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発明の名称 燃料集合体および沸騰水型原子炉
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2005−249577(P2005−249577A)
公開日 平成17年9月15日(2005.9.15)
出願番号 特願2004−60349(P2004−60349)
出願日 平成16年3月4日(2004.3.4)
代理人
発明者 秋葉 美幸 / 師岡 慎一
要約 課題
親水性被膜を施す部位が少なく親水性被膜を容易に設けることができ、限界出力が高く摩擦損失の小さい燃料集合体および運転コストの低減された沸騰水型原子炉を提供する。

解決手段
核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒2と、複数の燃料棒2の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレート6および下部タイプレート7と、複数の燃料棒2を支持固定するスペーサ4と、複数の燃料棒2の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックス1とを有する燃料集合体において、前記複数の燃料棒2の長さ中央位置11から上部にのみ燃料棒の表面に親水性の被膜12を設けた構成とする。
特許請求の範囲
【請求項1】
核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒を支持固定するスペーサと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記複数の燃料棒の長さ中央位置から上部にのみ燃料棒の表面に親水性の被膜を設けたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項2】
前記親水性の被膜を設ける部分を上部3スペーサ間のみとした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】
前記親水性の被膜を設ける部分を上部3スペーサそれぞれの下部のみとしたことを特徴とする請求項1に記載の燃料集合体。
【請求項4】
核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒を支持固定するスペーサと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記下部タイプレートの冷却材流路孔の内表面に親水性の被膜を設けたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項5】
前記親水性の被膜は金属酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項1または4に記載の燃料集合体。
【請求項6】
前記金属酸化物は光照射あるいは放射線照射によって親水性が増す材料であることを特徴とする請求項5に記載の燃料集合体。
【請求項7】
核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒を支持固定するスペーサと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記上部タイプレートの冷却材流路孔の内表面に撥水性の被膜を設けたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項8】
核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒を支持固定するスペーサと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記燃料棒の発熱上端から上部タイプレートまでの燃料棒外表面に撥水性の被膜を設けたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項9】
前記撥水性の被膜は酸化チタンを担持していることを特徴とする請求項7または8に記載の燃料集合体。
【請求項10】
前記撥水性の被膜は表面に微細な凸凹を有することを特徴とする請求項7または8に記載の燃料集合体。
【請求項11】
請求項1ないし10のいずれかに記載の燃料集合体を炉心に備えていることを特徴とする沸騰水型原子炉。

発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は原子力発電等に用いられる燃料集合体および前記燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【0002】
沸騰水型原子炉(BWR)に用いられる燃料集合体では、原子力プラントの運転コスト低減を実現するため、限界出力が高く圧力損失の小さい燃料集合体が求められている。
