JP2011133445A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料集合体一体あたりの燃料棒の装荷数を増加させ、かつ、完全な燃料の対角線対称性を有する燃料集合体を提供する。
【解決手段】燃料棒２は、燃料集合体１の垂直方向上方から俯瞰するときに、正十二角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正十二角形燃料棒配列４を有し、かつ、水平面内の一つの方向を横方向、前記横方向に垂直な方向を縦方向と仮定すると、横方向と縦方向に隣接する正十二角形燃料棒配列４は、互いに隣接する部分において正十二角形の一辺を共有するように正十二角形が網目状に連結されているように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料集合体に係り、特に、燃料集合体の垂直方向上方から俯瞰するときに、正十二角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正十二角形燃料棒配列を有する燃料棒配列とすることにより、燃料集合体一体あたりの燃料棒の収納数を向上させ、併せて燃料の対角線対称性を向上させることができる燃料集合体に関する。

一般に、軽水炉用燃料集合体は、燃料被覆管内に酸化ウランなどの燃料ペレットを多数充填した燃料棒を複数本、及び、ウォーターロッドを一本ないし数本互いに平行になるように束ね、その外周をチャンネルボックスによって囲って形成している。

従来は、正方格子状に燃料棒を配列した燃料集合体が広く用いられていた。

また、上記正方格子の行と列をチャンネルボックスの一辺に対して４５°回転させたやはり正方格子状の燃料棒配列を有する燃料集合体も提案されていた。

図１７は、従来の正方格子状の燃料棒配列を有する燃料集合体の平面断面図を示している。

符号２０は燃料集合体の全体を示し、符号２１は燃料棒、符号２２はチャンネルボックス、符号２３はウォーターロッドをそれぞれ示している。

燃料集合体２０は、１０行１０列の燃料棒配列を有し、それらの燃料棒２１は正方格子状に配列された正四角形の頂点上に配置されている。

ウォーターロッド２３は、図示しない制御棒に最も近いチャンネルボックス２２のコーナーから対角のコーナーまでの対角線上に配置されている。

従来においては、上記正方格子を４５°回転した正方格子を基本配列とした燃料集合体も提案されている。
特開平４−１４３６９４号公報 特開２００９−１４５２０３号公報

近年、原子炉の高効率化の要求が強くなり、これに対しては燃料集合体一体あたりから取り出すエネルギーをより多くすることで燃料経済性を向上させることができるという観点から、一体の燃料集合体により多くの燃料棒を装荷することが一つの技術的課題となっていた。

また、廃棄物量低減の面からも、廃棄物量を低減させるために燃料集合体一体に収まる燃料棒本数はできるだけ多い方が良い。

このため、従来の沸騰水型燃料集合体の設計では、チャンネルボックス内に収納する燃料棒を八行八列、九行九列、十行十列（特開２００９−１４５２０３号公報に示されている）というように、その本数を増加させる傾向にある。

燃料棒の配列に関しては、従来は、燃料棒をチャンネルボックスの辺と平行な行と列からなる正方格子状に配置したもの、又はチャンネルボックスの一辺に対して正方格子を４５°回転させたものを基本配列としていた。

上記の燃料棒配列のいずれも正方格子の燃料棒配列であり、従来の実用的なほとんどの燃料棒配列は、正方格子の燃料棒配列であったといって良い。これは、制御棒の挿入位置に対してチャンネルボックスの辺と平行な正方格子状に配置した燃料棒配列、又はチャンネルボックスの一辺に対して正方格子を４５°回転させた燃料棒配列は、制御棒との関係で燃料集合体がチャンネルボックスの対角線に関して対称に燃焼するため、好都合だったからである。これを燃料の対角線対称性という。燃料の対角線対称性を満足する場合、燃料集合体内の均等的な燃焼度を実現でき、燃料の健全性、経済性を向上させることができる。

しかし、正方格子状の燃料棒配列では、正方形の隣接する頂点間の燃料棒の距離は健全性のために一定の距離以上には近づけることができず、一方、対角線上にある燃料棒間の距離は隣接する頂点間の燃料棒の距離より必然的に長くなるため、燃料集合体一体あたりに収納できる燃料棒の数に限界があった。

一方、特開平４−１４３６９４号公報に開示されているように、もっぱら燃料棒本数を多くするという目的のために、すべての燃料棒を正三角形の頂点に配置する燃料棒配列が提案されている。

正三角形の格子状に燃料棒を配列する燃料棒配列は、すべての燃料棒間の距離が等しくなり、各燃料棒燃料棒間の距離を極限まで短くすることができるため、最も稠密に燃料棒を配列することができる。

