JP3262612B2

JP3262612B2 - 燃料集合体及び炉心

Info

Publication number: JP3262612B2
Application number: JP00109293A
Authority: JP
Inventors: 章喜中島; 洋子石橋; 肇男青山; 国寿栗原; 淳一山下; 潤二郎中島; 浩二西田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 2002-03-04
Anticipated expiration: 2017-03-04
Also published as: JPH05249269A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉に装荷さ
れる燃料集合体及びその燃料集合体を備えた炉心に係
り、特に、高燃焼度化が図れかつ燃料経済性の向上に寄
与する燃料集合体及び炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在運転されている沸騰水型原子炉で
は、正方格子状に配列された、核燃料物質を含む多数の
燃料棒と、核燃料物質を含まない少なくとも１本の減速
棒とで燃料棒群（燃料バンドル）を構成し、前記燃料棒
群を囲むようにチャンネルボックスを配置して、燃料集
合体を構成している。前記チャンネルボックスにより、
前記燃料棒群中を流れるチャンネルボックス内の冷却水
流路と、チャンネルボックス外の冷却水流路が形成され
る。この各流路には、冷却材でありまた減速材である軽
水が流れる。前記チャンネルボックス内を流れる軽水は
沸騰するが、チャンネルボックス外を流れる軽水は沸騰
しない。したがって、燃料集合体を構成する燃料棒は、
チャンネルボックスの近くに配置されるか否かによっ
て、減速材の分布状況が異なる。

【０００３】近年、ウラン資源の有効利用と使用済み燃
料の発生量低減の観点から、燃料集合体の高燃焼度化が
進められている。このためには、燃料集合体の平均燃料
濃縮度を高める必要がある。しかしながら、燃料棒の燃
料濃縮度を高めると、燃料物質の数密度が増加するの
で、燃料の核分裂断面積が増加する。また、燃料集合体
のチャンネルボックスのコーナ部においては、核分裂で
発生する中性子は、燃料棒まわりのチャンネルボックス
外を流れる軽水により効果的に減速されて熱中性子束に
なるので、当該燃料棒まわりの熱中性子束が増加する。
これらの効果により、燃料集合体のチャンネルボックス
のコーナ部に配置される燃料棒は、出力が高くなると共
にその燃料棒の局所出力ピーキングが高くなるので、熱
的設計余裕が減少する。

【０００４】これを解決する従来技術として、上記コー
ナ部に配置される燃料棒の外径を他の燃料棒よりも細く
することで、濃縮度の増加による核分裂断面積の増加を
抑制し、前記コーナ部の燃料棒の単位長さあたりの出力
を下げ、局所出力ピーキングを低減するものがある（特
開昭５２−９７９２号公報、特開昭５８−１２９３８５
号公報等参照；以下、第１の従来技術という）。また、
他の従来技術として、複数の燃料棒が正方格子状に配置
された中央領域と、複数の燃料棒が三角格子状に配置さ
れた、前記中央領域を取り囲む周辺領域とを設け、三角
格子状の配置によって生じる燃料棒とチャンネルボック
スとの距離の増加分を前記燃料棒の太径化に用いて、こ
れらの燃料棒の出力を高めることにより、コーナ部に位
置する燃料棒の出力分担割合を下げ、局所出力ピーキン
グを低減するものがある（特開平１−３０８９９４号公
報；以下、第２の従来技術という）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記第１及び第２の従
来技術では、いづれも、局所出力ピーキングが高くなら
ないように、燃料集合体の周辺領域で核分裂性物質量及
び減速材と燃料の比（Ｈ／Ｕ比、即ち水素原子数対ウラ
ン原子数比）を調整するものである。

【０００６】しかしながら、特開昭５８−１２９３８６
号公報に記載の従来技術では、チャンネルボックスのコ
ーナ部に配置された燃料棒の体積を減少させたのでその
燃料棒の濃縮度は高められるが、更に燃料集合体の平均
濃縮度の増加を図る場合、チャンネルボックスのコーナ
部付近にある複数の通常燃料棒で局所出力ピーキングが
高くなる可能性がある。そこで、その局所出力ピーキン
グを低減するためには、特開昭５２−９７９２号公報に
記載の従来技術のように、コーナ部付近にある複数の燃
料棒にも通常燃料棒より外径を細くした燃料棒を採用す
ることが考えられる。しかし、単に燃料棒の外径を細く
しただけではその周囲の減速材が増加するので、Ｈ／Ｕ
比が増大し、燃料棒の局所出力ピーキングの低減効果が
抑制される。

【０００７】また、第２の従来技術でも、更に燃料集合
体の平均濃縮度の増加を図る場合、チャンネルボックス
のコーナ部付近にある複数の通常燃料棒で、局所出力ピ
ーキングが高くなる可能性がある。

