JP2003248079A

JP2003248079A - 燃料集合体

Info

Publication number: JP2003248079A
Application number: JP2002048369A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Takizawa; 昭彦滝沢; Shoichiro Futaki; 正一郎二木; Yasushi Takizawa; 靖史滝沢; Yamato Hayashi; 大和林; Koji Hiraiwa; 宏司平岩; Yasushi Hirano; 靖平野; Junko Watanabe; 順子渡辺
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: JP4040888B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことな
く、ガドリニア燃料棒以外の他の燃料棒の熱的健全性を
改善することができる燃料集合体を提供する。【解決手段】ウランを封入した複数の燃料棒１０２と、
ウランおよびガドリニアを封入した複数のガドリニア燃
料棒１０３とを規則的に配列した燃料集合体１０１であ
り、ガドリニア燃料棒１０３の１本以上が、ガドリニウ
ム同位体であるＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７の少な
くともいずれかを天然存在率よりも高い含有率で含み、
かつ核分裂性物質を全ての燃料棒の中で１番目あるいは
２番目に高い濃縮度で含むものとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は原子炉用燃料集合体
に係り、特に可燃性毒物としてガドリニウムを含有する
燃料棒を使用した燃料集合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】原子炉用燃料集合体は、ウラン等の核分
裂物質を封入した複数の燃料棒を規則的に配列して構成
される。このような燃料集合体において、従来、ウラン
等を封入した複数の燃料棒と、ウラン等および可燃性毒
物としてガドリニウム酸化物であるガドリニアを封入し
た複数のガドリニア燃料棒とを配列して構成される燃料
集合体が知られている。

【０００３】図７は、このような従来の燃料集合体を用
いた沸騰水型原子炉の炉心における燃料セルを示す水平
断面図である。この図７に示した燃料集合体１０１は、
ウラン等の核燃料物質を封入した燃料棒１０２と、核燃
料物質およびガドリニアを封入したガドリニア燃料棒１
０３とを正方格子状に配列するとともに、中央付近に、
出力運転時に内部を沸騰しない冷却水が流れるウォータ
ーロッド１０４を配置し、これらをチャンネルボックス
１０５に収納して構成される。通常、原子炉では４体の
燃料集合体１０１ごとに制御棒１０６を１体配置して、
炉心が構成される。なお、制御棒１０６の内部には、中
性子吸収物質を封入したポイズン棒１０７が規則的な配
置で格納されている。

【０００４】図８は、図７に示した燃料棒１０２および
ガドリニア燃料棒１０３等の構成を一部断面で示す拡大
図である。この図８に示すように、燃料棒１０２および
ガドリニア燃料棒１０３は、燃料ペレット１０８を規則
的に積み重ね、その最上部に燃料ペレット１０８の変位
を抑制するためのプレナムスプリング１０９を配置し、
これらを被覆管１１０内に格納して構成されている。被
覆管１１０の下部は下部端栓１１１で封止され、上部は
上部端栓１１２で封止されている。なお、被覆管１１０
の内部には、ヘリウムガスが適当な圧力で封入される。
燃料集合体１０１の燃料棒１０２やガドリニア燃料棒１
０３には、燃料集合体１０１内での位置ごとに、核分裂
性物質の濃縮度やガドリニア添加濃度が設定されるのが
普通である。

【０００５】図９（ａ）は、このような従来の燃料集合
体における各燃料棒等についての配置関係を示す平面図
であり、制御棒１０６が平面視で燃料集合体１０１の左
上に位置している場合を示している。この図９（ａ）に
おいて、燃料棒１０２についてはタイプ別に「１〜５」
の番号を付し、ガドリニア燃料棒１０３については同じ
くタイプ別に「Ｇ１，Ｇ２」の符号を付している。な
お、「ＷＲ」はウォーターロッド１０４を示し、「Ｐ」
は部分長燃料棒１１３を示している。

