JP2015108536A - Fuel assembly and pressurized water reactor - Google Patents

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本 泰 山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel assembly and a pressurized water reactor capable of facilitating removing heat from a fuel rod even in a terminal stage of a fuel rod cycle.SOLUTION: A fuel assembly includes: a plurality of fuel rods 21 each formed into a shape extending in a vertical direction and arranged adjacently; and a plurality of simple pipes each formed into a shape extending in the vertical direction and arranged adjacent to the fuel rods 21. Furthermore, the fuel rods 21 include a first region R1 in which a total cross-sectional area of cross-sections of the fuel rods 21 perpendicular to the vertical direction is a first value; and a second region R2 in which a total cross-sectional area of cross-sections of the fuel rods 21 perpendicular to the vertical direction is a second value smaller than the first value and which is located above the first region R1.

Description

本発明の実施形態は、燃料集合体および加圧水型原子炉に関する。   Embodiments described herein relate generally to a fuel assembly and a pressurized water reactor.

加圧水型原子炉は、炉心圧力を増加させることにより、冷却材である水の沸点を高めている。よって、加圧水型原子炉の炉心出口における水の温度は、沸点未満でありながら高温である。また、加圧水型原子炉内の蒸気発生器の熱伝達は、炉心出口からくる水の温度が高いほど向上する。よって、蒸気発生器は、炉心出口からくる水の温度が高いほど、発生させる蒸気の圧力を高めることができ、発電効率を高めることができる。   A pressurized water reactor increases the boiling point of water as a coolant by increasing the core pressure. Therefore, the temperature of the water at the core outlet of the pressurized water reactor is high while being less than the boiling point. In addition, the heat transfer of the steam generator in the pressurized water reactor is improved as the temperature of the water coming from the core outlet is higher. Therefore, a steam generator can raise the pressure of the steam to generate, and can improve power generation efficiency, so that the temperature of the water which comes from a core exit is high.

加圧水型原子炉においては、炉心内での水の沸騰を許容すれば、原子炉内の水の温度をさらに高めることができる。しかしながら、加圧水型原子炉の炉心内で水の沸騰を許容する場合に関しては、このような炉心内で用いる燃料について十分に検討されていない。   In a pressurized water reactor, the temperature of water in the nuclear reactor can be further increased if water boiling in the core is allowed. However, regarding the case where water boiling is allowed in the core of a pressurized water reactor, the fuel used in such a core has not been sufficiently studied.

一方、沸騰水型原子炉に関しては、水の密度が沸騰により変化することを考慮した様々な提案がなされている。例えば、沸騰水型原子炉において部分長燃料棒を採用することが提案されている。   On the other hand, regarding the boiling water reactor, various proposals have been made considering that the density of water changes due to boiling. For example, it has been proposed to employ part-length fuel rods in boiling water reactors.

特開昭５２−５０４９８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 52-50498 特開平２−１４７８９０号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-147890 特開平２−６７８５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-6785 特開平５−１６４８６８号公報JP-A-5-164868

牧原義明著「一体型モジュラー軽水炉（ＩＭＲ）」日本原子力学会誌、Vol.43, No.11, pp.1065-1070Yoshiaki Makihara “Integrated Modular Light Water Reactor (IMR)” Journal of the Atomic Energy Society of Japan, Vol.43, No.11, pp.1065-1070

図１０は、一般的な加圧水型原子炉の炉心内における軸方向出力分布と、熱流束と限界熱流束との比とを示すグラフである。   FIG. 10 is a graph showing the axial power distribution in the core of a general pressurized water reactor and the ratio between the heat flux and the critical heat flux.

図１０(ａ)および図１０(ｂ)の縦軸Ｚは、炉心内の燃料棒の軸方向に沿った高さ（軸方向高さ）を示す。図１０(ａ)は、軸方向高さＺと、燃料棒からの熱出力との関係（軸方向出力分布）を示す。図１０(ｂ)は、軸方向高さＺと、燃料棒からの熱流束と限界熱流束との比との関係を示す。限界熱流束とは、燃料棒の除熱が可能な最大の熱流束を示す。   10A and 10B, the vertical axis Z indicates the height (axial height) along the axial direction of the fuel rod in the core. FIG. 10A shows the relationship between the axial height Z and the heat output from the fuel rod (axial output distribution). FIG. 10B shows the relationship between the axial height Z and the ratio of the heat flux from the fuel rod to the critical heat flux. The critical heat flux is the maximum heat flux that can remove heat from the fuel rod.

加圧水型原子炉の炉心内で水の沸騰を許容する場合、サイクル初期（燃料棒の使用開始直後）の軸方向出力分布では、図１０(ａ)の曲線ＣAのように、炉心の下部側（上流側）にピークが出る。このような分布を、ボトムピーク型と呼ぶ。一方、加圧水型原子炉の炉心内で水の沸騰を許容する場合、サイクル末期（燃料棒の使用終了直前）の軸方向出力分布では、図１０(ａ)の曲線ＣBのように、炉心の上部側（下流側）にピークが出る。このような分布を、トップピーク型と呼ぶ。 Where allowed boiling water in the core of a pressurized water nuclear reactor, the axial power distribution of the initial cycle (immediately after start of use of the fuel rods), as indicated by the curve C A of FIG. 10 (a), the lower side of the core A peak appears on the upstream side. Such a distribution is called a bottom peak type. On the other hand, when allowing boiling water in the core of a pressurized water nuclear reactor, the axial power distribution of the end of the cycle (used just before the end of the fuel rods), as indicated by the curve C B of FIG. 10 (a), the core A peak appears on the upper side (downstream side). Such a distribution is called a top peak type.

燃料棒の除熱の際、炉心上部の水温が炉心下部の水温より高いことから、炉心上部は、炉心下部に比べ、限界熱流束に対する熱流束の余裕が少ない。そのため、サイクル末期に軸方向出力分布がトップピーク型に近付くと、図１０(ｂ)の曲線ＣDのように、限界熱流束に対する熱流束の余裕がさらに少なくなってしまう。図１０(ｂ)の曲線ＣC、ＣDはそれぞれ、サイクル初期、サイクル末期における熱流束と限界熱流束との比を示す。 When removing heat from the fuel rods, the water temperature at the upper part of the core is higher than the water temperature at the lower part of the core, so that the upper part of the core has less heat flux margin for the critical heat flux than the lower part of the core. Therefore, when the axial power distribution in the end of the cycle approaches the top peak type, as indicated by the curve C D in FIG. 10 (b), the margin of the heat flux becomes further reduced with respect to critical heat flux. Curves C C and C D in FIG. 10B show the ratio of the heat flux to the critical heat flux at the beginning and end of the cycle, respectively.

なお、図１０(ｂ)において、熱流束と限界熱流束との比が１未満になることは、燃料棒からの発熱が限界熱流束を超えることを意味する。燃料棒からの発熱が限界熱流束を超えると、燃料棒の発熱に対して燃料棒表面からの除熱が追いつかなくなる。そのため、燃料棒の表面温度が上昇してしまい、最終的には燃料棒の破損に至る可能性がある。   In FIG. 10B, the ratio of the heat flux to the critical heat flux being less than 1 means that the heat generated from the fuel rod exceeds the critical heat flux. If the heat generation from the fuel rod exceeds the limit heat flux, the heat removal from the surface of the fuel rod cannot catch up with the heat generation of the fuel rod. As a result, the surface temperature of the fuel rod rises, and the fuel rod may eventually be damaged.

