JP2008145129A

JP2008145129A - 燃料集合体

Info

Publication number: JP2008145129A
Application number: JP2006329470A
Authority: JP
Inventors: Katsumasa Haikawa; 勝正配川
Original assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Current assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】平均濃縮度を３．９重量％以上として高濃縮度化を図った燃料集合体において、熱的余裕を確保しつつＨ／Ｕ比を最適化できる構成を提供する。
【解決手段】燃料集合体２Ａは、９行９列の正方格子状に配置された第１および第２の燃料棒３，１３と、１本の角型ウォータチャネル１１とを備えている。角型ウォータチャネル１１が配置される領域を、燃料集合体２の中央部で第１の燃料棒３が３行３列で配置可能な範囲としている。第２の燃料棒１３は第１の燃料棒３よりは燃料有効長の短い部分長燃料棒によって形成されている。第２の燃料棒１３は、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置の全ての位置に合計１２本配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ；Boiling Water Reactor）に装荷される燃料集合体に関し、特に、角型ウォータチャネルと燃料有効長の短い部分長燃料棒とが備えられた燃料集合体に関するものである。

沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという）の炉心１は、一般的に図１５に示すように、４体の燃料集合体１０２を１組としてこれを多数配置して構成されている。各燃料集合体１０２は燃料棒３を正方格子状に配列して構成した燃料バンドルを備え、この燃料バンドルを単位セル４の中央に据え、燃料バンドルを囲むように平面視矩形状に形成されたチャンネルボックス５を配置することで、このチャンネルボックス５の外側に冷却材の軽水が沸騰せずに流れる流路となるギャップ水領域を形成している。このギャップ水領域には、制御棒６が挿入されるギャップ水領域７と制御棒６の出し入れがないギャップ水領域８の２種類があり、これらギャップ水領域７，８は、燃料集合体１０２を制御棒側と反制御棒側に分ける対角線９によって区分けされている。

現在運転中のＢＷＲの炉心１には、ギャップ水領域７およびギャップ水領域８の面積が等しい炉心と、ギャップ水領域７の面積がギャップ水領域８の面積よりも広い炉心とがあり、前者はＣ格子炉心と呼ばれ、後者はＤ格子炉心と呼ばれている。燃料バンドルには水ロッド１０が配置され、燃料バンドル上下部はチャンネルボックス５に挿入され、燃料棒３および水ロッド１０の上下端は上部タイプレートおよび下部タイプレート（いずれも図示せず）によって支持されている。水ロッド１０の代わりに、角型ウォータチャンネルを用いる場合もある。

この燃料集合体１０２では、運転時、わずかに未飽和状態の冷却水が下部タイプレートの孔から燃料棒３間に流入し、燃料棒３間を下部から上部に流れるにつれ燃料棒３により加熱されて沸騰し、二相流となって上部タイプレートの孔から流出していく。その結果、冷却材のボイド率は燃料集合体１０２の下部では０％だが、上部では７０％程度にも達し、燃料集合体１０２の中心的な特性を決める要因である減速材対燃料比、すなわち水素対ウラン比（Ｈ／Ｕ比）が軸方向位置で大きく異なることになる。この軸方向のＨ／Ｕ比の分布は、炉停止余裕を減少させるという影響を与える。

一方、図１５において、燃料集合体１０２のチャンネルボックス５の外側には、制御棒６や中性子検出器計装管（図示せず）を配置するための間隙が設けられ、この間隙は飽和水で満たされており、上述したように、冷却材の軽水が沸騰せずに流れる流路となる制御棒６が挿入されるギャップ水領域７と、制御棒６の出し入れがないギャップ水領域８の２種類がある。このようなギャップ水領域７，８が存在するため、燃料集合体１０２の周辺部（間隙に近い領域）にある燃料棒３と、燃料集合体１０２中心部の燃料棒３とでは、飽和水による影響が異なる。

