JPH07209459A - 燃料集合体及び原子炉炉心並びに沸騰水型原子炉の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱的余裕悪化させず圧損増大を防止し流量低
下時の炉心熱出力低減効果を増大して炉心の安定性増大
機能をさらに向上できる燃料集合体を提供する。 【構成】スペクトルシフトロッド１は、冷却材入口８を
有し冷却材を上方へ流す冷却材上昇流路９と、冷却材出
口４を有し冷却材上昇流路９に連結されて冷却材を下方
へ流す冷却材下降流路１０とを備えている。冷却材上昇
流路９の上端３は平均燃料棒１２の有効長上端と同じ高
さであり、冷却材出口４の下端は平均燃料棒１２の有効
長下端よりも高く第２ノードにある。冷却材上昇流路９
及び冷却材下降流路１０は上端３（第２４ノード）から
冷却材出口４の下端（第２ノード）の間において水平方
向横断面積が一様である。平均燃料棒１２は上端３と冷
却材出口４下端との中点（第１３ノード）から第２４ノ
ードまでの核分裂性物質濃度ｅ_H＝４.６重量％で第１３
ノードから第２ノードまでの濃度ｅ_L＝４.４重量％より
も高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉の燃料
集合体に係わり、特に、スペクトルシフトロッドを備え
た燃料集合体及び炉心並びに沸騰水型原子炉の運転方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、軽水炉では核分裂によって生じ
る高エネルギー中性子を軽水によって減速し、ウラン−
２３５やプルトニウム−２３９などの核分裂性物質が反
応しやすいような速度として核分裂連鎖反応を持続する
ことにより、定常的に熱出力を得ている。そのため、冷
却材かつ減速材として働く軽水を適切に分布させること
が重要となり、これを目的とした公知技術として、例え
ば特開昭５４-１２１３８９号公報記載のように内部に
減速材として軽水を流入させた中空管である水ロッドを
配置して中性子減速効果を高めるものや、あるいは特開
昭６３-７３１８７号公報記載のように運転中に水ロッ
ド内の減速材水位を変化させるスペクトルシフトロッド
によって中性子減速効果を調整し原子炉内の核反応を制
御するもの等が提唱されている。

【０００３】ここで、上記スペクトルシフトロッドを用
いる場合の利点として、上記の核反応制御ができる効果
のほかに、冷却材低流量時における炉心の安定性を向上
させる効果がある。すなわち、例えば何らかの故障・事
故等により炉心における冷却材流量が急激に低下する
と、炉心は核熱水力的に不安定な状態となる。ここにお
いてスペクトルシフトロッド内の水位は一般に定格出力
運転時において上昇流路高さの半分以上になっている
が、故障・事故等によって冷却材流量が低下すればこれ
に応じて直ちに減速材水位が下がるので、中性子増倍率
を減少させ速やかに炉心熱出力を低下させることができ
る。すなわち、かかる故障・事故等が発生しても炉心の
出力を安定的に収束させることができるので、炉心の安
定性に関する余裕（以下適宜、安定性余裕という）を増
大させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、スペク
トルシフトロッドは炉心の安定性余裕を増大させる機能
（以下適宜、安定性増大機能という）を有する。しかし
ながら、この安定性増大機能をさらに向上させること、
すなわち、故障・事故等が発生した場合に、より速やか
に、より安全に炉心の出力を収束させるという観点につ
いては、従来のスペクトルシフトロッドは配慮されてい
なかった。

【０００５】このような安定性増大機能のさらなる向上
を図る方法の１つとして、冷却材流量低下時におけるス
ペクトルシフトロッド内の減速材減少量を増大させて炉
心熱出力低減効果を増大させることが考えられる。そし
てこのためのスペクトルシフトロッドの構造として、例
えば、特に減速材水位が変化する炉心の上部においてス
ペクトルシフトロッドの水平断面積を増加させることに
より冷却材流量低下時の減速材減少量を増大させる構造
が考えられるが、この場合以下のような問題点が生じ
る。

【０００６】すなわち、第１に、燃料集合体の限られた
体積の中でスペクトルシフトロッドの領域を増すと、他
の構成要素である燃料棒の数の減少を招き、燃料棒あた
りの発熱量を増大させ熱的余裕を悪化させる。また、第
２に、燃料棒を減らさずにスペクトルシフトロッドの領
域を増すとスペクトルシフトロッド以外の冷却材流路面
積が減少するが、炉心上部は圧損係数が大きい水・蒸気
二相流となっていることから、流路面積の減少は圧力損
失の著しい増大を招く。このことは、特開昭６３-２３
１２９２号公報に記載のように、燃料集合体内の冷却材
流動の観点からみると安定性余裕をかえって悪化させる
おそれがある。

【０００７】本発明の目的は、熱的余裕を悪化させるこ
となく、かつ圧力損失の増大を防止しつつ、冷却材流量
低下時の炉心熱出力低減効果を増大して炉心の安定性増
大機能をさらに向上できる燃料集合体及び炉心並びに沸
騰水型原子炉の運転方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、燃料集合体の下部に開口した冷却
材入口を有し前記冷却材入口から取り入れた冷却材を上
方へ流す冷却材上昇流路と、前記冷却材入口よりも上方
に開口した冷却材出口を有し前記冷却材上昇流路に連結
されて前記冷却材上昇流路からの冷却材を下方へ流す冷
却材下降流路とを備えた少なくとも１つの水ロッドと、
核分裂性物質を充填した複数の燃料棒とを有する燃料集
合体において、前記冷却材上昇流路及び冷却材下降流路
のそれぞれは、少なくとも流路の両端近傍以外の部分に
おいて水平方向の横断面積が一様であり、かつ、前記冷
却材上昇流路最上端の高さは前記複数の燃料棒の有効長
の上端以下の高さであるとともに前記冷却材下降流路の
冷却材出口最下端の高さは前記有効長の下端以上の高さ
であり、かつ、前記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷
却材出口最下端位置との中点から前記冷却材上昇流路最
上端位置までの領域に存在する前記核分裂性物質の燃料
集合体平均の濃度は、前記中点から前記冷却材出口最下
端位置までの領域に存在する前記核分裂性物質の燃料集
合体平均の濃度よりも高くなっていることを特徴とする
燃料集合体が提供される。

【０００９】また上記目的を達成するために、本発明に
よれば、燃料集合体の下部に開口した冷却材入口を有し
前記冷却材入口から取り入れた冷却材を上方へ流す冷却
材上昇流路と、前記冷却材入口よりも上方に開口した冷
却材出口を有し前記冷却材上昇流路に連結されて前記冷
却材上昇流路からの冷却材を下方へ流す冷却材下降流路
とを備えた１つの水ロッドと、核分裂性物質を充填した
複数の燃料棒とを有する燃料集合体において、前記冷却
材上昇流路及び冷却材下降流路のそれぞれは、少なくと
も流路の両端近傍以外の部分において水平方向の横断面
積が一様であり、かつ、前記冷却材上昇流路最上端の高
さは前記複数の燃料棒の有効長の上端以下の高さである
とともに前記冷却材下降流路の冷却材出口最下端の高さ
は前記有効長の下端以上の高さであり、かつ、前記冷却
材上昇流路最上端位置と前記冷却材出口最下端位置との
中点から前記冷却材上昇流路最上端位置までの領域に存
在する前記核分裂性物質の燃料集合体平均の濃度は、前
記中点から前記冷却材出口最下端位置までの領域に存在
する前記核分裂性物質の燃料集合体平均の濃度よりも高
くなっていることを特徴とする燃料集合体が提供され
る。

