(57)【要約】【課題】  燃料集合体圧力損失の増大、核熱水力安定性の悪化や製造性の悪化を招くことなく、燃料集合体の上部領域でのドライアウト特性を向上させ、燃料集合体の下部領域でのＤＮＢ発生を抑止する部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体を得る。【解決手段】  部分長燃料棒のうち最も長い燃料有効長を持つ部分長燃料棒の上端位置は標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央高さ位置よりも上の領域にあり、軸方向中央高さ位置より上の領域に配置されたスペーサの最上位を除く複数個のグループＡに属するスペーサのうち少なくとも複数個のスペーサと、軸方向中央位置より下の領域に配置されたスペーサの最下位を除く複数個のグループＢのうち少なくとも１個のスペーサとは、その上面下流側の互いに隣接しあう４個の燃料棒セルに囲まれたほぼ中央位置に４枚の旋回羽根で構成された冷却材撹拌部を備え、グループＢの冷却材撹拌部の個数が、グループＡの冷却材撹拌部の個数よりも少ないもの。【選択図】        図１
2006343275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０行１０列の正方格子配列に配置された燃料棒群と前記正方格子配列内に配置された前記燃料棒複数本相当の領域を占める水ロッドとを、７個以上のスペーサによって束ねた沸騰水型原子炉用燃料集合体であって、
下部タイプレートに下端を保持された前記燃料棒群は、前記燃料集合体の燃料有効長と等しい燃料有効長を持つ標準燃料棒と、前記標準燃料棒よりも燃料有効長が短い部分長燃料棒とに分けられ、
前記部分長燃料棒のうち最も長い燃料有効長を持つ部分長燃料棒の上端位置は前記標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央高さ位置よりも上の領域にあり、
前記複数個のスペーサを、前記標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央高さ位置より上の領域に配置された前記スペーサのうち前記燃料集合体内最上位に位置するスペーサを除く複数個で構成されるスペーサグループＡと、前記標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央位置より下の領域に配置された前記スペーサのうち前記燃料集合体の最下位に位置するスペーサを除く複数個で構成されるスペーサグループＢとに分けた場合に、
前記スペーサグループＡに属するスペーサのうち少なくとも複数個のスペーサと、前記スペーサグループＢに属するスペーサのうち少なくとも１個のスペーサとは、その上面下流側の互いに隣接しあう４個の燃料棒セルに囲まれたほぼ中央位置に４枚の旋回羽根で構成された冷却材撹拌部を備え、
前記スペーサグループＢに属するスペーサ内の前記冷却材撹拌部の個数が、前記スペーサグループＡに属するスペーサ内の前記冷却材撹拌部の個数よりも少ないことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項２】
前記スペーサグループＢのスペーサの前記冷却材撹拌部は、少なくとも前記スペーサ上面のチャンネルボックスに面した横断面方向の外周領域第１層位置のすべてに設けられたことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
前記スペーサグループＡに属するスペーサのうち前記部分長燃料棒の上端位置よりも上部下流側に設けられたスペーサには、前記部分長燃料棒に対応する燃料棒セルには旋回羽根を有さない、３枚の旋回羽根で構成された欠損冷却材撹拌部を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項４】
前記スペーサグループＡに属するスペーサが４個であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項５】
前記燃料集合体の最上位及び最下位に位置する２個のスペーサには複数枚の旋回羽根で構成される冷却材撹拌部を有しないことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【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用いる燃料集合体に関し、特に、部分長燃料棒と水ロッドとを配した１０行１０列格子の燃料棒群を有する燃料集合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（以下、「ＢＷＲ」ともいう。）における燃料設計の分野においては、より経済性の高い燃料集合体の開発が進められている。
【０００３】
一般に、燃料の経済性を高めるためには、燃料物質であるウランの装荷量を燃料集合体当たりで多くすることが考えられる。また、燃料集合体の燃料棒群を配置する正方格子の行列数を増やすことにより、冷却材と接する燃料棒表面の伝熱面積が増大し、燃料棒１本当たりの熱負荷も低減できるため、原子炉運転の自由度を増すこともできる。
