JPS6138589A - 原子炉燃料集合体 - 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〕 本発明は水冷却゛−原子炉の燃料集合体に係り、特に、
燃料経済性を良くした燃料集合体に関するものである。

〔発明の背景〕

従来の軽水炉の燃料集合体は燃料棒を束ね、それらの間
に冷却材が流れる構造になっており、また成るものは燃
料集合体の一部に、燃料を内包せず内部に冷却材のみが
流れる管（いわゆるウオータロヅド）を設けている。こ
のような構造では、燃料集合体内の出力およびその分布
、冷却材流量、入口温度、圧力等が同じであれば、冷却
材の平均密度も変わらない。

しかし沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、以下に述べるよ
うに、燃焼の進行に伴いディト率、したがって冷却材の
平均密度、を変えて運転すると燃料をより有効に使うこ
とができる。

第２図はＢＷＲの代表的な燃料を蒸気気泡体積率（ゲイ
ト率）を常に一定（０％）にして燃焼させた場合と、デ
ィト率を燃焼とともに下げて（５チリ０％）燃焼させた
場合を比較して示したものである。始め高ディト率で途
中からボイド率を下げた場合の方が、始めから低ディト
率で燃焼させた場合よシも高燃焼度における中性性増倍
率が高い。

これは、ディト率が高いと中性子が減速されにくいため
、ウラン２３８に吸収される中性子の割合が増えること
に基づく。ウラン２３８はそのままでは核分裂を起こさ
ず、燃料として使えないが、中性子を吸収するとプルト
ニウム２３９に変わり、プルトニウム２３９は核分裂性
であり燃料として使える。

したがって、ゲイト率が高くなってウラン２３８に吸収
される中性子の割合が増えると核分裂性のプルトニウム
２３９が余分にたまり、中性子増倍率の低下をおさえる
ことになる。

このように、始めボイド率を高くして運転し、燃焼が進
んで中性子増倍率が下がって来たらゲイト率を下げて運
転する方が、余分に燃焼させることができる。始めから
低ディト率で燃焼させた場合は、中性子増倍率が大きい
ため、余分の中性子が生じ、これを制御棒に吸収させる
ため中性子経済が悪い。

しかるに従来のＢＷＲ燃料集合体では、前述のようにそ
の構造自体では冷却材の平均密度を変えられないので、
ゲイト率を変える方法として冷却材流量を調節している
が、そのため余分のポンプ容量を必要とした。また、圧
力や入口温度を変えることによ、９＆イド率を変えるこ
とも可能であるが、それには特別の設備を必要とするた
め、経済性は必ずしも良くならない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、冷却材の流量、入口温度、圧力などを
変えなくても燃焼に伴って平均のゲイト率が自動的に低
下し、以て燃料経済性が向上する原子炉燃料集合体を提
供することである。

〔発明の概要〕

本発明は、多数本の燃料棒およびこれら燃料棒を冷却す
る冷却材の流れる空間を有する燃料集合体において、上
記燃料棒よシ低い核分裂性物質含有濃度を有する低出力
燃料棒と、該低出力燃料棒を包囲する管と、核管内に冷
却材を流すための小径の上流側流入孔および大径の下流
側流出孔と、からなるボイド調節用エレメントを燃料集
合体中に挿入したことを特徴とするものである。

これを概説すれば、一般にディト率は蒸気の重量割合（
クォリティ）の関数である。流路に沿ったある位置２で
のクォリティｘ（２）はほぼ次式で４見られる。

ここにｈ　は蒸気のエンタルピ、ｈ、は水の飽和エンタ
ルピ、ｈｉｎは入口（２＝０　）での水のエンタルピ、
Ｗは水の流量、Ｑは流路の単位長さ当りの発熱量である
。ゲイト率αはクォリティＸに対し第３図に示すような
依存性を持っている。

そこで、本発明においては、燃料集合体内に独立して冷
却材（水）の流れる管路を作り、その中に発熱体を設置
し、その発熱ｉＬＱが燃焼とともに低下するようにする
。そうすると上式よシわかる通り、その管路を流れる水
の流量Ｗが小さければ、Ｑの変化に対してＸの変化は大
きくなり、したがって燃焼につれて該管路中のゲイト率
は大きく低下する。

