(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料集合体平均濃縮度が高められた場合でも、炉停止余裕を向上し得る燃料集合体及び炉心を提供する。【解決手段】燃料棒を、チャンネルホックス９内にＮ×Ｎ（Ｎは１０）の正方格子状に配列する燃料集合体１であり、燃料棒は、標準燃料棒２及び有効長が短い部分長燃料棒３からなり、最長部分長燃料棒より上部かつ有効長以下の水平断面では水ロッド５の断面和をＷ１、集合体内部をＮ×Ｎのセルで区切り、燃料棒がないセルを空隙セルとし、中央部の（Ｎ−２）×（Ｎ−２）の格子位置空隙セルの４面のいずれかに別の空隙セルが接する空隙領域面積をＡ、４隅を除く最外周格子位置空隙セル面積和をＢとしＡ＋Ｂ−Ｗ１と表されるＳ１、標準燃料棒２のペレット断面をＳ２とし、最外周格子位置の４隅標準燃料棒２の本数がＭのとき、（Ｓ１＋Ｗ１×１．３）／Ｓ２−０．０５×Ｍが０．９５以上となるよう、部分長燃料棒３、標準燃料棒２、水ロッド５を配置する。【選択図】図１
2015090328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核分裂性物質を含む複数の燃料棒を、四角筒状のチャンネルボックス内にＮ×Ｎ（Ｎは１０）の正方格子状に配列する燃料集合体であって、
前記複数の燃料棒は、標準燃料棒及び有効長が前記標準燃料棒より短い部分長燃料棒からなり、
燃料集合体の水平断面略中央部に前記部分長燃料棒と共に配置される複数の水ロッド又は水チャンネルを備え、
最も長い部分長燃料棒より上部かつ標準燃料棒の有効長以下の水平断面においては前記水ロッド又は水チャンネルの水平断面積の総和をＷ１、燃料集合体内部をＮ×Ｎの単位格子セルで区切り、燃料棒が含まれない単位格子セルを空隙セルとし、水平断面略中央部の（Ｎ−２）×（Ｎ−２）の燃料棒格子位置にある空隙セルであって、前記空隙セルの４面のいずれかに別の空隙セルが接することで構成される空隙領域の面積をＡ、４隅を除く最外周燃料棒格子位置にある空隙セルの面積の和をＢとしてＡ＋Ｂ−Ｗ１と表されるＳ１、前記標準燃料棒のペレット部分の水平断面積の総和をＳ２とし、最外周燃料棒格子位置の４隅にある標準燃料棒の本数をＭとしたとき、（Ｓ１＋Ｗ１×１．３）／Ｓ２−０．０５×Ｍが０．９５以上となるよう、前記部分長燃料棒、標準燃料棒及び水ロッド又は水チャンネルを配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
核分裂性物質を含む複数の燃料棒を、四角筒状のチャンネルボックス内に正方格子状に配列する燃料集合体において、
前記複数の燃料棒は、標準燃料棒及び有効長が前記標準燃料棒より短い部分長燃料棒からなり、
燃料集合体の水平断面略中央部に前記部分長燃料棒を複数配置するものであって、
最も長い部分長燃料棒より上部かつ標準燃料棒の有効長以下の水平断面においては、燃料集合体内部をＮ×Ｎの単位格子セルで区切り、燃料棒が含まれない単位格子セルを空隙セルとし、水平断面略中央部の（Ｎ−２）×（Ｎ−２）の燃料棒格子位置にある空隙セルであって、前記空隙セルの４面のいずれかに別の空隙セルが接することで構成される空隙領域の面積をＡ、４隅を除く最外周燃料棒格子位置にある空隙セルの面積の和をＢとしてＡ＋Ｂと表されるＳ１、前記標準燃料棒のペレット部分の水平断面積の総和をＳ２とし、最外周燃料棒格子位置の４隅にある標準燃料棒の本数をＭとしたとき、Ｓ１／Ｓ２−０．０５×Ｍが０．９５以上となるよう、前記部分長燃料棒及び標準燃料棒を配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料集合体において、
水平断面略中央部にある空隙領域の外周部に隣接する燃料セルの数をＣ、空隙領域に含まれる空隙セルの数をＤとすると、Ｃ／Ｄが１．０未満となるように、水平断面略中央部に空隙セルが配置されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料集合体において、
前記複数の燃料棒はＮ×Ｎ（Ｎは１０）の正方格子状に配列されるものであって、
前記燃料集合体の水平断面略中央部の（Ｎ−４）×（Ｎ−４）列の燃料棒格子位置のうち、四隅の燃料棒格子位置に前記標準燃料棒を配置し、その他の燃料棒格子位置に前記部分長燃料棒及び水ロッド又は水チャンネルを配置すると共に、
前記四隅の燃料棒格子位置から前記チャンネルボックスに面する最外周の燃料格子位置に前記標準燃料棒を配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料集合体において、
前記複数の燃料棒はＮ×Ｎ（Ｎは１０）の正方格子状に配列されるものであって、
前記燃料集合体の水平断面略中央部の（Ｎ−４）×（Ｎ−４）の燃料棒格子位置に前記部分長燃料棒及び水ロッド又は水チャンネルを配置すると共に、
