JP2523694B2

JP2523694B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JP2523694B2
Application number: JP62256191A
Authority: JP
Inventors: 精植田; 徹光武; 光一桜田; 宏司平岩; 靖弘服部; 寛法越後谷; 護永野
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2011-08-14
Also published as: JPH0198994A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は燃料集合体に係り、特に熱的余裕の改善と燃
料経済性を同時に達成することのできる沸騰水型原子炉
ん好適な燃料集合体に関する。

（従来の技術）沸騰水型原子炉（BWR）の燃料集合体は、金属性被覆
管の内部に核燃料物質を充填した多数の燃料棒を規則正
しく配列したもの（燃料バンドル）が方形のチャンネル
ボックスの内部に収納されて構成されている。そして、
沸騰水型原子炉の炉心では、通常１体の十字型制御棒と
それを取り囲む４体の燃料集合体とで構成されたセルが
規則正しく配置されている。すなわち、BWRの炉心の各
燃料集合体および制御棒は、そられの軸が垂直で互に平
行となるように配列され、減速材としての機能を有する
冷却水は炉心の下方から上方に向って流れるように構成
されている。燃料棒は核分裂反応により発熱しており、
冷却水はその熱を燃料棒から取り除きながら上方（下
流）に向って流れている。冷却水の一部は帰化して気泡
（ボイド）を発生する。炉心有効部下端、即ち発熱部下
端の近傍では気泡は発生しないが、下端付近を除くとチ
ャンネルボックス内では炉心内のいたるところで気泡が
発生しており、炉心の軸方向中央部から上端部にかけて
は冷却水通路に占める気泡の割合、すなわちボイド率は
非常に高まり、炉心上端近傍では70％を越える。ボイド
率が高くなると、冷却水通路の軸と直角方向の断面積は
チャンネルボックス内の高さ方向で一定であるため、冷
却水の流速は必然的に大きくなる。流路の摩擦抵抗はお
およそ流速の２乗に比例して増加するので、流速が大き
い（ボイド率が高い）炉心の中央から上部にかけては冷
却水の圧力損失が大きくなる。

単位長さ当たりの圧力損失ΔP_T／ΔＺは、下記４つの
要素の和として示される。

ここで、ΔPhは位置損失，ΔPaは加速損失，ΔPfは摩
擦損失，ΔP_Lはスペーサ等による局所損失である。スペ
ーサのない区間で最も大きな要素は摩擦損失であり、次
式で表わされる。

ここで、Ｍは冷却水（水）質量流量,Aは冷却材流路面
積,Pは冷却材密度,gは重力定数,fは燃料バンドル摩擦損
失係数，ΔPfは燃料バンドル摩擦損失である。

冷却材を流すに要する力は主として再循環ポンプの出
口部の吐出圧によって与えられるので、圧力損失が大き
いことはポンプに大きな動力を与えなければならないこ
とであり、機器の大型化と発電効率の低下原因となる。
従って、この圧力損失が低減できれば、ポンプ動力を低
減できることになる。

ところで、原子力発電の経済性向上の観点から、近年
いろいろの研究がなされている。例えば、燃料バンドル
内で燃料棒間の間隙を変えることによって、原子炉運転
中の中性子増倍率を向上させ、それによって運転サイク
ルの長期化を達成し、燃焼度を伸長させることができる
ことが判ってきた。このように、原子炉運転中の中性子
増倍率が向上する原因は、燃料棒相互効果により、共鳴
を逃れる確率が向上できること、熱中性子利用率はやや
不利になるものの、原子炉を高温で出力運転中にはその
不利になる程度が抑制されるという現象に基いている。
この研究の一端は、本発明者らによって特開昭62−7537
8号に開示されている。

