(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水冷却型原子炉に装荷されて炉心を構成する燃料集合体であって、核分裂性物質を装荷した複数の縦長な燃料ロッドを三角形格子状配列として一体化した燃料バンドルと、この燃料バンドルを囲むチャンネルボックスとを備えたものにおいて、前記燃料バンドル内に、縦長管状で内部に冷却材が流通し得るとともに、流通する冷却材を炉心出力によって蒸気化する設定としたボイドロッドを設け、このボイドロッドは周壁の上下に上端壁および下端壁を有し、この周壁の下端部近傍に冷却材流入口を、また上端部近傍に冷却材流出口を形成し、このボイドロッドの内容積、横断面積、冷却材流入口および冷却材流出口の高さ、形状および開口面積を、冷却材がボイドを含んだ状態で流出する設定としたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
請求項１記載の燃料集合体において、ボイドロッドは、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する材料によって構成したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料集合体において、ボイドロッドの内面に、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する発熱体を添装したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の燃料集合体において、ボイドロッドは外壁となるボイドロッド本体とその内部に配置した缶状体とによって二重壁構造とし、その二重壁間の環状空間を冷却材流路とするとともに、内壁となる前記缶状体を密封構造としてその内部空間を真空状態またはガス充填状態としたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】
請求項４記載の燃料集合体において、缶状体は、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する材料によって構成したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
請求項４または５記載の燃料集合体において、缶状体の外面に、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する発熱体を添装したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれかに記載の燃料集合体において、ボイドロッドの下部に中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する発熱体を設けたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれかに記載の燃料集合体において、ボイドロッドは、定格運転時における燃料集合体流路を流れる冷却材中の蒸気発生位置以上の高さ位置に冷却材流入口を有することを特徴とする燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水冷却型原子炉の炉心を構成する燃料集合体に係り、特に増殖比を増大するとともにボイド反応度を負とすることを可能とした燃料集合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に水冷却型原子炉の炉心は、核分裂性物質を装荷した多数の燃料集合体から構成され、燃料からの熱除去のための冷却材として水が使用される。この燃料集合体は、核分裂性物質を装荷した複数の縦長な燃料ロッドを格子状に配列して一体化した燃料バンドルと、この燃料バンドルを囲むチャンネルボックスとを備えた構成とされる。水に含まれる水素原子の中性子減速能力が大きいため、水の割合が大きい従来の水冷却型原子炉では、核分裂により発生する高エネルギ中性子が大きく減速され、エネルギの低い熱中性子が中性子の大部分を占める。エネルギの低い中性子を核分裂性物質が吸収した場合には、中性子を約３個発生させる核分裂反応ではなく、核分裂を起こさずに原子核の中に取り込む捕獲反応の割合が大きくなる。即ち、中性子吸収当たりの発生中性子数が低エネルギ中性子による核分裂では少なくなる。
【０００３】
一方、高エネルギ中性子では、捕獲反応の割合が小さいため、捕獲による効果を含めても吸収当たりの平均中性子発生数は２個以上とすることが可能であり、発生する中性子の１個を連鎖反応の維持に使用し、残りの１個をＵ−２３８等の親物質に吸収させて核分裂性物質を効率的に生成することが可能である。この核分裂性物質の生成と消滅の比率が１以上であれば燃料の増殖となり、資源エネルギの確保の点から望ましい結果が期待される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の水冷却型原子炉では水の燃料に対する割合が大きく、中性子は低エネルギであるため増殖できず、核分裂性物質の生成と消滅の比率（増殖比と称する。なお、この比が１以下であれば、転換比と称しているが本明細書では簡単にすべて増殖比と称する。）が、１以下（０．５程度）の値となっていた。このため増殖炉であれば原理的には１００％熱エネルギに変換できるウラン資源の１％程度が利用できるに過ぎなかった。
