(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方格子状に１１行１１列以上に配置された複数の燃料棒を有し、前記複数の燃料棒の外周をチャンネルボックスで囲ってなる原子燃料集合体であって、
前記複数の燃料棒の全部を一つの燃料棒群とし、式（１）で与えられる燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６（但し、０．９３以上を除く。）の範囲内とし、かつ、式（２）で与えられる燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇを１乃至０．７（但し、０．８５以下を除く。）の範囲内とすることを特徴とする原子燃料集合体。
【数１】
0005595868.tif 000006
ここで、ａ：隣り合う燃料棒の中心間距離、ｇ：最外周燃料棒の中心とチャンネルボックスの内壁との距離、Ｌ：チャンネルボックスの内幅、Ｎ：燃料棒配列数である。
【請求項２】
正方格子状に１１行１１列以上に配置された複数の燃料棒を有し、前記複数の燃料棒の外周をチャンネルボックスで囲ってなる原子燃料集合体であって、
前記正方格子状に配置された複数の燃料棒のうち、最外周の燃料棒を第１の燃料棒群とし、最外周以外の燃料棒を第２の燃料棒群とし、
前記第２の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６（但し、０．９３以上を除く。）の範囲内とし、かつ前記第２の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaは前記第１の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標よりも小さいことを特徴とする原子燃料集合体。
【数２】
0005595868.tif 000007
ここで、ａ：隣り合う燃料棒の中心間距離、Ｌ：チャンネルボックスの内幅、Ｎ：燃料棒配列数である。
【請求項３】
正方格子状に１１行１１列以上に配置された複数の燃料棒を有し、前記複数の燃料棒の外周をチャンネルボックスで囲ってなる原子燃料集合体であって、
前記正方格子状に配置された複数の燃料棒のうち、最外周の燃料棒を第１の燃料棒群とし、最外周から２列目の燃料棒を第２の燃料棒群とし、最外周及び最外周から２列目の燃料棒以外の燃料棒を第３の燃料棒群とし、
前記第２の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaは、前記第１の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標よりも小さく、
前記第３の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６（但し、０．９３以上を除く。）の範囲内とし、前記第３の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaは前記第２の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標よりも小さいことを特徴とする原子燃料集合体。
【数３】
0005595868.tif 000008
ここで、ａ：隣り合う燃料棒の中心間距離、Ｌ：チャンネルボックスの内幅、Ｎ：燃料棒配列数である。
【請求項４】
正方格子状に１１行１１列以上に配置された複数の燃料棒を有し、前記複数の燃料棒の外周をチャンネルボックスで囲ってなる原子燃料集合体であって、
前記複数の燃料棒を集中配置された複数の燃料棒群に分け、各燃料棒群の内部の燃料棒における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６（但し、０．９３以上を除く。）の範囲内としたことを特徴とする原子燃料集合体。
【数４】
0005595868.tif 000009
ここで、ａ：隣り合う燃料棒の中心間距離、Ｌ：チャンネルボックスの内幅、Ｎ：燃料棒配列数である。
【請求項５】
前記各燃料棒群の最外周の燃料棒の外径は、前記各燃料棒群の内部の燃料棒の外径より大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の原子燃料集合体。
【請求項６】
前記正方格子状に配置された複数の燃料棒の中央付近に水ロッドをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の原子燃料集合体。
【請求項７】
