JPH04299283A - 原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Abstract

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め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉（以下Ｂ
ＷＲという）等の軽水炉用の燃料集合体に係わり、特に
燃料集合体間のウォーターギャップの流路抵抗を制御す
ることにより原子炉停止時の炉停止余裕の拡大を図ると
ともにＵＯ２燃料とＭＯＸ燃料の混在する炉心において
、混在率の変化に対してボイド反応度係数の変化の小さ
い炉心を提供することができる燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＢＷＲの炉心に装架される従来の燃料集
合体の一例としては図２８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１１の複数本を、例えば８行８列の正方格子
状に配列して、その中央部に太径のウォーターロッド５
を配置し、これら燃料棒及びウォーターロッドは軸方向
に多段に配設されたスペーサ１６により結束されている
。また各燃料棒１１及びウォーターロッド５の上端部に
は上部端栓４６が、下端部には下部端栓４７がそれぞれ
固着され、さらに、上部端栓４６が上部タイプレート１
２に、下部端栓４７が下部タイプレート１３にそれぞれ
支持されている。下部タイプレート１３はその開口から
減速材と冷却材としての機能を併せ持つ炉水を図中矢印
に示すように内部に導入し、各燃料棒１１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１１
から放出される熱を除去して炉心上部へ流れ、気液二相
流となる。そして、ウォーターロッド５はその下端部の
開口５ａより炉水を内部へ導入し、軸方向上方へ案内し
て排出口５ｂより外部へ流出させ、各燃料棒１１の上端
部に案内する。ここで、ウォーターロッド５内を流れる
炉水は主として減速材として作用し、緩やかにウォータ
ーロッド内を流れ、炉心上部で前記気液二相流と合流し
て混合される。なお、図２９に十字形の流路形状をした
ウォータークロス４をウォーターロッドの代わりに有す
る例を示す。ウォータークロス４はやはり下部に冷却材
取り入れ口（図示せず）を有し上端は十字形のままの開
放端である。

【０００３】ＢＷＲの燃料集合体は図２９に示すように
、集合体４体の中央に１本の十字形制御棒が配されたも
のが基本単位として炉心に装架されている。そのため図
１８に示す斜線部分のように、制御棒によって中性子が
吸収される吸収領域が燃料集合体の制御棒側（以後Ｗ−
Ｗ側と言う）の狭い範囲に片寄り、反対側（以後Ｎ−Ｎ
側と呼ぶ）は制御棒による効果を受けていない。原子炉
における燃料集合体の取扱い作業を効率化するため燃料
集合体の大きさを拡大すると（図１７参照）、従来より
も更に燃料集合体断面の中で吸収領域の割合が低下する
ため原子炉の炉停止余裕が不足することになる。

【０００４】更にウランとプルトニウムの混合燃料（以
下ＭＯＸ燃料と言う）を炉心にＵＯ２燃料と混合装架す
る場合、ＵＯ２燃料に比較して中性子エネルギースペク
トルが硬くなり、ボイド係数が負値で大きくなる。そこ
で、従来ＭＯＸ燃料を採用する場合、燃料集合体の中央
部の一部の燃料棒にのみＭＯＸ燃料ペレットを充填した
燃料棒を使用したり、ＭＯＸ燃料集合体の炉心への装架
体数を制限するか、燃料集合体内部へ組み込むウォータ
ーロッドの本数を増加もしくはウォーターロッドの断面
積を増加する対応が必要になった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の燃料
集合体では、炉心における燃料集合体の運用制限または
ＵＯ２燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体とで構造を変える
必要があった。また、燃料集合体中の燃料棒をウォータ
ーロッドに置き換えることによって、燃料集合体一体あ
たりに含まれる核燃料物質の量が減るので燃料経済性も
悪くなる。本発明は単純な構造でこれらの欠点を改善す
る事ができる燃料集合体と炉心を提供する事にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、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下端部が下部タイプレートに保持さ
れ内部に複数の燃料ペレットを充填した複数の燃料棒を
有し、冷却材流路を構成する角筒状のチャンネルボック
ス内に収容されている燃料集合体において、前記チャン
ネルボックスがＮ−Ｎ側の２面が二重壁で構成され、二
重壁の間のＬ字状部を冷却材が流れることを特徴とする
燃料集合体によって達成される。

