【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）及び加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に装荷される燃料集合体に係り、特に、圧力損失が小さく且つ中性子経済を考慮したスペーサーを備えた燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＢＷＲあるいはＰＷＲに装荷される代表的な燃料集合体には、燃料棒を所定の位置に保持して冷却材の流路を確保し且つ原子炉運転中の燃料棒の湾曲並びに振動を抑制することを目的として、燃料集合体の長さ方向に沿って複数個の燃料スぺーサー（ＢＷＲ）あるいは支持格子（ＰＷＲ）が設置してある（これ以降、燃料スぺーサー及び支持格子を総称してスぺーサーと称する）。

【０００３】一方、前記スぺーサーは、冷却材流に対する障害物なり冷却材流に圧力損失を生じる。 これに対して、燃料棒の適切な冷却を実現するのに十分な冷却材圧力を保持しつつ所要の送流動力を低減する観点から、スぺーサーによる圧力損失の低減が様々な方法で図られてきた。

【０００４】これらの方針の一つは、スぺーサーによる圧力損失がスぺーサーの断面積の関数であることに着眼してスぺーサー部材の肉厚を減らす方法（薄肉化）であり、冷却材の流れ方向に対して垂直な面へのスぺーサーの投影面積（以下、単に投影面積と記す）を小さくすることにより圧力損失の低減を図るものである。 この観点から、ＰＷＲにおいては高い材料強度を持つニッケル基合金（通称インコネル７１８）をスぺーサー部材に使用して、ジルコニウム基合金製のものに比べて同等の構造強度を備え且つ投影面積の小さいスぺーサー（支持格子）を使用している。

【０００５】一方、ＢＷＲ用燃料スぺーサーではジルコニウム基合金製のスぺーサーを用いている。 これは、Ｂ
ＷＲ燃料集合体の燃料格子数はＰＷＲの燃料格子数の約半分程度であるため、ニッケル基合金をスぺーサー部材に用いることによって圧力損失を低減することによるメリットよりも、中性子経済を考慮して中性子吸収断面積の小さいジルコニウム基合金をスぺーサー部材として用いる方が全体としてメリットが高いことによる。 ＢＷＲ
用燃料スぺーサーには、図８に示すＰＷＲ用支持格子と同様に格子板によって格子セルを形成する格子型燃料スぺーサー、及び円筒形状のセルで格子を形成する図２に示すような丸セル型燃料スぺーサーがある。 近年ＢＷＲ
では、圧力損失が小さく限界熱出力が高い丸セル型燃料スぺーサーが主流となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられているスぺーサーの大部分はジルコニウム基合金で構成されており、圧力損失の低減のためにスぺーサー部材の薄肉化を実現するにあたって次の２つのことが課題とされている。 第一に、スぺーサーの機械的強度を確保することである。 その対策として、材料強度が高いニッケル基合金をスぺーサー部材に使用することが考えられるが、ニッケル基合金は一般的に中性子吸収断面積が大きく中性子経済を損なう。 これが第二の課題である中性子経済の確保である。 本発明の目的は、機械的強度を維持しつつ従来よりもスぺーサーの投影面積を小さくして圧力損失を低減すると同時に、中性子経済を損なうことのないスぺーサーを具備する燃料集合体を提供することにある。

【０００７】一方、前述のように加圧水型原子炉（ＰＷ
Ｒ）ではニッケル基合金インコネル７１８を使用している。 これは、ＰＷＲ用燃料集合体の格子数がＢＷＲに比べて倍近く多く、スぺーサーによる圧力損失が重大となるためであり、ジルコニウム基合金に比べて中性子吸収断面積が比較的大きいものの材料強度が高いニッケル基合金をスぺーサー部材に用いることにより、スぺーサー部材の肉厚を減らしてスぺーサーによる圧力損失を軽減している。 しかし、原子炉燃料の高燃焼度化に伴い、スぺーサー全体をニッケル基合金で構成することによる中性子経済の悪化は無視できなくなってきている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ジルコニウム基合金製被覆管内に核燃料が装荷される複数本の燃料棒、及びウォーターロッド、及び前記燃料棒並びにウォーターロッドの間隔を保持する燃料スぺーサー、及び上部タイプレート並びに下部タイプレートを主な構成要素とする燃料集合体において、該燃料スぺーサーの格子セル部材の少なくとも大部分が重量で９０％以上のジルコニウムを含むジルコニウム基合金で構成されており、且つ前記格子セル部材の外周を囲む帯状のバンド部材が重量で５０％以上のニッケルを含むニッケル基合金で構成されている燃料スペーサーを具備していることを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体にある。

