JPS61237084A - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉に用いる核燃料集合体に係り
、とりわけ核燃料集合体の中央部に配設されたウォータ
ロッドに特徴を有する核燃料集合体に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、沸騰水型原子炉において用いられている核燃料集
合体は、被覆管内に二酸化ウラン（ｔＪｏ、２）ベレッ
トを充填し、その下端には直接下部端栓を設け、その上
部はブレナムスプリング栓を設けた後、それぞれを溶接
密封した燃料棒を多数本用いて構成している。そして、
このように構成された核燃料集合体の内蔀を冷知水が下
方から上方へ流通するように構成している。このとき冷
却水は核燃料の反応熱によって加熱されて核燃料集合体
の上部より排出される。この加熱によって発生した蒸気
は、配管を通して圧力容器の外部へ送出されて、タービ
ン等の駆動に供される。

ところで、上記核燃料集合体内の水平方向の出力分布は
一様でなく、冷却水による中性子減速効果の大なる周辺
部では、熱中性子束が大であるところから出力が高く、
中央部では中性子減速効果が小さく熱中性子束が小であ
るところから出力が低くなる傾向がある。

そこで、従来では中央部分の燃料棒を１〜２本欠如して
、その代りに燃料棒とほぼ同一外形のウォータロッドを
装有し、このウォータロッド内を冷却水が流通するよう
に構成して冷却水による中性子減速効果を高めるととも
に、周辺部の燃料棒については核燃料の濃縮度を低くし
、さらに中央部の燃料棒については核燃料の濃縮度を高
（して水平方向の出力分布の均一化を図るようにしてい
る。

しかしながら、従来のウォータロッドは細径であったの
で、出力分布の均一化が十分に図れず、核燃料の濃縮度
にも周辺部と中央部との間で差を設定しなければならな
いという煩雑さがあった。

そこで、第４図および第５図に示すように外径が燃料棒
の約２倍であり、その収容空間が燃料棒のほぼ４本分に
相当するような太径ウォータロッドを用いて、出力分布
の均−化及び中性子減速効果を一層向上させることが提
案されている。

同図に示すように、核燃料集合体１は、角筒状　　　　
゛のチャンネルボックス２内に多数の燃料棒３を、例え
ば８行８列の正方格子状に配列し、その上部および下部
にそれぞれ上部端栓４および下部端栓５を配設するとと
もに、さらにその上部には上部タイプレート６、その下
部には下部タイプレート７を取付けて構成されている。

また、前記燃料棒３群の中央部には、燃料棒３の４本分
の収容空間を占有する外径の太い太径ウォータロッド８
が配置されている。そしてこれらの多数の燃料棒３およ
び太径ウォータロッド８は、軸方向に複数個配設された
スペーサ９により□整列支持されている。

１０はエキズパンションスプリングである。

そして、燃料集合体１の下部は、その下部に取付けられ
ている下部タイプレート７の上部四側面に装着された板
バネ１３を介してチャンネルボックス２と圧接支持され
ている。また、燃料集合体１の上部は、上部タイプレー
ト６の上面゛四隅に突設された４本のボスト１４のなか
の１本と、前記チャンネルボックス２の上端の三角形状
の止め部材１５をヂャンネルファスナ１６を介して緊締
することによりチャンネルボックス２に固定されている
。

第５図は太径ウォータロッド８を示し、側壁部には冷却
材流入口１１と、°冷却材流出口１２が穿設されている
。

上述の従来の太径ウォータロッド８を採用したー燃料集
合体１は、非常に優れた核特性を有しているが、地震時
の機械的性能と冷却材の圧力損失の点で問題がある。

すなわち、前述したように、チャンネルボックス２の装
着時においては、下部タイプレート７は、強いばね力を
有する板ばね１３を介してチャンネルボックス２と強固
に圧接支持されている。

ところが、前記板ばね１３は、照射効果によりばね力が
減少する。また、燃料集合体１および燃料棒３の照射□
成長による軸方向の伸びがチャンネルボックス２の照射
成長による軸方向の伸びより大きいため、チャンネルボ
ックス２は上方へ引き上げられ、これによりチャンネル
ボックス２の装着時における下部タイプレート７とチャ
ンネルボックス２との嵌□合量が減少してしまう。

また、チャンネルボックス２は、その装着時に板ばね１
３により外側に広げられるとともに、この状態を保ちつ
つ炉内温度の上昇および照射を受けるので、クリープ速
度が増加し、装着時よりも更に外側に変形し、下部タイ
プレート７との間隙が増加してしまう。

