(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
９行９列以上の正方格子状に配列された複数本の燃料棒と、該燃料棒が１本以上配列可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャンネルと、チャンネルファスナーを固定するために制御棒側に設けられるガイドポストとを備え、かつ前記複数本の燃料棒が、複数本の第１の燃料棒と、該第１の燃料棒より燃料有効長が短い複数本の第２の燃料棒とを含んでいる、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セルに装荷される沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
平均濃縮度が３．９重量％以上であり、
燃料集合体内部を前記燃料棒の配列の対角線上に位置する鉛直方向の境界面によって制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分したとき、前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数を、前記制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数よりも多くし、かつ前記反制御棒側領域に配置される第２の燃料棒を前記正方格子状配列の最外周以外の位置に配置し、
前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数と、前記制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数との差を２本以上と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】
請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記角型ウォータチャンネルは、燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分する前記境界面から反制御棒側に偏心して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３】
請求項２記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒のうち少なくとも１本は、前記角型ウォータチャンネルに隣接して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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造を表す概念的横断面図を図１２に示す。この図１２において、炉心１は、多数の燃料集合体２を配置して構成されており、これら燃料集合体２は、４体を１組としてその間に横断面十字形の制御棒３が挿入されるようになっている。
【０００３】
各燃料集合体２においては、多数の燃料棒４と１本以上（図では２本）の水ロッド５を正方格子状に配列して燃料バンドルを形成し、この燃料バンドルを単位セル（破線で示す）６の中央に据えるとともに燃料バンドルを囲むように横断面矩形のチャンネルボックス８を配置している。この燃料バンドルの上下端は、チャンネルボックスに挿入される上部タイプレート（図示せず）及び下部タイプレート（同）によってそれぞれ支持されている。なお、水ロッドではなく、角型のウォータチャンネルを用いる場合もある。
【０００４】
この燃料集合体２では、運転時、わずかに未飽和状態の冷却水が下部タイプレートの孔から燃料棒４間に流入し、燃料棒４間を下部から上部に流れるにつれ燃料棒４により加熱されて沸騰し、二相流となって上部タイプレートの孔から流出していく。その結果、冷却材のボイド率は燃料集合体２下部では０％だが、上部では７０％程度にも達し、燃料集合体２の核的な特性を決める要因である減速材対燃料比、即ち、水素対ウラン比（Ｈ／Ｕ比）が軸方向位置で大きく異なることになる。この軸方向のＨ／Ｕ比の分布は、炉停止余裕を減少させるという影響を与える。
【０００５】
一方、図１２において、燃料集合体２のチャンネルボックス８の外側には、制御棒３や中性子検出器計装管（図示せず）を配置するための間隙が設けられている。この間隙は飽和水で満たされており、冷却材の軽水が沸騰せずに流れる流路となるギャップ水領域９，１０を形成している。これらギャップ水領域９，１０には制御棒３が挿入されるギャップ水領域９と、制御棒３の出し入れがないギャップ水領域１０の２種類がある。このようなギャップ水領域９，１０の存在のため、燃料集合体２の周辺部（間隙に近い領域）にある燃料棒４と燃料集合体２中心部の燃料棒４とでは、飽和水による影響が異なる。すなわち、ギャップ水領域９，１０に近い燃料集合体２の周辺部は、中心部に比べＨ／Ｕ比が大きな領域となる。このように、核的な特性を決める要因であるＨ／Ｕ比が、燃料集合体２内の径方向位置で異なることになる。この径方向のＨ／Ｕ比は、局所出力ピーキングを増大させるという影響を与える。
また特に、図１２の炉心１は、ギャップ水領域９の面積がギャップ水領域１０の面積よりも広いＤ格子炉心となっており、ギャップ水領域９及びギャップ水領域１０の面積が等しいＣ格子炉心とは異なるタイプとなっている。そのため、制御棒３に面する側と反対側とではＨ／Ｕ比が大きく異なることになる。
【０００６】
このＨ／Ｕ比は、中性子の平均エネルギーを決定するパラメータである。このＨ／Ｕ比の特性を図１３により説明する。
図１３は、一般的な沸騰水型原子炉の燃料集合体について、その平均濃縮度を所定の値とし、横軸にＨ／Ｕをとったときの無限増倍率の挙動を示したものである。図示のように、はじめＨ／Ｕ比が増加すると、中性子平均エネルギーが低く（中性子スペクトルがソフトに）なって核燃料物質との核分裂反応が促進され、無限増倍率も増加する。しかしこのとき一方、中性子スペクトルがソフトになるほど、減速材（軽水）による中性子吸収反応も増大することから、あるＨ／Ｕ比で無限増倍率はピークを迎え、これ以降はＨ／Ｕ比が増大するほど無限増倍率が低下するようになる。すなわち、このピークが、できるだけ少ない燃料で高いエネルギーを得る（＝燃料経済性）観点からのＨ／Ｕ比の最適値となる。但しこのとき実際は、反応度係数を適度に負の値にしておく観点から、このピーク位置よりも若干小さい値ｘ1を現実の最適値（以下単に、最適値という）としている。
