JPH10260281A - 燃料集合体および燃料棒スペーサ - 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過度の
出力ピーキングを生起させないよう出力分布を平坦化し
て、燃料集合体の熱的余裕を改善し安全性を確保すると
ともに、製造性が良く経済的な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２，３
と、内部に冷却材の一部が流れる水棒６を、複数の燃料
棒スペーサ８ａ，８ｂを用いて９行９列の正方格子状に
束ね、この燃料束をチャンネルボックス７で包囲して構
成された燃料集合体１において、水棒６が格子中央の３
行３列の領域の少なくとも一部の格子位置を占め、かつ
短尺燃料棒３が、（５，２）を含み（２，２）を含まな
い最外周から３層目以内の１／８対称の８個所を含む格
子位置に配置させ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に用
いられる燃料集合体および燃料棒スペーサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、沸騰水型原子炉で用いられている
燃料集合体の一例を図１８に示す。図１８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。また図１８（Ｃ）の燃料集
合体断面図において、短尺燃料棒３は２重の円で示され
ている。

【０００３】ここで、短尺燃料棒３は圧力損失の低減、
限界出力の向上、炉停止余裕の増大等の効果を有するた
め、通常の９×９正方配列の燃料集合体で短尺燃料棒３
を用いる場合は、図１８（Ｂ）（Ｃ）に示すように燃料
集合体断面内に分散させた配置としている。これは、各
燃料棒への冷却材配分をなるべく一定にすることを目的
としたものである。

【０００４】図１９はこの燃料集合体１に用いられるス
ペーサ８を示したもので、図１９(Ａ) の上部スペーサ
８ｂおよび図１９（Ｂ）の下部スペーサ８ａは、それぞ
れ図１８（Ｂ）および図１８（Ｃ）の断面に用いられる
スペーサ８を上方より俯瞰したものである。ここで下部
スペーサ８ａでは、各燃料棒２，３を略円筒形のセル１
２で囲み、１〜３層目以外の少数の例外、すなわち
（４，４）と（６，６）位置のセルを除き、２つのセル
１２にまたがる１個のスプリング１３で一対の燃料棒を
接触端１４（セルストップとも呼ぶ）に押し付けて保持
している。この他に八角形のセルを用いるものや直交す
る格子板で燃料棒間を区切ったスペーサについても、こ
の様な保持方法を用いることができる。上部スペーサ８
ｂは、部材量を減らし、また圧損を低減するために、短
尺燃料棒３に対応する位置のセル１２が削除されてる
が、やはり下部スペーサ８ａと同様に１〜３層目は一対
の燃料棒２を１個のスプリング１３で保持している。

【０００５】通常、このような構成の燃料集合体１の場
合、燃焼初期の反応度を抑えるため可燃性毒物を含む燃
料棒が用いられており、図２０はその燃料集合体内配置
を示したものである。図中、可燃性毒物を含む燃料棒を
Ｇで示し、以下可燃性毒物入り燃料棒という。この可燃
性毒物入り燃料棒が燃料集合体最外周にあると、制御棒
１０に到達する中性子が減少して制御棒価値が低下する
ため、これらは最外周を除く位置に分散的に配置するの
が一般的である。また、短尺燃料棒３に可燃性毒物を混
入しても燃料集合体上部の反応度は抑えられないこと
や、製造上の煩雑さから、可燃性毒物は長尺燃料棒２に
混入されることが多い。さらに、可燃性毒物の濃度は通
常新燃料が装荷された最初の運転サイクルの末期に燃え
尽きるよう調整されるので、近年のサイクル長さの増加
とともに可燃性毒物の濃度も増加する傾向にある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、燃料集合体
はその周囲を非沸騰水で囲まれており、そこで減速され
て発生する熱中性子が多いために、燃料集合体周辺に近
い燃料棒の出力が高くなる傾向がある。特に、燃料集合
体四隅の近傍は２方向で非沸騰水領域に隣接している上
に、図１８のような燃料集合体１では（２，２）及びそ
の対称位置が短尺燃料棒３であり、燃料集合体１の軸方
向上部ではこの付近に存在する水が多いため、特に中性
子減速が進み燃料棒出力が増大して熱的余裕が減少す
る。また一般に、運転時にボイド率が高くプルトニウム
が多く蓄積されている燃料集合体上部は、原子炉停止時
や起動時等の非沸騰状態での反応度が高くなるので、原
子炉起動時に制御棒の急速引抜などによる反応度投入事
象に至った場合、燃料集合体上部での出力上昇が著し
く、主にこの部分で燃料棒２の破裂が生じる。

