JPH0830747B2 - 沸騰水型原子炉に配置する燃料バンドル集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、沸騰水型原子炉用の燃料チャンネルに収納
された燃料集合体内に配置された燃料バンドル（燃料
束）に関し、中でも重要な点として、燃料集合体の下端
部から燃料集合体内の２相の蒸気及び水の流れが生じる
領域に伸びている部分長燃料棒を利用する改良燃料バン
ドルを開示するものである。これらの部分長燃料棒は、
核的又は熱水力学的性能が最適化されているかに応じ
て、沸騰水型原子炉の燃料チャンネル内に収納された燃
料バンドル又は燃料集合体の燃料チャンネル側壁に対す
る上述の最適化のための望ましい相対位置に関連した燃
料集合体内部における配置として対称形にも非対称形に
も配置することができる。

［従来の技術］ 現代の沸騰水型原子炉は、原子炉の炉心領域に、炉心
バイパス容積空間と、燃料チャンネル容積空間とを含ん
でいる。

上述の燃料チャンネル容積空間は、反応性燃料を収納
している細長い燃料棒又は被覆管のバンドル（束）を含
んでいる。これらのバンドルは、下端の支持プレートと
上端のタイプレートとの間のチャンネル内に配置されて
いる。

上述の炉心バイパス容積空間は、これらのチャンネル
の外部に位置しており、制御棒が核反応を制御する領域
を成していると共に、効率的な反応のための追加の水減
速材を含んでいる。

現代の燃料バンドル設計は、熱的限界内で運転する必
要と、熱水力学的不安定性、及び核的性質と熱水力的性
質とが結合した炉心不安定性を回避する必要とにより、
制約を受けてきた。安定性に起因する制約は、燃料サイ
クルコストを最小にするためにどの程度に燃料集合体を
最適化させ得るかの程度に影響を与える。現代の沸騰水
型原子炉の燃料バンドル設計は、原子炉を、冷温状態で
どの制御棒も完全に引き抜かれた位置にある状態で運転
停止することができるようにする必要によっても制約を
受ける。本発明の目的の１つは、熱的制約、安定性の制
約、及び冷温での運転停止からくる制約に対して十分な
余裕を維持しつつ、燃料サイクル経済性の面から最適な
燃料バンドル設計を提供することにあるので、熱的制
約、安定性の制約、及び冷温での運転停止からくる制約
の検討が必要である。

冷温での運転停止からの制約 現代の燃料バンドルは、原子炉が冷温にあるか又は運
転停止するときに最も反応度が強くなる傾向にある。こ
の運転状況下では、原子炉が臨界にならないようにする
ために、挿入される制御棒は最大量の減速中性子を吸収
しなければならない。このような原子炉を臨界にならな
いようにするために必要とされる安全度を冷温炉停止余
裕（コールド・シャットダウン・マージン）と呼ぶ。

沸騰水型原子炉において転換率は、プルトニウム生成
に対する蒸気ボイドの影響のため原子炉頂部において、
より大きい。このことにより、原子炉の上端部におい
て、より高い割合でプルトニウムが蓄積される。原子炉
頂部においては、ウラン235の劣化もより少ないし、燃
料の燃焼度もより小さい。燃料集合体内の燃料棒の頂部
における、このプルトニウムの蓄積、燃焼度の減少、及
びＵ−235のより少ない劣化により、冷温炉停止余裕が
原子炉頂部において局所的に減少する。上端から下端ま
で均一的な燃料棒分布を有している先行技術による燃料
集合体は原子炉における燃焼で成熟するので、冷温での
反応度は、冷温運転状態において燃料バンドルの頂部で
最大になるのが普通である。従って、冷温運転状態にお
いて最初に臨界になるのは、原子炉燃料バンドルの上部
であり、原子炉がこれらの燃料棒上部において臨界にな
るのを防止するように、制御システムを設計しなければ
ならない。

先行技術は、クラウザ等による米国特許番号第462959
9号に述べられているように、典型的にはガドリニウム
のような可燃性吸収材又は濃縮度を低減させた燃料を燃
料集合体に追加することにより、冷温炉停止余裕を補正
した。しかしながら、あいにくガドリニウムは燃料装荷
価値を減少させるような残留物を劣化後に残す可燃性吸
収材である。ガドリニウム又は濃縮度を低減させた燃料
を、望ましくは燃料集合体の頂部に置くことにより、原
子炉頂部において出力が局所的に減少し、原子炉内のピ
ーク対平均出力比が増加するが、この出力比も限界値以
内に抑えなければならない。もし燃料中の可燃性吸収材
成分と燃料濃縮度の局所的低減を現象させることがで
き、且つそれにも拘らず冷温炉停止余裕を維持できるな
らば、これで燃料濃縮の必要性が減少すると共に燃料コ
ストが改善されて、原子炉内のピーク対平均出力比も減
少する。

熱水力学的不安定性 強制循環型の沸騰水型原子炉は、起動時及び他の条件
下では原子炉冷却材の自然循環により運転される。しか
しながら、自然循環流で得られる出力は、あまりに高い
出力レベルまで出力を増大させたときに生じる不安定性
により制約を受ける。原子炉がオンラインで制御され加
熱されると、原子炉内の冷却流体が沸騰し始める。即
ち、減速水が存在し、蒸気発生量が増加していく。この
蒸気は、ボイド率が多いと、熱水力学的不安定性と、こ
れに結合した核熱水力学的不安定性とを引き起こすこと
があり得る。

自然循環型の沸騰水型原子炉は、安定性限界によって
出力が制限される。安定性限界により、所要の定格出力
用炉心はある最小寸法を有することが要求され、このこ
とは、必要とされる原子炉容器の寸法と、格納容器の寸
法とに影響する。原子炉容器の寸法の制約は、自然循環
型の沸騰水型原子炉が発生し得る出力を制限する。

次の検討は、これらの不安定性に関し、確認のために
行ったものであり、これにより本発明による改良が理解
できよう。

これらの不安定性の存在、より正確には存在の可能性
が、燃料バンドル設計における制約要素となる。従っ
て、もしこれらの不安定性に影響される度合いがより少
ない設計を案出できれば、燃料集合体の設計パラメータ
（変数）をより最適に選択することができ、それにより
原子炉燃料の価値及び性能の改善を実現することができ
る。ポンプを備えておらず、冷却材の自然循環のみを利
用する沸騰水型原子炉を設計することの実用性及び経済
性も又、改善される。

原子炉がオンラインで運転中、その出力は原子炉内に
注入される水又は冷却材の流量により制御される。制御
は原子炉内の水に対する蒸気中のボイド率による自然平
衡によって行われる。簡単に言うならば、出力増加に際
して減速水の流量を一定に保てば、蒸気ボイド率も増加
する。このことは存在する減速材を制限し、不安定性が
生じない状態で出力を制御する。

出力の流量に対する比率を増していくと、不安定性が
発生することがあり得る。具体的には、熱水力学的チャ
ンネル不安定性、又はこれに結合した核熱水力学的不安
定性のいずれかが発生することがあり得る。これらの不
安定性は、原子炉が自然循環状態にあり、且つ定格出力
の百分率の定格流量の百分率に対する比率が約1.7より
も大きいときに最も発生し易い。