前記部分長燃料棒及び水ロッド又は水チャンネルの配置領域から前記チャンネルボックスに面する最外周の燃料格子位置に前記標準燃料棒を配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料集合体において、
前記燃料集合体の水平断面略中央部の（Ｎ−４）×（Ｎ−４）の燃料棒格子位置のうち、四隅の燃料棒格子位置に前記水ロッドを配置し、他の燃料棒格子位置に前記部分長燃料棒を配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項７】
請求項２に記載の燃料集合体において、
前記複数の燃料棒はＮ×Ｎ（Ｎは１０）の正方格子状に配列されるものであって、
前記燃料集合体の水平断面略中央部の（Ｎ−４）×（Ｎ−４）の燃料棒格子位置燃料棒格子位置のうち、四隅の燃料棒格子位置に前記標準燃料棒を配置し、その他の燃料棒格子位置に前記部分長燃料棒を配置すると共に、
前記四隅の燃料棒格子位置から前記チャンネルボックスに面する最外周の燃料格子位置に前記標準燃料棒を配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項８】
請求項４または請求項７に記載の燃料集合体において、
前記最外周の燃料棒格子位置のうち四隅の燃料棒格子位置に前記部分長燃料棒を配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項９】
請求項４または請求項７に記載の燃料集合体において、
前記最外周の燃料棒格子位置に配置される標準燃料棒の外径は、他の標準燃料棒の外径及び前記部分長燃料棒の外径よりも大きいことを特徴とする燃料集合体。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料集合体を、複数装荷することを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核燃料物質を含む燃料棒を四角筒状のチャンネルボックス内に複数配列してなる燃料集合体並びにこれを用いる炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉の炉心には、複数の燃料集合体が挿入されている。燃料集合体は、核燃料物質(例えば酸化ウラン)を含む複数の燃料ペレットを封入した複数の燃料棒、燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート、燃料部の下端部を支持する下部タイプレート、燃料棒間の間隙を保持する複数の燃料スペーサおよび四角筒状のチャンネルボックスを有する。チャンネルボックスは、上端部が上部タイプレートに取り付けられていて、下部タイプレートに向かって伸びており、複数の燃料スペーサによって束ねられた複数の燃料棒を取り囲んでいる。
【０００３】
原子炉の出力を抑制するために複数の制御棒が炉心内に挿入されている。また、燃料集合体内の一部の燃料棒は、燃料ペレット内に可燃性毒物(例えばガドリニア)を含んでいる。制御棒および可燃性毒物は、核燃料物質の核分裂によって余分に発生した中性子を吸収する。可燃性毒物は、中性子の吸収により、中性子を吸収しにくい物質に変わっていく。このため、炉心内に装荷された新燃料集合体（燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体）に含まれた可燃性毒物は、新燃料集合体が炉心内に装荷されてから原子炉の或る運転期間が経過すると消滅する。可燃性毒物が消滅した燃料集合体は、核燃料物質が燃焼するにつれて反応度が単調に減少していく。炉心内に滞在した運転サイクル数が異なる複数の燃料集合体が装荷されているため、炉心全体として原子炉の運転期間を通して臨界状態が維持されている。
【０００４】
燃料集合体には、出力分布の平坦化やボイド反応度係数の改善を目的として水ロッドが、また燃料集合体上部の水対ウラン比（以下、Ｈ／Ｕ比）や圧力損失を改善することを目的として燃料有効長よりも短い部分長燃料棒の導入が行われている。沸騰水型原子炉の運転時は、チャンネルボックス内を流れる水は沸騰しており、平均４０%程度の体積割合の蒸気を含む二相流となる。一方で、チャンネルボックスの外側を流れる水は沸騰せず常に液体である。そのため、燃料集合体内の熱中性子束の分布は、燃料集合体の外側ほど大きく、内側ほど小さくなりやすい。これを緩和するために、燃料集合体の中心部に、沸騰しない水が流れる水ロッドを配置することにより、燃料集合体の中心部の熱中性子を増加させ、出力分布を平坦化している。
【０００５】