【０００７】
以上説明したように、Ｈ／Ｕ比の軸方向・径方向分布を改善し最適化することは燃料経済性の観点から非常に重要であるため、従来、種々の方法でその改善が行われている。以下、それらについて順次説明する。
【０００８】
（１）軸方向のＨ／Ｕ比の改善
燃料集合体の軸方向のＨ／Ｕ比の改善のための方策としては、例えば特開昭５２−５０４９８号公報に記載のように、従来、燃料有効長が通常燃料棒よりも短い短尺燃料棒を設ける構成が提唱されている。この短尺燃料棒を設けることにより、相変化を生じない飽和水領域を増加させるとともに軸方向の燃料装荷量を調整し、軸方向のＨ／Ｕ比を改善することができる。このような構造の一例を図１４に示す。図１２と共通の部分は同一の符号を付す。図１４に示す燃料集合体は、Ｄ格子炉心に配置されるものであり、９行９列の正方格子状配列に７２本の燃料棒４を配置し、中央部の燃料棒４の９本分のスペースに角型ウォータチャンネル１１を設け、短尺燃料棒１２を燃料集合体内に均等に配置したものである。
【０００９】
（２）径方向のＨ／Ｕ比の改善
一方、燃料集合体の径方向のＨ／Ｕ比の改善のための方策としては、従来、水ロッド本数を増加させるか又は水ロッドを大型化する構成がある。これにより、中性子減速効果の十分でない燃料集合体の中央領域において水ロッド領域を増大し、これにより径方向のＨ／Ｕ比を改善することができる。
特に、Ｄ格子炉心に装荷される燃料集合体では、図１２で前述したように、制御棒３が位置する側のギャップ水領域９とその反対側のギャップ水領域１０の面積が等しくないことにより、径方向のＨ／Ｕ比が不均一となり、局所出力ピーキングが増大する傾向にある。これに対しては、従来より燃料棒４のウラン２３５の濃縮度を調整する方法が用いられている。すなわち、熱中性子束の小さな狭いギャップ水領域１０に面する側の燃料棒４を比較的高い濃縮度とし、熱中性子束の大きな広いギャップ水領域に面する側の燃料棒を比較的低い濃縮度とすることにより、両者の出力差を低減し、径方向の局所出力ピーキングを抑制するものである。
【００１０】
（３）高燃焼度化におけるＨ／Ｕ比の改善
ところで、近年、沸騰水型原子炉において、プラント利用率の向上と共にウラン資源を有効に活用する方法として、燃料の高燃焼度化及び長期運転サイクル化が提唱されている。このとき、燃料集合体の取出燃焼度を高めるためには濃縮度を高める必要があるため、Ｈ／Ｕ比が影響を受けることになる。また、長期運転サイクル化による炉内滞在期間の延長は、Ｈ／Ｕ比が軸方向・径方向で異なるという影響を燃料が炉心内で長期間受けることを意味しており、このＨ／Ｕ比の影響がさらに拡大することになる。
【００１１】
このような高燃焼度化を図った燃料集合体におけるＨ／Ｕ比の改善に関する公知技術として、例えば特開平３−２９６６８９号公報がある。この従来技術においては、Ｄ格子炉心に配置される燃料集合体内における、Ｈ／Ｕ比の差を小さくする方法として、
▲１▼水ロッド領域を狭いギャップ水領域に近づける。
【００１２】
▲２▼短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づける。
【００１３】
▲３▼核分裂性物質を広いギャップ領域に近づける。
【００１４】
という３つの方法が開示されている。これらはいずれも、狭いギャップ水領域付近ではＨ／Ｕ比を大きくし、広いギャップ水領域付近ではＨ／Ｕ比を小さくするものである。
上記▲１▼を実施した燃料集合体の構造の例を図１５及び図１６に示す。図１２及び図１４と共通の部分は同一の符号を付す。図１５に示す燃料集合体は、９行９列正方格子状配列において、水ロッドの機能を果たす角型ウォータチャンネル１１を、燃料集合体中央部から狭いギャップ水領域１０側に一列だけ偏心させたものである。また図１６は、同様の構造を１０行１０列正方格子状配列で実現した場合であり、この場合、角型ウォータチャンネル１１を燃料棒４の９本分のスペースに配置すると、燃料集合体中央部に配置するのは不可能であるため、狭いギャップ水領域１０側に偏心させて配置したものである。
また、上記従来技術においては、▲１▼を実施している場合には、▲２▼をさらに実施することはあまり効果がないことも示されている。
【００１５】
なお、上記従来技術においては、短尺燃料棒は上部にボイドが集中しやすい性質があることから、この短尺燃料棒を発熱体でない水ロッドやギャップ水領域には隣接させずに燃料棒に隣接させることとし、これによって、燃料棒まわりのボイドをなるべく水ロッドに集中させてドライアウト（燃料棒の表面に気泡が付着し冷却効果が低減すること）を抑制し、熱的余裕の確保を図っている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、以下の課題が存在する。
前述したように、Ｈ／Ｕ比は図１３の曲線に示すような挙動をとるが、この曲線は、燃料集合体の濃縮度によって影響を受ける。すなわち、燃料集合体の濃縮度が高くなると熱中性子の吸収が増加するため中性子束が小さくなり、同じ無限増倍率を得るために必要な減速材量が大きくなる。そのため、曲線が破線で示すように図中右方向へスライドすることとなり、Ｈ／Ｕの最適値もｘ1からより高い値に変わることとなる。
ここで、上記従来技術では、上記▲１▼（＝水ロッド領域を狭いギャップ水領域に近づける）を実施すれば、狭いギャップ水領域付近の減速材量としてはほぼ十分であり、そのためさらに上記▲２▼（＝短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づける）を実施してもあまり意味がないとしている。つまり例えば、ある濃縮度でＨ／Ｕ比の特性が実線で表される場合においては、上記▲１▼実施時にＨ／Ｕ比ｘ1で無限増倍率ｋAとすると、▲１▼と▲２▼とを併せて実施すると例えばＨ／Ｕ比がｘ1より大きなｘ2になり、無限増倍率はｋBとなってかえって下がってしまうことになる。
