JP2004361130A - 沸騰水型原子炉の燃料集合体及び沸騰水型原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】製作が容易で、核的特性と限界出力特性の両方の向上を実現できる沸騰水型原子炉用燃料集合体、及びそのような燃料集合体を使用した沸騰水型原子炉を得ること。
【解決手段】正方格子状に配列された複数本の燃料棒と一本若しくは複数本の水ロッドとをスペーサにより束状に保持し、その束状の燃料棒を断面が擬似正方形のチャンネルボックスにより囲んだ沸騰水型原子炉の燃料集合体に関するものであり、角筒状に成形加工されたチャンネルボックス３０の隅角部に、チャンネルボックスの長手方向に延びる開口部３４を形成し、その開口部３４に、上記開口部を挟んで隣接するチャンネル壁間を連結するコーナ部材３５，３６を固定し、チャンネルボックス３０の高さ方向の一部分において、水平方向の断面が擬似多角形となるようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術的分野】
本発明は、沸騰水型原子炉用の燃料集合体及びその燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２１は、沸騰水型原子炉の炉心の概略構成を示す平面図であり、炉心内には複数の燃料集合体１０が格子状に装荷されており、４本の燃料集合体１０の中央部には制御棒１１が配設されている。また、炉心内には中性子束を検出するために複数個の局部出力領域モニタ１２が配置されている。
【０００３】
従来沸騰水型原子炉に採用されている燃料集合体１０は、図２２（ａ）、（ｂ）に示されている９×９燃料集合体の例のように、上部タイプレート１３及び下部タイプレート１４、これらのタイプレートに両端が保持される複数の燃料棒１５、及びウォータロッド１６、これらの燃料を束ねる燃料スペーサ１７、及び燃料スペーサ１７で束ねられた燃料棒束を取り囲み上部タイプレート１３に取り付けられるチャンネルボックス１８を備えている。燃料棒１５としては、高さが上部タイプレート１３まで達しない部分長の燃料棒１９が採用される場合もある。そして上記燃料集合体１０は、原子炉の炉心に格子状に装荷されるのが普通である。
【０００４】
ＢＷＲのチャンネルボックス１８は、図２３に示すように縦方向に長い薄肉のチャンネル壁から形成された筒状体であり、その断面は、通常、コーナー部に半径約１ｃｍの曲率の四分割円を有する、約１３ｃｍ四方の擬似正方形である。その材質としては、ジルカロイが用いられる場合が多く、肉厚は、２ｍｍ〜３ｍｍ程度である。現在商用ＢＷＲで使用されている燃料集合体用のチャンネルボックスは、一般的に、コの字状に成形した２枚の金属板を、チャンネルボックス側面中央部の縦方向に溶接し、箱型とすることにより製造されている。
【０００５】
さらに、各燃料集合体１０は、図２４に示すように、炉心支持板２０及び上部格子板２１で支持され、円筒形のシュラウド２２に囲まれている。冷却材２３は、下方より、燃料支持金具２４のオリフィス及び燃料集合体１０の下部タイプレート１４を経由してチャンネルボックス１８内に流入し、燃料集合体により熱せられ、沸騰により蒸気（ボイド）を発生し、気液二相流となる。現在運転されている商用ＢＷＲでの燃料集合体有効長さは、約３．７ｍである。このとき、一部の冷却材は、下部タイプレート１４に開けられた小孔（リークホール）等を通って、チャンネルボックス１８の外側（バイパス領域）に流れ込む。バイパス領域の入口では大きな圧力損失が発生するため、チャンネルボックス１８の内側と外側を流れる冷却材では圧力差が生じる。特に、冷却材圧力が高くなっているチャンネルボックス１８の入口部で、相対的に前記内外差圧の効果は大きくなっている。そのため、チャンネルボックス１８は、その内外の冷却材圧力の違いによる内側から外側に対する力が働くこと、及び、制御棒ローラーの接触面になることを考慮して、強度設計がなされている。
【０００６】
以上のような沸騰水型原子炉における燃料集合体としては、国内で商用の発電が行われて以来、７行７列型、８行８列型、改良８行８列型、高燃焼度８行８列型、そして９行９列型が採用されるに至っている。これらの改良により燃料集合体当たりの核分裂性物質の収容量が増加し、集合体内濃縮度分布の最適化と可燃性毒物の最適配置により、高燃焼度化と長期運転サイクル化が実現され、炉心の経済性は向上している。高燃焼度８×８燃料から９×９燃料では、燃料棒本数の増加によって総伝熱面積が増加するため、限界出力特性が改善される。また、２本の太径ウォータロッドの採用等により高燃焼度化／長期運転サイクル化に伴うボイド反応度係数絶対値増加による核的要因に基づく安定性の低下が回避されている。
【０００７】
図２５は、水ギャップ面積と水ロッド面積の和を一定としたとき、両者の比率と冷温時反応度上昇量、及び、二相流領域の蒸気ボイド率が４０％のときの中性子無限増倍率との関係を示している。水ギャップ面積割合が大きいと、減速された中性子がギャップ水で無駄に吸収される割合が増し、過減速状態に近づくので冷温時反応度上昇は小さくなる。一方、水ロッド面積割合が大きい程燃料集合体中の減速材分布が平坦化されるので通常運転時の中性子増倍率は高くなる。
【０００８】
なお、スペーサ圧損係数の低減と８本の部分長燃料棒、及び、高圧損型下部タイプレートの採用により、集合体格子の増加に伴う二相圧損増加による熱水力的要因に基づく安定性の低下は回避されている。
【０００９】
