JPH06294879A - 原子炉燃料集合体及び上部タイプレート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】原子炉燃料集合体及び上部タイプレートにおい
て、高燃焼度化を可能としながら反応度を低下させずに
ボイド係数を小さくし、かつ局所出力ピーキングを平坦
化し、合わせて二相流の圧損を効果的に低減する。 【構成】通常の燃料棒２と部分長燃料棒３を１０×１０
の正方格子状に配列し、中央領域に対角線状に３本の大
型水ロッド４を配置し、部分長燃料棒３は、正方格子状
の燃料棒配列の最外層において水ロッド４の投影面積の
範囲内に配置する。上部タイプレート７は、格子部３２
の部分長燃料棒３の延長上に位置する部分においてボス
が取除かれ、冷却材流路の拡大を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉燃料集合体及び上
部タイプレートに係わり、特に高燃焼度化を可能としか
つ燃料経済性の向上、熱的余裕の増大、安定性の向上、
圧力損失の低減に寄与する原子炉燃料集合体及び上部タ
イプレートに関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉に装荷される従来の燃料
集合体は、四角筒のチャンネルボックスと、このチャン
ネルボックスの内部に収納された燃料バンドルからな
る。燃料バンドルは、チャンネルボックスの上下部には
めこむ上部タイプレートおよび下部タイプレートと、チ
ャンネルボックス内部で軸方向に沿って間隔を置いて設
置された複数個のスペーサと、このスペーサを貫通しタ
イプレートに両端を固定して正方格子状に配置された多
数の燃料棒及び少なくとも１本の水ロッドとから構成さ
れる。上部タイプレートは、燃料棒及び水ロッドの上端
部を支持するための円筒状のボス及び隣接するボス相互
を連結するウェブからなる格子部、チャンネルボックス
の挿入性を良くするコーナポスト及び燃料集合体の取扱
時の取手となるハンドルで構成されたステンレス鋼鋳鋼
製一体成型品である。

【０００３】近年、連続運転期間の延長、ウラン資源の
有効利用、さらに使用済み燃料発生量の低減の観点か
ら、燃料の高燃焼度化が進められている。高燃焼度化の
ためには燃料の濃縮度を高める必要がある。しかし、濃
縮度の増加に伴い、中性子の平均エネルギーが上昇する
ため、ボイド変化に伴う反応度変化が増大したり、核分
裂性燃料の有効利用（燃料経済性）が阻害されたりと云
う問題があった。ボイド変化に伴う反応度変化の増大は
ボイド係数の絶対値を増大させ、炉心安定性を低下させ
ると共に、運転時、冷温時の反応度差が増大するので炉
停止余裕を低下させる。この対応策は、燃料集合体内の
減速材割合（減速材対燃料比）を増大し、中性子の平均
エネルギーを低減（中性子スペクトルをソフトに）する
ことである。

【０００４】沸騰水型原子炉ではチャンネルボックスの
外部に制御棒や中性子検出器計装管を配置する構成にな
っており、そのため燃料集合体間にはそれらの装置が挿
入されるだけの間隙が設けられている。上記間隙は飽和
水で満たされているため、燃料集合体周辺部（間隙に近
い領域）の燃料棒と燃料集合体中心部の燃料棒では間隙
の飽和水の影響が異なる。すなわち、間隙に近い燃料集
合体周辺部の燃料棒は、実効的には減速材対燃料比が大
きな領域となり、燃料集合体の核的な特性を決める要因
である減速材対燃料比が位置により異なる。

【０００５】減速材対燃料比を増大する方法には、燃料
装荷量を減少する方法と減速材領域あるいは減速材密度
を増大する方法とがある。具体的には、 沸騰水領域の増大（燃料棒本数を減少するか、あるい
は燃料棒径を細くする） 非沸騰水領域（水ロッド領域あるいはギャップ水領
域）の増大 がある。しかし、このような対策を採用した燃料集合体
では、いずれも燃料装荷量が減少するため、減速材対燃
料比増大の面からは燃料経済性が向上するが、燃料装荷
量の面から燃料経済性が損なわれ、結局、燃料経済性の
向上には至らない。また、では、燃料棒の全長が減少
するため線出力密度が増大し熱的余裕が減少し、で
は、冷却材の流路面積が減少するため圧力損失が増大す
ると云う新たな課題が発生する。

【０００６】従来の燃料集合体では、燃料棒は８行８列
（８×８）の格子状に配列されているが、燃料棒の格子
配列数を９×９、１０×１０へと増大させれば、平均線
出力密度を減少しかつ伝熱面積を増大して、熱的余裕が
高まる。また、特開昭５２−５０４９８号公報に記載の
ように、燃料棒有効長が短い部分長燃料棒を用いて燃料
集合体を構成することが知られており、摩擦圧損が大き
な二層流部（炉心上部）の流路面積が増大することで、
燃料装荷量を減少することなく圧力損失を低減できる。
したがって、これらの２つの対策を併用した上で、上記
及びを採用すれば、高燃焼度化に適した燃料集合体
となる。

【０００７】以上の観点より、燃料棒の外径を細くし
て、本数を増やした９×９、１０×１０格子の燃料棒配
列にし、水ロッドの横断面積を単位燃料格子の横断面積
より大きくし、かつ複数の部分長燃料棒を配置した燃料
集合体が提案されており、一例として、特開昭６４−８
８２９２号公報、特開昭６２−２７６４９３号公報、特
開昭６４−３１０８９号公報、特開昭６４−２３１９５
号公報がある。

【０００８】特開昭６４−８８２９２号公報には、燃料
棒配列格子数を増加した燃料集合体において、太径水ロ
ッドに隣接して複数の部分長燃料棒をかためて配置した
ものが開示されている。特開昭６２−２７６４９３号公
報には、燃料棒配列格子数を増加した燃料集合体におい
て、多数の水ロッドまたは太径水ロッドを配置すると共
に、燃料棒格子状配列のコーナ部を含む対角線上に一列
に複数の部分長燃料棒を配置したものが開示されてい
る。特開昭６４−３１０８９号公報には、燃料棒配列格
子数を増加した燃料集合体において、太径水ロッドを配
置すると共に、燃料棒格子状配列のコーナ部に複数の部
分長燃料棒をかてめて配置したものが開示されている。
特開昭６４−２３１９５号公報には、燃料棒配列格子数
を増加した燃料集合体において、太径水ロッドを配置す
ると共に、燃料棒格子状配列の最外層の各辺を２等分す
る線上、または燃料棒格子状配列のコーナ部を含む対角
線上に一列に複数の部分長燃料棒を配置したものが開示
されている。

【０００９】一方、部分長燃料棒を配置した燃料集合体
の上部タイプレートとして、実開昭６１−１２３９９６
号公報及び特開昭６１−１９６１９２号公報には、部分
長燃料棒の延長上に位置する部分のボスを取除いたもの
が記載されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】高燃焼度燃料集合体の
開発に当たっては、現行炉心にバックフィトすることを
考え、圧力損失、熱的余裕（線出力密度、限界出力）等
を、現行の燃料集合体のそれと同等にする必要がある。

【００１１】燃料棒の外径を細くして、燃料棒の格子配
列数を増大させることが高燃焼度燃料集合体には有利で
あることは前述した。しかし、燃料格子配列数を増加し
ただけでは、燃料配列に対する自由度が増大する反面、
濡れ縁長さが増大し圧損が増大すると共に、燃料棒外径
が減少し燃料棒の時定数が増大するため、安定性（チャ
ンネル安定性、炉心安定性）が厳しくなるという新たな
課題が生ずる。これを解決するためには、ボイド係数の
絶対値を現行の燃料集合体のそれより小さくする必要が
ある。すなわち、今までは、燃料の濃縮度増大の観点か
らボイド係数の絶対値低減の対策を論じたが、燃料格子
配列数を増加する場合には、ボイド係数の絶対値を更に
小さくする必要がある。

