JPS6120887A - 沸騰水型原子炉の炉心 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沸騰水量原子炉の炉心に関するものである。

〔発明の背景〕

沸騰水量原子炉の炉心は、第１図にその水平断面を示す
ように、燃料棒１がウォータロッド２とともにチャンネ
ルボックス３内に正方格子状に配置された燃料集合体４
と十字型制御棒５とで構成されている。６は中性子検出
器計装管、７はギャップ水を示している。第２図、第３
図及び第４図はそれぞれ従来の燃料集合体の外観、縦断
面及び第２図のＸ方向平面図で、この燃料集合体４は四
角筒のチャンネルボックス３とこのチャンネルボックス
３の内部に収納される燃料バンドル８とから構成されて
いる。燃料バンドル８はチャンネルボックス３の上、下
部にほめと唸れる上部タイプレート９及び下部タイプレ
ート１０と、チャンネルポツクス３内部で軸方向に沿っ
て間隔を置いて設置された複数個のスペーサ１１と、こ
のスペーサ１１を貫通し上、下部タイプレート９．１０
に両端を固定した複数本の燃料棒１２とから構成される
。燃料棒１２はスペーサ１１によって正方格子状に整列
支持される。

燃料集合−（＊４のチャンネルボックス３の内部では、
冷却材は炉心上方に向って流れており、下部入口から１
０Ｋｃａｔ／Ｋｇ前後のサブクール水の状態で燃料集合
体に入シ、上部出口では約６０％のボイド率になってい
る。一方燃料集合体４のまわシはギャップ水７でかこま
れており、飽和水の状態にある。このような炉心構造に
おいては、炉心下部からチャンネルボックス３内部に入
った冷却材は、炉心出口から出ていくまで、同一の燃料
集合体内を流れるので隣シあう燃料集合体間での冷却材
の混合はない。その結果、炉心全体の冷却材は、全ての
燃料集合体での圧力損失が等しくなる様に配分される。

一般に、出力の大きい燃料集合体では、ボイド発生量が
大きく二相流圧力損失が増える結果、冷却材流量は小さ
くなり、逆に出力の小さい燃料集合体では、冷却材流量
が大きくなる。

一方、沸騰水量原子炉では、燃料交換時に、約４体に１
体の割合で新しい燃料、と交換される。従って、炉心内
には、炉心滞在期間の異なる燃料が混在することになる
。すなわち、燃焼度の異なる燃料が存在し、各燃料集合
体の出力にばらつき（ミスマツチ）が生じる。出力のミ
スマツチは取出し燃焼度を高めるために、燃料の濃縮度
を高くするほど大きく々る。従来の炉心構成では、出力
の大きい燃料集合体には、冷却材が流れにくいため、熱
的余裕が低下するという問題があろうまた、従来の炉心
構成では、炉心の中に、二相流部分（チャンネルボック
ス内）と飽和水の部分（ギャップ領域）が偏在する。こ
のことは、燃料棒の局所出力ビーキングを増大させる他
に、ギャップ水が中性子の減速に有効に寄与せず、かつ
中性子を無駄に吸収するため、燃料経済性を悪化させ、
又ギャップ水の分だけ、冷却材の流路がせまくな、す、
冷却材の圧損が増加するため、炉の安定性を悪化させる
原因となっている。

〔発明の目的〕

本発明は、これらの問題点を除去し、熱的余裕の増大と
、燃料経済性の向上の可能な沸騰水量原子炉の炉心を提
供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、隣接する４個の十字型の制御棒によって区画
された各空間内に４体の燃料集合体が配列している沸騰
水量原子炉の炉心において、前記４体の燃料集合体が、
それぞれの外周の前記制御棒に対向する二面の少なくと
も該制御棒に面する部分にのみ制御棒ガイド用の薄板が
付設してあシ、その他の外周部分はそれぞれ該燃料集合
体を構成する燃料棒が露出しており、該燃料集合体の前
記制御棒に対向しない面を対向配置したとき、４体の該
燃料集合体それぞれの前記対向配置する面の間が冷却材
流路となるように構成されていることを特徴とするもの
である。

本発明では、４体の制御棒で囲まれた炉心領域ごとに、
燃料集合体間での冷却材の混合がおこるようにするため
、制御棒に対向しない側のチャンネルボックスを撤廃し
て水ギヤツプ領域をなくし、さらに水ギヤツプ領域であ
った空間を冷却材流路と口て利用し、燃料棒間隔を広く
して、炉心の中で燃料棒をより均質に配置することによ
り、中性子利用率の向上を図るものである。

