(57)【要約】【課題】  部分長燃料棒を有する10×10燃料集合体において、炉心安定性余裕及び領域安定性余裕を確保した上でウラン重量を増加できる燃料集合体を得る。【解決手段】  ＵＯ２ ペレットを被覆管内に充填した燃料棒群は10×10燃料集合体の燃料有効長に等しい燃料有効長を持つ被覆管肉厚δ(mm)の標準燃料棒と、標準燃料棒よりも燃料有効長が短く標準燃料棒と同じ被覆管肉厚δの部分長燃料棒とに分けられ、各燃料棒の配列ピッチは 12.95mm以下、燃料集合体の平均ウラン濃縮度は 4.7wt％以下であるとき、次の(1)式と(2)式とを同時に満たすもの。・(-5.255δ+0.9353)(Aw/Ach)+(-3.450δ2+4.870δ+4.724)(Abot/Ach)+(0.09590δ+0.1639)(L/H)+(-0.8014δ2+1.242δ+1.433)(Atop/Abot)+(2.175δ2-3.225δ-2.208)＜1.0…(l)・(-1.799δ+3.619)(Aw/Ach)+(1.442δ+6.277)(Abot/Ach)+(0.1142δ+0.3817)(L/H)+(0.6870δ+2.059)(Atop/Abot)+(-1.355δ-3.840)＜1.0…(2)【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料物質として二酸化ウランペレットを被覆管内に充填した燃料棒群が１０行１０列の正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内には前記燃料棒複数本相当の領域を占める水ロッドが配置されている沸騰水型原子炉用燃料集合体であって、
前記燃料棒群は、前記燃料集合体の燃料有効長に等しい燃料有効長を持つ被覆管肉厚δ（mm）の標準燃料棒と、標準燃料棒よりも燃料有効長が短く標準燃料棒と同じく被覆管肉厚δ（mm）の部分長燃料棒とに分けられ、
前記正方格子配列の各燃料棒の配列ピッチは 12.95mm以下であり、
前記燃料集合体の平均ウラン濃縮度は 4.7wt％以下であるとき、
次の (1)式と (2)式とを同時に満たすことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
・(-5.255δ+0.9353)(Aw/Ach)+(-3.450δ2+4.870δ+4.724)(Abot/Ach)+(0.09590δ+0.1639)(L/H)+(-0.8014δ2+1.242δ+1.433)(Atop/Abot)+(2.175δ2-3.225δ-2.208)＜1.0    … (l)式
・(-1.799δ+3.619)(Aw/Ach)+(1.442δ+6.277)(Abot/Ach)+(0.1142δ+0.3817)(L/H)+(0.6870δ+2.059)(Atop/Abot)+(-1.355δ-3.840)＜1.0    … (2)式
ここで、
Ａｗ  ：燃料集合体内の水ロッドの横断面積の総和（mm２）、
Ａch  ：燃料集合体内の横断面積（mm２）、
Ａbot ：燃料集合体内の標準燃料棒及び部分長燃料棒の横断面積の総和（mm２）、
Ａtop ：燃料集合体内の標準燃料棒の横断面積の総和（mm２）、
Ｈ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長下端位置から燃料集合体内の上部タイプレート下端面位置までの高さ（mm）、
Ｌ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長下端位置から部分長燃料棒上端までの高さ（mm）、
Ｎ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長を２４区間に等分割した際の部分長燃料棒の燃料有効長に相当する区間数、
【請求項２】
前記 (1)式及び (2)式に加えて、次の (3)式を更に同時に満たすことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
・(-0.009311δ+0.03364)(N(Abot-Atop)/24+Atop)+(-19.30δ-178.6)＞0.0    … (3)式
【請求項３】
前記標準燃料棒の本数と前記部分長燃料棒の本数との和が９１〜９２本であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料集合体。
【請求項４】