【００１０】好ましくは、前記燃料集合体において、前
記水ロッドは、前記冷却材入口位置と前記冷却材出口位
置との間の圧力差によって決定される原子炉定格出力運
転時における水位が、前記冷却材上昇流路最上端位置と
前記冷却材出口最下端位置との中点の高さ以上の高さで
あることを特徴とする燃料集合体が提供される。

【００１１】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記水ロッドは、前記冷却材入口位置と前記冷却材
出口位置との間の圧力差によって決定される原子炉定格
出力運転時における水位が、前記冷却材上昇流路最上端
付近の高さであることを特徴とする燃料集合体が提供さ
れる。

【００１２】さらに好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記冷却材上昇流路最上端の高さは前記複数の燃料
棒の有効長の上端の高さと同じであるとともに前記冷却
材下降流路の冷却材出口最下端の高さは前記有効長の下
端の高さよりも高く、かつ、前記水ロッドは、前記冷却
材入口位置と前記冷却材出口位置との間の圧力差によっ
て決定される原子炉定格出力運転時における水位が、前
記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷却材出口最下端位
置との中点の高さ以上の高さであることを特徴とする燃
料集合体が提供される。

【００１３】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記冷却材上昇流路最上端の高さは前記複数の燃料
棒の有効長の上端の高さよりも低く、前記冷却材下降流
路の冷却材出口最下端の高さは前記有効長の下端の高さ
よりも高く、かつ、前記水ロッドは、前記冷却材入口位
置と前記冷却材出口位置との間の圧力差によって決定さ
れる原子炉定格出力運転時における水位が、前記冷却材
上昇流路最上端位置と前記冷却材出口最下端位置との中
点の高さ以上の高さであることを特徴とする燃料集合体
が提供される。

【００１４】さらに好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記冷却材上昇流路最上端の高さは前記複数の燃料
棒の有効長上端の高さよりも低く、前記冷却材下降流路
の冷却材出口最下端の高さは前記有効長の下端の高さよ
りも高く、かつ、前記水ロッドは、前記冷却材入口位置
と前記冷却材出口位置との間の圧力差によって決定され
る原子炉定格出力運転時における水位が、前記冷却材上
昇流路最上端付近の高さであることを特徴とする燃料集
合体が提供される。

【００１５】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記複数の燃料棒のうちの一部は他の燃料棒よりも
軸方向長さが短い燃料棒であり、それら短い燃料棒の上
端の高さは前記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷却材
出口最下端位置との中点の高さよりも高いことを特徴と
する燃料集合体が提供される。

【００１６】さらに好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記冷却材入口位置と前記冷却材出口位置との間の
圧力差によって決定される原子炉定格出力運転時におけ
る水位が、前記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷却材
出口最下端位置との中点の高さ以上の高さであって互い
に異なる高さである少なくとも２つの水ロッドを有する
ことを特徴とする燃料集合体が提供される。

【００１７】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記冷却材上昇流路及び冷却材下降流路のそれぞれ
は、前記上昇流路最上端から前記冷却材出口最下端まで
の領域のうち８０％以上の部分において水平方向の横断
面積が一様であることを特徴とする燃料集合体が提供さ
れる。

【００１８】さらに好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記核分裂性物質はウラン・プルトニウム混合酸化
物を有することを特徴とする燃料集合体が提供される。

【００１９】また上記目的を達成するために、上記燃料
集合体を装荷した沸騰水型原子炉の炉心が提供される。

【００２０】さらに上記目的を達成するために、上記燃
料集合体を最外周以外の列に少なくとも１つ装荷した炉
心を有する沸騰水型原子炉の運転方法において、前記水
ロッドの前記冷却材入口位置と前記冷却材出口位置との
間の圧力差によって決定される原子炉定格出力運転時に
おける水位が、前記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷
却材出口最下端位置との中点の高さ以上の高さとなる炉
心流量範囲で定格出力運転することを特徴とする沸騰水
型原子炉の運転方法が提供される。

【００２１】

【作用】一般に、原子炉の定格運転時においては、スペ
クトルシフトロッド内の水位は冷却材上昇流路最上端位
置と冷却材出口最下端位置との中点よりも上方に位置し
ている。冷却材の流量低下直後にはこの水位付近の領域
は水で満たされた状態から蒸気ボイドへと変化すること
になるが、このように水から蒸気ボイドになるときの中
性子増倍率の減少の度合いはウラン濃縮度が高いほど
（すなわち核分裂性物質の濃度が高いほど）大きい。本
発明においては、冷却材上昇流路最上端位置と冷却材出
口最下端位置との中点から上半分における核分裂性物質
の平均濃度が下半分よりも高くなっていることにより、
定格運転時における水位は高濃度領域に存在し、冷却材
流量低下直後にはこの高濃度領域から水位が低下するこ
ととなるので、従来の核分裂性物質の平均濃度が一様で
ある場合よりも中性子増倍率が急激に減少し、速やかに
炉心熱出力を低減することができる。すなわち、炉心熱
出力低減効果を増大させることができる。またこのと
き、冷却材上昇流路及び冷却材下降流路が両端近傍を除
いて水平方向の横断面積が一様であることにより、スペ
クトルシフトロッド領域が増加して燃料棒あたりの発熱
量が増加し熱的余裕が悪化することはなく、さらに冷却
材流路面積が減少して圧力損失が増大することもなく、
また冷却材上昇流路の水平方向横断面積を上方へ行くほ
ど大きく冷却材下降流路の水平方向横断面積を上方へ行
くほど小さくした従来技術よりも炉心熱出力低減効果が
大きい。

【００２２】また、水ロッドの水位が、冷却材上昇流路
最上端位置と冷却材出口最下端位置との中点の高さ以上
の高さであるか、若しくは冷却材上昇流路最上端付近の
高さであることにより、冷却材流量低下直後に確実に高
濃度領域から水位を低下させ、中性子増倍率を急激に減
少させて速やかに炉心熱出力を低減することができる。

【００２３】さらに、水ロッドと燃料棒との構成とし
て、例えば、冷却材上昇流路最上端が燃料棒の有効長の
上端と同じ高さで、冷却材出口最下端が有効長の下端よ
りも高く、かつ水ロッドの水位が冷却材上昇流路最上端
位置と冷却材出口最下端位置との中点以上の高さである
構成、若しくは、冷却材上昇流路最上端が燃料棒の有効
長の上端よりも低く、冷却材出口最下端は有効長の下端
よりも高く、かつ水ロッドの水位が、冷却材上昇流路最
上端位置と冷却材出口最下端位置との中点以上の高さで
ある構成、若しくは、冷却材上昇流路最上端が燃料棒の
有効長上端よりも低く、冷却材出口最下端は有効長の下
端よりも高く、かつ水ロッドの水位が冷却材上昇流路最
上端付近の高さである構成がある。これらのうち、冷却
材上昇流路最上端が燃料棒の有効長の上端よりも低い構
成においては、水ロッド全体の軸方向長さが短くなり燃
料集合体上部の冷却材流路面積が広くなるので圧力損失
を小さくでき、また水位が冷却材上昇流路最上端付近の
高さである構成においては、運転サイクル初期等の流量
が低い定格出力運転状態から冷却材流量が低下したとき
でも、水ロッド内における減速材の水位低下量が大き
い。また、複数の燃料棒のうちの一部に短い燃料棒を含
む場合であっても、その短い燃料棒上端が冷却材上昇流
路最上端位置と冷却材出口最下端位置との中点より高い
ことにより、水位が下がり始める領域は短い燃料棒とそ
の他の長い燃料棒との両方が存在し核分裂性物質が多く
存在しているので、速やかに炉心熱出力を低減すること
ができる。

