JP3036129B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料集合体に係り、特
に沸騰水型原子炉に適用するのに好適な高燃焼度化をめ
ざした燃料集合体に関するものである。

【０００２】

【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、四角筒のチャンネルボックスと、このチャン
ネルボックス内に収納された燃料バンドルとを有する。
燃料バンドルは、上部及び下部タイプレート、上部及び
下部タイプレートに上端部及び端部が保持される複数の
燃料棒及び水ロッド、及び燃料棒，水ロッドの相互の間
隔を保持する燃料スペーサを含む。燃料スペーサは、燃
料集合体の軸方向に複数個配置される。

【０００３】近年、原子炉の連続運転期間の延長，ウラ
ン資源の有効利用、さらに使用済み燃料発生量の低減の
観点から、燃料集合体の高燃焼度化が進められている。
高燃焼度化のためには燃料の濃縮度を高める必要があ
る。しかし、濃縮度の増加に伴う、中性子の平均エネル
ギーの上昇に起因して、ボイド変化による反応度変化の
増大、及び核分裂性物質有効利用の阻害が生じるという
課題があった。これらに対する対応策は、燃料集合体内
の減速材割合を増大し、中性子の平均エネルギーを低減
することである。

【０００４】高燃焼度化による他の課題は、濃縮度の高
い(反応度の高い)燃料集合体が炉心内に存在する（炉心
の径方向出力ピ−キングが増大）ことによって生じる熱
的余裕の減少である。

【０００５】一方、従来の沸騰水型原子炉は、チャンネ
ルボックスの外側に制御棒及び中性子検出器計装管を配
置する構成になっている。このため、これらの装置が挿
入されるだけの間隙（水ギャップ）が、燃料集合体間に
設けられる。この水ギャップは飽和水で満たされている
ため、燃料集合体周辺部（水ギャップに近い領域）の燃
料棒と燃料集合体中心部の燃料棒ではその飽和水によっ
て受ける影響の度合が異なる。すなわち、水ギャップに
近い燃料集合体周辺部は、実効的には減速材対燃料比が
大きな領域となり、燃料集合体の核的な特性を決める要
因である減速材対燃料比が燃料集合体内の位置により異
なる。

【０００６】減速材対燃料比は、前述の中性子の平均エ
ネルギーを決定するパラメ−タであり、その値が大きい
ほど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）なる。減速材対燃料比を増大する方法には、
減速材領域あるいは減速材密度を増大する方法と燃料を
減少する方法がある。具体的には、沸騰水領域（燃料
集合体内の冷却材流路の領域。但し、水ロッドの部分は
除く）の増大、具体的には、燃料棒本数の減少、あるい
は燃料棒外径の減少、及び非沸騰水領域（水ロッド領
域あるいはギャップ水領域）の増大等がある。しかし、
このような対策を採用した燃料集合体は、燃料装荷量の
減少による燃料経済性の低下と共に燃料棒全長の減少に
よる線出力密度の増大、あるいは燃料集合体内の冷却材
流路面積の減少による圧力損失の増大という新たな課題
を生じる。

【０００７】これらの課題を解決する従来の基本的な方
策としては、燃料集合体の格子配列数を増大して燃料棒
本数を増加する方法、更には特開昭52−50498 号公報の
ように燃料棒有効長が異なる燃料棒で燃料集合体を構成
する方法がある。前者は、平均線出力密度を減少させ
て、また伝熱面積を増大させて、熱的余裕を高めること
ができる。一方、後者は、摩擦圧損が大きな二層流部
(炉心上部)の冷却材流路面積の増大を図ることにより、
燃料装荷量を減少させずに圧力損失を低減できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】既設の沸騰水型原子炉
の炉心にバックフィトすることを考えた場合、燃料装荷
量を確保するとともに、前述の圧力損失，ボイド係数及
び熱的余裕（線出力密度及び限界出力）等を、現在用い
られている燃料集合体のそれらと同等にすることが望ま
しい。

【０００９】しかし、単純に格子配列を増加する方法で
は、燃料格子配列の増加に伴って燃料棒ピッチが減少
し、燃料装荷量を確保するために必要となる外径を有す
る燃料棒を挿入するだけのスペースが確保できない。こ
れは、燃料装荷量の減少により燃料経済性を損なうだけ
でなく、燃料棒の時定数が増大し安定性を損ねたり、さ
らに、燃料棒の曲がりが加速されるという問題が生じ
る。

【００１０】また、水ロッド領域の増大は、以下の問題
を生じる。水ロッド領域の増大は、水ロッド本数の増加
または水ロッドの直径の増大（太径水ロッドの配置）に
よって達成される。製造性の点から円形の水ロッドを使
用すると、正方格子状に配列された燃料棒と円形の水ロ
ッドの間に大きな冷却材流路が構成される。この冷却材
流路に、除熱効果の小さな冷却材が多量に流れる。これ
は、燃料集合体の限界出力の低下をもたらす。これに対
しては、特開昭63−187192号公報に記載のように、燃料
棒の一部を水ロッドの方向にずらして配置する方法、あ
るいは水ロッドを正方形とする方法がある。しかし、燃
料集合体の構成を一部変更するこれらの方法では、燃料
スペーサの構成が複雑になったり、水ロッドに隣接する
燃料棒の中性子減速状態が位置により異なるため、出力
に分布が生じることになる。

【００１１】一方、減速材対燃料比を増大させることな
く中性子の平均エネルギーを低くできる技術があれば上
記の問題が生じない。発明者等の検討により、燃料集合
体相互間に非沸騰水領域が存在する沸騰水型原子炉の炉
心においては、減速材の分布によっても、燃料集合体内
の中性子の減速効果が異なることが明かになった。すな
わち、水ロッドの周辺とチャンネルボックスの周辺で
は、中性子減速効果に対する減速材の感度が異なり、後
者ほど少ない減速材量で中性子スペクトルをソフトにで
きることが分かった。沸騰水型原子炉の冷却水は、冷却
材と減速材の機能を有する。

【００１２】前述の特開昭63−187192号公報の図１及び
図２のように、燃料棒列の間隔を変えずに一部の燃料棒
を水ロッド側にずらしただけでは、水ロッドとこれに隣
接する複数の燃料棒との間に存在する減速材量は減少す
るが、燃料集合体内でのチャンネルボックス付近、特に
コーナー部付近における減速材分布は変わらない。この
ため、水ロッド周辺部での減速材量が減少し熱的余裕が
増大する。しかし、燃料集合体内でのチャンネルボック
ス付近、特にコーナー部付近における反応度制御特性の
改善効果（冷温停止時に発生する反応度の減少及びボイ
ド反応度係数の減少)が得られない。

【００１３】特開昭64−88292 号公報は、最外周から一
層目の燃料棒と二層目の燃料棒との間の間隔が、最外周
から三層目を含めてこの内側に配置された燃料棒間の間
隔よりも狭くなっている。このため、横断面で中性子束
が最も高い燃料集合体の最外周部（最外周から一層目の
領域）に位置する燃料棒の本数が減少する。従って、核
燃料を最も有効に利用できる最外周部の燃料棒本数が少
ないことは、燃料経済性が損なわれる。

【００１４】本発明の目的は、熱的余裕の増大及びボイ
ド反応度係数の減少を図ることができる燃料集合体を提
供することにある。

【００１５】本発明の他の目的は、燃料経済性を向上で
きる燃料集合体を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記した本発明の目的を
達成するための第１の発明では、各々が配列された複数
の前記燃料棒を含み前記下部タイプレートの側面と実質
的に直行する複数の燃料棒列を有する燃料集合体におい
て、前記燃料棒列相互間に形成された間隔のうち幅の狭
い間隔が、これよりも幅の広い間隔の間に位置し、前記
減速材棒に隣接する全ての前記燃料棒は、前記幅の狭い
間隔を形成する複数の燃料棒列に含まれており、前記燃
料棒の配列ピッチを均一にする。