【０００６】また、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した
燃料棒１０２，ガドリニア燃料棒１０３および部分長燃
料棒１１３について、タイプ別に核分裂性物質濃縮度
（ウラン濃縮度）またはガドリニア添加濃等の上下方向
の分布関係を示したものである。この図９（ｂ）に示す
ように、各燃料棒１０２，１０３，１１３のウラン濃縮
度については、Ａ〜Ｇに区分して示しており、それらの
関係はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇである（Ｇは、天然
ウランの濃縮度である）。また、ガドリニア添加濃度に
ついては、ａ，ｂ，ｃ（ａ＞ｂ＞ｃ）に区分している。

【０００７】これらの図に示すように、燃料棒１０２の
ウラン濃縮度は、燃料棒によっては上下方向に濃縮度の
差を設ける場合がある。また、上下端には天然ウランが
配される場合がある。この天然ウラン部分を天然ウラン
ブランケットと呼ぶ。また、ガドリニア燃料棒１０３は
核燃料物質とガドリニアの両方を含んでおり、また最外
周以外位置に配置されるのが普通である。ただし、図示
のものと異なり、最外周位置に配置する例もある。いず
れにしても、従来ではガドリニア燃料棒１０３に含まれ
るウラン等の核分裂性物質の濃縮度が、図９（ｂ）に
「Ｇ」，「Ｃ」等で示す如く低い濃度となっている。

【０００８】なお、ガドリニア燃料棒１０３では、ガド
リニア添加濃度「ａ，ｂ，ｃ」を上下方向に分布させる
場合がある。上下端には天然ウランブランケットを設け
る場合があるが、その場合は天然ウラン部分にはガドリ
ニアが含まれない。また、ガドリニア燃料棒１０３の場
合、天然ウランブランケットを設置せず、プレナム空間
と呼ぶガス溜め領域とすることもある。

【０００９】ウラン等を核燃料物質として用いる軽水炉
では、燃焼に伴って反応度が減少するため、燃料集合体
１０１は必要な初期ウラン濃縮度に設定されている。こ
のため、燃焼に従って余剰反応度が減少する特性とな
る。この余剰反応度は、安全上の観点から過大とならな
いようにする必要がある。このため、可燃性毒物と呼ば
れ、燃焼に伴って負の反応度が減少していく可燃性毒物
と呼ばれる物質を燃料に添加することにより、余剰反応
度が過大にならない方式が取られる。

【００１０】上述したように、この可燃性毒物として上
述したように、原子番号６４のガドリニウムの酸化物で
あるガドリニアが用いられてきており、主に沸騰水型原
子炉（ＢＷＲ）で用いられるが、加圧水型原子炉（ＰＷ
Ｒ）等でも用いられる。

【００１１】可燃性毒物として用いられる天然のガドリ
ニウムは、安定同位体である質量数１５４，１５５，１
５６，１５７，１５８，１６０の６種類の同位体の混合
物であり、天然にはそれぞれ２．１ｗｔ％，１４．５ｗ
ｔ％，２０．３ｗｔ％，１５．７ｗｔ％，２５．０ｗｔ
％，２２．５ｗｔ％の重量割合で存在している。

【００１２】このうち、天然存在率が１４．５ｗｔ％で
ある質量数１５７のガドリニウム（Ｇｄ−１５７）は、
全元素の中で最大の熱中性子吸収断面積を持っている。
また、天然存在率が１５．７ｗｔ％である質量数１５５
のガドリニウム（Ｇｄ−１５５）も、Ｇｄ−１５７の断
面積の１／４程度の大きな断面積を持つ。

【００１３】また、Ｇｄ−１５５およびＧｄ−１５７が
中性子を吸収して生成されるＧｄ−１５６およびＧｄ―
１５８の吸収断面積は、Ｇｄ−１５５，Ｇｄ−１５７の
数万分の１である。このように、自身の吸収断面積が大
きく、かつ中性子吸収によって生成される同位体の断面
積が小さい場合には、中性子吸収（燃焼）によって吸収
断面積が大幅に減少するので、いわゆる可燃性毒物とし
て利用することができるものである。