しかしながら、上述したようにＨ／Ｕ比の最適値は燃料集合体の濃縮度によって変動するため、一概にこのようなことは言えない。すなわち、濃縮度の大きさによっては、▲１▼のみでは狭いギャップ水領域付近の減速材量が足りなくなって広いギャップ水領域とのＨ／Ｕ比の差が大きくなり、▲２▼を併せて行うことによって狭いギャップ水領域付近の減速材量が十分となって広いギャップ水領域とのＨ／Ｕ比の差が最小となり、最適値となる場合もあるはずである。つまり上記の例に合わせて説明すると、実線のときよりも濃縮度が高くＨ／Ｕ比の特性が破線で表される場合には、上記▲１▼のみを実施するとＨ／Ｕ比ｘ1であるから無限増倍率ｋCと非常に小さくなってしまうが、▲１▼と▲２▼とを実施してＨ／Ｕ比ｘ2とすれば無限増倍率をｋAとすることができる。また、以上は▲１▼と▲２▼とを併せて行う場合を例にとって説明したが、▲２▼のみを単独で行う場合であっても、その狭いギャップ水領域に近づける短尺燃料棒の本数によっては、同様の作用を得ることができる可能性もある。上記従来技術では、このような点について配慮されておらず、▲２▼の短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づけることによるＨ／Ｕ比の改善効果について正しく認識されていない。すなわち、Ｈ／Ｕ比を効果的に改善するための手段としての上記▲２▼は、上記従来技術には開示されていないことになる。
また、上記従来技術では、高燃焼度化に伴う高濃縮度化への配慮が示唆されているものの、その濃縮度の値については具体的に開示していない。そのため、例えば高燃焼度化対応の燃料集合体の一例として、例えば取出平均燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔを超えるようにすることを目標に燃料集合体の平均濃縮度を３．９重量％以上とする場合に、最適なＨ／Ｕ比を与えることができるかどうかについては不明である。
【００１７】
また、上記従来技術では、熱的余裕の確保の観点から、短尺燃料棒を発熱体でない水ロッドに隣接する位置に配置しないこととしており、同様の観点に立つとギャップ水領域に隣接する位置（すなわち格子状配列最外周位置）にも配置しないことが示唆されていると考えられる。ここで例えば９行９列正方格子状配列中に３行３列格子分の角型ウォータチャンネルを置く場合を考えると、上記▲１▼を実施するために中央から１列だけ狭いギャップ水領域側に近づけた場合には、ウォータチャンネルとチャンネルボックスとの間には２列分の格子位置しかなく、いずれも発熱体でない水ロッドか若しくはギャップ水領域に隣接するため、短尺燃料棒をこの領域に配置することができなくなる。すなわち、上記▲１▼と▲２▼とを併せて実施することが困難となる。しかしながら、Ｄ格子炉心に配置される燃料集合体では、狭いギャップ水領域側の出力は広いギャップ水領域側の出力よりも相対的に低いため、もともと狭いギャップ水領域側の燃料棒はドライアウトしにくい性質がある。したがって、例えばウォータチャンネルの狭いギャップ水領域側に隣接して短尺燃料棒を配置しても、周りの燃料棒の熱的余裕はまだ十分な値が確保されている。むしろ、これによって上記▲１▼と▲２▼とを併せて実施することができ、最適なＨ／Ｕ比が得られるのであれば、そのほうがはるかに有益であると思われる。上記従来技術では、このような点についても配慮されていない。
【００１８】
本発明の第１の目的は、平均濃縮度を３．９重量％以上として高濃縮度化を図った燃料集合体において、Ｈ／Ｕ比を最適化して燃料経済性の向上を図れる構成を提供することにある。
【００１９】
本発明の第２の目的は、平均濃縮度を３．９重量％以上として高濃縮度化を図った燃料集合体において、熱的余裕を確保しつつＨ／Ｕ比を最適化できる構成を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
（１）上記第１の目的を達成するために、本発明は、９行９列以上の正方格子状に配列された複数本の燃料棒と、該燃料棒が１本以上配列可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャンネルと、チャンネルファスナーを固定するために制御棒側に設けられるガイドポストとを備え、かつ前記複数本の燃料棒が、複数本の第１の燃料棒と、該第１の燃料棒より燃料有効長が短い複数本の第２の燃料棒とを含んでいる、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セルに装荷される沸騰水型原子炉用燃料集合体において、平均濃縮度が３．９重量％以上であり、燃料集合体内部を前記燃料棒の配列の対角線上に位置する鉛直方向の境界面によって制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分したとき、前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数を、前記制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数よりも多くし、かつ前記反制御棒側領域に配置される第２の燃料棒を前記正方格子状配列の最外周以外の位置に配置し、前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数と、前記制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒の本数との差を２本以上としたものとする。