【００１２】前述の、の通り、ボイド係数などの反
応度係数は、減速材対燃料比を増大すること、つまり、
水ロッド領域を増大すると共に、燃料装荷量を減少する
ことが必要である。しかし、燃料装荷量の減少は、燃料
経済性を損なうため避けたい対策である。したがって、
高燃焼度燃料集合体の開発に当たっては、燃料装荷量の
減少によらない新たな反応度制御（ボイド係数の絶対値
減少及び運転時−冷温時反応度差の減少）の方法を開発
することが重要となる。

【００１３】燃料装荷量の減少によらない反応度制御方
法としては、前述した特開昭６４−８８２９２号公報、
特開昭６２−２７６４９３号公報、特開昭６４−３１０
８９号公報、特開昭６４−２３１９５号公報に記載のよ
うに、部分長燃料棒の配置位置を選択することがある。
すなわち、特開昭６４−８８２９２号公報、特開昭６４
−３１０８９号公報では、太径水ロッドに隣接する位置
か、燃料棒格子状配列のコーナ部に複数の部分長燃料棒
をかためて配置しており、特開昭６２−２７６４９３号
公報、特開昭６４−２３１９５号公報では、燃料棒格子
状配列のコーナ部を含む対角線上か、燃料棒格子状配列
の最外層の各辺を２等分する線上に複数の部分長燃料棒
を一列に配置している。これらは、いずれも非沸騰水領
域（水ロッドあるいはギャップ水領域）と部分長燃料棒
を隣接させることで、中性子減速効果を促進し、ボイド
係数の低減及び運転時と冷温時の反応度差低減を狙って
いる。

【００１４】しかしながら、これら従来技術の方法で
は、ボイド係数などの反応度係数を低減し、反応度制御
性を向上するが、部分長燃料棒の配置位置による反応度
自体の変化、または局所出力ピーキングについては十分
な配慮がされていない。すなわち、従来技術では、複数
の部分長燃料棒を水ロッドあるいはコーナ部のギャップ
水領域に少なくとも一部が隣接する形でかためて配置し
ているため、共鳴中性子の吸収が増大し、反応度損失が
大きくなり燃料経済性が損なわれるという問題がある。
また、部分長燃料棒より上部の断面では、部分長燃料棒
に隣接する燃料棒の局所出力ピーキングが増大し、熱的
余裕が減少するという問題がある。

【００１５】そこで本願出願人は、上記課題を解決する
ため、特願平４−２１０５３９号（出願日、平成４年８
月６日）にて、正方格子状に配列された多数の燃料棒２
と、減速材横断面積が単位燃料格子の横断面積より大き
な少なくとも１本の水ロッド３とを有する燃料集合体に
おいて、（ａ）前記燃料棒２は、複数の第１燃料棒と、
燃料有効長が前記第１燃料棒より短い第２燃料棒とを含
むこと、（ｂ）前記第２燃料棒は、前記正方格子状の燃
料棒配列の最外層においてそのコーナ部以外に配置され
ていること、（ｃ）前記正方格子状の燃料棒配列の最外
層より内側において、該最外層に隣接した一層に配置さ
れる前記燃料棒のうち、前記最外層の前記第２燃料棒に
隣接する燃料棒は前記第１燃料棒であることを特徴とす
る燃料集合体を提案した。

【００１６】このように部分長燃料棒である第２燃料棒
の配置位置を最適化したことにより、高燃焼度化を可能
としながら反応度を低下させずにボイド係数を小さく
し、かつ局所ピーキングを平坦化することに成功した。

【００１７】本発明は上記先願発明を更に改善し上部タ
イプレートの構造を適切化するものである。すなわち、
燃料集合体のハード面での設計上、燃料棒配列を定める
部材のひとつである上部タイプレートの構造が、上記先
願発明の燃料集合体構造を実現するうえで重要となる。
実開昭６１−１２３９９６号公報及び特開昭６１−１９
６１９２号公報に記載の燃料集合体では、部分長燃料棒
を備えた燃料集合体の上部タイプレートの構造が示され
ているが、部分長燃料棒の配置効果をふまえた燃料集合
体としての性能向上に関しては、特に考慮されていな
い。

【００１８】本発明の第１の目的は、高燃焼度化を可能
としながら反応度を低下させずにボイド係数を小さく
し、合わせて二相圧損を低減するのに有効な原子炉燃料
集合体及び上部タイプレートを提供することである。

【００１９】本発明の第２の目的は、高燃焼度化を可能
としながら反応度を低下させずにボイド係数を小さく
し、かつ局所出力ピーキングを平坦化し、合わせて二相
圧損を低減するにに有効な原子炉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。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明は、正方格子状に配列された多数の燃
料棒と、減速材横断面積が単位燃料格子の横断面積より
大きな少なくとも１本の水ロッドと、前記燃料棒及び水
ロッドの上端部を支持する複数のボス及びこれらボス同
士を結合する複数のウェブで格子部を形成した上部タイ
プレートとを有する原子炉燃料集合体において、（ａ）
前記燃料棒は、複数の第１燃料棒と、燃料有効長が前記
第１燃料棒より短い第２燃料棒とを含むこと；（ｂ）前
記第２燃料棒は、前記正方格子状の燃料棒配列の最外層
においてそのコーナ部以外に配置されていること；
（ｃ）前記正方格子状の燃料棒配列の最外層より内側に
おいて、該最外層に隣接した一層に配置される前記燃料
棒のうち、前記最外層の前記第２燃料棒に隣接する燃料
棒は前記第１燃料棒であること；（ｄ）前記上部タイプ
レートは、前記格子部の前記第２燃料棒の延長上に位置
する部分において少なくともボスが取除かれているこ
と；を特徴としている。

【００２１】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明は、上記原子炉燃料集合体において、前記第２燃
料棒は、前記正方格子状の燃料棒配列の最外層におい
て、前記中性子減速棒を前記正方格子状の燃料棒配列に
おける直交する２方向に投影させたとき、その投影範囲
の最も外側を含めてそれより内側に配置されていること
を特徴としている。

【００２２】上記原子炉燃料集合体において、好ましく
は、前記格子部の第２燃料棒の延長上に位置する部分は
ウェブのみで形成されている。この場合、当該ウェブ
は、前記格子部の外枠の一部を構成する第１ウェブと、
前記第１ウェブにＴ字状に結合され、前記最外層に隣接
した一層で第２燃料棒に隣接する第１燃料棒の上端部を
支持するボスを前記第１ウェブに結合する第２ウェブと
で形成してもよいし、前記格子部の外枠の一部を構成す
るウェブのみで形成してもよい。

【００２３】前記格子部の第２燃料棒の延長上に位置す
る部分は中空領域であってもよい。

【００２４】また上記原子炉燃料集合体において、好ま
しくは、前記燃料棒は、燃料有効長が前記第１燃料棒よ
り短く、前記最外層に隣接した一層のコーナ部に配置さ
れた第３燃料棒を更に含み、前記上部タイプレート格子
部の第３燃料棒の延長上に位置する部分は中空領域であ
る。

【００２５】また、好ましくは、前記燃料棒は、燃料有
効長が前記第１燃料棒より短く、前記水ロッドに隣接し
て配置された第４燃料棒を更に含み、前記上部タイプレ
ート格子部の第４燃料棒の延長上に位置する部分は中空
領域である。

【００２６】また、上記第１及び第２の目的を達成する
ため、本発明は、燃料棒及び水ロッドの上端部を支持す
る複数のボスをウェブで結合して格子部を形成した原子
炉燃料集合体の上部タイプレートにおいて、前記格子部
のコーナ部を除いた最外層の一部は少なくともボスが取
除かれていることを特徴としている。

【００２７】

【作用】部分長燃料棒である第２燃料棒を正方格子状の
燃料棒配列の最外層に配置することにより、ボイド係数
の低減効果が得られ、反応度制御性が向上する。また、
制御棒価値向上の効果も期待でき、安全性向上に寄与す
る。

