JPH07191174A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】燃料集合体１６Ａは、冷却材を上昇させる冷却
材上昇通路１３及びその冷却材を反転させて下降に導く
冷却材下降通路１４を有する水ロッド１Ａを備える。冷
却材上昇通路１３の軸方向において最も流路面積の大き
な部分である太径管部３Ｅにおける流路面積に対する、
太径管部３Ｅよりも下流側において冷却材上昇通路１３
内で最も流路面積の小さな部分である冷却材流入口９に
おける流路面積の比を０.２〜２０％ の範囲に設定す
る。 【効果】上記流路面積の比が０.２％ 以上であるので、
通常時において、冷却材上昇通路内に形成される液位
の、冷却材流量に対応して形成されるべき冷却材上昇通
路内の液位からの低下度合を抑制できる。上記流路面積
の比が２０％以下であるので、過渡時において冷却材上
昇通路内に形成される液位の変化速度を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料集合体に係り、特
に沸騰水型原子炉に適用するのに好適な燃料集合体に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】スペクトルシフト運転は、原子炉運転中
にボイド率を上げ、燃料中のウラン２３８に高エネルギ
の中性子を吸収させてプルトニウム２３９などを生成さ
せ、燃料サイクル末期にボイド率を下げて中性子の減速
効果を増して、プルトニウム２３９などの核分裂を増加
させ、核燃料物質の有効活用を図るものである。

【０００３】そのスペクトルシフト運転を実現するため
の一例である、いわゆるスペクトルシフトロッドを備え
た燃料集合体が、特開昭63−73187 号公報に示されてい
る。このスペクトルシフトロッドは、冷却材上昇通路
と、この冷却材上昇通路内を上昇した冷却水を下方に導
く冷却材下降通路を有する水ロッドである。冷却材上昇
通路は、冷却水流入口を有し、この冷却水流入口は下部
タイプレートの燃料支持部よりも下方の領域に開口して
いる。また、冷却材下降通路は、燃料支持部よりも上方
で燃料棒間に形成された冷却水通路に開口する冷却水吐
出口を有する。以上の構成を有する水ロッドは、燃料支
持部の抵抗値、具体的には燃料支持部を通過して燃料棒
間の冷却水通路に達する冷却水流に対する燃料支持部の
抵抗値（燃料支持部に冷却水が通過するように設けられ
た複数の貫通孔の合計横断面積の、燃料棒間の冷却水通
路の横断面積に対する割合）を所定の値にあらかじめ設
定することにより、燃料集合体に供給される冷却水流量
の増加に応じて冷却材上昇通路内に、特開昭63−73187
号公報に示されるように、蒸気領域を形成する状態（冷
却水液面が形成される状態）から蒸気領域が形成されな
いで冷却水で充満された（冷却水液面が形成されない状
態）に変化させる機能を有する。水ロッド内での蒸気領
域の形成，不形成によりスペクトルシフトを達成でき、
大幅な燃料経済性の向上を図ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】発明者等は、上記水ロ
ッドの特性を詳細に検討したところ以下に示す新たな問
題を生じ利己とを発見した。この検討結果を以下に説明
する。

【０００５】下部タイプレートの複数の貫通孔が設けら
れた燃料支持部の抵抗によって、燃料支持部より下方の
領域と燃料支持部より上方の領域との間に差圧が生じ
る。水ロッドの冷却材上昇通路内に形成される液面のレ
ベル（液位）は、上記差圧に対して、冷却材上昇通路内
での液位による静水頭及び冷却材流入口の圧力損失など
の和がバランスによって形成され整定する。

【０００６】ところで、冷却材上昇通路の冷却材流入口
の流路面積が小さい場合、冷却材上昇通路の流路面積に
対する冷却材流入口の流路面積の割合（以下、流路面積
比という）に対して、同じ上記差圧でも、冷却材上昇通
路内の定常の形成液位が急激に低目に現われる領域が存
在することが分かった。

【０００７】これは、以下の理由による。すなわち、冷
却材上昇通路の流路面積に対しての冷却材流入口の流路
面積の比が十分大きい場合は、水ロッドの冷却材上昇通
路内で単位時間内に発生する蒸気を補うよう冷却材流入
口から冷却材上昇通路内に冷却材が流入するが、冷却材
流入口の圧力損失係数が小さいので局所圧力損失は小さ
く、燃料支持部によって生じる上記差圧とのバランスが
ほぼ上記静水頭だけで行われる。しかしながら、冷却材
流入口の流路面積が小さい場合には、冷却材流入口での
局所圧力損失が急激に増大し、上記差圧とバランスする
ために必要な静水頭が減少するので、冷却材上昇通路内
の定常の形成液位が低目に現われる。

【０００８】本発明の目的は、通常時において冷却材流
量に対応した冷却材上昇通路内の液位からの低下度合を
抑制でき、過渡時における液位の変化速度を抑制できる
燃料集合体を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、前記冷却材上昇通路の軸方向において最も
流路面積の大きな部分における横断面積に対する、前記
流路面積が最も大きな部分よりも下流側において前記冷
却材上昇通路内で最も流路面積の小さな部分における流
路面積の比を０.２〜２０％ の範囲にすることにある。

【００１０】

【作用】冷却材上昇通路の軸方向において最も流路面積
の大きな部分における横断面積に対する、前記流路面積
が最も大きな部分よりも下流側において冷却材上昇通路
内で最も流路面積の小さな部分における流路面積の比を
０.２％ 以上にしているので、通常時において、冷却材
上昇通路内に形成される液位の、冷却材流量に対応して
形成されるべき冷却材上昇通路内の液位からの低下度合
を抑制できる。更に、前記最も流路面積の大きな部分に
おける横断面積に対する、前記最も流路面積の小さな部
分における流路面積の比を２０％以下にしているので、
過渡時において冷却材上昇通路内に形成される液位の変
化速度を抑制できる。

