(57)【要約】【課題】沸騰水型原子炉で、最小限界出力比および炉停止余裕を改善し、炉停止余裕を悪化させることなく制御棒を小型化する。【解決手段】正方格子状に束ねた複数の燃料棒２を有する燃料集合体１において、燃料棒は、第１の外径を有する複数の第１の燃料棒１０と、第１の外径よりも小さい第２の外径を有する複数の第２の燃料棒１１とを含み、第１の燃料棒が燃料集合体の内部領域に配置され、第２の燃料棒が燃料集合体の周辺部に配置されている。複数の燃料棒は、正方格子状に配置された複数の燃料棒を有する複数のサブバンドルを構成し、複数のサブバンドルの側部全体を覆うほぼ正方形の断面形状を有するチャンネルボックス４と、チャンネルボックスの内部をサブバンドルごとに仕切る仕切り板８と、を有する。【選択図】　図１
2004028879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方格子状に束ねた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の側部全体を覆うほぼ正方形の断面形状を有するチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記燃料棒は、第１の外径を有する複数の第１の燃料棒と、前記第１の外径よりも小さい第２の外径を有する複数の第２の燃料棒とを含み、
前記燃料集合体の少なくとも最外周には前記第２の燃料棒が配置され、
前記燃料集合体の最外周から少なくとも３列目から内側には前記第１の燃料棒が配置されていること、
を特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料集合体において、前記第２の燃料棒は前記燃料集合体の最外周に配置され、前記第１の燃料棒は前記燃料集合体の最外周以外の位置に配置されていること、を特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、正方格子状に配置された複数の燃料棒を有する複数のサブバンドルを構成すること、を特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
正方格子状に束ねた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の側部全体を覆うチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記複数の燃料棒は、正方格子状に配置された複数の燃料棒を有する複数のサブバンドルを構成し、
前記各サブバンドルの燃料棒は、第１の外径を有する複数の第１の燃料棒と、前記第１の外径よりも小さい第２の外径を有する複数の第２の燃料棒とを含み、前記第１の燃料棒が前記各サブバンドルの最外周以外の領域に配置され、前記第２の燃料棒が前記各サブバンドルの最外周に配置されていること、
を特徴とする燃料集合体。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料集合体において、前記第２の燃料棒が前記各サブバンドルの最外周の全ておよび最外周から２層目の少なくとも一部に配置され、前記燃料集合体の最外周から少なくとも３列目から内側には前記第１の燃料棒が配置されていること、を特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれかに記載の燃料集合体において、前記サブバンドルをまたがって互いに隣接する前記燃料棒間の間隔がその他の燃料棒間の間隔よりも大きいこと、を特徴とする燃料集合体。
【請求項７】
請求項３ないし６のいずれかに記載の燃料集合体において、前記チャンネルボックスの内部を前記サブバンドルごとに仕切る仕切り板を有すること、を特徴とする燃料集合体。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料集合体の複数個を直立させて水平面内で正方格子状に配列し、２行２列で互いに隣接する４個の前記燃料集合体の間に、互いにほぼ直角をなして放射状に延びる互いにほぼ同じ長さの４枚の翼を有し水平断面が十字形の制御棒を挿入および引き抜きが可能なように配置した沸騰水型原子炉の炉心において、
前記制御棒は、十字形の中心から前記翼の先端までの長さが前記燃料集合体の１辺の長さのほぼ３／４以下であること、を特徴とする炉心。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉に装荷する燃料集合体および炉心に係り、特に最小限界出力比および炉停止余裕を改善した燃料集合体、および、炉停止余裕を悪化させることなく制御棒を小型化した炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の炉心は、水平方向に正方格子状に配列された多数の燃料集合体と、その間に挿入・引き抜き自在に設けられた制御棒とにより形成されている。また、一般に沸騰水型原子炉に用いられる燃料集合体は、燃料被覆管内に酸化ウランなどの燃料ペレットを多数充填した複数の燃料棒を、正方格子状に配列して構成されている。
【０００３】
この燃料集合体および制御棒の例を図１２および図１３に示す。
図１２は、燃料集合体１および十字形制御棒５の横断面図である。燃料集合体１は、多数本の燃料棒２および２本の太径ウォータロッド３を軸方向に平行に配置して、正方格子状に配列し、軸方向に間隔をおいて配置した複数のスペーサ（図示せず）で束ねている。なお、図１２の例では、９行９列の配列になっている。また、この燃料棒２とウォータロッド３の束の周囲を断面がほぼ正方形の筒状のチャンネルボックス４で包囲した構成としている。
【０００４】
さらに、燃料集合体１の４体に１本の割合で十字形制御棒５が、４個のチャンネルボックス４にはさまれた空間に配置されている。十字形制御棒５は、互いにほぼ直角方向に放射状に延びる４枚の翼部を有する。ただし、図１２では燃料集合体１に隣接する二つの翼部のみが示されている。図１２の例では、燃料集合体１の四つのコーナのうち一つのコーナ部を中心として十字形制御棒５が配置される構成となっている。
【０００５】
図１３は燃料集合体および十字形制御棒の別の例を示したものである。ここでは、８行８列の燃料棒配列を一つのサブバンドルとして、四つのサブバンドルを一つの燃料集合体として構成し、全体として１６行１６列の燃料配列とした大型燃料集合体６が示されている。また、チャンネルボックス４の外側には大型制御棒７が配置されている。
【０００６】
大型燃料集合体６は周囲をチャンネルボックス４で包囲し、内部を仕切り板８により四つのサブバンドル９に分割されている。サブバンドル９は多数本の燃料棒２および２本の太径ウォータロッド３を軸方向に配置した複数のスペーサ（図示せず）で格子状に束ねている。また、燃料集合体形状が大型となっていることから制御棒も大型にし、大型燃料集合体６の四つのコーナのうちの対角位置の二つのコーナ部を中心として大型制御棒７が配置されている。
【０００７】
図１３に示した燃料集合体６および大型制御棒７は、図１２に示した燃料集合体１および十字形制御棒５を大型化することにより、炉心を構成する燃料集合体の数および制御棒の数を削減してプラント建設コストを削減することを図ったものである。図１２の燃料集合体１の１辺の長さが約１４ｃｍ、十字形制御棒５の中心から翼端までの長さが約１２ｃｍであるのに対し、図１３の大型燃料集合体６の１辺の長さは約２１ｃｍ、大型制御棒７の中心から翼端までの長さは約１８ｃｍとした例であって、いずれの場合も、大型制御棒の中心から翼端までの翼幅は燃料集合体の１辺の長さの０．８６倍程度となっている。
【０００８】
ところで、原子炉の運転における運転制限値の指標の一つに、最小限界出力比がある。この最小限界出力比は、炉心の熱的余裕を示す指標であり、炉心の運転状態において燃料が沸騰遷移を起こさないように、最小限界出力比の運転制限値が定められている。運転制限値は原子炉によって異なるが、１．２〜１．３程度である。
【０００９】