【０００７】前記部分二重構造のチャンネルボックスの
Ｌ字状部は上端、下端共閉じており、下部タイプレート
の燃料棒支持部よりやや上方で内壁または外壁に開口し
た冷却材入り口を有し、冷却材をＬ字状部の冷却材上昇
流路に導き上部タイプレートよりも下方のチャンネルボ
ックス内壁または外壁に開口した冷却材吐出口から排出
する。ＭＯＸ燃料とＵＯ２燃料を混合装架する場合は中
性子エネルギースペクトルの柔らかいＵＯ２燃料集合体
は前記冷却材入り口、冷却材上昇流路、冷却材吐出口の
流動特性が定格炉心流量においても前記Ｌ字状部の冷却
材上昇流路内にボイドが大量に発生して、中性子エネル
ギースペクトルが硬くなるように設定する。中性子エネ
ルギースペクトルの硬いＭＯＸ燃料集合体は逆に前記冷
却材入り口、冷却材上昇流路、冷却材吐出口の流動特性
が定格炉心流量においても前記Ｌ字状部の冷却材上昇流
路内にボイドがほとんど発生せず、中性子エネルギース
ペクトルが柔らかくなるように設定する。このように、
チャンネルボックスのＬ字状部の冷却材流路の流動特性
の異なるチャンネルボックスをＵＯ２燃料集合体とＭＯ
Ｘ燃料集合体にそれぞれ組み合わせて炉心に装架する。

【０００８】

【作用】炉心を構成する燃料集合体の制御棒と反対側の
（Ｎ−Ｎ側の）２面のＬ字状冷却材流路は、原子炉の出
力運転時は、ボイドが発生し中性子の吸収が少ないが、
停止時は冷却水が充満しＮ−Ｎ側が過減速状態となり水
が吸収材として作用して燃料集合体の中性子増倍率を大
きく低下させる。

【０００９】また、ＭＯＸ燃料をＵＯ２燃料と混合装架
する場合、炉心を構成する燃料集合体のチャンネルボッ
クスで囲まれた燃料束の構造が、ＵＯ２燃料集合体とＭ
ＯＸ燃料集合体でまったく同一で、部分二重構造のチャ
ンネルボックスのＬ字状冷却材流路用の冷却材出入口の
圧損特性のみが異なる燃料集合体を使用する事により、
炉心構成する燃料集合体の部品を統一できる。

【００１０】水対燃料比を増加させて中性子エネルギー
スペクトルを柔らかくするために運転状態の炉心に単相
の水を導入する方法としてウォーターロッドの本数また
は断面積を増加させる方法と燃料集合体間のウォーター
ギャップ幅を増加させる方法がある。ウォーターギャッ
プ幅を増加させる方法の方が同一水対燃料比でも中性子
エネルギースペクトルを柔らかくし、その結果としてボ
イド反応度係数の絶対値が減少する効率がよい。そこで
、ウォーターギャップの領域を拡張するに当たってその
分を部分二重構造のチャンネルボックスのＬ字状部の領
域として取り込み、中性子エネルギースペクトルをやわ
らげる必要がある燃料集合体のみＬ字状部に単相の水を
流して、その必要のない集合体はＬ字状部に蒸気が充満
するようにして中性子エネルギースペクトルの制御がで
きる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の実施例を図１および図３に基づ
いて説明する。

【００１２】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、及びウォータ
ーロッド１９から構成されている。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。ウォーターロッド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１３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
複数配置され、燃料棒１１、及びウォーターロッド１９
の相互間の間隙を適切に保持する。燃料スペーサ１６の
軸方向の位置はウォーターロッド１９によって保持され
る。チャンネルボックス１７は、上部タイプレート１２
に取り付けられ、燃料スペーサ１６で保持された燃料棒
１１の束の外周を取り囲んでいる。このチャンネルボッ
クス１７にはスペーサ２２によって支持された内壁２０
と外壁２１によって間際２７が形成されている。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及びウォーターロッ
ド１９の下端部を支持している。燃料棒１１は、図２に
示すように上部端栓４６及び下部端栓４７にて両端が密
封された被覆管４５内に多数の燃料ペレット４８を装架
したものである。ガスプレナム４９が、被覆管４５内の
上端部に設けられている。ウォーターロッド１９の直径
は燃料棒１１の外径より大きく、燃料集合体１０の横断
面の中央部に配置されている。

