JP4316119B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水冷却型原子炉用燃料集合体に係り、特にボイド反応度を負とするための燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に水冷却型原子炉の炉心は、核分裂性物質（燃料）を装填した多数の燃料ロッドを結束した燃料集合体を多数体配置して構成され、核分裂性物質で発生する熱除去のための冷却材として水が使用されている。
【０００３】
水は中に含まれる水素原子の中性子減速能力が大きいため、水の割合が大きい従来の水冷却型原子炉では核分裂により発生する高エネルギ中性子を大きく減速し、エネルギの低い熱中性子が中性子の大部分をしめている。
【０００４】
エネルギの低い中性子を核分裂性物質が吸収した場合には、中性子を約３個発生させる核分裂反応ではなく、核分裂を起こさず原子核の中に取り込んでしまう捕獲反応の割合が大きくなる。即ち、中性子吸収当たりの発生中性子数が低エネルギ中性子による核分裂では少なくなる。
【０００５】
一方、高エネルギ中性子では、捕獲反応の割合が小さいため、捕獲による効果を含めても吸収当たりの平均中性子発生数は２個以上とすることが可能であり、１個が連鎖反応の維持に使われ、残りの１個はＵ−238等の親物質に吸収させて核分裂性物質を効率的に生成することが可能である。この核分裂性物質の生成と消滅の比率が１以上であれば燃料の増殖ができたこととなり資源エネルギの確保の点から各国で増殖炉が開発されている。
【０００６】
しかし、従来の水冷却型原子炉では水の燃料に対する割合が大きく中性子は低エネルギであるために、増殖はできず、核分裂性物質の生成と消滅の比率（増殖比と称する。なお、この比が１以下であれば、転換比と称しているがここでは簡単にすべて増殖比と称する。）が１以下（0.5程度）の値となっていた。この
ため増殖炉であれば原理的には100％熱エネルギに変換できるウラン資源の１％程度が利用できるに過ぎなかった。
【０００７】
但し、高エネルギスペクトルとすると従来の大型高速炉のように冷却材の沸騰による反応度（ボイド反応度）が正となる可能性がある。水冷却型原子炉では炉心の安定性や安全性の観点でボイド反応度は負の値にすることが重要である。
【０００８】
このため、従来では燃料集合体の中に内部が空洞の中性子漏れ管を設けてボイド反応度を低減する構造が提案されている。すなわち、チャンネルボックスの内部に多数本の燃料ロッドを配置し、かつ多数本の燃料ロッドの中央部に中性子漏れ管を設けた構造の燃料集合体である。この種の燃料集合体は、横断面が正六角形の筒状チャンネルボックス内に多数本の燃料棒が整列配置され、中央部軸心線に沿って中性子漏れ管が配置され冷却水が下方から上方へ流れるように構成されている。中性子漏れ管の内部を流れる冷却材のボイド率は、炉心の出力が上昇とともに大きくなるので中性子の漏洩が増加する。この効果により、ボイド反応度を低減させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の水冷却型原子炉において、チャンネルボックス内に中性子漏れ管を設けて増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とする燃料集合体は、水の分子の放射化および被覆管と水との反応により水素が発生し、この水素が中性子漏れ管内部に閉じ込められ、最悪の場合は爆発する危険性の課題がある。
【００１０】
また、従来の中性子漏れ管では、下端の角が鋭角なため中性子漏れ管に溜まった多量の蒸気が急にあるいは偏って抜けるため、ボイド反応度が時間的に急激に変化し、被覆管の健全性に悪い影響を与える。過渡変化時においては、炉心の熱的な健全性が劣化するので、ボイド反応度をさらに小さくし、炉心出力を小さくし、炉心の熱的余裕をさらに向上させる必要がある。
【００１１】
中性子の漏れを効果的に行うためには、冷却材流路と中性子漏れ管からなる全体の断面積に占める中性子漏れ管の面積比を大きくする必要がある。従来のように、冷却材流路を環状部とし、中央部に中性子漏れ管を設ける構成では、中性子漏れ管の断面積比を大きくすると環状部の冷却材流路の内壁(中性子漏れ管の外壁)と外壁との間隙が狭くなり、流路直径が狭くなって流路抵抗が増して冷却材流路を流れる流量が低下したり、流速が大きくなって流力振動の問題が生じるおそれがある。
【００１２】
さらに、稠密バンドルの核特性として、出力が増加し、ボイド率が増加すると共にボイド反応度（ボイド率増加に対する反応度増加割合）が正になる傾向がある。そこで、炉心のボイド率が増加すると共に、中性子漏れ管での中性子漏れ率が増加する必要がある。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とする水冷却型原子炉においてその性能を向上させた冷却型原子炉用燃料集合体を提供する事を目的とする。
【００１４】
また、本発明は運転状態で中性子漏れ管の機能を損なうことなく、中性子漏れ管内部の空気抜きが容易にでき、出力上昇時には中性子漏れ管内部にボイドを効果的に溜めることができる燃料集合体を提供することにある。
さらに、ボイド反応度が時間的に急激に変化することがなく、燃料皮覆管の健全性に悪影響を及ぼすことがない燃料集合体を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に対応する発明は、チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、前記中性子漏れ管の下端を閉塞する下部端栓と、前記下部端栓又は前記中性子漏れ管の下端部に設けられた冷却材流入孔とを備えるとともに、前記冷却材流出孔は上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔からなり、前記テーパ状冷却材流出孔の内面に階段状の溝を設けたことを特徴とする。
この発明によれば、中性子漏れ管内のボイド率上昇時に上端部の流出孔からのボイドを抜け難くさせることができる。また、流出孔のテーパ形状の表面を粗くし、かつ、階段状の溝を設けることで流動抵抗を増加させ、中性子漏れ管内のボイド率上昇時に上端部の流出孔からのボイドを抜け難くできる。
【００１７】
請求項２に対応する発明は、チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、前記中性子漏れ管の下端を閉塞する下部端栓と、前記下部端栓又は前記中性子漏れ管の下端部に設けられた冷却材流入孔とを備えるとともに、前記冷却材流出孔は上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔からなり、前記中性子漏れ管の内部に両端部が閉塞した複数の細管を束ねた密閉細管束を装填したことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に対応する発明は、チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、前記中性子漏れ管の下部に複数の流路孔を有する中性子吸収またはガンマ線吸収による発熱体を設けるとともに、前記冷却材流出孔は、前記上部端栓に設けられた金属円筒と前記金属円筒の内部に所定の隙間を介して配置され前記金属円筒の金属よりも熱膨張率の大きな金属で形成された金属円柱とからなることを特徴とする。
請求項４に対応する発明は、前記上部端栓はニッケル板で構成されていることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１から３により、本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を説明する。
【００３１】
本実施の形態は図１に示したように正六角形角筒状チャンネルボックス１内に燃料ロッド２と内部が空洞の中性子漏れ管３を設けてボイド反応度を低減する構造の燃料集合体である。なお、ここでは、六角型燃料集合体の実施例を示しているが、特に、燃料集合体の形状にはこだわらず、例えば正方型燃料集合体でも構わない。
【００３２】
図２は図１における中性子漏れ管３の縦断面を示している。すなわち、中性子漏れ管３は上下両端が上部端栓４と下部端栓６により閉塞され、上部端栓４に上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔５を有し、下部端栓６の近傍に冷却材流入孔７を有している。これにより、中性子漏れ管内のボイド率上昇時は、上端部の流出孔５の流動抵抗が増大し、中性子漏れ管内のボイドを抜け難くさせている。
【００３３】
図３に中性子漏れ管３内部の冷却材の様子を示した。流入孔７から流入した流入冷却材８は、ガンマ線などの放射線により発熱するので、流入孔７及び流出孔５の大きさを適切に設定することで、図３に示すように中性子漏れ管３内部でボイド化が可能となる。
