JPH0611588A

JPH0611588A - 原子炉燃料集合体

Info

Publication number: JPH0611588A
Application number: JP4170944A
Authority: JP
Inventors: Toru Mitsutake; 徹光武
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1994-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】狭・広２種類の燃料棒ピッチを設けた燃料集合
体において、核分裂性核種濃度が小さく、あるいは可燃
性毒物を混入した燃料ペレットを介在領域として所定位
置に設けて、冷却材流量分布の偏りによって生じる熱的
限界出力の低下を防止し、熱的余裕の大きな燃料集合体
を提供する。【構成】燃料棒４を少数本束ねた小単位17を、隣接した
小単位17の燃料棒４との中心間の距離が小単位内の燃料
棒間の距離より大きくなるように複数組配置すると共
に、間隔保持の燃料スペーサ８を軸方向に複数配設した
燃料集合体において、燃料スペーサ８の端部から冷却水
上流方向に位置する燃料ペレットの出力を低減させた介
在領域32を配設したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水減速原子炉の燃料集
合体に関し、熱的余裕度を大幅に改良すると共に、炉停
止余裕を改良した燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）で用い
られている燃料集合体の横断面図で、燃料集合体１は正
方形のチャンネルボックス２の中心部に水ロッド３を２
本配置し、その周囲に多数の燃料棒４を全体として正方
格子状に配置している。

【０００３】チャンネルボックス２内を流れる冷却材は
下部よりチャンネルボックス２内を上昇すると共に燃料
棒４により加熱され、沸騰して液相と気相からなる気液
二相流となって上部へ通過する。その際に気相は主とし
て、燃料棒４間の比較的広い流路中を流れ、液相は一部
が気相に随伴して流れ、その一部は燃料棒４の表面を流
れる。なお、符号５は制御棒を示す。

【０００４】燃料棒４の表面を流れる液相が減少する
と、燃料棒４の表面熱伝達率が低下して（沸騰遷移開
始）、過熱（バーンアウト）が起こる恐れがある。燃料
集合体１の熱的限界は図９に示す沸騰曲線６で示すよう
に、核沸騰領域Ｈ1 から遷移沸騰領域Ｈ2 に移行すると
きの熱流束を限界熱流束（ｑＣＨＦ）と定義する。

【０００５】通常運転中の沸騰モードは核沸騰領域Ｈ1
であり、この領域は安定した状態であって、燃料棒（被
覆管）表面温度は冷却材の飽和温度より数度高い程度の
温度で一定に保たれる。

【０００６】一方、バーンアウト点Ａを越えると、燃料
棒表面温度と冷却材飽和温度との差（過熱度）が次第に
大きくなり、熱伝達が不安定な沸騰状態になる。このバ
ーンアウト点Ａは実際に燃料棒４の被覆管の熱的破損に
結びつく限界点ではないが、燃料棒４としては、通常運
転および単一故障の過渡変化中においても許容されない
沸騰領域である。

【０００７】このバーンアウト点Ａは、圧力、冷却材流
量、燃料集合体の形状、軸方向出力分布、核燃料の出力
分布等のパラメータに依存することが実験的に知られて
いる。またバーンアウトが発生する軸方向位置は、ボイ
ド率の高い領域に配設した図示しない燃料スペーサの下
端から上流側に１〜３cm以内の範囲に限定されることが
知られている。

【０００８】この原因としては、図10の燃料スペーサ要
部拡大断面図に示すように、燃料棒４、４間の環状流路
を上昇してきた冷却材７は、燃料スペーサ８の流動抵抗
にあって燃料棒４側に乱れを生じ、この乱れの渦９によ
り燃料棒４の表面に付着形成されていた液膜流10の一部
が剥離し、この剥離部位の熱伝達率が低下するためと考
えられている。

【０００９】この図10において、燃料スペーサ８の上流
側の幅Ｄに相当する領域がバーンアウト発生領域11であ
る。なお、バーンアウトが発生する軸方向位置は、通常
の軸方向出力分布では燃料棒４内の燃料ペレット充填部
分である有効発熱部の、上端から３番目までに配設した
３ヶ所の燃料スペーサ８の上流側である。

