JP2000284081A

JP2000284081A - 核燃料集合体及び沸騰水型原子炉の炉心

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Publication number: JP2000284081A
Application number: JP11086556A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Masumi; 亮司桝見; Hiroko Haraguchi; 裕子原口; Junichi Koyama; 淳一小山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-13
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JP4088735B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高燃焼度化または運転サイクル長期化のため
に平均濃縮度を高めた燃料集合体において、熱的余裕を
確保し、経済性を向上させる。【解決手段】燃料集合体８は、燃料棒１、２、３(濃
縮度４.９％、４％、３％）、部分長燃料棒1Ｐ、２Ｐ
(濃縮度４．９％、４％）、ガドリニア入り燃料棒(濃縮
度４％、ガドリニア濃度５％)が９×９の正方格子状に
配置されたもので、制御棒側領域２１にある各種燃料棒
の平均濃縮度及び平均ガドリニア濃度を反制御棒側領域
２２のそれらより低く設定し、かつ制御棒６のコーナー
にある燃料棒位置を(１，１)として(２，２)、(２，
３)、(３，２)にはガドリニア入り燃料棒を配置しない
構成とし、従って制御棒側領域２１の燃料棒は、燃料寿
命初期から中期に燃焼が進むため、中期から末期で制御
棒6を運転中に挿入する場合、この制御棒６を引き抜い
たとき出力上昇が過大にならず、熱的余裕が確保され
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
（以下、ＢＷＲと略記する）の燃料集合体及び炉心に関
する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電の経済性を一層向上させるた
めのひとつの方策としては、単位燃料重量当たりの取出
エネルギーを高める高燃焼度化が有効である。高燃焼度
化のために燃料の平均濃縮度を高くすると、熱中性子が
ウラン−２３５に吸収される割合が大きくなり、中性子
吸収材に吸収される割合は小さくなるために、制御棒価
値及びガドリニア反応度価値が低下する。その結果、原
子炉の停止余裕が減少する。停止余裕を確保するために
は、多数のガドリニア入り燃料棒を配置する必要が生
じ、燃料集合体内の局所出力ピーキング係数が増大して
炉心の熱的余裕が低下するという問題が生じる。

【０００３】上記の問題に対しては、特開平4-122888号
公報に記載のように、(1)制御棒側に位置する燃料棒の
平均濃縮度は、反制御棒側に位置する濃縮度よりも低
く、かつ、(2)制御棒側に位置する燃料棒の平均可燃性
毒物濃度は、反制御棒側よりも低いという燃料集合体の
構成が有効である。

【０００４】運転サイクルを長期化してプラント利用率
を向上させることによっても、経済性を高めることが可
能である。運転サイクルの長期化に伴い、制御すべき余
剰反応度は増大する。これを抑えるためにガドリニア入
り燃料棒の本数を増やすと、制御棒の近傍にもガドリニ
ア入り燃料棒を配置することになるが、これは、制御棒
近傍の熱中性子束を低下させるため、制御棒価値を減少
させる。さらにこの燃料集合体に隣接する制御棒を余剰
反応度制御のために運転中に挿入する場合、制御棒近傍
の燃料棒の出力が低く抑えられて燃焼が遅れるため、制
御棒が引き抜かれたときにこの領域の燃料棒の出力が高
くなる傾向がある。すなわち、ガドリニア入り燃料棒
は、運転サイクルを通じて余剰反応度を制御するため、
ガドリニアが過度に早く燃え尽きることのないよう、通
常、熱中性子束の高い燃料集合体の最外周を避け、外周
から２層目ないしこれより内側に配置される。ガドリニ
ア入り燃料棒またはその近傍の燃料棒の出力において、
制御棒履歴の影響により燃料寿命中期から末期で問題と
なるのは十字型制御棒側のコーナーに位置するチャンネ
ルファスナを固定する燃料棒の座標を(１,１)とあらわ
した場合、(１,１)、(１,２)、(２,１)に位置する燃料
棒であり、これらの燃料棒の出力に影響するのは、ガド
リニア入り燃料棒を上記の燃料棒に近い(２,２)、(２,
３) 、(３,２)の位置に配した場合である。

【０００５】上記の従来技術、すなわち、(1)及び(2)の
構成では、制御棒側の個々の燃料棒の出力については考
慮されていない。したがって、制御棒側のコーナーに位
置する燃料棒の座標を(１,１)とした場合、(２,２)、
(２,３) 、(３,２)の位置に可燃性毒物入り燃料棒を配
置すると、これらに隣接する(１,１)、(１,２)、(２,
１)の燃料棒の出力は、燃料寿命初期には隣接する可燃
性毒物により抑えられ、燃料寿命中期には、隣接する制
御棒が挿入されることにより抑えられ、他の燃料棒に比
べ燃焼が遅れるため、制御棒を引き抜いたときに出力が
高くなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
に鑑み、高燃焼度化あるいは運転サイクル長期化のため
に平均濃縮度を高めた場合でも、燃料寿命を通じて熱的
余裕を確保し、燃料の機械的健全性を維持することによ
り、経済性を向上できる燃料集合体及び沸騰水型原子炉
の炉心を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の燃料集合体は、核分裂性物質を含む燃料を
被覆管に充填した複数本の燃料棒を正方格子状に束ねた
燃料棒束を角筒状のチャンネルボックスで覆ってなる燃
料集合体において、チャンネルボックスと燃料棒束とを
接合するチャンネルファスナを固定し正方格子の一コー
ナーに位置する燃料棒を基準位置として、横断面で該基
準位置のコーナーとそれに対角位置のコーナーとは別の
他の２つのコーナーに位置する燃料棒を結ぶ直線を境に
して燃料集合体を２つの領域に分割し、チャンネルファ
スナ側領域とその反対側の反対側領域とすると（１）チ
ャンネルファスナ側領域にある複数の燃料棒の平均濃縮
度は反対側領域にある複数の燃料棒の平均濃縮度より低
く、（２）チャンネルファスナ側領域にある燃料棒の平
均可燃性毒物濃度は反対側領域にある燃料棒の平均可燃
性毒物濃度より低く、かつ（３）チャンネルファスナを
固定する燃料棒の座標を(１,１)としたとき、(２,２)、
(２,３)、(３,２)の座標に位置する燃料棒は可燃性毒物
を添加しない燃料棒とし、上記座標以外に位置する燃料
棒のうち少なくとも１本以上を可燃性毒物を添加した燃
料棒としたものである。

