特開 2023-115583 沸騰水型原子炉、及び燃料集合体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023115583

(43)【公開日】2023-08-21

(54)【発明の名称】沸騰水型原子炉、及び燃料集合体

(51)【国際特許分類】

   G21C 1/08 20060101AFI20230814BHJP

   G21C 3/62 20060101ALI20230814BHJP

   G21C 3/30 20060101ALI20230814BHJP

   G21C 3/322 20060101ALI20230814BHJP

【ＦＩ】

G21C1/08

G21C3/62 700

G21C3/30 100

G21C3/322

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022017882

(22)【出願日】2022-02-08

(71)【出願人】

【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】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】三輪 順一

(72)【発明者】

【氏名】日野 哲士

(57)【要約】

【課題】プルトニウムの含有率を増やしつつ、ボイド係数を負にすることができる燃料集合体と、この燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉を提供する。
【解決手段】本発明による沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器２と、原子炉圧力容器２の内部の炉心５に装荷された複数の燃料集合体３を備える。燃料集合体３は、複数の燃料棒２３と、燃料棒２３の周囲を取り囲むチャンネルボックス２１とを備え、チャンネルボックス２１の外部と内部に冷却水が流れる。炉心５が定格出力で運転されているときには、チャンネルボックス２１の外部では、冷却水が非沸騰状態であり、燃料棒２３が放出する中性子に対する減速効果が大きく、チャンネルボックス２１の内部では、冷却水が沸騰状態であり、燃料棒２３が放出する中性子に対する減速効果が小さい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子炉圧力容器と、
前記原子炉圧力容器の内部の炉心に装荷された複数の燃料集合体と、
を備え、
前記燃料集合体は、複数の燃料棒と、前記燃料棒の周囲を取り囲むチャンネルボックスとを備え、前記チャンネルボックスの外部と内部に冷却水が流れ、
前記炉心が定格出力で運転されているときには、
前記チャンネルボックスの外部では、前記冷却水が非沸騰状態であり、前記燃料棒が放出する中性子に対する減速効果が大きく、
前記チャンネルボックスの内部では、前記冷却水が沸騰状態であり、前記燃料棒が放出する中性子に対する減速効果が小さい、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉。

【請求項2】

前記燃料棒のうち前記燃料集合体の最外層に位置する前記燃料棒が最外層燃料棒であり、
前記最外層燃料棒は、前記チャンネルボックスの外部の前記冷却水に、前記チャンネルボックスを挟んで隣接し、
前記炉心が定格出力で運転されているときには、
前記最外層燃料棒は、非沸騰状態である前記チャンネルボックスの外部の前記冷却水により、放出する中性子に対する減速効果が大きく、
前記燃料集合体の前記最外層燃料棒以外の前記燃料棒は、沸騰状態である前記チャンネルボックスの内部の前記冷却水により、放出する中性子に対する減速効果が小さい、
請求項１に記載の沸騰水型原子炉。

【請求項3】

複数の制御棒を備え、
前記燃料集合体の横断面において、隣り合う４本の前記制御棒の中心点を頂点とする正方形の領域を４つに等分割した領域を燃料集合体格子とし、
前記燃料集合体格子における前記チャンネルボックスの外部の前記冷却水の流路の、前記横断面における面積を、前記チャンネルボックスの外部流路面積とし、
前記燃料集合体格子における前記チャンネルボックスの内部の前記冷却水の流路の、前記横断面における面積を、前記チャンネルボックスの内部流路面積とし、
前記炉心が定格出力で運転されているときには、
前記燃料集合体格子の内部で前記チャンネルボックスの外部では、前記冷却水が非沸騰状態であり、
前記チャンネルボックスの内部では、前記冷却水が沸騰状態であり、
前記チャンネルボックスの前記外部流路面積に対する前記チャンネルボックスの前記内部流路面積の比は、ボイド係数が負となるような予め定めた値以下である、
請求項１または請求項２に記載の沸騰水型原子炉。

【請求項4】

前記燃料集合体は、平均のプルトニウム含有率が１５重量％以下である、
請求項３に記載の沸騰水型原子炉。

【請求項5】

前記炉心が定格出力で運転されているときに、前記燃料棒の核燃料物質の充填領域の軸方向の中央部での横断面において、前記チャンネルボックスの内部の前記冷却水は、沸騰状態である、
請求項３に記載の沸騰水型原子炉。

【請求項6】

前記チャンネルボックスは、横断面が正方形である、
請求項３に記載の沸騰水型原子炉。

【請求項7】

複数の燃料棒と、
前記燃料棒の周囲を取り囲むチャンネルボックスと、
を備え、
沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器の内部の炉心に装荷可能であり、
前記炉心に装荷されて前記炉心が定格出力で運転されているときには、
前記チャンネルボックスの外部と内部に冷却水が流れ、
前記チャンネルボックスの外部では、前記冷却水が非沸騰状態であり、前記燃料棒が放出する中性子に対する減速効果が大きく、
前記チャンネルボックスの内部では、前記冷却水が沸騰状態であり、前記燃料棒が放出する中性子に対する減速効果が小さい、
ことを特徴とする燃料集合体。

【請求項8】

前記燃料棒のうち前記燃料集合体の最外層に位置する前記燃料棒が最外層燃料棒であり、
前記最外層燃料棒は、前記チャンネルボックスの外部の前記冷却水に、前記チャンネルボックスを挟んで隣接し、
前記炉心が定格出力で運転されているときには、
前記最外層燃料棒は、非沸騰状態である前記チャンネルボックスの外部の前記冷却水により、放出する中性子に対する減速効果が大きく、
前記燃料集合体の前記最外層燃料棒以外の前記燃料棒は、沸騰状態である前記チャンネルボックスの内部の前記冷却水により、放出する中性子に対する減速効果が小さい、
請求項７に記載の燃料集合体。

【請求項9】

４本の制御棒で囲まれた領域に配置され、
前記燃料集合体の横断面において、隣り合う４本の前記制御棒の中心点を頂点とする正方形の領域を４つに等分割した領域を燃料集合体格子とし、
前記燃料集合体格子における前記チャンネルボックスの外部の前記冷却水の流路の、前記横断面における面積を、前記チャンネルボックスの外部流路面積とし、
前記燃料集合体格子における前記チャンネルボックスの内部の前記冷却水の流路の、前記横断面における面積を、前記チャンネルボックスの内部流路面積とし、
前記炉心が定格出力で運転されているときには、
前記燃料集合体格子の内部で前記チャンネルボックスの外部では、前記冷却水が非沸騰状態であり、
前記チャンネルボックスの内部では、前記冷却水が沸騰状態であり、
前記チャンネルボックスの前記外部流路面積に対する前記チャンネルボックスの前記内部流路面積の比は、ボイド係数が負となるような予め定めた値以下である、
請求項７または請求項８に記載の燃料集合体。

【請求項10】

平均のプルトニウム含有率が１５重量％以下である、
請求項９に記載の燃料集合体。

【請求項11】

前記炉心が定格出力で運転されているときに、前記燃料棒の核燃料物質の充填領域の軸方向の中央部での横断面において、前記チャンネルボックスの内部の前記冷却水は、沸騰状態である、
請求項９に記載の燃料集合体。

【請求項12】

前記チャンネルボックスは、横断面が正方形である、
請求項９に記載の燃料集合体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、沸騰水型原子炉と、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体に関する。

【背景技術】

【0002】

使用済み燃料の再処理で発生したプルトニウムは、ウランと混合された燃料（以下、「混合酸化物燃料」と称する）として原子炉に装荷される。より多くのプルトニウムを利用するためには、燃料中のウラン重量とプルトニウム重量の合計に対するプルトニウム重量の割合（以下、「プルトニウム含有率」と称する）を増やす必要がある。

【0003】

燃料のプルトニウム含有率を増やすと、プルトニウム中の核分裂性プルトニウムの割合が増加し、核分裂反応が増大して原子炉の臨界を維持できなくなる。燃料のプルトニウム含有率を増やしても、中性子エネルギーを高めることで核分裂を減らすことができ、臨界を維持することができる。沸騰水型原子炉においては、複数の燃料棒を燃料集合体のチャンネルボックス内に稠密に配置すると共に、運転中にチャンネルボックス内でボイドを発生させることによって中性子エネルギーを高めた沸騰水型原子炉（以下、「低減速スペクトル沸騰水型原子炉」と称する）が、提案されている。低減速スペクトル沸騰水型原子炉の例は、特許文献１と特許文献２に記載されている。

【0004】

従来の低減速スペクトル沸騰水型原子炉では、減速材である冷却水を減らして中性子エネルギーを高めることで核分裂を減らし、臨界を維持することができる。しかし、中性子エネルギーを高めると、沸騰状態である冷却水の気泡体積割合（以下、「ボイド率」と称する）が増えたときの反応度の変化率（以下、「ボイド係数」と称する）が正となり、原子炉の安全性が確保できなくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１－９４９７２号公報

【特許文献2】特開２０００－１９２８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

低減速スペクトル沸騰水型原子炉においてボイド係数を負とするための構成は、例えば特許文献２に記載されている。特許文献２に記載された技術では、燃料長さが通常燃料集合体の燃料長さの５０％以下である短尺燃料集合体と通常燃料集合体の二種類の燃料を炉心に装荷する構成により、ボイド率の増加時に、燃料棒がない短尺燃料の上部で中性子の漏洩量が増加することを利用してボイド係数を負にする。しかし、特許文献２の技術では、燃料有効長が通常燃料集合体の燃料長さの半分以下である短尺燃料集合体を用いているので、プルトニウムの利用量を増やすことができない。

【0007】

このように、従来の技術では、より多くのプルトニウムを利用するために混合酸化物燃料のプルトニウム含有率を増やすことと、ボイド係数を負にすることの両立が困難であるという課題がある。

【0008】

本発明の目的は、プルトニウムの含有率を増やしつつ、ボイド係数を負にすることができる燃料集合体と、この燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明による沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器の内部の炉心に装荷された複数の燃料集合体とを備える。前記燃料集合体は、複数の燃料棒と、前記燃料棒の周囲を取り囲むチャンネルボックスとを備え、前記チャンネルボックスの外部と内部に冷却水が流れる。前記炉心が定格出力で運転されているときには、前記チャンネルボックスの外部では、前記冷却水が非沸騰状態であり、前記燃料棒が放出する中性子に対する減速効果が大きく、前記チャンネルボックスの内部では、前記冷却水が沸騰状態であり、前記燃料棒が放出する中性子に対する減速効果が小さい。

【0010】

本発明による燃料集合体は、複数の燃料棒と、前記燃料棒の周囲を取り囲むチャンネルボックスとを備え、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器の内部の炉心に装荷可能である。前記炉心に装荷されて前記炉心が定格出力で運転されているときには、前記チャンネルボックスの外部と内部に冷却水が流れ、前記チャンネルボックスの外部では、前記冷却水が非沸騰状態であり、前記燃料棒が放出する中性子に対する減速効果が大きく、前記チャンネルボックスの内部では、前記冷却水が沸騰状態であり、前記燃料棒が放出する中性子に対する減速効果が小さい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によると、プルトニウムの含有率を増やしつつ、ボイド係数を負にすることができる燃料集合体と、この燃料集合体を装荷した沸騰水型原子炉を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施例１による燃料集合体の横断面を示す図であり、図３の矢印Ａ－Ａに沿って見た横断面図である。

【図2】実施例１による沸騰水型原子炉の構成を示す概略図である。

【図3】炉心の縦断面図であり、実施例１による燃料集合体を示す図である。

【図4】４体の燃料集合体の横断面を示す図であり、図３の矢印Ｂ－Ｂに沿って見た横断面図である。

【図5】燃料集合体において、チャンネルボックス内外流路面積比に対するボイド係数の変化の例を示す図である。

【図6】本発明の実施例２による燃料集合体の横断面を示す図である。

【図7】本発明の実施例３による燃料集合体の横断面を示す図である。

【図8】本発明の実施例４による燃料集合体の横断面を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明による燃料集合体は、プルトニウムとウランとが混合された混合酸化物燃料を有する。本発明による沸騰水型原子炉は、この燃料集合体を装荷することができる。

【0014】

本発明による燃料集合体は、プルトニウムの含有率が多くても、チャンネルボックスの内部では、冷却水を沸騰状態として水の密度を減らすとともに冷却水の流路面積を減らし、チャンネルボックスの外部では、冷却水を非沸騰状態として水の密度を増やすとともに冷却水の流路面積を増やすことで（すなわち、後述するチャンネルボックス内外流路面積比を小さくすることで）、チャンネルボックスの内部では中性子の減速の程度を低くし、チャンネルボックスの外部では中性子の減速の程度を高くして（すなわち、中性子を、チャンネルボックスの内部では低減速状態とし、チャンネルボックスの外部では高減速状態として）、ボイド係数を負にすることができる。

【0015】

従来の熱中性子炉では、チャンネルボックスの内部と外部で中性子を高減速状態として効率よく核分裂を起こしているので、燃料のプルトニウム含有率が増えると原子炉の臨界を維持できなくなる。また、従来の低減速スペクトル沸騰水型原子炉では、チャンネルボックスの内部と外部で減速材である冷却水を減らして中性子を低減速状態としているので、臨界を維持することができるが、ボイド係数が正となる。

【0016】

本発明による燃料集合体は、上記の構成を備え、プルトニウムの含有率を増やしつつ、ボイド係数を負にすることができる
以下、本発明の実施例による沸騰水型原子炉と燃料集合体を、図面を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

【実施例0017】

図２は、本発明の実施例１による沸騰水型原子炉の構成を示す概略図である。本実施例による沸騰水型原子炉１は、原子炉圧力容器２、本実施例による燃料集合体３、炉心シュラウド４、炉心５、炉心支持板６、上部格子板７、複数の制御棒１２、及び複数のインターナルポンプ１３を備える。沸騰水型原子炉１は、炉心５への冷却水の供給を原子炉圧力容器２の底部である下鏡２Ａに設けられたインターナルポンプ１３で行う改良型沸騰水型原子炉（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ、以下「ＡＢＷＲ」と称する）である。

【0018】

原子炉圧力容器２は、炉心５と、炉心５を取り囲む炉心シュラウド４を内部に備える。炉心５は、本実施例による燃料集合体３を複数体、装荷可能である。炉心５の下部に配置された炉心支持板６と炉心５の上部に配置された上部格子板７は、炉心シュラウド４の内面に取り付けられている。炉心シュラウド４の上端部には、炉心５を覆うシュラウドヘッド８が取り付けられている。原子炉圧力容器２の内部では、複数の気水分離器９がシュラウドヘッド８に取り付けられ、上方に向かって伸びている。気水分離器９の上方には、蒸気乾燥器１０が、原子炉圧力容器２の内面に取り付けられて配置されている。

【0019】

炉心シュラウド４の内面と原子炉圧力容器２の内面との間には、炉心シュラウド４を取り囲む環状のダウンカマ１４が形成されている。複数のインターナルポンプ１３は、ダウンカマ１４の位置で、原子炉圧力容器２の下鏡２Ａに取り付けられている。各インターナルポンプ１３のインペラ１３Ａは、ダウンカマ１４の内部に配置されている。

【0020】

原子炉圧力容器２には、インターナルポンプ１３よりも内側に、複数の制御棒駆動機構ハウジング１６が取り付けられている。各制御棒駆動機構ハウジング１６は、下鏡２Ａを貫通し、下鏡２Ａよりも下方に向かって伸びている。各制御棒駆動機構ハウジング１６の内部には、制御棒駆動機構（図示せず）が設置されている。

【0021】

原子炉圧力容器２の内部で炉心５よりも下方には、複数の制御棒案内管１５が配置されている。制御棒案内管１５は、それぞれが制御棒駆動機構ハウジング１６の上端に設置され、上方に向かって伸びている。制御棒案内管１５の上端は、炉心支持板６に設置された燃料支持金具１１の下端部の位置まで達している。制御棒１２は、制御棒案内管１５の内部に配置され、制御棒駆動機構ハウジング１６の内部の制御棒駆動機構に連結され、制御棒駆動機構によって上下に移動する。

【0022】

原子炉圧力容器２の内部には、中性子検出器を収納した中性子計装管１７が設置されている。

【0023】

図３は、炉心５の縦断面図であり、本実施例による燃料集合体３を示す図である。燃料集合体３は、チャンネルボックス２１、複数の燃料棒２３、下部タイプレート２２、上部タイプレート２４、及び複数の燃料スペーサ２５を備え、炉心５に配置可能である。

【0024】

各燃料棒２３は、下端部が下部タイプレート２２に支持され、上端部が上部タイプレート２４に支持されている。

【0025】

燃料スペーサ２５は、燃料集合体３の軸方向（長さ方向）の複数箇所に配置されており、燃料棒２３の相互間に所定の幅の間隔が形成されるように複数の燃料棒２３を囲んで束ねる。燃料棒２３の相互間に形成された間隙は、冷却水の流路となる。

【0026】

チャンネルボックス２１は、横断面が四角形状（例えば、正方形状）の筒状体であり、燃料スペーサ２５によって束ねられた燃料棒２３の束の周囲を取り囲んでいる。チャンネルボックス２１の上端部は、チャンネルファスナ（図示せず）によって上部タイプレート２４に取り付けられている。チャンネルボックス２１の外部と内部には、冷却水が流れる。なお、チャンネルボックス２１の横断面は、任意の形状とすることができ、例えば、正方形や六角形でもよい。チャンネルボックス２１の横断面が正方形であると、本実施例による燃料集合体３を現行の沸騰水型原子炉１に容易に適用できるので好ましい。

【0027】

チャンネルボックス２１の外側の領域、すなわち隣り合うチャンネルボックス２１の間の領域は、飽和水が存在する領域であり、ギャップ水領域４２と呼ぶ。

【0028】

次に、本実施例による燃料集合体３について説明する。本実施例による燃料集合体３は、炉心５に装荷される。

【0029】

図１は、本実施例による燃料集合体３の横断面（水平断面）を示す図であり、図３の矢印Ａ－Ａに沿って見た横断面図である。

【0030】

燃料集合体３は、横断面が正方形のチャンネルボックス２１の内部に、１６５本の燃料棒２３が稠密に配置されて構成されている。本実施例では、燃料棒２３は、外径が８．０ｍｍであり、互いの間隙が２．０ｍｍである。チャンネルボックス２１は、内幅が１３４．１ｍｍであり、肉厚が２．５ｍｍである。チャンネルボックス２１の内部の角部には、ジルカロイ－２で構成されたタイロッド３０が配置されている。

【0031】

燃料集合体３は、燃料棒２３のうち燃料集合体３の最外層（燃料集合体の横断面内において最外部）に位置する燃料棒２３として、最外層燃料棒２３ａを備える。最外層燃料棒２３ａは、燃料集合体３の最外層に位置するので、チャンネルボックス２１の外部の冷却水に、チャンネルボックス２１を挟んで隣接する。

【0032】

なお、燃料棒２３とタイロッド３０は、図３に示したように、上下の両端部が上部タイプレート２４と下部タイプレート２２によって保持されており、軸方向（長さ方向）の複数の箇所が燃料スペーサ２５によって保持されている。燃料スペーサ２５は、軸方向に一定の間隔で配置されている。

【0033】

上述したように、チャンネルボックス２１の外側の領域、すなわち隣り合うチャンネルボックス２１の間の領域は、飽和水が存在するギャップ水領域４２である（図１）。

【0034】

燃料集合体３のそれぞれには、燃料集合体格子４３が定義されている。燃料集合体格子４３は、燃料集合体３とギャップ水領域４２を含む領域である。燃料集合体格子４３の境界（外周）は、チャンネルボックス２１の外部から距離ａだけ離れている。以下では、図４を用いて、燃料集合体格子４３について説明する。

【0035】

図４は、４体の燃料集合体３の横断面を示す図であり、図３の矢印Ｂ－Ｂに沿って見た横断面図である。図４には、隣り合う４本の制御棒１２と、この４本の制御棒１２で囲まれた領域に配置された４体の燃料集合体３を示している。隣り合う燃料集合体３の間の領域は、ギャップ水領域４２である。

【0036】

燃料集合体格子４３は、燃料集合体３と制御棒１２を備える炉心５の燃料集合体３の横断面において、隣り合う４本の制御棒１２の中心点を頂点とする正方形の領域（図４の破線で示された領域）を４つに等分割した領域である。本実施例では、燃料集合体格子４３の幅である燃料集合体格子幅は、１５４．９ｍｍである。燃料集合体格子４３の境界とチャンネルボックス２１との間隔（図１に示した距離ａ）は、７．９ｍｍである。

【0037】

本実施例による燃料集合体３は、以上の構成を備え、従来の燃料集合体が備える水ロッドを内部に備えないので、燃料集合体３の内部を流れる冷却水の流路面積が小さく、燃料集合体３の内部の水の量が少ない。燃料集合体３は、非沸騰状態の水が流れる水ロッドを備えないので、炉心５の定格出力の運転時に、燃料棒２３の核燃料物質の充填領域の軸方向の中央部での横断面において、チャンネルボックス２１の内部の冷却水を沸騰状態、すなわちボイドが発生した状態にすることができる。このため、本実施例による沸騰水型原子炉１は、運転時に、燃料棒２３の核燃料物質の充填領域の軸方向の中央部（すなわち、燃料有効長の１／２の位置）での横断面において、チャンネルボックス２１の内部の冷却水をボイドが発生した状態とすることで、燃料集合体３の内部の中性子エネルギーを高くした低減速スペクトル沸騰水型原子炉を実現している。

【0038】

燃料棒２３は、核燃料物質として、酸化ウランと酸化プルトニウムを混合して生成された混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）を用いており、このＭＯＸ燃料で製造された複数の燃料ペレットが被覆管内に充填されて密封された構成を備える。燃料棒２３の、核燃料物質の充填領域の軸方向における長さ、すなわち燃料有効長は、既存の沸騰水型原子炉に装荷される燃料と同じ約３７０ｃｍである。燃料棒２３の被覆管内の、核燃料物質の充填領域の上端よりも上方には、ガスプレナムが形成されている。

【0039】

図５は、燃料集合体３において、チャンネルボックス内外流路面積比に対するボイド係数の変化の例を示す図である。図５を用いて、本実施例による燃料集合体３の作用について説明する。

【0040】

まず、図１を参照して、チャンネルボックス内外流路面積比について説明する。以下の説明では、燃料集合体格子４３におけるチャンネルボックス２１の外部の冷却水の流路を「チャンネルボックス２１の外部流路」と呼び、燃料集合体格子４３におけるチャンネルボックス２１の内部の冷却水の流路を「チャンネルボックス２１の内部流路」と呼ぶ。また、チャンネルボックス２１の外部流路の流路面積を「チャンネルボックス２１の外部流路面積」と呼び、チャンネルボックス２１の内部流路の流路面積を「チャンネルボックス２１の内部流路面積」と呼ぶ。

【0041】

チャンネルボックス内外流路面積比とは、チャンネルボックス２１の外部流路面積に対するチャンネルボックス２１の内部流路面積の比（チャンネルボックス２１の内部流路面積／チャンネルボックス２１の外部流路面積）である。なお、流路面積は、燃料集合体３の横断面における、冷却水の流路面積（図１に示した面での面積）である。チャンネルボックス２１の外部流路面積は、チャンネルボックス２１の外部と燃料集合体格子４３の境界との間の領域の、冷却水の流路面積である。チャンネルボックス２１の内部流路面積は、チャンネルボックス２１の内部で燃料棒２３とタイロッド３０が存在しない領域の、冷却水の流路面積である。

【0042】

本実施例による沸騰水型原子炉１では、燃料集合体３は、非沸騰状態の水が流れる水ロッドを内部に備えず、炉心５が定格出力で運転されているときには、チャンネルボックス２１の外部流路には非沸騰状態の冷却水（ギャップ水）が流れ、チャンネルボックス２１の内部流路には燃料棒２３からの発熱により沸騰状態となった冷却水が流れる。このため、チャンネルボックス２１の外部は、燃料棒２３が放出する中性子に対する減速効果が、チャンネルボックス２１の内部よりも大きく、チャンネルボックス２１の内部は、燃料棒２３が放出する中性子に対する減速効果が、チャンネルボックス２１の外部よりも小さい。すなわち、本実施例による燃料集合体３は、チャンネルボックス２１の内部では中性子を低減速状態にし、チャンネルボックス２１の外部では中性子を高減速状態にする。

【0043】

図５には、平均のプルトニウム含有率（プルトニウムの質量とウランの質量の合計に対するプルトニウムの質量の割合）が１５重量％である燃料集合体３について、チャンネルボックス内外流路面積比に対するボイド係数の変化の例を示している。図５に示すように、チャンネルボックス内外流路面積比が２．１以下であると、ボイド係数が負である。なお、沸騰水型原子炉１で臨界を維持するためには、プルトニウム含有率は、設計上、１５重量％が上限値であると一般に考えられている。

【0044】

図５に示したボイド係数は、以下のようにして、沸騰水型原子炉１の平均的な運転条件を模擬して行った解析で求めた。すなわち、チャンネルボックス２１の外部流路の冷却水をボイド率が０％の非沸騰状態としつつ、チャンネルボックス２１の内部のボイド率が定格運転時に相当する４０％のときの中性子の無限増倍率と、チャンネルボックス２１の内部のボイド率が７０％に上昇したときの中性子の無限増倍率を解析で求め、ボイド率の変化に対する中性子の無限増倍率の変化率を、ボイド係数として求めた。

【0045】

なお、図５に示した例では、ボイド係数が負となるチャンネルボックス内外流路面積比が２．１以下であるが、この２．１という数値は、沸騰水型原子炉１の運転条件により異なる場合がある。このため、一般的には、チャンネルボックス内外流路面積比は、チャンネルボックス内外流路面積比とボイド係数との関係から求めた、ボイド係数が負となるような予め定めた値以下とすることができる。このような値は、上述したような解析で求めることができる。

【0046】

発明者は、チャンネルボックス２１の内部を沸騰状態として水の密度を減らすことに加えて、チャンネルボックス２１の内部の冷却水の流路面積を減らしつつ、チャンネルボックス２１外部の冷却水を非沸騰状態として水の密度を増やすことに加えて、チャンネルボックス２１の外部の冷却水の流路面積を増やす、すなわち、チャンネルボックス内外流路面積比を小さくすることで、チャンネルボックス２１の内部の中性子を低減速状態としつつ、チャンネルボックス２１の外部の中性子を高減速状態とすることで、ボイド係数を負にすることができることを見出した。

【0047】

以上説明したように、本実施例による燃料集合体３は、チャンネルボックス内外流路面積比を、ボイド係数が負となるような予め定めた値以下（図５に示した例では、２．１以下）とすることで、炉心５が定格出力で運転されているときに、最外層燃料棒２３ａが放出する中性子を高減速状態とし、最外層燃料棒２３ａ以外の燃料棒２３が放出する中性子を低減速状態とすることができる。最外層燃料棒２３ａは、非沸騰状態であるチャンネルボックス２１の外部の冷却水に隣接してこの冷却水の影響を受け、放出する中性子に対する減速効果が大きく、ボイド係数が負となるエネルギー領域まで中性子エネルギーを低くすることができる。一方、燃料集合体３の最外層燃料棒２３ａ以外の燃料棒２３は、沸騰状態であるチャンネルボックス２１の内部の冷却水により、放出する中性子に対する減速効果が小さく、中性子エネルギーを高い状態に維持することができる。中性子エネルギーが高いと、プルトニウム含有率が多くても臨界を維持することができる。このため、本実施例による燃料集合体３は、プルトニウム含有率を増やしつつ、燃料集合体３の全体としてボイド係数を負にすることができる。

【0048】

なお、燃料棒２３として通常の燃料棒よりも長さが短い部分長燃料棒を採用した場合には、燃料集合体格子４３（燃料集合体３の横断面）には、部分長燃料棒が存在する領域と、部分長燃料棒が存在しない領域が存在する。部分長燃料棒が存在する領域では、部分長燃料棒が存在しない領域よりもチャンネルボックス２１の内部流路面積が小さいので、中性子エネルギーが高くなり、ボイド係数が正になる傾向を示す。このため、燃料棒２３に部分長燃料棒が含まれる場合には、チャンネルボックス内外流路面積比の計算には、チャンネルボックス２１の内部流路面積が最小となる断面でのチャンネルボックス２１の内部流路面積を用いるのが好ましい。すなわち、燃料棒２３に部分長燃料棒が含まれる場合には、チャンネルボックス内外流路面積比の計算に用いるチャンネルボックス２１の内部流路面積は、部分長燃料棒が存在する横断面での流路面積を用いるのが好ましい。

【0049】

本実施例による燃料集合体３では、チャンネルボックス内外流路面積比は１．９７である。このため、本実施例による燃料集合体３は、図５より、平均のプルトニウム含有率が１５重量％であっても、ボイド係数を負にすることができ、原子炉の安全性を向上させることができる。本実施例による沸騰水型原子炉１は、本実施例による燃料集合体３が炉心５に装荷されているので、燃料のプルトニウム含有率を増やしても、平均のプルトニウム含有率が１５重量％以下であるとボイド係数を負にでき、原子炉の安全性を向上させることができる。

【0050】

本実施例によれば、低減速スペクトル沸騰水型原子炉において、燃料のプルトニウム含有率を増やしつつ、ボイド係数を負にすることができる。このため、本実施例では、原子炉の安全性を向上し得る燃料集合体と沸騰水型原子炉を実現することができる。

【0051】

なお、例えば、チャンネルボックス２１と燃料棒２３を変えずに炉心５を小型化した場合などで、燃料集合体格子４３（図１）を小さくし、燃料集合体格子４３の境界とチャンネルボックス２１との間隔（図１に示した距離ａ）を５．４ｍｍに小さくすると、チャンネルボックス内外流路面積比は２．８９となり、ボイド係数が正となった（図５）。

【実施例0052】

図６は、本発明の実施例２による燃料集合体３の横断面（水平断面）を示す図であり、実施例１での図１に対応する図である。以下では、本実施例による燃料集合体３について、実施例１による燃料集合体３と異なる点を主に説明する。

【0053】

本実施例による燃料集合体３は、実施例１による燃料集合体３よりも燃料棒２３の外径が大きい。本実施例による燃料集合体３は、横断面（水平断面）が正方形のチャンネルボックス２１の内部に、１４０本の燃料棒２３が稠密に配置されて構成されている。本実施例では、燃料棒２３は、外径が８．８ｍｍであり、互いの間隙が２．０ｍｍである。チャンネルボックス２１は、内幅が１３４．１ｍｍであり、肉厚が２．５ｍｍである。チャンネルボックス２１の内部の角部には、ジルカロイ－２で構成されたタイロッド３０が配置されている。燃料集合体格子４３の幅（燃料集合体格子幅）は、１５４．９ｍｍである。

【0054】

本実施例による燃料集合体３では、チャンネルボックス内外流路面積比は１．９０である。このため、本実施例による燃料集合体３は、図５より、平均のプルトニウム含有率が１５重量％であっても、ボイド係数を負にして実施例１での値よりもさらに小さくすることができ、原子炉の安全性を向上させることができる。さらに、本実施例では、燃料棒２３の外径が実施例１よりも大きいので、プルトニウム含有率が実施例１と同じ１５重量％であっても、燃料に使用するプルトニウムの重量を実施例１よりも増やすことができる。

【0055】

本実施例による沸騰水型原子炉１は、本実施例による燃料集合体３が炉心５に装荷されているので、低減速スペクトル沸騰水型原子炉において、燃料のプルトニウム含有率を増やしてもボイド係数を負にでき、原子炉の安全性を向上させることができる。