JPH08114691A - 沸騰水形原子炉の燃料集合体 - Google Patents

沸騰水形原子炉の燃料集合体

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JPH08114691A
JPH08114691A JP7272117A JP27211795A JPH08114691A JP H08114691 A JPH08114691 A JP H08114691A JP 7272117 A JP7272117 A JP 7272117A JP 27211795 A JP27211795 A JP 27211795A JP H08114691 A JPH08114691 A JP H08114691A
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fuel
fuel rod
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rod support
fuel assembly
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JP7272117A
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David W Christiansen
ダブリユ クリスチアンセン デイヴイツド
John W Long
ダブリユ ロング ジヨン
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Original Assignee
Siemens Nuclear Power Corp
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    • G21C3/33—Supporting or hanging of elements in the bundle; Means forming part of the bundle for inserting it into, or removing it from, the core; Means for coupling adjacent bundles
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 沸騰水形原子炉の燃料集合体において、燃料
集合体の全長を増大せずに燃料棒の活性部分の長さを増
加することによって燃料集合体の出力を増大し、同時に
振動、燃料棒の摩耗腐食およびそれに伴う燃料棒の破損
を引き起こすおそれのある流れを減少させる。 【解決手段】 下側タイプレートにおける燃料棒支持プ
レートが従来技術のものより低く下げられ、その分だけ
燃料棒の活性部分の長さが増大され、また燃料棒下端の
終端キャップを横方向の振動に対して拘束する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は原子炉の燃料集合体
の改良に関し、特に燃料集合体によって発生される出力
を増大することおよび燃料集合体における燃料棒を振動
させる流れを制限することにある。
【０００２】沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）においては、水
が冷却・減速材として一般的には燃料集合体に底側から
入り込み、燃料集合体を貫流し、その最上部から出るよ
うになっている。一般的に沸騰水形原子炉の燃料集合体
では、上下両端に終端キャップを備えた細長い燃料棒が
下側タイプレートと上側タイプレートとの間で上下両端
においてそれぞれ支持されている。これらのタイプレー
トは、原子炉炉心支持体とのインターフェースおよび燃
料棒の操作のための上側および下側の基礎構造物要素と
なっている。タイプレートはまた燃料棒の終端において
燃料棒相互の間隔を維持する働きをしている。上側タイ
プレートと下側タイプレートとの間に複数のスペーサ格
子が配置され、これらのスペーサ格子によって燃料棒を
互いに平行に保持し、一定の形で一定間隔に保持してい
る。冷却・減速材が燃料集合体を上向きに貫流する際に
熱が冷却・減速材に伝達される。
