JPH0212087A - 沸騰水型原子炉に配置する燃料バンドル集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光−５−朋一一＠−二１−】１ 本発明は、沸騰水型原子炉に用いられる、燃料チャネル
に格納された燃料集合体内に設置される燃料束に関し、
中でも重要な点として、上記集合体の下端部から上記集
合体内の２相の蒸気と水の流れが生じる領域に伸びる部
分長燃料棒を利用する改良燃料束を開示するものである
。これらの部分長燃料棒は、核的・熱的ヌは水力学的性
能を最適にするかどうかによって、沸騰水型原子炉の燃
料チャネルに格納される燃料束又は燃料！合体の燃料チ
ャネル側壁に対する相対位置について、上記最適化のた
めの望ましい条件はあるが、Ｊ１１１合体内部における
配置としては対称形にも非対称形にもで５シ。

現代の沸騰水型原子炉には炉心領域に炉心バイパス容積
空間と燃料チャネル容積空間とが含まれる。

Ｌ記燃料チャネル容積空間には反応性燃料を格納した細
長い燃料棒又は被覆管の束が含まれる。

これらの束は下端の支持プレートと上端のタイプレート
との間の燃料チャネル内に設置される。

上記炉心バイパス容積空間は上記燃料チャネルの外部に
位置し、Ｍ御棒が核反応を制御する領域を成し、同空間
には効率的反応のための追加の水減速材が含まれる。

現代の燃料束デザインは、熱的限界内で運転する必要と
、熱的水力学的不安定状態と核的・熱的九力学的面の合
体不安定状態とを避ける必要とにより制約を受けて来た
。安定性からくる制約は、燃Ｆ！ナイクルコストを最小
にするためにどの程度で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燃料束デ
ザインは、原子炉を　常温状況下且つどの制御棒も完全
に引き抜かれた位置にある状態で運転停止できるように
する必要によっても制約を受ける９本発明の目的の一つ
は、熱、安定性、及び常温下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束デザインを提供することにあるの
で、熱、安定性、及び常温下での運転停止からくる制約
の検討が必要である。

常」１丁：ΩΩ１１転」Ｌ止伸咳−の制」吟−現代の燃
料束は、原子炉が常温下にあるか又は運転停止するどき
に最も反応度が強くなる傾向（こある。この運転状況下
では、原子炉が臨界状態にならないようにするために、
挿入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状態にならないよう（こ
するために必要とされる安全度を常温運転停止マージン
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なめ原子炉上端部において、
より大きい。このことにより、原子炉の上端部において
、より高い率でプルトニウムが蓄積される、原子炉最上
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上端部
における、このプルトニウムの蓄積、燃焼度の減少、及
びｔＪ　−２３５のより少ない劣化により、常温運転停
止マージンが原子炉上端部において局部的に減少する。

上端から下端まで均一的な燃料棒分布を有する８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、常温での反応度は、常温運転状態において燃料束の
上端部で最大になるのが普通である。し、たがって、常
温運転状態において最初に臨界状ｉ４ごなるのは、原子
炉燃料束の上部であり、原子炉がこれら燃料棒上部にお
いて臨界状態になるのを防止するように制冑システムＥ
設計しなければならない。

先行技術は、クロウサー他による米国特許第４゜６２９
．５９９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減少させた燃
料を燃料集合体に追加するこ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
を減少させた燃料を、望ましくは燃料集合体の上端部に
置くことにより原子炉上端部において出力が局部的に減
少し、原子炉内のピーク・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部的減
少を減らすことができ且つそれにも拘らず常温運転停止
マージンを維持できるなら、これで燃料濃縮の必要が減
り燃料コストが改善され、原子炉内のピーク・平均出力
比も減少する。

−二木去１」、王１主災１ 強制循環沸騰水型原子炉はスタートアップ時及び他の条
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、自然循環流で得られる出力は、あまりに巨大な出
力レベルまで出力を増大したときに生じる不安定状態に
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
部の冷却流体が沸騰し始める。すなわち、減速水が存在
し、蒸気発生員が増加して行く、この蒸気は、ボイド成
分が多いと熱的・水力学的不安定状態と核的・熱的・水
力学的面での合体不安定状態を引き起こすことがありう
る。

自然循環沸騰水型原子炉は安定性限度によって出力が制
限される。安定性限度により、ある必要定格出力用炉心
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寸法と格納寸法とに影響する。

原子炉容器寸法の制約は自然循環沸騰水型原子炉が生産
できる出力を制限する。

次の検討は不安定状態に関し確認のために行ったもので
、これにより本発明による改良が理解できよう。

これらの不安定状態の存在、より正確には存在の可能性
が燃料束デザインへの制約要素となる。

したがって、もしこれらの不安定状態に影響される度合
いがより少ないデザインを案出できれば、燃料集合体デ
ザイン変数をより最適に選択でき、それにより原子炉燃
料の価値と性能の改善が実現できる。ポンプを備えず冷
却材の自然循環のみを有する沸騰水型原子炉をデザイン
することの実用性と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通過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分から、来る
自然平衡によって行われる。

簡単にいうなら、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分も増加する。このことはＩ在する
減速材を制限し、不安定状態が無ければ出力を制御する
。

出力の流量に対する比率を増して行くと不安定状態が発
生することがあり得る。詳しくいえば。

熱的・水力学的チャネル不安定状態か、核的・熱的・水
力学的面での合体不安定状態かの何れかが発生すること
があり得る。これらの不安定状態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より大きいときに最も発生しやすい
。

熱的・水力学的チャネル不安定状態は、一定の炉心圧力
降下に際し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相圧力降下が燃料束上端部の
高蒸気ボイド領域での圧力降下に対して強い依存間係に
あることにより生じる。もし燃料束下端部の単相圧力降
下が増大するか又は２相圧力降下の単相圧力降下に対す
る比率が減少すると、熱的・水力学的チャネル不安定状
態のしきい値は増大する。

更に、核的・熱的・水力学的面での合体不安定状態も知
られている。これらの不安定状態においては、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中
の遅れ時間によって、又、炉心圧力降下と炉心流れとの
原子炉出力への依存によって不安定状態を生じ易くする
ことがあり得る。蒸気ボイド成分がより大きく反応度へ
の蒸気の影響がより大きいと、この種の不安定状態のし
きい値が減少する。

