JPH01162189A

JPH01162189A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH01162189A
Application number: JP62318906A
Authority: JP
Inventors: Mitsuya Nakamura; 光也中村; Junichi Yamashita; 淳一山下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1989-06-26
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: JPH065317B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、燃料集合体に係り、特に沸騰水型原子炉に適
用して核燃料物質の消費を節約するのに好適な燃料集合
体に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の沸騰水型原子炉は、特開昭５４−１２１３８９号
公報に記載されているように、中性子の減速を促進させ
るために冷却水のみが流れる管（以下、水ロッドと称す
る）を有する燃料集合体を炉心内に装荷している。この
ような水ロッドの使用は、従来の沸騰水型原子炉の運転
条件下では、ウラン原子に対する水素原子の数が多いほ
ど反応度が高く、炉心に装荷された核燃料物質を有効に
活用できる。

しかし、さらに核燃料物質の有効活用を図るためには、
核燃料物質の燃焼に伴って炉心内の水素原子数を変えた
ほうがよい。

特開昭５７−１２５３９０号公報及び特開昭５７−１２
５３９１号公報は、その１つの方法を示している。すな
わち、これらの公報は、低速中性子吸収水押棒及びこの
水押棒よりも反応度価値が大きいステンレス鋼にて構成
される中速中性子吸収水押棒を設け、これらの水押棒の
炉心内への挿入量を制御して炉心内の冷却水量を調節す
ることを述べている。水押捧が、炉心内の水素原子数を
変える手段である。

水押捧の炉心内への挿入量を増すと炉心内の冷却水量が
減り、この挿入量を減らすと炉心内の冷却水量が増加す
る０以上述べた方法は種類の異なる水押捧を新たに設け
、駆動手段にて水押捧を操作しなければならなく、構造
、操作上複雑になる。

このような問題を解決するための静的な手段を用いた燃
料集合体が特開昭６１−３８５８９号公報に示されてい
る。この公報は、水素原子数を変える手段として燃料集
合体の水ロツド内にウラン２３５濃度の低い燃料棒を設
置し、この燃料棒のウラン２３５の消失前後における水
ロツド内のボイド量の変化を利用することを記載してい
る。

また、水押棒のような新たな操作手段を設ける必要のな
い方法として、炉心を流れる冷却水流量を調節する方法
がある。燃料サイクル始めの炉心を流れる冷却水流量を
少なくシ、燃料サイクル途中からその冷却水流量を増や
すものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

炉心内の水素原子数を核燃料物質の燃焼に伴って変えた
場合の利点を以下に説明する。

第１０図は、沸騰水型原子炉に用いられる代表的な燃料
集合体について横軸に燃焼度、縦軸に反応度の一つの指
標である無限増倍率をとって特性を示したものである。

２本の線はいずれも同一の燃料集合体であるが、破線は
燃料集合体内の冷却材流路における蒸気泡の体積率（ボ
イド率）を−定（ボイド率３０％）にして燃焼させた場
合を、実線は最初高ボイド率（ボイド率５０％）で運転
して途中でボイド率を下げた（ボイド率３０％）場合を
示す、第１０図より明らかなように、始めボイド率を高
くして燃焼させて後でボイド率を下げた方が、より高い
燃焼度を得ることができる。

これは、ボイド率が高く、ウラン原子数に対する水素原
子数の比が小さい、すなわち水素原子数が小さいほうが
、中性子の平均速度が大きく、ウラン２３８に吸収され
やすいためである。沸騰水型原子炉で用いられる核燃料
物質中には、ウラン２３５とウラン２３８とが含まれて
おり、ウラン２３５が核燃料物質全体の数％で大部分を
ウラン２３８が占めている。このうち、中性子を吸収し
て核分裂を生じるのは主にウラン２３５のみであり、ウ
ラン２３８はほとんど核分裂を生じない。

