特許 6345481 燃料集合体、炉心、及び燃料集合体の作成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6345481

(24)【登録日】2018年6月1日

(45)【発行日】2018年6月20日

(54)【発明の名称】燃料集合体、炉心、及び燃料集合体の作成方法

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/328 20060101AFI20180611BHJP

   G21C 3/326 20060101ALI20180611BHJP

【ＦＩ】

   G21C3/30 TGDB

   G21C3/30 WGDB

   G21C3/30 YGDB

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-101618(P2014-101618)

(22)【出願日】2014年5月15日

(65)【公開番号】特開2015-219064(P2015-219064A)

(43)【公開日】2015年12月7日

【審査請求日】2017年2月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 謙祐

(72)【発明者】

【氏名】光安 岳

(72)【発明者】

【氏名】青山 肇男

(72)【発明者】

【氏名】中堂園 尚幸

(72)【発明者】

【氏名】永吉 拓至

【審査官】 右田 純生

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２４９２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２９１１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０８８４２０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０９５２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１９３７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭４９−０６３８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３３２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−００９７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５６２７８６５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｃ ３／３２６− ３／３２８

Ｇ２１Ｃ ５／００

Ｇ２１Ｃ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

四角筒状のチャンネルボックスと、当該チャンネルボックス内に格子状に配置された複数の燃料棒とを備える燃料集合体において、
前記チャンネルボックスの内壁面に対向する最外層燃料棒の平均径が前記チャンネルボックス内に配置された全ての燃料棒の平均径より大きく、前記最外層燃料棒の平均の配置ピッチが当該最外層燃料棒に隣接する第２層燃料棒の平均の配置ピッチより大きく、且つ、式（１）で定義される熱的等価直径について、前記最外層燃料棒の平均の熱的等価直径と前記最外層燃料棒より内側に配置された内層燃料棒の平均の熱的等価直径の比が１．０よりも大きく、１．４よりも小さいことを特徴とする燃料集合体。
Ｘ＝４Ｓ／πＲ・・・（１）
但し、Ｒ：燃料棒の径、Ｓ：燃料棒格子内の流路断面積

【請求項2】

四角筒状のチャンネルボックスと、当該チャンネルボックス内に格子状に配置された複数の燃料棒とを備える燃料集合体において、
前記チャンネルボックスの内壁面に対向する最外層燃料棒の径が前記チャンネルボックス内に配置された全ての燃料棒の平均径より大きく、前記最外層燃料棒の配置ピッチが当該最外層燃料棒に隣接する複数の第２層燃料棒の配置ピッチより大きく、且つ、式（１）で定義される熱的等価直径について、前記最外層燃料棒の平均の熱的等価直径を前記最外層燃料棒の平均の濃縮度で除した値と、前記最外層燃料棒より内側に配置された内層燃料棒の平均の熱的等価直径を前記内層燃料棒の平均の濃縮度で除した値との比が１．０よりも大きく、１．３よりも小さいことを特徴とする燃料集合体。
Ｘ＝４Ｓ／πＲ・・・（１）
但し、Ｒ：燃料棒の径、Ｓ：燃料棒格子内の流路断面積

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料集合体において、
前記最外層燃料棒の一列当たりの本数をＮとしたとき、前記第２層燃料棒の一列当たりの本数がＮ−１であり、前記最外層燃料棒の配置ピッチと前記第２層燃料棒の配置ピッチの比がＮ/（Ｎ−１）よりも大きいことを特徴とする燃料集合体。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料集合体において、前記最外層燃料棒の少なくとも四隅の燃料棒の燃料装荷部の上端が他の燃料棒よりも低くしてあることを特徴とする燃料集合体。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料集合体において、前記第２層燃料棒の少なくとも四隅の燃料棒の燃料装荷部の上端が他の燃料棒よりも低くしてあることを特徴とする燃料集合体。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料集合体において、前記内層燃料棒の配置ピッチを一様とすることを特徴とする燃料集合体。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料集合体において、前記最外層燃料棒の配置ピッチを一様とすることを特徴とする燃料集合体。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料集合体を装荷する炉心。

【請求項9】

四角筒状のチャンネルボックスと、当該チャンネルボックス内に格子状に配置された複数の燃料棒とを備える燃料集合体の作成方法において、
前記チャンネルボックスの内壁面に対向する最外層燃料棒の平均径を前記チャンネルボックス内に配置された全ての燃料棒の平均径より大きくし、前記最外層燃料棒の平均の配置ピッチを当該最外層燃料棒に隣接する第２層燃料棒の平均の配置ピッチより大きくし、且つ、式（１）で定義される熱的等価直径について、前記最外層燃料棒の平均の熱的等価直径と前記最外層燃料棒より内側に配置された内層燃料棒の平均の熱的等価直径の比を１．０よりも大きく、１．４よりも小さくすることを特徴とする燃料集合体の作成方法。
Ｘ＝４Ｓ／πＲ・・・（１）
但し、Ｒ：燃料棒の径、Ｓ：燃料棒格子内の流路断面積

