JPS6353490A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉で使用する核燃料集合体の構
成に関する。

〔従来の技術〕

従来の沸騰水型原子炉で用いられている核燃料集合体は
、文献「軽水炉発電所のあらましＪに記゛載のように、
燃料棒を７Ｘ７あるいは８×８の格子状に配置し、その
外側を直管状のチャンネルボツクスで取り囲んだ構造に
なっている。制御棒は板状で、各燃料集合体のチャンネ
ルボックスの外側のすき間を移動できるように設置され
ている。

一方、加圧水型原子炉で用いられている核燃料集合体で
はチャンネルボックスはなく、格子状に配置した燃料棒
位置の一部に燃料棒の代わりに制御棒案内管が置かれそ
の中を中性子吸収材を封入した棒状の制御棒が移動でき
るようになっている。

近年、核燃料の有効利用を図るため、親核燃料物質ウラ
ン２３８からプルトニウム２３９への転換を多くした高
転換炉の開発が進められている。この例として、高転換
バーナ炉心（特願昭５９−２５１３８９）がある、高転
換炉では、中性子の平均エネルギを高くするため水素原
子数密度対燃料原子数密度比（Ｈ／Ｕ）を小さくする必
要がある。このため、稠密格子燃料を使用する方法と、
水を沸騰させ蒸気含泡を多くして実質的に水素原子数密
度を低下させる方法があり、これらを組合せて利用する
こともできる。稠密格子燃料を使用する場合、余剰反応
度をおさえるため、集合体の中に負の反応度をもつ制御
棒を挿入する加圧木型原子炉で用いられているタイプの
燃料集合体の利用が考えられている。

〔発明が解決しようとする間悪点〕

上記のような棒状の制御棒を集合体内に挿入する稠密格
子燃料集合体を、さらにＨ／Ｕを小さくするために沸騰
水型原子炉で使用することが考えられる。

しかし、この場合には、核分裂で生じた中性子は熱中性
子になり還いため制御棒に吸取され雅く、制御棒の性能
が低下する。

また同じ理由から、沸騰水型原子炉では、スクラム時の
制御棒による負の反応度（スクラム反応度）の印加率が
小さいため、原子炉の出力制御が遅れるという問題が考
えられる。

本発明の目的は、制御棒を集合体内に挿入する方式を用
い、沸騰水中で使用する場合にも、制御棒の性能が低下
しない核燃料集合体を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明では、制御棒案内管の
周囲に中性子減速を目的とした減速材の領域を配置する
。

具体的には、制御棒案内管を内部に含む二重管とし、環
状部に減速材を配置する。あるいは、減速材を含む棒を
＄Ｉ制御棒案内管の周囲の冷却水中に配置する。減速材
としては、未飽和で非沸騰の水、または、ジルコニウム
ハイドライドや黒鉛などの固体減速材を使用する。

（作用〕 制御棒に近接した領域に中性子の減速能力の大きい領域
を設けた場合、燃料棒において核分裂で生じた中性子が
減速材中で減速され制御棒位置での熱中性子割合が増大
する。第７図は減速材の分布状態を変えた場合の熱中性
子束分布を比較するための計算モデル図である。ケース
（ａ）は減速材を平均化して分布させた場合で、ａが制
御棒位置であり制御棒を引き抜いた状態を模擬し非沸騰
水で満されているとする。Ｃ′は沸騰水であリポイド率
６０％とする。ｄは燃料棒である。ｅはＣ′と同様ボイ
ド率６０％の：４騰水である。二重に対し、ケース（ｂ
）は減速材の水を制御棒の近くに多く分布させた場合で
、ケース＜ａ＞の領域Ｃ′をす、ｃの二領域に分割して
いる。ｂは減速材領域で非沸騰水で満されている。Ｃ′
は沸騰水であるが、ケース（ａ）と（ｂ）の全体の水の
量を同じにするため、領域Ｃに比ベボイド率を高くして
水の量を減らしている。他の領域はケース（ａ）と同じ
である。

第８図は第７図の二つのケースにおける熱中性子束分布
を比較して示したものである。いずれの場合も、燃料棒
領域は核分裂により高速中性子が発生している所であり
、熱中性子束は小さい。中心領域に近づくにつれて中性
子は減速され熱中性子が増えている。特に、中心領域は
非沸騰の水であり中性子は最も減速されるため、熱中性
子束は最も大きい。ケース（ｂ）の沸騰水領域Ｃのボイ
ド率は、ケース（ａ）の沸騰水領域Ｃ′のボイド率に比
べて大きいため、熱中性子束は小さい。しかし、ケース
（ｂ）の場合、減速材領域すがあるため熱中性子束は大
きくなり、中心領域ａでの値はケース（ａ）に比べて大
きくなる。