前記正方格子状に配置された複数の燃料棒の一部は、部分長燃料棒であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の原子燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子燃料集合体、さらに詳しくは、沸騰水型原子炉に装荷される原子燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
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させる必要がある。そのためには、原子炉の出力密度の向上を図ることが有効であり、出力密度を高めた新型炉の開発や、既存の原子炉の出力密度を高める取り組みが進められている。
【０００３】
原子炉の出力密度の向上に伴い、単位原子燃料集合体あたりの発生出力が増加する。このため、燃料棒表面が沸騰遷移し膜沸騰に至る出力である限界出力に対する熱的余裕が減少する。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熱的余裕も減少する。
【０００４】
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させる高燃焼度化の取り組みも進行中であるが、この高燃焼度化によっても熱的余裕は減少する。
【０００５】
原子力発電における原子炉の出力密度の増加や原子燃料集合体の高燃焼度化は、今後も引き続き追求されていく傾向にある。したがって、原子燃料集合体について従来以上に熱的余裕を増加させることが強く望まれている。
【０００６】
熱的余裕のうち、限界出力に対する余裕を増加させるための一つの手段として、原子燃料集合体に用いられるスペーサーの改良が挙げられる。この改良されたスペーサーは、原子燃料集合体内で冷却水が沸騰することで生じ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というものである。
【０００７】
また、限界出力を向上させるための別の手段として、沸騰遷移を許容する手法が検討されている。即ち、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することで、沸騰遷移を許容し、限界出力を向上させることが検討されている。
【０００８】
一方、線出力密度の制限値に対する熱的余裕については、これを増加させるために、単位原子燃料集合体あたりの燃料棒有効長（燃料棒内の燃料ペレットが充填された部分の長さ）の総和を増加させることで除熱性能を向上させることが考えられる。
【０００９】
燃料棒有効長を増大させる方法には、２つの方法、即ち、各燃料棒の有効長を従来のものより延長する方法と、燃料棒配列数を増やす方法がある。前者は、原子燃料集合体の上下構造とのスペースの取り合いによって困難になってきているため、後者の方法によって燃料棒有効長を増大させることが望ましい。
【００１０】
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が、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
１１行１１列以上の燃料棒配列を採用した場合、燃料棒間の間隙および最外周の燃料棒とチャンネルボックス間の間隙は、従来の９行９列や１０行１０列などの燃料棒配列に比べて狭まる。特に最外周の燃料棒とチャンネルボックス間の間隙が狭まることによって、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、また、従来から比較的厳しい最外周領域における熱的余裕がさらに小さくなることが懸念される。
【００１２】
燃料棒配列数が増えるにつれて狭まってしまう上記間隙を広くするために、燃料棒の外径を小さくすることが考えられる。
【００１３】
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の外径の減少を伴い、単位原子燃料集合体あたりに装荷される重金属（ウラン等）の量が減少する。このため、原子燃料集合体の寿命が短くなり、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。従って、原子燃料経済性の観点からは、燃料棒の外径は大きくすることが重要であり、上記間隙を広げるために燃料棒の外径を小さくすることは好ましくない。
【００１４】
さらに、燃料棒配置は中性子経済性にも影響を及ぼすため、機械設計といえども核設計の観点から好適な設計とする配慮が必要とされる。
【００１５】
以上のことから、スペーサー等の機械設計や製造性が容易であり、かつ原子燃料経済性も良い１１行１１列以上の燃料棒配列の原子燃料集合体の開発が待たれていた。
【００１６】