ここで、限界出力特性とは、与えられた運転条件下（出力、流量、圧力、入口エンタルピ）で、当該燃料集合体にて遷移沸騰が発生する出力閾値の高低を意味する。限界出力特性は、燃料集合体格子数（例えば８×８、９×９）の他に、炉心燃料格子形状（チャンネルボックスの内幅が広いＣ格子、Ｄ格子、Ｎ格子のグループと、チャンネルボックスの内幅が狭いＳ格子）、スペーサタイプ、ウォータロッド本数・形状・配置等によっても影響を受ける。このため、新燃料集合体の開発に当たっては、通常、実寸の模擬燃料集合体に対して、ＢＷＲ運転条件下での熱水力試験を行い、限界出力特性を確認している。図２６は、９×９燃料でのコーナー部燃料棒の限界出力特性を示す図であって、流量の増加に伴い限界出力は向上する。
【００１０】
さらに、試験結果は、ＢＷＲ燃料集合体についての熱水力解析コードを用いることにより、「限界クオリティ対沸騰長さ」の関係を表す沸騰遷移相関式に整理される。その代表的なものとして米国ＧＥ社が開発したＧＥＸＬ相関式であり、現在運転中の商用ＢＷＲでは、燃料集合体のタイプ毎に求められたＧＥＸＬ相関式を基にして、定常運転時の最小限界出力比（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ、以下ＭＣＰＲと記す）と、過渡時のＭＣＰＲ変化量（ΔＭＣＰＲ）が評価される場合が多い。
【００１１】
ＢＷＲ燃料集合体の限界出力試験と、ＧＥＸＬ相関式については、“ＴＬＲ−００９（改訂４）「沸騰水型原子力発電所 ＧＥＴＡＢの概要、平成１０年１月株式会社東芝」”（非特許文献１）、または、“ＨＬＲ−００７（訂４）「沸騰水形原子力発電所 原子炉の熱特性評価法（ＧＥＴＡＢ）について、平成９年１２月 株式会社日立製作所」”（非特許文献２）に詳しい。また、炉心燃料格子形状については、“ＴＬＲ−０４６「沸騰水型原子力発電所“炉心燃料格子形状”、平成６年４月 株式会社東芝」”（非特許文献３）、または、“ＨＬＲ−０４９「沸騰水型原子力発電所“炉心燃料格子形状”、平成６年４月 株式会社日立製作所」”（非特許文献４）に具体的な記載がある。
【００１２】
ところで、チャンネルボックス１８内を流れる冷却材は下部からチャンネルボックス１８内を上昇すると共に燃料棒１５により加熱され、沸騰して液相と気相からなる気液二相流となって上部を通過する。その際、気相は主として、燃料棒１５に挟まれた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１５の表面を流れる。
【００１３】
図２７に示すように、チャンネルボックス１８の下端近傍は冷却材が飽和温度以下から飽和温度にまで加熱される領域Ａであり、チャンネルボックス内部には蒸気は存在せず水が充満している。チャンネルボックス内部の軸方向の大半の領域Ｂでは冷却材流は蒸気と水の混合物からなり、チャンネルボックス１８の内壁および各燃料棒１５の表面には水の液膜２５が形成される。軸方向に上方に行くに従って冷却材は蒸気２７と液滴２６となり、燃料棒１５からの加熱により発生した蒸気２７の冷却材流の中で占める体積が増え、燃料棒表面に接する液膜２５の厚さは減少する。もし、燃料棒１５に接する液膜２５の厚さが過小でその燃料棒１５の発熱が大きいときは、冷却効率が低下して燃料棒１５が過熱状態になり、極端な場合には遷移沸騰を経て膜沸騰状態に至り燃料棒１５が破損する可能性が生じる。原子炉は、いかなる事態においてもこのような状況にならないように設計されなければならない。一方、燃料棒１５と異なりチャンネルボックス１８はほとんど発熱しないので、チャンネルボックス１８の内壁の液膜は厚いままで上方に流れる。
【００１４】
燃料棒１５の表面を流れる液相が減少すると、燃料棒表面の熱伝達率が低下し（沸騰遷移開始）、過熱が起こるおそれがある。このような燃料棒表面の過熱状態（限界出力）を生じさせないために、冷却材混合による燃料棒表面への液相の供給の観点から限界出力の増加方法が提案されている。
【００１５】
例えば、特公平８−１７２６４号公報「燃料集合体」では、燃料棒１５の冷却に使われる冷却材割合を増加して冷却効率を増加させるために、燃料棒１５の冷却に寄与していないチャンネルボックス１８の表面を流れる液相を燃料棒１５に振り向ける作用を有する図２８に示したような横溝状フロートリッパ２８をチャンネルボックス１８の内壁に設けることが開示されている。この横溝状フロートリッパ２８はチャンネル出口方向に対して削り量が増加する複数の溝状を呈しており、チャンネルボックス１８の内面を流れる液膜２５にチャンネルボックス１８から離れる方向の速度を与えることにより、燃料棒１５の冷却に使われる冷却材割合を増加させる効果がある。図２８に詳細に示すように、チャンネルボックス１８の側面壁の横溝状フロートリッパ２８はテ―パ―部２８ａとエッジ部２８ｂとからなっている。側面壁の表面に形成した液膜２５は、テ―パ―部２８ａに沿って下から上に向かって流れ、エッジ部２８ｂにぶつかるとそこで方向を変え、水滴２６となって燃料棒１５の方へ飛ばされる。この水滴２６が燃料棒１５に付着してその液膜２５を厚くすることによって燃料棒１５の冷却効率が高められる。
【００１６】