【００１３】本発明の特徴であるチャンネルボックス１
７の詳細構造を図４により説明する。チャンネルボック
ス１７は、四角筒の内壁２０、Ｎ−Ｎ側の２面に設けら
れた外壁２１、スペーサ２２、上端カバー２４及び下端
カバー２５から構成される。チャンネルボックス１７の
内壁２０、外壁２１から構成される間隙２７のチャンネ
ルボックス１７の上下端は、カバー部２４，２５にて封
じられている。冷却材上昇流路２７は下部に冷却材入口
２９を有し、内壁２０を通して下部タイプレート１３の
燃料棒支持部１４上方の燃料束内の冷却材流路の冷却材
をＬ字状部に取り入れる。

【００１４】冷却材上昇流路２７は上部タイプレート１
２よりも下方の位置で内壁２０の吐出口３２を通して燃
料束内の冷却材流路に開口している。ここで、吐出口３
２の軸方向位置は、燃料棒１１内の燃料ペレット４８の
充填されている上方のガスプレナム４９の位置であるこ
とが望ましい。

【００１５】ウォーターロッド１９の詳細構造を図５に
より説明する。ウォーターロッド１９は、内管３５、外
管３６、スペーサ３７からなる。内管３５はスペーサ３
７によって保持され、外管３６の上端は端栓３８で封じ
られており、端栓３８は上部が上部タイプレート１２内
に挿入され保持されている。内管３５の上端は端栓３８
の下面との間に隙間を有するか、もしくは上端の側面に
開口を有し、内管内の流路４０（冷却材上昇流路）と環
状部の流路４１（冷却材下降流路）とを結ぶ。スペーサ
３７は環状部の冷却材下降流路４１を確保できる様に開
口部を有している。外管３６の下端は燃料棒支持部１４
より上方に位置する環状端３９で封じられており、下部
に冷却材吐出口４３を有する。内管３５の下端は下部タ
イプレート１３の燃料棒支持部１４を貫通して空間１５
に開口する冷却材流入口４２を有する。

【００１６】燃料集合体を炉心に装架するとき、チャン
ネルボックスの部分２重構造の面を、図９に示すように
Ｎ−Ｎ側で互いに接するように装架する。このとき燃料
集合体の上部にＷ−Ｗ側とＮ−Ｎ側を区別する様上部タ
イプレートに表示機能を持たせ、また下部タイプレート
にも炉心支持格子（または支持金具）との噛み合わせ部
に誤装架防止機構を持たせても良い。

【００１７】本実施例の燃料集合体をＢＷＲの炉心に装
架して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１３の燃料棒支持部１４に設けられた貫通口（
図１中では省略）を通って燃料棒１１の間の冷却水流路
に導かれる。下部タイプレート１３の空間１５に流入し
た冷却水の残りはウォーターロッド１９の冷却材流入口
４２から冷却材上昇流路４０内に流入し、さらに下降流
路４１を介して吐出口４３から燃料棒支持部１４より上
方の位置の冷却水流路に吐出される。燃料棒１１の間の
冷却水流路に導かれた冷却水の一部はチャンネルボック
ス１７の冷却材入り口２９を通り、チャンネルボックス
１７の冷却材上昇流路２７に入り、吐出口３２から上部
タイプレート１２より下方に位置する燃料棒１１の間の
冷却水流路に戻される。

【００１８】本発明の部分二重壁チャンネルボックスの
Ｌ字状流路の機能を図７〜図１０を使って説明する。入
り口２９と吐出口３２の穴径共に小さく設定してあり、
原子炉停止時には流路２７に充満している非沸騰の水は
、原子炉出力が上昇すると熱伝導とガンマ線による加熱
により蒸気ボイドが発生する。発生した蒸気は出口３２
から出るが、その部分での流路抵抗が大きいため蒸気は
流路２７の中に充満し、出入口間の差圧と水頭がバラン
スするまで液面をどんどん押し下げることになる。その
結果流路２７はほぼ蒸気で満たされる。