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、原子炉に適用される燃料集合体に関する。

【背景技術】

【0002】

沸騰水型原子炉等の原子炉の炉心内に配置された多数の燃料集合体は、複数の燃料棒を束ねて一体化したもの（燃料バンドル）を平面視で四角形状に形成された筒状体のチャンネルボックス内に収納して構成されている。各燃料棒にはウラン等の核燃料物質を含む複数の燃料ペレットが封入されている。一般的に、チャンネルボックスの外側には沸騰していない水が存在し、チャンネルボックスの内側には燃料集合体の発熱によって沸騰した水が存在している。

【0003】

核燃料物質の核分裂に伴い発生する中性子を減速材（例えば、水など）により熱エネルギー領域まで減速させると、他の核燃料物質と反応する確率が増加する。そのため、沸騰していない水からの距離が近い燃料棒ほど核燃料物質との反応が促進される傾向にある。したがって、チャンネルボックスの壁面に対向するように配置された燃料棒（以下、最外層燃料棒）に多くの核燃料物質を封入することで、最外層燃料棒の出力が増加し燃料経済性を向上させることができる。しかし、最外層燃料棒の出力が増加すると燃料棒の温度も上昇するため、除熱性能の余裕（熱的余裕）が減少する。特に、最外層燃料棒のうちチャンネルボックスの四隅（４つのコーナー部）に配置された燃料棒は、チャンネルボックスの外側にある沸騰していない水の影響を最も受けるため他の燃料棒より出力が増加し、熱的余裕の面で最も厳しい。

【0004】

最外層燃料棒の熱的余裕を増加させる方法として、最外層燃料棒の配置ピッチ（燃料棒間の最近接距離）を最外層燃料棒の内側にある燃料棒の配置ピッチより大きくする方法が提唱されている（特許文献１を参照）。また、最外層よりも内側にある燃料棒の配置ピッチを狭めて、最外層燃料棒とチャンネルボックスの内壁面との距離を確保する方法が提唱されている（特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４−３２１１７号公報

【特許文献2】特開２０１２−９３２４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１は、単に最外層燃料棒の配置ピッチを最外層燃料棒の内側にある燃料棒の配置ピッチより大きくしただけで、最外層燃料棒に封入する核燃料物質量と熱的余裕との関係の最適化を考慮していない。また、特許文献２は、最外層燃料棒とチャンネルボックスの内壁面との距離を確保することを重視しているため、最外層よりも内側にある燃料棒の配置ピッチに余裕がなくなり、出力ピークによっては最外層より内側にある冷却水の流量が不足し、熱的余裕が減少してしまう可能性がある。

【0007】

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、熱的余裕を確保しつつ核燃料物質量を増加させることができる燃料集合体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の燃料集合体は、四角筒状のチャンネルボックスと、当該チャンネルボックス内に格子状に配置された複数の燃料棒とを備える燃料集合体において、チャンネルボックスの内壁面に対向する最外層燃料棒の平均径がチャンネルボックス内に配置された全ての燃料棒の平均径より大きく、最外層燃料棒の平均の配置ピッチが当該最外層燃料棒に隣接する第２層燃料棒の平均の配置ピッチより大きく、且つ、式（１）で定義される熱的等価直径について、最外層燃料棒の平均値と最外層燃料棒より内側に配置された内層燃料棒の平均値の比が１．０よりも大きく、１．４よりも小さい。
Ｘ＝４Ｓ／πＲ・・・（１）
但し、Ｒ：燃料棒の径、Ｓ：燃料棒格子内の流路断面積

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、最外層燃料棒に封入する核燃料物質量を増加しつつ熱的余裕を高めることができる燃料集合体、および燃料集合体を装荷する炉心を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態に係る燃料集合体を適用する原子炉の一構成例の概略構成を表す縦断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る燃料集合体の縦断面図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る燃料集合体を炉心に装荷したときの水平断面図である。

【図4】本発明の第１実施形態に係る燃料集合体における燃料棒の要素と熱的余裕との関係を示す図である。

【図5】本発明の第１実施形態に係る燃料集合体における燃料棒の要素と熱的余裕との関係を示す図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る燃料集合体を炉心に装荷したときの水平断面図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係る燃料集合体を炉心に装荷したときの水平断面図である。

【図8】本発明の第４実施形態に係る燃料集合体を炉心に装荷したときの水平断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第１実施形態＞
１．原子炉
図１は本実施形態に係る燃料集合体を適用する原子炉の一構成例の概略構成を表す縦断面図である。本実施形態では、燃料集合体を沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に適用した場合を例示する。図１に示すように、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器（原子炉容器）１０３（以下、ＲＰＶという。）は、炉心シュラウド１０２、気水分離器１０６及び蒸気乾燥器１０７を収納している。炉心シュラウド１０２は複数の燃料集合体（後述する）が装荷された炉心１０５を格納している。炉心シュラウド１０２の下方には、下部プレナム１２２が形成されている。気水分離器１０６は炉心シュラウド１０２の上方に設けられ、蒸気と水を含む気液二相流から蒸気を分離する機能を有している。蒸気乾燥器１０７は気水分離器１０６の上方に設けられ、気水分離器１０６から供給された蒸気から湿分を除去する機能を有している。ＲＰＶ１０３には主蒸気配管１０８及び給水配管１０９が設けられている。主蒸気配管１０８は蒸気タービン（不図示）に接続し、蒸気乾燥器１０７から供給された蒸気を蒸気タービンに送り出す機能を有する。給水配管１０９は蒸気タービンに接続する復水器（不図示）に接続し、復水器から供給された水をＲＰＶ１０３内に導く機能を有する。ＲＰＶ１０３と炉心シュラウド１０２の間には環状のダウンカマ１０４が形成され、下部プレナム１２２と接続している。ダウンカマ１０４には冷却材（冷却水）を吐出するインターナルポンプ１１５が取り付けられている。次に、炉心１０５に装荷された燃料集合体について説明する。

