JPH1123765A - 原子炉の炉心 - Google Patents

原子炉の炉心

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JPH1123765A
JPH1123765A JP10045740A JP4574098A JPH1123765A JP H1123765 A JPH1123765 A JP H1123765A JP 10045740 A JP10045740 A JP 10045740A JP 4574098 A JP4574098 A JP 4574098A JP H1123765 A JPH1123765 A JP H1123765A
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reactor core
core
fuel assembly
reactor
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Tsugio Yokoyama
次男 横山
Ritsuo Yoshioka
律夫 吉岡
Yasushi Tsuboi
靖 坪井
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 【課題】増殖比を増大させ、燃料の有効利用を図る一
方、ボイド反応度を負とした原子炉の炉心を提供するこ
とにある。 【解決手段】この原子炉の炉心１０は沸騰水型原子炉お
よび加圧水型原子炉の水冷却型原子炉に適用することが
できる。原子炉の炉心１０は多数の燃料集合体１１を装
架して構成され、各燃料集合体１１は角筒状のチャンネ
ルボックス２０内に燃料バンドル２１が収容される。燃
料バンドル２１は多数の燃料棒２２を全体として横断面
ほぼ正方形状に束ねたものである。燃料バンドル２１の
隣り合う各燃料棒２２の燃料棒配列は三角配列構造に支
持されて配列密度が高められ、炉心１０の燃料断面積に
対する冷却材流路断面積の比率を小さくし、増殖比を向
上させたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水冷却型原子炉に
適用される原子炉の炉心に係り、特に炉心構成物質、燃
料設計、炉心配置構造を改良した原子炉の炉心に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に、水冷却型原子炉である軽水炉は
沸騰水型と加圧水型とに大別される。このうち、沸騰水
型原子炉の炉心には、多数の燃料集合体が４体ずつ組を
なして装荷される。各燃料集合体には燃料被覆管内に核
燃料である核分裂性物質が充填され、核分裂性物質の核
反応により発生した熱を冷却材で除去している。核燃料
からの熱除去のための冷却材として軽水炉では水が使用
される。
【０００３】水は中に含まれる水素原子の中性子減速能
力が大きいため、水の割合が大きい従来の水冷却型原子
炉では核分裂により発生する高エネルギ中性子（高速中
性子）が大きく減速されるため、エネルギの低い熱中性
子（低速中性子）が中性子の大部分を占める。エネルギ
の低い中性子を核分裂核性物質が吸収した場合には、中
性子を約３個新たに発生させる核分裂反応ではなく、核
分裂を起こさず原子核の中に中性子を取り込んでしまう
中性子捕獲反応の割合が大きくなる。したがって、中性
子吸収当りの発生中性子数が低エネルギ中性子による核
分裂では少なくなる。
【０００４】一方、高エネルギ中性子（高速中性子）で
は、中性子捕獲反応の割合が小さく、核分裂反応が大き
いため、中性子捕獲による効果を含めても中性子吸収当
りの平均中性子発生数を２個以上とすることが可能であ
る。新たに発生した２個以上の高速中性子のうち、１個
が連鎖反応の維持に使われ、残りの１個はＵ−２３８等
の親物質（核原料物質）に吸収させて核分裂性物質を効
率的に生成することが可能である。
【０００５】この核分裂性物質の生成と消滅の比率が１
以上であれば燃料の増殖ができたこととなり、資源エネ
ルギの確保の点から好ましい。各国で核燃料を消費する
速さよりも新たに核分裂性物質を生産する方が大きい増
殖炉が開発されている理由である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の水冷却
型原子炉では燃料に対する水（冷却材）の割合が２．０
〜２．５程度と大きく核分裂反応で発生した高速中性子
は減速されて低エネルギとなるために、増殖できず、核
分裂性物質の生成と消滅の比率が１以下、例えば０．５
程度の値となっていた。このため増殖炉であれば原理的
には１００％熱エネルギに変換できるウラン資源の有効
利用が図れず、ウラン資源の１％程度が利用できるに過
ぎなかった。
【０００７】高エネルギースペクトル中性子を利用しよ
うとすると従来の大型高速増殖炉のように冷却材の沸騰
による反応度（ボイド反応度）が正となる可能性があ
る。水冷却型原子炉では炉心の安定性や安全性の観点か
らボイド反応度は負の値にすることとが重要である。
【０００８】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たものであり、増殖比を増大させ、ウラン燃料の利用率
を大幅に向上させた原子炉の炉心を提供することを目的
とする。
【０００９】本発明の他の目的は、増殖比を少なくとも
１程度としてウラン資源の利用率を格段に向上させる一
方、ボイド反応度を負の値に保持して環境保護および炉
心の安定性や信頼性をより一層向上させた原子炉の炉心
を提供するにある。
【００１０】本発明のさらに他の目的は、増殖比を少な
くとも１程度としてウラン資源の利用率を従来の１００
倍程度とすることができ、従来炉心と径方向サイズを同
等としてもボイド反応度を負の値に保ち、炉心の安定性
や経済性を向上させた原子炉の炉心を提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明に係る原子炉の炉
心は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載
したように、多数の燃料集合体を装荷して構成される原
子炉の炉心において、上記燃料集合体は相互に隣り合う
燃料棒配列を三角配列に構成した燃料バンドルを備え、
燃料断面積に対する冷却材流路断面積の比率を１以下と
小さくしたものである。
【００１２】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る原子炉の炉心は、請求項２に記載したよう
に、燃料集合体は、配列ピッチを約３００mm以上とした
ものである。
【００１３】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る原子炉の炉心は、請求項３に記載したよう
に、燃料集合体は角筒状のチャンネルボックス内に横断
面が略正方形状の燃料バンドルが収容され、チャンネル
ボックスの外側に冷却材を排除する突起を設けたもので
ある。
【００１４】さらにまた、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る原子炉の炉心は、請求項４に記載した
ように、燃料集合体は、角筒状のチャンネルボックス内
に燃料バンドルが収容される一方、チャンネルボックス
の上部に支持パッドを設け、この支持パッドで隣接する
燃料集合体を相互に横方向に支持させたものである。
【００１５】またさらに、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る原子炉の炉心は、請求項５に記載した
ように、燃料集合体は、角筒状チャンネルボックス内に
燃料バンドルが収容され、この燃料バンドルは多数の燃
料棒をグリッド型スペーサにより三角配列構造に間隔保
持したものである。
【００１６】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る原子炉の炉心は、請求項６に記載したよう