（発明が解決しようとする問題点）ところが、燃料棒間の間隙を燃料バンドル内で変化さ
せることは、冷却材に流れ易い所と流れにくい所を構成
することに対応するため、新たな対応が必要となる。冷
却材の流れが悪くなると熱的余裕が減少し、燃料健全性
が確保される余裕が低下することになるためである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
は、原子力発電の経済性向上のために燃料棒間の間隙を
燃料バンドル内で変化させた燃料集合体がもつ熱的余裕
の減少を解消するとともに炉心特性と経済性を更に高
め、かつ耐震構造の燃料集合体を提供することにある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明は、上端に上部タ
イプレートを、下端に下部タイプレートを配置し、上部
タイプレートと下部タイプレートとの間に所定の間隔を
隔てて複数のスペーサを配置し、上部タイプレート，下
部タイプレートおよび複数のスペーサを用いて、多数の
燃料棒を規則正しく配列して燃料バンドルとなし、燃料
バンドルの外周に金属製のチャンネルボックスを配置
し、燃料棒周辺を燃料棒の軸方向に流れ、燃料棒で発生
する熱を除去する冷却水の流れが、燃料バンドル内で少
なくとも冷却材の下流において不均一となるごとく構成
された燃料、集合体において、前記チャンネルボックス
の肉厚は、全長Ｌのうち、冷却水の上流側先端から1/4L
ないし1/3Lまでは厚肉とし、下流側末端から少なくとも
1/4Lまでは上部タイプレートが当接する下流端部を除き
薄肉とし、チャンネルボックス全長の中央付近ではチャ
ンネルボックスの肉厚の段差を設けないようにすると共
に、チャンネルボックス内部の横断面積が増大する構成
とし、さらにチャンネルボックス材の肉厚が最大の部分
を除き、スペーサがチャンネルボックス内面において当
接する位置にスペーサ当接部をチャンネルボックス内面
に固設し、チャンネルボックス内の燃料バンドルの軸と
直角方向位置を一定に保持するように構成されたことを
特徴とするものである。

（作用）本発明の燃料集合体は、下流ほどチャンネル内部の流
路面積を拡大しているので、次の〜のような作用・
効果を奏する。

、圧力損失が効果的に低減できる。このことはポンプ
動力を低減できることであり、直ちに発電の経済性向上
を意味する。また逆にサイクル末期において冷却水の流
量を正規以上に上げ、ボイド率を下げることによって炉
心反応度を高め、サイクルの長期化を行うことができ、
このことも発電の経済性向上に繋がる。

、チャンネルボックス肉厚の減少により減速材の機能
を有する冷却水が占める体積が増大するので、中性子減
速効果が向上し，中性子増倍率が向上する。

、燃料バンドル内の流路の広い部分へ冷却水が流れ易
くなり、外周部即ちチャンネルボックス内面近傍の冷却
水の流れが悪くなりがちであったものが、チャンネルボ
ックス内面近傍の冷却水流路が拡大されるため、同所の
冷却水の流れが良くなるので、燃料集合体の熱的余裕が
改善され、燃料健全性確保の裕度が増大する。

、冷却水の流れの下流において流速が低下する結果、
冷却水とボイドとの移動速度の差、即ちスリップ現象が
増大し、ボイド率が低下する。

、その結果下流部の出力が増大し、炉心上半部で出力
が低下する傾向のあるBWRの特性が改良され、炉心上下
方向の出力分布が平坦化する。その結果燃料健全性に対
する裕度が増大する。

、上述の如く炉心上部でのボイド率が低下するため、
ボイドによる炉心反応度の低下が抑制される。このこと
はわずかではあるが、サイクルの長期化に寄与するので
経済性の向上に役立つ。また、ボイドによる炉心反応度
の低下が抑制されることは、異常時にボイド率が低下し
たときの異常な炉心反応度の上昇がいくらかなりとも抑
制されるので、炉心の安全性の向上に役立つ。

、地震時にチャンネルボックスに与える応力の影響を
少なくするために軸方向中央付近のチャンネルボックス
の厚さに段違い状の変化部分がないようにしている。ま
た、チャンネルボックスの中央より上部では、内圧によ
る応力も地震時の応力も小さく、また、内圧も小さいの
でチャンネルクリープ現象も殆ど起きないので、薄肉と
することができる。

次に、本発明の基本的考え方について説明する。

冷却水の圧損は集合体を軸方向にみると、主として流
れが二相流となる軸方向下流部で生じる。

従って、軸方向下流部で冷却水の流路を拡大すること
によって、二相流の速度を減少させ，圧力損失の増大を
抑制することができる。

そこで、チャンネルボックスの過剰に厚肉となってい
る部分を、応力問題とクリープ問題の両方から検討し
て、過剰厚肉部分が流路拡大を必要とする部分（下流）
と一致することに思い至り、本発明を完成した。

