(57)【要約】【課題】沸騰水型原子炉の燃料集合体の除熱特性を改善することによって、燃料集合体の腐食を抑制し、耐久性を向上させる。【解決手段】核燃料を充填した複数の燃料棒２と、燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、複数の燃料棒２の側部外周を囲む筒状の金属製チャンネルボックス４とを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、チャンネルボックス４の内表面、燃料スペーサ、被覆管のいずれかの少なくとも上部に親水性の皮膜を施す。親水性の皮膜は、例えば金属酸化膜とする。【選択図】  図１
2005049134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料を充填した複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状の金属製チャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記チャンネルボックスの内表面の少なくとも上部に親水性の皮膜を施したこと、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項２】
核燃料を充填した複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、これらの上部タイプレートおよび下部タイプレートの間に複数個が互いに高さ方向に間隔をおいて配置されて前記複数の燃料棒の相互間の間隔を保持する金属製燃料スペーサと、前記複数の燃料棒および燃料スペーサの側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記複数の燃料スペーサのうちの少なくとも上部に配置されるものに親水性の皮膜を施したこと、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
請求項２に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料スペーサは前記燃料棒を弾性支持する弾性部材を有し、前記親水性の皮膜が、前記弾性部材に施されていること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項４】
金属製の被覆管の中に核燃料を充填した複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記複数の燃料棒の少なくとも一部の前記被覆管の表面の少なくとも上部に親水性の皮膜を施したこと、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項５】
請求項４に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
当該燃料集合体は内部に水の通る流路が形成された少なくとも１本の金属製ウォータロッドをさらに有し、
そのウォータロッドは、前記上部タイプレートおよび下部タイプレートによって上部および下部をそれぞれ保持されて前記複数の燃料棒と平行に、前記チャンネルボックスの内側に配置され、
前記複数の燃料棒は第１の燃料棒群と第２の燃料棒群とからなり、前記第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部が、前記第２の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部よりも親水性が高く、前記第１の燃料棒群が前記チャンネルボックスまたはウォータロッドに隣接する位置に配置されていること、
を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項６】
請求項４に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記チャンネルボックスの内表面の少なくとも上部が、前記燃料棒の被覆管の少なくとも上部の表面よりも親水性が低いこと、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項７】
筒状の金属製チャンネルボックスと、
このチャンネルボックス内に設けられて、チャンネルボックス内の空間を平行な複数の小流路およびそれらの小流路同士の間に形成されて冷却材が通る中仕切り流路とに分割する中仕切り壁と、
相互に間隔をあけて平行に配置されて、核燃料を充填した複数の燃料棒を有し、前記複数の各小流路内に配置された小燃料集合体と、