特開２００９−２５０８９４号公報（特許文献１）に記載される燃料集合体は、熱的余裕が厳しくなる四角筒状のウォーターチャンネル近傍の燃料棒に対して、ウォーターチャンネルの側面にそれぞれ少なくとも一本の部分長燃料棒を配置することにより、熱的余裕を確保しつつ、燃料集合体の経済性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５０８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年は原子炉の運転経済性を向上させるために、長期運転サイクルや出力向上運転等が図られており、それに対応した燃料集合体の開発が行われている。特許文献１では、熱的余裕を確保しつつ燃料集合体の経済性を向上させるものであるものの、今後、更に燃料集合体の平均濃縮度が高められた場合、冷温停止時の反応度を低減することが困難となる可能性がある。
【０００８】
本発明は、燃料集合体の平均濃縮度が高められた場合においても、炉停止余裕を向上し得る燃料集合体及びこれを装荷する炉心を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の燃料集合体は、核分裂性物質を含む複数の燃料棒を、四角筒状のチャンネルホックス内にＮ×Ｎ（Ｎは１０）の正方格子状に配列する燃料集合体であって、前記複数の燃料棒は、標準燃料棒及び有効長が前記標準燃料棒より短い部分長燃料棒からなり、燃料集合体の水平断面略中央部に前記部分長燃料棒と共に配置される複数の水ロッド又は水チャンネルを備え、最も長い部分長燃料棒より上部かつ標準燃料棒の有効長以下の水平断面においては前記水ロッド又は水チャンネルの水平断面積の総和をＷ１、燃料集合体内部をＮ×Ｎの単位格子セルで区切り、燃料棒が含まれない単位格子セルを空隙セルとし、水平断面略中央部の（Ｎ−２）×（Ｎ−２）の燃料棒格子位置にある空隙セルであって、前記空隙セルの４面のいずれかに別の空隙セルが接することで構成される空隙領域の面積をＡ、４隅を除く最外周燃料棒格子位置にある空隙セルの面積の和をＢとしてＡ＋Ｂ−Ｗ１と表されるＳ１、前記標準燃料棒のペレット部分の水平断面積の総和をＳ２とし、最外周燃料棒格子位置の４隅にある標準燃料棒の本数をＭとしたとき、（Ｓ１＋Ｗ１×１．３）／Ｓ２−０．０５×Ｍが０．９５以上となるよう、前記部分長燃料棒、標準燃料棒及び水ロッド又は水チャンネルを配置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料集合体の平均濃縮度が高められた場合においても、炉停止余裕を向上し得る燃料集合体及びこれを装荷する炉心を提供できる。
【００１１】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の燃料集合体の水平断面図である
【図２】図１に示す燃料集合体の縦断面図である。
【図３】１０行１０列の燃料棒格子を有する燃料集合体であって、部分長燃料棒の上端部より上方での水平断面図である。
【図４】図３に示す各燃料集合体の燃焼度点におけるホットコールドスウィングを示す説明図である。
【図５】１０行１０列の燃料棒格子を有し水ロッドを備えた燃料集合体であって、部分長燃料棒の上端部より上方での水平断面図である。
【図６】図５に示す各燃料集合体の燃焼度点におけるホットコールドスウィングを示す説明図である。
【図７】図３および図５に示す燃料集合体の水平断面中央部に存在する減速材領域の大きさと、ホットコールドスウィングの最大値との関係を示す説明図である。
【図８】１０行１０列の燃料棒格子を有する燃料集合体であって、部分長燃料棒の上端部より上方での水平断面である。
【図９】図８に示す各燃料集合体の燃焼度点でのホットコールドスウィングを示す説明図である。
【図１０】図８に示す各燃料集合体と図３（a）に示す燃料集合体との出力運転状態における無限増倍率の差と燃焼度との関係を示す説明図である。
【図１１】本発明の他の実施例である、実施例２の燃料集合体の水平断面図である。
【図１２】本発明の他の実施例である、実施例３の燃料集合体の水平断面図である。
【図１３】本発明の他の実施例である、実施例４の燃料集合体の水平断面図である。
【図１４】本発明の他の実施例である、実施例５の燃料集合体の水平断面図である。
【図１５】本発明の他の実施例である、実施例６の燃料集合体の水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
通常の運転状態では、燃料集合体上部はボイド率が高く水密度が低いため、水が不足している。一方で冷温状態では水の密度が大きくなる為に燃料集合体上部の反応度が大きくなる。そのため、燃料集合体の上部の濃縮度が大きくなると、炉停止余裕が小さくなる。
【００１４】