以上の二つの場合に対して、中心領域ａに制御棒を挿入
した場合、制＠棒で使用される８４Ｃなどの材料は熱中
性子エネルギ領域で吸収断面積が大きい特性を持ってい
るため、中性子は容易に吸収される。

ケース（ｂ）はケース（ａ）に比べて熱中性子束が大き
いため、制御棒の制御効率は大きい。実際、制御棒の反
応度価値を次式で表わすとすると、ケース（ａ）の制御
棒価値を１．０　とした場合、ケース（ｂ）の制御棒価
値の計算値は１．０５　となり、制御特性が改善される
。

次にスクラム反応度についての改善点を示す。

第９図はスクラム後の制御棒が案内管の中に挿入されて
くるにつれての反応度印加の時間変化を示す。第７図の
ケース（ａ）の中心領域に制御棒を挿入したときの反応
度カーブＣ′に比べて、ケース（ｂ）の場合は、カーブ
Ｄのように早く反応度が印加され、また、到達反応度の
値も大きい。このように、本実施例によれば、スクラム
反応度の印加時期を早くし、印加率を大きくすることが
でき、スクラム特性を改善することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例の燃料集合体２０の横断面図
である。燃料棒１は三角格子の頂点に配置され、全体で
は六角形状の集合体２ｏを構成している。この実施例で
は集合体相互間の横方向流れを除去するためにチャンネ
ルボックス２を￥１置している。冷却材は集合体２０の
下部から非沸騰状態でチャンネルホックス２内に流入し
、燃料棒１から熱を受けながら上昇する。燃料集合体２
０内に流入して数十■の所で冷却材は燃料棒から受けた
熱により沸騰を開始し、集合体出口での蒸気体積率（ボ
イド率）は８０％にも達する。集合体内の格子の頂点に
は一部燃料捧１の代わりに制御棒３が挿入される。制御
棒３が挿入される位置には制御棒３の挿入、抽出の際の
ガイドの役を果たす中空の制御棒案内管４を設置し、更
に、制御棒案内管４のまわりを囲むように中空の減速材
封入管５を設置し全体として二重管構造とする。制御棒
案内管４や減速材封入管５は、中性子の吸取の少ないジ
ルコニウム合金、あるいは強度の高いステンレス鋼で製
作する。第２図には第１図で示した本実施例の集合体の
部分縦断面図を示す。燃料枠工は上部支持板１ｏ、下部
支持板１１に固定され、全体がチャンネルボックス２の
中に配置されている。制御棒案内管４と減速材封入管５
は二重構造となって上、下支持板１０．１１の間に固定
されている。本実施例では制御棒案内管４と減速材封入
配管５のすき間の減速材領域６に、中性子減速能力の高
い未飽和水を充満させる。減速材封入管５の下部には流
入孔１３を設置し、下部支持板１１に開けられた孔１２
を通って集合体２０内に流入する未飽和水の一部を減速
材領域６に導入する。制御棒案内管４には下部支持板１
１に開けられた孔１４から冷却材が流入できる構造にな
っている。減速材封入管５及び制御棒案内管４内に流入
した未飽和水は、燃料棒１から直接熱を受ける冷却材流
路７と独立しているため、集合体上部においても沸騰せ
ず未飽和状態に維持される。なお、減速材封入管５内の
減速材としての水は、管壁からの伝熱、あるいは、放射
線による内部発熱により熱を受けるが、沸騰すると減速
材としての効果が低減するので、沸騰を防ぐに充分なだ
けの流量が流れるよう孔１３の大きさを設計しである。

制御棒３に中性子吸収材として使われる物質、例えば、
Ｂ４Ｃは高速中性子よりは熱中性子の方が吸収効率が良
い。制御棒３の周囲に中性子減速材を集中させた本実施
例は制御棒３に到達する中性子を熱中性子にする割合を
増加させ、制御棒の反応度制御価値を増加させる効果を
つ１本実施例では、制御棒封入管５内に未飽和水を導入
して減速材としたが、制御棒案内管４と減速材封入管５
のすき間の減速材領域６に未飽和水の代わりにジルコニ
ウムハイドライドや黒鉛などの固体減速材を充填した構
造も可能である。