核的・熱的・水力学的面での合体不安定状態は、局部的
チャネル不安定状態か、炉心の多くの部分又は全部を占
める不安定状態かのいずれかを生じさせることがある。

不安定状態は通常、限界サイクルに到達するが、原子炉
冷却が影響を受けることがあり得るし原子炉の運転騒音
が非常に大きくなるので、原子炉運転中の不安定状態の
発生は避ける。　熱的・水力学的チャネル不安定状態と
核的・熱的・水力学的面での合体不安定状態とはいずれ
も、燃料束中の単相圧力降下の２相圧力降下に対する比
率に鋭敏である。この比率は容易に理解できる。冷却材
が燃料束中を上方へ押し上げられると圧力降下が生じる
。この圧力降下の一部分は原子炉下端の、沸騰していな
い部分において発生する。上記圧力降下のこの部分は単
相圧力降下である。上記圧力降下の残りの部分は燃料束
上部の沸騰部分において発生する。燃料束中の圧力降下
のこの残りの部分は２相圧力降下部分である。

単相領域に対して２相領域の圧力降下を減少させること
により、熱的・水力学的チャネル不安定状態と核的・熱
的・水力学的面での合体不安定状態の発生傾向を減少さ
せることができる。

原子炉デザインにおける変数の一つは熱伝達面積を増大
させるなめに燃料集合体中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力降下
も単相と２相との両方とも増大する。燃料集合体中の燃
料棒密度が増大すると不安定状態に対する出力／流れ比
率のしきい値は減少する。

艷此九札１ 燃料束には熱的限界として知られる出力限界値がある。

熱的限界は、燃料系合体内に転移沸騰が生じる前に燃料
束が発生し得る最大出力を定める。

転移沸騰は、燃料棒表面を流れる液体膜が乾き切ったと
きに生じる。これにより燃料棒表面の温度変動が生じ、
動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。ある特定の燃料束のある部分
が一度この熱的限界を超えてしまうと、この燃料束内の
残りの燃料棒の出力は上記の熱限界超過によって制限さ
れる。

上記ボイド成分が最大となる燃料集合体上部は。

液体膜乾燥消失又は転移沸騰が最も生じそうな場所であ
る。転移沸騰の生じる傾向は、燃料集合体上端部におけ
る流れの詳細な構成及び分布の関数である。燃料棒表面
での液体膜の上向きの流れを維持し、燃料棒間の中央領
域を蒸気がこれよりはやい速度で流れるようにすること
が望ましい、燃料棒間の局部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、燃料棒間の中央領
域に移動する傾向があり、その領域では蒸気は燃料棒表
面を流れる液体よりもはやい速度で流れる。

しかし、もし燃料集合体の出力が十分に増大すると、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
の多い空間から液体膜がより得られにくくなることとの
組み合わせにより、更に液体膜乾燥区画が燃料棒表面に
追加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したがい、燃料要素表面に温
度振動が生じる。転移沸騰が最初に生じるときの燃料束
出力を臨界出力という、原子炉の全ての燃料集合体につ
いて臨界出力超過を避けるように原子炉デザインおよび
原子炉運転には制限が設けられる。

れに　　　　　からの 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
体デザインはこれらの流体力に耐え、燃料棒の摩耗や欠
陥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、燃料棒を支持し、流れに起因する
振動に対して保護するために、燃料棒スペーサーと上部
及び下部タイプレートが原子炉デザインに取り入れられ
た。

１Ｅ上並互洗且１１ 燃料チャネルを有しない原子炉において減速材と燃料棒
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日発行のランタ
ーマイヤーの米国特許第２゜９９８．３６７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
合により大きな出力発生状態を維持するためのデザイン
が開示されている。

米国特許第２，９９８，３６７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
且つ流れ方向に冷却材流路に沿って増大する減速材対燃
料の原子比率を有す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同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デザインを取り入れている。

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、各燃料集合体を囲むチャネルと、燃料集合体内
部で燃料棒を分離するスペーサーとを有する、異なった
沸騰水型原子炉事例を扱っている。この異なった原子炉
デザインにおいて本発明の好ましい実施例は、原子炉の
能力、信頼性及び経済性を改善するための特徴を共同作
用的に組合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２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ー及
び上部タイプレートの独特なデザイン、流れに起因する
振動を避けるための、スペーサー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
を避けるための、部分長燃料棒における核分裂ガスプレ
ナムの最適配置、及び制御棒を引き抜いた際のピーク出
力問題を避けて価値ある制御棒改善を行うための、部分
長燃料棒の、制御棒に関連しての最適配置が含まれる。

日　　の　　　　　　・ 本発明は、チャネル内に囲入された燃料集合体の内部に
画人された別々の燃料棒束を有する沸騰水型原子炉にお
ける、チャネル内部の燃料棒束の改良デザインを提供す
るものである。特に、チャネルの下地部から沸騰領域を
チャネル上端部への途中まで伸びる部分長燃料棒を利用
する。これらの部分長燃料棒は、残りの燃料棒に対して
長さを短縮し、燃料棒束全体に分布させ、好ましくはチ
ャネルから見て燃料棒束の内側に配置する。好ましい実
施例においては、部分長燃料棒は燃料集会体内に配置さ
れ、燃料束下端から伸び、燃料集合体の２相流れ領域に
位置するスペーサーのところで終わっている。好ましく
は部分長燃料棒の長さは燃料束の全長の少なくとも１／
２である。出力運転中部分長燃料棒の上方の解放空間に
は蒸気と水の混合体が存在する。しかし、原子炉が常温
状態で運転停止するときはこの解放空間は水で満たされ
ている。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、高温状態より常温状態の
方がより大きく、このことは核燃料デザインに対して有
利に作用する。原子炉のスタートアップ中、減速材の燃
料棒に対する容積比が燃料集合体の上端部で増大するの
で、常温運転停止マージンの改善は燃料気金体上端部に
おいて得られる１部分長燃料棒の上方に存在する減速材
の成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運転停止制御棒価値が改善
される０Ｍ子炉の出力運転中、部分長燃料棒は、部分長
燃料棒の端部上に且つ残りの燃料棒間に位置する拡張隙
間区域へ効果的に導く、このことは、水に関して蒸気の
高いスリップ比率を可能にし、出力運転時に燃料束の上
部領域にある残りの燃料棒の回りの減速水の密度を増大
させる。燃料棒スペーサーと燃料束タイプレートには、
更に流れ分布を改善し２相圧力降下を減少させるために
、部分長燃料棒の上に来る位置により大きな開口を設け
る。最も重要なこととして、又原子炉出力全開中、総圧
力降下量及び２相領域での圧力降下量は両方とも、燃料
集合体の熱的限界を大幅に下げることなく低減される。

