(57)【要約】【課題】  本発明は、燃料集合体内に異なる長さの燃料ロッドを配置するための装置及び方法を提供する。【解決手段】  原子炉燃料集合体は、内周壁（２４）とチャネル長手方向中心線（４０）とを有するチャネル（１２）を含む。全長燃料ロッド（１８）及び部分長燃料ロッド（１９）の両方が、チャネル（１２）の内部に配置される。部分長ロッド（１９）は、２つのグループに分けられる。第１のグループ（４４）は、内周壁（２４）に直ぐ隣接して設置された中間長燃料ロッド（２０）を有する。第２のグループ（４６）は、チャネル長手方向中心線（４０）に近接して設置された短縮長燃料ロッド（２２）を有する。【選択図】      図１
2005274555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの内周壁（２４）とチャネル長手方向中心線（４０）とを有するチャネル本体（１２）と、
全長ロッド（１８）と部分長ロッド（１９）とを含む複数の燃料ロッド（１７）と、を含み、
前記部分長ロッド（１９）が２つのグループに可分であり、前記２つのグループが、
前記内周壁（２４）に直ぐ隣接して配置された中間長ロッド（２０）を有する第１のグループ（４４）と、
前記チャネル長手方向中心線（４０）に近接して配置された短縮長ロッド（２２）を有する第２のグループ（４６）と、を含む、
原子炉燃料チャネル組立体。
【請求項２】
前記チャネル本体が、対向する開口端部（２８、３４）と等長側面（２５）とを有する方形チューブ（１３）を含む、請求項２記載のチャネル組立体。
【請求項３】
前記燃料ロッド（１７）が、該燃料ロッド（１７）の隣接する燃料ロッド間で等しい間隔を有する行及び列の形態（４３）で前記方形チューブ（１３）内に配置されている、請求項３記載のチャネル組立体。
【請求項４】
前記中間長ロッド（２０）が、その各々が前記等長側面（２５）の１つに沿ってほぼスパン中央に配置された４つのロッド対（４５）をさらに含む、請求項２記載のチャネル組立体。
【請求項５】
前記チャネル本体（１２）の対向する開口端部（２８、３４）間でかつ前記チャネル長手方向中心線（４０）にほぼ平行に長手方向に配置された少なくとも１つの水通路（１４、１６）を含む、請求項１記載のチャネル組立体。
【請求項６】
前記チャネル長手方向中心線（４０）に隣接して配置された一対の水通路（１４、１６）をさらに含み、
前記第２のグループ（４６）の短縮長ロッド（２２）が、その各々が前記一対の水通路（１４、１６）の１つに近接して配置された３つの短縮長燃料ロッド（２２）を有する２つのロッド・サブグループ（４８、４９）にさらに分割可能である、
請求項１記載のチャネル組立体。
【請求項７】
前記チャネル本体（１２）が、下部サポート部材（２６）をさらに含み、
前記複数の燃料ロッド（１７）が各々、下方支持端部（４１）と末端部（４２）とを有し、かつ前記下方支持端部（４１）において前記下部サポート部材（２６）に結合可能に配置され、
前記複数の燃料ロッド（１７）が、各燃料ロッド末端部（４２）に隣接する前記チャネル本体（１２）から上方チャネル端部（３４）及び複数の水平サポート部材（２７）の１つによって支持されている、
請求項１記載のチャネル組立体。
【請求項８】
原子炉停止マージンを高めた原子炉燃料チャネル組立体であって、
第１の端部（２８）と、第２の端部（３４）と、その中に長手方向に配置された複数の燃料ロッド（１７）とを有するチャネル本体（１２）を含み、
前記燃料ロッド（１７）が、前記チャネル本体（１２）内に全体的に分散配置された複数の全長燃料ロッド（１８）と、前記チャネル本体（１２）内で外側に配置された複数の中間長燃料ロッド（２０）と、前記チャネル本体（１２）内で内側に配置された複数の短縮長燃料ロッド（２２）とに分割可能であり、