【００１４】上述したように、ガドリニア燃料棒におけ
るＧｄ−１５７とＧｄ−１５５との天然の存在割合は、
合計で３０ｗｔ％程度であり、従来の燃料集合体では他
のガドリウム要素として、天然ガドリニウムの酸化物で
あるガドリニアを可燃性毒物として利用してきた。この
ガドリニアの添加量は、余剰反応度を適切に抑制すると
ともに、負の反応度がサイクル末期まで持続するように
設定される。

【００１５】一方、ガドリニア燃料棒１０３の熱伝導度
は、ガドリニア添加量に応じて低下することが知られて
いる。このため、ガドリニア燃料棒１０３については安
全上の観点から、発熱を低減する必要がある。そこで、
ウランを用いた従来の燃料集合体においては、ガドリニ
ア燃料棒１０３における核分裂性物質の濃縮度は、当該
燃料集合体において１番目あるいは２番目に高くなるこ
とのないように設定している。すなわち、図９に示した
従来例においては、ガドリニア燃料棒１０３の核分裂性
物質の濃縮度は、３番目に高い濃縮度「Ｃ」に設定され
ている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料集合体１０
１において、ガドリニア燃料棒１０３の出力は、他の燃
料棒１０２の出力に比べて、極端に小さい値となってい
た。これは熱的健全性の観点から、ガドリニア燃料棒１
０３の核分裂性物質濃縮度を低く設定していたためであ
る。したがって、燃料集合体１０１の出力一定条件の下
では、ガドリニア燃料棒１０３以外の他の燃料棒１０２
の出力ピーキングが大きくなって、他の燃料棒１０２の
熱的健全性が低下する原因となっていた。

【００１７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことな
く、ガドリニア燃料棒以外の他の燃料棒の熱的健全性を
改善することができる燃料集合体を提供することを目的
とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明では、ウランを封入した複数の燃料
棒と、ウランおよびガドリニアを封入した複数のガドリ
ニア燃料棒とを規則的に配列した燃料集合体において、
前記ガドリニア燃料棒の１本以上が、ガドリニウム同位
体であるＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７の少なくとも
いずれかを天然存在率よりも高い含有率で含み、かつ核
分裂性物質を全ての燃料棒の中で１番目あるいは２番目
に高い濃縮度で含むことを特徴とする燃料集合体を提供
する。

【００１９】このような構成の燃料集合体によれば、ガ
ドリニア燃料棒が核分裂性物質を高濃度で含むことから
その出力負担が増し、その分だけ他の燃料棒の出力ピー
キングが低減するので、他の燃料棒の熱的健全性を改善
することができる。また、ガドリニウム燃料棒における
Ｇｄ−１５５あるいはＧｄ−１５７の含有率が天然存在
率より高いため、ガドリニアの添加量はそれだけ低減で
き、ガドリニア燃料棒の熱伝導度を改善することができ
る。したがって、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損な
うことなく、他の燃料棒の熱的健全性を改善することが
できる。

【００２０】請求項２の発明では、核分裂性物質の濃縮
度が１番目に高いガドリニア燃料棒が、Ｇｄ−１５５お
よびＧｄ−１５７の少なくともいずれかを含み、Ｇｄ−
１５５とＧｄ−１５７の含有率の合計が６０ｗｔ％以上
であることを特徴とする。

【００２１】天然のガドリニウムにおけるＧｄ−１５５
およびＧｄ−１５７の含有率の合計は約３０ｗｔ％であ
るから、その含有率の合計を６０ｗｔ％以上とした本請
求項のガドリニア燃料棒では、ガドリニア添加量を従来
に比して約０．５倍（＝３０／６０）に低減することが
でき、ガドリニア燃料棒の熱伝導度が大幅に改善され
る。したがって、核分裂性物質の濃縮度を燃料集合体中
で１番目に高い濃縮度として高燃焼度に耐え得る構成と
することができ、ガドリニア燃料棒の出力負担を増加さ
せることができる。

