JP2000009870A - 原子炉の燃料集合体及び炉心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＯＸ燃料の製造コストを抑えつつプルトニ
ウム装荷量を増大し、安定性、運転融通性、運転特性に
優れた燃料集合体を得る。 【解決手段】 プルトニウムを含まないウラン燃料棒U1
及びガドリニア入りウラン燃料棒G1と、ＭＯＸ燃料棒P
1，P2，P3，PVとウォータロッドＷとから構成される燃
料集合体で、チャンネルボックスに隣接しないウォータ
ロッドＷの隣接位置の少なくとも一部にU1またはG1を配
置する。このU1，G1は天然ウラン等のウラン235 濃縮度
が約 1.2％以下の低濃度ウランからなる。また燃料集合
体の隅部位置にG1を配置し、このG1及びチャンネルボッ
クス２に隣接する位置にG1またはU1を配置する。またG1
は軸方向にウラン濃縮度が異なる複数の領域を備えてな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉の燃料集合
体および炉心に係わり、特にプルトニウムを富化した燃
料棒よりなる燃料集合体および炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、原子炉の核燃料サイクルにおい
て、使用済燃料を再処理し使用済燃料中に含まれるプル
トニウムを回収し、ＢＷＲに装荷して使用するプルサー
マルが進められており、燃料の経済性の向上が図られて
いる。以下、従来のＢＷＲのウラン燃料からなる燃料集
合体に、ウラン酸化物を母材としてプルトニウム酸化物
を混入した混合酸化物（ＭＯＸ）からなるペレットを封
入してなるいわゆるＭＯＸ燃料を使用した一般的な場合
について説明する。

【０００３】図４は従来のＢＷＲの燃料集合体の縦断面
図である。燃料集合体は、図示しない多数の燃料ペレッ
トを封入した複数の燃料棒１と、この燃料棒１を内部に
格子状に配列する四角筒状のチャンネルボックス２と、
このチャンネルボックス２の上部にあって把手を有する
上部タイプレート３と、前記チャンネルボックス２の下
部にあって燃料全体の台座となる下部タイプレート４よ
り構成されている。そして前記燃料棒束の軸方向数箇所
に燃料棒１やチャンネルボックス２などの間隙を維持す
るためのスペーサ５が設けられている。

【０００４】この燃料棒１の一部にＭＯＸを用いたＭＯ
Ｘ燃料集合体についてその従来の燃料棒配置について、
以下説明する。図５は従来のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒
配置の一例を示す横断面図であり、特開平３−１２８４
８２号公報の第６図を引用したものである。図において
符号Ｐ１〜Ｐ６はプルトニウムを含む燃料棒であり、添
字番号が大きいほどプルトニウム富化度が低くなってい
る。符号Ｇはプルトニウムを含まず、濃縮度４．９％の
ウラン燃料棒に可燃性毒物としてガドリニアを混入した
燃料棒を示している。

【０００５】この図に示す場合に代表されるように、近
年主流として用いられつつあるＭＯＸ燃料集合体は、可
燃性毒物を含まないＭＯＸ燃料棒と、可燃性毒物が添加
されたウラン燃料棒の２種類の燃料棒のみから構成され
ている。その理由は、主に次の３点である。

【０００６】（１） ＭＯＸと、ガドリニアに代表され
る可燃性毒物との混合物の照射データが少なく、特性が
十分に把握されていない。 （２） プルトニウム酸化物やガドリニアはともにウラ
ン酸化物に比べて熱伝導度が低いため、こうした物質の
組み合わせは可能な限り回避したい。 （３） プルトニウムは人体に対する毒性が極めて高
く、また核物質防護措置も厳しいため、燃料集合体一体
あたりの製造コスト、輸送コストが非常に高い。

【０００７】従って、図５に示すように、ガドリニアを
混入する燃料棒以外は全てＭＯＸ燃料棒とし、燃料集合
体一体に装荷するプルトニウム装荷量をなるべく大きく
して単位プルトニウム量当たりのコストを低減する必要
がある。

【０００８】図６は従来のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配
置の別の一例を示す横断面図であり、前述の特開平３−
１２８４８２号の第１図から引用したものである。図５
と同様、符号Ｐ１〜Ｐ３はプルトニウムを含む燃料棒で
あり、符号Ｇは、プルトニウムを含まず、濃縮度４．５
％のウラン燃料棒に可燃性毒物としてガドリニアを混入
した燃料棒を示している。また、符号Ｕ１〜Ｕ３は濃縮
度２．０〜３．５％のウラン燃料棒を示しており、燃料
集合体の隅部及びその周辺に配置されている。

【０００９】この場合において、可燃性毒物を含まない
ＭＯＸ燃料棒と可燃性毒物が添加されたウラン燃料棒以
外に、可燃性毒物を含まないウラン燃料棒を用いている
のは、以下の理由による。

【００１０】（４） 燃料集合体の４つの隅部及びその
周辺では一般に燃料棒の出力が大きくなるため、この部
位における燃料棒についてはプルトニウム富化度を低く
設定するのが一般的である。ところが、ＭＯＸペレット
はウランペレットに比べて成形加工費が高いため、プル
トニウム富化度の低いペレットを製造するのは経済的に
非効率的である。 （５） 製造ラインにおいてペレットのプルトニウム富
化度を変更する際はラインのクリーニングが必要である
が、そのコストが非常に高いため、富化度種類数を最小
限に抑えることで製造に要する費用や時間をできるだけ
抑えたいという要望がある。