このように下部タイプレート７とチャンネルボックス２
との間に間隙が形成されている状況下にある燃料集合体
１において、例えば、地震時を想定して水平方向にある
加速度が作用すると、第６図に示すように、下部タイプ
レート７はチャンネルボックス２内で角θだけ傾く。

一方、従来の太径ウォータロッド８は、燃料棒３と同様
に、上部および下部は上部端栓４および下部端栓５を介
して、上部タイプレート６および下部タイプレート７に
嵌合支持されているとともに、ウォータロッド８の回転
によりスペーサ９が離脱しないように、下端の角柱状部
を嵌入することにより回り止めが施されている。

この様な、太径ウォータロッド８の構造において、前述
した下部タイプレート７のチャンネルボックス２内での
傾きを考慮して、地震時による応力解析を有限要素法を
用いて行なった結果、太径ウォータロッド８は、燃料棒
３の外径の約２倍の太さであるので、燃料棒３に比べて
非常に剛性が強く、外力を受けた場合の変位置も燃料棒
３に比べて非常に小さいものであった。

そのために、太径ウォータロッド８に支持されるスペー
サ９（特に最下部にある第１スペーサ）に、第７図に示
すように、非常に大きな荷重（反力）が付加される。ま
た、太径ウォータロッド８の下部端栓５も、第８図に示
すように、下部タイプレート７の傾きにより非常に大き
な曲げ応力が生じる。

また、前述したように、太径ウォータロッド８の外径が
燃料棒３の約２倍もあることから、燃料集合体１の下部
から流入した冷却材の流れは、太径ウォータロッド８の
下部で大きな擾乱作用を受け、燃料集合体１内の冷却材
の流れを乱すとともに、大きな圧力損失の原因ともなっ
ていた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、
地震時に発生する荷重および応力を低減さ、せ、太径ウ
ォータロッドの下部における冷却材の擾乱を減少させ、
更に上部の圧力損失を軽減させ、燃焼効率の優れた安定
性の高い核燃料集合体を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の核燃料集合体は、筒状の燃料チャンネルと、こ
の燃料チャンネルの上下部にそれぞれ嵌着される上部タ
イプレートおよび下部タイプレートと、燃料チャンネル
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
スペーサと、これらのスペーサを貫通し前記上下の各タ
イプレートにより両端を支持され正方格子状に配列され
る燃料棒と、この燃料棒と同様にして支持され、かつ、
４本以上の燃料棒の配列空間を占有する太径ウォータロ
ッドとを有する核燃料集合体において、前記太径ウォー
タ０ツドの径を軸方向位置によって異ならせて形成した
ことを特徴とする。

゛　　〔発明の実施例〕 以下、本発明の実施例を第１図から第３図を参照して説
明する。

第１図および第２図は本発明による核燃料集合の一実施
例を示す側断面図、第２図は太径ウォータロッドの側面
図である。

第１図に示す核燃料集合体と第４図で示す従来の核燃料
集合体との異なる主要な点は、太径ウォータロッド８ａ
の上部および下部を、それぞれ燃料棒３と同径の細い上
部細径部８ｂおよび下部細径部８Ｃとして軸方向の外径
を異ならせて形成したことである。これらの細径部Ｑｂ
、Ｑｃとの上下のタイプレート６．７との結合の方法は
、従来と同じであり、上部は丸棒シャンク状の上部端栓
４により、下部は角棒シャンク状の下部端栓５によりそ
れぞれのタイプレート６．７と嵌合させている。

更に説明すると、この太径ウォータロッド８ａの太径部
の位置および長さは、燃料棒３の寿命を通じて燃料有効
部をカバーする部分であるという条件で決められる。し
かし、下部細径部８Ｃから太径部への開始点はもともと
冷却材が沸騰していない部分であるので核的には重要で
ないので、この位置においては機械的性能の観点から決
められる。すなわち、地震時の下部タイプレート７の傾
きを過大な応力／歪が生じないで吸収できる長さとして
いる。換言すれば、細径部８Ｃの剛性を太径部の剛性よ
り小さく形成し、撓みやすく形成している。

一方、この下部細径部８Ｃの長さが長ければ長いほど応
力／歪が小さくなるが、沸騰開始点より上では太径とな
っている必要がある。

また上部細径部８ｂと太径部８ａの境界位置は、寿命を
通じて常に燃料有効部より上部とする必要があるという
条件で決められる。ただし、圧損低下の観点から径が細
いはど圧損が小さいのでできるだけ太径部を短かくする
方がよい。

