JPH10197673A

JPH10197673A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH10197673A
Application number: JP9342831A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ueda; 精植田; Toshisuke Ogiya; 俊亮扇谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 1998-07-31
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: JP2931573B2

Abstract

(57)【要約】【課題】沸騰水型原子炉の燃料集合体において、核燃料
の濃縮度を高くしても原子炉停止を可能とし、かつ軸方
向出力分布を改善すること。【解決手段】金属製被覆管内部に核燃料物質を充填した
多数の燃料棒と互いに隣り合う少なくとも２本の燃料棒
を包含する大きさの減速材棒とを規則正しく配列した燃
料集合体において、前記燃料棒は、長尺燃料棒と、前記
長尺燃料棒の燃料有効部下端から前記長尺燃料棒の燃料
有効部全長（Ｈ）の２／３Ｈ位置ないし５／６Ｈ位置の
範囲の少なくとも一部を含む領域に核燃料物質が充填さ
れない短尺燃料棒、とからなり、前記短尺燃料棒を少な
くとも前記減速材棒に隣接する位置または挟まれる位置
に配置したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料集合体に係り、
特に運転サイクルが長くかつ高停止余裕型の沸騰水型原
子炉に好適な燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の燃料集合体は、金属製
被覆管内部に核燃料物質を充填した多数の燃料棒を規則
正しく配列されたものが方形のチャンネルボックスの内
部に収納されて構成されている。そして、沸騰水型原子
炉の炉心では、通常１体の十字型制御棒とそれを取り囲
む４体の燃料集合体とから構成されたセルが規則正しく
配置されている。すなわち、沸騰水型原子炉の炉心の各
燃料集合体および制御棒は、それらの軸が垂直で互いに
平行になるように配列され、減速材としての機能を有す
る冷却材は炉心の下方から上方に向って流れるように構
成されている。そして、炉心有効部下端即ち発熱部の下
端付近では気泡は発生しないが、炉心の中央部から上端
部にかけては大量の気泡が発生し、この発生した気泡は
炉心上方に流れる。気泡の占める体積割合即ちボイド割
合が高くなると、中性子の減速特性が低下するため熱中
性子束が低下し、出力が低下する。これを避けるため、
ボイド割合の高い部位では核分裂核種濃度即ち濃縮度を
高めたり、或いはボイド割合の低い部位の出力上昇を抑
えるべく可燃性毒物を入れる等して対処してきた。

【０００３】したがって、沸騰水型原子炉では炉心上部
の燃焼が遅れやすく、これによってＵ-235濃度が相対的
に他の部分より高くなり、また、ボイドによりＰu-239
などの核分裂性核種が生成されるため、炉心上部では原
子炉の停止余裕がきびしくなり易い事はよく知られてい
る。さらに、経済性向上を主目的として、運転サイクル
の長期化や燃料の燃焼度向上のための努力が続けられて
いる。この場合も燃料の濃縮度は必然的に高められるの
で、原子炉の停止余裕は一段ときびしくなる。次に、沸
騰水型原子炉に用いられた燃料集合体及び近い将来用い
られると期待される燃料集合体の代表例を図面を参照し
て説明する。第14図(a) および同図(b) はそれぞれ従来
の燃料集合体の斜視図および燃料集合体を構成する燃料
棒の概略縦断面図である。

【０００４】同図(a) において、燃料集合体は水棒（図
示せず）と燃料棒２を上部タイプレート４，スペーサ
５，下部タイプレート６により固定し、その外側をチャ
ンネルボックス１で取囲むように構成されている。燃料
棒２は同図(b) に示すように、被覆管７内に燃料ペレッ
ト８を配設し、その上部のガスプレナムにスプリング９
を設け、上端に上部端栓10を下端に下部端栓11を設けて
いる。

【０００５】第15図は第14図に示す従来の燃料集合体の
横断面図である。チャンネルボックス１内には62本の燃
料棒２と２本の水棒３が配列されて燃料集合体を構成し
ている。水棒３は集合体内部で減速材である水が不足す
るのを抑制しているが、この水棒３は軸方向に一様であ
るため炉心下方では水過剰、上方では水不足になるとい
う問題点がある。

【０００６】第16図に示す燃料集合体は前記燃料集合体
の特性を改良するために開発されたものであり、集合体
内部に１本の太径水棒（太水棒）12を配置して非沸騰水
を導入している。しかしながら、この例でも炉心下方で
は水過剰、上方では水不足になるという問題点がある。