【００２４】さらに、少なくとも２つの水ロッドの水位
が、冷却材上昇流路最上端位置と冷却材出口最下端位置
との中点の高さ以上の高さであり、かつ互いに異なる高
さであることにより、同じ冷却材流量状態においても各
ロッドの水位に差をつけることができる。一般に、スペ
クトルシフトロッドを用いた燃料集合体では水位の上と
下とで発熱密度が大きく異なるが、このように複数のス
ペクトルシフトロッドの水位をずらすことにより、燃料
集合体全体でみて減速材量を下から上へ段階的に少なく
し発熱密度を段階的に変化させることができる。

【００２５】また、冷却材上昇流路及び冷却材下降流路
の水平方向の横断面積が一様であればスペクトルシフト
ロッド領域が増加して燃料棒あたりの発熱量が増加し熱
的余裕が悪化することはなく、また冷却材流路面積が減
少し圧力損失が増大することが防止されるが、実際上、
製造上の都合や耐震性等の機械的強度の点から、冷却材
上昇流路及び冷却材下降流路のすべての部分につき水平
方向断面を一様にすることは困難である。しかし、上昇
流路最上端から冷却材出口最下端までの領域のうち８０
％以上の部分において水平方向断面が一様であることに
より、上記熱的余裕悪化防止・圧力損失増大防止をほぼ
図ることができる。

【００２６】さらに、核分裂性物質はウラン・プルトニ
ウム混合酸化物を有することにより、ウラン燃料のみな
らず、混合酸化物燃料を使用した原子炉においても使用
することができる。

【００２７】また、本発明においては、上記燃料集合体
を装荷した炉心において、水位が冷却材上昇流路最上端
位置と冷却材出口最下端位置との中点の高さ以上の高さ
となる炉心流量範囲で定格出力運転することにより、冷
却材流量低下直後にはこの高濃度領域から水位が低下す
ることとなるので、従来の核分裂性物質の平均濃度が一
様である場合よりも中性子増倍率が急激に減少し、速や
かに炉心熱出力を低減することができる。すなわち、炉
心熱出力低減効果を増大させることができる。このとき
一般に、炉心の最外周においては冷却材流量が極端に絞
られておりその水位は炉心内側に装荷した燃料集合体中
での水位と異なるが、この最外周以外に配置された燃料
集合体を基準として適正な運転を行い、上記炉心熱出力
低減効果を得ることができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図１４により
説明する。本発明の第１の実施例を図１〜図７により説
明する。本実施例の燃料集合体の構造を図２に示す。図
２において、燃料集合体１１は、核分裂性物質を充填し
た複数本の燃料棒２と、少なくとも１本（この実施例で
は２本）のスペクトルシフトロッド１と、燃料棒２とス
ペクトルシフトロッド１との上下端を支持する上部タイ
プレート１６及び下部タイプレート１７とを有し、これ
らが角筒状のチャンネルボックス１８で覆われた構造で
ある。

【００２９】燃料集合体１１の水平横断面を図３に示
す。図３において、燃料集合体１１は、チャンネルボッ
クス１８の中央部に２本のスペクトルシフトロッド１が
配列されており、その周囲に７４本の燃料棒２が９×９
の正方格子状に配列されている。

【００３０】本実施例の要部であるスペクトルシフトロ
ッド１と燃料棒５との構成概略を図１に示す。図１の右
側は、燃料集合体１１に配置されたスペクトルシフトロ
ッド１の構成を表し、図１の左側は、燃料集合体１１に
配置された７４本の燃料棒２すべての核分裂性物質濃度
分布を合計して算出した燃料集合体平均の核分裂性物質
の濃度分布を、右側のスペクトルシフトロッド１の高さ
位置に対応させて１本の燃料棒として概念的に表したも
の（以下適宜、平均燃料棒という）である。

【００３１】図１において、スペクトルシフトロッド１
は、燃料集合体１１の下部に開口した冷却材（すなわち
軽水）の取り入れ口である冷却材入口８を有し冷却材入
口８から取り入れた冷却材を上方へ流す冷却材上昇流路
９と、冷却材入口８よりも上方に開口した冷却材出口４
を有し冷却材上昇流路９に連結されて冷却材上昇流路９
からの冷却材を下方へ流す冷却材下降流路１０とを備え
ている。このときの冷却材上昇流路９の水平方向横断面
積と冷却材下降流路１０の水平方向横断面積の比は軸方
向に一様に２９：１である。スペクトルシフトロッド１
は、冷却材上昇流路９の上端３の高さが平均燃料棒１２
の有効長上端の高さと同じであり、冷却材出口４の下端
の高さは平均燃料棒１２の有効長下端の高さよりも高
く、燃料有効長下端から燃料有効長の２/２４の位置
（以下適宜、燃料有効長下端から燃料有効長のｎ/２４
の位置を第ｎノードという）にある。また、スペクトル
シフトロッド１の冷却材上昇流路９及び冷却材下降流路
１０のそれぞれは、冷却材上昇流路９の上端３（第２４
ノード）から冷却材出口４の下端（第２ノード）の間に
おいて、すなわち冷却材上昇流路９の下端近傍（第０ノ
ード〜第２ノード付近）以外の部分において、水平方向
の横断面積が一様である。

【００３２】平均燃料棒１２は、冷却材上昇流路９の上
端３の位置（第２４ノード）と冷却材出口４の下端の位
置（第２ノード）との中点である第１３ノードから第２
４ノードまでの燃料集合体平均の核分裂性物質濃度ｅ_H
＝４.６重量％であり、第１３ノードから第２ノードま
での濃度ｅ_L＝４.４重量％よりも高くなっている。上記
構成において、スペクトルシフトロッド１の上昇流路９
中の水位５の高さは、冷却材入口８と冷却材出口４との
間の圧力差で定まる。この圧力差は燃料集合体１１内で
の冷却材流れの圧力損失によって定まり、例えば冷却材
流量が同じ条件であれば、冷却材入口８と冷却材出口４
との高さの差を大きくすれば圧力差が大きくなって水位
５は上昇する（後述する第３の実施例参照）。またこの
圧力差は、燃料集合体１１に流れ込む冷却材流量の２乗
にほぼ比例する。よって、炉内における冷却材流量を調
整することによりスペクトルシフトロッド１内の水位５
を制御することができる。すなわち例えば、再循環ポン
プ速度の調節によって運転サイクル初期の冷却材流量を
低く運転サイクル末期の冷却材流量を高くすると、運転
サイクル初期にはスペクトルシフトロッド１内の水位５
が低いので中性子増倍率は低く押さえられ、運転サイク
ル末期には水位５が高いので中性子増倍率は高められ
る。これによって流量制御だけで大幅な反応度制御が可
能となり、制御棒を用いずに運転サイクル初期の余剰反
応度を抑えられる。またこの場合、運転サイクルの前半
では中性子の減速を押さえているのでウラン−２３８に
よる中性子捕獲反応が促され、新たな核分裂性物質であ
るプルトニウム−２３９がより多く生成し燃料経済性が
向上する。