前記部分長燃料棒の燃料有効長が前記標準燃料棒の燃料有効長の略２／３であり、前記部分長燃料棒の本数が１０〜１４本の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体に関し、特に、部分長燃料棒と水ロッドを配した１０行１０列格子の燃料棒群を有する燃料集合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲとも記す）における燃料設計の分野においては、より経済性の高い燃料集合体の開発が進められている。一般に、燃料の経済性を高めるためには、燃料物質であるウランの装荷量を燃料集合体当たりで多くすることが考えられる。また、燃料集合体の燃料棒群を配置する正方格子の行列数を増やすことにより、冷却材と接する燃料棒表面の伝熱面積が増大し燃料棒１本当たりの熱負荷も低減できるため、原子炉運転の自由度を増すことができる。
【０００３】
しかしながら、燃料集合体当たりのウラン重量の増加や燃料棒配列格子数の増加に伴うボイド係数の絶対値の増大、燃料集合体内の摩擦圧力損失の増加による核熱水力安定性の悪化等が懸念される。
【０００４】
更に、ＢＷＲ炉心とそれに関連する系統では、燃料の許容設計基準を超える状態となる出力振動が生じないように減衰特性を持つか、または、出力振動が生じてもそれを確実に、かつ、容易に制御できるように設計が行わなければならない。ＢＷＲで発生する可能性がある密度波振動に起因する核熱水力不安定事象として(1) チャンネル不安定、(2) 炉心不安定、(3) 領域不安定の３つがある。
【０００５】
具体的には、チャンネル安定性余裕を確保するためには、燃料集合体内を流れる冷却材流量の振動が生じても、これを減衰できるような特性を持たせなければならない。また、炉心安定性余裕を確保するためには、例えば、燃料集合体内の冷却材流量の振動に伴うボイドの振動と負のボイド係数による反応度フイードバックを通じた出力の振動が生じても、これを減衰できるような特性を持たせなければならない。更に、領域安定性余裕を確保するためには、燃料集合体内の冷却材流量の振動に伴うボイドの振動と反応度フィードバックの両方の影響により炉心内の領域間で位相がずれた出力の振動が生じても、これを減衰できるような特性を持たせなければならない。
【０００６】
ＢＷＲ内では個々の燃料集合体を流れる冷却材の流量、燃料集合体から発生する熱量、発生熱量に伴う燃料温度とボイドが密接に関係した核熱水力結合状態にあるため、燃料集合体からの発生熱量、燃料集合体圧力損失を一定としたままで燃料集合体内を流れる冷却材流量が振動する純粋な密度波振動現象であるチャンネル不安定が通常の原子炉内で単独で発生することは非常にまれであるが、チャンネル安定性の余裕が小さい燃料集合体が原子炉内に存在する場合には核−熱水力フィードバックの効果により、原子炉の出力が炉心全体で、または局所的に振動し、炉心不安定又は領域不安定に至る可能性があり、実際に多くの炉心又は領域振動が観測されている。
【０００７】
なお、従来の沸騰水型原子炉では、原子炉と装荷される燃料の核熱水力安定性特性を考慮し、核熱水力不安定が発生する可能性がある高原子炉出力−低炉心流量領域を安定性制限領域として原子炉運転範囲から除外しているが、核熱水力安定性余裕が大きい燃料集合体を採用することにより、この制限領域を縮小し原子炉運転範囲を拡大できるため、運転の自由度を増すことができる。
【０００８】
従来のＢＷＲの燃料集合体として用いられている９行９列の正方格子状に配列された燃料棒群を有する燃料集合体がある。この燃料集合体を以下、９×９燃料集合体という。９×９燃料集合体の構造例を説明する。
【０００９】
図１０はチャンネルボックス１１に囲まれた燃料棒群内に標準燃料棒１２を６６本、燃料棒７本分の面積に相当する水ロッド１３を２本、標準燃料棒の燃料有効長の略２／３の燃料有効長を持つ部分長燃料棒１４を８本と配した９×９燃料集合体である。本例では燃料集合体上部の高ボイド領域において冷却材流路面積を部分長燃料棒８本分拡大させることにより、燃料集合体内の二相流部における摩擦圧力損失を低減させることにより、チャンネル安定性を向上させることができる。
【００１０】
このチャンネル安定性改善効果に加えて．燃料棒７本分の面積に相当する水ロッドの効果により減速材対ウラン比を改善しボイド係数の絶対値を低減させることができ、炉心安定性、領域安定性も向上させることができる。しかしながら、本例のようにチャンネル安定性を向上させるために部分長燃料棒を採用した場合、ウラン重量が減少し燃料経済性を悪化させる可能性がある。
【００１１】
