JP2001318181A

JP2001318181A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体

Info

Publication number: JP2001318181A
Application number: JP2000383410A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Oguchi; 一成小口
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2001-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】熱的運転余裕と燃料棒の機械的健全性を確保
しつつ、運転長期化と取出燃焼度の向上を図る沸騰水型
原子炉用燃料集合体を得る。【解決手段】下部領域(II)の大部分に最高濃縮度ペレ
ットを含み、尚且つ、上部領域(Ｉ)の大部分に最高濃縮
度より低濃縮度のペレットを含む燃料棒(2) が、コーナ
ロッドと水ギャップの両方に隣接する燃料棒位置に配置
され、少なくとも下部領域(II)の一部又は大部分におい
てガドリニア入りペレットを含む燃料棒(G1)が、前記燃
料棒(2) に隣接し水ギャップに隣接しない位置に配置さ
れ、少なくとも下部領域(II)の一部又は大部分において
燃料集合体中で最高濃度のガドリニアを添加した最高濃
縮度ペレットを含む燃料棒(G2)が、集合体周縁の水ギャ
ップと水ロッドとの何れにも隣接しない位置に配置され
たもの。

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用燃
料集合体、特に、高燃焼度化を目的とした取替燃料集合
体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、経済性
を高めるためには、運転サイクルの長期化と、平均取出
燃焼度の向上とを図ることが有効な手段として知られて
いる。運転サイクルの長期化はプラントの設備利用率
（稼働率）の向上による経済効果をねらったものであ
る。また、平均取出燃焼度の向上は燃料集合体１体当た
りの取出エネルギを大きくして経済性向上を図るもので
ある。

【０００３】これら２つの目的に対しては、燃料集合体
中の核燃料の平均濃縮度を高めることが、有効かつ不可
欠な手段となっている。現在のところ９×９格子の燃料
集合体はその候補の一つである。図６は９×９格子の燃
料集合体の断面形状の一従来例を示す説明図である。図
に示す通り、９行９列の燃料棒配列において、複数の燃
料棒領域に水ロッドを配した構成となっている。この燃
料集合体は、特に以下のａ），ｂ）の特徴があり、上記
経済性を高めるための２つの目的に適している。

【０００４】ａ）９×９格子燃料は、先行する８×８格
子燃料に比べて燃料棒本数を約２０％多くできるため平
均線出力が低減する。また、燃料棒の延べ表面積を大き
くできることから、燃料棒が沸騰遷移に至るまでの出力
（限界出力）が改善される。以上２点は、運転中の最大
線出力密度（ＭＬＨＧＲ）及び最小限界出力比（ＭＣＰ
Ｒ）といった熱的制限値に対する運転余裕を確保するの
に役立つ。このため、９×９燃料では、高濃縮度化に伴
い炉心内の燃料の反応度ミスマッチが大きくなり出力ピ
ーキングが増大した場合においても、熱的運転余裕が確
保できる。

【０００５】ｂ）一般に、燃料集合体の平均濃縮度を高
めると、スペクトルが硬くなる結果、ボイド反応度係数
は負側に大きくなる。このため、運転中では、ボイド率
の高い燃料上部の反応度は、下部に比べて低下して、軸
方向出力分布は，高濃縮度化に伴い、より下部に歪む傾
向となる。燃料下部の出力の増大は、最大線出力密度の
増大を伴い、熱的運転余裕が小さくなる。しかし、９×
９燃料に採用される水ロッドは、大きな面積を持つ非沸
騰領域であるため、水対ウラン比の軸方向変化が小さく
なり、軸方向出力分布の平坦化が図られ、この結果、最
大線出力密度の増大を抑えることができる。

【０００６】現在のところ、９×９燃料集合体の採用に
より１３ヶ月運転サイクルで平均取出燃焼度にして４５
ＧＷｄ／ｔ程度まで燃料経済性が向上されている。この
ときの燃料集合体の平均濃縮度は、およそ４．０ｗｔ％
であり、また、ガドリニア濃度は５ｗｔ％程度以下とな
っている。