【０００４】
しかしながら、燃料集合体当たりのウラン重量の増加、燃料棒配列格子数の増加に伴い、ボイド係数の絶対値の増大、燃料集合体内の摩擦圧力損失の増加、また、これらに伴う核熱水力安定性の悪化が懸念される。
【０００５】
従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体として用いられている９行９列の正方格子状に配列された燃料棒群を有する燃料集合体（以下、９×９燃料集合体という。）がある。９×９燃料集合体の構造例を説明する。
【０００６】
図７は９×９燃料集合体の断面形状の一従来例を示す説明図である。図に示す通り、チャンネルボックス７１に囲まれた燃料棒群内に標準燃料棒７２を６６本、燃料棒７本分の面積に相当する２本の水ロッド７３、標準燃料棒の燃料有効長の略２／３の燃料有効長を持つ８本の部分長燃料棒７４を配した９×９燃料集合体である。
【０００７】
この例では燃料集合体上部の高ボイド領域において冷却材流路面積を部分長燃料棒７４を８本分拡大させることにより、燃料集合体内の二相流部における摩擦圧力損失を低減させることにより、チャンネル安定性を向上させることができる。このチャンネル安定性改善効果に加えて、燃料棒７本分の面積に相当する水ロッド７３の効果により減速材対ウラン比を改善しボイド係数の絶対値を低減させることができ、炉心安定性、領域安定性も向上させることができる。
【０００８】
しかしながら、この例のようにチャンネル安定性を向上させるために部分長燃料棒７４を採用した場合には、ウラン重量が減少し燃料経済性を悪化させる可能性がある。
【０００９】
図８は９×９燃料集合体の断面形状の別の従来例を示す説明図である。図に示す通り、チャンネルボックス８１に囲まれた燃料棒群内に標準燃料棒８２を７２本、燃料棒９本分の面積に相当する太径水ロッド８３を１本配置した９×９燃料集合体である。
【００１０】
この例では燃料棒９本分の面積に相当する角形水ロッド８３を採用することにより減速材対ウラン比を改善しボイド係数の絶対値を低減させることにより、炉心安定性、領域安定性を向上させることができる。
【００１１】
しかしながら、この例のように炉心安定性、領域安定性に影響を与えるボイド係数の絶対値を低減するために水ロッド８３の面積を増加させた場合には、冷却材流路を確保するために燃料棒領域を減少させる必要があり、ウラン重量が減少し燃料経済性を悪化させる可能性がある。また、水ロッド８３全横断面積増加により冷却材流路が減少し、燃料集合体内の摩擦圧力損失が増加しチャンネル安定性が悪化することにより炉心安定性、領域安定性まで悪化させてしまうことがある。
【００１２】
一方、より高い経済性、例えば、運転サイクル長期化、高燃焼度化、増出力を目的とした燃料として１０行１０列の正方格子状に燃料棒群を配置した燃料集合体がある。この燃料集合体を以下、１０×１０燃料集合体という。１０×１０燃料集合体では、９×９燃料集合体と比べて燃料棒１本当たりの熱負荷が小さくなる分、熱的運転余裕、特に最大線出力密度に関する余裕が大きくなると期待される。
【００１３】
一方、燃料棒直径の細径化により燃料棒から冷却材への熱伝達時定数が低下し、燃料棒本数が増加し冷却材流路の断面積が減少することにより摩擦圧力損失が増大するため、核熱水力安定性が悪化する可能性があることから、９×９燃料集合体と同様の核熱水力安定性向上対策を採用し、太径水ロッドと複数本の部分長燃料棒の採用がなされている。
【００１４】
図９に１０×１０燃料集合体の概略構成を示す側面図を示す。１０×１０燃料集合体では、９×９燃料集合体と同様に、標準燃料棒９２、水ロッド９３、部分長燃料棒９４をスペーサ９５で束ね、標準燃料棒９２の上下端部を下部タイプレート９６及び上部タイプレート９７で保持し、チャンネルボックス９１で覆っている。
【００１５】
また、図１０及び図１１には１０×１０燃料集合体の断面概略を示す。図１０に示す燃料集合体では、チャンネルボックス１０１に囲まれた燃料棒群内に標準燃料棒１０２を８１本、燃料棒９本分の面積に相当する角形水ロッド１０３を１本、部分長燃料棒１０４を１０本と配した１０×１０燃料集合体である。図１１に示す燃料集合体では、チャンネルボックス１１１に囲まれた燃料棒群内に標準燃料棒１１２を７８本、燃料棒４本分の面積に相当する丸形水ロッド１１３を２本、部分長燃料棒１１４を１４本と配した１０×１０燃料集合体である。
【００１６】
核熱水力安定性以外に、燃料・炉心設計及び原子炉の運転中に満たすべき燃料の許容設計限界基準の一つとして、最小限界出力比(minimum critical power ratio；ＭＣＰＲ)限界値がある。原子炉の運転中にＭＣＰＲ限界値を満たすことを確実にするためには、燃料開発の段階において燃料集合体レベルで十分に熱的運転余裕を有するように設計する必要がある。
【００１７】