沸騰水型原子炉用燃料集合体をＤ格子炉心に装荷した場合には、制御棒側は燃料集合体間の間隔が広くなっているため減速材である水の量が相対的に多くなる一方、反制御棒側は燃料集合体間の間隔が狭く水の量が相対的に少なくなる。そこで、本発明においては、有効長の短い第２の燃料棒の本数を反制御棒側領域で多くすることにより、第２の燃料棒を反制御棒側に偏って配置する。これにより、第２の燃料棒が短長である分燃料の量を減らすとともに、第２の燃料棒上部に生じる飽和水領域によって反制御棒側領域における水の量を増加させてＨ／Ｕ比を増大させるとともに、制御棒側領域における燃料の量の減少及び水の量の増加を抑えてＨ／Ｕ比を抑制することができる。これにより、水及び燃料の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒側とのＨ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体内におけるＨ／Ｕ比分布を改善し、より均一にすることができる。
ここで、燃料経済性の面からみたＨ／Ｕ比の最適値は、燃料集合体の濃縮度によって変動し、例えば高濃縮度になるほど最適値の値も大きくなる。本発明においては、反制御棒側領域に偏らせる第２の燃料棒の本数を適宜調整することで、この変動に対応して常にＨ／Ｕ比を最適化することができる。したがって、例えば平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された燃料集合体においても、Ｈ／Ｕ比を最適化することができる。
また、反制御棒側領域に配置される第２の燃料棒の本数と、制御棒側領域に配置される第２の燃料棒の本数との差を２本以上とすることにより、Ｈ／Ｕ比をより確実に最適化することができる。
【００２２】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記角型ウォータチャンネルは、燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分する前記境界面から反制御棒側に偏心して配置されている。これにより、反制御棒側領域のＨ／Ｕ比の増大及び制御棒側領域のＨ／Ｕ比の抑制を促進できるので、Ｈ／Ｕ比を容易に最適化することができる。
【００２３】
（３）上記（２）において、好ましくは、上記第１及び第２の目的を達成するために、前記反制御棒側領域に配置される前記第２の燃料棒のうち少なくとも１本は、前記角型ウォータチャンネルに隣接して配置されている。これにより、容易に角型ウォータチャンネルを反制御棒側に偏心させることができるようになる。すなわち例えば９行９列正方格子状配列中に３行３列格子分の角型ウォータチャンネルを偏心させて配置する場合、ウォータチャンネルの反制御棒側コーナー部近傍には２列分の格子位置しかなく、もし第２の燃料棒をウォータチャンネル隣接位置か正方格子状配列最外周位置に配置できなければ第２の燃料棒を反制御棒側領域に偏らせて配置するのが困難となるため、結果としてウォータチャンネルを偏心させること自体が難かしくなる。そこで本発明では、第２の燃料棒をウォータチャンネル隣接位置に配置可とすることによって、第２の燃料棒を反制御棒側に容易に配置できるようにし、容易にウォータチャンネルを偏心させることができる。このとき、Ｄ格子炉心に配置される場合は、反制御棒側領域出力が制御棒側領域の出力よりも相対的に低く燃料棒がドライアウトしにくい傾向となるため、ウォータチャンネル隣接位置に第２の燃料棒を配置しても、まわりの燃料棒の熱的余裕はまだ十分な値を確保できる。すなわち、熱的余裕を確保しつつ、Ｈ／Ｕ比を最適化することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
本発明の第１の実施形態を図１〜図３により説明する。
本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す縦断面図を図２に示し、図２中Ｉ−Ｉ断面でみた横断面図を図１に示す。これら図１及び図２において、本実施形態による燃料集合体１００は、図１２に示した炉心と同様、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セル１０７に装荷されるものであり、９行９列の正方格子状に配列され内部に燃料物質としてのウラン−２３５が充填された７２本の燃料棒１０１と、正方格子状配列の中央部領域の水の量を増やすのを目的として燃料棒１０１が９本配列可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャンネル１０２と、これら燃料棒１０１及び角型ウォータチャンネル１０２により形成される燃料バンドルの周囲を囲むチャンネルボックス１０３とを備えている。燃料バンドルの上部及び下部はそれぞれ上部タイプレート１０４及び下部タイプレート１０５により支持されており、また燃料バンドルの軸方向複数箇所には、燃料棒１０１及びウォータチャンネル１０２の間隔を保持するためのスペーサ１０６が設けられている。
また、上部タイプレート１０４の制御棒１０８側（以下適宜、単に制御棒側という）及びその反対側（以下適宜、反制御棒側という）のコーナー部には、ガイドポスト１０４ａ，１０４ｂがそれぞれ一体に形成されており、そのうち、制御棒側のガイドポスト１０４ａには、チャンネルボックス１０３に接続されたチャンネルファスナー１０９が固定されている。
このチャンネルファスナー１０９は、１つの制御棒１０８まわりの４つの燃料集合体１００を相互に連結するとともに、これら燃料集合体１００間に制御棒１０８の挿入・引き抜きスペースを確保する機能を果たすものであり、各燃料集合体１００の制御棒側のガイドポスト１０４ａに固定されている。なお、反制御棒側のガイドポスト１０４ｂは、制御棒側のガイドポスト１０４ａとの重量バランスをとるためのダミーとなっている。
【００２５】
燃料棒１０１は、燃料有効長が通常の長さである６５本の第１の燃料棒１０１ａと、燃料有効長が第１の燃料棒１０１ａよりも短いいわゆる短尺燃料棒である７本の第２の燃料棒１０１ｂとから構成されている。この第２の燃料棒１０１ｂの燃料有効長は、例えば第１の燃料棒の有効長の１５／２４となっている。またこれら燃料棒は、特に図示や詳細な説明を行わないが、この種の燃料集合体として公知であるものと同様、濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から構成されている。そして各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布を設けることにより軸方向出力ピーキングの平坦化を図ったり、各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより径方向出力ピーキングの平坦化が図られている。なお、このとき、このような燃料棒１０１の配置において、燃料集合体１００における平均濃縮度は３．９重量％以上となっている。