【0012】

２．燃料集合体
図２は本実施形態に係る燃料集合体の縦断面図、図３は本実施形態に係る燃料集合体を炉心に装荷したときの水平断面図である。図２に示すように、燃料集合体１は上部タイプレート５、下部タイプレート６、チャンネルボックス７、燃料スペーサ８、燃料棒１０及び水ロッド（ＷＲ）１１を備えている。

【0013】

図３に示すように、チャンネルボックス７は水平断面が正方形状の四角筒状の部材である。チャンネルボックス７の内側には燃料棒１０及び水ロッド１１が上下方向に延在して収容されている（図２を参照）。燃料棒１０及び水ロッド１１については後述する。チャンネルボックス７の外側には制御棒（ＣＲ）９が配置されている。制御棒９は支持部１２、及び支持部１２に接続した延在部１４を備えている。延在部１４はチャンネルボックス７の外壁面に対向するように支持部１２から四方（図３の紙面において上下左右の各方向）に延在している。制御棒９は支持部１２を中心に上下左右に対称な十字形の水平断面を有している。なお、図３では支持部１２から上方向及び左方向に延在する延在部１４を省略している。チャンネルボックス７のコーナー部（本実施形態ではコーナー部７Ａ）にはチャンネルファスナ（不図示）が設けられている。

【0014】

チャンネルファスナは、燃料集合体１を炉心１０５に装荷したときに、隣接する燃料集合体１同士の間に制御棒９を配置するための隙間を確保する機能を有する。チャンネルファスナを上部タイプレート５に接続すると、チャンネルボックス７のコーナー部７Ａと制御棒９の支持部１２とが対向するように、上部タイプレート５に対してチャンネルボックス７が固定される。

【0015】

上部タイプレート５はチャンネルボックス７内の上方に配置され、燃料棒１０及び水ロッド１１の上端部を保持している。下部タイプレート６はチャンネルボックス７内の下方に配置され、燃料棒１０及び水ロッド１１の下端部を支持している。燃料スペーサ８は、上部タイプレート５と下部タイプレート６との間に所定の間隔で配置されている。燃料スペーサ８は、互いに隣接する燃料棒１０の間、及び燃料棒１０と水ロッド１１の間に隙間が形成されるように燃料棒１０及び水ロッド１１を保持している。互いに隣接する燃料棒１０の間、及び燃料棒１０と水ロッド１１の間に形成された隙間には冷却水が流通する。

【0016】

チャンネルボックス７内には複数の燃料棒１０が格子状に配置されている。燃料棒１０は被覆管（不図示）を備えた棒状部材である。燃料棒１０の被覆管には複数の燃料ペレット（不図示）が充填され、密封されている。燃料棒１０は１０行１０列で配置されている。燃料棒１０は最外層燃料棒２と内層燃料棒１３とに分けられる。最外層燃料棒２はチャンネルボックス７の内壁面に対向するように配置された最も外側の層を構成する燃料棒である。内層燃料棒１３は最外層燃料棒２よりも内側に配置された８×８の燃料棒である。なお、本実施形態では、内層燃料棒１３のうち最外層燃料棒２に隣接する燃料棒、つまり内層燃料棒１３のうち最も外側の層を構成する燃料棒を第２層燃料棒３という。チャンネルボックス７の中央付近には２本の水ロッド１１が配置されている。水ロッド１１は内層燃料棒１３よりも太径に形成された管路で、内層燃料棒１３の４本分の領域を占有している。水ロッド１１内には冷却水が流通している。なお、本実施形態は、第２層燃料棒３の内側に配置された第３層燃料棒、第４層燃料棒及び第５層燃料棒の径を第２層燃料棒３の径と同一にした場合を例示している。そのため、第２層燃料棒３よりも内側に配置された燃料棒の断面積についても第２層燃料棒３の断面積を用いて便宜的に説明する。

【0017】

３．基本動作
次に、原子炉の動作について説明する。インターナルポンプ１１５から吐出された冷却水は、下部プレナム１２２を経て炉心シュラウド１０２に下側から供給される。炉心シュラウド１０２に供給された冷却水は炉心シュラウド１０２内の炉心１０５で加熱され、水及び蒸気を含む気液二相流として炉心シュラウド１０２から送り出される。炉心シュラウド１０２から送り出された気液二相流は気水分離器１０６に流入し、蒸気と水に分離される。分離された蒸気は蒸気乾燥器１０７に供給され、更に湿分を除去された後、主蒸気配管１０８を介して蒸気タービンに供給される。蒸気タービンは供給された蒸気により回転する。蒸気タービンの回転に伴い蒸気タービンに接続した発電機（不図示）が回転し、電力が発生する。蒸気タービンを駆動させた蒸気は復水器内で凝縮されて水になり、給水配管１０９を介してＲＰＶ１０３に供給される。一方、気水分離器１０６及び蒸気乾燥器１０７で分離された水はダウンカマ１０４を流下し、冷却水として下部プレナム１２２に供給される。

