JPS61256282A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、軽水冷却型原子炉燃料集合体に係り。

特に燃料流路部の冷却水流量を調整することにより、燃
料流路部の液体対蒸気の比を燃料の燃焼前期、後期にお
いて変化させることによる燃料経済性の向上に好適な燃
料集合体に関する。

〔発明の背景〕

第４図は、沸騰水型原子炉用の従来の燃料集合体の全体
構成を示す説明図、第２図は、その下部の要部切欠断面
図で、１は燃料棒、２は水ロッド、３は下部タイプレイ
ト、４は燃料棒下部端栓、５は水ロツド下部端栓、６は
水ロッド２の冷却水流入口、７は水ロッド２の冷却水出
口を示しており、燃料棒１及び水ロッド２はそれぞれ燃
料棒下部端栓４及び水ロツド下部端栓５を通して下部タ
イブレート３に支持されている。

この燃料集合体の水ロッド２の冷却水流入口６及び冷却
水流出ロアは、水ロツド２内に蒸気ボイドが発生しない
程度に冷却水が流入するような大きさの孔から構成され
ている。

このような沸騰水型原子炉を例にとると、軸方向出力分
布は、ボイド率（蒸気の占める体積比）が上部に行くほ
ど高くなる為に、炉心上部に比べ炉心下部における中性
子の熱化が進み（ボイド率が低く、中性子がより多く減
速するため）、出力ピークの位置が炉心下部に歪む。又
、炉心断面図でみた場合、出力分布は、バイパス部の減
速材のため、燃料集合体周辺部では、熱中性子密度が高
くなり、このため出力ピークは、燃料集合体の周辺部の
燃料棒において生じる。

現在の炉心設計においては、燃料健全性の確保及び、プ
ラント利用率向上の観点から、燃料集合体内での、出力
ピークをできるだけ低下させる設計が講じられている。

燃料集合体周辺部での出力ピークを抑えるためには、中
央部の出力を上げることが必要であり、このために燃料
集合体中央部に、燃料を入れないで、減速材のみ通すロ
ッド即ち水ロッドを用いている。

しかしながら、近年の燃料の技術開発の結果、バリア燃
料等のＰＣＩ　　（燃料−被覆管相互作用）対策が開発
されるに従い、今までのように、燃料集合体内での出力
分布平坦化は、特に必要がなくなり、線出力密度に関し
ては、燃料の健全性が維持できる範囲内で上昇させるこ
とができる。このような炉心では、新たな炉心設計が考
えられる。

この１つにスペクトルシフト運転法が考えられている。

これは、炉心内の蒸気ボイド率の割合を増加させるか、
あるいは、冷却水の割合を減少させることにより、減速
材（軽水冷却型原子炉においては、軽水が、冷却材、及
び、減速材として利用される。）による中性子の減速機
能を弱めることにより、中性子のエネルギースペクトル
を硬化（高エネルギーの中性子束の割合を増す。）させ
。

その結果、高エネルギー中性子の吸収反応が増す。

その結果、高エネルギー吊性子によるプルトニウム生成
が増し、そのプルトニウムを燃やすことにより、燃料経
済性向上を図ることができる。

蒸気ボイド率、冷却水割合を変化させる手段としては、
炉心全流量を増減させる方法、水ロッド又は、バイパス
領域に充填材を挿入する方法等が考えられている。

加圧木型原子炉を例にとると、制御棒に、中性子高吸収
材を含まなくて、冷却水を排除するととを目的とする水
排除棒を採用している。加圧水炉では、この水排除用制
御棒を、燃焼初期においては、炉心に挿入し、水対ウラ
ン比を減少させ、スペクトルシフト効果によりプルトニ
ウム生成量を高め、逆に、燃焼後半では、炉心より引き
抜いて、水対ウラン比を増加させ、反応度を高める運転
法が考えられている。

又、炉心内の蒸気ボイドの割合を増加させ中性子スペク
トルシフトを利用する原子炉の運転方法において、燃料
の燃焼初期には燃料集合体中の水ロッド内の蒸気ボイド
を充満させて中性子スペクトル硬化によりプルトニウム
の蓄積を増大させ、燃焼後期には前記水ロツド内に冷却
水を充満させて反応度を増加させるもの、更には内部を
冷却水が通過可能な水ロッドを少なくとも１個含む原子
炉用燃料集合体において、前記水ロッドが前記冷却水の
流入量を調整して内部に発生する蒸気ボイド量の調整可
能な流量調整部を有する燃料集合体が考えられる。

例えば、沸騰水型原子炉では、原子炉運転中にボイドが
発生し、高いボイド率で運転された燃料集合体は、低い
ボイド率で運転された燃料集合体よりも中性子スペクト
ルが硬化するためプルトニウムの蓄積が多くなる。この
効果は高いボイド率での燃焼期間に比例して増大する。