【０００７】ところで，この９×９燃料集合体に対し、
運転サイクル長期化と更なる高燃焼度化、即ち、平均取
出燃焼度の増大を目的として高濃縮度化を行う場合、燃
料集合体は、濃縮度が高まった分だけ反応度の上昇を伴
う。このため、燃料集合体の設計に際しては、上昇した
反応度を十分抑制できるだけの能力を確保するよう、予
め配慮しておく必要がある（余剰反応度の抑制）。

【０００８】また、運転サイクル長期化を考えた場合に
は、運転中に制御棒などによって反応度を制御しなけれ
ばならない期間は長くなることから、燃料集合体の設計
に際しては、予めより長い燃焼期間に亘って反応度を抑
制できるよう配慮しておく必要がある（毒物効果の持
続）。一般に、毒物効果の持続には、燃料ペレットに高
濃度のガドリニアを添加することが有効である。

【０００９】しかしながら、従来技術を用いて、より一
層の経済性の向上を実現することには幾つかの間題点が
ある。ここでいう経済性向上とは、１３ヶ月運転以上で
平均取出燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ以上を意味しており、こ
の場合、集合体平均濃縮度は約４ｗｔ％以上、ガドリニ
ア最高濃度は約５ｗｔ％以上が必要となる。また、本発
明では、運転サイクル長期化として最長１８ヶ月、ま
た、高燃焼度化の目標として平均取出燃焼度約５０ＧＷ
ｄ／ｔを目指すことを最終目標としている。

【００１０】図７は９×９格子の燃料集合体濃縮度及び
ガドリニア分布の従来例を示す説明図である。図に示す
通り、９×９格子の燃料集合体の燃料棒９本分にあたる
領域に水ロッドを配した燃料集合体である。この従来例
の燃料集合体の平均濃縮度は約４．０ｗｔ％であり、１
３ヶ月運転での平均取出燃焼度は約４５ＧＷｄ／ｔであ
る。この従来例では、次のｃ）ｄ）に示す高濃縮度化に
おける間題点がある。

【００１１】ｃ）最高濃縮度の制限：製造工程における
臨界管理上の観点から、現在、取扱い可能なウラン濃縮
度は５ｗｔ％以下である。この結果、高濃縮度化を図る
ためには、最高濃縮度に近いペレツトを如何に多く添加
できるかが解決課題となることは自明である。また、濃
縮度公差を考えると濃縮度上限は４．９ｗｔ％程度以下
であり、この場合、現実的には高濃縮度化はさらに困難
となる。

【００１２】ｄ）ガドリニア入り燃料棒の設計：ガドリ
ニアが添加された燃料ペレットは、これを添加しない場
合に比べて、熱伝導度が低下する。熱伝導度の低下は燃
料ペレットの温度上昇をまねくため、核分裂生成物（Ｆ
Ｐガス）の放出が増え、燃料棒の内圧が上昇し、燃料健
全性が損なわれるといった好ましくない事態をまねく。
また、熱伝導度の低下はガドリニアの濃度が高いほど顕
著であり、運転サイクル長期化を目的に、より高濃度の
ガドリニアを添加する場合には、燃料健全性に対し、適
切な配慮が必要となる。

【００１３】先ず、最大線出力密度が発生している軸方
向ノード位置におけるガドリニア入り燃料棒の線出力密
度について考える。一般に、最大線出力密度を与える、
すなわち燃料棒の相対出力（ＰＦ）が最大となる燃料棒
は、ガドリニアを含まない燃料棒である。そこで、この
最大線出力密度を与える燃料棒の相対出力をＰＦ_ＵＯ
_２とし、ガドリニア入り燃料棒の相対出力をＰＦ_Ｇｄ
とするとき、最大線出力密度を与える軸方向ノード位置
における燃料集合体断面でのガドリニア入り燃料棒の線
出力密度（ＬＨＧＲ_Ｇｄ）は、相対的に燃料棒位置のＰ
Ｆに略比例することから、次の(1) 式で与えられる。
(1) 式においてＭＬＨＧＲは、その制限値（典型的には
４４ｋＷ／ｍ）以下に抑えられて運転される。

【００１４】ＬＨＧＲ_Ｇｄ＝ＭＬＨＧＲ×ＰＦ_Ｇｄ／ＰＦ_ＵＯ２ (1)

