原子燃料集合体およびそれを用いた炉心
【課題】スペクトルシフト効果による反応度利得を確保しつつ、スペクトルシフトロッド内の水の状態を感知する中性子検出器の応答感度を向上させる。
【解決手段】正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、上部に蒸気溜を形成可能であり、炉心流量によって内部の水位を制御可能な２本の丸型のスペクトルシフトロッド３と、複数の燃料棒１の外周を囲むチャンネルボックス２と、を備えた原子燃料集合体１１Ｂにおいて、スペクトルシフトロッド３の重心位置Ｇは制御棒２０の中心Ｂと燃料格子の中心Ｃを結ぶ線上にあり、下式で定義されるスペクトルシフトロッド３の偏心量Ｘｄｅｃが√２となるように、スペクトルシフトロッド３は中性子検出器３０側に偏心配置されている。
Ｘｄｅｃ＝ｄ／ｐ
ここで、ｄは、燃料格子の中心Ｃからスペクトルシフトロッド３の重心位置Ｇまでの距離であり、ｐは燃料棒１の中心間距離である。
【解決手段】正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、上部に蒸気溜を形成可能であり、炉心流量によって内部の水位を制御可能な２本の丸型のスペクトルシフトロッド３と、複数の燃料棒１の外周を囲むチャンネルボックス２と、を備えた原子燃料集合体１１Ｂにおいて、スペクトルシフトロッド３の重心位置Ｇは制御棒２０の中心Ｂと燃料格子の中心Ｃを結ぶ線上にあり、下式で定義されるスペクトルシフトロッド３の偏心量Ｘｄｅｃが√２となるように、スペクトルシフトロッド３は中性子検出器３０側に偏心配置されている。
Ｘｄｅｃ＝ｄ／ｐ
ここで、ｄは、燃料格子の中心Ｃからスペクトルシフトロッド３の重心位置Ｇまでの距離であり、ｐは燃料棒１の中心間距離である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される原子燃料集合体およびそれを用いた炉心に関し、より詳しくは、スペクトルシフトロッドを備えた原子燃料集合体およびそれを用いた炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉において燃料を経済的に利用するために、スペクトルシフトロッド（以下、単にＳＳＲともいう。）を備える原子燃料集合体が開発されている。このＳＳＲはウォータロッドの一種であり、上部に蒸気溜を形成することによって内部に水位を設けることができる。ＳＳＲ内の水位は、炉心流量を制御することによって変化させることができる。従来、原子燃料集合体に配置された１本又は複数本のＳＳＲは、従来のウォータロッドと同様、その重心位置が原子燃料集合体の横断面中央に位置するように配置されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
炉心流量によって内部の水位を変化させることができるという特徴を利用すると、燃料集合体内の燃料を効率的に利用することができる。即ち、運転サイクルの初期においては、炉心流量を低くすることでＳＳＲ内の水位を低く設定し、ＳＳＲの上部に蒸気を溜める。これにより、ＳＳＲ内の水位よりも上部の蒸気領域に対応する燃料棒内の領域にプルトニウムを蓄積する。その後、運転サイクルの末期において、炉心流量を増やしてＳＳＲ内部の水位を上昇させ、最終的にはＳＳＲ内を満水にする。ＳＳＲ内部の水位を上昇させることで蓄積されたプルトニウムが燃焼するため、プルトニウムが蓄積された燃料棒上部の出力が高くなる傾向にある。このようにスペクトルシフト運転を行うことで、蓄積したプルトニウムを燃焼させる結果、燃料を効率的に利用でき、反応度の利得を得ることができる（スペクトルシフト効果）。
【０００４】
ＳＳＲ内の水位は、プルトニウムの蓄積量や、ＳＳＲが満水になったときのプルトニウムの消費量に関連し、最終的には運転サイクル末期における炉心の出力分布に影響する。したがって、炉心の出力分布を精度良く監視するためには、ＳＳＲ内の水位を精度良く推定することが望まれる。
【０００５】
ところで、ＳＳＲ内の水位が低く設定されているとき、水位より上側の蒸気の領域と、下側の液体の領域では、水の密度差に起因して中性子減速効果に差が生じる。即ち、上側の蒸気の領域における中性子減速効果は、下側の液体の領域における中性子減速効果よりも小さい。このため、炉心内核計装系の中性子検出器により測定される中性子束の軸方向分布は、ＳＳＲ内の水位の影響を受ける。
【０００６】
よって、中性子検出器の中性子束測定値において軸方向に変化が見られる位置から、ＳＳＲ内の水位を推定することができると考えられる。
【０００７】
このような手法の一つとして、ＳＳＲ内の水位計算を含む熱水力計算処理により得られた出力分布と、中性子検出器により計測した炉心軸方向出力分布との差から、ＳＳＲ内の水位を補正する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２３２２７３号公報
【特許文献２】特開２００９−２３６７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、中性子検出器により計測された炉心の軸方向出力分布を用いてＳＳＲ内の水位を推定する場合には、中性子検出器の応答感度がＳＳＲ内の水位の推定精度に影響を与える。そして、ＳＳＲ内の水位の推定精度が低いと、燃料棒に蓄積されるプルトニウムの量や、ＳＳＲ内の水位を上昇させた後におけるプルトニウムの燃焼に伴う出力を正確に予測することができない。このため、種々の熱的制限値に対する余裕を正確に把握することができず、炉心監視性能が低下するという問題がある。
【００１０】
よって、炉心監視性能を低下させずにスペクトルシフト運転を行うためには、中性子検出器の応答感度を可及的に高める必要がある。ＳＳＲ内の冷却水（減速材）の状態変化が中性子検出器に与える影響の大きさは、ＳＳＲと中性子検出器の距離に依存する。すなわち、ＳＳＲと中性子検出器の距離が短いほど中性子検出器の応答感度が高くなる。しかし、ＳＳＲを中性子検出器に近づけるとＳＳＲによる反応度利得が低下する問題がある。これに対して、従来、中性子検出器の計測結果に基づいてＳＳＲ内の水位を推定する観点から、原子燃料集合体におけるＳＳＲの位置を検討することはなされていなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、スペクトルシフト効果による反応度利得を確保しつつ、スペクトルシフトロッド内の水の状態を感知する中性子検出器の応答感度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、燃料集合体のスペクトルシフトロッドを、スペクトルシフト効果が得られる範囲内で中性子検出側に偏心させたものである。
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、
正方格子状に配置された複数の燃料棒と、上部に蒸気溜を形成可能であり、炉心流量によって内部の水位を制御可能な１つまたは複数のスペクトルシフトロッドと、前記複数の燃料棒の外周を囲むチャンネルボックスと、を備えた原子燃料集合体において、前記スペクトルシフトロッドの水平断面の重心位置が制御棒の中心と燃料格子の中心を結ぶ線上にあって、前記スペクトルシフトロッドによる反応度利得が正となる範囲内で前記スペクトルシフトロッドを前記燃料格子の中心に関して前記制御棒と反対側に偏心して配置したことを特徴とする原子燃料集合体が提供される。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、
複数の燃料集合体を備える沸騰水型原子炉の炉心であって、前記炉心に配置された中性子検出器と、前記中性子検出器に隣接する、前記第１の態様による燃料集合体と、を備えることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る原子燃料集合体では、スペクトルシフトロッドの水平断面の重心位置が制御棒の中心と燃料格子の中心を結ぶ線上にあって、スペクトルシフトロッドによる反応度利得が正となる範囲内でスペクトルシフトロッドを燃料格子の中心に関して前記制御棒と反対側に偏心して配置する。例えば、偏心量が√２又は√２／２となるようにスペクトルシフトロッドを中性子検出器側に偏心配置する。このことは、スペクトルシフトロッドを従来の位置から中性子検出器側に燃料棒配列で１列分だけ偏心させることに相当する。これにより、スペクトルシフト効果による反応度利得を確保しつつ、スペクトルシフトロッド内の水の状態を感知する中性子検出器の応答感度を向上させることができる。
【００１６】
