JPH04301791A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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（以下Ｂ
ＷＲという）の燃料集合体に係わり、特に燃料集合体内
のウォーターロッドまたはウォータークロスの流路抵抗
を制御することによりスペクトルシフト運転を行うこと
ができる燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＢＷＲの炉心に装荷される従来の燃料集
合体の一例としては図２１に示すように構成されたもの
があり、この燃料集合体１は角筒状のチャンネルボック
ス２内に燃料バンドル３を収容している。

【０００３】燃料バンドル３は燃料棒４の複数本を、例
えば８行８列の正方格子状に配列して、その中央部に太
径のウォーターロッド５を配置し、これら燃料棒及びウ
ォーターロッドは軸方向に多段に配設されたスペーサ６
により結束されている。また各燃料棒４及びウォーター
ロッド５の上端部には上部端栓７が、下端部には下部端
栓８がそれぞれ固着され、さらに、上部端栓７が上部タ
イプレート９に、下部端栓８が下部タイプレート１０に
それぞれ支持されている。

【０００４】下部タイプレート１０はその開口から減速
材と冷却材としての機能を併せ持つ炉水を図中矢印に示
すようにチャンネルボックス２内部に導入し、各燃料棒
４相互間の間隙を下から上方へ向けて昇流させ、その際
に上記冷却材は各燃料棒４から放出される熱を除去して
炉心上部へ流れ、気液二相流となる。

【０００５】そして、ウォーターロッド５はその下端部
の開口５ａより炉水を内部へ導入し、軸方向上方へ案内
して排出口５ｂより外部へ流出させ、各燃料棒４の上端
部に案内する。ここで、ウォーターロッド５内を流れる
炉水は主として減速材として作用し、緩やかにウォータ
ーロッド内を流れ、炉心上部で前記気液二相流と合流し
て混合される。なお、図２２に十字形の流路形状をした
ウォータークロス１１をウォーターロッドのかわりに有
する例を示す。ウォータークロス１１はやはり下部に冷
却材取り入れ口（図示せず）を有し上端は十字形のまま
の開放端である。

【０００６】従来のＢＷＲは、特開昭５４−１２１３８
９号公報に記載されているように、中性子の減速を促進
させるために冷却材のみが流れるウォーターロッドを有
する燃料集合体を炉心内に装荷している。このようなウ
ォーターロッドの使用は、従来のＢＷＲ運転条件下では
、ウラン原子に対する水素原子の数が多いほど反応度が
高くなるので、炉心に装荷された核燃料物質の有効活用
を可能にする。

【０００７】しかしながら、さらに核燃料物質の有効活
用を図るためには、核燃料物質の燃焼に伴って炉心内の
水素原子数を変えた方がよい。

【０００８】炉心内の水素原子数を核燃料物質の燃焼に
伴って変えた場合の利点を以下に説明する。

【０００９】図２３は、ＢＷＲに用いられる代表的な燃
料集合体について横軸に燃焼度、縦軸に中性子の無限増
倍率を示したものである。図中二本の線はいずれも同一
の燃料集合体であるが、破線は燃料集合体内の冷却材流
路におけるボイド率を一定（４０％）にして燃焼させた
場合を、実線は最初高ボイド率（５０％）で運転して途
中でボイド率を下げた（３０％）場合を示す。図２３か
ら明らかな様に、はじめボイド率を高くして燃焼させた
後で、ボイド率を下げた方が、燃料の寿命末期でより高
い無限増倍率を得ることができる。つまり、より高い取
り出し燃焼度を得ることができる。

【００１０】これは、ボイド率が高く、ウラン原子数に
対する水素原子数の比が小さい、即ち水素原子数が少な
い方が、中性子の平均速度が大きく、ウラン２３８に吸
収され易いためである。ＢＷＲで用いられる核燃料物質
中には、ウラン２３５とウラン２３８が含まれており、
ウラン２３５が核燃料物質全体の数％で大部分をウラン
２３８が占めている。このうち、中性子を吸収して核分
裂を生じるのは主にウラン２３５のみであり、ウラン２
３８はほとんど核分裂を生じない。従って、ウラン２３
５が燃焼によって減少すると反応度は低下する。

