(57)【要約】【課題】最外周燃料棒の熱的余裕を向上させると、燃料集合体下部領域における中央部燃料棒の除熱性能が低下する恐れがある。【解決手段】下部タイプレートの流路孔面積を下部タイプレートの外側よりも中央部の方を大きくすることにより、下部タイプレート直後においては、燃料集合体の横断面中央部において冷却材流量を増大させることができ、中央部燃料棒の除熱性能を維持される。なお、外周部燃料棒配列ピッチを中央部より拡大した燃料棒配置により、燃料集合体内を冷却材が上昇するにしたがって、冷却材は横断面内の中央部よりも外周部の方に流れやすくなるため、燃料集合体上部領域では最外周燃料棒の熱的余裕を向上できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンネルボックスの内部に配置された複数の燃料棒及び水ロッドと、前記燃料棒及び水ロッドの上端を支持する上部タイプレートと、前記燃料棒及び水ロッドの下端を支持し、前記燃料棒及び水ロッドの間に冷却材流路が形成され、前記冷却材流路に冷却材を導入する冷却材流入孔を設けた下部タイプレートと、前記燃料棒及び水ロッド相互間を保持する複数個の燃料スペーサからなる燃料集合体において、前記下部タイプレートの前記冷却材流入孔の面積を下部タイプレートの外側よりも中央部の方を大きくしたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料集合体において、最外周燃料棒における燃料棒同士の配列ピッチは、水ロッド周りの燃料棒同士の配列ピッチよりも大きいことを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
請求項１若しくは２に記載の燃料集合体において、冷却材を横方向断面内の外側へと導く冷却材誘導板を有する燃料スペーサを備えたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の燃料集合体において、燃料集合体の下部において、冷却材を横方向断面内の中央部へと導く冷却材誘導板を有する燃料スペーサを備えた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】
【０００１】
本発明は原子力発電プラントの炉心に用いられる燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉の炉心には、四角筒であるチャンネルボックス内に燃料バンドルを収納して構成される燃料集合体が多数配置されている。各燃料バンドルは、ウランを含む複数の燃料ペレットを封入した多数の燃料棒、燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート、燃料棒の下端部を支持する下部タイプレート、および燃料棒間の間隔を保持する燃料スペーサを有する。原子炉内においてチャンネルボックスの外側には沸騰していない水が存在しており、チャンネルボックス内には燃料棒の発熱によって沸騰した水が存在している。一般的に核燃料から発生した中性子は水により減速されるにつれて核分裂性物質との反応確率が増大するため、沸騰した水よりも沸騰していない水に近い場所の燃料が燃焼を促進される傾向にある。したがって、チャンネルボックスの内壁に面した最外周部の燃料棒の出力が高くなるため、燃料棒単位の除熱性能に対する余裕が燃料集合体中央部の燃料に比べて小さくなるが、一般的な沸騰水型原子炉の燃料集合体では外周部の燃料棒のウラン濃縮度は内側のそれに比べて低減されており、燃料集合体外周部と中央部とで出力分布が均一になるように設計される。逆に、熱的余裕を確保すれば、核分裂物質濃縮度を高め、核分裂物質の装荷量を高めることができる。
【０００３】
燃料集合体の熱的余裕向上を目的として、特開２００７−２３２４６７号公報（特許文献１）では、燃料棒の配置を変更し、最外周部の燃料棒の中でも最も沸騰していない水の影響を受けるため出力が大きくなる傾向にある四隅近傍に位置する燃料棒からの除熱性能を向上させた燃料集合体が提案されている。また、特開平４−３１５９９１号公報（特許文献２）では、下部タイプレートの流路孔面積を下部タイプレートの中央部より外周部の方を大きくすることで、燃料集合体外周部における熱的余裕を向上させた燃料集合体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３２４６７号公報
【特許文献２】特開平４−３１５９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２００７−２３２４６７号公報などに記載されている燃料集合体は、燃料集合体のどの高さ位置においても横断面外周部の冷却材流量が中央部よりも多くなる構成となっている。また、上述の通り、従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体は、チャンネルボックス内に沸騰した水がある高さ位置において横断面外周部と中央部とで出力分布が均一なるようにウラン濃縮度を調整しているため、チャンネルボックス内に沸騰していない水がある燃料集合体の下部位置においては、相対的に横断面中央部の出力が高くなる。したがって、特開２００７−２３２４６７号公報などに記載されている燃料集合体は、燃料集合体上部における熱的余裕を向上させることは期待できるが、燃料集合体下部に着目すると除熱性能が低下する恐れがある。
【０００６】