図１１はチャンネルボックス１１に囲まれた燃料棒群内に標準燃料棒１２を７２本、燃料棒９本分の面積に相当する太径水ロッド１３を１本配置した９×９燃料集合体である。本例では燃料棒９本分の面積に相当する角管太径水ロッドを採用することにより減速材対ウラン比を改善しボイド係数の絶対値を低減させることにより、炉心安定性、領域安定性を向上させることができる。
【００１２】
しかしながら、本例のように炉心安定性、領域安定性に影響を与えるボイド係数の絶対値を低減するために水ロッドの面積を増加させる場合、冷却材流路を確保するために燃料棒領域を減少させる必要があり、ウラン重量が減少し燃料経済性を悪化させる可能性がある。また、水ロッド全横断面積増加により冷却材流路が減少し、燃料集合体内の摩擦圧力損失が増加しチャンネル安定性が悪化することにより炉心安定性、領域安定性まで悪化させてしまうことがある。
【００１３】
【表１】
2005134179.tif 000002
【００１４】
一方、より高経済性を目的とした燃料として１０行１０列の正方格子状に燃料棒群を配置した燃料集合体がある。この燃料集合体を以下、１０×１０燃料集合体という。１０×１０燃料集合体では、９×９燃料集合体と比べて燃料棒１本当たりの熱負荷が小さくなる分、熱的運転余裕が大きくなると期待される一方、燃料棒直径の細径化により燃料棒から冷却材への熱伝達時定数が低下し、燃料棒本数が増加し冷却材流路の断面積が減少することにより摩擦圧力損失が増大するため、核熱水力安定性が悪化する可能性があるため、９×９燃料集合体と同様の核熱水力安定性向上対策を採用し、太径水ロッドと複数本の部分長燃料棒の採用がなされている。表１に開発段階の１０×１０燃料集合体の従来例を示す。なお、表１の多くは、特許文献１の従来例として示されている。
【００１５】
燃料経済性を確保した上で９×９燃料集合体の核熱水力安定性を向上する対策としては、チャンネルボックス内全横断面積、水ロッド全横断面積、燃料棒全横断面積、被覆管肉厚に関する条件式を開示している従来例として、種々の先行技術がある（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５参照）。
【００１６】
また、特許文献６では、燃料集合体平均ウラン濃縮度、チャンネルボックス内幅、チャンネルボックス内壁−最外周燃料棒間隔をパラメータとして加え、燃料経済性を確保した上で９×９燃料集合体の核熱水力安定性を向上する条件式を示している。しかしながら、前記条件式を用いる従来技術は９×９燃料集合体に限定されたものであり、１０×１０燃料集合体には適用することができない。また、部分長燃料棒の効果に関して言及されていない。
【００１７】
また、前記条件式を用いる従来技術は核熱水力安定性のうちチャンネル安定性と炉心安定性の余裕を確保することを目的としているが、前述のとおり沸騰水型原子炉内ではチャンネル不安定のみが通常の原子炉内で単独で発生することは非常にまれであり、実際に原子炉内で発生する可能性がある領域不安定に関する余裕は確認できない。一般に領域不安定は炉心寸法が大きいほど発生しやすいため、近年の沸騰水型原子炉の大型化に伴い、炉心安定性のみならず、領域安定性に対しても十分な余裕を持つ燃料集合体を設計することは非常に重要である。
【００１８】
【特許文献１】特開２００３−１６１７９３号公報、
【特許文献２】特開昭６３−２３１２９２号公報、
【特許文献３】特公平６−４０１３８号公報、
【特許文献４】特開平１０−１９７６７４号公報、
【特許文献５】特許２８４２４３９号公報、
【特許文献６】特開平１１−１７４１８０号公報、
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
核熱水力安定性余裕の確保を前提とし、表１に示す１０×１０燃料集合体の従来例よりもウラン重量を増加させた１０×１０燃料集合体を設計することにより、燃料経済性を向上できる。
【００２０】
本発明は、部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体において、炉心安定性余裕及び領域安定性余裕を確保した上でウラン重量を増加できる燃料集合体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
請求項１に記載された発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体は、
核燃料物質として二酸化ウランペレットを被覆管内に充填した燃料棒群が１０行１０列の正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内には前記燃料棒複数本相当の領域を占める水ロッドが配置されている沸騰水型原子炉用燃料集合体であって、
