JP2021113769A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、最外周の燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に、燃料棒を冷却する冷却水が偏在して流通することを抑制する、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体を提供する。【解決手段】本発明の燃料集合体は、三角格子に配置される複数の燃料棒と四角筒状のチャンネルボックスとを有し、燃料棒は、中央領域に設置される第２燃料棒とその周囲に設置される第１燃料棒とを有し、第１燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、一つの燃料濃縮度の燃料が使用され、第２燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、二つの燃料濃縮度を有し、第２燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度は、第２燃料棒の上部の燃料の燃料濃縮度よりも、低いことを特徴とする。【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料集合体に関する。

沸騰水型原子炉であって、その炉心に装荷される燃料集合体内の燃料棒を三角格子に配置すると共に、運転中に四角筒状のチャンネルボックス内でボイドを発生させることにより、中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉（以下、「低減速スペクトル沸騰水型原子炉」と称する）が存在する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１８−６６６９０号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、運転中に中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉におけるボイド反応度係数を改善し、原子炉の安全性を向上する燃料集合体が記載される（要約参照）。

特開２０１８−６６６９０号公報

特許文献１には、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体が記載される。

一般的に、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体は、四角筒状のチャンネルボックスに、燃料棒を三角格子に配置するため、最外周の燃料棒とチャンネルボックスとの間に、必然的に、間隙が形成される。

一方、この間隙が形成されることにより、燃料棒を冷却する冷却水は、この間隙に偏在（集中）して流通する可能性がある。これにより、燃料集合体の中央領域に流通する冷却水が減少し、燃料集合体の中央領域に存在する燃料棒の除熱性能が低下する可能性がある。

つまり、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体では、最外周の燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に、燃料棒を冷却する冷却水が偏在して流通する可能性があるため、この間隙に冷却水が偏在して流通することを抑制する必要がある。

しかし、特許文献１には、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体において、最外周の燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に、燃料棒を冷却する冷却水が偏在して流通することを抑制することは、記載されていない。

そこで、本発明は、最外周の燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に、燃料棒を冷却する冷却水が偏在して流通することを抑制する、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体を提供する。

上記した課題を解決するため、本発明の燃料集合体は、三角格子に配置される複数の燃料棒と四角筒状のチャンネルボックスとを有し、燃料棒は、中央領域に設置される第２燃料棒とその周囲に設置される第１燃料棒とを有し、第１燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、一つの燃料濃縮度の燃料が使用され、第２燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、二つの燃料濃縮度を有し、第２燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度は、第２燃料棒の上部の燃料の燃料濃縮度よりも、低いことを特徴とする。

本発明によれば、最外周の燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に、燃料棒を冷却する冷却水が偏在して流通することを抑制する、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。

実施例１に記載する低減速スペクトル沸騰水型原子炉の概略構成を説明する説明図である。 実施例１に記載する燃料集合体２００を説明する水平断面図である。 実施例１に記載する燃料集合体２００の水平断面（Ａ）及び燃料棒２０１の鉛直断面（Ｂ）の概略構成を説明する説明図である。 実施例１に記載する燃料集合体２００の鉛直断面の概略構成を説明する説明図である。 実施例２に記載する燃料集合体５００の鉛直断面の概略構成を説明する説明図である。 実施例３に記載する燃料集合体６００の鉛直断面（Ａ）及び円筒６０１（Ｂ）の概略構成を説明する説明図である。 実施例４に記載する燃料集合体７００の鉛直断面の概略構成を説明する説明図である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には同一の符号を付し、説明が重複する場合は、その説明を省略する場合がある。

本実施例において、沸騰水型原子炉には、冷却材として冷却水を使用し、再循環ポンプで冷却水を、原子炉圧力容器外へ流出させ、再び、原子炉圧力容器内へ流入させることにより、冷却水を循環させる沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor:ＢＷＲ)、インターナルポンプを有し、冷却水を原子炉圧力容器の内部で循環させる改良型沸騰水型原子炉(Advanced Boiling Water Reactor:ＡＢＷＲ)、ＡＢＷＲにおけるインターナルポンプを使用しない、高経済性単純化沸騰水型原子炉(Economic Simplified Boiling Water Reactor:ＥＳＢＷＲ)などを含む。

まず、実施例１に記載する低減速スペクトル沸騰水型原子炉の概略構成を説明する
図１は、実施例１に記載する低減速スペクトル沸騰水型原子炉の概略構成を説明する説明図である。