に、グリッド型スペーサは、グリッドに燃料棒の振動防
止用スプリングを配置したり、また、請求項７に記載し
たように、グリッド型スペーサは、振動防止用スプリン
グをグリッドと一体に形成したものであり、さらに、請
求項８に記載したように、グリッド型スペーサは、グリ
ッドの材質をステンレス鋼あるいはインコネルとしたも
のである。
【００１７】一方、上述した課題を解決するために、本
発明に係る原子炉の炉心は、請求項９に記載したよう
に、燃料集合体は角筒状チャンネルボックス内に燃料バ
ンドルが収容され、燃料バンドルは燃料被覆管内に燃料
材を収容させた燃料ピンを多数本燃料スペーサで束ねる
一方、前記チャンネルボックスおよび燃料被覆管の少な
くとも一方をステンレス鋼材料で形成したり、また、請
求項１０に記載したように、燃料材にプルトニウムと回
収ウランを用いたものである。
【００１８】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る原子炉の炉心は、請求項１１に記載したよう
に、燃料集合体は、ノーマル燃料集合体と、このノーマ
ル燃料集合体より発熱部の長さが短かいパーシャル燃料
集合体との少なくとも２種類から構成されたものであ
り、さらに、請求項１２に記載したように、ノーマル燃
料集合体は発熱部の最大長さが２ｍ以下であり、パーシ
ャル燃料集合体は発熱部の最大長さが１ｍ以下としたも
のである。
【００１９】またさらに、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る原子炉の炉心は、請求項１３に記載し
たように、ノーマル燃料集合体の上下部に軸ブランケッ
トを配置する一方、パーシャル燃料集合体の上部および
下部は少なくとも一方に軸方向ブランケットを非配置と
したものである。
【００２０】他方、本発明に係る原子炉の炉心は、上述
した課題を解決するために、請求項１４に記載したよう
に、角筒状のチャンネルボックス内に燃料バンドルを収
容した燃料集合体を多数装荷した原子炉の炉心におい
て、燃料集合体間あるいは燃料集合体内に出し入れ可能
に制御棒を設け、この制御棒は制御棒吸収体の上部ある
いは下部に、引抜時に冷却材の流入を阻止する中空状の
フォロワを配置したものである。
【００２１】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る原子炉の炉心は、請求項１５に記載したよ
うに、相互に隣接する４体の燃料集合体間に横断面十字
状の制御棒を下方から出し入れ可能に設け、各制御棒の
上部に水排除空間を形成するフォロワを形成する一方、
制御棒の本数を炉心に装荷される燃料集合体の集合体数
にほぼ１対１で対応させたものである。
【００２２】また、本発明に係る原子炉の炉心は、上述
した課題を解決するために、請求項１６に記載したよう
に、多数の燃料集合体を装荷して構成される原子炉の炉
心において、上記燃料集合体は、燃料有効長さである発
熱部が所要の長さを有するノーマル燃料集合体とノーマ
ル燃料集合体より発熱部の長さが短いパーシャル燃料集
合体とからなり、上記パーシャル燃料集合体は、上部に
封入ガスを入れた密閉容器を配置したものである。
【００２３】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る原子炉の炉心は、請求項１７に記載したよ
うに、密閉容器は、中性子吸収断面積の小さなアルミニ
ウム、ジルコニウムあるいはジルカロイで形成されたも
のである。
【００２４】さらにまた、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る原子炉の炉心は、請求項１８に記載し
たように、燃料集合体は、角筒状チャンネルボックス内
に燃料バンドルが収容され、上記燃料バンドルは隣り合
う３本あるいは４本の燃料棒間の中央に冷却材排除棒を
配置したり、また、請求項１９に記載したように、冷却
材排除棒は、内部に空洞を形成したものであり、さらに
請求項２０に記載したように、冷却材排除棒は、中性子
吸収断面積の小さなアルミニウム、ジルカロイあるいは
ジルコニウムで形成されたものである。
【００２５】またさらに、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る原子炉の炉心は、請求項２１に記載し
たように、燃料集合体は、角筒状チャンネルボックスの
上部４隅部に、外側方からコーナ部を跨ぐように支持パ
ッドを設け、この支持パッドで隣り合う燃料集合体の上
部を横方向に相互に支持させたり、また、請求項２２に
記載したように、燃料集合体は、角筒状チャンネルボッ
クス内に燃料バンドルを収容し、上記燃料バンドルは多
数の燃料棒を燃料スペーサで三角配列構造に束ねて支持
し、この燃料バンドルを覆うチャンネルボックスの内側
面に、燃料バンドル外周の凹凸に対応する係合突起を設
けたり、さらに、請求項２３に記載したように、燃料集
合体はチャンネルボックスの外側に冷却材を排除する突
起を設けたものである。
【００２６】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る原子炉の炉心は、請求項２４に記載したよう
に、多数の燃料集合体を装荷して構成される原子炉の炉
心において、上記燃料集合体は、チャンネルボックス内
が冷却材流路隔壁でノーマル燃料要素領域とパーシャル
燃料要素領域とに区分けされたものである。
【００２７】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る原子炉の炉心は、請求項２５に記載したよ
うに、ノーマル燃料要素領域は、燃料有効長が所要長の
通常の燃料要素を配置して構成され、パーシャル燃料要
素領域は、通常の燃料要素より燃料有効長さが短かい短
尺燃料要素を配置して構成され、ノーマル燃料要素領域
およびパーシャル燃料要素領域へは下部に設けられたオ
リフィスにより冷却材の流量配分が行なわれるものであ
る。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明に係る原子炉の炉心の実施
形態について添付図面を参照して説明する。
【００２９】図１は本発明に係る原子炉の炉心の第１実
施形態を示す原理的な縦断面図であり、図２は図１に示
された原子炉の炉心の平面図である。図１および図２
は、原子炉を軽水炉としての水冷却型原子炉、例えば沸
騰水型原子炉に適用した例を示す。
【００３０】沸騰水型原子炉は、図示しない原子炉圧力
容器内に炉心１０が形成される。この炉心１０には角筒
状をなす燃料集合体１１が縦横等ピッチに、例えば３０
０mm以上のピッチ間隔で整列配置されて装荷される。炉
心１０に装荷された燃料集合体１１は図３に示すように
炉心支持板１２上に支持され、通常の燃料有効（発熱
部）長さＬM を有するノーマル（通常）燃料集合体１３
と、燃料有効長さがＬPと短いパーシャル燃料集合体１
４との少なくとも２種類から構成される。パーシャル燃
料集合体１４は燃料有効長さＬP に応じさらに複数種類
用意してもよい。ノーマル燃料集合体１３の上部および
下部ならびにパーシャル燃料集合体１４の下部に図１に
示すように軸ブランケット１５が例えば２０〜３０cm程
度配設される。パーシャル燃料集合体１４の上部にはス
トリーミングパス１６が形成され、軸ブランケットは非
配置とされる。
【００３１】沸騰水型原子炉の炉心１０には、ノーマル
燃料集合体１３とパーシャル燃料集合体１とが例えば図
２に示すように径方向に交互に所要の配置パターンで分
散配置される。ノーマル燃料集合体１３とパーシャル燃
料集合体１４は、径方向かつ周方向に交互に分散配置し
てもよく、種々多様な配置パターンが考えられる。た
だ、炉心１０中央部の４体の燃料集合体１１は、パーシ
ャル燃料集合体１４であることが望ましく、最外周の燃
料集合体１１はノーマル燃料集合体１３であることが望
ましい。