したがって、ウラン２３５が燃焼によって減少すると反
応度は低下する。

しかし、ウラン２３８も核分裂によって生じる高エネル
ギの中性子（高速中性子）を吸収するとプルトニウム２
３９に変わる。プルトニウム２３９は、ウラン２３５と
同じく、減速された熱中性子（高速中性子よりも飛程距
離が短かい）を吸収して核分裂を起こす。ボイド率が高
い程、高速中性子が多く存在してウラン２３８からプル
トニウム２３９に転換される割合いが大きく、ウラン２
３５及びプルトニウム２３９の核分裂が抑制される。従
って、ボイド率が高い程、ウラン２３５とプルトニウム
２３９の総量の減少が遅い。

ただし、ボイド率が高いと、反応度の絶対値は低い。こ
のため、ボイド率が高いままでは、ボイド率が低い場合
に比べて反応度が臨界を維持できる最低レベルに早く達
してしまう。そこで、その時点でボイド率を下げると、
中性子の減速効果が増し、高ボイド率一定で燃焼した場
合に比べてウラン２３５及びプルトニウム２３９の核分
裂が増し、反応度はより高くなる。従って、臨界に必要
な最低反応度になるまで、核燃料物質に含まれる核分裂
性物質をより長く燃焼させることができる。

以上述べたことが、核分裂性物質の燃焼に伴ってボイド
率を変化させることにより核燃料物質の有効活用を図る
原理であって、スペクトルシフト運転と呼ばれる。

構造の単純な水ロツド内に静的手段を設ける方法及び炉
心を流れる冷却水流量（炉心流量という）を変えること
によって炉心内の水素原子数を変更する方法は、いずれ
も、炉心のボイド率の変化幅があまり大きくとれないと
いう問題があり、実際の原子炉に適用が困難である。

第１１図は炉心流量に対する炉心平均ボイド率の依存性
を示すものである。炉心流量は、下限を熱的限界によっ
て制限され、上限を再循環ポンプ能力および流動振動に
よって制限されている。従って、沸騰水型原子炉が定格
の熱出力を出している状態では、定格の１００％炉心流
量を中心に、ある狭い範囲でしかボイド率を変化させる
ことができない０例えば、炉心流量を変化できる幅を８
０〜１２０％までとすると、ボイド率の変化幅は約９％
となる。

また特開昭６１−３８５８９号公報に示されたように水
ロツド内に燃焼に伴って発熱量の低下する発熱体（核燃
料物質）を置いた構造でも、水ロツド内のボイド率は高
々３０％程度しか変化しない、水ロツド内の水は冷却に
寄与しないので、水ロッドの燃料集合体内に占める横断
面積はあまり大きくできない。仮りに燃料集合体内の冷
却水流路の３割を水ロッドの横断面積にあてたとしても
、３０％のボイド率変化は燃料集合体全体にならすと９
％（３０％ＸＱ、３）に相当する。また、発熱体として
濃縮度の低い燃料棒を用いているので、構造が複雑であ
り、製造が面倒である。

より大きなボイド率変化幅を達成するには、水ロツド内
の流量を極端に大きく変化させるか、あるいは水ロツド
内の核燃料物質の発熱量をもつと大幅に変化させるかす
れば良いが、そのような大幅な流量２発熱量の変化を可
動部なしに行うことはできない。可動部をつけた場合、
信頼性に問題が生じ、また機構が複雑となる等の問題が
ある。

本発明の目的は、単純な構造で内部の平均ボイド率を大
幅に変化させることが可能であって異常時における反応
度の上昇を抑制できる燃料集合体を提供することである
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は、燃料集合体の下端部に抵抗体を設け、水
ロッドが、抵抗体より下方の領域に開口した冷却材流入
口を有する冷却材上昇流路と、冷却材上昇流路に連絡さ
れて、抵抗体よりも上方の領域に開口した冷却材吐出口
を有し、しかも冷却材上昇流路内における冷却材の流れ
方向とは逆に冷却材を下方に導く冷却材下降流路とを備
え、しかも可燃性毒物を含有する燃料棒を、その水ロッ
ドに隣接させて配置することによって達成できる。

〔作用〕

炉心を通過する冷却材の流量が低下すると、水ロッドの
冷却材下降流路内に蒸気が充満され、その冷却材流量が
増加すると冷却材下降流路内の蒸気量が著しく減少する
。従って、燃料サイクル末期での反応度増加が可能とな
る。また、水ロッドに隣接している燃料棒内の可燃性毒
物が水ロッド内のボイド率の急減によって発生する熱中
性子を吸収するので、ボイド率急減時における反応度上
昇を抑制できる。

〔実施例〕

本発明の詳細な説明する前に１本発明の詳細な説明する
。第６図は、その構造を示している。

基本的には、燃料集合体の下部に設けられた抵抗体（例
えば下部タイブレート）６よりも下方の領域に冷却材流
入口４が開口した冷却材上昇流路２と、この冷却材上昇
流路内を流れる冷却材流を反転させて下方に導き、しか
も冷却材吐出口５が抵抗体６よりも上方の領域に開口し
た冷却材下降流路３とを有する水ロッド１を、燃料集合
体に設けたものである。抵抗体６には、複数の冷却材流
通孔７が設けられている。

抵抗体６に設けられた冷却材流通孔７を流れる冷却材（
冷却水）の流量が変化すると、抵抗体６より下方の領域
と抵抗体６より上方の領域との間の差圧ΔＰが変化する
。縮流抗大による差圧は冷却水流量のほぼ２乗に比例す
るので、たとえば抵抗体６を通過する冷却水流量が８０
％から１２０％に変わったとすると、差圧ΔＰは約２．
２５倍になる。

一方、水ロツド１内の冷却水量と水ロッド１における出
入口間の差圧（冷却材流入口４と冷却材吐出口５との間
の差圧）との関係は第７図に示すようになる。冷却水流
量を零から増加させると水ロッド１の出入口間の差圧は
極大値に達し、さらに冷却水流量を増加すると水ロッド
１の出入口間の差圧は−たん極小になったのち単調に増
加する。

これは、第８図に示した現象に起因している。第８図（
ａ）は第７図の８点での水ロツド１内の状態を示し、図
８図（ｂ）は第７図のＴ点での、及び第８図（Ｑ）は第
５図のＵ点での水ロツド１内の状態をそれぞれ示してい
る。

水ロツド１内の冷却水も、水ロッド１の周囲にある燃料
棒から照射される中性子及びガンマ線によって、０．５
〜２　Ｗ／ａｉｒ程度の割合で発熱する。

水ロツド１内を流れる冷却水の流量が非常に少ない場合
（第５図の８点の状態）は、水ロツド１内の冷却水が中
性子等の照射によって発熱するとともに蒸発し、この蒸
気が第８図（ａ）に示すように冷却材上昇流路２及び冷
却材下降流路３の上部に充満する。冷却材上昇流路２内
には液面Ｌ１ができ、水ロッド１の出入口間の差圧はこ
の液面Ｌ１と水ロッド１の冷却材吐出口５（冷却材下降
流路３の出口）の液面Ｌ２の静水頭差によって発生する
。冷却材上昇流路２内に流入する冷却水流量は、蒸気に
なって冷却材吐出口５から流出すると流量とバランスす
る。

冷却水流量を第７図の８点から増加していくと、冷却材
上昇流路２内への冷却水の流入量が冷却水の蒸発量を上
回わる。このような場合（例えば第７図のＴ点）には第
８図（ｂ）に示すように冷却水が冷却材下降流路３内を
流下する。このとき。

冷却水上昇流路２内の静水頭の一部分が冷却材下降流路
３内を流れる冷却水の重量によって打消されるため、水
ロッド１の出入口間の差圧は極大値Ｓ０よりも減少する
。しかし、さらに冷却水流量を増加すると、冷却材流入
口４から流入した未飽和水は冷却材上昇流路２及び冷却
材下降流路３内で沸騰が抑制されたまま（ボイド率が著
しく低減された状態で）冷却材吐出口５から流出する（
第７図のＵ点の状態、第８図（Ｃ））。このため冷却材
上昇流路２及び冷却材下降流路３内はほとんど単相流と
なる。従って、第８図（ａ）の状態で冷却材上昇流路２
及び冷却材下降流路３内の冷却材吐出口５のレベルにお
ける各静水頭は打消し合ってそれらの静水頭差が非常に
小さくなる。しかし、水ロツド１内を流れる冷却水流量
が大きいため、摩擦や冷却水流れの反転による圧力損失
が増大し、水ロッドｌの出入口間の差圧は再び上昇する
。

以上述べた現象によって、水ロッド１の出入口間の差圧
の変化量が少なくても、水ロツド１内の冷却水流量の変
化幅は非常に大きくなり、ボイド率の変化幅も著しく増
大する。

従って、例えば炉心流量が８０％の時における水ロッド
１の出入口間の差圧が第７図の極小値Ｔ０に対応する水
ロッド１の出入口間の差圧以下で、炉心流量１２０％の
時における水ロッド１の出入口間の差圧が第７図の極大
値Ｓ０　に対応する水ロッド１Φ出入口間の差圧を超え
るように抵抗体６の抵抗を調節しておけば、燃料集合体
内を流れる冷却水流量（炉心流量）の変化によって大幅
なボイド率変化を実現することができる。上記の例で炉
心流量８０％は極大値Ｓ０よりも左側、好ましくは第７
図のＱ点（極小値Ｔ、と同じ出入口間の差圧）よりも左
側にあり、炉心流量１２０％は極小値Ｔ、よりも右側、
好ましくは第７図のＲ点（極大値Ｓ０と同じ出入口間の
差圧）よりも右側にある。

以上述べた原理を利用した本発明の好適な一実施例、す
なわち沸騰水型原子炉に適用する燃料集合体を第１図、
第２図、第３図及び第４図に基づいて説明する。

第２図に示すように本実施例の燃料集合体１０は、燃料
棒１１．上部タイプレート１２．下部タイプレート１３
．燃料スペーサ１６．チャンネルボックス１７、及び水
ロッド１８からなっている。

燃料棒１１の上下端部は、上部タイプレート１２及び下
部タイプレート１３にて保持される。水ロッド１９も、
両端部が上部タイプレート１２及び下部タイプレート１
３に保持される。燃料スペーサ１６は、燃料集合体１０
の軸方向に幾つが配置され、燃料棒１１相互間の間隙を
適切な状態に保持している。燃料スペーサ１６は、水ロ
ッド１９にて保持される。チャンネルボックス１７は、
上部タイプレート１２に取付けられ、燃料スペーサ１６
で保持・された燃料棒１１の束の外周を取囲んでいる。

下部タイプレート１３は、上端部に燃料棒支持部１４を
有し、しかも燃料棒支持部１４の下方に空間１５を有し
ている。燃料棒支持部１４が、燃料棒１１及び水ロッド
１９の下端部を支持している。燃料棒１１は、第３図に
示すように上部端栓３１及び下部端栓３２にて両端が密
封された被覆管３０内に多数の燃料ペレット３３を装荷
したものである。ガスプレナム３４が、被覆管３０内の
上端部に形成される。水ロッド１９の直径（後述する外
管２１の外径）は燃料棒１１の直径よりも大きく、９本
の水ロッド１９は燃料集合体１０の横断面の中央部に配
置されている。すなわち、１本の水ロッド１９は燃料集
合体１ｏの軸心に、他の８本の水ロッド１９は前述の１
本の水ロッド１９を取囲むように配置される。

水ロッド１９の詳細構造を第４図により説明する。水ロ
ッド１９は、内管２０．外管２１及びスペーサ２２から
構成される。外管２１と内管２゜とは同心円状に配置さ
れ、外管２１が内管２０の外周を取囲んでいる。外管２
１の上端はカバ一部２３にて密封されており、カバ一部
２３の上部が上部タイプレート１２内に挿入されて保持
される。

カバ一部２３は、内管２ｏの上端との間に間隙を形成す
るように内管２０の上端を被っている。内管２０の上端
部は、水ロッド１９の軸心がら放射状に配置された板状
のスペーサ２２を介して外管２１の内面に固定される。

外管２１の下端は封鎖部２４にて封鎖される。内管２０
の下端部は、封鎖部２４を貫通してそれよりも下方に突
出している。内管２０の下端部は、下部タイプレート１
３の燃料棒支持部１４を貫通している。内管２ｏの下端
に形成された冷却水流入口２８は、下部タイプレート１
３の空間１５に開口している。内管２０の内部が、冷却
水上昇流路２５である。内管２０と外管２１との間に形
成される環状通路が、冷却水下降流路２６である。外管
２１の下端部の管壁に１周方向に複数の冷却水吐出口２
９が形成される。これらの冷却水吐出口２９は１周方向
に等間隔に設けられている。冷却水吐出口２９は、燃料
棒支持部１４よりも上方の領域に開口している。本実施
例では、燃料棒支持部１４が第６図に示す抵抗体６の機
能を有している。冷却水上昇流路２５と冷却水下降流路
２６とは、水ロッド１９　　　　゛の上端部に形成され
た反転部２７によって連絡されている。このように水ロ
ット１９は、内部に冷却水上昇流路２５．冷却水下降流
路２６及び反転部２７からなる逆Ｕ字状の冷却水流路を
有している。

本実施例の燃料集合体１を沸騰水型原子炉の炉心内に装
荷して（全燃料集合体が燃料集合体１）沸騰水型原子炉
を運転すると、冷却水の大部分は、下部タイプレート１
３の空間１５及び燃料棒支持部１４に設けられた貫通孔
１８（第９図）を通って炉心に装荷された燃料集合体１
０の燃料棒１１相互間に直接導入される。下部タイプレ
ート１３の空間に流入した冷却水の残りの部分は、冷却
水流入口２８から水ロッド１９の冷却水上昇流路２５内
に流入し、さらに反転部２７及び冷却水下降流路２６を
介して冷却水吐出口２９から燃料棒支持部１４より上方
の領域に吐出される。冷却水吐出口２９から吐出される
冷却水は、冷却水流入口２８から水ロツド１９内に流入
する冷却水の流量の多少に応じて前述したように液体ま
たは気体（蒸気）とする０本実施・例は、炉心流量１０
０％（水ロツド１９内では第５図の極大値Ｓ０での流量
状態）以下で第８図（ａ）の状態が水ロツド１９内に生
じ、炉心流量１１０％（水ロツド１９内では第７図のＲ
点での流量状態）で第８図（Ｑ）の状態が水ロツド１９
内に生じるように、燃料棒支持部１４の圧力損失、内管
２０及び外管２１の仕様があらかじめ設定されている。

このように、本実施例の燃料集合体１０は、水ロッドの
構造を単純な二重管構造を用いているので、少なくとも
冷却水下降流路２６内の冷却水の相状態を、原子炉出力
を制御する手段（炉心流量を調節する手段であり再循環
ポンプが該当）により気体及び液体の状態に順次変化さ
せることができる。すなわち、本実施例の燃料集合体１
０内の平均ボイド率の変化幅は、水ロッド１９によるボ
イド率の変化幅が付加されるので著しく増大する。

本実施例の燃料集合体１０を用いることによって、第８
図（ａ）の状態で燃料集合体１０の上部にプルトニウム
転換率増大に伴うプルトニウムの蓄積を図り、第８図（
ｃ）の状態でそのプルトニウムを燃焼させるスペクトル
シフト運転が、炉心流量制御によるボイド率の調節で容
易に達成できる。

従って、核燃料物質の有効利用を簡単な構造で図ること
ができ、１つの燃料サイクルの運転期間を著しく延ばす
ことができる。具体的に説明すると。

本実施例では、９本の水ロッド１９を用いているので、
余水ロッドの横断面積が燃料集合体１０の冷却水流路横
断面積の３０％を占めており、燃料集合体１０の平均ボ
イド率の変化幅は９本の水ロッド１９の作用のみによっ
て２２．５　％も増大する。

実際には、この値に第１２図に示す９％が加えられる。

従って、核燃料物質の著しい有効利用を図ることができ
る。

本実施例の燃料集合体１０は、第１図に示すように燃料
棒１１が１４行１４列に配置され、９本の水ロッド１９
が燃料棒１１間に配置されている。

９本の水ロッド１９を配置している関係上、燃料集合体
１０は、１６０本の燃料棒１１を有している。これらの
燃料棒１１のうち２０本の燃料棒４１は、可燃性毒物で
あるガドリニアを含有している。ガドリニアを含有する
すべての燃料棒４１は、水ロッド１９に隣接している。

換言すれば、すべての水ロッド１９が、燃料棒４１に隣
接している。

ガドリニアを含有する燃料棒４１を水ロッド１９に隣接
して配置させることによって、以下に示す新たな効果を
得ることができる０通常、可燃性毒物は、余剰反応度を
抑制する目的で新燃料集合体（燃焼度が０ＫＷｄ／Ｔの
燃料集合体）に含有され、この新燃料集合体の第１サイ
クル目の燃焼期間内で消失するように設計されている。

炉心内に装荷されて第２サイクル目の燃焼期間に入って
いる燃料集合体１０には、ガドリニアが含まれていない
、可燃性毒物を含む燃料集合体１０（燃焼度が０ＫＷｄ
／Ｔの新燃料集合体）が沸騰水型原子炉の炉心内に装荷
され、第８図（ａ）の状態にて原子炉が運転されている
と仮定する。炉心流量の急増及び原子炉圧力の急上昇等
の異常が生じると、第８図（ａ）の状態から第８図（Ｃ
）の状態に急変する。このような現象が生じると、燃料
集合体１０のボイド率が急減し、水ロツド１９内での熱
中性子の発生量が急に多くなる。これは、第８図（ａ）
の状態ではボイドが多く水ロッド１９における中性子の
減速効果が抑制されているが。

第８図（Ｑ）の状態になることによって水ロツド１９内
が満されて減速効果が著しく増大する。熱中性子の飛程
距離は約２１であり、第８図（ａ）の状態から第８図（
Ｑ）の状態への急変に伴う水ロッド１９の減速効果の増
大に比例して水ロツド１９内で多量に発生した。

熱中性子は水ロッド１９に隣接していも燃料棒１１付近
まで達する。このよう′な状態で、もし水ロッド１９に
隣接して可燃性毒物を含有する燃料棒がまったく存在し
ていない場合には、水ロッド１９に隣接している燃料棒
１１の核分裂が活発化し水ロッド１９の周囲で局部的に
正の反応度が急増する。これは、水ロッド１９に隣接す
る燃料棒１１の破損にもつながりやすい、しかしながら
、本実施例の燃料集合体１０は、水ロッド１９に隣接し
てガドリニア含有の燃料棒４１が配置されているので、
第８図（ａ）の状態から第８図（Ｑ）の状態への急変に
より水ロツド１９内で新たに発生した多量の熱中性子の
大部分は隣接している燃料棒４１が配置されているので
、第８図（ａ）の状態から第８図（ｃ）の状態への急変
により水ロツド１９内で新たに発生した多量の熱中性子
の大部分は隣接して燃料棒４１内のガドリニアに吸収さ
れる。このように熱中性子の急増を抑制できる本実施例
では、前述の異常状態発生時の過渡変化時での正の反応
度の急激な上昇を防止でき、燃料棒の破損を防止できる
。

第５図は、燃料集合体１０内のボイド率急減時における
反応度抑制効果を示したものである。第５図（Ａ）に示
すように時間Ｔでボイド率が急激したとすると、燃料集
合体１０の反応度の上昇は第５図（Ｂ・）の実線のよう
に上昇する。ちなみにこの反応度の上昇度合は、燃料集
合体１０からガドリニアを全部取除いた燃料集合体のそ
れ（第５図（Ｂ）の破線）に比べて著しく抑制される。

これにより反応度上昇に伴う燃料棒破損の危険性が著し
く低下する。また、反応度の異常上昇に伴う制御棒挿入
等の操作が不要となる。

以上述べたように、可燃性毒物を含む燃料棒を水ロッド
１９に隣接して配置している本実施例の燃料集合体１０
は、初めて炉心内に装荷されて経験する第１サイクル目
の運転期間中にあっては炉心流量の急増及び原子炉圧力
の急上昇等のボイド率を急変させる異常状態の発生に伴
う炉心反応度の著しい増加を抑制することができ、更に
、その寿命期間中を通して炉心流量調節という簡単な操
作で燃料集合体１０内のボイド率を調節できスペクトル
シフト運転による燃料の有効利用が可能になる。

なお、燃焼度０ＫＷｄ／Ｔの新しい燃料集合体１ｏは、
第１サイクルの運転を経験してガドリニアが完全に消失
した状態で第２サイクル目の運転を経験することになる
。第２サイクル目の運転を経験中の燃料集合体１０は、
前述したようにガドリニアを含んでいないが、第１サイ
クルの運転を経験している関係上、新燃料集合体に比べ
て核分裂性物質の量が燃焼により減少している。従って
。

炉心流量の急増及び原子炉圧力の急上昇等の異常事態が
生じても、第１サイクルの運転を経験している第２サイ
クル目の燃料集合体１０における反応度の上昇度合はガ
ドリニアを含まない新燃料集合体におけるその度合より
も著しく小さくなる。

すべて水ロッド１９ではなく１本の水ロッド１９に可燃
性毒物を含む燃料棒が隣接している場合でも、前述の異
常事態における反応度の上昇を抑制することができる。

しかしながら、その抑制効果は、すべての水ロッド１９
に可燃性毒物が隣接している第１図の燃料集合体１０の
その効果に比べれば小さい。

本実施例の考え方は、９行９列に燃料棒を配列した燃料
集合体及び８行８列に燃料棒を配列した燃料集合体にも
適用できる。これらの燃料集合体は、１本ないし２本の
水ロッド１９が設けられ。

この水ロッド１９に隣接して可燃性毒物を含有する燃料
棒が配置されている。このように燃料集合体においても
、前述の燃料集合体と同様な効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第９図に基づい
て以下に説明する。