【００１１】

【実施例】沸騰水型原子炉に適用する本発明の好適な一
実施例である燃料集合体を、図１，図２及び図３に基づ
いて、以下に説明する。

【００１２】本実施例の燃料集合体１６Ａは、水ロッド
１Ａ，燃料棒１７，上部タイプレート１８，下部タイプ
レート１９Ａ及び燃料スペーサ２０を有する。燃料棒１
７の上下端部は、上部タイプレート１８及び下部タイプ
レート１９によって保持される。燃料スペーサ２０は、
燃料集合体１６の軸方向に複数個配置され、隣接した燃
料棒１７相互間の間隙を適切な状態に保持している。燃
料スペーサ２０は、水ロッド１Ａにて保持される。チャ
ンネルボックス２１は、上部タイプレート１８に取り付
けられ、燃料スペーサ２０で保持された燃料棒１７の束
の外周を取り囲んでいる。下部タイプレート１９Ａは、
上端部に燃料棒支持部１２Ａを有し、しかも燃料棒支持
部１２Ａの下方で内部に空間２２を有する。燃料棒支持
部１２Ａが、燃料棒１７及び水ロッド１Ａの下端部を支
持している。下部タイプレート１９Ａの上面、すなわち
燃料支持部１２Ａの上面よりも上方で、水ロッド１Ａの
外側でかつ燃料棒１７間に、冷却材通路２３が形成され
る。

【００１３】水ロッド１Ａは、上昇管３Ｅ及び下降管５
Ａを備える。これらの部品によって構成される水ロッド
１は、ジルコニウム合金製である。上昇管３Ａ内に、冷
却材を上方に導く冷却材上昇通路１３が形成され、下降
管５Ａ内に、冷却材上昇通路１３によって導かれた冷却
材を下方に導く冷却材下降通路１４が形成される。上昇
管３は、太径管部３Ｆ、及び太径管部３Ｆよりも外径が
小さい細径管部３Ｇを有する。細径管部３Ｇは、太径管
部３Ｆの下方に位置しテーパ部を介して太径管部３Ｆに
つながっている。当然のことながら細径管部３Ｇ内の冷
却材上昇通路１４の部分の流路面積(通路の横断面積。
以下同じ。)は、太径管部３Ｆ内の冷却材上昇通路１４
の部分のそれよりも小さい。太径管部３Ｆ内の冷却材上
昇通路１３部分の流路面積は４２９.０mm²であり、冷却
材流入口９Ａの流路面積は19.6mm² である。後者の流路
面積は、前者のそれの４.６％ である。細径管部３Ｇ内
の冷却材上昇通路１３の流路断面積も、冷却材流入口９
Ａに等しく、１９.６mm²である。この１９.６mm²は、冷
却材流入口９Ａから太径管部３Ｆの間で最も流路面積が
小さい部分の値である。

【００１４】冷却材上昇通路１３の冷却材流入口９Ａ
が、冷却材上昇通路１３の下端（細径管部３Ｇの下端）
に形成され、燃料支持部１２Ａの下方の空間２２内に開
口する。冷却材か高通路１４の冷却材吐出口１５Ａは、
燃料支持部１２Ａより上方の冷却材通路２３に開口す
る。

【００１５】燃料集合体１６Ａは、図３に示すように、
燃料棒１７以外に燃料棒１７よりも軸方向長が短い部分
長燃料棒１７Ａが最外周から二層目に配置される。燃料
棒１７が６６本、部分長燃料棒１７Ａが８本である。こ
れらの燃料棒は、９行９列に配置される。

【００１６】２本の水ロッド１Ａは、燃料集合体１６Ａ
の横断面における１つの対角線上でその横断面の中央に
配置される（図３）。すなわち、各水ロッド１Ａの互い
の上昇管３Ｅ（特に太径管部３Ｆ）は、上記対角線上で
隣接して配置される。各水ロッド１Ａの各下降管５Ａ
は、太径管部３Ｆに隣接する燃料棒１７の間に位置す
る。これらの下降管５Ａは、太径管部３Ｆが位置する対
角線と直行する他の対角線の方向で、互いに逆の方向に
位置する。このように水ロッド１Ａを配置することによ
って、燃料棒１７が７本配置可能な領域内で各太径管部
３Ｆの外形を大きくすることができ、それらの太径管部
３Ｆ内の冷却材上昇通路１３の流路面積を大きくでき
る。

【００１７】それらの水ロッド１Ａは、逆Ｕ字状をして
いる。下降管５Ａは、軸方向の複数個所で、図示されて
いないが支持部材によって上昇管３Ｅの太径管部３Ｆに
支持されている。下降管５Ａと太径管部３Ｆとの間に
は、狭い間隙が形成される。

【００１８】各水ロッド１Ａの下降管５Ａ内の冷却材下
降通路１４の流路面積は、上昇管３Ｅ内の冷却材上昇通
路１３（太径管部３Ｆの部分で）のそれの１／２５より
も小さい。本実施例は、冷却材下降通路１４の流路面積
が２.７mm²である。このため、燃料集合体１６Ａは特開
平2−1590 号公報の図１５の実線及び図１６の実線及び
一点鎖線に示したような特性が得られ、燃料集合体１６
Ａを炉心に装荷した沸騰水型原子炉は炉心に供給する冷
却水流量を調節することによってその公開公報の図１に
示した運転を行うことができる。

【００１９】冷却材上昇通路１３及び冷却材下降通路１
４を内部に有する水ロッド１Ａを備えた燃料集合体１６
Ａ内に供給する冷却水の量を変化させた場合に、水ロッ
ド１Ａ内の流体の流動状態は、特開昭63−73187 号公報
の図１４(ａ)，(ｂ)及び(ｃ)に示されたように変化す
る。

