JP2000075077A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】最高濃縮度５．０ｗｔ％以下で、可燃性吸収材
入りウラン燃料棒の健全性を確保しつつ燃料集合体平均
濃縮度を高め、平均取り出し燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ以上
を実現する燃料集合体において、軸方向ウラン濃縮度分
布を設定することにより、さらなる高燃焼度化を図る。 【解決手段】燃料棒２のペレット最高ウラン濃縮度ａ≦
５％であり、燃料集合体平均ウラン濃縮度は４％以上で
あり、ガドリニア入り燃料棒２（記号Ｇ）は、上下端部
以外にウランに１％以上のガドリニアを添加したペレッ
トを充填しそのウラン濃縮度ｃ＜ａとなるように構成さ
れ、ガドリニアなしの燃料棒２（記号１，２，３）は、
上下端部以外における横断面平均ウラン濃縮度ｂｗｔ％
が、ａ／ｂ≦１．１６となるように構成され、燃料棒２
（記号Ｇ）は、上下端部以外の下から上へ向かってウラ
ン濃縮度が小さくならないウラン濃縮度分布となってい
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、沸騰水型原子炉の
燃料集合体に関わり、特に、ウラン燃料ペレット最高濃
縮度の制約の下、可燃性吸収材入りウラン燃料棒の健全
性を確保しつつ燃料集合体平均濃縮度を高め、高燃焼度
化を図った燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の炉心には、四角筒型の
チャンネルボックスの内部に燃料バンドルを収納した燃
料集合体が多数配置されており、各燃料集合体の燃料バ
ンドルは、核分裂性物質を含む燃料ペレットを封入した
多数の燃料棒と、それらを上下で支持する上部タイプレ
ートおよび下部タイプレートと、燃料棒間の間隔を保持
するスペーサ等から構成されている。この炉心は、所定
の期間（＝１サイクル）運転を実施した後に停止され、
装荷されている燃料集合体の一部が取り出されて新しい
燃料集合体と交換される。この交換時の新しい燃料集合
体の燃料装荷量は、原子炉を１サイクルの間臨界に保つ
ために必要な核分裂性物質量が装荷されるように設定さ
れるが、運転期間の末期においてちょうど臨界になるよ
うに、あらかじめ余剰に設定される。つまり、運転末期
以外では、原子炉は臨界を超過した状態となる。したが
って、沸騰水型原子炉の炉心では、燃料集合体間に挿入
される制御棒と、燃料中に添加される可燃性吸収材とに
よって、この余分に発生した中性子を吸収し、これによ
り運転期間を通じて臨界状態を維持している。なお、可
燃性吸収材としては、例えばガドリニア等、熱中性子吸
収断面積の大きな物質が用いられるが、これらはその熱
中性子の吸収によって消耗し、燃焼に伴いその効果が小
さくなっていく。そのため、可燃性吸収材は、主として
燃焼初期の超過反応度（余剰反応度）を抑えるために用
いられる。

【０００３】ところで、沸騰水型原子炉では、核分裂で
発生する熱を除熱する冷却材として軽水（冷却水）を用
いているが、この冷却水は、中性子の減速材としての役
割も果たしており、水密度の大きな方が中性子をより減
速する性質をもつ。そして一般に、核分裂性物質は、熱
中性子束が大きいほうが反応を起こしやすいことから、
水密度が大きくなる冷却水に近い領域では燃料棒の出力
が比較的高くなり、冷却水に遠い領域では燃料棒の出力
が比較的低くなるという具合に燃料集合体内で出力分布
が生じる。一方、原子炉の炉心に関する重要な量とし
て、燃料棒の単位長さ当たりの出力を表す線出力密度が
ある。この線出力密度は、燃料集合体全体の絶対的な出
力値である「燃料集合体出力」と、燃料集合体内の各軸
方向位置における出力の相対的分布を表す「燃料集合体
の軸方向相対出力」と、各燃料棒ごとの相対的出力分布
を表す「燃料棒相対出力（＝局所出力ピーキング）」の
３つの量の積で表され、その量の原子炉内での最大値が
最大線出力密度となる。この最大線出力密度が過大とな
り所定値を超えると、当該燃料棒中心温度が上がりすぎ
て燃料棒ペレットの熱的健全性が確保できなくなる。す
なわち、最大線出力密度はなるべく小さい方が上記所定
値に対し熱的に余裕のある状態となる。

【０００４】そこで、通常、燃料集合体の設計において
は、燃料棒ペレットを複数種類用意して燃料濃縮度分布
を適宜設けたり、燃料棒に添加する可燃性吸収材の濃度
分布を適宜設けることにより、「燃料棒相対出力」ある
いは「燃料集合体の軸方向相対出力」の最大値を抑制し
ている。これによって、最大線出力密度を低減し、炉心
としての熱的な余裕を確保し、安全な運転ができるよう
に図られている。但し、燃料濃縮度や可燃性吸収材の分
布を単純に調整する方法では燃料棒の種類や濃縮度の種
類が増えて複雑になり、製造コストの増加を招く可能性
がある。

【０００５】この点を解決するために、例えば特開平２
−１０３４９１号公報記載のように、正方格子状に配置
された９×９格子配列の燃料集合体において、正方格子
配列の外側から２層目のコーナーとそれを取り囲む位置
の燃料棒を可燃性吸収材入り燃料棒とするとともに、部
分長燃料棒を用いて軸方向上・下領域で互いに燃料棒本
数差をつける構成が提唱されている。このような構造と
することにより、燃料棒は４種類、燃料ペレットの濃縮
度は２種類という比較的簡素な構成で局所出力ピーキン
グの低減と軸方向出力分布の改善（＝燃料集合体の軸方
向相対出力の低減）を実現でき、これによって燃料集合
体の製造コストを低減している。また、燃料資源の有効
活用の観点から、ウランとプルトニウムの混合酸化物燃
料（以下適宜、ＭＯＸ燃料という）を装荷したＭＯＸ燃
料棒と、余剰反応度抑制のために設けられる可燃性吸収
材入りウラン燃料棒とを備えたＭＯＸ燃料集合体が提唱
されているが、このＭＯＸ燃料集合体に関しても、上記
同様の製造コスト低減の観点に基づき、例えば特開昭６
３−１０８２９４号公報記載のように、可燃性吸収材入
りウラン燃料棒の軸方向に可燃性吸収材濃度またはウラ
ン濃縮度の分布をつける構成が提唱されている。このよ
うな構造とすることにより、ＭＯＸ燃料棒の構造を複雑
にすることなく軸方向の出力分布を改善でき、これによ
って燃料集合体の製造コストを低減している。

【０００６】ここにおいて、近年、使用済み燃料集合体
数の低減、燃料経済性の向上の観点から燃料の高燃焼度
化が進められており、例えば平均取り出し燃焼度４５
［ＧＷｄ／ｔ］以上が目標とされている。高燃焼度化の
ためには、燃料集合体平均濃縮度の増大が必要である
が、そのためには、燃料集合体内の各燃料棒の濃縮度
を、前述した熱的余裕を確保し燃料棒の健全性を確保で
きる限りにおいて、なるべく増大させなければならな
い。ところで、通常のウランのみのウラン燃料棒は、所
定の熱的制限条件を満足する設計とすることで熱的健全
性を確保することができるが、可燃性吸収材入り燃料棒
は、可燃性吸収材を添加することで熱伝導度が低下して
いるため、ウラン燃料棒と同じ出力であっても可燃性吸
収材入り燃料棒の方が中心温度が高くなり、燃料の熱的
健全性を損なう可能性が高くなる。このため、燃料集合
体が炉内で相対的に大きな出力を出さなくなるまでは、
可燃性吸収材入り燃料棒の出力がウラン燃料棒よりも必
ず低くなるように、可燃性吸収材入り燃料棒の濃縮度を
調節しなければならない。ところが、通常、燃料ペレッ
ト製造技術においては、製造できるウラン燃料ペレット
の最高濃縮度に制約がある（現在は５．０［ｗｔ
％］）。この制約下で燃料集合体平均濃縮度を増大し平
均取り出し燃焼度４５［ＧＷｄ／ｔ］という高燃焼度化
を達成するには、ウラン燃料棒のウラン濃縮度をできる
だけ高くするだけでなく、可燃性吸収材入り燃料棒のウ
ラン濃縮度も熱的健全性を確保できる限りにおいてでき
る限り増大させる必要がある。すなわち、可燃性吸収材
入りの燃料棒について、熱的健全性とウラン濃縮度との
関係を詳細に検討することが必須である。

【０００７】しかしながら、上記特開平２−１０３４９
１号公報及び特開昭６３−１０８２９４号公報では、こ
のような検討がなされていなかった。すなわち、特開平
２−１０３４９１号の燃料集合体では、少ない燃料棒・
濃縮度種類で局所出力ピーキング係数低減及び軸方向出
力分布改善を実現しているものの、可燃性吸収材入り燃
料棒の熱的健全性についての検討は一切なされていな
い。また、特開昭６３−１０８２９４号は、ＭＯＸ燃料
集合体をその対象とするものであるが、ＭＯＸ燃料集合
体においては、プルトニウムの熱中性子吸収断面積がウ
ランに比べて非常に大きく、可燃性吸収材入りウラン燃
料棒の出力はＭＯＸ燃料棒に比べて常に低くなる。した
がって、ＭＯＸ燃料棒のほうが可燃性吸収材入りウラン
燃料棒よりも常に熱的余裕が厳しくなるため、上記した
現在のウラン濃縮度の制限下では、可燃性吸収材入りウ
ラン燃料棒の熱的健全性はその濃縮度の大小に関わらず
常に確保される。その結果として、可燃性吸収材入り燃
料棒の熱的健全性についての検討は一切なされていな
い。

【０００８】そこで、現在のウラン燃料ペレット最高濃
縮度５．０［ｗｔ％］という制約の下で、燃料集合体平
均濃縮度を増大して平均取り出し燃焼度４５［ＧＷｄ／
ｔ］という高燃焼度化を達成するために、可燃性吸収材
入りの燃料棒について熱的健全性とウラン濃縮度との関
係を検討したものとして、例えば、特開平１０−１１５
６９０号公報に記載の燃料集合体がある。この燃料集合
体は、可燃性吸収材入りウラン燃料棒の出力と燃料集合
体の局所出力ピーキングに着目した濃縮度分布方法を提
案するものであり、具体的には、可燃性吸収材入りウラ
ン燃料棒の全燃料棒に対する割合を２０％〜３０％と
し、そのウラン濃縮度を全燃料棒のペレット最高ウラン
濃縮度及び最低ウラン濃縮度の中間でかつ最高ウラン濃
縮度の０．８４〜０．９６倍とすることにより、現行の
燃料ペレットのウラン濃縮度の制限下において、可燃性
吸収材入りウラン燃料棒の健全性を確保しつつその濃縮
度を高めて燃料集合体平均濃縮度を高め、平均取り出し
燃焼度４５［ＧＷｄ／ｔ］以上を実現している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平１０−１１５６９０号公報の燃料集合体では、さら
なる高燃焼度化を図る観点において、まだ改善の余地が
ある。