を有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記複数の燃料棒は第１の燃料棒群と第２の燃料棒群とからなり、前記第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部に親水性の皮膜を施してあり、その第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部が、前記第２の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部よりも親水性が高く、前記第１の燃料棒群が前記チャンネルボックスまたは中仕切り壁に隣接する位置に配置されていること、
を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項８】
筒状の金属製チャンネルボックスと、
このチャンネルボックス内に設けられて、チャンネルボックス内の空間を、平行な複数の小流路に分割する中仕切り壁と、
相互に間隔をあけて平行に配置され、核燃料を充填した複数の燃料棒を有し、前記複数の各小流路内に配置された小燃料集合体と、
を有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記複数の燃料棒は第１の燃料棒群と第２の燃料棒群とからなり、前記第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部に親水性の皮膜を施してあり、前記第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部が、前記第２の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部よりも親水性が高く、前記第２の燃料棒群が前記中仕切り壁に隣接する位置に配置されていること、
を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記親水性の皮膜は金属酸化物の皮膜であること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項１０】
請求項９に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記金属酸化物の皮膜は、光照射によって親水性が増す材料であること、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【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（ＢＷＲ）の炉心に装荷される燃料集合体に関し、特に伝熱特性を向上させた燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の水減速原子炉、特にその主流である軽水減速型原子炉において、原子力プラントの運転コスト低減、長期サイクル運転を実現するため、機能／特性の経年変化の小さな燃料集合体（燃料被覆管、燃料スペーサ、チャンネルボックス）が求められている。特に、炉内滞在期間の長期化による腐食増加と炉内放射化物の剥離による放射線被爆低減が課題となっている。
【０００３】
沸騰水型原子炉における、典型的な燃料棒集合体を図９に示す。ほぼ正方形断面を有する金属製の筒状のチャンネルボックス４内に、燃料棒２およびウォータロッド３の束が正方格子状に配置されている。各燃料棒２は、金属製の被覆管の中にペレット状の燃料を充填してなる。図９における燃料集合体は、ハンドル３５を有する上部タイプレート３７および下部タイプレート３６に、６０本の燃料棒２と、中心部に各４本の燃料棒２に相当する２本の太径ウォータロッド３が固定されている。
【０００４】
燃料棒２とウォータロッド３の相互間の水平方向間隔を一定に保持するため、燃料スペーサ１４が、鉛直方向に間隔をあけて複数個配置されている。さらに、燃料スペーサ１４によって束ねられた燃料棒２、ウォータロッド３をチャンネルボックス４によって取り囲んでいる。チャンネルボックス４は上部タイプレート３７に取り付けられ、下部タイプレート３６の外側面までを覆っている。
【０００５】
燃料スペーサ１４は、燃料棒２とウォータロッド３の相互間のギャップ、およびチャンネルボックス４と燃料棒２、ウォータロッド３間のギャップを保持し、燃料集合体の形状を維持するという重要な役割を持っている。一般的に燃料スペーサ設計では下記の（１）から（１０）の点の考慮がなされている。
【０００６】
（１）  燃料集合体の耐震性
（２）  燃料棒間隔の保持
（３）  燃料棒振動の抑制
（４）  燃料棒熱膨張のゆとり
（５）  燃料集合体の組立の容易さ
（６）  燃料棒との接触面積の最小化
（７）  熱的限界出力の最大化
（８）  燃料集合体の圧力損失の最小化
（９）  寄生的中性子吸収の最小化
（１０）部品点数の最小化
【０００７】
チャンネルボックス４内を冷却材が上向きに流れて、燃料棒２からの熱を除去する。燃料集合体内では、燃料棒２からの熱伝達により、冷却材は沸騰して蒸気と水の混じった二相流となって、下流側すなわち上方に進むにつれて蒸気割合（ボイド率）が増加する。軸方向中央から上部の区間では、断面に占める蒸気の割合は５０％を超え、蒸気流が高速で流れる二相流様式となっている。