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、スペーサー等の機械設計や製造性が容易であり、かつ、中性子経済性の観点から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である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、１１行１１列以上の燃料棒配列を有する原子燃料集合体において、燃料棒の全部または一部を集中配置、すなわち距離を詰めて配置し、一方で集中配置された燃料棒群の外周部の燃料棒のためには十分な水ギャップを確保するようにしたものである。本発明の第１の態様によれば、
正方格子状に１１行１１列以上に配置された複数の燃料棒を有し、前記複数の燃料棒の外周をチャンネルボックスで囲ってなる原子燃料集合体であって、
前記複数の燃料棒の全部を一つの燃料棒群とし、式（１）で与えられる燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６（但し、０．９３以上を除く。）の範囲内とし、かつ、式（２）で与えられる燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇを１乃至０．７（但し、０．８５以下を除く。）の範囲内とすることを特徴とする原子燃料集合体が提供される。
【数１】
0005595868.tif 000002
ここで、ａ：隣り合う燃料棒の中心間距離、ｇ：最外周燃料棒の中心とチャンネルボックスの内壁との距離、Ｌ：チャンネルボックスの内幅、Ｎ：燃料棒配列数である。
【００１８】
本発明の第２の態様によれば、
正方格子状に１１行１１列以上に配置された複数の燃料棒を有し、前記複数の燃料棒の外周をチャンネルボックスで囲ってなる原子燃料集合体であって、
前記正方格子状に配置された複数の燃料棒のうち、最外周の燃料棒を第１の燃料棒群とし、最外周以外の燃料棒を第２の燃料棒群とし、
前記第２の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６（但し、０．９３以上を除く。）の範囲内とし、かつ前記第２の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaは前記第１の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標よりも小さいことを特徴とする原子燃料集合体が提供される。
【００１９】
本発明の第３の態様によれば、
正方格子状に１１行１１列以上に配置された複数の燃料棒を有し、前記複数の燃料棒の外周をチャンネルボックスで囲ってなる原子燃料集合体であって、
前記正方格子状に配置された複数の燃料棒のうち、最外周の燃料棒を第１の燃料棒群とし、最外周から２列目の燃料棒を第２の燃料棒群とし、最外周及び最外周から２列目の燃料棒以外の燃料棒を第３の燃料棒群とし、
前記第２の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaは、前記第１の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標よりも小さく、
前記第３の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６（但し、０．９３以上を除く。）の範囲内とし、前記第３の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaは前記第２の燃料棒群における燃料棒−燃料棒距離指標よりも小さいことを特徴とする原子燃料集合体が提供される。
【００２０】
本発明の第４の態様によれば、
正方格子状に１１行１１列以上に配置された複数の燃料棒を有し、前記複数の燃料棒の外周をチャンネルボックスで囲ってなる原子燃料集合体であって、
前記複数の燃料棒を集中配置された複数の燃料棒群に分け、各燃料棒群の内部の燃料棒における燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６（但し、０．９３以上を除く。）の範囲内としたことを特徴とする原子燃料集合体が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、１１行１１列以上の燃料棒配列を有する原子燃料集合体において、燃料棒の全部または一部を集中配置し、集中配置された燃料棒群の外周部の燃料棒のためには十分な水ギャップを確保することにより、集中配置された燃料棒群の外周部の燃料棒では燃料寿命中の初期から中期にかけて反応度が上がり、燃料集合体の中央部での反応度の低下を補い、中性子経済性が良くなる。
【００２２】