【０００７】従って、非沸騰状態における燃料集合体上
部の出力ピーキングをなるべく低く抑えることは原子炉
の安全性上非常に重要である。ところが非沸騰状態では
短尺燃料棒３の上方は非沸騰水であるため、前述の運転
時における効果が更に強くなり、燃料集合体四隅の近傍
の燃料棒２の出力ピーキングは甚だしく大きなものとな
る。

【０００８】このような傾向を軽減するための対策の１
つとして、四隅付近に可燃性毒物を配置して少しでも出
力を抑えようとする試みがなされているが、（２，２）
位置が短尺燃料棒３であるために、集合体上部では、
（１，１）や（１，２）といったピーキングが高くなり
やすい位置の燃料棒に可燃性毒物入り燃料棒を直接隣接
させることができない。また可燃性毒物を含む燃料ペレ
ットは熱伝導率が低いため、あまり濃度の高いものを出
力が高くなりやすい部分に配置すると、熱膨張による被
覆管破損や、ペレット溶融といった事象に対する余裕が
減少するという課題があった。

【０００９】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過度
の出力ピーキングを生起させないよう出力分布を平坦化
して、燃料集合体の熱的余裕を改善し安全性を確保する
とともに、製造性が良く経済的な燃料集合体を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【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、内部に冷却材の一部が流れる水棒を、複数の
燃料棒スペーサを用いて９行９列の正方格子状に束ね、
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、前記水棒が格子中央の３行３列の
領域の少なくとも一部の格子位置を占め、かつ短尺燃料
棒が、（５，２）を含み（２，２）を含まない最外周か
ら３層目以内の１／８対称の８個所を含む格子位置に配
置させることを特徴とする。

【００１１】この構成により、燃料集合体四隅近傍の燃
料棒出力を過度に大きくすることなく短尺燃料棒を適切
に配置することができるとともに、請求項５ないし請求
項８に記載するような、製造性が良く、コストの低いス
ペーサを利用することができる。

【００１２】請求項２に係る発明は、請求項１記載の発
明において、水棒は燃料棒より断面積の大きな２本から
なり、かつ燃料棒７本分の格子位置を占めることを特徴
とする。

【００１３】この構成により、必要な減速材量のもとで
燃料棒数を最大化できるので、１体に装荷できるウラン
量が増加し燃料経済性を向上することができる。請求項
３に係る発明は、請求項２記載の発明において、格子中
央の３行３列の領域に２本の短尺燃料棒が含まれること
を特徴とする。

【００１４】この構成により、沸騰状態と非沸騰状態の
燃料の反応度差が小さくなるので、炉停止余裕を向上す
ることができる。請求項４に係る発明は、請求項１記載
の発明において、燃料棒より断面積の大きな１本の水棒
が格子中央の３行３列の領域を占めることを特徴とす
る。

【００１５】この構成により、燃料集合体内部の非沸騰
水領域が増大するので、燃料集合体断面方向の出力分布
を平坦化し熱的余裕を高めるとともに、炉停止余裕も向
上することができる。

【００１６】請求項５に係る発明は、請求項１ないし４
記載の発明において、（２，２）及びその３つの対称位
置の少なくとも一部に可燃性毒物を含む燃料棒を配置し
たことを特徴とする。

【００１７】この構成により、特に反応度が高く熱的に
厳しい燃焼初期において、燃料集合体の四隅近傍の燃料
棒出力を低く抑え、燃料の熱的余裕を向上することがで
きる。

