(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰水型軽水炉用燃料集合体において、最大使用燃焼度が５５ＧＷｄ／ｔから１００ＧＷｄ／ｔの範囲にあり、かつジルコニウム基合金を用いた角筒状の燃料チャンネルボックスを用い、前記燃料チャンネルボックスは上端部及び下端部を除いた少なくとも長手方向中央部の横断面で均一な肉厚を有し、その初期肉厚をｔ、チャンネルボックスの対向する内面間の距離をＬとしたときに、
0.0235 ≦ ( t/L ) ≦ 0.0268
の式の条件を満足する燃料チャンネルボックスを備えることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
沸騰水型軽水炉用燃料集合体の燃料チャンネルボックスにおいて、前記燃料集合体の最大使用燃焼度が５５ＧＷｄ／ｔから１００ＧＷｄ／ｔの範囲にあり、前記燃料チャンネルボックスがジルコニウム基合金を用いた角筒状の構造であり、かつ上端部及び下端部を除いた少なくとも長手方向中央部の横断面で均一な肉厚を有し、その初期肉厚をｔ、チャンネルボックスの対向する内面間の距離をＬとしたときに、
0.0235 ≦ ( t/L ) ≦ 0.0268
の式の条件を満足することを特徴とする燃料チャンネルボックス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型軽水炉原子燃料集合体及びその燃料チャンネルボックスに係わり、特に膨れ変形の低減に好適な燃料チャンネルボックスを備えた燃料集合体及びその燃料チャンネルボックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料集合体は、複数の燃料棒及び水ロッドを複数のスペーサで束ね、燃料棒の上下端を上部タイプレート及び下部タイプレートで支持した燃料束を燃料チャンネルボックスに収納し、燃料チャンネルボックスの上端部と上部タイプレートをチャンネルファスナで結合した構造となっている。チャンネルファスナは燃料集合体を炉心に装荷した際に、隣接する燃料集合体を互いに押し付け合い、制御棒の挿入及び引抜き操作が容易できるための通路を確保している。
【０００３】
近年、燃料経済性向上の観点から燃料の高燃焼度化が図られており、燃料チャンネルボックスも従来と比べ長期間に渡って使用される。燃料チャンネルボックスを長期間使用した場合、チャンネルボックスの膨れ変形の進行により制御棒の挿入間隙を減少させ、ひては制御棒の操作性に支障をきたす可能性がある。この対策として、特開昭５７−１７５２８６号公報に記載のように、燃料チャンネルボックスの内外差圧による応力が最も高い横断面における隅部（コーナ部）の肉圧を相対的に厚くして応力を軽減し、相対的に応力の低い辺中央部領域を薄肉化する構造により膨れ変形を低減する対策が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭５７−１７５２８６号公報によりこれまでの従来技術の欠点が解消される。しかし、この技術では、製造工程及び製造方法等の考慮が必要であり特有の技術が必要とされていた。また、燃料チャンネルボックスの一部に薄肉の部分が生じるため、使用期間がさらに長期化された場合、腐食減肉及び水素吸収による水素濃度の増加による影響が生じる。
【０００５】
燃料チャンネルボックスの従来の製造方法が適用でき、燃料チャンネルボックスの膨れ変形を抑えかつ腐食減肉に付随した影響に対する裕度を増加させる方法としては、燃料チャンネルボックスの肉厚を増加させることが有効であるが、燃料チャンネルボックスの肉厚増加は一方で燃料チャンネルボックス外幅の増加を招き、膨れ変形の抑制効果がこの外幅の増加を上回らない限り、制御棒と燃料チャンネルボックスの間隙を狭めてしまうことになる。
【０００６】
本発明は、燃料チャンネルボックスの初期肉厚と使用最大燃焼度の両方に制限を設けることにより、燃料の高燃焼度化に対応した燃料チャンネルボックスの使用期間中の実効的な最大膨れ量を低減し、かつ従来の製造技術で対応可能な燃料チャンネルボックスを装着した燃料集合体及びその燃料チャンネルボックスを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、沸騰水型軽水炉用燃料集合体において、最大使用燃焼度が５５ＧＷｄ／ｔから１００ＧＷｄ／ｔの範囲にあり、かつジルコニウム基合金を用いた角筒状の燃料チャンネルボックスを用い、前記燃料チャンネルボックスは上端部及び下端部を除いた少なくとも長手方向中央部の横断面で均一な肉厚を有し、その初期肉厚をｔ、チャンネルボックスの対向する内面間の距離をＬとしたときに、
0.0235 ≦ ( t/L ) ≦ 0.0268
の式の条件を満足する燃料チャンネルボックスを備えるものとする。
【０００８】