【０００８】本発明の目的は、局所出力ピーキングを抑
制しつつ、更に燃料集合体の平均濃縮度を増加して高燃
焼度化を図ることができる燃料集合体及びその燃料集合
体を備えた炉心を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、正方格子状に配列された核燃料物
質を含む複数の第１の燃料棒と、核燃料物質を含み該第
１の燃料棒よりも外径が細い第２の燃料棒とを有する燃
料集合体において、前記第２の燃料棒は燃料棒配列の最
外層のコーナ部と該最外層のコーナ部に隣接する位置と
に配置され、前記第２の燃料棒相互のピッチは前記第１
の燃料棒相互のピッチよりも狭く、前記最外層のコーナ
部に隣接する位置に配置した第２の燃料棒と該最外層で
この第２の燃料棒に隣接する前記第１の燃料棒とのピッ
チは、前記第１の燃料棒相互のピッチより広いことを特
徴とする燃料集合体が提供される。

【００１０】また、上記目的を達成するため、本発明に
よれば、正方格子状に配列された核燃料物質を含む複数
の第１の燃料棒と、核燃料物質を含み該第１の燃料棒よ
りも外径が細い第２の燃料棒とを有する燃料集合体にお
いて、前記第２の燃料棒は燃料棒配列の最外層のコーナ
部と該最外層のコーナ部に隣接する位置とに配置され、
前記第２の燃料棒相互のピッチは前記第１の燃料棒相互
のピッチよりも狭く、隣接する前記第２の燃料棒の間隙
は、隣接する前記第１の燃料棒の間隙とほぼ等しいこと
を特徴とする燃料集合体が提供される。

【００１１】また、上記燃料集合体において、好ましく
は、前記複数の第１の燃料棒は、複数の通常燃料棒と、
前記通常燃料棒より燃料有効長が短い複数の部分長燃料
棒とを含み、前記部分長燃料棒は、前記最外層より一層
内側のコーナ部に配置されている。

【００１２】また、上記目的を達成するため、本発明に
よれば、正方格子状に配列された核燃料物質を含む複数
の第１の燃料棒と、核燃料物質を含み該第１の燃料棒よ
りも外径が細い第２の燃料棒とを有する燃料集合体にお
いて、前記第２の燃料棒は燃料棒配列の最外層のコーナ
部と該最外層のコーナ部に隣接する位置とに配置され、
前記第２の燃料棒相互のピッチは前記第１の燃料棒相互
のピッチよりも狭く、前記燃料棒配列の最外層のコーナ
部と該最外層のコーナ部に隣接する位置に配置された第
２の燃料棒のうち、特定のコーナ部及びこのコーナ部に
隣接する位置に配置された第２の燃料棒は、他のコーナ
部及びこのコーナ部に隣接する位置に配置された第２の
燃料棒よりも外径が細くかつ第２の燃料棒相互のピッチ
が狭いことを特徴とする燃料集合体が提供される。この
場合、好ましくは、前記第１及び第２の燃料棒を取り囲
むチャンネルボックスを更に含み、前記チャンネルボッ
クスの前記他のコーナ部に隣接するコーナ部の曲率は、
前記特定のコーナ部に隣接するコーナ部の曲率より小さ
い。なお、前記特定のコーナ部は、前記燃料集合体が、
その燃料集合体に隣接して制御棒が挿入される炉心に配
置されたとき、前記制御棒が挿入される側に位置するも
のとする。

【００１３】また、上記目的を達成するため、本発明に
よれば、核燃料物質を含み該径が最小である複数の細径
燃料棒と、核燃料物質を含み外径が前記細径燃料棒より
も大きい複数の太径燃料棒とを有し、横断面が正方形状
である燃料集合体において、前記細径燃料棒は、燃料棒
配列の最外層における少なくとも１つのコーナ及びその
コーナに隣接する位置に配置され、前記細径燃料棒相互
のピッチは、前記太径燃料棒相互のピッチよりも狭く、
前記最外層のコーナ部に隣接する位置に配置した細径燃
料棒と該最外層でこの細径燃料棒に隣接する前記太径燃
料棒とのピッチは、前記太径燃料棒相互のピッチより広
いことを特徴とする燃料集合体が提供される。この燃料
集合体において、好ましくは、前記少なくとも１つのコ
ーナは制御棒が挿入される側に位置している。更に、上
記目的を達成するため、本発明によれば、複数の燃料集
合体を含み、前記複数の燃料集合体の少なくとも１体は
上記の燃料集合体である炉心が提供される。