【００１０】すなわち、沸騰水型原子炉では、冷却水が
炉心の下部から上部に向かって流れるとき、燃料棒から
の発熱により発生する気泡（ボイド）を含んでおり、そ
の気泡の割合（ボイド率）は下流側である炉心上部ほど
高くなっている。このため、燃料集合体下部領域よりも
上部領域の方が中性子スペクトルが硬い状態で燃焼する
という軸方向中性子スペクトル分布が生じる。このと
き、前述したように、可燃性吸収材は、その大きな熱中
性子吸収断面積に基づき熱中性子を吸収することで反応
度を制御するものであるため、この軸方向中性子スペク
トル分布に対応して軸方向に中性子吸収効果の分布が生
じる。その結果、燃焼が進んで行くときの可燃性吸収材
入りウラン燃料棒のウラン−２３５の消耗についても軸
方向に分布が生じるため、熱的健全性を考える上で問題
となる可燃性吸収材の効果がなくなり燃料棒出力が高く
なる燃焼後期の可燃性吸収材入りウラン燃料棒の出力に
も軸方向分布が生じる。したがって、この軸方向出力分
布を改善するように予め軸方向ウラン濃縮度分布を設定
しておけば、熱的健全性を確保しつつさらに平均濃縮度
を向上し、さらなる高燃焼度化を図れる可能性がある。
しかし、上記特開平１０−１１５６９０号公報ではこの
点について配慮されていない。

【００１１】本発明の目的は、ウラン燃料ペレット最高
濃縮度の製造上からの制約の下、可燃性吸収材入りウラ
ン燃料棒の健全性を確保しつつ燃料集合体平均濃縮度を
高め、平均取り出し燃焼度の向上を図った燃料集合体に
おいて、軸方向中性子スペクトル分布に対応した可燃性
吸収材入りウラン燃料棒の軸方向ウラン濃縮度分布を設
定することにより、さらなる高燃焼度化を図れる構成を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、燃料ペレットが充填され正方格子
状に配列された複数本の燃料棒と、少なくとも１本の中
性子減速棒とを有し、前記複数本の燃料棒に充填されて
いる燃料ペレットの最高ウラン濃縮度がａ［ｗｔ％］で
あり、かつ前記複数本の燃料棒は、可燃性吸収材を含ま
ない複数本の第１の燃料棒と、可燃性吸収材を含む複数
本の第２の燃料棒とを含む燃料集合体において、（ａ）
前記正方格子状に配列された全ての燃料棒の燃料集合体
当たりの平均ウラン濃縮度は４［ｗｔ％］以上であり、
（ｂ）前記複数本の第２の燃料棒は、可燃性吸収材入り
燃料ペレットのウラン濃縮度ｃ［ｗｔ％］がｃ＜ａとな
るように構成された少なくとも１本の第３の燃料棒を含
み、（ｃ）前記正方格子状に配列された複数本の燃料棒
の少なくとも大部分は、上下端部にその他の領域より燃
料集合体での一横断面での平均ウラン濃縮度が低い領域
を有し、かつこの上下端部を除いた領域における燃料集
合体の一横断面での平均ウラン濃縮度ｂ［ｗｔ％］が、
ａ／ｂ≦１．１６となるように構成され、（ｄ）前記第
３の燃料棒は、前記上下端部を除いた領域において軸方
向にウラン濃縮度分布が存在し、かつこの分布が、前記
上下端部を除いた領域の下端から上端へ向かってウラン
濃縮度が小さくならないような軸方向分布となってい
る。正方格子状に配列された燃料棒の燃料集合体平均ウ
ラン濃縮度を４［ｗｔ％］以上とすることにより、取り
出し平均燃焼度を４５［ＧＷｄ／ｔ］以上に高め、高燃
焼度化を図ることができる。また、第３の燃料棒の可燃
性吸収材入り燃料ペレットのウラン濃縮度ｃ［ｗｔ％］
を全燃料棒燃料ペレットの最高濃縮度ａよりも小さくす
ることにより、熱伝導度の悪い可燃性吸収材を含む第３
の燃料棒の中心温度をその他の可燃性吸収材を含まない
第１の燃料棒の中心温度と同等以下にすることができ
る。また、正方格子状に配列された燃料棒の少なくとも
大部分に、上下端部にその他の領域より横断面平均ウラ
ン濃縮度が低い領域、例えば天然ウランペレットを充填
した天然ウランブランケットを設けることにより、中性
子の洩れを少なくし効率よく燃料を燃やせるので、燃料
集合体平均ウラン濃縮度が同じ燃料集合体であっても高
い取り出し燃焼度を得ることができ、容易に高燃焼度化
を図れる。またこのとき、上下端部以外の領域の断面平
均ウラン濃縮度ｂと燃料ペレット最高ウラン濃縮度ａと
の比をａ／ｂ≦１．１６とすることにより、例えば天然
ウランブランケットを上下端部に１／２４ノードずつ設
けても、燃料集合体平均濃縮度を４［ｗｔ％］以上とす
ることができる。また、沸騰水型原子炉では、燃料集合
体下部領域よりも上部領域の方が相対的に中性子スペク
トルが硬い状態で燃焼するため、可燃性吸収材の熱中性
子吸収効果は上部領域で小さく下部領域で大きくなる。
その結果、可燃性吸収材入りウラン燃料棒のウラン濃縮
度を軸方向に一様とする場合、上部領域は、下部領域に
比べて出力が大きくなり、燃焼が進むにつれてウラン−
２３５の消耗が進む。そのため、熱的健全性を考える上
で問題となる、可燃性吸収材の効果がなくなり燃料棒出
力が最も高くなる燃焼後期には、逆に可燃性吸収材入り
ウラン燃料棒の上部領域は下部領域に比べて出力が小さ
くなる。したがって、上部領域は下部領域に比べて熱的
余裕が大きくなっている。本発明では、このことに着目
し、少なくとも１本の第３の燃料棒について、その上下
端部を除いた領域においてウラン濃縮度に軸方向分布を
設け、上下端部を除いた領域の下端から上端へ向かって
ウラン濃縮度が小さくならないような軸方向分布、すな
わち燃料棒の上側ほど高濃縮度側となる分布とする。こ
のとき、前述したように上部領域は下部領域に比べて熱
的余裕が大きくなるので、上部領域の濃縮度を増加させ
ても下部領域なみの熱的健全性を確保できるともに、上
部領域のウラン濃縮度を高くした分、燃料集合体平均ウ
ラン濃縮度をさらに高くすることができる。これによ
り、さらなる高燃焼度化を図ることができる。

【００１３】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記複数本の第２の燃料棒は、軸方向の少なくとも一部
分の領域において可燃性吸収材入り燃料ペレットのウラ
ン濃縮度がａに等しくなる第４の燃料棒をさらに含み、
かつ、この第４の燃料棒のうち前記可燃性吸収材入り燃
料ペレットのウラン濃縮度がａに等しくなる領域を含む
燃料集合体横断面においては、前記第４の燃料棒に対す
る前記正方格子状配列中の同行隣接列又は同列隣接行の
４つの格子位置には、すべて前記第１の燃料棒又は前記
第２の燃料棒が存在する。

【００１４】（３）また上記目的を達成するために、本
発明は、燃料ペレットが充填されｎ行ｎ列の正方格子状
に配列された複数本の燃料棒と、少なくとも１本の中性
子減速棒とを有し、前記複数本の燃料棒に充填されてい
る燃料ペレットの最高ウラン濃縮度がａ［ｗｔ％］であ
り、かつ前記複数本の燃料棒は、可燃性吸収材を含まな
い複数本の第１の燃料棒と、可燃性吸収材を含む複数本
の第２の燃料棒とを含む燃料集合体において、（ａ）前
記正方格子状に配列された全ての燃料棒の燃料集合体当
たりの平均ウラン濃縮度は４［ｗｔ％］以上であり、
（ｂ）前記複数本の第２の燃料棒は、燃料棒の少なくと
も一部分において可燃性吸収材入り燃料ペレットのウラ
ン濃縮度ｃ［ｗｔ％］がｃ＝ａとなるように構成された
少なくとも１本の第３の燃料棒を含み、（ｃ）前記正方
格子状に配列された複数本の燃料棒の少なくとも大部分
は、上下端部にその他の領域より燃料集合体での一横断
面での平均ウラン濃縮度が低い領域を有し、かつこの上
下端部を除いた領域における燃料集合体の一横断面での
平均ウラン濃縮度ｂ［ｗｔ％］が、ａ／ｂ≦１．１６と
なるように構成され、（ｄ）前記第３の燃料棒は、前記
上下端部を除いた領域において軸方向にウラン濃縮度分
布が存在し、かつこの分布が、前記上下端部を除いた領
域の下端から上端へ向かってウラン濃縮度が小さくなら
ないような軸方向分布となるように構成され、（ｅ）前
記第３燃料棒の燃料棒に対する前記正方格子状配列中の
同行隣接列又は同列隣接行の４つの格子位置には、すべ
て前記第１の燃料棒又は第２の燃料棒が配置されてい
る。上記（１）のうち、可燃性吸収材入り燃料ペレット
のウラン濃縮度ｃ［ｗｔ％］が最高ウラン濃縮度ａ［ｗ
ｔ％］より小さいという条件は、熱伝導度の悪い可燃性
吸収材を含む第３の燃料棒の中心温度をその他の可燃性
吸収材を含まない第１の燃料棒の中心温度と同等以下に
し熱的健全性を確保するためのものであったが、第３の
燃料棒が、正方格子中の隣接４位置をすべて第１の燃料
棒に囲まれている場合には、水ロッド等の中性子減速棒
やギャップ水領域に隣接する位置に比べて出力が相対的
に小さくなるため、ｃ＝ａであってもよい。すなわち、
この場合はｃ＜ａという条件がなくても、上記（１）と
同様の作用を得る。

【００１５】（４）上記（１）〜（３）のいずれかにお
いて、好ましくは、前記第３の燃料棒に設けられた軸方
向ウラン濃縮度分布は、前記上下端部を除いた領域を軸
方向上・下に２分割したとき、上部領域のウラン濃縮度
が下部領域のウラン濃縮度よりも高くなるように設定さ
れている。

【００１６】（５）上記（１）〜（３）のいずれかにお
いて、また好ましくは、前記複数本の第２の燃料棒又は
前記少なくとも１本の第３の燃料棒又は前記少なくとも
１本の第４の燃料棒は、前記上下端部を除いた領域のう
ち、一部分のみにウランに可燃性吸収材を添加した可燃
性吸収材入り燃料ペレットを充填し、残りの部分にはウ
ラン燃料ペレットを充填した少なくとも１本の第５の燃
料棒をさらに含む。

【００１７】（６）上記（１）〜（３）のいずれかにお
いて、また好ましくは、前記複数本の第１の燃料棒又は
前記複数本の第２の燃料棒又は前記少なくとも１本の第
３の燃料棒又は前記少なくとも１本の第４の燃料棒は、
燃料有効長が他のものよりも短い第６の燃料棒を含む。