【００２０】すなわち、燃料集合体１６Ａ，沸騰水型原
子炉の炉心に装荷されている。炉心に供給される冷却水
の流量は、図示されていないが、再循環ポンプの回転数
を制御することによって、調節される。冷却水は、下部
タイプレート１９Ａの空間２２内にまず導かれる。この
冷却水の大部分は、燃料支持部１２Ａに設けられた複数
の貫通孔３０Ａを通って、燃料支持部１２Ａの上面より
も上方に形成された冷却材通路２３内に流入し、燃料棒
１７及び１７Ａを冷却する。残りの一部の冷却水は、冷
却材流入口９Ａを介して水ロッド１Ａの細径管部３Ｇ内
に形成された冷却材上昇通路１３内を上昇し、更に水ロ
ッド１Ａの太径管部３Ｆ内に形成された冷却材上昇通路
１３内を上昇する。

【００２１】燃料集合体１６Ａ内に供給される冷却水流
量が少ないときには、冷却材上昇通路１３、特に太径管
部３Ａ内に存在する冷却水は、核燃料の核分裂で発生す
るγ線の照射によって加熱される。燃料集合体１６Ａ内
に供給される冷却水流量が少ないときには、その冷却水
は蒸気になり、特開昭63−73187 号公報の図１４(ａ)の
ように、冷却材上昇通路１３内に蒸気領域が形成され
る。このため、液面が冷却材上昇通路１３内に形成され
る。発生した蒸気は、冷却材下降通路１４を通って冷却
材吐出口１５Ａから冷却材通路２３内に吐出される。冷
却水流量が増加するに伴って、冷却材上昇通路１３内の
液面が上昇して蒸気領域が減少し、やがて特開昭63−73
187 号公報の図１４(ｂ)の状態を経て最後には図１４
(ｃ)の状態、すなわち冷却材上昇通路１３及び冷却材下
降通路１４内がすべて冷却水で充満した状態になる。こ
れによって、燃料サイクルの初期と末期との間で、燃料
集合体１６Ａ内のボイド率の変化幅を大きくできるの
で、スペクトルシフトの効果を大きくでき、１つの燃料
サイクルの期間を大幅に伸ばすことができる。冷却材上
昇通路１３及び冷却材下降通路１４内がすべて冷却水で
充満した状態になるのは、燃料サイクルの末期近くであ
り、燃料サイクルの大部分では冷却材上昇通路１３内に
蒸気領域が形成される。このため、特開昭63−73187 号
公報の図４のように水ロッドの冷却材下降通路が冷却材
上昇通路を取り囲むように配置される場合には、冷却材
下降通路と冷却材上昇通路との間に配置された管壁は、
蒸気に接触することになって冷却が不十分になり温度が
高くなる。

【００２２】本実施例は、上昇管３Ｅと下降管５Ａが逆
Ｕ字を形成するように配置されかつ上昇管３Ｅと下降管
５Ａの間に前述したように間隙が存在するので、上昇管
３Ｅ及び下降管５Ａとも周囲が冷却水通路２３を上昇す
る冷却水によって冷却される。このため、上昇管３Ａ及
び下降管５Ａの温度は低くなり、特開昭63−73187 号公
報の図４の水ロッドで生じる問題を解消できる。

【００２３】以上のように、燃料集合体１６Ａ内に供給
される冷却水流量を調節することによって水ロッド１Ａ
内で液面が形成される状態から液面が形成されない状態
に移行するのは、燃料支持部１２Ａが冷却水通路２３に
対して抵抗になっており、燃料支持部１２Ａに設けられ
た全貫通孔３０Ａの合計横断面積がそのような液面の移
動が可能なように設定されているからである。すなわ
ち、全貫通孔３０Ａの合計横断面積が、冷却材上昇通路
１３の上端のレベルと冷却材吐出口１５Ａのレベルとの
差に対応する静水頭に対応して設定されているからであ
る。燃料支持部１２Ａに設けられた全貫通孔３０Ａの合
計横断面積は、冷却水通路２３の横断面積よりも小さ
い。このような構成を有する燃料支持部１２Ａは、冷却
水通路２３に対して抵抗となる。

【００２４】前述したように、各下降管５Ａを対応する
太径管部３Ｆに隣接する２つの燃料棒１７間に配置する
ことによって太径管部３Ｆ内の冷却材上昇通路１３の横
断面積を大きくできるので、太径管部３Ｆ内に蒸気領域
が形成されるときにはそれだけプルトニウムの生成量が
増大し、燃料サイクル末期近くで冷却材上昇通路１３及
び冷却材下降通路１４内が冷却水（減速材）で充満され
たときにはそのプルトニウムを始めとした核分裂性物質
の核分裂を活発化させることになる。これによって、燃
料集合体１６Ａの横断面中央での反応度がより向上し核
燃料の有効利用が図れる。すなわち、スペクトルシフト
による燃料経済性向上の効果をより増加できる。下降管
５Ａは上昇管３Ｅが位置する対角線と直交する他の対角
線の方向で互いに逆の方向に位置するので、両下降管５
Ａ内が蒸気で満たされた場合でも、蒸気領域が燃料集合
体１６Ａの横断面で局所的に集中することがなくバラン
ス良く配置でき、燃料集合体横断面における核燃料の不
均一な燃焼を防止できる。次に、発明者等は、冷却材上
昇通路１３の流路面積に対する冷却材上昇通路１３の冷
却材流入口９Ａの流路面積の比（流路面積比）を種々変
えて、冷却材上昇通路１３内の定常の液位（冷却材流量
に対応して形成されるべき冷却材上昇通路１３内の液
位）の変化について検討を行った。上記の冷却材上昇通
路１３の冷却材流入口９Ａの流路面積は、冷却材流入口
９Ａから太径管部３Ｆまでの間における冷却材上昇通路
１３のうち最も流路断面が小さい部分（流路面積が同じ
である細径管部３Ｇ内の冷却材上昇通路の部分）を代表
している。