【００１０】しかしながら、この有効発熱部の上部およ
び下部に、天然ウランや減損ウラン等からなるブランケ
ット部を設けた燃料集合体では、ブランケット部での燃
焼初期の熱出力が極端に低いため、ブランケット部の燃
料スペーサ８の上流側ではバーンアウトが生じることは
ないと考えられており、この場合には、ブランケット部
を除く有効発熱部の上端から３番目までの３ヶ所の燃料
スペーサ８の上流側でバーンアウトが発生すると考えら
れる。

【００１１】バーンアウト発生時の限界熱流束（ｑＣＨ
Ｆ）と限界蒸気クォリティ（Ｘｃ）との関係は、図11の
特性図の実線12で示すように、一般に蒸気クォリティが
増加すると小さな表面熱流束でバーンアウトが生じるこ
とが分かる。逆に表面熱流束を低く抑制すると、比較的
大きな蒸気クォリティになってバーンアウトが生じ難く
なることが分かる。

【００１２】このようなバーンアウト発生限界状態は、
上記図10に示すように燃料スペーサ８の下端から上流側
下方へ幅Ｄのバーンアウト発生領域11と、それ以外の領
域とで異なり、燃料スペーサ８の直上流ではそれ以外の
領域に比べて限界熱流束が極端に小さい。従って図４の
特性図における点線13で示すように、限界熱流束比（Ｃ
ＨＦＲ）の軸方向分布（ＣＨＦＲ（ｚ））は、次の式
(1) で表すように燃料スペーサ８の直上流位置で極小と
なる分布を示す。

【００１３】ＣＨＦＲ（ｚ）＝ｑＣＨＦ（ｚ）／ｑ（ｚ）…(1) 従って、燃料集合体当たりの運転出力を上げるために
は、熱的限界出力の高い燃料集合体設計が求められてお
り、ハード設計（燃料スペーサ、燃料棒等）および、ソ
フト設計（燃焼計画等）の目的の一つとなっている。

【００１４】炉心設計において用いられる熱的余裕を表
す設計指標として現在用いられているものは、最小限界
出力比（ＭＣＰＲ）があり、次の式(2) で定義される。

【００１５】最小限界出力比＝集合体熱的限界出力／運
転時の集合体出力 …(2) 炉心設計に依存するパラメータの中で、熱的限界出力に
影響をおよぼすものには下記の３点が考えられる。

【００１６】(1) 燃料集合体内の流量分布 (2) 燃料棒表面熱流束 (3) 軸方向・径方向出力分布。

【００１７】ここで、(1) の燃料集合体内の流量分布
は、燃料棒出力に反比例、燃料棒４周囲の冷却材流路面
積に比例し、また燃料スペーサ８の構造によって強制的
な横流れを生じさせることで、流量分布をコントロール
することも考えられている。(2)の燃料棒表面熱流束
は、燃料棒表面熱流束の低下により熱的限界出力が増加
することが知られており、燃料棒加熱ぬれ縁長さの増加
や、線出力密度の低下等が考慮され、燃料棒４の細径
化、燃料棒本数の増加が考えられている。

【００１８】(3)の軸方向・径方向出力分布について
は、それぞれの平坦化により限界出力が増加することが
知られており、燃料集合体内の濃縮度分布の調整、水ロ
ッドの導入、可燃性毒物の付加などが考えられている。
さらに、冷却材側からの熱伝達性能の向上、特に沸騰遷
移開始直前の燃料棒表面熱流束（限界熱流束）を増加す
る目的で、冷却材混合による燃料棒表面への液相の供給
を増すために冷却材をコントロールする方法が考案され
ている。

【００１９】例えば特公平2- 44289号公報には、燃料棒
４の冷却に使われる冷却材７の割合を増加して冷却効率
を増加させるため、燃料棒４の冷却に寄与していないチ
ャンネルボックス２の内表面を流れる液相を燃料棒４に
振り向ける作用を有するフロートリッパをチャンネルボ
ックス内壁に設けることが開示されている。

【００２０】近年、軽水減速型原子炉においては、原子
力プラントの運転コスト低減のために長期サイクル運転
と、これを実現するための燃料集合体の経済的燃焼方法
が検討されており、また経済性の向上に伴う炉心運転特
性への影響を軽減するための燃料の改良が必要とされて
いる。

【００２１】一般に水減速型原子炉、例えば沸騰水型原
子炉（ＢＷＲ）で用いられている燃料集合体では、炉心
の実効増倍率ｋ_effは四因子公式を用いて、次の式(3)
のように表すことができる。

【００２２】ｋ_eff＝ε・η・ｆ・ｐ・Ｐ_L …(3) ここで、ε：高速中性子の核分裂効果、η：再生率、
ｆ：熱中性子利用率、ｐ：共鳴を逃れる確率、Ｐ_L：炉
心から中性子が漏れる割合。

【００２３】図８に示す水ロッド３は、その内部に非沸
騰水を貫流させて、この水の中性子減速効効果により、
燃料集合体１の中央部における熱中性子束の低下を緩和
し、熱中性子利用効率を向上させて、上記実効増倍率を
大きくする役割を果たしている。

【００２４】この燃料の効率的燃焼を実現するために
は、例えば、水ロッド３の本数を増やしたり、水ロッド
径を大きくする等して、水ロッド３の断面積を大きくす
る手段が検討されている。すなわち、水ロッド３の断面
積を大きくすることにより、炉心内のＨ／Ｕ比（水素原
子対核分裂性ウラン原子）を増して中性子の減速（熱
化）を効果的に行わせ、中性子の増倍率を高めようとす
るものである。

【００２５】例えば、図12の横断面図に示すように、チ
ャンネルボックス２内に細径の燃料棒４を９行９列の正
方格子形状に配列し、このチャンネルボックス２内の横
断面中央部に配置されるべき９本の燃料棒４の代わり
に、１本の太径水ロッド14を配置した構成の燃料集合体
15が検討されている。ところで上記したように、水ロッ
ドの断面積を増し、燃料棒ピッチを小さくしていくと、
冷却材の分布は燃料棒と水ロッド周囲で異なり、水ロッ
ドの周囲に多くの冷却材が集まる傾向を示すようにな
る。

【００２６】この図12に示したような格子配列では、上
記したように燃料の効率的燃焼の観点からは良い特性を
持つものの、冷却材が太径水ロッド14周辺に集り、燃料
棒４の冷却に寄与し難い構造となるため、燃料棒４の効
果的冷却の観点からは良い構造とはいえなかった。

【００２７】また、このような傾向は、燃料棒を狭・広
２種類の燃料棒ピッチＰ₁、Ｐ₂を採用して配列させ
た、例えば図13の横断面図に示す燃料集合体16のよう
に、燃料棒４の３行３列を小単位17とし、この小単位17
をチャンネルボックス２内に８組収容した構成として、
チャンネルボックス２の断面中央部に小単位17に相当す
る大きさの太径水ロッド14を配置した構成としている。

【００２８】この燃料集合体16では、燃料棒４がピッチ
の広い流路、特に太径水ロッド14の対角位置の比較的大
きな流路面積の部分18に冷却材が集まるため、他の燃料
棒ピッチの狭い流路では冷却材流量が減少し、熱的限界
出力が図８および図12に示した従来の均一格子配列の燃
料集合体１，15に比べて低下すると考えられる。

【００２９】冷却材流量が減少し、熱的限界出力が低下
する燃料棒４の位置は、外周端に近い４つの小単位17の
内部に位置する燃料棒４ａおよび、ピッチが小さく流路
と遠い位置にある角の燃料棒４ｂの計８ヶ所である。

【００３０】燃料集合体の断面内を上記図８に示したよ
うに、燃料棒４間の間隙が最少になる点でサブチャンネ
ル19（副流路）に分割し、近似式を得るため、サブチャ
ンネル19を流れる単位面積当りの冷却材流量Ｇ_iのプロ
フィールが、単相部のΔＰが等しくなるように定まると
仮定する。

