(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の燃料棒と内部に冷却材の一部が流れるウォータロッドを、軸方向に複数個配列されるスペーサによって結束し、チャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体において、少なくとも１つの前記スペーサは外枠であるバンド下流側に冷却材の流れを燃料棒側に向ける傾斜したフロータブを突出して形成するとともに、前記フロータブの数が異なる２種類以上のスペーサを含むことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
燃料集合体の最下端から連続する複数個のスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
【請求項３】
前記燃料棒は長さの異なる複数種類あり、最も長い種類以外の燃料棒である短尺燃料棒のうち最も長いものの上端より下方に位置するスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする請求項２に記載の燃料集合体。
【請求項４】
燃料集合体の最上端のスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の燃料集合体。
【請求項５】
複数本の燃料棒と内部に冷却材の一部が流れるウォータロッドを、軸方向に複数個配列されるスペーサによって結束し、チャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体において、前記スペーサの外側に設けられたチャンネルボックスと接触しうる突起部を除くスペーサの外径である実効外径が異なる２種類以上のスペーサを有し、かつ少なくとも燃料集合体の最下端から連続する複数個のスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
前記燃料棒は長さの異なる複数種類あり、最も長い種類以外の燃料棒である短尺燃料棒のうち最も長いものの上端より下方に位置するスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする請求項５に記載の燃料集合体。
【請求項７】
燃料集合体の最上端のスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする請求項５ないし請求項６に記載の燃料集合体。
【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られる燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、沸騰水型原子炉用の燃料集合体１は、図７に示すように、正方角筒状のチャンネルボックス７内に、核燃料を収容した多数本の燃料棒２，３と内部を冷却材が流れるウォータロッド６を配列すると共に、その上下端部を上部タイプレート４と下部タイプレート５とによりそれぞれ固定し、その中間部を軸方向に適宜間隔を置いて設置された複数個のスペーサ８ａ，８ｂによって整列支持されて構成されている。なお、ここで示す９×９配列の燃料では、燃料集合体の圧力損失を低減するため、上端が上部タイプレートに達していないいわゆる短尺燃料棒３が使用されている。
【０００３】
スペーサ８の設計に際しては燃料棒２，３の間隔保持等、燃料集合体の機械的構造上の要求に加えて、スペーサにより炉心内を流れる冷却材流動を制御して沸騰遷移に対する余裕を増大させること、および冷却材を循環させるポンプ動力や燃料の熱水力学的な安定性の観点からスペーサ部での圧力損失をなるべく低減させることも重要な要求となっている点も考慮しなければならない。
【０００４】
このような要求から設計されたスペーサは、例えば短尺燃料棒を用いた燃料集合体の場合、配置される位置により２種類のものが用いられる。ここで、短尺燃料棒上端より下に配置されるスペーサを下部スペーサ８ａ、上端より上に配置されるものを上部スペーサ８ｂとし、それぞれ図８，図９に示す。
【０００５】
図８（Ａ）はスペーサの上面図、（Ｂ）は側面図である。ここでスペーサ８ａは、矩形状に形成されたバンド１５内に、燃料棒挿通路を形成するよう、互いに点溶接により接合された円筒状のスペーサセル１０（以下セルという）を配列し、隣接したセル１０相互の２つの側面部にセルスプリング１３を配して形成されている。このセルスプリング１３とセル１０内に設けられた２つのセルストップ１２により、３方向から燃料棒を支持する。また、中央部には、２本の太径ウォータロッド６を支持するためのウォータロッド支持金具１１とウォータロッドスプリングとが設けられている。
【０００６】
また、バンド１５側面には外向きに突出する突起（ローブ）１６が設けられ、これによってバンド１５とそれを取り囲むチャンネルボックス７の間に適切な間隔を持たせることができる。また、バンド１５の上部（下流側）には、限界出力特性向上を目的としてフロータブ１８がそれぞれ複数個配設されている。
【０００７】