【００１１】しかし、ウラン２３８も核分裂によって生
じる高エネルギの中性子を吸収するとプルトニウム２３
９に変わる。プルトニウム２３９は、ウラン２３５と同
じく、減速された熱中性子を吸収して核分裂を起こす。 ボイド率が高いほど、中性子のエネルギが高くてウラン
２３８からプルトニウム２３９に転換される割合が大き
く、ウラン２３５およびプルトニウム２３９の核分裂が
抑制される。従って、ボイド率が高いほど、ウラン２３
５とプルトニウム２３９の総量の減少が遅くなる。

【００１２】ただし、ボイド率が高いと、反応度の絶対
値は低い。このため、ボイド率が高いままでは、ボイド
率が低い場合に比べて反応度が臨界を維持できる最低レ
ベルに早く達してしまう。そこで、その時点でボイド率
を下げると、中性子の減速効果が増し、ボイド率一定で
燃焼した場合に比べてウラン２３５およびプルトニウム
２３９の核分裂が増し、反応度はより高くなる。従って
、臨界に必要な最低反応度になるまで、核燃料物質に含
まれる核分裂性物質をより長く燃焼させることができる
。

【００１３】以上述べたことが、核分裂性物質の燃焼に
伴ってボイド率を変化させることにより核燃料物質の有
効活用を図る原理であって、スペクトルシフト運転とよ
ばれる。

【００１４】このようなスペクトルシフト運転のため、
核燃料物質の燃焼に伴って炉心内の水素原子数を変える
方法としては、単純な構造で燃料集合体内平均ボイド率
を大幅に変化させることを可能とするため、原子力学会
「昭和６３年会」（１９８８．４／４−４／６）発表Ｎ
ｏ．Ｆ１５「大幅スペクトルシフトＢＷＲ炉心概念（１
）」及び、特開昭６３−７３１８７号公報には、図２４
，図２５に示すように燃料集合体の下部に抵抗体１２を
設け、ウォーターロッド５に、前記抵抗体より下方の領
域で開口した冷却材流入口１３を有する冷却材上昇流路
１４と、前記冷却材上昇流路に連絡され前記抵抗体より
も上方の領域に開口した冷却材吐出口１５を有する冷却
材下降流路１６とを設けることが提案されている。

【００１５】このように構成された燃料集合体において
は図２６に示す様に、炉心を通過する冷却材の流量が低
下すると、ウォーターロッド５の出入口差圧が小さくな
り流路内に蒸気が充満し、冷却材流量が増加すると逆に
出入口差圧が増加して流路内の蒸気量が著しく減少する
。従って、燃料集合体内平均ボイド率を大幅に変化させ
ることが可能となり、運転サイクル末期での反応度増加
が可能となる。即ち、冷却材流量を絞った運転サイクル
前半では、ウォーターロッド流路内において液相流が存
在する炉心下部で減速材密度が大きく、蒸気相が存在す
る炉心上部で減速材密度が小さくなる。従って、運転サ
イクルの前半では、主に原子炉下部が燃焼し、炉心上部
ではウラン２３８からプルトニウム２３９への転換が図
られ、運転サイクル後半には、サイクル前半で転換され
た炉心上部のプルトニウム２３９が主に燃焼に寄与する
ため、スペクトルシフト効果による燃料の燃焼効率が高
まる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来提案の燃料集合体では、燃料集合体内平均ボイド率を
大幅に変化させる為には前記提案のウォーターロッドの
出入口差圧を炉心流量で制御する必要がある。ところで
ＢＷＲにおいては燃料集合体の冷却材流量は燃料集合体
の出力及び軸方向出力分布に依存する。集合体出力が大
きいほどボイド量が大きく二相圧損の増加により集合体
の冷却材流量は減少する。また集合体出力は同じでも軸
方向の出力分布が下方ピークの方がボイド量が大きく二
相圧損の増加により集合体の冷却材流量は減少する。こ
の出力分布による集合体冷却材流量の変動幅は２０％に
も及ぶ。図２６に示すようにこのウォーターロッドの平
均ボイド率はウォーターロッドの微妙な出入口差圧の変
化によって大きく変化する。従って例えば炉心流量を１
１０％定格にして運転している場合は全燃料集合体のウ
ォーターロッドは低ボイド率の約１０％、炉心流量が７
０％定格の場合は高ボイド率の約７０％に確実に制御で
きたとしてもその中間の炉心流量では集合体の出力に依
存して１０％ボイド、７０％ボイドと大きなばらつきを
生じることになる。