中性子検出器の応答感度が向上することで、スペクトルシフトロッド内の水位の推定精度が向上する。その結果、燃料棒に蓄積されるプルトニウムの量や、ＳＳＲ内の水位を上昇させた後におけるプルトニウムの消費量を精度良く予測することができるようになり、種々の熱的制限値に対する余裕を正確に把握することができ、炉心の監視性能を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心では、中性子検出器を囲む原子燃料集合体としてスペクトルシフトロッドを偏心配置させた本発明に係る原子燃料集合体を用い、それ以外の原子燃料集合体として反応度利得を優先させ、スペクトルシフトロッドを燃料格子の中心近傍に配置した原子燃料集合体を用いる。スペクトルシフトロッドを偏心配置させた本発明に係る原子燃料集合体により、プルトニウムの蓄積量を精度良く把握することができ、これを敷衍することにより炉心全体におけるプルトニウムの蓄積量を精度良く把握することができる。一方、スペクトルシフトロッドの反応度利得を優先させた従来の原子燃料集合体により、プルトニウムを有効に蓄積することができる。
【００１８】
これにより、中性子検出器応答感度を改善し、炉心監視性能を向上させるとともに、運転サイクルの末期において高い反応度利得を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）及び（ｃ）は比較用の原子燃料集合体の横断面図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る原子燃料集合体の横断面図である。
【図２】偏心位置に対する反応度利得および中性子検出器応答感度を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｃ）は比較用の原子燃料集合体の横断面図であり、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る原子燃料集合体の横断面図である。
【図４】偏心位置に対する反応度利得および中性子検出器応答感度を示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｃ）は比較用の原子燃料集合体の横断面図であり、（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る原子燃料集合体の横断面図である。
【図６】偏心位置に対する反応度利得および中性子検出器応答感度を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る炉心の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の４つの実施形態について説明する。第1乃至第３の実施形態は原子燃料集合体に関し、第４の実施形態はそれらの原子燃料集合体を有する沸騰水型原子炉の炉心に関するものである。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、同一符号の構成要素の詳しい説明は繰り返さない。
【００２１】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る原子燃料集合体について説明する。図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ原子燃料集合体１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃの横断面図を示している。また、いずれの図においても、原子燃料集合体の出力を制御する十字形の制御棒２０、および中性子束を検出する中性子検出器３０の横断面図も示している。
【００２２】
図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、原子燃料集合体１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃはいずれも、１０行１０列の正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、これらの燃料棒１を囲むチャンネルボックス２と、２本の丸型のスペクトルシフトロッド３とを備える。１本のスペクトルシフトロッド３は、燃料棒１が配置される正方格子のうち４つ（２行２列分）の格子位置を占める。つまり、１本のスペクトルシフトロッド３は、４本の燃料棒１を置き換えることによって設けられている。
【００２３】
本実施形態に係る原子燃料集合体は図１（ｂ）に示す原子燃料集合体１１Ｂであり、原子燃料集合体１１Ａ及び１１Ｃは比較のためのものである。即ち、図１（ａ）及び図１（ｂ）からわかるように、本実施形態に係る原子燃料集合体１１Ｂは、原子燃料集合体１１Ａにおけるスペクトルシフトロッド３の重心位置から燃料棒配列１列分だけスペクトルシフトロッド３の重心位置を中性子検出器３０側へ偏心させたものである。
【００２４】
なお、「重心位置」は、式（１）で定義され、燃料格子におけるスペクトルシフトロッドの平均的な位置の指標として取り扱うこととする。
【数１】
ここで、Ｇ：重心位置、Ａｉ：ｉ番目のスペクトルシフトロッドの断面積、Ｒｉ：ｉ番目のスペクトルシフトロッドの中心位置の位置ベクトル、ｎ：燃料格子内にあるスペクトルシフトロッドの総数である。位置ベクトルは、燃料格子の中心（原点）から中性子検出器の方向に正を取ったｘ軸と、ｘ軸と原点で垂直に交わるｙ軸とで張られるｘ−ｙ平面におけるベクトルである。通常、スペクトルシフトロッドはｘ軸に関して対称に配置されるため、重心位置はｘ軸上にある。
【００２５】
制御棒２０は、図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）では、相対的な位置関係を示すために１つの制御棒２０に対して原子燃料集合体を１体のみ図示しているが、通常、１つの制御棒２０の周囲には、４体の原子燃料集合体が配置されている。
【００２６】
中性子検出器３０は、図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、原子燃料集合体の横断面に現われる格子（以下、燃料格子という。）の中心Ｃと、制御棒２０の中心Ｂを結ぶ線上にあり、制御棒２０とは反対側の原子燃料集合体のコーナ付近に設けられている。この中性子検出器３０は、電極にウラン２３５などの核分裂物質を塗布し、管内に電離ガスを封入した核分裂計数管を使用するものであり、具体的には、移動式炉心内計装系（Traversing In-core Probe：ＴＩＰ）、局所出力領域モニタ（Local Power Range Monitor：ＬＰＲＭ）が用いられる。ＬＰＲＭは、軸方向に沿って所定の間隔で配置されており、炉心内の局所的な中性子束のレベルを監視する機能および警報機能を有する計装系である。ＴＩＰは、軸方向に移動可能なものとして設けられており、ＬＰＲＭを校正する機能および軸方向出力分布の計測機能を有する計装系である。
【００２７】
原子燃料集合体１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃの相違点は、図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）からわかるように、スペクトルシフトロッド３の位置である。即ち、原子燃料集合体１１Ａの有する２本のスペクトルシフトロッド３の重心位置Ｇは、燃料格子の中心Ｃと一致する。それに対し、原子燃料集合体１１Ｂ及び１１Ｃにおけるスペクトルシフトロッド３の重心位置Ｇは、燃料格子の中心Ｃと中性子検出器３０を結ぶ直線上にあり、この直線に沿って中性子検出器３０側に偏心した位置にある。
【００２８】
ここで、中性子検出器に対するスペクトルシフトロッドの位置を示すために、偏心位置を定義する。この偏心位置は、燃料格子の中心Ｃを原点とし中心Ｃから中性子検出器３０への向きを正にとった軸上におけるスペクトルシフトロッドの重心位置Ｇを、燃料棒１の中心間距離（ピッチ）を単位として表したものである。
【００２９】
また、スペクトルシフトロッドの燃料格子中心からの偏心程度を示すために、偏心量Ｘｄｅｃを式（２）により定義する。
Ｘｄｅｃ＝ｄ／ｐ ・・・・（２）
ここで、ｄは、燃料格子の中心Ｃからスペクトルシフトロッドの重心位置までの距離であり、ｐは燃料棒の中心間距離である。
【００３０】
原子燃料集合体１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃにおけるスペクトルシフトロッド３の偏心位置は、それぞれ０、√２及び２√２［ピッチ］である。このように、ＳＳＲの重心位置Ｇを燃料格子の中心Ｃから中性子検出器３０側に向かって１列分近づける毎に、偏心位置は＋√２［ピッチ］だけシフトする。
【００３１】
次に、偏心位置がスペクトルシフト効果および中性子検出器応答感度に与える影響について説明する。図２は、原子燃料集合体１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃの各偏心位置に対する、中性子検出器応答感度Ｓおよび反応度利得Ｇｒを示している。
【００３２】
中性子検出器応答感度Ｓは、式（３）で定義される。
Ｓ＝（Ｚ１−Ｚ０）／Ｚ０×１００ ［％］ ・・・・（３）
