JP3161798B2 - 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、燃料集合体の構造に係
り、特に燃料集合体内の圧力損失を低減して核熱水力安
定性を向上し、限界出力特性を向上または維持するのに
好適なようにスペーサを配置した燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉に装荷される燃
料集合体は、四角筒のチャンネルボックスとチャンネル
ボックスの内部に収納された燃料バンドルからなる。こ
の燃料バンドルは、上記チャンネルボックスの上下部に
嵌め込む上部タイプレート及び下部タイプレートと、上
部タイプレート及び下部タイプレートに両端部が保持さ
れる複数の燃料棒と、この複数の燃料棒が貫通し、チャ
ンネルボックス内部で燃料棒の軸方向に間隔を置いて配
置されて燃料棒相互間の間隙を保持する複数のスペーサ
とから構成される。

【０００３】上記のスペーサとしては、従来、正方格子
状に組立てられたディバイダと、その格子点に設けられ
たランタンボックスに取り付けられているランタンスプ
リングと、ディバイダに設けられたＳ字ベンドおよび外
周辺に設けられたバンドより構成されている（以下、格
子型スペーサという）ものが多く用いられてきた。

【０００４】一般に、原子炉の運転は、核的現象と熱水
力的現象とが組合わさって行なわれるものであり、燃料
棒の健全性確保の目安としては線出力密度が、被覆管の
健全性確保の目安としては限界出力比または限界熱流束
比（以下、限界出力特性という）が、また原子炉の核熱
水力安定性の目安としては圧力損失や減幅比が使用され
る。

【０００５】現在、軽水冷却原子炉においてウラン資源
を有効に活用する目的で、燃料集合体の平均濃縮度を高
めて取出燃焼度を増大する方法や、従来の設計の範囲を
拡張して冷却材流量を増減し、スペクトルシフト運転を
する方法等が考えられている。しかし、これらの方法を
採用する場合、上記格子型スペーサは圧力損失が低く安
定性改善に効果があるが沸騰遷移が起りやすく限界出力
特性が低いので、限界出力比や限界熱流束比の制限値に
対する余裕を減少させる。さらに、濃縮度増加に伴うボ
イド係数（絶対値）の増大により、安定性の目安である
減幅比を増加し、安定性を減少させることがある。

【０００６】上記のような取出燃焼度を増大したりスペ
クトルシフト運転をする場合において、限界出力特性の
制限を満足させるために燃料集合体に配置されるスペー
サの構成が種々考えられている。例えば、上記格子型ス
ペーサよりランタンボックス及びランタンスプリングを
取外した構造で格子型スペーサよりもさらに圧力損失を
低下したもの（以下、改良格子型スペーサという）、特
開昭５８−２００１９４号公報に記載のように、多数の
円筒状の単位セルより構成され、圧力損失が高く安定性
改善に効果が期待できないが、沸騰遷移が起りにくく限
界出力特性の高いスペーサ（以下、円筒セル型スペーサ
という）、特開昭６３−１５９７８９号公報に記載のよ
うに、上記格子型スペーサと円筒セル型スペーサとを組
合せたものであって、燃料集合体横断面の外周領域が円
筒状の単位セルより構成され、外周領域によって取り囲
まれた内側の領域が正方形格子によって構成され、沸騰
遷移に対する熱的余裕を有効に増大し限界出力特性を向
上したスペーサ（以下、ハイブリッド型スペーサとい
う）などである。

【０００７】また、圧力損失の低減や限界出力特性の向
上、さらにスペーサによる中性子吸収の低減を図るため
に燃料集合体の軸方向におけるスペーサの配置を考えた
技術が、上記特開昭６３−１５９７８９号公報や特開昭
５７−９３２８７号公報に開示されている。このうち、
前者においては、上記ハイブリッド型スペーサを沸騰遷
移の起りやすい燃料集合体上部に配置し沸騰遷移に対す
る熱的余裕を有効に増大して限界出力特性の向上を図っ
ている。また、後者においては、インコネル等の中性子
吸収断面積の比較的大きいニッケル基合金により構成さ
れ薄型で圧力損失の低いスペーサを中性子密度が比較的
低い燃料集合体上部（１段目から５段目）に、中性子吸
収断面積の小さいジルコニウム基合金の構造材により正
方格子状に構成されたスペーサを中性子密度が比較的高
い燃料集合体下部（５段目以下）に配置している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のス
ペーサを配置した燃料集合体のうち、改良格子型スペー
サを使用したものは、圧力損失低減、即ち安定性改善に
関しては充分効果があるが、熱的余裕の改善が充分でな
い。また、円筒セル型スペーサを使用したものは、熱的
余裕が充分改善され限界出力特性が向上するが、圧力損
失低減、従って安定性の改善に関しては充分ではない。

