(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンネルボックス内に燃料棒が正方格子状に配列されて炉心に充填される軽水炉用の燃料集合体において、
燃料棒はＮ×Ｎ本の正方格子状に配列され、
前記燃料棒のチャンネルボックス内中央部の［（Ｎ＋１）／２］×［（Ｎ＋１）／２］本分の領域には角筒状の水ロッドが配置され、
前記Ｎは１２以上の整数であり、
前記［（Ｎ＋１）／２］は、実数（Ｎ＋１）／２を超えない最大の整数であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
チャンネルボックス内に燃料棒が正方格子状に配列されて炉心に充填される超臨界圧軽水炉用の燃料集合体において、
燃料棒はＮ×Ｎ本の正方格子状に配列され、
前記燃料棒のチャンネルボックス内中央部の［（Ｎ＋１）／２］×［（Ｎ＋１）／２］本分の領域には角筒状の水ロッドが配置され、
前記Ｎは１２以上の整数であり、
前記［（Ｎ＋１）／２］は、実数（Ｎ＋１）／２を超えない最大の整数であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
隣り合う前記各々の燃料棒間の間隙が１．５ｍｍ以下である請求項１または２記載の燃料集合体。
【請求項４】
前記燃料棒が１６×１６本の正方格子状に配列された際に、隣り合う各々の燃料棒間の間隙が１．３ｍｍである請求項３記載の燃料集合体。
【請求項５】
前記正方格子状に配置された最外周の燃料棒であり、前記チャンネルボックスの外周の角部に配置される前記燃料棒およびこれに隣接する前記燃料棒の少なくとも３本の燃料棒が可燃性毒物入り燃料棒である請求項１または２記載の燃料集合体。
【請求項６】
前記各々の燃料棒において、炉心軸方向上端から燃料有効長の１／６の長さの部分の核分裂性物質濃度が０．２〜０．７１ｗｔ％である請求項１または２記載の燃料集合体。
【請求項７】
燃料有効長の炉心軸方向上端から燃料有効長の１／４の長さの部分の核分裂性物質濃度がそれ以外の部分の核分裂性濃度より１ｗｔ％以上低い請求項１または２記載の燃料集合体。
【請求項８】
燃料棒の濃縮度分布と可燃性毒物入り燃料棒の配置とが、１／４対角対称性をもつ請求項５記載の燃料集合体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか記載の燃料集合体を炉心に装荷した原子炉において、正方格子状に配置された４体１組の燃料集合体の中心に制御棒が１体各組毎に配置され、前記４体１組の燃料集合体の各燃料棒のサイクル数がほぼ等しいことを特徴とする原子炉。
【請求項１０】
前記炉心の外周側に反応度の高い初期の燃料サイクルの燃料で構成された燃料集合体が２列配置されるとともに、炉心の中央部に反応度の低い燃焼の進んだ燃料サイクルの燃料集合体が配置され、炉心の外周側から中央部に至る領域に燃料集合体が、燃料サイクルが炉心周方向に２列ずつ層状になるように配置された請求項９記載の原子炉。
【請求項１１】
前記炉心を流れる冷却水の流量区分が炉心径方向に少なくとも高中低３区分に区別されるとともに、前記炉心の最外周から２列に装荷される前記燃料集合体の流量区分が少なくとも２区分からなる請求項９記載の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽水炉用の燃料集合体に関し、特に、冷却材として超臨界圧水が用いられる超臨界圧軽水炉用の燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、冷却材として超臨界圧水を用いた超臨界圧軽水炉の開発が行われている。超臨界圧軽水炉は、冷却水として、高温高圧の超臨界圧水（５００℃、２５ＭＰａ）を冷却材として使用した原子炉である。超臨界圧軽水炉では、燃料集合体は、従来の軽水炉よりも２００度以上高い温度領域で使用されるため、燃料集合体の健全性を保つために局所での温度上昇量の低減が要求されていた。
【０００３】
そこで、超臨界圧軽水炉において燃料集合体の出力分布を平坦化するために、燃料集合体の内部や外周部に水ロッドを配置する方法が提案されてきた（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２９４８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
