JP2000513094A - 原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はほぼ正方形断面になった軽水炉用の燃料集合体に関するものである。前記軽水炉は頂部タイプレート５と底部タイプレート６との間を延在する複数個の燃料棒４を有している。該燃料棒４は核分裂性材料７ｂのコラムを取り囲んだ被覆管７ａを有している。本発明の一観点からいうと、少なくとも１つの燃料棒４には該核分裂性材料における軸線方向ギャップ１５ａが設けられている。この軸線方向ギャップ１５ａの周囲において、該材料の厚さ１５が被覆管７ａの主部分における材料の厚さより大きい。

Description

【発明の詳細な説明】 原子炉の燃料集合体 技術分野 本発明は軽水炉用のほぼ正方形断面を有した原子炉の燃料集合体に関するもの であり、これは頂部タイプレートと底部タイプレートとの間に延在した複数個の 燃料棒からなっている。 背景技術 軽水減速の原子炉においては、燃料は燃料棒の形で存在し、その各々は被覆管 の中に配置された原子炉燃料のペレットの山積みを収納している。前記被覆管は 普通はジリコニウム合金で作られる。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 からなっている。該燃料棒は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。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あるいはそれ以上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る。 燃料集合体は複数個の他の燃料集合体と一緒になって炉心の中に配置される。 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、沸騰水型軽水 炉においては、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冷却材は水からなり、 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、このように 上部と下部との間で差があることが、燃料集合体を設計する場合に考慮しなけれ ばならない特別な問題を引き起こす。 この問題は、燃料集合体の上部と下部との形状を単純な方法で変えて、最適な 状態が得られるように、可撓性のある燃料集合体を得ることによって解決される 。 これらの特性を有した沸騰水型原子炉用の燃料集合体がＰＣＴ／ＳＥ９５／０１ ４７８（Int.Publ.No．WO ９６／２０４８３）に示されている。この燃料集合体 は互いに上下に山積みされた複数個の燃料ユニットからなっており、その各各は 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っ 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。この型の燃料集合体には、その上部と下部において、単純な方法 によって異なった設計が与えられている。 また、加圧水型原子炉においても、各々の燃料集合体が互いに上下に山積みに された複数個の燃料集合体からなるように燃料集合体を設計することが望ましい 。上述したように、各々の燃料ユニットは頂部ノズルと底部ノズルとの間を延在 する複数個の燃料棒からなっている。加圧水型原子炉の燃料集合体は燃料チャン ネルを有していない。 ３００−１５００ｍｍ長さのオーダーの燃料ユニットを設計する場合に考慮に いれなければいけない１つの要素は、核分裂している間に核分裂生成ガスが形成 されているということである。さらに、燃料ペレットのコラムは燃料ペレットの 中で形成された熱によって膨張する。核分裂生成ガスと燃料ペレットのコラムの 膨張とを考慮するために、普通は、既知の全長燃料棒、即ち、４ｍのオーダーの 長さの燃料棒における被覆管内の最上部の燃料ペレットより上に、比較的大きな スペースの軸線方向ギャップが形成される。該軸線方向ギャップの長さ寸法は２ ００−３００ｍｍのオーダーである。この軸線方向ギャップに対して核分裂生成 ガスは拡散していくことができ、燃料ペレットのコラムはこの内側へ膨張してく ることができる。従って、軸線方向ギャップは核分裂性材料を有してはいない。 