JPH065317B2

JPH065317B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH065317B2
Application number: JP62318906A
Authority: JP
Inventors: 光也中村; 淳一山下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1994-01-19
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: JPH01162189A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、燃料集合体に係り、特に沸騰水型原子炉に適
用して核燃料物質の消費を節約するのに好適な燃料集合
体に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の沸騰水型原子炉は、特開昭54−121389号公報に記
載されているように、中性子の減速を促進するために冷
却水のみが流れる管（以下、水ロツドと称する）を有す
る燃料集合体を炉心内に装荷している。このような水ロ
ツドの使用は、従来の沸騰水型原子炉の運転条件下で
は、ラウン原子に対する水素原子の数が多いほど反応度
が高く、炉心に装荷された核燃料物質を有効に活用でき
る。

しかし、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つて炉心内の水素原子数を変えた
ほうがよい。

特開昭57−125390号公報及び特開昭57−125391号公報
は、その１つの方法を示している。すなわち、これらの
公報は、低速中性子吸収水押棒及びこの水押棒よりも反
応度価値が大きいステンレス鋼にて構成される中速中性
子吸収水押棒を設け、これらの水押棒の炉心内への挿入
量を制御して炉心内の冷却水量を調節することを述べて
いる。水押棒が、炉心内の水素原子数を変える手段であ
る。水押棒の炉心内への挿入量を増すと炉心内の冷却水
量が減り、この挿入量を減らすと炉心内の冷却水量が増
加する。以上述べた方法は種類の異なる水押棒を新たに
設け、駆動手段にて水押棒を操作しなければならなく、
構造，操作上複雑になる。

このような問題を解決するための静的な手段を用いた燃
料集合体が特開昭61−38589 号公報に示されている。こ
の公報は、水素原子数を変える手段として燃料集合体の
水ロツド内にウラン２３５濃度の低い燃料棒を設置し、
この燃料棒のウラン２３５の消失前後における水ロツド
内のボイド量の変化を利用することを記載している。

また、水押棒のような新たな操作手段を設ける必要のな
い方法として、炉心を流れる冷却水流量を調節する方法
がある。燃料サイクル始めの炉心を流れる冷却水流量を
少なくし、燃料サイクル途中からその冷却水流量を増や
すものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

炉心内の水素原子数を核燃料物質の燃焼に伴つて変えた
場合の利点を以下に説明する。

第１０図は、沸騰水型原子炉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、縦軸に反応度の一つの指
標である無限増倍率をとつて特性を示したものである。
２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蒸気泡の体積率（ボ
イド率）を一定（ボイド率３０％）にして燃焼させた場
合を、実線は最初高ボイド率（ボイド率５０％）で運転
して途中でボイド率を下げた（ボイド率３０％）場合を
示す。第１０図より明らかなように、始めボイド率を高
くして燃焼させて後でボイド率を下げた方が、より高い
燃焼度を得ることができる。

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、すなわち水素原子数が小さいほう
が、中性子の平均速度が大きく、ウラン２３８に吸収さ
れやすいためである。沸騰水型原子炉で用いられる核燃
料物質中には、ウラン２３５とウラン２３８とが含まれ
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２３８はほとんど核分裂を生じない。したがっ
て、ウラン２３５が燃焼によつて減少すると反応度は低
下する。

しかし、ウラン２３８も核分裂によつて生じる高エネル
ギの中性子（高速中性子）を吸収するとプルトニウム２
３９に変わる。プルトニウム２３９は、ゥラン２３５と
同じく、減速された熱中性子（高速中性子よりも飛程距
離が短かい）を吸収して核分裂を起こす。ボイド率が高
い程、高速中性子が多く存在してウラン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２３
５及びプルトニウム２３９の核分裂が抑制される。従つ
て、ボイド率が高い程、ウラン２３５とプルトニウム２
３９の総量の減少が遅い。

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、高ボイド率一定で燃焼した場
合に比べてウラン２３５及びプルトニウム２３９の核分
裂が増し、反応度はより高くなる。従つて、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。

以上述べたことが、核分裂性物質の燃焼に伴つてボイド
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呼ばれる。

構造の単純な水ロツド内に静的手段を設ける方法及び炉
心を流れる冷却水流量（炉心流量という）を変えること
によつて炉心内の水素原子数を変更する方法は、いずれ
も、炉心のボイド率の変化幅があまり大きくとれないと
いう問題があり、実際の原子炉に適用が困難である。