【００１９】原子炉の出力運転中のウォーターロッドま
たはウォータークロス内のボイド率及びチャンネルボッ
クスの二重壁部内のボイド率と、燃料集合体の冷却材流
量の関係が図６のようになるようウォーターロッドまた
はウォータークロスの冷却材入り口、吐出口、流路の流
動特性を設定することにより、炉心の冷却材流量の制御
を行うことによってボイド率の制御を行い、原子炉の出
力制御及びスペクトルシフト運転を行うことができる。

【００２０】このように運転時と停止時とで、Ｎ−Ｎ側
の流路２７の状態が、蒸気充満あるいは非沸騰水充満の
ように大きな水の密度の差をつけられるので図１１の中
性子無限増倍率と水の密度依存性（水対燃料比で表示）
で示すように、本発明の燃料集合体は原子炉停止時に、
従来燃料集合体より過減速領域に移行することになる。 従って、原子炉停止時に従来燃料集合体より制御棒引き
抜き時のｋ∞の値が低下し、さらに制御棒挿入状態と引
き抜き状態のｋ∞の差が縮小するので炉停止余裕が増加
する。これは本発明の燃料集合体のＮ−Ｎ側にとっては
原子炉停止時にＬ字状冷却材流路を新しく導入したこと
により、そこに水の中性子吸収体が挿入されたことにな
り、制御棒の機能の一部を代替していることになる。

【００２１】図１２に示す燃料集合体１０ａは、図３に
示したウォーターロッド１９を１本有する例と異なり前
記ウォーターロッド１９が２本の例である。図１３は十
字形のウォーターロッド１９ａを有する燃料集合体１０
ｂの例である。図１４は角形のウォーターロッド１９ｂ
を有する燃料集合体１０ｃの例である。なお、図１２か
ら図１４において図１５に示したウォーターロッドと同
様の部分には同一の符号を付し、その構成の説明は省略
する。図１５はウォーターロッドの替わりにウォーター
クロス５０を有した例である。この例では、チャンネル
ボックス１７ａは燃料支持部１３ｂ（図１６参照）と結
合され、４個の小燃料束がウォータークロス５０とチャ
ンネルボックス１７ａで囲まれた空間に配され、燃料支
持部１３ｂの上に下部タイプレート１３ａが載る構造で
ある。４枚のＬ形板材５１とチャンネルボックス内壁２
０とで囲まれた部分の冷却材流路５３，５４が前記のウ
ォーターロッドと同じ働きをする。ウォータークロス５
０の上下端部は封じられており、冷却材流路区画スペー
サ５２の上端は流路５３と５４を連絡する様にウォータ
ークロス上端カバー材（図示せず）との間に間隙を有し
、スペーサ５２の下端はウォータークロス下端カバー材
（図示せず）に接し、流路５３と５４を分離している。 冷却材上昇流路５３の下端側壁に設けられた開口（図１
６参照）から冷却水を取り込み、流路５３を上昇して上
端で反転して流路５４を下降し、燃料棒支持部１４ａ（
図１６参照）より上方で小燃料束の流路に冷却水を導く
よう開口（図示せず）を設ける。このウォータークロス
を有する燃料集合体においてもウォータークロス５０の
流動特性を図６の曲線Ｃの様な特性と一致させることに
より、同様な炉心流量によるスペクトルシフト効果を得
ることができる。

【００２２】なおこれまでに示した実施例では、ウォー
タークロス、ウォーターロッドはスペクトルシフト効果
の大きい構造としているが、従来の様に内部が冷却材上
昇流路のみで、上端近傍で吐出する構造でも良い。この
場合スペクトルシフト効果が小さくなる。

【００２３】図１７に従来燃料集合体よりも燃料束全体
の大きさを２０％以上大きくした場合の本発明の一実施
例を示す。この例は燃料束全体を６×６の小燃料束に分
割し、ウォータークロスを有するチャンネルボックに挿
入する構造である。６×６燃料束の中には２本のウォー
ターロッドを備えている。制御棒と反対側（Ｎ−Ｎ）の
チャンネルボックスの２面に本発明の特徴であるＬ字状
の流路が設けてある。この流路の存在により、従来の燃
料集合体よりも制御棒中性子吸収領域の割合が低下して
炉停止余裕が悪化するのをＮ−Ｎ側に過減速領域を設け
ることにより防いでいる。その結果燃料集合体の大型化
により、燃料交換作業における効率が向上する。