【０００７】第17図に示す燃料集合体も第15図の燃料集
合体の改良であり、４つの小チャンネルボックス13を設
け、小チャンネルボックス13内には沸騰冷却水を、また
小チャンネルボックス13相互間の十字状間隙14には非沸
騰冷却水領域とすることにより、水平方向出力分布の平
坦化を図ったものであるが、このタイプの燃料集合体も
炉心下方では水過剰、上方では水不足になるという問題
点がある。

【０００８】第18図に示す燃料集合体は、第17図の燃料
集合体の改良型として開発されたものである。この燃料
集合体は９ケのサブアセンブリ15で構成されており、各
サブアセンブリ15はそれぞれ９本の燃料棒２で構成され
ている。サブアセンブリ15の間にはやや広い間隙16が設
けられている。この燃料集合体の場合も炉心上下部の水
の過不足問題は解決されていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、沸騰
水型原子炉（ＢＷＲ）の発熱部である燃料集合体の最下
端では、気泡は発生しないものの、その他の部分ではど
こででも気泡は発生し、しかも発生した気泡は上方（下
流）へ流れていく。従って、ＢＷＲの気泡割合（ボイド
割合）は炉心上方ほど高くなる。その結果、中性子の減
速特性が低下するので核分裂割合が低下することにな
る。すなわち、燃焼は炉心下方で進み、炉心上方で遅れ
ることになる。そこで、炉心上方の出力の低下を抑制す
るために、炉心上方の核分裂核種濃度を高くすることが
提案されている。

【００１０】ところが、炉心上方でのボイド割合の上昇
と核分裂核種濃度を高くすることは、原子炉停止時の炉
心上部での未臨界度を浅くすることになる。一方、運転
サイクルを長期化して経済性を向上するためには燃料の
濃縮度を更に高めなければならないが、このことは炉心
上部での未臨界度をますます浅くすることになり、終に
は原子炉を停止できなくなる場合も考えられる。すなわ
ちこの点がネックとなって、従来の原子炉炉心では運転
サイクルの長期化が出来ないという問題点があった。

【００１１】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、その目的は、燃料の濃縮度を高くしても原
子炉停止を可能とするとともに軸方向出力分布を改良し
た沸騰水型原子炉の炉心を構成する燃料集合体を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は金属製被覆管内部に核燃料物質を充填した
多数の燃料棒と互いに隣り合う少なくとも２本の燃料棒
を包含する大きさの減速材棒とを規則正しく配列した燃
料集合体において、前記燃料棒は、長尺燃料棒と、前記
長尺燃料棒の燃料有効部下端から前記長尺燃料棒の燃料
有効部全長（Ｈ）の２／３Ｈ位置ないし５／６Ｈ位置の
範囲の少なくとも一部を含む領域に核燃料物質が充填さ
れない短尺燃料棒、とからなり、前記短尺燃料棒を少な
くとも前記減速材棒に隣接する位置あるいは複数の前記
減速材棒に挟まれる位置に配置したことを特徴とするも
のである。あるいは、前記燃料棒を十字状非沸騰冷却水
領域によって複数の小単位に分割し、前記短尺燃料棒を
前記十字状非沸騰冷却水領域に隣接する位置に配置した
ことを特徴とするものである。なお、以下前記短尺燃料
棒をＰ燃料棒と略す。

【００１３】上記したように、本発明の燃料集合体によ
ると、短尺燃料棒の有効長より上部の核分裂性物質を排
除した部分と減速材棒または十字状非沸騰冷却水領域と
からなる非発熱部即ち介在領域を挟んで、介在領域の両
側の中性子相互作用（結合効果）が冷態時に弱まり、高
温運転時，特にボイド発生時に強まる現象が発生する。
この現象は主として拡散距離の短い熱中性子の作用によ
って説明することができる。すなわち、冷態時は水の密
度（約 1.0ｇ／ｃｍ3 ）が大きいので熱中性子の拡散距
離は短くなり、介在領域を挟んだ両側の中性子の相互作
用が減少し、その結果中性子増倍特性が低下する。高温
運転時はボイドが発生していない状態でも沸騰水型原子
炉では水温（基準値）は約 286℃で、水の密度は約0.74
ｇ／ｃｍ³となる。水中の熱中性子移動距離は冷態時の
1／0.74（＝1.35）倍に増大する。さらに、ボイド発生
時の気水混合体の密度は 0.3程度にまで低下し、その結
果、気水混合体の中の熱中性子拡散距離は 1／0.3 （≒
３）倍に増大する。この結果、介在領域を挟んだ両側の
中性子相互作用が増大し、中性子増倍特性が上昇する。