また、原子炉燃料の設計における設計条件の一つに、運転サイクルを通じて炉停止余裕を１．０％Δｋ以上確保するという条件がある。この炉停止余裕とは、冷温停止時に最も反応度制御効果の大きい制御棒１本が引き抜かれ、他の制御棒がすべて挿入された状態における未臨界度を表すもので、原子炉安全性のために炉停止余裕は確保されなければならない。図１２、図１３の例で示した制御棒の配置および翼幅は、炉停止余裕確保の観点から決められたものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
近年は原子力発電の運転経済性を向上するために、燃料の高燃焼度化が進められている。高燃焼度を達成するためには燃料の平均濃縮度を高める必要がある。しかし、燃料棒の濃縮度を高くするとその燃料棒の出力が高くなり、炉心の熱的余裕が低下する、という問題がある。特に燃料集合体の最外周およびその周辺の燃料棒においてはチャンネルボックス外を流れる水により中性子が効果的に減速されるため、燃料棒の出力が高くなりやすく、最小限界出力比が低下することとなり、このような傾向は高燃焼度化を行う際の炉心設計上の大きな制約となっていた（特開平５−２４９２６９号公報参照）。
また、高燃焼度を達成するために燃料の平均濃縮度を高めると冷温時の無限増倍率が大きくなり、炉停止余裕が悪化するため、濃縮度の増加には限界があった。
【００１１】
さらに、大型燃料集合体と大型制御棒を具備した炉心では、燃料集合体数および制御棒本数は削減されているものの、制御棒が大型化しているため、制御棒の製造コストが従来の大きさの制御棒に比べ高くなる。制御棒の大きさを小型化すれば、制御棒の製造コストは低減できるが、炉停止余裕が低減するという問題がある。
本発明の目的は、最小限界出力比および炉停止余裕を改善した燃料集合体、および炉停止余裕を悪化させることなく制御棒を小型化した炉心を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、正方格子状に束ねた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の側部全体を覆うほぼ正方形の断面形状を有するチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記燃料棒は、第１の外径を有する複数の第１の燃料棒と、前記第１の外径よりも小さい第２の外径を有する複数の第２の燃料棒とを含み、前記燃料集合体の少なくとも最外周には前記第２の燃料棒が配置され、前記燃料集合体の最外周から少なくとも３列目から内側には前記第１の燃料棒が配置されていること、を特徴とする。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、出力が高くなりやすい燃料棒配列の周辺部に配置する燃料棒の外径を細くしたことにより、周辺部燃料棒１本当たりの冷却材流路面積が、内部領域の燃料棒１本当たりの冷却材流路面積より大きくなるため、最外周燃料棒の冷却効率が向上し、最小限界出力比が改善する。
【００１４】
また、一般に、減速材と燃料の比（Ｈ／Ｕ比：水素原子数対ウラン原子数比）が大きくなるとボイド反応度係数が小さくなり、運転時から冷温停止時に移行してボイドが消滅したときの反応度上昇量が低下するため炉停止余裕が改善する。周辺部燃料棒の外径を細くして当該燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕを局所的に大きくしており、当該燃料棒は燃料集合体内で相対的に反応度が大きいため、燃料集合体平均としてもボイド係数が小さくなり、炉停止余裕が改善する。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料集合体において、前記第２の燃料棒は前記燃料集合体の最外周に配置され、前記第１の燃料棒は前記燃料集合体の最外周以外の位置に配置されていること、を特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用・効果が得られるほか、特に出力が高くなりやすい最外周に配置する燃料棒の外径を細くしたことにより、請求項１に記載の発明の作用・効果が著しい。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、正方格子状に配置された複数の燃料棒を有する複数のサブバンドルを構成すること、を特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明の作用・効果が得られるほか、サブバンドルからなるように構成した燃料集合体において、出力が高くなりやすい周辺部または最外周に配置する燃料棒の冷却効率が向上し、最小限界出力比が改善する。また、炉停止余裕が改善する。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、正方格子状に束ねた複数の燃料棒と、前記複数の燃料棒の側部全体を覆うチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、正方格子状に配置された複数の燃料棒を有する複数のサブバンドルを構成し、前記各サブバンドルの燃料棒は、第１の外径を有する複数の第１の燃料棒と、前記第１の外径よりも小さい第２の外径を有する複数の第２の燃料棒とを含み、前記第１の燃料棒が前記各サブバンドルの最外周以外の領域に配置され、前記第２の燃料棒が前記各サブバンドルの最外周に配置されていること、を特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、各サブバンドルの最外周位置の燃料棒の外径を細くしているため、サブバンドル最外周周辺の燃料棒の冷却効率が向上し、最小限界出力比が改善する。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料集合体において、前記第２の燃料棒が前記各サブバンドルの最外周の全ておよび最外周から２層目の少なくとも一部に配置され、前記燃料集合体の最外周から少なくとも３列目から内側には前記第１の燃料棒が配置されていること、を特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の作用・効果が得られるほか、最外周燃料棒に加え、最外周から２層目の燃料棒の全てまたは一部の燃料棒も外径を細くすることにより、最小限界出力比および炉停止余裕はさらに改善する。
【００２３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項３ないし５のいずれかに記載の燃料集合体において、前記サブバンドルをまたがって互いに隣接する前記燃料棒間の間隔がその他の燃料棒間の間隔よりも大きいこと、を特徴とする。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、請求項３ないし５のいずれかに記載の発明の作用・効果が得られるほか、次のような作用・効果がある。すなわち、サブバンドル間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル内の燃料棒間ピッチより大きくしたことにより、冷却材が燃料棒間ピッチの広いサブバンドル間の領域に集まりやすく、出力が高くなりやすい燃料集合体最外周部の冷却材流量が減少し最小限界出力比が低下することとなるが、最外周に配置する燃料棒の外径を細くしたことにより、当該燃料棒の冷却効率が向上し、最小限界出力比が改善する。また、炉停止余裕が改善する。
【００２５】
また、請求項７に記載の発明は、請求項３ないし６のいずれかに記載の燃料集合体において、前記チャンネルボックスの内部を前記サブバンドルごとに仕切る仕切り板を有すること、を特徴とする。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、請求項３ないし６のいずれかに記載の発明の作用・効果が得られるほか、サブバンドル間を仕切る仕切り板の影響により、サブバンドルをまたぐ流れが規制される。