【０００８】本発明は、(１)、(２)及び(３)の構成を組
み合わせることで、それぞれの構成を単独で実施した場
合には得られない作用効果が得られることに着目したも
のである。次にこの燃料集合体の作用について説明す
る。ところで燃料集合体は４体を組としてそれらの中心
に十字型制御棒が配置された制御セルとして原子炉に装
荷される。本発明の燃料集合体においてチャンネルボッ
クスと燃料棒束とを接合するチャンネルファスナを固定
し正方格子の一コーナーに位置する燃料棒の基準位置
は、十字型制御棒で十字に交差する角にあたるので、説
明の都合上、上記の「チャンネルファスナ側領域」及び
「反対側領域」を、それぞれ「制御棒側領域」及び「反
制御棒側領域」と、ときに言い換える。

【０００９】本発明の構成によれば、燃料寿命初期から
中期では、制御棒側領域の無限増倍率が反制御棒側領域
のそれよりも高くなるため、制御棒側領域の燃料棒の燃
焼が促進される。特に、燃料寿命中期から末期で熱的に
問題となる制御棒側のコーナー（１,１）を基準とする
(２,２)、(２,３) 、(３,２)の燃料格子に位置する燃料
棒の燃焼が初期から中期の間に進む。燃料寿命中期から
末期では、反制御棒側領域の無限増倍率が制御棒側領域
のそれよりも高くなるため、燃焼の進みかたの違いとあ
いまって、制御棒側領域の燃料棒の出力は低く抑えられ
る。したがって、燃料寿命中期から末期において隣接す
る制御棒が運転中に挿入される場合でも、既に制御棒側
の燃料棒の燃焼は進んでいるため、制御棒が引き抜かれ
たときにも制御棒近傍の燃料棒の出力が過大となること
はない。

【００１０】以上説明したように、本発明によれば、燃
料棒出力に及ぼす制御棒履歴の影響を低減して燃料寿命
を通じて熱的余裕を確保できるため、燃料の平均濃縮度
を増加させて高燃焼度化または運転長期化を図ることに
より、ＢＷＲの経済性を向上させることができる。また
熱的余裕の故に、燃料ペレットの溶融や燃料被覆管の塑
性歪等の損傷がない燃料の機械的健全性を維持すること
ができる。

【００１１】なお、本発明に燃料集合体において、上記
(1)、(2)及び(3)に述べた各種燃料棒の配列、すなわち
(1)制御棒側領域にある燃料棒の平均濃縮度は反制御棒
側領域のそれよりも低く、(2)制御棒側領域にある燃料
棒の平均可燃性毒物濃度は反制御棒側領域のそれよりも
低く、(3) (２,２)、(２,３)、(３,２)の座標に位置す
る燃料棒は可燃性毒物を添加しない燃料棒とする構成
は、制御棒側領域にある複数の燃料棒及び反制御棒側領
域にある複数の燃料棒の少なくとも燃料有効長の上部の
所定部分について適用すればよい。また、制御棒側領域
の燃料棒および反制御棒側領域の燃料棒の燃料有効長の
下部の所定の領域については、制御棒側領域にある複数
の燃料棒の平均濃縮度は、反制御棒側領域のそれとほぼ
等しくするとよい。

【００１２】上記のように燃料集合体の上部に対して
(1)〜(3)を適用し、下部で両領域での平均濃縮度を等し
くしたのは、次の理由による。ＢＷＲ炉心では、冷却水
が炉心下部から流入し、炉心を冷却することにより沸騰
水（二相流）となって上部から流出していくため、炉心
下部では炉心上部に比べ減速材（水）密度が大きくな
る。サイクル初期から中期では、上記により炉心下部で
核分裂反応が起こりやすいため、出力も下部の方が高く
なりやすい。一方、サイクル末期では、炉心上部でウラ
ン−２３５が燃え残っており、また減速材密度が低く中
性子エネルギーが比較的高いためウラン-２３８からプ
ルトニウム-２３９への転換が促進されることから、炉
心上部の出力が高くなりやすい。高燃焼度化、または運
転長期化した炉心に装荷する燃料集合体では、ウラン濃
縮度が高いことからガドリニア入り燃料棒を多数く配置
するため、サイクル末期の制御棒引き抜き時に生じる炉
心上部の出力ピークが大きくなる傾向がある。そこで本
発明では、サイクル初期から中期における特に炉心上部
の制御棒側の出力が過度に低くならないようにすること
により均等に燃焼を進めて制御棒側のウラン-２３５が
燃え残らないようにし、サイクル末期の炉心上部の制御
棒側の出力が過度に高くならないようにしている。