【００１４】

【作用】以上のように構成した本発明においては、第２
の燃料棒の外径を第１の燃料棒より細くすることによ
り、第２の燃料棒の単位長さあたりの出力を小さくする
ことが可能となる。また、第２の燃料棒相互のピッチを
第１の燃料棒相互のピッチよりも小さくすることによっ
て、第一に、第２の燃料棒とそれを囲む減速材とで構成
される単位格子セルが第１の燃料棒とそれを囲む減速材
とで構成される単位格子セルより小さくなるため、Ｈ／
Ｕ比が増大せず、第２の燃料棒の単位長さあたりの出力
を小さくすることが可能となる。特に、最も局所出力ピ
ーキングが高くなり易いコーナ部に位置する第２の燃料
棒に着目した場合、この最外層のコーナ部に位置する第
２の燃料棒と最外層のコーナ部に隣接する位置にある第
２の燃料棒との間にある減速材が減少し、当該最外層の
コーナ部に位置する第２の燃料棒についてのＨ／Ｕ比が
最適化される。その結果、燃料集合体のコーナ部の局所
出力ピーキングの増大を抑制しつつ、燃料集合体の平均
濃縮度を増大して高燃焼度化を図ることができる。ま
た、第二に、最外層のコーナ部に隣接する位置に配置し
た第２の燃料棒と該最外層でこの第２の燃料棒に隣接す
る第１の燃料棒とのピッチを、第１の燃料棒相互のピッ
チより広くする構成と組み合わせた場合は、第２の燃料
棒とこれに隣接する第１の燃料棒との間に新たな減速材
領域が形成され、この減速材領域がその第１の燃料棒ま
わりの熱中性子束を増加させ出力を増大させるように作
用するため、この面からも、第２の燃料棒の単位長さあ
たりの出力を小さくすることが可能となる。その結果、
更に燃料集合体のコーナ部の局所出力ピーキングの増大
を抑制しつつ、燃料集合体の平均濃縮度を増大して高燃
焼度化を図ることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は本
発明の第１の実施例の燃料集合体の水平断面を示すもの
であり、燃料集合体は、中央部に配置された２本の大型
水ロッド１と、水ロッド１のまわりに正方格子状に配列
された多数の第１の燃料棒２と、第１の燃料棒２より外
径を細くした第２の燃料棒４，５とを有し、これら水ロ
ッド１と第１及び第２の燃料棒２，４，５はその周囲を
横断面矩形のチャンネルボックス３で取り囲まれてい
る。第２の燃料棒４，５のうち、燃料棒４はチャンネル
ボックス３の各コーナ部に、これに対面して配置され、
燃料棒５は、燃料棒４に隣接して配置されている。第１
の燃料棒２の外径をｄ₀ 、第２の燃料棒４，５の外径を
ｄ₁ とすると、ｄ₁＜ｄ₀ である。燃料棒４は第１の燃
料棒２の正方格子状配列のコーナ部に位置し、燃料棒５
は第１の燃料棒２の正方格子状配列の格子位置より燃料
棒４の側に少しずれて位置しており、燃料棒４とこれに
隣接する燃料棒５，５とのピッチＰ₁は第１の燃料棒２
のピッチＰ₀よりも狭い（Ｐ₁＜Ｐ₀）。また、燃料棒配
列の最外層において燃料棒４と反対側の位置で燃料棒
５，５に隣接する第１の燃料棒２を２Ａとすると、燃料
棒５，５と第１の燃料棒２ＡのピッチＰ₂は第１の燃料
棒２のピッチＰ₀よりも広く（Ｐ₀＜Ｐ₂）なっている。
すなわち、Ｐ₁＜Ｐ₀＜Ｐ₂の関係にある。また、燃料棒
配列の最外層より一層内側のコーナ部に位置する第１の
燃料棒２を２Ｂとすると、第２の燃料棒４の外周面と第
２の燃料棒５の外周面との間隔（隣接する第２の燃料棒
４，５の隙間）Ｓ₁は隣接する第１の燃料棒２相互の外
周面の間隔（隣接する第１の燃料棒２の隙間）Ｓ₀にほ
ぼ等しく、第２の燃料棒５の外周面と第１の燃料棒２Ａ
の外周面との間隔（第２の燃料棒５と第１の燃料棒２Ａ
の隙間）Ｓ₂は間隔Ｓ₀，Ｓ₁より大きい。すなわち、Ｓ₁
＝Ｓ₀＜Ｓ₂である。その結果、各コーナ部の３本の燃料
棒４，５とこれに隣接する第１の燃料棒２Ａ，２Ｂとの
間の減速材領域（冷却水が流れる通路）の面積は第１の
燃料棒２同士の間にある減速材領域の面積よりも大きく
なり、第２の燃料棒４，５と第１の燃料棒２Ａ，２Ｂと
の間には新たな減速材領域６が形成される。

【００１６】図２に上記燃料集合体の全体構成を示す。
水ロッド（図示せず）及び燃料棒２，４，５は上部タイ
プレート７及び下部タイプレート８により支持され、か
つ中間部の複数の箇所をスペーサ９により保持されてい
る。チャンネルボックス３はこのようにして構成した燃
料バンドル全体を取り囲んでいる。

【００１７】以上のように構成した本実施例において
は、同じ密度で同じ濃縮度の燃料ペレットを用いて第１
の燃料棒２及び第２の４，５を構成し、上記のように燃
料集合体を構成した場合、ｄ₁＜ｄ₀とすることで、燃
料集合体コーナ部の第２の燃料棒４，５の単位長さあた
りの出力を小さくできる。

【００１８】また、本実施例においては、第２の燃料棒
４，５のピッチＰ₁を第１の燃料棒２のピッチＰ₀より
も小さくすることによっても第２の燃料棒４，５の単位
長さあたりの出力を更に小さくできる。以下、このこと
を図３及び図４を用いて説明する。

