(57)【要約】【課題】基本的な炉心構造を変更することなく、炉心下部に燃料欠損部又は非発熱燃料部を設けることにより、ＢＷＲ燃料の高燃焼度化と炉心の安定性及び信頼性を大幅に向上させた１０×１０以上の燃料集合体を提供する。【解決手段】Ｎ×Ｎの正方格子状に配置された燃料棒５１と中央に配置されたウォータボックス５２とを有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、前記燃料棒のうち複数の燃料棒は下部欠損燃料棒５１ａとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ×Ｎの正方格子状に配置された燃料棒と中央に配置されたウォータボックスとを有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、
前記燃料棒のうち複数の燃料棒は下部欠損燃料棒であることを特徴とする沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項２】
前記下部欠損燃料棒の本数は前記燃料棒の約２０〜３０％であり、下部欠損領域が全燃料棒の３〜８％であることを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項３】
前記下部欠損燃料棒の欠損位置が全長燃料棒の下端から有効長の約６／２４であることを特徴とする請求項１又は２記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項４】
前記下部欠損燃料棒は、上部タイプレートのみで固定されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項５】
前記下部欠損燃料棒は、その下端部に連結された円筒部を介して下部タイプレートに支持されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項６】
前記円筒部の内部をガスプレナム空間としたことを特徴とする請求項５記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項７】
前記円筒部に複数の小孔を設けたことを特徴とする請求項５記載の騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項８】
Ｎ×Ｎの正方格子状に配置された燃料棒と中央に配置されたウォータボックスとを有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、
前記燃料棒は下部領域に燃料ペレット欠損領域が形成されるとともに、前記欠損領域に多数の小孔が設けられた円筒部を配置したことを特徴とする沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項９】
前記燃料ペレット欠損領域の割合が全燃料棒の約４％であることを特徴とする請求項８記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項１０】
Ｎ×Ｎの正方格子状に配置された燃料棒と中央に配置されたウォータボックスとを有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、
前記燃料棒は下部の燃料ペレット欠損領域に天然ウラン又は劣化ウランペレットが装填された複数本の全長燃料棒と上部に燃料ペレット欠損領域が形成された複数本の上部欠損燃料棒からなることを特徴とする沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項１１】
前記上部及び下部の燃料ペレット欠損領域は、全燃料棒の約８％以下であることを特徴とする請求項１０記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項１２】
前記ウォータボックスに代えて２個の太径のウォータロッドを用いたことを特徴とする請求項１０又は１１記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項１３】
前記燃料棒は、濃縮度が５％を超えるウラン酸化物燃料ペレット、あるいは、混合酸化物燃料ペレットの少なくとも何れか一方を含む燃料棒であることを特徴とする請求項１乃至１２いずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【請求項１４】