【００１８】請求項６に係る発明は、請求項５記載の発
明において、可燃性毒物を含む燃料棒に隣接する最外周
から２層目の燃料棒の少なくとも一部が可燃性毒物を含
むことを特徴とする。

【００１９】この構成により、燃料集合体の四隅近傍の
燃料棒出力をより効果的に抑えることができるととも
に、隣接によって可燃性毒物の燃焼速度が抑制されるた
めに、同じ可燃性毒物濃度でより長期間にわたって効果
を持続することができる。

【００２０】請求項７に係る発明は、各々の燃料棒を、
それぞれ１個のスプリングにより反対側の接触端に押し
付けて保持するスペーサにおいて、（５，２）を含み
（２，２）を含まない最外周から３層目以内の１／８対
称の８個所を含む格子位置には、対応するスプリングを
設けないことを特徴とする。

【００２１】請求項８に係る発明は、前記８個所を含む
格子位置には対応する接触端を設けないことを特徴とす
る。請求項９に係る発明は、請求項７または８記載の発
明において、各々の燃料棒をそれぞれ円形又は多角形等
の形状の単位セルで包囲して保持し、かつ前記８個所を
含む格子位置には単位セルを設けないことを特徴とす
る。

【００２２】請求項７ないし請求項９に係る発明の構成
により、スペーサの部材量が減り、圧力損失を低減でき
るとともに、最外周から１〜３層目の全ての燃料棒を２
本一対にして１つのスプリングで保持することができる
ので、スペーサ部品の種類数が削減され、製造性が向上
し、製造コストを低くすることができる。

【００２３】請求項１０に係る発明は、請求項７ないし
９記載の発明において、格子中央の３行３列の領域に、
７つの格子位置を占める燃料棒より断面積の大きな２本
の水棒を保持する機構を有することを特徴とする。

【００２４】請求項１１に係る発明は、請求項１０記載
の発明において、格子中央の３行３列の領域内で水棒が
占めない２格子位置には、対応するスプリング、接触
端、単位セルのいずれか１つないし全部を設けないこと
を特徴とする。

【００２５】請求項１０ないし請求項１１に係る発明の
構成により、請求項２または請求項３に記載の燃料集合
体に最適な燃料棒スペーサを提供することができる。請
求項１２に係る発明は、請求項７ないし９記載の発明に
おいて、格子中央の３行３列の領域に燃料棒より断面積
の大きな１本の水棒を保持する機構を有することを特徴
とする。

【００２６】この構成により、請求項４に記載の燃料集
合体に最適な燃料棒スペーサを提供することができる。
請求項１３に係る発明は、請求項１ないし６記載の発明
において、前記短尺燃料棒上端より上方には請求項７な
いし請求項１２に記載の燃料棒スペーサが用いられ、か
つ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。この構成により、圧力損失を過度に増加させるこ
となく、限界出力が高く、燃料健全性に優れた燃料集合
体を提供することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）（請求項１ないし３，５，６，７
ないし１１に対応） 本発明の第１の実施の形態の燃料集合体１の全体構造に
ついて図面を用いて説明する。図１は本発明の第１の実
施の形態の燃料集合体１を示したものである。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では、２本の水棒６が格子中央３行３
列の領域の燃料棒７本に相当する部分を占めている。ま
た、短尺燃料棒３は（１，５），（２，５）及びこれら
の１／８対称位置、計８個所に配置されている。ここで
燃料集合体四隅近傍、すなわち（２，２）には短尺燃料
棒３が配置されていないため、燃料集合体上部でこの部
分の水面積は可能な限り小さく抑えられている。燃料棒
２，３は核分裂により高速中性子を発生するが、熱中性
子領域では中性子吸収体として働くため、本実施例では
四隅近傍の熱中性子束が低下し、それによって引き起こ
される核分裂量が減り、四隅部の燃料棒出力を低く抑え
ることができる。

