トップ :: G 物理学 :: G21 核物理;核工学




【発明の名称】 燃料集合体収納装置
【発明者】 【氏名】植田 精

【氏名】菊池 司

【氏名】川島 正俊

【氏名】吉岡 研一

【氏名】熊埜御堂 宏徳

【氏名】三橋 偉司

【氏名】道券 禎貴
【要約】 【課題】多数の使用済燃料集合体を十分な臨界安全性を確保しながら、強固で収納効率が良く、低廉な燃料集合体収納装置を提供する。

【解決手段】筒状金属製容器17内の中央部に複数の金属製角管を複数行複数列組み合わせて一体化してなる第１の９体型スーパセル20を配設し、第１の９体型スーパセル20の４辺を取り囲んでそれぞれの辺に中性子吸収材充填板23を配設し、中性子吸収材充填板23の外側に第１の９体型スーパセル20と同様の構造を有する第２の９体型スーパセル24を十字状に配設し、各々の第２の９体型スーパセル24の外側辺が対向して形成される四隅空間部25にそれぞれに複数の金属製角管18からなる燃料セル19を埋め込み配設する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 筒状金属製容器内に多数体の金属製角管を配設し、前記多数体の金属製角管の少なくとも一部に複数の金属製角管同士を一体的に固着してなるスーパセルを配設してなり、前記スーパセルの複数の金属製角管のうち、少なくとも一部の金属製角管は中性子吸収材を含むことを特徴とする燃料集合体収納装置。
【請求項２】 前記中性子吸収材を含む金属製角管は中性子吸収材を含有する吸収材金属板が金属製角管の少なくとも一部に装着されたものであることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体収納装置。
【請求項３】 筒状金属製容器内に多数体の金属製角管を配設し、前記多数体の金属製角管の少なくとも一部に複数の金属製角管同士を一体的に固着してなるスーパセルを配設してなり、前記スーパセルは一方の金属製角管と他方の金属製角管との間に平板状中性子吸収材が介在されてなることを特徴とする燃料集合体収納装置。
【請求項４】 前記金属製角管はステンレス鋼製であり、中性子吸収材のボロン含有率が0.7％以下であることを特徴とする請求項３記載の燃料集合体収納装置。
【請求項５】 前記金属製角管は外側の形状がほぼ同じで内側の形状を異にする厚肉金属製角管部と薄肉金属製角管部とからなり、前記厚肉金属製角管部を形成する厚肉ステンレス鋼管には中性子吸収材のボロンを0.7％程度以下で添加してなることを特徴とする請求項１ないし３記載の燃料集合体収納装置。
【請求項６】 前記複数の金属製角管を束ねて組み立てた複数のスーパセルを結合するスーパセル結合部材は前記結合部材部を除くスーパセル横断面幅の外形表面から突出しないように構成したことを特徴とする請求項１ないし３記載の燃料集合体収納装置。
【請求項７】 前記結合部において、前記スーパセル横断面幅の外形表面から突出するものは、前記スーパセルの水平方向の面で異なり、隣接する他のスーパセルの側面に設けられた他の結合部材と軸方向高さを異なるように構成されてなることを特徴とする請求項１ないし３記載の燃料集合体収納装置。
【請求項８】 筒状金属製容器内に中性子吸収材を全く含まないか、または前記中性子吸収材を含んでも強度および加工性上支障のない範囲以内で中性子吸収材を含有する第１の金属製角管と、機械強度上支障のない程度にまで中性子吸収材含有濃度を高めた吸収材金属板を一側面に装着した第２の金属製角管とを配設してなり、前記第２の金属製角管４本を、前記吸収材金属板装着面が向かい合って形成される空間が前記金属製角管の内面とほぼ同じとなるように十字形に配置するとともに、各四隅空間部に前記第１の金属製角管を配置して合計８本の金属製角管を一体的に固着したスーパセルを前記金属製容器内の少なくとも一部に配置してなることを特徴とする燃料集合体収納装置。
【請求項９】 筒状金属製容器内に中性子吸収材を全く含まないか、または前記中性子吸収材を含んでも強度および加工性上支障のない範囲以内で中性子吸収材を含有する第１の金属製角管と、機械強度上支障のない程度にまで中性子吸収材含有濃度を高めた吸収材金属板を一側面に装着した第２の金属製角管とを配設してなり、前記第２の金属製角管１本を８本の第１の金属製角管で取り囲んで固着して強度を確保した９体型スーパセルを前記金属製容器内の少なくとも一部に配置してなることを特徴とする燃料集合体収納装置。
【請求項１０】 燃料集合体を多数収納する収納部の大部分が複数の金属製角管を一体化したスーパセルを組み合わせて構成され、中央部に配置されるスーパセルは、前記燃料集合体を収納した場合のハンドル側から少なくとも全体の長さの２分の１の範囲で中性子吸収材を充填した中性子吸収材充填板で取り囲まれるように配置してなることを特徴とする請求項９記載の燃料集合体収納装置。