【００３１】すると、各サブチャンネル19の単位面積当
りの冷却材流量Ｇ_iは、単位面積当りの平均冷却材流量
Ｇ_aveを用いて、下記の式(4) 式により与えられる。

【００３２】Ｇ_i＝Ｆ_g＊Ｇ_ave …(4) なお、Ｆ_g＝［Ａ_tot＊（Ｄ_i）^1/2］／［ｎＡ（Ｄ_h）^1/2＋ｎ_WＡ_W（Ｄ_hW） ^1/2 ＋ｎ_cＡ_c（Ｄ_hc）^1/2＋ｎ_W/RＡ_W/R］ …(5) ここで、Ａ_tot：集合体流路断面積、Ａ_tot：ｎＡ＋ｎ
_WＡ_W＋ｎ_cＡ_c＋ｎ_W/RＡ_W/R、ｎ：内部サブチャン
ネルの数、ｎ_W/R：水ロッドに隣接するサブチャンネル
の数、ｎ_W：外周サブチャンネルの数（ｎ_cを除く）、
ｎ_c：コーナサブチャンネルの数である。

【００３３】またＤ_h：内部サブチャンネル水力直径、
Ｄ_W/R：水ロッドに隣接するサブチャンネル水力直径、
Ｄ_W：外周サブチャンネル水力直径（ｎ_cを除く）、Ｄ
_c：コーナサブチャンネル水力直径、Ａ：内部サブチャ
ンネル流路面積、Ａ_W/R：水ロッドに隣接するサブチャ
ンネルの流路面積、Ａ_W：外周サブチャンネル流路面
積、Ａ_c：コーナサブチャンネル流路面積。

【００３４】但し、Ｄ_iは内部サブチャンネル、水ロッ
ドに隣接するサブチャンネル、外周、コーナー、それぞ
れのサブチャンネル水力直径を表す。従って、単位面積
あたりの流量Ｇ_iの分布は、サブチャンネル19でその水
力直径の平方根に比例することがわかる。

【００３５】図13に示す狭い燃料棒ピッチＰ₁の小単位
17のサブチャンネル19は、広い燃料棒ピッチＰ₂のサブ
チャンネル20に比べて、単位面積あたりの流量Ｇ_iが減
少することは前記式(5) より容易に推察される。一方、
燃料棒４の出力は、中性子の減速能の良いボイド率の少
ないアウトチャンネルに面した最外周の燃料棒４ｂで大
きくなる傾向がある。

【００３６】従って、流量分布と燃料棒出力分布の効果
で、小単位17の最外周である第１列と第９列の燃料棒で
は図14の特性図に示す点線21のように、他の第２列乃至
第８列の燃料棒に比べて熱的余裕が低下する傾向があ
る。

【００３７】

【発明が解決しようとする課題】燃料集合体の燃料の経
済的燃焼に伴う熱的限界出力の減少は、原子炉炉心の設
計余裕を少なくし、運転性の悪化につながる支障があ
る。また炉心の熱的余裕が小さな時期は燃料取り替え直
後であるため、熱的余裕の向上は燃焼初期が重要な時期
である。

【００３８】本発明の目的とするところは、狭・広２種
類の燃料棒ピッチを設けた燃料集合体において、核分裂
性核種濃度が小さく、あるいは可燃性毒物を混入した燃
料ペレットを介在領域として所定位置に設けて、冷却材
流量分布の偏りによって生じる熱的限界出力の低下を防
止し、熱的余裕の大きな燃料集合体を提供することにあ
る。

【００３９】

【課題を解決するための手段】核分裂性核種を含有する
多数の燃料ペレットを被覆管内に充填した複数の燃料棒
を配設し、前記燃料棒の中心間の距離を一定にして少数
本束ねて小単位を構成し、この小単位をそれぞれ別の小
単位に属する隣接した燃料棒の中心間の距離が当該小単
位内の隣接した燃料棒の中心間距離より大きくなるよう
に複数組配置し、これら燃料棒群を燃料棒相互の間隔を
保持する複数の燃料スペーサを燃料棒の軸方向に間隔を
置いて配設し、上端を上部タイプレート，下端を下部タ
イプレートで支持した燃料集合体において、燃料スペー
サ端部から冷却水の上流方向に位置する燃料ペレットの
出力を低減させた介在領域を配設したことを特徴とす
る。

【００４０】また(1) 介在領域は、他の位置に比較して
核分裂性核種の濃度を低減する。(2) 介在領域には、可
燃性毒物を混入する。(3) 介在領域は、他の位置に比較
して核分裂性核種濃度を低減すると共に、可燃性毒物を
混入する。(4) 介在領域は、燃料有効発熱部終端の燃料
スペーサから下部タイプレート方向に少なくとも３番目
の燃料スペーサ迄の各燃料スペーサの下端から下部タイ
プレート方向に配設する。(5) 介在領域の軸方向の長さ
は、燃料スペーサの下端に位置する燃料ペレットを含
み、下部タイプレート方向に５cmまでの範囲とする。
(6) 介在領域を設けた燃料棒は、少なくとも８本以上の
最外周燃料棒を含むものとする。

【００４１】

【作用】燃料棒の表面は、燃料スペーサの冷却水上流部
で燃料スペーサによる液膜破断によるバーンアウトが発
生し易いが、この位置において核分裂性核種濃度を低減
するか、あるいは可燃性毒物混入等による燃料出力が低
い介在領域を配設したので、その範囲における表面熱流
束が低下し、熱的余裕が大きくなり、バーンアウトの発
生が抑制される。また介在領域の長さを燃料スペーサの
下端から５cm迄の範囲とすれば、実験的に確認されたバ
ーンアウト発生の範囲が十分に包含される。

【００４２】さらに、介在領域の配設位置を発熱部終端
から、３番目迄の燃料スペーサの上流部としているた
め、それぞれの介在領域の表面熱流束が低下し、熱的余
裕が増大する。さらに、最小限界出力比が燃焼初期にお
いて比較的余裕が増大する。また介在領域の核分裂性核
種の濃縮度を低減し、可燃性毒物を混入したので、燃料
の寿命初期の熱的余裕が増加し、燃焼が進むにつれて可
燃性毒物による出力抑制効果がなくなって介在領域での
出力が回復する。

【００４３】

【実施例】本発明の一実施例について図面を参照して説
明する。なお、上記した従来技術と同じ構成部分につい
ては同一符号を付して詳細な説明を省略する。図１
（ａ）の一部切断縦断面図に示す燃料集合体30は核分裂
性核種としての濃縮ウランによる燃料ペレットを多数充
填した燃料棒４および燃料棒31を複数本配設し、この燃
料棒４，31相互の間隔を保持する燃料スペーサ８を配設
して、チャンネルボックス２で包囲すると共に、一部の
燃料棒31に、軸方向上部位置における核分裂性核種濃度
を低く設定し、また可燃性毒物を混入した介在領域32を
設けている。

【００４４】さらに、介在領域32の位置を当該燃料棒31
の有効発熱部で所定間隔に配設された燃料スペーサ８の
下端から下部タイプレート22方向に５cm迄の範囲を含む
ように構成される。また符号23は上部タイプレートを示
す。すなわち、図１（ｂ）の燃料構成図に示すように、
燃料棒４と、一部に介在領域Ｚ₁〜Ｚ₃を設けた燃料棒
31を配設している。

【００４５】この燃料棒31および燃料棒４相互の間隔を
保持する７個の燃料スペーサ８ａ，…８ｇを燃料棒４，
31の軸方向に所定間隔ｌをもって（点線位置）配設する
と共に、ボイド率が相対的に高くなる軸方向位置におい
て燃料棒31内の核分裂性核種濃度を低く設定した介在領
域Ｚ₁〜Ｚ₃を設けていて、この介在領域Ｚ₁〜Ｚ₃の
位置は、燃料棒31の有効発熱部に配設された３箇所の燃
料スペーサ８ａ，８ｂ，８ｃの下端から下部タイプレー
ト22方向に５cm迄の範囲を含むように設定して構成され
ている。

