JPS61278788A - 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、燃料集合体に関し、特に圧力損失の低減およ
び炉心反応度利得に好適なウォータロッドを有する燃料
集合体に関する。

〔発明の背景〕

沸騰水型原子炉の燃料集合体は、相互にある間隔を有し
て炉心部に多数配置されている。燃料集合体は、多数の
燃料棒、ウォータロッド、上部および下部タイプレート
、スペーサおよびチャンネル・ボックスよシ成っている
。

第７図は、通常の沸騰水型原子炉の燃料集合体の垂直断
面図、第８図は水平断面図を示す。図のように６２本の
燃料棒４と２本のウォータロッド５とを８×８の配列に
組立てである。燃料集合体の周囲はジルカロイ製のチャ
ンネル・ボックス８で囲まれている。６２本の燃料棒の
うちタイロッド８本を構成する燃料棒７が上下のタイプ
レート１．２を結びつける役目をしている。

２本のウォータロッド５のうち１本はスペーサ３の軸方
向位置を決める機能を有し７個のスペーサ３を保持して
いる。ウォータロッドの材質は燃料棒と同じジルカロイ
族であシ、その上部及び下部の側面に孔１４．１５が設
けられ、これら孔１４．１５を通じて内部を冷却材が通
過するようになっている。

スペーサ３は、ジルカロイ族の枠とインコネル製のスプ
リングからなっておシ、燃料棒間の間隙を保つ役割を果
たす。

燃料棒及びウォータロッドの上部端栓１６は、上部タイ
グレート１の孔の中を自由に動き得るように遊嵌されて
いる。上部タイプレートは、これらの上部端栓に嵌めで
あるインコネル製のエクスパンション・スプリング１８
によって支えられる。

以上のような構造を有する燃料集合体内を冷却材である
水が流れ、この水は燃料棒４内に存在するウラン２３５
などの核分裂性物質の反応によって発生する熱エネルギ
を除去する。ｔ−ｅ、水は、燃料集合体間の間隙にも流
れている。

一方、水は減速材としての働きも有しており。

核分裂によって水中へ飛び出した高速中性子は、水によ
って減速され熱中性子になる。この熱中性子が核分裂性
物質に衝突すると核分裂反応が誘起される。しかしなが
らチャンネル・ボックス８内で燃料棒４の発熱によりボ
イドが発生すること、また、燃料棒間の間隙が燃料集合
体間の間隙よシ狭いことから、燃料集合体中央部の局所
的な水対燃料原子数比は燃料集合体周辺部のそれよりも
小さくなシ、中央部付近では高速中性子は、減速されに
くいため、熱中性子束が低くなる傾向がある。

そのため、燃料集合体内の出力分布に不均衡が生じ、燃
料経済性に不利である。この問題に対する対策としては
、例えば、特開昭５０−４０９８６号公報に示されてい
るように、燃料集合体中に減速材を注入された容器やウ
ォータロッドを設置する方法がある。近年、原子カプラ
ントの経済性向上のため、燃料の高燃焼度化を進める傾
向があシ、燃料濃縮度の増加に対応して、ウォータロッ
ドの直径を大きくし、水対燃料原子数比の改善をはかる
ことが考えられている。

しかし、ウォータロッドの直径を大きくすることは、燃
料集合体内の冷却材流路面積を狭めることになり、圧力
損失を増大させ熱的余裕を減少させるという問題があシ
、これに対する配慮をする必要があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、水対燃料原子数比を最適に保ちつつ、
圧力損失を最小に抑えるウォータロッドを提供すること
にある。

〔発明の概要〕

本発明では、気液二相流による摩擦圧損を小さくするた
め、燃料の核的特性上不利にならない限シウオータロッ
ドの長さを短縮した部分長ウォータロッドを用いる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図を用いて説
明する。

第１図は、本実施例の燃料集合体の組立図で、垂直方向
の断面を示したものである。従来の燃料集合体（第７図
参照）に比較すると、燃料集合体の中央部に、燃料棒４
より直径の太いウォータロッド５Ａ（大径ウォータロッ
ドと呼ぶ）があシ、この太径ウォータロッド５Ｎは、上
部端栓１６及びエクスパンション・スプリング１８がな
く、上端は閉塞されておシ、上部側面に上部孔１４がも
ｐけられている。

