JP4664389B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

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スペクトルシフトロッド（以下、ＳＳＲという）を有する燃料集合体に関する。

従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、中性子の減速効果を促進させるために飽和水が流れる水ロッドを有する燃料集合体を炉心内に装荷している。従来のＢＷＲの運転条件では、ウラン原子に対する水素原子の数が多いほど、即ち、水素原子数とウラン原子数の比（以下、Ｈ／Ｕ比と称する）が大きいほど反応度が高くなって炉心に装荷された核燃料物質を有効に活用できる。このため、燃料集合体に水ロッドを設けることによって、ウラン原子に対する水中の水素原子数を増加させ、Ｈ／Ｕ比を増加させている。

しかし、更なる核燃料物質の有効利用を図るためには、核燃料物質の燃焼に伴って炉心のＨ／Ｕ比を変化させて反応度を制御することが望ましい。このようなＢＷＲの運転方法の一つとしてスペクトルシフト運転法がある。スペクトルシフト運転法は、十分に反応度が余っている運転サイクルの初期に炉心のボイド率を高めてウラン２３８をプルトニウム２３９に核変換し、ウラン２３５及びプルトニウム２３９が燃焼して反応度が不足してくる運転サイクルの末期にボイド率を低くしてウラン２３５及び核変換によって蓄積されたプルトニウム２３９を効率良く燃焼させる方法である。

このスペクトルシフト運転法を効果的に実現するために、ＳＳＲを備えた燃料集合体が提案されている（例えば、特開昭６３−７３１８７号公報及び特開平１−１８７４９４号公報参照）。ＳＳＲは、水ロッドの一種であり、上昇通路及び上昇通路の上端部に接続される下降通路を有している。上昇通路及び下降通路により逆Ｕ字状の通路が形成される。その燃料集合体は、複数の燃料棒を有し、燃料棒の下端部を下部タイプレートで保持し、燃料棒の上端部を上部タイプレートで保持している。少なくとも１本のＳＳＲが燃料棒の間に配置されている。ＳＳＲの上昇通路の下端部が下部タイプレートに保持され、上昇通路の下端に形成される第１開口部は下部タイプレートの燃料保持部よりも下方の領域に開放されている。上昇通路と下降通路の接続部付近が上部タイプレートに保持される。下降通路の下端に形成される第２開口部は、下部タイプレートの燃料保持部よりも上方に位置しており、その燃料保持部付近に配置されている。

ＢＷＲは、炉心流量を変化させることによって原子炉出力を制御することができる。反応度が余っている運転サイクルの初期では炉心流量を低くして炉心平均ボイド率を大きくする。反応度が不足する運転サイクルの末期で炉心流量を増加させて炉心平均ボイド率を小さくする。ＳＳＲの上昇通路内の冷却水はガンマ線及び中性子線の照射によって加熱されて蒸気になり、上昇通路内に水領域及び蒸気領域が形成される。上昇通路内で水領域と蒸気領域の境界に冷却水の液面が形成される。上昇通路内で発生した蒸気は、下降通路内を下降し、第２開口部からＳＳＲの外側に放出される。上昇通路内の液面の位置は、炉心流量の増大に伴って上昇する。炉心流量がある流量以上になると、上昇通路内が冷却水で満たされた状態になる。このとき、下降通路内も冷却水で満たされる。

上昇通路内に蒸気領域が形成されている状態では、その蒸気領域が存在する燃料集合体の上部で核分裂性物質であるプルトニウム２３９が生成されこのプルトニウム２３９が蓄積される。炉心流量が増大して上昇通路内の蒸気領域が消滅した状態では、燃料集合体の上部に蓄積されたプルトニウム２３９が効率良く燃焼される。

特開昭６３−７３１８７号公報 特開平１−１８７４９４号公報

ＳＳＲによるスペクトルシフト効果を増加させるには、ＳＳＲの上昇通路の流路断面積を増大させ、燃料集合体の横断面積に対するＳＳＲの上昇通路の流路断面積の割合を増加させることが望ましい。上昇通路の流路断面積の増大により燃料経済性が向上する。しかしながら、発明者らの検討の結果、上昇通路の流路断面積の増大によって、新たな課題が生じることが分かった。発明者らが見出した新たな課題は、上昇通路で発生する蒸気の量が多くなることに起因するものである。下降通路の第２開口部から放出される蒸気が燃料集合体入口から流入するサブクール水によって凝縮されず、飽和水領域に達する放出蒸気量が増加する。このため、燃料集合体の軸方向におけるボイド率が全体的に増加する。

燃料集合体平均ボイド率が事前の評価よりも増加した場合には、燃料集合体の燃焼特性が変化するため、ＢＷＲプラントの運転前に解析によって燃料集合体の軸方向におけるボイド率分布を再度算出し、運転サイクルに対する適切な制御棒計画（運転サイクル初期での各制御棒の挿入量、及び制御棒引き抜き時における制御棒引き抜き量及び引き抜きタイミング）を再決定する必要がある。ＳＳＲの下降通路から放出される蒸気がサブクール水によって凝縮されない場合、特にＳＳＲの下端通路から放出される蒸気量が多い場合には、事前の評価との乖離が大きくなるため、適切な制御棒計画を作成するまでにかなりの時間を要することになる。