【請求項１１】 筒状金属製容器内に燃料集合体を３×３配列で９体収納できる９体型スーパセルを十字形に中央に１体と、その前後左右に４体の計５体を配置し、前記中央の９体型スーパセルと前記前後左右のそれぞれの９体型スーパセルとの間に中性子吸収材を充填した中性子吸収材充填板を配置し、さらに隣接する外周の前記スーパセルで挟まれる空間に金属製角管を配置したことを特徴とする燃料集合体収納装置。
【請求項１２】 前記中性子吸収材充填板は、平板状ステンレス鋼製容器内にボロンカーバイド粉粒を充填して構成されたことを特徴とする請求項10または11記載の燃料集合体収納装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料集合体収納装置に係り、特に多数の使用済燃料集合体を十分な臨界安全性を確保しながら、効率よく収納し得るように構成した燃料集合体収納装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子炉で使用済みとなった使用済燃料集合体は一定期間原子炉施設内で冷却された後、輸送容器（以下、輸送キャスクと記す）に収納されて再処理工場へ運ばれて再処理されるか、または輸送キャスク、輸送兼貯蔵用キャスク等に収納されて中間貯蔵施設へ運ばれ、長期間冷却した後、再処理され、あるいは最終処分される。
【０００３】このような場合、輸送キャスクに多数の使用済燃料集合体（以下、使用済燃料と記す）を収納できることが望ましい。この理由としては、高価なキャスクの使用数を低減したいこと、キャスク数が多いと輸送回数が多くなり、万一の事故の可能性が高くなること、キャスク取扱い回数が多いと放射線被曝量も多くなることなどが容易に理解できる。
【０００４】ところが、一定の大きさのキャスク等の燃料集合体収納装置（以下、収納装置、または燃料容器と記す）により多くの使用済燃料を収納すると、冷却期間が短いうちは除熱や放射線遮蔽問題が特に重要であり、冷却期間が長くなるとそれらの重要性が低下し、むしろ臨界安全性が重要になることが知られている。
【０００５】近年、再処理作業が初期の計画から遅れがちであり、それに伴って使用済燃料の冷却期間も長くなっている。このような場合には、十分な臨界安全性を確保しながら前述のように限られた空間内により多くの使用済燃料を収納できる燃料容器が期待される。
【０００６】そのため、構造材のステンレス鋼（以下、ＳＵＳと記す）にボロン（Ｂ）を添加した材料（Ｂ−ＳＵＳ材と記す）を用いて中性子吸収率を大きくし、臨界安全性（決して臨界にならないことを保証する性能）を確保している。
【０００７】Ｂ−ＳＵＳ中のＢ添加率が0.5〜0.7％程度まではＢを含まないＳＵＳとの機械的性質および加工上の著しい差異はないが、Ｂの添加率は燃料の初期濃縮度の高まりにつれて高くする必要があり、既に0.5％を大きく超えるＢ添加（例えば１％）が要求されるようになってきている。
【０００８】Ｂ添加率を高めるとＢ−ＳＵＳ材は堅くて脆くなり、衝撃的な力に対する強度が不足するようになるとともに、加工も困難になる。ボロン10（Ｂ10）を濃縮した濃縮ボロンを用いると、このような問題は大幅に緩和されるものの、非常に高価な材料となる。
【０００９】このような背景から、低廉で機械的強度が十分確保でき、しかも前述のように十分な臨界安全性を確保しながら前述のように限られた空間内により多くの使用済燃料を収納できる燃料集合体収納装置が要望される。
【００１０】以下、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の燃料集合体を収納装置内に収納する場合を例にして、具体的に説明する。図26（ａ），（ｂ）はＢＷＲの燃料集合体１を概略的に示し斜視図で、図26（ａ）は燃料集合体１の燃料バンドルを示し、図26（ｂ）は燃料集合体１の上部を示している。すなわち、図26（ａ）に示すようにハンドル２と一体化された上部タイプレート３と、下部タイプレート４および格子状に構成された燃料スペーサ５を用いて多数の燃料棒６が束ねられて一体化され、燃料バンドル（簡単にバンドルと呼ぶこともある）７が構成されている。
【００１１】バンドル７は図26（ｂ）に示すようにチャンネルボックス８の内部に収納され、全体として燃料集合体１が構成される。チャンネルボックス８とバンドル７を一体化するためにチャンネルファスナ（簡単にファスナと呼ぶこともある）９が取り付けられており、チャンネルボックス８の上部外面にパッド10が取り付けられている。
【００１２】チャンネルボックス８に取り付けられているパッド10とファスナ９は、原子炉の中で図示しない制御棒の挿脱空間を確保するために使用される。したがって、ファスナ９は２つの機能を持っている。燃料バンドル７の中央部には図27に示したように燃料棒６とともに２本の水棒11が配置されている。図27は燃料セル仕切枠13内に構成される燃料セル12に燃料集合体１を挿入（装荷ともいう）した状態を横断面で拡大して示している。
