燃料集合体および沸騰水型原子炉の炉心
【課題】圧力損失や制御棒長さの増加を抑制しつつ燃料を長尺化する。
【解決手段】燃料有効長３．９ｍ以上の燃料集合体において、下部タイプレートと前記下部タイプレートに下端部が保持される複数の燃料棒と、同じく前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと前記燃料棒および前記水ロッドを保持する燃料スペーサと前記燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上で、かつ、前記核燃料物質が含まれる前記燃料棒の領域を前記下部タイプレートと前記燃料棒の上端を保持する上部タイプレートの間で２つの領域に分割し、第２の領域における単位高さ当りの出力を運転期間を通して第１の領域より小さくする。
【解決手段】燃料有効長３．９ｍ以上の燃料集合体において、下部タイプレートと前記下部タイプレートに下端部が保持される複数の燃料棒と、同じく前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと前記燃料棒および前記水ロッドを保持する燃料スペーサと前記燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上で、かつ、前記核燃料物質が含まれる前記燃料棒の領域を前記下部タイプレートと前記燃料棒の上端を保持する上部タイプレートの間で２つの領域に分割し、第２の領域における単位高さ当りの出力を運転期間を通して第１の領域より小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉において用いられる燃料集合体および炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、特許文献１に示す様に炉心に装荷された複数
の燃料集合体に含まれる核分裂性物質が核分裂する熱によって冷却材（軽水）を沸騰させ、その際に発生する蒸気を取り出してタービンへ送り、その蒸気によって直接タービンを回して発電させるようになっている。
【０００３】
燃料集合体は複数の燃料棒および水ロッドを含み、これらの下部と上部をそれぞれ支える下部タイプレートおよび上部タイプレート、並びに、燃料棒および水ロッドを水平方向に支持する燃料スペーサと、これらを囲むチャンネルボックスからなる。
【０００４】
上記BWRにおいては、ウラン資源の有効利用と使用済燃料集合体の数の低減の観点から、燃料集合体１体あたりの発生エネルギーの増大が望まれている。そのためには、単位燃料重量あたりの発生エネルギーを高める高燃焼度化と、燃料集合体１体あたりのウラン重量の増加が望まれる。高燃焼度化のためには、燃料集合体中のウラン２３５の平均濃縮度（以下、単に平均濃縮度という）を高める必要がある。
【０００５】
特許文献２及び非特許文献１に記載されている燃料集合体は、中央部の９本の燃料棒が配置可能な領域にウォータチャンネルを配置してその内部に冷却水を流し、平均濃縮度の増加に対応している。また非特許文献２に記載されている燃料集合体は、中央部の７本の燃料棒が配置可能な領域に２本の大型ウォータロッドを配置するとともに、他の燃料棒（長尺燃料棒）よりも長さが短い短尺燃料棒を８本配置している。
【０００６】
第９図は、燃料棒２の縦断面構造を示す模式図である。図において、燃料棒２は燃料被覆管１４内に燃料ペレット８を積み重ね、これをスプリング１５で押えつつ、上部端栓１６と下部端栓１７によって密閉した構造になっている。燃料ペレットが充填された部分の長さは燃料有効長と呼ばれ、スプリング１５が収められた空間はプレナムと呼ばれる。プレナムは、核分裂反応によって生成するガス状の核分裂生成物（ＦＰガス）がペレットから放出された場合に、燃料棒の内圧を許容範囲内に抑えるために設けられる。
【０００７】
非特許文献２に示す燃料集合体の場合、ペレット径は０．９６ｃｍで、燃料有効長３７１ｃｍの長尺燃料棒が６６本、燃料有効長２１６ｃｍの短尺燃料棒が８本設けられている。即ち、全燃料有効長は約２６２ｍ、燃料ペレットの総体積は約１８９７０ｃｍ３である。非特許文献２の燃料集合体では、短尺燃料棒を用いることにより、圧力損失の割合が高い燃料集合体上部の二相流領域における流路面積を広げている。これにより、全体の圧力損失を高くせずに、ペレット径を増加している。従って、特許文献２、非特許文献１に比べて全燃料有効長は短いものの、燃料ペレットの総体積は大きく、ウラン重量が多い。
【０００８】
一方、特許文献２、非特許文献１に示す燃料集合体の場合、ペレット径０．９４ｃｍ，燃料有効長３７１ｃｍの燃料棒が７２本設けられ、全燃料有効長は約２６７ｍ、燃料ペレットの総体積は約１８５４０ｃｍ３である。したがって非特許文献２の燃料集合体よりも全燃料有効長が長いので、（燃科集合体の熱出力／全燃料有効長）で定義される平均線出力密度は非特許文献２のものに比べて２％ほど低い。
【０００９】
燃料棒の発熱部の長さを増加する場合、非特許文献２の燃料集合体では短尺燃料棒の長さを増すことにより全燃料有効長を延ばすことができる。これに対して、特許文献２、非特許文献１の燃料集合体では、全ての燃料棒は同じ長さなので、燃料棒内部の燃料有効長を延ばす必要がある。
【００１０】
近年、プラント利用率の向上と発電コストの低減を図るために、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、大幅な出力向上および１３ヶ月以上の長期サイクル運転が検討されている。これらの運転では従来と比較して燃料交換体数が増大するために、燃料集合体の取出平均燃焼度が低下し、燃料サイクルコストが増大する傾向にある。
【００１１】
その対策として、特許文献３に示されるように燃料有効長を従来の３．７ｍよりもさらに長くして燃料集合体への燃料装荷量を増大させ、燃料交換体数を低減している。しかしながら、上述の公知技術はいずれも既存の沸騰水型原子炉炉心に装荷する燃料集合体を対象として、燃料集合体の全長は変更しないことを前提に案出されたものであった。その結果、燃料集合体の燃料棒内で核分裂性物質のある領域（燃料有効長）の増加は必ずしも十分ではなく、炉心性能の改善効果は限定されたものであった。
【００１２】
【特許文献１】特許２０５８６３４号公報
【特許文献２】特開昭６４−９１０８８号公報
【特許文献３】特開２００４−２８６５６０号公報
【非特許文献１】「ＢＷＲの９×９燃料について」ＮＬＲ−１５，平成６年４月
【非特許文献２】「沸騰水型原子力発電所９×９燃料について」ＨＬＲ−０４８訂１，平成１０年２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