しかし、正三角形格子状の燃料棒配列では、特開平４−１４３６９４号公報の図面から分かるように、チャンネルボックスの対角線に関しては対称的な配列にはならない。すなわち、完全な燃料の対角線対称性を実現することができない。

そこで、本発明が解決しようとする一つの課題は、正方格子状の燃料棒配列に比して燃料集合体一体あたりの燃料棒の装荷数を増加させ、かつ、完全な燃料の対角線対称性を実現することができる燃料集合体を提供することにある。

また、従来から燃料集合体の出力分布の平坦化およびボイド反応度係数の改善を目的として、燃料集合体内にウォーターロッドを設けることが行われていた。

しかし、従来の正方格子状の燃料棒配列の一部の正方格子の燃料棒をウォーターロッドに置き換えた場合、燃料棒が正方格子状に配列され、一方ウォーターロッドが円形であるため、ウォーターロッドからその周辺の燃料棒までの距離が全部均一にはならない。

このため、ウォーターロッドの効果が燃料棒によって区々となる問題があった。

そこで、本発明が解決しようとする一つの課題は、上述したように燃料集合体一体あたりの燃料棒の装荷数を増加させ、かつ、ウォーターロッドからその周辺の燃料棒までの距離が全部均一となるようにウォーターロッドを設けることができる燃料集合体を提供することにある。

本発明による燃料集合体は、
複数本の燃料棒を垂直に支持し、その外周をチャンネルボックスによって囲った燃料集合体において、
前記燃料棒は、前記燃料集合体の垂直方向上方から俯瞰するときに、正十二角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正十二角形燃料棒配列を有し、かつ、水平面内の一つの方向を横方向、前記横方向に垂直な方向を縦方向と仮定すると、横方向と縦方向に隣接する前記正十二角形燃料棒配列は、互いに隣接する部分において正十二角形の一辺を共有するように正十二角形が網目状に連結されている、燃料棒配列を有することを特徴とする。

前記正十二角形燃料棒配列の横方向または縦方向の列は、前記チャンネルボックスの対角線に配置されているようにすることができる。

前記横方向または前記縦方向は、制御棒にもっとも近い前記チャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に配置されているようにすることができる。

前記横方向または前記縦方向は、制御棒にもっとも近い前記チャンネルボックスのコーナーを含む前記チャンネルボックスの一辺から４５°の角度傾斜し、前記正十二角形燃料棒配列は、制御棒にもっとも近い前記チャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に関して対称に配置されているようにすることができる。

前記横方向または前記縦方向は、前記チャンネルボックスの一辺に平行に配置されているようにすることができる。

前記横方向または前記縦方向は、前記チャンネルボックスの一辺に平行に配置され、前記正十二角形燃料棒配列は、制御棒にもっとも近い前記チャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に関して対称に配置されているようにすることができる。

前記横方向または前記縦方向は、前記チャンネルボックスの一辺に平行に配置され、前記正十二角形燃料棒配列は、前記チャンネルボックスの各辺の中点を結んだ線に関して対称に配置されているようにすることができる。

前記正十二角形燃料棒配列は、その内部に正六角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正六角形燃料棒配列を有し、前記正六角形燃料棒配列の正六角形の各辺は前記正十二角形燃料棒配列の正十二角形の辺と長さが同一であり、かつ、平行であるようにすることができる。

前記正六角形燃料棒配列は、その正六角形の頂点の対角線の交点の位置に燃料棒を有しているようにすることができる。

前記正六角形燃料棒配列のうちの所定の正六角形燃料棒配列は、その正六角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有しているようにすることができる。

前記正十二角形燃料棒配列のうちの所定の正十二角形燃料棒配列は、その正十二角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有し、燃料棒を有していないようにすることができる。

前記正十二角形が網目状に連結された正十二角形燃料棒配列のうち、一つの正十二角形燃料棒配列全体が一本のウォーターロッドに置き換えられているようにすることができる。

前記正十二角形燃料棒配列は、その内部に正四角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正四角形燃料棒配列を有し、前記正四角形燃料棒配列の正四角形の各頂点は前記正十二角形燃料棒配列の正十二角形の二つおきの辺を底辺とする正三角形の頂点に位置しているようにすることができる。

前記正四角形燃料棒配列は、その正四角形の頂点の対角線の交点の位置に燃料棒を有しているようにすることができる。

前記正四角形燃料棒配列のうちの所定の正四角形燃料棒配列は、その正四角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有しているようにすることができる。