本発明の目的は、適切な制御棒計画をより短時間に作成でき、下降管の流力振動が抑制される燃料集合体を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、内部に上昇通路を形成する上昇通路形成部材、上端部で上昇部材形成部材に接続されて内部に前記上昇通路に連絡される下降通路を形成する下降通路形成部材を有し、燃料棒に取り囲まれて配置される水ロッドとを備え、
上昇通路形成部材の下端部が、燃料棒の下端部を保持する、下部タイプレートの燃料保持部に保持され、上昇通路と燃料保持部より下方の領域とを連通する第１開口部が、上昇通路形成部材の下端部に形成され、下降通路に連絡されて燃料保持部よりも上方の領域に開放される複数の第２開口部が、燃料集合体の燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって５０ｃｍの位置との間で前記下降通路形成部材に形成され、第２開口部の開口面積が下降通路の流路断面積よりも小さくなっており、複数の第２開口部の開口面積の合計が、下降通路の流路断面積より大きくなっていることにある。

開口面積が下降通路の流路断面積よりも小さい複数の第２開口部が、燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって５０ｃｍの位置との間（以下、これらの間の領域を非沸騰領域という）で下降通路形成部材に形成されているので、第２開口部から放出された蒸気泡の大きさが小さくなり、非沸騰領域で凝縮され易くなる。このため、燃料集合体の軸方向ボイド率分布が増大することを防止することができ、スペクトルシフトロッドを有する燃料集合体を炉心に装荷した原子炉に対する適切な制御棒計画の作成に要する時間を短縮することができる。さらに、複数の第２開口部の開口面積の合計が、下降通路の流路断面積よりも大きくなっていることにより、第２開口部から放出される蒸気流の流速が遅くなるので、下降管の流力振動が抑制される。

好ましくは、それぞれの前記第２開口部の開口面積をＳ（ｍｍ^２）、及び燃料集合体の燃料有効長の下端からの高さをＴ（ｃｍ）としたとき、開口面積Ｓが、
０＜Ｓ≦３．１２×１０^-4×(５０−Ｔ)²＋５．８２×１０^-2×(５０−Ｔ)を満足していることが望ましい。開口面積Ｓが上記の条件を満足することによって、第２開口部から放出された蒸気泡が非沸騰領域で完全に凝縮される。このため、スペクトルシフトロッドを有する燃料集合体を炉心に装荷した原子炉に対する適切な制御棒計画の作成に要する時間をさらに短縮することができる。

本発明によれば、スペクトルシフトロッドを有する燃料集合体を炉心に装荷した原子炉に対する適切な制御棒計画の作成に要する時間を短縮することができ、下降管の流力振動が抑制される。

発明者らは、ＳＳＲを有する燃料集合体の特性を検討し、この検討結果に基づいて本発明を生み出した。

この検討結果を説明する前に、ＳＳＲの機能を、図６を用いて簡単に説明する（ＳＳＲの機能の詳細は特開平１−１８７４９４号公報の３頁上部右欄１８行から４頁上部右欄１７行の記載を参照）。ＳＳＲ２０は、燃料集合体の下部タイプレートに形成された燃料保持部２９及び上部タイプレート（図示せず）に保持される。ＳＳＲ２０は、上昇通路２２を内部に形成する上昇管２１及び内部に下降通路２４を形成する下降管２３を有する。上昇管２１と下降管２３は上端部で互いに接続されているので、上昇通路２２も下降通路２４と接続される。上昇通路２２の入口である開口部２５は燃料保持部２９よりも下方の領域に開口している。下降通路２４の出口である開口部２６は、燃料保持部２９よりも上方で開口する。

燃料集合体に供給される冷却水の大部分は、燃料保持部２９に形成される多数の貫通孔３０を通って燃料棒保持部２９より上方で燃料棒相互間に形成された冷却水通路に供給される。残りの冷却水は、開口部２５を通って上昇通路２２内に導かれる。上昇通路２２内に流入した冷却水は、核燃料物質の核分裂によって発生したガンマ線及び中性子線の照射を受けて加熱されて沸騰する。この沸騰によって上昇通路２２内で蒸気が発生する。蒸気は、上昇通路２２内を上昇し、上昇通路２２の上端部で反転して下降通路２４内を下降する。蒸気は、開口部２６から、燃料棒相互間に存在する冷却水通路に放出される。蒸気の発生により、冷却水領域２７及び蒸気領域２８が上昇通路２２内に形成され、上昇通路２２内に液面Ｌ１が形成される。液面Ｌ１の位置は、冷却水が燃料保持部２９の貫通孔３０を通過する際の圧力損失に依存する。具体的には、液面Ｌ１は、液面Ｌ１と開口部２６との静水頭差が、冷却水が貫通孔３０を通過する際の圧力損失（図６のΔＰ）に等しくなる位置に形成される。ＳＳＲ２０の上昇通路２２内に形成される液面Ｌ１の、燃料保持部２９の圧力損失に対する関係を図３に示す。燃料保持部２９の圧力損失と上昇通路２２内の液面Ｌ１の位置はほぼ比例し、炉心流量を制御することで上昇通路２２内の液面Ｌ１の位置を制御することができる。