【００１１】このように、ＭＯＸ燃料を使用した燃料集
合体の設計にあたっては、燃料特性以外に、コスト等に
関する要求が考慮されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上のようなＭＯＸ燃
料集合体の設計思想は、従来のウラン燃料集合体の設計
思想の延長上にあるといえる。すなわち、ウラン燃料に
おける各燃料棒のうち、Ｇｄを含んでいるものや濃縮度
が特に低いものなどは、ＭＯＸ燃料棒として不適あるい
は不経済であるため、このような燃料棒を除外して、残
りのウラン燃料棒を相当する富化度のＭＯＸ燃料棒に置
き換えた設計を行っている。

【００１３】このような考え方は実績のあるウラン燃料
設計に基づいているだけに設計としては穏当であるが、
前述したＭＯＸ燃料の特殊事情に照らして考えると必ず
しも最適な選択とは言えない。

【００１４】すなわち、燃料集合体全体としてＰｕを多
量に装荷し、かつＭＯＸ燃料棒の本数を少なくすること
が、費用対効果の面から望ましい設計であるといえる。
例えば上記従来の技術において（３）、（４）に述べた
ように、ＭＯＸ燃料集合体は輸送・製造コストが高いと
いう点を考慮すれば、ＭＯＸペレットの富化度をなるべ
く高くすると同時に、１体の燃料に装荷するプルトニウ
ム量をなるべく大きくすることが望ましい。コストの面
のみからみれば、燃料内の核分裂性物質の大部分をプル
トニウムとすることが理想的である。

【００１５】ところが、上記従来の技術で図面を参照し
て述べた設計例を見ると、いずれの場合も、可燃性毒物
を含む燃料棒には濃縮度が４％以上の濃縮ウランを用
い、また可燃性毒物を含まないウランのみの燃料棒には
濃縮度が２．０〜３．５％の濃縮ウランを用いている。
こうした構成では、これらの燃料の反応度の相当量の部
分をウラン燃料棒が担っており、その分、理想的な設計
に比べてプルトニウム装荷量は減少していることは明ら
かである。

【００１６】このことは言い換えれば、ウラン燃料棒
に、ＭＯＸ燃料集合体並みの高い製造コスト、輸送コス
トをかけていることになり、その観点から経済性を著し
く損なった設計になっていたとみることができる。

【００１７】こうした観点からみて、図５や図６に示し
た場合に比べてより望ましい設計の一例を紹介する。図
７は従来のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配置の別の一例を
示す横断面図であり、特公平５−８３９８号公報の第７
図から引用したものである。図７において符号Ｐ１〜Ｐ
３はプルトニウムを含む燃料棒であり、添字番号が大き
いほどプルトニウム富化度が低くなっている。符号Ｇ
は、プルトニウムを含まず、天然ウランからなるウラン
燃料棒に可燃性毒物としてガドリニアを混入した燃料棒
を示している。

【００１８】この構成においては、62本の燃料棒からな
る燃料集合体におけるウラン燃料棒は、可燃性毒物を含
む符号Ｇで示された４本のみである。これらの燃料棒Ｇ
は熱中性子束の大きい燃料集合体の隅部に配置されてお
り、中性子吸収量が多いため、図５や図６に示した設計
例に比べてウラン燃料棒の本数を少なくすることが可能
となった。さらに、これらの燃料棒Ｇには、天然ウラン
を用いているので、濃縮ウランを使用した図５や図６の
場合と比較して、燃料集合体内のウラン燃料棒に含まれ
るウラン２３５の量は非常に少なくなっている。したが
って、図７に示した設計により、この燃料の設計条件下
においてプルトニウムの装荷量はほぼ最大化されている
といえる。

【００１９】しかしながらこの場合では、燃料集合体の
４隅部にガドリニア入り燃料棒を配置しているために、
燃焼初期においては、４隅部以外に配置されたプルトニ
ウムを富化した燃料棒への熱中性子の供給は少なくなっ
ている。すると、燃料集合体内の減速材による中性子減
速の割合が相対的に高くなるため、沸騰状態の変化が反
応度に与える影響が大きくなる。このようなボイド率変
化に対する反応度変化の比はボイド係数と呼ばれ、その
絶対値が大きくなると、原子炉内で過渡的な変化が起き
た時の炉心出力変化が大きくなるために、燃料の健全性
に悪影響を及ぼすことになる。またこのとき、安定性が
悪化することも知られている。

【００２０】また、この図７の設計では、ＭＯＸ燃料棒
およびウラン燃料棒における濃縮度が全て軸方向に一様
であり、運転条件によっては、ボイド率が低い燃料集合
体下部に過度の出力ピーキングが発生する可能性があ
る。その観点からは、ウラン燃料棒には、天然ウランに
代えて、軸方向の濃縮度分布を設定できる範囲でなるべ
く濃縮度の低い濃縮ウランを用いた方が良い場合もあ
る。