【００１７】その結果集合体の出力をオンラインで監視
、シミュレートする３次元核熱水力計算プログラムの評
価結果と炉内核計装の信号の誤差が大きくなり炉内のの
精度の良い熱的制限（ＭＣＰＲ，ＭＬＨＧＲ）の評価に
とって不利になる欠点があった。また従来提案のウォー
ターロッドではウォーターロッド内のボイド率を大幅に
変えるスペクトルシフト運転をするにはこのような大幅
な炉心流量の変更をする必要があり、ＭＣＰＲ等の制限
上、流量を絞れない場合ウォーターロッドによるスペク
トルシフトができない欠点があった。

【００１８】本発明は上記の欠点をなくし炉心流量、及
び燃料集合体の出力分布に関係なく定格出力近傍の高出
力では自由にウォーターロッド内のボイド率変化による
スペクトルシフト運転を行える燃料集合体を提供する事
にある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上端部を上部
タイプレートに保持するとともに下端部を下部タイプレ
ートに保持した複数本の燃料棒を、冷却材流路を構成す
る筒状のチャンネルボックス内に収容した燃料集合体に
おいて、内部に冷却材流路を形成したウォーターロッド
或いはウォータークロスを上記燃料棒間に配設するとと
もに、その冷却材流路の頂部に上記冷却材流路内の圧力
が所定値以上になったとき吐出口を開くスプリング付き
弁を設け、さらに上記ウォーターロッド或いはウォータ
ークロスの下部に形成された制御要素案内管に、上記ウ
ォーターロッド或いはウォータークロス内への冷却材流
入量を制御する制御要素を進退可能に挿入したことを特
徴とする。

【００２０】

【作用】ウォーターロッド或いはウォータークロスの下
部の制御要素案内管への制御要素の挿入量が小さく冷却
材流入量が多い時はウォーターロッド内は５％以下のボ
イド率となり、制御要素が挿入されて入口が塞がれてい
る時は入口の流路抵抗が大きくなりウォーターロッド内
は８０％以上のボイド率となる。また制御要素が反応度
制御のため燃料集合体の燃料有効部分まで挿入される動
作中は、ウォーターロッド内の圧力が高まって、上端の
スプリング付き弁を弁座から押し上げ水または蒸気が逃
がされる。

【００２１】

【実施例】以下本発明の実施例を図１に基づいて説明す
る。

【００２２】本実施例の燃料集合体２０は、燃料棒２１
、上部タイプレート２２、下部タイプレート２３、燃料
スペーサ２４、チャンネルボックス２５、及びウォータ
ーロッド２６、燃料支持金具２７からなっている。燃料
棒２１の上下端部は、上部タイプレート２２及び下部タ
イプレート２３にて保持されている。ウォーターロッド
２６も、両端部が上部タイプレート２２及び下部タイプ
レート２３に保持されている。燃料スペーサ２４は、燃
料集合体２０の軸方向に複数配置され、燃料棒２１、及
びウォーターロッド２６の相互間の間隙を適切に保持す
る。燃料スペーサ２４の軸方向の位置はウォーターロッ
ド２６によって保持されている。チャンネルボックス２
５は、燃料支持金具２７にネジ２８によって取り付けら
れ、燃料スペーサ２４で保持された燃料棒２１の束４体
の外周を取り囲み、制御棒２９を囲む大型の燃料集合体
を構成する（図２参照）。下部タイプレート２３は燃料
支持金具２７のうえに載り、上端部に燃料棒支持部２３
ａを有し、しかも燃料棒支持部２３ａの下方に空間３０
を有している。燃料棒支持部２３ａが、燃料棒２１及び
ウォーターロッド２６の下端部を支持している。燃料棒
２１は、図３に示すように上部端栓２１ａ及び下部端栓
２１ｂにて両端が密封された被覆管２１ｃ内に多数の燃
料ペレット３１を装荷したものであり、被覆管２１ｃ内
の上端部にガスプレナム３２が設けられている。ウォー
ターロッド２６の直径は燃料棒２１の外径より大きく、
燃料集合体２０の横断面の中央部に配置されている。

