(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料棒（４）を有し、燃料棒が格子に配置されかつ頂部連結板（５）と底部連結板（６）との間に延長しまた実質的に正方形断面を備えた燃料チャンネル（９）によって囲まれた沸騰水型原子炉用燃料組立体において、
該燃料組立体が、上下に積重ねられた複数の燃料ユニット（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）であって、それぞれが頂部連結板（５）、底部連結板（６）および頂部連結板と底部連結板との間に配置された複数の燃料棒（４ａ，４ｂ，４ｃ）を有する複数の燃料ユニット、を有し、
該燃料ユニット（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）の少なくともあるものにおいて、前記複数の燃料棒が少なくとも第１の形式の燃料棒および第２の形式の燃料棒を含み、前記第１の形式の燃料棒が前記第２の形式の燃料棒とは異なった直径および異なった燃料量を有し、そして
前記燃料棒が燃料ユニット内に燃料量および格子空間が燃料組立体において軸線方向ならびに横方向に最適化されるように配置された
ことを特徴とする前記沸騰水型原子炉用燃料組立体。
【請求項２】
前記燃料組立体が異なった直径（ｄ1，ｄ2，ｄ3）および異なった燃料量を有する少なくとも３つの燃料棒（４ａ，４ｂ，４ｃ）を有することを特徴とする請求項１に記載された燃料組立体。
【請求項３】
前記燃料組立体が第１直径（ｄ1）を有する第１燃料棒（４ａ）、第１直径より約８％大きい第２直径（ｄ2）を有する第２燃料棒（４ｂ）、および第２直径より約１５％大きい第３直径（ｄ3）を有する第３燃料棒（４ｃ）を有することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料組立体。
【請求項４】
前記燃料組立体が少なくとも７個の燃料ユニットを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された燃料組立体。
【請求項５】
すべての燃料ユニットが実質的に同じ格子を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された燃料組立体。
【請求項６】
燃料組立体は少なくとも格子の一つの位置が明いている燃料ユニット（３ｄ）を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載された燃料組立体。
【請求項７】
可燃性吸収材料を含有する複数の吸収棒（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）を有し、その際少なくとも２本の吸収棒が異なった直径（ｄ1，ｄ2，ｄ3）を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された燃料組立体。
【請求項８】
吸収棒の端部ペレット（８ａ）が可燃性吸収材料を有しないことを特徴とする請求項７に記載された燃料組立体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、頂部連結板と底部連結板との間に延長する複数の燃料棒を有しかつ燃料チャンネルによって囲まれた、軽水によって減速される沸騰水型原子炉用の、実質的に正方形断面を備えた核燃料組立体に関するものである。
背景技術
軽水によって減速される原子炉において、燃料は燃料棒の形をなし、各燃料棒はクラッド管内に配置された核燃料のスタック状ペレットを含有している。燃料の束は互いに平行に、ある一定の、通常対称的なパターンで、いわゆる格子に配置された、複数の燃料棒を有する。燃料棒は頂部において頂部連結板により、また底部において底部連結板によって保持されている。燃料棒を相対的にある距離に保持し、かつ原子炉が運転しているとき燃料棒が湾曲しまたは振動することを防止するため、複数のスペーサが縦方向の燃料の束に沿って分布している。燃料組立体は一つまたはそれ以上の燃料の束を有し、燃料の束はそれぞれ燃料組立体の長さの大部分に沿って延長している。燃料組立体は、複数の他の燃料組立体とともに、炉心内に垂直に配置される。炉心は冷却材としてまた中性子減速材として作用する水の中に浸漬されている。
