JPH01229997A - 燃料集合体 - Google Patents

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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲという）等の軽水
炉用の燃料集合体に係り、特にウォータロッドやウォー
タクロス等の減速材案内部材の流路抵抗を制御すること
によりスペクトルシフト運転を行なうことができる燃料
集合体に関する。

（従来の技術） ＢＷＲの炉心に装荷される従来の燃料集合体の一例とし
ては第１３図に示すように構成されたものがあり、この
燃料集合体１は角筒状のチャンネルボックス２内に燃料
バンドル３を収容している。

燃料バンドル３は燃料棒４の複数本を、例えば８行８列
の正方格子状に配列して、その中央部に燃料棒４より例
えば大径のウォータロッド５を配置し、これらの軸方向
に多段に配設された偏平角筒状のスペーサ６により束状
に結束している。

また各燃料棒４およびウォータロッド５の上端部には上
部端栓７が、下端部には下部端栓８がそれぞれ固着され
、さらに、上部端栓７が上部タイブレート９に、下部端
栓８が下部タイブレート１０にそれぞれ支持されている
。

下部タイブレート１０はその間口１０ａから減速材と冷
却材としての機能を併有する炉水を図中矢印に示すよう
に内部に導入し、各燃料棒４相互間の間隙を下から上方
へ向けて胃流させ、その際に各燃料棒４から放出される
熱を除去する一方で、加熱されて炉心上部へ流れ、気液
二相流となる。

そして、ウォータロッド５はその下端部の水入口５ａよ
り炉水を内部へ導入し、軸方向上方へ案内して水出口５
ｂより外部へ流出させ、各燃料棒４の上端部に案内する
。ここで、炉水は主として減速材として作用し、緩やか
に炉心下部からその上方へ流れ、炉心上部で上記気液二
相流と合流して混合される。なお、チャンネルボックス
２の外周部およびウォータクロス（図示せず）によって
も、炉水がウォータロッド５と同様に炉心上方へ案内さ
れる。

ところで、ＢＷＲでは、原子炉出力が冷１ｉ１１．ｌｌ
流Ｍ（再循ｌ）流量）と図示しない制御棒の挿贋によっ
て制御される。制御棒は近年では原子炉出力１，１仰の
ために使用される頻度が比較的少なく、主として冷ＩＪ
Ｉ祠流吊の制御によって出力ｖ制御が行なわれている。

これは燃料集合体１に対する熱的インパクトを低減し、
燃料棒４の健全性を確保する上でＢ　Ｗ　Ｒ特有の優れ
た制御手段であることはよく知られている。

また、チャンネルボックス２内ではボイド（気泡）が燃
料集合体１上部へ行くほど多く４１つ、燃料集合体１の
発熱部上端付近ではボイド率が７０％を超えることもあ
り、燃料集合体１の下端よりやや上方がボイド発生の最
下位囲である。

そして、従来の燃料集合体１は、燃料棒４の健全性を確
保するために、その出力分布を、運転サイクルの初期か
ら末期まで全期間に亘って軸方向になるべく−様な状態
にする必要があった。

しかし、最近では燃料棒４の燃料液ｉ管内面にバリア層
を設けることにより、燃料棒４の健全性を著しく向上さ
せているので、運転サイクル全期間を通して軸方向出力
分布をなるべく一定かつ平坦に保つ必要性が大幅に低下
した。

ＢＷＲでは本来、炉心の上方へ行くに従ってボイド率が
高くなるので、出力分布は運転サイクル初期で燃料集合
体の上端部が抑えられる一方、燃料集合体の下端部に歪
む。

一方、運転サイクル末期では燃料集合体の下端部の核分
裂性核種濃度が燃焼により減耗し、燃料集合体上端部で
はボイドにより減耗が遅れると共にボイドによるスペク
トル硬化のためにプルトニウムがより多く蓄積され、そ
のために、炉心下方で出力が低下し、燃料集合体上端部
で高くなる挙動を示している。

このような本来の性質をなるべく利用するのが燃料の経
済性として優れているが、従来は燃料健全性の確保ない
し向上のために、燃料集合体下端部に、より多くの可燃
性毒物を配置したり、燃料集合体上端部の燃料濃縮度を
高めるなどして対処して来た。これらは中性子経済の悪
化を招き、あるいは燃料の燃え残りによる燃料経済性の
悪化をＩＧいていた。

このような自然現象的な性質は再循環流量の調節により
、相当広範囲に調節されるものであり、運転サイクル初
期では炉心のより下方でボイドが発生するため、冷却材
の圧力損失が高くなり、その結果、冷却材炉心流量が低
下しやすくなり、−方、運転サイクル末期では丁度、こ
れとは逆の挙動を示す。

ところで、運転サイクル前半で減速材として機能する水
の密度を低下させ、中性子スペクトルを硬化さぜ、それ
によってプルトニウム生成を助長して蓄積し、このプル
トニウムを運転サイクル末期で減速材（水）の密度を上
昇させることにより、核分裂を起させることができれば
、核燃料の有効利用が図れることはよく知られており、
これを実施する手段として、Ｂ〜ＶＲでは冷７Ｊ］材流
出制御法がある。

これは運転サイクル初期（ＢＯＣ）で冷却材炉心流渋を
下げることにより、燃料集合体の下部で高出力とする一
方、燃料集合体の上部でボイド割合を高くして、プル１
〜ニウムを蓄積するものである。

また、運転サイクル末Ｉ！１１　（ＥＯＣ）では炉心流
出を増大させることにより、燃料集合体の上部で高出力
とし、運転サイクル初期で蓄積されたプルトニウムと残
存ウランを燃焼させる。このような運転方法はスペクト
ルシフト運転と言われている。