第１１図は炉心流量に対する炉心平均ボイド率の依存性
を示すものである。炉心流量は、下限を熱的限界によつ
て制限され、上限を再循環ポンプ能力および流動振動に
よつて制限されている。従つて、沸騰水型原子炉が定格
の熱出力を出している状態では、定格の１００％炉心流
量を中心に、ある狭い範囲でしかボイド率を変化させる
ことができない。例えば、炉心流量を変化できる幅を８
０〜１２０％までとすると、ボイド率の変化幅は約９％
となる。

また特開昭61−38589 号公報に示されたように水ロツド
内に燃焼に伴つて発熱量の低下する発熱体（核燃料物
質）を置いた構造でも、水ロツド内のボイド率は高々３
０％程度しか変化しない。水ロツド内の水は冷却に寄与
しないので、水ロツドの燃料集合体内に占める横断面積
はあまり大きくできない。仮りに燃料集合体内の冷却水
流炉の３割を水ロツドの横断面積にあてたとしても、３
０％のボイド率変化は燃料集合体全体にならすと９％
（３０％×０．３）に相当する。また、発熱体として濃
縮度の低い燃料棒を用いているので、構造が複雑であ
り、製造が面倒である。

より大きなボイド率変化幅を達成するには、水ロツド内
の流量を極端に大きく変化させるか、あるいは水ロツド
内の核燃料物質の発熱量をもつと大幅に変化させるかす
れば良いが、そのような大幅な流量，発熱量の変化を可
動部なしに行うことはできない。可動部をつけた場合、
信頼性に問題が生じ、また機構が複雑となる等の問題が
ある。

本発明の目的は、単純な構造で内部の平均ボイド率を大
幅に変化させることが可能であつて異常時における反応
度の上昇を抑制できる燃料集合体を提供することであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は、燃料集合体の下端部に抵抗体を設け、水
ロツドが、抵抗体より下方の領域に開口した冷却材流入
口を有する冷却材上昇流路と、冷却材上昇流路に連絡さ
れて、抵抗体よりも上方の領域に開口した冷却材吐出口
を有し、しかも冷却材上昇流路内における冷却材の流れ
方向とは逆に冷却材を下方に導く冷却材下降流路とを備
え、しかも可燃性毒物を含有する燃料棒を、その水ロツ
ドに隣接させて配置することによって達成できる。

〔作用〕

炉心を通過する冷却材の流量が低下すると、水ロツドの
冷却材下降流路内に蒸気が充満され、その冷却材流量が
増加すると冷却材下降流路内の蒸気量が著しく減少す
る。従って、燃料サイクル末期での反応度増加が可能と
なる。また、水ロツドに隣接している燃料棒内の可燃性
毒物が水ロツド内のボイド率の急減によつて発生する熱
中性子を吸収するので、ボイド率急減時における反応度
上昇を抑制できる。

〔実施例〕本発明の実施例を説明する前に、本発明の原理を説明す
る。第６図は、その構造を示している。基本的には、燃
料集合体の下部に設けられた抵抗体（例えば下部タイプ
レート）６よりも下方の領域に冷却材流入口４が開口し
た冷却材上昇流路２と、この冷却材上昇流路内を流れる
冷却材流を反転させて下方に導き、しかも冷却材吐出口
５が抵抗体６よりも上方の領域に開口した冷却材下降流
路３とを有する水ロツド１を、燃料集合体に設けたもの
である。抵抗体６には、複数の冷却材流通孔７が設けら
れている。

抵抗体６に設けられた冷却材流通孔７を流れる冷却材
（冷却水）の流量が変化すると、抵抗体６より下方の領
域と抵抗体６より上方の領域との間の差圧ΔＰが変化す
る。縮流抗大による差圧は冷却水流量のほぼ２乗に比例
するので、たとえば抵抗体６を通過する冷却水流量が８
０％から１２０％に変わつたとすると、差圧ΔＰは約
２．２５倍になる。