【００２４】図２０〜図２３は本発明の部分二重チャン
ネルボックスをＭＯＸ燃料とＵＯ２燃料の混合装架炉心
に適用した場合の実施例である。ＭＯＸ燃料集合体のチ
ャンネルボックスは、冷却材入り口２９及び吐出口３２
の径を大きくして、８０％炉心流量以上でＬ字状部の流
路のボイド率を５％以下にし、ＵＯ２燃料集合体のチャ
ンネルボックスは冷却材入り口２９及び吐出口３２の径
を小さくして８０％炉心流量で環状部の流路のボイド率
を約９０％にして炉心に装架する。冷却材吐出口３２及
び４３から吐出される冷却水は、冷却材入り口２９及び
４２から流入する冷却水の流量の多少に応じて液相また
は蒸気相となる。本実施例ではチャンネルボックスＬ字
状部内のボイド率については、図１９曲線Ａ、Ｂに示す
ように炉心流量８０％でそれぞれ約９０％、約５％にな
るよう入り口２９、吐出口３２及び流路２７の仕様が決
めてある。曲線ＡがＵＯ２燃料用、曲線ＢがＭＯＸ燃料
用のチャンネルボックスＬ字状部の流動特性を示す。ま
たウォーターロッドまたはウォータークロス内のボイド
率については、図１９曲線Ｃに示すように炉心流量１１
０％で約５％になるよう入り口４２、吐出口４３及び流
路４０，４１の仕様が決めてある。このように、ＭＯＸ
燃料とＵＯ２燃料にチャンネルボックスＬ字状部流路２
７の流量‐ボイド率特性の異なったチャンネルボックス
を使用して炉心に装架する。

【００２５】本実施例の燃料集合体をＢＷＲの炉心に装
架した場合の効果をＢＷＲの運転の炉心出力、炉心流量
の特性例で説明する。１００％定格出力を炉心流量８０
−１１５％の間で確保する例を説明する。運転サイクル
の大半の期間（約７０−８０％）、炉心流量を８０％に
保ち、制御棒による反応度調整で燃料の燃焼による反応
度変化に対応する。全制御棒を炉心から全引き抜きして
も定格出力が維持できなくなった時点から炉心流量を増
加させ、サイクル末で最大炉心流量の１１５％にする。 従って、サイクル運転中ＭＯＸ燃料集合体のチャンネル
ボックス１７のＬ字状流路２７ではボイドが発生せず、
中性子エネルギースペクトルを柔らかくし、ボイド反応
度係数の絶対値を減少させる。これに対して、８０％定
格炉心流量で運転するサイクルの大半の期間ＵＯ２燃料
集合体のチャンネルボックス１７のＬ字状流路２７では
ボイドが発生し、中性子エネルギースペクトルを硬くし
、Ｌ字状部の流路２７による中性子の吸収を減少させる
。またＵＯ２、ＭＯＸ燃料集合体共に炉心流量１００％
以下のサイクル大半の期間（約８０％以上）に亘ってウ
ォーターロッド１９またはウォータークロスの内部にボ
イドが生じており、中性子の減速効果を抑制してプルト
ニウム２３９の生成を促進する。またＭＯＸ燃料集合体
のＬ字状部流路２７のボイド率はウォーターロッドの流
路４０，４１またはウォータークロスの流路５３，５４
のボイド率と同様に、低炉心流量時にボイド率が増加す
るので、従来のチャンネルボックス内の燃料棒１１の周
囲の冷却材ボイド率の変化のみによる流量制御曲線より
傾きが急となり、原子炉の出力制御に好適である。