本発明では、燃料集合体において燃料集合体下部領域における横断面中央部の冷却材流量を増大させることで、中央部燃料棒の除熱性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明による燃料集合体は、四角筒状のチャンネルボックスの内部に延在方向を揃えた複数の燃料棒及び水ロッドと、前記燃料棒及び水ロッドの上端を支持する上部タイプレートと、前記燃料棒及び水ロッドの下端を支持し、前記燃料棒及び水ロッドの間に冷却材流路が形成され、前記冷却材流路に冷却材を導入する冷却材導入口を設けた下部タイプレートと、前記燃料棒及び水ロッド相互間を保持する複数個の燃料スペーサからなる燃料集合体において、前記下部タイプレートの流路孔面積を下部タイプレートの外側よりも中央部の方を大きくした構成を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料集合体下部領域における中央部燃料棒の除熱性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による燃料集合体が適用される沸騰水型原子炉の概略の構造を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の燃料集合体の構成を示す図である。
【図３】第１の実施の形態の下部タイプレートの横断面図である。
【図４】第１の実施の形態の燃料集合体の横断面図である。
【図５】第２の実施の形態の燃料スペーサの構成を示す図である。
【図６】第３の実施の形態の燃料スペーサの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明者らは、燃料集合体内の除熱特性について検討した。上述のようにチャンネルボックス内に沸騰した水が存在する高さにて燃料設計をするため、チャンネルボックス内に沸騰していない水が存在する燃料集合体下部においては、中央部燃料棒の出力が相対的に高くなる。一方、核分裂性物質の燃焼効率を向上させるためには、チャンネルボックスに隣接する最外周燃料棒で燃焼させることが最も効率がよいが、核分裂性物質の装荷量を最外周燃料棒において増大させる場合、熱的余裕が悪化する。これらのことから、発明者らは、燃料集合体内の水の流れを制御することで、燃料集合体下部領域では横断面中央部の冷却材流量を相対的に増加させることで中央部燃料棒の除熱性能を向上可能であり、また、燃料集合体上部領域では横断面外周部の冷却材流量を相対的に増加させることで最外周燃料棒の熱的余裕を向上可能であるという結論に達した。
【００１１】
上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の好適な一実施例である沸騰水型原子炉に適用する実施例１の燃料集合体を、図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本実施の形態の燃料集合体および炉心が適用される沸騰水型原子炉の概略の構造示す図である。図１に示すように、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、原子炉圧力容器（原子炉容器）１０３を有している。原子炉圧力容器１０３内には炉心シュラウド１０２が設置されている。以下の説明では、原子炉圧力容器をＲＰＶと称する。炉心シュラウド１０２内には、複数の後述する燃料集合体が装荷された炉心１０５が配設されている。気水分離器１０６および蒸気乾燥器１０７は、ＲＰＶ１０３内で炉心１０５の上方に配設される。ＲＰＶ１０３と炉心シュラウド１０２の間には環状のダウンカマ１０４が形成されている。ダウンカマ１０４内には、原子炉用ジェットポンプ１１５が配設されている。ＲＰＶ１０３に設けられる再循環系は、再循環系配管１１１および再循環系配管１１１に接続された再循環ポンプ１１２を有する。
【００１４】
原子炉用ジェットポンプ１１５から吐出された冷却水は、下部プレナム１２２を経て炉心１０５に供給される。冷却水は、炉心１０５を通過する際に加熱されて水および蒸気を含む気液二相流となる。気水分離器１０６は気液二相流を蒸気と水に分離する。分離された蒸気は、更に蒸気乾燥器１０７で湿分を除去されて主蒸気配管１０８に導かれる。この蒸気は、蒸気タービン（図示せず）に導かれ、蒸気タービンを回転させる。蒸気タービンに連結された発電機が回転し、電力が発生する。蒸気タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水となる。この凝縮水は、給水として給水配管１０９によりＲＰＶ１０３内に供給される。気水分離器１０６および蒸気乾燥器１０７で分離された水は、落下して冷却水としてダウンカマ１０４内に達する。
【００１５】
図２は燃料集合体１の構成を示す図、図３は本実施の形態の下部タイプレート６の横断面図、図４は本実施の形態の燃料集合体１の横断面図である。本実施の形態の燃料集合体１は、複数の燃料棒ＦＲ、上部タイプレート５、下部タイプレート６、複数の燃料スペーサ８、複数の水ロッドＷＲおよびチャンネルボックス７を備えている。燃料棒ＦＲは、複数の燃料ペレット（図示せず）を被覆管（図示せず）内に充填し密封したものである。下部タイプレート６は各燃料棒ＦＲの下端部を支持し、上部タイプレート５は各燃料棒ＦＲの上端部を保持する。
【００１６】
これらの燃料棒ＦＲは、燃料集合体１の横断面において１０行１０列に配置されている。その横断面の中央部には、水ロッドＷＲが２本配置されている。これらの水ロッドＷＲの下端部は下部タイプレート６に支持され、それらの上端部は上部タイプレート５に保持される。複数の燃料スペーサ８は、燃料集合体１の軸方向において所定の間隔に配置され、燃料棒ＦＲの相互間、および燃料棒ＦＲと水ロッドＷＲの間に、冷却水が流れる流路を形成するように、燃料棒ＦＲおよび水ロッドＷＲを保持している。