一方、水ロツド１内の冷却水量と水ロツド１における出
入口間の差圧（冷却材流入口４と冷却材吐出口５との間
の差圧）との関係は第７図に示すようになる。冷却水流
量を零から増加させると水ロツド１の出入口間の差圧は
極大値に達し、さらに冷却水流量を増加すると水ロツド
１の出入口間の差圧は一たん極小になつたのち単調に増
加する。これは、第８図に示した現象に起因している。
第８図（ａ）は第７図のＳ点での水ロツド１内の状態を
示し、第８図（ｂ）は第７図のＴ点での、及び第８図
（ｃ）は第５図のＵ点での水ロツド１内の状態をそれぞ
れ示している。

水ロツド１内の冷却水も、水ロツド１の周囲にある燃料
棒から照射される中性子及びガンマ線によつて、０．５
〜２Ｗ／cm²程度の割合で発熱する。水ロッド１内を流
れる冷却水の流量が非常に少ない場合（第５図のＳ点の
状態）は、水ロツド１内の冷却水が中性子等の照射によ
つて発熱するとともに蒸発し、この蒸気が第８図（ａ）
に示すように冷却材上昇流路２及び冷却材下降流路３の
上部に充満する。冷却材上昇流路２内には液面Ｌ₁がで
き、水ロツド１の出入口間の差圧はこの液面Ｌ₁と水ロ
ツド１の冷却材吐出口５（冷却材下降流路３の出口）の
液面Ｌ₂の静水頭差によつて発生する。冷却材上昇流路
２内に流入する冷却水流量は、蒸気になつて冷却材吐出
口５から流出すると流量とバランスする。

冷却水流量を第７図のＳ点から増加していくと、冷却材
上昇流路２内への冷却水の流入量が冷却水の蒸発量を上
回わる。このような場合（例えば第７図のＴ点）には第
８図（ｂ）に示すように冷却水が冷却材下降流路３内を
流下する。このとき、冷却水上水流路２内の静水頭の一
部分が冷却材下降流路３内を流れる冷却水の重量によつ
て打消されるため、水ロツド１の出入口間の差圧は極大
値Ｓ₀よりも減少する。しかし、さらに冷却水流量を増
加すると、冷却材流入口４から流入した未飽和水は冷却
材上昇流路２及び冷却材下降流路３内で沸騰が抑制され
たまま（ボイド率が著しく低減された状態で）冷却材吐
出口５から流出する（第７図のＵ点の状態、第８図
（ｃ））。このため冷却材上昇流路２及び冷却材下降流
路３内はほとんど単相流となる。従つて、第８図（ａ）
の状態で冷却材上昇流路２及び冷却材下降流路３内の冷
却材吐出口５のレベルにおける各静水頭は打消し合つて
それらの静水頭差が非常に小さくなる。しかし、水ロツ
ド１内を流れる冷却水流量が大きいため、摩擦や冷却水
流れの反転による圧力損失が増大し、水ロツド１の出入
口間の差圧は再び上昇する。

以上述べた現象によつて、水ロツド１の出入口間の差圧
の変化量が少なくても、水ロツド１内の冷却水流量の変
化幅は非常に大きくなり、ボイド率の変化幅も著しく増
大する。

従つて、例えば炉心流量が８０％の時における水ロツド
１の出入口間の差圧が第７図の極小値Ｔ₀に対応する水
ロツド１の出入口間の差圧以下で、炉心流量１２０％の
時における水ロツド１の出入口間の差圧が第７図の極大
値Ｓ₀に対応する水ロツド１の出入口間の差圧を超える
ように抵抗体６の抵抗を調節しておけば、燃料集合体内
を流れる冷却水流量（炉心流量）の変化によつて大幅な
ボイド率変化を実現することができる。上記の例で炉心
流量８０％は極大値Ｓ₀よりも左側、好ましくは第７図
のＱ点（極小値Ｔ₀と同じ出入口間の差圧）よりも左側
にあり、炉心流量１２０％は極小値Ｔ₀よりも右側、好
ましくは第７図のＲ点（極大値Ｓ₀と同じ出入口間の差
圧）よりも右側にある。

