燃料集合体
【課題】燃料集合体の限界出力を向上させる。
【解決手段】沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体に、スペーサと複数の燃料棒と中間端栓付ウォータロッド４１を備える。スペーサは、チャンネルボックスの内側を正方格子状に配列された複数の棒通過領域に仕切る。燃料棒は、被覆管に核燃料物質を収容したものであって、それぞれ棒通過領域を通過する。中間端栓付ウォータロッド４１は、第１管部５１と第２管部５２と中間端栓６とを備える。第１管部５１には、冷却材が流入する流入口４およびこの流入口４よりも高い位置で冷却材が流出する流出口５がいずれも側面に形成されている。第２管部５２は、第１管部と同軸に配置されている。中間端栓６は、第１管部５１と第２管部５２との間を結合し、第１管部５１中の冷却材の流れを阻害する。中間端栓付ウォータロッド４１も棒通過領域を通過している。
【解決手段】沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体に、スペーサと複数の燃料棒と中間端栓付ウォータロッド４１を備える。スペーサは、チャンネルボックスの内側を正方格子状に配列された複数の棒通過領域に仕切る。燃料棒は、被覆管に核燃料物質を収容したものであって、それぞれ棒通過領域を通過する。中間端栓付ウォータロッド４１は、第１管部５１と第２管部５２と中間端栓６とを備える。第１管部５１には、冷却材が流入する流入口４およびこの流入口４よりも高い位置で冷却材が流出する流出口５がいずれも側面に形成されている。第２管部５２は、第１管部と同軸に配置されている。中間端栓６は、第１管部５１と第２管部５２との間を結合し、第１管部５１中の冷却材の流れを阻害する。中間端栓付ウォータロッド４１も棒通過領域を通過している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の沸騰水型原子炉に採用されている燃料集合体は、たとえばスペーサによって９行９列の正方格子状に燃料棒を束ねたものである。スペーサは、燃料棒の軸方向のたとえば７か所に配置される。燃料棒の両端は、上部タイプレートおよび下部タイプレートで保持される。燃料棒が配置される９行９列の正方格子の中央付近には、ウォータロッドが配置される場合もある。一部の燃料棒として、他の燃料棒よりも短く、上端部が上部タイプレートまで達しない部分長燃料棒を用いる場合もある。このような燃料集合体は、角筒状のチャンネルボックスを装着されて沸騰水型原子炉の炉心に装荷される。
【０００３】
冷却材は、燃料集合体の下方より、燃料支持金具のオリフィス及び下部タイプレートを経由してチャンネルボックス内に流入する。チャンネルボックス内に流入した冷却材は、燃料集合体内での核分裂による発熱によって加熱される。この加熱により、冷却材はチャンネルボックス内で沸騰して蒸気（ボイド）を発生する。これに伴って、チャンネルボックス内の上側領域では、冷却材は気液二相流となって流れる。一部の冷却材は、下部タイプレートに開けられた小孔（リークホール）などを通って、チャンネルボックスの外側（バイパス領域）に流れ込み、水ギャップ領域を形成する。
【０００４】
沸騰水型原子炉の燃料集合体として、国内で商用の発電が行われて以来、燃料棒の配置として、７行７列型、８行８列型、そして９行９列型が採用されるに至っている。原子力発電の経済性向上のためには、発電所あたりの発電量を増加するために原子炉出力密度の向上を図ることが有効である。そこで、出力密度を高めた新型炉の開発や、既存の原子力発電所の発電量を高める出力向上が進められている。
【０００５】
出力密度を向上させると、原子炉内の単位燃料集合体当たりの発生出力が増加する。このため、燃料棒の単位長さ当たりの発生出力である線出力密度の制限値に対する余裕や、燃料棒表面が沸騰遷移し膜沸騰に至る出力である限界出力に対する余裕といった熱的な余裕が減少する。また、燃料経済性の向上のために、燃料集合体の取出平均燃焼度を増加する高燃焼度化も進行中であるが、高燃焼度化によっても熱的な余裕が減少する。
【０００６】
線出力密度制限値に対する余裕を増加する上では、単位燃料集合体当たりの燃料棒有効長の総和を増加させることが有効である。このため、各燃料棒の有効長を従来よりも延長した燃料集合体や、海外で導入済みの１０行１０列型に加え、さらには１１行１１列以上に改良した燃料集合体が開発されてきている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、上述の燃料集合体の開発過程に示す燃料棒格子配列数の増加に伴い、燃料棒本数が増加し、総伝熱面積が増加するため、限界出力に対する余裕が増加する。燃料棒格子配列数の増加の他にも、炉心燃料格子形状、スペーサ構造・形状、チャンネルボックス形状、ウォータロッド本数・形状・配置などが限界出力に影響する因子となる。
【０００８】
チャンネルボックスの下端近傍は冷却材が飽和温度以下から飽和温度にまで加熱される領域であり、この領域ではチャンネルボックス内部に蒸気はほとんど存在せず水が充満している。その上方の軸方向の大半の領域では冷却材流は蒸気と水との混合物からなり、チャンネルボックスの内壁および各燃料棒の表面には水の液膜が形成される。軸方向の上方に行くに従って、冷却材は液滴、蒸気となり、燃料棒からの加熱により発生した蒸気の冷却材流の中で占める体積が増え、燃料棒表面に接する液膜の厚さは減少する。
【０００９】
もし、燃料棒に接する液膜の厚さが過小でその燃料棒の発熱が大きいときは、冷却効率が低下して燃料棒が過熱状態になり、極端な場合には遷移沸騰を経て膜沸騰状態に至り燃料棒が破損する可能性が生じる。このような燃料棒表面の過熱状態（限界出力）を生じさせないために、冷却材混合による燃料棒表面への液相の供給の観点から、種々の限界出力の増加方法が提案されている。
【００１０】
限界出力向上を目的としたスペーサの改良例（たとえば特許文献２および３参照）としては、燃料集合体内で蒸気と液滴とが混合した相を撹拌し燃料棒表面の液膜への液滴付着を促進することで沸騰遷移を抑制するスペーサを備えたものがある。また、特に外周燃料棒の限界出力向上を目的として、スペーサのバンド（外枠）の形状を改良したものなどがある。
【００１１】
チャンネルボックスの改良により最外周の行列の燃料棒の限界出力を向上させる例としては、チャンネルボックスの内壁にフロートリッパと呼ばれる傾斜面を有する溝状の機構を設けたものが提案されており（たとえば特許文献４参照）、海外で実用化されている。その他、ウォータロッド（水ロッド）の改良により燃料棒の限界出力を向上させる例として、燃料棒の燃料有効長高さよりも高さの低い部分長のウォータロッドが提案されている（たとえば特許文献５参照）。
【００１２】
原子力発電における出力密度増加や高燃焼度化は、今後も引き続き追求されていく傾向にあり、燃料集合体についても従来以上に熱的余裕を増加することが強く望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−１５１６４０号公報
【特許文献２】特開２００７−４７１５７号公報
【特許文献３】特許第４４１６９７０号公報
【特許文献４】特許第２５１０００６号公報
【特許文献５】特開２００４−３０９４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
熱的余裕のうち、線出力密度制限値への余裕に関しては、各燃料棒の有効長延長を行おうとする場合、燃料集合体の上下構造との取り合いのため、大幅な改良を行うことは実質的に困難となっている。このため、１０行１０列、さらには１１行１１列以上の燃料棒配列を採用することが解決手段のひとつとなる。
【００１５】
しかしながら、１１行１１列以上の燃料棒配列を採用する場合、燃料棒間や燃料棒−チャンネルボックス間の間隙が従来よりも狭まるため、燃料棒の断面方向の位置を支持するためのスペーサの機械設計および製造性がより困難になると予想される。これらの間隙を広くするために燃料棒外径を小さくする方法もあるが、燃料棒内の燃料ペレット外径の減少を伴うため、単位燃料集合体に装荷されるウラン装荷量が減少し、取替燃料体数の増加、すなわち燃料経済性の低下をもたらす。このため、可能な限り燃料棒外径を大きくとることが重要であるが、このことは冷却材の流路断面積が減少する方向に影響する。また、燃料棒本数の増加により、燃料棒の表面積も増加することから、これらは燃料集合体の圧力損失を増加させる要因となる。しかしながら、この場合にも燃料集合体の圧力損失が従来と同等になるように設計を行う必要があり、この点は後述する限界出力向上の観点で燃料部材（スペーサ、チャンネルボックス、ウォータロッドなど）の設計を改良していく上で考慮すべき因子のひとつとなる。