単相圧力降下の２相圧力降下に対する比率は増大し、熱
的・水力学的不安定状態と核的・熱的・水力学的面での
合体不安定状態とに対する出力及び流れのマージンを増
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、転移沸騰の開始前に発生可能な燃料集合体
出力が改善される傾向にある。

部分長燃料棒は、その上端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設けることが
好ましい０部分長燃料棒は、上端部の核分裂ガスプレナ
ムリテーナ−ばねと水素ゲッター装置の中性子吸収を最
小にし又は無くすために、下端部核分裂ガスブレナムを
設けることが好ましい。

の 本発明の目的１の一つは、燃料チャネルに格納された燃
料集合体内への設置用の、改善された常温運転停止マー
ジンを有する燃料デザインを開示提供することにある０
本発明のこの面によれば、燃料チャネル内の燃料棒束は
、部分長燃料棒を有し、これら部分長燃料棒は燃料棒束
の２相領域内へ伸び同領域内で終端となり、沸騰領域内
へ伸び、好ましい実施例においては典型的に燃料棒束長
さの下端１／２を占める０部分長燃料棒の上方の、燃料
棒束上部領域には、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る。したがっ
て、常温状態の燃料棒束の上部においては、減速材の燃
料に対する比率は増大する。

結果として、常温運転停止マージンが改善される。

このようにして改善された常温運転停止マージンの更な
る利点は、燃料荷重のデザインに際しガドリニウムのよ
うな可燃吸収材の量を減少できることである。可燃吸収
材のガドリニウムを減少す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０本発明は、常温運
転□停止マージンが最も貧弱な状態になりがちな炉心領
域で減速材の対燃料容積比率を増すことにより、又、常
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上端
部において局部的に増すことにより、米国特許第４，６
２９．５９９号を高め改良するものである。

本発明の更に一つの利点は、原子炉内では共鳴中性子の
ウラン２３８内捕獲により燃料棒束の上端部においてプ
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。詳しくいえば、減速材対燃料比が増す
ことにより共鳴中性子フラックス、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常温運転停止マージンが改善され
、濃縮ウランの初期要求量が減り、負の蒸気ボイド反応
度係数が小さくなる。ウラン２３５の初期在庫量が減る
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、圧力過渡反応が改善され、
核的・熱的・水力学的面での合体安定性が増す。

ン ここに開示提供された燃料ブザイルの結果として得られ
る追加利点として、燃料棒束の上端部に関して制御棒価
値が改善される。詳しくいえば、燃料棒束の上端又はそ
の近くで作用する制御棒の回りではおそい中性子の密度
がより高くなる。これは、制御棒に近接する燃料棒第２
列にある部分長燃料棒の上方領域の水の容積が増したこ
とから、この容積の増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８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
が増す。

本発明の更に一つの目的は、低流量状態で最大の安定性
を有する燃料棒束デザインを開示提供することである０
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れ面積が増す。

本発明のこの面の利点は、部分長燃料棒の上方の広大な
容積が燃料チャネルからの蒸気排出用に利用できること
である。したがって、比較的高速で移動する大量の蒸気
が燃料棒束の加熱された燃料棒から引き屋されこの容積
に引き寄せられる。

この蒸気は原子炉の出力運転中、部分長燃料棒上方の開
放空間に、より速い速度で集中し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それよりも上方へ伸びる燃料
棒が増加した液体分により冷却され減速されることであ
る。残りの燃料棒の回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
べてはやい速度で流れることになる。したがって、冷却
材に浸されたこれらの燃料棒は熱的マージンと反応度が
改善され、追加出力発生に貢献する０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ネル壁から１列内側の位置を選
べば、この効果から得られる利点が増大する。

本発明の更に別の利点は、完全長燃料棒の長さを雉くで
きるように部分長燃料棒を配置したことで、そうでなけ
れば燃料棒束の出力が制限されることになろう、転移沸
騰限界は燃料集合体の上端部に生じるので、このことは
燃料棒束の最高許容出力を増大させる。

本発明の他の一つの利点は、単相圧力降下の対２相圧力
降下比率が減少する一方、３燃料棒束の熱的マージンは
そのまま保たれることである。

本発明の更に別の目的は、部分長燃料棒の構造を開示提
供することである。本発明のこの面によれば、部分長燃
料棒には濃縮度を減らしたウランをその先端部に近接し
て設ける０部分長燃料棒の先端にこのような帯域を設置
′ｌることにより部分長燃料棒の上端部における出力ビ
ーキングが防止される。

この発明の更に一つの目的は、燃料棒スペーサ〜のとこ
ろで終端になる部分長燃料棒を有する燃料奥合体の構造
を開示提供することである８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の中までは伸びていな
いが上部タイプレートにより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。

本発明の更に一つの面は、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ーの構造を開示提供す
ることである０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ーとは両方とも拡
張した流れ面積を有する開口を備えている。何個かのス
ペーサー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、たことでこれら開口の
設置が可能となる。更にこれらの開口は圧力降下を減少
させ、部分長燃料棒の上端部の上方における蒸気の流路
の維持を助ける。これらの開口により更に２相圧力降下
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率が増すことである。スリップ比率
が増すと原子炉上端部における蒸気ボイド成分が減り、
これによって反応度が増し、燃料ザイクルの経済性ど軸
方向の出力分布が改善される。

本発明のその他の目的、特長、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ゆ の　　　　　　　　い 本発明を十分Ｇご理解できるように、まず第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！２１は支持縁体部２０と原子炉容器■を支持して
いる。原子炉容器は内部に炉心ブレート１７と上１きの
頂部ガイド１２とを有する。燃料集合体１５は原子炉の
炉心Ｃ内部で炉心ル−ト上に設置され頂部ガイド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。

原子炉外部では水が再循環出口１９から再循環入口１８
ヘポンプ（図示しない）により循環される。原子炉内部
では、ジェットポンプ組立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
向きは強制的に流れる；水流は炉心Ｃを通って上向きに
流れ、燃料系合体１５シ通り頂部ガイド１２を経て更に
上へ流れ、蒸気分離器及び蒸気乾燥器を経で抽気タービ
ンへと流れる。