【００３２】沸騰水型原子炉の炉心１０には、ノーマル
燃料集合体１３とパーシャル燃料集合体１４とが適宜組
み合せされて装荷され、互いに隣り合う４体の燃料集合
体１１間に横断面十字状の制御棒１８が出し入れ自在に
設けられる。また、燃料集合体１１は図４に示すように
隣接する４本の制御棒１８により形成されるほぼ正方形
の矩形空間に配置され、各制御棒１８を構成するブレー
ド１８ａが燃料集合体１１を囲繞可能に出し入れされ
る。
【００３３】燃料集合体１１は、図４に示すようにノー
マル燃料集合体１３もパーシャル燃料集合体１４も平面
構造を同じくする。図４は燃料集合体１１の上面図を示
すものである。燃料集合体１１は既存の燃料集合体より
大きく、面積サイズで複数倍例えば４倍である。これに
従って燃料集合体１１の配列ピッチも大きく、例えば４
倍の面積サイズのもので約３００mm程度以上とされる。
燃料集合体１１自体を既存の燃料集合体より大きくする
ことで、燃料集合体１１間ギャップ内の冷却材を減少さ
せ、全体積に対する冷却材である水の割合を下げ、燃料
に対する水の比率を下げ、増殖比が少なくとも１程度、
例えば１．０〜１．１程度となるように設定している。
【００３４】燃料集合体１１は、図４に示すように、角
筒状外套部であるチャンネルボックス２０内に全体とし
て横断面が矩形、例えば正方形をなす燃料要素束である
燃料バンドル２１が収容される。チャンネルボックス２
０にはシール合金あるいはステンレス鋼材料が用いられ
る。燃料バンドル２１は多数の燃料棒（燃料ピン）２２
を所定の規則性を持たせて密に配列し、燃料スペーサと
して例えば図５に示すグリッド型スペーサ２３で束ね、
各燃料棒２２間の間隔を保持したものである。グリッド
型ペーサ２３は燃料バンドル２１の長手方向に所定の間
隔をおいて複数個設けられる。
【００３５】チャンネルボックス２０をステンレス鋼で
形成すると、既存の軽水炉に用いられているシール合金
製のチャンネルボックスより機械的・物理的強度が大き
く、高剛性力を有するため、薄肉化を図ることができ
る。ステンレス鋼製のチャンネルボックス２０は肉厚を
３mmないし５mm程度、好ましくは３mm程度とすることが
できる。チャンネルボックス２０の薄肉化を図ることに
より、燃料体積割合が増大し、燃料に対する水（冷却
材）の比率を下げることができる。
【００３６】また、チャンネルボックス２０内に収容さ
れる燃料バンドル２１は多数の燃料棒（燃料ピン）２２
を束ねたものである。各燃料棒２２を束ねるグリッド型
スペーサ２３は、例えば０．２mm厚程度の薄肉六角筒あ
るいはパイプ状グリッドとしての角筒スリーブ２４を多
数密に平面配列して固着し、一体化したハニカム型グリ
ッド格子２５を備える。角筒スリーブ２４は高剛性で機
械的・物理的強度の大きなステンレス鋼あるいはインコ
ネルで形成される。ハニカム型グリッド格子２５の外周
側を補強枠としての矩形の外枠２６で囲んでグリッド型
スペーサ２３を構成しても、外枠無しのハニカム型グリ
ッド格子２５でグリッド型スペーサ２３を構成してもよ
い。
【００３７】ハニカム型グリッド格子２５の各角筒スリ
ーブ２４内の１つのコーナ部に振動防止用スプリング２
７が設けられる。振動防止用スプリング２７は、くの字
状あるいは弧状に折曲された全長例えば１５mm程度の板
ばねあるいは棒ばねのばね部材で構成される。振動防止
用スプリング２７の上下端は、角筒スリーブ２４のコー
ナ部内壁面に溶着され、スプリング中間部が角筒スリー
ブ２４内に弾力的に突出している。
【００３８】また、ハニカム型グリッド格子２５の各角
筒スリーブ２４には、振動防止用スプリング２７から１
２０度離れた対称位置に一対の係合突起２８が形成され
る。この係合突起２８は角筒スリーブ２４のコーナ部か
ら角筒スリーブ２４内に弧状に膨出している。係合突起
２８は角筒スリーブ２４のコーナ部側面を凹設し、スリ
ーブ内に突出するディンプルであっても、また、角筒ス
リーブ２４のコーナ部上下に周方向に延びる切込みを入
れ、上下に所要幅の切込み部分を内側に押圧変形させて
膨出させて形成してもよい。
【００３９】しかして、グリッド型スペーサ２３を構成
するハニカム型グリッド格子２５の各角筒スリーブ２４
内に核燃料要素を構成する燃料棒２２を順次案内し、挿
通された燃料棒２２を対をなす係合突起２８と振動防止
用スプリング２７で３点支持して燃料棒２２同士が互い
に接触するのを未然に防止して燃料バンドル２１を構成
している。この燃料バンドル２１は、グリッド型スペー
サ２３の振動防止用スプリング２７と対をなす係合突起
２８により各燃料棒２２を間隔保持して内部に冷却材流
路を確保する一方、各燃料棒２２の振動を抑制して燃料
の破損を未然にかつ確実に防止している。
【００４０】図５ないし図７に示された角筒スリーブ２
４と振動防止用スプリング２７を結合させて一体化した
ハニカム型グリッド格子２５に代えて、グリッド型スペ
ーサ２３Ａは図８に示されたようにグリッドを構成する
リング状あるいはトーラス状上下の円形ガイド３１と振
動防止用スプリング３２とを一体化させたスプリング一
体型グリッド格子３０を用いてもよい。円形ガイド３１
はグリッド型スペーサ２３Ａのグリッドを構成してい
る。なお、符号３３はスプリング一体型グリッド格子３
０の円形ガイド３１に形成された係合突起である。対を
なす係合突起３３および振動防止用スプリング３２は、
１２０度間隔をおいて設けられることが望ましいが、必
ずしも１２０度間隔に配置する必要がなく、設置に角度
的自由度を持たせることができる。
【００４１】また、燃料バンドル２１を構成する多数の
燃料棒（燃料ピン）２２は、図９に示すように燃料被覆
管３５内にペレット状あるいは粒状の燃料材である核燃
料物質３６（核分裂性物質）を充填したものである。核
燃料物質である燃料材にはプルトニウムと回収ウランが
用いられる。従来のように天然ウランや劣化ウランをプ
ルトニウムと混合させてもよい。しかし、プルトニウム
と回収ウランを燃料材として用いた場合、プルトニウム
以外からの中性子発生数を増大させることができ、増殖
比を大きくすることができる。
【００４２】燃料バンドル２１の燃料棒配列は三角配列
とされ、燃料棒２２の充填密度が高められる。例えば奇
数列の燃料棒２２間に偶数列の各燃料棒２２が位置する
ように列方向に相対的に燃料棒単ピッチ分シフトさせて
配設され、相互に隣接する３本の燃料棒２２が正三角形
状に密に配設される。この燃料バンドル２１は奇数列の
燃料棒２２に対し偶数列の燃料棒２２を半ピッチ分だけ
相対的に列方向にシフトさせたもので、この相対的シフ
トにより行方向の燃料棒ピッチをも小さくすることがで
き、燃料棒２２の配列密度をより一層向上させ得る。
【００４３】偶数列の燃料棒２２を奇数列の燃料棒２２
に対し、相対的に半ピッチ分シフトさせる代りに、偶数
行の燃料棒２２を奇数行の燃料棒２２に対し相対的に半
ピッチ分行方向にシフトさせても等価の作用効果を奏す
る。
【００４４】燃料バンドル２１を構成する各燃料棒２２
を三角配列構造とすることで、各燃料棒２２を縦横（行
列方向）に整列配置させた四角配列構造の場合より、燃
料棒２２を密に配設することができ、燃料の充填密度を
向上させることができる。
【００４５】各燃料棒２２の燃料被覆管２３には既存の
ジルコニウム合金（ジルカロイ）材料か、あるいはステ
ンレス鋼材料が用いられる。機械的・物理的強度が高い
ステンレス鋼をジルコニウム合金（ジルカロイ）に代え
て用いた場合、燃料被覆管３５の薄肉化を図ることがで
きる。ステンレス鋼製の燃料被覆管３５では、燃料棒径
を１０mmφとしたとき、管肉厚を０．２５mm〜０．４m
m、好ましくは０．３mm程度とすることができ、ジルコ
ニウム合金の０．５mm程度に較べより一層の薄肉化が可
能となる。
【００４６】燃料被覆管３５の薄肉化が図れると、その
分燃料体積割合が増大し、燃料に対する水の比率を下げ
ることができ、増殖比を少なくとも１程度とする炉心１
０に適したものとなる。この原子炉の炉心１０は高速ス
