JPH0464089A

JPH0464089A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH0464089A
Application number: JP2176565A
Authority: JP
Inventors: Hideo Soneda; 秀夫曽根田; Junichi Yamashita; 淳一山下; Yukihisa Fukazawa; 深沢　幸久; Taro Ueki; 植木　太郎; Sadayuki Izutsu; 井筒　定幸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-04
Filing date: 1990-07-04
Publication date: 1992-02-28
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: DE4122209C2; DE4122209A1; US5192496A; JP2573399B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は燃料集合体及び上部タイプレートに係わり、特
に、沸騰水型原子炉に適用され、高燃焼度を達成して核
分裂性物質の有効利用を図るのに好適な燃料集合体及び
その上部タイプレートに関する。

〔従来の技術〕

燃料経済性の向上は、燃料取出時の燃焼度を大きくする
ことによって実現できる。燃料取出時の燃焼度を向上さ
せるには、燃料ペレットに含まれるウラン２３５の濃縮
度を増大させればよいが、減速材／燃料比を大きくしな
いで濃縮度を上げたのでは、中性子スペクトルが硬化し
てしまうので、燃料集合体の無限増倍率は、その濃縮度
における最大値とはならない。

第１９図は、燃料の濃縮度が増加するに従って、減速材
／燃料比と無限増倍率の関係がどのように変化するかを
示している。この図によると、同じ濃縮度でできるだけ
大きい無限増倍率を得るには、濃縮度に応じた最適の減
速材／燃料比を実現する必要がある。即ち、燃料経済性
を向上させるために濃縮度を上げると、最適の減速材／
燃料比が大きくなるので、水ロッドの本数を増やすか、
水ロッド面積を増やす必要がある。

また、燃料の濃縮度を上げると、燃料集合体内の径方向
の出力ビーキングが太き（なるので、燃料棒の線出力密
度が太き（なり、熱的に厳しくなる。

さらに、炉心のボイド（気泡）の軸方向分布は炉心の下
端で小さく、中央から上端部にかけて大きくなる。この
ため、燃料集合体の上部領域では核分裂性物質の燃焼が
遅れ、これによってウラン２３５の濃度が相対的に他の
部分より高くなる。

また、ボイドの効果により燃料集合体の上部領域で核分
裂性プルトニウムが生成される。以上のことから、燃料
集合体の軸方向上部で出力ビーキングが高くなる。燃料
の濃縮度を上げると、この軸方向の出力ビーキングも大
きくなるので、同様に燃料棒の線出力密度が大きくなり
、熱的に厳しくなる。

一方、運転サイクルの初期には定格より小さい炉心流量
（炉心を流れる冷却水の流量）で運転を行い、運転サイ
クル末期に至って炉心流量を定格より大きくすることに
よって、運転サイクル中における冷却水中のボイド率を
大きく変化させて、核分裂プルトニウムの蓄積と燃焼を
効率的に行う流量スペクトルシフト運転が、最近考えら
れている。この流量スペクトルシフト運転を行う場合に
は、軸方向の出力ビーキングがさらに大きくなるので、
燃料棒の線出力密度が一層増大し、熱的にさらに厳しく
なる。

従って、燃料棒の線出力密度を低減して熱的余裕を確保
するために、燃料格子配列を８行８列から９行９列にす
るなどして、燃料棒本数を増やし、燃料棒本数１本当た
りの出力負担を軽減するすことが必要である。

以上の２つの観点から、燃料格子配列の変更により燃料
棒本数を増やして、その上で水ロッド断面積の増加又は
本数の増加により、減速材／燃料比を大きくすることが
、最近の沸騰水型原子炉用燃料集合体の傾向である。

例えば、特開昭６２−１１８２９７号公報に記載の従来
技術では、燃料格子配列を９行９列にした燃料集合体に
おいて、中央部の３行３列の正方格子状に燃料棒９本が
配置可能な領域に大型の方形水ロッドを配置している。

また、特開平１−１９６５９３号公報には、燃料格子配
列をチャンネルボックスの面に対して４５°をなすダイ
ヤモンド格子とし、中央部の燃料棒１２本が配置可能な
領域に十字形の大型水ロッドを配置した燃料集合体が開
示されている。

ところで、上述したように、燃料集合体上部ではボイド
率が高く、プルトニウムが多く蓄積され、流量スペクト
ルシフト運転を行った場合には一層多くのプルトニウム
が蓄積される。このように燃料集合体上部のプルトニウ
ムの蓄積量が多くなると、冷温時には炉心上部において
もボイドが消失し、水の密度が増大する。従って、無限
増倍率が大きくなり、炉停止余裕の確保が困難となる。

この問題に対し、特開昭６４−８８２９２号公報に記載
の従来技術では、燃料集合体の少なくとも１つの対角線
に対称となるごとく複数の減速打棒、即ち、水ロッドを
配置し、少なくともこれら水ロッドに挾まれる位置に軸
方向長さが短い燃料棒、即ち、短尺燃料棒を配置してい
る。この燃料集合体では、短尺燃料棒上方の燃料が位置
しない部分、即ち、バニッシングロッドにおける冷却材
のボイド率が冷温時において０となる。バニッシングロ
ッドの部分は冷温時に水ロッドと共に大きな１つの水ロ
ッドとして機能する。このため、バニッシングロッドの
部分で、中性子減速効果が大きくなり過ぎ、逆に水によ
る中性子吸収効果が大きくなる。その結果、冷温時と高
温時の無限増倍率の差が小さくなり、原子炉の停止余裕
が増大する。なお、短尺燃料棒を配置した場合は、出力
運転時において燃料集合体内の二相流部における圧力損
失の低減という効果もある。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のように、燃料棒本数を増やして、その上で水ロッ
ド断面積又は本数の増加により、減速材／燃料比を大き
くすることが、最近の傾向である。

この技術開発の傾向のもとで、燃料ペレット中のウラン
２３５の濃縮度をより一層増大させて、取出燃焼度の高
燃焼度化を目指した試みが行われている。このように取
ａ燃焼度の増加を図るため、燃料の濃縮度を高めた場合
には、減速材／燃料比を最適にするために水ロッド領域
をさらに大きくすることが必要である。しかしながら、
上記特開昭６２−１１８２９７号公報及び特開平１−１
９６５９３号公報に記載の従来技術に従って、大型水ロ
ッドの水ロッド領域を増大させると、冷却材流路面積が
狭くなって炉心の圧力損失が増大する。

炉心の圧力損失の増大は主に以下の点で問題である。

（１）炉心の圧力損失が増大すると、その増加分を打ち
消すためポンプ容量を大きくしなければならない。もし
、この圧力損失の増加が生じていない状態で、ポンプ回
転数最大時に炉心流量の最大値を実現しているならば、
圧力損失増加があるとこのポンプでは、最大炉心流量を
実現できなくなる。

（２）圧力損失が増加すると安定性が低下する。

即ち、燃料集合体上方の二相流部の圧力損失は単相流部
の圧力損失よりも大きいため、燃料集合体の入口流量が
増加すると、二相流部の抵抗が増大し、入口流量を減少
させようとする。入口流量が減少すると、二相流部の抵
抗も小さくなるため、再び入口流量は増加しようとする
。この繰り返しにより燃料集合体内で流量振動を生じ、
安定性が低下する。この流量振動は、圧力損失が大きい
ほど生じ易い。

一方、特開昭６４−８８２９２号公報に記載の従来技術
では、減速材／燃料比の最適化については配慮がされて
おらず、燃料経済性の面で問題がある。

また、高燃焼度燃料において、特開昭６４−８８２９２
号公報に記載のように、二相流部の圧力損失の低減及び
炉停止余裕の確保という２つの利点を有する短尺燃料棒
を配置する場合、燃料装荷量が減少する。燃料装荷量が
減少すると、取替燃料体数を増やさなければならず、使
用済燃料発生量の増大などの問題を生じる。これを解決
するためには、燃料棒の径を太くして燃料装荷量を短尺
燃料棒の配置前と同じに保つことが考えられるが、燃料
棒の径を太くすると、流路面積が狭くなり、圧力損失が
増加するという問題がある。