【０００９】また、上記特開昭６３−１５９７８９号公
報に記載のハイブリッド型スペーサを使用した燃料集合
体では、沸騰遷移に対する熱的余裕を有効に増大でき、
限界出力特性を向上できるが、圧力損失の低下が充分で
はなく、安定性が低下する可能性がある。

【００１０】上記特開昭５７−９３２８７号公報に記載
の燃料集合体では、ニッケル基合金よりなる薄型のスペ
ーサを使用することによって圧力損失の低下が図れ、中
性子吸収断面積の小さいジルコニウム基合金よりなるス
ペーサを中性子密度が比較的高い燃料集合体下部に配置
することによって、中性子吸収の低減を図ることができ
るが、沸騰遷移の発生を抑制することに関しては考慮さ
れておらず、限界出力特性が低下する可能性がある。

【００１１】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、スペ
ーサの特性及び軸方向の配置を最適化し、スペーサによ
る圧力損失を低減して核熱水力安定性を改善すると共
に、沸騰遷移に対する熱的余裕を維持、改善して限界出
力特性を維持、向上することができる燃料集合体を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、上部タイプレートと、下部タイプレート
と、前記上部タイプレート及び前記下部タイプレートに
両端部が保持される複数の燃料棒と、前記燃料棒の軸方
向に隔置されて前記燃料棒相互間の間隙を保持する複数
のスペーサとを有する燃料集合体において、前記スペー
サのうち少なくとも最上段に比較的圧力損失の低い第１
のスペーサが配置され、前記最上段以外のスペーサのう
ち前記最上段から数えて２段目を含む少なくとも合計４
段に、少なくとも外周領域が前記燃料棒を取り囲む筒状
の構造材よりなる多数の独立した単位セルを隣接して組
み合わせることにより構成された、比較的水液膜形成効
果が大きく沸騰遷移を起こしにくい第２のスペーサが配
置されている。

【００１３】好ましくは、前記第２のスペーサは、前記
最上段以外の全段に配置されている。

【００１４】また、好ましくは、前記第１のスペーサ
は、さらに、前記最上段から数えて６段目以下に配置さ
れている。

【００１５】また、好ましくは、前記第１のスペーサ
は、薄肉の材料で構成される。

【００１６】また、好ましくは、前記薄肉の材料は、ニ
ッケル基合金である。

【００１７】また、好ましくは、前記第２のスペーサ
は、厚肉の材料で構成される。

【００１８】また、好ましくは、前記厚肉の材料は、ジ
ルコニウム基合金である。

【００１９】また、好ましくは、前記第１のスペーサ
は、前記燃料棒の長手方向に隔置され前記燃料棒を取り
囲む２つの環状部と、前記２つの環状部を連結する長手
方向連結部とからなる多数の独立した単位セルを隣接し
て組み合わせることにより構成されている。

【００２０】また、好ましくは、前記第２のスペーサ
は、前記外周領域によって取り囲まれた内側の領域も前
記燃料棒を取り囲む筒状の構造材よりなる多数の独立し
た単位セルを隣接して組み合わせることにより構成され
る。

【００２１】また、好ましくは、前記第２のスペーサ
は、前記外周領域によって取り囲まれた内側の領域が前
記燃料棒を取り囲む板を正方形格子状に組み立てて構成
されている。

【００２２】また、好ましくは、前記ニッケル基合金
は、Ｎｉを５０％以上、Ｃｒを１４％以上２１％以下、
ＮｂとＴａとを合わせてを０．７％以上５．５％以下、
Ｍｏを３．３％以下、Ｔｉを０．６５％以上２．７５％
以下、Ａｌを０．２％以上１．０％以下、Ｃｏを１．０
％以下含有し、残部Ｆｅよりなる。

【００２３】

【作用】以下、上記のように構成した本発明の作用につ
いて説明する。燃料集合体上部においては、二相流の圧
力損失増倍係数が大きいため、スペーサによる燃料集合
体全体の圧力損失への寄与が大きい。従って、燃料集合
体上部には圧力損失の低いスペーサを配置することが望
ましい。本発明においては、スペーサのうち少なくとも
最上段に比較的圧力損失の低い第１のスペーサを配置す
ることによって、スペーサによる燃料集合体全体の圧力
損失を低減し、安定性を改善することができる。