ここで、Ｚ１：燃料格子の所定の位置にＳＳＲを配置した場合における、ＳＳＲ内水位上昇前後の、中性子検出器位置でのウラン２３５核分裂断面積の変化量であり、Ｚ０：燃料格子の基準位置にＳＳＲを配置した場合のおける、ＳＳＲ内水位上昇前後の、中性子検出器位置でのウラン２３５核分裂断面積の変化量である。
【００３３】
反応度利得Ｇｒは、式（４）で定義される。
Ｇｒ＝ｋ１−ｋ０ ・・・・（４）
ここで、ｋ１：燃料格子の所定の位置にＳＳＲを配置した場合における、ＳＳＲ内の水位を上昇させた後の無限増倍率、ｋ０：燃料格子の基準位置に前記ＳＳＲと同じ形状のウォータロッド（満水）を配置した場合における、サイクル末期の無限増倍率である。
【００３４】
本実施形態の場合、中性子検出器応答感度および反応度利得の定義における基準位置は偏心位置０の位置である。
【００３５】
図２に示すように、偏心位置が大きくなるほど、即ち、スペクトルシフトロッド３の重心位置が中性子検出器３０側へ偏心するほど、中性子検出器応答感度は向上し、その一方、反応度利得は減少する。そして、反応度利得は、偏心位置が√２と２√２の間で正負逆転している。これは、スペクトルシフトロッド３を中性子検出器３０側に偏心させすぎたことによって、スペクトルシフト効果による反応度の上昇分よりも、燃料格子中心付近における水の減少による反応度の減少分の方が大きくなってしまったためである。
【００３６】
本実施形態に係る原子燃料集合体１１Ｂは、スペクトルシフトロッドを偏心位置√２に配置しているため、図２に示すように、反応度利得は正であり、かつ中性子検出器応答感度は、スペクトルシフトロッドを偏心位置０に配置した従来の原子燃料集合体１１Ａに比べて向上している。
【００３７】
なお、図１の例では、丸型のスペクトルシフトロッドが２本配置されていたが、スペクトルシフトロッドはこれに限られず、燃料棒との置き換えによって偏心量Ｘｄｅｃが０となるように配置可能なスペクトルシフトロッドであれば、その形状および本数は任意である。
【００３８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態と第１の実施形態の相違点の一つは、スペクトルシフトロッドの数および形状である。即ち、第１の実施形態におけるスペクトルシフトロッドは丸型で２本配置されていたのに対し、本実施形態ではスペクトルシフトロッドは角型で１本だけ配置される。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ原子燃料集合体１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃの横断面図を示している。また、いずれの図においても、原子燃料集合体の出力を制御する制御棒２０、および中性子束を検出する中性子検出器３０の横断面図も示している。
【００４０】
図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、原子燃料集合体１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃはいずれも、１０行１０列の正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、これらの燃料棒１を囲むチャンネルボックス２と、１本の角型のスペクトルシフトロッド４とを備える。１本のスペクトルシフトロッド４は、燃料棒１が配置される正方格子のうち９つ（３行３列分）の格子位置を占める。つまり、１本のスペクトルシフトロッド４は、９本の燃料棒１を置き換えることによって設けられている。
【００４１】
図３（ｂ）に示す原子燃料集合体１２Ｂが本実施形態に係る原子燃料集合体であり、原子燃料集合体１２Ａ及び１２Ｃは比較のためのものである。即ち、図３（ａ）及び図３（ｂ）からわかるように、本実施形態に係る原子燃料集合体１２Ｂは、原子燃料集合体１２Ａにおけるスペクトルシフトロッド４の重心位置から燃料棒配列１列分だけスペクトルシフトロッド４の重心位置を中性子検出器３０側へ偏心させたものである。
【００４２】
原子燃料集合体１２Ａ，１２Ｂ及び１２Ｃの相違点は、図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）からわかるように、スペクトルシフトロッド４の位置である。具体的には、図３（ａ）からわかるように、原子燃料集合体１２Ａのスペクトルシフトロッド４は偏心位置−√２／２に配置されている。また、原子燃料集合体１２Ｂ及び１２Ｃにおけるスペクトルシフトロッド４の偏心位置は、それぞれ√２／２及び３√２／２である。
【００４３】
なお、燃料棒配列数が１０（偶数）であることから、スペクトルシフトロッド４の重心位置Ｇが原子燃料集合体１２Ａの燃料格子の中心Ｃに一致するように配置できない。即ち、スペクトルシフトロッド４を偏心位置０に配置することはできない。
【００４４】
次に、偏心位置が、スペクトルシフト効果および中性子検出器に与える影響について説明する。図４は、原子燃料集合体１２Ａ，１２Ｂ及び１２Ｃの各偏心位置に対する、中性子検出器応答感度および反応度利得を示している。本実施形態における中性子検出器応答感度および反応度利得の定義は、第１の実施形態と同様であるが、定義における基準位置は偏心位置−√２／２の位置である。
【００４５】
図４に示すように、スペクトルシフトロッド４が中性子検出器３０側に偏心するほど、中性子検出器応答感度は向上する。一方、反応度利得は減少し、偏心位置が√２／２と３√２／２の間で正負逆転している。これは、スペクトルシフトロッド４を中性子検出器３０側に偏心させすぎたことによって、スペクトルシフト効果による反応度の上昇分よりも、燃料格子中心付近における水の減少による反応度の減少分の方が大きくなってしまったためである。
【００４６】
本実施形態に係る原子燃料集合体１２Ｂは、スペクトルシフトロッドを偏心位置√２/２に配置しているため、図４に示すように、反応度利得は正であり、かつ中性子検出器応答感度は、スペクトルシフトロッドを偏心位置−√２/２に配置した従来の原子燃料集合体１２Ａに比べて向上している。
【００４７】
なお、図３の例では、角型のスペクトルシフトロッドが１本配置されていたが、スペクトルシフトロッドはこれに限られず、燃料棒との置き換えによって偏心量Ｘｄｅｃが０となるように配置することができないスペクトルシフトロッドであれば、本実施形態に含まれる。
【００４８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態と第２の実施形態の相違点の一つは、燃料棒配列数である。即ち、第２の実施形態に係る原子燃料集合体の燃料棒配列数が１０であるのに対し、本実施形態に係る原子燃料集合体の燃料棒配列数は１１である。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ原子燃料集合体１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃの横断面図を示している。また、いずれの図においても、原子燃料集合体の出力を制御する制御棒２０、および中性子束を検出する中性子検出器３０の横断面図も示している。
【００５０】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、原子燃料集合体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃはいずれも、１１行１１列の正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、これらの燃料棒１を囲むチャンネルボックス２と、１本の角型のスペクトルシフトロッド５とを備える。１本のスペクトルシフトロッド５は、燃料棒１が配置される正方格子のうち９つ（３行３列分）の格子位置を占める。つまり、１本のスペクトルシフトロッド５は、９本の燃料棒１を置き換えることによって設けられている。
【００５１】
図５（ｂ）に示す原子燃料集合体１３Ｂが本実施形態に係る原子燃料集合体であり、原子燃料集合体１３Ａ及び１３Ｃは比較のためのものである。即ち、図５（ａ）及び図５（ｂ）からわかるように、本実施形態に係る原子燃料集合体１３Ｂは、原子燃料集合体１３Ａにおけるスペクトルシフトロッド５の重心位置から燃料棒配列１列分だけスペクトルシフトロッド５の重心位置を中性子検出器３０側へ偏心させたものである。
【００５２】
原子燃料集合体１３Ａ，１３Ｂ及び１３Ｃの相違点は、図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）からわかるように、スペクトルシフトロッド５の位置である。具体的には、図５（ａ）からわかるように、原子燃料集合体１３Ａのスペクトルシフトロッド５の偏心位置０に配置されている。また、原子燃料集合体１３Ｂ及び１３Ｃにおけるスペクトルシフトロッド５の偏心位置は、それぞれ√２及び２√２である。
【００５３】
