(57)【要約】【課題】炉心内の水などの減速材の炉心内での空間分布の自由度を増すことによって中性子経済を向上させ、原子炉燃料の有効利用を図ることができ、製造性に優れた燃料集合体を得ること。【解決手段】燃料集合体のチャンネルボックスを、従来のコ字状の２枚一組の板を使用して“折り曲げ＋溶接方式”により構成する代わりに、４個のコーナ部材（角部）と４個の側板（側面部）により構成した。これにより、チャンネルボックス製作の自由度が向上し、従来の四角形の他に、八角形とすることが容易となり、個々の構成部品の形状、厚み、材質の選択により多様な燃料集合体設計・炉心設計に対してボイド係数を最適に調整することができることに加えて、チャンネルボックスに可燃性毒物や固体減速材を取り付けることが容易となり、燃料集合体周りの中性子束分布を適切に調整することができる。また、燃料格子のＳ格子統一化を図ることができ、さらに、Ｄ格子水平断面での中性子束分布の歪みを緩和でき、制御棒等の既存設備の変更が不要等の効果を奏する。【選択図】　図１
2004069362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方格子状に配列された複数本の燃料棒と一本若しくは複数本の水ロッドとをスペーサにより束状に保持し、その束状の燃料棒をチャンネルボックスにより囲んだ沸騰水型原子炉の燃料集合体において、上記チャンネルボックスをそれぞれ別個に製作された四隅のコーナ部材と四辺の側板を互いに結合することにより形成した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】
前記コーナ部材と側板とは、凸凹部の結合のみ、または、凸凹部の結合と溶接の組合せ、または、凸凹部の結合とビス留めの組合せ、あるいは、凸凹部の結合と溶接とビス留めの組合せを用いて結合されていることを特徴とする、請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
コーナ部材にはその左右両側に互いにほぼ直角方向に延びる拡張片が形成されており、その拡張片を側板の両側部に外側から重ね合わせ、その拡張片を制御棒ローラー部との接触面とし、上記コーナ部材の拡張片の厚さを選定することにより、既存の炉心格子形状（Ｄ格子、Ｃ格子、Ｓ格子、Ｎ格子）全てに対して、燃料棒ピッチ、および、チャンネルボックス内幅最大値が最も狭いＳ格子で統一化したことを特徴とする、請求項１または２記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項４】
四隅のコーナ部材と四辺の側板を組み立てることにより製造されたチャンネルボックスにおける制御棒側の二辺の側板の厚さが、反制御棒側の二辺の側板の厚さよりも厚くしてあることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項５】
コーナ部材に形成されている拡張片には長手方向に延びるスリットが形成されており、そのスリットに側板の両側部を挿入係合するとともに、コーナ部材と側板に設けられている凹凸部により互いに結合されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項６】
燃料集合体有効長の高さ方向に対して、少なくとも２／３〜３／３間においては、コーナ部材に形成されている拡張片が側板の両側部に外側からのみ重ね合わせられていることを特徴とする、請求項５記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項７】
４個のコーナ部材と４個の側板の何れか１個の部品の減速比、または減速能が、他の部品の減速比、または減速能と異な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沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項８】
各コーナ部材には固体減速材を装着可能としたことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項９】
固体減速材は、ジルカロイ−４、チャンネルボックスと同一材質の合金、または、水素化ジルコニウム、重水素化ジルコニウム、水素化イットリウム、水素化セリウム等の水素化物を含む合金製、または、黒鉛、ベリリウム、酸化ベリリウム等の軽水よりも中性子減速能が劣る材質を合金で被覆したもの、または、ガドリニア等の可燃性毒物を合金で被覆したもの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用燃料集合体。
【請求項１０】
前記四隅のコーナ部材、または固体減速材は、垂直方向に濃度分布を持つガドリニア等の可燃性毒物を含むことを特徴とする、請求項８記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項１１】
前記四隅のコーナ部材、または固体減速材は、垂直方向に中性子吸収断面積の大きな同位体が濃縮されたガドリニア等の可燃性毒物を含むことを特徴とする、請求項８記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項１２】
