JPH0718939B2 - 原子炉燃料集合体 - Google Patents
原子炉燃料集合体Info
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- JPH0718939B2 JPH0718939B2 JP61085182A JP8518286A JPH0718939B2 JP H0718939 B2 JPH0718939 B2 JP H0718939B2 JP 61085182 A JP61085182 A JP 61085182A JP 8518286 A JP8518286 A JP 8518286A JP H0718939 B2 JPH0718939 B2 JP H0718939B2
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- fuel assembly
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は原子炉燃料集合体、特に熱的余裕を大きくする
ようにした原子炉燃料集合体に関する。
ようにした原子炉燃料集合体に関する。
（従来の技術） 一般に、原子炉炉心設計においては、通常運転時及び運
転時の異常な過渡変化時において燃料の許容設計限界を
越えることのないように、いくつかの規準を満たすこと
が要求されている。
転時の異常な過渡変化時において燃料の許容設計限界を
越えることのないように、いくつかの規準を満たすこと
が要求されている。
沸騰水型軽水炉の炉心熱設計及び運転上の熱的制限にお
いては、運転員の単一誤操作あるいは機器の単一故障に
起因する過渡状態においても、炉心全燃料のうち健全な
熱的除去性の確保されるものが、確率的にある値以上と
なるように定められている。このような熱的健全性に関
する指標として現在用いられているものとしては、最小
限界出力比（MCPR:Minimum Critical Power Ratio）が
あり、上記の条件を満たすように運転限界最小限界出力
比（OLMCPR:Operational Limit MCPR）などが定められ
ている。
いては、運転員の単一誤操作あるいは機器の単一故障に
起因する過渡状態においても、炉心全燃料のうち健全な
熱的除去性の確保されるものが、確率的にある値以上と
なるように定められている。このような熱的健全性に関
する指標として現在用いられているものとしては、最小
限界出力比（MCPR:Minimum Critical Power Ratio）が
あり、上記の条件を満たすように運転限界最小限界出力
比（OLMCPR:Operational Limit MCPR）などが定められ
ている。
従って、燃料集合体あたりの運転出力を上げるために
は、熱的限界出力（Critical Power）の高い燃料集合体
設計が求められており、ハード設計（スペーサ，燃料棒
etc）及びソフト設計（燃料管理etc）がその目的の１つ
となっている。このような設計に存在する設計パラメー
タの中で、燃料集合体限界出力に影響を及ぼすものに
は、下記の事項が考えられる。
は、熱的限界出力（Critical Power）の高い燃料集合体
設計が求められており、ハード設計（スペーサ，燃料棒
etc）及びソフト設計（燃料管理etc）がその目的の１つ
となっている。このような設計に存在する設計パラメー
タの中で、燃料集合体限界出力に影響を及ぼすものに
は、下記の事項が考えられる。
1.燃料集合体流量 2.燃料表面熱流束 3.軸方向／径方向出力分布 ところで、上記第１番目の燃料集合体流量の増加によ
り、燃料集合体限界出力は増加することが知られてお
り、また、小さな圧力損失特性の燃料集合体設計，炉心
流量の増加により、燃料集合体出力を増加させることが
できる。さらに、次の第２番目の燃料表面熱流束の低下
（伝熱面積の増加）により燃料集合体限界出力は増加す
ることが知られており、燃料棒加熱ぬれ縁長さの増加，
燃料棒線出力密度の低下などにより、燃料集合体限界出
力を増加させることができる。
り、燃料集合体限界出力は増加することが知られてお
り、また、小さな圧力損失特性の燃料集合体設計，炉心
流量の増加により、燃料集合体出力を増加させることが
できる。さらに、次の第２番目の燃料表面熱流束の低下
（伝熱面積の増加）により燃料集合体限界出力は増加す
ることが知られており、燃料棒加熱ぬれ縁長さの増加，
燃料棒線出力密度の低下などにより、燃料集合体限界出
力を増加させることができる。
そして、第３番目の軸方向／径方向出力分布を平坦化す
ることによっても燃料集合体限界出力は増加することが
知られており、これは燃料集合体内の濃縮度分布の調
整，水ロッドの導入，可燃性毒物の付加などにより様々
