JPH11508690A - 沸騰水炉用の燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、各々の燃料棒が互いに垂直な２列の燃料棒の中に含まれており、直交格子に配置されている複数の第１の全長燃料棒（５ａ）、および第１燃料棒と平行に配置されており、そしてその長さは第１燃料棒の長さよりもかなり短い多数の第２燃料棒（５ｂ）から成る沸騰水炉用の燃料集合体に関する。第２燃料棒は、互いに隣り合う位置にある多数の第１燃料棒の間に形成されている空間の燃料集合体の下部にすなわち、直交格子に属さない位置に、配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 沸騰水炉用の燃料集合体 技術分野 本発明は底部帯板(bottom tie plate)、上部保持部材(upper retaining membe r)、底部帯板から上部保持部材まで延びておりかつ直交格子の中に配置されてい る複数の第１燃料棒、第１燃料棒と平行に配置されておりかつその長さは第１燃 料棒より本質的に短い多数の第２燃料棒、燃料棒をそれぞれの位置に保持するた めの多数のスペーサ、および燃料棒を囲む燃料チャネル(fuel channel)から成る 沸騰水炉用の燃料集合体(fuel assembly for a boiling water reactor)に関す る。 背景技術 沸騰水炉において、燃料は燃料棒の形をしており、それぞれの燃料棒は燃料被 覆管(cladding tube)の中に配置された核燃料の多数のペレットから成る。燃料 バンドル(bundle)は、一定の対称パターン、いわゆる格子状に、互いに平行に配 置された複数の燃料棒から成る。通常、燃料棒は直交格子に配置される、すなわ ち、各燃料棒は互いに垂直に配置された２列の燃料棒の中に含まれる。燃料棒位 置とは格子内の位置を意味する。燃料棒は頂上で上部保持部材、例えば頂部帯板 、により、そして底で底部帯板により保持される。燃料棒を互いに間隔をおいて 保持するため、およびそれらを反応が稼働しているときに曲げまたは振動から防 ぐために、多数のスペーサが燃料集合体の長さ方向に燃料バンドルに沿って分布 されている。燃料棒は一つ以上の燃料バンドルから成り、それぞれのバンドルは 燃料集合体の長さの主要部に沿って延び、そして実質的に正方形の燃料チャネル により囲まれている。 その中心部は水に浸されており、その水は冷却材としておよび中性子減速材と して役立つ。運転の間、水は燃料集合体の中を上の方向に流れ、その際水の一部 は水蒸気に変換される。減速材として、水蒸気は水に劣るが、それは水蒸気の密 度が水より低いためである。従って、運転の間、燃料集合体の上部の減速はその 下部におけるほど良くない。もし燃料が燃料集合体の縦方向に沿って均一に分布 されているならば、下部に比べより低い減速材／燃料比が上部において得られる 。不均一な減速材／燃料比を有する燃料集合体は運転の間に劣った反応性を持つ が、それは均一な減速材／燃料比を有する燃料集合体と比較して劣った燃料経済 に寄与する。原子炉が核反応を起こしているときにより均一な減速材／燃料比を 得るためには、燃料集合体の下部よりもその上部においてこのように燃料の量は より少なくあるべきであり、又、格子空間すなわち燃料棒の間の自由空間、はよ り大きくあるべきである。ある燃料設計のためには、例えば、燃料棒の直径、燃 料棒の間の距離、および燃料棒の数、を選択することによってより均一な減速材 ／燃料比が達成されることができよう。 燃料集合体の上部における減速材／燃料比を増加させる一つの方法は格子内の 若干の燃料棒を部分長(part-length)の燃料棒と交換することである。