本発明は改良燃料鶏舎体に関し、その例を第２図の１５
に示す、第２図においては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、燃料棒束の下端部と
上端部だけを示１７である。

燃料集合体には上部ハンドルＨ及び下部ノズルピースＮ
を含む、燃料チャネル２５がノーズピースから上向きに
実質的に燃料集合体１５の全長だけ伸びている。

個々の燃料棒りは燃料集合体内部にマトリックスの形に
配置される。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の間に伸びる。

燃料棒は通常縦列と横列に配列される。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）スペーサーＳが燃料集合体の長さ
に沿って設置される。典型的には、７個のスペーサーＳ
がおおよそ５０．８センチメートル（２０インチ）の間
隔を空けて燃料集合体の上端部から下端部まで配置され
る。

今まで詳細に述べてきたように、本発明は燃料チャネル
２５の内部に設置される新しい燃料デザインに関する。

第３図に縦９列×横９列の燃料棒束を図示する。詳しく
いえば、燃料棒は９Ｘ９マトリツクスに設置される。も
し中央のウォーターロッド４４がなかったら個々の燃料
棒は第３図に示す燃料棒マトリックスの長さだけ伸びる
ことになろう。

第３図の理解を助けるな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の改変を含む、詳しくいえば
、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は燃料チャネ
ルの全長だけ伸びることになり、部分長燃料棒６０は燃
料集合体の長さの少なくとも１／２伸びることになる。

この１／２長さは下部タイプレート４０に始まり上向き
に上部タイブレ・−１−へ向かって同タイプレートまで
伸びる。しかし、部分長燃料棒６０は完全長さには達せ
ず、その前に終端となる。

部分長燃料棒は燃料チャネル壁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１を図示するために、斜視図の
、読者側寄りの第１列の燃料棒を除いであるので、読者
には第２列の燃料棒が見えることになる０部分長燃料棒
はいかなる場合も、燃料チャ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ー８２を示す、これらスペーサ
ーは、燃料集合体の長さに沿って上方へ伸びる燃料棒６
０及び６５を相互４二間隔を空けて固定する役をする。

しかし、部分長燃料棒の場合は、これら燃料棒はペーサ
−８１を僅か過ぎたところまで伸び、スペーサー８１の
上方で終端となる。

第６Ａ図又は第６Ｂ図を参照すれば部分長燃料棒６０の
上方にあるスペーサー８２には２つの機能があることが
分かる。第１に、スペーサー８２は完全長燃料棒６５を
相互に間隔を空けて固定する。第２に、スペーサー＄２
は通常スペーサー樟設けられる開口よりも大きい開口６
７を定める。

以下第６Ｂ図で説明し同図から分かるようにこの通常よ
り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、圧力降下も
少なくなる。

上部タイプレート４０も第６Ａ図及び第６Ｂ図に示すよ
うに同様に改編できる。この上部タイプレートにはより
大きい開口６９があり、これにより部分長燃料棒の上方
での圧力降下を減少し、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の上端から下方へ下部タイプレート４
０まで、燃料集合体は先行技術に開示されているように
構築される。

第４図には、１２本の部分長燃料棒を使用する例が示さ
れている。読者は、炉心Ｃ内にあ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、燃料デザイン及び対象となる特定の原子炉の必要
に合わせて変えて差し支えないことが理解されよう。

過去においては、第５図に関連していかに述べるような
８Ｘ８の燃料棒配列を用いるのが普通だった。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１
７から燃料集合体１５を経てガイド１２の方へ流れる際
の圧力降下を減らすためであった。

以下に更に深く説明を展開するように、部分長燃料棒は
燃料集合体１５の２相部分における圧力降下を減少させ
ることが可能である。したがって、第４図に示す９Ｘ９
配列のような、より密集した配列が使えるようになる。

第４図に示す配列例は特に、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生成
特性が得られる。

しかし、本発明は第２図及び第５Ａｌｆｆｌに示す８Ｘ
８配列又は第５Ｂ因に示すウォータークロス形デザイン
のような他の燃料集合体デザイン番；適用できることも
又理解されよう。

第５Ａ図では、ウォーターロッド４４が部分長燃料棒６
０Ｂに囲まれている０部分長燃料棒６０Ｂ燃料集合体の
長さの少なくとも１／２伸びる。

以下に続く説明で読者は、第４ｒＸＩに示す９Ｘ９配列
又は第５Ａ図に示す８Ｘ８配列のいずれであろうと本発
明に適用できることと理解されよう。

ここに図示した概念は燃料チャネル内囲入燃料棒束の事
実上全てのデザインに適用可能なことが理解されよう。

たとえば第５Ｂ図の概略会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ークロス形断面にも利用
可能である。

第５Ｂ図に燃料チャネルのウォータークロス形断面を示
す、燃料チャネル２５は内部が４つの区分２５Ａ、２５
Ｂ、２５Ｃ１及び２５Ｄに分けられている。各区分は、
直角に曲げた金属部材からなり且つ燃料チャネル２５の
内壁に接するサブチャネルアセンブリ３０により区画が
定まる。

これらのサブチャネルアセンブリには２つの目的があり
、その第１は、サブチャ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
ネル区分２５Ｂ４こは４本の部分長燃料ｍ６００が示さ
れており、これらの部分長燃料棒は、燃料チャネル２５
及びサブチャネルアセンブリ３０ぐより形成されるそれ
ぞれの燃料チャネル監から内側へ１列離れた位置に配置
されている。

サブチャネル区分２５Ｃは、特にこの配置では部分長燃
料棒６０Ｃをサブチャネルアセンブリ３０に直接面して
設置するのが望ましいかもしれないことを示している。

その理由は、このウォータークロス形デザインでは部分
長燃料棒にすぐ隣接した位置とサブチャネルアセンブリ
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、サブチャネルアセンブ
リ３０内部に４×４と５×５の２種類の配列が見られる
。５×５の配列においては、部分長燃料棒は相互に間隔
を置いた４箇所に位置し。

すべて燃料チャネル２５及びサブチャネルアセンブリ３
０の壁から内側へ１列入った位置にある。

４Ｘ４の配列においては、部分長燃料棒２本が中央の２
Ｘ２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仕方で燃
料棒束デザインの性能を高めることが理解されよう、こ
れらの性能向上について、以下、原子炉の常温運転状層
、低流量・低出力状態、及び最後に、高温・実質全出力
状態での特質を説明する。

第６ＡＱには、第５Ａ図の矢印６６における燃料棒束を
その上部部分について、部分長燃料棒と共に示す１部分
長燃料棒６０が無いので燃料集合体の上部における燃料
減速材比が増大することが分かる。それはすなわち、燃
料棒が完全長さ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
＃在しす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燃料比に対す
る線図を示す、この線区上の数値は、燃料集合体１５の
燃料棒束の上部部分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述語は容易に理解できる。

燃料集合体の上部と同じ格子図形で配列され無限長さを
有す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束についてもそ
の燃料棒束の上部部分の反応度を正確に表していること
になろう。

原子炉が臨界状態にあり、先行技術により建設され、常
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
、減速材燃料比は減少する。

詳しくいえば、蒸気ボイドが専在し更にある程度まで減
速材である水のＷ張があると、減速材燃料比が減少して
点１０２になる。点】００と点１０２の間に点を入れて
いくとカーブ１０３が得らＪする。

次に、部分長燃料棒のことを考えてみると、読者は減速
材燃料比が増すことに気付かれよう、こうして常温状態
では無限格子反応度は点１０４で表され、完全長さ燃料
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１０
６よりも下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にも作
用して急激に反応度を減少させるので、カーブ１０３′
はカーブ１０３に対して右側へ位置がずれる。しかし５
点１０４′臨界線より更に下へ落ちることが分かる。常
温運転停止マージン改善値１０５が存在する。この常温
運転停止マージンは直ちに先行技術の常温運転停止マー
ジン１０７と比較できる。常温運転停止マージンは燃料
集合体１５の上端部の燃料棒内の濃縮度への制約となる
。１０５の常温運転停止マージンを増すことによって燃
料デザインを改善できる。詳しくいえば５カドリニウム
のような可燃性毒物を濃縮させて原子炉燃料棒束の上端
部分から無くすか又は減らすことが可能であり、又燃料
棒束の上端部において燃料濃縮度を増すことも可能であ
る。

先行技術による原子炉には更稔−つの複雑な問題がある
。詳しくいえば、出力運転中、先行技術の完全長さ燃料
棒束の上端部で転換率、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゛（プルトニウム２３９を生成することに
より生じる。原子炉上端部に蒸気ボイドが多いと中性子
の減速が減り、原子炉下部領域内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
ドが大きくなると上端部の燃料燃焼度も減り、原子炉炉
心上端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、より高い常温反応度を燃料棒束の上部部分に
与λる、二とぐなる。結果として、原子炉の上端部は常
温状態において最も反応度が強くなり、制御棒は原子炉
上端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。したが
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形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１
１０は先行技術による低温中性子束１１５よりもピーク
が低い、別のいいがたをすれば、プルトニウムの形成を
抑制することにより通常燃料集合体の上端部に見られる
低温中性子束ピーキングも同様に抑制される。

燃料集合体の上端部における中性子減速が改善されたこ
とで更に追加利点が得られる。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９これら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、
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なう。

第９図においては、現在の定格熱出力が炉心冷却材流量
の対定格パーセントに対するカーブとして引かれている
。原子炉が最初に始動するときは冷却材の自然循環によ
り運転される。それ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％の範囲にあろう、原子炉が
定格出力１１６で運転中にポンプが運転不能になった場
合にもこの状況になることがある。もし流量が減ると蒸
気ボイドが増し、それにより原子炉出力が流量制御ライ
ン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。不安定状態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
安定状態には熱的・水力学的不安定状態と核的・熱的・
水力学的面での合体不安定状態を含む。

炉心冷却材流量が増大するにつれて、出力も同様に増大
する。定格流量制御ライン上で流量が定格の約４５％を
超える条件では不安定状態は通常生じない。

ここに示す線図において、出方対流量での不安定領域が
詳しく明記されている。領域１についていうと、この流
量及び出方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則基準である。この領
域は４０％出力の線より上にあり、概略炉心冷却材流ｌ
定格の３０％と４０％の間に来る。同様に、４０％流量
と４５＆流量との閏の区域は潜在的不安定領域である。

原子炉をこの領域で運転する場合は、現在の規則基準に
従って緊密に監視しなければならない。

燃料デザイン及び原子炉運転において考慮しなければな
らない不安定状態については先に述べたが、これらには
熱的・水力学的不安定状態と核的・熱的・水力学的面で
の合体不安定状態を含む。

安定性により制限される低流量での許容運転出力は、単
相圧力降下の２相圧カ降下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。

計測と分析によると本発明によるデザインは２相流圧力
降下を減少させる。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力降下の変化の計測値を
、燃料棒束出力と冷却材の入口質量流束とのかんすうと
して示す９部分長燃料棒により生じた圧力降下の減少は
、燃料集合体出力及び冷却材流量の増大にともない増大
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、パーセントでみる圧力降下改善値は
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するスペーー□サー及びタイプレー
トの利点は含まれていない。

スペーサーＳ２とタイプレート４０は両方とも部分的長
さの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相圧力降
下を減少させ、その結果として、より良い安定性マージ
ンと、より大きい全出力流量能力が得られる。

第６Ｂ図から次のことも又銘記すべきである。

すなわち、蒸気８０が部分長燃料棒の上方の開放領域へ
、よりはや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の上部領域のまわりにそのまま留まっ
ている。この水は冷却に役立ち、又増加した反応性鎧対
し減速作用を与える。

部分長燃料棒６０は燃料棒束の上部部分には存在しない
が、残りの燃料棒は、より高い減速寸分に囲まれている
ので、反応性が改善されている。この、より高い減速寸
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、原子炉中を流れる蒸気の平均時間を全冷却
材、又は蒸気＋水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すなら蒸気ボイド成分
は原子炉炉心で減少する。

九雌去１１ 沸騰水型原子炉の燃料集合体は、その発生出力が熱的限
界により制限される。燃料はこの熱的限界により損害か
ら保護されている。現在の沸騰水型原子炉のデザイン慣
習は、転移沸騰又は液体膜乾燥が燃料棒束のどの部分で
も生じないような条件に燃料棒束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
下端部で最も高く、上端部で最も低い。