【０００５】
但し、高エネルギスペクトルとすると、従来の大型高速炉のように冷却材の沸騰による反応度（ボイド反応度）が正となる可能性がある。水冷却型原子炉では炉心の安定性や安全性の観点でボイド反応度は負の値にすることが重要である。
【０００６】
なお従来、燃料バンドル中に水ロッドを配置し、炉心出力の平坦化を図る技術が知られているが、水ロッド中では冷却材が全て液相で流動し、増殖比を増大させること、およびボイド反応度を負とすることには特に寄与しない。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とする水冷却型原子炉においてその性能を向上させた燃料集合体を提供する事を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１の発明では、水冷却型原子炉に装荷されて炉心を構成する燃料集合体であって、核分裂性物質を装荷した複数の縦長な燃料ロッドを三角形格子配列として一体化した燃料バンドルと、この燃料バンドルを囲むチャンネルボックスとを備えたものにおいて、前記燃料バンドル内に、縦長管状で内部に冷却材が流通し得るとともに、流通する冷却材を炉心出力によって蒸気化する設定としたボイドロッドを設け、このボイドロッドは周壁の上下に上端壁および下端壁を有し、この周壁の下端部近傍に冷却材流入口を、また上端部近傍に冷却材流出口を形成し、このボイドロッドの内容積、横断面積、冷却材流入口および冷却材流出口の高さ、形状および開口面積を、冷却材がボイドを含んだ状態で流出する設定としたことを特徴とする燃料集合体を提供する。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１記載の燃料集合体において、ボイドロッドは、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する材料によって構成したことを特徴とする燃料集合体を提供する。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１または２記載の燃料集合体において、ボイドロッドの内面に、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する発熱体を添装したことを特徴とする燃料集合体を提供する。
【００１１】
請求項４の発明では、請求項１から３までのいずれかに記載の燃料集合体において、ボイドロッドは外壁となるボイドロッド本体とその内部に配置した缶状体とによって二重壁構造とし、その二重壁間の環状空間を冷却材流路とするとともに、内壁となる前記缶状体を密封構造としてその内部空間を真空状態またはガス充填状態としたことを特徴とする燃料集合体を提供する。
【００１２】
請求項５の発明では、請求項４記載の燃料集合体において、缶状体は、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する材料によって構成したことを特徴とする燃料集合体を提供する。
【００１３】
請求項６の発明では、請求項４または５記載の燃料集合体において、缶状体の外面に、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する発熱体を添装したことを特徴とする燃料集合体を提供する。
【００１４】
請求項７の発明では、請求項１から６までのいずれかに記載の燃料集合体において、ボイドロッドの下部に中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する発熱体を設けたことを特徴とする燃料集合体を提供する。
【００１５】
請求項８の発明では、請求項１から７までのいずれかに記載の燃料集合体において、ボイドロッドは、定格運転時における燃料集合体流路を流れる冷却材中の蒸気発生位置以上の高さ位置に冷却材流入口を有することを特徴とする燃料集合体を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料集合体の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
第１実施形態（図１〜図５）
図１は、本発明の第１実施形態による燃料集合体の横断面図である。この図１に示すように、本実施形態の燃料集合体１は、Ｕ−２３８を含む核分裂性物質を装荷した複数の縦長な燃料ロッド２を格子状に配列し、図示しない上下タイプレートおよびスペーサ等によって一体化することにより燃料バンドル３を構成し、この燃料バンドル３をチャンネルボックス４によって囲み、例えば横断面六角形の縦長な構成とし、水冷却型原子炉に装荷されて炉心を構成するようにしている。この燃料集合体１において、本実施形態では燃料バンドル３の中心位置に、燃料ロッド２と略同一長さで例えば横断面六角形をなす１本の縦長管状のボイドロッド５が配置されている。