すなわち、ギャップ水領域７，８に近い燃料集合体１０２の周辺部は、中心部に比べＨ／Ｕ比が大きな領域となる。このように、中心的な特性を決める要因であるＨ／Ｕ比が、燃料集合体１０２内の径方向位置で異なることになる。この径方向のＨ／Ｕ比は、局所出力ピーキングを増大させるという影響を与える。また、特に、図１５に示す炉心１は、ギャップ水領域７の面積がギャップ水領域８の面積よりも広いＤ格子炉心となっており、ギャップ水領域７およびギャップ水領域８の面積が等しいＣ格子炉心とは異なるタイプとなっている。そのため、制御棒６に面する側とその反対側とではＨ／Ｕ比が大きく異なることになる。

このＨ／Ｕ比は、中性子の平均エネルギーを決定するパラメータである。このＨ／Ｕ比の特性を図１６により説明する。図１６は、一般的な沸騰水型原子炉の燃料集合体について、その平均濃縮度を所定の値とし、横軸にＨ／Ｕをとったときの無限増倍率の挙動を示したものである。図示のように、はじめＨ／Ｕ比が増加すると、中性子平均エネルギーが低く（中性子スペクトルがソフトに）なって核燃料物質との核分裂反応が促進され、無限増倍率も増加する。しかしこのとき一方で、中性子スペクトルがソフトになるほど、減速材（軽水）による中性子吸収反応も増大することから、あるＨ／Ｕ比で無限増倍率はピークを迎え、これ以降はＨ／Ｕ比が増大するほど無限増倍率が低下するようになる。すなわち、このピークが、できるだけ少ない燃料で高いエネルギーを得る（＝燃料経済性）観点からのＨ／Ｕ比の最適値となる。ただし、このとき実際は、反応度係数を適度に負の値にしておくという観点から、このピーク位置よりも若干小さい値ｘ1を現実の最適値（以下単に、最適値という）としている。

以上説明したように、Ｈ／Ｕ比の軸方向・径方向分布を改善し最適化することは燃料を経済的に使用するという観点から非常に重要であるため、従来、種々の方法でその改善が行われている。以下、それらについて順次説明する。

(１)軸方向のＨ／Ｕ比の改善について
燃料集合体の軸方向のＨ／Ｕ比の改善のための方策としては、例えば特許文献１に記載されているように、従来、燃料有効長が通常燃料棒よりも短い部分長燃料棒を設ける構成が提案されている。この部分長燃料棒を設けることにより、相変化を生じない飽和水領域を増加させるとともに軸方向の燃料装荷量を調整し、軸方向のＨ／Ｕ比を改善することができる。このような構造の一例を図１７に示す。この構造は、９行９列の正方格子状配列に７２本の燃料棒３を配置し、中央部の燃料棒９本分のスペースに角型ウォータチャンネル１１を設け、部分長燃料棒１３を燃料集合体内に均等に配置したものである。

（２）径方向のＨ／Ｕ比の改善について
一方、燃料集合体の径方向のＨ／Ｕ比の改善のための方策としては、従来、水ロッド本数を増加させるかまたは水ロッドを大型化する構成がある。これのようにすれば、中性子減速効果の十分でない燃料集合体の中央領域において水ロッド領域を増大し、これにより径方向のＨ／Ｕ比を改善することができる。特に、Ｄ格子炉心に装荷される燃料集合体では、図１５で前述したように、制御棒６が位置する側のギャップ水領域７と、その反対側のギャップ水領域８の面積が等しくないことにより、径方向のＨ／Ｕ比が不均一となり、局所出力ピーキングが増大する傾向にある。これに対しては、従来より燃料棒３のウラン２３５の濃縮度を調整する方法が用いられている。すなわち、熱中性子束の小さな狭いギャップ水領域７に面する側の燃料棒３を比較的高い濃縮度とし、熱中性子束の大きな広いギャップ水領域８に対面する側の燃料棒を比較的低い濃縮度とすることにより、両者の出力差を低減し、径方向の局所出力ピーキングを抑制するものである。

（３）高燃焼度化におけるＨ／Ｕ比の改善
ところで、近年、沸騰水型原子炉において、プラント利用率の向上とともにウラン資源を有効に活用する方法として、燃料の高燃焼度化および長期運転サイクル化が提唱されている。このとき、燃料集合体の取出燃焼度を高めるためには濃縮度を高める必要があるため、Ｈ／Ｕ比が影響を受けることになる。また、長期運転サイクル化による炉内滞在期間の延長は、Ｈ／Ｕ比が軸方向・径方向で異なるという影響を燃料が炉心内で長期間受けることを意味しており、このＨ／Ｕ比の影響がさらに拡大することになる。

