JPH10142365A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】短尺燃料棒を有する燃料集合体において、熱的
余裕および炉停止余裕を改善して燃料健全性を向上させ
るとともに、より高燃焼度での使用に適した燃料経済性
の高い燃料集合体を提供する。 【解決手段】長さが異なる２種類以上の燃料棒と内部を
冷却材の一部が流れる水棒を複数のスペーサを用いて任
意の格子形状に束ね、この燃料束をチャンネルボックス
で包囲して構成された燃料集合体において、複数本の燃
料棒は長尺燃料棒とこれよりも長さの短い短尺燃料棒と
からなり、かつ短尺燃料棒の有効部上端が長尺燃料棒の
うち最も長い有効部の１４／２４の高さ以下に位置する
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は沸騰水型原子炉（Ｂ
ＷＲ）に用いられる燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、原子力発電の経済性向上のため
に、燃料の取出燃焼度の伸長（高燃焼度化）や、原子炉
単位体積当たりの出力増加（出力密度増加）を図ること
が進められている。沸騰水型原子炉においても、原子炉
に装荷される燃料集合体の高燃焼度化を図るため、様々
な設計が考えられてきた。

【０００３】このような高燃焼度燃料集合体の一例を図
８に示す。図８（ａ）は燃料集合体の一部縦断面図、
（ｂ）（ｃ）はそれぞれ（ａ）のＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ矢視横
断面図である。ここで、燃料集合体１は長尺燃料棒２、
短尺燃料棒３及び太径ウォータロッド６を複数のスペー
サ８で正方格子状に束ねて上部タイプレート４及び下部
タイプレート５に固定して燃料棒束とし、この燃料棒束
をチャンネルボックス７で包囲して構成されている。

【０００４】このように構成された高燃焼度の燃料集合
体は、以下のような特長を有している。高燃焼度化する
ためには燃料の濃縮度を高める必要があるが、これによ
り必然的に燃焼初期における燃料集合体の熱出力は上昇
する。この結果、最大線出力密度や限界出力比等の熱的
余裕は減少する。まず最大線出力密度を改善するため
に、図８の燃料集合体１では、各燃料棒２，３の配列を
従来の燃料集合体の８行８列（以下８×８）から９行９
列（９×９）にすることにより、燃料棒本数を増加させ
ている。これにより最大線出力密度は従来の８０％近く
まで激減する。

【０００５】一方、燃料棒本数が増えると燃料集合体内
の摩擦圧損が増大し、原子炉の安定性が損なわれる傾向
にある。特に燃料上部では、蒸気クォリティが大きいた
めに圧損が大きくなる。このため、図８に示す燃料集合
体では、一部の燃料棒の長さを長尺燃料棒２よりも短く
した短尺燃料棒３を使用している。この結果、燃料上部
の冷却材流路面積を拡大し、燃料上部の圧損を低減させ
ることにより、燃料集合体全体としての圧損を従来の８
×８燃料集合体と同等になるよう調整している。また、
冷却材の流れによって振動しないように、その上端から
数cm以内にスペーサ８が位置するように設定されてい
る。

【０００６】次に、限界出力比について考察する。限界
出力とは、燃料集合体上部の蒸気クォリティが大きい領
域で、燃料表面への液相供給が間に合わなくなり、局所
的に沸騰遷移が生じる時の燃料集合体熱出力のことであ
り、この限界出力に達するまでの余裕を限界出力比とい
う。高燃焼度燃料集合体１では、従来の燃料棒配列８×
８に比べ、燃料棒配列を９×９にすることにより全体の
燃料棒表面積が増加し、燃料棒の単位表面積当たりの熱
伝達量が減少していることや、短尺燃料棒３を使用して
いるために燃料集合体上部断面における燃料棒本数が減
少し、この領域で燃料棒一本当たりに供給される冷却材
中の液相量が増加することにより、限界出力比も若干改
善されている。

