JPH08292280A - 燃料集合体と炉心及び運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】燃料集合体における燃料有効長の短縮、及び燃
料棒数の増加などと、この燃料集合体により形成した炉
心により、出力密度が大きく安定性に優れた燃料集合体
と炉心及び運転方法を提供する。 【構成】燃料ペレット13を充填した複数の燃料棒11を燃
料スペーサ15で束ねた燃料集合体17において、燃料棒に
おける燃料有効長14が 2.5ｍ乃至 3.0ｍで、燃料スペー
サ15を７または８個設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉におけ
る運転の効率と安定性の向上に係り、特に改良した燃料
集合体と、これを装荷した炉心による燃料集合体と炉心
及び運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉においては、図21
の炉心構成図に示すように、炉心１は模式的に四角で示
す多数の燃料集合体２と、十字で示す多数の制御棒３を
規則正しく、しかも周囲が円形状に配置して構成してい
る。各燃料集合体２は図22の縦断面図に示すように、核
分裂性物質の核燃料ペレットを充填した燃料棒４を、一
辺が約15cmの角形で約22.5cm² の断面内に８行８列に格
子状に配置している。

【０００３】また、ほぼ中央には蒸気ボイドを含まない
冷却水を流すウォータロッド５を配置して、これら各要
素の上下端を固定する上部タイプレート６及び下部タイ
プレート７と、前記燃料棒４やウォータロッド５を束ね
て間隔を保持するための燃料スペーサ８が、１体の燃料
集合体２に対して７個設けられていて、これらは燃料チ
ャンネル９により囲まれて構成している。なお、図23の
横断面図は燃料集合体２における燃料棒４、及びウォー
タロッド５の配置を示す。

【０００４】前記炉心１を冷却する高温の冷却水は、燃
料集合体２の下部から下部タイプレート７を経由して入
り、燃料棒４において加熱されることにより発生する蒸
気ボイドを含む二相流となる。したがって、燃料集合体
２の上部で上部タイプレート６から出る時には、蒸気ボ
イドの体積割合が通常は７割程度となっている。なお、
図24の二相流分布模式図は、燃料集合体２の燃料チャン
ネル９内における蒸気ボイドの体積割合について、高さ
方向での変化を示している。

【０００５】ここで、炉心１の実効的な高さである燃料
棒４に核燃料ペレットを充填した部分の長さを燃料有効
長と呼んでいるが、この高さは通常の沸騰水型原子炉で
は約3.7ｍになっている。135万kW級の沸騰水型原子炉を
例にすると、炉心１は約15cm角の燃料集合体２の 872体
を円形状に配置して、この炉心１の実効的な直径は約
5.5ｍである。

【０００６】この炉心１は、図示しない炉心支持構造
物、制御棒案内管、再循環ポンプ、気水分離器及び蒸気
乾燥器等の炉内構造物と共に、原子炉圧力容器に納めら
れている。さらに、この原子炉圧力容器は原子炉格納施
設に格納され、同施設は原子炉建屋に納められている。

【０００７】炉心１の大きさを変えることより、上記の
関連設備や建屋のサイズが影響を受けることになるが、
炉心１の出力密度のより大きい原子炉は、所定の熱出力
をより小さい炉心で達成することが可能となり、これを
可能にすれば原子力発電所の建設費を下げることになり
経済的である。

【０００８】したがって、商用の沸騰水型軽水炉におけ
る炉心１の出力密度は、その型式が沸騰水型原子炉のＢ
ＷＲ−２〜５、そして最新の改良型沸騰水型原子炉（Ａ
ＢＷＲ）と発展するにつれて、30kW／ｌから50kW／ｌに
増加している。これに対して炉心１の高さ、すなわち燃
料有効長は、約 3.7ｍのままとなっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】原子炉の炉心１におい
て出力密度を従来より大きくすることにより生じる課題
の一つは、炉心１における熱的余裕が小さくなること
と、安定性が低下する点である。なお熱的余裕は、燃料
棒線出力密度の余裕と、燃料棒の冷却に関する余裕とに
分けられる。

【００１０】前者の燃料棒線出力密度については、燃料
棒単位長さ当たりの出力の炉心中での最大値（最大線出
力密度）が、運転制限値（例えば44kW／ｍ）を越えない
ようにしており、両者の差が余裕となる。また、炉心の
最大線出力密度は、炉心中の平均線出力密度に炉心の出
力ピーキングを掛けて得られる。