【００１８】（７）上記（１）〜（３）のいずれかにお
いて、好ましくは、前記複数本の燃料棒に充填されてい
る燃料ペレットの最高ウラン濃縮度ａは、ａ≦５．０
［ｗｔ％］である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。なお、本発明は、前述したよう
に、特開平１０−１１５６９０号公報の燃料集合体にお
いて可燃性吸収材入り燃料棒のウラン濃縮度軸方向分布
を適宜設けることにより、熱的健全性を確保しつつさら
に平均濃縮度を向上し、さらなる高燃焼度化を図るもの
である。すなわち、ウラン濃縮度軸方向分布を設ける点
が最も大きな技術的特徴であり、それ以外の部分につい
ては、特開平１０−１１５６９０号公報と基本的な構成
の考え方や作用はほぼ同様である。したがって、以下の
各実施形態において、これら共通する部分については、
適宜説明を簡略化したり、あるいは説明を省略する。

【００２０】本発明の第１の実施形態を図１〜図６によ
り説明する。

【００２１】本実施形態による燃料集合体の全体構造を
表す側断面図を図２に、図２中Ｉ−Ｉ断面による横断面
図を図１（ａ）に、各種燃料棒の軸方向濃縮度分布を表
す説明図を図１（ｂ）に示す。

【００２２】これら図１（ａ）、図１（ｂ）、及び図２
において、本実施形態による燃料集合体は、核分裂性物
質としてのウランを焼結した燃料ペレットを封入した多
数の燃料棒２と、燃料集合体中央部の中性子スペクトル
を改善する中性子減速棒として設けられ、冷却材流路を
形成する中空管である水ロッド４と、燃料棒２及び水ロ
ッド４を軸方向複数箇所で一定間隔に保持するスペーサ
６と、これら燃料バンドルを上端及び下端でそれぞれ保
持する上部タイプレート５および下部タイプレート７と
を備えており、それらのまわりを四角筒型のチャンネル
ボックス１で取り囲んでいる。

【００２３】水ロッド４は、角型の大型水ロッド（ウォ
ータチャンネルともいう）であり、燃料集合体径方向の
熱中性子束平坦化を目的に、燃料集合体中央部に３行３
列格子の９本の燃料棒２を置き換えるように配置されて
いる。

【００２４】燃料棒２は、全部で７２本あり、９行９列
の正方格子状に配列されている。各燃料棒２は、ペレッ
トに含まれるウランの濃縮度分布が互いに異なる４種類
が配置されており、それぞれ燃料棒記号１，２，３，Ｇ
で表す。図１（ｂ）に示すように、燃料棒記号１，２，
３，Ｇの燃料棒２は、燃料有効長の上・下端部１／２４
ノード部分には、ウラン濃縮度０．７１［ｗｔ％］の天
然ウランブランケット領域が設けられている。そして、
燃料棒記号１，２，３の燃料棒２は、天然ウランブラン
ケット領域を除く燃料有効長の２２／２４ノード部分の
ウラン濃縮度が、軸方向に一様に、それぞれ４．９［ｗ
ｔ％］、４．４［ｗｔ％］、２．８［ｗｔ％］となって
いる。すなわち、最高ウラン濃縮度ａは、燃料棒記号１
に充填されたペレットの４．９［ｗｔ％］となってい
る。燃料棒記号Ｇの燃料棒２は、天然ウランブランケッ
ト領域を除く燃料有効長の２２／２４ノード部分のウラ
ン燃料ペレットに、燃焼初期の余剰反応度抑制のために
可燃性吸収材としてガドリニアを添加したガドリニア入
り燃料棒となっている。またこの燃料棒記号Ｇの燃料棒
２は、上記燃料有効長の２２／２４ノード部分の軸方向
上半分（すなわち燃料有効長の上端基準で１／２４ノー
ド〜１２／２４ノード）と軸方向下半分（燃料有効長の
上端基準で１２／２４ノード〜２３／２４ノード）とで
ウラン濃縮度が異なっており、上部領域ではウラン濃縮
度ｃU＝４．４［ｗｔ％］であるのに対して下部領域で
はｃL＝３．９［ｗｔ％］となっている。なお、ガドリ
ニア添加濃度は上部領域下部領域ともに同じ５．５［ｗ
ｔ％］となっている。

【００２５】このような燃料棒２は、燃料棒記号１が４
４本、燃料棒記号２が８本、燃料棒板棒３が４本、燃料
棒記号Ｇが１６本、それぞれ図１（ａ）に示すように配
置されている。すなわち、熱中性子束が高く出力が高く
なる９行９列格子状配列の４隅位置には最も濃縮度の低
い燃料棒記号３の燃料棒２を配置し、９行９列格子状配
列の最外周で燃料棒記号３の燃料棒２を挟むように隣接
する位置８箇所には、その次に濃縮度の低い燃料棒記号
２の燃料棒２を配置し、これによって燃焼初期の局所出
力ピーキングを抑えるようになっている。また燃料棒記
号Ｇのガドリニア入り燃料棒２は、１６本のうち８本
が、９行９列格子状配列の最外周から数えて３列目の層
で水ロッド４の４隅位置にそれぞれ隣接する位置（同行
隣接列又は隣接行同列位置、以下同じ）に配置されてい
るが、残りの８本は、９行９列格子状配列の最外周から
数えて２列目の層で前述の８本の燃料棒２（燃料棒記号
Ｇ）と隣接しない位置に配置されている。その他の位置
は、すべて燃料棒記号１の燃料棒２が配置されている。
以上のような各燃料棒２の配置の結果、図１（ｂ）に示
すように、天然ウランブランケット領域を除いた上部領
域の横断面平均濃縮度がｂU＝４．６２［ｗｔ％］、下
部領域の横断面平均濃縮度がｂL＝４．５１［ｗｔ
％］、燃料集合体平均濃縮度がｄ＝４．２４［ｗｔ％］
となっている。

【００２６】上記構成において、前述したように、最高
ウラン濃縮度ａ＝４．９［ｗｔ％］≦５［ｗｔ％］とな
っており、集合体平均ウラン濃縮度ｄ＝４．２４［ｗｔ
％］≧４［ｗｔ％］となっている。また、ガドリニア入
り燃料棒２（燃料棒記号Ｇ）の上部領域ウラン濃縮度ｃ
U＝４．４［ｗｔ％］及び下部領域ウラン濃縮度ｃL＝
３．９［ｗｔ％］＜最高ウラン濃縮度ａ＝４．９［ｗｔ
％］となっている。さらに、天然ウランブランケット領
域を除いた上部領域・下部領域横断面平均濃縮度ｂU＝
４．６２［ｗｔ％］，ｂL＝４．５１［ｗｔ％］であっ
て、ａ／ｂU＝１．０６５、ａ／ｂL＝１．０８９となっ
ていずれも１．１６以下となっている。また、燃料棒記
号１，２，３の燃料棒２が可燃性吸収材を含まない第１
の燃料棒を構成し、燃料棒記号Ｇの燃料棒２が可燃性吸
収材を含む第２の燃料棒を構成するとともに、上下端部
を除いた領域において軸方向にウラン濃縮度分布が存在
する第３の燃料棒をも構成する。

【００２７】次に、本実施形態の作用を説明する。現在
の燃料ペレットの製造技術では、燃料集合体に適用でき
る燃料ペレットの最高ウラン濃縮度ａにａ≦５［ｗｔ
％］という制約がある。本実施形態は、このような制約
の下で、可燃性吸収材を添加した燃料棒の熱的健全性を
確保しつつ出力ピーキングを小さく抑えながら平均ウラ
ン濃縮度を高めることで、４５［ＧＷｄ／ｔ］よりも高
い取り出し平均燃焼度を達成するとともに、さらに、可
燃性吸収材を添加した燃料棒の軸方向濃縮度分布をもた
せることで、さらに平均濃縮度を高めて高燃焼度化を図
るものである。以下順次、このことを説明する。

【００２８】（１）集合体平均ウラン濃縮度向上による
取り出し燃焼度向上 燃料集合体の取り出し燃焼度を大きくするためには、炉
心に装荷する新燃料集合体の燃料ペレットのウラン濃縮
度を高めることが必要である。図３に、燃料集合体の平
均ウラン濃縮度と取り出し燃焼度との関係を示す。本発
明では、取り出し燃焼度として４５［ＧＷｄ／ｔ］以上
の燃焼度を狙っており、図３より、取り出し燃焼度を４
５［ＧＷｄ／ｔ］以上にするためには燃料集合体平均ウ
ラン濃縮度を４．０［ｗｔ％］以上とすることが必要で
あることがわかる。本実施形態の燃料集合体では、上記
したように、集合体平均ウラン濃縮度ｄ＝４．２４［ｗ
ｔ％］≧４．０［ｗｔ％］となっている。これにより、
取り出し燃焼度は約４９［ＧＷｄ／ｔ］を達成可能であ
る。このとき、各燃料棒２は、上下端部にその他の領域
より横断面平均ウラン濃縮度が低い天然ウランブランケ
ット領域を設けることにより、中性子の洩れを少なくし
効率よく燃料を燃やせるので、同じ燃料集合体平均ウラ
ン濃縮度であっても高い取り出し燃焼度を得ることがで
き、一層の高燃焼度化を容易に図れ、燃料経済性向上効
果が得られる。また、このように上・下端部に天然ウラ
ンブランケット領域を設けるとき、設計上重要なのは上
・下端部のブランケットを除いた濃縮燃料部のウラン濃
縮度である。天然ブランケット領域は平均濃縮度を下げ
る方向に作用するため、濃縮燃料部の横断面平均濃縮度
ｂを所定値以上にしなければ、上記の集合体平均ウラン
濃縮度ｄ＝４．２４［ｗｔ％］≧４．０［ｗｔ％］を得
ることができなくなる。一般に、上・下端部の天然ブラ
ンケット領域は燃料有効長の１／２４ノードずつ設ける
ことが多い。本願発明者等の検討によれば、このような
構造でペレット最高ウラン濃縮度ａ＝５．０［ｗｔ％］
の場合、濃縮燃料部の横断面平均濃縮度ｂを４．３［ｗ
ｔ％］以上とすれば、燃料集合体平均濃縮度ｄ≧４．０
［ｗｔ％］となることがわかった。すなわち、ペレット
最高のウラン濃縮度ａと横断面平均濃縮度ｂとの比ａ／
ｂ≦１．１６（≒５／４．３）とすれば、燃料集合体平
均濃縮度ｄ≧４．０［ｗｔ％］とできることがわかっ
た。本実施形態においては、上記したように、ａ／ｂU
＝１．０６５、ａ／ｂL＝１．０８９となっていずれも
１．１６以下であるため、上記のように天然ウランブラ
ンケット領域を設けても燃料集合体平均濃縮度ｄ＝４．
２４［ｗｔ％］となって４．０［ｗｔ％］以上を確保す
ることができ、取り出し燃焼度約４９［ＧＷｄ／ｔ］を
実現できる。