前記燃料棒群は、前記燃料集合体の燃料有効長に等しい燃料有効長を持つ被覆管肉厚δ（mm）の標準燃料棒と、標準燃料棒よりも燃料有効長が短く標準燃料棒と同じく被覆管肉厚δ（mm）の部分長燃料棒とに分けられ、
前記正方格子配列の各燃料棒の配列ピッチは 12.95mm以下であり、
前記燃料集合体の平均ウラン濃縮度は 4.7wt％以下であるとき、
次の (1)式と (2)式とを同時に満たすことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
・(-5.255δ+0.9353)(Aw/Ach)+(-3.450δ2+4.870δ+4.724)(Abot/Ach)+(0.09590δ+0.1639)(L/H)+(-0.8014δ2+1.242δ+1.433)(Atop/Abot)+(2.175δ2-3.225δ-2.208)＜1.0    … (l)式
・(-1.799δ+3.619)(Aw/Ach)+(1.442δ+6.277)(Abot/Ach)+(0.1142δ+0.3817)(L/H)+(0.6870δ+2.059)(Atop/Abot)+(-1.355δ-3.840)＜1.0    … (2)式
ここで、
Ａｗ  ：燃料集合体内の水ロッドの横断面積の総和（mm２）、
Ａch  ：燃料集合体内の横断面積（mm２）、
Ａbot ：燃料集合体内の標準燃料棒及び部分長燃料棒の横断面積の総和（mm２）、
Ａtop ：燃料集合体内の標準燃料棒の横断面積の総和（mm２）、
Ｈ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長下端位置から燃料集合体内の上部タイプレート下端面位置までの高さ（mm）、
Ｌ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長下端位置から部分長燃料棒上端までの高さ（mm）、
Ｎ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長を２４区間に等分割した際の部分長燃料棒の燃料有効長に相当する区間数、
【００２２】
請求項２に記載された発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体は、請求項１に記載の (1)式及び (2)式に加えて、次の (3)式を更に同時に満たすことを特徴とするものである。
・(-0.009311δ+0.03364)(N(Abot-Atop)/24+Atop)+(-19.30δ-178.6)＞0.0    … (3)式
【００２３】
請求項３に記載された発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体は、請求項１又は２に記載の標準燃料棒の本数と部分長燃料棒の本数との和が９１〜９２本であることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項４に記載された発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体は、請求項３に記載の部分長燃料棒の燃料有効長が前記標準燃料棒の燃料有効長の略２／３であり、前記部分長燃料棒の本数が１０〜１４本の範囲にあることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は以上説明したとおり、部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体において、炉心安定性余裕及び領域安定性余裕を確保することのできる燃料集合体を得ることができ、更にウラン重量を増加できる燃料集合体を得ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明においては、核燃料物質として二酸化ウランペレットを被覆管内に充填した燃料棒群が１０行１０列の正方格子配列に配置され、前記正方格子配列内には前記燃料棒複数本相当の領域を占める水ロッドが配置されている沸騰水型原子炉用燃料集合体であって、前記燃料棒群は、前記燃料集合体の燃料有効長と等しい燃料有効長を持つ被覆管肉厚δ（mm）の標準燃料棒と、標準燃料棒よりも燃料有効長が短く標準燃料棒と被覆管肉厚δ（mm）の部分長燃料棒とに分けられ、前記正方格子配列の各燃料棒の配列ピッチは 12.95mm以下であり、前記燃料集合体の平均ウラン濃縮度は 4.7wt％以下であるとき、次の (1)式と (2)式とを同時に満たすものである。