本発明の目的は、燃料の高燃焼度化に対して炉心の圧力
損失を増加させることなく、減速材／燃料比の最適化が
可能な燃料集合体及び上部タイプレートを提供すること
である。

本発明の他の目的は、炉心の圧力損失を増加させること
なくかつ燃料装荷量を減らすことなく短尺燃料棒を配置
可能とする燃料集合体を提供することである。

〔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、格子状に配
置された複数の燃料棒と、前記燃料棒の各々に対応する
燃料単位格子の１つの面積よりも大きな第１の横断面を
各々有し、か一つ互いに隣接して配置された複数の第１
の水ロッド手段と、前記複数の第１の水ロッド手段が実
質的に占める全ての前記燃料単位格子の群の最外周輪郭
よりも内側の領域の全面積を第２の横断面に有する１本
の第２の水ロッド手段を想定し、この第２の水ロッド手
段を前記複数の第１の水ロッド手段の代わりに配置した
とき、前記第２の横断面に生じる減速過剰な領域となる
部分に形成された第１の冷却材通路と、前記第１の冷却
材通路を取り囲んで実質的に前記内側領域に配置された
前記複数の第１の水ロッド手段と、前記第１の冷却材通
路と前記燃料棒の周囲を取り囲む第２の冷却材通路とを
連絡し、前記第１の水ロッド手段間に位置する第３の冷
却材通路とを備えることを特徴とする燃料集合体が提供
される。

また、本発明によれば、正方格子状に配置された多数の
燃料棒と、水ロッド手段とを有する燃料集合体において
、前記多数の燃料棒は、４行４列の中央領域を除いて１
０行１０列の正方格子状に配置された多数の第１の燃料
棒と、前記中央領域の４つのコーナ部に配置された４本
の第２の燃料棒とを含み、前記水ロッド手段は、前記中
央領域の４つのコーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配
置可能な領域に環状に隣接してかつ隙間をあけて配置さ
れた複数の太径水ロッドを含むことを特徴とする燃料集
合体が提供される。

また、本発明によれば、正方格子状に配置された多数の
燃料棒と、水ロッド手段とを有する燃料集合体において
、前記多数の燃料棒は、４行４列の中央領域を除いて１
０行１０列の正方格子状に配置された多数の第１の燃料
棒と、前記中央領域の４つのコーナ部に配置された、各
々、前記第１の燃料棒より軸方向長さが短い４本の第２
の燃料棒とを含み、前記水ロッド手段は、前記中央領域
の４つのコーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配置可能
な領域に環状に隣接してかつ隙間をあけて配置された複
数の太径水ロッドを含むことを特徴とする燃料集合体が
提供される。

さらに、本発明によれば、正方格子状に配置された多数
の燃料棒と、水ロッド手段とを有する燃料集合体におい
て、前記多数の燃料棒は、４行４列の中央領域を除いて
１０行１０列の正方格子状に配置された多数の燃料棒と
、前記中央領域の４つのコーナ部に配置された４本の燃
料棒とを含み、前記水ロッド手段は、前記中央領域の４
つのコーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配置可能な領
域に環状に隣接してかつ隙間をあけて配置された、炉心
流量の制御によりロッド内の液面高さが調節可能な複数
のスペクトルシフト水ロッドであることを特徴とする燃
料集合体が提供される。

また、本発明によれば、正方格子状に配置された多数の
燃料棒と、水ロッド手段とを有する燃料集合体において
、前記多数の燃料棒は、４行４列の中央領域を除いて１
０行］０列の正方格子状に配置された多数の第１の燃料
棒と、前記中央領域の４つのコーナ部に配置された４本
の第２の燃料棒とを含み、前記水ロッド手段は、前記中
央領域の４つのコーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配
置可能な領域に前記中央領域の中心部を取り囲むように
配置され、前記中央領域の中心部に前記燃料棒の周囲に
形成される冷却材通路と連通ずる冷却材通路を形成した
ことを特徴とする燃料集合体が提供される。

また、本発明によれば、正方格子状に配置された多数の
燃料棒と、水ロッド手段とを有する燃料集合体において
、前記多数の燃料棒は、３行３列の中央領域を除いて９
行９列の正方格子状に配置され、前記水ロッド手段は、
前記３行３列の中央領域に環状に隣接してかつ隙間をあ
けて配置された４本の太径水ロッドを含むことを特徴と
する燃料集合体が提供される。

さらに、本発明によれば、少なくとも９行９列の正方格
子状に配置された、４５ＧＷｄ／ｔ以上の取出燃焼度を
達成可能な多数の燃料棒と、前記正方格子の中央領域に
配置された水ロッド手段とを有する燃料集合体において
、前記水ロッド手段は前記中央領域にその中心部を取り
囲むように配置され、かつ炉心平均のボイド率において
無限増倍率がほぼ飽和状態となる減速材／燃料比を与え
る大きさの水ロッド面積を有し、前記中央領域の中心部
に前記水ロッド手段の外側の領域と連通ずる冷却材通路
を形成したことを特徴とする燃料集合体が提供される。

また、上記目的を達成するため、本発明によれば、燃料
棒の上端部が挿入される孔部を有する複数の第１のボス
と、水ロッド手段の上端部が挿入される孔部を有する複
数の第２のボスと、前記ボスを相互に結合する複数のリ
ブとを備え、前記第２のボスが中央部に配置され、隣接
する４つの前記第２のボス間に形成される第２の開口が
、隣接する４つの第１のボス間に形成される第１の開口
よりも大きいことを特徴とする上部タイプレートが提供
される。

〔作用〕

本願発明者等は、１０行１０列の正方格子状に燃料棒及
び横断面積の大きな１本の水ロッド（例えば特開平１−
１９６５９３号公報に示された１２本の燃料棒が配置可
能な領域を占める横断面を有する水ロッド）を配置した
燃料集合体において取出燃焼度５５〜６０Ｗｄ／ｌを目
標とする場合、炉心の平均ボイド率において水ロッド面
積を変え減速材／燃料比を４．５の前後で変化させても
、無限増倍率はほとんど変化せず、水の増加に対して無
限増倍率が飽和していることを見い出だした（第４図の
直線ＡＢ参照）。この無限増倍率の飽和は、水ロッドの
横断面の増大によってその中央部に減速過剰な領域が形
成されることに起因していることが分かった。

本発明は以上の知見に基づくものであり、減速効果の向
上に寄与しないその減速過剰な領域を、水ロッド外部の
領域とし、しかも燃料棒周囲の冷却材通路と連通ずる気
液二相流が流れる冷却材通路にすることにより、水ロッ
ドの横断面積（以下、単に水ロッド面積という）を減少
させて燃料集合体の減速材／燃料比の最適化を図るもの
である。

更に、減速過剰な領域を前述の冷却材通路とすることに
より、燃料集合体の圧力損失の低減を図るものである。

即ち、本発明においては、各燃料棒に対応する燃料単位
格子の１つの面積よりも大きな第１の横断面を各々有す
る複数の第１の水ロッド手段を互いに隣接して配置する
。ここで、第１の水ロッド手段が実質的に占める全ての
燃料単位格子の群の最外周輪郭よりも内側の領域の全面
積を第２の横断面に有する１本の第２の水ロッド手段を
想定すると、この第２の水ロッド手段は上述の減速過剰
な領域が生じる大きな横断面積を有する。そこで、その
減速過剰な領域となる部分に第１の冷却材通路を形成し
、これを取り囲んで複数の第１の水ロッド手段を配置し
ている。また、第１の冷却材通路と燃料棒の周囲を取り
囲む第２の冷却材通路とを連絡しする第３の冷却材通路
を第１の水ロッド手段間に形成する。

例えば、本発明においては、１０行１０列の正方格子状
に燃料棒を配置した燃料集合体において、４行４列の中
央領域の４つのコーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配
置可能な領域に環状に隣接してかつ隙間をあけて複数の
太径水ロッドを配置する。このように複数の太径水ロッ
ドを配置することにより、同じ中央領域に十字形の大型
水ロッドを配置した場合に比べて水ロッド面積は小さく
なる。しかし、この水ロッド面積の減少は、減速材／燃
料比の変化に対して無限増倍率が飽和する領域における
減速過剰な領域の排除であり、複数の太径水ロッドの配
置により十字形の大型水ロッドとほぼ同じ無限増倍率が
達成できる。なお、太径水ロッドは、１つの燃料単位格
子（第１図の符号３１参照）の面積よりも大きな横断面
積を有し、燃料棒の配列ピッチよりも大きな外径を有す
る。