【００２８】また、部分長燃料棒である第２燃料棒を正
方格子状の燃料棒配列の最外層においてそのコーナ部以
外に配置することにより、反応度損失が低減する。ま
た、第２燃料棒を、正方格子状の燃料棒配列の最外層に
おいて、中性子減速棒を正方格子状の燃料棒配列におけ
る直交する２方向に投影させたとき、その投影範囲の最
も外側を含めてそれより内側に配置することにより、反
応度損失と局所出力ピーキングの両方を改善でき、燃料
経済性の向上と熱的余裕の向上が図れる。

【００２９】更に、正方格子状の燃料棒配列の最外層よ
り内側において、該最外層に隣接した一層に配置される
前記燃料棒のうち、前記最外層の第２燃料棒に隣接する
燃料棒は第１燃料棒であることにより、その第１燃料棒
の領域が減速材領域で囲まれる構成となり、その結果、
減速材領域で効率よく減速された熱中性子が、第１燃料
棒の領域に効率よく流入するため、共鳴吸収が減少し、
反応度制御性だけでなく燃料経済性が改善される。この
効果は、第１燃料棒が配置される領域を最外層に隣接し
た一層全体とすることにより更に大きくなり、その層を
２層とすることにより更にまた大きくなる。

【００３０】正方格子状の燃料棒配列の最外層より内側
において、該最外層に隣接した一層のコーナ部に部分長
燃料棒である第３燃料棒を配置することにより、チャン
ネルボックス内の冷却材流量分布及び蒸気体積率分布が
均一になる。即ち、一般に、チャンネルボックスに面し
た領域、特にコーナ部近傍は摩擦抵抗が大きく、冷却材
流量が減少する傾向にある。部分長燃料棒を最外層に隣
接した一層のコーナ部に配置することで、これを解消で
きる。

【００３１】また、部分長燃料棒である第４燃料棒を水
ロッドに隣接して配置することで、燃料集合体中央部の
水ロッド領域を大きくしたこととほぼ等価になるので、
燃料集合体の中性子無限増倍率を増加できる効果があ
る。

【００３２】以上は先願発明の構成部分の作用である。
本発明は上部タイプレートに関し更に次のような作用が
得られる。

【００３３】燃料集合体の圧損に占める上部タイプレー
トの圧損割合は比較的大きく、しかも当該部分では液相
と気相の二相圧損である。上部タイプレート格子部の第
２燃料棒の延長上に位置する部分において少なくともボ
スを取除くことにより、部分長燃料棒の延長上の冷却材
流路が拡大されるので、部分長燃料棒と上部タイプレー
トの冷却材流路拡大との組合せ効果によって、二相圧損
低減の効果が一層高まって、チャンネル安定性及び炉心
安定性が向上する。

【００３４】また、管内を流れる流体の速度は、管中央
部で速く、管壁近傍で遅いことが一般的に知られてい
る。燃料集合体の内部を流れる冷却材の速度についても
同様の傾向にある。この結果、燃料集合体の上部におい
ても、上部タイプレートの格子部の中央部において流速
が相対的に速く、チャンネルボックスの壁近傍の流速は
相対的に遅い傾向にある。このことから、非常時に燃料
集合体の上部から注水された冷却水は、上部タイプレー
トの格子中央部よりも流速が相対的に遅いチャンネルボ
ックスの壁近傍領域の方が、カウンタフローの影響が少
なく、内部に流入し易いと考えられる。本発明において
は、第２燃料棒が最外層に配置され、その延長上に位置
する格子部部分の冷却材流路が拡大されるため、非常時
の冷却特性が良好となり安全性が一層向上する。

【００３５】更に、上部タイプレート格子部の第３燃料
棒または第４燃料棒の延長上に位置する部分を中空領域
とすることにより、部分長燃料棒の延長上の冷却材流路
が更に拡大されるので、部分長燃料棒と上部タイプレー
トの冷却材流路拡大との組合せ効果によって、二相圧損
低減の効果が更に高まって、チャンネル安定性及び炉心
安定性が更に向上する。

【００３６】尚、本願明細書中において、燃料棒の配置
に関して「隣接する」とは行方向、列方向に隣接するこ
とは勿論、斜め方向に隣接することも含むものとしてし
ようする。

【００３７】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図１２により説明
する。 （構成）図２において、本実施例の燃料集合体１は沸騰
水型原子炉用であり、複数本の燃料棒２０と３本の大型
水ロッド４（図３参照）を燃料スペーサ９により水平方
向間隔を一定にして正方格子状に束ね、燃料棒２０と水
ロッド４の上下端が上部タイプレート７及び下部タイプ
レート８で支持された燃料束が、角筒状のチャンネルボ
ックス５で覆われた構造である。

【００３８】図３において、燃料棒２０は１０×１０の
正方格子状に配列されている。燃料棒２０は、通常の全
長型燃料棒である多数の燃料棒２と、この燃料棒の正方
格子状配列の最外層に配置された８本の部分長燃料棒３
と、大型水ロッド４に隣接して配置された４本の部分長
燃料棒３ａとで構成されている。燃料棒２と部分長燃料
棒３，３ａとの合計は９０本である。３本の大型水ロッ
ド４はそれぞれ横断面円形を有し、燃料棒配列の中央部
の４×４の格子領域に対角線状に配置されている。

【００３９】部分長燃料棒３，３ａは燃料有効長が燃料
棒２より短く、燃料棒２の燃料有効長の１５／２４であ
る。これは、その上端が５段目のスペーサ９に支持され
る長さである。

【００４０】また、最外層に配置された部分長燃料棒３
は、チャンネルボックス５に面する燃料棒配列の最外層
４辺の各々に２本ずつ隣接して配置されている。この部
分長燃料棒３の配置位置は、燃料棒配列の各格子位置を
数学上の行列の手法を用いて表現すると、（１，５），
（１，６）；（５，１），（６，１）；（５，１０），
（６，１０）；（１０，５），（１０，６）の各格子位
置に配置されている。ここで、正方格子状の燃料棒配列
の横方向の並びを行、縦方向の並びを列とし、図示上か
らｉ番目の行で、図示左からｊ番目の列に位置する格子
位置を（ｉ，ｊ）と表現した。すなわち、部分長燃料棒
３は、燃料棒配列外周形状の２つの対角線のそれぞれに
関して対称的に配置されている。また、正方格子状の燃
料棒配列の最外層より内側においては、最外層に隣接し
た一層及びこれに隣接した一層の合計２層には、通常の
燃料棒２のみが配置されている。

【００４１】３本の大型水ロッド４は、燃料棒配列の中
央部の４×４の格子領域中、燃料棒を１０本配置可能な
領域に対角線状に少し離れて配置されており、残りの領
域には２本の燃料棒２と４本の部分長燃料棒３ａが配置
されている。水ロッド４の外径は２０．７ｍｍであり、
水ロッド４の肉厚を考慮すると水ロッド内横断面積の合
計は約９ｃｍ² である。水ロッド４が配置される格子位
置は、各々、隣接する４つの燃料格子のうち２つ以上が
水ロッド４が位置する格子位置となっている。

【００４２】また、３本の大型水ロッド４が占める最も
外側の格子位置は、４×４の格子領域対角線上の（４，
７）と（７，４）であり、行方向（横方向）に第４〜第
７、列方向（縦方向）にも第４〜第７間にあり、上記部
分長燃料棒３は、これら行または列の範囲内に位置して
いる。すなわち、部分長燃料棒３は、正方格子状の燃料
棒配列の最外層において、水ロッド４を行方向、列方向
に投影させたとき、その投影範囲の最も外側の両格子位
置を含めてそれらの格子位置より内側に配置されてい
る。

【００４３】また、部分長燃料棒３，３ａは下端を下部
タイプレート８に支持され、上端を５段目のスペーサ９
に支持され、中間部の４箇所を１〜４段のスペーサ９に
より保持されている。