次に、偏心位置がスペクトルシフト効果および中性子検出器に与える影響について説明する。図６は、原子燃料集合体１３Ａ，１３Ｂ及び１３Ｃの各偏心位置に対する、中性子検出器応答感度および反応度利得を示している。本実施形態における中性子検出器応答感度および反応度利得の定義は第1の実施形態と同様であるが、定義における基準位置は偏心位置０の位置である。
【００５４】
図６に示すように、スペクトルシフトロッド５が中性子検出器３０側に偏心するほど、中性子検出器応答感度は向上する。一方、反応度利得は減少し、偏心位置が√２と２√２の間で正負逆転している。これは、スペクトルシフトロッド５を中性子検出器３０側に偏心させすぎたことによって、スペクトルシフト効果による反応度の上昇分よりも、燃料格子中心付近における水の減少による反応度の減少分の方が大きくなってしまったためである。
【００５５】
本実施形態に係る原子燃料集合体１３Ｂは、スペクトルシフトロッドを偏心位置√２に配置しているため、図６に示すように、反応度利得は正であり、かつ中性子検出器応答感度は、スペクトルシフトロッドを偏心位置０に配置した従来の原子燃料集合体１３Ａに比べて向上している。
【００５６】
以上、原子燃料集合体に係る３の実施形態について説明した。第１乃至第３の実施形態によれば、反応度利得を確保しつつ、中性子検出器３０の応答感度を向上させることができる。即ち、燃料格子の中心に配置されたウォータロッドを有する従来の原子燃料集合体よりも、スペクトルシフト運転により高い反応度を得ることができ、かつ、中性子検出器の応答感度を向上させることができる。この中性子検出器の応答感度の向上により、種々の熱的制限値に対する余裕を正確に把握し、炉心監視性能を向上させることができる。
【００５７】
なお、本実施形態は、図５から明らかなように、類型としては図１に示した第１の実施形態と同様に、燃料棒との置き換えによって偏心量Ｘｄｅｃが０となるように配置可能なスペクトルシフトロッドである。つまり、偏心量Ｘｄｅｃが√２となるようにスペクトルシフトロッドを中性子検出器側に偏心させる実施形態は、図１及び図５に示したように、原子燃料集合体に含まれる燃料棒の本数やスペクトルシフトロッドの形状によって限定されるのではなく、あくまでも燃料棒との置き換えによって偏心量Ｘｄｅｃが０となるか否かである。この点は、偏心量Ｘｄｅｃが√２／２となるようにスペクトルシフトロッドを中性子検出器側に偏心させる第２の実施形態についても同様である。
【００５８】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る沸騰水型原子炉の炉心について説明する。
【００５９】
図７は本実施形態に係る沸騰水型原子炉の炉心の横断面を示している。図７に示すように、複数の原子燃料集合体１４は、炉心の水平断面において直線Ｌ１およびＬ２に関して対称に配置されている。
【００６０】
制御棒２０は、図７に示すように、４体の原子燃料集合体１４から構成された、横断面が正方形の原子燃料集合体群１６の中心の間隙に挿抜可能に配置されている。
【００６１】
中性子検出器３０は、その配置数が少なくなるように、炉心の対称性を考慮して配置されている。即ち、中性子検出器３０は、実際に配置された位置における中性子束だけでなく、配置位置と直線Ｌ１，Ｌ２に関して対称な位置における中性子束についても代表できるように配置されている。例えば、図７に示す中性子検出器３０Ａの中性子束の検出結果は、中性子検出器３０Ａの位置における中性子束だけでなく、直線Ｌ１に関して対称な位置（対称位置Ｓ）における中性子束の検出結果も代表している。よって、中性子検出器３０Ａは対称位置を代表する中性子検出器でもある。図７からわかるように、他の中性子検出器３０についても同様である。
【００６２】
本実施形態に係る炉心では、少なくとも一つの中性子検出器について、その中性子検出器と隣接する原子燃料集合体として、第１乃至第３の実施形態で説明した原子燃料集合体１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂのいずれかを用いる。この場合、中性子束を正しく把握するために、当該中性子検出器と直線Ｌ１，Ｌ２に関して対称な位置に隣接する原子燃料集合体についても、当該中性子検出器と隣接する原子燃料集合体と同じ構成の原子燃料集合体を配置する必要がある。例えば、図７に示すように、中性子検出器３０Ａと隣接する位置に原子燃料集合体１１Ｂを配置した場合、直線Ｌ１に関して対称な位置にも原子燃料集合体１１Ｂを配置する。
【００６３】
なお、炉心の外周付近では、中性子の漏れが多く出力が低いため、原子燃料集合体の炉心全体の挙動への寄与は少ない。このため、炉心の外周付近の中性子検出器には、必ずしも高い検出精度が求められるわけではないと考えられる。よって、炉心の外周付近においては、反応度利得を優先するために、スペクトルシフトロッドを燃料格子の中心近傍に配置した原子燃料集合体を配置するようにし、一方、炉心の中央領域等、比較的高い中性子束の検出精度が要求される領域には、第１乃至第３の実施形態に係る原子燃料集合体を配置することが好ましい。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態によれば、炉心全体として反応度利得を可及的に高く維持しつつ、中性子検出器応答感度を改善し、炉心監視性能を向上させることができる。
【００６５】
以上、本発明に係る４つの実施形態について説明した。上記第１〜第３の実施形態では、種々の形状や本数のスペクトルシフトロッドと燃料棒本数の異なる原子燃料集合体の組合せについて示したが、いずれの場合においても、スペクトルシフトロッドを燃料格子中心から中性子検出器の方向へ、反応度利得が正となる範囲内で偏心配置したものである。すなわち、上位概念的には、本発明は、スペクトルシフトロッド（単数および複数のいずれの場合も含む）の水平断面の重心位置が制御棒の中心と燃料格子の中心を結ぶ線上にあって、該スペクトルシフトロッドによる反応度利得が正となる範囲内でスペクトルシフトロッドを燃料格子の中心に関して制御棒と反対側に偏心して配置したものである。
【００６６】
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 燃料棒
２ チャンネルボックス
３，４，５ スペクトルシフトロッド（ＳＳＲ）
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 原子燃料集合体
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 原子燃料集合体
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 原子燃料集合体
１４ 原子燃料集合体
１６ 原子燃料集合体群
２０ 制御棒
３０，３０Ａ 中性子検出器
Ｂ 制御棒の中心
Ｃ 燃料格子の中心
Ｇ スペクトルシフトロッドの重心位置
Ｓ 対称位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される原子燃料集合体およびそれを用いた炉心に関し、より詳しくは、スペクトルシフトロッドを備えた原子燃料集合体およびそれを用いた炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉において燃料を経済的に利用するために、スペクトルシフトロッド（以下、単にＳＳＲともいう。）を備える原子燃料集合体が開発されている。このＳＳＲはウォータロッドの一種であり、上部に蒸気溜を形成することによって内部に水位を設けることができる。ＳＳＲ内の水位は、炉心流量を制御することによって変化させることができる。従来、原子燃料集合体に配置された１本又は複数本のＳＳＲは、従来のウォータロッドと同様、その重心位置が原子燃料集合体の横断面中央に位置するように配置されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
炉心流量によって内部の水位を変化させることができるという特徴を利用すると、燃料集合体内の燃料を効率的に利用することができる。即ち、運転サイクルの初期においては、炉心流量を低くすることでＳＳＲ内の水位を低く設定し、ＳＳＲの上部に蒸気を溜める。これにより、ＳＳＲ内の水位よりも上部の蒸気領域に対応する燃料棒内の領域にプルトニウムを蓄積する。その後、運転サイクルの末期において、炉心流量を増やしてＳＳＲ内部の水位を上昇させ、最終的にはＳＳＲ内を満水にする。ＳＳＲ内部の水位を上昇させることで蓄積されたプルトニウムが燃焼するため、プルトニウムが蓄積された燃料棒上部の出力が高くなる傾向にある。このようにスペクトルシフト運転を行うことで、蓄積したプルトニウムを燃焼させる結果、燃料を効率的に利用でき、反応度の利得を得ることができる（スペクトルシフト効果）。
【０００４】
ＳＳＲ内の水位は、プルトニウムの蓄積量や、ＳＳＲが満水になったときのプルトニウムの消費量に関連し、最終的には運転サイクル末期における炉心の出力分布に影響する。したがって、炉心の出力分布を精度良く監視するためには、ＳＳＲ内の水位を精度良く推定することが望まれる。
