(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰水型原子炉の燃料集合体であって、頂部タイプレート（５）と底部タイプレート（６）との間で延在する複数個の燃料棒（４）と、細長いタンク（１０）とを含み、該細長いタンク（１０）は、下端が閉じられ、上端には水を該タンク（１０）に受給るための装置（１１，１２）及び該タンク（１０）内で形成された蒸気を逃がすための装置（１４）が設けられており、該タンク（１０）はその長さ方向が該燃料集合体の長さ方向にほぼ平行に配置されている、前記燃料集合体において、
該燃料集合体が前記タンク（１０）を複数個有し、これらタンク（１０）が該燃料集合体の長さ方向において互いに前後に並べられていることを特徴とする沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載された燃料集合体において、前記タンク（１０）の数が少なくとも３個であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
請求の範囲第１項あるいは第２項に記載された燃料集合体において、任意選定容積のタンク（１０ａ，１０ｂ）を有していることを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載された燃料集合体において、少なくとも２つの平行なタンク（１０）を有していることを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】
請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載された燃料集合体において、
互いに上下に積まれた複数個の燃料ユニット（３ａ）を有し、
各該燃料ユニット（３ａ）は、
１つの頂部タイプレート（５）と、
１つの底部タイプレート（６）と、
該頂部タイプレート（５）と該底部タイプレート（６）との間を延在する複数個の燃料棒（４）と、
少なくとも１つの前記タンク（１０，１０ａ，１０ｂ）とを含み、
この少なくとも１つの前記（１０，１０ａ，１０ｂ）は、該頂部タイプレート（５）と該底部タイプレート（６）との間で前記燃料棒と平行に配置されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載された燃料集合体において、前記燃料集合体が互いの上部に積まれた複数の燃料ユニット（３ａ）を有し、各該燃料ユニット（３ａ）が、
１つの頂部タイプレート（５）と、
１つの底部タイプレート（６）と、
該頂部タイプレート（５）と該底部タイプレート（６）との間を延在する複数個の燃料棒（４）とを含み、
前記燃料ユニット（３ａ）の少なくとも２個が、それぞれ前記タンク（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）の少なくとも１つを有し、各該タンク（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）は、該頂部タイプレート（５）と底部タイプレート（６）との間で、該燃料棒と平行に配置されていることを特徴とする燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は沸騰水型原子炉用の燃料集合体に関するものであり、該燃料集合体は頂部タイプレートと底部タイプレートとの間を延在する複数個の燃料棒からなり、ほぼ正方形断面の燃料チャンネルによって取り囲まれている。燃料集合体の内部の減速効果を改善するために、該燃料集合体は頂部充填式の水タンクを有している。
背景技術
軽水によって減速される沸騰水型原子炉においては、燃料は燃料棒の形で存在し、各燃料棒は被覆管内に積み重ねた原子炉燃料の多数のペレットで構成されている。燃料バンドルは、ある種の一定の、普通は対称的なパターン、いわゆる格子の中で互いに平行に配置された複数個の燃料棒からなっており、頂部においては頂部タイプレートによって、また底部においては底部タイプレートによって保持されている。沸騰水型原子炉の燃料ユニットバンドルは普通は約４ｍの長さを有している。原子炉の運転中に燃料棒を互いにある距離をおいて保持し、それらの曲がりあるいは振動を防ぐために、燃料バンドルの長さ方向に沿って複数個のスペーサが配分されている。１つの燃料集合体は１あるいは複数の燃料バンドルからなっており、その各々は燃料集合体の長さ主部分に沿って延在していおり、ほぼ正方形断面の燃料チャンネルによって取り囲まれている。
炉心は冷却材としても中性子減速材としても作用する水の中に浸けられている。運転中は、水が燃料集合体の中を下から上へ流れ、それによって、水の一部分が蒸気に転換される。蒸気の比率は燃料集合体の頂部に向かって増加する。従って、燃料集合体の下部における減速材は水からなり、燃料集合体の上部における冷却材は蒸気と水の両方からなっている。蒸気はその密度が小さいので減速材としては水に劣り、従って燃料集合体の上へ行けば行くほど、減速効果は悪くなる。主として、燃料集合体の上半分においては蒸気の量が多いので減速効果に影響を受ける。
