JP3292587B2

JP3292587B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JP3292587B2
Application number: JP10560794A
Authority: JP
Inventors: 精植田; 良平安藤; 徹光武
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1994-05-19
Publication date: 2002-06-17
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JPH07311291A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は軽水炉に好適な燃料集合
体に関し、特に水力特性、解体または組み立て性、経済
性等の向上を図った燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲと略
する）の燃料集合体では一般に、方形のチャンネルボッ
クスの中に多数の燃料棒が規則的に配列され、燃料棒間
を中性子減速材兼冷却材である水（以下、冷却水または
水と呼ぶ）が下方（上流）から上方（下流）に向かって
流れている。この流れとともに、冷却水は燃料棒で発生
した熱を奪うことによって沸騰し、生じた蒸気はタービ
ンへ導かれて発電に供される。

【０００３】図２６ないし図２８は、最近実用化される
ようになったＢＷＲの燃料集合体を例示している。

【０００４】図２６（Ａ）は燃料集合体１の縦断面図で
ある。この燃料集合体１は、可燃性毒物が添加された燃
料棒を含む多数の燃料棒２と水棒３とを複数のスペーサ
４、上流側結合部材としての下部タイプレート５及び下
流側結合部材としての上部タイプレート６により規則的
に配列した燃料バンドルを、チャンネルボックス７の内
部に収納した構成となっている。

【０００５】燃料棒２は同図（Ｂ）に示すごとく、上下
端に密封式の端栓８，９を有する金属製の被覆管１０の
中に多数の燃料ペレット１１を収納して構成されてい
る。燃料棒２の断面は一般に円形で上下端栓８，９を除
いて一様な径を有し、しかも通常すべての燃料棒２の外
径は同一とされている。

【０００６】水棒３は初期のＢＷＲの燃料集合体では用
いられていなかったが、経済性の向上が大きな目標とな
り、そのため燃料の濃縮度が次第に高められるにしたが
って採用されるようになったものである。このような水
棒は、初めの段階では燃料棒と略等しい外径を有するも
のとして構成され１本設けられていた。そして次の段階
で２本に増加し、さらに次の段階で４本の燃料棒を外し
た空間を占める太径水棒（本発明では４セル水棒と呼ぶ
こともある）として大形化されてきている。

【０００７】燃料集合体の改良設計はさらに進行中であ
り、７本の燃料棒を外した空間に２本の太径水棒を採用
する場合や、９本の燃料棒を外した空間に１本の断面円
形あるいは正方形のさらに横断面積の大きい太径（本発
明では超太径と呼ぶこともある）の水棒を採用する場合
もみられるようになっている。このような太径ないし超
太径の水棒は冷却水に対して広い濡れ面積を有するた
め、冷却水の流れに対して比較的大きな圧力損失を生じ
ることが知られている。なお、本明細書では、特に必要
な場合を除き、太径および超太径水棒を総称して太径水
棒と呼ぶ。

【０００８】図２６（Ｃ）に示す水棒３は前述の４セル
水棒の例である。この水棒３の上部と下部とは耐震問題
と前記冷却水の圧力損失問題を緩和するために一部小径
な構成となっている。なお、水棒３の内部には通水孔３
ａを介して炉水が導入出され、この炉水が沸騰しない程
度に緩やかに流れ、その炉水によって中性子が効果的に
減速されるようになっている。

【０００９】図２７（Ａ）は水棒３の直径が大きい部分
の燃料集合体１の横断面を示し、同図（Ｂ）は細い部分
の同燃料集合体１の横断面を示している。

【００１０】図２８は燃料バンドルの軸方向出力分布、
および冷却水沸騰に伴って発生する水蒸気（ボイド）の
割合の軸方向分布を、模式化した燃料集合体１と対比し
て示したものである。

【００１１】燃料集合体１は同図（Ａ）に示すように、
例えば７個のスペーサ４（ＳＰ１〜ＳＰ７）と、上下の
タイプレート６，５（ＵＴＰ，ＬＴＰ）とにより、可燃
性毒物を燃料に添加した複数の燃料棒（本明細書では毒
物棒と呼ぶ）を含む多数の燃料棒と水棒とが、規則的に
配列されて一体化されている。

【００１２】同図（Ｂ）に示す出力分布において、上部
と下部とが格段に低下しているのは、これらの部分の燃
料の濃縮度を中性子経済性向上の観点から大幅に低下さ
せているためであり、近年の好ましい設計とされてい
る。

【００１３】同図（Ｃ）は出力運転中の代表的なボイド
割合の軸方向分布を示したものである。主として上方に
おいてボイド割合が高く、中性子の減速効果が低下して
いる。このため、上記のように、出力分布が上方で低下
傾向となる。