【００１１】この炉心の出力ピーキングは、炉心の半径
方向の出力ピーキングと、炉心の高さ方向の出力ピーキ
ング、及び燃料集合体内の出力ピーキング（局所出力ピ
ーキング）を掛けて得られる。炉心の出力密度を増加す
ることは、炉心中の平均線出力密度を増加させて、これ
により炉心の最大線出力密度を増加させるので余裕が小
さくなる。

【００１２】本発明の目的とするところは、燃料集合体
における燃料有効長の短縮、及び燃料棒数の増加など
と、この燃料集合体により形成した炉心により、出力密
度が大きく安定性に優れた燃料集合体と炉心及び運転方
法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１記載の発明に係る燃料集合体は、燃料ペレット
を充填した複数の燃料棒を燃料スペーサで束ねた燃料集
合体において、前記燃料棒における燃料有効長（充填し
た燃料ペレット全長）が 2.5ｍ乃至 3.0ｍで、燃料スペ
ーサを７または８個設けたことを特徴とする。

【００１４】請求項２記載の発明に係る燃料集合体は、
前記燃料棒における燃料有効長が 2.5ｍ乃至 3.0ｍで、
燃料スペーサを７または８個設けて、断面積22.5cm² 当
たりの燃料棒本数を72乃至92本としたことを特徴とす
る。請求項３記載の発明に係る燃料集合体は、前記燃料
棒を９行９列の正方格子に配列したことを特徴とする。

【００１５】請求項４記載の発明に係る燃料集合体は、
前記燃料棒を10行10列の正方格子に配列したことを特徴
とする。請求項５記載の発明に係る燃料集合体は、前記
燃料棒を９行９列または10行10列の正方格子に配列した
燃料集合体に設けた燃料スペーサの間隔が、燃料上部に
おいて下部より小さくしたことを特徴とする。

【００１６】請求項６記載の発明に係る燃料集合体は、
前記燃料棒を９行９列または10行10列の正方格子に配列
した燃料集合体に設けた燃料スペーサの間隔が、燃料下
部において上部より小さくしたことを特徴とする。請求
項７記載の発明に係る燃料集合体は、前記燃料棒を10行
10列の正方格子に配列して、中央部における８本から16
本の間で偶数本の燃料棒の位置に周囲の角が90°及び 2
70°を形成する断面形状の１本または２本のウォータロ
ッドを設けたことを特徴とする。

【００１７】請求項８記載の発明に係る燃料集合体は、
前記燃料棒を10行10列の正方格子に配列して、中央部に
おける８本から16本の間で偶数本の燃料棒の位置に周囲
の角が90°及び 270°を形成する断面形状の１本または
２本のウォータロッドを設けると共に、燃料スペーサを
８個設けたことを特徴とする。

【００１８】請求項９記載の発明に係る燃料集合体は、
前記燃料棒を10行10列の正方格子に配列して、中央部に
おける８本から16本の間で偶数本の燃料棒の位置に周囲
の角が90°及び 270°を形成する断面形状の１本または
２本のウォータロッドを設けると共に、燃料スペーサ数
が８個でその間隔が燃料上部において下部より小さくし
たことを特徴とする。

【００１９】請求項10記載の発明に係る燃料集合体は、
前記燃料棒を10行10列の正方格子に配列して、中央部に
おける８本から16本の間で偶数本の燃料棒の位置に周囲
の角が90°及び 270°を形成する断面形状の１本または
２本のウォータロッドを設けると共に、燃料スペーサ数
が８個でその間隔が燃料下部において上部より小さくし
たことを特徴とする。

【００２０】請求項11記載の発明に係る炉心は、前記複
数の燃料集合体を間隔が約15cmとなるように正方格子状
に配列すると共に、外周がほぼ円形となるように配置し
たことを特徴とする炉心。請求項12記載の発明に係る炉
心の運転方法は、前記炉心を定格出力運転において60〜
70kW／ｌの出力密度で運転することを特徴とする。

【００２１】

【作用】請求項１記載の発明は、燃料有効長を 2.5ｍ乃
至 3.0ｍと短くしたことにより炉心の出力密度が増大す
る。また、燃料スペーサ数を７または８個にしたこと
で、燃料スペーサによる燃料集合体内の冷却材の撹拌が
良好になり、限界出力と熱的余裕が向上する。

【００２２】請求項２記載の発明は、断面積22.5cm² 当
たりの燃料棒本数を72乃至92本にしたことで、伝熱面積
が増加して限界出力が増大する。請求項３記載の発明
は、燃料集合体における燃料棒を９行９列の正方格子に
配列することにより、燃料集合体１体当たりの燃料棒本
数を増加させる。