【００３３】次に、本実施例の作用を図４〜図７により
説明する。まず本実施例の原理を図４を用いて説明す
る。一般に、スペクトルシフトロッドの冷却材出口の位
置は、運転サイクル中のなくとも一時期において、スペ
クトルシフトロッド内が満水状態となるように定めるの
が普通である。例えば、定格出力運転の炉心流量制御範
囲が定格流量の８０％から１０５％である場合、流量１
０５％時にちょうど満水となり流量８０％時に水位６０
％となるように設計すると、最も大きな反応度制御幅が
得られる。現行のＢＷＲあるいは改良型ＢＷＲ（ＡＢＷ
Ｒ）における炉心流量制御範囲では、定格出力運転時に
おけるスペクトルシフトロッド内の水位は冷却材上昇流
路の上端と下降流路の冷却材出口高さとの中点よりも上
に位置している。ここで、本実施例の燃料集合体１１に
おいても、流量範囲が９０％定格流量から１１１％定格
流量の範囲で定格出力運転される炉心に装荷されること
を想定しており、冷却材入口８と冷却材出口４との間の
圧力差によって決定される原子炉定格運転時における水
位は、９０％定格流量で第１６ノード付近、１１１％定
格流量で第２４ノード（満水）であり、冷却材上昇流路
９の上端３の位置（第２４ノード）と冷却材出口４の下
端の位置（第２ノード）の中点の高さ（第１３ノード）
よりも常に高くなっている。ここにおいて、この水位付
近の領域は、冷却材の流量低下直後には水で満たされた
状態から蒸気ボイドへと変化することになり、その領域
で水による減速作用が消失し中性子増倍率が減少する
が、この中性子増倍率の減少の度合いはその領域のウラ
ン濃縮度が高いほど（すなわち核分裂性物質の濃度が高
いほど）大きく、かつ炉心熱出力低減効果が増大する。
これを図４に示す。図４は、スペクトルシフトロッド内
が水で満たされた状態から蒸気ボイドになったときの集
合体断面における中性子無限増倍率の変化を、横軸に燃
焼度をとって表したもので、核分裂性物質平均濃度が約
４重量％付近において高濃度のものと低濃度のものとを
比較して示したものである。

【００３４】図４において、広く燃焼初期〜後期にわた
るほぼ全域で、ウラン濃縮度が高いほど（すなわち核分
裂性物質の濃度が高いほど）中性子無限増倍率がより大
きく減少することがわかる。特に、燃焼期間約１年に相
当する燃焼度１０ＧＷｄ／ｔ以上の領域においてこの傾
向が顕著である。

【００３５】本実施例は、この中性子無限増倍率の減少
挙動の原理に基づき、スペクトルシフトロッド内の水位
付近の領域における燃料濃度を相対的に高くすることに
より、炉心における中性子実効増倍率をすみやかに減少
させ炉心熱出力低減効果を増大させるものである。以
下、このことを比較例を用いて具体的に説明する。

【００３６】本実施例の第１の比較例の燃料集合体１１
１を図５に示す。この比較例は平均燃料棒の構成に関す
る比較例であり、本実施例の燃料集合体１１の部品に対
応する部品は１００番台の同一番号で示す。図５におい
て、燃料集合体１１１が本実施例の燃料集合体１１と異
なる点は、冷却材出口１０４の下端位置（第２ノード）
から冷却材上昇流路１０９の上端１０３の位置（第２４
ノード）までの間において、平均燃料棒１１２の濃度ｅ
_M＝４.５重量％であり一様濃度となっていることであ
る。

【００３７】ここで、冷却材流量が低下してスペクトル
シフトロッド内水位が低下した場合における炉心単位で
みた中性子実効増倍率の変化を図６に示す。図６は、ス
ペクトルシフトロッド水位が満水の状態から水位が下が
った場合（すなわち冷却材の流量が１１１％定格流量で
あった状態から低下した場合）の中性子実効増倍率変化
の様子を横軸に冷却材炉心流量をとって表したもので、
本実施例の燃料集合体１１を装荷した炉心と上記第１の
比較例の燃料集合体１１１を装荷した炉心とを比較して
示したものである。

【００３８】図６において、炉心流量が１１１％定格流
量から低下していくと、ともに実効増倍率が減少してい
くが、本実施例の燃料集合体１１を装荷した炉心のほう
が、比較例における一様濃縮度分布の燃料集合体１１１
の場合に比し実効増倍率が早く減少することがわかる。
すなわち、例えば炉心流量が８０％定格流量に低下した
場合（このときの水位はほぼ第１３ノードとなる）にお
いて、本実施例の炉心の実効増倍率は、一様濃縮度の炉
心より約０.１％Δｋ小さくなっている。

【００３９】すなわち、本実施例においては、冷却材上
昇流路９の上端３（第２４ノード）と冷却材出口４の下
端（第２ノード）との中点（第１３ノード）から上半分
（第１３ノード〜第２４ノード）における核分裂性物質
の平均濃度が、下半分（第０ノード〜第１３ノード）の
平均濃度よりも高くなっており、また前述したようにス
ペクトルシフトロッド１の水位がその中点（第１３ノー
ド）以上の高さであることにより、定格運転時における
水位５は常に高濃度領域に存在することとなり、冷却材
流量低下直後には確実にこの高濃度領域から水位５が低
下することとなるので、図４を用いて説明した前記原理
に基づき、平均濃度が一様である上記比較例の場合より
も中性子実効増倍率がより急激に減少し、速やかに炉心
熱出力を低減することができる。よって、炉心熱出力低
減効果を増大させることができる。

【００４０】また、本実施例の第２の比較例の燃料集合
体６１１を図７に示す。この比較例はスペクトルシフト
ロッドの構成に関する比較例であり、特開昭６３-７３
１８７号公報記載の燃料集合体を基礎とするものであ
る。本実施例の燃料集合体１１の部品に対応する部品は
６００番台の同一番号で示す。図７において、燃料集合
体６１１が本実施例の燃料集合体１１と異なる点は、ス
ペクトルシフト６１１において、冷却材上昇流路６０９
の水平方向横断面積を上方へ行くほど大きくしかつ冷却
材下降流路６０５の水平方向横断面積を上方へ行くほど
小さくし、両者を合わせた水平方向横断面積が軸方向に
一様となっていることである。ここで、この比較例の燃
料集合体６１１のスペクトルシフトロッド６０１におい
ては、図１に示した本実施例との比較のために、冷却材
上昇流路６０９の水平方向横断面積と冷却材下降流路６
１０の水平方向横断面積との比が上端部において２９：
１であって本実施例のスペクトルシフトロッド１におけ
る比と同一であるが、冷却材出口６０４の位置の第２ノ
ードでは１５:１５となっている。冷却材出口６０４の
高さは本実施例と同じであり、同一流量条件では同一の
水位高さとなる。その他の点は本実施例の燃料集合体１
１とほぼ同様であり、例えば、冷却材上昇流路の水平方
向横断面積と冷却材下降流路の水平方向横断面積とを合
わせた面積は本実施例と同一である。

【００４１】上記構成において、もともと上記公知技術
は、スペクトルシフトロッドが満水であるときの減速材
分布に注目し、炉心上部ほど冷却材上昇流路の水平方向
横断面積を増すとともに炉心上部ほど核分裂性物質濃度
を高めて炉心の軸方向出力分布を平坦化させる、すなわ
ち炉心出力の静特性に着目するものであり、本実施例の
ように炉心流量低下時の熱出力低減効果を増大させる、
すなわち動特性に着目したものではない。よって、この
比較例において得られる熱出力低減効果と本実施例にお
いて得られる熱出力低減効果とを比較した場合、冷却材
上昇流路６０９の水平方向横断面積が上端６０３におい
ては本実施例と等しいが下方へ行くほど小さくなること
から、水位６０５が同じ高さだけ低下したときのスペク
トルシフトロッド内の減速材減少量は本実施例の場合よ
りも小さくなる。

【００４２】しかしながら、本実施例においては、冷却
材上昇流路９の上端３（第２４ノード）から冷却材出口
４の下端（第２ノード）の間において、すなわち冷却材
上昇流路９の下端近傍（第０ノード〜第２ノード付近）
以外の部分において、水平方向の横断面積が一様である
ことにより、例えば、水位５が満水状態（第２４ノー
ド）から冷却材出口４（第２ノード）付近まで低下した
場合、第２の比較例の場合の約４／３倍の減速材が減少
する。よってそれだけ第２の比較例よりも中性子無限増
倍率がより大きくに減少し、速やかに炉心熱出力を低減
することができる。よって、炉心熱出力低減効果を増大
させることができる。また上記したように、冷却材上昇
流路９の下端近傍（第０ノード〜第２ノード付近）以外
の部分において、水平方向の横断面積が一様であること
により、スペクトルシフトロッド領域が増加して燃料棒
あたりの発熱量が増加し熱的余裕が悪化することはな
く、また冷却材流路面積が減少して圧力損失が増大する
こともない。