また、スペーサ８ｂは、図９に示されるように、短尺燃料棒の配置位置の８個所のセル１０が削除されている他は、図８に示されたスペーサ８ａとほぼ同様の構成である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、原子力発電プラントにおいては、核燃料経済性の向上と使用済燃料体数の低減を目的として、燃料集合体１の１体から取出せるエネルギーを増大させる高燃焼度化が進められている。この高燃焼度化を実現するためには燃料集合体の平均濃縮度を高める必要があるが、これによって炉心特性上いくつかの好ましくない影響が生じる。
【０００９】
その一つは燃料の熱的特性への影響である。すねわち、燃料の濃縮度を高めると、燃料の寿命初期における燃料集合体１体が発生する熱出力が増加するため、沸騰遷移に対する熱的余裕が減少することになる。特に、燃料集合体内において外周に配置された燃料棒は、チャンネルボックス７の外の大きな水領域に隣接しているため、熱中性子の供給が多く、出力が高くなる。このため、この位置での熱的裕度が特に低くなり易い。
【００１０】
一方、チャンネルボックス７は非発熱であり外側に温度の低い非沸騰水があるため、これに沿って蒸気クオリティの低い（液相の多い）冷却材流が存在している。従って、熱的余裕改善のための対策としては、スペーサの実効外径Ｄ（対向する辺と辺の距離）をなるべく大きくしてこの冷却材流をバンド１５により剥ぎ取り、また前述のフロータブ１８によって外周燃料棒へ導くことにより、外周燃料棒の熱的裕度を向上させるという手段が用いられている。
【００１１】
ところが、スペーサ８の実効外径を増したり、フロータブ１８を設置することによって、冷却材流に対する障害物が増えて燃料集合体１の圧力損失が増加するという新たな課題が発生することになった。
【００１２】
次に燃料濃縮度の増加によるもう一つの悪影響として、ボイド係数の増大や原子炉停止余裕の減少といった核特性上の影響が挙げられる。前者は過渡変化時における炉心の過出力を増大させ、後者は制御棒による原子炉の停止能力を悪化させるという原子炉の核的な安全性に関わる問題である。これに対する一つの対策が前述した短尺燃料棒の採用であって、これらの核特性の改善に有効な手段である。特に短尺燃料棒３をチャンネルボックス７に隣接して配置した場合、その効果が非常に大きいことが知られているが、これまで実際に採用された例はほとんどない。その理由を簡単に説明すると以下のようになる。
【００１３】
もともと短尺燃料棒３上端より上方（下流側）は局所的に流路が広くなるので、冷却材が集中しやすく、そこから離れた位置の燃料棒へ供給される冷却材が減少する傾向が多少あった。ところが前述したように短尺燃料棒３をチャンネルボックスに隣接配置した場合は液相がチャンネルボックス７の表面に沿って流れやすいために、この傾向がさらに強まって熱的余裕を損なうことが懸念される。従ってせっかく短尺燃料棒３を導入しても十分にその効果を生かすことができないという問題点があった。
【００１４】
本発明は上記の諸課題を解決するためになされたもので、特に燃料集合体外周部の燃料棒の冷却効率を改善し、また短尺燃料棒をチャンネルボックスに隣接して配置させ核特性を改善し、なおかつ燃料の熱的特性が悪化しない燃料集合体を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係わる発明は、複数本の燃料棒と内部に冷却材の一部が流れるウォータロッドを、軸方向に複数個配列されるスペーサによって結束し、チャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体において、前記スペーサの１個以上については外枠であるバンドの下流側に冷却材の流れを燃料棒側に向ける傾斜したフロータブを突出して形成するとともに、前記フロータブの数が異なる２種類以上のスペーサを含むことを特徴とする。
【００１６】
この構成により、フロータブによる圧損増加を低減し、燃料集合体の圧損増加を防ぐことができる。請求項２に係わる発明は、燃料集合体の最下端から連続する複数個のスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に係わる発明は、短尺燃料棒のうち最も長いものの上端より下方に位置するスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする。請求項４に係わる発明は、燃料集合体の最上端のスペーサにはフロータブを形成しないことを特徴とする。
【００１８】
請求項２ないし請求項４に係わる発明の構成により、燃料集合体の熱的余裕を高めながら燃料集合体の圧力損失を低減することができる。請求項５に係わる発明は、複数本の燃料棒と内部に冷却材の一部が流れるウォータロッドを、軸方向に複数個配列されるスペーサによって結束し、チャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体において、前記スペーサの外側に設けられたチャンネルボックスと接触しうる突起部を除くスペーサの外径である実効外径が異なる２種類以上のスペーサを有し、かつ少なくとも燃料集合体の最下端から連続する複数個のスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする。