【００２２】請求項３の発明では、核分裂性物質の濃縮
度が２番目に高いガドリニア燃料棒は、Ｇｄ−１５５お
よびＧｄ−１５７の少なくともいずれかを含み、Ｇｄ−
１５５とＧｄ−１５７の含有率の合計が４０ｗｔ％以上
であることを特徴とする。

【００２３】本請求項のガドリニア燃料棒においても、
天然のガドリニウムにおけるＧｄ−１５５およびＧｄ−
１５７の含有率の合計（約３０ｗｔ％）よりもその含有
率が４０ｗｔ％以上と高く、ガドリニア添加量が約０．
７５倍（＝３０／４０）に低減する。したがって、本発
明においてもガドリニア燃料棒の熱伝導度が改善され、
核分裂性物質の濃縮度を燃料集合体中で２番目に高い濃
縮度とすることによりガドリニア燃料棒の出力負担を増
加することができる。

【００２４】請求項４の発明では、核分裂性物質の濃縮
度が１番目または２番目に高いガドリニア燃料棒は、燃
料棒配列における最外周部およびウォーターロッドへの
隣接部を除く場所に配置されていることを特徴とする。

【００２５】燃料集合体の外周側領域およびウォーター
ロッド内部では、非沸騰水が流れているため、中性子減
速効果が大きい。核分裂反応は減速された中性子によっ
て生じるため、燃料集合体の最外周部およびウォーター
ロッド隣接部に配置した燃料棒の出力ピーキングは大き
くなり、逆に燃料集合体の最外周部およびウォーターロ
ッド隣接部を除いて配置した燃料棒の出力ピーキングは
小さくなる。上記構成によれば、燃料集合体において、
出力ピーキングが小さい場所の出力負担を増加するの
で、最外周部およびウォーターロッド隣接部の燃料棒の
出力ピーキングは低減される。

【００２６】請求項５の発明では、核分裂性物質の濃縮
度が１番目または２番目に高いガドリニア燃料棒は、Ｇ
ｄ−１５５の含有率をＧｄ−１５７の含有率よりも多く
したものであることを特徴とする。

【００２７】従来の技術で示したように、Ｇｄ−１５５
の熱中性子吸収断面積はＧｄ−１５７よりも小さいの
で、Ｇｄ−１５５の含有率がＧｄ−１５７よりも多いガ
ドリニアは、平衡濃度に達する（すなわち燃え尽きる）
タイミングが天然ガドリニアよりも遅くなる。したがっ
て、ガドリニア添加量を低減しても、負の反応度はサイ
クル末期まで持続することが可能となる。これにより、
本請求項の発明によれば、ガドリニア燃料棒の熱伝導度
がさらに改善される。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料集合体の
実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
なお、以下の各実施形態で示す燃料集合体の全体構成に
ついては、従来例と略同様であるから、図７および図８
も参照し、各構成部材に従来例と同一の符号を使用して
説明する。

【００２９】第１実施形態（図１）図１（ａ）は、本発明の第１実施形態による燃料集合体
の燃料棒配置を示す平面図であり、制御棒が平面視で燃
料集合体の左上に位置している場合を示している。図１
（ｂ）は、図１に示した各燃料棒について、タイプ別に
ウラン濃縮度またはガドリニア添加濃等の上下方向の分
布関係をそれぞれ示したものである。図１（ｃ）は、ガ
ドリニア燃料棒におけるガドリニウム同位体の含有割合
を示したものである。