【０００３】原子炉の運転中に燃料棒の縦方向（すなわ
ち軸方向）の膨張を吸収するために、燃料棒の終端キャ
ップを受ける下側タイプレートにおける拘束孔は、燃料
棒の終端キャップがその拘束孔の中に位置するときに多
少自由に動けるように寸法づけられている。一般的には
終端キャップの外側壁と拘束孔の壁との間に約２〜６ミ
ル（１ミル＝１０００分の１インチ）の間隙が存在して
いる。冷却・減速材が燃料集合体に入り込み燃料集合体
の中を流れ燃料棒のそばを流れるとき、下側タイプレー
トにおける拘束孔の中に置かれた燃料棒の下端部分を振
動させる流れは、燃料棒を摩耗腐食させ、燃料棒を破損
し、あるいは原子炉からの燃料棒の早期引き抜きを必要
とさせる。
【０００４】一般的には燃料集合体で得られる出力を原
子炉の冷却材流を増すことによって増大することが望ま
しい。しかし原子炉冷却材流の増加は上記のような振動
を発生させる流れを増加し、従って燃料棒を摩耗腐食さ
せるおそれがある。燃料棒の活性部分の長さを延ばして
燃料の量を増加することができれば、燃料集合体の出力
を増大できるであろう。しかし燃料棒の活動部分の長さ
は、燃料集合体の全長および燃料棒の下端における燃料
の入っていない下側終端キャップの必要長さによって制
限されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、燃料
集合体の全長を増大せずに燃料棒の活性部分の長さを延
ばすことによって燃料集合体の出力を増大し、同時に燃
料棒の振動、摩耗腐食およびそれに伴う燃料棒の破損を
引き起こすおそれのある流れの発生を減少することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によればこの課題
は、上側タイプレートと下側タイプレートと複数の互い
に間隔を隔てられた燃料棒とから成り、下側タイプレー
トが燃料棒の終端キャップを受ける開口を持つように形
成された燃料棒支持プレートと冷却・減速材を燃料集合
体の中に入れるための入口ノズルとから成り、燃料棒支
持プレートおよび入口ノズルが、入口ノズルに入り込む
冷却・減速材を燃料棒支持プレートを貫通する前に分配
するための入口ノズルから燃料棒支持プレートへの予め
定められた高さを有する移行領域を画成し、各燃料棒が
核分裂物質が詰められた活性部分を有し、少なくとも一
部の燃料棒が下端に終端キャップを有しそこから燃料棒
支持プレートにおける開口の中に位置するために軸方向
外側に延びているような原子炉炉心の中に配置される全
長が予め定められている沸騰水形原子炉の燃料集合体に
おいて、燃料棒支持プレートの位置が移行領域の中に下
げられ、これによって移行領域の高さが減少され、少な
くとも一部の燃料棒の長さが、その燃料棒の活性部分の
長さを燃料棒支持プレートによって占められていた移行
領域の中に延長することによって増大されることによっ
て解決される。
【０００７】
【従来の技術】図１には米国で一般的に使用されている
沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）の燃料集合体１０が示されて
いる。この燃料集合体１０は下側タイプレート１４と上
側タイプレート１６との間に支持されている多数の細長
い燃料棒１２を有している。各燃料棒１２はそれぞれ核
燃料ペレットが詰められているジルコニウム合金製の管
を有している。下側タイプレート１４および上側タイプ
レート１６は燃料棒列の中に置かれているタイロッド
（控え棒）２０によって構造的に結合されている。複数
のスペーサ格子１８が燃料集合体の全長にわたって燃料
棒１２の中間サポートを形成し、燃料棒１２の相互間隔
を維持し、横振動を防止している。図１には簡略化のた
めに５個のスペーサ格子１８しか示されていない。外側
チャネル２２が下側タイプレート１４から上側タイプレ
ート１６まで延び、燃料集合体１０の４つのすべての側
面を完全に取り囲んでいる。
【０００８】図２には米国以外で一般的にはヨーロッパ
で使用されている沸騰水形原子炉の燃料集合体３０が示
されている。この燃料集合体３０も同様に下側タイプレ
ート３４と上側タイプレート３６との間に支持されてい
る多数の細長い燃料棒３２、タイロッド４０、スペーサ
格子３８および外側チャネル４２を有している。