熱水力学的チャンネル不安定性は、一定の炉心圧損
（圧力降下）において何種類かの異なる流量が発生する
可能性によって生じる。これは、２相圧損（圧力降下）
が燃料バンドル頂部の高蒸気ボイド領域での圧損に対し
て、強い流量依存関係にあることにより生じる。もし燃
料バンドル下部の単相圧損が増大するか又は２相圧損の
単相圧損に対する比率が減少すると、熱水力学的チャン
ネル不安定性のしきい値は増大する。

更に、核的性質と熱水力的性質とが結合した不安定性
も知られている。これらの不安定性においては、蒸気ボ
イドから原子炉出力へのフィードバックが再循環ループ
内の遅れ時間によって、又、炉心圧損及び炉心流量の原
子炉出力への依存によって、不安定性を生じ易くするこ
とがあり得る。蒸気ボイド率がより大きく、且つ反応度
への蒸気の影響がより大きいと、この種の不安定性のし
きい値が減少する。

核的性質と熱水力的性質とが結合した不安定性は、局
所的チャンネル不安定性、又は炉心の多くの部分若しく
は全部を占める不安定性のいずれかを生じさせることが
ある。不安定性は通常、限界（リミット）サイクルに達
するが、原子炉の冷却が影響を受けることがあり得る
し、原子炉の運転ノイズが非常に大きくなるので、原子
炉運転中の不安定性の発生は回避されるべきものであ
る。熱水力学的チャンネル不安定性と、核的性質と熱水
力的性質とが結合した不安定性とはいずれも、燃料バン
ドル内の単相圧損の２相圧損に対する比率に鋭敏であ
る。この比率は容易に理解され得る。冷却材が燃料バン
ドル内を上方へ押し上げられると、圧損が生じる。この
圧損の一部は原子炉下部の、沸騰していない部分におい
て発生する。上述の圧損のこの部分は単相圧損である。
上述の圧損の残りの部分は燃料バンドル上部の沸騰部に
おいて発生する。燃料バンドル内の圧損のこの残りの部
分は、２相圧損の部分である。

単相領域に対する２相領域の圧損を減少させることに
より、熱水力学的チャンネル不安定性と、核的性質と熱
水力的性質とが結合した不安定性との発生傾向を減少さ
せることができる。

原子炉設計におけるパラメータの１つは、熱伝達面積
を増大させるために燃料集合体内の燃料棒本数を増加さ
せることである。あいにく、燃料棒本数が増加すると、
圧損も、即ち単相圧損及び２相圧損は両方共に増大す
る。燃料集合体内の燃料棒密度が増大すると、不安定性
に対する出力／流量比のしきい値は減少する。

熱出力制限 燃料バンドルには、熱的限界として知られている出力
限界値がある。熱的限界は、燃料集合体内に遷移沸騰が
生じる前に燃料バンドルが発生し得る最大出力を定め
る。遷移沸騰は、燃料棒表面を流れる液膜が乾き切った
（ドライアウトした）ときに発生する。これにより燃料
棒表面の温度変動が生じ、出力発生量の少量増加に対し
て燃料棒表面温度が急速に上昇する状態が生じ得る。あ
る特定の燃料バンドルのある部分が一度この熱的限界を
超えてしまうと、この燃料バンドル内の残りの燃料棒の
出力は、上述の熱限界超過によって制限される。

上述のボイド成分が最大となる燃料集合体の上部は、
液膜乾燥消失（ドライアウト）又は遷移沸騰が最も生じ
そうな位置である。遷移沸騰の生じる傾向は、燃料集合
体の頂部における流れの詳細な構成及び分布の関数であ
る。燃料棒の表面での液膜の上向きの流れを維持し、燃
料棒の間の中央領域を蒸気がこれよりも速い速度で流れ
るようにすることが望ましい。燃料棒の間の局所的流体
速度分布において蒸気ボイドにかかる力のため、蒸気
は、燃料棒の間の中央領域に移動する傾向があり、その
領域において蒸気は、燃料棒表面を流れる液体よりも速
い速度で流れる。しかしながら、もし燃料集合体の出力
が十分に増加すると、燃料棒表面により多くの蒸気が形
成されることと、蒸気成分の多い空間から液膜がより得
られにくくなることとの組み合わせにより、更に液膜乾
燥区画が燃料棒表面に追加的に形成されるようになる。
これらの区画が形成され、次いで再び液体に覆われるに
従って、燃料要素表面に温度振動が生じる。遷移沸騰が
最初に生じるときの燃料バンドル出力を臨界出力とい
う。原子炉のすべての燃料集合体について臨界出力超過
を回避するように、原子炉設計及び原子炉運転には制限
が設けられている。

流れに起因する振動からの制約 沸騰水型原子炉においては、燃料棒を通過する冷却材
の流れと、沸騰プロセスとから流体力が発生する。燃料
集合体の設計は、これらの流体力に耐え、燃料棒の磨耗
や破損のもとになったり、核分裂生成物の燃料棒内部か
らの漏洩を生じさせたりする燃料棒の振動を防止するよ
うなものでなければならない。燃料棒を支持すると共
に、流れに起因する振動に対して保護するために、燃料
棒スペーサと、上部及び下部タイプレートとが原子炉設
計に取り入れられている。

特許された先行技術 燃料チャンネルを有していない原子炉において減速材
と燃料との比率を軸方向に分布させることは、先行技術
から知られている。特に、1961年８月29日に付与された
ウンタマイヤの米国特許番号第2998367号には、内在す
る蒸気ボイドが流れと結合して原子炉を制御する場合に
おいて、より大きな出力発生状態に原子炉を維持するた
めの設計が開示されている。

米国特許番号第2998367号には、原子炉内の沸騰が生
じる領域において正の蒸気ボイド反応度係数を有してい
ると共に、流れ方向に冷却材流路に沿って増大する減速
材対燃料の原子比率を有している沸騰水型原子炉が述べ
られている。ある実施例において、この発明は、長さの
異なる燃料要素を互いに平行に配置することにより、減
速材対燃料の原子比率を軸方向に変化させる設計を取り
入れている。

先行技術に関連して、本発明は、負の蒸気ボイド反応
度係数と、各燃料集合体を囲んでいるチャンネルと、燃
料集合体内で燃料棒を分離するスペーサとを有している
異なった沸騰水型原子炉の事例を扱っている。この異な
った原子炉設計において本発明の好ましい実施例は、原
子炉の性能、信頼性及び経済性を改善するための特徴を
共同作用的に組み合わせて取り入れており、これらの特
徴には、部分長燃料棒の燃料集合体内部での最適配置、
部分長燃料棒における軸方向の最適形状及びウランの最
適濃縮度、部分長燃料棒の性能を高めるための燃料棒ス
ペーサ及び上部タイプレートの独特な設計、流れに起因
する振動を回避するための、スペーサ配置に関連しての
部分長燃料棒の長さの最適化、中性子吸収反応性の不利
な点を回避するための、部分長燃料棒における核分裂ガ
スプレナムの最適配置、並びに制御棒を引き抜いた際の
出力ピーキングの問題を回避して、制御棒価値（ワー
ス）の改善を行うための、部分長燃料棒の、制御棒に関
連しての最適配置が含まれている。

