JP2007232467A

JP2007232467A - 原子燃料集合体およびその製造方法

Info

Publication number: JP2007232467A
Application number: JP2006052396A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Yamamoto; 泰山本; Shinichi Morooka; 慎一師岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】原子燃料集合体の燃料棒の除熱特性を向上させる。
【解決手段】原子燃料集合体は、正方角筒状のチャンネルボックス２内に正方格子状に配列された核燃料を収容した多数本の燃料棒３と核燃料を収容してないウォーターロッド４を有する。燃料棒３とウォーターロッド４の上下両端部は、上部タイプレート５と下部タイプレート６とによって固定され、その軸方向の中間部に設置された複数個の燃料スペーサ７で互いの間隔が保持されるように支持されている。また、原子燃料集合体は、最外周に位置する燃料棒３よりもチャンネルボックス２に近い位置に、燃料棒３と同じ方向に延びる水チューブ８を有していて、水チューブ８に下部タイプレート６付近から流入した冷却水は、水チューブ８の上端から最外周に位置する燃料棒３の近傍に放出され、燃料棒３の除熱特性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子炉に装荷される原子燃料集合体およびその製造方法に関する。

一般に、沸騰水型原子炉用燃料集合体は、正方角筒状のチャンネルボックス内に核燃料を収容した多数本の燃料棒と核燃料を収容してないウォーターロッドを正方格子状に配列している。燃料棒とウォーターロッドの上下両端部は、上部タイプレートと下部タイプレートとによって固定され、その軸方向の中間部に設置された複数個の燃料スペーサで互いの間隔が保持されるように支持されている。

通常の原子炉運転中では、燃料集合体内において外周に配置された燃料棒（最外周燃料棒）は発熱量が大きいことから熱的裕度が低いため、その燃料棒へ冷却材を多く供給する必要がある。そこで、チャンネルボックス内面に付着した液膜や、チャンネルボックス内面近傍を流れる冷却材をバンドにより剥ぎ取り、フロータブによって外周燃料棒へ導くことにより、熱的裕度を大きくし、限界出力を向上させた燃料スペーサが考案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−５７３７５号公報

しかし、燃料スペーサの個数を増加させて最外周燃料棒の除熱性能をさらに高めるようとすると、冷却材の圧力損失が増加する。また、燃料スペーサの形状を複雑にすると、コストアップの原因となってしまう。

そこで、本発明は、圧力損失の増大を抑えて原子燃料集合体の燃料棒の除熱特性を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体において、前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配列され、その軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の燃料棒と、前記燃料棒の軸方向の複数の位置に配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサと、前記燃料棒の下端を支持する下部タイプレートと、前記燃料棒の上端を支持する上部タイプレートと、前記燃料棒よりも前記チャンネルボックスに近い位置に配置され、前記燃料有効部よりも下方から前記燃料有効部の途中まで延びた管状の水チューブと、を有することを特徴とする。

また、本発明は、角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体において、前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配列され、その軸方向の所定の範囲の燃料有効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配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサと、前記燃料棒の下端を支持する下部タイプレートと、前記燃料棒の上端を支持する上部タイプレートと、を有し、前記複数の燃料棒には、少なくとも、第１の外径を有する第１の燃料棒、第１の外径よりも大きな第２の外径を有する第２の燃料棒、および、第２の外径よりも大きな第３の外径を有する第３の燃料棒があって、前記チャンネルボックスの内面に最も近い最外周位置に配置された燃料棒のうち、前記チャンネルボックスのコーナー部からの距離が所定の距離以下である位置には前記第１の燃料棒が配置されていて、前記最外周位置であって前記第１の燃料棒が配置されていない位置、および、最外周位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い第２層目位置には、前記第２の燃料棒は配置されていて、前記第３の燃料棒は、前記第２の燃料棒よりも前記チャンネルボックス内面からの距離が遠い位置に配置されていることを特徴とする。