【0018】

４．熱的余裕
次に、燃料集合体１における燃料棒１０の要素と熱的余裕との関係について説明する。なお、本発明において、燃料棒の要素とは、燃料棒に封入される核燃料物質、燃料棒の径、燃料の濃縮度（燃料棒に充填される燃料ペレットの濃縮度）及び燃料棒の配置ピッチ等のことを言う。

【0019】

・燃料棒に封入される核燃料物質
核燃料物質の核分裂に伴い発生した中性子は、減速材である水との衝突により減速してエネルギーを失い熱中性子になる。熱中性子は再び核燃料物質に吸収されて核分裂を起こすため、多くの熱中性子が存在する領域では効率よく核分裂を起こすことができる。上述のように、中性子は水との衝突により熱中性子になるため、沸騰していない冷却水が多く存在する領域ほど多くの熱中性子が存在し、熱中性子束が大きくなる。本実施形態に係る沸騰水型原子炉では、チャンネルボックス７の内側に燃料集合体１の発熱によって沸騰した冷却水が存在し、チャンネルボックス７の外側や水ロッド１１内には沸騰していない冷却水が存在している。特に、燃料集合体１と隣接する他の燃料集合体との間の隙間（ギャップ領域）には沸騰していない冷却水が多く存在している。

【0020】

上述のように、ギャップ領域には沸騰していない冷却水が多く存在しているため、ギャップ領域に近い領域では熱中性子束が大きく、核燃料物質の核分裂が起こりやすい。したがって、ギャップ領域に近い領域に配置された最外層燃料棒２には核分裂を起こしにくい核燃料物質を封入することもできる。例えば、ウラン２３８は核分裂を起こしにくい核燃料物質であって、中性子を吸収することで核分裂を起こしやすい物質（核分裂性物質）に変化する親物質である。核燃料物質の核分裂と同様、親物質に対する中性子の吸収性は、中性子が熱中性子になるエネルギー領域で高まるため、熱中性子束が大きな領域では親物質の核分裂性物質への変化が起こりやすい。したがって、ウラン２３８のような親物質でも最外層燃料棒２に封入することができる。

【0021】

・燃料棒の径
最外層燃料棒２に封入する核燃料物質量を増やすためには、最外層燃料棒２の径を大きくすれば良い。一般的に、燃料棒は円柱形状であり、燃料棒を製造する上で対応し易いためである。

【0022】

・燃料の濃縮度
最外層燃料棒２は熱中性子束が大きいため出力も大きくなる。したがって、特に、チャンネルボックス７の各コーナー部に配置された最外層燃料棒２に対しては、封入する核燃料物質の濃縮度を低減する等の燃料設計を行い、熱的余裕を確保している。

【0023】

・燃料棒の配置ピッチ
しかし、出力ピーキング＝燃料棒出力／（燃料集合体出力／燃料棒本数）は最外層燃料棒２の出力の増加に伴って増加する。したがって、単に最外層燃料棒２に封入する核燃料物質量を増やすと、最外層燃料棒２の熱的余裕がより厳しくなる。そのため、最外層燃料棒２に封入する核燃料物質量を増やした場合には最外層燃料棒２の熱的余裕の確保を考慮する必要がある。

【0024】

熱的余裕が減少する要因として冷却水不足がある。燃料棒の径を大きくした場合には燃料棒間の冷却水流路が狭くなるため、燃料棒間の冷却水量も減少する。最外層燃料棒２はチャンネルボックス７の内壁面に隣接しているため、最外層燃料棒２の外側（チャンネルボックス７の内壁面との間）の流路は非加熱壁に接触しているが、内側（第２層燃料棒３に対向する側）の流路は第２層燃料棒３等の加熱壁のみに接触している。したがって、最外層燃料棒２の径を大きくした場合、最外層燃料棒２の外側の流路よりも内側の流路のほうが熱的余裕が厳しくなる。そのため、最外層燃料棒２の内側の流路を広く確保する必要がある。最外層燃料棒２の内側の流路を広く確保する方法として、例えば、最外層燃料棒２の配置ピッチを大きくする方法がある。

【0025】

本願の発明者らは鋭意研究の結果、次の知見を得た。以下、説明する。

【0026】

５．知見１
燃料棒を格子状に配列した燃料集合体では、ある層（便宜的にＡ層とする）を構成する燃料棒の配置ピッチを大きくするとＡ層により形成される正方形は大きくなり、配置ピッチを小さくするとＡ層により形成される正方形は小さくなる。したがって、燃料棒の配置ピッチの差が大きい２層の間（配置ピッチが大きい燃料棒で構成される層と配置ピッチが小さい燃料棒で構成される層との間）では、冷却水流路を広く確保することができる。しかし、チャンネルボックス７の内幅を考慮して燃料棒を配置する必要があるため燃料棒の配置ピッチには上限があり、冷却水流路を広く確保することにより得られる効果も限定的なものとなる。