【００１４】上述の作用を利用すると、介在領域の導入
により、冷態時は増倍率を低下させ即ち原子炉停止余裕
（未臨界度）を増大させ、高温運転時は燃料の量を介在
領域の導入によって減少させた場合でも増倍率の低下を
防止したり、好適な設計を行なえばかえって介在領域が
ない場合より増倍率を増大させることさえ可能となる。

【００１５】次に、本発明の作用を第３図を参照して説
明する。同図(a) に示すように、直方形断面を有する２
つの燃料領域Ｉ，IIがあり、その間に幅ｗの水ギャップ
が存在するものとする。また燃料領域Ｉ，IIの水ギャッ
プ幅ｗと同じ方向の幅ｗ_fは水ギャップ幅ｗに比べて充
分広いものとする。このときの水ギャップ幅ｗと中性子
増倍率の変化の関係は同図(b) に示すとおりであり、同
図(b) のｃ部分を拡大して同図(c) に示す。ここで、
「中性子増倍率の変化」は、高温時（破線）、冷態時
（実線）とも、水ギャップ幅が０のときの中性子増倍率
からの変化であることを示す。燃料集合体の中で軸方向
と直角方向（軽水炉では通常水平方向）では、広い水ギ
ャップ領域をとることは困難である。すなわち、外形が
与えられた範囲で水ギャップを広くとることは燃料領域
が狭くなることであり、発熱領域が狭くなることであ
る。

【００１６】本発明では、燃料集合体の軸と直角方向に
介在領域を挿入するので、狭い幅の介在領域の特性を明
らかにする必要がある。第３図(c) はこの主旨のもとに
同図(b) のｃ部を拡大して示したものである。精々３〜
５ｃｍ程度の水ギャップを設けた場合に対する理論計算
値もほぼ同図(c) と同様な曲線を与える。即ち、高温運
転時（ボイド発生時）は水ギャップ幅とともに増倍率の
変化は正方向に増大し（実効増倍率 k_effが増大し）、
冷態時は水ギャップ幅が約１ｃｍを越えると顕著に k
_effが水ギャップ幅の増大により減少し、炉停止時の未
臨界度の増大に役立つことがこの図から理解できる。

【００１７】なお、上記の作用に関する説明では、水ギ
ャップを挟む２つの燃料領域間の中性子相互作用の変化
という見方をしたが、燃料集合体の無限増倍率 k_∞を古
くから知られている４因子に分ける方式で説明すること
もできる。この方式では、第３図(c) の曲線は主として
熱中性子利用率と共鳴を逃れる確率の特性の変化によっ
ても説明される。燃料集合体内部で燃料棒本数を減らさ
ないで水ギャップを拡げる場合には、燃料棒間の間隙を
縮小しなければならず、これが共鳴吸収における燃料棒
相互間の共鳴中性子の遮蔽効果を増大させ、その結果、
共鳴を逃れる確率が増大する効果が生じ、一方では、燃
料領域対水ギャップ部の熱中性子束比が減少し、その結
果熱中性子利用率が低下する効果が生じる。第３図(c)
は上記２つの効果の水密度依存性と水ギャップ幅依存性
の相殺効果によりほぼ決定される。

【００１８】燃料棒間間隙を固定しかつ水ギャップを拡
げるためには、燃料棒内から燃料物質を排除しなければ
ならない。その場合には、上記の共鳴吸収を逃れる確率
の変化は、共鳴中性子の遮蔽効果ではなく、減速効果の
増大によって共鳴を逃れる確率が増大することになる。
即ち、原子炉を高温で運転しており、ボイドも発生して
いる場合には減速材不足状態になっているため、水ギャ
ップの導入によってそれが緩和され、その結果やはり共
鳴を逃れる確率は増大する。熱中性子利用率の変化は上
記の例とほぼ同様である。

【００１９】本発明では、高温運転時に実効増倍率 k
_effを増大させ、過大な負のボイド係数を緩和させ、冷
態停止時にあっては k_effを減少させ、従って未臨界度
即ち炉停止余裕を増大させる特性を有する介在領域、即
ち短尺燃料棒の有効長より上部の核分裂性物質を排除し
た部分と太径減速材棒（水棒もしくは高密度に水素を含
み中性吸収効果の小さい水素化ジルコニウムＺr Ｈ2 な
ど）または十字状非沸騰冷却水領域の相乗作用を利用す
る。