【０００７】さらに、短尺燃料棒３には、炉停止余裕を
向上させる働きがある。すなわち、原子炉停止時には、
炉心上部で反応度が高くなり中性子束がピークを形成す
る。このとき冷却材は、温度が低く密度が高いために、
ある程度の量以上ではむしろ中性子吸収材として作用す
る。従って、短尺燃料棒を用いることにより、軸方向上
部において燃料棒本数が減り、冷却材量を増すことがで
き、その結果、炉停止余裕を向上させることができるこ
のように、短尺燃料棒は燃料棒本数増加に伴う炉心圧損
増大を打ち消すために採用されたものであるが、限界出
力比や炉停止余裕といった原子炉運転上の重要なパラメ
ータを改善する効果をも果たしている。ところで、圧損
増大等の観点からは、短尺燃料棒の有効長上端は低い位
置にあった方が良いと考えられるが、一方で１体の燃料
集合体から発生できるエネルギー量の観点からは、有効
長上端を低くすればするほど核燃料物質の装加量が少な
くなるため、有効長上端は高い方が好ましい。これらの
観点から、圧損低減等の効果が十分得られる短尺燃料棒
の有効長が決められる。

【０００８】例えば、特許第１７６７５０１号において
は短尺燃料棒３の有効長の目安として、長尺燃料棒の３
／４（１８／２４）程度としている。これは以下の理由
によるものである。

【０００９】ＢＷＲにおける沸騰遷移点付近の状態では
冷却材流はほとんどが蒸気であり、その気流中を液相の
小さな粒（液滴と呼ばれる）が飛んでいる。燃料棒の冷
却は燃料棒表面を覆う薄い液相（液膜と呼ばれる）によ
ってなされており、冷却材流から液膜への液滴供給が燃
料棒表面の沸騰気化に追いつかなくなることにより沸騰
遷移が発生する。従って沸騰遷移は蒸気クォリティの高
い燃料上部で生じ易い。一方、スペーサは冷却材流を攪
拌して液滴を燃料棒表面へ付着させる働きがあるので、
スペーサの直下流では液膜が厚く沸騰遷移は生じにく
い。

【００１０】これらの効果の相乗により、ＢＷＲの沸騰
遷移は燃料集合体最上部スペーサ、あるいは最上部から
２番目のスペーサ付近で発生する。これらは燃料有効長
の２０／２４から上端までの範囲に位置しており、これ
に対応して、短尺燃料棒３上端をこれよりやや低い位
置、例えば長尺燃料棒の３／４（１８／２４）程度に設
定することにより、限界出力を改善することが期待され
ていた。

【００１１】また、炉停止余裕の観点からも、短尺燃料
棒上端を長尺燃料棒の３／４（１８／２４）程度にすれ
ば、原子炉停止時の炉心上部に生じる中性子束ピークを
小さくできるものと考えられていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高燃焼度燃
料集合体に関する多くの設計が蓄積され、詳細な特性が
明らかになるに及んで、従来考えられてきた短尺燃料棒
の長さでは必ずしも当初期待された通りの効果を生まな
い場合があることが判明してきた。

【００１３】例えば、限界出力比の観点からは、上述の
ように短尺燃料棒により、沸騰遷移の起こりやすい燃料
集合体上部の冷却材流量を増加させ、炉心圧損を低減さ
せるべく、短尺燃料棒の有効長を決定していた。

【００１４】しかし、近年では冷却材流を攪拌して液滴
を燃料棒表面へ付着させる効果の高いスペーサが開発さ
れつつあり、短尺燃料棒の有効長を長尺燃料棒有効長の
３／４（１８／２４）程度にしたのでは、燃料集合体全
体としてスペーサ性能の向上が十分に生かされないこと
等がわかってきた。また炉停止余裕の観点からは、短尺
燃料棒の導入や高燃焼度化を図るために核分裂性物質量
を増加するなどの設計によっては、中性子束ピークが必
ずしも３／４より上部に形成されるとは限らず、炉停止
余裕についても短尺燃料棒の長さを考慮する必要があ
る。