【００２３】本発明の特徴であるウォーターロッド２６
の詳細構造を図４により説明する。ウォーターロッド２
６は、内管３３、外管３４、スペーサ３５からなってお
り、内管３３はスペーサ３５によって外管３４に保持さ
れ、外管３４の上端は端栓３６で封じられている。内管
３３は端栓３６の上方に伸び上部端栓３７で封じられ、
端栓３６と上部端栓３７の間に弁座３８、スプリング付
き弁３９、及びその上方に開口４０を有し、上部端栓３
７が上部タイプレート２２内に挿入され保持されている
。内管３３は端栓３６の下方で連絡口４１を有し、内管
内の流路４２（冷却材上昇流路）と環状部の流路４３（
冷却材下降流路）とを結ぶ。スペーサ３５は環状部の冷
却材下降流路４３を確保できる様に開口部を有している
。外管３４の下端は燃料棒支持部２３ａより上方に位置
する環状端４４で封じられており、下部に冷却材吐出口
４５を有する。内管３３の下端は下部タイプレート２３
の燃料棒支持部２３ａを貫通して空間３０に開口する制
御要素挿入口を有し、下端と燃料棒支持部２３ａの間に
冷却材入口４６を有する。

【００２４】燃料支持金具２７は制御棒案内管の上には
め込まれ、下部側面に冷却材入口４７を制御棒案内管の
開口部と面する位置に有する（図１中省略）。前記冷却
材入口４７は４体の各燃料束に１個づつ設けられている
。燃料支持金具２７には制御要素案内管４８が燃料支持
金具２７の底部と案内管支持板４９によって固定され、
制御要素案内管４８の上端は前記本発明のウォーターロ
ッド２６の下端とかみ合う。案内管支持板４９には冷却
材を通す開口が設けられている。また燃料支持金具２７
の中央には十字形の開口部が設けられ、図２の様に燃料
集合体の中央に十字形の制御棒２９が挿入される案内を
している。さらに底部には制御棒２９を係止する金具５
０が設けられている。

【００２５】本燃料集合体と組み合わせて使用する制御
棒を図７に示す。この制御棒２９は従来からの十字形制
御棒に円柱状の制御要素２９ｂを付加したものであり、
制御翼２９ａと制御要素２９ｂからなる。制御要素２９
ｂはＳＵＳの中空管にＢ４Ｃ、Ｈｆ等の中性子吸収毒物
を充填したもの、或いはただの中空管でも良い。

【００２６】しかして、本実施例の燃料集合体をＢＷＲ
の炉心に装荷して原子炉を運転する場合、冷却水は制御
棒案内管の開口と燃料支持金具２７の冷却材入口４７を
通って下部タイプレート２３の燃料支持部２３ａに設け
られた貫通口（図１中では省略）を通って燃料棒２１の
間の冷却水流路に導かれる。下部タイプレート２３の空
間３０に流入した冷却水の残りはウォーターロツド２６
の冷却材入口４６から冷却材上昇流路４２内に流入し、
さらに下降流路４３を介して吐出口４５から燃料棒支持
部２３ａより上方の位置の冷却水流路に吐出される。

【００２７】冷却水吐出口４５から吐出される冷却水は
、冷却材入口４６から流入する冷却水の流量の多少に応
じて液相または蒸気相となる。

【００２８】図４に示すように制御要素２９ｂの先端が
冷却材入口４６より下方に位置する場合は、開口面積が
大きく入口抵抗が小さいためウォーターロッド２６の内
部は非沸騰の冷却水が流れる。弁３９を上方に押す力は
スプリング３９ａの圧力より小さいので弁３９は弁座３
８に押しつけられている。