近年の大幅な運転期間長期化や出力向上に対応するためには更なる燃料有効長の増大が望まれる。既存の沸騰水型原子炉炉心に装荷する燃料集合体を対象とした場合、燃料集合体を支持する上部格子板、シュラウドヘッドが燃料集合体全長を制限する要因となる。
【００１４】
既存の燃料集合体の燃料有効長は概ね３．６ｍ〜３．８ｍ程度であり、燃料集合体の上端は４．４ｍ程度である。また、燃料有効長下端から３．９ｍ以上の領域には上部格子板を有し、燃料集合体上端とシュラウドヘッド高さの間隙は０．７ｍ程度である。したがって、上部支持板などの中性子照射を考慮することで、燃料有効長を現在標準仕様の３．７ｍから３．９ｍ〜４．４ｍに長尺化できる可能性がある。すなわち新規プラントにおいては上部格子板などの配置を適正化することによって、３．９ｍ〜４．４ｍに長尺化した燃料集合体を容易に装荷できることになる。
【００１５】
燃料集合体の有効長の長尺化は、燃料装荷量を増大するだけでなく、伝熱面積が増大することにより限界熱出力を増大（熱的余裕を増大）することができる。一方、中性子照射量を低減するためには燃料有効長の下端から３．９ｍ以上の領域の出力を低減する必要があるが、せっかく長尺化した領域の出力を下げることは長尺化のメリットを限定することになる。
【００１６】
また前記燃料有効長を長くすると燃料集合体内の圧力損失が増大し、それにつれてチャンネル安定性が低下することが課題となり、有効長の長尺化は実際には適用されていなかった。さらに既存の沸騰水型原子炉では３．９ｍ以上の領域は上部格子板を有しており、上部格子板の中性子照射量を増大させない等の理由により、燃料有効長はそれよりも短くなっている。
【００１７】
本発明は、燃料有効長が３．９ｍ以上の燃料集合体において上部格子板の健全性を維持しつつ、圧力損失を抑えることが可能な燃料集合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、同じく前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下で、かつ、前記燃料領域の下端から、前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部を第２領域とした燃料集合体において、前記第２領域における単位高さ当りの出力を運転期間を通して前記第１領域より小さくすることである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、上部格子板の健全性を維持し、燃料集合体の圧力損失の増大を抑えつ
つ、炉心内の核分裂性物質の量を増大させることが可能であり、同じ燃料を長期間炉心内に滞在させることが可能となり燃料経済性が向上する。また、燃料集合体の員数を増加させずに炉心の熱出力を増加できる。さらに、蒸気の割合の大きい燃料上部領域の出力の低下により二相流圧力損失の増加を抑制でき、第２領域の出力が小さいことから燃料上端まで制御棒が入らなくても炉心の停止特性を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
前述のように発明者らは、上部格子板の健全性を維持し、燃料集合体の圧力損失の増大を抑えつつ、核分裂性物質の装荷量を増大させる燃料集合体について種々の検討を行った。その結果、発明者らは燃料集合体の燃料有効長を３．９ｍ以上とすることが望ましいこと、および、燃料有効長が３．９ｍ以上の領域においては熱的余裕を損なわない出力分布とすることを新たに見出した。上記の検討結果を具体的に説明する。
【００２１】
炉心の燃料経済性を向上する方法の１つに、燃料集合体の長尺化が挙げられるが、前述の上部格子板による制限があり、かつ燃料集合体の圧力損失の増大を避けなければならない。上部格子板の健全性は、燃料有効長３．９ｍ以上の領域において、出力の低い領域を意図的に作ることにより達成されるが、圧力損失は一般的に燃料集合体の長尺化により増大する。圧力損失を従来と同等とするためには、燃料集合体の冷却材流量を低減することで実現できるが、出力分布が従来と同等であれば、燃料集合体の熱的余裕や安定性余裕は減少する。
【００２２】
そこで、発明者らは、燃料有効長３．９ｍ以上の領域を熱的余裕を損なわない領域とすることで燃料集合体の熱的余裕を増大させ、圧力損失を従来と同等としながら長尺化することに想到した。
【００２３】
発明者らは、熱的余裕を損なわない出力分布について検討し、図１に示す燃料集合体１を下部の第１領域と上部の第２領域に分割し、図２に示すような出力分布とした。このときの最も熱的余裕が厳しい燃料棒２について燃料軸方向の熱的余裕を図３に示す。燃料棒２の熱的余裕は、冷却材がボイドを含む環状噴霧流状態の時に燃料棒２を覆っている液膜厚さの指標であり、燃料棒２の熱的余裕が１になったとき、燃料棒２を覆う液膜の一部の厚さが０となってドライアウトする。この熱的余裕を燃料軸方向で検証したとき、発熱部では液膜を構成する水が蒸気となる効果が大きいために、熱的余裕が減少する。一方で、燃料スペーサ部においては、環状噴霧流中の液滴が燃料スペーサによって流れを乱されることにより燃料棒２を覆う液膜に多数付着するため、熱的余裕が増大する。
【００２４】
図２に示すような出力分布を持つ本発明では、図３の熱的余裕の説明図に示すように第２領域において熱的余裕が減少しない。つまり、燃料スペーサ間または燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域の発熱による熱的余裕減少効果をＶＡ、燃料スペーサによる熱的余裕改善効果をＳＰとしたとき、出力が一定の値よりも小さくなったときにＳＰ≧ＶＡとなることを発明者らは新たに見出した。
【００２５】
図４は燃料集合体の熱的余裕比の説明図である。すなわち、ボイド率が高く、気液二相が環状噴霧流状態で流れ、燃料スペーサ間または燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域において、前記領域の燃料集合体全出力中の出力割合に対する前記領域の出口／入口の熱的余裕比を示す。前記領域の出力が増大するにつれて熱的余裕は減少傾向にあるが、前記領域の出力が８％以下の場合のみ熱的余裕が改善する。
【００２６】
