JPS6110239Y2 - - Google Patents

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JPS6110239Y2
JPS6110239Y2 JP1982138929U JP13892982U JPS6110239Y2 JP S6110239 Y2 JPS6110239 Y2 JP S6110239Y2 JP 1982138929 U JP1982138929 U JP 1982138929U JP 13892982 U JP13892982 U JP 13892982U JP S6110239 Y2 JPS6110239 Y2 JP S6110239Y2
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fuel
rods
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fuel assembly
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は熱中性子を利用する原子炉の燃料集合
体に関し、特に沸騰水型原子炉に好適な燃料集合
体に関する。
沸騰水型原子炉の燃料集合体は、規則正しいピ
ツチで格子状に原子炉炉心内部に配置されてい
る。第1図に燃料集合体の1つを取出して示した
が、全体を符号1で示す燃料集合体は、多数の燃
料棒2(図示例では7×7)と、以下図示しない
上部タイプレートと、下部タイプレートと、スペ
ーサおよびチヤンネルボツクス3とよりなつてい
る。
燃料棒2はチヤンネルボツクス3内に挿入さ
れ、燃料棒の軸方向に、ある間隔をもつて配置さ
れた多数のスペーサによつて保持され、位置決め
されている。各燃料棒2は一般に等間隔に配置さ
れ、各燃料棒間には冷却材流路4が形成されてい
る。燃料棒の両端はチヤンネルボツクス内に挿入
される上部および下部タイプレートによつて保持
される。上部タイプレートと下部タイプレートは
数本の燃料棒の先端プラグを加工したタイロツド
燃料棒で結合されている。燃料集合体内には冷却
材である水が流れ、この水は燃料棒中に存在する
ウラン、プルトニウム等の核分裂反応によつて発
生する熱を除生する。燃料集合体間の間隙すなわ
ちチヤンネルボツクス3の外周5にも水が存在す
る。6は十字型制御棒である。
水は冷却材としての働きを有すると同時に減速
材としての働きを有する。核分裂によつて水中に
飛び出した高速中性子は、水によつて減速されて
熱中性子になる。この熱中性子がウラン、プルト
ニウム等の核分裂性物質と衝突すると、核分裂反
応が誘起される。
沸騰水型原子炉においては、炉心の反応度や出
力分布を制御するために、炉心下部から上部に向
つて制御棒6が挿入される。その駆動は炉心外部
から行なわれる。
第2図は制御棒6を炉心下部から中央部付近ま
で挿入した状態で、定格出力運転している場合の
軸方向ボイド率曲線7と線出力密度(出力)分布
曲線8を示した。制御棒挿入領域および制御棒先
端領域では、ボイド率は小さいが先端領域よりさ
らに上側の領域9ではボイド率曲線7が示すよう
に活発にボイドが発生する。発生したボイドは強
制的にまたは浮力によつて炉心上部に移動させら
れる。減速材である水がボイドによつて排除され
ると、熱中性子の数が低下するため、ウラン、プ
ルトニウム等の核分裂反応が起りにくくなり、従
つて熱出力が低下する。制御棒先端領域はまだボ
イドがあまり発生していないことと、制御棒によ
り熱中性子の吸収がなくなつた処であるため、熱
中性子が多量に集積する。この結果前記制御棒先
端領域またはその近傍に非常に高い出力ピーク1
0が曲線8に出現する。このような出力ピーク1
0が生ずることは、出力分布の平坦化を妨げ、原
子炉全体の熱出力の低下をきたすものである。
本考案の目的はこの出力ピーク10を抑制する
