(57)【要約】【課題】チャンネルボックスの強度を確保しながら、中性子の減速効率が燃料有効部の上方領域において低下することを抑制し、核燃料の経済性を向上させる。【解決手段】沸騰水型原子炉用燃料集合体は、格子状に配列された複数の燃料棒と、上部タイプレートと、下部タイプレートと、複数の燃料棒の周囲を包囲するように形成され、上部タイプレートおよび下部タイプレートそれぞれと結合するチャンネルボックス７とを備える。燃料集合体の燃料有効部の少なくとも上端までの上部領域を含む長手方向の範囲について、チャンネルボックス７の側面の水平方向の中央部に、チャンネルボックス隅部７ａの肉厚よりも肉厚の薄いチャンネルボックス薄肉部７ｂを設けている。チャンネルボックス７の内側の対面寸法はいずれの箇所においても一定であり、チャンネルボックス薄肉部７ｂは、上方に向かって単調に減少する肉厚を有することでもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子状に配列された複数の燃料棒と、
前記燃料棒の上部を互いに結束する上部タイプレートと、
前記燃料棒の下部を互いに結束する下部タイプレートと、
前記複数の燃料棒の周囲を包囲するように形成され、前記上部タイプレートおよび下部タイプレートそれぞれと結合するチャンネルボックスと、
を備える燃料集合体において、          
当該燃料集合体の燃料有効部の少なくとも上端までの上部領域を含む長手方向の範囲について、前記チャンネルボックスの側面の水平方向の中央部に、隅部の肉厚よりも肉厚の薄い薄肉部を設けた、
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】
前記チャンネルボックスの内側の対面寸法は、いずれの箇所においても一定であり、
前記薄肉部の肉厚は上方に向かう長手方向に単調に減少する、
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。
【請求項３】
前記薄肉部の肉厚分布は、当該チャンネルボックスの長手方向が横置き状態での自重による鉛直方向の撓み割合が、薄肉部を有しない以外は同一形状のチャンネルボックスの長手方向が横置き状態での自重による鉛直方向の撓み割合を超えないように決められている、ことを特徴とする請求項２に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項４】
前記薄肉部は、前記チャンネルボックス下端から前記チャンネルボックス上端まで連続的に変化する肉厚を有し、当該チャンネルボックスの長手方向が横置き状態での自重による鉛直方向の撓み割合が、薄肉部を有しない以外は同一形状のチャンネルボックスの長手方向が横置き状態での自重による鉛直方向の撓み割合を超えないように決められている、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。
【請求項５】
前記撓み割合は、長手方向の撓み角の絶対値の最大値をもって代えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項６】
格子状に配列された複数の燃料棒と、前記燃料棒の上部を互いに結束する上部タイプレートと、前記燃料棒の下部を互いに結束する下部タイプレートと、前記複数の燃料棒の周囲を包囲するように形成され、前記上部タイプレートおよび下部タイプレートそれぞれと結合するチャンネルボックスと、を有する複数の燃料集合体と、
前記燃料集合間に配設されガイドローラを有する制御棒と、
を備える沸騰水型原子炉であって、
前記燃料集合体の少なくとも１体は、
当該燃料集合体の燃料有効部の少なくとも上端までの上部領域を含む長手方向の範囲について、前記チャンネルボックスの側面の水平方向の中央部に、四隅の厚肉部の肉厚よりも肉厚の薄い薄肉部を設け、
前記ガイドローラは、前記厚肉部の外表面に接触可能に長手方向に移動する、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体およびこの燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電の経済性を向上させるために、核燃料の高燃焼度化や原子炉の単位体積当たりの出力増加が図られている。また、核燃料の経済性を向上させるために、燃料集合体当たりの核分裂性物質（たとえばウラン２３５）の装荷量を増加する方法が検討されている。
【０００３】
このウラン２３５の装荷量を増加させる方法として、他の同位体も含むウラン全体の装荷量を多くする方法の他、ウラン全体に占めるウラン２３５の濃縮度を高める方法がある。なお、このウラン２３５を高濃縮化してウラン燃料を高燃焼度化する取り組みは、商業炉において段階的に進められている。
【０００４】
図８に沸騰水型原子炉における燃料集合体１の構成の例を示す。燃料集合体１は複数本の燃料棒２と水ロッド３を燃料スペーサ４により水平方向間隔を一定にして正方格子状に束ねられている。
【０００５】
燃料棒２と水ロッド３の上下端は上部タイプレート５および下部タイプレート６で支持され、この燃料棒２の束が角筒状のチャンネルボックス７で覆われた構造である。
【０００６】
なお、チャンネルボックス７は軸方向にも長手方向にも均一な肉厚を有しており、これにより、沸騰水型原子炉の燃料集合体１においてチャンネルボックス７は下記機能を有している。