そこで、本発明は、燃料棒のサイクル末期においても燃料棒の除熱が容易な燃料集合体および加圧水型原子炉を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel assembly and a pressurized water reactor that can easily remove heat from the fuel rods even at the end of the fuel rod cycle.

一の実施形態によれば、燃料集合体は、上下方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置された複数の燃料棒と、前記上下方向に延びる形状を有し、前記燃料棒と隣接して配置された複数のシンブル管とを備える。さらに、前記複数の燃料棒は、前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値である第１領域と、前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、前記第１の値よりも小さい第２の値であり、前記第１領域の上方に位置する第２領域とを有する。   According to one embodiment, the fuel assembly has a shape extending in the vertical direction, has a plurality of fuel rods arranged adjacent to each other, has a shape extending in the vertical direction, and is adjacent to the fuel rods. And a plurality of thimble tubes arranged as described above. Further, the plurality of fuel rods are perpendicular to the vertical direction of the plurality of fuel rods and the first region where the total cross-sectional area in the cross section perpendicular to the vertical direction of the plurality of fuel rods is a first value. A total cross-sectional area in a simple cross-section is a second value smaller than the first value, and a second region located above the first region.

本発明によれば、燃料棒のサイクル末期においても燃料棒の除熱が容易な燃料集合体および加圧水型原子炉を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel assembly and a pressurized water reactor that can easily remove heat from the fuel rod even at the end of the cycle of the fuel rod.

第１実施形態の加圧水型原子炉の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pressurized water reactor of 1st Embodiment. 第１実施形態の燃料集合体の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel assembly of 1st Embodiment. 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the AA line of FIG. 図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the BB line of FIG. 第１実施形態の各燃料棒の形状を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the shape of each fuel rod of 1st Embodiment. 第１実施形態の燃料集合体内における水のボイド率、水の密度、燃料棒の合計断面積、水と燃料棒との質量比を示すグラフである。It is a graph which shows the void ratio of the water in the fuel assembly of 1st Embodiment, the density of water, the total cross-sectional area of a fuel rod, and the mass ratio of water and a fuel rod. 第１実施形態の変形例の各燃料棒の形状を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the shape of each fuel rod of the modification of 1st Embodiment. 第２実施形態の燃料集合体の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel assembly of 2nd Embodiment. 第２実施形態の変形例の各シンブル管の形状を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the shape of each thimble pipe | tube of the modification of 2nd Embodiment. 一般的な加圧水型原子炉の炉心内における軸方向出力分布と、熱流束と限界熱流束との比とを示すグラフである。It is a graph which shows axial direction power distribution in the core of a general pressurized water nuclear reactor, and ratio of a heat flux and a limit heat flux.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の加圧水型原子炉の構造を示す断面図である。 (First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a pressurized water reactor according to the first embodiment.

図１の加圧水型原子炉は、原子炉容器１と、炉心槽２と、炉心３と、上部炉心支持板４と、下部炉心支持板５と、制御棒駆動機構６と、フロースカート７と、冷却材入口ノズル８と、冷却材出口ノズル９と、燃料集合体１０とを備えている。   The pressurized water reactor of FIG. 1 includes a nuclear reactor vessel 1, a core tank 2, a core 3, an upper core support plate 4, a lower core support plate 5, a control rod drive mechanism 6, a flow skirt 7, A coolant inlet nozzle 8, a coolant outlet nozzle 9, and a fuel assembly 10 are provided.

図１は、水平方向に相当するＸ方向およびＹ方向と、上下方向に相当するＺ方向とを示している。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに垂直である。なお、＋Ｚ方向は上向き方向に相当し、−Ｚ方向は下向き方向に相当する。   FIG. 1 shows an X direction and a Y direction corresponding to the horizontal direction, and a Z direction corresponding to the vertical direction. The X direction, the Y direction, and the Z direction are perpendicular to each other. The + Z direction corresponds to the upward direction, and the −Z direction corresponds to the downward direction.

原子炉容器１は、Ｚ方向を軸方向とする円筒形の形状を有している。炉心槽２と炉心３は、原子炉容器１内に配置されており、炉心槽２が炉心３の周囲を包囲している。上部炉心支持板４と下部炉心支持板５はそれぞれ、炉心槽２の上方と下方に配置されている。制御棒駆動機構６は、炉心３に制御棒を挿入するための機構である。フロースカート７は、下部炉心支持板５の下方に配置されている。冷却材入口ノズル８は、原子炉容器１に冷却材（水）を導入するために使用され、冷却材出口ノズル９は、原子炉容器１から冷却材を排出するために使用される。燃料集合体１０は、炉心３内に収容されており、燃料棒とシンブル管とを備えている。シンブル管は、制御棒や中性子検出器を通すための管である。   The nuclear reactor vessel 1 has a cylindrical shape whose axial direction is the Z direction. The reactor core 2 and the reactor core 3 are disposed in the reactor vessel 1, and the reactor core 2 surrounds the periphery of the reactor core 3. The upper core support plate 4 and the lower core support plate 5 are respectively arranged above and below the core tank 2. The control rod drive mechanism 6 is a mechanism for inserting control rods into the core 3. The flow skirt 7 is disposed below the lower core support plate 5. The coolant inlet nozzle 8 is used to introduce coolant (water) into the reactor vessel 1, and the coolant outlet nozzle 9 is used to discharge coolant from the reactor vessel 1. The fuel assembly 10 is accommodated in the core 3 and includes fuel rods and thimble tubes. The thimble tube is a tube for passing a control rod or a neutron detector.

冷却材入口ノズル８から導入された冷却材は、原子炉容器１と炉心槽２との間のダウンカマ１１を下降する。冷却材は、下部炉心支持板５の下方の下部プレナム１３に到達すると、下降流から上昇流に転じる。そして、冷却材は、下部炉心支持板５、炉心３、上部炉心支持板４内を上昇する。冷却材は、燃料集合体１０内の燃料棒間を上昇する際に、燃料棒により加熱される。そして、冷却材は、上部炉心支持板４の上方の上部プレナム１２に到達し、冷却材出口ノズル９から排出され、加圧水型原子炉内の蒸気発生器（不図示）に送られる。   The coolant introduced from the coolant inlet nozzle 8 descends the downcomer 11 between the reactor vessel 1 and the reactor core 2. When the coolant reaches the lower plenum 13 below the lower core support plate 5, the coolant turns from a downward flow to an upward flow. The coolant ascends in the lower core support plate 5, the core 3, and the upper core support plate 4. The coolant is heated by the fuel rods when rising between the fuel rods in the fuel assembly 10. Then, the coolant reaches the upper plenum 12 above the upper core support plate 4, is discharged from the coolant outlet nozzle 9, and is sent to a steam generator (not shown) in the pressurized water reactor.

図２は、第１実施形態の燃料集合体１０の構造を示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the fuel assembly 10 of the first embodiment.

