JPH07140283A - 沸騰水型原子炉の燃料集合体のドライアウトを減少させるための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 沸騰水型原子炉の燃料集合体の上部部分の冷
却を改善し、ドライアウトの危険性を減少させる。 【構成】 燃料集合体は頂部タイプレート３と、底部タ
イプレート４と、それらの間にバンドル状に配置された
多数の燃料棒１と、バンドルを保持する多数のスペーサ
２とを有する。燃料集合体は複数個の第１の部分長さＬ
１に分割され、これは燃料集合体の下部部分における２
個のスペーサ間の距離に等しい。前記第１の部分長さを
２つ合わせた長さＬ１＋Ｌ１を第２の部分長さＬ４とす
る。燃料集合体の上部部分に大部分が位置している少な
くとも１つの第２の部分長さの中に２個のスペーサＳ２
２、Ｓ２３が配置され、これらのスペーサが前記第２の
部分長さを３つの等しい長さの第３の部分長さＬ２に分
割している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷ
Ｒ）の燃料集合体のドライアウトの危険性を減少させる
ための方法及び装置に関する。原子炉炉心は燃料集合体
の中でバンドルとして一緒に保持された燃料棒を収納し
ている。燃料棒を燃料集合体の中で保持し、固定するた
めに、スペーサが使用される。

【０００２】本発明は、特に、燃料棒の上部部分の冷却
を改善し、その結果ドライアウトの危険性を減少させる
ようにスペーサを配置するための方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】原子炉の燃料集合体は細長い管状の容器
を有し、これは長方形状あるいは正方形状の断面形状を
有し、原子炉の冷却水が流れることのできる連続的な流
路を形成するために、両端において開放されている。燃
料集合体は多数の同じ長さの細長い管状の燃料棒を有
し、これらはある種の限定的な、通常は対称的なパター
ンになって並行に配置されている。燃料棒は頂部におい
ては頂部タイプレートによって保持され、底部において
底部タイプレートによって保持されている。冷却材が燃
料棒の中を望ましい状態で通過していくことができるよ
うにするためには、燃料棒が相互に分離されていて、原
子炉が運転されている間に曲がったりあるいは振動しな
いようにすることが重要である。この目的のために、複
数個のスペーサが用いられ、燃料集合体の縦方向に沿っ
て配分されている。

【０００４】ＢＷＲの冷却水が沸騰するので、水と水蒸
気との比率は炉心の中で軸線方向において変化する。冷
却水は炉心内を底部から上方へ流れる。炉心底部におい
ては、冷却水の温度は沸点より低く、従って、単一相状
態、即ち、水だけになっている。さらに上昇すると、冷
却水は沸点に到達した位置で、水は水蒸気に移行し、冷
却水は二相状態になっている。炉心をさらに上昇する
と、水の組成に対して水蒸気の組成が増加する。炉心の
上部部分においては、燃料棒は単に薄い水の膜で覆われ
ているだけで、その外側を水滴と混合された水蒸気が流
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】もし燃料棒からの熱流
束が冷却材の流れに関して非常に大きくなると、いわゆ
るドライアウトの危険性が生じることがあり、液体の膜
は非常に薄くなり、一緒になって保持していくことがで
きなくなり、破壊し、乾燥した壁部を形成し、局部的に
燃料棒と冷却水との間の熱移行が相当悪化することにな
り、燃料棒の壁部温度が極めて上昇することになる。壁
部温度が上昇すると、損傷して燃料棒には厳しい結果が
生じる。ドライアウトの危険性は、水蒸気の組成が最大
になる燃料棒の上部部分において最大となる。

【０００６】スペーサは冷却水の流れに影響を与え、従
って燃料の冷却にも影響を与える。冷却水がまだスペー
サを通過していないスペーサの直下領域において、燃料
棒上の水の膜の破壊が発生し、また冷却水がスペーサを
丁度通過したスペーサより上の部分の領域において、代
わりに水の膜の補強が生じる。水の膜の補強は、スペー
サを通過する冷却水に乱流が生じることによって得られ
る。ドライアウトの最大の危険性は、燃料棒の上部部分
において、スペーサの直下において発生する。試験の結
果では、燃料棒の上部部分において、より密に位置され
たスペーサが、ドライアウトの危険性をかなり減少させ
ることがわかっている。

【０００７】従来は、最も共通的には、スペーサは燃料
集合体の中で均等に配分配置されていたが、以下に述べ
る明細書から、スペーサを相互に異なった距離をおいて
配置することが以前から知られている。