【００３４】
その場合、発熱量は炉心の出力によって変化するため、低出力時は図３（ａ）に示すように中性子漏れ管３内部はボイドが割合が低い状態であるが、高出力時には図３（ｂ）の状態となり、中性子漏れ管３内部のボイド割合が上昇する。このボイド割合の増加により、テーパ状冷却材流出孔５の流動抵抗は増大するため、中性子漏れ管３内のボイドを抜け難くなる。従って、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
【００３５】
つぎに図４（ａ）、（ｂ）により本発明に係る第２の実施の形態を説明する。
【００３６】
本実施の形態は第１の実施の形態における上部端栓４を改良したことにあり、その他の部分は第１の実施の形態と同様なので、重複する部分の説明は省略する。すなわち、図４（ｂ）に示したように上部端栓４に設けたテーパ状冷却材流出孔５の表面を粗くし、かつ、内部を流れる冷却材の流れに対して抵抗となる階段状溝13を設けて、階段状テーパ形流出孔としたことにある。
【００３７】
本実施の形態によれば、ボイド流出時の流動抵抗を増加させることで、高出力時の中性子漏れ管内部のボイド流出を更に抑制され、これにより中性子の漏洩をより増加させ、ボイド反応度を低減することができる。
【００３８】
つぎに図５により本発明に係る第３の実施の形態を説明する。
図５は、本発明の第３の実施の形態にける中性子漏れ管の縦断面形状を示している。
【００３９】
本実施の形態は第１の実施の形態において示した中性子漏れ管３ａを、図５に示したように、中性子漏れ管３ａの内部に冷却材が上部へ流れ、かつ中性子漏れ管３の内部は両端を閉じた薄肉密閉細管15を束ねた密閉細管束14の構造としたことにあり、その他の部分は第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
本実施の形態によれば、密閉細管15の肉厚は管径が小さいため、0.2mm程度まで薄くすることができる。したがって、密閉細管15による中性子の吸収を抑制する事が出来、かつ、流動条件に係わらず中性子漏れ管内の中空を安定して維持出来るため、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
【００４１】
つぎに図６により本発明に係る第4の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第３の実施の形態に準じるもので、図６は本実施の形態に係る中性子漏れ管３ｂの縦断面形状を示している。すなわち、図６において、中性子漏れ管３ｂの内部は薄肉ハネカム密閉構造16にすることで中性子の吸収を抑制し、かつ、流動条件に係わらず中性子漏れ管３ｂ内の中空を安定して維持出来るため、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
【００４２】
つぎに図７により本発明に係る第５の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第１の実施の形態における中性子漏れ管３の他の例にあり、図７は本実施の形態の中性子漏れ管３ｃとその周囲の蒸気流の流れの状態を示している。
【００４３】
本実施の形態は図７に示したように、中性子漏れ管、３ｃとその下方に中性子またはガンマ線吸収により発熱する材質、例えば、ハフニウム、ステンレス鋼等で形成した流路孔18を有する発熱体19を配置し、中性子漏れ管３ｃの上部に形状記憶合金で構成される形状記憶合金製管20とから構成されている。常温では、中性子漏れ管３ｃ内部と外部が形状記憶合金製管20により連通している。
【００４４】
従来のように形状記憶合金製管20が無い場合は、この中性子漏れ管３ｃ内部に閉じ込められた空気23が抜ける通路が無いため、除去する事ができない。このため、この空気23が冷却材に溶け込み冷却材の溶存酸素濃度が上昇し、燃料被覆管に悪い影響を及ぼす。
【００４５】
本実施の形態では、常温では形状記憶合金製管20が連通しており、運転状態（つまり、冷却材温度が高い）では形状記憶合金製管20が塞がれるように構成されている。つまり、常温状態で形状記憶合金製管20を通って空気23がすべて外に出てしまう。
【００４６】
高温状態になると、形状記憶合金製管20が封鎖されるため、発熱体18で加熱され発生した蒸気21は、中性子漏れ管３ｃの内部が蒸気24で満たされるまで、中性子漏れ管３ｃに流入する。一方、中性子漏れ管３ｃの内部が蒸気24で満たされた後は、発生した蒸気21の大部分は、燃料ロッド被覆管25との間の外側の流路22を通過するようになる。
【００４７】
つぎに図８（ａ）、（ｂ）により本発明の第６の実施の形態を説明する。
図８（ａ）は、本実施の形態における中性子漏れ管の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００４８】
本実施の形態は中性子漏れ管３ｄの上蓋26の中央部に金属円筒27を設け、この金属円筒27の内部に金属円筒27の金属よりも熱膨脹率の大きな金属で作られた金属円柱28を設置し、金属円筒29の上と下に図８（ｂ）に示すように複数の板29を設置したことにある。
【００４９】
常温では、金属円筒27と金属円柱28の間に隙間30があるため、中性子漏れ管３ｄ内部の空気23がこの隙間30から抜ける事ができる。本実施の形態では、金属円柱28は、金属円筒27よりも熱膨脹率の大きな金属で作られているため、運転状態（つまり、冷却材温度が高い）では隙間30が無くなるように構成されている。
【００５０】
つまり、常温状態で隙間30を通って空気23がすべて外に出てしまう。高温状態になると、隙間30が封鎖されるため、図７に示すように発熱体19で加熱され発生した蒸気21は、中性子漏れ管の内部が蒸気で満たされるまで、中性子漏れ管３ｄに流入する。一方、中性子漏れ管３ｄの内部が蒸気24で満たされた後は、発生した蒸気21の大部分は、外側の流路22を通過するようになる。
【００５１】
つぎに図９（ａ）（ｂ）により本発明の第7の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第６の実施の形態に準じたものなので、図９中、図８と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００５２】
本実施の形態は中性子漏れ管３ｄの上蓋26をNiで構成したことにある。運転状態では、図９に示すように水の分子の放射化および被覆管と水との反応により水素31が発生し、水素31が中性子漏れ管３ｄの内部に閉じ込められ最悪の場合は、爆発する危険性がある。本実施の形態では、中性子漏れ管３ｄは上蓋26がNiで形成されている。この構成では、水素原子は小さいので、Ni製の上蓋26から抜け、水素31を除去する事が可能となる。
【００５３】
つぎに図10により本発明の第8の実施の形態を説明する。
図10（ａ）は本実施の形態を説明する中性子漏れ管の縦断面図、図10（ｂ）は（ａ）の比較図である。
【００５４】
本実施の形態における基本的な構成は図７から図９に示した実施の形態と同様である。上述した中性子漏れ管３ｃ、３ｄでは図10（ｂ）に示したように、下端の角が鋭角なため、多量の蒸気泡32が溜まって急にあるいは偏って抜けるため、ボイド反応度が時間的に急激に変化し、被覆管の健全性に悪い影響を与える可能性がある。そこで、本実施の形態では図10（ａ）に示すように中性子漏れ管の角を丸く曲面33に形成することにある。本実施の形態によれば蒸気の抜けをスムーズにして上述したボイド反応度の急激な時間変化を緩和する事ができる。
【００５５】
つぎに図11により本発明の第９の実施の形態を説明する。
本実施の形態は、中性子漏れ管３ｃまたは３ｄの下部に多数の横穴34を開けたことにある。本実施の形態によれば、蒸気の抜けをスムーズにして上述したボイド反応度の急激な時間変化を緩和する事ができる。
【００５６】
つぎに図12により本発明の第10の実施の形態を説明する。
図12は、本実施の形態を説明する中性子漏れ管の縦断面図である。
本実施の形態の基本的な構成は図７から図11の実施の形態と同様であるが、本実施の形態は中性子漏れ管３ｃまたは３ｄの上蓋35を大径としたことにある。すなわち、上蓋の外径を大きくした大径上蓋35により外側の流路22を中性子漏れ管３ｃまたは３ｄの出口で絞ってたことにある。
【００５７】
例えば、ポンプが停止した場合、発熱体18への冷却材の量が少なくなるため、発生蒸気量は増大する。中性子漏れ管の内部はすでの蒸気24で満たされているため、発生した蒸気21は外側の流路22を流れ、この部分のボイド率を増大し、これによりボイド反応度を減少させる事ができる。
【００５８】