【００１９】図３において、正方格子状に配列された第
１の燃料棒２に関し、第１の燃料棒２とそれを囲む減速
材領域とで単位格子セルＣ₀が形成される。単位格子セ
ルＣ₀は、隣接する第１の燃料棒２相互間の中間点を通
る直線によって画定される正方形状の領域である。単位
格子セルＣ₀の一辺の長さは、第１の燃料棒２のピッチ
Ｐ₀の長さに等しい。一方、コーナ部に配置される第２
の燃料棒４，５についても、第２の燃料棒４，５とそれ
を取り囲む減速材領域とで単位格子セルＣ₁が形成され
る。単位格子セルＣ₁は、第２の燃料棒４と第２の燃料
棒５との間の中間点を通る直線を基準にし、第２の燃料
棒４，５のピッチＰ₁の長さで画定される正方形状の領
域である。単位格子セルＣ₁の一辺の長さは、当然、ピ
ッチＰ₁の長さとなる。ただし、前述のように第２の燃
料棒のピッチＰ₁を第１の燃料棒２のピッチＰ₀よりも
狭くすることで、第２の燃料棒４，５の単位格子セルＣ
₁の面積は第１の燃料棒２の単位格子セルＣ₀の面積よ
りも小さくなる。その結果、第２の燃料棒４，５の周囲
にあった余剰の減速材が第２の燃料棒４，５と第１の燃
料棒２Ａ，２Ｂとの間の境界領域に移され、その境界領
域に減速材領域６が形成される。また、第２の燃料棒
４，５とチャンネルボックス３の間にも、新たな減速材
領域６Ａが形成される。

【００２０】ところで、燃料棒に含まれる燃料物質量す
なわち燃料の核分裂断面積が同じである条件下では、燃
料棒の出力は、その燃料棒の中性子無限増倍率が大きい
ほど高くなる。一方、燃料棒とそれを取り囲む減速材領
域とで構成される単位格子セルを考えたとき、その単位
格子セルでの中性子無限増倍率は、図４に示すように、
Ｈ／Ｕ比に依存する。通常の燃料設計では、燃料集合体
内でボイド率が増大しても出力が増大しないように、Ｈ
／Ｕ比が減少するにしたがって中性子無限増倍率が小さ
くなる図示のＨ／Ｕ比の領域をとる。

【００２１】ここで、コーナ部にある第２の燃料棒４，
５に注目すると、第２の燃料棒４，５は外径を細くした
ことで燃料物質であるウランの量が減る。一方、もしこ
れら第２の燃料棒４，５が第１の燃料棒２と同じピッチ
で正方格子状に配列されたとしたならば、外径を細くし
たことでその分減速材が増加するので、単位格子セルの
Ｈ／Ｕ比は増加する。この場合、第２の燃料棒４，５の
出力は、燃料物質の量（燃料の核分裂断面積）を減少さ
せているので低減することができるが、燃料棒の小径化
に伴うＨ／Ｕ比の増加は中性子無限増倍率を増加させる
ことに作用するので、結果として第２の燃料棒４，５の
出力を増加させる要因である。このため、第２の燃料棒
４，５の燃料物質量を減少させたことで得られる出力の
低減はＨ／Ｕ比の増加により抑制される。すなわち、第
２の燃料棒４，５は燃料物質量を減少させたことで得る
ことのできる出力の低減効果を最大限に発揮することが
できない。

【００２２】本実施例では、上記のように、第２の燃料
棒４，５のピッチＰ₁を第１の燃料棒２のピッチＰ₀より
も狭くすることで、第２の燃料棒４，５の単位格子セル
Ｃ₁の面積は第１の燃料棒２の単位格子セルＣ₀の面積よ
りも小さくなり、第２の燃料棒４，５の単位格子セルＣ
₁のＨ／Ｕ比は増加せず、第２の燃料棒４，５は、燃料
物質量の減少による出力の低減効果を抑制されることな
く十分に出力を低減することができる。特に、最も局所
出力ピーキングが高くなり易いコーナ部に位置する第２
の燃料棒４に着目した場合、第２の燃料棒４，５間の減
速材が減少し、第２の燃料棒４についてのＨ／Ｕ比が最
適化され。

【００２３】また、第２の燃料棒４，５のピッチＰ ₁ を
第１の燃料棒２のピッチＰ ₀ よりも狭くし、かつ第２の
燃料棒５と第１の燃料棒２ＡのピッチＰ ₂ を第２の燃料
棒２のピッチＰ ₀ より広くすることにより、第２の燃料
棒４，５と第１の燃料棒２Ａ，２Ｂとの間には上記のよ
うに減速材領域６が形成される。この減速材領域６は、
第２の燃料棒４，５に隣接した第１の燃料棒２Ａ，２Ｂ
まわりの熱中性子束を増加させることに作用し、第１の
燃料棒２Ａ，２Ｂの出力を増大することができる。その
結果、燃料集合体全体の出力を一定とすれば、コーナ部
に位置する第２の燃料棒４，５の出力の分担割合が低減
し、更なる出力の低減が可能となる。