このような炉心構造において出力の異なる燃料集合体が
となり合った場合、冷却材は炉心の各高さ方向で圧力損
失が等しくなるように流れる。すなわち、出力の大きい
燃料集合体部分では、ボイド発生による二相流圧力損失
が大きいため、冷却材の質量流量は低ドし、逆に出力の
小さい燃料集合体間分では冷却材の質量流量は増加する
。ボイド率も高出力燃料集合体部分で大きく、低出力燃
料集合体部分で小さい分布を持つ。このような状況にお
いて燃料集合体間での横方向の流れとして、乱流混合現
象およびボイドドリフト現象による流れが生じる。乱流
混合現象は、一般にボイド分布を平坦化する。すなわち
、高出力燃料集合体領域と低出力燃料集合体領域のボイ
ド率を平坦化するように機能する。一方、ボイドドリフ
ト現象は、蒸気は冷却材流速の大きい領域に、すなわち
質量流量の大きい領域に集まり、その反作用として水は
逆方向に流れるという現象であり、これもこのような炉
心構造ではボイド分布を平坦化する方向に寄与する。従
って、高出力の燃料集合体部分でのボイド率は、従来の
ように一つの燃料集合体がチャンネルボックスで仕切ら
れている場合よりも小さくなり、冷却材流量ば逆に増加
する。これにより、高出力燃料集合体部分での熱的余裕
は増加する。また高出力燃料集合体部分は、中性子無限
増倍率が大きい領域であり、その領域でボイド率が小さ
くなるため、炉心全体での実効増倍率は、従来の炉心構
造の場合よりも増加する。

沸騰水量原子炉は、３０４．８簡のピッチで、十字型の
制御棒が配置されており、４個の制御棒でかこまれた空
間に４体の燃料集合体が正方格子状に配置されている。

典型的な炉では、′各燃料集合体の間に１１２６Ｔｒｒ
Ｉｎのギャップ水が存在する。ギヤツ大きく異なる。第
５図は中性子無限増倍率と水対ウラン比の関係を示した
ものである。この図で横軸には、ｚ（／Ｕ（相対比）（
ここでｉ（、Ｕはそれぞれ水素、ウランの原子数を示す
）、縦軸には中性子無限増倍率（相対比）がとってあり
、水対クラ／比を大きくすると、水による中性子減速効
果が有効になり、一般に中性子無限増倍率は上昇する。

しかし水対ウラン比がある値以上に７よると、減速効果
による中性子無限増倍率の増加分と、水の中性子吸収効
果による減少分がほぼ等しくなり中性子無限増倍率が上
昇しなくなる。第５図に記した点Ａ、Ｂ及びＣは、ぞれ
ぞれ集合体平均、集合体周辺部及び喚合体中心部の中性
子無限増倍率を示す。従来の燃料集合体では、ギャップ
水に面した集合体周辺部の燃料棒と、それ以外の集合体
中心部の燃料棒の数は、はぼ同数であり、点Ａで示す燃
料集合体平均の中性子無限増倍率は、点Ｂ。

点Ｃの平均値になっている。

局所出力ビーキング係数を低く抑え、かつ燃料経済性を
向上させるには、第５図から集合体中心部の水対ウラン
比を大きくすればよいことが分かる。そこで制御棒が対
向しない側のチャンネルボックスをとりはらい、丁度、
水ギャップがなくなるように燃料間隔を拡大し、隣シあ
った４体の燃料集合体の燃料棒が１６Ｘ１６の正方格子
の大型燃料集合体を構成する構造を考える。このような
構造にすると、単位格子の水対ウラン比が増大する結果
、集合体周辺部及び中心部の中性子無限増倍率は第５図
で点Ｂから点Ｂ′に、また点Ｃから点Ｃ′に変化する。

集合体中心部は減速不足領域であるため、水対ウラン比
の増大に伴い中性子無限増倍率が大きく増加し、集合体
周辺部の中性子無限増倍率とほぼ等しくなる。その結果
、集合体周辺部の燃料棒の割合が１／２から１／４に減
少したにもかかわらず、点Ａ′で示す燃料集合体平均の
中性子無限増倍率は、従来の点Ａよシ高くなる。

また、チャンネルボックス及びギャップ水が減少するた
め、熱中性子の無駄な吸収がなくなり、中性子利用率が
向上する。さらに、冷却材の流路断面積が増加すること
により、流量制御によるスペクトルシフト幅が増大し、
省ウランが実現できる。