本実施の形態によれば、外側の流路22のボイド率を大きくし、ボイド反応度を抑えるために、上蓋35の端部Bの部分を絞っている。過渡変化時には通常に比べて発生ボイド量が増える。上部を狭くしておくと、過渡変化時にはそこを通過するボイド量が増えで結果的に圧損が増える。つまり、蒸気が抜けにくくなり、結果的に外側の流路22のボイド率が上昇し、ボイド反応度をさらに抑える事ができる。
【００５９】
つぎに図13（ａ）、（ｂ）により本発明の第11の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第10の実施の形態において、大径上蓋35に図13（ｂ）に示したように複数の縦穴36を設けたことにある。図12に示した構成では、通常時にボイドが 角に溜まり急激に抜けて、脇の流路のボイド変化が激しい。そこで、大径35に複数の穴36を設ける事により通常時のボイドの抜けをスムーズにすることができる。
【００６０】
つぎに図14により本発明の第12の実施の形態を説明する。
図14は、本実施の形態における中性子漏れ管３ｅを概略的に鳥瞰図で示している。すなわち本実施の形態は中性子漏れ管３ｅ内に水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる環状のボイド蓄積部37、水-蒸気二相流が流入し、流出する冷却材流路38、水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39および内管40とから構成されている。
【００６１】
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向がある。
【００６２】
環状部にボイドが供給される割合が高いため、環状部に効果的にボイドを蓄積することができるメリットがある。また、中央の冷却材流路に流入したボイドは冷却材流路38を通って流出する。入口から流入するボイド率が高くなるとともに、ボイド蓄積部37、冷却材流路共に高ボイド率となり、中性子漏れ率が高くなる。
【００６３】
図15に示す従来の中性子漏れ管41において、ボイドを蓄積する円筒型ボイド蓄積部42が中央に設けられている場合では、本実施の形態の環状のボイド蓄積部37の場合に比べて、次のようにボイド率の面積比を大きくすることができる。図15の中性子漏れ管41の外管の直径をD、従来技術の流路を同心円流路として外壁との幅をdとし、本実施の形態の中央部の流路直径を2dとした場合のボイド蓄積部の面積比を比較すると、従来技術が1-4d/D、本発明が1-4d2/D2である。
【００６４】
例えば、d/D=0.1(10％)とした場合、ボイドの占める断面積比は従来技術が60％、本実施の形態が96％となり、本実施の形態の中性子漏れ管が従来技術に比べて1.5倍以上のボイド断面積比が得られ、効果的にボイドを蓄積することができることがわかる。
【００６５】
つぎに図16および図17（ａ）、（ｂ）により本発明の第13の実施の形態を説明する。
図16は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管43の鳥瞰図である。本実施の形態は、中性子漏れ管43上部の中性子漏れ管44、下部の中性子漏れ管45、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる上部の環状ボイド蓄積部46、水-蒸気二相流が流入し、流出する上部中性子漏れ管の冷却材流路47、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる下部の環状ボイド蓄積部48、水-蒸気二相流が流入し、流出する下部中性子漏れ管の冷却材流路49、中性子漏れ管上面の小孔50および水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39とから構成されている。
【００６６】
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向がある。
【００６７】
環状部にボイドが供給される割合が高くなり、環状部に効果的にボイドを蓄積することができるメリットがある。下部の中性子漏れ管45における下部の環状ボイド蓄積部48では冷却材が二相流となる条件で、上述の機能により高ボイド率領域となる。
【００６８】
一方、中性子漏れ管44の上部では、蒸気（ボイド）を含む流れが上部ボイド蓄積部46に流入する経路は上部の冷却材流路47と下部の冷却材流路49の冷却材流路径d2,d1の違いによる環状部分(流路幅(d2-d1)/2)である。
【００６９】
従って、炉心出力が増加して下部の冷却材流路49の冷却材中のボイド率が増加すると、ボイド蓄積部へのボイド流入量が増加して高ボイド率領域を形成するので、中性子漏れ率が高くなる。
【００７０】
図17（ａ）、（ｂ）に原子炉運転状態での本実施の形態の中性子漏れ管43内ボイド率を示す。図17（ａ）は炉心出力が低く、冷却材中のボイド率が低い状態、図17（ｂ）は炉心出力が高く、冷却材中のボイド率が高い状態を示す。
【００７１】
下部の中性子漏れ管45ではボイド蓄積部48が高ボイド率領域となるため、炉心出力が高い状態も低い状態も、高ボイド率となる。上部と下部の冷却材流路径の違いによる環状流路(流路幅(d2-d1)/2)から上部のボイド蓄積部46に流入するボイド率の違いにより、炉心出力が高い状態では上部のボイド蓄積部46のボイド率が増加する。
【００７２】
沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部のボイド蓄積部48を炉心出力低の状態にも高ボイド率領域とするのは中性子漏れ効果が高い。
【００７３】
つぎに図18により本発明の第14の実施の形態を説明する。
図18は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管の鳥瞰図である。
本実施の形態は中性子漏れ管51上部中性子漏れ管44、下部中性子漏れ管45、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる上部の環状ボイド蓄積部46、水-蒸気二相流が流入し、流出する上部中性子漏れ管の冷却材流路47、上部冷却材流路の狭まり流路52、上部冷却材流路の広まり流路53、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる下部の環状ボイド蓄積部48、水-蒸気二相流が流入し、流出する下部中性子漏れ管の冷却材流路49、水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39とからより構成されている。
【００７４】
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向があるため、環状部にボイドが供給される割合が高いため環状部に効果的にボイドを蓄積することができる効果がある。
【００７５】
下部の中性子漏れ管45のボイド蓄積部では冷却材が二相流となる条件で、上述の機能により高ボイド率領域となる。一方、上部の中性子漏れ管44の上部では、冷却材中のボイド率が低い条件では上部の冷却材流路の広まり流路53の下部の冷却材流れは上部の冷却材流路47に流入するだけであるから、ほとんどボイドの蓄積はない。
【００７６】
ボイド率が増加し、狭まり流路52と広まり流路53が引き続くベンチュリ型流路ののど部（最小流路直径dt）でボイド率の高い流れが大きな流動抵抗となって流量が低下すると、蒸気（ボイド）を含む流れが上部ボイド蓄積部46に流入し、高ボイド率領域を形成し、中性子漏れ率が高くなる。
【００７７】
ベンチュリ型流路の狭まり角、広まり角は例えば流路壁で流れの剥離が生じない角度（約10゜以下）にすることにより圧力が回復し、流れに対する抵抗を抑えることができる。また、のど部の流路面積を入口部流路面積の半分とすると、のど部直径dtはdt=0.7d2とすれば良い。
【００７８】
図19（ａ）、（ｂ）に原子炉運転状態での本発明の中性子漏れ管内ボイド率を示す。図19（ａ）は炉心出力が低く、冷却材中のボイド率が低い状態、図19（ｂ）は炉心出力が高く、冷却材中のボイド率が高い状態を示す。下部の中性子漏れ管ではボイド蓄積部が高ボイド率領域となるため、炉心出力が高い状態も低い状態も、高ボイド率となる。
【００７９】
炉心出力が高く、冷却材流路のボイド率が高くなると、下部の冷却材流路から流入する二相流があふれて上部のボイド蓄積部に流入すると共に、ボイド率が蓄積されるので、図20に示すように冷却材流路中のボイド率増加に先行して上部のボイド蓄積部が高ボイド率領域を形成する。
【００８０】
沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部のボイド蓄積部を炉心出力低の状態にも高ボイド率領域とするのは中性子漏れ効果が高い。