【００２９】（２）ガドリニア入り燃料棒のウラン濃縮
度抑制による熱的健全性確保 一般に、ガドリニア等の可燃性吸収材を添加する燃料棒
では、その添加によって熱伝導度が例えば数％低下して
いるため、その他の可燃性吸収材を添加しないウラン燃
料棒と同じ出力であっても可燃性吸収材入り燃料棒の方
が中心温度が高くなり、燃料の熱的健全性を損なう可能
性が高くなる。そのため、可燃性吸収材入り燃料棒の中
心温度を他のウラン燃料棒と同じ温度にするためには、
安全上、可燃性吸収材入り燃料棒の局所出力ピーキング
は、可燃性吸収材が燃え尽きて燃料集合体が相対的に大
きな出力を出さなくなる第１サイクルの末期において、
他のウラン燃料棒の局所出力ピーキングより少なくとも
小さく（好ましくは数％以上小さく）することが効果的
である。すなわち、可燃性吸収材入り燃料棒の上下端部
以外の領域に充填される可燃性吸収材入り燃料ペレット
のウラン濃縮度を、全燃料棒燃料ペレットの最高濃縮度
よりも小さくすればよいことになる。本実施形態におい
ては、前述したように、ガドリニア入り燃料棒２（燃料
棒記号Ｇ）の上下ブランケット領域以外に充填される可
燃性吸収材入り燃料ペレットのウラン濃縮度ｃは、上部
領域でｃU＝４．４［ｗｔ％］、下部領域でｃL＝３．９
［ｗｔ％］であり、いずれも全燃料棒燃料ペレットの最
高濃縮度ａ＝４．９［ｗｔ％］よりも小さい。これによ
り、熱伝導度の悪いガドリニアを含む燃料棒２（燃料棒
記号Ｇ）の中心温度をその他の可燃性吸収材を含まない
燃料棒２（燃料棒記号１，２，３）の中心温度と同等以
下にし、その熱的健全性を確保することができる。

【００３０】（３）可燃性吸収材入り燃料棒の濃縮度軸
方向分布による平均濃縮度の向上 上記（１）（２）で述べた作用は、現行の燃料ペレット
の５［ｗｔ％］以下というウラン濃縮度制限下におい
て、可燃性吸収材入りウラン燃料棒の健全性を確保しつ
つその濃縮度を高めて燃料集合体平均濃縮度を高め、平
均取り出し燃焼度４５［ＧＷｄ／ｔ］以上を実現するも
のであり、基本的には、特開平１０−１１５６９０号公
報で達成されている効果と同様である。本発明は、これ
らの作用に加え、軸方向中性子スペクトル分布に対応し
た可燃性吸収材入りウラン燃料棒の軸方向ウラン濃縮度
分布を設定することにより、燃料集合体平均濃縮度をさ
らに高め、これによってさらなる高燃焼度化を可能とす
るものである。本発明の最大の特徴であるこの作用を以
下、順次説明する。

【００３１】（３−Ａ）本発明の原理 一般に、沸騰水型原子炉では、燃料集合体下部領域より
も上部領域の方が相対的に中性子スペクトルが硬い状態
で燃焼する。これを図４に示す。

【００３２】図４は、一般的な沸騰水型原子炉の燃料集
合体軸方向のボイド分布を示すものである。図示のよう
に、ボイド率は、下部領域（燃料有効長下端基準で１／
２４ノード〜１２／２４ノード付近）では０％〜６０％
程度、上部領域（燃料有効長下端基準で１２／２４ノー
ド〜２３／２４ノード付近）では６０％から７０％程度
であり、上部領域の燃料は下部領域に比べて硬い中性子
スペクトルで燃焼していくといえる。ここで、ガドリニ
ア等の可燃性吸収材は非常に熱中性子吸収断面積の大き
な物質であるために、中性子スペクトルの柔らかい下部
領域では中性子吸収効果が大きく、上部領域では下部領
域に比べてその効果が小さくなる。つまり、上部領域の
可燃性吸収材入り燃料棒は下部領域の可燃性吸収材入り
燃料棒と比べて可燃性吸収材に吸収される熱中性子が減
り、ウラン−２３５に供与される熱中性子が増える。

【００３３】そのため、可燃性吸収材入りウラン燃料棒
の上部領域は、下部領域に比べて出力が大きくなり、燃
焼が進むにつれてウラン−２３５の消耗が進むことにな
る。これを図５により説明する。図５は、軸方向に一様
なウラン濃縮度分布を備えた可燃性吸収材入り燃料棒の
上部領域及び下部領域における出力の推移の一例を示し
たものである。横軸にボイド率をとっており、ボイド率
０％のデータが燃料有効長最下端、ボイド率４０％のデ
ータが下部領域、ボイド率７０％のデータが上部領域に
ほぼ相当する。縦軸の可燃性吸収材入り燃料棒出力は、
通常のウランのみの燃料棒の出力に対する相対出力とし
て表している。この図５において、上記した原理で、燃
焼初期には上部領域が下部領域に比べて出力が大きくな
っていることがわかる。そしてまた、熱的健全性を考え
る上で最も問題となる、可燃性吸収材の効果がなくなり
燃料棒出力が最も高くなる燃焼後期には、逆に可燃性吸
収材入りウラン燃料棒の上部領域が下部領域に比べて出
力が小さくなっていることがわかる。

【００３４】（３−Ｂ）本発明の要部構成及び効果 上記のように、可燃性吸収材入り燃料棒で軸方向に一様
なウラン濃縮度分布とした場合には、燃料棒出力が最も
高くなる燃焼後期には、上部領域が下部領域に比べて出
力が小さくなり、熱的余裕が大きくなっている。本発明
では、このことに着目し、ガドリニア入り燃料棒２（燃
料棒記号Ｇ）について、上部領域のウラン濃縮度をｂU
＝４．４［ｗｔ％］とし、下部領域のウラン濃縮度ｂL
＝３．９［ｗｔ％］よりも大きくしている。このとき、
もともと燃焼後期には上部領域は下部領域に比べて出力
が小さく熱的余裕が大きかったので、このように上部領
域の濃縮度を増加させて出力を増大させも燃焼後期にお
いて下部領域なみの熱的健全性を確保できる。そしてこ
のとき、上部領域のウラン濃縮度を高くした分、燃料集
合体平均ウラン濃縮度をさらに高くすることができる。
具体的には、上記特開平１０−１１５６９０号公報中、
本実施形態の９×９燃料集合体に対応する燃料集合体が
図１９に開示されているが、ガドリニア入りウラン燃料
棒におけるウラン濃縮度が一様となっている結果、その
燃料集合体平均濃縮度は４．２２［ｗｔ％］に留まって
いる。本実施形態においては、上記のようにガドリニア
入り燃料棒２（燃料棒記号Ｇ）について、上部領域のウ
ラン濃縮度を下部領域のウラン濃縮度よりも大きくした
ことにより、燃料集合体平均濃縮度を４．２４［ｗｔ
％］まで向上することができる。このときの各格子位置
における局所出力ピーキングの値を図６に示す。図６
は、上部領域でのボイド率４０％の局所出力ピーキング
係数の分布と、ボイド率７０％での局所出力ピーキング
係数の分布を燃焼初期及び燃焼後期（ガドリニア消耗
後）においてそれぞれ分けて示したものである。図示の
ように、アンダーライン位置にあるガドリニア入りウラ
ン燃料棒２（燃料棒記号Ｇ）の局所出力ピーキングは、
燃焼初期において、ボイド率４０％の場合０．４６〜
０．４８であるが、ボイド率７０％の場合は熱中性子束
吸収断面積の大きいガドリニアによる熱中性子の吸収割
合が減り、ウランに吸収されて核分裂を起こす熱中性子
の割合が多くなることから０．５２〜０．５７となって
いる。これは、ボイド率７０％の場合の方がボイド率４
０％の場合よりガドリニア入り燃料棒中のウランの燃焼
が早く進むことを示しており、局所出力ピーキングは、
ガドリニア消耗後の燃焼後期において、ボイド率４０％
の場合は０．９２〜０．９５、ボイド率７０％の場合は
０．９０〜０．９３となる。可燃性吸収材の効果で、燃
焼初期においてはガドリニア入り燃料棒の局所出力ピー
キングはボイド率７０％の場合でガドリニア添加のない
燃料棒の約４３％以下と低い。可燃性吸収材の消耗後
で、ガドリニア入り燃料棒が最も熱的に厳しくなる燃焼
後期において、ガドリニア添加のない燃料棒に対するガ
ドリニア入り燃料棒の局所出力ピーキングは、ボイド率
７０％の場合で８６％以下となっており、本実施形態の
上部領域におけるガドリニア入りウラン燃料棒のウラン
濃縮度は、ガドリニア入り燃料棒の熱的健全性を確保で
きる限界近くまで濃縮度を高めている。一方ボイド率４
０％の場合は、可燃性吸収材の消耗後におけるガドリニ
ア添加のない燃料棒に対するガドリニア入り燃料棒の局
所出力ピーキングは８８％以下となる。つまり、ボイド
率４０％付近で燃焼する下部領域は、上部領域よりガド
リニア入り燃料棒のウラン濃縮度を低く抑えておく必要
があり、本実施形態では上部領域のウラン濃縮度４．４
［ｗｔ％］より十分に低い３．９［ｗｔ％］としている
ことから、従来と同様に可燃性毒物入り燃料棒の熱的健
全性を十分に確保できることがわかる。

【００３５】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、軸方向中性子スペクトル分布に対応した軸方向ウラ
ン濃縮度分布を設定することにより、ガドリニア入りウ
ラン燃料棒２（燃料棒記号２）の健全性を確保しつつ、
従来構造よりもさらなる高燃焼度化を図れる。

【００３６】なお、上記第１の実施形態では、ペレット
最高ウラン濃縮度ａ＝５．０［ｗｔ％］という現在の制
約の下、ペレット最高のウラン濃縮度ａと横断面平均濃
縮度ｂとの比ａ／ｂ≦１．１６（≒５／４．３）とし、
これによって濃縮燃料部の横断面平均濃縮度ｂを４．３
［ｗｔ％］以上として燃料集合体平均濃縮度ｄ≧４．０
［ｗｔ％］を確保した。そしてこれによって、図３に基
づき４５［ＧＷｄ／ｔ］以上の取り出し燃焼度を確保し
た。しかしながら、将来的にペレット最高ウラン濃縮度
ａの値が最も向上したときにおいて、その制約の下にお
いても、ペレット最高のウラン濃縮度ａと横断面平均濃
縮度ｂとの比ａ／ｂ≦１．１６とすることで、濃縮燃料
部の横断面平均濃縮度ｂをある値以上として燃料集合体
平均濃縮度ｄもある値に以上に確保できることから、そ
れによって、図３に基づきさらに向上した取り出し燃焼
度を確保できることとなる。言い換えれば、将来的にペ
レット最高ウラン濃縮度ａの値が５．０［ｗｔ％］以上
に向上した場合でも、ガドリニア入り燃料棒２（燃料棒
記号Ｇ）の上部領域ウラン濃縮度ｃU及び下部領域ウラ
ン濃縮度ｃL＜最高ウラン濃縮度ａとし、天然ウランブ
ランケット領域を除いた上部領域・下部領域横断面平均
濃縮度ｂU，ｂLについてａ／ｂU又はａ／ｂL≦１．１６
以下とし、さらにガドリニア入り燃料棒２（燃料棒記号
Ｇ）について、上部領域のウラン濃縮度ｂUを、下部領
域のウラン濃縮度ｂLよりも大きくすることで、上記第
１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【００３７】本発明の第２の実施形態を図７により説明
する。本実施形態は、ガドリニア部分添加燃料棒を用い
た場合の実施形態である。図７（ａ）は、本実施形態に
よる燃料集合体の要部構造を表す横断面図であり、図７
（ｂ）は、各種燃料棒の軸方向濃縮度分布を表す説明図
であり、それぞれ図１（ａ）及び図１（ｂ）に対応する
図である。