【００２３】請求項４記載の発明は、燃料集合体におけ
る燃料棒を10行10列の正方格子に配列したことにより、
燃料集合体当たりの燃料棒本数を増加させることができ
る。請求項５記載の発明は、燃料スペーサの間隔を燃料
上部で小さくしたことから、燃料上部における燃料スペ
ーサによる冷却材の撹拌効果が向上して、燃料上部の冷
却が良好となり限界出力が高くなる。

【００２４】請求項６記載の発明は、燃料集合体１体当
たりの燃料棒本数を増したことで各燃料棒が細くなり下
部の機械強度が低下しても、小さな間隔で燃料スペーサ
を配置することでこれが補強される。請求項７記載の発
明は、燃料棒を10行10列の正方格子に配列した燃料集合
体において、中央部に配置した角型のウォータロッドに
より、断面積が極力大きく形成され、冷却効果が向上す
るので出力分布が平坦化する。

【００２５】請求項８記載の発明は、燃料棒が10行10列
の正方格子に配列され、角型のウォータロッドにより断
面積が極力大きく形成されるので、出力分布が平坦化す
ると共に、燃料スペーサを８個としたことにより、燃料
スペーサによる冷却材の撹拌効果が良好になり限界出力
と熱的余裕が向上する。

【００２６】請求項９記載の発明は、燃料棒が10行10列
の正方格子に配列され、角型のウォータロッドにより断
面積が極力大きく形成されるので、出力分布が平坦化す
ると共に、燃料上部での燃料スペーサによる冷却材の撹
拌効果が向上して、燃料上部における冷却が良好となり
限界出力が高くなる。

【００２７】請求項10記載の発明は、燃料棒を10行10列
の正方格子に配列され、角型のウォータロッドにより断
面積が極力大きく形成されるので、出力分布が平坦化す
ると共に、燃料棒下部における機械強度の低下が防止さ
れる。

【００２８】請求項11記載の発明は、前記複数の燃料集
合体を間隔が約15cmとなるように正方格子状に配列する
と共に、ほぼ円形となるように配置したので、出力分布
が平坦化すると共に出力密度が増大する。請求項12記載
の発明は、炉心を定格出力運転において60〜70kW／ｌの
高出力密度で運転することにより炉心の運転効率が向上
する。

【００２９】

【実施例】本発明の一実施例について図面を参照して説
明する。なお上記した従来技術と同じ構成部分について
は同一符号を付して詳細な説明を省略する。本発明にお
いては、(1) 燃料集合体１体当たりの燃料棒本数を多く
して平均線出力密度を小さくする技術と、(2) 燃料棒の
出力をより均等化して局所ピーキングを小さくする技術
を採用する。

【００３０】燃料集合体を形成する燃料棒の冷却に関し
ては、燃料棒の冷却が不十分となり、沸騰遷移を生じる
燃料集合体の限界出力と、実際の運転における燃料集合
体出力との比（限界出力比）を１より大きくするように
運転している。炉心の出力密度を大きくすると運転に際
しての出力が大きくなり、限界出力比が１に近づいて余
裕が小さくなる。

【００３１】この余裕を従来と同じにする手段は幾つか
考えられるが、先ず限界出力を増加するために、前記の
(1) と(2) の技術に加えて、(3) 燃料集合体に装着する
燃料スペーサの間隔を小さくして撹拌効果を向上する技
術を使用する。すなわち、前記(1) の技術により、燃料
集合体１体当たりの燃料棒本数を増加し、伝熱面積を増
加することにより限界出力を増加することができる。

【００３２】さらに、前記(2) の技術により、燃料集合
体を構成する燃料棒の出力をより均等化して、出力ピー
キングが最も高い燃料棒が沸騰遷移を生じる時の燃料集
合体限界出力を増加することができる。(3) の技術によ
り、燃料スペーサによる流れの撹拌効果を多くして限界
出力を大きくする。また、(4) の燃料有効長を小さくし
て、炉心における出力密度を大きくする技術を用いる。

【００３３】図７の特性図は炉心を構成する燃料体数や
炉心冷却材流量と炉心出力を変えずに、燃料有効長のみ
を小さくする場合、すなわち、炉心出力密度を大きくす
る場合の炉心圧力損失の変化を示す。炉心圧力損失は、
炉心に冷却材を流す動力と関係しており、これが小さく
なると所定の出力を得るための冷却材の流れを小さな動
力により実現できることから経済的である。

【００３４】前記の(1) の技術では燃料集合体１体当た
りの燃料棒本数が増すことにより、流路の抵抗が増加す
る傾向となる。また(3) の技術においては、燃料スペー
サの間隔を小さくすることで、燃料集合体内における冷
却材に乱流が生じて、炉心圧力損失が大きくなる傾向に
なる。しかし、(4) の技術により燃料有効長が小さくな
ることから、炉心圧力損失を緩和することができる。