【００２５】図４は、上記した冷却材上昇通路内の定常
の液位と冷却材上昇通路の流路面積に対する冷却材上昇
通路の冷却材流入口の流路面積の比との関係について示
したものである。これらの関係は、冷却材上昇通路内の
発熱密度が２.３ＭＷ／ｍ³，２.９ＭＷ／ｍ³及び３.５
ＭＷ／ｍ³について示している。

【００２６】図４の縦軸は、通常時において、冷却材流
量に対応して形成されるべき冷却材上昇通路内の液位
（定常の液位）に対しての冷却材上昇通路内に実際に形
成される液位の比率で示している。すなわち、前者の液
位と後者の液位が等しい場合には、図４において液位
（相対値）が１.０ となる。前者の液位に比べて後者の
液位が低い場合には、図４において液位（相対値）が
１.０ よりも小さくなる。この液位（相対値）が１.０
よりも低くなる程、通常時において、冷却材上昇通路１
３内に形成される液位の、冷却材流量に対応して形成さ
れるべき冷却材上昇通路１３内の液位からの低下度合が
大きくなる。

【００２７】冷却材上昇通路の流路面積に対する冷却材
上昇通路の冷却材流入口の流路面積の比が０.２％ より
も小さい場合に、冷却材上昇通路内における液位の上記
の低下度合いが急激に増加することが分かった。これ
は、冷却材流入口９Ａの流路面積が小さくなり過ぎるの
で、前述した理由により、通常時に形成される冷却材上
昇通路１３内の液位が低目になる現象が顕著に現われる
からである。すなわち、冷却材流入口９Ａでの局所圧力
損失が急激に増大し、複数の貫通孔が設けられた燃料支
持部９Ａの抵抗によって燃料支持部１２Ａより下方の領
域と燃料支持部１２Ａより上方の領域との間に生じる差
圧とバランスするために必要な静水頭（冷却材上昇通路
内での液位による静水頭）が減少するので、冷却材上昇
通路内に形成される液位が著しく低目に現われ、上記液
位の低下度合いが著しく大きくなる。

【００２８】これは、以下の現象からも明らかである。
流路面積比が小さな領域、特に流路面積比が０.２％ よ
りも小さい場合には、流路面積比が等しくても発熱密度
が大きい程、液位の低下度合いが著しく増加する。すな
わち、発熱密度が２.３ＭＷ／ｍ³ の場合は、発熱密度
が３.５ＭＷ／ｍ³の場合に比べ、液位が低下する割合が
小さい。これは、発熱密度が２.３ＭＷ／ｍ³の場合は、
発熱密度が３.５ＭＷ／ｍ³ の場合に比べて、冷却材上
昇通路１３内での冷却材の蒸発量が小さいためである。
すなわち、冷却材上昇通路１３内での発熱密度が小さい
場合、冷却材上昇通路１３内で単位時間に発生する蒸気
が少ないため、それを補う冷却材流入口９Ａから流入す
る冷却水流量が少なくてすみ、冷却材流入口９Ａでの圧
力損失が相対的に小さくなり相対的に冷却材上昇通路１
３内の高い静水頭により全体的な圧力損失がバランスす
るためである。

【００２９】従って、上記液位の低下度合いを著しく抑
制するためには、流路面積比を0.2％以上にする必要が
ある。特に、上記液位の低下度合いを更に抑制するため
には、流路面積比を０.４％ 以上にすることが望まし
い。

【００３０】図１０は炉心流量を８０％から１０５％へ
増加させ、８０％炉心流量における冷却材上昇通路１３
内で形成される液位を基準として１０５％炉心流量にお
けるその液位の上昇率を、流路面積比０.０５％，０.２
０％及び５.００％ に対して示したものである。

【００３１】燃料支持部１２Ａによって生じる差圧は炉
心流量の二乗に比例して変化する。その差圧に対してほ
ぼ冷却材上昇通路１３内の静水頭だけでのバランスで冷
却材上昇通路１３内液位が決められるとする。上記差圧
の変化に比例して液位のレベルも変化するため、８０％
から１０５％に炉心流量を増加させた場合、炉心流量１
０５％時の上記差圧は炉心流量８０％時のそれの約１.
７２ 倍となり、炉心流量１０５％時における冷却材上
昇通路１３内の液位も炉心流量８０％時におけるそれの
約１.７２ 倍となる。

【００３２】しかし、図１０に示したように、流量面積
比が０.０５％ においては、炉心流量を８０％から１０
５％へ増加した場合に冷却材上昇通路１３内の液位は約
1.44倍のレベルとなる。また、流路面積比が０.２０％
においてはその液位は約1.65倍のレベルとなり、流路面
積比が５.００％においてはその液位は約１.７２倍とな
る。

【００３３】流路面積比が０.２０％ 以上の場合であれ
ば、冷却材上昇通路１３内で十分な液位の変化率が得ら
れる。冷却材流入口９Ａの圧力損失が液位形成に大きく
影響を与え始める流路面積比が０.２０％ よりも小さい
値になると、冷却材上昇通路１３内における液位の変化
率が燃料支持部１２Ａによって生じる差圧の変化率に対
して小さくなる。炉心流量の増加に対してその差圧が変
化しても、得られる液位の増加率が小さい場合には、十
分にボイド率を下げることができなくなり、中性子を十
分に減速し、エネルギースペクトルを変える効果も十分
に得られない。このとき、プルトニウム２３９などの核
分裂も抑制されて、スペクトルシフト運転の効果が十分
得られなくなる。