軸線方向ギャップを設計する場合に考慮すべき他の要素は、軸線方向ギャップ 内には燃料ペレットが存在しないので、この領域における被覆管の温度が残余の 被覆管より低いという点である。その結果として生じる問題は、なかでも、ジル コニウム合金でできた被覆管の腐食によって形成され、それによって吸収される 水素がこの低温側の領域の中へ拡散してくるであろうということである。この領 域において水素の濃度が高くなり過ぎると、被覆管の中で水素化物が形成され、 脆化の原因となる。厳しい場合には、被覆管が破れて、核分裂性材料が冷却材の 中へ入り込んでくる。同じ種類の問題の傾向がペレット間の領域、即ち、燃料ペ レットの下端が隣接配置された燃料ペレットの上端と接触する領域、および上下 に山積みされた２つの燃料ユニットの間の領域において生じることがある。水素 の濃度が高過ぎることによって生じる脆化の危険性は、ある程度の限度はあるが 、軸線方向ギャップの寸法に応じて増加する。 幾つかの方法によつて核分裂生成ガスの放出を減少させることが知られている 。１つのそのような方法は、１あるいはそれ以上の燃料ペレットにその軸線方向 に貫通孔を設けることである。このようにすると、燃料ペレットの温度が低下し 、それによつて核分裂生成ガスの放出が減少し、軸線方向ギャップも減少する。 しかしながら、この場合には、燃料ペレットのコラムの熱膨張を許すためには、 ３００ｍｍのオーダーの長さから数１０ｍｍの長さの燃料棒において数ｍｍのオ ーダーの長さの軸線方向ギャップが必要である。 本発明の目的は複数個の短い燃料ユニットを備えた軽水炉に対して燃料集合体 を提案することにあり、少なくとも１つの燃料集合体が軸線方向ギャップと該軸 線方向ギャップの中へ拡散してくる水素に注意するための手段を備えるように設 計されており、該軸線方向ギャップを取り囲んだ材料の中で許容できない程の高 濃度の水素が蓄積するのを防いでいる。 発明の要約 本発明は、運転中に形成される核分裂生成ガスを蓄積し、原子燃料の熱膨張を 吸収するための軸線方向ギャップを有した燃料棒からなる燃料集合体に関するも のである。この燃料集合体の特徴は請求の範囲第１項に述べられている。 前記燃料棒は被覆管と、その中に配置された燃料ペレットの山積みと、押し出 し加工された燃料シリンダーのコラムと、振動衝撃充填された粉末燃料の連続コ ラムとからなっている。前記被覆管は両端においてプラグにより、もつと詳細に いうと、頂部プラグと底部プラグそれそれによって密閉されている。核分裂性材 料の存在しないスペースにおいては、該燃料棒には他の燃料棒部分よりも厚さの 大きい材料が設けられている。本発明の有利な実施例においては、この材料の厚 さは頂部プラグにおいて達成されている。該頂部プラグには被覆管内に配置され た最上部の燃料ペレットに面したキャビティーが設けられている。該頂部プラグ は、好ましくは、その内径が被覆管の内径と一致し、半径方向外側に厚くなるよ うにして被覆管に結合されている。このように、燃料ペレットのコラムは熱膨張 によって上方へ膨張し、頂部プラグの中へ入り込むことが許されている。 燃料棒の軸線方向ギャップの周りの厚さを大きくすることによって、ここでの 水素吸収容量は増加する。水素吸収を増加させることによって、該スペース内で はその厚さの程度に応じて水素濃度が減少し、従って燃料棒の上部における脆化 の危険性も減少する。 本発明の利点は、熱膨張と核分裂生成ガスとのための軸線方向ギャップにおけ る水素濃度が高くなり過ぎて脆化する危険性が、材料の量が増加し、従ってこの 領域における水素吸収容量が増加することによって減少することにある。 燃料棒の上部における材料の量が増加することによって該上部の機械的特性が 改善され、このスペース内に集まる核分裂生成ガスのために生じる材料の応力に よる影響が減少する。 本発明の他の利点は、燃料棒の上部における材料の量が増加することによって 、この領域において生じる摩耗や腐食および／あるいは侵食による被覆管への損 傷に対する抵抗力が改善されるという点にある。原子炉の補修および使用に関連 して、金属チップのような異物（あるいはデブリス）が冷却材の中へ入り込むこ とがある。該デブリスは冷却材が炉心を循環している時に、冷却材とともに移送 される。そのようなデブリスは、ある種の場合、被覆管に対して摩耗損傷を与え る。この摩耗損傷は、ある種の場合、デブリスが頂部タイプレートのレベルのと ころに固着してそこに残存する結果として、頂部タイプレートのレベルのところ において発生する。