【００１６】
限界出力への余裕に関しては、主に上述のようなスペーサ改良によって限界出力を向上させる対応が進められている。炉心下部から流入した冷却材は、燃料棒により加熱されて、液相と気相からなる二相流の状態となり、燃料集合体の軸方向上方ほどボイド率（冷却材中の蒸気が占める体積割合）が高くなる。これに加えて、チャンネルボックスの外側の水ギャップに面した最外周の燃料棒の周辺、なかでもコーナ位置の燃料棒の周辺では、燃料集合体の内周領域に比べて、燃料集合体横断面内における冷却材の流量配分が相対的に少なくなる。このため、これらの領域の燃料棒に対して、限界出力のさらなる向上を図る必要がある。
【００１７】
ここで、燃料集合体の設計においては、上述のような燃料集合体の軸方向および横断面方向の冷却材の状態、流量分布の違いによる限界出力への影響を考慮しながら、燃料集合体の圧力損失が従来と同等になるように設計を行う必要がある。
【００１８】
スペーサの改良を行う場合、燃料棒表面の液膜への液滴や蒸気の付着を促進する機構を設けることは、一般にはスペーサの投影面積あるいは断面積は増大し、スペーサ部の圧力損失が増大する。また、スペーサの設計が複雑化するため、特に燃料棒の格子配列数が増加していくと、スペーサの機械設計や製造性、燃料集合体の組立性などへの影響がある。
【００１９】
チャンネルボックスの内壁にフロートリッパを設けると、この機構がなければ利用されない内壁上の液膜を利用している点、さらに燃料棒の格子配列数が増加していく場合にも利用できる点で、最外周の行列の燃料棒の限界出力を向上させる手段となり得る。しかしながら、最外周の行列の燃料棒の周辺、なかでもコーナ位置の燃料棒の周辺は、燃料集合体横断面内で冷却材の流量が相対的に少ないこともあり、出力密度増加や高燃焼度化を追求していくなかでは、なおも限界出力を向上させる手段の改良が必要とされている。このため、上述の改良方法以外にも限界出力を向上させられる手段を得られれば、燃料集合体の性能を向上させるとともに、設計の自由度が増すこととなる。
【００２０】
最外周領域の限界出力の向上に寄与する方法として、部分長のウォータロッドを採用する方法の場合、部分長となる領域の分だけ流路面積が広くなるとともに、ロッドの表面積が減少し、圧力損失を低減できる可能性がある。しかし、部分長のウォータロッドの上端領域から流出する冷却材が、その上方のロッドのない空間を通過してしまい、限界出力の向上に有効に機能しないことが予想される。
【００２１】
そこで、本発明は、燃料集合体の限界出力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】
【００２２】
上述の目的を達成するため、本発明は、角筒状のチャンネルボックスを装着されて上に向かって冷却材が流れる沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体において、前記チャンネルボックスの軸方向に複数設けられて前記チャンネルボックスの内側を正方格子状に配列された複数の棒通過領域に仕切るスペーサと、被覆管に核燃料物質を収容して前記棒通過領域を通過する複数の燃料棒と、前記冷却材が流入する流入口およびこの流入口よりも高い位置で前記冷却材が流出する流出口がいずれも側面に形成された第１管部と、前記第１管部と同軸に配置された第２管部と、前記第１管部と前記第２管部との間を結合し前記第１管部中の前記冷却材の流れを阻害する中間端栓とを備えて前記棒通過領域を通過する中間端栓付ウォータロッドと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料集合体の限界出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【図２】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す側面図である。
【図３】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す平断面図である。
【図４】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態におけるスペーサの模式的平面図である。
【図５】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す一部拡大平断面図である。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す平断面図である。
【図７】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す一部拡大平断面図である。
【図８】本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【図９】本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【図１０】本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明に係る燃料集合体の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す側面図である。図３は、本実施の形態の燃料集合体をチャンネルボックスとともに示す平断面図である。本実施の形態におけるスペーサの模式的平面図である。
【００２７】
本実施の形態の燃料集合体３０は、スペーサ１７と、燃料棒８と、中間端栓付ウォータロッド４１と、太径ウォータロッド１３とを有している。燃料集合体３０は、角筒状のチャンネルボックス９を装着されて沸騰水型原子炉の炉心に装荷される。
【００２８】
スペーサ１７は、チャンネルボックス９の軸方向すなわち鉛直方向の複数の位置に設けられている。燃料集合体３０は、たとえば７個のスペーサ１７を備えている。スペーサ１７は、チャンネルボックス９の内側を正方格子状に配列された複数の棒通過領域８１に仕切っている。棒通過領域８１は、たとえば１１行１１列の正方格子状に配列されている。また、スペーサ１７の中央付近には、９つの棒通過領域８１に相当する大きさの太径ウォータロッド通過領域８２が形成されている。
【００２９】
燃料棒８は、ウランなどの核燃料物質をたとえば焼き固めたペレットを金属製の被覆管に装填して、被覆管の両端を端栓で封じたものである。燃料棒８は複数であって、それぞれ棒通過領域８１を通過するように配置されている。
【００３０】
太径ウォータロッド１３は、下端および上端近傍に孔が形成された中空の金属管である。太径ウォータロッド１３の下端および上端近傍はそれらに挟まれる中間部分よりも細径である。
【００３１】
中間端栓付ウォータロッド４１は、燃料棒８と外径が同等の管である。中間端栓付ウォータロッド４１は、最外周の棒通過領域８１のうち、コーナおよび最外周の辺の中央の棒通過領域８１を通過するように配置されている。１つの棒通過領域８１には、１本の燃料棒８または１本の中間端栓付ウォータロッド４１のみが配置される。
【００３２】
燃料棒８、中間端栓付ウォータロッド４１および太径ウォータロッド１３は、下端が下部タイプレート１６の格子状に配列されたボス穴部に挿入されて支持されている。一部の燃料棒８の上端は上部タイプレート１５に結合されている。残りの燃料棒８、中間端栓付ウォータロッド４１および太径ウォータロッド１３は、上部タイプレート１５に係合している。燃料集合体３０に用いられる燃料棒８のうち一部は、他の燃料棒８より短い部分長燃料棒であってもよい。
【００３３】
図１は、本実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【００３４】
中間端栓付ウォータロッド４１は、第１管部５１と第２管部５２とを有している。第１管部５１と第２管部５２は、互いに同径の中空の管であって、同軸に配置されている。第２管部５２は第１管部５１よりも上方に配置されている。第１管部５１の下端は、下部端栓２で封じられている。第２管部５２の上端は、上部端栓７で封じられている。