実施例１では、低減速スペクトル沸騰水型原子炉を使用して説明する。特に、有効長が長尺燃料の半分である燃料集合体を炉心に装荷するＡＢＷＲを使用して説明する。

ＡＢＷＲ１００は、原子炉圧力容器１０１の内部に設置される円筒状の炉心シュラウド１０２と、炉心シュラウド１０２の内部に設置され、複数の燃料集合体が正方格子状に装荷される炉心１０３と、原子炉圧力容器１０１の内部に設置され、炉心１０３を覆うシュラウドヘッド１０４と、シュラウドヘッド１０４に設置され、上方へと延伸する気水分離器１０５と、気水分離器１０５の上方に設置される蒸気乾燥器１０６と、炉心シュラウド１０２の内部に設置され、シュラウドヘッド１０４の下方で、炉心シュラウド１０２に取り付けられ、炉心１０３の上端部に位置する上部格子板１０７と、炉心シュラウド１０２の内部に設置され、炉心シュラウド１０２に取り付けられ、炉心１０３の下端部に位置する炉心支持板１０８と、炉心支持板１０８に設置される複数の燃料支持金具１０９と、原子炉圧力容器１０１の内部に設置され、燃料集合体の核反応を制御するため、炉心１０３に複数の横断面十字状の制御棒(十字型制御棒)を挿入可能とする制御棒案内管１１０と、原子炉圧力容器１０１の底部（下鏡１１２）よりも下方に設置される制御棒駆動機構ハウジング（図示せず）の内部に設置され、制御棒と連結する制御棒駆動機構１１１と、原子炉圧力容器１０１の底部に、その下方から原子炉圧力容器１０１の内部へ貫通するように、設置される複数のインターナルポンプ１１３と、を有する。

複数のインターナルポンプ１１３は、複数の制御棒案内管１１０の最外周よりも外側であって、環状に相互に所定の間隔を形成して、設置される。これにより、インターナルポンプ１１３は、制御棒案内管１１０と干渉することはない。

インターナルポンプ１１３のインペラ１１７は、円筒状の炉心シュラウド１０２の外面と原子炉圧力容器１０１の内面との間に形成される環状のダウンカマ１１４に向けられて、設置される。

原子炉圧力容器１０１の内部の冷却水１１８は、インターナルポンプ１１３のインペラ１１７により、原子炉圧力容器１０１の底部側から、炉心１０３の内部に流入する。

炉心１０３の内部に流入する冷却水１１８は、燃料集合体の核反応により、加熱され、気液二相流となり、気水分離器１０５に流入する。気水分離器１０５に流入する気液二相流は、湿分を含む蒸気（気相）と水（液相）とに分離される。

水（液相）は、再び、冷却水１１８としてダウンカマ１１４に降下する。一方、蒸気（気相）は、蒸気乾燥器１０６に流入し、湿分が除去され、主蒸気配管１１５を介して、タービン（図示せず）に供給される。タービンに供給された蒸気は、復水器（図示せず）で水に戻され、この水は、給水配管１１６を介して、原子炉圧力容器１０１の内部に流入する。原子炉圧力容器１０１の内部に流入した水は、冷却水１１８としてダウンカマ１１４に降下する。

このように、インターナルポンプ１１３は、炉心１０３に装荷される燃料集合体の核反応により発生する熱を、効率良く冷却するため、冷却水１１８を、原子炉圧力容器１０１の底部側から、炉心１０３の内部に強制的に供給し、冷却水１１８を原子炉圧力容器１０１の内部で循環する。

次に、実施例１に記載する燃料集合体２００を説明する。

図２は、実施例１に記載する燃料集合体２００を説明する水平断面図である。

炉心１０３に正方格子状に装荷される複数の燃料集合体２００は、水平断面で三角格子に配置される複数の燃料棒２０１と四角筒状（横断面が正方形状）のチャンネルボックス２０３とを有する。

チャンネルボックス２０３とチャンネルボックス２０３との間、つまり、燃料集合体２００と燃料集合体２００との間には、冷却水１１８が流通する水ギャップ２２４が形成される。また、チャンネルボックス２０３とチャンネルボックス２０３との間、つまり、燃料集合体２００と燃料集合体２００との間には、燃料集合体２００の核反応を制御するため、横断面十字状の制御棒２０４が設置される。

チャンネルボックス２０３は、側壁部２１０、側壁部２１１、側壁部２１２及び側壁部２１３を有する。なお、説明の都合上、互いに向かい合う一対の側壁部２１２の内面と側壁部２１３の内面との間を第１内面と称し、互いに向かい合う一対の側壁部２１０の内面と側壁部２１１の内面との間を第２内面と称する。つまり、第１内面の方向（側壁部２１２⇔側壁部２１３）と第２内面の方向（側壁部２１０⇔側壁部２１１）とは直交する。

そして、四角筒状のチャンネルボックス２０３に、燃料棒２０１を三角格子に配置するため、最外周の燃料棒とチャンネルボックス２０３との間に、必然的に、間隙が形成される。

最外周の燃料棒とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙とは、具体的には、
（１）チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に形成される間隙２２０、
（２）チャンネルボックス２０３の側壁部２１２と最外周の燃料棒とで形成される、又は、チャンネルボックス２０３の側壁部２１３と最外周の燃料棒とで形成される間隙２２１、
（３）チャンネルボックス２０３の側壁部２１０と最外周の燃料棒とで形成される、又は、チャンネルボックス２０３の側壁部２１１と最外周の燃料棒とで形成される間隙２２２、である。

また、３本の燃料棒で囲まれる間隙２２３（冷却水１１８の流路）も存在する。

なお、間隙２２０は、間隙２２３よりも、断面積が１０倍以上大きい。また、冷却水１１８が流通する流路の代表直径を表現する熱的等価直径が、間隙２２０は、間隙２２３よりも、６倍以上大きい。また、間隙２２０の断面積及び間隙２２１の断面積は、間隙２２２の断面積よりも大きい。