【００３０】なお、本実施形態においても、燃料棒１０
２についてはタイプ別に「１〜５」の番号を付し、ガド
リニア燃料棒１０３についてはタイプ別に「Ｇ１，Ｇ
２」の符号を付している。「ＷＲ」はウォーターロッド
１０４であり、「Ｐ」は部分長燃料棒１０８である。各
燃料棒１０２，１０３，１１３のウラン濃縮度について
はＡ〜Ｇに区分して示し、それらの関係はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞
Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇである（Ｇは、天然ウランの濃縮度であ
る）。また、ガドリニア添加濃度については、ａ，ｂ，
ｃ（ａ＞ｂ＞ｃ）に区分している。

【００３１】図１（ａ）に示すように、本実施形態の燃
料集合体１０１は燃料要素を９×９の格子配列としたも
ので、ウランを封入した複数（５０本）の燃料棒１０２
と、ウランおよびガドリニウム酸化物であるガドリニア
を封入した複数（１６本）のガドリニア燃料棒１０３
と、複数（８本）の部分長燃料棒１１３とを規則的に配
列してなり、中央位置に２本のウォーターロッド１０４
が配置されている。燃料集合体１０１の最外周部には燃
料棒１０２（タイプ２〜５）のみが配置されており、ま
た両ウォータロッド１０４間に隣接する位置にも燃料棒
１０２（タイプ３）のみが配置されている。

【００３２】そして、図１（ｂ）に示すように、燃料棒
１０２（タイプ１〜５）およびガドリニア燃料棒１０３
（タイプＧ１，Ｇ２）のウラン濃縮度は、それぞれ上下
端部において最も小さいＧに設定されている。燃料棒１
０２（タイプ１〜５）については、それぞれ上下方向中
間部分において、ウラン濃縮度が最小以外のタイプＡ〜
Ｆ（一部は組合せ）に設定され、部分長燃料棒１１３で
はタイプＣに設定されている（以下、「タイプ」は省略
する）。

【００３３】ガドリニア燃料棒１０３は、一の種類（Ｇ
１）については、上下方向中間部分におけるウラン濃縮
度が１番目に高いＡに設定されており、また、他の種類
（Ｇ２）については、上下方向中間部分におけるウラン
濃縮度が２番目に高いＢに設定されている。前者のガド
リニア燃料１０３（Ｇ１）は１２本、後者のガドリニア
燃料１０３（Ｇ２）は４本であり、それぞれ燃料集合体
中心に対称的に分散配置されている（図１（ａ）参
照）。すなわち、本実施形態では配置されるガドリニア
燃料１０３の全てが、ウラン濃縮度において１番目また
は２番目に高い種類のものとされている。但し、このよ
うなガドリニア燃料棒１０３（Ｇ１，Ｇ２）の少なくと
もいずれか１本を含むものでも下記の機能を発揮するこ
とはできる。また、３番目以下のウラン濃縮度のものを
含めることもできる。

【００３４】そして、ウラン濃縮度が１番目に高いガド
リニア燃料棒１０３（Ｇ１）のガドリニア添加濃度は、
天然ウランを含む最上・下端部を除いて、上端側から下
端側に順に大きくなるように、ｃ，ｂ，ａと区分され、
またウラン濃縮度が２番目に高いガドリニア燃料棒１０
３（Ｇ２）のガドリニア添加濃度は、天然ウランを含む
最上・下端部を除いて、上端側から下端側にかけてｂ，
ａと区分されている。

【００３５】このものにおいて、ガドリニア燃料棒１０
３には、ガドリニア同位体であるＧｄ−１５５およびＧ
ｄ−１５７が添加され、その同位体組成については、図
１（ｃ）に示すように、相対重量割合でＧｄ−１５５が
３０ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が５０ｗｔ％とされている。
つまり、ガドリニア燃料１０３にはガドリニウム同位体
であるＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７が計８０ｗｔ％
含まれており、これらが天然に存在する合計割合（３０
ｗｔ％）よりも高く設定されている。したがって、上記
以外のガドリニアを含む他のガドリニウム含有率は２０
ｗｔ％となり、従来のガドリニア燃料棒に比して、ガド
リニア添加量が大幅に低減されている。