また、本発明は、角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体において、前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配列され、その軸方向の所定の範囲の燃料有効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配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサと、前記燃料棒の下端を支持する下部タイプレートと、前記燃料棒の上端を支持する上部タイプレートと、を有し、前記チャンネルボックスの内面に最も近い燃料棒が配置される最外周位置と、前記最外周位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い燃料棒が配置される第２層目位置との間隔は、前記第２層目位置と、前記第２層目位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い燃料棒が配置される第３層目位置との間隔よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明は、角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体の製造方法において、軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の燃料棒を製造する工程と、前記燃料棒の軸方向の複数の位置に配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサを製造する工程と、下部タイプレートを製造する工程と、上部タイプレートを製造する工程と、前記燃料有効部よりも下方から前記燃料有効部の途中まで延びる長さの管状の水チューブを製造する工程と、前記燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配列する燃料スペーサ配列工程と、前記下部タイプレートによって前記燃料棒の下端を支持するように組み立てる工程と、前記上部タイプレートによって前記燃料棒の上端を支持するように組み立てる工程と、前記燃料棒よりも前記チャンネルボックスに近い位置に前記水チューブを配置する水チューブ配置工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体の製造方法において、軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の第１の燃料棒を製造する工程と、軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の前記第１の燃料棒よりも大きな外径を有する第２の燃料棒を製造する工程と、軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の前記第２の燃料棒よりも大きな外径を有する第３の燃料棒を製造する工程と、前記燃料棒の軸方向の複数の位置に配置され、前記第１、第２および第３の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサを製造する工程と、下部タイプレートを製造する工程と、上部タイプレートを製造する工程と、前記チャンネルボックスの内面に最も近い最外周位置にのうち、前記チャンネルボックスのコーナー部からの距離が所定の距離以下である位置に前記第１の燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配置する工程と、前記最外周位置であって前記第１の燃料棒が配置されていない位置、および、最外周位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い第２層目位置に前記第２の燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配置する工程と、前記第２の燃料棒よりも前記チャンネルボックス内面からの距離が遠い位置に前記第３の燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配置する工程と、前記下部タイプレートによって前記燃料棒の下端を支持するように組み立てる工程と、前記上部タイプレートによって前記燃料棒の上端を支持するように組み立てる工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体の製造方法において、軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の燃料棒を製造する工程と、前記燃料棒の軸方向の複数の位置に配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサを製造する工程と、下部タイプレートを製造する工程と、上部タイプレートを製造する工程と、前記燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って、前記チャンネルボックスの内面に最も近い燃料棒が配置される最外周位置と、前記最外周位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い燃料棒が配置される第２層目位置との間隔は、前記第２層目位置と、前記第２層目位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い燃料棒が配置される第３層目位置との間隔よりも広くなるように配列する工程と、前記下部タイプレートによって前記燃料棒の下端を支持するように組み立てる工程と、前記上部タイプレートによって前記燃料棒の上端を支持するように組み立てる工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、圧力損失の増大を抑えて原子燃料集合体の燃料棒の除熱特性が向上する。

本発明に係る原子燃料集合体の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の原子燃料集合体の一部切欠き縦断面図である。

本実施の形態の原子燃料集合体は、軸方向に延びる正角筒状のチャンネルボックス２の内部に、複数の軸方向に延びる円筒状の燃料棒３、および、ウォーターロッド４を有している。燃料棒３の内部には、所定の軸方向範囲の燃料有効領域に、核燃料物質が収められている。

燃料棒３の上下両端部は、それぞれ上部タイプレート５と下部タイプレート６で支持されている。また、燃料棒３の軸方向の途中には、複数の燃料スペーサ７があり、燃料棒３およびウォーターロッド４の間隔を保持している。ウォーターロッド４は、原子燃料集合体の中央付近に位置している。また、燃料スペーサ７は、ウォーターロッド４に取り付けられた突起によって、所定の軸方向位置に配置されるようになっている。

また、原子燃料集合体は、チャンネルボックス２に最も近い位置に、燃料棒３と同じ方向に延びる円管状の水チューブ８を有している。水チューブ８は、下部タイプレート６および燃料スペーサ７で支持されている。水チューブ８の下端の開口は、下部タイプレート６の内部の空間につながっており、水チューブ８の内部を冷却水が通るようになっている。水チューブ８の上端部は、燃料棒３の燃料有効領域の軸方向の途中に位置している。