前記中間長燃料ロッド（２０）及び短縮長燃料ロッド（２２）の両方の結合端部（４１）が、前記チャネル本体（１２）の第１の端部（２８）に結合可能に配置され、
前記中間長燃料ロッド（２０）及び短縮長燃料ロッド（２２）の各々の末端部（４２）と前記チャネル本体（１２）の第２の端部（３４）との間に作動可能に形成された複数の空洞（４９、５０）が、前記燃料ロッド（１７）から核分裂可能に放出された複数の中性子を吸収するための水トラップとして機能する、
組立体。
【請求項９】
前記中間長燃料ロッド（２０）が、各々当たり少なくとも１つの中間長燃料ロッド（２０）を有するロッド・サブグループ（４４）をさらに含む、請求項８記載の組立体。
【請求項１０】
前記サブグループ（４４）が各々、中間長燃料ロッド（２０）の対（４５）を含む、請求項９記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には燃料集合体に関し、より具体的には燃料集合体内に異なる長さの燃料ロッドを配置するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉用燃料集合体は各々、一般的に複数の垂直方向に直立する燃料ロッドを備える。通常の燃料集合体すなわち燃料組立体は、その内部に燃料ロッドが配置されるチャネルと呼ばれる方形又は矩形の周壁を備える。沸騰水型原子炉を通って流れる原子炉冷却材は、チャネルの底部に流入し、燃料ロッド全体にわたって垂直方向上向きかつ長手方向に流れ、そこで冷却材が加熱されて蒸気を形成する。蒸気は、燃料集合体内の上部開口から吐出される。沸騰水型原子炉は、数百の燃料集合体を含むことができる。さらに、原子炉臨界を維持するのに十分な量の中性子を減速させる水の供給源を維持するために、一般的に各燃料集合体内には１つ又はそれ以上の水導管を設けている。
【０００３】
全ての燃料ロッドが全長燃料ロッドである場合には、沸騰水型原子炉の最大ポテンシャル運転エネルギーが得られる。１００％の全長燃料ロッドを用いることの欠点は、原子炉停止マージンが最適化されないことである。制御ブレードを用いて原子炉を停止させた後に、核分裂は直ぐには止まらない。核分裂によって中性子が生成され続けるので、不測の原子炉臨界を防止するのに十分な中性子を捕捉することが必要である。従って、停止マージンは、核分裂により生成される中性子と比較した捕捉中性子の、臨界を防止するのに十分な割合のことである。停止マージンは、一般的には各燃料集合体内に多数の部分長燃料ロッドを分散配置することによって高められる。各部分長燃料ロッド上方の空きボリュームが、原子炉を停止する時に付加的な水量をもたらす。これらの付加的な水量が、中性子を捕捉して原子炉に対する停止マージンを増大させる。
【０００４】
通常の燃料集合体設計では、部分長ロッドの全てを内部流体通路に隣接させてグループ分けする。幾つかの通常の設計では、単一長さの部分長燃料ロッドを外側の全長燃料ロッドのリング内に分散配置する。また、２つの長さの部分長燃料ロッドを、短縮長燃料ロッドがチャネルの各コーナーに配置されまた中間長燃料ロッドが内部水通路のほぼ周りに配列された状態で分散配置することも知られている。
【０００５】
従って、燃料集合体内における公知の部分長燃料ロッドの構成では、熱流体性能（例えば、臨界出力比）及び停止マージンの最適な組合せは達成されない。
【特許文献１】特開平０５−２６４７６４号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内周壁とチャネル長手方向中心線とを有するチャネルを含む燃料集合体を提供する。全長ロッド及び部分長ロッドの両方を有する複数の燃料ロッドが、チャネル内部に配置される。部分長ロッドは、２つのグループに可分である。第１のグループは、内周壁に直ぐ隣接して配置された中間長ロッドを有する。第２のグループは、チャネルの長手方向中心線に隣接して配置された中間長ロッドよりも短い短縮長ロッドを有する。