【００３５】
第１管部５１と第２管部５２との間には中間端栓６が設けられている。第１管部５１の下端近傍には、冷却材が流入する流入口４が形成されている。第１管部５１の上端近傍には、冷却材が流出する流出口５が形成されている。流入口４および流出口５は、いずれも複数であってもよく、それらの軸方向位置が異なっていてもよい。また、流入口４を、下部端栓２に形成し、その流入口４から第１管部５１に冷却材が流入する構造としてもよい。
【００３６】
流出口５は、たとえば燃料有効部下端から燃料有効長の２／５〜４／５の高さに形成されている。この軸方向位置は、燃料集合体３０の軸方向中央付近に設けられるスペーサ１７と、その上方に位置するスペーサ１７が設けられる領域に対応した範囲である。中間端栓６は、第１管部６中の冷却材の流れを阻害するものである。本実施の形態において、中間端栓６は第１管部５１の上端および第２管部５２の下端を封じるものであり、第１管部５１中の冷却材の流れを完全に阻害し、第１管部５１から第２管部５２へ冷却材が流入することはない。
【００３７】
図４は、本実施の形態におけるスペーサの模式的平面図である。
【００３８】
第１管部５１に形成された流出口５は、そこから流出した冷却材が隣接する燃料棒８の近傍に向かって流れる位置に形成されている。
【００３９】
沸騰水型原子炉の炉心に装荷された燃料集合体３０には、冷却材が下部タイプレートから流れ込み、チャンネルボックス９の内部の領域を上昇し、チャンネルボックス９の上端から流れ出る。冷却材は、チャンネルボックス９の内部を流れる際に、燃料棒８の内部での核分裂により発生した熱で加熱される。この加熱により、冷却材はチャンネルボックス内で沸騰して蒸気（ボイド）を発生する。これに伴って、チャンネルボックス内の上側領域では、冷却材は気液二相流となって流れる。
【００４０】
また、本実施の形態の燃料集合体３０では、冷却材は、中間端栓付ウォータロッド４１の下端近傍に形成された流入口４から流入し、第１管部５１の内部を流れ、第１管部５１の上端近傍に形成された流出口５から流出する。第１管部５１の内部を流れる冷却材は、燃料棒８に接しながら流れる冷却材とは隔離して流れるため、第１管部５１の全体にわたって、ほぼ非沸騰のまま流出口５から流出する。したがって、チャンネルボックス９内の中間端栓付ウォータロッド４１の外側の領域が２相流となっている軸方向位置に流出口５を形成することにより、非沸騰の冷却水を２相流領域に供給することができる。
【００４１】
中間端栓付ウォータロッド４１がない燃料集合体の場合、太径ウォータロッド１３内を流れる冷却材流量は、チャンネルボックス９内の全流量の数パーセントのオーダー（１０パーセント未満）に相当する。単純に全燃料棒位置に均等に冷却材の流量が配分されると仮定して１本の燃料棒８あたりに配分される流量を試算すると、たとえば１１行１１列の燃料棒が配置される燃料集合体では燃料棒８の本数が１００本前後となることから、１本の燃料棒８に対する冷却材流量は燃料集合体内の全流量の１パーセント前後に相当する。
【００４２】
しかし、中間端栓付ウォータロッド４１には、太径ウォータロッド１３に比べて径が小さいものの、その断面積比に応じた程度の冷却材が流れると考えられる。本実施の形態では、限界出力の厳しい領域に対して員数を絞り込んだ上で、中間端栓付ウォータロッド４１を配置している。このため、中間端栓付ウォータロッド４１が存在しない場合に個々の燃料棒８に配分される１％前後の流量と比べても有意な量の冷却材を限界出力の厳しい領域に供給できる。その結果、燃料集合体３０の限界出力を向上させることができる。
【００４３】
また、本実施の形態の中間端栓付ウォータロッド４１は、燃料棒８の軸方向全長にわたって延びている。このため、たとえば第２管部５２が存在しないような部分長のウォータロッドを採用する場合に比べ、冷却材の流出口５より上方の領域においてチャンネルボックス９内の冷却材の流路面積が小さくなり、この領域で冷却材の流速が相対的に大きくなる。その結果、本実施の形態の燃料集合体３０では、第２管部５２が存在する領域で、中間端栓付ウォータロッド４１の周辺の燃料棒８の表面の熱伝達を向上させることができる。
【００４４】
上述の通り、燃料集合体３０の軸方向上方ほどボイド率が高くなる。これに加えて、チャンネルボックス９の外側の水ギャップに面した最外周の行列の燃料棒８の領域、なかでもコーナ位置の燃料棒８の領域では、燃料集合体３０の内周領域に比べて、燃料集合体３０横断面内における冷却材の流量配分が相対的に少なくなる。しかし、本実施の形態では、中間端栓付ウォータロッド４１が最外周に配置されているため、冷却材の流量が相対的に少なくなる燃料集合体３０の最外周あるいは最外周から２層目程度の領域に対して軸方向の高い位置で非沸騰の冷却材を提供することができる。
【００４５】
また、チャンネルボックス９の外側には、非沸騰の水（減速材）が存在していることから、燃料集合体３０の最外周に近い領域では、出力が相対的に高くなる。しかし、本実施の形態では、燃料集合体３０の最外周に近い領域の、ボイド率が大きくなった軸方向の高い位置に非沸騰の冷却材を提供できる。
【００４６】
さらに、燃料集合体３０の最外周位置、特にコーナ部では、限界出力特性が厳しくなる傾向にある。そこで、本実施の形態のように、そのような限界出力特性が厳しい位置の燃料棒８を中間端栓付ウォータロッド４１に置き換えることにより、限界出力特性に関する設計上の余裕が得られる。
【００４７】
その結果、燃料集合体３０の最外周近傍の領域に配置された燃料棒８の限界出力を向上させることができる。
【００４８】
また、本実施の形態の燃料集合体３０では、中間端栓付ウォータロッド４１の外径を燃料棒８と同等としていることから、スペーサ１７の中間端栓付ウォータロッド４１が通過する棒通過領域８１の周辺の構造を他の棒通過領域８１の周辺の構造と変える必要がない。このため、中間端栓付ウォータロッド４１用に特別な構造のスペーサスプリングなどを用いる必要がない。また、中間端栓付ウォータロッド４１の数あるいは配置を変更した場合であっても、同一のスペーサを用いることができる。このため、設計が簡素化され、製造コストが低減する。
【００４９】
本実施の形態の燃料集合体３０では、中間端栓付ウォータロッド４１の外径を棒通過領域８１の幅未満としておくと、燃料棒８と同じ間隔で中間端栓付ウォータロッド４１を配置することが可能となる。その結果、中間端栓付ウォータロッド４１および燃料棒８などを束ねるスペーサ１７の設計において、中間端栓付ウォータロッド４１を保持するための特別な構造を設ける必要がなく、スペーサや燃料集合体の製造性にも影響しない。
【００５０】
スペーサ１７は、燃料棒８から離れてチャンネルボックス９内を上昇する液滴や蒸気が燃料棒８表面の液膜に付着するのを促進する役割を果たしている。しかし、ある高さ位置に設置されたスペーサ１７からその上方に隣接する次のスペーサ１７までの間では、燃料棒８表面の液膜の厚さが減少していく傾向がある。つまり、スペーサ１７から上方に離れるに従ってスペーサ１７による冷却材の撹拌効果が減少していく。そこで、中間端栓付ウォータロッド４１の流出口５は、軸方向に隣り合う２つのスペーサ１７の中央よりも上方に形成されていることが好ましい。このようにスペーサ１７から上方に離れて流出口５を形成することにより、冷却材の撹拌効果が小さくなった領域に効果的に非沸騰の冷却材を導入し、冷却材の撹拌を促進し、燃料棒８の表面への冷却材の付着を促進する効果をさらに高めることができる。その結果、限界出力を向上させることができる。
【００５１】
中間端栓付ウォータロッド４１を用いると、同じ位置に燃料棒８を配置する場合に比べて、燃料棒有効長の総和が減少、すなわち、燃料インベントリが減少する。中間端栓付ウォータロッド４１の本数や中間端栓６の軸方向位置だけでなく、高さが上部タイプレート１５まで達しない部分長の燃料棒の数、長さなどの他の設計因子にも依存するが、燃料棒有効長の総和減少への影響の度合いは燃料棒８の格子配列数が少ない燃料集合体ほど大きくなる。しかし、本実施の形態のように、１１行１１列以上の燃料集合体では、特に従来の燃料集合体よりもウラン装荷量を増加できる設計となることから、中間端栓付ウォータロッド４１を用いることによる燃料棒有効長の総和減少への影響も小さく、ウラン装荷量の観点で利得が得られる範囲で、限界出力の向上を図ることができる。
【００５２】