【００２１】さらに、こうしたＭＯＸ燃料の設計にあた
っては、炉心運転の観点からも考慮すべき課題がある。
すなわち、従来発電用原子力プラントは電力供給源とし
てベースロードに使われることが多く運転期間が比較的
一定しているが、近年は様々な理由により、サイクル毎
に運転期間の変動が大きくなりつつある。従って、運転
期間が長いサイクルではそれだけ定検時に新燃料を多く
装荷し、炉心への可燃性毒物の持ち込み量を増加させる
必要があり、一般にはサイクル初期の炉心反応度が不足
する傾向にある。また、運転期間が短いサイクルでは逆
の事態が発生し、サイクル初期の炉心反応度が高過ぎる
ことになる。よって、何れの場合においてもサイクル初
期の炉心反応度の変動を小さくすることが求められる。

【００２２】この対策の一つとして、ウラン燃料の場合
には、可燃性毒物の混入量や濃縮度の異なる２種類の燃
料を用いてその装荷割合を変更することにより、反応度
調整を行っている。ＭＯＸ燃料についても同様の手法を
用いることが望ましい。 しかし、ＭＯＸ燃料棒の製造
にあたっては再処理工程を含めて長期的な計画を立てる
必要があり、それだけ製造に要する時間が長く、原子炉
運転の直前の運転計画変更に対して設計変更が間に合わ
ないという特殊な事情がある。したがって、ＭＯＸ燃料
に前述の反応度調整を行う場合は、燃料集合体内のウラ
ン燃料棒を設計変更して対応しなければならない。

【００２３】こうした観点から図５から図７までの３つ
の設計例について検討してみると、まず図５と図７につ
いては、ＭＯＸ燃料棒の変更無しではガドリニア本数を
増加することができないことがわかる。また、図６の例
ではガドリニアの有無に係わらず、既にウラン燃料棒に
高い濃縮度を用いているので、さらにウラン濃縮度を増
加した場合にはウラン燃料棒の出力が過度に高くなり、
熱的余裕を損なう可能性がある。

【００２４】本発明は上記の諸課題を解決するためにな
されたものであり、ＭＯＸ燃料集合体において、単位プ
ルトニウム量当たりの製造コストを削減し、燃料経済性
の高い燃料集合体を提供するとともに、炉心・燃料の健
全性を確保し運転性を向上することを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１記載の発明は、ウランよりなるプ
ルトニウムを含まない第１の燃料棒と、プルトニウムを
富化してなる第２の燃料棒と、内部を冷却材が流通する
ウォータロッドとを格子状に束ねてチャンネルボックス
で包囲してなる原子炉の燃料集合体において、チャンネ
ルボックスに隣接しない位置に配置される燃料棒の一部
が、ウラン２３５の濃縮度が約１．２％以下に設定され
た第１の燃料棒であることを特徴とする原子炉の燃料集
合体を提供する。

【００２６】この構成により、燃料集合体内部の熱中性
子が少なく燃料棒の反応度が特に小さくなる位置には、
ＭＯＸ燃料棒でなく、プルトニウムを含まない低濃縮ウ
ランを配置することで、燃焼効率を上げるとともにＭＯ
Ｘペレットの富化度を高めて単位プルトニウム量当たり
の製造コストを削減することができる。

【００２７】また、請求項２記載の発明は、ウランより
なるプルトニウムを含まない第１の燃料棒と、プルトニ
ウムを富化してなる第２の燃料棒と、内部を冷却材が流
通するウォータロッドとを格子状に束ねてチャンネルボ
ックスで包囲してなる原子炉の燃料集合体において、チ
ャンネルボックスに隣接する位置に配置される燃料棒の
少なくとも一部が、ウラン２３５の濃縮度が約１．２％
以下に設定された第１の燃料棒であり、かつこの第１の
燃料棒の少なくとも一部には可燃性毒物を添加してなる
ことを特徴とする。さらに、請求項３記載の発明は、燃
料集合体の隅部に位置する燃料棒の少なくとも一部は、
可燃性毒物が添加された第１の燃料棒であり、かつこの
第１の燃料棒に隣接する位置に配置される燃料棒は可燃
性毒物が添加されていない第１の燃料棒であることを特
徴とする。

【００２８】この構成により、ボイド係数を悪化させる
ことなく燃料集合体における可燃性毒物入りウラン燃料
棒の本数を最小限に抑え、プルトニウム装荷量を与えら
れた設計条件下で最大化することができる。

【００２９】また、請求項４記載の発明は、第１の燃料
棒の少なくとも一部は、軸方向に可燃性毒物濃度または
ウラン濃縮度のうちの少なくとも一つが異なる複数の領
域を備えてなることを特徴とする。この構成により、局
所的に過度の出力を生じないよう集合体軸方向出力分布
を調整し、燃料の健全性を高めることができる。

【００３０】また、請求項５記載の発明は、第１の燃料
棒は、天然ウラン、ウラン濃縮工程において副生される
劣化ウラン、使用済燃料の再処理によって回収される回
収ウランから選択される何れかからなることを特徴とす
る。また、請求項６記載の発明は、第１の燃料棒は、天
然ウラン、劣化ウラン、回収ウランから選択される何れ
かの混合物であり、この混合物を製作する際に精製後に
濃縮工程を経ていないことを特徴とする。この構成によ
り、燃料集合体製造に占める濃縮費を低減するととも
に、更にプルトニウム装荷量を増大し、燃料経済性を向
上することができる。