燃料集合体におけるＨ／Ｕ比の改善に関する広く知られている技術として、（イ）燃料集合体内にウォータロッドやウォータチャンネルを配置する方法、（ロ）部分長燃料棒のように有効長の一部に、燃料棒部がなく、減速材が流れることのできる燃料棒を配置する方法がある。また、これとは異なる方法として、（ハ）ウォータロッドやウォータチャンネルおよび部分長燃料棒の配置の方法を特定する方法により、実効的にＨ／Ｕ比の改善ができる方法が考えられてきた。（イ）の方法は、特許文献２に、（ロ）の方法は、特許文献３に、（ハ）の方法は、特許文献４にその内容が記載されている。

（イ）のうち、燃料棒が配置できる位置３行３列にウォータチャンネルを配置する技術と（ロ）の部分長燃料棒を組み合わせた技術は、特許文献５にも記載されている。また、（イ）のうち、燃料棒が配置できる位置７箇所にウォータロッドを配置する技術と（ロ）の部分長燃料棒、および（ハ）の技術を組み合わせた技術は、特許文献６にも記載されている。しかしながら、前記燃料棒が配置できる位置３行３列にウォータチャンネルを配置する技術で、角型のウォータチャンネルであることからもわかるように、十分な減速材領域を確保できていることから、さらにＨ／Ｕを改善する（ハ）の技術を合わせて実施する必要は全くなかった。

なお、本出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに見付け出すことはできなかった。
特開昭５２−５０４９８号公報特開昭６２−２１７１８６号公報特開昭５２−５０４９８号公報特開平１１−１９４１９０号公報特開平１１−１０９０７３号公報特開平１０−２６０２８１号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の課題が存在する。複数の燃料棒配置位置にウォータロッドやウォータチャネルを配置すると、当然ながら減速材である水が、集中的に配置されるので、減速が促進され、結果として、ウォータロッドやウォータチャネル周りの燃料棒の局所出力分布が大きくなる。局所出力分布が大きくなると、燃料棒の出力が局所的に大きくなるため、十分な熱的余裕を確保できなくなる。そのため、当該燃料棒の濃縮度を小さくすることが必要になっていた。高燃焼度化させるには、燃料集合体の濃縮度を増加させる必要があるが、結局、逆に燃料棒の濃縮度を下げざるを得なくなっており、これらを同時に解決する必要に迫られていた。

本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、平均濃縮度を３．９重量％以上として高濃縮度化を図った燃料集合体において、熱的余裕を確保しつつＨ／Ｕ比を最適化できる構成を提供することにある。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、９行９列以上の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、この燃料棒が２本以上配置可能な領域に配置された少なくとも１本の角型ウォータチャネルとを備え、前記多数の燃料棒が複数の第１の燃料棒と、この第１の燃料棒より燃料有効長の短い第２の燃料棒とによって構成した燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルの４辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置の全ての位置に前記第２の燃料棒を配置したものである。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記角型ウォータチャネルを１本とし、この角型ウォータチャネルが占める領域を燃料棒が３行３列で配置可能な領域としたものである。
請求項３に係る発明は、９行９列以上の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、この燃料棒が３行３列で配置可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャネルとを備え、前記多数の燃料棒が複数の第１の燃料棒と、この第１の燃料棒より燃料有効長の短い第２の燃料棒とによって構成した燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルの４辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒を配置したものである。
請求項４に係る発明は、９行９列以上の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、この燃料棒が３行３列で配置可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャネルとを備え、前記多数の燃料棒が複数の第１の燃料棒と、この第１の燃料棒より燃料有効長の短い第２の燃料棒とによって構成した燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルの４辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に前記第２の燃料棒を配置したものである。
請求項５に係る発明は、９行９列以上の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、この燃料棒が３行３列で配置可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャネルとを備え、前記多数の燃料棒が複数の第１の燃料棒と、この第１の燃料棒より燃料有効長の短い第２の燃料棒とによって構成した燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルの４辺のうちの２辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に前記第２の燃料棒を配置し、かつ前記角型ウォータチャネルの４辺のうちの他の２辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒を配置したものである。