現在、原子力プラントの稼働率向上のため増出力が検討されている。原子力プラントの増出力には、その出力増加幅と方法とにより、以下の３つに大別できる。
（イ）高精度給水流量計採用による増出力（出力増加幅約２％以下）
高精度給水流量計の採用により給水流量の測定精度を高め、給水流量に基づき計算される熱出力計算値の不確かさを減らし、安全解析におけるマージンを削ることにより、その分出力増強をできるもの。
（ロ）ストレッチ増出力（出力増加幅７％程度まで）
大きな設備変更はせず、各種機器の持つ設計余裕の中で、計器類のセッティング変更程度でできるもの。
（ハ）大幅な増出力（出力増加幅２０％程度まで）
タービン、発電機、ポンプ等の大幅な設備変更を伴うもの。
【００１８】
これらの増出力方法のうち、原子力プラントの稼働率を最も向上させるものは「大幅な増出力」であるが、それに伴う最大線出力密度の増大に対して、燃料棒１本当たりの熱負荷を低減させるように、１０行１０列の燃料棒配列を採用した、９×９燃料集合体よりも燃料棒本数が多い１０×１０燃料集合体の採用は非常に有効な手段である。
【００１９】
しかしながら、増出力により必然的に厳しくなるＭＣＰＲを、増出力前と同等な余裕を持つように緩和させるためには、９×９燃料集合体と比べた場合、１０×１０燃料集合体は少なくとも増出力に伴う燃料集合体１体当たりの平均出力増加分に相当するＭＣＰＲ特性を改善する必要がある。運転サイクル長期化、高燃焼度化と同様に、増出力は燃料集合体の濃縮度の増加を伴う可能性が高く、更にＭＣＰＲ特性は厳しくなる。
【００２０】
ところで、ＭＣＰＲとは、燃料集合体内を流れる冷却材のような流動沸騰系で問題となる所謂「液膜ドライアウト現象」に対する燃料集合体の余裕であるため、流動沸騰系に生じる限界状態である沸騰遷移に関して次に説明する。沸騰遷移は大別すると、高クオリティ領域でのドライアウト、低クオリティ及びサブクール領域でのＤＮＢ(departure from nucleate boiling；核沸騰限界)の２つがある。
【００２１】
冷却材の速度が小さい流動状態では、流路出口付近の冷却材の流れは環状流であり、比較的低い熱流束で限界状態に達する。この流動状態では、燃料棒表面に沿う液膜流の消失、破断又は壁面からの剥離等による燃料棒表面のドライアウトが燃料棒表面温度急上昇の原因と考えられている。特に、限界熱流束の値が低く出口クオリティがかなり高い流動状態では、燃料棒表面の液膜流量が流路に沿って次第に減少していき、液膜ドライアウトに至ることにより燃料棒表面温度が急上昇することが知られている。
【００２２】
一方、冷却材の速度が大きい流動状態では、流路出口付近でも流れは気泡流状態であり、流路断面内には多量の冷却液が存在している。この場合、熱流束は高くまで設定することができ、そのため燃料棒表面では激しい沸騰が生じており、このサブクール状態で燃料棒表面から発生・離脱する小気泡が燃料棒表面付近を気泡層状態で流れるため、気泡層が発達するに伴い、冷却材の主流部から燃料棒表面への冷却液の供給が徐々に阻害されることにより、間もなく燃料棒表面を覆う大きな蒸気泡が形成され、その部分の燃料棒表面温度が急上昇すると考えられている。これはＤＮＢとして知られている。
【００２３】
通常、ＢＷＲにおける燃料集合体の沸騰遷移は、高クオリティ下での液膜ドライアウトに起因しており、ドライアウトを起こさせないように、燃料集合体・炉心の設計を行い、また運転中監視している。一方、ＤＮＢは、主として加圧水型原子炉（ＰＷＲ）において発生する沸騰遷移である。
【００２４】
図１２はＢＷＲにおける最高出力燃料集合体の熱水力特性を示す線図である。図１２に示す通り、ドライアウトは高クオリティ状態で発生するため、燃料集合体上部、通常、燃料集合体の燃料有効長の下端から２０／２４ノード位置付近に配置されたスペーサの直上流側で発生することが多い。
【００２５】
ここで、燃料集合体に配置されたスペーサは、一般に、
（イ）燃料棒及び水ロッドの間隔を一定に保つ。
（ロ）燃料棒の流力振動を小さくする。
等の効果に加え、
（ハ）冷却材撹拌効果により、燃料棒のドライアウト特性を向上させる。
という機能を持つ。
【００２６】
これは以下の理由による。つまり、ドライアウト点近傍では、冷却材の流れは環状噴霧流であり、燃料棒表面の液膜流量は、気流中からの液滴付着、液膜からの液滴飛散及び液膜の蒸発により変化する。そのため、ドライアウト発生を抑止する対策として、スペーサの冷却材撹拌効果により、ドライアウトが発生しやすい燃料集合体上部領域にあるスペーサ上流での液滴の付着促進効果を高めることが効果的である。また、更なる対策として、燃料集合体の上部領域にスペーサを追加配置して、ドライアウトが発生しやすい燃料集合体上部領域にあるスペーサ上流での液滴の付着促進効果を高めることがドライアウト発生の抑止に効果的であると言われている。
【００２７】
例えば、スペーサ上部にミキシングベーンを設け燃料棒表面への液滴付着効果により限界出力を向上させた提案（例えば、特許文献１参照）においては、燃料集合体に配置された７個のスペーサのうち最下位及び最上位に位置するスペーサを低圧損型とし、最下位及び最上位を除く５個のスペーサに冷却材の撹拌効果大なるスペーサとしている。