前記燃料集合体は、N≧１０であることを特徴とする請求項１乃至１３いずれかに記載の沸騰水型原子炉の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉等の燃料集合体に関し、特に、安定性及び信頼性を向上させた１０×１０以上の高燃焼度化燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子力発電プラント（以下、「ＢＷＲ」と記す）においては、図１５乃至図１８に示すように原子炉格納容器１内に原子炉圧力容器２が設けられており、この原子炉圧力容器内には冷却材４（例えば水）と複数の燃料集合体３０及び制御棒３２等からなる炉心３が収容されている。冷却材４は再循環系８により強制循環されており、炉心３でウラン２３５（以下、「Ｕ２３５」と記す）の核分裂により発生した熱を受けることにより飽和水と飽和蒸気が混合した状態となり、炉心上部に移動する。そして、図示しない気水分離器及び蒸気乾燥器により乾燥状態となり、原子炉圧力容器２に接続された主蒸気配管系９を介してタービン１０に送られタービンを駆動させる。このタービンの駆動により発電機１５が回転され発電する。タービンで仕事をした蒸気は復水器１６内に導入されて復水となり、給水加熱器１８で昇温されたのちに給水ポンプ１９により再度原子炉圧力容器内に供給される。
【０００３】
図１６は上記構成のＢＷＲの典型的な運転特性図を示したものである。通常の運転は定格出力曲線、設計流量制御曲線、安定性制限曲線、最低ポンプ速度曲線、キャビテーション制限曲線、最大ポンプ速度曲線の各線上とそれらによって囲まれた領域内と自然循環曲線上で行われる。図１６の例では、定格出力は炉心流量が８５％（Ａ点）〜１０５％（Ｂ点）にかけて達成されている。原子炉の運転は、通常、サイクル初期では８５％流量近傍にあり、冷却材流量増による反応度利得を利用するためにサイクル燃焼度が進むに従い高流量側に移動し、サイクル末期では１０５％流量近傍となる。また炉心軸方向出力分布は、通常、サイクル初期では下歪みとなるよう炉心核設計を行い、炉心出口でのボイド率を高めている。これにより、ウラン２３８（以下、「Ｕ２３８」と記す）から、核分裂性物質であるプルトニウム２３９（以下、「Ｐｕ２３９」と記す）の生成が促進される。サイクル中期〜末期にかけてはＵ２３５に加えてＰｕ２３９を燃焼させる運転となるため、炉心軸方向出力分布は上歪み傾向となる。経済性を向上させた炉心では、上記炉心流量調整と、軸方向出力分布調整を可能とする核設計を組み合わせた最適化がなされている。
【０００４】
沸騰水型原子炉の炉心３は、より具体的には、図１７に示すように構成されている。炉心内には複数の燃料集合体３０が装荷されており、その各々の燃料集合体３０は、図１９に示すようにチャンネルボックス３１に覆われている。ＢＷＲのチャンネルボックス３１は、縦に長い薄肉の角筒であり、その断面は、通常、コーナー部に半径約１cmの局率の四分割円を有する、擬似正方形である。
【０００５】
また、炉心内には中性子束を検出するために、複数個の局部出力領域モニタ３３（以下、「ＬＰＲＭ３３」という）が配置されている。さらに、各チャンネルボックス３１は、図１８に示すように、炉心支持板３４及び上部格子板３５で支持され、円筒形のシュラウド３６に囲まれている。冷却材４は、下方より、燃料支持金具３７のオリフィス及び下部タイプレートを経由してチャンネルボックス３１内に流入し、燃料集合体３０により熱せられ、沸騰により蒸気（ボイド）を発生し、気液二相流となる。現在運転されている商用ＢＷＲでの燃料集合体有効長さは、約３．７ｍである。
【０００６】
従来の沸騰水型原子炉に採用されている一般的な燃料集合体３０は、図１９に示されている９×９燃料集合体の例のように、上部タイプレート６１および下部タイプレート６２、これらのタイプレートに両端が保持される複数の燃料棒およびウォータロッド５２、これらの燃料を束ねる燃料スペーサ６３、燃料棒束を取り囲み上部タイプレート６１に取付けられるチャンネルボックス３１を備えている（特許文献１）。
【０００７】
図１９に示す例では、燃料棒５１のうちの複数本は高さが上部タイプレートまで達しない部分長の燃料棒５１ｂが採用されている。燃料集合体３０は、原子炉の炉心に格子状に装荷されるのが普通である。燃料集合体３０が格子状に装荷された場合、減速材である水の分布は、炉心上部では相対的にウォータロッドの部分と隣合うチャンネルボックス３１の間の部分（水ギャップ部）に多くなる。
【０００８】
以上のような沸騰水型原子炉における燃料集合体３０としては、国内で商用の発電が行われて以来、７行×７列型、８行×８列型、改良８行×８列型、高燃焼度化８行×８列型そして、高燃焼度化９行×９列型が採用されるに至っている。
【０００９】
これらの改良により、燃料集合体当たりの核分裂性物質の収容量が増加し、集合体内濃縮度分布の最適化と可燃性毒物の最適配置により、高燃焼度化と長期運転サイクル化が実現され、炉心の経済性は向上している。高燃焼度化８×８燃料から９×９燃料では、燃料棒が燃料棒本数の増加によって総伝熱面積が増加するため、限界出力特性が改善される。
【００１０】
また、高燃焼度化／長期運転サイクル化に伴うボイド反応度係数絶対値増加による核的要因に基づく安定性の悪化は、２本の太径ウォータロッド５２の採用等により防止されている。