【００１３】なお、今日の加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の燃料集合体にはチャンネルボックス状のものは装着されていないので、ＰＷＲ燃料集合体では燃料集合体と燃料バンドルは同一である。
【００１４】図27に示したように、燃料セル12はたて方向と横方向の帯板によって碁盤目状に仕切る通常ＳＵＳ製の燃料セル仕切枠13で構成されている。燃料集合体１が水中に置かれている場合には水棒11内には水が満たされ、中性子増倍率が増大される。
【００１５】チャンネルボックス８の外周にはファスナ９およびパッド10が取り付けられているため、比較的大きい空隙14が形成され、燃料集合体１の収納体数の低減の大きな要素となっているとともに、水が侵入した場合には水が中性子減速材となって燃料収納装置の中性子増倍率を増大させる（臨界安全性を低下させる）可能性をはらんでいる。従来の燃料集合体収納装置では必要に応じてＳＵＳ製の燃料セル仕切枠13の中にＢが添加されており、これにより中性子実効増倍率の増大を抑制している。
【００１６】図28は燃料集合体収納装置の使用済燃料を収納する部分すなわち金属容器15の横断面図を示したもので、多数の燃料セル12が燃料セル仕切枠13により格子状に配列されている。現在実用化されているＢＷＲ燃料集合体用金属容器15では52体収納できるが、この図28ではさらに寸法的に許容できる一例として燃料セル12の数を69体分に増加させている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】使用済燃料の効率の良い輸送および中間貯蔵が一段と強く求められるようになっているので、それに応じた燃料集合体収納装置が必要になってきている。図29はさらに燃料セル数を76体に増加させた場合の例として作図した場合である。
【００１８】しかしながら、破線で示す従来の大きさの金属容器15では収納不可能であるため、実線で示すように直径を大きくした拡大金属容器16が必要になる。金属容器の直径が大きくなると、外周を構成する遮蔽体兼落下時衝撃緩衝体が全く使用できなくなるため、実用的でなくなる。このような背景からも燃料集合体の稠密収納が要望される。
【００１９】本発明はかかる要望を満足させるためになされたもので、その目的とするところは、燃料集合体を収納する金属製角管、代表的にはステンレス鋼に中性子吸収材であるボロン（Ｂ）を添加したＢ−ＳＵＳ管の使用数、またはＢの添加率を低く抑えることによって構造材のコスト低減ができ、Ｂを低廉な状態で効果的に中性子吸収に活用でき、しかも高い密度で使用済燃料や新燃料を収納できる燃料集合体収納装置、特に燃料集合体を直接収納する金属製容器（バスケット）を提供することにある。ここで、燃料集合体収納装置は燃料輸送容器、輸送兼貯蔵容器を対象とするが、これらの容器の外周部を構成する放射線遮蔽体は対象としていない。
【００２０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、筒状金属製容器内に多数体の金属製角管を配設し、前記多数体の金属製角管の少なくとも一部に複数の金属製角管同士を一体的に固着してなるスーパセルを配設してなり、前記スーパセルの複数の金属製角管のうち、少なくとも一部の金属製角管は中性子吸収材を含むことを特徴とする。
【００２１】本発明によれば、中性子吸収材を含まない金属製角管が全体的に一体的に結合されることによって主に強度を分担し、中性子吸収材を含む金属製角管が中性子増倍率の抑制作用を分担するので、製造性、強度および未臨界性を同時に達成することができる。これらの特性は、燃料集合体を稠密に収納できる特に重要な要件となる。
【００２２】請求項２の発明は、前記中性子吸収材を含む金属製角管は中性子吸収材を含有する吸収材金属板が金属製角管の少なくとも一部に装着されたものであることを特徴とする。
【００２３】本発明によれば、燃料集合体を収納する中性子吸収材を含まない金属製角管と中性子吸収材を含有する吸収材金属板を装着した第２の金属製角管とを一体的に固着することにより、強度を向上させるとともに、吸収材金属板に力をかけることがない構成にできる。
【００２４】請求項３の発明は、筒状金属製容器内に多数体の金属製角管を配設し、前記多数体の金属製角管の少なくとも一部に複数の金属製角管同士を一体的に固着してなるスーパセルを配設してなり、前記スーパセルは一方の金属製角管と他方の金属製角管との間に平板状中性子吸収材が介在されてなることを特徴とする。本発明によれば、請求項２の発明と同様の作用，効果が得られる。
【００２５】請求項４の発明は、前記金属製角管はステンレス鋼製であり、中性子吸収材のボロン含有率が0.7％以下であることを特徴とする。本発明によれば、ボロン含有率が0.7％程度以下のステンレス鋼は、従来技術による製造，加工が容易であり、強度および脆性に問題ない。収納する燃料集合体の核分裂性物質の量によってはこの含有率を低減させても良い。
