JPS63261190A - 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、沸騰水型原子炉炉心に装荷される燃料集合体
に係り、荷に高燃焼度化に際しての圧損低減と燃料冷却
特性の改善に適する燃料集合体に関する。

〔従来の技術〕

第４図に従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）用燃料集合体
の外観を示す。燃料集合体は、核燃料物質を含む複数の
燃料棒２と１本又は複数本のウォータロッド３とこれら
燃料棒とウォータロッドを固定する燃料スペーサ４及び
上部タイプレート５と下部タイブート６によシ構成され
る燃料体をチャンネルボックス１でおおった構造をして
おり、チャンネルボックスの肉厚は上下方向では均一で
ある。このチャンネルボックスにより燃料集合体は横断
面で見て燃料集合体内部と燃料集合体外部に区分される
。燃料集合体内部では燃料棒からの熱伝達によシボイド
（蒸気泡）の発生があるが、燃料集合体外部ではボイド
の発生がないため、燃料集合体内外部には圧力差が生じ
る。

第５図は燃料集合体上下方向の典型的内外圧分布を示し
たもので、ａは燃料集合体内部圧力、ｂは燃料集合体外
部圧力である。この図に示されるように、炉心での燃料
集合体圧力内外圧差は炉心下部で最も大きく、炉心上部
に向うにつれて小さくなり、炉心上端部で最小となる。

このような圧力差はチャンネルボックス１のクリープ変
形を生じるもとになる。このチャンネルボックスのクリ
ープ変型は、制御棒のスムーズな挿入引抜きを行う上で
の障害となるため、チャンネルボックスの寿命は通常数
年である。

一方、最近は燃料経済性向上のために、燃料の高燃焼度
化の開発が進められており、これは燃料の寿命の現行の
１，５倍から２倍にすることを目標としている。この場
合、燃料の炉内滞在期間も現行の１５倍から２倍程度と
なるため、チャンネルボックスのクリープ変形量も増力
日する可能性があシ、この変形を／Ｊ’ｓざくする対策
が必要となる。この最も簡単な対策はチャンネルボック
ス肉厚を厚くすることであるが、チャンネルボックスを
厚くすると、チャンネルボックスによる中性子吸収の増
加によシ、反応度の損失及び燃焼度の損失をまねく。従
って、高燃焼式化にあたっては、このチャンネルボック
スによる中性子吸収を最小限にとどめることが望まれる
。

このだめの対策の１つとして、符開昭５３−４３１９３
号（特願昭５１−１１７１９３号）公報の第３図及び第
４図には、チャンネルボックスの外幅寸法を上下方向で
階段的に変化式せ、何に圧力差の大きい炉心下部のみチ
ャンネルボックスの肉厚を厚くする例が示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記特開公報に示逼れた例のように、チャンネルボック
スの外幅寸法を階段的に変化きせることによってチャン
ネルボックスの肉厚を上部と下部とで異らしめた場合は
、制御棒とチャンイ、ルボノクスの間隔が上下方向で階
段的に変化する。チャンネルボックスｒよ制御棒挿入の
案内の機能を持つため、上記の例のように制御棒とチャ
ンネルボックスの間隔が上下方向に一定でない場合には
、制御棒のスムーズな挿入引抜きの妨げとをシ、また時
に制御棒の引抜時に制御棒がチャンネルボックスの肉厚
変更個所でひっかかるＯｒ能性が増大するという問題が
生じる。

また、高燃焼度用燃料集合体では、燃料棒要素の数が増
加するので、流路チャンネルでの摩擦が増加し、摩擦圧
損が増加する結果冷却材駆動ポンプ能力が低下するとい
う問題がある。

さらに、前述のチャンネルボックスのクリープ量の増大
という問題の他に、燃料の高燃焼度化は、ボイド反応度
係数の絶対値の増力日、炉停止余裕の減少などの核特性
上の問題も引き起す。第６図に典型的な濃縮度とボイド
反応度係数の絶対値との関係、第７図に濃縮度と炉停止
余裕との関係を示す。

本発明の目的は、高燃焼度化によるチャンネルボックス
変形の問題を、制御棒の挿入引抜に影響を与えることな
く解決し、且つ、圧損の低減と核特性上の問題を改善す
ることの可能な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〕

上記目的は、燃料集合体において、チャンネルボックス
の外幅寸法は上下方向で変えることなしに、チャンネル
ボックスの内幅寸法が変わるようにして、チャンネルボ
ックスの肉厚を燃料集合体下部で厚くシ、燃料集合体上
部で薄くすることにより達成される。