【００３４】流路面積比を０.２％ 以上にした場合、冷
却材上昇通路１３内に形成される液位は、燃料支持部１
２Ａによってそれより下方の領域と上方の領域との間に
生じる差圧と、ほぼその液位による静水頭とのバランス
によって整定するため、液位の変化も十分に確保でき、
スペクトルシフト運転が良好に行える。

【００３５】次に、原子炉圧力の急上昇及び炉心流量の
急激な増加等の過渡事象が発生したときにおける水ロッ
ド１Ａの冷却材上昇通路１３内の液位の変化を検討し
た。この液位の変化速度は、燃料支持部１２Ａによって
生じる差圧の増加により液位が増加し始めてから整定し
始める時間に対する、液位の変化量で規定する。図１１
は、流路面積比が約７３％のときにおける、過渡事象発
生後の時間経過に対する液位の変化を示したものであ
る。例えば、図１１における液位の変化速度は、次式で
規定される。

【００３６】液位変化速度＝Ａ／Ｂ≒０.１７ このようにして規定する液位変化速度を流路面積比毎に
求めて整理すると、図５の特性のようになる。図５の横
軸は、流量面積比である。この特性から、過渡事象発生
時における液位変化速度を抑制するためには、流路面積
比を２０％以下にすることが必要である。流量面積比を
１２％以下にすれば、過渡事象発生時における液位変化
速度の抑制をより効果的に抑制できる。

【００３７】以上のことから、流量面積比は、０.２〜
２０％ の範囲にする必要があり、０.４〜１２％ の範
囲が望ましい。

【００３８】ここで、２０％以下の流路面積に相当する
圧力損失は、例えば、図５に示す他の手法でも実現可能
であり、下部端栓下端ｄから下部中間端栓ｅまでの圧力
損失が、２０％以下の流路面積に相当させることで実現
できる。その際の効果は同等である。従って、２０％以
下の流路面積に相当する圧力損失を持つ手法において
も、実現することが可能である。

【００３９】本実施例によれば、冷却材上昇通路の横断
面積に対する冷却材流入口の流路面積の比を０.２％ 以
上にしているので、通常時において、冷却材上昇通路内
に形成される液位の、冷却材流量に対応して形成される
べき冷却材上昇通路内の液位からの低下度合を抑制でき
る。更に、冷却材上昇通路の横断面積に対する冷却材流
入口の流路面積の比を２０％以下にしているので、過渡
時において冷却材上昇通路内に形成される液位の変化速
度を抑制できる。

【００４０】沸騰水型原子炉に適用する本発明の他の実
施例である燃料集合体を図６〜図９に基づいて説明す
る。

【００４１】本実施例の燃料集合体１６は、水ロッド
１，燃料棒１７，上部タイプレート１８，下部タイプレ
ート１９及び燃料スペーサ２０を有する。燃料棒１７の
上下端部は、上部タイプレート１８及び下部タイプレー
ト１９によって保持される。燃料スペーサー２０は、燃
料集合体１６の軸方向に複数個配置され、隣接した燃料
棒１７相互間の間隙を適切な状態に保持している。燃料
スペーサー２０は、水ロッド１にて保持される。チャン
ネルボックス２１は、上部タイプレート１８に取り付け
られ、燃料スペーサー２０で保持された燃料棒１７の束
の外周を取り囲んでいる。下部タイプレート１９は、上
端部に燃料棒支持部１２を有し、しかも燃料棒支持部１
２の下方で内部に空間２２を有する。燃料棒支持部１２
が、燃料棒１７及び水ロッド１の下端部を支持してい
る。

【００４２】水ロッド１は、下部端栓２，上昇管３，連
結部４，下降管５及び上部端栓６を備える。これらの部
品によって構成される水ロッド１は、ジルコニウム合金
製である。

【００４３】上昇管３は、太径管部３Ａ，太径管部３Ａ
よりも外径が小さい細径管部３Ｂ及びテーパ部３Ｃを有
する。テーパ部３Ｃは、内部に貫通孔７を有し、外側に
テーパを形成している。太径管部３Ａの下端は、テーパ
部３Ｃの上端部に溶接にて接合される。細径管部３Ｂの
上端は、テーパ部３Ｃの下端部に溶接にて接合される。
細径管部３Ｂの下端は、下部端栓２に溶接にて接合され
る。太径管部３Ａの上端は、連結部４に溶接にて接合さ
れる。下降管５は、上昇管３と平行に配置され、その上
端が連結部４に溶接にて接合される。上部端栓６は、連
結部４の上端に取り付けられる。

【００４４】水ロッド１が燃料支持部１２に保持された
状態における下部端栓２を、拡大して図８に示す。下部
端栓２は、通路２Ａが内部に形成され、冷却材流入口９
が下部端栓２の下端部に設けられる。冷却材流入口９
は、下部端栓２の側壁に設けられ、通路２Ａに連通され
る。下部端栓２は、上端部に、上端が密封された突出部
２Ｂが形成される。開口１０が突出部２Ｂの側壁に横向
きに設けられる。突出部２Ｂは、細径管部３Ｂ内で細径
管部３Ｂと同心状に配置され、細径管部３Ｂと下部端栓
２との溶接部よりも上方に位置する。このため、クラッ
ド溜り部１１が、細径管部３Ｂと下部端栓２との間に環
状に形成される。このクラッド溜り部１１は、開口１０
よりも下方に位置する。