ＢＷＲの運転サイクル初期ではウォータロッドをボイド
棒として、すなわちウォータロッドから水を排除するボ
イド棒とし、また、運転サイクル末１４ＪＩではウォー
タロッドとして利用できればスペクトルシフト運転はよ
り効果的となり、燃料の経済性を大幅に向上さぜること
ができる。このような特性は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）
においても全く同様である。

（発明が解決しようとする課題） そこで、本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
その目的は燃料経済性を向上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。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 請求項１記載の発明は、核燃料を充填した複数本の燃料
棒と、これら燃料棒の下部から上部へ減速材を案内する
減速材案内ｉｕとを有し、上記減速材に浸漬される炉心
に装荷される燃料集合体において、上記減速材の炉心流
出の最小時に上記減速材案内部材の流路抵抗を最大とす
る一方、この流路抵抗を上記炉心流出の増大に応じて連
続的に低減させる流路抵抗制ｔ２Ｉ１ｍ構を有すること
を特徴とする 請求項２記載の発明は、核燃料を充填した複数本の燃料
棒と、これら燃料棒の下部から上部へ減速材を案内する
減速材案内部材とを有し、上記減速材に浸漬される炉心
に装荷される燃料集合体において、中性子照射成長の最
小時に上記減速材案内部材の流路抵抗を最大とする一方
、この流路抵抗を上記中性子成長の増大に応じて連続的
に低減される流路抵抗制御機構を有することを特徴とす
る。

（作用） 〈請求項１記載の発明の作用〉 運転サイクル初期では冷却材の炉心流出が比較的小さく
、炉心のボイドが多いので、流路抵抗制御機構により減
速材案内部材の流路抵抗が高められている。

このために、減速材案内部材により燃料集合体の上端部
に案内される減速材の流量が低下し、燃料集合体の上部
のボイド率が高められ、スペクトル硬化のためにプルト
ニウムが燃料集合体に多く生成、蓄積される。

一方、運転サイクル末期では冷却材の炉心流量が運転サ
イクル初期のときよりも増大され、炉心のボイドが低減
されるので、流路抵抗制御機構により減速材案内部材の
流路抵抗が低減される。

このために、減速材案内部材により燃料集合体の上部に
案内される減速材の流出が増大し、燃料集合体の上部の
ボイド率が低減され、運転サイクル初期に蓄積されたプ
ルトニウムを燃焼する。

したがって本発明によれば、運転サイクル初期で生成蓄
積したプル１ヘニウムを運転サイクル末期で燃焼するこ
とができるので、その分、燃料経済性の向上を図ること
ができる。

〈請求項２記載の発明の作用〉 運転サイクル初期では中性子照射量がまだ比較的少量で
あるので、中性子照射成長が少なく、流路抵抗制御機構
により減速材案内部材の流路抵抗が高められる。

このために、減速材案内部材により燃料集合体上部に案
内される減速材の流出が低下し、燃料集合体の上部のボ
イド率が高められ、スペクトル硬化のためにプルトニウ
ムムが燃料集合体に多く生成、蓄積される。

一方、運転サイクル末期では中性干魚［が１転サイクル
初期のときよりも増大するので、中性子成長も増大し、
流路抵抗ａｉｌｌ　ＩＩＩ機ｈ′４により’ｔｃ５速材
案内材案内部材抵抗が低減される。

このために、減速材案内部材により燃料集合体の上端部
に案内される減速材の流量が増大し、燃料集合体の上端
部のボイド率が低減され、運転サイクル初期に蓄積され
たプルトニウムを燃焼することができる。

したがって本発明によっても、運転サイクル初期で生成
蓄積したプルトニウムを運転サイクル末期で燃焼するこ
とができるので、その分、燃料経済性の向上を図ること
ができる。

（実施例） 以下本発明の実施例を第１図〜第１２図に基づいて説明
する。なお、第１図〜第１２図中、其通ずる部分には同
一符号を付して、その重複した部分の説明は省略する。

第１図は請求項１記載の発明の第１実施例の横断面図で
あり、この第１実施例の燃料集合体■は角筒状のチャン
ネルボックス２１内に、正方格子状に配列された′Ｉｊ
数の燃料棒２２と、これら燃料棒２２のほぼ中央部に配
列された有蓋有底角筒状のウォータロッド２３を収容し
ており、燃料棒２２としては長尺型２２ａと、この長尺
型燃料棒２２ａの有効長全長］−の例えば３／４の短尺
型２２ｂとを配置している。

長尺型燃料棒２２ａとウォータロッド２３はその上端部
を上部タイブレー１〜２４に、また、その下端部を下部
タイブレート２５により支持させ、短尺型燃料棒２２ｂ
と共に、これらの外周には角筒状のチャンネルボックス
２１を外嵌している。

ウォータロッド２３は減速材案内部材であり、第１図の
］Ｉ−ＩＩ線断面図である第２図に示すように、その上
端から１／４Ｌまでの部分の角筒幅を各燃料棒２２の直
径よりも大きく形成するが、燃料集合体■の有効発熱部
下端より１／４Ｌまでの下端部２３ａを小幅に縮小し、
また、筒軸長を長尺型燃料棒２２ａの有効長全長りとほ
ぼ等長に形成している。

ウォータロッド２３は小幅下端部２３ａの側面に少な（
とも１個の補助取入口２３ｂ、２３ｂを幅方向に貫通さ
せて穿設すると共に、下端から１／４Ｌ付近の小幅下端
部２３ａの上端段部には複数の主取入口２３ｃ、２３ｃ
を軸方向にそれぞれ穿設し、補助取入口２３ｂ、２３ｂ
と共に、減速材としての礪能を有する炉水を内部に取入
れるようになっている。

そして、ウォータロッド２３の上端部側面には横孔の排
出口２３ｄを穿設し、この排出口２３ｄよりも炉水の流
れ方向上流側（第２図では下方側）で、かつ近傍にてウ
ォータロッド２３内にＡリフイス板２７を水平方向に平
行に固定している。