【００３１】また、請求項７記載の発明は、燃料棒とウ
ォータロッドとを格子状に束ねてチャンネルボックスで
包囲してなる燃料集合体を装荷して構成される原子炉の
炉心において、ウラン２３５の濃縮度が約１．２％以下
に設定されかつプルトニウムを含まない第１の燃料棒と
プルトニウムを富化した第２の燃料棒とから構成され、
チャンネルボックスに隣接する位置に配置される燃料棒
の少なくとも一部が第１の燃料棒であり、かつこの第１
の燃料棒の少なくとも一部には可燃性毒物が添加されて
いる第１の燃料集合体と、第１の燃料棒及び第２の燃料
棒とから構成され、チャンネルボックスに隣接する位置
に配置される燃料棒の少なくとも一部が第１の燃料棒で
あり、かつこの第１の燃料棒の少なくとも一部には可燃
性毒物が添加されており、さらにこの可燃性毒物が添加
された第１の燃料棒は軸方向に可燃性毒物濃度またはウ
ラン濃縮度のうちの少なくとも一つが異なる複数の領域
を備えてなる第２の燃料集合体と、プルトニウムを含ま
ない燃料棒のみからなる第３の燃料集合体とを含む少な
くとも３種類の燃料集合体から構成されることを特徴と
する原子炉の炉心を提供する。さらに、請求項８記載の
発明は、第２の燃料集合体中で、第１の燃料集合体中に
配置される第２の燃料棒と同一の位置に、この第２の燃
料棒と濃縮度及び富化度が同一の燃料棒を配置したこと
を特徴とする。

【００３２】また、請求項９記載の発明は、燃料棒とウ
ォータロッドとを格子状に束ねてチャンネルボックスで
包囲してなる燃料集合体を装荷して構成される原子炉の
炉心において、ウラン２３５の濃縮度が１．２％以下に
設定されかつプルトニウムを含まない第１の燃料棒とプ
ルトニウムを富化した第２の燃料棒とから構成される第
１の燃料集合体と、第１の燃料棒及び第２の燃料棒とか
ら構成され、第１の燃料集合体と同じ本数の第２の燃料
棒を有する第２の燃料集合体とを含む少なくとも２種類
の燃料集合体から構成され、第１の燃料集合体に用いら
れる第２の燃料棒と第２の燃料集合体に用いられる第２
の燃料棒とはプルトニウム富化度が同一に設定され、か
つ第１の燃料集合体に用いられる第１の燃料棒と、第２
の燃料集合体に用いられる第１の燃料棒とは、濃縮度、
濃縮度の軸方向分布、または第１の燃料棒のうち可燃性
毒物を含む燃料棒の本数、該可燃性毒物を含む燃料棒の
可燃性毒物の濃度あるいは可燃性毒物濃度の軸方向分
布、のうちから選択される少なくとも一つが異なるよう
に設定されることを特徴とする原子炉の炉心を提供す
る。

【００３３】これらの構成により、プルトニウムを富化
した燃料棒の本数、富化度が全く同一であって、かつ、
低濃縮ウランよりなる燃料棒の、濃縮度、濃縮度分布、
可燃性毒物を含む燃料棒本数、可燃性毒物濃度、可燃性
毒物濃度分布の少なくともいづれか一つが異なる少なく
とも２種類のＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心とするこ
とにより、炉心運転計画の変動に柔軟に対応してこれら
ＭＯＸ燃料集合体の装荷割合を変えることによって、Ｍ
ＯＸペレットの富化度や富化度種類数を増加することな
く、炉心の反応度や出力分布を調整し、炉心の運転性を
確保することができる。

【００３４】さらに、請求項10記載の発明は、第１の燃
料棒の少なくとも一部は、軸方向に可燃性毒物濃度また
はウラン濃縮度のうちの少なくとも一つが異なる複数の
領域を備えてなることを特徴とする。また、請求項11記
載の発明は、第１の燃料棒は、天然ウラン、ウラン濃縮
工程において副生される劣化ウラン、使用済燃料の再処
理によって回収される回収ウランから選択される何れか
からなることを特徴とする。

【００３５】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は本発
明の第１の実施の形態の燃料集合体を示したものであ
り、図１（ａ）は燃料集合体内の燃料配置を示す横断面
図、（ｂ）は各燃料棒の軸方向濃縮度、ガドリニア分布
を示す図である。なお、図中、従来の技術と同一部分は
同一符号を附し、重複する説明は省略する。

【００３６】図１（ａ）において、符号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ
３はプルトニウムを含むＭＯＸ燃料棒（全長燃料棒）、
符号ＰＶはプルトニウムを含むＭＯＸ燃料棒（部分長燃
料棒）、符号Ｕ１は天然ウランからなるウラン燃料棒、
符号Ｇ１は天然ウランに可燃性毒物としてガドリニアを
混入したウラン燃料棒を示している。また、燃料集合体
の中央部には、符号Ｗで表される、内部を冷却材が流通
するウォータロッドを配置する。

【００３７】図１（ｂ）において符号ｐ１，ｐ２，ｐ３
はプルトニウム富化度を示し、添字番号が大きいほどプ
ルトニウム富化度は小さくなっている。また、ｅ１はウ
ラン濃縮度を、ｇ１およびｇ２はガドリニア濃度を示
し、ｇ２がｇ１より小さくなるよう設定する。