このように使用最大燃焼度に対応して燃料チャンネルボックスの初期肉厚を設定することにより、使用最高燃焼度が５５〜１００ＧＷｄ／ｔの領域で使用末期の板厚＋膨れ量を最小とすることができ、従来の肉厚のチャンネルボックスを使用した場合に比べて燃料チャンネルボックスの実効的な最大膨れ量を低減できる。また、燃料チャンネルボックスは少なくとも長手方向中央部の横断面で均一な肉厚を有するので、従来の製造技術で対応可能となる。
【０００９】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、沸騰水型軽水炉用燃料集合体の燃料チャンネルボックスにおいて、前記燃料集合体の最大使用燃焼度が５５ＧＷｄ／ｔから１００ＧＷｄ／ｔの範囲にあり、前記燃料チャンネルボックスがジルコニウム基合金を用いた角筒状の構造であり、かつ上端部及び下端部を除いた少なくとも長手方向中央部の横断面で均一な肉厚を有し、その初期肉厚をｔ、チャンネルボックスの対向する内面間の距離をＬとしたときに、
0.0235 ≦ ( t/L ) ≦ 0.0268
の式の条件を満足するものとする。
【００１０】
これにより上記の如く、燃料の高燃焼度化に対応した燃料チャンネルボックスの使用期間中の実効的な最大膨れ量を低減し、かつ従来の製造技術で対応可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１２】
図１において、本実施の形態に係わる燃料集合体１１は、複数本の燃料棒１２と水ロッド１３を複数のスペーサ１４で水平方向間隔を一定にして正方格子状に束ね、燃料棒１２と水ロッド１３の上下端を上部タイプレート１５及び下部タイプレート１６で支持した燃料体１７と、この燃料体１７を覆い収納する角筒状の燃料チャンネルボックス１とを有し、燃料チャンネルボックス１の上端部と上部タイプレート１５をチャンネルファスナ２で結合した構造となっている。
【００１３】
図２に燃料チャンネルボックス１の外観を示す。燃料チャンネルボックス１はジルコニウム基合金を用いた角筒状の構造をなし、上端コーナー部の１つに上記のチャンネルファスナ２が設けられ、そのコーナー部を構成する隣り合う２側面にチャンネルスペーサ３が設けられている。
【００１４】
図３に、炉心装荷時の燃料チャンネルボックス１と炉心上部格子板５の取合いを示す。燃料集合体１１は４体を一単位として炉心上部格子板５により上部を支持され、各燃料集合体１１の燃料チャンネルボックス１は隣り合う２面で上部格子板５に接触し、他の２面でチャンネルファスナ２又はチャンネルスペーサ３を介して隣接する他の燃料チャンネルボックス１と押し付け合い、位置を固定する。また、隣接するチャンネルボックス１間にはその下方から十字状の制御棒４が挿入あるいは引き抜き操作され、チャンネルファスナ２又はチャンネルスペーサ３はその制御棒４の挿入及び引抜き操作を容易するための通路を確保している。
【００１５】
図４に燃料チャンネルボックス１の長手方向中央部の横断面を示す。燃料チャンネルボックス１は全長あるいは上端部及び下端部を除いた少なくとも長手方向中央部の横断面で均一な肉厚を有し、その初期肉厚は次のように決められている。
【００１６】
図４において、燃料チャンネルボックス１の初期肉厚をｔ、対向する内面間の距離をＬとし、図５に示すように隣接する燃料集合体の燃料ピッチをＰとし、燃料チャンネルボックス１の外面と制御棒４との間隔Ｇとすると、間隔Ｇは、図５に示す原子炉内に装荷したときの燃料チャンネルボックス１と制御棒４との取合いから下記式で表せる。
【００１７】
Ｇ＝Ｐ−Ｌ−Δ
ただし、Δ＝ｔ＋膨れ変形
燃料ピッチＰは炉心上部格子板５のサイズにより定まるので、既存の原子炉に装荷する場合、燃料ピッチＰは予め定まっている。従って、Ｌを基準に取れば、燃料チャンネルボックス１の外面と制御棒４との間隔ＧはΔ＝（燃料チャンネルボックスの肉厚＋膨れ変形）で決定される。
【００１８】
図６に、燃料チャンネルボックスの使用燃焼度と肉厚ｔと上記Δの関係を示す。肉厚ｔとΔは、一般化のため、それらの値を距離Ｌで除すことにより無次元化してある。また、図６の関係は、膨れ変形量は燃焼度の増加に伴い直線的に増加すること、また肉厚比の(−３)乗に比例するという関係を用い、実炉で得られた膨れのデータに基づいて解析により求めたものである。
【００１９】
図６から分かるように、使用燃焼度が５５ＧＷｄ／ｔ以上の範囲内では、現行の燃料チャンネルボックスの肉厚ｔ／Ｌ＝0.019〜0.023を超えた、ｔ／Ｌ＝0.0235以上の範囲で実効的な変形量Δが最小値をとる。ただし、ｔ／Ｌ＝0.027を超えて肉厚を増加させると、現行の燃料チャンネルボックスを用いる場合に比べて、構造材の増加により中性子経済性が悪化し無限増倍率が２％Δｋ以上低下するため、燃料の高燃焼度化による経済的効果が失われてしまう。
【００２０】