【００１１】
なお、集合体格子の増加に伴う二相圧損増加による熱水力的要因に基づく安定性の悪化は、スペーサ圧損係数の低減と８本の上部欠損の部分長燃料棒、および、高圧損型下部タイプレートの採用により防止されている。すなわち、スペーサ圧損係数の低減と、全長燃料棒の約２／３の長さを有する８本の部分長燃料棒は二相流圧損の低減に寄与し、高圧損型下部タイプレートは、単相流圧損の増加に寄与している。その結果、全圧損に対する単相流圧損圧損の割合が増加し、炉心の安定性は改善されている。
【００１２】
ここで、安定性とは、プラント起動時または停止時に運転点が低流量／高出力状態となった場合、あるいは、プラントで再循環ポンプ１台トリップ等の過渡変化が発生し、運転点が低流量／高出力に移行したときの、中性子束振動の減衰特性を意味する。
【００１３】
炉心は、全運転領域で安定であることが望ましく、安定性の判定パラメータである減幅比が１．０未満であることを解析することにより確認される。逆に、減幅比１．０に対して余裕の少ない運転領域は、選択制御棒（Selected Rods Insertion；以下、「ＳＲＩ」と記す）や安定性制限曲線により除外される。
【００１４】
安定性の種類には、特に最高出力チャンネルの熱水力的な安定性に注目したチャンネル安定性、炉心全体の位相が揃った中性子束振動である炉心安定性（基本モードの安定性）、炉心周方向に対称軸を有し１８０度位相がずれた中性子束振動である領域安定性（高次モードの安定性）がある。それぞれの安定性の軸方向出力分布への感度は、炉心安定性が一般に平坦な分布ほど厳しい方向であり、チャンネル安定性、領域安定性は下部ピークな分布ほど厳しい方向となっている。炉心安定性では、他の安定性と軸方向出力分布への感度が異なるのは、炉心安定性では核的フィードバックの効果が大きく、これはボイド率の高いところで出力ピークが高いときに、大きな影響となって現れるためである。
【００１５】
図２０に、９×９ウラン燃料を全数装荷したＢＷＲプラントの炉心安定性解析結果を示す。ここで、安定性解析は、冷却材の再循環系を含むＢＷＲ炉心をモデル化した周波数領域の安定性解析コードで行ったものである。炉心安定性減幅比は、最低ポンプ速度曲線上の最大出力点で最も大きくなっており、９×９ウラン燃料を全数装荷した炉心では、減幅比が０．６７である。本解析は、炉心軸方向出力分布として、平坦な分布を代表するピーキング係数１．１５（５／２４ノード位置）を適用して実施したものである。
【００１６】
また、近年では高燃焼度化１０行×１０列型燃料集合体の検討もおこなわれているが、ここでも炉心の安定性確保のため、複数本の上部欠損の部分長燃料棒を用いることが提案されている（特許文献２）。
【００１７】
一方、高燃焼度化にともなう燃料棒の過度の内圧上昇防止技術（特許文献３）及び燃料集合体への異物の流入防止技術（特許文献４）もそれぞれ提案されている。  
このように、ＢＷＲ炉心では、これまで各種設計改良により安定性の悪化が防止されているが、他方、ウラン資源の有効利用と使用済燃料発生量の削減を目的として軽水炉燃料の高燃焼度化が進められており、これにともなって燃料格子数は増加し（例えば、１０×１０以上）、ウラン濃縮度も増加する傾向にある。また、混合酸化物燃料の採用も本格化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００６−１８４１７４号公報
【特許文献２】特開２００５−１３４１７９号公報
【特許文献３】特開平５−１３４０６９号公報
【特許文献４】特開２００３−１７２７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ＢＷＲの安定性は、一般に炉心流量が高いときに安定化することが知られている。これは、１つには、ボイドが炉心（燃料チャンネル）を通過するのに要する時間が短縮化されることが寄与している。
【００２０】
炉心の入口では、冷却材は未飽和のため、炉心最下部では、冷却材は単相流となる。上記安定性は、炉心入口部で発生した擾乱が、炉心、ＲＰＶ内に形成される各種のフィードバック・ループを介して炉心入口部に外乱として戻ってきたときの応答性を示すものとして捉えることができる。一般的に、応答遅れが小さいときに安定化するため、炉心入口流量が高いときに炉心は安定化する方向となる。これを、チャンネル内の流速として見たときには、単相流が支配的な集合体入口での流速が高いときに、安定性に対する余裕は増加する。集合体入口での流速を高めるためには、例えば、チャンネル内の流路面積を減少させれば良い。
【００２１】
しかしながら、チャンネル内流路面積の減少は、チャンネル内圧損の増加をもたらす。特に、二相流部の圧損は、ループのゲインの増加に繋がるため、安定性に対する余裕を減少する側に作用する。
【００２２】