【０００５】
ところで、ＳＳＲ内の水位が低く設定されているとき、水位より上側の蒸気の領域と、下側の液体の領域では、水の密度差に起因して中性子減速効果に差が生じる。即ち、上側の蒸気の領域における中性子減速効果は、下側の液体の領域における中性子減速効果よりも小さい。このため、炉心内核計装系の中性子検出器により測定される中性子束の軸方向分布は、ＳＳＲ内の水位の影響を受ける。
【０００６】
よって、中性子検出器の中性子束測定値において軸方向に変化が見られる位置から、ＳＳＲ内の水位を推定することができると考えられる。
【０００７】
このような手法の一つとして、ＳＳＲ内の水位計算を含む熱水力計算処理により得られた出力分布と、中性子検出器により計測した炉心軸方向出力分布との差から、ＳＳＲ内の水位を補正する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２３２２７３号公報
【特許文献２】特開２００９−２３６７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、中性子検出器により計測された炉心の軸方向出力分布を用いてＳＳＲ内の水位を推定する場合には、中性子検出器の応答感度がＳＳＲ内の水位の推定精度に影響を与える。そして、ＳＳＲ内の水位の推定精度が低いと、燃料棒に蓄積されるプルトニウムの量や、ＳＳＲ内の水位を上昇させた後におけるプルトニウムの燃焼に伴う出力を正確に予測することができない。このため、種々の熱的制限値に対する余裕を正確に把握することができず、炉心監視性能が低下するという問題がある。
【００１０】
よって、炉心監視性能を低下させずにスペクトルシフト運転を行うためには、中性子検出器の応答感度を可及的に高める必要がある。ＳＳＲ内の冷却水（減速材）の状態変化が中性子検出器に与える影響の大きさは、ＳＳＲと中性子検出器の距離に依存する。すなわち、ＳＳＲと中性子検出器の距離が短いほど中性子検出器の応答感度が高くなる。しかし、ＳＳＲを中性子検出器に近づけるとＳＳＲによる反応度利得が低下する問題がある。これに対して、従来、中性子検出器の計測結果に基づいてＳＳＲ内の水位を推定する観点から、原子燃料集合体におけるＳＳＲの位置を検討することはなされていなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、スペクトルシフト効果による反応度利得を確保しつつ、スペクトルシフトロッド内の水の状態を感知する中性子検出器の応答感度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、燃料集合体のスペクトルシフトロッドを、スペクトルシフト効果が得られる範囲内で中性子検出側に偏心させたものである。
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、
正方格子状に配置された複数の燃料棒と、上部に蒸気溜を形成可能であり、炉心流量によって内部の水位を制御可能な１つまたは複数のスペクトルシフトロッドと、前記複数の燃料棒の外周を囲むチャンネルボックスと、を備えた原子燃料集合体において、前記スペクトルシフトロッドの水平断面の重心位置が制御棒の中心と燃料格子の中心を結ぶ線上にあって、前記スペクトルシフトロッドによる反応度利得が正となる範囲内で前記スペクトルシフトロッドを前記燃料格子の中心に関して前記制御棒と反対側に偏心して配置したことを特徴とする原子燃料集合体が提供される。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、
複数の燃料集合体を備える沸騰水型原子炉の炉心であって、前記炉心に配置された中性子検出器と、前記中性子検出器に隣接する、前記第１の態様による燃料集合体と、を備えることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る原子燃料集合体では、スペクトルシフトロッドの水平断面の重心位置が制御棒の中心と燃料格子の中心を結ぶ線上にあって、スペクトルシフトロッドによる反応度利得が正となる範囲内でスペクトルシフトロッドを燃料格子の中心に関して前記制御棒と反対側に偏心して配置する。例えば、偏心量が√２又は√２／２となるようにスペクトルシフトロッドを中性子検出器側に偏心配置する。このことは、スペクトルシフトロッドを従来の位置から中性子検出器側に燃料棒配列で１列分だけ偏心させることに相当する。これにより、スペクトルシフト効果による反応度利得を確保しつつ、スペクトルシフトロッド内の水の状態を感知する中性子検出器の応答感度を向上させることができる。
【００１６】
中性子検出器の応答感度が向上することで、スペクトルシフトロッド内の水位の推定精度が向上する。その結果、燃料棒に蓄積されるプルトニウムの量や、ＳＳＲ内の水位を上昇させた後におけるプルトニウムの消費量を精度良く予測することができるようになり、種々の熱的制限値に対する余裕を正確に把握することができ、炉心の監視性能を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心では、中性子検出器を囲む原子燃料集合体としてスペクトルシフトロッドを偏心配置させた本発明に係る原子燃料集合体を用い、それ以外の原子燃料集合体として反応度利得を優先させ、スペクトルシフトロッドを燃料格子の中心近傍に配置した原子燃料集合体を用いる。スペクトルシフトロッドを偏心配置させた本発明に係る原子燃料集合体により、プルトニウムの蓄積量を精度良く把握することができ、これを敷衍することにより炉心全体におけるプルトニウムの蓄積量を精度良く把握することができる。一方、スペクトルシフトロッドの反応度利得を優先させた従来の原子燃料集合体により、プルトニウムを有効に蓄積することができる。
【００１８】
これにより、中性子検出器応答感度を改善し、炉心監視性能を向上させるとともに、運転サイクルの末期において高い反応度利得を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）及び（ｃ）は比較用の原子燃料集合体の横断面図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る原子燃料集合体の横断面図である。
【図２】偏心位置に対する反応度利得および中性子検出器応答感度を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｃ）は比較用の原子燃料集合体の横断面図であり、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る原子燃料集合体の横断面図である。
【図４】偏心位置に対する反応度利得および中性子検出器応答感度を示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｃ）は比較用の原子燃料集合体の横断面図であり、（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る原子燃料集合体の横断面図である。
【図６】偏心位置に対する反応度利得および中性子検出器応答感度を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る炉心の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の４つの実施形態について説明する。第1乃至第３の実施形態は原子燃料集合体に関し、第４の実施形態はそれらの原子燃料集合体を有する沸騰水型原子炉の炉心に関するものである。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、同一符号の構成要素の詳しい説明は繰り返さない。
【００２１】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る原子燃料集合体について説明する。図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ原子燃料集合体１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃの横断面図を示している。また、いずれの図においても、原子燃料集合体の出力を制御する十字形の制御棒２０、および中性子束を検出する中性子検出器３０の横断面図も示している。
【００２２】
図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、原子燃料集合体１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃはいずれも、１０行１０列の正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、これらの燃料棒１を囲むチャンネルボックス２と、２本の丸型のスペクトルシフトロッド３とを備える。１本のスペクトルシフトロッド３は、燃料棒１が配置される正方格子のうち４つ（２行２列分）の格子位置を占める。つまり、１本のスペクトルシフトロッド３は、４本の燃料棒１を置き換えることによって設けられている。