【００３５】図８の特性図は、上記図７と同様に燃料有
効長のみを小さくする場合の、燃料集合体における限界
出力の変化を示すもので、燃料有効長が小さくなると、
燃料集合体当たりの燃料の熱伝達面積が小さくなること
から、限界出力が小さくなる傾向があるが、その小さく
なる率は比較的小さい。したがって、前記の(1) 〜(3)
の技術による限界出力増加策の量を軽減できる利点があ
る。

【００３６】図９の特性図は上記図７、図８と同様に燃
料有効長のみを小さくする場合で、図９（ａ）は炉心安
定性の減幅比と、図９（ｂ）のチャンネル安定性の減幅
比の変化を示している。これは中性子束及び冷却材流量
に振動が生じることに関連したもので、減幅比は振動が
生じた際の振幅の比であり、１より小さいことが安定で
ある条件である。

【００３７】この図９は、燃料有効長を小さくすること
により安定性が良くなることを示している。これは、先
にに述べたように燃料有効長が小さくなると、冷却材の
炉心通過時間が短くなることが主な理由である。したが
って、前記の(1) 、(3) の技術により、炉心圧力損失が
大きくなり、安定性が悪くなる傾向を、この(4) の技術
を組合せることにより緩和することができる。

【００３８】本発明は、上記(1) 〜(4) の技術の複数を
適切に組合せることにより、炉心の余裕を確保しなが
ら、出力密度を従来より高くした炉心を実現するもので
ある。また、これら技術の組合せにより、従来と同じ出
力密度の炉心において、炉心の余裕をさらに大きくする
ことができる。

【００３９】このように、(1) は燃料集合体１体当たり
の燃料棒本数を多くすることにより、炉心の出力密度増
加に伴なう熱的余裕減少を緩和する技術であり、図10の
特性図は炉心出力と燃料集合体数を一定とした場合で、
横軸に燃料有効長を、また縦軸に炉心出力密度の変化を
示して、燃料棒平均出力密度が同じになるための、燃料
集合体１体当たりの燃料棒本数を示す。

【００４０】従来の燃料集合体２は、前記図23に示すよ
うに約15cm角で８×８格子であり、この内部にウォータ
ロッド５を設けるために、中央部で４本分の燃料棒４を
除くことから、燃料集合体１体当たりの燃料棒本数は60
本となっていた。

【００４１】しかし本発明によれば、燃料集合体を同様
の約15cm角で断面積22.5cm² の９×９格子、または10×
10格子とすることで、燃料集合体１体当たりの燃料棒を
多くし、ウォータロッドを設けるために燃料棒４の一部
を除く必要があることを考慮しても、燃料集合体１体当
たりの燃料棒本数を70〜90本程度に増加できる。したが
って、これに対応する炉心出力密度は、従来の 1.2〜
1.4倍となり、燃料有効長は 2.5〜3.0 ｍとする。

【００４２】なお、燃料有効長を 2.5ｍよりさらに小さ
くして炉心出力密度を上げるためには、燃料集合体を11
×11格子とするなどの方策が考えられるが、このように
大幅に燃料棒数を多くした格子構成では、各燃料棒が細
くなり過ぎて、自重を保持することや、冷却材の流れな
どによる流体振動を受けることによる機械強度上で困難
な点が多く生じて現実的ではない。

【００４３】また、燃料有効長を3.0 ｍより大きくする
場合は、炉心の有効長を小さくすることによる経済的効
果が十分に得られなくなり、したがって、本発明では燃
料有効長を 2.5〜3.0 ｍに設定している。

【００４４】第１実施例は、図１（ａ）の縦断面図で示
すように燃料集合体10は、図１（ｂ）の一部切断正面図
に示す燃料棒11を、図２の横断面図に示すように９行９
列の格子（９×９）配列とし、外形が約15cm角の断面積
が22.5cm² で、中央部に燃料棒11の７本分の領域を占め
る十字形角管の１本のウォータロッド12を配置してい
る。

【００４５】また、多数の核燃料ペレット13を収納した
燃料棒11の燃料有効長14は3.0 ｍで、燃料棒11とウォー
タロッド12の間隔を保持する燃料スペーサ15については
７個設けて、互いの間隔16は等しくしている。これらの
各要素の上下端は上部タイプレート17及び下部タイプレ
ート18により固定し、さらに、燃料チャンネル９で囲ん
で構成している。

