JPH03210497A

JPH03210497A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH03210497A
Application number: JP2005716A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ueda; 精植田; Takeshi Kiyono; 清野　赳
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-01-13
Filing date: 1990-01-13
Publication date: 1991-09-13

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９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を、例えば８行８列の正方格
子状に多数本配列して、その中央部に燃料棒４より例え
ば太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が上部タイプレート９に、下部端
栓８が下部タイプレート１０にそれぞれ支持されている
。

下部タイプレート１０はその開口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
へ向けて昇流させ、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はその下端部の取入口５ａよ
り炉水を内部へ導入し、軸方向上方へ案内して排６０５
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、原子炉出力が冷却材流量（再循
環流量）と図示しない制御棒の炉心への挿脱によって制
御される。制御棒は近年では原子炉出力制御のために使
用される頻度が比較的少なく、主として冷却材流量の制
御によって出力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ＢＷＲ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なり、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
位量である。

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の燃料被覆管内面にバリア層
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緩和された
。

ＢＷＲでは本来、炉心の上方へ行くに従ってボイド率が
高（なるので、出力分布は運転サイクル初期（以下ＢＯ
Ｃという）で燃料集合体の上端部が抑えられ、燃料集合
体の下部に歪む。

一方、運転サイクル末期（以下ＥＯＣという）では燃料
集合体の下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（蓄積され、そのために、炉心下方で出力が低下し、
燃料集合体上部で高くなる挙動を示している。

（発明が解決しようとする課題）燃料集合体がもつ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、燃料集合体下部に、より多くの
可燃性毒物を配置したり、燃料集合体上部の燃料濃縮度
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
の悪化を招いていた。また、燃料経済性の向上のために
、上記のような対処を行なわない場合には、ＥＯＣにお
ける出力分布の過変の歪みのため、燃料健全性に支障を
来すおそれが生じ、これを回避するために原子炉出力を
降下させなければならず、結果的に原子力発電所のプラ
ントとしての経済性が低下する問題がある。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、燃料経済性を向上させるとともに、プ
ラントの経済性の低下を防止することのできる燃料集合
体を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記した原子炉の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、ＢＯＣ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、一方、ＥＯＣ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せ、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ＥＯＣ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、ＢＷＲでは冷却材流量制御法がある。

これはＢＯＣで冷却材炉心流量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、プルトニウムを生成蓄積する
ものである。

また、ＥＯＣでは炉心流量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、ＢＯＣ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法と言われている。

ＢＷＲのＢＯＣ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、ＥＯＣ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
性を大幅に向上させることかできる。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。

ところが、このような運転をおこうと、炉心軸方向の出
力分布は運転サイクルがＢＯＣからＥＯＣに進むに連れ
て大幅に変化するので、出カビキングは著しく高く、燃
料健全性に支障を来すおそれがあることが定量的な検討
の結果明らかになってきた。また、ＥＯＣにおいて炉心
上部の出力が増大することは、炉心の端部に近いことと
、ボイド率が高いために中性子の漏洩確率が高くなるこ
とのために中性子経済性は低下する（すなわち、中性子
増倍率が期待はど増大しない。）そこで本発明は、多数
の燃料棒とこの燃料棒より直径の大きいスペクトルシフ
ト型の減速材案内部材とを規則正しく配列し、上記燃料
棒および上記案内部材の軸と平行方向に減速材兼冷却材
として作用する水を流す燃料集合体において、上記減速
材案内部材の最大横断面積を軸方向燃料有効部の全長に
亘って設定し、この横断面積で水を排除する体積割合を
炉心上端部および下端部からそれぞれに決まる一定範囲
では小さクシ、その他の部分では大きくしたことを特徴
とする。

（作用）上記の構成を有する本発明においては、減速材案内部材
の最大断面積を軸方向燃料有効部の全長に亘って設定し
、この横断面積で水を排除する体積割合を炉心上端部お
よび下端部からそれぞれに決まる一定範囲では小さくし
、核分裂性核種濃度が燃焼の過程において相対的に高く
なる炉心の比較的上方の部位、したがってＥＯＣにおい
て出力ピークが発生し、原子炉停止時には未臨界度が浅
くなる部位においては運転サイクルを通じて体積割合を
大きくしたので、ＢＯＣからＭＯＣ（運転サイクル中期
）にかけてはこの部位の燃焼が進み、ＥＯＣにおいては
出力ピークが低減され、あるいは炉心のより下方（内部
）ヘシフトする。