【００４３】以上説明したように、本実施例によれば、
冷却材上昇流路９の上端３（第２４ノード）と冷却材出
口４の下端（第２ノード）との中点（第１３ノード）か
ら上半分（第１３ノード〜第２４ノード）における核分
裂性物質の平均濃度が下半分（第０ノード〜第１３ノー
ド）よりも高くなっており、またスペクトルシフトロッ
ド１の水位がその中点（第１３ノード）以上の高さであ
るので、冷却材流量低下直後には確実に高濃度領域から
水位５が低下することとなり、従来に比し炉心熱出力低
減効果を増大させることができる。またこのとき、冷却
材上昇流路９及び冷却材下降流路４が冷却材上昇流路９
の下端近傍（第０ノード〜第２ノード付近）を除いて水
平方向の横断面積が一様であるので、スペクトルシフト
ロッド領域が増加して燃料棒あたりの発熱量が増加し熱
的余裕が悪化することはなく、また冷却材流路面積が減
少して圧力損失が増大することもなく、さらに冷却材上
昇流路の水平方向横断面積を上方へ行くほど大きく冷却
材下降流路の水平方向横断面積を上方へ行くほど小さく
した従来技術よりも炉心熱出力低減効果を大きくでき
る。なお、上記実施例においては、冷却材上昇流路９の
下端近傍（第０ノード〜第２ノード付近）以外の部分に
おいて、水平方向の横断面積が一様であった。製造上の
都合や耐震性等の機械的強度の点から、冷却材上昇流路
及び冷却材下降流路のすべての部分につき水平方向断面
を一様にすることが困難である場合を考慮すると、この
断面一様性の例外は冷却材上昇流路９の下端近傍のみに
限られず、例えば、冷却材下降流路１０の下端近傍・冷
却材上昇流路９の上端３近傍等であってもよく、さらに
冷却材下降流路１０の上昇流路９の上端３から冷却材出
口４の下端までの領域のうち８０％以上の部分において
水平方向の横断面積が一様であってもよい。この場合も
実質的に上記実施例と同様の、熱的余裕悪化防止・圧力
損失増大防止の効果を得ることができる。

【００４４】本発明の第２の実施例を図８により説明す
る。本実施例の燃料集合体のスペクトルシフトロッドと
燃料棒との構成概略を図８に示す。図８において、本実
施例の燃料集合体２１１が第１の実施例の燃料集合体１
１と異なる点は、スペクトルシフトロッド２０１の軸方
向長さが短くなり、冷却材上昇流路２０９の上端２０３
の高さが平均燃料棒２１２の有効長上端の高さ（第２４
ノード）よりもかなり低い第１３ノードにあり、また冷
却材下降流路２１０の冷却材出口２０４の下端の高さが
平均燃料棒２１２の有効長下端の高さ（第０ノード）よ
りは高いが第１実施例（第２ノード）より低い第１ノー
ドにあることである。ここで、原子炉定格出力運転時に
おける水位２０５が冷却材上昇流路２０９の上端２０３
と冷却材出口２０４の下端との中点の高さ以上の高さに
ある点は第１の実施例と同様であるが、上端２０３と冷
却材出口２０４の下端との中点は第７ノードであるから
水位２０５は第７ノード以上に存在することとなる。

【００４５】またこれに対応する形で、平均燃料棒２１
２は、中点である第７ノードから第１３ノードまでの燃
料集合体平均の核分裂性物質濃度ｅ_H＝４.６重量％で、
第７ノードから第１ノードまでの濃度ｅ_L＝４.４重量％
より高くなっている。その他の点については第１の実施
例とほぼ同様である。

【００４６】本実施例によれば、第１の実施例において
得られる効果に加え、冷却材上昇流路２０９の上端２０
３（第１３ノード）が平均燃料棒２１２有効長上端（第
２４ノード）よりも低くスペクトルシフトロッド２１１
全体の軸方向長さが短くなるので、燃料集合体２１１上
部の冷却材流路面積が広くなって圧力損失を小さくする
ことができる。

【００４７】本発明の第３の実施例を図９により説明す
る。本実施例の燃料集合体のスペクトルシフトロッドと
燃料棒との構成概略を図９に示す。図９において、本実
施例の燃料集合体３１１が第１の実施例の燃料集合体１
１と異なる点は、スペクトルシフトロッド３０１の冷却
材上昇流路３０９の上端３０３の高さが平均燃料棒３１
２の有効長上端の高さ（第２４ノード）よりも少し低い
第２２ノードにあり、また冷却材下降流路３１０の冷却
材出口３０４の下端の高さが平均燃料棒３１２の有効長
下端の高さよりもかなり高い第６ノードにあり、そして
原子炉定格出力運転時における水位３０５が冷却材上昇
流路３０９の上端３０３（第２２ノード）付近にあるこ
とである。

【００４８】ここで、平均燃料棒３１２が、冷却材上昇
流路３０９の上端３０３の位置と冷却材出口３０４の下
端位置との中点から上半分の燃料集合体平均の核分裂性
物質濃度ｅ_Hが、中点から下半分の濃度ｅ_Lより高くなっ
ている点は第１の実施例と同様であるが、冷却材上昇流
路３０９の上端３０３と冷却材出口３０４の下端の位置
が上記のように変わっているので、これに対応する形で
第２２ノード（冷却材上昇流路３０９の上端３０３の位
置）と第６ノード（冷却材出口３０４の下端の位置）と
の中点である第１４ノードから第２２ノードまでの燃料
集合体平均の核分裂性物質濃度ｅ_H＝４.６重量％、第１
４ノードから第６ノードまでの濃度ｅ_L＝４.４重量％と
なっている。その他の点については第１の実施例とほぼ
同様である。

【００４９】本実施例によれば、第１の実施例において
得られる効果に加え、水位３０５が冷却材上昇流路３０
９の上端３０３付近の高さであるので、冷却材流量低下
直後に確実に高濃度領域から水位を低下させて炉心熱出
力低減効果を増大させることができる。また運転サイク
ル初期等の流量が低い定格出力運転状態から冷却材流量
が低下したときでも、スペクトルシフト内における減速
材の水位低下量が大きい。よって運転サイクル全般にわ
たって炉心熱出力を大きく低減できる。

【００５０】本発明の第４の実施例を図１０〜図１２に
より説明する。本実施例の燃料集合体４１１の水平横断
面を図１０に示す。第１の実施例と共通の部品は共通の
番号で示す。図１０において、燃料集合体４１１は、チ
ャンネルボックス１８の中央部に１本のスペクトルシフ
トロッド４０１が配列されており、その周囲に６４本の
通常の燃料棒２と、燃料集合体４１１上部における圧力
損失を低減するために設けられた燃料棒２よりも軸方向
長さが短い（燃料棒２の１５／２４＝５／８）８本の短
尺燃料棒４０６とが９×９の正方格子状に配列されてい
る。

【００５１】本実施例の燃料集合体４１１のスペクトル
シフトロッドと燃料棒との構成概略を図１１に示す。図
１１において、本実施例の燃料集合体４１１が第１の実
施例の燃料集合体１１と異なる点は、冷却材上昇流路４
０９の上端４０３の高さが平均燃料棒４１２の有効長上
端の高さ（第２４ノード）よりも少し低い第２２ノード
であり、また製造上の都合から上端部の０.５ノード分
と出口部の１ノード分で他の部分よりも冷却材上昇流路
４０９が狭まっていることである。しかしこのとき、冷
却材上昇流路４０９の上端４０３（第２２ノード）から
冷却材出口４０４の下端（第２ノード）までのうちの９
２.５%の領域では断面が一様であり、実質的にほぼ一様
の断面積を有しているといえる。