図２は、本発明に係る第１の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。

燃料スペーサ７は、一部に突起を持った円管状の複数のセル９、および、複数のスペーサスプリング１３をバンド１０で囲んだものである。セル９は、正方格子状に配列されていて、セル９の内部の突起とスペーサスプリング１３で燃料棒３を正方格子状に配列させて、支持する。また、バンド１０と最外周のセル９で囲まれる空間に、水チューブ８が通るようになっている。

なお、本実施の形態では、燃料棒が１０行１０列に配列したものを例としているが、他の配列の原子燃料集合体であってもよい。

下部タイプレート６の下部の開口から流入し、チャンネルボックス２の内部を流れる冷却水は、燃料棒３の内部に収められた核分裂物質の核分裂反応によって生じる熱によって加熱されながら上昇する。沸騰水型原子炉の場合には、冷却水はチャンネルボックス２の内部を流れる途中で沸騰する。

原子燃料集合体の横断面の中央付近に配置されたウォーターロッド４の内部には、沸騰によって水密度が小さくなる燃料有効領域の上部にいたるまで、液相の冷却水が流れている。

チャンネルボックス２の内部の冷却水の流動は、沸騰して蒸気量が増加するに従い、単相流から気泡流、スラグ流、チャーン流、環状噴霧流へと遷移する。冷却水が燃料棒を除熱する特性は、冷却水の流れの下流、すなわちチャンネルボックス２の内部の上方の環状噴霧流領域における、燃料棒表面の液膜ドライアウトによって決まる。

本実施の形態では、除熱特性を決める環状噴霧流領域に、冷却水を下部タイプレート６からバイパスして最外周燃料棒へ導くように水チューブ８を設けている。このため、最外周燃料棒への液相の冷却水が供給され、燃料棒３の表面の液膜流量を増加することができるので、最外周燃料棒の除熱特性を向上させることができる。また、たとえば、水チューブ８の上端は、燃料有効領域の軸方向中央よりも高いところに位置している。このように、除熱特性を向上させたい位置に水チューブ８の上端の開口を配置することにより、効果的に最外周燃料棒の除熱特性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、水チャンネル８を下部タイプレート６に取り付けているが、水チャンネル８の下部タイプレート６側の開口は、燃料有効部よりも低い位置で、ほとんど加熱されていない冷却水を取り込むことができる位置であれば、どこに位置していてもよい。

原子燃料集合体を製造する場合、通常は、核燃料物質を収めた燃料棒３、ウォーターロッド４、燃料スペーサ７、上部タイプレート５、および、下部タイプレート６などの部品を製造した後に、組み立てる。原子燃料集合体の組み立ては、完成した原子燃料集合体を横に倒したときの位置に、下部タイプレート６および燃料スペーサ７を配置した後に、ウォーターロッド４を上部タイプレート５側から燃料スペーサ７を挿入して配置する。その後、全ての燃料棒３を燃料スペーサ７の上部タイプレート５側から挿入して配置し、最後に上部タイプレート５を取り付ける。

本実施の形態の原子燃料集合体を製造する場合には、全ての燃料棒３を配置した後に、水チューブ８を挿入配置してもよいが、水チューブ８の上端よりも上方に位置する燃料スペーサ７を配置する前に、下方の燃料スペーサ７を通るように水チューブ８を配置するほうが好ましい。この順序で、原子燃料集合体を組み立てると、水チューブ８の上端よりも上方に位置する燃料スペーサ７に、水チューブ８を通す領域を設けなくてもよくなる。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明に係る第２の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。

本実施の形態は、第１の実施の形態の原子燃料集合体の燃料スペーサをグリッド型の燃料スペーサに代えたものである。

第２の実施の形態の燃料スペーサ７は、正方格子状に交わる複数のディバイダ１２によって、燃料棒３が通る空間が形成されている。ディバイダ１２がバンド１０に接続する部分では、ディバイダ１２は二股に分かれていて、バンド１０とディバイダ１２で水チューブ８が通る空間を形成している。

このように、グリッド型の燃料スペーサ７であっても、原子燃料集合体の最外周位置に水チューブ８を導入することが可能で、第１の実施の形態と同様に、最外周燃料棒の除熱特性を向上させることができる。

［第３の実施の形態］
図４は、本発明に係る第３の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した縦断面図である。図５は、本発明に係る第３の実施の形態の原子燃料集合体における、水チューブ８の斜視図である。なお、冷却水の流れを模式的に破線の矢印で示した。