一方で、水密度が大きくなると中性子を吸収しやすくなり、拡散距離も小さくなる。そのため、燃料棒と燃料棒の間のギャップを大きくする、すなわち、燃料棒を配置する燃料棒格子間隔を大きくすると、水に吸収される中性子量も大きくなる。しかし、通常の運転状態と比較すると冷温時の反応度は高くなり、濃縮度を高くするにつれて炉停止余裕も厳しくなる。そこで発明者らは、平均濃縮度を高めた燃料集合体であっても炉停止余裕を確保するために、冷温時の反応度を通常運転時よりも小さくする燃料集合体の構成について検討を行った。上述したように燃料棒間の水ギャップを大きくすると中性子の吸収量も大きくなるが、水ギャップがある大きさ以上となったとき、水ギャップを通過する中性子をほぼ遮蔽し、水ギャップをはさんだ燃料棒間の相互作用は限りなく小さくなる。よってある一定以上の大きさを持つ減速材領域を燃料集合体内に集中配置し、冷温時はその減速材領域を横切る中性子を遮蔽することにより、冷温時の反応度を運転時よりも小さくすることができるようになる。また水ロッドや水チャンネルが含まれる場合は、常に沸騰していない水が水ロッドや水チャンネル内部に含まれるため、水ロッドや水チャンネルが占有する面積も水ギャップと同様の働きを期待できる。
【００１５】
これらの効果を定量的に示すために、発明者らは燃料集合体内における減速材領域について検討した。まず、水領域を燃料集合体水平断面の中央部に集中的に配置した場合について、水領域の大きさと反応度の関係を検討した。図３は１０行１０列の燃料棒格子を有する燃料集合体であって、部分長燃料棒の上端部より上方で標準燃料棒の有効長範囲内での水平断面図である。
【００１６】
図３（a）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示し、図３（b）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち、四隅を除く燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示している。すなわち、６行６列の燃料棒格子位置のうち四隅の燃料棒格子の単位格子セルには標準燃料棒が配置される。図３（c）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち、四隅と四隅のいずれかひとつに隣接する２つの単位格子セルを除く燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示し、図３（d）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち、四隅と、四隅の単位格子セルのうち対角線上に配置された２つの単位格子セルにそれぞれ隣接する２つの単位格子セルを除く燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示している。図３（e）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち、四隅と、四隅の単位格子セルに隣接する２つの単位格子セルを除く燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示している。このように、部分長燃料棒が配置される単位格子セルの面積の総和、すなわち部分長燃料棒の配置領域の面積は、図３（a）から図３（e）へと順次減少する。
【００１７】
上記図３（a）から図３（ｅ）の燃料集合体について、高温かつボイドが７０％の時の集合体断面の燃焼計算を行った。次に各燃焼度点において、冷温とした場合の解析を行った。図４は、図３（a）から図３（e）に示す各燃料集合体の燃焼度点におけるホットコールドスウィングを示す説明図である。図４において横軸に燃焼度、縦軸にホットコールドスウィングΔkをとり、各燃料集合体での燃焼度点におけるホットコールドスウィングΔkの関係を示している。ここでホットコールドスウィングΔkとは、冷温時の無限増倍率から出力運転時（高温且つボイド７０％）の無限増倍率を差し引いた値である。高温かつボイド７０％は、燃料集合体上部断面の出力運転状態を模擬している。ホットコールドスウィングΔkが負となれば、冷温時の反応度が出力運転状態よりも小さいことを示し、炉停止余裕が向上することを意味する。
【００１８】
図４に示されるように、部分長燃料棒が配置される単位格子セルの面積の総和が小さい、すなわち燃料集合体内上部の中性子減速領域である水領域が小さい図３（ｄ）及び図３（ｅ）の場合、ホットコールドスウィングΔkが正となる領域があることが分かる。一方で図３（ａ）から図３（ｃ）は、燃焼を通じてホットコールドスウィングΔkが負となっており、炉停止余裕を向上することが可能となる。
【００１９】
同様に、燃料集合体の水平断面中央部に太径水ロッドを２体配置し、その周囲の燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置する構成について、水領域と反応度の関係について検討を行った。図５は、１０行１０列の燃料棒格子を有し水ロッドを備えた燃料集合体であって、部分長燃料棒の上端部より上方であって標準燃料棒の有効長範囲内での水平断面である。
【００２０】