一方、十字形の大型水ロッドを複数本の太径水ロッドに
代えることにより、複数の太径水ロッドの間に冷却材通
路が形成される。この冷却材通路は、水ロッドが相互に
隙間をあけて配置されているため、その隙間を介して燃
料棒周囲の冷却材通路と連通する。従って、十字形の大
型水ロッドを配置した場合に比べ圧力損失が低減する。

また、水ロッドに取り囲まれた冷却材通路の領域は、発
熱体である燃料棒から離れ、かつ１つの燃料単位格子の
面積よりも大きな横断面積を有する、非発熱体である複
数の水ロッドに囲まれているため、周囲からボイド水が
流れ込み易くなっている。このため、燃料集合体上部の
冷却材ボイド率が高い領域においては、その冷却材通路
にボイド水が多く集まり、燃料集合体の圧力損失が低減
する。

以上より、本発明によれば、燃料の高濃縮度化及び高燃
焼度化を達成すると共に、圧力損失を増加させることな
しに減速材／燃料比を最適化することができる。

また、本発明においては、４行４列の中央領域の４つの
コーナ部に、各々、軸方向長さが短い４本の第２の燃料
棒が配置される。この場合、本発明では上述したように
、複数の太径水ロッドにより形成される冷却材通路が圧
力損失を低減しているので、燃料棒の径を太くしても、
それによって生じる圧力損失の増大が補償される。従っ
て、短尺燃料棒を配置しても燃料装荷量は低減せず、短
尺燃料棒の採用による圧力損失低減及び炉停止余裕の向
上の効果を確保し、同時に燃料経済性の向上を図ること
ができる。

また、複数の太径水ロッドを環状に隣接配置した場合、
特に二相流が流れる上方領域において水ロッド同志が流
量振動のためにフレッティングを生じる可能性があるが
、本発明の短尺燃料棒の配置により、短尺燃料棒２０の
上方領域にフレッティング検査用の小型カメラの操作領
域が確保され、定期検査中に水ロッドの検査も容易に行
うことができる。

また、本発明においては、太径水ロッドとしてスペクト
ルシフト水ロッドを使用することにより、流量スペクト
ルシフト運転により燃料経済性がさらに向上する。

さらに、本願発明者等は、９行９列の正方格子状に燃料
棒を配置する燃料集合体においても、水ロッド手段の配
置に介して同様に無限増倍率の飽和の現象があることを
見出だしており、３行３列の中央領域に環状に隣接して
４本の太径水ロッドを配置することにより、同様に、減
速材／燃料比が最適化され、かつ圧力損失が低減される
。

〔実施例〕

以下、本発明の幾つかの実施例を図面に基づき説明する
。

まず、本発明の第１の実施例を第１図〜第６図により説
明する。本実施例は、１０行１０列の正方格子状に燃料
棒を配置して燃料集合体の平均濃縮度を約５ｗｔ％に高
め、取出平均燃焼度が５５〜６０ＧＷｄ／ｌの高燃焼度
化を図ったものである。

第１図において、本実施例の燃料集合体は１０行１０列
の正方格子状に配列された多数の燃料棒１を有し、４行
４列の中央領域の４つのコーナ部を除いた、１２本の燃
料棒が配置可能な領域に、ｒＷＪの略称を付した断面円
形の４本の太径水ロッド２が環状に隣接してかつ隙間３
７をあけて配置されている。太径水ロッド２は各々燃料
棒３本相当の領域を占める水面積を有している。換言す
れば、４本の太径水ロッド２の群は、−点鎖線３６で取
り囲まれた１２個の燃料単位格子の群が配置可能な領域
、即ち、その１２個の燃料単位格子の群の最外周輪郭を
示す一点鎖線３６よりも内側の十字型の領域に実質的に
配置されている。ただし、厳密に言えば、各太径水ロッ
ド２は、第１図にｒＫＪの符号を付した部分が一点鎖線
３６の外側にある隣りの燃料単位格子内にはみ出してい
る。

しかしながら、この太径水ロッド２のはみ出しは僅かで
あり、そのはみ出しによって該当する燃料単位格子内へ
の燃料棒１の配置は阻害されないので、太径水ロッド２
は、実質的に一点鎖線３６よりも内側に配置されている
と言える。

なお、燃料単位格子とは、−点鎖線３５で示すように隣
接する燃料棒１間の中間点を通って１本の燃料棒１を取
り囲む、正方形に形成された領域である。この正方形の
一辺は、燃料棒１の配列ビッチに等しい。

４本の太径水ロッド２に囲まれた中央部には冷却材通路
３が形成されている。即ち、太径水ロッド２は、冷却材
通路３の周囲に位置している。この冷却材通路３は隣接
水ロッド間の隙間（一種の冷却材通路）３７を介して燃
料棒１の周囲に形成される冷却材通路３８と連通してい
る。これら燃料棒１及び太径水ロッド２はチャンネルボ
ックス４により取り囲まれている。

第２図に燃料集合体全体の構成を示す。燃料棒１と太径
水ロッド２は上部タイプレート５及び下部タイプレート
６により上端及び下端を支持され、かつ中間部の複数の
箇所をスペーサ７にて保持されている。また、チャンネ
ルボックス４はこのようにして構成された燃料バンドル
全体を取り囲んでいる。

上部タイプレート５は、第３図に示すように、燃料棒１
の上端を支持する孔部８Ａを有する多数のボス８と、太
径水ロッド２の上端を支持する孔部９Ａを有する４つの
ボス９と、ボス９相互を連結するリブ１０と、ボス８相
互を連結するリブ１０Ａと、ボス８とボス９を連結する
リブＩＯＢとを備えている。４つのリブ１０に囲まれた
開口１１は上述した冷却材通路３の上方に位置し、開放
されている。これにより、冷却材通路３は開口１１を介
して燃料集合体の上方領域に連通している。

開口１１の流路面積は、冷却材通路３のそれよりも大き
い。このため、上部タイプレート５の圧力損失が著しく
軽減される。特に、開口１１が冷却材通路３の上方に位
置しているので、冷却材と蒸気の気液二相流が冷却材通
路３から上部タイプレート５の上方に抜は易い。開口１
１の流路面積は４本のリブＩＯＡで囲まれた開口１１Ａ
のそれよりも大きい。

次に、以上のように構成した本実施例の作用を説明する
。

まず、第４図に、１０行１０列の正方格子状に燃料棒を
配置した燃料集合体において、燃料集合体の無限増倍率
の減速材／燃料比（Ｈ／Ｕ比：水対ウラン原子数比）に
対する依存性の検討結果を示す。この特性は、前述した
ように、−点鎖線３６で示す横断面が十字型の１本の水
ロッドの横断面積を変えることによって得られたもので
ある。

燃焼度は、サイクル末期の炉心平均燃焼度相当（３５Ｇ
Ｗｄ／ｌ）で、ボイド率は炉心平均のボイド率（４０％
）である。

第４図において、低濃縮度と記したラインは燃料集合体
平均の濃縮度が約４ｗｔ％であり、取出平均燃焼度４５
〜５０ＧＷｄ／ｌを目標とした場合である。高濃縮度と
記したラインは燃料集合体平均濃縮度が約５ｗｔ％であ
り、取出平均燃焼度は５５〜６０ＧＷｄ／ｌの高燃焼度
化を図ったものである。

低濃縮度の場合、水ロッド面積を減速材／燃料比が４．
５より小さい０点から減速材／燃料比が４゜５より大き
くなるＤ点へ増加していく場合、無限増倍率は減少する
。これはＤ点においては水が必要以上に多すぎるために
、水ロッド内の水による熱中性子吸収効果の影響が大き
く、０点に対して反応度損失を生じる。