この大きさが相違する４つの間隙が形成されることにより、燃料棒２０１を冷却する冷却水１１８は、特に、間隙２２０及び間隙２２１に偏在して流通する可能性がある。これにより、燃料集合体２００の中央領域に流通する冷却水１１８が減少し、燃料集合体２００の中央領域に存在する燃料棒２０１の除熱性能が低下する可能性がある。

なお、実施例１では、複数の燃料棒２０１の直径は、全て７．２ｍｍであり、チャンネルボックス２０３には、本数が２４３本の燃料棒２０１が設置される。燃料棒２０１と燃料棒２０１との間隔（ピッチ）は、１．５ｍｍである。

燃料棒２０１は、側壁部２１０や側壁部２１１に平行に、１７列（側壁部２１０から側壁部２１１に（図中、上から下に）向かって、第１列から第１７列まで）設置される。そして、第１列及び第１７列は１３本の燃料棒２０１（第１燃料棒配列２３１）が、第２列、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列、第１４列及び第１６列は１４本の燃料棒２０１（第２燃料棒配列２３２）が、第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列及び第１５列は１５本の燃料棒２０１（第３燃料棒配列２３３）が、設置される。つまり、燃料棒２０１は、第２内面に平行に、複数の燃料棒配列を有する。

このように、第１燃料棒配列２３１は、最外周に設置される。また、第２燃料棒配列２３２と第３燃料棒配列２３３とは、側壁部２１０や側壁部２１１に平行に、交互に設置される。

また、第２燃料棒配列２３２に含まれる燃料棒２０１よりも、第３燃料棒配列２３３に含まれる燃料棒２０１は、１本多い。なお、第１燃料棒配列２３１に含まれる燃料棒２０１は、第２燃料棒配列２３２に含まれる燃料棒２０１よりも１本少なく、第３燃料棒配列２３３に含まれる燃料棒２０１よりも２本少ない。これは、第１燃料棒配列２３１の両端部が、チャンネルボックス２０３のコーナ部分に位置するためである。

また、第２燃料棒配列２３２の一端部の燃料棒２０１Ａ１とチャンネルボックス２０３の側壁部２１２との間の間隔は、第３燃料棒配列２３３の一端部の燃料棒２０１Ｂ１とチャンネルボックス２０３の側壁部２１２との間の間隔よりも、大きい。同様に、第２燃料棒配列２３２の他端部の燃料棒２０１Ａ２とチャンネルボックス２０３の側壁部２１３との間の間隔は、第３燃料棒配列２３３の他端部の燃料棒２０１Ｂ２とチャンネルボックス２０３の側壁部２１３との間の間隔よりも、大きい。

これにより、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に、間隙２２０が形成される。また、チャンネルボックス２０３の側壁部２１２と最外周の燃料棒（２０１Ａ１や２０１Ｂ１）とで、同様に、チャンネルボックス２０３の側壁部２１３と最外周の燃料棒（２０１Ａ２や２０１Ｂ２）とで、間隙２２１が形成される。

つまり、間隙２２０の断面積は、間隙２２１の断面積よりも大きく、間隙２２１の断面積は、間隙２２２の断面積よりも大きく、
間隙２２２の断面積は、間隙２２３の断面積よりも大きい。

このように、断面積が大きい間隙２２０や間隙２２１が形成されることにより、燃料棒２０１を冷却する冷却水１１８は、間隙２２０及び間隙２２１に偏在して流通する可能性があり、燃料集合体２００の中央領域に流通する冷却水１１８が減少し、燃料集合体２００の中央領域に存在する燃料棒２０１の除熱性能が低下する可能性がある。

そこで、実施例１に記載する燃料集合体２００は、燃料集合体２００の中央領域に設置される第２燃料棒２０１２（斜線丸）とその周囲に設置される第１燃料棒２０１１（白丸）とを有する。

第１燃料棒２０１１は、燃料棒の有効長方向（上下方向）において、一つの燃料濃縮度の燃料（１種類の燃料ペレット）が使用され、第２燃料棒２０１２は、燃料棒の有効長方向（上下方向）において、二つの燃料濃縮度の燃料（２種類の燃料ペレット）が使用される。なお、燃料濃縮度とは、核燃料物質の濃縮度である。

なお、実施例１では、第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度は、軸方向で一様であるが、軸方向に分布を有してもよい。また、実施例１では、第１燃料棒２０１１の熱出力は、一様であるが、第１燃料棒２０１１ごとに相違してもよい。つまり、燃料集合体２００の下部において、第２燃料棒２０１２の熱出力よりも、第１燃料棒２０１１の熱出力が、高くなればよい。

つまり、第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度を「Ａ」とする場合、第２燃料棒２０１２の上部の燃料の燃料濃縮度は、第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度と同様に、「Ａ」となり、第２燃料棒２０１２の下部の燃料の燃料濃縮度は、第２燃料棒２０１２の上部の燃料の燃料濃縮度「Ａ」や第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度「Ａ」よりも低い、「Ｂ」となる。

これら燃料棒に使用される燃料には、例えば、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも１つを含むウランに、プルトニウムを富化した核燃料、又は、プルトニウムとアクチノイド核種とを富化した核燃料が、使用される。

また、第１燃料棒２０１１の核分裂性プルトニウム富化度は、軸方向にＡの一種類であり、第２燃料棒２０１２の核分裂性プルトニウム富化度は、軸方向にＡ及びＢの二種類である。