ウォータボックスの中には、中性子の減速材の役目を果たす水が流れており、ウォータボックスに隣接する燃料棒配置位置は、その減速効果により熱中性子束が大きくなっている。そのため、ウォータボックスに隣接する燃料棒配置位置１２箇所に濃縮度の高い燃料棒を配置すると、熱中性子束が高いために、その燃料棒の出力の大きさを示す局所出力因子が高くなってしまう。これを解決する方法としては、当該燃料棒の濃縮度を低く抑えることが考えられるが、低い濃縮度の燃料を配置すると燃料集合体全体の平均的な濃縮度が小さくなってしまう。濃縮度が小さくなることは、燃料集合体の燃焼度が低くなり、燃料の経済的な利用が低くなることを意味する。これを解決するために、本発明の方法を適用することで、局所出力因子が高くなる燃料棒を無くしかつ、平均濃縮度を小さくしないことができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。同図において、上述した図１５および図１７に示す従来技術において説明した同一または同等の部材については、同一の符号を付し詳細な説明は適宜省略する。

同図において、燃料集合体２Ａは、９×９の正方格子状に配列されたウラン２３５を含む多数の第１の燃料棒３および第２の燃料棒１３を備え、第１の燃料棒３は通常の燃料有効長を有し、第２の燃料棒１３は第１の燃料棒３よりは燃料有効長の短い短尺燃料棒または部分長燃料棒と呼ばれる燃料棒によって形成されている。この第２の燃料棒１３は、例えば、第１の燃料棒３の燃料有効長の１５／２４となっている。また、角型ウォータチャネル１１を１本とし、この角型ウォータチャネル１１が配置される領域を、燃料集合体２の中央部で第１の燃料棒３が３行３列で配置可能な範囲としている。

第２の燃料棒１３は、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置の全ての位置に合計１２本配置されている。すなわち、第２の燃料棒１３は、第１の燃料棒３が３行３列で配置可能な範囲を占めるように配置された角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々の外側に３本ずつ配置されている。なお、本実施例では、この１２本のみを第２の燃料棒１３としているが、必要に応じてこれ以外の燃料棒配置位置の第１の燃料棒３も第２の燃料棒１３としてもよい。

このように第２の燃料棒１３を配置することにより、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置は、角型ウォータチャンネル１１が隣接しているため減速材が多くあり、そのため熱中性子束が高くなっている。この場所に、第２の燃料棒１３を配置しているので、熱中性子束が高くなる部分に燃料がなくなり、局所的に燃料棒出力が高くなることを回避できる。これにより、燃料濃縮度を低くする必要がある燃料棒を少なくすることができ、熱的余裕を確保しつつ高濃縮度化を図った燃料集合体を提供することができる。

なお、第２の燃料棒１３は、燃料集合体２Ａの下部には、通常の燃料棒と同様に燃料が配置されているので、角型ウォータチャンネル１１に隣接する燃料棒配置位置ではあるが、燃料棒が配置されることになる。しかしながら、燃料集合体下部では、減速材である水のボイド率がまだ大きくなく、角型ウォータチャンネル１１とチャンネルボックス５の外側にはさまれた領域の燃料棒の間において減速材の密度が高く、減速材の径方向の分布は、燃料集合体２Ａ上部よりは平坦になっており、角型ウォータチャンネル１１に隣接する燃料棒の出力が局所的に高くなることはない。

図２は本発明の第２の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第２の実施形態の燃料集合体２Ｂにおいては、第２の燃料棒１３を、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒１３を配置したものである。すなわち、第２の燃料棒１３は、第１の燃料棒３が３行３列で配置可能な範囲を占めるように配置された角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々の外側の中央に１本ずつ計４本配置されている。なお、この第２の実施形態においても、この４本のみを第２の燃料棒１３としているが、必要に応じてこれ以外の燃料棒配置位置の第１の燃料棒３も第２の燃料棒１３としてもよい。