前述では、この点に着目し、燃料集合体構成材の一つで
ある水ロツド内の蒸気ボイド率を制御することにより、
燃料の燃焼初期においてはボイド率を大きくしプルトニ
ウムの蓄積を増大させ、燃焼後期においてはボイド率を
ゼロとし中性子減速材を増加させプルトニウムの蓄積の
効果と相まって反応度を増加させ、燃料燃焼度増加が可
能な燃料集合体とするものである。

以上のように、炉心内のボイド率を変化させて中性子ス
ペクトルシフトを利用する発明としては。

全流量を増減させる方法、バイパス領域の水を排除する
方法、水ロッドの流量を変化させる方法がある。しかし
ながら、燃料棒周囲の冷却水の流れる流路である燃料流
路部の冷却水流量を燃料集合体単位に変化させるものは
ない。

〔発明の目的〕

本発明は、軽水冷却型原子炉において、炉心内に装荷さ
れた燃料集合体を取り出すことなく、燃料棒周囲の冷却
水の流れる流路での冷却水流量を調整可能とする水ロッ
ド′を設けることにより、中性子スペクトルシフト効果
を増大させ、これによって燃料経済性の向上する燃料集
合体を提供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

沸騰水型原子炉を例にとると、原子炉運転中にボイドが
発生し、そのために、減速材による減速効果が低下し、
中性子スペクトルが硬化する。よって、高いボイド率で
運転された燃料集合体は、低いボイド率で運転された燃
料集合体よりも中性子スペクトルが硬化し、高エネルギ
ー中性子の吸収反応が増加する。その結果、プルトニウ
ムの蓄積が多くなる。この蓄積は、高いボイド率での燃
焼期間に比例して増大する。

そこで、燃料集合体の炉内装荷期間の内、前半は、高い
ボイド率で燃焼させプルトニウムの生成の増大を促し、
後半は、ボイド率を低下させることにより、生成された
プル１−ニウムによる反応度への寄与を利用し、原子炉
の反応度を高め、燃焼度を増大させる運転法が考えられ
る。これが、中性子スペクトルシフト効果である。

スペクトルシフト効果により反応度の増大を得るために
、炉心全流量を変化させ、運転サイクルの前半において
流量を低下させボイド率を高め、運転サイクルの後半に
おいて流量を増大させボイド率を小さくすることが行な
われている。この従来の方法によれば、個々の燃料集合
体毎にみると、全炉心滞在期間中、運転サイクルの後半
に相当する期間中においては、ボイド率は低下した運転
となるため、プルトニウムの生成する効率が低下する。

反応度を意味する無限増倍率の燃焼度変化を第３図に示
す、この図において、サイクル毎に炉心全流量を調整す
る方法によれば、反応度の増大に対するスペクトルシフ
トの効果に損失が生じる。

本発明では、このスペクトルシフト効果の損失を取り除
くために、各燃料集合体単位に冷却水の流量を調整でき
る機能を持たせたものである。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を以下に示す。

第１図に本発明の燃料集合体の全体構成（概念図）を示
す。第１図において、１は燃料棒の存在する冷却水の流
れる流路、２は本発明の水ロッド、３は下部タイプレー
ト、８は燃料集合体に流入する冷却水流量を調整する水
ロッドに取付けられた流量調整部、９は水ロッドを上部
タイプレートに押しつける弾力を与えるバネ、１０は下
部タイプレートの燃料支持部、１１は上部タイプレート
。

１２は、水ロッドを上部タイプレートに固定する水ロツ
ド固定部である。

従来の燃料集合体（第４図）では、燃料集合体の下部タ
イプレートに流入した冷却水は常に一定の大きさで燃料
棒周囲の流路へ流れる。このため冷却水流量の調整によ
る中性子スペクトルシフト運転は、全炉心流量を変化さ
せることによって行われる。全炉心流量の変更は、一般
にサイクル前半で流量を小さく、後半で流量を大きくす
ることによって行われるため、各燃料集合体のプルトニ
ウム転換効率に損失が生じ・ている。本発明は、このプ
ルトニウム転換効率の損失を取り除くために各燃料集合
体毎に冷却水流量を調整する機能を持たせることを目的
としている。燃料集合体は、炉心内に数サイクル滞在し
、最近の沸騰水型原子炉では、シャラフリングによる燃
料集合体の移動をできるだけ行なわない設計となってい
る。このため燃料集合体毎の冷却水流量調整機能は、燃
料集合体を炉心に装荷した状態で炉心上部から定検期間
中等に調整できる必要がある。