【００１８】
図２は、このボイドロッド５を示す縦断面図である。この図２に示すように、ボイドロッド５は周壁５ａおよび上下端壁５ｂ，５ｃを有し、周壁５ａの下端部近傍に冷却材流入口６が形成され、また周壁５ａの上端部近傍に冷却材流出口７が形成されている。そして、炉心内を上昇流として流れる冷却材がボイドロッド５の冷却材流入口６から内部に流入し、ボイドロッド５内で上昇した後、冷却材流出口７から流出するようになっている。このボイドロッド５の内容積、および横断面積、ならびに冷却材流入口６および冷却材流出口７の高さ、形状および開口面積等の設定により、冷却材流入口６からボイドロッド５内に流入した冷却材が上昇流となって流れる間に、炉心出力によって蒸気化され、ボイドとなって冷却材流出口７から排出されるようになっている。なお、ボイドロッドは、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する材料、例えばハフニウムまたはステンレス鋼によって構成されている。
【００１９】
図３および図４は、冷却材のボイド状態を示す説明図であり、図３は低出力時の状態を示し、図４は高出力時の状態を示している。これらの図に示すように、冷却材流入口６からボイドロッド５内に流入した冷却材８は初めは液相８ａであるが、ガンマ線などの放射線により発熱して蒸気化して気泡８ｂとなり、ボイドロッド５の上側部分では全て蒸気８ｃとなる。この場合、発熱量は炉心の出力によって変化するため、低出力時は図３に示すように、気液境界９が例えばボイドロッド５の高さ方向略中間位置であるが、高出力時には図４に示すように気液境界９が下方に移動する状態となり、ボイドロッド５内部のボイド割合が上昇する。従って、この空間を通過する中性子を反射させる効果が減少し、中性子の漏洩が増加するため、ボイド反応度を低減することができる。また、冷却材８の空間に占める割合を設定することにより、燃料ロッド内のＵ２３８の増殖比を増加させることができる。さらに、ボイドロッド５をハフニウム、ステンレス鋼等の中性子吸収による発熱性材料で構成したことにより、ボイドロッド５の内部を流れる冷却材への熱の供給が増加され、ボイド化をより容易にすることができる。
【００２０】
なお、本実施形態では、燃料集合体１の横断面を六角形としたが、この燃料集合体１の形状は特に限定されるものではなく、例えば横断面が正方形をなす燃料集合体としてもよいことは勿論である。
【００２１】
第２実施形態（図５）
図５は本発明に係る燃料集合体の第２実施形態によるボイドロッドを示す縦断面図である。
【００２２】
この図５に示すように、本実施形態では、ボイドロッド５の下部内面に、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する材料、例えばハフニウムまたはステンレス鋼によって構成された発熱体１０が添装されている。
【００２３】
このような構成によっても、第１実施形態と同様に、増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とすることが可能であり、特に本実施形態ではボイドロッド５の下部内面にハフニウム、ステンレス鋼等の中性子吸収による発熱体１０を添装したことにより、ボイドロッド５の内部を流れる冷却材への熱の供給が一層増加され、ボイド化がさらに容易となる。
【００２４】
第３実施形態（図６、図７）
図６は、本発明に係る燃料集合体の第３実施形態によるボイドロッドを示す縦断面図であり、図７はその作用説明図である。
【００２５】
この図６に示すように、本実施形態では、ボイドロッド５が外壁となるボイドロッド本体１１と、その内部に配置した缶状体１２とによって二重壁構造とされている。これにより、二重壁間の環状空間が冷却材流路１３とされている。また、内壁となる缶状体１２は密封構造とされ、その内部空間１４は真空状態、またはヘリウムガス等の不活性ガスを充填した状態となっている。なお、缶状体１２は、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱するハフニウムまたはステンレス鋼等の材料によって構成されている。他の構成は第１実施形態と略同様である。
【００２６】
このような第３実施形態の構成によると、第１実施形態と同様に、増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とすることが可能であることは勿論であるが、ボイドロッド５の内部に缶状体１２を設けて二重壁間の環状空間を冷却材流路１３としたことにより、中性子の減速材としても機能する冷却材の空間に占める割合を減少させることができ、増殖比をさらに増加させることができる。
【００２７】
また、ボイドロッド５の内部を流れる冷却材の流路が狭まるため、図３および図４に気液境界９として示したような明確な水位は現れなくなるが、図７に示したように、ボイドロッド本体１１と缶状体１２との間の冷却材流路１２のボイド率が低出力時に比べて高出力時に増加するため、高出力時に中性子の漏洩割合を増加させることができ、ボイド反応度も低減することができる。