ことによつて炉心全体の出力の向上をはかり、さ
らに原子炉の安定した運転や燃料の健全性向上に
より燃焼度を延ばす燃料集合体を提供するにあ
る。すなわち本考案の特徴はチヤンネルボツクス
内の減速材(水)対燃料体積比を燃料集合体体の
軸方向に変化させてボイドが軸方向に分布してい
るために生ずる前記ピークを抑制し、その結果制
御棒の上側部分の破壊を防止する効果をも生ずる
ものである。
以下本考案の2,3の実施例について図面を参
照して詳細に説明する。
第3図に本考案の基調をなす構成を第1実施例
として示した。
この例では、チヤンネルボツクスの中に長さの
異なる3種類の燃料棒2a,2bおよび2cが用
いられている。燃料棒2aは正規の長さを有する
もので、本考案では長尺燃料棒と呼ぶ。燃料棒2
bおよび2cは二酸化ウランペレツト等からなる
核分裂物質発熱要素のスタツク長が長尺燃料棒の
それに比べて短かく、スタツクの頂部には中性子
吸収物質が充填されている。中性子吸収物質とし
てはステンレス鋼、ボロンを少量添加したステン
レス鋼、酸化ハフニウム焼結ペレツト、希土類酸
化物混合体などが考えられる。ガドリニアを二酸
化ウランに混合したペレツトも中性子吸収物質の
一種である。中性子吸収物質の代りに、二酸化ウ
ランペレツト中のU−235濃縮度、あるいは二酸
化ウランと二酸化プルトニウムとの混合酸化物ペ
レツトのU−235濃縮度を下側から隣接するウラ
ンペレツトの濃縮度より低下させたり、またプル
トニウム富化度を下側から隣接する混合酸化物ペ
レツトの富化度より下げたり、あるいはプルトニ
ウム中のPu−239の割合を低下させたものを用い
ても本考案の目的は達成される。
これら中性子吸収物質等の局所的な発熱ピーク
の発生を防止する物質(以下単に局所ピーク防止
物質と呼ぶ。)の長さは、好適な例では通常1〜
5cmとされ、設計条件によつて変化する。本考案
の目的のためには通常は5cmより長くする必要は
ないが、別の目的のために5cm以上長くしても差
支えない。
本実施例では短尺燃料棒2b,2cの上部には
水封入棒13′が連結されている。短尺燃料棒頂
部と水封入棒下部の連結部近傍の詳細な構成例は
第4図aに示されている。この例では短尺燃料棒
の外径と水封入棒の外径とはほぼ同一とされてい
る。内径は設計条件により変更させることができ
る。なお、第4図bは水封入棒を連結していない
短尺燃料棒の構成例を示した。
第4図a,bにおいて、21は局所ピーク防止
物質、22は燃料ペレツト、17は被覆管、18
はガスプレナム、19はスプリング、20は端栓
である。
第3図から明らかなごとく、第4図bに示す短
尺燃料棒の上部(即ち冷却材の流れの下流部)空
間は冷却材である水と水蒸気の気泡が占めるの
で、第4図aに示す構成の場合とほぼ同じ中性子
減速効果が得られる。
第4図aに示す水封入棒13′を連結した短尺
燃料棒2b,2cを用いた燃料集合体の横断面お
よび縦断面を第3図について説明する。横断面図
a,b,cは縦断面図dのA−A,B−B、およ
びC−C線に沿うものであり、縦断面図dは横断
面図a,b,cのD−D線に沿うものである。通
常の設計では長尺燃料棒2a、短尺燃料棒2b,
2cはいずれもそれらの下端は一様にそろえてあ
る。燃料集合体の上部では第3図aに示すごとく
4本の水封入棒13′が、中央部では第3図bに
示すごとく2本の水封入棒13′が配置されてお
り、下部では第3図cに示すごとく全然配置され
ていない。
本考案の第2の実施例たる第6図の基本となる
配置を第5図に示した。チヤンネルボツクス内に
配置される多数の燃料棒をたとえば2種類の長さ
の燃料棒2′を2″に分け正規の長さの燃料棒2″
は、チヤンネルボツクスの近傍に、つぎにこれよ
り短い燃料棒2″を燃料棒2′の内側に配置すれ
ば、第5a図に示す側面図では燃料棒頭部を連ね
る直線11,11′が得られる。断面A−A(第