炉心の安定性を向上させる手段としては、上記の他に、全圧損に占める単相流圧損の割合を増加させることが効果的であることが知られている。その効果を利用した燃料集合体の例が、従来設計の９×９燃料集合体であり、上部欠損部分長燃料棒の採用と高圧損型下部タイプレートの採用により、安定性は改善されている（特許文献１及び２）。
【００２３】
しかしながら、本手段は、炉心上下間差圧がほぼ一定となる条件下でのチャンネル安定性、あるいは、炉心入口総流量がほぼ一定となる条件下での領域安定性（高次モードの安定性）の改善には有効であるが、圧力容器内での冷却材の流れの沿った密度波の伝播を取り扱い、炉心の核のフィードバックが支配的となる炉心安定性（基本モードの安定性）には、大きな改善効果が期待できないことが知られている。例えば、最低ポンプ速度最大出力点での安定性減幅比の改善度合いは、チャンネル安定性に対して２０％であるときに、領域安定性に対して約１０％、炉心安定性に対しては５％程度である。
【００２４】
他方、ＢＷＲ炉心の経済性の一層の向上を目指すための一手段として、高燃焼度化１０×１０燃料を導入した場合には、高燃焼度化達成のために燃料ペレット濃縮度が高くなり、核的フィードバック効果が大きくなること、及び、燃料棒本数の増加により集合体圧損が増大する方向となる。従って、単なる炉心の安定性の低下防止策のみならず、抜本的な安定性（特に、炉心安定性）の改善策の提案が必要となっている。さらには、安定性の余裕を減じることなく高濃縮度（５％を超える）ウラン酸化物燃料又は混合酸化物燃料を利用できる炉心燃料の早期導入が待たれている。また、安定性を向上させた上で、燃料棒内圧の上昇抑制、あるいは、異物の燃料集合体内部への流入防止を可能とする燃料集合体の開発も待たれている。
【００２５】
このように、従来から特許文献１及び２に示されるように、ＢＷＲ炉心に装荷される燃料を高燃焼度化した場合でも、炉心の安定性を改善させるための提案がなされているが、いずれも上部欠損部分長燃料棒を採用しているもので、今後、実用化が図られていく１０×１０以上の高燃焼度化燃料集合体の安定性及び信頼性を十分に確保するものではなかった。
【００２６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、部分長燃料棒、太径ウォータロッド等、これまでに培われたＢＷＲの燃料設計・製造技術を基盤とした上で、新規な燃料集合体構造を採用することにより、安定性及び信頼性を向上させた１０×１０以上の高燃焼度化燃料集合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するために本発明に係る沸騰水型原子炉の燃料集合体は、Ｎ×Ｎの正方格子状に配置された燃料棒と中央に配置されたウォータボックスとを有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、前記燃料棒のうち複数の燃料棒は下部欠損燃料棒であることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る沸騰水型原子炉の燃料集合体は、Ｎ×Ｎの正方格子状に配置された燃料棒と中央に配置されたウォータボックスとを有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、前記燃料棒は下部領域に燃料ペレット欠損領域が形成されるとともに、前記欠損領域に多数の小孔が設けられた円筒部を配置したことを特徴とする。
【００２９】
また、本発明に係る沸騰水型原子炉の燃料集合体は、Ｎ×Ｎの正方格子状に配置された燃料棒と中央に配置されたウォータボックスとを有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、前記燃料棒は下部の燃料ペレット欠損領域に天然ウラン又は劣化ウランペレットが装填された複数本の全長燃料棒と上部に燃料ペレット欠損領域が形成された複数本の上部欠損燃料棒からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、基本的な炉心構造を変更することなく、炉心下部に燃料欠損部又は非発熱燃料部を設けることにより、ＢＷＲ燃料の高燃焼度化と炉心の安定性及び信頼性を大幅に向上させた１０×１０以上の燃料集合体を提供することができる。
【００３１】
また、炉心下部の燃料欠損領域に円筒状空間部を配置した場合には、安定性改善効果と合わせて、燃料棒内圧上昇の抑制効果及び異物の流入防止効果も得ることができる。
【００３２】
このように、本発明によれば、１０×１０以上の燃料集合体を採用するＢＷＲ炉心の安定性及び信頼性を大幅に改善するとともに、燃料集合体の高燃焼度化による経済性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る燃料集合体の下部横断面図、（ｂ）は上部横断面図。