【００２６】請求項５の発明は、前記金属製角管は外側の形状がほぼ同じで内側の形状を異にする厚肉金属製角管部と薄肉金属製角管部とからなり、前記厚肉金属製角管部を形成する厚肉ステンレス鋼管には中性子吸収材のボロンを0.7％程度以下で添加してなることを特徴とする。
【００２７】本発明によれば、十分な加工性と強度を確保できる濃度の範囲でステンレス鋼に中性子吸収材のボロンを添加し、厚さを増すことによってボロンの添加の絶対量を確保したので、製造性、強度および未臨界性を同時に達成することができる。これらの特性は、燃料集合体を稠密に収納できる特に重要な要件となる。
【００２８】請求項６の発明は、前記複数の金属製角管を束ねて組み立てた複数のスーパセルを結合するスーパセル結合部材は前記結合部材部を除くスーパセル横断面幅の外形表面から突出しないように構成したことを特徴とする。
【００２９】本発明によれば、スーパセル結合部材が金属製容器（バスケット）の横断面を占める面積を最小限に限定できるので、金属製容器へ収納できる燃料集合体の数の減少を最低限に抑制することができる。
【００３０】請求項７の発明は、前記結合部において、前記スーパセル横断面幅の外形表面から突出するものは、前記スーパセルの水平方向の面で異なり、隣接する他のスーパセルの側面に設けられた他の結合部材と軸方向高さを異なるように構成されてなることを特徴とする。
【００３１】本発明によれば、スーパセルの強度をさらに高めることを要求された場合に、角管結合部材をスーパセルを取り囲むように配置するが、その際スーパセルの側面によって角管結合部材の取り付け軸方向高さを異ならせ、金属製容器（バスケット）の横断面を占める面積を最小限に限定するので、金属製容器へ収納できる燃料集合体の数の減少を最低限に抑制することができる。
【００３２】請求項８の発明は、筒状金属製容器内に中性子吸収材を全く含まないか、または前記中性子吸収材を含んでも強度および加工性上支障のない範囲以内で中性子吸収材を含有する第１の金属製角管と、機械強度上支障のない程度にまで中性子吸収材含有濃度を高めた吸収材金属板を一側面に装着した第２の金属製角管とを配設してなり、前記第２の金属製角管４本を、前記吸収材金属板装着面が向かい合って形成される空間が前記金属製角管の内面とほぼ同じとなるように十字形に配置するとともに、各四隅空間部に前記第１の金属製角管を配置して合計８本の金属製角管を一体的に固着したスーパセルを前記金属製容器内の少なくとも一部に配置してなることを特徴とする。
【００３３】本発明によれば、中性子吸収材を含まないかまたは微量添加した加工性が良く強度が十分な金属製角管８本のうち、４本それぞれの一側面に中性子吸収材を多く含む吸収材金属板を溶接などで固着して中央に吸収材金属板で取り囲まれた１体の燃料集合体を配置する構成としている。したがって、一体的に固着された８本全ての金属製角管が十分な強度を確保し、中性子吸収材を多く含む吸収材金属板は、複雑な加工の必要がなく、また機械的強度も要求されないので、中性子増倍率の抑制専門に使用される。
【００３４】すなわち、本発明によれば、機械的強度と臨界安全性確保を機能分離して両立できる。中性子増倍率の抑制効果は後述する請求項10記載のものと相俟って著しく向上させることができる。
【００３５】請求項９の発明は、筒状金属製容器内に中性子吸収材を全く含まないか、または前記中性子吸収材を含んでも強度および加工性上支障のない範囲以内で中性子吸収材を含有する第１の金属製角管と、機械強度上支障のない程度にまで中性子吸収材含有濃度を高めた吸収材金属板を一側面に装着した第２の金属製角管とを配設してなり、前記第２の金属製角管１本を８本の第１の金属製角管で取り囲んで固着して強度を確保した９体型スーパセルを前記金属製容器内の少なくとも一部に配置してなることを特徴とする。
【００３６】本発明によれば、請求項８の場合と同様に、中央１本で中性子増倍率を抑制し、外周の８本の金属製角管で強度確保が図られる。中性子増倍率の抑制効果は以下に説明する請求項10記載のものと相俟って著しく向上させることができる。
【００３７】請求項10の発明は、燃料集合体を多数収納する収納部の大部分が複数の金属製角管を一体化したスーパセルを組み合わせて構成され、中央部に配置されるスーパセルは、前記燃料集合体を収納した場合のハンドル側から少なくとも全体の長さの２分の１の範囲で中性子吸収材を充填した中性子吸収材充填板で取り囲まれるように配置してなることを特徴とする。
【００３８】本発明によれば、燃料集合体軸方向長さのうち少なくとも核分裂性物質の濃度が高い部分には上記の如く中性子吸収板が配置され、請求項８あるいは９の作用と相俟って中性子増倍率の抑制効果を著しく向上させることができる。
【００３９】請求項11の発明は、筒状金属製容器内に燃料集合体を３×３配列で９体収納できる９体型スーパセルを十字形に中央に１体と、その前後左右に４体の計５体を配置し、前記中央の９体型スーパセルと前記前後左右のそれぞれの９体型スーパセルとの間に中性子吸収材を充填した中性子吸収材充填板を配置し、さらに隣接する外周の前記スーパセルで挟まれる空間に金属製角管を配置したことを特徴とする。本発明によれば、５体のスーパセルのみでなく、さらに燃料集合体を収納する金属製角管を多数配置するので、より多数の燃料集合体を収納できる。
