JP2547066B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

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（BWR）用燃料集合体に係
り、更に詳細には、大口径ウォータチャンネルを備えた
９×９型燃料集合体であって、炉心内燃料配置が非対称
（Ｄ格子）のBWRに対して減速材分布を極力に一様化す
るとともに、低圧損化を図った燃料集合体に関するもの
である。

［従来の技術］ I.8×８型燃料集合体 現在、我国のBWRで実用に供されている燃料集合体の
殆どは、８行８列の正方格子配列で二本のウォータロッ
ドとともに62本の燃料棒を束ねた形式（８×８−２）で
ある。

この従来の８×８型燃料集合体を第５図〜第７図に示
す。

第５図は、従来の８×８型燃料集合体をBWRの炉心の1
/4について表わしたものであり、残りの3/4炉心は、図
の1/4炉心のＩ軸とＪ軸について対称に配置される。

図において、100は中性子の吸収体を含む十字形状の
制御棒であり、101dは燃料集合体を表わす。

燃料集合体101dは、第６図に示すようにNO.1〜62の計
62本の燃料棒102bと、内部に燃料物質を含まず中空で冷
却水を流通する２本のウォータロッド108とを８行８列
の正方格子状に配列して構成され、ジルカロイ製のチャ
ネルボックス103bで外周を囲んで、制御棒100に隣接し
て原子炉に装荷される。原子炉の出力運転中は、冷却水
が燃料下部から上部に向って流れ、燃料棒102bの発生熱
を除去する。

第７図は、上記８×８型燃料集合体101dの構造を示す
ものであり、図において、燃料棒102b及びウォータロッ
ド108は、上部タイ・プレート109と下部タイ・プレート
110によって固定される。また、燃料集合体101dに沿っ
て一定間隔でスペーサ111bが配されており、燃料棒間距
離が一定に保たれるようになっている。

ところで、近年は核燃料の経済性を高めるために、燃
料の高燃焼度化が希求されている。

しかし、燃料の高燃焼度化を図るためには、基本的に
燃料の高濃縮度化が必要であり、その結果、²³⁵Uの中性
子吸収の増加と中性子の減速不足を生じ、燃料の反応度
特性（ボイド反応度特性、原子炉停止余裕）が悪化する
ことになる。

そのため、燃料の濃縮度の増加に対応して集合体中の
非沸騰水領域を増加させる必要がある。

一方、高燃焼度燃料物質内に蓄積される核分裂生成物
（FP）のうち、ガス成分は燃料物質を構成する結晶と粒
界の中に溶け込んで保持されているが、温度が高くなる
と燃料物質の外に放出されて燃料棒の内圧を上昇させ
る。

従って、高燃焼度化に際しては、燃料棒被覆管の機械
的健全性を保つために燃料棒の内圧上昇に耐え得る設計
余裕を持たせる必要もある。

II.9×９型燃料集合体 上述の要請を満足させるため、燃料の高濃縮度化を図
ると同時に、燃料棒一本当りの出力を下げて温度を低減
させる９行９列の正方格子配列の燃料棒を採用するとと
もに、燃料の高濃縮度化に対応して集合体中央部の非沸
騰水領域の面積を更に大きくするために大口径のウォー
タチャンネルを燃料集合体中央部に配置した９×９型燃
料集合体が検討されている。

従来から知られる大口径ウォータチャンネルを備えた
９×９型燃料集合体としては、特開昭62−118297号公報
に示されたものがある。このものでは、第８図に示すよ
うに、非沸騰水領域を出来るだけ大きくとるという目的
に従って、３×３の正方格子配列の燃料棒挿通用セルの
全ての桝目を占める寸法の断面正方形状のウォータチャ
ンネル106bを燃料集合体中央部に配置している。このウ
ォータチャンネル106bの周囲にはNO.1〜72の計72本（９
×９−３×３）の燃料棒102aが９行９列の正方格子状に
配列されている。

なお、各々のセルの桝目は、燃料集合体101cのチャン
ネルボックス103aで囲まれる横断面領域を区画する破線
104で示される。図から明らかなように、各セルの桝目
面積はコーナー部を除いて同一である。

この大口径ウォータチャンネル106bを備えた９×９型
燃料集合体101cによれば、燃料棒102aを９行９列とした
ため、上記８×８型燃料集合体101dに比すると、同一の
燃料集合体出力の条件で燃料棒一本あたりの出力を低減
できる。従って、ペレット温度が低くなり、上記のFPの
放出が小さく、高燃焼度化における設計余裕が増加す
る。

更に、中央部３×３個の桝目を覆うウォータチャンネ
ル106bの採用により、コーナーロッド（NO.1,9,64,72の
燃料棒102a）の４本を除き、全ての燃料棒102aの囲りの
冷却水の面積が等しくなるため、冷却水の流れが一様と
なり熱的運転性能（バーンアウト余裕）が改善される。