【００４５】下部端栓２は、下部タイプレート１９の燃
料支持部１２の下面に設けられたボス３１に形成された
孔部３２内に挿入される。孔部３２は、下端が密封され
ている。ボス３１の側壁には、孔部３２に達する開口３
３が横向きに設けられる。下部端栓２の外径は、孔部３
２の内径と実質的に同じである。下部端栓２内でこれの
軸方向に延びる通路２Ａの下端はボス３１の底部で塞が
れた形になる。開口３３は、水ロッド１が燃料集合体の
燃焼度の増加に伴って放射線による照射成長をすること
を考慮した場合、下部端栓２の冷却材流入口９より上方
側に余裕をもたせ、大きめにしたほうが好ましい。更
に、核燃料の燃焼等のために下部端栓２と燃料支持部１
２との位置関係が製造時と変わる可能性があることを考
慮すると、開口３３は、冷却材流入口９より下方側にも
余裕をもたせたほうが好ましい。冷却材上昇通路１３
は、下部端栓２及び上昇管３内に形成される。すなわ
ち、冷却材上昇通路１３は、通路２Ａ，開口１０，細径
管部３Ｂ内の空間、貫通孔及び太径管部３Ａ内の空間を
含む。冷却材流入口９は、燃料支持部１２よりも下方に
位置し、空間２２に連通する。

【００４６】上昇管３の太径管部３Ａ内の冷却材上昇通
路１３の部分は、冷却材上昇通路１３内において最も流
路面積が大きい。その部分の流路面積は、４２９.０mm²
である。上昇管３の下部端線２内に形成された通路２Ａ
（冷却材上昇通路１３の一部）は、太径管部３Ａより下
流側における冷却材上昇通路１３内で最も流路面積が小
さい部分である。通路２Ａの流路面積は、１９.６mm²で
ある。複数個もうけられている全冷却材流入口９の合計
開口面積よりも小さい。太径管部３Ａ内の冷却材上昇通
路１３の部分の流路面積に対する、通路２Ａの流路面積
の比は、約４.６％ である。

【００４７】下降管５は、下端が密封され、下端部の側
壁に吐出口１５が設けられる。吐出口１５は、燃料支持
部１２より上方に位置する。冷却材下降通路１４が、下
降管５内に形成される。吐出口１５は、冷却材下降通路
１４に連通し、燃料支持部１２より上方で燃料棒１７相
互間に形成される冷却材通路２３に連通する。

【００４８】連結部４は、図９に示すように、連結部下
部４Ａ及び連結部上部４Ｂを有する。連結部下部４Ａと
連結部上部４Ｂは、溶接にて接合される。太径管部３Ａ
及び下降管５は、連結部下部４Ａに溶接される。連結部
４内に形成される通路２４は、冷却材上昇通路１３と冷
却材下降通路１４とを連絡する。このため、水ロッド１
は、図７に示すような逆Ｕ字状をしている。

【００４９】２９Ａは連結部下部４Ａと上昇管３との溶
接部、２９Ｂは連結部下部４Ａと下降管５との溶接部、
及び２９Ｃは連結部下部４Ａと連結部上部４Ｂとの溶接
部である。

【００５０】次に、本実施例における上昇管３，連結部
４及び下降管５の組立て水ロッド１を得る工程の概略を
以下に説明する。

【００５１】まず、連結部下部４Ａの下端部に太径管部
３Ａの上端部を全周に渡って溶接にて取り付ける（溶接
部２９Ａ）。その後、下降管５の上端部を連結部下部４
Ａに設けられた貫通孔内に挿入し、連結部下部４Ａのそ
の貫通孔を取り囲む側壁に、下降管５上端部の全周を上
方からの溶接にて接合する(溶接部２９Ｂ)。連結部下部
４Ａは、上昇管３及び下降管５を結合する結合部材であ
る。最後に、連結部上部４Ｂが、連結部下部４Ａの貫通
孔４Ｅ及び下降管５内の冷却材下降通路１４を被うよう
に連結部下部４Ａ上に設置される。このような状態で、
連結部下部４Ａの上端部が、連結部上部４Ｂに、全周に
渡って溶接にて取り付けられる（溶接部２９Ｃ）。連結
部上部４Ｂは、冷却材上昇通路１３及び冷却材下降通路
１４の上方を被う蓋部材である。上部端栓６は、連結部
上部４Ｂに溶接にて取り付けられる。

【００５２】上記したように、下降管５が連結部下部４
Ａの貫通孔に挿入されて下降管５の上端部が溶接部２９
Ｃを介して連結部下部４Ａに取り付けられるので、下降
管５の全周を、簡単に連結部下部４Ａに溶接することが
できる。上昇管３、特に太径管部３Ａと下降管５との間
に形成される間隙の幅が狭くても、下降管５全周の連結
部下部４Ａへの溶接が簡単にできる。

【００５３】下降管５（外径約５mm）は、軸方向の複数
個所で、図示されていないが支持部材によって上昇管３
の太径管部３Ａに支持されている。下降管５と太径管部
３Ａとの間には、狭い間隙が形成される。下降管５ａも
同様に上昇管３ａの太径管部３Ａに支持される。

【００５４】燃料集合体１６も、２本の水ロッド１が燃
料集合体１６Ａの２本の水ロッド１Ａと同様(図３参照)
に配置されている。更に、燃料集合体１６において、燃
料支持部１２に設けられた全貫通孔３０Ａの合計横断面
積は、燃料集合体１６Ａと同様に、冷却材上昇通路１３
の上端のレベルと吐出口１５のレベルとの差に対応する
静水頭に対応して設定されている。燃料支持部１２に設
けられた全貫通孔３０Ａの合計横断面積は、冷却水通路
２３の横断面積よりも小さい。