ＢＷＲの運転サイクルにおいて、炉心流量が増大するに伴って圧力損失ΔＰが増大し、上昇通路２２内の液面Ｌ１が上昇する。炉心流量がある値以上に増大すると、ＳＳＲ２０内の蒸気領域２８が消滅し、上昇通路２２及び下降通路２４内が全て冷却水領域２７になる。炉心流量を低くしている運転サイクル初期では上昇通路２２内の液面Ｌ１より上方の蒸気領域２８でボイド率が１００％となり、炉心流量を増加させる運転サイクル末期では上昇通路２２及び下降通路２４が冷却水で満たされるため、ＳＳＲ２０内のボイド率が０％となる。したがって、燃料集合体のＨ／Ｕ比を大きく変化させることが可能となり、動的な機器を用いることなく大幅なスペクトルシフト運転が実現できる。

更なるスペクトルシフト効果の増大による燃料経済性の向上は、ＳＳＲ２０の上昇通路２２の流路断面積を増大させて燃料集合体の横断面積に占める上昇通路２２の流路断面積の割合を増加させることによってもたらされる。下降通路２４の流路断面積は上昇通路のそれよりも小さい。しかしながら、上昇通路２２の流路断面積の割合を増大させた場合には、上昇通路２２内で発生する蒸気量が増大し、新たな課題が発生することを、発明者らは見出した。上昇通路２２内で発生する蒸気量が少ない場合には、開口部２６から放出される蒸気量が少なく、放出蒸気による炉心軸方向ボイド率分布の全体的な増加量が小さいために問題にはならなかった。上昇通路２２の流路断面積の割合が増加して蒸気の発生量が増大した場合には、開口部２６から放出された蒸気が上記のサブクール水によって凝縮されずに飽和水領域に達する蒸気量が多くなる。この影響により、燃料集合体の軸方向におけるボイド率分布が全体的に増加する傾向となった。燃料集合体平均ボイド率が事前の評価よりも大きく増加した場合には、燃料集合体の燃焼特性が変化するため、ＢＷＲプラントの運転前に解析によって燃料集合体の軸方向におけるボイド率分布を再度算出する必要がある。もし、軸方向におけるボイド率分布を再度算出しない場合には、運転サイクル初期の制御棒の挿入量、運転サイクル初期から運転サイクル末期にかけての制御棒引抜量、制御棒の引抜きタイミング、運転サイクル初期から運転サイクル末期までの期間である連続運転期間の評価精度に影響し、炉心管理が複雑となる。

発明者らは、サブクール水によって凝縮されずに飽和水領域に達する蒸気の量を低減するための対策を考えた。そこで、まず、サブクール水による蒸気の凝縮が効果的に行われない原因の把握に努めた。この結果、下降通路２４の開口部２６から放出される蒸気の気泡が大きいことが、飽和水領域に達する蒸気の増加をもたらす原因であることを突き止めた。すなわち、下降通路２４から放出される蒸気が大きな気泡になると、サブクール水との接触によっても、放出された蒸気が完全に凝縮しなくなる。サブクール水による蒸気の凝縮を促進させるためには、開口部２６の面積を小さくすれば良いことに発明者らは気がついた。このため、発明者らは、下降通路２４に複数の開口部２６を形成して一個あたりの開口部２６の面積を減少することによって、放出する蒸気の気泡の大きさを小さくし、蒸気泡の凝縮を促進させれば良い、との発想に至った。

この発想を定量化するために、下降通路２４の開口部２６から放出される蒸気泡の凝縮機構について詳細に検討した結果について説明する。ＢＷＲの炉心に装荷された燃料集合体の燃料保持部２９から燃料集合体内に流入する冷却水はサブクール水３１で、サブクール度は通常約１０℃である。上昇通路２２内で発生した蒸気は下降通路２４の開口部２６から蒸気泡として放出され、燃料棒間を流れるサブクール水３１と接触する。サブクール水３１との接触によって蒸気泡が凝縮される。しかしながら、凝縮面の面積、即ち蒸気泡の表面積が蒸気泡の体積に比べて小さすぎる場合には、下降通路２４の開口部２６から放出された蒸気泡は、凝縮される前に、燃料集合体の上端まで到達する。このため、燃料集合体の軸方向ボイド率が全体的に増加する。