オリフィス板２７はその板厚方向に１通するオリフィス
２８を複数個穿設しており、これらオリフィス２８はそ
の孔径を炉水のボイド（気泡）に対しては流路抵抗が大
きい反面、液相に対しては小さくなるように設定してい
る。

したがって、オリフィス板２７はオリフィス２８を通る
炉水のボイドが増大するときに、その流路抵抗を連続的
に増大せしめて、ウォータロッド２３内を通水する炉水
の通水量を減少させる一方、ボイドの減少に応じて流路
抵抗を連続的に低減せしめて、ウォータロッド２３内を
通水づる炉水の通水量を増大させることができ、流路抵
抗制御機構に構成されている。

次に本実施例を例えばＢＷＲ型原子炉の炉心に装荷した
場合の作用について説明する。

ＢＷＲ型原子炉の炉心に装荷された燃料集合体■の軸方
向出力分布は第３図（Ａ）に示すように分布し、その出
力ピークは、運転サイクル初＋９１（以下ＢＯＣという
）では燃料集合体重の有効発熱部下端（以下、下端とい
う）から１／４Ｌ付近までの下部にあるが、運転サイク
ル中期（以下ＭＯＣという）から運転サイクル末期（以
下ＥＯＣという）へ進行するに従って燃料集合体の上部
へと次第に移行して行く。

このような軸方向出力分布の主たる原因は第３図（Ｂ）
で示すボイド率変化に起因し、燃料集合体Ｉの下端から
ほぼ３／４Ｌ付近までのボイド率がＢＯＣからＭＯＣ，
ＥＯＣへと進行するに従って順次低下する。これは炉水
の炉心流ｍがＢＯＣで最小であり、ＭＯＣ，ＥＯＣへと
順次進行するに従って増大し、炉水圧力が昇圧してボイ
ドを潰す効率が向上するためである。

また、第３図（Ｂ）に示すようにボイドが発生し始める
ボイド発生点は燃料集合体■の下端から１／４Ｌまでの
間に分布しているので、この１／４Ｌ近傍に主取入口２
３ｃ、２３ｃを設けると、オリフィス板２７を設けない
場合であっても、ＢｏＣでウォータロッド２３内により
多くのボイドを取り込み、そのウォータロッド２３内の
ボイド率を高ることができる一方、ＥＯＣでよりボイド
率の低い炉水を取り込むことができる。

そして、ＢＯＣでは再循環流量が全運転サイクルのうち
で比較的少なく、炉水の炉心流量が比較的少量であるの
で、第３図（Ｂ）に示すようにウォータロッド２３の各
主取入口２３Ｃ，２３ｃ周りのボイド率が高く、これら
主取入口２３ｃ、２３Ｃよりウォータロッド２３内へ取
り入れたボイドと液相の炉水は第２図中矢印に示すよう
に上方へ昇流し、オリフィス板２７の下面側（上流側）
に到達する。

このオリフィス板２７の下面側ではボイドが各オリフィ
ス２８に溜まるので、ここでのボイド率が高まり、液相
の炉水の流路が狭隘化して各オリフィス２８の流路抵抗
が連続的に増大し、これらオリフィス２８を通る液相の
通水量が減少し、排出口２３ｄより外部へ流出して、長
尺型燃料棒２２ａの上端部へ案内される炉水が減少する
。

したがって、これら長尺型燃料棒２２ａの上端部では液
相の炉水による中性子減速効果が低減し、長尺型燃料棒
２２ａ内上端部にはプルトニウムがより多く生成し、蓄
積される。

一方、ＥＯＣでは再循環流儀がＢＯＣのときよりも増大
され、炉水の炉心流量も増大されるので、第３図（Ｂ）
に示すようにウォータロッド２３の各主取入ロ２３Ｃ，
２３Ｇ周りのボイド率が低減する。

このために、各主取入口２３Ｇ、２３Ｇよりウォータロ
ッド２３内へ取り入れられたボイドが低減する一方で、
液相の炉水が増大し、オリフィス板２７の下面側（上流
側）に到達する。

このオリフィス板２７の下面側に溜まるボイドが低減す
るので、その分、各オリフィス板２８の流路ｗ１抗が連
続的に低減し、これらオリフィス２８を通る液相の通水
量が増大し、排出口２３ｄより外部へ流出して、長尺型
燃料棒２２ａの上端部へ案内される炉水が増大する。

したがって、これら長尺型燃料棒２２ａの上端部では液
相の炉水による中性子減速効果が増大し、ＢＯＣの際に
長尺型燃料棒２２ａ内上端部に蓄積されたプルトニウム
を燃焼させることができる。

したがって、プルトニウムを燃焼することができる分だ
け、燃料経済性の向上を図ることができる。

第４図は請求項１記載の発明の第２〜第６実施例の各要
部を、図中左端の縦軸で示ず炉心有効部下端りに対応さ
ゼてそれぞれ示しており、第２実施例のウォータロッド
２３ＩＩは炉心有効部下端（以下、下端という）から１
／４Ｌ付近までを切除して終端し、その終端部を支持す
るスペーサ２９が炉水の流体抵抗を生じるのを利用して
、そのスペーサ２９の付近に主取入口２３ｃＩｒを開口
させ、炉水をスペーサ２９により主取入口２３ｃＩ［へ
案内させ、主取入口２３ｃｌＩからウォータロッド２３
ＩＩ内へ取水される取水最の増大を図っている。