【００１３】また、上記目的を達成するために、本発明
の沸騰水型原子炉の炉心は、中性子吸収材を含む十字型
制御棒を中心に４体の燃料集合体が隣接してなる複数の
制御棒セルを配列して備えた炉心において、上記本発明
の燃料集合体を複数体含むものである。

【００１４】そしてこの沸騰水型原子炉の炉心におい
て、十字型制御棒が挿入される、制御棒セル内で隣り合
う燃料集合体の間隙を、制御棒がなく制御棒セル間で隣
り合う燃料集合体の間隙より大きくするとよい。またこ
の沸騰水型原子炉の炉心は、１サイクルの運転を終了し
たときに燃焼の進んだ燃料集合体を未照射の燃料集合体
で置き換える割合を全燃料集合体数の２／７以上とする
とともに、運転中に炉心に挿入する十字型制御棒の周囲
に炉内滞在２サイクル目または３サイクル目の燃料集合
体を少なくとも１つ配置することが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。本発明の実施の形態では、いずれ
も、燃料として濃縮ウランの二酸化物（UO₂）を、可燃
性毒物としてはガドリニア(Gd₂O₃)を使用しているが、
プルトニウムを富化したウランの二酸化物（MOX）や回
収ウランの二酸化物等のその他の燃料物質や、ホウ素や
ユーロピウムの化合物等、その他の可燃性毒物を使用す
ることもできる。

【００１６】図１は、本発明の第１実施の形態のBWR用
燃料集合体の横断面図を示したものである。燃料集合体
は、燃料棒１０が９×９の正方格子状に配置されてお
り、その中央部には、中性子の減速が燃料集合体内で均
等に行われるように水が流れる太径のウォータロッド５
が２本配置されている。ここで、２本のウォータロッド
５は、７本の燃料棒を配置可能な領域に設置されてい
る。燃料集合体４体に１本の割合で十字形の制御棒６
（一部のみ図示）が装荷される。制御棒６の制御材とし
ては炭化ホウ素またはハフニウムが使用される。

【００１７】燃料集合体８はウラン濃縮度及びガドリニ
ア濃度の異なる６種類の燃料棒からなる。図２に、本実
施の形態の燃料集合体の軸方向における濃縮度及びガド
リニア濃度の分布を示す。

【００１８】高濃縮度燃料棒１は、燃料有効長を軸方向
に２４ノードに分けた場合、上端の２／２４及び下端の
１／２４に天然ウランを配置し、その間の２１／２４は
濃縮度４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。その他の
燃料棒については濃縮ウラン部のみについて説明する。
中濃縮度燃料棒２は濃縮ウラン部の濃縮度は４．０ｗｔ
％でガドリニアを含まない。低濃縮度燃料棒３は濃縮ウ
ラン部の濃縮度は３．０ｗｔ％でガドリニアを含まな
い。

【００１９】高濃縮度部分長燃料棒１Pは、他の燃料棒
に比べ有効長が１５／２４と短く、濃縮度は４．９ｗｔ
％でガドリニアを含まない。中濃縮度部分長燃料棒２P
は、やはり他の燃料棒に比べ有効長が約２／３と短く、
濃縮度は４．０ｗｔ％でガドリニアを含まない。

【００２０】ガドリニア入り燃料棒２Gはウラン濃縮度
は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％として
いる。

【００２１】本実施の形態では、燃料集合体全体の平均
濃縮度は約４．０ｗｔ％、ガドリニア平均濃度は約１．
０ｗｔ％である。ここで、燃料棒を制御棒側領域２１と
制御棒と反対側の領域（反制御棒側領域）２２に分けて
両者を比較する。制御棒側領域２１に配置される３４本
の燃料棒１０の平均濃縮度は約３．９ｗｔ％であり、平
均ガドリニア濃度は約０．９ｗｔ％である。これに対し
て、反制御棒側領域２２に位置する燃料棒３４本の燃料
棒１〜３の平均濃縮度は約４．１ｗｔ％、平均ガドリニ
ア濃度は約１．２ｗｔ％と、いずれも制御棒側領域２１
よりも高く設定されている。

【００２２】本実施の形態によれば、無限増倍率は、図
３に示すように燃料寿命初期から中期（０〜２０GWd/
t）では制御棒側領域２１で反制御棒側領域２２よりも
大きくなる。燃料寿命中期から末期（２０〜４５GWd/
t）では逆に反制御棒側で制御棒側よりも無限増倍率が
大きくなる。このような作用により、燃料寿命中期から
末期で隣接する制御棒を運転中に挿入する場合、この制
御棒を引き抜いたときの出力上昇が過大になることはな
い。したがって、炉心の熱的余裕を確保でき、高燃焼度
化や運転サイクル長期化が可能となる。また、最大線出
力密度（燃料棒単位長さ当りの最大値）が過大にならず
熱的余裕があるため、燃料ペレットの溶融や燃料被覆管
の塑性歪の起きない、燃料の機械的健全性を維持するこ
とができる。

【００２３】なお、燃料集合体８の最外層に配置される
燃料棒は、通常どおり、ガドリニアの含まない燃料棒で
ある。ガドリニア入り燃料棒は、１サイクルの余剰反応
度を制御するために用いられ、サイクル末期にちょうど
ガドリニアが燃え尽きるようにその本数や濃度、装荷位
置が設計される。したがって水ギャップに隣接して最も
熱中性子が多くなる燃料集合体の最外層を避け、熱中性
子が適切な密度で分布する燃料集合体の外周から２層目
またはそれより内側にガドリニア入り燃料棒を装荷す
る。