【００２４】すなわち、本実施例では、第２の燃料棒
４，５のピッチＰ₁を第１の燃料棒２のピッチＰ₀よりも
小さくすることによって、単位格子セルＣ₁が小さくな
ることによるＨ／Ｕ比の調整作用と、その構成を第２の
燃料棒５と第１の燃料棒２ＡのピッチＰ ₂ を第２の燃料
棒２のピッチＰ ₀ より広くする構成と組み合わせた場合
に得られる減速材領域６の第１の燃料棒２Ａ，２Ｂに対
する作用の２面から第２の燃料棒４，５の単位長さあた
りの出力を小さくでき、局所出力ピーキングを低減でき
る。

【００２５】本願発明者等の計算結果によれば、第２の
燃料棒４，５の外径を細くすることと、ピッチＰ₁を小
さくすることにより、第１の燃料棒２と第２の燃料棒
４，５とで同じ濃縮度とした場合、第２の燃料棒４，５
の外径を細くしただけでピッチは変えない燃料集合体に
比較して、コーナ部の第２の燃料棒４，５の局所出力ピ
ーキングを２％程度低減できる。また、同じレベルの局
所出力ピーキングの条件下では、燃料集合体平均の濃縮
度を０．１ｗｔ％（重量％）程度増大でき、濃縮度を高
めて高燃焼度化を図ることができる。

【００２６】したがって、本実施例によれば、燃料集合
体コーナ部の局所出力ピーキングの増大を抑制しつつ、
燃料集合体の平均濃縮度を増大して高燃焼度化を図るこ
とができる。

【００２７】本発明の第２の実施例を図５及び図６によ
り説明する。本実施例は、図１に示す第１の実施例の燃
料集合体に部分長燃料棒１０を配置したものである。部
分長燃料棒１０は、図５に示すように、正方格子状の燃
料棒配列の最外層から２層目のコーナ部及び辺の中央部
に位置している。チャンネルボックス３のコーナ部に隣
接して位置する第２の燃料棒４，５は部分長燃料棒１０
Ａのうちコーナ部に位置する部分長燃料棒１０Ａに隣接
している。部分長燃料棒１０Ａの燃料棒有効長は、図６
に示すように、通常長さの燃料棒である第１の燃料棒２
及び第２の燃料棒４，５の燃料有効長Ｌの１５／２４で
ある。

【００２８】本実施例によれば、燃料集合体の部分長燃
料棒１０Ａの上端より軸方向上部において、減速材領域
６が拡大されるため、第２の燃料棒４，５に隣接した第
１の燃料棒２Ａ，２Ｂまわりの熱中性子束の更なる増加
が可能となると共に、部分長燃料棒１０Ａに隣接した第
１の燃料棒２Ｃまわりの熱中性子束も増加させ、第１の
燃料棒２Ａ，２Ｂ，２Ｃの出力を増大することができ
る。その結果、コーナ部に位置する第２の燃料棒４，５
の出力の分担割合が更に低減し、更なる出力の低減が可
能となる。

【００２９】また、本実施例では、減速材領域６が第１
の実施例より多くなるため、炉心平均でのボイド率が変
化したときのコーナ部での水素原子数対ウラン原子数比
（Ｈ／Ｕ比）の変化は小さくなり、ボイド率の変化に対
する反応度変化、すなわちボイド係数の絶対値が小さく
なり、このため炉心安定性及び冷温時の原子炉停止余裕
が向上する。

【００３０】本発明の第３の実施例を図７により説明す
る。本実施例は、燃料格子を１０×１０とした燃料集合
体に本発明を適用したものである。本実施例において
も、チャンネルボックス３のコーナ部に位置する第２の
燃料棒４Ａ及びこれに隣接する第２の燃料棒５Ａ，５Ａ
の外径及びピッチの大小関係は、第１の実施例を同様
に、ｄ₁＜ｄ₀、Ｐ₁＜Ｐ₀＜Ｐ₂である。

【００３１】燃料格子数を増加した場合でも、局所的な
出力が増大する燃料棒は、特にチャンネルボックス３の
コーナ部に隣接した１２本の第２の燃料棒４Ａ，５Ａで
ある。したがって、本実施例でも、これら１２本の第２
の燃料棒４Ａ，５Ａの外径及びピッチを上記のように設
定することにより、第１の実施例と同様の効果が得られ
る。

【００３２】本発明の第４の実施例を図８〜図１０によ
り説明する。本実施例は、十字型制御棒を挿入する側の
ギャップ水面積が挿入されない側のギャップ水面積より
広いＤ型格子炉心に装荷することを配慮したものであ
る。