［発明の要約］ 本発明は、チャンネル内に取り囲まれている燃料集合
体の内部に閉入された別々の燃料棒バンドルを有してい
る沸騰水型原子炉において、チャンネル内部の燃料棒バ
ンドルの改良設計を提供するものである。具体的には、
チャンネルの下部から沸騰領域をチャンネル頂部への途
中まで伸びている部分長燃料棒を利用している。これら
の部分長燃料棒は、残りの燃料棒に対して長さが短縮さ
れていると共に、燃料棒バンドル全体に分布しており、
好ましくはチャンネルから見て燃料棒バンドルの内側に
配置されている。好ましい実施例では、部分長燃料棒は
燃料集合体内に配置されていると共に、燃料バンドル下
部から延在しており、燃料集合体の２相流れ領域に位置
しているスペーサの所で終端している。好ましくは、部
分長燃料棒の長さは燃料バンドルの全長の少なくとも1/
2である。出力運転時に、部分長燃料棒の上方の解放空
間には蒸気と水との混合体が存在している。しかしなが
ら、原子炉が冷温状態で停止するときは、この解放空間
は水で満たされている。その結果として、部分長燃料棒
が減速材の燃料棒に対する容積比に及ぼす影響は、高温
状態より冷温状態の方がより大きく、このことは、燃料
の核設計に対して有利に作用する。原子炉の起動時に
は、減速材の燃料棒に対する容積比が燃料集合体の頂部
で増大するので、冷温停止余裕の改善は燃料集合体の頂
部において得られる。部分長燃料棒の上方に存在してい
る減速材のある部分は制御棒に近い位置にあり、そこで
は減速作用が増大することにより制御棒表面に運ばれ又
は拡散される中性子の数が増えるので、炉停止制御棒価
値が改善される。原子炉の出力運転時には、部分長燃料
棒は、部分長燃料棒端部の上方の残りの燃料棒の間に位
置している拡散隙間区域へチャンネル蒸気流量を効果的
に導く。このことは、水に関して蒸気の高いスリップ比
を可能にすると共に、出力運転時に燃料バンドルの上部
領域にある残りの燃料棒の周りの減速水の密度を増大さ
せる。燃料棒スペーサと燃料バンドル・タイプレートと
には、更に流量分布を改善すると共に２相圧損を減少さ
せるために、部分長燃料棒の上方の位置に、より大きな
開口が設けられている。最も重要なこととして、原子炉
の全出力運転中に、総圧損量、及び燃料バンドルの２相
領域での圧損は両方共、燃料集合体の熱的限界を大幅に
低下させることなく低減される。単相圧損の２相圧損に
対する比率は増大し、熱水力学的不安定性、又は核的性
質と熱水力的性質とが結合した不安定性に対する出力及
び流量のマージン（余裕）を増大させる傾向にある。

部分長燃料棒は燃料集合体の外側から２番目の列に配
置してもよい。この位置では、部分長燃料棒の上方の蒸
気の導流により、遷移沸騰の開始前に発生可能な燃料集
合体の出力が改善される傾向にある。

部分長燃料棒は、その頂部における出力ピークを緩和
するために、上端部に短い天然ウラン部分を有している
ことが好ましい。部分長燃料棒は、頂部の核分裂ガスプ
レナムリテーナばねと水素ゲッタ装置との中性子吸収を
最小にし又は無くすために、下部核分裂ガスプレナムを
有していることが好ましい。

［発明の目的及び利点］ 本発明の目的の１つは、燃料チャンネルに収納された
燃料集合体内への配置用の、改善された冷温炉停止余裕
を有する燃料設計を開示提供することにある。本発明の
この面によれば、燃料チャンネル内の燃料棒バンドル
は、部分長燃料棒を有しており、これら部分長燃料棒
は、燃料棒バンドルの２相領域内を延在していると共に
２相領域内で終端しており、沸騰領域内に延在してお
り、好ましい実施例では典型的には、燃料棒バンドル長
さの下端1/2を占めている。部分長燃料棒の上方の、燃
料棒バンドルの上部領域には、そうでなければ完全長燃
料棒によって占められることになる開放空間が含まれて
いる。従って、冷温状態における燃料棒バンドルの上部
において、減速材の燃料に対する比率は増大する。結果
として、減速材の追加と共に冷温炉停止余裕が改善され
る。

このようにして改善された冷温炉停止余裕の更なる利
点は、燃料荷重の設計に際し、ガドリニウムのような可
燃吸収材の量を低減させることができることである。可
燃吸収材のガドリニウムを低減させることにより、燃料
サイクルの経済性を良くすることが可能になる。本発明
は、冷温炉停止余裕が最も小さな状態になりがちな炉心
領域において減速材の対燃料容積比率を増すことによ
り、又、冷温状態における減速材の対燃料容積比率の高
温状態における減速材の対燃料容積比率に対する比率を
原子炉の頂部において局所的に増すことにより、米国特
許番号第4629599号の発明を改良するものである。

本発明の更に１つの利点は、原子炉内では共鳴中性子
のウラン238における捕獲により、燃料棒バンドルの頂
部においてプルトニウムが生成される傾向があるが、そ
の傾向が減少することである。具体的には、減速材対燃
料比が増すことにより、共鳴中性子束、Ｕ−238の中性
子吸収、そして結果としてプルトニウムの生成が減少す
る。このことにより、更に冷温炉停止余裕が改善され、
濃縮ウランの初期要求量が減少し、負の蒸気ボイド反応
度係数が小さくなる。ウラン235の初期含有量が減少す
ると、燃料サイクルの経済性が改善され、又、蒸気ボイ
ド反応度係数が小さくなると、圧力過渡応答が改善され
ると共に、核的性質と熱水力的性質とが結合した安定性
を増大させる。

ここに開示された燃料設計の結果として得られる追加
の利点として、燃料棒バンドルの上端部に関しての制御
棒価値が改善される。具体的には、燃料棒バンドルの上
端又はその近くで作用する制御棒の周りでは、低速中性
子の密度がより高くなる。これは、制御棒ブレードに近
接している燃料棒第２列にある部分長燃料棒の上方の領
域における水の容積が増大したことにより、この容積の
増大した水によって周囲の高速中性子が漸増的に減速さ
れるからである。これにより、制御棒まで拡散し又は搬
送されて、そこで吸収される熱中性子の数が増加する。

本発明の更に１つの目的は、低流量状態で最大の安定
性を有する燃料棒バンドル設計を開示することである。
本発明のこの面によれば、部分長燃料棒を用いることに
より、燃料集合体の２相流領域における流路面積が増加
する。

本発明のこの面の利点は、部分長燃料棒の上方の広大
な容積が燃料チャンネルからの蒸気排出用に利用できる
ことである。従って、比較的高速で移動する大量の蒸気
が燃料棒バンドルの加熱された燃料棒から引き離され、
この容積に引き寄せられる。この蒸気は原子炉の出力運
転中に、部分長燃料棒の上方の開放空間に、より速い速
度で集中すると共に流れ込む傾向を有する。

部分長燃料棒の上方に蒸気が流れることの更なる利点
は、部分長燃料棒に近接していると共に部分長燃料棒よ
りも上方へ延在している燃料棒が、増加した液体分によ
って冷却されると共に減速されることである。残りの燃
料棒の周りに液体分が増加して存在する理由は、部分長
燃料棒の上方の開放空間に蒸気が運ばれることによると
考えられ、その結果、蒸気は水の速度に比べて速い速度
で流れることになる。従って、冷却材に浸されたこれら
の燃料棒は、熱的余裕と反応度とが改善され、追加の出
力発生に貢献する。部分長燃料棒の好ましい配置とし
て、燃料集合体内の最高出力燃料棒に近接し、且つ周囲
の燃料チャンネル壁から１列内側の位置を選択すれば、
この効果から得られる利点が増大する。