【００８１】
つぎに図21および図22により本発明の第15の実施の形態を説明する。
図21は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管54の鳥瞰図である。
本実施の形態は中性子漏れ管54内下部に環状ボイド蓄積部55を設け、環状ボイド蓄積部55内に冷却材流路56を設け、上部に燃料領域57を設けるとともに、環状ボイド蓄積部55の下方に発熱体39を設けている。
【００８２】
したがって、中性子スペクトルの高い炉心構成とするために冷却材領域を減らしたとえば燃料棒を稠密配置とする炉心の場合、効果的に水を排除するためには冷却材中の水密度の大きな炉心下部に中性子漏れ機能を持つ中性子漏れ管を設ける。中性子漏れ管を設けると、燃料棒を配置する空間が少なくなるので、燃料サイクルコスト上有利とはいえない。
【００８３】
そこで、本実施の形態のように中性子漏れ管54の上部を燃料領域57として複数の燃料棒を配置することにより、燃料領域を増やした構成とする。このような中性子漏れ管54を設けたことにより、燃料サイクルコスト上のデメリットを小さくすると共に、ボイド反応度を低減した炉心を提供することができる。
【００８４】
図22に原子炉運転状態での通常の燃料集合体高さ方向のボイド率分布を示す。沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部に中性子漏れ管を設けることにより効果的に水を排除することが可能なる。また、上部を燃料領域として複数の燃料棒を配置することにより、燃料サイクルコストの向上を図っている。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、運転状態では中性子漏れ管の機能を損なう事無く、中性子漏れ管内部の空気抜きを簡単にでき、出力上昇時には中性子漏れ管内部にボイドを溜めることが出来る。また、中性子漏れ管下部からの蒸気の抜けをスムーズにできる。さらに、本発明の中性子漏れ管が従来技術に比べて1.5倍以上のボイド断面積比が得られ、効果的にボイドを蓄積することができる。
【００８６】
これにより、冷却材中の異常な溶存酸素濃度の増加を抑える事ができ、さらに、水の分子の放射化および被覆管と水との反応により発生し、中性子漏れ管内部に閉じ込められ水素を除去する事ができ、爆発の危険性が無くする事ができ、また、ボイド反応度が時間的に急激に変化する事が無くなり、被覆管の健全性に与える悪い影響を排除できる。加えて、通常時の運転の影響を与える事無く、過渡変化時においてもボイド反応度を小さくし、炉心出力を小さくすることができ、炉心の熱的余裕をさらに向上させる事ができる。
【００８７】
よって、水冷却型原子炉で増殖を増大できウラン資源の利用率を従来より大幅に増大できるのみならず、従来炉心の径方向サイズと同等の大きさでボイド反応度は負の値にすることができるため、環境保護、安全性、経済性が同時に満足できる原子炉が構成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を説明するための横断面図。
【図２】図１における中性子漏れ管を拡大して示す縦断面図。
【図３】（ａ）は図１における中性子漏れ管の低出力時の冷却材の挙動を説明するための概略縦断面図、（ｂ）は同じく高出力時を説明するための概略縦断面図。
【図４】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部を拡大して示す縦断面図。
【図５】本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図７】本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図８】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第６の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視方向に切断して示す横断面図。
【図９】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第７の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視方向に切断して示す横断面図。
【図１０】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第８の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の作用を比較するための従来例の縦断面図。
【図１１】本発明に係る燃料集合体の第９の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図１２】本発明に係る燃料集合体の第10の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図１３】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第11の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）における大径上蓋の上面図。
【図１４】本発明に係る燃料集合体の第12の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図１５】図14における中性子漏れ管を従来例と比較して作用を説明するための斜視図。
【図１６】本発明に係る燃料集合体の第13の実施の形態の要部を示す斜視図。
【図１７】（ａ）は第13の実施の形態における炉心出力が低状態（冷却材中のボイド率が低い）でのボイド率分布図、（ｂ）は同じく炉心出力が高状態（冷却材中のボイド率が高い）でのボイド率分布図。
【図１８】本発明に係る燃料集合体の第14の実施の形態の要部を示す斜視図。
【図１９】（ａ）は第14の実施の形態における炉心出力が低状態（冷却材中のボイド率が低い）でのボイド率分布図、（ｂ）は同じく炉心出力が高状態（冷却材中のボイド率が高い）でのボイド率分布図。
【図２０】第14の実施の形態における中性子漏れ管の上部ボイド蓄積部のボイド率変化をしめす特性図。
【図２１】本発明に係る燃料集合体の第15の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図２２】第15の実施の形態における原子炉中のボイド率分布と中性子漏れ管の高さ方向の関係を示す曲線図。
【符号の説明】
１…チャンネルボックス、２…燃料ロッド、３…中性子漏れ管、４…上部端栓、５…テーパ状冷却材流出孔、６…下部端栓、７…冷却材流入孔、８…流入冷却材、９…流出冷却材、10…冷却材（液相）、11…冷却材（気泡）、12…冷却材（蒸気）、13…階段状溝、14…密閉細管束、15…密閉細管、16…薄肉ハネカム構造、17…空洞部、18…流路孔、19…発熱体、20…形状記憶合金製管、21…発生した蒸気、22…外側の流路、23…空気、24…中性子漏れ管内の蒸気、25…燃料ロッド被覆管、26…上蓋、27…金属円筒、28…金属円柱、29…板、30…隙間、31…水素、32…蒸気の泡、33…曲面（アール）、34…横穴、35…大径上蓋、36…縦穴、37…環状のボイド蓄積部、38…流出する冷却材流路、39…発熱体、40…内管、41…従来の中性子漏れ管、42…円筒型ボイド蓄積部、43…中性子漏れ管、44…上部の中性子漏れ管、45…下部の中性子漏れ管、46…上部の環状ボイド蓄積部、47…上部の冷却材流路、48…下部の環状ボイド蓄積部、49…下部の冷却材流路、50…小孔、51…中性子漏れ管、52…上部の冷却材流路の狭まり流路、53…上部の冷却材流路の広まり流路、54…中性子漏れ管、55…環状ボイド蓄積部、56…冷却材流路、57…燃料領域。
【発明の属する技術分野】
本発明は水冷却型原子炉用燃料集合体に係り、特にボイド反応度を負とするための燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に水冷却型原子炉の炉心は、核分裂性物質（燃料）を装填した多数の燃料ロッドを結束した燃料集合体を多数体配置して構成され、核分裂性物質で発生する熱除去のための冷却材として水が使用されている。
【０００３】
水は中に含まれる水素原子の中性子減速能力が大きいため、水の割合が大きい従来の水冷却型原子炉では核分裂により発生する高エネルギ中性子を大きく減速し、エネルギの低い熱中性子が中性子の大部分をしめている。
【０００４】
エネルギの低い中性子を核分裂性物質が吸収した場合には、中性子を約３個発生させる核分裂反応ではなく、核分裂を起こさず原子核の中に取り込んでしまう捕獲反応の割合が大きくなる。即ち、中性子吸収当たりの発生中性子数が低エネルギ中性子による核分裂では少なくなる。