ペクトル対応型であるため、ステンレス鋼を用いても、
既存の軽水炉に用いられるジルコニウム合金の場合と同
様、構造材による中性子吸収は小さなものとなる。
【００４７】燃料集合体１１は図１ないし図３に示すよ
うにノーマル燃料集合体１３とパーシャル燃料集合体１
４とから構成され、相互に隣接する４体の燃料集合体１
１間に横断面十字状の制御棒１８が出し入れ可能に配設
される。燃料集合体１１間に形成されるギャップの内、
制御棒１８のブレード１８ａが届かない中央部分に突起
３８が図４に示すように設けられる。突起３８はチャン
ネルボックス２０外側の中央部分に長手方向に沿って設
けられ、この突起３８が水排除空間を構成し、燃料に対
する水の比率を下げることができる。突起３８は内部を
空洞に形成してもよい。突起３８を設けたり、また突起
３８内部を空洞化させることにより、増殖比を増大さ
せ、ボイド反応度を低減させることができる。
【００４８】また、燃料集合体１１のチャンネルボック
ス２０上部には、図３に示すように支持パッド３９が外
周側に設けられる。この支持パッド３９をチャンネルボ
ックス２０の外周側４箇所に設けることで、既存の軽水
炉に用いられている集合体拘束枠としての上部格子板を
不要とすることができ、その分燃料集合体１１の間隙を
小さくすることができる。このため、燃料体積割合が増
大し、燃料に対する水の比率を下げることができる。な
お、図３において、符号４０は冷却材を燃料集合体１１
内に導くオリフィスである。
【００４９】さらに、この原子炉の炉心１０ではパーシ
ャル燃料集合体１４をノーマル燃料集合体１３と組み合
せて配置することにより、炉出力が上昇し、ボイド率が
増大した場合に、炉心１０で発生する中性子がパーシャ
ル燃料集合体１４のストリーミングパス１６を通して炉
心上部に漏洩する。炉心軸方向の中性子漏洩効果を持た
せることにより、ボイド反応度を負とすることができ
る。
【００５０】パーシャル燃料集合体１４は、発熱部であ
る燃料有効長さＬP が、炉心高さより短い燃料集合体で
ある。ノーマル燃料集合体１３は燃料有効長さＬM が所
要長で炉心の燃料有効高さに略等しい通常の燃料集合体
である。燃料集合体１１の全長がほぼ４ｍ程度であると
き、ノーマル燃料集合体１３の発熱部の最大長さ（燃料
有効長さ）ＬM は例えば２ｍ以下、パーシャル燃料集合
体１４の発熱部の最大長さＬP を例えば１ｍ以下とする
ことで、炉心径方向サイズを従来の軽水冷却型炉心と同
サイズとしつつ、ボイド反応度を負とすることができ
る。
【００５１】また、４体一組の燃料集合体１１間に出し
入れ可能に挿入される制御棒１８は図１０に示すように
構成される。制御棒１８の全長は、燃料集合体１１の全
長に等しく、例えば４ｍ程度有する。制御棒１８の下半
部にはＢ4 Ｃやハフニウム等の中性子吸収物質が収容さ
れて制御棒吸収体４３として構成される。制御棒吸収体
３０の上部には、中実構造の中仕切板４４を介してフォ
ロワ４５が形成される。中仕切板４４は例えばステンレ
ス鋼で形成される。符号４６は制御棒の支持部である。
【００５２】フォロワ４５は薄肉鋼板で形成され、内部
にヘリウム等の不活性ガスで満たされた偏平な密閉空間
４７が形成され、この密閉空間４７が水排除空間を形成
している。制御棒１８は引抜時に図３に示すように、フ
ォロワ４５が燃料集合体１１の燃料有効長さ部（発熱
部）ＬM に対応して位置し、冷却材の流入を阻止する一
方、冷却材排除空間を構成し、燃料集合体１１間ギャッ
プ内の水の全体積に対する割合を下げ、燃料に対する水
の比率を下げている。制御棒１８の制御棒吸収体４３は
ノーマル燃料集合体１３の燃料有効部（発熱部）ＬM に
相当する軸方向長さを有する。
【００５３】また、この沸騰水型原子炉の炉心１０で
は、ノーマル燃料集合体１３の上下部およびパーシャル
燃料集合体１４の下部に軸ブランケット１５を配置し、
炉心１０から漏洩する中性子を吸収している。軸ブラン
ケット１５には中性子吸収能力を有する例えばステンレ
ス鋼が用いられる。
【００５４】さらに、パーシャル燃料集合体１４の上部
に軸ブランケットを配置しておらず、軸ブランケットを
配置しない不配置構造とすることで、ボイド増大時の上
部への中性子漏洩を増加させることができ、増殖比を少
なくとも１程度としてもボイド反応度を負とすることが
でき炉心１０の固有安全性を確保できる。
【００５５】次に、沸騰水型原子炉の炉心１０の作用を
説明する。
【００５６】この原子炉の炉心１０は、燃料に対する水
の体積比率は、１以下、好ましくは０．５程度以下と、
従来の軽水炉の炉心である２．０〜２．５程度に較べ著
しく小さい。炉心１０の燃料断面積に対する冷却材流路
断面積を好ましくは０．５程度以下とすることにより、
炉心１０では、燃料内のプルトニウム等の核分裂性物質
が中性子により核分裂反応して熱と中性子を発生させ
る。
【００５７】核分裂反応で生じた高エネルギの中性子
（高速中性子）は、一部が炉心１０外に漏洩するが、大
部分は燃料棒２２間や燃料棒２２とチャンネルボックス
２０の間、およびチャンネルボックス２０と制御棒１８
の間を流れる冷却材である水により減速、散乱され、再
び燃料棒２２内に入射し、核分裂反応または中性子吸収
反応に寄与する。
【００５８】燃料に対する水（冷却材）の体積比率が約
０．５程度では、水による減速効果が小さく、平均的な
中性子エネルギはナトリウム型高速増殖炉に近い水冷却
型原子炉となる。このため、既存の軽水炉のように核分
裂性物質による中性子捕獲反応割合は小さく、中性子吸
収当りの中性子発生数が例えば２個以上と大きいので、
ウラン２３８等の親物質に吸収される中性子数が多くな
り、増殖比を少なくとも１程度、好ましくは１．０〜
１．１程度とすることができる。
【００５９】この原子炉の炉心構造においては、増殖比
を少なくとも１程度とすることが可能となり、ウラン資
源の利用率を大幅に向上させることができ、従来の利用
率の１００倍程度とすることができる。従来の沸騰水型
原子炉の炉心の径方向サイズと同等の大きさの炉心で全
ての運転範囲でボイド反応度を負の値とすることができ
るため、負の反応部フィードバック特性を有し、固有の
安全性を確保でき、燃料の有効利用が図れて環境保護、
経済性も同時に満足させることができる。
【００６０】図１１は、本発明に係る原子炉の炉心の第
２実施形態を示すものである。
【００６１】この実施形態に示された原子炉の炉心は、
炉心１０Ａに装架されるパーシャル燃料集合体１４の上
部に角筒状密閉容器５０を配置したものである。原子炉
炉心の全体的な炉心構造および燃料集合体１１の支持構
造は、図２および図３に示されたものと異ならないの
で、同一符号を付して説明を省略する。
【００６２】図１１に示された原子炉の炉心も、軽水炉
としての水冷却型原子炉、例えば沸騰水型原子炉に適用
される。この炉心１０Ａには、角筒状をなす燃料集合体
１１が縦横等ピッチに整列配置され、多数装荷される。
炉心１０Ａに装荷された燃料集合体１１は、図３に示す
ように、通常の燃料有効（発熱部）長さＬM を有するノ
ーマル燃料集合体１３と燃料有効長さがＬP と短かいパ
ーシャル燃料集合体１４との少なくとも２種類から構成
される。パーシャル燃料集合体１４の上部には、ストリ
ーミングパス１６が形成される。このストリーミングパ
ス１６は、パーシャル燃料集合体１４の上部に空缶とし
ての角筒状密閉容器５０を配置することにより構成され
る。
【００６３】角筒状の密閉容器５０は、中性子吸収断面
積の小さなジルコニウム、ジルカロイあるいはアルミニ
ウム材料で作られ、内部にヘリウム、アルゴン等の不活
性ガスが封入ガスとして封入される。密閉容器５０をジ
ルコニウム、アルミニウムあるいはジルカロイで製造す
ることで、中性子と密閉容器の構成材（密閉容器自体）
との中性子衝突反応を小さくすることができる。密閉容
器５０は、パーシャル燃料集合体１４の角筒状チャンネ
ルボックス２０内の上部に収容され、水排除空間を形成
している。