【００４４】図１に上部タイプレート７の底面図を示
す。上部タイプレート７は、燃料棒２及び水ロッド４の
上端部を支持する複数の円筒形をしたボス３０及びボス
３０同士を結合するウェブ３１からなる格子部３２と、
格子部３２の上面に対角状に取付けられ、燃料集合体１
の取扱時の取手となるハンドル３３と、格子部３２の４
箇所のコーナ部に位置し、チャンネルボックス５の挿入
性をよくするコーナポスト３７とで構成されたステンレ
ス鋼鋳鋼製一体成型品である。コーナーポスト３７の基
部はボス３０を兼ねている。上記のように、部分長燃料
棒３，３ａの上端は上部タイプレート７に支持されてお
らず、この部分長燃料棒３，３ａの延長上に位置する格
子部３２の部分においては少なくともボスが取除かれて
いる。

【００４５】すなわち、最外層の部分長燃料棒３の延長
上に位置する格子部３２の部分はボスのみが除去され、
格子部３２の外枠の一部を構成する第１ウェブ３４と、
この第１ウェブ３４とＴ字状に結合され、燃料棒配列の
最外層に隣接した一層で部分長燃料棒３に隣接する燃料
棒２の上端を支持するボス３０を第１ウェブ３４に結合
する第２ウェブ３５とで構成されている。また、水ロッ
ド４に隣接する部分長燃料棒３ａの延長上に位置する部
分はボス及びウェブが共に除去され、中空領域３６にな
っている。その結果、従来と同様に上部タイプレートの
格子部７には外枠が形成されているため、構造強度を損
なうことなく、部分長燃料棒３，３ａの延長線上で上部
タイプレート７の冷却材流路を拡大できる。

【００４６】（作用）次に、本実施例の作用を説明す
る。 （１）部分長燃料棒の配置位置等について 燃料棒の格子配列を従来の８×８格子から１０×１０格
子とすることで、燃料を燃料集合体内に分布させる自由
度が高くなる。したがって、燃料集合体内の燃料あるい
は減速材を局在化して配置することが可能になる。ここ
でいう局在化とは、燃料と減速材の境界線によって囲ま
れる燃料あるいは減速材領域において、その単位体積あ
たりの境界線の長さが短くなることを意味している。

【００４７】減速材領域（非沸騰水領域）を局在化する
位置が反応度制御（ボイド率の変化や運転状態から冷温
状態への変化に伴う反応度変化の減少）へ及ぼす効果を
説明する。図４に、燃料装荷量を一定とし、水ロッド領
域（内側領域の減速材）を増大させた場合と、ギャップ
水領域（外側領域の減速材）を増大させた場合のボイド
係数の変化を比較して示す。この図より、反応度制御性
の向上にはチャンネルボックスに面した燃料集合体の外
側領域の方が、水ロッドに面した燃料集合体の内側領域
より効果的である（感度が高い）ことが分かる。

【００４８】また、図５に、部分長燃料棒の配置位置に
よる、部分長燃料棒より上部断面でのボイド係数の変化
を示す。この図よりボイド係数低減の感度は、以下の順
であることが分かる。 (1) チャンネルボックスに面した燃料集合体の外側１層
目のコーナ部燃料 (2)(1)以外のチャンネルボックスに面した燃料集合体の
外側１層目燃料 (3) 水ロッドに隣接した燃料集合体の内側領域の燃料 (4) チャンネルボックスにも水ロッドにも隣接しない燃
料 これは、前述の図４で説明した非沸騰水領域の局在化と
同様に、減速材領域を局在化すること（部分長燃料棒を
非沸騰水領域に隣接させること）が反応度制御に効果が
あることを示している。この効果は、水素対重金属原子
数比（Ｈ／Ｕ）が小さく、中性子減速効果の感度が高い
炉心上部領域（高ボイド率領域）で著しい。

【００４９】以上の理由により、本実施例では、燃料棒
２，３，３ａを１０×１０の正方格子状に配列し、部分
長燃料棒３を燃料棒配列の最外層に配置したものであ
り、これによりボイド係数の低減効果が得られ、反応度
制御性が向上する。

【００５０】部分長燃料棒を燃料棒配列の最外層に配置
する場合、その配置位置が反応度及び局所出力ピーキン
グに及ぼす影響について説明する。図６は、上記実施例
のように部分長燃料棒をチャンネルボックスに面した最
外層に対称に４本配置する場合において、図示上辺で見
て部分長燃料棒の配置位置を（１，１）〜（１，１０）
に変更したときの、各位置における部分長燃料棒より上
部断面での部分長燃料棒位置と中性子無限増倍率（Ａ）
及び局所ピーキング（Ｂ及びＣ）の関係を示したもので
ある。燃料棒配列は上記実施例と同様１０×１０格子で
あり、３本の水ロッドが、燃料棒配列の中央部の４×４
の格子領域中、燃料棒を１０本配置可能な領域に配置さ
れている。なお、Ａについては、部分長燃料棒が図示上
辺で見て（１，５）に位置するときを基準としてそれと
の反応度差で示し、Ｂについては、部分長燃料棒がコー
ナ部に位置するときはそれに隣接した通常燃料棒、それ
以外では部分長燃料棒に図示左側で隣接する通常燃料棒
の局所出力ピーキング係数を示し、Ｃについては、コー
ナ部に位置する通常燃料棒の局所出力ピーキング係数を
示す。

【００５１】図６から分かるように、部分長燃料棒が最
外層のコーナ部に位置するときは反応度損失が大きく、
かつ部分長隣接燃料棒の局所出力ピーキングも大きい。
部分長燃料棒位置が最外層のコーナ部に隣接した格子位
置、例えば図示上辺で見て（１，２）に移動するとき
は、反応度損失は大幅に改善されるが、部分長隣接燃料
棒及びコーナ部燃料棒の局所出力ピーキングは大きい。
部分長燃料棒が最外層のコーナ部からコーナ部を含め３
番目の格子位置、例えば図示上辺で見て（１，３）に位
置するときは、反応度損失は更に改善されるが、部分長
隣接燃料棒及びコーナ部燃料棒の局所出力ピーキングは
依然として大きい。部分長燃料棒が最外層のコーナ部か
らコーナ部を含め４番目またはそれよりも内側に位置す
るとき、例えば図示上辺で見て（１，４）またはそれよ
りも内側に位置するときは、反応度損失はほとんど無く
なり、かつ部分長隣接燃料棒及びコーナ部燃料棒の局所
出力ピーキングも大幅に低下する。

【００５２】以上の理由により、本実施例においては、
部分長燃料棒３を燃料棒配列の最外層において、水ロッ
ドの投影範囲の最も外側の両格子位置を含めてそれらの
格子位置より内側に配置したものであり、この配置によ
り反応度損失と局所出力ピーキングの両方を改善でき、
燃料経済性の向上と熱的余裕の向上が図れる。なお、局
所出力ピーキングについては別途対策を講じるのであれ
ば、反応度損失の低減のみを考えれば良く、この場合
は、部分長燃料棒を最外層のコーナ部に隣接した格子位
置、または最外層のコーナ部からコーナ部を含め３番目
の格子位置に配置してもよい。

【００５３】部分長燃料棒を燃料棒配列の最外層に配置
する場合、その配置位置が制御価値に及ぼす影響を説明
する。図７は、上記実施例のように部分長燃料棒をチャ
ンネルボックスに面した最外層に対称に４本配置する場
合において、図示上辺で見て部分長燃料棒の配置位置を
（１，１）〜（１，１０）に変更したときの、部分長燃
料棒位置と部分長燃料棒より上部断面での制御棒価値と
の関係を示している。制御棒価値は、同じ本数の部分長
燃料棒を水ロッドに隣接させる場合を基準にして、それ
との差で示している。この図から分かるように、チャン
ネルボックスに面した最外層に部分長燃料棒を配置した
方が、水ロッドに隣接して配置するよりも、制御棒価値
はいずれの場合も大きくなる。これは、制御棒（特に吸
収棒）近傍の熱中性子束が増大したことが要因である。

