特許 6548986 沸騰水型原子炉の炉心、燃料集合体およびチャンネルボックスならびにその耐震性を向上させる方法

(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】6548986

(24)【登録日】2019年7月5日

(45)【発行日】2019年7月24日

(54)【発明の名称】沸騰水型原子炉の炉心、燃料集合体およびチャンネルボックスならびにその耐震性を向上させる方法

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/324 20060101AFI20190711BHJP

【ＦＩ】

   G21C3/324

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-150200(P2015-150200)

(22)【出願日】2015年7月30日

(65)【公開番号】特開2017-32324(P2017-32324A)

(43)【公開日】2017年2月9日

【審査請求日】2018年7月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000229461

【氏名又は名称】株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100152205

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 昌司

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】後藤 大輔

【審査官】 村川 雄一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−００６０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２２３９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０４５８７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２０８８６００（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開平０４−０２９０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３０４５７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｃ ３／３０ − ３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

沸騰水型原子炉のうちＢＷＲ５またはＡＢＷＲの炉心に装荷される燃料集合体のチャンネルボックスであって、前記チャンネルボックスの内側対面間の距離をＤ（ｍｍ）、チャンネルボックスの板厚をＴ（ｍｍ）としたとき、
Ｄ＜１３４、かつ、
６３．８１−０．４５７×Ｄ ≦ Ｔ ≦１１４．８８−０．８３８×Ｄ
を満たす、チャネルボックス。

【請求項2】

沸騰水型原子炉のうちＢＷＲ２、ＢＷＲ３またはＢＷＲ４の炉心に装荷される燃料集合体のチャンネルボックスであって、前記チャンネルボックスの内側対面間の距離をＤ（ｍｍ）、チャンネルボックスの板厚をＴ（ｍｍ）としたとき、
Ｄ＜１３４、かつ、
６６．１０−０．４７８×Ｄ ≦ Ｔ ≦１１１．０２−０．８１３×Ｄ
を満たす、チャネルボックス。

【請求項3】

前記チャンネルボックスの内側対面間の距離Ｄが１３２≦Ｄ≦１３３である、請求項１または２に記載の、チャネルボックス。

【請求項4】

請求項１乃至３に記載のチャネルボックスに包囲された、燃料集合体。

【請求項5】

請求項４に記載の燃料集合体を装荷した、沸騰水型原子炉の炉心。

【請求項6】

沸騰水型原子炉のうちＢＷＲ５またはＡＢＷＲの炉心に装荷される燃料集合体の耐震性を向上させる方法であって、
前記燃料集合体を包囲するチャンネルボックスの内側対面間の距離をＤ（ｍｍ）および板厚をＴ（ｍｍ）を変更するステップを含み、
変更後の前記チャンネルボックスが、
Ｄ＜１３４、かつ、
６３．８１−０．４５７×Ｄ ≦ Ｔ ≦１１４．８８−０．８３８×Ｄ
を満たす、方法。

【請求項7】

沸騰水型原子炉のうちＢＷＲ２、ＢＷＲ３またはＢＷＲ４の炉心に装荷される燃料集合体の耐震性を向上させる方法であって、
前記燃料集合体を包囲するチャンネルボックスの内側対面間の距離をＤ（ｍｍ）および板厚をＴ（ｍｍ）を変更するステップを含み、
変更後の前記チャンネルボックスが、
Ｄ＜１３４、かつ、
６６．１０−０．４７８×Ｄ ≦ Ｔ ≦１１１．０２−０．８１３×Ｄ
を満たす、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、沸騰水型原子力発電プラントで使用される炉心、燃料集合体およびチャンネルボックス、ならびにその耐震性を向上させる方法に関し、特に炉心特性を大きく変更することなく燃料集合体の耐震性を向上させた炉心、燃料集合体およびチャンネルボックス等に関する。