また、１１行１１列以上の燃料集合体では、燃料棒８間や燃料棒８−チャンネルボックス９間の間隙が従来よりも狭まるため、燃料棒８の断面方向の位置を支持するためのスペーサ１７の機械設計および製造性がより困難な方向になる。したがって、本実施の形態のように中間端栓付ウォータロッド４１を用いることにより限界出力向上のためにスペーサ１７形状を過度に複雑化させる必要性が軽減される点からも、中間端栓付ウォータロッド４１の導入効果は燃料棒８の格子配列を増加させた燃料集合体３０ほど大きくなる。
【００５３】
本実施の形態では、中間端栓６は、第１管部５１の上端および第２管部５２の下端を完全に塞ぐものであるが、第１管部５１を流れた冷却材の一部が第２管部５２に流入するような、たとえば中央に上下に貫通する孔が開いた中間端栓を用いてもよい。このような中間端栓を用いた場合であっても、第１管部５１を流れた冷却材は、中間端栓で流れを阻害されるため、少なくとも一部は流出口５から第１管部５１の外部に流出する。これにより、所定の軸方向位置に非沸騰の冷却材を提供することができる。さらに、このような貫通孔が形成された中間端栓のさらに上方にも中間端栓を設け、その中間端栓の近傍下側に流出口を形成しておくと、複数の軸方向位置に非沸騰の冷却材を提供することも可能となる。流出口５の大きさや、中間端栓に形成する貫通孔の大きさは、流出口から流出させたい冷却材の量に応じて適宜設定すればよい。
【００５４】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す平断面図である。図７は、本実施の形態の発明に係る燃料集合体をチャンネルボックスとともに示す一部拡大平断面図である。
【００５５】
本実施の形態では、中間端栓付ウォータロッド４２は、燃料集合体３０の最外周から２層目のコーナの４カ所に配置されている。また、中間端栓付ウォータロッド４２の流出口５は、燃料集合体３０の最外周のコーナ部の燃料棒８およびその燃料棒８から１本の燃料棒８を挟んで配置された２本の最外周の燃料棒８に向かって３カ所に形成されている。このため、限界出力が小さくなりやすい燃料集合体３０のコーナ部やその近傍に配置された燃料棒８に効果的に非沸騰の冷却材を供給できる。
【００５６】
このように、本実施の形態の燃料集合体３０は、第１の実施の形態と同様に、相対的に冷却材流量が少ない領域に対して非沸騰の冷却材を供給できる。その結果、燃料集合体３０の限界出力を向上させることができる。
【００５７】
［第３の実施の形態］
図８は、本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【００５８】
本実施の形態において中間端栓付ウォータロッド４３の第２管部５２には、外側に向かって突出したタブ１０が設けられている。このタブ１０は、第２管部５２の一部に切れ込みを形成し、切れ込みで囲まれた領域を外側に若干押し曲げたものである。
【００５９】
中間端栓付ウォータロッド４３は、実質的に非発熱体であるため、発熱体である燃料棒に比べて、冷却材の液膜がより多く付着している。このため本実施の形態のような中間端栓付ウォータロッドを用いることにより、中間端栓付ウォータロッド４３外面の液膜自体を第２管部５２の外面から離脱させて向きを変えることができる。これに伴って、中間端栓付ウォータロッド４３近傍の液滴や蒸気の向きを変えることもできる。その結果、中間端栓付ウォータロッド４３の周囲の燃料棒への冷却材の付着を促進させることができ、それらの燃料棒の限界出力をさらに向上させることができる。
【００６０】
［第４の実施の形態］
図９は、本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【００６１】
本実施の形態において、中間端栓付ウォータロッド４４には、第２管部５２の外面にタブ１０が取り付けられている。このタブ１０は、たとえば第２管部５２の外面に沿って延びる金属板である。このタブ１０は、たとえば溶接によって第２管部５２の外面に固定される。
【００６２】
このようなタブ１０を設けた中間端栓付ウォータロッド４４であっても、第３の実施の形態と同様に、中間端栓付ウォータロッド４４の周囲の燃料棒への冷却材の付着を促進させることができ、それらの燃料棒の限界出力をさらに向上させることができる。また、このように第２管部５２に切り込みを設けない場合には、第２管部５２の内部に冷却材が侵入しない分だけ、第２管部５２の外側の領域での流量や速度が高くなり、限界出力を向上させることができる。
【００６３】
［第５の実施の形態］
図１０は、本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【００６４】
本実施の形態の中間端栓付ウォータロッド４５は、第１の実施の形態の中間端栓付ウォータロッド４１（図１参照）の第２管部５２の内部に、核燃料物質を焼き固めたペレット１１を装填したものである。この中間端栓付ウォータロッド４５の燃料有効部の上端より上方には燃料ペレット１１を設けないプレナム領域を設けるとともに、その空間内にはペレット１１の軸方向の移動を抑制するためのコイルスプリングを設けるなど、通常の燃料棒と同等の構造を採用する。
【００６５】
このような中間端栓付ウォータロッド４５を用いた燃料集合体であっても、第１の実施の形態と同様に、流出口５からの冷却材の流出により、その周囲の燃料棒の限界出力が向上する。さらに、本実施の形態では、第２管部５２に核燃料物質が収められているため、燃料集合体全体での燃料インベントリが増加し、燃料経済性が向上する。
【００６６】
また、この中間端栓付ウォータロッド４５の軸方向下側の第１管部５１は実質的に非発熱体であり、発熱体である燃料棒の外面に比べて、液膜の厚さがより厚くなる。このため、燃料棒として機能する中間端栓付ウォータロッド４５の第２管部５２は、限界出力の観点からは通常の燃料棒よりも液膜厚さの点で有利な条件となる利点がある。燃料棒として使用する領域に対して、その下方のウォータロッドとして冷却材流路として使用する領域と同一の外径とすることにより、燃料に横方向の荷重が加わる場合にも、燃料棒の領域に周囲の燃料棒と比べて過大な応力が発生することもない。
【００６７】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００６８】
４…流入口、５…流出口、６…中間端栓、８…燃料棒、９…チャンネルボックス、１０…タブ、１１…ペレット、１３…太径ウォータロッド、１５…上部タイプレート、１６…下部タイプレート、１７…スペーサ、３０…燃料集合体、４１，４２，４３，４４，４５…中間端栓付ウォータロッド、５１…第１管部、５２…第２管部、８１…棒通過領域、８２…太径ウォータロッド通過領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の沸騰水型原子炉に採用されている燃料集合体は、たとえばスペーサによって９行９列の正方格子状に燃料棒を束ねたものである。スペーサは、燃料棒の軸方向のたとえば７か所に配置される。燃料棒の両端は、上部タイプレートおよび下部タイプレートで保持される。燃料棒が配置される９行９列の正方格子の中央付近には、ウォータロッドが配置される場合もある。一部の燃料棒として、他の燃料棒よりも短く、上端部が上部タイプレートまで達しない部分長燃料棒を用いる場合もある。このような燃料集合体は、角筒状のチャンネルボックスを装着されて沸騰水型原子炉の炉心に装荷される。
【０００３】
冷却材は、燃料集合体の下方より、燃料支持金具のオリフィス及び下部タイプレートを経由してチャンネルボックス内に流入する。チャンネルボックス内に流入した冷却材は、燃料集合体内での核分裂による発熱によって加熱される。この加熱により、冷却材はチャンネルボックス内で沸騰して蒸気（ボイド）を発生する。これに伴って、チャンネルボックス内の上側領域では、冷却材は気液二相流となって流れる。一部の冷却材は、下部タイプレートに開けられた小孔（リークホール）などを通って、チャンネルボックスの外側（バイパス領域）に流れ込み、水ギャップ領域を形成する。
【０００４】
沸騰水型原子炉の燃料集合体として、国内で商用の発電が行われて以来、燃料棒の配置として、７行７列型、８行８列型、そして９行９列型が採用されるに至っている。原子力発電の経済性向上のためには、発電所あたりの発電量を増加するために原子炉出力密度の向上を図ることが有効である。そこで、出力密度を高めた新型炉の開発や、既存の原子力発電所の発電量を高める出力向上が進められている。