【００５４】したがって、本実施例では、部分長燃料棒
３を燃料棒配列の最外層に配置することにより、制御棒
価値向上の効果も期待でき、安全性向上に寄与する。

【００５５】部分長燃料棒３を２本隣接することの効果
を図８により説明する。図８は、部分長燃料棒を隣接し
た場合の反応度制御性及び制御棒価値を示している。こ
の図から分かるように、部分長燃料棒３を隣接させるこ
とで、反応度制御性及び制御棒価値共に、１本のみの効
果を単純に足し合わせた以上の効果を得ている。２本以
上を隣接して配置しても（減速材を局在化しても）、図
６で説明したように、局所出力ピーキングに対して平坦
化に寄与する位置に配置すれば、すなわち、水ロッド４
の投影面積の範囲内に配置されていれば、熱的余裕の確
保の点で問題にならない。したがって、本実施例によれ
ば、反応度制御性及び制御棒価値の向上の点で、部分長
燃料棒を最外層４辺の各々に１本づつ配置した場合に比
べて２倍以上の効果を得ることができる。

【００５６】また、本実施例においては、部分長燃料棒
３ａを水ロッド４に隣接して配置することで、燃料集合
体中央部の水ロッド領域を大きくしたこととほぼ等価に
なるので、燃料集合体１内外の熱中性子束分布の平坦化
に効果があり、図９に示すように燃料集合体の中性子無
限増倍率を増加できる（後述）。この場合、ボイド係数
の低減効果及び制御棒価値の増大効果は、図４及び図７
に示したように、水ロッドより外側領域の方が大きいの
で、本実施例のように、水ロッド４に隣接する部分長燃
料棒３ａの本数よりチャンネルボックス５に隣接する部
分長燃料棒３の本数を多くすることで、反応度制御性の
観点から必要となる部分長燃料棒の本数を少なくできる
と共に、制御棒価値を増大する効果が得られる。また、
このようにチャンネルボックスと水ロッドに隣接する部
分長燃料棒３，３ａを共存させることで、燃料集合体１
内外の熱中性子束分布の平坦化に効果がある。

【００５７】一方、減速材領域の局在化効果を最大限に
活用するためには、通常燃料棒を局在化することが必要
である。通常燃料棒の局在化は、共鳴中性子が吸収され
る確率を低減し、より一層の燃料経済性の向上に寄与す
る。本実施例では、正方格子状の燃料棒配列の最外層よ
り内側において、最外層に隣接した一層で第２燃料棒に
隣接する格子位置には通常の燃料棒２のみが配置され、
中央には水ロッド４を集中して配置し、外側の層（最外
層）に部分長燃料棒３を配置しており、通常燃料棒２の
領域が減速材領域で囲まれた構成になっている。その結
果、減速材領域で効率よく減速された熱中性子が、通常
燃料棒２の領域に効率よく流入するため、共鳴吸収が減
少し、反応度制御性だけでなく燃料経済性が改善され
る。この効果は、第１燃料棒のみが配置される領域を最
外層に隣接した一層全体とすることにより更に大きくな
り、その層を本実施例のように２層とすることにより更
にまた大きくなる。

【００５８】（２）水ロッドの大きさ、形状等について 減速材領域（非沸騰水領域）の局在化が燃料経済性へ及
ぼす効果、及び水ロッド横断面積、形状の最適化につい
て説明する。図９に、燃料棒の格子配列数を１０×１０
とした燃料集合体において、燃料装荷量を一定として、
水ロッド領域（内側領域の減速材）を増大させた場合
と、チャンネルボックス外側のギャップ水領域（外側領
域の減速材）を増大させた場合の反応度の変化を比較し
て示す。横軸には水ロッド領域またはギャップ水領域の
増分（非沸騰水領域の増分）と、水ロッド領域の増分に
関しチャンネルボックス内横断面積に対する水ロッド内
横断面積の割合の２つの指標を示し、縦軸には現在の水
ロッド内横断面積である３ｃｍ² （１．７％）を基準と
した中性子無限増倍率の差を示す。この図より、中性子
無限増倍率の向上、すなわち、反応度または燃料経済性
の向上にはチャンネルボックスに面した燃料集合体の外
側領域より、燃料集合体の内側領域の方が効果的である
（感度が高い）ことが分かる。これは、中性子束分布の
平坦化により、減速材による中性子吸収が減少するため
である。熱中性子束分布の平坦化は、燃料経済性だけで
なく局所出力分布にも影響を及ぼすため、熱的余裕を確
保する点からも重要である。

【００５９】このように、１０×１０格子の燃料集合体
においては、燃料経済性向上のためには水ロッド内横断
面積を増加することが効果があり、そのために水ロッド
内横断面積を現在の３ｃｍ² （１．７％）から増大する
ことが必要である。一方、水ロッド領域の燃料格子数を
増大することは、燃料棒本数の減少になり、高燃焼度化
に反することになる。燃料集合体の対称性を考慮する
と、１０×１０格子燃料集合体では、水ロッド領域の燃
料格子位置数は、現在の２本から８本〜１６本の範囲が
妥当である。１０×１０格子燃料集合体の燃料単位格子
の面積が、現在の８×８格子の６０％程度になること、
また水ロッド領域の燃料格子位置数が上記より４倍〜８
倍になることを考えると、水ロッド内横断面積としては
７（４％）〜１４（８％）ｃｍ² の範囲が適切である。

【００６０】本実施例では、以上の理由により３本の水
ロッド４の横断面積の合計は約９ｃｍ² となっており、
これによっても反応度を高め、燃料経済性を向上でき
る。

【００６１】また、水ロッド内横断面積の最適化には安
定性の観点がある。安定性には、チャンネル安定性と炉
心安定性の２つのモードがある。まず、チャンネル安定
性は、冷却水の流量配分の振動を防止するためのもの
で、炉心内の一番出力の高い燃料集合体に対して評価す
る。炉心安定性は、炉心内の中性子束と熱水力振動とが
カップリングして生じる不安定現象を防止するためのも
のである。それぞれの制限値は減幅比で現わされる。す
なわち、チャンネル安定性、炉心安定性共に、減幅比が
１．０以下になるように制限されている。

【００６２】そこで、本願発明者等は、１０×１０燃料
集合体の安定性について検討した。図１０は、ウラン装
荷量と水ロッド内横断面積のマップ上に安定性の限界線
を示したものである。ウラン装荷量とは、燃料集合体１
体当たりに装荷できるウラン装荷量であり、ウラン装荷
量が大きくなることは燃料棒の外径の増加を意味する。
一方、水ロッド内横断面積とは、燃料集合体に位置する
水ロッド内の水流路の横断面積を示し、水ロッド内横断
面積の増加は水ロッドの外径の増加を意味する。したが
って、ウラン装荷量並びに水ロッド内横断面積の増加
は、燃料棒、水ロッドの外径を太くし、燃料集合体内の
流路面積を減少させるため、流路抵抗が増え、チャンネ
ル安定性の余裕を低減させる。そのため、図１０に示す
ように、水ロッド内横断面積が大、ウラン装荷量が大の
領域ではチャンネル安定性は厳しくなり、チャンネル安
定性の制限線は右下がりとなる。一方、炉心安定性に対
しては、ウラン装荷量の増大、水ロッド内面積の減少は
炉心安定性を悪化させるため、制限線は右上がりとな
る。そのため、安定性に対する許容領域は、図１０の中
央部に存在し、チャンネル安定性の制限線と、炉心安定
性の制限線とに囲まれた山の形をした領域となる。