通過する冷却材によつて振動が生じると、そのデブリスが燃 料ペレットを取り囲んでいる被覆管を摩耗する。最悪の場合、該摩耗損傷によっ て冷却材の中へ核分裂性材料が入り込むことになる。 さらに他の利点は燃料棒の上部に、単純な方法で混紡ベーンを配置することが できるという点にある。 図面の簡単な説明 図１ａは短い燃料ユニットを有した沸騰水型原子炉の燃料集合体を横から見た 部分断面図である。 図２は図１における燃料集合体のＡ−Ａ断面図である。 図２ａ及び２ｂは、図１における燃料集合体のＡ−Ａ断面と同じ断面における 他の実施例を示す。 図３は短い燃料ユニットを有した加圧水型原子炉の燃料集合体を横から見た図 である。 図４は、図１における燃料集合体の燃料棒を示す。 図５は図４の断面図における頂部プラグの外面の他の実施例を示す。 図６ａは頂部プラグに混紡ベーンが設けられた燃料集合体の上部の実施例を示 す。 図６ｂは図６ａに示した燃料棒の上部の縦断面図である。 図７は頂部プラグに冷却フランジが設けられた燃料集合体の上部の実施例を示 す。 図８は混紡ベーンを設けた燃料棒の上端を保持するための頂部タイプレートに おける流路開口を上から見た図である。 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３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、かつ相互に離隔され た関係になって配置された複数個の燃料棒４からなっている。さらに、各々の燃 料ユニット３は該燃料棒４を格子内のそれそれの位置において取り付けるための 底部タイプレート６と頂部タイプレート５とを有している。該燃料ユニットは３ 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が前記山積みにおける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３における燃料 棒４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７ａ内に 配置されたウランの燃料ペレット７ｂを山積みにした形の核分裂性材料を有して いる。冷却材は燃料集合体の中を下から上へ上へ流れるようになっている。 図２はほぼ正方形断面になった燃料チャンネル８の中に収納された燃料集合体 を示している。該燃料チャンネル８には十字形断面になった中空の支持部材９が 設けられており、該部材は燃料チャンネル８の４個の壁部に固定されている。該 支持部材９で形成された中央チャンネル１４の中を減速材の水が流れる。該支持 部材を備えた燃料チャンネルは少なくともほぼ正方形断面を有した、４個の垂直 なチャンネル形成部分１０、いわゆるサブチャンネルを取り囲んでいる。該４個 のサブチャンネルの各々は燃料ユニット３の山積みを有している。各々の燃料ユ ニットは対称的な５Ｘ５格子に配置された２４本の燃料棒４からなっている。 図２における燃料集合体は１０Ｘ１０の燃料棒位置を有している。この燃料棒 位置という用語は格子内の位置を意味している。格子内の全ての燃料棒位置が燃 料棒４によって占められる必要はない。ある種の燃料集合体においては、多くの 燃料棒４は１あるいは複数個の水チャンネルによって置き換えられている。水チ ャンネルを導入することによって燃料棒４の数は変化するが、燃料棒位置の数は 変化しない。 図２ａは図１に示したのと同じタイプの燃料集合体の他の実施例である。該燃 料集合体には水が燃料集合体内を下から上へ流れる垂直チャンネル１４ａが内部 に形成されている。該チャンネル１４ａはほぼ正方形断面のチューブ９ａに取り 囲まれている。前記燃料ユニット３は垂直チャンネル１４ａを取り囲んだ前記チ ューブの上にねじ込むことによって所定位置に支持される。 図２ｂは本発明による燃料集合体の付加的な実施例を示している。この図は燃 料集合体の水平断面図であり、これには水が燃料集合体内を下から上へ流れる、 ２つの中心部に配置された垂直な水ロッド１４ｂが設けられている。該水ロッド １４ｂの直径は燃料棒４の直径より幾分大きく、該ロッドはほぼ円形断面を有し ている。前記燃料ユニット３は水ロッド１４ｂの上に取り付けることによって所 定位置に支持される。 図３は加圧水型原子炉の燃料集合体を示している。図１に示した燃料集合体と 同様に、該燃料集合体は上下になって積まれた複数個の燃料ユニット３からなっ ている。各々の燃料ユニット３は与えられた格子の中で平行に、かつ相互に離隔 された関係になって配置された複数個の燃料棒４からなっている。