JPH0580172A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高燃焼度燃料を装荷した炉心において、炉停止
余裕やボイド反応度係数を改善し、炉の制御性を向上さ
せるための集合体構造を提供する。 【構成】燃料体１の上部領域において下部領域よりもチ
ャンネルボックス７の内側断面積が小さく、かつ、中性
子減速棒の面積を小さくする。 【効果】炉停止余裕に影響の大きな炉心上部で冷温時反
応度上昇量やボイド係数絶対値が小さくなり、炉心反応
度に影響の大きな炉心下部で集合体無限増倍率が大きく
なるので、効果的に炉停止余裕やボイド反応度特性を改
善できる。

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、及び、チャンネルボックスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ウラン資源の有効利用と使用済燃料発生
量の削減を目的として軽水炉燃料の高燃焼度化が進めら
れており、これにともなってウラン濃縮度は増加する傾
向にある。ウラン濃縮度の増加により、ボイド反応度係
数はより負になり、また、通常運転状態に対する冷温状
態での反応度上昇量も増加する。沸騰水型原子炉では、
熱水力フィードバック効果を含む炉心動特性や炉停止余
裕など、炉の制御性の観点から、ボイド反応度係数や冷
温時反応度上昇量を適切な値に保つ必要がある。ボイド
係数や冷温時反応度上昇量を調整する方法として、中性
子減速材である水の量を調整することが知られている。
沸騰水型原子炉では、燃料集合体下部からチャンネルボ
ックス内に飽和状態に近い水が流入し、燃料棒からの伝
熱により発生した蒸気ボイドを含む二相流となって燃料
集合体上端から流出する。燃料集合体間はほぼ飽和状態
にある水ギャップ領域となっているほか、チャンネルボ
ックス内部にも飽和水領域を形成するため、水ロッドを
燃料集合体中央付近に配置する場合がある。

【０００３】特開昭63−231293号公報では、冷温時反応
度上昇量を低減するには、燃料集合体間の水ギャップ領
域を増すのが有効であることが示されている。また、特
開昭63−261191号公報では、冷却材流れの下流であり、
通常運転時に高いボイド率となる燃料集合体上部の冷温
時反応度上昇量を低減することで、効果的に炉停止余裕
を増大できるとの知見により、チャンネルボックス上部
の厚みを減らして水ギャップ領域を増加する構造が示さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】沸騰水型原子炉の炉心
内は、燃料物質の領域，蒸気ボイドを含む二相流流路，
蒸気ボイドがほとんど発生しない飽和水領域、そして、
構造材領域に分類できる。飽和水領域の割合を増やすこ
とによってボイド反応度係数や冷温時反応度上昇量を低
減できるが、このとき他の領域は犠牲になるので、飽和
水領域を効果的に分布させることが重要である。

【０００５】特開昭63−231293号公報に記載の燃料集合
体では、炉停止余裕改善効果が小さい燃料集合体下部で
水ギャップ領域が無駄になっている。特開昭63−261191
号公報に記載のチャンネルボックスではこの点が考慮さ
れているが、チャンネルボックス肉厚の減少にともなっ
て強度が低下するので、水ギャップ領域の大幅な増加が
難しいという問題がある。

【０００６】本発明の目的は、チャンネルボックス内外
の飽和水分布に注目して、二相流流路と構造材領域を十
分に確保しつつ、ボイド反応度係数や冷温時反応度上昇
量を低減することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、チャンネル
ボックス内側断面積が下部よりも小さい領域を燃料集合
体上部に設け、チャンネルボックス内側断面積が小さい
領域における中性子減速棒断面積を、チャンネルボック
ス内側断面積の広い領域における中性子減速棒断面積よ
りも小さくすることによって上記目的を達成する。

【０００８】また、チャンネルボックス内部では、上記
のチャンネルボックス形状に対応して、燃料棒間隔を保
つスペーサの最外周部で定義される断面図形の面積をス
ペーサの断面積とするとき、より下側におかれたスペー
サの断面積よりも小さな断面積のスペーサが存在し、断
面積の小さなスペーサ部分の減速棒断面積が、断面積の
大きなスペーサ部分の減速棒断面積よりも小さいという
特徴をもつ。

【０００９】燃料集合体上部におけるチャンネルボック
ス内側断面積を小さくして、水ギャップ領域を増やす一
つの方法は、側面の一部を内側に張り出させることであ
る。長さの短い短尺燃料棒をチャンネルボックスに面し
た位置に配置し、その上側の燃料棒がない領域でチャン
ネルボックスを張り出させることで水ギャップ領域を拡
大する。