第２燃料棒２０１２の上部の核分裂性プルトニウム富化度は、第１燃料棒２０１１の核分裂性プルトニウム富化度と同等であり、第２燃料棒２０１２の下部の核分裂性プルトニウム富化度は、第１燃料棒２０１１の核分裂性プルトニウム富化度や第２燃料棒２０１２の上部の核分裂性プルトニウム富化度よりも低い。

なお、燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度が高いほど、燃料棒の熱出力が高い。

つまり、第１燃料棒２０１１の燃料には、高富化度燃料が使用され、第２燃料棒２０１２の上部の燃料には、高富化度燃料が使用され、第２燃料棒２０１２の下部の燃料には、低富化度燃料が使用される。

これにより、最外周の燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に、燃料棒を冷却する冷却水１１８が偏在して流通することを抑制することができる。

次に、実施例１に記載する燃料集合体２００の水平断面（Ａ）及び燃料棒２０１の鉛直断面（Ｂ）の概略構成を説明する。

図３は、実施例１に記載する燃料集合体２００の水平断面（Ａ）及び燃料棒２０１の鉛直断面（Ｂ）の概略構成を説明する説明図である。

図３（Ａ）を使用して、燃料集合体２００における、第１燃料棒２０１１と第２燃料棒２０１２との配置を具体的に説明する。

第２燃料棒２０１２は、燃料集合体２００の中央領域に配置され、第１燃料棒２０１１は、その周囲に配置される。

そして、
（１）第１燃料棒配列２３１（第１列及び第１７列）に配置される燃料棒は、１３本全て、第１燃料棒２０１１であり、
（２）第２燃料棒配列２３２に配置され、第２列及び第１６列に配置される燃料棒は、中央部の４本が第２燃料棒２０１２、その外側の左右５本づつ（合計１０本）が第１燃料棒２０１１であり、
（３）第３燃料棒配列２３３に配置され、第３列及び第１５列に配置される燃料棒は、中央部の５本が第２燃料棒２０１２、その外側の左右５本づつ（合計１０本）が第１燃料棒２０１１であり、
（４）その他の第２燃料棒配列２３２に配置され、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列、第１４列に配置される燃料棒は、中央部の８本が第２燃料棒２０１２、その外側の左右３本づつ（合計６本）が第１燃料棒２０１１であり、
（５）その他の第３燃料棒配列２３３に配置され、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列に配置される燃料棒は、中央部の９本が第２燃料棒２０１２、その外側の左右３本づつ（合計６本）が第１燃料棒２０１１である。

これにより、燃料集合体２００の中央領域に、第２燃料棒２０１２が配置され、その周囲に、第１燃料棒２０１１が配置される。

つまり、実施例１では、第２燃料棒配列２３２の中央部及び第３燃料棒配列２３３の中央部が、燃料集合体２００の中央領域であり、第１燃料棒配列２３１、第２燃料棒配列２３２の中央部の外側及び第３燃料棒配列２３３の中央部の外側が、燃料集合体２００の中央領域の周囲である。

このように、図中、上下方向外側の第２燃料棒配列２３２及び第３燃料棒配列２３３（第２列、第３列、第１５列、第１６列）の第１燃料棒２０１１は、左右５本づつ（合計１０本）であり、図中、上下方向内側の第２燃料棒配列２３２及び第３燃料棒配列２３３（第４列、第５列、第６列、第７列、第８列、第９列、第１０列、第１１列、第１２列、第１３列、第１４列）の第１燃料棒２０１１は、左右３本づつ（合計６本）である。

また、第１燃料棒配列２３１（第１列及び第１７列）は、図中、上下方向外側に設置される第２燃料棒配列２３２及び第３燃料棒配列２３３の、更に、図中、上下方向外側に１列づつ設置される。

また、第１燃料棒配列２３１（第１列及び第１７列）並びに第２燃料棒配列２３２及び第３燃料棒配列２３３（第２列、第３列、第１５列、第１６列）の第１燃料棒２０１１は、左右５本づつ（合計１０本）である。なお、第１燃料棒配列２３１（第１列及び第１７列）は、中央部３本も第１燃料棒２０１１である。

これは、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に間隙２２０が形成されるため、第１燃料棒配列２３１を含め、図中、上下方向外側の第２燃料棒配列２３２及び第３燃料棒配列２３３の第１燃料棒２０１１の本数が、図中、上下方向内側の第２燃料棒配列２３２及び第３燃料棒配列２３３の第１燃料棒２０１１の本数よりも、多い。

このように、実施例１では、燃料集合体２００の中央領域に略楕円形状を形成するように、その周囲に、第１燃料棒２０１１が配置される。つまり、第２燃料棒２０１２は、燃料集合体２００の中央領域に略楕円形状に配置される。

そして、これは、図中、上下方向内側であって、第１内面の方向に配置される第１燃料棒２０１１の本数（６本）が、図中、左右方向の中央部３本に対応する、第２内面の方向に配置される第１燃料棒２０１１の本数（２本）よりも多いことを意味する。

このように、実施例１では、間隙２２１が形成される領域（側壁部２１２や側壁部２１３の近傍の領域）に配置される第１燃料棒２０１１の本数が、間隙２２２が形成される領域（側壁部２１０や側壁部２１１の近傍の領域。図中、左右方向の中央部３本に対応する領域）に配置される第１燃料棒２０１１の本数よりも、多い。