【００３８】図１に示すように、燃料集合体の隅部に、
ガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ１を配置する。各ガドリ
ニア入りウラン燃料棒Ｇ１に隣接して、２本のプルトニ
ウムを含まない天然ウラン燃料棒Ｕ１を配置し、Ｕ１に
隣接してプルトニウム富化度の低い燃料棒Ｐ３またはＰ
Ｖを配置する。また、このガドリニア入りウラン燃料棒
Ｇ１は、軸方向にガドリニア濃度を変化させており、下
端部および上端部には天然ウランを用いているが、上端
部を除く軸方向上部領域（ｅ１＋ｇ１）は、下端部を除
く軸方向下部領域（ｅ１＋ｇ２）より、ガドリニア濃度
を高く設定している。

【００３９】また、燃料集合体の中央に設けられたウォ
ータロッドＷに２方向で接する位置に天然ウラン燃料棒
Ｕ１を配置し、このＵ１またはＷに隣接する位置にプル
トニウム富化度の高い燃料棒Ｐ１を配置する。

【００４０】すなわち、本実施の形態を例示した図１に
おいては、プルトニウムを含まずかつウラン２３５の濃
縮度の低い燃料棒Ｕ１またはＧ１が、チャンネルボック
スに隣接しない位置としてウォータロッドに２面で隣接
する位置に２本、またチャンネルボックスに隣接する位
置に12本、それぞれ配置されている。また、チャンネル
ボックスに隣接する位置の12本のうち、４本が可燃性毒
物としてガドリニアを含む燃料棒Ｇ１から構成されてい
る。

【００４１】なお、ここで用いる天然ウラン燃料棒Ｕ１
またはガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ１のウラン濃縮度
ｅ１の一例としては、特に天然ウランの平均的な値とし
て約０．７％を想定している。しかし、これらの燃料棒
Ｕ１，Ｇ１は燃料集合体の隅部に配置されるために、Ｕ
１，Ｇ１の製造にあたっては通常の濃縮工程を経たウラ
ン燃料棒の濃縮度より低い濃縮度からなる低濃縮ウラン
を使用する必要があるが、これは天然ウランには限定さ
れない。

【００４２】すなわち、燃料棒Ｕ１，Ｇ１には、天然ウ
ランに代えて、ウラン濃縮工程において副生される劣化
ウランや、あるいは使用済燃料の再処理によって回収さ
れる回収ウランを用いることとしてもよい。また、燃料
棒Ｕ１，Ｇ１には、天然ウラン、劣化ウラン、回収ウラ
ンのうち選択される組合せによる混合物を用いることと
してもよい。この場合は、混合物の精製後に濃縮工程を
経ないで製作されるものとする。

【００４３】劣化ウランや回収ウランを用いた場合で
も、燃料棒Ｕ１，Ｇ１のウラン濃縮度は天然ウランと同
様に低く設定することとする。天然ウランの濃縮度は約
０．７％、劣化ウランの平均的濃縮度は０．２〜０．３
％である。一方で回収ウランの濃縮度については、再処
理前の使用済燃料の燃焼前の濃縮度や燃焼条件によって
異なり、１．２％程度までの範囲となるものが一般的で
ある。よって、低濃縮度としかつ燃料製造にかかる費用
を低減するという高い効果を得るためにも、天然ウラン
以外の燃料棒Ｕ１，Ｇ１のウラン濃縮度は約１．２％を
超えない値に設定するのが好適である。

【００４４】本実施の形態における作用効果として、４
つの点について説明する。 （１） 本実施の形態において燃料集合体を構成するＭ
ＯＸ以外の燃料棒は、燃料棒Ｕ１及びＧ１であり、全て
天然ウランを使用したものであり、Ｕ２３５の量はごく
わずかである。よって、従来の濃縮ウランを用いた場合
と比較して、ＭＯＸ燃料棒中のプルトニウム量を大きく
とることができる。

【００４５】（２） ガドリニアを含む燃料棒は、燃料
集合体の隅部に配置された燃料棒Ｇ１のみである。Ｇ１
を可燃性毒物としての価値が高くなる位置にのみ配置す
ることで、燃料集合体中のガドリニア入り燃料棒本数を
４本と少なくすることができる。

【００４６】（３） ガドリニア入り燃料棒Ｇ１に隣接
して、天然ウラン燃料棒Ｕ１を配置している。これによ
り、Ｕ１の周囲で熱中性子束が高くなるために、燃料集
合体の最外周より内側に配置されたＭＯＸ燃料棒Ｐ１，
Ｐ２，Ｐ３，ＰＶに対して熱中性子束が十分供給され、
ボイド係数を低くすることができる。また、このＵ１の
配置によってガドリニア入り燃料棒Ｇ１への熱中性子束
供給も増加するため、燃料棒Ｇ１によるガドリニア価値
をさらに高めることができる。

【００４７】（４） 中性子スペクトルが硬く燃料の燃
焼効率が悪い燃料集合体内部に濃縮ウランを含まない天
然ウラン燃料棒Ｕ１を２本配置することで、ＭＯＸ燃料
棒におけるＭＯＸペレットの富化度を可能な限り高めて
いる。またこの配置により、燃料集合体内部の中性子ス
ペクトルを柔らかくする効果もある。

【００４８】以上説明したように、本実施の形態によ
り、燃料集合体中のプルトニウム装荷量を最大化しつつ
も、ＭＯＸペレットの富化度を高めることによってＭＯ
Ｘペレット製造量を最小化した経済性の良い燃料を実現
することができる。さらに、ボイド係数を低くすること
で、過渡変化時にも燃料健全性を損なうことがない、安
定性の良い燃料を実現することができる。