以上の検討結果を反映した本発明の第１実施例である燃料集合体１について説明する。図１において燃料集合体１は、下部タイプレート６と下部タイプレート６に下端部が保持され、燃料スペーサ４を有する複数の燃料棒２と、同じく前記下部タイプレート６に下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッド３と、燃料棒２および燃料スペーサ４を取り囲むチャンネルボックス７を備えている。前記燃料棒２に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上で、かつ、前記核燃料物質が含まれる前記燃料棒２の領域の下端から３．９ｍ未満の領域を第１領域、３．９ｍ以上の領域を第２領域とする。第１領域の燃料集合体１の水平断面図を図５、第２領域の燃料集合体１の水平断面図を図６に示す。図６における燃料棒２の密度は図５より1／２以下に小さく設定されている。
【００２７】
このことによって、図２に示すように出力分布を従来に比べて上部の第２領域で低くできる。この場合において、燃料上部の熱的余裕の変化を評価した結果を図３に示す。図３に示すように上部である一定以下の出力になると、上部で熱的余裕が高さ方向に減少しなくなる領域が存在する。これは燃料スペーサ４による熱的余裕増大効果と燃料棒２の発熱による液膜の蒸発がバランスもしくは燃料スペーサ４による熱的余裕増大効果の方が大きくなる出力があることによる。本発明では新たに発見した上記現象を用いると燃料集合体１を長くした場合に従来知見されていなかった大きなメリットがあることを発見した。
【００２８】
なお、第１領域高さは３．９ｍ未満であればそれよりも燃料有効長を大きくすると燃料集合体１内の圧力損失が増大する。これについては燃料上部の水と蒸気の混合流で圧力損失の大きい領域の出力を小さくする手段として、第２領域において燃料棒を間引く等することにより圧力損失を低減でき、合わせて第２領域の燃料棒本数が減るので目的の出力を自然と減少させることが可能である。また、第２領域で燃料棒配列を少なくして燃料棒を少なくするなどして、冷却材流路面積を拡大してもよい。この場合も第２領域で燃料が減るので自然に出力が減少する。
【００２９】
また、燃料有効長を大きくするとチャンネル安定性が低下するが、これも第２領域において燃料棒を間引く等することによる圧力損失低減や、第２領域で燃料棒配列を少なくして燃料棒を少なくするなどして、冷却材流路面積を拡大することによってある程度解消できる。ただし、ある一定以上の長さを超えるとチャンネル安定性を満たさなくなるのでこれが燃料有効長を大きくする上限となる。
【００３０】
次に、第２領域の出力分布を下げる第２の実施例について説明する。燃料濃度を調整することにより実施例１と同等の効果を有する。例えば、前記第２領域の平均ウラン濃縮度が第１領域の平均ウラン濃縮度以下とすることが有効である。具体的には、前記第２領域の平均ウラン濃縮度が第１領域の平均ウラン濃縮度の１／２とする。さらに、前記第２領域に天然ウランの濃縮度以下であるブランケット領域を設けることもできる。
【００３１】
次に、第２領域の出力分布を下げる第３の実施例について説明する。前記燃料棒２に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から３．９ｍ未満の領域を第１領域、３．９ｍ以上の領域を第２領域としたとき、第２領域において少なくとも１つ以上の燃料スペーサを有し、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の出力が、運転期間を通して燃料集合体の全出力の８％以下とすると所望の出力分布を得ることができる。
【００３２】
出力低下の具体的手段として以下のものが有効である。すなわち、前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均燃料棒本数を、第１領域の平均燃料棒本数より少なく設ける。また、前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均燃料棒本数を、第１領域の平均燃料棒本数の１／２とする。さらに、前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均ウラン濃縮度を、第１領域の平均ウラン濃縮度より低く設定し、具体的には第１領域の平均ウラン濃縮度の１／２とする。また、前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間の領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域に天然ウランの濃縮度以下であるブランケット領域を含んでも良い。
【００３３】
このように第２領域の出力を下げると、従来は図１０に示すように燃料有効長上端付近まで下方から挿入される制御棒９１を図７に示すように第１領域上端付近までとしてもよく、これにより燃料有効長を長くした場合に通常は比例して増加する制御棒長さも比例より小さくできる。また、制御棒の上端は必ずしも第１領域上端付近でなくても第２領域中間でもよい。また、第２領域の出力が十分小さい場合は第１領域上端より下でもよい。このことにより、沸騰水型原子炉の炉心の構成部材を減らせ、経済性向上が可能になる。
【００３４】
また、本実施例では第２領域で熱的余裕が大きく、厳密な監視が不要と考えられる。一般に炉心の出力等を監視するために設けられる中性子計装管１８内の中性子検出器１９は複数が等間隔で設置される（図１１）。しかし、第２領域の厳密な監視が不要であれば、図８に示すように中性子計装管１８内の中性子検出器１９を第１領域のみに配置することも可能である。これにより第１領域の監視性能は同じ数の中性子検出器を用いれば向上し、炉心の性能向上が可能になる。
【００３５】
また、本実施例では燃料有効長を長くしており、特許文献１の技術を適用した場合の効果がより大きくなり、より有効に燃料経済性を向上できる。以上、本実施例によれば、炉心内の燃料装荷量が増えることによる燃料経済性向上以外にも様々な経済性向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例の燃料集合体の構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施例の燃料集合体の軸方向出力分布を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例の燃料集合体の軸方向熱的余裕を示す説明図である。
【図４】本発明の燃料スペーサ間の出力割合に対する熱的余裕比を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例の燃料集合体の構造を示す横断面図である。
【図６】本発明の実施例の燃料集合体の構造を示す横断面図である。
【図７】本発明の実施例の炉心の一部を示す縦断面図である。
【図８】本発明の実施例の炉心の一部を示す縦断面図である。
【図９】従来の燃料棒の構成を示す模式図である。