前記正四角形燃料棒配列は、その正四角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有しているようにすることができる。

本発明による燃料集合体は、
複数本の燃料棒を垂直に支持し、その外周をチャンネルボックスによって囲った燃料集合体において、
前記燃料棒は、前記燃料集合体の垂直方向上方から俯瞰するときに、正十二角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正十二角形燃料棒配列を有し、かつ、水平面内の一つの方向を横方向、前記横方向に垂直な方向を縦方向と仮定すると、横方向と縦方向に隣接する前記正十二角形燃料棒配列は、互いに隣接する部分において正十二角形の一辺を共有するように正十二角形が網目状に連結されている、燃料棒配列を有し、
前記チャンネルボックスの中心領域においては、前記正十二角形燃料棒配列は、その内部に正六角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正六角形燃料棒配列を有し、前記正六角形燃料棒配列の正六角形の各辺は前記正十二角形燃料棒配列の正十二角形の辺と長さが同一であり、かつ、平行であり、
前記チャンネルボックスの周辺領域においては、前記正十二角形燃料棒配列は、その内部に正四角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正四角形燃料棒配列を有し、前記正四角形燃料棒配列の正四角形の各頂点は前記正十二角形燃料棒配列の正十二角形の二つおきの辺を底辺とする正三角形の頂点に位置している、ことを特徴とする。

本発明は、正十二角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正十二角形燃料棒配列を有し、かつ、横方向と縦方向に隣接する正十二角形燃料棒配列が、互いに隣接する部分において正十二角形の一辺を共有するように正十二角形が網目状に連結されている。

この燃料棒配列により、正十二角形燃料棒配列の網目構造の網目部分では、隣接する正十二角形燃料棒配列の燃料棒同士が正三角形を構成し、枢密に燃料棒を配置することができる。

また、この正十二角形燃料棒配列の内部に正六角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒を配置した正六角形燃料棒配列を配置することができる。

この場合には、正六角形燃料棒配列の各燃料棒と最寄りの正十二角形燃料棒配列の頂点の燃料棒が正三角形を構成し、最も枢密に燃料棒２を配置することができる。

また、上記正十二角形燃料棒配列と正六角形燃料棒配列とを組合せることにより、同一寸法のチャンネルボックス内に、従来の燃料棒の数より多くの燃料棒を配置することができるとともに、制御棒の中心を通り、最寄りのチャンネルボックスのコーナーとその対角にあるコーナーを通る対角線に関して、燃料集合体各燃料棒が完全に対称に配置されるようにすることができる。

すなわち、本発明によれば、従来と同一寸法のチャンネルボックス内に、より多くの燃料棒を装荷することができ、かつ、完全な燃料の対角線対称性を実現することができる。

これによって、燃料の燃焼が対称的に進み、燃料の健全性と経済性を向上させることができる。

また、正十二角形燃料棒配列の内部にウォーターロッドを設ける場合、ウォーターロッドとその周辺の燃料棒の距離が等しくなり、これによってウォーターロッドの周辺の燃料棒がウォーターロッドによる中性子の減速効果を均等に受けることができ、これによってウォーターロッドによる燃料集合体の出力分布の平坦化およびボイド反応度係数の改善をはかることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について以下に説明する。

図１に本発明の一実施形態による燃料集合体を、垂直方向上方から俯瞰したときの平面断面図を示す。

本実施形態による燃料集合体１は、複数本の燃料棒２を垂直に支持しており、その外周をチャンネルボックス３によって囲ってなる。

図１に示すように、本実施形態の燃料集合体１は、垂直方向上方から俯瞰したときに、正十二角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒２が配置された正十二角形燃料棒配列４を有している。なお、図１において、正十二角形燃料棒配列４は補助線による正十二角形によって強調して示す。

正十二角形燃料棒配列４は、水平面内の一つの方向を横方向、前記横方向に垂直な方向を縦方向と仮定すると、横方向と縦方向に隣接する正十二角形燃料棒配列が、互いに隣接する部分において正十二角形の一辺を共有するように、それらの正十二角形が網目状に連結されている。図１の場合の横方向は、チャンネルボックス３の一辺から４５°傾斜しており、縦方向は横方向に対して垂直な方向である。

すなわち、正十二角形燃料棒配列４の網目構造は、全体として４５°回転した配置になっている。各正十二角形燃料棒配列４の内部にさらに燃料棒２が配置されている。

チャンネルボックス３の一つのコーナーは、制御棒５にもっとも接近して配置される。

燃料集合体１の中心領域の正十二角形燃料棒配列４は、その内部に正六角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正六角形燃料棒配列６を有している。図１において、正六角形燃料棒配列６は補助線による正六角形によって強調して示す。