本実施形態の燃料集合体１０は、複数の燃料棒２１と、複数のシンブル管２２と、上部ノズル２３と、下部ノズル２４と、複数のスペーサ２５とを備えている。   The fuel assembly 10 of the present embodiment includes a plurality of fuel rods 21, a plurality of thimble tubes 22, an upper nozzle 23, a lower nozzle 24, and a plurality of spacers 25.

燃料棒２１は、Ｚ方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置されている。燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面の形状は、円形である。シンブル管２２は、Ｚ方向に延びる形状を有し、燃料棒２１と隣接して配置されている。シンブル管２２のＺ方向に垂直な断面の形状は、円形である。Ｚ方向は、燃料棒２１およびシンブル管２２の軸方向に相当する。   The fuel rods 21 have a shape extending in the Z direction and are arranged adjacent to each other. The shape of the cross section perpendicular to the Z direction of the fuel rod 21 is circular. The thimble tube 22 has a shape extending in the Z direction, and is disposed adjacent to the fuel rod 21. The cross-sectional shape perpendicular to the Z direction of the thimble tube 22 is a circle. The Z direction corresponds to the axial direction of the fuel rod 21 and the thimble tube 22.

上部ノズル２３は、燃料棒２１およびシンブル管２２の上端付近に配置され、下部ノズル２４は、燃料棒２１およびシンブル管２２の下端付近に載置されている。スペーサ２５は、燃料棒２１およびシンブル管２２の間隔を保つための部材である。   The upper nozzle 23 is disposed near the upper ends of the fuel rod 21 and the thimble tube 22, and the lower nozzle 24 is placed near the lower ends of the fuel rod 21 and the thimble tube 22. The spacer 25 is a member for maintaining the distance between the fuel rod 21 and the thimble tube 22.

本実施形態の複数の燃料棒２１は、燃料棒２１の下端側に位置する第１領域Ｒ1と、燃料棒２１の上端側に位置する第２領域Ｒ2とを有し、第２領域Ｒ2が第１領域Ｒ1の上方に位置している。第１領域Ｒ1においては、これらの燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値Ｓ1となっている。第２領域Ｒ2においては、これらの燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値Ｓ1よりも小さい第２の値Ｓ2となっている（Ｓ2＜Ｓ1）。 The plurality of fuel rods 21 of the present embodiment includes a first region R 1 located on the lower end side of the fuel rod 21 and a second region R 2 located on the upper end side of the fuel rod 21, and the second region R 2 is located above the first region R 1 . In the first region R 1 , the total cross-sectional area in the cross section perpendicular to the Z direction of these fuel rods 21 is the first value S 1 . In the second region R 2 , the total cross-sectional area in the cross section perpendicular to the Z direction of these fuel rods 21 is a second value S 2 that is smaller than the first value S 1 (S 2 <S 1 ).

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、燃料棒２１の第１領域Ｒ1の断面を示している。図４は、図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図４は、燃料棒２１の第２領域Ｒ2の断面を示している。 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 3 shows a cross section of the first region R 1 of the fuel rod 21. 4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. FIG. 4 shows a cross section of the second region R 2 of the fuel rod 21.

図３および図４に示すように、本実施形態の燃料集合体１０は、２６４本の燃料棒２１と、２５本のシンブル管２２を備えている。燃料棒２１とシンブル管２２の合計本数は、２８９本（１７×１７本）である。   As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel assembly 10 of this embodiment includes 264 fuel rods 21 and 25 thimble tubes 22. The total number of fuel rods 21 and thimble tubes 22 is 289 (17 × 17).

図３および図４に示すように、各燃料棒２１は、第１領域Ｒ1内において第１の直径Ｄ1を有しており、第２領域Ｒ2内において第１の直径Ｄ1よりも小さい第２の直径Ｄ2を有している（Ｄ2＜Ｄ1）。その結果、第２の値Ｓ2が、第１の値Ｓ1よりも小さくなっている。なお、Ｓ1とＤ1との間には、Ｓ1＝２６４×π×(Ｄ1／２)２の関係が成り立つ。また、Ｓ2とＤ2との間には、Ｓ2＝２６４×π×(Ｄ2／２)２の関係が成り立つ。 As shown in FIGS. 3 and 4, each fuel rod 21, in the first region R 1 has the first diameter D 1, than the first diameter D 1 in the second region R 2 It has a small second diameter D 2 (D 2 <D 1 ). As a result, the second value S 2 is smaller than the first value S 1 . Between the S 1 and D 1, S 1 = 264 × π × (D 1/2) 2 relation holds. Between the S 2 and D 2, S 2 = 264 × π × (D 2/2) 2 relation holds.

なお、図２においては、作図の便宜上、各燃料棒２１の直径が一様に描かれている。しかしながら、本実施形態の各燃料棒２１は、図３〜図５に示すように、第１領域Ｒ1内において第１の直径Ｄ1を有し、第２領域Ｒ2内において第２の直径Ｄ2を有することに留意されたい。 In FIG. 2, the diameter of each fuel rod 21 is drawn uniformly for the convenience of drawing. However, each fuel rod 21 of the present embodiment has a first diameter D 1 in the first region R 1 and a second diameter in the second region R 2 as shown in FIGS. Note that with D 2.

図５は、第１実施形態の各燃料棒２１の形状を示す断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the shape of each fuel rod 21 of the first embodiment.

本実施形態の加圧水型原子炉は、炉心３内での水（冷却材）の沸騰を許容するように構成されている。符号Ｚ0は、燃料棒２１間を流れる水の沸騰開始位置を示す。 The pressurized water reactor according to the present embodiment is configured to allow boiling of water (coolant) in the core 3. A symbol Z 0 indicates a boiling start position of water flowing between the fuel rods 21.

加圧水型原子炉の稼働時において、燃料棒２１間を上向きに流れる水は、燃料棒２１により加熱され、沸騰開始位置Ｚ0において沸騰し始める。よって、加圧水型原子炉の稼働時において、沸騰開始位置Ｚ0よりも下方（上流側）の水は、沸騰しておらず、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方（下流側）の水は、沸騰している。 During the operation of the pressurized water reactor, the water flowing upward between the fuel rods 21 is heated by the fuel rods 21 and begins to boil at the boiling start position Z 0 . Therefore, during the operation of pressurized water reactor, the water below the boiling start position Z 0 (upstream side), water not boiling, above the boiling start position Z 0 (downstream side), boiled doing.

本実施形態においては、第１領域Ｒ1と第２領域Ｒ2との境界面の高さを、沸騰開始位置Ｚ0と同じ高さに設定している。よって、第１領域Ｒ1は、沸騰開始位置Ｚ0よりも下方に位置している。また、第２領域Ｒ2は、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方に位置している。その結果、各燃料棒２１は、沸騰開始位置Ｚ0よりも下方では第１の直径Ｄ1を有し、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方では第２の直径Ｄ2を有している。 In the present embodiment, the height of the boundary surface between the first region R 1 and the second region R 2 is set to the same height as the boiling start position Z 0 . Accordingly, the first region R 1 is located below the boiling start position Z 0 . Further, the second region R 2 is located above the boiling start position Z 0 . As a result, the fuel rod 21 has a first diameter D 1 is lower than the boiling starting position Z 0, the above the boiling start position Z 0 has a second diameter D 2.

なお、第１領域Ｒ1と第２領域Ｒ2との境界面の高さは、沸騰開始位置Ｚ0の高さと厳密に一致していなくてもよい。境界面の高さが沸騰開始位置Ｚ0よりも高い場合には、沸騰開始位置Ｚ0が第１領域Ｒ1と重なるため、第１領域Ｒ1は、その一部が沸騰開始位置Ｚ0よりも下方に位置することとなる。一方、境界面の高さが沸騰開始位置Ｚ0よりも低い場合には、沸騰開始位置Ｚ0が第２領域Ｒ2と重なるため、第２領域Ｒ2は、その一部が沸騰開始位置Ｚ0よりも上方に位置することとなる。なお、沸騰開始位置Ｚ0のさらなる詳細については、後述する。 It should be noted that the height of the boundary surface between the first region R 1 and the second region R 2 may not exactly coincide with the height of the boiling start position Z 0 . If the height of the boundary surface is higher than the boiling starting position Z 0 is, since the boiling starting position Z 0 overlaps with the first region R 1, the first region R 1 is partially the boiling start position Z 0 Will also be located below. On the other hand, when the height of the interface is lower than the boiling starting position Z 0 is, since the boiling starting position Z 0 overlaps with the second region R 2, the second region R 2 is partially boiling the starting position Z It will be located above 0 . Further details of the boiling start position Z 0 will be described later.

図６は、第１実施形態の燃料集合体１０内における水のボイド率、水の密度、燃料棒２１の合計断面積、水と燃料棒２１との質量比を示すグラフである。   FIG. 6 is a graph showing the void fraction of water, the density of water, the total cross-sectional area of the fuel rods 21, and the mass ratio of water and fuel rods 21 in the fuel assembly 10 of the first embodiment.

図６(ａ)〜図６(ｄ)の縦軸Ｚは、上述のＺ方向の座標を示しており、燃料棒２１の軸方向に沿った高さ（軸方向高さ）を示している。   The vertical axis Z in FIGS. 6A to 6D indicates the coordinates in the Z direction described above, and indicates the height of the fuel rod 21 along the axial direction (axial height).

一般に、水が沸騰すると、水の中にボイドが発生し、水の密度が急激に低下する。よって、図６(ａ)では、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方を流れる水のボイド率が、０よりも大きくなっている。また、図６(ｂ)では、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方を流れる水の密度が、沸騰開始位置Ｚ0よりも下方を流れる水の密度よりも低くなっている。 In general, when water boils, voids are generated in the water, and the density of the water rapidly decreases. Therefore, in FIG. 6A, the void ratio of water flowing above the boiling start position Z 0 is larger than zero. Further, in FIG. 6 (b), the density of water flowing above the boiling start position Z 0 is lower than the density of the water flowing below the boiling start position Z 0.

また、一般に水の沸騰時間が長くなるほど、水のボイド率が上昇し、水の密度がさらに低下する。よって、図６(ａ)では、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方を流れる水のボイド率が、軸方向高さＺが増加するほど増加している。また、図６(ｂ)では、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方を流れる水の密度が、軸方向高さＺが増加するほど低下している。 In general, the longer the boiling time of water, the higher the void ratio of the water and the lower the water density. Therefore, in FIG. 6A, the void ratio of the water flowing above the boiling start position Z 0 increases as the axial height Z increases. In FIG. 6B, the density of water flowing above the boiling start position Z 0 decreases as the axial height Z increases.

図６(ｃ)は、燃料棒２１の合計断面積を示す。図６(ｃ)の曲線Ｅ1は、第１領域Ｒ1の合計断面積を示している。よって、曲線Ｅ1における合計断面積の値は、第１の値Ｓ1である。また、図６(ｃ)の曲線Ｅ2は、第２領域Ｒ2の合計断面積を示している。よって、曲線Ｅ2における合計断面積の値は、第２の値Ｓ2である。 FIG. 6C shows the total cross-sectional area of the fuel rod 21. A curve E 1 in FIG. 6C shows the total cross-sectional area of the first region R 1 . Therefore, the value of the total cross-sectional area in the curve E 1 is the first value S 1 . A curve E 2 in FIG. 6C shows the total cross-sectional area of the second region R 2 . Therefore, the value of the total cross-sectional area in the curve E 2 is the second value S 2 .

図６(ｄ)は、Ｚ方向の単位長さあたりの水と燃料棒２１との質量比を示す。燃料集合体１０を設計する際、水と燃料棒２１との質量比は、燃料棒２１内での核反応に最適な比に設計することが望ましい。図６(ｄ)において、最適な比は符号Ｒ0で示されている。 FIG. 6D shows the mass ratio of water and fuel rod 21 per unit length in the Z direction. When designing the fuel assembly 10, it is desirable that the mass ratio between the water and the fuel rod 21 is designed to be an optimum ratio for the nuclear reaction in the fuel rod 21. In FIG. 6 (d), the optimum ratio is indicated by the symbol R0 .

この際、水が沸騰しないという想定で質量比を設定すると、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方での質量比が、最適な比から大きく遠ざかってしまう。理由は、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方においては、水の沸騰により水の密度が急激に低下するためである。そのため、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方での中性子の減速が不十分となり、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方での熱出力が小さくなってしまう。 At this time, if the mass ratio is set on the assumption that water does not boil, the mass ratio above the boiling start position Z 0 will be far from the optimum ratio. The reason is that, above the boiling start position Z 0 , the density of water rapidly decreases due to boiling of water. Therefore, becomes insufficient neutron deceleration at above the boiling start position Z 0, the thermal output of the above it becomes smaller than the boiling starting position Z 0.

よって、本実施形態の各燃料棒２１は、第１領域Ｒ1内において第１の直径Ｄ1を有し、第２領域Ｒ2内において第２の直径Ｄ2を有するように設計されている。よって、本実施形態によれば、図６(ｄ)の曲線Ｅ4のように、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方での質量比を最適な比に近付けることができる。図６(ｄ)の曲線Ｅ3、Ｅ4はそれぞれ、第１および第２領域Ｒ1、Ｒ2における質量比を示す。 Therefore, each fuel rod 21 of the present embodiment is designed to have the first diameter D 1 in the first region R 1 and the second diameter D 2 in the second region R 2 . . Therefore, according to the present embodiment, the mass ratio above the boiling start position Z 0 can be brought close to the optimum ratio as shown by the curve E 4 in FIG. Curves E 3 and E 4 in FIG. 6D show mass ratios in the first and second regions R 1 and R 2 , respectively.

本実施形態によれば、沸騰開始位置Ｚ0よりも下方だけでなく、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方でも、核反応によるエネルギーを有効に獲得することが可能となる。 According to this embodiment, not only lower than the boiling starting position Z 0, even above the boiling start position Z 0, it is possible to effectively acquire energy by nuclear reaction.

（１）沸騰開始位置Ｚ0の詳細
本実施形態の燃料集合体１０は、第１領域Ｒ1と第２領域Ｒ2との境界面の高さが、燃料集合体１０の実際の使用時において沸騰開始位置Ｚ0と同じ高さとなるように設計される。しかしながら、燃料集合体１０の実際の使用時の沸騰開始位置Ｚ0は、燃料集合体１０の設計時には通常知ることができない。そこで、本実施形態の燃料集合体１０を設計する際には、沸騰開始位置Ｚ0を物理学的に計算し、第１領域Ｒ1と第２領域Ｒ2との境界面の高さを沸騰開始位置Ｚ0の計算値と同じ高さに設定する。 (1) Details of Boiling Start Position Z 0 In the fuel assembly 10 of the present embodiment, the height of the boundary surface between the first region R 1 and the second region R 2 is such that when the fuel assembly 10 is actually used. It is designed to be the same height as the boiling start position Z 0 . However, the boiling start position Z 0 during actual use of the fuel assembly 10 cannot normally be known when the fuel assembly 10 is designed. Therefore, when designing the fuel assembly 10 of the present embodiment, the boiling start position Z 0 is physically calculated, and the height of the boundary surface between the first region R 1 and the second region R 2 is boiled. set to the same height as the calculated value of the starting position Z 0.

また、図１０(ａ)に示すように、燃料棒２１の軸方向出力分布は、燃料棒２１の使用サイクルに伴い変化する。そのため、燃料集合体１０における沸騰開始位置Ｚ0も、燃料棒２１の使用サイクルに伴い変化する。よって、沸騰開始位置Ｚ0を物理学的に計算する際には、どのような使用サイクルの軸方向出力分布を想定して沸騰開始位置Ｚ0を計算するかが問題となる。 Further, as shown in FIG. 10A, the axial output distribution of the fuel rod 21 changes with the use cycle of the fuel rod 21. Therefore, the boiling start position Z 0 in the fuel assembly 10 also changes as the fuel rod 21 is used. Therefore, when the boiling start position Z 0 is physically calculated, it becomes a problem as to what kind of use cycle axial output distribution should be calculated to calculate the boiling start position Z 0 .

本実施形態では例えば、サイクル初期の軸方向出力分布における沸騰開始位置Ｚ0を計算し、第１および第２領域Ｒ1、Ｒ2の境界面の高さをこの計算値と同じ高さに設定してもよい。理由は次の通りである。 In this embodiment, for example, the boiling start position Z 0 in the axial output distribution at the beginning of the cycle is calculated, and the height of the boundary surface between the first and second regions R 1 and R 2 is set to the same height as this calculated value. May be. The reason is as follows.

水と燃料棒２１との質量比の分布（図６(ｄ)を参照）において、サイクル初期に燃料棒２１に対する水の割合が少ない領域では、Ｕ２３８からＰｕへの転換が促進される。よって、サイクル末期には、この領域の熱出力が高くなる。よって、本実施形態においては、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方における熱出力がサイクル末期に高くなる。一方、限界熱流束に対する熱流束の余裕は、熱流束が高いほど小さくなる傾向がある。そのため、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方における熱出力がサイクル末期に高くなることは避けたい。 In the distribution of the mass ratio of water to the fuel rods 21 (see FIG. 6D), the conversion from U238 to Pu is promoted in a region where the ratio of water to the fuel rods 21 is small at the beginning of the cycle. Therefore, at the end of the cycle, the heat output in this region increases. Therefore, in the present embodiment, the heat output above the boiling start position Z 0 becomes high at the end of the cycle. On the other hand, the heat flux margin with respect to the critical heat flux tends to decrease as the heat flux increases. Therefore, it is desirable to avoid that the heat output above the boiling start position Z 0 becomes high at the end of the cycle.

そこで、本実施形態においては、第１および第２領域Ｒ1、Ｒ2の境界面の高さを、サイクル初期の沸騰開始位置Ｚ0の計算値と同じ高さに設定する。その結果、燃料棒２１の使用開始直後において、境界面の高さが実際の沸騰開始位置Ｚ0の高さとよく一致することとなる。よって、燃料棒２１の使用開始直後から、燃料棒２１の燃焼が、燃料棒２１の軸方向に比較的均一に進むこととなる。よって、本実施形態によれば、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方の熱出力がサイクル末期に高くなる傾向を緩和することができる。 Therefore, in the present embodiment, the height of the boundary surface between the first and second regions R 1 and R 2 is set to the same height as the calculated value of the boiling start position Z 0 at the beginning of the cycle. As a result, immediately after the start of use of the fuel rods 21, so that the good agreement with the height of the boiling start position Z 0 height actual boundary surface. Therefore, immediately after the use of the fuel rod 21 starts, the combustion of the fuel rod 21 proceeds relatively uniformly in the axial direction of the fuel rod 21. Therefore, according to the present embodiment, the tendency that the heat output above the boiling start position Z 0 becomes higher at the end of the cycle can be alleviated.

また、本実施形態では例えば、軸方向出力分布は一様であると想定して沸騰開始位置Ｚ0を計算してもよい。理由は、本実施形態のように燃料棒２１が第１および第２の直径Ｄ1、Ｄ2を有する構造は、軸方向出力分布は一様に近付ける作用があるためである。よって、本実施形態においては、一様な軸方向出力分布を想定して沸騰開始位置Ｚ0を計算することにより、燃料集合体１０の実際の使用時の沸騰開始位置Ｚ0に近い計算値を得ることが可能となる。 In the present embodiment, for example, the boiling start position Z 0 may be calculated on the assumption that the axial output distribution is uniform. The reason is that the structure in which the fuel rod 21 has the first and second diameters D 1 and D 2 as in the present embodiment has an effect of making the axial power distribution uniform. Therefore, in the present embodiment, by calculating the boiling start position Z 0 assuming a uniform axial output distribution, a calculated value close to the boiling start position Z 0 during actual use of the fuel assembly 10 is obtained. Can be obtained.

（２）第１実施形態の変形例
図７は、第１実施形態の変形例の各燃料棒２１の形状を示す断面図である。 (2) Modification of First Embodiment FIG. 7 is a cross-sectional view showing the shape of each fuel rod 21 of a modification of the first embodiment.

本変形例の燃料棒２１は、燃料棒２１の下端側に位置する第１領域Ｒ1と、燃料棒２１の上端側に位置する第２領域Ｒ2と、第１領域Ｒ1と第２領域Ｒ2との間に位置する第３領域Ｒ3とを有している。第３領域Ｒ3は、沸騰開始位置Ｚ0を含む高さに位置している。 The fuel rod 21 of the present modification includes a first region R 1 located on the lower end side of the fuel rod 21, a second region R 2 located on the upper end side of the fuel rod 21, a first region R 1 and a second region. And a third region R 3 positioned between R 2 . The third region R 3 is located at a height including the boiling start position Z 0 .

本変形例の燃料棒２１は、第３領域Ｒ3内においてテーパー形状の側面を有している。よって、本変形例の燃料棒２１は、第３領域Ｒ3内において、第１の直径Ｄ1と第２の直径Ｄ2との間の長さの直径を有している。このような構造には例えば、使用サイクルに伴う沸騰開始位置Ｚ0の変化や、沸騰開始位置Ｚ0の計算値の誤差に対処しやすいという利点がある。 The fuel rods 21 of the present modification has a side surface of the tapered shape in the third region R 3. Accordingly, the fuel rod 21 of the present modification has a diameter that is between the first diameter D 1 and the second diameter D 2 in the third region R 3 . Such a structure has an advantage that, for example, it is easy to cope with a change in the boiling start position Z 0 accompanying the use cycle and an error in the calculated value of the boiling start position Z 0 .