このような該管路中のディト率の大きな低下は、炉心平
均ディト率を燃焼とともに低下させることに寄与する結
果となるのである。

燃焼とともに発熱量Ｑが下がるようにするには、上記発
熱体を核分裂性物質を内蔵する燃料棒の形となし、燃焼
につれて核分裂性物質が減少することを利用してその発
熱出力が下るようにする。ただし管路内の冷却材流量を
低く抑えているため該発熱体から水への熱伝達は悪いか
ら、該核分裂性物質の濃度は小さくして発熱量を低くお
さえることが必要である。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の沸騰水型原子炉における一実施例に係
る燃料集合体の一部を示す図である。本実施例では、通
常の燃料棒１の間に、ぎイド調節用エレメント２を置い
である。ディト調節用エレメント２は第４図に断面図と
して示すように、低出力燃料棒３の周りを外管４で囲ん
だ構造になっている。低出力燃料棒３の上下端は端栓５
および５′によシ密封しである。後述の理由で、外管４
の下端には端栓５′を溶接しであるが、上端には端栓５
を差込んだだけにしておく。また、外管４と低出力燃料
棒３の間隔は、第５図にも示すように、スペーサ６によ
シ維持する。スペーサ６は低出力燃料棒３の被覆管７に
溶接により止めである。外管４の下端および上端の側面
には孔８および９があけである。

低出力燃料棒３の中には低出力燃料ベレット１０が封入
しである。低出力燃料ベレットは天然ウランを２０％含
有するウランとアルミニウムの合金でできている。

本実施例の燃料集合体（第１図）は、このようなボイド
調節用エレメント２を第６図に示すように４本人れたも
のである。

低出力燃料ベレット１０内の発熱密度ｑ＊はほぼ次式で
与えられる。

ｑ＊：ａσｆφＮ；ｓｓ　　　　　　　　　（１）ここ
にａは場所や材料に関係ない定数、σ、はウラン２３５
の核分裂断面積、φは中性子束密度、Ｎ八。

はウラン２３５の原子の低出力燃料４レツト単位体積当
フの数である。σ、は定数であシ、φは燃料集合体の水
平断面内で１０％程度の範囲でほぼ一様と考えられるの
で、ｑ９は”２５５に比例すると−見なせる。同様に通
常の燃料４レツトでも比例関係が成立するので、ｑ＊は
次式でも表わせる。

ただしｑ’　Ｎ２５５はそれぞれ通常の燃料ベレット内
の発熱密度および単位体積当シララン２３５の原子の数
である。

Ｎ２３５　’　Ｎ：３ｓともに燃料が燃焼すると低下す
るが、その低下のしかたは次式に従う。

％式％（３） ただしＮはＮ　またはＮ２３５である。したがって、Ｎ
は次式で与えられる。

Ｎ＝Ｎ　　　ｅ−σｆφｔ（４） ｔ＝ａ Ｎｔ＝ｏは１＝０におけるＮの値である。し九がって、
（２）式のＮ：ｓｓ　／Ｎ２３５は一定となる・本実施
例の場合”２５５／Ｎ２３５は約０．０２５になるよう
にウランをアルミによシ希釈した燃料を低出力燃料４１
！３に用いである。沸騰水型原子炉の定格状態では通常
の燃料棒内の発熱密度は燃焼度０で０、２５　ｋＷＡＫ
１程度、燃焼末期でその半分くらいでるる。したがって
低出力燃料ベレ、トｌＯ内の発熱密度は燃焼初期の０．
０６３　ｋＷＡｒｒｒ３から末期の０．０３１ｋＷ／ｃ
ＩｒＬ３程度の範囲で変化する。

いま、外管４の上端の孔９を大きく、下端の孔８を小さ
くし、下端の孔８の径を調節して被覆管７と外管４０間
に小量の水が流れるようにすると、外管４内の水は低出
力燃料棒３からの熱で沸騰し、ボイドを発生する。この
ディトの号は低出力燃料棒３の出力が燃焼とともに低下
すれば減少し、中性子スペクトルをよシ軟かくする。

外管４内のボイド発生量が減少すると、外管４内の水の
平均密度が増大し、質貴流倚を下げ、ボイド発生量を増
大する方向に作用する。しかし、下端の孔８の大きさを
小さくしておくことにより、流れの圧力損失の大部分は
下端の孔８を通る流量で決まり、外管４゛内のボイド発
生量の影響をあまり受けない。

第７図は、下端の孔８の抵抗係数Ｋを１０５にした場合
の、出力に対するゲイト率の依存性を示す図である。た
だし抵抗係数には次式で定義する。

　Ｗ２ ΔＰ；−一 ２ρＡ２ ここにΔＰけ該孔を通過するときの圧損、ρは水の密度
、Ｗは通過質量流量、Ａは外管４内の流路断面積である
。Ｋは孔が小さいはど大きく、孔の径が０に近づくと無
限大に近づく。

第７図において、各曲線は流路に沿った異る位置でのデ
ィト率を示す。低出力燃料棒３のイレッ）１０の径を９
ｍとし、合計長を３．７ｍとすれば、低出力燃料０３の
出力は１．５ｋＷから０．７５　ｋＷの範囲で変わるこ
とになシ、炉心高さの中央の位置で外管４内ビイド率は
５６チから２６％の範囲で変わり、これにより炉心平均
ディト率は第８図に示すように１．５％変化する。