【００１５】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、短尺燃料棒を有する燃料集合体において、熱
的余裕および炉停止余裕を改善して燃料健全性を向上さ
せるとともに、より高燃焼度での使用に適した燃料経済
性の高い燃料集合体を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に係る発明は、長さが異なる２種類以上の
燃料棒と内部を冷却材の一部が流れる水棒を複数のスペ
ーサを用いて任意の格子形状に束ね、この燃料束をチャ
ンネルボックスで包囲して構成された燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒は長尺燃料棒とこれよりも長さ
の短い短尺燃料棒とからなり、かつ前記短尺燃料棒の有
効部上端が前記長尺燃料棒のうち最も長い有効部の１４
／２４の高さ以下に位置することを特徴とする 。

【００１７】この構成により、短尺燃料棒上端部より下
方で沸騰遷移を生じることなく、燃料集合体上部の限界
出力特性を向上すると同時に、原子炉停止状態における
中性子束ピークを最小化し、炉停止余裕を大幅に改善す
ることができる。また、集合体上半部のクォリティやボ
イド率が高い領域の流路面積を拡大し、水対ウラン比を
大きくしているので、運転状態において、燃料集合体の
圧損を低減し原子炉の安定性を増すとともに、燃料の反
応度を高めて核物質の利用効率を向上することができ
る。

【００１８】請求項２にかかる発明は、前記短尺燃料棒
の内少なくとも一部に下端部に燃料ペレットの充填され
ないプレナム部を設けたことを特徴とする。この構成に
より、照射後における短尺燃料棒の内圧を過度に上昇さ
せることなく、短尺燃料棒上端のプレナム部体積を最小
化できるので、中性子利用効率の高い燃料集合体の軸方
向中央部の水対ウラン比を大きくし、燃料の反応度を高
めて核物質の利用効率を向上することができる。

【００１９】請求項３に係る発明は、前記短尺燃料棒は
全長或いは有効長の異なる２種類以上の燃料棒からなる
ことを特徴とする。この構成により、軸方向濃縮度分布
やガドリニア分布を付けなくても燃料集合体の反応度を
さらに軸方向にほぼ一定に保つことができる。

【００２０】請求項４に係る発明は、前記短尺燃料棒の
うち少なくとも一部が前記水棒またはチャンネルボック
スに隣接して配置されていることを特徴とする。この構
成により、原子炉停止時に広い水の層が形成され中性子
吸収効果が顕著となるため、炉停止余裕を更に改善する
ことができる 請求項５に係る発明は、短尺燃料棒のうち最も長いもの
の上端に最近接するスペーサから燃料集合体最下部スペ
ーサまでの平均スペーサ間隔Ｌ１、前記短尺燃料棒のう
ち最も長いものの上端に最近接するスペーサから最上部
スペーサまでの平均スペーサ間隔Ｌ２が、Ｌ１＞Ｌ２で
あることを特徴とする。

【００２１】この構成により、沸騰遷移の生じ易い燃料
集合体上部で、冷却材流を攪拌して液滴を燃料棒表面へ
付着させ、燃料集合体としての限界出力を効率的に改善
することができる。

【００２２】請求項６に係る発明は、燃料集合体の高さ
方向位置Ｈ１における前記水棒の冷却材流路断面積をＡ
１、前記高さ方向位置Ｈ１よりも高い位置Ｈ２における
前記水棒の冷却材流路断面積をＡ２が、Ａ１≦Ａ２であ
ることを特徴とする。

【００２３】この構成により、各領域で減速材対ウラン
量の比がほぼ一定にでき、燃料棒に軸方向濃縮度分布や
ガドリニア分布を付けなくても燃料集合体の反応度を軸
方向にほぼ一定に保つことができる。

【００２４】請求項７に係る発明は、燃料集合体を軸方
向上方より俯瞰したとき水棒の一部分が少なくとも短尺
燃料棒の一部を覆い隠すように前記水棒と前記短尺燃料
棒が配置されていることを特徴とする。

【００２５】この構成により、冷却材が短尺燃料棒の上
部空間に集中的に流れ、他の部分の流量が減少すること
による限界出力の悪化を改善することができる。請求項
８に係る発明は、前記短尺燃料棒の少なくとも一部につ
いて燃料棒平均濃縮度が燃料集合体平均濃縮度よりも低
いことを特徴とする。