軽水炉（特に超臨界圧軽水炉）における燃料集合体の出力分布を平均化するためには、燃料集合体の形状の最適化、集合体形状にあわせた濃縮度分布の設定及び原子炉における燃料集合体配置が重要であるが、これらを合わせた包括的な検討はなされていないのが現状である。
【０００５】
本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、軽水炉（特に超臨界圧軽水炉）において、燃料集合体の所要濃縮度を低減させること、被覆管温度を低減させること、及び、燃料集合体の冷却材出口付近の冷却材温度を均一化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料集合体は、請求項１及び２に記載したように、チャンネルボックス内に燃料棒が正方格子状に配列されて炉心に充填される軽水炉用または超臨界圧軽水炉用の燃料集合体において、燃料棒はＮ×Ｎの正方格子状に配列され、前記燃料棒のチャンネルボックス内中央部の［（Ｎ＋１）／２］×［（Ｎ＋１）／２］本分の領域には角筒状の水ロッドが配置され、前記Ｎは１２以上の整数であり、前記［（Ｎ＋１）／２］は、実数（Ｎ＋１）／２を超えない最大の整数であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る原子炉は、請求項９に記載したように、請求項１または２記載の燃料集合体を炉心に装荷した原子炉において、正方格子状に配置された４体１組の燃料集合体の中心に制御棒が１体各組毎に配置され、前記４体１組の燃料集合体の各燃料棒のサイクル数がほぼ等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料集合体によると、軽水炉または超臨界圧軽水炉において、燃料集合体の所要濃縮度を低減すること、被覆管温度を低減すること、及び、燃料集合体の冷却材出口付近の冷却材温度を均一化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る燃料集合体の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【００１０】
〔第１実施形態〕
図１〜図５は、本発明に係る燃料集合体の第１実施形態を示す図である。
【００１１】
第１実施形態の燃料集合体１は、図１に示すように、角筒状のチャンネルボックス２を備える。チャンネルボックス２の内部には、多数の燃料棒３が炉心軸方向に延設されて正方格子状に配置され、チャネルボックス２内の炉心径方向中央部に炉心軸方向に延びる角筒状の水ロッド４が配置される。
【００１２】
第１実施形態では、例えば、燃料棒３が１６×１６本の正方格子状に配置されるとともに水ロッド４が燃料棒３の８×８本分の大きさのスペースを占めるように配置される。すなわち、燃料集合体１には、例えば１９２本の燃料棒２３が配置される。１９２本とは、１６×１６本から水ロッド４が配置されるスペースである８×８本を除いた数である。
【００１３】
ここで、燃料集合体１の１辺当りの燃料棒３の本数（以下、燃料棒本数と言う）をＮとし、水ロッド４の１辺の長さに相当する炉心設置状態での燃料棒３の相当本数（以下、水ロッド対応本数と言う）をＭとする。
【００１４】
図２に、燃料棒本数Ｎ毎の、水ロッド対応本数Ｍと、一定期間の燃焼（例えば取出平均燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ）を行うために必要な初期濃縮度（以下、所要濃縮度と言う）との関係を示す。
【００１５】
図２から、所要濃縮度を最小にする燃料棒本数Ｎと水ロッド対応本数Ｍとの関係が、
［数１］
Ｍ＝［（Ｎ＋１）／２］          ……（１）
（ここで、［Ｘ］は実数Ｘを超えない最大の整数を表す。）
であることがわかる。
【００１６】
ここで、水ロッド４内の冷却水は相反する二つの効果を有している。一つは、高速中性子を熱中性子にまで減速する減速材としての働きにより生じる所要濃縮度を下げる効果である。もう一つは、中性子から熱エネルギーを吸収する吸収材としての働きにより生じる所要濃縮度を上げる効果である。
【００１７】