【００４６】さらに図３の模式図は、燃料棒11に対する
燃料スペーサ15の位置を示したもので、例えば 135万kW
級の沸騰水型原子炉では、図４の炉心構成図に示すよう
に炉心19は、 872体の燃料集合体10を制御棒３と共に規
則正しく、周囲が円形に近くなるように配置している。

【００４７】次に上記構成による作用について説明す
る。炉心19を 135万kW級の出力で運転する場合には、炉
心19の出力密度が60kW／ｌ程度となるが、この時の基本
的特性を従来の 135万kW級沸騰水型原子炉を基準として
図５の基本特性図に示す。すなわち、有効燃料長 3.0ｍ
の場合に、炉心圧力損失は0.93、限界出力は0.99、線出
力密度は1.03、安定性減幅比の炉心安定性及びチャンネ
ル安定性は、0.50及び0.48となる。

【００４８】このように、第１実施例では従来に比べ
て、平均線出力密度は燃料棒有効長が3.7ｍから3.0 ｍ
になるために1.23倍になるが、９×９格子として燃料集
合体１体当たりの燃料棒本数が60本から72本に増加する
ことから0.83倍となる。しかし、これらが相殺されて平
均の線出力密度は従来の1.03倍となり、ほぼ同等の特性
が得られる。

【００４９】次に、限界出力は図８の特性図に示すよう
に、燃料有効長が 3.0ｍの場合には従来の 0.9倍とな
る。一方、燃料集合体11の燃料有効長が小さくなったこ
とから、燃料スペーサ間隔が減少したことによる限界出
力の増加が５％であり、さらに燃料集合体が９×９格子
となり、燃料棒本数が増加して、燃料棒表面積が増加す
るので限界出力が５％増加し、これらの効果が互いに相
殺して従来の0.99倍となり、ほぼ同等の特性となる。

【００５０】また安定性については、図９（ａ）炉心及
び図９（ｂ）のチャンネル安定性特性図に示すように、
燃料有効長の減少と共に減幅比が小さくなり、より安定
なものとなる。炉心安定性の減幅比は従来の0.50倍、チ
ャンネル炉心安定性の減幅比は従来の0.48倍であり、よ
り安定した炉心特性となっている。

【００５１】なお、炉心圧力損失は図７に示すように燃
料有効長が 3.0ｍの場合では、従来の0.89倍と小さくな
る。一方、燃料棒11を60本から72本に増加したことによ
る増加は５％であるので、これらの効果が互いに相殺さ
れて、図５に示すように従来の0.93と小さくなる。

【００５２】さらにこの第１実施例では、ウォータロッ
ド12を十字形角管としており、面積効率が高く、従来の
円管に比べて燃料集合体10内におけるウォータロッド12
の占める面積を最大に得られる。また、ウォータロッド
12に隣接する燃料棒11の本数を極力多くして、燃料集合
体10内の出力分布をより平均化できるようにすると共
に、ウォータロッド12の加工コストが低くできる。

【００５３】第２実施例は、図６の模式図に示すよう
に、燃料有効長14で燃料上部における燃料スペーサ15の
間隔20を、燃料下部の間隔21に比べて小さくしたもの
で、他は上記した第１実施例と同じ構成としている。

【００５４】上記構成による作用としては、燃料集合体
10において沸騰遷移が生じ、これにより燃料の冷却が不
十分となる現象は、蒸気ボイトの割合が増加する燃料の
上部において生じ易い。したがって、この燃料上部の領
域における燃料スペーサ15の間隔20を狭めて、燃料スペ
ーサ15による冷却材を撹拌する効果を高め、これにより
冷却が不十分となり易い沸騰遷移を起こり難くすること
で、限界出力を高めている。

【００５５】なお、以上本第１実施例及び第２実施例の
燃料棒11の燃料有効長は3.0 ｍとして説明したが、一般
に燃料集合体10においては、大部分の燃料棒11が3.0 ｍ
であり、例えば一部に、これより短いいわゆる短尺燃料
棒を配置した場合にも、この短尺燃料棒の使用量が少な
いことから、本発明による上記作用と効果には変りはな
い。

【００５６】第３実施例は、図11（ａ）の縦断面図で示
すように燃料集合体22は、図11（ｂ）の一部切断正面図
に示す燃料棒23を図12の横断面図に示すように外形が約
15cm角で断面積が22.5cm² の10行10列の格子（10×10）
配列とし、中央部に燃料棒23の16本分の領域を占める１
体の角管のウォータロッド24を配置して形成する。