以上述べた原理を利用した本発明の好適な一実施例、す
なわち沸騰水型原子炉に適用する燃料集合体を第１図，
第２図，第３図及び第４図に基づいて説明する。

第２図に示すように本実施例の燃料集合体１０は、燃料
棒１１，上部タイプレート１２，下部タイプレート１
３，燃料スペーサ１６，チヤンネルボツクス１７、及び
水ロツド１８からなつている。燃料棒１１の上下端部
は、上部タイプレート１２及び下部タイプレート１３に
て保持される。水ロツド１９も、両端部が上部タイプレ
ート１２及び下部タイプレート１３に保持される。燃料
スペーサ１６は、燃料集合体１０の軸方向に幾つか配置
され、燃料棒１１相互間の間隙を適切な状態に保持して
いる。燃料スペーサ１６は、水ロツド１９にて保持され
る。チヤンネルボツクス１７は、上部タイプレート１２
に取付けられ、燃料スペーサ１６で保持された燃料棒１
１の束の外周を取囲んでいる。下部タイプレート１３
は、上端部に燃料棒支持部１４を有し、しかも燃料棒支
持部１４の下方に空間１５を有している。燃料棒支持部
１４が、燃料棒１１及び水ロツド１９の下端部を支持し
ている。燃料棒１１は、第３図に示すように上部端栓３
１及び下部端栓３２にて両端が密封された被覆管３０内
に多数の燃料ペレツト３３を装荷したものである。ガス
プレナム３４が、被覆管３０内の上端部に形成される。
水ロツド１９の直径（後述する外管２１の外径）は燃料
棒１１の直径よりも大きく、９本の水ロツド１９は燃料
集合体１０の横断面の中央部に配置されている。すなわ
ち、１本の水ロツド１９は燃料集合体１０の軸心に、他
の８本の水ロツド１９は前述の１本の水ロツド１９を取
囲むように配置される。

水ロツド１９の詳細構造を第４図により説明する。水ロ
ツド１９は、内管２０，外管２１及びスペーサ２２から
構成される。外管２１と内管２０とは同心円状に配置さ
れ、外管２１が内管２０の外周を取囲んでいる。外管２
１の上端はカバー部２３にて密封されており、カバー部
２３の上部が上部タイプレート１２内に挿入されて保持
される。カバー部２３は、内管２０の上端との間に間隙
を形成するように内管２０の上端を被つている。内管２
０の上端部は、水ロツド１９の軸心から放射状に配置さ
れた板状のスペーサ２２を介して外管２１の内面に固定
される。外管２１の下端は封鎖部２４にて封鎖される。
内管２０の下端部は、封鎖部２４を貫通してそれよりも
下方に突出している。内管２０の下端部は、下部タイプ
レート１３の燃料棒支持部１４を貫通している。内管２
０の下端に形成された冷却水流入口２８は、下部タイプ
レート１３の空間１５に開口している。内管２０の内部
が、冷却水上昇流路２５である。内管２０と外管２１と
の間に形成される環状通路が、冷却水下降流路２６であ
る。外管２１の下端部の管壁に、周方向に複数の冷却水
吐出口２９が形成される。これらの冷却水吐出口２９
は、周方向に等間隔に設けられている。冷却水吐出口２
９は、燃料棒支持部１４よりも上方の領域に開口してい
る。本実施例では、燃料棒支持部１４が第６図に示す抵
抗体６の機能を有している。冷却水上昇流路２５と冷却
水下降流路２６とは、水ロツド１９の上端部に形成され
た反転部２７によつて連絡されている。このように水ロ
ット１９は、内部に冷却水上昇流路２５，冷却水下降流
路２６及び反転部２７からなる逆Ｕ字状の冷却水流路を
有している。

本実施例の燃料集合体１を沸騰水型原子炉の炉心内に装
荷して（全燃料集合体が燃料集合体１）沸騰水型原子炉
を運転すると、冷却水の大部分は、下部タイプレート１
３の空間１５及び燃料棒支持部１４に設けられた貫通孔
１８（第９図）を通つて炉心に装荷された燃料集合体１
０の燃料棒１１相互間に直接導入される。下部タイプレ
ート１３の空間に流入した冷却水の残りの部分は、冷却
水流入口２８から水ロツド１９の冷却水上昇流路２５内
に流入し、さらに反転部２７及び冷却水下降流路２６を
介して冷却水吐出口２９から燃料棒支持部１４より上方
の領域に吐出される。冷却水吐出口２９から吐出される
冷却水は、冷却水流入口２８から水ロツド１９内に流入
する冷却水の流量の多少に応じて前述したように液体ま
たは気体（蒸気）とする。本実施例は、炉心流量１００
％（水ロツド１９内では第５図の極大値Ｓ₀での流量状
態）以下で第８図（ａ）の状態が水ロツド１９内に生
じ、炉心流量１１０％（水ロツド１９内では第７図のＲ
点での流量状態）で第８図（ｃ）の状態が水ロツド１９
内に生じるように、燃料棒支持部１４の圧力損失、内管
２０及び外管２１の仕様があらかじめ設定されている。