【００１５】一般に、ＰＦ_ＵＯ２はウランの減損によ
り燃焼とともに減少する傾向を示し、また、ＰＦ_Ｇｄは
ガドリニアによる燃焼初期では小さな値であるが、燃焼
と共にガドリニアによる中性子吸収効果が消滅するに従
い大きくなる傾向を示し、ＬＨＧＲ_Ｇｄは燃焼が進んだ
方が大きな値となる。

【００１６】一方、運転中の最大線出力密度は、反応度
の大きな新燃料で発生するため、(1) 式は新燃料に対し
てのみ適用すれば良く、したがって、ＬＨＧＲ_Ｇｄは、
新燃料が１サイクル燃焼するまでの燃焼期間中小さくで
きれば良く、特に、ＬＨＧＲ _Ｇｄが大きくなる１サイク
ル燃焼末期において、ＰＦ_Ｇｄ／ＰＦ_ＵＯ２を小さく
することがガドリニア入り燃料棒の熱機械設計上重要と
なる。

【００１７】従来技術においては、ＬＨＧＲ_Ｇｄ、つま
りはＰＦ_Ｇｄ／ＰＦ_ＵＯ２を下げることを目的とし
て、ガドリニア入り燃料棒のウラン濃縮度を下げている
が、これはＰＦ_Ｇｄの低減をねらったものである。この
技術は、ガドリニア入り燃料棒の熱機械的健全性を確保
することには有効であるが、ガドリニア入り燃料棒のウ
ラン濃縮度を高められないため、最高濃縮度が５ｗｔ％
以下という制約下においては、５０ＧＷｄ／ｔ以上の平
均取出燃焼度を達成するまで濃縮度を高めることには自
ずと限界が生じる。

【００１８】また、前述の通り、高濃縮度化にあたって
は、特に、運転サイクル長期化を達成するためには、毒
物効果の持続が不可欠であり、このためにガドリニアの
濃度を高める必要がある。この際、燃料ペレットの温度
がさらに上昇するのを避けるために、ガドリニア入り燃
料棒の線出力は、更に下げる必要がある。このために
は、ガドリニア入り燃料棒の濃縮度は、一層低減させる
必要があり、これは、高濃縮度化に反する方向に作用す
る。

【００１９】また、毒物効果を持続させるもう１つの従
来技術として、ガドリニア入り燃料棒を互いに隣接して
配置する方法がある。この方法の場合、毒物効果は温存
できるが、燃焼初期における反応度抑制効果は、小さく
なってしまうため、サイクル初期の反応度を制御するた
めに、更に多くのガドリニア入り燃料棒が必要になり、
この結果、平均濃縮度はむしろ下がってしまうこととな
り、問題は解決されない。

【００２０】更に、ウラン濃縮度の高い燃料棒にガドリ
ニアを添加する従来技術として、この燃料棒でのガスプ
レナム体積を大きく取り、内圧の上昇を抑える方法も考
えられるが、この場合、燃料構造設計の変更を伴うため
設計が複雑となり実用的でないか、ウラン重量の低下を
伴い経済性の低下をもたらすと言った不具合が生じる。

【００２１】また、高濃縮度化にあたっては、最小限界
出力比（ＭＣＰＲ）の運転余裕の減少という問題も生じ
る。具体的には、ＭＣＰＲの運転制限値は、プラントの
異常な過渡変化を想定した場合のＭＣＰＲの低下を考慮
して定められる。一般に、燃料集合体の平均濃縮度を高
めるとボイド反応度係数は負側に大きくなるが、これ
は、負荷の喪失などボイドがつぶれるプラント過渡事象
においてはＭＣＰＲの低下を大きくする。即ち、ＭＣＰ
Ｒ運転制限値はより大きな値に設定される結果、運転余
裕は小さくなる。