【００２４】本発明の燃料集合体は、従来の燃料集合体
と同様、図１９の一部切欠斜視図に示すように、上部タ
イプレート１４ａ，下部タイプレート１４ｄ，チャンネ
ルファスナ１４ｂ，スペーサ１４ｃ，ウォータロッド５
（図示せず），燃料棒１０，チャンネルボックス７など
から構成される。このうち上部タイプレート１４ａの１
つのコーナー部に取り付けられたチャンネルファスナ１
４ｂは、制御棒を中心として４体の燃料集合体を互いに
固定するためのものであるから、燃料集合体単体でみた
場合、上記制御棒側領域２１はチャンネルファスナ１４
ｂが位置する側の領域（チャンネルファスナ領域）に相
当する。また反制御棒側領域２２はチャンネルファスナ
領域の反対側の反対領域に相当する。

【００２５】次に、本発明をＢＷＲの炉心に適用した実
施の形態について説明する。図４は本発明の第２実施の
形態のＢＷＲ炉心の燃料装荷パターンを示す（炉心１／
４横断面図）。図４の燃料集合体中の数字は当該燃料集
合体の炉内滞在サイクル数を示す。

【００２６】電気出力は１１００MW、熱出力は３２９３
ＭＷ、燃料集合体数は７６４体、運転サイクル長さは１
９ヵ月、平均取出燃焼度を約４５ＧＷｄ／ｔである。こ
のような運転条件の炉心では、１サイクル当たりの取替
体数が全燃料集合体数の２／７を超え、約１／３を一度
に取り替えることになる。

【００２７】炉心からの中性子漏洩を減らして所要ウラ
ン濃縮度を低減するため、最外周には燃焼の進んだ炉内
滞在３、４サイクル目燃料を装荷する。制御棒履歴の影
響を抑えるために残りの３サイクル目燃料を制御棒セル
（太線で図示する、隣接する燃料集合体４体をいう）１
１に装荷すると、制御棒セル１１以外のセルは１サイク
ル目燃料と２サイクル目燃料のみで構成する必要があ
る。このように比較的燃焼の進んでいない燃料から構成
されるセルが多くなると停止余裕が減少する傾向があ
る。

【００２８】本実施の形態では、運転中に制御棒を挿入
する制御棒セル１１は、炉内滞在２サイクル目または３
サイクル目の燃料集合体から構成される。このような構
成によれば、制御棒を引き抜いたときの出力上昇が過大
になることはなく、炉心の熱的余裕を確保できる。ま
た、制御棒セル１１以外に比較的燃焼が進んだ３サイク
ル目燃料を散在させることにより停止余裕を確保でき
る。したがって、運転サイクル長期化が可能となる。

【００２９】図５は、本発明の第３実施の形態のBWR用
燃料集合体の横断面図を示したものである。図６に本実
施の形態の燃料集合体の軸方向における濃縮度及びガド
リニア濃度の分布を示す。燃料集合体は、図１に示した
第１実施の形態と同様に燃料棒１０が９×９の正方格子
状に配置されている。

【００３０】高濃縮度燃料棒１は、燃料有効長を軸方向
に２４ノードに分けた場合、上端の２／２４及び下端の
１／２４に天然ウランを配置し、その間の２１／２４は
濃縮度４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。その他の
燃料棒については濃縮ウラン部のみについて説明する。
中濃縮度燃料棒２は濃縮ウラン部の濃縮度は４．０ｗｔ
％でガドリニアを含まない。低濃縮度燃料棒３は濃縮ウ
ラン部の濃縮度は３．０ｗｔ％でガドリニアを含まな
い。超低濃縮度燃料棒４は濃縮ウラン部の濃縮度は２．
０ｗｔ％でガドリニアを含まない。

【００３１】高濃縮度部分長燃料棒１Pは、他の燃料棒
に比べ有効長が１５／２４と短く濃縮度は４．９ｗｔ％
でガドリニアを含まない。

【００３２】ガドリニア入り燃料棒２Gはウラン濃縮度
は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％として
いる。

【００３３】本実施の形態では、燃料集合体全体の平均
濃縮度は約４．０ｗｔ％、ガドリニア平均濃度は約１．
０ｗｔ％である。制御棒側領域２１に配置される３４本
の燃料棒１〜３の平均濃縮度は約３．９ｗｔ％であり、
平均ガドリニア濃度は約０．９ｗｔ％である。これに対
して、反制御棒側領域２２に位置する燃料棒３４本の燃
料棒１〜３の平均濃縮度は約４．１ｗｔ％、平均ガドリ
ニア濃度は約１．２ｗｔ％と、いずれも制御棒側領域２
１よりも高く設定されていることは第１実施の形態と同
じである。

【００３４】第１の実施の形態と異なるのは、最外周の
燃料棒の濃縮度を制御棒側領域２１で反制御棒側領域２
２べて低くしたことである。本実施の形態によれば、図
１に示す第１実施の形態とほぼ同様な作用が得られ、炉
心の熱的余裕を増大でき、高燃焼度化や運転サイクル長
期化が可能となる。

【００３５】図７は、本発明の第４実施の形態のBWR用
燃料集合体の横断面図を示すものである。図８に、本実
施の形態の燃料集合体の軸方向における濃縮度及びガド
リニア濃度の分布を示す。燃料集合体は、図１に示した
第１実施の形態と同様に燃料棒１０が９×９の正方格子
状に配置されている。

