(57)【要約】【課題】超臨界圧原子炉に装荷される燃料集合体の局所的な温度上昇を抑制する。【解決手段】燃料集合体１０は、複数の燃料棒１２とスペーサ１６とを有している。燃料棒１２には、軸方向に延びる所定の燃料発熱部２０にウランなどの核燃料物質が収められる。スペーサ１６は、軸方向の複数の位置に設けられている。燃料集合体１０には、スペーサ１６が密に配置されたスペーサ稠密領域２１と、スペーサ稠密領域よりも広い間隔でスペーサ１６が配置された領域とが形成されている。スペーサ稠密領域２１では、軸方向のスペーサ１６の間隔が燃料棒１２の間に形成された冷却水の通過領域の水力等価直径の４０倍以下となるようにスペーサ１６が配置されている。【選択図】図１
2012107928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びる所定の燃料発熱部に核燃料物質を収めた複数の燃料棒と、前記燃料棒の軸方向の複数の位置に設けられたスペーサと、を備えて超臨界圧原子炉に装荷される燃料集合体において、前記燃料棒の軸方向の前記スペーサの間隔が前記燃料棒の間に形成された冷却水の通過領域の水力等価直径の４０倍以下であるスペーサ稠密領域と、前記燃料棒の軸方向の前記スペーサの間隔が前記スペーサ稠密領域よりも大きい領域とが形成されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
前記スペーサ稠密領域には前記スペーサが４個以上配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
【請求項３】
前記スペーサ稠密領域は、前記燃料発熱部の下端から前記燃料発熱部の長さの２／３より高い位置に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料集合体。
【請求項４】
前記スペーサ稠密領域は、前記燃料発熱部の下端から前記燃料発熱部の長さの４／５より低い位置に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項５】
原子炉容器と、
軸方向に延びる所定の燃料発熱部に核燃料物質を収めた複数の燃料棒と隣り合う前記燃料棒の間の間隔を保持する前記燃料棒の軸方向の複数の位置に設けられたスペーサとを備えて前記燃料棒の軸方向の前記スペーサの間隔が前記燃料棒の間に形成された冷却水の通過領域の水力等価直径の４０倍以下であるスペーサ稠密領域と前記燃料棒の軸方向の前記スペーサの間隔が前記スペーサ稠密領域よりも大きい領域とが形成された燃料集合体を前記原子炉容器の内部に配列した炉心と、
を有することを特徴とする超臨界圧原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料集合体およびそれを用いた超臨界圧原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、冷却材として超臨界圧水を用いた超臨界圧軽水炉の開発が行われている。超臨界圧軽水炉は、高温高圧の超臨界圧水を冷却材とする原子炉である。
【０００３】
超臨界圧軽水炉では、今までの軽水炉よりも２００度以上高い温度領域で燃料集合体が使われる。このため、燃料集合体の健全性を保つために、局所的な温度上昇量の低減が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９４８７８号公報
【特許文献２】特開２００７−１３９６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子炉に装荷された燃料集合体中の局所的な温度上昇量の低減の方策としては、燃料集合体の形状の最適化、集合体形状にあわせた濃縮度分布の設定、および、原子炉における燃料集合体配置が重要である。たとえば、局所的な温度上昇量の低減方法として、燃料集合体内出力分布の平坦化に着目し、燃料集合体の外周部に水ロッドを配置する方法がある。また、濃縮度分布やＨ／Ｕ（水対ウラン比）の最適化、燃料棒径と燃料棒間隙の最適化を図る方法がある。しかし、これらを合わせた包括的な検討は、一部なされている程度に過ぎないのが現状である。
【０００６】