燃料集合体１の周辺領域の正十二角形燃料棒配列４は、その内部に正四角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正四角形燃料棒配列７を有している。図１において、正四角形燃料棒配列７は補助線による正四角形によって強調して示す。

なお、図１の例では、周辺領域の正十二角形燃料棒配列４は、一部がチャンネルボックス３の外になっているため、不完全な正十二角形になっているが、燃料棒配列の考え方としては完全な正十二角形を有する正十二角形燃料棒配列４の場合と全く同様である。

また、図１の例では、周辺領域の正十二角形燃料棒配列４のみが正四角形燃料棒配列７を有し、それらの正四角形燃料棒配列７は、一部がチャンネルボックス３の外になっているため、不完全な正四角形になっているが、それらの不完全な正四角形についても燃料棒配列の考え方としては完全な正四角形を有する正四角形燃料棒配列７の場合と全く同様である。しかも、正四角形燃料棒配列７は図１の例のように燃料集合体の周辺領域のみに配置されている場合に限られず、燃料集合体の全体に配置されていてもよい。同様に、正六角形燃料棒配列６が燃料集合体１の全体に配置されていてもよい。

次に、正六角形燃料棒配列６と正十二角形燃料棒配列４の配置あるいは位置関係を、図２を用いて説明する。

図２は、正十二角形燃料棒配列４と正六角形燃料棒配列６の位置関係を説明するために一部拡大して示した図である。

図２に示すように、正六角形燃料棒配列６は正六角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒２を有し、正六角形燃料棒配列６の正六角形の各辺は、正十二角形燃料棒配列４の正十二角形の辺と長さが同一であり、かつ、平行になっている。すなわち、正十二角形内の正六角形は、正十二角形の辺と平行になっていることにより角度が決まり、正六角形の各辺が正十二角形の辺と長さが同一になっていることにより半径方向の大きさが決まる。

正十二角形燃料棒配列４と正六角形燃料棒配列６の位置関係が上述したように決められることにより、図２から分かるように、正六角形燃料棒配列６の各頂点の燃料棒２は、最寄りの正十二角形燃料棒配列４の頂点の燃料棒２と正三角形を構成し、それらの関係で最も枢密に燃料棒２を配置することができる。

また、正六角形燃料棒配列６の各頂点の燃料棒２及び中心の燃料棒２同士は、正三角形を構成し、それらの関係で最も枢密に燃料棒２を配置することができる。

さらに、正十二角形燃料棒配列４の網目構造の網目部分では、隣接する正十二角形燃料棒配列４の燃料棒２同士は、正三角形を構成し、枢密に燃料棒２を配置することができる。

このように、全体として見れば、本発明による正十二角形燃料棒配列４と正六角形燃料棒配列６を有する燃料棒配列は、一部の燃料棒が正四角形の頂点に配置され、正三角形の頂点に配置される燃料棒が多く、全体としてきわめて密に燃料棒を配置することができる。

図３は、正十二角形燃料棒配列４と正四角形燃料棒配列７の位置関係を説明するために一部拡大して示した図である。

図３に示すように、正四角形燃料棒配列７は正四角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒２を有し、正四角形燃料棒配列７の正四角形の各頂点は、正十二角形燃料棒配列４の正十二角形の二つおきの辺を底辺とする正三角形の頂点に位置している。

この場合も、図３から分かるように、正四角形燃料棒配列７の各頂点の燃料棒２は、最寄りの正十二角形燃料棒配列４の頂点の燃料棒２と正三角形を構成し、それらの関係で最も枢密に燃料棒２を配置することができる。

本発明は、上述したように正三角形の頂点上に燃料棒２を多く配置できることによって多数の燃料棒２を装荷できるのみならず、次に説明するように、燃料の対角線対称性を完全に満足することができる。

図４に、燃料集合体１の燃料の対角線対称性を示す。図４において図１と同一部分には同一の符号を付す。

図４において、制御棒５の中心を通りチャンネルボックス３の対角線を通るように補助線Ｌを示す。

この補助線Ｌに関して、燃料集合体１の正十二角形燃料棒配列４の各燃料棒２は、補助線Ａに示すように、対称に配置されている。

また、燃料集合体１の正六角形燃料棒配列６の各燃料棒２は、補助線Ｂに示すように、対称に配置されている。

さらにまた、燃料集合体１の正四角形燃料棒配列７の各燃料棒２は、補助線Ｃに示すように、対称に配置されている。

なお、補助線Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ一対の燃料棒２について示したが、本発明によれば、すべての燃料棒２が補助線Ｌに関して対称に配置される。