【００４０】請求項12の発明は、前記中性子吸収材充填板は、平板状ステンレス鋼製容器内にボロンカーバイド粉粒を充填して構成されたことを特徴とする。本発明によれば、構造および製造が簡単で、中性子吸収材であるボロンカーバイド粉粒を大量に充填できる中性子吸収板を製作することができる。
【００４１】また、金属製角管の横断面が、燃料集合体外周を構成するチャンネルボックスを取り外して初めて収納できる寸法に限定することにより、チャンネルボックスがないので、燃料集合体の収納数を著しく増大できる。
【００４２】さらに、燃料集合体を収納する金属製角管の高さが、燃料集合体外周部を構成するチャンネルボックスを固定するファスナと干渉しない高さに限定することにより、ファスナの横断面が占める分の空間を節約できる。
【００４３】また、中性子吸収材を含有した、または装着した燃料集合体を収納する金属製角管が、ハンドル側から少なくとも全体の長さの２分の１の範囲で中性子吸収材を含有した、または装着したことにより、燃料集合体収納装置の中性子増倍率を効果的に抑制することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】図１から図４により本発明に係る燃料集合体収納装置の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態に係る燃料集合体収納装置を一部横断面で示す平面図、図２は図１における９体型スーパセルを拡大して示す平面図、図３は図１における金属製角管内に形成される燃料セルに燃料集合体を挿入した状態を上部のみ示す斜視図、図４は図３における金属製角管とその燃料セルに挿入された燃料集合体を拡大して示す横断面図である。
【００４５】図１において、符号17はほぼ円筒状で長尺の金属製容器であり、この金属製容器17内に長手方向に沿って69体の燃料集合体を収納する69本の金属製角管18がほぼ市松模様状に配置されて69個の燃料セル19が配設される。
【００４６】69個の燃料セル19のうち、中央部に太線枠で示した金属製角管18を３行３列配設して形成した９個の燃料セル19を第１の９体型スーパセル20と称する。この第１の９体型スーパセル20は図２に拡大して平面で示したように各燃料セルａ〜ｈ，ｋの金属製角管18が溶接21されて一体化され、各角部に結合部材22が溶接21されて取り付けられたものから構成されている。
【００４７】第１の９体型スーパセル20の４辺の外側には中性子吸収材充填板23が配設されている。この中性子吸収材充填板23は、ステンレス鋼などの一対の金属薄板内にボロンカーバイド（Ｂ4Ｃ）などの中性子吸収材を充填して一体化したものである。
【００４８】中性子吸収材充填板23の外側には第１の９体型スーパセル20と同様の構造を有する第２の９体型スーパセル24が配設されて、第１の９体型スーパセル20を中央にし、中性子吸収材充填板23を挟んでほぼ十字状の９体型スーパセルが５組配置された状態となっている。各々の第２の９体型スーパセル24の側面が向き合って形成される四隅空間部25には金属製角管18それぞれ６本が配設されて燃料セル19が構成される。この６本の燃料セルのうち、角部に近い点線で囲んだ４本の燃料セルは前記９体型スーパセルとほぼ同様に金属製角管18を２行２列組み合わせ溶接して一体化し４体型スーパセルを構成する。この４体型スーパセルを配設することにより、強度を確保することができる。
【００４９】本実施の形態によれば、円筒状金属製容器17内に69本の金属製角管18により69本の燃料セル19を有する燃料集合体収納装置を構成するにあたり、金属製容器17の中央部に第１の９体型スーパセル20を配設し、この第１の９体型スーパセル20の４辺の外側に中性子吸収材充填板23を配設し、この中性子吸収材充填板23の外側にほぼ十字状に第２の９体型スーパセル24を配設し、各々の第２の９体型スーパセルの側面間で形成される四隅空間部25にそれぞれ９本の金属製角管18を配設して６個の燃料セル19を設けたことにある。
【００５０】したがって、第１の９体型スーパセル20は中性子増倍率を抑制し、中性子吸収材充填板23による中性子吸収効果との相乗効果によって金属製容器17の中性子増倍率を大幅に減少させることができる。
【００５１】なお、第１の９体型スーパセル20は図２に示したようにａ〜ｈに示す上下両側の燃料セルと中央部の燃料セルｋとからなっており、中央部の燃料セルｋは中性子吸収材が添加された吸収材添加金属製角管26からなっている。また、燃料セルａ，ｃ，ｅ，ｇの角部にはそれぞれ結合部材22が溶接21されており、この四隅の結合部材22は、結合部材22部を除くスーパセル横断面幅ｗ１の外形表面から突出しないような幅ｗ２（この例では等しくなるよう）に固着されている。
【００５２】図１に示した４組の第２の９体型スーパセル24において×印を付した中央部の燃料セルは第１の９体型スーパセル20と同様に吸収材添加金属製角管26により構成されている。
【００５３】図３は図１における１本の金属製角管18内、つまり燃料セル19内にチャンネルボックス８を装着した状態の燃料集合体１を挿入、つまり装荷して上部のみ示す例の斜視図である。図３に示したように、チャンネルファスナ９とパッド10が金属製角管18の上部と干渉しないように金属製角管18を短尺化することができる。また、金属製角管18に切り込みを設けて燃料集合体１を挿入し易くすることもできる。
【００５４】図４に示すように金属製角管18とチャンネルボックス８を上方（軸と直角方向）から見ると（ただしハンドル部を除く）、チャンネルファスナ９とパッド10は金属製角管18の肉の部分と二点鎖線で示すように重なって見える。したがって、ファスナ９とパッド10による金属製角管18の横断面方向の図27に示した無駄な空隙14を削除することができる。
【００５５】また、ファスナ９の方がパッド10より無駄な空間を大きく占めるため、ファスナ９を逃げる構成とするだけでも効果がある。これを実現する手段として、例えば、金属製角管18に燃料集合体１を装荷する前に、炉心装荷時に制御棒挿入空間確保のために機能するチャンネルボックス８の外部に張り出したスプリングのないボルト（短に燃料バンドルとチャンネルボックス８を固定するためだけの機能を有する燃料バンドル上部から締め付けるボルト）と交換する手段を採ることもできる。
【００５６】つぎに図５により本発明の第２の実施の形態を説明する。図５は図３に対応するものであり、図５中、図３と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。すなわち、本実施の形態は金属製角管18の一側面に中性子吸収材添加率の高い吸収材金属板27を溶接などにより固着したことにある。
【００５７】本実施の形態によれば、吸収材金属板27の成形加工は容易ではないので、平板状のものを金属製角管18に単に溶接して固着するので、溶接部近傍で若干の吸収材移動があっても吸収特性に問題を生じることはなく、また外力に対応する強度も必要とせず、製作が容易となる効果がある。
【００５８】図６は図５における他の例を示している。すなわち、この例では金属製角管18に窓28を明け、この窓28に吸収材金属板27を嵌め込んで溶接などで固着した構成となっている。この構成の例では図２に示した燃料セルｋ用の吸収材添加金属製角管26として使用することができる。
【００５９】つぎに図７により本発明の第３の実施の形態を説明する。図７は図２に対応しており、図２と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。各々の金属製角管18のコーナ部等に黒く塗りつぶした部分は溶接21による固着部である。燃料セルｂ，ｄ，ｇ，ｈの金属製角管18は図５に示した吸収材金属板27を固着した角管であり、燃料セルａ〜ｇの金属製角管18の溶接固着はすべてのコーナで溶接21することができる。
【００６０】燃料セルａ〜ｇの金属製角管18を溶接21により組み立てた後、最後に燃料セルｈの金属製角管18を二点鎖線で示す所定の位置（ｈ）に挿入して金属製角管18の外側コーナを溶接する。細長く狭い空間を溶接する溶接機が開発されており、このような溶接機を使用することにより内側コーナも溶接することができる。
【００６１】本実施の形態によれば、燃料セルｈの金属製角管18には一側面に吸収材金属板27が設けられ二点鎖線で示す位置に吸収材金属板27を配設することにより、中央部の燃料セルｋの内面四方に吸収材金属板27を配設した構成にでき、燃料セルｋの金属製角管を省略することができる。
【００６２】図８は第１の実施の形態を全体的な機械的強度確保の面から説明するための平面図である。すなわち、図８中、金属製容器17内に太線で記した部分が特に強度保持を意図する部分であって、５体の９体型スーパセル20，24はそれぞれ外周が特に強度確保に寄与するように配設される。
【００６３】そして、これら９体型スーパセル20，24は相互に図２，図７で示した結合部材22で固着され、外周の金属製容器17に固着されている。四隅空間部25内に太線で示すように燃料セルを４個分まとめて４体型スーパセル状に構成された部分も強度保持に寄与するように配設される。
【００６４】なお、図２や図７に示すように結合部材22の取り付けがｗ２＝ｗ１でなくｗ２がｗ１より大きくなる場合がある。例えばさらに強度を向上させる場合である。そのような場合には、金属製容器17をさし渡すように結合部材22をスーパセル側面に固着する構成となる。その際、直交する結合部材22の取り付け軸方向位置（高さ）を変えることで水平方向の空間的干渉に伴う空間の無駄を節約することができる。