そこで、本発明は、超臨界圧原子炉に装荷される燃料集合体の局所的な温度上昇を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料集合体において、軸方向に延びる所定の燃料発熱部に核燃料物質を収めた複数の燃料棒と、前記燃料棒の軸方向の複数の位置に設けられたスペーサと、を備えて超臨界圧原子炉に装荷される燃料集合体において、前記燃料棒の軸方向の前記スペーサの間隔が前記燃料棒の間に形成された冷却水の通過領域の水力等価直径の４０倍以下であるスペーサ稠密領域と、前記燃料棒の軸方向の前記スペーサの間隔が前記スペーサ稠密領域よりも大きい領域とが形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、超臨界圧原子炉において、原子炉容器と、軸方向に延びる所定の燃料発熱部に核燃料物質を収めた複数の燃料棒と隣り合う前記燃料棒の間の間隔を保持する前記燃料棒の軸方向の複数の位置に設けられたスペーサとを備えて前記燃料棒の軸方向の前記スペーサの間隔が前記燃料棒の間に形成された冷却水の通過領域の水力等価直径の４０倍以下であるスペーサ稠密領域と前記燃料棒の軸方向の前記スペーサの間隔が前記スペーサ稠密領域よりも大きい領域とが形成された燃料集合体を前記原子炉容器の内部に配列した炉心と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、超臨界圧原子炉に装荷される燃料集合体の局所的な温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る燃料集合体の一実施の形態の一部を切り欠いた側面図である。
【図２】図１のII−II矢視断面図である。
【図３】本発明に係る燃料集合体の一実施の形態を装荷した超臨界圧原子炉の横断面図である。
【図４】スペーサ出口からの距離と燃料棒から冷却水への熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図５】スペーサ配置間隔とＭＣＳＴ（最高被覆管表面温度：Maximum Cladding Surface Temperature）低下量との関係を示すグラフである。
【図６】スペーサ稠密領域下端の軸方向位置とＭＣＳＴ低下量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る燃料集合体の一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。
【００１２】
図１は、本発明に係る燃料集合体の一実施の形態の一部を切り欠いた側面図である。図２は、図１のII−II矢視断面図である。
【００１３】
本実施の形態の燃料集合体１０は、複数の燃料棒１２を有している。燃料棒１２は、金属製の円管に核燃料物質を収めたものである。核燃料物質は、たとえばウランを焼結したペレット３０の状態で燃料棒１２に収められる。ペレット３０に可燃性毒物を含有させてもよい。燃料棒１２の両端は、端栓３１で封じられる。
【００１４】
複数の燃料棒１２は、互いに平行に束ねられる。それぞれの燃料棒１２は、たとえば１６行１６列の正方格子の格子位置に配置される。この１６行１６列の正方格子の中央には、８行８列の格子位置を占める角管状の水ロッド１３が配置される。燃料棒１２および水ロッド１３は、角管状のチャンネルボックス１１の内側の領域に配置される。
【００１５】
燃料棒１２および水ロッド１３は、上部タイプレート１４、下部タイプレート１５で支持される。上部タイプレート１４と下部タイプレート１５との間には、複数のスペーサ１６が配置される。スペーサ１６は、燃料棒１２相互の間および燃料棒１２と水ロッド１３との間を適切な間隔に保つ。
【００１６】
燃料棒１２の外径は、たとえば７ｍｍである。隣り合う燃料棒１２の中心間の距離、すなわち、燃料棒１２のピッチは、たとえば８ｍｍである。燃料棒１２に核燃料物質が収められた領域、すなわち、燃料発熱部２０の軸方向長さＬは、たとえば４．２ｍである。スペーサ１６の軸方向の高さは、たとえば３ｃｍである。チャンネルボックス１１の内幅は、たとえば１３ｃｍである。
【００１７】