【００１７】本発明の他の目的を達成するための第２の
発明では、各々が配列された複数の前記燃料棒を含み前
記下部タイプレートの側面と実質的に直行する複数の燃
料棒列を有する燃料集合体において、前記減速手段は、
軸方向の上部で下部よりも横断面積が大きく、前記燃料
棒は、複数の第１燃料棒、及びこれよりも軸方向長が短
い複数の第２燃料棒であって前記減速手段の横断面積が
小さい下部の部分に隣接して配置され燃料集合体横断面
の平均濃縮度よりも低い濃縮度を有する前記第２燃料棒
を含み、前記減速手段の下部での横断面積を、熱中性子
束の径方向分布の最小値及び共鳴中性子束の径方向分布
の最小値が共に前記第２燃料棒よりも径方向外側の領域
に位置する大きさに設定し、前記燃料棒列相互間に形成
された間隔のうち幅の狭い間隔が、これよりも幅の広い
間隔の間に位置し、前記減速手段の横断面積の大きな上
部の部分に隣接する全ての前記第１燃料棒を、前記幅の
狭い間隔を形成する複数の燃料棒列に含ませる。

【００１８】

【作用】本発明の特徴によれば、燃料棒列相互間に形成
された間隔のうち幅の狭い間隔が、これよりも幅の広い
間隔の間に位置しているので、燃料集合体のコーナー
部、特に炉心内に装荷されたとき水ギャップ付近におけ
る冷却材量が増加し、ボイド反応度係数が減少する。減
速材棒に隣接する全ての燃料棒は、前記幅の狭い間隔を
形成する複数の燃料棒列に含まれているので、減速材棒
とこれに隣接する核燃料棒との間の間隔が小さくなり減
速材棒周囲の冷却材量を減少でき、熱的余裕が増大す
る。更に、減速材棒の周囲の燃料棒が均等に配置でき、
これも熱的余裕の増大に貢献する。

【００１９】本発明の他の特徴によれば、軸方向の上部
で下部より横断面積の大きい減速材手段を配置すること
により、減速材対燃料比の燃料集合体軸方向の分布及び
燃料集合体上部の径方向の分布が改善される。また、減
速材手段に隣接して、燃料集合体横断面の平均濃縮度よ
り低い濃縮度を有する第２燃料棒を配置すると共に、減
速材手段の軸方向下部での横断面積を、熱中性子束の径
方向分布の最小値及び共鳴中性子束の径方向の最小値が
共に第２燃料棒よりも径方向外側の領域に位置する大き
さに設定することにより、共鳴中性子束の吸収効果の増
大と熱中性子束の径方向の平坦化が図れ、燃料経済性が
向上しかつ余剰反応度の制御が改善される。

【００２０】

【実施例】高燃焼度化に伴う出力ピーキングの増大によ
る燃料集合体の最大線出力密度増大を考慮して、燃料棒
配列は、従来の８行８列格子（以下、８×８格子とい
う）から１０行１０列格子（以下、１０×１０格子とい
う）に変更することが望ましい。以下、本発明の実施例
は１０×１０格子の燃料集合体を例に取って説明する
が、９行９列格子及び１１行１１列格子の燃料集合体に
適用することもできる。以下、本発明の実施例を詳細に
説明する。

【００２１】（実施例１）実施例１の構造を図１及び２
に基づいて説明する。本実施例の燃料集合体は、上部タ
イプレート３及び下部タイプレート４を有し、複数の燃
料棒６の上下端部が上部及び下部タイプレートに支持さ
れている。横断面の中央部に、水ロッド７が、配置され
ている。この水ロッド７の上下端部も、上部及び下部タ
イプレートに支持されている。燃料集合体の軸方向に
は、燃料スペ−サ５が、所定の間隔をもって７個配置さ
れている。これらの燃料スペ−サ５は、燃料棒６の相互
の間隔、及び水ロッド７と燃料棒６との間の間隔を所定
幅に保持する。これによって、燃料棒６に冷却水が流れ
る冷却材通路が形成される。燃料集合体は、更に、チャ
ンネルボックス１を有する。このチャンネルボックス１
は、上端部が上部タイプレート３に取り付けられ、燃料
棒６の束を取り囲んでいる。この燃料集合体が炉心内に
装荷された状態で、冷却水は、下部タイプレート４を通
ってチャンネルボックス１内に形成された上記冷却材通
路内に流入する。冷却水は、燃料棒６を冷却しつつ上昇
し、一部が蒸気になって、上部タイプレート３を通過し
て燃料集合体外に流出する。

【００２２】水ロッド７の外径は、燃料棒６の配列ピッ
チよりも大きく、その横断面の内側面積が約１１cm² で
ある。水ロッド７内にも、飽和水である冷却水が下から
上に向かって流れる。この水ロッド７は、燃料棒６が正
方格子で配置された状態で１２本の燃料棒６が配置可能
な領域を占有している。

【００２３】次に、燃料棒６の配列について説明する。
燃料集合体は、図１に示すように、Ａ₁〜Ｊ₁の１０列の
燃料棒配列を有する。これと直行する方向にＡ₂〜Ｊ₂の
１０行の燃料棒配列を有する。燃料棒列Ａ₁〜Ｊ₁は、図
１に示すように、下部タイプレート４の１つの側面に直
行して配置される。燃料棒列Ａ₂〜Ｊ₂も、下部タイプレ
ート４の他の１つの側面に直行して配置される。燃料棒
６Ａは、燃料棒列Ｂ₁ 及びＢ₂ に含まれる。下部タイプ
レート４上面は、図１のように正方形状をしている。燃
料集合体のコーナー部に位置する４行４列の燃料棒６
（例えば、燃料棒列Ａ₂〜Ｄ₂及びＡ₁〜Ｄ₁の各交点に位
置する燃料棒６）は、正方格子Ｌ₁ で配置される。この
ような４行４列の燃料棒配列は、他の３つのコーナー部
にも存在する。２つの４行４列の燃料棒配列にはさまれ
た位置にある燃料棒列（例えば、燃料棒列Ｅ₁及びＦ₁，
Ｅ₂及びＦ₂）に含まれる燃料棒６は、水ロッド７側にず
れて位置する。すなわち、燃料棒列Ｅ₁ に含まれる燃料
棒６は、その燃料棒列と対向する燃料棒列Ｄ₁に含まれ
る燃料棒６と正三角形格子Ｌ₂を形成するように配置さ
れる。燃料棒列Ｆ₁に含まれる燃料棒６は、その燃料棒
列と対向する燃料棒列Ｇ₁に含まれる燃料棒６と正三角
形格子を形成するように配置される。燃料棒列Ｅ₁ 及び
Ｆ₁ に含まれる燃料棒６は、互いに正方格子を形成する
ように配置される。このため、燃料棒列Ｄ₁と燃料棒列
Ｅ₁との間の間隔ｄ、及び燃料棒列Ｆ₁ と燃料棒列Ｇ₁
との間の間隔ｆは、他の燃料棒列間の間隔（例えば間隔
ａ，ｅ）よりも狭くなっている。正三角形格子を形成す
る燃料棒を含む燃料棒列間の間隔は、正方格子を形成す
る燃料棒を含む燃料棒列間のそれよりも狭い。正方格子
及び正三角形格子で配置された燃料棒６の配列ピッチ
は、等しい。