【００３６】高濃縮度燃料棒１は、燃料有効長を軸方向
に２４ノードに分けた場合、上端の２／２４及び下端の
１／２４に天然ウランを配置し、その間の２１／２４は
濃縮度４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。その他の
燃料棒については濃縮ウラン部のみについて説明する。
中濃縮度燃料棒２は濃縮ウラン部の濃縮度は４．０ｗｔ
％でガドリニアを含まない。低濃縮度燃料棒３は濃縮ウ
ラン部の濃縮度は３．０ｗｔ％でガドリニアを含まな
い。

【００３７】高濃縮度部分長燃料棒１Pは、他の燃料棒
に比べ有効長が１５／２４と短く濃縮度は４．９ｗｔ％
でガドリニアを含まない。

【００３８】ガドリニア入り燃料棒２Gはウラン濃縮度
は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％として
いる。ガドリニア入り低濃縮度燃料棒３Gはウラン濃縮
度は３．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％とし
ている。

【００３９】本実施の形態では、燃料集合体全体の平均
濃縮度は約４．０ｗｔ％、ガドリニア平均濃度は約１．
０ｗｔ％である。

【００４０】制御棒側領域２１に配置される３４本の燃
料棒１〜３の平均濃縮度は約３．９ｗｔ％であり、平均
ガドリニア濃度は約０．９ｗｔ％である。これに対し
て、反制御棒側領域22に位置する燃料棒３４本の燃料棒
１〜３の平均濃縮度は約４．１ｗｔ％、平均ガドリニア
濃度は約１．２ｗｔ％と、いずれも制御棒側領域21より
も高く設定されていることは第１実施の形態と同じであ
る。

【００４１】第１の実施の形態と異なるのは、制御棒側
領域２１に配置するガドリニア入り燃料棒のウラン濃縮
度を反制御棒側領域２２に比べて低くしたことである。
本実施の形態によれば、図１に示す第１実施の形態とほ
ぼ同様な作用が得られ、炉心の熱的余裕を確保でき、高
燃焼度化や運転サイクル長期化が可能となる。

【００４２】図９は、本発明の第５実施の形態のBWR用
燃料集合体の横断面図を示したものであり、制御棒側の
水ギャップが反対側よりも広いいわゆるD格子タイプのB
WRに適用した例である。D格子タイプは、十字型制御棒
６を中心に４体の燃料集合体８３が配置された制御棒セ
ル内で隣り合う燃料集合体同士の間隙で制御棒が挿入さ
れる間隙ｇ₁を、制御棒セル間で隣り合う燃料集合体同
士の間隙で制御棒が挿入されない間隙ｇ₂より大きくし
たものである。このように制御棒が挿入される側の水ギ
ャップ幅が反対側に比べて広いＤ格子プラントでは、制
御棒を引き抜いたときの減速材分布が横断面における制
御棒側に偏在したものになる。したがって本発明の作用
は水ギャップ幅が両側で等しいC格子プラントと同じで
あるが、発明の効果はより大きくなる。

【００４３】図１０に、本実施の形態の燃料集合体の軸
方向における濃縮度及びガドリニア濃度の分布を示す。
燃料集合体は、図１に示した第１実施の形態と同様に燃
料棒１０が９×９の正方格子状に配置されている。

【００４４】高濃縮度燃料棒１は、燃料有効長を軸方向
に２４ノードに分けた場合、上端の２／２４及び下端の
１／２４に天然ウランを配置し、その間の２１／２４は
濃縮度４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。その他の
燃料棒については濃縮ウラン部のみについて説明する。
中濃縮度燃料棒２は濃縮ウラン部の濃縮度は４．０ｗｔ
％でガドリニアを含まない。低濃縮度燃料棒３は濃縮ウ
ラン部の濃縮度は３．０ｗｔ％でガドリニアを含まな
い。超低濃縮度燃料棒４は濃縮ウラン部の濃縮度は２．
０ｗｔ％でガドリニアを含まない。

【００４５】高濃縮度部分長燃料棒１Pは、他の燃料棒
に比べ有効長が１５／２４と短く濃縮度は４．９ｗｔ％
でガドリニアを含まない。中濃縮度部分長燃料棒２P
は、他の燃料棒に比べ有効長が１５／２４と短く濃縮度
は４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。

【００４６】ガドリニア入り燃料棒２Gはウラン濃縮度
は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％として
いる。ガドリニア入り低濃縮度燃料棒３Gはウラン濃縮
度は３．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％とし
ている。

【００４７】本実施の形態では、燃料集合体全体の平均
濃縮度は約３．９ｗｔ％、ガドリニア平均濃度は約１．
０ｗｔ％である。制御棒側領域２１に配置される３４本
の燃料棒１〜３の平均濃縮度は約３．８ｗｔ％であり、
平均ガドリニア濃度は約０．９ｗｔ％である。一方、反
制御棒側領域２２に位置する燃料棒３４本の燃料棒１〜
３の平均濃縮度は約４．０ｗｔ％、平均ガドリニア濃度
は約１．２ｗｔ％と、いずれも制御棒側領域２１よりも
高く設定されていることは第１実施の形態と同じであ
る。

【００４８】第１の実施の形態と異なるのは、最外周の
燃料棒の濃縮度及びガドリニア入り燃料棒の濃縮度を反
対側に比べて低くしたことである。本実施の形態によれ
ば、D格子プラントについて炉心の熱的余裕を確保で
き、高燃焼度化や運転サイクル長期化が可能となる。

【００４９】図１１は、本発明の第６実施の形態のBWR
用燃料集合体の横断面図を示したものである。図１２
に、本実施の形態の燃料集合体の軸方向における濃縮度
及びガドリニア濃度の分布を示す。