・(-5.255δ+0.9353)(Aw/Ach)+(-3.450δ2+4.870δ+4.724〉(Abot/Ach)+(0.09590δ+0.1639)(L/H)+(-0.8014δ2+1.242δ+1.433)(Atop/Abot)+(2.175δ2-3.225δ-2.208)＜1.0    … (1)式
・(-1.799δ十3.619)(Aw/Ach)+(1.442δ+6.277)(Abot/Ach)+(0.1142δ+0.3817)(L/H)+(0.6870δ+2.059)(Atop/Abot)+(-1.355δ-3.840)＜1.0    … (2)式
【００２７】
更に、前記 (1)式及び (2)式に加えて、次の (3)式を同時に満たすものである。
・(-0.009311δ+0.03364)(N(Abot-Atop)/24+Atop)+(-19.30δ-l78.6)＞0.0    … (3)式
【００２８】
なお、 (1)式〜 (3)式において、個々の記号は次の通りである。
Ａｗ  ：燃料集合体内の水ロッドの横断面積の総和（mm２）、
Ａch  ：燃料集合体内の横断面積（mm２）、
Ａbot ：燃料集合体内の標準燃料棒及び部分長燃料棒の横断面積の総和（mm２）、
Ａtop ：燃料集合体内の標準燃料棒の横断面積の総和（mm２）、
Ｈ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長下端位置から燃料集合体内の上部タイプレート下端面位置までの高さ（mm）、
Ｌ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長下端位置から部分長燃料棒上端までの高さ（mm）、
Ｎ    ：燃料集合体内の標準燃料棒の燃料有効長を２４区間に等分割した際の部分長燃料棒の燃料有効長に相当する区間数（−）、
【００２９】
具体的には、燃料経済性を向上させるためには、単純に燃料集合体当たりのウラン重量を増加させればよい。一方、ウラン重量を増加させることにより、減速材対ウラン比が小さくなる分、ボイド係数の絶対値を増大させることになり、炉心安定性余裕、領域安定性余裕を減少させる。
【００３０】
図１は表１に示す１０×１０燃料集合体の従来例において被覆管肉厚を変化させた場合のウラン重量と炉心安定性減幅比と領域安定性減幅比との変化を示したものである。図１に示す通り、燃料棒直径とギャップ幅とを固定して被覆管肉厚を減少させることによりウラン重量は増加できるものの炉心安定性、領域安定性共に減幅比が大きくなっていくことが判る。
【００３１】
また、燃料集合体当たりのウラン重量を増加させるには燃料棒直径を増加させることも効果的である。この場合には、ボイド係数の絶対値の増大に加えて、冷却材流路の断面積が減少することにより、燃料集合体内のチャンネル熱水力特性が悪化することにより、炉心安定性余裕、領域安定性余裕を更に減少させる。
【００３２】
図２は表１に示す１０×１０燃料集合体従来例において燃料棒直径を変化させた場合のウラン重量と炉心安定性減幅比と領域安定性減幅比との変化を示したものである。図２に示す通り、被覆管肉厚を減少させた場合と同様に、燃料棒直径を減少させることによりウラン重量は増加できるものの、炉心安定性、領域安定性共に減幅比が大きくなっていくことが判る。燃料棒総本数の増加も燃料棒直径の増加と同じ効果を持つが、この場合は燃料集合体内の冷却材流路を確保するために水ロッドの占める燃料棒領域を縮小しなければならないため、さらにボイド係数の絶対値が大きくなる。
【００３３】
一方、部分長燃料棒を採用した燃料集合体では、燃料集合体当たりのウラン重量の増加は部分長燃料棒の本数を減らすことで実現可能である。また、部分長燃料棒長さの増加による部分長燃料棒有効長の増加によっても、燃料集合体当たりのウラン重量を増加させることができる。これらの場合においては、ボイド係数の絶対値の増大に加えて、燃料集合体上部の二相流部における冷却材流路の断面積が減少し、燃料集合体内のチャンネル熱水力特性が悪化することにより、炉心安定性余裕、領域安定性余裕を減少させる。
【００３４】
図３は表１に示す１０×１０燃料集合体の従来例において部分長燃料棒の本数を変化させた場合のウラン重量と炉心安定性減幅比と領域安定性減幅比との変化を示したものである。この場合においても、部分長燃料棒の本数を減少させることによりウラン重量は増加できるものの炉心安定性、領域安定性共に減幅比が大きくなっていくことが判る。