また、燃料棒を集中配置することにより、外周部の燃料棒とチャンネルボックスの内壁の間の距離が大きくなるため、スペーサー等の機械設計や製造性が容易になる効果を奏することが出来る。
【００２３】
本発明では、上記集中配置された燃料棒群の内部の燃料棒間の距離や、集中配置された燃料棒群の周辺部の水ギャップの指標として燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaと燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇを導入している。
【００２４】
本発明の一態様によれば、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、燃料棒の全部を一つの燃料棒群とし、隣り合う燃料棒間の中心間距離を示す燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９から０．９６の範囲内とし、かつ、最外周燃料棒とチャンネルボックス内壁の距離を示す燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇを１から０．７とする。
【００２５】
上記距離指標のように燃料棒を配置することにより、中性子経済性に優れた燃料集合体を得ることができる。
【００２６】
さらに、最外周の燃料棒とチャンネルボックス間の間隙が大きくなるため、スペーサー等の機械設計や製造性を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態による原子燃料集合体と制御棒の横断面図である。
【図２】運転サイクル末期における余剰反応度と燃料棒−燃料棒距離指標の関係を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）ともに、本発明の変形例１による原子燃料集合体と制御棒の横断面図である。
【図４】本発明の変形例１による原子燃料集合体と制御棒の横断面図である。
【図５】本発明の変形例２による原子燃料集合体と制御棒の横断面図である。
【図６】本発明の変形例３による原子燃料集合体と制御棒の横断面図である。
【図７】本発明の変形例４による原子燃料集合体と制御棒の横断面図である。
【図８】本発明の変形例５による原子燃料集合体と制御棒の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
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と制御棒の横断面を示している。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態に係る原子燃料集合体１１は、正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、これら複数の燃料棒１を囲うチャンネルボックス２と、中央に設けられた円柱型の水ロッド３と、を備える。
【００３１】
間隙５（水ギャップ）は、最外周の燃料棒１とチャンネルボックス２間の間隙を示している。
【００３２】
なお、図１では、制御棒４との相対的な位置関係を示すため原子燃料集合体１１を一つのみ図示しているが、通常、１つの制御棒４の周囲には、４体の原子燃料集合体１１が配置されている。また、水ロッド３と燃料棒１間の間隙については、他の構造材とスペースの取り合いをしない水ロッド３により吸収可能であるため、１１行１１列以上の燃料棒配列でも水ロッド３を配置しても問題にならない。
【００３３】
本実施形態では、隣り合う燃料棒１の中心間距離を示す燃料棒−燃料棒距離指標Ｃa、および最外周燃料棒とチャンネルボックスの内壁との距離を示す燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇをそれぞれ所定の範囲とする。
【００３４】
燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaは、下式（１）で定義される。
【数２】
0005595868.tif 000003
ここで、ａ：隣り合う燃料棒の中心間距離、Ｌ：チャンネルボックスの内幅、Ｎ：燃料棒配列数である。なお、１１行１１列の原子燃料集合体の場合、Ｎ＝１１である。
【００３５】
式（１）から明らかなように、チャンネルボックス２の内幅Ｌ及び燃料棒配列数Ｎが一定の場合、燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを小さくすることは、隣り合う燃料棒の中心間距離を小さくすることを意味する。
【００３６】