しかしながら、炉心内燃料集合体配置が非対称、すな
わち水ギャップ（隣接する燃料集合体間の空間であり、
運転中は非沸騰の冷却水が流れる空間）が非対称な所謂
Ｄ格子のBWR炉心においては、燃料集合体101cの中心部
にウォータチャンネル106bを設けても減速材としての冷
却水の分布は対称とならない。

ここで、上記第８図に示した燃料集合体101cをＤ格子
のBWRに装荷した場合を考える。

第８図において、中心線105はＤ格子のBWR炉心におけ
る水ギャップの中心を示し、十字形の制御棒（図示せ
ず）は広ギャップＡ側に挿入されるものとする。また、
狭ギャップＢは、制御棒と反対側のギャップを示し、そ
の幅の大きさはギャップＡの約1/2である。

このように水ギャップが非対称なBWRの出力運転状態
においては、燃料棒102aの囲りを蒸気ボイドを大量に含
む沸騰水が流れ、水ギャップとウォータチャンネル106b
には非沸騰水が流れ、中心線105で囲まれる全体の減速
材の分布が広ギャップＡ側に片寄る。その結果、燃料棒
102aの出力は広ギャップＡに面する部位では増大し、反
対側の狭ギャップＢに面する部位では低下するととも
に、局所ピーキング係数が増大するという問題点が生じ
る。

なお、局所ピーキング係数を低減させるためには、燃
料棒の燃料濃縮度を広ギャップＡ側では低くし、狭ギャ
ップＢ側では高くするのが通例ではあるが、このような
濃縮度分布を持つ燃料集合体は、周知の通り局所ピーキ
ング係数の低減とともに反応度が低下するという不都合
がある。

III.9×９型燃料集合体（Ｄ格子用） 上記の炉心内燃料集合体配置が非対称性のＤ格子のBW
R炉心における問題点を解決する手段として、上記大口
径ウォータチャンネル106bを、燃料集合体中心に関して
狭ギャップＢ側方向に片寄らせた配置とすることによ
り、減速材分布の一様性を改善することが下記文献に提
案されている。

（技術雑誌“Kerntechnik第50号/1987年”第222頁;D.Be
nder他著、“Boiling Water reactor reload fuel
for high burnup:9×９ with internal water
channel"） この文献に記載されたウォータチャンネルを非対称配
置とする９×９型燃料集合体の横断面図を第９図に示
す。

図において、参照符号102a〜106bは上記第８図と同様
の構成部材を示す。但し、ウォータチャンネル106bの配
置は、燃料集合体101bの中心に対して１行１列の燃料棒
配列に相当する分だけ狭ギャップＢの方に片寄らせた非
対称配置としてある。なお、制御棒挿入側の角のセルの
位置、すなわちNO.1の燃料棒が配置された桝目の位置を
１行１列目とすると、ウォータチャンネル106bの中心位
置の桝目は６行６列目と表わされる。

このウォータチャンネル106bを非対称配置とした燃料
集合体は、比較的平坦な濃縮度分布により、局所ピーキ
ング係数を高めることなく反応度を高くすることが可能
であり、経済的である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の大口径ウォータチャンネルを非
対称配置とした９×９型燃料集合体101bは、以下のよう
な問題点を有している。

第一に、上記第６図に示した従来の８×８型燃料集合
体101dのウォータロッド108に比して、著しく大きな面
積を有するウォータチャンネル106bの採用は、必然的に
燃料集合体内冷却水流路断面席の縮小を伴ない、燃料集
合体圧損の増加を招き、冷却材循環ポンプの能力に変り
がなければ炉心内冷却水流量の低下を惹起し、燃料集合
体101bの除熱能力が低下するという問題点がある。

第二に、ウォータチャンネル106bの面積が大きいため
に、燃料集合体中の配置の自由度が少なく、Ｄ格子用に
最適配置とすることが困難である。例えば第９図に示し
た配置では、ウォータチャンネル106bの面積が大きいた
めギャップＢの方に片寄り過ぎになり易く、コーナーロ
ッドNO.72とその周辺の局所ピーキング係数が増大し、
濃縮度分布を調整する必要が生じ、再び反応度が最適値
にならないという問題点がある。

本発明は、従来の技術の有する上記の問題点に鑑みて
なされたものであり、その目的とするところは、核燃料
の経済性を高めるために好適な大口径ウォータチャンネ
ルを備え９×９型燃料集合体において、減速材分布を極
力に一様化するとともに低圧損化を図ることにより、炉
心内燃料集合体配置が非対称なＤ格子のBWRに適用せし
めることである。