このように、本実施形態の燃料棒２１は、第１領域Ｒ1と、第２領域Ｒ2と、第１および第２領域Ｒ1、Ｒ2以外の１つ以上の領域とを有していてもよい。 As described above, the fuel rod 21 of the present embodiment has the first region R 1 , the second region R 2, and one or more regions other than the first and second regions R 1 and R 2. May be.

なお、第１の直径Ｄ1と第２の直径Ｄ2との比は、どのように決定してもよい。ただし、比が１に近すぎると、燃料棒２１に第１および第２領域Ｒ1、Ｒ2を設ける効果が弱まってしまう。一方、比が１から離れすぎると、第２領域Ｒ2が細すぎて第２領域Ｒ2の発熱効率が悪くなってしまう。よって、第１の直径Ｄ1と第２の直径Ｄ2との比は、これらのバランスを考慮して設定することが望ましい。 Note that the ratio between the first diameter D 1 and the second diameter D 2 may be determined in any way. However, if the ratio is too close to 1 , the effect of providing the first and second regions R 1 and R 2 on the fuel rod 21 is weakened. On the other hand, if the ratio is too far from 1, the second heating efficiency of the region R 2 in the second region R 2 is too thin deteriorates. Therefore, it is desirable to set the ratio of the first diameter D 1 and the second diameter D 2 in consideration of these balances.

以上のように、本実施形態の燃料集合体１０は、複数の燃料棒２１を備え、これらの燃料棒２１は、その合計断面積が第１の値Ｓ1である第１領域Ｒ1と、第１領域Ｒ1の上方に位置し、その合計断面積が第１の値Ｓ1よりも小さい第２の値Ｓ2である第２領域Ｒ2とを有している。 As described above, the fuel assembly 10 of the present embodiment includes the plurality of fuel rods 21, and these fuel rods 21 have the first region R 1 whose total cross-sectional area is the first value S 1 , and located above the first region R 1, the total cross-sectional area and a second region R 2 is a second value S 2 smaller than the first value S 1.

よって、本実施形態によれば、燃料棒２１のサイクル末期においても燃料棒２１の除熱が容易な燃料集合体１０を実現することが可能となる。   Therefore, according to the present embodiment, it is possible to realize the fuel assembly 10 in which the heat removal of the fuel rod 21 is easy even at the end of the cycle of the fuel rod 21.

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態の燃料集合体１０の構造を示す断面図である。 (Second Embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the fuel assembly 10 of the second embodiment.

本実施形態の燃料集合体１０は、第１実施形態の燃料集合体１０と同様に、複数の燃料棒２１と、複数のシンブル管２２と、上部ノズル２３と、下部ノズル２４と、複数のスペーサ２５とを備えている。   Similar to the fuel assembly 10 of the first embodiment, the fuel assembly 10 of the present embodiment includes a plurality of fuel rods 21, a plurality of thimble tubes 22, an upper nozzle 23, a lower nozzle 24, and a plurality of spacers. 25.

また、本実施形態の複数の燃料棒２１は、燃料棒２１の下端側に位置する第１領域Ｒ1と、燃料棒２１の上端側に位置する第２領域Ｒ2とを有し、第２領域Ｒ2が第１領域Ｒ1の上方に位置している。第１領域Ｒ1においては、これらの燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値Ｓ1となっている。第２領域Ｒ2においては、これらの燃料棒２１のＺ方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値Ｓ1よりも小さい第２の値Ｓ2となっている（Ｓ2＜Ｓ1）。 Further, the plurality of fuel rods 21 of the present embodiment have a first region R 1 located on the lower end side of the fuel rod 21 and a second region R 2 located on the upper end side of the fuel rod 21, and The region R 2 is located above the first region R 1 . In the first region R 1 , the total cross-sectional area in the cross section perpendicular to the Z direction of these fuel rods 21 is the first value S 1 . In the second region R 2 , the total cross-sectional area in the cross section perpendicular to the Z direction of these fuel rods 21 is a second value S 2 that is smaller than the first value S 1 (S 2 <S 1 ).

ただし、本実施形態の複数の燃料棒２１は、１本以上の第１燃料棒２１ａと、１本以上の第２燃料棒２１ｂとを含んでいる。第１燃料棒２１ａは、Ｚ方向に沿って第１の長さＬ1を有しており、第１および第２領域Ｒ1、Ｒ2の両方を有している。第２燃料棒２１ｂは、Ｚ方向に沿って第１の長さＬ1よりも短い第２の長さＬ2を有しており（Ｌ2＜Ｌ1）、第１および第２領域Ｒ1、Ｒ2のうちの第１領域Ｒ1のみを有している。その結果、第２領域Ｒ2の合計断面積である第２の値Ｓ2が、第１領域Ｒ1の合計断面積である第１の値Ｓ1よりも小さくなっている。 However, the plurality of fuel rods 21 of the present embodiment include one or more first fuel rods 21a and one or more second fuel rods 21b. The first fuel rod 21a has a first length L 1 along the Z direction, and has both the first and second regions R 1, R 2. Second fuel rods 21b has a second length L 2 shorter than the first length L 1 along the Z direction (L 2 <L 1), first and second regions R 1 , R 2 , only the first region R 1 is included. As a result, the second value S 2 that is the total sectional area of the second region R 2 is smaller than the first value S 1 that is the total sectional area of the first region R 1 .

なお、第１の長さＬ1は、第１および第２領域Ｒ1、Ｒ2の合計長さと同じ長さである。また、第２の長さＬ2は、第１領域Ｒ1の長さと同じ長さである。第２燃料棒２１ｂは、部分長燃料棒に相当する。 The first length L 1 is the same length as the total length of the first and second regions R 1 and R 2 . The second length L 2 is the same length as the length of the first region R 1 . The second fuel rod 21b corresponds to a partial length fuel rod.

ここで、第１燃料棒２１ａの本数をＮ1と表し、第２燃料棒２１ｂの本数をＮ2と表すことにする。また、第１および第２燃料棒２１ａ、２１ｂの直径をＤと表すことにする。この場合、第１の値Ｓ1は、Ｓ1＝(Ｎ1＋Ｎ2)×π×(Ｄ／２)２で表される。また、第２の値Ｓ2は、Ｓ2＝Ｎ1×π×(Ｄ／２)２で表される。なお、第１燃料棒２１ａの直径と第２燃料棒２１ｂの直径は、異なる値でもよい。 Here, the number of the first fuel rod 21a represents the N 1, to represent the number of second fuel rods 21b and N 2. The diameters of the first and second fuel rods 21a and 21b are represented by D. In this case, the first value S 1 is represented by S 1 = (N 1 + N 2 ) × π × (D / 2) 2 . The second value S 2 is expressed by S 2 = N 1 × π × (D / 2) 2 . The diameter of the first fuel rod 21a and the diameter of the second fuel rod 21b may be different values.