【００５５】本実施例においても、図２の実施例と同様
に、水ロッド１及び１ａの下降管内の冷却材下降通路の
横断面積は、上昇管内の冷却材上昇通路(太径管部の部
分で)のそれの１／２５よりも小さい。従って、本実施
例の燃料集合体１６を装荷した炉心を有する沸騰水型原
子炉は、炉心に供給する冷却水流量を調節することによ
って図２の実施例と同様な運転を行うことができる。燃
料集合体１６内に供給する冷却水の量を変化させた場合
にも、水ロッド１内の流体の流動状態は、図２の実施例
と同様に、特開昭63−73187 号公報の図１４(ａ)，(ｂ)
及び(ｃ)に示されたように変化する。

【００５６】燃料集合体１６の下部タイプレート１９の
空間２２内に供給された冷却水の一部は、燃料集合体１
６Ａと同様に、燃料支持部１２に設けられた貫通孔３０
Ａを通って、冷却材通路２３内に流入し、燃料棒１７を
冷却する。残りの冷却水は、開口３３及び冷却材流入口
９を介して水ロッド１の冷却材上昇通路１３内に流入す
る。冷却材上昇通路１３の一部である通路２Ａに導かれ
た冷却水は、開口１０，細径管部３Ｂ及びテーパ部３Ｃ
内を経て太径管部３Ａ内に達する。

【００５７】燃料集合体１６内に供給される冷却水流量
が少ないときには、冷却材上昇通路１３、特に太径管部
３Ａ内に存在する冷却水は、蒸発して蒸気になる。この
蒸気は、通路２４及び冷却材下降通路１４を通って吐出
口１５から冷却材通路２３内に吐出される。このとき、
冷却材上昇通路１３内には、特開昭63−73187 号公報の
図１４(ａ)のように、蒸気領域が形成され、液面が形成
される。給水流量が増加するに伴って、冷却材上昇通路
１３内の液面が上昇して蒸気領域が減少し、やがて特開
昭63−73187 号公報の図１４(ｂ)の状態を経て最後には
図１４(ｃ)の状態、すなわち冷却材上昇通路１３及び冷
却材下降通路１４内がすべて冷却水で充満した状態にな
る。従って、スペクトルシフトの効果を大きくでき、１
つの燃料サイクルの期間を大幅に伸ばすことができる。

【００５８】本実施例も、上昇管３と下降管５が逆Ｕ字
を形成するように配置されかつ上昇管３と下降管５の間
に前述したように間隙が存在するので、上昇管３及び下
降管５とも周囲が冷却水通路２３を上昇する冷却水によ
って冷却される。従って、本実施例においても、燃料集
合体１６Ａと同様に、上昇管３及び下降管５の温度を低
く押さえることができる。

【００５９】燃料集合体１６は、燃料集合体１６Ａと同
様な効果を生じることができる。本実施例では、以下の
効果を奏することができる。

【００６０】すなわち、特開昭63−73187 号公報の図４
に示された水ロッドは、冷却材流入口が冷却材上昇通路
の下端に１つ設けられている。このため、冷却材流入口
が、冷却水と共にながれてくるクラッド等の固形物によ
って塞がれる可能性がある。冷却材流入口の直径が小さ
いほどその確率が大きくなる。本実施例では、冷却水流
入口９が冷却材上昇通路の軸方向に対して直角になるよ
うに設けられており、かつ下部端栓２の周方向に複数設
けられているので、冷却水流入口９に流入する冷却水は
その直前で直角方向に曲がらなければならなくまた複数
の冷却水流入口９がクラッド等によって塞がれる確率
は、特開昭63−73187 号公報の図４に示された水ロッド
よりも著しく小さくなる。更に、下部端栓２の軸方向に
冷却水流入口９が設けられていないので、下端を閉じる
ことにより炉心冷却材流れ方向に対して開口部を有しな
いため、流れによる動圧の影響を抑制することができ、
動圧の変動による水ロッド内の液位の変動を著しく抑制
できる。

【００６１】前述したように、燃料サイクルの大部分で
は冷却材上昇通路１３内に蒸気領域が形成されるので、
冷却材上昇通路１３内に存在する冷却水が濃縮され、冷
却水中に含まれているクラッドが凝集して沈降すること
が考えられる。沈降するクラッドによって開口１０が閉
塞しないように、開口１０は、横向きに設けられると共
に細径管部３Ｂ内に形成される通路の底面よりは上方に
位置させている。沈降したクラッドは、細径管部３Ｂと
突出部２Ｂとの間に形成されるクラッド溜り部１１内に
徐々に堆積される。クラッド溜り部１１の容積は、燃料
集合体１６の寿命期間中に堆積するクラッドの量を想定
して決められている。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、冷却材上昇通路の軸方
向において最も流路面積の大きな部分における流路面積
に対する、前記流路面積が最も大きな部分よりも下流側
において冷却材上昇通路内で最も流路面積の小さな部分
における流路面積の比を０.２％以上にしているので、
通常時において、冷却材上昇通路内に形成される液位
の、冷却材流量に対応して形成されるべき冷却材上昇通
路内の液位からの低下度合を抑制できる。更に、前記最
も流路面積の大きな部分における流路面積に対する、前
記最も流路面積の小さな部分における流路面積の比を２
０％以下にしているので、過渡時において冷却材上昇通
路内に形成される液位の変化速度を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２に示す水ロッドの詳細構造図である。