〔作用〕

本発明の作用効果は次の如くである。

（１）制御棒の操作の容謳化 本発明においてはチャンネルボックスの外幅は一様であ
るので、制御棒の挿入・引抜きの操作に対して何ら支障
を与えることが々い。

（２）　　チャンネルボックスのクリープ量の低減一般
にチャンネルボックスの内外圧力差、従ってそれに因る
チャンネルボックスのクリープは特に燃料集合体下部に
おいて大きい。本発明では、特にこの下部のチャンネル
ボックスの厚さを大きくしているので、チャンネルボッ
クスのクリープ変形量を十分低減することができる。

（３）　　中性子吸収の低減 本発明ではチャンネルボックスの肉厚を下部だけ大きく
することによシ肉厚増加を最／ＪＳ限にとどめているの
で、チャンネルボックスによる中性子吸収を最小限に抑
えることができる。

（４）　　ボイド反応度係数の絶対値の低減本発明では
、燃料集合体上部のチャンネルボックスの肉厚を燃料集
合体下部より薄くしている。高ボイド発生領域である燃
料集合体上部でチャンネルボックス肉厚を薄くすること
は、その領域での水の量を増加することになり、第８図
のａに示すように、チャンネルボックスの肉厚をうずく
しない場合すに比べて、高ボイド側でのボイド反応度係
数の絶対値を低減することができ、高燃焼度燃料での濃
縮度増加によるボイド反応度係数の絶対値の増加を相殺
する士で有効である。

（５）　　炉停止余裕の改善 高燃焼度化のための燃料濃縮度の増加は燃料の反応度を
大きくするため、一般に炉停止余裕が減少する。本発明
のように、チャンネルボックス上部の肉厚をうすくシ、
水を増加することは、冷温時において、中性子を過剰減
速の状態とするので、反応度を低下することになり、停
止余裕を増加する効果があり、高燃焼度化時の停止余裕
低減の対策としても有効である。

（６）流路面積の拡大および圧損の低減高燃焼度燃料で
燃料棒の増加にょシぬれぶち長さが増加する場合には摩
擦圧損が増加する問題があるが、本発明のように、燃料
集合体上部でチャンネルボックスの肉厚を薄クシ、チャ
ンネルボックス内幅を大きくすることは、流路面積を大
きくするので圧損を低減できる効果がある。この効果は
、流れが二相流となる燃料集合体上部にて流路面積を大
きくする本発明では時に大きい。

（７）燃料冷却特性の改善 燃料集合体上部では流れが二相流になるため冷却材流量
が急激に減少すると燃料の冷却特性が悪化し、沸騰遷移
が起りゃすくなる。本発明のように、チャンネルボック
スの肉厚を燃料集合体上部で薄くすることは、最外周部
の高出力燃料棒まわシの局所的冷却材５’ｔｔ量を増す
ことになるので、通常時の冷却特性を改善することにな
り、過渡変化により急激に冷却材が減少しても沸騰遷移
を起こしにくくする効果がある。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図ないし第３図によシ説明する
。第１図は本発明の一実施例である高燃焼度燃料集合体
の構造図である。本実施例は取出平均燃焼度を従来燃料
の約１８５倍に相当する４５ＧＷｄ／を程度にする燃料
構造の一例であり、第２図に示すように、燃料棒の配列
は９×９の格子型を基本にし、中央部に２本の大径ウォ
ータロッド１Ｇを配置しており、従来燃料より燃料棒要
素の数が増加しているのが特徴である。また、本燃料集
合体の平均濃縮度は約４％で、従来燃料の濃縮度３チに
比較して３割以上増力口している。

第３図は本燃料集合体に用いられるチャンネルボックス
の構造を示したものである。チャンネルボックスの長さ
Ｌは約４ｍあシ、正方形の１析面構造を持つが、第３図
ではその縦方向断面を模式的に描いである。本実施例で
は、チャンネルボックスの外幅りは約１３．８５ｃｒｎ
で上下方向にわたり同一寸法であるが、チャンネルボッ
クスの内幅は、下端より全長の約１／３の長さで寸法が
異っており、下部の内幅ｄ□は約１３．２５ｃｒｎ、上
部の内幅ｄ２は約１３．５５−で、チャンネルボックス
の肉厚は上部で約１．５　咽、下部で３．０間となって
おシ、下部の肉厚は上部よりも厚くなっている。

このように、チャンネルボックス上部の肉厚を下部よシ
薄くした結果、最もクリープの起り易いチャンネルボッ
クス下部でのクリープ変形量を従来と同程度に抑えると
共に、燃料上部での核的特性は次のように改善される。