これらの現象により、炉心軸方向の出力分布は運転サイ
クルを通じてより安定化され、出力ビーキングが緩和さ
れ、あるいは冷却能力のより高い炉水て冷却されるため
、燃料の健全性と運転の安定性が向上する。また、原子
炉停止中の未臨界度があまり浅くならず、炉停止余裕が
向上する。そして、原子炉緊急停止時のスクラム特性が
改良される。さらに、運転中の中性子の炉心外への漏洩
率が減少し燃料の経済性が向上する。加えて、上部にお
ける炉水の圧力損失が低減し、プラントの経済性と安定
性が向上する。

（実施例）以下、本発明を図示する実施例に基づいて説明する。第
１図（Ａ）は本発明の第１実施例による燃料集合体を示
す。同図（Ａ）に示すように、燃料集合体２０は燃料棒
２１を９行９列の配列とし、その中央部から３×３格子
分の燃料棒９本を取り除き、減速材案内部材と（、ての
太径のウォータロッド２２を配置し、外周部には角筒状
のチャンネルボックス２５を配置して構成される。ウォ
ータロッド２２は燃料棒２１と共に燃料スペーサにより
束状に結束され、炉水を減速材として燃料棒２１周りに
案内するようになっている。また、ウォータロッド２２
は外管２３内に内管２４を同軸状に収容して２重管構造
に構成している。

すなわち、ウォータロッド２２は第１図（Ｂ）に示すよ
うに燃料有効部下端（Ｂ　Ａ　Ｆ　：　Ｂｏｔｔｏｍｏ
ｆ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｆｕｅｌ）から約１／４Ｌ　（Ｌは
燃料有効長で約３．７ｍ）において細径化され、２重管
構成のうち外側下端部に流路抵抗体３０が配置されると
ともに、燃料有効部上端（ＴＡＦ　：Ｔｏｐ　ｏｆＡｃ
ｔｉｖｅ　Ｆｕｅｌ）から約１／４Ｌにおいては１重構
成の太径水棒とされ、ＴＡＦから一定の範囲（１／１２
Ｌ程度）では細径水棒とされている。つまり、本実施例
ではウォータロッド２２の最大横断面積を軸方向燃料有
効部の全長に亘って設定し、この横断面積で水を排除す
る割合を、炉心上端部例えば３０〜９０ａｏ程度、およ
び炉心下端部例えば１５〜９０ｃｍ程度の範囲では小さ
くしである。

ウォータロッド２２内を流れる炉水はパスが２つに分岐
されて流れる。すなわち、一方は内管２４の下方へ延び
た部分の通水孔２７から流入し、燃料有効部下端ＢＡＦ
から３／４Ｌ辺りにおいてその流れ横断面積を拡大して
太径水棒を構成し、その後、主として冷却水圧力損失低
減のために細径化され、燃料有効部上端ＴＡＦ近傍に設
けられた排水孔２８より排出される。他方の流れは外管
２３と内管２４との間で外管２３の下端付近に設けられ
た流路抵抗体３０を通って、細径化された外管２３と内
管２４との間隙を流れ、燃料有効部下端ＢＡＦより約１
／４したけ上方からは太径化された外管２３と内管２４
との間隙を流れて行き、３／４Ｌ辺りにおいて外嵌２３
に設けられた微小孔２９から排出される。

内管２４側は運転サイクルを通じて常に非沸騰状態もし
くは低ボイド率に抑えられた炉水が流れ、外管２３と内
管２４との間隙ではＢＯＣからＭＯＣにおいてはボイド
化し、あるいは高ボイド化した炉水が流れ、ＥＯＣにお
いては非沸騰状態もしくは低ボイド率に抑えられた炉水
が流れるように炉水流人孔、排出孔および流路抵抗体３
０が設計される。

次に、第２図に基づいて流路抵抗体３０を説明する。第
２図（Ａ）に示す外管２３と内管２４との間に配設され
ている流路抵抗体３０は製造性に起因して軸方向に２分
割されており、第２図（Ｂ）（Ｃ）、　　（Ｄ）に示す
ように例えば４つの通水孔３１が対称に設けられている
。この通水孔３１は第２図（Ａ）に示すように雌ねじ状
に加工されている。流路抵抗体３０の軸方向長さは通常
１５〜３０ｃｍ長となり、通水孔３１を設ける際に若干
の加工上の問題を生じることがある。このため、第２図
では上下に２分割する例を示した。