燃料集合体を炉心内に装荷した場合、その燃料集合体の
周囲には水ギャップが存在するため、燃料集合体の周辺
部に位置する燃料棒の周囲では熱中性子束が高いのに対
し、燃料集合体の中央部に位置する燃料棒の周囲では熱
中性子束が低いという熱中性子束分布となっている。こ
のため、第９図に示したように、水ロッド１９を中央部
に集中して配置してなる燃料集合体４２は、第１図に示
した水ロツド配置を有する燃料集合体１０に比較して、
中央部で高速中性子が多くなりプルトニウムの生成割合
が著しく増加する（第８図（ａ）の状態で）、このため
、燃料集合体４２は、燃料集合体１０に比べてより大き
なスペクトルシフト効果が得られ、核燃料物質のより一
層の有効利用を図ることができる。また燃料集合体４２
は、すべての水ロッド１９が第１図に示した実施例と同
様にガドリニアを含有する燃料棒４１に隣接するととも
に、ガドリニアを含有する燃料棒２０本のうち１２本（
６０％）が水ロッドに隣接しており、水ロツド１９内の
ボイド率急減時における反応度上昇を緩和することが可
能となる０本実施例も第１図の実施例と同じ効果を得る
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、単純な構造で燃料集合体内の平均ボイ
ド率を大幅に変化させることが可能となって核燃料物質
の有効利用を図ることができるとともに、ボイド率急減
時の反応度上昇を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である燃料集合体の横断面図
、第２図は第１図に示す燃料集合体の縦断面図、第３図
は第２図に示された燃料棒の部分断面図、第４図は第２
図の水ロッドの詳細構造を示す図、第５図は水ロツド内
のボイド率急減時の反応度上昇を示す説明図、第６図は
本発明に用いられる水ロッドの原理を示す説明図、第７
図は第６図の水ロッドの出入口間に生じる差圧特性の概
念図、第８図は第６図の水ロツド内の流動状態を示す説
明図、第９図は本発明の他の実施例である燃料集合体の
横断面、第１０図はスペクトルシフト運転を実施しない
場合及びそれを実施した場合における燃焼度に対する無
限増倍率の変化を示す特性図、第１１図は炉心流量と炉
心平均ボイド率との関係を示す特性図である。１０．４２・・・燃料集合体、１１・・・燃料棒、１２
・・・上部タイプレート、１３・・・下部タイプレート
、１４・・・燃料棒支持部、１９・・・ガドリニア人燃
料棒に隣接する水ロッド、２０・・・内管、２１・・・
外管、２５・・・冷却水上昇流路、２６・・・冷却水下
降流路、２８・・・冷却水流入口、２９・・・冷却水吐
出口、４１・・・ガドリニア人燃料捧。不１　ロクｌ−・−がトリニアλだ９斗茅２１；］第４日拷問吟間茅乙口２−　今町材二昇戊路３−；／＋犬ｒ材下跨り紙ネ乙−−−−ｆ氏坑φ杢、茅７０氷Ｏツド内１浄五Ｔｊｋ３屹量第　８０体）　　　　　　（ｂ）　　　　　　（Ｃ）１９　　　
　　　　孕２第１０口慾跣浅　（ｑ靜ｉｒ）第１ｆ口

Claims

【特許請求の範囲】１、上部タイプレートと、下部タイプレートと、上端部
が前記上部タイプレートに保持されて下端部が下部タイ
プレートの燃料棒保持部に保持され、しかも内部に複数
の燃料ペレットを充填した複数の燃料棒と前記燃料棒間
に配置された水ロッドとを有する燃料集合体において、
前記水ロッドが、前記下部タイプレートより下方の領域
に開口した冷却材流入口を有する冷却材上昇流路と、前
記冷却材上昇流路に連絡されて前記下部タイプレートよ
りも上方の領域に開口した冷却材吐出口を有し、しかも
前記冷却材上昇流路内における冷却材の流れ方向とは逆
に冷却材を下方に導く冷却材下降流路とを備えており、
可燃性毒物を含有する少なくとも１本の燃料棒が前記水
ロッドに隣接して配置されていることを特徴とする燃料
集合体。２、前記燃料棒の配列が１４行１４列であり、かつ前記
水ロッドは燃料棒４本が占有する空間に配置される特許
請求の範囲第１項記載の燃料集合体。３、前記水ロッドの本数が９本である特許請求の範囲第
１項記載の燃料集合体。４、可燃性毒物を含有する前記燃料棒のうち６０％以上
が、前記水ロッドと隣接している特許請求の範囲第１項
記載の燃料集合体。５、上部タイプレートと、下部タイプレートと、上端部
が前記上部タイプレートに保持されて下端部が下部タイ
プレートの燃料棒保持部に保持され、しかも内部に複数
の燃料ペレットを充填した複数の燃料棒と前記燃料棒間
に配置された水ロッドとを有する燃料集合体において、
前記水ロッドが、前記下部タイプレートより下方の領域
に開口した冷却材流入口を有する冷却材上昇流路と、前
記冷却材上昇流路に連絡されて前記下部タイプレートよ
りも上方の領域に開口した冷却材吐出口を有し、しかも
前記冷却材上昇流路内における冷却材の流れ方向とは逆
に冷却材を下方に導く冷却材下降流路とを備えており、
前記水ロッドが燃料集合体横断面の中央部のみに配置さ
れ、可燃性毒物を含有する少なくとも１本の燃料棒が前
記水ロッドに隣接して配置されていることを特徴とする
燃料集合体。