JP2015108536A - 燃料集合体および加圧水型原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料棒のサイクル末期においても燃料棒の除熱が容易な燃料集合体および加圧水型原子炉を提供する。
【解決手段】燃料集合体は、上下方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置された複数の燃料棒２１と、前記上下方向に延びる形状を有し、前記燃料棒２１と隣接して配置された複数のシンブル管とを備える。さらに、前記複数の燃料棒２１は、前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値である第１領域Ｒ１と、前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、前記第１の値よりも小さい第２の値であり、前記第１領域の上方に位置する第２領域Ｒ２とを有する。
【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、燃料集合体および加圧水型原子炉に関する。

加圧水型原子炉は、炉心圧力を増加させることにより、冷却材である水の沸点を高めている。よって、加圧水型原子炉の炉心出口における水の温度は、沸点未満でありながら高温である。また、加圧水型原子炉内の蒸気発生器の熱伝達は、炉心出口からくる水の温度が高いほど向上する。よって、蒸気発生器は、炉心出口からくる水の温度が高いほど、発生させる蒸気の圧力を高めることができ、発電効率を高めることができる。

加圧水型原子炉においては、炉心内での水の沸騰を許容すれば、原子炉内の水の温度をさらに高めることができる。しかしながら、加圧水型原子炉の炉心内で水の沸騰を許容する場合に関しては、このような炉心内で用いる燃料について十分に検討されていない。

一方、沸騰水型原子炉に関しては、水の密度が沸騰により変化することを考慮した様々な提案がなされている。例えば、沸騰水型原子炉において部分長燃料棒を採用することが提案されている。

特開昭５２−５０４９８号公報 特開平２−１４７８９０号公報 特開平２−６７８５号公報 特開平５−１６４８６８号公報

牧原義明著「一体型モジュラー軽水炉（ＩＭＲ）」日本原子力学会誌、Vol.43, No.11, pp.1065-1070

図１０は、一般的な加圧水型原子炉の炉心内における軸方向出力分布と、熱流束と限界熱流束との比とを示すグラフである。

図１０(ａ)および図１０(ｂ)の縦軸Ｚは、炉心内の燃料棒の軸方向に沿った高さ（軸方向高さ）を示す。図１０(ａ)は、軸方向高さＺと、燃料棒からの熱出力との関係（軸方向出力分布）を示す。図１０(ｂ)は、軸方向高さＺと、燃料棒からの熱流束と限界熱流束との比との関係を示す。限界熱流束とは、燃料棒の除熱が可能な最大の熱流束を示す。

加圧水型原子炉の炉心内で水の沸騰を許容する場合、サイクル初期（燃料棒の使用開始直後）の軸方向出力分布では、図１０(ａ)の曲線Ｃ_Aのように、炉心の下部側（上流側）にピークが出る。このような分布を、ボトムピーク型と呼ぶ。一方、加圧水型原子炉の炉心内で水の沸騰を許容する場合、サイクル末期（燃料棒の使用終了直前）の軸方向出力分布では、図１０(ａ)の曲線Ｃ_Bのように、炉心の上部側（下流側）にピークが出る。このような分布を、トップピーク型と呼ぶ。

燃料棒の除熱の際、炉心上部の水温が炉心下部の水温より高いことから、炉心上部は、炉心下部に比べ、限界熱流束に対する熱流束の余裕が少ない。そのため、サイクル末期に軸方向出力分布がトップピーク型に近付くと、図１０(ｂ)の曲線Ｃ_Dのように、限界熱流束に対する熱流束の余裕がさらに少なくなってしまう。図１０(ｂ)の曲線Ｃ_C、Ｃ_Dはそれぞれ、サイクル初期、サイクル末期における熱流束と限界熱流束との比を示す。

なお、図１０(ｂ)において、熱流束と限界熱流束との比が１未満になることは、燃料棒からの発熱が限界熱流束を超えることを意味する。燃料棒からの発熱が限界熱流束を超えると、燃料棒の発熱に対して燃料棒表面からの除熱が追いつかなくなる。そのため、燃料棒の表面温度が上昇してしまい、最終的には燃料棒の破損に至る可能性がある。

そこで、本発明は、燃料棒のサイクル末期においても燃料棒の除熱が容易な燃料集合体および加圧水型原子炉を提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、燃料集合体は、上下方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置された複数の燃料棒と、前記上下方向に延びる形状を有し、前記燃料棒と隣接して配置された複数のシンブル管とを備える。さらに、前記複数の燃料棒は、前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値である第１領域と、前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、前記第１の値よりも小さい第２の値であり、前記第１領域の上方に位置する第２領域とを有する。

本発明によれば、燃料棒のサイクル末期においても燃料棒の除熱が容易な燃料集合体および加圧水型原子炉を提供することができる。

第１実施形態の加圧水型原子炉の構造を示す断面図である。 第１実施形態の燃料集合体の構造を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 第１実施形態の各燃料棒の形状を示す断面図である。 第１実施形態の燃料集合体内における水のボイド率、水の密度、燃料棒の合計断面積、水と燃料棒との質量比を示すグラフである。 第１実施形態の変形例の各燃料棒の形状を示す断面図である。 第２実施形態の燃料集合体の構造を示す断面図である。 第２実施形態の変形例の各シンブル管の形状を示す断面図である。 一般的な加圧水型原子炉の炉心内における軸方向出力分布と、熱流束と限界熱流束との比とを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の加圧水型原子炉の構造を示す断面図である。

図１の加圧水型原子炉は、原子炉容器１と、炉心槽２と、炉心３と、上部炉心支持板４と、下部炉心支持板５と、制御棒駆動機構６と、フロースカート７と、冷却材入口ノズル８と、冷却材出口ノズル９と、燃料集合体１０とを備えている。

図１は、水平方向に相当するＸ方向およびＹ方向と、上下方向に相当するＺ方向とを示している。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに垂直である。なお、＋Ｚ方向は上向き方向に相当し、−Ｚ方向は下向き方向に相当する。

原子炉容器１は、Ｚ方向を軸方向とする円筒形の形状を有している。炉心槽２と炉心３は、原子炉容器１内に配置されており、炉心槽２が炉心３の周囲を包囲している。上部炉心支持板４と下部炉心支持板５はそれぞれ、炉心槽２の上方と下方に配置されている。制御棒駆動機構６は、炉心３に制御棒を挿入するための機構である。フロースカート７は、下部炉心支持板５の下方に配置されている。冷却材入口ノズル８は、原子炉容器１に冷却材（水）を導入するために使用され、冷却材出口ノズル９は、原子炉容器１から冷却材を排出するために使用される。燃料集合体１０は、炉心３内に収容されており、燃料棒とシンブル管とを備えている。シンブル管は、制御棒や中性子検出器を通すための管である。

冷却材入口ノズル８から導入された冷却材は、原子炉容器１と炉心槽２との間のダウンカマ１１を下降する。冷却材は、下部炉心支持板５の下方の下部プレナム１３に到達すると、下降流から上昇流に転じる。そして、冷却材は、下部炉心支持板５、炉心３、上部炉心支持板４内を上昇する。冷却材は、燃料集合体１０内の燃料棒間を上昇する際に、燃料棒により加熱される。そして、冷却材は、上部炉心支持板４の上方の上部プレナム１２に到達し、冷却材出口ノズル９から排出され、加圧水型原子炉内の蒸気発生器（不図示）に送られる。

図２は、第１実施形態の燃料集合体１０の構造を示す断面図である。

本実施形態の燃料集合体１０は、複数の燃料棒２１と、複数のシンブル管２２と、上部ノズル２３と、下部ノズル２４と、複数のスペーサ２５とを備えている。

燃料棒２１は、Ｚ方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置されている。燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面の形状は、円形である。シンブル管２２は、Ｚ方向に延びる形状を有し、燃料棒２１と隣接して配置されている。シンブル管２２のＺ方向に垂直な断面の形状は、円形である。Ｚ方向は、燃料棒２１およびシンブル管２２の軸方向に相当する。

上部ノズル２３は、燃料棒２１およびシンブル管２２の上端付近に配置され、下部ノズル２４は、燃料棒２１およびシンブル管２２の下端付近に載置されている。スペーサ２５は、燃料棒２１およびシンブル管２２の間隔を保つための部材である。

本実施形態の複数の燃料棒２１は、燃料棒２１の下端側に位置する第１領域Ｒ₁と、燃料棒２１の上端側に位置する第２領域Ｒ₂とを有し、第２領域Ｒ₂が第１領域Ｒ₁の上方に位置している。第１領域Ｒ₁においては、これらの燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値Ｓ₁となっている。第２領域Ｒ₂においては、これらの燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値Ｓ₁よりも小さい第２の値Ｓ₂となっている（Ｓ₂＜Ｓ₁）。