【０００７】
部分長燃料ロッドを用いることにより、停止マージンが改善される。部分長ロッドを２つのグループに分けることにより、全体燃料質量を維持しながら、燃料集合体全体にわたって燃料をほとんど均一でない状態に分散配置する。燃料集合体の外周部は、全長燃料ロッドを配置するのに最も望ましい位置である。中間長ロッドを内周壁に直ぐ隣接させてまた短縮長ロッドをチャネルの内側領域寄りに設置することによって、燃料集合体の望ましい外周部位置から燃料を過剰に除去することなく、低温軸方向中性子束ピークを平坦化することで停止マージンが改善される。
【０００８】
中間長燃料ロッドを内周壁に直ぐ隣接させて設置することで、停止状態の間に水量が局所的に供給される。このことは、中性子の捕捉（すなわち、トラッピング）の増大をもたらして停止マージンを改善する。例示的な実施形態では、中間長燃料ロッドを複数の対にグループ分けすることによってこの局所的な水量がさらに増大する。この望ましい燃料位置における燃料損失の有害な影響は、全長燃料ロッドから燃料の半分以下を除去して各中間長燃料ロッドを形成することによって、少なくする。
【０００９】
停止水トラップのために十分な空洞ボリュームを形成しながら燃料の全体質量を維持するために、最大の燃料減少区域（従って、水トラップを形成するための最大の空洞ボリューム）が、その中に短縮長燃料ロッドを配置することによってチャネル内側領域に移される。
【００１０】
本発明を適用可能な別の区域は、以下に示す詳細な説明から明らかになるであろう。本発明の幾つかの例示的な実施形態を示しているが、この詳細な説明及び具体的な実施例は、例示目的のためだけのものであって、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。
【００１１】
本発明は、詳細な説明及び添付の図面からより完全に理解されることになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施形態の以下の説明は、単に例示的な性質のものであり、本発明、その用途又は使用法を決して限定しようとするものではない。
【００１３】
図１を参照すると、本発明の燃料集合体１０を示している。燃料集合体１０は、一般的に方形チューブ１３（図２〜図４を参照すると最も良く分かる）として形成され、各々がその全長Ａにわたって配置された第１の水導管１４と第２の水導管１６とを有するチャネル１２を含む。複数の燃料ロッド１７は、複数の全長燃料ロッド１８と複数の部分長燃料ロッド１９とを含む。複数の部分長燃料ロッド１９はさらに、複数の中間長燃料ロッド２０と複数の短縮長燃料ロッド２２とに分割可能である。全長燃料ロッド１８は、燃料集合体１０の上方区域に部分的に示されている。全長燃料ロッド１８の下方部分は、分かりやすくするために示していない。分かりやすくするために、複数の中間長燃料ロッド２０の例示的な１つ及び複数の短縮長燃料ロッド２２の例示的な１つのみを、チャネル１２内部に配置された状態で示す。周壁２４は、ほぼ等長の側面２５（図２を参照すると最も良く分かる）を有し、それぞれ燃料ロッドと第１及び第２の水導管１４及び１６との各々を囲む。
【００１４】