開口部２６から放出された蒸気泡を燃料保持部２９の貫通孔３０から流入するサブクール度１０℃のサブクール水３１によって完全に凝縮させるためには、サブクール水３１が燃料棒の発熱によって加熱されて飽和水になるまでの領域範囲（非沸騰領域）内で蒸気泡を完全に凝縮させる必要がある。現行のＢＷＲにおける非沸騰領域は、燃料集合体の燃料有効長の下端から上方に向かって約５０〜６０ｃｍまでの範囲である。この非沸騰領域の燃料集合体の軸方向における長さを非沸騰長という。非沸騰長は、炉心入口における冷却水のサブクール度、炉心流量及び燃料棒の発熱密度に依存する。冷却水のサブクール度は炉心に冷却水を供給する再循環ポンプのキャビテーションを防止するように決定される。炉心流量は再循環ポンプの性能によって決定される。また、燃料棒の発熱密度は燃料棒を物理的に除熱可能な発熱密度に制約がある観点から決定されている。これらの３つの設計値はいずれも大幅な変更が難しいので、非沸騰長はあらゆるＢＷＲに対して同程度(５０ｃｍ)になる。

燃料集合体の燃料有効長（燃料棒内における核燃料物質の充填領域の、燃料集合体の軸方向における長さ）の下端を基準点としたとき、下降通路２４の開口部２６の、その基準点からの高さＴ（ｃｍ）を、（１）式
０≦Ｔ≦５０ ……（１）
の範囲に設定することにより、開口部２６から放出される蒸気泡を非沸騰領域内に放出させることが可能となる。したがって、蒸気泡を凝縮させることができ、燃料集合体の軸方向ボイド率の全体的な増加を抑制することができる。これにより、ＳＳＲから放出される蒸気のボイド率に対する影響を軽減できるので、沸騰水型原子炉の運転サイクルに対する適切な制御棒計画（運転サイクル初期での各制御棒の挿入量、及び制御棒引き抜き時における制御棒引き抜き量及び引き抜きタイミング）を作成するために行われる解析における繰り返し計算を少なくすることができる。すなわち、解析により軸方向のボイド率分布を求める計算の繰り返し数を低減できる。したがって、ＳＳＲを有する燃料集合体を炉心に装荷した原子炉に対する適切な制御棒計画の作成に要する時間を短縮することができる。

下降通路２４の開口部２６から放出される蒸気泡を、燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって５０ｃｍの位置の間の非沸騰領域において完全に凝縮することができれば、燃料集合体の軸方向ボイド率の全体的な増加を完全に防止することができる。これにより、上記の適切な制御棒計画の作成に要する時間を更に短縮することができる。そこで、発明者らは、その非沸騰領域で凝縮可能な蒸気泡の大きさについて詳細二相流計算を用いて検討した結果、以下に示す新たな知見を得ることができた。

開口部２６から放出された蒸気泡の断面積Ｓ１（ｍｍ²）と蒸気泡が凝縮するまでに上昇する距離Ｌ（ｃｍ）の関係を図４に示す。蒸気泡の断面積Ｓ１、即ち、蒸気泡の直径が増加するにつれて蒸気泡の体積に対する蒸気泡の表面積の割合が減少する。この割合の減少により蒸気泡の凝縮に要する時間が増加し、蒸気泡の上昇距離が増加する。この結果が図４に示されている。

次に、下降通路２４の開口部２６の開口面積Ｓ（ｍｍ²）と蒸気泡の断面積Ｓ１（ｍｍ²）の関係について検討した。この検討結果が図５に示されている。発明者らは、開口部２６から放出された蒸気泡の断面積Ｓ１が開口部２６の開口面積Ｓよりも大きくなること、断面積Ｓ１に対する開口面積Ｓの比率は約２５倍、それらの直径の比で約５倍になることを新たに発見した。発明者らは、開口部２６の開口面積Ｓ（ｍｍ²）と開口部２６から放出された蒸気泡が凝縮するまでに上昇する距離Ｌ（ｃｍ）の関係を調べるために、図４及び図５に示す各特性を近似関数でフィッティングすることを考えた。得られた近似関数を(２)式及び(３)式に示す。

Ｓ１＝０．００７７×Ｌ²＋１．４３６６×Ｌ ……(２)
Ｓ＝０．０４０５×Ｓ１ ……(３)
（２）式及び(３)式から蒸気泡の断面積Ｓ１を消去することによって、開口部２６の開口面積Ｓ（ｍｍ²）と蒸気泡が凝縮するまでに上昇する距離Ｌ（ｃｍ）に関する（４）式が得られた。

Ｓ＝３．１２×１０^-4×Ｌ²＋５．８２×１０^-2×Ｌ ……(４)
また、非沸騰領域よりも上方の領域では蒸気泡を凝縮することができないため、ＳＳＲ２０の開口部２６の、燃料有効長の下端からの高さＴと蒸気泡が凝縮するまでに上昇する距離Ｌとの関係は、非沸騰長（５０ｃｍ）を用いて（５）式のように表すことができる。

０＜Ｌ≦５０−Ｔ ……(５)
（４）式及び（５）式より、下降管２３において高さＴの位置に形成された開口面積Ｓの開口部２６から放出される蒸気泡が非沸騰領域内で完全に消滅するための条件は（６）式で表すことができる。