【０００７】
すなわち、（１）冷却材／減速材の流路の確保、（２）原子炉運転時及び地震時の制御棒挿入経路の確保、（３）地震時及び燃料取扱時の燃料束の保護、（４） 燃料チャンネルボックス７の外側領域（非沸騰領域）への漏洩流量の適正化、である。
【０００８】
図９は、チャンネルボックスの肉厚が一様な燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉の炉心において軸方向位置に対するボイド率の関係を示すグラフである。
【０００９】
沸騰水型原子炉においては、図９に示すように、元来、燃料有効部の上方領域のチャンネルボックス７の内側は沸騰領域となっているため、無限増倍率が低下しこの領域の燃料棒２の出力は燃料有効部中央領域に比べ低くなる。
【００１０】
図１０は、チャンネルボックスの肉厚が一様な燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉の炉心において軸方向位置に対する相対出力分布の例を示すグラフである。燃料棒２全長で見た場合、軸方向の出力分布は図１０に示すように燃料有効部の下方領域でピークとなる下膨らみの様相を呈しているため、燃料経済性を向上する上で好ましくない状況にある。
【００１１】
しかし、チャンネルボックス７の軸方向の肉厚を変え燃料有効部の上方領域での肉厚を薄くし、沸騰領域におけるバイパス流量を拡大することにより燃料棒２の軸方向出力分布を平坦化する例が特許文献１に示されている。
【００１２】
このようにチャンネルボックス７の燃料有効部の上方領域の近傍での肉厚を薄くすることにより、燃料集合体１の上部領域における無限増倍率の減少を抑え軸方向の出力分布の平坦化を狙った技術は燃料棒２の健全性の裕度を高めると共に燃料経済性の向上にも有効なものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５４−１４５８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、上述の従来技術は通常の原子炉運転時に燃料有効部の上方領域の無限増倍率の低下を抑止する観点から勘案されたものであり、チャンネルボックス肉厚分布については言及されていない。
【００１５】
そこで本発明は、チャンネルボックスの強度を確保しながら、中性子の減速効率が燃料有効部の上方領域において低下することを抑制することにより出力を平坦化し、核燃料の経済性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の目的を達成するため、本発明は、格子状に配列された複数の燃料棒と、前記燃料棒の上部を互いに結束する上部タイプレートと、前記燃料棒の下部を互いに結束する下部タイプレートと、前記複数の燃料棒の周囲を包囲するように形成され、前記上部タイプレートおよび下部タイプレートそれぞれと結合するチャンネルボックスと、を備える燃料集合体において、当該燃料集合体の燃料有効部の少なくとも上端までの上部領域を含む長手方向の範囲について、前記チャンネルボックスの側面の水平方向の中央部に、隅部の肉厚よりも肉厚の薄い薄肉部を設けた、ことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、格子状に配列された複数の燃料棒と、前記燃料棒の上部を互いに結束する上部タイプレートと、前記燃料棒の下部を互いに結束する下部タイプレートと、前記複数の燃料棒の周囲を包囲するように形成され、前記上部タイプレートおよび下部タイプレートそれぞれと結合するチャンネルボックスと、を有する複数の燃料集合体と、前記燃料集合間に配設されガイドローラを有する制御棒と、を備える沸騰水型原子炉であって、前記燃料集合体の少なくとも１体は、当該燃料集合体の燃料有効部の少なくとも上端までの上部領域を含む長手方向の範囲について、前記チャンネルボックスの側面の水平方向の中央部に、四隅の厚肉部の肉厚よりも肉厚の薄い薄肉部を設け、前記ガイドローラは、前記厚肉部の外表面に接触可能に長手方向に移動する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、チャンネルボックスの強度を確保しながら、中性子の減速効率が燃料有効部の上方領域において低下することを抑制し、核燃料の経済性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施形態に係るチャンネルボックスの概観を示す斜視図である。
【図２】チャンネルボックスの長さおよびチャンネルボックスの肉厚と、チャンネルボックスの撓み角との関係を示すグラフである。
【図３】チャンネルボックスの肉厚を減らした（薄肉化）した領域の長さＬ（ｍ）と撓み角を現行チャンネルボックス以下とするために必要な最小チャンネルボックス肉厚（所要肉厚）Ｔ（ｍｍ）との関係を示したグラフである。
【図４】チャンネルボックスの肉厚を変えた時の無限増倍率の変化を示すグラフである。
【図５】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第１の実施形態の制御棒との相対関係を示す平面図である。