【０００５】
出力密度を向上させると、原子炉内の単位燃料集合体当たりの発生出力が増加する。このため、燃料棒の単位長さ当たりの発生出力である線出力密度の制限値に対する余裕や、燃料棒表面が沸騰遷移し膜沸騰に至る出力である限界出力に対する余裕といった熱的な余裕が減少する。また、燃料経済性の向上のために、燃料集合体の取出平均燃焼度を増加する高燃焼度化も進行中であるが、高燃焼度化によっても熱的な余裕が減少する。
【０００６】
線出力密度制限値に対する余裕を増加する上では、単位燃料集合体当たりの燃料棒有効長の総和を増加させることが有効である。このため、各燃料棒の有効長を従来よりも延長した燃料集合体や、海外で導入済みの１０行１０列型に加え、さらには１１行１１列以上に改良した燃料集合体が開発されてきている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、上述の燃料集合体の開発過程に示す燃料棒格子配列数の増加に伴い、燃料棒本数が増加し、総伝熱面積が増加するため、限界出力に対する余裕が増加する。燃料棒格子配列数の増加の他にも、炉心燃料格子形状、スペーサ構造・形状、チャンネルボックス形状、ウォータロッド本数・形状・配置などが限界出力に影響する因子となる。
【０００８】
チャンネルボックスの下端近傍は冷却材が飽和温度以下から飽和温度にまで加熱される領域であり、この領域ではチャンネルボックス内部に蒸気はほとんど存在せず水が充満している。その上方の軸方向の大半の領域では冷却材流は蒸気と水との混合物からなり、チャンネルボックスの内壁および各燃料棒の表面には水の液膜が形成される。軸方向の上方に行くに従って、冷却材は液滴、蒸気となり、燃料棒からの加熱により発生した蒸気の冷却材流の中で占める体積が増え、燃料棒表面に接する液膜の厚さは減少する。
【０００９】
もし、燃料棒に接する液膜の厚さが過小でその燃料棒の発熱が大きいときは、冷却効率が低下して燃料棒が過熱状態になり、極端な場合には遷移沸騰を経て膜沸騰状態に至り燃料棒が破損する可能性が生じる。このような燃料棒表面の過熱状態（限界出力）を生じさせないために、冷却材混合による燃料棒表面への液相の供給の観点から、種々の限界出力の増加方法が提案されている。
【００１０】
限界出力向上を目的としたスペーサの改良例（たとえば特許文献２および３参照）としては、燃料集合体内で蒸気と液滴とが混合した相を撹拌し燃料棒表面の液膜への液滴付着を促進することで沸騰遷移を抑制するスペーサを備えたものがある。また、特に外周燃料棒の限界出力向上を目的として、スペーサのバンド（外枠）の形状を改良したものなどがある。
【００１１】
チャンネルボックスの改良により最外周の行列の燃料棒の限界出力を向上させる例としては、チャンネルボックスの内壁にフロートリッパと呼ばれる傾斜面を有する溝状の機構を設けたものが提案されており（たとえば特許文献４参照）、海外で実用化されている。その他、ウォータロッド（水ロッド）の改良により燃料棒の限界出力を向上させる例として、燃料棒の燃料有効長高さよりも高さの低い部分長のウォータロッドが提案されている（たとえば特許文献５参照）。
【００１２】
原子力発電における出力密度増加や高燃焼度化は、今後も引き続き追求されていく傾向にあり、燃料集合体についても従来以上に熱的余裕を増加することが強く望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−１５１６４０号公報
【特許文献２】特開２００７−４７１５７号公報
【特許文献３】特許第４４１６９７０号公報
【特許文献４】特許第２５１０００６号公報
【特許文献５】特開２００４−３０９４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
熱的余裕のうち、線出力密度制限値への余裕に関しては、各燃料棒の有効長延長を行おうとする場合、燃料集合体の上下構造との取り合いのため、大幅な改良を行うことは実質的に困難となっている。このため、１０行１０列、さらには１１行１１列以上の燃料棒配列を採用することが解決手段のひとつとなる。
【００１５】
しかしながら、１１行１１列以上の燃料棒配列を採用する場合、燃料棒間や燃料棒−チャンネルボックス間の間隙が従来よりも狭まるため、燃料棒の断面方向の位置を支持するためのスペーサの機械設計および製造性がより困難になると予想される。これらの間隙を広くするために燃料棒外径を小さくする方法もあるが、燃料棒内の燃料ペレット外径の減少を伴うため、単位燃料集合体に装荷されるウラン装荷量が減少し、取替燃料体数の増加、すなわち燃料経済性の低下をもたらす。このため、可能な限り燃料棒外径を大きくとることが重要であるが、このことは冷却材の流路断面積が減少する方向に影響する。また、燃料棒本数の増加により、燃料棒の表面積も増加することから、これらは燃料集合体の圧力損失を増加させる要因となる。しかしながら、この場合にも燃料集合体の圧力損失が従来と同等になるように設計を行う必要があり、この点は後述する限界出力向上の観点で燃料部材（スペーサ、チャンネルボックス、ウォータロッドなど）の設計を改良していく上で考慮すべき因子のひとつとなる。
【００１６】
限界出力への余裕に関しては、主に上述のようなスペーサ改良によって限界出力を向上させる対応が進められている。炉心下部から流入した冷却材は、燃料棒により加熱されて、液相と気相からなる二相流の状態となり、燃料集合体の軸方向上方ほどボイド率（冷却材中の蒸気が占める体積割合）が高くなる。これに加えて、チャンネルボックスの外側の水ギャップに面した最外周の燃料棒の周辺、なかでもコーナ位置の燃料棒の周辺では、燃料集合体の内周領域に比べて、燃料集合体横断面内における冷却材の流量配分が相対的に少なくなる。このため、これらの領域の燃料棒に対して、限界出力のさらなる向上を図る必要がある。
【００１７】
ここで、燃料集合体の設計においては、上述のような燃料集合体の軸方向および横断面方向の冷却材の状態、流量分布の違いによる限界出力への影響を考慮しながら、燃料集合体の圧力損失が従来と同等になるように設計を行う必要がある。
【００１８】
スペーサの改良を行う場合、燃料棒表面の液膜への液滴や蒸気の付着を促進する機構を設けることは、一般にはスペーサの投影面積あるいは断面積は増大し、スペーサ部の圧力損失が増大する。また、スペーサの設計が複雑化するため、特に燃料棒の格子配列数が増加していくと、スペーサの機械設計や製造性、燃料集合体の組立性などへの影響がある。
【００１９】
チャンネルボックスの内壁にフロートリッパを設けると、この機構がなければ利用されない内壁上の液膜を利用している点、さらに燃料棒の格子配列数が増加していく場合にも利用できる点で、最外周の行列の燃料棒の限界出力を向上させる手段となり得る。しかしながら、最外周の行列の燃料棒の周辺、なかでもコーナ位置の燃料棒の周辺は、燃料集合体横断面内で冷却材の流量が相対的に少ないこともあり、出力密度増加や高燃焼度化を追求していくなかでは、なおも限界出力を向上させる手段の改良が必要とされている。このため、上述の改良方法以外にも限界出力を向上させられる手段を得られれば、燃料集合体の性能を向上させるとともに、設計の自由度が増すこととなる。
【００２０】
最外周領域の限界出力の向上に寄与する方法として、部分長のウォータロッドを採用する方法の場合、部分長となる領域の分だけ流路面積が広くなるとともに、ロッドの表面積が減少し、圧力損失を低減できる可能性がある。しかし、部分長のウォータロッドの上端領域から流出する冷却材が、その上方のロッドのない空間を通過してしまい、限界出力の向上に有効に機能しないことが予想される。
【００２１】
そこで、本発明は、燃料集合体の限界出力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】
【００２２】