【００２６】
以上のような燃料集合体１００における本実施形態の要部は、第２の燃料棒１０１ｂの配置方法にある。
すなわち、燃料集合体内部を鉛直方向の境界面１１０によって制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１１２とに２分したとき、反制御棒側領域１１２に配置される第２の燃料棒１０１ｂの本数を、制御棒側領域１１１に配置される第２の燃料棒１０１ｂの本数よりも多くしたことである。特にこの実施形態では、この本数の差を２本以上としている。具体的には、反制御棒側領域１１２には６本の第２の燃料棒１０１ｂが配置されているのに対し、制御棒側領域１１１には１本の第２の燃料棒１０１ｂしか配置されていない（但し境界面１００上に配列され両方の領域にまたがっているものは１／２本ずつとしてカウント）ため、これらの差が５本となっている。
【００２７】
このような第２の燃料棒１０１ｂの配置により、本実施形態においては、以下の作用を奏する。
【００２８】
（１）第２の燃料棒の偏在によるＨ／Ｕ比の改善
すなわち、Ｄ格子炉心に装荷される場合、制御棒側においてチャンネルボックス１０３の外側に形成されるギャップ水領域１１３の面積が広くなっているため水の量が相対的に多くなる一方、反制御棒側でチャンネルボックス１０３の外側に形成されるギャップ水領域１１４の面積が狭くなっているため水の量が相対的に少なくなる。しかしながら本実施形態においては、有効長の短い第２の燃料棒１０１ｂの本数を反制御棒側領域１１２で多くし反制御棒側に偏って配置する。
これにより、第２の燃料棒１０１ｂが短長である分燃料の量を減らすとともに、第２の燃料棒１０１ｂ上部に生じる飽和水領域によって反制御棒側領域１１２における水の量を増加させてＨ／Ｕ比を増大させることができ、逆に制御棒側領域１１１においては燃料の量の減少及び水の量の増加を抑えＨ／Ｕ比を抑制することができる。したがって、水及び燃料の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒側とのＨ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体内におけるＨ／Ｕ比分布を改善し、より均一にすることができる。
このとき、図１３を用いて説明したように、燃料経済性の面からみたＨ／Ｕ比の最適値は、燃料集合体の平均濃縮度によって変動し、高濃縮度になるほど最適値の値も大きくなる。本実施形態の燃料集合体１００においては、反制御棒側領域１１２における第２の燃料棒１０１ｂの本数と制御棒側領域１１１における第２の燃料棒１０１ｂの本数との差をある程度大きくとることで、平均濃縮度３．９重量％以上の高濃縮度であってもＨ／Ｕ比を最適化する。このことを図３により説明する。
【００２９】
図３は、図１と同様の構造の燃料集合体（平均濃縮度３．９重量％以上）において、反制御棒側領域１１２及び制御棒側領域１１１にそれぞれ所定の配置で第２の燃料棒１０１ｂを設け、かつそのときの反制御棒側領域１１２における第２の燃料棒１０１ｂの本数から制御棒側領域１１１における第２の燃料棒１０１ｂの本数を引いた差を０〜５本まで変化させたときの、局所出力因子の相対的な変化幅を解析した結果を示したものである。ここで局所出力因子とは、燃料集合体内のすべての燃料棒の出力の平均値に対する、出力が最大の燃料棒の出力の相対値を表している。なお、縦軸は本数差が０本のとき（すなわち反制御棒側領域１１２と制御棒側領域１１１とに均等に第２の燃料棒１０１ｂを配置したとき）を基準値０とし、変化幅がほぼ一定となったときの値を−１としたときの相対値で表しており、局所出力因子が低くなるほど出力ピーキングが低減した、言い換えればＨ／Ｕ比がより均一化されたことを示している。図示のように、第２の燃料棒１０１ｂの本数差が増加するほど局所出力因子は大きく低下するが、第２の燃料棒１０１ｂの本数差が１本では局所出力因子は０本のときとあまり変化せず、約−０．１にとどまる。しかし、本数差が２本になると局所出力因子が急減して約−０．５となり、さらに本数差が３本になると約−０．９となる。なおこれ以降は、本数差を増やしても局所出力因子の低減の程度はあまり変わらない。この結果より、本願発明者等は、反制御棒側領域１１２と制御棒側領域１１１との本数差を２本以上とすれば、より確実にＨ／Ｕ比を最適化し、局所出力ピーキングをより低減できると判断した。本実施形態においては、反制御棒側領域１１２と制御棒側領域１１１との本数差は５本である。したがって、例えば平均濃縮度を３．９重量％以上に高濃縮度化されている場合であってもＨ／Ｕ比を確実に最適化でき、燃料経済性の向上を図ることができる。すなわち、より少ない燃料でより高い燃料集合体反応度を得、高い燃焼度を達成することができる。
【００３０】
（２）炉停止余裕の向上
Ｈ／Ｕ比の均一化が不十分である従来構造では、出力ピーキングを抑制するために、水の量が相対的に多い制御棒側では燃料棒を低濃縮度とし、かつ水の量が相対的に少ない反制御棒側では高濃縮度とせざるを得なかった。この場合、非沸騰状態である冷温停止時においては、反制御棒側の水の量が多くなり出力が増大する傾向となるため、炉停止余裕が低減していた。