【００４９】なお、本実施の形態においては、沸騰水型
原子炉において一般的な９×９型燃料集合体を例にその
配置構成を説明したが、この種の配置は10×10型等の他
の型の燃料集合体に対しても適用可能である。また、17
×17型のような加圧水型原子炉用燃料集合体に対しても
同様の配置を与えることができる。

【００５０】（第２の実施の形態）図２は本発明の第２
の実施の形態の燃料集合体を示したものであり、図２
（ａ）は燃料集合体内の燃料配置を示す横断面図、
（ｂ）は各燃料棒の軸方向濃縮度、ガドリニア分布を示
す図である。

【００５１】図２に示す燃料集合体は、図１の場合にお
けるＭＯＸ燃料棒の数及び配置位置をそのまま流用し、
かつウラン燃料棒Ｕ１の本数を減らすとともに、可燃性
毒物であるガドリニアを添加した２種類の燃料棒を装荷
してなるものである。

【００５２】図２において、符号Ｐ１〜Ｐ３およびＰＶ
は、図１の同符号のものと同じＭＯＸ燃料棒を示し、符
号Ｕ１も図１と同じ天然ウランからなるウラン燃料棒を
示す。符号Ｇ３は、ウラン燃料棒Ｕ１の下端部を除く軸
方向下部領域に限定してガドリニアを混入した燃料棒を
示す。また、ｅ１及びｅ２はウラン濃縮度を、ｇ３，ｇ
４およびｇ５はガドリニア濃度を示す。

【００５３】すなわち、本実施の形態を例示した図２に
おいては、プルトニウムを含まずかつウラン２３５の濃
縮度の低い燃料棒Ｕ１，Ｇ２またはＧ３が、チャンネル
ボックスに隣接しない位置としてウォータロッドに２面
で隣接する位置に２本、またチャンネルボックスに隣接
する位置に12本、それぞれ配置されている。また、チャ
ンネルボックスに隣接する位置の12本のうち、７本が可
燃性毒物としてガドリニアを含む燃料棒Ｇ２またはＧ３
から構成されている。

【００５４】また、図２（ｂ）において符号ｅ２はウラ
ン濃縮度を示し、その値はｅ１より高く設定する。すな
わち、ガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ２は、軸方向にガ
ドリニア濃度とウラン濃縮度の両方を変化させており、
下端部および上端部には天然ウランを用いているが、上
端部を除く軸方向上部領域（ｅ２＋ｇ３）は、下端部を
除く軸方向下部領域（ｅ１＋ｇ４）より、ウラン濃縮度
を高く設定している。またこの２領域においてガドリニ
ア濃度を異なるものと設定している。

【００５５】したがって、図２に示した燃料集合体は、
ガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ２の上部領域において濃
縮度を高く設定した分だけ、図１の燃料集合体よりウラ
ン２３５の装荷量が多くなっており、反応度が高い。よ
って、原子炉の運転期間が増加した場合に、図２の燃料
集合体を必要な割合だけ混ぜて、新燃料と同様の取扱い
により使用すれば、対応することができる。

【００５６】また、反応度の増加による炉心特性の悪化
を防ぐため、ガドリニア入り燃料棒数を増加して、燃焼
初期から中期の反応度を抑えると同時に、上下濃縮度差
によって軸方向下部のピーキング上昇を防ぐことができ
る。

【００５７】燃料棒Ｇ２の軸方向上部領域の濃縮度ｅ２
は、下部領域の濃縮度ｅ１より高く設定するというもの
の、一方で、前述したボイド係数改善の目的からも、な
るべく低いことが望ましい。下部領域に天然ウランを使
用した場合の濃縮度ｅ１は、約０．７％である。

【００５８】通常、一本の燃料棒内に軸方向濃縮度分布
がある場合は、製造後に非破壊検査を行う際に装置によ
って分布を感知できるよう、有為な濃縮度差を設ける必
要がある。現状の感度の優れた燃料棒非破壊検査装置に
おける分布検知限界が０．５％であることを考慮すれ
ば、天然ウランの濃縮度ｅ１と濃縮度分布をつけるた
め、ｅ２の設定にあたっては約１．２％とするのが好適
であり、ボイド係数改善のためにはそれ以下とするのが
望ましい。

【００５９】本実施の形態においては、上記第１の実施
の形態と同様の作用効果を奏するとともに、さらに、燃
料経済性が良く、燃料健全性に優れたＭＯＸ燃料を用い
ながら、更に運転計画に柔軟に対応することができる炉
心を実現することができる。

【００６０】なお、本実施の形態においては、９×９型
燃料集合体を例にその配置構成を説明したが、10×10型
等の他の型の燃料集合体に対しても適用可能である。 （第３の実施の形態）図３は本発明の第３の実施の形態
にかかる原子炉の炉心の燃料棒配置の一例を示す１／４
横断面図である。本実施の形態の原子炉の炉心は、上記
第１及び第２の実施の形態にかかる燃料集合体を用いて
構成したものである。図３は、正方形で示した燃料集合
体８を略円筒状に配列した炉心の１／４を上方から俯瞰
したもので、符号９で示した十字は通常運転時に制御棒
を挿入して反応度を調整する位置を示している。また、
図中の正方形は１体の燃料集合体を表し、符号Ｕは従来
使用されているプルトニウムを含まないウラン燃料棒の
みからなるウラン燃料集合体、符号Ｌ及びＨはそれぞれ
第１及び第２の実施の形態にかかるＭＯＸ燃料集合体を
それぞれ示している。