単位格子の水対ウラン比が増大したことを利用すれば、
ウラン装荷量を増大する可能性がでてくる。これは燃焼
度一定で燃料集合体の寿命を延長できることになり燃料
経済性が向上する。

一方、冷却材の流路断面積が増大し、圧損が低下する結
果、安定性が向上する。

〔発明の実施例〕

以下、実施例について説明するっ 第６図は一実施例の炉心の構成を示す断面図、第７図は
、本実施例の炉心に装荷する燃料集合体構造を示す斜視
図で、第１〜第４図と同一の部分には同一の符号が付し
である。燃料集合体は、炉心に配置した際に制御棒に面
する二面にのみ、ジルカロイ−４よりなる制御棒ガイド
用の薄板１３が付設してアリ、他の二面は構方向に開放
された構造をしている。この燃料集合体は８×８の燃料
棒または水ロッドから構成されているつ制御棒ガイド用
の薄板１３を付設していない四面を互いに向きあわせる
ように前記燃料集合体を配置することにより、あたかも
１６Ｘ１６型の燃料集合体が炉心に装荷されたように炉
心が構成される。すなわち、従来の８×８燃料燃料体で
の燃料棒間隔は１６．２６ｍであり、炉心に装荷した際
に隣りあった燃料集合体の互いに向きめった燃料棒間隔
は３８，６咽であるのに対して１１本実施例では燃料棒
間隔を１６．２６ｍから１７．６５震に広げた燃料集合
体で炉心を構成することにニジ、隣りあった燃料集合体
の互いに向きおった燃料棒の中心間隔も１７．６５ｍと
な、す、燃料棒間隔が１７．６５ｍの正方格子状の１６
×１６の大型燃料集合体を装荷した炉心と等価になる。

単位燃料棒格子の水平断面の冷却材流路断面積と二酸化
ウラン断面積の比は、１．７５から２．３２に、約１．
３２倍に増加し、その結果、水対ウラン比が増加する。

集合体中心部の中性子の平均エネルギーが低下すること
によって燃料集合体が均質に近づき、燃料−断性が向上
する。第８図は水対ウラン１析面積比と炉心平均の中性
子無限増倍率の関係を示し、横軸、縦軸には、それぞれ
単位燃料棒格子の水対ウラン断面積比（相対値）、中性
子無限増倍率がとっである。燃料集合体が均質に近づい
たことにより、制御棒に面した燃料集合体コーナ部の燃
料棒を除き、濃縮度分布を付ける必要がない。また、集
合体中心部の中１生子減速効果が増大したため、水ロッ
ドが不要となり、ウラン装荷量が約２慢増加でき、その
結果、燃焼度を増加させなくとも連続運転期間が延長で
きるつ又、冷却材流路断面積が３２％増加することによ
り、冷却材流量が一定の場合、流速が従来の７５多に低
下し、圧損は従来の５７チに低下する。

その結果、省ウラン７％低減、安定性減衰係数の値が約
１／２になる。

さらに、この実施例の炉心構造では、燃料を交換する際
には、従来と同様に一体ずつ燃料集合体を交換できるた
め、１６Ｘ１６の大型燃料集合体一体をすべて交換する
場合に生じる炉心内での出力公理の大きな変化は生じな
いため、１６Ｘ１６犬型燃料集合体を装荷した炉心での
問題も解決することができる。

このような効果（Ｌま、８×・８燃料集合体の構造に限
ら’ｒ”、７Ｘ７，９Ｘ９等の燃料集合体にも適用でき
る。

なお、この発明では４個の十字型の制御棒で囲まれた炉
心領域ごとに、燃料集合体間での冷却材の混合がおこる
ようにするた・め、制御棒が挿入されない側のチャンネ
ルボックスを撤廃し、水ギヤツプ領域をなくすとともに
、水ギヤツプ領域であった空間を冷却材流路として利用
し、熱的余裕の増大と燃料経済性向上を図ることが可能
になったが、制御棒に対向しない面を対向配置したとき
、４体の燃料集合体それぞれの対向配置する面を構成す
る燃料棒の中心間隔（以下隣接燃料棒間隔と称する）は
１５〜３３力間が好適である。すなわち、隣接燃料棒間
隔と流路面積との間には第９図（横軸、縦軸にそれぞれ
隣接燃料棒間隔（覇）、流路面積（相対比）がとっであ
る）に示す関係があるつり、Ｂはそれぞれ８×８格子、
９×９格子の場合、Ｆは従来の燃料集合体の場合を示し
である。流路面積の増加は、熱的余裕の増大、圧損の減
少のほか、多数水ロッドの配置等集合体設計の自由度が
増し、燃料経済性が向上する。