本実施形態においては、第１領域Ｒ1と第２領域Ｒ2との境界面の高さを、沸騰開始位置Ｚ0と同じ高さに設定している。そのため、図８に示すように、第２燃料棒２１ｂの上端の高さが、沸騰開始位置Ｚ0と同じ高さに位置している。 In the present embodiment, the height of the boundary surface between the first region R 1 and the second region R 2 is set to the same height as the boiling start position Z 0 . Therefore, as shown in FIG. 8, the height of the upper end of the second fuel rod 21b is positioned at the same height as the boiling starting position Z 0.

なお、第１領域Ｒ1と第２領域Ｒ2との境界面の高さは、沸騰開始位置Ｚ0の高さと厳密に一致していなくてもよい。例えば、第２燃料棒２１ｂの上端の高さを沸騰開始位置Ｚ0よりも高く設定した場合には、境界面の高さは沸騰開始位置Ｚ0よりも高くなる。一方、第２燃料棒２１ｂの上端の高さを沸騰開始位置Ｚ0よりも低く設定した場合には、境界面の高さは沸騰開始位置Ｚ0よりも低くなる。 It should be noted that the height of the boundary surface between the first region R 1 and the second region R 2 may not exactly coincide with the height of the boiling start position Z 0 . For example, when the height of the upper end of the second fuel rod 21b is set higher than the boiling start position Z 0 , the height of the boundary surface becomes higher than the boiling start position Z 0 . On the other hand, when the height of the upper end of the second fuel rod 21b is set lower than the boiling start position Z 0 , the height of the boundary surface is lower than the boiling start position Z 0 .

本実施形態によれば、第１実施形態と同様、沸騰開始位置Ｚ0よりも下方だけでなく、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方でも、核反応によるエネルギーを有効に獲得することが可能となる。 According to this embodiment, like the first embodiment, not only lower than the boiling starting position Z 0, even above the boiling start position Z 0, it is possible to effectively acquire energy by nuclear reaction .

（１）シンブル管２２の詳細
本実施形態の各シンブル管２２は、図８に示すように、第１領域Ｒ1に隣接し、第１の直径ｄ1を有する第１部分ｒ1と、第２領域Ｒ2に隣接し、第１の直径ｄ1よりも大きい第２の直径ｄ2を有する第２部分ｒ2とを有している（ｄ2＞ｄ1）。 (1) Each thimble tube 22 details of the embodiment of the thimble tube 22, as shown in FIG. 8, adjacent to the first region R 1, the first portion r 1 having a first diameter d 1, the A second portion r 2 adjacent to the two regions R 2 and having a second diameter d 2 greater than the first diameter d 1 (d 2 > d 1 ).

本実施形態の各シンブル管２２はさらに、第１部分ｒ1と第２部分ｒ2との間に位置し、テーパー形状の側面を有する第３部分ｒ3を有している。第３部分ｒ3は、第１の直径ｒ1と第２の直径ｒ2との間の長さの直径を有している。本実施形態の第３部分ｒ3は、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方に位置しており、第２領域Ｒ2に隣接している。 Each thimble tube 22 of the present embodiment further includes a third portion r 3 having a tapered side surface located between the first portion r 1 and the second portion r 2 . The third portion r 3 has a diameter that is between the first diameter r 1 and the second diameter r 2 . The third portion r 3 of this embodiment is located above the boiling start position Z 0 and is adjacent to the second region R 2 .

このように、本実施形態においては、シンブル管２２の直径を、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方において増加させている。本実施形態においては、シンブル管２２内の水を、沸騰開始位置Ｚ0よりも下方から取水して、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方から排出する構成を採用している。 Thus, in the present embodiment, the diameter of the thimble tube 22 is increased above the boiling start position Z 0 . In the present embodiment, the water in the thimble tubes 22, and intake from below the boiling start position Z 0, adopts the configuration to discharge from above the boiling start position Z 0.

シンブル管２２内の水は、燃料棒２１間の流路を流れる水と分離されている。よって、燃料棒２１間の流路を流れる水が沸騰している場合にも、シンブル管２２内の水は沸騰しないままに保つことが可能である。   The water in the thimble tube 22 is separated from the water flowing through the flow path between the fuel rods 21. Therefore, even when the water flowing through the flow path between the fuel rods 21 is boiling, the water in the thimble tube 22 can be kept without boiling.

よって、本実施形態によれば、シンブル管２２の直径を沸騰開始位置Ｚ0よりも上方において増加させることにより、シンプル管２２から沸騰開始位置Ｚ0よりも上方に多量の未沸騰の水を供給して、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方における水の密度を増加させることが可能となる。よって、本実施形態によれば、沸騰開始位置Ｚ0よりも上方において、水と燃料棒２１との質量比を最適な比に近付けることが可能となる（図６(ｄ)を参照）。 Therefore, according to this embodiment, by increasing the above the boiling start position Z 0 of the diameter of the thimble tube 22, a large amount of non-boiling water above the boiling start position Z 0 from simple tubes 22 supply As a result, the density of water above the boiling start position Z 0 can be increased. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to bring the mass ratio of water and the fuel rod 21 closer to the optimum ratio above the boiling start position Z 0 (see FIG. 6D).

（２）第２実施形態の変形例
図９は、第２実施形態の変形例の各シンブル管２２の形状を示す断面図である。 (2) Modification of Second Embodiment FIG. 9 is a cross-sectional view showing the shape of each thimble tube 22 of a modification of the second embodiment.

図８において、各シンブル管２２の第３部分ｒ3の直径は、沸騰開始位置Ｚ0から急激に増加している。しかしながら、図６(ａ)に示すように、水のボイド率は、沸騰開始位置Ｚ0から急激に増加するわけではない。第３部分ｒ3の直径を急激に増加させると、水のボイド率が急激に増加しないにもかかわらず、水の密度が急激に増加してしまうことが懸念される。 In FIG. 8, the diameter of the third portion r 3 of each thimble tube 22 increases rapidly from the boiling start position Z 0 . However, as shown in FIG. 6A, the void ratio of water does not increase rapidly from the boiling start position Z 0 . If the diameter of the third portion r 3 is suddenly increased, there is a concern that the density of water will rapidly increase although the void ratio of water does not increase rapidly.

よって、本変形例においては、各シンブル管２２の第３部分ｒ3の直径を、図６(ａ)に示す水のボイド率の上昇曲線に従って増加させている。よって、本変形例によれば、水のボイド率の増加量に対応して水の密度を増加させることが可能となる。 Therefore, in the present modification, the diameter of the third portion r 3 of each thimble tube 22 is increased according to the rising curve of the void fraction of water shown in FIG. Therefore, according to this modification, it becomes possible to increase the density of water corresponding to the increase amount of the void fraction of water.

なお、各シンブル管２２の第３部分ｒ3の直径を設計する際に利用する水のボイド率の上昇曲線は、例えば、物理学的な計算により算出可能である。 Note that the rising curve of the void fraction of water used when designing the diameter of the third portion r 3 of each thimble tube 22 can be calculated by physical calculation, for example.

以上のように、本実施形態の燃料集合体１０は、複数の燃料棒２１を備え、これらの燃料棒２１は、その合計断面積が第１の値Ｓ1である第１領域Ｒ1と、第１領域Ｒ1の上方に位置し、その合計断面積が第１の値Ｓ1よりも小さい第２の値Ｓ2である第２領域Ｒ2とを有している。 As described above, the fuel assembly 10 of the present embodiment includes the plurality of fuel rods 21, and these fuel rods 21 have the first region R 1 whose total cross-sectional area is the first value S 1 , and located above the first region R 1, the total cross-sectional area and a second region R 2 is a second value S 2 smaller than the first value S 1.