さらに、チャンネルボックスの応力の軸方向分布と中
性子照射とチャンネル内圧に伴なうクリープ現象の軸方
向分布の検討から、チャンネルボックス材の肉厚を調整
することにより各種の作用，効果を有効に発揮できるこ
とが明らかとなった。すなわち、チャンネルボックスは
内圧が高い冷却材の流れの上流部（下端部）では厚くす
る必要がある。特に、上流に近くしかも中性子照射量が
高くなる部分では、内圧の継続的な作用により、チャン
ネルボックスは外側に向って脹らむチャンネルクリープ
現象を生じるので、この部分では薄肉とすることは避け
なければならない。

チャンネルボックスの軸方向中央付近は、あまり大き
くないチャンネル内圧と地震時に発生する応力に対応し
て、下端部に比べれば薄くできるが、大幅に薄肉とする
のは避けるべきである。地震時の応力分布は軸方向中央
付近で最大となるが、通常は内圧により発生する応力よ
り小さい。なお、軸方向中央付近にチャンネルボックス
の厚さに段違い状の変化部分があると、地震時に応力が
集中するので、段違い部は中央付近を避けるべきであ
る。

チャンネルボックスの中央より上部では、内圧による
応力も地震時の応力も小さく、また、内圧も小さいので
チャンネルクリープ現象も殆ど起きないので、薄肉とす
ることができる。但し、上部格子に当接する上端付近，
すなわち上部タイプレートにも当接する部分ではあまり
大きくはない（むしろ小さいながら）応力が地震時に発
生する。従って、巨大地震が予想される地域ではチャン
ネルボックスの上端付近はやや厚肉化した方がよいと考
えられる。

いずれにしても、軸方向分布からみた減肉可能部分
は、圧力損失対策としてチャンネル内部の面積を特に拡
げたい部分とほぼ一致するため、本発明により前述の如
く多くの共鳴的相乗的な作用・効果が生ずる。

（実施例）本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図（Ａ）は本発明の一実施例の主要構成要素をな
すチャンネルボックスの縦断面図、同図（Ｂ）〜（Ｄ）
は第１図（Ａ）のB-B線〜D-D線に沿う横断面図、同図
（Ｅ）は第１図（Ａ）のE-E方向からみたスペーサ当接
部の正面図、同図（Ｆ）は本発明の一実施例の平面図で
ある。

本実施例の燃料集合体は、第１図（Ｆ）に示すよう
に、外形一様のチャンネルボックス１内に疎密形のバン
ドルが挿入されている。この疎密形のバンドルは、燃料
棒４を３行３列配置したサブチャネルをさらに間隙ｇを
設けて３行３列配置するとともに中心部に太径水棒３を
配置した構成としたものである。

上記チャンネルボックス１の内面は第１図（Ａ）〜
（Ｄ）に示すように、下流に向って1a,1b,1cと薄肉化さ
れている。薄肉化しただけではバンドルは下部を除き水
平方向の押えがないので不安定となる。そこで、これを
避けるためにスペーサ当接部２がチャンネルボックス１
の内面に取り付けてあり、このスペーサ当接部２をスペ
ーサ５（第３図参照）に当接し、バンドルの水平方向位
置を固定させている。

本実施例の燃料集合体においては、冷却水は第１図
（Ｆ）に示すように、サブチャンネルの間の間隙ｇと
か、太径水棒３と間隙ｇの間のような間隙g₁に集まり易
いので、チャンネルボックス１の内面を同図（Ａ）に示
すように、下流方向に行くに従って段階的に減肉して冷
却水が流れ易くしている。また、チャンネルボックス１
のコーナ部と燃料棒４との間の間隙g₂は狭く冷却水の流
れが悪化し易いので、冷却能力が低下し易い。そこで、
前記したようにチャンネルボックス１の内面を減肉して
間隙g₂を大きくして冷却水を流れ易くしている。