【００２９】ところで、９×９格子の燃料集合体の場
合、短尺燃料棒数は０〜１４の範囲が実用的と考えられ
ている。この短尺燃料棒の特性を十分に生かしすために
は、上述のように（２，２）以外の位置に短尺燃料棒を
配置する必要があるが、この配置位置には多くのパター
ンが考えられる。一方で燃料集合体を構成する部品の１
つであり、この短尺燃料棒配置によって構成が変更され
るものとして、スペーサがる。このスペーサは単に燃料
棒を支持するだけでなく、冷却材の圧損に影響を与える
ものでもある。冷却材の圧損は低く押さえることが好ま
しく、このためスペーサはできる限り少ない部品点数で
構成されることが好ましい。

【００３０】本願発明者は、これらのことを十分検討し
た結果、（２，２）位置に短尺燃料棒を配置させない場
合には、（５，２）を含む最外周から３層目以内の１／
８対称の８個所を含む格子位置に配置することにより、
スペーサの部品点数を少なくでき、短尺燃料棒の特性を
十分に活用できることがわかった。

【００３１】図１に示す燃料集合体１に用いられるスペ
ーサ８を図２に示し説明する。図２（Ａ）に示す上部ス
ペーサ８ｂ、および図８（Ｂ）に示す下部スペーサ８ａ
は、それぞれ図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示す燃料集
合体の断面図の部位に用いられるスペーサ８ａ，８ｂを
上方より俯瞰したものである。ここで下部スペーサ８ａ
は、従来の図１９（Ｂ）と全く同一形状であるが、上部
スペーサ８ｂは本実施の形態の短尺燃料棒位置に対応し
て、（５，１），（５，２）及びその対称位置のセル１
２が削除されており、かつ１〜３層目の全てのセル１２
が、２個のセル１２を組にして１個のスプリング１３で
１対の燃料棒２を保持（これをペアリングと呼ぶ）して
いる。また上部スペーサ８ｂのセル１２は、それぞれ全
て同一の形状で構成されている。

【００３２】このように構成された（５，２）を含み
（２，２）を含まない最外周から３層目以内の１／８対
称の８個所の格子位置のセル１２を削除する場合に限
り、９×９格子で実用的と考えられる短尺燃料棒数の範
囲内で１〜３層目の全セルについてペアリングが可能と
なる。なお、本実施の形態に類した水棒形状の場合、
（４，４），（６，６）の２つの位置を含めてペアリン
グすることはできないので、この２つの位置については
水棒支持板１５を用いてスプリング１３を設置してい
る。

【００３３】上述した位置以外に短尺燃料棒３を配置す
る場合には、燃料棒２を保持しないダミーセルを残す
か、ペアを形成せず単独で燃料棒２を保持できる構造の
特殊セルを採用することで上部スペーサを構成すること
ができるが、いずれもスペーサ８ｂを構成する部品点数
が増すだけでなく、上方から俯瞰した時のスペーサ投影
面積が増加するのでスペーサ８ｂの圧力損失が増大し、
冷却材を循環させるポンプ動力や炉心の熱水力的安定性
上不利となる。

【００３４】また、短尺燃料棒本数は、あまり数が少な
いと圧力損失が大きく、多すぎると燃料集合体に充填で
きるウラン量が減ってしまい燃料経済性が悪くなる。一
方、燃料棒配置は１／８対称とするのが、燃料集合体内
での冷却材流量や燃焼度合いを均等にする上で基本とな
っている。これらのことから、上述の如くセルのペアを
作るとすれば、（４，４）（６，６）以外の１〜３列目
では、８本未満では０本、８本より多い場合は１６本以
上短尺燃料棒がある場合に限られるため、これらの位置
では、短尺燃料棒の本数は８本が最適である。

【００３５】したがって、（５，２）を含み（２，２）
を含まない最外周から３層目以内の１／８対称の８個所
の格子位置に短尺燃料棒を配置することにより、四隅部
の燃料棒出力を低く抑えられるので、運転時（沸騰状
態）において熱的余裕を改善し、また停止時（非沸騰状
態）においても燃料棒の中性子束ピーキングを低下させ
ることで、反応度投入事象に至った場合でも熱的余裕が
十分に得ることができ、さらにスペーサの部品点数や部
材量、スペーサ投影面積を低減することができるので、
製造性が良く、製造コスト及び運転コストが安く、安定
性の良い燃料集合体を提供することができる。