【００２８】
第４実施形態（図８）
図８は本発明に係る燃料集合体の第４実施形態によるボイドロッドを示す縦断面図である。
【００２９】
この図８に示すように、本実施形態では、ボイドロッド本体１１の下部内面の缶状体１２周囲位置に、中性子吸収またはガンマ線吸収によって発熱する材料、例えばハフニウムまたはステンレス鋼によって構成された発熱体１５が添装されている。他の構成は図６で示した第３実施形態と略同様である。
【００３０】
このような構成によっても、第３実施形態と同様に、増殖比を増大させ、同時にボイド反応度を負とすることが可能であり、特に本実施形態ではボイドロッド本体１１の下部内面にハフニウム、ステンレス鋼等の中性子吸収による発熱体１１５を添装したことにより、ボイドロッド５の内部を流れる冷却材への熱の供給が一層増加され、ボイド化がさらに容易となる。
【００３１】
なお、本実施形態においては、ボイドロッド本体１１の下部内面に発熱体１４を添装したが、缶状体１２の下部内外面に添装してもよい。
【００３２】
第５実施形態（図９、図１０）
図９は、本発明に係る燃料集合体の第５実施形態によるボイドロッドの縦断面およびその作用説明のための図であり、図１０は図９に示したボイドロッド部分の一部を拡大して示す図である。
【００３３】
本実施形態は基本的に、図６で示した第２実施形態と略同様であるが、図９に示すように、ボイドロッド５の下端部よりも上側の位置に冷却材流入口６が開口している。この冷却材流入口６の位置は、定格運転時におけるボイドロッド５周囲の燃料集合体流路を流れる冷却材中の蒸気発生位置以上の高さ位置に設定したものである。すなわち、図９に示すように、ボイドロッド５の冷却材流入口６は、炉心の定格運転時に燃料集合体流路を流れる冷却材のクオリティが０以上の位置に設けられている。なお、図中クオリティが負の領域が存在しているが、これはサブクール状態を表すものである。
【００３４】
このような構成によれば、ボイドロッド５内部へ流入する冷却材のエンタルピが飽和エンタルピ以上となり、ボイドロッド５内部での冷却材のボイド化がさらに容易に行われるようになる。
【００３５】
なお、冷却材流入口６の位置が高所となったことで、冷却材流入口６の下方の冷却材流路１３では流れが澱む可能性がある。そこで、本実施形態では図９および図１０に示すように、冷却材流入口６の下方位置の冷却材流路１３部分に流れ規制壁１６を設けてもよい。このような構成にすることによって、図９に矢印で示すように、冷却材８を一旦下方に導いてから上昇流とすることで、ボイドロッド５の下部に冷却材が澱むことを防止できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料集合体によれば、水冷却型原子炉における増殖比を増大することができ、ウラン資源の利用率を従来に比して大幅に増大できるのみならず、従来の燃料集合体を使用した炉心の径方向サイズと同等の大きさで、ボイド反応度を負の値にすることができるため、環境保護、安全性および経済性等が同時に満足できるという多大な効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料集合体の横断面図。
【図２】前記実施形態のボイドロッドを示す縦断面図。
【図３】前記実施形態における冷却材のボイド状態を示す説明図で、低出力時の状態を示す。
【図４】前記実施形態における冷却材のボイド状態を示す説明図で、高出力時の状態を示す。
【図５】本発明に係る燃料集合体の第２実施形態によるボイドロッドを示す縦断面図。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第３実施形態によるボイドロッドを示す縦断面図。
【図７】前記第３実施形態の作用説明図。
【図８】本発明に係る燃料集合体の第４実施形態によるボイドロッドを示す縦断面図。
【図９】本発明に係る燃料集合体の第５実施形態によるボイドロッド縦断面およびその作用説明図。
【図１０】図９に示したボイドロッド部分の一部を示す拡大図。
【符号の説明】
１  燃料集合体
２  燃料ロッド
３  燃料バンドル
４  チャンネルボックス
５  ボイドロッド
５ａ  周壁
５ｂ，５ｃ  上下端壁
６  冷却材流入口
７  冷却材流出口
８  冷却材
８ａ  液相
８ｂ  気泡
８ｃ  蒸気
９  気液境界
１０  発熱体
１１  ボイドロッド本体
１２  缶状体
１３  冷却材流路
１４  内部空間
１５  発熱体
１６  流れ規制壁
【図１】
0004028088.tif 000002
【図２】
0004028088.tif 000003
【図３】
0004028088.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004028088.tif 000008
【図８】
0004028088.tif 000009
【図９】
0004028088.tif 000010
【図１０】
0004028088.tif 000011