本実施の形態では、水チューブ８を原子燃料集合体の内周方向に曲げている。このような水チューブ８を用いることにより、最外周に位置する燃料棒３の近傍に、より多くの液相の冷却水を供給することができるため、最外周燃料棒の除熱特性がさらに向上する。

本実施の形態の原子燃料集合体を製造する場合には、全ての燃料棒３を配置した後に、水チューブ８を挿入配置することは困難である。そこで、水チューブ８の上端よりも上方に位置する燃料スペーサ７を配置する前に、下方の燃料スペーサ７を通るように水チューブ８を配置することにより、原子燃料集合体を組み立てることができる。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明に係る第４の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。図７は、本発明に係る第４の実施の形態の原子燃料集合体における、水チューブの斜視図である。なお、冷却水の流れを模式的に破線の矢印で示した。

第３の実施の形態のように、単に水チューブ８を内周方向に曲げるだけでは、最外周に位置する燃料棒３の間を通過して、内周に位置する燃料棒にも液相の冷却水を供給する場合もある。そこで、本実施の形態では、水チューブ８を原子燃料集合体の内周方向に曲げるとともに、水チューブ８の上端の開口部は、２つの円が結合したような形状をしていて、チャンネルボックス２に垂直な方向から広がるように冷却水が流れるようになっている。このような形状の水チューブ８を用いることにより、最外周に位置する燃料棒３の近傍に、より多くの液相の冷却水を供給することができるため、最外周燃料棒の除熱特性がさらに向上する。

なお、水チューブ８の上端の開口部の形状は、図６および図７に示した形状に限定されるものではなく、チャンネルボックス２に垂直な方向から広がるように冷却水が流れるようなものであれば、他の形状でも構わない。たとえば、２つの円の中央付近を溶接して結合させたり、冷却水が広がる方向に長い楕円形の開口部の中央付近を閉じることによって、チャンネルボックス２に垂直な方向から広がるよう方向にのみ冷却水が流れ出すようにしてもよい。

［第５の実施の形態］
図８は、本発明に係る第５の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した縦断面図である。図９は、本発明に係る第５の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。なお、冷却水の流れを模式的に破線の矢印で示した。

本実施の形態では、水チューブ８の上端は、燃料スペーサ７の軸方向の幅の中に位置している。また、水チューブ８の上方には、バンド１０から原子燃料集合体の内側に突出したフロータブ１１が設けられている。

水チューブ８の上端から流れ出た冷却水は、フロータブ１１によって原子燃料集合体の内周方向に流路が曲げられ、最外周に位置する燃料棒３の近傍に流れていく。このため、最外周燃料棒の除熱特性が向上する。

また、本実施の形態では、水チューブ８の上端部を加工する必要がないため、原子燃料集合体の製造が容易になる。さらに、水チューブ８の上端部の動きが燃料スペーサ７によって制限されるため、冷却水の流れによる水力振動によって水チューブ８が振動して燃料棒３に接触するおそれが小さくなる。

［第６の実施の形態］
図１０は、本発明に係る第６の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。

本実施の形態は、第５の実施の形態の原子燃料集合体の燃料スペーサをグリッド型の燃料スペーサに代えたものである。

本実施の形態の燃料スペーサ７は、第２の実施の形態の燃料スペーサのバンド１０から原子燃料集合体の内側に延びるフロータブ１１が設けられている。

このようなグリッド型の燃料スペーサ７を用いることにより、第５の実施の形態と同様の効果が得られる。

［第７の実施の形態］
図１１は、本発明に係る第７の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。

本実施の形態の原子燃料集合体は、燃料棒３を三角格子状に、全体としてはほぼ正方形の範囲に配列したものである。

たとえば水冷却増殖炉では、減速材である水の核分裂性物質に対する量を小さくして低減速の炉心とするため、燃料棒３を稠密格子である三角格子状に配列することが考えられている。

燃料棒３をほぼ正方形の範囲に三角格子状に配列すると、向かい合う２辺では、チャンネルボックス２に対向する燃料棒３ａ，３ｂは、チャンネルボックス２との距離が小さい燃料棒３ａと距離が大きい燃料棒３ｂが交互に並ぶようになる。本実施の形態では、このチャンネルボックス２との距離が遠い燃料棒３ｂとチャンネルボックス２の間に、水チューブ８を配列している。