【００２６】このように、チャンネルボックスのＬ字状
部の冷却水流路の流量‐ボイド率特性をＵＯ２燃料とＭ
ＯＸ燃料で異なる様に設計すれば、炉心の燃料集合体ピ
ッチをＭＯＸ燃料の水対燃料比で最適化した場合もＵＯ
２燃料を炉心に装架しても中性子経済が悪くならない。 特に使用済み核燃料の再処理によって得られるＰｕの蓄
積が多くなってきて、軽水炉での利用が必要になるとき
には、ＭＯＸ燃料の炉心への装架量に関係なく、ボイド
反応度係数が一定であることが炉心特性上望ましい。Ｂ
ＷＲでは炉心内のボイドが潰れて正の反応度が印加され
る様な圧力上昇過渡が炉心の過渡特性を決める代表的事
象となっており、重要である。本発明の炉心では、ＭＯ
Ｘ燃料のボイド反応度係数はＵＯ２燃料と同等であり、
ＭＯＸ燃料の炉心への装架量には制限は生じない。また
、圧力上昇過渡時にはＵＯ２燃料集合体のチャンネルボ
ックス内Ｌ字状部のボイドが潰れて、ＵＯ２燃料は過減
速状態に移行または接近するので正の反応度の印加量が
減少する効果がある。またこのようにＭＯＸ燃料集合体
のボイド反応度係数の絶対値を緩和した炉心において、
ウォーターロッドまたはウォータークロスのスペクトル
シフト効果を組み合わせることにより、Ｐｕ２３９の蓄
積有効利用が図れて燃料経済性を向上することができる
。本発明によれば、単純な構造でＭＯＸ燃料集合体とＵ
Ｏ２燃料集合体のボイド反応度係数が接近するよう制御
ができる燃料集合体を提供できる。またこの構造のＭＯ
Ｘ燃料集合体とＵＯ２燃料集合体を使用する事により、
炉心のボイド反応度係数がＭＯＸ燃料集合体の装荷体数
にほとんど依存しない良好な炉心を構成する事ができる
。また本発明は約−２から−３＄／ｒｖ（％）の低ボイ
ド反応度係数となるよう、ＭＯＸ燃料集合体に対して、
ウォーターギャップ幅を最適化した炉心に、ＵＯ２燃料
集合体を装架した場合、ＵＯ２燃料にとって過減速状態
となり中性子経済が劣化するのを防止する事ができる。 さらに、スペクトルシフト効果を有するウォータークロ
スまたはウォーターロッドと組み合わせることにより、
低ボイド反応度係数の炉心でもＰｕ２３９の有効利用が
できる。

【００２７】図２０はアイランド型ＭＯＸ燃料集合体を
Ｎ−Ｎ側で４体集めて炉心に装架する例である。アイラ
ンド型でなく全燃料棒にＭＯＸ燃料を充填した全ＭＯＸ
型燃料集合体でも良い。図中ＰはＭＯＸ燃料棒を示す。

【００２８】図２１はＮ−Ｎ側の燃料棒をＭＯＸ燃料と
して４体のＭＯＸ燃料集合体をＮ−Ｎ側に集めて炉心に
装架する例である。これにより、ＭＯＸ燃料棒領域の中
性子エネルギースペクトルが硬くなるのをＮ−Ｎ側のＬ
字状流路部で緩和し、制御棒側はＵＯ２燃料棒のみとし
て制御棒価値の低下を防止している。また、燃料集合体
間のスペクトルミスマッチを緩和する装架法である。

【００２９】図２２、図２３は燃料集合体を４個の小燃
料束に分割した燃料集合体における実施例である。ＭＯ
Ｘ燃料棒は、ＵＯ２燃料棒と異なる工場または同一工場
内でも別個に分離された製造ラインで制作される。従っ
て、ＭＯＸ燃料束として輸送等の取扱いが単独にできた
ほうが取扱上効率的である。そこで、小燃料束単位でＵ
Ｏ２燃料とＭＯＸ燃料を製作し、最後に大型燃料集合体
として組み立てる。その時、制御棒価値の低下を防止し
、またＭＯＸ燃料による中性子エネルギースペクトルの
硬化を防止する為、ＭＯＸ燃料の小燃料束をＮ−Ｎ側の
流路２７に面した位置にのみ挿入する。また、そのよう
な燃料集合体をＮ−Ｎ側に４体集めて炉心における隣接
燃料集合体間のスペクトルミスマッチを小さくすること
も考えられる。図２２、図２３で、一点鎖線で囲まれた
領域がＭＯＸ燃料の小燃料束を挿入する領域である。 図２３の例では、Ｌ字状の流路が３領域に分割されＮ−
Ｎ側のコーナーの領域のみ流動特性が図１９の曲線Ｂに
設定し、両側が曲線Ａに設定されている例である。