【００２４】このような燃料棒配列にすることにより、
水ロッド７に隣接する１２本の燃料棒６は、図１に示す
ように、全て、正三角形格子を構成する燃料棒である。
これらの１２本の燃料棒６の各々と水ロッド７との間の
間隔は、等間隔である。

【００２５】また、燃料棒列Ｅ₁及びＦ₁のように燃料棒
６を水ロッド７側にずらすことにより、これらの列に含
まれる燃料棒のうちチャンネルボックス１に隣接する燃
料棒６とチャンネルボックス１との間の間隔が、他の燃
料棒列においてチャンネルボックス１に隣接する燃料棒
６とチャンネルボックス１との間の間隔よりも大きくな
る。すなわち、燃料棒列Ｅ₁及びＦ₁に含まれる燃料棒の
うちチャンネルボックス１に隣接する燃料棒６とチャン
ネルボックス１との間に、幅の広い冷却材通路８が形成
される。この冷却材通路８の形成により、燃料集合体の
圧力損失が低減され、チャンネル安定性が向上する。冷
却材通路８の形成は、チャンネルボックス１内の冷却材
通路面積が後述の実施例２よりも約５cm² 増加するの
で、実施例１における圧力損失を実施例２よりも約０.
０２MPa低減できる。

【００２６】実施例１は、各々が配列された複数の燃料
棒を含み下部タイプレート４の側面と実質的に直行する
複数の燃料棒列Ａ₁〜Ｊ₁及びＡ₂〜Ｊ₂を有し、燃料棒列
相互間に形成された間隔のうち幅の狭い間隔（ｄ，ｆ）
がこれよりも幅の広い間隔の間に位置され、水ロッド７
に隣接する全ての燃料棒６がその幅の狭い間隔を形成す
る複数の燃料棒列（例えば、燃料棒列Ｄ₁〜Ｇ₁）に含ま
れているといえる。

【００２７】燃料棒列相互間に形成された間隔のうち幅
の狭い間隔（ｄ，ｆ）がこれよりも幅の広い間隔の間に
位置するので、燃料棒６の配列ピッチが正方格子のみの
配列に比べ約０.４ mm（３％）増大できる。このため前
述のコ−ナ−部に位置する４行４列の燃料棒配列の部分
（燃料棒６は正方格子配列）の燃料棒６間隔を広げるこ
とができ、コーナー部、特に実施例１の燃料集合体が炉
心内に装荷された状態での水ギャップ付近における冷却
水量が増加する。従って、ボイド反応度係数が減少し、
ボイド率が変化したとき（例えば、原子炉の運転状態が
高温停止時から冷温停止時に変化したとき）の反応度の
変化が小さくなる。

【００２８】上記の燃料棒のピッチの増加分を、燃料イ
ンベントリー（燃料装荷量）の増加に活用することもで
きる。すなわち、燃料棒外径を約０.４mm 太くできるの
で、燃料インベントリーを約８％増大でき、必要天然ウ
ラン量を３％低減できる。燃料棒外径の増加は、安定性
の向上と燃料棒曲がりの低減も達成できる。燃料棒外径
の増加は圧力損失の増大をもたらすが、これは後述する
ように部分長燃料棒を採用することで解決できる。

【００２９】更に、実施例１は、水ロッド７に隣接する
全ての燃料棒６がその幅の狭い間隔を形成する複数の燃
料棒列（例えば、燃料棒列Ｄ₁〜Ｇ₁）に含まれているの
で、水ロッド７とこれに隣接する１２本の燃料棒６との
間の間隔を小さくできる。従って、従来の燃料集合体に
おいて、水ロッド７の周囲に存在した無駄な冷却材通路
の面積が減少するためボイド率分布が平坦化され、限界
出力を増大できる。すなわち、熱的余裕が増大する。本
実施例は、水ロッド７とこれに隣接する１２本の燃料棒
６との間の間隔を等しくできる。

【００３０】実施例１の燃料集合体は、各々が配列され
た複数の燃料棒６を含み下部タイプレート４の側面と実
質的に直行する複数の燃料棒列を有し、水ロッド７に隣
接する燃料棒６は水ロッド７から等距離の位置にあり、
これらの燃料棒相互間の間隔も等しく、お互いの間に幅
の狭い間隔を形成する複数の燃料棒列が、水ロッド７に
隣接する燃料棒６から下部タイプレート４の側面に向か
って伸びている構造を有するともいえる。

【００３１】また、実施例１は、各々が配列された複数
の燃料棒６を含み下部タイプレート４の側面と実質的に
直行する複数の燃料棒列を有し、燃料集合体の各コーナ
ー部(各コーナーと水ロッド７との間の領域）に位置す
る第１燃料棒群(コーナーから４行４列に配置された燃
料棒の群）は、正方格子状に配置され、これらの第１燃
料棒群にはさまれる位置に第２燃料棒群が設けられ、こ
の第２燃料棒群に含まれる燃料棒６のうち、第１燃料棒
群に隣接する燃料棒列（Ｅ₁，Ｆ₁，Ｅ₂，Ｆ₂等）に含ま
れる複数の燃料棒６は、この燃料棒列に隣接する燃料棒
列であって第１燃料棒群に含まれる燃料棒列（Ｄ₁，
Ｇ₁，Ｄ₂，Ｇ₂等）に配置された複数の燃料棒６と共に
三角格子を形成し、この三角格子を形成する燃料棒６を
含む互いに隣接した燃料棒列間の間隔（ｄ，ｆ等）は、
正方格子を形成する燃料棒を含む互いに隣接した燃料棒
列間の間隔（ａ，ｂ，ｃ，ｇ，ｈ，ｉ等）よりも狭くな
っており、水ロッド７は第１及び第２燃料棒群に囲まれ
ている構造を有するとも言える。燃料スペーサ５は、特
願昭63−139313号で用いられた燃料スペーサと同様に複
数の円筒部材を有し、この円筒部材内に挿入された燃料
棒６を支持する。

【００３２】本実施例は、正三角形格子の位置が特開昭
64−88292号公報のように最外周部全体にわたって配置
されていなく、集合体の軸心部付近を通る複数の燃料棒
列で形成されるので、周辺部での中性子利用率が向上す
る。更にこれらの燃料棒列内で最外周に位置する燃料棒
６は、冷却材通路８に面しているので、核分裂が活発に
なる。これは、Ｈ／Ｕ比の小さい正三角形格子部での核
分裂を活発化させる。水ロッド７とこれに隣接する燃料
棒６との間の間隙の幅は、特開昭63−187192号の図１の
場合よりも狭くなる。

【００３３】本実施例の効果を明確にするために、発明
者等が想定した図３に示す燃料集合体との比較で説明す
る。図３の燃料集合体は、１０×１０格子の燃料集合体
であり、すべて正方格子である。横断面中央部に燃料棒
６の外径と同じ外径を有する１２本の水ロッド７Ａが配
置されている。チャンネルボックス４とこれに面する燃
料棒６との間隔を実施例１と図３で等しくした場合、実
施例１は、狭い燃料棒列間の間隙ｄ，ｆを有する、すな
わち正三角形格子が含まれているので、燃料棒ピッチが
図３の燃料集合体に比べて９／（７＋平方根３）倍、す
なわち約３％増加できる。これは、図１で示したように
正三角形格子の採用で、正三角形格子部分での燃料棒列
の間隔が正方格子部分でのそれの平方根３／２倍となる
ためである。これにより、燃料棒間の間隙を図１と図３
で等しくした場合には、実施例１で燃料棒直径を大きく
することが可能になる。これは、燃料装荷量の増加によ
り燃料経済性が向上できるだけでなく、燃料棒の曲がり
の低減、さらに燃料棒の時定数を減少することで、安定
性を向上する効果につながる。