【００４６】また燃料棒31に設ける介在領域Ｚ₁〜Ｚ₃
は、燃料有効発熱部終端ＥＯＨの燃料スペーサ６ａから
下部タイプレート22方向に３番目に位置する燃料スペー
サ８ｃ迄の各燃料スペーサ８ａ，８ｂ，８ｃの下部にそ
れぞれ形成する。

【００４７】図２は燃料集合体の横断面図で、燃料棒４
および介在領域Ｚ₁〜Ｚ₃を含む燃料棒31ａ，31ｂの配
置、構成を示す。なお、燃料棒31ａ，31ｂを外周端（31
ｂ）とその対角線上の内側（31ａ）に８本配置した理由
は、上記式(4) ，(5) で表したように断面内の熱的余裕
がこの位置において相対的に低いことである。

【００４８】次に上記構成による作用について説明す
る。図３は本一実施例と従来例に係る燃料集合体の軸方
向出力分布を示す特性図であり、従来は点線24で示すよ
うな特性を呈していたものが、本発明では介在領域Ｚ₁
〜Ｚ₃における出力の低下により、燃料スペーサ８ａ〜
８ｃの上流位置において実線33のように、燃料スペーサ
８ａ〜８ｃの上流部のバーンアウトが発生し易い部分で
表面熱流束が低下する。

【００４９】ここで、燃料スペーサ８を有する燃料集合
体におけるバーンアウト発生条件は、前述したように燃
料スペーサ８が流動障害物として与える影響が支配的で
あり、その発生位置は燃料スペーサ８の上流側（下部タ
イプレート22側）の一定範囲に限定されている。

【００５０】すなわち、燃料棒31の表面の図10で示す液
膜流10が破断されて起こる熱伝達量の低下が最も大きな
原因である。従って、軸方向での限界熱流束比（ＣＨＦ
Ｒ）の分布は図４の特性図の点線13で示すように、燃料
スペーサ８ａ〜８ｃ下端で低下する。

【００５１】そこで、この液膜流10の破断要因をさらに
詳細に分析すると、次の５項目の要素メカニズムが考え
られる。（ａ）燃料スペーサによる液膜破断（ｂ）燃料棒表面における沸騰気泡による液膜発生（ｃ）燃料棒表面における沸騰による液膜蒸発（ｄ）蒸気主流からの液滴沈着（ｅ）蒸気主流と液膜流との相対運動による液滴発生。

【００５２】上記５項目のうち、前述の核分裂性核種濃
度を小さくした介在領域32を配設し、熱出力を調整する
ことによってコントロールすることが可能なものは項目
（ｂ），（ｃ）である。一方、項目（ｄ），（ｅ）は主
として燃料集合体の下部構造や内部構造等の物理的メカ
ニズムによって決定されるものと考えられる。そこで介
在領域32の熱出力の調整によって効果的に熱的余裕の増
加を図ることもできる。

【００５３】例えば項目（ｃ）の沸騰による液膜蒸発量
は、燃料棒の表面熱流束に比例するものであるが、この
熱流束を低減する目的で燃料棒内外面に中性子吸収体を
塗布するような方法（特開昭54- 112478号公報）を使用
し、熱流束値を無視できるほど小さくすることは、前述
の通り設計に対する制約が大き過ぎる上に、中性子経済
上必ずしも良い手段とはいえない。実際にも項目（ａ）
と（ｂ）との２要素のバランスによって液膜破断の条件
が決まっていると考えられる。

【００５４】そこで介在領域32の熱出力を表面核沸騰開
始表面熱流束以下に設定することにより、項目（ｂ）項
の燃料棒表面における沸騰気泡による液膜の破断が防止
されると共に、図４の実線34で示すように、軸方向位置
での限界熱流束比が大きく得られ、特に高質量流束条件
下で限界出力の増加を図ることができる。なお、表面核
沸騰開始熱流束ｑ_incは、例えば壁面加熱度ΔＴ_satを
用いて下記(6) 式で求められる。