沸騰水型原子炉に用いられる典型的な燃料棒集合体は、図7に示すように、ほぼ正方形断面を有する金属製の筒状のチャンネルボックス1内に、燃料棒2およびウォータロッド3の束が正方格子状に配置されている。すなわち、ハンドル5を有する上部タイプレート6と下部タイプレート7のあいだに60本の燃料棒2が固定され、中心部に各4本の燃料棒2に相当する太径の2本のウォータロッド3が設けられている。燃料棒2は、金属製の被覆管の中にペレット状の核燃料を充填して構成されている。
【0003】
燃料棒2とウォータロッド3の相互間の水平方向間隔を一定に保持するため、燃料スペーサ4が、鉛直方向に間隔をあけて複数個設けられている。さらに、燃料スペーサ4によって束ねられた燃料棒2とウォータロッド3をチャンネルボックス1によって取り囲んでいる。チャンネルボックス1は上部タイプレート6に取り付けられ、下部タイプレート7の外側面までを覆っている。なお、符号8は下部タイプレート7のネットワーク部であり、符号9は下部端栓である。
【0004】
このような構成の燃料集合体において、燃料スペーサ4は、燃料棒2とウォータロッド3の相互間のギャップ、およびチャンネルボックス1と燃料棒2およびウォータロッド3間のギャップを保持し、燃料集合体の形状を維持するという役割を持っている。一般的に燃料スペーサ設計では下記の考慮がなされている。
【0005】
すなわち、燃料集合体の耐震性、燃料棒間隔の保持、燃料棒振動の抑制、燃料棒熱膨張のゆとり、燃料集合体の組立の容易さ、燃料棒との接触面積の最小化、熱的限界出力の最大化、燃料集合体の圧力損失の最小化、寄生的中性子吸収の最小化、部品点数の最小化、の10項目である。
【0006】
冷却材10が下部タイプレート7から流入し、チャンネルボックス1内を上向きに流れて、燃料棒2からの熱を除去する。燃料集合体内では、燃料棒2からの熱伝達により、冷却材は沸騰して蒸気と水の混合した二相流となり、下流側すなわち上方に進むにつれて蒸気割合(ボイド率)が増加する。軸方向中央から上部の区間では、断面に占める蒸気の割合は50%を超え、蒸気流が高速で流れる二相流となっている。
【0007】
その際、気相は主として、燃料棒2の間の比較的広い流路中を流れ、液相は一部が気相に随伴して流れ、その一部は燃料棒2の表面やチャンネルボックス1の表面を液膜流として流れる。燃料棒2の表面を流れる液相が減少すると、燃料棒2の表面の熱伝達率が低下し(沸騰遷移(BT)開始)、過熱(ドライアウト)が起こるおそれがある。
【0008】
燃料集合体の熱的限界は、核沸騰領域から遷移沸騰領域に移行する状態であり、その時の熱流束は限界熱流束と定義されている。通常運転中の沸騰モードは核沸騰領域である。この領域は安定した状態であり、燃料棒の表面(被覆管表面)温度は冷却材の飽和温度より数度高い程度の温度でほぼ一定に保たれる。一方、ドライアウト点を超えると、燃料棒の表面温度と冷却材の飽和温度との差(過熱度)が次第に大きくなり、熱伝達が不安定な沸騰状態になる。
【0009】
ドライアウト点は実際に被覆管の熱的破損に結びつく限界点ではないが、燃料棒としては通常運転および単一故障の過渡変化中においても許容されない沸騰領域である。このドライアウト点は圧力、冷却材流量、燃料集合体の形状、軸方向の出力分布、燃料棒の出力分布等のパラメータに依存することが実験的に知られている。
【0010】
炉心の熱的余裕に関する指標として現在用いられているものには次式に示す限界出力比がある。
限界出力比=(燃料集合体の或る点で沸騰遷移を生じさせる燃料集合体出力)/(実際の燃料集合体出力)
【0011】
設計指標としては、炉心内各位置の燃料集合体の最小の限界出力比を用いている。したがって、原子力プラントの運転コスト低減のためには、熱的限界出力の高い燃料集合体設計が求められており、燃料スペーサ、燃料棒などのハード設計や燃料濃縮度分布、燃焼管理などのソフト設計の目的の一つになっている。
【0012】
限界出力を向上させる燃料集合体として、燃料被覆管に親水性被膜を施すというものがある(例えば下記特許文献1参照)。この手法は燃料棒の少なくとも上部に親水性の被膜を施すというものである。しかしながら、被膜の形成部位が非常に広範囲で、実用的でないという問題がある。
【0013】
一方、燃料集合体内を流れる冷却材は再循環ポンプにより強制循環される。燃料集合体内では、前述の通り、冷却材10が下部タイプレート7から流入し燃料棒2間を上昇し、上部タイプレート6から流出する。冷却材10が燃料棒2の表面や上・下部タイプレート6,7と接触する表面性状により発生する摩擦圧力損失は、必要とされるポンプ動力の大きさに影響する。したがってポンプ動力の低減による原子炉運転コスト減少を図るためには、燃料集合体の圧力損失の低下が望まれている。
【0014】
さらに、高速蒸気流にさらされる燃料被覆管および上・下部タイプレートは、腐食やクラッド付着が避けられない環境に置かれている。腐食やクラッド付着の経年変化は流れの摩擦圧力損失の増加を引き起こす。したがって、今後の運転サイクルの長期化による燃料集合体の経年変化の抑制は重要な課題と考えられる。しかしながら、現行技術に対してさらに経年変化の抑制を図る技術は知られていない。
【特許文献1】特願2003−203956号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