な高限界出力設計がなされている。
ることによっても燃料集合体限界出力は増加することが
知られており、これは燃料集合体内の濃縮度分布の調
整，水ロッドの導入，可燃性毒物の付加などにより様々
な高限界出力設計がなされている。
一方、燃料棒内の燃料ペレットの濃縮度を軸方向に分布
させることについては、軸方向出力分布を平坦化し、核
燃料利用効率を向上させるものとして、特開昭56−1028
3号公報などがあるが、この公報に開示されたものは熱
的限界出力については何等考慮されてなく、また、熱的
限界出力向上を目的としたものとしては、特開昭60−17
1483号公報などがあるが、この公報に開示されたものは
コーナ燃料棒より対角線上に一層内側の燃料棒の外径を
他の燃料棒の外径よりも小さくするものであり、これで
は燃料集合体あたりの核燃料重量及び伝熱面積が減少す
るため、燃料集合体出力，燃料集合体内出力分布が変わ
ることが予想され不具合である。なお、軸方向出口側の
短い範囲で細径燃料棒を採用することも考えられるが、
軸方向に直径の異なる燃料棒を含む燃料集合体は、製
造，組立てが難しいという不具合がある。
させることについては、軸方向出力分布を平坦化し、核
燃料利用効率を向上させるものとして、特開昭56−1028
3号公報などがあるが、この公報に開示されたものは熱
的限界出力については何等考慮されてなく、また、熱的
限界出力向上を目的としたものとしては、特開昭60−17
1483号公報などがあるが、この公報に開示されたものは
コーナ燃料棒より対角線上に一層内側の燃料棒の外径を
他の燃料棒の外径よりも小さくするものであり、これで
は燃料集合体あたりの核燃料重量及び伝熱面積が減少す
るため、燃料集合体出力，燃料集合体内出力分布が変わ
ることが予想され不具合である。なお、軸方向出口側の
短い範囲で細径燃料棒を採用することも考えられるが、
軸方向に直径の異なる燃料棒を含む燃料集合体は、製
造，組立てが難しいという不具合がある。
（発明が解決しようとする問題点） そこで、本発明者らは燃料集合体限界出力に影響を及ぼ
す事項のうち、燃料集合体径方向出力分布に着目して高
限界出力特性を持つ燃料集合体を得ようとするものであ
る。
す事項のうち、燃料集合体径方向出力分布に着目して高
限界出力特性を持つ燃料集合体を得ようとするものであ
る。
沸騰水型原子炉炉心には第３図に示すように燃料集合体
が装荷されている。すなわち、第３図にはチャンネルボ
ックス４内に８×８＝64本の燃料棒６が収納された例を
示しているが、各燃料棒ごとの出力の相異によって、燃
料集合体の径方向には平坦ではない出力分布が生じてい
る。ここで、５は制御棒、７は水ロッド、８は副流路を
示す。ところで、最大出力燃料棒またはその近傍の燃料
棒の出力が増し、燃料集合体の径方向出力ピーキング係
数が増加すると、周辺の冷却材に加わる出力密度が増す
ため、第４図に示すように、径方向出力ピーキングが増
すと共に、燃料集合体の限界出力は低下する。
が装荷されている。すなわち、第３図にはチャンネルボ
ックス４内に８×８＝64本の燃料棒６が収納された例を
示しているが、各燃料棒ごとの出力の相異によって、燃
料集合体の径方向には平坦ではない出力分布が生じてい
る。ここで、５は制御棒、７は水ロッド、８は副流路を
示す。ところで、最大出力燃料棒またはその近傍の燃料
棒の出力が増し、燃料集合体の径方向出力ピーキング係
数が増加すると、周辺の冷却材に加わる出力密度が増す
ため、第４図に示すように、径方向出力ピーキングが増
すと共に、燃料集合体の限界出力は低下する。
しかして、伝熱表面の熱的健全性の損なわれる事象は、
熱伝達モードが核沸騰から遷移沸騰または膜沸騰に移行
することから沸騰遷移（Boiling Transition）と呼ばれ
る。限界出力特性を沸騰遷移の発生する燃料棒に着目す
ると、第５図に示すように、冷却材の蒸気クォリティ
（全流量に対する蒸気流量の比）と限界熱流束（Critic
al Heat Finx）との関係が得られている。蒸気クォリテ
ィＸは下記（１）式で定義される。
熱伝達モードが核沸騰から遷移沸騰または膜沸騰に移行
することから沸騰遷移（Boiling Transition）と呼ばれ
る。限界出力特性を沸騰遷移の発生する燃料棒に着目す
ると、第５図に示すように、冷却材の蒸気クォリティ
（全流量に対する蒸気流量の比）と限界熱流束（Critic
al Heat Finx）との関係が得られている。蒸気クォリテ
ィＸは下記（１）式で定義される。
hfg:蒸発潜熱 ΔhSUB:入口サブクール度 W:冷却材流量 Q:冷却材に加えられる熱 上記（１）式を第３図で示す燃料棒6a,6b,6c,6dで囲ま
れた副流路８に対して適用すると、θは下記（２）式で
表現することができる。