このように、本実施形態の燃料集合体１によれば、制御棒５の中心と燃料集合体１の中心を通る線（補助線Ｌ）に関して、完全な燃料の対角線対称性を実現することができる。

これにより、燃料集合体１によれば、燃料の燃焼が対称的に進み、燃料の健全性と経済性を改善することができる。

ここで、上記燃料集合体に要求される燃料棒装荷数と燃料の対角線対称性について、本発明と従来技術を比較し、本発明の利点を検証する。

図５は、従来の正方格子配列の燃料集合体（図５ａ）と、正三角形格子配列の燃料集合体（図５ｂ）と、本発明による正十二角形格子配列の燃料集合体（図５ｃ）を示している。

比較するために、燃料棒径及びチャンネルボックスの寸法は等しいものとし、燃料棒間の距離は、現行の１０行１０列燃料集合体（図５ａ）における隣接燃料棒間距離と同じかそれ以上とし、さらに、チャンネルボックスとチャンネルボックスに隣接する燃料棒の中心との距離は隣接燃料棒間距離の1/2以上とした。

下表は、比較結果を示す。

このように、本発明によれば、同一の寸法条件の下、従来の正方格子配列の１００本の燃料棒に比して３本の燃料棒を多く装荷することができる。また、もっぱら燃料棒の装荷数を増加させる目的の正三角形格子配列の１０５本の燃料棒に比して少ない燃料棒を装荷するものの、正三角形格子配列が燃料の対角線対称性を無視しているのに対して完全な燃料対角線対称性を実現することができる。

次に、正十二角形燃料棒配列４の網目構造とチャンネルボックス３の位置関係の変形例について説明する。

図６は正十二角形燃料棒配列４の網目構造の横方向または縦方向が、チャンネルボックス３の制御棒（図１と同様、図示せず。）にもっとも近いコーナーを含む一辺から４５°の角度傾斜し、かつ、制御棒にもっとも近いチャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に関して対称に配置されている燃料集合体を示している。

なお、図１の場合は、正十二角形燃料棒配列４の網目構造の横方向または縦方向の列が、制御棒５にもっとも近いチャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線上に配置されている。

つまり、本発明は、制御棒にもっとも近いチャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に関して対称に配置されていればよく、図１または図６のような燃料棒配列を含むものである。

図７に本発明の他の変形例を示す。

図７は、チャンネルボックス３の大きさが同一であることを前提として、図６に比して各正十二角形燃料棒配列４の正十二角形の大きさが大きくなっている。

このように、本発明において正十二角形燃料棒配列４の大きさは、チャンネルボックス３の寸法に対して任意に変化させることができる。

また、制御棒にもっとも近いチャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線と直交する対角線に関して、図６では正十二角形燃料棒配列４の列が当該対角線上にあったのに対して、図７では正十二角形燃料棒配列４の列が当該対角線を挟んで対称に配置されている。

このように、本発明は、制御棒にもっとも近いチャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線と直交する対角線に関しても、対称に配置されるのが好ましく、図６と図７のような燃料棒配列を含むものである。

図８，９に本発明のさらに他の変形例を示す。

図８，９に示すように、本発明では正十二角形燃料棒配列４の網目構造の横方向または縦方向の列が、チャンネルボックス３の一辺に平行に配置されるようにすることができる。

この場合、図８，９に示すように正十二角形燃料棒配列４は、チャンネルボックス３の各辺の中点を結んだ線に関して対称に配置されているのが好ましい。

チャンネルボックス３の各辺の中点を結んだ線に関して対称に配置される方法は、図８のように正十二角形燃料棒配列４の列がチャンネルボックス３の各辺の中点を結んだ線上に配置される場合と、図９のように正十二角形燃料棒配列４がチャンネルボックス３の各辺の中点を結んだ線を挟んで互いに対称に配置される場合とがある。

さらに、図８，９に示すように、チャンネルボックス３の制御棒（図１と同様、図示せず。）にもっとも近いコーナーから対角のコーナーの対角線および当該対角線に直交するチャンネルボックス３の他の対角線に関しても、正十二角形燃料棒配列４を対称に配置することができる。