【００３６】このような構成の本実施形態の燃料集合体
１０１によれば、ガドリニア燃料棒１０３（Ｇ１，Ｇ
２）は高い出力を負担する一方で、Ｇｄ−１５５および
Ｇｄ−１５７の総含有率が天然存在率より高いため、ガ
ドリニア添加量が低減し、それにより熱伝導度が改善さ
れている。したがって、ガドリニア燃料棒１０３の熱的
健全性を損なうことなく、他の燃料棒１０２の出力負担
を低減することができる。

【００３７】第２実施形態（図２）図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第２実施形態
による燃料集合体を説明するためのもので、前記第１実
施形態における図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応する
ものである。

【００３８】本実施形態が第１実施形態と異なる点は、
図２（ｂ）に示したように、ガドリニア燃料棒１０３で
あるＧ１およびＧ２の両方とも、核分裂性物質濃縮度
（ウラン濃縮度）を１番目に高いＡとした点にある。そ
して、両ガドリニア燃料棒１０３（Ｇ１，Ｇ２）におけ
るＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７の合計含有率を６０
ｗｔ％以上、具体的には図２（ｃ）に示す如く８０ｗｔ
％としてある。他の構成については、第１実施形態と略
同様であるから、図２に図１と同一符号を付して説明を
省略する。

【００３９】本実施形態によれば、ガドリニア燃料棒１
０３のガドリニア添加量を従来に比して約０．３７５倍
（＝３０／８０）に低減することができ、ガドリニア燃
料棒１０３の熱伝導度が大幅に改善される。したがっ
て、核分裂性物質の濃縮度を燃料集合体１０１中で１番
目に高い濃縮度として高燃焼度に耐え得る構成とするこ
とができ、ガドリニア燃料棒１０３の出力負担を増加さ
せることができる。

【００４０】なお、本発明では、核分裂性物質の濃縮度
が１番目に高いガドリニア燃料棒１０３が、Ｇｄ−１５
５およびＧｄ−１５７の少なくともいずれかを含みその
含有率合計が６０ｗｔ％以上となる範囲において、相対
重量割合を種々変更することが可能である。この範囲で
あれば、前記同様の効果を奏することができる。

【００４１】第３実施形態（図３）図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第３実施形態
による燃料集合体を説明するためのもので、前記第１実
施形態における図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応する
ものである。

【００４２】本実施形態が第１実施形態と異なる点は、
図３（ｂ）に示したように、ガドリニア燃料棒１０３で
あるＧ１およびＧ２の両方とも、核分裂性物質濃縮度
（ウラン濃縮度）を２番目に高いＢとした点にある。そ
して、両ガドリニア燃料棒１０３（Ｇ１，Ｇ２）におけ
るＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７の合計含有率を４０
ｗｔ％以上、具体的には図３（ｃ）に示す如くＧｄ−１
５５の含有率を２０ｗｔ％、Ｇｄ−１５７の含有率を２
０ｗｔ％としてある。他の構成については、第１実施形
態と略同様であるから、図３に図１と同一符号を付して
説明を省略する。

【００４３】本実施形態によれば、ガドリニア燃料棒１
０３のガドリニア添加量を従来に比して約０．７５倍
（＝３０／４０）に低減することができ、ガドリニア燃
料棒１０３の熱伝導度が改善される。したがって本実施
形態においても、核分裂性物質の濃縮度を燃料集合体１
０１中で２番目に高い濃縮度として高燃焼度に耐え得る
構成とすることができ、ガドリニア燃料棒１０３の出力
負担を増加させることができる。

【００４４】なお、本発明では、核分裂性物質の濃縮度
が２番目に高いガドリニア燃料棒１０３が、Ｇｄ−１５
５およびＧｄ−１５７の少なくともいずれかを含みその
含有率合計が４０ｗｔ％以上となる範囲において、相対
重量割合を種々変更することが可能である。この範囲で
あれば、前記同様の効果を奏することができる。