角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置は、角型ウォータチャンネル１１が隣接しているため減速材が多くあり、そのため熱中性子束が高くなっている。この場所に、部分長燃料棒である第２の燃料棒１３を配置することにより、熱中性子束が高くなる部分に燃料がなくなり、局所的に燃料棒出力が高くなることを回避できている。また、角型ウォータチャンネル１１の１辺に隣接する燃料棒配置には３箇所の燃料棒配置があるが、この３箇所の燃料棒配置の位置がすべて同じ熱中性子束になるわけではなく、中央が最も熱中性子束が高くなる傾向にある。したがって、この第２の実施形態のように、第２の燃料棒１３を角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの中央の位置のみに配置しても、上述した第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。すなわち、燃料濃縮度を低くする必要がある燃料棒を少なくすることができ、熱的余裕を確保しつつ高濃縮度化を図った燃料集合体を提供することができる。

図３は本発明の第３の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第３の実施形態の燃料集合体２Ｃにおいては、第２の燃料棒１３を、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に配置したものである。すなわち、第２の燃料棒１３は、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々の外側であって、各辺に沿って３本の燃料棒が配置可能な位置の中央を除く両側に２本ずつ計８本配置されている。なお、この第３の実施形態においても、この８本のみを第２の燃料棒１３としているが、必要に応じてこれ以外の燃料棒配置位置の第１の燃料棒３も第２の燃料棒１３としてもよい。

角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置は、角型ウォータチャンネル１１が隣接しているため減速材が多くあり、そのため熱中性子束が高くなっている。この場所に、８本の第２の燃料棒１３を配置しているので、熱中性子束が高くなる部分に燃料がなくなり、局所的に燃料棒出力が高くなることを回避できている。角型ウォータチャンネルの１辺に隣接する燃料棒配置位置には、３箇所の燃料棒配置があるが、この３箇所の燃料棒配置の位置がすべて同じ熱中性子束になるわけではなく、中央が最も熱中性子束が高くなる傾向にある。また、第２の燃料棒１３の本数は、Ｈ／Ｕに影響を与えるので、角型ウォータチャンネル１１に隣接した位置には、８本の第２の燃料棒１３を配置したほうがいい場合には、この第３の実施形態が有効となる。これにより、燃料濃縮度を低くする必要がある燃料棒を少なくすることができ、熱的余裕を確保しつつ高濃縮度化を図った燃料集合体を提供することができる。

図４は本発明の第４の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第４の実施形態の燃料集合体２Ｄにおいては、第２の燃料棒１３を角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの２辺１１ｃ，１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に前記第２の燃料棒１３を２本ずつ計４本配置している。同時に、前記角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの他の２辺１１ａ，１１ｂの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒１３を１本ずつ計２本配置している。なお、この第４の実施形態においては、６本のみを第２の燃料棒としているが、必要に応じて角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置以外の場所の燃料棒を第２の燃料棒１３としてもよい。

角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置は、角型ウォータチャンネル１１が隣接しているため減速材が多くあり、そのため熱中性子束が高くなっている。この場所に、第２の燃料棒１３を配置しているので、熱中性子束が高くなる部分に燃料がなくなり、局所的に燃料棒出力が高くなることを回避できている。角型ウォータチャンネル１１の１辺に隣接する燃料棒配置には、３箇所の燃料棒配置があるが、この３箇所の燃料棒配置の位置がすべて同じ熱中性子束になるわけではなく、中央が最も熱中性子束が高くなる傾向にある。

したがって、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの２辺１１ａ，１１ｂの中央の位置のみを第２の燃料棒１３にすることにより熱中性子束を低くすることができる。また、第２の燃料棒１３の本数は、Ｈ／Ｕに影響を与え、かつ、燃料集合体２Ｄの径方向の減速材分布が、非対称であることも既に述べたように有り得る。すなわち、従来技術において上述したように、複数の燃料集合体が、炉心内に配置される配置方法には、Ｄ格子と呼ばれるものと、Ｃ格子と呼ばれるものとがあり、減速材の燃料集合体径方向の分布は必ずしも対称になっている訳ではない。このような場合には、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒３本ずつの燃料棒位置での減速材は、どの４辺も同じになっているわけではない。