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、燃料棒２１の第１領域Ｒ₁の断面を示している。図４は、図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図４は、燃料棒２１の第２領域Ｒ₂の断面を示している。

図３および図４に示すように、本実施形態の燃料集合体１０は、２６４本の燃料棒２１と、２５本のシンブル管２２を備えている。燃料棒２１とシンブル管２２の合計本数は、２８９本（１７×１７本）である。

図３および図４に示すように、各燃料棒２１は、第１領域Ｒ₁内において第１の直径Ｄ₁を有しており、第２領域Ｒ₂内において第１の直径Ｄ₁よりも小さい第２の直径Ｄ₂を有している（Ｄ₂＜Ｄ₁）。その結果、第２の値Ｓ₂が、第１の値Ｓ₁よりも小さくなっている。なお、Ｓ₁とＤ₁との間には、Ｓ₁＝２６４×π×(Ｄ₁／２)^２の関係が成り立つ。また、Ｓ₂とＤ₂との間には、Ｓ₂＝２６４×π×(Ｄ₂／２)^２の関係が成り立つ。

なお、図２においては、作図の便宜上、各燃料棒２１の直径が一様に描かれている。しかしながら、本実施形態の各燃料棒２１は、図３〜図５に示すように、第１領域Ｒ₁内において第１の直径Ｄ₁を有し、第２領域Ｒ₂内において第２の直径Ｄ₂を有することに留意されたい。

図５は、第１実施形態の各燃料棒２１の形状を示す断面図である。

本実施形態の加圧水型原子炉は、炉心３内での水（冷却材）の沸騰を許容するように構成されている。符号Ｚ₀は、燃料棒２１間を流れる水の沸騰開始位置を示す。

加圧水型原子炉の稼働時において、燃料棒２１間を上向きに流れる水は、燃料棒２１により加熱され、沸騰開始位置Ｚ₀において沸騰し始める。よって、加圧水型原子炉の稼働時において、沸騰開始位置Ｚ₀よりも下方（上流側）の水は、沸騰しておらず、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方（下流側）の水は、沸騰している。

本実施形態においては、第１領域Ｒ₁と第２領域Ｒ₂との境界面の高さを、沸騰開始位置Ｚ₀と同じ高さに設定している。よって、第１領域Ｒ₁は、沸騰開始位置Ｚ₀よりも下方に位置している。また、第２領域Ｒ₂は、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方に位置している。その結果、各燃料棒２１は、沸騰開始位置Ｚ₀よりも下方では第１の直径Ｄ₁を有し、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方では第２の直径Ｄ₂を有している。

なお、第１領域Ｒ₁と第２領域Ｒ₂との境界面の高さは、沸騰開始位置Ｚ₀の高さと厳密に一致していなくてもよい。境界面の高さが沸騰開始位置Ｚ₀よりも高い場合には、沸騰開始位置Ｚ₀が第１領域Ｒ₁と重なるため、第１領域Ｒ₁は、その一部が沸騰開始位置Ｚ₀よりも下方に位置することとなる。一方、境界面の高さが沸騰開始位置Ｚ₀よりも低い場合には、沸騰開始位置Ｚ₀が第２領域Ｒ₂と重なるため、第２領域Ｒ₂は、その一部が沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方に位置することとなる。なお、沸騰開始位置Ｚ₀のさらなる詳細については、後述する。

図６は、第１実施形態の燃料集合体１０内における水のボイド率、水の密度、燃料棒２１の合計断面積、水と燃料棒２１との質量比を示すグラフである。

図６(ａ)〜図６(ｄ)の縦軸Ｚは、上述のＺ方向の座標を示しており、燃料棒２１の軸方向に沿った高さ（軸方向高さ）を示している。

一般に、水が沸騰すると、水の中にボイドが発生し、水の密度が急激に低下する。よって、図６(ａ)では、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方を流れる水のボイド率が、０よりも大きくなっている。また、図６(ｂ)では、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方を流れる水の密度が、沸騰開始位置Ｚ₀よりも下方を流れる水の密度よりも低くなっている。

また、一般に水の沸騰時間が長くなるほど、水のボイド率が上昇し、水の密度がさらに低下する。よって、図６(ａ)では、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方を流れる水のボイド率が、軸方向高さＺが増加するほど増加している。また、図６(ｂ)では、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方を流れる水の密度が、軸方向高さＺが増加するほど低下している。

図６(ｃ)は、燃料棒２１の合計断面積を示す。図６(ｃ)の曲線Ｅ₁は、第１領域Ｒ₁の合計断面積を示している。よって、曲線Ｅ₁における合計断面積の値は、第１の値Ｓ₁である。また、図６(ｃ)の曲線Ｅ₂は、第２領域Ｒ₂の合計断面積を示している。よって、曲線Ｅ₂における合計断面積の値は、第２の値Ｓ₂である。

図６(ｄ)は、Ｚ方向の単位長さあたりの水と燃料棒２１との質量比を示す。燃料集合体１０を設計する際、水と燃料棒２１との質量比は、燃料棒２１内での核反応に最適な比に設計することが望ましい。図６(ｄ)において、最適な比は符号Ｒ₀で示されている。

この際、水が沸騰しないという想定で質量比を設定すると、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方での質量比が、最適な比から大きく遠ざかってしまう。理由は、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方においては、水の沸騰により水の密度が急激に低下するためである。そのため、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方での中性子の減速が不十分となり、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方での熱出力が小さくなってしまう。

よって、本実施形態の各燃料棒２１は、第１領域Ｒ₁内において第１の直径Ｄ₁を有し、第２領域Ｒ₂内において第２の直径Ｄ₂を有するように設計されている。よって、本実施形態によれば、図６(ｄ)の曲線Ｅ₄のように、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方での質量比を最適な比に近付けることができる。図６(ｄ)の曲線Ｅ₃、Ｅ₄はそれぞれ、第１および第２領域Ｒ₁、Ｒ₂における質量比を示す。

本実施形態によれば、沸騰開始位置Ｚ₀よりも下方だけでなく、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方でも、核反応によるエネルギーを有効に獲得することが可能となる。

（１）沸騰開始位置Ｚ₀の詳細
本実施形態の燃料集合体１０は、第１領域Ｒ₁と第２領域Ｒ₂との境界面の高さが、燃料集合体１０の実際の使用時において沸騰開始位置Ｚ₀と同じ高さとなるように設計される。しかしながら、燃料集合体１０の実際の使用時の沸騰開始位置Ｚ₀は、燃料集合体１０の設計時には通常知ることができない。そこで、本実施形態の燃料集合体１０を設計する際には、沸騰開始位置Ｚ₀を物理学的に計算し、第１領域Ｒ₁と第２領域Ｒ₂との境界面の高さを沸騰開始位置Ｚ₀の計算値と同じ高さに設定する。

また、図１０(ａ)に示すように、燃料棒２１の軸方向出力分布は、燃料棒２１の使用サイクルに伴い変化する。そのため、燃料集合体１０における沸騰開始位置Ｚ₀も、燃料棒２１の使用サイクルに伴い変化する。よって、沸騰開始位置Ｚ₀を物理学的に計算する際には、どのような使用サイクルの軸方向出力分布を想定して沸騰開始位置Ｚ₀を計算するかが問題となる。

本実施形態では例えば、サイクル初期の軸方向出力分布における沸騰開始位置Ｚ₀を計算し、第１および第２領域Ｒ₁、Ｒ₂の境界面の高さをこの計算値と同じ高さに設定してもよい。理由は次の通りである。

水と燃料棒２１との質量比の分布（図６(ｄ)を参照）において、サイクル初期に燃料棒２１に対する水の割合が少ない領域では、Ｕ２３８からＰｕへの転換が促進される。よって、サイクル末期には、この領域の熱出力が高くなる。よって、本実施形態においては、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方における熱出力がサイクル末期に高くなる。一方、限界熱流束に対する熱流束の余裕は、熱流束が高いほど小さくなる傾向がある。そのため、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方における熱出力がサイクル末期に高くなることは避けたい。

そこで、本実施形態においては、第１および第２領域Ｒ₁、Ｒ₂の境界面の高さを、サイクル初期の沸騰開始位置Ｚ₀の計算値と同じ高さに設定する。その結果、燃料棒２１の使用開始直後において、境界面の高さが実際の沸騰開始位置Ｚ₀の高さとよく一致することとなる。よって、燃料棒２１の使用開始直後から、燃料棒２１の燃焼が、燃料棒２１の軸方向に比較的均一に進むこととなる。よって、本実施形態によれば、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方の熱出力がサイクル末期に高くなる傾向を緩和することができる。