チャンネルボックス２との距離が大きい燃料棒３ｂには、より多くの水で減速された中性子が入射することになるので、出力が高くなる場合がある。しかし、水チューブ８によって液相の水をこの燃料棒３ｂの近傍に供給することにより、効果的に冷却することができる。

なお、チャンネルボックス２との距離が等しい燃料棒３が並んだ２辺においても、第１の実施の形態などと同様に、水チューブ８を配列して、チャンネルボックス２に対向する面の燃料棒３の冷却に用いてもよい。

［第８の実施の形態］
図１２は、本発明に係る第８の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。

本実施の形態の原子燃料集合体は、第１の実施の形態の原子燃料集合体の最外周の燃料棒を、他の燃料棒よりも外径が小さい細径燃料棒３１に代えたものである。つまり、通常の燃料棒３の外径をＤ２、細径燃料棒３１の外径をＤ１とすると、Ｄ１＜Ｄ２となっている。

このような原子燃料集合体では、通常の燃料棒３で囲まれる流路に比べて、細径燃料棒３１の周りの流路は、流路面積に対する燃料棒３，３１の側面の面積が小さくなる。このため、通常の燃料棒３で囲まれる流路に比べて、細径燃料棒３１の周りの流路は、流体と燃料棒側面との壁面摩擦係数が小さくなる。流体は、流れの断面方向に圧力損失がほぼ一定になるように流れるため、壁面摩擦係数が小さいところに流体が多く流れるようになる。

したがって、この原子燃料集合体では、最外周に位置する燃料棒の周辺に冷却材が多く流れるようになり、最外周燃料棒の除熱特性が向上する。

［第９の実施の形態］
図１３は、本発明に係る第９の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。

本実施の形態の原子燃料集合体は、第８の実施の形態の原子燃料集合体の燃料棒の外径を３種類として、水チューブを削除したものである。

この原子燃料集合体は、正方格子状に配列した燃料棒３，３１，３３のうち、最外周に位置する燃料棒を細径燃料棒３１とし、その内側に通常の燃料棒３を一列配列し、さらに通常の燃料棒３の内側に太径燃料棒３３を配列したものである。細径燃料棒３１の外径をＤ１、通常の燃料棒３の外径をＤ２、太径燃料棒３３の外径をＤ３とすると、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３という関係がある。燃料棒３，３１，３３の外径を外周に行くに従って小さくすることにより、最外周の燃料棒周辺への冷却材の流量が増加するため、最外周燃料棒の除熱特性が向上する。

このように、水チューブがない場合でも、最外周燃料棒を効果的に除熱することが可能である。

［第１０の実施の形態］
図１４は、本発明に係る第１０の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。

本実施の形態の原子燃料集合体は、正六角筒状のチャンネルボックス２の内部に燃料棒３,３１，３３を三角格子状に、全体としてはほぼ正六角形の範囲に配列したものである。

この原子燃料集合体は、三角格子状に配列した燃料棒３，３１，３３のうち、最外周に位置する燃料棒を細径燃料棒３１とし、その内側に通常の燃料棒３を一列配列し、さらに通常の燃料棒３の内側に太径燃料棒３３を配列したものである。細径燃料棒３１の外径をＤ１、通常の燃料棒３の外径をＤ２、太径燃料棒３３の外径をＤ３とすると、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３という関係がある。燃料棒３，３１，３３の外径を外周に行くに従って小さくすることにより、最外周の燃料棒周辺への冷却材の流量が増加するため、最外周燃料棒の除熱特性が向上する。

このような燃料棒３，３１，３３が三角格子状に配列した原子燃料集合体であっても、最外周燃料棒を効果的に除熱することが可能である。

［第１１の実施の形態］
図１５は、本発明に係る第１１の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。