【図２】（ａ）は図１の燃料集合体のＡ線の縦断面図、（ｂ）はＢ線の縦断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料集合体の上部タイプレート構造図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る炉心の安定性解析結果図。
【図５】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る燃料集合体の下部横断面図、（ｂ）は上部横断面図。
【図６】（ａ）は図５の燃料集合体のＡ線の縦断面図、（ｂ）はＢ線の縦断面図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る下部欠損燃料棒の下部構造図。
【図８】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る燃料集合体の下部横断面図、（ｂ）は上部横断面図。
【図９】（ａ）は図８の燃料集合体のＡ線の縦断面図、（ｂ）はＢ線の縦断面図。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料集合体の下部構造図。
【図１１】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る燃料集合体の下部横断面図、（ｂ）は中央部横断面図、（ｃ）は上部横断面図。
【図１２】（ａ）は図１１の燃料集合体のＡ線の縦断面図、（ｂ）はＢ線の縦断面図。
【図１３】（ａ）は本発明の第５の実施形態に係る燃料集合体の下部横断面図、（ｂ）は中央部横断面図、（ｃ）は上部横断面図。
【図１４】（ａ）は図１３の燃料集合体のＡ線の縦断面図、（ｂ）はＢ線の縦断面図。
【図１５】沸騰水型原子力発電プラントの全体構成図。
【図１６】沸騰水型原子炉の運転特性図。
【図１７】沸騰水型原子炉の炉心全体の断面図。
【図１８】沸騰水型原子炉の炉心シュラウドと集合体配置の関係図。
【図１９】従来の９×９燃料集合体の構成図。
【図２０】従来の燃料集合体（９×９）装荷炉心の安定性解析結果図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
まず、本発明に係る燃料集合体の基本的な構成及び機能について説明する。  
本発明に係る燃料集合体の基本的な構成は、燃料集合体の下部領域に燃料ペレットを配置しない燃料欠損領域、あるいは、非発熱燃料領域を設けることを特徴としている。
【００３５】
すなわち、本発明では、炉心入口付近（有効長の概ね１／４以下）での軸方向出力を相対的に小さく抑え、その分を入口付近から下流（有効長の概ね１／４以上）での出力増大で補うことによって、沸騰開始点を下流側に移動させることにより、燃料集合体チャンネル内での単相流部長さを従来ＢＷＲ燃料集合体チャンネル内単相流長さよりも長くしている。これにより、ボイドのチャンネル通過時間が短縮される効果が得られ、炉心の安定性（炉心安定性、領域安定性及びチャンネル安定性）が改善される。
【００３６】
このとき、近年のＢＷＲで採用されている９×９燃料集合体の格子形状を１０×１０燃料とすることで、核物質の装填量を約８％増加することができる。したがって、１０×１０燃料を用いて高燃焼度化を実現し、かつ、燃料欠損領域又は非発熱燃料領域を設けることにより炉心安定性を実効的に改善させる。周波数領域安定性解コードを用いた解析により、１０×１０燃料の集合体下部領域を約１／２４分欠損させることにより、炉心安定性減幅比が約１０％改善されることが確認されている。これは、燃料欠損割合を約３〜４％としたことに対応する。
【００３７】
本発明では，炉心安定性，領域安定性及びチャンネル安定性を考慮して、燃料集合体下部の０／２４〜６／２４の領域で、下部欠損燃料棒を採用することにより燃料欠損領域の割合を３〜８％とする。さらに、下部欠損燃料棒の本数及び欠損位置に応じて燃料集合体の上部の領域（有効高さの１０／２４〜２４／２４）にも欠損領域を形成するが、その場合、下部欠損領域と上部欠損領域の合計の燃料欠損領域の割合の上限値を８％に設定する。
【００３８】
このような構成とすることにより、９×９燃料炉心と比べて炉心安定性減幅比を１０％以上低減した上で、９×９燃料集合体と同等以上の高燃焼度化を達成することができる。
【００３９】
また、燃料ペレットが一部欠除した欠損燃料棒の本数と長さの組合せにより、炉心安定性減幅比の改善割合は多少変化するが、１０×１０燃料において集合体下部領域を１／４分欠損させたときには、欠損本数を１０×１０の約１／５にすれば前記とほぼ同様の実効的な安定性改善効果が得られる。このとき、欠損燃料棒を、例えば、制御棒中心線に直角に交わるチャンネルボックス対角線に対象に配置する等、燃料集合体の横断面でほぼ均等に配置することにより、安定性改善の効果を得られると同時に、横断面での出力分布の平坦化を図ることができる。  
上述した組み合わせは、１０×１０よりも格子数の多い燃料集合体（例えば、１１×１１燃料集合体）にも適用することが可能である。