【図６】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第２の実施形態に係るチャンネルボックスの概観を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第３の実施形態に係るチャンネルボックスの概観を示す斜視図である。
【図８】沸騰水型原子炉用燃料集合体の構成の例を示す縦断面図である。
【図９】チャンネルボックスの肉厚が一様な燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉の炉心において軸方向位置に対するボイド率の関係を示すグラフである。
【図１０】チャンネルボックスの肉厚が一様な燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉の炉心において軸方向位置に対する相対出力分布の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の実施形態について説明する。ここで、同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２１】
［第１の実施形態］
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の実施形態に係るチャンネルボックスの概観を示す斜視図である。
【００２２】
チャンネルボックス７の四隅のチャンネルボックス隅部７ａの肉厚は、上端から下端まで一定である。一方、各辺の肉厚は、下端から上端に向けて長手方向の途中の箇所までは一定であるが、その位置から上端までの長さＬの領域には、肉厚が相対的に薄いチャンネルボックス薄肉部７ｂが設けられている。
【００２３】
図２は、チャンネルボックスの長さおよびチャンネルボックスの肉厚と、チャンネルボックスの撓み角との関係を示すグラフである。
【００２４】
燃料棒２および水ロッド３等を内包するチャンネルボックス７を水平に設置し両端単純支持した場合に、チャンネルボックス７の肉厚を変化させ、自重によるチャンネルボックス７の最大撓み角すなわち支持位置での撓み角の変化を図示している。また、燃料棒２の全長が、通常の燃料棒２と同様に４２４０ｍｍの場合と、これを３０００ｍｍにした場合のそれぞれについて比較している。
【００２５】
先ず、燃料棒２の長さが４２４０ｍｍの場合においてチャンネルボックス７の肉厚を図に示す最大の値である２．５４ｍｍとした場合の撓み角ａを求める。次に、燃料棒２の長さが３０００ｍｍの場合に撓み角ａを生ずるチャンネルボックス７の肉厚ｂを求める。このとき、肉厚ｂは１ｍｍ以下である。
【００２６】
図３は、チャンネルボックスの肉厚を減らした（薄肉化）した領域の長さＬ（ｍ）と撓み角を現行チャンネルボックス以下とするために必要な最小チャンネルボックス肉厚（所要肉厚）Ｔ（ｍｍ）との関係を示したグラフである。
【００２７】
すなわち、燃料棒２の長さが４２４０ｍｍの場合において、チャンネルボックス７の側面の水平方向の中央部の肉厚を一部減らした（薄肉化）場合の撓み角を求めている。この撓み角が現行チャンネルボックス７の撓み角以下、すなわち前記のａ以下とする条件のもとに、必要とする最小肉厚（所要肉厚）Ｔ（ｍｍ）を求めた図であり、薄肉化した領域の長さＬ（ｍｍ）に対して、必要とする最小肉厚Ｔ（ｍｍ）の関係を示す。
【００２８】
図４は、チャンネルボックスの肉厚を変えた時の無限増倍率の変化を示すグラフである。長さＬをチャンネルボックス７の長さの１／２とした場合を示している。長手方向に均一の場合を破線Ｂ１で、上部１／２の範囲で薄肉化した場合を実線Ａ１で示す。チャンネルボックス７内の減速材は、沸騰開始以降は上部に向かってボイド率が上昇するため、中性子の減速効果が減少するため無限増倍率は上部に向かって単調に減少する。
【００２９】
一方、上部で肉厚を減じると、チャンネルボックス７外部の沸騰しない領域の体積が増加し減速材の割合が増加するため減速効果が増加するため、上部の出力が相対的に増加するため、破線Ｂ１のような分布が実線Ａ１のように増加する。すなわち、無限増倍率の分布が相対的に平坦化する。
【００３０】
試算によれば、燃焼度２０ＧＷｄ／ｔの時点で、ボイド率を７０％としたときに、チャンネルボックス７の肉厚が３ｍｍの場合と１ｍｍの場合では、反応度は約３％Δｋの差があり、この反応度の差により上部の出力を高くすることができる。
【００３１】
一方、燃料棒２の中で、チャンネルボックス７の四隅に面するコーナー燃料棒は、チャンネルボックス７の外側の非沸騰領域が広いため出力が出やすいので、コーナー燃料棒と隣接する部分は薄肉部としないチャンネルボックス隅部７ａとしている。
【００３２】
図９は、チャンネルボックス７の肉厚が軸方向に一様な燃料集合体１を装荷した沸騰水型原子炉の炉心におけるボイド率を示しているが、炉心下端から炉心高さの１４／２４の近傍でボイド率は０．７となり、その後は炉心上端までほぼ一定で推移する。
【００３３】
したがって、本実施形態では、ボイド率が０．７に近づくチャンネルボックス７の長さの１／３〜２／３の範囲、好ましくは２／５〜３／５の範囲においてチャンネルボックス７の肉厚が変化することが望ましい。すなわち、この範囲にチャンネルボックス薄肉部７ｂの下端があることが望ましい。
【００３４】
また、チャンネルボックス７の肉厚の急激な変化は、隣接する燃料棒２の軸方向の出力分布を歪ませることが懸念される。このために、テーパー加工を施すなどして、チャンネルボックス７の肉厚が連続的に変化する部位を設けることが望ましい。