【０００９】図３には図１に示されている燃料集合体１
０の最下位部分が拡大して示され、下側タイプレート１
４がタイロッドを除去した状態で示されている。燃料棒
の終端キャップ１３は燃料棒支持プレート１４ｃの各孔
１４ｅ内に置かれている。下側タイプレート１４は燃料
集合体の下側炉心支持構造物（図示せず）とのインター
フェースとして作用する。下側タイプレート１４は入口
ノズル１４ｂにおける円形冷却材入口１４ａから矩形の
燃料棒支持プレート１４ｃへの移行領域１４ｆを形成す
るように輪郭づけられている。燃料棒の下端と冷却材入
口ノズル１４ｂとの間隔である移行領域１４ｆは約５イ
ンチである。
【００１０】図４には図２に示されている燃料集合体３
０の最下位部分が拡大して示され、下側タイプレート３
４がタイロッドを除去した状態で示されている。下側タ
イプレート３４は燃料集合体の下側炉心支持構造物との
インターフェースとして作用し、矩形の燃料棒支持プレ
ート３４ｃを含んでいる。燃料棒の終端キャップ３３は
燃料棒支持プレート３４ｃの各孔３４ｅ内に置かれてい
る。下側タイプレート３４は入口ノズル３４ｂにおける
円形冷却材入口３４ａから矩形の燃料棒支持プレート３
４ｃへの移行領域３４ｆを形成するように輪郭づけられ
ている。燃料棒の下端と冷却材入口ノズル３４ｂとの間
隔である移行領域３４ｆは約８インチである。
【００１１】
【発明の実施の形態】上述したように、各燃料棒の活性
部分の長さを延ばして各燃料棒内における燃料の量を増
加することによって、燃料集合体からの出力を増大する
ことが可能である。しかし燃料集合体の全長は予め定ま
っているので、燃料棒を上にあるいは下に延長できる空
間は上側タイプレートの周辺および／又は下側タイプレ
ートの周辺にしか存在しない。
【００１２】入口ノズルから燃料棒の下端が置かれてい
る燃料棒支持プレートへの移行領域あるいは内部空間
は、冷却・減速材がまずそこから燃料集合体の中に入り
込みそれから燃料棒支持プレートを通過する前に分配さ
れる空き空間（オープンスペース）である。
【００１３】本発明に基づいて、燃料棒支持プレートの
位置を下側タイプレートの移行領域の中に下げることお
よび燃料棒の長さを移行領域で占められていた空間の中
に延ばすことによって、燃料集合体の出力を増大するこ
とができる。
【００１４】しかし移行領域の高さを減少することによ
って、冷却・減速材の再分配中に生ずる下側タイプレー
トの直ぐ下流における横方向の流れが増大する。この横
方向の流れは燃料棒の下側終端キャップに作用する横方
向の振動力を増大し、これがもし制御できないときには
燃料棒に摩耗腐食による破損を生じさせるおそれがあ
る。
【００１５】本発明に基づいて、燃料棒の全長を増大す
るために下側タイプレートの燃料棒支持プレートの高さ
を下げることにより冷却・減速材の再分配によって生ず
る横方向の流れが増大しその結果増加する横方向振動の
ポテンシャルは、下側タイプレートの燃料棒支持プレー
ト内にばね要素を設けることによって除去される。この
ばね要素は、燃料棒終端キャップに冷却・減速材によっ
て発生される振動力を克服する横方向の力を作用させ、
これによって横方向の動きおよびこれによる燃料棒の摩
耗腐食を防止する働きをする。
【００１６】振動荷重を発生させる流れは、直径方向に
開口するラジアルスペーサ格子構造物における固定座に
対して燃料棒をバイアス圧をもって押しつけるばねを使
用することによって燃料棒の摩耗腐食を発生する振動を
防止するようにして制御できるが、熱膨張の差および照
射成長により生ずる横方向の荷重は、摩耗腐食を引き起
こす燃料棒の振動を防止するために使用されるばねの荷
重よりはるかに大きいことがある。その結果、燃料集合
体の照射中に燃料棒の曲がりおよびゆがみが生ずる。原
子炉の内部構造物とのインターフェースのために、上側
タイプレートおよび下側タイプレートは燃料棒および支
持構造物との軸方向および半径方向における整合を維持
することを要求されている。燃料棒のゆがみは抑制しな
ければならないが、下側タイプレート内において燃料棒
を半径方向に固定的に拘束できないような装置は適当で
ない。
【００１７】この問題は本発明に基づいて、燃料棒と支
持プレートとの相対ひずみを制限するために燃料棒と半