各燃料ロッド１７及び水導管１４、１６は、必要に応じてチャネル１２に結合可能に取付けられた下部サポート２６によって支持される。少なくとも１つの水平サポート部材２７が、必要に応じて燃料ロッド及び水導管を支持するために設けられる。下方チャネル端部２８は、沸騰水型原子炉容器（図示せず）内に燃料集合体１０を支持する。沸騰水型原子炉を通って流れる原子炉冷却材は、下方チャネル端部２８に隣接して配置された入口開口部３２が備えた入口表面３０に当たる。原子炉冷却材は、開口部３２に流入し、図示するようにチャネル１２内部をチャネル流れ方向Ｂに垂直方向上向きに流れる。原子炉冷却材は、燃料集合体１０の燃料ロッドの各々に接触しかつ該燃料ロッドの各々を長手方向に横切ることによって加熱されて蒸気を生成する。蒸気は、チャネル１２の上方チャネル端部３４から吐出される。つり上げ部材３６が、上方チャネル端部３４に結合可能に取付けられて、各燃料集合体１０を沸騰水型原子炉内の各燃料集合体の位置に据付け又はその位置から取外すための機械的つり上げ箇所を形成する。
【００１５】
チャネル１２内部に配置された燃料ロッドの各々は、それぞれ互いの燃料ロッドにほぼ平行かつ第１の水導管１４及び第２の水導管１６にほぼ平行な形態で配列される。燃料ロッドは、それらがチャネル１２の内周壁３８と接触しないように配置される。図示する実施形態では、第１の水導管１４及び第２の水導管１６は、チャネル長手方向中心線４０に隣接して配置される。各全長燃料ロッド１８は、長さＣを有する。中間長燃料ロッド２０は長さＤを有し、この長さＤは、全長燃料ロッド１８の長さよりも小さいが該全長燃料ロッド２０の長さの５０％よりも大きい。短縮長燃料ロッド２２は長さＥを有し、この長さＥは中間長燃料ロッド２０よりも小さい。図示するように、長さＣは、全長燃料ロッド１８の長さの５０％よりも小さい。
【００１６】
図１に示す燃料集合体は、複数の可能な燃料集合体設計のほんの１つの実施例にすぎない。例えば、第１の水導管１４及び第２の水導管１６は、長手方向中心線４０を中心に或いは長手方向中心線４０に隣接してほぼ中央に配置された単一の水導管（図示せず）で置き換えることができる。第１の水導管１４及び第２の水導管１６の各々は、ほぼ環状形状を有する状態で示しているが、本発明は、水導管形状の寸法形状には限定されない。矩形、楕円形、方形、十字架形状及び自由流動（すなわち、周壁を有しない）水導管形状を含む別の水導管形状を使用することができる。すなわち、自由形態の導水路が、燃料ロッド間の長手方向空洞として形成される。
【００１７】
第１の水導管１４、第２の水導管１６、全長燃料ロッド１８の各々、中間燃料ロッド２０の各々及び短縮長燃料ロッド２２の各々は、一般的にロッド下方支持端部４１の各々においてこれらの構成部品に垂直方向の支持を与える下部サポート２６に結合される。短縮長燃料ロッド２２又は中間長燃料ロッド２０のいずれかの末端部４２付近に１つ又はそれ以上の水平サポート部材２７を間隔を置いて配置して、燃料ロッド及び水導管（周壁を有する）の各々に対するチャネル１２内部での垂直方向支持を与えるのが好ましい。水平サポート部材２７に対する複数の設計が公知であり、その各々は、支持する燃料ロッド及び／又は水通路の数量に応じて変えることができる。
【００１８】
図２〜図４で最も良く分かるように、本発明の例示的な実施形態として全長燃料ロッド１８、中間長燃料ロッド２０及び短縮長燃料ロッド２２を含む燃料ロッドの例示的な構成を示す。燃料ロッドは、各隣接する燃料ロッドの対間でほぼ等しい間隔を有する行及び列の形態４３で配置される。各燃料集合体１０の全体燃料ロッドの一部分を除去して、水導管（例えば、第１の水導管１４及び第２の水導管１６）を形成する。図示する実施形態では、中間燃料ロッド２０の各々は、第１のグループ４４として据付けられる。第１のグループ４４は、対４５の形態でグループ分けされた中間長燃料ロッド２０を有する。中間長燃料ロッド２０の対４５の各々は、各内周壁３８に沿ってほぼスパン中央に設置される。燃料ロッドの行及び列の形態４３は、１０×１０の構成として示されている。燃料ロッドの８×８、９×９及び他の構成を含む複数の行及び列の形態を、本発明の技術的範囲から逸脱することなく用いることができることが分かるであろう。
【００１９】