【００２４】また、燃料集合体において、燃料棒表面の
水液膜厚さが０となるときに水の蒸発による除熱が小さ
くなり、燃料棒表面温度が急上昇して沸騰遷移がおこる
が、この水液膜厚さは、冷却材流れが環状二相流となる
燃料有効発熱部の下部から約１３／２４以上で、また、
燃料棒の発熱が大きい燃料有効発熱部の下部から約２２
／２４以下の位置にあるスペーサにより大きく影響を受
ける。従って、燃料有効発熱部の下部から約１３／２４
から約２２／２４の位置には比較的水液膜形成効果が大
きく沸騰遷移を起こしにくいスペーサを配置することが
望ましい。本発明においては、最上段以外のスペーサの
うち最上段から数えて２段目を含む少なくとも合計４
段、即ち燃料有効発熱部の下部から約１３／２４から約
２２／２４の位置を含む位置に、少なくとも外周領域が
前記燃料棒を取り囲む筒状の構造材よりなる多数の独立
した単位セルを隣接して組み合わせることにより構成さ
れた、比較的水液膜形成効果が大きく沸騰遷移を起こし
にくい第２のスペーサを配置することによって、燃料集
合体全体の沸騰遷移に対する熱的余裕を維持、改善する
ことができ、限界出力特性の維持、向上が図れる。

【００２５】また、比較的沸騰遷移を起こしにくい第２
のスペーサを最上段以外の全段に配置してもよく、これ
によって上記と同様に限界出力特性の向上あるいは維持
が図れる。

【００２６】また、最上段から数えて６段目以下、即ち
燃料有効発熱部の下部から約１３／２４の位置以下に比
較的圧力損失の低い第１のスペーサを配置してもよく、
これによってさらにスペーサによる燃料集合体全体の圧
力損失が低減し、安定性を改善することができる。ま
た、この最上段から数えて６段目以下では、水液膜厚さ
が影響を受けにくく比較的沸騰遷移が発生しにくいの
で、第１のスペーサが比較的沸騰遷移を起しやすいもの
であっても、燃料集合体全体としての限界出力特性を損
なうことはない。

【００２７】また、第１のスペーサは、薄肉の材料、例
えばニッケル基合金で構成されることが好ましく、これ
によってスペーサの圧力損失を低減することができる。

【００２８】また、第２のスペーサは、厚肉の材料、例
えばジルコニウム基合金で構成されることが好ましく、
これによってスペーサの水液膜形成効果、従って限界出
力特性を向上することができる。さらに、中性子吸収断
面積の小さいジルコニウム合金を用いるので中性子の無
駄な吸収を少なくして、燃料経済性を向上することがで
きる。

【００２９】また、第１のスペーサにニッケル基合金等
の高強度材料を用いることにより、スペーサを薄肉にす
ることができる。即ち、燃料棒の長手方向に隔置され燃
料棒を取り囲む２つの環状部と、これらを連結する長手
方向連結部とからなる多数の独立した単位セルを隣接し
て組み合わせる構成とすることができ、これによってス
ペーサによる燃料集合体全体の圧力損失が低減し、安定
性を改善することができる。

【００３０】また、第２のスペーサを、特開昭５８−２
００１９４号公報に記載のように、燃料棒を取り囲む筒
状の構造材よりなる多数の独立した単位セルを隣接して
組み合わせた構成とすることにより、スペーサによる冷
却材の撹拌が小さくなり、水液膜厚さが薄くなる可能性
が減少し、むしろ水液膜厚さが厚くなる可能性が増大す
るので、沸騰遷移が起きにくくなって限界出力特性を向
上または維持することができる。

【００３１】また、第２のスペーサとして、特開昭６３
−１５９７８９号公報に記載のように、燃料棒を取り囲
む筒状の構造材よりなる多数の独立した単位セルを隣接
して組み合わせて外周領域を構成し、燃料棒を取り囲む
板を正方格子状に組み立てて内側の領域を構成すること
により、チャンネルボックスに面した横断面方向外周領
域の沸騰遷移が起こりやすい燃料棒に対して、より有効
に沸騰遷移を起こしにくくして効率的に限界出力特性を
向上または維持することができる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の一実施例による燃料集合体に
ついて図１から図８により説明する。まず、本実施例に
よる燃料集合体の構成の概要について図１により説明す
る。図１に示すように、燃料集合体１は四角筒のチャン
ネルボックス２とチャンネルボックス２の内部に収納さ
れた燃料バンドルからなる。この燃料バンドルは、チャ
ンネルボックス２の上下部に嵌め込む上部タイプレート
３及び下部タイプレート４と、上部タイプレート３及び
下部タイプレート４に両端部が保持される複数の燃料棒
５と、この複数の燃料棒５が貫通し、チャンネルボック
ス２内部で燃料棒５の軸方向に間隔をおいて配置され燃
料棒相互間の間隙を保持する合計７つのスペーサ１０、
２０とから構成される。