【図１０】従来の沸騰水型原子炉の炉心の一部を示す縦断面図である。
【図１１】従来の沸騰水型原子炉の炉心の一部を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１… 燃料集合体、２… 燃料棒、３… 水ロッド、４… 燃料スペーサ、５… 上部タイプレート、６…下部タイプレート、７… チャンネルボックス、８… 燃料ペレット、１２… 上昇管、１３… 下降管、１４… 燃料被覆管、１５… スプリング、１６… 上部端栓、１７… 下部端栓、９１…制御棒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉において用いられる燃料集合体および炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、特許文献１に示す様に炉心に装荷された複数
の燃料集合体に含まれる核分裂性物質が核分裂する熱によって冷却材（軽水）を沸騰させ、その際に発生する蒸気を取り出してタービンへ送り、その蒸気によって直接タービンを回して発電させるようになっている。
【０００３】
燃料集合体は複数の燃料棒および水ロッドを含み、これらの下部と上部をそれぞれ支える下部タイプレートおよび上部タイプレート、並びに、燃料棒および水ロッドを水平方向に支持する燃料スペーサと、これらを囲むチャンネルボックスからなる。
【０００４】
上記BWRにおいては、ウラン資源の有効利用と使用済燃料集合体の数の低減の観点から、燃料集合体１体あたりの発生エネルギーの増大が望まれている。そのためには、単位燃料重量あたりの発生エネルギーを高める高燃焼度化と、燃料集合体１体あたりのウラン重量の増加が望まれる。高燃焼度化のためには、燃料集合体中のウラン２３５の平均濃縮度（以下、単に平均濃縮度という）を高める必要がある。
【０００５】
特許文献２及び非特許文献１に記載されている燃料集合体は、中央部の９本の燃料棒が配置可能な領域にウォータチャンネルを配置してその内部に冷却水を流し、平均濃縮度の増加に対応している。また非特許文献２に記載されている燃料集合体は、中央部の７本の燃料棒が配置可能な領域に２本の大型ウォータロッドを配置するとともに、他の燃料棒（長尺燃料棒）よりも長さが短い短尺燃料棒を８本配置している。
【０００６】
第９図は、燃料棒２の縦断面構造を示す模式図である。図において、燃料棒２は燃料被覆管１４内に燃料ペレット８を積み重ね、これをスプリング１５で押えつつ、上部端栓１６と下部端栓１７によって密閉した構造になっている。燃料ペレットが充填された部分の長さは燃料有効長と呼ばれ、スプリング１５が収められた空間はプレナムと呼ばれる。プレナムは、核分裂反応によって生成するガス状の核分裂生成物（ＦＰガス）がペレットから放出された場合に、燃料棒の内圧を許容範囲内に抑えるために設けられる。
【０００７】
非特許文献２に示す燃料集合体の場合、ペレット径は０．９６ｃｍで、燃料有効長３７１ｃｍの長尺燃料棒が６６本、燃料有効長２１６ｃｍの短尺燃料棒が８本設けられている。即ち、全燃料有効長は約２６２ｍ、燃料ペレットの総体積は約１８９７０ｃｍ３である。非特許文献２の燃料集合体では、短尺燃料棒を用いることにより、圧力損失の割合が高い燃料集合体上部の二相流領域における流路面積を広げている。これにより、全体の圧力損失を高くせずに、ペレット径を増加している。従って、特許文献２、非特許文献１に比べて全燃料有効長は短いものの、燃料ペレットの総体積は大きく、ウラン重量が多い。
【０００８】
一方、特許文献２、非特許文献１に示す燃料集合体の場合、ペレット径０．９４ｃｍ，燃料有効長３７１ｃｍの燃料棒が７２本設けられ、全燃料有効長は約２６７ｍ、燃料ペレットの総体積は約１８５４０ｃｍ３である。したがって非特許文献２の燃料集合体よりも全燃料有効長が長いので、（燃科集合体の熱出力／全燃料有効長）で定義される平均線出力密度は非特許文献２のものに比べて２％ほど低い。
【０００９】
燃料棒の発熱部の長さを増加する場合、非特許文献２の燃料集合体では短尺燃料棒の長さを増すことにより全燃料有効長を延ばすことができる。これに対して、特許文献２、非特許文献１の燃料集合体では、全ての燃料棒は同じ長さなので、燃料棒内部の燃料有効長を延ばす必要がある。
【００１０】
近年、プラント利用率の向上と発電コストの低減を図るために、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、大幅な出力向上および１３ヶ月以上の長期サイクル運転が検討されている。これらの運転では従来と比較して燃料交換体数が増大するために、燃料集合体の取出平均燃焼度が低下し、燃料サイクルコストが増大する傾向にある。
【００１１】
その対策として、特許文献３に示されるように燃料有効長を従来の３．７ｍよりもさらに長くして燃料集合体への燃料装荷量を増大させ、燃料交換体数を低減している。しかしながら、上述の公知技術はいずれも既存の沸騰水型原子炉炉心に装荷する燃料集合体を対象として、燃料集合体の全長は変更しないことを前提に案出されたものであった。その結果、燃料集合体の燃料棒内で核分裂性物質のある領域（燃料有効長）の増加は必ずしも十分ではなく、炉心性能の改善効果は限定されたものであった。
【００１２】
【特許文献１】特許２０５８６３４号公報
【特許文献２】特開昭６４−９１０８８号公報
【特許文献３】特開２００４−２８６５６０号公報
【非特許文献１】「ＢＷＲの９×９燃料について」ＮＬＲ−１５，平成６年４月
【非特許文献２】「沸騰水型原子力発電所９×９燃料について」ＨＬＲ−０４８訂１，平成１０年２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
近年の大幅な運転期間長期化や出力向上に対応するためには更なる燃料有効長の増大が望まれる。既存の沸騰水型原子炉炉心に装荷する燃料集合体を対象とした場合、燃料集合体を支持する上部格子板、シュラウドヘッドが燃料集合体全長を制限する要因となる。
【００１４】
既存の燃料集合体の燃料有効長は概ね３．６ｍ〜３．８ｍ程度であり、燃料集合体の上端は４．４ｍ程度である。また、燃料有効長下端から３．９ｍ以上の領域には上部格子板を有し、燃料集合体上端とシュラウドヘッド高さの間隙は０．７ｍ程度である。したがって、上部支持板などの中性子照射を考慮することで、燃料有効長を現在標準仕様の３．７ｍから３．９ｍ〜４．４ｍに長尺化できる可能性がある。すなわち新規プラントにおいては上部格子板などの配置を適正化することによって、３．９ｍ〜４．４ｍに長尺化した燃料集合体を容易に装荷できることになる。
【００１５】