【００２８】
しかしながら、スペーサに関しては、ミキシングベーンは冷却材撹拌効果によるドライアウト性能向上に有効ではあるものの、冷却材撹拌効果が大きいことは圧力損失が大きいことにつながり、「大幅な増出力」に対応させるため冷却材撹拌効果を更に向上させると、圧力損失が増し、同じ炉心に装荷された他の燃料集合体との熱水力共存性を失うことに加え、二相流部の圧損が増し、チャンネル水力学的安定性をも悪化させる傾向になる。
【００２９】
また、スペーサ組み合わせによる圧力損失低減、限界出力向上の提案（例えば、特許文献２参照）においては、「舌片は、上部グループＢにおける最上位スペーサの下側の幾つかの（好適には全部の）スペーサに設けられ、グループＡには存在しないか、そこでは非常に小さくされる。これによって、燃料集合体の下部においては上部に比べて圧力降下を小さくする必要がないので、水力学的安定性が高められる（段落番号００３８）」という記載がある。尚、ここで、グループＡ、グループＢとは、全スペーサ９個のうち、燃料集合体の下から２個目から５個目までをグループＡ、下から５個目から８個目までをグループＢと定義している。
【００３０】
しかしながら、このようにドライアウトが発生する燃料集合体上部におけるスペーサ個数の増加や冷却材撹拌効果の大きいスペーサの採用、及び、それに伴う圧力損失増大を抑えるためのドライアウトが発生しない燃料集合体下部のスペーサを単純に低圧損化することは、非常に危険である。なぜなら、燃料集合体上部におけるドライアウト性能向上により燃料集合体単体の出力を増加させることができるが、その場合、冷却材撹拌効果の小さい、低圧損スペーサが置かれている燃料集合体下部の低クオリティ又はサブクール領域において、通常ＢＷＲでは考慮する必要のないＤＮＢに対する余裕が小さくなり、燃料集合体下部においてＤＮＢが発生する可能性が高くなるためである。また、ＢＷＲにおいては、現状、運転中にＤＮＢに関する監視は実施されていない。
【００３１】
更に、下部スペーサを改良してＤＮＢを発生させないようにした提案（例えば、特許文献３参照）においては、「２相領域内で沸騰遷移限界が出現する前に単相領域内の核沸騰限界破損の発生を防止するものとして、単相極低蒸気クオリティ領域内と高クオリティ環状流領域内とで使用されるように特に設計されたＢＷＲ用スペーサ（段落番号００１８参照）」を提供することを目的に、燃料集合体の下部領域に、改変されたフェルール設計、標準的なエッグクレート又はユニットセル設計のスペーサを設け、ＤＮＢ発生を回避している。
【００３２】
しかしながら、これらの発明は「大幅な増出力」への適用は十分に期待できるものの、残念なことに、他の提案と同様、圧力損失に関して十分考慮がなされているとはいえない。何故なら、実施例として上げられる燃料集合体の下部領域向けのフェルール設計、エッグクレート設計、ユニットセル設計のスペーサはどれもスペーサ高さ方向において上端及び下端領域を除く中央領域のスペーサ材料を除去しているからである。
【００３３】
この場合、燃料集合体を流れる冷却材はこれらの設計を適用するスペーサ位置において、スペーサ下端付近及びスペーサ上端付近で二回、スペーサ構造材と衝突することにより非常に大きな圧力降下が生じてしまい、燃料集合体の圧力損失が大きくなってしまう可能性がある。また、燃料集合体の上部領域のフェルール設計スペーサに対して、下部領域で改変されたフェルール設計、標準的なエッグクレート又はユニットセル設計のスペーサを設けるため、部品種類が多く、製造工程が煩雑となり、製造性の面から見ても好ましくない。
【００３４】
【特許文献１】特開２００１−３１８１２号公報
【特許文献２】特表２００２−５３３６８９号公報
【特許文献３】特開平８−１７０９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
ところで、原子力プラントの稼働率向上のために最も有効な手段の一つである「大幅な増出力」では、熱的運転余裕が非常に小さくなる。１０×１０燃料集合体の採用により最大線出力密度は低下できるものの、１０×１０燃料集合体では、増出力や高燃焼度を目的にした場合に、濃縮度の増加に伴い、集合体断面において、外周に配置された燃料棒の出力が相対的に高くなる傾向にある。この傾向は、特に取り扱い濃縮度に制限がある場合（例えば、現在５ｗｔ％以下）に、特に顕著である。
【００３６】
これに加えて、ＢＷＲの炉心内での軸方向出力分布は一般に中央ピーク又は下部ピークであることが多く、燃料集合体の軸方向中心位置から下の領域でも燃料集合体断面の外周領域にある燃料棒の出力は非常に高くなる可能性があり、スペーサによる燃料棒表面への液滴付着効果を高めてドライアウトを抑止している燃料集合体上部の沸騰遷移は発生し難くなり、燃料集合体の出力を更に高めることができる反面、燃料集合体軸方向中心位置以下の領域において通常ＢＷＲにおいては考慮する必要がないＤＮＢが発生する可能性は非常に高くなる。また、単純に燃料集合体の下部領域におけるＤＮＢ発生を抑止するため冷却材の撹拌効果の大きいスペーサを採用すると燃料集合体の圧力損失が増加し、チャンネル水力学的安定性も悪化する。