れた副流路８に対して適用すると、θは下記（２）式で
表現することができる。
θ＝∫dz（PQ 1・q1＋PQ 2・q2 ＋PQ 3・q3＋PQ 4・q4＋δｑ） …（２） PQi:副流路８に面する燃料棒６のぬれ線長さ qi:副流路８に面する燃料棒表面熱流束 δqi:副流路８の周辺副流路より流入する熱 沸騰遷移発生時のクオリティに到達する状況は、（１）
（２）式を通じて燃料棒出力と関係している。この経緯
を概念的に説明すると、熱的余裕度の比較的小さな燃料
棒6dの出力が低下によって周辺の燃料棒からより多くの
熱を冷却材に加えることができ、その増加巾が燃料棒6d
の低下巾を上回るため全体として集合体限界出力が増加
する。
（２）式を通じて燃料棒出力と関係している。この経緯
を概念的に説明すると、熱的余裕度の比較的小さな燃料
棒6dの出力が低下によって周辺の燃料棒からより多くの
熱を冷却材に加えることができ、その増加巾が燃料棒6d
の低下巾を上回るため全体として集合体限界出力が増加
する。
原子炉燃料集合体は、第６図に示すように、燃料集合体
９を構成する多数の燃料棒６の間隔を一定に保つための
スペーサ10が設置されている。このスペーサ10が燃料集
合体９の熱的限界出力特性に及ぼす効果は、軸方向流れ
を撹拌し、冷却材の熱除去性を高めるというプラスの作
用のあることが知られている。なお、11は下部タイプレ
ート,12は有効加熱部である。このため、実規模の模擬
燃料集合体を用いた限界出力測定試験によると、最も早
く沸騰遷移の発生する軸方向位置は、炉心の経験する大
半の軸方向出力分布に対して、有効加熱部の上端から１
つまたは２つ目のスペーサ直上流部となることが報告さ
れている。
９を構成する多数の燃料棒６の間隔を一定に保つための
スペーサ10が設置されている。このスペーサ10が燃料集
合体９の熱的限界出力特性に及ぼす効果は、軸方向流れ
を撹拌し、冷却材の熱除去性を高めるというプラスの作
用のあることが知られている。なお、11は下部タイプレ
ート,12は有効加熱部である。このため、実規模の模擬
燃料集合体を用いた限界出力測定試験によると、最も早
く沸騰遷移の発生する軸方向位置は、炉心の経験する大
半の軸方向出力分布に対して、有効加熱部の上端から１
つまたは２つ目のスペーサ直上流部となることが報告さ
れている。
このようなことから、前述の沸騰遷移発生時の蒸気クォ
リティの増加が実現できる燃料棒表面熱流束の低減は、
たかだか軸方向有効加熱部上端から２つ目のスペーサ下
端より数cm上流側より、有効加熱部上端までの範囲と考
えられる。
リティの増加が実現できる燃料棒表面熱流束の低減は、
たかだか軸方向有効加熱部上端から２つ目のスペーサ下
端より数cm上流側より、有効加熱部上端までの範囲と考
えられる。
したがって、本発明は、通常運転時及び運転時の異常な
過渡変化時における熱的限界出力を高め、熱的余裕の大
きな燃料集合体を提供することを目的とするものであ
る。
過渡変化時における熱的限界出力を高め、熱的余裕の大
きな燃料集合体を提供することを目的とするものであ
る。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために、チャンネルボッ
クス内に多数の燃料棒を収容してなる原子炉燃料集合体
において、前記燃料棒のうち熱的余裕の小さな燃料棒の
有効加熱部の上端から略1/3より上方にあるスペーサの
うち一番下方にあるスペーサの下端より少し下に配置さ
れている燃料ペレットより上方に配置されている燃料ペ
レットを当該燃料棒の他の燃料ペレットよりその濃縮度
を低減させるように構成したしたものである。
クス内に多数の燃料棒を収容してなる原子炉燃料集合体
において、前記燃料棒のうち熱的余裕の小さな燃料棒の
有効加熱部の上端から略1/3より上方にあるスペーサの
うち一番下方にあるスペーサの下端より少し下に配置さ
れている燃料ペレットより上方に配置されている燃料ペ
レットを当該燃料棒の他の燃料ペレットよりその濃縮度
を低減させるように構成したしたものである。
ところで、最も熱的余裕の小さな燃料格子点位置につい
ては、例えば燃料集合体が炉心に存在する期間内で最小
の限界出力比（MCPR）を生ずる燃料格子点位置を採用す
ることができる。当該格子点位置の濃縮度低下による燃
料集合体出力また燃料集合対内径方向出力分布プロフィ
ールの変化は、当該燃料棒を限定することにより十分小
さくすることができる。また、チャンネルボックスに囲
まれた燃料集合体構成については、チャンネルボックス
側面から数えて２番目の格子位置の燃料集合体が熱的余
裕が相対的に低いことが知られている。なお、限界出力
の増加は軸方向全長に亘って低濃縮度にすることによっ
ても達成できるが、核燃料重量が減少するため適切では