部分長燃 料棒は底部の帯板から頂部の帯板の方へ延びているが、底部の帯板から頂部の帯 板の方へ延びている全長燃料棒とは対照的に、頂部帯板の幾分下で終わっている 。米国特許第５，２２９，０６８号明細書は、その中の大多数の燃料棒は全長(f ull-length)燃料棒でありそして比較少数の燃料棒は部分長燃料棒である燃料集 合体を開示している。その燃料集合体中のすべての燃料棒、すなわち、全長のお よび部分長の両者の燃料棒、は直交格子に配置されており、その中で各燃料棒は 互いに垂直な２列の燃料棒の中に含まれている。２本の隣接する燃料棒の間の距 離は、その燃料棒が全長棒であるかまたは部分長棒であるかに関わらず同じであ る。 若干の燃料棒位置に部分長燃料棒を有することの不利な点の一つは、燃料集合 体の上部における格子が大きな間隙(openings)をもって不均一になることである 。それらの間隙の低い流動抵抗のために、さもなければ燃料棒の間を流れたはず の水の一部はその代わりにこれらの間隙に流れ込むであろう。これは結果として 若干の燃料棒の冷却不足及びドライアウトの危険及び燃料損害の増加の可能性の 危険をもたらす。 他の一つの不利な点は、すべての燃料棒の合計の長さがすべての燃料棒位置に 全長燃料棒を有する燃料集合体に比較して減ることである。これは結果として、 燃料棒の線荷重（力／単位の長さ）の増加をもたらし、これは燃料温度を増加さ せ、そしてまた核分裂気体の放出を増加させながら同時に燃料へのＰＣＩ損害（ ＰＣＩ＝ペレット−燃料被覆相互作用）の危険も増加させる。 さらに追加の不利な点は、部分長燃料棒の上部において生ずる中性子束(neutr on flux)のピークである。部分長燃料棒の頂上部がウランも水もいずれも含まな い部分を含むので、その中性子束のピークが生じる。これらの部分は核分裂気体 空間および頂上プラグから構成される。これらのウランのない及び水のない部分 の中で、中性子の吸収は起こらず、それはその代わりに部分長燃料棒の最上部の 燃料ペレットの中に吸収される余剰の中性子を与えるので、従って出力のピーク (power peak)を生ぜしめる。 発明の要約 本発明の目的は、均一な減速材／燃料比を有する沸騰水炉用の燃料集合体を提 供することにあり、そしてそれは −燃料分布を、軸方向および放射状の両方において、最適化する可能性を与え 、 −低いドライアウトの危険性を含み、 −燃料棒の上に低い線荷重を含み、及び −中性子束にピークを生ぜしめない、 燃料集合体である。 本発明の燃料集合体の特徴は添付された請求の範囲から明らかになるであろう 。 本発明によれば、前記の目的を満たす燃料集合体は、各燃料棒が互いに垂直な ２列の燃料棒の中に含まれている直交格子の中の燃料棒位置に多数の全長燃料棒 を配置することにより提供される。直交格子の中の燃料棒位置にある全長燃料棒 は以下において標準棒と呼ぶことにする。１本以上の短い燃料棒、すなわち、２ 個のスペーサの間に、または底部帯板と１個のスペーサの間に延びている燃料棒 は、互いに隣り合う位置にある多数の標準棒の間に形成されている空間の燃料集 合体の下部に、すなわち、直交格子に属さない位置に、配置されている。これら の直交格子に属さない短い燃料棒は以下において中間棒と呼ぶことにする。中間 棒の中心線と周囲の標準棒の中心線との間の距離は、標準棒のそれぞれの中心線 の間の距離よりもかなり小さい。好ましい一実施態様において、中間燃料棒は４ 本の隣接する標準棒と接触するように配置されている。 燃料棒位置が全長燃料棒により占められている事実の故に、均一な格子が燃料 集合体の上部に得られ、それにより、部分長燃料棒が燃料棒位置にあって燃料集 合体の上部に大きな間隙が形成されていた場合よりも、ドライアウトの危険はか なり小さい。