１０×１０の正方格子状に配列された複数の燃料棒の束の中央部に、超大型丸形ウォータロッド１本燃料棒数本分の正方形を４５度回転させた形のウォータボックス１個、太径ウォータロッド２本、１個の正方形ウォータボックス、燃料棒十字型ウォータクロス１個、或いは１０×１０の正方格子の中央部に配置された１個の正方形を４５度回転させた形のウォータボックスを等距離に衛星状に取り囲むように４本の丸形ウォータロッドが配置されていることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項１３】
請求項１〜１２に記載した燃料集合体を炉心に装荷したことを特徴とする沸騰水型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉用の燃料集合体及びその燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉力プラント（以下、「ＢＷＲ」という）においては、図２５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２内には複数の燃料集合体及び制御棒等からなる炉心３が配設されているとともに冷却材（例えば水）４が収容されている。冷却材４は再循環ポンプ５を有する再循環系６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７を介してタービン８に送られタービン８を駆動させる。このタービン８の駆動により発電機９が回転され発電する。タービン８で仕事をした蒸気は復水器１０内に導入されて復水となり、復水ポンプ１１により給水加熱器１２に送られそこで昇温された後に給水ポンプ１３により再度原子炉圧力容器２内に供給される。
【０００３】
沸騰水型原子炉の炉心は、より具体的には、図２６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２０が挿入されており、４本の燃料集合体２０の中央部には制御棒２１が配設されている。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２２が配置されている。
【０００４】
従来沸騰水型原子炉に採用されている燃料集合体２０は、図２７（ａ）、（ｂ）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２３及び下部タイプレート２４、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２５、及びウォータロッド２６、これらの燃料を束ねる燃料スペーサ２７、及び燃料スペーサ２７で束ねられた燃料棒束を取り囲み上部タイプレート２３に取り付けられるチャンネルボックス２８を備えている。燃料棒としては、高さが上部タイプレート２３まで達しない部分長の燃料棒２９が採用される場合もある。そして上記燃料集合体２０は、原子炉の炉心に格子状に装荷されるのが普通である。
【０００５】
ＢＷＲのチャンネルボックス２８は、図２８に示すように縦に長い薄肉の筒であり、その断面は、通常、コーナー部に半径約１ｃｍの曲率の四分割円を有する、約１３ｃｍ四方の擬似正方形である。その材質としては、ジルカロイが用いられる場合が多く、肉厚は、２ｍｍ〜３ｍｍ程度である。現在商用ＢＷＲで使用されている燃料集合体用のチャンネルボックスは、一般的に、コの字状に成形した２枚の金属板を、チャンネルボックス側面中央部の縦方向に溶接し、箱型とすることにより製造されている。
【０００６】
さらに、各燃料集合体２０は、図２９に示すように、炉心支持板３０及び上部格子板３１で支持され、円筒形のシュラウド３２に囲まれている。冷却材４は、下方より、燃料支持金具３３のオリフィス及び下部タイプレート２４を経由してチャンネルボックス２８内に流入し、燃料集合体により熱せられ、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。このとき、一部の冷却材は、下部タイプレート２４に開けられた小孔（リークホール）等を通って、チャンネルボックス２８の外側（バイパス領域）に流れ込む。バイパス領域の入口では大きな圧力損失が発生するため、チャンネルボックス２８の内側と外側を流れる冷却材では圧力差が生じる。特に、冷却材圧力が高くなっているチャンネルボックス２８の入口部で、相対的に前記内外差圧の効果は大きくなっている。そのため、チャンネルボックス２８は、その内外の冷却材圧力の違いによる内側から外側に対する力が働くこと、及び、制御棒ローラーの接触面になることを考慮して、強度設計がなされている。
【０００７】
以上のような沸騰水型原子炉における燃料集合体としては、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８行８列型、そして９行９列型が採用されるに至っている。これらの改良により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８×８燃料から９×９燃料では、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。また、２本の太径ウォータロッドの採用等により高燃焼度化／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低下は回避されている。
【０００８】
図３０は、水ギャップ面積と水ロッド面積の和を一定としたとき、両者の比率と冷温時反応度上昇量、及び、二相流領域の蒸気ボイド率が４０％のときの中性子無限増倍率との関係を示している。水ギャップ面積割合が大きいと、減速された中性子がギャップ水で無駄に吸収される割合が増し、過減速状態に近づくので冷温時反応度上昇は小さくなる。一方、水ロッド面積割合が大きい程燃料集合体中の減速材分布が平坦化されるので通常運転時の中性子増倍率は高くなる。