【０００８】ＥＰ−０ ２６０ ６０２ Ａ２は、乱流
を増加させて、従ってドライアウトの危険性を減少させ
るために、燃料集合体の上部部分における通常のスペー
サの間に位置する中間スペーサを開示している。これら
の中間スペーサにはスペーサの特徴である支持機能が不
足しており、それらの設計もまた通常のスペーサの設計
とは相当異なっている。製造の観点から言うと、２つの
異なった種類のスペーサを用いるのは相当な欠点であ
る。

【０００９】ＥＰ−０ ２４６ ９６２ Ｂ１は、加圧
水型原子炉（ＰＷＲ）において特別に発生する、燃料棒
の上部部分における腐食の問題を、燃料棒の上部部分に
おいてスペーサをより密に配置することによって解決す
る方法を開示している。沸騰水型原子炉は、燃料棒の上
部部分において、同様な腐食の問題を有していない。

【００１０】ＵＳ−Ａ−５ １６４ １５５は、冷却材
の流れによって発生する燃料棒の振動の問題を有した沸
騰水型原子炉に関するものである。これらの振動を減少
させるためにスペーサは燃料棒の下部部分において垂直
方向に、より密に配置され、燃料棒の上部部分において
垂直方向に、より粗に配置されている。

【００１１】原子炉炉心においては、燃料は同時に全て
を交換することはしないで、普通は毎年約５分の１の燃
料が交換され、このことは全ての燃料が交換されるのに
約５年かかることを意味している。新しい燃料と古い燃
料とが混在しているので、燃料の蓄積に大きな変化を与
えると問題になることがある。従って、燃料における変
化はできるだけ小さくしなければならない。上述した米
国特許の第６欄の第５８行から第６８行においては、ス
ペーサ間の距離を変化させた時に生じる問題の１つが開
示されている。原子炉炉心の中性子束を測定するため
に、垂直方向に移動可能な検出器、いわゆるＴＩＰが用
いられる。この中性子検出器を原子炉炉心内に位置させ
るためにスペーサが中性子を吸収し、従って中性子束を
最少にするという事実が利用される。中性子束を計算す
る時には、スペーサの吸収もまた考慮に入れなければな
らない。もしスペーサの位置が相当な程度に変化される
と、燃料交換時の間の中性子検出器からの信号を評価す
る場合に問題となる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は燃料の上
部部分における冷却を改善し、ドライアウトの危険性を
減少させることにある。ドライアウトの危険性を減少さ
せるということは、燃料をより効率的に利用でき、経済
的な利点を得ることを意味している。

【００１３】本発明の他の目的は、スペーサの配置に大
きな変化を与えることなしに、ドライアウトの危険性を
減少させるための方法を提案することにある。

【００１４】

【実施例】本発明による方法の特徴は、添付した特許請
求の範囲から明らかになるであろう。図１は原子炉用の
従来技術による燃料集合体の縦断面図を示す。前記燃料
集合体は、スペーサ２によって保持、固定された燃料棒
１と、頂部タイプレート３と、底部タイプレート４とを
有する。この実施例においては、燃料集合体は６個の本
質的に同一のスペーサを有し、これは上から順に数え
て、Ｓ１１、Ｓ１２、・・・と表示されている。スペー
サは、底部タイプレートと頂部タイプレートとの間で、
実質的に同一の距離Ｌ１をおいて配置されている。Ｓ１
１と頂部タイプレートとの間の距離Ｌ１は２個の隣接す
るスペーサの間の距離と等しい。この実施例に説明され
ている燃料集合体において、Ｓ１６と底部タイプレート
との間の距離は２個の隣接するスペーサの間の距離、即
ち、Ｌ１と等しい。別の燃料集合体においては、底部タ
イプレートと底部タイプレートに最も近く位置している
スペーサとの間の距離は、２個の隣接するスペーサの間
の距離とは異なっていてもよい。

【００１５】図２は本発明に従って配置されたスペーサ
を有した燃料集合体の縦断面図を示す。以下において
は、前記スペーサは上から順に数えて、Ｓ２１、Ｓ２２
・・・と表示されている。図１におけるスペーサＳ２
１、Ｓ２２が２つのスペーサＳ２２、Ｓ２３に置き換え
られている。この２個の新しいスペーサは他のスペーサ
と本質的に同一である。Ｓ２１とＳ２２との間、Ｓ２２
とＳ２３との間、Ｓ２３とＳ２４との間のそれぞれの距
離は実質的に同一であり、Ｌ２で示されている。Ｌ２に
対するＬ１の比率は次の通りである。 Ｌ４＝２×Ｌ１≒３×Ｌ２