この原子燃料集合体では、正方格子状に配列した燃料棒３，３１，３３を配列している。燃料棒が配置される最外周位置のうち、チャンネルボックスのコーナー部からの距離が所定の距離以下である位置には、細径燃料棒３１が配置されていて、それ以外の最外周位置には通常の燃料棒３が配置されている。また、最外周から第２層目および第３層目にも通常の燃料棒３が配置されている。通常の燃料棒３が配置されている層よりも内側には、太径燃料棒３３が配置されている。細径燃料棒３１の外径をＤ１、通常の燃料棒３の外径をＤ２、太径燃料棒３３の外径をＤ３とすると、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３という関係がある。

原子燃料集合体の外周に位置する燃料棒のうち、チャンネルボックスのコーナー部に近い燃料棒ほど、その内部に収められた核燃料物質の量が同じ場合には、熱出力は大きくなる傾向にある。したがって、そのような燃料棒は熱的な余裕が小さくなる傾向にある。

そこで、燃料棒３，３１，３３の外径を外周に行くに従って小さくすることにより、最外周の燃料棒周辺への冷却材の流量が増加するため、最外周燃料棒の除熱特性が向上する。また、チャンネルボックス２のコーナー部に近い燃料棒に比べて比較的熱的の余裕が大きい、最外周位置の４辺それぞれの中央付近の燃料棒の外径を、それ以外の最外周に位置する燃料棒の外径よりも大きくしている。これによって、チャンネルボックス２のコーナー部近傍に、冷却材がより多く流れるようになるため、コーナー部近傍に位置する燃料棒の除熱特性が向上する。

［第１２の実施の形態］
図１６は、本発明に係る第１２の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。

本実施の形態の原子燃料集合体は、中心から外周に近づくに従って、燃料棒３の中心間の距離（燃料棒ピッチ）が大きくなっている。最外周の燃料棒３と、その一層内側の燃料棒３との間の燃料棒ピッチをＬ５とし、順次その内側の燃料棒３との間の燃料棒ピッチをＬ４、Ｌ３、Ｌ２、Ｌ１とすると、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４＜Ｌ５という関係が成り立つように配列している。

なお、この原子燃料集合体では、ウォーターロッドの代わりに角管状のウォーターチャンネル４１を配置している。

このような原子燃料集合体では、最外周に近づくに従って、流路面積に対する燃料棒３の側面の面積が小さくなる。このため、最外周に近づくに従って、流体と燃料棒側面との壁面摩擦係数が小さくなる。したがって、最外周に位置する燃料棒の周辺に冷却材が多く流れるようになり、最外周燃料棒の除熱特性が向上する。

［第１３の実施の形態］
図１７は、本発明に係る第１３の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。

本実施の形態の原子燃料集合体は、第１２の実施の形態の原子燃料集合体の燃料棒が配列するほぼ正方形の領域の四隅の近傍に位置する最外周燃料棒２０本を太径燃料棒３３に代えたものである。

この原子燃料集合体も、中心から外周に近づくに従って、燃料棒ピッチが大きくなっている。このため、最外周に位置する燃料棒３、特に、コーナー部近傍の太径燃料棒３３の近傍には冷却材が多く流れる傾向にあり、コーナー部近傍の太径燃料棒３３の外径を通常の燃料棒３に比べてある程度大きくしてもこの傾向は変わらない。そこで、燃料棒ピッチが広いコーナー部近傍の燃料棒として太径燃料棒３３を用いることで、燃料インベントリ（原子燃料集合体１体当たりの核燃料物質の装荷量）を大きくすることができる。

なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

本発明に係る第１の実施の形態の原子燃料集合体の一部切欠き縦断面図である。本発明に係る第１の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。本発明に係る第２の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。本発明に係る第３の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した縦断面図である。本発明に係る第３の実施の形態の原子燃料集合体における、水チューブの斜視図である。本発明に係る第４の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。本発明に係る第４の実施の形態の原子燃料集合体における、水チューブの斜視図である。本発明に係る第５の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した縦断面図である。本発明に係る第５の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。本発明に係る第６の実施の形態の原子燃料集合体の一部を拡大した横断面図である。本発明に係る第７の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。本発明に係る第８の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。本発明に係る第９の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。本発明に係る第１０の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。本発明に係る第１１の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。本発明に係る第１２の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。本発明に係る第１３の実施の形態の原子燃料集合体の横断面図である。