図５（f）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置内に、太径水ロッド５を２体配置し、その周囲の燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示している。図５（g）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち、四隅の単位格子セルに標準燃料棒２を配置し、中央部に太径水ロッド５を２体とその周囲の燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示している。また、図５（h）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち、四隅の単位格子セル及び四隅の単位格子セルのうちいずれか１つに隣接する２つの単位格子セルに標準燃料棒２を配置し、中央部に太径水ロッド５を２体とその周囲の燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示している。図５（i）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち、四隅と、四隅の単位格子セルのうち対角線上に配置された２つの単位格子セルにそれぞれ隣接する２つの単位格子セルに標準燃料棒２を配置し、中央部に太径水ロッド５を２体とその周囲の燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示している。また図５（j）は、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち、四隅と、四隅の単位格子セルに隣接する２つの単位格子セルに標準燃料棒２を配置し、中央部に太径水ロッド５を２体とその周囲の燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置し水領域とした燃料集合体を示している。なお、図５においては、円筒状の太径水ロッド５を配する場合を示すが、これに代えて、四角筒状の水チャンネルを配する場合も同様である。
【００２１】
図６は、図５（f）から図５（j）に示す各燃料集合体の燃焼度点におけるホットコールドスウィングを示す説明図である。図６より、太径水ロッド５がある場合でも、図５（ｆ）から図５（ｈ）に示す各燃料集合体でのホットコールドスィングΔｋは負となり、冷温時の反応度が出力運転状態での反応度より小さく、炉停止余裕を向上できる。また、図３に示す太径水ロッド５がない場合よりもホットコールドスィングΔｋの低減効果が大きくなっていることが分かる。これは水ロッド５があることにより、出力運転状態の反応度が高まり、冷温時との差が拡大したことによる。
【００２２】
図３（a）から図３（ｅ）、図５（ｆ）から図５（ｊ）に示す燃料集合体で、横軸に（Ｓ１＋Ｗ１×１．３）／Ｓ２―０.０５×Ｍを、縦軸に燃焼を通じたホットコールドスウィングΔｋの最大値をとったグラフを図７に示す。図７より、（Ｓ１＋Ｗ１×１．３）／Ｓ２―０.０５×Ｍの値が０．９５以上となれば、ホットコールドスウィングΔｋの最大値が負となっていることが分かる。ここで、Ｗ１は水ロッド又は水チャンネルの水平断面積の総和、Ｓ１は部分長燃料棒が配置される単位格子セルの面積の総和（部分長燃料棒の配置領域の面積）からＷ１を減算した面積、Ｓ２は標準燃料棒の水平断面積の総和、Ｍは最外周の燃料棒格子位置のうち四隅に配置される標準燃料棒の本数（Ｍは０以上４以下）である。なお、部分長燃料棒が配置される単位格子セルの面積の総和（部分長燃料棒の配置領域の面積）は、水平断面略中央部に配置される部分長燃料棒の単位格子セルの面積の総和をＡ、最外周の燃料棒格子位置のうち四隅を除く燃料棒格子位置に部分長燃料棒が配置される単位格子セルの面積の総和をＢとしたとき、Ｓ１＝Ａ＋Ｂ−Ｗ１の関係にある。従って、部分長燃料棒の上端部より上方且つ標準燃料棒の有効長範囲内での水平断面においては、面積Ａは、当該水平断面略中央部における相互に隣接する空隙セルの総和となる。
また、太径水ロッド５を有さない図３（ａ）から図３（ｅ）に示す燃料集合体の場合は、Ｓ１／Ｓ２―０.０５×Ｍとなる。
【００２３】
次に、減速材領域（水領域）を燃料集合体中央部に集中させる効果について検討を行った。図８は１０行１０列の燃料棒格子を有する燃料集合体であって、部分長燃料棒の上端部より上方且つ標準燃料棒の有効長範囲内での水平断面である。
【００２４】
図８（ｋ）は、チャンネルボックス９に面する単位格子セルに標準燃料棒２を、燃料集合体の水平断面中央部に部分長燃料棒を配置し、最外周の標準燃料棒２から中央部の部分長燃料棒配置領域の間にまばらに部分長燃料棒を配置した燃料集合体を示している。
【００２５】
図８（ｌ）は、４行４列の燃料棒格子位置に標準燃料棒２を配する領域を、燃料集合体の水平断面の四隅に設け、その他の燃料棒格子位置に部分長燃料棒を配置した燃料集合体を示している。
【００２６】