なお、外管４内の冷却材流量は小さいが、低出力燃料棒
３の出力が１．５ｋＷ程度と小さいので、熱的な損傷の
発生の恐れはない。

また本実施例で述べたウランとアルミの合金は、ウラン
の重廿割合が５０チ以下の範囲で自由に割合を変えて出
力密度を変えられる点で望ましいが、ジルコニウムとの
合金など他の合金や、ＵＯ□などのセラミック燃料も使
うことができる。ただしＵＯ３等を使う場合、出力を低
く抑えるためには、ウラン２３５の濃縮度を非常に低く
するか、あるいはグラファイトなどの不純物と混合して
、核分裂性物質の割合を下げる必要がある。

前述のように外管４の上端は端栓５に溶接しておらず、
低出力燃料棒３の熱膨張によって応力が発生しない構造
としである。この構造の場合、ディト調節用エレメント
２を作る際には、低出力燃料ａ３の上下端に端栓５およ
び５′を溶接したのち、上から外管４をかぶせ、下端で
溶接することになる。しかし工程上、組立の最後に燃料
ペレットを入れたい場合は、第９図に示すように外管４
をやや短くシ、上部端栓５を最後に溶接できるようにす
るのがよい。こお場合、外管４の上端はスペーサ６によ
ってのみ低出力燃料４１１３との間隔を維持することに
なる。

以上の実施例では、低出力燃料棒３の核分裂性物質とし
てウラン２３５を使ったが、これは通常の燃料と同じで
あるため、燃焼による出力低下が通常の燃料と同じ比率
でしか下らない。しかしプルトニウムを使ってもよく、
この場合、同位体であるプルトニウム２３９と２４１の
組成によシ若干異るか、ウラン２３５を用いた場合よフ
もσ、が１．５倍くらい大きい。このため式（４）より
、通常燃料棒の出力密度が２分の１になるまで燃焼した
とすると、低出力燃料ａ３の出力は２．８分の１にまで
低下する。このためぎイド率の変化はさらに大きくなシ
、効果も大きい。

第１０図は本発明の他の実施例の燃料集合体におけるデ
ィト調節用エレメント２の断面図である６外管４の中の
下部にのみ低出力燃料棒３が入っていて、外管４の上部
は空になっている。この場合、以下に述べる二つの理由
で炉心平均ディト率の変化幅が大きくなる。

第一は、上部で外管４内の流路面積が広がったことによ
って、外管４内の流路の炉心全体の流路に占める面積の
割合が大きくなったことである。

このため外管４内の同じディト率の変化に対して炉心平
均ディト率の変化幅は入きくなる。例えば第７図の条件
で低出力燃料ａ３の上部がなくなったとすると外管４内
の流路面積は約１．６倍になる。

第二は、第３図に示すようにボイド率はクォリティに対
して飽和する傾向を持っていることに由来する。出力が
低下してクォリティが下るとぎイド率も低下するが、第
４図又は第９図のように低出力燃料棒３が外管４の全長
にわたりて延びている実施例の場合は第１１図に示すよ
うに下流に行くほどディト率の変化幅が小さくなる。こ
れ九対し第１０図に示す本実施例では、第１２図に示す
ように、低出力燃料棒の上端より下流ではクォリティは
一定のため、ボイド率の変化幅が大きい。

し次がって本実施例では前記の実施例に比べてディト９
″４の変化幅が大きく、燃料節約効果およびボイド係数
低下効果示大きい。

第１３図は本発明のさらにもう一つの実施例におけるボ
イド調節用エレメント２の断面図である。

外管４内の流路を栓１５で上下に二つ以上に分けて、各
流路ごとに夫々上端と下端に孔８と９を設ける。上端の
孔９を大きく、下端の孔８を小さくしておくと、ボイド
は上端の孔９からは放出されるが、下端の孔８のような
狭い所には入って行かない性質を持っており、下端の孔
８からは水だけが流入する。したがって分割された各流
路の下端ではクォリティは０となり、ボイド率のクオリ
ティに対する感度の大きい個所が多数できる。これによ
り、出力が低下したときのボイド率の変化幅は最初の実
施例よりも大きくなる。

また第１４図に示すようにディト率の高いところでは初
期の中性子増倍率が下がシ燃料節約効果が小さいのに対
し、ディト率の低い所では第２図に示すように初期の中
性子増倍率の低下が小さく、燃料節約効果が大きい。し
たがって第１５図に示すように、低出力燃料棒３をボイ
ド率の低い炉心下部だけにし、外管４を核１５′で仕切
り、それより上部の外管中にはボイドがなく水だけが流
れる構造としたゲイト調節用エレメント２を用いること
もできる。