一方、高濃縮度の場合は、水ロッド面積を変えて減速材
／燃料比をＡ点からＢ点またはＢ点からＡ点へと４．５
の前後で変化させても無限増倍率はほとんど変化しない
。即ち、１本の水ロッドの横断面積がある程度大きくな
ると、その横断面積内に減速過剰な領域が形成されて、
減速材／燃料比の増加と共にその減速過剰な領域が増加
し、水（減速材）の増加に対して、減速材／燃料比のあ
る範囲で無限増倍率が飽和する。しかし、減速過剰な領
域が増大し過ぎると、高濃縮度においても、水ロッド内
の水による熱中性子吸収効果の影響が大きくなり、低濃
縮度のＤ点のように無限増倍率が減少する。

以上のように、取出燃焼度５５〜６０Ｗｄ／ｌを目標と
する場合、減速材／燃料比が４．５前後において反応度
は飽和するため、水ロッド中心部付近の減速過剰な領域
の水を取り除いても反応度はほとんど変化しない。即ち
、減速材／燃料比が４．５前後であるならば、反応度は
ほぼ一定である。

本発明は以上の知見に基づくものであり、減速材／燃料
比の変化に対して無限増倍率が飽和する領域において水
ロッド面積を減少させることにより減速材／燃料比を最
適化し、かつその水ロッド面積を減少させた領域を冷却
材通路として圧力損失の低減を図るものである。

本実施例は、互いに隣接する４本の太径水ロッド２の群
が実質的に占める全ての燃料単位格子３５（本実施例で
は１２個の燃料単位格子３５）の最外周輪郭（−点鎖線
３６）よりも内側の領域の全面積を横断面に有する１本
の十字型水ロッド（−点鎖線３６で画定される大きさの
水ロッド）を想定し、この１本の十字型水ロッドを４本
の太径水ロッド２の代わりに配置したとき、この想定し
た十字形水ロッドの横断面に生じる減速過剰な領域とな
る部分に冷却材通路３を形成したものである。その減速
過剰な領域は、第１図Ｍ点付近に形成される。Ｍ点は、
−点鎖線３６で画定された十字型水ロッドの軸心である
。

本実施例においては、１０行１０列の正方格子状に燃料
棒１を配置した燃料集合体において、４行４列の中央領
域のコーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配置可能な領
域に、４本の太径水ロッド２を環状に隣接して配置して
いる。このように複数の太径水ロッド２を配置した場合
、第５図に示すように、同じ中央領域にその４本の太径
水ロッド２に接する十字形の大型水ロッド１２を配置し
た場合に比べて水ロッド面積は小さくなる。しかし、本
願発明者等の検討の結果、この水ロッド面積の減少は第
４図の上述した減速材／燃料比が４゜５の前後での変化
に相当し、４本の太径水ロッド２は十字形の大型水ロッ
ド１２とほぼ同じ燃料集合体無限増倍率を達成するする
ことが判明した。

そして、このように４本の太径水ロッド２を配置するこ
とにより、これら太径水ロッド２で囲まれた領域に冷却
材通路３が形成され、かつ太径水ロッド２とこれらに隣
接する燃料棒１との間にも十字形の水ロッド１２の場合
に比べ広い冷却材通路１３が形成される。このため、圧
力損失が低減する。

また、本実施例では、第５図に示す大型水ロッド１２の
サイズを第６図に１３で示すごとく小さくして冷却材通
路面積を確保するのではなく、４本の太径水ロッド２に
分けて、これを環状に配置することにより、環状配置の
中心部付近に上述した冷却材通路３を形成している。こ
の冷却材通路３の領域は、発熱体である燃料棒１から離
れかつ非発熱体である水ロッド２に囲まれているため、
周囲からボイド水が流れ込み易くなっている。このボイ
ド水が流れ込み易くなる効果は、１体のサイズを小さく
した大型水ロッド１３と隣接燃料棒１間の冷却材通路よ
りも大きい。このため、燃料集合体上部の冷却材ボイド
率が高い領域においては、小サイズ化した大型水ロッド
１３を配置した場合よりも、本実施例の水ロッド２を配
置した場合の方が中心部にボイドが多く集まる。即ち、
燃料棒１の周囲で発生したボイド（蒸気）を含む気液二
相流が、冷却材通路３に流れ込み、その通路３内を上方
に移動する。原子炉停止時の冷温時（原子炉冷温停止時
）には、冷却材通路３は４本の太径水ロッド２と協働し
て１つの大きな水ロッドとして機能するので、原子炉停
止中において高温時から低温時に変化したときでも炉停
止余裕が増大する。

ところで、上述した第４図に基づく評価はボイド率が炉
心平均のボイド率（４０％）での評価であり、燃料集合
体の軸方向位置で見れば中央付近での評価である。しか
し、燃料集合体上部においてはボイド率はより高くなっ
ている。このため、無限増倍率が少し小さくなる可能性
がある。しかしながら、本実施例では、４本の太径水ロ
ッド２が互いに隣接配置され、それらに取り囲まれる冷
却材通路３にも水（液体）が流れるので、燃料集合体上
部における無限増倍率の減少度合いが抑制される。これ
により、燃料集合体上部での中性子減速が有効に行われ
、径方向の出力分布が改善される。

以上のように、本実施例によれば、１０行１０列の正方
格子状に燃料棒を配置して、燃料の高濃縮度化（約５　
ｗ　ｔ％）及び高燃焼度化（５５〜６０ＧＷｄ／ｌ）を
達成すると共に、圧力損失を増加させることなしに減速
材／燃料比を最適化することができる。

また、本実施例によれば、４本の太径水ロッド２は上述
した十字型の大型水ロッド１２，１３に比べて製造が容
易であるという効果もある。

さらに、本実施例では、４本の太径水ロッド２は対称性
の良い配置となっているので、燃料集合体の出力分布及
び製造性の観点からも好ましい。

本発明の第２の実施例を第７図及び第８図により説明す
る。

第７図において、本実施例の燃料集合体は、中央の４行
４列の正方格子状に１６本の燃料棒が配置可能な領域の
４つのコーナ部に、軸方向長さが燃料棒１より短い、ｒ
ＰＪの略称を付した４本の短尺燃料棒２０が配置されて
いる。他の構成は第１の実施例と同じである。なお、本
実施例では、４本の太径水ロッド２は、第１図の太径水
ロッド２よりも若干直径が小さいので、これらの水ロッ
ドは一点鎖線３６で画定される１２個の燃料単位格子３
５を合わせた領域内に配置される。本実施例においても
、第１図の実施例と同様に太径水ロッド２を若干大きく
して、−点鎖線３６よりも外側に若干はみ出させること
も可能である。

第８図に短尺燃料棒２０を普通の燃料棒１と比較して示
す。普通の燃料棒１は燃料棒本体２１と、本体２１の上
下端に設けられ、それぞれ上下タイプレート５，６（第
２図参照）に挿入される端栓２２．２３を有している。

短尺燃料は燃料棒１の本体２１に比べ短い燃料棒本体２
４と、本体２４の下端に設けられ、下部タイプレート６
に固定されるネジ付の端栓２５とを有している。短尺燃
料棒２０の本体２４における燃料ペレットの充填長さ（
有効燃料長）は、普通の燃料棒１の８／２４から１８／
２４である。

本実施例においては、燃料集合体の上部の水平断面内に
おいて、短尺燃料棒２０の上方部分である上記４つのコ
ーナ部には燃料棒が位置していないため、原子炉停止時
の冷温時には、４つの太径水ロッド２と冷却材通路３内
の水とその４つのコーナ部の水が１つの大きな水ロッド
として機能する。即ち、燃料集合体上部では、４行４列
の正方格子状に１６本の燃料棒が配置可能な領域に１本
の矩形断面の大型水ロッドが配置されたのと同じ形態と
なる。このため、この中央領域での水による中性子吸収
効果が増大する。その結果、高温時から冷温時へと水密
度が増加したとき、無限増倍率の増分が小さくなり、第
１図の実施例よりも更に炉停止余裕が増大する。

また、燃料集合体上方の二相流部の圧力損失は単相流部
の圧力損失よりも大きい。本実施例では、短尺燃料棒２
０を配置したので、この圧力損失の大きい二相流部にお
ける圧力損失の低減という効果もある。