【００３３】次に、図１に示した本実施例の燃料集合体
に使用されるスペーサの配置方法について図２により説
明する。尚、図２の左側にスペーサ配置位置を模式的に
示す。図２に示すように、本実施例においては、燃料集
合体の最上段（有効発熱部上部から有効発熱長割合で４
％下の位置）に、第１のスペーサとして図３に示すニッ
ケル基合金スペーサ１０を配置し、また、それより下部
の全段（６段）に第２のスペーサとして図５に示す円筒
セル型スペーサ２０（前述した特開昭５８−２００１９
４号公報に記載のもの）を配置する。

【００３４】次に、上記ニッケル基合金スペーサ１０及
び円筒セル型スペーサ２０について図３から図６により
説明する。図３は、ニッケル基合金スペーサを構成する
単位セルのうちの４個の単位セルを示す図であって、
（ａ）は燃料集合体横断面方向より見た図、（ｂ）は燃
料集合体側面より見た図である。図３に示すように、ニ
ッケル基合金スペーサ１０は、燃料棒５の長手方向に隔
置され燃料棒５を取り囲む２つの薄肉の環状部１１と、
これらを連結する長手方向連結部１２とからなる多数の
独立した単位セルを隣接して組み合わせることにより構
成されている。ニッケル基合金は中性子吸収断面積がジ
ルコニウム基合金よりも大きいため、スペーサによる中
性子吸収が増大するので、ニッケル基合金スペーサ１０
は中性子吸収量を極力減らす目的で２つの環状部１１の
間の構造材を可能な限り排除する構造としている。この
ニッケル基合金スペーサ１０に使用されるニッケル基合
金の成分は、例えば図４に示すような組成をもつインコ
ネルが用いられる。

【００３５】このように、ニッケル基合金スペーサには
上記インコネルのような高強度材が用いられるので、上
記のように構造材肉圧を薄くすることができ、スペーサ
による燃料集合体全体の圧力損失が低減し、安定性を改
善することができる。しかし、図３のように２つの環状
部１１の間の構造材を極力排除した構造であるので、水
液膜形成効果があまり期待できず、比較的沸騰遷移を起
こしやすく限界出力特性が低下しやすい。また、このよ
うに構造材を極力減らしても、依然としてスペーサによ
る中性子吸収はジルコニウム基合金を用いたスペーサに
比較して大きいことが懸念される。

【００３６】図５は、円筒セル型スペーサを示す図であ
る。図５に示すように、円筒セル型スペーサ２０は、燃
料棒５を取り囲む多数の独立した円筒セル２１をスプリ
ング２２によって２つ組に連結し、隣接して組み合わせ
ることにより構成されており、この外周をバンド２３に
よって固定している。この円筒セル型スペーサ２０を燃
料集合体に使用することによって、従来の格子状スペー
サに比較して横断面方向の投影面積が大きくなるため圧
力損失が増加するが、スペーサによる冷却材の撹拌が小
さくなり、水液膜形成効果が増大するので、沸騰遷移が
起きにくくなって限界出力特性を向上することができ
る。

【００３７】上記円筒セル型スペーサは、横断面方向の
投影面積が比較的大きいため、燃料経済性を考慮し、お
もにジルコニウム基合金等の中性子吸収断面積の小さい
材料が用いられる。

【００３８】図６に、上記ニッケル基合金スペーサ、円
筒セル型スペーサ、及び後述するハイブリッド型スペー
サが、限界出力特性および圧力損失低減（安定性改善）
に及ぼす影響をまとめて示す。図６において○はその効
果を増大することを、×はその効果を低減することを、
△はどちらともいえないことを示す。本実施例及び後述
する実施例はこのような得失を有するスペーサを効果的
に燃料集合体軸方向に配置したものである。

【００３９】次に、本実施例の燃料集合体内のスペーサ
を上記のように配置したことによる作用について図７及
び図８により説明する。図７は、燃料集合体軸方向の圧
力損失分布を示す図である。尚、左側にスペーサ配置位
置を模式的に示す。燃料集合体１上部においては、二相
流の圧力損失増倍係数が大きくなっているため、スペー
サが及ぼす燃料集合体全体の圧力損失への寄与が大き
い。従って、燃料集合体最上段には、構造材肉厚が薄く
圧力損失が比較的小さいニッケル基合金スペーサ１０を
配置する。これにより、燃料集合体全体の圧力損失が低
下し安定性を改善することができる。