【００３４】図４は、円形の水ロッドを対象に、水ロッ
ドが占有する領域の格子数と水ロッドの横断面積（水ロ
ッドが複数の場合は、合計横断面積）の関係を示す。高
燃焼度化のためには、図５に示すように水ロッドの横断
面積を現在の３ｃｍ² から２〜３倍程度増加しなければ
ならない。水ロッドの横断面積の増加は、太径水ロッド
を採用が望ましい。これは、犠牲にする燃料棒本数を減
少できる点、燃料棒冷却効果に影響を与えない部分での
冷却材通路面積を減少できる点で有利である。しかし、
円形の水ロッドを用いる場合、（水ロッドが占有する領
域の格子数）×（単位格子横断面積）にて得られる横断
面積に占める水ロッドの合計横断面積の割合は最大７
８.５ ％（π／４）で、約２０％の領域が燃料棒の冷却
にほとんど寄与しない冷却材通路面積となっている。実
施例１は、前述の構成を有するので水ロッド７とこれと
隣接した燃料棒６との間の間隙幅を燃料棒６相互間の間
隙幅の１／２となる。このため、従来例において水ロッ
ド７とこれに隣接する燃料棒６の間に存在する、燃料棒
の冷却にほとんど寄与しない冷却材通路の部分が、実施
例１ではほとんど存在しない。これは、燃料集合体の限
界出力を増大することにつながる。さらに、図１におい
て、水ロッド７に隣接する各燃料棒６に、更に隣接する
燃料棒の本数は、水ロッド７に隣接する燃料棒６のいず
れに対しても５本であり、しかも水ロッドに隣接する燃
料棒は水ロッドの周りに互いに等間隔に配置されてい
る。これに対して図３に示す燃料集合体では、水ロッド
に隣接する燃料棒に更に隣接する８燃料単位格子（水ロ
ッド分も含め）のうち、水ロッドが占める燃料単位格子
が１〜３個の幅を持つことになる。これは、水ロッドに
隣接する燃料棒の出力が一様でなくなり、熱的余裕確保
の観点から水ロッドの周囲で濃縮度分布をつけることが
必要になる。

【００３５】（実施例２）本発明の他の実施例である燃
料集合体を図６に示す。この実施例２の燃料集合体は、
実施例１とチャンネルボックスの構造が異なるだけであ
る。実施例２に用いられるチャンネルボックス１Ａは、
側壁中央部が内側に突出した凹部１Ｂを有する。凹部１
Ｂは、実施例１の冷却材通路８に食い込んでいる。

【００３６】本実施例は、実施例１と同様な効果を生じ
る。しかし、冷却材通路８がないので、実施例２は実施
例１よりも圧力損失が増大する。しかし、チャンネルボ
ックス１Ａに凹部１Ｂが形成されるので、実施例２の燃
料集合体を炉心に装荷したとき、水ギャップの非沸騰水
が実施例１よりも約５ｃｍ² 増加する。このため、ボイ
ド反応度係数を約２０％、及び冷温停止時の反応度上昇
を０.８ ％Δｋ、それぞれ低減できる。これによって、
安定性の向上及び炉停止余裕の改善が可能になる。

【００３７】チャンネルボックス付近、特にチャンネル
ボックス１Ａ外の非沸騰水領域の増大による上記の効果
は、図７及び図８の特性に基づいている。

【００３８】（実施例３）本発明の他の実施例（実施例
３）である燃料集合体は、図９〜図１２に示す。本実施
例の燃料集合体は、実施例１の燃料棒６の一部をそれよ
りも軸方向長の短い部分長燃料棒２２Ａ及び２２Ｂにし
たものである。部分長燃料棒２２Ａの軸方向長は、部分
長燃料棒２２Ｂのそれよりも短い。部分長燃料棒２２Ａ
は、例えば図１の燃料棒列Ｂ₁ と燃料棒Ｄ₂ の交点に配
置される。この位置は、正三角形格子を形成する位置で
ある。部分長燃料棒２２Ａは、燃料棒列のうち相互間に
狭い間隔を形成する燃料棒列に配置されている。燃料棒
２２Ｂは、図１における燃料棒列Ｂ₁と燃料棒列Ｂ₂との
交点に配置される。

【００３９】実施例３の燃料集合体は、燃料棒６の全長
に対応して下部領域，中部領域及び上部領域に分割され
る。部分長燃料棒２２Ａの上端は、下部領域と中部領域
の境界、すなわち燃料棒６の燃料有効長（核燃料が充填
された領域の軸方向長さ）の下端から燃料棒６の燃料有
効長の軸方向全長の９／２４のところにある。部分長燃
料棒２２Ｂの上端は、燃料棒６の下端から燃料棒６の燃
料有効長の軸方向全長の１５／２４の位置にある。下部
領域は、燃料棒６の下端と上記軸方向全長の９／２４と
の間の領域である。図１０は、下部領域のある横断面積
(Ｘ₁−Ｘ₁断面)を示し、図１と同じ構造を有する。中部
領域は、前述の軸方向全長の９／２４と前述の軸方向全
長の１５／２４との間の領域である。図１１は、中部領
域のある横断面（Ｘ₂−Ｘ₂断面）である。

【００４０】１０は、部分長燃料棒２２Ａの上方に位置
する空間である。上部領域は、前述の軸方向全長の１５
／２４と燃料棒６上端との間の領域である。

【００４１】図１２は、上部領域におけるＸ₃−Ｘ₃断面
である。１１は、部分長燃料棒22Bの上方に位置する空
間である。チャンネルボックス１Ｄは、軸方向で肉厚が
異なる。すなわち、上部領域におけるチャンネルボック
ス１Ｄの肉厚は、中部及び下部領域でのその肉厚より薄
い。ボイドが多い上部領域でのその肉厚減少は、中性子
利用率を効果的に向上させる。また、その肉厚減少によ
って、上部領域に対応した部分での水ギャップ内の飽和
水量が増加する。これは、ボイド反応度係数の増加につ
ながる。

【００４２】実施例３の燃料集合体は、実施例１と同様
な効果を得ることができる。更に、実施例３は、部分長
燃料棒２２Ａが正三角形格子を構成する位置に配置され
ているので、燃料棒配置の密なこの部分、特にその部分
の上部（気液二相流になっている部分）で減速材対燃料
比を増加できる。これは、燃料集合体の圧力損失の低減
と、減速材対燃料比の増加による核燃料の有効利用を図
ることができる。部分長燃料棒２２Ｂが、燃料集合体の
コーナー付近に配置され、その長さが部分長燃料棒２２
Ａよりも長い理由を以下に示す。部分長燃料棒２２Ｂの
配置による空間１１の形成により、燃料集合体の圧力損
失は、低減する。しかし、そのコーナー付近は中性子束
が大きく核燃料を有効に利用できる位置である。この部
分での核燃料量が少ないと、中性子利用率が減少し燃料
経済性の低下を招く。このため、部分長燃料棒２２Ａよ
りも長い部分長燃料棒２２Ｂをコーナー付近に配置する
ことによって、圧力損失の低下と燃料経済性の向上を図
っている。