【００３０】図２４、図２５はチャンネルボックスの部
分二重壁の流路が上下２領域に分割され、下部は出力運
転中は蒸気が充満し、上部は前述の様にＭＯＸ燃料に対
しては図１９の曲線Ｂの流動特性を有し、ＵＯ２燃料に
対しては曲線Ａの流動特性を有する場合である。図２４
がＭＯＸ燃料、図２５がＵＯ２燃料を示す。ＢＷＲの燃
料集合体では軸方向にボイド分布が存在するのでＭＯＸ
燃料に対して水対燃料比を最適化しても軸方向下部は過
減速状態になるという欠点が、この例では改善される。

【００３１】なお本発明では、チャンネルボックスのＬ
字上流路２７に出力運転時蒸気を充満させる場合、冷却
材の出入口をチャンネルボックスの内壁に設けているが
、出入口の差圧を小さくして蒸気の充満をより確実にす
るには、両方の穴を外壁２１とした方が好適である。

【００３２】本発明ではＵＯ２燃料集合体のチャンネル
ボックスのＬ字状部に冷却水を流すことにしているが、
密封して空洞にする事も考えられる。しかし、空洞にす
ると常温常圧から高温高圧（約２９０度Ｃ、７０気圧）
までの環境変化に対して空洞形状を維持するのは難しい
ので、本発明の様に冷却材を流して差圧を小さくする方
が好適である。

【００３３】図２６、図２７は本発明と同様の機能を有
する変形のウォーターロッドをＮ−Ｎ側の燃料束の側面
に配した例である。このようにすると燃料に構造材が増
すという欠点が考えられる。しかし、ＭＯＸ燃料とＵＯ
２燃料でＮ−Ｎ側の水の量を変えるに当たって、これま
での例ではチャンネルボックスと燃料の誤った組み合わ
せトラブルの発生が考えられるが、燃料束側に一体とし
て組み込むことによりそれが防止できるという利点があ
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば従来燃料集合体より制御
棒引き抜き時のｋの値が低下し、さらに制御棒挿入状態
と引き抜き状態のｋの差が縮小するので炉停止余裕が増
加する。　　また本発明によれば従来燃料集合体よりも
燃料束の大きさを２０％以上大きくした場合でも、この
Ｌ字状流路の存在により、従来の燃料集合体よりも制御
棒中性子吸収領域の割合が低下して炉停止余裕が悪化す
るのを、Ｎ−Ｎ側に過減速領域を設けることにより防い
でいる。その結果燃料集合体の大型化により、燃料交換
作業における効率が向上する。

【００３５】本発明によれば、単純な構造でＭＯＸ燃料
集合体とＵＯ２燃料集合体のボイド反応度係数が接近す
るよう制御ができる燃料集合体を提供できる。またこの
構造のＭＯＸ燃料集合体とＵＯ２燃料集合体を使用する
事により、炉心のボイド反応度係数がＭＯＸ燃料集合体
の装架体数にほとんど依存しない良好な炉心を構成する
事ができる。

【００３６】また本発明は約−２から−３＄／ｒｖ（％
）の低ボイド反応度係数となるようＭＯＸ燃料集合体に
対してウォーターギャップ幅を最適化した炉心に、ＵＯ
２燃料集合体を装架した場合、ＵＯ２燃料にとって過減
速状態となり中性子経済が劣化するのを防止する事がで
きる。さらに、スペクトルシフト効果を有するウォータ
ークロスまたはウォーターロッドと組み合わせることに
より低ボイド反応度係数の炉心でもＰｕ２３９の有効利
用ができる。

【００３７】また本発明によれば、ＢＷＲの燃料集合体
では軸方向にボイド分布が存在するので、ＭＯＸ燃料に
対して水対燃料比を最適化しても、軸方向下部は過減速
状態になるという欠点が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な１実施例である燃料集合体の縦
断面図。