【００２３】
本実施形態に係る原子燃料集合体は図１（ｂ）に示す原子燃料集合体１１Ｂであり、原子燃料集合体１１Ａ及び１１Ｃは比較のためのものである。即ち、図１（ａ）及び図１（ｂ）からわかるように、本実施形態に係る原子燃料集合体１１Ｂは、原子燃料集合体１１Ａにおけるスペクトルシフトロッド３の重心位置から燃料棒配列１列分だけスペクトルシフトロッド３の重心位置を中性子検出器３０側へ偏心させたものである。
【００２４】
なお、「重心位置」は、式（１）で定義され、燃料格子におけるスペクトルシフトロッドの平均的な位置の指標として取り扱うこととする。
【数１】
ここで、Ｇ：重心位置、Ａｉ：ｉ番目のスペクトルシフトロッドの断面積、Ｒｉ：ｉ番目のスペクトルシフトロッドの中心位置の位置ベクトル、ｎ：燃料格子内にあるスペクトルシフトロッドの総数である。位置ベクトルは、燃料格子の中心（原点）から中性子検出器の方向に正を取ったｘ軸と、ｘ軸と原点で垂直に交わるｙ軸とで張られるｘ−ｙ平面におけるベクトルである。通常、スペクトルシフトロッドはｘ軸に関して対称に配置されるため、重心位置はｘ軸上にある。
【００２５】
制御棒２０は、図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）では、相対的な位置関係を示すために１つの制御棒２０に対して原子燃料集合体を１体のみ図示しているが、通常、１つの制御棒２０の周囲には、４体の原子燃料集合体が配置されている。
【００２６】
中性子検出器３０は、図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、原子燃料集合体の横断面に現われる格子（以下、燃料格子という。）の中心Ｃと、制御棒２０の中心Ｂを結ぶ線上にあり、制御棒２０とは反対側の原子燃料集合体のコーナ付近に設けられている。この中性子検出器３０は、電極にウラン２３５などの核分裂物質を塗布し、管内に電離ガスを封入した核分裂計数管を使用するものであり、具体的には、移動式炉心内計装系（Traversing In-core Probe：ＴＩＰ）、局所出力領域モニタ（Local Power Range Monitor：ＬＰＲＭ）が用いられる。ＬＰＲＭは、軸方向に沿って所定の間隔で配置されており、炉心内の局所的な中性子束のレベルを監視する機能および警報機能を有する計装系である。ＴＩＰは、軸方向に移動可能なものとして設けられており、ＬＰＲＭを校正する機能および軸方向出力分布の計測機能を有する計装系である。
【００２７】
原子燃料集合体１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃの相違点は、図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）からわかるように、スペクトルシフトロッド３の位置である。即ち、原子燃料集合体１１Ａの有する２本のスペクトルシフトロッド３の重心位置Ｇは、燃料格子の中心Ｃと一致する。それに対し、原子燃料集合体１１Ｂ及び１１Ｃにおけるスペクトルシフトロッド３の重心位置Ｇは、燃料格子の中心Ｃと中性子検出器３０を結ぶ直線上にあり、この直線に沿って中性子検出器３０側に偏心した位置にある。
【００２８】
ここで、中性子検出器に対するスペクトルシフトロッドの位置を示すために、偏心位置を定義する。この偏心位置は、燃料格子の中心Ｃを原点とし中心Ｃから中性子検出器３０への向きを正にとった軸上におけるスペクトルシフトロッドの重心位置Ｇを、燃料棒１の中心間距離（ピッチ）を単位として表したものである。
【００２９】
また、スペクトルシフトロッドの燃料格子中心からの偏心程度を示すために、偏心量Ｘｄｅｃを式（２）により定義する。
Ｘｄｅｃ＝ｄ／ｐ ・・・・（２）
ここで、ｄは、燃料格子の中心Ｃからスペクトルシフトロッドの重心位置までの距離であり、ｐは燃料棒の中心間距離である。
【００３０】
原子燃料集合体１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃにおけるスペクトルシフトロッド３の偏心位置は、それぞれ０、√２及び２√２［ピッチ］である。このように、ＳＳＲの重心位置Ｇを燃料格子の中心Ｃから中性子検出器３０側に向かって１列分近づける毎に、偏心位置は＋√２［ピッチ］だけシフトする。
【００３１】
次に、偏心位置がスペクトルシフト効果および中性子検出器応答感度に与える影響について説明する。図２は、原子燃料集合体１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃの各偏心位置に対する、中性子検出器応答感度Ｓおよび反応度利得Ｇｒを示している。
【００３２】
中性子検出器応答感度Ｓは、式（３）で定義される。
Ｓ＝（Ｚ１−Ｚ０）／Ｚ０×１００ ［％］ ・・・・（３）
ここで、Ｚ１：燃料格子の所定の位置にＳＳＲを配置した場合における、ＳＳＲ内水位上昇前後の、中性子検出器位置でのウラン２３５核分裂断面積の変化量であり、Ｚ０：燃料格子の基準位置にＳＳＲを配置した場合のおける、ＳＳＲ内水位上昇前後の、中性子検出器位置でのウラン２３５核分裂断面積の変化量である。
【００３３】
反応度利得Ｇｒは、式（４）で定義される。
Ｇｒ＝ｋ１−ｋ０ ・・・・（４）
ここで、ｋ１：燃料格子の所定の位置にＳＳＲを配置した場合における、ＳＳＲ内の水位を上昇させた後の無限増倍率、ｋ０：燃料格子の基準位置に前記ＳＳＲと同じ形状のウォータロッド（満水）を配置した場合における、サイクル末期の無限増倍率である。
【００３４】
本実施形態の場合、中性子検出器応答感度および反応度利得の定義における基準位置は偏心位置０の位置である。
【００３５】
図２に示すように、偏心位置が大きくなるほど、即ち、スペクトルシフトロッド３の重心位置が中性子検出器３０側へ偏心するほど、中性子検出器応答感度は向上し、その一方、反応度利得は減少する。そして、反応度利得は、偏心位置が√２と２√２の間で正負逆転している。これは、スペクトルシフトロッド３を中性子検出器３０側に偏心させすぎたことによって、スペクトルシフト効果による反応度の上昇分よりも、燃料格子中心付近における水の減少による反応度の減少分の方が大きくなってしまったためである。
【００３６】
本実施形態に係る原子燃料集合体１１Ｂは、スペクトルシフトロッドを偏心位置√２に配置しているため、図２に示すように、反応度利得は正であり、かつ中性子検出器応答感度は、スペクトルシフトロッドを偏心位置０に配置した従来の原子燃料集合体１１Ａに比べて向上している。
【００３７】
なお、図１の例では、丸型のスペクトルシフトロッドが２本配置されていたが、スペクトルシフトロッドはこれに限られず、燃料棒との置き換えによって偏心量Ｘｄｅｃが０となるように配置可能なスペクトルシフトロッドであれば、その形状および本数は任意である。
【００３８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態と第１の実施形態の相違点の一つは、スペクトルシフトロッドの数および形状である。即ち、第１の実施形態におけるスペクトルシフトロッドは丸型で２本配置されていたのに対し、本実施形態ではスペクトルシフトロッドは角型で１本だけ配置される。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ原子燃料集合体１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃの横断面図を示している。また、いずれの図においても、原子燃料集合体の出力を制御する制御棒２０、および中性子束を検出する中性子検出器３０の横断面図も示している。
【００４０】
図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、原子燃料集合体１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃはいずれも、１０行１０列の正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、これらの燃料棒１を囲むチャンネルボックス２と、１本の角型のスペクトルシフトロッド４とを備える。１本のスペクトルシフトロッド４は、燃料棒１が配置される正方格子のうち９つ（３行３列分）の格子位置を占める。つまり、１本のスペクトルシフトロッド４は、９本の燃料棒１を置き換えることによって設けられている。
【００４１】
図３（ｂ）に示す原子燃料集合体１２Ｂが本実施形態に係る原子燃料集合体であり、原子燃料集合体１２Ａ及び１２Ｃは比較のためのものである。即ち、図３（ａ）及び図３（ｂ）からわかるように、本実施形態に係る原子燃料集合体１２Ｂは、原子燃料集合体１２Ａにおけるスペクトルシフトロッド４の重心位置から燃料棒配列１列分だけスペクトルシフトロッド４の重心位置を中性子検出器３０側へ偏心させたものである。