【００５７】また、多数の核燃料ペレット13を収納した
燃料棒23の燃料有効長14は 2.6ｍとして、この燃料棒23
とウォータロッド24の間隔を保持する燃料スペーサ15は
８個設けて、互いの間隔16は等しくしている。これら各
要素の上下端は上部タイプレート25及び下部タイプレー
ト26により固定し、さらに、燃料チャンネル９で囲んで
構成している。

【００５８】図13の模式図は燃料スペーサ15の位置を示
し、例えば 135万kW級沸騰水型原子炉では、図14の炉心
構成図に示すように、炉心27には 872体の燃料集合体22
を制御棒３と共に、規則正しく周囲が円形に近くなるよ
うに配置している。

【００５９】次に上記構成による作用について説明す
る。炉心27を 135万kW級の出力で運転する場合に、炉心
27の出力密度は70kW／ｌ程度となるが、この時の基本的
特性を従来の 135万kW級沸騰水型原子炉を基準として図
５の基本特性図に示す。すなわち、有効燃料長 2.6ｍの
場合に、炉心圧力損失は0.92、限界出力は0.99、線出力
密度は1.02、安定性減幅比の炉心安定性及びチャンネル
安定性は、0.30及び0.34となる。

【００６０】このように、第３実施例では従来に比べて
平均線出力密度は、燃料棒有効長が3.7ｍから2.6 ｍと
なるために、1.42倍になるが、10×10格子としたことに
より燃料集合体１体当たりの燃料棒本数が60本から84本
に増加することから0.71倍となる。しかし、これらは相
殺されて、平均の線出力密度は従来の1.02倍となり、ほ
ぼ同等の特性が得られる。

【００６１】次に、限界出力は上記図８に示すように、
燃料有効長14が 2.6ｍの場合は従来の0.84倍となる。一
方、燃料集合体22は燃料スペーサ15を従来の７個から８
個に増加したこと、及び燃料有効長が 3.7ｍから 2.6ｍ
に減少したことにより燃料スペーサ間隔16が減少して、
燃料スペーサ15による撹拌効果が向上することから、限
界出力が10％増加する。

【００６２】さらに、燃料集合体22が10×10格子とな
り、燃料棒本数が増加して燃料棒表面積が増加するので
限界出力が７％増加し、これらの効果が互いに相殺され
て従来の0.99倍となりほぼ同等の特性となる。

【００６３】また、安定性については、図９（ａ）の炉
心安定性の減幅比、及び図９（ｂ）のチャンネル安定性
の減幅比の特性図に示すように、燃料有効長14の減少と
共に減幅比が小さくなり、より安定なものとなる。した
がって第３実施例の場合は、炉心安定性の減幅比は従来
の0.30倍、チャンネル安定性の減幅比は従来の0.34倍で
あり、より安定な炉心特性が得られる。

【００６４】なお、炉心圧力圧損は図７に示すように、
燃料有効長14が 2.6ｍであるため、従来の0.83倍と小さ
くなる。一方、燃料スペーサ15を従来の７個から８個に
増加したことによる炉心圧損の増加は４％であり、燃料
棒を60本から86本に増加したことによる増加は７％であ
るので、これらの効果は互いに相殺されて従来の0.92倍
と小さくなる。

【００６５】また、図12に示すように、第３実施例では
燃料棒23の16本分の領域を占める１本の角管のウォータ
ロッド24を配置しており、このウォータロッド24の面積
をより大きくしたことから、燃料集合体22の中央部にお
ける減速効果が高く、燃料棒23の出力分布をより平坦化
される。

【００６６】第４実施例は、図15の横断面図に示すよう
に、燃料集合体28は10×10格子として、中央部に配置し
たウォータロッド29を、燃料棒23の14本分を占める領域
で、周囲の角が90°及び 270°を形成する断面形状の角
管で形成し、これにより、燃料集合体当たりの燃料棒23
の数を86本にして構成している。

【００６７】第５実施例は、図16の横断面図に示すよう
に、燃料集合体30は10×10格子として、中央部に配置し
たウォータロッド31を、燃料棒23の12本分を占める領域
で、周囲の角が90°及び 270°を形成する断面形状の角
管で形成し、これにより、燃料集合体当たりの燃料棒23
の数を88本にして構成している。

【００６８】第６実施例は、図17の横断面図に示すよう
に、燃料集合体32は10×10格子として、中央部に配置し
たウォータロッド33を、燃料棒23の10本分を占める領域
で、周囲の角が90°及び 270°を形成する断面形状の角
管で形成し、これにより、燃料集合体当たりの燃料棒23
の数を90本にして構成している。