ない。
ては、例えば燃料集合体が炉心に存在する期間内で最小
の限界出力比（MCPR）を生ずる燃料格子点位置を採用す
ることができる。当該格子点位置の濃縮度低下による燃
料集合体出力また燃料集合対内径方向出力分布プロフィ
ールの変化は、当該燃料棒を限定することにより十分小
さくすることができる。また、チャンネルボックスに囲
まれた燃料集合体構成については、チャンネルボックス
側面から数えて２番目の格子位置の燃料集合体が熱的余
裕が相対的に低いことが知られている。なお、限界出力
の増加は軸方向全長に亘って低濃縮度にすることによっ
ても達成できるが、核燃料重量が減少するため適切では
ない。
（作 用） 上記したように、本発明の燃料集合体は熱的余裕の小さ
な燃料格子位置（2,2）にある燃料棒内の上部にあるペ
レットの濃縮度をこの燃料棒内の他のペレットの濃縮度
より低減させているので、燃料表面熱流束を低下させる
ことになり、燃料集合体の限界出力を増加させることが
できる。
な燃料格子位置（2,2）にある燃料棒内の上部にあるペ
レットの濃縮度をこの燃料棒内の他のペレットの濃縮度
より低減させているので、燃料表面熱流束を低下させる
ことになり、燃料集合体の限界出力を増加させることが
できる。
（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して参照する。
第１図は本発明の一実施例の断面図を示すもので、同図
に示すように、チャンネルボックス１内には８×８本の
燃料棒３が収納されている。このうち、チャンネルボッ
クス１側から数えて２番目に配置されている４本の燃料
棒3aの濃縮度を第２図（ａ）に示すように低減させる。
即ち、沸騰遷移発生可能域即ち、有効加熱部上端より２
つ目のスペーサ下端より２〜3cm上流側から有効加熱部
上端の間について低減させた例を示している。この燃料
棒3aの位置の濃縮度、従って出力を下げることは、自分
自身のみならず周囲ロッドの熱的余裕を増す効果もあ
る。このような濃縮度の低下により、燃料棒3aの相対出
力LPFは、下式（３）で表わされる。
に示すように、チャンネルボックス１内には８×８本の
燃料棒３が収納されている。このうち、チャンネルボッ
クス１側から数えて２番目に配置されている４本の燃料
棒3aの濃縮度を第２図（ａ）に示すように低減させる。
即ち、沸騰遷移発生可能域即ち、有効加熱部上端より２
つ目のスペーサ下端より２〜3cm上流側から有効加熱部
上端の間について低減させた例を示している。この燃料
棒3aの位置の濃縮度、従って出力を下げることは、自分
自身のみならず周囲ロッドの熱的余裕を増す効果もあ
る。このような濃縮度の低下により、燃料棒3aの相対出
力LPFは、下式（３）で表わされる。
Ai:燃料棒線出力P :燃料集合体平均の燃料棒線出力 NH:燃料集合体内の燃料棒本数 したがって、相対出力は第２図（ｂ）に示すように、濃
縮度の低減に対応して低下しており、また、軸方向の熱
的余裕度（例えば限界熱流束比CHFR）は、下記（４）式
で表わされる。
縮度の低減に対応して低下しており、また、軸方向の熱
的余裕度（例えば限界熱流束比CHFR）は、下記（４）式
で表わされる。
ｑ″CHF:限界熱流束 ｑ″：燃料棒表面熱流束 しかして、燃料棒の熱的余裕度は軸方向上流部から下流
部に進むにつれ蒸気クォリティが増すため第５図に従っ
て低下し、燃料有効部の上端部分では（イ）のように低
下するが、本実施例では燃料棒表面熱流束ｑ″が低下す
るため、第２図（ｃ）に示すように、燃料有効部の上端
部分での熱的余裕度の低下は同図（ロ）のように抑えら
れる。
部に進むにつれ蒸気クォリティが増すため第５図に従っ
て低下し、燃料有効部の上端部分では（イ）のように低
下するが、本実施例では燃料棒表面熱流束ｑ″が低下す
るため、第２図（ｃ）に示すように、燃料有効部の上端
部分での熱的余裕度の低下は同図（ロ）のように抑えら
れる。
尚、本実施例では上端部以外の濃縮度は一定としている
が、出力分布制御等の目的により分布を有していてもよ
いことは言うまでもないことである。
が、出力分布制御等の目的により分布を有していてもよ
いことは言うまでもないことである。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、燃料集合体限界
出力が増加するので、同等の熱的余裕に対して大きな燃
料集合体運転出力が可能となり、これにより設計範囲が
拡大し、さらに熱的制限により運転出力が抑えられてい
る運転範囲で運転出力の増加が実現するため、原子炉稼
働率が増加するというすぐれた効果を奏する。
出力が増加するので、同等の熱的余裕に対して大きな燃
料集合体運転出力が可能となり、これにより設計範囲が