同時に、蒸気ボイドは燃料集合体の下端部で低く、上端
部へ向かって増加する。高温運転状態において、出力発
生は燃料棒束の上端部で最も低いので燃料棒束の上端部
から除かれた燃料棒は全体出力への影響も減る。同時に
、減速材燃料比が増すことと、原子炉上端部への蒸気流
入によって蒸気ボイド分を減らすこととによって原子炉
の最上部の反応度は増加する。これによって、軸方向の
出力分布形状が十分に改善される。これによって更に、
燃料棒の何本かを短くすることによって燃料除去をほぼ
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分かる。

第１１図に示す圧力降下の減少により、定格出力条件に
おいて全炉心流量を増すことが可能となる。これにより
、原子炉の反応度が増し、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（こは、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本の完全長燃料棒
６５の間に部分長燃料棒６ｏが配置されている０部分長
燃料棒６ｏは端栓１２０のところで終端となっている。

　典型的には、部分長燃料棒６０にはプレナム１２２と
濃縮度を減らしたウラン１２４が設けられ、これに続い
て普通の濃縮度のウラン１２６が設けられて実質上燃料
棒の残りの長さだけ伸びる。濃縮度を減らしたウラン１
２４が、部分長燃料棒の濃縮領域の上端１２６において
出力ビーキングを減少させることが分かっている。この
ような出力ビーキングは、部分長燃料棒の上端に、中性
子を吸収するウランと増加減速材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なければならない
、ｆ全 然長さの燃料欅用の核分裂ガスプレナムは、核反応効率
〈最も影響の少ない区域である原子炉炉心上端部上方に
配置されている。同様にデザインしたプレナムを部分長
燃料棒の上端部に配置すると、プレナムは使用されてい
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、全て又は一部の、部分長燃料棒核分裂ガスプ
レナムを部分長燃料棒の下端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できる。第１
０図では、部分長燃料棒の上端部に短縮プレナムを置き
下端部に第２の核分裂ガスプレナムを置いている実施例
を示す。

読者は二二（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０部分長燃料棒に用いら
れる配列は、燃料棒束内で対称的なものが好ましく、更
には燃料チャネル壁から第２列目が好ましいが、部分長
燃料棒は燃料棒束内のどこに置くことも可能である。更
に又、いくつかの場合に、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
他の可燃吸収材を入れることも可能である。

本開示発明とランターマイヤー米国特許第２゜９９８．
３６７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。（ラ
ンターマイヤーの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、同燃料バンドルは燃料チ
ャネルによって囲まれる。そして原子炉の熱的・水力学
的性能及び核的・熱的・水力学的面での合体性能を改善
されるように、長さを短くした部分長燃料棒が各燃料バ
ンドル及びチャネル内に最適に設置される。燃料チャネ
ルは原子炉の熱・水力学に大きな影響を有する。原子炉
運転中、液体膜が燃料チャネルの内側を上向きに流れる
。したがって、部分長燃料棒は、燃料チャネルを備える
ように設計された沸騰水型原子炉においては、ウンター
マ、イヤーのように燃料チャネルのないデザインの沸騰
水型原子デにおける場合とは大いに異なる効果を有する
。ランターマイヤーは、燃料チャネルを含まないし、 又燃料チャネルの完全長燃料棒に関連して部分長燃料棒
の設置を指定していない、この設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設置を
指定している。

（３）本発明における原子炉では、燃料棒は。

米国特許第２，９９８，３６７の部分長燃料棒の上端で
生じるような出力ビーキング問題を避けるために、燃料
ウラン２３５又は他の核分裂性濃縮燃料、及び可燃性吸
収材からなる独特の軸方向形状を有する。ランターマイ
ヤーは濃縮燃料又は可燃性吸収材の、軸方向配分を含ま
ない。

（４）本発明における原子炉では、燃料バンドル内の燃
料棒スペーサーは、長さの短い９部分長燃料棒の、熱的
・水力学的利点及び核的・熱的・水力学的面での合体利
点を増すように独特に設計されている。ランターマイヤ
ーは部分長燃料棒の性能を増すための燃料棒スペーサー
又は燃料棒スペーサーデザインを含まない。

（５）本発明における原子炉では、部分長燃料棒は燃料
棒スペーサーのところで、又はすぐ上で終端となってい
る。これは、ランター・マイヤー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、部分長燃料棒の上端部に核分裂ガ
スプレナムを設置することからくる反応度不利点を最小
にするように独特に設計されている。ランターマイヤー
は、核分裂ガスプレナムを含まないし、長さの短い、部
分長燃料棒用に独特の、核分裂ガスプレナム必要条件を
含まない。

（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すように、原子炉内で制御棒に関
して独特な位置に設置される。ランターマイヤーは制御
棒を含まないし、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
料集合体の臨界出力を増すよう（又は転移沸騰性能に対
するマージンを増すように、燃料集合体内の最高出力燃
料棒に関して又燃料チャネルに関して独特な位置に設置
される。ランターマイヤーは転移沸騰性能を考慮してい
ないし、この限界に関して性能を増すための１部分長燃
料棒の第１図は、原子ｆの斜視図である。第２１！Ｉは
、本発明の部分長燃料棒を取り入れた上記原子炉の燃料
棒束の斜視図である。第３図は、本発明に従って構築さ
れた燃料棒束の単体を燃料チャネルを除いて示す斜視図
であり、部分長燃料棒が燃料棒束の下部において第２列
を占め、燃料チャネルに囲入された燃料棒束の上部に部
分長燃料棒の上に位置する容積空間が定められた、縦９
本×槓９本の燃料棒チャネル配列を図示する。第４図は
、第１図の２−２ｍ１に沿って得た第１図の水平断面図
であり１部分長燃料棒の縦９本×横９本の配列における
設置状況を詳細に図示する。第５Ａ図は、第２図に類似
の水平断面図であり、部分長燃料棒の縦８本×横８本の
配列における設置状況を詳細に図示する。第５Ｂ図は、
第５Ａ図に類似の水平断面図であり、ウォータークロス
形燃料棒束デザインにおける部分長燃料棒を図示する。