【００５０】高濃縮度燃料棒１は、燃料有効長を軸方向
に２４ノードに分けた場合、上端の２／２４及び下端の
１／２４に天然ウランを配置し、その間の２１／２４は
濃縮度４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。その他の
燃料棒については濃縮ウラン部のみについて説明する。
中濃縮度燃料棒２は濃縮ウラン部の濃縮度は４．０ｗｔ
％でガドリニアを含まない。低濃縮度燃料棒３は濃縮ウ
ラン部の濃縮度は３．０ｗｔ％でガドリニアを含まな
い。

【００５１】高濃縮度部分長燃料棒１Pは、他の燃料棒
に比べ有効長が１５／２４と短く濃縮度は４．９ｗｔ％
でガドリニアを含まない。

【００５２】ガドリニア入り燃料棒２Gはウラン濃縮度
は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％として
いる。ガドリニア入り上部低濃縮度燃料棒５Gは、ガド
リニア濃度を５．０ｗｔ％とし、燃料有効長の１５／２
４より下部ではウラン濃縮度は４．０ｗｔ％、１５／２
４よりも上部ではウラン濃縮度は３．０ｗｔ％としてい
る。

【００５３】下部ガドリニア入り上部低濃縮度燃料棒６
Gは、燃料有効長の１５／２４より下部ではウラン濃縮
度は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％、15
/24よりも上部ではウラン濃縮度は３．０ｗｔ％でガド
リニアを含まない。

【００５４】本実施の形態では、燃料有効長の１５／２
４より下部では制御棒側と反対側の平均濃縮度及び平均
ガドリニア濃度を同一とし、１５／２４よりも上部の平
均濃縮度及びガドリニア濃度を制御棒側領域２１で反制
御棒側領域２２よりも低くしたことが特徴である。

【００５５】本実施の形態は、燃料寿命末期で燃料棒出
力に及ぼす制御棒履歴の影響が問題となるのは燃料有効
長の上部のみであることに着目したものである。上記の
構成によれば、燃料寿命末期の熱的余裕は第１実施の形
態と同様に増大でき、さらに、燃料寿命初期で制御棒側
の出力が反対側に比べて大きくならないように工夫した
ものである。

【００５６】図１３は、本発明の第７実施の形態のBWR
用燃料集合体の横断面図を示したものである。燃料集合
体は、燃料棒が９×９の正方格子状に配置されておりそ
の中央部に水が流れる断面がほぼ正方形のウォータチャ
ンネル９が１本配置されている。ウォータチャンネル９
は、９本の燃料棒を配置可能な領域に設置されている。
燃料集合体８５はウラン濃縮度又はガドリニア濃度の異
なる５種類の燃料棒からなる。

【００５７】高濃縮度燃料棒１は、燃料有効長を軸方向
に２４ノードに分けた場合、上端の２／２４及び下端の
１／２４に天然ウランを配置し、その間の２１／２４は
濃縮度４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。その他の
燃料棒については濃縮ウラン部のみについて説明する。
中濃縮度燃料棒２は濃縮ウラン部の濃縮度は４．０ｗｔ
％でガドリニアを含まない。低濃縮度燃料棒３は濃縮ウ
ラン部の濃縮度は３．０ｗｔ％でガドリニアを含まな
い。

【００５８】ガドリニア入り燃料棒２Gはウラン濃縮度
は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％として
いる。ガドリニア入り低濃縮度燃料棒３Gはウラン濃縮
度は３．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％とし
ている。図１４に、本実施の形態の燃料集合体の軸方向
における濃縮度及びガドリニア濃度の分布を示す。

【００５９】本実施の形態では、制御棒側領域２１に位
置する燃料棒１〜３の平均濃縮度及び平均ガドリニア濃
度がいずれも制御棒側領域２１よりも高く設定されてい
ることは図７に示した第４実施の形態と同じであり、同
様に炉心の熱的余裕を確保でき、高燃焼度化や運転サイ
クル長期化が可能となる。

【００６０】図１５は、本発明の第８実施の形態のBWR
用燃料集合体の横断面図を示したものである。燃料集合
体は、燃料棒が１０×１０の正方格子状に配置されてお
りそのほぼ中央部に水が流れる断面がほぼ正方形のウォ
ータチャンネル９１が１本配置されている。ウォータチ
ャンネル９１は、９本の燃料棒を配置可能な領域に設置
されている。燃料集合体８６はウラン濃縮度及びガドリ
ニア濃度の異なる５種類の燃料棒からなる。

【００６１】高濃縮度燃料棒１は、燃料有効長を軸方向
に２４ノードに分けた場合、上端の２／２４及び下端の
１／２４に天然ウランを配置し、その間の２１／２４は
濃縮度４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。その他の
燃料棒については濃縮ウラン部のみについて説明する。
中濃縮度燃料棒２は濃縮ウラン部の濃縮度は４．０ｗｔ
％でガドリニアを含まない。低濃縮度燃料棒３は濃縮ウ
ラン部の濃縮度は３．０ｗｔ％でガドリニアを含まな
い。超低濃縮度燃料棒４は濃縮ウラン部の濃縮度は２．
０ｗｔ％でガドリニアを含まない。

【００６２】高濃縮度部分長燃料棒１Pは、他の燃料棒
に比べ有効長が１５／２４と短く濃縮度は４．９ｗｔ％
でガドリニアを含まない。

【００６３】ガドリニア入り燃料棒２Gはウラン濃縮度
は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％として
いる。ガドリニア入り低濃縮度燃料棒３Gはウラン濃縮
度は３．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％とし
ている。図１６に、本実施の形態の燃料集合体の軸方向
における濃縮度及びガドリニア濃度の分布を示す。