このため、この第４の実施形態においては、全４辺１１ａないし１１ｄについて同じように、第２の燃料棒１３を配置するのではなく、必要に応じて配置する位置を変更する必要がある。この場合、第２の燃料棒１３を配置することは、その分燃料が発熱する部分を少なくすることであるので、無闇に第２の燃料棒１３を多くすることは好ましくない。したがって、第２の燃料棒１３をウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置に非対称に配置することも必要になる。したがって、この第４の実施形態のように、他の２辺１１ｃ，１１ｄの各々に２本の第２の燃料棒１３を配置し、４辺１１ａないし１１ｄの各々３箇所での第２の燃料棒１３の配置方法を同じ配置しないことによって対応している。これにより、燃料濃縮度を低くする必要がある燃料棒を少なくすることができ、熱的余裕を確保しつつ高濃縮度化を図った燃料集合体を提供することができる。

図５は本発明の第５の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第５の実施形態の燃料集合体２Ｅが、上述した第４の実施形態の燃料集合体２Ｄと異なる点は、第２の燃料棒１３を角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの２辺１１ａ，１１ｂの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に前記第２の燃料棒１３を２本ずつ計４本配置し、他の２辺１１ｃ，１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒１３を１本ずつ計２本配置した点である。なお、この第５の実施形態においては、６本のみを第２の燃料棒としているが、必要に応じて角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置以外の場所の燃料棒を第２の燃料棒１３としてもよい。このように構成することにより、上述した第４の実施形態と同様な作用効果が得られる。

図６は本発明の第６の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第６の実施形態の燃料集合体２Ｆが、上述した第１ないし第５の実施形態の燃料集合体２Ａないし２Ｅと異なる点は、燃料棒が１０行１０列の正方格子状に配置された点にある。すなわち、この第６の実施形態の燃料集合体２Ｆは、１０行１０列の正方格子状に配列されたウラン２３５を含む７９本の第１の燃料棒３および１２本の第２の燃料棒１３を備えている。第２の燃料棒１３は、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置の全ての位置に合計１２本配置されている。すなわち、第２の燃料棒１３は、第１の燃料棒３が３行３列で配置可能な範囲を占めるように配置された角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々の外側に３本ずつ配置されている。なお、この第６の実施形態では、この１２本のみを第２の燃料棒１３としているが、必要に応じてこれ以外の燃料棒配置位置の第１の燃料棒３も第２の燃料棒１３としてもよい。

角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置は、角型ウォータチャンネル１１が隣接しているため減速材が多くあり、そのため熱中性子束が高くなっている。この場所に、第２の燃料棒１３を配置しているので、熱中性子束が高くなる部分に燃料がなくなり、局所的に燃料棒出力が高くなることを回避できている。これにより、燃料濃縮度を低くする必要がある燃料棒を少なくすることができ、熱的余裕を確保しつつ高濃縮度化を図った燃料集合体を提供することができる。

図７は本発明の第７の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第７の実施形態の燃料集合体２Ｇが、上述した第６の実施形態の燃料集合体２Ｆと異なる点は、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置以外の場所の燃料棒を第２の燃料棒１３とした点にある。すなわち、燃料集合体２Ｇの最外周の４辺の中央部にそれぞれ２本ずつ合計８本の第２の燃料棒１３を配置している。これは、同図に示すように、１０行１０列の燃料棒配列の場合には、燃料棒の配置可能位置３行３列に相当する領域に配置した角型ウォータチャンネル１１が、幾何学的に対称位置に配置できないために、減速材の分布が非対称になるからであり、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置に１２本配置しただけでは対応できないからである。また、燃料集合体２Ｇの最外周に配置した第２の燃料棒１３の本数を１２本としたのは、第２の燃料棒１３を配置することは、その分燃料が発熱する部分を少なくすることであるので、無闇に第２の燃料棒１３を多くすることは好ましくないからである。

図８は本発明の第８の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第８の実施形態の燃料集合体２Ｈが、上述した第７の実施形態の燃料集合体２Ｇと異なる点は、燃料集合体２Ｇの最外周の４隅にそれぞれ１本ずつ合計４本の第２の燃料棒１３を配置した点にある。この第８の実施形態においても、上述した第７の実施形態と同様な作用効果が得られる。