【０００８】
その際、気相は主として、燃料棒間の比較的広い流路中を流れ、液相は一部が気相に随伴して流れ、その一部は燃料棒の表面やチャンネルボックス表面を液膜流として流れる。燃料棒の表面を流れる液相が減少すると、燃料棒の表面の熱伝達率が低下し（沸騰遷移（ＢＴ）開始）、過熱（バーンアウト）が起こるおそれがある。
【０００９】
燃料集合体の熱的限界は、核沸騰領域から遷移沸騰領域に移行する状態であり、その時の熱流束を限界熱流束と定義する。通常運転中の沸騰モードは核沸騰領域であり、この領域は安定した状態であり、燃料棒の表面（被覆管表面）温度は冷却材の飽和温度より数度高い程度の温度でほぼ一定に保たれる。一方、バーンアウト点を超えると、燃料棒の表面温度と冷却材の飽和温度との差（過熱度）が次第に大きくなり、熱伝達が不安定な沸騰状態になる。このバーンアウト点は実際に被覆管の熱的破損に結びつく限界点ではないが、燃料棒としては通常運転および単一故障の過渡変化中においても許容されない沸騰領域である。
このバーンアウト点は圧力、冷却材流量、燃料集合体形状、軸方向の出力分布、核燃料棒の出力分布等のパラメータに依存することが実験的に知られている。
【００１０】
炉心の熱的余裕に関する指標として現在用いられているものには次式に示すような限界出力比がある。
（限界出力比）＝（燃料集合体運転出力）／（燃料集合体運転出力）
【００１１】
設計指標としては、炉心内各位置の燃料集合体の最小の限界出力比を用いている。したがって、原子力プラントの運転コスト低減のためには、熱的限界出力の高い燃料集合体設計が求められており、ハード設計（燃料スペーサ、燃料棒などの設計）やソフト設計（燃料濃縮度分布、燃焼管理などの設計）の目的の一つになっている。
【００１２】
また、高速蒸気流にさらされるチャンネルボックス、燃料被覆管、燃料スペーサは、腐食と接触部のフレッティング損傷が避けられない環境に置かれている。したがって、今後の運転サイクルの長期化による燃料集合体の耐久性、経年変化の抑制は設計上の課題と考えられる。しかしながら、現行設計に対してさらに耐久性や経年変化の抑制を図る技術は知られていない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料集合体の炉内滞在期間長期化によって、腐食が増加し、それに伴って経年変化が生じる傾向にある。よって、腐食を抑制して、燃料集合体の耐久性を向上させて、燃料被覆管・チャンネルボックスの摩耗損傷の低減、放射線被爆の低減、流れの摩擦圧力損失増加の低減を図ることが求められている。さらに、材料表面と水との濡れ性を改善させた部材を適用して燃料集合体の性能向上を図ることが求められている。
【００１４】
沸騰水型原子炉で、出力運転時には安定した除熱性能を維持する基準として、前述のように沸騰遷移が用いられているが、燃料棒ごとの出力や周囲の冷却材の状態で変化しうるものである。燃料棒ごとに出力やその周囲の冷却材流束が異なるため沸騰遷移の生じる条件が燃料棒の位置で異なっており、特に燃料集合体の外周位置の燃料棒はチャンネルボックス側の減速材の存在によって集合体内部より出力が出やすく沸騰遷移が最も生じやすいため限界出力もそれによって低く制限されてしまう課題があった。
【００１５】
一方、沸騰水型原子炉では小さい燃料集合体（小集合体）４体を一定間隔を保って結束するタイプの燃料集合体も考案され一部実用化されている。しかし、このような小集合体を用いる燃料の場合には小集合体間に冷却材が集中しやすく、冷却上不利な面があった。したがって、このような沸騰遷移の生じやすい燃料棒の沸騰遷移の性能（限界出力）を向上し、より高い出力で運転可能ならしめることが求められている。
本発明は、かかる課題に対処するべくなされたもので、燃料集合体の除熱特性を改善することによって、腐食を抑制し、耐久性を向上させることを目的とする。
【００１６】
【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、核燃料を充填した複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状の金属製チャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記チャンネルボックスの内表面の少なくとも上部に親水性の皮膜を施したこと、を特徴とする。