【００６５】つぎに図９により本発明の第４の実施の形態を説明する。図９は本発明の第４の実施の形態を説明するための展開図で、図１におけるIX−IX方向に沿って中心線から左側を縦断面で、右側を側面で示している。なお、下部も基本的に図１と同様であるが、燃料集合体を挿入する側と受ける側で構造的に異なるのは当然である。
【００６６】チャンネルボックスを装着した状態で使用済燃料集合体を収納する場合には、照射に伴い曲りが若干生じることを想定し、曲りを逃げるために上端部と下端部を除いて、途中は金属製角管18の内側断面積を広めに取ることが望ましい。
【００６７】そこで、本実施の形態では金属製角管18の上部を厚肉部18ａに、下部を薄肉部18ｂにより形成することにある。結合部材22は軸方向に断続的に固着されている。断続的ではなく全体を一体の結合部材22で結合しても良く、断続的の場合は強度を高める必要がある部分で密に配置するよう構成しても良い。吸収材充填板23は、結合部材22を用いてスーパセル相互間に間隙を設け、その間隙に挿入されている。必要に応じて簡単に溶接などで固着しても良いが、強度メンバとしては期待されていない。
【００６８】図10から図20は第１の実施の形態において適用する各種のスーパセル構成を概念的に平面図で示した実施例である。これらの実施例の詳細な説明は図２や図７と同様の構成であるので説明を省略する。
【００６９】図10の実施例は中性子吸収材非添加の第１の金属製角管18と中性子吸収材添加の第２の金属製角管26を１本ずつ対にして固着して構成した２体型スーパセル29である。図11の実施例は２本ずつを対角に組み合わせて構成した４体型スーパセル30である。
【００７０】図12の実施例と図13の実施例は第１の金属製角管18と第２の金属製角管26を交互に組み合わせて９体に燃料集合体を収納できるように構成した第３と第４の９体型スーパセル31，32の例である。なお、図12と図13を組み合わせて千鳥状に第１の金属製角管18と第２の金属製角管26を並べることができる。
【００７１】図14から図16の実施例も９体型スーパセルの実施例であるが、図14の実施例では３列に配設した金属製角管18，18の上下間に長尺平板状中性子吸収板34を全長にわたって挿着した例であり、図15の実施例では長尺平板状中性子吸収板34を２本の金属製角管18の間だけにわたって挟み込んだ例を示している。
【００７２】図16の実施例は厚肉角管37と薄肉角管38を交互に配置し、両者の間に薄肉中性子吸収板39と厚肉中性子吸収板40を配置して一体的に固着して、９体型スーパセルを構成した例である。中性子吸収板39と40は中央の角管を囲む厚肉のものとそれ以外の薄肉のものとがある。
【００７３】この構成によれば、図２や図７の実施例と共通して中央部で吸収能力が高く、中央のスーパセルでは図１のように吸収材充填板を配置する場合に特に有効である。つまり、中央と外周部とで効果的に中性子増倍率を抑制できる。
【００７４】図17から図20までは16体型スーパセルの実施例で、図17は金属製角管18を16体４行４列に配列した第１の16体型スーパセル41を示したもので、４列に配設した金属製角管18の上下間に２枚の長尺平板状中性子吸収板34を挟み込んだ例である。図18は図14と図17の実施例の考え方を適用した第２の16体型スーパセル42を示したもので、横方向上中下間に４列に配設した金属製角管18に長尺平板状中性子吸収板34をそれぞれ挟み込んだ例である。
【００７５】図19は４×４本の16体型スーパセルにおいて、４本の金属製角管18に挟まれた間隙に十字状に中性子吸収板34を配置したセットを、４セット集合させて一体化した第３の16体型スーパセル43の例である。図20は図12，13における例を４×４本の第４の16体型スーパセル44に拡張した例である。
【００７６】図21から図25は金属製容器17内に各種のスーパセルを配置してなる第２から第６の燃料集合体収納装置45〜49を第５から第９の実施の形態としてまとめて示したものである。
【００７７】図21は本発明の第５の実施の形態で第２の燃料集合体収納装置45を一部横断面で示す平面図で、合計52個の燃料セル19内に合計52体の燃料集合体がそれぞれ収納できる第２の燃料集合体収納装置42である。
【００７８】本実施の形態では図11に示した４体型スーパセル30が図１の場合と同様に５体配置されているが、スーパセルあたり２本の吸収材添加の金属製角管が使用されているため、中性子増倍率抑制効果は図２や図７の場合と比べて大きい。また、金属製容器17の内部ほど中性子増倍率抑制効果が大きいため、最外周を除くように外側のスーパセルが配置されている。
【００７９】つぎに図22により本発明に係る第６の実施の形態を説明する。図22に示す第３の燃料集合体収納装置46は図１に示した第１の実施の形態と同じく69体の燃料集合体を収納でき、９体型スーパセルを同様に５体配置している点においても同じ燃料集合体収納装置であるが、金属製容器17内の中央部には図12に示した第３の９体型スーパセル31を配置し、この第３の９体型スーパセル31の周囲に第２の９体型スーパセル24を配置している。