【００１４】したがって、上方（下流側）において燃料
の一部を除去すれば、相対的に燃料に対する割合が増加
し、上方における出力の低下の程度を緩和することがで
きる。本発明者はこの点に着目し、短尺燃料棒（Ｐａｒ
ｔＬｅｎｇｔｈＲｏｄ：ＰＬＲ）の概念を特開昭５
２−５０４９８号公報等で既に開示している。ここで、
短尺化した燃料棒の下端は、短尺化していない通常の燃
料棒（本明細書では長尺燃料棒あるいは通常燃料棒と呼
ぶ）の下端と揃えるため、上部（下流部）では燃料棒が
欠落することになる。この空間は“Ｖａｎｉｓｈｉｎｇ
Ｒｏｄ ”と呼ばれることがある（本明細書ではＶＲ
またはＶＲ空間と呼ぶ）。このＶＲ空間の形成により、
冷却水の圧力損失が大幅に緩和され、流れの外乱に対す
る圧力損失の変化も減少して、熱水力学的安定性が向上
し、その結果核的な安定性も向上するメリットが生ず
る。また、長尺燃料棒では冷却特性が悪化するような場
合、これを短尺化することにより冷却特性の悪化を回避
することもできる。さらに燃料棒の短尺化により、原子
炉停止時の未臨界度が深くなり、停止余裕を大きくする
ことも可能となる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＶＲ空
間を形成した場合には、ＶＲ空間の下端位置で冷却水の
上昇流に偏りが生じ、一部の燃料棒の冷却特性が悪化す
る場合がある。

【００１６】また冷却水は発熱していないチャンネルボ
ックスの内面に接して層を成すように流れる傾向があ
り、従って燃料棒の冷却水への寄与は少ないことが理解
される。換言すると、チャンネルボックス内面に接して
いる水を利用して冷却特性を改良し得る余地があること
が理解できる。

【００１７】ところで、燃料経済性向上、すなわち燃料
の高燃焼度化の観点から、燃料棒内の核分裂性核種（フ
ィッサイル）濃度（ウラン燃料ではＵ−２３５の濃縮
度）を高めることは不可欠である。また、蓄積されてい
るプルトニウムをウランに添加した混合酸化物燃料（Ｍ
ＯＸ燃料）を効果的に採用することも最近重要な問題と
なってきている。

【００１８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、チャンネルボックスに面した位置に配置される
燃料棒または毒物棒の表面に冷却能力の高い水を近隣の
燃料棒の方へ振り向けることができるとともに、不必要
な冷却水旋回の反動として生じる回転応力を相殺させる
ことができる燃料集合体を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、燃料に可燃性毒物を添加しない多数の
燃料棒と、燃料に可燃性毒物を添加した複数の毒物棒
と、両端部の一定長さ範囲を除き前記燃料棒の径より大
きい径を有する少なくとも１本の太径水棒とを、複数の
スペーサ、上流側結合部材及び下流側結合部材を用いて
格子状に配列し一体化して燃料バンドルとし、この燃料
バンドルを取り囲む配置で金属製のチャンネルボックス
を設けてなる燃料集合体において、前記チャンネルボッ
クスに面した位置に第２の燃料棒または毒物棒を配置さ
せ、この第２の燃料棒または毒物棒は、冷却水の流れの
下流側端から一定長さ範囲に亘って細径化された細径部
と、隣接する燃料棒の核分裂性核種の濃縮度が天然ウラ
ンのウラン２３５の濃縮度より高い部分の位置となる前
記細径部に取付けられ冷却水の流れに旋回流を起こさせ
る冷却水旋回機構と、前記細径部の前記スペーサと係合
する位置に装着され細径化されていない部分の直径と同
じ外径を持つ短尺管と、この短尺管に装着され前記冷却
水旋回機構と冷却水の旋回方向を逆転させた旋回流を起
こさせる旋回羽根とを有することを特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明に係る燃料集合体によれば、燃料棒また
は毒物棒に設けた細径部の旋回機構によってチャンネル
ボックス表面の冷却能力の高い水を近隣の燃料棒の方へ
振り向けることができるとともに、これらの燃料棒また
は毒物棒の細径部に設けた短尺管の旋回羽根によって冷
却水旋回機構による冷却水の旋回方向を逆転させ、燃料
棒または毒物棒に不必要な冷却水旋回の反動として生じ
る回転応力を相殺させることができる。

【００２１】なお、本明細書において、「チャンネルボ
ックス」はＢＷＲ用燃料集合体のチャンネルボックスに
限らず、各種原子炉において燃料バンドルを直接的に取
り巻く構造材を広く示すものとする。

【００２２】

【実施例】以下、本発明に係る燃料集合体の実施例を図
面を参照して説明する。

【００２３】図１ないし図９は第１の実施例を示してい
る。

【００２４】この実施例の燃料集合体２０はＢＷＲ用燃
料集合体であり、図１および図２（Ａ）〜（Ｅ）に示す
ように、方形のチャンネルボックス２１の内部に、通常
の燃料棒（長尺燃料棒）２２と、これと外径がほぼ等し
い可燃性毒物棒２３（符号Ｇを付したもの。以下、Ｇ毒
物棒と呼ぶ。通常ガドリニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）をウラニア
（ＵＯ_２）に添加して焼結したペレット２４が通常の燃
料棒と同様に金属管２５の中に充填されている（図２
（Ａ）））と、太径水棒２６（図２（Ｂ））と、中実太
径２領域毒物棒２７（図２（Ｃ））と、中水太径２領域
毒物棒２８（図２（Ｄ））と、チャンネルボックス２１
の内面に面した一部の偏流機構付き短尺燃料棒２９（図
２（Ｅ））（本明細書では偏流短尺燃料棒と呼ぶ）と
が、燃料バンドルコーナと中央とに規則的に配置されて
いる。