【００２６】請求項９に係る発明は、前記短尺燃料棒の
うち少なくとも一部はガドリニアを含有するペレットを
装填して成ることを特徴とする。請求項１０に係る発明
は、全燃料棒の濃縮度およびガドリニア濃度のうち少な
くとも一方が上下端を除いて軸方向に一様であることを
特徴とする。請求項８ないし１０に係る発明の構成によ
り、製造上のコストを低く抑えながら軸方向出力分布を
最適に制御することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態） （請求項１，２，４，５，８，
９，１０に対応） 図１は本発明の第１の実施の形態の燃料集合体を示した
ものであり、図１（Ａ）は燃料集合体の一部縦断面図、
（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ（Ａ）のＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ矢視横
断面図であるる。なお、図中、従来の技術と同一部分は
同一符号を附し、重複する説明は省略する。

【００２８】図１において、燃料集合体１は長尺燃料棒
２、短尺燃料棒３及び太径ウォータロッド６をスペーサ
８で正方格子状に束ねて上部タイプレート４及び下部タ
イプレート５に固定して燃料棒束とし、この燃料棒束を
チャンネルボックス７で包囲して構成されている。

【００２９】短尺燃料棒３の燃料棒上端は１３／２４付
近にあり、この短尺燃料棒３の有効長上端は長尺燃料棒
の有効長の１２／２４にある。また、スペーサ８は、８
個設けられ、短尺燃料棒３の上端付近より上部のスペー
サ間隔Ｌ２は下部のスペーサ間隔Ｌ１より小さく配置さ
れている。

【００３０】これらの構成により、短尺燃料棒上端部よ
り下方で沸騰遷移を生じることなく、燃料集合体上部の
限界出力特性を向上すると同時に、原子炉停止状態にお
ける中性子束ピークを最小化し、炉停止余裕を大幅に改
善することができる。

【００３１】以下、これらの作用効果について詳細に説
明する。まず、炉停止余裕について説明する。従来の技
術で説明したように、原子炉停止時の中性子束ピークは
燃料集合体上方で形成されると考えられていた。ところ
が、特に運転サイクルの初期においては、短尺燃料棒の
上端部すなわち燃料集合体中央部に中性子束ピークがし
ばしば出現することがわかった。

【００３２】図３に、種々の短尺燃料棒３の有効長上端
位置に対する、原子炉停止時の軸方向出力分布を示す。
図中、それぞれ実線は短尺燃料棒の有効長上端が１５／
２４、点線は上端が１４／２４、一点鎖線は上端が１３
／２４、二点鎖線は上端が１２／２４にあるときを示し
ている。図３に示すように、短尺燃料棒の有効長上端が
１５／２４のときには、出力分布のピークが炉心上部よ
りもむしろ短尺燃料棒上端付近（軸方向高さ１５程度）
に発生している。また、上端が１５／２４よりも高い位
置にあるときには、この傾向がより顕著になる。これ
は、短尺燃料棒導入により、核分裂性物質量が燃料集合
体下方に偏ったと同時に、より高燃焼度化のため濃縮度
を増加したことなどが原因で、炉心軸方向中央部の反応
度が上部よりも高くなったものと考えられる。

【００３３】炉停止余裕を向上させるためには、反応度
が均等化していることが望ましい。このため、短尺燃料
棒３の長さを、炉心上部と中央部のピーキングがほぼ同
等となる１４／２４程度以下とすることにより、反応度
を均等化することができる。

【００３４】さらに、この状況を炉停止余裕として表わ
したのが図４であり、短尺燃料棒有効部上端高さと炉停
止余裕の関係を示している。図４より、炉停止余裕は、
短尺燃料棒３の長さが１４／２４以下ではほとんど変化
しないが、それ以上になると急激に減少することがわか
る。従って、短尺燃料棒３の有効長上端を１４／２４以
下とすることにより、従来に比べ炉停止余裕が大きく改
善される。本実施の形態では、有効長上端を１２／２４
としたが、これはスペーサ位置との関係や濃縮度分布等
により、適宜決定されるものであり、１４／２４以下で
あることを満足すれば、炉停止余裕は向上する。