燃料集合体１０の軸方向には、スペーサ１６が他の部分よりも密に配置されたスペーサ稠密領域２１が設けられている。スペーサ稠密領域２１は、燃料発熱部２０の下端から２．８ｍの位置から上方に向かって形成されている。スペーサ稠密領域２１では、たとえば４個のスペーサ１６がたとえば１５ｃｍ間隔で配置されている。
【００１８】
スペーサ稠密領域２１よりも下方には、５個のスペーサ１６が配置されている。スペーサ稠密領域２１よりも上方には、たとえば１個のスペーサ１６が配置されている。スペーサ稠密領域２１以外の部分では、スペーサ１６間の軸方向距離は、たとえば５０ｃｍである。
【００１９】
図３は、本実施の形態の燃料集合体を装荷した超臨界圧原子炉の横断面図である。
【００２０】
超臨界圧軽水炉は、原子炉圧力容器４１を有している。原子炉圧力容器４１は、たとえば両端が半球状に形成された円筒である。原子炉圧力容器４１の内部には、円筒４２が設けられている。燃料集合体１０は、この円筒４２の内部に装荷されて炉心４０を形成する。
【００２１】
超臨界圧軽水炉の炉心４０は、複数の燃料集合体１０をそれぞれの軸が平行で全体としてほぼ円柱状になるように、原子炉圧力容器内に配置したものである。燃料集合体間には、たとえば４体の燃料集合体１０ごとに１本の制御棒が挿抜可能に設けられる。
【００２２】
原子炉圧力容器４１には、側面から冷却水が導入され、原子炉圧力容器４１とその内部に設けられた円筒４２との間を通って、炉心４０の下部に流れ込む。炉心４０に下部から流れ込んだ冷却水は、炉心４０での発熱によって加熱される。加熱された冷却水は、原子炉圧力容器４１の側面から排出される。原子炉圧力容器４１から排出された冷却水は、発電タービンを駆動して発電させ、その後、再び原子炉圧力容器４１に供給される。
【００２３】
炉心４０の入り口における冷却水の温度は、たとえば２９０℃である。炉心４０の出口での冷却水の温度は、たとえば５６０℃である。原子炉圧力容器４１の内部の圧力は、たとえば２５ＭＰａである。
【００２４】
本実施の形態の燃料集合体１０は、その健全性を決める指標であるＭＣＳＴ（最高被覆管表面温度：Maximum Cladding Surface Temperature）を低下させることができる。
【００２５】
図４は、スペーサ出口からの距離と燃料棒から冷却水への熱伝達率との関係を示すグラフである。このグラフは、燃料棒の外径が７ｍｍで、燃料棒の中心間の距離が８ｍｍの燃料集合体についてのサブチャンネル解析コードを用いたシミュレーションの結果である。このシミュレーションでは、スペーサ１６は、グリッドタイプであるとした。スペーサ出口とは、スペーサ１６の上端のことである。横軸は、スペーサ出口からの距離を水力等価直径で規格化した値である。この水力等価直径とは、燃料棒１２の間に形成された冷却水の通過領域についての値である。水力等価直径とは、冷却水の通過領域の断面積の４倍を、ぬれぶち長さすなわちその通過領域に接した燃料棒の外周の長さで除した値である。縦軸は、スペーサから無限に離れた位置での熱伝達率で規格化した値である。
【００２６】
図４から燃料棒から冷却水への熱伝達率は、スペーサ１６から下流側に離れるほど小さくなっている。これは、スペーサ１６による冷却水の撹拌によって高まった燃料棒１２からの除熱効果が、スペーサ１６から離れることによって冷却水が整流されて小さくなっているためである。スペーサ１６出口からの距離が水力等価直径の１５０倍程度の位置では、スペーサ１６から無限に離れた位置での値とほぼ等しくなっている。
【００２７】
したがって、スペーサ１６の間隔を小さくするほど、ＭＣＳＴを低下させることができる。超臨界圧軽水炉において、燃料棒表面の局所的な温度は、隣接する冷却材である超臨界圧水の平均温度に対し１００℃程度高い。この上昇温度は、燃料棒から冷却水への熱伝達率に依存する。この熱伝達率が１０％以上向上すれば、燃料棒表面の局所的な温度上昇を１０℃以上下げることができる。熱伝達率を１０％向上させるためには、あるスペーサ１６の出口から次のスペーサ１６の入口までの距離が、水力等価直径の４０倍程度以下である必要がある。なお、燃料棒の外形が７ｍｍ、燃料棒の中心間の距離が８ｍｍ以外の場合であっても、水力直径とスペーサ１６の大きさを比例させれば、同じ効果が得られる。
【００２８】