図９は本発明の第９の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第９の実施形態の燃料集合体２Ｉが、上述した第８の実施形態の燃料集合体２Ｈと異なる点は、第２の燃料棒１３を、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒１３を配置した点にある。これは、角型ウォータチャンネル１１の各辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置には、それぞれ３箇所の燃料棒配置があるが、この３箇所の燃料棒配置の位置がすべて同じ熱中性子束になるわけではなく、中央が最も熱中性子束が高くなる傾向にある。したがって、中央の位置のみを第２の燃料棒１３にすることが有効になることがある。これにより、燃料濃縮度を低くする必要がある燃料棒を少なくすることができ、熱的余裕を確保しつつ高濃縮度化を図った燃料集合体を提供することができる。

図１０は本発明の第１０の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第１０の実施形態の燃料集合体２Ｊが、上述した第８および第９の実施形態の燃料集合体２Ｇ，２Ｈと異なる点は、第２の燃料棒１３を、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの２辺１１ｃ，１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に前記第２の燃料棒１３を２本ずつ計４本配置している点と、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの他の２辺１１ａ，１１ｂの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒１３を１本ずつ計２本配置した点が異なる。

したがって、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの２辺１１ａ，１１ｂの中央の位置のみを第２の燃料棒１３にすることにより熱中性子束を低くすることができる。また、第２の燃料棒１３の本数は、Ｈ／Ｕに影響を与え、かつ、燃料集合体２Ｄの径方向の減速材分布が、非対称であることも既に述べたように有り得る。すなわち、従来技術において上述したように、複数の燃料集合体が、炉心内に配置される配置方法には、Ｄ格子と呼ばれるものと、Ｃ格子と呼ばれるものとがあり、減速材の燃料集合体径方向の分布は必ずしも対称になっているわけではない。このような場合には、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒３本ずつの燃料棒位置での減速材は、どの４辺も同じになっているわけではない。

図１１は本発明の第１１の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第１１の実施形態の燃料集合体２Ｋが、上述した第１０の実施形態の燃料集合体２Ｊと異なる点は、第２の燃料棒１３を、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの２辺１１ａ，１１ｂの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に前記第２の燃料棒１３を２本ずつ計４本配置し、他の２辺１１ｃ，１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒１３を１本ずつ計２本配置した点である。このように構成することにより、上述した第１０の実施形態と同様な作用効果が得られる。

図１２は本発明の第１２の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第１２の実施形態の燃料集合体２Ｌが、上述した第９ないし第１１の実施形態の燃料集合体２Ｉないし２Ｋと異なる点は、第２の燃料棒１３を、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に配置した点にある。すなわち、第２の燃料棒１３は、角型ウォータチャネル１１の４辺１１ａないし１１ｄの各々の外側であって、各辺に沿って３本の燃料棒が配置可能な位置の中央を除く両側に２本ずつ計８本配置されている。

このように、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄに隣接する燃料棒配置位置は、角型ウォータチャンネル１１が隣接しているため減速材が多くあり、そのため熱中性子束が高くなっている。この場所に、第２の燃料棒１３を配置しているので、熱中性子束が高くなる部分に燃料がなくなり、局所的に燃料棒出力が高くなることを回避できる。角型ウォータチャンネル１１の１辺に隣接する燃料棒配置には、３箇所の燃料棒配置があるが、この３箇所の燃料棒配置の位置がすべて同じ熱中性子束になるわけではなく、中央が最も熱中性子束が高くなる傾向にある。また、第２の燃料棒１３の本数は、Ｈ／Ｕに影響を与えるので、角型ウォータチャンネル１１に隣接した位置には、８本の第２の燃料棒１３を配置したほうがいい場合には、この第１２の実施形態が有効となる。これにより、燃料濃縮度を低くする必要がある燃料棒を少なくすることができ、熱的余裕を確保しつつ高濃縮度化を図った燃料集合体を提供することができる。

図１３は本発明の第１３の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第１３の実施形態の燃料集合体２Ｍが、上述した第９ないし第１２の実施形態の燃料集合体２Ｉないし２Ｌと異なる点は、第２の燃料棒１３が、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの２辺１１ｃ，１１ｄについては、隣接する燃料棒配置位置、各辺３箇所の中の中央部にそれぞれ配置され、他の２辺１１ａ，１１ｂについては、隣接する燃料棒配置位置、各辺３箇所全部、合計６箇所にそれぞれ配置されている点にある。すなわち、角型ウォータチャンネル１１に隣接する燃料棒配置位置１２箇所のうち合計８本の第２の燃料棒１３が配置されている。