第６Ａ図は、第１図の６−６領域の部分拡大断面図であ
り、常温状態の燃料棒束を図示し、減速材対燃料比の増
加を示す、第６Ｂ図は、第１図の６−６領域に類似の部
分拡大断面図であり、高温運転状態におけるこの部分の
燃料棒束を図示し、部分長燃料棒の上に位置する容積空
間における蒸気流路と考えられるものを想像で示す、第
７図は、減速材対燃料比に対する無限格子反応度の線区
であり、本発明の改善された常温運転停止マージンを示
す、第８図は、燃料棒束の高さの関数としてのピーク対
平均出力比の線区である。第９図は、炉心冷却材流量に
対する中性子出力の線区であり、炉心流れ制御線と最小
強制循環及び自然循環流量線との交点を示す、第１０図
は、部分長燃料棒の上端及び下端を図示する詳細図であ
り、部分長燃料棒の下端までガスプレナムを部分的に除
去したところと部分長燃料棒の先端に濃縮度を減らした
ウランを使用しているところを図示する。第１１図は、
燃料棒束出力の関数としての、圧力降下に対する部分長
燃料棒の効果測定値の線図である。

く主な符号の説明） １５：燃料集合体 １６二制御棒 ２５：燃料チャネル 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：濃縮度を減らしたウラン ＦＩＧ、−２゜ Ｆｌα−３゜ ＦＩＧ、ＪＢ。