【００２７】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料集合体の複数個を直立させて水平面内で正方格子状に配列し、２行２列で互いに隣接する４個の前記燃料集合体の間に、互いにほぼ直角をなして放射状に延びる互いにほぼ同じ長さの４枚の翼を有し水平断面が十字形の制御棒を挿入および引き抜きが可能なように配置した沸騰水型原子炉の炉心において、前記制御棒は、十字形の中心から前記翼の先端までの長さが前記燃料集合体の１辺の長さのほぼ３／４以下であること、を特徴とする炉心である。
【００２８】
請求項８に記載の発明によれば、請求項１ないし７のいずれかに記載の発明の作用・効果が得られるほか、燃料集合体またはサブバンドルの周辺部または最外周の燃料棒の外径を小さくし、あるいはサブバンドル間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル内の燃料棒間ピッチより大きくすることで炉停止余裕が改善しているため、制御棒翼幅を燃料集合体の１辺の長さの概略３／４程度以下としても炉停止余裕の基準を満足することができ、制御棒の製造コストを低減できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、上記した従来技術と同一もしくは類似の構成部分、または、実施の形態相互に同一もしくは類似の構成部分については、同一符号を付して重複説明は省略する。
【００３０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料集合体および十字形制御棒の第１実施の形態の横断面図である。なお、燃料集合体内では、軸方向や径方向に、燃料である核分裂性物質の濃縮度や可燃性毒物の濃度について分布がつけられているが、ここではこれらの分布については省略し、図示していない。
【００３１】
この形態では、前記図１３に示した燃料集合体と同様に、大型燃料集合体６は仕切り板８により四つのサブバンドル９に分割されており、各サブバンドル９の燃料棒配列は８行８列、燃料集合体全体としては１６行１６列となっている。サブバンドル９は、第１の燃料棒１０、第２の燃料棒１１および２本の太径ウォータロッド３を格子状に束ねて構成されている。また、大型燃料集合体６は周囲をチャンネルボックス４で包囲し、大型燃料集合体６の四つのコーナのうちの対角位置の二つのコーナ部を中心として大型制御棒７が配置されている。
【００３２】
ここで、第２の燃料棒１１の外径ｄ２は第１の燃料棒１０の外径ｄ１より小さい（ｄ２＜ｄ１）。また、第１の燃料棒１０は大型燃料集合体６の最外周以外の位置に配置し、第２の燃料棒１１は大型燃料集合体６の最外周に配置している。
【００３３】
一般に燃料集合体の最外周およびその周辺の燃料棒においてはチャンネルボックス外を流れる水により中性子が効果的に減速されるため、燃料棒の出力が高くなりやすく、最小限界出力比が低下することとなるが、本第１実施の形態では最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径を最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、第２の燃料棒１１の燃料棒１本当たりの冷却材流量が第１の燃料棒１０のそれより大きくなり、除熱効率が向上して最小限界出力比が改善する。
【００３４】
図２は、第１の燃料棒１０と第２の燃料棒１１の燃料棒１本当たりの流路面積を図示したものである。第１の燃料棒１０の燃料棒１本当たりの流路面積１２より、第２の燃料棒１１の燃料棒１本当たりの流路面積１３の方が大きいため、最外周燃料棒の除熱が効率的に行われ、最小限界出力比が改善する。
【００３５】
また、一般に、Ｈ／Ｕ比が大きくなるとボイド反応度係数が小さくなり、運転時から冷温停止時に移行してボイドが消滅したときの反応度上昇量が低下するため炉停止余裕が改善する。本第１実施の形態では最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径を最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、最外周燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕを局所的に大きくしており、当該燃料棒は燃料集合体内で相対的に反応度が大きいため、燃料集合体平均としてもボイド係数が小さくなり、炉停止余裕が改善する。
【００３６】
なお、図１では、最外周のみに第２の燃料棒１１を配置する例を示したが、最外周に加え、最外周から２層目の燃料棒についても一部または全てを第２の燃料棒１１とすれば、最小限界出力比および炉停止余裕の改善効果は大きくなる。第２の燃料棒の本数をさらに増やせば改善効果はさらに大きくなるが、第２の燃料棒１１の本数を増やすと燃料集合体内に装荷される核燃料物質量が減少するため、燃料経済性上好ましくない。したがって、第２の燃料棒１１の本数は必要以上に多くしない方が良く、図１の例では、最も効果的に最小限界出力比および炉停止余裕を改善する位置として、第２の燃料棒１１を最外周にのみ配置している。
【００３７】
また、図１の例では最外周燃料棒全てを第２の燃料棒１１としている。燃料棒出力は最外周燃料棒が高くなりやすく、最外周燃料棒の中でもコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒は中性子の減速効果により、特に燃料棒の出力が高くなりやすい。原子炉の運転制限値の一つである最大線出力密度に直接影響を与える局所ピーキング係数を改善する観点からは、燃料棒配列の最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみを第２の燃料棒１１とすることが最も効果的であるが、最小限界出力比は、当該燃料棒の出力のみではなく、周囲の燃料棒配置にも影響を受ける。
【００３８】
すなわち、コーナ部の燃料棒は周囲４方向の内２方向のみに燃料棒が配置され、残り２方向はチャンネルボックスに面しているのに対し、コーナ部以外の燃料棒は周囲４方向の内３方向に燃料棒が配置され、周囲の燃料棒からの発熱によるボイド発生により冷却材割合が減少し、除熱効率がコーナ部の燃料棒より悪くなっている。そのため、最小限界出力比に直接影響を与える除熱の観点からは、最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみではなく、最外周全ての燃料棒について第２の燃料棒１１として除熱効率を改善した方が良く、図１の例では最外周燃料棒全てを第２の燃料棒１１としている。
【００３９】
なお、本第１実施の形態は、各サブバンドル９内にウォータロッドを２本含み、各サブバンドル９の燃料棒配列が８行８列で燃料集合体全体としては１６行１６列とした大型燃料集合体６に適用した例であるが、上記の特性はこれに限定されるものではなく、ウォータロッドの本数や形状、配置、仕切り板の有無、燃料棒の格子配列は設計によって異なる。９行９列や１０行１０列のサブバンドルからなる大型燃料や、サブバンドル構造を有しない８行８列、９行９列や１０行１０列の燃料集合体であっても、第２の燃料棒１１を最外周に配置すれば同様の効果が得られる。
【００４０】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明に係る燃料集合体および十字形制御棒の第２実施の形態の横断面図である。この実施の形態では、前記図１３に示した燃料集合体と同様に、大型燃料集合体６は仕切り板８により四つのサブバンドル９に分割されており、各サブバンドル９の燃料棒配列は８行８列、燃料集合体全体としては１６行１６列となっている。各サブバンドル９は、第１の燃料棒１０、第２の燃料棒１１および２本の太径ウォータロッド３を格子状に束ねて構成されている。また、大型燃料集合体６は周囲をチャンネルボックス４で包囲し、大型燃料集合体６の四つのコーナのうちの対角位置の二つのコーナ部を中心として大型制御棒７が配置されている。