【００２２】前述の通り、９×９格子燃料は、燃料棒の
延べ表面積が大きく最小限界出力比の運転余裕が確保で
きる特徴があるが、ＭＣＰＲの運転制限値が引き上がる
ことを考えると充分な運転余裕があるとは言えない。一
般に、沸騰遷移は燃料集合体の上部領域で起こりやす
く、燃料集合体の上部断面における濃縮度を低減するこ
とは限界出力を向上させる有効な手段である。しかしな
がら、取扱可能な濃縮度は５ｗｔ％以下の条件下で、集
合体平均濃縮度を約４ｗｔ％以上とし、また、ガドリニ
ア入り燃料棒の熱機械的健全性を確保しつつ、最小限界
出力を向上させることに対して具体的な方策はないのが
現状である。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、沸騰水型原
子炉（ＢＷＲ）において、熱的運転余裕と燃料棒の熱機
械的健全性を確保しつつ、運転長期化と取出燃焼度の向
上を実現する沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ることを
目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体は、複数本の燃料
棒領域を占める水ロッドと燃料棒とを９×９格子以上の
格子状に配列してなる沸騰水型原子炉用燃料集合体であ
って、前記燃料棒に配される最高濃縮度ペレットは４．
９ｗｔ％乃至５ｗｔ％の範囲にあり、集合体平均濃縮度
は４ｗｔ％以上である沸騰水型原子炉用燃料集合体にお
いて、燃料有効軸方向を上部領域(Ｉ)と下部領域(II)と
に分けたとき、下部領域(II)の大部分に最高濃縮度ペレ
ットを含み、尚且つ、上部領域(Ｉ)の大部分に最高濃縮
度より低濃縮度のペレットを含む燃料棒(2) が、コーナ
ロッドと水ギャップの両方に隣接する燃料棒位置に少な
くとも１本以上配置され、少なくとも下部領域(II)の一
部又は大部分においてガドリニア入りペレットを含む燃
料棒(G1)が、前記燃料棒(2) に隣接し水ギャップに隣接
しない位置に少なくとも１本以上配置され、少なくとも
下部領域(II)の一部又は大部分において燃料集合体中で
最高濃度のガドリニアを添加した最高濃縮度ペレットを
含む燃料棒(G2)が、集合体周縁の水ギャップと水ロッド
との何れにも隣接しない位置に少なくとも１本以上配置
されたものである。

【００２５】請求項２に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１に記載された上部領域
(Ｉ)と下部領域(II)の境界は、燃料有効長の下端より約
７０％より上の位置に設けられているものである。

【００２６】請求項３に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１又は２に記載された下
部領域(II)においてガドリニア入り燃料棒は互いに隣接
せずに配置されているものである。

【００２７】請求項４に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１〜３の何れかに記載さ
れた上部領域(Ｉ)のガドリニア濃度の平均値は、下部領
域(II)のガドリニア濃度の平均値より小さいものであ
る。

【００２８】請求項５に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１〜４の何れかに記載さ
れた燃料棒(G1)は、燃料集合体内最高濃縮度よりも低い
濃縮度ペレットで構成されるものである。

【００２９】請求項６に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１〜５の何れかに記載さ
れた燃料集合体中で最高濃度のガドリニアを添加した最
高濃縮度ペレットを含むガドリニア入り燃料棒(G2)で使
用するガドリニアの最高濃度は、６ｗｔ％以上であり、
しかも、集合体中のその他のガドリニア濃度よりも略２
ｗｔ％以上高く、且つ、前記最高濃度のガドリニアを添
加したペレットは燃料有効長下端から略３０％より下方
にのみ存在するものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明は、下部領域(II)の大部分
に最高濃縮度ペレットを含み、尚且つ、上部領域(Ｉ)の
大部分に最高濃縮度より低濃縮度のペレットを含む燃料
棒(2) が、コーナロッドと水ギャップの両方に隣接する
燃料棒位置に少なくとも１本以上配置され、少なくとも
下部領域(II)の一部又は大部分においてガドリニア入り
ペレットを含む燃料棒(G1)が、前記燃料棒(2) に隣接し
水ギャップに隣接しない位置に少なくとも１本以上配置
され、少なくとも下部領域(II)の一部又は大部分におい
て燃料集合体中で最高濃度のガドリニアを添加した最高
濃縮度ペレットを含む燃料棒(G2)が、集合体周縁の水ギ
ャップと水ロッドとの何れにも隣接しない位置に少なく
とも１本以上配置された沸騰水型原子炉用燃料集合体で
ある。