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、核燃料を充填した複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、これらの上部タイプレートおよび下部タイプレートの間に複数個が互いに高さ方向に間隔をおいて配置されて前記複数の燃料棒の相互間の間隔を保持する金属製燃料スペーサと、前記複数の燃料棒および燃料スペーサの側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料スペーサのうちの少なくとも上部に配置されるものに親水性の皮膜を施したこと、を特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明は、金属製の被覆管の中に核燃料を充填した複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記複数の燃料棒の側部外周を囲む筒状のチャンネルボックスとを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒の少なくとも一部の前記被覆管の表面の少なくとも上部に親水性の皮膜を施したこと、を特徴とする。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、筒状の金属製チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に設けられて、チャンネルボックス内の空間を平行な複数の小流路およびそれらの小流路同士の間に形成されて冷却材が通る中仕切り流路とに分割する中仕切り壁と、相互に間隔をあけて平行に配置されて、核燃料を充填した複数の燃料棒を有し、前記複数の各小流路内に配置された小燃料集合体と、を有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は第１の燃料棒群と第２の燃料棒群とからなり、前記第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部に親水性の皮膜を施してあり、その第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部が、前記第２の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部よりも親水性が高く、前記第１の燃料棒群が前記チャンネルボックスまたは中仕切り壁に隣接する位置に配置されていること、を特徴とする。
【００２０】
また、請求項８に記載の発明は、筒状の金属製チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に設けられて、チャンネルボックス内の空間を、平行な複数の小流路に分割する中仕切り壁と、相互に間隔をあけて平行に配置され、核燃料を充填した複数の燃料棒を有し、前記複数の各小流路内に配置された小燃料集合体と、を有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は第１の燃料棒群と第２の燃料棒群とからなり、前記第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部に親水性の皮膜を施してあり、前記第１の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部が、前記第２の燃料棒群の被覆管の表面の少なくとも上部よりも親水性が高く、前記第２の燃料棒群が前記中仕切り壁に隣接する位置に配置されていること、を特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜８を参照しながら本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の実施の形態を説明する。ここで、従来の技術と共通もしくは類似の部分および相互に共通もしくは類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【００２２】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施の形態を示す図である。本実施の形態では、チャンネルボックス２の内表面に親水性材料を被覆して親水性を持たせる。これにより、表面を流れる液膜流厚さを均一に薄くすることができ、液膜が高速の蒸気流により剥離されて非濡れ状態になるのを防ぐことができる。
【００２３】
沸騰水型原子炉内の燃料集合体の二相流流動様式を図２に概念的に示す。入口で液単相流の流れが燃料棒からの熱により温度上昇して沸騰を始め、気泡流、環状流へと流動様式が変化する。気泡流は液相中に分散して蒸気泡が流れ、一方、環状流では、蒸気相中を液滴が分散して流れ、流路壁に液膜が流れるという流動様式を示す。本発明では、環状流様式を対象にするので、本実施の形態の被膜形成位置は軸方向１／２以上で十分環状流を包含する。
【００２４】
固体表面に付着する液体の接触角θに関する表面の力のバランスはＹｏｕｎｇの式により次のように表すことができる。
ｒｓ＝ｒＳＬ＋ｒＬｃｏｓθ
ここで、ｒｓは固体の表面張力、ｒＳＬは固−液界面張力、ｒＬは水の表面張力である。濡れ性の良い固体表面では、接触角θが２０゜より小さくなる。
【００２５】
接触角の小さな条件として考えられるのは、上式より表面張力ｒｓの大きな固体材料（例えばタングステン）が考えられる。また、金属製のチャンネルボックスを加熱してその表面を酸化する方法もある。