【０００９】
なお、スペーサ圧損係数の低減と８本の部分長燃料棒、及び、高圧損型下部タイプレートの採用により、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低下は回避されている。
【００１０】
ここで、限界出力特性とは、与えられた運転条件下（出力、流量、圧力、入口エンタルピ）で、当該燃料集合体にて遷移沸騰が発生する出力閾値の高低を意味する。限界出力特性は、燃料集合体格子数（例えば８×８、９×９）の他に、炉心燃料格子形状（チャンネルボックスの内幅が広いＣ格子、Ｄ格子、Ｎ格子のグループと、チャンネルボックスの内幅が狭いＳ格子）、スペーサタイプ、ウォータロッド本数・形状・配置等によっても影響を受ける。このため、新燃料集合体の開発に当たっては、通常、実寸の模擬燃料集合体に対して、ＢＷＲ運転条件下での熱水力試験を行い、限界出力特性を確認している。さらに、試験結果は、ＢＷＲ燃料集合体についての熱水力解析コードを用いることにより、「限界クオリティ対沸騰長さ」の関係を表す沸騰遷移相関式に整理される。その代表的なものとして米国ＧＥ社が開発したＧＥＸＬ相関式であり、現在運転中の商用ＢＷＲでは、燃料集合体のタイプ毎に求められたＧＥＸＬ相関式を基にして、定常運転時の最小限界出力比（Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒａｔｉｏ、以下ＭＣＰＲと記す）と、過渡時のＭＣＰＲ変化量（ΔＭＣＰＲ）が評価される場合が多い。
【００１１】
ＢＷＲ燃料集合体の限界出力試験と、ＧＥＸＬ相関式については、公開文献１“ＴＬＲ−００９（改訂４）「沸騰水型原子力発電所　ＧＥＴＡＢの概要、平成１０年１月　株式会社東芝」”、または、公開文献２“ＨＬＲ−００７（訂４）「沸騰水形原子力発電所　原子炉の熱特性評価法（ＧＥＴＡＢ）について、平成９年１２月　株式会社日立製作所」“に詳しい。また、炉心燃料格子形状については、公開文献３“ＴＬＲ−０５６「沸騰水型原子力発電所“炉心燃料格子形状”、平成６年４月　株式会社東芝」”、または、公開文献４“ＨＬＲ−０４９「沸騰水型原子力発電所“炉心燃料格子形状”、平成６年４月　株式会社日立製作所」”に具体的な記載がある。
【００１２】
次に、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、或いは、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。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中性子束振動の減幅比が１．０未満であることを解析により確認している。逆に、減幅比１．０に対して余裕の少ない運転領域は、選択制御棒挿入（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。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、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。ＢＷＲの安定性については、公開文献５“ＴＬＲ−０１０（改訂３）「沸騰水型原子力発電所“安定性解析手法について”、平成１０年２月、株式会社東芝」”、または、公開文献６“ＨＬＲ−０１３（訂３）「沸騰水型原子力発電所“安定性解析手法について”、平成１０年２月、株式会社日立製作所」”に記述がある。
【００１３】
図３１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。
【００１４】
このように、ＢＷＲ炉心では、各種設計改良により安定性の向上に努めているが、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、これにともなってウラン濃縮度は増加する傾向にある。ウラン濃縮度の増加により、ボイド反応度係数はより負になり、また、通常運転状態に対する冷温状態での反応度上昇量も増加する。沸騰水型原子炉では、熱水力フィードバック効果を含む炉心動特性や炉停止余裕など、炉の制御性の観点から、ボイド反応度係数や冷温時反応度上昇量を適切な値に保つ必要がある。ボイド係数や冷温時反応度上昇量を調整する方法として、中性子減速材である水の量を調整することが知られている。
【００１５】
沸騰水型原子炉では、燃料集合体下部からチャンネルボックス内に飽和状態に近い水が流入し、燃料棒からの伝熱により発生した蒸気がボイドを含む二相流となって燃料集合体上端から流出する。燃料集合体間はほぼ飽和状態にある水ギャップ領域となっているほか、チャンネルボックス内部にも飽和水領域を形成するため、水ロッドを燃料集合体中央付近に配置する場合がある。
【００１６】
また、冷温時反応度上昇量を低減するには、燃料集合体間の水ギャップ領域を増すのが有効である。さらに、チャンネルボックス上部の厚みを減らして水ギャップ領域を増加する構造でも、同様の効果が得られる。
【００１７】
なお、この種の燃料集合体に関連するものとしては、例えば特公平４−３７３９１号公報に開示されているように、燃料集合体の四隅に上部の燃料を欠如させた燃料棒（部分長燃料棒）を配置し、さらに燃料を欠如させた部分でチャンネルボックス２８のコーナー部を凹ませ核的特性の改善を図るようにしたものが挙げられる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