燃料集合体の有効長の長尺化は、燃料装荷量を増大するだけでなく、伝熱面積が増大することにより限界熱出力を増大（熱的余裕を増大）することができる。一方、中性子照射量を低減するためには燃料有効長の下端から３．９ｍ以上の領域の出力を低減する必要があるが、せっかく長尺化した領域の出力を下げることは長尺化のメリットを限定することになる。
【００１６】
また前記燃料有効長を長くすると燃料集合体内の圧力損失が増大し、それにつれてチャンネル安定性が低下することが課題となり、有効長の長尺化は実際には適用されていなかった。さらに既存の沸騰水型原子炉では３．９ｍ以上の領域は上部格子板を有しており、上部格子板の中性子照射量を増大させない等の理由により、燃料有効長はそれよりも短くなっている。
【００１７】
本発明は、燃料有効長が３．９ｍ以上の燃料集合体において上部格子板の健全性を維持しつつ、圧力損失を抑えることが可能な燃料集合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、同じく前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下で、かつ、前記燃料領域の下端から、前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部を第２領域とした燃料集合体において、前記第２領域における単位高さ当りの出力を運転期間を通して前記第１領域より小さくすることである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、上部格子板の健全性を維持し、燃料集合体の圧力損失の増大を抑えつ
つ、炉心内の核分裂性物質の量を増大させることが可能であり、同じ燃料を長期間炉心内に滞在させることが可能となり燃料経済性が向上する。また、燃料集合体の員数を増加させずに炉心の熱出力を増加できる。さらに、蒸気の割合の大きい燃料上部領域の出力の低下により二相流圧力損失の増加を抑制でき、第２領域の出力が小さいことから燃料上端まで制御棒が入らなくても炉心の停止特性を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
前述のように発明者らは、上部格子板の健全性を維持し、燃料集合体の圧力損失の増大を抑えつつ、核分裂性物質の装荷量を増大させる燃料集合体について種々の検討を行った。その結果、発明者らは燃料集合体の燃料有効長を３．９ｍ以上とすることが望ましいこと、および、燃料有効長が３．９ｍ以上の領域においては熱的余裕を損なわない出力分布とすることを新たに見出した。上記の検討結果を具体的に説明する。
【００２１】
炉心の燃料経済性を向上する方法の１つに、燃料集合体の長尺化が挙げられるが、前述の上部格子板による制限があり、かつ燃料集合体の圧力損失の増大を避けなければならない。上部格子板の健全性は、燃料有効長３．９ｍ以上の領域において、出力の低い領域を意図的に作ることにより達成されるが、圧力損失は一般的に燃料集合体の長尺化により増大する。圧力損失を従来と同等とするためには、燃料集合体の冷却材流量を低減することで実現できるが、出力分布が従来と同等であれば、燃料集合体の熱的余裕や安定性余裕は減少する。
【００２２】
そこで、発明者らは、燃料有効長３．９ｍ以上の領域を熱的余裕を損なわない領域とすることで燃料集合体の熱的余裕を増大させ、圧力損失を従来と同等としながら長尺化することに想到した。
【００２３】
発明者らは、熱的余裕を損なわない出力分布について検討し、図１に示す燃料集合体１を下部の第１領域と上部の第２領域に分割し、図２に示すような出力分布とした。このときの最も熱的余裕が厳しい燃料棒２について燃料軸方向の熱的余裕を図３に示す。燃料棒２の熱的余裕は、冷却材がボイドを含む環状噴霧流状態の時に燃料棒２を覆っている液膜厚さの指標であり、燃料棒２の熱的余裕が１になったとき、燃料棒２を覆う液膜の一部の厚さが０となってドライアウトする。この熱的余裕を燃料軸方向で検証したとき、発熱部では液膜を構成する水が蒸気となる効果が大きいために、熱的余裕が減少する。一方で、燃料スペーサ部においては、環状噴霧流中の液滴が燃料スペーサによって流れを乱されることにより燃料棒２を覆う液膜に多数付着するため、熱的余裕が増大する。
【００２４】
図２に示すような出力分布を持つ本発明では、図３の熱的余裕の説明図に示すように第２領域において熱的余裕が減少しない。つまり、燃料スペーサ間または燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域の発熱による熱的余裕減少効果をＶＡ、燃料スペーサによる熱的余裕改善効果をＳＰとしたとき、出力が一定の値よりも小さくなったときにＳＰ≧ＶＡとなることを発明者らは新たに見出した。
【００２５】
図４は燃料集合体の熱的余裕比の説明図である。すなわち、ボイド率が高く、気液二相が環状噴霧流状態で流れ、燃料スペーサ間または燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域において、前記領域の燃料集合体全出力中の出力割合に対する前記領域の出口／入口の熱的余裕比を示す。前記領域の出力が増大するにつれて熱的余裕は減少傾向にあるが、前記領域の出力が８％以下の場合のみ熱的余裕が改善する。
【００２６】
以上の検討結果を反映した本発明の第１実施例である燃料集合体１について説明する。図１において燃料集合体１は、下部タイプレート６と下部タイプレート６に下端部が保持され、燃料スペーサ４を有する複数の燃料棒２と、同じく前記下部タイプレート６に下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッド３と、燃料棒２および燃料スペーサ４を取り囲むチャンネルボックス７を備えている。前記燃料棒２に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上で、かつ、前記核燃料物質が含まれる前記燃料棒２の領域の下端から３．９ｍ未満の領域を第１領域、３．９ｍ以上の領域を第２領域とする。第１領域の燃料集合体１の水平断面図を図５、第２領域の燃料集合体１の水平断面図を図６に示す。図６における燃料棒２の密度は図５より1／２以下に小さく設定されている。
【００２７】
このことによって、図２に示すように出力分布を従来に比べて上部の第２領域で低くできる。この場合において、燃料上部の熱的余裕の変化を評価した結果を図３に示す。図３に示すように上部である一定以下の出力になると、上部で熱的余裕が高さ方向に減少しなくなる領域が存在する。これは燃料スペーサ４による熱的余裕増大効果と燃料棒２の発熱による液膜の蒸発がバランスもしくは燃料スペーサ４による熱的余裕増大効果の方が大きくなる出力があることによる。本発明では新たに発見した上記現象を用いると燃料集合体１を長くした場合に従来知見されていなかった大きなメリットがあることを発見した。