図８（ｍ）は、中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち四隅の単位格子セルを除く位置に部分長燃料棒を配置し、標準燃料棒２が配置された最外周の燃料格子に隣接する燃料格子のうち四隅の単位格子セルに部分長燃料棒を配置した燃料集合体を示している。
【００２７】
また、図８（n）は、中央部の６行６列の燃料棒格子位置のうち四隅の単位格子セルを除く位置に部分長燃料棒を配置し、６行６列の燃料格子位置に隣接しその外周側の各辺それぞれの１つの単位格子セルに部分長燃料棒を配置した燃料集合体を示している。
【００２８】
ここで、図８（k）から図８（n）に示す燃料集合体の部分長燃料棒が配置される単位格子セルの面積の総和（部分長燃料棒の配置領域の面積）Ｓ１は、図３（ａ）に示す燃料集合体におけるＳ１と同一、すなわち、同じ面積の減速材領域（水領域）を有する構成としている。
【００２９】
図９に、図３（ａ）、図８（ｋ）から図８（ｎ）に示す各燃料集合体の燃焼度点におけるホットコールドスウィングの関係を示す。図９に示すように、減速材領域（水領域）を燃料集合体の水平断面中央部に集中配置した図３（ａ）及び図８（ｎ）のホットコールドスウィングΔｋは負となり、他の燃料集合体と比較して小さく、もっともまばらに減速材領域を配置した図８（ｋ）ではホットコールドスウィングΔｋは正となり、他の燃料集合体と比較して大きい。
【００３０】
図１０は、図３（ａ）に示す燃料集合体を基準として、図８（ｋ）から図８（ｎ）に示す燃料集合体との出力運転状態での無限増倍率の差を示す。図１０に示すように、まばらに減速材領域を配置する図８（ｋ）の燃料集合体では、出力運転状態の無限増倍率が小さくなっていることが分かる、なお、通常の運転状態での燃焼度は３０〜４５ＧＷｄ／ｔであり、この範囲における無限増倍率は図８（ｎ）に示す燃料集合体が最も高い値を示している。
【００３１】
以上より、減速材領域（水領域）を燃料集合体の水平断面中央部に集中配置することにより、出力運転状態の反応度を保ちつつ、冷温時の反応度を効率的に小さくすることができる。よって、燃料集合体の水平断面において、減速材領域（水領域）を燃料集合体内で中央部に集中的に配置し、かつその面積が（Ｓ１＋Ｗ１×１．３）／Ｓ２―０.０５×Ｍ≧０.９５を満たす場合、燃焼を通じてホットコールドスウィングΔｋを負にすることができ、炉停止余裕を向上させることができる。
【００３２】
また、燃料集合体上部は冷温時に負の反応度が入るようになるため、万一冷温時に制御棒が燃料集合体上部まで挿入されない場合でも、燃料集合体上部の反応度を小さくすることができ、原子炉の安全性を高めることができる。
【００３３】
以下本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００３４】
図１は、本発明の好適な一実施例である実施例１の燃料集合体の水平断面である。また、図２は図１に示す燃料集合体の縦断面図である。
【００３５】
燃料集合体１は、図２に示すように、複数の燃料棒２、２本の水ロッド５、下部タイプレート６、上部タイプレート７、複数の燃料スペーサ８およびチャンネルボックス９を備えている。燃料棒２は、複数の燃料ペレットを密封した被覆管内に充填している。下部タイプレート６は各燃料棒２の下端部を支持し、上部タイプレート７は上端部を支持する。これらの燃料棒２は、図１に示すように、燃料集合体１の水平断面において１０行１０列に配置されている。その水平断面の中央部には、燃料棒２が４本配置できる領域を占有する水ロッド５が２本配置されている。水ロッド５の下端部は下部タイプレート６によって支持され、それらの上端部は上部タイプレート７に支持されている。複数の燃料棒スペーサ８は、燃料集合体１の軸方向においては所定の間隔で配置され、燃料棒２の相互間、および燃料棒２と水ロッド５の間に、冷却水が流れる流路を確保するように、燃料棒２および水ロッド５を保持している。水平断面が正方形状をしている角筒であるチャンネルボックス９は上部タイプレート７に取り付けられ、下方に向かって伸びている。燃料スペーサ８によって束ねられた各燃料棒２は、チャンネルボックス９内に配置されている。なお、円筒状の水ロット５に代えて四角筒状の水チャンネルを配置しても良い。
【００３６】
燃料棒２の外径は約１．０ｃｍ、および水ロッド５の外径は約２．５ｃｍである。水ロッド５は４本の燃料棒２が配置可能な領域を占有する水平断面積を有する太径水ロッドである。本実施例における燃料棒２に核分裂性ウランを含む燃料ペレットが装填された領域の長さ、つまり燃料有効長は３．８ｍである。
【００３７】