【００１０】

【作用】図２は水ギャップ面積と水ロッド面積の和を一
定としたとき、両者の比率と冷温時反応度上昇量、及
び、二相流領域の蒸気ボイド率が４０％のときの中性子
無限増倍率との関係を示している。水ギャップ面積割合
が大きいと、減速された中性子がギャップ水で無駄吸収
される割合が増し、過減速状態に近づくので冷温時反応
度上昇は小さくなる。一方、水ロッド面積割合が大きい
ほど集合体中の減速材分布が平坦化されるので通常運転
時の中性子増倍率は高くなる。この傾向は、燃料集合体
中に水ロッドではなく固体減速材を置く場合も同様であ
る。

【００１１】本発明の燃料集合体では、炉停止余裕に影
響が大きい燃料集合体の上部で中性子減速棒の占める面
積が小さく、水ギャップ面積が大きいので、二相流流路
を確保しつつ、冷温時反応度上昇量を低減できる。ま
た、通常運転時の炉心の中性子増倍率に影響が大きい燃
料集合体下部領域では大きな面積の中性子減速棒が存在
するので、高い経済性を得ることができる。

【００１２】燃料集合体の上部で水ギャップ領域を広く
とるためにチャンネルボックス内側を狭くする場合、燃
料棒とチャンネルボックスの間隔が極端に狭くなると燃
料集合体の限界熱出力が低下するおそれがある。本発明
で示す、短尺燃料棒の上側でチャンネルボックスを内側
に張り出す構造は、燃料棒とチャンネルボックスの間隔
を狭めることなく広い水ギャップ領域を確保できる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）図１に本発明を適用した燃料集合体の構造
を示す。燃料棒１が９×９正方格子状に配置され、中央
部に太径の水ロッド４が二本置かれている。燃料棒のう
ち八本は通常の燃料棒よりも長さの短かい短尺燃料棒
２，３である。短尺燃料棒２は通常の燃料のほぼ１４／
２４の長さ、短尺燃料棒３は通常の燃料棒のほぼ１７／
２４の長さである。これらはスペーサ５，６によって互
いの間隔が保持されている。これらを取り囲むようにチ
ャンネルボックス７が置かれる。

【００１４】短尺燃料棒２はチャンネルボックスに面す
る位置に置かれ、その上端よりも上側の燃料棒がない領
域でチャンネルボックスが内側に張り出している。この
ため、下部断面におけるチャンネルボックス内側面積よ
りも上部断面におけるチャンネルボックス内側面積の方
が小さい。水ロッドは、チャンネルボックスが狭くなる
部分より上側において径が小さくなり、断面積は下部よ
りも減少している。上部領域は下部領域に比べて、水ロ
ッド面積が小さく、水平断面内の燃料棒数が少ないの
で、チャンネルボックス内側断面積は小さいが、冷却材
の二相流流路面積は下部領域に比べて大きくなってい
る。

【００１５】図３は上部領域のスペーサ５と下部領域の
スペーサ６の断面図である。太線で示される各々のスペ
ーサの外周部図形の内部面積に着目すると、チャンネル
ボックス内側が狭い上部領域に置かれるスペーサ５の方
が小さい。

【００１６】本集合体を炉心に装荷すると、上部領域に
広い水ギャップが確保される。上部断面における平均ウ
ラン濃縮度が４.５重量％ のとき、上部領域でも水ロッ
ドを太いままとし、チャンネルボックスを内側に張り出
させない場合と比べると、飽和水領域面積，二相流流路
面積，燃料領域面積は同一であっても、図１の上部水平
断面に示す構成にすることで、ボイド率４０％状態から
冷温状態に移るときの反応度上昇量を未燃焼時で約０.
６％Δｋ 低減できる。これにより、本集合体を装荷し
た炉心の炉停止余裕が向上する。炉心の運転時反応度に
影響の大きい、集合体下部から中央部にかけては太径水
ロッドが存在し、十分な中性子減速効果が得られるの
で、高い経済性を維持できる。

【００１７】（実施例２）図４は本発明をプルトニウム
−ウラン混合酸化物燃料を含む燃料集合体に適用した例
である。プルトニウム−ウラン混合酸化物燃料を充填し
た燃料棒が８×８格子状に配置され、水平断面中央部に
太径水ロッドが置かれている。集合体上部では水ロッド
径が下部より小さく、また、チャンネルボックスの側面
が内側に張り出してチャンネルボックス内側断面積は下
部領域よりも小さくなっている。

【００１８】プルトニウムを含む燃料は濃縮ウラン燃料
に比べて、冷温時反応度上昇量の増加量やボイド反応度
係数が負になる程度が非常に大きくなるが、本発明の構
成により核特性を改善できる。本集合体は図１の燃料集
合体に比べて上部での水ギャップ拡大量が小さいが、チ
ャンネルボックスの構造が単純で、製作性に優れる特徴
がある。

【００１９】（実施例３）図５は本発明を六角柱状のチ
ャンネルボックスを装着した燃料集合体に適用した例で
ある。燃料棒は三角格子状に配列され、六本の水ロッド
をもつ。集合体最外周は全て短尺燃料棒が配置されてお
り、それらの上側でチャンネルボックスが一様に狭くな
っている。またチャンネルボックスが狭い上部領域では
水ロッドの断面積も小さくなっている。