また、本実施形態では例えば、軸方向出力分布は一様であると想定して沸騰開始位置Ｚ₀を計算してもよい。理由は、本実施形態のように燃料棒２１が第１および第２の直径Ｄ₁、Ｄ₂を有する構造は、軸方向出力分布は一様に近付ける作用があるためである。よって、本実施形態においては、一様な軸方向出力分布を想定して沸騰開始位置Ｚ₀を計算することにより、燃料集合体１０の実際の使用時の沸騰開始位置Ｚ₀に近い計算値を得ることが可能となる。

（２）第１実施形態の変形例
図７は、第１実施形態の変形例の各燃料棒２１の形状を示す断面図である。

本変形例の燃料棒２１は、燃料棒２１の下端側に位置する第１領域Ｒ₁と、燃料棒２１の上端側に位置する第２領域Ｒ₂と、第１領域Ｒ₁と第２領域Ｒ₂との間に位置する第３領域Ｒ₃とを有している。第３領域Ｒ₃は、沸騰開始位置Ｚ₀を含む高さに位置している。

本変形例の燃料棒２１は、第３領域Ｒ₃内においてテーパー形状の側面を有している。よって、本変形例の燃料棒２１は、第３領域Ｒ₃内において、第１の直径Ｄ₁と第２の直径Ｄ₂との間の長さの直径を有している。このような構造には例えば、使用サイクルに伴う沸騰開始位置Ｚ₀の変化や、沸騰開始位置Ｚ₀の計算値の誤差に対処しやすいという利点がある。

このように、本実施形態の燃料棒２１は、第１領域Ｒ₁と、第２領域Ｒ₂と、第１および第２領域Ｒ₁、Ｒ₂以外の１つ以上の領域とを有していてもよい。

なお、第１の直径Ｄ₁と第２の直径Ｄ₂との比は、どのように決定してもよい。ただし、比が１に近すぎると、燃料棒２１に第１および第２領域Ｒ₁、Ｒ₂を設ける効果が弱まってしまう。一方、比が１から離れすぎると、第２領域Ｒ₂が細すぎて第２領域Ｒ₂の発熱効率が悪くなってしまう。よって、第１の直径Ｄ₁と第２の直径Ｄ₂との比は、これらのバランスを考慮して設定することが望ましい。

以上のように、本実施形態の燃料集合体１０は、複数の燃料棒２１を備え、これらの燃料棒２１は、その合計断面積が第１の値Ｓ₁である第１領域Ｒ₁と、第１領域Ｒ₁の上方に位置し、その合計断面積が第１の値Ｓ₁よりも小さい第２の値Ｓ₂である第２領域Ｒ₂とを有している。

よって、本実施形態によれば、燃料棒２１のサイクル末期においても燃料棒２１の除熱が容易な燃料集合体１０を実現することが可能となる。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態の燃料集合体１０の構造を示す断面図である。

本実施形態の燃料集合体１０は、第１実施形態の燃料集合体１０と同様に、複数の燃料棒２１と、複数のシンブル管２２と、上部ノズル２３と、下部ノズル２４と、複数のスペーサ２５とを備えている。

また、本実施形態の複数の燃料棒２１は、燃料棒２１の下端側に位置する第１領域Ｒ₁と、燃料棒２１の上端側に位置する第２領域Ｒ₂とを有し、第２領域Ｒ₂が第１領域Ｒ₁の上方に位置している。第１領域Ｒ₁においては、これらの燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値Ｓ₁となっている。第２領域Ｒ₂においては、これらの燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値Ｓ₁よりも小さい第２の値Ｓ₂となっている（Ｓ₂＜Ｓ₁）。

ただし、本実施形態の複数の燃料棒２１は、１本以上の第１燃料棒２１ａと、１本以上の第２燃料棒２１ｂとを含んでいる。第１燃料棒２１ａは、Ｚ方向に沿って第１の長さＬ₁を有しており、第１および第２領域Ｒ₁、Ｒ₂の両方を有している。第２燃料棒２１ｂは、Ｚ方向に沿って第１の長さＬ₁よりも短い第２の長さＬ₂を有しており（Ｌ₂＜Ｌ₁）、第１および第２領域Ｒ₁、Ｒ₂のうちの第１領域Ｒ₁のみを有している。その結果、第２領域Ｒ₂の合計断面積である第２の値Ｓ₂が、第１領域Ｒ₁の合計断面積である第１の値Ｓ₁よりも小さくなっている。