【００６４】図１２および図１３は水冷却型原子炉の炉
心３に装架されるノーマル燃料集合体１３およびパーシ
ャル燃料集合体１４の上面図をそれぞれ示す。燃料集合
体１１はノーマル燃料集合体１３もパーシャル燃料集合
体１４も角筒状外套部を形成するチャンネルボックス２
０内に燃料要素束としての燃料バンドル２１が収容され
る。燃料バンドル２１は多数の燃料棒２２が全体として
平面正方形状に燃料スペーサとして例えば図５ないし図
７に示すグリッド型スペーサ２５で束ねられ、チャンネ
ルボックス２０内に密に配置される。
【００６５】燃料バンドル２１は相互に隣り合う３本の
燃料棒（燃料ピン）を正三角形状に三角配列し、全体と
して正方バンドル形状（長方体形状）に構成したもので
ある。燃料バンドル２１外側面の凹凸に対応する複数の
係合突起５１がチャンネルボックス２０の内側面にガイ
ドを兼ねて配置される。係合突起５１はチャンネルボッ
クス２０の軸方向に沿って延設され、水排除空間を形成
している。チャンネルボックス２０の外側に図４に示す
突起３８を設けてもよく、この突起３８を設けると燃料
に対する水の割合をより一層小さくすることができる。
【００６６】このチャンネルボックス２０の内側面に係
合突起５１を設け、この係合突起５１を燃料バンドル２
１の外側面の凹部に対向させることにより、燃料バンド
ル２１とチャンネルボックス２０との間の間隙を小さく
することができる。燃料要素束である燃料バンドル２１
の外周面に形成される凹凸に対応させて係合突起５１を
配置することにより、核燃料に対する水（冷却材）の比
率を下げ、核燃料の増殖比を増大させ、同時にホイド反
応度を低減させることができる。
【００６７】チャンネルボックス２０内に収容される燃
料バンドル２１は、図１４に示すように構成され、燃料
棒配列が３角配列構造の３本の燃料棒２２間に中央間隙
に冷却材排除棒５２が配設される。冷却材（水）排除棒
５２は中性子吸収断面積の小さいアルミニウム、ジルコ
ニウムあるいはジルカロイで構成される。冷却材排除棒
５２は好ましくは中空管形状に形成し、冷却材排除棒５
２の構造材による中性子吸収減速を抑制することが望ま
しい。
【００６８】各燃料棒２２間の間隙に核燃料を含まない
冷却材排除棒５２を配置することにより、冷却材の量が
少なくなり、ボイド前後の冷却材の量変化が小さくな
る。高速スペトクル体系の水冷却材原子炉では、正のボ
イド反応度化が生じるのは、冷却材（水）のボイド化に
より中性子の減速が減り、中性子スペクトルが硬くなっ
て核分裂性物質（核燃料物質）の吸収反応当りの中性子
発生量が増えることが主要因である。
【００６９】この水冷却型原子炉では、炉心１０Ａに存
在する冷却材量自体を減少させることで、ボイド反応度
の正の要因を減少させ、負のボイド反応度要因である中
性子漏洩効果は大きく変わらないので、全体としてボイ
ド反応度を低減させることができる。
【００７０】次に、原子炉の炉心の作用を説明する。
【００７１】この原子炉の炉心１０Ａは、水冷却型原子
炉に適用され、通常運転時には、炉心１０Ａにおいて、
中性子により主に燃料内のプルトニウム等の核分離性物
質（核燃料）が核分裂反応を生じさせて熱と中性子（主
に高速中性子）を発生させる。
【００７２】発生した中性子は炉心１０Ａ外に一部が漏
洩するが、大部分は燃料棒２２とチャンネルボックス２
０の間、あるいはチャンネルボックス２０間を流れる冷
却材である水により減速・散乱され、再び燃料棒２２内
に入射して核分裂反応または中性子吸収反応を生じさせ
る。燃料に対する水の体積比率が小さい場合、水による
中性子減速効果が小さく、平均的な中性子エネルギは、
ナトリウム冷却型高速増殖炉に近くなる。
【００７３】この原子炉の炉心１０Ａでは、パーシャル
燃料集合体１４の上部に封入ガスが充填された密閉容器
５０が配置されるので、この密閉容器５０が冷却材であ
る水を排除し、燃料に対する水割合が小さく、中性子吸
収当りの中性子発生数が例えば２個以上と大きいので、
Ｕ238 の親物質に吸収される中性子数が多くなり、増殖
比を増大させることができる。
【００７４】また、空間である密閉容器５０内はガスで
あるので、水が沸騰した状態よりも原子存在密度が低
く、中性子との散乱反応が生じにくい。したがって、密
閉容器５０内を中性子が通過し易くなり、炉心１０Ａか
ら炉心軸方向上方に中性子が漏洩し易くなる。このた
め、炉心燃料部の冷却材やストリーミングパス１６を構
成するストリーミングチャンネル部の冷却材がボイド化
した時の中性子の炉心軸方向漏洩を促進させることがで
き、ボイド反応度を低減させ、負の値とすることができ
る。
【００７５】その際、空間である密閉容器５０の材質を
アルミニウム、ジルコニウムあるいはジルコニウム合金
（ジルカロイ）とすることで、中性子と密閉容器５０の
構造材との中性子衝撃反応を小さくすることができる。
一方、密閉容器５０をステンレス鋼等の高強度材にする
と、ステンレス鋼中に鉄やＮｉが含まれており、鉄等の
中性子吸収断面積が比較的大きく、中性子吸収により発
熱作用を伴う。しかし、アルミニウムは鉄の中性子吸収
断面積に比べ、中性子吸収断面積が約１桁小さく、ま
た、ジルコニウムあるいはジルカロイはニッケルに比べ
中性子吸収断面積は半分程度であり、中性子吸収に伴う
発熱作用が軽減される。
【００７６】密閉容器５０にアルミニウム、ジルコニウ
ムあるいはジルカロイを用いると、密閉容器５０での中
性子吸収が減少し、相対的に核燃料物質内の親物質（Ｕ
238）の中性子吸収が増大する。Ｕ238 は中性子吸収反
応によりＰｕ239 となって核燃料化するので、増殖比が
増大する。
【００７７】また、中性子の散乱断面積は、アルミニウ
ム、ジルコニウムの各元素と同じ程度であるが、アルミ
ニウムやジルコニウムは金属中の原子数密度がステンレ
ス鋼に比べ小さいので中性子散乱が生じにくく、密閉容
器５０の内部に中性子が透過して軸方向に中性子がスト
リーミングし易くなり、ボイド反応度を一層低減させる
ことができる。
【００７８】さらに、燃料集合体１１は三角配列の各燃
料棒２２間に冷却材排除棒５２を配置したり、チャンネ
ルボックス２２内に係合突起５１を設けることにより、
冷却材である水の量が少なくなり、ボイド反応度をより
一層低減させることができる。このとき、チャンネルボ
ックス２０の外側面の中央領域に、図４に示される突起
３８を付設することにより、冷却材量をより一層少なく
することができ、ボイド反応度をより低減させる役割を
果すことができる。
【００７９】図１２および図１３に示された燃料集合体
１１においては、チャンネルボックス２０内に係合突起
５１をチャンネルボックス２０の長手方向に設けた例を
示したが、図１５に示すように構成してもよい。図１５
に示された係合突起５１は突起内部に空洞５４を形成し
たものである。係合突起５１を空洞化させることによ
り、中性子と反応する構造材（係合突起自体）を量的に
減少させ、増殖比をより一層増大させる一方、炉心軸方
向への中性子漏洩を生じ易くし、ボイド反応度を低減さ
せることができる。
【００８０】次に、本発明に係る原子炉の炉心の第３実
施形態を図１６および図１７を参照して説明する。
【００８１】この実施形態に示された原子炉の炉心は、
炉心１０Ｂに装架される燃料集合体１１を改良したもの
である。原子炉炉心の全体的な構成は、図１および図２
に示されるものと異ならないので、説明を省略する。
【００８２】この原子炉の炉心１０Ｂは、燃料集合体１
１の上部外周側に支持パッド５５を設け、この支持パッ
ド５５により既存の軽水炉に用いられた集合体拘束枠と
しての上部格子板を不要としたものである。
【００８３】支持パッド５５は図１７に示すように平面
視Ｌ字状あるいはくの字状をなし、燃料集合体１１のチ
ャンネルボックス２０上部の４隅部にそれぞれ設けられ
る。燃料集合体１１のチャンネルボックス２０上部外周
側コーナ部に支持パッド５５を設けることにより、燃料
集合体１１の頂部を水平方向に支持する集合体拘束枠が