【００２６】
他の方法として、イオン注入により活性化する方法、表面に細かな粗さを付加して表面積を増加する方法、濡れ性の向上した金属酸化物、例えば、酸化チタンなどを用いることができる。さらに、酸化チタン等の金属酸化物に光を照射し、光触媒反応を起こさせて、さらに親水化することもできる。
【００２７】
なお、チャンネルボックスは細長い形状であるから、全体に親水性材料被膜を形成するのは困難である。一方、上述のように、チャンネルボックスの上部の軸方向長さの１／２以上に被膜を形成すれば、環状流領域を充分に包含できる。
【００２８】
本実施の形態では、親水性材料被膜をチャンネルボックス内面に施すことにより、水と壁面との付着エネルギーが増加して、高ボイド率二相流条件で非濡れ領域を生じにくくなるという効果が得られる。
なお、ここで説明した親水性材料被膜の例およびその形成方法の例は、以下に説明する他の実施の形態にも同様に適用できる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態として沸騰水型原子炉燃料集合体の燃料スペーサ１４を示す図である。この図では、２本の燃料棒２と１本のウォータロッド３が挿入された状態で示している。燃料スペーサ１４では、支持バンド１１内に燃料棒２を挿通させる燃料棒挿通路をそれぞれ独立に形成する環状フェルール１３が配列されている。
【００３０】
環状フェルール１３は燃料棒２と同数が正方格子状に配列して束ねられ、環状フェルール１３の束の外周を帯状の支持バンド１１で取り囲んで燃料スペーサ１４が構成されている。また、燃料棒２の束がチャンネルボックス４（図１等参照）の特定方向に著しく片寄ることがないように、支持バンド１１にはチャンネルボックス４の内面と接するバスタブ（西洋風風呂桶状の突起）１７が支持バンド１１の側面から突出するようにして形成されている。
【００３１】
本実施の形態では、チャンネルボックス４の内壁面と接触するバスタブ１７、燃料棒２と接触するスプリング２１、ストップ２２に親水性の被膜２０を施す。被膜２０を被覆して親水性を持たせることにより、表面を流れる液膜流厚さを均一に薄くし、液膜が高速の蒸気流により剥離されて非濡れ状態になることを防止する。その結果、接触部の水膜が接触摩擦を低減し、環状流の高ボイド率条件の高流速条件にさらされる接触部の機械的摩耗損傷が低減する。
【００３２】
［第３の実施の形態］
図４（ａ）は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第３の実施の形態を示すもので、燃料棒２の被覆管４３の外表面に、親水性材料からなる被膜を付着したことを特徴とする。この図は、ドライアウト状態近傍における、本実施の形態の被覆管４３の表面を流れる液膜流を概念的に示す。図に示すように、被覆管４３の近くに蒸気と液滴の混じった二相流４７が上向きに流れている。
【００３３】
この実施の形態によれば、燃料被覆管４３の表面に親水性材料を用いることにより、被覆管４３の表面を流れる液膜流４６が滑らかに流れて液膜流４６の表面からの液滴の再剥離を防止できる。これにより、熱的限界出力を高くすることができる。また、液膜が乾いて表面がドライ（非濡れ）状態になった後において、蒸気中に随伴された液滴が表面を濡らすため、沸騰伝熱により熱を奪い、蒸発潜熱により効率的に冷却することができる。
【００３４】
また、図４（ｂ）は、従来技術の被覆管の表面を流れる液膜流４６を示す。図４（ｂ）に示すように、従来技術の被覆管４３では、液膜流４６の表面が波状になり、液膜流が低下して一部に非濡れ領域（ドライアウト領域）４５が生じるような条件が考えられるが、本実施の形態の被覆管では、そのような条件でも、図４（ａ）に示すように、水の付着エネルギーが増加しているため、滑らかな薄い液膜が形成される。このため、液膜流の破断が生じ難くなる。濡れ性向上により薄い液膜流が効果的に形成される範囲は、長くても軸方向高さ１／２より下流側（上方側）までに限定することができる。
【００３５】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第４の実施の形態の水平断面を示す図である。この燃料集合体では、１０行１０列の正方格子状に、９２本の燃料棒５１、５２と２本の丸型ウォータロッド３が配列されている。ウォータロッド３は円形であり、１本当り燃料棒の４本分の位置を占めるものが中心部に２本配置される。
【００３６】
燃料棒には、第１の燃料棒５１と第２の燃料棒５２の２種類がある。第１の燃料棒５１の被覆管表面は第２の燃料棒５２の被覆管表面に比べて親水性が高くなるように構成されている。例えば、第１の燃料棒５１の被覆管表面には親水性を高めるための特別の処理（例えば酸化膜の形成）を行ない、第２の燃料棒５２の被覆管表面にはかかる処理を行なわない。図示のように、第１の燃料棒５１は３４本あって、４隅位置を除く最周辺位置と、２本のウォータロッド３にはさまれた位置に配置されている。第２の燃料棒５２は６０本あって、その他の場所、すなわち、４隅位置と、最周辺位置より内側の位置に配置されている。