固体減速材を使用する場合は二重管構造の環状部の上下
端を閉じ、内部にジルコニウムハイドライドや黒鉛等の
減速材を配置する９ なお、これらの二重管構造は、制御棒案内管４の一重管
構造に比べて、制御棒案内ｖ４に横方向から加わる流れ
の作用を低減する効果があるので、制御棒案内管４が変
形して制御棒３が挿入されないといった危険がないため
、安全性の高い炉を提供できる。

第３図は本発明の他の一実施例の横断面図である。減速
材封入管５は六角形状になっている・この構造の利点は
円管の減速材封入ａＬ：ｆ５よりも減速材領域６を大き
くとれる点である。減速材としては未飽和水、あるいは
、固体減速材を使用する。

第４図は本発明の他の一実施例である。この図は制御棒
を引き抜いた状態の燃料集合体の横断面を示している。

制御棒案内管４の中心は、必ずしも燃料格子の頂点に位
置している必要性はなく、体実雄側のようにずれていて
も良い、その場合でも図のように、制御棒案内管４のま
わりに減速材封入管５を設は減速材領域６を設置するこ
とが可能である。

第５図は本発明の他の実施例を示す核燃料集合体の横断
面図である。この実施例では制御棒案内管４の周囲に、
案内管を囲む形で、減速材封入管５を冷却材流路７の中
に配置する。減速材封入管５の内部は未飽和の非沸騰水
を流し、減速材領域６を形成する。減速材封入管５が制
御棒案内管４を取囲んでいるため、先の二重管で示した
実施例と同様の制御棒反応度特性が得られる。減速材封
入管５は単管であるため、製作９組立が容易であるとい
う特徴がある。

本発明の他の実施例として、第５図に示した減速材領域
６にジルコニウムハイドライドや黒鉛などの固体減速材
を用いることができる。

第６図は本発明の他の実施例を示す核燃料集合体の横断
面図である。この実施例では制御棒案内管４を取囲む位
置には減速材封入管５の他に燃料相封入管５がない場合
に比べての改善度は大きくまた燃料の装荷量を第５図の
実施例より増やすことができる。

本発明において減速材領域６に充填する固体減速材の濃
度を集合体の軸方向に対して分布をもたせることもでき
る。沸騰水型原子炉の集合体下部ではボイド率が低く中
性子を減速する能力が高いが集合体上部ではボイド率が
高く水分子の数が少なくなるため中性子減速能が低下す
る。従って固体減速材の濃度を集合体下部で低く、集合
体上部で高くすることにより、均質な減速効果が得られ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、沸騰水型原子炉において、燃料集合体
の中に制御棒を挿入した場合の制御棒の反応度価値を大
きくとることができる。また、スクラム反応度もスクラ
ム開始後急激に立上がるため１反応度印加率も大きく、
制御棒の出力制御性を高くとることができる。

【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横断面図、
第２図は第１図の部分縦断面図、第３図は本発明の第二
の実施例の横断面図、第４図は本発明の第三の実施例の
横断面図、第５図は本発明の第四の実施例の横断面図、
第６図は本発明の第五の実施例の横断面図、第７図は本
発明の詳細な説明するための計算モデル図、第８図は本
発明の詳細な説明するための熱中性子束分布図、第９図
はスクラム反応度の変化の説明図である。 １・・・燃料棒、２・・・チャンネルボックス、３・・
・制御棒、４・・・制御棒案内管、５・・・減速材封入
管、６・・・減速材領域、７・・・冷却材流路、１０・
・・上部支持板、１１・・・下部支持板、２０・・・燃
料集合体。　　　　　（）代理人　弁理士　小川勝馬　
；−Ｌ： ゝ−９・ 夷１図 第２図 茗３圓 第４図 再５困 〒　２　図 第７辺 （αジ （各〕 力　８　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料集合体内に制御棒を挿入できる制御棒機構をも
   つ沸騰水型原子炉において、 前記燃料集合体内に制御棒案内管を設け、前記制御棒案
   内管を中心として周囲に冷却材流路と独立の減速材を収
   容する領域を配置したことを特徴とする核燃料集合体。 ２、前記制御棒案内管を内部に含む中空の管を配置し、
   前記制御棒案内管と前記中空の管で囲まれた領域を減速
   材領域と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、前記制御棒案内管の周囲に、前記減速材を収容する
   管を配置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。 ４、前記減速材として未飽和水を使用したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の核燃料集合体。 ５、前記減速材として固体減速材を使用したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の核燃料集合体。