不要となり、その分、燃料集合体１１間の間隙を小さく
でき、燃料集合体割合を増大させることができるので、
増殖比を増大させるこどかできる。
【００８４】しかも、燃料集合体１１は、角筒状チャン
ネルボックス２０の各コーナ部を外側方から跨ぐように
Ｌ字状の支持パッド５５が装着され、隣接する燃料集合
体１１同士をチャンネルボックス２０の幅方向両側の２
箇所の支持パッド５５で相互に接触し、安定的に支持す
ることができる。したがって、燃料集合体１１同士の相
互の直接接触を確実に防止でき、隣接する燃料集合体１
１間に制御棒１８挿入のための間隙を確保でき、制御棒
の出入れを安定的に行なうことができる。
【００８５】図１８は、本発明に係る原子炉の炉心の第
４実施形態を示すものである。
【００８６】この実施形態に示された原子炉の炉心は、
炉心に装架される燃料集合体５６の構造に特徴を有す
る。この燃料集合体５６は、ノーマル燃料集合体１３と
パーシャル燃料集合体１４とを組み合せたものではな
く、１つの燃料集合体５６にノーマル燃料要素領域５７
とパーシャル燃料要素領域５８とを備えたものである。
ノーマル燃料要素領域５７とパーシャル燃料要素領域５
８は冷却材流路隔壁５９を隔てて形成され、角筒状のチ
ャンネルボックス２０内に収容される。図１８には、燃
料集合体５６の中央領域にパーシャル燃料要素領域５８
を、パーシャル燃料要素領域５８の周辺にノーマル燃料
要素領域５７を配置した例を示す。
【００８７】ノーマル燃料要素領域５７は、通常の燃料
有効（発熱部）長さＬM を有する通常（ノーマル）燃料
要素が配置されて構成され、パーシャル燃料要素領域５
８は、燃料有効長さＬP が短かい短尺燃料要素が配置さ
れて構成される。通常の燃料要素および短尺燃料要素は
例えばいずれも燃料棒で構成される。
【００８８】燃料集合体５６のノーマル燃料要素領域５
７に案内される冷却材流量とパーシャル燃料要素領域５
８に案内される流量は、オリフィス６０により適切に配
分される。オリフィス６０は燃料集合体５６の下部に設
けられる。このため、パーシャル燃料要素領域５８の上
部がボイド化され、その部分に中性子のストリーミング
パス６１が構成される。その際、中性子の炉心軸方向漏
洩をパーシャル燃料要素領域５８で促進させることがで
きるので、ボイド反応度を低減させることができる。パ
ーシャル燃料要素領域５８の上部には、図１１および図
１３に示したような空缶の密閉容器を配置してもよい。
【００８９】第４実施形態では、燃料集合体５６内の中
央領域をパーシャル燃料要素領域５８に、このパーシャ
ル燃料要素領域５８の周辺にノーマル燃料要素領域５７
をそれぞれ形成した例を示したが、パーシャル燃料要素
領域５８とノーマル燃料要素領域５７との区分は、中央
領域と周辺領域を逆にしたり、種々の態様が考えられ
る。また、分け方も、２領域に区分するものではなく、
３領域以上に区分させ、各区分領域をノーマル燃料要素
領域あるいはパーシャル燃料要素領域として適宜選択し
てもよい。
【００９０】また、各実施形態に示された原子炉の炉心
では、燃料集合体１１内に燃料要素としての各燃料棒を
三角配列した例を示したが、各燃料棒２２は図１９に示
す既存の燃料集合体のように四角配列構造としてもよ
い。
【００９１】この場合、原子炉の炉心に装架される燃料
集合体の核燃料に対する水の体積割合を減少させるため
に、四角配列された相互に隣接する４本の燃料棒２２間
の中央に冷却材排除棒５２がそれぞれ配置される。冷却
材排除棒５２は、内部を空洞６２に形成して中性子の減
速を抑制することが好ましい。冷却材排除棒５２を四角
配列の各燃料棒２２の中央に配設することで、中性子減
速降下の大きい冷却材（水）を排除できる一方、冷却材
排除棒５２内部を空洞にすることで、構造材（冷却材排
除棒自体）による中性子の減速を抑制することができ、
増殖比の増大を図ることができる。この場合、各冷却材
排除棒５２の軸方向に中性子の漏洩を促進させることが
でき、中性子漏洩効果も増大して、多少のボイド反応度
低減効果も生じ、ボイド反応の低減に寄与できる。
【００９２】図２０は、図１９の変形例を示すもので、
四角配列の各燃料棒２２の中央に配設される冷却材排除
棒５２を中性子吸収断面積の小さなアルミニウム、ジル
コニウムあるいはジルカロイで作ったものである。冷却
材排除棒５２を中性子吸収の少ない材料で作ることによ
り、中性子吸収を抑制し、増殖比を増大させることがで
きる。
【００９３】なお、本発明の実施形態では、沸騰水型原
子炉の炉心に適用した例を示したが、ノーマル燃料集合
体やパーシャル燃料集合体の配置構造は、加圧水型原子
炉にも適用することができる。加圧水型原子炉に適用し
た場合には、パーシャル燃料集合体の燃料有効部の形成
位置には特に制約を受けず、燃料有効部をノーマル燃料
集合体の燃料有効部の上部側に揃えてもよい。また、制
御棒にはクラスタ型が用いられるが、クラスタ型制御棒
では燃料集合体内への制御棒の出し入れが上方から行な
われる。このため、クラスタ型制御棒は制御棒吸収体の
下部に水排除空間を形成するフォロアが設けられる。い
ずれにしても、水を冷却材とする水冷却型原子炉に本発
明を適用することができる。
【００９４】
【発明の効果】以上に述べたように本発明に係る原子炉
の炉心においては、燃料体積割合を増大させて燃料に対
する水（冷却材）の比率を下げ、増殖比を増大させるこ
とができるので、ウラン資源の利用率を向上させること
ができ、ウラン資源の有効利用を図って環境保護、安全
性、経済性を飛躍的に高めることができる。
【００９５】請求項１に記載の原子炉の炉心では、燃料
バンドルを構成する燃料ピンのピン配列を三角配列とす
ることで燃料ピンの配列密度を向上させることができ、
燃料断面積に対する冷却材流路断面積の比率を１以下と
従来より格別に小さくすることで、平均的な中性子エネ
ルギをナトリウム冷却型高速増殖炉に近くすることがで
き、核分裂性物質の中性子捕獲反応割合が小さく、中性
子吸収当りの中性子発生数を増加させ、親物質に吸収さ
れる中性子数が多くなるので、増殖比を少なくとも１程
度とすることができ、ウラン資源への利用率を飛躍的に
向上させることができる。
【００９６】請求項２に記載の原子炉の炉心では、燃料
集合体の配列ピッチを約３００mm以上とし、燃料集合体
を大径化することで、燃料集合体間のギャップ内の水の
全体積に対する割合を下げ、燃料に対する水の比率を下
げることで、増殖比を大きくすることができる。
【００９７】請求項３に記載の原子炉の炉心では、チャ
ンネルボックスの外側に突起を設けることで、炉心内に
水排除空間を確保でき、燃料に対する水の比率を下げる
ことができる。
【００９８】請求項４に記載の原子炉の炉心では、チャ
ンネルボックスの上部に支持パッドを設けることで上部
格子板を省略でき、燃料集合体間の間隙を小さくできる
ため、燃料体積割合が増大し、燃料に対する水の比率を
下げ、増殖比を増大させることが可能となる。
【００９９】請求項５に記載の原子炉の炉心では、チャ
ンネルボックス内に収容される燃料バンドルをグラッド
型スペーサにより燃料棒配列が三角配列構造に支持され
ることにより、燃料集合体の健全性を確保でき、燃料棒
を密に配列して燃料体積割合を増大させ、水に対する燃
料の割合を増加させ、増殖比を増大させることができ
る。
【０１００】請求項６ないし８に記載の原子炉の炉心で
は、グラッド型スペーサのグラッドに振動防止用スプリ
ングを配置することにより、この振動防止用スプリング
で燃料棒を弾力的かつ安定的に保持して燃料集合体の健
全性を確保することができ、また、グラッドと振動防止
用スプリングを一体に形成することで部品点数を減少さ
せ、成形加工を容易にする一方、グラッドをステンレス
鋼あるいはコイルで形成することにより、グラッドの薄
肉化が図れ、薄肉化しても機械的・物理的強度を充分に
保つことができる。
【０１０１】請求項９に記載の原子炉の炉心では、チャ
ンネルボックス燃料や燃料被覆管材料の少なくとも一方