【００２９】図５に示すように制御要素２９ｂの先端が
冷却材入口４６より上方に位置する場合は、開口部が制
御要素２９ｂに塞がれ入口抵抗が大きいため流れ込む冷
却水の量が低下し、ウォーターロッド２６の内部は中性
子及びガンマ線による加熱と熱伝導によりボイドが発生
し、吐出口４５及び流路４２，４３の圧損が増加し、入
口４６と吐出口４５の差圧とウォーターロッド流路内の
圧損及び水頭とバランスするまで内管３３の水位が下が
る。その結果ウォーターロッド内には蒸気が充満する。 この場合、弁３９を上方に押す力はスプリング３９ａの
圧力より小さいので弁３９は弁座３８に押しつけられて
いる。

【００３０】ところで、図６に示すように制御棒２９が
上方に挿入される場合は制御要素２９ｂもウォーターロ
ッド２６内に上方に挿入されることになる。この場合は
流路４２，４３の圧力が高まり吐出口４５からも蒸気ま
たは非沸騰水が流出するが、抵抗が大きいので圧力が高
まりスプリング３９ａの圧力に打ち勝って弁３９が上方
に押し上げられ、冷却水は吐出口４０から排出される。 この結果制御棒挿入がスムーズになされ、制御棒挿入時
に燃料集合体が浮き上がるということも防止できる。

【００３１】図は省略するが、制御棒を下方に引き抜く
場合は逆にウォーターロッド内が減圧されることになる
が、出力運転中は蒸気がウォーターロッド内を占めてお
り、その蒸気が膨張するので減圧度合いは小さい。また
停止時は非沸騰水が占めているので流路抵抗も小さく吐
出口４５から逆流して制御棒の引き抜きはスムーズに行
える。

【００３２】本実施例の燃料集合体２０をＢＷＲの炉心
に装荷した場合の作用を述べる。

【００３３】１００％定格出力出力を炉心流量８０−１
１５％の間で確保する例で説明する。運転サイクルの大
半の期間（約７０−８０％）炉心流量を８０％に保ち、
制御棒による反応度調整で燃料の燃焼による反応度変化
に対応する。この時制御棒を引き抜いている燃料集合体
においては制御要素２９ｂの先端はウォーターロッドの
冷却材入口４６より上方に位置し、集合体の燃料有効部
の下方に位置するよう制御棒軸方向位置を設定している
。全制御棒を炉心の燃料有効部から全引き抜きしても定
格出力が維持できなくなった時点から、前記制御棒をさ
らに引き抜いて制御要素２９ｂの先端を入口４６より下
方に設定する燃料集合体の数を反応度減少に応じて増加
する。さらに最後の炉心流量を増加させサイクル末で最
大炉心流量の１１５％にする。

【００３４】本発明のウォーターロッドの出入口差圧−
ボイド率特性を制御要素２９ｂの先端が冷却材入口４６
より下方にある場合に対して図８に示す曲線Ａの様に設
定すると定格出力運転時に使用する炉心流量の範囲（こ
の例では８０−１１５％定格炉心流量）では、ウォータ
ーロッド内は１０％以下のボイド率であり、従来提案の
ウォーターロッド（曲線Ｂ）で生じていた出力分布によ
る集合体中のウォーターロッド内ボイドの有無のばらつ
きが無くなる。その結果本発明によれば、炉心流量１０
０％以下のサイクル大半の期間（約８０％以上）に亘っ
て炉心流量、燃料集合体の出力レベルや軸方向出力分布
に影響されることなく、制御棒の軸方向位置の制御によ
ってウォーターロッド２６の内部にボイドが生じており
中性子の減速効果を抑制してプルトニウム２３９の生成
を促進する。

【００３５】また、原子炉の起動時、停止時に炉心流量
が大幅に低いとき例えば６５％定格炉心流量以下では制
御棒の位置によらずウォーターロッド内は高ボイド率で
あるので原子炉の流量−出力曲線の傾きが大きくなって
炉心出力の制御がし易いという利点は従来提案の通り保
持できる。

【００３６】更に、ウォーターロッド内のボイド率が制
御棒によって正確に制御できるので炉心の３次元核熱水
力シミュレーションコードによる熱的制限、出力分布、
燃焼度分布、反応度評価の精度が向上し炉心の性能監視
の精度が高まる。