【００３５】
同様に、部分長燃料棒の長さを変化させた例を図４に示す。このように、単純に燃料集合体当たりのウラン重量を増加させる場合、炉心安定性と領域安定性とは必ず悪化することが判る。なお、図４に示す評価例では、部分長燃料棒のプレナム長さは一定とし、Ｌを変化させた分、Ｎも変化させている。
【００３６】
一方、ウラン重量の増加による減速材対ウラン比の悪化に伴うボイド係数の絶対値増大を緩和させる方策として、燃料集合体内の水ロッド横断面積の拡大が挙げられる。しかしながらその反面、水ロッド横断面積の拡大は燃料集合体内における冷却材流路の断面積が減少し、チャンネル熱水力特性が悪化するという核熱水力安定性余裕を減少させる副作用を持つ。
【００３７】
炉心安定性、領域安定性共に核的な要因と熱水力的な要因が互いに影響しあった核熱水力結合振動事象であるが、炉心安定性は核的要因が支配的な振動であるのに対し、領域安定性は炉心内における逆位相の流量再配分効果という熱水力要因が支配的である。
【００３８】
図５は表１に示す１０×１０燃料集合体従来例において水ロッド横断面積を変化させた場合のウラン重量と炉心安定性減幅比と領域安定性減幅比との変化を示したものである。図５に示すとおり、水ロッド横断面積を変化させてもウラン重量は変化しないが、前記の各安定性の特性により、水ロッド横断面積の拡大に伴い炉心安定性減幅比は低下、領域安定性減幅比は増加することが判る。
【００３９】
以上の燃料集合体の形状寸法が核熱水力安定性とウラン重量とに与える影響特性を調べた結果得られた知見より、本発明者は、燃料集合体内の燃料棒の総本数、直径及び被覆管肉厚、部分長燃料棒の本数及び長さ、並びに水ロッド横断面積をパラメータとし、炉心安定性余裕、領域安定性余裕を確保しつつ燃料経済性に優れた部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体の条件式を見出すに至った。
【００４０】
本式を作成するにあたり、前述の特許文献１（特開２００３−１６１７９３号公報）の知見に基づき、正方格子配列の各燃料棒の配列ピッチは１０×１０燃料集合体の従来例の 12.95mmとして実施している。燃料棒の中心軸同士の距離であるピッチは小さい方がボイド係数の絶対値が低減することが分かっている。一方、各燃料棒の配列ピッチは圧力損失やウラン重量には変化を与えない。よって、本発明の集合体は各燃料棒の配列ピッチが 12.95mm以下を想定しているので、それより各燃料棒の配列ピッチが小さければ更にボイド係数は小さくなるため、炉心安定性、領域安定性の減幅比は小さくすることができる。
【００４１】
部分長燃料棒の配置場所に関しては、同じく特許文献１の知見を基に、水ロッド周りと外周には配置していないとして、本式を作成している。部分長燃料棒の存在はボイド係数を小さくする。また、部分長燃料棒の配置場所によりボイド係数の低減の程度も変わるが、本式は水ロッド周りと外周には配置せずに実施しているので、ボイド係数の低減効果のより大きい水ロッド周りや外周に部分長燃料棒を配置すれば更にボイド係数は小さくなるため、炉心安定性、領域安定性の減幅比を小さくすることができる。
【００４２】
燃料集合体の平均ウラン濃縮度に関しては、 4.7wt％として、本式を作成している。高燃焼度化や運転サイクルの長期化、さらにはプラントアップレートといった要求に伴い、濃縮度は増加傾向にある。一方、成形加工時の臨界上の問題から取り扱えるウラン濃縮度の上限は５wt％である。
【００４３】
また、ＢＷＲでは、中性子の漏れを低減し上下端の濃縮度を低減したり、出力ピーキングが過度に大きくならないよう最外周コーナ付近の濃縮度を低減したり、また、燃料棒の熱機械設計上の配慮から、熱伝導度特性の劣る可燃性毒物入り燃料棒に対し濃縮度を低減したりする結果、実質的な集合体平均ウラン濃縮度は５wt％未満となる。現実的には 4.7wt％程度以下に留まると予想され、本発明の燃料集合体は、 4.7wt％以下の平均ウラン濃縮度を想定しているので、それより低い濃縮度であれば更にボイド係数は小さくなるため、炉心安定性と領域安定性との減幅比を小さくすることができる。
【００４４】
下記 (1)式は炉心安定性余裕を確保するものである。燃料集合体の形状が本式を満足する場合、炉心安定性減幅比は 1.0未満であり炉心不安定が発生することはない。
・(-5.255δ+0.9353)(Aw/Ach)+(-3.450δ2+4.870δ+4.724)(Abot/Ach)+(0.09590δ+0.1639)(L/H)+(-0.8014δ2+1.242δ+1.433)(Atop/Abot)+(2.175δ2-3.225δ-2.208)＜1.0  … (1)式