【００２０】即ち、互いに隣り合う少くとも２本の燃料
棒を包含する大きさの太径減速材棒を配置すると、減速
材棒は高温運転時は k_effを増大させ、冷態停止時は k
_effを減少させる働きがあるので、高温運転時は正の干
渉効果が発生し、冷態停止時は負の干渉効果が発生す
る。このような干渉効果は、炉心内に、まわりより高濃
縮度の燃料をある程度近接して２体配置すると正の干渉
効果が発生し、逆に制御棒をある程度近接して２体配置
すると負の干渉効果が発生するのと本質的には同じ干渉
効果である。本発明ではこのような現象を太径の減速材
棒で効果的に発生させ、かつ短尺燃料棒の有効長より上
部の核分裂性物質を排除した部分を配置することによっ
て干渉効果を一段と高めている。このような特性を利用
すると、燃料のインベントリをあまり減らさないで、よ
り太い減速材棒を導入した場合と同様の特性が得られ
る。インベントリが減らない事は発熱物質の利用が多い
ことであり、原子炉出力向上に寄与する。出力を一定と
する場合には燃料棒の出力密度を低減できるので、燃料
の健全性が向上する。

【００２１】また、このような大きな相乗効果を発生さ
せ、特に炉停止余裕を大きくさせる部位を炉心上部の炉
停止余裕がきびしくなる部分に限定してインベントリの
低減を抑制している。炉心下端から全長の 2/3程度まで
は太径減速材棒が配置されており、前記減速材棒間また
は前記減速材棒のまわりには従来どおり燃料棒が配置さ
れている。減速材棒のまわりは熱中性子束が上昇してい
るが、太径減速材棒では熱中性子束の上昇している範囲
が燃料棒１本分相当の細径減速材棒の場合に比べてより
広い。特に互いに隣り合う少なくとも２本の燃料棒を包
含する大きさの太径減速材棒では、燃料棒間の沸騰水を
も非沸騰水に置換するので、減速材棒によって減少する
燃料インベントリの割に効果的に広い範囲の減速材棒ま
わりの熱中性子束を上昇させることができる。

【００２２】以上の説明において、大径減速材棒に代え
て十字状非沸騰冷却水領域を設けても、同様の効果を達
成することができる。すなわち、第17図の従来例におい
て、小チャンネルボックス13相互間の十字状間隙14の非
沸騰冷却水領域は、大径水棒と同様の作用を有する。従
って、十字状非沸騰冷却水領域に隣接して短尺燃料棒を
配置することによって、短尺燃料棒の有効長より上部の
核分裂性物質を排除した部分により上記の干渉効果を一
段と高めることができる。

【００２３】熱中性子束上昇領域では燃料の反応度が上
昇するので k_effの増大に寄与できる。また高濃縮度燃
料ではより多くの可燃性毒物入り燃料棒を用いて潜在的
な増倍率を抑制しなければならないが、熱中性子束上昇
領域が広いと集合体内配置位置が広がり、また反応度効
果の増大により本数を低減させることもできる。

【００２４】さらに、本発明の特徴は、大径減速材棒ま
たは十字状非沸騰水領域に隣接して、短尺燃料棒を配置
する点にあり、上述の炉停止余裕を向上させると同時に
冷却材の圧力損失を低減させることができる。すなわ
ち、短尺の燃料棒を用いることにより、高いボイド率の
ため流速が特に高くなり大きな圧力損失を生じる冷却材
の下流（燃料集合体の上部）において冷却材流路が拡大
するので、圧力損失が効果的に低減される。この結果冷
却材駆動用のポンプ動力が減少し、原子力発電の効率が
向上する。