燃料集合体の上部にある減速材の量を増すためには、燃料棒は部分 長燃料棒を有する燃料集合体における燃料棒と比較して幾分小さい直径を持たな くてはならない。 本発明による燃料集合体において、燃料棒の合計の長さは、燃料棒位置に部分 長燃料棒がある場合には減少する代わりに、増加する。このようにして、燃料棒 上の線荷重は減少し、そしてそれはＰＣＩ損害の危険性を減少させ、且つ核分裂 気体の発生を減少させる。 中間燃料棒のウランなし且つ減速材なしの部分により生じた中性子束のピーク は中性子の余分の量を吸収する周囲の４本の標準棒により抑えられる。 燃料集合体の中で異なる水準で短い燃料棒の数を変えることにより、均一な減 速材／燃料比を達成することができる。本発明は燃料集合体において放射状と軸 方向の両方に最適化の大きな可能性を提供する。 図面の簡単な説明 図１は、図２のＤ−Ｄ線を通る垂直断面において中間燃料棒を含む本発明の燃 料集合体を略図で示す。 図２ａは、図１の燃料集合体のＡ−Ａ水平断面を示す。 図２ｂは、図１の燃料集合体のＢ−Ｂ水平断面を示す。 図２ｃは、図１の燃料集合体のＣ−Ｃ水平断面を示す。 図３ａは、４本の標準棒により取り囲まれた中間燃料棒を拡大尺度で示す。 図３ｂは、八角形の燃料被覆管を有する中間燃料棒を示す。 図４は、中間燃料棒をより詳細に示す。 図５ａおよび図５ｂは、中間燃料棒を底部帯板に対してまたはスペーサに対し て回転できるように支えるためのどちらか一方の装置を示す。 図６ａ〜６ｃは、本発明による燃料集合体の他の実施態様を示す。 好ましい実施態様の説明 図１および図２ａ〜図２ｃは沸騰水型燃料集合体１を示し、それは燃料チャネ ル２として示されている長方形の断面を有する長い管状の容器から成る。燃料チ ャネル２は、それを通り水が流れる連続的流路を形成するように両端で開いてい る。燃料チャネル２は十字形の断面の中空支持手段３ａ、３ｂを備えており、そ れは燃料チャネルの四壁に固定されている。その支持手段は４本の中空の翼３ａ および中空の拡大された十字形センターから成る。支持手段３ａ、３ｂは、それ を通って水が燃料集合体を上方向に流れる十字形の垂直水路を形成している。燃 料集合体は水により取り囲まれている。多量の水に近接しているために、燃料チ ャネルの近くおよび十字形のチャネルの近くの燃料棒はその他の燃料棒よりも良 い減速を受ける。 支持手段を有する燃料チャネルは実質的に四角形（正方形）の断面を有する四 つの対頂チャネル形成部分(vertical channel-formed parts)４ａ−４ｄ、いわ ゆるサブチャネル、を囲んでいる。それぞれのサブチャネルは平行に配置された 複数の燃料棒から成る燃料バンドルを含む。それぞれの燃料棒は、互いの上に積 み重ねられて燃料被覆管の中に封入された多数の二酸化ウランの円筒形ペレット から成る。燃料バンドルは頂部帯板７により頂部にそして底部帯板６により底部 に保持されている。燃料棒は複数のスペーサ８ａ〜８ｉ手段により互いから間隔 をおいて保たれており、そして原子炉が運転されているときに曲げおよび振動か ら妨げられている。この図は４個のスペーサ８ａ，８ｂ，８ｈ，８ｉのみを示し ている。各サブチャネル内の燃料棒の間の間隙を水と水蒸気が通過する。燃料バ ンドルを保持する頂部帯板の代わりに、このバンドルは頂部でスペーサにより保 持されることもある。 燃料棒には２種の異なる型のもの、すなわち、いわゆる標準棒５ａといわゆる 中間棒５ｂ、がある。標準棒５ａは全長棒であり、すなわち、それらは底部帯板 ６から頂部帯板７まで延びており、そしてそれらは直交格子に配置されている。 