燃料の反応度を示す無限増倍率はチャン坏ルボックス肉
厚の薄い上部では、チャンネルボックスによる無駄な中
性子吸収が減少する結果、約０．３チ△に増加し、これ
は燃料の燃焼度を増加する効果がある。

ボイド反応度係数の絶対値は、約６チ減少する。

これは燃料濃縮度の増加によるボイド反応題増）Ｊυ約
１０％を差引き４チ程度に減少する効果がある。

冷温時の反応度は燃料集合体上部でチャンネルボックス
が薄く、水が増加する結果、中性子の減速が過剰に大き
くなるだめ、減少する。この結果、炉停止余裕は約０．
７１」程度増大し、これは濃縮度増加による炉停止余裕
の減少を相殺し炉停止余裕を従来燃料程度にする効果が
ある。

また、チャンネルボックス上部の内幅が下部より大きく
なっているため、流路面積が増加する。

本実側例では、燃料集合体上部の流路面積は下部よシ約
０．５％程度増加している。この結果、摩擦圧損は流路
面積の３乗にほぼ反比例するため、摩擦圧損は約１．５
チ低減する効果があり、高燃焼用燃料での燃料要素の増
加による圧損の増加を小さくとどめる効果がある。

石らに、燃料集合体上部の燃料集合体周辺部の燃料棒ま
わりの流路面積が燃料集合体下部よシ約２０チ増加する
ため、燃料棒の冷却材性が改善され、この部分での限界
出力比を約２割低減する効果がある。

第９図は本発明の別の実施例の燃料集合体の横断面を示
したもので、この燃料集合体では平均取出燃焼度を従来
燃料の約２．３倍の約７ｏＧＷｄ／ｌにするために、燃
料集合体の寸法を従来の燃料集合体の約１．４倍の大き
さにしている。このような燃料集合体では、チャンネル
ボックスの太き芒も約１．４倍となるため、クリープ変
型量の増加を防止するためにチャンネルボックスの肉厚
を約３，８簡にする必要があるが、これは本発明では燃
料集合体下部のみで厚くすればよいため、燃料集合体上
部ではチャンネルボックスの厚さを約１．９７と薄くし
て本発明を適用することができる。第３図に示した図に
て本実施例の寸法を示すと、チャンネルボックスの外幅
りは約２０．４１ｃｒｎ、上部でのチャンネルボックス
内幅ｄ、は約２０．０３　ｃｍ、下部でのチャンネルボ
ックス内幅ｄ、は約１９．６５αである。本実施例でも
第１図に示した実施例と同様に、ボイド反応度の低減、
炉停止余裕の低減、圧損の低減、燃料冷却特性の改善等
の効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高燃焼度用燃料集合体において、チャ
ンネルボックスのクリープ量の低減、中性子吸収の低減
、ボイド反応度係数の絶対値の低減、炉停止余裕の改善
、摩擦圧損低減、燃料冷却特性の改善等の効果があシ、
また、制御棒の操作を何ら妨げないという利点がある。

【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構造を示す図
、第２図は第１図に示した燃料集合体の横断面図、第３
図は第１図におけるチャンネルボックスの縦断面図、第
４図は従来の燃料集合体の概観図、第５図は燃料集合体
にかかる圧力の軸方向分布、第６図は濃縮度とボイド反
応度係数の絶佳値との関係を示す図、第７図は濃縮度と
炉停止余裕との関係を示す図、第８図は従来と比べて本
発明によるボイド反応度係数の改善を示す図、第９図は
本発明の別の実適例を示す横断面図である。 １１・・・チャンネルボックス １２・・・燃料棒 １６・・・太径ウォータロッド。 第１図 第２図 ＼／ｌ　ｆｖ７−＋）ｔｙよ、９゜え 第４図 第５図 圧力 第６図 濃縮度 濃　縮　度 第８図 イ久　−ボ゛イド率　−高

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体にお
   いて、該燃料集合体のチャンネルボックスの外幅寸法は
   燃料集合体の上部から下部まで同一であり、該チャンネ
   ルボックスの内幅寸法は燃料集合体の下部よりも上面の
   方が大きくなっており、かくて、チャンネルボックスの
   肉厚は燃料集合体の下部よりも上部の方が薄くなってい
   ることを特徴とする燃料集合体。 ２　燃料集合体の下端から約１／３〜１／２の区間にお
   いて、チャンネルボックスの肉厚が、上記以外の区間よ
   りも厚くなっている特許請求の範囲第１項記載の燃料集
   合体。