【００４０】図８は、燃料集合体内の典型的な燃料棒表
面における水液膜厚さの軸方向分布を示す図である。
尚、図７と同様に左側にスペーサ配置位置を模式的に示
す。この水液膜厚さが０となるときに、水の蒸発による
除熱が小さくなり、燃料棒表面温度が急上昇して沸騰遷
移がおこる。この水液膜厚さは、冷却材流れが環状二相
流となる燃料有効発熱部の下部から約１３／２４以上
で、また、燃料棒の発熱が大きい燃料有効発熱部の下部
から約２２／２４以下の位置にあるスペーサにより大き
く影響を受ける。従って、燃料有効発熱部の下部から約
１３／２４から約２２／２４の位置を含む位置には比較
的水液膜形成効果が大きく沸騰遷移を起こしにくい円筒
セル型スペーサ２０を配置する。これにより、燃料集合
体全体の沸騰遷移に対する熱的余裕を維持、改善するこ
とができ、限界出力特性の維持、向上が図れる。また、
燃料有効発熱部の下部から約２２／２４以上の位置では
スペーサの水液膜厚さへの影響が少ないので、最上段に
比較的沸騰遷移を起こしやすいニッケル基合金スペーサ
１０を配置してもよく、これにより燃料集合体全体とし
ての限界出力特性が悪化することはほとんどない。

【００４１】本実施例による燃料集合体においては、最
上段に圧力損失の低いニッケル基合金スペーサ１０を配
置することによって、ジルコニウム基合金を主材とした
厚肉のスペーサを燃料集合体全体に配置した燃料集合体
（以下、基準燃料集合体という）に比べて燃料集合体の
圧力損失は０．２ｐｓｉ低下し、このとき燃料集合体の
チャンネル安定性減幅比（ＤＲ）は基準燃料集合体より
０．０１小さくなり安定性が改善される。

【００４２】また、本実施例による燃料集合体の限界出
力特性も基準燃料集合体とほぼ同等であり低下しない。
これは、燃料棒表面の水液膜厚さが０となって沸騰遷移
が起こりやすい位置が図２に示した燃料集合体上部から
２段目のスペーサ位置下部（２段目のスペーサの上流
部）であり、この位置を含む２段目以下に円筒セル型ス
ペーサ２０を配置することによって沸騰遷移が起こりに
くくなり、しかも最上段に配置された沸騰遷移を起こし
やすいニッケル基合金スペーサ１０は２段目のスペーサ
位置での水液膜厚さに影響を与えないためである。

【００４３】また、ニッケル基合金は中性子吸収断面積
が大きく燃料経済性の低下が懸念されるが、最上段にニ
ッケル基合金スペーサ１０を配置することによる影響は
小さく、ジルコニウム基合金を主材とした厚肉スペーサ
を燃料集合体全体にとりつけた場合に比べて、燃料経済
性低下は０．３％弱とわずかにとどまる。

【００４４】以上のように本実施例によれば、最上段に
圧力損失の低いニッケル基合金スペーサ１０を配置する
ので、スペーサによる燃料集合体全体の圧力損失が低減
し、安定性を改善することができる。また、２段目以下
に円筒セル型スペーサ２０を配置するので沸騰遷移が起
こりにくくなり、限界出力特性が低下しない。しかも最
上段のニッケル基合金スペーサ１０は燃料集合体の限界
出力特性に影響を与えず、その中性子吸収による燃料経
済性低下はわずかである。

【００４５】次に、本発明の他の実施例による燃料集合
体について、図９及び図１０により説明する。本実施例
による燃料集合体の構成は、スペーサの種類及び配置が
異なること以外は、図１から図８で説明した実施例と同
様である。図９は、本実施例の燃料集合体に使用される
スペーサの配置方法を示す図である。尚、図２と同様に
左側にスペーサ配置位置を模式的に示す。図９に示すよ
うに、本実施例においても、燃料集合体の最上段（有効
発熱部上部から有効発熱長割合で４％下の位置）に、図
２と同様に第１のスペーサとして図３に示したニッケル
基合金スペーサ１０を配置するが、それより下部の全段
（６段）には第２のスペーサとして図１０に示すハイブ
リッド型スペーサ３０（前述した特開昭６３−１５９７
８９号公報に記載のもの）を配置する。