さらに、各々 の燃料ユニット３は該燃料棒４を格子内のそれそれの位置において取り付けるた めの底部タイプレート６と頂部タイプレート５とを有している。該燃料ユニット ３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３の頂部タイプレート５が前記山積みにおける次の燃料ユニット３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３におけ る燃料棒４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 ａ内に配置された核分裂材料の燃料ペレット７ｂを山積みにした形の燃料を有し ている。冷却材は燃料集合体の中を下から上へ流れるようになっている。多数の いわゆる制御棒ガイドチューブ４ａが燃料集合体全体を貫通して延在している。 該制御棒ガイドチューブ４ｂは原子炉の出力を制御する目的でガイドチューブ４ ａからそれそれ挿入、引き抜きされるフィンガー形状タイプの制御棒（図示せず ）を受留めようとするものである。該ガイドチューブ４ａは頂部１５ａと底部１ ６ａとの間を延在している。該頂部１５ａは燃料集合体における最上部の燃料ユ ニット３の上に配置され、底部１６ａは燃料集合体における最下部の燃料ユニッ ト３の下に配置されている。 図４は図１、２、２ａあるいは２ｂにおける燃料集合体のための燃料棒４を示 している。該燃料棒４は、上述したように、被覆管７ａと、その中に配置された 燃料ペレット７ｂの山積みとからなっている。該被覆管７ａは、頂部においては 頂部プラグ１５によって、底部においては底部プラグ１６によって密閉されてい る。図４において、頂部プラグ１５は燃料ペレット７ｂのコラムの一部を部分的 に取り囲んでいることが示されている。頂部プラグ１５の直径は被覆管７ａの内 直径と同じであり、燃料棒４の内側と同じになっている。該頂部プラグ１５には 内部キャビティー即ち、軸線方向ギャップ１５ａが形成され、その中に核分裂生 成ガスが溜められる。該軸線方向ギャップ１５ａはまた燃料ペレット７ａの熱膨 張を許容するようになっている。 前記燃料棒４は、軸線方向ギャップ１５ａを取り囲んでいる部分の方が残りの 燃料棒４よりも材料の厚さが大きくなるようになっている（参考番号１５ｂを参 照）。図４においては、前記軸線方向ギャップ１５ａの周りでのより厚い材料１ ５ｂは頂部プラグ１５のところで得られ、いわば半径方向外側へ向かって厚くな っている。他の実施例においては、前記被覆管７ａには、軸線方向ギャップ１５ ａを取り囲もうとしている領域において、より厚さの大きな材料の部分 １５ｂが設けられている。 核分裂生成ガスの放出を減少させるために、図４で示したように、燃料ペレッ ト７ｂには貫通孔１７が形成されている。このように、燃料ペレット７ａの中心 部において生じる最大温度、従って、核分裂生成ガスの放出が減少する。燃料ペ レット７ｂに孔１７を設けることによって、軸線方向に分布した核分裂ギャップ スペースが得られ、それによって燃料棒４の上端の軸線方向ギャップ１５ａも同 程度減らすことができる。軸線方向ギャップ１５ａの軸線方向長さは、燃料棒４ の長さに依存する。１つの例を上げると、３００ｍｍのオーダーの長さを有する 燃料棒４の場合だと、軸線方向ギャップ１５ａの軸線方向長さは２ないし５ｍｍ のオーダーになる。 さらに、前記燃料ペレット７ａにはカップ形の上端面と下端面が形成されてい る（参考番号１８を参照）。熱膨張の結果、燃料ペレット７ｂは外側の低温部よ りも中央の高温部においてより大きく生長する。このように前記カップ形１８は 、軸線方向ギャップ１５ａが熱膨張吸収のために用いられる前に、ある程度まで の熱膨張を許容する。 軸線方向ギャップ１５の周りにより厚さの大きい材料１５ｂを形成して、でき るだけ圧力降下を小さくすることが重要である。従って、燃料棒４は被覆管７ａ の外直径と頂部プラグ１５の最大直径部分との間で滑らかな移行をしている。同 じ理由で、頂部プラグ１５の上部にも丸くなったコーナー部が設けられている。 図５は頂部プラグ１５の外面の他の実施例を示している。この実施例は図４に示 した実施例に比べて、より小さな圧力降下を示す。燃料棒４の小径部分と大径部 分との間の移行部（参考番号１５ｃを参照）は、図４に示したものより長く作ら れている。同様に、参考番号１５ｄの上部にもより長くなった移行部が設けられ ている。 