【００６３】ウラン装荷量の増加は燃料サイクル費を減
少させるため、燃料経済上、好ましい。図１０の安定性
の許容領域内で、チャンネル安定性制限線と炉心安定性
制限線との交差点付近（山の頂上部分）が、最も燃料サ
イクル費が低く、最適な部分であることが分かる。すな
わち、この頂上部分（水ロッド内横断面積で１０ｃｍ²
近傍）に近接した範囲がチャンネル安定性及び炉心安定
性と燃料経済性を両立させる最適点であり、その範囲と
しては水ロッド内横断面積で９〜１１ｃｍ² が好まし
い。

【００６４】従来の技術では、安定性を増すため、燃料
集合体の直下部にオリフィス板を設け、このオリフィス
板での抵抗を増やすことや、低圧損型スペーサを採用す
ることも提案されている。したがって、オリフィス抵抗
を増大、あるいは、低圧損型スペーサを採用すると、安
定性が向上するため、安定性の制限線が移動し、許容領
域が拡大する。しかし、この場合、両制限線は共に上に
移動するため、最適点（山の頂上部分）に対する水ロッ
ド内横断面積はほとんど変化しない。したがって、燃料
集合体の水ロッド内横断面積を９〜１１ｃｍ² にするこ
とは、この点からも燃料経済性上、望ましい。

【００６５】以上の理由から、本実施例では水ロッド４
の横断面積の合計は約９ｃｍ² となっており、最適点に
漸近した位置にあることが分かる。そのため、本実施例
では、チャンネル安定性、炉心安定性、及び燃料経済性
が向上する。更に、安定性が向上したことにより、安定
性向上用に設けられていた機器が不要となる。

【００６６】また、水ロッドの横断面積を増加するに
は、大型水ロッドの採用が、犠牲にしなくてはならない
燃料棒本数を減少できる点、更に燃料棒冷却効果の小さ
な冷却材流路面積が減少できる（限界出力を増大する）
点で有利である。水ロッドと水ロッドに隣接する燃料棒
との間隔を一定とすると、円形水ロッドの場合には、上
記スペースの有効利用の点で、２×２の燃料格子を水ロ
ッドにすることが最も優れている。

【００６７】したがって、本実施例では、中性子減速効
果が小さな燃料集合体中央領域の１０セル分を水ロッド
領域としており、水ロッド領域の燃料格子位置を、隣接
する４つの燃料格子のうち少なくとも２つ以上が水ロッ
ド領域に隣接するようにすることで、２×２相当の大き
さの大型円形水ロッドを３本配置し、燃料棒冷却効果の
小さな冷却材流路面積が減少した構成となっている。こ
れは、限界出力を増大することになる。

【００６８】（３）部分長燃料棒の長さについて 次に、部分長燃料棒３，３ａの長さがチャンネル安定性
及び炉心安定性に及ぼす影響を説明する。図１１及び図
１２に、ウラン装荷量一定の条件で、部分長燃料棒３の
長さを変えて、チャンネル安定性及び炉心安定性を評価
した結果を示す。図の横軸は、部分長燃料棒３の上端位
置を、縦軸は減幅比を示す。部分長燃料棒の上端を下か
ら７段目スペーサ位置（図の右端）から短くすると、集
合体上部での流路面積が広がるため、圧力損失が減少
し、チャンネル安定性、炉心安定性とも向上する。しか
し、部分長燃料棒の長さを、下から３段目のスペーサ以
下にすると、ウラン装荷量一定の条件で解析しているた
め、燃料棒の外径が増大し、集合体下部での圧力損失が
増え、不安定化していることが分かる。また、燃料棒外
径が増大すると、燃料棒同士の隙間がなくなり、熱的に
厳しくなる。そのため、部分長燃料棒の上端位置は、４
段目スペーサ、５段目スペーサが最適となり、６段目も
使用可能である。これ等スペーサの段数を全長燃料棒の
燃料有効長に対する比率で表現すれば、１段目スペーサ
の下には下部タイプレートがあり、７段目スペーサの上
には上部タイプレートがあるので、４段目スペーサは燃
料有効長が４／８、すなわち１／２の位置に相当し、６
段スペーサは燃料有効長が６／８、すなわち、３／４の
位置に相当する。したがって、部分長燃料棒３の燃料有
効長が通常燃料棒２の燃料有効長の１／２から３／４の
範囲にあれば、チャンネル安定性及び炉心安定性向上の
効果が得られる。

【００６９】以上の理由により、本実施例では、部分長
燃料棒３，３ａの長さを全長型燃料棒２のの燃料有効長
の１５／２４、すなわち、上端が５段目スペーサに支持
される長さとし、これによりチャンネル安定性及び炉心
安定性が向上する。なお、上端を４段目スペーサで支持
する長さとすれば、更に安定性余裕が増大する。

【００７０】（４）上部タイプレートについて 最後に、上部タイプレート７に関する作用を説明する。
本実施例において、部分長燃料棒３の延長上に位置する
格子部３２の部分は、第１ウェブ３４に第２ウェブ３５
をＴ字状に結合した構成とし、水ロッド４に隣接する部
分長燃料棒３ａの延長上に位置する部分は中空領域３６
とし、部分長燃料棒３，３ａの延長線上で上部タイプレ
ート７の冷却材流路を拡大している。燃料集合体１の圧
損に占める上部タイプレート７の圧損割合は比較的大き
く、しかも当該部分では液相と気相の二相圧損であり、
部分長燃料棒３，３ａと上部タイプレート７の冷却材流
路拡大との組合せ効果によって、二相圧損低減の効果が
一層高まって、チャンネル安定性及び炉心安定性がより
向上する。

【００７１】また、管内を流れる流体の速度は、管中央
部で速く、管壁近傍で遅いことが一般的に知られてい
る。燃料集合体１の内部を流れる冷却材の速度について
も同様の傾向にある。この結果、燃料集合体１の上部に
おいても、上部タイプレート７の格子部３２の中央部に
おいて流速が相対的に速く、チャンネルボックス５の壁
近傍の流速は相対的に遅い傾向にある。このことから、
例えば緊急炉心冷却装置作動時に燃料集合体１の上部か
ら注水された冷却水は、上部タイプレート７の格子中央
部よりも流速が相対的に遅いチャンネルボックス５の壁
近傍領域の方が、カウンタフローの影響が少なく、内部
に流入し易いと考えられる。本実施例の燃料集合体１に
おいては、部分長燃料棒３を燃料棒配列の最外層に配置
しており、しかも上部タイプレート７の格子部３２にお
いては、チャンネルボックス５の壁近傍領域の流路面積
がより広く確保されるため、非常時の冷却特性上も好ま
しい燃料集合体構造が得られる。

【００７２】（効果）本実施例によれば、燃料棒格子配
列及び水ロッドと部分長燃料棒の配置を最適化すること
で、ボイド係数の低減効果が得られ、反応度制御性が向
上すると共に、反応度損失と局所出力ピーキングの両方
を改善でき、燃料経済性の向上と熱的余裕の向上が図れ
る。また、制御棒価値向上の効果も期待でき、安全性が
向上すると共に、チャンネル安定性及び炉心安定性も向
上する効果がある。

【００７３】また、本実施例によれば、部分長燃料棒
３，３ａと上部タイプレート７の冷却材流路拡大との組
合せ効果によって、二相圧損低減の効果が一層高まっ
て、チャンネル安定性及び炉心安定性がより向上する。
また、非常時に燃料集合体の上部から注水された冷却水
が内部に流入し易くなり、安全性が更に向上する効果が
ある。

【００７４】本発明の第２及び第３の実施例をそれぞれ
図１３及び図１４により説明する。これら実施例は、上
部タイプレートの構成を除いて図１の実施例と同じであ
り、図中、図１に示す部材と同等の部材には同じ符号を
付している。