【0027】

本実施形態では、チャンネルボックス７内に径が異なる燃料棒を配置した。具体的には、最外層燃料棒２の径Ｒ１を基準径（燃料集合体１の全ての燃料棒の径を同一とした場合の各燃料棒の径）より大きくし、内層燃料棒１３の径Ｒ２を基準径より小さくして、最外層燃料棒２の平均径を燃料集合体１の全ての燃料棒の平均径より大きくした。この構成では、最外層燃料棒２の出力が増加しつつ、内層燃料棒１３の出力が減少するため、基本構成（燃料集合体１の全ての燃料棒の径を同一とした構成）における熱的余裕を維持することができる。また、内層燃料棒１３の配置ピッチＰ２を小さくし、最外層燃料棒２の平均の配置ピッチを第２層燃料棒３の平均の配置ピッチより大きくした。この構成により、最外層燃料棒２と第２層燃料棒３との間の冷却水流路を広く確保し、最外層燃料棒２の熱的余裕を増加させることができる。なお、本実施形態では、内層燃料棒１３の配置ピッチＰ２を一様とし、最外層燃料棒２の配置ピッチＰ１を一様としている。

【0028】

さらに、本実施形態では、燃料棒の熱的等価直径Ｘを式（１）の様に定義する。
Ｘ＝４Ｓ／πＲ・・・（１）
但し、Ｒ:燃料棒の径 Ｓ:燃料棒格子に含まれる冷却水の流路断面積である。

【0029】

本発明において、燃料棒の熱的等価直径とは、同径の隣合う４本の燃料棒で形成した「仮想的な」燃料棒格子の中での燃料棒の加熱壁の長さと冷却水の流路断面積との割合を示す値のことを言う。なお、本発明における仮想的な燃料棒格子は、最外層燃料棒２により定義されるものと内層燃料棒１３により定義されるものの２つがある。

【0030】

燃料棒格子に含まれる冷却水の流路断面積Ｓは式（２）で求まる。
Ｓ＝Ｐ^２−πＲ^２／４・・・（２）
但し、Ｐ：燃料棒の配置ピッチである。

【0031】

なお、内層燃料棒１３の平均の配置ピッチが最外層燃料棒２の平均の配置ピッチより小さい場合、最外層燃料棒２と第２層燃料棒３との間にいずれの燃料棒格子にも含まれない冷却水流路が存在する。本実施形態では、この冷却水流路を最外層燃料棒２の燃料棒格子に含まれる冷却水流路とし、各最外層燃料棒２に均等に割り振ることとしている。

【0032】

式（１）に示すように、燃料棒の熱的等価直径Ｘが大きいほど燃料棒の周長に対する冷却水の流路断面積の割合が増加するため、燃料棒の熱的余裕が増加する。したがって、出力が同一の燃料棒においては、熱的等価直径Ｘが大きいほど燃料棒の熱的余裕が増加する。

【0033】

最外層燃料棒２及び内層燃料棒１３の熱的等価直径と熱的余裕との関係を説明する。最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径をＸ１、内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径をＸ２とすると、燃料集合体１の各燃料棒の径及び配置ピッチが同一の場合、Ｘ１とＸ２の比は１．０となる。チャンネルボックス７の大きさが同じであれば、Ｘ１とＸ２の比が１．０より大きい場合には、最外層燃料棒２の熱的余裕は増加し、内層燃料棒１３の熱的余裕は減少する。図４は、燃料集合体１における燃料棒１０の要素と熱的余裕との関係を示す図であって、Ｘ１とＸ２の比Ｘ１／Ｘ２と燃料集合体１の熱的余裕の相対値との関係を表している。図４は、最外層部（最外層燃料棒２で構成される層）の出力ピーキングを１．１（従来の出力ピーキング）とした場合におけるＸ１とＸ２の比が１．０となる位置を基準とし、最外層部の出力ピーキングを従来の出力ピーキングよりも高くした場合におけるＸ1とＸ２の比と燃料集合体１の熱的余裕との関係を表している。なお、最外層部の出力ピーキングを従来の出力ピーキングよりも高くした場合とは、例えば、最外層部の出力ピーキングを従来の出力ピーキングより約１０％高い１．２とした場合を言う。図４に示すように、Ｘ１とＸ２の比が１．０より大きく１．４より小さい範囲内にある場合には、燃料集合体１の熱的余裕が基準より増加する。一方、Ｘ１とＸ２の比が１．４より大きい場合には、内層燃料棒１３の熱的余裕が最外層燃料棒２の熱的余裕の増加分より減少し、燃料集合体１の熱的余裕が基準より減少する。