【００３３】図８において、２０は本実施例の燃料集合
体２５に隣接して挿入可能な十字型制御棒であり、燃料
集合体２５の十字型制御棒２０が挿入される側のチャン
ネルボックス３のコーナ部に隣接した領域２１Ａにおい
て、第２の燃料棒４Ｄ及びこれに隣接する第２の燃料棒
５Ｄ，５Ｄと第１の燃料棒２との外径及び燃料棒ピッチ
の大小関係は、第１の実施例を同様に、ｄ_1A＜ｄ₀、Ｐ
_1A＜Ｐ_0A＜Ｐ_2Aである。また、十字型制御棒２０が挿入
されない側のチャンネルボックス３のコーナ部に隣接し
た領域２１Ｂ、及び十字型制御棒２０が挿入される側と
十字型制御棒２０が挿入されない側との間のチャンネル
ボックス３のコーナ部に隣接した領域２１Ｃにおいて、
第２の燃料棒４Ｅ及びこれに隣接する第２の燃料棒５
Ｅ，５Ｅと第１の燃料棒２との外径及びピッチの大小関
係も、ｄ_1B＜ｄ₀、Ｐ_1B＜Ｐ_0B＜Ｐ_2Bである。そして、
更に、十字型制御棒２０が挿入される側のコーナ部領域
２１Ａの第２の燃料棒４Ｄ，５Ｄの外径ｄ_1Aを、十字型
制御棒２０が挿入されない側のコーナ部領域２１Ｂの第
２の燃料棒４Ｅ，５Ｅの外径ｄ_1Bよりも小さくし（ｄ_1A
＜ｄ_1B＜ｄ₀）、コーナ部領域２１Ａの第２の燃料棒４
Ｄ，５ＤのピッチＰ_1Aは、コーナ部領域２１Ｂの第２の
燃料棒４Ｄ，５ＥのピッチＰ_1Bよりも小さい（Ｐ_1A＜Ｐ
_1B）。

【００３４】Ｄ型格子炉心では、チャンネルボックス３
の外側に形成されるギャップ水領域面積の差異によっ
て、核分裂で発生した中性子の減速効果が異なるので、
熱中性子束レベルが異なる。本実施例では、制御棒挿入
側で、減速効果が良く、熱中性子レベルが高くなるた
め、制御棒挿入側にある第２の燃料棒４Ｄ，５Ｄの外径
及びピッチをより小さくしている。なお、本実施例で
は、十字型制御棒２０が挿入される側と十字型制御棒２
０が挿入されない側との間のコーナ部領域２１Ｃの第２
の燃料棒４Ｅ，５Ｅの外径及びピッチは十字型制御棒２
０を挿入されない側のコーナ部領域２１Ｂの第２の燃料
棒３Ｅ，５Ｅに等しい。

【００３５】図９及び図１０に本実施例の燃料集合体の
Ｄ型格子炉心への装荷方法及び装荷後の状態を示す。図
中、本実施例の燃料集合体は符号２５で示され、従来の
燃料集合体は符号２７で示されている。原子炉の炉心で
は、十字型制御棒２０の周囲に４体の燃料集合体を装荷
して１単位の燃料ユニットを構成しており、図９では４
体のうち一体を本実施例の燃料集合体２５に交換した移
行炉心の状態を示し、図１０では４体全てが本実施例の
燃料集合体２５に置き換えられた平衡炉心の状態を示し
ている。

【００３６】Ｄ型格子炉心では、図示のように十字型制
御棒２０を挿入する側のギャップ水領域２６Ａの面積が
制御棒が入されない側のギャップ水領域２６Ｂの面積よ
り広くなっている。すなわち、ギャップ水領域２６Ａの
幅をＤ₁、ギャップ水領域２６Ｂの幅をＤ₂とすると、
Ｄ₁＞Ｄ₂である。このようなＤ型格子炉心に本実施例
の燃料集合体２５を装荷する場合、通常燃料棒２より細
い外径の燃料棒の中で最も細い燃料棒４Ｄ，５Ｄを配置
した燃料集合体コーナ部が、十字型制御棒２０の中心部
に最も近くなるように配置する。

【００３７】本実施例によれば、第１の実施例と同様の
効果が得られると共に、コーナ部領域の燃料棒の外径及
びピッチをｄ_1A＜ｄ_1B＜ｄ₀、Ｐ_1A＜Ｐ_1Bとしたので、
十字型制御棒を挿入する側と挿入されない側のギャップ
水面積が異なることが補償され、局所出力ピーキングの
平坦化が促進される効果がある。

【００３８】本発明の第５の実施例を図１１より説明す
る。本実施例も、第４の実施例と同様に、Ｄ格子炉心に
装荷することを配慮したものである。本実施例では、第
４の実施例の構成に加え、十字型制御棒が挿入される側
と挿入されない側のギャップ水面積が異なることを考慮
し、十字型制御棒２０が挿入される側と十字型制御棒２
０が挿入されない側とで、チャンネルボックス３Ａのコ
ーナ部の曲率を異ならせている。