【００１９】
請求項６に係わる発明は、短尺燃料棒のうち最も長いものの上端より下方に位置するスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする。
【００２０】
請求項７に係わる発明は、燃料集合体の最上端のスペーサの実効外径が最も小さいことを特徴とする。請求項５ないし請求項7に係わる発明の構成により、燃料スペーサの部材量を最小限に抑えられるので圧力損失が低減するとともに、燃料チャンネル付近を流れる液相が増加し、かつそれを燃料スペーサのバンドにより最外周燃料棒へ振り向けられるので熱的余裕が増加する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態の燃料集合体を示したものであり、図１（Ａ）は燃料集合体の一部縦断面図、（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ（Ａ）のＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ矢視横断面図である。なお、図中、従来の技術と同一部分は同一符号を附し、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１において、燃料集合体１には７個所に４種類の構造の異なるスペーサが配置されている。下側から数えて第１〜４番目を第１スペーサ８ｃ、第５番目を第２スペーサ８ｄ、第６番目を第３スペーサ８ｅ、第７番目の第４スペーサ８ｆとし、これらのスペーサの上面図と側面図を図２ないし図５に示し、それぞれ比較しながら説明する。
【００２３】
図２に示す第１スペーサ８ｃと図３に示す第２スペーサ８ｄ、及び図４に示す第３スペーサ８ｅと図５に示す第４スペーサ８ｆは、バンド１５以外の部分の構造が同じである。それぞれのスペーサ位置で保持する燃料棒２，３の本数に対応しているもので、短尺燃料棒３の上端より下方に配置された第１及び第２スペーサ８ｃ，８ｄと比較して、上端より上方に配置された第３及び第４スペーサ８ｅ，８ｆは、短尺燃料棒配置位置のセル１０が削除されている。
【００２４】
一方、バンド１５の構造については第１スペーサ８ｃと第４スペーサ８ｆ、及び第２スペーサ８ｄと第３スペーサ８ｅがそれぞれ同じである。以下、この２種類のバンド構造について述べる。
【００２５】
図３において、第２スペーサ８ｄには、バンド１５ｂの各辺にフロータブ１８が形成されており、この基本的構造は従来例と同様であるが、バンド１５ｂをなるべくチャンネルボックス７に近接させるようにしている。すなわち、バンド１５ｂの上下端部の一部を内側方向に打ち出してセル支持突起１９を作り、この部分でスペーサ８内部のセル１０と溶接して保持している。この構造の詳細は本特許出願人の先願である特願平９−５２６５７に記載されている。なお、図４に示す第３スペーサ８ｅのバンド１５も同様の構成である。
【００２６】
一方、図２及び図５において、第１スペーサ８ｃ及び第４スペーサ８ｆのバンド１５ａにはフロータブ１８が形成されていない。またバンド１５ａも内側への突出部を介さず平板部が直接丸セル１０と溶接されているので実効外径Ｄ１が第２スペーサ８ｄと第３スペーサ８ｅの実効外径Ｄ２よりも小さくなっている。このためチャンネルボックス７内面とバンド１５の距離が第２スペーサ８ｄと第３スペーサ８ｅの場合よりも大きく、それに対応してバンド１５外側方向への突起の高さ（以下ローブという）１６が第２スペーサ８ｄと第３スペーサ８ｅより高くなっている。
【００２７】
なお、第１スペーサ８ｃ及び第４スペーサ８ｆには、フロータブに代えてリードインタブ１７を設けている。これは、燃料集合体を組み立てる等の際のガイドとして斜面部を設けたものである。このリードインタブ１７は、フロータブに比べて小さいため、圧力損失等の熱水力的な影響はほとんどない。
【００２８】
図６にそれぞれのスペーサによる冷却材の流れを模式的に示す。図６（Ａ）は、第２及び第３スペーサ部での冷却材の流れを示しており、チャンネルボックス７内面を流れる冷却材液相部Ｆがフロータブ１８により、引き剥がされて燃料棒２，３に供給されている。このため、燃料棒２，３の冷却を促進することができる。また、図６（Ｂ）は、フロータブ１８を有さない第１スペーサ部での冷却材の流れを示しており、スペーサ１５ａは、フロータブ１８がないため圧力損失が少なく、チャンネルボックス内面近傍に蒸気クオリティの低い冷却材が流れている。さらに、第１スペーサの軸方向から見た投影面積は第２スペーサ８ｄと第３スペーサ８ｅよりも小さく、すなわちスペーサの実効外径が小さく、バンド１５ａとチャンネルボックス７内面の距離を広げているため、圧力損失が低減できる。
【００２９】