図６ａと６ｂは頂部プラグ１５の実施例を示し、該頂部プラグには混合ベーン１ ９が設けられている。該混合ベーン１９は頂部プラグ１５の外面から冷却材の流 れ方向を横切る方向、および頂部プラグ１５に平行な方向に延在したバーとして 形成されている。該混合ベーン１９の数は１あるいはそれ以上である。本発明の 有利な実施例においては、頂部プラグ１５の外面に沿って４つの混紡ベーン１９ が均等に分布して配置されている。図６ａと６ｂにおいて、該混合ベーン１９は 直線状で傾斜しているところが示されている。この傾斜度を頂部プラグ１５の中 心軸線Ｃに対する角度αで表すと、これは１５度−４０度のオーダーになる。あ るいは、該混合ベーン１９は冷却材の混合度合をさらに増加させて冷却容器を増 加させるために、曲線形に形成されてもよい。コイル状外観の頂部プラグ１５を 通過すると、冷却材の速度はその通過時に増加され、従って混合ベーン１９の出 力が増加する。 図７においては、頂部プラグ１５にフランジ２０が設けられた実施例が示され ている。該フランジ２０は、頂部プラグ１５の外面から冷却材の流れ方向を横切 る方向、かつ頂部プラグ１５の中心軸線Cに平行な方向へ延在するようにして形 成されている。前記頂部プラグ１５のこの実施例は、燃料集合体の上部における よりも冷却材を混合する必要性の少ない燃料集合体の下部に配置するのが特に適 している。前記フランジ２０の目的は、材料の水素吸収能力を増加させることに あり、従って、残余の頂部プラグ１５は材料の厚さがより小さくなっている。こ の実施例の場合、材料の水素吸収量が増加し、その結果、圧力降下が小さくなる 。同時に、残余の頂部プラグにおける材料の厚さも対応的に減少する。 前記混合ベーン１９とフランジ２０はまた冷却材へのより大きな表面伝導熱を 提供する。 図８は燃料棒４の上端部を保持するための頂部タイプレート２１を上から見た 図である。該頂部タイプレート２１は燃料集合体を上方へ流れる流れを通すため の複数個の流路開口２２を有している。さらに、該頂部タイプレート２１は頂部 プラグ１５の上部に配置されたピン２４を受け留め、位置付けるための開口２３ を有している。 有利な実施例においては、前記混合ベーン１９は流路開口２２の間で流れ方向 を横切って形成された頂部タイプレート２１の表面によって、完全にあるいは部 分的に覆われるようになっている。このようにして、混合ベーン１９とフランジ ２０のそれそれによって生じる圧力降下は制限される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ほぼ正方形断面になった軽水炉用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）との間で延在した複数個の燃料棒（４）を 具備し、該燃料集合体の中を冷却材が下から上へ流れるようになっており、該燃 料棒（４）が核分裂性材料（７ｂ）のコラムを取り囲んだ被覆管（７ａ）からな っている、その燃料集合体において、少なくとも１つの前記燃料棒（４）には前 記核分裂性材料において軸線方向ギャップ（１５ａ）が設けられ、該軸線方向ギ ャップ（１５ａ）の周囲における材料の厚さ（１５ｂ）が被覆管（７ａ）の主部 分における材料の厚さより大きいことを特徴とする原子炉の燃料集合体。 ２． 請求の範囲第１項に記載された燃料集合体において、燃料棒（４）の上 ３． 請求の範囲第１項に記載された燃料集合体において、前記軸線方向ギャ ップ（１５ａ）が被覆管（７ａ）の上端を密閉するようになった頂部プラグ（１ ５）によって取り囲まれて配置されており、該頂部プラグ（１５）においてより 厚さの大きい材料（１５ｂ）が配置されている原子炉の燃料集合体。 ４． 請求の範囲第２項あるいは第３項に記載された燃料集合体において、前 記材料には、即ち、軸線方向ギャップ（１５ａ）を取り囲んだ頂部プラグ（１５ ）あるいは被覆管（７ａ）には、混合ベーン（１９）あるいはフランジ（２０） が配置されている原子炉の燃料集合体。 ５． 請求の範囲第４項に記載された燃料集合体において、該混紡ベーン（１ ９）が前記材料の外側へ面した表面から外側へ延在したバーとして形成され、頂 部プラグ（１５）の中心軸線（Ｃ）に対して角度（α）をなして配置されている 原子炉の燃料集合体。 ６． 請求の範囲第１項から第５項のいずれか１項に記載された燃料集合体に おいて、前記軸線方向ギャップ（１５ａ）の直径が被覆管（７ａ）の主部分の内 直径に等しい原子炉の燃料集合体。