【００３７】
減速材はチャンネルボックス４の内外を流れるが内部は沸騰し蒸気ボイドが一定割合で含まれている。またチャンネルボックス４の外部とウォータロッド３の内部は沸騰しておらず蒸気ボイドが生じていない。チャンネルボックス４に近接する位置は減速材が多いため燃料棒２の出力が高くなりやすいが、最周辺位置の燃料棒の親水性が高められているため、この位置の燃料棒は親水性を高めない場合よりも沸騰遷移の発生する出力を大きくできる。この結果、集合体の限界出力が向上する。なお、４隅の位置では、通常、燃料棒出力が大きくならないように燃料棒の濃縮度が低く設定され沸騰遷移が発生しにくい。このため、親水性の高くない第２の燃料棒５２とした。もちろん、この４隅の位置に親水性の高い第１の燃料棒５１を配置しても良い。
【００３８】
［第５の実施の形態］
図６は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第５の実施の形態の水平断面を示す図である。この燃料集合体では、１０行１０列の正方格子状に、複数の燃料棒５１、５２と１本のウォータロッド５５が配列されている。このウォータロッド５５の水平断面はほぼ正方形であり、燃料棒５１、５２の３行３列分の位置を占めるものが燃料集合体の中心近くに配置される。
【００３９】
第４の実施の形態と同様に、燃料棒には、第１の燃料棒５１と第２の燃料棒５２の２種類があり、第１の燃料棒５１の被覆管表面は第２の燃料棒５２の被覆管表面に比べて親水性が高くなるように構成されている。
【００４０】
図示のように、第１の燃料棒５１のうちの３２本は４隅位置を除く最周辺位置にあり、８本は角型ウォータロッド５５に隣接する位置に配置されている。また、第２の燃料棒５２は、その他の場所、すなわち、４隅位置と、最周辺位置より内側の位置に配置されている。このような中心部に大きなウォータロッド５５を持つ燃料集合体では、ウォータロッド５５に隣接する位置も燃料棒出力が高まりやすいが、ここに第１の燃料棒５１を配置することにより、沸騰遷移の発生を抑制できる。
【００４１】
図示の例では４隅の位置は第１の燃料棒５１としたが、第４の実施の形態と同様に、この４隅の位置を第２の燃料棒５２としても実質上限界出力は影響されないので、このような構成としても良い。
【００４２】
［第６の実施の形態］
図７は本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第６の実施の形態の水平断面を示す図である。この燃料集合体では、ほぼ正方形断面のチャンネルボックス４内に中仕切り壁（内部チャンネル壁）５６が配置されて、これにより、互いに平行なほぼ同じ大きさのほぼ正方形断面の４個の小流路７０が形成されている。小流路７０は２行２列に配列され、各小流路７０を仕切る中仕切り壁５６にはさまれて水平断面が十字状の中仕切り流路５７が形成されている。中仕切り流路５７内では、減速材が、沸騰せずに液単相の状態で上方に向かって流れる。
【００４３】
各小流路７０内には、５行５列に燃料棒５１、５２が配列されてそれぞれが小集合体を構成している。各小集合体には、９本の第１の燃料棒５１と１６本の第２の燃料棒５２が含まれる。第１の燃料棒５１の被覆管表面は第２の燃料棒５２の被覆管表面に比べて親水性が高くなるように構成されている。第１の燃料棒５１は、チャンネルボックス４に隣接する最周辺位置のうちの角部を除く位置と、中央の角部に配置され、その他の位置には第２の燃料棒５２が配置されている。
【００４４】
この実施の形態のような中仕切り流路５７がある場合、それに隣接する位置で特に中央部では燃料棒の出力が大きくなりやすいため、第１の燃料棒５１を配置している。なお中央の角部に隣接して配置する第１の燃料棒５１は４本としたが、中仕切り壁５６に隣接する他の位置にも第１の燃料棒５１を配置しても良い（図示せず）。
【００４５】
さらに、この実施の形態の変形例として、ウォータロッドを配置する場合は、ウォータロッドに隣接する位置にも第１の燃料棒５１を配置しても良い（図示せず）。
【００４６】
［第７の実施の形態］
図８は本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第７の実施の形態の水平断面を示す図である。この燃料集合体では、第６の実施の形態（図７）とほぼ同様に、ほぼ正方形断面のチャンネルボックス４内に中仕切り壁７６が配置されて、これにより、互いに平行なほぼ同じ大きさのほぼ正方形断面の４個の小流路７０に分割されている。小流路７０は２行２列に配列されている。この実施の形態では、各小流路７０を仕切る中仕切り壁５６は単純な十字状の板であって、第６の実施の形態のような中仕切り壁にはさまれた中仕切り流路５７（図７）は存在しない。
【００４７】
各小流路７０内には、８行８列の正方格子状に燃料棒５１、５２が配列されている。さらに、それぞれ２本のウォータロッド３があって、各ウォータロッド３が燃料棒４本分の場所を占めている。１本のウォータロッド３は中仕切り壁７６が交差する隅部にあり、もう１本のウォータロッド３は小流路７０の中央に配置されている。