【背景技術】

【0002】

日本国内に設置されている沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）には、ＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４、ＢＷＲ５およびＡＢＷＲの５炉型が存在する。これらの炉型で使用される燃料集合体の代表的な例を図３に示す。図３（ａ）に示した燃料集合体１１は、縦横方向にそれぞれ８本の燃料棒１６を配列した８×８燃料である。燃料集合体１１は、核分裂性物質を内包し円管内に密封した複数の燃料棒１６と、内部を減速材（軽水）が流れる円管形状のウォータロッド１７と、燃料棒１６およびウォータロッド１７を囲む正方角管形状をなすチャンネルボックス１５とを備える。図３（ｂ）は別のタイプの燃料集合体１２で、縦横方向にそれぞれ９本の燃料棒１６を配列した９×９燃料タイプＡの燃料集合体である。燃料集合体１２も、燃料棒１６と２つの円管形状のウォータロッド１７とを正方角管形状をなすチャンネルボックス１５で包囲する構成となっている。図３（ｃ）はさらに別のタイプの９×９燃料（９×９燃料タイプＢ）の燃料集合体１３で、ウォータロッド１７が角管形状となっている。この他にも、燃料集合体には様々な構造が存在し、ウォータロッド１７を有しないものや、ウォータロッド１７が中央部ではなく偏った位置に配置されているもの、日本国外で使用されている１０×１０燃料や１１×１１燃料もある。

【0003】

原子炉の炉心は、上述した外形が角管形状の燃料集合体を、要求される原子炉出力に応じた体数だけ、１〜２ｃｍ程度の間隔をあけて正方配列に並べたものである。図４に代表的な炉心の構造を示す。炉心１０は、２行２列の４体の燃料集合体１４の配列を１組としてその中央に十字型の制御棒１８を挿入できるようになっている。以上は、上述した５炉型に共通な基本構造であるが、各炉型には、開発された当初に設計された出力密度、炉心冷却材流量、制御棒系の構造に応じて、炉心特性が適切になるように、格子形状やチャンネルボックス板厚の基本設計が選択されている。表１に各炉型における基本設計を示す（非特許文献１、２）。

【0004】

【表1】

【0005】

ここで、格子形状とは、燃料集合体の中心間距離と、チャンネルボックス内幅とに着目した分類である。すなわち、図５に示すように、燃料集合体の中心間距離とは、縦方向または横方向に隣接する燃料集合体の中心間の距離であり、Ｃ／Ｓ／Ｎ格子では一定だが、Ｄ格子では２つの異なる中心間距離（中心間距離１と中心間距離２）が交互に配置されている。チャンネルボックス内幅とは、燃料集合体チャンネルボックスの内側対面間の距離であり、Ｄ／Ｃ／Ｎ格子では約１３４ｍｍ、Ｓ格子では約１３２．５ｍｍとなっている。

【0006】

また、チャンネルボックス板厚は、ＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４は約２．０ｍｍ、ＢＷＲ５は約２．５ｍｍである。ＡＢＷＲのチャンネルボックス板厚は、約２．５ｍｍとなっている。

【0007】

ところで、原子力発電所の立地点により、設計上想定すべき地震動に対する炉心・燃料集合体の応答が、耐震上の設計基準を満たす必要がある。チャンネルボックス軸方向の剛性や炉心内での核的な影響は、ほぼチャンネルボックスの断面積によって決まるため、板厚が同じチャンネルボックスであればほぼ同等の耐震強度や炉心運転特性を有することになる。したがって、耐震性を向上させるためには、チャンネルボックスを基本設計よりも厚くすればよい。

【0008】

ところが、このようにチャンネルボックス板厚を増加すると、炉心内の減速材量が変化するために、炉心の特性に大きな影響が生ずる。このような影響を抑えるためには、炉心特性が適切になるように、格子形状などを新たに設計し直せばよいが、新たな設計には膨大な時間と費用が必要となる。また、設計変更に合わせて製造設備にも大幅な変更が必要となる。また、既存の原子力発電所の耐震基準が、種々の要因により変更されることがあるが、変更のたびにこれまでの設備を大幅に変更することは現実的ではない。

【0009】

そこで、基本設計における炉心特性を大きく変更することなく、燃料集合体の耐震性を向上させることが可能な技術が求められていた。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】ＨＬＲ−０４９『沸騰水型原子力発電所 炉心燃料格子形状』、平成６年４月、株式会社 日立製作所

【非特許文献2】ＴＬＲ−０５６『沸騰水型原子力発電所 炉心燃料格子形状』、平成６年４月、株式会社 東芝

【発明の概要】

【0011】

沸騰水型原子炉の燃料集合体のチャンネルボックスを、チャンネルボックスの内幅Ｄ＜１３４（ｍｍ）かつ炉型によって分類された次式を満たす板厚Ｔ（ｍｍ）のチャンネルボックスに変更する。すなわち、ＢＷＲ２、ＢＷＲ３またはＢＷＲ４の炉心用の燃料集合体の場合は、６６．１０−０．４７８×Ｄ ≦ Ｔ ≦１１１．０２−０．８１３×Ｄ、ＢＷＲ５あるいはＡＢＷＲの炉心用の燃料集合体の場合は、６３．８１−０．４５７×Ｄ ≦ Ｔ ≦１１４．８８−０．８３８×Ｄを満たすチャンネルボックスに変更する。

【0012】

かかる変更により、過度に炉心特性を悪化させることなく、チャンネルボックスの板厚を増加させることができ、好適な安全性、経済性、運転性を有するＢＷＲ燃料集合体および炉心を提供することが可能となる。

【0013】

この際、Ｄ＝１３２．５ｍｍである既存のＳ格子用のチャンネルボックスの板厚を増加したものをＤ／Ｃ／Ｎ格子のチャンネルボックスとして利用することにより、設計負担や製造設備の変更を抑えつつ、耐震性の高い燃料集合体および炉心を提供することができる。なお、チャンネルボックス内幅の変更は、基本設計から通常０．５ｍｍ程度にとどめることが望ましいことから、変更後のチャンネルボックスの内幅は１３２≦Ｄ≦１３３となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係るチャンネルボックス内幅Ｄと板厚Ｔの関係を示した図である。

【図2】本発明に係るチャンネルボックス内幅Ｄと板厚Ｔの関係を示した図である。

【図3】代表的な燃料集合体の概略構成図である。

【図4】代表的な炉心の概略構成図である。

【図5】格子形状の説明図である。

【図6】チャンネルボックス板厚増加幅とボイド係数絶対値の増加幅の関係を示した図である。

【図7】本発明に係る、チャンネルボックス内幅Ｄと板厚Ｔの関係を示した図である。

【図8】本発明に係る、チャンネルボックス内幅Ｄと板厚Ｔの関係を示した図である。

【図9】ボイド率の軸方向分布の説明図である。

【図10】相対減速材密度の軸方向分布の説明図である。

【図11】チャンネルボックス板厚増加幅と沸騰領域の面積割合の関係を示した図である。

【図12】本発明に係る、チャンネルボックス内幅Ｄと板厚Ｔの関係を示した図である。

【図13】本発明に係る、チャンネルボックス内幅Ｄと板厚Ｔの関係を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

耐震性を向上させるためにチャンネルボックス板厚を増加すると、炉心の特性に大きな影響を与える。本発明者は、この影響は主に２つの要素からなることを見出した。

【0016】

まず第１の要素は、炉心の過渡的特性に大きな影響を持つボイド反応度係数の上昇と、圧力損失の増加である。ＢＷＲ炉心においては、減速材（軽水）を利用して核分裂で発生した中性子を減速し、主に熱中性子とした後に次の核分裂反応を生起させている。従って、減速材量が減少すると、中性子減速が緩慢になり、熱中性子になる前に核分裂を起こさない反応（Ｕ２３８の共鳴吸収反応など）で中性子が吸収される割合が増加し、炉心の反応度が減少する。従ってチャンネルボックス板厚が増加すれば、燃料集合体間の減速材量が減少して炉心反応度が減少する。

【0017】

さらに、減速材が十分に存在する場合には、減速材量が多少変化しても炉心の反応度はあまり変化しないが、減速材量が少ない場合には減速材量の変化に対して炉心反応度がより敏感に変化する。従って、チャンネルボックス板厚を増加した場合、初期状態として減速材量は減少しているので、この状態から燃料集合体内の冷却材（減速材）ボイド率が変化すると、炉心反応度の変化が大きくなる。この炉心反応度変化とボイド率変化の比をボイド反応度係数という。ボイド率が大きい側に変化すると減速材量が減少し、炉心反応度が減少するので、ボイド反応度係数（ボイド係数）は一般に負の値となる。従って、チャンネルボックス板厚を増加すると、ボイド反応度係数は（負で）絶対値が増加する。これにより、一般にＢＷＲの運転中における圧力上昇を伴う過渡変化の結果を厳しくしたり、特殊な運転条件における炉心運転状態の不安定現象を助長したりするため、チャンネルボックス板厚を増加する際の問題点となる。

【0018】

図６に、チャンネルボックス板厚の増加幅とボイド係数絶対値の増加幅の関係を示す。図６において、チャンネルボックス内幅が「標準」と付記された線３１は、ＡＢＷＲ（Ｎ格子）に、チャンネルボックス内幅が基本設計どおりの約１３４ｍｍの８×８燃料を装荷した場合について、チャンネルボックス板厚を基本設計である約２．５ｍｍから変化させて、その増加幅に対するボイド係数絶対値の増加幅を相対値（％）で示したものである（したがって原点は基本設計３０である）。前述したようにチャンネルボックス板厚が増加するに従い、ボイド係数絶対値も増加する。図中その他の線３２〜３５は、チャンネルボックス内幅を基本設計の約１３４ｍｍからそれぞれ−１ｍｍから−４ｍｍまで１ｍｍずつ変化させて約１３３ｍｍ〜約１３０ｍｍとした場合について、チャンネルボックス板厚増加に対するボイド係数絶対値の増加幅を示したものである。このようにチャンネルボックス内幅を減少させるとボイド係数絶対値は減少する効果がある。

【0019】

従って、チャンネルボックス板厚を増加させると同時にチャンネルボックス内幅を減少させると、ボイド係数を一定に保つことができる。例えば図６では、各チャンネルボックス内幅に対する直線が、ボイド係数絶対値の増加が０となる横軸と交わった点がこれに相当し、ボイド係数は基本設計とほぼ同じ値に保たれる。このように、ボイド係数の値が基本設計と等しく一定となるようなチャンネルボックス内幅とチャンネルボックス板厚の関係を、各炉型・燃料タイプごとにプロットした結果を、図７および８に示す。

【0020】

図７は、炉型としてＢＷＲ５とＡＢＷＲ、燃料として８×８燃料と９×９燃料タイプＡの組み合わせについて示したもので、基本設計２４は、チャンネルボックス内幅約１３４ｍｍ、チャンネルボックス板厚約２．５ｍｍである。凡例には、それぞれの組み合わせに対する一次近似式を示す。図から明らかなように、ボイド係数の値が一定となるチャンネルボックスの内幅Ｄ（ｍｍ）と板厚Ｔ（ｍｍ）の組み合わせは、炉型や燃料タイプによらず、高い相関関係があり、近似直線よりチャンネルボックス板厚が増加すると、ボイド係数の絶対値が増加する。

【0021】

ここで、チャンネルボックス内幅を減少すればボイド係数の絶対値を小さくすることができるが、一方で圧力損失が増大する。したがって、耐震性能を向上させるためにチャンネルボックス板厚を厚くする場合、両者のバランスを考慮して設計を行う必要がある。この観点からボイド係数絶対値を基本設計（すなわち最も下側の近似線であるＢＷＲ５、８×８燃料の近似直線２２上の点）より低下させるまでにチャンネルボックス内幅を減少するような設計は明らかに適切でない。つまり、耐震性能を向上させるために基本設計と異なる板厚とする場合には、チャンネルボックス内幅・板厚が大きい側（すなわち白抜矢印の側）にずれるように設計するのが適当である。すなわち、Ｔ≧６３．８１−０．４５７×Ｄとなるように設計するのが適当である。

【0022】

図８は、炉型としてＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４、燃料として８×８燃料と９×９燃料タイプＡの組み合わせについて、ボイド係数が基本設計１４と同じで一定となる近似直線を示したものである。凡例には、それぞれの組み合わせに対する一次近似式を示す。基本設計１４は、チャンネルボックス内幅約１３４ｍｍ、チャンネルボックス板厚約２．０ｍｍである。図８においても、やはりボイド係数一定となる点は燃料タイプによらず、高い相関関係があることがわかる。炉型がＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４の場合も、耐震性能を向上させるために基本設計と異なる板厚とする場合には、少なくとも最も下側の近似線である８×８燃料の近似直線１２よりもチャンネルボックス内幅・板厚が大きい側（すなわち白抜矢印の側）にずれるように設計するのが適当である。すなわち、Ｔ≧６６．１０−０．４７８×Ｄとなるように設計するのが適当である。