［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、本発明のBWR用燃料集合
体は、燃料集合体配置が非対称なＤ格子の炉心に装荷さ
れる燃料集合体であって、 制御棒挿入側の角の燃料棒挿通用セルを１行１列目と
して９×９正方格子配列をなす複数の燃料棒のうち、６
行６列目の燃料棒挿通セルを中心とする３×３正方格子
配列分に相当する領域に、１本の角型の大口径ウォータ
チャンネルを配置した沸騰水型原子炉用の燃料集合体に
おいて、 前記ウォータチャンネルは、その横断面積が３×３正
方格子配列分の面積よりも小さく、且つ、その中心軸が
前記３×３正方格子配列中心位置よりも前記制御棒側に
ずれた位置に配置されているものである。

この場合、前記縮小ウォータチャンネルの横断面積
は、好ましくは、前記３×３正方格子配列の燃料棒挿通
用セルの全ての桝目の占める正方形の面積に対して80％
乃至90％の範囲である。なお、ウォータチャンネルの縮
小及び片寄りに伴なって、前記ウォータチャンネルの前
記３×３正方格子配列の燃料棒挿通用セルの全ての桝目
を占める正方形との間にギャップが生じるが、このギャ
ップを流通する冷却水を燃料棒側へ導くために、ギャッ
プに沿ったスペーサ格子板の上端に、前記ウォータチャ
ンネルから離れる方向に冷却水を案内する冷却水案内手
段を設けてもよい。

［作用］ 上記のように構成された燃料集合体は、大口径ウォー
タチャンネルの横断面の面積を従来のそれ（３×３正方
格子配列の燃料棒挿通用セルの全ての桝目の占める正方
形の面積に相当）よりも小さくしたことにより、沸騰領
域の冷却水流路面積が増加する故、低圧損化が図られ
る。更に、このウォータチャンネルを３×３正方格子配
列の桝目中で水ギャップの広い制御棒挿入側に片寄らせ
て配置したことにより、減速材としての冷却水分布が対
称化するので、反応度が最適化する。

また、スペーサ格子板の上端に、ウォータチャンネル
とのギャップに沿って設けられた冷却水案内手段は、ウ
ォータチャンネル外周方向に冷却水を案内するため、ギ
ャップ内を流通する冷却水を燃料棒側へ導き、燃料棒の
除熱に寄与するように働く。

［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説
明する。

第１図は本発明の９×９型燃料の集合体断面図を示
す。図において、参照符号102a〜105は上記従来技術の
第８図〜第９図と同様である。

本発明の９×９型燃料集合体101aの特徴は、上記第９
図に示した従来のＤ格子用の９×９型燃料集合体に対し
て、ウォータチャンネル106aの面積を80〜90％に縮小
し、しかもウォータチャンネル106aの中心は、３×３の
桝目からなる正方形の中心と一致させず、広ギャップＡ
の方に片寄らせていることである。

第２図は第１図に示した燃料集合体の特性グラフを示
す。

第２図において、グラフの横軸はウォータチャンネル
106aの横断面積を３×３の桝目からなる正方形の面積
（従来のウォータチャンネル106bの横断面積）に対する
縮小割合（％）で示し、縦軸は燃料集合体の圧損の低下
割合（％）及び取り出し燃焼度の低下割合（％）を示
す。

グラフ中、本発明の特性は、一点鎖線200（圧損の低
下）及び実線201（取り出し燃焼度の低下）で示され
る。

本発明のウォータチャンネル106aの好ましい横断面積
は、３行３列の桝目の面積に対して80％乃至90％の範囲
であり、この範囲では第２図から明らかなように、燃料
集合体圧損は約1.5％乃至2.5％低減する。この低圧損化
は、燃料集合体の冷却水流量を増加させるため、熱的余
裕を改善する。

なお、ウォータチャンネルを単純に縮小する、すなわ
ちウォータチャンネルの中心を３×３の桝目からなる正
方形の中心に固定した縮小を行うと、取り出し燃焼度が
点線202のように低下してしまう。しかし、本発明のよ
うにウォータチャンネル106aを制御棒挿入側に片寄らせ
ると、実線201で示したように取り出し燃焼度の低下は
僅かである。この理由は、Ｄ格子全体として減速材分布
の対称性が良くなるからである。

ところで、上記第１図に示される本発明の構成による
と、上記３×３正方格子配列の燃料棒挿通用セルの全て
の桝目の占める正方形とウォータチャンネル106aとの間
にギャップ107が生じるが、このギャップ107に流れる冷
却水は燃料棒の除熱に寄与しないため無駄である。これ
を改善するためには、第３図（イ）に示すようにスペー
サの格子板（第１図の破線104に相当）300の上端の上記
ギャップ107に面する位置に、冷却水案内タブ301を設け
ると良い。この冷却水案内タブ301はギャップ107内を流
れる冷却水を燃料棒102aの方に向ける役割を持つ。