【００３５】
図５は、本実施形態の制御棒との相対関係を示す平面図である。
【００３６】
制御棒１０には、ガイドローラ１１が設けられており、制御棒１０の挿入および引抜の際に、ガイドローラ１１がチャンネルボックス７の薄肉部でない部分すなわちチャンネルボックス隅部７ａの外面に沿って接触可能な状態で移動する。
【００３７】
このように、チャンネルボックス隅部７ａの幅は、チャンネルボックス７の剛性を確保するために必要な幅を確保する観点とともに、制御棒１０の流力振動が発生しないようにガイドローラ１１とチャンネルボックス７間のクリアランスを所定の範囲内に維持するという観点から、上限が決定される。
【００３８】
以上のように構成された本実施形態によれば、チャンネルボックスの強度を確保しながら、中性子の減速効率が燃料有効部の上方領域において低下することを抑制することにより出力を平坦化し、核燃料の経済性を向上することができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
図６は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第２の実施形態に係るチャンネルボックスの概観を示す斜視図である。
【００４０】
本実施形態は、第１の実施形態（図１）でチャンネルボックス薄肉部７ｂがチャンネルボックス全長の約半分の領域で一通りの肉厚であるのに対して、さらに、その下部にチャンネルボックス全長の約１／４の領域を中間の肉厚とし、チャンネルボックス７の肉厚を３領域で変えることにより軸方向の出力分布の最適化をはかったものである。
【００４１】
このように、チャンネルボックス薄肉部７ｂの肉厚を２段階で変化させることにより、チャンネルボックス７の剛性をよりスムーズに変化させるとともに、出力分布の不連続部分の変化幅を小さくして出力分布をより滑らかにすることができる。
【００４２】
以上のように構成された本実施形態によれば、チャンネルボックスの強度を確保しながら、中性子の減速効率が燃料有効部の上方領域において低下することを抑制することにより出力を平坦化し、核燃料の経済性を向上することができる。
【００４３】
［第３の実施形態］
図７は、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の第３の実施形態に係るチャンネルボックスの概観を示す斜視図である。
【００４４】
本実施形態においては、第１の実施形態や第２の実施形態と異なり、チャンネルボックス薄肉部７ｂの領域を、チャンネルボックス７の全長にわたり設け、かつ、肉厚を長さ方向に連続的に減少させている。
【００４５】
図では、下端部におけるチャンネルボックス薄肉部７ｂの肉厚は、下端部はチャンネルボックス隅部７ａの肉厚と同一の肉厚であるが、チャンネルボックス隅部７ａの肉厚より薄くしていてもよい。また、肉厚の連続的な変化は、直線的であってもよい。
【００４６】
また、下端部から肉厚を減少させなくとも、下端から長手方向の途中まではチャンネルボックス隅部７ａと同一の肉厚で、途中から肉厚を連続して減少させても、下端から連続的に肉厚を変化させたといえる。
【００４７】
このように構成することにより、チャンネルボックス７の剛性をよりスムーズに変化させるとともに、出力分布をより滑らかにすることができ、その上、チャンネルボックス７の製作工程を簡素化することができる。
【００４８】
以上のように構成された本実施形態によれば、チャンネルボックスの強度を確保しながら、中性子の減速効率が燃料有効部の上方領域において低下することを抑制することにより出力を平坦化し、核燃料の経済性を向上することができる。
【００４９】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、プルトニウム富化度を有する燃料を装荷した原子炉においても同様に適用できる。
【００５０】
また、沸騰水型原子炉の炉心は、数百体の燃料集合体を有しているが、このうちのすべての燃料集合体が本発明の構成をとる必要はなく、少なくとも１本が装荷されていればよい。
【００５１】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、チャンネルボックスの４つの側面に同一の薄肉部を設ける代わりに各実施形態を組み合わせたものでもよい。
【００５２】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５３】
１・・・燃料集合体
２・・・燃料棒
３・・・水ロッド
４・・・燃料スペーサ
５・・・上部タイプレート
６・・・下部タイプレート
７・・・チャンネルボックス
７ａ・・・チャンネルボックス隅部
７ｂ・・・チャンネルボックス薄肉部
１０・・・制御棒
１１・・・ガイドローラ
【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】
2013120137.tif 000009
【図８】
2013120137.tif 000010
【図９】
2013120137.tif 000011
【図１０】
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