次に、本発明による作用をチャンネルボックスに働く
応力面から説明する。

冷却水は第２図（Ａ）に示すように、チャンネルボッ
クス内外を流れるが、チャンネルボックス内での水圧差
で発生する応力ΔＰは同図（Ｂ）のように上流ほど大き
い。また、地震発生応力σは水平振動と考えられるが、
チャンネルボックス下端はほぼ固定端になっているが、
上端は多少可変する。したがって、応力σの最大は中央
よりやや上方にシフトしている。そこで、チャンネルボ
ックスに働く応力の合成を求めると、合成応力ΔＰ＋σ
は第２図（Ｄ）に示すようになる。そして、合成応力に
ついてのこの範囲までの解析ではチャンネルボックスの
内面を削るかその外面を削るかはさして重要な問題では
なく、どちらを削ってもよい。

第３図は第２図の応力にさらにチャンネルクリープ現
象を加味して本発明のチャンネルボックスに働く応力を
説明するための図である。

第３図（Ａ）は通常の燃料集合体の概略構成図であ
り、図示の燃料集合体は燃料棒４をスペーサ５で規則正
しく配置した燃料バンドルをチャンネルボックス１内に
収納し、その下端に下部タイプレート６を、またその上
端に上部タイプレート７を取り付けている。

ところで、チャンネルクリープ現象は内外圧力差と中
性子照射により生じるが、この現象の生じ易い範囲は第
３図（Ｂ）で示すように、上流側の（イ）の範囲である
から、この部分より上流側のチャンネルボックス１の肉
厚は厚くされている。これ以降の下流側の合成応力はほ
ぼ横ばいとなり、また上流側ほぼ1/3H以降ではさらに合
成応力は小さくなるので、チャンネルボックスの肉厚は
合成応力の低下に伴ない階段的に薄くされている。

第４図は本発明のチャンネルボックスを熱水力的に説
明するための図である。第４図（Ａ）は燃料集合体の特
にスペーサ配置図を示し、同図（Ｂ）は従来のチャンネ
ルボックスの断面図、同図（Ｃ）は本発明のチャンネル
ボックスの断面図を示したものである。さらに、第４図
（Ｄ）は本発明のチャンネルボックスを適用した場合の
ボイド率分布曲線（破線）と従来のチャンネルボックス
を適用した場合のボイド率分布曲線（実線）を比較した
ものであり、本発明の方がボイドの水相からのスリップ
によりわずかながらボイド率が下っている。また、両者
の冷却水のインチャンネル圧力損失曲線は第４図（Ｅ）
に示す通りであり、本発明（破線）の方が、従来（実
線）のものと比べて圧力損失は小さい。

第５図は本発明のチャンネルボックス１を用いた燃料
集合体内の冷却水による作用を説明するものである。す
なわち、同図（Ａ）に示すように、本発明によれば、燃
料集合体の中心部に位置する太径水棒３の外周および広
い間隙部に集中しがちな冷却水が＊印方向に流れるの
で、冷却水の集中が緩和される。また、タイト部の副流
部から最外周（チャンネル内面近傍）への流れは＊＊印
方向の流れが生じ、タイト部の流速が減少する。その結
果、燃料棒４の表面からの液膜の剥離現象が抑えられ
る。このため第５図（Ｂ）に示すように、本発明（実
線）は従来のもの（点線）に比べて熱的限界出力が向上
する。

また、バンドル疎密化による無限増倍率ｋ∞の増加に
加えて本発明ではチャンネルボックスを薄くしたため、
さらに無限増倍率ｋ∞が増加することになるので、第６
図に示すように、高温出力運転時に無限増倍率ｋ∞がが
増大する。したがって、サイクル長期化が図られ、経済
性が向上する。また、炉心上半部での減速材としての冷
却水の量が増加するので、炉心上半部での出力が上昇
し、出力分布が第７図の点線で示すように平坦化し、従
来のもの（実線）に比べて燃料健全性が向上する。