【００２８】
なお、第１領域高さは３．９ｍ未満であればそれよりも燃料有効長を大きくすると燃料集合体１内の圧力損失が増大する。これについては燃料上部の水と蒸気の混合流で圧力損失の大きい領域の出力を小さくする手段として、第２領域において燃料棒を間引く等することにより圧力損失を低減でき、合わせて第２領域の燃料棒本数が減るので目的の出力を自然と減少させることが可能である。また、第２領域で燃料棒配列を少なくして燃料棒を少なくするなどして、冷却材流路面積を拡大してもよい。この場合も第２領域で燃料が減るので自然に出力が減少する。
【００２９】
また、燃料有効長を大きくするとチャンネル安定性が低下するが、これも第２領域において燃料棒を間引く等することによる圧力損失低減や、第２領域で燃料棒配列を少なくして燃料棒を少なくするなどして、冷却材流路面積を拡大することによってある程度解消できる。ただし、ある一定以上の長さを超えるとチャンネル安定性を満たさなくなるのでこれが燃料有効長を大きくする上限となる。
【００３０】
次に、第２領域の出力分布を下げる第２の実施例について説明する。燃料濃度を調整することにより実施例１と同等の効果を有する。例えば、前記第２領域の平均ウラン濃縮度が第１領域の平均ウラン濃縮度以下とすることが有効である。具体的には、前記第２領域の平均ウラン濃縮度が第１領域の平均ウラン濃縮度の１／２とする。さらに、前記第２領域に天然ウランの濃縮度以下であるブランケット領域を設けることもできる。
【００３１】
次に、第２領域の出力分布を下げる第３の実施例について説明する。前記燃料棒２に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から３．９ｍ未満の領域を第１領域、３．９ｍ以上の領域を第２領域としたとき、第２領域において少なくとも１つ以上の燃料スペーサを有し、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の出力が、運転期間を通して燃料集合体の全出力の８％以下とすると所望の出力分布を得ることができる。
【００３２】
出力低下の具体的手段として以下のものが有効である。すなわち、前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均燃料棒本数を、第１領域の平均燃料棒本数より少なく設ける。また、前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均燃料棒本数を、第１領域の平均燃料棒本数の１／２とする。さらに、前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均ウラン濃縮度を、第１領域の平均ウラン濃縮度より低く設定し、具体的には第１領域の平均ウラン濃縮度の１／２とする。また、前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間の領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域に天然ウランの濃縮度以下であるブランケット領域を含んでも良い。
【００３３】
このように第２領域の出力を下げると、従来は図１０に示すように燃料有効長上端付近まで下方から挿入される制御棒９１を図７に示すように第１領域上端付近までとしてもよく、これにより燃料有効長を長くした場合に通常は比例して増加する制御棒長さも比例より小さくできる。また、制御棒の上端は必ずしも第１領域上端付近でなくても第２領域中間でもよい。また、第２領域の出力が十分小さい場合は第１領域上端より下でもよい。このことにより、沸騰水型原子炉の炉心の構成部材を減らせ、経済性向上が可能になる。
【００３４】
また、本実施例では第２領域で熱的余裕が大きく、厳密な監視が不要と考えられる。一般に炉心の出力等を監視するために設けられる中性子計装管１８内の中性子検出器１９は複数が等間隔で設置される（図１１）。しかし、第２領域の厳密な監視が不要であれば、図８に示すように中性子計装管１８内の中性子検出器１９を第１領域のみに配置することも可能である。これにより第１領域の監視性能は同じ数の中性子検出器を用いれば向上し、炉心の性能向上が可能になる。
【００３５】
また、本実施例では燃料有効長を長くしており、特許文献１の技術を適用した場合の効果がより大きくなり、より有効に燃料経済性を向上できる。以上、本実施例によれば、炉心内の燃料装荷量が増えることによる燃料経済性向上以外にも様々な経済性向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例の燃料集合体の構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施例の燃料集合体の軸方向出力分布を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例の燃料集合体の軸方向熱的余裕を示す説明図である。
【図４】本発明の燃料スペーサ間の出力割合に対する熱的余裕比を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例の燃料集合体の構造を示す横断面図である。
【図６】本発明の実施例の燃料集合体の構造を示す横断面図である。
【図７】本発明の実施例の炉心の一部を示す縦断面図である。
【図８】本発明の実施例の炉心の一部を示す縦断面図である。
【図９】従来の燃料棒の構成を示す模式図である。
【図１０】従来の沸騰水型原子炉の炉心の一部を示す縦断面図である。