このように、本実施例の燃料集合体１０は、水ロツドの
構造を単純な二重管構造を用いているので、少なくとも
冷却水下降流路２６内の冷却水の相状態を、原子炉出力
を制御する手段（炉心流量を調節する手段であり再循環
ポンプが該当）により気体及び液体の状態に順次変化さ
せることができる。すなわち、本実施例の燃料集合体１
０内の平均ボイド率の変化幅は、水ロツド１９によるボ
イド率の変化幅が付加されるので著しく増大する。本実
施例の燃料集合体１０を用いることによつて、第８図
（ａ）の状態で燃料集合体１０の上部にプルトニウム転
換率増大に伴うプルトニウムの蓄積を図り、第８図
（ｃ）の状態でそのプルトニウムを燃焼させるスペクト
ルシフト運転が、炉心流量制御によるボイド率の調節で
容易に達成できる。従つて、核燃料物質の有効利用を簡
単な構造で図ることができ、１つの燃料サイクルの運転
期間を著しく延ばすことができる。具体的に説明する
と、本実施例では、９本の水ロツド１９を用いているので、
全水ロツドの横断面積が燃料集合体１０の冷却水流路横
断面積の３０％を占めており、燃料集合体１０の平均ボ
イド率の変化幅は９本の水ロツド１９の作用のみによつ
て２２．５％も増大する。

実際には、この値に第１２図に示す９％が加えられる。
従つて、核燃料物質の著しい有効利用を図ることができ
る。

本実施例の燃料集合体１０は、第１図に示すように燃料
棒１１が１４行１４列に配置され、９本の水ロツド１９
が燃料棒１１間に配置されている。９本の水ロツド１９
を配置している関係上、燃料集合体１０は、１６０本の
燃料棒１１を有している。これらの燃料棒１１のうち２
０本の燃料棒４１は、可燃性毒物であるガドリニアを含
有している。ガドリニアを含有するすべての燃料棒４１
は、水ロツド１９に隣接している。換言すれば、すべて
の水ロツド１９が、燃料棒４１に隣接している。

ガドリニアを含有する燃料棒４１を水ロツド１９に隣接
して配置させることによつて、以下に示す新たな効果を
得ることができる。通常、可燃性毒物は、余剰反応度を
抑制する目的で新燃料集合体（燃焼度が０ＫＷｄ／Ｔの
燃料集合体）に含有され、この新燃料集合体の第１サイ
クル目の燃焼期間内で消失するように設計されている。
炉心内に装荷されて第２サイクル目の燃焼期間に入って
いる燃料集合体１０には、ガドリニアが含まれていな
い。可燃性毒物を含む燃料集合体１０（燃焼度が０ＫＷ
ｄ／Ｔの新燃料集合体）が沸騰水型原子炉の炉心内に装
荷され、第８図（ａ）の状態にて原子炉が運転されてい
ると仮定する。炉心流量の急増及び原子炉圧力の急上昇
等の異常が生じると、第８図（ａ）の状態から第８図
（ｃ）の状態に急変する。このような現象が生じると、
燃料集合体１０のボイド率が急減し、水ロツド１９内で
の熱中性子の発生量が急に多くなる。これは、第８図
（ａ）の状態ではボイドが多く水ロツド１９における中
性子の減速効果が抑制されているが、第８図（ｃ）の状
態になることによつて水ロツド１９内が満されて減速効
果が著しく増大する。熱中性子の飛程距離は約２cmであ
り、第８図（ａ）の状態から第８図（ｃ）の状態への急
変に伴う水ロツド１９の減速効果の増大に比例して水ロ
ツド１９内で多量に発生した。