【００２５】すなわち本発明によれば、燃料インベント
リの低減を抑制しつつ、冷却材の圧力損失を低減しなが
ら効果的に、高温出力運転時にｋ_effを増大させ、冷態
停止中にｋ_effを減少させることが可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面を参照して
説明する。第１図は本発明の一実施例の平面図である。
本実施例の燃料集合体は、太径の減速材棒として４燃料
棒セルに相当する大きさの太水棒44（Ａ，Ｂ）が２本
と、この太水棒Ａと太水棒Ｂの間に５本のＰ燃料棒45
（第２図参照）が配置されている。この太水棒Ａ，Ｂと
５本のＰ燃料棒45が配置された領域を除いた領域に通常
の燃料棒33が規則的に９行９列配置されている。したが
って、本燃料集合体は太水棒44は２本，Ｐ燃料棒45は５
本，通常の燃料棒33は68本から構成されている。燃料集
合体全体としては対角線に対して対称配置構造になって
いる。そして、本燃料集合体は停止余裕が厳しくなる炉
心の 3/4H 付近を含むようにＰ燃料棒の非燃料部（vani
shing rod ）が位置しており、この高さ位置では点線で
示すように、太水棒Ａから太水棒Ｂにかけて広い非燃料
領域が形成されるので、炉停止余裕（SDM:shut down ma
rgin）が向上する。また、これら太水棒44とＰ燃料棒45
を取り囲む燃料棒Ｈと燃料棒ｈは普通の燃料棒である
が、燃料棒ｈより燃料棒Ｈの方が太水棒44と接する部分
が大きいので、反応度への寄与が大きい。さらに、Ｐ燃
料棒45の非燃料部高さでは燃料棒Ｈと燃料棒ｈの部分で
熱中性子束が高くなり、燃料棒の反応度効果が上昇し、
Ｐ燃料棒45の非燃料部高さを除く部位では燃料棒ＨとＰ
燃料棒45で熱中性子束が上昇する。したがって、これら
部位は k_effを意図的に上昇または低下させるのに好適
である。

【００２７】第２図(a) は本発明の燃料集合体の側面
図、同図(b) (e) は本発明の燃料集合体に使用される燃
料棒の概略断面図である。第２図(b) において、燃料棒
33は普通の燃料棒で燃料被覆管34の中に燃料ペレット35
が封入され、その上部にはガスプレナム36が形成されて
いる。第２図(e)の43が本発明に係るＰ燃料棒である。
Ｐ燃料棒43は第２図(e) に示すように短尺燃料棒であ
り、全長がほぼ普通の燃料棒の3/4Hに相当し、その下端
にガスプレナム36が、上端には出力スパイク抑制材38を
介して補助ガスプレナム40が設けられており、この補助
ガスプレナム40の上部に非燃料部（vanishing rod ）39
が位置している。

【００２８】通常冷却材流の下流域すなわち燃料集合体
の上部においてはボイド率が高いため、流速が非常に大
きく、流速の２乗に略比例して増大する圧力損失もまた
大きくなる。しかし第２図に示したＰ燃料棒43を用いた
場合、冷却材流の下流域すなわち燃料集合体の上部にお
いて冷却材の流路が拡大するので、冷却材の流速が低下
する。よってこの部位の圧力損失を大幅に低減すること
ができる。なお、こうした作用効果は、特に断らない限
り以下述べる他の実施例についても共通するものであ
る。

【００２９】そして、上記Ｐ燃料棒の特徴は炉停止余裕
が厳しくなる2/3H〜5/6H部の一部を含む位置で核分裂性
核種を排除させた点にある。これは燃料有効長下端から
3/4H 付近で特に未臨界度が浅くなるためである。ま
た、出力スパイク防止のために出力スパイク抑制材38が
上端に隣接して挿入されている。

【００３０】第４図は本発明の第２の実施例の平面図で
ある。既に説明した第１の実施例と同一個所には同一符
号を付して説明する。以下の各実施例についても同様で
ある。

【００３１】本実施例では第１実施例において、太水棒
Ａを１行下に移動し、また太水棒Ｂを１列右に移動した
構成であるから、本燃料集合体は太水棒Ａ，Ｂの間には
２本のＰ燃料棒45が配置された構造になっている。した
がって、本燃料集合体では太水棒44は２本，Ｐ燃料棒45
は２本，通常の燃料棒33は71本から構成されている。炉
心上部のSDM が厳しくなる位置では第１実施例よりも太
水棒44およびＰ燃料棒45を囲む非燃料域は点線で示すよ
うに小さい。本実施例は燃料集合体外周の水ギャツプ幅
が異なる炉心（ＢＷＲ―Ｄ格子炉心）に好適である。