本発明の燃料集合体（第１図）では、水ロッドが上部タ
イプレート及び下部タイプレート（燃料支持部）を貫通
しており、常時、下部タイプレート上のバネ力によって
上方向に押し上げる力を受けている。一方、水ロッドの
上端部は、第６図に示すように、十字型の切り込みを入
れである。又、上部タイプレートにおける水ロツド貫通
部は、第６図に示すように、貫通孔の直径に沿ってバー
が固定されている。水ロツド上端部の十字型の切り込み
は、９０″の異なった方向毎に切り込みの深さを変えて
いる。このため、浅い切り込みと水ロッド貫通部のバー
を噛み合わせた場合には、水ロッドは、タイプレートに
対し低い位置に固定されるため、水ロツド下端に取り付
けた流量調整部が、下部タイプレートの冷却水流入口の
流路を狭くし、圧力損失が増加し、燃料集合体に流入す
る冷却水流量は低下する。又、深い切り込みと水ロツド
貫通部のバーを噛み合わせた場合には、水ロッドは、タ
イプレートに対し高い位置に固定されるため、水ロツド
下端に取り付けた流量調整部が、下部タイプレートの冷
却水流入口の流路を広げ、圧力損失が減少し、燃料集合
体に流入する冷却水流量は増加する。

燃料集合体に流入する冷却水流量を変化させた状態を第
５図に示す。

第５図の（１）は、浅い切り込みと水ロツド貫通部のバ
ーを噛み合わせ、流入冷却水流量を低下させた場合。第
５図の（２）は、深い切り込みと水ロツド貫通部のバー
を噛み合わせ、流入冷却水流量を増加させた場合である
。

第６図は、水ロツド上端部と上部タイプレートにおける
水ロツド貫通部の説明図であり、２は水ロッド、１１は
上部タイプレート、１３は浅い切り込み、１４は深い切
り込み、１５は水ロツド貫通部、１６はバーである。

水ロッドは、径方向に回転可能であり、水ロツド貫通部
と噛み合う切り込みの深さは、水ロッドを上方向から下
へ押し込んだ後に９０＠回転することにより変更するこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、軽水冷却型原子炉において、炉心内に
装荷された燃料集合体を取り出すことなく、燃料棒周囲
の冷却水の流れる流路での冷却水流量を調整可能とする
水ロッドを設けることにより、以下の効果を有する。

燃料集合体を高いボイド率で運転すると中性子スペクト
ルが硬化し、プルトニウムの蓄積が多くなる。この蓄積
したプルトニウムを燃焼度の末期に利用するのがスペク
トルシフト運転である。この反応度効果は、高いボイド
率での、運転期間に比例して増大する。

従来の流量制御によるスペクトルシフト運転では、サイ
クル毎に冷却水流量を増減させるため、高いボイド率で
の運転期間が低下し、スペクトルシフト効果に損失が有
った６＜、本発明によれば、各集合体毎にスペクトルシ
フト運転ができるためスペクトルシフト効果を最大限に
利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の燃料集合体の全体構成を
示す説明図（概念図）、第２図は、第１図の下部の要部
切欠き断面図、第３図は１本発明の効果を示す特性図、
（無限増倍率の燃焼度変化ン、第４図は、沸騰水型原子
炉用の従来の燃料集合体の全体構成を示す説明図、第５
図は、本発明の一実施例における冷却材流量調節の原理
図、第６図は、水ロッド上端部及び水ロツド貫通部を示
す説明図である。 １・・・燃料棒、２・・・水ロッド、３・・・下部タイ
プレート、４・・・燃料棒下部端栓、５・・・水ロツド
下部端栓、６・・・水ロッド２の冷却水流入口、７・・
・水ロッド２の冷却水出口、８・・・流量調整部、９・
・・バネ、１゜・・・燃料支持部、１１・・・上部タイ
プレート、１２・・・水ロッド固定部、１３・・・浅い
切り込み、１４・・・深い切り込み、１５・・・水ロツ
ド貫通部、１６・・・バー。、・”、代理人　弁理±　
４．１１１勝男　（，７）躬２図 帛年図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水ロッドを有する軽水冷却型原子炉用燃料集合体に
   おいて、炉心内に装荷された燃料集合体を炉心から取り
   出すことなく、燃料棒周囲の冷却水の流れる流路での冷
   却水流量を調整可能とする水ロッドを設けたことを特徴
   とする燃料集合体。 ２、冷却材流量を調整する方法として、水ロッドの下端
   の錐状の流量調整部をもうけ、水ロッドと流量調整部を
   バネと下部燃料支持部材を貫通して連結し、さらに水ロ
   ッドの上部には十字型をなす、深さの異なる溝部を有し
   、前記水ロッド及び流量調整部を上下に移動することに
   より、冷却材流量を調整することを特許とする第１項記
   載の燃料集合体。