JPS6325592A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、沸騰水型原子炉に係り、特に燃料の寿命延長
、省ウラン、圧損低減に好適な沸騰水型原子炉の燃料集
合体に関する。

［従来の技術］ 沸騰水型原子炉においては、減速材と冷却材の働きをす
る水が、チャンネルボックス内側の２相流部分と、チャ
ンネルボックス外側の飽和水部分の２つの領域に分かれ
て存在する。現在の限られた空間の中で、これら２つの
領域の面積割合に対する最適値は、評価する対象により
異なる。

沸騰水型原子炉において、燃料の高燃焼度化を図り燃料
の寿命延長、省ウラン等の対策を通じて燃料経済性を向
上させるには、燃料集合体の中に非沸騰領域つまり多数
本のウォータロッドを配置する方法、燃料集合体内のウ
ラン装荷量を従来より増加させる方法、格子の構成数を
増加させる方法などが考えられる。

しかしながら、従来のチャンネルボックスの大きさで燃
料集合体の中に多数本のウォータロッドを配置すると、
ぬれぶち面積の増加と冷却材流路面積の減少で、圧損が
大幅に上昇するとともに、燃料棒間隔接近により、冷却
能力が低下する問題がある。　また、従来のチャンネル
ボックスの大きさでウラン装荷量を増加させると、冷却
材による圧損の増加と冷却能力の低下を招くことになる
。

更に、従来のチャンネルボックスの大きさで格子の構成
数を増加させると、やはり圧損の増加と冷却能力の低下
は避けられなかった。

つまり、ウランの装荷量を増加させ、またチャンネルボ
ックス内に非沸騰領域を増加させ、冷却能力も大きくシ
、シかも、冷却材流路面積をできるだけ広くとるには、
現在のチャンネルボックスの大きさは不充分である。

この対策として、特願昭５９−２４０３４６号には、燃
料集合体を囲む飽和本領域の面積を少なくし、その減少
分だけチャンネルボックスの内面積を広くシ、燃料の格
子配列を多くする技術が記載されている。

ＣＢ明が解決しようとする問題点コ 上記従来技術は、現行の燃料集合体格子のピッチ約１５
２ｍｍを変更せず、燃料経済性の向上を回ろうとしてい
るものであるが、燃焼度を現行の３０ＧＷｄ／ｌから７
０　Ｇ　ｗ　ｄ　／　ｔまで増加させるには、ウォータ
ロッド領域をさらに増加させ中性子スペクトスルを一層
ソフト（熱中性子の平均速度を遅くする）にする必要が
ある６従来の燃料集合体格子ピッチのままで、ウォータ
ロッド領域を増加する場合には、その分燃料集合体当り
のウラン装荷量が減少してしまい、燃料経済性の向上が
あまり期待できないと言う問題があった。

本発明の目的とするところは、燃焼度をより一層増加さ
せるうえで、燃料集合体当りのウラン装荷量を減らすこ
となく、運転時の非沸騰領域であるウォータロッド領域
を増加することにより中性子の減速効果をよくし、ウラ
ンの効率的な燃焼を促進する技術手段を提供することに
ある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は、燃料集合体を約２倍に大きくしたうえで、
燃料集合体内のウォータロッド数を増加させ、各燃料棒
にほぼ同等量の非沸騰水が配置されるように、燃料集合
体内の減速材（水）と燃料（ウラン）のを均質化するこ
とにより達成される。

すなわち、燃料集合体を現行の沸騰水型原子炉の標準仕
様である制御棒ピッチの対角長さに納まる程度の大きさ
とするとにより、制御棒ピッチを変えることなく、従来
燃料共合体の約２体分の大きさとすることができる。こ
の燃料集合体により従来の燃料集合体が炉心に配置され
た時に生ずる燃料集合体の間隙の水領域部分を燃料集合
体内の面積とすることができ、この部分を燃料集合体当
りに装荷できるウラン量の増加、または、ウォータロッ
ド領域の増加として使うことができる。

現行の軽水炉炉心の制御棒ピッチは、約３０５ｍｍ〜３
１０ｍｍであるため、対角長さは約２１５ｍｍ〜２１９
ｍｍとなる。この寸法に制御棒挿入に必要な間隙約１３
ｍｍとチャンネルボックスの肉厚約２ｍｍ〜３ｍｍを考
慮すると、チャンネルボックスの内幅は約１９６ｍｍ〜
２０２ｍｍとなる。