【００４０】
また、下部燃料欠損部は、燃料棒に上端開口下端閉口の円筒部を連結することで燃料内圧上昇抑制空間として利用することができる上、上端閉口下端開口で側壁小孔付の円筒部を連結することで異物除去空間として利用することもできる。上記手段は、既存のプラント設備、炉内構造物に特段の改造を加えることなく実現可能である。
【００４１】
以下、本発明に係る燃料集合体の実施形態を、図面を参照して説明する。  
（第１の実施形態）
本第１の実施形態に係る燃料集合体を、図１乃至図４を参照して説明する。  
図１は、第１の実施形態に係る１０×１０格子の燃料集合体３０の横断面模式図であり、図１（ａ）は燃料集合体３０の下部、図１（ｂ）は上部の横断面図である。図２は、燃料集合体３０の縦断面模式図であり、図２（ａ）は燃料集合体３０の最外周部の断面図（Ａ断面）、図２（ｂ）は中央部の断面図（Ｂ断面）である。
【００４２】
図１（ａ）、（ｂ）及び図２（ｂ）を参照すると、燃料集合体３０の中央には、下部領域では燃料棒１本分の断面円形で、上部領域では燃料棒９本分で断面四角型となるウォータボックス５２が配置されている。ここで、燃料棒の全長は約４ｍ、有効長（全長燃料棒に対する値）は約３．７ｍ、直径は約１０ｍｍである。燃料棒はネジ構造を持つ下部端栓と上部端栓により、それぞれ下部タイプレート６２と上部タイプレート６１に固定されている。さらに、燃料棒５１は７個の燃料スペーサ６３により所定の間隔に保持されている。各燃料棒５１に装填される燃料ペレットの直径は約９ｍｍである。
【００４３】
ウォータボックス５２は下端と上端が閉じられており、下部タイプレートと上部タイプレートに支持固定されており、冷却材の流入孔５２ａが下部タイプレート上面よりも数十ｃｍ下流側に、冷却材の流出孔５２ｂが上部タイプレート下面よりも数十ｃｍ上流側に形成されている（図２（ｂ）、図３参照）。このように構成したウォータボックス５２により、１０×１０格子の燃料集合体に装填される燃料ペレットの平均濃縮度を増加されたときのボイド係数絶対値の増大をほぼ解消することができる。
【００４４】
図３は、本発明で用いられている上部タイプレート６１の拡大模式図である。基本構造は、従来の９×９燃料集合体の上部タイプレートと同様に内径が燃料棒外径より小さい丸型セルを連結したものであり、セル内に燃料棒上部端栓が挿入される。このとき、下部欠損燃料棒５１ａについてはその先端付近（約５ｃｍ）がネジ切りがされており、上部タイプレート上方より固定ワッシャー６１ａ挿入後に、ナット６１ｂにより、上部タイプレート６１に固定される。
【００４５】
なお、燃料集合体３０には、鉛直方向に冷却材通路を形成する直方体状のチャンネルボックス３１で覆われており、チャンネル内への冷却材は、燃料棒下部端栓の下部タイプレートへの挿入孔とは別に確保された複数の小穴より流入する。
【００４６】
本実施形態において、燃料集合体３０の燃料棒５１のうち、複数の燃料棒５１ａ（計２２本）はその一部が欠損しており（本実施形態では、欠損位置が全長燃料棒の下端から有効長の約６／２４で、ほぼ第２スペーサ下端までに相当）、下部欠損領域の割合は約６％である。また、集合体の全圧損は、従来の９×９燃料集合体とほぼ同じとなっている。本実施形態の燃料集合体は１０×１０格子であることから、上述した下部に燃料ペレットが存在しない下部欠損燃料棒５１ａを採用した場合でも、従来の９×９格子燃料と比べて、Ｕ２３５等核分裂性核種の充填量は約２％多いことから、高燃焼度化を達成することが可能である。
【００４７】
図４は上記のように構成した燃料集合体３０の炉心安定性解析結果を示す図である。本解析では、炉心軸方向出力分布として、従来９×９燃料解析で適用したピーキング係数１．１５（５／２４ノード位置）に対して、ピーキング係数１．２５（８／２４ノード位置）を適用している。本実施形態の燃料集合体は、沸騰開始点が下流側（燃料集合体出口側）に移動することから、集合体内で発生する気泡（ボイド）のチャンネル内通過時間が短縮され、これにより炉心の安定性を改善する方向に作用する。
【００４８】
本実施形態において、２２本の下部欠損燃料棒を採用した場合でも下部領域には６９本の燃料棒が存在し、単相流領域の増大により全圧損に占める単相流圧損の割合は従来９×９燃料から殆ど変わらないこと、及び、全圧損は従来９×９燃料とほぼ同等であることから炉心の安定性は向上し、基本モード安定性の指標である炉心安定性減幅比は約１５％減少する（最大値は０．５７）。同様の理由により、領域安定性、及び、チャンネル安定性も従来９×９燃料と比べて向上する。
【００４９】
なお、本実施形態では、下部欠損燃料棒の本数を２２本とし、下部欠損位置を下端から有効長の６／２４としているが、これに限定されず、下部欠損領域の割合が約３〜８％となるように、上記の実施形態と同様の安定性を確保する前提で、下部欠損燃料棒の本数を全燃料棒の約２０〜３０％の範囲で適宜変更すること、及び、欠損位置も適宜変更することができる。