【００３６】次に、本実施の形態における、可燃性毒物
入り燃料棒の配置について説明する。図３は本実施の形
態における、可燃性毒物入り燃料棒２の配置例について
示したものである。本実施の形態では、（２，２）位置
に短尺燃料棒３が配置されていないことを利用し、可燃
性毒物入り長尺燃料棒Ｇが（２，２），（３，２），
（２，３）及びその対称位置に配置されている。

【００３７】この構成により、可燃性毒物は非常に強力
な中性子吸収物質であることから、前述の効果がさらに
強められ、燃料集合体全長にわたって四隅部の燃料棒出
力を抑えられ、燃料集合体内の断面方向出力分布は可燃
性毒物が燃え尽きるまでの期間（燃焼初期）において平
坦化される。また、出力が高くなりやすいということは
その部分の反応度に寄与する割合が高いということであ
り、こうした燃料棒の出力を抑えて核分裂性物質をより
多く残存させることで、燃焼中期以降の燃料の反応度を
高めることができる。このことは、通常燃焼中期以降の
燃料は熱的に厳しくないため、燃料経済性の観点から有
効である。

【００３８】さらに、本実施の形態では可燃性毒物を含
む燃料棒Ｇが２列目で隣接しているが、それ以外に
（３，３）にも配置してあるため、相互に熱中性子束を
吸収し合って燃焼が遅れ、同じ可燃性毒物濃度でより長
期間にわたって反応度を抑制することができる。

【００３９】このように本実施の形態により、燃焼初期
においては燃料集合体全長にわたって断面の出力分布を
平坦化して、熱的余裕と反応度投入時の安全性を確保で
き、燃焼中期以降においては燃料の反応度を高めて燃料
経済性を改善することができるとともに、可燃性毒物の
含入量をより少なくすることによりペレット熱伝導度の
低下を防ぎ燃料棒Ｇの熱機械的健全性を向上することが
できる。

【００４０】図４は本実施の形態に適用される、他の可
燃性毒物入り燃料棒の配置例について示したものであ
る。本例は、制御棒挿入側のチャンネル外の水ギャップ
が、反制御棒側の水ギャップより小さい、いわゆるＤ格
子と呼ばれる炉心に適用されることを念頭に置いてい
る。

【００４１】Ｄ格子では水ギャップの幅に偏りがあるた
め、燃料集合体１の制御棒挿入側の隅の出力が反対側に
比べて高くなりやすい傾向がある。本例ではこれに対応
して、（２，２）及びその対称位置全てに可燃性毒物を
含む燃料棒Ｇを配置すると同時に、制御棒側については
最外周２列目の全ての長尺燃料棒に可燃性毒物を混入し
ているのに対し、反制御棒側については最外周２列目に
１本おきに可燃性毒物を含む燃料棒Ｇを配置している。

【００４２】この構成により、前述した効果の他に、Ｄ
格子特有の中性子束の傾きを矯正して出力分布を平坦化
することができる。図５ないし図８は、短尺燃料棒３の
他の配置例を示したものであり、図９ないし図１２は、
それぞれ図５ないし図８の短尺燃料棒配置に対応した上
部スペーサ８ｂの例を示したものである。いずれも１〜
３層目のセルについてペアリングが完成しており第１の
実施の形態と同様の作用、効果が得られる。

【００４３】なお、図６の配置例では短尺燃料棒３を集
合体コーナに配置しており、一見上記説明と矛盾してい
るように見える。しかしながら本例では、２７０°にわ
たってチャンネル外の水領域に直に面するために燃料集
合体内で最も出力の出やすいコーナの燃料棒を、燃料集
合体上部において取り去ると同時に、四隅部の（１，
２）燃料棒より内側には短尺燃料棒３を配置していない
ため、やはり結果として四隅部の燃料棒出力は低く抑え
られる。

