JPS60244893A - 核燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の核燃料集合体
に関し、特に逆転可能な燃料集合体に関するものである
。

この種の技術では周知のように、原子炉の炉心は多数の
燃料集合体から構成され、各燃料集合体は所定の配列に
従った複数の核燃料棒からなっている。一般的には、炉
心は、核燃料棒から熱を奪うと共に中性子減速材として
も作用する軽水などの液体冷却材に浸されている。

一般のＢＷＲ核燃料集合体は、上部および下部タイプレ
ートによって７５）つそれらの間に８×８の配列で支持
され、６４本の棒を有していても良い。

沸騰水型原子炉の直面する問題は、燃料集合体における
上部から底部へのボイド部分の変化により、各燃料集合
体の底部方向にＢＷＨの出カスベクトルがゆがむという
事実のため、燃料集合体の底部付近の燃料が上部の燃料
より速く“燃焼″するということにある。冷却材の沸騰
は、一般に、燃料集合体の底部から約４分の１の距離で
始まる。この点から上方ではボイド部分は増加し、燃料
集合体の上部では６０〜７０％までに達する。冷却材は
、高速中性子を熱中性子化する中性子減速材としても作
用するので、炉心上部での低いＨ／　Ｕ率（水素対ウラ
ンの比）は、炉心底部よりも炉心上部の反応度を低くし
、それによって出力を小さくする状態を生じる結果とな
る。

一般のＢＷＲ原子炉では、ゆがみゃ出力分布を制限する
ため、制御棒を炉心の底部から入れる。

しかし、たとえこのような制御棒の挿入を行なったとし
ても、炉心の底部における過剰出力および過剰燃焼は起
こる。従って、水の密度の高い炉心下端の燃料は、炉心
上部の燃料よりも完全に燃焼する。このことは、燃料の
最適条件による燃焼度よりも低く、全体として燃料コス
トを高くする結果きなる。

英国特許第９２３．６５６号明細書において、燃料をよ
り一様に燃焼させるためＢＷＨに連続的に燃・　料を装
荷する方法が開示されている。この方法は、燃料集合体
を平均燃焼率の異なる複数の軸方向および径方向区域に
分割し、複雑な計画に従って連続的に燃料棒を区域から
区域に移送するものである。

との発明の主要な目的は、容易なやり方ｔＢＷＲにおけ
るもつと完全な燃料燃焼を達成可能な、改良された燃料
集合体を提供することにある。

従って、この発明は管状の流体通路と、この流体通路の
一端に取り付けられ該流体通路と共に外部囲いを形成す
る下部ノズル構造と、前記囲い内に挿入でき、複数の長
い燃料葬、およびこの燃料棒の両端部と共同して該燃料
棒を横゛方向に離間して所定の配列に保持するための一
対のタイプレートを有する燃料束とからなる核燃料集合
体において、前記タイプレートは、前記燃料束が前記囲
い内に相互に逆の軸方向の両方から挿入できるように、
実質的に互いに同一であると共に、前記タイプレートの
それぞれは、前記囲い内で前記燃料束を支持する手段を
含む核燃料集合体にある。

燃料集合体内での互いの配置を考慮して、互いに線対称
で実質的に同一なタイプレートを用いるこの配列は、両
端のどちらが燃料集合体の底部に、又、どちらが上部に
あるかに無関係に、機械的および水圧的見地から同じ燃
料束を提供する。結局、炉心において所定期間使用され
た後、燃料束はその囲いから引き出され、燃料位置が逆
になるように再挿入することができる。

即ち、初めに炉心の上部区域にあって燃焼が少ない燃料
は、減速冷却材の密度が高い炉心底部に置かれるので、
再配置された燃料はその後もつと高率で燃焼するだろう
。このように、単に燃料束を逆転することのみによって
、又、流体通路および下部ノズルからなる囲いを何ら変
えることもなく、この発明は、各装荷燃料をもっと完全
に利用でき、その結果原子炉運転の燃料サイクルコスト
を実質的に低くすることができる。