ＦＩＧ、ＪＯ。

ＦＩＧ、Ｊ。

ＦＩＧ、Ｊ。

ＦＩＧ、Ｊ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料チャネル内に囲入された燃料集合体の内部に燃
   料棒を別々の束として閉入した、沸騰水型原子炉内設置
   用の燃料集合体であって、上記燃料集合体には、燃料集
   合体容積空間の周囲に連続壁を形成して垂直方向に伸び
   る壁を有する燃料チャネルと、上記燃料チャネル内設置
   用の複数の燃料棒と、上記燃料チャネル内に上記燃料棒
   を支持する下部タイプレートと、上記燃料棒の上端を支
   持する上部タイプレートと、上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上記燃料棒を維持するた
   めに上記燃料棒に沿って予め定められた位置で上記上部
   及び下部タイプレートの中間に配置されたスペーサーと
   を含み、上記燃料チャネルは、下端部を上記下部タイプ
   レートとの係合用に開口部とし、又、上端部を上記上部
   タイプレートとの係合用に開口部とし、上記各燃料棒に
   は、十分に減速された中性子束の存在下で核反応を起こ
   させるための核分裂性物質を封入し、上記下部タイプレ
   ートは、上記燃料チャネル下端部に連結させて上記燃料
   チャネル下端部を閉じると共に上記核反応中、蒸気発生
   用に上記燃料棒間において上記燃料チャネル内に水を流
   入させるための定められた開口を備えるようにした上記
   燃料集合体において、上記燃料棒の少なくとも１本を上
   記下部タイプレートから上記上部タイプレートへ向かっ
   て途中までの長さの部分長燃料棒とし、上記部分長燃料
   棒は、上記上部タイプレートに到達する前に、スペーサ
   ーの近くで終端となるようにしたことを特徴とする燃料
   棒集合体。 ２、上記燃料集合体の内部において、少なくとも１本の
   完全長燃料棒が上記部分長燃料棒と上記燃料チャネルに
   よって形成される上記連続壁との間に位置するように、
   上記部分長燃料棒を配置した請求項１記載の燃料棒集合
   体。 ３、上記燃料チャネルを矩形断面とし、上記燃料棒を縦
   列及び横列に配置し、上記部分長燃料棒を、上記燃料チ
   ャネルによって形成される上記連続壁には隣接しない縦
   列又は横列に配置するようにした請求項１記載の燃料棒
   集合体。 ４、上記部分長燃料棒を上記燃料チャネルによって形成
   される上記連続壁から１列離れて設置するようにした請
   求項３記載の燃料棒集合体。 ５、燃料チャネル内に囲入された燃料集合体の内部に燃
   料棒を別々の束として閉入した、沸騰水型原子炉内設置
   用の燃料集合体であって、上記燃料集合体には流体を注
   入通流させ、上記流体は上記燃料集合体の下部部分にお
   いては液体で単相、上記燃料集合体の上部２相部分にお
   いては液体及び蒸気とし、上記燃料集合体には、燃料集
   合体の周囲に連続壁を形成して垂直方向に伸びる壁を有
   する燃料チャネルと、上記燃料チャネル内設置用の複数
   の燃料棒と、上記燃料チャネル内に上記燃料棒を支持す
   る下部タイプレートと、上記燃料棒の上端を支持する上
   部タイプレートと、上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上記燃料棒を維持するために上記
   燃料棒に沿って予め定められた位置で上記上部及び下部
   タイプレートの中間に配置されたスペーサーとを含み、
   上記燃料チャネルは、下端部を上記下部タイプレートと
   の係合用に開口部とし、又、上端部を上記上部タイプレ
   ートとの係合用に開口部とし、上記各燃料棒には、十分
   に減速された中性子束の存在下で核反応を起こさせるた
   めの核分裂性物質を封入し、上記核反応は熱を発生させ
   、この熱は上記燃料集合体の上部２相部分に蒸気を発生
   させ、上記下部タイプレートは、上記燃料チャネル下端
   開口部に連結させて上記燃料チャネル下端開口部を閉じ
   ると共に上記燃料棒間において上記燃料チャネル内に水
   を流入させるための定められた開口を備えるようにした
   上記燃料集合体において、上記燃料棒の少なくとも１本
   を上記下部タイプレートから上記上部タイプレートへ向
   かって途中までの長さの部分長燃料棒とし、上記部分長
   燃料棒は、上記燃料集合体の上記２相部分において終端
   とし、これにより上記部分長燃料棒の上方、上記部分長
   燃料棒の終端部と上記上部タイプレートとの間に拡張さ
   れた隙間容積が形成されるようにすると共に、上記部分
   長燃料棒がスペーサーの近くで終端となるようにしたこ
   とを特徴とする燃料棒集合体。 ６、上記燃料集合体の内部において、少なくとも１本の
   完全長燃料棒が上記部分長燃料棒と上記燃料チャネルの
   壁との間に位置するように、上記部分長燃料棒を配置し
   た請求項５記載の燃料棒集合体。 ７、上記燃料チャネルを正方形断面とし、上記燃料棒を
   縦列及び横列に配置し、上記部分長燃料棒を上記燃料チ
   ャネルの壁から１列離れて配置するようにした請求項５
   記載の燃料棒集合体。 ８、上記燃料棒配置には合計８×８本の燃料棒を含み、
   複数の上記部分長燃料棒を上記燃料チャネルの壁から少
   なくとも１列離れて配置するようにした請求項７記載の
   燃料棒集合体。 ９、上記燃料棒には９個の縦列及び９個の横列の燃料棒
   を含み、上記部分長燃料棒は上記燃料チャネルの壁から
   少なくとも１列離れて配置するようにした請求項５記載
   の燃料棒集合体。 １０、沸騰水型原子炉用の燃料集合体であって、垂直方
   向に伸びる壁を有する燃料チャネルと、上記燃料チャネ
   ル内設置用の複数の縦横列配置燃料棒と、上記燃料チャ
   ネル内に上記燃料棒を支持する下部タイプレートと、上
   記燃料棒の上端を支持する上部タイプレートと、上記燃
   料集合体の長さに沿って相互に間隔を置いた位置に上記
   燃料棒を維持するために上記燃料棒に沿って予め定めら
   れた位置で上記上部及び下部タイプレートの中間に配置
   されたスペーサーとの組合せから成り、上記燃料チャネ
   ルは、下端部を上記下部タイプレートとの係合用に開口
   部とすると共に上端部を上記上部タイプレートとの係合
   用に開口部とし、上記各燃料棒には、十分に減速された
   中性子束の存在下で核反応を起こさせるための核分裂性
   物質を封入し、上記下部タイプレートは、上記燃料チャ
   ネル下端部を閉じると共に上記燃料棒間において上記燃
   料チャネル内に水を流入させるための定められた開口を
   備え、上記の水は、上記の核反応中、上記下部タイプレ
   ートに近接する単相部分の水が上記燃料棒により加熱さ
   れると共に上記下部タイプレート上に位置して上記タイ
   プレートに隣接する２相部分の水が上記燃料棒により加
   熱されて蒸気を発生し、上記スペーサーのうちの少なく
   とも１個は上記の水・蒸気２相部分に位置させ、上記燃
   料棒の少なくとも１本は上記下部タイプレートから上記
   上部タイプレートへ向かって、上記２相部分にある上記
   スペーサーに達し且つこれを通過して伸びる部分長燃料
   棒とし、上記部分長燃料棒は、上記２相部分にある上記
   スペーサーに隣接した位置で且つ上記上部タイプレート
   に到達する前に終端となるようにし、上記燃料棒が終端
   となることにより上記燃料棒端部の上に位置する上記ス
   ペーサーの上方に、水及び蒸気の流動用の拡張流動面積
   及び容積を定めるようにすることを特徴とした改良・燃
   料集合体。 １１、上記部分長燃料棒の上に位置する上記上部タイプ
   レートには、水及び蒸気の流れ用拡大開口を含む請求項
   １０記載の燃料棒集合体。 １２、上記部分長燃料棒の上及び上方に位置する上記燃
   料棒スペーサーには、水及び蒸気の流れ用に上記部分長
   燃料棒上方の流路用に、拡大開口を含めるようにした請
   求項１０記載の燃料棒集合体。 １３、垂直方向に伸びる壁を有する燃料チャネルと、上
   記燃料チャネル内に燃料棒を支持する下部タイプレート
   と、上記燃料棒の上端を支持するの上部タイプレートと
   、上記燃料集合体の長さに沿って相互に間隔を置いた位
   置に上記燃料棒を支持するために上記燃料チャネルに沿
   って予め定められた位置で上記上部及び下部タイプレー
   トの中間に配置されたスペーサーと、上記下部タイプレ
   ート上に支持され上記上部タイプレートまでその完全長
   を伸びる少なくとも数本の燃料棒とを含み、且つ、上記
   燃料チャネルは、下端部を上記下部タイプレートとの係
   合用に開口部とすると共に上端部を上記上部タイプレー
   トとの係合用に開口部とし、上記下部タイプレートは、
   上記燃料チャネル下端部を閉じると共に核反応中の蒸気
   発生用に上記燃料棒間において上記燃料チャネル内に水
   を流入させるための開口を定めるようにした、沸騰水型
   原子炉用の燃料集合体の内部に設置される燃料棒におい
   て、上記下部タイプレート上の支持位置から上記上部タ
   イプレートへ向かって伸び、上記上部タイプレートに到
   達する前に終端となる、部分長燃料棒から成ることを特
   徴とする改良・燃料棒。 １４、上記部分長燃料棒内にその上端に近接して濃縮度
   を減少させた濃縮燃料部分を有する請求項１３記載の改
   良・燃料棒。 １５、上記部分長燃料棒の下端にガスプレナムを有する
   請求項１３記載の改良・燃料棒。１６、上記部分長燃料
   棒の上端にガスプレナムを有する請求項１３記載の改良
   ・燃料棒。１７、上記部分長燃料棒の下端にガスプレナ
   ムを有する請求項１６記載の改良・燃料棒。１８、沸騰
   水型原子炉用の燃料集合体であって、垂直方向に伸びる
   壁を有する燃料チャネルと、上記燃料チャネル内設置用
   の複数の縦横列配置燃料棒と、上記燃料チャネル内に上
   記燃料棒を支持する下部タイプレートと、上記燃料棒の
   上端を支持する上部タイプレートと、下記部分長燃料棒
   を上記燃料集合体の残りの燃料棒に対して相互に平行関
   係に支持する手段との組合せから成り、上記燃料チャネ
   ルは、下端部を上記下部タイプレートとの係合用に開口
   部とすると共に上端部を上記上部タイプレートとの係合
   用に開口部とし、上記各燃料棒には、十分に減速された
   中性子束の存在下で核反応を起こさせるための核分裂性
   物質を封入し、上記下部タイプレートは、上記燃料チャ
   ネル下端部を閉じると共に上記燃料棒間において上記燃
   料チャネル内に水を流入させるための定められた開口を
   備え、上記の水は、上記の核反応中、上記下部タイプレ
   ートに近接する単相部分の水が上記燃料棒により加熱さ
   れると共に上記下部タイプレート上方にあって上記上部
   タイプレートに隣接する２相部分の水が上記燃料棒によ
   り加熱されて蒸気を発生し、上記燃料棒の少なくとも１
   本は上記下部タイプレートから上記２相部分にある上記
   上部タイプレートへ向かって伸びる部分長燃料棒とし、
   上記部分長燃料棒は、スペーサーの近くで且つ上記上部
   タイプレートに到達する前に終端となるようにし、上記
   燃料棒が終端となることにより上記燃料棒端部の上方に
   、 水及び蒸気の流動用の拡張流動面積及び容積を定めるよ
   うにしたことを特徴とする改良・燃料集合体。