各燃料バンドルは直交の５×５格子に配置された２４本の標準棒を含み、その格 子の中の支持手段の拡大された十字形中心３ｂに面する隅において、１本の燃料 棒が欠けている。中間棒５ｂは標準棒よりも短く、そして標準棒の間に配置され ている。中間棒は底部帯板６とスペーサ８ａの間かまたは２つのスペーサ、例え ば、８ａと８ｂ、の間かいずれかに延びている。中間棒５ｂは、燃料集合体の全 長の約６０％を構成する燃料集合体の下部の中に配置されている。燃料集合体の この部分では、ドライアウトの危険は非常に低い。ほとんどの中間棒５ｂは、互 いに隣り合って配置されている４本の標準棒の間に形成される空間に配置されて いる。いくらかの中間棒は、互いに隣り合って配置されている３本の標準棒およ び拡大された十字形センター３ｂの間に形成される空間に配置されている。 図２ａは、燃料集合体の全長の約４０％を構成する燃料集合体の上部の水平断 面を示す。その上部には、中間棒はなくて、標準棒のみがある。 図２ｂは最下のスペーサ８ａとその最も近いスペーサ８ｂの間の燃料集合体の 水平断面を示す。４つの燃料バンドルのそれぞれの中に、８本の中間棒５ｂが標 準棒の間の空間にそして燃料バンドル全体に均等に分布される位置に配置されて いる。 図２ｃは底部帯板６と最下のスペーサ８ａの間の燃料集合体の水平断面を示す 。４つの燃料バンドルのそれぞれの中に、８本の中間棒５ｂが標準棒の間の空間 にそして燃料バンドル全体に均等に分布される位置に配置されている。これらの 位置は図２ｂにおける位置とは異なる。中間棒の位置は、異なるスペーサ間では 軸方向において変わる。この実施態様において、中間棒は交互に、図２ｂの断面 による配置及び、燃料集合体の下部におけるスペーサの間の図２ｃの断面による 配置を持つ。中間棒の配置を軸方向に変えることにより、水の内部混合が増加し 、そしてそれは結果としてドライアウトの危険を減少させる。 図３ａは、標準棒５ａにより取り囲まれている中間棒５ｂを示す。すべての燃 料棒は同じ直径ｄ＝９ｍｍを有する。中間棒５ｂは取り囲む標準棒と接触するよ うに配置されている。中間棒と標準棒をできるだけ互いに近く配置することによ りそれらの燃料棒における振動と磨耗の危険が減少される。 図３ｂはもう１つの実施態様を示しており、そこでは中間棒が八角形の燃料被 覆管２０を有していて、棒の間に遊びが形成されるのを防いでいる。もし中間棒 が、水流により起こされたトルクを意図的に受けるならば、周囲の燃料棒に関す る遊びは除かれるであろう。これは振動と磨耗の危険を相殺する。上栓もまた八 角形にすると都合が良い。 図４は底部帯板６とスペーサ８ａの間に配置された中間棒５ｂを示す。この燃 料棒はお互いの上に積み重ねられ且つ燃料被覆管１０の中に封入された多数のウ ランペレットから成る。その下端で、燃料棒は底栓１１ａにより、そしてその上 端で上栓１２により封じられている。底栓は僅かに凹面になっていて、底部帯板 の球形部１４の上で回転できるように配置されている。上栓もまた僅かに凹面で あり、スペーサの球形部１５に対して押しつけられている。核燃料の燃焼の間、 燃料棒の内部に含まれる核分裂気体は放出される。被覆管への圧力が余り大きく なることを防ぐために、核分裂気体のための膨張空間１３がウランペレットの上 に配置されている。中間棒は周囲の標準棒により横方向に位置を保たれている。 もし１本の中間棒が、例えば使用期間中に、燃料バンドルから取り出される必要 があるなら、周囲の標準棒の１本が先ず除かれねばならず、その後で中間棒は適 当な道具で上栓とかみ合わされてから横に動かされることができよう。 図５ａは底栓用の回転可能な支持体を配置する他の方法を示す。