沸騰水型原子炉において冷却材は沸騰するため、炉心において水と蒸気の割合が軸線方向に変化する。炉心の底部において冷却材の温度は沸騰温度より低く、したがって単一相状態にあり、すなわち水のみである。冷却材が沸騰温度に達する炉心頂部において、水の一部は蒸気に変化しそこで冷却材は二相状態になる。炉心内で上に行くほど、水の割合に対する蒸気の割合は大きくなる。炉心の最上端部分において、燃料棒は水の薄いフィルムのみによってカバーされ、その外側では水の粒子と混合した蒸気が流れ、いわゆる環状流である。
もし燃料棒からの熱流が冷却材の流れに対してきわめて大きくなるならば、完全乾燥の危険が存在ずる。完全乾燥とは、液体フィルムか連続することができなくなるほどきわめて薄くなり、フィルムは破断して乾燥した壁部分を発生し、その部分は燃料棒と冷却水の間の熱伝達がきわめて悪化し、燃料棒の壁温度がいちじるしく上昇することになる。上昇した壁温度は損傷をもたらし、重大な結果が燃料棒に生ずる。完全乾燥の危険は実質的に燃料組立体の上方部分に存在する。
蒸気は、その低い密度のため、減速材として水よりはるかに劣っており、そのことは原子炉の運転中、燃料組立体の温度が上がれば上がるほど、減速作用が低下することを意味している。炉心において、燃料組立体は水によって囲まれ、水は燃料チャンネル付近の燃料棒によい減速作用を加える。一方、燃料組立体の中心部分の燃料棒においては、減速作用は悪くなる。中でも、燃料組立体の上方部分の中心部分の減速作用は、不十分である。原子炉の反応度は、減速材に対するウランの割合による。最適のウラン／減速材比を得るため、ウランの量を少なくすべきであり、格子空間すなわち燃料棒の間の自由空間は、燃料組立体の上方部分においてその下方部分より大きくすべきである。
燃料組立体を最適化するとき考慮すべき重要な要因は、反応度および完全乾燥に加えて、燃料棒の直線方向負荷の制限、運転停止限界（shutdown margine）および圧力降下である。
沸騰水型原子炉につねに発生する課題は、ウランの量および格子間隔に対し、軸線方向ならびに横方向に、燃料組立体をもっともよく最適化する方法である。横方向に、最適化は、たとえば燃料棒の直径、燃料棒の間隔および燃料棒の数の選択によって、得られる。軸線方向の最適化を達成する公知の方法は、燃料棒のあるものを部分長さの燃料棒と交換することである。部分長さの燃料棒は軸線方向長さが通常の全長燃料棒より短い。軸線方向ならびに横方向のウランの量の最適化を達成する他の方法は、燃料棒における燃料の濃縮度を変更することで、ＤＥ  ４０  １４  ８６１  Ａ１の特許明細書に記載されている。異なった格子位置に異なった濃縮度を備えた燃料棒を有し、燃料棒のあるものが軸線方向に異なった濃縮度成分を有する燃料組立体が示されている。
上記最適化方法に関する欠点は、それらが燃料および格子空間の十分に有効な最適化を別々に得ることが可能でないことである。通常の燃料組立体によって、簡単な方法でよい最適化を達成することは困難である。この課題に対する解決法はＰＣＴ／ＳＥ９５／０１４７８（ＷＯ  ９６／２０４８３公報）に記載され、軸線方向ならびに横方向に、簡単な方法で最適化し得る可撓性燃料組立体を示している。前記可撓性燃料組立体は、上下に積重ねられた複数の燃料ユニットを有し、ユニットはそれぞれ頂部連結板と底部連結板との間に延長する複数の燃料組立体を有する。燃料ユニットは、実質的に正方形断面を備えた共通の燃料チャンネルによって囲まれている。
軸線方向および横方向の最適化の必要性は、種々の原子炉および種々の運転条件の間で異なる。したがって、個々の各消費者に対して、個々の各消費者の特殊なニーズに対して最適化される燃料組立体を提供し得ることが望ましい。一つの課題は、製造ならびに貯蔵されるべき多数の異なった要素を必要とするため、異なった消費者に異なった燃料組立体を供給することはきわめて経費を要することである。
発明の要約
本発明は個々の消費者のニーズに基づいて、軸線方向ならびに横方向に、最適化するため簡単な、しかも簡単、合理的したがって経済的に製造し得る燃料組立体に関するものである。
本発明を特徴づける構成は、添付の請求項から明らかになるであろう。