径方向に相互作用をする小さな間隙孔を備えた燃料棒支
持プレートによって解決される。この実施形態において
燃料棒とタイプレートとの許容相対運動は孔および直径
方向の間隙における燃料棒の接触長さによって制御され
る。摩耗腐食を発生させる振動は補助的に横方向に固定
的に拘束する内部ばねの設置によって阻止される。
【００１８】
【実施例】図５には本発明に基づく改良形燃料集合体の
下部が示されている。その場合、燃料棒支持プレートは
従来の燃料集合体の移行領域の中に下げられ、燃料棒の
活性部分の長さは低く下げられた燃料棒支持プレートに
向けて下に延ばされることによって増加されている。そ
の延長された燃料棒の終端キャップは燃料棒支持プレー
トにおいてばねによって横方向に拘束されている。図５
に示されているように、下側タイプレート５４は短くさ
れた移行領域５４ｆを有しており、その上に燃料棒支持
プレート５４ｃが置かれている。延長された燃料棒５２
の燃料棒終端キャップ５３は孔５４ｅの中に置かれてい
る。各孔５４ｅにはばね５５を収容する拡張部（凹み）
５４ｈが設けられ、このばね５５によって、燃料棒を保
持するためにおよび冷却・減速材によって発生される振
動を克服して燃料棒の横方向の運動および摩耗腐食を防
止するために燃料棒終端キャップ５３に向けて横方向の
力が与えられる。
【００１９】図９（Ａ）には、燃料棒支持プレート５４
ｃの一部がシャンクハウジング５４ｄの孔５４ｅにある
拡張部（凹み）５４ｈの中に置かれているばね要素５５
と共に一部断面斜視図で示されている。図９（Ｂ）には
そのばね要素５５が斜視図で示されている。ばね要素５
５は燃料棒終端キャップ５３の外側壁に横方向の力を与
える。図９（Ａ）には簡略化のために図示されていない
が、燃料集合体の他のすべての燃料棒も同じように燃料
棒支持プレートにおける孔の拡張部（凹み）の中にある
ばねによって横方向に拘束される。
【００２０】図６には図２および図４に示す沸騰水形原
子炉に利用するための本発明に基づく燃料集合体の下部
が示されている。この場合、燃料棒支持プレートは同じ
ように図２および図４に示されている従来の燃料集合体
の移行領域の中に下げられている。燃料棒は下げられた
燃料棒支持プレートに向けて下に延長され、ばねによっ
て横方向に拘束されている。下側タイプレート７４は短
くされた移行領域７４ｆを有している。燃料棒支持プレ
ート７４ｃは各孔７４ｅ内に、延長された燃料棒７２の
燃料棒終端キャップ７３に向けて横方向の力を与えるば
ね７５を収容するための凹み７４ｈを有している。
【００２１】図７には、図３に示された従来の燃料集合
体の移行領域の高さと図５に示された本発明に基づく燃
料集合体の移行領域の高さが比較して示されている。燃
料棒支持プレートが移行領域の中に下げられた距離Ｘは
燃料棒の増大された長さＸ′と同じである。同様に図８
は、図４に示された従来の他の形式沸騰水形原子炉にお
ける燃料棒支持プレートが図６に示された本発明に基づ
き燃料支持プレートが移行領域の中に下げられた距離Ｙ
が燃料集合体の燃料棒の増大した長さＹ′と同じである
ことを示している。
【００２２】図９（Ａ）における改良形燃料棒支持プレ
ート５４ｃの中に置かれる図９（Ｂ）に示されているば
ね要素５５は、振動を発生する流れに対して燃料棒を拘
束するために燃料棒終端キャップに横方向の力を与える
ために使用される複数の種々のばねの一例である。例え
ば図１２には、半固定式簡易支持形の断面Ｃ形リング
（Ａ）、片持ち支持形の断面Ｃ形リング（Ｂ）および管
状の断面Ｃ形リング（Ｃ）が示されている。即ち、コイ
ルばねのような他の形状のばね要素あるいは簡易支持形
のばねも使用できる。これらの一つのばねあるいは等価
的なばね要素が、振動を発生させる流れに対して燃料棒
を支持するために、燃料棒終端キャップ５３に向けて横
方向の力を与えるために図９（Ｂ）に示されているもの
に置き換えられる。いずれのばね要素も入口ノズルから
下側タイプレートに向けて流れる冷却・減速材の圧力降
下を増加することはない。
【００２３】本発明の他の実施例では、既存の燃料集合
体の燃料棒支持プレートをシャンクハウジングの中にば
ね要素を収容するために変形させる代わりに、図１０、
図１１に示すように燃料棒支持プレート１４ｃの上側面
が燃料棒支持プレート表面アダプタ６４を備えている。