【００４１】
ここで、各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３はサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きい（ｄ３＞ｄ４）。各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３をサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きくしたのは、大型燃料集合体の内部に燃料棒間ピッチを広くとった領域を設けることにより、燃料の反応度を増加し、燃料経済性を向上させるためである。
【００４２】
また、第２の燃料棒１１の外径ｄ２は第１の燃料棒１０の外径ｄ１より小さい（ｄ２＜ｄ１）。さらに、第１の燃料棒１０は大型燃料集合体６の最外周以外の位置に配置し、第２の燃料棒１１は大型燃料集合体６の最外周に配置している。
【００４３】
一般に燃料集合体の最外周およびその周辺の燃料棒においてはチャンネルボックス外を流れる水により中性子が効果的に減速されるため、燃料棒の出力が高くなりやすく、最小限界出力比が低下する。さらに、本第２実施の形態では各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３をサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きくしているため、サブバンドル間の領域で圧力損失が低くなり、冷却材が燃料棒間ピッチの広いサブバンドル間の領域に集まりやすい。このため、燃料集合体最外周部の冷却材流量が減少し、最小限界出力比がさらに低下することとなる。
【００４４】
しかし、本第２実施の形態では、大型燃料集合体６の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径を最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、燃料集合体最外周部周辺の圧力損失が低減して最外周部に冷却材が集まりやすくなり、冷却材が燃料棒間ピッチの広いサブバンドル間の領域に集まる効果を低減するとともに、第２の燃料棒１１の燃料棒１本当たりの冷却材流量が第１の燃料棒１０のそれより大きくなり、除熱効率が向上して最小限界出力比が改善する。
【００４５】
また、一般に、Ｈ／Ｕ比が大きくなるとボイド反応度係数が小さくなり、運転時から冷温停止時に移行してボイドが消滅したときの反応度上昇量が低下するため炉停止余裕が改善する。本第２実施の形態ではサブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル９内の燃料棒間ピッチより大きくすることで、サブバンドル９間の対向する燃料棒の反応度が相対的に大きくなるとともに当該燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕが大きくなり、炉停止余裕が改善する。
【００４６】
さらに、大型燃料集合体６の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径を大型燃料集合体６の最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、大型燃料集合体６の最外周燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕを局所的に大きくしており、当該燃料棒は燃料集合体内で相対的に反応度が大きいため、燃料集合体平均としてもボイド係数が小さくなり、炉停止余裕が改善する。
【００４７】
なお、図３の例で、大型燃料集合体６の最外周のみに第２の燃料棒１１を配置したのは、効果的に最小限界出力比および炉停止余裕を改善する位置として、第２の燃料棒１１を大型燃料集合体６の最外周にのみ配置したためである。
【００４８】
また、図３の例では最外周燃料棒全てを第２の燃料棒１１としている。原子炉の運転制限値の一つである最大線出力密度に直接影響を与える局所ピーキング係数を改善する観点からは、燃料棒配列の最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみを第２の燃料棒１１とすればよいが、最小限界出力比に直接影響を与える除熱の観点からは、最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみではなく、最外周全ての燃料棒について第２の燃料棒１１として除熱効率を改善した方が良く、図３の例では最外周燃料棒全てを第２の燃料棒１１としている。
【００４９】
なお、本第２実施の形態は、各サブバンドル９内にウォータロッドを２本含み、各サブバンドル９の燃料棒配列が８行８列で燃料集合体全体としては１６行１６列とした大型燃料集合体６に適用した例であるが、上記の特性はこれに限定されるものではなく、ウォータロッドの本数や形状、配置、仕切り板の有無、燃料棒の格子配列は設計によって異なる。９行９列や１０行１０列のサブバンドルからなる大型燃料や、サブバンドル構造を有しない８行８列、９行９列や１０行１０列の燃料集合体であっても、第２の燃料棒１１を最外周に配置すれば同様の効果が得られる。
【００５０】
［第３の実施の形態］
図４は、本発明に係る燃料集合体および十字形制御棒の第３実施の形態の横断面図である。本第３実施の形態では、前記図１３に示した燃料集合体と同様に、大型燃料集合体６は仕切り板８により四つのサブバンドル９に分割されており、各サブバンドル９の燃料棒配列は８行８列、燃料集合体全体としては１６行１６列となっている。サブバンドル９は第１の燃料棒１０、第２の燃料棒１１および２本の太径ウォータロッド３を格子状に束ねて構成されている。また、大型燃料集合体６は周囲をチャンネルボックス４で包囲し、大型燃料集合体６の四つのコーナのうちの対角位置の二つのコーナ部を中心として大型制御棒７が配置されている。
【００５１】
ここで、各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３はサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きい（ｄ３＞ｄ４）。各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３をサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きくしたのは、大型燃料集合体の内部に燃料棒間ピッチを広くとった領域を設けることにより、燃料の反応度を増加し、燃料経済性を向上させるためである。
【００５２】
また、第２の燃料棒１１の外径ｄ２は第１の燃料棒１０の外径ｄ１より小さい（ｄ２＜ｄ１）。さらに、第１の燃料棒１０はサブバンドル９の最外周以外の位置に配置し、第２の燃料棒１１はサブバンドル９の最外周に配置している。
【００５３】
一般に燃料集合体の最外周およびその周辺の燃料棒においてはチャンネルボックス外を流れる水により中性子が効果的に減速されるため、燃料棒の出力が高くなりやすく、最小限界出力比が低下する。さらに、本第３実施の形態では各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３をサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きくしているため、サブバンドル９間の対向する位置の燃料棒の出力が高くなりやすい。さらに、冷却材が燃料棒間ピッチの広いサブバンドル間の領域に集まりやすく、サブバンドル内の内部領域や燃料集合体最外周部の冷却材流量が減少し、最小限界出力比がさらに低下することとなる。
【００５４】
本第２実施の形態では、第１の燃料棒１０より細い第２の燃料棒１１を大型燃料集合体６の最外周燃料棒に加え、各サブバンドル９間の対向する位置にも配置しているため、各サブバンドル９間の対向する位置の燃料棒でも除熱効率が向上して最小限界出力比が改善する。