この場合には、燃料の対角線対称性のみならず、チャンネルボックスの各辺の中点を連結した線に関する対称性も得ることができる。

次に、ウォーターロッドを含むようにした燃料集合体について以下に説明する。

本発明の燃料棒配列は、所定の燃料棒をウォーターロッドに置き換えることにより、従来よりも好ましい特性で燃料集合体の出力分布の平坦化およびボイド反応度係数の改善をはかることができる。

図１０は、正六角形燃料棒配列６のうちの所定の正六角形燃料棒配列６が、その正六角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッド８を有している燃料棒配列を示している。

図１０から明らかなように、ウォーターロッド８はその周囲の燃料棒２から等距離の位置にあり、これによって周囲の燃料棒２は均等にウォーターロッド８による中性子減速および除熱の効果を得られる。

図１１は、正十二角形燃料棒配列４のうちの所定の正十二角形燃料棒配列４が、その正十二角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッド８を有し、その他に内部に燃料棒２を有していない燃料棒配列を示している。すなわち、図１１の燃料棒配列は、正十二角形燃料棒配列４の内部の正六角形燃料棒配列６や正四角形燃料棒配列７が全体としてウォーターロッド８に置き換えられたものである。

この燃料棒配列においても、図１１から明らかなように、ウォーターロッド８はその周囲の燃料棒２、すなわち正十二角形燃料棒配列４の各燃料棒２から等距離の位置にあり、これによってウォーターロッド８の周囲の正十二角形燃料棒配列４の燃料棒２は均等にウォーターロッド８による中性子減速および除熱の効果を得られるのである。

図１２は、正十二角形が網目状に連結された正十二角形燃料棒配列のうち、一つの正十二角形燃料棒配列４全体が一本のウォーターロッド８に置き換えられている燃料棒配列を示している。

この場合には、ウォーターロッド８の周囲の１４本の燃料棒２のうち、図１２に斜線を付し示した４本の燃料棒２ｂを除く他の１０本の燃料棒２ａが、ウォーターロッド８から等距離の位置にあり、ウォーターロッド８による中性子減速および除熱の効果を得られる。

図１３は、正四角形燃料棒配列７のうちの所定の正四角形燃料棒配列７が、その正四角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッド８を有している燃料棒配列を示している。

この場合も同様に、ウォーターロッド８はその周囲の燃料棒２から等距離の位置にあり、これによって周囲の燃料棒２は均等にウォーターロッド８による中性子減速および除熱の効果を得られる。

図１４は、本発明の他の実施形態を示す図である。図１４は燃料集合体を上方から見たときの平面断面図を示しており、図中のＡは燃料の下部断面、図中のＢは燃料の上部断面を示している。

なお、図１４の例では、燃料集合体の中心部の正十二角形燃料棒配列にウォーターロッドを有しているが、ウォーターロッドを有していない燃料集合体についても以下に述べることは同様である。

図１４の下部断面Ａの燃料棒配列は、図１のものと同様に、燃料集合体の中心領域は正十二角形燃料棒配列の内部に正六角形燃料棒配列を有し、燃料集合体の周辺領域は正十二角形燃料棒配列の内部に正四角形燃料棒配列を有している。各正六角形燃料棒配列は、その正六角形の頂点の対角線の交点の位置に燃料棒を有している。

これに対して下部断面Ａの燃料棒配列は、正六角形燃料棒配列の正六角形の中心に配された燃料棒四本、および正四角形燃料棒配列の燃料棒十二本が、短尺燃料棒とすることで欠如している。

図１４の正十二角形の一辺の長さ及び燃料棒の直径は、チャンネルボックス内に燃料棒を十行十列に配列させたときの近接燃料棒間距離及び燃料棒径と同じであるが、正十二角形の一辺の長さおよび燃料棒径は設計により異なるため、図中の寸法に限定されるものではない。

下部断面Ａには燃料棒が九十六本配列されており、従来の同寸法の十行十列の燃料棒配列よりも四本多い。

一方、上部断面Ｂでは、特開２００９−１４５２０３号公報に示された例では短尺燃料棒は合計十四本設けられており燃料棒は七十八本であるのに対して、短尺燃料棒を十六本設けたため、燃料棒は八十本配列されている。

すなわち、短尺燃料棒の数を増やしたにも拘わらず、燃料棒本数は二本多いこととなる。

また、従来の技術のように丸型ウォーターロッド二本を設けた場合では、その効率を高めるためにウォーターロッドの周辺に短尺燃料棒を設けることにより擬似的に燃料上部におけるウォーターロッド面積を大きくする効果を持たせているが、本実施の形態によれば、丸型のウォーターロッド一本に間隙無く十二本の燃料棒が隣接できるためこの必要は無い。