第３実施例のウォータロッド２３１［［は下部タイプレ
ート２５より下方にある高圧炉水を駆動水として利用し
、ジェットポンプの原理により主取入口２３ＣＩ［［か
らの炉水の取水ｍの増大を図っている すなわち、ウォータロッド２３゛■は下端から１／４Ｌ
付近の箇所で上部２３１１１ａと下部２３ＩＩＩｂとに
分断し、この下部２３ｍｂの図中上端部を縮径し、その
縮径端部を上部２３ＤＩａの開口底部内に同輪状に延伸
し、挿入して固着し、縮径端部外周に複数の取入口２３
ｃＩｆｆを所要のピッチで開口させ、一方、下部２３１
１１ｂの底部を下部タイブレート２５より下方にて全面
的に開口３ｏさせている。

したがって、下部タイブレート２５より下側の高圧水が
ウォータロッド２３１１１の下部２３１ｆｆｂの底部開
口３０よりその内部へ導入され、上方へ昇流して上部２
３ｍａの底部内へ導入されると、その動圧により各主取
入口２３ｃｌＩ［周りの静圧を適宜低下せしめる。

したがって、ジェットポンプの原理により主取入口２３
ｃｌｌ［からウォータロッド２３ＴＩＩ内へ取入れる炉
水の増大を図ることができ、その取水増大のために、オ
リフィス板２７を上下２段に設けて、オリフィス効果の
確実を図っている。

第４実施例のウォータロッド２３１Ｖも下部タイブレー
ト２５より下方の高圧炉水を駆動水として利用するもの
であり、ウォータロッド２３ｒＶの下端から１／４Ｌ付
近に間口させた主取入口２３ｃ■の内方に、上下両端を
開口させた筒状の回転弁３１を収容し、この回転弁３１
に同軸に固着されて下方に延伸する回転軸３１８の下端
部に駆動用ファン３２．３２を上下２段に固着し、その
上部の駆動用）７ン３２の外周には環状のフロー絞り３
３を固着し、上下２段の駆動用ファン３２，３２の上方
および下方に各駆動用ファン３２．３２の上下方向の過
度の移動を規制するストッパー３３．３３をそれぞれ設
けている。

したがって、ウォータロッド２３ｒＶの底部間口３０１
Ｖより内部へ流入した高圧炉水は上方へ昇流する際に駆
動用ファン３２．３２を回転させて、回転弁３１を回転
させ、その回転速度に応じて主取入口２３ＣｒＶの内側
の静圧を制すロする。

すなわち、回転弁３１の回転速度が高速のときには、そ
の周囲の動圧が高くなる分だけ、静圧が低くなって主取
入口２３ＣＴＶより取水される炉水の取水量が増大する
一方、回転弁３１の回転速度が低速のときには、その逆
となり、主取入口２３ｃ■からの炉水の取水８が減少づ
る。

したがって、主取入口２３ｃＴＶからウォータロッド２
３ＩＶ内へ取り入れられる炉水の取水量を連続的に制御
することができる。

なお、第４実施例では弁３１を回転させる方式として説
明したが、回転させない場合でも弁として作動できるの
は当然である。

また、ウォータロッド２３ｒＶ内の上部には複数枚の仕
切板３４．３４．３４をウォータロッド２３■の幅方向
で平行になるように並設して、所要の間隔をそれぞれ設
定し、炉水の流路を形成し、オリフィス板２７と同様に
ボイドの多少に応じて流路抵抗をｉｔ、ＩＩ　１１する
ようになっている。

第５実施例のウォータロッド２３Ｖはその内部のオリフ
ィス板２７の上方（下流側）に、下方に凸の流線形状の
弁３５を配設し、この弁３５を吊り捧３６とコイル状の
スプリング３７とにより吊設している。

スプリング３７は中性子照射によりばね定数が変化する
おそれがあるので、炉心有効部上端より可能な限り上方
へ配置している。

一方、ウォータロッド２３Ｖの下端はその下端から１／
４Ｌを切除して、主取入口２３ＣＶを間口させると共に
、この主取入口２３ｃＶ付近のウォータロッド２３Ｖ内
に回転抵抗力の大きいプロペラ３８を設けている。

したがって、炉心流量が比較的少ないときには炉水の流
速も低速なので、プロペラ３８の回転速度が低速となり
、流路抵抗が増大するので、主取入口２３ｃＶからウォ
ータロッド２３Ｖ内へ取水される炉水の取水量も減少し
、内部は高ボイド率となり易く、プルトニウムの生成、
Ｍ稙に好都合となる。

一方、炉心流量が比較的多いときには炉水の流速も高速
なので、プロペラ３８の回転速度も高速となり、流路抵
抗が連続的に減少するので、主取入口２３ｃＶからウォ
ータロッド２３Ｖ内へ取水される取水量も増大し、内部
は低ボイド率となり、プルトニウムの燃焼に好都合とな
る。

第６実施例のウォータロッド２３ＶＩはオリフィス板２
７に代えて、流路抵抗体３９を排出口２３ｄのやや下方
（上流側）にて内嵌固着している。

流路抵抗体３９は第５図（Ａ）の平面図、（Ｂ）のＵ断
面図に示すように構成され、円柱体の本体４０にその軸
方向に複数の貫通孔４１を穿設しており、オリフィス板
２７と同様にボイドの多少に応じてその流路抵抗を連続
的に制御するようになっている。

貫通孔４１は第６図（Ａ＞の平面図に示すように直径を
貸にする複数のリング状貫通孔４１ａを同心円状に配設
してもよい。

さらに、第６図（Ｂ）、（Ｃ）には他の流路抵抗体４２
．４３をそれぞれ示しており、前者は両端開口で細径の
螺旋管４２の開口下端をウォータロッド２３の主取入口
２３ｃ■に連通させて構成している。

したがって、細径の螺旋管４２の流路抵抗は通水する炉
水のボイド率の高い程流路抵抗を連続的に増大上しめ、
ボイド率の低減に応じて流路抵抗を連続的に低減せしめ
ることができる。

また、後者の流路抵抗体４３は有蓋円筒体の底部開口端
を主取入口２３ｃ■に同軸状に開口させて固定し、主取
入口２３Ｃ■から取水した炉水を下向に転流させ、その
下方へ流出させることにより、取水した炉水のボイド率
が高いときに流路抵抗を高め、ボイド率の低減と共に、
流路抵抗を連続的に低減するように制御しようとするも
のである。

第５図および第６図では、４つの流路抵抗体について説
明したが、伯にもいろいろ考えられる。

例えばウォータロッド内面を粗面にしたり、スロート状
としても効果を奏する。

第７実施例のウォータロッド２３ＴＸは第７図（Ｂ）の
要部縦断面図に示すように構成され、これは第７図（Ａ
）に示すようにＢＯＣでは炉心の軸方向出力分布が炉心
下部で高くなり、中性子束とガンマ線束（即発ガンマ線
）が高くなるというボトムビークを示し、ＥＯＣではそ
の逆になるという特性を利用したものである。

すなわち、ウォータロッド２３ＩＸはその内部に、主取
入口２３ｃｒＸの近傍にて縦断面が逆円錐台状の中空筒
体で昇降自在の昇降弁５０を収容し、こ昇降弁５０の下
底部は第７図（Ｃ）の部分拡大図に示すように昇降棒５
１を介してコイル状のバイメタルスプリング５２に支持
されている。

昇降弁５０はその下底部に複数の小孔５０ａを穿設して
、開口上端より炉水を排水し、バイメタルスプリング５
２の伸縮に応じて上下方向に昇降し、バイメタルスプリ
ング５２は所要の設定温度を超えて昇温したときに収縮
して、昇降弁５０を下方に降下させ、昇降弁５０の大径
上端部外周面と主取入口２３ｃｒＸとの間隙である炉水
の流路を狭隘化して、その流路抵抗を連続的に増大せし
めるようになっている。

また、バイメタルスプリング５２の温度が設定温度以下
のときにバイメタルスプリング５２が伸展して昇降弁５
０が上昇し、その縮径下端部外周面が主取入口２３Ｃｒ
Ｘの内側に対向し、その対向間隙の流路を拡張し、その
流路抵抗を連続的に低減せしめるようになっている。

上記バイメタルスプリング５２の外周のボトムピーク周
辺には放射線吸収発熱体５３を内蔵する加熱リング５４
が遊びを持って外嵌されて、ウォータロッド２３１’Ｘ
の下部内周に固着され、上端部外周には第７図（Ｂ）に
示すように横孔の補助取入口２３ｂｒＸが開口されてい
る。

放射線吸収発熱体５３としては中性子を吸収して発熱す
る天然ウラン、微濃縮ウラン、減損ウラン等が好適であ
る。

その本質的な理由は全運転サイクを通じて残存ウランと
生成蓄積したプルトニウムの核分裂性核種の合計が余り
変化しないからである。

これが全サイクルを通じて変化すると、運転サイクルに
よって、また、運転サイクルの時期によって同一中性子
（γ線）レベルでも昇降弁５０の位置が変化するので、
炉心運転特性の変化に対して十分な対応を考慮する必要
が生じるためである。

また、他の放射線吸収発熱体５３としては中性子吸収材
であるボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）、ハフニウム（）Ｉ
ｆ）、酸化ユーロピウム（Ｅｕ２ｏ３）等があり、これ
らは中性子を吸収して発熱する。

Ｂ４Ｃは中性子を吸収してト１ｅとｌｉとなり、これら
は中性子吸収特性が小さいので、全サイクルの後半では
やや昇降弁５０の位置がずれ、可逆性が劣ることになる
。

一方、Ｈｆ、Ｅｕ　　Ｏ、Ｄｙ　　Ｏ、１ｌｆｏ２等は
長寿命性の吸収材であり、可逆的昇降弁５０を昇降でき
るため、一般には好都合である。

さらに、他の発熱体５３としてはγ線吸収体がある。中
性子束が高ければ核分裂等に伴う即発ガンマ線が比例的
に高くなるので、そのγ線を吸収して発熱させてもよい
。そのような物質としては、核外電子の多い（したがっ
て原子番号の大きい）元素が優れている。

但し、融点が低いもの、高い放射能を帯び易いものは避
けるべきである。上述の１−１ｆ’、Ｈｆｏ２等はγ線
吸収体としても優れている。ウォータロッドと同一材質
のジルカロイも使用できる。

上述の例は外部から照射されたγ線を吸収する場合につ
いて記したが、中性子を吸収して発熱するものであって
もよい。この場合はあまり原子番号が大きくなく、鉄に
近いものがよい。しかし中性子吸収断面積が小さければ
役に立たない。上述のＨｆ、ＨｆＯ，２はこれらの点で
も優れている。

次に第７実施例の作用を説明する。

ＢＯＣでは炉心２１Ｌｆｆｉが他の運転サイクルのとき
に比して比較的少ないが、炉心部の軸方向出力分布が第
７図（Δ）に示すように炉心下部で高出力であり、中性
子束、γ線も増大するボトムビークを示している。

このために、中性子束、γ線を吸収等した放射線発熱体
５３の発熱量が増大し、加熱リング５４内周を通水する
炉水を加熱してボイドの発生を助長し、ここでのボイド
率を高め、バイメタルスプリング５２を設定温度を超え
て昇温させて、収縮させる。

このために、Ｒ，１４弁５０が降下し、その大径上端部
外周面が主取入口２３　ｃ　ＩＸとその内方で対向する
ので、その対向間隙である炉水流路が狭隘化して、その
流路抵抗が連続的に増大する。

一方、ＥＯＣでは炉心流量がＢＯＣのときに比して増大
するが、炉心部の軸方向出力分布が第７図（Ａ）に示す
ように炉心下部で低出力であり、中性子束、γ線も減少
する。

このために、放射線発熱体５３の発熱ｍが低下し、バイ
メタルスプリング５２を設定温度以下に低下せしめて、
伸展させ、昇降弁５０を上昇させて、ウォータロッド２
３１Ｘの流路抵抗を連続的に低減させることができる。