第８図は本発明の第２の実施例の縦断面図である。本
実施例では図に示すように、チャンネルボックス１と下
部ノズル10が一体に結合されており、下部タイプレート
６と下部ノズル10は分離可能に構成されている。したが
って、このような燃料集合体では、上部タイプレート７
に取り付けられるバンドルを、チャンネルボックス１内
に挿抜する構成とする。このため、チャンネルボックス
１の内面を削って薄くした部分ではチャンネルボックス
１の当接部９をスペーサ８に取り付ける。このスペーサ
８は第10図に示すように、その外周部の両側部にそれぞ
れチャンネル当接部９が形成されている。そして、スペ
ーサ８の外周の当接部９はチャンネルボックス上部では
大幅に外へ脹らまし、チャンネルボックス下部では従来
のようにわずかに脹らますように構成されている。な
お、13はフロータブである。

第９図（Ａ）は本発明の第３の実施例の主要構成要素
をなすチャンネルボックスの縦断面図、同図（Ｂ）〜
（Ｄ）は第１図（Ａ）のB-B線〜D-D線に沿う横断面図、
同図（Ｅ）は第１図（Ｂ）のＥ部分の拡大図である。

本実施例では前記実施例と同様に上流側から下流側に
かけてチャンネルボックス11の肉厚を同図（Ａ）〜
（Ｄ）に示すように11a,11b,11cと段階的に薄くなるよ
うに構成している。そして、本実施例の特徴的なもの
は、同図（Ｅ）に示すように、チャンネルボックス11の
内側にスペーサのチャンネル当接部が通れる程度の切込
み溝12を設けていることである。これによりチャンネル
ボックス11の着脱とバンドルのチャンネル内の横ゆれ防
止が同時に達成される。この溝12は最下部のスペーサ
（第４図（Ａ）のSP1）の位置よりわずか下方まで設け
る。しかし、この溝12はアウトチャンネルへのリークフ
ロー対策と大きな内圧に対応するためチャンネルボック
ス11の下部までは設けない。チャンネルボックス内部の
コーナ部はインチャンネルの冷却材内圧のため外向きの
大きな応力が発生するので、厚肉11aとする。つまりコ
ーナ部外向応力とコーナ近傍を除く側面部内側応力との
釣合い部となるので、応力は小さく、従って薄くでき
る。これによってチャンネル当接部（スペーサ固着）の
通過部となる溝12を形成できる。それに続く部分は内圧
に対応して内側向の応力が発生するので、上部のように
薄肉にすることはできない。

第11図は本発明の第４の実施例の縦断面図である。本
実施例のチャンネルボックス14の厚さは軸方向で階段的
に２段（14a,14b）に構成されている。このようなチャ
ンネルボックス14は耐震性が強く要求されるプラントで
有効である。すなわち、圧損低減の効果はやや低下する
が、肉厚がチャンネルボックス上部でも比較的厚いの
で、横向応力に強い。また、本実施例の縦溝15の深さは
チャンネルボックス上部の肉厚の厚さ14bと同じであ
り、この縦溝15にスペーサのチャンネル当接部が挿入さ
れる。

第12図は本発明の第５の実施例であり、同図（Ａ）及
び（Ｂ）は本実施例の主要構成要素をなすチャンネルボ
ックスの縦断面図，すなわち同図（Ｃ）〜（Ｅ）のA-A
線またはB-B線に沿う縦断面図、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は
同図（Ａ），（Ｂ）のC-C線〜E-E線に沿う横断面図、同
図（Ｆ）は本発明の第５の実施例の側断面図である。

チャンネルコーナを面とり型にすると応力最大値が低
減する。本実施例ではこの考えを加えて、チャンネルボ
ックス16の肉厚を更に薄くするものである。この場合、
バンドルコーナの燃料棒を取り除く必要がある。炉心上
部では応力は小さいので、同図（Ｂ）に示すように従来
形と同様にチャンネルコーナは面とり型にされていな
い。同図（Ｆ）は本発明の第５の実施例の側断面図であ
り、チャンネルボックス16の肉厚は、同図（Ａ）及び
（Ｂ）に示すように上流側から下流側の方に16a,16b,16
cと薄肉とされている。これにより、コーナ部の冷却材
流路が拡大され、圧損低減が達成される。17は燃料バン
ドル、18はスペーサ、19はチャンネル当接部である。