【００３５】なお、本実施の形態では短尺燃料棒３のう
ち２本をウォータロッド６に隣接させている。このよう
に短尺燃料棒３をウォータロッド６に隣接させると、原
子炉停止時に広い水の層が形成され中性子吸収効果が顕
著となるため、炉停止余裕を更に改善することができ
る。

【００３６】次に限界出力について説明する。これまで
の限界出力試験の知見から、ＢＷＲの沸騰遷移は燃料集
合体最上部スペーサ、あるいは最上部から２番目のスペ
ーサ付近、すなわち燃料有効長の２０／２４から上端ま
での範囲で発生するものと考えられていた。このこと
は、短尺燃料棒を用いない場合、２０／２４より下部で
は沸騰遷移がほとんど観察されていない事実からも確認
されていた。短尺燃料棒を用いた場合にも、概ね同様の
位置で沸騰遷移が生じ易いものと考えられるが、燃料集
合体上部は燃料棒本数が減っているため、この位置では
沸騰遷移が起こりにくく、かえって濃縮度の増加やスペ
ーサの性能によっては、最上部から３番目のスペーサ付
近、すなわち燃料有効長の１６／２４付近で沸騰遷移が
生じることもあることが判明した。

【００３７】本実施の形態では、短尺燃料棒３の燃料棒
上端は１３／２４付近にあり、沸騰遷移が生じる可能性
のある燃料上部は燃料棒数が減少している。このこと
は、同じ液相流量に対して冷却が必要となる燃料棒表面
積が減少していることを意味し、燃料棒単位表面積当た
りに供給される液相は増加するので、沸騰遷移が発生し
難くなり限界出力は向上する。

【００３８】従って停止余裕の観点から好適な短尺燃料
棒３の有効長上端を１４／２４以下とすることにより、
沸騰遷移が生じ易い１６／２４よりも上端が低い位置と
なり、沸騰遷移が生じず限界出力が向上する。

【００３９】さらに最近では、蒸気クォリティが大きい
領域においても、冷却材流中の液滴を液膜へ付着させる
効果が非常に高いスペーサが開発されてきている。例え
ば、燃料棒と燃料棒に挟まれた空間に螺旋状の捩じり翼
を設置したスペーサは、遠心分離効果によって極めて効
率的に液滴を分離し、燃料棒表面へ供給することができ
るので、従来のスペーサよりもはるかに蒸気クォリティ
が大きい領域でも沸騰遷移を生じない。しかし一方で、
蒸気クォリティが小さく冷却材中に液相が十分にあるよ
うな状況下では、相対的な改善割合は小さい。

【００４０】このような特殊なスペーサを燃焼度燃料集
合体に装着した場合、短尺燃料棒の効果とあいまって、
燃料上部の限界出力特性は大きく改善されるが、従来の
短尺燃料棒の長さの場合、上端より下部の領域ではあま
り限界出力特性は改善されない。この結果、短尺燃料棒
上端より下部で先に沸騰遷移が生じ、燃料集合体全体と
してはスペーサ性能の向上が十分に生かされないことが
わかってきた。

【００４１】そこで、このような高性能のスペーサを用
いた場合には、特に短尺燃料棒３の有効長上端を１４／
２４以下とすることは有効である。次に本実施の形態で
は、短尺燃料棒３の上端付近より上部のスペーサ間隔Ｌ
２は下部のスペーサ間隔Ｌ１より小さい構成としてい
る。この構成により、沸騰遷移の生じ易い燃料集合体上
部で、冷却材流を攪拌して液滴を燃料棒表面へ付着させ
スペーサ間隔を小さくすることで燃料集合体としての限
界出力を効率的に改善することができる。

【００４２】すなわち上述したように、スペーサ８は冷
却材流を攪拌して液滴を燃料棒表面へ付着させる働きが
あるので、スペーサ８の設置間隔は小さいほど限界出力
は向上するが、同時にスペーサ８は局所圧損をも生じる
ので、スペーサ数を増加しただけでは燃料集合体の圧損
が増加して、ポンプ動力費が増加したり、炉心流量が十
分に確保できなくなる懸念があった。また単に短尺燃料
棒上端より上方でスペーサを増やして間隔を縮めても、
沸騰遷移位置が下方に移るだけで燃料集合体としての限
界出力はほとんど改善されない。