【００５５】ｑ_inc＝λ₁Δｈｖ／８σＴｓ，Ｖｇ×（ΔＴ_sat）² …(6) ここで、ΔＴ_sat：被覆管表面温度Ｔｗと冷却材飽和温
度Ｔ_satとの差（Ｔｗ−Ｔ_sat）、λ₁：液相熱伝導
率、Δｈｖ：蒸発潜熱、σ：表面張力、Ｔｓ：飽和温
度、Ｖｇ：気相比容積。また壁面加熱度ΔＴ_satは、次
の核沸騰熱伝導率ｈ_nucと表面熱流束ｑとの関係の式
(7) から求められる。

【００５６】ΔＴ_sat＝ｑ／ｈ_nuc …(7) 従って、上記の構成にすれば、核分裂性核種濃度が小さ
く、あるいは可燃性毒物を混入した介在領域32を燃料ス
ペーサ８の下端から下部タイプレート22の方向に一定距
離迄のバーンアウトが発生しやすい範囲を含むように配
設してあるため、その範囲における燃料棒31の表面熱流
束が低下し、熱的余裕が大きくなり、バーンアウトの発
生が抑制される。

【００５７】また介在領域32の長さを燃料スペーサ８の
下端から５cm迄の範囲に限定したことにより、従来バー
ンアウトが発生し易いと実験的に確認された範囲、すな
わち、燃料スペーサ８の下端位置から下部タイプレート
22の方向に２〜３cmまでの範囲が十分包含され、バーン
アウトが効果的に防止される。

【００５８】さらに、介在領域32を燃料の有効発熱部終
端の燃料スペーサ８ａから、通常バーンアウトが発生す
る発熱部終端から２番目の燃料スペーサ８ｂを含む３番
目迄の燃料スペーサ８ｃの下部に形成しているため、そ
れぞれの介在領域32の表面熱流束が低下し、熱的余裕が
増大すると共に、バーンアウトの発生を十分防止し得る
ので、図５の特性図に示すように、燃料集合体の熱的限
界出力が従来の点線25に比べ、本発明では実線35のよう
に増加する。

【００５９】さらに、図６の特性図で示すように炉心の
熱的余裕の指標である最小限界出力比が、従来は点線26
で示すように寿命初期に最も厳しくなる傾向があった
が、本発明では実線36のように燃焼初期を除くと比較的
余裕が増大する。

【００６０】また本発明では、図７（ａ）の分布図に示
すように、介在領域のＺ₁〜Ｚ₃における核分裂性核種
の濃縮度を低減し、また図７（ｂ）の分布図のように介
在領域Ｚ₁〜Ｚ₃に微量の可燃性毒物を混入することに
より、寿命初期の熱的余裕が増加し、燃焼が進むと可燃
性毒物による出力抑制効果がなくなるため、介在領域Ｚ
₁〜Ｚ₃での出力が回復する。

【００６１】なお、介在領域32（Ｚ₁〜Ｚ₃）における
可燃性毒物の設計は、天然ウランまたは劣化ウランに酸
化ガドリニア（Ｇｄ₂Ｏ₃）を低濃度混入する組成が好
適例としてあるが、従来行なわれている酸化ガドリニア
（Ｇｄ₂Ｏ₃）を用いた可燃性毒物では、燃料取り替え
時期（１サイクルの期間）までに燃え尽きる濃度として
３〜８％が用いられており、本発明効果をもたらすため
には、例えば５％程度を用いることができる。

【００６２】また核分裂性核種の濃縮度設計で、二酸化
ウラン（ＵＯ₂）を用いる場合には、低減する濃縮度と
しては次のように定めることができる。すなわち、通常
の新燃料の平均濃縮度を 3.5％として４サイクルの末期
に 0.5％程度まで燃焼すると考えると、１サイクルの末
期の濃縮度3.0 ％程度を介在領域32の初期濃縮度とする
ことが考えられる。

【００６３】

【発明の効果】以上本発明によれば、燃料集合体内に配
列された燃料棒で、バーンアウトが発生し易い燃料スペ
ーサの下端から下部タイプレート方向の一定距離迄の範
囲に、核分裂性核種濃度が小さく、また可燃性毒物を混
入した介在領域を配設したので、その領域における燃料
棒の表面熱流束が低減される結果、バーンアウトの発生
が防止されて、燃料の寿命初期の熱的余裕が大く得られ
るため、大きな運転出力が可能となり原子炉の出力設計
範囲が拡大する効果がある。