上述のように、従来の燃料集合体においては、親水性被膜を設ける部位が広範であり実用的でない、あるいはクラッド付着などの経年変化により摩擦損失が増加するという問題がある。
【0016】
本発明は上述した問題を解決するためになされたものであり、親水性被膜を施す部位が少なく親水性被膜を容易に設けることができ、限界出力が高く摩擦損失の小さい燃料集合体および運転コストの低減された沸騰水型原子炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
請求項1から請求項10までの発明は燃料集合体であり、請求項1の発明は、核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒を支持固定するスペーサと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記複数の燃料棒の長さ中央位置から上部にのみ燃料棒の表面に親水性の被膜を設けた構成とする。
【0018】
請求項2の発明は、前記親水性の被膜を設ける部分を上部3スペーサ間のみとした構成とする。
請求項3の発明は、前記親水性の被膜を設ける部分を上部3スペーサそれぞれの下部のみとした構成とする。
【0019】
請求項4の発明は、核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒を支持固定するスペーサと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記下部タイプレートの冷却材流路孔の内表面に親水性の被膜を設けた構成とする。
【0020】
請求項5の発明は、前記親水性の被膜は金属酸化物を主成分とする構成とする。
請求項6の発明は、前記金属酸化物は光照射あるいは放射線照射によって親水性が増す材料である構成とする。
【0021】
請求項7の発明は、核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒を支持固定するスペーサと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記上部タイプレートの冷却材流路孔の内表面に撥水性の被膜を設けた構成とする。
【0022】
請求項8の発明は、核燃料を充填し相互間に冷却材の流れる隙間を存して設けられた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒を支持固定するスペーサと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体において、前記燃料棒の発熱上端から上部タイプレートまでの燃料棒外表面に撥水性の被膜を設けた構成とする。
【0023】
請求項9の発明は、前記撥水性の被膜は酸化チタンを担持している構成とする。
請求項10の発明は、前記撥水性の被膜は表面に微細な凸凹を有する構成とする。
請求項11の発明は沸騰水型原子炉であり、請求項1ないし10のいずれかに記載の燃料集合体を炉心に備えている構成とする。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、親水性被膜を施す部位が少なく親水性被膜を容易に設けることができ、限界出力が高く摩擦損失の小さい燃料集合体および運転コストの低減された沸騰水型原子炉を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、本発明の第1ないし第7の実施の形態の燃料集合体および沸騰水型原子炉について、図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
まず、図1を用いて第1の実施の形態を説明する。本実施の形態の燃料集合体は、燃料棒2の軸方向中央位置11から上の表面部分に親水性被膜12を施した構成である。
【0026】
軸方向中央位置11から上部の区間では冷却材10の流れの断面に占める蒸気の割合が50%を超え、蒸気流が高速で流れる二相流様式となっている。そのため、液膜の消失、すなわちBTはこの区間で生じる可能性が高い。従ってこの区間に親水性被膜12があると、被覆管表面の液膜が形成され易くなり、液膜の消失を抑制することができることから、燃料集合体の限界出力を増大させることが可能となる。
【0027】
本実施の形態の燃料集合体は、BT発生区間である軸方向中央位置11から上の表面部分に親水性被膜12を設けるので、摩擦損失の増加が少なく、かつ限界出力を増大することができる。
【0028】
(第2の実施の形態)
次に、本発明に係る燃料集合体の第2の実施の形態を図2を用いて説明する。本実施の形態は、最上段の燃料スペーサ4aから上から4段目の燃料スペーサ4d間の燃料棒2の表面に親水性被膜12を施した構成である。実機条件下でのBT発生位置は、最上段の燃料スペーサ4a、上から2段目および3段目の燃料スペーサ4b,4cの下、冷却材の流れでは直上流で発生することが報告されている。本実施の形態においては、最上段の燃料スペーサ4aから上から4段目の燃料スペーサ4d間に親水性被膜12が施してあるので、BTの発生し易い位置の液膜消失が抑制されるとともに、摩擦損失の増加が少なく高限界出力の燃料集合体を得ることができる。