【００３７】
そこで、本発明は、部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体において、燃料集合体圧力損失の増大、核熱水力安定性の悪化や製造性の悪化を招くことなく、燃料集合体の上部領域でのドライアウト特性を向上させ、燃料集合体の下部領域でのＤＮＢ発生を抑止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
請求項１に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、１０行１０列の正方格子配列に配置された燃料棒群と前記正方格子配列内に配置された前記燃料棒複数本相当の領域を占める水ロッドとを、７個以上のスペーサによって束ねたＢＷＲ用燃料集合体であって、
下部タイプレートに下端を保持された前記燃料棒群は、前記燃料集合体の燃料有効長と等しい燃料有効長を持つ標準燃料棒と、前記標準燃料棒よりも燃料有効長が短い部分長燃料棒とに分けられ、
前記部分長燃料棒のうち最も長い燃料有効長を持つ部分長燃料棒の上端位置は前記標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央高さ位置よりも上の領域にあり、
前記複数個のスペーサを、前記標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央高さ位置より上の領域に配置された前記スペーサのうち前記燃料集合体内最上位に位置するスペーサを除く複数個で構成されるスペーサグループＡと、前記標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央位置より下の領域に配置された前記スペーサのうち前記燃料集合体の最下位に位置するスペーサを除く複数個で構成されるスペーサグループＢとに分けた場合に、
前記スペーサグループＡに属するスペーサのうち少なくとも複数個のスペーサと、前記スペーサグループＢに属するスペーサのうち少なくとも１個のスペーサとは、その上面下流側の互いに隣接しあう４個の燃料棒セルに囲まれたほぼ中央位置に４枚の旋回羽根で構成された冷却材撹拌部を備え、
前記スペーサグループＢに属するスペーサ内の前記冷却材撹拌部の個数が、前記スペーサグループＡに属するスペーサ内の前記冷却材撹拌部の個数よりも少ないことを特徴とするものである。
【００３９】
請求項２に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１に記載のスペーサグループＢのスペーサの前記冷却材撹拌部は、少なくとも前記スペーサ上面のチャンネルボックスに面した横断面方向外周領域第１層位置のすべてに設けられたことを特徴とするものである。
【００４０】
請求項３に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１又は２に記載のスペーサグループＡに属するスペーサのうち前記部分長燃料棒の上端位置よりも上部下流側に設けられたスペーサには、前記部分長燃料棒に対応する燃料棒セルには旋回羽根を有さない、３枚の旋回羽根で構成された欠損冷却材撹拌部を含むことを特徴とするものである。
【００４１】
請求項４に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１〜３の何れか１項に記載のスペーサグループＡに属するスペーサが４個であることを特徴とするものである。
【００４２】
請求項５に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料集合体の最上位及び最下位に位置する２個のスペーサには複数枚の旋回羽根で構成される冷却材撹拌部を有しないものである。
【発明の効果】
【００４３】
本発明は、部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体において、燃料集合体圧力損失の増大、核熱水力安定性の悪化や製造性の悪化を招くことなく、燃料集合体の上部領域でのドライアウト特性の向上させ、燃料集合体の下部領域でのＤＮＢ発生を抑止することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明においては、１０×１０燃料集合体の下部タイプレートに下端を保持された燃料棒群を、燃料集合体の燃料有効長と等しい燃料有効長を持つ標準燃料棒と、標準燃料棒よりも燃料有効長が短く最も長い燃料有効長の上端位置が標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央高さ位置よりも上に位置する部分長燃料棒とに分け、