図５は、スペーサ配置間隔とＭＣＳＴ低下量との関係を示すグラフである。このグラフは、燃料棒１２の外径が７ｍｍで、燃料棒１２の中心間の距離が８ｍｍの燃料集合体１０についてのサブチャンネル解析コードを用いたシミュレーションの結果である。評価対象の燃料棒１２は、燃料集合体１０の内周位置で、かつ、水ロッド１３に隣接しないものである。ＭＣＳＴ低下量とは、スペーサ１６の軸方向間隔が５０ｃｍである燃料集合体の場合のＭＣＳＴに対する低下量である。
【００２９】
スペーサ１６による熱伝達率の低減効果は、スペーサ１６から離れるにつれて減衰曲線に沿って減少してしまう。その結果、スペーサ１６の間隔によって、ＭＣＳＴの低下量が変化する。図５から、ＭＣＳＴ低下量はスペーサ間隔が短くなるにつれて大きくなることが分かる。また、ＭＣＳＴ低下量は、スペーサ１６の間隔が約１８ｃｍよりも短くなると、飽和傾向を示している。
【００３０】
このときのスペーサ１６の間隔である１８ｃｍは、燃料棒の外径が７ｍｍで、燃料棒の中心間の距離が８ｍｍの燃料集合体において水力等価直径の４０倍に相当する。したがって、スペーサ１６の間隔は、水力等価直径の４０倍以下であることが好ましい。本実施の形態の燃料集合体１０であれば、１８ｃｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
しかし、燃料集合体１０全体の圧力損失が過度に高くなることは好ましくない。また、スペーサ１６の数が多くなりすぎると、燃料集合体１０の組立が困難になる。そこで、燃料棒１２の表面温度があまり高くならない軸方向位置では、スペーサ１６の間隔は、スペーサ稠密領域２１よりも長くしておく。
【００３２】
図６は、スペーサ稠密領域下端の軸方向位置とＭＣＳＴ低下量との関係を示すグラフである。図６は、スペーサ稠密領域２１に設けるスペーサ１６の数を４個とし、スペーサ稠密領域２１に設けるスペーサ１６の軸方向の間隔を１８ｃｍとした場合の結果である。
【００３３】
図６に示すように、スペーサ稠密領域下端の軸方向位置、すなわち、稠密化開始高さが約２．６ｍから大きくなっていくと、それに伴って、ＭＣＳＴ低下量（℃）は一旦上昇して約２．９ｍで最大となった後、低下し、約３．３ｍを超えたあたりでその低減量は０となる。つまり、稠密化開始高さを所定の範囲にすることにより、ＭＣＳＴをより低下させることができることが分かる。本実施の形態では、たとえば稠密化開始高さを２．８ｍから２．９７ｍの間とすれば、ＭＣＳＴ低下量を８℃以上とすることができる。本実施の形態では、稠密化開始高さを２．８ｍとした。この稠密化開始高さは、燃料発熱部２０の下端から燃料発熱部２０の長さの約２／３の位置に相当する。
【００３４】
また、燃料発熱部２０の両端部近傍では、中央部分に比べて発熱量が小さい。このため、燃料発熱部２０の上端近傍のスペーサ１６の軸方向間隔を小さくしてもＭＣＳＴの低減には、ほとんど寄与しない。したがって、スペーサ稠密領域２１は、燃料発熱部２０の下端から燃料発熱部２０の長さの約４／５の高さよりも低い位置に形成されていることが好ましい。したがって、スペーサ稠密領域２１は、燃料発熱部の長さの約２／３の高さから約４／５の高さの間に形成されていることが好ましい。
【００３５】
また、本実施の形態は、燃料棒１２を正方格子状に配置した燃料集合体１０を例として説明したが、燃料棒を三角格子状に配列した燃料集合体１０であってもよい。また、スペーサ１６としては、グリッド型のものだけでなく、熱伝達率向上を目的として丸セル型のスペーサを用いてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃料集合体、１１…チャンネルボックス、１２…燃料棒、１３…水ロッド、１４…上部タイプレート、１５…下部タイプレート、１６…スペーサ、２０…燃料発熱部、２１…スペーサ稠密領域、３０…ペレット、３１…端栓、４０…炉心、４１…原子炉圧力容器、４２…円筒
【図１】
2012107928.tif 000003
【図２】
2012107928.tif 000004
【図３】
2012107928.tif 000005
【図４】
2012107928.tif 000006
【図５】
2012107928.tif 000007
【図６】
2012107928.tif 000008