【図２】本発明の好適な一実施例である燃料集合体の縦
断面図である。

【図３】図２の燃料集合体の横断面図である。

【図４】冷却材上昇通路の流路面積に対する冷却材流入
口の流路面積の比と冷却材上昇通路内の液位との関係を
示す説明図である。

【図５】冷却材上昇通路の流路面積に対する冷却材流入
口の流路面積の比と冷却材上昇通路内の液位変化速度と
の関係を示す説明図である。

【図６】本発明の他の実施例である燃料集合体の縦断面
図である。

【図７】図６に示す水ロッドの縦断面図である。

【図８】図６に示す燃料支持部における水ロッドの下部
端線挿入部の拡大縦断面図である。

【図９】図６に示す水ロッドの連結部付近の拡大図であ
る。

【図１０】冷却材流量と冷却材上昇通路内の液位上昇率
との関係を示す特性図である。

【図１１】過度事象発生後の経過時間に対する冷却材上
昇通路内の液位の変化を示す特性図である。

【符号の説明】

１，１Ａ…水ロッド、３，３Ｅ…上昇管、３Ａ，３Ｆ…
太径部、４…連結部、４Ａ…連結部下部、４Ｂ…連結部
上部、５，５Ａ…下降管、９，９Ａ…冷却材流入口、１
１…クラッド溜り部、１２，１２Ａ…燃料支持部、１３
…冷却材上昇通路、１４…冷却材下降通路、１６，１６
Ａ…燃料集合体、１７…燃料棒、１８…上部タイプレー
ト、１９，１９Ａ…下部タイプレート、２３…冷却材通
路、30Ａ…貫通孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深沢 幸久 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 中島 潤二郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料支持部を上端部に有する下部タイプレ
   ートと、下端部が前記燃料保持部に保持された複数の燃
   料棒と、前記燃料棒間に配置された水ロッドとを有し、 前記燃料支持部は、前記燃料支持部より上方で前記燃料
   棒間に形成される第１冷却材通路に冷却材を導く複数の
   第２冷却材通路を有し、 前記水ロッドは、前記燃料支持部より下方の領域に開口
   した冷却材流入口を有する冷却材上昇通路が内部に形成
   される上昇管路と、前記冷却材上昇通路内を上昇した冷
   却材を下方に導きこの冷却材を前記第２冷却材通路に吐
   出する冷却材吐出口を有する冷却材下降通路が内部に形
   成された下降管路とを備え、 前記冷却材上昇通路の軸方向において最も流路面積の大
   きな部分における横断面積に対する、前記流路面積が最
   も大きな部分よりも下流側において前記冷却材上昇通路
   内で最も流路面積の小さな部分における流路面積の比を
   ０.２〜２０％の範囲にすることを特徴とする燃料集合
   体。
2. 【請求項２】前記最も流路面積の小さな部分が、前記冷
   却材上昇通路の冷却材流入口である請求項１の燃料集合
   体。
3. 【請求項３】燃料支持部を上端部に有する下部タイプレ
   ートと、下端部が前記燃料保持部に保持された複数の燃
   料棒と、前記燃料棒間に配置された水ロッドとを有し、 前記燃料支持部は、前記燃料支持部より上方で前記燃料
   棒間に形成される第１冷却材通路に冷却材を導く複数の
   第２冷却材通路を有し、 前記水ロッドは、前記燃料支持部よりも下方の領域から
   冷却材流入口を介して供給された冷却材を上方に導く冷
   却材上昇通路が内部に形成された上昇管路、及び前記上
   昇管路の外側に位置し、前記冷却材上昇通路によって導
   かれた冷却材を下方に導いて前記燃料支持部よりも上方
   の領域に冷却材吐出口から吐出する冷却材下降通路が内
   部に形成された下降管路を含み、 前記冷却材上昇通路の軸方向において最も流路面積の大
   きな部分における横断面積に対する、前記流路面積が最
   も大きな部分よりも下流側において前記冷却材上昇通路
   内で最も流路面積の小さな部分における流路面積の比を
   ０.２〜２０％の範囲にすることを特徴とする燃料集合
   体。
4. 【請求項４】前記最も流路面積が小さくなる部分が、前
   記冷却材流入口である請求項３の燃料集合体。
5. 【請求項５】前記冷却材流入口を、前記上昇管路の側壁
   に設けた請求項３の燃料集合体。
6. 【請求項６】前記冷却材下降通路の横断面積が前記冷却
   材上昇通路のそれよりも小さい請求項３または５の燃料
   集合体。
7. 【請求項７】前記冷却材上昇通路内に前記冷却材上昇通
   路を遮断する、上方に向かって突出した管状部を前記冷
   却材上昇通路内に配置して前記上昇管路に設け、前記管
   状部の側壁に形成された開口を介して前記管状部より上
   方の前記冷却材上昇通路と前記管状部より下方の前記冷
   却材上昇通路とが連通されている請求項３の燃料集合
   体。
8. 【請求項８】２本の前記水ロッドを有し、これらの水ロ
   ッドの前記最も流路面積の大きな部分が、前記燃料棒が
   ７本配置可能な領域に隣接して配置され、前記各水ロッ
   ドの前記各下降管路が、前記上昇管路に対向する複数の
   前記燃料棒であって相互に隣接する前記燃料棒間に配置
   された請求項１または３の燃料集合体。
9. 【請求項９】前記２本の下降管路は、燃料集合体の対角
   線方向において、互いに逆方向に配置された請求項８の
   燃料集合体。
10. 【請求項１０】前記上昇管路及び前記下降管路のうちの
    一方の管路が結合部材内に挿入されてこの管路の上端部
    が前記結合部材と溶接され、他の管路が前記結合部材の
    下側に溶接されており、前記結合部材との間に前記冷却
    材上昇通路と前記冷却材下降通路とを連絡する連絡通路
    を形成する蓋部材が、前記結合部材に取り付けられた請
    求項１，３または８の燃料集合体。
11. 【請求項１１】前記冷却材上昇通路内に前記冷却材上昇
    通路を遮断する、上方に向かって突出した管状部を前記
    冷却材上昇通路内に配置して前記上昇管路に設け、前記
    管状部の側壁に形成された開口を介して前記管状部より
    上方の前記冷却材上昇通路と前記管状部より下方の前記
    冷却材上昇通路とが連通されている請求項１または３の
    燃料集合体。