そして、水ギヤツプ領域を減少させ、隣接燃料棒間隔を
減少すると、流路面積が増加するが、水ギヤツプ領域が
なくなれば、それ以上隣接燃料棒を接近させても流路面
積は増加しない。

次に、隣接燃料棒間隔と反応度との間には第１０図（横
軸、縦軸にはそれぞれ隣接燃料棒間隔（ｗｎ）　、反応
度差（％Δｋ）がとってあシ、反応度の基準値は現行の
集合体の値を用いている。）に示す関係がある。Ｇ、Ｈ
はそれぞれ８×８格子。

９×９格子の場合を示している。この図は一例として流
路面積を現行の１，１倍とした場合で、隣接燃料棒の減
少に伴い水対燃料比の均質化、ギャップ水による中性子
吸収の減少さらに水ロツド本数の増加が可能となり、反
応度が上昇する。しかし水ギヤツプ領域がなく々れば、
それ以上隣接燃料棒を近づけることは隣接燃料棒付近の
水対燃料比を減少させることになり燃料経済性は逆に悪
くなる。さらＫｌｉ接燃料棒付近の熱的余裕も減少する
っこれに対して、水ギヤツプ領域がなくなる隣接燃料棒
間隔は、８×８格子では１７．６閣、９Ｘ’９格子では
１５．７ｔａであるため約１５ｍを最小としたものであ
り、最大の隣接燃料棒間隔は従来の最小の値である約３
３　ｒｒａｎ以下にすることによって所期の目的が達成
されるため、約３０＋ｍを最大として、所期の目的を達
成可能とする隣接燃料棒間隔は約１５〜３０叫としたも
のであろう 以上の説明よシ明らかな如く、制御棒が挿入されていな
い側の水ギャップを撤廃し、その空間を冷却材流路とし
て利用し、燃料棒間隔を広くして、炉心の中で燃料棒を
より均質に配置することにより、燃料集合体間での冷却
材混合による熱的余裕の改善と燃料経済性の向上を図る
ことが可能となる。

〔発明の効果〕

本発明は、熱的余裕の増大と、燃料経済性の向上の可能
な沸騰水屋原子炉の炉心を提供可能とするもので、°産
業上の効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の沸騰水量原子炉の炉心の水平断面図、第
２図は従来の沸騰水量原子炉の燃料集合体の外観を示す
斜視図、第３図は同じく縦断面図、第４図は第２図のＸ
方向平面図、第５図は水対ウラン比と中性子無限増倍率
との関係を示す線図、第６図は本発明の沸騰水量原子炉
の炉心の一実施例の水平断面図、第７図は同じく燃料集
合体の外観を示す斜視図、第８図は第６図の実施例にお
ける水対ウラン断面積比と中性子無限増倍率との関係を
示す線図、第９図は隣接燃料棒間隔と流路面積との関係
を示す線図、第１０図は隣接燃料棒間隔と反応度との関
係を示す線図である。 １・・・燃料棒、５・・・制御棒、６・・・中性子検出
器計装管、７・・・ギャップ水、９・・・上部タイプレ
ート、１０・・・下部タイプレート、１１・・・スペー
サ、１２・・・燃料棒、１３・・・制御棒ガイド用の薄
板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、隣接する４個の十字型の制御棒によつて区画された
   各空間内に４体の燃料集合体が配列している沸騰水量原
   子炉の炉心において、前記４体の燃料集合体が、それぞ
   れの外周の前記制御棒に対向する二面の少なくとも該制
   御棒に面する部分にのみ制御棒ガイド用の薄板が付設し
   てあり、その他の外周部分はそれぞれ該燃料集合体を構
   成する燃料棒が露出しており、該燃料集合体の前記制御
   棒に対向しない面を対向配置したとき、４体の該燃料集
   合体それぞれの前記対向配置する面の間が冷却材流路と
   なるように構成されていることを特徴とする沸騰水型原
   子炉の炉心。 ２、前記冷却材流路となる対向配置する面を構成する燃
   料棒の中心間隔が約１５〜３０ｍｍである特許請求の範
   囲第１項記載の沸騰水量原子炉の炉心。 ３、前記燃料棒の中心間隔が、前記燃料集合体を構成す
   る燃料棒の相互間の中心間隔と等しくなつている特許請
   求の範囲第２項記載の沸騰水型原子炉の炉心。