【００６４】なお、特許請求の範囲における実施態様項
として下記のものがある。 (1) 介在領域は、他の位置に比較して核分裂性核種の濃
度を低減した請求項１記載の原子炉燃料集合体。

【００６５】(2) 介在領域に、可燃性毒物を混入した請
求項１記載の原子炉燃料集合体。

【００６６】(3) 介在領域は、他の位置に比較して核分
裂性核種濃度を低減すると共に、可燃性毒物を混入した
請求項１記載の原子炉燃料集合体。

【００６７】(4) 介在領域は、燃料有効発熱部終端の燃
料スペーサから下部タイプレート方向に少なくとも３番
目の燃料スペーサ迄の各燃料スペーサの下端から下部タ
イプレート方向に位置するる請求項１記載の原子炉燃料
集合体。

【００６８】(5) 介在領域の軸方向の長さは、燃料スペ
ーサの下端に位置する燃料ペレットを含み、下部タイプ
レート方向に５cmまでの範囲とする請求項１記載の原子
炉燃料集合体。

【００６９】(6) 介在領域を設けた燃料棒は、少なくと
も８本以上の最外周燃料棒を含むことを特徴とする請求
項１記載の原子炉燃料集合体。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料集合体の一実施例の構成図
で、図１（ａ）は一部切断縦断面図、（ｂ）は燃料構成
図。

【図２】本発明に係る一実施例の燃料集合体の横断面
図。

【図３】本発明に係る一実施例の軸方向出力分布特性
図。

【図４】本発明に係る一実施例の軸方向限界熱流束比分
布特性図。

【図５】本発明に係る一実施例の熱的限界出力特性図。

【図６】本発明に係る一実施例の最小限界出力比特性
図。

【図７】本発明に係る一実施例の介在領域分布図で、図
７（ａ）は核種濃縮度、図７（ｂ）は可燃性毒物量分布
図。

【図８】従来の燃料集合体の横断面図。

【図９】燃料棒表面沸騰特性図。

【図１０】燃料スペーサ要部拡大断面図。

【図１１】限界熱流束と限界蒸気クォリティ関連図。

【図１２】従来の太径水ロッド燃料集合体の横断面図。

【図１３】従来の２種ピッチ採用燃料集合体の横断面
図。

【図１４】燃料棒位置による熱的余裕特性図。

【符号の説明】

２…チャンネルボックス、４，31…燃料棒、４ａ，31ａ
…対角線上内側の燃料棒、４ｂ，31ｂ…外周端の燃料
棒、７…冷却材、８，８ａ〜８ｇ…燃料スペーサ、10…
液膜流、11…バーンアウト発生領域、14…太径水ロッ
ド、16，30…燃料集合体、17…小単位、18…大きな流路
部分、19…狭いピッチのサブチャンネル、20…広いピッ
チのサブチャンネル、22…下部タイプレート、23…上部
タイプレート、32，Ｚ₁〜Ｚ₃…介在領域、Ｐ₁…狭い
燃料棒ピッチ、Ｐ₂…広い燃料棒ピッチ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核分裂性核種を含有する多数の燃料ペレ
ットを被覆管内に充填した複数の燃料棒を配設し、前記
燃料棒の中心間の距離を一定にして少数本束ねて小単位
を構成し、この小単位をそれぞれ別の小単位に属する隣
接した燃料棒の中心間の距離が当該小単位内の隣接した
燃料棒の中心間距離より大きくなるように複数組配置
し、これら燃料棒群を燃料棒相互の間隔を保持する複数
の燃料スペーサを燃料棒の軸方向に間隔を置いて配設
し、上端を上部タイプレート，下端を下部タイプレート
で支持した燃料集合体において、燃料スペーサの端部か
ら冷却水の上流方向に位置する燃料ペレットの出力を低
減させた介在領域を配設したことを特徴とする原子炉燃
料集合体。