【００４８】
燃料棒は、通常の第１の燃料棒５１と親水性の低い第２の燃料棒５２からなる。このうち第２の燃料棒５２を中仕切り壁７６に隣接する位置に配置する。この燃料集合体の４隅位置および中仕切り壁７６の隣接位置８箇所には燃料有効長が短い短尺燃料棒５８が配置されている。中仕切り壁７６は板状であって、材質はチャンネルボックス３と同じ金属製とする。
【００４９】
この実施の形態の場合、第６の実施の形態（図７）と違って中仕切り流路がなく、中仕切り壁７６の近傍にも蒸気ボイドが一定割合で含まれている。このような位置に親水性の低い第２の燃料棒５２を配置すると、小集合体間では液膜剥離が生じやすく、この領域の蒸気ボイドの割合が燃料集合体平均の値より大きくなる。このことは一方で小集合体での蒸気ボイド率が高まることを意味する。すなわち燃料集合体の最周辺位置の蒸気ボイド率は低下し限界出力は高められる効果がある。
【００５０】
以上説明した各実施の形態において、親水性材料として、酸化物半導体、例えば酸化チタンをコーティングした表面を用いると、原子炉内のチェレンコフ光などの光照射により酸化チタン表面が励起され、超親水性になる。
【００５１】
金属酸化物としては、ＴｉＯ２、ＰｂＯ、ＢａＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＭｎＴｉＯ３、ＳｎＯ２が知られている。その中で酸化チタンなどは、可視光を含む低い光エネルギーにより、光触媒反応を誘起することで親水性の特性が飛躍的に増大し、超親水性となるので、特に好適である。
【００５２】
親水性材料の被膜厚さについては、摩耗性を考慮すると０．１μｍ以上にする必要があり、伝熱性を考慮すると１０μｍ以下にする必要がある。したがって、０．１〜１０μｍを有することが好ましい。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、沸騰水型原子炉の燃料集合体の除熱特性を改善することによって、燃料集合体の腐食を抑制し、耐久性を向上させることができる。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施の形態の横断面図。
【００５６】
【図２】沸騰水型原子炉燃料集合体の一般的な軸方向流動様式を示す概念図。
【００５７】
【図３】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第２の実施の形態の燃料スペーサに１本のウォータロッドと２本の燃料棒が貫通した状態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【００５８】
【図４】原子炉運転時の燃料被覆管の表面の液膜の状況を模式的に示す斜視図であって、（ａ）は本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第３の実施の形態の燃料被覆管の状況を示す図、（ｂ）は従来の燃料被覆管の状況を示す図。
【００５９】
【図５】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第４の実施の形態の横断面図。
【００６０】
【図６】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第５の実施の形態の横断面図。
【００６１】
【図７】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第６の実施の形態の横断面図。
【００６２】
【図８】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第７の実施の形態の横断面図。
【００６３】
【図９】一般的な沸騰水型原子炉用燃料集合体の模式的立断面図。
【００６４】
【符号の説明】
１…本発明の金属酸化物被膜、２…燃料棒、３…ウォータロッド、４…チャンネルボックス、９…冷却材（蒸気と液滴の流れ）、１１…燃料スペーサバンド、１３…円筒セル、１４…燃料スペーサ、１７…バスタブ、１８…スプリング拘束体、１９…フロータブ、２０…本発明の被膜形成位置、２１…燃料スペーサスプリング母材、３５…ハンドル、３６…下部タイプレート、３７…上部タイプレート、３８…ネットワーク部、３９…燃料スペーサ、４０…下部端栓、４１…ネットワーク部、４２…冷却材の流れ、４３…被覆管、４５…非濡れ領域、４６…液膜流、４７…蒸気と液滴の混じった二相流流れ、５１…第１の燃料棒、５２…第２の燃料棒、５６…中仕切り壁、５７…中仕切り流路、５８…部分長燃料棒、７０…小流路、７６…中仕切り壁。
【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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