燃料棒群を束ねる７個以上のスペーサを、最上位に位置するスペーサを除いて標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央高さ位置より上の領域に配置されたスペーサグループＡと、最下位に位置するスペーサを除いて標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央位置より下の領域に配置されたスペーサグループＢとに分けた場合に、
前記スペーサグループＡに属するスペーサのうち少なくとも複数個のスペーサと、前記スペーサグループＢに属するスペーサのうち少なくとも１個のスペーサとは、その上面下流側の互いに隣接しあう４個の燃料棒セルに囲まれたほぼ中央位置に４枚の旋回羽根で構成された冷却材撹拌部を備え、
前記スペーサグループＢに属するスペーサ内の前記冷却材撹拌部の個数が、前記スペーサグループＡに属するスペーサ内の前記冷却材撹拌部の個数よりも少ないものである。
【００４５】
このため、燃料集合体圧力損失の増大、核熱水力安定性の悪化や製造性の悪化を招くことなく、燃料集合体の上部領域でのドライアウト特性の向上させ、燃料集合体の下部領域でのＤＮＢ発生を抑止することができる。
【００４６】
即ち、高経済性、特に「大幅な増出力」を達成するためには、１０×１０燃料集合体の上部領域においては９×９燃料よりもドライアウト特性を高め、１０×１０燃料集合体の下部領域においては圧力損失の増加を抑えつつＤＮＢの発生を抑止する必要がある。本発明では、ＢＷＲの運転条件においては、ＤＮＢ発生が懸念され、ＤＮＢ発生を防止すべき燃料集合体の軸方向領域は、燃料有効長の下から半分の領域で十分であることがわかった。
【００４７】
即ち、本発明の燃料集合体では、７個以上のスペーサを備えるため、例えば、燃料集合体全体で７個のスペーサを備えるのであれば、スペーサグループＡに属するスペーサは３個、燃料集合体全体で８個のスペーサを備えるのであれば、スペーサグループＡに属するスペーサが４個となる。
【００４８】
本発明は、１０×１０燃料集合体のスペーサにおいて、４個の燃料棒セルに囲まれたほぼ中心位置のスペーサ上面に４枚のミキシングベーンからなる冷却材撹拌部を複数組設けることにより、ＭＣＰＲ及びＤＮＢを改善する。また、本発明では、ＤＮＢ発生を抑止するために必要となる冷却材撹拌効果は、ドライアウト発生を抑止するために必要な冷却材撹拌効果よりも小さくて済むこともわかった。
【００４９】
更に、１０×１０燃料集合体の下部領域のうちＤＮＢの発生が懸念される高さ領域に配置されたスペーサに設けた冷却材撹拌部の組数は、１０×１０燃料集合体の上部領域のうちドライアウトの発生が懸念される高さ領域に配置されたスペーサに設けた冷却材撹拌部の組数よりも少なくする。このようなスペーサを採用することにより、１０×１０燃料集合体の上部領域では高圧力損失ではあるものの、ドライアウト発生抑止のために冷却材の撹拌効果を高め、１０×１０燃料集合体の下部領域ではＤＮＢ発生抑止のために冷却材の撹拌効果を適切に高めながらも圧力損失の増加を極力抑えることができる。
【００５０】
また、１０×１０燃料集合体では「大幅な増出力」と更なる燃料経済性向上を達成するため、９×９燃料集合体よりも高い濃縮度を採用するが、その場合、非沸騰水が多く存在する燃料集合体断面外周領域に配置された燃料棒の出力が高くなる。そこで、１０×１０燃料集合体の下部領域のＤＮＢの発生が懸念される高さ位置に配置されたスペーサの外周領域の４個の燃料棒セルに囲まれたほぼ中心位置のスペーサ上面に４枚のミキシングベーンからなる冷却材撹拌部を複数組設けたものも、１０×１０燃料集合体の下部領域ではＤＮＢ発生抑止のために冷却材の撹拌効果を適切に高めながらも圧力損失の増加を極力抑えることができる。
【００５１】
尚、模擬燃料集合体熱水力試験において、ドライアウト性能を向上させるために模擬燃料集合体上部領域にはミキシングベーンを設けたスペーサ、圧力損失を低減させるために模擬燃料集合体下部領域にミキシングベーンをすべて削除したスペーサを用いた場合には、模擬燃料集合体下部領域におけるＤＮＢ発生のため限界出力が向上しなかった場合に比べ、本発明である模擬燃料集合体下部領域に一部ミキシングベーンを設けたスペーサに変更することにより、圧力損失は増加を抑えつつ、模擬燃料集合体下部領域におけるＤＮＢ発生を抑止することで、限界出力が向上したことを確認した。
【００５２】
更に、１０×１０燃料集合体のスペーサのうち最も高い軸方向位置、最も低い軸方向位置に配置された２つ、即ち、燃料集合体の最上位及び最下位に位置する２個のスペーサは、それぞれドライアウト、ＤＮＢに関する寄与は小さいため、ミキシングベーン、即ち、複数枚の旋回羽根で構成される冷却材撹拌部を設ける必要はなく、更なる低圧力損失化が可能である。
【００５３】
本発明の好ましい態様としては、スペーサグループＢのスペーサの冷却材撹拌部を、少なくともスペーサ上面のチャンネルボックスに面した横断面方向の外周領域第１層位置にのみ設ける。これにより、ＤＮＢ発生の可能性がある燃料集合体の下部領域の外周燃料棒に対する冷却材撹拌効果を高めている。