【0034】

６．知見２
最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径Ｘ１、最外層燃料棒２の平均の濃縮度ｅ１、内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径Ｘ２及び内層燃料棒１３の平均の濃縮度ｅ２と、燃料集合体１の熱的余裕との関係を説明する。燃料棒の熱的余裕は熱的等価直径／熱流束の値が大きいほど改善される。最外層燃料棒の平均の熱流束をＱ１、内層燃料棒の平均の熱流速をＱ２とした場合、Ｘ１をｅ１で除した値とＸ２をｅ２で除した値の比（Ｘ１／ｅ１）／（Ｘ２／ｅ２）は、Ｘ１をＱ１で除した値とＸ２をＱ２で除した値の比と同等である。図５は、燃料集合体１における燃料棒１０の要素と熱的余裕との関係を示す図であって、Ｘ１をｅ１で除した値とＸ２をｅ２で除した値の比と、燃料集合体１の熱的余裕との関係を表している。図５に示すように、Ｘ１をｅ１で除した値とＸ２をｅ２で除した値の比が１．０より大きく１．３より小さい範囲内にある場合には、燃料集合体１の熱的余裕が基準より増加する。これは、ｅ１／ｅ２の値が、従来の基準である０．９から１．０〜１．１の範囲まで増加したことに対応する。

【0035】

本実施形態の燃料集合体は、最外層燃料棒２の径を燃料集合体１の全ての燃料棒の径を同一とした場合の各燃料棒の径より大きくし、内層燃料棒１３の径を燃料集合体１の全ての燃料棒の径を同一とした場合の各燃料棒の径よりも小さくした。また、内層燃料棒１３の配置ピッチを小さくし、最外層燃料棒２の平均の配置ピッチを第２層燃料棒３の平均の配置ピッチより大きくすることで、最外層燃料棒２と第２層燃料棒３との間の冷却水流路を広く確保することができ、最外層燃料棒２の熱的余裕を増加させることできる。特に、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径Ｘ１と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径Ｘ２の比が１．０より大きく１．４より小さい範囲内にある場合には、燃料集合体１の熱的余裕をより増加させることができる。さらに、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径Ｘ１を最外層燃料棒２の平均の濃縮度ｅ１で除した値と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径Ｘ２を内層燃料棒１３の平均の濃縮度ｅ２で除した値の比が１．０より大きく１．３より小さい範囲内にある場合には、燃料集合体１の熱的余裕をより増加させることができる。上記構成を備え、且つ、上記いずれかの条件を満たす燃料集合体は、最外層燃料棒２に対する核燃料物質量を増加しつつ熱的余裕を高めることができ、核燃料物質の交換頻度を抑制し経済性が向上する。

【実施例1】

【0036】

本実施例では、図３において、チャンネルボックス７の内幅（Ｌ）を約１３．４ｃｍ、最外層燃料棒２の径Ｒ１を約１．１１ｃｍ、内層燃料棒１３の径Ｒ２を約０．９７ｃｍ、水ロッド１１の径を約２．５ｃｍとする。また、最外層燃料棒２及び内層燃料棒１３を形成する標準燃料棒に充填される燃料ペレットの領域長さ、すなわち燃料有効長を３．７ｍとする。

【0037】

最外層燃料棒２は等しい配置ピッチＰ１で配置され、本実施例では配置ピッチＰ１を約１．３０ｃｍとする。また、内層燃料棒１３も等しい配置ピッチで配置され、本実施例では配置ピッチＰ２を約１．２４ｃｍとする。

【0038】

各燃料棒に充填される燃料ペレットは、核燃料物質である二酸化ウランを用いて製造され、核分裂性物質であるウラン−２３５を含んでいる。本実施例では、最外層燃料棒２の平均の濃縮度を約４．８ｗｔ％、内層燃料棒１３の平均の濃縮度を約４．７ｗｔ％とする。

【0039】

本実施例では、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径の比は約１．２６となり、１．０から１．４の範囲内に収まる。また、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径を最外層燃料棒２の平均の濃縮度で除した値と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径を内層燃料棒１３の平均の濃縮度で除した値の比は約１．２９となり、１．０から１．３の範囲内に収まる。したがって、本実施例の燃料集合体によれば、上述の効果が得ることができる。

【実施例2】

【0040】

本実施例では、図３において、最外層燃料棒２の径Ｒ１を約１．０８ｃｍ、内層燃料棒１３の径Ｒ２を約０．９９ｃｍとする。また、最外層燃料棒２の配置ピッチＰ１を約１．３０ｃｍ、内層燃料棒１３の配置ピッチＰ２を約１．２４ｃｍとする。また、最外層燃料棒２の平均の濃縮度を約４．８ｗｔ％、内層燃料棒１３の平均濃縮度を４．７ｗｔ％とする。その他の条件は、実施例１と同様である。

【0041】

本実施例では、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径の比は約１．０８となり、１．０から１．４の範囲内に収まる。また、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径を最外層燃料棒２の平均の濃縮度で除した値と、内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径を内層燃料棒１３の平均の濃縮度で除した値の比は約１．１１となり、１．０から１．３の範囲内に収まる。したがって、本実施例の燃料集合体によれば、上述の効果が得ることができる。

【実施例3】

【0042】

本実施例では、図３において、最外層燃料棒２の径Ｒ１を約１．１１ｃｍ、内層燃料棒１３の径Ｒ２を約０．９７ｃｍとする。また、最外層燃料棒２の配置ピッチＰ１を約１．３１ｃｍ、内層燃料棒１３の配置ピッチＰ２を約１．２４ｃｍとする。また、最外層燃料棒２の平均の濃縮度を約４．８ｗｔ％、内層燃料棒１３の平均の濃縮度を４．７ｗｔ％とする。その他の条件は、実施例１と同様である。