【００２５】太径水棒２６は図２（Ｂ）に示すように、
外管２６ａと内管２６ｂとで２重管構造とされ、両者の
間にはガドリニウム（Ｇｄ）筒２６ｃが水密状に挿入さ
れている。内管２６ｂの内側には冷却材貫流部としての
通水孔２６ｄを介して炉水が矢印ａで示すように、下方
から上方へ沸騰しない程度に緩やかに流れている（この
可燃性毒物であるＧｄを添加した太径水棒２６を、以
下、毒物入り太径水棒と呼ぶ。）中実太径２領域毒物棒
２７は図２（Ｃ）に示すように、外管２７ａと内管２７
ｂとで２重構造とされ、外管２７ａと内管２７ｂとの間
にはガドリニアの添加割合が低い（例えば１〜３重量
％）円環状毒物ペレット２７ｃが、また内管２７ｂの内
部にはガドリニア添加割合が高い（例えば５重量％以
上）芯毒物ペレット２７ｄが、それぞれ密封挿入されて
いる。なお、内管２７ｂは省略してもよい。芯毒物ペレ
ット２７ｄは円環状ペレット２７ｃと比べて断面積が大
幅に小さくなっており、ウランなどの燃料物質を充填し
なくても炉心への燃料装荷量の低下率は微小であり、従
って必要であればウラニアを用いず、ガドリニアを単独
で、又はジルコニウム等を用いたサーメットとして、或
いはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）
等との混合酸化物焼結体として内管の内部に充填される
（ここで、ペレット状とは粒状も含むものとする）。

【００２６】中水太径２領域毒物棒２８は図２（Ｄ）に
示すように、中実太径２領域毒物棒２７と同様に外管２
８ａ、内管２８ｂ、円環状毒物ペレット２８ｃを有する
構成であるが、芯毒物ペレットがなく、内管２８ｂの内
部に炉水を矢印ｂのように通水孔２８ｄを介して沸騰し
ない程度に流す点で異なっている。内管２８ｂの内径を
大きくすると、毒物棒としての反応度効果が増大する代
わりに早期に燃焼し尽くすため、この点を考慮した設計
が必要である。

【００２７】偏流短尺燃料棒２９は図２（Ｅ）に示すよ
うに、通常の燃料棒２２と同様に金属管２５にペレット
２４を充填した構成であるが、上端側の一定長さ範囲に
亘る部分を細径管３０としたものである。なお、細径管
３０には細径燃料物質の採用も可能であり、また管に代
えて中実な棒構造を採用してもよい。この細径管３０の
外周部に、偏流機構３１として、高速炉で用いられるワ
イヤスペーサと類似の螺旋状ワイヤ等からなる偏流部材
３１ａが巻装され、これにより細径管３０の外周面を流
れる冷却水が旋回流を起こすことになっている。この旋
回流により、チャンネルボックス２１の表面の冷却能力
の高い水を近隣の燃料棒２２の方へ振り向けることがで
きる。なお、偏流短尺燃料棒２９の本数が多過ぎると、
燃料のインベントリが減少したり反応度損失を生じた
り、出力ピーキングが過大になるなど、種々の問題が生
じ易いため、本数はやや少なめが良い。本実施例ではチ
ャンネルボックス２１に沿って８本設けられている。こ
のうち、バンドルコーナに位置する短尺燃料棒２９ａだ
け設け、中央側のもの２９ｂは通常の燃料棒に代えた方
が良い場合も考えられる。

【００２８】図３は、図１の燃料集合体２０からチャン
ネルボックス２１を取り外した燃料バンドル２０ａを側
面視で模式的に示したものであり、合せて太径水棒２
６、太径２領域毒物棒２７，２８および偏流短尺燃料棒
２９を抽出して示している。符号ＬＴＰは下部タイプレ
ート３２、ＵＴＰは上部タイプレート３３、ＳＰ１〜Ｓ
Ｐ７は格子状のスペーサ３４をそれぞれ示している。

【００２９】ＢＷＲ用燃料集合体では上端側のスペーサ
（ＳＰ６，ＳＰ７）付近で冷却水の冷却能力の余裕が小
さくなりやすいことが知られているため、本実施例で
は、太径水棒２６と太径２領域毒物棒２７，２８とを共
にこの付近から上側（下流側）で細径管３５としたもの
である。この細径管３５には、図４（Ａ）に示す短尺管
３６付き旋回羽根３７や、図４（Ｂ）に示す円錐形のフ
ロー制御材３８が装着され、近隣の燃料棒２２側に向け
て冷却水を矢印ｃの如く供給するようになっている。こ
こで短尺管３６にはスペーサ３４が当接または保持さ
れ、その直径は細径化されていない部分の直径と同一と
され、これにより細径化していない場合と同様にバンド
ルを組み立てたり解体することができ、従来の燃料組み
立て装置あるいは解体装置をそのまま使用できるように
なっている。短尺管３６の上下流側の端部３６ａ，３６
ｂには冷却水の不要な圧力損失を避けるため図４に示す
ように、テーパ付き断面としたり、流線形構造とするこ
とが望ましい。