【００５５】
また、一般に、Ｈ／Ｕ比が大きくなるとボイド反応度係数が小さくなり、運転時から冷温停止時に移行してボイドが消滅したときの反応度上昇量が低下するため炉停止余裕が改善する。本第３実施の形態ではサブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル９内の燃料棒間ピッチより大きくすることで、サブバンドル９間の対向する燃料棒の反応度が相対的に大きくなるとともに当該燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕが大きくなり、炉停止余裕が改善する。
【００５６】
さらに、サブバンドル９の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径をサブバンドル９の最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、サブバンドル９の最外周燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕを局所的に大きくしており、当該燃料棒は燃料集合体内で相対的に反応度が大きいため、燃料集合体平均としてもボイド係数が小さくなり、炉停止余裕が改善する。
【００５７】
なお、図４の例で、各サブバンドル９の最外周のみに第２の燃料棒１１を配置したのは、最も効果的に最小限界出力比および炉停止余裕を改善する位置として、第２の燃料棒１１をサブバンドル９の最外周にのみ配置したためである。
【００５８】
また、図４の例では最外周燃料棒全てを第２の燃料棒１１としている。原子炉の運転制限値の一つである最大線出力密度に直接影響を与える局所ピーキング係数を改善する観点からは、燃料棒配列の最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみを第２の燃料棒１１とすればよいが、最小限界出力比に直接影響を与える除熱の観点からは、最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみではなく、最外周全ての燃料棒について第２の燃料棒１１として除熱効率を改善した方が良く、図４の例では最外周燃料棒全てを第２の燃料棒１１としている。
【００５９】
なお、本第３実施の形態は、各サブバンドル９内にウォータロッドを２本含み、各サブバンドル９の燃料棒配列が８行８列で燃料集合体全体としては１６行１６列とした大型燃料集合体６に適用した例であるが、上記の特性はこれに限定されるものではなく、ウォータロッドの本数や形状、配置、仕切り板の有無、燃料棒の格子配列は設計によって異なる。９行９列や１０行１０列のサブバンドルからなる大型燃料や、サブバンドル構造を有しない８行８列、９行９列や１０行１０列の燃料集合体であっても、第２の燃料棒１１を最外周に配置すれば同様の効果が得られる。
【００６０】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明に係る燃料集合体および十字形制御棒の第４実施の形態の横断面図である。この実施の形態では、前記図１３に示した燃料集合体と同様に、大型燃料集合体６は仕切り板８により四つのサブバンドル９に分割されており、各サブバンドル９の燃料棒配列は８行８列、燃料集合体全体としては１６行１６列となっている。各サブバンドル９は第１の燃料棒１０、第２の燃料棒１１および２本の太径ウォータロッド３を格子状に束ねて構成されている。また、大型燃料集合体６は周囲をチャンネルボックス４で包囲し、大型燃料集合体６の四つのコーナのうちの対角位置の二つのコーナ部を中心として大型制御棒７が配置されている。
【００６１】
ここで、各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３はサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きい（ｄ３＞ｄ４）。各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３をサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きくしたのは、大型燃料集合体の内部に燃料棒間ピッチを広くとった領域を設けることにより、燃料の反応度を増加し、燃料経済性を向上させるためである。
【００６２】
また、第２の燃料棒１１の外径ｄ２は第１の燃料棒１０の外径ｄ１より小さい（ｄ２＜ｄ１）。さらに、第２の燃料棒１１はサブバンドル９の最外周燃料棒全ておよび最外周から２層目の燃料棒の一部の燃料棒位置に配置し、第１の燃料棒１０は残りの位置に配置している。
【００６３】
本第４実施の形態では各サブバンドル９の最外周燃料棒に加え、最外周から２層目の燃料棒についても一部を第２の燃料棒１１としており、最小限界出力比および炉停止余裕の改善効果は前記第３実施の形態より大きくなる。第２の燃料棒の本数をさらに増やせば改善効果はさらに大きくなるが、第２の燃料棒１１の本数を増やすと燃料集合体内に装荷される核燃料物質量が減少するため、燃料経済性上好ましくない。したがって、第２の燃料棒１１の本数は必要以上に多くしない方が良く、図５の例では、最も効果的に最小限界出力比および炉停止余裕を改善する位置として、第２の燃料棒１１をサブバンドル９の最外周および最外周から２層目の一部にのみ配置している。
【００６４】
また、原子炉の運転制限値の一つである最大線出力密度に直接影響を与える局所ピーキング係数を改善する観点からは、燃料棒配列の最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみを第２の燃料棒１１とすればよいが、最小限界出力比に直接影響を与える除熱の観点からは、最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみではなく、最外周全ての燃料棒について第２の燃料棒１１として除熱効率を改善した方が良く、図５の例では最外周燃料棒に加え最外周から２層目の一部の燃料棒の外径を細くすることにより、隣接する最外周燃料棒の除熱効率をさらに向上している。
【００６５】
なお、本第４実施の形態は、各サブバンドル９内にウォータロッドを２本含み、各サブバンドル９の燃料棒配列が８行８列で燃料集合体全体としては１６行１６列とした大型燃料集合体６に適用した例であるが、上記の特性はこれに限定されるものではなく、ウォータロッドの本数や形状、配置、仕切り板の有無、燃料棒の格子配列は設計によって異なる。９行９列や１０行１０列のサブバンドルからなる大型燃料や、サブバンドル構造を有しない８行８列、９行９列や１０行１０列の燃料集合体であっても、第２の燃料棒１１をサブバンドル９または燃料集合体の最外周および最外周から２層目の一部に配置すれば同様の効果が得られる。
【００６６】
［第５の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料集合体および十字形制御棒の第５実施の形態の横断面図である。この実施の形態は、前記図１２に示した燃料集合体と同じ大きさの燃料集合体１４に適用した例であり、燃料集合体１４は１０行１０列に配置した第１の燃料棒１０、第２の燃料棒１１と２本の太径ウォータロッド３より成り、１０行１０列の燃料棒配列は、さらに四つの５行５列のサブバンドル９より構成される。ただし、サブバンドル９同士を仕切る仕切り板は存在しない。また、燃料集合体１４は周囲をチャンネルボックス４で包囲し、燃料集合体１４の四つのコーナのうちの一つのコーナ部を中心として十字形制御棒５が配置されている。
【００６７】