これに対し、本実施形態においては、上述したようにＨ／Ｕ比を常に最適化することができるので、制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１１２との濃縮度差を縮小し、反制御棒側領域１１２の濃縮度を従来よりも低下させることができる。したがって、冷温停止時における出力増大を抑制できるので、その分炉停止余裕を向上できる。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態の燃料集合体１００によれば、平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された構造において、Ｈ／Ｕ比を最適化し燃料経済性の向上を図ることができる。またこれに加え、炉停止余裕を向上することができる。
【００３２】
本発明の第２の実施形態を図４〜図９により説明する。
本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図を図４に示す。この図４は第１の実施形態の図１にほぼ相当する図であり、共通の部材には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３３】
図４において、本実施形態による燃料集合体２００が図１に示した第１の燃料集合体１００と異なる点は、まず、角型ウォータチャンネル１０２を、正方格子状配列の１列分だけ反制御棒側にずらしたことである。この結果、図１では、角型ウォータチャンネル１０２が、燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分する境界面１１０に関して対称に配置されていたのが、図４では角型ウォータチャンネル１０２がこの境界面１１０から反制御棒側に偏心して配置されている。
また、短尺である第２の燃料棒１０１ｂの数が１個減って全体で６本となるとともに、図示のように、反制御棒側領域１１２に４本、制御棒側領域１１１にも２本が配置され、本数差が２本と小さくなっている。そしてこのとき、反制御棒側領域１１２においては、角型ウォータチャンネル１０２の偏心の結果、２本の第２の燃料棒１０１ｂが角型ウォータチャンネル１０２に隣接配置されている。なお、本願明細書中では、「隣接する位置にある」とは、ｎ行ｎ列の正方格子状配列において、同行でかつとなりの列に位置するか、または同列でとなりの行に位置する関係をいう。
その他の構造は、第１の実施形態の燃料集合体１００とほぼ同様である。
【００３４】
本実施形態の作用は、以下のようである。
（１）短尺燃料棒の偏在及びウォータチャンネルの偏心によるＨ／Ｕ比の改善
すなわち、本実施形態においても、第１の実施形態と同様、第２の燃料棒１０１ｂの本数を反制御棒側に偏って配置している。これにより、上記第１の実施形態において説明したのと同様の原理によって、水及び燃料の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒側とのＨ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体内におけるＨ／Ｕ比分布を改善し、より均一にすることができる。
但し、上記第１の実施形態において図３を用いて説明したように、本実施形態では反制御棒側と制御棒側とにおける第２の燃料棒の本数差が２本であり、第１の実施形態の本数差５本よりも小さくなっているため、その分それだけではＨ／Ｕ比改善効果が小さい。そこで本実施形態においては、それをウォータチャンネル１０２の反制御棒側への偏心によって補うことにより、第１の実施形態と同等の効果を得ている。
すなわち、内部を飽和水が流れるウォータチャンネル１０２を反制御棒側に偏心させることにより、反制御棒側領域のＨ／Ｕ比の増大及び制御棒側領域のＨ／Ｕ比の抑制を促進する。これにより、上記第２の燃料棒１０１ｂによるＨ／Ｕ比改善効果を補うことができるので、第１の実施形態と同様、平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された燃料集合体２００において、Ｈ／Ｕ比を最適化し燃料経済性の向上を図ることができる。このことを図５によりさらに詳細に説明する。
【００３５】
図５は、本実施形態の燃料集合体２００と同様の構造の燃料集合体において、燃料集合体平均濃縮度を種々変化させたときの無限増倍率の挙動を解析した結果を示したものである。また図中には、比較のために、燃料集合体２００において第２の燃料棒１０１ｂを偏在させず制御棒側と反制御棒側とに均一に設けた構造において、平均濃縮度を種々変化させたときの無限増倍率の挙動を解析した結果も併せて示している。
なお、図中、前者（短尺棒偏在＋ウォータチャンネル偏心）の挙動を太実線アで示し、後者（ウォータチャンネル偏心のみ）の挙動を細実線イで示す。
【００３６】
図５において、太実線ア及び細実線イともに、平均濃縮度の増加と共に無限増倍率は右上がりに単調増加となる。
しかしながら、平均濃縮度が比較的低い領域（約３．９重量％以下）では、ウォータチャンネル１０２の偏心のみを行った細実線イの場合のほうが、短尺棒偏在の偏在をも行った太実線アよりも無限増倍率が高い。これは、「発明が解決しようとする課題」の項で図１３を用いて説明した原理によると考えられる。すなわち、比較的低い濃縮度では、例えば図１３の実線のようにＨ／Ｕ比−無限増倍率の特性曲線が表されるため、短尺棒偏在とウォータチャンネル偏心との両方を行うとＨ／Ｕ比が（例えばｘ2となって）最適値ｘ1より高くなりすぎ、無限増倍率がかえって減少してしまう。
これに対し、平均濃縮度が比較的高い領域（約３．９重量％以上）では、図５に示すようにウォータチャンネル１０２の偏心と第２の燃料棒１０１ｂの偏在の両方を行った太実線アの場合のほうが、細実線イよりも無限増倍率が高くなる。これは、この場合には、上記と異なり例えば図１３の破線のようにＨ／Ｕ比−無限増倍率の特性曲線が表されるため、短尺棒偏在とウォータチャンネル偏心との両方を行ってＨ／Ｕ比を例えばｘ2にしたほうが無限増倍率がより増加するからである。
【００３７】
本実施形態の燃料集合体２００は、平均濃縮度が３．９重量％となっていることにより、ウォータチャンネル１０２の偏心に加えて短尺の第２の燃料棒１０１ｂの偏在を併せて実施することで、より大きな無限増倍率を得られるような値ににＨ／Ｕ比を改善することができる。
【００３８】
（２）熱的余裕の確保