次に熱的余裕（限界出力）の観点からは、各スペーサ配置位置では以下のような特徴がある。すなわち、燃料集合体上部においては、沸騰遷移に対する余裕が小さい。また、燃料集合体下部は蒸気クオリテイが低く、燃料有効長上端付近は表面熱流束が低いため、いずれも沸騰遷移に対する余裕が非常に大きい部位である。
【００３０】
従って、本実施の形態のように、燃料集合体下部に実効外径が小さく、またフロータブを設けない第１スペーサ８ｃを配置することにより、熱的余裕を低下させることなく圧損を低減し、チャンネルボックス７内面近傍に蒸気クオリティの低い冷却材を流すことができる。このため、燃料集合体上部でのチャンネルボックス７内面近傍の蒸気クオリティの低い冷却材流が温存され、燃料集合体上部で効率よく外周燃料棒を冷却することができる。
【００３１】
すなわち、従来のスペーサ配置では、燃料集合体下部に設置されたスペーサ８ａと上部に設置されたスペーサ８ｂとがほぼ同じ構造であったので、チャンネルボックス内面に沿う流れをかき乱し、蒸気クオリティの低い冷却材が燃料集合体の上部まで到達する割合が低くなっていたが、本実施の形態のように、圧損低減できる実効外径の小さい、またはフロータブのない複数種類のスペーサを用いることにより、この課題が解決されるものである。
【００３２】
また、本実施の形態では、沸騰遷移に対する余裕が非常に大きい燃料有効長上端付近にも、低圧損の第４スペーサを配置することにより、全体の冷却材流の圧損も低減している。
【００３３】
なお、本実施の形態では第１ないし第４スペーサの４種類のスペーサを用いているが、例えば短尺燃料棒３上端より下では全て第１スペーサを用い、それより上では第３スペーサを用いる等によりスペーサ種類数を減らすこともできる。また、第１及び第４スペーサのフロータブを完全に取り去らず、数を第２及び第３スペーサより少なくすることによっても類似の効果が得られることは明らかである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料の圧力損失を低減しながら、かつ熱的余裕が大きく、健全性の良い燃料集合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第１の実施の形態を一部断面で示す立面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。
【図２】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第１の実施の形態における第１スペーサの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図。
【図３】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第１の実施の形態における第２スペーサの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の及び側面図。
【図４】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第１の実施の形態における第３スペーサの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図。
【図５】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第１の実施の形態における第４スペーサの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図。
【図６】（Ａ）は本発明に係わる燃料集合体の第１の実施の形態における第１スペーサの働きを示す模式図、（Ｂ）第２及び３スペーサの働きを示す模式図。
【図７】（Ａ）は従来の燃料集合体を一部断面で示す立面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。
【図８】（Ａ）は従来の燃料集合体における上部スペーサの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図。
【図９】（Ａ）は従来の燃料集合体における下部スペーサの上面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図。
【符号の説明】
１…燃料集合体、２…長尺燃料棒、３…短尺燃料棒、４…上部タイプレート、５…下部タイプレート、６…ウォータロッド、７…チャンネルボックス、８…スペーサ、９…燃料棒有効部、１０…スペーサセル、１１…ウォータロッド支持金具、１２…セルストップ、１３…セルスプリング、１４…ウォータロッドスプリング、１５…バンド、１６…ローブ、１７…リードインタブ、１８…フロータブ、１９…セル支持突起、２０…ローブ下端の開口部
【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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【図９】
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