【００３７】また燃料集合体のウォーターロッドの内部
に制御要素が挿入できるので従来燃料集合体よりも炉停
止余裕が増加する。

【００３８】

【他の実施例】図４の第１の実施例に示すウォーターロ
ッドは冷却材上昇流路と冷却材下降流路を有しているが
、図９の例は冷却材上昇流路のみの例である。この場合
は上部の開口４１ａが十分絞られた小口径の孔である。 冷却材入口４６ａは出入口差圧を小さくする観点から流
量抵抗体である下部タイプレートの燃料支持部２３ａの
上方に設ける。

【００３９】図９に示すように制御要素２９ｂの先端が
冷却材入口４６ａより下方に位置する場合は、開口面積
が大きく入口抵抗が小さいためウォーターロッド２６の
内部は非沸騰の冷却水が流れる。弁３９を上方に押す力
はスプリング３９ａの圧力より小さいので弁３９は弁座
３８に押しつけられている。

【００４０】制御要素２９ｂの先端が冷却材入口４６ａ
より上方に位置する場合は、開口部が制御要素２９ｂに
塞がれ入口抵抗が大きいため流れ込む冷却水の量が低下
し、ウォーターロッド２６の内部は中性子及びガンマ線
による加熱と熱伝導によりボイドが発生し、吐出口４１
ａの圧損が増加し、入口４６ａと吐出口４１ａの差圧と
ウォーターロッド流路内の圧損及び水頭とバランスする
まで流路４２の水位が下がる。その結果ウォーターロッ
ド２６内は蒸気が充満する。ただしボイド量は前記第１
の実施例より少ない。弁３９を上方に押す力はスプリン
グ３９ａの圧力より小さいので弁３９は弁座３８に押し
つけられたままである。

【００４１】制御棒２９が上方に挿入される場合は制御
要素２９ｂもウォーターロッド内を上方に挿入されるこ
とになる。この場合は流路４２の圧力が高まり出口４１
ａからも流出するが抵抗が大きいので圧力が高まりスプ
リング３９ａの圧力に打ち勝って弁３９が上方に押し上
げられ冷却水は吐出口４１ａから排出される。この結果
制御棒挿入がスムーズになされ、制御棒挿入時に燃料集
合体が浮き上がるということも防止できる。

【００４２】図１０，および図１１は第１及び第２のウ
ォーターロッドの実施例に用いている弁の形状を変えた
例である。ニードル弁またはボール弁にする事により弁
と弁座の密着度合いが高まり、ウォーターロッド内のボ
イド率制御がより正確になる。

【００４３】図１２〜図１３は第１及び第２のウォータ
ーロッドの実施例に用いている弁の構造を変えた例であ
る。この実施例ではウォーターロッド内の圧力が制御棒
操作によって高まる場合も低くなる場合もウォーターロ
ッドの変形や集合体の浮き上がりを防止するために配慮
したものである。

【００４４】図１２は弁座３８にスプリング５１ａ，５
１ｂによって浮き子の様に支えられた弁５０ａが内蔵さ
れ、大きな圧力差が生じた時に上下するようにしたもの
であって、冷却材の漏洩は弁座３８と弁５０ａの胴との
狭い間隙によって制限される。

【００４５】図１３はバネ座５２にスプリング５１ａ，
５１ｂによって浮き子の様に支えられた弁５０ｂが内蔵
され、大きな圧力差が生じた時に上下し、冷却材の漏洩
は弁座３８と弁５０ｂの胴との狭い間隙及びバネ座５２
の軸部と弁５０ｂの中空部との狭い間隙によって制限さ
れる。

【００４６】図１４，図１５はウォーターロッド内の圧
力が高まった場合は弁３９が上方に押し上げられ、逆に
圧力が下がった場合は弁５０ｃが下へ動くようにしたも
のであって、図１４は冷却材上昇流路と冷却材下降流路
を有するウォーターロッドの場合、図１５は冷却材上昇
流路のみのウォーターロッドの場合の適用例である。