【００５２】ここで、原子炉定格出力運転時における水
位４０５が冷却材上昇流路４０９の上端４０３と冷却材
出口４０４の下端との中点の高さ以上の高さである点は
第１の実施例と同様であるが、上記のように上端４０３
の高さが変わっていることから上端４０３（第２２ノー
ド）と冷却材出口４０４の下端（第２ノード）との中点
は第１２ノードとなっている。定格出力運転の炉心流量
制御範囲が、定格流量の８０％から１０５％である炉心
に装荷するため、１０５％定格流量でちょうど満水（水
位第２２ノード）となるように設計すると、８０％定格
流量での水位は約１３ノードとなり、水位は前記中点の
第１２ノード以上となっている。

【００５３】一方、平均燃料棒４１２は、燃料集合体４
１１が８本の短尺燃料棒４０６を含むことから、図示す
るように、第１５ノードより上方（第１５ノード〜第２
４ノード）で幅が狭く表される点で第１の実施例の平均
燃料棒１２と異なる。そしてこの短尺燃料棒４０６の上
端（第１５ノード）は、スペクトルシフトロッドの上端
（第２２ノード）と冷却材出口４０４の下端（第２ノー
ド）の中点（第１２ノード）より高くかつ原子炉定格出
力運転時における水位４０５よりも高い。また第８ノー
ドから第２２ノード（冷却材上昇流路４０９の上端４０
３）までの燃料集合体平均の核分裂性物質濃度ｅ_H＝４.
７重量％で、第８ノードから第２ノードまでの濃度ｅ_L
＝４.５重量％より高くなっている。このとき平均燃料
棒４１２において、冷却材上昇流路４０９の上端４０３
の位置（第２２ノード）と冷却材出口４０４の下端の位
置（第２ノード）との中点である第１２ノードから第２
２ノードまでの燃料集合体平均の核分裂性物質濃度ｅ_H
＝４.７０重量％となり、第１２ノードから第２ノード
までの濃度ｅ_L＝４.５８重量％より高くなっている点は
第１の実施例と同様である。またこれら以外の構成につ
いては第１の実施例とほぼ同様である。

【００５４】次に、本実施例の作用を図１２により説明
する。

【００５５】本実施例の比較例の燃料集合体を図１２に
示す。この比較例は平均燃料棒の構成に関する比較例で
あり、本実施例の燃料集合体４１１の部品に対応する部
品は、５００番を加えた９００番台の番号で示す。

【００５６】図１２において、燃料集合体９１１が本実
施例の燃料集合体４１１と異なる点は、短尺燃料棒の上
端位置が第１１ノードにあり、原子炉定格出力運転時に
おける水位より低く、冷却材上昇流路４０９の上端４０
３の位置（第２２ノード）と冷却材出口４０４の下端の
位置（第２ノード）との中点である第１２ノードよりも
低いことである。

【００５７】これに対して本実施例の燃料集合体４１１
では、短尺燃料棒４０６の上端位置は第１５ノードであ
り、原子炉定格出力運転時における水位よりも高い。す
なわち、水位の下限である第１２ノードでの燃料棒数を
比較すると、本実施例の燃料集合体４１１では７２本で
あるのに対し、比較例の燃料集合体９１１では６４本と
８本少ない。第１２ノードにおけるこれら２つの燃料集
合体断面において、スペクトルシフトロッド内が満水か
らボイドに変化したときの中性子無限増倍率の低下量
は、第１の実施例における図４の示す傾向と類似してい
る。すなわち、水位付近で燃料棒数が多く核分裂性物質
の多い本実施例の燃料集合体４１１が図４における高濃
度の場合に相当し、水位付近で燃料棒数が少なく核分裂
性物質の少ない比較例の場合が図４における低濃度の場
合に相当する。よって、本実施例の燃料集合体４１１の
ほうが比較例の燃料集合体９１１よりも流量低下時の反
応度低下量が大きい。本実施例及び比較例では、スペク
トルシフトロッド４０１の上下端の一部が狭くなってい
るが、中性子増倍率低減効果への影響はごくわずかであ
るので無視できる。

【００５８】以上説明したように、本実施例によれば、
第１の実施例で得られた効果に加え、冷却材上昇流路４
０９の上端４０３（第２２ノード）と冷却材出口４０４
の下端（第２ノード）との中点（第１２ノード）よりも
スペクトルシフトロッド４０１の水位４０５が高く、さ
らに短尺燃料棒４０６の上端（第１５ノード）はその水
位より高いので、水位が下がり始める領域は短尺燃料棒
とその他の通常の燃料棒との両方が存在し核分裂性物質
が多く存在しており、速やかに炉心熱出力を低減するこ
とができる。

【００５９】本発明の第５の実施例を図１３及び図１４
により説明する。本実施例の燃料集合体５１１の水平横
断面を図１３に示す。図１３において、燃料集合体５１
１は、チャンネルボックス５１８の中央部に１本のスペ
クトルシフトロッド５５１、その周囲に８本のスペクト
ルシフトロッド５０１が配列されており、それらの周囲
には１６０本の燃料棒５０２が１４×１４の正方格子状
に配列されている。

【００６０】本実施例の燃料集合体５１１のスペクトル
シフトロッドと燃料棒との構成概略を図１４に示す。図
１４において、本実施例の燃料集合体５１１が第１の実
施例の燃料集合体１１と異なる点は、スペクトルシフト
ロッド５０１とスペクトルシフトロッド５５１とで配置
される高さ位置が異なり、すなわちスペクトルシフトロ
ッド５０１においては冷却材上昇流路５０９の上端５０
３が第２２ノードで冷却材出口５０４の下端が第２ノー
ドであり、スペクトルシフトロッド５５１においては冷
却材上昇流路５５９の上端５５３が第２４ノードで冷却
材出口５５４の下端が第５ノードであることである。こ
こで、２つのスペクトルシフトロッド５０１,５５１の
冷却材上昇流路５０３,５５３の上端５０９,５５９のう
ち最も高い最上端は冷却材上昇流路５５３の上端５５９
（第２４ノード）であり、冷却材出口５０４,５５４の
下端のうち最も低い最下端は冷却材出口５０４の下端
（第２ノード）であり、それらの中点は第１３ノードと
なる。スペクトルシフトロッド５０１とスペクトルシフ
トロッド５５１の原子炉定格出力運転時における水位５
０５,５５５はこの中点の高さ（第１３ノード）以上の
高さにある点では第１の実施例と同様となるが、スペク
トルシフトロッド５０１とスペクトルシフトロッド５５
１との構造上の差異により、スペクトルシフトロッド５
５１の水位５５５はスペクトルシフトロッド５０１の水
位５０５よりも常に高いことが第１の実施例と異なる。
またこの中点（第１３ノード）から第２４ノードまでの
燃料集合体平均の核分裂性物質濃度ｅ_H＝５.８重量％で
あり、第１３ノードから第２ノードまでの濃度ｅ_L＝５.
５重量％よりも大きい点は第１の実施例と同様である。
またこれら以外の構成については第１の実施例とほぼ同
様である。