【００４３】本実施の形態では、短尺燃料棒３の上端を
１４／２４以下としたため、従来の燃料集合体で沸騰遷
移が生じる可能性のある部分を、全て短尺燃料棒３より
上方にすることができる。このため、この部分のスペー
サ間隔を小さくすることで圧損変化を最小に抑えること
ができる。これは、たとえスペーサ投影面積が一定とし
ても、もともと流路面積が広いためにスペーサ８が流路
を閉塞する割合が相対的に小さいためである。実際に
は、短尺燃料棒３上端より上部では燃料棒２数が少ない
ためにスペーサ８を構成する部品数が少なく、これより
更に圧損が減少する。

【００４４】このように、流路面積が大きいためにスペ
ーサ数を増加した際の圧損増加が小さく、短尺燃料棒の
長さが短いために圧損が従来より小さくなっていること
もあいまって、集合体全体の圧損は従来と同等に保つこ
とができ、燃料集合体としての限界出力を効率的に改善
することができる。

【００４５】次に、図２は本実施の形態の燃料集合体の
燃料棒の核燃料物質の濃縮度やガドリニアの濃度分布の
例を示したものであり、（Ａ）は燃料棒の配置状態を示
す平面図、（Ｂ）は（Ａ）における燃料棒の濃縮度およ
びガドリニア分布を示す分布図である。図２（Ａ）中升
内の数字は燃料棒番号を示し、図２（Ｂ）下部の四角内
に数字に示す燃料棒番号と一致させている。

【００４６】長尺燃料棒２の有効部分には、上端から２
／２４及び下端から１／２４の部分に天然ウランペレッ
トが充填されているが、その内側の部分の符号はＡ〜Ｅ
は濃縮度を示し、またＨＧ，ＬＧ，ＭＧはガドリニア濃
度を示す。ここで長尺燃料棒２の濃縮度はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞
Ｄの順に高く軸方向に一様で、ガドリニア濃度はＨＧ＞
ＭＧであり軸方向に一様である。また短尺燃料棒３の濃
縮度Ｅは集合体平均濃縮度よりも低く、有効部全長にわ
たって濃縮度Ｅおよびガドリニア濃度ＬＧ（ＭＧ＞Ｌ
Ｇ）は軸方向に一様である。

【００４７】なお本実施の形態では、長尺燃料棒２のう
ち、ガドリニア入りの［６］，［７］，［８］について
は、有効部が下端から２３／２４までと短くしている
が、これは燃料棒上部のプレナムと呼ばれる空間の体積
を増して燃料棒内圧を低減するためあり、燃料特性によ
ってはウラン燃料棒［１］，［２］，［３］，［４］と
同じ有効長としてもよい。また短尺燃料棒３の有効長下
端は１／２４の位置にあり、その下方にやはりプレナム
が設けられているが、これも同様である。

【００４８】このように各々の燃料棒を構成したことに
より、燃料集合体の断面平均濃縮度は、上下端の天然ウ
ラン部分を除けば、短尺燃料棒有効部上端を境にしてそ
の上部が下部よりも高くなる。また短尺燃料棒３の一部
にガドリニアが混入されているので、ガドリニアの含有
量も燃料下部の方が多くなる。

【００４９】沸騰水型原子炉では燃料上部ほどボイド率
が高く、減速材密度が低くなっているので、燃料濃縮度
を軸方向で一様にすると下部の反応度が高くなり、出力
分布が下方に歪んで燃料下部の線出力密度が高くなりす
ぎる可能性がある。これまでの燃料ではこれを防ぐため
に、一部の燃料棒について、燃料棒内に充填するペレッ
トの濃縮度やガドリニア濃度を軸方向に変えて、燃料集
合体下部の断面平均濃縮度が上部より低くなるよう調整
することがあった。その場合、断面平均濃縮度の境界位
置としては、個々の詳細な燃料設計による差はあるもの
の、だいたい燃料有効長の半分前後が適切であることが
わかっている。ところが濃縮度の異なるペレットを同一
燃料棒に充填する場合、ペレット種類の管理や異種ペレ
ットの境界位置の確認などの煩雑な作業が必要となるた
め、燃料製造の観点からはあまり好ましい設計ではなか
った。