【００４２】
原子燃料集合体１２Ａ，１２Ｂ及び１２Ｃの相違点は、図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）からわかるように、スペクトルシフトロッド４の位置である。具体的には、図３（ａ）からわかるように、原子燃料集合体１２Ａのスペクトルシフトロッド４は偏心位置−√２／２に配置されている。また、原子燃料集合体１２Ｂ及び１２Ｃにおけるスペクトルシフトロッド４の偏心位置は、それぞれ√２／２及び３√２／２である。
【００４３】
なお、燃料棒配列数が１０（偶数）であることから、スペクトルシフトロッド４の重心位置Ｇが原子燃料集合体１２Ａの燃料格子の中心Ｃに一致するように配置できない。即ち、スペクトルシフトロッド４を偏心位置０に配置することはできない。
【００４４】
次に、偏心位置が、スペクトルシフト効果および中性子検出器に与える影響について説明する。図４は、原子燃料集合体１２Ａ，１２Ｂ及び１２Ｃの各偏心位置に対する、中性子検出器応答感度および反応度利得を示している。本実施形態における中性子検出器応答感度および反応度利得の定義は、第１の実施形態と同様であるが、定義における基準位置は偏心位置−√２／２の位置である。
【００４５】
図４に示すように、スペクトルシフトロッド４が中性子検出器３０側に偏心するほど、中性子検出器応答感度は向上する。一方、反応度利得は減少し、偏心位置が√２／２と３√２／２の間で正負逆転している。これは、スペクトルシフトロッド４を中性子検出器３０側に偏心させすぎたことによって、スペクトルシフト効果による反応度の上昇分よりも、燃料格子中心付近における水の減少による反応度の減少分の方が大きくなってしまったためである。
【００４６】
本実施形態に係る原子燃料集合体１２Ｂは、スペクトルシフトロッドを偏心位置√２/２に配置しているため、図４に示すように、反応度利得は正であり、かつ中性子検出器応答感度は、スペクトルシフトロッドを偏心位置−√２/２に配置した従来の原子燃料集合体１２Ａに比べて向上している。
【００４７】
なお、図３の例では、角型のスペクトルシフトロッドが１本配置されていたが、スペクトルシフトロッドはこれに限られず、燃料棒との置き換えによって偏心量Ｘｄｅｃが０となるように配置することができないスペクトルシフトロッドであれば、本実施形態に含まれる。
【００４８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態と第２の実施形態の相違点の一つは、燃料棒配列数である。即ち、第２の実施形態に係る原子燃料集合体の燃料棒配列数が１０であるのに対し、本実施形態に係る原子燃料集合体の燃料棒配列数は１１である。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ原子燃料集合体１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃの横断面図を示している。また、いずれの図においても、原子燃料集合体の出力を制御する制御棒２０、および中性子束を検出する中性子検出器３０の横断面図も示している。
【００５０】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、原子燃料集合体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃはいずれも、１１行１１列の正方格子状に配置された複数の燃料棒１と、これらの燃料棒１を囲むチャンネルボックス２と、１本の角型のスペクトルシフトロッド５とを備える。１本のスペクトルシフトロッド５は、燃料棒１が配置される正方格子のうち９つ（３行３列分）の格子位置を占める。つまり、１本のスペクトルシフトロッド５は、９本の燃料棒１を置き換えることによって設けられている。
【００５１】
図５（ｂ）に示す原子燃料集合体１３Ｂが本実施形態に係る原子燃料集合体であり、原子燃料集合体１３Ａ及び１３Ｃは比較のためのものである。即ち、図５（ａ）及び図５（ｂ）からわかるように、本実施形態に係る原子燃料集合体１３Ｂは、原子燃料集合体１３Ａにおけるスペクトルシフトロッド５の重心位置から燃料棒配列１列分だけスペクトルシフトロッド５の重心位置を中性子検出器３０側へ偏心させたものである。
【００５２】
原子燃料集合体１３Ａ，１３Ｂ及び１３Ｃの相違点は、図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）からわかるように、スペクトルシフトロッド５の位置である。具体的には、図５（ａ）からわかるように、原子燃料集合体１３Ａのスペクトルシフトロッド５の偏心位置０に配置されている。また、原子燃料集合体１３Ｂ及び１３Ｃにおけるスペクトルシフトロッド５の偏心位置は、それぞれ√２及び２√２である。
【００５３】
次に、偏心位置がスペクトルシフト効果および中性子検出器に与える影響について説明する。図６は、原子燃料集合体１３Ａ，１３Ｂ及び１３Ｃの各偏心位置に対する、中性子検出器応答感度および反応度利得を示している。本実施形態における中性子検出器応答感度および反応度利得の定義は第1の実施形態と同様であるが、定義における基準位置は偏心位置０の位置である。
【００５４】
図６に示すように、スペクトルシフトロッド５が中性子検出器３０側に偏心するほど、中性子検出器応答感度は向上する。一方、反応度利得は減少し、偏心位置が√２と２√２の間で正負逆転している。これは、スペクトルシフトロッド５を中性子検出器３０側に偏心させすぎたことによって、スペクトルシフト効果による反応度の上昇分よりも、燃料格子中心付近における水の減少による反応度の減少分の方が大きくなってしまったためである。
【００５５】
本実施形態に係る原子燃料集合体１３Ｂは、スペクトルシフトロッドを偏心位置√２に配置しているため、図６に示すように、反応度利得は正であり、かつ中性子検出器応答感度は、スペクトルシフトロッドを偏心位置０に配置した従来の原子燃料集合体１３Ａに比べて向上している。
【００５６】
以上、原子燃料集合体に係る３の実施形態について説明した。第１乃至第３の実施形態によれば、反応度利得を確保しつつ、中性子検出器３０の応答感度を向上させることができる。即ち、燃料格子の中心に配置されたウォータロッドを有する従来の原子燃料集合体よりも、スペクトルシフト運転により高い反応度を得ることができ、かつ、中性子検出器の応答感度を向上させることができる。この中性子検出器の応答感度の向上により、種々の熱的制限値に対する余裕を正確に把握し、炉心監視性能を向上させることができる。
【００５７】
なお、本実施形態は、図５から明らかなように、類型としては図１に示した第１の実施形態と同様に、燃料棒との置き換えによって偏心量Ｘｄｅｃが０となるように配置可能なスペクトルシフトロッドである。つまり、偏心量Ｘｄｅｃが√２となるようにスペクトルシフトロッドを中性子検出器側に偏心させる実施形態は、図１及び図５に示したように、原子燃料集合体に含まれる燃料棒の本数やスペクトルシフトロッドの形状によって限定されるのではなく、あくまでも燃料棒との置き換えによって偏心量Ｘｄｅｃが０となるか否かである。この点は、偏心量Ｘｄｅｃが√２／２となるようにスペクトルシフトロッドを中性子検出器側に偏心させる第２の実施形態についても同様である。
【００５８】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る沸騰水型原子炉の炉心について説明する。
【００５９】
図７は本実施形態に係る沸騰水型原子炉の炉心の横断面を示している。図７に示すように、複数の原子燃料集合体１４は、炉心の水平断面において直線Ｌ１およびＬ２に関して対称に配置されている。
【００６０】
制御棒２０は、図７に示すように、４体の原子燃料集合体１４から構成された、横断面が正方形の原子燃料集合体群１６の中心の間隙に挿抜可能に配置されている。
【００６１】
中性子検出器３０は、その配置数が少なくなるように、炉心の対称性を考慮して配置されている。即ち、中性子検出器３０は、実際に配置された位置における中性子束だけでなく、配置位置と直線Ｌ１，Ｌ２に関して対称な位置における中性子束についても代表できるように配置されている。例えば、図７に示す中性子検出器３０Ａの中性子束の検出結果は、中性子検出器３０Ａの位置における中性子束だけでなく、直線Ｌ１に関して対称な位置（対称位置Ｓ）における中性子束の検出結果も代表している。よって、中性子検出器３０Ａは対称位置を代表する中性子検出器でもある。図７からわかるように、他の中性子検出器３０についても同様である。
【００６２】
本実施形態に係る炉心では、少なくとも一つの中性子検出器について、その中性子検出器と隣接する原子燃料集合体として、第１乃至第３の実施形態で説明した原子燃料集合体１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂのいずれかを用いる。この場合、中性子束を正しく把握するために、当該中性子検出器と直線Ｌ１，Ｌ２に関して対称な位置に隣接する原子燃料集合体についても、当該中性子検出器と隣接する原子燃料集合体と同じ構成の原子燃料集合体を配置する必要がある。例えば、図７に示すように、中性子検出器３０Ａと隣接する位置に原子燃料集合体１１Ｂを配置した場合、直線Ｌ１に関して対称な位置にも原子燃料集合体１１Ｂを配置する。