冷却水案内タブ301について更に詳しく説明すると、
第３図（ロ）に示すように冷却水案内タブ301は、スペ
ーサの格子板300の上端よりウォータチャンネル106aに
向って折り曲げられ、ウォータチャンネル106aに接する
直前で上向きに折り返すことにより形成されている。ス
ペーサの格子板300とウォータチャンネル106aの間のギ
ャップ107を通ってきた冷却水は、第３図（ロ）中に矢
印で示すように、折り曲げの中央に設けられた開口部30
2より上方に流れ、冷却水案内タブ301により燃料棒側に
流される。また、スプリング部材303はウォータチャン
ネル106aを支持するために設けられているもので、ウォ
ータチャンネル106aを３行３列の仮想格子の制御棒側に
押しつけている。

なお、上記実施例では、冷却水案内タブ301をスペー
サの格子板300の上端に追加したものについて説明した
が、冷却水案内タブとウォータチャンネル支持用スプリ
ング部材を兼ねた第４図に示すような部材を用いてもよ
い。

このタブ兼スプリング部材400は、下半部に三個の保
持爪401を有し、上半部はスプリング機能を果たすよう
に湾曲した曲げ部402を形成しているが、この曲げ部402
はタブ機能をも兼ねるように開口部403が設けられてい
る。

このように構成されたタブ兼スプリング部材400は、
保持爪401によりスペーサの格子板300に取付けられ、曲
げ部402でウォータチャンネル106aを押しつけながら、
開口部403より流れ出た冷却水を燃料棒側に流す。

［発明の効果］ 本発明は、以下説明したように構成されているので、
以下に記載されるような効果を奏する。

ウォータチャンネルの横断面の面積を従来のそれより
も小さくして沸騰領域の冷却水流路面積を確保すること
により、低圧損化が図られる。

更に、この縮小したウォータチャンネルを、Ｄ格子に
おいて水ギャップの広い制御棒挿入側に片寄らせて配置
したことにより、減速材分布が対称化する。

従って、Ｄ格子のBWRに装荷した場合、圧損の増加も
生じず、反応度を低減することなく局所ピーキング係数
を小さくすることが可能であり、核燃料の経済性向上に
好適な大口径ウォータチャンネルを備えた９×９型燃料
集合体を、Ｄ格子のBWRにも適用できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の９×９型燃料集合体の横断面図、第２
図は９×９型燃料集合体の特性を示す線図、第３図
（イ），（ロ）は本発明の９×９型燃料集合体に用いる
冷却水案内タブの要部斜視図及びその要部縦断面図、第
４図は冷却水案内タブ兼ウォータチャンネル支持用スプ
リング部材の要部斜視図、第５図は沸騰水型原子炉の炉
心の1/4を表わす模式図、第６図及び第７図は従来の８
×８型燃料集合体に係る横断面図及びその透視斜視図、
第８図及び第９図はそれぞれ従来の９×９型燃料集合体
に係る横断面図である。 101a……９×９型燃料集合体 106a……ウォータチャンネル 301……冷却水案内タブ 400……冷却水案内タブ兼ウォータチャンネル支持用ス
プリング部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギユンター リル ドイツ連邦共和国ヘルツオーゲンアウラ ツハ、ヘンデルシユトラーセ 10 (72)発明者 ピーター ウルバン ドアツ連邦共和国トレブール、ヤーンシ ユトラーセ 24 (56)参考文献 特開 昭60−13284（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−212788（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料集合体配置が非対称なＤ格子の炉心に
   装荷される燃料集合体であって、 制御棒挿入側の角の燃料棒挿通用セルを１行１列目とし
   て９×９正方格子配列をなす複数の燃料棒のうち、６行
   ６列目の燃料棒挿通セルを中心とする３×３正方格子配
   列分に相当する領域に、１本の角型の大口径ウォータチ
   ャンネルを配置した沸騰水型原子炉用の燃料集合体にお
   いて、 前記ウォータチャンネルは、その横断面積が３×３正方
   格子配列分の面積よりも小さく、且つ、その中心軸が前
   記３×３正方格子配列中心位置よりも前記制御棒側にず
   れた位置に配置されていることを特徴とする沸騰水型原
   子炉用燃料集合体。
2. 【請求項２】前記ウォータチャンネルの横断面積は、前
   記３×３正方格子配列分の面積の80％乃至90％の範囲内
   であることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子
   炉用燃料集合体。
3. 【請求項３】前記３×３正方格子配列分の面積を持つ正
   方形とウォータチャンネルとの間のギャップに沿って流
   れる冷却水を、前記ウォータチャンネルから離れる方向
   に案内する冷却水案内手段をスペーサ格子板の上端に備
   えていることを特徴とする請求項１または２に記載の沸
   騰水型原子炉用燃料集合体。