次に、安定性とは、プラント起動時または停止時に運転点が低流量／高出力状態となった場合、或いは、プラントで再循環ポンプ１台トリップ等の過渡変化が発生し、運転点が低流量／高出力に移行したときの、中性子束振動の減衰特性を意味する。炉心は、全運転領域で安定であることが望ましく、安定性の判定パラメータである中性子束振動の減幅比が１．０未満であることを解析により確認している。逆に、減幅比１．０に対して余裕の少ない運転領域は、選択制御棒挿入（Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｒｏｄｓ Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ；以下、「ＳＲＩ」と記す）や安定性制限曲線により除外される。安定性の種類には、特に最高出力チャンネルの熱水力的な安定性に注目したチャンネル安定性、炉心全体の位相が揃った中性子束振動である炉心安定性、炉心周方向に対称軸を有し１８０度位相がずれた中性子束振動である領域安定性がある。それぞれの安定性の軸方向出力分布への感度は、炉心安定性が一般に平坦な分布ほど厳しい方向であり、チャンネル安定性、領域安定性は下部ピークな分布ほど厳しい方向となっている。炉心安定性では、他の安定性と軸方向出力分布への感度が異なるのは、炉心安定性では核的フィードバックの効果が大きく、これはボイド率の高いところで出力ピークが高いときに、大きな影響となって現れるためである。ＢＷＲの安定性については、“ＴＬＲ−０１０（改訂３）「沸騰水型原子力発電所“安定性解析手法について”、平成１０年２月、株式会社東芝」”（非特許文献５）、または、“ＨＬＲ−０１３（訂３）「沸騰水型原子力発電所“安定性解析手法について”、平成１０年２月、株式会社日立製作所」”（非特許文献６）に記述がある。
【００１７】
図２９に、９×９ウラン燃料を全数装荷したＢＷＲプラントの炉心安定性解析結果を示す。ここで、安定性解析は、冷却材の再循環系を含むＢＷＲ炉心をモデル化した周波数領域の安定性解析コードで行ったものである。炉心安定性減幅比は、最低ポンプ速度曲線上の最大出力点で最も大きくなっており、９×９ウラン燃料を全数装荷した炉心では、減幅比が０．６７である。
【００１８】
このように、ＢＷＲ炉心では、各種設計改良により安定性の向上に努めているが、他方、ウラン資源の有効利用と使用済燃料発生量の削減を目的として軽水炉燃料の高燃焼度化が進められており、これにともなってウラン濃縮度は増加する傾向にある。ウラン濃縮度の増加により、ボイド反応度係数はより負になり、また、通常運転状態に対する冷温状態での反応度上昇量も増加する。沸騰水型原子炉では、熱水力フィードバック効果を含む炉心動特性や炉停止余裕など、炉の制御性の観点から、ボイド反応度係数や冷温時反応度上昇量を適切な値に保つ必要がある。ボイド係数や冷温時反応度上昇量を調整する方法として、中性子減速材である水の量を調整することが知られている。
【００１９】
沸騰水型原子炉では、燃料集合体下部からチャンネルボックス内に飽和状態に近い水が流入し、燃料棒からの伝熱により発生した蒸気がボイドを含む二相流となって燃料集合体上端から流出する。燃料集合体間はほぼ飽和状態にある水ギャップ領域となっているほか、チャンネルボックス内部にもほぼ飽和状態となっている領域を形成するため、水ロッドを燃料集合体中央付近に配置する場合がある。
【００２０】
また、冷温時反応度上昇量を低減するには、燃料集合体間の水ギャップ領域を増すのが有効である。さらに、チャンネルボックス上部の厚みを減らして水ギャップ領域を増加する構造でも、同様の効果が得られる。
【００２１】
なお、この種の燃料集合体に関連するものとしては、例えば特公平４−２７３９１号公報に開示されているように、燃料集合体の四隅に上部の燃料を欠如させた燃料棒（部分長燃料棒）を配置し、さらに燃料を欠如させた部分でチャンネルボックス１８のコーナー部を凹ませ核的特性の改善を図るようにしたものが挙げられる。
【００２２】
【特許文献１】
特公平８−１７２６４号公報
【特許文献２】
特公平４−２７３９１号公報
【特許文献３】
特開平５−８０１７２号公報
【非特許文献１】
ＴＬＲ−００９（改訂４）「沸騰水型原子力発電所 ＧＥＴＡＢの概要、平成１０年１月 株式会社東芝」
【非特許文献２】
ＨＬＲ−００７（訂４）「沸騰水形原子力発電所 原子炉の熱特性評価法（ＧＥＴＡＢ）について、平成９年１２月 株式会社日立製作所」
【非特許文献３】
ＴＬＲ−０４６「沸騰水型原子力発電所“炉心燃料格子形状”、平成６年４月 株式会社東芝」
【非特許文献４】
ＨＬＲ−０４９「沸騰水型原子力発電所“炉心燃料格子形状”、平成６年４月 株式会社日立製作所」
【非特許文献５】
ＴＬＲ−０１０（改訂３）「沸騰水型原子力発電所“安定性解析手法について”、平成１０年２月、株式会社東芝」
【非特許文献６】
ＨＬＲ−０１３（訂３）「沸騰水型原子力発電所“安定性解析手法について”、平成１０年２月、株式会社日立製作所」
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
沸騰水型原子炉の炉心内は、燃料物質の領域、蒸気ボイドを含む二相流流路、蒸気ボイドがほとんど発生しない飽和水領域、そして、構造材領域に分類できる。飽和水領域の割合を増やすことによってボイド反応度係数や冷温時反応度上昇量を低減できるが、このとき他の領域は犠牲になるので、飽和水領域を効果的に分布させることが重要である。従来の四角形状のチャンネルボックスを有する燃料集合体からなる炉心では、前述したようにチャンネルボックス間の水量は、燃料の核的特性および炉心の大きさ等の制限から、ある一定量以上にはできない。沸騰水型原子炉では、水は中性子を減速させ核分裂を起こしやすくする働きをもつ。したがって、水の量に制限があるということは原子炉燃料の燃焼度や中性子経済等に制限が生じてしまう嫌いがあり、また、ウランとプルトニウムを混合した燃料（ＭＯＸ燃料）では、中性子吸収が多くなり、減速材である水が従来のウランのみで作られた燃料より炉心中に多くあることが望ましい。