【００６１】本実施例によれば、第１の実施例により得
られる効果に加え、２つのスペクトルシフトロッド５０
１,５５１の水位５０５,５５５が、それぞれの冷却材上
昇流路５０９,５５９のうちの最上端である上端５５９
（第２４ノード）とそれぞれの冷却材出口５０４,５５
４の下端のうちの最下端である冷却材出口５０４の下端
（第２ノード）との中点（第１３ノード）の高さ以上の
高さであり、かつ互いに異なる高さであるので、特開平
１−１９５３９２号に記載の通り、同じ冷却材流量状態
においても各ロッドの水位に差をつけることができる。
一般に、スペクトルシフトロッドを用いた燃料集合体で
は水位の上と下とで発熱密度が大きく異なるが、このよ
うに複数のスペクトルシフトロッドの水位をずらすこと
により、燃料集合体全体でみて減速材量を下から上へ段
階的に少なくし発熱密度を段階的に変化させることがで
きる。よって、水位が低下したときの水位付近の発熱密
度の変化が緩やかになり、燃料棒に対する熱的な負担を
軽減できる。

【００６２】なお、上記第１〜第５の実施例において
は、核燃料物質としてはウランを使用したが、これに限
られず、核燃料物質の全部または一部がウラン・プルト
ニウム混合酸化物でもよく、この場合も同様の効果を得
る。また上記第１〜第３の実施例においてはスペクトル
シフトロッドが複数であったがこれに限られずスペクト
ルシフトロッドは１つでもよく、また第４の実施例にお
いてはスペクトルシフトロッドは１つであったが複数あ
ってもよく、これらの場合も同様の効果を得る。

【００６３】さらに上記第１〜第５の実施例は、燃料集
合体に関する実施例であったが、これらの燃料集合体を
炉心に装荷した場合にあっても同様の効果を得ることが
できる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、冷却材上昇流路最上端
位置と冷却材出口最下端位置との中点から上半分におけ
る核分裂性物質の平均濃度が下半分よりも高くなってい
るので、冷却材流量低下直後には高濃度領域から水位が
低下することとなり、従来に比し炉心熱出力低減効果を
増大させることができる。またこのとき、冷却材上昇流
路及び冷却材下降流路が両端近傍を除いて水平方向の横
断面積が一様であるので、スペクトルシフトロッド領域
が増加して燃料棒あたりの発熱量が増加し熱的余裕が悪
化することはなく、また冷却材流路面積が減少して圧力
損失が増大することもなく、さらに冷却材上昇流路の水
平方向横断面積を上方へ行くほど大きく冷却材下降流路
の水平方向横断面積を上方へ行くほど小さくした従来技
術よりも炉心熱出力低減効果を大きくできる。

【００６５】また、水ロッドの水位が、冷却材上昇流路
最上端位置と冷却材出口最下端位置との中点の高さ以上
の高さであり、若しくは、冷却材上昇流路最上端付近の
高さであるので、冷却材流量低下直後に確実に高濃度領
域から水位を低下させて炉心熱出力低減効果を増大させ
ることができる。さらに、冷却材上昇流路最上端が燃料
棒の有効長の上端よりも低くするので、燃料集合体上部
の冷却材流路面積が広くなって圧力損失を小さくでき、
また水位が冷却材上昇流路最上端付近の高さであるの
で、流量が低い定格出力運転状態から冷却材流量が低下
したときでもスペクトルシフト内における減速材の水位
低下量を大きくでき、よって運転サイクル全般にわたっ
て炉心熱出力を大きく低減できる。また、複数の燃料棒
のうちの一部に短い燃料棒を含む場合であっても、その
短い燃料棒上端が冷却材上昇流路最上端位置と冷却材出
口最下端位置との中点より高いので、水位が下がり始め
る領域は核分裂性物質が多く存在しており、速やかに炉
心熱出力を低減することができる。さらに、少なくとも
２つの水ロッドの水位が、冷却材上昇流路最上端位置と
冷却材出口最下端位置との中点の高さ以上の高さで互い
に異なる高さであるので、同じ冷却材流量状態において
も各ロッドの水位に差をつけることができ、燃料集合体
全体でみて減速材量を下から上へ段階的に少なくし発熱
密度を段階的に変化させることができる。よって、水位
が低下したときの水位付近の発熱密度の変化が緩やかに
なり、燃料棒に対する熱的な負担を軽減できる。また、
上昇流路最上端から冷却材出口最下端までの領域のうち
８０％以上の部分において水平方向断面が一様であるの
で、実際上の製造上の都合や耐震性等の機械的強度の点
を考慮しつつ、熱的余裕悪化防止・圧力損失増大防止を
ほぼ図ることができる。さらに、核分裂性物質はウラン
・プルトニウム混合酸化物を有するので、ウラン燃料の
みならず、混合酸化物燃料を使用した原子炉においても
使用することができる。

【００６６】さらに、本発明によれば、上記燃料集合体
を装荷した炉心において、水位が冷却材上昇流路最上端
位置と冷却材出口最下端位置との中点の高さ以上の高さ
となる炉心流量範囲で定格出力運転するので、冷却材流
量低下直後にはこの高濃度領域から水位が低下し速やか
に炉心熱出力を低減することができる。すなわち、炉心
熱出力低減効果を増大させることができる。このとき一
般に、炉心の最外周においては冷却材流量が極端に絞ら
れており水位は他と異なるが、最外周以外に配置された
少なくとも１つの燃料集合体を基準として適正な運転を
行い、上記炉心熱出力低減効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のスペクトルシフトロッ
ドと燃料棒との構成概略図である。