【００３０】図４（Ｃ）は、同図（Ａ）の変形例を示し
ている。即ち、短尺管３６の上下流側端部が共に円錐状
の外形とされて滑らかに変化している。このように外形
が滑らかに変化しているので、冷却水は矢印ｄに示すよ
うに外周側に偏流し、近隣燃料棒に対する冷却効率が向
上する。

【００３１】図４（Ｄ）は前述した偏流短尺燃料棒２９
の細径管３０部分を拡大して示している。同図に示すよ
うに、冷却水旋回機構としての偏流部材３１ａが取り付
けられている。この機構には他の変形例も考えられる。
たとえば棒状のものに緩やかなピッチで比較的深いネ
ジ、あるいは溝を形成してもよい。

【００３２】なお、偏流短尺燃料棒２９のスペーサ当接
部には、図４（Ａ）に類似した短尺管（ただし、スペー
サ保持部材は取り付けない）が取り付けられている。ま
た、冷却水旋回機構によりチャンネルボックス２１の内
表面側を流れる冷却水が近隣の燃料棒２２へ供給され
る。

【００３３】図５〜図９は本発明の燃料集合体２０を構
成する各種棒状物の長さ方向構造を模式的に、より詳細
に示したものである。即ち、図５は図２（Ｂ）に示した
太径水棒２６の全体図で、可燃性毒物としてのＧｄ筒２
６ｃが外管２６ａと内管２６ｂとからなる２重管の内部
に密封されている。また、図６は通常の長尺燃料棒２２
および従来型の毒物棒２３、図７は中実太径２領域毒物
棒２７、図８は中水太径２領域毒物棒２８、図９は偏流
短尺燃料棒２９をそれぞれ示している。これら図５〜図
９に示した各部材の構成については既に説明したので、
図２〜図４（ならびに図２６等）と同一部分に同一符号
を付して、その説明は省略する。

【００３４】以上で説明した第１の実施例の燃料集合体
２０によれば、中性子束が高い位置に太径２領域毒物棒
２７，２８を配置することにより、大きい中性子増倍率
抑制効果が得られるようになり、燃料に可燃性毒物を添
加した構成の毒物棒２３の本数が削減可能となる。この
結果、燃料集合体２０内の出力ピーキングの緩和が図れ
るとともに、プルトニウムをより多く装荷でき、また太
径水棒２６の周りに集まりがちな冷却水の流れが調整さ
れ、燃料棒２２の冷却に効果的に活用されるため、燃料
の冷却特性が向上するようになる。

【００３５】また、熱中性子束が高くなる位置が太径と
なっている太径水棒２６の管肉部にＧｄ筒１６ｃなどの
可燃性毒物を含ませているので、燃料集合体２０の中性
子増倍率抑制効果が大きくなる。さらに、太径水棒２６
の外周部および内周部の水に面する表面積が従来の毒物
棒の表面積に比べて著しく大きいため、１本の毒物入り
太径水棒２６の中性子増倍率抑制効果は、従来の毒物棒
の数倍（例えば５倍）に及ぶ。したがって、その分だけ
通常の毒物棒２３の本数を低減することができ、代りに
通常の燃料棒２２を使用することができる。原子炉運転
サイクルのうちで太径多領域毒物棒の中性子吸収作用が
続いている期間は太径水棒の中性子吸収作用は抑制され
るため、その期間における中性子増倍率の過大な抑制効
果は大幅に緩和される。

【００３６】そして、太径２領域毒物棒２７の中性子吸
収作用が弱まった頃に毒物入り太径水棒２６の中性子吸
収作用が発揮される。運転サイクルの終了時点の少し前
では一般に毒物作用は最小とされるが、その際は単に太
径水棒２６として作用し、燃料集合体２０のサイクル末
期において不足がちとなる中性子増倍効果を向上させる
ことができる。なお、設計条件によってはサイクル末期
でも毒物作用を残す事も可能である。

【００３７】また、太径２領域毒物棒２８の内部に冷却
材、すなわち炉水を導入することで高速中性子が減速さ
れて毒物に吸収されやすい熱中性子となるため、燃料集
合体２０の中性子増倍率抑制効果が一段と増大される。

【００３８】しかも、太径２領域毒物棒２７の内部の可
燃性毒物２７ｄの濃度を外周部のそれより高くすると、
まず運転サイクルの初期の燃料集合体２０の中性子増倍
率が特に高くなりがちな期間において増倍率抑制作用を
済ませた後、外周部の可燃性毒物２７ｃの中性子吸収作
用が消滅し、内部の可燃性毒物２７ｄが緩やかに増倍率
抑制作用を発揮することになる。すなわち、本構成は燃
料集合体２０の中性子増倍率の実効的な値をほぼ一定に
保つ作用がある。

【００３９】さらに、本実施例によれば、細径化された
部分に装着された冷却水偏流機構３１の作用によって、
太径水棒２６および太径多領域毒物棒近傍に集まりがち
な冷却水を周辺の燃料棒２２の方へ偏流するため、燃料
の冷却効果が向上する。