以上から、使用燃焼度が５５ＧＷｄ／ｔ以上の燃料体に対しては、使用最高燃焼度を１００ＧＷｄ／ｔ以下として、チャンネルボックスの肉厚をｔ／Ｌ＝0.0235〜0.0268とするのが良い。
【００２１】
実際の設計においては、耐震性の観点からチャンネルボックスの振動固有周波数が、プラントが立地する地盤特性、及び建屋の応答特性によって決まる地震時の加振周波数に重ならないように、上記範囲内（ｔ／Ｌ＝0.0235〜0.0268）で肉厚を調整しチャンネルボックスの剛性を最適化する。
【００２２】
本発明の効果を使用最高燃焼度８０ＧＷｄ／ｔで、肉厚ｔ／Ｌ＝0.0255のチャンネルボックスを装着した燃料体を例に取り示すと、図６の関係から使用末期の実質的な変形量Δを１５〜２％軽減することができる。また、燃料チャンネルボックスの使用末期における水素濃度は、使用中の水素吸収量が同じであるとき肉厚に反比例することになるから、水素濃度については３５〜１０％軽減することができる。
【００２３】
また、燃料チャンネルボックスは少なくとも長手方向中央部の横断面で均一な肉厚を有するので、従来の製造技術で対応可能となる。
【００２４】
なお、高速中性子束が大きく膨れ変形が生じやすいチャンネルボックスの中央部を除いた、上端から約５００ｍｍまでの領域及び下端から約２００ｍｍまでの領域については、以下に示す構造としても良い。
【００２５】
図７に、炉心装荷時の燃料チャンネルボックス１と炉心上部格子板５の取合いを示す。燃料チャンネルボックス１は上記のように、隣り合う２面で上部格子板５に接触し、他の制御棒挿入側の面ではチャンネルファスナ２又はチャンネルスペーサ３を介して隣接する他の燃料チャンネルボックス１と押し付け合い位置を固定する構造となっている。従来プラントに本発明を適用する場合は、上部格子板接触部を含む領域ｇを減肉した構造とする。減肉の領域は、上部格子板５と接触しない面を含んで３面または４面にまたがってもよい。減肉の領域を４面にすると４面とも同じ形状となるため、加工が容易となる。
【００２６】
図８に、燃料チャンネルボックス１の下端部の取合いを示す。燃料チャンネルボックス１は、燃料集合体の下部タイプレート１６にフィンガースプリング７を間に挟んだ形で挿入される。燃料チャンネルボックス１の剛性が大きいと弾性変形しにくくなるため、燃料体に装着する際に大きな押し込み荷重が必要となり、作業性が悪化する。これを改善するために、燃料チャンネルボックス１の下端部の下部タイプレート嵌合部を含む領域ｈを減肉した構造とする。これにより燃料チャンネルボックス１の当該部分が弾性変形し易くなり、チャンネルボックス挿入時の組立作業性が向上する。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、使用最大燃焼度に対応して燃料チャンネルボックスの初期肉厚を適切に設定したので、使用最高燃焼度が５５〜１００ＧＷｄ／ｔの領域で使用末期の板厚＋膨れ量を最小とすることができ、従来の肉厚のチャンネルボックスを使用した場合に比べて燃料チャンネルボックスの実効的な最大膨れ量を低減できる。また、燃料チャンネルボックスは少なくとも長手方向中央部の横断面で均一な肉厚を有するので、従来の製造技術で対応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による燃料集合体の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態による燃料チャンネルボックスの鳥瞰図である。
【図３】炉心装荷時の燃料チャンネルボックスと炉心上部格子板の取合いを示す上面図である。
【図４】燃料チャンネルボックスの横断面図である。
【図５】本発明の考えを説明するための燃料チャンネルボックスと制御棒の取合を示す図である。
【図６】本発明の考えを説明するための燃料チャンネルボックスの使用燃焼度と燃料チャンネルボックス肉厚及び変形量との関係を示す図である。
【図７】  本発明の他の実施の形態による燃料チャンネルボックスと炉心上部格子板との取合を示す図である。
【図８】  本発明の他の実施の形態による燃料チャンネルボックスと下部タイプレートとの取合を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料チャンネルボックス
２  チャンネルファスナ
３  チャンネルスペーサ
４  制御棒
５  炉心上部格子板
７  フィンガースプリング
１１  燃料集合体
１２  燃料棒
１３  水ロッド
１４  スペーサ
１５  上部タイプレート
１６  下部タイプレート
１７  燃料体
【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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