【００２４】
特公平４−２７３９１号公報、特開平５−８０１７２号公報に記載のチャンネルボックスでは、炉停止余裕の改善、および、ボイド係数絶対値の低減効果が考慮されているが、チャンネルボックスの厚さを薄肉化することによる強度上の問題と、チャンネルボックス断面を八角形、あるいは、コーナー部にＬ字状の凹部を設けた形状とするためには、製作技術上の課題があった。
【００２５】
また、フロートリッパの提案の代表的なものは、フロートリッパ用の加工位置は側面部としている。コーナー部に沿うように、溝状、または、土手状のフロートリッパを取付けることも可能であるが、従来のコ字状の２枚一組の板を使用して“折り曲げ＋溶接方式”によるチャンネルボックスの製作では、コーナー部形成時にフロートリッパ部に歪みが発生する可能性が強い。
【００２６】
さらには、多様な燃料・炉心形状に対応した最適化を行う上で、従来の燃料集合体とチャンネルボックスの組合せでは、炉心設計上の自由度が必ずしも十分とは言えないという改善点が残されていた。
【００２７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、製作が容易で、核的特性と限界出力特性の両方の向上を実現できる沸騰水型原子炉用燃料集合体、及びそのような燃料集合体を使用した沸騰水型原子炉を得ることを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、正方格子状に配列された複数本の燃料棒と一本若しくは複数本の水ロッドとをスペーサにより束状に保持し、その束状の燃料棒を断面が擬似正方形のチャンネルボックスにより囲んだ沸騰水型原子炉の燃料集合体において、角筒状に成形加工されたチャンネルボックスの隅角部に、チャンネルボックスの長手方向に延びる開口部を形成し、その開口部に、上記開口部を挟んで隣接するチャンネル壁間を連結するコーナ部材を固定し、チャンネルボックスの高さ方向の一部分において、水平方向の断面が擬似多角形となるようにしたことを特徴とする。
【００２９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、チャンネルボックスは２枚の長方形の薄板を長手方向でコの字状に折り曲げたものを溶接により角筒状に成形加工されたものであり、その隅角部に形成された長手方向に延びる開口部は、長方形の薄板の折り曲げ箇所に穴を開けた上でその薄板を折り曲げることにより形成されることを特徴とする。
【００３０】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、チャンネルボックスに形成された長手方向に延びる開口部に固定されるコーナ部材は、ジルカロイ−４、または、チャンネルボックスと同じ素材で、且つ、周方向の曲率がチャンネルボックス自体のコーナー部の曲率よりも小さいことを特徴とする。
【００３１】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに係る発明において、
チャンネルボックスに形成された長手方向に延びる開口部に固定されるコーナ部材は、板体または棒状体であることを特徴とする。
【００３２】
また、請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに係る発明において、コーナ部材の外側には、固体減速材が固定されていることを特徴とする。
【００３３】
請求項６に係る発明は、請求項１ないし５のいずれかに係る発明において、コーナ部材の内面側には、上流側から下流側に対してチャンネル内の流路面積が小さくなるようなテーパを有し水平方向に延びるフロートリッパが突設されていることを特徴とする。
【００３４】
請求項７に係る発明は、請求項１ないし６のいずれかに係る発明において、チャンネルボックス内の水平断面積を軸方向で比較したときに、燃料有効長さの下部領域の（０〜１／２）の最小水平断面積が、同じ燃料有効長さの上部領域（１／２〜２／２）の少なくとも一部の水平断面積と比べて大きいことを特徴とする。
【００３５】
請求項８に係る発明は、請求項１ないし７のいずれかに係る発明のおいて、燃料集合体のコーナー部の１本（×４）の燃料棒、または、コーナー部に隣接した燃料棒を含む３本（×４）の燃料棒を削除、あるいは、その一部を部分長燃料棒としたことを特徴とする。
【００３６】
請求項９に係る発明は、請求項１ないし８のいずれかに係る発明において、Ｄ格子炉心に装荷される場合に、反制御棒側の隅角部のみに、チャンネルボックスと同じ素材で、周方向の曲率がチャンネルボックス自体の曲率よりも小さなコーナー部材が設けられていることを特徴とする。
【００３７】
請求項１０に係る発明は、沸騰水型原子炉において、請求項１〜９に記載した燃料集合体を装荷したことを特徴とする。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図示を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３９】