本実施形態によれば、減速材の圧力損失が大きくなる燃料上部において燃料棒を欠如させ、つまりは短尺燃料棒の本数を正方格子配列より多くした場合においても、正方格子配列に比べて燃料上部下部共に燃料棒を多く配列できるのである。

図１５、図１６は、本発明の他の実施形態を示す図である。図１５，１６は、燃料集合体を上方から見たときの燃料棒配列を正十二角形燃料棒配列４のみ示している。また、図中の破線による補助線はチャンネルボックスを示している。

図１５の正十二角形燃料棒配列４の列は水平に対して４５°の角度をなしているのに対し、図１６の正十二角形燃料棒配列４の列は水平または垂直になっている。

図１５，１６の符号９は現行の沸騰水型原子炉用燃料集合体のチャンネルボックス、符号１０は燃料集合体の大きさが現行の１．５倍になった場合のチャンネルボックス、符号１１は燃料集合体の大きさが現行の２倍になった場合のチャンネルボックスの大きさを示している。

図１５，１６に示すように、次世代の原子炉を想定した大型燃料集合体のチャンネルボックス１０あるいはチャンネルボックス１１においても、本発明の燃料棒配列によれば、ウォーターロッドとそれを囲む燃料棒との相対関係がを維持できるため、燃料設計の自由度が大きい。

本発明の一実施形態による燃料棒配列を有する燃料集合体の平面断面図。 正十二角形燃料棒配列と正六角形燃料棒配列の位置関係を説明するために本発明の燃料棒配列の一部拡大して示した図。 正十二角形燃料棒配列と正四角形燃料棒配列の位置関係を説明するために本発明の燃料棒配列の一部拡大して示した図。 本発明による燃料集合体の燃料の対角線対称性を示す説明図。 従来の正方格子配列の燃料集合体を示した燃料集合体の平面断面図。 正三角形格子配列の燃料集合体を示した燃料集合体の平面断面図。 本発明による正十二角形格子配列の燃料集合体を示した燃料集合体の平面断面図。 正十二角形燃料棒配列の網目構造の横方向または縦方向が、チャンネルボックスの制御棒にもっとも近いコーナーを含む一辺から４５°の角度傾斜し、かつ、制御棒にもっとも近いチャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に関して対称に配置されている燃料集合体の平面断面図。 チャンネルボックス３の寸法に対して正十二角形燃料棒配列の大きさを変化させた燃料集合体の平面断面図。 正十二角形燃料棒配列の網目構造の横方向または縦方向の列がチャンネルボックスの一辺に平行に配置された燃料集合体の平面断面図。 正十二角形燃料棒配列の網目構造の横方向または縦方向の列がチャンネルボックスの一辺に平行に配置された燃料集合体の平面断面図。 正六角形燃料棒配列のうちの所定の正六角形燃料棒配列が、その正六角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有している燃料棒配列を示した図。 正十二角形燃料棒配列のうちの所定の正十二角形燃料棒配列が、その正十二角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有し、その他に内部に燃料棒を有していない燃料棒配列を示した図。 正十二角形が網目状に連結された正十二角形燃料棒配列のうち、一つの正十二角形燃料棒配列全体が一本のウォーターロッドに置き換えられている燃料棒配列を示した図。 正四角形燃料棒配列のうちの所定の正四角形燃料棒配列が、その正四角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有している燃料棒配列を示した図。 短尺燃料棒を有する本発明の他の実施形態による燃料集合体の平面断面図。 次世代の原子炉を想定した大型燃料集合体のチャンネルボックスに対する本発明の燃料棒配列を示した図。 次世代の原子炉を想定した大型燃料集合体のチャンネルボックスに対する本発明の燃料棒配列を示した図。 従来の正方格子状の燃料棒配列を有する燃料集合体の平面断面図。

１ 燃料集合体
２ 燃料棒
３ チャンネルボックス
４ 正十二角形燃料棒配列
５ 制御棒
６ 正六角形燃料棒配列
７ 正四角形燃料棒配列
８ ウォーターロッド
９ チャンネルボックス
１０ チャンネルボックス
１１ チャンネルボックス
２０ 燃料集合体
２１ 燃料棒２１
２２ チャンネルボックス
２３ ウォーターロッド

Claims (17)