【００３８】これら図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す本
実施形態の燃料集合体において、燃料棒２は、第１の実
施形態と同様に全部で７２本あり、９行９列の正方格子
状に配列されている。各燃料棒２は、ペレットに含まれ
るウランの濃縮度分布が互いに異なる５種類が配置され
ており、それぞれ燃料棒記号１，２，３，Ｇ1，Ｇ2で表
す。

【００３９】図７（ｂ）において、燃料棒記号１，２，
３，Ｇ1，Ｇ2の各燃料棒２のうち燃料棒記号１，３の燃
料棒２は第１の実施形態と同様の濃縮度分布であり、ま
た燃料棒記号Ｇ2の燃料棒２は第１の実施形態の燃料棒
記号Ｇの燃料棒２と同様の濃縮度・ガドリニア濃度分布
であるため、説明を省略する。燃料棒記号２，Ｇ1の燃
料棒２は、上・下端に第１の実施形態と同様の天然ウラ
ンブランケット領域が設けられている。まず燃料棒記号
２の燃料棒２は、天然ウランブランケット領域を除く燃
料有効長の２２／２４ノード部分のウラン濃縮度が、上
記燃料有効長の２２／２４ノード部分の軸方向上半分
（燃料有効長の上端基準で１／２４ノード〜１２／２４
ノード）と軸方向下半分（燃料有効長の上端基準で１２
／２４ノード〜２３／２４ノード）とでウラン濃縮度が
異なっており、上部領域ではウラン濃縮度４．４［ｗｔ
％］であるのに対して下部領域では４．９［ｗｔ％］と
なっている。最高ウラン濃縮度ａは、この燃料棒記号２
の燃料棒２の下部領域及び燃料棒記号１の燃料棒２に充
填されたペレットの４．９［ｗｔ％］となっている。一
方、燃料棒記号Ｇ1の燃料棒２は、燃料有効長の２２／
２４ノード部分の軸方向上半分（燃料有効長の上端基準
で１／２４ノード〜１２／２４ノード）と軸方向下半分
（燃料有効長の上端基準で１２／２４ノード〜２３／２
４ノード）のうち、上部領域ではウラン濃縮度ｃU＝
４．９［ｗｔ％］であるのに対して下部領域ではｃL＝
４．４［ｗｔ％］となっている。さらにこれに加え、下
部領域にのみガドリニアを２．５［ｗｔ％］で添加した
ガドリニア部分添加燃料棒となっている。

【００４０】このような燃料棒２は、燃料棒記号１が４
２本、燃料棒記号２が８本、燃料棒記号３が４本、燃料
棒記号Ｇ1が２本、燃料棒記号Ｇ2が１６本、それぞれ図
７（ａ）に示すように配置されている。すなわち、第１
の実施形態と同様、熱中性子束が高く出力が高くなる９
行９列格子状配列の４隅位置には最も濃縮度の低い燃料
棒記号３の燃料棒２を配置し、９行９列格子状配列の最
外周で燃料棒記号３の燃料棒２を挟むように隣接する位
置８箇所には、ガドリニア非添加でその次に濃縮度の低
い燃料棒記号２の燃料棒２を配置している。また、燃料
棒記号Ｇ2のガドリニア入り燃料棒２は、１６本のうち
４本が、９行９列格子状配列の最外周から数えて３列目
の層で水ロッド４の各面中央に対向する位置に配置され
ているが、残りの１２本は、９行９列格子状配列の最外
周から数えて２列目の層で前述の８本の燃料棒２（燃料
棒記号Ｇ2）と隣接しない位置に配置されている。また
燃料棒記号Ｇ1のガドリニア入り燃料棒２は、水ロッド
４の４隅のうち対角線方向に対向する２隅の対角線方向
外側に配置されている。

【００４１】その他の位置は、すべて燃料棒記号１の燃
料棒２が配置されている。なお、本実施形態では、ガド
リニア部分添加燃料棒２（燃料棒記号Ｇ1）の存在によ
り、上部領域に比べて下部領域のガドリニア本数は増え
ている。そして、ガドリニアを添加した燃料棒２（Ｇ
1，Ｇ2）では熱的健全性確保の観点からいずれも、下部
領域の濃縮度が上部領域の濃縮度より低くなっているこ
とから、そのままでは、第１の実施形態よりも燃料集合
体下部断面の平均濃縮度ｂUと上部断面の平均濃縮度ｂL
の差ｂU−ｂLが大きくなり、軸方向出力分布が軸方向上
部ピークになる方向となる。そこで、本実施形態では、
燃料集合体コーナーの位置の４本の燃料棒２（燃料棒記
号３）を挟む最外周の８本の燃料棒２（燃料棒記号２）
の濃縮度を、上部領域で下部領域より低くすることによ
り、軸方向出力分布の均一化を図るようにしている。

【００４２】以上のような各燃料棒２の配置の結果、図
７（ｂ）に示すように、天然ウランブランケット領域を
除いた上部領域の横断面平均濃縮度がｂU＝４．６［ｗ
ｔ％］、下部領域の横断面平均濃縮度がｂL＝４．５
［ｗｔ％］、燃料集合体平均濃縮度がｄ＝４．３［ｗｔ
％］となっている。

【００４３】上記構成において、前述したように、最高
ウラン濃縮度ａ＝４．９［ｗｔ％］≦５［ｗｔ％］とな
っており、集合体平均ウラン濃縮度ｄ＝４．３［ｗｔ
％］≧４［ｗｔ％］となっている。また、ガドリニア入
り燃料棒２（燃料棒記号Ｇ2）の上部領域ウラン濃縮度
ｃU＝４．４［ｗｔ％］及び下部領域ウラン濃縮度ｃL＝
３．９［ｗｔ％］＜最高ウラン濃縮度ａ＝４．９［ｗｔ
％］となっている。さらに、天然ウランブランケット領
域を除いた上部領域・下部領域横断面平均濃縮度ｂU＝
４．６［ｗｔ％］，ｂL＝４．５［ｗｔ％］であって、
ａ／ｂU＝１．０６５、ａ／ｂL＝１．０８９となってい
ずれも１．１６以下となっている。

【００４４】また、燃料棒記号１，２，３の燃料棒２が
可燃性吸収材を含まない第１の燃料棒を構成し、燃料棒
記号Ｇ1，Ｇ2の燃料棒２が可燃性吸収材を含む第２の燃
料棒を構成し、そのうち燃料棒記号Ｇ2の燃料棒２が上
下端部を除いた領域において軸方向にウラン濃縮度分布
が存在する第３の燃料棒を構成し、燃料棒記号Ｇ1の燃
料棒２が上下端部を除いた領域のうち一部分のみに可燃
性吸収材入り燃料ペレットを充填し、残りの部分にはウ
ラン燃料ペレットを充填している第５の燃料棒を構成す
る。

【００４５】これらにより、本実施形態においても、第
１の実施形態と同様の効果を得る。またこれに加え、ガ
ドリニア部分添加燃料棒（燃料棒記号Ｇ1）によって、
特に燃焼初期に高くなる炉心軸方向出力の下部ピークを
抑えることができることから、燃焼初期に比較的高い局
所出力ピーキングを出す燃料集合体コーナーを挟む位置
の燃料棒２（燃料棒記号２）の濃縮度をより高くでき、
これによって燃料集合体平均濃縮度を第１の実施形態の
４．２４［ｗｔ％］よりもさらに４．３［ｗｔ％］に高
めることができる。

【００４６】本発明の第３の実施形態を図８により説明
する。本実施形態は、異なる形状の水ロッド及び部分長
燃料棒を用いた場合の実施形態である。図８（ａ）は、
本実施形態による燃料集合体の要部構造を表す横断面図
であり、図８（ｂ）は、各種燃料棒の軸方向濃縮度分布
を表す説明図であり、それぞれ第１の実施形態の図１
（ａ）及び図１（ｂ）に対応する図である。

【００４７】これら図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す本
実施形態の燃料集合体において、水ロッド４は、横断面
形状が略円形状のものが２本配置されており、燃料集合
体中央部に３行３列格子内の７本の燃料棒２を置き換え
るように配置されている。これによって、９行９列の正
方格子状に配列された燃料棒２の全本数は７４本となっ
ている。各燃料棒２は、ペレットに含まれるウランの濃
縮度分布が互いに異なる６種類が配置されており、それ
ぞれ燃料棒記号１，２，３，４，Ｇ1，Ｇ2で表す。

【００４８】図８（ｂ）において、燃料棒記号１，２，
３，４，Ｇ1，Ｇ2の各燃料棒２は、上端に２／２４ノー
ド分の天然ウランブランケット領域が設けられている点
が第１及び第２の実施形態と異なる。この点を除くと、
燃料棒記号１，２，３，４，Ｇ1，Ｇ2の各燃料棒２のう
ち、燃料棒記号１の燃料棒２は第１の実施形態と同様の
濃縮度分布であり、また燃料棒記号Ｇ1の燃料棒２は第
１の実施形態の燃料棒記号Ｇの燃料棒２と同様の濃縮度
・ガドリニア濃度分布であるため、詳細な説明を省略す
る。燃料棒記号２，３，Ｇ2の燃料棒２のうち、燃料棒
記号３の燃料棒２は、天然ウランブランケット領域を除
く燃料有効長の２１／２４ノード部分のウラン濃縮度
が、軸方向に一様に、３．２［ｗｔ％］となっている。
また、燃料棒記号２の燃料棒２は、天然ウランブランケ
ット領域を除く燃料有効長の２１／２４ノード部分のウ
ラン濃縮度が、上記燃料有効長の２１／２４ノード部分
の軸方向上半分（すなわち燃料有効長の上端基準で２／
２４ノード〜１２／２４ノード）と軸方向下半分（燃料
有効長の上端基準で１２／２４ノード〜２３／２４ノー
ド）とでウラン濃縮度が異なっており、上部領域ではウ
ラン濃縮度４．９［ｗｔ％］であるのに対して下部領域
では４．４［ｗｔ％］となっている。一方、燃料棒記号
Ｇ2の燃料棒２は、天然ウランブランケット領域を除く
燃料有効長の２１／２４ノード部分のウラン濃縮度が、
軸方向に一様に、４．４［ｗｔ％］となっており、さら
に、ガドリニアを軸方向に一様に５．０［ｗｔ％］で添
加したガドリニア入り燃料棒となっている。また、燃料
棒記号４の燃料棒２は、燃料有効長の上端基準１２／２
４ノードに上端が位置し、上端基準２３／２４ノードに
下端が位置し、天然ブランケット領域を持たない長さ１
１／２４ノードの部分長燃料棒となっている。この燃料
棒２（燃料棒記号４）のウラン濃縮度は、軸方向に一様
に４．９［ｗｔ％］となっている。最高ウラン濃縮度ａ
は、この燃料棒記号４の部分長燃料棒２、燃料棒記号１
の燃料棒２、及び燃料棒記号２の燃料棒２の上部領域に
充填されたペレットの４．９［ｗｔ％］となっている。