まず、図１〜図４に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は、本発明における第１の実施の形態の燃料集合体に使用するチャンネルボックス３０の斜視図であり、チャンネルボックス３０は、２枚の長方形の薄板を長手方向に断面コ字状に折り曲げた折曲片３１、３１を、図中点線で示す部分で互いに溶接することにより角筒状に成形加工されている。
【００４０】
図２は、上記断面コ字状に折り曲げた折曲片３１、３１を組立て・溶接固定する前の、チャンネルボックスの構成部品である長方形の薄板（ジルカロイ合金製平板）３２の平面図であり、基本となる薄板３２には、それぞれの折り曲げ箇所（破線部）３２ａに、チャンネルボックスの長手方向に延びる２個の長方形の穴３３、３３が形成されている。そして、この２個の長方形の穴３３、３３が形成されている薄板３２が上記折り曲げ箇所（破線部）３２ａに沿って断面コ字状に折り曲げられ、その断面コ字状に折り曲げた折曲片３１、３１の２個を互いに溶接することにより、図１に示すような縦方向に長い薄肉のチャンネル壁を有する角筒状のチャンネルボックスに形成される。
【００４１】
ところで、このように断面コ字状に折り曲げた折曲片３１、３１を互いに溶接することにより角筒状に形成されたチャンネルボックス３０の隅角部には、図３に拡大して示すように、上記穴３３、３３により開口部３４が形成される。そこで、その各開口部３４の互いに対向する左右両側縁３４ａ、３４ａには、チャンネルボックス３０の上記開口部を挟んで隣接するチャンネル壁間を連結する長方形の合金製平板３５が溶接により固定されており、上記開口部３４の下縁と合金製平板３５の下端縁とで囲まれた部分及び開口部３４の上縁と合金製平板３５の上端縁とで囲まれた部分は、三角状の遮板３６によってそれぞれ遮蔽されている。このようにして、上記開口部３４が上記合金製平板３５と上下の遮板３６とからなるコーナ部材により密閉されるとともに、上記合金製平板３５部に於いては水平断面が擬似八角形に形成されている。
【００４２】
図４（ａ）、（ｂ）は、チャンネルボックス３０を、１０×１０格子の燃料集合体４０に適用した場合の例である。燃料集合体４０は、前述の９×９格子の燃料集合体の構造と同様にして、上部タイプレートおよび下部タイプレートに両端部が保持される複数の全長燃料棒４１（被覆管外径約１０ｍｍ×有効長約３．７ｍ）、および、ウォータボックス４２、および燃料棒４１とウォータボックス４２の相互の間隔を保持する合計７個の燃料スペーサ（下から上に向かって、第１スペーサ〜第７スペーサと称する）を備えている。この場合、燃料集合体４０の４つのコーナー部での燃料棒４１ａは、長さが全長燃料棒４１の約１／２の部分長燃料棒（Ｐ）となっている。図４（ａ）は、燃料集合体４０をチャンネルボックス３０で覆ったときの、高さ方向１／２〜２／２の一部での水平断面図（擬似八角形となっている）、図４（ｂ）は、同じく、高さ方向０／２〜１／２の一部での水平断面図（擬似正方形となっている）を表している。
【００４３】
図５は、上記チャンネルボックス３０と燃料集合体４０を炉心に装荷したときの、炉心安定性の解析結果を示したものである。本実施の形態の場合は、チャンネルボックス３０内のボイド率が高い領域で、バイパス領域の水の面積が増加することから、負のボイド係数が小さくなる。このため、炉心安定性が改善され、最低ポンプ最大出力点での減幅比は０．４５となっている。さらに、本例では、原子炉の停止余裕を大きくできる効果も得られる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施の形態を図６〜図９に基づいて説明する。第１の実施の形態と同様にして、図６は、チャンネルボックスを組立て・溶接固定する前の、構成部品（ジルカロイ合金製平板）を示したものである。チャンネルボックスの基本となる合金製平板４３には、それぞれの折り曲げ箇所（破線部）の上方（チャンネル出口部）に、２個の長方形状の切り込み４４、４４が設けられている。合金製平板４３の長方形状の切り込み４４には、折り曲げ後に形成される三角柱状の開口部において上記開口部を挟んで隣接するチャンネル壁間を連結するように、図７（ｂ）に示すようなコーナ部材を構成する合金製平板４５が溶接により固定されている。また、合金製平板４５の下端部に於いては図７（ｃ）に示すような三角形状の遮板４６により開口部が遮蔽されている。ここで、合金製平板４５の内側表面には、図７（ｂ）に示すように、第５スペーサ〜第７スペーサの下端高さから数ｍｍ下に合わせて、スペーサ部の下端にて上流側から下流側に対して流路面積が小さくなるようなテーパが設けられたフロートリッパ４５ａが形成されている。フロートリッパ４５ａの上端部は、平面部に対して約１ｍｍ高くなったエッジ（刃形）を形成している。このような加工処理を、全ての隅角部に施すことにより、軸方向の水平断面の一部が擬似八角形となるチャンネルボックス４７として形成されている。
【００４５】
図８（ａ）は、１０×１０格子の燃料集合体４０をチャンネルボックス４７で被覆したものの、高さ方向１／２〜２／２の一部での断面図、図８（ｂ）は、同じく高さ方向０／２〜１／２の一部での断面図を示したものである。燃料集合体４０は、前記９×９燃料集合体の構造と同様にして、上部タイプレートおよび下部タイプレートに両端部が保持される複数の全長燃料棒４１、およびウォータボックス４２、並びに燃料棒４１とウォータボックス４２の相互の間隔を保持する合計７個の燃料スペーサ（下から上に向かって、第１スペーサ〜第７スペーサと称する）を備えている。この場合、燃料棒４１は、所定のピッチで格子状に配置されるが、コーナー部の各１本、合計４本の燃料棒４１ａは長さが全長燃料棒の約１／２の部分長燃料棒としている。