中性子の減速材としての効果が水ロッド４の大きさが大きくなると飽和するのに対し、中性子の吸収材としての効果は水ロッド４の大きさが大きくなるのに比例して大きくなる。すなわち、水ロッド４は、水の量が少なくなると減速材としての働きによる効果が大きくなり、水の量が大きくなると吸収剤としての働きによる効果が大きくなる。
【００１８】
したがって、所要濃縮度を最小にする観点から、燃料棒本数Ｎと水ロッド対応本数Ｍとは最適な関係が存在し、その関係が式（１）に示すような関係であることがわかる。
【００１９】
また、図３は、所要濃縮度（７．４、７．６、７．８、８．０、８．２、８．４ｗｔ％）毎の、隣り合う燃料棒３間の間隙と燃料棒本数Ｎとの関係を示したものである。図３によると、隣り合う燃料棒３間の間隙が広くなるにつれて、所要濃縮度が小さくなっているとともに、所要濃縮度の、隣り合う燃料棒３間の間隙に対する依存性が小さくなることがわかる。なお、隣り合う燃料棒３間の間隙は、間隙保持スペーサによって保持される。
【００２０】
隣り合う燃料棒３間の間隙と所要濃縮度とを小さくするとともに燃料棒本数Ｎを大きくすることが望まれていることを考慮すると、図３より、燃料棒３間の間隙を１．３ｍｍ、燃料棒本数Ｎを１６本とすることが最も好ましいことがわかる。
【００２１】
図４は、被覆管表面温度の、指標となる被覆管表面における温度上昇量の基準値との比（０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３）毎に、隣り合う燃料棒３間の間隙と燃料棒本数Ｎとの関係を示したものである。この温度上昇量の基準値との比が１以下となる範囲Ｆ（図４において斜線で塗りつぶした範囲）が、被覆管表面温度を低減できる範囲である。
【００２２】
図４によると、燃料棒間隙を１．５ｍｍ以下とすることにより、被覆管表面温度を低減できることがわかる。
【００２３】
図５に、第１実施形態の燃料集合体１の他の例として燃料集合体１Ａを示す。燃料集合体１Ａのチャンネルボックス２Ａを成形する際に必要な強度を維持しつつ角部Ａを角ばらせることが困難であるため、実際には、図５に示すように、チャンネルボックス２Ａの角部Ａを緩やかに湾曲させることが多い。そのように角部Ａが湾曲している場合であっても、上記の燃料棒３の一辺の本数Ｎと水ロッド４の一辺の長さＭとの関係を当てはめることができる。
【００２４】
第１実施形態に係る燃料集合体１、１Ａによると、水ロッド４の大きさを燃料棒３の本数から決定することにより、被覆管温度を低減させ、燃料集合体１、１Ａの冷却水出口付近での冷却材温度を均一化させることが可能となる。
【００２５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料集合体の第２実施形態を、図６〜図９に基づいて説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２６】
第２実施形態の燃料集合体１Ｂは、図６に示すように、角筒状のチャンネルボックス２の内部に、燃料棒３が炉心径方向に正方格子状に配置され、角筒状の水ロッド４が炉心径方向中央部に配置される。
【００２７】
第２実施形態では、第１実施形態と同様に、例えば燃料棒３が１６×１６の正方格子状に配置され、水ロッド４が燃料棒３の８×８本分の大きさで形成される。
【００２８】
図７は、燃料集合体１Ｂで使用される燃料棒３の燃料棒タイプＵ１、Ｇ１、Ｇ２の、燃料棒３の炉心軸方向の濃縮度分布を示したものである。図６に示した燃料棒タイプＵ１、Ｇ１、Ｇ２は、図７に示した燃料棒タイプＵ１、Ｇ１、Ｇ２にそれぞれ対応している。
【００２９】
燃料タイプＵ１は、炉心軸方向の下部から、Ｃ領域（図７の燃料棒有効長を２４区分した場合の１〜１８内の領域）がウラン濃縮度８．５ｗｔ％の濃縮ウラン、Ｄ領域（図７の燃料棒有効長を２４区分した場合の１９〜２２内の領域）がウラン濃縮度９．５ｗｔ％の濃縮ウラン、Ｅ領域（図７の燃料棒有効長を２４区分した場合の２３〜２４内の領域）がウラン２３５を０．７１ｗｔ％含んだ天然ウラン（または劣化ウラン）で満たされる。
【００３０】
また、燃料タイプＧ１は、Ｃ領域が濃度３．０ｗｔ％のガドリニアを含んだウラン濃縮度９．５ｗｔ％の濃縮ウラン、Ｄ領域が濃度３．０ｗｔ％のガドリニアを含んだのウラン濃縮度８．５ｗｔ％の濃縮ウラン、Ｅ領域がウラン２３５を０．７１ｗｔ％含んだ天然ウラン（または劣化ウラン）で満たされる。