【００４４】さらに、図８の配置例では短尺燃料棒は水
棒に隣接しており、短尺燃料棒本数は１０本と多くなっ
ている。一般に、チャンネル外や水棒６などに短尺燃料
棒３を隣接させると炉停止余裕が改善されることが知ら
れている。これは燃料上部に部分的に大きな水領域がで
き、非沸騰時にこの部分で中性子がいわゆる過減速状態
となり水が中性子吸収体として作用し、停止時の非沸騰
状態と運転時の反応度差が小さくなるためである。ここ
で、運転時の反応度は適切になるよう濃縮度や可燃性毒
物で調整されているので、反応度差が小さくなれば非沸
騰状態の反応度があまり高くならない。

【００４５】第１の実施の形態及びその他の短尺燃料棒
配置においてもこれに該当し、炉停止余裕は改善されて
いるが、図８に示す燃料集合体は短尺燃料棒３の本数が
多いため、圧損を更に低減できる効果がある。

【００４６】このような図８に示す燃料集合体の短尺燃
料棒配置に対応した上部スペーサ８ｂの例を図１２に示
す。本例ではスペーサ材の肉厚が薄いなどの理由で構造
上の強度を確保しなければならない場合を想定し、水棒
支持の目的も兼ねて６つのダミーセル１７が設けられて
いる。もちろんペアリングは完成しており、これらのダ
ミーセル１７にはスプリング１３もセルストップ１４も
取り付けられていないので、圧損への影響は最小限にと
どめることができる。

【００４７】図１３は、図１の燃料集合体１に適用でき
る、いわゆる八角セルを基本とするスペーサの例であ
り、図１３（Ａ）は上部スペーサ８ｂ、図１３（Ｂ）は
下部スペーサ８ａを示しているが、構成、作用、効果と
もに上述した丸セルスペーサと全く同様である。

【００４８】図１４は、図１の燃料集合体１に適用でき
る、直交する格子板１８で燃料棒間を区切った格子型ス
ペーサの例であり、図１４（Ａ）は上部スペーサ８ｂ、
図１４（Ｂ）は下部スペーサ８ａを示している。格子型
スペーサの場合、単位セルの組み合わせによる構造では
ないので、セルを削除するといった概念は無い。しかし
図１４に示すように、セルスペーサと同様に１対の燃料
棒２を１個のスプリング１３で支持する構造の場合、や
はりペアリングできることが部品削減、投影面積低減の
観点から望ましいことは明らかである。

【００４９】図１４の例では、図１の短尺燃料棒３に対
応する位置以外でペアリングが完成しているので、これ
らの位置に対応するスプリング１３やストップ１４が一
切削除されている。

【００５０】（第２の実施の形態）（請求項４，１２に
対応） 図１５は本発明の第２の実施の形態の燃料集合体１を示
したものであり、図１６（Ａ）はこれに装着する上部ス
ペーサ８ｂ、図１６（Ｂ）は下部スペーサ８ａをそれぞ
れ示したものである。なお、第１の実施の形態と同一の
部分は同一の符号を付し重複する説明は省略する。

【００５１】本実施の形態では、格子中央３行３列の領
域の燃料棒９本に相当する角型の水棒６が配されてお
り、第１の実施形態に比べて非沸騰水領域が大きくなっ
ているので、ボイド変化に対する反応度変化の割合（ボ
イド係数と呼ぶ）が小さく、圧力上昇などによりボイド
率が減少する過渡において、炉心の出力上昇割合が小さ
いという利点がある。

【００５２】また燃料棒２，３が１〜３層目にしか無
く、第１の実施の形態のスペーサにおける（４，４），
（６，６）位置のようなペアを組めない独立セルが存在
しないので、よりスペーサ部品点数が削減されている。

【００５３】なお、ここでは角型の水棒６の例を示した
が、同じく格子中央の３行３列の領域に太径丸型の水棒
を配置しても水棒支持板１５の形状が変わるだけで同様
に構成することができる。また短尺燃料棒配置、スペー
サ構造についても、この他に、第１の実施の形態で説明
したような種々の配置、構造も明らかに可能である。