【００７５】図１３及び図１４において、上部タイプレ
ート７Ａ，７Ｂの部分長燃料棒３，３ａ（図３参照）の
延長上に位置する格子部３２Ａ，３２Ｂの部分は、図１
に示す実施例と同様に少なくともボスが取除かれてい
る。すなわち、図１３に示す第２の実施例では、最外層
の部分長燃料棒３の延長上に位置する格子部３２Ａの部
分はボスとウェブの一部が除去され、格子部の外枠の一
部を構成するウェブ３４のみで形成されている。図１４
に示す第３の実施例では、最外層の部分長燃料棒３の延
長上に位置する格子部３２Ｂの部分はボスとウェブがと
もの除去され、中空領域３８になっている。そして第２
及び第３の実施例とも、水ロッド４（図３参照）に隣接
する部分長燃料棒３ａの延長上に位置する部分は、図１
の実施例と同様にボス及びウェブが共に除去され、中空
領域３６になっている。

【００７６】このような第２及び第３の実施例によれ
ば、部分長燃料棒３の延長線上で上部タイプレートの冷
却材流路が図１に示す実施例よりも拡大され、二相流圧
損低減の効果が大きくなり、特に図１４の実施例ではそ
の効果が大きくなる。ただし、上部タイプレートの構造
強度の観点では、図１に示す実施例の方が有利であると
考えられる。

【００７７】本発明の第４の実施例を図１５及び図１６
により説明する。本実施例は、本発明を９×９格子燃料
集合体に適用したものである。

【００７８】図１５において、本実施例の燃料集合体１
Ｃは、９×９の正方格子状に配置された多数の全長型燃
料棒２２および部分長燃料棒２３，２３ａと、これら燃
料棒配列の中央部の３×３の格子領域に対角線状に配置
された横断面円形の２本の大型水ロッド２４とを有し、
これら燃料棒及び水ロッドはその周囲を横断面矩形のチ
ャンネルボックス２５で取り囲まれている。燃料棒２２
および部分長燃料棒２３，２３ａの合計は７４本であ
る。部分長燃料棒２３は（１，５），（５，１），
（９，５），（５，９）の最外層中心位置に４本配置さ
れ、部分長燃料棒２３ａは最外層より一層内側のコーナ
部に４本配置されている。部分長燃料棒２３，２３ａの
有効長は、第１の実施例と同様、通常燃料棒２の１５／
２４である。水ロッド内横断面積の合計は第１の実施例
と同様、約９ｃｍ² となっている。

【００７９】図１６に上部タイプレート７Ｃの底面図を
示す。上部タイプレート７Ｃは、燃料棒２２及び水ロッ
ド２４の上端部を支持する複数のボス４０及びボス４０
同士を結合するウェブ４１からなる格子部４２と、格子
部４２の上面に対角状に取付けたハンドル４３と、格子
部４２の４箇所のコーナ部に位置しボス４０を兼ねるコ
ーナーポスト４７とを有している。部分長燃料棒２３，
２３ａの上端は上部タイプレート７Ｃに支持されておら
ず、この部分長燃料棒２３，２３ａの延長上に位置する
格子部４２の部分においては少なくともボスが取除かれ
ている。

【００８０】すなわち、最外層の部分長燃料棒２３の延
長上に位置する格子部４２の部分はボスのみが除去さ
れ、格子部４２の外枠の一部を構成する第１ウェブ４４
と、この第１ウェブ４４とＴ字状に結合され、燃料棒配
列の最外層に隣接した一層で部分長燃料棒２３に隣接す
る燃料棒２２の上端を支持するボス４０を第１ウェブ４
４に結合する第２ウェブ４５とで構成されている。ま
た、最外層より一層内側のコーナ部に配置された部分長
燃料棒２３ａの延長上に位置する部分はボス及びウェブ
が共に除去され、中空領域４６になっている。その結
果、従来と同様に上部タイプレートの格子部７Ｃには外
枠が形成されているため、構造強度を損なうことなく、
部分長燃料棒２３，２３ａの延長線上で上部タイプレー
ト７Ｃの冷却材流路を拡大できる。

【００８１】本実施例によれば、反応度制御効果は、部
分長燃料棒本数の割合が減少することにより、図１に示
した実施例より減少する。しかし、１０×１０格子を９
×９格子にすることで、圧力損失の低減、安定性性能の
改善が図れるため、燃料装荷料をさらに増大できる利点
がある。

【００８２】また、本実施例においては、部分長燃料棒
２３ａを最外層に隣接した一層のコーナ部に配置するこ
とで、チャンネルボックス内の冷却材流量分布及び蒸気
体積率分布を均一にする効果がある。一般に、チャンネ
ルボックスに面した領域、特にコーナ部近傍は摩擦抵抗
が大きく、冷却材流量が減少する傾向にある。部分長燃
料棒を最外層に隣接した一層のコーナ部に配置すること
で、これを解消できる。さらに、部分長燃料棒２３ａ
を、最外層に配置された８本の部分長燃料棒に隣接させ
ないようにすることで、部分長燃料棒に隣接する通常燃
料棒２の局所出力ピーキングの増大を抑制できることが
できる。その結果、図１の実施例に比べ熱的余裕の指標
である限界出力を増大できる。

【００８３】更に、本実施例によれば、図１に示す実施
例と同様に、部分長燃料棒２３，２３ａと上部タイプレ
ート７Ｃの冷却材流路拡大との組合せ効果によって、二
相圧損低減の効果が一層高まって、チャンネル安定性及
び炉心安定性がより向上する。また、非常時に燃料集合
体の上部から注水された冷却水が内部に流入し易くな
り、安全性が更に向上する効果がある。

【００８４】本発明の第５及び第６の実施例をそれぞれ
図１７及び図１８により説明する。これら実施例は、図
１６に示す実施例を図１３及び図１４の実施例と同様に
それぞれ修正したものである。

【００８５】図１７及び図１８において、上部タイプレ
ート７Ｄ，７Ｅの部分長燃料棒２３，２３ａ（図１５参
照）の延長上に位置する格子部３２Ｄ，３２Ｅの部分
は、図１６に示す実施例と同様に少なくともボスが取除
かれている。すなわち、図１７に示す第５の実施例で
は、最外層の部分長燃料棒２３の延長上に位置する格子
部３２Ｄの部分はボスとウェブの一部が除去され、格子
部の外枠の一部を構成するウェブ３４のみで形成されて
いる。図１８に示す第６の実施例では、最外層の部分長
燃料棒２３の延長上に位置する格子部３２Ｅの部分はボ
スとウェブがともの除去され、中空領域４８になってい
る。そして第５及び第６の実施例とも、最外層より一層
内側のコーナ部に配置された部分長燃料棒２３ａの延長
上に位置する部分は、図１６の実施例と同様にボス及び
ウェブが共に除去され、中空領域４６になっている。

【００８６】このような第５及び第６の実施例によれ
ば、部分長燃料棒２３の延長線上で上部タイプレートの
冷却材流路が図１６に示す実施例よりも拡大され、二相
流圧損低減の効果が大きくなり、特に図１８の実施例で
はその効果が大きくなる。ただし、上部タイプレートの
構造強度の観点では、図１６に示す実施例の方が有利で
あると考えられる。

【００８７】なお、以上述べた実施例では、上部タイプ
レートのボスによって支持されない最外周の部分長燃料
棒が最外周各辺の中央にある場合の例である、最外層の
コーナ部以外の位置であれば、本発明を適用して同様の
効果が得られる。

【００８８】また、上記実施例では、９×９及び１０×
１０の燃料棒配列について説明したが、１１×１１また
はそれ以上の燃料棒配列にも、本発明を適用し同様の効
果が得られる。

【００８９】

【発明の効果】本発明によれば、高燃焼度化を目指した
燃料集合体において、反応度を低下させることなくボイ
ド係数を小さくするとともに、部分長燃料棒と上部タイ
プレートの冷却材流路拡大との組合せによって二相流の
圧損低減効果を高め、燃料経済性を向上し、かつチャン
ネル安定性及び炉心安定性を向上することができる。