【0023】

チャンネルボックス板厚を増加した場合の影響に関する第２の要素は、炉心内冷却材量の軸方向（上下方向）分布の変化に関する。すなわち、チャンネルボックス板厚を増加すると、減速材が沸騰していない燃料集合体外部の領域が減少する。つまり相対的には、全減速材体積に占める沸騰領域の割合が増加し、炉心内のボイド率分布が出力分布に及ぼす影響が大きくなる。図９に炉心下部から上部までの軸方向高さと、ボイド率との関係を示す。図の左端が炉心の燃料有効長下端、右端が燃料有効長上端を示している。炉心下方から流入した冷却材（減速材）のうち、燃料集合体と燃料集合体の間隙（バイパス領域）や、燃料集合体内のウォータロッドを流れるものは基本的に沸騰しないが、それ以外の燃料集合体内を流れる冷却材は沸騰し、燃料集合体上方へ流れるにしたがってボイド率は高くなっている。このため、チャンネルボックス板厚を増加することで、下部に比べて上部の反応度のほうが大きく減少し、炉心軸方向出力分布はより下方に歪みやすくなる。このことは炉心の熱的な運転余裕を減少させ、また炉心運転状態の不安定現象を助長する側にも影響する。

【0024】

図１０に、このボイド率分布に対応した軸方向各断面平均の減速材密度の分布を示す。減速材密度はボイド率が０のときの値を１．０として規格化している。図１０はＡＢＷＲ（Ｎ格子）に８×８燃料を装荷した場合の減速材密度相対分布であり、基本設計であるチャンネルボックス板厚約２．５ ｍｍの場合を実線４１で示している。これに対し、チャンネルボックス内幅を変えずにチャンネルボックス板厚を３．５ｍｍとした場合の減速材密度相対分布を破線４２で示す。チャンネルボックス板厚を３．５ｍｍとした場合、相対的に燃料集合体上部における減速材密度が減少することから、炉心上部の反応度が下部よりも大きく低下し、炉心の軸方向出力分布は下方に歪むことになる。このことは、炉心下方において燃料棒の単位長さ当たりの出力（線出力密度）を増加し運転余裕が減少することを意味する。また燃料集合体の水力学的安定性も悪化する。

【0025】

チャンネルボックス板厚を増加した場合でも、軸方向の減速材密度相対分布を基本設計と同じに維持するためには、チャンネルボックス内幅を調節して、断面中の全減速材面積に対する沸騰領域の減速材面積割合を基本設計と等しくする必要がある。図１１に、チャンネルボックス板厚の増加幅と沸騰領域の減速材面積割合の関係を示す。図１１において、チャンネルボックス内幅が「標準」と付記された線５１は、ＡＢＷＲ（Ｎ格子）に、チャンネルボックス内幅が基本設計どおりの約１３４ｍｍの８×８燃料を装荷した場合について、チャンネルボックス板厚を基本設計である約２．５ｍｍから変化させて、その増加幅に対する沸騰領域の減速材面積割合を示したものである（基本設計の設計点は点５０である）。前述したようにチャンネルボックス板厚が増加するに従い、沸騰領域の減速材面積割合も増加する。図１１におけるその他の線５２〜５５は、チャンネルボックス内幅を基本設計の約１３４ｍｍからそれぞれ−１ｍｍから−４ｍｍまで１ｍｍずつ変化させて約１３３ｍｍ〜約１３０ｍｍとした場合について、チャンネルボックス板厚増加に対する沸騰領域の減速材面積割合の変化を示したものである。チャンネルボックス板厚を増加すると沸騰領域の面積割合は増加するが、内幅を減少すれば当然減少するため、この組み合わせによって基本設計と等しい面積割合とすることができる。例えば、図１０で示したチャンネルボックス板厚が３．５ｍｍ（すなわち、チャンネルボックス板厚増加幅は約１ｍｍ）の場合、チャンネルボックス内幅を基本設計より約１．３ｍｍ減少させれば、沸騰領域の面積割合は基本設計と等しくなり、減速材密度相対分布は図１０の実線４１と一致することがわかった。このように、沸騰領域の面積割合が基本設計と等しく一定となるような、チャンネルボックス内幅とチャンネルボックス板厚の関係を図１２および図１３に示す。