第８図は第８実施例の要部縦断面を示しており、これは
ウォータロッド２３Ｘ［を、ジルコニウム合金製の外管
１００内にジルコニウム類の内管１゜１をｆｌｆｌｌｌ
状に収容して２重管に構成し、外、内管１００．１０１
の間に内管１００内径よりも狭隘な環状流路を形成して
いる。

内管１０１はその外周にリング状のオリフィス板１０２
を上下方向に所要の間隔をおいてそれぞれ外嵌固着し、
各オリフィス板１０２にはボイドに対しては高抵抗で、
液相に対しては低抵抗の孔径を有するオリフィス孔１０
２ａを所要のピッチで穿設している。

内管１０１の開口下端１０１ａより上方でボトムビーク
に対応する部分、例えばその開口下端１０１ａから４０
〜９０ｃｊＩ付近には発熱体１０３を配設している。

この発熱体１０３は例えばジルカロイ製の内管１０１の
下端部を厚肉に形成してなり、中性子やガンマ線等を吸
収して発熱するものであり、その外周面には軸方向に段
溝を繰り返す波形に形成して、外表面の面積拡大を図っ
ている。

内情１０１の上端部内には閉塞上端に開口した複数の小
孔１０１ｂの近傍にて流路抵抗体３９（第４図参照）を
内嵌固着し、この流路抵抗体３９の下面側（上流側）に
ボイドを溜めて、そのボイドの多少に応じて流路抵抗体
３９の流路抵抗を連続的に制御するようになっている。

一方、外管１００はその上端に固着した上部端栓１０４
に排出路１０５と排出孔１０６とを穿設して、外管１０
０の上端部内と外部とを連通させ、上部端栓１０４の内
端部には排出路１０５の内側開口端の両側にて内方へ突
出する突起１０７．１０７を複数個ないしリング状に突
設している。

また、外管１００はその下端に、下部端栓１０８を固着
すると共に、その下端部外周面に取入口１０９を開口さ
せている。

次に本実施例の作用を説明する。

ＢＯＣではボトムビークを示すので、中性子およびガン
マ線を吸収した発熱体１０３の発熱量が増大し、外管１
００の下端の取入口１０９からその内部へ取水された炉
水は発熱体１０３の内外により加熱されるが、外表面の
面積が多い分だけ、外管１００と内管１０１との環状流
路を通る炉水の方が高温に加熱され、内管１０１の開口
下端１０１ａよりその内部へ流入する炉水よりもボイド
をより多く発生させて、図中矢印に示すよう昇流する。

上記環状流路を昇流する炉水は中性子等を吸収して発熱
している外、内管１００．１０１によりさらに加熱され
て、さらに多くのボイドを発生させ、外管１００の外周
に沿って昇流する炉水のボイドと相俟っていわば断熱層
を形成する。

このために、内情１０１内を昇流する炉水が内管１０１
および炉水自身の中性子等の吸収により加熱されると、
その熱が、上記断熱層により断熱されるので、内管１０
１内を昇流する炉水からより多くのボイドが発生して、
流路抵抗体３９の上流側に到達し、ここに多くのボイド
が溜まり、そのために、流路抵抗が連続的に増大する。

また、流路抵抗体３９を通水した炉水が内管１０１の閉
塞上端の小孔１０１ｂより上方へ流出すると、その上方
にて環状流路を昇流してきた炉水と横方向から衝突して
、流れが制動を受けて、ざらに流路抵抗が増大し、加え
て、突起１０７．１０７により流れを妨害されて、流路
抵抗をさらに一層増大させる。

一方、ＥＯＣではボトムビークを示さないので、発熱体
１０３の発熱■が、ＢＯＣのときよりも低減し、その分
、ウォータロッド２３ＸＩ内における炉水のボイドの発
生率が低下し、ボイド率が低減する。

したがって、ボイドにより流路抵抗を増大させていたオ
リフィス板１０２、流路抵抗体３９、内管１０１の小孔
１０１ｂ、排出路１０５の各流路抵抗が低減し、排出孔
１０６より外部へ案内される炉水のボイド率が低下して
、液相が増大する。

以上説明したように第２〜第８実施例は第１実施例と同
様にウォータロッド２３〜２３■内に取水した炉水のボ
イド率の高低に応じてウォータロッド２３〜２３■、２
３ＸＩ内の流路抵抗を０Ｎ−ＯＦ　Ｆ　ｉ！ＩＪ　１１
１ではなく、連続的に制御することができるので、第１
実施例で述べたと同様の理由により燃料経済性の向上を
安全に図ることができる。

第９図は請求項２記載の発明の第１実施例の要部縦断面
を炉心軸方向長さに対応させて示しており、本発明は中
性子照射に伴う成長（伸び）差を利用してウォータロッ
ド２３Ｘの流路抵抗を連続的に制御しようとするもので
ある。

そして、照射成長の差を利用する方式では、それが非可
逆的である点に留意する必要がある。

一般に、燃料集合体内には可燃性毒物が入れられること
が多い。この場合全サイクルが４サイクルの場合、第１
サイクルでは無限増倍率に■はＥＯＣで最大となり、第
２サイクルのＥＯＣのに■は第１サイクルＢＯＣと同程
度あるいはやや小さくなる。

したがって第２サイクルのＥＯＣｌあるいは第３サイク
ル目のＥＯＣで案内棒内のボイド率が小さくなるように
取入口の流路抵抗を連続的に調節できるように設計する
のが好適である。第３サイクルＢＯＣでは他の新燃料の
ｋｏｏが大きいため、ウォータロッド内のボイド率を小
さくしてｋｏｏを大きくする必要はない。第２サイクル
ＥＯＣと第３サイクルＥＯＣで比べると後者の方が一般
に望ましい。これはより多くプルトニウムを蓄積した侵
に燃焼に使うためであり、燃料の有効利用の効果が大き
い。

第９図で示す第２の発明の第１実施例はウォータロッド
２３Ｘをその下端から１／４Ｌの付近で水平方向に分断
して、上部２３Ｘａと下部２３Ｘｂをそれぞれ形成する
。

下部２３Ｘｂの上端部は縮径させて上部２３Ｘａの開口
下端部内に延伸して挿入し、この挿入縮径端部に内側取
入口６０．６０を上部２３Ｘａの主取入口２３ｃＸの下
方にずらして開口させ、各主取入口２３ｃＸと各内側取
入口６０とのずれの程度により、その流路抵抗を制御す
るものである。

また、下部２３Ｘｂの下部に補助取入孔２３ｂを間口さ
せると共に、上部２３Ｘａの上端部に排出口２３ｄを穿
設している。

さらに、上部２３Ｘａを上部端栓６１を介して上部タイ
ブレート２４に固着すると共に、下部２３ＣＸを下部端
栓６２を介して下部タイブレート２５に固着している。

一方、例えば第１３図で示す従来のつｌ−タロラド５の
上下端を上部タイブレート２４と下部タイブレート２５
とにそれぞれ固着している。

一般に、燃料棒の被覆管あるいはウォータロッド５，２
３Ｘはジルコニウム合金によって作られているが、この
ジルコニウムは六方晶型の結晶体であり、Ｃ＠力方向中
性子照射によって縮み、ａ。

ｂ軸方向では伸びる性質があることはよく知られている
。

そこで、第９図中の従来のウォータロッド５については
その軸方向にあまり伸ばさず、また直径方向に縮小させ
ないため、上記Ｃ＠を軸方向に対しておよそ４５°とな
るように製造する。

一方、ウォータロッド２３Ｘについては上記Ｃ軸を案内
棒の軸方向または直角方向（半径方向）または同方向に
向けて製造する。したがって従来のウォータロッド５と
ｒクォータロッド２３Ｘとの中性子照射による成長差が
生じるようになっている。

次にこの第１実施例の作用を説明する。

ＢＯＣでは炉心の中性子照射Ｍが伯のサイクルのときに
比して少ないので、両ウォータロッド５゜２３Ｘ中性子
照射成長間も比較的少なく、一方のウォータロッド２３
Ｘの軸方向の伸びが小さいので、両者５．２３Ｘの軸方
向の伸び差も小さい。

また、一方のウォータロッド２３Ｘの伸びは、このウォ
ータロッド２３Ｘの上部２３Ｘａが上部タイブレート２
４に固着されていると共に、下部２３Ｘｂが下部タイブ
レート２５に固着されているので、その上部２３Ｘａと
下部２３Ｘｂの各自由端が軸方向にそれぞれ伸びること
により吸収される。

その結果、上部２３Ｘａの主取入口２３ｃＸと下部２３
Ｘｂの内側取入口６０とが相互に接近するが、両数入口
２３ｃＸ、６０が相互に重なり合う共通開口面積が殆ど
ないので、その流路抵抗が大きい。

したがって、ＢＯＣでは燃料集合体に上部の液相が低減
し、ボイド率がさらに高まり、プルトニウムがより多く
生成、蓄積される。

一方、ＥＯＣでは炉心の中性干魚１：）Ｊ　ｍがＢＯＣ
のときよりも増大するので一方のウォータロッド２３Ｘ
の軸方向の伸びが大きく、他方のウォータロッド５との
伸び差が大きくなる。

その結果、一方のウォータロッド２３Ｘの上部２３Ｘａ
と下部２３Ｘｂの各自由端が軸方向にそれぞれ大きく伸
び、両数入口２３ＣＸ、６０の相互が第９図に示すよう
にほぼ同心状に重なり合い、両者２３ｃＸ、６０の共通
開口面積が増大して、その流路抵抗が連続的に増大して
行き、燃料集合体上部の液相が増大してボイド率が低減
する。

したがって、ＢＯＣでより多く生成、蓄積されたプルト
ニウムをＥＯＣで燃焼させ、その燃料経済性の向上を図
ることができる。

第１０図は請求項２記載の発明の第２実施例の縦断面を
示しており、これはウォータロッド２３罵を、中性子照
射成長率の大きい外管７０内に、中性子照射成長率の小
さい細径の内管７１を同軸状に収容することにより２重
管構造に構成したことに特徴がある。

また、外管７０と内管７１との間の環状流路には上下方
向に所要の間隔をおいて上下一対で環状の上部、下部オ
リフィス板７２．７３をそれぞれ設け、両オリフィス７
２．７３の各オリフィス７２ａ、７３ａにより炉水中の
ボイド率により、その流路抵抗を制御するようになって
いる。なお、外管７０と内管７１とは、外管下端部で固
着されている。

上記内管７１の上端部には所要の弁体７４が固着され、
上部端栓７５の上部外側面に穿設した排出ロア５ａと外
管７０の開口上端とを連通ずる排出路７６の内端部内に
弁体７４が進退して、その流路を適宜拡張、収縮させて
、その流路抵抗を連続的に制御するようになっている。

すなわら、ＢＯＣで炉心の中性子照射饋が少ない場合に
は第１０図に示すように上部端栓７５の排出路７６の内
端に大きく進入して、その内端周辺部の流路抵抗を高め
ている。

そして、ＥＯＣで中性子照射量が増大すると、外管７０
が軸方向に大きく伸び、伸び昂の小さい内管７１との間
に大きな伸び差を生じ、弁体７４周りの排出路７６の内
端の流路が拡張され、その流路抵抗が低減される。