【００１６】図３はＢＷＲのスペーサの１列の透視図を
示す。

【００１７】燃料棒は両端において栓によって密閉され
た細長い被覆管を有する。被覆管にはある高さにまでウ
ランのコラムが詰められている。このウランのコラムの
上部には、気体状廃棄生成物のための空の体積部分が存
在する。第１のスペーサＳ１１とウランのコラムの上端
との間の距離Ｌ３は、２個の新しいスペーサの間の距離
Ｌ２とほぼ等しい（Ｌ３≒Ｌ２）。部分的には、ウラン
のコラムの最上部におけるウランの濃縮度が、コラムの
下部におけるウランに比べて一般的に低いが故に、また
部分的には、中性子の漏洩の故に、燃料棒の最上部にお
けるドライアウトの影響は、より低くなり、危険性もよ
り小さくなるであろう。このことは、燃料集合体の上部
部分全体におけるドライアウトの危険性を減少させるの
には、スペーサＳ１２を２個の新しいスペーサと置き換
えることで全く十分であることを意味している。

【００１８】燃料集合体の上部部分において、１個のス
ペーサを２個の新しいスペーサで置き換えることによっ
て、より密に配置されたスペーサを得るということは、
６個のスペーサ中５個のスペーサが元の位置に残ってい
ることを意味している。このことは、炉心燃料を交換す
る時間の間における、可動中性子検出器からの信号の評
価を容易にしている。できるだけ多くのスペーサが元の
位置に残るようにできることの他の利点は、新しい燃料
集合体のドライアウト試験に関して、試験装置の再構成
の必要性をほんの僅かに抑えることができるという点に
ある。

【００１９】古いタイプの燃料においては、燃料集合体
における燃料棒は、燃料棒の密度が７×７から９×９ま
での形になって配置されている。より新しいタイプの燃
料においては、燃料集合体は普通により大きな燃料棒密
度を有しており、通常の燃料棒密度は１０×１０であ
る。燃料棒密度が１０×１０であるということは必ずし
も燃料棒の数が１００本であるということを意味しては
おらず、燃料集合体の中のいくつかの位置には燃料棒が
存在していないので、それよりも少なくてもよい。１０
×１０燃料集合体は、また多くの副集合体、例えば４個
の５×５副集合体からなっていてもよい。１０×１０燃
料集合体においては、燃料棒の数はより多くなり、さら
に、燃料棒は燃料棒密度の少ない燃料集合体における燃
料棒よりも薄くなる。燃料棒間の流路チャンネルがより
狭くなり、このことは乱流の残るスペーサに沿った距離
が、燃料棒密度の小さい燃料集合体に比べて燃料棒密度
の大きな燃料集合体に関してより短くなり、従ってドラ
イアウトの危険性もより大きくなることを意味してい
る。燃料棒密度が大きくなればなるほど、燃料集合体の
上部部分においてスペーサをより密に配置する必要も大
きくなる。

【００２０】スペーサの数が増えると、燃料集合体に関
する圧力降下が大きくなる。測定結果によると、図３に
示したような比較的圧力降下の小さなスペーサが圧力降
下の大きなスペーサよりも乱流が少ないという事実にも
かかわらず、ドライアウトの危険性がかなり減少してい
ることがわかる。このことは、本発明による燃料集合体
において、圧力降下の小さいスペーサを有利に用いるこ
とができることを意味している。もし比較的圧力降下の
大きいスペーサを用いる場合には、このことは、例え
ば、燃料集合体の下部部分において圧力降下の小さなス
ペーサを配置すること、あるいは底部タイプレートにお
ける流路面積を増加させることによって、補償しなけれ
ばならない。

【００２１】図４のａは、７個のスペーサを有する原子
炉用の従来技術による燃料集合体の縦断面図を示し、前
記スペーサは底部タイプレートと頂部タイプレートとの
間で実質的に均等に分配されている。スペーサは上から
順にＳ３１、Ｓ３２・・・で表示されている。図４のｂ
は、スペーサが上から順にＳ４１、Ｓ４２・・・で表示
された燃料集合体の実施例を示している。図４のａにお
けるスペーサＳ３２は、図４のｂにおいて、２個の新し
いスペーサＳ４２とＳ４３に置き換えられている。この
２個の新しいスペーサは他のスペーサと本質的に同一で
ある。従って、燃料集合体におけるスペーサの数は７個
から８個に増加している。図４のｃにおいては、スペー
サは上から数えて順にＳ５１、Ｓ５２・・・で表示され
ており、別のスペーサＳ３４が２個の新しいスペーサＳ
５５、Ｓ５６によって置き換えられており、燃料集合体
におけるスペーサの数が７個から９個に増加している。