第２図は、第１図の燃料集合体の中央部の横断面図を示
す。第２図において、大径ウォータロッド５Ａは、燃料
集合体中央部で燃料棒４の間に配置されている。

本実施例では、大径ウォータロッド５Ａの外径を３４．
８ａｏｍ、肉厚を１．１鵡としている。また大径ウォー
タロッド５Ａの長さは、燃料棒４よシも短く、いわゆる
部分長ロッドとしている。

第３図は、大径ウォータロッド５Ａの上端の高さ位置を
示す模式図である。本実施例の燃料集合体では、燃料棒
４は、燃料有効部（燃料ペレットが充填されている部分
）４１とその上方にあるプレナム部４２よシ成っている
。太径ウォータロッド５Ａの上端の高さ位置は、燃料有
効部４１の上端にほぼ一致させている。ここで、はぼ一
致させているというのは、照射変形によシ、燃料有効部
が５ｃｒｎ程度伸長するのを考慮して、太径ウォータロ
ッド５′の上端を若干高めにしているためである。

燃料集合体の中央部に大径ウォータロッド又は水などの
減速材を収納する容器を配置することは、特開昭５０−
４０９８６号公報、４Ｉ開昭５９−１３９８１号公報及
び特開昭５０−６５７９２号公報等に記載されており、
燃料集合体内の熱中性乗分布が均質化されて、濃縮度分
布の簡易化、反応度増加による燃料経済性向上の効果が
あることが知られている。

しかしながら、燃料集合体の中央部に大径のクォータロ
ッド５人を配置することは、冷却材の流路面積’？Ｊ＼
さくするので、燃料の冷却特性を悪くし、燃料の熱的余
裕を減少させる可能性がある。

このような、燃料冷却特性は燃料集合体内を流れる冷却
材の圧力損失によって特徴づけられ、圧力損失の増大は
、燃料冷却特性を悪化し、逆に圧力損失の低減は燃料冷
却特性を改善することが知られている。

沸騰水型原子炉のような気液二相流による摩擦圧損ΔＰ
ｔは。

ここで、ΔＰｔは摩擦圧損、Ｗはチャンネル流量２ｇは
重力加速度、ρは水の密度、Ｄ！Ｉはチャンネル水力直
径、Ａｃａはチャンネル流路面積。

Ｌは長さ、ｆは摩擦圧損及びφＴＰｔは二相流摩擦圧損
倍率である。

で一般に表わされる。

燃料集合体中央部の燃料棒４本の代シに大径ウォータロ
ッド５Ａを配置した場合には、チャンネル流路面積Ａｃ
区が減少するため、摩擦圧損ΔＰｔ。

は増大する。この増大をふせぐためには、圧損部の長さ
Ｌｆ：短くすることが考えられ、本実施例は圧損部の長
さＬを短かくするために太径ウォータロッド５Ａの長さ
を短くし、部分長としている。

その長さについては、大径ウォータロッド５Ａの本来の
目的が、燃料有効部での核的特性の改善すなわち燃料集
合体内熱中性束分布の平坦化にあることから、燃料有効
部上端まで大径であれば充分である。このような事情に
基づき、本実施例では大径のウォータロッドを部分長と
し、その長さを燃料有効部の上端とほぼ一致させている
。

前述の実施例では、燃料有効郡全体が、濃縮された燃料
ペレットを充填しているが、燃料経済性を向上させるこ
と及び炉心の停止余裕の増大をはかるため、燃料有効部
の上端部に天然ウランブランケット領域を設置すること
が有効である。

以下に、燃料有効部の上端が天然ウランブランケット領
域になっている場合の本発明の他の実施例を示す。

第４図は、燃料有効部の上端が天然ウランブランケット
領域になっている場合の、大径ウォータロッド５Ａの上
端の高さ位置を示した模式図でおる。本実施例では、燃
料有効部は、濃縮された燃料有効部４１′とその上方に
ある天然ウランブランケット領域４３よシ構成されてお
シ、プレナム部４２は天然ウランブランケット領域４３
の上部に位置している。大径ウォータロッド５Ａの上端
の高さ位置は、燃料有効部の上端ではなく、濃縮された
燃料有効部４１′の上端に、すなわち、天然ウランブラ
ンケット領域４３の下端にほぼ一致させている。大径ウ
ォータロッド５Ａｔ−天然ウランブランケット領域にま
で拡張しない理由は、天然ウランブランケット領域の核
的特性を考慮したためである。以下、それについて説明
する。