【００４６】図１０は、上記ハイブリッド型スペーサを
示す図である。図１０に示すように、ハイブリッド型ス
ペーサ３０は格子型スペーサと円筒セル型スペーサとを
組合せたものである。即ち、燃料集合体横断面のチャン
ネルボックスに面した外周領域及び各コーナ位置より対
角線上の一層内側位置が円筒状セル３１とこれを２つ組
に連結するスプリング３２により構成され、またこの外
周領域によって取り囲まれた内側の領域が正方形格子を
なすディバイダ３３とスプリング３４によって構成され
ており、これらの外周をバンド３５により固定してい
る。このハイブリッド型スペーサ３０を燃料集合体に使
用することによって、チャンネルボックスに面した横断
面方向外周領域の沸騰遷移が起こりやすい領域に対し
て、沸騰遷移に対する熱的余裕を増大して有効に沸騰遷
移を起こしにくくし、円筒セル型スペーサに比較してよ
り効率的に限界出力特性を維持、向上することができ
る。尚、このハイブリッド型スペーサが限界出力特性お
よび圧力損失低減（安定性改善）に及ぼす影響が前述し
た図６に示されている。

【００４７】本実施例による燃料集合体においては、最
上段に圧力損失の低いニッケル基合金スペーサ１０を配
置し、それより下部にハイブリッド型スペーサ３０を配
置することにより、基準燃料集合体に比べて燃料集合体
の圧力損失は０．５ｐｓｉ低下し、このときチャンネル
安定性減幅比（ＤＲ）は基準燃料集合体より０．０３小
さくなり安定性が改善される。即ち、ハイブリッド型ス
ペーサ３０は、円筒セル型スペーサに比較して圧力損失
の低減、即ち安定性改善の効果が十分とはいえないが、
円筒セル型スペーサ２０よりも若干圧力損失が小さいと
考えられ、これによりさらに圧力損失が低下したものと
思われる。

【００４８】また、本実施例による燃料集合体の限界出
力特性は、図２の実施例と同様の理由に加え、ハイブリ
ッド型スペーサ３０を使用することにより沸騰遷移が起
こりにくくなり効率的に限界出力特性を維持、向上する
ことができる。さらに、中性子吸収による燃料経済性低
下もわずかである。

【００４９】以上のように本実施例によれば、図９の実
施例と同様の効果に加え、ハイブリッド型スペーサ３０
を使用するので、より有効に限界出力特性を維持、向上
することができる。また、ニッケル基合金スペーサ１０
の中性子吸収による燃料経済性低下もわずかである。

【００５０】次に、本発明のさらに他の実施例による燃
料集合体について図１１により説明する。本実施例によ
る燃料集合体の構成も、スペーサの種類及び配置が異な
ること以外は、図１から図８で説明した実施例と同様で
ある。図１１に示すように、本実施例においても、燃料
集合体の最上段（有効発熱部上部から有効発熱長割合で
４％下の位置）に、図２及び図９の実施例と同様に第１
のスペーサとして図３に示したニッケル基合金スペーサ
１０を配置するが、それより下部の４段には第２のスペ
ーサとして図５に示した円筒セル型スペーサ２０を、さ
らにそれより下部の２段には第１のスペーサとしてニッ
ケル基合金スペーサ１０を配置する。つまり、図２の実
施例との違いは、燃料体集合体下部の２段にニッケル基
合金スペーサ１０を配置している点である。

【００５１】本実施例による燃料集合体においては、燃
料集合体下部の２段に円筒セル型スペーサ２０に代えて
圧力損失の低いニッケル基合金スペーサ１０を配置する
ことにより、燃料集合体の圧力損失は図９の実施例より
も０．２ｐｓｉ低下する。また、図９の実施例と同様
に、上部から２段目〜６段目に円筒セル型スペーサ２０
を配置することによって沸騰遷移が起こりにくくなる。
さらに、燃料集合体下部の２段に配置されたニッケル基
合金スペーサ１０は沸騰遷移を起こしやすいが、下流部
（燃料集合体上部近傍）の燃料棒表面の水液膜厚さには
ほとんど影響しないので、図１の実施例及び基準燃料集
合体に比べて限界出力特性は同等であり低下しない。

【００５２】さらに、本実施例においては、燃料集合体
下部の２段に配置されたニッケル基合金スペーサ１０の
中性子吸収により、図１の実施例以上に燃料経済性の低
下が懸念されるが、燃料集合体下部では中性子が充分多
量に存在するので、その影響は小さく、燃料経済性の低
下はやはりわずかである。

【００５３】以上のように本実施例によれば、図９の燃
料集合体下部の２段に円筒セル型スペーサ２０の代わり
に圧力損失の低いニッケル基合金スペーサ１０を配置す
るので、さらに燃料集合体の圧力損失が低下し、また、
図２及び図９の実施例と同様に限界出力特性は低下しな
い。さらに、燃料集合体下部では中性子が充分多量に存
在するので、ニッケル基合金スペーサ１０の中性子吸収
による燃料経済性の低下はわずかである。