【００６４】本実施の形態では、ガドリニア入り燃料棒
の平均濃縮度を制御棒側領域２１で反制御棒側領域２２
に比べ低くしている。本実施の形態によれば、図７に示
す第４実施の形態とほぼ同様な作用が得られ、炉心の熱
的余裕を確保でき、高燃焼度化や運転サイクル長期化が
可能となる。

【００６５】図１７は、本発明の第９実施の形態のBWR
用燃料集合体の横断面図を示したものである。図１８
に、本実施の形態の燃料集合体の軸方向における濃縮度
及びガドリニア濃度の分布を示す。

【００６６】高濃縮度燃料棒１は、燃料有効長を軸方向
に２４ノードに分けた場合、上端の２／２４及び下端の
１／２４に天然ウランを配置し、その間の２１／２４は
濃縮度４．９ｗｔ％でガドリニアを含まない。その他の
燃料棒については濃縮ウラン部のみについて説明する。
中濃縮度燃料棒２は濃縮ウラン部の濃縮度は４．０ｗｔ
％でガドリニアを含まない。低濃縮度燃料棒３は濃縮ウ
ラン部の濃縮度は３．０ｗｔ％でガドリニアを含まな
い。

【００６７】高濃縮度部分長燃料棒１Pは、他の燃料棒
に比べ有効長が１５／２４と短く濃縮度は４．９ｗｔ％
でガドリニアを含まない。

【００６８】ガドリニア入り燃料棒２Gはウラン濃縮度
は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％として
いる。

【００６９】ガドリニア入り上部低濃縮度燃料棒５G
は、ガドリニア濃度を５．０ｗｔ％とし、燃料有効長の
１５／２４より下部ではウラン濃縮度は４．０ｗｔ％、
１５／２４よりも上部ではウラン濃縮度は３．０ｗｔ％
としている。下部ガドリニア入り上部低濃縮度燃料棒６
Gは、燃料有効長の１５／２４より下部ではウラン濃縮
度は４．０ｗｔ％でガドリニア濃度を５．０ｗｔ％、１
５／２４よりも上部ではウラン濃縮度は３．０ｗｔ％で
ガドリニアを含まない。

【００７０】本実施の形態では、燃料有効長の１５／２
４より下部では制御棒側と反対側の平均濃縮度及び平均
ガドリニア濃度を同一とし、１５／２４よりも上部の平
均濃縮度及びガドリニア濃度を制御棒側で反対側よりも
低くしたことが特徴である。

【００７１】上記の構成によれば、図１１に示した第６
実施の形態とほぼ同様な作用が得られ、燃料寿命を通じ
て炉心の熱的余裕を増大できる。

【００７２】以上の実施の形態では、上端部、下端部の
天然ウラン領域の長さをそれぞれ燃料有効長の２／２
４、１／２４としたが、熱的余裕をさらに増大させるた
めに、それぞれ１／２４、１／２４、または１／２４、
０／２４などの組み合わせにすることも可能である。こ
の場合は平均ウラン濃縮度を若干増加させる必要が生じ
る。

【００７３】

【発明の効果】本発明によれば、燃料集合体は、チャネ
ルファスナ側領域（言い換えれば制御棒側領域）にある
複数の燃料棒の平均濃縮度及び平均ガドリニア濃度を、
反対側領域（言い換えれば反制御棒側領域）のそれらよ
りも低く、かつ制御棒のコーナーに近い燃料棒位置
（２，２）、（２，３）、（３，２）にはガドリニア入
り燃料棒を配置しない構成としたので、無限増倍率は、
燃料寿命初期から中期では制御棒側領域で反制御棒側領
域よりも大きく、燃料寿命中期から末期では逆に反制御
棒側領域で制御棒側領域よりも無限増倍率が大きくな
り、したがって制御棒側領域の燃料棒は燃料寿命初期か
ら中期にかけて燃焼が進むため、燃料寿命中期から末期
で隣接する制御棒を運転中に挿入する場合、この制御棒
を引き抜いたときの出力上昇が過大にならず、燃料寿命
を通じて熱的余裕を確保でき、高燃焼度化または運転サ
イクル長期化が可能となり、ＢＷＲの経済性を一層向上
できる。また熱的余裕の故に燃料棒に溶融や過度の歪が
生じねることなく、燃料の機械的健全性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態を示す燃料集合体の横
断面図。