【００５４】（第３の実施の形態）（請求項１３に対
応） 図１７は本発明の第３の実施の形態の燃料集合体１の一
部縦断面を示したものである。ここで短尺燃料棒配置や
スペーサ構造はこれまで説明したいずれについても適用
できるので、ここでは省略する。また水棒６の形状につ
いても、図１７では第１の実施の形態に類したもののみ
ならず、第２の実施の形態で説明した水棒を含め、請求
項１に該当するような形状であれば全て適用可能であ
る。

【００５５】第３の実施の形態では、前出の実施の形態
で説明したような請求項７ないし請求項１２に記載のス
ペーサを上部スペーサ８ｂとして用い、かつ短尺燃料棒
上端に最近接するスペーサより上方において、下方より
スペーサの軸方向間隔が狭くなっており（図でＬ１＞Ｌ
２）、その結果、図１８で示した従来例や第１、第２の
実施形態よりもスペーサ数が多くなっている。

【００５６】スペーサは冷却材の流れを攪拌し、燃料上
部のボイド率の高い環状流領域においては冷却材中の液
滴を燃料棒表面に付着させる働きがある。燃料棒２は表
面を流れる液膜によって冷却されるので、沸騰遷移の生
じ易い燃料上部にスペーサ８ｂを密に設置すれば燃料集
合体１の限界出力を高めることができる。しかも本実施
の形態では投影面積が小さく圧力損失の低い請求項７〜
１２に係わるスペーサ８ｂを用いているので、燃料集合
体上部領域でスペーサ数を増加しても燃料集合体１の圧
力損失は過度に大きくなることがない。従って、原子炉
の安定性を損ねずに熱的余裕の高い燃料集合体１を提供
することができる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、燃料棒の熱機械的特
性、燃料の熱的余裕、事故時の安全性を改善して燃料健
全性を向上し、燃料の圧力損失を小さくすることにより
原子炉の安定性が向上するとともにポンプ動力費が削減
されるので運転性、運転コストが改善され、また燃料集
合体の部材量、部品点数が減少するので製造コストを低
減でき燃料経済性の良好な燃料集合体を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃料
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。

【図２】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃料
集合体の上部スペーサ、（Ｂ）は下部スペーサの構造を
それぞれ示す図。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る燃料集合体の
可燃性毒物入り燃料棒の配置例を示した図。

【図４】本発明の第１の実施の形態に係る燃料集合体の
可燃性毒物入り燃料棒の配置例を示した図。

【図５】本発明の第１の実施の形態に係る燃料集合体に
他の短尺燃料棒配置の例を示した図。

【図６】本発明の第１の実施の形態に係る燃料集合体に
他の短尺燃料棒配置の例を示した図。

【図７】本発明の第１の実施の形態に係る燃料集合体に
他の短尺燃料棒配置の例を示した図。

【図８】本発明の第１の実施の形態に係る燃料集合体に
他の短尺燃料棒配置の例を示した図。

【図９】図５の短尺燃料棒配置に対応する上部スペーサ
の構造を示す図。

【図１０】図６の短尺燃料棒配置に対応する上部スペー
サの構造を示す図。

【図１１】図７の短尺燃料棒配置に対応する上部スペー
サの構造を示す図。

【図１２】図８の短尺燃料棒配置に対応する上部スペー
サの構造を示す図。

【図１３】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃
料集合体について、八角セルスペーサを適用した場合の
上部スペーサ、（Ｂ）は下部スペーサの構造をそれぞれ
示す図。

【図１４】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る燃
料集合体について、格子型スペーサを適用した場合の上
部スペーサ、（Ｂ）は下部スペーサの構造をそれぞれ示
す図。

【図１５】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る燃
料集合体の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１６】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る燃
料集合体の上部スペーサ、（Ｂ）は下部スペーサの構造
をそれぞれ示す図。