【００５４】
また、部分長燃料棒よりも上部下流側の部分長燃料棒に対応する燃料棒セルにある旋回羽根はドライアウト特性向上に寄与せず、スペーサの流路面積を狭め圧力損失を高めるだけの作用である。このため、本発明の別の好ましい態様としては、スペーサグループＡに属するスペーサのうち前記部分長燃料棒の上端位置よりも上部下流側に設けられたスペーサには、前記部分長燃料棒に対応する燃料棒セルには旋回羽根を有さない、３枚の旋回羽根で構成された欠損冷却材撹拌部を含む。これにより、部分長燃料棒よりも上部下流側にあるスペーサの流路面積を広げ低圧損化する効果を奏する。
【実施例】
【００５５】
図１は１０×１０燃料集合体の軸方向高さとスペーサ位置関係を模式的に示すものであり、スペーサ１１の総個数が７個の場合と８個の場合の２つの場合を例にとって、標準燃料棒１２の燃料有効長の軸方向中央位置を境界として、スペーサをグループＡとグループＢとに分けて示している。
【００５６】
図１に示す通り、下部タイプレート１４に下端を保持された燃料棒群は、燃料集合体１０の燃料有効長と等しい燃料有効長を持つ標準燃料棒１２と、この標準燃料棒１２よりも燃料有効長が短い部分長燃料棒１３とを備えている。スペーサグループＡは、最上位に位置するスペーサ１１を除いて標準燃料棒１２の燃料有効長の軸方向中央高さ位置より上の領域に配置されたものであり、スペーサグループＢは、最下位に位置するスペーサを除いて標準燃料棒の燃料有効長の軸方向中央位置より下の領域に配置されたものである。以下、これらのスペーサグループに属するスペーサ１１の実施例について説明する。
【００５７】
図２及び図３は燃料棒４本分の面積に相当する水ロッド２３を２本有する１０×１０燃料集合体のスペーサグループＡ及びスペーサグループＢに用いられるスペーサの説明図である。図２はグループＡに属するスペーサの実施例であり、図３はグループＢに属するスペーサの実施例である。
【００５８】
この実施例では、図２に示すスペーサグループＡに属するスペーサのうち少なくとも複数個のスペーサ２１ａと、図３に示すスペーサグループＢに属するスペーサのうち少なくとも１個のスペーサ２１ｂとは、その上面下流側の互いに隣接しあう４個の燃料棒セル２２に囲まれたほぼ中央位置に４枚の旋回羽根２４で構成された冷却材撹拌部２０を備える。
【００５９】
図２と図３とを比較すると判る通り、スペーサグループＢに属するスペーサ２１ｂ内の冷却材撹拌部２０の個数が、スペーサグループＡに属するスペーサ２１ａ内の冷却材撹拌部２０の個数よりも少ないが、スペーサ上面に冷却材撹拌部２０を千鳥格子状に設けることにより、ＤＮＢ発生の可能性がある燃料集合体の下部領域で冷却材撹拌効果を高めている。
【００６０】
また、別の実施例として、図４及び図５は燃料棒９本分の面積に相当する角形ロッド４３を１本有する１０×１０燃料集合体のスペーサグループＡ及びスペーサグループＢに用いられるスペーサの説明図である。図４はグループＡに属するスペーサ４１ａの実施例であり、図５はグループＢに属するスペーサ４１ｂの実施例である。
【００６１】
この実施例では、図４に示すスペーサグループＡに属するスペーサのうち少なくとも複数個のスペーサ４１ａと、図５に示すスペーサグループＢに属するスペーサのうち少なくとも１個のスペーサ４１ｂとは、その上面下流側の互いに隣接しあう４個の燃料棒セル４２に囲まれた中央位置に４枚の旋回羽根４４で構成された冷却材撹拌部４０を備える。
【００６２】
図４と図５とを比較すると判る通り、スペーサグループＢに属するスペーサ４１ｂ内の冷却材撹拌部４０の個数が、スペーサグループＡに属するスペーサ４１ａ内の冷却材撹拌部４０の個数よりも少ないが、燃料棒群を囲むチャンネルボックスに面した横断面方向の外周領域第１層位置の４個の燃料棒セルに囲まれたほぼ中心位置のスペーサ上面に冷却材撹拌部４０を設けて、ＤＮＢ発生の可能性がある燃料集合体の下部領域の外周燃料棒に対する冷却材撹拌効果を高めている。
【００６３】
また、この実施例では、本発明の好適な実施例として、４枚の旋回羽根４４に加えて、スペーサの外周にフロータブ４５を設け、外周領域に属する燃料棒のドライアウト特性、ＤＮＢ特性を更に向上させている。
【００６４】
図６は燃料棒４本分の面積に相当する水ロッド６３を２本有する１０×１０燃料集合体のグループＡに属するスペーサの他の実施例の構成を示す説明図である。図６に示す通り、部分長燃料棒Ｐの上端よりも上部下流側のスペーサ（例えば、図１の１１ｐに示されたスペーサ）６１ａは、部分長燃料棒Ｐに対応する燃料棒セル６２ｐには旋回羽根６４を有さない、３枚の旋回羽根６４で構成される欠損冷却材撹拌部６０ｐを備え、他の標準燃料棒では、互いに隣接しあう４個の燃料棒セル６２に囲まれた中央位置に４枚の旋回羽根６４で構成された冷却材撹拌部６０を備える。
【００６５】
これにより、部分長燃料棒Ｐよりも上部下流側にあるスペーサ６１ａの流路面積を広げ低圧損化する効果を奏する。何故なら、部分長燃料棒Ｐよりも上部下流側の部分長燃料棒に対応する燃料棒セルの旋回羽根はドライアウト特性向上に寄与せず、スペーサの流路面積を狭め圧力損失を高めるだけであるからである。