【００４３】（実施例４）本発明の他の実施例（実施例
４）を図１３に基づいて説明する。本実施例は、９×９
格子に適用したものである。実施例４も、実施例１と同
様に、４つのコーナー部にそれぞれ、正方格子で４行４
列に燃料棒６が配列された燃料棒群を有する。これらの
燃料棒群の間にある燃料棒列（例えばＯ₁及びＯ₂）に含
まれる燃料棒６は、この燃料棒列に隣接する燃料棒列
（例えばＮ₁及びＰ₁等）に含まれる燃料棒６により正三
角形格子を構成する。このため、燃料棒列相互間の間隔
の幅は、間隙ｋ〜ｍ及びｑ〜ｓで等しい。間隙ｎ及びｐ
の幅はそれらの間隙幅よりも狭い。なお、間隙ｎ及びｐ
の幅は等しい。水ロッド７Ａに隣接する８本の燃料棒６
は、全て正三角形格子に含まれている。水ロッド７Ａと
これに隣接する各燃料棒６との間の間隙の幅は等しい。
１Ｃはチャンネルボックスである。冷却材通路８Ａは、
前述の冷却材通路８と同じ効果を発生する。

【００４４】実施例４も、実施例１と同様な効果を得る
ことができる。

【００４５】（実施例５）本発明の他の実施例（実施例
５）を図１４により説明する。実施例５は、実施例４と
同様に、９×９格子の燃料集合体である。本実施例は、
沸騰水型原子炉におけるＤ格子の炉心に用いられる。Ｄ
格子の炉心は、隣接する燃料集合体間の水ギャップの幅
が、制御棒１１の挿入されない水ギャップ（第１水ギャ
ップ）よりも制御棒１１の挿入される水ギャップ（第２
水ギャップ）で広くなっている。このため、炉心に装荷
された燃料集合体においては、その中の水ロッド７が、
集合体軸心よりも第２水ギャップ側に片寄って配置され
る。

【００４６】実施例５も、燃料棒６が正方格子で配置さ
れた第１燃料棒群がコーナー部に位置し、第１燃料棒群
相互間に第１燃料棒群の一部の燃料棒６と正三角形格子
を構成する燃料棒６を含む第２燃料棒群を有する。本実
施例は、コーナー部に位置する第１燃料棒群に含まれる
燃料棒６の本数が異なる。

【００４７】実施例５も、実施例１と同様な効果を生じ
る。

【００４８】（実施例６）本発明の他の実施例（実施例
６）である燃料集合体を図１５〜図１８に示す。本実施
例の構造を説明する前に、まず、本実施例の原理を以下
に説明する。

【００４９】図１９〜図２１に、本実施例の原理を説明
するために用いる燃料集合体を示す。この燃料集合体
は、高燃焼度化に伴う出力ピーキングの上昇により最大
線出力密度が増大することを考慮して、燃料棒配列を９
×９格子にしている。以下、本実施例の原理をこの９×
９格子の燃料集合体を例に取って説明する。しかし、こ
の原理は、１０×１０格子，１１×１１格子にも適用で
きる。

【００５０】図１９〜図２１において、燃料集合体２０
は９×９の正方格子状に配列された多数の燃料棒と、こ
れら燃料棒６に囲まれて横断面中央部に配置された水ロ
ッド７Ｂとを有する。燃料棒６の配列を規定する９×９
の仮想正方格子の１つを図２０に一点鎖線２５で示す。
この仮想正方格子２５は隣接する燃料棒との間隙の中間
を燃料棒の配列に平行な線で結んだものである。以降、
この仮想正方格子２５を便宜上「燃料単位格子」と呼
ぶ。水ロッド７Ｂは、軸方向下部７ａが図２０に示すよ
うに、燃料単位格子５個分の領域を占める横断面十字型
をなし、軸方向上部７ｂが図２１に示すように、燃料単
位格子９個分の領域を占める横断面正方形をなしてい
る。

【００５１】燃料集合体２０は、更に、水ロッド７Ｂの
軸方向上部７ｂの径方向拡径部分の下方で軸方向下部７
ａに隣接した領域、即ち、水ロッド７Ｂを含む３×３の
中央領域の４つのコーナー部に配置された部分長燃料棒
２３を有している。部分長燃料棒２３は、燃料物質とし
て、例えば天然ウラン，減損ウラン，回収ウラン等、ウ
ラン−２３８の重量割合が高い低濃縮ウランを含有した
低濃縮度燃料棒である。燃料棒６，２３及び水ロッド７
Ｂはチャンネルボックス１Ｆにより最外周を取り囲まれ
ている。

【００５２】以上のように構成した燃料集合体２０の作
用効果は次のようである。

【００５３】第一に、燃料集合体２０は、水ロッド７Ｂ
の軸方向上部７ｂの水断面積を下部７ａより大きくする
ことにより、減速材対燃料比（Ｈ／Ｕ比）の軸方向分布
を改善している。また、原子炉の運転時、チャンネルボ
ックス１Ｆの外側の隣接燃料集合体との間は飽和水（ギ
ャップ水）で満たされるが、水ロッド７Ｂの軸方向上部
７ｂを図２１に示すごとき大きな水面積を持つ形状とす
ることにより、燃料集合体２０上部での径方向のＨ／Ｕ
比分布を改善している。

【００５４】第二に、水ロッド７Ｂの軸方向下部７ａ
(以下、単に水ロッド下部７ａと言う)の横断面での水面
積を燃料棒２本分以上の大きさとし、かつこれに隣接し
て低濃縮度の燃料棒２３を配置することにより、共鳴中
性子束の吸収効果の増大と熱中性子束の径方向の平坦化
が図れ、燃料経済性が向上しかつ余剰反応度の制御性を
改善している。

【００５５】第２の点について更に詳細に説明する。

【００５６】水ロッド下部７ａは、燃料集合体２０の径
方向の出力分布を平坦化するために燃料集合体２０の中
央領域に配置される。核分裂で発生した高速エネルギー
群の中性子は、平均自由行程が長いため、燃料集合体内
での分布は平坦である。一方、ギャップ水や水ロッド領
域は、中性子の減速効果が大きいため、共鳴エネルギー
群中性子や熱エネルギー群中性子、特に熱エネルギー群
中性子の源となっている。

【００５７】図２２及び図２３に、水ロッドの横断面の
大きさが燃料集合体内の共鳴中性子束分布及び熱中性子
束分布に及ぼす効果についての検討結果を示す。ケース
ａは横断面積が燃料単位格子１個分の領域を占める水ロ
ッドを用いた場合であり、ケースｂは水ロッド下部７ａ
を用いた場合であり、ケースｃは横断面積が燃料単位格
子９個分、即ち、水ロッド７Ｂの軸方向上部７ｂの大き
さの水ロッドを用いた場合である。いずれの場合も、燃
料棒は全て同じ濃縮度のものを用いた。

【００５８】図２２において、ケースａでは、水ロッド
横断面積が燃料単位格子１個分であるため、共鳴エネル
ギー群中性子の源としての機能が小さく、水ロッドに隣
接する燃料単位格子位置“４”での共鳴中性子束の値は
小さい。これに対し、ケースｂでは、同位置“４”での
共鳴中性子束の値は大きく、その位置より更に径方向外
側にある燃料単位格子位置“３”付近に共鳴中性子束分
布の最小値が位置している。ケースｃでは位置“３”で
更に大きな共鳴中性子束が得られる。

【００５９】また、図２３において、ケースａでは、同
様に熱エネルギー群中性子の源としての機能が小さく、
水ロッドに隣接する燃料単位格子位置“４”での熱中性
子束の値は小さい。これに対し、ケースｂでは、同位置
“４”での熱中性子束の値は大きく、その位置より更に
径方向外側にある燃料単位格子位置“３”付近にやはり
熱中性子束分布の最小値が位置している。ケースｃでは
位置“３”で更に大きな熱中性子束が得られる。