【００５４】次に、本発明のさらに他の実施例による燃
料集合体について図１２により説明する。本実施例によ
る燃料集合体の構成も、スペーサの種類及び配置が異な
ること以外は、図１から図８で説明した実施例と同様で
ある。図１２に示すように、本実施例においても、燃料
集合体の最上段（有効発熱部上部から有効発熱長割合で
４％下の位置）に、図２、図９、及び図１１の実施例と
同様に第１のスペーサとして図３に示したニッケル基合
金スペーサ１０を配置するが、それより下部の４段には
第２のスペーサとして図１０に示したハイブリッド型ス
ペーサ３０を、さらにそれより下部の２段には第１のス
ペーサとしてニッケル基合金スペーサ１０を配置する。
つまり、図９の実施例との違いは、燃料体集合体下部の
２段にニッケル基合金スペーサ１０を配置している点で
ある。

【００５５】本実施例による燃料集合体においては、燃
料集合体下部の２段にハイブリッド型スペーサ３０に代
えて圧力損失の低いニッケル基合金スペーサ１０を配置
することにより、燃料集合体の圧力損失は図９の実施例
よりも０．１ｐｓｉ低下する。また、この燃料集合体下
部の２段に配置されたニッケル基合金スペーサ１０によ
り、単相流部の圧力損失が若干減るので安定性は若干悪
化する傾向にあるが、燃料集合体全体の圧力損失低下の
効果による寄与の方が大きく、基準燃料集合体に比べて
チャンネル安定性減幅比は０．０２小さくなって、安定
性が改善される。また、本実施例による燃料集合体の限
界出力特性も、図１１の実施例と同様の理由から図２の
実施例及び基準燃料集合体と同等で低下せず、さらに中
性子吸収による燃料経済性低下もわずかである。

【００５６】以上のように本実施例によれば、図９の燃
料集合体下部の２段にハイブリッド型スペーサ３０の代
わりに圧力損失の低いニッケル基合金スペーサ１０を配
置するので、さらに燃料集合体の圧力損失が低下し、ま
た、図２、図９、及び図１１の実施例と同様に限界出力
特性は低下しない。さらに、図１１の実施例と同様にニ
ッケル基合金スペーサ１０の中性子吸収による燃料経済
性の低下はわずかである。

【００５７】尚、上記実施例による燃料集合体使用され
るスペーサは、ここで述べたものに限定されるものでは
なく、それぞれのスペーサと同様の特性を有し同様の作
用を奏するものであれば他のスペーサを用いてもよい。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、少なくとも最上段に比
較的圧力損失の低い第１のスペーサを配置するので、燃
料集合体全体の圧力損失が低減し、安定性を改善するこ
とができる。また、最上段から２段目を含む少なくとも
合計４段に比較的沸騰遷移を起こしにくい第２のスペー
サを配置することので、限界出力特性の維持、向上が図
れる。

【００５９】また、第２のスペーサを最上段以外の全段
に配置するので、上記と同様に限界出力特性の維持、向
上が図れる。

【００６０】また、最上段から６段目以下に第１のスペ
ーサを配置するので、さらに圧力損失が低減し、安定性
を改善することができ、またこの位置のスペーサによっ
て限界出力特性を損なうことはない。

【００６１】また、第１のスペーサは、薄肉の材料、例
えばニッケル基合金を使用し、燃料棒の長手方向に隔置
され燃料棒を取り囲む２つの環状部と、これらを連結す
る長手方向連結部とからなる多数の独立した単位セルを
隣接して組み合わせて構成でき、スペーサの圧力損失を
低減することができる。

【００６２】また、第２のスペーサは、厚肉の材料、例
えばジルコニウム基合金で構成されるのでスペーサの水
液膜形成効果、従って限界出力特性を向上することがで
き、ジルコニウム合金を用いるので中性子吸収を少なく
して、燃料経済性を向上することができる。

【００６３】また、第２のスペーサは、燃料棒を取り囲
む筒状の構造材よりなる多数の独立した単位セルを隣接
して組み合わせるので、沸騰遷移が起きにくくなって限
界出力特性を維持、向上することができる。

【００６４】また、第２のスペーサは、燃料棒を取り囲
む筒状の構造材よりなる多数の独立した単位セルを隣接
して組み合わせて外周領域を構成し、燃料棒を取り囲む
正方格子状の板により内側の領域を構成するので、より
効率的に沸騰遷移を起こしにくくして限界出力特性を維
持、向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による燃料集合体の構成を示
す図である。