【０００５】
一方、高エネルギ中性子では、捕獲反応の割合が小さいため、捕獲による効果を含めても吸収当たりの平均中性子発生数は２個以上とすることが可能であり、１個が連鎖反応の維持に使われ、残りの１個はＵ−238等の親物質に吸収させて核分裂性物質を効率的に生成することが可能である。この核分裂性物質の生成と消滅の比率が１以上であれば燃料の増殖ができたこととなり資源エネルギの確保の点から各国で増殖炉が開発されている。
【０００６】
しかし、従来の水冷却型原子炉では水の燃料に対する割合が大きく中性子は低エネルギであるために、増殖はできず、核分裂性物質の生成と消滅の比率（増殖比と称する。なお、この比が１以下であれば、転換比と称しているがここでは簡単にすべて増殖比と称する。）が１以下（0.5程度）の値となっていた。この
ため増殖炉であれば原理的には100％熱エネルギに変換できるウラン資源の１％程度が利用できるに過ぎなかった。
【０００７】
但し、高エネルギスペクトルとすると従来の大型高速炉のように冷却材の沸騰による反応度（ボイド反応度）が正となる可能性がある。水冷却型原子炉では炉心の安定性や安全性の観点でボイド反応度は負の値にすることが重要である。
【０００８】
このため、従来では燃料集合体の中に内部が空洞の中性子漏れ管を設けてボイド反応度を低減する構造が提案されている。すなわち、チャンネルボックスの内部に多数本の燃料ロッドを配置し、かつ多数本の燃料ロッドの中央部に中性子漏れ管を設けた構造の燃料集合体である。この種の燃料集合体は、横断面が正六角形の筒状チャンネルボックス内に多数本の燃料棒が整列配置され、中央部軸心線に沿って中性子漏れ管が配置され冷却水が下方から上方へ流れるように構成されている。中性子漏れ管の内部を流れる冷却材のボイド率は、炉心の出力が上昇とともに大きくなるので中性子の漏洩が増加する。この効果により、ボイド反応度を低減させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の水冷却型原子炉において、チャンネルボックス内に中性子漏れ管を設けて増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とする燃料集合体は、水の分子の放射化および被覆管と水との反応により水素が発生し、この水素が中性子漏れ管内部に閉じ込められ、最悪の場合は爆発する危険性の課題がある。
【００１０】
また、従来の中性子漏れ管では、下端の角が鋭角なため中性子漏れ管に溜まった多量の蒸気が急にあるいは偏って抜けるため、ボイド反応度が時間的に急激に変化し、被覆管の健全性に悪い影響を与える。過渡変化時においては、炉心の熱的な健全性が劣化するので、ボイド反応度をさらに小さくし、炉心出力を小さくし、炉心の熱的余裕をさらに向上させる必要がある。
【００１１】
中性子の漏れを効果的に行うためには、冷却材流路と中性子漏れ管からなる全体の断面積に占める中性子漏れ管の面積比を大きくする必要がある。従来のように、冷却材流路を環状部とし、中央部に中性子漏れ管を設ける構成では、中性子漏れ管の断面積比を大きくすると環状部の冷却材流路の内壁(中性子漏れ管の外壁)と外壁との間隙が狭くなり、流路直径が狭くなって流路抵抗が増して冷却材流路を流れる流量が低下したり、流速が大きくなって流力振動の問題が生じるおそれがある。
【００１２】
さらに、稠密バンドルの核特性として、出力が増加し、ボイド率が増加すると共にボイド反応度（ボイド率増加に対する反応度増加割合）が正になる傾向がある。そこで、炉心のボイド率が増加すると共に、中性子漏れ管での中性子漏れ率が増加する必要がある。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とする水冷却型原子炉においてその性能を向上させた冷却型原子炉用燃料集合体を提供する事を目的とする。
【００１４】
また、本発明は運転状態で中性子漏れ管の機能を損なうことなく、中性子漏れ管内部の空気抜きが容易にでき、出力上昇時には中性子漏れ管内部にボイドを効果的に溜めることができる燃料集合体を提供することにある。
さらに、ボイド反応度が時間的に急激に変化することがなく、燃料皮覆管の健全性に悪影響を及ぼすことがない燃料集合体を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に対応する発明は、チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、前記中性子漏れ管の下端を閉塞する下部端栓と、前記下部端栓又は前記中性子漏れ管の下端部に設けられた冷却材流入孔とを備えるとともに、前記冷却材流出孔は上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔からなり、前記テーパ状冷却材流出孔の内面に階段状の溝を設けたことを特徴とする。
この発明によれば、中性子漏れ管内のボイド率上昇時に上端部の流出孔からのボイドを抜け難くさせることができる。また、流出孔のテーパ形状の表面を粗くし、かつ、階段状の溝を設けることで流動抵抗を増加させ、中性子漏れ管内のボイド率上昇時に上端部の流出孔からのボイドを抜け難くできる。
【００１７】
請求項２に対応する発明は、チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、前記中性子漏れ管の下端を閉塞する下部端栓と、前記下部端栓又は前記中性子漏れ管の下端部に設けられた冷却材流入孔とを備えるとともに、前記冷却材流出孔は上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔からなり、前記中性子漏れ管の内部に両端部が閉塞した複数の細管を束ねた密閉細管束を装填したことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に対応する発明は、チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、前記中性子漏れ管の下部に複数の流路孔を有する中性子吸収またはガンマ線吸収による発熱体を設けるとともに、前記冷却材流出孔は、前記上部端栓に設けられた金属円筒と前記金属円筒の内部に所定の隙間を介して配置され前記金属円筒の金属よりも熱膨張率の大きな金属で形成された金属円柱とからなることを特徴とする。
請求項４に対応する発明は、前記上部端栓はニッケル板で構成されていることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１から３により、本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を説明する。
【００３１】
本実施の形態は図１に示したように正六角形角筒状チャンネルボックス１内に燃料ロッド２と内部が空洞の中性子漏れ管３を設けてボイド反応度を低減する構造の燃料集合体である。なお、ここでは、六角型燃料集合体の実施例を示しているが、特に、燃料集合体の形状にはこだわらず、例えば正方型燃料集合体でも構わない。
【００３２】
図２は図１における中性子漏れ管３の縦断面を示している。すなわち、中性子漏れ管３は上下両端が上部端栓４と下部端栓６により閉塞され、上部端栓４に上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔５を有し、下部端栓６の近傍に冷却材流入孔７を有している。これにより、中性子漏れ管内のボイド率上昇時は、上端部の流出孔５の流動抵抗が増大し、中性子漏れ管内のボイドを抜け難くさせている。
【００３３】
図３に中性子漏れ管３内部の冷却材の様子を示した。流入孔７から流入した流入冷却材８は、ガンマ線などの放射線により発熱するので、流入孔７及び流出孔５の大きさを適切に設定することで、図３に示すように中性子漏れ管３内部でボイド化が可能となる。
【００３４】
その場合、発熱量は炉心の出力によって変化するため、低出力時は図３（ａ）に示すように中性子漏れ管３内部はボイドが割合が低い状態であるが、高出力時には図３（ｂ）の状態となり、中性子漏れ管３内部のボイド割合が上昇する。このボイド割合の増加により、テーパ状冷却材流出孔５の流動抵抗は増大するため、中性子漏れ管３内のボイドを抜け難くなる。従って、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
【００３５】
つぎに図４（ａ）、（ｂ）により本発明に係る第２の実施の形態を説明する。
【００３６】
本実施の形態は第１の実施の形態における上部端栓４を改良したことにあり、その他の部分は第１の実施の形態と同様なので、重複する部分の説明は省略する。すなわち、図４（ｂ）に示したように上部端栓４に設けたテーパ状冷却材流出孔５の表面を粗くし、かつ、内部を流れる冷却材の流れに対して抵抗となる階段状溝13を設けて、階段状テーパ形流出孔としたことにある。