【0043】

本実施例では、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径の比は約１．２２となり、１．０から１．４の範囲内に収まる。また、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径を最外層燃料棒２の平均の濃縮度で除した値と、内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径を内層燃料棒１３の平均の濃縮度で除した値の比は約１．２５となり、１．０から１．３の範囲内に収まる。したがって、本実施例の燃料集合体によれば、上述の効果が得ることができる。

【0044】

＜第２実施形態＞
図６は本実施形態に係る燃料集合体を炉心に装荷したときの水平断面図である。図６において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

【0045】

図６に示すように、本実施形態に係る燃料集合体２１では、チャンネルボックス７の水平断面における一列当たりの最外層燃料棒２の配置数を９本とし、チャンネルボックス７に配置される最外層燃料棒２の本数を３２本としている。内層燃料棒１３は８×８で配置されている。本実施形態では、最外層燃料棒２の配置ピッチと第２層燃料棒３の配置ピッチの比が、最外層燃料棒２の一列当たりの本数を第２層燃料棒３の一列当たりの本数で除した値よりも大きくなっている。すなわち、前記最外層燃料棒の一列当たりの本数をＮとしたとき、前記第２層燃料棒の一列当たりの本数がＮ−１であり、前記最外層燃料棒の配置ピッチと前記第２層燃料棒の配置ピッチの比がＮ/（Ｎ−１）よりも大きくなっている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

【0046】

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加えて、次の効果が得られる。

【0047】

本実施形態は、チャンネルボックス７の水平断面における一列当たりの最外層燃料棒２の配置数を９本としている。そのため、最外層燃料棒２と第２層燃料棒３の間隔を第１実施形態よりも広く確保することができる。したがって、最外層燃料棒２と第２層燃料棒３との間を流れる冷却水の流量を増加させ、最外層燃料棒２の熱的余裕をより増加させることができる。また、チャンネルボックス７の最外層燃料棒２の総本数は減少するものの、最外層燃料棒２の径を第１実施形態よりも大きくすることができるため最外層燃料棒２に封入する核燃料物質量をより増やし、その出力を確保することができる。

【実施例4】

【0048】

本実施例では、図６において、最外層燃料棒２の径Ｒ１を約１．２５ｃｍ、内層燃料棒１３の径Ｒ２を約０.９７ｃｍとする。また、最外層燃料棒２の配置ピッチＰ１を約１．４６ｃｍ、内層燃料棒１３の配置ピッチＰ２を約１.２４ｃｍとする。また、最外層燃料棒２の平均の濃縮度を約４．８ｗｔ％、内層燃料棒１３の平均の濃縮度を約４．７ｗｔ％とする。また、燃料集合体１の全ての燃料棒の径の平均は約１．０ｃｍであり、最外層燃料棒２の径よりも小さくなっている。

【0049】

本実施例では、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径の比は約１．１４となり、１．０から１．４の範囲内に収まる。また、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径を最外層燃料棒２の平均の濃縮度で除した値と、内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径を内層燃料棒１３の平均の濃縮度で除した値の比は約１．１６となり、１．０から１．３の範囲内に収まる。したがって、本実施例の燃料集合体によれば、上述の効果が得ることができる。

【0050】

＜第３実施形態＞
図７は本実施形態に係る燃料集合体を炉心に装荷したときの水平断面図である。図７において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

【0051】

図７に示すように、本実施形態は、第１実施形態の燃料集合体１のチャンネルボックス７に配置された最外層燃料棒２のうちチャンネルボックス７の四隅に配置された燃料棒を部分長燃料棒３２（点線で図示）とした。本発明において、部分長燃料棒とは、標準燃料棒内に充填される燃料ペレットの領域の長さである燃料有効長よりも、その燃料有効長が短い燃料棒をいう。下部タイプレート６を基準とした部分長燃料棒３２の上端部は標準燃料棒の上端部より低くなっている。すなわち、部分長燃料棒３２の燃料装荷部の上端は標準燃料棒の燃料装荷部の上端よりも低くなっている。部分長燃料棒３２の構成は他の最外層燃料棒２と同様である。なお、図７は、部分長燃料棒３２の上端部よりも上側であって、標準燃料棒の燃料有効長の範囲内の位置における燃料集合体３１の水平断面である。その他の構成は第１実施形態と同様である。

【0052】

本実施形態は、第１実施形態と同様の効果に加えて、次の効果が得られる。

【0053】

チャンネルボックス７の四隅に配置される最外層燃料棒２は、非加熱壁に隣接する面積が他の最外層燃料棒２よりも大きくなる。本実施形態では、チャンネルボックス７の四隅に部分長燃料棒３２を配置しているため、燃料集合体３１の上方、すなわち冷却水の流れ方向の下流側における最外層燃料棒２の本数を減らすことができる。したがって、燃料集合体３１の水平断面における出力ピーキングを減少させ、燃料集合体３１の熱的余裕をより増加させることができる。