このアダプタ６４は燃料棒支持プレートと同じプロフィ
ル形状を有し、それと一直線に合わされている。表面ア
ダプタ６４は燃料棒ガイド６４ａを有している。これら
の各燃料棒ガイド６４ａは、延長された燃料棒の燃料棒
終端キャップがそこを貫通して燃料棒支持プレート１４
ｃにある孔１４ｅに入り込めるようにするために中央に
孔が開けられている。表面アダプタ６４の燃料棒ガイド
６４ａは、延長された燃料棒５２の終端キャップ５３を
受けるために燃料棒支持プレート１４ｃにおける孔１４
ｅと一直線に合わされている。片持ち支持形のばね６４
ｂは燃料棒ガイド６４ａから延びており、折り曲げら
れ、これによって、振動を発生させる流れに対して燃料
棒を拘束するために延長された各燃料棒の終端キャップ
５３に向けて横方向の力を与えるために予めバイアスを
掛けられている。各燃料棒ガイド６４ａは、燃料棒支持
プレート１４ｃにおけるそれぞれの孔１４ｅに各燃料棒
終端キャップ５３を案内するために表面アダプタに対し
て角度を成して傾斜して形成されている。
【００２４】燃料棒支持プレートの高さを下げることに
よって燃料棒の長さを約１〜４インチほど長くできる。
この燃料棒の長さの増加は燃料集合体の出力を増大する
ために利用され、原子炉、燃料棒および燃料集合体の運
転マージン（限界）を改良し、あるいは燃料棒の運転寿
命を延長することができる。これは稼動中の原子炉に対
してＵＯ2 １ｋｇ当たり約２０ドル節約できることを意
味する。
【００２５】或る種の原子炉においては、１００％の定
格運転を越えて原子炉冷却材流を増加して出力を増加す
る方式は、燃料棒の振動が増加するためおよび原子炉冷
却材流の増加による摩耗腐食が生ずるために採用できな
い。本発明に基づいて最大冷却材流比の超過に関する制
限は排除され、これによって高い原子炉冷却材流比およ
び出力が得られる。この出力の増大は、燃料棒の活性部
分の長さの増大によって得られる出力の増加に加えられ
る。
【００２６】以上本発明を特に有利な実施例に関して図
示し説明したが、当業者において本発明の技術思想およ
び範囲を逸脱することなしに細部を種々に変更できるこ
とは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来における沸騰水形原子炉の燃料集合体の側
断面図。
【図２】従来における沸騰水形原子炉の他の形式の燃料
集合体の側断面図。
【図３】図１における燃料集合体の最下位部分の下側タ
イプレートの拡大側断面図。
【図４】図２における燃料集合体の最下位部分の下側タ
イプレートの拡大側断面図。
【図５】図１に対応する本発明に基づく沸騰水形原子炉
の燃料集合体の最下位部分の拡大側断面図。
【図６】図２に対応する本発明に基づく沸騰水形原子炉
の燃料集合体の最下位部分の拡大側断面図。
【図７】図３における従来の燃料集合体の移行領域の高
さと図５における本発明に基づく燃料集合体の移行領域
の高さとを比較して、本発明に基づく燃料集合体の燃料
棒長さの増加を示した拡大側断面図。
【図８】図４における従来の燃料集合体の移行領域の高
さと図６における本発明に基づく燃料集合体の移行領域
の高さとを比較して示し、本発明に基づく燃料集合体の
燃料棒長さの増加を示した図。
【図９】図９（Ａ）は図５における本発明に基づく燃料
棒支持プレートの一部断面斜視図、（Ｂ）は（Ａ）にお
けるばねの斜視図。
【図１０】燃料棒支持プレートの上側面に置かれた本発
明に基づく燃料棒支持プレートの表面アダプタの一部斜
視図。
【図１１】図１０における燃料棒支持プレートの表面ア
ダプタを取り出した状態の斜視図。
【図１２】図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は図９
（Ａ）および（Ｂ）におけるばね要素の種々の実施例の
斜視図。
【符号の説明】
１０、３０ 燃料集合体 １２、３２ 燃料棒 １３、３３ 燃料棒終端キャップ １４、３４ 下側タイプレート（従来技術） １４ｆ、３４ｆ 移行領域（従来技術） １６、３６ 上側タイプレート １８、３８ スペーサ格子 ５４、７４ 下側タイプレート（本発明） ５４ｅ、７４ｅ 開口 ５４ｆ、７４ｆ 移行領域（本発明） ５５ｈ、７４ｈ 凹み ５５、７５ ばね要素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジヨン ダブリユ ロング アメリカ合衆国 99352 ワシントン リ ツチランド ボツクス 5346 ルート １