上述の目的を達成するため、本発明は、角筒状のチャンネルボックスを装着されて上に向かって冷却材が流れる沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体において、前記チャンネルボックスの軸方向に複数設けられて前記チャンネルボックスの内側を正方格子状に配列された複数の棒通過領域に仕切るスペーサと、被覆管に核燃料物質を収容して前記棒通過領域を通過する複数の燃料棒と、前記冷却材が流入する流入口およびこの流入口よりも高い位置で前記冷却材が流出する流出口がいずれも側面に形成された第１管部と、前記第１管部と同軸に配置された第２管部と、前記第１管部と前記第２管部との間を結合し前記第１管部中の前記冷却材の流れを阻害する中間端栓とを備えて前記棒通過領域を通過する中間端栓付ウォータロッドと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料集合体の限界出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【図２】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す側面図である。
【図３】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す平断面図である。
【図４】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態におけるスペーサの模式的平面図である。
【図５】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す一部拡大平断面図である。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す平断面図である。
【図７】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す一部拡大平断面図である。
【図８】本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【図９】本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【図１０】本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明に係る燃料集合体の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す側面図である。図３は、本実施の形態の燃料集合体をチャンネルボックスとともに示す平断面図である。本実施の形態におけるスペーサの模式的平面図である。
【００２７】
本実施の形態の燃料集合体３０は、スペーサ１７と、燃料棒８と、中間端栓付ウォータロッド４１と、太径ウォータロッド１３とを有している。燃料集合体３０は、角筒状のチャンネルボックス９を装着されて沸騰水型原子炉の炉心に装荷される。
【００２８】
スペーサ１７は、チャンネルボックス９の軸方向すなわち鉛直方向の複数の位置に設けられている。燃料集合体３０は、たとえば７個のスペーサ１７を備えている。スペーサ１７は、チャンネルボックス９の内側を正方格子状に配列された複数の棒通過領域８１に仕切っている。棒通過領域８１は、たとえば１１行１１列の正方格子状に配列されている。また、スペーサ１７の中央付近には、９つの棒通過領域８１に相当する大きさの太径ウォータロッド通過領域８２が形成されている。
【００２９】
燃料棒８は、ウランなどの核燃料物質をたとえば焼き固めたペレットを金属製の被覆管に装填して、被覆管の両端を端栓で封じたものである。燃料棒８は複数であって、それぞれ棒通過領域８１を通過するように配置されている。
【００３０】
太径ウォータロッド１３は、下端および上端近傍に孔が形成された中空の金属管である。太径ウォータロッド１３の下端および上端近傍はそれらに挟まれる中間部分よりも細径である。
【００３１】
中間端栓付ウォータロッド４１は、燃料棒８と外径が同等の管である。中間端栓付ウォータロッド４１は、最外周の棒通過領域８１のうち、コーナおよび最外周の辺の中央の棒通過領域８１を通過するように配置されている。１つの棒通過領域８１には、１本の燃料棒８または１本の中間端栓付ウォータロッド４１のみが配置される。
【００３２】
燃料棒８、中間端栓付ウォータロッド４１および太径ウォータロッド１３は、下端が下部タイプレート１６の格子状に配列されたボス穴部に挿入されて支持されている。一部の燃料棒８の上端は上部タイプレート１５に結合されている。残りの燃料棒８、中間端栓付ウォータロッド４１および太径ウォータロッド１３は、上部タイプレート１５に係合している。燃料集合体３０に用いられる燃料棒８のうち一部は、他の燃料棒８より短い部分長燃料棒であってもよい。
【００３３】
図１は、本実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【００３４】
中間端栓付ウォータロッド４１は、第１管部５１と第２管部５２とを有している。第１管部５１と第２管部５２は、互いに同径の中空の管であって、同軸に配置されている。第２管部５２は第１管部５１よりも上方に配置されている。第１管部５１の下端は、下部端栓２で封じられている。第２管部５２の上端は、上部端栓７で封じられている。
【００３５】
第１管部５１と第２管部５２との間には中間端栓６が設けられている。第１管部５１の下端近傍には、冷却材が流入する流入口４が形成されている。第１管部５１の上端近傍には、冷却材が流出する流出口５が形成されている。流入口４および流出口５は、いずれも複数であってもよく、それらの軸方向位置が異なっていてもよい。また、流入口４を、下部端栓２に形成し、その流入口４から第１管部５１に冷却材が流入する構造としてもよい。
【００３６】
流出口５は、たとえば燃料有効部下端から燃料有効長の２／５〜４／５の高さに形成されている。この軸方向位置は、燃料集合体３０の軸方向中央付近に設けられるスペーサ１７と、その上方に位置するスペーサ１７が設けられる領域に対応した範囲である。中間端栓６は、第１管部６中の冷却材の流れを阻害するものである。本実施の形態において、中間端栓６は第１管部５１の上端および第２管部５２の下端を封じるものであり、第１管部５１中の冷却材の流れを完全に阻害し、第１管部５１から第２管部５２へ冷却材が流入することはない。
【００３７】
図４は、本実施の形態におけるスペーサの模式的平面図である。
【００３８】
第１管部５１に形成された流出口５は、そこから流出した冷却材が隣接する燃料棒８の近傍に向かって流れる位置に形成されている。
【００３９】
沸騰水型原子炉の炉心に装荷された燃料集合体３０には、冷却材が下部タイプレートから流れ込み、チャンネルボックス９の内部の領域を上昇し、チャンネルボックス９の上端から流れ出る。冷却材は、チャンネルボックス９の内部を流れる際に、燃料棒８の内部での核分裂により発生した熱で加熱される。この加熱により、冷却材はチャンネルボックス内で沸騰して蒸気（ボイド）を発生する。これに伴って、チャンネルボックス内の上側領域では、冷却材は気液二相流となって流れる。
【００４０】
また、本実施の形態の燃料集合体３０では、冷却材は、中間端栓付ウォータロッド４１の下端近傍に形成された流入口４から流入し、第１管部５１の内部を流れ、第１管部５１の上端近傍に形成された流出口５から流出する。第１管部５１の内部を流れる冷却材は、燃料棒８に接しながら流れる冷却材とは隔離して流れるため、第１管部５１の全体にわたって、ほぼ非沸騰のまま流出口５から流出する。したがって、チャンネルボックス９内の中間端栓付ウォータロッド４１の外側の領域が２相流となっている軸方向位置に流出口５を形成することにより、非沸騰の冷却水を２相流領域に供給することができる。
【００４１】
中間端栓付ウォータロッド４１がない燃料集合体の場合、太径ウォータロッド１３内を流れる冷却材流量は、チャンネルボックス９内の全流量の数パーセントのオーダー（１０パーセント未満）に相当する。単純に全燃料棒位置に均等に冷却材の流量が配分されると仮定して１本の燃料棒８あたりに配分される流量を試算すると、たとえば１１行１１列の燃料棒が配置される燃料集合体では燃料棒８の本数が１００本前後となることから、１本の燃料棒８に対する冷却材流量は燃料集合体内の全流量の１パーセント前後に相当する。
【００４２】
しかし、中間端栓付ウォータロッド４１には、太径ウォータロッド１３に比べて径が小さいものの、その断面積比に応じた程度の冷却材が流れると考えられる。本実施の形態では、限界出力の厳しい領域に対して員数を絞り込んだ上で、中間端栓付ウォータロッド４１を配置している。このため、中間端栓付ウォータロッド４１が存在しない場合に個々の燃料棒８に配分される１％前後の流量と比べても有意な量の冷却材を限界出力の厳しい領域に供給できる。その結果、燃料集合体３０の限界出力を向上させることができる。