をステンレス鋼とすることにより、薄肉化が図れ、その
分燃料体積割合を増大させ、燃料に対する水の比率を下
げ、増殖比を増大させることができる。
【０１０２】請求項１０に記載の原子炉の炉心では、燃
料材にプルトニウムと回収ウランを用いると、プルトニ
ウム以外からの中性子発生数を増加させ、増殖比を大き
くすることができる。
【０１０３】請求項１１に記載の原子炉の炉心では、ノ
ーマル燃料集合体とパーシャル燃料集合体とを配置する
ことにより、炉出力が上昇してボイド率が増大した場合
に、炉心で発生する中性子がストリーミングパスを通し
て炉心上部（あるいは下部）に漏洩するため、ボイド反
応度を負とすることができ、固有の安全性、環境保護を
図ることができる。
【０１０４】請求項１２に記載の原子炉の炉心では、ノ
ーマル燃料集合体の発熱部の最大長さを２ｍ以下、パー
シャル燃料集合体の発熱部の最大長さを１ｍ以下とする
ことで、炉心径方向サイズを従来の軽水冷却型炉心と同
じサイズとしつつ、ボイド反応度を負とすることができ
る。
【０１０５】請求項１３に記載の原子炉の炉心では、ノ
ーマル燃料集合体に軸ブランケットを配置して炉心から
漏洩する中性子を吸収する一方、パーシャル燃料集合体
の上部および下部は少なくとも一方に軸ブランケットを
不配置としてボイド増大時の中性子漏洩を増加すること
で、増殖比を大きくしつつ、従来炉心の径方向サイズと
同等の炉心大きさでボイド反応度を負とすることがで
き、環境保護、安全性や信頼性を向上させることができ
る。
【０１０６】請求項１４に記載の原子炉の炉心では、制
御棒引抜時に冷却材が炉心内に流入するのを阻止するよ
うにフォロワを配置することで、燃料集合体間のギャッ
プ内あるいは燃料集合体内ギャップ間の水の全体積に対
する割合を下げ、燃料に対する水の比率を下げることで
増殖比を増大させることができる。
【０１０７】請求項１５に記載の原子炉の炉心では、４
体の燃料集合体間に横断面十字状の制御棒を下方から出
し入れ自在とし、制御棒の上部に水排除空間を形成する
フォロワを形成し、制御棒の本数を燃料集合体の集合体
数にほぼ１対１に対応させたので、燃料集合体の径方向
の大径化が図れ、燃料体積割合を増大させ、燃料に対す
る水の比率を下げ、増殖比を少なくとも１程度に増大さ
せることができる。
【０１０８】請求項１６に記載の原子炉の炉心では、パ
ーシャル燃料集合体の上部に封入ガスを入れた密閉容器
を配置したので、パーシャル燃料集合体の上部にストリ
ーミングパスを形成して中性子の炉心軸方向の漏洩を促
進させることができ、増殖比を増大させ、同時にボイド
反応度を低減させ、負の値とすることができる。
【０１０９】請求項１７に記載の原子炉の炉心では、パ
ーシャル燃料集合体の上部に配置される密閉容器を、中
性子吸収断面積の小さなアルミニウム、ジルカロイまた
はジルコニウムで形成したので、密閉容器での中性子吸
収を減少させ、相対的に核燃料のＵ−２３８の中性子吸
収を増加させることができ、増殖比が増大し、ボイド反
応度を低減させることができる。
【０１１０】請求項１８に記載の原子炉の炉心では、燃
料集合体の燃料棒間の間隙に冷却材排除棒を配置したの
で、この冷却材排除棒により冷却材である水を排除し、
燃料に対する水の体積割合を減少させたので、ボイド反
応度を低減させることができる。
【０１１１】請求項１９および２０に記載の原子炉の炉
心では、冷却材排除棒の内部を空洞とすることにより、
冷却材排除棒での中性子吸収を減少させ、相対的に核燃
料のＵ−２３８に中性子吸収を促進させることができる
ので、増殖比が増大し、ボイド反応度を低減させること
ができ、さらに、冷却材排除棒をアルミニウム、ジルカ
ロイあるいはジルコニウムとすることで、より一層増殖
比を増大させ、ボイド反応度を低減させることができ
る。
【０１１２】請求項２１に記載の原子炉の炉心では、燃
料集合体のチャンネルボックス上部の４隅部に、外側方
からコーナ部を跨ぐように支持パッドを設け、この支持
パッドで隣り合う燃料集合体の上部を横方向に相互に支
持したので、炉心格子板が不要となり、その分、燃料集
合体間の間隙を小さくでき、燃料体積割合が増大するの
で増殖比を増大させることができ、ボイド反応度を低減
させることができる一方、支持パッドにより燃料集合体
相互の接触を未然に防止し、制御棒挿入のための間隙を
確保できる。
【０１１３】請求項２２に記載の原子炉の炉心では、燃
料集合体内に収容される燃料バンドルは多数の燃料棒の
配列を燃料スペーサで三角配列構造に支持する一方、チ
ャンネルボックスの内側面に係合突起を設けたので、燃
料棒を密に配列し、核燃料の体積割合を増加せることが
できる一方、係合突起により燃料に対する水（冷却材）
の割合を下げて増殖比を増大させ、ボイド反応度を低減
させることができる。
【０１１４】請求項２３に記載の原子炉の炉心では、チ
ャンネルボックスの内側面に係合突起を配置するだけで
なく、チャンネルボックスの外側面にも突起を設けるこ
とにより、燃料に対する水の比率をより一層下げること
ができ、増殖比を増大させてボイド反応度を低減させる
ことができる。
【０１１５】請求項２４に記載の原子炉の炉心では、パ
ーシャル燃料要素領域の上部がボイド化され、中性子の
ストリーミングパスが形成されるのでボイド反応度を低
減させ、負の値とすることができる。
【０１１６】請求項２５に記載の原子炉の炉心では、燃
料集合体の下部に設置されたオリフィスによりチャンネ
ルボックス内のノーマル燃料要素領域およびパーシャル
燃料要素領域に冷却材（水）の流量配分を適切に行なう
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る原子炉の炉心の一実施形態を原理
的に示す縦断面図。
【図２】図１に示された原子炉の炉心の平面図。
【図３】原子炉の炉心に装荷される燃料集合体と制御棒
との関係を示すもので、制御棒の引抜状態を示す図。
【図４】燃料集合体と制御棒との配置関係を示す平面
図。
【図５】図４のＡ部を拡大して示す部分的な平面図。
【図６】図５のVI−VI線に沿う縦断面図。
【図７】各燃料棒を兼ねるクリッド型スペーサを部分的
に示す斜視図。
【図８】各燃料棒を束ねるグリッド型スペーサの変形例
を示すものでスプリング一体型スペーサを部分的に示す
斜視図。
【図９】燃料集合体の燃料バンドルを構成する燃料ピン
の平断面図。
【図１０】原子炉の炉心に装荷される燃料集合体間に出
し入れ可能に挿入可能な制御棒を示す側面図。
【図１１】本発明に係る原子炉の炉心の第２実施形態を
原理的に示す縦断面図。
【図１２】本発明に係る原子炉の炉心に装荷される多数
の燃料集合体のうち、ノーマル燃料集合体を示す平面
図。
【図１３】本発明に係る原子炉の炉心に装荷される多数
の燃料集合体のうち、パーシャル燃料集合体を示す平面
図。
【図１４】燃料集合体のチャンネルボックス内に収容さ
れる燃料バンドルの三角形配列構造の各燃料棒と冷却材
排除棒との配置関係を示す平面図。
【図１５】本発明に係る原子炉の炉心に装荷される燃料
集合体のにおいて、チャンネルボックス内側面に設けら
れる係合突起を示す図。
【図１６】本発明に係る原子炉の炉心の第３実施形態を
示すもので、燃料集合体の炉心配置関係を簡略的に示す
図。
【図１７】図１６に示された燃料集合体の平面図。
【図１８】本発明に係る原子炉の炉心の第４実施形態を
示すもので、ノーマル燃料要素領域とパーシャル燃料要
素領域を備えた燃料集合体を示す側断面図。
【図１９】原子炉の炉心に装荷される燃料集合体におい
て、４角配列構造の各燃料棒と冷却材排除棒との配置関
係を示す平面図。
【図２０】図１９に示された各燃料棒と冷却材排除棒と