熱中性子は水ロツド１９に隣接していも燃料棒１１付近
まで達する。このような状態で、もし水ロツド１９に隣
接して可燃性毒物を含有する燃料棒がまつたく存在して
いない場合には、水ロツド１９に隣接している燃料棒１
１の核分裂が活発化し水ロツド１９の周囲で局部的に正
の反応度が急増する。これは、水ロツド１９に隣接する
燃料棒１１の破損にもつながりやすい。しかしながら、
本実施例の燃料集合体１０は、水ロツド１９に隣接して
ガドリニア含有の燃料棒４１が配置されているので、第
８図（ａ）の状態から第８図（ｃ）の状態への急変によ
り水ロツド１９内で新たに発生した多量の熱中性子の大
部分は隣接している燃料棒４１が配置されているので、
第８図（ａ）の状態から第８図（ｃ）の状態への急変に
より水ロツド１９内で新たに発生した多量の熱中性子の
大部分は隣接して燃料棒４１内のガドリニアに吸収され
る。このように熱中性子の急増を抑制できる本実施例で
は、前述の異常状態発生時の過渡変化時での正の反応度
の急激な上昇を防止でき、燃料棒の破損を防止できる。

第５図は、燃料集合体１０内のボイド率急減時における
反応度抑制効果を示したものである。第５図（Ａ）に示
すように時間Ｔでボイド率が急激したとすると、燃料集
合体１０の反応度の上昇は第５図（Ｂ）の実線のように
上昇する。ちなみにこの反応度の上昇度合は、燃料集合
体１０からガドリニアを全部取除いた燃料集合体のそれ
（第５図（Ｂ）の破線）に比べて著しく抑制される。こ
れにより反応度上昇に伴う燃料棒破損の危険性が著しく
低下する。また、反応度の異常上昇に伴う制御棒挿入等
の操作が不要となる。

以上述べたように、可燃性毒物を含む燃料棒を水ロツド
１９に隣接して配置している本実施例の燃料集合体１０
は、初めて炉心内に装荷されて経験する第１サイクル目
の運転期間中にあつては炉心流量の急増及び原子炉圧力
の急上昇等のボイド率を急変させる異常状態の発生に伴
う炉心反応度の著しい増加を抑制することができ、更
に、その寿命期間中を通して炉心流量調節という簡単な
操作で燃料集合体１０内のボイド率を調節できスペクト
ルシフト運転による燃料の有効利用が可能になる。

なお、燃焼度０ＫＷｄ／Ｔの新しい燃料集合体１０は、
第１サイクルの運転を経験してガドリニアが完全に消失
した状態で第２サイクル目の運転を経験することにな
る。第２サイクル目の運転を経験中の燃料集合体１０
は、前述したようにガドリニアを含んでいないが、第１
サイクルの運転を経験している関係上、新燃料集合体に
比べて核分裂性物質の量が燃焼により減少している。従
つて、炉心流量の急増及び原子炉圧力の急上昇等の異常
事態が生じても、第１サイクルの運転を経験している第
２サイクル目の燃料集合体１０における反応度の上昇度
合はガドリニアを含まない新燃料集合体におけるその度
合よりも著しく小さくなる。

すべて水ロツド１９ではなく１本の水ロツド１９に可燃
性毒物を含む燃料棒が隣接している場合でも、前述の異
常事態における反応度の上昇を抑制することができる。
しかしながら、その抑制効果は、すべての水ロツド１９
に可燃性毒物が隣接している第１図の燃料集合体１０の
その効果に比べれば小さい。

本実施例の考え方は、９行９列に燃料棒を配列した燃料
集合体及び８行８列の燃料棒を配列した燃料集合体にも
適用できる。これらの燃料集合体は、１本ないし２本の
水ロツド１９が設けられ、この水ロツド１９に隣接して
可燃性毒物を含有する燃料棒が配置されている。このよ
うに燃料集合体においても、前述の燃料集合体と同様な
効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第９図に基づい
て以下に説明する。