なお、第１の長さＬ₁は、第１および第２領域Ｒ₁、Ｒ₂の合計長さと同じ長さである。また、第２の長さＬ₂は、第１領域Ｒ₁の長さと同じ長さである。第２燃料棒２１ｂは、部分長燃料棒に相当する。

ここで、第１燃料棒２１ａの本数をＮ₁と表し、第２燃料棒２１ｂの本数をＮ₂と表すことにする。また、第１および第２燃料棒２１ａ、２１ｂの直径をＤと表すことにする。この場合、第１の値Ｓ₁は、Ｓ₁＝(Ｎ₁＋Ｎ₂)×π×(Ｄ／２)^２で表される。また、第２の値Ｓ₂は、Ｓ₂＝Ｎ₁×π×(Ｄ／２)^２で表される。なお、第１燃料棒２１ａの直径と第２燃料棒２１ｂの直径は、異なる値でもよい。

本実施形態においては、第１領域Ｒ₁と第２領域Ｒ₂との境界面の高さを、沸騰開始位置Ｚ₀と同じ高さに設定している。そのため、図８に示すように、第２燃料棒２１ｂの上端の高さが、沸騰開始位置Ｚ₀と同じ高さに位置している。

なお、第１領域Ｒ₁と第２領域Ｒ₂との境界面の高さは、沸騰開始位置Ｚ₀の高さと厳密に一致していなくてもよい。例えば、第２燃料棒２１ｂの上端の高さを沸騰開始位置Ｚ₀よりも高く設定した場合には、境界面の高さは沸騰開始位置Ｚ₀よりも高くなる。一方、第２燃料棒２１ｂの上端の高さを沸騰開始位置Ｚ₀よりも低く設定した場合には、境界面の高さは沸騰開始位置Ｚ₀よりも低くなる。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様、沸騰開始位置Ｚ₀よりも下方だけでなく、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方でも、核反応によるエネルギーを有効に獲得することが可能となる。

（１）シンブル管２２の詳細
本実施形態の各シンブル管２２は、図８に示すように、第１領域Ｒ₁に隣接し、第１の直径ｄ₁を有する第１部分ｒ₁と、第２領域Ｒ₂に隣接し、第１の直径ｄ₁よりも大きい第２の直径ｄ₂を有する第２部分ｒ₂とを有している（ｄ₂＞ｄ₁）。

本実施形態の各シンブル管２２はさらに、第１部分ｒ₁と第２部分ｒ₂との間に位置し、テーパー形状の側面を有する第３部分ｒ₃を有している。第３部分ｒ₃は、第１の直径ｒ₁と第２の直径ｒ₂との間の長さの直径を有している。本実施形態の第３部分ｒ₃は、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方に位置しており、第２領域Ｒ₂に隣接している。

このように、本実施形態においては、シンブル管２２の直径を、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方において増加させている。本実施形態においては、シンブル管２２内の水を、沸騰開始位置Ｚ₀よりも下方から取水して、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方から排出する構成を採用している。

シンブル管２２内の水は、燃料棒２１間の流路を流れる水と分離されている。よって、燃料棒２１間の流路を流れる水が沸騰している場合にも、シンブル管２２内の水は沸騰しないままに保つことが可能である。

よって、本実施形態によれば、シンブル管２２の直径を沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方において増加させることにより、シンプル管２２から沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方に多量の未沸騰の水を供給して、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方における水の密度を増加させることが可能となる。よって、本実施形態によれば、沸騰開始位置Ｚ₀よりも上方において、水と燃料棒２１との質量比を最適な比に近付けることが可能となる（図６(ｄ)を参照）。

（２）第２実施形態の変形例
図９は、第２実施形態の変形例の各シンブル管２２の形状を示す断面図である。

図８において、各シンブル管２２の第３部分ｒ₃の直径は、沸騰開始位置Ｚ₀から急激に増加している。しかしながら、図６(ａ)に示すように、水のボイド率は、沸騰開始位置Ｚ₀から急激に増加するわけではない。第３部分ｒ₃の直径を急激に増加させると、水のボイド率が急激に増加しないにもかかわらず、水の密度が急激に増加してしまうことが懸念される。