沸騰水型原子炉の炉心内は、燃料物質の領域、蒸気ボイドを含む二相流流路、蒸気ボイドがほとんど発生しない飽和水領域、そして、構造材領域に分類できる。飽和水領域の割合を増やすことによってボイド反応度係数や冷温時反応度上昇量を低減できるが、このとき他の領域は減少するので、飽和水領域を効果的に分布させることが重要である。従来の四角形状のチャンネルボックスを有する燃料集合体からなる炉心では、前述したようにチャンネルボックス間の水量は、燃料の核的特性および炉心の大きさ等の制限から、ある一定量以上にはできない。沸騰水型原子炉では、水は中性子を減速させ核分裂を起こしやすくする働きをもっている。したがって、水の量に制限があるということは原子炉燃料の燃焼度や中性子経済等に制限が生じてしまう嫌いがあり、また、ウランとプルトニウムを混合した燃料（ＭＯＸ燃料）では、中性子吸収が多くなり、減速材である水が従来のウランのみで作られた燃料より炉心の中に多くあることが望ましい。
【００１９】
特公平４−３７３９１号公報、特開平５−８０１７２号公報に記載のチャンネルボックスでは、炉停止余裕の改善、および、ボイド係数絶対値の低減効果が考慮されているが、チャンネルボックスの厚さを薄肉化することによる強度上の問題と、チャンネルボックス断面を八角形、あるいは、コーナー部にＬ字状の凹部を設けた形状とするためには、製作技術上の課題があった。さらには、多様な燃料・炉心形状に対応して最適化を行う上では、炉心設計上の自由度が必ずしも十分とは言えないという課題が残されていた。
【００２０】
また、国内にＢＷＲプラントが導入された当時の炉心燃料格子形状は、制御棒挿入側と反制御棒挿入側での水ギャップ幅が異なるＤ格子のものが多いが、この炉心では、制御棒側と反制御棒側での水ギャップ幅が異なるため、集合体水平断面での中性子束分布が歪易い（水の量が多い制御棒側の出力ピーキングが高くなる）傾向があり、近年建設されたプラントの炉心と同様に、中性子束分布の均一化策の導入が待たれている。その一手段として、燃料集合体内の水領域（ウォータロッド、または、ウォータボックス）を反制御棒側に偏心させる方法が考えられるが、この場合には、Ｄ格子用に限界出力試験を実施する必要がある。
【００２１】
さらには、新燃料開発に必要な炉外ループによる、実寸長の模擬燃料集合体を用いた沸騰遷移試験点数を減少させるためには、燃料格子形状を統一化することが望ましい。しかしながら、チャンネル内幅が大きい格子（Ｃ，Ｄ、Ｎ格子）をチャンネル内幅が小さい格子（Ｓ格子）に合わせた場合には、制御棒操作に支障が起きないようにする、すなわち、制御棒ローラーの接触回転面を確保する必要があるという課題がある。
【００２２】
本発明はこのような点に鑑み、チャンネルボックス内外の飽和水分布に注目して、二相流流路と構造材領域を十分に確保しつつ、ボイド反応度係数や冷温時反応度上昇量を低減することである。その目的とするところは、炉心内の水などの減速材の炉心内での空間分布の自由度を増すことによって中性子経済を向上させ、原子炉燃料の有効利用を図るとともに、製造性に優れたチャンネルボックスを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、上部・下部タイプレートに保持された複数個の燃料棒と、この複数個の燃料棒を取り囲むチャンネルボックスとを備えてなる燃料集合体において、前記チャンネルボックスの製作方式として、従来の２枚一組の一枚板から製作する“コの字状折り曲げ＋溶接”方式に対して、“４個のコーナ部材と４個の側板からなる組立て＋最小限の溶接”の方式を採用することにより、チャンネルボックスの強度上の問題が生じること無く、且つ、制御棒等の既存設備の変更無しに、所期の目的を達成するようにしたものである。
【００２４】
すなわち、このように形成されたチャンネルボックスであると、チャンネルボックスの個々の構成部品の形状、厚み、あるいは、材質の選択によって、燃料集合体周りの中性子束分布を適切自在に調整することができる。
【００２５】
なお、本技術は、従来のチャンネルボックスのようにその断面が擬似正方形の場合のときばかりでなく、断面を擬似八角形とする場合にも適用が可能である。チャンネルボックス断面を擬似八角形とした場合には、その短辺部に空間が形成され、チャンネルボックスの外側の流路面積が大きく形成されることから、この部分に多くの水が流れるようになり、これによって炉心中の水量が多くなり、中性子の減速が促進されて、核分裂に適した熱中性子が多く得られる。したがって水などの減速材の炉心内での空間分布の自由度が増し、ウラン燃料、ＭＯＸ燃料の双方の中性子経済を向上させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
図１〜図３は、本発明の燃料集合体における第１の実施の形態を示す図であって、燃料集合体４０は１０×１０格子に構成されており、図２８に示した９×９燃料集合体の構造と同様にして、上部タイプレートおよび下部タイプレートに両端部が保持される複数の燃料棒２５（被覆管外径約１０ｍｍ×有効長約３．７ｍ）、ウォータボックス（Ｗ）４１、及びこれらの燃料棒２５とウォータボックス４１の相互の間隔を保持する燃料スペーサを備えている。この場合、燃料棒２５は、所定のピッチで格子状に配置されるが、コーナー部の各１本、合計４本の燃料棒２５は配置されていない。