本発明による燃料組立体は、少数の、好適には３つの標準型燃料棒よりなり、それらが異なった外径および異なったウラン量を有することにおいて、互いに区別される。３つの型の燃料棒、および多数の燃料ユニット、好適には燃料組立体における少なくとも７個の燃料ユニットによって、軸線方向ならびに横方向に、燃料組立体を最適化するためきわめて多くの自由度が得られる。３つの異なった型の燃料棒は、それ自体、燃料組立体における異なった高さに対して、および異なった運転条件に対して、適当な特性を備えた燃料ユニットの多数の異なった型に組合わされる。異なった燃料ユニットを異なった高さに分布せしめることにより、所望の軸線方向最適化が達成可能である。燃料の分布を変更することに加えて、燃料組立体内の燃料の全量も異なった型の多数の燃料棒を変更することにより、簡単に変更可能である。さらに、格子内のある位置は、たとえば運転停止限界を改善するため、明けたままに残すことができる。
本発明の一利点は、異なった特性を備えた多数の異なった燃料組立体が、少数の標準化されたユニットから組立得ることである。少ない追加の経費で、原子炉および炉が使用される運転条件に対して適合する燃料組立体が得られる。
なお別の利点は、異なった濃縮度水準の燃料棒の数が制限可能であることであり、そのことは燃料棒が一層簡単かつ一層安価に製造し得るものになることを意味する。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による燃料組立体の一実施例の略図を示す。
図２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄは、図１の燃料組立体を通るＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−ＤおよびＦ−Ｆ水平断面図である。
図３は吸収棒の横断面図を示す。
好適な実施例の説明
図１は本発明による燃料組立体を示す。運転中、燃料組立体は炉心に垂直に配置される。燃料組立体は、上方ハンドル１、下端部２および上下に堆積された複数の燃料ユニット３ａ，３ｂ，３ｃおよび３ｄを有する。燃料ユニットは頂部連結板５と底部連結板６との間に配置された複数の燃料棒４ａ，４ｂ，および４ｃを有する。燃料ユニットは燃料組立体の縦方向に互いに上下に積重ねられ、それらは、一つの燃料ユニットの頂部連結板５が積重ねられたつぎの燃料ユニットの底部連結板６に向合うように、積重ねられる。燃料棒は、クラッド管７内に配置されたウランペレット８のスタックの形の燃料を含有している。燃料組立体は、実質的に正方形断面を備えた燃料チャンネル９に囲まれている。この実施例において、燃料組立体は、各スタックに１０本の燃料ユニットを備えた４つの平行なスタックを有する。
図２ａは、図１の燃料組立体を通るＢ−Ｂ断面を示す。燃料チャンネル９は十字形断面の中空支持部材１０を備え、支持部材１０は燃料チャンネルの４つの壁に固定されている。支持部材１０から形成された中央チャンネル１１内には、水減速材が流れる。支持部材を備えた燃料チャンネルは、少なくとも実質的に正方形断面を備えた、４つのチャンネル形成部分１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ、いわゆるサブチャンネルを囲んでいる。４つのサブチャンネルは、それぞれ燃料ユニットの堆積を有する。各燃料ユニットは、対称的な５×５の格子に配置された２４本の燃料棒を有する。燃料棒の位置は格子の位置を意味する。格子におけるすべての燃料棒の位置が、燃料棒によって占有される必要はない。
燃料組立体は、３つの異なった型の燃料棒４ａ，４ｂおよび４ｃを有する。図２ａ〜２ｄにおいて、燃料棒４ａは符号Ｍで、燃料棒４ｃは符号Ｐで示されている。燃料棒４ｂは符号を付されていない。燃料棒４ａはｄ1の直径を有する。燃料棒４ｂは、ｄ1より約８％大きい直径ｄ2を有し、かつ燃料棒４ｂより約１５％多い燃料を含有している。燃料棒４ｃはｄ2より約１５％大きい直径ｄ3を有し、かつ燃料棒４ｂより約１５％多い燃料を含有している。異なった格子位置において３つの型式の燃料棒の間で変化することにより、燃料ユニットの大きい変化を発生することができる。最大の直径を備えた燃料棒４ｃは、棒直径および典型的な中性子フラックス比のために、異なった直線的負荷を考慮するため、最小の直径を備えた燃料棒４ａより比較的大きい核分裂ガス空間を有する。直径が大きくなると、核分裂ガス空間の高さも一層大きくするだけでは十分でない。