【００２０】この燃料集合体を、下部領域で水ギャップ
領域がほとんどなくなるように近接させて配置した炉心
は、現行の沸騰水型原子炉のように広い水ギャップを持
つ炉心に比べ、減速材が均一に分布しているので炉心反
応度を高くできる。さらに、上部領域では広い水ギャッ
プ領域を持つので炉停止余裕は小さく、炉心のボイド反
応度係数も低く抑えることができる。

【００２１】（実施例４）図６は本発明の他の実施例で
あり、図１の燃料集合体と同様に９×９格子燃料棒配列
の集合体である。本実施例では、四本の短尺燃料棒を集
合体コーナ部に配置し、その上端の上側でチャンネルボ
ックスを内側に張り出させている。また、集合体中央に
正方形断面の大型水ロッドを一本配置しており、チャン
ネルボックスが狭くなる上部領域では、水ロッド断面積
が小さい。

【００２２】この燃料集合体では上部領域で集合体コー
ナ部の飽和水量が増しているため、図１の集合体よりも
冷温時反応度上昇量やボイド反応度係数を改善する効果
が大きい。燃料棒の数が少ないので、線出力密度等の熱
的な制限に対する余裕は小さくなる。

【００２３】（実施例５）水ロッドのかわりにジルコニ
ウムハイドライド等を用いた中性子減速棒をもつ燃料集
合体でも同様の効果が得られる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の構成により、高いウラン濃縮度
やプルトニウム燃料を用いた場合でも、炉心の運転時反
応度や冷却材による除熱特性、そして、集合体の構造的
強度などを悪化させることなく、炉停止余裕やボイド反
応度係数などの制御性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の燃料集合体の断面図。

【図２】飽和水分布と集合体の反応度特性図。

【図３】本発明の第一の実施例のスペーサの断面図。

【図４】本発明の第二の実施例の燃料集合体構造の断面
図。

【図５】本発明の第三の実施例の燃料集合体構造の断面
図。

【図６】本発明の第四の実施例の燃料集合体構造の断面
図。

【符号の説明】

１…燃料棒、２…短尺燃料棒、３…短尺燃料棒、４…水
ロッド、５…上部領域スペーサ、６…下部領域スペー
サ、７…チャンネルボックス。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の燃料棒と一つ以上の中性子減速棒が
   筒状のチャンネルボックスによって囲まれて冷却材流路
   が形成される燃料集合体の上半分において、前記チャン
   ネルボックスの内側断面積が下側よりも小さい領域が存
   在し、前記チャンネルボックスの内側断面積が小さい領
   域における前記中性子減速棒の断面積が、下部の前記チ
   ャンネルボックスの内側断面積の広い領域における前記
   中性子減速棒の断面積よりも小さいことを特徴とする燃
   料集合体。
2. 【請求項２】複数の燃料棒と一つ以上の中性子減速棒と
   複数のスペーサをもち、前記スペーサの最外周部で定義
   される断面図形の面積を前記スペーサの断面積とすると
   き、より下側に置かれた前記スペーサの断面積よりも小
   さな断面積をもつスペーサが存在し、断面積の小さな前
   記スペーサ部分の中性子減速棒断面積が、断面積の大き
   な前記スペーサ部分の中性子減速棒断面積よりも小さい
   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２において、前記中性子減
   速棒は前記燃料集合体の断面において最外周以外の部分
   に配置される燃料集合体。
4. 【請求項４】請求項１または２において、前記中性子減
   速棒は水ロッドである燃料集合体。
5. 【請求項５】請求項１または２において、前記中性子減
   速棒の減速材はジルコニウムハイドライド等の固体減速
   材である燃料集合体。
6. 【請求項６】請求項１において、前記燃料棒や前記中性
   子減速棒を除く二相流流路の面積に注目したとき、前記
   チャンネルボックス内側の断面積が狭い領域の二相流流
   路面積が、前記チャンネルボックス内側の断面積の広い
   領域における二相流流路面積以上である燃料集合体。
7. 【請求項７】請求項１において、長さの短い複数の短尺
   燃料棒をもち前記短尺燃料棒の一部が前記チャンネルボ
   ックスに面して配置され、その上端より上側の燃料棒が
   存在しない領域で前記チャンネルボックスが内側に張出
   している燃料集合体。
8. 【請求項８】請求項１に記載の燃料集合体を格子状に配
   列して構成した沸騰水型原子炉の炉心。
9. 【請求項９】下部において内側断面の形状が正方形また
   は正六角形であり、上半分において、側面の一部または
   全部が内側に張出し、内側面積が下部よりも小さくなっ
   ている部分が存在することを特徴とするチャンネルボッ
   クス。