ウォータロッド領域の増加の方法としては、全燃料棒の
まわりにできるだけ同量の非沸騰水が、配置されるよう
にするのがよい。

なお、ウラン装荷量の増加、ウォータロッド領域の増加
により、ぬれぶち長さの増加と冷却材流路面積の減少と
で圧損が増加する場合には、ウォ−タロラドの上部を短
かくまたは細くすることにより、圧損を低減することが
できる。

［作用コ 本発明による燃料集合体は、従来の燃料集合体の外側に
存在していた水を燃料集合体の内側に非洲騰水領域とし
て設けかつ、各燃料棒毎にほぼ同量の非沸騰水が配置さ
れるよう均質化することにより、中性子の減速効果を増
加し、しかも水素原子による中性子の無駄な吸収がなく
なるため、高反応度化することができ、省ウラン化が図
れることになる。

また、ウォータロッド上部を短かくまたは細くすること
は、次のような理由に基づき圧損を低減するように作用
する。

燃料チャンネルの水力学的安定性を向上させる上には、
燃料チャンネル内での圧損の低減が重要である。沸騰水
形原子炉のような気液二相流による摩擦圧損ΔＰｆは１
次の式で表わされる。

Ｗ２　　　ｆ−Ｌ ΔＰｆ＝　　□・□　・Φ ２ｇρ　　Ｄ−Ａ ここで、 ΔＰｆ＝摩擦圧損 Ｗ＝チャンネル流量 ｇ＝重力加速度 ρ＝水の密度 Ｄ＝チャンネル水力直径 Ａ−チャンネル流路面積 Ｌ＝長さ ｆ＝摩擦圧損係数 Φ＝二相流摩擦圧損倍率 燃料有効長より上部の領域は、炉心内での燃料の燃焼に
よる影響はほとんどなく、かつ、この領域でのボイド率
は大きい。上式での摩擦圧損の式において、二相流摩擦
圧損増倍率Φは、ボイド率が大きいほど、大きくなる。

従って燃料有効長より上部の太径ウォータロッドを細く
すると、チャンネル流路面積Ａは、ウォータロッド断面
積が小さくなった分だけ大きくなるために、圧損は小さ
くなり、また、ウォータロッドを短かくすると、Ｌが小
さくなることにより圧損は小さくなり、その効果は上部
にてΦが大きいことと相まって、圧損低域に対する寄与
は大きい。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は燃料集合体の横断面を示す。第１図において１は、
チャンネルボックス、２はウォータロッド、３及び３′
は燃料棒を示す。

本実施例の燃料集合体のチャンネルボックス内幅２０１
１は、従来燃料の内幅１３４ｍｍの４倍であり、本発明
の燃料集合体は約２倍である。

本実施例は、燃料棒３が１４行１４列で配列したもので
ある。チャンネルボックスの内幅が２０１ｍｍの場合に
、本発明に基づく燃料集合体内のウラン装荷量を従来の
燃料集合体のウラン装荷量と単位体積当りで等しくする
ためには、燃ｐｒ捧直径を約１０．６ｍｍとする必要が
ある。さらに、燃料棒の冷却特性を低下させないために
、燃料棒間隙を従来燃料と同等の約３．５ｍｍとして、
燃料棒の配列を決定すると、１４行１４列となる。

ウォータロッドの本数と天然ウラン節約量の関係を示す
第２図より、本実施例の１４行１４列の配列においては
、ウォータロッド本数は、９本程度である。

ウォータロッド２は、チャンネルボックス１に面する燃
料棒３を除くすべての燃料棒３′と面するように配置さ
れている。このため、すべての燃料棒は、ウォータロッ
ドまたはチャンネルボックス外部の飽和水領域のいずれ
かに面することになり燃料集合体内の減速材と燃料の分
布がより均質化される効果がある。

またウォータロッド２の内径は約２９ｍｍで燃料棒の内
径約９．３ｍｍの約３倍あり断面積は約９倍となる。ウ
ォータロッド２は、燃料棒３′　４本を取除いて配置し
である。

本実施例において、燃料棒全数３．３′は１６０本であ
り、ウォータロッド２に面している燃料棒３′は、１０
８本であることから、ウォータロッド２に面している燃
料棒３′の割合は６７．５％となる。

第３図は無限増倍率の燃焼変化を示す。

第３図において５は本発明の無限増倍率の燃焼変化を、
６は従来の燃料集合体格子での無限増倍率の燃焼変化を
示す。本発明の無限増倍率から従来格子に対し大きな反
応度利得があることがわかる。