以上の実施例では１ｔイド調節用エレメント２を第６図
のように燃料集合体内に４箇所に分散して置いたが、た
とえば＠１６図のように一箇所に集中して置くこともで
きる。この場合には特殊形状の部品の数が少くなり、製
作の手間がかからないという利点がある。また、ｄ？ゲ
イト調節用エレメントの外管４の形状は必ずしも円管で
なくても良く、第１７図のように角型断面の管を使うこ
ともできる。この場合は外管内の流路面積をより大きく
とれるという利点がある。

なお、ディト調節用エレメントの上下端の孔８゜９は必
ずしも外管４にあける必要はなく、第１８図のように端
栓にあけることもできる（第１８図は下端栓５′にあけ
た孔８を例示したものである）。

この場合には流入・流出の方向が管路に沿っているため
流れの乱れが小さく、低出力燃料棒３に荷重を生じにく
いと龜う利点がある。

以上は沸騰水型原子炉の場合につき説明したが、本発明
に係るディト調節用エレメントは加圧水型原子炉および
重水減速型原子炉にも使うことができ、同様の効果が期
待できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、燃料集合体内の平
均ディト率が燃焼にともない自動的に減少するので、燃
料経済が向上し、核燃料資源の有効利用を図ることがで
きる。しかも上記のぎイド率減少は燃料集合体それ自体
の構成によってもたらされるもので、従来の如く冷却材
流量や圧力、入口温度を調節するための外的付加手段で
もたらされるのではないから、設備コストの増大を抑え
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に係る燃料集合体の一部を示
す斜視図、第２図は燃料の燃焼特性に対するボイド率の
効果を示す図、第３図はディト率のクォリティに対する
依存性を示す図、第４図は上記の実施例に使用している
ゲイト調節用エレメントの断面図、第５図は低出力燃料
棒と外管の間隔を維持する手段を示す斜視図、第６図は
上記の実施例の燃料集合体の断面図、第７図は外管内の
ぎイド率の発熱量に対する依存性を示す図、第８図は集
合体内の断面平均のボイド率の発熱量に対する依存性を
示す図、第９図は本発明の２″ｆｉ目の実施例に係るゲ
イト調節用エレメントの断面図、Ｗ、１０図は本発明の
３１目の実施例に係るディト調節エレメントの断面図、
第１１図は、場所によるボイド率の変化の差を示す図、
第１２図は、低出力燃料棒が部分長である場合のディト
率の変化の差を示す図、第１３図は、本発明の４番目の
実施例に係るディト調節エレメントの断面図、第１４図
はディト率が高い場合の燃料の燃焼特性のディト率によ
る差を示す図、第１５図は本発明の５番目の実施例に係
るディト調節エレメントの断面図、第１６図は本発明の
６番目の実施例に係る燃料集合体の断面図、第１７図は
本発明の７番目の実施例の燃料集合体の断面図、第１８
図は本発明の８番目の実施例に係名コイド調節エレメン
トの端栓の側面図である。 符号の説明 ｌ・・・通常の燃料棒　　　　２・・・ボイド調節用エ
レメント３・・・低出力燃料棒　　　４・・・外管５．
５′・・・端栓　　　　　　　　６・・・低出力燃料棒
用スペーサ７・・・低出力燃料棒被覆管　８・・・冷却
材入口孔９・・・冷却材出口孔　　　　１０・・・低出
力燃料ベレット１１・・・スプリング　　　　　１２・
・・水分吸収材１３・・・ｆｆ１Ｒスヘーサ　　　　１
４・・・チャンネルボックス１５・・・燃料被覆管中間
栓 少然　火見　刀芝　（ＧＷＤ／ｖ） 第３図 第４回 完熱量（ＫＷ） 第１０図 第１１図 （上）危）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　（下５ｔ）第１２図 Ｃ上＆）（下５凡） 第１６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数本の燃料棒およびこれら燃料棒を冷却する冷却
   材の流れる空間を有する燃料集合体において、上記燃料
   棒より低い核分裂性物質含有濃度を有する低出力燃料棒
   と、該低出力燃料棒を包囲する管と、該管内に冷却材を
   流すための小径の上流側流入孔および大径の下流側流出
   孔と、からなるボイド調節用エレメントを燃料集合体中
   に挿入したことを特徴とする燃料集合体。 ２、前記低出力燃料棒が前記管の長さのうち上流寄りの
   一部分にだけ存在する特許請求の範囲第１項記載の燃料
   集合体。 ３、前記管内が長手方向において複数の流路に仕切られ
   、夫々の流路に前記の流入孔および流出孔が設けられて
   いる特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 ４、前記管内が、前記低出力燃料棒の存在する上流寄り
   の部分とそれの存在しない下流寄りの部分とに仕切られ
   、夫々の部分に前記の流入孔および流出孔が設けられて
   いる特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 ５、前記低出力燃料棒の核分裂性物質としてプルトニウ
   ムを用いた特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かに記載の燃料集合体。