【０００９】本発明は、ジルコニウム基合金製被覆管内に核燃料が装荷される複数本の燃料棒、及び制御棒を案内する制御棒案内シンプル、及び前記燃料棒並びに前記制御棒案内シンプルの間隔を保持する支持格子、及び上部ノズル並びに下部ノズルを主な構成要素とする燃料集合体において、該支持格子の格子セル部材の少なくとも大部分が重量で９０％以上のジルコニウムを含むジルコニウム基合金で構成されており、且つ前記格子セル部材の外周を囲む帯状のバンド部材が重量で５０％以上のニッケルを含むニッケル基合金で構成されている支持格子を具備していることを特徴とする加圧水型原子炉燃料集合体にある。

【００１０】本発明によれば、スぺーサーのバンド部材に高い材料強度を持つニッケル基合金（例えばインコネルＸ−７５０）を用いることにより、従来のジルコニウム基合金製スぺーサーと同等の構造強度を保持しつつバンド部材の肉厚を薄くしてスぺーサー全体の投影面積を小さくし、スぺーサーによる圧力損失を低減するという効果を達成できる。 また、格子セル部材の少なくとも大部分に中性子吸収断面積が小さいジルコニウム基合金を使用するため、中性子吸収断面積が比較的大きいニッケル基合金を使用することによる中性子経済の悪化を軽度に抑えることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施例１ 図１は本発明の一実施例に関わる沸騰水型原子炉（ＢＷ
Ｒ）用燃料集合体である。

【００１２】本実施例に関わるＢＷＲ用燃料集合体は、
図１に示すようにジルコニウム基合金製被覆管内に核燃料が装荷される複数本の燃料棒１、及び燃料体の中央部に配置されるウォーターロッド２、及び前記燃料棒並びにウォーターロッドの間隔を保持する複数段の燃料スぺーサー３、及び前記燃料棒１の少なくとも一端を保持する上部タイプレート４並びに下部タイプレート５を主な構成要素とする。 また、燃料集合体の製造に際しては通常の工程を経て組立てられ、燃料集合体の長手方向に複数個設置される燃料スぺーサー３は、ウォーターロッド２側面に設けられた固定機構により所定の位置に固定されている。

【００１３】図２は、本発明の一実施例におけるＢＷＲ
用燃料スぺーサーの正面図である。 図２においては９×
９格子型燃料スぺーサーを例示したが、格子数を特定するものではない。 本実施例に関わる燃料スぺーサーは、
格子を形成する円筒セル６、及びその周囲を囲むバンド７、及び円筒セル６の側面に設置され燃料棒１を押圧して振動を抑制するスプリング８を主な構成要素とする。

【００１４】円筒セル６は、中性子経済を考慮するとその全てが重量で９０％以上のジルコニウムを含むジルコニウム基合金で構成されていることが望ましい。 また、
図３〜図６において斜線で示すような一部の円筒セル（例えばコーナー部（図３），中央部（図４），外周部（図５），対角線上（図６）、あるいはこれらの複合）
を薄肉のニッケル基合金製円筒セル６ａで構成することにより、燃料スぺーサーの投影面積を小さくしつつ構造強度を高めることは本発明の良好な一実施例である。

【００１５】バンド７は、その主要な部材が重量で５０
％以上のニッケルを含むニッケル基合金で構成されている。 また、ジルコニウム基合金製円筒セル６との共存性を高めるために、ニッケル基合金製バンド７の表面に金属ジルコニウム層を設けることは望ましい。

【００１６】前記ニッケル基合金として、それぞれ重量で鉄５〜９％，クロム１４〜１７％，チタン２.２５〜
２.７５％，アルミニウム０.４〜１.０％，ニオブ及びタンタルを合計０.７〜１.２％含む高強度ニッケル基合金で、従来よりスプリング８部材として炉内での使用実績のある通称インコネルＸ−７５０を用いることは、バンド７部材の厚さを減らして燃料スぺーサー３の投影面積を小さくすることにより燃料スぺーサーによる圧力損失を低減する上で望ましい。

【００１７】また、ニッケル基合金製の部材は、炉内での使用時における炉水中への放射性核種の溶出を低減するために表面処理を施すことが望ましい。 この表面処理の方法としては、大気中で熱時効処理を施して部材表面に酸化被膜を形成する方法が挙げられる。