第４図は、本実施例における燃料集合体の縦断面を示す
。

第４図においては１はチャンネルボックス、２はウォー
タロッド、３は燃料棒、４はスペーサを示す。

本実施例のウォータロッド２は、強度上の観点から下方
部を細くしている。これは、ウォータロッドに水平にか
かる荷重に対しては、直径を細くしたほうが、変形量が
少なく機械強度が増すことに基づいており、この特性は
特にウォータロッドの下部端栓と１５１スペーサとで保
持される区間で重要となるので、この区間の直径を細く
シている。

また、ウォータロッド２下部に、冷却水流入口を設け、
出力運転時ウォータロッド内にボイドが発生しないよう
にしている。

またウォータロッド２の上部は、二相流による圧損の低
減を図り安定性を増すために、燃料棒３より管長を短か
くしている。短かくできる長さは、最上部のスペーサの
すぐ上部までとし約Ｌｏｃｍである。

なお、特願昭４６−４１７５９の第４図および第５図に
は１本発明に類似した燃料集合体の構造が記載されてい
るが、これは、太径の制御棒案内ピンを用いており、制
御棒の挿入を前提としているため、本発明で述べている
ウォータロッドとは機能が異なること、および、制御棒
案内管の場合には、本発明のウォータロッドと異なり燃
料下部で直径を細くする構造はとりえないということに
より、特願昭４６−４１７５９号記載の発明は、本発明
とは異なる発明ということができる。

更に１本発明による燃料集合体の第２の実施例を第５図
に示す。本実施例は１５行１５列の配列をもつものであ
る。本実施例は、一般に中性子スペクトルがよりハード
となる燃料集合体中央部での中性子の減速効果をより向
上する形状を提供するものである。

また第６図、第７図は第３、第４の変形例を示すもので
ある。第６図は１２行１２列の配列をもつ燃料集合体で
ぬれぶち長さを短かくできることがら圧損に対して余裕
があり、有効長を長くする場合に好適な配置である。ま
た第７図は１８行１８列の配列をもつ燃料集合体で、ウ
ラン装荷量を増加できるため有効長を短かくする場合に
好適な配置である。

［発明の効果］ 本発明によれば、燃料集合体内の非沸騰領域を大きくす
ることができ、燃料集合体内の水とウランの分布がより
均質となるため、反応度が向上し高燃焼度化を図ること
ができ、さらに、ウォータロッド上部を短くまたは細く
する構造により、ウラン装荷量の増加及びウォータロッ
ド領域増加に伴う圧力損失の増加を防ぐことができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料集合体水平断面図、第２図は
ウォータロッド本数と天然ウラン節約量との関係を示す
図、第３図は無限増倍率の燃焼変化を示す図、第４図は
本発明による燃料集合体の縦断面図、第５図、第６図、
第７図は本発明の変形例の燃料集合体水平断面図を示す
。 １・・・チャンネルボックス、２・・・ウォータロッド
、３．３′・・・燃料棒、４・・・スペーサ、５・・・
本発明による無限増倍率の燃焼変化、６・・・従来格子
での無第２図 カオークロッＦ、！数 燃′焼度（ＧＷ、Ｊ／も〕 第４図 手続補正書（方式） ％式％ 事件の表示 昭和６１年特許願第　１６７９７２　　号発明　の　名
　称　燃料集合体 補正をする者 ４；ｆ７＋−との関係　　特許出願人 名　称（５１０１体式会社　日　立　Ｍ　　作　折代　
　　理　　　人 居−所（〒１００１東京都千代田区丸の内−丁目５番１
号以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の燃料棒と複数の内部を冷却水が流れる管とを
   たばね、外側は横断面がほぼ正四角形のチャンネルボッ
   クスで囲まれた沸騰水形原子炉用燃料集合体において、
   上記管の断面積が複数の燃料棒横断面の占める面積以上
   であり運転時上記管内のいずれの断面においても蒸気泡
   が発生しないように上記管の冷却水流入部管の内径より
   十分小さい開口部を有する構造であり、上記管が４本以
   上１６本以下であり燃料集合体中の燃料棒の５５％以上
   ７５％以下が管と面していることを特徴とする燃料集合
   体。 ２、前記管は長手方向に見て、その大部分を占める太い
   部分が燃料集合体上部において燃料棒被覆管上部より少
   なくとも１０ｃｍ以上下方で端部を持つかあるいは細く
   なっていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の燃料集合体。 ３、前記管は長手方向に見て、その大部分を占める太い
   部分が燃料集合体下部において細くなっていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 ４、前記チャンネルボックスの内幅が１９６ｍｍ以上２
   ０２ｍｍ以下であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の燃料集合体。 ５、前記燃料棒が１４行１４列に配列されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 ６、前記管の内径が燃料棒４本以上を排除する大きさで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料
   集合体。