この発明による核燃料集合体に用いるに適した代表的な
燃料棒は、核燃料を収納すると共に、原子炉運転中にこ
の燃料によって放出される核分裂気体を収容するための
核分裂気体用内部プレナムを画成する被覆管からなって
いる。この発明による燃料集合体において、このような
核分裂気体プレナムを有する型の燃料棒は、第１の複数
の燃料棒が、その燃料棒を支持する２つめタイプレート
のうちの一方に近接して配設された核分裂気体プレナム
を有し、第２の複数の燃料棒が、他方のタイプレートに
近接して配設された核分裂気体プレナムを有するように
配列されている。好ましくは、燃料棒の交互のものが前
記一方のタイプレートに近接した核分裂気体プレナムを
有し、その間の交互のものが他方のタイプレートに近接
した核分裂気体プレナムを有している方が良い。こうし
て、１個おきの燃料棒の核分裂気体プレナムを原子炉炉
心の底部に配置させ、且つ残りの燃料棒の核分裂気体プ
レナムを上部に配置させることにより、燃料束を核的見
地からみて軸方向に対称とし、燃料束が初めの位置にあ
るか逆転されたかにかかわらず、炉心内の反応燃料の長
さおよび位置を同じにすることができる。更に、１個お
きの核分裂気体プレナムを炉心底部に配置することは、
炉心の両端における水素／ウラン（Ｈ／Ｕ　）比率を増
加する一方、コールド状態では炉心両端が過剰減速であ
るのに反して、特に炉心上部においてＢＷＲは通常低減
速状態で運転されるので、炉心反応度を増加する。

この発明によれば、燃料集合体の燃料束を逆転すること
によって、　ＢＷＲにおける約２〜３％の燃料サイクル
コスト利益が得られることが見込め、又、核分裂気体プ
レナムの約半数を炉心の底部に配置することによって、
他に２〜３％が得られることが見込める。このように、
この発明は、従来の燃料集合体よりも約５係の総合燃料
サイクルコストを削減できることが見込める。′ この発明による燃料集合体は、他のＢＷＲ燃料集合体と
互換性があり、又、異なる構造の燃料集合体を有するＢ
ＷＲ炉心において燃料交換作業をしている間でも容易に
組込むことができるということから、更に有利である。

以下、図面に従ってこの発明の好適な実施例について説
明する。

第１図はこの発明による燃料集合体を一部断面で示す断
片的正面図であり、第２図は第１図に示した燃料集合体
に用いられるタイプレートの斜視図である。

図面について述べると、特に第１図に示された燃料集合
体１００は、それぞれが上部および下部のタイプレート
１０４，１０６間に伸び、且つ１個以上のスペーサグリ
ッド１０８により互いに横方向に隔置して配列保持され
、燃料集合体１００に固有の温度、水圧、核的および機
械的特性に合わせてその数や構成が選択された複数の長
い燃料棒１０２を有している。

燃料集合体１００は更に、好ましくはジルカロイとして
周知のジルコニウム合金で形成され、長く、流体を通さ
ない外側流体通路１１０を有しており、この通路は実質
的に燃料集合体１００の全長にわたって伸び、好ましく
は原子炉と同程度のステンレス鋼で形成された下部ノズ
ル集合体即ちベース１１２に構造的に接続されている。

好ましくは、管状流体通路１１０は、ベース１１２の上
端部１１６の縮径した外周面の下端に近接して形成され
た肩１１８に当接した流体通路１１０の下端部１１４と
、ベース１１２の上端部１１６の縮径外周面との保合に
より構成される目違い継ぎ接続と呼ばれるものによって
ベース１１２に接続されている。流体通路１１０の下端
部１１４は、流体通路１１０の下端部１１４内の穴１２
２を通って伸びベース１１２の接続上端部１１６に形成
されたねじ穴１２４に螺合されるねじ１２０によってベ
ース１１２に固定されても良い。ねじ１２０は好ましく
は、表面をなめらかにするように通路下端部１１′４内
に皿穴秋に埋設されている。流体通路１１０の下端部１
１４の４つの側面はそれぞれ前記のやり方でベース１１
２に構造的に接続されている。

当該技術において周知なように、ベース１１２は原子炉
炉心内の炉心板（図示せず）の穴に挿入できるようにな
っている。案内棒１２５のようなものが、燃料集合体を
案内して関連した炉心板穴内に入れるために設けられて
いても良い。