第13図はチャンネルボックス内の冷却水の内圧に基づ
く応力分布図である。すなわち、同図において、実線イ
は従来のチャンネルボックス、点線ロは本発明のチャン
ネルボックス（コーナのＲが大きいもの）、一点鎖線ハ
は本発明のチャンネルボックス（コーナ面とりしたも
の）の対内圧応力分布図である。図から分かるように、
スペーサのチャンネル当接部通過用溝が設けられている
個所はいずれも応力が小さくなる部分であるから縦溝を
形成しても何ら問題とならない。

第14図は本発明の第６の実施例の平面図であり、短尺
燃料棒22（図ではＰで示し、その下端を揃える）をバン
ドルの（2,2）位置に配置して圧損を改良したものであ
る。このような集合体ではサブチャンネルの間の広い間
隙部ｇに冷却水が集まり易いので、本実施例では、チャ
ンネルボックス20の内面を削り冷却水を導くようにして
いる。これにより集合体のコーナ部の熱的余裕も改良さ
れる。チャンネル内を拡げることにより、さらに熱的余
裕が改善される。なお、チャンネルボックス20の肉厚は
上流側で厚く、下流側で薄くなるように階段的に構成さ
れているが、図では省略されている。以下、第20図の第
12実施例のチャンネルボックスまで同様である。21は通
常の燃料棒、23は方形の水棒である。

第15図は本発明の第７の実施例の平面図であり、コー
ナ部の燃料棒21を中央部に位置する水棒25の側面に移
し、水棒25まわりへの冷却水の集中を避けている。それ
でもサブバンドル間の間隙部ｇに水が集まり易く、チャ
ンネル内面の冷却水の流れが悪化する傾向がある。そこ
で、本実施例では軸方向チャンネル材減肉を更に進める
ために、図示のようにチャンネルボックス24のコーナの
面とりをして、内圧に基づく応力を減少させ、それによ
ってチャンネル内面からより一層減肉したものである。

第16図は本発明の第８の実施例の平面図である。図に
おいて、短尺燃料棒22はチャンネルボックス20の中央に
位置した断面十字状水棒26の十字状先端の延長線上にそ
れぞれ２個づつ配置されている。そして、この短尺燃料
棒22の上端は他の燃料棒21より低いので、十字状水棒26
と短尺燃料棒22の上部は広い水領域となる。したがっ
て、本実施例の燃料集合体は、炉停止余裕の向上と圧損
低減，ボイド係数の改善，出力（軸方向）分布改善は図
れる。しかし、冷却水の流れが短尺燃料棒上部と短尺燃
料棒の周辺の間隙部g₃の広い部分に集まり易く、その結
果チャンネル内面近傍、特にコーナ部の間隙g₂でかつ炉
心上部（〜1/4H程度）で冷却能力の低下が起き易くな
る。そこで、チャンネルボックス内面を削ると、特に炉
心上部の水の冷却能力が低下した状態で、より多くの水
を流し、冷却特性を改良することができる。

第17図は本発明の第９の実施例の平面図である。

図に示すように、サブバンドル間の間隙ｇおよび太径
水棒27とサブバンドルのコーナ部との間の間隙g₁には冷
却水が集まり易く、またチャンネルボックス20とサブバ
ンドルのコーナ部との間の間隙g₂では水流が不足になり
がちであるが、本発明のチャンネルボックス20を用いる
ことにより、これら不具合が改善される。

第18図は本発明の第10の実施例の平面図であり、BWR
−Ｄ格子型燃料集合体と呼ばれるものである。図に示す
ように、水棒27はオフセットされている。サブバンドル
間の間隙ｇは冷却水が集り易く、またチャンネルボック
ス20とサブバンドルのコーナ部との間の間隙g₂は水流が
不足がちとなるが、本発明のチャンネルボックスを使用
することによりこれら不具合が改善される。

第19図は本発明の第11の実施例の平面図であり、上記
第18図の実施例と同様にサブバンドル間の間隙ｇは冷却
水が集り易く、またチャンネルボックス20とサブバンド
ルのコーナ部との間の間隙g₂は水流不足となりがちであ
るが、本発明のチャンネルボックスを使用することによ
りこれら不具合が改善される。