【００４３】
また、本実施の形態の中間端栓付ウォータロッド４１は、燃料棒８の軸方向全長にわたって延びている。このため、たとえば第２管部５２が存在しないような部分長のウォータロッドを採用する場合に比べ、冷却材の流出口５より上方の領域においてチャンネルボックス９内の冷却材の流路面積が小さくなり、この領域で冷却材の流速が相対的に大きくなる。その結果、本実施の形態の燃料集合体３０では、第２管部５２が存在する領域で、中間端栓付ウォータロッド４１の周辺の燃料棒８の表面の熱伝達を向上させることができる。
【００４４】
上述の通り、燃料集合体３０の軸方向上方ほどボイド率が高くなる。これに加えて、チャンネルボックス９の外側の水ギャップに面した最外周の行列の燃料棒８の領域、なかでもコーナ位置の燃料棒８の領域では、燃料集合体３０の内周領域に比べて、燃料集合体３０横断面内における冷却材の流量配分が相対的に少なくなる。しかし、本実施の形態では、中間端栓付ウォータロッド４１が最外周に配置されているため、冷却材の流量が相対的に少なくなる燃料集合体３０の最外周あるいは最外周から２層目程度の領域に対して軸方向の高い位置で非沸騰の冷却材を提供することができる。
【００４５】
また、チャンネルボックス９の外側には、非沸騰の水（減速材）が存在していることから、燃料集合体３０の最外周に近い領域では、出力が相対的に高くなる。しかし、本実施の形態では、燃料集合体３０の最外周に近い領域の、ボイド率が大きくなった軸方向の高い位置に非沸騰の冷却材を提供できる。
【００４６】
さらに、燃料集合体３０の最外周位置、特にコーナ部では、限界出力特性が厳しくなる傾向にある。そこで、本実施の形態のように、そのような限界出力特性が厳しい位置の燃料棒８を中間端栓付ウォータロッド４１に置き換えることにより、限界出力特性に関する設計上の余裕が得られる。
【００４７】
その結果、燃料集合体３０の最外周近傍の領域に配置された燃料棒８の限界出力を向上させることができる。
【００４８】
また、本実施の形態の燃料集合体３０では、中間端栓付ウォータロッド４１の外径を燃料棒８と同等としていることから、スペーサ１７の中間端栓付ウォータロッド４１が通過する棒通過領域８１の周辺の構造を他の棒通過領域８１の周辺の構造と変える必要がない。このため、中間端栓付ウォータロッド４１用に特別な構造のスペーサスプリングなどを用いる必要がない。また、中間端栓付ウォータロッド４１の数あるいは配置を変更した場合であっても、同一のスペーサを用いることができる。このため、設計が簡素化され、製造コストが低減する。
【００４９】
本実施の形態の燃料集合体３０では、中間端栓付ウォータロッド４１の外径を棒通過領域８１の幅未満としておくと、燃料棒８と同じ間隔で中間端栓付ウォータロッド４１を配置することが可能となる。その結果、中間端栓付ウォータロッド４１および燃料棒８などを束ねるスペーサ１７の設計において、中間端栓付ウォータロッド４１を保持するための特別な構造を設ける必要がなく、スペーサや燃料集合体の製造性にも影響しない。
【００５０】
スペーサ１７は、燃料棒８から離れてチャンネルボックス９内を上昇する液滴や蒸気が燃料棒８表面の液膜に付着するのを促進する役割を果たしている。しかし、ある高さ位置に設置されたスペーサ１７からその上方に隣接する次のスペーサ１７までの間では、燃料棒８表面の液膜の厚さが減少していく傾向がある。つまり、スペーサ１７から上方に離れるに従ってスペーサ１７による冷却材の撹拌効果が減少していく。そこで、中間端栓付ウォータロッド４１の流出口５は、軸方向に隣り合う２つのスペーサ１７の中央よりも上方に形成されていることが好ましい。このようにスペーサ１７から上方に離れて流出口５を形成することにより、冷却材の撹拌効果が小さくなった領域に効果的に非沸騰の冷却材を導入し、冷却材の撹拌を促進し、燃料棒８の表面への冷却材の付着を促進する効果をさらに高めることができる。その結果、限界出力を向上させることができる。
【００５１】
中間端栓付ウォータロッド４１を用いると、同じ位置に燃料棒８を配置する場合に比べて、燃料棒有効長の総和が減少、すなわち、燃料インベントリが減少する。中間端栓付ウォータロッド４１の本数や中間端栓６の軸方向位置だけでなく、高さが上部タイプレート１５まで達しない部分長の燃料棒の数、長さなどの他の設計因子にも依存するが、燃料棒有効長の総和減少への影響の度合いは燃料棒８の格子配列数が少ない燃料集合体ほど大きくなる。しかし、本実施の形態のように、１１行１１列以上の燃料集合体では、特に従来の燃料集合体よりもウラン装荷量を増加できる設計となることから、中間端栓付ウォータロッド４１を用いることによる燃料棒有効長の総和減少への影響も小さく、ウラン装荷量の観点で利得が得られる範囲で、限界出力の向上を図ることができる。
【００５２】
また、１１行１１列以上の燃料集合体では、燃料棒８間や燃料棒８−チャンネルボックス９間の間隙が従来よりも狭まるため、燃料棒８の断面方向の位置を支持するためのスペーサ１７の機械設計および製造性がより困難な方向になる。したがって、本実施の形態のように中間端栓付ウォータロッド４１を用いることにより限界出力向上のためにスペーサ１７形状を過度に複雑化させる必要性が軽減される点からも、中間端栓付ウォータロッド４１の導入効果は燃料棒８の格子配列を増加させた燃料集合体３０ほど大きくなる。
【００５３】
本実施の形態では、中間端栓６は、第１管部５１の上端および第２管部５２の下端を完全に塞ぐものであるが、第１管部５１を流れた冷却材の一部が第２管部５２に流入するような、たとえば中央に上下に貫通する孔が開いた中間端栓を用いてもよい。このような中間端栓を用いた場合であっても、第１管部５１を流れた冷却材は、中間端栓で流れを阻害されるため、少なくとも一部は流出口５から第１管部５１の外部に流出する。これにより、所定の軸方向位置に非沸騰の冷却材を提供することができる。さらに、このような貫通孔が形成された中間端栓のさらに上方にも中間端栓を設け、その中間端栓の近傍下側に流出口を形成しておくと、複数の軸方向位置に非沸騰の冷却材を提供することも可能となる。流出口５の大きさや、中間端栓に形成する貫通孔の大きさは、流出口から流出させたい冷却材の量に応じて適宜設定すればよい。
【００５４】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態をチャンネルボックスとともに示す平断面図である。図７は、本実施の形態の発明に係る燃料集合体をチャンネルボックスとともに示す一部拡大平断面図である。
【００５５】
本実施の形態では、中間端栓付ウォータロッド４２は、燃料集合体３０の最外周から２層目のコーナの４カ所に配置されている。また、中間端栓付ウォータロッド４２の流出口５は、燃料集合体３０の最外周のコーナ部の燃料棒８およびその燃料棒８から１本の燃料棒８を挟んで配置された２本の最外周の燃料棒８に向かって３カ所に形成されている。このため、限界出力が小さくなりやすい燃料集合体３０のコーナ部やその近傍に配置された燃料棒８に効果的に非沸騰の冷却材を供給できる。
【００５６】
このように、本実施の形態の燃料集合体３０は、第１の実施の形態と同様に、相対的に冷却材流量が少ない領域に対して非沸騰の冷却材を供給できる。その結果、燃料集合体３０の限界出力を向上させることができる。
【００５７】
［第３の実施の形態］
図８は、本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【００５８】
本実施の形態において中間端栓付ウォータロッド４３の第２管部５２には、外側に向かって突出したタブ１０が設けられている。このタブ１０は、第２管部５２の一部に切れ込みを形成し、切れ込みで囲まれた領域を外側に若干押し曲げたものである。
【００５９】
中間端栓付ウォータロッド４３は、実質的に非発熱体であるため、発熱体である燃料棒に比べて、冷却材の液膜がより多く付着している。このため本実施の形態のような中間端栓付ウォータロッドを用いることにより、中間端栓付ウォータロッド４３外面の液膜自体を第２管部５２の外面から離脱させて向きを変えることができる。これに伴って、中間端栓付ウォータロッド４３近傍の液滴や蒸気の向きを変えることもできる。その結果、中間端栓付ウォータロッド４３の周囲の燃料棒への冷却材の付着を促進させることができ、それらの燃料棒の限界出力をさらに向上させることができる。