【図１１】従来の沸騰水型原子炉の炉心の一部を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１… 燃料集合体、２… 燃料棒、３… 水ロッド、４… 燃料スペーサ、５… 上部タイプレート、６…下部タイプレート、７… チャンネルボックス、８… 燃料ペレット、１２… 上昇管、１３… 下降管、１４… 燃料被覆管、１５… スプリング、１６… 上部端栓、１７… 下部端栓、９１…制御棒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から、前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部を第２領域とし、前記第２領域における単位高さ当りの出力を運転期間を通して前記第１領域より小さく設定したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部の領域を第２領域とし、前記第２領域の平均燃料棒本数が第１領域の平均燃料棒本数以下であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部の領域を第２領域とし、前記第２領域の平均ウラン濃縮度が第１領域の平均ウラン濃縮度以下であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部の領域を第２領域とし、前記第２領域の平均ウラン濃縮度が第１領域の平均ウラン濃縮度の１／２であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサとを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部の領域を第２領域とし、前記第２領域に天然ウランの濃縮度以下であるブランケット領域を含むことを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料集合体の設計方法において、第２領域の燃料スペーサによる熱的余裕改善効果をＳＰ、上部領域の平均線出力から決まる水の蒸発による熱的余裕低下効果をＶＡとするとき、ＳＰ≧ＶＡとなるように第２領域の平均線出力を決め、次に第１領域の長さを決め、その次に第２領域の長さをチャンネル安定性限界から決めることを特徴とする燃料集合体の設計方法。
【請求項７】
請求項６の設計方法により設計された燃料集合体。
【請求項８】
請求項１乃至５または請求項７のいずれか１項に記載された燃料集合体のうち、少なくとも１種類の燃料集合体を含む原子炉の炉心。
【請求項９】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領
域の下端から３．９ｍ未満の領域を第１領域、３．９ｍ以上の領域を第２領域としたとき、第２領域において少なくとも１つ以上の燃料スペーサを有し、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の出力が、運転期間を通して燃料集合体の全出力の８％以下であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項１０】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均燃料棒本数が、第１領域の平均燃料棒本数より少ないことを特徴とする請求項９記載の燃料集合体。
【請求項１１】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均燃料棒本数が、第１領域の平均燃料棒本数の１／２であることを特徴とする請求項１０記載の燃料集合体。
【請求項１２】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均ウラン濃縮度が、第１領域の平均ウラン濃縮度以下であることを特徴とする請求項９記載の燃料集合体。
【請求項１３】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均ウラン濃縮度が、第１領域の平均ウラン濃縮度の１／２であることを特徴とする請求項１２記載の燃料集合体。
【請求項１４】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域に天然ウランの濃縮度以下であるブランケット領域を含むことを特徴とする請求項１３記載の燃料集合体。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれか１項に記載された燃料集合体において、前記水ロッドは燃料集合体内部に上部で内部流路が連通する上昇管と下降管を備えたスペクトルシフト型水ロッドであることを特徴とする燃料集合体。
【請求項１６】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載された燃料集合体のうち、少なくとも１種類の燃料集合体を含む原子炉の炉心。
【請求項１７】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の燃料集合体を少なくとも１体含む沸騰水型原子炉の炉心において、炉心下部から挿入される制御棒が前記下部領域のみに挿入されることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項１８】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の燃料集合体を少なくとも１体含む沸騰水型原子炉の炉心において、炉心下部から挿入される制御棒が前記上部領域の上端まで挿入されないことを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項１９】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の燃料集合体を少なくとも１体含む沸騰水型原子炉の炉心において、炉心内の中性子計装管内の中性子検出器を下部領域に相当する位置にのみ備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項２０】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の燃料集合体において、燃料集合体内部に上部で内部流路が連通する上昇管と下降管が少なくとも１対存在し、前記上昇管の下端が下部タイプレート下方にあり、前期下部タイプレート下方に上昇管へ冷却水を導く開口部を有し、前記下降管の下端は前記下部タイプレート上方に有り、その下端部付近に冷却材出口を有することを特徴とする燃料集合体。
【請求項２１】