【００２２】図５のａは、８個のスペーサを有する原子
炉用の従来技術による燃料集合体の縦断面図を示し、前
記スペーサは底部タイプレートと頂部タイプレートとの
間で実質的に均等に分配されている。スペーサは上から
順にＳ６１、Ｓ６２・・・で表示されている。図５のｂ
は、スペーサが上から順にＳ７１、Ｓ７２・・・で表示
された燃料集合体の実施例を示している。図５のａにお
けるスペーサＳ６２は、図５のｂにおいて、２個の新し
いスペーサＳ７２とＳ７３に置き換えられている。この
２個の新しいスペーサは他のスペーサと本質的に同一で
ある。従って、燃料集合体におけるスペーサの数は８個
から９個に増加している。図５のｃにおいては、スペー
サは上から数えて順にＳ８１、Ｓ８２・・・で表示され
ており、別のスペーサＳ６４が２個の新しいスペーサＳ
８５、Ｓ８６によって置き換えられており、燃料集合体
におけるスペーサの数が８個から１０個に増加してい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】相互に等距離離れた６個のスペーサを有してい
る、従来技術による燃料集合体の概略的な縦断面図。

【図２】本発明の第１の実施例に関して配置されたスペ
ーサを有した燃料集合体の概略的な縦断面図。

【図３】ＢＷＲのスペーサの例の透視図。

【図４】ａは相互に等距離離れた７個のスペーサを有し
ている、従来技術による燃料集合体の概略的な縦断面
図。ｂとｃは本発明の第２、第３の実施例に関して配置
されたスペーサを有した燃料集合体の概略的な縦断面
図。

【図５】ａは相互に等距離離れた８個のスペーサを有し
ている、従来技術による燃料集合体の概略的な縦断面
図。ｂとｃは本発明の第４、第５の実施例に関して配置
されたスペーサを有した燃料集合体の概略的な縦断面
図。

【符号の説明】

１ 燃料棒 ２ スペーサ ３ 頂部タイプレート ４ 底部タイプレート Ｌ１ 第１部分長さ Ｌ２ 第３部分長さ Ｌ４ 第２部分長さ Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ５２、Ｓ５３ ス
ペーサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却材が燃料集合体の中を上方へ流れ、
   従って単一相流状態から二相流状態に変化する、沸騰水
   型原子炉の燃料集合体のドライアウトの危険性を減少さ
   せるための方法において、 前記燃料集合体が、 頂部タイプレート（３）および底部タイプレート（４）
   と、 前記タイプレートの間でバンドル状に配置された多数の
   燃料棒（１）と、 前記バンドルを保持するための多数の本質的に同一のス
   ペーサ（２）とを有し、 前記燃料集合体がその軸線方向において複数個の仮の部
   分長さ（Ｌ１）に分割され、前記部分長さが燃料集合体
   の下部部分において順次配置された２個のスペーサの間
   の距離と等しく、また前記２個の隣接する前記第１の部
   分長さが第２の部分長さ（Ｌ４）と等しく、 燃料集合体の上部部分の少なくとも大部分に位置した少
   なくとも１つの前記第２の部分長さの中に、本質的には
   他のスペーサと同一の２個のスペーサ（Ｓ２２、Ｓ２
   ３、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ５２、Ｓ５３）が配置され、前
   記スペーサが前記第２の部分長さを３つの本質的に等し
   い長さの第３の部分長さ（Ｌ２）に分割し、このように
   してドライアウトの危険性を減少させることを特徴とす
   る沸騰水型原子炉の燃料集合体のドライアウトを減少さ
   せるための方法。
2. 【請求項２】 冷却材が燃料集合体の中を上方へ流れ、
   従って単一相流状態から二相流状態に変化する、沸騰水
   型原子炉の燃料集合体において、 前記燃料集合体が、 頂部タイプレート（３）および底部タイプレート（４）
   と、 前記タイプレートの間でバンドル状に配置された多数の
   燃料棒（１）と、 前記バンドルを保持するための多数の本質的に同一のス
   ペーサ（２）とを有し、 前記燃料集合体がその軸線方向において複数個の仮の部
   分長さ（Ｌ１）に分割され、前記部分長さが燃料集合体
   の下部部分において順次配置された２個のスペーサの間
   の距離と等しく、また前記２個の隣接する前記第１の部
   分長さが第２の部分長さ（Ｌ４）と等しく、 燃料集合体の上部部分の少なくとも大部分に位置した少
   なくとも１つの前記第２の部分長さの中に、本質的には
   他のスペーサと同一の２個のスペーサ（Ｓ２２、Ｓ２
   ３、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ５２、Ｓ５３）が配置され、前
   記スペーサが前記第２の部分長さを３つの本質的に等し
   い長さの第３の部分長さ（Ｌ２）に分割することを特徴
   とする沸騰水型原子炉の燃料集合体。
3. 【請求項３】 請求項２記載の燃料集合体において、頂
   部タイプに最も近い前記第１の部分長さが第２の部分長
   さの中に含まれることを免除されている沸騰水型原子炉
   の燃料集合体。