さらに、本実施例によれば以下の効果が得られる。

二相流部の圧力損失の低減及び炉停止余裕の確保という
２つの利点を有する短尺燃料棒２０を配置する場合、燃
料（ウラン）装荷量が減少する。

これは取替燃料体数を増やす必要を生じ、燃料装荷量が
減少すると、使用済み燃料発生量の増大などの問題を生
じる。これを解決するためには、燃料棒ペレットの直径
を大きくして燃料装荷量を短尺燃料棒の配置前と同じに
保つことが考えられる。

しかしながら、燃料ペレットの径を太くすると、燃料棒
の径が太くなって流路面積が狭くなり、圧力損失の増加
、燃料棒除熱効果の低下等の問題を生じる。

本実施例では、第１の実施例で説明したように、４本の
太径水ロッド２を環状に隣接配置したため、中央部の冷
却材通路３が圧力損失低減の役割を果たしている。この
ため、燃料棒１，２０の直径を大きくしても、それによ
って生じる圧力損失の増大は相殺されることとなり、圧
力損失を増大させることなく燃料棒径を太くして、短尺
燃料棒の採用に伴う燃料装荷量の低減を補償することが
できる。従って、短尺燃料棒の採用による圧力損失低減
及び炉停止余裕の向上の効果を確保し、同時に高燃焼度
化による燃料経済性の向上を図ることができる。

また、本実施例のように４本の円形水ロッド２を環状に
隣接配置した場合、水ロッド同志が流量振動のためにフ
レッティングを生じる可能性がある。即ち、水ロッド同
志が振動、接触して管壁に傷をつける可能性がある。水
ウッドにこのような振動による損傷が生じないように、
水ロッド相互間はスペーサ７（第２図参照）により固定
されている。しかしながら、定期検査の際にこの部分を
調べられればそれが望ましいことは言うまでもない。こ
の場合、燃料集合体を分解して調べるのは２〜３か月の
定期検査期間中においては不可能である。このため、炉
心に装荷されている燃料集合体内にファイバースコープ
等の小型検査カメラを挿入して調べるとよい。しかしこ
の場合、水ロッド２に隣接する燃料棒が全て普通の燃料
棒１であるとすると、これら燃料棒が障害となり、水ロ
ッドの相互隣接部分付近の管壁表面を調べるのが困難で
ある。

本実施例によれば、短尺燃料棒２０が太径水ロッド２間
に形成される隙間３７に対向して位置し、太径水ロッド
２相互の隣接部分付近における流路面積が短尺燃料棒２
０の上方領域の分だけ増加する。このため、フレッティ
ング検査用の小型カメラの操作領域が確保され、定期検
査中に水ロッドの検査も容易に行うことができる。短尺
燃料棒の上方領域は二相流であるため、特に、流量振動
によるフレッティングの可能性が高く、入念な検査を要
する。従って、この部位における小型カメラの操作領域
の確保は検査効率の向上に大いに役立つ。

さらに、高燃焼度燃料においては、上方領域の減速材／
燃料比を大きくして、軸方向の減速材／燃料比の最適化
を図る必要性が認識されている。

本実施例によれば、第１の実施例で説明したように、４
本の太径水ロッド２に囲まれた領域に形成された冷却材
通路３にボイド水が流れ込み易くなっている。また、短
尺燃料棒２０の上方領域は圧力損失が低いため同様にボ
イド水が流れ込み易い。

その結果、水ロッド２を含むこれらの領域は１本の準太
径水ロッドとして機能し、径方向の出力分布を平坦化す
る。また、軸方向で見れば、準太径水ロッドは上方領域
の減速材／燃料比を大きくする。従って、本実施例によ
れば、中央の冷却材通路３と短尺燃料棒２０の作用によ
り軸方向の減速材／燃料比が最適化され、高燃焼度燃料
に適した燃料構造を提供することができる。

本発明の第３の実施例を第９図及び第１０図により説明
する。

第９図において、本実施例の燃料集合体は、第７図に示
す第２の実施例において、燃料集合体内の燃料棒配列の
最外周部にさらに８本の短尺燃料棒３０を配置したもの
である。短尺燃料棒３０の軸方向長さはその目的に応じ
て種々選定できる。

その−例として、短尺燃料棒３０は第８図に示す短尺燃
料棒２０と同様の構造を持ち、燃料棒本体の長さは、炉
停止余裕が厳しくなる炉心の上部領域を含まない長さ、
即ち、普通の燃料棒１の８／／２４から１８／２４の範
囲である。

短尺燃料棒３０を配置した場合、燃料配列の最外周にお
いても、水ロッド周辺と同様に燃料集合体の上部領域に
大量の水が存在することになる。

このため、冷温時にチャンネルボックス４の外側の水ギ
ヤツプ部で十分に減速された中性子が、最外周の短尺燃
料棒３０の上方で水に吸収される割合が増加する。従っ
て、冷温時と高温時の無限増倍率の差が第２の実施例の
場合よりも小さくなり、炉停止余裕の確保がさらに確実
なものとなる。

第１０図に短尺燃料棒３０の長さが短尺燃料棒２０の長
さと異なる場合の実施例を示す。短尺燃料棒３０は、短
尺燃料棒２０の本体２１よりは長い燃料棒本体３１と、
本体３１の下端に設けられ、下部タイプレート６（第２
図参照）に固定されるネジ付の端栓３２を有している。

高燃焼度化を達成するために濃縮度を高めた燃料炉心に
おいては、炉停止余裕が厳しいため、短尺燃料棒の採用
は炉停止余裕確保の一手段として有効である。しかし、
短尺燃料棒本数を増やすこと、及び短尺燃料棒長さを短
くすることは、燃料装荷量の減少につながる。

一方、短尺燃料棒の配置位置としては炉停止余裕確保の
観点から見ると、燃料配列の最外周部が最も効果があり
、次に水ロッド隣接部の効果が大きい。

また、最大線出力密度の管理、中性子計測等の面からは
短尺燃料配置はできるだけ対称性を持つことが望ましく
、従って１０×１０燃料棒配列の場合、最外周部に配置
する短尺燃料棒本数は各辺２本ずつの８本とするか、コ
ーナ部に４本配置するのが適当である。ところで、コー
ナ部燃料棒は水ギヤツプ部の水の影響が大きく、炉停止
余裕確保には好適であるが、出力運転時の反応度損失を
生じる場合もある。この対策としては、本実施例の第１
の構成例のように各辺２本ずつの８本の短尺燃料棒配置
とすればよい。しかし、燃料棒長さを短くすると、本数
が８本あるため燃料装荷量の減少が大きい。これに対し
、第１０図に示す短尺燃料棒３０を使用した本実施例の
第２の構成例では、炉停止余裕の最も厳しい上部は燃料
棒を１２本抜くが、中央部では水ロッド隣接部の４本を
抜くだけであり、かつ最外周部に配置する短尺燃料棒３
０の長さは中央部の短尺燃料棒２０より長くしたので、
対称配置を保ち、かつ炉停止余裕を確保できる短尺燃料
棒配置において、炉停止余裕を向上しながら燃料装荷量
を最大にできる効果がある。

本発明の第４の実施例を第１１図〜第１３図により説明
する。

第１１図において、本実施例は、第１図の実施例におい
て４本の太径水ロッド２の代わりに、ｒＳＳＲＪの略称
を付した４本のスペクトルシフト水ロッド４０を配置し
ている。ここで、スペクトルシフト水ロッドとは、炉心
冷却水流量の制御により水ロッド管内の液面高さを変化
させて、中性子減速効果を大きく変化させることのでき
る水ロッドであり、特開昭６３−７３１８７号公報の第
５頁上部左欄１３行から第１２頁上部右欄１０行に記載
の発明によるものである。

第１２図にスペクトルシフト水ロッド４０の構造を示す
。水ロッド４０は、水ロッド本体をなす上昇管４１、上
昇管４１の内面に配置された２本の下降管４２を有し、
上昇管４１は冷却水上昇流路４３を形成し、下降管４２
は冷却水下降流路４４を形成し、両流路４３，４４は下
降管４２の上端付近に設けられた孔４５を介して連通し
ている。

上昇管４１の下端には下部タイプレート６に挿入される
口金部４６が設けられ、口金部４６には冷却水上昇流路
の流入口４７が形成されている。また、口金部４６の外
周には下部タイプレート６に固定するためのねじ部が形
成されている。一方、下降管４２の下端付近における上
昇管４１との接合部には冷却水下降流路４４の流出口４
８が形成されている。