【００５０】
本第１の実施形態によれば、複数本の下部欠損燃料棒を用いることにより、基本的な炉心構造を変更することなく、ＢＷＲ燃料の高燃焼度化と炉心の安定性及び信頼性を大幅に向上させた１０×１０以上の燃料集合体を提供することができる。
【００５１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る燃料集合体を、図５乃至図７を参照して説明する。  
第２の実施形態では、図５及び図６に示すように、第１の実施形態で説明した下部欠損燃料棒５１ａの欠損領域に、燃料被覆管と同じ外径の上端開口下端閉口の円筒部５１ｇを連結部５１ｃで連結させている。円筒部５１ｇの材料としては例えばジルカロイ合金が用いられる。
【００５２】
連結部５１ｃは、混合酸化物燃料ペレット５１ｎ（又は、ウラン酸化物燃料ペレット５１ｍ）が装填されている下部欠損燃料棒５１ａの下端と円筒部５１ｇの上端を同時に閉止するとともに、内部に連通孔５１ｓが設けられており（図６参照）、燃料棒部で核分裂時に発生したガスが、下端が端栓５１ｚで閉じられた円筒部５１ｇの内部に流れる。この場合でも、沸騰開始点は下流側に移動することから集合体内で発生する気泡（ボイド）のチャンネル内通過時間が短縮され、これにより、炉心の安定性は改善する方向に作用する。さらに、本実施形態では、燃料棒装填部で燃焼期間中に発生する気体状核分裂生成物が空間部に移動することから、燃料棒の過度の内圧上昇を防止することができる。
【００５３】
また、上述した本数の下部欠損燃料棒を採用した場合でも、従来の９×９格子燃料と比べて、Ｕ２３５等核分裂性核種の充填量は約２％多いことから、５％を超える濃縮度のペレットを採用と相俟って、安定性の低下と燃料棒内圧の過度の上昇を回避した上で更なる高燃焼度化を達成することが可能である。
【００５４】
本第２の実施形態によれば、複数本の下部欠損燃料棒を用い、かつ、欠損領域に円筒部を配置したことにより、基本的な炉心構造を変更することなく、ＢＷＲ燃料の高燃焼度化と炉心の安定性及び信頼性を大幅に向上させるとともに、燃料棒の過度の内圧上昇を防止することができる１０×１０以上の燃料集合体を提供することができる。
【００５５】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る燃料集合体を、図８乃至図１０を参照して説明する。  
第３の実施形態では、燃料ペレットの欠損領域は全燃料棒９１本に対し下部タイプレート上面高さから１／２４有効長さまで形成され、欠損割合は約４％である。また、図８及び図９に示すように、燃料被覆管と同じ外径で、上端閉口下端開口の円筒部５１ｈが連結部５１ｄで連結されている。
【００５６】
連結部５１ｄは燃料棒下端と円筒部５１ｈを同時に完全閉止するが、円筒部５１ｈには多数の小孔５１ｐが設けられている。上方に燃料棒５１が連結された円筒部５１ｈはその下端が開放のまま、下部タイプレートの支持穴で鉛直支持される。このとき、図１０に示すように、下端から約３ｃｍ上方部分に円筒の直径が１３ｍｍの鍔部５１ｑが形成されている。
【００５７】
なお、下部タイプレート上面には、燃料棒５１の支持用以外の穴は設けられていない。この場合でも、沸騰開始点は下流側に移動することから集合体内で発生する気泡（ボイド）のチャンネル内通過時間が短縮され、これは、炉心の安定性は改善する方向に作用する。
【００５８】
さらに、本実施形態では、冷却材が側面に小孔が開けられた円筒部５１ｈを通って、燃料集合体内部に流入することから、燃料棒集合体内部への異物の流入を防止することができる。
【００５９】
また、上述した本数の下部燃料ペレット欠損燃料棒を採用した場合でも、従来の９×９格子燃料と比べて、Ｕ２３５等核分裂性核種の充填量は約４％多いことから、安定性を向上させ異物の流入を回避した上で、更なる高燃焼度化を達成することが可能である。
【００６０】
本第３の実施形態によれば、全燃料棒の下部に燃料ペレットの欠損領域を形成し、かつ、欠損領域に円筒部を配置したことにより、基本的な炉心構造を変更することなく、ＢＷＲ燃料の高燃焼度化と炉心の安定性及び信頼性を大幅に向上させるとともに、燃料棒の過度の内圧上昇を防止することができる１０×１０以上の燃料集合体を提供することができる。
【００６１】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る燃料集合体を、図１１乃至図１２を参照して説明する。
第４の実施形態では、中央部に最大断面が３×３燃料棒分をほぼ外接するウォータボックス１個を有する１０×１０燃料集合体において、全長燃料棒の下端（下部タイプレート上面高さ）から１／２４有効長さの燃料ペレット欠損領域に非発熱燃料である天然ウラン又は劣化ウランペレットを装填している。燃料ペレット欠損領域の欠損割合は約４％である。
【００６２】