【００６０】
［第４の実施の形態］
図９は、本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【００６１】
本実施の形態において、中間端栓付ウォータロッド４４には、第２管部５２の外面にタブ１０が取り付けられている。このタブ１０は、たとえば第２管部５２の外面に沿って延びる金属板である。このタブ１０は、たとえば溶接によって第２管部５２の外面に固定される。
【００６２】
このようなタブ１０を設けた中間端栓付ウォータロッド４４であっても、第３の実施の形態と同様に、中間端栓付ウォータロッド４４の周囲の燃料棒への冷却材の付着を促進させることができ、それらの燃料棒の限界出力をさらに向上させることができる。また、このように第２管部５２に切り込みを設けない場合には、第２管部５２の内部に冷却材が侵入しない分だけ、第２管部５２の外側の領域での流量や速度が高くなり、限界出力を向上させることができる。
【００６３】
［第５の実施の形態］
図１０は、本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態における中間端栓付ウォータロッドの一部切欠き側面図である。
【００６４】
本実施の形態の中間端栓付ウォータロッド４５は、第１の実施の形態の中間端栓付ウォータロッド４１（図１参照）の第２管部５２の内部に、核燃料物質を焼き固めたペレット１１を装填したものである。この中間端栓付ウォータロッド４５の燃料有効部の上端より上方には燃料ペレット１１を設けないプレナム領域を設けるとともに、その空間内にはペレット１１の軸方向の移動を抑制するためのコイルスプリングを設けるなど、通常の燃料棒と同等の構造を採用する。
【００６５】
このような中間端栓付ウォータロッド４５を用いた燃料集合体であっても、第１の実施の形態と同様に、流出口５からの冷却材の流出により、その周囲の燃料棒の限界出力が向上する。さらに、本実施の形態では、第２管部５２に核燃料物質が収められているため、燃料集合体全体での燃料インベントリが増加し、燃料経済性が向上する。
【００６６】
また、この中間端栓付ウォータロッド４５の軸方向下側の第１管部５１は実質的に非発熱体であり、発熱体である燃料棒の外面に比べて、液膜の厚さがより厚くなる。このため、燃料棒として機能する中間端栓付ウォータロッド４５の第２管部５２は、限界出力の観点からは通常の燃料棒よりも液膜厚さの点で有利な条件となる利点がある。燃料棒として使用する領域に対して、その下方のウォータロッドとして冷却材流路として使用する領域と同一の外径とすることにより、燃料に横方向の荷重が加わる場合にも、燃料棒の領域に周囲の燃料棒と比べて過大な応力が発生することもない。
【００６７】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００６８】
４…流入口、５…流出口、６…中間端栓、８…燃料棒、９…チャンネルボックス、１０…タブ、１１…ペレット、１３…太径ウォータロッド、１５…上部タイプレート、１６…下部タイプレート、１７…スペーサ、３０…燃料集合体、４１，４２，４３，４４，４５…中間端栓付ウォータロッド、５１…第１管部、５２…第２管部、８１…棒通過領域、８２…太径ウォータロッド通過領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
角筒状のチャンネルボックスを装着されて上に向かって冷却材が流れる沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体において、
前記チャンネルボックスの軸方向に複数設けられて前記チャンネルボックスの内側を正方格子状に配列された複数の棒通過領域に仕切るスペーサと、
被覆管に核燃料物質を収容して前記棒通過領域を通過する複数の燃料棒と、
前記冷却材が流入する流入口およびこの流入口よりも高い位置で前記冷却材が流出する流出口がいずれも側面に形成された第１管部と、前記第１管部と同等の外径で前記第１管部と同軸に配置された第２管部と、前記第１管部と前記第２管部との間を結合し前記第１管部中の前記冷却材の流れを阻害する中間端栓とを備えて前記棒通過領域を通過する中間端栓付ウォータロッドと、
を有することを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
前記中間端栓付ウォータロッドは最外周から２列目までの前記棒通過領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
【請求項３】
前記流出口は流出した前記冷却材がコーナおよびそれに隣接する前記棒通過領域に配置された燃料棒の近傍に向かって流れる位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料集合体。
【請求項４】
前記第２管部および前記中間端栓のいずれかには外側に向かって突出したタブが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項５】
前記流出口は隣り合う前記スペーサの中間よりも下方に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項６】
前記中間端栓は前記第２管部の下端を封じるものであって、
前記第２管部には核燃料物質が収められていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項１】
角筒状のチャンネルボックスを装着されて上に向かって冷却材が流れる沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体において、
前記チャンネルボックスの軸方向に複数設けられて前記チャンネルボックスの内側を正方格子状に配列された複数の棒通過領域に仕切るスペーサと、
被覆管に核燃料物質を収容して前記棒通過領域を通過する複数の燃料棒と、
前記冷却材が流入する流入口およびこの流入口よりも高い位置で前記冷却材が流出する流出口がいずれも側面に形成された第１管部と、前記第１管部と同等の外径で前記第１管部と同軸に配置された第２管部と、前記第１管部と前記第２管部との間を結合し前記第１管部中の前記冷却材の流れを阻害する中間端栓とを備えて前記棒通過領域を通過する中間端栓付ウォータロッドと、
を有することを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
前記中間端栓付ウォータロッドは最外周から２列目までの前記棒通過領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
【請求項３】
前記流出口は流出した前記冷却材がコーナおよびそれに隣接する前記棒通過領域に配置された燃料棒の近傍に向かって流れる位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料集合体。
【請求項４】
前記第２管部および前記中間端栓のいずれかには外側に向かって突出したタブが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項５】
前記流出口は隣り合う前記スペーサの中間よりも下方に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項６】
前記中間端栓は前記第２管部の下端を封じるものであって、
前記第２管部には核燃料物質が収められていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２１１７９８（Ｐ２０１２−２１１７９８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７６９７７（Ｐ２０１１−７６９７７）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【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)
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【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)
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