5b図)、B−B(第5c図)、およびC−C(第
5d図)に示すようにこれらの直線で形成される
上方に拡がるほぼ逆円錐形の流路が得られる。か
くして炉心内の燃料棒の間、たとえば下方流路1
2を通つて上方に流れる減速材と冷却材を兼ねる
水は燃料集合体上方へ行くに従つて拡がり、ボイ
ド発生により減少する水の量を補なうことにな
る。このことは燃料集合体軸方向の実効的なボイ
ド率分布が一層平坦化することを示すものであ
る。
次に本考案の第2の実施例を第6図に示す。
この実施例では、水または気水混合体が占める
第5図の円錐12の代わりに、断面D−D(第6
b図)、E−E(第6c図)およびF−F(第6
d図)に示すように上方に拡がる水封入棒13
(第6a図)を挿入してスペーサなどで保持すれ
ば、第5図に示すものと同様に、あるいは更に能
率よくボイド発生により減少する水の量を補なう
ことができ、燃料集合体軸方向の実効的なボイド
率分布を平坦化させうる。なお第4a図および第
6図に示す水封入棒13は水以外の減速材、たと
えばジルコニウムハイドライドやチタンハイドラ
イドなどの金属水素化物やベリリウム、黒沿、重
水、あるいはこれらの化合物などを含む棒で置換
してもよい。
第7a図はボイド率分布と燃料集合体横断面平
均の線出力密度(出力)分布について、前述した
本考案実施例と従来の燃料集合体の場合との比較
を示したものであり、実線が本考案実施例、破線
が第2図に示した従来例である。本考案の燃料集
合体のボイド率曲線15は曲線7より下がつて平
坦化され、燃料集合体横断面平均の線出力密度曲
線16は従来の曲線8よりピーク値が10から1
7に低下する。これは主としてピークが発生して
いる個所10,17より上の方付近で実効的ガイ
ド率が低下しその結果線出力密度が曲線8から1
6に変化するためである。
第7b図は短尺燃料棒における線出力密度分布
を燃料集合体横断面平均の線出力密度分布と対比
して説明したものである。
第7a図の場合と全く同一の本考案燃料集合体
であつて、燃料集合体内の大多数の燃料棒は正規
の長さを有する長尺燃料棒であり、一部の燃料棒
のみが短尺燃料棒である。両者との下端の高さが
そろえてあり、従つて上方では高さが第7図bの
ごとく異つている。短尺燃料棒では頂部に中性子
吸収物質15を配置しているものと配置していな
いものについて対比して説明する。短尺燃料棒の
軸方向線出力密度分布は頂部を除き集合体横断面
平均の軸方向線出力密度分布16とほぼ一致す
る。しかし頂部附近では一致しない。頂部に中性
子吸収物質15を有しない短尺燃料棒では点線1
6aが示すごとく、頂部が狭い範囲で急激な線出
力密度の上昇が発生する。これは短尺燃料棒の頂
部で核分裂物質の中性子吸収効果が急激になくな
るためである。長尺燃料棒の場合にも頂部におい
て同様の局所的線出力密度の上昇はあるものの、
元来頂部では出力密度が低下しているので全く問
題ない。一方短尺燃料棒ではその頂部が燃料集合
体の軸方向出力密度が高い場所に位置するため、
短尺燃料棒頂部における線出力密度の局所的な上
昇量は大きな値となり、燃料の健全性に重大な影
響を及ぼす恐れがある。
本考案では単に短尺燃料棒の導入を提案するだ
けでなく、その頂部に中性子吸収物質等の局所出
力ピーク防止物質を有する短尺燃料棒を内蔵する
燃料集合体を提案するものである。第7b図に示
す先端吸収物質ありの短尺燃料棒の例では、頂部
に中性子吸収物質を含有する核分裂発熱物質、ま
たは頂部のみU−235の濃縮度を低下させた核
分裂発熱物質を配置した場合を示している。中性
子吸収物質などの局所ピーク防止物質の影響で局
所的に中性子束が低下したために局所的な出力ピ
ーク16aの発生が防止されて16bのごとくな
る。縦線16cから炉心上端までの間では短尺燃
料棒の上部に核分裂発熱物質が存在しないから線
出力密度は当然ゼロになる。出力低下部分16b
は燃料集合体の中では極く限られた一部にしか発