また、燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇは、下式（２）で定義される。
【数３】
0005595868.tif 000004
ここで、ｇ：最外周燃料棒の中心とチャンネルボックスの内壁との距離、Ｌ：チャンネルボックスの内幅、Ｎ：燃料棒配列数である。
【００３７】
式（２）から明らかように、チャンネルボックス２の内幅Ｌ及び燃料棒配列数Ｎが一定の場合、燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇを大きくすることは、最外周燃料棒とチャンネルボックス内壁間の距離、即ち間隙５の幅を大きくすることを意味する。
【００３８】
式（１）、（２）より、指標Ｃｇは指標Ｃａを用いて下式（３）のように表される。
【数４】
0005595868.tif 000005
ここで、Ｎ：燃料棒配列数、Ｃａ：燃料棒−燃料棒距離指標である。
【００３９】
燃料棒−燃料棒距離指標Ｃａを０．９乃至０．９６の範囲内とすると、式（３）により燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇは１乃至０．７となる。すなわち、本実施形態は、燃料集合体の燃料棒の全部を一つの燃料棒群とし、燃料棒−燃料棒距離指標Ｃａは０．９乃至０．９６の範囲内であり、かつ、燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇは１乃至０．７の範囲内である。
【００４０】
燃料棒−燃料棒距離指標Ｃａを小さく、燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇを大きくすることは、正方格子状に配置された燃料棒１をチャネルボックス２の中心に寄せ（燃料棒間の距離を詰めて集中的に配置し）、間隙５の幅を大きくすることを意味する。
【００４１】
間隙５の幅が大きくなることで、間隙５における減速材（冷却水）が増え、中性子が減速しやすくなる。このため、最外周の燃料棒の核分裂に対して有利に働く。その一方、最外周以外の燃料棒間の間隔は狭まり、これらの燃料棒間の減速材が減少する。
【００４２】
しかし１１行１１列以上の配列の燃料集合体では、最外周の燃料棒の反応度の上昇が、内部の燃料棒の反応度の下降分よりも大きいので、燃料集合体の全体で見れば高い中性子経済性を得ることができる。
【００４３】
さらに、燃料棒−燃料棒距離指標Ｃａを小さし、かつ燃料棒−チャンネルボックス距離指標Ｃｇを大きくするすることにより、外周部の燃料棒とチャンネルボックスの内壁の間の距離が大きくなるため、スペーサー等の機械設計や製造性が容易になる効果を奏することが出来る。
【００４４】
このことについて、図２を用いて詳細に説明する。図２は、原子燃料集合体の運転サイクル末期における余剰反応度［％ΔＫ］（以下、単に「サイクル末期余剰反応度」ともいう。）と、燃料棒−燃料棒距離指標Ｃａの関係を、９行９列、１０行１０列、１１行１１列及び１２行１２列の４種類の燃料棒配列についてそれぞれプロットしたものである。なお、「運転サイクル」は、炉心に装荷された燃料棒を交換する期間を意味している。
【００４５】
図２に示す４つの曲線は、それぞれの燃料棒配列数の場合について、燃料棒−燃料棒距離指標Ｃa＝１のときにおけるサイクル末期余剰反応度を０として規格化した値を示すものであり、図２はこれらの曲線間の大小を示すものではない。
【００４６】
図２に示すように、9行9列および１０行１０列の燃料棒配列のいずれの場合についても、燃料棒−燃料棒距離指標が従来の０．９６より小さくなればなるほど、サイクル末期余剰反応度は低下する。
【００４７】
一方、図２からわかるように、１１行１１列および１２行１２列の燃料棒配列の場合、燃料棒−燃料棒距離指標を０．９６より小さくしても、サイクル末期余剰反応度が改善する領域が存在する。より具体的には、燃料棒−燃料棒距離指標が０．９乃至０．９６の範囲にあるとき、サイクル末期余剰反応度は燃料棒−燃料棒距離指標が０．９６のときよりも大きくなる。
【００４８】
これは、１１行１１列以上の原子燃料集合体では、燃料棒が原子燃料集合体に占める領域が１０行１０列以下の原子燃料集合体と比べて大きいために、最外周の燃料棒より内側の領域において、もともと燃料棒間の水の量が少なく、このため、燃料棒の間隔を狭めたことにより減少する燃料棒間の水の量が相対的に少ないことに起因する。
【００４９】
よって、間隙５の幅が大きくなったことによる最外周の燃料棒の核分裂に対して有利に働く効果が、それ以外の燃料棒の核分裂に対して不利に働く効果よりも大きくなり、原子燃料棒集合体全体としてみた場合の中性子経済性が向上する。そのため、運転サイクル末期における余剰反応度が向上する。その結果、燃焼度を高め、原子燃料経済性を向上させることができる。