【0026】

図１２は炉型としてＢＷＲ５とＡＢＷＲ、燃料として８×８燃料、９×９燃料タイプＡ、９×９燃料タイプＢの組み合わせについて、チャンネルボックス内幅とチャンネルボックス板厚の関係を示したもので、基本設計２４は、チャンネルボックス内幅約１３４ｍｍ、チャンネルボックス板厚約２．５ｍｍである。凡例には、それぞれの組み合わせに対する一次近似式を示す。図１２から明らかなように、沸騰領域の面積割合が一定となるチャンネルボックスの内幅Ｄ（ｍｍ）と板厚Ｔ（ｍｍ）の組み合わせは、炉型や燃料タイプによらず、高い相関関係がある。近似直線よりチャンネルボックス内幅・板厚が大きい側では炉心軸方向出力分布が下方に歪む傾向が大きくなり、炉心の運転性に悪影響を及ぼす。逆にチャンネルボックス内幅・板厚が小さい側（白抜き矢印の方向）では、基本設計に比べて炉心軸方向出力分布が上方に歪む傾向が出てくる可能性がある。

【0027】

一般にＢＷＲ炉心では前述したボイド率分布の影響で、炉心軸方向出力分布が下方に歪む傾向が強く、これを燃料の濃縮度分布、可燃性毒物分布、挿入制御棒の調整などにより調整して下方への歪みの抑えている構成となっていることから、軸方向出力分布が過度に上方に歪まないようにすることは容易である。したがって、耐震性能を向上させるために基本設計と異なる板厚とする場合には、少なくとも最も上側に位置する近似線であるＡＢＷＲ、９×９燃料タイプＢの近似直線２１より、チャンネルボックス内幅・板厚が小さい側（すなわち白抜矢印の側）にずれるように設計するのが適当である。すなわち、１１４．８８−０．８３８×Ｄとなるように設計するのが適当である。

【0028】

図１３は炉型としてＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４、燃料として８×８燃料、９×９燃料タイプＡ、９×９燃料タイプＢの組み合わせについて示したものである。基本設計１４は、チャンネルボックス内幅約１３４ｍｍ、チャンネルボックス板厚約２．０ｍｍである。凡例には、それぞれの組み合わせに対する一次近似式を示す。図１３においても、沸騰領域の面積割合が一定となるチャンネルボックスの内幅Ｄ（ｍｍ）と板厚Ｔ（ｍｍ）の組み合わせは、炉型や燃料タイプによらず、高い相関関係がある。炉型がＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４の場合も、耐震性能を向上させるために基本設計と異なる板厚とする場合には、少なくとも最も上側に位置する近似線である９×９燃料タイプＢの近似直線１１より、チャンネルボックス内幅・板厚が小さい側（すなわち白抜矢印の側）にずれるように設計するのが適当である。すなわち、Ｔ≦１１１．０２−０．８１３×Ｄとなるように設計するのが適当である。

【0029】

以上、耐震性を向上させるためにチャンネルボックス板厚を増加したときに、炉心の特性に大きな影響を与える２つの要素について、説明を行った。したがって、ＢＷＲ燃料集合体において基本設計よりもチャンネルボックス板厚を増加させる場合には、上述した２つの条件を同時に満たすこと、すなわちボイド係数が基本設計と同等以上になり、かつ沸騰領域の面積割合が基本設計と同等以下になるような、チャンネルボックス内幅と板厚を選択することにより、適切な運転特性のＢＷＲ炉心を維持することができる。

【0030】

このようにして定義されるチャンネルボックス内幅Ｄ（ｍｍ）と板厚Ｔ（ｍｍ）の組み合わせの範囲を、図１（ＢＷＲ５およびＡＢＷＲの場合）および図２（ＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４の場合）に示す。すなわち、図１は、図７と図１２を重ねあわせ、上限を直線２１、下限を直線２２とする好適な適用範囲２３を斜線で示した。前述のとおり、ＢＷＲ５およびＡＢＷＲの場合には、Ｔの上限である直線２１は１１４．８８−０．８３８×Ｄと、下限である直線２２は６３．８１−０．４５７×Ｄと表すことができるから、適用範囲２３の範囲は、６３．８１−０．４５７×Ｄ≦Ｔ≦１１４．８８−０．８３８×Ｄと表すことができる。なお、本願発明は耐震性向上のために基本設計２４よりも板厚Ｔを増加させる、すなわち内幅Ｄを小さくするようにチャンネルボックスを変更するであることが前提であるから、Ｄ＜１３４である。