【００４９】このような燃料棒２は、燃料棒記号１が４
０本、燃料棒記号２が８本、燃料棒記号３が４本、燃料
棒記号４が６本、燃料棒記号Ｇ1が４本、燃料棒記号Ｇ2
が１２本、それぞれ図８（ａ）に示すように配置されて
いる。すなわち、上記第１及び第２実施形態同様、熱中
性子束が高く出力が高くなる９行９列格子状配列の４隅
位置には最も濃縮度の低い燃料棒記号３の燃料棒２を配
置し、９行９列格子状配列の最外周で燃料棒記号３の燃
料棒２を挟むように隣接する位置８箇所には、ガドリニ
ア非添加でその次に濃縮度の低い燃料棒記号２の燃料棒
２を配置している。また燃料棒記号Ｇ2のガドリニア入
り燃料棒２は、１２本のうち４本が、９行９列格子状配
列の最外周から数えて３列目の層の４隅にそれぞれ配置
され、残りの８本は、９行９列格子状配列の最外周から
数えて２列目の層で前述の４本の燃料棒２（燃料棒記号
Ｇ2）と隣接しない位置に配置されている。また燃料棒
記号Ｇ1のガドリニア入り燃料棒２は、９行９列格子状
配列の最外周から数えて２列目の層の４隅にそれぞれ配
置されている。

【００５０】その他の位置は、すべて燃料棒記号１の燃
料棒２が配置されている。以上のような各燃料棒２の配
置の結果、図８（ｂ）に示すように、天然ウランブラン
ケット領域を除いた上部領域の横断面平均濃縮度がｂU
＝４．７［ｗｔ％］、下部領域の横断面平均濃縮度がｂ
L＝４．６［ｗｔ％］、燃料集合体平均濃縮度がｄ＝
４．２［ｗｔ％］となっている。

【００５１】上記構成において、前述したように、最高
ウラン濃縮度ａ＝４．９［ｗｔ％］≦５［ｗｔ％］とな
っており、集合体平均ウラン濃縮度ｄ＝４．２［ｗｔ
％］≧４［ｗｔ％］となっている。また、ガドリニア入
り燃料棒２（燃料棒記号Ｇ1）の上部領域ウラン濃縮度
ｃU＝４．４［ｗｔ％］及び下部領域ウラン濃縮度ｃL＝
３．９［ｗｔ％］＜最高ウラン濃縮度ａ＝４．９［ｗｔ
％］となっている。さらに、天然ウランブランケット領
域を除いた上部領域・下部領域横断面平均濃縮度ｂU＝
４．７［ｗｔ％］，ｂL＝４．６［ｗｔ％］であって、
ａ／ｂU＝１．０４３、ａ／ｂL＝１．０６５となってい
ずれも１．１６以下となっている。

【００５２】また、燃料棒記号１，２，３，４の燃料棒
２が可燃性吸収材を含まない第１の燃料棒を構成し、そ
のうち燃料棒記号４の燃料棒２が、燃料有効長が他のも
のよりも短い第６の燃料棒を構成する。また、燃料棒記
号Ｇ1，Ｇ2の燃料棒２が可燃性吸収材を含む第２の燃料
棒を構成し、そのうち燃料棒記号Ｇ1の燃料棒２が上下
端部を除いた領域において軸方向にウラン濃縮度分布が
存在する第３の燃料棒を構成する。

【００５３】これらにより、本実施形態においても、第
１の実施形態と同様の効果を得る。このとき、具体的に
は、上記特開平１０−１１５６９０号公報中、本実施形
態の９×９燃料集合体に対応する燃料集合体が図１３、
図１４、図１８に開示されているが、ガドリニア入りウ
ラン燃料棒におけるウラン濃縮度が一様となっている結
果、その燃料集合体平均濃縮度は４．１９［ｗｔ％］に
留まっている。本実施形態においては、上記のようにガ
ドリニア入り燃料棒２（燃料棒記号Ｇ1）について、上
部領域のウラン濃縮度を下部領域のウラン濃縮度よりも
大きくしたことにより、燃料集合体平均濃縮度を４．２
０［ｗｔ％］まで向上することができる。また本実施形
態では、これに加え、以下のような効果もある。すなわ
ち、一般に、高燃焼度化に対応して燃料集合体平均濃縮
度を高めると各燃料棒の熱的余裕が減少していく。しか
しながら、本実施形態では、部分長燃料棒２（燃料棒記
号４）を用いることにより、ボイド率が高く水密度が小
さい上部領域の燃料棒本数が減り冷却材流路が大きくな
る。これにより燃料集合体上下領域の水分布を均一化
し、軸方向出力分布の平坦化が図られる。また、上部領
域における冷却材流路面積の増大により圧力損失が低減
され熱的余裕を向上する効果もある。さらに、部分長燃
料棒２の配置により冷温時と定常時の反応度差が低減し
炉停止余裕が大きくなる効果もある。このように種々の
効果があるため、部分長燃料棒は、燃料の高燃焼度化に
適している。さらに本実施形態では、部分長燃料棒の採
用で圧力損失が低減された分、燃料棒径を太くすること
ができ、これによって燃料の装荷量が多くなっている。
このとき、燃料１ｃｃあたり発電できる量はほぼ一意的
に決定されることから、燃料装荷量が多くなることは、
燃料集合体１体で発電できる量が多くなり、各サイクル
終了時に取り替えるべき燃料集合体の体数を減らすこと
ができる。したがって、燃料経済性をさらに向上できる
という効果がある。さらに本実施形態では、上部の天然
ウランブランケット領域を２／２４ノード分と拡大する
ことで、平均濃縮度を第１の実施形態とほぼ同等に確保
しつつ、燃料経済性を向上し、さらに取り出し平均燃焼
度を向上できる。

【００５４】本発明の第４の実施形態を図９により説明
する。本実施形態は、１０×１０配列の燃料集合体に適
用した場合の実施形態である。図９（ａ）は、本実施形
態による燃料集合体の要部構造を表す横断面図であり、
図９（ｂ）は、各種燃料棒の軸方向濃縮度分布を表す説
明図であり、第１の実施形態の図１（ａ）及び図１
（ｂ）に対応する図である。

【００５５】これら図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す本
実施形態の燃料集合体において、９２本の燃料棒２が１
０行１０列の正方格子状に配列されており、水ロッド４
は、横断面形状が略円形状のものが２本配置されてお
り、それぞれ燃料集合体中央部に２行２列格子の４本の
燃料棒２を置き換えるように配置されている。各燃料棒
２は、ペレットに含まれるウランの濃縮度分布が互いに
異なる６種類が配置されており、それぞれ燃料棒記号
１，２，３，４，Ｇ1，Ｇ2で表す。

【００５６】図９（ｂ）において、燃料棒記号１，２，
３，４，Ｇ1，Ｇ2の各燃料棒２のうち、燃料棒記号１，
２，３，Ｇ1，Ｇ2の燃料棒２は、上・下端に第１の実施
形態と同様の天然ウランブランケット領域が設けられて
いる。それらのうち燃料棒記号１，２，３の燃料棒２
は、天然ウランブランケット領域を除く燃料有効長の２
２／２４ノード部分のウラン濃縮度が、軸方向に一様
に、それぞれｅ1［ｗｔ％］、ｅ3［ｗｔ％］、ｅ4［ｗ
ｔ％］となっている。また燃料棒記号Ｇ1の燃料棒２
は、上記燃料有効長の２２／２４ノード部分の軸方向上
半分（すなわち燃料有効長の上端基準で１／２４ノード
〜１２／２４ノード）と軸方向下半分（燃料有効長の上
端基準で１２／２４ノード〜２３／２４ノード）とでウ
ラン濃縮度が異なっており、上部領域ではウラン濃縮度
ｅ2［ｗｔ％］であるのに対して下部領域ではｅ3［ｗｔ
％］となっている。また上部領域にはｇ1［ｗｔ％］の
濃度でガドリニアが添加されており、下部領域にはｇ2
［ｗｔ％］の濃度でガドリニアが添加されている。一
方、燃料棒記号Ｇ1の燃料棒２は、燃料有効長の２２／
２４ノード部分のウラン濃縮度が、軸方向に一様にｅ1
［ｗｔ％］となっており、それにｇ1［ｗｔ％］の濃度
でガドリニアが添加されている。一方、燃料棒記号４の
燃料棒２は、燃料有効長の上端基準１０／２４ノードに
上端が位置し、上端基準２３／２４ノードに下端が位置
し、天然ブランケット領域を持たない長さ１３／２４ノ
ードの部分長燃料棒となっている。この燃料棒２（燃料
棒記号４）のウラン濃縮度は、軸方向に一様にｅ1［ｗ
ｔ％］となっている。なお、上記ｅ1，ｅ2，ｅ3，ｅ4の
大小関係は、５［ｗｔ％］＞ｅ1＞ｅ2＞ｅ3＞ｅ4となっ
ており、これによって、最高ウラン濃縮度ａは、燃料棒
記号１，４，Ｇ2の燃料棒２にそれぞれ充填されたペレ
ットのｅ1［ｗｔ％］となっている。また、詳細には説
明しないが、集合体平均ウラン濃縮度も４［ｗｔ％］以
上となっており、さらに最高濃縮度ａと、天然ウランブ
ランケット領域を除いた上部領域・下部領域横断面平均
濃縮度が１．１６以下に設定されている。

【００５７】このような燃料棒２は、燃料棒記号１が４
７本、燃料棒記号２が８本、燃料棒記号３が４本、燃料
棒記号４が１４本、燃料棒記号Ｇ1が１８本、燃料棒記
号Ｇ2が１本、それぞれ図９（ａ）に示すように配置さ
れている。すなわち、熱中性子束が高く出力が高くなる
１０行１０列格子状配列の４隅位置には最も濃縮度の低
い燃料棒記号３の燃料棒２を配置し、１０行１０列格子
状配列の最外周で燃料棒記号３の燃料棒２を挟むように
隣接する位置８箇所には、ガドリニア非添加でその次に
濃縮度の低い燃料棒記号２の燃料棒２を配置し、これに
よって燃焼初期の局所出力ピーキングを抑えるようにな
っている。また燃料棒記号Ｇ1のガドリニア入り燃料棒
２は、１８本のうち１６本が、１０行１０列格子状配列
の最外周から数えて２列目の層に配置されているが、残
りの２本は、１０行１０列格子状配列の最外周から数え
て４列目の層で水ロッド４，４と隣接する位置に配置さ
れている。また燃料棒記号Ｇ2のガドリニア入り燃料棒
２は、１０行１０列格子状配列の最外周から数えて４列
目の層で上記燃料棒記号Ｇ1のガドリニア入り燃料棒２
と水ロッド４，４を挟んで反対側に配置されており、こ
のとき、正方格子状配列中の同行隣接列又は同列隣接行
の４つの格子位置には、すべて燃料棒２（燃料棒記号
１）が配置されている。