スペクトルシフト水ロッド４０の動作原理を第１３図に
より説明する。

第１３図は水ロッド４０の原理的な構造を示すものであ
る。燃料集合体の下部に位置する下部タイプレート６は
冷却水流に対する抵抗体として作用し、領域冷却水上昇
流路４３の流入口４７はこの抵抗体６よりも下方の領域
に開口している。冷却水下降流路４４は冷却水上昇流路
４３内を上昇した冷却水流を反転させて下方に導き、そ
の流出口４８は抵抗体６よりも上方の領域に開口してい
る。抵抗体６には複数の冷却水流通孔４９が設けである
。

抵抗体６に設けた冷却水流通孔４９を流れる冷却水の流
量を変化させると、抵抗体６より下方と上方の領域との
間の差圧ΔＰ＝Ｐｉ−Ｐ２が変化する。この差圧ΔＰは
冷却水流量のほぼ２乗に比例するので、例えば抵抗体６
を通過する冷却水流量を定格流量の８０％から１２０％
に変えると、差圧ΔＰは８０％流量時の約２．２５倍に
なる。

一方、水ロッド４０の内部の冷却水は水ロッド４０の周
囲にある燃料棒から照射される中性子やガンマ線によっ
て発熱し、蒸発するが、流入水量が蒸発量とバランスす
ると第１３１ｍ（ａ）に示すように上昇流路４３内に水
位が保持される。蒸気は冷却水流出口４８から吐き出さ
れる。さらに、抵抗体６を通過する冷却水流量を増加さ
せると、蒸発量より流入流量がまさり、第１３図（ｂ）
に示すように上昇流路４３の水位は上昇し、ついには上
昇流路４３から下降流路４４に冷却水が溢れ出す。さら
に、冷却水の流入量が増大すると、第１３図（Ｃ）に示
すように水ロッド内での沸騰が抑制されたまま、即ち、
ボイド率が著しく低減された状態で冷却水流出口４８か
ら流出する。

以上に述べた現象によって、冷却水流量を調節すること
によりボイド率の大幅な調整が可能であり、中性子の減
速効果を大きく変化させる流量スペクトルシフト運転が
可能となる。

従って、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、燃料の高燃焼度化と流量スペクトル
シフト運転により燃料経済性をさらに高めることができ
る。

本発明の第５の実施例を第１４図及び第１５図により説
明する。

第１４図において、本実施例の燃料集合体は、第７図に
示す第２の実施例における太径水ロッド２よりも少し直
径の小さい４本の太径水ロッド２Ａを環状に隣接配置し
、これら太径水ロッド２Ａにより囲まれた領域に形成さ
れる冷却材通路３Ａの面積を第２の実施例の冷却材通路
３よりも少し大きくし、この通路３Ａに短尺燃料棒５０
を配置したものである。ここで、第２図の太径水ロッド
２の水ロッド面積に対する本実施例の太径水ロッド２Ａ
の水ロッド面積の減少は、第４図の直線ＡＢで説明した
ように、減速材／燃料比の変化に対して無限増倍率がほ
とんど変化しない飽和状態の範囲とする。他の構成は第
２の実施例と同じである。

第１５図に短尺燃料棒５０を普通の燃料棒１及び短尺燃
料棒２０と比較して示す。短尺燃料棒５０は、短尺燃料
棒２０の本体２１よりさらに短い燃料棒本体５１と、本
体５１の下端に設けられ、下部タイプレート６（第２図
参照）に固定されるネジ付の端栓５２を有している。燃
料棒本体５１における燃料ペレットの充填長さは、普通
の燃料棒１の８／２４から１２／２４である。

本実施例においては、冷却材通路３Ａに短尺燃料棒５０
が配置されているが、燃料集合体で圧力損失の大きいの
は上方領域の二相流部であり、この上方領域には冷却材
通路３Ａが存在している。

このため、本実施例によっても、第１の実施例と同様に
高燃焼度化を図りながら、第１の実施例に近い圧力損失
低減の効果を得ることができる。また、燃料集合体の上
方領域には冷却材通路３Ａがあり、この冷却材通路３Ａ
にはボイド水が流れ込みやすいので、第１の実施例と同
様に減速材／燃料比の最適化を図ることができる。

また、本実施例によれば、短尺燃料棒５０を配置したの
で燃料装荷量を増やすことができる。

本発明の第６の実施例を第１６図により説明する。

第１６図において、本実施例の燃料集合体は１０行１０
列の正方格子状に配列された多数の燃料棒１を有する点
は第１の実施例と同じであるが、４行４列の中央領域の
４つのコーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配置可能な
領域には、外側形状が断面矩形をした１本の大型水ロッ
ド３Ｂが配置されている。大型水ロッド３Ｂには、その
中心部を軸方向に貫通する冷却材通路３Ｂが形成され、
かつ軸方向の複数箇所に、冷却材通路３Ｂを水ロッド３
Ｂの外側の通路と連絡する冷却材通路５１が形成されて
いる。

このように構成した本実施例においても、冷却材通路３
Ｂは第１の実施例の冷却材通路３と同様に機能する。従
って、第１の実施例と同様に、１０行１０列の正方格子
状に燃料棒を配置して、燃料の高濃縮度化及び高燃焼度
化を達成すると共に、圧力損失を増加させることなしに
減速材／燃料比を最適化することができる。

本発明の第７の実施例を第１７図により説明する。本実
施例は、燃料棒の平均濃縮度が約４　ｗ　ｔ％で、取出
平均燃焼度が４５〜５０ＧＷｄ／ｌの９行９列格子燃料
の燃料集合体に本発明を適用したものである゛。

第１７図において、本実施例の燃料集合体は９行９列の
正方格子状に配列された多数の燃料棒６０を有し、中央
の３行３列の領域に、ｒＷＪの略称を付した断面円形の
４本の太径水ロッド６１が環状に隣接してかつ隙間をあ
けて配置されている。

太径水ロッド６１は各々燃料棒３本相当の領域を占める
水面積を有している。そして、４本の太径水ロッド６１
に囲まれた中央部には冷却材通路６２が形成され、この
冷却材通路６２は隣接水ロッド間の隙間を介して水ロッ
ド外側の冷却材通路と連通している。これら燃料棒６０
及び太径水ロッド６１はチャンネルボックス６３により
取り囲まれている。

第１の実施例において、第４図を参照して、１０行１０
列の燃料配列を持つ燃料集合体で、取出燃焼度５５〜６
０Ｗｄ／ｌを目標とする場合、減速材／燃料比が４．５
前後において無限増倍率は飽和しているため、水ロッド
中心部付近の水を取り除いても無限増倍率はほとんど変
化しないことを説明した。本願発明者等は、９行９列の
正方格子状に燃料棒を配置した燃料集合体においても同
様の特性があることを見出だした。本実施例はこの知見
に基づくものである。

即ち、９行９列の正方格子状に燃料棒１を配置した燃料
集合体においては、例えば、特開昭６２−１１８２９７
号公報に記載のように、中央部の３行３列の燃料棒９本
を取り除いた領域に大型の１本の方形水ロッドを配置し
、減速材／燃料比を大きくすることが提案されている。

本実施例では、４本の太径水ロッド６１を環状に配置し
ているので、この１本の方形水ロッドに比べて水ロッド
面積は小さい。しかし、この水ロッド面積の減少は第４
図の上述した減速材／燃料比が４．５の前後での変化と
同様に、４本の太径水ロッド６１は１本の方形水ロッド
とほぼ同じ無限増倍率を達成することが明らかになった
。

従って、本実施例によっても、減速材／燃料比の変化に
対して無限増倍率が飽和する領域において水ロッド面積
を減少させることにより減速材／燃料比を最適化し、か
つその水ロッド面積を減少させた領域を冷却材通路６２
として圧力損失の低下を図る効果がある。