【００６３】
なお、炉心の外周付近では、中性子の漏れが多く出力が低いため、原子燃料集合体の炉心全体の挙動への寄与は少ない。このため、炉心の外周付近の中性子検出器には、必ずしも高い検出精度が求められるわけではないと考えられる。よって、炉心の外周付近においては、反応度利得を優先するために、スペクトルシフトロッドを燃料格子の中心近傍に配置した原子燃料集合体を配置するようにし、一方、炉心の中央領域等、比較的高い中性子束の検出精度が要求される領域には、第１乃至第３の実施形態に係る原子燃料集合体を配置することが好ましい。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態によれば、炉心全体として反応度利得を可及的に高く維持しつつ、中性子検出器応答感度を改善し、炉心監視性能を向上させることができる。
【００６５】
以上、本発明に係る４つの実施形態について説明した。上記第１〜第３の実施形態では、種々の形状や本数のスペクトルシフトロッドと燃料棒本数の異なる原子燃料集合体の組合せについて示したが、いずれの場合においても、スペクトルシフトロッドを燃料格子中心から中性子検出器の方向へ、反応度利得が正となる範囲内で偏心配置したものである。すなわち、上位概念的には、本発明は、スペクトルシフトロッド（単数および複数のいずれの場合も含む）の水平断面の重心位置が制御棒の中心と燃料格子の中心を結ぶ線上にあって、該スペクトルシフトロッドによる反応度利得が正となる範囲内でスペクトルシフトロッドを燃料格子の中心に関して制御棒と反対側に偏心して配置したものである。
【００６６】
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 燃料棒
２ チャンネルボックス
３，４，５ スペクトルシフトロッド（ＳＳＲ）
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 原子燃料集合体
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 原子燃料集合体
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 原子燃料集合体
１４ 原子燃料集合体
１６ 原子燃料集合体群
２０ 制御棒
３０，３０Ａ 中性子検出器
Ｂ 制御棒の中心
Ｃ 燃料格子の中心
Ｇ スペクトルシフトロッドの重心位置
Ｓ 対称位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方格子状に配置された複数の燃料棒と、上部に蒸気溜を形成可能であり、炉心流量によって内部の水位を制御可能な１つまたは複数のスペクトルシフトロッドと、前記複数の燃料棒の外周を囲むチャンネルボックスと、を備えた原子燃料集合体において、
前記スペクトルシフトロッドの水平断面の重心位置が制御棒の中心と燃料格子の中心を結ぶ線上にあって、前記スペクトルシフトロッドによる反応度利得が正となる範囲内で前記スペクトルシフトロッドを前記燃料格子の中心に関して前記制御棒と反対側に偏心して配置したことを特徴とする原子燃料集合体。
【請求項２】
前記スペクトルシフトロッドの偏心量Ｘｄｅｃを下式のように定義したときに、前記燃料棒との置き換えによって前記偏心量が０となるように配置可能なスペクトルシフトロッドを、前記偏心量が√２となるように偏心して配置したことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
Ｘｄｅｃ＝ｄ／ｐ
ここで、ｄは、前記燃料格子の中心から前記スペクトルシフトロッドの重心位置までの距離、ｐは前記燃料棒の中心間距離である。
【請求項３】
前記スペクトルシフトロッドの偏心量Ｘｄｅｃを下式のように定義したときに、前記燃料棒との置き換えによって前記偏心量が０となるように配置することができないスペクトルシフトロッドを、前記偏心量が√２／２となるように偏心して配置したことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
Ｘｄｅｃ＝ｄ／ｐ
ここで、ｄは、前記燃料格子の中心から前記スペクトルシフトロッドの重心位置までの距離、ｐは前記燃料棒の中心間距離である。
【請求項４】
複数の燃料集合体を備える沸騰水型原子炉の炉心であって、
前記炉心に配置された中性子検出器と、
前記中性子検出器に隣接する、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料集合体と、を備えることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項５】
前記複数の燃料集合体は前記炉心の水平断面において、ある直線に関して対称に配置されており、前記中性子検出器と前記直線に関して対称な位置に隣接する燃料集合体は、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料集合体であることを特徴とする請求項４に記載の沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項１】
正方格子状に配置された複数の燃料棒と、上部に蒸気溜を形成可能であり、炉心流量によって内部の水位を制御可能な１つまたは複数のスペクトルシフトロッドと、前記複数の燃料棒の外周を囲むチャンネルボックスと、を備えた原子燃料集合体において、
前記スペクトルシフトロッドの水平断面の重心位置が制御棒の中心と燃料格子の中心を結ぶ線上にあって、前記スペクトルシフトロッドによる反応度利得が正となる範囲内で前記スペクトルシフトロッドを前記燃料格子の中心に関して前記制御棒と反対側に偏心して配置したことを特徴とする原子燃料集合体。
【請求項２】
前記スペクトルシフトロッドの偏心量Ｘｄｅｃを下式のように定義したときに、前記燃料棒との置き換えによって前記偏心量が０となるように配置可能なスペクトルシフトロッドを、前記偏心量が√２となるように偏心して配置したことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
Ｘｄｅｃ＝ｄ／ｐ
ここで、ｄは、前記燃料格子の中心から前記スペクトルシフトロッドの重心位置までの距離、ｐは前記燃料棒の中心間距離である。
【請求項３】
前記スペクトルシフトロッドの偏心量Ｘｄｅｃを下式のように定義したときに、前記燃料棒との置き換えによって前記偏心量が０となるように配置することができないスペクトルシフトロッドを、前記偏心量が√２／２となるように偏心して配置したことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
Ｘｄｅｃ＝ｄ／ｐ
ここで、ｄは、前記燃料格子の中心から前記スペクトルシフトロッドの重心位置までの距離、ｐは前記燃料棒の中心間距離である。
【請求項４】
複数の燃料集合体を備える沸騰水型原子炉の炉心であって、
前記炉心に配置された中性子検出器と、
前記中性子検出器に隣接する、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料集合体と、を備えることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項５】
前記複数の燃料集合体は前記炉心の水平断面において、ある直線に関して対称に配置されており、前記中性子検出器と前記直線に関して対称な位置に隣接する燃料集合体は、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料集合体であることを特徴とする請求項４に記載の沸騰水型原子炉の炉心。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１１２７６８（Ｐ２０１２−１１２７６８Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６１２８０（Ｐ２０１０−２６１２８０）
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（０００２２９４６１）株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン (102)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（０００２２９４６１）株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン (102)
【Ｆターム（参考）】
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