【００５８】その他の位置は、すべて燃料棒記号１の燃
料棒２が配置されている。上記構成においては、最高ウ
ラン濃縮度ａ＝ｅ1［ｗｔ％］≦５［ｗｔ％］となって
おり、集合体平均ウラン濃縮度も４［ｗｔ％］以上とな
っている。また、ガドリニア入り燃料棒２（燃料棒記号
Ｇ1）の上部領域ウラン濃縮度ｃU＝ｅ2［ｗｔ％］及び
下部領域ウラン濃縮度ｅ3［ｗｔ％］＜最高ウラン濃縮
度ａ＝ｅ1［ｗｔ％］となっている。さらに、最高濃縮
度ａと、天然ウランブランケット領域を除いた上部領域
・下部領域横断面平均濃縮度はが１．１６以下となって
いる。

【００５９】また、燃料棒記号１，２，３，４の燃料棒
２が可燃性吸収材を含まない第１の燃料棒を構成し、そ
のうち燃料棒記号４の燃料棒２が、燃料有効長が他のも
のよりも短い第５の燃料棒を構成する。また、燃料棒記
号Ｇ1，Ｇ2の燃料棒２が可燃性吸収材を含む第２の燃料
棒を構成し、そのうち燃料棒記号Ｇ1の燃料棒２が上下
端部を除いた領域において軸方向にウラン濃縮度分布が
存在する第３の燃料棒を構成する。そして、燃料棒記号
Ｇ2の燃料棒２が、軸方向の少なくとも一部分の領域に
おいて可燃性吸収材入り燃料ペレットのウラン濃縮度が
ａに等しくなる第４の燃料棒を構成する。

【００６０】これらにより、本実施形態においても、第
１の実施形態と同様の効果を得る。またこれに加え、本
実施形態では燃料棒配列が１０行１０列に増えて燃料集
合体当たりの燃料棒本数が増加していることにより、各
燃料棒の熱的余裕が増大し、局所出力ピーキングの最大
値を高くすることができる。したがって、通常、局所出
力ピーキングを低減するために濃縮度を抑える必要のあ
る燃料集合体コーナー部分の燃料棒２（燃料棒記号３）
と、それを挟む位置の燃料棒２（燃料棒記号２）の濃縮
度をより高めることができるので、燃料集合体平均濃縮
度をさらに増加させ、さらに高燃焼度化を図ることがで
きる。

【００６１】本発明の第５の実施形態を図１０により説
明する。本実施形態は、いわゆるＤ格子炉心に配置され
る燃料集合体の実施形態である。図１０（ａ）は、本実
施形態による燃料集合体の要部構造を表す横断面図であ
り、図１０（ｂ）は、各種燃料棒の軸方向濃縮度分布を
表す説明図であり、それぞれ図１（ａ）及び図１（ｂ）
に対応する図である。

【００６２】これら図１０（ａ）及び図１０（ｂ）にお
いて、本実施形態の燃料集合体は、燃料集合体間のギャ
ップ間隔が、制御棒側（図示Ｗ−Ｗ側）が制御棒のない
側（図示Ｎ−Ｎ側）よりも広くなっているＤ格子炉心に
適用されるものである。これに応じて、この燃料集合体
では、制御棒側において広いギャップ水領域（コントロ
ールセル以外は通常時は制御棒は挿入されないことによ
る）のために熱中性子束が大きくなり特に局所出力ピー
キングが増大しやすくなるのに応じて、図１０（ａ）に
示すように水ロッド４の位置が制御棒がない側に偏った
構造となっている。燃料棒２は、第１の実施形態と同様
に全部で７２本あり、９行９列の正方格子状に配列され
ている。各燃料棒２は、ペレットに含まれるウランの濃
縮度分布が互いに異なる８種類が配置されており、それ
ぞれ燃料棒記号１，２，３，４，５，Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3で
表す。

【００６３】図１０（ｂ）において、燃料棒記号１，
２，３，４，５，Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3の各燃料棒２のうち、
燃料棒記号１の燃料棒２は第１の実施形態の燃料棒記号
３の燃料棒２と同様の濃縮度分布であり、また燃料棒記
号５の燃料棒２は第１の実施形態の燃料棒記号１の燃料
棒２と同様の濃縮度分布であるため、説明を省略する。
なお、最高ウラン濃縮度ａは、燃料棒記号５に充填され
たペレットの４．９［ｗｔ％］となっている。燃料棒記
号２，３，４，Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3の燃料棒２は、上・下端
に第１の実施形態と同様の天然ウランブランケット領域
が設けられている。まず燃料棒記号２，３の燃料棒２
は、天然ウランブランケット領域を除く燃料有効長の２
２／２４ノード部分のウラン濃縮度が、軸方向に一様
に、それぞれ３．２［ｗｔ％］、３．６［ｗｔ％］とな
っている。また、燃料棒記号４の燃料棒２は、燃料有効
長の２２／２４ノード部分のうち頂部（燃料有効長の上
端基準で１／２４ノード〜６／２４ノード）とそれ以外
の部分（燃料有効長の上端基準で６／２４ノード〜２３
／２４ノード）とでウラン濃縮度が異なっており、頂部
ではウラン濃縮度４．６［ｗｔ％］であるのに対してそ
れ以外の領域では４．０［ｗｔ％］となっている。一
方、燃料棒記号Ｇ1，Ｇ2の燃料棒２は、天然ウランブラ
ンケット領域を除く燃料有効長の２２／２４ノード部分
のウラン濃縮度が、軸方向に一様に、それぞれ４．０
［ｗｔ％］、４．４［ｗｔ％］となっており、さらにこ
れに加え、ガドリニアを軸方向に一様に５．０［ｗｔ
％］で添加したガドリニア添加燃料棒となっている。ま
た、燃料棒記号Ｇ3の燃料棒２は、上記燃料有効長の２
２／２４ノード部分の軸方向上半分（燃料有効長の上端
基準で１／２４ノード〜１２／２４ノード）と軸方向下
半分（燃料有効長の上端基準で１２／２４ノード〜２３
／２４ノード）のうち、上部領域ではウラン濃縮度ｃU
＝４．９［ｗｔ％］であるのに対して下部領域ではｃL
＝４．４［ｗｔ％］となっており、これに加え、上部・
下部領域にガドリニアを５．０［ｗｔ％］でそれぞれ添
加したガドリニア添加燃料棒となっている。

【００６４】このような燃料棒２は、燃料棒記号１が１
本、燃料棒記号２が２本、燃料棒記号３が１本、燃料棒
記号４が２本、燃料棒記号５が５０本、燃料棒記号Ｇ1
が３本、燃料棒記号Ｇ2が８本、燃料棒記号Ｇ3が５本、
それぞれ図１０（ａ）に示すように配置されている。す
なわち、第１の実施形態と同様、熱中性子束が高く出力
が高くなる９行９列格子状配列の４隅位置には濃縮度の
低い燃料棒記号１，２，３の燃料棒２を配置している。
このとき、広いギャップ水領域のために熱中性子束が大
きく特に出力が増大しやすい制御棒側コーナーにはこれ
らの中で最も濃縮度の低い燃料棒記号１の燃料棒２を配
置し、制御棒がない側のコーナーにはこれらの中では最
も濃縮度の高い燃料棒記号３の燃料棒２を配置し、残り
のコーナー２箇所にはその中間の燃料棒記号２の燃料棒
２を配置している。また、９行９列格子状配列の最外周
で燃料棒記号１の燃料棒２を挟むように隣接する位置２
箇所には、ガドリニア非添加でその次に濃縮度の低い燃
料棒記号４の燃料棒２を配置している。これらによって
燃焼初期の局所出力ピーキングを抑えるようになってい
る。また、燃料棒記号Ｇ2のガドリニア入り燃料棒２
は、８本のうち６本が、９行９列格子状配列の最外周か
ら数えて２列目の層に配置されているが、残りの２本
は、９行９列格子状配列の最外周から数えて３列目の層
で水ロッド４から離れた位置に配置されている。また、
燃料棒記号Ｇ1のガドリニア入り燃料棒２は、９行９列
格子状配列の最外周から数えて２列目の層に３本すべて
が配置されている。さらに、燃料棒記号Ｇ3のガドリニ
ア入り燃料棒２は、５本のうち２本が、９行９列格子状
配列の最外周から数えて２列目の層に配置されている
が、残りの３本は、９行９列格子状配列の最外周から数
えて３列目の層で水ロッド４から離れた位置に配置され
ている。但しこのとき、この燃料棒記号Ｇ3のガドリニ
ア入り燃料棒２は、隣接する４つの格子位置に、すべて
燃料棒記号５の燃料棒２が配置されており、水ロッド４
やギャップ水領域に隣接しないようになっている。

【００６５】その他の位置は、すべて燃料棒記号５の燃
料棒２が配置されている。

【００６６】以上のような各燃料棒２の配置の結果、図
１０（ｂ）に示すように、天然ウランブランケット領域
を除いた頂部領域（燃料有効長の上端基準で１／２４ノ
ード〜６／２４ノード）の横断面平均濃縮度がｂU1＝
４．７［ｗｔ％］、その下の上部領域（燃料有効長の上
端基準で６／２４ノード〜１２／２４ノード）の横断面
平均濃縮度がｂU2＝４．７［ｗｔ％］、下部領域の横断
面平均濃縮度がｂL＝４．７［ｗｔ％］、燃料集合体平
均濃縮度がｄ＝４．３［ｗｔ％］となっている。

【００６７】上記構成において、前述したように、最高
ウラン濃縮度ａ＝４．９［ｗｔ％］≦５［ｗｔ％］とな
っており、集合体平均ウラン濃縮度ｄ＝４．３［ｗｔ
％］≧４［ｗｔ％］となっている。また、天然ウランブ
ランケット領域を除いた上部領域・下部領域横断面平均
濃縮度ｂU＝４．７［ｗｔ％］，ｂL＝４．７［ｗｔ％］
であって、ａ／ｂU＝１．０４３、ａ／ｂL＝１．０４３
となっていずれも１．１６以下となっている。また、燃
料棒記号１，２，３，４，５の燃料棒２が可燃性吸収材
を含まない第１の燃料棒を構成し、燃料棒記号Ｇ1，Ｇ
2，Ｇ3の燃料棒２が可燃性吸収材を含む第２の燃料棒を
構成し、そのうち燃料棒記号Ｇ3の燃料棒２が上下端部
を除いた領域において軸方向にウラン濃縮度分布が存在
する第３の燃料棒を構成する。