０＜Ｓ≦３．１２×１０^-4×(５０−Ｔ)²＋５．８２×１０^-2×(５０−Ｔ) ……(６)
以上に述べたように、発明者らは、下降通路２４の開口部２６の開口面積Ｓを(６)式を満たすように決定することにより、開口部２６から放出された蒸気泡が非沸騰領域の最上端に達する前に全て凝縮させることが可能となることを発見した。全開口部２６の開口面積Ｓの合計は、下降管２３の流力振動を抑制する観点から、下降通路２４の流路断面積よりも大きくすることが望ましい。

以下、以上の検討によってなされた、本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である燃料集合体を、図１及び図２を用いて以下に説明する。本実施例の燃料集合体は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に適用される。

本実施例の燃料集合体１は、複数の燃料棒２、下部タイプレート３、上部タイプレート５、スペクトルシフトロッド（ＳＳＲ）７及びチャンネルボックス１６を備えている。核燃料物質がそれぞれの燃料棒２内に充填されている。各燃料棒２は、下端部が下部タイプレート３の燃料保持部４に保持され、上端部が上部タイプレート５に保持される。燃料保持部４は下部タイプレート３の上端に位置している。空間１７が下部タイプレート３内で燃料保持部４の下方に形成されている。複数の燃料棒２は、軸方向に配置された複数の燃料スペーサ６によって束ねられている。これらの燃料スペーサ６は、複数の燃料棒２の相互間に所定の間隔が形成されるように、各燃料棒２を保持する。角筒状のチャンネルボックス１６が、上部タイプレート５に取り付けられ、下部タイプレート３の側壁に向かって伸びている。燃料スペーサ６で束ねられた各燃料棒２はチャンネルボックス１６の内側に配置される。

ＳＳＲ７は、水ロッドであり、燃料集合体１の横断面の中央部に配置されて燃料棒２の間に配置されている。ＳＳＲ７は、上昇管８及び上昇管８の上端部に接続される下降管９を有する。このＳＳＲ７の詳細な構造を、図１を用いて説明する。上昇通路１１が上昇管８内に形成され、下降通路１２が下降管９内に形成される。上昇通路１１と下降通路１２は、それぞれの上端部で互いに接続されている。上昇通路１１及び下降通路１２は、ＳＳＲ７内に逆Ｕ字状の通路を形成する。上昇管８の下端部が燃料保持部４に保持され、上昇管８の上端部が上部タイプレート５に保持されている。開口部１３が、上昇管８の下端部に形成され、燃料保持部４より下方の空間１７と上昇通路１１を連絡している。下降管９の下端は密封されており、下降管９の下端部の側壁に複数の開口部１４が形成されている。これらの開口部１４は、燃料棒２の相互間及び燃料棒２とＳＳＲ７の間にそれぞれ形成される冷却水通路１０と下降通路１２を連絡している。開口部１４の個々の開口面積は下降通路１２の流路断面積よりも小さくなっている。

ＳＳＲ７は全長３．７ｍ、上昇管８の内径は２５ｍｍ、下降管９の内径は上昇管８の内径の１／５である５ｍｍである。下降通路１２の流路断面積は上昇通路１１のその面積の１／２５である。下降管３の下端近傍、具体的には、燃料集合体１の燃料有効長下端とこの下端から上方に向かって６ｃｍの位置との間の範囲に直径２ｍｍの複数の開口部１４が形成されている。

本実施例は、下降管９において燃料有効長の下端から上方に向かって６ｃｍの範囲に直径２ｍｍの開口部１４を多数形成している。これらの開口部１４は、下降管９の軸方向及び周方向に所定の間隔で配置されている。非沸騰領域の上端まで４４ｃｍ以上の距離を移動する間に蒸気泡を凝縮させるためにＳＳＲ７の下降管９に形成する開口部１４の面積Ｓは、（６）式にＬ＝４４ｃｍを代入することによってＳ≦３．１６ｍｍ^２（開口部１４の直径に換算すると２．０１ｍｍ）となる。本実施例は、下降管９の下端部（燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって６ｃｍの位置との間の範囲）に直径２ｍｍの開口部１４を多数形成しているので、各開口部１４から放出された蒸気泡を非沸騰領域の上端に達するまでに全て凝縮させることができる。

このため、燃料集合体の軸方向ボイド率の全体的な増加を防止でき、ＳＳＲから放出される蒸気のボイド率に対する影響を軽減できるので、特に、事前の評価との乖離が小さくなるので、沸騰水型原子炉の運転サイクルに対する適切な制御棒計画（運転サイクル初期での各制御棒の挿入量、及び制御棒引き抜き時における制御棒引き抜き量及び引き抜きタイミング）を作成するために行われる解析における繰り返し計算を少なくすることができる。すなわち、解析により軸方向のボイド率分布を求める計算の繰り返し数を低減できる。したがって、ＳＳＲ７を有する燃料集合体１を炉心に装荷した沸騰水型原子炉に対する運転サイクル（特に、運転サイクル初期）における適切な制御棒計画の作成に要する時間を短縮することができる。