【００３１】このため、充分なＭＣＰＲ運転余裕を保っ
たまま、燃料下部領域において前述の(1) 式のＬＨＧＲ
_Ｇｄを小さい値に維持し、より具体的には、ＰＦ_Ｇｄ／
ＰＦ _ＵＯ２の分子を小さく、かつ、分母を大きくし、
その相乗効果によってＬＨＧＲ_Ｇｄを小さい値に抑える
ことができるため、ガドリニア入り燃料棒の熱機械的健
全性を損なうことなく、燃料集合体の平均濃縮度を高め
ることができると共に、ガドリニア濃度を充分に高めら
れるため、運転サイクル長期化においても運転期間に亘
って、反応度を適切に抑制する燃料を提供できる。

【００３２】より詳しく説明すると、ＢＷＲの燃料集合
体は、非沸騰水である水ギャップを介在して炉内に一定
間隔で規則正しく配置される。図１及び図２は仮想的に
全ての燃料棒の濃縮度を一様分布（４．４％）とし、ガ
ドリニアを添加しないとしたときの定格出力運転条件下
での燃料棒の出力ピーキングの相対値を示した説明図で
ある。図１は制御棒側と反制御棒側の水ギャップの間隔
が等しい炉心（対称格子炉心）の例であり、また、図２
は、御棒側で反制御棒側よりも水ギャップの間隔が大き
い炉心（非対称格子炉心）の例である。

【００３３】どちらも、水ギャップまたは水ロッドに横
隣接する燃料棒のまわりでは、中性子の減速が良く、燃
料棒の相対出力は大きくなっている。特に、コーナ付近
（コーナ部４カ所とこれに横隣接する８カ所）の燃料棒
においては、相対出力は特に大きくなる傾向がある（本
例では、１．１程度以上）。一方、水ギャップ及び水ロ
ッドのいずれにも横隣接しない燃料棒のうち、コーナよ
り一列内側の４本の燃料棒を除く位置にある燃料棒のま
わりでは、中性子の減速が悪く、燃料棒の相対出力が小
さくなっている（本例では、０．９程度以下）といった
特徴がある。

【００３４】本発明では、下部領域の大部分が最高濃縮
度の燃料ペレットで、尚且つ、上部領域の大部分が最高
濃縮度より低い濃縮度の燃料ペレットで構成される燃料
棒（以下、燃料棒(2) ）を燃料集合体のコーナ部に横隣
接する燃料棒のうち少なくとも１カ所に配置し、また、
燃料棒(2) に隣接し、水ギャップに隣接しない位置にガ
ドリニア入り燃料棒（以下、燃料棒(G1)）を配すること
としている。

【００３５】燃料棒(2) が配される位置は、本来、出力
が高くなりやすいため、高濃縮度化を目的に燃料棒(G1)
を配することなしに、この位置に最高濃縮度燃料棒を配
した場合は、下部領域においては、燃焼初期における局
所ピーキングは極めて大きな値となってしまい、運転初
期おける最大線出力密度は運転制限値を満たすことがで
きない。本発明では、下部領域において、燃料棒(2) は
隣接する燃料棒(G1)に添加されたガドリニアの存在によ
り、燃焼初期においては出力が抑えられるため、線出力
密度が大きくなる燃焼初期においても運転中の最大線出
力密度は許容できる範囲に留めることができる。

【００３６】また、燃料棒(2) は、燃料棒(G1)が隣接し
ていることから、燃焼初期から比較的小さい出力で燃焼
するため核分裂性物質の減損は小さいこと、また、燃料
棒(2) は最高濃縮度であることが相まって、燃焼中期以
降においては、燃料棒(2) の下部領域における相対出力
は比較的大きな値となる。この結果、(1) 式のＰＦ_Ｕ
_Ｏ２は燃焼中期においても大きな値に維持することが
できるためＬＨＧＲ_Ｇｄの低減に寄与する。

【００３７】以上までの様子を従来例と比較して図３の
ａ図に示す。ＰＦ_ＵＯ２は燃焼初期においては，従来
例と本発明は同等であるが、燃焼が進むにつれ、本発明
でのＰＦ_ＵＯ２は従来例よりも大きな値を維持するこ
とができる。なお、このような燃焼中期におけるＰＦ
_ＵＯ２の増大は炉心の最大線出力密度の増大を伴う
が、前述の通り、平均線出力の小さい９×９格子以上の
燃料においては許容範囲内に抑えることができる。