【００４６】
フロートリッパ４５ａによる冷却効率の改善効果は、スペーサによる冷却材（水・蒸気の二相流）の攪拌、液滴の下流側への飛散、そして、燃料棒４１への付着によって得られる効果と本質的には同じものである。スペーサによる二相流の攪拌に起因する燃料棒への液滴の付着は、スペーサ上端位置から離れる程、量が小さくなることから、フロートリッパ４５ａにより、スペーサ外周部下端からやや上流付近での液滴の付着を促すことで、図９に示すように、特に、コーナー部２本（×４）の燃料棒の限界出力が、従来の９×９燃料のコーナー部１本（×４）の燃料棒の限界出力と比べて大幅に向上する。
【００４７】
上述した例以外にも、フロートリッパを側面部（内側）に設け、さらに、フロートリッパのエッジ部の上向き角度、形状を、コーナー部と側面部で変えることにより、燃料集合体外周部の除熱特性を最適化することも可能である。
【００４８】
また、このようにして製造されたチャンネルボックスと燃料集合体を、炉心に装荷した場合には、外部のコーナー部の広くなった空間に水が沸騰せずに多く流れるのでボイド反応度が小さくなり、原子炉の安定性が改善されるとともに、原子炉の停止余裕を大きくできる効果も得られる。また、従来型チャンネルボックスに対しては設置が難しかったコーナー部へも、側面部と同様にしてフロートリッパを設けることができ、これによりコーナー部を含む燃料集合体外周部の限界出力特性の大幅な向上効果が得られる。
【００４９】
次に、本発明の第３の実施の形態を図１０〜図１２に基づいて説明する。第１、第２の実施の形態と同様にして、図１０（ａ）は、チャンネルボックスを組立て・溶接固定する前の、構成部品（ジルカロイ合金製平板）を示したものである。このとき、基本となる２枚の合金製平板の何れか一方の合金製平板５０の折り曲げ箇所（破線部）の片方のみに、１個の逆台形と逆三角形を組み合わせた穴５１があけられている。そして、折り曲げ後に形成される三角柱状の開口部に、図１０（ｂ）に示すような逆三角形状の合金製平板５２からなるコーナ部材が溶接により固定され、上記開口部を挟んで隣接するチャンネル壁間が連結されている。また、上部の三角形の開口部は図１０（ｃ）に示すような三角形状の遮板５３により遮蔽されている。
【００５０】
その結果、図１１に示すような、軸方向水平断面の一部が擬似五角形で、チャンネルボックス内の流路面積が上流側から下流側にかけて減少するチャンネルボックス５４として製造される。
【００５１】
図１２及び図１３は、チャンネルボックス５４を、１０×１０格子の燃料集合体６１に適用し、炉心格子形状がＤ格子の炉心に装荷した場合の例である。燃料集合体６１は、上部タイプレートおよび下部タイプレートに両端部が保持される複数の全長燃料棒４１、及びウォータボックス４２、並びに燃料棒４１とウォータボックス４２の相互の間隔を保持する合計７個の燃料スペーサを備えている。この場合、燃料集合体６１の４つのコーナー部での燃料棒１本（×４）４１ｃ（図１３（ｂ））は、長さが全長燃料棒の約１／３の部分長燃料棒（Ｓ）となっている。また、ウォータボックスの外側の燃料棒の内１本（×４）４１ｂ（図１３（ａ））は、長さが全長燃料棒の約２／３の部分長燃料棒（Ｌ）となっている。図１２（ａ）は、燃料集合体６１をチャンネルボックス５４で覆ったときの高さ方向７／８付近での水平断面図、図１２（ｂ）は同じく５／８付近での水平断面図、図１３（ａ）は同じく３／８付近での水平断面図、図１３（ｂ）は同じく１／８付近での水平断面図を表している。
【００５２】
このように、燃料集合体６１をＤ炉心に装荷するに際しては、前記逆三角形状の合金製平板５２が制御棒６２と対角の位置のコーナー部に位置するように配設されている。したがって、制御棒６２と対角の位置のバイパス領域の面積が大きくなっている。その結果、チャンネルボックス外の水の面積が均等化される方向となり、燃料集合体内の中性子束分布の歪が緩和される。
【００５３】
次に、本発明の第４の実施の形態を図１４〜図１６に基づいて説明する。第１〜第３の実施の形態と同様にして、図１４は、チャンネルボックス６４を組立て・溶接固定する前の、構成部品（ジルカロイ合金製平板）を示したものである。基本となる２枚の合金製平板６５には、それぞれの折り曲げ箇所（破線部）の上方（チャンネル出口部）に、それぞれ２個の縦長の長方形状の切り込み６６が設けられている。上記合金製平板６５を折り曲げチャンネルボックス６４を形成した場合には、図１５（ａ）に示すように、その隅角部に開口部６７が形成され、その開口部６７には、図１５（ｂ）に示すような合金にて被覆されたガドリニア棒６８が、凸凹の結合、或いは溶接により固定される。図１６は、チャンネルボックス６４を、１０×１０格子の燃料集合体４０に適用した場合の例である。燃料集合体４０は、上部タイプレートおよび下部タイプレートに両端部が保持される複数の全長燃料棒４１、及びウォータボックス４２、並びに燃料棒４１とウォータボックス４２の相互の間隔を保持する合計７個の燃料スペーサを備えている。この場合、燃料集合体４０の４つのコーナー部での燃料棒４１ａは、長さが全長燃料棒の約１／２の部分長燃料棒（Ｐ）となっている。図１６（ａ）は、燃料集合体４０をチャンネルボックス６４で覆ったときの、高さ方向１／２〜２／２の一部での水平断面図、図１６（ｂ）は、同じく、高さ方向０／２〜１／２の一部での水平断面図を表している。
【００５４】