炉心においては、燃料集合体は水に取り囲まれており、これが燃料チャンネルの近くの燃料棒には良好な減速効果を与える。他方、燃料集合体の中央部分における燃料棒においては、減速効果は悪くなるであろう。燃料集合体の上部の中央部は、蒸気と含有量が多いので不十分な減速効果を受けることになるであろう。燃料集合体の中央部における不十分な減速効果を改善するために、多くの燃料集合体には１あるいはそれ以上のチャンネルが設けられており、燃料集合体の中央部に非沸騰水が流すようにしている。該チャンネルは底部タイプレートから頂部タイプレートへ延在し、その下端においては水を導入するための開口を有し、その上端においては水流出させるための開口が設けられている。
これらのチャンネルの欠点は、それらが、さもなければ燃料棒のために使用することのできるスペーサを占めているという点にある。特に、蒸気の含有量が非常に少なくて、減速効果が十分である燃料集合体の下部にチャンネルがあるのは無駄となる。改善を要するのは、燃料集合体の上部における減速効果だけである。他の利点は前記チャンネルが沸騰を避けるために水を通す必要があるという点にある。この水は冷却材の流れから転じたものであり、それによって冷却能力は低下する。転向される流れは冷却材の全流量の２〜３％になる。
ＵＳ５，２４５，６４３の特許明細書は、上述した問題を解決する燃料集合体を示しており、これは多数の短長燃料棒、即ち、底部タイプレートから延在して、頂部タイプレートより下方でまた底から離れたところで終結する燃料棒の上方に、流れのない水を入れる中央部の水容積部を配置することによって解決しようとするものである。この水容積部はそれがそれを必要とするところのみ配置される、という利点、即ち、燃料集合体の上部にのみ配置されるという利点を有している。該水容積部は、底部において閉じられ、かつ上端部において、周囲の水を捕獲し、形成された蒸気を分流させていくための開口を有したコンテナあるいはタンク内に画成される。このタンクの中の水は上述したチャンネル内の水とは違って、ほぼ安定している。このようにして、全体の冷却材の流れが燃料を冷却するために利用することができる。
もし燃料集合体の上部における減速効果を改善しようとするならば、前記タンクは約２ｍの高さを有する必要がある。そのような水タンクの問題は、安定的な水においてある種の加熱作用が生じ、これが沸騰に至り、水タンクの中に蒸気が形成してしまうことにある。この加熱作用は、一部、水の中での中性子の減速作用によって生じ、また一部水中およびタンクの壁部におけるガンマ線の吸収によって生じるものである。上述した特許明細書に示された水タンクには、形成された蒸気を逃がすために頂部に開口が明らかに設けられているが、該タンク内の水が軸線方向において上昇していく蒸気含有量を有しているという問題があり、このことはタンクの底部に近づくほど減速効果が低下することを意味している。この状態は所望のものとは逆である。燃料集合体の上へ行くほど、減速効果が低下し、従って減速効果の強化の必要がより大きくなる。
発明の要約
本発明の目的は、その長さ方向軸線の全長に沿って効果的な減速効果を有し、同時に得られる空間を燃料用として最適に利用することを可能性とする、そのような燃料集合体を提供することにある。
本発明による燃料集合体の特徴は添付した請求の範囲から明らかになるであろう。
本発明によると、燃料集合体の中央部に複数個の短い水タンクが配置され、該燃料集合体は燃料集合体の長さ方向において互いに上下に積み重ねている。連続的な長い水タンクの代わりに、そのような配置にすることの利点は、蒸気が水タンクから次々と消失し、従って水タンクの中で蒸気含有量が軸線方向に上昇していくことが避けられ、燃料集合体の全体に亘って良好な減速効果が得られるという点にある。水タンクの長さが短くなればなるほど、減速効果はより均等になる。流れの点からいうと、該タンクがその長さ方向の軸線が一致するように配置されるならば有利であるが、時には、タンクを互いに他に対して側にずらして配置する必要があるという他の重要な理由が存在するかもしれない。
本発明による燃料集合体の非常に好ましい実施例は、互いに上下に積まれた複数個の燃料ユニットを有し、各々の該燃料ユニットが頂部タイプレートと底部タイプレートとの間を延在する複数個の平行な燃料棒を有している。該燃料ユニットはほぼ正方形断面の共通の燃料チャンネルによって取り囲まれている。このタイプの燃料集合体は、単純な方法で、その上部と下部において異なった形状を与えることができる。そのような燃料集合体はＰＣＴ／ＳＥ９５／０１４７８（ｐｕｂｌ．Ｎｏ．Ｗｏ９６／２０４８３）に示されている。本発明によると少なくとも複数個のこれらの燃料ユニットの各々が底部タイプレートと頂部タイプレートとの間に配置された水タンクを有している。分離的な燃料ユニットからなる燃料集合体に自由度かあるので、ある種の燃料ユニットには水タンクを設け、ある種の燃料ユニットには水タンクを設けないということができる。水タンクの容積もまた、同一の燃料集合体の中の異なった燃料ユニットの間で変えることができる。このようにして、燃料集合体全体に沿って、最適な減速効果を得ることができる。均等な減速効果を得るためには、燃料集合体は、好ましくは、水タンクを有した燃料ユニットを少なくとも３個有していなければならない。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による燃料集合体の概略図である。