よって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、燃料棒２１のサイクル末期においても燃料棒２１の除熱が容易な燃料集合体１０を実現することが可能となる。   Therefore, according to the present embodiment, as in the first embodiment, it is possible to realize the fuel assembly 10 in which the heat removal of the fuel rods 21 is easy even at the end of the cycle of the fuel rods 21.

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な燃料集合体および加圧水型原子炉は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した燃料集合体および加圧水型原子炉の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。   Although several embodiments have been described above, these embodiments are presented as examples only and are not intended to limit the scope of the invention. The novel fuel assemblies and pressurized water reactors described herein can be implemented in a variety of other forms. Various omissions, substitutions, and changes can be made to the fuel assemblies and pressurized water reactors described in the present specification without departing from the scope of the invention. The appended claims and their equivalents are intended to include such forms and modifications as fall within the scope and spirit of the invention.

１：原子炉容器、２：炉心槽、３：炉心、
４：上部炉心支持板、５：下部炉心支持板、６：制御棒駆動機構、
７：フロースカート、８：冷却材入口ノズル、９：冷却材出口ノズル、
１０：燃料集合体、１１：ダウンカマ、１２：上部プレナム、１３：下部プレナム、
２１：燃料棒、２１ａ：第１燃料棒、２１ｂ：第２燃料棒、２２：シンブル管、
２３：上部ノズル、２４：下部ノズル、２５：スペーサ 1: reactor vessel, 2: reactor core tank, 3: reactor core,
4: Upper core support plate, 5: Lower core support plate, 6: Control rod drive mechanism,
7: Flow skirt, 8: Coolant inlet nozzle, 9: Coolant outlet nozzle,
10: Fuel assembly, 11: Downcomer, 12: Upper plenum, 13: Lower plenum,
21: fuel rod, 21a: first fuel rod, 21b: second fuel rod, 22: thimble tube,
23: Upper nozzle, 24: Lower nozzle, 25: Spacer

Claims (10)

上下方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置された複数の燃料棒と、
前記上下方向に延びる形状を有し、前記燃料棒と隣接して配置された複数のシンブル管とを備え、
前記複数の燃料棒は、
前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値である第１領域と、
前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、前記第１の値よりも小さい第２の値であり、前記第１領域の上方に位置する第２領域と、
を有する燃料集合体。 A plurality of fuel rods having a shape extending in the vertical direction and disposed adjacent to each other;
A plurality of thimble tubes having a shape extending in the vertical direction and disposed adjacent to the fuel rod;
The plurality of fuel rods are:
A first region in which a total cross-sectional area in a cross section perpendicular to the vertical direction of the plurality of fuel rods is a first value;
A total area in a cross section perpendicular to the vertical direction of the plurality of fuel rods is a second value smaller than the first value, and a second region located above the first region;
A fuel assembly. 前記第１領域の少なくとも一部は、前記燃料棒間を流れる水の沸騰開始位置よりも下方に位置し、
前記第２領域の少なくとも一部は、前記燃料棒間を流れる水の沸騰開始位置よりも上方に位置する、
請求項１に記載の燃料集合体。 At least a part of the first region is located below a boiling start position of water flowing between the fuel rods,
At least a part of the second region is located above a boiling start position of water flowing between the fuel rods,
The fuel assembly according to claim 1. 前記燃料棒の各々は、前記第１領域内において第１の直径を有し、前記第２領域内において前記第１の直径よりも小さい第２の直径を有する、請求項１または２に記載の燃料集合体。   3. The fuel rod according to claim 1, wherein each of the fuel rods has a first diameter in the first region and a second diameter smaller than the first diameter in the second region. Fuel assembly. 前記複数の燃料棒はさらに、前記第１領域と前記第２領域との間に位置し、各燃料棒の側面がテーパー形状を有する第３領域を有する、請求項３に記載の燃料集合体。   4. The fuel assembly according to claim 3, wherein the plurality of fuel rods further includes a third region that is located between the first region and the second region, and a side surface of each fuel rod has a tapered shape. 5. 前記第３領域は、前記燃料棒間を流れる水の沸騰開始位置を含む高さに位置する、請求項４に記載の燃料集合体。   The fuel assembly according to claim 4, wherein the third region is located at a height including a boiling start position of water flowing between the fuel rods. 前記複数の燃料棒は、第１の長さを有する１本以上の第１燃料棒と、前記第１の長さよりも短い第２の長さを有する１本以上の第２燃料棒とを含む、請求項１または２に記載の燃料集合体。   The plurality of fuel rods include one or more first fuel rods having a first length and one or more second fuel rods having a second length shorter than the first length. The fuel assembly according to claim 1 or 2. 前記第１燃料棒は、前記第１および第２領域の両方を有し、
前記第２燃料棒は、前記第１および第２領域のうちの前記第１領域のみを有する、
請求項６に記載の燃料集合体。 The first fuel rod has both the first and second regions;
The second fuel rod has only the first region of the first and second regions.
The fuel assembly according to claim 6. 前記シンブル管の各々は、
前記第１領域に隣接し、第１の直径を有する第１部分と、
前記第２領域に隣接し、前記第１の直径よりも大きい第２の直径を有する第２部分と、
を有する請求項６または７に記載の燃料集合体。 Each of the thimble tubes is
A first portion adjacent to the first region and having a first diameter;
A second portion adjacent to the second region and having a second diameter greater than the first diameter;
The fuel assembly according to claim 6 or 7, wherein: 前記シンブル管の各々はさらに、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、テーパー形状の側面を有する第３部分を有する、請求項８に記載の燃料集合体。   9. The fuel assembly according to claim 8, wherein each of the thimble tubes further includes a third portion positioned between the first portion and the second portion and having a tapered side surface. 原子炉容器と、
前記原子炉容器内に配置された炉心と、
前記炉心内に収容された燃料集合体とを備え、
前記燃料集合体は、
上下方向に延びる形状を有し、互いに隣接して配置された複数の燃料棒と、
前記上下方向に延びる形状を有し、前記燃料棒と隣接して配置された複数のシンブル管とを備え、
前記複数の燃料棒は、
前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、第１の値である第１領域と、
前記複数の燃料棒の前記上下方向に垂直な断面における合計断面積が、前記第１の値よりも小さい第２の値であり、前記第１領域の上方に位置する第２領域と、
を有する加圧水型原子炉。 A reactor vessel;
A core disposed in the reactor vessel;
A fuel assembly housed in the core,
The fuel assembly is
A plurality of fuel rods having a shape extending in the vertical direction and disposed adjacent to each other;
A plurality of thimble tubes having a shape extending in the vertical direction and disposed adjacent to the fuel rod;
The plurality of fuel rods are:
A first region in which a total cross-sectional area in a cross section perpendicular to the vertical direction of the plurality of fuel rods is a first value;
A total area in a cross section perpendicular to the vertical direction of the plurality of fuel rods is a second value smaller than the first value, and a second region located above the first region;
A pressurized water reactor.
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