(57)【要約】【課題】１１行１１列以上の燃料棒配列を採用した原子燃料集合体において、スペーサーの機械設計や製造が容易であり、かつ、中性子経済上も好適な沸騰水型原子炉の原子燃料集合体を提供する。【解決手段】燃料棒が正方格子状に１１行１１列以上に配置された沸騰水型原子炉の原子燃料集合体において、水ギャップに面した最外周の燃料棒行列のコーナー８の位置に燃料棒が配置されていないようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料棒が正方格子状に１１行１１列以上に配置された沸騰水型原子炉の原子燃料集合体において、
水ギャップに面した最外周の燃料棒行列のコーナーの位置に燃料棒が配置されていないことを特徴とする沸騰水型原子炉の原子燃料集合体。
【請求項２】
非沸騰の冷却材流路となる水ロッドを備えていることを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉の原子燃料集合体。
【請求項３】
燃料棒内の燃料ペレットが充填された部分の長さである燃料有効長が異なる複数種類の燃料棒を含むことを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉の原子燃料集合体。
【請求項４】
前記水ロッドの形状が円柱型、角柱型もしくは平板型であることを特徴とする請求項２記載の沸騰水型原子炉の原子燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される原子燃料集合体に関する。
【０００２】
特に、本発明は１１行１１列以上に燃料棒が正方格子状配置された沸騰水型原子炉の原子燃料集合体において、中性子経済性を高くしつつ、かつ、従来から問題となっていた正方格子状に配置された燃料棒のコーナー部の燃料棒とチャンネルボックスの間の隙間が小さいことによるスペーサーの設計の困難さを解決することができる沸騰水型原子炉の原子燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００３】
原子力発電の経済性向上のためには、単位発電所あたりの発電量を増加しなければならない。単位発電所あたりの発電量を増加するためには、原子炉の出力密度の向上を図ることが有効である。原子力発電の経済性向上のため、出力密度を高めた新型炉の開発や、既存の原子力発電所の発電量を高める出力向上が進められている。
【０００４】
原子炉の出力密度向上に伴い、原子炉内の単位燃料集合体あたりの発生出力が増加する。一方、単位燃料集合体あたりの発生出力を増加させると、燃料棒表面が沸騰遷移し、膜沸騰に至る出力すなわち限界出力に対する余裕が減少する。また、燃料棒の単位長さ当たりの発生出力である線出力密度の制限値に対する余裕も減少する。このように、原子炉の出力密度向上に伴い、限界出力に対する余裕や線出力密度の制限値に対する余裕などの熱的な余裕が減少する。
【０００５】
さらに、原子燃料経済性の向上のために、原子燃料集合体の取出平均燃焼度を増加する高燃焼度化もはかられているが、高燃焼度化によっても熱的な余裕が減少する。
【０００６】
原子力発電における出力密度増加や高燃焼度化は、今後も引き続き追及されていく傾向にあり、かつ、原子燃料集合体について従来以上に熱的余裕を増加することが強く望まれている。
【０００７】
熱的余裕のうち、限界出力への余裕を増加するための一つの手段としてスペーサーの改良がある。燃料集合体内での沸騰による蒸気と液滴が混合した相を撹拌し、燃料棒表面の液膜への液滴付着を促進することで、沸騰遷移を抑制し限界出力を向上させるスペーサーを備えた原子燃料集合体が開発されてきている。
【０００８】
また、沸騰遷移後の燃料棒の挙動を評価し、沸騰遷移に至っても燃料棒が破損しないことを確認する手法を採用して、沸騰遷移を許容することにより、限界出力を高める対応が進められている。
【０００９】
一方、熱的余裕のうち、線出力密度の制限値への余裕への対応として、単位燃料集合体当たりの燃料棒有効長の総和を増加させることが考えられている。このため、各燃料棒の有効長を従来のものより延長した原子燃料集合体や、従来の８行８列の燃料棒配列を９行９列あるいは１０行１０列に改良した原子燃料集合体が開発されてきている。すなわち、線出力密度の制限値への余裕への対応として、各燃料棒の有効長を延長するという方法と燃料棒の数を増加させるという方法がある。
【００１０】
しかし、各燃料棒の有効長を延長という方法は、原子燃料集合体の上下構造との取り合いによって困難になってきている。
【００１１】
よって、線出力密度の制限値への余裕を今後高めていくためには、１１行１１列以上の燃料棒配列を採用することが望ましい。
【００１２】