【００６８】ところで、本実施形態においては、ガドリ
ニア入り燃料棒２（燃料棒記号Ｇ3）の上部領域ウラン
濃縮度ｃU＝４．９［ｗｔ％］であり、最高ウラン濃縮
度ａ＝４．９［ｗｔ％］と等しく、ｃU＜ａとはなって
いない。しかしながら、これに代わり、燃料棒記号Ｇ3
のガドリニア入り燃料棒２が、隣接する４つの格子位置
にすべて燃料棒記号５の燃料棒２が配置され、水ロッド
４やギャップ水領域に隣接しないようになっていること
により、ｃ＜ａという条件がなくても、第１の実施形態
と同様の効果を得ることができる。すなわち、可燃性吸
収材入り燃料ペレットのウラン濃縮度ｃ［ｗｔ％］が最
高ウラン濃縮度ａ［ｗｔ％］より小さいという条件は、
熱伝導度の悪いガドリニア入り燃料棒２の中心温度をそ
の他のガドリニアを含まない燃料棒２の中心温度と同等
以下にし熱的健全性を確保するためのものであった。こ
こで、このガドリニア入り燃料棒２が、正方格子中の隣
接４位置をすべてガドリニアを含まない燃料棒２に囲ま
れている場合には、水ロッド４やギャップ水領域に隣接
する位置に比べて出力が相対的に小さくなるため、ｃ＝
ａであってもよい。すなわち、この場合はｃ＜ａという
条件がなくても同様の効果を得ることができる。

【００６９】また、本実施形態においては以下のような
意義もある。すなわち、一般に、Ｄ格子燃料集合体で
は、局所出力分布を平坦化して熱的制限条件を満足する
ためには、上記第１〜第４の実施形態のような燃料集合
体に比べ、燃料棒濃縮度の種類をより増やして配置位置
に応じ濃縮度差を大きくつける必要がある。そのため、
高燃焼度化のために燃料集合体平均濃縮度を高めるのが
困難である。しかし、上記第５の実施形態のようにガド
リニア入り燃料棒２（燃料棒記号Ｇ3）に軸方向分布を
設けることにより、Ｄ格子燃料集合体においても、燃料
棒２の熱的健全性を確保しつつ燃料集合体平均濃縮度を
向上し、高燃焼度化を容易に図ることができる。

【００７０】なお、以上の各実施形態においては、本発
明の特徴を備えたガドリニア入りウラン燃料棒２におい
て、上下端の天然ウランブランケット領域以外の領域を
上半分と下半分に分け、上部領域のウラン濃縮度を下部
領域よりも大きくなるようにしたが、濃縮度分布をつけ
る方法は必ずしもこれに限られない。すなわち、上下端
の天然ウランブランケット領域以外の領域を２分する位
置は有効長を２等分する位置でなく下１／３や上１／３
等の位置も設計上考えられ、また２分するにも限られ
ず、天然ブランケット領域以外の領域を３等分以上に分
割してもよい。いずれにしても、燃料棒の上側ほど高濃
縮度側となる分布として高濃縮度側での大きな熱的余裕
を有効活用することが発明の本質であり、この趣旨を逸
脱しないためには、天然ウランブランケット領域を除い
た領域においてウラン濃縮度軸方向分布を設け、その領
域の下端から上端へ向かってウラン濃縮度が小さくなら
ないような軸方向分布を設ければ足りる。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、ウラン燃料ペレット最
高濃縮度５．０［ｗｔ％］という制約の下、可燃性吸収
材入りウラン燃料棒の健全性を確保しつつ燃料集合体平
均濃縮度を高め、平均取り出し燃焼度４５［ＧＷｄ／
ｔ］以上を実現する燃料集合体において、軸方向中性子
スペクトル分布に対応した軸方向ウラン濃縮度分布を設
定するので、さらなる高燃焼度化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による燃料集合体の詳
細構造を表す横断面図、及び各種燃料棒の軸方向濃縮度
分布を表す説明図である。

【図２】図１に示した燃料集合体の全体構造を表す側断
面図である。

【図３】燃料集合体の平均ウラン濃縮度と取り出し燃焼
度との関係を示す図である。

【図４】燃料集合体下部領域よりも上部領域の方が相対
的に中性子スペクトルが硬い状態で燃焼することを説明
するための、炉心軸方向のボイド率分布を示す図であ
る。

【図５】軸方向に一様なウラン濃縮度分布を備えた可燃
性吸収材入り燃料棒の上部領域及び下部領域における出
力の推移の一例を示した図である。

【図６】図１及び図２に示した燃料集合体の各格子位置
における局所出力ピーキングの値を示した図である。

【図７】本発明の第２の実施形態による燃料集合体の詳
細構造を表す横断面図、及び各種燃料棒の軸方向濃縮度
分布を表す説明図である。

【図８】本発明の第３の実施形態による燃料集合体の詳
細構造を表す横断面図、及び各種燃料棒の軸方向濃縮度
分布を表す説明図である。

【図９】本発明の第４の実施形態による燃料集合体の詳
細構造を表す横断面図、及び各種燃料棒の軸方向濃縮度
分布を表す説明図である。

【図１０】本発明の第５の実施形態による燃料集合体の
詳細構造を表す横断面図、及び各種燃料棒の軸方向濃縮
度分布を表す説明図である。

【符号の説明】

２ 燃料棒 ４ 水ロッド

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料ペレットが充填され正方格子状に配列
   された複数本の燃料棒と、少なくとも１本の中性子減速
   棒とを有し、前記複数本の燃料棒に充填されている燃料
   ペレットの最高ウラン濃縮度がａ［ｗｔ％］であり、か
   つ前記複数本の燃料棒は、可燃性吸収材を含まない複数
   本の第１の燃料棒と、可燃性吸収材を含む複数本の第２
   の燃料棒とを含む燃料集合体において、（ａ）前記正方
   格子状に配列された全ての燃料棒の燃料集合体当たりの
   平均ウラン濃縮度は４［ｗｔ％］以上であり、（ｂ）前
   記複数本の第２の燃料棒は、可燃性吸収材入り燃料ペレ
   ットのウラン濃縮度ｃ［ｗｔ％］が ｃ＜ａ となるように構成された少なくとも１本の第３の燃料棒
   を含み、（ｃ）前記正方格子状に配列された複数本の燃
   料棒の少なくとも大部分は、上下端部にその他の領域よ
   り燃料集合体での一横断面での平均ウラン濃縮度が低い
   領域を有し、かつこの上下端部を除いた領域における燃
   料集合体の一横断面での平均ウラン濃縮度ｂ［ｗｔ％］
   が、 ａ／ｂ≦１．１６ となるように構成され、（ｄ）前記第３の燃料棒は、前
   記上下端部を除いた領域において軸方向にウラン濃縮度
   分布が存在し、かつこの分布が、前記上下端部を除いた
   領域の下端から上端へ向かってウラン濃縮度が小さくな
   らないような軸方向分布となっていることを特徴とする
   燃料集合体。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料集合体において、前記
   複数本の第２の燃料棒は、軸方向の少なくとも一部分の
   領域において可燃性吸収材入り燃料ペレットのウラン濃
   縮度がａに等しくなる第４の燃料棒をさらに含み、か
   つ、この第４の燃料棒のうち前記可燃性吸収材入り燃料
   ペレットのウラン濃縮度がａに等しくなる領域を含む燃
   料集合体横断面においては、前記第４の燃料棒に対する
   前記正方格子状配列中の同行隣接列又は同列隣接行の４
   つの格子位置には、すべて前記第１の燃料棒又は前記第
   ２の燃料棒が存在することを特徴とする燃料集合体。
3. 【請求項３】燃料ペレットが充填されｎ行ｎ列の正方格
   子状に配列された複数本の燃料棒と、少なくとも１本の
   中性子減速棒とを有し、前記複数本の燃料棒に充填され
   ている燃料ペレットの最高ウラン濃縮度がａ［ｗｔ％］
   であり、かつ前記複数本の燃料棒は、可燃性吸収材を含
   まない複数本の第１の燃料棒と、可燃性吸収材を含む複
   数本の第２の燃料棒とを含む燃料集合体において、
   （ａ）前記正方格子状に配列された全ての燃料棒の燃料
   集合体当たりの平均ウラン濃縮度は４［ｗｔ％］以上で
   あり、（ｂ）前記複数本の第２の燃料棒は、燃料棒の少
   なくとも一部分において可燃性吸収材入り燃料ペレット
   のウラン濃縮度ｃ［ｗｔ％］がｃ＝ａとなるように構成
   された少なくとも１本の第３の燃料棒を含み、（ｃ）前
   記正方格子状に配列された複数本の燃料棒の少なくとも
   大部分は、上下端部にその他の領域より燃料集合体での
   一横断面での平均ウラン濃縮度が低い領域を有し、かつ
   この上下端部を除いた領域における燃料集合体の一横断
   面での平均ウラン濃縮度ｂ［ｗｔ％］が、 ａ／ｂ≦１．１６ となるように構成され、（ｄ）前記第３の燃料棒は、前
   記上下端部を除いた領域において軸方向にウラン濃縮度
   分布が存在し、かつこの分布が、前記上下端部を除いた
   領域の下端から上端へ向かってウラン濃縮度が小さくな
   らないような軸方向分布となるように構成され、（ｅ）
   前記第３燃料棒の燃料棒に対する前記正方格子状配列中
   の同行隣接列又は同列隣接行の４つの格子位置には、す
   べて前記第１の燃料棒又は第２の燃料棒が配置されてい
   ることを特徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料集
   合体において、前記第３の燃料棒に設けられた軸方向ウ
   ラン濃縮度分布は、前記上下端部を除いた領域を軸方向
   上・下に２分割したとき、上部領域のウラン濃縮度が下
   部領域のウラン濃縮度よりも高くなるように設定されて
   いることを特徴とする燃料集合体。
5. 【請求項５】請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料集
   合体において、前記複数本の第２の燃料棒又は前記少な
   くとも１本の第３の燃料棒又は前記少なくとも１本の第
   ４の燃料棒は、前記上下端部を除いた領域のうち、一部
   分のみにウランに可燃性吸収材を添加した可燃性吸収材
   入り燃料ペレットを充填し、残りの部分にはウラン燃料
   ペレットを充填した少なくとも１本の第５の燃料棒をさ
   らに含むことを特徴とする燃料集合体。
6. 【請求項６】請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料集
   合体において、前記複数本の第１の燃料棒又は前記複数
   本の第２の燃料棒又は前記少なくとも１本の第３の燃料
   棒又は前記少なくとも１本の第４の燃料棒は、燃料有効
   長が他のものよりも短い第６の燃料棒を含むことを特徴
   とする燃料集合体。
7. 【請求項７】請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料集
   合体において、前記複数本の燃料棒に充填されている燃
   料ペレットの最高ウラン濃縮度ａは、 ａ≦５．０［ｗｔ％］ であることを特徴とする燃料集合体。