【００３７】
本実施の形態によれば、ボイド流出時の流動抵抗を増加させることで、高出力時の中性子漏れ管内部のボイド流出を更に抑制され、これにより中性子の漏洩をより増加させ、ボイド反応度を低減することができる。
【００３８】
つぎに図５により本発明に係る第３の実施の形態を説明する。
図５は、本発明の第３の実施の形態にける中性子漏れ管の縦断面形状を示している。
【００３９】
本実施の形態は第１の実施の形態において示した中性子漏れ管３ａを、図５に示したように、中性子漏れ管３ａの内部に冷却材が上部へ流れ、かつ中性子漏れ管３の内部は両端を閉じた薄肉密閉細管15を束ねた密閉細管束14の構造としたことにあり、その他の部分は第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
本実施の形態によれば、密閉細管15の肉厚は管径が小さいため、0.2mm程度まで薄くすることができる。したがって、密閉細管15による中性子の吸収を抑制する事が出来、かつ、流動条件に係わらず中性子漏れ管内の中空を安定して維持出来るため、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
【００４１】
つぎに図６により本発明に係る第4の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第３の実施の形態に準じるもので、図６は本実施の形態に係る中性子漏れ管３ｂの縦断面形状を示している。すなわち、図６において、中性子漏れ管３ｂの内部は薄肉ハネカム密閉構造16にすることで中性子の吸収を抑制し、かつ、流動条件に係わらず中性子漏れ管３ｂ内の中空を安定して維持出来るため、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。
【００４２】
つぎに図７により本発明に係る第５の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第１の実施の形態における中性子漏れ管３の他の例にあり、図７は本実施の形態の中性子漏れ管３ｃとその周囲の蒸気流の流れの状態を示している。
【００４３】
本実施の形態は図７に示したように、中性子漏れ管、３ｃとその下方に中性子またはガンマ線吸収により発熱する材質、例えば、ハフニウム、ステンレス鋼等で形成した流路孔18を有する発熱体19を配置し、中性子漏れ管３ｃの上部に形状記憶合金で構成される形状記憶合金製管20とから構成されている。常温では、中性子漏れ管３ｃ内部と外部が形状記憶合金製管20により連通している。
【００４４】
従来のように形状記憶合金製管20が無い場合は、この中性子漏れ管３ｃ内部に閉じ込められた空気23が抜ける通路が無いため、除去する事ができない。このため、この空気23が冷却材に溶け込み冷却材の溶存酸素濃度が上昇し、燃料被覆管に悪い影響を及ぼす。
【００４５】
本実施の形態では、常温では形状記憶合金製管20が連通しており、運転状態（つまり、冷却材温度が高い）では形状記憶合金製管20が塞がれるように構成されている。つまり、常温状態で形状記憶合金製管20を通って空気23がすべて外に出てしまう。
【００４６】
高温状態になると、形状記憶合金製管20が封鎖されるため、発熱体18で加熱され発生した蒸気21は、中性子漏れ管３ｃの内部が蒸気24で満たされるまで、中性子漏れ管３ｃに流入する。一方、中性子漏れ管３ｃの内部が蒸気24で満たされた後は、発生した蒸気21の大部分は、燃料ロッド被覆管25との間の外側の流路22を通過するようになる。
【００４７】
つぎに図８（ａ）、（ｂ）により本発明の第６の実施の形態を説明する。
図８（ａ）は、本実施の形態における中性子漏れ管の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００４８】
本実施の形態は中性子漏れ管３ｄの上蓋26の中央部に金属円筒27を設け、この金属円筒27の内部に金属円筒27の金属よりも熱膨脹率の大きな金属で作られた金属円柱28を設置し、金属円筒29の上と下に図８（ｂ）に示すように複数の板29を設置したことにある。
【００４９】
常温では、金属円筒27と金属円柱28の間に隙間30があるため、中性子漏れ管３ｄ内部の空気23がこの隙間30から抜ける事ができる。本実施の形態では、金属円柱28は、金属円筒27よりも熱膨脹率の大きな金属で作られているため、運転状態（つまり、冷却材温度が高い）では隙間30が無くなるように構成されている。
【００５０】
つまり、常温状態で隙間30を通って空気23がすべて外に出てしまう。高温状態になると、隙間30が封鎖されるため、図７に示すように発熱体19で加熱され発生した蒸気21は、中性子漏れ管の内部が蒸気で満たされるまで、中性子漏れ管３ｄに流入する。一方、中性子漏れ管３ｄの内部が蒸気24で満たされた後は、発生した蒸気21の大部分は、外側の流路22を通過するようになる。
【００５１】
つぎに図９（ａ）（ｂ）により本発明の第7の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第６の実施の形態に準じたものなので、図９中、図８と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００５２】
本実施の形態は中性子漏れ管３ｄの上蓋26をNiで構成したことにある。運転状態では、図９に示すように水の分子の放射化および被覆管と水との反応により水素31が発生し、水素31が中性子漏れ管３ｄの内部に閉じ込められ最悪の場合は、爆発する危険性がある。本実施の形態では、中性子漏れ管３ｄは上蓋26がNiで形成されている。この構成では、水素原子は小さいので、Ni製の上蓋26から抜け、水素31を除去する事が可能となる。
【００５３】
つぎに図10により本発明の第8の実施の形態を説明する。
図10（ａ）は本実施の形態を説明する中性子漏れ管の縦断面図、図10（ｂ）は（ａ）の比較図である。
【００５４】
本実施の形態における基本的な構成は図７から図９に示した実施の形態と同様である。上述した中性子漏れ管３ｃ、３ｄでは図10（ｂ）に示したように、下端の角が鋭角なため、多量の蒸気泡32が溜まって急にあるいは偏って抜けるため、ボイド反応度が時間的に急激に変化し、被覆管の健全性に悪い影響を与える可能性がある。そこで、本実施の形態では図10（ａ）に示すように中性子漏れ管の角を丸く曲面33に形成することにある。本実施の形態によれば蒸気の抜けをスムーズにして上述したボイド反応度の急激な時間変化を緩和する事ができる。
【００５５】
つぎに図11により本発明の第９の実施の形態を説明する。
本実施の形態は、中性子漏れ管３ｃまたは３ｄの下部に多数の横穴34を開けたことにある。本実施の形態によれば、蒸気の抜けをスムーズにして上述したボイド反応度の急激な時間変化を緩和する事ができる。
【００５６】
つぎに図12により本発明の第10の実施の形態を説明する。
図12は、本実施の形態を説明する中性子漏れ管の縦断面図である。
本実施の形態の基本的な構成は図７から図11の実施の形態と同様であるが、本実施の形態は中性子漏れ管３ｃまたは３ｄの上蓋35を大径としたことにある。すなわち、上蓋の外径を大きくした大径上蓋35により外側の流路22を中性子漏れ管３ｃまたは３ｄの出口で絞ってたことにある。
【００５７】
例えば、ポンプが停止した場合、発熱体18への冷却材の量が少なくなるため、発生蒸気量は増大する。中性子漏れ管の内部はすでの蒸気24で満たされているため、発生した蒸気21は外側の流路22を流れ、この部分のボイド率を増大し、これによりボイド反応度を減少させる事ができる。
【００５８】
本実施の形態によれば、外側の流路22のボイド率を大きくし、ボイド反応度を抑えるために、上蓋35の端部Bの部分を絞っている。過渡変化時には通常に比べて発生ボイド量が増える。上部を狭くしておくと、過渡変化時にはそこを通過するボイド量が増えで結果的に圧損が増える。つまり、蒸気が抜けにくくなり、結果的に外側の流路22のボイド率が上昇し、ボイド反応度をさらに抑える事ができる。
【００５９】
つぎに図13（ａ）、（ｂ）により本発明の第11の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第10の実施の形態において、大径上蓋35に図13（ｂ）に示したように複数の縦穴36を設けたことにある。図12に示した構成では、通常時にボイドが 角に溜まり急激に抜けて、脇の流路のボイド変化が激しい。そこで、大径35に複数の穴36を設ける事により通常時のボイドの抜けをスムーズにすることができる。
【００６０】
つぎに図14により本発明の第12の実施の形態を説明する。