【００３２】第５図は本発明の第３の実施例の平面図で
ある。本実施例の燃料集合体は全体としては３×３サブ
バンドル９ケで構成されている。そして、各サブバンド
ル間はやや広い水ギャップ50が形成されている。ギャッ
プがやや広い部分を中心とする２個の太水棒44（Ａ，
Ｂ）が挿入されており、この太水棒ＡとＢの間にＰ燃料
棒45が５本配置されている。このようにギャップのやや
広い部分に太水棒44が挿入されているので、インベント
リを減らす量の割りに太い水棒とすることができるし、
また、この部分に集まり易い冷却水を水棒で集まりにく
くできる。したがって、炉心上部では太水棒ＡとＢはＰ
燃料棒45を介して広い非燃料領域を形成する。さらに、
太水棒Ａ，Ｂと直角方向のギャップの広い部分の交点に
は細いＦＣ（フローコントロール材）49を入れて冷却水
の集まりを抑制しており、太水棒Ａ，Ｂもギャップの冷
却材の流れをコントロールする作用を有している。ＦＣ
49は通常細い水棒で構成し、矢印のように（炉心の上半
において）冷却水を排出できる程度の流量とするのがよ
い。なお、本燃料集合体は太水棒44は２本，Ｐ燃料棒45
は５本，通常の燃料棒33は68本，ＦＣ49は２本から構成
されている。

【００３３】第６図は本発明の第４の実施例の平面図で
ある。本実施例の燃料集合体は前記第５図と同様に全体
としては３×３サブバンドル９ケで構成されている。そ
して、各サブバンドル間はやや広い水ギャップ50が形成
されているが、太水棒ＡとＢが第５図よりも近接してい
る。そこで、太水棒ＡとＢは水棒結合材兼フローコント
ロールフィン51で軸方向に数か所結合されている。この
フィン51が集合体の中央部に冷却水が集まる傾向のある
ものを押し返す作用を有する。炉心上部では点線内が非
燃料部となる。Ｐ燃料棒45はフィン51の長手方向に沿っ
て３本づつ配置されている。したがって、本燃料集合体
は太水棒44は２本，Ｐ燃料棒45は６本，通常の燃料棒33
は68本から構成されている。

【００３４】第７図は本発明の第５の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は燃料棒の配置が4-1-4 形粗密
格子集合体である。対角線上の４×４サブバンドルの内
側で普通の燃料棒33の４本分の太水棒44（Ａ，Ｂ）を挿
入し、この太水棒ＡとＢの間に５本のＰ燃料棒45を配置
したものである。第１図の実施例に似ているがＰ燃料棒
の間隔が広いので、炉心上部の点線で囲まれた非燃料部
も広く形成される。本燃料集合体は太水棒44は２本，Ｐ
燃料棒45は５本，通常の燃料棒33は68本から構成されて
いる。

【００３５】第８図は本発明の第６の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は燃料棒の配置が 5-4形粗密格
子集合体である。太水棒ＡとＢは非対称の格子集合体の
内側角部に挿入されている。Ｐ燃料棒45は対称の格子集
合体の内側角部に１本づつ配置されている。本燃料集合
体は太水棒44は２本，Ｐ燃料棒45は２本，通常の燃料棒
33は71本から構成されている。なお、本実施例はＢＷＲ
―Ｄ格子炉心に好適である。

【００３６】第９図は本発明の第７の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は燃料棒の配置が4-2-3 形粗密
格子集合体である。本実施例は第８図に似ているが、第
５図のようにＦＣ（フローコントロール材）49が設けら
れている。本燃料集合体は太水棒44は２本，Ｐ燃料棒45
は２本，通常の燃料棒33は71本，ＦＣ49は２本から構成
されている。なお、本実施例はＢＷＲ―Ｄ格子炉心に好
適である。

【００３７】第10図は本発明の第８の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は燃料棒の配置が4-3-2 形粗密
格子集合体である。本実施例は第９図に似ているが、格
子の形状の影響により太水棒Ａと太水棒Ｂの太さがやや
異なっている。本燃料集合体は太水棒44は２本，Ｐ燃料
棒45は２本，通常の燃料棒33は71本，ＦＣ49は２本から
構成されている。なお、本実施例はＢＷＲ―Ｄ格子炉心
に好適である。

【００３８】第11図は本発明の第９の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は10×10型で燃料棒の配置が4-
2-4 形粗密格子集合体である。したがって、太水棒44
（Ａ，Ｂ）が大きくとれるが、それ以外は第９図に似た
構成である。本燃料集合体は太水棒44は２本，Ｐ燃料棒
45は２本，通常の燃料棒33は90本，ＦＣ49は２本から構
成されている。