【図１７】本発明の第３の実施の形態に係る燃料集合体
を一部断面で示す立面図。

【図１８】（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。

【図１９】（Ａ）は従来の燃料集合体の上部スペーサ、
（Ｂ）は下部スペーサの構造をそれぞれ示す図。

【図２０】従来の燃料集合体の可燃性毒物入り燃料棒の
配置例を示した図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…長尺燃料棒、３…短尺燃料棒、４
…上部タイプレート、５…下部タイプレート、６…水
棒、７…チャンネルボックス、８ａ…下部スペーサ、８
ｂ…上部スペーサ、９…燃料棒有効部、１０…制御棒、
１１…スペーサバンド、１２…スペーサセル、１３…セ
ルスプリング、１４…セルストップ、１５…水棒支持
板、１６…水棒支持スプリング、１７…ダミーセル、１
８…スペーサ格子板

Claims (13)

【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
   部に冷却材の一部が流れる水棒を、複数の燃料棒スペー
   サを用いて９行９列の正方格子状に束ね、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、制御棒に隣接する正方格子の角に位置する燃料
   棒位置を１行１列目（（１，１）とする）としたとき、
   前記水棒が格子中央の３行３列の領域の少なくとも一部
   の格子位置を占め、かつ最も長い種類以外の燃料棒が、
   （５，２）を含み（２，２）を含まない最外周から３層
   目以内の１／８対称の８個所を含む格子位置に配置され
   ることを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】 前記水棒は燃料棒より断面積の大きな２
   本からなり、かつ燃料棒７本分の格子位置を占めること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
3. 【請求項３】 前記格子中央の３行３列の領域に２本の
   短尺燃料棒が含まれることを特徴とする請求項２に記載
   の燃料集合体。
4. 【請求項４】 燃料棒より断面積の大きな１本の水棒が
   前記格子中央の３行３列の領域を占めることを特徴とす
   る請求項１に記載の燃料集合体。
5. 【請求項５】 （２，２）及びその３つの対称位置の少
   なくとも一部に可燃性毒物を含む燃料棒を配置したこと
   を特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の燃料集合
   体。
6. 【請求項６】 前記可燃性毒物を含む燃料棒に隣接する
   最外周から２層目の燃料棒の少なくとも一部が可燃性毒
   物を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料集合
   体。
7. 【請求項７】 各々の燃料棒を、それぞれ１個のスプリ
   ングにより反対側の接触端に押し付けて保持するスペー
   サにおいて、（５，２）を含み（２，２）を含まない最
   外周から３層目以内の１／８対称の８個所を含む格子位
   置には、対応するスプリングを設けないことを特徴とす
   る燃料棒スペーサ。
8. 【請求項８】 前記８個所を含む格子位置には対応する
   接触端を設けないことを特徴とする請求項７に記載の燃
   料棒スペーサ。
9. 【請求項９】 各々の燃料棒をそれぞれ円形又は多角形
   等の形状の単位セルで包囲して保持し、かつ前記８個所
   を含む格子位置には単位セルを設けないことを特徴とす
   る請求項７または請求項８に記載の燃料棒スペーサ。
10. 【請求項１０】 格子中央の３行３列の領域に、７つの
    格子位置を占める燃料棒より断面積の大きな２本の水棒
    を保持する機構を有することを特徴とする請求項７ない
    し請求項９に記載の燃料棒スペーサ。
11. 【請求項１１】 格子中央の３行３列の領域内で水棒が
    占めない２格子位置には、対応するスプリング、接触
    端、単位セルのうち少なくとも１つを設けないことを特
    徴とする請求項１０に記載の燃料棒スペーサ。
12. 【請求項１２】 格子中央の３行３列の領域に燃料棒よ
    り断面積の大きな１本の水棒を保持する機構を有するこ
    とを特徴とする請求項７ないし請求項９に記載の燃料棒
    スペーサ。
13. 【請求項１３】 前記短尺燃料棒上端より上方には請求
    項７ないし請求項１２に記載の燃料棒スペーサが用いら
    れ、かつ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６に記載の燃料集合
    体。