【００４０】さらにまた、チャンネルボックス２１に面
した一部の燃料棒２２あるいは毒物棒２３のうち、冷却
水の流れの下流側で燃料棒２２の熱的余裕の少ない部分
を細径化し、そこに冷却水偏流機構３１を設けることに
より、その冷却水偏流作用によって構造材内面の冷却水
が隣接燃料棒２２の方へ偏流され、隣接燃料棒２２の冷
却に寄与することができる。

【００４１】また、太径２領域毒物棒２７，２８、燃料
棒２２、毒物棒２３または太径水棒２６の下流側の細径
化されスペーサと係合する部分に、上流側で細径化して
いない部分とほぼ同じ直径の短尺管３６が装着されてい
るため、スペーサ３４自体も特に変更する必要がなく、
また燃料集合体２０の組み立てや必要時の解体作業の場
合でも、従来とほぼ同様に作業を行うことができる。

【００４２】なお、短尺管３６の上流側と下流側とにテ
ーパ部３６ａ，３６ｂを形成することにより、冷却特性
の改良を行うことができる。即ち、細径管３５と短尺管
３６との間を円錐状に外径が滑らかにつながるようにテ
ーパ部３６ａ，３６ｂを設けることにより、スペーサ部
での流路面積変化が滑らかとなり、流れに対する外乱を
抑制することができる。また、テーパ部３６ａ，３６ｂ
により冷却水が近隣の長尺燃料棒に振り向けられるの
で、長尺燃料棒２２の冷却効率が改善される。

【００４３】なお、以上に説明した第１の実施例におい
ては、下記のように種々の変形が可能である。

【００４４】（１）太径水棒を１重管とし、可燃性毒物
を除く。（２）太径２領域毒物棒を全て中実または中水毒物棒と
する。（３）太径２領域毒物棒の一部または全部を３領域以上
とする。（４）太径２領域毒物棒の中に充填されているペレット
等の表面にジルコニウムボライド（ＺｒＢ_２）等の可燃
性毒物を塗布する。（５）中実太径２領域毒物棒の内管内に、または内管を
用いないで内部に、硼素化合物、希土類元素の酸化物等
を充填する。（６）下流側で水棒、毒物棒、偏流短尺燃料棒などの細
径化する範囲をいろいろ変化させる。（７）偏流短尺燃料棒の位置、本数、あるいは細径化す
る範囲等をいろいろ変え、さらにそれらを適宜組み合わ
せる。（８）中実可燃性毒物棒の位置、濃度、本数等を変更す
る。

【００４５】図１０は本発明の第２の実施例を示してい
る。本実施例は、全ての燃料棒２２が比較的広い冷却水
の流れる間隙に面するように燃料棒２２の配列を変更し
たものである。

【００４６】即ち、この燃料集合体２０では、太径水棒
２６の回りに、４本の中水太径２領域毒物棒２８と、符
号Ｇで示した４本のＧ毒物棒２３とが配置されている。
Ｇ毒物棒２３内でのＵＯ_２へのＧｄ_２Ｏ_３添加濃度を比
較的高くし（例えば８〜１０重量％）、毒物入り太径水
棒２６および中水太径２領域毒物棒２８の核的特性から
くるサイクル末期での燃料集合体の過度の反応度上昇問
題を避けている。

【００４７】このような本実施例の構成によれば、冷却
特性が良く、かつ中性子の共鳴吸収を逃れる確率が増大
し、出力運転中の反応度利得がある。チャンネルコーナ
の燃料棒２２には偏流短尺燃料棒２９を採用して冷却特
性の低下が防止でき、停止余裕も良くなる。また、燃料
集合体２０を構成する燃料濃縮度の種類を低減できる場
合も生じる。

【００４８】図１１は本発明の第３の実施例を示してい
る。本実施例は第２の実施例と類似しているが、燃料の
濃縮度が比較的低い場合に適しているもので、毒物入り
太径水棒２６の周りにＧ毒物棒が配置されておらず、通
常の燃料棒２２が４５度の対角線に対して対称に配置さ
れている。このような構成によると、中水太径２領域毒
物棒２８のＧｄ_２Ｏ_３濃度は比較的低く抑えられている
（例えば２〜４重量％）ものと、高いもの（例えば５〜
８重量％）との組み合わせとすることによって、サイク
ル末期における燃料集合体の過度の反応度上昇問題を緩
和することができる。

【００４９】図１２は本発明の第４の実施例を示してい
る。本実施例は前記各実施例と異なり、２本の毒物入り
太径水棒２６が燃料集合体２０の中央部に隣接配置さ
れ、両者と直交するように隣接して２本の中水太径２領
域毒物棒２８が配置されている。

【００５０】もし、この位置に普通の直径の燃料棒や従
来型の毒物棒を配置したとすると、その周りの冷却水流
路が広いため、冷却水が集り易く、従って冷却特性が低
下するが、本実施例によれば、その弊害が解除される。
本実施例では水棒は断面を円形としているがそれに限定
する必要がないのは、他の実施例も含めて同様である。