よって、本変形例においては、各シンブル管２２の第３部分ｒ₃の直径を、図６(ａ)に示す水のボイド率の上昇曲線に従って増加させている。よって、本変形例によれば、水のボイド率の増加量に対応して水の密度を増加させることが可能となる。

なお、各シンブル管２２の第３部分ｒ₃の直径を設計する際に利用する水のボイド率の上昇曲線は、例えば、物理学的な計算により算出可能である。

以上のように、本実施形態の燃料集合体１０は、複数の燃料棒２１を備え、これらの燃料棒２１は、その合計断面積が第１の値Ｓ₁である第１領域Ｒ₁と、第１領域Ｒ₁の上方に位置し、その合計断面積が第１の値Ｓ₁よりも小さい第２の値Ｓ₂である第２領域Ｒ₂とを有している。

よって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、燃料棒２１のサイクル末期においても燃料棒２１の除熱が容易な燃料集合体１０を実現することが可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な燃料集合体および加圧水型原子炉は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した燃料集合体および加圧水型原子炉の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：原子炉容器、２：炉心槽、３：炉心、
４：上部炉心支持板、５：下部炉心支持板、６：制御棒駆動機構、
７：フロースカート、８：冷却材入口ノズル、９：冷却材出口ノズル、
１０：燃料集合体、１１：ダウンカマ、１２：上部プレナム、１３：下部プレナム、
２１：燃料棒、２１ａ：第１燃料棒、２１ｂ：第２燃料棒、２２：シンブル管、
２３：上部ノズル、２４：下部ノズル、２５：スペーサ

Claims (10)

1. 上下方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置された複数の燃料棒と、
   前記上下方向に延びる形状を有し、前記燃料棒と隣接して配置された複数のシンブル管とを備え、
   前記複数の燃料棒は、
   前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値である第１領域と、
   前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、前記第１の値よりも小さい第２の値であり、前記第１領域の上方に位置する第２領域と、
   を有する燃料集合体。
2. 前記第１領域の少なくとも一部は、前記燃料棒間を流れる水の沸騰開始位置よりも下方に位置し、
   前記第２領域の少なくとも一部は、前記燃料棒間を流れる水の沸騰開始位置よりも上方に位置する、
   請求項１に記載の燃料集合体。
3. 前記燃料棒の各々は、前記第１領域内において第１の直径を有し、前記第２領域内において前記第１の直径よりも小さい第２の直径を有する、請求項１または２に記載の燃料集合体。
4. 前記複数の燃料棒はさらに、前記第１領域と前記第２領域との間に位置し、各燃料棒の側面がテーパー形状を有する第３領域を有する、請求項３に記載の燃料集合体。
5. 前記第３領域は、前記燃料棒間を流れる水の沸騰開始位置を含む高さに位置する、請求項４に記載の燃料集合体。
6. 前記複数の燃料棒は、第１の長さを有する１本以上の第１燃料棒と、前記第１の長さよりも短い第２の長さを有する１本以上の第２燃料棒とを含む、請求項１または２に記載の燃料集合体。
7. 前記第１燃料棒は、前記第１および第２領域の両方を有し、
   前記第２燃料棒は、前記第１および第２領域のうちの前記第１領域のみを有する、
   請求項６に記載の燃料集合体。
8. 前記シンブル管の各々は、
   前記第１領域に隣接し、第１の直径を有する第１部分と、
   前記第２領域に隣接し、前記第１の直径よりも大きい第２の直径を有する第２部分と、
   を有する請求項６または７に記載の燃料集合体。
9. 前記シンブル管の各々はさらに、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、テーパー形状の側面を有する第３部分を有する、請求項８に記載の燃料集合体。
10. 原子炉容器と、
    前記原子炉容器内に配置された炉心と、
    前記炉心内に収容された燃料集合体とを備え、
    前記燃料集合体は、
    上下方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置された複数の燃料棒と、
    前記上下方向に延びる形状を有し、前記燃料棒と隣接して配置された複数のシンブル管とを備え、
    前記複数の燃料棒は、
    前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値である第１領域と、
    前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、前記第１の値よりも小さい第２の値であり、前記第１領域の上方に位置する第２領域と、
    を有する加圧水型原子炉。

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