中間長燃料ロッド２０は各々、全長燃料ロッド１８のいずれか１つの長さＣのおよそ６６％の公称長さＤを有するのが好ましい。各中間長燃料ロッド２０は、長さを全長燃料ロッド１８のいずれか１つの長さＣのおよそ６０％〜９０％の範囲とすることができる。中間長燃料ロッド２０を内周壁３８に直ぐ隣接して配置することによって、燃料集合体１０のこの外周辺部には全長燃料ロッド１８内に通常配置される燃料の大部分が保存される。
【００２０】
短縮長燃料ロッド２２の各々は、全体的に内周壁３８から内側に配置された第２のグループ４６の形態で配列される。短縮長燃料ロッド２２の第２のグループ４６はさらに、各々が例示的な３つの短縮長燃料ロッド２２を含むロッド・サブグループ４７及びロッド・サブグループ４８の各々の形態に配列される。ロッド・サブグループ４７及びロッド・サブグループ４８は、それぞれ第１の水導管１４及び第２の水導管１６の周りで鏡像関係に配列される。各短縮長燃料ロッド２２は、全長燃料ロッド１８のいずれか１つの全長Ｃのおよそ３３％の公称長さＥを有するのが好ましい。短縮長燃料ロッド２２は、長さを全長燃料ロッド１８のいずれか１つの長さＣのおよそ１０％〜４０％の間の範囲とすることができる。
【００２１】
例示的な実施形態では、中間長燃料ロッド２０及び短縮長燃料ロッド２２を組合せた全体燃料量は保たれる。このことは、中間長燃料ロッド２０の長さが増加するとそれに伴って短縮長燃料ロッド２２の長さを比例して減少させることを必要とし、逆もまた同様である。
【００２２】
次に図３を参照すると、短縮長燃料ロッド２２を上側から見たその高さの上方の断面図は、複数の空洞４９の各々を示している。原子炉の停止状態の間に、空洞４９は、水で満たされて中性子を捕捉する水トラップを形成しかつ沸騰水型原子炉の停止マージンを改善する。中間長燃料ロッド２０の第１のグループ４４は、チャネル１２内部のこの高さにおいては存在し、従って空洞４９には寄与しない。
図４で最も良く分かるように、この図は、中間長燃料ロッド２０及び短縮長燃料ロッド２２の両方を上からみたそれらの上方の断面図を示している。短縮長燃料ロッド２２の上方の空洞４９に加えて、中間長燃料ロッド２０の各々の上方に複数の空洞５０が形成される。空洞４９及び空洞５０の組合せが、原子炉の停止状態の間に燃料集合体１０内に分散配置した水量をもたらし、この水量が中性子を吸収しかつ沸騰水型原子炉の停止マージンを改善する。
【００２３】
図５に示すように、本発明の別の実施形態は、それぞれチャネル１２の内周壁３８に隣接して配置された全長燃料ロッド１８及び中間長燃料ロッド２０と第１及び第２の水導管１４、１６に近接して配置された短縮長燃料ロッド２２とを含む例示的な奇数個（すなわち、９個）の燃料ロッドを備える。説明のために図５には、選択した燃料ロッドのみを示す。中間長燃料ロッド２０は、各々が内周壁３８のそれぞれスパン中央位置６２、６２’、６２’’、６２’’’に隣接して配置された少なくとも１つの中間長燃料ロッド２０を有する４つのロッド・サブセット６０、６０’、６０’’、６０’’’の形態で配列される。さらに、図５に示すように、対向する側面２５、２５’’の代わりにチャネル１２のいずれか２つの隣接する側面（例えば、２５、２５’）上に、単一の（すなわち、対になっていない）中間長燃料ロッド２０を設置する（図示せず）こともできる。短縮長燃料ロッド２２は、両方共が水導管１４及び１６の周りで鏡像関係に配置されたそれぞれ２つの短縮長燃料ロッド・サブグループ６４及び６４’の形態で配列される。短縮長燃料ロッド・サブグループ６４及び６４’の各々は、例示的な３つの短縮長燃料ロッド２２を含む。各サブグループ内の短縮長燃料ロッド２２の数量は、チャネル１２内の燃料ロッドの全体数量及び配列に応じて図示した数量から変えることができる。
【００２４】