図４のように９行９列正方格子状配列中に３行３列格子分の角型ウォータチャンネル１０２を偏心させて配置すると、ウォータチャンネル１０２の反制御棒側コーナー部近傍には２列分の格子位置しかない。そのため、もし第２の燃料棒１０１ｂを従来構造のようにウォータチャンネル１０２の隣接位置や格子状配列最外周に配置不可とすると、反制御棒側領域における第２の燃料棒１０１ｂを配置できる場所が極めて限定されることとなり、第２の燃料棒１０１ｂを反制御棒側領域に偏らせて配置するのが困難となる。この結果、ウォータチャンネル１０２を偏心させること自体が難かしくなる。
これに対して本実施形態の燃料集合体２００では、第２の燃料棒１０１ｂをウォータチャンネル１０２の隣接位置に配置することによって、第２の燃料棒１０１ｂを反制御棒側に容易に配置できるようにし、これによって容易にウォータチャンネル１０２の偏心構造を実現できる。
なおこのとき、一般に、燃料集合体がＤ格子炉心に配置される場合は、ギャップ水領域の差に基づき、反制御棒側領域の出力が制御棒側領域の出力よりもともと相対的に低くなる性質があるため、反制御棒側領域の燃料棒はドライアウトしにくい。したがって、上記のようにウォータチャンネル１０２に隣接して第２の燃料棒１０１ｂを配置しても、まわりの燃料棒１０１ａの熱的余裕を十分に確保できる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の燃料集合体２００によっても、第１の実施形態と同様、平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された構造においてＨ／Ｕ比を最適化し燃料経済性の向上を図ることができる。また、炉停止余裕を向上することができる。さらにこのとき、熱的余裕を充分に確保しつつＨ／Ｕ比を最適化することができる。
【００４０】
なお、上記第２の実施形態においては、第２の燃料棒１０１ｂの反制御棒側領域と制御棒側領域との本数差が２本であったが、これに限られない。まず、第１参考例の構造を図６に示す。図６において、この参考例の燃料集合体２００Ａは、第２の燃料棒１０１ｂが反制御棒側領域に４本、制御棒側領域に３本が配置され、その本数差が１本となっている。この参考例によれば、第２の燃料棒１０１ｂの本数差が２本から１本になった分Ｈ／Ｕ比最適化の効果が若干低下する可能性はある。
【００４１】
また、上記第２の実施形態の変形例としては、上記参考例とは逆に、第２の燃料棒１０１ｂの反制御棒側領域と制御棒側領域との本数差を２本より大きくすることが考えられる。第１及び第２の変形例の構造を図７及び図８に示す。これらはどちらも本数差を５本とする場合の例であるが、図７の第１の変形例による燃料集合体２００Ｂにおいては、第２の燃料棒１０１ｂが反制御棒側領域に６本、制御棒側領域に１本配置されているのに対し、図８の第２の変形例による燃料集合体２００Ｂにおいては、第２の燃料棒１０１ｂが反制御棒側領域に７本、制御棒側領域に２本となっている点で異なる。これら第１及び第２の変形例によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
また、上記第１の変形例に対し、第２の燃料棒１０１ｂの本数配分はそのままで配置位置のみを変える変形例も考えられる。図９は、その点に関する第２参考例の構造を示す図である。図９において、この第２参考例の燃料集合体２００Ｄは、図７の燃料集合体２００Ｂと同様に第２の燃料棒１０１ｂが反制御棒側領域に６本、制御棒側領域に１本が配置されているが、反制御棒側領域における第２の燃料棒１０１ｂの配置位置が異なり、４本の第２の燃料棒１０１ｂが正方格子状配列の最外周に配置されチャンネルボックス１０３に隣接している。なおこのとき、従来構造のように格子状配列最外周に第２の燃料棒１０１ｂを配置不可としないことにより、熱的余裕を確保しつつ容易にウォータチャンネル１０２の偏心構造を実現している。
【００４３】
本発明の第３の実施形態を図１０及び図１１により説明する。本実施形態は１０行１０列の正方格子状に燃料棒を配列した燃料集合体に本発明を適用した場合の実施形態である。
本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図を図１０に示す。この図１０は第１の実施形態の図１に、第２の実施形態の図４にほぼ相当する図である。
【００４４】
この図１０において、本実施形態の燃料集合体３００は、配列される燃料棒の本数が増えただけで基本的には第２の燃料集合体２００と類似の構造である。すなわち、燃料集合体３００は、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セル３０７に装荷されるものであり、１０行１０列の正方格子状に配列され内部に燃料物質としてのウラン−２３５が充填された９１本の燃料棒３０１と、正方格子状配列の中央部近傍の水の量を増やすのを目的として燃料棒３０１が９本配列可能な領域に配置された１本の角型ウォータチャンネル３０２と、これら燃料棒３０１及び角型ウォータチャンネル３０２により形成される燃料バンドルの周囲を囲むチャンネルボックス３０３とを備えている。
【００４５】
燃料棒３０１は、燃料有効長が通常長さである８３本の第１の燃料棒３０１ａと、燃料有効長が第１の燃料棒３０１ａよりも短いいわゆる短尺燃料棒である８本の第２の燃料棒３０１ｂとから構成されている。またこれら燃料棒３０１は、濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から構成されており、各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布を設けたり各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより軸方向・径方向出力ピーキングの平坦化が図られている。そしてこのとき、燃料集合体３００における平均濃縮度は３．９重量％以上となっている。