図２および３は、本発明による燃料集合体のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。
図４は、本発明による燃料集合体における水タンクの詳細図である。
図５は本発明の１つの実施例による燃料集合体の上部の図で、水タンクが異なった容積を有している。
図６ａおよび６ｂはある種の燃料ユニットが２つの水タンクを有しているような本発明の実施例を示している。図６ｂ図６ａにおける燃料集合体のＣ−Ｃ断面図である。
好的実施例の説明
図１は本発明による燃料集合体を示している。該燃料集合体は上部ハンドル１と、下端部２と、上下になって積まれた複数個の燃料ユニット３ａ，３ｂとからなっている。各々の燃料ユニットは、与えられた格子の中で平行に、かつ相互に有限的な距離をおいた関係になって配置された複数個の燃料棒４と該燃料ユニットを格子内のそれぞれの位置において取り付けるための頂部タイプレート５と底部タイプレート６とを有している。該燃料ユニット３ａ，３ｂは燃料集合体の長さ方向において相互に上下に積まれており、１つの燃料ユニットの頂部タイプレート５が前記積み重ね状態で次の燃料ユニットの底部タイプレート６と対面するようにして積まれており、全ての燃料ユニットにおける燃料棒が相互に平行になるようになっている。１本の燃料棒４は、被覆管７内に配置されたウランのペレット８を積み上げて燃料棒４を形成している。燃料集合体はほぼ正方形断面の燃料チャンネル９の中に収納されている。この実施例においては、該燃料集合体は高さが約０．５ｍｍの８個の燃料ユニットからなっている。
前記燃料ユニットには２つの異なったタイプのものがある。第１のタイプの燃料ユニット３ａは底部タイプレートと頂部タイプレートとの間に該燃料棒と平行になって配置された水タンク１０を有している。該水タンク１０は燃料ユニットの中央に配置され、底部タイプレートと頂部タイプレートに取り付けられている。原子炉の運転中は、該タンクは燃料ユニットの中央における減速効果を改善するために役立つ水を含んでいる。２つの燃料ユニットの間には燃料が存在せず、また燃料の中に中性子吸収材が存在しないので、その結果、熱中性子の数が燃料ユニットの間の方が燃料ユニットの内側におけるよりも多くなる。従って、燃料ユニットの間には付加的な減速効果は必要がなく、水タンクが燃料棒よりいくらか小さいということで十分であり、また有利でさえある。この実施例においては、８個の燃料ユニットの内４個がこの第１タイプであり、これらは積み重ねの頂部に配置される。第２のタイプの燃料ユニット３ｂは水タンクがなく、その代わりに、第１タイプよりも燃料棒の数が多い。積み重ねの内で４個の最下部燃料ユニットがこのタイプのものである。
図２は図１における燃料集合体の上部におけるＡ−Ａ断面図である。燃料棒４は１０Ｘ１０格子に配置されている。水タンク１０はほぼ円形断面を有し、格子中の４つの位置を占めている。図３は図１における燃料集合体の下部におけるＢ−Ｂ断面図である。該燃料ユニットは１０Ｘ１０格子に配置された燃料棒４を有し、水タンクは存在しない。格子内の全ての位置が燃料棒によって占められている。
図４は水タンク１０をより詳細に示している。運転中は、該タンクはタンクの頂部へ向かって上方へ移動する水の膜で覆われている。該タンクにはこの水の膜を剥ぎ取って、その剥ぎ取った水を複数個の開口１１を通ってタンクの中へ導くための装置１２が設けられている。さらに、該タンクは頂部へ向かって先細の頂部部分１３を有し、これにはタンク内の水が沸騰した時に形成される蒸気を逃がすための複数個の開口１４が設けられている。該頂部部分は頂部タイプレートに取り付けるように形成されている。前記タンクはその下部において閉じられ、底部タイプレートに取り付けられるように形成されている。
図５は積み重ねの頂部における燃料ユニットを有した燃料集合体の上部を示しており、その水タンク１０ａは積み重ねの次の燃料ユニットにおける水タンク１０ｂより大きな容積を有している。
燃料集合体の中でタンクの容積を増加させることに代わって、同じ燃料ユニットの中に幾つかの平行な水タンクを配置してもよい。図６ａと６ｂは２つの上部燃料ユニットの中に配置された２つの平行な水タンク１０を有した燃料集合体を示している。その他の燃料ユニットは１つの水タンクを有しているか、あるいはまったく水タンクを有していない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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