燃料集合体１は、沸騰水型原子炉の炉心に装荷されたとき、一つのコーナーが炉心に挿入された横断面が十字形をしている制御棒４と向かい合うように配置される。チャンネルボックス９は、チャンネルファスナ（図示せず）によって上部タイプレート７に取り付けられる。チャンネルファスナは、燃料集合体１が炉心に装荷されたとき、制御棒４が燃料集合体１の相互間に挿入できるように、燃料集合体１の相互間に必要な幅の間隙を保持する機能を有する。このため、チャンネルファスナは、制御棒４と向かい合うコーナーに位置するように、上部タイプレート７に取り付けられている。燃料集合体１の制御棒４に向かい合うコーナー部は、換言すれば、チャンネルファスナが取り付けられたコーナー部である。
【００３８】
また、燃料集合体１に装荷される燃料棒で、燃料集合体水平断面中央を中心とした６行６列の燃料棒格子の内、四隅を除く燃料棒格子位置には燃料有効長よりも短い部分長燃料棒３が配置されている。部分長燃料棒３の長さは、標準燃料棒２の燃料有効長の１７／２４である。図１に示す本実施例の燃料集合体１の構成は、上述の図５（ｇ）に示す燃料集合体と対応している。
【００３９】
このように減速材領域（水領域）を設けることにより、本実施例によれば、出力運転状態での反応度を維持しつつ、燃料集合体上部の冷温時の反応度を運転状態よりも小さくでき、炉停止余裕を向上させることができる。
【実施例２】
【００４０】
図１１は、本発明の他の実施例である実施例２の燃料集合体の水平断面図である。実施例１では、燃料集合体１の水平断面中央部の６行６列の燃料格子位置のうち、四隅の燃料格子位置に標準燃料棒を配置したものであるのに対し、本実施例ではこの四隅の燃料棒格子位置も部分長燃料棒３を配置する点が異なる。
【００４１】
図１１に示されるように、本実施例の燃料集合体１Ａは、水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子位置に部分長燃料棒３および、部分長燃料棒３を４本配置できる領域を占有する水ロッド５を２本配置したものである。燃料集合体１Ａのその他の構成は実施例１における燃料集合体１と同一である。
【００４２】
本実施例では、実施例１と比較して燃料集合体水平断面中央部を中心とする６行６列の燃料棒格子の四隅の燃料棒も部分長燃料棒３としているため、燃料集合体上部の水平断面中央部の減速材領域が大きくなっている。すなわち、部分長燃料棒が配置される単位格子セルの面積の総和（部分長燃料棒の配置領域の面積）Ｓ１が４つの単位格子セル分増大している。これにより、冷温時の燃料集合体上部水平断面中央部にある減速材領域に吸収される中性子数が増加し、実施例１と比べて核分裂反応を更に抑制できるため、実施例１と比べて炉停止余裕は向上する。なお、本実施例の燃料集合体１Ａの構造は、上述の図５（ｆ）に示す燃料集合体に対応している。
【００４３】
以上より、本実施例によれば、燃料装荷量は実施例１に比較し減少するものの、実施例１よりさらに炉停止余裕を向上できる。
【実施例３】
【００４４】
図１２は、本発明の他の実施例である実施例３の燃料集合体の水平断面図である。本実施例では、図１に示す実施例１の燃料集合体の構成に対し、チャンネルボックス９に面する燃料棒（最外周燃料棒）のうち四隅の燃料棒格子位置に部分長燃料棒３ａを配する点が異なる。
【００４５】
図１２に示すように、燃料集合体１Ｂの水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子のうち、四隅の燃料棒格子を除く位置に部分長燃料棒３、部分長燃料棒３を４本配置可能な領域を占める水ロッド５を２本配置し、さらに燃料集合体１Ｂの最外周に配置される燃料棒のうち四隅に部分長燃料棒３ａを配置したものである。燃料集合体１Ｂのその他の構成は実施例１における燃料集合体と同一である。
【００４６】
沸騰水型原子炉の燃料集合体１Ｂにおいて、燃料集合体１Ｂの最外周燃料棒のうち四隅に配置される燃料棒は、チャンネルボックス９に面しており、更に隣接して配置される他の燃料集合体のチャンネルボックスとの間に存在するギャップ水による影響で中性子がよく減速され、局所的に出力が高くなる。そのため、チャンネルボックス内のボイド率が高くなる燃料集合体上部では、チャンネルボックス間のギャップ水による影響がより顕著になり、熱的余裕が十分に確保できない場合がある。
【００４７】
本実施例では、この四隅に部分長燃料棒３ａを配置することにより、ギャップ水により熱中性子が集まりやすい燃料集合体上部に燃料を配さず、燃料集合体上部の局所的な出力ピーキングを低減でき、熱的余裕を確保できる。
本実施例によれば、燃料集合体上部の冷温時の反応度を運転状態よりも小さくでき、更に、実施例１より熱的余裕を向上することが可能となる。
【実施例４】
【００４８】
図１３は、本発明の他の実施例である実施例４の燃料集合体の水平断面図である。図１３に示されるように、本実施例の燃料集合体は、燃料集合体１Ｃの水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子のうち、四隅の燃料棒格子を除く位置に部分長燃料棒３を配置し、さらに６行６列の燃料棒格子の四隅に水ロッド５ａを配置したものである。水ロッド５ａは、標準燃料棒２及び部分燃料棒３と同じ水平断面積を有する。燃料集合体１Ｃのその他の構成は実施例１における燃料集合体１と同一である。