1. 複数本の燃料棒を垂直に支持し、その外周をチャンネルボックスによって囲った燃料集合体において、
   前記燃料棒は、前記燃料集合体の垂直方向上方から俯瞰するときに、正十二角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正十二角形燃料棒配列を有し、かつ、水平面内の一つの方向を横方向、前記横方向に垂直な方向を縦方向と仮定すると、横方向と縦方向に隣接する前記正十二角形燃料棒配列は、互いに隣接する部分において正十二角形の一辺を共有するように正十二角形が網目状に連結されている、燃料棒配列を有することを特徴とする燃料集合体。
2. 前記正十二角形燃料棒配列の横方向または縦方向の列は、前記チャンネルボックスの対角線に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
3. 前記横方向または前記縦方向は、制御棒にもっとも近い前記チャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
4. 前記横方向または前記縦方向は、制御棒にもっとも近い前記チャンネルボックスのコーナーを含む前記チャンネルボックスの一辺から４５°の角度傾斜し、前記正十二角形燃料棒配列は、制御棒にもっとも近い前記チャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に関して対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
5. 前記横方向または前記縦方向は、前記チャンネルボックスの一辺に平行に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
6. 前記横方向または前記縦方向は、前記チャンネルボックスの一辺に平行に配置され、前記正十二角形燃料棒配列は、制御棒にもっとも近い前記チャンネルボックスのコーナーから対角のコーナーまでの対角線に関して対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
7. 前記横方向または前記縦方向は、前記チャンネルボックスの一辺に平行に配置され、前記正十二角形燃料棒配列は、前記チャンネルボックスの各辺の中点を結んだ線に関して対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
8. 前記正十二角形燃料棒配列は、その内部に正六角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正六角形燃料棒配列を有し、前記正六角形燃料棒配列の正六角形の各辺は前記正十二角形燃料棒配列の正十二角形の辺と長さが同一であり、かつ、平行であることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
9. 前記正六角形燃料棒配列は、その正六角形の頂点の対角線の交点の位置に燃料棒を有していることを特徴とする請求項８記載の燃料集合体。
10. 前記正六角形燃料棒配列のうちの所定の正六角形燃料棒配列は、その正六角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有していることを特徴とする請求項８記載の燃料集合体。
11. 前記正十二角形燃料棒配列のうちの所定の正十二角形燃料棒配列は、その正十二角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有し、燃料棒を有していないことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
12. 前記正十二角形が網目状に連結された正十二角形燃料棒配列のうち、一つの正十二角形燃料棒配列全体が一本のウォーターロッドに置き換えられていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
13. 前記正十二角形燃料棒配列は、その内部に正四角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正四角形燃料棒配列を有し、前記正四角形燃料棒配列の正四角形の各頂点は前記正十二角形燃料棒配列の正十二角形の二つおきの辺を底辺とする正三角形の頂点に位置していることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
14. 前記正四角形燃料棒配列は、その正四角形の頂点の対角線の交点の位置に燃料棒を有していることを特徴とする請求項１３記載の燃料集合体。
15. 前記正四角形燃料棒配列のうちの所定の正四角形燃料棒配列は、その正四角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有していることを特徴とする請求項１３記載の燃料集合体。
16. 前記正四角形燃料棒配列は、その正四角形の頂点の対角線の交点の位置に一本のウォーターロッドを有していることを特徴とする請求項１３記載の燃料集合体。
17. 複数本の燃料棒を垂直に支持し、その外周をチャンネルボックスによって囲った燃料集合体において、
    前記燃料棒は、前記燃料集合体の垂直方向上方から俯瞰するときに、正十二角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正十二角形燃料棒配列を有し、かつ、水平面内の一つの方向を横方向、前記横方向に垂直な方向を縦方向と仮定すると、横方向と縦方向に隣接する前記正十二角形燃料棒配列は、互いに隣接する部分において正十二角形の一辺を共有するように正十二角形が網目状に連結されている、燃料棒配列を有し、
    前記チャンネルボックスの中心領域においては、前記正十二角形燃料棒配列は、その内部に正六角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正六角形燃料棒配列を有し、前記正六角形燃料棒配列の正六角形の各辺は前記正十二角形燃料棒配列の正十二角形の辺と長さが同一であり、かつ、平行であり、
    前記チャンネルボックスの周辺領域においては、前記正十二角形燃料棒配列は、その内部に正四角形の各頂点にそれぞれ一本の燃料棒が配置された正四角形燃料棒配列を有し、前記正四角形燃料棒配列の正四角形の各頂点は前記正十二角形燃料棒配列の正十二角形の二つおきの辺を底辺とする正三角形の頂点に位置している、ことを特徴とする燃料集合体。

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