２の一本ごとに旋回流促進用
構造物６を取付けた実施例で、旋回流促進用構造物６
は、らせん状の板材で構成されており部分長燃料棒の上
端に取付けられる。図１２は更に、三本の隣接する部分
長燃料棒２の上部の空間部に旋回流促進用構造物６を設
けた例で、旋回流促進用構造物６は、三本の部分長燃料
棒の上端に取付けられた円管と円管内部のらせん状の板
材から構成されている。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、燃料集合体内を流れる
冷却材の気液二相流の摩擦圧力損失を大幅に低減できる
ので、炉心の流動安定性が向上する。また、圧力損失の
低減はそれ自体、ポンプ動力の低減，定格流量増大によ
る運転の自由度が拡大する。また、本発明による燃料集
合体を装荷すれば、炉心自体を小型化することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例による燃料集合体の燃料棒
の配置図。

【図２】燃料集合体における冷却材の流動状態を示す断
面図。

【図３】燃料集合体の流路面積の変化を比較した説明
図。

【図４】本発明の第一実施例の燃料棒配置を示す配置
図。

【図５】本発明の第二実施例による燃料集合体の燃料棒
の配置図。

【図６】本発明の第二実施例による燃料集合体の燃料棒
の配置図。

【図７】本発明の第三実施例による燃料集合体の燃料棒
の配置図。

【図８】本発明の第三実施例による燃料集合体の燃料棒
の配置図。

【図９】本発明の第四実施例による燃料集合体の燃料棒
の配置図。

【図１０】本発明の第五実施例による燃料集合体の燃料
棒の配置図。

【図１１】本発明の第五実施例による旋回流促進用構造
物の説明図。

【図１２】本発明の第五実施例による旋回流促進用構造
物の斜視図。

【符号の説明】

１…燃料棒、２…部分長燃料棒、３…水ロッド、４…チ
ャンネルボックス、５…スペーサ、６…旋回流促進用構
造物。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三角格子状に燃料棒および部分長燃料棒を
   配列した四体の小集合体で構成する燃料集合体におい
   て、これらの各小集合体を９０°ずつ回転させて正方の
   チャンネルボックス内に配置し、前記チャンネルボック
   スの一面に面した最外周燃料棒のうち、連続した複数の
   燃料棒のピッチをＰとし、残りの連続した複数の燃料棒
   のピッチをルート３Ｐとし、少なくとも一本以上の燃料
   棒が他の燃料棒よりも短い部分長燃料棒であることを特
   徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】三角格子状に燃料棒および部分長燃料棒を
   配列した四体の小集合体と正方格子状に燃料棒を配列し
   た一体の小集合体で構成する燃料集合体において、三角
   格子状に配列したこれらの各小集合体を９０°ずつ回転
   させて正方のチャンネルボックス内に配置し、チャンネ
   ルボックス内で最隣接する燃料棒のピッチをＰとし、少
   なくとも一本の燃料棒が他の燃料棒よりも短い部分長燃
   料棒であることを特徴とする燃料集合体。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、前記チ
   ャンネルボックスの四隅に位置する燃料棒およびそれら
   に隣接する燃料棒のうち、少なくとも一本が部分長燃料
   棒である燃料集合体。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、前記部分
   長燃料棒のうち少なくとも二本の部分長燃料棒が隣接し
   て配置されている原子炉の燃料集合体。
5. 【請求項５】請求項４において、前記部分長燃料棒の上
   部空間に旋回流促進用構造物をもつ原子炉の燃料集合
   体。