【００６０】以上より、水ロッド領域は共鳴エネルギー
群や熱エネルギー群中性子の源となっているが、この効
果は、熱エネルギー群で特に大きいこと、また水ロッド
に隣接する燃料単位格子位置で共鳴中性子束と熱中性子
束を最小にしないためには、横断面積が燃料単位格子１
個分の大きさの水ロッド（ケースａ）では不十分である
こと、一方、燃料棒２本分以上の大きさを有する横断面
十字型の水ロッドを配置すれば、熱中性子束の径方向分
布の最小値及び共鳴中性子束の径方向分布の最小値が共
に水ロッドに隣接する燃料単位格子位置の更に径方向外
側の領域に位置するようになることがわかった。

【００６１】本実施例は以上の知見に基づいており、水
ロッド下部７ａの横断面積を少なくとも燃料棒２本分の
領域を占める大きさとすることにより、熱中性子束の径
方向分布の最小値及び共鳴中性子束の径方向分布の最小
値が共に燃料棒２３の更に径方向外側の領域に位置する
ようになり、これにより燃料棒２３の位置で転換に活用
し得るに十分な大きさの共鳴中性子束を確保し、かつそ
れよりも更に径方向外側の燃料棒６の位置で熱中性子束
を効果的に増大させることが可能となる。

【００６２】次に、図２４及び図２５に、水ロッド領域
に隣接する燃料棒の濃縮度が上述の共鳴中性子束分布及
び熱中性子束分布に及ぼす効果についての検討結果を示
す。水ロッド下部７ａに隣接する位置に濃縮度の低いＣ
燃料棒を配置すると、その燃料棒に隣接するＤ燃料棒位
置での中性子スペクトルは、図６に示すように変化す
る。即ち、Ｄ燃料棒位置での共鳴エネルギー群中性子は
Ｃ燃料棒の濃縮度に影響されないが、熱エネルギー群中
性子束は、燃料集合体の横断面平均濃縮度に対するＣ燃
料棒の濃縮度の比率が０.７ 以下になると線形以上に増
大し、特に、その比率が０.５ 以下で熱エネルギー中性
子束の増大の効果が大きい。その結果、図７に示すよう
に、濃縮度の比率が０.７以下で径方向出力分布の平坦
化が達成され、その比率が０.５ 以下で平坦化の効果が
特に大きい。

【００６３】以上より、水ロッド下部７ａに隣接して燃
料棒２３を配置した場合、燃料棒２３よりも径方向外側
の領域における共鳴中性子束は影響をほとんど受けない
が、熱中性子束はその影響を受け、燃料棒２３の濃縮度
が低くなるにしたがって熱中性子束が増大すること、し
たがって、燃料棒２３はその濃縮度を所定値以下にする
ことにより水ロッド下部７ａに隣接することで水ロッド
の代用機能を果たすこと、その効果は燃料棒２３の濃縮
度が燃料集合体の横断面平均濃縮度の好ましくは０.７
以下、より好ましくは０.５ 以下で特に大きくなること
が分かった。本実施例はこの知見にも基づいており、水
ロッド下部７ａに隣接して燃料棒２３を配置し、その濃
縮度を所定値以下とすることにより、上述した水ロッド
下部７ａの横断面積との相乗効果により燃料棒２３の径
方向外側の領域における熱中性子束を更に増大させ、径
方向出力分布の平坦化に寄与させるものである。

【００６４】また、燃料棒２３の濃縮度が低くなること
は燃料親物質であるウラン−２３８の量が増えることで
ある。一方、上述したように、水ロッド１２ａの横断面
積を適切に設定することにより熱中性子束だけでなく共
鳴中性子束も増加させる。ウラン−２３８は共鳴エネル
ギー群中性子を吸収することでプルトニウム−２３９へ
転換される。したがって、燃料棒１３の濃縮度を所定値
以下とすることにより、ウラン−２３８の量が増え、共
鳴エネルギー群中性子を効率よく吸収することで、燃焼
初期は反応度制御に寄与しながら、燃焼末期は転換した
プルトニウムを燃料として有効に活用することが可能と
なる。即ち、燃料棒２３の濃縮度を所定値以下とするこ
とで、燃料棒２３は熱中性子束増大の効果と共鳴中性子
束利用の効果の二重の機能を果たす。

【００６５】以上のように、本実施例は、少なくとも燃
料棒２本分の領域を占める水ロッド下部７ａを配置し、
かつ水ロッド隣接燃料棒の濃縮度を好ましくは横断面平
均濃縮度の０.７ 以下、より好ましくは０.５ 以下とす
ることにより、共鳴中性子束の吸収効果の増大と熱中性
子束の径方向の平坦化を図るものである。

【００６６】なお、図２２及び図２３の検討結果は、水
ロッド下部７ａに隣接する燃料棒２３が他の燃料棒６と
同じ濃縮度の場合のものであるが、燃料棒２３の濃縮度
を燃料集合体の横断面平均濃縮度より低くした場合、図
２４及び図２５の検討結果より熱中性子束は更に増大す
るのであるから、燃料棒２３の濃縮度を燃料集合体の横
断面平均濃縮度より低くした本実施例においても、熱中
性子束の径方向分布の最小値及び共鳴中性子束の径方向
分布の最小値は共に燃料棒２３の更に径方向外側の領域
に位置する。

【００６７】次に、熱中性子束の径方向の平坦化の効果
と共鳴中性子束の吸収効果の増大により得られる効果を
具体的に説明する。

【００６８】熱中性子束の径方向の平坦化は図２０に示
す水ロッド下部７ａと燃料棒２３の径方向外側の領域で
の熱エネルギー中性子束の値を大きくすることであり、
これはその領域の燃料棒６の効率的な燃焼を可能とし、
燃料経済性の向上に寄与する。また、径方向出力分布
（局所出力ピーキング）の平坦化による熱的余裕や安定
性の向上の効果が得られる。

【００６９】一方、共鳴中性子束の吸収効果の増大は燃
料棒２３に含まれるウラン−２３８（燃料親物質）から
プルトニウム−２３９への転換を図ることであり、これ
は、 (１) 燃焼末期の反応度向上 (２) 燃焼初期の反応度制御 (３) 上記(１)，(２)による燃焼に伴う反応度劣化の減
少 等の効果がある。

【００７０】そして(１)は燃料経済性の向上（省ウラン
効果）に、(２)は可燃性毒物（例えばガドリニア）混入
量の低減とそれによる燃料経済性の向上（省ウラン効
果）に、また(３)は炉心滞在期間の違いによる他燃料集
合体との反応度差を減少させ、炉心出力ピーキングの減
少に寄与する。更に、ボイド率が低い燃料集合体下部領
域は、上部領域に比べ燃焼に伴う反応度劣化が大きいの
で、上記(３)の効果は燃料集合体下部において特に著し
く、下部領域でウラン−２３８からプルトニウム−２３
９への転換を活用すれば、上下間の燃焼度分布の平坦化
により、最大線出力の低減，炉停止余裕の増大，安定
性，スクラムの特性の向上等の熱的余裕の増大、及び余
剰反応度の制御性の改善が図れる。