【図２】図１の燃料集合体のスペーサ配置を示す図であ
る。

【図３】図１の燃料集合体に使用されるニッケル基合金
スペーサを構成する単位セルのうち、４個の単位セルを
示す図であって、（ａ）は燃料集合体横断面方向より見
た図、（ｂ）は燃料集合体側面より見た図である。

【図４】図３のニッケル基合金スペーサに使用されるニ
ッケル基合金（インコネル）の組成を示す図である。

【図５】図１の燃料集合体に使用される円筒セル型スペ
ーサを示す図である。

【図６】ニッケル基合金スペーサ、円筒セル型スペー
サ、及びハイブリッド型スペーサが、それぞれ限界出力
特性および圧力損失低減（安定性改善）に及ぼす影響を
示す図である。

【図７】燃料集合体軸方向の圧力損失分布図である。

【図８】燃料集合体軸方向の水液膜厚さ分布図である。

【図９】本発明の他の実施例による燃料集合体のスペー
サ配置を示す図である。

【図１０】図９の燃料集合体に使用されるハイブリッド
型スペーサを示す図である。

【図１１】本発明のさらに他の実施例による燃料集合体
のスペーサ配置を示す図である。

【図１２】本発明のさらに他の実施例による燃料集合体
のスペーサ配置を示す図である。

【符号の説明】

２ 燃料棒 ３ スペーサ ４ 上部タイプレート ５ 下部タイプレート １０ ニッケル基合金スペーサ １１ 環状部 １２ 長手方向連結部 ２０ 円筒セル型スペーサ ２１ 円筒セル ３０ ハイブリッド型スペーサ ３１ 円筒セル ３３ ディバイダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−138493（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−225296（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−93287（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−200194（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−159789（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/34

Claims (11)

(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、前記上部タイプレート及び前記下部タイプレートに
   両端部が保持される複数の燃料棒と、前記燃料棒の軸方
   向に隔置されて前記燃料棒相互間の間隙を保持する複数
   のスペーサとを有する燃料集合体において、 前記スペーサのうち少なくとも最上段に比較的圧力損失
   の低い第１のスペーサが配置され、前記最上段以外のス
   ペーサのうち前記最上段から数えて２段目を含む少なく
   とも合計４段に、少なくとも外周領域が前記燃料棒を取
   り囲む筒状の構造材よりなる多数の独立した単位セルを
   隣接して組み合わせることにより構成された、比較的水
   液膜形成効果が大きく沸騰遷移を起こしにくい第２のス
   ペーサが配置されていることを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】前記第２のスペーサは、前記最上段以外の
   全段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. 【請求項３】前記第１のスペーサは、さらに、前記最上
   段から数えて６段目以下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. 【請求項４】前記第１のスペーサは、薄肉の材料で構成
   されていることを特徴とする請求項１から３のうちいず
   れか１項記載の燃料集合体。
5. 【請求項５】前記薄肉の材料は、ニッケル基合金である
   ことを特徴とする請求項４記載の燃料集合体。
6. 【請求項６】前記第２のスペーサは、厚肉の材料で構成
   されていることを特徴とする請求項１から３のうちいず
   れか１項記載の燃料集合体。
7. 【請求項７】前記厚肉の材料は、ジルコニウム基合金で
   あることを特徴とする請求項６記載の燃料集合体。
8. 【請求項８】前記第１のスペーサは、前記燃料棒の長手
   方向に隔置され前記燃料棒を取り囲む２つの環状部と、
   前記２つの環状部を連結する長手方向連結部とからなる
   多数の独立した単位セルを隣接して組み合わせることに
   より構成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。
9. 【請求項９】前記第２のスペーサは、前記外周領域によ
   って取り囲まれた内側の領域も前記燃料棒を取り囲む筒
   状の構造材よりなる多数の独立した単位セルを隣接して
   組み合わせることにより構成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。
10. 【請求項１０】前記第２のスペーサは、前記外周領域に
    よって取り囲まれた内側の領域が前記燃料棒を取り囲む
    板を正方形格子状に組み立てて構成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。
11. 【請求項１１】前記ニッケル基合金は、Ｎｉを５０％以
    上、Ｃｒを１４％以上２１％以下、ＮｂとＴａとを合わ
    せてを０．７％以上５．５％以下、Ｍｏを３．３％以
    下、Ｔｉを０．６５％以上２．７５％以下、Ａｌを０．
    ２％以上１．０％以下、Ｃｏを１．０％以下含有し、残
    部Ｆｅよりなることを特徴とする請求項５記載の燃料集
    合体。