第20図は本発明の第12の実施例の平面図である。本実
施例は２×２セル分の方形水棒28入り８×８燃料集合体
である。水棒28の回りに短尺燃料棒22が８本配置されて
いる。短尺燃料棒22は他の燃料棒21の長さの3/4H程度
で、上部は冷却水の流れる空間となる。

本集合体は、炉停止余裕の向上，軸方向出力分布改善
圧損低減，ボイド係数改良等を目的とした高経済性形燃
料集合体である。しかし、短尺燃料棒22の上部に冷却水
が集まり易くなるので、特にその部分でチャンネル材を
内側から削りチャンネル内面近傍での水流を向上させ
る。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の燃料集合体は、チャン
ネルボックスの内側を削り下流側ほど薄くして流路面積
を広げているので、冷却水圧損低減、限界出力向上及び
反応度向上に寄与し、また段差の位置をチャンネル全長
の中央付近から避けることによって地震時にチャンネル
ボックスに与える影響が少ないようにしている。さらに
スペーサ当接部をチャンネルボックス内面に固設し、チ
ャンネルボックス内の燃料バンドルの軸と直角方向位置
を一定に保持することによりバンドルの位置ずれも防止
できる、という顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の一実施例の主要構成要素をなす
チャンネルボックスの縦断面図、同図（Ｂ）〜（Ｄ）は
第１図（Ａ）のB-B線〜D-D線に沿う横断面図、同図
（Ｅ）は第１図（Ａ）のE-E方向からみたスペーサ当接
部の正面図、同図（Ｆ）は本発明の一実施例の平面図、
第２図は本発明の作用を説明するための図、第３図は本
発明に係るチャンネルボックスに働く合成応力を説明す
るための図、第４図は本発明のチャンネルボックスを熱
水力的に説明するための図、第５図は本発明の燃料集合
体の作用を説明するための図、第６図は高温出力運転時
における無限増倍率とチャンネルボックス肉厚との関係
を示す図、第７図は炉心軸方向の相対出力分布図、第８
図は本発明の第２の実施例の縦断面図、第９図（Ａ）は
本発明の第３の実施例の主要構成要素をなすチャンネル
ボックスの縦断面図、同図（Ｂ）〜（Ｄ）は第１図
（Ａ）のB-B線〜D-D線に沿う横断面図、同図（Ｅ）は第
１図（Ｂ）のＥ部分の拡大図、第10図は第９図で使用さ
れるスペーサの概略図、第11図は本発明の第４の実施例
の縦断面図、第12図は本発明の第５の実施例であり、同
図（Ａ）及び（Ｂ）は本実施例の主要構成要素をなすチ
ャンネルボックスの縦断面図、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は同
図（Ａ），（Ｂ）のC-C線〜E-E線に沿う横断面図、同図
（Ｆ）は本発明の第５の実施例の側断面図、第13図はチ
ャンネルボックス内の冷却水内圧に基づく応力分布図、
第14図〜第20図はいずれも本発明の第６〜第12の実施例
の平面図、第21図は従来の燃料集合体の斜視図、第22図
は第21図の燃料集合体の縦断面図、第23図は第22図の燃
料集合体の横断面図である。 1,11,14,16,20,24…チャンネルボックス 2,9,19…当接部 3,23,25,26,27,28…水棒 4,21…燃料棒 5,8,18…スペーサ６…下部タイプレート７…上部タイプレート 10…下部ノズル 12,15…溝 13…フロータブ 16…下部ノズル 17…燃料バンドル 22…短尺燃料棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平岩宏司神奈川県川崎市川崎区浮島町４番１号日本原子力事業株式会社研究所内 (72)発明者服部靖弘東京都港区芝浦１丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内 (72)発明者越後谷寛法東京都港区芝浦１丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内 (72)発明者永野護東京都千代田区内幸町１丁目１番７号日本原子力事業株式会社内 (56)参考文献特開昭63−261190（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−261191（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−293490（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−180389（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上端に上部タイプレートを、下端に下部タ