【００２８】
上部タイプレートに取付けられたチャンネルボックス４２は燃料棒束を取り囲み、下方に向かって延びている。チャンネルボックス４２の下端部はその形状に合わせられた下部タイプレートの上面より下方に達し、下部タイプレートを囲んでいる。ここで図１及び図２に示すように燃料集合体４０のチャンネルボックス４２は、チャンネルボックス４２の四隅を形成する４個のコーナ部材４３と四辺を形成する側板４４とから構成されており、各側板４４の左右両側縁には凸条４４ａが設けられ、他方各コーナ部材４３の両側縁には左右両側縁に凹条４３ａが設けられており、上記各側板４４の凸条４４ａと各コーナ部材４３の凹条４３ａとを係合することにより側板４４とコーナ部材４３とが連結され、筒状に形成されている。この場合、コーナー部の燃料棒２５を取り除いたことに伴い、チャンネルボックス４２は、互いに向かい合った辺の長さが等しく、隣接した辺の長さが異なる擬似八角形を形成している。
【００２９】
チャンネルボックス４２は、長方形の金属板を成形加工した、４個の側板４４と４個のコーナ部材４３を組み立てることにより製作されるため、製造工程を短縮することができる。組立て後のチャンネルボックスの強度を増すためには、例えば、図２の、コーナ部材４３と側板４４との接触面である点ａ，ｂ，ｃ，ｄで溶接、或いはビス止め等と組み合わせることもできる。図２では縦１列の４箇所のみ示したが、他の接触面、合計７列×４箇所も同様に溶接或いはビス止めする。
【００３０】
上記燃料集合体は、図３に示すように炉心に装荷された場合には、４体の燃料集合体４０の中心部に制御棒２１が配設され、上記制御棒２１と対向する面の側板４４上を制御棒ローラー２１ａが転動する。しかして、このように上記燃料集合体４０が炉心に装荷された場合には、外部のコーナー部の広くなった空間に水が沸騰せずに多く流れるのでボイド反応度が小さくなり、また、原子炉の停止余裕を大きくできる。ここで、炉心平均ボイド率が４０％のときの動的ボイド反応度係数とは、以下の式で定義された値である；
動的ボイド係数（¢／％ボイド率）
＝ボイド率が４０％のときの静的ボイド係数（（ΔＫ／Ｋ）／％ボイド率）
／実効遅発中性子発生割合β×４０％
ボイド率が４０％のときの静的ボイド係数（ΔＫ／Ｋ）／％ボイド率のＢＷＲ炉心の典型値は、−０．４×１０−３　〜−１．５×１０−３　である。また、βは、各群ｉでの遅発中
性子割合βｉの総和であり、ＢＷＲの典型値は０．００５である。したがって、動的ボイド係数は、−３．０　〜−１２．０　¢／％ボイド率程度の範囲に設計される。
【００３１】
図２９に示した従来燃料炉心に関する炉心安定性評価は、９×９ウラン燃料炉心の動的ボイド係数が約−８．０　¢／％ボイド率の場合の例である。本実施例の１０×１０ウラン燃料炉心では、バイパス領域が多く確保されていることから、動的ボイド係数は約−６．０　¢／％ボイド率まで低減しており、図４に示すように、炉心安定性は、最低ポンプ最大出力点で最も厳しくなるが、そのときの減幅比は最大で０．５５に止まっている。本評価はウラン燃料炉心を対象としているが、ＭＯＸ燃料を採用して、仮にボイド係数が２０％程度増加した場合でも、炉心安定性減幅比の増加量は０．１程度であり、安定性の基準（減幅比＜１．０）に対して十分な余裕が残されている。
【００３２】
図５は、第２の実施の形態の燃料集合体４６を示す図であって、チャンネルボックス４７が、個別に製作された四隅（コーナー部）に位置する４個のコーナ部材４８と、四辺を形成する側板４９とから構成されている。このチャンネルボックス４７においては、コーナ部材４８の両側部から側板４９に平行な方向に張り出された拡張片４８ａ、４８ａが設けられており、各拡張片４８ａ、４８ａの内面に段部４８ａ１が形成されており、その段部４８ａ１を側板４９の両側部外面に係合させることにより側板４９を部分的に外側から覆うように構成され、コーナ部材４８と側板４９が溶接されている。このチャンネルボックス４７の断面は、第１の実施の形態と同じく擬似八角形となっている。
【００３３】
また、図６は第３の実施の形態の燃料集合体５０を示す図であり、第２の実施の形態と同様にチャンネルボックス５２が、個別に製作された四隅（コーナー部）に位置する４個のコーナ部材５３と、四辺を形成する側板５４とから構成されている。このチャンネルボックス５２においても、互いに直交する方向に張り出された拡張片５３ａ、５３ａがコーナ部材５３の両側部に設けられ、その拡張片５３ａ、５３ａの内面に段部５３ａが形成されており、その段部５３ａを側板５４の両側部に係合させることにより側板５４を部分的に外側から覆うように構成され、コーナ部材５３と側板５４が溶接されている。そして、図６のチャンネルボックス５２の断面は、従来のＢＷＲ燃料集合体のチャンネルボックスと同じく、擬似正方形となっている。しかして、この図５、図６に示す燃料集合体４６、５０も第１の実施の形態と同様な効果を奏する。
【００３４】
図７、図８は、図５に示した燃料集合体４６を基本ケースとして、チャンネルボックスの内幅が狭いＳ格子用と、チャンネルボックスの内幅が広いＣ格子用、Ｄ格子用、Ｎ格子用を、Ｓ格子用の内幅に統一した燃料集合体４６ａを炉心に装荷した例である。Ｃ格子用、Ｄ格子用、Ｎ格子用のチャンネルボックスの内幅をＳ格子用と同等にまで狭めた場合でも、図８に示すように実効的にコーナ部材４８ｂの肉厚を約１ｍｍ厚くし、制御棒ローラー２１ａとの隙間を埋めることができる。
【００３５】