【００３１】
また、燃料タイプＧ２は、Ｃ領域が濃度１５．０ｗｔ％のガドリニアを含んだウラン濃縮度９．５ｗｔ％の濃縮ウラン、Ｄ領域が濃度１５．０ｗｔ％のガドリニアを含んだのウラン濃縮度８．５ｗｔ％の濃縮ウラン、Ｅ領域がウラン２３５を０．７１ｗｔ％含んだ天然ウラン（または劣化ウラン）で満たされる。
【００３２】
なお、図７の右端に、各ノードのウラン２３５の濃度（ウラン濃縮度）の平均値を示している。
【００３３】
また、第２実施形態では可燃性毒物としてガドリニウム（Ｇｄ）を用いているが、ヨーロピウム（Ｅｕ）、アメリシウム（Ａｍ）等の他の可燃性毒物を用いてもよい。
【００３４】
燃料集合体１Ｂの炉心径方向の核分裂性物質濃度分布及び可燃性毒物の濃度分布は、１／４対角対称性を備えている。この様に燃料棒３を対角対称性をもたせて配置すると燃料集合体１Ｂ内の出力分布を平坦化することが可能となり、局所的な被覆管表面温度の上昇を抑えることができる。
【００３５】
燃料集合体１Ｂの炉心径方向の角部（コーナー部）Ａにおいて、少なくとも３本の可燃性毒物入り燃料棒Ｇ２が角部Ａ外周を囲うようにＬ字状に配置される。可燃性毒物入り燃料棒Ｇ２を隣り合わせて配置すると、お互いの遮蔽効果により可燃性毒物による反応度抑制効果を保持できる期間を延長することができ、炉停止余裕の改善及び出力分布の改善の効果が得られる。
【００３６】
可燃性毒物入り燃料棒Ｇ２において可燃性毒物の濃度を高めることにより可燃性毒物による反応度抑制効果を得ることができる。しかしながら、可燃性毒物の濃度を上げることにより、熱伝達特性が劣化したり、核分裂性物質の減少分を補償するために所要濃縮度を高める必要が生じたりする等のデメリットがあるため、可燃性毒物の濃度を上げることは好ましくない。
【００３７】
また、特に超臨界圧軽水炉では、図８に示すように、炉心軸方向における冷却材温度が大きく変化する。冷却材温度が低い炉心下部の出力割合を高め、冷却材温度が超臨界温度（約４００℃、圧力２５ＭＰａの場合）を超えた領域（図８の、炉心軸方向ノード位置１６〜２４付近）での出力を下げることにより、被覆管表面最高温度を低下させ得ることがわかった。
【００３８】
このため、燃料棒３の炉心軸方向上端から燃料有効長の１／４下がった範囲（炉心軸方向ノード位置１８〜２４）のウラン濃縮度を下げている。
【００３９】
なお、燃料棒３の炉心軸方向上部に天然ウラン（または劣化ウラン）の上部ブランケット（図７の領域Ｅ）を設けて、核分裂性物質濃度を０．２〜０．７１ｗｔ％にすることにより、被覆管表面温度の高くなりやすい上部の被覆管表面温度を下げることが可能である。
【００４０】
図８において示していないが、上部ブランケットの長さを燃料有効長の１／２４とした場合には、燃料棒３の炉心軸方向中央部において被覆管表面温度が高くなってしまうため、上部ブランケットの長さは、燃料有効長の２／２４以上とすることが望ましい。
【００４１】
しかし一方で、炉心軸方向上部の出力が下がると他の部分の出力があがり、他の部分の被覆管表面温度が上がってしまうことも考慮する必要がある。
【００４２】
図９に、上部ブランケット長さと被覆管表面最高温度との関係を示す。
【００４３】
図９によると、上部ブランケットの長さを燃料有効長の１／６（図９のブランケット長さが燃料有効長の約０．１６倍）とすると被覆管表面最高温度の低下が飽和してしまった。よって、上部ブランケットの長さを燃料有効長の１／６以下とすることが望ましい。
【００４４】
第２実施形態では、上部ブランケットの長さを、被覆管表面最高温度の低下が飽和し始める長さである燃料有効長の２／２４、すなわち１／１２とした。
【００４５】
また、上部ブランケットの長さを燃料有効長の１／６以下とした。
【００４６】
第２実施形態に係る燃料集合体１Ｂによると、チャンネルボックス２の炉心径方向の角部Ａに可燃性毒物入り燃料棒Ｇ２を配置することにより、被覆管温度を低減させ、燃料集合体１出口での冷却材温度を均一化させることが可能となる。
【００４７】
また、燃料集合体１Ｂによると、上部ブランケットの長さを燃料有効長の１／６以下とすることにより、被覆冠表面最高温度を下げることができる。
【００４８】
〔第３実施形態〕
本発明に係る第１実施形態の燃料集合体１を装荷した原子炉を、第３実施形態として、図１０〜図１２を用いて説明する。