【００３８】そこで、本発明では、更に、コーナの燃料
棒より中心に向かって一列内側の４本の燃料棒を除い
て、水ギャップ及び水ロッドのいずれにも横隣接しない
領域においては、最高濃度のガドリニアを添加した最高
濃縮度ペレットを含む燃料棒（以下、燃料棒(G2)）を配
している。前述の通り、燃料棒(G2)が属する位置は中性
子スペクトルが硬く、燃料棒の相対出力が低いことか
ら、他の場所に比してガドリニアの中性子吸収効果は小
さく、この結果、燃料棒(G2)では、長い期間に亘ってガ
ドリニア毒物効果の持続が可能となる。同時に、燃料棒
(G2)に高濃度のガドリニアを添加することで、最高ウラ
ン濃縮度に添加した場合であっても、前述の(1) 式のＰ
Ｆ_Ｇｄは、燃焼を通じて小さな値に維持することができ
るため、燃料棒(G2)のＬＨＧＲ_Ｇｄの低減に寄与する。

【００３９】この様子は図３のｂ図に示す通りであり、
サイクル末期における新燃料の燃焼度にあたる約２０Ｇ
Ｗｄ／ｔにおいて、本発明のＰＦ_Ｇｄは従来例よりも小
さな値とすることができる。

【００４０】以上の作用により、ＰＦ_Ｇｄ／ＰＦ
_ＵＯ２の分母を大きく、また、分子を小さくすること
が可能となる。両者の相乗効果により、図３のｃ図に示
すようにサイクル末期における新燃料の燃焼度にあたる
約２０ＧＷｄ／ｔにおいて、ＰＦ_Ｇ _ｄ／ＰＦ_ＵＯ２は
従来例に比べて約２０％小さい値とすることができる。
この結果、前述の(1) 式よりガドリニア入り燃料棒の線
出力（ＬＨＧＲ_Ｇｄ）の最大値は２０％低減する。この
低減量は、線出力密度にして約８０Ｗ／ｃｍの低減に相
当し、この効果により燃料棒(G2)に対しては最大１０ｗ
ｔ％程度までのガドリニアの添加を行っても、燃料棒の
内圧の上昇は抑えられ、熱機械健全性は確保される。

【００４１】また、本発明では、燃料棒(2) 及び燃料棒
(G2)には最高濃縮度ペレットを配しているため、燃料集
合体の平均濃縮度を増加させることができる。さらに、
相対出力の高くなりやすい位置に配された燃料棒(2) に
おいては、上部領域の濃縮度は最高濃縮度より低いため
限界出力の低下は抑制される。限界出力と濃縮度増加の
観点から燃料棒(2) の上部領域と下部領域の境界は燃料
有効長の下端より約１７／２４以上の位置であることが
望ましい。

【００４２】さらに、本発明においては、燃料棒(G2)に
よりガドリニア毒物効果の持続が可能であるため、ガド
リニア入り燃料棒を互いに隣接して配置する必要がな
く、燃焼初期の反応度抑制に必要なガドリニア入り燃料
棒の本数を最少限とすることができる。この結果、高濃
縮度化に伴う反応度抑制が容易となるため、燃料上部で
は相対的にガドリニアの濃度を低減することも可能とな
る。もともと出力が小さい燃料上部で相対的にガドリニ
ア濃度を低減することは、ガドリニアの毒作用を最小限
とすることで、この位置の核分裂性物質の燃え残りが少
なくなるため、燃料の経済性向上に寄与する。

【００４３】尚、最大線出力密度に更なる余裕を確保す
る場合には、燃料集合体中で最高濃度のガドリニアを添
加した最高濃縮度ペレットを含む燃料棒(G2)において使
用するガドリニアの最高濃度を６ｗｔ％以上とし、集合
体中のその他のガドリニア濃度よりも約２ｗｔ％以上高
く、更に、燃料棒(G2)において最高濃度のガドリニアを
添加したペレットは燃料棒の下部に配置し、望ましく
は、燃料有効長下端から約３０％より下方に設けること
を提案する。本発明では、燃料棒(G2)の線出力を小さく
することで高濃度のガドリニアの添加ができるため、こ
のような構成をすることが可能となる。