【0031】

同様に、ＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４の場合を示す図２は、図８と図１３を重ねあわせて、上限を直線１１、下限を直線１２とする好適な適用範囲１３を斜線で示した。前述のとおり、Ｔの上限である直線１１は１１１．０２−０．８１３×Ｄと、Ｔの下限である直線１２は６６．１０−０．４７８×Ｄと表すことができるから、適用範囲１３の範囲は、６６．１０−０．４７８×Ｄ≦Ｔ≦１１１．０２−０．８１３×Ｄとなる。なお、本願発明は基本設計２４よりも板厚Ｔを増加させる、すなわち内幅Ｄを小さくするようにチャンネルボックスを変更するであることが前提であるから、Ｄ＜１３４である。

【0032】

次に、図１に示した適用範囲２３のチャンネルボックスの第１の実施例を示す。本実施例では、既存のＢＷＲ５およびＡＢＷＲに装荷する燃料集合体のチャンネルボックスを、既存のＳ格子用の小さい内幅（約１３２．５ｍｍ）のチャンネルボックスの板厚を約３．６ｍｍにしたものに変更する。すなわち、図１において適用範囲２３内にある黒四角２５の設計点にあたるチャンネルボックスに変更するものである。この実施例では、良好な炉心特性を維持したまま耐震性を向上させることができるだけでなく、チャンネルボックスを除く燃料集合体の寸法としてＢＷＲ５・Ｓ格子用燃料と同じものを利用できるため、製造上の観点からも有利である。燃料としては、８×８燃料、９×９燃料など、どのような燃料でも適用することができる。

【0033】

なお、本実施例で用いる約３．６ｍｍの板厚を有するチャンネルボックスは、全周にわたって均一に約３．６ｍｍに板厚に変更しているが、チャンネルボックス４面中央部付近よりも４隅部の板厚を大きくした、非均一な板厚分布としてもよい。４隅部の板厚を厚くすることにより、耐震性能が向上するのみならず、チャンネルボックス内外の圧力差によって生じるチャンネルボックスの膨らみを抑制することができる。このような非均一な板厚分布のチャンネルボックスに本願発明を適用する場合には、チャンネルボックスの全周にわたる板厚の平均値を板厚Ｔとして、適用範囲２３を満たすように内幅Ｄと平均板厚Ｔを選択すればよい。

【0034】

同様に、ＢＷＲ２、ＢＷＲ３、ＢＷＲ４に装荷する燃料集合体のチャンネルボックスを、既存のＳ格子用の小さい内幅（約１３２．５ｍｍ）のチャンネルボックスの板厚を約３．０ｍｍに増加させたチャンネルボックスに変更した第２の実施例を示す。これは、図２に示す適用範囲１３内にある黒四角１５の設計点にあたる。本実施例の場合も、良好な炉心特性を維持したまま耐震性を向上させることができ、さらに既存のＢＷＲ５の設計を利用できるため設計負担が減り、製造上の観点からも有利である。

【0035】

以上、本願発明にかかる、沸騰水型原子炉の炉心、燃料集合体およびチャンネルボックスならびにその耐震性を向上させる方法や、既存のＳ格子用のチャンネルボックスを利用した実施例について説明を行ったが、当業者であれば、炉心の設計や要求される耐震性などに応じて、図１、２に示した適用範囲１３、２３の中から最適な設計点を選択してチャンネルボックスを設計することにより、本願発明を実施できることは、容易に想到できよう。また、上述した説明では、チャンネルボックス内幅とチャンネルボックス板厚の関係を示す各データの一次近似式により、適用範囲の上限と下限を定めたが、２次近似式などの他の近似式により上限と下限を定めてもよいし、さらに多くのデータを求めることにより近似によらずデータ値そのものにより上限と下限を定めてもよい。すなわち、耐震性を向上させるためにチャンネルボックスの板厚を変更する場合には、変更後のチャンネルボックスの内側対面間の距離およびチャンネルボックスの板厚を、変更前の炉心とボイド率が等しくなるチャンネルボックスの内側対面間距離とチャンネルボックス板厚との関係を示す線と、変更前の炉心と沸騰領域の減速材面積割合が等しくなるチャンネルボックスの内側対面間距離とチャンネルボックス板厚との関係を示す線との間に位置するように設定すればよい。

【符号の説明】

【0036】

１０ 炉心
１１、１２、１３、１４ 燃料集合体
１５ チャンネルボックス
１６ 燃料棒
１７ ウォータロッド
１８ 制御棒

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】