【００５１】図１３は本発明の第５の実施例を示してい
る。本実施例では２本の隣接する毒物入り太径水棒２６
と直交して２本の中実太径２領域毒物棒（内部で濃度が
高く、外周部で低い）２７が配置されている。低濃縮度
用燃料集合体であるため、図１２の場合８本のＧ毒物棒
が用いられているのに対し、図１３の例では４本となっ
ている。

【００５２】本実施例の構成は燃料の濃縮度が比較的低
い場合に適している。

【００５３】図１４は本発明の第６の実施例を示してい
る。本実施例は第４の実施例と類似しているが、従来型
のＧ毒物棒２３が偏流短尺燃料棒２９に接近した配置と
され、また、中水太径に代えて中実太径２領域毒物棒２
７（但し、外周部にはガドリニア毒物が含まれていない
もの）が用いられている。

【００５４】本実施例によれば、図１０に示した場合に
比べて、反応度抑制効果は若干小さいものの、燃焼サイ
クルに亘る中性子増倍特性の変化を小さくし易い効果が
ある。

【００５５】図１５は本発明の第７の実施例を示してい
る。本実施例は、前記第６の実施例と構造的にほぼ同様
であるが、２本の太径水棒のうち一方２６はガドリニウ
ムを含み、他方２６′は硼素化合物を含んでいる。

【００５６】本実施例によれば、硼素の中性子吸収断面
積がＧｄのそれより小さいため、燃焼速度が遅く、その
ためサイクル末期における中性子増倍率の過度の増加を
抑制することができる。硼素化合物の使用方法として
は、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_４Ｃ混合焼結体を外管２６ａと内管
２６ｂとの間に挿入したり、外管２６ａの内面及び／又
は内管２６ｂの外面にＺｒＢ_２を塗布するなどの手段が
可能である。

【００５７】図１６は本発明の第８の実施例を示してい
る。本実施例は前記第５の実施例と類似しているが、燃
料集合体２０が内部の２本の毒物入り太径水棒２６と２
本の太径２領域毒物棒２７（内部にＧｄを含むペレット
があり、外周部の燃料ペレットにはＺｒＢ_２のコーティ
ングが施されている）とを取り巻くように燃料棒を３×
３を一グループとする水ギャップで離間された８個のサ
ブハンドルで取り巻かれて構成されている。

【００５８】本実施例によれば、前記第５の実施例より
も共鳴を逃れる確率が高くなるため、中性子増倍率を若
干大きくすることができる。また、コーナから３番目の
燃料棒２２は、第５実施例ではチャンネルボックス２１
に面しているのに対し、本実施例では広い水ギャップに
面しているため冷却特性も改良される。

【００５９】図１７は本発明の第９の実施例を示してい
る。本実施例も、前記第５の実施例と類似しているが、
燃料棒２２の配置が一様でなく、図１０および図１１の
場合とほぼ同様に多くの水ギャップを有する離間配置と
なっている。本実施例によれば、冷却特性が良く、かつ
図１３の場合よりも中性子増倍率の若干高い燃料集合体
が得られ、燃焼度向上に有利である。

【００６０】図１８は本発明の第１０の実施例を示して
いる。本実施例では、燃料集合体２０内の燃料棒２２が
一様には配列されておらず、４−１−４型の粗密構造に
配列されている。中央部には２本の毒物入り太径水棒２
６が隣接配置され、それらを挾むように６本の太径２領
域毒物棒２７，２８が配置されている。これら６本の毒
物棒のうち３本組の中央のもの２８は中水２領域太径毒
物棒、両側のもの２７は中実２領域太径毒物棒とされて
いる。中実のものは、外周部に低濃度のガドリニアが添
加されている。チャンネルボックス２１に面する燃料棒
２２のうち、一つ置きの８本のものは短尺化されてお
り、チャンネルボックス２１の内面から冷却余裕の大き
い冷却水が近接燃料棒へ供給される。

【００６１】本実施例によれば、可燃性毒物による燃料
集合体２０の中性子増倍率抑制効果が大きく、しかも長
続きする。したがって濃縮度の比較的高い燃料集合体に
適している。また、燃料棒２２が粗密に配置されている
ため、前述のように運転中の反応度を高めるのに有利で
ある。

【００６２】図１９は本発明の第１１の実施例を示して
いる。本実施例は図１０に示した実施例と類似している
が、燃料棒２２は９×９ではなく１０×１０に配列され
ている。

【００６３】本実施例によれば作用効果は図１０の場合
と略同様である。但し、チャンネルボックスに面してい
る燃料棒２２は２本おきに短尺化されており、冷却特性
がさらに改良されている。

【００６４】図２０は本発明の第１２の実施例を示して
いる。本実施例では、燃料棒２２が１１×１１に配置さ
れており、中央に１本の毒物入り太径水棒２６が配置さ
れ、その周りを取り巻くように８本の中実太径２領域毒
物棒２７が配置されている。燃料集合体内の燃料棒本数
は、初期のＢＷＲでは６×６であったが、７×７、８×
８、９×９という具合に大きくなって来ており、さらに
１０×１０、１１×１１へとさらに大きくなるものと想
定される。本実施例はそれに対応したものである。