の配置関係の変形例を示す平面図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ 原子炉の炉心 １１ 燃料集合体 １２ 炉心支持板 １３ ノーマル燃料集合体（通常燃料集合体） １４ パーシャル燃料集合体 １５ 軸ブランケット １６ ストリーミングパス １８ 制御棒 ２０ チャンネルボックス ２１ 燃料バンドル ２２ 燃料棒（燃料ピン） ２３，２３Ａ グリッド型スペーサ（燃料スペーサ） ２４ 角筒スリーブ（グリッド） ２５ ハニカム型グリッド格子 ２６ 外枠 ２７，３２ 振動防止用スプリング ２８，３３ 係合突起 ３０ スプリング一体型グリッド格子 ３５ 燃料被覆管 ３６ 燃料材（核燃料物質、核分裂性物質） ３８ 突起 ３９ 支持パッド ４０ オリフィス ４４ 制御棒吸収体 ４４ 中仕切板 ４５ フォロワ ４７ 密閉空間 ５０ 密閉容器（空缶） ５１ 係合突起 ５２ 冷却材（水）排除棒 ５５ 支持パッド ５６ 燃料集合体 ５７ ノーマル燃料要素領域 ５８ パーシャル燃料要素領域 ５９ 冷却材流路隔壁 ６０ オリフィス ６１ ストリーミングパス ６２ 空洞
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｇ２１Ｃ 7/00 ＧＤＢ Ｇ２１Ｃ 3/30 ＧＤＢＷ

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多数の燃料集合体を装荷して構成される
    原子炉の炉心において、上記燃料集合体は相互に隣り合
    う燃料棒配列が三角配列に構成した燃料バンドルを備
    え、燃料断面積に対する冷却材流路断面積の比率を１以
    下と小さくしたことを特徴とする原子炉の炉心。
  2. 【請求項２】 燃料集合体は、配列ピッチを約３００mm
    以上とした請求項１記載の原子炉の炉心。
  3. 【請求項３】 燃料集合体は角筒状のチャンネルボック
    ス内に横断面が略正方形状の燃料バンドルが収容され、
    チャンネルボックスの外側に冷却材を排除する突起を設
    けた請求項１記載の原子炉の炉心。
  4. 【請求項４】 燃料集合体は、角筒状のチャンネルボッ
    クス内に燃料バンドルが収容される一方、チャンネルボ
    ックスの上部に支持パッドを設け、この支持パッドで隣
    り合う燃料集合体を横方向に相互に支持させた請求項１
    記載の原子炉の炉心。
  5. 【請求項５】 燃料集合体は、角筒状チャンネルボック
    ス内に燃料バンドルが収容され、この燃料バンドルは多
    数の燃料棒をグリッド型スペーサにより三角配列構造に
    間隔保持した請求項１に記載の原子炉の炉心。
  6. 【請求項６】 グリッド型スペーサは、グリッドに燃料
    棒の振動防止用スプリングを配置した請求項５記載の原
    子炉の炉心。
  7. 【請求項７】 グリッド型スペーサは、振動防止用スプ
    リングをグリッドと一体に形成した請求項５記載の原子
    炉の炉心。
  8. 【請求項８】 グリッド型スペーサは、グリッドの材質
    をステンレス鋼あるいはインコネルとした請求項５記載
    の原子炉の炉心。
  9. 【請求項９】 燃料集合体は角筒状チャンネルボックス
    内に燃料バンドルが収容され、燃料バンドルは燃料被覆
    管内に燃料材を収容させた燃料棒を多数本燃料スペーサ
    で束ねる一方、前記チャンネルボックスおよび燃料被覆
    管の少なくとも一方をステンレス鋼材料で形成した請求
    項１記載の原子炉の炉心。
  10. 【請求項１０】 燃料材にプルトニウムと回収ウランを
    用いた請求項９記載の原子炉の炉心。
  11. 【請求項１１】 燃料集合体は、ノーマル燃料集合体
    と、このノーマル燃料集合体より発熱部の長さが短かい
    パーシャル燃料集合体との少なくとも２種類から構成さ
    れた請求項１記載の原子炉の炉心。
  12. 【請求項１２】 ノーマル燃料集合体は発熱部の最大長
    さが２ｍ以下であり、パーシャル燃料集合体は発熱部の
    最大長さが１ｍ以下とした請求項１１記載の原子炉の炉
    心。
  13. 【請求項１３】 ノーマル燃料集合体の上下部に軸ブラ
    ンケットを配置する一方、パーシャル燃料集合体の上部
    および下部は少なくとも一方に軸方向ブランケットを非
    配置とした請求項１記載の原子炉の炉心。
  14. 【請求項１４】 角筒状のチャンネルボックス内に燃料
    バンドルを収容した燃料集合体を多数装荷した原子炉の
    炉心において、燃料集合体間あるいは燃料集合体内に出
    し入れ可能に制御棒を設け、この制御棒は制御棒吸収体
    の上部あるいは下部に、引抜時に冷却材の流入を阻止す
    る中空状のフォロワを配置したことを特徴とする原子炉
    の炉心。
  15. 【請求項１５】 相互に隣接する４体の燃料集合体間に
    横断面十字状の制御棒を下方から出し入れ可能に設け、
    各制御棒の上部に水排除空間を形成するフォロワを形成
    する一方、制御棒の本数を炉心に装荷される燃料集合体
    の集合体数にほぼ１対１で対応させた請求項１０記載の
    原子炉の炉心。
  16. 【請求項１６】 多数の燃料集合体を装荷して構成され
    る原子炉の炉心において、上記燃料集合体は、燃料有効
    長さである発熱部が所要の長さを有するノーマル燃料集
    合体とノーマル燃料集合体より発熱部の長さが短いパー
    シャル燃料集合体とからなり、上記パーシャル燃料集合
    体は、上部に封入ガスを入れた密閉容器を配置したこと
    を特徴とする原子炉の炉心。
  17. 【請求項１７】 密閉容器は、中性子吸収断面積の小さ
    なアルミニウム、ジルコニウムあるいはジルカロイで形
    成された請求項１６記載の原子炉の炉心。
  18. 【請求項１８】 燃料集合体は、角筒状チャンネルボッ
    クス内に燃料バンドルが収容され、上記燃料バンドルは
    隣り合う３本あるいは４本の燃料棒間の中央に冷却材排
    除棒を配置した請求項１６記載の原子炉の炉心。
  19. 【請求項１９】 冷却材排除棒は、内部に空洞を形成し
    た請求項１８記載の原子炉の炉心。
  20. 【請求項２０】 冷却材排除棒は、中性子吸収断面積の
    小さなアルミニウム、ジルカロイあるいはジルコニウム
    で形成された請求項１８記載の原子炉の炉心。
  21. 【請求項２１】 燃料集合体は、角筒状チャンネルボッ
    クスの上部４隅部に、外側方からコーナ部を跨ぐように
    支持パッドを設け、この支持パッドで隣り合う燃料集合
    体の上部を横方向に相互に支持させた請求項１６記載の
    原子炉の炉心。
  22. 【請求項２２】 燃料集合体は、角筒状チャンネルボッ
    クス内に燃料バンドルを収容し、上記燃料バンドルは多
    数の燃料棒を燃料スペーサで三角配列構造に束ねて支持
    し、この燃料バンドルを覆うチャンネルボックスの内側
    面に、燃料バンドル外周の凹凸に対応する係合突起を設
    けた請求項１６記載の原子炉の炉心。
  23. 【請求項２３】 燃料集合体はチャンネルボックスの外
    側に冷却材を排除する突起を設けた請求項２２記載の原
    子炉の炉心。
  24. 【請求項２４】 多数の燃料集合体を装荷して構成され
    る原子炉の炉心において、上記燃料集合体は、チャンネ
    ルボックス内が冷却材流路隔壁でノーマル燃料要素領域
    とパーシャル燃料要素領域とに区分けされたことを特徴
    とする原子炉の炉心。
  25. 【請求項２５】 ノーマル燃料要素領域は、燃料有効長
    が所要長の通常の燃料要素を配置して構成され、パーシ
    ャル燃料要素領域は、通常の燃料要素より燃料有効長さ
    が短かい短尺燃料要素を配置して構成され、ノーマル燃
    料要素領域およびパーシャル燃料要素領域へは下部に設
    けられたオリフィスにより冷却材の流量配分が行なわれ
    る請求項２４記載の原子炉の炉心。
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