底栓１１ｂは 球形のくぼみ１６を有し、それは底部帯板６ｂの上にまたは、その代わりに、ス ペーサの上に配置された弾力性の球１７を取り囲んでいる。図５ｂは底栓用の回 転可能な支持体を配置するもう一つの方法を示す。底栓１１ｃは下向きに先細に なっている円錐の形を有し、ピン１８で末端になっており、この末端は底部帯板 ６ｂの中またはスペーサの中の弾力性のタブと孔にぴったり嵌まっている。 減速材の十分な供給のために、燃料チャネルおよび支持手段の近くに中間棒を 配置することは有利なことがある。図６ａは本発明の一つの実施態様によるサブ チャネルの断面を示す。その場合すべての中間棒は燃料チャネルの近くに配置さ れている。標準棒５ａは直交の５×５格子に配置され、そして中間棒５ｂはすべ て、その中の２本の標準棒が燃料チャネル２に隣接している４本の隣接する標準 棒の間に形成される空間に配置されている。その断面は燃料集合体の下部全体に おいて同じである。 図６ｂと６ｃは、本発明のもう一つの実施態様による燃料集合体の下部におけ るサブチャネルの二つの水平断面を示す。中間棒５ｂは燃料チャネル２に近い位 置および支持手段３ｂに近い位置に配置されている。中間棒は、燃料集合体の下 部のスペーサの間の図６ｃにおける断面による位置及び図６ｂにおける断面によ る位置のいずれか一方をとる。 本発明は、もちろん、内部水路を全く欠いている燃料集合体、または別の設計 、例えば、１本以上の中心に配置された水パイプを有する水路を有する燃料集合 体にもまた適用されることもあり得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．−底部帯板（６）、 −上部保持部材（７）、 −底部帯板から上部保持部材まで延びており、直交格子に配置されている 複数の第１燃料棒（５ａ）であり、しかも各々の燃料棒は互いに垂直な２列の燃 料棒の中に含まれている、前記の複数の第１燃料棒、 −第１燃料棒と平行に配置されており、そしてその長さは第１燃料棒の長 さよりもかなり短い複数の第２燃料棒（５ｂ）、 −前記燃料棒を互いに間隔を置いた関係に保持し且つ位置を定め、そして それらの燃料棒に沿って軸方向に離れて配置されている複数のスペーサ（８）、 および −前記燃料棒を囲む燃料チャネル（２）、 から成る沸騰水炉用の燃料集合体において、各々の第２燃料棒は複数の第１燃料 棒により取り囲まれており、それによりその第２燃料棒と周囲の第１燃料棒との 距離は、第１燃料棒のそれぞれの間の距離よりもかなり短い、 ことを特徴とする前記の沸騰水炉用の燃料集合体。 ２．第２燃料棒（５ｂ）は燃料集合体の下部に配置されていることを特徴とす る請求項１に記載の燃料集合体。 ３．少なくともある第２燃料棒（５ｂ）は底部帯板（６）といずれかのスペー サ（８）との間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃 料集合体。 ４．少なくともある第２燃料棒（５ｂ）は２つのスペーサ（８）の間に配置さ れていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料集合体。 ５．各々の第２燃料棒（５ｂ）は周囲の第１燃料棒（５ａ）と接触しているよ うに適応されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料 集合体。 ６．第２燃料棒と第１燃料棒は同じ直径（ｄ）有することを特徴とする請求項 １〜５のいずれか１項に記載の燃料集合体。 ７．第２燃料棒は八角形の燃料被覆管（２０）を有することを特徴とする請求 項１〜６のいずれか１項に記載の燃料集合体。