図９及び図１０は本発明の第４及び第５の実施の形態におけるチャンネルボックス５７、６２を示す図であり、個別に製作された四隅（コーナー部）に位置する４個のコーナ部材５８、６３と、四辺を形成する側板５９、６４とから構成されているチャンネルボックスにおいて、４個の側板の内互いに隣接する２つの側板５９ａ、６４ａでは、左右のコーナ部材５８、５８間及び６３、６３間の中央部の厚みが、他の２つの側板５９、６４の厚みより厚くしてある。図９のチャンネルボックス５７の断面は、第１の実施例と同じく擬似八角形となっており、他方、図１０のチャンネルボックス６２の断面は、従来のＢＷＲ燃料集合体のチャンネルボックスと同じく、擬似正方形となっている。
【００３６】
【表１】
2004069362.tif 000003
表１に示すとおり、Ｄ格子は燃料集合体異方ピッチを採用しているため、制御棒側の水ギャップが大きくなっている。このため、燃料集合体水平面での中性子束分布が歪む（広い水ギャップ側で高くなる）傾向があり、炉心設計上の制約となっている。そこで、図１１に示すように、図７に示したチャンネルボックスと燃料集合体を、チャンネルボックス内幅をＳ格子用に統一した上で、中央部の厚みが厚くなっている側板５９ａが制御棒２１側に向くようにしてＤ格子炉心に装荷した場合には、燃料集合体水平断面での中性子束分布の歪が緩和され、減速材が対称的分布に近づくため、炉心設計上の融通性を高め、経済性の向上を図ることができる。これにより、全ＢＷＲ炉心のチャンネルボックスをコンパクトタイプに統一した場合でも、制御棒操作に影響を及ぼすことはなく、且つ、ボイド反応度係数を適切に調整することができる。
【００３７】
図１２〜図１４は本発明の第６〜第８の実施の形態のチャンネルボックスを示す図であり、各チャンネルボックス６７、７２、５７は、それぞれ個別に製作された四隅（コーナー部）に位置する４個のコーナ部材６８、７３、７８と、四辺を形成する側板６９、７４、７９とから構成されている。コーナ部材６８、７３における側方向に互いに直角に張り出している拡張片６８ａ、７３ａの側端面には、長手方向のスリット６８ａ１、７３ａ１が設けられており、そのスリット６８ａ１、７３ａ１　内に側板６９、７４の左右両端部がそれぞれ挿入係合され、側板６９、７４の左右両端部が部分的に外側と内側の両方から覆われている。そして、上記各側板６９、７４に設けられた凸部６９ａ、７４ａがコーナ部材６８、７３に設けられた凹部６８ｂ、７３ｂに係合されている。
【００３８】
また、チャンネルボックス７７においては、側板７９がコーナ部材７８の拡張片７８ａにより部分的に外側からのみ覆われており、各側板７９に設けられた凸部７９ａ１、７９ｂ１と、コーナ部材７８の拡張片７８ａに設けられた凹部７８ａ１、７８ｂ１との係合によって結合されている。図１２、図１３のチャンネルボックス６７、７２の断面は、第１の実施の形態と同じく擬似八角形となっており、他方、図１４のチャンネルボックス７７の断面は、従来のＢＷＲ燃料集合体のチャンネルボックスと同じく、擬似正方形となっている。
【００３９】
図１５〜図１７は、本発明の第９〜第１１の実施の形態のチャンネルボックスを示す図であって、図１５に示すチャンネルボックス８２においては、四隅（コーナー部）に位置する４個のコーナ部材８３の外面に長手方向に延びる鳩尾条の溝８３ａ　が設けられており、その鳩尾条の溝８３ａ　に固体減速材８５を取り付けることができるようにしてある。
【００４０】
また、図１６に示すチャンネルボックス８７においては、四隅（コーナー部）に位置する４個のコーナ部材８８に垂直方向の丸穴８８ａ　が開けられ、中性子毒物の封入が可能としてある。一方、図１７に示すチャンネルボックス９２においては、２個のコーナ部材８３に長手方向に延びる鳩尾条の溝８３ａ　が設けられており、その鳩尾条の溝８３ａ　に固体減速材８５を取り付けることができるようにしてあり、他の２個のコーナ部材８６には垂直方向の丸穴８６ａ　が開けられ、中性子毒物の封入が可能としてある。鳩尾条の溝８３ａに装着される固体減速材８５は、チャンネルボックスと同じ材質である薄板状（厚さ３ｍｍ）のもので、高さがチャンネルボックスとほぼ同じ（約４ｍ）となっている。
【００４１】
固定減速材８５としては、黒鉛、ベリリウム、酸化ベリリウム等の軽水よりも中性子減速能は劣るものの、減速比に優れた材質を合金で被覆したもの、或いはジルカロイ−４、チャンネルボックスと同一材質の合金、または水素化ジルコニウム、重水素化ジルコニウム、水素化イットリウム、水素化セリウム等の高融点の水素化物を含む合金が選択可能であり、これらの固体減速材８５の装着により、ギャップ部の中性子束分布を調整することができる。ここで、減速能とは、以下の量として定義されている；
減速能＝ξΣｓ／ｃｍ
ξ：一回の衝突によるエネルギーの平均対数減衰率
Σｓ：巨視的散乱断面積（ｃｍ−１）
また、減速比は、以下の量として定義されている；
減速比＝ξΣｓ／Σａ
Σａ：巨視的吸収断面積（ｃｍ−１）
公開文献７“オーム社「新版　原子力ハンドブック」ｐｐ１７１、表４．３　各種の減速材の諸性質」”によれば、減速能は、軽水が１．５、ベリリウムが０．１６、黒鉛が０．０６３である。また、減速比は、軽水が７０、ベリリウムが１５０、黒鉛が１７０、水素化ジルコニウムが５６、重水素化ジルコニウムが６８である。
【００４２】
図１６の断面が擬似八角形のチャンネルボックス８７の短辺部（コーナ部材８８）の丸穴８８ａには、中性子毒物を封入した金属管が、各２本ずつ埋め込まれている。中性子毒物としては、可燃性であるガドリニアの利用が可能である。