１１行１１列以上の燃料棒配列を採用する場合、燃料棒間の間隙、および、燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙が、燃料棒配列が９行９列や１０行１０列の従来の原子燃料集合体の該当間隙よりも狭まり、間隙に位置するスペーサーの機械設計や製造がより困難になると予想される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１０は、燃料棒配列が１１行１１列の原子燃料集合体のスペーサー近傍の横断面を示している。
【００１４】
図１０において、符号２０はチャンネルボックス、符号２１は燃料棒、符号２２はスペーサー、符号２３は水ロッドをそれぞれ示している。
【００１５】
図１０に示すように、１１行１１列の燃料棒配列では、最外周燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒２１ａは、チャンネルボックス２０のコーナー部分に接近し、その間隙はきわめて狭いものになっている。
【００１６】
したがって、スペーサー２２のコーナー部２２ａは、きわめて薄くかつ精巧に製作されなければならない。
【００１７】
図１０から分かるように、燃料棒間の間隙、および、燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙を広くするためには、燃料棒の外径を小さくことが考えられる。
【００１８】
しかし、燃料棒の外径を小さくすることは、燃料棒内の燃料ペレット外径の減少を伴うため、単位燃料集合体に装荷される重金属重量が減少し、取替燃料体数の増加、すなわち原子燃料経済性の低下をもたらす。このため、可能な限り燃料棒外径を大きくとることが重要である。
【００１９】
また、燃料棒間の間隙を詰めることにより、もっとも狭いコーナー部分の燃料棒２１ａとチャンネルボックス２０の間の間隙を大きくしようとしても、燃料棒間にはスペーサー２２の部材が存在するため、すでに燃料棒間の間隙が製造性の観点から限界に近くなっている。
【００２０】
一方、燃料棒の配置は中性子経済性に影響を及ぼすため、核設計の観点からも好適な設計とする配慮が必要である。
【００２１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、１１行１１列以上の燃料棒配列を採用した原子燃料集合体において、スペーサーの機械設計や製造が容易であり、かつ、中性子経済上も好適な沸騰水型原子炉の原子燃料集合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明による沸騰水型原子炉の原子燃料集合体は、
燃料棒が正方格子状に１１行１１列以上に配置された沸騰水型原子炉の原子燃料集合体において、
水ギャップに面した最外周の燃料棒行列のコーナーの位置に燃料棒が配置されていないことを特徴とする沸騰水型原子炉の原子燃料集合体。
【００２３】
前記原子燃料集合体は、非沸騰の冷却材流路となる水ロッドを備えているようにすることができる。
【００２４】
前記原子燃料集合体は、燃料棒内の燃料ペレットが充填された部分の長さである燃料有効長が異なる複数種類の燃料棒を含むようにすることができる。
【００２５】
前記水ロッドの形状が円柱型、角柱型もしくは平板型であるようにすることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による沸騰水型原子炉の原子燃料集合体は、燃料棒が正方格子状に１１行１１列以上に配置された沸騰水型原子炉の原子燃料集合体において、水ギャップに面した最外周の燃料棒行列のコーナーの位置に燃料棒が配置しないようにしている。
【００２７】
従来最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒がもっとも効率的に核分裂反応するという理由から、最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒を取り除くと、中性子の経済性が低下して好ましくないと考えられていた。
【００２８】
しかし、本発明の発明者は、１１行１１列以上の燃料棒配列では、最外周燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒に隣接した燃料棒が、核分裂反応度を引き起こす熱中性子束が大きいチャンネルボックスのコーナー部分に接近するため、実際には、最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒を取り除いても、コーナー部分の燃料棒に隣接する燃料棒の反応により、中性子の経済性が低下しないことを発見した。
【００２９】
したがって、本発明のように、水ギャップに面した最外周の燃料棒行列のコーナーの位置に燃料棒が配置しないようにしても、中性子の経済性を損なわないばかりか、スペーサーの機械設計や製造を困難なものにしていた最外周燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙が広くなり、スペーサーの機械設計や製造上の困難性を解消することができる。