【００４７】図１６に示す燃料集合体２０ａは、図２に
示した外管が角管形状のウォーターロッド２６を１本有
する例と異なり前記ウォーターロッド２６は丸形のウォ
ーターロッドを有する燃料集合体２０ａの例である（図
は集合体の４分の１の部分を示してある）。

【００４８】図１７、図１８はウォーターロッドの替わ
りにウォータークロス５３を有した例である（図１７は
燃料集合体の４分の１の部分を示している）。この例で
は、チャンネルボックス２５は燃料支持部２７と結合さ
れている。４個の小燃料束がそれぞれ上下タイプレート
を有し、ウォータークロス５３とチャンネルボックス２
５で囲まれた空間に配され、燃料支持金具２７の上に下
部タイプレート２３が載る構造である。ウォータークロ
スを構成する４枚のＬ形板材５４とチャンネルボックス
壁とで囲まれた部分の冷却材流路５５，５６が前記のウ
ォーターロッドと同じ働きをする。

【００４９】図１９に図１７のＢ−Ｂ矢視図を示す。ウ
ォータークロス５３の上下端部は封じられており、スペ
ーサ５７が間隔を保持する。ウォータークロスの中心に
内管３３がはめ込まれ、内管３３はＬ形材５４によって
保持される。内管３３は上端カバー材５７の上方に伸び
上部端栓３７で封じられ、上端カバー材５７と上部端栓
３７の間に弁座３８、スプリング付き弁３９、及びその
上方に開口４０を有している。内管３３は上端カバー材
５７の下方で連絡口４１を有し、内管内の流路４２（冷
却材上昇流路）と翼状部の流路５８（冷却材下降流路）
とを結ぶ。翼状部の下端は燃料棒支持部２３ａより下方
に位置する下端カバー材５９で封じられており、燃料棒
支持部２３ａより上方に冷却材吐出口４５を有する。内
管３３の下端は燃料支持金具２７を貫通し、制御要素案
内管４８を構成し、燃料支持金具２７の底部と案内管支
持板４９によって固定されている。制御要素案内管４８
の下端と燃料棒支持部２３ａの間に冷却材入口４６を有
する。

【００５０】燃料支持金具２７は制御棒案内管の上には
め込まれ、下部側面に冷却材入口４７を制御棒案内管の
開口部と面する位置に有する。前記冷却材入口４７はウ
ォータークロスを囲む４小燃料束単位に各１個づつ設け
られている。案内管支持板４９には冷却材を通す開口が
設けられている。また燃料支持金具２７の中央には十字
形の開口部が設けられ、図１７の様に燃料集合体の中央
に十字形の制御翼２９ａ挿入用の案内としてある。

【００５１】冷却水は制御棒案内管の開口と燃料支持金
具２７の冷却材入口４７を通って下部タイプレート２３
の燃料棒支持部２３ａに設けられた貫通口を通って燃料
棒２１の間の冷却水流路に導かれる。下部タイプレート
２３の空間３０に流入した冷却水の残りはウォーターク
ロス５３の冷却材入口４６から冷却材上昇流路４２内に
流入し、さらに下降流路５８を介して吐出口４５から燃
料棒支持部２３ａより上方の位置の冷却水流路に吐出さ
れる。

【００５２】冷却材吐出口４５から吐出される冷却水は
、冷却材入口４６から流入する冷却水の流量の多少に応
じて液相または蒸気相となる。これによりウォーターク
ロスを有する燃料集合体においても第１の実施例と同じ
ように制御要素２９ｂにより、ボイド率の確実な制御が
できる。