本発明の更に他の利点は、完全長燃料棒の長さを短縮
することができるように部分長燃料棒を配置しているこ
とであり、そうでなければ、燃料棒バンドルの出力が制
限されることになろう。遷移沸騰限界は燃料集合体の頂
部に生じるので、このことは、燃料棒バンドルの最高許
容出力を増大させる。

本発明の他の１つの利点は、単相圧損の対２相圧損比
率が減少する一方、燃料棒バンドルの熱的余裕はそのま
ま保たれることである。

本発明の更に他の利点は、部分長燃料棒の構造を開示
することである。本発明のこの面によれば、部分長燃料
棒には、濃縮度を低減したウランがその先端部に近接し
て設けられている。部分長燃料棒の先端にこのような区
域を設けることにより、部分長燃料棒の頂部における出
力ピーキングが防止される。

本発明の更に１つの目的は、燃料棒スペーサの所で終
端している部分長燃料棒を有している燃料集合体の構造
を開示することである。本発明のこの面によれば、部分
長燃料棒は上部タイプレート内までは延在していない
が、上部タイプレートによって支持はされているので、
流れに起因する振動が防止されることである。

本発明の更に１つの面は、部分長燃料棒の利点を強め
るためのタイプレート及びスペーサの構造を開示するこ
とである。本発明のこの面によれば、部分長燃料棒の上
方にあるタイプレートとスペーサとは両方共、拡張した
流れ面積を有している開口を備えている。いくつかのス
ペーサと上部タイプレートとが部分長燃料棒の位置で燃
料棒を支持する必要を無くしたことにより、これら開口
の配置が可能になる。これらの開口は更に、圧損を減少
させると共に、部分長燃料棒の頂部の上方における蒸気
の流路の維持を助ける。これらの開口によって更に、２
相圧損の減少も可能となる。

これらの開口の他の利点は、これら開口を設けること
により、出力発生中の燃料集合体内で、水に比べての蒸
気速度又はスリップ比が増加することである。スリップ
比が増加すると、原子炉の頂部における蒸気ボイド成分
が減少し、これによって反応度が増加し、燃料サイクル
の経済性が改善されると共に軸方向出力分布が改善され
る。

本発明のその他の目的、特徴、及び利点は、以下に述
べる説明及び図面を参照すれば更に明らかになろう。

［実施例］ 本発明を十分に理解できるように、先ず第１図を引用
して原子炉の部分斜視図について説明する。遮蔽壁21が
支持縁体（スカート）部20と、原子炉容器Ｖとを支持し
ている。原子炉容器は内部に、炉心プレート17と、上置
きの頂部ガイド12とを有している。燃料集合体15は、原
子炉の炉心Ｃ内部に炉心プレート上に配置されていると
共に、頂部ガイド12において垂直に相互に間隔をおいて
保持されている。これらの燃料集合体は、制御棒16によ
って出力を制御される。

原子炉内部では、水が再循環出口19から再循環入口18
へポンプ（図示していない）によって循環される。原子
炉の内部では、ジェットポンプ・アセンブリ13が水を循
環させ、水は外向き且つ下向きに流れ、次に炉心Ｃを通
って上向き且つ内向きに強制的に流れる。水流は炉心Ｃ
を通って上向きに流れ、燃料集合体15を通り頂部ガイド
12を経て更に上方へ流れ、蒸気分離器及び蒸気乾燥器を
経て、抽気タービンへと流れる。

本発明は、改良された燃料集合体に関し、その例を第
２図の参照番号15に示す。第２図において、燃料集合体
はその実際の長さは示さず、代わりに途中で切って、燃
料棒バンドルの下部及び頂部のみを示してある。

燃料集合体は、上部ハンドルＨと、下部ノーズピース
Ｎとを含んでいる。燃料チャンネル25がノーズピースか
ら上向きに、実質的に燃料集合体15の全長だけ延在して
いる。

個々の燃料棒Ｌは、燃料集合体の内部にマトリクス状
に配設されている。これらの燃料棒は、下部タイプレー
ト40と上部タイプレート42との間に延在している。

燃料棒は通常、縦列と横列とに配置されている。更
に、そして燃料集合体の長さが長いため（406.4センチ
メートル（160インチ）台）、スペーサＳが燃料集合体
の長さに沿って配置されている。典型的には、７つのス
ペーサＳがおおよそ50.8センチメートル（20インチ）の
間隔をあけて、燃料集合体の頂部から下部まで配置され
ている。

今まで詳細に述べてきたように、本発明は、燃料チャ
ンネル25の内部に配置される新しい燃料設計に関する。
第３図に縦９列×横９列（９×９）の燃料棒バンドルを
図示する。具体的には、燃料棒は９×９のマトリクス状
に配置されている。もし中央のウォータロッド44がなけ
れば、81個の個々の燃料棒は、第３図に示す燃料棒マト
リクスの長さだけ延在することになろう。

第３図の理解を助けるためにいくつか注記を加える。
第１に、下部タイプレート40と上部タイプレート42が図
示されているが、燃料棒50は、その全長のかなりの部分
が切り取られている。第２に、本発明には、好ましくは
燃料集合体の上部1/2の改変を含んでいる。詳しく言え
ば、この改変は、燃料棒のうちのある本数を短くするこ
とである。これらの短縮した燃料棒を以後、部分長燃料
棒60と称する。このようにして、完全長燃料棒65は燃料
チャンネルの全長だけ延在していることになり、部分長
燃料棒60は燃料集合体の長さの少なくとも1/2だけ延在
していることになる。この1/2長さは、下部タイプレー
ト40に始まり、上向きに上部タイプレートへ向かって上
部タイプレートまで延在している。しかしながら、部分
長燃料棒60は完全長には達せず、その前に終端してい
る。

部分長燃料棒は、燃料チャンネル壁25から少なくとも
２列内側にあることが好ましい。第３図の斜視図におい
て、これら部分長燃料棒の位置を図示するために、斜視
図の、読者側寄りの第１列の燃料棒を除いてあるので、
読者には第２列の燃料棒が見えることになる。部分長燃
料棒はいかなる場合も、燃料チャンネル壁側から数えて
第１列の内側寄りの、少なくとも第２列にあることが理
解できよう。

第３図の上部にスペーサS2を示す。これらのスペーサ
は、燃料集合体の長さに沿って上方へ延在している燃料
棒60及び65を相互に間隔をあけて固定する役割を果たし
ている。しかしながら、部分長燃料棒の場合には、これ
らの燃料棒はスペーサS1をわずかに過ぎた所まで延在し
ており、スペーサS1の上方で終端している。

第6A図又は第6B図を参照すると、部分長燃料棒60の上
方にあるスペーサS2には、２つの機能があることがわか
かる。第１に、スペーサS2は、完全長燃料棒65を相互に
間隔をあけて固定する。第２に、スペーサS2は、スペー
サに設けられている通常の開口よりも大きい開口67を画
定する。以下第6B図で説明し、同図からわかるように、
この通常よりも大きい開口を設けることにより、冷却材
が部分長燃料棒60の上方でより容易に流れるようにな
り、圧損（圧力降下）も低下する。