【００３０】
これにより、原子炉の出力密度を向上させる傾向の中で、燃料棒の外径を小さくすることなく、装荷する燃料棒の数を増加させることができる。燃料棒の外径を小さくすることがないため、単位燃料集合体に装荷される核燃料が減少することなく、原子燃料経済性の低下を招くことがない。
【００３１】
装荷する燃料棒の数を増加させることができ、かつ、沸騰遷移を抑制して限界出力を向上させるスペーサーを設けることができるため、限界出力に対する余裕や線出力密度の制限値に対する余裕などの熱的な余裕を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に、本発明を実施するための最良の形態について以下に図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態による沸騰水型原子炉の原子燃料集合体の横断面を示している。
【００３４】
図１において、符号１は本実施形態による原子燃料集合体、符号２はチャンネルボックス、符号３は燃料棒、符号４は水ロッドを示している。
【００３５】
符号５は制御棒を示し、図１には制御棒５との相対関係を示すため原子燃料集合体１は一つのみ示しているが、通常制御棒５の周囲に原子燃料集合体１が４体配置されている。
【００３６】
符号６は最外周の燃料棒行列を示している。符号７は水ギャップを示している。最外周の燃料棒行列６は縦と横があり、４角形状に配列されている。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態による原子燃料集合体１は、燃料棒３が正方格子状に１１行１１列に配置され、その最外周の燃料棒行列６のうち、符号８で示す最外周燃料棒行列のコーナー部分には、燃料棒が配置されていない。
【００３８】
ここで、図２と図３を用いて本発明の原理を説明する。
【００３９】
図２は燃料棒配列が８行８列の原子燃料集合体を基準として、９行９列、１０行１０列、１１行１１列の原子燃料集合体の燃料棒の間（燃料棒間）、チャンネルボックスと燃料棒の間（チャンネルボックス−燃料棒間）、チャンネルボックスのコーナー部分と最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒の間（チャンネルボックス−燃料棒間（コーナー部分））のそれぞれの間隙を比較して示している。
【００４０】
図２の横軸は燃料棒配列、縦軸は間隙の相対値を示している。横軸の数字は燃料棒の行と列の数、たとえば１０は１０行１０列の燃料棒配列を示している。縦軸の数字は、８行８列の間隙を１００％として示している。燃料棒−チャンネルボックス間については、角柱型のチャンネルボックスの辺にあたる直線部分における間隙と、４隅にあたるコーナー部分における間隙を示している。
【００４１】
図２に示すように、１１行１１列の燃料棒配列の場合、燃料棒間の間隙は従来からの燃料棒配列の改良の延長線上にあって、１０行１０列の燃料棒配列からの減少量が小さいのに対し、燃料棒−チャンネルボックス間の間隙の減少量は、１０行１０列の燃料棒配列から１１行１１列の燃料棒配列に変わったときに大きく減少する。
【００４２】
特に、チャンネルボックスコーナー部分は、チャンネルボックスの内径との関係から、燃料棒−チャンネルボックス間（コーナー部分）の間隙の減少量は非常に大きい。このため、チャンネルボックスコーナー部分では、スペーサーの機械設計、製造等がより困難であることを示している。この傾向は、１２行１２列の燃料棒配列の場合更に顕著となる。
【００４３】
前述したように、燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙を増大させる方法として、燃料棒の外径を小さくすることが考えられるが、燃料棒の外径を小さくすると、燃料棒内の燃料ペレット外径が減少し、この結果、単位燃料集合体に装荷される重金属重量が減少し、取替燃料体数が増加し、原子燃料の経済性が低下して好ましくない。
【００４４】
次に、燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙を増大させるもう一つの方法として、燃料棒間隙を減少させることによって、燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙を増加させることが考えられる。
【００４５】
しかし、燃料棒間の間隙にも、限界出力を向上させるために蒸気と液滴が混合した相を撹拌するためのスペーサー構造材等が存在するため、間隙を従来から顕著に減少させることは難しく、また、燃料棒間の間隙を減少させることにより、燃料棒周辺の減速材を兼ねた冷却材が減少し、中性子経済性や限界出力に負の影響を及ぼす可能性も考えられる。
【００４６】
燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙を増大させるさらにもう一つの方法として、チャンネルボックスのコーナー部分の内径を小さくすることも考えられるが、チャンネルボックス自体の加工性やチャンネルボックス外に位置する制御棒や中性子計装管との取り合いの観点からは難しい。
【００４７】
ところで、従来最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒がもっとも効率的に燃焼するという理由から、最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒を取り除くと、中性子の経済性が低下して好ましくないということが、この技術分野の常識となっていた。
【００４８】
しかし、本発明の発明者は、かかる技術常識は１１行１１列以上の燃料棒配列では通用しないことを発見し、かかる知見に基づいて本発明を考案するに至った。以下にその根拠を説明する。
【００４９】
図３は、１０行１０列と１１行１１列の燃料棒配列の原子燃料集合体の運転サイクル末期における反応度に対する、水ギャップに面した最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒の有無の影響を評価したグラフである。
【００５０】
図３のグラフの横軸の数字は、燃料棒の行と列の数、たとえば１０は１０行１０列の燃料棒配列を示している。縦軸の数字は、最外周の燃料棒行列のコーナー部分から燃料棒を取り除いた原子燃料集合体のサイクル末期における反応度から、最外周の燃料棒行列のコーナー部分に燃料棒を配置した原子燃料集合体のサイクル末期における反応度を引いた反応度差を示している。
【００５１】
図３に示すように、１０行１０列の燃料棒配列の原子燃料集合体の場合、最外周の燃料棒行列のコーナー部分から燃料棒を取り除くと、該原子燃料集合体のサイクル末期における反応度は、−０．１１（％Δｋ）低下するのに対し、１１行１１列の燃料棒配列の原子燃料集合体の場合、最外周の燃料棒行列のコーナー部分から燃料棒を取り除いても、該原子燃料集合体のサイクル末期における反応度は低下しない。
【００５２】
チャンネルボックス外の水ギャップに面した最外周の燃料棒行列のコーナー部分は、周辺の水ギャップにおける減速材により中性子が減速しやすいため、主に核分裂反応度を引き起こす熱中性子束が大きく、核分裂に有利な位置である。このため、１０行１０列以下の燃料棒行列の原子燃料集合体においては、最外周の燃料棒行列のコーナー部分に燃料棒が存在しないと、反応度が低く中性子経済性上不利であった。
【００５３】
ところが、１１行１１列以上の燃料棒配列では、燃料棒中心間距離である燃料棒ピッチが狭まっていることから、最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒に隣接した燃料棒が、核分裂に有利なチャンネルボックスのコーナー部分に接近し、その結果、最外周の燃料棒行列のコーナー部分に燃料棒が存在しなくても、該原子燃料集合体のサイクル末期における反応度は低下しないことが分かった。
【００５４】
そうであるとすると、１１行１１列以上の燃料棒配列において、最外周の燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒を取り除くことにより、中性子経済性を損なうことなく、狭い間隙によるスペーサーの機械設計や製造上の困難性を解消することができる。
【００５５】
このことは、原子炉の出力密度を向上させる昨今の趨勢の中で、燃料棒の外径を小さくすることなく装荷する燃料棒の数を増加させられ、かつ、燃料棒間に蒸気と液滴の混合相を撹拌し沸騰遷移を抑制して限界出力を向上させるスペーサーを設けられ、限界出力に対する余裕や線出力密度の制限値に対する余裕などの熱的な余裕を向上させることができるということである。
【００５６】
図１の示した燃料棒配列の原子燃料集合体は、１１行１１列の燃料棒配列を採用し、最外周の燃料棒行列６のコーナー部分８に燃料棒３を配置しないことにより、スペーサーを設けることができ、かつ、原子燃料集合体当たりの燃料棒有効長の総和を従来の１０行１０列の燃料棒配列よりも大きくすることができ、出力密度増加や高燃焼度化により適した原子燃料集合体とすることができる。
【００５７】
なお、水ロッドと燃料棒の間の間隙は、他の構造材との取り合いが無い水ロッドで吸収可能であるため、１１行１１列以上の燃料棒配置でも問題となることは無い。
【００５８】
図４は、本発明の変形例を示している。  
図４において図１と同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００５９】
図４の変形例では、水ロッド４は２つ設けられている。前述したように、水ロッドと燃料棒の間の間隙は、水ロッドが他の構造材との取り合いが無いため、図４の変形例のように複数の水ロッドを使用しても問題になることがない。
【００６０】
また、水ロッドはその形状を任意の形状にすることができる。  