そして、上部領域では、濃縮度が５％超のペレットが装填された１２本の燃料棒については、その有効長さの約１８／２４〜２４／２４領域と上部タイプレートまでの領域に上部欠損領域が形成されており、総欠損割合は約７％となっている。
【００６３】
この１２本の欠損燃料棒には上部プレナムが設けられており、内圧の過度の上昇を抑制している。この場合でも、従来の９×９格子燃料と比べて、Ｕ２３５等核分裂性核種の充填量はほぼ同量であることから、濃縮度５％超の燃料ペレットの採用と相俟って、安定性を向上（本実施形態では二相流圧損が低減するため、領域安定性とチャンネル安定性も大きく改善される）させた上で高燃焼度化を達成することが可能である。
【００６４】
本第４の実施形態によれば、全燃料棒の下部燃料ペレット欠損領域に天然ウラン又は劣化ウランペレットを配置し、かつ、複数本の燃料棒の上部を燃料ペレット欠損領域とすることにより、基本的な炉心構造を変更することなく、ＢＷＲ燃料の高燃焼度化と炉心の安定性及び信頼性を大幅に向上させるとともに、燃料棒の過度の内圧上昇を防止することができる１０×１０以上の燃料集合体を提供することができる。
【００６５】
（第５実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る燃料集合体を、図１３乃至図１４を参照して説明する。
第５の実施形態では、中央部に最大断面が２×２燃料分の太径ウォータロッド２個を配置する１０×１０燃料集合体において、全長燃料棒の下端（下部タイプレート上面高さ）から１／２４有効長さの燃料ペレット欠損領域に天然ウラン又は劣化ウランペレットが装填されている。下部領域での欠損割合は約４％である。
【００６６】
そして、上部領域では、濃縮度が５％超のペレットを装填した上で、上部プレナム領域が設けられている８本の燃料棒についてはその有効長さの約２０／２４〜２４／２４と上部タイプレートまでの領域に、及び、Ｓの表示がなされている６本の燃料棒についてはその有効長さの約１０／２４〜約２４／２４領域と上部タイプレートまでの領域に上部欠損領域を設けている。総欠損割合は約８％である。
【００６７】
この場合でも、従来の９×９格子燃料と比べて、Ｕ２３５等核分裂性核種の充填量は約１％多いことから、濃縮度５％超の燃料ペレットの採用と相俟って、安定性を向上（本例では二相流圧損が低減するため、領域安定性とチャンネル安定性も大きく改善される）させた上で高燃焼度化を達成することが可能である。
【００６８】
本第５の実施形態によれば、全燃料棒の下部欠損領域に天然ウラン又は劣化ウランペレットを配置し、かつ、複数本の燃料棒の上部を欠損領域とすることにより、基本的な炉心構造を変更することなく、ＢＷＲ燃料の高燃焼度化と炉心の安定性及び信頼性を大幅に向上させるとともに、燃料棒の過度の内圧上昇を防止することができる１０×１０以上の燃料集合体を提供することができる。
【００６９】
以上、第１乃至第５の実施形態により本発明の燃料集合体を説明したが、本発明の適用範囲は、上述した第１乃至第５の実施形態を適宜組み合わせてもよく、例えば、燃料棒欠損領域が下端（下部タイプレート上面高さ）から６／２４領域までのときに、下端から３／２４までは側壁に小孔が開いた上端閉鎖・下端開放管とし、３／２４から６／２４までを連通孔付連結部で中空管と繋ぎ、その上部に燃料棒（濃縮度５％超のウラン酸化物燃料ペレット、あるいは、混合酸化物燃料ペレットを装填）連結することで、燃料棒内圧上昇回避効果と、異物流入防止効果を得た上で、炉心安定性の余裕を増加させることも可能である。
【００７０】
また、燃料棒欠損領域を、劣化ウランが装填された燃料棒、あるいは、ジルカロイ合金棒と置換することで、通常の燃料棒と同じ構造とした場合でも、従来型９×９燃料と比べて炉心安定性の余裕は改善される。
【符号の説明】
【００７１】
１…原子炉格納容器、２…原子炉圧力容器、３…炉心、４…冷却材、３０…燃料集合体、３１…チャンネルボックス、３２…制御棒、３３…ＬＰＲＭ、３４…炉心支持板、３５…上部格子板、３６…シュラウド、３７…燃料支持金具、５１…燃料棒、５１ａ…下部欠損燃料棒、５１ｂ…上部欠損燃料棒、５１ｃ…連結部、５１ｄ…連結部、５１ｇ…円筒部、５１ｈ…円筒部、５１ｍ…ウラン酸化物燃料ペレット、５１ｎ…混合酸化物燃料ペレット、５１ｐ…小孔、５１ｓ…連通孔、５１ｑ…鍔部、５１ｘ…燃料棒上部プレナム、５１ｚ…燃料棒下部端栓、５２…ウォータボックス、５２ａ…冷却材流入孔、５２ｂ…冷却材流出孔、６１…上部タイプレート、６１ａ…固定ワッシャー、６１ｂ…ナット、６２…下部タイプレート、６３…スペーサ。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年10月7日(2009.10.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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