符号の説明

２…チャンネルボックス、３…燃料棒、４…ウォーターロッド、５…上部タイプレート、６…下部タイプレート、７…燃料スペーサ、８…水チューブ、９…セル、１０…バンド、１１…フロータブ、１２…ディバイダ、１３…スペーサスプリング、３１…細径燃料棒、３３…太径燃料棒、４１…ウォーターチャンネル

Claims

角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体において、
前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配列され、その軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の燃料棒と、
前記燃料棒の軸方向の複数の位置に配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサと、
前記燃料棒の下端を支持する下部タイプレートと、
前記燃料棒の上端を支持する上部タイプレートと、
前記燃料棒よりも前記チャンネルボックスに近い位置に配置され、前記燃料有効部よりも下方から前記燃料有効部の途中まで延びた管状の水チューブと、
を有することを特徴とする原子燃料集合体。
前記燃料スペーサは、
前記チャンネルボックスの内面に沿って、全ての前記燃料棒を取り囲むバンドと、
前記バンドに取り囲まれた、前記燃料棒それぞれを個別に囲む円筒状の複数のセルと、
を有し、
前記水チャンネルは前記セルと前記バンドで囲まれる空隙を通っていることを特徴とする請求項１記載の原子燃料集合体。
前記燃料スペーサは、
前記チャンネルボックスの内面に沿って、全ての前記燃料棒を取り囲むバンドと、
前記バンドの隣り合わない二辺の間に延び、前記バンドと接続する部分が二股に分かれているディバイダと、
を有し、
前記水チャンネルは前記ディバイダと前記バンドで囲まれる空隙を通っていることを特徴とする請求項１記載の原子燃料集合体。
前記水チューブの上端は、前記チャンネルボックスの最も近い壁面から遠ざかる方向に曲がっていることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか記載の原子燃料集合体。
前記水チューブの上端は、前記曲がっていく方向から広がるように前記水チューブの内部を通った流体を放出する形状を備えていることを特徴とする請求項４記載の原子燃料集合体。
前記燃料スペーサには、前記バンドの前記上部タイプレートに近い端部に前記チャンネルボックスの最も近い壁面から遠ざかる方向に曲がったフロータブが突出して設けられ、
前記水チューブの上端は、前記燃料スペーサの内部であって、前記フロータブの前記チャンネルボックスの軸方向への投影した領域に少なくとも一部の開口を有していることを特徴とする請求項２または請求項３記載の原子燃料集合体。
前記複数の燃料棒には、少なくとも、第１の外径を有する第１の燃料棒と、第１の外径よりも大きな第２の外径を有する第２の燃料棒があって、
前記チャンネルボックスの内面に最も近い最外周位置に配置された燃料棒のうち、前記チャンネルボックスのコーナー部からの距離が所定の距離以下である位置には前記第１の燃料棒が配置されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか記載の原子燃料集合体。
角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体において、
前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配列され、その軸方向の所定の範囲の燃料有効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配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサと、
前記燃料棒の下端を支持する下部タイプレートと、
前記燃料棒の上端を支持する上部タイプレートと、
を有し、
前記複数の燃料棒には、少なくとも、第１の外径を有する第１の燃料棒、第１の外径よりも大きな第２の外径を有する第２の燃料棒、および、第２の外径よりも大きな第３の外径を有する第３の燃料棒があって、
前記チャンネルボックスの内面に最も近い最外周位置に配置された燃料棒のうち、前記チャンネルボックスのコーナー部からの距離が所定の距離以下である位置には前記第１の燃料棒が配置されていて、
前記最外周位置であって前記第１の燃料棒が配置されていない位置、および、最外周位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い第２層目位置には、前記第２の燃料棒は配置されていて、
前記第３の燃料棒は、前記第２の燃料棒よりも前記チャンネルボックス内面からの距離が遠い位置に配置されている
ことを特徴とする原子燃料集合体。
角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体において、
前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配列され、その軸方向の所定の範囲の燃料有効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配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサと、
前記燃料棒の下端を支持する下部タイプレートと、
前記燃料棒の上端を支持する上部タイプレートと、
を有し、
前記チャンネルボックスの内面に最も近い燃料棒が配置される最外周位置と、前記最外周位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い燃料棒が配置される第２層目位置との間隔は、前記第２層目位置と、前記第２層目位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い燃料棒が配置される第３層目位置との間隔よりも大きい