このようにチャンネルボックス６４の隅角部にガドリニア棒６８を設けることにより、バイパス部の中でも比較的水面積の大きな十字路部（チャンネルボックスコーナー部の外側）での熱中性子束分布の局所的な増大を緩和することができる。
【００５５】
ところで、第１の実施の形態では、コーナ部材を長方形の合金製平板３５と三角形の遮板３６とにより構成したものを示したが、図１７に示すように、上記長方形の合金製平板３５と三角形の遮板３６とを一体構造としてもよい。これにより、溶接個所を減少させることが可能である。
【００５６】
また、図１８に示すように、コーナー部の穴に取り付ける合金製平板３５ａの肉厚を軸方向で異なるようにし、チャンネル軸方向（出口方向）に対して薄くなるようにしてもよい。これにより、チャンネル内の比較的ボイド率の大きな領域でのバイパス部での水面積が増加させることができ、中性子経済を向上させることができる。
【００５７】
また、図１９に示すように、第１の実施の形態でのコーナー部の開口部３４に取り付ける合金製平板３５に２つの突起３５ｂを突出し、この突起３５ｂにより合金製平板３５の外面側に固体減速材７０を取り付けるようにしてもよい。しかして、この場合には上記固体減速材７０により燃料集合体断面での中性子束分布を最適化することができる。
【００５８】
第２の実施の形態でのコーナー部の穴４４に取り付ける合金板４５ａには、図２０に示すように、その外面側に２つの半円状の輪７１を設け、ガドリニア、または濃縮ガドリニアのような中性子毒物の棒７２を取り付けるようにしてもよい。これにより、燃料集合体断面での中性子束分布を最適化することができる。
【００５９】
上述したチャンネルボックスの実施例、または、燃料集合体の実施例は、炉心格子形状、チャンネルボックス肉厚、ＭＯＸ燃料棒の採用等をパラメータとしたときに負のボイド係数の低減、炉停止余裕の改善、限界出力特性の改善、燃料集合体断面での中性子束分布の歪の緩和、および、中性子束経済の向上の観点から、適宜組み合わせて利用することが可能である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チャンネルボックスのコーナー部の一部分を取り付け方式としたことから、各部品の成形加工が容易となり、コーナー部を平板とした場合を基本として、多様な形状、厚さ、材質を組み合わせたチャンネルボックスの製造が可能となる。これにより、中性子束の空間及びエネルギー分布を適切自在に調整することが可能であり、燃料集合体断面での中性子束分布の歪を抑え、負のボイド係数を炉心設計上最適にすることができ、応用範囲が広い上に効果が安定しており、炉心格子形状、ＭＯＸ燃料装荷の有無等の変動要因に対して、柔軟、かつ、きめ細かな対応が可能とする。以上述べたように、本発明の構成により、高いウラン濃縮度やプルトニウム燃料を用いた場合でも、炉心の運転時反応度や冷却材による除熱特性、そして、集合体の構造的強度などを悪化させることなく、炉停止余裕やボイド係数などの核的特性と、限界出力などの熱水力特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるチャンネルボックスの斜視図。
【図２】第１の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成部品である長方形の薄板の平面図。
【図３】コーナ部材取付部の拡大図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の燃料集合体の水平断面図であり、（ａ）は高さ方向１／２〜２／２の一部での水平断面図、（ｂ）は、高さ方向０／２〜１／２の一部での水平断面図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の燃料集合体を炉心に装荷したときの炉心安定性解析結果を示す図。
【図６】第２の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成部品である長方形の薄板の平面図。
【図７】（ａ）は第２の実施の形態におけるチャンネルボックスの斜視図、（ｂ）はコーナ部材を構成する合金製平板を示す図、（ｃ）は遮板の斜視図。
【図８】（ａ）は本発明の第２の実施の形態燃料集合体の高さ方向１／２〜２／２の一部での断面図、（ｂ）は、高さ方向０／２〜１／２の一部での断面図。
【図９】本発明の第２の実施の形態の燃料集合体におけるコーナ部の燃料棒の限界出力特性を示す図。
【図１０】（ａ）は、第３の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成部品である長方形の薄板の平面図、（ｂ）はコーナ部材を構成する合金製平板を示す図、（ｃ）は遮板の斜視図。
【図１１】第３の実施の形態におけるチャンネルボックスの斜視図。
【図１２】（ａ）は、第３の実施の形態の燃料集合体をチャンネルボックスで覆ったときの高さ方向７／８付近での水平断面図、（ｂ）は同じく５／８付近での水平断面図。
【図１３】（ａ）は第３の実施の形態の燃料集合体をチャンネルボックスで覆ったときの高さ方向３／８付近での水平断面図、（ｂ）は同じく１／８付近での水平断面図。
【図１４】第４の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成部品である長方形の薄板の平面図。
【図１５】（ａ）は、本発明の第４の実施の形態におけるチャンネルボックスの部分斜視図、（ｂ）は上記チャンネルボックスの開口部に装着するガドリニア棒を示す図。