【００１７】
チャンネルボックス７は、横断面が正方形状を呈する四角筒状の部材である。チャンネルボックス７は、上部タイプレート５に取り付けられ、下方に向かって伸びている。燃料スペーサ８によって延在方向を揃えて束ねられた各燃料棒ＦＲは、チャンネルボックス７内に配置されている。なお、チャンネルボックス７の外幅は約１５ｃｍであり、燃料棒ＦＲの外径は約１．０ｃｍであり、水ロッドＷＲの外径は約２．５ｃｍである。
【００１８】
本実施の形態の下部タイプレート６は燃料集合体１の下部領域において横断面中央部の冷却材流量を増大するために、下部タイプレート６の流路孔面積を下部タイプレートの外側よりも中央部の方を大きくしている。具体的には、図３において、下部タイプレートの平面上に配置された燃料棒用孔１１と、下部タイプレートの中央部に配置された水ロッド用孔１３と、燃料棒用孔１１の間に配置された冷却材流入孔１２が記載されている。そして、本実施例では、下部タイプレートの中央部（６行６列に燃料棒用孔１１が配置された範囲内）に冷却材流入孔１２を稠密に配置するのに対して、下部タイプレートの外周部には冷却材流入孔１２を疎らに配置する。従って、下部タイプレートの冷却材流入孔面積は、中央部が外周部より大きくなる。
【００１９】
また、本実施の形態の燃料集合体１においては、最外周燃料棒２の燃料棒ピッチＰ１は、横断面の中央部に配置される水ロッドＷＲ周りの燃料棒３の燃料棒ピッチＰ２より大きい。これにより、横断面中央部の冷却材流路間隔が狭くなっている。
【００２０】
かかる構成により、下部タイプレート６直後においては、燃料集合体１の横断面中央部において冷却材流量を増大させることができ、中央部燃料棒の除熱性能を向上できる。また、上記した燃料棒配置により、燃料集合体１内を冷却材が上昇するにしたがって、冷却材は横断面内の中央部よりも外周部の方に流れやすくなるため、燃料集合体１上部領域では最外周燃料棒の熱的余裕を向上できる。
【実施例２】
【００２１】
本発明の好適な一実施例である沸騰水型原子炉に適用する実施例２の燃料集合体を説明する。
【００２２】
実施例２の燃料集合体と実施例１の燃料集合体の違いは、図５の構成を有する燃料スペーサ８’を適用したことである。一般に、燃料集合体中のスペーサとは、燃料棒の曲がり等を防ぐために燃料棒を保持する目的で燃料集合体高さ方向に一定の間隔で設置される。本実施例の燃料スペーサ８’はスペーサを通過する冷却材を横方向断面内の外側へと導くための冷却材誘導板９が設けられている。
【００２３】
かかる構成により、下部タイプレート６直後においては、燃料集合体１の横断面中央部において冷却材流量を増大させることができ、中央部燃料棒の除熱性能を維持される。また、燃料集合体１内を冷却材が上昇し燃料スペーサ８’を通過する際に、冷却材は横断面内の外側の方に流れるため、燃料集合体１上部領域では最外周燃料棒の熱的余裕を向上できる。
【００２４】
なお、図５記載の燃料スペーサ８’の代わりに、横方向断面内で外側領域の抵抗係数を小さくした燃料スペーサ、例えば、中央部燃料棒のみを保持する機構を持つ部分スペーサを用いることでも同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００２５】
本発明の好適な一実施例である沸騰水型原子炉に適用する実施例３の燃料集合体を説明する。
【００２６】
実施例３の燃料集合体と実施例２の燃料集合体の違いは、図６の構成を有する燃料スペーサ８’’を燃料集合体１下部領域に適用したことである。燃料スペーサ８’’はスペーサを通過する冷却材を横方向断面内の中央部へと導くための冷却材誘導板９’が設けられている。
【００２７】
かかる構成により、下部タイプレート６直後においては、燃料集合体１の横断面中央部において冷却材流量を増大させることができ、中央部燃料棒の除熱性能を維持される。一般的な燃料スペーサの場合、このような横断面内冷却材流量分布は、冷却材がスペーサ部を通過する際に均一化されるが、本実施例では、燃料スペーサ８’’により、再度、横断面中央部において冷却材流量を増大させることができ、中央部燃料棒の除熱性能を維持される。また、燃料集合体１内を冷却材が上昇し、燃料集合体１上部領域に設置される燃料スペーサ８’を通過する際に、冷却材は横断面内の外側の方に流れるため、燃料集合体１上部領域では最外周燃料棒の熱的余裕を向上できる。
【符号の説明】
【００２８】
１      燃料集合体
２      最外周燃料棒
３      水ロッド周りの燃料棒
５      上部タイプレート
６      下部タイプレート
７      チャンネルボックス
８      燃料スペーサ
９      冷却材誘導板
１１    燃料棒用孔
１２    冷却材流入孔
１３    水ロッド用孔
１０２  炉心シュラウド
１０３  原子炉圧力容器（原子炉容器、ＲＰＶ）
１０４  ダウンカマ
１０５  炉心
１０６  気水分離器
１０７  蒸気乾燥器
１０８  主蒸気配管
１０９  給水配管
１１１  再循環系配管
１１２  再循環ポンプ
１１５  ジェットポンプ
ＷＲ    水ロッド
【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６】
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