ことを特徴とする原子燃料集合体。
前記複数の燃料棒には、少なくとも第１の外径を持った第１の燃料棒と、第１の外径よりも大きな第２の外径を持った第２の燃料棒があって、
前記最外周位置に配置された燃料棒のうち、前記チャンネルボックスのコーナー部からの距離が所定の距離以下である位置には前記第２の燃料棒が配置されている
ことを特徴とする請求項９記載の原子燃料集合体。
角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体の製造方法において、
軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の燃料棒を製造する工程と、
前記燃料棒の軸方向の複数の位置に配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサを製造する工程と、
下部タイプレートを製造する工程と、
上部タイプレートを製造する工程と、
前記燃料有効部よりも下方から前記燃料有効部の途中まで延びる長さの管状の水チューブを製造する工程と、
前記燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配列する燃料スペーサ配列工程と、
前記下部タイプレートによって前記燃料棒の下端を支持するように組み立てる工程と、
前記上部タイプレートによって前記燃料棒の上端を支持するように組み立てる工程と、
前記燃料棒よりも前記チャンネルボックスに近い位置に前記水チューブを配置する水チューブ配置工程と、
を有することを特徴とする原子燃料集合体の製造方法。
前記燃料スペーサ配列工程は、
前記前記水チューブの前記上部タイプレートに近い端部よりも前記下部タイプレートに近い前記燃料スペーサを配列する下部燃料スペーサ配列工程と、
前記下部燃料スペーサ配列工程で配列されない前記燃料スペーサを配列する上部燃料スペーサ配列工程と、
を有し、
前記水チューブ配置工程は、前記下部燃料スペーサ配列工程より後であって、前記上部燃料スペーサ配列工程より前であることを特徴とする請求項１１記載の原子燃料集合体の製造方法。
角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体の製造方法において、
軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の第１の燃料棒を製造する工程と、
軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の前記第１の燃料棒よりも大きな外径を有する第２の燃料棒を製造する工程と、
軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の前記第２の燃料棒よりも大きな外径を有する第３の燃料棒を製造する工程と、
前記燃料棒の軸方向の複数の位置に配置され、前記第１、第２および第３の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサを製造する工程と、
下部タイプレートを製造する工程と、
上部タイプレートを製造する工程と、
前記チャンネルボックスの内面に最も近い最外周位置にのうち、前記チャンネルボックスのコーナー部からの距離が所定の距離以下である位置に前記第１の燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配置する工程と、
前記最外周位置であって前記第１の燃料棒が配置されていない位置、および、最外周位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い第２層目位置に前記第２の燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配置する工程と、
前記第２の燃料棒よりも前記チャンネルボックス内面からの距離が遠い位置に前記第３の燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って配置する工程と、
前記下部タイプレートによって前記燃料棒の下端を支持するように組み立てる工程と、
前記上部タイプレートによって前記燃料棒の上端を支持するように組み立てる工程と、
を有することを特徴とする原子燃料集合体の製造方法。
角筒状のチャンネルボックスに収められて原子炉に装荷される原子燃料集合体の製造方法において、
軸方向の所定の範囲の燃料有効部に核燃料物質を収めた複数の円筒状の燃料棒を製造する工程と、
前記燃料棒の軸方向の複数の位置に配置され、前記複数の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサを製造する工程と、
下部タイプレートを製造する工程と、
上部タイプレートを製造する工程と、
前記燃料棒を、前記燃料スペーサによって前記チャンネルボックスの軸方向に延びて、その軸方向に垂直な平面で互いに間隔を保って、前記チャンネルボックスの内面に最も近い燃料棒が配置される最外周位置と、前記最外周位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い燃料棒が配置される第２層目位置との間隔は、前記第２層目位置と、前記第２層目位置の燃料棒の次に前記チャンネルボックスの内面に近い燃料棒が配置される第３層目位置との間隔よりも広くなるように配列する工程と、
前記下部タイプレートによって前記燃料棒の下端を支持するように組み立てる工程と、
前記上部タイプレートによって前記燃料棒の上端を支持するように組み立てる工程と、
を有することを特徴とする原子燃料集合体の製造方法。