【図１６】（ａ）は、燃料集合体を第４の実施の形態におけるチャンネルボックスで覆ったときの、高さ方向１／２〜２／２の一部での水平断面図、（ｂ）は、同じく高さ方向０／２〜１／２の一部での水平断面図。
【図１７】本発明のチャンネルボックスのコーナー部に取り付ける合金板の他の実施例。
【図１８】本発明のチャンネルボックスのコーナー部に取り付ける合金板の他の実施例。
【図１９】本発明のチャンネルボックスのコーナー部に取り付ける合金板の他の実施例。
【図２０】（ａ）、（ｂ）は本発明のチャンネルボックスのコーナー部に取り付ける合金板の他の実施例。
【図２１】沸騰水型原子炉の炉心全体の断面図
【図２２】（ａ）は、沸騰水型原子炉の燃料集合体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図２３】チャンネルボックスの斜視図。
【図２４】沸騰水型原子炉の炉心シュラウドと集合体配置の関係図。
【図２５】水ギャップ面積と水ロッド面積の和を一定としたときの中性子無限増倍率との関係線図。
【図２６】従来の９×９燃料集合体とチャンネルボックスを炉心に装荷したときの燃料集合体コーナー部の限界出力特性。
【図２７】チャンネルボックス側面での冷却材の流れを示す模式図。
【図２８】フロートリッパーを有するチャンネルボックス側面近傍の冷却材の詳細な流れを示す模式図。
【図２９】従来の９×９燃料集合体とチャンネルボックス（擬似正方形）を炉心に装荷したときの炉心安定性解析結果を示す図。
【符号の説明】
１０ 燃料集合体
１１ 制御棒
１５ 燃料棒
１６ ウォータロッド
１８ チャンネルボックス
１９ 部分長燃料棒
２３ 冷却材
２５ 液膜
２６ 水滴
２７ 蒸気
２８ フロートリッパ
３０、５４、６４ チャンネルボックス
３２ 薄板
３３ 穴
３４ 開口部
３５、４３、４５、５０、６５ 合金製平板
３６、４６ 遮板
４０、６１ 燃料集合体
４１ 全長燃料棒
４２ ウォータロッド
４４ 切り込み
４５ａ フロートリッパ
６８ ガドリニア棒
７０ 固体減速材
７２ 中性子毒物の棒

Claims (10)

1. 正方格子状に配列された複数本の燃料棒と一本若しくは複数本の水ロッドとをスペーサにより束状に保持し、その束状の燃料棒を断面が擬似正方形のチャンネルボックスにより囲んだ沸騰水型原子炉の燃料集合体において、角筒状に成形加工されたチャンネルボックスの隅角部に、チャンネルボックスの長手方向に延びる開口部を形成し、その開口部に、上記開口部を挟んで隣接するチャンネル壁間を連結するコーナ部材を固定し、チャンネルボックスの高さ方向の一部分において、水平方向の断面が任意の多角形となるようにしたことを特徴とする、沸騰水型原子炉の燃料集合体。
2. チャンネルボックスは２枚の長方形の薄板を長手方向でコの字状に折り曲げたものを溶接により角筒状に成形加工されたものであり、その隅角部に形成された長手方向に延びる開口部は、長方形の薄板の折り曲げ箇所に穴を開けた上でその薄板を折り曲げることにより形成されることを特徴とする、請求項１記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
3. チャンネルボックスに形成された長手方向に延びる開口部に固定されるコーナ部材は、ジルカロイ−４、または、チャンネルボックスと同じ素材で、且つ、周方向の曲率がチャンネルボックス自体のコーナー部の曲率よりも小さいことを特徴とする、請求項１または２記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
4. チャンネルボックスに形成された長手方向に延びる開口部に固定されるコーナ部材は、板体または棒状体であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
5. コーナ部材の外側には、固体減速材が固定されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
6. コーナ部材の内面側には、上流側から下流側に対してチャンネル内の流路面積が小さくなるようなテーパを有し水平方向に延びるフロートリッパが突設されていることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
7. チャンネルボックス内の水平断面積を軸方向で比較したときに、燃料有効長さの下部領域の（０〜１／２）の最小水平断面積が、同じ燃料有効長さの上部領域（１／２〜２／２）の少なくとも一部の水平断面積と比べて大きいことを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
8. 燃料集合体のコーナー部の１本（×４）の燃料棒、または、コーナー部に隣接した燃料棒を含む３本（×４）の燃料棒を削除、あるいは、その一部を部分長燃料棒としたことを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
9. Ｄ格子炉心に装荷される場合に、反制御棒側の隅角部のみに、チャンネルボックスと同じ素材で、周方向の曲率がチャンネルボックス自体の曲率よりも小さなコーナー部材が設けられていることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
10. 請求項１〜９に記載した燃料集合体を装荷したことを特徴とする、沸騰水型原子炉。

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