【００４５】
下記 (2)式は領域安定性余裕を確保するものである。燃料集合体の形状が本式を満足する場合、領域安定性減幅比は 1.0未満であり領域不安定が発生することはない。
・(-1.799δ+3.619)(Aw/Ach)+(1.442δ+6.277)(Abot/Ach)+(0.1142δ+0.3817)(L/H)+(0.6870δ+2.059)(Atop/Abot)+(-1.355δ-3.840)＜1.0  … (2)式
【００４６】
下記 (3)式は燃料経済性を確保するものである。燃料集合体の形状が本式を満足する場合、本発明が基準とする表１に示す１０×１０燃料集合体従来例よりも燃料集合体当たりのウラン重量が増加し、燃料経済性を向上させることができる。
・(-0.009311δ+0.03364)(N(Abot-Atop)/24+Atop)+(-19.30δ-178.6)＞0.0  … (3)式
【００４７】
以上のように、 (1)式と (2)式とを同時に満たすことにより、炉心安定性余裕と領域安定性余裕とを確保することができる。更に、 (3)式を含めた (1)式〜 (3)式のすべて満足する部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体は、炉心安定性余裕と領域安定性余裕とを確保した上で燃料経済性を確保できる。
【００４８】
なお、本式を作成するにあたり、ペレットと被覆管のギャップ幅は170μmとしている。１０×１０燃料集合体において実際に想定される範囲でギャップ幅を変化させた場合、燃料棒直径、被覆管肉厚を固定すると、ギャップ幅の変更に伴うギャップ熱伝達係数の変化と、ペレット直径の変更に伴うペレット部熱容量の変化があいまって、炉心安定性、領域安定性特性はほとんど変わらない。
【００４９】
図６は、 (1)式〜 (3)式の３式を満足する例として、基準とした表１に示す１０×１０燃料集合体の従来例において、部分長燃料棒本数、水ロッド横断面積、被覆管肉厚をパラメータとした場合に、 (1)式〜 (3)式の関係を示すものである。この図は標準燃料棒全横断面積Ａtop を用いて間接的に部分長燃料棒本数を記しているが、 (1)式〜 (3)式で規定される範囲内に入るＡtop から炉心安定性、領域安定性、燃料経済性のすべてを満足する部分長燃料棒の本数を決定できる。
【実施例】
【００５０】
以下に実施例を示す。
図６は、チャンネルボックス内幅が 134.1mmのタイプの燃料集合体において、燃料棒総本数を９１本、標準燃料棒有効長下端を基準とした部分長燃料棒上端高さと下部タイプレート下端高さの比を0.62、部分長燃料棒有効長上端位置を１５／２４、燃料棒直径を10.10mm とした１０×１０燃料棒集合体において、燃料棒被覆管肉厚、水ロッド全横断面積及び標準燃料棒全横断面積をパラメータとし、 (1)式〜 (3)式を満足する領域を示したものである。
【００５１】
この場合、燃料集合体内の横断面積は17892mm２、標準燃料棒と部分長燃料棒の横断面積の総和は 7291mm２である。炉心安定性及び領域安定性に関しては制限曲線よりも下の領域、経済性に関しては制限曲線よりも上の領域が各数式を満足する領域であり、これら３本の制限曲線で囲まれる領域が、炉心安定性制限、領域安定性制限、経済性制限のすべてを満足する燃料集合体を表す。実際にはこの１０×１０燃料集合体内に配置可能な水ロッドの最大全横断面積は燃料棒９本に相当するため最大でも約 1500mm２に制限される。
【００５２】
同図においては、燃料棒被覆管肉厚0.65mmの場合、３つの制限すべてを満足する領域のうち最も燃料経済性が優れている領域は炉心安定性制限曲線と領域安定性制限曲線の交点付近であり、水ロッド全横断面積を約 1200mm２、部分長燃料棒の本数を６本とした場合である。逆に、炉心安定性、領域安定性の余裕拡大を主目的とした燃料集合体を考えるならば、水ロッド全横断面積を約 1100mm２、部分長燃料棒の本数を１２本とすればよい。
【００５３】
燃料棒被覆管肉厚を0.60mmとした場合には炉心安定性制限、領域安定性制限、経済性制限のすべてを満足する領域を拡大させることができる。この場合には、炉心安定性、領域安定性の余裕拡大を主目的とした燃料集合体を考えるならば、水ロッド全横断面積を約1100mm２、部分長燃料棒の本数を１６本とすればよい。
【００５４】