また、燃料集合体内部を鉛直方向の境界面３１０によって制御棒３０８側にある制御棒領域とその反対側にある反制御棒側領域とに２分したとき、反制御棒側領域には６本の第２の燃料棒３０１ｂが配置されているのに対し、制御棒側領域には２本の第２の燃料棒３０１ｂしか配置されておらず、その本数の差が４本となっている。また角型ウォータチャンネル３０２は境界面３１０よりも反制御棒側に若干偏心している。
【００４６】
本実施形態によっても、第２の実施形態とほぼ同様の原理により、ギャップ水領域３１３，３１４の面積差に基づくＨ／Ｕ比の不均一を、第２の燃料棒３０１ｂの偏在と角型ウォータチャンネル３０２の偏心とによって改善し、Ｈ／Ｕ比を最適化できるので、燃料経済性の向上を図ることができる。また、炉停止余裕を向上することができる。
【００４７】
なお、上記第３の実施形態では、角型ウォータチャンネル３０２は境界面３１０から偏心してはいたが、それほど大きな偏心ではなく、角型ウォータチャンネル３０２の一部は境界面３１０にまたがっていた。しかしこれに限られず、角型ウォータチャンネル３０２をもっと反制御棒側に偏心させてもよい。この変形例の構造を図１１に示す。
図１１において、この変形例の燃料集合体３００Ａは、第３の実施形態の燃料集合体３００において、第２の燃料棒３０１ｂの配置を全く変えずに、角型ウォータチャンネル３０２のみを正方格子状配列の１列分だけ反制御棒側にさらに偏心させたものである。本変形例によっても、第３の実施形態の燃料集合体３００と同様の効果を得ることができる。またこのとき、２本の第２の燃料棒３０１ｂが角型ウォータチャンネル３０２と隣接しているが、第２の実施形態の燃料集合体２００同様、このときのまわりの燃料棒３０１ａの熱的余裕は十分に確保することができる。
【００４８】
なお、上記第１〜第３の実施形態においては、角型ウォータチャンネル１０２，２０２，３０２はいずれも９本の第２の燃料棒１０１ｂ，２０１ｂ，３０１ｂが配列可能な領域に配置されていたが、これに限られず、少なくとも１本の第２の燃料棒１０１ｂ，２０１ｂ，３０１ｂが配列可能な領域に配置すれば足りる。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、反制御棒側領域に偏らせる第２の燃料棒の本数を適宜調整することで、常にＨ／Ｕ比を最適化することができる。したがって、平均濃縮度３．９重量％以上に高濃縮度化された燃料集合体において、Ｈ／Ｕ比を最適化することができ、燃料経済性の向上を図ることができる。また、Ｈ／Ｕ比を常に最適化することができるので、制御棒側と反制御棒側との濃縮度差を縮小し反制御棒側の濃縮度を低下させることができる。したがって、冷温停止時における出力増大を抑制でき、炉停止余裕を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図２】  図１中II−II断面による縦断面図である。
【図３】  反制御棒側領域と制御棒側領域における第２の燃料棒の本数差を変化させたときの、局所出力因子な変化幅を解析した結果を示した図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図５】  燃料集合体平均濃縮度を種々変化させたときの無限増倍率の挙動を解析した結果を示した図である。
【図６】  第２の実施形態に係わる第１参考例としての沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図７】  第２の実施形態の第１の変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図８】  第２の実施形態の第２の変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図９】  第２の実施形態に係わる第２参考例としての沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図１０】  本発明の第３の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図１１】  第３の実施形態の変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図１２】  一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造を表す概念的横断面図である。
【図１３】  Ｈ／Ｕ比−無限増倍率の特性曲線を示す図である。
【図１４】  短尺燃料棒を設ける従来構造を表す横断面図である。
【図１５】  水ロッド領域を狭いギャップ水領域に近づけた従来構造を表す横断面図である。
【図１６】  図１５と同様の構造を１０行１０列正方格子状配列で実現した場合の横断面図である。
【符号の説明】
１００ 燃料集合体
１０１ 燃料棒
１０１ａ 第１の燃料棒
１０１ｂ 第２の燃料棒
１０２ 角型ウォータチャンネル
１０４ａ ガイドポスト
１０８ 制御棒
１０９ チャンネルファスナー
１１０ 境界面
１１１ 制御棒側領域
１１２ 反制御棒側領域
２００ 燃料集合体
２００Ａ〜Ｄ 燃料集合体
３００ 燃料集合体
３０１ 燃料棒
３０１ａ 第１の燃料棒
３０１ｂ 第２の燃料棒
３０２ 角型ウォータチャンネル
３０８ 制御棒
３１０ 境界面
３００Ａ〜Ｄ 燃料集合体
【図１】
0004094092.tif 000002
【図２】
0004094092.tif 000003
【図３】
0004094092.tif 000004
【図４】
0004094092.tif 000005
【図５】
0004094092.tif 000006
【図６】
0004094092.tif 000007
【図７】
0004094092.tif 000008
【図８】
0004094092.tif 000009
【図９】
0004094092.tif 000010
【図１０】
0004094092.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0004094092.tif 000016
【図１６】
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