【００４９】
通常の燃料設計であれば、燃料集合体水平断面の中央部に配置された水ロッドは、燃料集合体上部のＨ／Ｕ比を改善し、出力分布の平坦化等に寄与する。一方で上述の実施例１から実施例３による燃料設計では、水ロッドの周囲に配置される燃料棒を部分長燃料棒としていることから、燃料集合体上部の水平断面中央部には燃料棒を配置しないため、水ロッド近傍で生成される熱中性子を有効に利用できなくなる。また、ウラン燃料の量も燃料集合体上部の水平断面では少ないため、最適なＨ／Ｕ比を保つのに必要な減速材も少なくなる。
【００５０】
よって、本実施例では、水ロッドの断面積を小さくし、かつ燃料集合体上部に達する燃料有効長を備える標準燃料棒２の近傍に配置し、部分長燃料棒を増加させることにより、実施例１から実施例３の燃料集合体と比較し、更に燃料装荷量を増加でき経済性を向上できる。
【００５１】
なお、本実施例の燃料集合体１Ｃの構造は、上述の図３（ａ）に示す燃料集合体の構造に対し、水平断面中央６行６列の燃料棒格子位置のうち四隅の部分長燃料棒を水ロッドに代えたものであり、本実施例においても燃料集合体上部の冷温時の反応度を運転状態よりも小さくでき、炉停止余裕を向上させることができる。
【実施例５】
【００５２】
図１４は、本発明の他の実施例である実施例５の燃料集合体の水平断面図である。図１４に示されるように、本実施例の燃料集合体１Ｄは、その水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子のうち、四隅の燃料棒格子を除く位置に部分長燃料棒３を配置したものである。燃料集合体１Ｄのその他の構成は実施例１における燃料集合体１と同一である。
【００５３】
実施例４でも記載したように、本実施例による燃料集合体１Ｄは、燃料集合体上部の水平断面のウラン燃料の量は少ないため、実施例１から実施例３の燃料集合体と比較し、最適なＨ／Ｕ比を保つのに必要な減速材も少なくなる。なお、本実施例の燃料集合体１Ｄは、上述の図３（ｂ）に示す燃料集合体に対応している。
【００５４】
本実施例によれば、燃料集合体上部の冷温時の反応度を運転状態よりも小さくでき、炉停止余裕を向上させることができる。
【００５５】
また、本実施例では、水ロッドの代わりに部分長燃料棒３を配置することにより、実施例１と比べ、燃料装荷量を増加させることができる。
【００５６】
また、本実施例のように、燃料集合体水平断面の中央部に冷却材流路を集中的に確保した場合、その冷却材流路を流れる蒸気同士が結合し、蒸気が上昇する速度も向上するため、圧力損失を低減する効果も期待できる。
【実施例６】
【００５７】
図１５は、本発明の他の実施例である実施例６の燃料集合体の水平断面図である。図１５に示されるように、本実施例の燃料集合体１Ｅは、燃料集合体の水平断面中央部の６行６列の燃料棒格子のうち、四隅の燃料棒格子を除く位置に部分長燃料棒３、４本の部分長燃料棒３を配置可能な領域を占める水ロッド５を２本配置したものであり、さらに燃料集合体の最外周に配置される標準燃料棒２ａの外径を、最外周燃料棒２ａに隣接して配置される標準燃料棒２ｂ及び部分長燃料棒３の外径より大としている。例えば、最外周標準燃料棒２ａの外径は約１．１ｃｍであり、標準燃料棒２ｂ及び部分長燃料棒３の外径は約０．９ｃｍである。燃料集合体１Ｅのその他の構成は実施例１における燃料集合体１と同一である。
【００５８】
燃料集合体上部で、冷温時の反応度を運転状態より小さくするためには、燃料集合体上部の水平断面中央部に、冷温時に中性子を遮蔽できる面積を持つ減速材領域を確保する必要がある。そのため燃料集合体上部水平断面には燃料棒の本数に制限が生じる。実施例１の場合は燃料集合体の下部水平断面に対する上部水平断面の燃料の装荷量は７割程度である。ここで燃料集合体上部水平断面の燃料棒は外周部に偏って配置されているため、本実施例のように最外周燃料棒を太径化することにより、下部水平断面に対する上部水平断面の燃料の装荷量の割合を増大させることができる。また、最外周標準燃料棒２ａはチャンネルボックス間のギャップ水領域に近いため良く燃焼し、燃料集合体上部の核特性が改善され、燃料集合体の経済性を向上できる。
【００５９】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…燃料集合体、
２、２ａ、２ｂ…標準燃料棒、３、３ａ…部分長燃料棒、４…制御棒、
５、５ａ…水ロッド、６…下部タイプレート、７…上部タイプレート、８…燃料スペーサ、９…チャンネルボックス
【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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