各流路抵抗体３０は上下端面に第２図（Ｂ）に示すよう
なリング状の通水溝３２が設けられているとともに、両
端面近傍を除き外周および内周は削り込まれており、外
管２３内周面と流路抵抗体３０外面との間および流路抵
抗体３０内面と内管２４外周面との間に、流路抵抗体３
０発熱時にこれを断熱する断熱層３３が形成されている
。

上記の構成において、流路抵抗体３０周囲の出力が低い
とき、炉水は内管２４内と、外管２３と内管２４との間
の２方向に分岐して流れる（Ｆｌ。

Ｆ２）。また、出力が上昇すると流路抵抗体３０はガン
マ線や中性子線を吸収して発熱する。すると、外管２３
内面と流路抵抗体３０外面との間および流路抵抗体３０
内面と内管２４の外面との間の水は気化し、水がまたは
蒸気が微小孔２９を通して排出されるスチームによる断
熱層が形成される。

その結果、流路抵抗体３０から発生する熱は効率よく通
水孔３１へ伝達されるようになる。この通水孔３１を通
っていた炉水は効果的に加熱されボイドが発生する。こ
のボイドの多（は通水孔３１の雌ねじの谷部においてト
ラップされ、成長して行き、やがては通水孔３１をボイ
ドがほとんど閉塞してしまい、炉水の流れＦ２はほとん
どなくなるかわずかなものとなってしまう。このため流
路抵抗体３０の下流側の炉水はガンマ線や中性子線を吸
収して発熱することとなり、やがて気化（沸騰）し、ボ
イドになってしまうか高いボイド率となる。

一方、ＥＯＣでは一般に流路抵抗体３０周囲の出力が低
下するとともに炉水流量が増大するので、流路抵抗体３
０の発熱が低下し、通水孔３１のボイド発生が少なくな
るとともに、発生したボイドも流量増大により押し流さ
れるので、流路抵抗体３０の下流側に炉水が供給される
ようになり、外管２３と内管２４の間は炉水で満たされ
る。このようなプロセスは制御棒挿入によっても流路抵
抗体３０の発熱を減少させることによってもいずれても
コントロールすることができる。

他方、流路抵抗体３０は通水孔３］−と放射線吸収発熱
体を内蔵しており、ＢＯＣからＭＯＣにかけては出力分
布がボトムピークとなるので、発熱体の発熱率が高まり
、通水孔３１の流路抵抗が高まる。その結果、内管２４
と外管２３との間には炉水の流入がほとんどなくなり、
その空間の炉水は加熱されボイド化し、微小孔２９から
のわずかな排出とのバランスでその空間内の水位が低下
し、やがてはその空間は全てボイド化させることができ
る。

ところが、ＥＯＣになると炉水の流量が高まり、燃料有
効部上端での残部核分裂性物質濃度の相対的な向上も相
俟って出力分布はトップピーク型となる。その結果、発
熱体の発熱率は低下し、通水孔３１の流路抵抗は低下し
、炉水が外管２３と内管２４との間に流入し易くなる。

この現象を加速するために引抜かれた制御棒をその挿入
先端部が流路抵抗体３０近傍高さまで位置するように挿
入してもよい。このように制御棒を用いると、炉水流量
のみによらず、しかも特定の燃料集合体のみに対して流
路抵抗体３０の流路抵抗をコントロルすることができる
。外管２３と内管２４との間隙が炉水で満たされると、
本実施例のウォータロッド２２は一般の全長太径水棒と
ほぼ同じ作用となる。つまり、ウォータロッド２２はＥ
ＯＣにおいて一般の太径水棒とほぼ同じ作用をし、ＢＯ
ＣからＭＯＣにおいては炉心上部のＥＯＣにおいて出力
ピークが生じ、炉停止余裕が小さくなる部位が太径の水
棒で減速材不足を緩和し、その他の部位では減速材を減
らして出力分布の安定化、平坦化等に寄与する。

流路抵抗体３０の代表的なものとして放射線吸収発熱体
があり、この放射線吸収発熱体としては種々のものが考
えられ、ウォータロッド２２を構成している材料と同じ
ジルカロイ、ジルカロイに若干のハフニウムを含むもの
、天然ウラン、減損ウラン、中性子吸収材などである。

次に、本実施例の作用を説明する。

ウォータロッド２２はＢＯＣからＭＯＣにかけて炉心の
上部（３／４Ｌ〜１１／１２　Ｌ辺り）において太径水
棒、他の部分は細径水棒として作用するとともに、１／
４Ｌ〜３／４Ｌでは太径ボイド棒、０〜１／４Ｌでは細
径ボイド棒として作用する。炉心の上部は一般に燃料集
合体で高ボイド率と燃焼おくれのために核分裂性核種濃
度の炉心軸方向相対分布か高くなり、原子炉停止時に未
臨界度が特に浅くなる部位であるが、本実施例の燃料集
合体２０においてはこの部位は他部位と異なり、常に太
径水棒となっているため、ウォータロッド２２外部の高
ボイド率によるプルトニウムの生成と、ウォータロッド
２２の太径水棒としての作用により生成したプルトニウ
ムの燃焼も相対的に他の部位に比べて進み易いため、原
子炉停止時の未臨界度が特に浅くなる現象が緩和される
。

また、上記太径水棒のある高さの部位は通常の燃料集合
体でＢＯＣ−ＭＯＣにおいて出力が大幅に低下し、ＥＯ
Ｃにおいて大幅に増大したが、本実施例の燃料集合体２
０においては太径水棒としての作用により、ＢＯＣ−Ｍ
ＯＣにおける出力の低下が緩和され、ＥＯＣにおいては
その分出力増大が緩和されるので、サイクルを通じた軸
方向出力分布の変化が少なくなり、出力分布が安定化す
るとともに平坦化され、燃料の健全性が向上し、原子炉
運転性が安定する。

さらに、上記未臨界度が特に浅くなる部分（炉心の上端
〜３／４Ｌ付近）の未臨界度の減少が緩和されるという
ことは、炉心のより中央側、すなわち従来より下方側へ
若干ながら未臨界度が浅くなる部位がシフトすることで
ある。第１図（Ｂ）に示すように２／４Ｌ〜３／４Ｌに
おいてウォータロッド２２はＢＯＣ−ＭＯＣでボイド率
が高い。

これとチャンネルボックス２５内でウォータロツド２２
外側とのボイド率分布（上方はど大きい）との平均値は
２／４Ｌ〜３／４Ｌにおいて大となり、この結果核分裂
性核種濃度の軸方向分布は従来に比べて下方ヘシフトす
る。これが未臨界度の浅くなる部位が下方ヘシフトする
原因である。

これらの本実施例の燃料集合体の作用のうち、特にボイ
ド率分布と出力分布について第３図に基づいて説明する
。第３図（Ａ）はボイド率の軸方向分布を示しており、
従来の全長−様型の太径水棒を用いた燃料集合体では点
線のようになる。

方、本実施例の燃料集合体２０ではＢＯＣにおいて実線
のようになり、ＥＯＣにおいては破線のようになる。炉
心下端近傍の台形状の小さな盛上りはウォータロッド２
２に設けた流路抵抗体３０の炉水排除効果によるもので
ある。この部分と炉心の上端近傍のウォータロッド２２
細径化部位（第１図（Ｂ））を除き、ＥＯＣではボイド
率分布が従来型と本実施例の燃料集合体とでは−とんど
差異がない。一方、ＢｏＣでは炉心上部からやや下方（
３／４Ｌ〜５／６Ｌ）においては太径水棒化のため従来
型と同じであるが、その他の部分では高くなっている。

第３図（Ｂ）は炉心軸方向出力分布（相対値）を示し、
基本的な軸方向出力分布はボイド率分布が主としてウォ
ータロッド２２のボイド率で支配されるため、従来型と
大差はないが、ウォータロッド２２の作用によりＢＯＣ
では実線に示すようになり、ＥＯＣではボイド率分布が
ほぼ同じであるにも拘らず、ＢＯＣ−ＭＯＣにおけるプ
ルトニウムの生成と燃焼の特性が変化するために破線の
ようになる。顕著な特徴は３／４Ｌ〜５／６Ｌの太径水
棒の作用と他部位の細径水棒、太径ボイド棒作用により
、相対的に３／４Ｌ〜５／６Ｌにおける出力が相対的に
上昇し、燃料が進み易い点にある。その分ＥＯＣにおい
て出力ピークが抑えられ、ピーク部位は炉心上部から下
向きへシフト（。

ている。炉心上部より下方（上流）側の方が冷却水の除
熱能力が高いので、燃料の健全性が向上する。また、出
力ピーク位置が炉心内部側ヘシフトするため中性子の炉
心外への漏れ出し減少し、中性子経済が向上するので、
ＥＯＣにおけ炉心の反応度が向上し、燃料経済性が向上
する。

炉心上部（３／４Ｌ〜５／６Ｌ）におけるＢＯＣ−ＭＯ
Ｃでの燃焼の進行は前述のように原子炉停止時の未臨界
度が浅くなる部位が炉心下方ヘシフトすることと浅まる
ことであり、炉停止余裕の向上と、下方から挿入される
原子炉制御棒のスクラム時における制御棒の効きが時間
的に早まる。

すなわち、スクラム特性が向上する。

ところで、軽水炉、特にＢＷＲではＢＯＣからＭＯＣに
かけて冷却水の流量をサイクル平均流量よりある程度下
げて運転する。すると、ボイド率分布は比較的下方で立
上り、出力分布は炉心下部で高くなろうとする。本実施
例の燃料集合体２０を用いると流量が下がり、その結果
炉心下部で出力が上昇すると、ウォータロッド２２の下
部に設けられている流路抵抗体３０の抵抗が増大し、ウ
ォータロッド２２でこれを通る水の流量が低下する。そ
して、２重管状に設けられたもののうち、流路抵抗体３
０を設けた側ではガンマ線吸収等による発熱でボイドが
発生する。また、流路抵抗体３０を設けた側はその横断
面積が炉心の上端部と下端部のそれぞれ一定の範囲は小
さく、その他の部分では大きくなる。

したがって、炉心の軸方向ボイド率分布はＢＯＣからＭ
ＯＣにかけては全体として上方（下流）側はど高くなる
ものの、炉心上端部および下端部のそれぞれ一定の範囲
を除き高められる。その結果、ボイド率が高められた部
分では中性子スペクトルの硬化によりプルトニウムの蓄
積が促進される。

一方、ＥＯＣでは冷却水の流量をサイクル平均の流量よ
りある程度多くして運転する。すると、ボイド率分布曲
線はＢＯＣやＭＯＣの場合より上方（下流）側で立上り
、炉心出力分布は炉心下部でなく上部で高くなろうとす
る。本実施例においては炉心の冷却水流量が多くなると
、炉心上部の出力が上昇して下部の出力が低下し、流路
抵抗体３０の流路抵抗が減少し、ウォータロッド２２で
流路抵抗体３０を通る水の流量が増大する。そのため、
２重管状に設けられたもののうち、流路抵抗体３０を設
けた側で発生したボイドは押し流され、またボイド発生
量も減少するので、流路抵抗体３０を設けた側でもほと
んどボイドを含まない水棒（ウォータロッド）状となる
。

つまり、ＥＯＣではウォータロッド２２が水棒となる。

流路抵抗体３０は水ではないため局所的に中性子に対し
て実質的にボイドとなるが、その他の部分では炉心上部
および下部からそれぞれ一定の範囲が細径水棒、他の部
分が太径水棒となる。

炉心上部で細径化する理由は幾つかあり、その１つは冷
却材の圧力損失を低減させることであり、また他の１つ
は炉心上部で天然ウランを使う経済性の高い燃料が開発
されているが、その場合太径水棒とすると中性子の退域
性、すなわち水過剰となることである。炉心の下部にお
いても水過剰現象が現われることがあったり、ＢＯＣか
らＭＯＣにかけて（太径であれば）ボイド率が上り、下
方への中性子の漏れが増え、中性子ロスを招きがちであ
るため細径化されている。炉心上部で太径から細径のウ
ォータロッド２２としたり太径水棒とすると、ＢＯＣか
らＭＯＣにかけては比較的ボイド率が低下するため燃焼
が進行する。プルトニウムも生成と燃焼が比較的進む。

したがって、ＥＯＣでの核分裂性核種濃度が軸方向相対
分布として特に高くなることはない。これにより、原子
炉停止時の未臨界もあまり浅くならない。すなわち、炉
停止余裕が向上する。

また、核分裂性核種濃度が上記の位置で特に高くならな
いことは、未臨界度が浅くな部分が炉心の下方側ヘシフ
トすることとも一致し、原子炉緊急時に制御棒による原
子炉への負の反応度印加が早められる。つまり、スクラ
ム特性が改良され、原子炉の安全性向上にも寄与する。

第４図は本発明の第２実施例を示しており、前記第１実
施例と同一の部分には同一の符号を付して説明する。本
実施例が第１実施例と主に異なる点は内管２４もＢＯＣ
−ＭＯＣにおいてボイド化すること、外管２３における
炉水の流れが下降流となっていること、および３／４Ｌ
−Ｌ（上端）が細径化されている点である。運転サイク
ルを通じた本実施例のウォータロッド２２の中性子への
作用はほぼ第１実施例と同様である。

本実施例において、炉水は内管２４の下側から流入し、
流路抵抗体３０を通って上昇し、３／４Ｌ付近で外管２
３と内管２４との間隙へ流れ込み、１／６Ｌ付近から排
出される。ＢＯＣ−ＭＯＣにおいては流路抵抗体３０以
降の流れは主としてボイドとなり、ＥＯＣにおいては主
として非沸騰水または低ボイド率の炉水となるのは第１
実施例の場合と同じである。太径外管部の下端は第１実
施例の場合より若干下方へ延びている。燃料集合体の炉
心有効長下端より３／４Ｌ−Ｌ（上端）の部分では外管
のないウォータロッドとなっており、下方の部分とはプ
ラグ４０により区画されているため、炉水は別の流れを
構成している。この部分は中性子に対する特性の改良を
目的としたものではなく、ウォータロッド２２の炉水流
による浮上を防止するのが主目的となっている。

なお、３／４Ｌ−Ｌ部の細径のウォータロッドの内部は
、原子炉運転中には気液混合体が流れ、停止時は炉水が
占める。また、本実施例は炉心上方において細径化され
ているので、冷却材の圧力損失を大幅に低減できる特徴
があるが、第１実施例に比べて炉心上部でやや減速材不
足を招く問題がある。これを回避するため、炉心下方ヘ
ラオータロラド２２の大径部を延長している。その他の
構成および作用は前記第１実施例と同一であるのでその
説明を省略する。

ところで、本発明で使用する減速材案内部材としてのウ
ォータロッドを配置できる燃料集合体の構成としては極
めて多くのものが考えられる。例えば、第５図に示す燃
料集合体５０は第１実施例に対応するものであるが、２
本のウォータロッド２２が配置されている。そして、第
６図に示す燃料集合体６０では８本、第７図に示す燃料
集合体７０では９本のウォータロッド２２がそれぞれ配
置されいる。また、第８図に示す燃料集合体８０は燃料
棒８１を５×５に配列した４個のサブアセンブリに分割
されており、各サブアセンブリ間には中央のウォータロ
ッド２２から平板状に延びる水板８２が設けられている
。ここで、ウォータロッド２２の構成は前記第１、第２
実施例と同様に構成される。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明によれば、減速材案内部材の最大横断
面積を軸方向燃料有効部の全長に亘って設定し、この横
断面積で水を排除す割合を炉心上端部および下端部から
それぞれに決まる一定範囲では小さくし、その他の部分
では太き（したので、運転サイクルを通じた出力分布の
大幅変化を抑え、安定した出力分布によって原子炉出力
を低下させずに燃料健全性を確保することができる。

また、ＥＯＣにおける出力ピーク位置を下方（上流）側
へ移し、中性子経済を向上させることによって、燃料経
済性を向上させるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第１実施例に係る燃料集合体を
示す平面図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）のウォータロ
ッドを示す横断面図、第２図（Ａ）はウォータロッドに
設けられた流路抵抗体の縦断面図、第２図（Ｂ）は第２
図（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図、第２図（Ｃ）は第
２図（Ａ）のＣ−Ｃ線における断面図、第２図ＣＤ）は
第２図（Ａ）のＤ−Ｄ線における断面図、第３図（Ａ）
９（Ｂ）はウォータロッドのボイド率の軸方向分布と、
炉心軸方向出力分布を示すグラフ、第４図は本発明の第
２実施例におけるウォータロッドを示す縦断面図、第５
図、第６図、第７図および第８図はウォータロッドの他
の配置態様を示す平面図、第９図は従来の燃料集合体を
示す縦断面図である。２０・・・燃料集合体、２１・・・燃料棒、２２・・・
ウォータロッド（減速材案内部材）、２・・・外管、２
４・・・内管、２５・・・チャンネルボックス、３０・
・・流路抵抗体。（，４）第１図＜８）第１図第４図第５図小′づド竿　（％）（Ａ）第出力（１＠対徨）（Ｂ）３図

Claims

【特許請求の範囲】

多数の燃料棒と、この燃料棒より直径の大きいスペクト
ルシフト型の減速材案内部材とを規則正しく配列し、上
記燃料棒および上記案内部材の軸と平行方向に減速材兼
冷却材として作用する水を流す燃料集合体において、上
記減速材案内部材の最大横断面積を軸方向燃料有効部の
全長に亘って設定し、この横断面積で水を排除する体積
割合を炉心上端部および下端部からそれぞれに決まる一
定範囲では小さくし、その他の部分では大きくしたこと
を特徴とする燃料集合体。