上部タイプレート42も第6A図及び第6B図に示すよう
に、同様に改変することができる。この上部タイプレー
トには、より大きい開口69が設けられており、これによ
り部分長燃料棒の上方での圧損を減少させ、それにより
部分長燃料棒の上方での流れが容易になる。

部分長燃料棒60の頂部から下方へ下部タイプレート40
まで、燃料集合体は先行技術に開示されているように構
成されている。

第４図には、12個の部分長燃料棒を用いた実施例が示
されている。読者は、炉心Ｃ内に配置されているどの特
定の燃料集合体15における部分長燃料棒の利用合計本数
も、又、その配置も、燃料設計及び対象となる特定の原
子炉の必要に合わせて変えても差し支えないことが理解
されよう。

過去においては、第５図に関連して以下に述べるよう
な８×８の燃料棒配列を用いるのが普通であった。より
少ない数を用いる理由の１つは、冷却材が炉心プレート
17から燃料集合体15を経てガイド12の方へ流れる際の圧
損を減少させるためであった。

以下に更に詳しく説明するように、部分長燃料棒は燃
料集合体15の２相部分における圧損を減少させることが
可能である。従って、第４図に示す９×９配列のよう
な、より密集した配列を用いることができるようにな
る。第４図に示す配列の例は特に、個々の燃料棒の密集
度がより高いので、燃料温度を最小にしながらより良い
蒸気発生特性が得られる。

しかしながら、本発明は、第２図及び第5A図に示す８
×８配列、又は第5B図に示すウォータクロス形設計のよ
うな他の燃料集合体設計に適用できることも理解されよ
う。

第5A図では、ウォータロッド44が部分長燃料棒60Bに
よって囲まれている。部分長燃料棒60Bは、燃料集合体
の長さの少なくとも1/2だけ延材している。以下に続く
説明において読者は、第４図に示す９×９配列又は第5A
図に示す８×８配列のいずれであろうと本発明に適用で
きることが理解されよう。

ここに図示した概念は、燃料チャンネルに囲入されて
いる燃料棒バンドルの事実上すべての設計に適用可能な
ことが理解されよう。例えば第5B図の概略合成図に略示
するように、部分長燃料棒は、同図に示すウォータクロ
ス形断面にも利用可能である。

第5B図に燃料チャンネルのウォータクロス形断面を示
す。燃料チャンネル25は、内部が４つの区分25A、25B、
25C及び25Dに分けられている。各区分は、直角に曲げら
れた金属部材から成っていると共に、燃料チャンネル25
の内壁に接しているサブチャンネル・アセンブリ30によ
って画定されている。

これらのサブチャンネル・アセンブリには２つの目的
がある。その第１は、サブチャンネル・アセンブリ相互
間に、追加の減速材を収容できる十字形区域を形成する
ことであり、その第２は、各々のサブチャンネル・アセ
ンブリが別々の燃料棒容積空間を内蔵することである。
サブチャンネル区分25Aには、部分長燃料棒が示されて
いない。サブチャンネル区分25Bには、４つの部分長燃
料棒60Cが示されており、これらの部分長燃料棒は、燃
料チャンネル25及びサブチャンネル・アセンブリ30によ
って形成されているそれぞれの燃料チャンネル壁から内
側へ１列離れた位置に配置されている。

サブチャンネル区分25Cは、特にこの配置では部分長
燃料棒60Cをサブチャンネル・アセンブリ30に直接面し
て配置することが望ましいかもしれないことを示してい
る。その理由は、このウォータクロス形設計では部分長
燃料棒にすぐ隣接した位置と、サブチャンネル・アセン
ブリ30の壁の反対側とに、十分な量の減速材が収容され
ているからである。

最後に、第5B図を参照すると、サブチャンネル・アセ
ンブリ30内部に４×４配列と５×５配列との２種類の配
列が見られる。５×５配列においては、部分長燃料棒は
相互に間隔を置いた４箇所に位置しており、すべて燃料
チャンネル25及びサブチャンネル・アセンブリ30の壁か
ら内側へ１列入った位置にある。４×４配列において
は、２つの部分長燃料棒が中央の２×２の燃料棒配列位
置に配置されている。

ここに開示された部分長燃料棒は、非常に多くの方法
で燃料棒バンドル設計の性能を高めることが理解されよ
う。これらの性能の向上について、以下、原子炉の冷温
運転状態、低流量・低出力状態、及び最後に、高温・実
質的に全出力状態での特質を説明する。

冷温起動 第6A図には、第5A図の矢印６−６における燃料棒バン
ドルをその上部について、部分長燃料棒と共に示す。部
分長燃料棒60が存在していないので、燃料集合体の上部
における燃料対減速材比は増大することがわかる。それ
は即ち、燃料棒が完全長である場合に比べて、より大量
の一種の減速材でもある水と、より少量の燃料とが原子
炉の上部に存在しているということである。

第７図において、無限格子反応度の減速材対燃料比に
対する線図を示す。この線図上の数値は、燃料集合体15
の燃料棒バンドルの上部における原子炉状態を表すもの
である。

無限格子反応度という用語は容易に理解できる。燃料
集合体の上部と同じ格子形状で配列されており、無限長
さを有している無限の数の燃料集合体15があると仮定す
れば、同図上に示されている数値は、どの燃料棒バンド
ルについてもその燃料棒バンドルの上部の反応度を正確
に表していることになろう。

先行技術により構成された原子炉が臨界状態にあり、
冷温状態にあると仮定すれば、無限格子反応度は点100
で表される。原子炉が点102の高温運転状態に移ると、
減速材対燃料比は減少する。詳しく言えば、蒸気ボイド
が存在し、更にある程度まで減速材である水の膨張があ
ると、減速材対燃料比が減少して、点102になる。点100
と点102との間に点をプロットしていくと、曲線103が得
られる。

次に、部分長燃料棒のことを考えてみると、読者は減
速材対燃料比が増加することに気付かれよう。こうし
て、冷温状態では無限格子反応度は点104で表され、完
全長燃料棒の格子の場合の値よりも少ない。

制御棒の挿入を仮定すると、無限格子反応度が臨界線
106よりも下方に落ちることが理解できよう。制御棒が
減速材を移動させ、又、温度と蒸気ボイドとにも作用し
て、急激に反応度を減少させるので、曲線103′は曲線1
03に対して右側へ位置がずれる。しかしながら、点10
4′臨界線よりも更に下方へ落ちることがわかる。改善
された冷温炉停止余裕値105が存在する。この冷温炉停
止余裕は、直ちに先行技術の冷温炉停止余裕107と比較
することができる。冷温炉停止余裕は燃料集合体15の頂
部の燃料棒内の濃縮度への制約となる。参照番号105の
冷温炉停止余裕を増加させることによって、燃料設計を
改善することができる。詳しく言えば、ガドリニウムの
ような可燃性毒物を濃縮させて、原子炉燃料棒バンドル
の頂部から無くすか又は減少させることが可能であり、
又、燃料棒バンドルの頂部において燃料濃縮度を増加す
ることも可能である。