【００４９】
図１０に、第３実施形態の原子炉の炉心の燃料装荷の１／４炉心を示す。図１０において、制御棒位置を○で示すとともに、燃料サイクル数を１〜４に記号化して示している。
【００５０】
このとき、炉心の外周側に反応度の大きい初期の燃料サイクルの燃料集合体１を配置し、炉心の中央側に、反応度の小さい燃焼の進んだ燃料サイクルの燃料集合体１を配置するとよい。
【００５１】
図１０に示すように、制御棒の周りの４体１組の燃料集合体１の燃料サイクル数が等しくなるように装荷すると、横断面十字型の制御棒の操作により制御棒周りの４体１組の燃料集合体１の出力を調整し、炉心全体の出力分布を運転期間中、一定の形状に保つことが可能となる。
【００５２】
また、この出力分布形状に合わせて流量区分を変更することにより、冷却材の出口付近の温度分布を平坦化し、且つ被覆管表面温度を下げることができる。図１１に、原子炉の炉心の燃料装荷の１／４炉心の流量区分の例を示す。図１１は流量区分を３区分としたもので、高流量の区分を区分１、中流量の区分を区分２、低流量の区分を区分３として図に示している。
【００５３】
このとき、炉心の外周側において流量を低流量とし、炉心の中央側において流量を高流量とするとよい。また、外周側（例えば最外周の２列）において、中性子の漏れの量が少ない位置では炉の出力が高くなることを考慮しつつ、低流量の区分３と中流量の区分２との２区分からなるように設定するとよい。
【００５４】
図１２に、第１実施形態の燃料集合体１を炉心に装荷した原子炉における、３区分の流量区分をつけた場合（実線）と流量区分をつけない場合（破線）の冷却材出口温度の最高温度の推移を示す。３区分の流量区分をつけることにより冷却材出口温度の最高温度が約７５℃下がっていることがわかる。
【００５５】
第３実施形態の原子炉によると、制御棒の周りの４対の燃料棒３を集荷サイクル数が同じものに揃えることにより、または、冷却水に流量区分を設けることにより、冷却水出口付近の温度分布を平坦化しかつ被覆管表面温度を下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１実施形態を示す水平断面図。
【図２】第１実施形態の水ロッドの大きさと所要濃縮度との関係を示した図。
【図３】第１実施形態の燃料棒の本数と燃料棒の間隙と所要濃縮度との関係を示した図。
【図４】第１実施形態の燃料棒の本数と燃料棒の間隙と被覆管表面温度上昇量との関係を示した図。
【図５】第１実施形態の好適な燃料集合体の他の例を示す水平断面図。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第２実施形態を示す水平断面図（濃縮度分布）。
【図７】第２実施形態の燃料棒の炉心軸方向濃縮度分布を示した図。
【図８】冷却材温度及び被覆管表面温度の燃料棒の炉心軸方向分布を示した図。
【図９】被覆管表面最高温度と上部ブランケット長さとの関係を示した図。
【図１０】本発明に係る燃料集合体を炉心に装荷した原子炉の１／４炉心の燃料装荷パターンの例を示した図。
【図１１】本発明に係る燃料集合体を炉心に装荷した原子炉の１／４炉心の流量区分の例を示した図。
【図１２】本発明に係る燃料集合体を炉心に装荷した原子炉に流量区分を設けた場合及び設けない場合における冷却水出口付近の温度を示した図。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料集合体
２  チャンネルボックス
３  燃料棒
４  水ロッド
【図１】
0004559957.tif 000002
【図２】
0004559957.tif 000003
【図３】
0004559957.tif 000004
【図４】
0004559957.tif 000005
【図５】
0004559957.tif 000006
【図６】
0004559957.tif 000007
【図７】
0004559957.tif 000008
【図８】
0004559957.tif 000009
【図９】
0004559957.tif 000010
【図１０】
0004559957.tif 000011
【図１１】
0004559957.tif 000012
【図１２】
0004559957.tif 000013