【００１８】実施例２ 図７は本発明の一実施例における加圧水型原子炉（ＰＷ
Ｒ）用燃料集合体である。

【００１９】本実施例に関わるＰＷＲ用燃料集合体は、
図７に示すようにジルコニウム基合金製被覆管内に核燃料が装荷される複数本の燃料棒１、及び制御棒を案内する制御棒案内シンプル１０、及び前記燃料棒１並びに前記制御棒案内シンプル１０の間隔を保持する支持格子９、及び上部ノズル１１並びに下部ノズル１２を主な構成要素とする。 また、燃料集合体の製造に際しては通常の工程を経て組立てられる。

【００２０】図８は、本実施例におけるＰＷＲ用支持格子の正面図である。 図８においては１７×１７格子型の支持格子を例示したが、格子数を特定するものではない。 本実施例に関わる燃料スぺーサーは、格子を形成する格子板１３及びその周囲を囲むバンド７を主な構成要素とする。 格子板１３は、その全てが重量で９０％以上のジルコニウムを含むジルコニウム基合金で構成されていることが中性子経済上望ましい。 また、スぺーサーの構造強度を高めるために格子板の一部（例えば外周部（図９），中央部（図１０），等間隔（図１１）、あるいはこれらの複合）を薄肉のニッケル基合金製格子板１
３ａで構成することにより、支持格子の投影面積を小さくしつつ構造強度を高めることは本発明の良好な一実施例である。

【００２１】バンド７は、その主要な部材が重量で５０
％以上のニッケルを含むニッケル基合金で構成されている。 また、ジルコニウム基合金製格子板１３との共存性を高めるために、ニッケル基合金製バンド７の表面に金属ジルコニウム層を設けることは望ましい。

【００２２】前記ニッケル基合金としては、従来よりＰ
ＷＲにおいて支持格子部材として使用されているニッケル基合金（通称インコネル７１８）を用いることが望ましい。 また、前記インコネル７１８に代わり、前述の高強度ニッケル基合金インコネルＸ−７５０を用いても同様の効果が得られる。

【００２３】また、本実施例においても実施例１と同様、炉内での使用時における炉水中への放射性核種の溶出を低減するためにニッケル基合金製部材に表面処理を施すことが望ましい。 表面処理の方法は、実施例１で例示したものと同様である。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、燃料集合体の長手方向に複数個設置されるスぺーサーの格子セル部材を中性子吸収断面積の小さいジルコニウム基合金で構成し、且つ格子セル部材の周囲を囲むバンド部材を材料強度の高いニッケル基合金で構成することにより、沸騰水型原子炉においては、従来使用されているジルコニウム合金製のものに比べて燃料スぺーサーによる圧力損失を低減することができ、加圧水型原子炉においては中性子経済を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である沸騰水型軽水炉（ＢＷ
Ｒ）用燃料集合体の側断面図。

【図２】図１の沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）用燃料スぺーサーの正面図。

【図３】図１のコーナー部に位置するセル部材をニッケル基合金で構成した燃料スぺーサーの正面図。

【図４】図１の中央部に位置するセル部材をニッケル基合金で構成した燃料スぺーサーの正面図。

【図５】外周部に位置するセル部材をニッケル基合金で構成した燃料スぺーサーの正面図。

【図６】図１の対角線上に位置するセル部材をニッケル基合金で構成した燃料スぺーサーの正面図。

【図７】本発明の加圧水型原子炉（ＰＷＲ）用燃料集合体を示す側面図。

【図８】本発明の加圧水型原子炉（ＰＷＲ）用支持格子の正面図。

【図９】本発明の外周に位置する格子板をニッケル基合金で構成した支持格子を示す正面図。

【図１０】本発明の中央の格子セルを形成する格子板をニッケル基合金で構成した支持格子を示す正面図。

【図１１】本発明の等間隔にニッケル基合金製格子板を具備する支持格子を示す正面図。

【符号の説明】

１…燃料棒、２…ウォーターロッド、３…燃料スぺーサー、４…上部タイプレート、５…下部タイプレート、６
…ジルコニウム基合金製円筒セル、６ａ…ニッケル基合金製円筒セル、７…ニッケル基合金製バンド、８…スプリング、９…支持格子、１０…制御棒案内シンプル、１
１…上部ノズル、１２…下部ノズル、１３…ジルコニウム基合金製格子板、１３ａ…ニッケル基合金製格子板。