複数の開口部１４を通して蒸気泡を下降管９の周方向に均質に放出させることによって、水平方向に蒸気が放出される際に下降管９にかかる反力の平均値がほぼ０になるため、下降管９に発生する曲げ応力を抑制することが可能となる。さらに、複数の開口部１４の合計開口面積を下降通路１２の流路断面積よりも大きくすることにより、開口部１４から蒸気泡が放出される際の蒸気の流速を抑制することが可能となる。このため、下降管９の流力振動を抑制できる。

本発明の他の実施例である燃料集合体を、図７を用いて以下に説明する。本実施例の燃料集合体１Ａは、前述の燃料集合体１の下降管９に形成された開口部１４を開口部１４Ａに替えた構成を有する。燃料集合体１Ａの下降管９は、下端部（燃料有効長の下端から上方に向かって３ｃｍ以内の範囲）に、９０°の間隔を置いて下降管９から四方に伸びる複数の分岐管１８を取り付けている。これらの分岐管１８は下降管９の軸方向にも複数設けられている。燃料集合体１Ａの他の構造は燃料集合体１と同じである。下降管９の内径は５ｍｍであり、分岐管１８の内径は２．５ｍｍである。１枚の仕切板１９が各分岐管１８内でその先端に配置され、それぞれの分岐管１８に設置される。仕切板１９の設置により、各分岐管１８の先端に２つの開口部１４Ａが形成される。仕切板１９によって分割された各開口部１４Ａの水力等価直径は１．５ｍｍである。

本実施例は、燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって３ｃｍの位置との間の範囲に水力等価直径１．５ｍｍの複数の開口部１４Ａを形成している。非沸騰領域の上端まで４７ｃｍ以上の距離を移動する間に蒸気泡を凝縮させるためにＳＳＲ７の下降管９の開口部１４Ａの開口面積Ｓは、（６）式にＬ＝４７ｃｍを代入することによってＳ≦３．４２ｍｍ^２（開口部１４Ａの水力等価直径に換算すると２．０９ｍｍ）となる。下降管９の下端部（燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって３ｃｍの位置との間の範囲）に水力等価直径１．５ｍｍの開口部１４Ａを多数形成しているので、本実施例はそれらの開口部１４Ａから放出される蒸気泡を非沸騰領域の上端に到達するまでに全て凝縮させることができる。したがって、本実施例は、燃料集合体１Ａの軸方向ボイド率の全体的な増加を防止でき、燃料集合体１Ａ内の核燃料物質を有効に燃焼させることができ、ＳＳＲ７を有する燃料集合体１Ａの燃料経済性が向上する。

上記の蒸気泡凝縮効果に加えて、分岐管１８を採用している本実施例では、上昇通路１１内で発生した蒸気が分岐管１８を通過する際に分岐管１８の管壁で幾らか凝縮されるため、実施例１に比べて開口部１４Ａから放出される蒸気の量を抑制することができる。これにより、放出される蒸気の流速をより遅くすることができ、下降管９の流力振動を抑制することが可能となる。また、下降管９の周方向において、０度と１８０度、及び９０度と２７０度と、反対方向を向いた２組の分岐管１８のペアを構成することにより、各分岐管１８から蒸気が放出される際に下降管９に加わる反力を打ち消すことができる。このため、蒸気の放出によって、ＳＳＲ７の下降管９に発生する曲げ応力を抑制することができる。

各々の分岐管１８に形成された各開口部１４Ａの開口面積Ｓが（６）式で算出される面積Ｓよりも小さくなるようにさえすれば、１つの分岐管１８に設置される仕切板１９の枚数を増やし、分岐管１８の中心軸から放射状に配置することも可能である。また、仕切板１９の替りに、図８に示すように、直径１．５ｍｍの複数の開口部１４Ｅを形成した板部材３２を各分岐管１８の先端部に設置してもよい。この構成によっても、図７に示す下降管９で生じる効果と同様な効果を得ることができる。

燃料集合体１Ａは、下降管９に周方向に４本の分岐管１８を設置しているが、８本の分岐管１８を下降管９の周方向に設置することも可能である。噴出する蒸気によって生じる反力を抑制する観点から、分岐管１８の本数は偶数本ずつ、すなわち、蒸気放出方向が反対方向を向いた２本の分岐管１８を１つの単位として増加させるとより好ましい。

本発明の他の実施例である燃料集合体を、図９を用いて以下に説明する。本実施例の燃料集合体１Ｂは、前述の燃料集合体１の下降管９に形成された開口部１４を開口部１４Ｃに替えた構成を有する。燃料集合体１Ｂの下降管９は、下端部（燃料有効長の下端から上方に向かって６ｃｍ以内の範囲）に、４５°の間隔を置いて下降管９から八方に伸びる複数のノズル３３を取り付けている。これらのノズル３３は下降管９の軸方向にも複数設けられている。燃料集合体１Ｂの他の構造は燃料集合体１と同じである。下降管９の内径が５ｍｍであり、ノズル３３先端での開口部１４Ｃの直径が２ｍｍである。