【００４４】以上の構成により、燃焼中期において大き
くなる下部領域の反応度の上昇を抑制することができる
ため、局所ピーキングを大きくする特徴を持つ本発明に
おいても、最大線出力密度は従来並に抑えることが可能
となる。この際、前記構成を持つ燃料棒(G2)の本数は、
要求される最大線出力密度運転余裕に応じて決定すれば
よい。

【００４５】

【実施例】対称格子炉心における実施例を図４に示す。
本実施例は、図７に示す従来実施例に対して、本発明を
適用したものであり、従来例とは、濃縮度とガドリニア
の分布が異なるのみで、燃料構造に違いはない。最高濃
縮度は取扱い可能な濃縮度５ｗｔ％以下に対し、濃縮度
公差を考慮して４．９ｗｔ％とした。また、上下端１ノ
ードずつには天然ウランを配している点も従来例に同じ
としているが、このようなブランケットは上下端ブラン
ケットを別の長さ、例えば上端で２／２４ノード分とし
てもよい。本実施例において、下部領域は燃料有効長下
端より２／２４から１７／２４ノード目に位置し、ま
た、上部領域は１８／２４から２３／２４ノード目に位
置している。平均濃縮度は上部領域で４．７ｗｔ％、下
部領域で４．８ｗｔ％であり、上下端の天然ウランを含
めた集合体平均濃縮度は約４．４％である。

【００４６】本実施例において燃料棒(2) の下部領域の
濃縮度は４．９ｗｔ％、上部領域の濃縮度は４．４ｗｔ
％であり、８カ所に配置されている。燃料棒(2) に隣接
する燃料棒(G1)は４カ所に配置されている。また、燃料
棒(G2)の本数は８本である。本実施例の場合、燃料棒(G
2)は互いに隣接していないため、ガドリニア入り燃料棒
の本数を増加することなく、サイクル初期における反応
度の制御を可能としている。また、燃料棒(G2)の濃縮度
は４．９ｗｔ％であり、下部領域におけるガドリニア濃
度の最大値は、２／２４〜７／２４ノードに位置する１
０．０wt%であり、他のガドリニア濃度より、２wt%以上
大きい。なお、燃料棒(G2)以外のガドリニア入り燃料棒
については、熱機械設計上の観点から濃縮度及びガドリ
ニア濃度とも最高値未満に抑えられている。

【００４７】さらに、本実施例の場合、燃料棒(G2)の領
域に高濃度のガドリニアを添加できることから、上部領
域のガドリニアの平均濃度を下部領域に比べて低くして
も、余剰反応度的に問題となることはない。この結果、
燃焼末期における燃料上部でのガドリニアの残留を少な
くできるため従来燃料と同様に経済的である。

【００４８】本発明における別の実施例を図５に示す。
これは非対称格子炉心における実施例である。本実施例
において集合体平均濃縮度は約４．４％である。燃料棒
(2)は、２本である。また、ガドリニア入り燃料棒は全
部で１３本である。燃料棒(G1)は、５本であり、このう
ち２本は燃料棒(2) に隣接し水ギャップに隣接しない位
置に配置されている。燃料棒(G2)は８本であり、燃料棒
(G2)は互いに隣接していない。また、燃料棒(G2)の下部
領域のガドリニア濃度は８．０ｗｔ％である。なお、燃
料棒(G2)以外のガドリニア入り燃料棒については、熱機
械設計上の観点から濃縮度及びガドリニア濃度とも最高
値末満に抑えられている。さらに、本実施例の場合にお
いても、燃料集合体の上部断面のガドリニア平均濃度は
下部領域に比べて低くなっている。

【００４９】このような非対称格子炉心における実施例
についても、本発明の作用は対称格子炉心の場合と同様
である。

【００５０】以上のように、本発明によれば、沸騰水型
原子炉（ＢＷＲ）の燃料集合体において、熱的運転余裕
と燃料棒の機械的健全性を確保し、濃縮度とガドリニア
濃度の増加を図ることができるため、平均取出燃焼度の
向上と運転長期化を実現することができ、経済性が向上
する。