【００５０】本実施の形態では、短尺燃料棒の有効部の
上端位置が１２／２４にあるため、上下端を除き各燃料
棒の濃縮度およびガドリニア濃度を軸方向で一様にして
も、適切な上下濃縮度差およびガドリニア量の差が付く
ため、製造上のコストを低く抑えながら軸方向出力分布
を最適に制御することが可能である。もちろん、一部或
いは全部の燃料棒について軸方向に濃縮度やガドリニア
濃度の分布を付ければ、軸方向出力分布を従来より更に
詳細に調整することが可能である。 （第２，３の実施の形態） （請求項１，２，４，５，
８，９，１０に対応） 第２、３の実施の形態の燃料集合体を図５および図６に
示す。なお、図５および図６においては、燃料集合体の
軸方向構成は第1 の実施の形態と同様であるが、燃料集
合体の横断面形状の変形例を示している。すなわち、第
１の実施の形態では、９×９正方格子と丸型太径ウォー
タロッドを組み合わせた構成について説明したが、本発
明は、その他の不規則な配置を含む、任意の格子形状や
ウォータロッド形状についても明らかに有効であり、こ
れらの例を示す。

【００５１】図５は、10×10正方格子に２×２の角型ウ
ォータロッドを２本取り入れた燃料集合体である。10×
10正方格子は燃料棒本数が多く、熱伝達面積が大きいた
め、線出力密度や限界出力等の熱的な特性は良好である
が、圧損が大きくなりやすい欠点を持っている。本発明
は短尺燃料棒３の長さが短く圧損が低い特性を持ってい
るので、このような格子に適用すれば、不利を補い、ま
た炉停止余裕や熱的特性の更に良い燃料集合体を得るこ
とができる。なお、本実施の形態では短尺燃料棒３のう
ち８本をチャンネルボックスに隣接しているため、第１
の実施の形態でウォータボックスに隣接している場合と
同様に、炉停止余裕改善の効果が高い。

【００５２】図６は、回転格子とよばれる、正方格子を
45°回転して得られる格子形状に、十字型のウォータロ
ッドを組み合わせた燃料集合体である。チャンネルボッ
クスに隣接する燃料棒本数が少ないため炉停止余裕の特
性が良いが、燃料棒本数が９×９正方格子より多く、ウ
ォータロッドの表面積が大きいため、圧損が大きくなり
やすい傾向がある。本実施の形態では第２の実施の形態
と同様に圧損を改善することができる。 （第４の実施の形態） （請求項１〜７に対応） 図１は本発明の第４の実施の形態の燃料集合体を示した
ものであり、図１（Ａ）は燃料集合体の一部縦断面図、
（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ（Ａ）のＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ矢視横
断面図であるる。なお、図中、第１の実施の形態と同一
部分は同一符号を附し、重複する説明は省略する。

【００５３】本実施の形態では、有効長上端位置が１２
／２４の短尺燃料棒３と、６／２４の短尺燃料棒１０３
の２種類の短尺燃料棒を用いている。これにより、ボイ
ド率が低い燃料最下部、平均的なボイド率の中央下部、
ボイド率が高い上半部の３つの領域に応じて核分裂性物
質量を３段階に変えている。またこれらの各領域に応
じ、上方ほどウォータロッドの断面積を大きくしている
ので、各領域で減速材対ウラン量の比がほぼ一定になっ
ている。この結果、従来のような軸方向濃縮度分布やガ
ドリニア分布を付けなくても燃料集合体の反応度を軸方
向にほぼ一定に保つことができる。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、燃料の炉停止余裕およ
び限界出力比を改善し、圧損が低減されるので、燃料集
合体の健全性、安全性、安定性が良くなり、またポンプ
動力費も削減されるなど、原子炉の運転性を向上するこ
とができるとともに、燃料棒の濃縮度やガドリニア濃度
の分布の簡素化により製造コストをも低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第１の実
施の形態を一部断面で示す立面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ
−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。