本発明の第８の実施例第１８図により説明する。

第１８図（ａ）において、本実施例は環状に隣接配置さ
れる４本の水ロッドとしてスペクトルシフト水ロッド４
０Ａを用いている。１本のスペクトルシフト水ロッド４
０Ａの構造を第１８図（ｂ）に示す。スペクトルシフト
水ロッド４０Ａの下降管４２Ａは上昇管４１Ａの外面に
取り付けられている。下降管２４Ａは他の３本のスペク
トルシフト水ロッド４０Ａに対しても共用であり、それ
らの上昇管の外面にも取り付けられている。これら４本
の水ロッド４０Ａは、それらによって取り囲まれる冷却
材通路３に下降管４２Ａが位置するように配置されてい
る。この実施例では、４本のスペクトルシフト水ロッド
４０Ａの下降管を１本として共有させたが、４本のスペ
クトルシフト水ロッド各々に細径の下降管を取り付け、
これら４本の下降管が全て上記冷却材流炉３内に位置す
るようにしてもよい。

スペクトルシフト水ロッドは上昇管と下降管を持つ水ロ
ッドであるが、原子炉運転中は発生するγ線により上昇
管内の減速材（水）が発熱し、蒸気となるが、スペクト
ルシフト水ロッドの構造部材も同じγ線照射により発熱
する。上昇管のみの水ロッドの場合、構造部材は水ロッ
ドの内側を流れる減速材、水ロッドの外側を流れる冷却
材によって冷却されるため、γ線照射による材料劣化を
防止できる。しかし、下降管を有するスペクトルシフト
水ロッドの場合、上昇管内部に下降管を設けると、上昇
管は冷却材通路を流れるボイド水によって冷却されるも
のの、下降管は上昇管内部に生じる液面内及び液面上部
に生じている蒸気領域に面するため、上昇管に比べて有
効に冷却しにくく、構造部材が劣化しやすいという問題
がある。

また、上昇管外側に取り付けた下降管を燃料棒に面する
ように配置した場合、下降管近接部の燃料棒周囲は冷却
材通路が狭（なり、燃料棒の除熱効果が低下するという
問題がある。

本実施例の場合、下降管を上昇管外側に設けたため、上
昇管と同様に下降管も冷却材により冷却され、γ線照射
による構造材劣化を防ぐことができる。即ち、本実施例
においては、スペクトルシフト水ロッドによって囲まれ
る冷却材通路を利用して、この領域に下降管を配置した
ものであり、この冷却材通路には冷却水が集まり易くな
っているため、有効に冷却される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料の高濃縮度化及び高燃焼度化を達
成すると共に、圧力損失を増加させることなしに減速材
／燃料比を最適化することができる。

また、本発明によれば、短尺燃料棒の採用による圧力損
失低減及び炉停止余裕の向上の効果を確保し、同時に燃
料経済性の向上を図ることができる。

また、短尺燃料棒の配置により、フレッティング検査用
の小型カメラの操作領域が確保され、定期検査中に水ロ
ッドの検査を容易に行うことができる。

さらに、短尺燃料棒の配置により径方向の出力分布が平
坦化され、かつ軸方向上方領域の減速材／燃料比を大き
くして、高燃焼度燃料に望ましい軸方向の減速材／燃料
比を提供することができる。