イプレートを配置し、上部タイプレートと下部タイプレ
ートとの間に所定の間隔を隔てて複数のスペーサを配置
し、上部タイプレート，下部タイプレートおよび複数の
スペーサを用いて、多数の燃料棒を規則正しく配列して
燃料バンドルとなし、燃料バンドルの外周に金属製のチ
ャンネルボックスを配置し、燃料棒周辺を燃料棒の軸方
向に流れ、燃料棒で発生する熱を除去する冷却水の流れ
が、燃料バンドル内で少なくとも冷却材の下流において
不均一となるごとく構成された燃料集合体において、前
記チャンネルボックスの肉厚は、全長Ｌのうち、冷却水
の上流側先端から1/4Lないし1/3Lまでは厚肉とし、下流
側末端から少なくとも1/4Lまでは上部タイプレートが当
接する下流端部を除き薄肉とし、チャンネルボックス全
長の中央付近ではチャンネルボックスの肉厚の段差を設
けないようにすると共に、チャンネルボックス内部の横
断面積が増大する構成とし、さらにチャンネルボックス
材の肉厚が最大の部分を除き、スペーサがチャンネルボ
ックス内面において当接する位置にスペーサ当接部をチ
ャンネルボックス内面に固設し、チャンネルボックス内
の燃料バンドルの軸と直角方向位置を一定に保持するよ
うに構成されたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】上端に上部タイプレートを、下端に下部タ
イプレートを配置し、上部タイプレートと下部タイプレ
ートとの間に所定の間隔を隔てて複数のスペーサを配置
し、上部タイプレート，下部タイプレートおよび複数の
スペーサを用いて、多数の燃料棒を規則正しく配列して
燃料バンドルとなし、燃料バンドルの外周に金属製のチ
ャンネルボックスを配置し、燃料棒周辺を燃料棒の軸方
向に流れ、燃料棒で発生する熱を除去する冷却水の流れ
が、燃料バンドル内で少なくとも冷却材の下流において
不均一となるごとく構成された燃料集合体において、前
記チャンネルボックスの肉厚は、全長Ｌのうち、冷却水
の上流側先端から1/4Lないし1/3Lまでは厚肉とし、下流
側末端から少なくとも1/4Lまでは上部タイプレートが当
接する下流端部を除き薄肉とし、チャンネルボックス全
長の中央付近ではチャンネルボックスの肉厚の段差を設
けないようにすると共に、チャンネルボックス内部の横
断面積が増大する構成とし、チャンネルボックス材の肉
厚が最小の部分を除く厚肉部分では、チャンネルボック
スのコーナ部と平板部で隣接するコーナの中心との間の
チャンネルボックス内部の冷却水圧力によって発生する
応力が低下する部位においてチャンネル材を内側から削
り、スペーサのチャンネル当接部の通路が形成されたこ
とを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】上端に上部タイプレートを、下端に下部タ
イプレートを配置し、上部タイプレートと下部タイプレ
ートとの間に所定の間隔を隔てて複数のスペーサを配置
し、上部タイプレート，下部タイプレートおよび複数の
スペーサを用いて、多数の燃料棒を規則正しく配列して
燃料バンドルとなし、燃料バンドルの外周に金属製のチ
ャンネルボックスを配置し、燃料棒周辺を燃料棒の軸方
向に流れ、燃料棒で発生する熱を除去する冷却水の流れ
が、燃料バンドル内で少なくとも冷却材の下流において
不均一となるごとく構成された燃料集合体において、前
記チャンネルボックスの肉厚は、全長Ｌのうち、冷却水
の上流側先端から1/4Lないし1/3Lまでは厚肉とし、下流
側末端から少なくとも1/4Lまでは上部タイプレートが当
接する下流端部を除き薄肉とし、チャンネルボックス全
長の中央付近ではチャンネルボックスの肉厚の段差を設
けないようにすると共に、チャンネルボックス内部の横
断面積が増大する構成とし、方形に構成された燃料バン
ドルの各コーナ部の燃料棒を全て除去し、それに対応し
て方形に構成されたチャンネルボックスのコーナ部を面
とり状ないしコーナ部の曲率を、コーナ燃料棒の挿入が
不可能となる程度に緩和し、この緩和によって低減され
るチャンネル内部の冷却水圧力によって発生する応力の
減少分に応じてチャンネルボックス材の肉厚が低減され
たことを特徴とする燃料集合体。