【図２】燃料集合体の構造を示す図である。

【図３】燃料集合体の水平横断面図である。

【図４】スペクトルシフトロッド内が満水からボイドに
なったときの中性子無限増倍率の変化を示す図である。

【図５】第１の実施例の第１の比較例によるスペクトル
シフトロッドと燃料棒との構成概略図である。

【図６】スペクトルシフトロッド内水位が低下した場合
における炉心単位でみた中性子実効増倍率の変化を示す
図である。

【図７】第１の実施例の第２の比較例によるスペクトル
シフトロッドと燃料棒との構成概略図である。

【図８】本発明の第２の実施例のスペクトルシフトロッ
ドと燃料棒との構成概略図である。

【図９】本発明の第３の実施例のスペクトルシフトロッ
ドと燃料棒との構成概略図である。

【図１０】本発明の第４の実施例の燃料集合体の水平横
断面図である。

【図１１】スペクトルシフトロッドと燃料棒との構成概
略図である。

【図１２】第４の実施例の比較例によるスペクトルシフ
トロッドと燃料棒との構成概略図である。

【図１３】本発明の第５の実施例の燃料集合体の水平横
断面図である。

【図１４】スペクトルシフトロッドと燃料棒との構成概
略図である。

【符号の説明】

１ スペクトルシフトロッド ２ 燃料棒 ３ 冷却材上昇流路上端 ４ 冷却材出口 ５ 水位 ８ 冷却材入口 ９ 冷却材上昇流路 １０ 冷却材下降流路 １１ 燃料集合体 １２ 平均燃料棒 ２０１ スペクトルシフトロッド ２０３ 冷却材上昇流路上端 ２０４ 冷却材出口 ２０５ 水位 ２０８ 冷却材入口 ２０９ 冷却材上昇流路 ２１０ 冷却材下降流路 ２１１ 燃料集合体 ２１２ 平均燃料棒 ３０１ スペクトルシフトロッド ３０３ 冷却材上昇流路上端 ３０４ 冷却材出口 ３０５ 水位 ３０８ 冷却材入口 ３０９ 冷却材上昇流路 ３１０ 冷却材下降流路 ３１１ 燃料集合体 ３１２ 平均燃料棒 ４０１ スペクトルシフトロッド ４０３ 冷却材上昇流路上端 ４０４ 冷却材出口 ４０５ 水位 ４０６ 短尺燃料棒 ４０８ 冷却材入口 ４０９ 冷却材上昇流路 ４１０ 冷却材下降流路 ４１１ 燃料集合体 ４１２ 平均燃料棒 ５０１ スペクトルシフトロッド ５０２ 燃料棒 ５０３ 冷却材上昇流路上端 ５０４ 冷却材出口 ５０５ 水位 ５０８ 冷却材入口 ５０９ 冷却材上昇流路 ５１０ 冷却材下降流路 ５１１ 燃料集合体 ５１２ 平均燃料棒 ５５１ スペクトルシフトロッド ５５３ 冷却材上昇流路上端 ５５４ 冷却材出口 ５５５ 水位 ５５８ 冷却材入口 ５５９ 冷却材上昇流路 ５６０ 冷却材下降流路 ｅ_H 燃料集合体平均の核分裂性物質濃度 ｅ_L 燃料集合体平均の核分裂性物質濃度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｃ 5/12 8908−2Ｇ Ｇ２１Ｃ 3/32 ＧＤＢ Ｅ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料集合体の下部に開口した冷却材入口
   を有し前記冷却材入口から取り入れた冷却材を上方へ流
   す冷却材上昇流路と、前記冷却材入口よりも上方に開口
   した冷却材出口を有し前記冷却材上昇流路に連結されて
   前記冷却材上昇流路からの冷却材を下方へ流す冷却材下
   降流路とを備えた少なくとも１つの水ロッドと、核分裂
   性物質を充填した複数の燃料棒とを有する燃料集合体に
   おいて、 前記冷却材上昇流路及び冷却材下降流路のそれぞれは、
   少なくとも流路の両端近傍以外の部分において水平方向
   の横断面積が一様であり、かつ、前記冷却材上昇流路最
   上端の高さは前記複数の燃料棒の有効長の上端以下の高
   さであるとともに前記冷却材下降流路の冷却材出口最下
   端の高さは前記有効長の下端以上の高さであり、かつ、
   前記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷却材出口最下端
   位置との中点から前記冷却材上昇流路最上端位置までの
   領域に存在する前記核分裂性物質の燃料集合体平均の濃
   度は、前記中点から前記冷却材出口最下端位置までの領
   域に存在する前記核分裂性物質の燃料集合体平均の濃度
   よりも高くなっていることを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】 燃料集合体の下部に開口した冷却材入口
   を有し前記冷却材入口から取り入れた冷却材を上方へ流
   す冷却材上昇流路と、前記冷却材入口よりも上方に開口
   した冷却材出口を有し前記冷却材上昇流路に連結されて
   前記冷却材上昇流路からの冷却材を下方へ流す冷却材下
   降流路とを備えた１つの水ロッドと、核分裂性物質を充
   填した複数の燃料棒とを有する燃料集合体において、 前記冷却材上昇流路及び冷却材下降流路のそれぞれは、
   少なくとも流路の両端近傍以外の部分において水平方向
   の横断面積が一様であり、かつ、前記冷却材上昇流路最
   上端の高さは前記複数の燃料棒の有効長の上端以下の高
   さであるとともに前記冷却材下降流路の冷却材出口最下
   端の高さは前記有効長の下端以上の高さであり、かつ、
   前記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷却材出口最下端
   位置との中点から前記冷却材上昇流路最上端位置までの
   領域に存在する前記核分裂性物質の燃料集合体平均の濃
   度は、前記中点から前記冷却材出口最下端位置までの領
   域に存在する前記核分裂性物質の燃料集合体平均の濃度
   よりも高くなっていることを特徴とする燃料集合体。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の燃料集合体におい
   て、前記水ロッドは、前記冷却材入口位置と前記冷却材
   出口位置との間の圧力差によって決定される原子炉定格
   出力運転時における水位が、前記冷却材上昇流路最上端
   位置と前記冷却材出口最下端位置との中点の高さ以上の
   高さであることを特徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の燃料集合体におい
   て、前記水ロッドは、前記冷却材入口位置と前記冷却材
   出口位置との間の圧力差によって決定される原子炉定格
   出力運転時における水位が、前記冷却材上昇流路最上端
   付近の高さであることを特徴とする燃料集合体。
5. 【請求項５】 請求項１又は２記載の燃料集合体におい
   て、前記冷却材上昇流路最上端の高さは前記複数の燃料
   棒の有効長の上端の高さと同じであるとともに前記冷却
   材下降流路の冷却材出口最下端の高さは前記有効長の下
   端の高さよりも高く、かつ、前記水ロッドは、前記冷却
   材入口位置と前記冷却材出口位置との間の圧力差によっ
   て決定される原子炉定格出力運転時における水位が、前
   記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷却材出口最下端位
   置との中点の高さ以上の高さであることを特徴とする燃
   料集合体。
6. 【請求項６】 請求項１又は２記載の燃料集合体におい
   て、前記冷却材上昇流路最上端の高さは前記複数の燃料
   棒の有効長の上端の高さよりも低く、前記冷却材下降流
   路の冷却材出口最下端の高さは前記有効長の下端の高さ
   よりも高く、かつ、前記水ロッドは、前記冷却材入口位
   置と前記冷却材出口位置との間の圧力差によって決定さ
   れる原子炉定格出力運転時における水位が、前記冷却材
   上昇流路最上端位置と前記冷却材出口最下端位置との中
   点の高さ以上の高さであることを特徴とする燃料集合
   体。
7. 【請求項７】 請求項１又は２記載の燃料集合体におい
   て、前記冷却材上昇流路最上端の高さは前記複数の燃料
   棒の有効長上端の高さよりも低く、前記冷却材下降流路
   の冷却材出口最下端の高さは前記有効長の下端の高さよ
   りも高く、かつ、前記水ロッドは、前記冷却材入口位置
   と前記冷却材出口位置との間の圧力差によって決定され
   る原子炉定格出力運転時における水位が、前記冷却材上
   昇流路最上端付近の高さであることを特徴とする燃料集
   合体。
8. 【請求項８】 請求項１又は２記載の燃料集合体におい
   て、前記複数の燃料棒のうちの一部は他の燃料棒よりも
   軸方向長さが短い燃料棒であり、それら短い燃料棒の上
   端の高さは前記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷却材
   出口最下端位置との中点の高さよりも高いことを特徴と
   する燃料集合体。
9. 【請求項９】 請求項１記載の燃料集合体において、前
   記冷却材入口位置と前記冷却材出口位置との間の圧力差
   によって決定される原子炉定格出力運転時における水位
   が、前記冷却材上昇流路最上端位置と前記冷却材出口最
   下端位置との中点の高さ以上の高さであって互いに異な
   る高さである少なくとも２つの水ロッドを有することを
   特徴とする燃料集合体。
10. 【請求項１０】 請求項１又は２記載の燃料集合体にお
    いて、前記冷却材上昇流路及び冷却材下降流路のそれぞ
    れは、前記上昇流路最上端から前記冷却材出口最下端ま
    での領域のうち８０％以上の部分において水平方向の横
    断面積が一様であることを特徴とする燃料集合体。
11. 【請求項１１】 請求項１又は２記載の燃料集合体にお
    いて、前記核分裂性物質はウラン・プルトニウム混合酸
    化物を有することを特徴とする燃料集合体。
12. 【請求項１２】 請求項１〜４記載の燃料集合体を装荷
    した沸騰水型原子炉の炉心。
13. 【請求項１３】 請求項１〜４記載の燃料集合体を最外
    周以外の列に少なくとも１つ装荷した炉心を有する沸騰
    水型原子炉の運転方法において、 前記水ロッドの前記冷却材入口位置と前記冷却材出口位
    置との間の圧力差によって決定される原子炉定格出力運
    転時における水位が、前記冷却材上昇流路最上端位置と
    前記冷却材出口最下端位置との中点の高さ以上の高さと
    なる炉心流量範囲で定格出力運転することを特徴とする
    沸騰水型原子炉の運転方法。