【００５１】より具体的には、製造工程での取扱い可能
な濃縮度は５ｗｔ％以下（濃縮度公差を考えると４．９
ｗｔ％以下）という制約下において、最小限界出力比と
最大線出力密度の運転余裕を確保し、また、ガドリニア
入り燃料棒の内圧の上昇を伴うことなく、熱機械的な健
全性を確保して運転長期化（１３ヶ月以上）と取出燃焼
度の向上（５０ＧＷｄ／ｔ以上）を実現する燃料を提供
することができる。

【００５２】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、沸騰水型
原子炉（ＢＷＲ）において、熱的運転余裕と燃料棒の熱
機械的健全性を確保しつつ、運転長期化と取出燃焼度の
向上を実現する沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】対称格子炉心において燃料棒(G2)が配置される
領域を説明する図である。

【図２】非対称格子炉心において燃料棒(G2)が配置され
る領域を示す図である。

【図３】本発明の効果を従来例と比較した図である。

【図４】本発明による沸騰水型原子炉用燃料集合体の一
実施例の対称格子炉心の配置を示す説明図である。

【図５】本発明による沸騰水型原子炉用燃料集合体の一
実施例の非対称格子炉心の配置を示す説明図である。

【図６】９×９格子燃料形状の例を示す図である。

【図７】従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の一実施例
の対称格子炉心の配置を示す説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の燃料棒領域を占める水ロッドと
被覆管内に予め定められた核燃料濃縮度の燃料ペレット
が充填された多数本の燃料棒とを９×９格子以上の格子
状に配列してなる沸騰水型原子炉用燃料集合体であっ
て、前記燃料棒に配される最高濃縮度ペレットは４．９
ｗｔ％乃至５ｗｔ％の範囲にあり、集合体平均濃縮度は
４ｗｔ％以上である沸騰水型原子炉用燃料集合体におい
て、燃料有効軸方向を上部領域(Ｉ)と下部領域(II)とに分け
たとき、下部領域(II)の大部分に最高濃縮度ペレットを含み、尚
且つ、上部領域(Ｉ)の大部分に最高濃縮度より低濃縮度
のペレットを含む燃料棒(2) が、コーナロッドと水ギャ
ップの両方に隣接する燃料棒位置に少なくとも１本以上
配置され、少なくとも下部領域(II)の一部又は大部分においてガド
リニア入りペレットを含む燃料棒(G1)が、前記燃料棒
(2) に隣接し水ギャップに隣接しない位置に少なくとも
１本以上配置され、少なくとも下部領域(II)の一部又は大部分において燃料
集合体中で最高濃度のガドリニアを添加した最高濃縮度
ペレットを含む燃料棒(G2)が、集合体周縁の水ギャップ
と水ロッドとの何れにも隣接しない位置に少なくとも１
本以上配置されたことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃
料集合体。
【請求項２】前記上部領域(Ｉ)と下部領域(II)の境界
は、燃料有効長の下端より約７０％より上の位置に設け
られていることを特徴とする請求項１に記載された記載
の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】前記下部領域(II)においてガドリニア入
り燃料棒は互いに隣接せずに配置されていることを特徴
とする請求項１又は２に記載された沸騰水型原子炉用燃
料集合体。
【請求項４】前記上部領域(Ｉ)のガドリニア濃度の平
均値は、下部領域(II)のガドリニア濃度の平均値より小
さいことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載され
た沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項５】前記燃料棒(G1)は、燃料集合体内最高濃
縮度よりも低い濃縮度ペレットで構成されることを特徴
とする請求項１〜４の何れかに記載された沸騰水型原子
炉用燃料集合体。
【請求項６】前記燃料集合体中で最高濃度のガドリニ
アを添加した最高濃縮度ペレットを含むガドリニア入り
燃料棒(G2)で使用するガドリニアの最高濃度は、６ｗｔ
％以上であり、しかも、集合体中のその他のガドリニア
濃度よりも略２ｗｔ％以上高く、且つ、前記最高濃度の
ガドリニアを添加したペレットは燃料有効長下端から略
３０％より下方にのみ存在することを特徴とする請求項
１〜５の何れかに記載された沸騰水型原子炉用燃料集合
体。