【００５０】
さらに、間隙５の幅が大きくなることで、１１行１１列以上の燃料棒配列を採用する際に問題となるスペーサ等の機械設計や製造性を容易にすることができる。
【００５１】
以下、本実施形態のいくつかの変形例（変形例１〜５）について説明する。これらの変形例の場合についても上述の効果を得ることができる。
【００５２】
変形例１及び２は、チャンネルボックスを水平面内で複数の領域に区画し、区画された領域ごとに燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを０．９乃至０．９６の範囲で小さくすることで、複数の燃料棒群を形成したものである。これにより、燃料棒群の間を流れる冷却水の流路を広くし、中性子経済性をさらに向上させることができる。また、スペーサの機械設計や製造性に対する制約をより小さくすることができる。
【００５３】
（変形例１）
図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の変形例１に係る原子燃料集合体１１Ａ及び１１Ｂの横断面図をそれぞれ示している。
【００５４】
図３（ａ）に示すように、原子燃料集合体１１Ａは、最外周の燃料棒からなる燃料棒群１０Ａと、最外周以外の燃料棒からなる燃料棒群１０Ｂとを有する。燃料棒群１０Ｂにおける燃料棒−燃料棒距離指標Ｃａは、燃料棒群１０Ａのそれよりも小さい。換言すれば、燃料棒群１０Ｂにおける隣り合う燃料棒の中心間距離ａ２は、燃料棒群１０Ａにおける隣り合う燃料棒の中心間距離ａ１よりも小さい。即ち、ａ１＞ａ２、かつ０．９≦Ｃａ２≦０．９６（Ｃａ２：燃料棒群１０Ｂ内の燃料棒の燃料棒−燃料棒距離指標Ｃａ）を満たすように、中心間距離ａ１，ａ２を選択する。
【００５５】
このようにすることで、燃料棒群１０Ａと燃料棒群１０Ｂの間に比較的幅の広い間隙６が形成される。これにより、中性子経済性をさらに向上させることができるとともに、スペーサの機械設計の制約をより小さくすることができる。
【００５６】
図３（ｂ）に示す原子燃料集合体１１Ｂでは、内側の燃料棒群１０Ｂに属する燃料棒のうち、最外周以外の燃料棒の中心間距離をさらに小さくすることで、燃料棒群１０Ｂを２つの燃料棒群、即ち燃料棒群１０Ｂ１と１０Ｂ２に分けている。燃料棒群１０Ｂ２における燃料棒−燃料棒距離指標は、燃料棒群１０Ｂ１のそれよりも小さい。
【００５７】
換言すれば、燃料棒群１０Ｂ２に属する燃料棒の中心間距離ａ３を、燃料棒群１０Ａ及び燃料棒群１０Ｂ１に属する燃料棒の中心間距離ａ１及びａ２よりも小さくしている。即ち、ａ１＞ａ２＞ａ３、かつ０．９≦Ｃａ３≦０．９６（Ｃａ３：燃料棒群１０Ｂ２内の燃料棒の燃料棒−燃料棒距離指標Ｃａ）を満たすように、中心間距離ａ１，ａ２，ａ３を選択する。これにより、間隙６に加えて、燃料棒群１０Ｂ１と１０Ｂ２の間に比較的幅の広い間隙７が形成される。これにより、中性子経済性をさらに向上させることができるとともに、スペーサの機械設計の制約をより小さくすることができる。
【００５８】
なお、上記図３（ａ）の変形例の場合はａ１＞ａ２かつ０．９≦Ｃａ２≦０．９６としたが、０．９≦Ｃａ２≦０．９６を満たせば、最外周の燃料棒は適宜配置することができる。同様に、図３（ｂ）の変形例の場合はａ１＞ａ２＞ａ３かつ０．９≦Ｃａ３≦０．９６としたが、０．９≦Ｃａ３≦０．９６を満たせば、最外周および最外周から２列目の燃料棒は適宜配置することができる。
【００５９】
また、核的効率の増加する燃料棒群１０Ａに属する燃料棒を太径化してもよい。このような原子燃料集合体１１Ｃを図４に示す。図４に示すように、原子燃料集合体１１Ｃでは、燃料棒群１０Ａに属する燃料棒１Ａの外径を燃料棒群１０Ｂに属する燃料棒１Ｂの外径よりも大きくしている。燃料棒１Ａの外径は、燃料棒間の間隙や燃料棒とチャンネルボックス間の間隙を損なわない程度に大きくしている。このように構成することで、間隙５及び６の冷却水によって減速された中性子（熱中性子）をより効率的に利用し、中性子経済性をさらに向上させることができる。
【００６０】
（変形例２）
図５は、本発明の変形例２に係る原子燃料集合体１１Ｄの横断面図を示している。図５に示すように、本変形例では、１１行１１列の燃料棒配列を、４行４列の燃料棒からなる燃料棒群１０Ｃ１と１０Ｃ２と、それ以外の燃料棒群１０Ｄ１と１０Ｄ２に分けている。各燃料棒群において、燃料棒群の内部の燃料棒の燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaは０．９乃至０．９６の範囲内としている。
【００６１】