生しないため、燃料集合体の平均的な出力の低下
は全く無視できる。このように本考案の燃料集合
体では局所的な出力ピーク16aが生じないので
燃料の健全性が向上する。また一方で、原子炉の
出力は炉心内の最高出力点の値で制限されるの
で、局所ピーク16aの防止により原子炉の出力
が上昇できる効果は極めて大きいと考えられる。
以上は線出力密度分布の改良の点から本考案の
特徴を説明したが、本考案はこのほかにボイド発
生による炉心の余剰反応度が低下しすぎることを
防止するのに効果的に利用される。すなわち、水
封入棒の導入により水対燃料体積比が増大し、そ
の結果ボイド係数がより正側に移行してボイド発
生時の余剰反応度の低下を防止することができ
る。
本考案の出願前において、沸騰型原子炉におい
て上下方向にボイドの反応度特性を均一化して原
子炉の自己制御特性を改良するため、長さの異な
る燃料棒を交互に配置して上下方向の燃料の量を
変えあるいは黒沿を挿入する技術が提案されてい
る(特公昭35−8284号) 本考案はこれと異なり、チヤンネルボツクスを
有する燃料集合体を対象とし、長さの異なる燃料
棒を配置して上方に向かつて次第に拡大する減速
材の通路を形成するとともに該通路にボイド発生
を抑制する水封入棒等を配置することにより、燃
料棒上端から上方のボイド率分布を平坦化し、そ
の結果として燃料棒上端の上側近傍に生ずる大き
な出力のピークを制御するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の燃料集合体の横断面図、第2図
は第1図に示す燃料集合体の軸方向のボイド率と
出力密度を示す図、第3,4図は本考案実施第1
例を示す断面図、第5図は第6図のものの基調を
なす構成の断面図、第6図は本考案実施第2例を
示す断面図、第7a図は本考案による燃料集合体
の軸方向のボイド率と出力分布を従来のそれと比
較して示す図、第7b図は短尺燃料棒における線
出力分布を燃料集合体平均の出力分布と対比して
説明した図である。図中の符号はそれぞれ下記部
材を示す。 1……燃料集合体、2……燃料棒、3……チヤ
ンネルボツクス、4……流路、5……水、6……
制御棒、13……水封入棒、14……ボイド管、
15……局部ピーク防止物質。

Claims (1)

  1. 【実用新案登録請求の範囲】 1 チヤンネルボツクスと、該チヤンネルボツク
    ス内に配置された多数の燃料棒とからなる燃料
    集合体において、該燃料集合体の内部に上方に
    向かつて次第に拡大する空間を形成するように
    長さの異なる燃料棒を配置し、該空間に各種形
    状の減速材を配置したことを特徴とする燃料集
    合体。 2 前記上方に向かつて次第に拡大する空間にお
    いて、上方に向かい拡大する形状の水封入棒ま
    たは同形のその他の減速材棒を配置したことを
    特徴とする実用新案登録請求の範囲第1項に記
    載の燃料集合体。 3 前記上方に向かつて次第に拡大する空間にお
    いて、燃料棒の上方に一様な直径の形状を有す
    る水封入棒または同形のその他の減速材棒を配
    置したことを特徴とする実用新案登録請求の範
    囲第1項に記載の燃料集合体。
JP1982138929U 1982-09-16 1982-09-16 燃料集合体 Granted JPS58101197U (ja)

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JP4558477B2 (ja) * 2004-12-28 2010-10-06 株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン 沸騰水型原子炉の燃料集合体

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