【0054】

また、出力が高い最外層燃料棒２付近ではボイド率が高くなる。本発明において、ボイド率とは、冷却水の単位体積あたりに含まれるボイド（気泡）の容積の割合のことを言う。そのため、冷却水の流れ方向の上流側で発生したボイドが下流側に向かって流れる過程で周囲のボイドと結合し、最外層燃料棒２と第２層燃料棒３の間の冷却水の流れが妨げられる可能性がある。これに対し、本実施形態は、チャンネルボックス７の四隅に部分長燃料棒３２を配置しているため、冷却水の流れ方向の下流側であって最外層燃料棒２の四隅の上方に空間を確保することができる。したがって、冷却水の流れ方向の上流側で発生したボイドを下流側の空間に円滑に導くことができ、ボイド同士の結合を抑制することができる。そのため、最外層燃料棒２と第２層燃料棒３の間の冷却水の流れが妨げられることを抑制し、燃料集合体１の圧力損失を減少させることができる。

【0055】

なお、本実施形態は、第１実施形態の燃料集合体１のチャンネルボックス７の四隅に配置された最外層燃料棒２を部分長燃料棒３２とした場合を例示した。しかし、第２実施形態の燃料集合体２１のチャンネルボックス７の四隅に配置された最外層燃料棒２を部分長燃料棒３２としても良い。

【実施例5】

【0056】

本実施例では、図７において、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径の比、及び、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径を最外層燃料棒２の平均の濃縮度で除した値と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径を内層燃料棒１３の平均の濃縮度で除した値の比を実施例１と同値とする。最外層燃料棒２と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径の比は約１．２６となり、１．０から１．４の範囲内に収まる。また、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径を最外層燃料棒２の平均の濃縮度で除した値と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径を内層燃料棒１３の平均の濃縮度で除した値の比は約１．２９となり、１．０から１．３の範囲内に収まる。したがって、本実施例の燃料集合体によれば、上述の効果が得ることができる。

【0057】

＜第４実施形態＞
図８は本実施形態に係る燃料集合体を炉心に装荷したときの水平断面図である。図８において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

【0058】

図８に示すように、本実施形態は、第１実施形態の燃料集合体１のチャンネルボックス７に配置された第２層燃料棒３のうち四隅（チャンネルボックス７の四隅に対応する角部）に配置された燃料棒を部分長燃料棒４２（点線で図示）とした。部分長燃料棒４２の構成は第１実施形態の最外層燃料棒２と同様である。なお、図８は、部分長燃料棒４２の上端部よりも上側であって、標準燃料棒の燃料有効長の範囲内の位置における燃料集合体４１の水平断面である。その他の構成は第１実施形態と同様である。

【0059】

本実施形態は、第１実施形態と同様の効果に加えて、次の効果が得られる。

【0060】

本実施形態は、第２層燃料棒３のうち四隅に配置された燃料棒を部分長燃料棒４２としている。そのため、冷却水の流れ方向の下流側であって第２層燃料棒３の四隅の上方に空間を確保することができる。したがって、この空間付近の最外層燃料棒２の熱的余裕を増加させることができる。

【0061】

また、本実施形態は、全ての最外層燃料棒２を標準燃料棒としているため、最外層燃料棒２に封入する核燃料物質量を第３実施形態よりも増やすことができる。したがって、最外層燃料棒２のうち、特に四隅に配置された最外層燃料棒２の出力を第３実施形態よりも増加させることができる。加えて、第２層燃料棒３の四隅の上方に空間が形成される分、冷却水流路を拡大することができるため、冷却水の流量を増やし、熱的余裕を増加させることができる。

【0062】

なお、本実施形態は、第１実施形態の燃料集合体１の第２層燃料棒３の四隅に配置された燃料棒を部分長燃料棒４２とした場合を例示した。しかし、第２実施形態の燃料集合体２１の第２層燃料棒３の四隅に配置された燃料棒を部分長燃料棒４２としても良い。

【実施例6】

【0063】

本実施例では、図８において、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径の比、及び、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径を最外層燃料棒２の平均の濃縮度で除した値と、内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径を内層燃料棒１３の平均の濃縮度で除した値の比を実施例１と同値とする。最外層燃料棒２と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径の比は約１．２６となり、１．０から１．４の範囲内に収まる。また、最外層燃料棒２の平均の熱的等価直径を最外層燃料棒２の平均の濃縮度で除した値と内層燃料棒１３の平均の熱的等価直径を内層燃料棒１３の平均の濃縮度で除した値の比は約１．２９となり、１．０から１．３の範囲内に収まる。したがって、本実施例の燃料集合体によれば、上述の効果が得ることができる。

【0064】

＜その他＞
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の実施形態の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0065】

各実施形態において、チャンネルボックス７内に２本の水ロッド１１を配置した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明の本質的効果は、熱的余裕を確保しつつ核燃料物質量を増加させることができる燃料集合体を提供することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、水ロッドの本数は限定されない。例えば、３本以上の水ロッド１１を配置してもよい。

【符号の説明】

【0066】

１ 燃料集合体
２ 最外層燃料棒
３ 第２層燃料棒
７ チャンネルボックス
１０ 燃料棒
１３ 内層燃料棒

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】