本発明の燃料集合体１０は、幾つかの利点をもたらす。長さによって部分長燃料ロッドをグループ分けすると共に各グループを燃料集合体１０内に選択的に配置することによって、停止マージンの増大が得られる。チャネルの内周壁に直ぐ隣接させて中間長燃料ロッド２０を配置することによって、各燃料集合体の周辺部から除去される燃料が少なくなる。本発明の短縮長燃料ロッド２２の長さを調整しかつそれらの長さを中間長燃料ロッド２０の長さを用いて最適化することによって、原子炉停止状態の間における水トラップに供給される水量を増大させる配列において、燃料集合体１０を通って蒸気が通気するのを防止することができる。部分長燃料ロッドを２つの長さの燃料ロッドに分割することによって、燃料集合体１０を通る出力の分布を可能にしながら、燃料の質量が維持される。出力がチャネルの長さ全体にわたってより効率的に分布し、ピーク出力が燃料集合体のより広い長さ全体にわたって分布する。出力分布の結果として、効率の向上が得られる。燃料ロッドの長さ（すなわち、集合体の長さ）全体にわたる出力分布はまた、本発明の短縮長燃料ロッド及び中間長燃料ロッドの組合せを用いて、当技術分野で公知の燃料ロッド配列と比較して一層均等に分布するようになる。
【００２５】
本発明の説明は、単に例示的な性質のものであり、従って本発明の主旨から逸脱しない変更形態は、本発明の技術的範囲内にあることを意図している。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めようとするのではなく、それらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の燃料集合体の部分断面正面図。
【図２】本発明の部分長燃料ロッドの好ましい実施形態を示す、図１のセクション２−２で取った断面図。
【図３】本発明の水導管の周り及び短縮長燃料ロッドの位置上方の空洞領域を示す、図１のセクション３−３で取った断面図。
【図４】本発明の短縮長燃料ロッド及び中間長燃料ロッド上方の空洞とそれによって形成された水トラップ区域全体との両方を示す、図１のセクション４−４で取った断面図。
【図５】行及び列の形態での奇数の燃料ロッド構成を有する別の実施形態を示す、図２と同様の断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１０  燃料集合体
１２  チャネル本体
１４、１６  水導管
１７  燃料ロッド
１８  全長燃料ロッド
２０  中間長燃料ロッド
２２  短縮長燃料ロッド
２４  内周壁
２５  チャネル側面
２６  下部サポート
２７  水平サポート部材
２８  下方チャネル端部
３２  入口開口部
３４  上方チャネル端部
４０  長手方向中心線
４１  ロッド下方支持端部
４９、５０  空洞
【図１】
2005274555.tif 000003
【図２】
2005274555.tif 000004
【図３】
2005274555.tif 000005
【図４】
2005274555.tif 000006
【図５】
2005274555.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年2月16日(2005.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記チャネル本体が、対向する開口端部（２８、３４）と等長側面（２５）とを有する方形チューブ（１３）を含む、請求項１記載のチャネル組立体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
前記燃料ロッド（１７）が、該燃料ロッド（１７）の隣接する燃料ロッド間で等しい間隔を有する行及び列の形態（４３）で前記方形チューブ（１３）内に配置されている、請求項１記載のチャネル組立体。
【外国語明細書】
2005274555000001.pdf