一般に、燃料の無限増倍率は、減速材の量を増加させる
と最大になる値があり、それ以上減速材を増加させると
減少する傾向を持つ。第５図に、減速材に対する無限増
倍率の関係を示す。第５図の横軸は水素対ウラン原子数
比（Ｈ／Ｕ比）′ｆｔとっており、減速材である水が増
加すると、Ｈ／Ｕ比は増加する。

無限増倍率が減速材に対して最大値を持つのは、Ｈ７Ｕ
比が増加すると、中性子の減速が促進され、共鳴吸収か
ら逃れる確率Ｐが増加する一方、減速材の熱中性子吸収
が増えるので熱中性子利用率ｆが減少することから、Ｐ
とｆ両者が相殺し合うためである。沸騰水型原子炉の燃
料は、通常の運転領域では、出力反応度係数を負にして
自己制御しやすい状態に保つ意味から、第５図の領域大
で示す減速不足状態の範囲にはいっている。

ところが、天然ウランの場合、ウラン２３５の量が通常
の燃料の１／３〜１／４であるため、ウラン２・３５の
熱中性子吸収断面積が減少し、熱中性子利用率ｆが低下
する。また、傘体の熱中性子吸収断面積も減少するので
、減速材の熱中性子吸収断面積の割合が相対的に増加す
る。したがって、Ｈ／Ｕ比が変化したとき、熱中性子利
用率ｆの変化の割合が大きい。そのなめ、第６図の破線
に示すように、天然ウランは通常の燃料と比べ、ｆは右
下がシで急な頌き金持ち、無限増倍率は最大値が左にず
れる。以上から天然ウランは通常の運転領域で、減速過
剰の状態になシ、ｆ（／Ｕ比が増加すると、無限増倍率
は減少する。

以上のような核的特性から、太径ウォータロッドを天然
ウランブランケット領域まで拡張することは、炉心反応
度を若干損失することになるため、第４図に示すごとく
、大径ウォータロッドの上端を定めた。これにより、燃
料の核的特性上不利にならない範囲で、ウォータロッド
の長さを短縮し、圧力損失を最小に抑えることができる
。

又、前記２つの実施例では、太径ウォータロッド採用に
対する本発明の適用例を示したが、本発明の効果は、大
径ウォータロッドの使用にのみ限定されるものではなく
、従来からの燃料集合体において本発明を実施しても、
十分に効果を示すものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料経済性上不利にならずに燃料の二
相部の圧力損失を低減でき、原子炉安定性の向上、熱的
余裕の改善をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る燃料集合体の垂直断面図
、第２図は該燃料集合体の水平断面図、第３図は該燃料
集合体のウォータロッドの高さ位置を示す模式図、第４
図は本発明の他の実施例の燃料集合体のウォータロッド
の高さ位置を示す模式図、第５図および第６図は無限増
倍率などのＨ／Ｕ比依存性を示した概念図、第７図は沸
騰水型原子炉の従来の燃料集合体の垂直断面図、第８図
は第７図の該燃料集合体の水平断面図である。 １・・・上部タイプレート、２・・・下部タイブレート
、３・・・燃料スペーサ、４・・・燃料棒、５・・・ウ
ォータロッド、５Ａ・・・太径ウォータロッド、６・・
・タブ、７・・・タイロッド、８・・・チャンネル・ボ
ックス、１３・・・下部端栓、１４・・・上部孔、１５
・・・下部孔、１６・・・上部端栓、１８・・・スプリ
ング、４１・・・燃料有効部、４１′・・・濃縮された
燃料有効部、４２・・・プレ第　Ｂ図 荊′７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上部タイプレートと、下部タイプレートと、両端部
   が前記上部タイプレートと前記下部タイプレートに保持
   される複数の燃料棒と、前記燃料棒の間に配置されて下
   端部が前記下部タイプレートに保持されるウォータロッ
   ドとからなる燃料集合体において、前記ウォータロッド
   は、密封されたその上端が前記燃料棒の燃料有効部の上
   端とほぼ等しい高さに位置し、側面に流路孔を有してい
   ることを特徴とする燃料集合体。 ２、前記燃料棒は、前記燃料有効部の上端部に天然ウラ
   ンブランケット領域を有しており、前記ウォータロッド
   の上端を前記天然ウランブランケット領域の下端とほぼ
   等しい位置にした特許請求の範囲第１項記載の燃料集合
   体。 ３、前記ウォータロッドの外径が前記燃料棒のそれより
   も大きい特許請求の範囲第１項または第２項記載の燃料
   集合体。