ここに示した好適な実施例による燃料集合体１００は、
８×８で配列された６４本の燃料棒の束からなり、それ
ぞれが両端に端栓１２６を有している。

この発明によれば、上部および底部のタイプレート１０
４および１０６は実質的に同一である。上部タイプレー
ト１０４を示した第２図からよく分かるように、各タイ
プレートは、鋳造又は機械加工等によって連続につなが
った薄い金属帯即ちストリップ１２８を形成し、原子炉
冷却材がその間を通過できるようにした、卵がご状のグ
リッド構造からなっている。燃料棒の格子位置にはそれ
ぞれ、組合せられる燃料棒１０２の両端栓１２６の軸即
ち垂直延長部１６２を滑り嵌めにより受けるように設計
された筒状穴１６０を有する小さな円筒が形成されてい
る。

このような上部および底部のタイプレート１０４および
１０６と燃料棒１０−２との屑り嵌めにより、燃料棒は
横方向が抑制されるが、タイプレートに−関し制限され
た軸方向の動きが許される。

上部タイプレート１０４の下面に対し加圧して、燃料棒
１０２を下部タイプレート１０６内に位置決め保持する
と共に上部タイプレート−１０４を支持するため、圧縮
バネ１３４が上部端栓１２６の延長部１３２の上に設け
られている。

好ましくは、各燃料束のうち少なくとも１本の燃料棒は
、上部および下部タイプレート１０４および１０６を連
結する結合棒１６６として用いられ、これによりそれら
タイプレートを保持すると共に複数の燃料棒１０２をユ
ニットとして一緒に保持する方が良い。この目的のため
：各上部お−よび下部端栓１２６は、それぞれ近接した
タイプレート１０４又は１０６内の穴１４０（第２図）
を通して伸びたねじ延長部１３８を有すると共に、ゆる
み止め即ち保持ナツト１４２を有している。

流体通路１１０には、燃料集合体１００の取り核いを容
易にするつり上げ溝穴１４４が形成されている。更に、
燃料集合体１００には緩衝器１４６が設けられ、使用時
に、近接した燃料集合体上の同様の緩衝器と共に共同し
て、近接した燃料集合体の間に、十分な冷却材が流れる
ための最低限の空隙を維持するようになっている。加え
て、通路バネ集合体を支持する柱１４８がある。通路バ
ネ集−合体はボッＬｊ　ト−１５２によって柱に固定さ
れ、好ましくは近接した燃料集合体上の同様の板バネと
接触かつ共同して、近接した燃料集合体間に空隙を保つ
と共に、負荷即ちバネ圧を１つの燃料集合体から他に伝
達するための両方向板バネからなっている方が良い。

通路バネ集合体に関する更に詳しいことは、米国再発行
特許第２７．１７５号明細書によって得られるだろう。

径方向外側に突出した緩衝器１４６およびバネ集合体１
５０の部分を提供するために、流体通路１１０の上端に
は適切に形成された切抜き１５４が設けられている。

ベース１１２は、減速冷却材を燃料集合体内に入れるた
めの入口穴１５８を有する入口ノズル１５６を備えてい
る。好ましくは鋳造により、ベース１１２と一体形成さ
れたノズル１５６は、その上のベース部分よりも小さい
横方向寸法を有している。

ノズル１５６の上方に配置されてベース１１２内に画成
されているのはプレナム領域１６０であって、該プレナ
ム領域は、入口ノズル１５６からの減速冷却材を受ける
と共に、オリフィス板１６２の穴を通過するようにその
冷却材を方向づける。該オリフィス板は、入ってくる冷
却材を燃料集合体に対し均等に通過するように分配し、
且つ新しい燃料集合体が挿入されるべき炉心の燃料集合
体の圧力降下を、他の燃料集合体の圧力降下とほぼ等し
くするようにも機能できる。タイプレートト１０４およ
び１０６自身が所望の圧力降下をもたらすように設計さ
れている場合には、オリフィス板１６２は省略できる。