なお、この第２実施例において、内管７１の上端部の弁
体７４を省略してノズル状に間口させ、内管７１の下端
を外管７０の下端より下方へ垂直方向に延出させて開口
させ、この開口下端から取入れた炉水を上記ノズル状の
上端開口から上部端栓７５の排出路７６の内端へ噴出さ
せ、ベルヌイの定理により排出路７６内端周りの流路抵
抗を制御するように構成してもよく、また、オリフィス
板７２．７３の少なくとも一方の炉水上流側に、第４図
で示す流路抵抗体３９を密着させてもよい。

炉心下部で発熱体を配置すると効果が向上するのは第８
図の場合と同様である。

また、本発明は第１１図（Ａ）で示すウォータクロス８
０にも３Δ用することができ、例えばチャンネルボック
ス８１とサブバンドル燃料８２との中性子照射成長率の
差異を利用してウォータクロス８０の流路抵抗を連続的
に制御し、その流路抵抗を中性子照射量が少ないときに
高くして、中性子照射量の増大に伴って連続的に低減さ
せるように構成してもよい。

さらに、本発明は第１１図（Ｂ）に示すように２本の太
径ウォータロッド９０．９０と２本の小径ウォータロッ
ド９１．９１とを有する燃料集合体についても適用する
ことができる。なお、第１１図（Ｂ）中符号９２は角筒
状のチャンネルボックス、９３は燃料棒である。

さらにまた、本発明は第１２図に示すように構成しても
よい。すなわち、これはジルコニウム製のウォータロッ
ド１１０の下部側面に横孔の取入口１１０ａを開口する
と共に、ウォータロッド１１０の上端部に固着した上部
端栓１１１に排出口１１１ａと、この排出口１１１ａを
ウォータロッド１１０の内部空間に連通させる排出路１
１ｂを穿設し、排出口１１１ａを上部タイブレート１１
２の支持用嵌合孔１１２ａ内にて開口するように穿設し
ている。

そして、ウォータロッド１１０はそのジルコニウムの結
晶体のＣ軸をウォータロッド１１０の軸方向に向けると
共に、ａ、ｂｌｍｌをウォータロッド１１０の軸と直角
方向に向けて製造しており、中性子照射成長によりウォ
ータロッド１１０を軸方向に収縮させて、上部端栓１１
１の排出口１１１ａを上部タイブレート１１２の支持用
嵌合孔１１２ａより下方、すなわち、外方へ露出させ、
この排出口１１１ａから流出される炉水の流出抵抗を低
減させて、その流路抵抗を低減させるように構成してい
る。なお、第１２図中、符号１１３は下部タイブレート
である。

〔発明の効果〕

以上説明したように請求項１および２記載の発明は炉心
流量、中性子照射ｍによりウォータロッドやウォータク
ロス等の誠速材案内部材の流路抵抗を連続的に制御する
ことができるので、スペクトルシフト運転を安全に行な
うことができる。

その結果、例えばＢＣ）Ｃでプルトニウムをより多く生
成、蓄積し、このプルトニウムをＥＯＣで燃焼すること
ができるので、燃料経済性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１記載の発明の第１実施例の横断面図、
第２図は第１図のＩｆ−Ｉｆ線断面図、第３図（Ａ＞、
（８）は一般的な燃料集合体の軸方向出力分布と、ボイ
ド率分布をそれぞれ示ずグラフ、第４図は第２〜第６実
施例の各ウォータロッドの縦断面図、第５図（Ａ）は第
４図で示す流路抵抗体の一例の平面図、第５図（Ｂ）は
第５図（Ａ）のｌ１１１！Ｉｉ面図、第６図（Ａ）、（
Ｂ）、（Ｃ）は第４図で示す流路抵抗体の他の例をそれ
ぞれ示す図、第７図（Ａ）は各運転サイクルによる炉心
の軸方向出力分布の相違を示すグラフ、第７図（Ｂ）は
第７実施例のウォータロッドの縦断面図、第７図（Ｃ）
は第７図（Ｂ）の要部拡大図、第８図は第８実滴例のウ
ォータロッドの縦断面図、第９図は請求項２記載の発明
の第１実膿例のウォータロッドの縦断面図、第１０図は
第２実施例の要部縦断面図、第１１図（Ａ）、（Ｂ）は
さらに他の実滴例の横断面図、第１２図は第３実施例の
ウォータロッドの縦断面図、第１３図は従来の燃料集合
体の縦断面図である。 ２１・・・チャンネルボックス、２２・・・燃料棒、２
３．２３Ｉ［，２３ｎ１．２３ｒＶ、２３Ｖ、２３ＶＩ
。 ２３■、２３■、２３ＴＸ、２３Ｘ、２３Ｘ１．２３判
・・・ウォータロッド、２７・・・オリフィス板（流路
抵抗制御機構）、２８・・・オリフィス孔、３１・・・
回転弁、５０・・・昇降弁。 第１図 第２図 第３図 ４１ａ （Ｃ） （Ａ）　　　　　　　　　（Ｂ） 第７図 第７図 第８図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料を充填した複数本の燃料棒と、これら燃料棒
   の下部から上部へ減速材を案内する減速材案内部材とを
   有し、上記減速材に浸漬される炉心に装荷される燃料集
   合体において、上記減速材の炉心流量の最小時に上記減
   速材案内部材の流路抵抗を最大とする一方、この流路抵
   抗を上記炉心流量の増大に応じて連続的に低減させる流
   路抵抗制御機構を有することを特徴とする燃料集合体。 ２、核燃料を充填した複数本の燃料棒と、これら燃料棒
   の下部から上部へ減速材を案内する減速材案内部材とを
   有し、上記減速材に浸漬される炉心に装荷される燃料集
   合体において、中性子照射成長の最小時に上記減速材案
   内部材の流路抵抗を最大とする一方、この流路抵抗を上
   記中性子成長の増大に応じて連続的に低減される流路抵
   抗制御機構を有することを特徴とする燃料集合体。