【００６９】第７実施例は、図18の横断面図に示すよう
に、燃料集合体42は10×10格子として、中央部に配置し
た２本のウォータロッド35を、それぞれ燃料棒23の４本
分を占める領域で、周囲の角が90°を形成する断面形状
の角管で形成し、これにより、燃料集合体当たりの燃料
棒23の数を92本にして構成している。

【００７０】以上の第４実施例乃至第７実施例は、いず
れも10×10格子の燃料集合体28，30，32，34を例にし
て、ウォータロッド29，31，33，35の太さや形状を変化
させて、これにより燃料棒本数を86本乃至92本に増加し
たもので、それぞれ上記の限界出力や、平均線出力密度
の余裕を増加させることを目的としている。

【００７１】また、ウォータロッド29，31，33，35を90
°角と 270°角をもった角管とし、従来の円管のウォー
タロッド５に比べて、面積効率を高めて燃料集合体内に
おけるウォータロッドの占有面積を大きく得られるよう
にしており、燃料集合体内の出力分布をより平坦化する
と共に、ウォータロッド29，31，33，35の加工コストを
低くしている。

【００７２】さらに、ウォータロッド29，31，33，35に
置き換える燃料棒本数を偶数本とすることにより、燃料
集合体28，30，32，34内でのウォータロッド29，31，3
3，35を含めた燃料棒23の配置を対称性としている。

【００７３】第８実施例は、図19の模式図に示すよう
に、上記第３実施例乃至第７実施例における燃料スペー
サ15の位置に係るもので、燃料有効長14における燃料ス
ペーサ15の上部間隔20を、下部間隔21に比べて小さく構
成している。

【００７４】これは、燃料集合体が沸騰遷移を生じて燃
料の冷却が不十分となる現象は、蒸気ボイトの割合が増
加する燃料上部において生じ易いので、この領域での燃
料スペーサ15の間隔を狭めることにより、燃料スペーサ
15による冷却材の撹拌効果を高めて、沸騰遷移を起り難
くすることで限界出力をより高めている。

【００７５】第９実施例は、図20の模式図に示すよう
に、燃料スペーサ15の位置について、燃料有効長14にお
ける下部間隔21を小さく構成したものである。これによ
る作用としては、上記第３実施例乃至第７実施例におけ
る燃料集合体28，30，32，34は、燃料棒を10行10列の格
子配列としている。これにより、従来の燃料集合体２の
８×８格子、または第１実施例の９×９格子の燃料集合
体10より燃料棒23の径が細くなり、このために機械強度
が低下して曲り易くなる。また、冷却材による流体振動
の影響も受け易い。

【００７６】燃料集合体燃料棒23自身の重力は、炉心下
部で大きく、炉心上部では相対的に小さくなる。したが
って、燃料下部における燃料スペーサ15の間隔を上部に
比較して狭めることにより、燃料棒23の曲りを補強し
て、曲りをより小さくすることができる。これにより、
燃料棒23の健全性が向上する。

【００７７】以上説明した一実施例は、いずれも燃料集
合体間のピッチが約15cmの炉心についての適用である
が、燃料集合体間のピッチがこれ以上大きい炉心、すな
わち燃料集合体当たりの面積が大きい場合についても、
炉心全体の燃料棒本数を前記の一実施例と同等とするこ
とで、本発明を容易に適用することができる。

【００７８】また上記一実施例は、燃料有効長14を短か
くするものであるが、この技術を採用しない炉心の出力
密度を60kW／ｌ〜70kW／ｌとする手段として、炉心に装
荷する燃料集合体数を20〜40％減少させる方法がある。
しかしながらこの場合は、前に述べた炉心の熱的余裕増
加策の (1)、 (2)、 (3)を実施すれば、従来と同等の余
裕を確保できるが、従来に比べて炉心圧力損失が大きく
なることや、安定性が悪くなるなどの支障がある。

【００７９】

【発明の効果】以上本発明によれば、炉心出力密度を60
〜70kW／ｌに高めた沸騰水型原子炉の炉心が得られて、
容易に経済性に優れた発電プラントが建設できる。ま
た、従来と同じ出力密度の炉心に、適用することにより
炉心の運転余裕を大幅に増加し、運転性の優れた、より
安全性の高い発電プラントが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施例の燃料集合体で、
（ａ）は縦断面図、（ｂ）は燃料棒の一部切断正面図。