【００３９】すなわち、Ｄ型格子炉心では、前述したよ
うに十字型制御棒２０を挿入する側のギャップ水領域２
６Ａの面積が制御棒が入されない側のギャップ水領域２
６Ｂの面積より広くなっている。そこで、十字型制御棒
２０を挿入する側では、チャンネルボックス３Ａのコー
ナ部３０の曲率を図８に示す普通のチャンネルボックス
３のコーナ部の曲率よりも大きくし、ギャップ水領域２
６Ａの面積を減らし、十字型制御棒２０が挿入されない
側では、チャンネルボックス３Ａのコーナ部３１の曲率
を図８に示す普通のチャンネルボックス３のコーナ部の
曲率よりも小さくし、ギャップ水領域２６Ｂの面積を増
大する。なお、本実施例では、十字型制御棒２０が挿入
される側と十字型制御棒２０が挿入されない側との間の
チャンネルボックス３Ａのコーナ部３２の曲率は図８に
示す普通のチャンネルボックス３のコーナ部の曲率と同
じにする。

【００４０】本実施例によれば、チャンネルボックスコ
ーナ部の曲率を変化させて、燃料集合体コーナ部の減速
材配分を調整したので、十字型制御棒を挿入する側と挿
入されない側のギャップ水面積が異なることが補償さ
れ、局所出力ピーキングの平坦化が一層向上する。

【００４１】本発明の第６の実施例を図１２により説明
する。本実施例は、図１に示す第１の実施例において、
２本の水ロッド１に代え、１本の正方格子状大型水ロッ
ド１Ａを用いたものである。本実施例によれば、第１の
実施例よりも、正方格子状大型水ロッド８に隣接した通
常燃料棒２の本数が１０本から１２本へと２本増加する
と共に、水ロッド水面積が増加するので、水ロッドによ
る中性子の減速効果が増大する。これにより、燃料集合
体の局所出力ピーキングが更に平坦化される効果があ
る。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、燃料集合体コーナ部の局所出力ピーキングの
増大を抑制しつつ、燃料集合体の平均濃縮度を増大して
高燃焼度化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による燃料集合体の水平
断面図である。

【図２】図１に示す燃料集合体のＩＩ−ＩＩ線に沿った
断面図である。

【図３】第１の燃料棒の単位格子ピッチと第２の燃料棒
の単位格子ピッチを示す図である。

【図４】Ｈ／Ｕ比と中性子無限増倍率との関係を示す図
である。

【図５】本発明の第２の実施例による部分長燃料棒を含
む燃料集合体の水平断面図であり、図６のＶ−Ｖ線断面
を示す。

【図６】図５に示す燃料集合体のＶＩ−ＶＩ線に沿った
断面図である。

【図７】本発明の第３の実施例による燃料格子数が１０
×１０の燃料集合体の水平断面図である。

【図８】本発明の第４の実施例によるＤ格子炉心に装荷
される燃料集合体の水平断面図を示す。

【図９】図８に示す燃料集合体の装荷方法を示す図で、
４体の燃料集合体のうち１体が本実施例の燃料集合体に
置き代わった移行炉心の状態を示す。

【図１０】図８に示す燃料集合体の装荷方法を示す図
で、４体全てが本実施例の燃料集合体に置き代わった平
衡炉心の状態を示す。

【図１１】本発明の第５の実施例によるチャンネルボッ
クスのコーナ部の曲率を異ならせた燃料集合体の水平断
面図である。

【図１２】本発明の第６の実施例による１本の大型水ロ
ッドを用いた燃料集合体の水平断面図である。

【符号の説明】

１水ロッド（減速材）２，２Ａ，２Ｂ燃料棒（第１の燃料棒）３チャンネルボックス４，５燃料棒（第２の燃料棒）１０Ａ部分長燃料棒２０制御棒３０，３１チャンネルボックスのコーナ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山肇男茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者栗原国寿茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者山下淳一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)発明者西田浩二茨城県日立市大みか町七丁目２番１号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61−223582（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−9792（ＪＰ，Ａ) 特開平４−125493（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/328