【００６１】図３に示すように、ＭＯＸ燃料集合体Ｌ及
びＨは、それぞれ隣接する４方向にウラン燃料集合体Ｕ
が装荷されている。図３は炉心の１／４横断面図である
が、図示しない炉心位置においても、ＭＯＸ燃料集合体
の隣接する４方向には、プルトニウムを含まないウラン
燃料集合体Ｕを配置することとする。

【００６２】ＭＯＸ燃料集合体Ｌ及びＨは、図１及び図
２において符号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，ＰＶで示されるＭＯ
Ｘ燃料棒の各種類の本数が同じであるばかりか、富化度
の異なる複数のＭＯＸ燃料棒の配置位置が共通してい
る。すなわち、ＭＯＸ燃料集合体Ｌ及びＨは、ＭＯＸ燃
料棒に関しては全く同一の設計からなり、その違いは濃
縮度の低いウラン燃料棒及びガドリニアを含むウラン燃
料棒の構成が異なるのみである。すなわち、両燃料集合
体Ｌ，Ｈの相違点は、ウラン燃料棒の濃縮度、濃縮度の
軸方向分布、及びこのウラン燃料棒のうち可燃性毒物を
含む燃料棒の本数、あるいはこの可燃性毒物の濃度や、
可燃性毒物濃度の軸方向分布に関する点であるといえ
る。（なお、これらの要素のうち何れかを同一の設計と
することも可能である。） このように、ＭＯＸ燃料棒を共通の仕様とし、製造期間
の短いウラン燃料棒の設計を変えることにより、両ＭＯ
Ｘ燃料集合体Ｌ，Ｈの体数比を容易に変更することが可
能で、炉心設計の変更に容易に対応することができる。

【００６３】また、前述したように、第２の実施の形態
にかかるＭＯＸ燃料集合体Ｈは、ガドリニア含有量が多
く、また燃料下部の出力ピーキングを抑えた設計となっ
ているので、熱的余裕が大きいうえに、平均核分裂性物
質濃度が高いのでサイクル末期には炉心反応度に対する
寄与が大きい。一方、第１の実施の形態にかかるＭＯＸ
燃料集合体Ｌは、Ｈに比べてガドリニア含有量が少ない
ため、出力が低く燃焼度が進みにくい場所に配置しても
サイクル末期までにガドリニアが燃焼し尽くすので炉心
の反応度損失を招くことがない。

【００６４】したがって本実施の形態では、図３にその
炉心配置の一例を示すように、Ｌを炉心周辺部や運転時
に挿入される制御棒の周辺に、Ｈをその他の熱的余裕の
小さい部分に配置することで、熱的余裕が大きいうえに
サイクル末期に反応度の高い炉心が実現されるだけでな
く、運転計画の変更等に対応して柔軟に炉心の出力分布
や反応度を調整することができる。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、ＭＯＸ燃料の製造コス
トを最小限に抑えながらプルトニウム装荷量を増大し、
過渡特性、安定性、運転融通性、運転特性に優れた燃料
集合体及び原子炉の炉心を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明にかかる燃料集合体の第１の実
施の形態の燃料棒配置を示す図、（ｂ）は各燃料棒の軸
方向濃縮度分布、ガドリニア分布を示す図。