ここで、各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ７はサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ８より大きい（ｄ７＞ｄ８）。各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ７をサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ８より大きくしたのは、燃料集合体の内部に燃料棒間ピッチを広くとった領域を設けることにより、燃料の反応度を増加し、燃料経済性を向上させるためである。
【００６８】
また、第２の燃料棒１１の外径ｄ６は第１の燃料棒１０の外径ｄ５より小さい（ｄ６＜ｄ５）。さらに、第１の燃料棒１０はサブバンドル９の最外周以外の位置に配置し、第２の燃料棒１１はサブバンドル９の最外周に配置している。
【００６９】
本第５実施の形態ではサブバンドル９の最外周燃料棒を第２の燃料棒１１としているため、前記第１ないし第４の実施の形態と同様に最小限界出力比および炉停止余裕が改善できる。
【００７０】
［第６の実施の形態］
図７は、本発明に係る燃料集合体および十字形制御棒の第６実施の形態の横断面図である。この実施の形態では、前記図１３に示した燃料集合体と同様に、大型燃料集合体６は仕切り板８により四つのサブバンドル９に分割されており、各サブバンドル９の燃料棒配列は８行８列、燃料集合体全体としては１６行１６列となっている。サブバンドル９は第１の燃料棒１０、第２の燃料棒１１および２本の太径ウォータロッド３を格子状に束ねて構成されている。また、大型燃料集合体６は周囲をチャンネルボックス４で包囲している。
【００７１】
さらに、各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３はサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きい（ｄ３＞ｄ４）。各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ３をサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ４より大きくしたのは、大型燃料集合体の内部に燃料棒間ピッチを広くとった領域を設けることにより、燃料の反応度を増加し、燃料経済性を向上させるためである。
【００７２】
また、第２の燃料棒１１の外径ｄ２は第１の燃料棒１０の外径ｄ１より小さい（ｄ２＜ｄ１）。さらに、第１の燃料棒１０はサブバンドル９の最外周以外の位置に配置し、第２の燃料棒１１はサブバンドル９の最外周に配置している。
【００７３】
一般に燃料集合体の最外周およびその周辺の燃料棒においてはチャンネルボックス外を流れる水により中性子が効果的に減速されるため、燃料棒の出力が高くなりやすく、最小限界出力比が低下することとなるが、本第６実施の形態ではサブバンドル９の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径をサブバンドル９の最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、第２の燃料棒１１の燃料棒１本当たりの冷却材流量が第１の燃料棒１０のそれより大きくなり、除熱効率が向上して最小限界出力比が改善する。
【００７４】
一方、制御棒に関しては、大型燃料集合体６の四つのコーナのうちの対角位置の二つのコーナ部を中心として十字形制御棒５が配置されており、十字形制御棒５の中心から翼端までの翼幅は、前記図６あるいは図１２記載の十字形制御棒５と同じであって、大型燃料集合体６の１辺の長さの０．６倍程度である。
【００７５】
一般に、Ｈ／Ｕ比が大きくなるとボイド反応度係数が小さくなり、運転時から冷温停止時に移行してボイドが消滅したときの反応度上昇量が低下するため炉停止余裕が改善する。本第５実施の形態ではサブバンドル９の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径をサブバンドル９の最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、サブバンドル９の最外周燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕを局所的に大きくしており、当該燃料棒は燃料集合体内で相対的に反応度が大きいため、燃料集合体平均としてもボイド係数が小さくなり、炉停止余裕が改善する。
【００７６】
さらに本第６実施の形態ではサブバンドル９の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径をサブバンドル９の最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしていることに加え、サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル９内の燃料棒間ピッチより大きくしている。これにより、サブバンドル９の最外周燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕがより局所的に大きくなり、当該燃料棒は燃料集合体内で相対的に反応度が大きいため、燃料集合体平均としてもボイド係数がより小さくなり、炉停止余裕がさらに改善する。
【００７７】
一方、本第６実施の形態では制御棒の翼幅を大型燃料集合体６の１辺の長さの０．６倍程度としているため、前記図１あるいは図１３に示した大型制御棒７を用いた場合より炉停止余裕が低下する。ここで、制御棒の翼幅と停止余裕の関係について説明する。
【００７８】
ｄ１＝１１ｍｍ、ｄ２＝９ｍｍ、ｄ３＝２４ｍｍ、ｄ４＝１２ｍｍとし、ｄ１とｄ２の比を１．２程度、ｄ３とｄ４の比を２程度としている。ｄ１とｄ２の比、ｄ３とｄ４の比をこのように設定すると、サブバンドル９の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径を細くしていることとサブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル９内の燃料棒間ピッチより大きくしている効果により、炉停止余裕は、前記図１３の大型燃料集合体７に比べ２％Δｋ程度改善する。そこで、制御棒の翼幅を小さくしたことによる炉停止余裕の低下が２％Δｋ程度であれば、ｄ１とｄ２の比を１．２以上かつｄ３とｄ４の比を２以上とすることにより、前記図１３と同程度あるいはそれ以上の炉停止余裕を有することになる。
【００７９】
図８は、大型燃料集合体６に前記図１３の大型制御棒７を組み合わせた場合および本第６実施の形態の十字形制御棒５を組み合わせた場合の、制御棒全数引き抜き時、制御棒全数挿入時、最大価値制御棒１本引き抜き時の炉心の実効増倍率を比較したものである。ここで、大型燃料集合体６の１辺の長さは２１ｃｍ、大型制御棒７の翼幅は１８ｃｍ、十字形制御棒５の翼幅は１２ｃｍである。
【００８０】
図８で、破線１５で示された円内の３点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１は大型制御棒７の場合、破線１６で示された円内の３点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２は十字形制御棒５の場合であり、Ａ１、Ａ２は制御棒全数引き抜き時の炉心の実効増倍率であり、これを基準としてＢ１、Ｂ２は制御棒全数挿入時、Ｃ１、Ｃ２は最大価値制御棒１本引き抜き時の炉心の実効増倍率をＡ１、Ａ２からの差として図示したものである。
【００８１】
大型制御棒７の場合、制御棒全数挿入時には炉心の実効増倍率は１８％Δｋ程度低下する（点Ｂ１）が、本第６実施の形態の十字形制御棒５の場合は、制御棒の翼幅が小さくなっているため制御棒価値が低下し、炉心の実効増倍率の低下は１２％Δｋ程度（点Ｂ２）である。また、制御棒全数挿入時から制御棒を１本引き抜くと、大型制御棒７の場合は７％Δｋ程度炉心の実効増倍率が上昇する（点Ｃ１）のに対し、本第６実施の形態の十字形制御棒５の場合の炉心の実効増倍率の上昇は、制御棒の翼幅が小さくなっているため制御棒価値が低下し４％Δｋ程度（点Ｃ２）にとどまる。