【００４３】
図１７の断面が擬似正方形のチャンネルボックス９２の２つのコーナ部材８３には、固体減速材８５が着脱可能なように鳩尾条の溝８３ａが設けられており、その鳩尾条の溝８３ａに固体減速材が装着され、他の２つのコーナ部材８６にはそのコーナ部材８６に設けられた丸穴８６ａに濃縮された中性子吸収断面積の大きな同位体（例えば、濃縮ガドリニア）が封入された金属管が埋め込まれている。
【００４４】
なお、本発明では、４つのコーナ部材と４つ側板において、少なくとも１つの部品については、他の部品とは異なる減速能、あるいは、減速比を持つ材質を採用することにより、燃料集合体内の中性子束分布を調整することも可能である。
【００４５】
第１２〜第１７の実施の形態は燃料集合体のウォータロッドまたはウォータボックスの形状と配置に関するものである。１０×１０正方格子状燃料集合体とチャンネルボックスへのウォータロッドの適用例として、図１８に示す燃料集合体９６ａでは正方形を４５度回転させた角形ウォータロッド９７ａ（燃料棒１２本分）を、図１９に示す燃料集合体９６ｂでは１本の超太径丸形ウォータロッド９７ｂ（燃料棒１２本分）を、図２０に示す燃料集合体９６ｃでは２本の太径ウォータロッド９７ｃ（燃料棒１０本分）を、図２１に示す燃料集合体９６ｄでは角形ウォータボックス９７ｄ（燃料棒９本分）をそれぞれ集合体の中央部、或いは中央部付近に配置させている。また、５×５の正方格子状に配列されたサブバンドル９８を十字型ウォータクロス９９（中央部は燃料棒４本分の正方形を４５度回転させた形）を境界として４つ組み合わせて、全体として１０×１０の燃料棒配列格子構造となっている燃料集合体９６ｅへの適用例を図２２に示す。また、図２３に示す燃料集合体９６ｆでは、ウォータボックス９７ａ１とウォータロッド９７ｃ１が採用されており、中央部に配置された１個の正方形を４５度回転させた形のウォータボックス９７ａ１（燃料棒４本分）を等距離に衛星状に取り囲むように４本の丸形ウォータロッド９７ｃ１（各燃料棒１本分）が配置されている。
【００４６】
上記第１２〜第１７の実施の形態では、全長燃料棒２５（被覆管外径約１０ｍｍ×有効長約３．７ｍ）の他に、周辺コーナ部近い位置には部分長燃料棒（Ｐ）２９（被覆管外径約１０ｍｍ×有効長約２．０ｍ）が配置（合計４本）されている。
【００４７】
図２４は、第１２〜第１５、及び、第１７の実施の形態のチャンネルボックス９６ａ、……の全体図であり、チャンネルボックスのコーナ部材１００が側板１０１を外側と内側の両側から挟み込む構造となっているときに、内側の支持板がチャンネルボックスの下半分には存在するが（図２４の（ｃ））、上半分には存在しない（図２４の（ｂ））場合の例を示したものである。これにより、ボイド率が大きくなる（相対的に液相の割合が減少する）チャンネルボックスの上部でＵＯ２に対する減速材の割合を高めることができるため、ボイド係数の絶対値を低減することができる。
【００４８】
このように、上述した実施の形態によれば、チャンネル内部の水に対して、チャンネル外の水を比較的に多くなるように選ぶことにより、安全性と経済性に優れた炉心を実現することができ、通常運転時、過渡時ともに、チャンネルボックスの健全性を確保することが可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チャンネルボックスを構成する４個のコーナ部材と４個の側板は、個別加工が容易にできることから、断面を擬似八角形、または、擬似正方形とした場合を基本として、多様な形状、厚さ、材質を組み合わせたチャンネルボックスの製造が可能となる。これにより、中性子束分布を適切自在に調整することが可能であり、燃料集合体断面での中性子束分布の歪を抑え、負のボイド反応度係数を炉心設計上最適にすることができる。
【００５０】
また、応用範囲が広い上に効果が安定しており、炉心格子形状、ＭＯＸ燃料装荷の有無等の変動に対して、容易、柔軟、且つきめ細かな対応が可能となる。
【００５１】
さらには、制御棒等の既存設備の設計変更無しに、炉心燃料格子形状に拘らず、燃料集合体とチャンネルボックス構造を統一化することが可能であり、その結果、新型燃料開発時に必要とされる限界出力試験を低コストで、短期間で完了させることができ、延いては、燃料開発費の低減が可能となる。
【００５２】
特に、チャンネルボックスの断面を擬似八角形としたときには、チャンネルボックス外部の流路面積が大きく形成されることから、その部分に多くの水が流れ、これによって炉心の中の水の量が多くなり、中性子の減速が促進され、核分裂に適した熱中性子が多く得られ、したがって水などの減速材の炉心内での空間分布の自由度が増し、中性子経済を向上させ、原子炉燃料の有効利用が図られ、経済性を向上させることができるこの種の燃料集合体を得ることができる。
【００５３】
以上述べたように、本発明の構成により、高いウラン濃縮度やプルトニウム燃料を用いた場合でも、炉心の運転時反応度や冷却材による除熱特性、そして、集合体の構造的強度などを悪化させることなく、炉停止余裕やボイド反応度係数などの制御性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料集合体の第１の実施の形態を示す横断面図。