【図２】（ａ）は本発明にかかる燃料集合体の第２の実
施の形態の燃料棒配置を示す図、（ｂ）は各燃料棒の軸
方向濃縮度分布、ガドリニア分布を示す図。

【図３】本発明の第３の実施の形態にかかる原子炉の炉
心の燃料棒配置の一例を示す１／４横断面図。

【図４】従来の燃料集合体を一部断面で示す立面図。

【図５】従来のＭＯＸ燃料集合体の一例の横断面図。

【図６】従来のＭＯＸ燃料集合体の一例の横断面図。

【図７】従来のＭＯＸ燃料集合体の一例の横断面図。

【符号の説明】

１…燃料棒、２…チャンネルボックス、３…上部タイプ
レート、４…下部タイプレート、５…スペーサ、６…ウ
ォータロッド、７…制御棒、８…燃料集合体、９…通常
運転時に反応度を調整するため挿入される制御棒位置。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウランよりなるプルトニウムを含まない
   第１の燃料棒と、プルトニウムを富化してなる第２の燃
   料棒と、内部を冷却材が流通するウォータロッドとを格
   子状に束ねてチャンネルボックスで包囲してなる原子炉
   の燃料集合体において、前記チャンネルボックスに隣接
   しない位置に配置される燃料棒の一部が、ウラン２３５
   の濃縮度が１．２％以下に設定された前記第１の燃料棒
   であることを特徴とする原子炉の燃料集合体。
2. 【請求項２】 ウランよりなるプルトニウムを含まない
   第１の燃料棒と、プルトニウムを富化してなる第２の燃
   料棒と、内部を冷却材が流通するウォータロッドとを格
   子状に束ねてチャンネルボックスで包囲してなる原子炉
   の燃料集合体において、前記チャンネルボックスに隣接
   する位置に配置される燃料棒の少なくとも一部が、ウラ
   ン２３５の濃縮度が１．２％以下に設定された前記第１
   の燃料棒であり、かつこの第１の燃料棒の少なくとも一
   部には可燃性毒物を添加してなることを特徴とする原子
   炉の燃料集合体。
3. 【請求項３】 燃料集合体の隅部に位置する燃料棒の少
   なくとも一部は、可燃性毒物が添加された前記第１の燃
   料棒であり、かつこの第１の燃料棒に隣接する位置に配
   置される燃料棒は可燃性毒物が添加されていない前記第
   １の燃料棒であることを特徴とする請求項２記載の原子
   炉の燃料集合体。
4. 【請求項４】 前記第１の燃料棒の少なくとも一部は、
   軸方向に可燃性毒物濃度またはウラン濃縮度のうちの少
   なくとも一つが異なる複数の領域を備えてなることを特
   徴とする請求項１乃至請求項３記載の原子炉の燃料集合
   体。
5. 【請求項５】 前記第１の燃料棒は、天然ウラン、ウラ
   ン濃縮工程において副生される劣化ウラン、使用済燃料
   の再処理によって回収される回収ウランから選択される
   何れかからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４
   記載の原子炉の燃料集合体。
6. 【請求項６】 前記第１の燃料棒は、天然ウラン、ウラ
   ン濃縮工程において副生される劣化ウラン、使用済燃料
   の再処理によって回収される回収ウランから選択される
   何れかの混合物であり、この混合物を製作する際に精製
   後に濃縮工程を経ていないことを特徴とする請求項１乃
   至請求項４記載の原子炉の燃料集合体。
7. 【請求項７】 燃料棒とウォータロッドとを格子状に束
   ねてチャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体を装
   荷して構成される原子炉の炉心において、ウラン２３５
   の濃縮度が１．２％以下に設定されかつプルトニウムを
   含まない第１の燃料棒とプルトニウムを富化した第２の
   燃料棒とから構成され、前記チャンネルボックスに隣接
   する位置に配置される燃料棒の少なくとも一部が前記第
   １の燃料棒であり、かつこの第１の燃料棒の少なくとも
   一部には可燃性毒物が添加されている第１の燃料集合体
   と、前記第１の燃料棒及び前記第２の燃料棒とから構成
   され、前記チャンネルボックスに隣接する位置に配置さ
   れる燃料棒の少なくとも一部が前記第１の燃料棒であ
   り、かつこの第１の燃料棒の少なくとも一部には可燃性
   毒物が添加されており、さらにこの可燃性毒物が添加さ
   れた第１の燃料棒は軸方向に可燃性毒物濃度またはウラ
   ン濃縮度のうちの少なくとも一つが異なる複数の領域を
   備えてなる第２の燃料集合体と、プルトニウムを含まな
   い燃料棒のみからなる第３の燃料集合体とを含む少なく
   とも３種類の燃料集合体から構成されることを特徴とす
   る原子炉の炉心。
8. 【請求項８】 前記第２の燃料集合体中で、前記第１の
   燃料集合体中に配置される前記第２の燃料棒と同一の位
   置に、この第２の燃料棒と濃縮度及び富化度が同一の燃
   料棒を配置したことを特徴とする請求項７記載の原子炉
   の炉心。
9. 【請求項９】 燃料棒とウォータロッドとを格子状に束
   ねてチャンネルボックスで包囲してなる燃料集合体を装
   荷して構成される原子炉の炉心において、ウラン２３５
   の濃縮度が１．２％以下に設定されかつプルトニウムを
   含まない第１の燃料棒とプルトニウムを富化した第２の
   燃料棒とから構成される第１の燃料集合体と、前記第１
   の燃料棒及び前記第２の燃料棒とから構成され、前記第
   １の燃料集合体と同じ本数の前記第２の燃料棒を有する
   第２の燃料集合体とを含む少なくとも２種類の燃料集合
   体から構成され、前記第１の燃料集合体に用いられる前
   記第２の燃料棒と前記第２の燃料集合体に用いられる前
   記第２の燃料棒とはプルトニウム富化度が同一に設定さ
   れ、かつ前記第１の燃料集合体に用いられる前記第１の
   燃料棒と、前記第２の燃料集合体に用いられる前記第１
   の燃料棒とは、濃縮度、濃縮度の軸方向分布、または前
   記第１の燃料棒のうち可燃性毒物を含む燃料棒の本数、
   該可燃性毒物を含む燃料棒の可燃性毒物の濃度あるいは
   可燃性毒物濃度の軸方向分布、のうちから選択される少
   なくとも一つが異なるように設定されることを特徴とす
   る原子炉の炉心。
10. 【請求項１０】 前記第１の燃料棒の少なくとも一部
    は、軸方向に可燃性毒物濃度またはウラン濃縮度のうち
    の少なくとも一つが異なる複数の領域を備えてなること
    を特徴とする請求項７または請求項９記載の原子炉の炉
    心。
11. 【請求項１１】 前記第１の燃料棒は、天然ウラン、ウ
    ラン濃縮工程において副生される劣化ウラン、使用済燃
    料の再処理によって回収される回収ウランから選択され
    る何れかからなることを特徴とする請求項７または請求
    項９記載の原子炉の炉心。