【００８２】
大型制御棒７と本第６実施の形態の十字形制御棒５の炉停止余裕の差は点Ｃ１と点Ｃ２の実効増倍率の差として現われるので、制御棒の翼幅を大型燃料集合体６の１辺の長さの０．６倍程度とした場合の炉停止余裕の低下は３％Δｋ程度となる。
【００８３】
図９は、横軸に制御棒の翼幅と燃料集合体の１辺の長さの比をとり、縦軸を炉停止余裕の低下として図示したものである。点Ｄは大型燃料集合体６および大型制御棒７の組み合わせに相当する点であり、横軸の位置は、大型燃料集合体６の１辺の長さ２１ｃｍと大型制御棒７の翼幅は１８ｃｍの比（約０．８６）となっている。点Ｅは大型燃料集合体６と十字形制御棒５の組み合わせに相当し、点Ｄの炉停止余裕を基準として、図８に示した炉停止余裕の低下３％Δｋおよび制御棒の翼幅と燃料集合体の１辺の長さの比０．６よりプロットした点である。図９より、炉停止余裕の低下が２％Δｋ程度である制御棒翼幅は、燃料集合体１辺の長さの０．７倍程度であることがわかる。
【００８４】
以上より、サブバンドル９の最外周に燃料棒径を細くした第２の燃料棒１１を配置しサブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル９内の燃料棒間ピッチより大きくしておけば、制御棒翼幅を燃料集合体１辺の長さの０．７倍、あるいは多めに見積もっても概略３／４程度としておけば、前記図１３の大型燃料集合体および大型制御棒７の組み合わせと同程度の炉停止余裕が得られることになる。
【００８５】
なお、本第６実施の形態では、制御棒の翼幅を大型燃料集合体６の１辺の長さの０．６倍程度としており、前記図１３の大型燃料集合体および大型制御棒７の組み合わせより炉停止余裕が１％Δｋ程度低下することとなるが、通常の炉心設計においては、燃料に含入するガドリニアの濃度を調整し、あるいは特定の制御棒周りに反応度の高い燃料集合体が集中しないように炉心の燃料集合体配置を調整することにより、容易に炉停止余裕を２〜３％Δｋ程度以上にできる場合も多く、この場合には炉停止余裕が１％Δｋ程度低下しても炉停止余裕は１〜２％Δｋ程度となり、設計条件を満足できる。
【００８６】
また、本第６実施の形態で制御棒の翼幅を大型燃料集合体６の１辺の長さの０．６倍程度としたのは、前記従来技術の図１２に示した十字形制御棒５と同じ翼幅の制御棒を組み合わせたためであり、燃料集合体を大型化して炉心の燃料装荷体数を削減しプラント建設コストを削減できるとともに、従来技術の制御棒を用いることができるため制御棒の製造コストを削減できるという利点もある。
【００８７】
なお、図７では、サブバンドル９の最外周のみに第２の燃料棒１１を配置する例を示したが、サブバンドル９の最外周に加え、サブバンドル９の最外周から２層目の燃料棒についても一部または全てを第２の燃料棒１１とすれば、最小限界出力比および炉停止余裕の改善効果は大きくなる。第２の燃料棒の本数をさらに増やせば改善効果はさらに大きくなるが、第２の燃料棒１１の本数を増やすと燃料集合体内に装荷される核燃料物質量が減少するため、燃料経済性上好ましくない。したがって、第２の燃料棒１１の本数は必要以上に多くしない方が良く、図７の例では、最も効果的に最小限界出力比および炉停止余裕を改善する位置として、第２の燃料棒１１をサブバンドル９の最外周にのみ配置している。
【００８８】
また、図７の例ではサブバンドル９の最外周燃料棒全てを第２の燃料棒１１としている。燃料棒出力は最外周燃料棒が高くなりやすく、最外周燃料棒の中でもコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒は中性子の減速効果により、特に燃料棒の出力が高くなりやすい。原子炉の運転制限値の一つである最大線出力密度に直接影響を与える局所ピーキング係数を改善する観点からは、サブバンドル９の最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみを第２の燃料棒１１とすることが最も効果的であるが、最小限界出力比は、当該燃料棒の出力のみではなく、周囲の燃料棒配置にも影響を受ける。
【００８９】
すなわち、コーナ部の燃料棒は周囲４方向の内２方向のみに燃料棒が配置され、残り２方向はチャンネルボックスあるいは仕切り板に面しているのに対し、コーナ部以外の燃料棒は周囲４方向の内３方向に燃料棒が配置され、周囲の燃料棒からの発熱によるボイド発生により冷却材割合が減少し、除熱効率がコーナ部の燃料棒より悪くなっている。そのため、最小限界出力比に直接影響を与える除熱の観点からは、サブバンドル９の最外周のコーナ部およびコーナ部に隣接する燃料棒のみではなく、サブバンドル９の最外周全ての燃料棒について第２の燃料棒１１として除熱効率を改善した方が良く、図７の例ではサブバンドル９の最外周燃料棒全てを第２の燃料棒１１としている。
【００９０】
なお、本第６実施の形態は、各サブバンドル９内にウォータロッドを２本含み、各サブバンドル９の燃料棒配列が８行８列で燃料集合体全体としては１６行１６列とした大型燃料集合体６に適用した例であるが、上記の特性はこれに限定されるものではなく、ウォータロッドの本数や形状、配置、仕切り板の有無、燃料棒の格子配列は設計によって異なる。９行９列や１０行１０列のサブバンドルからなる大型燃料や、サブバンドル構造を有しない８行８列、９行９列や１０行１０列の燃料集合体であっても、第２の燃料棒１１を最外周に配置すれば同様の効果が得られる。
【００９１】
［第７の実施の形態］
図１０は、本発明に係る燃料集合体および十字形制御棒の第７実施の形態の横断面図である。本第７実施の形態では、燃料集合体の大きさは前記図１２の燃料集合体１と同じであり。燃料集合体１４は、第１の燃料棒１０、第２の燃料棒１１と２本の太径ウォータロッド３を四つのサブバンドル９に分割して格子状に束ねて構成され、燃料集合体全体としては１０行１０列となっている。また、燃料集合体１４は周囲をチャンネルボックス４で包囲している。
【００９２】
また、各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ７はサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ８より大きくしている。すなわちｄ７＞ｄ８としている。各サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチｄ７をサブバンドル内の燃料棒間ピッチｄ８より大きくしたのは、燃料集合体の内部に燃料棒間ピッチを広くとった領域を設けることにより、燃料の反応度を増加し、燃料経済性を向上させるためである。
【００９３】
また、第２の燃料棒１１の外径は第１の燃料棒１０の外径より小さくしている。すなわち、第２の燃料棒１１の外径をｄ６、第１の燃料棒１０の外径をｄ５とすると、ｄ６＜ｄ５である。さらに、第１の燃料棒１０はサブバンドル９の最外周以外の位置に配置し、第２の燃料棒１１はサブバンドル９の最外周に配置している。
【００９４】
一般に燃料集合体の最外周およびその周辺の燃料棒においてはチャンネルボックス外を流れる水により中性子が効果的に減速されるため、燃料棒の出力が高くなりやすく、最小限界出力比が低下することとなるが、本第７実施の形態では最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径を最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、第２の燃料棒１１の燃料棒１本当たりの冷却材流量が第１の燃料棒１０のそれより大きくなり、除熱効率が向上して最小限界出力比が改善する。
【００９５】
一方、制御棒に関しては、燃料集合体１の四つのコーナのうちの一つのコーナ部を中心として十字型制御棒１７が配置されており、十字型制御棒１７の中心から翼端までの翼幅は、燃料集合体１の１辺の長さの０．７５倍程度である。
【００９６】