図14は、本実施の形態における中性子漏れ管３ｅを概略的に鳥瞰図で示している。すなわち本実施の形態は中性子漏れ管３ｅ内に水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる環状のボイド蓄積部37、水-蒸気二相流が流入し、流出する冷却材流路38、水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39および内管40とから構成されている。
【００６１】
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向がある。
【００６２】
環状部にボイドが供給される割合が高いため、環状部に効果的にボイドを蓄積することができるメリットがある。また、中央の冷却材流路に流入したボイドは冷却材流路38を通って流出する。入口から流入するボイド率が高くなるとともに、ボイド蓄積部37、冷却材流路共に高ボイド率となり、中性子漏れ率が高くなる。
【００６３】
図15に示す従来の中性子漏れ管41において、ボイドを蓄積する円筒型ボイド蓄積部42が中央に設けられている場合では、本実施の形態の環状のボイド蓄積部37の場合に比べて、次のようにボイド率の面積比を大きくすることができる。図15の中性子漏れ管41の外管の直径をD、従来技術の流路を同心円流路として外壁との幅をdとし、本実施の形態の中央部の流路直径を2dとした場合のボイド蓄積部の面積比を比較すると、従来技術が1-4d/D、本発明が1-4d2/D2である。
【００６４】
例えば、d/D=0.1(10％)とした場合、ボイドの占める断面積比は従来技術が60％、本実施の形態が96％となり、本実施の形態の中性子漏れ管が従来技術に比べて1.5倍以上のボイド断面積比が得られ、効果的にボイドを蓄積することができることがわかる。
【００６５】
つぎに図16および図17（ａ）、（ｂ）により本発明の第13の実施の形態を説明する。
図16は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管43の鳥瞰図である。本実施の形態は、中性子漏れ管43上部の中性子漏れ管44、下部の中性子漏れ管45、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる上部の環状ボイド蓄積部46、水-蒸気二相流が流入し、流出する上部中性子漏れ管の冷却材流路47、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる下部の環状ボイド蓄積部48、水-蒸気二相流が流入し、流出する下部中性子漏れ管の冷却材流路49、中性子漏れ管上面の小孔50および水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39とから構成されている。
【００６６】
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向がある。
【００６７】
環状部にボイドが供給される割合が高くなり、環状部に効果的にボイドを蓄積することができるメリットがある。下部の中性子漏れ管45における下部の環状ボイド蓄積部48では冷却材が二相流となる条件で、上述の機能により高ボイド率領域となる。
【００６８】
一方、中性子漏れ管44の上部では、蒸気（ボイド）を含む流れが上部ボイド蓄積部46に流入する経路は上部の冷却材流路47と下部の冷却材流路49の冷却材流路径d2,d1の違いによる環状部分(流路幅(d2-d1)/2)である。
【００６９】
従って、炉心出力が増加して下部の冷却材流路49の冷却材中のボイド率が増加すると、ボイド蓄積部へのボイド流入量が増加して高ボイド率領域を形成するので、中性子漏れ率が高くなる。
【００７０】
図17（ａ）、（ｂ）に原子炉運転状態での本実施の形態の中性子漏れ管43内ボイド率を示す。図17（ａ）は炉心出力が低く、冷却材中のボイド率が低い状態、図17（ｂ）は炉心出力が高く、冷却材中のボイド率が高い状態を示す。
【００７１】
下部の中性子漏れ管45ではボイド蓄積部48が高ボイド率領域となるため、炉心出力が高い状態も低い状態も、高ボイド率となる。上部と下部の冷却材流路径の違いによる環状流路(流路幅(d2-d1)/2)から上部のボイド蓄積部46に流入するボイド率の違いにより、炉心出力が高い状態では上部のボイド蓄積部46のボイド率が増加する。
【００７２】
沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部のボイド蓄積部48を炉心出力低の状態にも高ボイド率領域とするのは中性子漏れ効果が高い。
【００７３】
つぎに図18により本発明の第14の実施の形態を説明する。
図18は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管の鳥瞰図である。
本実施の形態は中性子漏れ管51上部中性子漏れ管44、下部中性子漏れ管45、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる上部の環状ボイド蓄積部46、水-蒸気二相流が流入し、流出する上部中性子漏れ管の冷却材流路47、上部冷却材流路の狭まり流路52、上部冷却材流路の広まり流路53、水-蒸気二相流が流入することにより高ボイド率領域となる下部の環状ボイド蓄積部48、水-蒸気二相流が流入し、流出する下部中性子漏れ管の冷却材流路49、水-蒸気二相流を供給するために熱を供給する発熱体39とからより構成されている。
【００７４】
炉心出力が低く、発熱体の熱発生量も小さい条件では比較的小さなボイド率の水-蒸気二相流が流入することにより、環状部に流入する蒸気は環状部に蓄積して高ボイド率領域となる。入口の断面内蒸気(ボイド)の分布は水-蒸気二相流が未だサブクールボイド条件では一般にボイドの空間分布はいわゆる鞍型分布となり、外周部にボイド率が高くなる傾向があるため、環状部にボイドが供給される割合が高いため環状部に効果的にボイドを蓄積することができる効果がある。
【００７５】
下部の中性子漏れ管45のボイド蓄積部では冷却材が二相流となる条件で、上述の機能により高ボイド率領域となる。一方、上部の中性子漏れ管44の上部では、冷却材中のボイド率が低い条件では上部の冷却材流路の広まり流路53の下部の冷却材流れは上部の冷却材流路47に流入するだけであるから、ほとんどボイドの蓄積はない。
【００７６】
ボイド率が増加し、狭まり流路52と広まり流路53が引き続くベンチュリ型流路ののど部（最小流路直径dt）でボイド率の高い流れが大きな流動抵抗となって流量が低下すると、蒸気（ボイド）を含む流れが上部ボイド蓄積部46に流入し、高ボイド率領域を形成し、中性子漏れ率が高くなる。
【００７７】
ベンチュリ型流路の狭まり角、広まり角は例えば流路壁で流れの剥離が生じない角度（約10゜以下）にすることにより圧力が回復し、流れに対する抵抗を抑えることができる。また、のど部の流路面積を入口部流路面積の半分とすると、のど部直径dtはdt=0.7d2とすれば良い。
【００７８】
図19（ａ）、（ｂ）に原子炉運転状態での本発明の中性子漏れ管内ボイド率を示す。図19（ａ）は炉心出力が低く、冷却材中のボイド率が低い状態、図19（ｂ）は炉心出力が高く、冷却材中のボイド率が高い状態を示す。下部の中性子漏れ管ではボイド蓄積部が高ボイド率領域となるため、炉心出力が高い状態も低い状態も、高ボイド率となる。
【００７９】
炉心出力が高く、冷却材流路のボイド率が高くなると、下部の冷却材流路から流入する二相流があふれて上部のボイド蓄積部に流入すると共に、ボイド率が蓄積されるので、図20に示すように冷却材流路中のボイド率増加に先行して上部のボイド蓄積部が高ボイド率領域を形成する。
【００８０】
沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部のボイド蓄積部を炉心出力低の状態にも高ボイド率領域とするのは中性子漏れ効果が高い。
【００８１】
つぎに図21および図22により本発明の第15の実施の形態を説明する。
図21は、本実施の形態を説明するための中性子漏れ管54の鳥瞰図である。
本実施の形態は中性子漏れ管54内下部に環状ボイド蓄積部55を設け、環状ボイド蓄積部55内に冷却材流路56を設け、上部に燃料領域57を設けるとともに、環状ボイド蓄積部55の下方に発熱体39を設けている。
【００８２】
したがって、中性子スペクトルの高い炉心構成とするために冷却材領域を減らしたとえば燃料棒を稠密配置とする炉心の場合、効果的に水を排除するためには冷却材中の水密度の大きな炉心下部に中性子漏れ機能を持つ中性子漏れ管を設ける。中性子漏れ管を設けると、燃料棒を配置する空間が少なくなるので、燃料サイクルコスト上有利とはいえない。
【００８３】