図５及び図６は本発明のさらに他の変形例を示している。  
図５及び図６においても、図１と同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００６１】
図５の変形例では、水ロッド４は円柱型ではなく角柱型になっている。図６の変形例では角柱型の水ロッド４が４５°回転した状態で配設されている。
【００６２】
なお、図示しないが、水ロッド４は平板型でもよい。
【００６３】
本発明の原子燃料集合体は、部分長燃料棒に適用することができる。
【００６４】
沸騰水型原子炉の原子燃料集合体においては、原子燃料集合体内の圧力損失、つまり冷却材の流れやすさや、原子炉停止余裕の確保、中性子経済性の向上の観点から、燃料有効長が他の燃料棒より短い燃料棒、いわゆる部分長燃料棒が採用することがある。
【００６５】
部分長燃料棒を採用した場合であっても、１１行１１列の燃料棒配列における課題、すなわち、燃料棒の数の増加とともに、燃料棒の間、燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙が減少し、スペーサーの機械設計および製造が困難になる問題は同じである。
【００６６】
本発明の原子燃料集合体は、部分長燃料棒に適用することができる。
【００６７】
図７は、燃料棒の一部が部分長燃料棒である変形例を示している。  
図７において、部分長燃料棒は符号９で示し、図１と同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００６８】
図７の変形例に示すように、部分長燃料棒９を採用し、最外周燃料棒行列のコーナー部分８に燃料棒を配置しないことにより、１１行１１列以上の燃料棒配列とし、かつ、スペーサーの機械設計および製造が困難な問題を解消することができる。
【００６９】
部分長燃料棒については、圧力損失、中性子経済性向上の観点から１種類ではなく２種類等の複数種類使用する例も最近見受けられる。
【００７０】
本発明はかかる部分長燃料棒を使用した原子燃料集合体にも適用することができる。
【００７１】
図８は部分長燃料棒の種類が、部分長燃料棒１０と部分長燃料棒１１の２種類の場合の変形例を示している。
【００７２】
このように、２種類以上の部分長燃料棒を有する原子燃料集合体においても、最外周燃料棒行列のコーナー部分８に燃料棒を配置しないことにより、１１行１１列以上の燃料棒配列とし、かつ、スペーサーの機械設計および製造が困難な問題を解消することができる。
【００７３】
図９は、１２行１２列に燃料棒を配列し、水ギャップに面した最外周行列の燃料棒のうちコーナー部分には燃料棒を配置していない本発明の他の実施形態である。
【００７４】
前述したように、本発明は燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙がもっとも狭い最外周燃料棒行列のコーナー部分８に燃料棒を配置しないため、燃料棒の外径を小さくすることなく１２行１２列の燃料棒配列の原子燃料集合体においても、スペーサーの設計や製造が容易になり、限界出力に対する余裕や線出力密度の制限値に対する余裕などの熱的な余裕を向上させることができる。
【００７５】
なお、本発明は燃料棒外側の幾何形状にかかわるものであり、燃料棒内部の燃料ペレットの濃縮度やガドリニア濃度の影響を基本的には受けず、特に適用する濃縮度やガドリニア濃度の範囲に対する制限はない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の一実施形態による原子燃料集合体を示した横断面図。
【図２】燃料棒の配列数の増加による燃料棒間、燃料棒とチャンネルボックスの間の間隙の変化を示したグラフ。
【図３】燃料棒の配列数の増加により、最外周燃料棒行列のコーナー部分の燃料棒を取り除いた場合の反応度の影響を比較して示したグラフ。
【図４】本発明の一変形例による原子燃料集合体を示した横断面図。
【図５】本発明の一変形例による原子燃料集合体を示した横断面図。
【図６】本発明の一変形例による原子燃料集合体を示した横断面図。
【図７】本発明の一変形例による原子燃料集合体を示した横断面図。
【図８】本発明の一変形例による原子燃料集合体を示した横断面図。
【図９】本発明の他の一実施形態による原子燃料集合体を示した横断面図。
【図１０】従来の原子燃料集合体のスペーサー近傍の横断面図。
【符号の説明】
【００７７】
１  原子燃料集合体
２  チャンネルボックス
３  燃料棒
４  水ロッド
５  制御棒
６  最外周の燃料棒行列
７  水ギャップ
８  最外周燃料棒行列のコーナー部分
９  部分長燃料棒
１０  部分長燃料棒
１１  部分長燃料棒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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