【図２】（ａ）は本発明の第１の実施の形態のチャンネルボックスの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の燃料集合体を炉心に装荷したときの構成図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の燃料集合体を炉心に装荷したときの安定性解析結果。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す横断面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す横断面図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の燃料集合体を炉心に装荷したときの構成図。
【図８】本発明の第２の実施の形態の燃料集合体を炉心に装荷したときの構成図。
【図９】本発明の第４の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成図。
【図１１】本発明の第４の実施例の燃料集合体を炉心に装荷したときの構成図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成図。
【図１３】本発明の第７の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成図。
【図１４】本発明の第８の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成図。
【図１５】本発明の第９の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成図。
【図１６】本発明の第１０の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成図。
【図１７】本発明の第１１の実施の形態におけるチャンネルボックスの構成図。
【図１８】本発明の第１２の実施の形態を示す構成図。
【図１９】本発明の第１３の実施の形態を示す構成図。
【図２０】本発明の第１４の実施の形態を示す構成図。
【図２１】本発明の第１５の実施の形態を示す構成図。
【図２２】本発明の第１６の実施の形態を示す構成図。
【図２３】本発明の第１７の実施の形態を示す構成図。
【図２４】（ａ）は本発明の第１２〜第１７の実施の形態におけるチャンネルボックスの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ部の拡大断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ部の拡大断面図。
【図２５】原子力プラントの概略構成を示す図。
【図２６】沸騰水型原子炉の炉心全体の断面図。
【図２７】（ａ）は沸騰水型原子炉の燃料集合体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図２８】従来のチャンネルボックスの斜視図。
【図２９】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３０】水ギャップ面積と水ロッド面積の和を一定としたときの中性子無限増倍率との関係を示す図。
【図３１】沸騰水型原子炉の炉心安定性解析結果の例を示す図。
【符号の説明】
２０　燃料集合体
２１　制御棒
２５　燃料棒
２９　　部分長燃料棒
４０、４６、５０、５６、９６ａ　燃料集合体
４１　ウォータボックス
４２、４７、５２、６７、７２、７７、８２、８７、９２　チャンネルボックス
４３、４８、５３、５８、６３、６８、７３、７８、８３、８８　コーナ部材
４４、４９、５４、５９、６４、６９、７４、７９、８４、８９　側板
８５　固体減速材
【図１】
2004069362.tif 000004
【図２】
2004069362.tif 000005
【図３】
2004069362.tif 000006
【図４】
2004069362.tif 000007
【図５】
2004069362.tif 000008
【図６】
2004069362.tif 000009
【図７】
2004069362.tif 000010
【図８】
2004069362.tif 000011
【図９】
2004069362.tif 000012
【図１０】
2004069362.tif 000013
【図１１】
2004069362.tif 000014
【図１２】
2004069362.tif 000015
【図１３】
2004069362.tif 000016
【図１４】
2004069362.tif 000017
【図１５】
2004069362.tif 000018
【図１６】
2004069362.tif 000019
【図１７】
2004069362.tif 000020
【図１８】
2004069362.tif 000021
【図１９】
2004069362.tif 000022
【図２０】
2004069362.tif 000023
【図２１】
2004069362.tif 000024
【図２２】
2004069362.tif 000025
【図２３】
2004069362.tif 000026
【図２４】
2004069362.tif 000027
【図２５】
2004069362.tif 000028
【図２６】
2004069362.tif 000029
【図２７】
2004069362.tif 000030
【図２８】
2004069362.tif 000031
【図２９】
2004069362.tif 000032
【図３０】
2004069362.tif 000033
【図３１】
2004069362.tif 000034