また、間隙２２０から４列分が、第１燃料棒２０１１であり、間隙２２１から３本分が、第１燃料棒２０１１であり、間隙２２２から１列分が、第１燃料棒２０１１である。このように必然的に形成される間隙に対応するように、第１燃料棒２０１１と第２燃料棒２０１２とを配置する。

つまり、間隙２２２の断面積よりも、間隙２２１の断面積が大きいため、第１燃料棒２０１２を多く配置し、間隙２２１の断面積よりも、間隙２２０の断面積が大きいため、第１燃料棒２０１２を多く配置する。

図３（Ｂ）を使用して、燃料棒２０１の鉛直断面の概略構成を説明する。

第１燃料棒２０１１（白丸）は、燃料棒の有効長方向（上下方向）において、一つの燃料濃縮度「Ａ」の燃料（１種類（Ａ）の燃料ペレット）が使用される。一方、第２燃料棒２０１２（斜線丸）は、燃料棒の有効長方向（上下方向）において、二つの燃料濃縮度「Ａ」及び燃料濃縮度「Ｂ」の燃料（２種類（Ａ及びＢ）の燃料ペレット）が使用される。なお、燃料濃縮度「Ｂ」は、燃料濃縮度「Ａ」よりも、燃料濃縮度が低い。

なお、「Ａ」を加熱領域（発熱する燃料を使用する領域）、「Ｂ」を非加熱領域（発熱しない燃料を使用する領域）とすることもできる。

つまり、第１燃料棒２０１１は、上下方向に一つの燃料濃縮度を有し、第２燃料棒２０１２は、上下方向に二つの燃料濃縮度（下の燃料濃縮度は上の燃料濃縮度よりも低い）を有する。

なお、第１燃料棒２０１１の直径と第２燃料棒２０１２の直径とは同等であり、第１燃料棒２０１１の軸方向長さと第２燃料棒２０１２の軸方向長さとは同等である。実施例１では、直径は７．２ｍｍ、軸方向長さは１．８ｍである。

そして、実施例１では、第１燃料棒２０１１の燃料濃縮度「Ａ」の領域は１．８ｍ、第２燃料棒２０１２の燃料濃縮度「Ａ」の領域は１．５ｍ及び燃料濃縮度「Ｂ」の領域は０．３ｍとする。

冷却水１１８は、原子炉圧力容器１０１の底部側から、つまり、炉心１０３の内部に、燃料集合体２００の下部から上部に向かって、流入する。

そして、実施例１では、特に、燃料集合体２００の下部において、燃料集合体２００の中央領域では、燃料濃縮度が低く、その周囲では、燃料濃縮度が高い。このため、燃料集合体２００の下部において、燃料集合体２００の中央領域では、熱出力が低くなり、その周囲では、熱出力が高くなる。

つまり、燃料集合体２００の下部において、冷却水１１８の沸騰は、燃料集合体２００の中央領域よりも、その周囲のほうが早い。冷却水１１８の沸騰は、燃料集合体２００の中央領域の周囲から開始する。

一方、蒸気を含む冷却水１１８は、蒸気を含まない冷却水１１８に比較して、圧力損失係数が高い。このため、燃料集合体２００の中央領域の冷却水１１８の圧力損失係数は、その周囲の冷却水１１８の圧力損失係数よりも、小さくなる。

これにより、冷却水１１８が燃料集合体２００の中央領域に流れ込み（燃料集合体２００の中央領域に流通する冷却水１１８が増加し）、燃料集合体２００の中央領域に存在する燃料棒２０１の除熱性能が向上する。

実施例１によれば、燃料集合体２００の外周部（側壁部２１０、側壁部２１１、側壁部２１２及び側壁部２１３の近傍）に、冷却水１１８が偏在して流通することを抑制することができ、圧力損失を増加させることなく、燃料集合体２００が浮き上がることもなく、燃料集合体２００の中央領域に存在する燃料棒の除熱性能の低下を抑制することができる。また、実施例１によれば、間隙２２０や間隙２２１に、冷却水１１８が偏在して流通することを抑制することができる。

なお、実施例１では、所定の燃料棒２０１の直径及び所定の間隙を有する燃料集合体２００を使用して説明したが、間隙２２０の断面積や間隙２２１の断面積が、間隙２２２の断面積や間隙２２３の断面積よりも大きい燃料集合体２００であれば、実施例１に記載する技術を、使用することができる。

また、実施例１に記載する技術は、燃料集合体２００に配置される燃料棒の本数や炉心１０３に装荷される燃料集合体２００の体数は、限定されない。

また、冷却水１１８の流通は、燃料集合体２００の外周部においても、均等ではない。つまり、側壁部２１０や側壁部２１１の近傍の冷却水の流通と側壁部２１２や側壁部２１３の近傍の冷却水の流通とで、均等ではない。実施例１によれば、このように冷却水１１８が偏在して流通することも抑制することができる。

次に、実施例１に記載する燃料集合体２００の鉛直断面の概略構成を説明する。

図４は、実施例１に記載する燃料集合体２００の鉛直断面の概略構成を説明する説明図である。

燃料集合体２００は、第１燃料棒２０１１、第２燃料棒２０１２、チャンネルボックス２０３、タイロッド４０４、スペーサ４０５、下部タイプレート４０７、ハンドル４０８、上部タイプレート４０９を有する。