【図２】本発明に係る第１実施例の燃料集合体の横断面
図。

【図３】本発明に係る第１実施例における燃料スペーサ
位置の模式図。

【図４】本発明に係る第１実施例の炉心構成図。

【図５】本発明に係る一実施例の有効燃料長に対する基
本特性図。

【図６】本発明に係る第２実施例における燃料スペーサ
位置の模式図。

【図７】本発明に係る一実施例の燃料有効長と炉心圧力
損失の特性図。

【図８】本発明に係る一実施例の燃料有効長と限界出力
の特性図。

【図９】本発明に係る一実施例の安定性特性図で、
（ａ）は炉心安定性、（ｂ）はチャンネル安定性を示
す。

【図１０】本発明に係る一実施例の燃料有効長と炉心出
力密度及び燃料集合体当たりの燃料棒本数の特性図。

【図１１】本発明に係る第３実施例の燃料集合体で、
（ａ）は縦断面図、（ｂ）は燃料棒の一部切断正面図。

【図１２】本発明に係る第３実施例の燃料集合体の横断
面図。

【図１３】本発明に係る第３実施例における燃料スペー
サ位置の模式図。

【図１４】本発明に係る第３実施例の炉心構成図。

【図１５】本発明に係る第４実施例の燃料集合体の横断
面図。

【図１６】本発明に係る第５実施例の燃料集合体の横断
面図。

【図１７】本発明に係る第６実施例の燃料集合体の横断
面図。

【図１８】本発明に係る第７実施例の燃料集合体の横断
面図。

【図１９】本発明に係る第８実施例における燃料スペー
サ位置の模式図。

【図２０】本発明に係る第９実施例における燃料スペー
サ位置の模式図。

【図２１】従来の原子炉の炉心構成図。

【図２２】従来の燃料集合体の縦断面図。

【図２３】従来の燃料集合体の横断面図。

【図２４】出力運転中の燃料集合体における冷却材の二
相流分布模式図。

【符号の説明】 １，19，27…炉心、２，10，22，28，30，32，34…燃料
集合体、３…制御棒、４，11，23…燃料棒、５，12，2
4，29，31，33，35…ウォータロッド、６，17，25…上
部タイプレート、７，18，26…下部タイプレート、８，
15…燃料スペーサ、９…燃料チャンネル、13…燃料ペレ
ット、14…有効燃料長、16…燃料スペーサの間隔（均
等）、20…燃料スペーサの間隔（燃料上部）、21…燃料
スペーサ間隔（燃料下部）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｃ 3/34 ＧＤＢＸ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ペレットを充填した複数の燃料棒を
   燃料スペーサで束ねた燃料集合体において、前記燃料棒
   における燃料有効長（充填した燃料ペレット全長）が
   2.5ｍ乃至 3.0ｍで、燃料スペーサを７または８個設け
   たことを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】 前記燃料集合体の断面積22.5cm² 当たり
   の燃料棒本数を72乃至92本とした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】 前記燃料棒を９行９列の正方格子に配列
   したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料
   集合体。
4. 【請求項４】 前記燃料棒を10行10列の正方格子に配列
   したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料
   集合体。
5. 【請求項５】 前記燃料集合体に設けた燃料スペーサの
   間隔が、燃料上部において下部より小さくしたことを特
   徴とする請求項１乃至請求項４記載の燃料集合体。
6. 【請求項６】 前記燃料集合体に設けた燃料スペーサの
   間隔が、燃料下部において上部より小さくしたことを特
   徴とする請求項１乃至請求項４記載の燃料集合体。
7. 【請求項７】 前記燃料棒を10行10列の正方格子に配列
   した燃料集合体において、中央部における８本から16本
   の間で偶数本の燃料棒の位置に周囲の角が90°及び 270
   °を形成する断面形状の１本または２本のウォータロッ
   ドを設けたことを特徴とする燃料集合体。
8. 【請求項８】 前記燃料集合体において、燃料スペーサ
   を８個としたことを特徴とする請求項７記載の燃料集合
   体。
9. 【請求項９】 前記燃料集合体に設けた燃料スペーサの
   間隔が、燃料上部において下部より小さくしたことを特
   徴とする請求項７又は請求項８記載の燃料集合体。
10. 【請求項１０】 前記燃料集合体に設けた燃料スペーサ
    の間隔が、燃料下部において上部より小さくしたことを
    特徴とする請求項７又は請求項８記載の燃料集合体。
11. 【請求項１１】 前記複数の燃料集合体の間隔が約15cm
    となるように正方格子状に配列すると共に外周がほぼ円
    形となるように配置したことを特徴とする請求項１乃至
    請求項１０記載の燃料集合体からなる炉心。
12. 【請求項１２】 前記炉心を定格出力運転において60〜
    70kW／ｌの出力密度で運転することを特徴とする請求項
    １１記載の炉心の運転方法。