この実施例において、燃料組立体は、１０の異なった高さにおける４つの異なった型の燃料ユニット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄよりなる。図２ｄは、燃料ユニット３ａを通るＥ−Ｅ断面を示す。燃料ユニット３ｄは、中性子フラックスが運転サイクルの大部分に対して高くなり易い、燃料組立体の下方部分に嵌合すべく形成されている。この燃料ユニットは、ほとんど例外なく、最大の断面積を有しかつもっとも多くの燃料を含有する型の燃料棒である、型４ｃの燃料棒を有する。燃料組立体のもっとも下方の部分において、燃料棒の大きい断面積のために流れ面積が減少したことの重大性は、減速ならびに冷却が良好で、かつ蒸気含有量が少ないことのために圧力降下がなお少ないため、それほど大きくはない。
燃料組立体において高さが高くなればなるほど、最大直径の燃料棒４ｃは少なくなり、その代わり小さい直径を備えた燃料棒４ａおよび４ｂの数は増加する。図２ｂは燃料ユニット３ｃを通るＣ−Ｃ断面を示し、図２ｃは燃料ユニット３ｂを通るＤ−Ｄ断面を示す。図２ａは最上端の燃料ユニット３ｄを通るＢ−Ｂ断面を示し、該断面は４ａおよひ４ｂ型の燃料棒のみを有し、それらは燃料棒４ｃの直径および燃料含有量以下の直径および燃料含有量を有する。さらに、水チャンネル１１にもっとも近い格子位置は明けられている。明けられた位置の利点の一つは、運転停止限界が上昇することである。燃料組立体の上方部分において、燃料ユニットの最適化が、完全乾燥の危険を最少にしかつ圧力降下を小さくするため、実施される。
燃料棒が新品であるとき燃料の余分な反応度の一部を吸収するため、燃料棒のあるものは可燃性吸収材、たとえば酸化ガドリニウムを含有することができる。かかる燃料棒は下記では吸収棒と称せられる。吸収棒の直径はその焼尽速度を決定する。吸収棒１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、燃料棒に対するのと同じく３つの異なった直径ｄ1，ｄ2，ｄ3を備えた３つの異なったサイズで利用可能である。異なった直径を備えた吸収棒を格子に配置することにより、可燃性吸収材の含有量は、反応性、焼尽の態様および出力分布に関して、軸線方向ならびに横方向に細かく分割することができる。
図３は吸収棒１３ｃを断面で示している。吸収棒は、クラッド管７内に上下に積重ねられた複数の燃料ペレット１５および８ａを有し、頂部プラグ１６および底部プラグ１７は吸収棒をシールしている。燃料ペレット１５は。可燃性吸収材のある部分を包含している。吸収棒内の二つの端部ペレット８ａは燃料のみを含有し、可燃性吸収材を欠如している。燃料棒ならびに吸収棒内の端部ペレットは、堆積内の燃料ユニット間に発生する軸線方向間隙を充填する。軸線方向間隙のため、減速およびそれ故反応度は、スタック内の他のペレットと比較して、端部ペレットにおいて一層高くなる。端部ペレット内の燃料にいかなる可燃性吸収材も加えることなしに、燃料ユニット内の端部ペレットは、他のペレットより迅速に焼尽せしめられる。焼尽は運転サイクルの初めに発生し、一方燃料組立体の全出力は可燃性吸収材によってなお制限される。ある方法では、たとえば濃縮度を一層低くすることにより、またはそれらに孔を明けることによって、燃料棒の端部ペレットにおける出力を制限することが必要であるため、すべての端部ペレットを製造が簡単になるように同じものとすることか有利である。
この実施例において、すべての燃料ユニットは、同じ種類の格子を有する。すべての燃料ユニットが同じ種類の格子を有することは有利であり、その理由は同じ底部連結板および頂部連結板を異なった燃料ユニットに使用し得るからであり、そのことは製造しかつ貯蔵する必要のある要素の数を最小にするものである。また、同じ格子を維持する一方、棒の位置の限定された変位によって最適化を実施することも可能である。
他の実施例において、燃料組立体の同じ高さの燃料ユニットが燃料棒の分布を異ならせることが可能である。このことは、たとえば、燃料組立体が異なった厚さの水の層によって囲まれる原子炉において有利である。減速は、燃料ユニットが向合う間隙に従って異なるものとなり、そのことは、間隙に隣接する格子の位置に一層大きいまたは一層小さい直径の燃料棒を配置することにより補償することを可能にするものである。
【図１】
0003913784.tif 000002
【図２ａ】
0003913784.tif 000003
【図２ｂ】
0003913784.tif 000004
【図２ｃ】
0003913784.tif 000005
【図２ｄ】
0003913784.tif 000006
【図３】
0003913784.tif 000007