【図２】図１の燃料集合体の軸方向における濃縮度及び
ガドリニアの分布を示す図。

【図３】図１の燃料集合体の無限増倍率の燃焼度依存性
を示す図。

【図４】本発明の第２実施の形態を示す炉心の燃料装荷
パターンの横断面図。

【図５】本発明の第３実施の形態を示す燃料集合体の横
断面図。

【図６】図５の燃料集合体の軸方向における濃縮度及び
ガドリニアの分布を示す図。

【図７】本発明の第４実施の形態を示す燃料集合体の横
断面図。

【図８】図７の燃料集合体の軸方向における濃縮度及び
ガドリニアの分布を示す図。

【図９】本発明の第５実施の形態を示す燃料集合体の横
断面図。

【図１０】図９の燃料集合体の軸方向における濃縮度及
びガドリニアの分布を示す図。

【図１１】本発明の第６実施の形態を示す燃料集合体の
横断面図。

【図１２】図１１の燃料集合体の軸方向における濃縮度
及びガドリニアの分布を示す図。

【図１３】本発明の第７実施の形態を示す燃料集合体の
横断面図。

【図１４】図１３の燃料集合体の軸方向における濃縮度
及びガドリニアの分布を示す図。

【図１５】本発明の第８実施の形態を示す燃料集合体の
横断面図。

【図１６】図１５の燃料集合体の軸方向における濃縮度
及びガドリニアの分布を示す図。

【図１７】本発明の第９実施の形態を示す燃料集合体の
横断面図。

【図１８】図１７の燃料集合体の軸方向における濃縮度
及びガドリニアの分布を示す図。

【図１９】本発明による燃料集合体の一部切欠斜視図。

【符号の説明】

１，２，３，４…燃料棒１Ｐ，２Ｐ…部分長燃料棒２Ｇ，3Ｇ，５Ｇ，６Ｇ…ガドリニア入り燃料棒４…ウォータロッド６…制御棒７…チャンネルボックス８…燃料集合体９…ウォータチャンネル１０…燃料棒１１…制御棒セル１４ａ…上部タイプレート１４ｂ…チャンネルファスナ１４ｃ…スペーサ１４ｄ…下部タイプレート２１…制御棒側領域２２…反制御棒側領域８１，８２，８３，８４，８５，８６，…燃料集合体９１…ウォータチャンネル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核分裂性物質を含む燃料を被覆管に充填
した複数本の燃料棒を正方格子状に束ねた燃料棒束を角
筒状のチャンネルボックスで覆ってなる燃料集合体にお
いて、前記チャンネルボックスと前記燃料棒束とを接合
するチャンネルファスナを固定し前記正方格子の一コー
ナーに位置する前記燃料棒を基準位置として、横断面で
該基準位置のコーナーとそれに対角位置のコーナーとは
別の他の２つのコーナーに位置する燃料棒を結ぶ直線を
境にして燃料集合体を２つの領域に分割し、チャンネル
ファスナ側領域とその反対側の反対側領域とするとき、
前記チャンネルファスナ側領域にある複数の燃料棒の平
均濃縮度は前記反対側領域にある複数の燃料棒の平均濃
縮度より低く、前記チャンネルファスナ側領域にある燃
料棒の平均可燃性毒物濃度は前記反対側領域にある燃料
棒の平均可燃性毒物濃度より低く、かつ前記チャンネル
ファスナを固定する燃料棒の座標を(１,１)としたと
き、(２,２)、(２,３)、(３,２)の座標に位置する燃料
棒は可燃性毒物を添加しない燃料棒とし、前記座標以外
に位置する燃料棒のうち少なくとも１本以上を可燃性毒
物を添加した燃料棒としたことを特徴とする燃料集合
体。
【請求項２】核分裂性物質を含む燃料を被覆管に充填
した複数本の燃料棒を正方格子状に束ねた燃料棒束を角
筒状のチャンネルボックスで覆ってなる燃料集合体にお
いて、前記チャンネルボックスと前記燃料棒束とを接合
するチャンネルファスナを固定し前記正方格子の一コー
ナーに位置する前記燃料棒を基準位置として、横断面で
該基準位置のコーナーとそれに対角位置のコーナーとは
別の他の２つのコーナーに位置する燃料棒を結ぶ直線を
境にして燃料集合体を２つの領域に分割し、チャンネル
ファスナ側領域とその反対側の反対側領域とするとき、
前記チャンネルファスナ側領域にある複数の燃料棒及び
前記反対側領域にある複数の燃料棒の少なくとも燃料有
効長の上部の所定部分について、前記チャンネルファス
ナ側領域にある複数の燃料棒の平均濃縮度は、前記反対
側領域にある複数の燃料棒の平均濃縮度よりも低く、前
記チャンネルファスナ側領域にある燃料棒の平均可燃性
毒物濃度は、前記反対側領域にある燃料棒の平均可燃性
毒物濃度よりも低く、かつ前記チャンネルファスナを固
定する燃料棒の座標を(１,１)としたとき (２,２)、
(２,３)、(３,２)の座標に位置する燃料棒は可燃性毒物
を添加しない燃料棒とし、前記座標以外の燃料棒のうち
少なくとも１本以上を可燃性毒物を添加した燃料棒とし
たことを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】請求項２に記載の燃料集合体において、
前記チャンネルファスナ側領域にある複数の燃料棒およ
び前記反対側領域にある複数の燃料棒の燃料有効長の下
部の所定の領域については、前記チャンネルファスナ側
領域にある複数の燃料棒の平均濃縮度は、前記反対側領
域にある複数の燃料棒の平均濃縮度とほぼ等しくしたこ
とを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】中性子吸収材を含む十字型制御棒を中心
に４体の燃料集合体が隣接してなる複数の制御棒セルを
配列して備えた沸騰水型原子炉の炉心において、請求項
１、２及び３のいずれかに記載の燃料集合体の少なくと
も１種類からなる複数の燃料集合体を含むことを特徴と
する沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項５】請求項４に記載の沸騰水型原子炉の炉心
において、前記十字型制御棒が挿入される、制御棒セル
内で隣り合う燃料集合体の間隙を、制御棒セル間で隣り
合う燃料集合体の間隙より大きくしたことを特徴とする
沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項６】請求項４または５に記載の沸騰水型原子
炉の炉心において、１サイクルの運転を終了したときに
燃焼の進んだ燃料集合体を未照射の燃料集合体で置き換
える割合を全燃料集合体数の２／７以上とするととも
に、運転中に炉心に挿入する前記十字型制御棒の周囲に
炉内滞在２サイクル目または３サイクル目の燃料集合体
を少なくとも１つ配置したことを特徴とする沸騰水型原
子炉の炉心。