【００３９】第12図は本発明の第10の実施例の平面図で
ある。本実施例の集合体は11×11型の一種で燃料棒の配
置が(5×5)×4 形粗密格子集合体の変形である。第８図
の燃料集合体において、サブバンドル間のギャップに合
計８本の燃料棒を配置し、５−４形を５−５形とし、８
本の燃料棒追加により燃料インベントリーの増加を図っ
ている。本実施例の一つの特徴としては、チャンネルボ
ックス側面中央部でチャンネル材と燃料棒との間にやや
広い水領域を設けている点がある。この構成によって対
向する図示しない燃料集合体との間の水ギャップが拡が
り、炉停止余裕の向上に寄与する点があげられる。太水
棒44（Ａ，Ｂ）は大きくとれる。本燃料集合体は太水棒
44は２本，Ｐ燃料棒45は２本，通常の燃料棒33は98本か
ら構成されている。

【００４０】第13図は本発明の第11の実施例の平面図で
ある。本実施例は４つのサブバンドル51を設け、各サブ
バンドル相互間の十字状間隙52を非沸騰冷却水領域と
し、各サブバンドル51で集合体中央に位置するコーナ部
分にＰ燃料棒45を３本と細水棒46を１本、計４本を団塊
的に配置している。本燃料集合体は、Ｐ燃料棒45は12
本、細水棒46は４本、燃料棒33は84本で構成されてい
る。この実施例では炉心上部では点線で囲む大きな非燃
料領域が形成される。

【００４１】以上述べてきた実施例において、Ｐ燃料棒
45の上端部では、その上方には核燃料物質がないため、
中性子束が高い。そのため上端部の核燃料物質では、２
cm程度（多くても５cm）の範囲で出力ピーク（スパイ
ク）が生じ、燃料の健全性上不利であるため、軸心近傍
にのみ可燃性毒物を含むペレットが２ケ（約２cm）配置
されている。これらのペレットは外周には毒物が含まれ
ていないため、出力は運転サイクル全般にわたって比較
的変動が少ない。サイクル末期に近づくにつれて毒物の
吸収特性が消滅し、この部分の出力が緩やかに上昇する
ように設計する。さらに細径Gdペレットを挿入した燃料
ペレットのかわりにペレット全体にGdを混入してもよ
い。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば以
下に記載したような効果を奏する。 (1) 原子炉停止時は水温も低く水の密度が高いので、熱
中性子の拡散距離は小さいが、本発明の燃料集合体によ
ると、核分裂性物質の存在しない非燃料領域（介在領
域）を挟んで水平方向の燃料領域の中性子相互作用（結
合効果）が減少し、その結果停止中の炉の未臨界度をよ
り大きくすることができる。

【００４３】(2) 高温運転時は、水の平均密度が大幅に
低下するので、熱中性子拡散距離が大幅（２〜３倍）に
延びる。その結果、介在領域を挟んだ結合効果が向上
し、実効増倍率は核分裂性物質が存在しない領域がある
にもかかわらず、かえって僅かではあっても増大させる
ことさえできる。介在領域の導入により不利にならな
い。

【００４４】(3) 本発明では、介在領域に軸方向に隣接
する燃料の限られた部分に可燃性毒物が効果的に配置さ
れるので、局所的な出力ピーク（出力スパイク）は発生
せず、従って燃料の健全性が保たれる。

【００４５】(4) 太径減速材棒または十字状非沸騰冷却
水領域の正の干渉効果により、燃料インベントリの減少
を低く抑えながら、太径減速材棒または十字状非沸騰冷
却水領域のまわりおよび太径減速材棒間の広い範囲にわ
たって熱中性子束を上昇させることができるので、その
部分での燃料反応度効果が上昇する。その結果、実効増
倍率を向上させることができ、あるいは可燃性毒物挿入
本数の低減が可能となる。

【００４６】(5) さらにまた、本願発明によれば短尺燃
料棒の採用により冷却材下流部において発生する大きな
冷却材圧力損失を大幅に低減することができ、冷却材駆
動ポンプの動力低減ができ、原子力発電の効率を高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の平面図。

【図２】(a) は本発明の燃料集合体の側面図、(b) (e)
は本発明の燃料集合体に使用される燃料棒の概略断面
図。

【図３】(a) 〜(c) は本発明の作用を説明するための
図。

【図４】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図５】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図６】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図７】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図８】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図９】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図１０】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図１１】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図１２】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図１３】本発明の各異なる実施例の平面図。

【図１４】(a) と(b) はそれぞれ従来の燃料集合体の斜
視図と燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦断面図。

【図１５】図14の燃料集合体の横断面図。

【図１６】従来の燃料集合体の横断面図。

【図１７】従来の燃料集合体の横断面図。

【図１８】従来の燃料集合体の横断面図。

【符号の説明】

31…燃料集合体、33…燃料棒、34…燃料被覆管、35…燃
料ペレット、36…ガスプレナム、38…出力スパイク抑制
材、39…バニッシングロッド、40…補助ガスプレナム、
43，45…Ｐ燃料棒、44…太水棒、46…細水棒、49…フロ
ーコントロール材、50…間隙。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製被覆管内部に核燃料物質を充填し
た多数の燃料棒と互いに隣り合う少なくとも２本の燃料
棒を包含する大きさの減速材棒とを規則正しく配列した
燃料集合体において、前記燃料棒は、長尺燃料棒と、前
記長尺燃料棒の燃料有効部下端から前記長尺燃料棒の燃
料有効部全長（Ｈ）の２／３Ｈ位置ないし５／６Ｈ位置
の範囲の少なくとも一部を含む領域に核燃料物質が充填
されない短尺燃料棒、とからなり、前記短尺燃料棒を少
なくとも前記減速材棒に隣接する位置に配置したことを
特徴とする燃料集合体。
【請求項２】金属製被覆管内部に核燃料物質を充填し
た多数の燃料棒と互いに隣り合う少なくとも２本の燃料
棒を包含する大きさの複数の減速材棒とを規則正しく配
列した燃料集合体において、前記複数の減速材棒は燃料
集合体の少くとも１つの対角線に対称となるごとく配置
し、前記燃料棒は、長尺燃料棒と、前記長尺燃料棒の燃
料有効部下端から前記長尺燃料棒の燃料有効部全長
（Ｈ）の２／３Ｈ位置ないし５／６Ｈ位置の範囲の少な
くとも一部を含む領域に核燃料物質が充填されない短尺
燃料棒、とからなり、前記短尺燃料棒を少なくとも前記
減速材棒に挟まれる位置に配置したことを特徴とする燃
料集合体。
【請求項３】金属製被覆管内部に核燃料物質を充填し
た多数の燃料棒を規則正しく配列した燃料集合体におい
て、前記燃料棒が十字状非沸騰冷却水領域によって複数
の小単位に分割されており、前記燃料棒は、長尺燃料棒
と、前記長尺燃料棒の燃料有効部下端から前記長尺燃料
棒の燃料有効部全長（Ｈ）の２／３Ｈ位置ないし５／６
Ｈ位置の範囲の少なくとも一部を含む領域に核燃料物質
が充填されない短尺燃料棒、とからなり、前記短尺燃料
棒を少なくとも前記十字状非沸騰冷却水領域に隣接する
位置に配置したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】前記短尺燃料棒において、核燃料物質が
充填されている上端に隣接する燃料ペレットには、前記
上端から２ｃｍないし５ｃｍの範囲で可燃性毒物を含有
させたことを特徴とする請求項１ないし３記載の燃料集
合体。
【請求項５】減速材棒は水棒であることを特徴とする
請求項１または２記載の燃料集合体。
【請求項６】多数の燃料棒を相互間隔が広い部分と狭
くなる部分を有するように規則的に配列し、前記間隔が
広い部分に減速材棒を配置したことを特徴とする請求項
１または２記載の燃料集合体。
【請求項７】前記間隔が広い部分にフローコントロー
ル材を配置したことを特徴とする請求項６記載の燃料集
合体。
【請求項８】複数の減速材棒を燃料集合体の少なくと
も１つの対角線に対称となるごとく配置し、かつ隣接す
る複数の減速材棒相互間にフローコントロールフィンを
設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【請求項９】隣接するチャンネルボックスコーナ間の
略中央部に前記中央部以外の部分よりチャンネルボック
ス内面と燃料棒との間隔を拡幅した領域を設けたことを
特徴とする請求項１または２記載の燃料集合体。
【請求項１０】燃料棒相互間の間隔が広い部分と狭い
部分が形成されるごとく多数の燃料棒を粗密的に配列
し、前記間隔が広い部分を一部分に含むように減速材棒
を配置し、該減速材棒に隣接して少なくとも１本の短尺
燃料棒を配置したことを特徴とする請求項１または２記
載の燃料集合体。