【００６６】
また、この図６に示す実施例における部分長燃料棒Ｐに対応する燃料棒セル６２ｐには旋回羽根６４を有さない、３枚の旋回羽根６４で構成される冷却材撹拌部６０を図４の実施例に適用することも可能である。ただし、部分長燃料棒の燃料集合体横断面方向位置は、本例に限らず、例えば最外周位置や水ロッド隣に配置することも可能である。
【００６７】
以上の実施例におけるミキシングベーンの形状はすべて台形であるが、必ずしも台形である必要はなく、必要とされるドライアウト性能、ＤＮＢ性能及び圧力損失を満たすように設計者が任意に決定できる。また、以上の実施例に示したスペーサは格子型スペーサとしているが、円筒セル型スペーサであってもよい。
【００６８】
本発明は以上説明した通り、部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体において、燃料集合体圧力損失の増大や核熱水力安定性の悪化を招くことなく、燃料集合体の下部領域でのＤＮＢ発生を抑止した上で、高経済性、特に「大幅な増出力」を達成できる１０×１０燃料集合体を得ることができるという効果を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施例である１０×１０燃料集合体の軸方向高さとスペーサ位置との関係を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の一実施例である燃料棒４本分の面積に相当する水ロッドを２本有する１０×１０燃料集合体に関するグループＡに属するスペーサの説明図である。
【図３】本発明の一実施例である燃料棒４本分の面積に相当する水ロッドを２本有する１０×１０燃料集合体に関するグループＢに属するスペーサの説明図である。
【図４】本発明の別の実施例である燃料棒９本分の面積に相当する角管水ロッドを１本有する１０×１０燃料集合体に関するグループＡに属するスペーサの説明図である。
【図５】本発明の別の実施例である燃料棒９本分の面積に相当する角管水ロッドを１本有する１０×１０燃料集合体に関するグループＢに属するスペーサの説明図である。
【図６】本発明の別の実施例である燃料棒４本分の面積に相当する水ロッドを２本有する１０×１０燃料集合体に関するグループＡに属するスペーサの説明図である。
【図７】従来の部分長燃料棒を有する９×９燃料集合体の横断面の構成を示す説明図である。
【図８】従来の角管太径水ロッドを有する９×９燃料集合体の横断面の構成を示す説明図である。
【図９】１０×１０燃料集合体の概略構成を示す側面図である。
【図１０】角管太径水ロッドを有する１０×１０燃料集合体の横断面の構成を示す説明図である。
【図１１】太径水ロッド２本を有する１０×１０燃料集合体の横断面の構成を示す説明図である。
【図１２】ＢＷＲにおける最高出力燃料集合体の熱水力特性を示す線図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０  …燃料集合体、
１１  …スペーサ、
１２  …標準燃料棒、
１３  …部分長燃料棒、
１４  …下部タイプレート、
２０  …冷却材撹拌部、
２１ａ…スペーサ（スペーサグループＡ）、
２１ｂ…スペーサ（スペーサグループＢ）、
２２  …燃料棒セル、
２３  …水ロッド、
２４  …旋回羽根、
４０  …冷却材撹拌部、
４１ａ…スペーサ（スペーサグループＡ）、
４１ｂ…スペーサ（スペーサグループＢ）、
４２  …燃料棒セル、
４３  …角管水ロッド、
４４  …旋回羽根、
４５  …フロータブ、
Ｐ  …部分長燃料棒、
６０  …冷却材撹拌部、
６０ｐ…欠損冷却材撹拌部、
６１ａ…スペーサ（スペーサグループＡ）、
６２  …燃料棒セル、
６２ｐ…燃料棒セル、
６３  …水ロッド、
６４  …旋回羽根、
７１…チャンネルボックス、
７２…標準燃料棒、
７３…水ロッド、
７４…部分長燃料棒、
８１…チャンネルボックス、
８２…標準燃料棒、
８３…太径水ロッド、
９１…チャンネルボックス、
９２…標準燃料棒、
９３…水ロッド、
９４…部分長燃料棒、
９５…スペーサ、
９６…下部タイプレート、
９７…上部タイプレート、
１０１…チャンネルボックス、
１０２…標準燃料棒、
１０３…角形水ロッド、
１０４…部分長燃料棒、
１１１…チャンネルボックス、
１１２…標準燃料棒、
１１３…丸形水ロッド、
１１４…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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【図１１】
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【図１２】
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