【0029】
(第3の実施の形態)
本発明に係る燃料集合体の第3の実施の形態を図3を用いて説明する。本実施の形態は、最上段の燃料スペーサ4a、上から2段目の燃料スペーサ4bおよび3段目の燃料スペーサ4cの直上流(位置としては下)の燃料棒2の表面に親水性被膜12を施した構成である。上記のように、実機条件下でのBT発生位置は、最上段の燃料スペーサ4a、上から2段目の燃料スペーサ4bおよび3段目の燃料スペーサ4cの直上流で発生することが報告されている。本実施の形態においては、BT発生位置に親水性被膜12が施してあるので、液膜消失が抑制されるとともに、摩擦損失の増加が少なく高限界出力の燃料集合体を得ることができる。
【0030】
(第4の実施の形態)
本発明に係る燃料集合体の第4の実施の形態を図4を用いて説明する。図4(a)に示すように、本実施の形態の燃料集合体は、下部タイプレート7のネットワーク部8の冷却材流路13の内壁面に親水性被膜12を施した構成である。図4(b)に示すように、クラッド14のような汚れが付着した場合、親水性被膜12が形成してあると、冷却材10が親水性被膜12とクラッド14の間に入り込んでクラッド14を浮かせて洗い流し、クラッド14がさらに付着することがなく、圧損の増大を防ぐことができる。
【0031】
以上説明した第1から第4の実施の形態において、親水性被膜12の材料として、酸化物半導体、例えば酸化チタンを用いると、原子炉内のチェレンコフ光などの光照射により酸化物半導体の表面が励起され、超親水性になる。
【0032】
酸化物半導体としては、TiO、PbO、BaTiO、Bi、ZnO、WO、SrTiO、Fe、FeTiO、KTaO、MnTiO、SnOが知られている。その中で酸化チタンは、可視光を含む低い光エネルギーにより、光触媒反応を誘起することで親水性の特性が飛躍的に増大し、超親水性となるので、特に好適である。
【0033】
(第5の実施の形態)
本発明に係る燃料集合体の第5の実施の形態を図5を用いて説明する。すなわち、上部タイプレート6の冷却材流路15の内表面に撥水性被膜16を施した構成である。冷却材流路15の内表面には微細な凸凹加工が施されている。冷却材流路15には水と蒸気の混合した二相流が流れるが、蒸気の一部は前記微細な凸凹にトラップされる。こうして冷却材流路15の内表面は撥水性となり、水と固体面の接触が抑制され圧力損失が減少する。
【0034】
(第6の実施の形態)
本発明に係る燃料集合体の第6の実施の形態を図6を用いて説明する。燃料棒2は全長にわたり発熱しているわけではなく、燃料棒内部のペレット内部での核分裂により発生するガスにより燃料棒内部の圧力増加を緩和するため、燃料棒2の上部にはペレットが挿入されていないガスプレナムが設けられている。発熱上端位置17がペレットを挿入してある上端で、これ以下は発熱はしているが、これより上部は燃料棒よりの発熱はない。したがって、この非発熱部には熱を除去する冷却材(水)を接触させる必要がなく、上記撥水性被膜16を形成することにより、圧力損失を低減することができる。
【0035】
(第7の実施の形態)
本発明に係る燃料集合体の第7の実施の形態を説明する。第5、第6の実施の形態の燃料集合体において、撥水性被膜16の表面に汚れが付着して撥水性が低下してしまう恐れがある。そこで、撥水性皮膜16の形成時に酸化チタンなどの酸化物を撥水性被膜16の表面に部分的に付着させておく。このようにすることにより、光触媒反応により汚れが分解され、撥水性が低下してしまうことがなくなり、長期にわたり撥水性能を保持できる。
【0036】
また、以上に説明した第1ないし第7の実施の形態の燃料集合体を炉心に備えた沸騰水型原子炉は、冷却材循環ポンプの必要動力の経時的な増大が抑制され、運転コストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の第1の実施の形態の燃料集合体を模式的に示す立面図。
【図2】本発明の第2の実施の形態の燃料集合体を模式的に示す立面図。
【図3】本発明の第3の実施の形態の燃料集合体を模式的に示す立面図。
【図4】本発明の第4の実施の形態の燃料集合体を示し、(a)は要部の断面図、(b)は作用を説明する図。
【図5】本発明の第5の実施の形態の燃料集合体の要部を示す断面図。
【図6】本発明の第6の実施の形態の燃料集合体の要部を模式的に示す立面図。
【図7】沸騰水型原子炉に用いられる従来の燃料集合体の立面図。
【符号の説明】
【0038】
1…チャンネルボックス、2…燃料棒、3…ウォータロッド、4,4a,4b,4c…燃料スペーサ、5…ハンドル、6…上部タイプレート、7…下部タイプレート、8…ネットワーク部、9…下部端栓、10…冷却材、11…軸方向中央位置、12…親水性被膜、13,15…冷却材流路、14…クラッド、16…撥水性被膜、17…発熱上端位置。





 

 


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