【図２】図１に示された燃料棒の部分断面図。

【図３】図１のＡ−Ａ断面図。

【図４】図１のチャンネルボックスの詳細図。

【図５】図１のウォーターロッドの詳細図。

【図６】原子炉出力運転時の燃料集合体の冷却材流量と
ウォーターロッド、ウォータークロスまたはチャンネル
ボックスＬ字状流路内のボイド率の関係を示す特性図。

【図７】原子炉出力運転時と停止時のチャンネルボック
スのＬ字状流路の冷却材の相変化を示す図。

【図８】原子炉出力運転と停止時のチャンネルボックス
のＬ字状流路の冷却材の相変化を示す図。

【図９】原子炉出力運転と停止時のチャンネルボックス
のＬ字状流路の冷却材の相変化を示す図。

【図１０】原子炉出力運転と停止時のチャンネルボック
スのＬ字状流路の冷却材の相変化を示す図。

【図１１】本発明の炉停止余裕の改善を説明するｋと水
対燃料比の関係図。

【図１２】燃料集合体の他の実施例を示す断面図。

【図１３】燃料集合体の他の実施例を示す断面図。

【図１４】燃料集合体の他の実施例を示す断面図。

【図１５】燃料集合体の他の実施例を示す断面図。

【図１６】図１５の縦断面図。

【図１７】本発明を従来燃料より大型化した燃料集合体
に適用した図。

【図１８】従来の燃料集合体における制御棒の中性子吸
収領域を示す図。

【図１９】燃料集合体の冷却材流量とチャンネルボック
スＬ字状流路、ウォータークロス及びウォーターロッド
内のボイド率の関係を示す図。

【図２０】ＭＯＸ燃料集合体構成と炉心への装架例を示
す図。

【図２１】ＭＯＸ燃料集合体構成と炉心への装架例を示
す図。

【図２２】ＭＯＸ燃料集合体構成と炉心への装架例を示
す図。

【図２３】ＭＯＸ燃料集合体構成と炉心への装架例を示
す図。

【図２４】ＭＯＸ燃料集合体、ＵＯ２燃料集合体に対し
て軸方向２領域のチャンネルボックスＬ字状流路を適用
した場合の作用説明図。

【図２５】ＭＯＸ燃料集合体、ＵＯ２燃料集合体に対し
て軸方向２領域のチャンネルボックスＬ字状流路を適用
した場合の作用説明図。

【図２６】燃料集合体の他の実施例を示す断面図（チャ
ンネルボックスのＬ字状流路と同等の側面ウォーターロ
ッドを有する例）。

【図２７】燃料集合体の他の実施例を示す断面図（チャ
ンネルボックスのＬ字状流路と同等の側面ウォーターロ
ッドを有する例）。

【図２８】従来の燃料集合体の縦断面図。

【図２９】ウォータークロスを有する従来燃料集合体の
横断面図。

【符号の説明】

６　　制御棒 １０　　燃料集合体 １０（ａ−ｄ）　　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 １３ａ　　下部タイプレート １３ｂ　　燃料支持部 １４　　燃料棒支持部 １４ａ　　燃料棒支持部 １７　　チャンネルボックス １７ａ　　チャンネルボックス １９　　ウォーターロッド １９（ａ、ｂ）　　ウォーターロッド ２０　　チャンネルボックス内壁 ２１　　チャンネルボックス外壁 ２７　　冷却材上昇流路 ２９　　冷却材入り口 ３２　　冷却材吐出口 ３５　　内管 ３６　　外管 ４０　　冷却材上昇流路 ４１　　冷却材下降流路 ４２　　冷却材入り口 ４３　　冷却材吐出口 ５０　　ウォータークロス ５３　　冷却材上昇流路 ５４　　冷却材下降流路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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下端部が下
   部タイプレートに保持され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ウ
   ォーターロッドとを有し、これらが冷却材流路を構成す
   る角筒状のチャンネルボックス内に収容されている原子
   炉の燃料集合体において、前記チャンネルボックスが四
   角筒の形状で隣合う２面が二重構造よりなるＬ字状の冷
   却材流路を有し、前記ウォーターロッドが、燃料棒支持
   部よりも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
   燃料棒支持部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
   流れ方向とは逆に下方に冷却材を導く冷却材下降流路と
   を備えていることを特徴とする燃料集合体。