先行技術による原子炉には、冷温炉停止条件において
更に１つの複雑な問題がある。具体的には、出力運転
中、先行技術の完全長燃料棒バンドルの頂部において転
換率、又はプルトニウム生成がより大きい。これは元
来、親ウラン238がより多くの共鳴中性子を捕獲してプ
ルトニウム239を生成することにより生じる。原子炉の
頂部に蒸気ボイドが多いと、中性子の減速が減り、原子
炉の下部領域の低蒸気ボイド区域に対して相対的に共鳴
中性子捕獲が増加する。蒸気ボイドが大きくなると、頂
部の燃料燃焼度も減少し、原子炉炉心の頂部の蒸気ボイ
ドのより多い領域で核分裂性物質がより多く、核分裂性
生成物がより少なくなる。より低い燃焼度、より少ない
核分裂生成物、より多い核分裂性ウラン、及びより多い
核分裂性プルトニウムが組み合わせられると、より高い
冷温反応度を燃料棒バンドルの上部に与えることにな
る。結果として、原子炉の頂部は、冷温状態において最
も反応度が強くなり、制御棒は原子炉の頂部が臨界状態
にならないように十分な制御を行わなければならない。

第6A図に再度簡単に触れるが、本発明の部分長燃料棒
を用いると、より高い減速材比率が得られる。結果とし
て、高速中性子の平均減速距離がより短くなる。従っ
て、高速中性子は減速され、ウラン238への共鳴捕獲に
よるプルトニウム生成に関与する中性子の数は少なくな
る。第８図において、本発明による低温中性子束110
は、先行技術による低温中性子束115よりもピークが低
い。他の言い方をすれば、プルトニウムの生成を抑制す
ることにより、燃料集合体の頂部に通常見られる低温中
性子束ピーキングも同様に抑制される。

燃料集合体の頂部における中性子減速が改善されたこ
とで、更に追加の利点が得られる。十字形制御棒は低速
中性子を捕獲により収集する。中性子は部分長燃料棒の
上方の水減速材領域において減速される。この領域では
中性子は制御棒表面へ拡散し、そこで捕獲される機会が
より大きい。これらの減速された中性子は相対レベルが
高いので、制御棒16は減速された中性子を捕獲する傾向
にあり、冷温状態の原子炉に優れた制御を提供する。

低流量、低出力 以下、第９図を参照して、沸騰水型原子炉の流量／出
力運転領域の簡単な説明を行う。

第９図において、現在の定格熱出力が炉心冷却材流量
の定格百分率に対する曲線として引かれている。原子炉
を最初に起動するときには、冷却材の自然循環状態で運
転される。自然循環状態は、原子炉内部の水の加熱によ
り生じる循環である。炉心冷却材が定格流量の約30％に
達すると、熱出力は定格の約50％の範囲にある。原子炉
が定格出力116で運転中に、ポンプへの電源が喪失した
場合にもこの状況になることがある。もし流量が減少す
ると、蒸気ボイドが増加し、それにより原子炉出力が流
量制御曲線117に沿って減少するので、これにより沸騰
水型原子炉は自己制御する。不安定性は出力流量線図の
領域１及び領域２において生じることがあり得る。これ
ら不安定性には、熱水力学的不安定性と、核的性質と熱
水力的性質とが結合した不安定性とが含まれる。

炉心冷却材流量が増加するにつれて、出力も同様に増
加する。定格流量制御曲線117上で流量が定格の約45％
を超える条件では、不安定性は通常発生しない。

ここに示す線図において、出力対流量での不安定領域
が詳しく明記されている。領域１について言うと、この
流量及び出力領域において顕著な時間、原子炉を運転す
るようなことはしないのが現在の規制基準である。この
領域は40％出力の線よりも上方にあり、定格炉心冷却材
流量の30％と40％との間に概略位置する。同様に、40％
流量と45％流量との間の区域は潜在的に不安定な領域で
ある。原子炉をこの領域で運転する場合には、現在の規
制基準に従って緊密に監視しなければならない。

燃料設計及び原子炉運転において考慮しなければなら
ない不安定性については先に述べたが、これらは、熱水
力学的不安定性と、核的性質と熱水力的性質とが結合し
た不安定性とを含んでいる。

安定性により制限される低流量での許容運転出力は、
単相圧損の２相圧損に対する比率が増加すると、増加す
ることが知られている。

計測及び解析によると、本発明による設計は２相流圧
損を減少させる。このことは第11図に示されている。同
図は、部分長燃料棒のある燃料集合体と部分長燃料棒の
ない燃料集合体との間の圧損（圧力降下）の変化の計測
値を、燃料棒バンドル出力と冷却材の入口質量流束との
関数として示す。部分長燃料棒によって生じた圧損の減
少は、燃料集合体出力及び冷却材流量の増大に伴って増
大する。改善の大きさは自然循環に関連した低流量に対
してはより小さいが、百分率でみる圧損の改善値は、流
量には殆ど無関係である。

第11図の計測値には部分長燃料棒の上方にある、より
大きな流れ開口を有しているスペーサ及びタイプレート
の利点は含まれていない。スペーサS2とタイプレート40
は両方共、部分長燃料棒の上方においてそれぞれの開口
67及び69において、より大きい開口を設けることが可能
である。このように開口を大きくすることによって、２
相圧損を減少させ、その結果として、より良い安定性余
裕と、より大きい全出力流量性能とが得られる。

第6B図から次のことも又、明記すべきである。即ち、
蒸気80が部分長燃料棒の上方の開放領域へ、より速い速
度で流れるとき、より大きな密度の水が完全長燃料棒65
の上部領域の周りにそのまま留まっている。この水は冷
却に役立つと共に、増加した反応性に対して減速作用を
もたらす。部分長燃料棒60は燃料棒バンドルの上部には
存在しないが、残りの燃料棒は、より高い減速材分に囲
まれているので、反応性が改善されている。この、より
高い減速材分は、部分長燃料棒の上方領域に流れ込む蒸
気から来る。この上方領域では蒸気は水に比べてより高
い速度で流れる。変動の無い状態では、原子炉炉心内の
蒸気ボイド容積部分は、原子炉内を流れる蒸気の平均時
間を全冷却材、又は蒸気と水との和の平均時間で割って
得られる。もし蒸気の速度が水の速度に比例して増加す
るならば、蒸気ボイド成分は原子炉炉心で減少する。

全出力運転 沸騰水型原子炉の燃料集合体は、その発生出力が熱的
限界により制限されている。燃料はこの熱的限界により
損傷から保護されている。現在の沸騰水型原子炉の設計
慣習は、遷移沸騰又は液膜乾燥（ドライアウト）が燃料
棒バンドルのどの部分でも発生しないような条件に燃料
棒バンドルの出力を制限することである。

第８図に戻って高温運転出力分布を考慮すると、出力
は燃料集合体の下部で最も高く、頂部で最も低い。同時
に、蒸気ボイドは燃料集合体の下部で低く、頂部へ向か
って増加する。高温運転状態では、出力発生は燃料棒バ
ンドルの頂部で最も低いので、燃料棒バンドルの頂部か
ら除かれた燃料棒が全体出力へ及ぼす影響も低減する。
同時に、減速材対燃料比が増加することと、原子炉の頂
部への蒸気流入によって蒸気ボイド分を減少させること
とによって、原子炉の頂部の反応度は増加する。これに
よって、軸方向出力分布の形状が十分に改善される。こ
れによって更に、燃料棒のいくつかを短くすることによ
る燃料の除去をほぼ補償することも可能となる。結果と
して、部分長燃料棒が原子炉の性能に望ましい効果を有
することがわかる。