請求項２０に記載の燃料集合体を少なくとも一体含む沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項１】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から、前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部を第２領域とし、前記第２領域における単位高さ当りの出力を運転期間を通して前記第１領域より小さく設定したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部の領域を第２領域とし、前記第２領域の平均燃料棒本数が第１領域の平均燃料棒本数以下であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部の領域を第２領域とし、前記第２領域の平均ウラン濃縮度が第１領域の平均ウラン濃縮度以下であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部の領域を第２領域とし、前記第２領域の平均ウラン濃縮度が第１領域の平均ウラン濃縮度の１／２であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサとを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領域の下端から前記燃料領域の下端からの高さが３．９ｍ未満の領域を第１領域、前記第１領域より上部の領域を第２領域とし、前記第２領域に天然ウランの濃縮度以下であるブランケット領域を含むことを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料集合体の設計方法において、第２領域の燃料スペーサによる熱的余裕改善効果をＳＰ、上部領域の平均線出力から決まる水の蒸発による熱的余裕低下効果をＶＡとするとき、ＳＰ≧ＶＡとなるように第２領域の平均線出力を決め、次に第１領域の長さを決め、その次に第２領域の長さをチャンネル安定性限界から決めることを特徴とする燃料集合体の設計方法。
【請求項７】
請求項６の設計方法により設計された燃料集合体。
【請求項８】
請求項１乃至５または請求項７のいずれか１項に記載された燃料集合体のうち、少なくとも１種類の燃料集合体を含む原子炉の炉心。
【請求項９】
下部タイプレートと、前記下部タイプレートに下端部が保持され、燃料スペーサを有する複数の燃料棒と、前記下部タイプレートに下端部が保持される１本もしくは複数の水ロッドと、前記燃料棒および燃料スペーサを取り囲むチャンネルボックスを備え、前記燃料棒に核燃料物質が含まれる部分の長さが３．９ｍ以上４．４ｍ以下とし、かつ前記燃料領
域の下端から３．９ｍ未満の領域を第１領域、３．９ｍ以上の領域を第２領域としたとき、第２領域において少なくとも１つ以上の燃料スペーサを有し、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の出力が、運転期間を通して燃料集合体の全出力の８％以下であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項１０】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均燃料棒本数が、第１領域の平均燃料棒本数より少ないことを特徴とする請求項９記載の燃料集合体。
【請求項１１】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均燃料棒本数が、第１領域の平均燃料棒本数の１／２であることを特徴とする請求項１０記載の燃料集合体。
【請求項１２】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均ウラン濃縮度が、第１領域の平均ウラン濃縮度以下であることを特徴とする請求項９記載の燃料集合体。
【請求項１３】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域の平均ウラン濃縮度が、第１領域の平均ウラン濃縮度の１／２であることを特徴とする請求項１２記載の燃料集合体。
【請求項１４】
前記第２領域の、前記第２領域中の最下流の燃料スペーサと燃料有効長上端部の間である領域、または最下流の燃料スペーサと一段上流側に備えられた他の燃料スペーサで囲まれる領域に天然ウランの濃縮度以下であるブランケット領域を含むことを特徴とする請求項１３記載の燃料集合体。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれか１項に記載された燃料集合体において、前記水ロッドは燃料集合体内部に上部で内部流路が連通する上昇管と下降管を備えたスペクトルシフト型水ロッドであることを特徴とする燃料集合体。
【請求項１６】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載された燃料集合体のうち、少なくとも１種類の燃料集合体を含む原子炉の炉心。
【請求項１７】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の燃料集合体を少なくとも１体含む沸騰水型原子炉の炉心において、炉心下部から挿入される制御棒が前記下部領域のみに挿入されることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項１８】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の燃料集合体を少なくとも１体含む沸騰水型原子炉の炉心において、炉心下部から挿入される制御棒が前記上部領域の上端まで挿入されないことを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項１９】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の燃料集合体を少なくとも１体含む沸騰水型原子炉の炉心において、炉心内の中性子計装管内の中性子検出器を下部領域に相当する位置にのみ備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項２０】
請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の燃料集合体において、燃料集合体内部に上部で内部流路が連通する上昇管と下降管が少なくとも１対存在し、前記上昇管の下端が下部タイプレート下方にあり、前期下部タイプレート下方に上昇管へ冷却水を導く開口部を有し、前記下降管の下端は前記下部タイプレート上方に有り、その下端部付近に冷却材出口を有することを特徴とする燃料集合体。
【請求項２１】
請求項２０に記載の燃料集合体を少なくとも一体含む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８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２４３９０５（Ｐ２００９−２４３９０５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８７３８３（Ｐ２００８−８７３８３）
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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