燃料集合体を炉心内に装荷した場合、その燃料集合体の
周囲には水ギヤツプが存在するため、燃料集合体の周辺
部に位置する燃料棒の周囲では熱中性子束が高いのに対
し、燃料集合体の中央部に位置する燃料棒の周囲では熱
中性子束が低いという熱中性子束分布となっている。こ
のため、第９図に示したように、水ロツド１９を中央部
に集中して配置してなる燃料集合体４２は、第１図に示
した水ロツド配置を有する燃料集合体１０に比較して、
中央部で高速中性子が多くなりプルトニウムの生成割合
が著しく増加する（第８図（ａ）の状態で）。このた
め、燃料集合体４２は、燃料集合体１０に比べてより大
きなスペクトルシフト効果が得られ、核燃料物質のより
一層の有効利用を図ることができる。また燃料集合体４
２は、すべての水ロツド１９が第１図に示した実施例と
同様にガドリニアを含有する燃料棒４１に隣接するとと
もに、ガドリニアを含有する燃料棒２０本のうち１２本
（６０％）が水ロツドに隣接しており、水ロツド１９内
のボイド率急減時における反応度上昇を緩和することが
可能となる。本実施例も第１図の実施例と同じ効果を得
ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、単純な構造で燃料集合体内の平均ボイ
ド率を大幅に変化させることが可能となつて核燃料物質
の有効利用を図ることができるとともに、ボイド率急減
時の反応度上昇を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である燃料集合体の横断面
図、第２図は第１図に示す燃料集合体の縦断面図、第３
図は第２図に示された燃料棒の部分断面図、第４図は第
２図の水ロツドの詳細構造を示す図、第５図は水ロツド
内のボイド率急減時の反応度上昇を示す説明図、第６図
は本発明に用いられる水ロツドの原理を示す説明図、第
７図は第６図の水ロツドの出入口間に生じる差圧特性の
概念図、第８図は第６図の水ロツド内の流動状態を示す
説明図、第９図は本発明の他の実施例である燃料集合体
の横断面、第１０図は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
無限増倍率の変化を示す特性図、第１１図は炉心流量と
炉心平均ボイド率との関係を示す特性図である。１０，４２…燃料集合体、１１…燃料棒、１２…上部タ
イプレート、１３…下部タイプレート、１４…燃料棒支
持部、１９…ガドリニア入燃料棒に隣接する水ロツド、
２０…内管、２１…外管、２５…冷却水上昇流路、２６
…冷却水下降流路、２８…冷却水流入口、２９…冷却水
吐出口、４１…ガドリニア入燃料棒。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上部タイプレートと、下部タイプレート
と、上端部が前記上部タイプレートに保持されて下端部
が下部タイプレートの燃料棒保持部に保持され、しかも
内部に複数の燃料ペレツトを充填した複数の燃料棒と前
記燃料棒間に配置された水ロツドとを有する燃料集合体
において、前記水ロツドが、前記下部タイプレートより
下方の領域に開口した冷却材流入口を有する冷却材上昇
流路と、前記冷却材上昇流路に連絡されて前記下部タイ
プレートよりも上方の領域に開口した冷却材吐出口を有
し、しかも前記冷却材上昇流路内における冷却材の流れ
方向とは逆に冷却材を下方に導く冷却材下降流路とを備
えており、可燃性毒物を含有する少なくとも１本の燃料
棒が前記水ロツドに隣接して配置されていることを特徴
とする燃料集合体。
【請求項２】前記燃料棒の配列が１４行１４列であり、
かつ前記水ロツドは燃料棒４本が占有する空間に配置さ
れる特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。
【請求項３】前記水ロツドの本数が９本である特許請求
の範囲第１項記載の燃料集合体。
【請求項４】可燃性毒物を含有する前記燃料棒のうち６
０％以上が、前記水ロツドと隣接している特許請求の範
囲第１項記載の燃料集合体。
【請求項５】上部タイプレートと、下部タイプレート
と、上端部が前記上部タイプレートに保持されて下端部
が下部タイプレートの燃料棒保持部に保持され、しかも
内部に複数の燃料ペレツトを充填した複数の燃料棒と前
記燃料棒間に配置された水ロツドとを有する燃料集合体
において、前記水ロツドが、前記下部タイプレートより
下方の領域に開口した冷却材流入口を有する冷却材上昇
流路と、前記冷却材上昇流路に連絡されて前記下部タイ
プレートよりも上方の領域に開口した冷却材吐出口を有
し、しかも前記冷却材上昇流路内における冷却材の流れ
方向とは逆に冷却材を下方に導く冷却材下降流路とを備
えており、前記水ロツドが燃料集合体横断面の中央部の
みに配置され、可燃性毒物を含有する少なくとも１本の
燃料棒が前記水ロツドに隣接して配置されていることを
特徴とする燃料集合体。