第11図に示す圧損の減少により、定格出力条件におい
て全炉心流量を増加させることが可能となる。これによ
り、原子炉の反応度が増加すると共に、燃料のより良い
冷却が得られる。結果として、原子炉をより大きな出力
で運転することが可能となり、又、新しい燃料に充填す
る核分裂性物質を少なくすることにより、燃料サイクル
経済性を改善することが可能となる。

第10図には、部分長燃料棒の先端又はその近辺の構造
が示されている。同図によれば、２つの完全長燃料棒65
の間に部分長燃料棒60が配置されている。部分長燃料棒
60は端栓120の所で終端している。典型的には、部分長
燃料棒60には、プレナム122と、濃縮度を低減したウラ
ン124とが設けられており、これに続いて、普通の濃縮
度のウラン126が設けられており、実質的に燃料棒の残
りの長さだけ延在している。濃縮度を低減したウラン12
4は、部分長燃料棒の濃縮領域の頂端126において出力ピ
ーキングを減少させることがわかっている。このような
出力ピーキングは、部分長燃料棒の頂端に、中性子を吸
収するウランと、増加した減速材とが無いことにより生
じる。

燃料棒は、燃料の燃焼により生成される核分裂ガスを
収容する核分裂ガスプレナムを備えていなければならな
い。完全長燃料棒用の核分裂ガスプレナムは、核反応の
効率に最も影響の少ない区域である原子炉炉心の頂部上
方に配置されている。同様に設計されたプレナムを部分
長燃料棒の頂部に配置すると、プレナムに用いられてい
る鋼製ばね及びその他の材料に寄生的に中性子が捕獲さ
れる結果となる。必然的に、部分長燃料棒の核分裂ガス
プレナムのすべて又は一部を部分長燃料棒の下部に配置
することが奨励される。これにより、プレナム材料への
中性子吸収により生じる反応性についての不利な点を最
小にすることができる。第10図には、部分長燃料棒の頂
部に短縮プレナムを配置していると共に、底部に第２の
核分裂ガスプレナムを配置している実施例を示す。

読者は、ここに図示された部分長燃料棒の配列が模範
的なものであることを理解されたい。部分長燃料棒に用
いられる配列は、燃料棒バンドル内で対称的なものであ
ることが好ましく、更には燃料チャンネル壁から第２列
目にあることが好ましいが、部分長燃料棒は燃料棒バン
ドル内のどこに配置することも可能である。更に又、い
くつかの場合には、部分長燃料棒には重元素の核分裂性
物質及び親物質に加えて、ガドリニウム又はその他の可
燃吸収材を含ませることも可能である。

本開示発明と、ウンタマイヤの米国特許番号第299836
7号に述べられている開示との相異は、次の通りであ
る。

（１） 本発明における原子炉は、沸騰が生じる原子炉
内領域において負の蒸気ボイド反応度係数を有する。
（ウンタマイヤの特許に示されている正の蒸気ボイド係
数と明確に区別される。） （２） 本発明における燃料要素又は燃料棒は、燃料バ
ンドルの形にグループ分けされており、これらの燃料バ
ンドルは燃料チャンネルによって囲まれている。そし
て、原子炉の熱水力学的性能、及び核的性質と熱水力的
性質とが結合した性能を改善するように、長さを短くし
た部分長燃料棒が各燃料バンドル及び各チャンネル内に
最適に配置されている。燃料チャンネルは原子炉の熱水
力的特性に大きな影響を有している。原子炉運転中、液
膜が燃料チャンネルの内側を上向きに流れる。従って、
部分長燃料棒は、燃料チャンネルを備えるように設計さ
れた沸騰水型原子炉においては、ウンタマイヤの特許の
ように燃料チャンネルのない設計の沸騰水型原子炉にお
ける場合とは大いに異なる効果を有している。ウンタマ
イヤの特許は、燃料チャンネルを含んでいないし、又、
燃料チャンネルの完全長燃料棒に関連して部分長燃料棒
の配置を指定していない。この配置は原子炉の性能にと
って決定的に重要であり、本発明においては、この配置
を指定している。

（３） 本発明における原子炉では、燃料棒は、米国特
許番号第2998367号の部分長燃料棒の頂部で生じるよう
な出力ピーキングの問題を回避するために、燃料ウラン
235又は他の核分裂性濃縮燃料、及び可燃性吸収材から
成る独特の軸方向分布を有している。ウンタマイヤの特
許は、濃縮燃料又は可燃性吸収材の軸方向配分を含んで
いない。

（４） 本発明における原子炉では、燃料バンドル内の
燃料棒スペーサは、長さの短い部分長燃料棒の、熱水力
学的利点、及び核的性質と熱水力的性質とが結合した利
点を増すように独特に設計されている。ウンタマイヤの
特許は、部分長燃料棒の性能を増すための燃料棒スペー
サ又は燃料棒スペーサの設計を含んでいない。

（５） 本発明における原子炉では、部分長燃料棒は燃
料棒スペーサの所で、又は燃料棒スペーサのすぐ上方で
終端している。このことは、ウンタマイヤの特許では生
じるような、流れに起因する振動を防止する。

（６） 本発明における原子炉では、部分長燃料棒用の
核分裂ガスプレナムは、部分長燃料棒の頂部に核分裂ガ
スプレナムを配置することによる反応度の不利点を最小
にするように独特に設計されている。ウンタマイヤの特
許は、核分裂ガスプレナムを含んでいないし、長さの短
い部分長燃料棒用の独特の核分裂ガスプレナムの必要条
件を含んでいない。

（７） 本発明における原子炉では、部分長燃料棒は、
原子炉が運転停止するときに、これらの部分長燃料棒が
制御棒の反応度価値を増加させるように、原子炉内で制
御棒に関して独特な位置に配置されている。ウンタマイ
ヤの特許は、制御棒を含んでいないし、制御棒に関して
部分長燃料棒の位置を定めていない。