【００８０】中央のスーパセル31に×印で示す５本の吸収材添加の金属製角管を使用するため、中性子増倍率抑制効果は図２や図７の場合と比べて大幅に大きく、また金属製容器17の内部ほど中性子増倍率抑制効果が大きい。
【００８１】そのため、外側のスーパセル24では吸収材添加の金属製角管を中央部に偏心させ、中央のスーパセル31における吸収材非添加角管と隣接するように、そして最外周とその次の層を除くように配置されている。
【００８２】４体型スーパセル30にも×印で示す１本の吸収材添加角管を中央部に偏心させ配置している。このような背景から図１で用いられている吸収材充填板は使用されていない。
【００８３】つぎに図23により本発明に係る第７の実施の形態を説明する。図23に示す第４の燃料集合体収納装置47は図１の実施例と同じく69体の燃料集合体を収納でき、９体型スーパセル31を金属製容器17の中央に配置している点、および吸収材充填板23を上下左右４ヶ所に配置している点においても同じ燃料集合体収納装置である。
【００８４】中央のスーパセル31に×印で示す５本の吸収材添加角管が使用されているため、中性子増倍率抑制効果は図２や図７の場合と比べて大幅に大きく、したがって吸収材充填板23を図１の場合より１層分だけ外周にシフトし、中性子増倍率抑制効果を最大にするように最適化されている。
【００８５】つぎに図24により本発明に係る第８の実施の形態を説明する。本実施の形態は図24に示したように金属製容器17内に金属製角管18を76本配置し、76体の燃料集合体を収納するための第５の燃料集合体収納装置48であって、中央に４×４配列の16体型スーパセル41が配置されている。
【００８６】16体型スーパセル41には×印で示す８本の吸収材添加角管が組み込まれているため、中性子増倍率抑制効果は大きく、また金属製容器17の内部ほど中性子増倍率抑制効果が大きいため、外側では吸収材添加角管を中央部に偏心させ、中央のスーパセルにおける吸収材非添加角管と隣接するように、そして最外周とその次の層を除くように配置されている。このような背景から図１で用いられている中性子吸収材充填板23は使用されていない。
【００８７】つぎに図25により本発明に係る第９の実施の形態を説明する。本実施の形態は図25に示したように金属製容器17内に金属製角管18を76本配置し、76体の燃料集合体を収納する燃料集合体収納装置49であって、図11に示す４体型スーパセル30を金属製容器17の中央部に図21の場合と同様に配置している。
【００８８】図11の場合と異なり、スーパセル外周部にも多数の燃料集合体が配置される76体収納の場合には、中央部の吸収材添加角管合計10本だけでは中性子増倍率を十分抑制することができないため、吸収材充填板23が各四隅ごとにスーパセル30から１層分だけ離れてＬ字状に配置され、中性子増倍効果を効果的に抑制するよう最適化されている。
【００８９】以上、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の燃料集合体を効果的に収納する燃料集合体収納装置について説明したが、同様な構成は当然加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の燃料集合体を効果的に収納する燃料集合体収納装置についても適用できるものが多い。ただし多くの場合、加圧水型原子炉の燃料集合体を収納する場合の方が中性子増倍効果を抑制することが困難になるため、より多くの中性子吸収材を添加した金属製角管や吸収材充填板を採用する必要がある。
【００９０】
【発明の効果】本発明によれば、金属製容器内に燃料集合体を収納する金属製角管が多数配設され、中性子吸収材を含有しない第１の金属製角管と中性子吸収材を含有する第２の金属製角管、または吸収材金属板を装着した第２の金属製角管、あるいは中性子吸収材含有率を大幅に増大させた金属板とを一体的に固着して強度を向上させてスーパセルを構成している。
【００９１】上記構成のスーパセルを金属製容器内部の少なくとも一部に配置し、必要に応じて中性子吸収材充填板を併用することにより、中性子吸収材を添加した金属板の複雑な加工や機械的強度の自己保持が必要でなく、しかも十分な機械的強度が得られる。
【００９２】また、中性子吸収材の好適な配置と中性子吸収材充填板による中性子吸収材の大量の装荷が容易に得られ、中性子増倍効果を容易かつ十分に抑制することができ、低廉で１装置あたり大量の燃料集合体を安全に収納することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
【出願日】 平成１２年７月２６日（２０００．７．２６）
【代理人】 【識別番号】１０００８７３３２
【弁理士】
【氏名又は名称】猪股 祥晃 （外１名）
【公開番号】 特開２００２−４０１９２（Ｐ２００２−４０１９２Ａ）
【公開日】 平成１４年２月６日（２００２．２．６）
【出願番号】 特願２０００−２２５４２８（Ｐ２０００−２２５４２８）