一般に、Ｈ／Ｕ比が大きくなるとボイド反応度係数が小さくなり、運転時から冷温停止時に移行してボイドが消滅したときの反応度上昇量が低下するため炉停止余裕が改善する。本第７実施の形態ではサブバンドル９の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径をサブバンドル９の最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、サブバンドル９の最外周燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕを局所的に大きくしており、当該燃料棒は燃料集合体内で相対的に反応度が大きいため、燃料集合体平均としてもボイド係数が小さくなり、炉停止余裕が改善する。
【００９７】
さらに本第７実施の形態ではサブバンドル９の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径をサブバンドル９の最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしていることに加え、サブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル９内の燃料棒間ピッチより大きくすることで、サブバンドル９の最外周燃料棒周辺の領域のＨ／Ｕをより局所的に大きくしており、当該燃料棒は燃料集合体内で相対的に反応度が大きいため、燃料集合体平均としてもボイド係数がより小さくなり、炉停止余裕がさらに改善する。
【００９８】
ここで、本第７実施の形態では制御棒の翼幅を燃料集合体１の１辺の長さの０．７５倍程度としているため、図９に示した制御棒の翼幅と炉停止余裕の関係より、前記図１２の十字型制御棒５を用いた場合より炉停止余裕が１．５％Δｋ程度低下する。
【００９９】
一方、ｄ５＝１１ｍｍ、ｄ６＝９ｍｍ、ｄ７＝２４ｍｍ、ｄ８＝１２ｍｍとすることにより、前記第６実施の形態の場合と同じく、ｄ５とｄ６の比を１．２以上にサブバンドル９の最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径を細くしていることと、ｄ７とｄ８の比を２以上とサブバンドル９間の対向する燃料棒間ピッチをサブバンドル９内の燃料棒間ピッチより大きくしている効果により、炉停止余裕は、前記図１２の燃料集合体１に比べ２％Δｋ程度改善する。したがって、本第７実施の形態では前記図１２の燃料集合体１と十字型制御棒５の組み合わせに比べ、炉停止余裕が０．５％Δｋ程度改善することとなり、設計条件を満足できる。
【０１００】
［第８の実施の形態］
図１１は、本発明に係る燃料集合体および十字形制御棒の第８実施の形態の横断面図である。本第８実施の形態では、燃料集合体１８の１辺の長さは前記図１２の燃料集合体１の１．２倍としており、第１の燃料棒１０、第２の燃料棒１１および３本の太径ウォータロッド３を１２行１２列の格子状に束ねて構成され、燃料集合体１８は周囲をチャンネルボックス４で包囲している。また、第２の燃料棒１１の外径ｄ１２は第１の燃料棒１０の外径ｄ１１より小さい（ｄ１２＜ｄ１１）。さらに、第１の燃料棒１０は燃料集合体１８の最外周以外の位置に配置し、第２の燃料棒１１は燃料集合体１８の最外周に配置している。
【０１０１】
本第８実施の形態では最外周に配置した第２の燃料棒１１の燃料棒径を最外周以外の位置に配置した第１の燃料棒１０より細くしているため、第２の燃料棒１１の燃料棒１本当たりの冷却材流量が第１の燃料棒１０のそれより大きくなり、除熱効率が向上して最小限界出力比が改善する。
【０１０２】
一方、制御棒に関しては、燃料集合体１８の四つのコーナのうちの一つのコーナ部を中心として十字形制御棒５が配置されている。十字形制御棒の翼幅は１２ｃｍであり、燃料集合体１８の１辺の長さは１４ｃｍ×１．２＝１６．８ｃｍであるので、十字形制御棒５の中心から翼端までの翼幅は、燃料集合体１８の１辺の長さの０．７１倍程度である。
【０１０３】
制御棒の翼幅を燃料集合体１８の１辺の長さの０．７１倍程度としたことによる炉停止余裕の低下幅は、図９に示した制御棒の翼幅と炉停止余裕の関係より、従来技術の場合である制御棒の翼幅を燃料集合体１辺の長さの０．８６倍とした場合より炉停止余裕が２％程度低下する。一方、最外周燃料棒を細径としたことによる炉停止余裕の改善効果１％Δｋ程度である。したがって、本第７実施の形態では前記図１２の燃料集合体１と十字形制御棒５の組み合わせに比べ、炉停止余裕が１％Δｋ程度低下することとなる。
【０１０４】
通常の炉心設計においては、燃料に含入するガドリニアの濃度を調整し、あるいは特定の制御棒周りに反応度の高い燃料集合体が集中しないように炉心の燃料集合体配置を調整することにより、容易に炉停止余裕を２〜３％Δｋ程度以上とできる場合も多く、この場合には炉停止余裕が１％Δｋ程度低下しても炉停止余裕は１〜２％Δｋ程度となり、設計条件を満足できる。
【０１０５】
また、本第８実施の形態で制御棒の翼幅を燃料集合体１８の１辺の長さの０．７１倍程度としたのは、前記従来技術の図１２に示した十字形制御棒５と同じ翼幅の制御棒を組み合わせたためであり、燃料集合体の１辺の長さを１．２倍に大型化して炉心の燃料装荷体数を削減しプラント建設コストを削減できるとともに、従来技術の制御棒を用いることができるため制御棒の製造コストを削減できるという利点もある。
【０１０６】
なお、図１１では、燃料集合体１８の最外周のみに第２の燃料棒１１を配置する例を示したが、最外周に加え、最外周から２層目の燃料棒についても一部または全てを第２の燃料棒１１とすれば、最小限界出力比および炉停止余裕の改善効果は大きくなる。第２の燃料棒の本数をさらに増やせば改善効果はさらに大きくなるが、第２の燃料棒１１の本数を増やすと燃料集合体内に装荷される核燃料物質量が減少するため、燃料経済性上好ましくない。したがって、第２の燃料棒１１の本数は必要以上に多くしない方が良く、図１１の例では、最も効果的に最小限界出力比および炉停止余裕を改善する位置として、第２の燃料棒１１を最外周にのみ配置している。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、沸騰水型原子炉の炉心で、最小限界出力比および炉停止余裕を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料集合体と制御棒の第１の実施の形態を示す横断面図。
【図２】図１の燃料集合体の第１の燃料棒と第２の燃料棒の流路面積を示す横断面図。
【図３】本発明に係る燃料集合体と制御棒の第２の実施の形態を示す横断面図。
【図４】本発明に係る燃料集合体と制御棒の第３の実施の形態を示す横断面図。
【図５】本発明に係る燃料集合体と制御棒の第４の実施の形態を示す横断面図。
【図６】本発明に係る燃料集合体と制御棒の第５の実施の形態を示す横断面図。
【図７】本発明に係る燃料集合体と制御棒の第６の実施の形態を示す横断面図。
【図８】図７の燃料集合体と制御棒で、制御棒全数引き抜き時、制御棒全数挿入時、制御棒１本引き抜き時の炉心の実効増倍率を示す説明図。
【図９】図７の燃料集合体と制御棒で、制御棒の翼幅と燃料集合体の１辺の長さの比対炉停止余裕の低下の関係を示すグラフ。
【図１０】本発明に係る燃料集合体と制御棒の第７の実施の形態を示す横断面図。
【図１１】本発明に係る燃料集合体と制御棒の第８の実施の形態を示す横断面図。
【図１２】従来の燃料集合体と制御棒を示す横断面図。
【図１３】従来の他の燃料集合体と制御棒を示す横断面図。
【符号の説明】
１，６，１４，１８…燃料集合体、２…燃料棒、３…ウォータロッド、４…チャンネルボックス、５，７，１７…制御棒、８…仕切り板、９…サブバンドル、１０…第１の燃料棒、１１…第２の燃料棒、１２…第１の燃料棒の流路面積、１３…第２の燃料棒の流路面積、１５，１６…実効増倍率を示す点。
【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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