【００７１】図２６は、低濃縮度ウラン燃料棒の配置位
置による上記(１)，(２)の効果の検討結果を示したもの
である。解析には図２７に示した従来の８×８の正方格
子配列の燃料棒６を持つ燃料集合体を用いた。中央部に
は対角位置に２本の水ロッド２７が配置されている。図
２６において、横軸のケースｅは水ロッド２７に面した
領域に水ロッド２７を取り囲んで１２本の天然ウラン燃
料棒を配置した場合、ケースｆは水ロッド２７と外側ギ
ャップ水領域２８との間の中間領域に１２本の天然ウラ
ン燃料棒を配置した場合、ケースｇはギャップ水２８に
面した領域に１２本の天然ウラン燃料棒を配置した場合
であり、それぞれ、燃料集合体の横断面平均濃縮度は同
じに調整した。また図２６の縦軸は、各ケースでの燃料
集合体の反応度に対する平均濃縮度が同じとなるように
燃料棒を配置した従来の燃料集合体（以下、これをケー
スｈと言う）の反応度の差をとっている。また、破線は
燃焼末期における反応度差、即ち、上記(１)の効果を、
実線は燃焼初期の反応度差、即ち、上記(２)の効果を示
している。

【００７２】ケースｅではケースｈに比べ、燃料集合体
の反応度は燃焼初期で小さく、燃焼末期で大きくなって
いる。ケースｆでは燃焼初期及び末期共に反応度はケー
スｈとほぼ同じである。ケースｇでは、燃焼初期ではケ
ースｅより更にケースｈに比べて反応度が小さくなり、
燃焼末期ではケースｈに比べ反応度は少し小さくなって
いる。

【００７３】以上から次のことが分かる。上記(２)の効
果（従って上記(３)の効果）は、ケースｅ，ｆのように
減速効果が高い領域ほど大きいが、減速効果も最も高い
領域（ケースｇ）では(１)の効果は得られない。その理
由は、ギャップ水に面した領域は熱エネルギー領域中性
子束も著しく高い領域であり、燃焼の割合が高いからで
ある。換言すれば、この領域は転換に活用するより核分
裂性物質の反応に活用する方が燃料経済性の向上に適し
ていることを示している。一方、水ロッドに面した領域
（ケースｅ）に天然ウランを設置すると、転換の活用が
図れるだけでなく、ギャップ水に面した領域の燃料棒の
濃縮度を相対的に高め、核分裂性物質の反応効率を相対
的に高めることになり、燃料経済性の向上も実現でき
る。

【００７４】以上より、ウラン２３８からプルトニウム
−２３９への転換は水ロッドに隣接した領域だけでな
く、ギャップ水に面した領域でも可能であるが、転換の
実質的活用を図るためには、ギャップ水でなく水ロッド
に隣接した領域に部分長燃料棒を配置することが有効で
あることを見出だした。本実施例はこの知見を利用した
ものである。

【００７５】以上のように、本実施例は、燃料集合体の
下部領域で少なくとも燃料棒２本分の領域を占める水ロ
ッド下部７ａに隣接して燃料棒２１を配置すること、及
びその低濃縮度を好ましくは横断面平均濃縮度の０.７
以下、より好ましくは０.５以下とすることにより、共
鳴中性子束の吸収効果の増大と熱中性子束の径方向の平
坦化の活用を図り、燃料経済性の向上と、反応度制御性
の改善及び熱的余裕の向上を図るものである。

【００７６】次に、本実施例の効果が及ぶ天然ウラン燃
料棒２３の軸方向位置について考察する。図２８にその
検討結果を示す。図中、横軸は部分長燃料棒２３の長
さ、縦軸は省ウラン効果を示す。この省ウラン効果は単
位発生エネルギー当りの必要天然ウラン量の節約量を示
す。

【００７７】水ロッド７の軸方向下部７ａに隣接して燃
料棒２３を配置することにより上述したように省ウラン
効果が得られるが、天然ウランが充填された部分長燃料
棒２３の長さが燃料棒６の燃料有効長の９／２４付近以
下の範囲では、省ウラン効果は燃料棒２３の長さの増加
と共に増加し、燃料棒２３の長さが９／２４付近を越え
ると省ウラン効果は減少し始め、１２／２４付近で省ウ
ラン効果の減少が顕著となる。即ち、燃料有効長の１／
２以下の長さで燃料棒２３は省ウラン効果を発揮し、１
／２以上の長さになると省ウラン効果が得られない。こ
れは、燃料棒２３が燃料有効長の１／２以下では燃料集
合体の上部と下部の両方でＨ／Ｕ比が最適化されている
のに対して、燃料有効長の１／２以上になると、燃料集
合体上部でのＨ／Ｕ比が最適値より小さくなり過ぎるた
めである。

【００７８】以上より、省ウラン効果を確実にするに
は、低濃縮燃料棒の長さを全長燃料棒の燃料有効長の１
／２以下にすることが有効であること、及び最も高い省
ウラン効果を発揮するには、低濃縮燃料棒の長さを全長
燃料棒の燃料有効長の９／２４程度にするのが好ましい
ことがわかった。本実施例はこの知見にも基づいてお
り、燃料棒２３の長さは燃料棒１１の燃料有効長の１／
２以下、好ましくは９／２４付近の長さとしている。

【００７９】なお、本実施例は、燃料集合体の上下間で
燃料装荷量は異なるが、下部には核分裂性物質の重量割
合が横断面内で最小の燃料棒を装荷するのでウラン−２
３５の量はほぼ等しく、むしろウラン−２３８で減速材
である軽水を排除していることになるので、軸方向出力
分布が下部に歪むことはない。

【００８０】次に、本発明の一実施例を図１５〜図１８
により説明する。

【００８１】本実施例（実施例６）の燃料集合体は、実
施例３の構成に前述した燃料集合体２０の概念、すなわ
ち水ロッド７Ｂ及び部分長燃料棒２３を適用したもので
ある。

【００８２】実施例６は、部分長燃料棒２２Ｂの上端の
位置で上部領域と中部領域にわかれ、部分長燃料棒３１
の上端で中部領域と下部領域にわかれる。下部領域は、
燃料棒６の燃料有効長の下端と、燃料棒６の下端からそ
の燃料有効長の軸方向全長の６／２４の位置との間の領
域である。中部領域は、上記軸方向全長６／２４の位置
と、燃料棒６の下端からその燃料有効長の軸方向全長の
１５／２４の位置との間の領域である。図１６は下部領
域，図１７は中部領域、及び図１８は上部領域の各横断
面を示す。図１７は部分長燃料棒２２Ｂの配置を除いて
図１と同じ構成である。４本の部分長燃料棒２２Ｂは、
水ロッド７Ｃの太径部に隣接している。水ロッド７Ｃ
は、水ロッド７Ｂと同様に太径部と細径部を有する。太
径部の横断面積は、細径部のそれよりも大きい。太径部
は中部及び上部領域を占める。細径部は、下部領域に位
置し、横断面積が燃料棒６のそれと同じである。

【００８３】部分長燃料棒３１は、内部に天然ウランが
充填され、水ロッド７Ｃの太径部の下方に位置してその
細径部に隣接して配置される。部分長燃料棒３１の濃縮
度は、下部領域における燃料集合体平均濃縮度よりも小
さい。

【００８４】実施例６は、実施例１の効果と共に前述し
た本実施例で説明した効果を生じる。

【００８５】

【発明の効果】第１の発明によれば、熱的余裕を増大
し、ボイド反応度係数を減少できる。第２の発明によれ
ば、燃料経済性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である燃料集合体の横断面
（図２のＩ−Ｉ断面）図である。