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】正方格子状に配列された核燃料物質を含む
複数の第１の燃料棒と、核燃料物質を含み該第１の燃料
棒よりも外径が細い第２の燃料棒とを有する燃料集合体
において、前記第２の燃料棒は燃料棒配列の最外層のコーナ部と該
最外層のコーナ部に隣接する位置とに配置され、前記第
２の燃料棒相互のピッチは前記第１の燃料棒相互のピッ
チよりも狭く、前記最外層のコーナ部に隣接する位置に
配置した第２の燃料棒と該最外層でこの第２の燃料棒に
隣接する前記第１の燃料棒とのピッチは、前記第１の燃
料棒相互のピッチより広いことを特徴とする燃料集合
体。
【請求項２】正方格子状に配列された核燃料物質を含む
複数の第１の燃料棒と、核燃料物質を含み該第１の燃料
棒よりも外径が細い第２の燃料棒とを有する燃料集合体
において、前記第２の燃料棒は燃料棒配列の最外層のコーナ部と該
最外層のコーナ部に隣接する位置とに配置され、前記第
２の燃料棒相互のピッチは前記第１の燃料棒相互のピッ
チよりも狭く、隣接する前記第２の燃料棒の間隙は、隣
接する前記第１の燃料棒の間隙とほぼ等しいことを特徴
とする燃料集合体。
【請求項３】請求項１又は２記載の燃料集合体におい
て、前記複数の第１の燃料棒は、複数の通常燃料棒と、
前記通常燃料棒より燃料有効長が短い複数の部分長燃料
棒とを含み、前記部分長燃料棒は、前記最外層より一層
内側のコーナ部に配置されていることを特徴とする燃料
集合体。
【請求項４】正方格子状に配列された核燃料物質を含む
複数の第１の燃料棒と、核燃料物質を含み該第１の燃料
棒よりも外径が細い第２の燃料棒とを有する燃料集合体
において、前記第２の燃料棒は燃料棒配列の最外層のコーナ部と該
最外層のコーナ部に隣接する位置とに配置され、前記第
２の燃料棒相互のピッチは前記第１の燃料棒相互のピッ
チよりも狭く、前記燃料棒配列の最外層のコーナ部と該
最外層のコーナ部に隣接する位置に配置された第２の燃
料棒のうち、特定のコーナ部及びこのコーナ部に隣接す
る位置に配置された第２の燃料棒は、他のコーナ部及び
このコーナ部に隣接する位置に配置された第２の燃料棒
よりも外径が細くかつ第２の燃料棒相互のピッチが狭い
ことを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】請求項４記載の燃料集合体において、前記
第１及び第２の燃料棒を取り囲むチャンネルボックスを
更に含み、前記チャンネルボックスの前記他のコーナ部
に隣接するコーナ部の曲率は、前記特定のコーナ部に隣
接するコーナ部の曲率より小さいことを特徴とする燃料
集合体。
【請求項６】請求項４又は５記載の燃料集合体におい
て、前記特定のコーナ部は、前記燃料集合体が、その燃
料集合体に隣接して制御棒が挿入される炉心に配置され
たとき、前記制御棒が挿入される側に位置することを特
徴とする燃料集合体。
【請求項７】核燃料物質を含み外径が最小である複数の
細径燃料棒と、核燃料物質を含み外径が前記細径燃料棒
よりも大きい複数の太径燃料棒とを有し、横断面が正方
形状である燃料集合体において、前記細径燃料棒は、燃料棒配列の最外層における少なく
とも１つのコーナ及びそのコーナに隣接する位置に配置
され、前記細径燃料棒相互のピッチは、前記太径燃料棒
相互のピッチよりも狭く、前記最外層のコーナ部に隣接
する位置に配置した細径燃料棒と該最外層でこの細径燃
料棒に隣接する前記太径燃料棒とのピッチは、前記太径
燃料棒相互のピッチより広いことを特徴とする燃料集合
体。
【請求項８】請求項７記載の燃料集合体において、前記
少なくとも１つのコーナは制御棒が挿入される側に位置
していることを特徴とする燃料集合体。
【請求項９】複数の燃料集合体を含み、前記複数の燃料
集合体の少なくとも１体は、正方格子状に配列された核
燃料物質を含む複数の第１の燃料棒と、核燃料物質を含
み該第１の燃料棒よりも外径が細い第２の燃料棒とを有
し、前記第２の燃料棒は燃料棒配列の最外層のコーナ部
と該最外層のコーナ部に隣接する位置とに配置され、前
記第２の燃料棒相互のピッチは前記第１の燃料棒相互の
ピッチよりも狭く、前記最外層のコーナ部に隣接する位
置に配置した第２の燃料棒と該最外層でこの第２の燃料
棒に隣接する前記第１の燃料棒とのピッチは、前記第１
の燃料棒相互のピッチより広いことを特徴とする炉心。
【請求項１０】複数の燃料集合体を含み、前記複数の燃
料集合体の少なくとも１体は、正方格子状に配列された
核燃料物質を含む複数の第１の燃料棒と、核燃料物質を
含み該第１の燃料棒よりも外径が細い第２の燃料棒とを
有し、前記第２の燃料棒は燃料棒配列の最外層のコーナ
部と該最外層のコーナ部に隣接する位置とに配置され、
前記第２の燃料棒相互のピッチは前記第１の燃料棒相互
のピッチよりも狭いこと、前記少なくとも１体の燃料集合体に隣接して挿入可能な
制御棒を更に有し、前記燃料棒配列の最外層のコーナ部
と該最外層のコーナ部に隣接する位置に配置された第２
の燃料棒のうち、前記制御棒が挿入される側のコーナ部
及びこのコーナ部に隣接する位置に配置された第２の燃
料棒は、前記制御棒が挿入されない側のコーナ部及びこ
のコーナ部に隣接する位置に配置された第２の燃料棒よ
りも外径が細くかつ第２の燃料棒相互のピッチが狭いこ
とを特徴とする炉心。
【請求項１１】請求項９又は１０記載の炉心において、
前記少なくとも１体の燃料集合体は、前記第１及び第２
の燃料棒を取り囲むチャンネルボックスを更に含み、前
記チャンネルボックスの前記制御棒が挿入されない側の
コーナ部に隣接するコーナ部の曲率は、前記制御棒が挿
入される側のコーナ部に隣接するコーナ部の曲率より小
さいことを特徴とする炉心。