【００９０】また、本発明によれば、高燃焼度化を目指
した燃料集合体において、反応度を低下させることなく
ボイド係数を小さくしかつ局所ピーキングを平坦化する
とともに、部分長燃料棒と上部タイプレートの冷却材流
路拡大との組合せによって二相流の圧損低減効果を高
め、燃料経済性を向上しかつチャンネル安定性及び炉心
安定性を向上するとともに、熱的余裕の増大及び炉停止
余裕の向上を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による原子炉燃料集合体
の上部タイプレートの底面図である。

【図２】本発明の第１の実施例による原子炉燃料集合体
の縦断面図である。

【図３】図２に示す原子炉燃料集合体の横断面図であ
る。

【図４】減速材領域増大によるボイド係数低減効果（絶
対値）を示す線図である。

【図５】部分長燃料棒位置とボイド係数低減効果（絶対
値）を示す線図である。

【図６】部分長燃料棒位置と反応度の変化及び局所出力
ピーキングとの関係を示す線図である。

【図７】部分長燃料棒位置と制御棒価値との関係を示す
線図である。

【図８】部分長燃料棒を隣接させた場合の効果を示す図
である。

【図９】減速材領域増大による反応度向上効果を示す線
図である。

【図１０】１０×１０の燃料棒配列を持つ燃料集合体に
おける安定性マップを示す線図である。

【図１１】部分長燃料棒長さとチャンネル安定性との関
係を示す線図である。

【図１２】部分長燃料棒長さと炉心安定性との関係を示
す線図である。

【図１３】本発明の第２の実施例による原子炉燃料集合
体の上部タイプレートの底面図である。

【図１４】本発明の第３の実施例による原子炉燃料集合
体の上部タイプレートの底面図である。

【図１５】本発明の第４の実施例による原子炉燃料集合
体の横断面図である。

【図１６】本発明の第４の実施例による原子炉燃料集合
体の上部タイプレートの底面図である。

【図１７】本発明の第５の実施例による原子炉燃料集合
体の上部タイプレートの底面図である。

【図１８】本発明の第６の実施例による原子炉燃料集合
体の上部タイプレートの底面図である。

【符号の説明】

１…燃料集合体 ２…（第１）燃料棒 ３ 部分長燃料棒（第２燃料棒） ３ａ 部分長燃料棒（第４燃料棒） ４…水ロッド ５…チャンネルボックス ７…上部タイプレート ８…下部タイプレート ９…チャンネルボックス ２２…（第１）燃料棒 ２３ 部分長燃料棒（第２燃料棒） ２３ａ 部分長燃料棒（第３燃料棒） ２４…水ロッド ２５…チャンネルボックス ３０…ボス ３１…ウェブ ３２…格子部 ３３…ハンドル ３４…第１ウェブ ３５…第２ウェブ ３６…中空領域 ３８…中空領域 ４０…ボス ４１…ウェブ ４２…格子部 ４３…ハンドル ４４…第１ウェブ ４５…第２ウェブ ４６…中空領域 ４８…中空領域

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 9216−2Ｇ Ｇ２１Ｃ 3/30 ＧＤＢ Ｙ 9216−2Ｇ 3/32 ＧＤＢ Ｓ (72)発明者 青山 肇男 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正方格子状に配列された多数の燃料棒
   と、減速材横断面積が単位燃料格子の横断面積より大き
   な少なくとも１本の水ロッドと、前記燃料棒及び水ロッ
   ドの上端部を支持する複数のボス及びこれらボス同士を
   結合する複数のウェブで格子部を形成した上部タイプレ
   ートとを有する原子炉燃料集合体において、 （ａ）前記燃料棒は、複数の第１燃料棒と、燃料有効長
   が前記第１燃料棒より短い第２燃料棒とを含むこと； （ｂ）前記第２燃料棒は、前記正方格子状の燃料棒配列
   の最外層においてそのコーナ部以外に配置されているこ
   と； （ｃ）前記正方格子状の燃料棒配列の最外層より内側に
   おいて、該最外層に隣接した一層に配置される前記燃料
   棒のうち、前記最外層の前記第２燃料棒に隣接する燃料
   棒は前記第１燃料棒であること； （ｄ）前記上部タイプレートは、前記格子部の前記第２
   燃料棒の延長上に位置する部分において少なくともボス
   が取除かれていること；を特徴とする原子炉燃料集合
   体。
2. 【請求項２】 正方格子状に配列された多数の燃料棒
   と、減速材横断面積が単位燃料格子の横断面積より大き
   な少なくとも１本の水ロッドと、前記燃料棒及び水ロッ
   ドの上端部を支持する複数のボス及びこれらボス同士を
   結合する複数のウェブで格子部を形成した上部タイプレ
   ートとを有する原子炉燃料集合体において、 （ａ）前記燃料棒は、複数の第１燃料棒と、燃料有効長
   が前記第１燃料棒より短い第２燃料棒とを含むこと； （ｂ）前記第２燃料棒は、前記正方格子状の燃料棒配列
   の最外層において、前記中性子減速棒を前記正方格子状
   の燃料棒配列における直交する２方向に投影させたと
   き、その投影範囲の最も外側を含めてそれより内側に配
   置されていること； （ｃ）前記正方格子状の燃料棒配列の最外層より内側に
   おいて、該最外層に隣接した一層に配置される前記燃料
   棒のうち、前記最外層の前記第２燃料棒に隣接する燃料
   棒は前記第１燃料棒であること； （ｄ）前記上部タイプレートは、前記格子部の前記第２
   燃料棒の延長上に位置する部分において少なくともボス
   が取除かれていること；を特徴とする燃料集合体。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の原子炉燃料集合体
   において、前記格子部の第２燃料棒の延長上に位置する
   部分はウェブのみで形成されていることを特徴とする原
   子炉燃料集合体。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の原子炉燃料集合体
   において、前記格子部の第２燃料棒の延長上に位置する
   部分は、前記格子部の外枠の一部を構成する第１ウェブ
   と、前記第１ウェブにＴ字状に結合され、前記最外層に
   隣接した一層で第２燃料棒に隣接する第１燃料棒の上端
   部を支持するボスを前記第１ウェブに結合する第２ウェ
   ブとからなることを特徴とする原子炉燃料集合体。
5. 【請求項５】 請求項１又は２記載の原子炉燃料集合体
   において、前記格子部の第２燃料棒の延長上に位置する
   部分は、前記格子部の外枠の一部を構成するウェブのみ
   で形成されていることを特徴とする原子炉燃料集合体。
6. 【請求項６】 請求項１又は２記載の原子炉燃料集合体
   において、前記格子部の第２燃料棒の延長上に位置する
   部分は中空領域であることを特徴とする原子炉燃料集合
   体。
7. 【請求項７】 請求項１又は２記載の原子炉燃料集合体
   において、前記燃料棒は、燃料有効長が前記第１燃料棒
   より短く、前記最外層に隣接した一層のコーナ部に配置
   された第３燃料棒を更に含み、前記上部タイプレート格
   子部の第３燃料棒の延長上に位置する部分は中空領域で
   あることを特徴とする原子炉燃料集合体。
8. 【請求項８】 請求項１又は２記載の原子炉燃料集合体
   において、前記燃料棒は、燃料有効長が前記第１燃料棒
   より短く、前記水ロッドに隣接して配置された第４燃料
   棒を更に含み、前記上部タイプレート格子部の第４燃料
   棒の延長上に位置する部分は中空領域であることを特徴
   とする原子炉燃料集合体。
9. 【請求項９】 燃料棒及び水ロッドの上端部を支持する
   複数のボスをウェブで結合して格子部を形成した原子炉
   燃料集合体の上部タイプレートにおいて、 前記格子部のコーナ部を除いた最外層の一部は少なくと
   もボスが取除かれていることを特徴とする原子炉燃料集
   合体の上部タイプレート。