（８） 本発明における原子炉では、部分長燃料棒は、
燃料集合体の限界出力を増加させるように、又は遷移沸
騰性能に対する余裕を増加させるように、燃料集合体内
の最高出力燃料棒に関して、又、燃料チャンネルに関し
て、独特な位置に配置されている。ウンタマイヤの特許
は、遷移沸騰限界を考慮していないし、この限界に関し
て性能を増すための、部分長燃料棒の配置についても考
慮していない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、原子炉の斜視図である。 第２図は、本発明の部分長燃料棒を組み込んだ原子炉の
燃料棒バンドルの斜視図である。 第３図は、本発明に従って構成された燃料棒バンドルの
単体を燃料チャンネルを取り除いて示す斜視図であっ
て、部分長燃料棒が燃料棒バンドルの下部において第２
列を占めていると共に、燃料チャンネルに取り囲まれた
燃料棒バンドルの上部において部分長燃料棒の上方に位
置する容積空間が定められている縦９本×横９本の燃料
棒チャンネルの配列を示す図である。 第４図は、第１図の２−２線に沿って得た第１図の水平
断面図であって、部分長燃料棒の縦９本×横９本の配列
における配置を詳細に示す図である。 第5A図は、第２図に類似の水平断面図であって、部分長
燃料棒の縦８本×横８本の配列における配置を詳細に示
す図である。 第5B図は、第5A図に類似の水平断面図であって、ウォー
タクロス形燃料棒バンドル設計における部分長燃料棒を
示す図である。 第6A図は、第１図の６−６領域の部分拡大断面図であっ
て、冷温状態において減速材対燃料比が増加する燃料棒
バンドルを示す図である。。 第6B図は、第１図の６−６領域に類似の部分拡大断面図
であって、高温運転状態におけるこの部分の燃料棒バン
ドルを示すと共に、部分長燃料棒の上方に位置する容積
空間における蒸気流路と考えられるものを想像で示す図
である。 第７図は、減速材対燃料比に対する無限格子反応度の線
図であって、本発明の改善された冷温炉停止余裕を示す
図である。 第８図は、燃料棒バンドルの高さの関数としてのピーク
対平均出力比の線図である。 第９図は、炉心冷却材流量に対する中性子出力の線図で
あって、炉心流量制御線と最小強制循環曲線及び自然循
環流量曲線との交点を示す図である。 第10図は、部分長燃料棒の頂部及び下部を図示する詳細
図であって、部分長燃料棒の下部までガスプレナムを部
分的に除去したところを示すと共に、部分長燃料棒の先
端に濃縮度を低減したウランを使用しているところを示
す図である。 第11図は、燃料棒バンドル出力の関数としての、圧損に
対する部分長燃料棒の効果測定値の線図である。 ［主な符号の説明］ 15……燃料集合体、16……制御棒、25……燃料チャンネ
ル、40……下部タイプレート、42……上部タイプレー
ト、60……部分長燃料棒、65……完全長燃料棒、67、69
……開口、122……プレナム、124……濃縮度を低減した
ウラン、S1、S2……スペーサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース・マズナー アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サ ン・ホゼイ、クレストモント・ドライブ、 1920番 (72)発明者 ロバート・ブルース・エルキンズ アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サ ン・ホゼイ、ハサウェイ・コート、686番 (56)参考文献 特開 昭60−224092（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−276493（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−21589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−210988（ＪＰ，Ａ)

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料集合体内に別々の燃料棒バンドルを閉
   入している沸騰水型原子炉に配置する燃料バンドル集合
   体（15）であって、 前記燃料集合体を囲んでおり、燃料集合体容積の周囲に
   連続した壁を形成している鉛直方向に延在した壁を有し
   ている燃料チャンネル（25）と、 該燃料チャンネル内に配置する複数の燃料棒であって、
   該複数の燃料棒の各々は、十分に減速された中性子束の
   存在下で核反応を起こす核分裂性物質を含んでいる、複
   数の燃料棒（60、65）と、 前記燃料チャンネル内に前記燃料棒バンドルを支持する
   下部タイプレート（40）と、 前記燃料棒バンドルの上端を支持する上部タイプレート
   （42）と、 前記燃料棒に沿って予め選択された位置で前記上部タイ
   プレートと前記下部タイプレートとの中間に設けられて
   おり、前記燃料集合体の長さに沿って相互に間隔を置い
   た位置に前記燃料棒を維持するスペーサ（S1、S2）とを
   備えており、 前記燃料チャンネルは、下端部で前記下部タイプレート
   と係合するために開いていると共に、上端部で前記上部
   タイプレートと係合するために開いており、 前記下部タイプレートは、前記燃料チャンネルの下端部
   を閉じるように該燃料チャンネルの下端部と連結してお
   り、前記核反応の際に蒸気を発生するように前記燃料チ
   ャンネル内の前記燃料棒の間に水を流入させるために画
   定された開口を有しており、 前記燃料棒の少なくとも２つは、部分長燃料棒（60）で
   あって、前記下部タイプレート（40）から前記上部タイ
   プレート（42）に向かって延在していると共に、前記上
   部タイプレート（42）の下方に配置されているスペーサ
   （S1）の付近で終端しており、前記部分長燃料棒（60）
   は、前記バンドル内に少なくとも２つの離隔した位置を
   画定するように互いに離れており、前記部分長燃料棒の
   上方に位置している燃料棒スペーサ（S2）は、水及び蒸
   気を流すために前記部分長燃料棒の上方の流路内に設け
   られた拡大開口を含んでいる沸騰水型原子炉に配置する
   燃料バンドル集合体（15）。
2. 【請求項２】前記部分長燃料棒は、少なくとも１つの完
   全長燃料棒が前記部分長燃料棒の各々と前記燃料チャン
   ネルにより形成されている前記連続した壁との間に位置
   するように、前記燃料集合体の内部に配置されている請
   求項１に記載の燃料バンドル集合体。
3. 【請求項３】前記燃料チャンネルは、矩形断面を有して
   おり、 前記燃料棒は、縦列及び横列に設けられており、 前記部分長燃料棒は、前記燃料チャンネルにより形成さ
   れている前記連続した壁には隣接していない縦列又は横
   列に配置されている請求項１に記載の燃料バンドル集合
   体。
4. 【請求項４】前記部分長燃料棒は、前記燃料チャンネル
   により形成されている前記連続した壁から１列離れて配
   置されている請求項３に記載の燃料バンドル集合体。
5. 【請求項５】前記燃料棒の配置は、合計８×８個の燃料
   棒を含んでおり、複数の前記部分長燃料棒は、前記燃料
   チャンネルの壁から少なくとも１列離れて配置されてい
   る請求項３に記載の燃料バンドル集合体。
6. 【請求項６】前記燃料棒は、９つの縦列及び９つの横列
   の燃料棒を含んでおり、前記部分長燃料棒は、前記燃料
   チャンネルの壁から少なくとも１列離れて配置されてい
   る請求項３に記載の燃料バンドル集合体。
7. 【請求項７】前記部分長燃料棒の上方に位置している前
   記上部タイプレートは、水及び蒸気を流す拡大開口を含
   んでいる請求項１から請求項６までのいずれか一項に記
   載の燃料バンドル集合体。
8. 【請求項８】前記部分長燃料棒内にその上端に近接し
   て、濃縮度を低減させた部分を含んでいる請求項１から
   請求項７までのいずれか一項に記載の燃料バンドル集合
   体。
9. 【請求項９】前記部分長燃料棒の各々の下端にガスプレ
   ナムを含んでいる請求項１から請求項８までのいずれか
   一項に記載の燃料バンドル集合体。
10. 【請求項１０】前記部分長燃料棒の各々の上端にガスプ
    レナムを含んでいる請求項１から請求項９までのいずれ
    か一項に記載の燃料バンドル集合体。
11. 【請求項１１】前記原子炉は、ポンプで注入される流体
    を有しており、該流体は、前記燃料集合体の下部におい
    て液体で単相であると共に、前記燃料集合体の上部２相
    部において液体及び蒸気であり、前記核反応は、前記燃
    料集合体の上部２相部において蒸気を発生させる熱を発
    生している請求項１から請求項10までのいずれか一項に
    記載の燃料バンドル集合体。
12. 【請求項１２】前記上部タイプレートの下方に配置され
    ている前記スペーサ（S1）は、前記上部２相部に配置さ
    れており、前記燃料棒のうちの少なくとも２つの部分長
    燃料棒は、前記スペーサに隣り合って終端しており、 該終端した燃料棒は、該燃料棒の端部の上方に位置して
    いる前記スペーサの上方で、水及び蒸気を流す拡大され
    た流れ区域及び容積を画定している請求項11に記載の燃
    料バンドル集合体。