上記のように、各燃料棒１０２は、被覆管１６４と燃料
ペレット１６６の積層とからなっている。各燃料棒１０
２の一端に近接して核分裂気体プレナム１６８が形成さ
れており、この中に、燃料ペレット１６６の相互の積層
の健全性を維持するための保持バネ１７０が内蔵され、
これにより気体プレナム１６８内の所望の空間も維持さ
れる。酸化ジルコニウムペレット１７２又は同様の圧力
伝達および分配部材が、バネ１７０と燃料ペレット１６
６の積層との間に介在されている。保持バネ１７０が故
障の場合に、燃料ペレットが核分裂プレナム１６８内に
移動することを確実に防ぐため、ひた−又はふくらみ１
７１を被覆管１６４に形成しても良い。第１図に示し、
且つ以下に更に詳述するように、一方では１個おきの燃
料棒の気体プレナムが燃料束の上部に配設されているの
に対し、他の１個おきの燃−料棒１０２の気体プレナム
１６８は燃料束の底部に配設されている。このような構
造　−５は、燃料集合体内の出力分布を増大し、燃料サ
イクルコストを減少する。

オリフィス板１６２は、オリフィス板の下側に例えばボ
ルト又はリベット１７８により止められ且つベース１１
２の内周に形成された屑１７６上に位置した片持バネ１
７４によって、燃料集合体内に支持されている。オリフ
ィス板１６２は、ベース１１２の上部１８２にほぼ合う
ように構成され、ベース１１２の上部１８２の内周上の
肩１８６に重なるリップ又はフランジ１８４を終端とし
た、立側壁１８０を有している。通常運転の間、リップ
１８４と肩１８６との間には空隙１８８が保たれている
。

前に述べたように、上部および下部のクイプレート１０
４および１０６は同一である。第２図から最もよく分か
るように、各タイプレートは、その各側面に、好ましく
は燃料束つり上げ穴１９２が形成された脚１９０を有し
ている。

脚１９０には好ましくは、斜肩１９４、肩１９８および
横方向に突出した平面２００が配設されそれらは、どち
らのタイプレートがたまたま下側（第１図におけるタイ
ブレー１−１ｏ６’）にあったとしても、側面の脚１９
０がベース１１２の上部１８２の内側の斜面１９６上に
相補的に支えられる斜肩１９４と、オリフィス板１６２
の側壁１８０のリップ１８４の上方向止めとなる肩１９
８と、流体通路１１０のそれぞれの側壁に近接してしつ
かり係合す４千面２００とを有するように配列されてい
る。

こうして明らかなように、流体通路１１０、ベース１１
２およびオリフィス板１６２などの燃料集合体の周囲お
よび支持部品は、主に燃料棒１０２と、上部および底部
タイプレート１０４および１０６のそれぞれと、スペー
サグリッド１０８とからなる燃料束２０２のための、比
較的永久的外部囲い即ち１カン″を形成している。

的幾何構造のため、又、２つのタイプレート１０４およ
び１０６が同一であることから、燃料束２０２は最初に
どちらの端部からでも”カン″に挿入することができる
。燃料束２０２は、燃料束つり上げ溝穴１９２に係合す
る道具（図示せず）によって６カン″内に降下すること
も゛カン″からつり上げて出すこともできる。そして、
全部の燃料集合体１００は、燃料集合体つり上げ溝穴１
４４に係合するハンドリング装置（図示せず）によって
操作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による燃料集合体を一部断面で示す正
面図、第２図は第１図のタイプレートを示す斜視図であ
る。 １００・・燃料集合体、１０２・・燃料棒、１０４・０
上部タイプレート、１０６・Ｏ底部（下部）タイプレー
ト、１１０・Ｏ流体通路、１１２・・ベース、１１０，
１１’２・Ｏ囲い、１６゛００・筒状穴、１３８−ｏネ
ブ延長部、１４２０・保持ナツト、１５６・・入口ノズ
ル、１９０ｓｏタイプレ一ト脚、１３０，１３８’；１
．４２，１９０−・燃料束を支持する手段、２０２・・
燃料束。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 管状の流体通路と、この流体通路の一端に取り付けられ
   該流体通路と共に外部囲いを形成する下部ノズル構造と
   、前記囲い内に挿入でき、複数の長い燃料棒、およびこ
   の燃料棒の両端部と共同して該燃料棒を横方向に離間し
   て所定の配列に保持するための一対のタイプレートを有
   する燃料束とからなる核燃料集合体において、前記タイ
   プレートは、前記燃料束が前記囲い内に相互に逆の軸方
   向の両方から挿入できるように、実質的に互いに同一で
   あると共に、前記タイプレートのそれぞれは、前記囲い
   内で前記燃料束を支持する手段を含むことを特徴とする
   核燃料集合体。