このように本変形例では、チャンネルボックス２を水平面内で４つの領域に区画し、区画された領域ごとに燃料棒−燃料棒距離指標Ｃaを小さくして４つの燃料棒群１０Ｃ１，１０Ｃ２，１０Ｄ１及び１０Ｄ２を形成する。これにより、各燃料棒群間に比較的大きい間隙８を設けることができる。その結果、各燃料棒群の最外周の燃料棒は核分裂が容易になり、スペーサーの機械設計の制約を小さくすることができるとともに、間隙８の冷却材により生成された熱中性子を利用して、中性子経済性を向上させることができる。
【００６２】
なお、燃料棒群の区画方法は図示のものに限られないが、原子燃料集合体内の均等な燃焼度を実現するため、間隙８は、チャンネルボックス２の対角線Ｍに関して対称に設けることが好ましい。これにより、燃料の健全性および経済性を向上させることができる。
【００６３】
次に説明する変形例３及び４はそれぞれ、原子燃料集合体の中央付近に円柱型の複数の水ロッド及び角柱型の水ロッドを備えている。
【００６４】
（変形例３）
図６は、本発明の変形例３に係る原子燃料集合体１１Ｅの横断面図を示している。図６に示すように、原子燃料集合体１１Ｅは円柱型の水ロッド３を中央に２つ備える。このように構成することで、原子燃料集合体１１Ｅの中央付近の中性子経済性を改善できる。
【００６５】
なお、水ロッド３と燃料棒１間の間隙については、他の構造材とスペースの取り合いをしない水ロッド３により吸収可能であるため、１１行１１列以上の燃料棒配列でも複数の水ロッドを配置しても問題にならない。
【００６６】
（変形例４）
図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の変形例４に係る原子燃料集合体１１Ｆ及び１１Ｇの横断面図をそれぞれ示している。図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、原子燃料集合体１１Ｆ及び１１Ｇは、円柱型の水ロッド３の代わりに、角柱型の水ロッド３Ａ及び３Ｂをそれぞれ備える。このように、本発明は、水ロッドの形状によらずに適用することができる。
【００６７】
次に説明する変形例５は、他の燃料棒よりも燃料棒有効長が短い燃料棒である部分長燃料棒（短尺燃料棒）を備えるものである。
【００６８】
（変形例５）
図８は、本発明の変形例５に係る原子燃料集合体１１Ｈの横断面図を示している。図８に示すように、原子燃料集合体１１Ｈは、燃料棒１よりも燃料棒有効長が短い部分長燃料棒９を備える。これにより、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を改善するとともに、原子炉停止余裕の確保、及び中性子経済性の向上を図ることができる。
【００６９】
以上説明したように、本発明では、原子炉の出力密度の増加や原子燃料集合体の高燃焼度化により適した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、燃料棒間隔が中性子経済性に及ぼす影響に着目したものであり、燃料棒−燃料棒距離指標を０．９から０．９６の範囲内とし、かつ燃料棒−チャンネルボックス距離指標を１乃至０．７の範囲内とする。これにより、スペーサーの機械設計や製造性に容易にしつつ、中性子経済性上も好適な原子燃料集合体を得ることができる。
【００７０】
上述したところからわかるように、本発明によれば、核的特性および機械的成立性に配慮しつつ、線出力密度の制限値に対する熱的余裕を向上させることができる。その結果、原子炉の出力密度の増加や原子燃料集合体の高燃焼度化により適した原子燃料集合体を提供することが可能となる。
【００７１】
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受けず、特に適用する濃縮度やガドリニア濃度に対する制限はない。
【００７２】
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態や変形例に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１，１Ａ，１Ｂ  燃料棒
２  チャンネルボックス
３，３Ａ，３Ｂ  水ロッド
４  制御棒
５，６，７，８  間隙
９  部分長燃料棒
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｂ１，１０Ｂ２，１０Ｃ，１０Ｄ  燃料棒群
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈ  原子燃料集合体
【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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