【図２】本発明の第１実施例である燃料集合体の縦断面
図である。

【図３】図１の燃料集合体との特性を比較するために発
明者等が想定した燃料集合体の横断面図である。

【図４】水ロッドが占める領域の燃料単位格子数と水ロ
ッドの横断面積の関係を示す特性図である。

【図５】水ロッドの横断面積と省ウラン効果の関係を示
す特性図である。

【図６】本発明の第２実施例である燃料集合体の横断面
図である。

【図７】非沸騰水領域の増分とボイド反応度係数との関
係を示す特性図である。

【図８】非沸騰水領域の増分と冷温停止時の反応度上昇
との関係を示す特性図である。

【図９】本発明の第３実施例である燃料集合体の燃料有
効長部の縦断面図である。

【図１０】図９のＸ₁−Ｘ₁断面図である。

【図１１】図９のＸ₂−Ｘ₂断面図である。

【図１２】図９のＸ₃−Ｘ₃断面図である。

【図１３】本発明の第４実施例である燃料集合体の横断
面図である。

【図１４】本発明の第５実施例である燃料集合体の横断
面図である。

【図１５】本発明の第６実施例である燃料集合体の燃料
有効長部の縦断面図である。

【図１６】図１５のＸ₆−Ｘ₆断面図である。

【図１７】図１５のＸ₇−Ｘ₇断面図である。

【図１８】図１５のＸ₈−Ｘ₈断面図である。

【図１９】図１５に示す第６実施例の原理を説明するた
めの燃料集合体の燃料有効長部の概略構成図である。

【図２０】図１９のＸ₄−Ｘ₄断面図である。

【図２１】図１９のＸ₅−Ｘ₅断面図である。

【図２２】水ロッド領域の大きさが燃料集合体内の共鳴
中性子束分布に及ぼす効果を示す説明図である。

【図２３】水ロッド領域の大きさが燃料集合体内の熱中
性子束分布に及ぼす効果を示す説明図である。

【図２４】水ロッド領域に隣接する燃料棒の濃縮度が中
性子束分布に及ぼす影響を示す説明図である。

【図２５】水ロッド領域に隣接する燃料棒の濃縮度が出
力分布の平坦化に及ぼす影響を示す説明図である。

【図２６】低濃縮度の部分長燃料棒の配置位置による反
応度の変化を示す特性図である。

【図２７】比較のために引用した従来の燃料集合体の横
断面図である。

【図２８】効果が及ぶ低濃縮度の部分長燃料棒の軸方向
配置位置を示す説明図である。

【符号の説明】

１…チャンネルボックス、３…上部タイプレート、４…
下部タイプレート、５…燃料スペーサ、６…燃料棒、７
…水ロッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 淳一 茨城県日立市森山町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 中島 潤二郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 別所 泰典 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平２−103491（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−6785（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−15796（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−222864（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/30

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部タイプレートと、下部タイプレート
   と、核燃料物質を含み上下端部が前記上部及び下部タイ
   プレートに支持された複数の燃料棒と、前記燃料棒間に
   配置された減速材棒とを備え、各々が配列された複数の
   前記燃料棒を含み前記下部タイプレートの側面と実質的
   に直行する複数の燃料棒列を有する燃料集合体におい
   て、 前記燃料棒列相互間に形成された間隔のうち幅の狭い間
   隔が、これよりも幅の広い間隔の間に位置し、 前記減速材棒に隣接する全ての前記燃料棒は、前記幅の
   狭い間隔を形成する複数の燃料棒列に含まれており、 前記燃料棒の配列ピッチが均一である ことを特徴とする
   燃料集合体。
2. 【請求項２】上部タイプレートと、下部タイプレート
   と、核燃料物質を含み上下端部が前記上部及び下部タイ
   プレートに支持された複数の燃料棒と、前記燃料棒間に
   配置された減速材棒とを備え、各々が配列された複数の
   前記燃料棒を含み前記下部タイプレートの側面と実質的
   に直行する複数の燃料棒列を有する燃料集合体におい
   て、 前記減速材棒に隣接する前記燃料棒はこの減速材棒から
   等距離の位置にあり、 これらの燃料棒相互間の間隔も等しく、 お互いの間に幅の狭い間隔を形成する複数の前記燃料棒
   列が、前記減速材棒に隣接する燃料棒から前記下部タイ
   プレートの側面に向かって伸びていることを特徴とする
   燃料集合体。
3. 【請求項３】上部タイプレートと、下部タイプレート
   と、核燃料物質を含み上下端部が前記上部及び下部タイ
   プレートに支持された複数の燃料棒と、前記燃料棒間に
   配置された減速材棒とを備え、各々が配列された複数の
   前記燃料棒を含み前記下部タイプレートの側面と実質的
   に直行する複数の燃料棒列を有する燃料集合体におい
   て、 燃料集合体の各コ−ナ−部に位置する第１燃料棒群は、
   正方格子状に配置され、 これらの第１燃料棒群にはさまれる位置に第２燃料棒群
   が設けられ、 この第２燃料棒群に含まれる前記燃料棒のうち、前記第
   １燃料棒群に隣接する前記燃料棒列に含まれる複数の燃
   料棒は、この燃料棒列に隣接する燃料棒列であって前記
   第１燃料棒群に含まれる燃料棒列に配置された複数の燃
   料棒と共に三角格子を形成し、 この三角格子を形成する燃料棒を含む互いに隣接した燃
   料棒列間の間隔は、正方格子を形成する燃料棒を含む互
   いに隣接した燃料棒列間の間隔よりも狭くなっており、 前記減速材棒は前記第１及び第２燃料棒群に囲まれてい
   ることを特徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】前記燃料棒の配列ピッチが均一である請求
   項２または３の燃料集合体。
5. 【請求項５】前記燃料棒は複数の第１燃料棒及びこの第
   １燃料棒よりも軸方向長が短い複数の第２燃料棒を含
   み、 前記第２燃料棒は前記狭い間隔を形成する燃料棒列に含
   まれる請求項１または３の燃料集合体。
6. 【請求項６】前記第２燃料棒群に含まれる燃料棒列内で
   最も外側にある前記燃料棒は、前記第１燃料棒群に含ま
   れる前記燃料棒列内で最も外側にある前記燃料棒よりも
   内側にある請求項３の燃料集合体。
7. 【請求項７】上部タイプレートと、下部タイプレート
   と、核燃料物質を含み上下端部が前記上部及び下部タイ
   プレートに支持された複数の燃料棒と、前記燃料棒間に
   配置された減速材棒とを備え、各々が配列された複数の
   前記燃料棒を含み前記下部タイプレートの側面と実質的
   に直行する複数の燃料棒列を有する燃料集合体におい
   て、 前記減速手段は、軸方向の上部で下部よりも横断面積が
   大きく、 前記燃料棒は、複数の第１燃料棒、及びこれよりも軸方
   向長が短い複数の第２燃料棒であって前記減速手段の横
   断面積が小さい下部の部分に隣接して配置され燃料集合
   体横断面の平均濃縮度よりも低い濃縮度を有する前記第
   ２燃料棒を含み、 前記減速手段の下部での横断面積を、熱中性子束の径方
   向分布の最小値及び共鳴中性子束の径方向分布の最小値
   が共に前記第２燃料棒よりも径方向外側の領域に位置す
   る大きさに設定し、 前記燃料棒列相互間に形成された間隔のうち幅の狭い間
   隔が、これよりも幅の広い間隔の間に位置し、 前記減速手段の横断面積の大きな上部の部分に隣接する
   全ての前記第１燃料棒は、前記幅の狭い間隔を形成する
   複数の燃料棒列に含まれていることを特徴とする燃料集
   合体。
8. 【請求項８】前記第２燃料棒の濃縮度が燃料集合体の横
   断面の平均濃縮度の０.７ 以下である請求項７の燃料集
   合体。
9. 【請求項９】前記第２燃料棒の濃縮度が燃料集合体の横
   断面の平均濃縮度の０.５ 以下である請求項７の燃料集
   合体。
10. 【請求項１０】前記第２燃料棒が天然ウランを含有する
    請求項７の燃料集合体。