本実施例では、燃料有効長の下端とこの下端から上方に向って６ｃｍの位置との間の範囲に複数のノズル３３を設置している。このため、本実施例も、下降通路１２の各開口部１４Ｂから放出される蒸気を非沸騰領域の上端に到達するまでに全て凝縮させることができる。したがって、燃料集合体１Ｂの軸方向ボイド率の全体的な増加を防止できるので、ＳＳＲ７を有する燃料集合体１Ｂを炉心に装荷した沸騰水型原子炉に対する運転サイクル（特に、運転サイクル初期）における適切な制御棒計画の作成に要する時間を短縮することができる。

本実施例も、各ノズル３３が１８０°反対方向に伸びているので、実施例２と同様に、下降管９に生じる曲げ応力を抑制することができる。各開口部１４Ｂから放出される蒸気流速を遅くすることができ、実施例２と同様に、下降管９の流力振動を抑制することが可能となる。

図１０に示すように、各ノズル３３の外面にフィン３４を設けてもよい。フィン３４の設置により、ノズル３３の側壁において外部を流れるサブクール水とノズル３３内を流れる蒸気間の熱貫流率を増加させることができる。したがって、ノズル３３の内面での蒸気の凝縮量が増加して、開口部１４Ｂから放出される蒸気量を大幅に低減させることができる。これにより、下降管９の、更なる流力振動抑制が実現できる。

本発明の他の実施例である燃料集合体を、図１１を用いて以下に説明する。本実施例の燃料集合体１Ｃは、実施例２の燃料集合体１Ａにおいて分岐管１８を分岐管１８Ａに替えた構造を有する。燃料集合体１Ｃの他の構造は、燃料集合体１Ａと同じである。複数の分岐管１８Ａが、燃料集合体１Ｃの下降管９の下端部（燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって４ｃｍの位置との間の範囲）に、周方向に９０°の間隔を置いて取り付けられている。８本の分岐管１８Ａを、下降管９の周方向に配置することも可能である。本実施例では、下降管９の内径が１０ｍｍであり、分岐管１８Ａの内径が５ｍｍである。それぞれの分岐管１８Ａの側壁には、直径１．５ｍｍの複数の開口部１４Ｃが形成されている。

本実施例は、燃料有効長の下端とこの下端から上方に向って４ｃｍの位置の間の範囲に直径１．５ｍｍの複数の開口部１４Ｃを配置している。非沸騰領域の上端まで４６ｃｍ以上の距離を移動する間に蒸気泡を凝縮させるために、下降管９に形成する開口部１４Ｄの開口面積Ｓは、（６）式にＬ＝４６ｃｍを代入することによってＳ≦３．３４ｍｍ^２（直径に換算すると２．０６ｍｍ）となる。したがって、燃料集合体１Ｃは、燃料集合体１Ａと同様に、下降管９に形成された各開口部１４Ｃから放出される蒸気を非沸騰領域の上端に達するまでに全て凝縮させることができる。燃料集合体１Ｃの軸方向ボイド率の全体的な増加を防止することができるので、ＳＳＲ７を有する燃料集合体１Ｃを炉心に装荷した沸騰水型原子炉に対する運転サイクル（特に、運転サイクル初期）における適切な制御棒計画の作成に要する時間を短縮することができる。

本実施例も、下降管９に発生する曲げ応力を抑制することができる。本実施例は、各分岐管１８Ａに複数の開口部１４Ｃをそれぞれ形成しているので、より多くの開口部１４Ｃを下降管９の下端部に集中して配置することができる。このため、全開口部１４Ｃの合計面積をより大きくすることができ、開口部１４Ｃでの蒸気の流速が大幅に低減できる。下降管９の流力振動が著しく低減される。

本発明の他の実施例である燃料集合体を、図１２を用いて以下に説明する。本実施例の燃料集合体１Ｅは、実施例２の燃料集合体１Ａにおける分岐管１８の開口部１４Ａの仕切板１９をベーン３５に替えた構造を有する。ベーン３５は、分岐管１８の先端部に設置されており、分岐管１８から放出される蒸気に旋回力を与える。燃料集合体１Ｄの他の構造は、燃料集合体１Ａと同じである。ベーン３５が設置された複数の分岐管１８が、燃料集合体１Ｄの下降管９の下端部（燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって４ｃｍの位置との間の範囲）に、周方向に９０°の間隔を置いて取り付けられている。ベーン３５を設けた８本の分岐管１８を、下降管９の周方向に配置することも可能である。本実施例では、下降管９の内径が５ｍｍであり、分岐管１８の内径が２．５ｍｍである。

本実施例も、ベーン３５から放出される蒸気の流速を遅くすることができ、下降管９の流力振動を抑制することができる。さらに、下降管９に発生する曲げ応力を抑制することもできる。