【図２】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第１の実
施の形態における燃料棒の配置状態を示す平面図、
（Ｂ）は（Ａ）における燃料棒の濃縮度およびガドリニ
ア分布を示す分布図。

【図３】短尺燃料棒の長さと、原子炉停止時における軸
方向中性子分布の関係を示す図。

【図４】短尺燃料棒の長さと、炉停止余裕の関係を示す
図。

【図５】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第２の実
施の形態の、短尺燃料棒上端より上部の断面における断
面図、（Ｂ）は下部の断面における断面図。

【図６】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第３の実
施の形態の、短尺燃料棒上端より上部の断面における断
面図、（Ｂ）は下部の断面における断面図。

【図７】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第４の実
施の形態を一部断面で示す立面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ
−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図、
（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図。

【図８】（Ａ）は従来の燃料集合体を一部断面で示す立
面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は
（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…長尺燃料棒、３および１０３…短
尺燃料棒、４…上部タイプレート、５…下部タイプレー
ト、６…ウォータロッド、７…チャンネルボックス、８
…スペーサ、９…燃料棒有効部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平野 靖 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長さが異なる２種類以上の燃料棒と内部
   を冷却材の一部が流れる水棒を複数のスペーサを用いて
   任意の格子形状に束ね、この燃料束をチャンネルボック
   スで包囲して構成された燃料集合体において、前記複数
   本の燃料棒は長尺燃料棒とこれよりも長さの短い短尺燃
   料棒とからなり、かつ前記短尺燃料棒の有効部上端が前
   記長尺燃料棒のうち最も長い有効部の１４／２４の高さ
   以下に位置することを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】 前記短尺燃料棒のうち少なくとも一部の
   下端部に燃料ペレットの充填されないプレナム部を設け
   たことを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
3. 【請求項３】 前記短尺燃料棒は全長或いは有効長の異
   なる２種類以上の燃料棒からなることを特徴とする請求
   項１または請求項２に記載の燃料集合体。
4. 【請求項４】 前記短尺燃料棒のうち少なくとも一部が
   前記水棒またはチャンネルボックスに隣接して配置され
   ていることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載
   の燃料集合体。
5. 【請求項５】 前記短尺燃料棒のうち最も長いものの上
   端に最近接するスペーサから燃料集合体最下部スペーサ
   までの平均スペーサ間隔Ｌ１、前記短尺燃料棒のうち最
   も長いものの上端に最近接するスペーサから最上部スペ
   ーサまでの平均スペーサ間隔Ｌ２が、Ｌ１＞Ｌ２である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の記載の燃料
   集合体。
6. 【請求項６】 燃料集合体の高さ方向位置Ｈ１における
   前記水棒の冷却材流路断面積をＡ１、前記高さ方向位置
   Ｈ１よりも高い位置Ｈ２における前記水棒の冷却材流路
   断面積をＡ２が、Ａ１≦Ａ２であることを特徴とする請
   求項１ないし請求項５に記載の燃料集合体。
7. 【請求項７】 燃料集合体を軸方向上方より俯瞰したと
   き水棒の一部分が少なくとも短尺燃料棒の一部を覆い隠
   すように前記水棒と前記短尺燃料棒が配置されているこ
   とを特徴とする請求項６に記載の燃料集合体。
8. 【請求項８】 前記短尺燃料棒の少なくとも一部につい
   て燃料棒平均濃縮度が燃料集合体平均濃縮度よりも低い
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項７に記載の燃料
   集合体。
9. 【請求項９】 前記短尺燃料棒のうち少なくとも一部は
   ガドリニアを含有するペレットを装填して成ることを特
   徴とする請求項１ないし請求項８に記載の燃料集合体。
10. 【請求項１０】 全燃料棒の濃縮度およびガドリニア濃
    度のうち少なくとも一方が上下端を除いて軸方向に一様
    であることを特徴とする請求項１ないし請求項９に記載
    の燃料集合体。