【００６５】図２１は本発明の第１３の実施例を示して
いる。本実施例のタイプの燃料集合体２０は基本的には
ヨーロッパで開発されたもので、燃料集合体２０の燃料
バンドル２０ａは４個のサブバンドル２０′ａに分割さ
れており、それぞれの間にスリット状の非沸騰水領域４
０が設けられている。

【００６６】この例では中央に毒物入り太径水棒２６が
配置されている。スリット部の構造材はチャンネルボッ
クスのそれと同じく、ジルカロイで構成されている。ス
リット状非沸騰水領域４０には必要に応じて可燃性毒物
を添加した中性子吸収板を挿入することも可能である。
また、中央の水棒を取り囲むようにして、４本の太径２
領域毒物棒２７，２８が配置されている。そのうち２本
２８が中水太径２領域毒物棒、他の２本２７は中実太径
２領域毒物棒とされている。燃料集合体２０の各コーナ
部の燃料棒２２は冷却特性が一般に良くないため、偏流
短尺燃料棒２９が配置されている。

【００６７】なお、以上の実施例においては、ＢＷＲ用
燃料集合体の場合につき、多数の例を挙げて説明した
が、本発明はＢＷＲ燃料集合体の場合に限定されない。
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）やイギリスや日本で開発され
た沸騰軽水冷却・重水減速型熱中性子炉（ＳＧＨＷＲ，
ＡＴＲ）などでも利用できる。

【００６８】以下、ＰＷＲ用燃料集合体、及びＡＴＲ、
ＣＡＮＤＵ、ＳＧＨＷＲ等の圧力管型原子炉用燃料集合
体の場合について簡単に説明する。

【００６９】図２２は本発明の第１４の実施例として、
ＰＷＲ用燃料集合体を示している。燃料棒２２は１５×
１５に配置され、５本の毒物入り太径水棒２６が対称に
配置されている。中央の水棒は構造的条件から他の４本
より細径となっており、その周りに４本の中実太径２領
域毒物棒２７が配置されている。この毒物棒のガドリニ
ア濃度は内部で高く、外周部で低くなっている。ＰＷＲ
燃料集合体の周りにはチャンネルボックスは配置されて
いないため、偏流短尺燃料棒は配置されていない。

【００７０】本実施例においても、ＢＷＲ用燃料集合体
と同様の効果が奏される。

【００７１】図２３〜図２５は本発明の第１５の実施例
として、３種の圧力管型原子炉用燃料集合体２０を示し
ている。本実施例では各燃料棒２２がほぼ等間隔で外形
が円形となるように同心円状に配置されて燃料バンドル
（燃料クラスターと呼ばれることが多い）となってい
る。燃料バンドルは円形の圧力管４１内に配置されて燃
料集合体２０となっている。実際には、圧力管４１の周
りに図示しない気体の断熱層があり、さらにその周りを
カランドリア管が取り巻いている。圧力管４１の内面に
面して配列された燃料棒２２のうち５本ごとに偏流短尺
燃料棒２９が配置され、圧力管４１の内面付近の冷却余
裕のある水を近隣の燃料棒２２へ振り掛ける構成とされ
ている。燃料集合体２０の中央部分には、毒物入り太径
水棒２６とそれを取り巻くように太径２領域毒物棒２
７，２８が配置されている。

【００７２】図２３の例では中実太径２領域毒物棒２７
が４本、図２４および図２５の例では燃料濃縮度が高い
場合に必要であり、６本のうち３本が中実太径２領域毒
物棒２７、他の３本が中水太径２領域毒物棒２８とされ
ている。図２５の例では従来型のＧで示す毒物棒２３が
配置されており、燃料濃縮度が図２４の場合よりもさら
に高い場合に好適である。

【００７３】本発明の概念は以上に示したＢＷＲ、ＰＷ
Ｒ、あるいはイギリス、カナダ、日本などで開発された
圧力管型重水炉の燃料集合体のみに限らず、研究開発が
進められている高転換型軽水炉の燃料集合体にも適用す
ることができる。

【００７４】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明に係る燃
料集合体によれば、チャンネルボックスに面した位置に
配置される特定の燃料棒または毒物棒に設けた細径部の
旋回機構によってチャンネルボックス表面の冷却能力の
高い水を近隣の燃料棒の方へ振り向けることができると
ともに、これらの燃料棒または毒物棒の細径部に設けた
短尺管の旋回羽根によって冷却水旋回機構による冷却水
の旋回方向を逆転させ、燃料棒または毒物棒に不必要な
冷却水旋回の反動として生じる回転応力を相殺させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施例を示す
もので、ＢＷＲ用燃料集合体の横断面図。

【図２】図１における部品の拡大図で、（Ａ）は通常の
燃料棒及び毒物棒、（Ｂ）は毒物入り太径水棒、（Ｃ）
は中実太径２領域毒物棒、（Ｄ）は中水太径２領域毒物
棒、（Ｅ）は冷却水旋回機構を装着した偏流短尺燃料棒
をそれぞれ示す要部縦断面図。

【図３】前記実施例における燃料集合体からチャンネル
ボックスを取り外した状態の縦側面図で太径水棒および
太径多領域毒物棒ならびに偏流短尺燃料棒の軸方向高さ
関係を概念的に示す図。