非沸騰領域の上端まで４６ｃｍ以上の距離を移動する間に蒸気泡を凝縮させるために、下降管９に形成する開口部の開口面積は、（６）式にＬ＝４６ｃｍを代入することによってＳ≦３．３４ｍｍ^２（直径に換算すると２．０６ｍｍ）となる。本実施例では、分岐管１８の内径が直径２．５ｍｍであり、Ｓ≦３．３４ｍｍ^２を満足しない。しかしながら、本実施例は、ベーン３５によって吐出される蒸気の旋回流を生じさせているので、蒸気泡の直径を微細化することができる。したがって、ベーン３５から放出される蒸気泡は非沸騰領域の上端に到達するまでに完全に凝縮される。即ち、上昇通路１１内で発生した蒸気が下降通路１１及び分岐管１８を通ってサブクール水３１中に放出される際、ベーン３５によって放出される蒸気流に旋回力が与えられる。この旋回力によって生じる剪断力によって分岐管１８から放出される蒸気泡が細かく分割される。ベーン３５を通って放出される蒸気泡の直径は、ベーン３５を採用していない実施例１〜４よりも細かくすることができる。これにより、非沸騰領域の上端に到達するまでの間における蒸気泡凝縮効果を促進することができ、燃料集合体１Ｄの軸方向ボイド率の全体的な増加を防止できる。燃料集合体１Ｄの軸方向ボイド率の全体的な増加を防止することができるので、ＳＳＲ７を有する燃料集合体１Ｄを炉心に装荷した沸騰水型原子炉に対する運転サイクル（特に、運転サイクル初期）における適切な制御棒計画の作成に要する時間を短縮することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の燃料集合体のＳＳＲ付近の構成図で、（Ａ）はＳＳＲ付近の燃料集合体の構成図、（Ｂ）はＳＳＲの下降管の下端部の構成図である。 実施例１の燃料集合体の縦断面図である。 下部タイプレートの差圧とＳＳＲ内の液面の高さとの関係を示す特性図である。 蒸気泡が凝縮するまでに上昇する距離と蒸気泡の断面積との関係を特性図である。 蒸気泡の断面積と下降通路の開口部の面積との関係を示す特性図である。 ＳＳＲの機能を示す説明図である。 本発明の他の実施例である実施例２の燃料集合体の構成を示し、（Ａ）実施例２の燃料集合体のＳＳＲの下降管下端部の側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。 実施例２の燃料集合体の他の構成例の燃料集合体のＳＳＲの下降管下端部の側面図である。 本発明の他の実施例である実施例３の燃料集合体の構成を示し、（Ａ）実施例３の燃料集合体のＳＳＲの下降管下端部の側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 実施例３の燃料集合体の他の構成例の燃料集合体のＳＳＲの下降管下端部の側面図である。 本発明の他の実施例である実施例４の燃料集合体の構成を示し、（Ａ）実施例４の燃料集合体のＳＳＲの下降管下端部の側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の他の実施例である実施例５の燃料集合体の構成を示し、（Ａ）実施例５の燃料集合体のＳＳＲの下降管下端部の側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…燃料集合体、２…燃料棒、３…下部タイプレート、４…燃料保持部、５…上部タイプレート、７，２０…スペクトルシフトロッド、８，２１…上昇管、９，２３…下降管、１０…冷却水通路、１１，２２…上昇通路、１２，２４…下降通路、１３，１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｅ，２５，２６…開口部、１８，１８Ａ…分岐管、１９…仕切板、２７…冷却水領域、２８…蒸気領域、３３…ノズル、３４…フィン、３５…ベーン、Ｌ１…液面。

Claims (3)

1. 上部タイプレートと、下部タイプレートと、内部に核燃料物質が充填されて上端部が前記上部タイプレートに保持され、下端部が前記下部タイプレートの燃料保持部に保持される複数の燃料棒と、内部に上昇通路を形成する上昇通路形成部材、上端部で前記上昇通路形成部材に接続されて内部に前記上昇通路に連絡される下降通路を形成する下降通路形成部材を有し、前記燃料棒に取り囲まれて配置される水ロッドとを備え、
   前記上昇通路形成部材の下端部が前記燃料保持部に保持され、前記上昇通路と前記燃料保持部より下方の領域とを連通する第１開口部が、前記上昇通路形成部材の下端部に形成され、前記下降通路に連絡されて前記燃料保持部よりも上方の領域に開放される複数の第２開口部が、燃料集合体の燃料有効長の下端とこの下端から上方に向かって５０ｃｍの位置との間で前記下降通路形成部材に形成され、前記第２開口部の開口面積が前記下降通路の流路断面積よりも小さくなっており、前記複数の第２開口部の開口面積の合計が、前記下降通路の流路断面積より大きくなっていることを特徴とする燃料集合体。
2. 前記下降通路の流路断面積が前記上昇通路の流路断面積よりも小さい請求項１に記載の燃料集合体。
3. それぞれの前記第２開口部の前記開口面積をＳ（ｍｍ ^２ ）、及び燃料集合体の燃料有効長の下端からの高さをＴ（ｃｍ）としたとき、前記開口面積Ｓが
   ０＜Ｓ≦３．１２×１０ ^-4 ×(５０−Ｔ) ² ＋５．８２×１０ ^-2 ×(５０−Ｔ)を満足している請求項１または２に記載の燃料集合体。

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