そこで、本実施の形態のように中性子漏れ管54の上部を燃料領域57として複数の燃料棒を配置することにより、燃料領域を増やした構成とする。このような中性子漏れ管54を設けたことにより、燃料サイクルコスト上のデメリットを小さくすると共に、ボイド反応度を低減した炉心を提供することができる。
【００８４】
図22に原子炉運転状態での通常の燃料集合体高さ方向のボイド率分布を示す。沸騰水型原子炉の場合、入口からサブクール水が入ってくるので下部は比較的ボイド率が低い。従って、下部に中性子漏れ管を設けることにより効果的に水を排除することが可能なる。また、上部を燃料領域として複数の燃料棒を配置することにより、燃料サイクルコストの向上を図っている。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、運転状態では中性子漏れ管の機能を損なう事無く、中性子漏れ管内部の空気抜きを簡単にでき、出力上昇時には中性子漏れ管内部にボイドを溜めることが出来る。また、中性子漏れ管下部からの蒸気の抜けをスムーズにできる。さらに、本発明の中性子漏れ管が従来技術に比べて1.5倍以上のボイド断面積比が得られ、効果的にボイドを蓄積することができる。
【００８６】
これにより、冷却材中の異常な溶存酸素濃度の増加を抑える事ができ、さらに、水の分子の放射化および被覆管と水との反応により発生し、中性子漏れ管内部に閉じ込められ水素を除去する事ができ、爆発の危険性が無くする事ができ、また、ボイド反応度が時間的に急激に変化する事が無くなり、被覆管の健全性に与える悪い影響を排除できる。加えて、通常時の運転の影響を与える事無く、過渡変化時においてもボイド反応度を小さくし、炉心出力を小さくすることができ、炉心の熱的余裕をさらに向上させる事ができる。
【００８７】
よって、水冷却型原子炉で増殖を増大できウラン資源の利用率を従来より大幅に増大できるのみならず、従来炉心の径方向サイズと同等の大きさでボイド反応度は負の値にすることができるため、環境保護、安全性、経済性が同時に満足できる原子炉が構成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を説明するための横断面図。
【図２】図１における中性子漏れ管を拡大して示す縦断面図。
【図３】（ａ）は図１における中性子漏れ管の低出力時の冷却材の挙動を説明するための概略縦断面図、（ｂ）は同じく高出力時を説明するための概略縦断面図。
【図４】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部を拡大して示す縦断面図。
【図５】本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図７】本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図８】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第６の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視方向に切断して示す横断面図。
【図９】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第７の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視方向に切断して示す横断面図。
【図１０】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第８の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の作用を比較するための従来例の縦断面図。
【図１１】本発明に係る燃料集合体の第９の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図１２】本発明に係る燃料集合体の第10の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図１３】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第11の実施の形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）における大径上蓋の上面図。
【図１４】本発明に係る燃料集合体の第12の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図１５】図14における中性子漏れ管を従来例と比較して作用を説明するための斜視図。
【図１６】本発明に係る燃料集合体の第13の実施の形態の要部を示す斜視図。
【図１７】（ａ）は第13の実施の形態における炉心出力が低状態（冷却材中のボイド率が低い）でのボイド率分布図、（ｂ）は同じく炉心出力が高状態（冷却材中のボイド率が高い）でのボイド率分布図。
【図１８】本発明に係る燃料集合体の第14の実施の形態の要部を示す斜視図。
【図１９】（ａ）は第14の実施の形態における炉心出力が低状態（冷却材中のボイド率が低い）でのボイド率分布図、（ｂ）は同じく炉心出力が高状態（冷却材中のボイド率が高い）でのボイド率分布図。
【図２０】第14の実施の形態における中性子漏れ管の上部ボイド蓄積部のボイド率変化をしめす特性図。
【図２１】本発明に係る燃料集合体の第15の実施の形態の要部を示す縦断面図。
【図２２】第15の実施の形態における原子炉中のボイド率分布と中性子漏れ管の高さ方向の関係を示す曲線図。
【符号の説明】
１…チャンネルボックス、２…燃料ロッド、３…中性子漏れ管、４…上部端栓、５…テーパ状冷却材流出孔、６…下部端栓、７…冷却材流入孔、８…流入冷却材、９…流出冷却材、10…冷却材（液相）、11…冷却材（気泡）、12…冷却材（蒸気）、13…階段状溝、14…密閉細管束、15…密閉細管、16…薄肉ハネカム構造、17…空洞部、18…流路孔、19…発熱体、20…形状記憶合金製管、21…発生した蒸気、22…外側の流路、23…空気、24…中性子漏れ管内の蒸気、25…燃料ロッド被覆管、26…上蓋、27…金属円筒、28…金属円柱、29…板、30…隙間、31…水素、32…蒸気の泡、33…曲面（アール）、34…横穴、35…大径上蓋、36…縦穴、37…環状のボイド蓄積部、38…流出する冷却材流路、39…発熱体、40…内管、41…従来の中性子漏れ管、42…円筒型ボイド蓄積部、43…中性子漏れ管、44…上部の中性子漏れ管、45…下部の中性子漏れ管、46…上部の環状ボイド蓄積部、47…上部の冷却材流路、48…下部の環状ボイド蓄積部、49…下部の冷却材流路、50…小孔、51…中性子漏れ管、52…上部の冷却材流路の狭まり流路、53…上部の冷却材流路の広まり流路、54…中性子漏れ管、55…環状ボイド蓄積部、56…冷却材流路、57…燃料領域。
Claims (4)
- チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、
前記中性子漏れ管の下端を閉塞する下部端栓と、前記下部端栓又は前記中性子漏れ管の下端部に設けられた冷却材流入孔とを備えるとともに、前記冷却材流出孔は上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔からなり、前記テーパ状冷却材流出孔の内面に階段状の溝を設けたことを特徴とする燃料集合体。 - チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、
前記中性子漏れ管の下端を閉塞する下部端栓と、前記下部端栓又は前記中性子漏れ管の下端部に設けられた冷却材流入孔とを備えるとともに、前記冷却材流出孔は上端部が絞られた複数のテーパ状冷却材流出孔からなり、前記中性子漏れ管の内部に両端部が閉塞した複数の細管を束ねた密閉細管束を装填したことを特徴とする燃料集合体。 - チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され核分裂性物質を装填した複数本の燃料ロッドと、この複数本の燃料ロッド間に配置した中性子漏れ管と、前記中性子漏れ管の上端を閉塞する上部端栓と、前記上部端栓に設けられた冷却材流出孔と、を具備した燃料集合体において、
前記中性子漏れ管の下部に複数の流路孔を有する中性子吸収またはガンマ線吸収による発熱体を設けるとともに、前記冷却材流出孔は、前記上部端栓に設けられた金属円筒と前記金属円筒の内部に所定の隙間を介して配置され前記金属円筒の金属よりも熱膨張率の大きな金属で形成された金属円柱とからなることを特徴とする燃料集合体。 - 前記上部端栓はニッケル板で構成されていることを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。
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