【図４】（Ａ）は太径水棒の下流部で細径化しかつスペ
ーサと係合する位置で冷却水旋回機構を有し、さらにス
ペーサ保持片を取り付けた短尺管部の概念を説明する
図、（Ｂ）は水棒、毒物棒及び短尺燃料棒のうち、細径
化された部分に装着するもので、旋回機構ではなく側面
へ冷却水を偏流させるフロー制御材を示す図、（Ｃ）は
（Ａ）の変形例を示す図、（Ｄ）は旋回機構を有するフ
ロー制御材の一例を示す図。

【図５】前記実施例による太径水棒を示す図。

【図６】前記実施例による燃料棒と毒物棒とを示す図。

【図７】前記実施例による中実太径２領域毒物棒を示す
図。

【図８】前記実施例による中水太径２領域毒物棒を示す
図。

【図９】前記実施例による偏流短尺燃料棒を示す図。

【図１０】本発明に係る燃料集合体の第２の実施例を示
す横断面図。

【図１１】本発明に係る燃料集合体の第３の実施例を示
す横断面図。

【図１２】本発明に係る燃料集合体の第４の実施例を示
す横断面図。

【図１３】本発明に係る燃料集合体の第５の実施例を示
す横断面図。

【図１４】本発明に係る燃料集合体の第６の実施例を示
す横断面図。

【図１５】本発明に係る燃料集合体の第７の実施例を示
す横断面図。

【図１６】本発明に係る燃料集合体の第８の実施例を示
す横断面図。

【図１７】本発明に係る燃料集合体の第９の実施例を示
す横断面図。

【図１８】本発明に係る燃料集合体の第１０の実施例を
示す横断面図。

【図１９】本発明に係る燃料集合体の第１１の実施例を
示す横断面図。

【図２０】本発明に係る燃料集合体の第１２の実施例を
示す横断面図。

【図２１】本発明に係る燃料集合体の第１３の実施例を
示す横断面図。

【図２２】本発明に係る燃料集合体の第１４の実施例を
示す横断面図。

【図２３】本発明に係る燃料集合体の第１５の実施例を
示す横断面図。

【図２４】図２３に示す実施例の変形例を示す図。

【図２５】図２３に示す実施例の他の変形例を示す図。

【図２６】（Ａ）は従来のＢＷＲ用燃料集合体を示す縦
断面図、（Ｂ）は燃料棒を示す図、（Ｃ）は太径水棒を
示す図。

【図２７】（Ａ）は従来の同上燃料集合体を示す横断面
図、（Ｂ）は他の例を示す横断面図。

【図２８】（Ａ）は燃料集合体からチャンネルボックス
を取り外した縦側面図、（Ｂ）はそれに対応した出力分
布図、（Ｃ）はボイド分布図。

【符号の説明】

２０燃料集合体２０ａ燃料バンドル２１チャンネルボックス２２長尺燃料棒２３可燃性毒物棒２４ペレット２５金属管２６太径水棒２７中実太径２領域毒物棒２７ａ，２８ａ外管２７ｂ，２８ｂ内管２７ｃ，２８ｃ円環状毒物ペレット２７ｄ芯毒物ペレット２８中水太径２領域毒物棒２８ｄ通水孔２９偏流短尺燃料棒３０細径管３１偏流機構３１ａ偏流部材３２下部タイプレート３３上部タイプレート３４スペーサ３５細径管３６短尺管３６ａ，３６ｂテーパ部３７旋回羽根３８フロー制御材４０スリット状非沸騰水領域４１圧力管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ２１Ｃ 3/30 Ｑ 3/34 Ｒ (72)発明者光武徹神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (56)参考文献特開平２−147890（ＪＰ，Ａ) 特開平５−150064（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−150582（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−1591（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−250392（ＪＰ，Ａ) 特開平７−301688（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/328 G21C 3/30 G21C 3/322 G21C 3/326 G21C 3/344

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料に可燃性毒物を添加しない多数の燃
料棒と、燃料に可燃性毒物を添加した複数の毒物棒と、
両端部の一定長さ範囲を除き前記燃料棒の径より大きい
径を有する少なくとも１本の太径水棒とを、複数のスペ
ーサ、上流側結合部材及び下流側結合部材を用いて格子
状に配列し一体化して燃料バンドルとし、この燃料バン
ドルを取り囲む配置で金属製のチャンネルボックスを設
けてなる燃料集合体において、前記チャンネルボックス
に面した位置に第２の燃料棒または毒物棒を配置させ、
この第２の燃料棒または毒物棒は、冷却水の流れの下流
側端から一定長さ範囲に亘って細径化された細径部と、
隣接する燃料棒の核分裂性核種の濃縮度が天然ウランの
ウラン２３５の濃縮度より高い部分の位置となる前記細
径部に取付けられ冷却水の流れに旋回流を起こさせる冷
却水旋回機構と、前記細径部の前記スペーサと係合する
位置に装着され細径化されていない部分の直径と同じ外
径を持つ短尺管と、この短尺管に装着され前記冷却水旋
回機構と冷却水の旋回方向を逆転させた旋回流を起こさ
せる旋回羽根とを有することを特徴とする燃料集合体。