実施例１では、第１燃料棒２０１１の軸方向長さ及び第２燃料棒２０１２との軸方向長さは、１．８ｍである。そして、実施例１では、有効長が長尺燃料の半分であり、チャンネルボックス２０３（軸方向長さが３．６ｍ）の半分の短尺の燃料棒を使用するが、長尺の燃料棒を使用することもできる。

第１燃料棒２０１１と第２燃料棒２０１２とは、軸方向に設置される複数の燃料スペーサ４０５により、これら燃料棒が、相互に所定の間隔を形成して、保持される。また、燃料棒とチャンネルボックス２０３とは、タイロッド４０４により、所定の間隔を形成して、保持される。

タイロッド４０４は、第１燃料棒２０１２及び第２燃料棒２０１２よりも長く（例えば、３．６ｍ）、下部タイプレート４０７及び上部タイプレート４０９に固定される。そして、タイロッド４０４は、スペーサ４０５を保持する。

第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２は、その下端が下部タイプレート４０７で固定され、その上端がスペーサ４０５で固定される。

また、第２燃料棒２０１２の下部４０６の燃料の燃料濃縮度は、同等の水平断面に配置される、第１燃料棒２０１１の下部４１０の燃料の燃料濃縮度よりも低い。なお、第１燃料棒２０１１の下部４１０を発熱領域、第２燃料棒２０１２の下部４０６を非発熱領域としてもよい。つまり、燃料集合体２００の下部において、第２燃料棒２０１２の熱出力よりも、第１燃料棒２０１１の熱出力が、高くなればよい。

なお、第２燃料棒２０１２の下部４０６を非発熱領域とする場合には、第２燃料棒２０１２の下部４０６の燃料を、核分裂性のプルトニウムを含まない、例えば、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも１つを含むウラン(ブランケット)としてもよい。

実施例１では、燃料集合体２００に配置される燃料棒２０１について、燃料集合体２００の中央領域に、第２燃料棒２０１２を配置し、その周囲に、第１燃料棒２０１１を配置する。そして、燃料集合体２００の下部において、第１燃料棒２０１１の熱出力よりも、第２燃料棒２０１２の熱出力を低くする。

これにより、燃料集合体２００の下部から上部に向かって、冷却水１１８が流入する際に、燃料集合体２００の下部において、燃料集合体２００の中央領域では、燃料濃縮度が低く、その周囲では、燃料濃縮度が高いため、燃料集合体２００の下部において、燃料集合体２００の中央領域では、熱出力が低くなり、その周囲では、熱出力が高くなる。

つまり、燃料集合体２００の下部において、冷却水１１８の沸騰は、燃料集合体２００の中央領域よりも、その周囲のほうが早く、冷却水１１８の沸騰は、燃料集合体２００の中央領域の周囲から開始する。

一方、蒸気を含む冷却水１１８は、蒸気を含まない冷却水１１８に比較して、圧力損失係数が高い。このため、燃料集合体２００の中央領域の冷却水１１８の圧力損失係数は、その周囲の冷却水１１８の圧力損失係数よりも、小さくなる。

これにより、冷却水１１８が燃料集合体２００の中央領域に流れ込み（燃料集合体２００の中央領域に流通する冷却水１１８が増加し）、燃料集合体２００の中央領域に存在する燃料棒２０１の除熱性能が向上する。

つまり、間隙２２０や間隙２２１に流入する冷却水１１８が減少し、燃料集合体２００の中央領域に流通する冷却水１１８が増加し、燃料集合体２００の中央領域に存在する燃料棒２０１の除熱性能が向上する。

また、第１燃料棒２０１１の熱出力と第２燃料棒２０１２の熱出力とを同等にした場合（Ａの場合）と、実施例１のように、燃料集合体２００の下部において、第２燃料棒２０１２の熱出力を第１燃料棒２０１１の熱出力よりも低くした場合（Ｂの場合）と、を比較した。なお、それぞれの場合の燃料集合体２００の除熱性能を、冷却水流動評価手法を使用し、評価した。冷却水流動評価手法は、燃料集合体２００の除熱性能を表す指標である。

この結果、Ａの場合に比較してＢの場合は、ＭＣＰＲ(最小限界出力比：Minimum Critical Power Ratio)が、約１０％向上した。なお、ＭＣＰＲとは、ＢＷＲの熱的余裕を評価するものであり、限界出力比（限界熱出力／燃料集合体２００の発生熱出力）のうち、最小となるものである。

また、同様の評価手法を使用して、燃料集合体２００の圧力損失を評価した。この結果、Ａの場合に比較してＢの場合は、圧力損失が約２％低下した。これは、蒸気と冷却水１１８とを含む流れの軸方向長さ(沸騰長)が、Ａの場合に比較してＢの場合は、短くなり、圧力損失係数が低下するためである。

また、同様の評価手法を使用して、燃料集合体２００の冷却水１１８の単位面積当たりの質量速度を評価した。この結果、Ａの場合に比較してＢの場合は、この質量速度が、間隙２２０では９．２％減少し、間隙２２３では２２．２％増加した。これにより、燃料集合体２００の中央領域に流通する冷却水１１８が増加する。

このように実施例１によれば、燃料集合体２００の外周部に、冷却水１１８が偏在して流通することを抑制することができ、燃料集合体２００の中央領域に存在する燃料棒の除熱性能の低下を抑制することができる。

なお、実施例１では、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心１０３に装荷される燃料集合体２００を使用して説明したが、間隙２２０や間隙２２１を有する燃料集合体２００であれば、実施例１に記載する技術を、使用することができる。

なお、第１燃料棒２０１１は、燃料棒の有効長方向において、一つの燃料濃縮度の燃料が使用されるが、この燃料濃縮度が満足されれば、燃料棒の有効長方向において、任意の分布を有してもよい。また、第２燃料棒２０１２は、燃料棒の有効長方向において、二つの燃料濃縮度の燃料が使用されるが、それぞれの燃料濃縮度が満足されれば、燃料棒の有効長方向において、それぞれが任意の分布を有してもよい。

次に、実施例２に記載する燃料集合体５００の鉛直断面の概略構成を説明する。

図５は、実施例２に記載する燃料集合体５００の鉛直断面の概略構成を説明する説明図である。

実施例２に記載する燃料集合体５００は、実施例１に記載する燃料集合体２００に比較して、第２燃料棒２０１２が相違する。

つまり、実施例２に記載する第２燃料棒２０１２５は、実施例１に記載する第２燃料棒２０１２に比較して短く、第２燃料棒２０１２５は、第２燃料棒２０１２の下部４０６を短尺化するものである。

実施例１では、第２燃料棒２０１２の下部４０６は、燃料領域（燃料が配置される領域）である。一方、第２燃料棒２０１２５の下部５０６は、燃料領域ではない。つまり、燃料領域である第２燃料棒２０１２５は、燃料棒の軸方向長さが、第１燃料棒２０１１の５／６と短く、１．５ｍである。

第２燃料棒２０１２５の下端は、スペーサ４０５Ｂにより固定され、第２燃料棒２０１２５の上端は、スペーサ４０５Ａにより固定される。また、スペーサ４０５Ａ及びスペーサ４０５Ｂは、タイロッド４０４により固定される。

実施例１では、第２燃料棒２０１２の下部４０６にも、第２燃料棒２０１２が存在し、第２燃料棒２０１２の下端は、下部タイプレート４０７で固定される。一方、実施例２では、第２燃料棒２０１２５の下部５０６には、第２燃料棒２０１２５は存在せず、第２燃料棒２０１２５の下端は、スペーサ４０５Ｂで固定される。

つまり、第２燃料棒２０１２５の下部５０６では、冷却水１１８と第２燃料棒２０１２５との摩擦により、圧力損失が発生することがない。このように、実施例２では、第２燃料棒２０１２５の下部５０６において、冷却水１１８と第２燃料棒２０１２５との摩擦による圧力損失を低減することができるため、燃料集合体５００の圧力損失を低減することができる。

次に、実施例３に記載する燃料集合体６００の鉛直断面（Ａ）及び円筒６０１（Ｂ）の概略構成を説明する。

図６は、実施例３に記載する燃料集合体６００の鉛直断面（Ａ）及び円筒６０１（Ｂ）の概略構成を説明する説明図である。

実施例３に記載する燃料集合体６００は、実施例２に記載する燃料集合体５００に比較して、第２燃料棒２０１２が相違する。

つまり、実施例２に記載する第２燃料棒２０１２５の下部５０６には、第２燃料棒２０１２５は存在せず、第２燃料棒２０１２５の下部５０６には、何も設置されない。一方、実施例３に記載する第２燃料棒２０１２６の下部６０６には、円筒６１０が設置される。

円筒６１０は、直径が第２燃料棒２０１２６と同等の７．２ｍｍであり、軸方向長さが、第２燃料棒２０１２５の下部５０６と同等の０．３ｍである。

ここで、円筒６１０の拡大図を図６（Ｂ）に示す。円筒６１０は、例えば、厚みが１．６ｍｍであり、３つの縦２４０ｍｍ及び横５ｍｍのスリット６１１を有する。なお、この厚み、スリット６１１の寸法やスリット６１１の数は、円筒６１０の強度を担保し、冷却水１１８との摩擦による圧力損失を低減することができるものであれば、特に、限定されない。

実施例２では、第２燃料棒２０１２５の下端は、スペーサ４０５Ｂにより固定される。一方、実施例３では、第２燃料棒２０１２６の下端と円筒６１０の上端とを接続し、円筒６１０の下端は、下部タイプレート４０７により固定される。

これにより、実施例３では、２燃料棒２０１２６の下端を、スペーサ４０５Ｂにより固定する必要がなく、スペーサ４０５Ｂを、他のスペーサ４０５と同様の仕様にすることができ、実施例２に比較して、製造工程を削減することができる。

更に、円筒６１０は、複数のスリット６１１を有するため、燃料集合体２００の下部から上部に向かって流入する冷却水１１８は、円筒６１０の内部にも、流入する。

これにより、燃料集合体６００の中央領域の流路面積が増加し、冷却水１１８が燃料集合体６００の中央領域に流れ込み（燃料集合体６００の中央領域に流通する冷却水１１８が増加し）、燃料集合体６００の中央領域に存在する燃料棒２０１２６の除熱性能が向上する。

次に、実施例４に記載する燃料集合体７００の鉛直断面の概略構成を説明する。

図７は、実施例４に記載する燃料集合体７００の鉛直断面の概略構成を説明する説明図である。

実施例４に記載する燃料集合体７００は、実施例１に記載する燃料集合体２００に比較して、第２燃料棒２０１２が相違する。

つまり、実施例１では、第１燃料棒２０１１は、燃料棒の有効長方向において、一つの燃料濃縮度の燃料が使用され、第２燃料棒２０１２は、燃料棒の有効長方向において、二つの燃料濃縮度の燃料が使用される。一方、実施例４では、第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度と第２燃料棒２０１２の燃料の燃料濃縮度とを同等にし、第１燃料棒２０１１と第２燃料棒２０１２とは、燃料棒の有効長方向において、一つの燃料濃縮度の燃料が使用される。

実施例４では、第１燃料棒２０１１と第２燃料棒２０１２とを、同等の形状とし、同等の燃料濃縮度とする。

そして、実施例４では、第２燃料棒２０１２を、燃料棒の軸方向長さで、第１燃料棒２０１１の１／６、つまり、０．３ｍ、上方に移動させる。

第２燃料棒２０１２の下端は、スペーサ４０５Ｂにより固定され、第２燃料棒２０１２５の上端は、スペーサ４０５Ｃにより固定される。また、スペーサ４０５Ａ、スペーサ４０５Ｂ及びスペーサ４０５Ｃは、タイロッド４０４により固定される。

これにより、実施例４では、第１燃料棒２０１１と第２燃料棒２０１２とを統一して製造することができ、単一の燃料棒２０１を使用することができる。

更に、実施例４によれば、第２燃料棒２０１２を上方に移動させるため、燃料集合体７００の中央領域の流路面積が増加し、冷却水１１８が燃料集合体７００の中央領域に流れ込み（燃料集合体７００の中央領域に流通する冷却水１１８が増加し）、燃料集合体７００の中央領域に存在する燃料棒２０１２の除熱性能が向上する。

なお、炉心１０３には、複数の燃料集合体が装荷されるが、炉心１０３に装荷される全ての燃料集合体に、本発明を使用する必要はなく、除熱性能が低い燃料集合体のみに、これら実施例に記載する技術を、使用してもよい。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成の一部に置換することもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を追加することもできる。また、各実施例の構成の一部について、それを削除し、他の構成の一部を追加し、他の構成の一部と置換することもできる。

100…ＡＢＷＲ、101…原子炉圧力容器、102…炉心シュラウド、103…炉心、104…シュラウドヘッド、105…気水分離器、106…蒸気乾燥器、107…上部格子板、108…炉心支持板、109…燃料支持金具、110…制御棒案内管、111…制御棒駆動機構、112…下鏡、113…インターナルポンプ、114…ダウンカマ、115…主蒸気配管、116…給水配管、117…インペラ、118…冷却水、200、500、600、700…燃料集合体、201…燃料棒、2011…第１燃料棒、2012…第２燃料棒、203…チャンネルボックス、204…制御棒、210、211、212、213…側壁部、220、221、222、223…間隙、224…水ギャップ、231…第１燃料棒配列、232…第２燃料棒配列、233…第３燃料棒配列、404…タイロッド、405…スペーサ、406…第２燃料棒2012の下部、407…下部タイプレート、408…ハンドル、409…上部タイプレート、410…第１燃料棒2011の下部、610…円筒、611…スリット。

Claims (7)

1. 三角格子に配置される複数の燃料棒と四角筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体であって、
   前記燃料棒は、中央領域に設置される第２燃料棒とその周囲に設置される第１燃料棒とを有し、
   前記第１燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、一つの燃料濃縮度の燃料が使用され、前記第２燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、二つの燃料濃縮度を有し、
   前記第２燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度は、前記第２燃料棒の上部の燃料の燃料濃縮度よりも、低いことを特徴とする燃料集合体。
2. 請求項１に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒の上部の燃料の燃料濃縮度は、前記第１燃料棒の燃料の燃料濃縮度と同等であることを特徴とする燃料集合体。
3. 請求項２に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒の上部の核分裂性プルトニウム富化度は、前記第１燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度と同等であり、
   前記第２燃料棒の下部の核分裂性プルトニウム富化度は、前記第１燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度及び前記第２燃料棒２０１２の上部の核分裂性プルトニウム富化度よりも低いことを特徴とする燃料集合体。
4. 請求項２に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒の下部が、ブランケットであることを特徴とする燃料集合体。
5. 請求項２に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒の上部は燃料領域であり、前記第２燃料棒の下部は燃料領域ではないことを特徴とする燃料集合体。
6. 請求項２に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒の下部に、スリットを有する円筒が設置されることを特徴とする燃料集合体。
7. 三角格子に配置される複数の燃料棒と四角筒状のチャンネルボックスとを有する燃料集合体であって、
   前記燃料棒は、中央領域に設置される第２燃料棒とその周囲に設置される第１燃料棒とを有し、
   前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、一つの燃料濃縮度の燃料が使用され、
   前記第２燃料棒を、燃料棒の軸方向長さで、前記第１燃料棒を上方に移動させることを特徴とする燃料集合体。

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