次に、本実施例の作用を説明する。

例えば、燃料有効長が３７０８履の場合に、下部細径部
８Ｃの長さを約３８１ａｍとし、太径部の長さを約３３
７８ｍ５＋とじて形成した実施例においては、燃料有効
の照射中の変化を考慮しても、寿命を通じて、太径部が
燃料有効部をカバーすることができる。また地震時にも
、剛性の小さい下部細径部８Ｃおよび上下細径部８ｂが
容易に撓んで外力を吸収するので、機械的にも健全であ
る。また、下部細径部８０部分での冷却材流も擾乱され
ることがない。更に、上部細径部８ｂにおいて従来の太
径ウォータロッドに比べて多量に蒸気を流通させること
ができるので圧損も低減させることができる。

なお、第３図に示すように、太径ウォータロッド８ａの
冷却材入口１１を、前記実施例位置から下部細径部８Ｃ
に穿設して、太径ウォータロッド８ａ内の冷却材の流通
を調整してもよい。

このように、本実施例による核燃料集合体は、太径ウォ
ータロッド８ａを燃料有効部に相当する位置を太径とす
ることにより核的性能を向上させ、下部を細径としたこ
とにより地震時の下部タイプレート７の傾きによる歪を
吸収し、ウォータロッド８ａからスペーサ９への荷重を
大幅に減らすことができる。すなわち機械的健全性を大
幅に向上できる。また、上部を細径としたことにより、
冷却材の圧力損失を従来の太径ウォータロッド８に比べ
て小さくすることができ、炉心安定性を向上させること
ができる。さらに、従来の太径ウォータロッド８で生じ
ていたウォータロッド下部の冷却材の擾乱は、細径部、
太径部と径が段階的に太くなること、また細径部と太径
部の結合をテーパー２２が付いているコネクタを用いて
いることにより大幅に軽減することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の核燃料集合体は、地震時
に発生する荷重および応力を低減させ、太径ウォータロ
ッドの下部における冷却材の擾乱を減少させることがで
きる。更に上部の圧力損失を軽減させるとともに、燃焼
効率も優れており、安定性も高いものとなる等の効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の核燃料集合体の一実施例
を示し、第１図は全体の一部切断側面図、第２図は太径
ウォータロッドの側面図、第３図は他の実施例を示す太
径ウォータロッドの側面図、第４図および第５図は従来
例を示す第１図および第２図同様の図、第６図は下部タ
イプレートの傾き角θを示す模擬図、第７図は下部タイ
プレートの傾き角θによる第一スペーサに作用する荷重
の増加量特性図、第８図は下部タイプレートの傾き角θ
によるウォータロッド下部に作用する応力の増加量特性
図である。 １・・・燃料集合体、２・・・チャンネルボックス、３
・・・燃料棒、６・・・上部タイプレート、７・・・下
部タイプレート、８ａ・・・太径ウォータロッド、８ｂ
・・・上部細径部、８Ｃ・・・下部細径部、９・・・ス
ペーサ。 出願人代理人　　猪　　股　　　　清 ＄１ｇＫ 武 ６２目　　　　　　＃Ｉ）３目 Ｊ１！Ｐ６園 下番邸イブトＨ頃Ｊ角（ｄｏｇ） 第ａ目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、筒状の燃料チャンネルと、この燃料チャンネルの上
   下部にそれぞれ嵌着される上部タイプレートおよび下部
   タイプレートと、燃料チャンネル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と、これらの
   スペーサを貫通し前記上下の各タイプレートにより両端
   を支持され正方格子状に配列される燃料棒と、この燃料
   棒と同様にして支持され、かつ、４本以上の燃料棒の配
   列空間を占有する太径ウォータロッドとを有する核燃料
   集合体において、前記太径ウォータロッドの径を軸方向
   位置によって異ならせて形成したことを特徴とする核燃
   料集合体。 ２、太径ウォータロッドは、燃料棒の燃料有効部に当る
   部分を太径に形成し、他の部分をその太径部より細く形
   成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の核
   燃料集合体。 ３、太径ウォータロッドは、その上部および下部を中央
   部より細く形成したことを特徴とする特許請求の範囲１
   項記載の核燃料集合体。 ４、太径ウォータロッドは、その細径部の剛性を太径部
   の剛性より小さく形成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の核燃料集合体。