また、本発明においては、太径水ロッドとしてスペクト
ルシフト水ロッドを使用することで、流量スペクトルシ
フト運転により燃料経済性を一層高めることができる。

さらに、本発明によれば、９行９列の正方格子状に燃料
棒を配置する燃料集合体においても、同様に、減速材／
燃料比を最適化し、かつ圧力損失を低減することができ
る。

（以下余白）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による燃料集合体の水平
断面図であり、第２図はその燃料集合体の縦断面図であ
り、第３図は上部タイプレートの平面図であり、第４図
は減速材／燃料比の変化に対する無限増倍率の飽和を説
明する図であり、第５図及び第６図はそれぞれ本実施例
における水ロッド配列の作用を説明する図であり、第７
図は本発明の第２の実施例による燃料集合体の水平断面
図であり、第８図はその燃料集合体に配置される普通の
燃料棒と短尺燃料棒とを比較して示す図であり、第９図
は本発明の第３の実施例による燃料集合体の水平断面図
であり、第１０図はその燃料集合体に配置される普通の
燃料棒と２種類の短尺燃料棒とを比較して示す図であり
、第１１図は本発明の第４の実施例による燃料集合体の
水平断面図であり、第１２図はその燃料集合体に使用さ
れるスペクトルシフト水ロッドの縦断面図であり、第１
３図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はスペクトルシフト水ロ
ッドの動作原理を説明する図であり、第１４図は本発明
の第５の実施例による燃料集合体の水平断面図であり、
第１５図はその燃料集合体に配置される普通の燃料棒と
２種類の短尺燃料棒とを比較して示す図であり、第１６
図は本発明の第６の実施例による燃料集合体の水平断面
図であり、第１７図は本発明の第７の実施例による燃料
集合体の水平断面図であり、第１８図（ａ）は本発明の
第８の実施例による燃料集合体の水平断面図であり、第
１８図（ｂ）はその燃料集合体に使用さるスペクトルシ
フト水ロッドの外観図であり、第１９図は、燃料集合体
の水平断面内の減速材／燃料比と無限増倍率の関係を、
濃縮度をパラメータとして示す図である。符号の説明１・・・燃料棒２・・・太径水ロッド３・・・冷却材通路４・・・チャンネルボックス５・・・上部タイプレート６・・・下部タイプレート・・・スペーサ０・・・短尺燃料棒０・・・短尺燃料棒０・・・スペクトルシフト水口Ａ・・・太径水ロッドＡ・・・冷却材通路Ｂ・・・大型水ロッドＢ・・・冷却材通路５・・・燃料単位格子６・・・最外周輪郭７・・・隙間８・・・燃料棒周囲冷却材通路０・・・短尺燃料棒１・・・冷却材通路０・・・燃料棒１・・・太径水ロッド２・・・冷却材通路ツ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）格子状に配置された複数の燃料棒と、前記燃料棒
の各々に対応する燃料単位格子の１つの面積よりも大き
な第１の横断面を各々有し、かつ互いに隣接して配置さ
れた複数の第１の水ロッド手段と、前記複数の第１の水
ロッド手段が実質的に占める全ての前記燃料単位格子の
群の最外周輪郭よりも内側の領域の全面積を第２の横断
面に有する１本の第２の水ロッド手段を想定し、この第
２の水ロッド手段を前記複数の第１の水ロッド手段の代
わりに配置したとき、前記第２の横断面に生じる減速過
剰な領域となる部分に形成された第１の冷却材通路と、
前記第１の冷却材通路を取り囲んで実質的に前記内側領
域に配置された前記複数の第１の水ロッド手段と、前記
第１の冷却材通路と前記燃料棒の周囲を取り囲む第２の
冷却材通路とを連絡し、前記第１の水ロッド手段間に位
置する第３の冷却材通路とを備えることを特徴とする燃
料集合体。
（２）格子状に配置された複数の燃料棒と、前記燃料棒
の各々に対応する燃料単位格子の所定数が配置可能な領
域を実質的に占有する第１の水ロッド手段と、この第１
の水ロッド手段が実質的に占める全ての前記燃料単位格
子の群の最外周輪郭よりも内側の領域の全面積を横断面
に有する１本の第２の水ロッド手段を想定し、この第２
の水ロッド手段を前記第１の水ロッド手段の代わりに配
置したとき、前記横断面に生じる減速過剰な領域となる
部分に形成された第１の冷却材通路と、前記第１の冷却
材通路を取り囲んで実質的に前記内側領域に配置された
前記第１の水ロッド手段と、前記第１の水ロッド手段を
横方向に貫通し、前記第１の冷却材通路と前記燃料棒の
周囲を取り囲む第２の冷却材通路とを連絡する第３の冷
却材通路とを備えることを特徴とする燃料集合体。
（３）格子状に配置された複数の燃料棒と、前記燃料棒
の各々に対応する燃料単位格子の所定数が配置可能な領
域を実質的に占有する第１の水ロッド手段と、この第１
の水ロッド手段が実質的に占める全ての前記燃料単位格
子の群の最外周輪郭よりも内側の領域の全面積を横断面
に有する１本の第２の水ロッド手段を想定し、この第２
の水ロッド手段を前記第１の水ロッド手段の代わりに配
置したとき、前記横断面に生じる減速過剰な領域となる
部分に形成された第１の冷却材通路と、前記第１の冷却
材通路を取り囲んで実質的に前記内側領域に配置された
前記第１の水ロッド手段と、前記燃料棒の周囲を取り囲
む第２の冷却材通路で発生した蒸気を、前記第１の冷却
材通路に導く第３の冷却材通路とを備えることを特徴と
する燃料集合体。
（４）請求項１、２又は３記載の燃料集合体において、
前記複数の燃料棒が、複数の第１の燃料棒と、前記第１
の燃料棒よりも軸方向長さが短く、前記内側領域の外側
で前記第３の冷却材通路に対向して配置された複数の第
２の燃料棒とを含むことを特徴とする燃料集合体。
（５）請求項１、２又は３記載の燃料集合体において、
前記複数の燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート
を更に備え、この上部タイプレートは、前記第１の冷却
材通路の軸心の延長線上に、前記第１の冷却材通路の流
路面積よりも大きな流路面積の開口を有することを特徴
とする燃料集合体。
（６）正方格子状に配置された多数の燃料棒と、水ロッ
ド手段とを有する燃料集合体において、　前記多数の燃
料棒は、４行４列の中央領域を除いて１０行１０列の正
方格子状に配置された多数の第１の燃料棒と、前記中央
領域の４つのコーナ部に配置された４本の第２の燃料棒
とを含み、前記水ロッド手段は、前記中央領域の４つの
コーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配置可能な領域に
環状に隣接してかつ隙間をあけて配置された複数の太径
水ロッドを含むことを特徴とする燃料集合体。
（７）正方格子状に配置された多数の燃料棒と、水ロッ
ド手段とを有する燃料集合体において、前記多数の燃料
棒は、４行４列の中央領域を除いて１０行１０列の正方
格子状に配置された多数の第１の燃料棒と、前記中央領
域の４つのコーナ部に配置された、各々、前記第１の燃
料棒より軸方向長さが短い４本の第２の燃料棒とを含み
、前記水ロッド手段は、前記中央領域の４つのコーナ部
を除いた、１２本の燃料棒が配置可能な領域に環状に隣
接してかつ隙間をあけて配置された複数の太径水ロッド
を含むことを特徴とする燃料集合体。
（８）請求項６又は７記載の燃料集合体において、前記
太径水ロッドは、各々、前記第１の燃料棒３本相当の領
域を占める水面積を有し、前記水ロッド手段はこの太径
水ロッドを４本有することを特徴とする燃料集合体。
（９）請求項７記載の燃料集合体において、前記多数の
燃料棒は、前記１０行１０列の正方格子における最外周
の位置に配置された、前記第１の燃料棒より軸方向長さ
が短い複数の第３の燃料棒を含むことを特徴とする燃料
集合体。
（１０）請求項９記載の燃料集合体において、前記第３
の燃料棒の軸方向長さは前記第２の燃料棒のそれよりも
長いことを特徴とする燃料集合体。
（１１）請求項６又は７記載の燃料集合体において、前
記多数の燃料棒は、前記複数の太径水ロッドに囲まれた
領域に配置された、前記第１の燃料棒よりも軸方向長さ
が短い第４の燃料棒を含むことを特徴とする燃料集合体
。
（１２）請求項６又は７記載の燃料集合体において、前
記燃料棒の上端部を支持する上部タイプレートを更に有
し、この上部タイプレートは、前記複数の太径水ロッド
に囲まれた領域の上方に位置する部分に開口を有するこ
とを特徴とする燃料集合体。
（１３）正方格子状に配置された多数の燃料棒と、水ロ
ッド手段とを有する燃料集合体において、　前記多数の
燃料棒は、４行４列の中央領域を除いて１０行１０列の
正方格子状に配置された多数の燃料棒と、前記中央領域
の４つのコーナ部に配置された４本の燃料棒とを含み、前記水ロッド手段は、前記中央領域の４つのコーナ部を
除いた、１２本の燃料棒が配置可能な領域に環状に隣接
してかつ隙間をあけて配置された、炉心流量の制御によ
りロッド内の液面高さが調節可能な複数のスペクトルシ
フト水ロッドを含むことを特徴とする燃料集合体。
（１４）正方格子状に配置された多数の燃料棒と、水ロ
ッド手段とを有する燃料集合体において、前記多数の燃
料棒は、４行４列の中央領域を除いて１０行１０列の正
方格子状に配置された多数の第１の燃料棒と、前記中央
領域の４つのコーナ部に配置された４本の第２の燃料棒
とを含み、前記水ロッド手段は、前記中央領域の４つの
コーナ部を除いた、１２本の燃料棒が配置可能な領域に
前記中央領域の中心部を取り囲むように配置され、前記中央領域の中心部に前記燃料棒の周囲に形成された
冷却材通路と連通する冷却材通路を形成したことを特徴
とする燃料集合体。
（１５）請求項１４記載の燃料集合体において、前記水
ロッド手段は環状に隣接してかつ隙間をあけて配置され
た複数の太径水ロッドを含み、前記冷却材通路はこれら
複数の太径水ロッドで囲まれかつ隣接太径水ロッド間の
隙間を介して前記燃料棒周囲に形成された冷却材通路と
連通していることを特徴とする燃料集合体。
（１６）請求項１５記載の燃料集合体において、前記太
径水ロッドは、各々、炉心流量の制御によりロッド内の
液面高さが調節可能な複数のスペクトルシフト水ロッド
であることを特徴とする燃料集合体。
（１７）請求項１４記載の燃料集合体において、前記第
２の燃料棒は、各々、前記第１の燃料棒より軸方向長さ
が短い燃料棒であることを特徴とする燃料集合体。
（１８）正方格子状に配置された多数の燃料棒と、水ロ
ッド手段とを有する燃料集合体において、前記多数の燃
料棒は、３行３列の中央領域を除いて９行９列の正方格
子状に配置され、前記水ロッド手段は、前記３行３列の中央領域に環状に
隣接してかつ隙間をあけて配置された４本の太径水ロッ
ドを含むことを特徴とする燃料集合体。
（１９）少なくとも９行９列の正方格子状に配置された
、４５ＧＷｄ／ｔ以上の取出燃焼度を達成可能な多数の
燃料棒と、前記正方格子の中央領域に配置された水ロッ
ド手段とを有する燃料集合体において、前記水ロッド手段は前記中央領域にその中心部を取り囲
むように配置され、かつ炉心平均のボイド率において無
限増倍率がほぼ飽和状態となる減速材／燃料比を与える
大きさの水ロッド面積を有し、前記中央領域の中心部に前記水ロッド手段の外側の領域
と連通する冷却材通路を形成したことを特徴とする燃料
集合体。
（２０）請求項１９記載の燃料集合体において、前記多
数の燃料棒は、４行４列の中央領域を除いて１０行１０
列の正方格子状に配置された多数の燃料棒と、前記中央
領域の４つのコーナ部に配置された４本の燃料棒とを含
み、前記水ロッド手段は、前記中央領域の４つのコーナ
部を除いた、１２本の燃料棒が配置可能な領域に配置さ
れていることを特徴とする燃料集合体。
（２１）請求項１９記載の燃料集合体において、前記多
数の燃料棒は、３行３列の中央領域を除いて９行９列の
正方格子状に配置され、前記水ロッド手段は、前記３行
３列の、中央領域に配置されていることを特徴とする燃
料集合体。
（２２）請求項１９記載の燃料集合体において、前記水
ロッド手段は、炉心冷却水量の制御により管内の液面高
さが調節可能な複数のスペクトルシフト水ロッドを含む
ことを特徴とする燃料集合体。
（２３）請求項１、２又は３記載の燃料集合体において
、前記水ロッド手段が、炉心流量の制御によりロッド内
の液面高さが調節可能なスペクトルシフトロッドである
ことを特徴とする燃料集合体。
（２４）燃料棒の上端部が挿入される孔部を有する複数
の第１のボスと、水ロッド手段の上端部が挿入される孔
部を有する複数の第２のボスと、前記ボスを相互に結合
する複数のリブとを備え、前記第２のボスが中央部に配
置され、隣接する４つの前記第２のボス間に形成される
第２の開口が、隣接する４つの第１のボス間に形成され
る第１の開口よりも大きいことを特徴とする上部タイプ
レート。