拡大し、さらに熱的制限により運転出力が抑えられてい
る運転範囲で運転出力の増加が実現するため、原子炉稼
働率が増加するというすぐれた効果を奏する。
第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図a,bおよび
ｃはそれぞれ本発明に係る燃料棒の濃縮度分布図，軸方
向相対出力分布図および軸方向熱的余裕度分布図、第３
図は従来の燃料集合体の断面図、第４図は燃料集合体ピ
ーキングと限界出力との関係を示す図、第５図は限界熱
流対クォリティを示す図、第６図は従来の燃料集合体の
一部切除した概略斜視図である。 １……チャンネルボックス ２……制御棒 3,3a……燃料棒
ｃはそれぞれ本発明に係る燃料棒の濃縮度分布図，軸方
向相対出力分布図および軸方向熱的余裕度分布図、第３
図は従来の燃料集合体の断面図、第４図は燃料集合体ピ
ーキングと限界出力との関係を示す図、第５図は限界熱
流対クォリティを示す図、第６図は従来の燃料集合体の
一部切除した概略斜視図である。 １……チャンネルボックス ２……制御棒 3,3a……燃料棒
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−10283（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−112478（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−12442（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】チャンネルボックス内に多数の燃料棒を収
容してなる原子炉燃料集合体において、前記燃料棒のう
ち熱的余裕の小さな燃料棒の有効加熱部の上端から略1/
3より上方にあるスペーサのうち一番下方にあるスペー
サの下端より少し下に配置されている燃料ペレットより
上方に配置されている燃料ペレットを、当該燃料棒の他
の燃料ペレットよりその濃縮度を低減させるように構成
したことを特徴とする原子炉燃料集合体。 - 【請求項２】濃縮度の低減された燃料棒はチャンネルボ
ックス側から数えて２番目に配置されている燃料棒であ
る特許請求の範囲第１項記載の原子炉燃料集合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61085182A JPH0718939B2 (ja) | 1986-04-15 | 1986-04-15 | 原子炉燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61085182A JPH0718939B2 (ja) | 1986-04-15 | 1986-04-15 | 原子炉燃料集合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62242887A JPS62242887A (ja) | 1987-10-23 |
| JPH0718939B2 true JPH0718939B2 (ja) | 1995-03-06 |
Family
ID=13851514
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61085182A Expired - Fee Related JPH0718939B2 (ja) | 1986-04-15 | 1986-04-15 | 原子炉燃料集合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0718939B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6016598B2 (ja) * | 1978-02-23 | 1985-04-26 | 株式会社東芝 | 核燃料集合体 |
| JPS5512442A (en) * | 1978-07-14 | 1980-01-29 | Tokyo Shibaura Electric Co | Nuclear fuel assembly |
| JPS6212890A (ja) * | 1985-07-10 | 1987-01-21 | 原子燃料工業株式会社 | 沸騰水型原子炉用燃料集合体 |
-
1986
- 1986-04-15 JP JP61085182A patent/JPH0718939B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62242887A (ja) | 1987-10-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |