JP2510561B2 - 燃料集合体 - Google Patents

燃料集合体

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JP2510561B2
JP2510561B2 JP62068873A JP6887387A JP2510561B2 JP 2510561 B2 JP2510561 B2 JP 2510561B2 JP 62068873 A JP62068873 A JP 62068873A JP 6887387 A JP6887387 A JP 6887387A JP 2510561 B2 JP2510561 B2 JP 2510561B2
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料集合体に係り、特に水ロツドを有し沸
騰水型原子炉に適用するのに好適な燃料集合体に関す
る。
〔従来の技術〕
沸騰水型原子炉に装荷される従来の燃料集合体は、四
角筒のチヤンネルボツクスと、このチヤンネルボツクス
の内部に収納された燃料バンドルとからなる。この燃料
バンドルは、チヤンネルボツクスの上下端部にはめこま
れる上部タイプレート及び下部タイプレートと、チヤン
ネルボツクス内部で軸方向に沿つて間隔を置いて設置さ
れた複数のスペーサと、このスペーサを貫通し正方格子
状に規則正しく配列された複数本の燃料棒と、中性子減
速棒である水ロツドとから構成される。
沸騰水型原子炉では、燃料集合体内で冷却材の相変化
が生じ、これにより除熱を行つている。したがつて燃料
集合体の下部から上部に流れる冷却材は、上部ほどその
密度が小さくなつている。また第16図から明らかなよう
に、チヤンネルボツクス１の周囲には制御棒８あるいは
中性子検出器計装管９を挿入できるよう飽和水の領域で
あるギヤツプ水10が存在している。このように、運転中
の燃料集合体は水平方向にも垂直方向にも冷却材が偏在
した構造になつている。冷却材である軽水は、中性子に
対しては減速材であり、従来の燃料集合体においては、
核特性を決定する主要因である減速材対燃料比が燃料集
合体内位置により異なることになる。燃料集合体の中央
部に配置された水ロツドは、上記特性を改善するととも
に、炉心安定性などの向上を計つたものである。しかし
ながら、ウラン資源の有効活用及び発電コストの低減を
実現するために燃料集合体の平均濃縮度を高めて高燃焼
度化を目指した燃料集合体は、前述した非均質な影響が
さらに大きくなる。
このような問題を解決するために、中性子減速棒の本
数を増加した燃料集合体、特回昭59−65792号公報に示
された燃料単位格子より大きい直径を有する太径減速棒
を配置した燃料集合体、及び特開昭50−40986号公報及
び特開昭59−178387号公報に記載された正方断面を有す
る減速棒を配置した燃料集合体が提案されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
発明者等は、前述の従来の各燃料集合体の特性を検討
した結果、燃料集合体の高燃焼度化にあたつて燃料経済
性及び熱的余裕を向上させる必要のあることがわかつ
た。
特に特開昭59−178387号公報の第２図に示された燃料
集合体は、断面が正方形の減速棒を中央部に十字型にな
るように配置したものであつて、減速棒の挿入，引抜き
操作が容易に行えるように燃料スペーサの格子と減速棒
との間に最小の隙間を形成するものである。この燃料集
合体は、原子炉の運転中に減速棒の挿入，引抜きを行う
ことによつてスペクトルシフトを行い、燃料の有効利用
を図るものである。しかしながら、隣接する減速棒間に
形成される間隙に流れる冷却水は、燃料棒の除熱への寄
与が小さい。このため、熱的余裕が小さい。
本発明の目的は、上記した問題点を解消し、熱的余裕
が増大ししかも燃料経済性が向上する燃料集合体を提供
することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の目的は、減速材が存在する横断面での減速棒内
の減速材領域の面積AMと燃料集合体の冷却材流路面積AC
との比AM/ACが0.07〜0.11の範囲にあり、燃料棒が配置
されていなく減速棒が配置されている。全燃料単位格子
の全面積に対して面積AMが75％以上を占めることによつ
て達成できる。
燃料単位格子とは、形状が格子状に配列された燃料棒
のうち隣接する４本の燃料棒の軸心を結んで得られる四
角形の形状と同じであり、１つの燃料棒を中心にこの燃
料棒と格子状に配置された隣接する４本の燃料棒との間
の中間点を通り燃料棒配列と並行な４本の直線にて画定
される領域をいう。具体的には、例えば後述の第１図に
示すＴの形状である。
〔作用〕
減速材領域の面積AMと燃料集合体の冷却材流路面積AC
との比AM/ACが0.07〜0.11の範囲にあるので、省ウラン
効果が大きく燃料経済性が向上する。また燃料棒が配置
されていなく減速棒が配置されている複数の燃料単位格
子の全面積に対して面積AMが75％以上を占めているの
で、限界出力の増加率が大きくなり、熱的余裕も大きく
なる。
前述の各値は、発明者等の検討によつて初めて見出さ
れたものである。
まず、比AM/ACの範囲について説明する。第14図は、
比AM/ACと省ウラン効果との関係を示したものである。
減速棒として１本の水ロツドを用いている。減速棒内に
おける減速材領域の断面積AMは、水ロツド内の水領域の
断面積であり、冷却材流路断面積ACは燃料集合体の横断
面における冷却水流路面積であつて水ロツド内の飽和水
領域（減速材領域）の横断面積を含まない。AM/ACが0.0
7〜0.11の範囲で省ウラン効果が大きくなり、その比が
0.09で省ウラン効果が最も大きくなる。減速棒内の減速
材領域が増加すると、減速材対燃料比が増大して燃料集
合体中心部の中性子減速効果が増大する。このため燃料
集合体内の熱中性子束分布の歪みが小さくなり、特にAM
/ACが0.07以上でその歪みが著しく小さくなる。その効
果、中性子が核分裂反応に有効に利用でき、第14図に示
すようにAM/ACが0.07以上で省ウラン効果が大きくな
る。しかしながら、減速棒内の減速材領域の面積を増加
してAM/ACが0.11を越えると上記の効果が著しく減少し
始める。これは、減速材対燃料比が大きくなりすぎ減速
材による中性子の吸収が増加するためと、圧力損失の増
加防止を目的とした燃料集合体の冷却材流路面積の確保
のために燃料物質（燃料親物質及び核分裂性物質）の装
荷量を減少しなければならないためである。
次に、複数の燃料単位格子の全面積に対して面積AMを
75％以上にすることについて説明する。第15図は、横軸
に燃料棒が配置されていなく水ロツドが配置されている
全燃料単位格子の全面積AUに対して水ロツド内の飽和水
領域面積AMの占める割合を示し、縦軸に燃料集合体の限
界出力を示し、それらの関係を上記燃料単位格子の数
（５〜９個）をパラメータにして示したものである。面
積AUに対して面積AMの占める割合が75％以上になると、
その値よりも小さい場合に比べて燃料集合体の限界出力
の増加率が大きくなる。しかしながら、面積AUに対する
面積AMの占める割合が90％を超えると、燃料集合体の限
界出力は低下し始める。これは、中空棒（水ロツドの構
成部材でこの中に飽和水領域が存在）を含めた水ロツド
の横断面積（面積AMと中空棒の横断面積との合計）が面
積AUより大きくなり、水ロツドの側面と水ロツドに隣接
する燃料棒との間に形成される間隙が狭くなつて、水ロ
ツドに隣接する燃料棒付近の冷却材流量が減少すること
に起因する。面積AUに対して面積AMが75％以上にするこ
とが望ましい。
第15図において面積AUに対する面積AMの割合が90％で
燃料集合体限界出力が最大値を示している。これは、以
下の理由による。
（１）一般に水ロツドの横断面積を変えると、冷却水流
路面積及びぬれ緑長さが変化するので、燃料集合体内で
の冷却水流量及びクオリテイ分布が変化する。
（２）AM/AUが小さい場合には、水ロツドと燃料棒のギ
ヤツプは十分に大きいので、沸騰遷移は水ロツドがない
ときと同様、例えばチヤンネルボツクス近傍の燃料棒で
起る。
（３）AM/AUが大きくなると水ロツド周辺の冷却水流路
面積が減少するため、冷却水は相対的にチヤンネルボツ
クス周辺部に流れ易くなりチヤンネルボツクス近傍の燃
料棒の熱的余裕は大きくなる。一方、水ロツドに隣接し
た燃料棒のまわりでは冷却材流量が減つてクオリテイが
増加するため沸騰遷移が起きやすくなる。
（４）したがつて、水ロツドの横断面積を変えた場合
に、水ロツド近傍及びその他の部分の燃料棒での熱的余
裕の上述した変化から、両者が等しくなるときに燃料集
合体の熱的余裕が最大になる。
また第15図において、M1,M2,M3及びM4は、水ロツドに
置き換えられる燃料単位格子の数（5,6,7及び９個）の
各々に対してAM/ACが0.09を達成する点を示している。
燃料単位格子数が９個の場合は、AM/AC＝0.09を達成す
るために面積AUに対する面積AMの割合が75％よりも著し
く低下してしまう。また、燃料単位格子数が９個の場合
には、第14図に示すAM/ACが0.07〜0.11の範囲において
も面積AUに対する面積AMの割合が75％よりも小さくな
る。燃料単位格子数が７個の場合はAM/AC＝0.09の点で
は面積AUに対する面積AMの割合が75％よりも小さくなる
が、AM/ACが0.09を超える範囲でしかもそれが0.11以下
の範囲で面積AUに対する面積AMの割合が75％以上になる
領域が存在する。従つて、水ロツドに置換える燃料単位
格子の数としては５〜７個が好ましい。
〔実施例〕
沸騰水型原子炉に適用した本発明の好適な一実施例で
ある燃料集合体を第１図及び第２図に基づいて以下に説
明する。
燃料集合体10は、上部タイプレート13,下部タイプレ
ート14,上部及び下部タイプレートに両端部が保持され
る複数の燃料棒15,燃料棒15の相互間の間隔を所定幅に
保持する燃料スペーサ16及び下部タイプレート14に取付
けられる１本の水ロツド17からなつている。燃料スペー
サ16は、燃料集合体10の軸方向に複数個配置され、燃料
棒15及び水ロツド17を保持している。チヤンネルボツク
ス11が、上部タイプレート13に取付けられ、燃料スペー
サ16にて束ねられた燃料棒15の束の外側を取囲んでい
る。
水ロツド17は、横断面が十字型をしており、第１図に
示すように燃料集合体10の横断面の中央部に配置されて
いる。燃料棒15としては、燃料棒21〜26の６種類が設け
られている。各燃料の濃縮度及び可燃性毒物であるガド
リニウム濃度は、表１に示す通りである。燃料棒25及び
26にガドリニウムが含まれており、燃料棒21 〜24にガドリニウムが含まれていない。濃縮度は、燃料
棒21が3.2重量％、燃料棒22が3.8重量％、燃料棒23,25
及び26がそれぞれ4.4重量％、及び燃料棒24が4.8重量％
となつている。燃料集合体10の平均濃縮度は、４重量％
である。ガドリニウムは、燃料棒25で4.5重量％及び燃
料棒26で3.5重量％含まれている。
燃料集合体10の横断面は、ほぼ正方形をしている。燃
料棒15は、水ロツド17の周囲を取囲む燃料集合体の周辺
部に水ロツド17を取囲むように９行９列にと配列されて
いる。換言すれば、水ロツド17の側面と燃料集合体10の
側面（例えばチヤンネルボツクス11の側面）との間に燃
料棒15が配列されている。冷却水である軽水は、下部タ
イプレート14からチヤンネルボツクス11内の燃料棒15の
相互間に流入し、燃料棒15間及び燃料棒15と水ロツド17
との間を通つて上昇し、上部タイプレート13を通つて上
方に流出する。水ロツド17は、第３図に示すように十字
型の中空棒17Aを有し、中空棒17A内に減速材である軽水
（具体的には飽和水）が存在する減速材領域を有してい
る。減速材領域の横断面も十字型をしている。中空棒17
Aの十字型に突出した部分の幅（中空棒17Aの外壁間の長
さＷ）は1.4cmであり、燃料棒15のピツチと同じであ
る。中空棒17Aの肉厚は、0.08cmでいる。このため、本
実施例における水ロツド17内の十字型の減速材領域の横
断面積は8.48cm2である。第１図におけるＳが燃料単位
格子の形状を示してある。この燃料単位格子Ｓは、一辺
の長さが燃料棒15のピツチ（1.4cm）と同じ正方形であ
る。本実施例の燃料集合体10は、第１図に示すようにＩ
方向に９行及びこれと直角なＪ方向に９列の燃料単位格
子Ｓが形成される。水ロツド17は、（I,J）で示される
（4,5），（5,4），（5,5），（5,6）及び（6,5）の５
つの燃料単位格子Ｓを占有している。本実施例におい
て、燃料棒15が配置されていなく水ロツド17が配置され
ている５個の燃料単位格子Ｓの全面積AUに対する水ロツ
ド17内の減速材領域の面積AMの割合は、86.5％である。
なお、燃料集合体10のボイド率40％時における燃料集合
体10の平均の水素原子数対ウラン原子数の比（H/U）
が、核特性上、濃縮度４重量％の最適値である5.0近傍
になる。
本実施例は、水ロツド17の減速材領域が存在する部分
の燃料集合体10の横断面で、減速材領域の面積AMと燃料
集合体10内の冷却水流路面積ACとの比AM/ACは、0.09で
ある。この冷却水流路面積ACは、チヤンネルボツクス１
内での冷却水流路面積であつて水ロツド17内の減速材領
域の面積を含んでいない。
水ロツド17の構成を第３図〜第６図に基づいて説明す
る。水ロツド17は、ジルカロイー２にて構成される。水
ロツド17は、横断面形状が十字型の中空棒17A、中空棒1
7Aの下端部に取付けられた円筒部17B及び下部端栓17Cか
ら構成されている。中空棒17Aの上端は、燃料棒15の燃
料ペレツトが充填された領域、すなわち燃料有効長の上
端付近に位置している。円筒部材17Bは、中空棒17Aの下
端部に挿入され、中空棒17Aとの接触部17Dにて溶接で固
定されている。下部端栓17Cは、円筒部材17Bの下端を密
封している。この下部端栓17Cが下部タイプレート14に
取付けられることによつて水ロツド17が、燃料集合体10
内に保持される。円筒部材17Bは、中空棒17Aを内部から
補強する構造になつている。円筒部材17Bは、水ロツド1
7の強度を増大させるが中性子を吸収する作用もあるの
で水ロツド17の下部のみに用いている。中空棒17A下端
部は円筒部材17Bに向つて傾斜面17Fになつている。この
傾斜面17Fを設けることによつて、燃料集合体10の下端
から上端に向かつて冷却水流路面積が徐々に変化し、急
縮流による圧力損失の増大が防止される。
チヤンネルボツクス11内に流入した軽水である冷却水
（減速材としても機能する）水ロツド17すなわち中空棒
17A内に導く冷却水流入口17Eが中空棒17Aの傾斜面17Fの
部分に設けられている。冷却水を外部に導く冷却水流出
口17Gが設けられる。第５図に示すように水ロツド17の
上端部でも、中空棒17A内に円筒状の補強部材17Hが設け
られる。補強部材17Hは、軸方向の長さは短かく（例え
ば３〜4cm）中空棒17Aの４箇所の凹部17Iに溶接にて取
付けられる。中空棒17Aの上端部は、図示されていない
が密封されている。補強部材17Hは、水ロツド17の強度
を増大させるためにすなわち中空棒17Aが外側に向つて
広がらないように軸方向に例えば３〜５箇所取付けられ
ている。
水ロツド17は燃料集合体10内の冷却水流路の冷却水が
飽和状態で気泡を発生している部分において有効に作用
する。しかるに、燃料集合体10の下端部では冷却水が未
飽和状態であり、水ロツド17の存在する意味が少ない。
さらに、横断面積の大きな水ロツド17は、燃料集合体10
内の冷却水流路面積を減らして圧力損失を大きくした
り、構造材量の増加のために中性子の吸収量を大きくし
たりする。したがつて、燃料集合体10の下部では、水ロ
ツド17の横断面積は小さい方が良い。本実施例は、中空
棒17A内の十字型の横断面積よりも円筒部材17Bの横構造
材80の断面は小さく、燃料集合体10の下部での圧力損失
を低減できる。
一般に燃料集合体10の下部の未飽和水の領域は、下部
タイプレート14から30〜60cm程度の上方の範囲にある。
したがつて本実施例は、第３図に示す水ロツド17の横断
面積の小さいＬの長さが40cmである。
水ロツド17の下部の補強部材となる円筒部材18Bの作
用について説明する。中空棒17Aが外側から10気圧の圧
力を受けた場合の最大の相当応力は、円筒部材17Bによ
る補強がない場合で15.4kgf/mm2、円筒部材17Bによる補
強がある場合で2.6kgf/mm2と1/6程度になる。また最大
の変形量も、円筒部材17Bが存在する場合はそれが存在
しない場合に比べて1/30程度に減少する。さらに補強部
材17Hが設けられているので、水ロツド17の強度が増加
する。補強部材17Hの肉厚を円筒部材17Bの肉厚に比べて
薄くすることにより、補強部材17Hの中性子吸収量を減
少できる。
減速棒としては、水ロツドの代りにジルコニウムハイ
ドライドまたはベリリウム等の固体減速材を用いた減速
棒を使用してもよい。
本実施例の効果を示すために、第１図の十字型の水ロ
ツド17を、５本の円形断面の水ロツド28に置きかえに第
７図に示す燃料集合体を考える。各燃料棒の濃縮度及び
ガドリニウム分布は、本実施例と同じである。水ロツド
28の外径を燃料棒15外径に等しくした場合、５本の水ロ
ツド28内の減速材領域の横断面積は、約4.5cm2となり、
本実施例の半分程度になる。
その結果、中性子無限増倍率は、本実施例の燃料集合
体10が第７図のそれよりも約0.4％Δｋ∞高くなり、所
要天然ウラン量が約２％減少する。
また、沸騰遷移に対する熱的余裕を示す限界出力比
は、本実施例の燃料集合体10が第７図のそれよりも4.3
％増大する。第８図（Ａ）は本実施例のC1−C2−C3（第
１図）にて囲まれた領域及び第８図（Ｂ）は第７図のD1
−D2−D3にて囲まれた領域のそれぞれ冷却水流量分布を
示している（数値は燃料集合体平均が1.0となるように
規格化している。）。本実施例では、冷却水流量分布が
第８図（Ａ）に示すように平坦であるのに対し、第７図
の円形断面の水ロツド28を用いた燃料集合体では、第８
図（Ｂ）に示すように水ロツド28のまわりで冷却水が多
く流れてD1に近いチヤンネルボツクス付近では、燃料集
合体平均値の84％と小さくなる。従つて、水ロツド28の
まわりの燃料棒で沸騰遷移が起りやすくなる。図示され
ていないが、特開昭59−178387号公報の第２図に示され
た燃料集合体も、第７図の燃料集合体と同様に中央部の
正方形断面の水ロツド付近で冷却水が多く流れ、チヤン
ネルボツクス近付における冷却水量が減少する。しか
し、この冷却水流量の偏流の度合いは、第７図の燃料集
合体よりも小さく本実施例の燃料集合体10よりも大きな
ものとなる。
本実施例は、前述したように省ウラン効果が大きく燃
料経済性が向上し、しかも燃料集合体内の冷却水流量分
布が平坦化されるので燃料集合体の限界出力比が大きく
なり熱的余裕も向上する。本実施例は、特開昭59−1783
87号公報の第２図の燃料集合体よりも省ウラン効果が大
きくしかも限界出力比も大きくなる。
本実施例の如く水ロツドの外側側面及びその内部の減
速材領域の各横断面形状を十字型にした場合の特徴的な
作用について以下に説明する。
第９図は、減速棒内の減速材領域に含まれる燃料単位
格子Ｓの数と減速材領域の横断面積の関係を、円形を単
位として構成した減速棒の場合と、正方形を単位として
構成した減速棒の場合で比較したものである。第９図か
らわかるように、正方形を単位として構成した減速棒
は、円形を単位とした減速棒に比べて、減速材領域の横
断面積を約30％大きくできる。つまり最適な減速材領域
の横断面積を得るために、円形を単位とした減速棒では
正方形を単位とした減速棒の1.4倍の燃料棒を取り除く
必要がある。このため、円形を単位とした燃料棒を用い
た場合は、燃料棒の線出力密度が増大したり、燃料物質
の装荷量が減少して燃料経済性を損うことになる。さら
に、円形を単位として減速棒を構成する場合には、減速
棒と燃料棒の間に、大きな冷却材流路が構成され、そこ
に除熱効果の小さな冷却材が多量に流れるため、最小限
界出力比が約２％小さくなる。
第10図は、正方形を単位とした減速棒において正方形
の一辺の長さｌ、減速材領域の横断面積ω２及び燃料単
位格子Ｓの横断面積L2の関係を示している。ここで減速
棒の被覆管肉厚は0.76mmとした。減速材領域を多数本の
減速材で構成する場合は、減速棒挿入性の問題から減速
棒の大きさに制限があり、被覆管の横断面積の割合が大
きくなる。現在、第10図の の最小値は約0.5mmであり、減速棒によつて確保できる
減速材領域の横断面積を燃料単位格子Ｓの横断面積の75
％以上にはできない。一方、第１図の実施例のように一
本の大型減速棒を用いる場合は、減速棒間に存在する燃
料冷却に寄与しない冷却水領域が無くなるため、減速棒
設置のために取り除かれる燃料棒が配置されていた燃料
単位格子Ｓの総断面積の75％以上を減速棒領域断面積に
することができる。その結果、燃料単位格子Ｓの一辺Ｌ
が1.4cmの９行９列の格子配列の燃料集合体において最
適な減速材領域断面積を得るために、第１図の実施例で
は５つの燃料単位格子Ｓから燃料棒を取り除けばよいの
に対して、多数本の減速棒で構成する場合には６〜７つ
の燃料単位格子Ｓから燃料棒を取り除く必要がある。ま
た燃料集合体10は、減速棒間を流れる冷却効果の小さい
冷却材が存在しないため、前述した限界出力比が小さく
なるという問題も生じないことになる。
第11図は、燃料集合体内の熱中性子束の分布を示した
ものである。熱中性子束が小さい場所は、中性子の減速
効果が悪く、反応度が低い所である。第11図のOA（同図
右上の燃料集合体のOA断面）とOB（同図右上の燃料集合
体のOB断面）を比べると、OAの方がOBに比べて熱中性子
束が低くなつている。これはOBでは、２方向のギヤツプ
水領域から影響を受けているためである。従つて、水ロ
ツド17の十字型状が燃料集合体10の側面、すなわちチヤ
ンネルボツクス11の側面に直角になるように配置すれば
よい。
第12図は、減速材領域の燃料単位格子の数と、減速棒
を取り囲んで隣接する燃料棒の数の関係を、減速棒断面
形状で比較したものである。第１図の実施例の十字型の
水ロツド17では、減速材領域に含まれて燃料棒15が配置
されていない全燃料単位格子Ｓは、水ロツド11を取り囲
む燃料棒15に必ず隣接している。したがつて減速棒断面
全体が正方形である場合に比べて、周辺燃料棒の数が増
加する。その結果、 （ｉ）熱中性子利用率が増加し、燃料経済性が向上す
る。及び （ii）可燃性毒物であるガドリニウムが混入された燃料
棒を配置する場所として、水ロツド11に隣接している燃
料棒の格子位置が活用できるという効果が得られる。
第13図は、減速材領域の横断面を十字型にした水ロツ
ド11を備えた燃料集合体10（ただし各燃料棒の濃縮度は
同じでガドリニウムが含まれていない）の局所出力ピー
キング係数を示したものである。第13図の１つの升目
は、１つの燃料棒に対応している。水ロツド11に隣接す
る燃料棒であつて水ロツド11の２つの側面に同じに対向
している燃料棒（第13図のＫの燃料棒）及び炉心内で燃
料集合体周囲の水ギヤツプ（換言すればチヤンネルボツ
クス）に隣接する最外周の燃料棒（第13図のＪの燃料
棒）の出力ピーキングが高くなつている。他の燃料棒の
出力ピーキングは、前述の燃料棒に比べて低くなつてい
る。このような燃料集合体の熱的余裕を増大せるために
は、ガドリニウム含有の燃料棒を除いて濃縮度が（Ｊの
燃料棒）＜（Ｋの燃料棒）＜（Ｊ及びＫ以外の燃料棒）
となるように設定することによつて、燃料集合体の出力
分布を平坦化できる。
本発明の他の実施例である燃料集合体を第17図に示
す。本実施例の燃料集合体10Aは、水ロツドの形状が異
なる点を除いて前述の燃料集合体10と同じ構造を有して
いる。燃料集合体10Aも、燃料集合体10と同様に横断面
の中央部に水ロツド29を配置したものである。水ロツド
29も横断面が十字型状をしている。水ロツド17と異なる
部分は、水ロツド29が水ロツド17の中空棒17Aの凹部17I
をこれに隣接する燃料棒側に突出させ、この燃料棒の外
周と凹部17Iの側面との間の距離が一定になるようにし
たものである。このような構成により水ロツド29内の減
速材領域の横断面積が水ロツド17のそれに比べて約0.5c
m2増加する。従つて、燃料集合体10Aの省ウラン効果
は、燃料集合体10よりも増大する。本実施例において
も、燃料棒が配置されなくしかも水ロツドが配置される
燃料単位格子Ｓの数は、燃料集合体10と同じである。
また、本実施例では第17図にE1〜E4で示した水ロツド
29まわりの、無駄な冷却水流路がなくなつているので、
沸騰遷移に対する熱的余裕は燃料集合体10よりも0.4％
大きくなる。
水ロツド29は、第18図及び第19図に示すように十字型
の横断面を有する中空棒29Aが凹部29Fに丸みを帯びてい
る。中空棒29Aの内側には横断面が四角形の角筒部材29B
が貫いている。角筒部材29B下端部に、下部タイプレー
ト14に取付けられる端栓29Cが設けられている。中空棒2
9Aの下端部は水ロツド17と同様に傾斜面29Eになつてお
り、傾斜面29Eには複数の冷却水流入口29Dが存在する。
円筒部材17Bではなく矩形断面の角筒部材29Bを使用し
た長所は、角筒部材29Bと中空棒29Aとの接触部29Iを最
短距離の直線で結んでいるため、円筒部材17Bに比べて
構造材の量を少なくでき、中性子吸収を低減できること
にある。
第20図は水ロツド29に使用する角筒部材29Bの他の実
施例を示したものである。この角筒部材29Gには構造強
度を著しく損わない範囲で多数の空孔29Hが設けられて
いる。これは中性子吸収量が減少するように角筒部材29
Gの構造材量を減らしている。この様な構造は、角筒部
材29Bに特有のものではなく、円筒部材17Bに適用するこ
とも可能である。
第21図及び第22図は、燃料集合体10及び10Aに用いら
れる水ロツドの他の実施例を示したものである。本実施
例の水ロツド30は、中空棒29Aの上端部及び下端部に、
上部タイプレート13及び下部タイプレート14に取り付け
られる端栓17Cを有する円筒部材17Bを取付けている。水
ロツド29と違い、本実施例は円筒部材17Bが中空棒29A内
を貫通していなく上下に分離している。これは、水ロツ
ド30の軸方向中央部での構造材量を減らし、中性子吸収
量を低減させる効果がある。この構造でも、燃料集合体
上、下端部での圧力損失を、減らすことができる。
なお、以上の説明は、中性子減速材として未飽和水を
使用する水ロツドを用いた実施例についてなされて、固
体減速材を使つた中性子減速棒に対しても同様の構造を
とることができる。また支持構造材120,121にはさまれ
た領域にも、必要に応じて補強材を設置することができ
る。
沸騰水型原子炉に適用した他の実施例である燃料集合
体を第23図により説明する。
本実施例の燃料集合体37は、ギヤツプ領域の厚さがチ
ヤンネルボツクス11の周りで一定でない場合に適用され
るものである。本実施例の燃料集合体に用いられる燃料
棒31〜36は、表２に示す濃縮度を有している。燃料棒35
及び36は、ガドリニウムを含んでいる。38は十字型の水
ロツドである。水ロツド37の軸心はギヤツプ水領域の厚
さの薄い方（第23図のＮ側）に偏在している。また十字
の形状は、Ｎ側に短く、Ｗ側に長くなつている。その結
果、中性子束分布の平坦化が有効に行え、燃料経済性，
熱的余裕を従来より向上することができる。
〔発明の効果〕 本発明によれば、省ウラン効果の増大による燃料経済
性の向上及び燃料集合体の限界出力比の増大による熱的
余裕の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は沸騰水型原子炉に適用した本発明の好適な一実
施例である燃料集合体の横断面図、第２図は第１図の燃
料集合体の縦断面図、第３図は第１図に示す水ロツドの
側面図、第４図は第３図に示す水ロツドの下部拡大図、
第５図は第３図に示す水ロツドの上端部の拡大斜視図、
第６図は第３図のVI−VI断面図、第７図は第１図の燃料
集合体の十字型水ロツドを５本の丸型水ロツドに置換え
た燃料集合体の横断面図、第８図（Ａ）は第１図の燃料
集合体横断面における冷却水流量分布を示す説明図、第
８図（Ｂ）は第７図の燃料集合体横断面における冷却水
流量分布を示す説明図、第９図は減速棒内の減速材領域
の燃料単位格子数と減速棒内の減速材領域の断面積との
関係を示す特性図、第10図は水ロツド内の減速材領域の
断面積の範囲を示す特性図、第11図は燃料集合体の対角
線方向とチヤンネルボツクスに垂直な方向における熱中
性子束分布を示す特性図、第12図は燃料棒が配置されな
くて減速材領域が配置される燃料単位格子数と周辺燃料
単位格子に減速棒を含む燃料棒本数との関係を示す特性
図、第13図は十字型の水ロツドを有してしかも燃料棒配
列が９行９列の燃料集合体の横断面における出力ピーキ
ング分布を示す説明図、第14図は（減速棒内の減速材領
域の横断面積）／（冷却材流路の横断面積）と省ウラン
効果との関係を示す特性図、第15図は燃料棒が配置され
ていなく水ロツド内の減速材領域が配置されている全燃
料単位格子の全面積に対する水ロツド内の減速材領域面
積の割合と燃料集合体限界出力との関係を示す特性図、
第16図は従来の燃料集合体の横断面図、第17図及び第23
図は本発明の他の実施例である燃料集合体の横断面図、
第18図及び第21図は水ロツドの他の実施例の側面図、第
19図は第18図のY1−Y1断面図、第20図は第18図に示す角
筒部材の他の実施例の斜視図、第22図は第21図のY2−Y2
断面図である。 10,10A,37……燃料集合体、11……チヤンネルボツク
ス、13……上部タイプレート、14……下部タイプレー
ト、15……燃料棒、17,29,30……水ロツド、17A,29A…
…中空棒、17B……円筒部材、29B……角筒部材。
フロントページの続き (72)発明者 竹田 練三 日立市森山町1168番地 株式会社日立製 作所エネルギー研究所内 (72)発明者 石井 佳彦 日立市森山町1168番地 株式会社日立製 作所エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−178387（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−212788（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−151785（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−231292（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の燃料棒と、減速材を内部に有して中
    央部に配置された減速棒とを備え、前記減速材が存在す
    る横断面での前記減速棒内の減速材領域の面積AMと燃料
    集合体内の冷却材流路面積ACとの比AM/ACが0.07〜0.11
    の範囲にあり、前記燃料棒が配置されていなく前記減速
    棒が配置されている全燃料単位格子の全面積に対して前
    記面積AMが75％以上を占めていることを特徴とする燃料
    集合体。
  2. 【請求項２】減速材を内部に有する１本の減速棒と、前
    記減速棒の周囲を取囲んで配置された複数の燃料棒とを
    備え、前記燃料棒を、前記減速棒を取囲む燃料集合体の
    周辺部に前記減速棒を取囲むように９行９列に配置し、
    前記減速材が存在する横断面での前記減速棒内の減速材
    領域の面積AMと燃料集合体内の冷却材流路面積ACとの比
    AM/ACが0.07〜0.11の範囲にあり、前記燃料棒が配置さ
    れていなく前記減速棒が配置されている全燃料単位格子
    の全面積に対して前記面積AMが75％以上を占めているこ
    とを特徴とする燃料集合体。
  3. 【請求項３】減速材を内部に有ししかも前記減速材が存
    在する領域の横断面が十字型である減速棒と、前記減速
    棒の周囲を取囲んで配置された複数の燃料棒とを備え、
    前記減速棒の側面と燃料集合体の側面との間に前記燃料
    棒を配置し、前記減速材が存在する横断面での前記減速
    棒内の減速材領域の面積AMと燃料集合体内の冷却材流路
    面積ACとの比AM/ACが0.07〜0.11の範囲にあり、前記燃
    料棒が配置されていなく前記減速棒が配置されている全
    燃料単位格子の全面積に対して前記面積AMが75％以上を
    占めていることを特徴とする燃料集合体。
  4. 【請求項４】燃料集合体の最外周に配置された前記燃料
    棒の平均濃縮度がEA、前記減速棒に隣接して前記減速棒
    の２つの側面に面している前記燃料棒の平均濃縮度がEB
    及びこれらの燃料棒を除いた他の燃料棒の平均濃縮度が
    ECである時、EA＜EB＜ECとなる特許請求の範囲第３項記
    載の燃料集合体。
  5. 【請求項５】前記減速棒の十字型に突出している部分が
    燃料集合体の側面に直角に配置された特許請求の範囲第
    ３項または第４図記載の燃料集合体。
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