【００５３】尚、内管３３を無くし吐出口４５ａを上部
に設けた図２０の様な冷却材上昇流路６０のみの構造に
することによってウォータークロスを有する燃料集合体
においても第２の実施例と同じ様に制御要素２９ｂによ
り、ボイド率の確実な制御ができる。また、上記各実施
例においては、制御棒２９に制御要素２９ｂを一体的に
連結したものを示したが、制御棒２９とは別体の流量制
限器を使用することもできる。すなわち原子炉の運転中
に異常な過渡事象や事故が発生した場合原子炉またはプ
ラントを保護するため制御棒を急速挿入して原子炉を急
速に未臨界または低出力状態に移行させる必要があるが
、この様な場合にスクラム様制御棒（急速挿入制御棒）
はできるだけ挿入抵抗が小さい方が都合がよい。そこで
、スクラム用制御棒は従来の十字形制御棒の形状（図７
の制御棒において制御要素２９ｂを有しない構造）がよ
い。その場合、冷却材入口４６から制御要素挿入口向き
の冷却材の流れが生じ燃料棒２１を冷却する冷却材流量
が減少するので流量制限器を付けると良い。 尚、スクラム用の制御棒の本数は炉心の全制御棒本数の
４分の１以下で十分対応できるので炉心のスペクトルシ
フト運転の効果の低下は小さい。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、燃料集合体内部のウォ
ーターロッドまたはウォータークロス内のボイド率の大
きな変化幅を制御要素の挿入量によって確実に制御でき
、核燃料物質の有効利用が図れる。更に、その結果ＢＷ
Ｒの炉心においてウォーターロッドまたはウォーターク
ロス内のボイド率の制御をするスペクトルシフト運転及
び炉心のより正確なシミュレーション評価ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料集合体の縦断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。

【図３】燃料棒の概略構成を示す部分断面図。

【図４】ウォーターロッドの詳細を示す縦断面図。

【図５】ウォーターロッドの作動説明図。

【図６】ウォーターロッドの作動説明図。

【図７】制御棒の斜視図。

【図８】ウォーターロッドのボイド率と出入口差圧の関
係図。

【図９】ウォーターロッドの他の実施例を示す縦断面図
。

【図１０】スプリング付き弁の他の例を示す図。

【図１１】スプリング付き弁の他の例を示す図。

【図１２】スプリング付き弁のさらに他の例を示す図。

【図１３】スプリング付き弁のさらに他の例を示す図。

【図１４】スプリング付き弁部のさらに他の例を示す図
。

【図１５】スプリング付き弁部のさらに他の例を示す図
。

【図１６】ウォーターロッドの形状の異なった例を示す
横断面図。

【図１７】ウォータークロスを有する燃料集合体の横断
面図。

【図１８】ウォータークロスを有する燃料集合体の縦断
面図。

【図１９】ウォータークロスの詳細図。

【図２０】ウォータークロスの他の実施例を示す図。

【図２１】従来の燃料集合体の縦断面図。

【図２２】ウォータークロスを有する従来の燃料集合体
の横断面図。

【図２３】スペクトルシフト運転を実施しない場合及び
それを実施した場合における燃焼度に対する中性子無限
増倍率の変化を示す特性図。

【図２４】スペクトルシフト運転用のウォーターロッド
を有する従来提案の燃料集合体縦断面図。

【図２５】ウォーターロッドの縦断面図。

【図２６】図２５のウォーターロッドのボイド率と出入
口差圧との関係図。

【符号の説明】

２０　　燃料集合体 ２１　　燃料棒 ２５　　チャンネルボックス ２６　　ウォーターロッド ２７　　燃料支持金具 ２９　　制御棒 ２９ｂ　　制御要素 ３８　　弁座 ３９　　スプリング付き弁 ４１　　連絡口 ４２　　内管内の流路 ４３　　環状部の流路 ４５　　冷却材吐出口 ４６　　冷却材入口 ４８　　制御要素案内管 ５３　　ウォータークロス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上端部を上部タイプレートに保持するとと
   もに下端部を下部タイプレートに保持した複数本の燃料
   棒を、冷却材流路を構成する筒状のチャンネルボックス
   内に収容した燃料集合体において、内部に冷却材流路を
   形成したウォーターロッド或いはウォータークロスを上
   記燃料棒間に配設するとともに、その冷却材流路の頂部
   に上記冷却材流路内の圧力が所定値以上になったとき吐
   出口を開くスプリング付き弁を設け、さらに上記ウォー
   ターロッド或いはウォータークロスの下部に形成された
   制御要素案内管に、上記ウォーターロッド或いはウォー
   タークロス内への冷却材流入量を制御する制御要素を進
   退可能に挿入したことを特徴とする、燃料集合体。