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上側タイプレートと下側タイプレートと
    複数の互いに間隔を隔てられた燃料棒とから成り、下側
    タイプレートが燃料棒の終端キャップを受ける開口を持
    つように形成された燃料棒支持プレートと冷却・減速材
    を燃料集合体の中に入れるための入口ノズルとから成
    り、燃料棒支持プレートおよび入口ノズルが、入口ノズ
    ルに入り込む冷却・減速材を燃料棒支持プレートを貫通
    する前に分配するための入口ノズルから燃料棒支持プレ
    ートへの予め定められた高さを有する移行領域を画成
    し、各燃料棒が核分裂物質が詰められた活性部分を有
    し、少なくとも一部の燃料棒が下端に終端キャップを有
    しそこから燃料棒支持プレートにおける開口の中に位置
    するために軸方向外側に延びているような原子炉炉心の
    中に配置される全長が予め定められている沸騰水形原子
    炉の燃料集合体（１０）において、燃料棒支持プレート
    （５４ｃ、７４ｃ）の位置が移行領域（５４ｆ、７４
    ｆ）の中に下げられ、これによって移行領域の高さが減
    少され、少なくとも一部の燃料棒（５２、７２）の長さ
    が、その燃料棒の活性部分の長さを燃料棒支持プレート
    によって占められていた移行領域の中に延長することに
    よって増大されることを特徴とする沸騰水形原子炉の燃
    料集合体。
  2. 【請求項２】 燃料棒支持プレート（５４ｃ、７４ｃ）
    が、燃料棒支持プレート（５４ｃ、７４ｃ）の高さを下
    げることによって引き起こされる冷却・減速材流の再分
    配によって発生する増大した横方向の流れにより生ずる
    振動力を引き起こす流れを克服するために、少なくとも
    一部の燃料棒の終端キャップに横方向の力を与えてその
    燃料棒終端キャップに接触して横方向に保持するための
    ばね手段（５５、７５）を有していることを特徴とする
    請求項１記載の燃料集合体。
  3. 【請求項３】 ばね手段が燃料棒支持プレートの表面に
    置かれている燃料棒支持プレート表面アダプタ（６４）
    であり、この燃料棒支持プレート表面アダプタ（６４）
    が、燃料棒終端キャップを燃料棒支持プレートにある開
    口に入れるための少なくとも一つの孔明き燃料棒ガイド
    （６４ａ）を有し、この孔明き燃料棒ガイド（６４ａ）
    が、燃料棒支持プレートにある開口の中に置かれた燃料
    棒終端キャップに向けて横方向の力を与えるための片持
    ち支持形のばねを有していることを特徴とする請求項２
    記載の燃料集合体。
  4. 【請求項４】 燃料棒支持プレート（５４ｃ、７４ｃ）
    が開口（５４ｅ、７４ｅ）の中にその開口より大きな寸
    法をした凹み（５４ｈ、７４ｈ）を有するように形成さ
    れ、ばね手段（５５、７５）がその凹みの中に置かれた
    ばね部材であることを特徴とする請求項２記載の燃料集
    合体。
  5. 【請求項５】 少なくとも一部のばねが半固定式の簡易
    支持形の断面Ｃ形リングであることを特徴とする請求項
    ４記載の燃料集合体。
  6. 【請求項６】 少なくとも一部のばねが片持ち支持形の
    断面Ｃ形リングであることを特徴とする請求項４記載の
    燃料集合体。
  7. 【請求項７】 少なくとも一部のばねが管状の断面Ｃ形
    リングであることを特徴とする請求項４記載の燃料集合
    体。
  8. 【請求項８】 少なくとも一部のばねがコイルばねであ
    ることを特徴とする請求項４記載の燃料集合体。
  9. 【請求項９】 少なくとも一部のばねが簡易支持形のば
    ねであることを特徴とする請求項４記載の燃料集合体。
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