角型ウォータチャンネル１１の４辺に隣接する燃料棒配置位置は、角型ウォータチャンネル１１が隣接しているため減速材が多くあり、そのため熱中性子束が高くなっている。この場所に、第２の燃料棒１３を配置しているので、熱中性子束が高くなる部分に燃料がなくなり、局所的に燃料棒出力が高くなることを回避できる。角型ウォータチャンネル１１の１辺に隣接する燃料棒配置には、３箇所の燃料棒配置があるが、この３箇所の燃料棒配置の位置がすべて同じ熱中性子束になるわけではなく、中央が最も熱中性子束が高くなる傾向にある。したがって、中央の位置のみを第２の燃料棒１３にすることが有効になることがある。また、燃料集合体の径方向の減速材分布が、非対称であることも既に述べたように有り得るので、本実施例のように、４辺のそれぞれ３箇所での部分長燃料棒の配置方法が同じに配置されないこともある。これにより、燃料濃縮度を低くする必要がある燃料棒を少なくすることができ、熱的余裕を確保しつつ高濃縮度化を図った燃料集合体を提供することができる。

図１４は本発明の第１４の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

この第１４の実施形態の燃料集合体２Ｎが、上述した第１３の実施形態の燃料集合体２Ｍと異なる点は、第２の燃料棒１３が、角型ウォータチャンネル１１の４辺１１ａないし１１ｄのうちの２辺１１ａ，１１ｂについては、各辺３箇所の中央部にそれぞれ配置され、他の２辺１１ｃ，１１ｄについては、各辺３箇所全部で合計６箇所にそれぞれ配置されている点にある。このように構成することにより、上述した第１３の実施形態と同様な作用効果が得られる。

本発明の第１の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第２の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第３の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第４の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第５の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第６の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第７の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第８の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第９の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第１０の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第１１の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第１２の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第１３の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。本発明の第１４の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造を表す概念的横断面図である。Ｈ／Ｕ比−無限増倍率の特性曲線を示す図である。従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。

符号の説明

１…炉心、２Ａないし２Ｎ，１０２…燃料集合体、３…第１の燃料棒、４…単位セル、５…チャネルボックス、６…制御棒、７…幅が広いギャップ水領域、８…幅が狭いギャップ水領域、９…水ロッド、１１…角型ウォータチャネル、１３…第２の燃料棒（短尺燃料棒または部分長燃料棒）。

Claims

９行９列以上の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、この燃料棒が２本以上配置可能な領域に配置された少なくとも１本の角型ウォータチャネルとを備え、前記多数の燃料棒が複数の第１の燃料棒と、この第１の燃料棒より燃料有効長の短い第２の燃料棒とによって構成した燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルの４辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置の全ての位置に前記第２の燃料棒を配置したことを特徴とする燃料集合体。
請求項１記載の燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルを１本とし、この角型ウォータチャネルが占める領域を燃料棒が３行３列で配置可能な領域としたことを特徴とする燃料集合体。
９行９列以上の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、この燃料棒が３行３列で配置可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャネルとを備え、前記多数の燃料棒が複数の第１の燃料棒と、この第１の燃料棒より燃料有効長の短い第２の燃料棒とによって構成した燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルの４辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒を配置したことを特徴とする燃料集合体。
９行９列以上の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、この燃料棒が３行３列で配置可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャネルとを備え、前記多数の燃料棒が複数の第１の燃料棒と、この第１の燃料棒より燃料有効長の短い第２の燃料棒とによって構成した燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルの４辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に前記第２の燃料棒を配置したことを特徴とする燃料集合体。
９行９列以上の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、この燃料棒が３行３列で配置可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャネルとを備え、前記多数の燃料棒が複数の第１の燃料棒と、この第１の燃料棒より燃料有効長の短い第２の燃料棒とによって構成した燃料集合体において、前記角型ウォータチャネルの４辺のうちの２辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置を除く２箇所に前記第２の燃料棒を配置し、かつ前記角型ウォータチャネルの４辺のうちの他の２辺の各々に沿うように位置を占める隣接した燃料棒配置位置であって、その中央の位置に前記第２の燃料棒を配置したことを特徴とする燃料集合体。