図７は、図６で規定される１０×１０燃料集合体の例として、チャンネルボックス１に囲まれた燃料棒群内に標準燃料棒２を８１本、燃料棒９本分の面積に相当する35.0mmの角管状太径水ロッド３、部分長燃料棒４を１０本配した１０×１０燃料集合体の横断面図を示したものである。この場合、水ロッドの全横断面積は 1217mm２、標準燃料棒の全横断面積は 6490mm２である。同図においては部分長燃料棒を１０本配置しているが、その配置場所に関しては核特性、熱水力特性の更なる向上を目的として最適化しても、前述のとおり、核熱水力安定性が悪くなる方向には作用し得ない。
【００５５】
図８は、１０×１０燃料集合体従来例よりも燃料棒直径を増加させた例として、チャンネルボックス内幅が 134.1mmのタイプの燃料集合体において、標準燃料棒有効長下端を基準とした部分長燃料棒上端高さと下部タイプレート下端高さの比を0.59、部分長燃料棒有効長上端位置を１４／２４、燃料棒直径を 10.26mm、燃料棒被覆管肉厚を0.66mmとした１０×１０燃料集合体において、燃料棒総本数、水ロッド全横断面積及び標準燃料棒全横断面積をパラメータとし、 (1)式〜 (3)式を満足する領域を示したものである。
【００５６】
図９は、図８で規定される１０×１０燃料集合体のうち燃料経済性制限に対する余裕が大きい燃料棒総本数９２本の例として、チャンネルボックス１に囲まれた燃料棒群内に標準燃料棒２を７８本、燃料棒８本分の面積に相当する24.9mmの水ロッド３を２本、部分長燃料棒４を１４本配した１０×１０燃料集合体の横断面図を示したものである。この場合、水ロッドの全横断面積は 974mm２、標準燃料棒の全横断面積は6449mm２である。
【００５７】
以上の実施例の炉心安定性、領域安定性の減幅比と燃料集合体当たりのウラン重量を１０×１０燃料集合体従来例と比較して表２に示す。同表より、実施例は、炉心不安定、領域不安定に至らずに１０×１０燃料集合体従来例より燃料経済性が向上していることを確認できる。
【００５８】
なお、本発明に係る燃料経済性の検討の基準は表１に示す１０×１０燃料集合体の従来例である。これは、ウラン重量増加のための好適な条件を表現するため、好適とされている従来例を基準としたに過ぎない。言いかえれば、本発明は核熱水力安定性余裕を確保した上でウラン重量の増加を可能とする好適な燃料集合体そのものである。従って、発明の燃料集合体の形状は、必ずしも基準とした従来例の延長である必要はない。実施例のように、例えば、水ロッドは複数本であってもよく、その形状も、例えば丸形であってもよい。
【００５９】
【表２】
2005134179.tif 000003
【００６０】
本発明は以上説明したとおり、部分長燃料棒を有する１０×１０燃料集合体において、核熱水力安定性余裕の確保を前提とし、表１に示す１０×１０燃料集合体従来例よりもウラン重量を増加させた１０×１０燃料集合体を設計することにより、燃料経済性を向上できるという効果を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】被覆管肉厚に対するウラン重量と炉心安定性と領域安定性との関係を示す特性図である。
【図２】燃料棒直径に対するウラン重量と炉心安定性と領域安定性との関係を示す特性図である。
【図３】部分長燃料棒本数に対するウラン重量と炉心安定性と領域安定性との関係を示す特性図である。
【図４】部分長燃料棒長さに対するウラン重量と炉心安定性と領域安定性との関係を示す特性図である。
【図５】水ロッド横断面積に対するウラン重量と炉心安定性と領域安定性との関係を示す特性図である。
【図６】水ロッド横断面積、部分長燃料棒本数、燃料被覆管肉厚と (1)式〜 (3)式の関係を示す特性図である。
【図７】図６で規定される１０×１０燃料集合体実施例を示す横断面図である。
【図８】水ロッド横断面積、部分長燃料棒本数、燃料棒全本数と (1)式〜 (3)式の関係を示す特性図である。
【図９】図８で規定される１０×１０燃料集合体実施例を示す横断面図である。
【図１０】部分長燃料棒を有する９×９燃料集合体従来例を示す横断面図である。
【図１１】角管太径水ロッドを有する９×９燃料集合体従来例を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…チャンネルボックス、
２…標準燃料棒、
３…太径水ロッド、
４…部分長燃料棒、
【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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