【００４５】第４実施形態（図４）図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第４実施形態
による燃料集合体を説明するためのもので、前記第１実
施形態における図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応する
ものである。

【００４６】本実施形態が第１実施形態と異なる点は、
図４（ｂ）に示したように、ガドリニア燃料棒１０３の
一方のタイプであるＧ１の核分裂性物質濃縮度（ウラン
濃縮度）を１番目に高いＡとし、またガドリニア燃料棒
１０３の他方のタイプであるＧ２の核分裂性物質濃縮度
（ウラン濃縮度）を３番目に高いＣとし、これらのガド
リニア燃料棒１０３のうちタイプＧ１を、燃料棒配列に
おける最外周部およびウォーターロッド１０４への隣接
部を除く場所に配置した点にある。他の構成について
は、第１実施形態と略同様であるから、図４に図１と同
一符号を付して説明を省略する。

【００４７】本実施形態によれば、沸騰水の通過領域で
ある出力ピーキングが小さい場所での燃料棒１０２の出
力負担を増加させる一方、非沸騰水通過領域である出力
ピーキングの大きい最外周部およびウォーターロッド隣
接部での燃料棒１０２の出力負担を低減させることがで
きる。したがって、最外周部およびウォーターロッド隣
接部の燃料棒１０１の出力ピーキングの低減が有効に図
れる。

【００４８】なお、本発明においては、少なくとも核分
裂性物質の濃縮度が１番目または２番目に高いガドリニ
ア燃料棒１０３を、最外周部およびウォーターロッド隣
接部を除く場所に配置することで、前記効果が奏され
る。

【００４９】第５実施形態（図５，図６）図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第５実施形態
による燃料集合体を説明するためのもので、前記第１実
施形態における図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応する
ものである。図６は、本実施形態の作用を示す特性図で
ある。

【００５０】本実施形態が前記第１実施形態と異なる点
は、核分裂性物質の濃縮度が１番目または２番目に高い
ガドリニア燃料棒１０３（Ｇ１，Ｇ２）について、それ
ぞれＧｄ−１５５の含有率をＧｄ−１５７のそれよりも
多くした点にある。具体的には図５（ｃ）に示す如く、
Ｇｄ−１５５の含有率を５０ｗｔ％、Ｇｄ−１５７の含
有率を３０ｗｔ％とし、Ｇｄ−１５５の含有率をＧｄ−
１５７のそれよりも２０％多くしてある。他の構成につ
いては、第１実施形態と略同様であるから、図５に図１
と同一符号を付して説明を省略する。

【００５１】本実施形態によれば、ガドリニア燃料棒１
０３の熱伝導度を一層改善することができる。すなわ
ち、Ｇｄ−１５５の熱中性子吸収断面積はＧｄ−１５７
よりも小さい。したがって、Ｇｄ−１５５の含有率をＧ
ｄ−１５７よりも多くした本実施形態においては、図６
に実線で示したように、ガドリニアが平衡濃度に達する
（すなわち燃え尽きる）タイミングが、同図に破線で示
した天然ガドリニアのそれよりも遅くなる。したがっ
て、ガドリニア添加量を低減しても、負の反応度はサイ
クル末期まで持続することが可能となり、これによりガ
ドリニア燃料棒１０３の熱伝導度がさらに改善される。

【００５２】なお、本発明において、Ｇｄ−１５５およ
びＧｄ−１５７の含有率の数値は図５（ｃ）に示したも
のに限定されず、種々変更して実施することが可能であ
る。

【００５３】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明の燃料集
合体によれば、ガドリニア燃料棒が核分裂性物質を高濃
度で含むことからその出力負担が増し、その分だけ他の
燃料棒の出力ピーキングが低減するので、他の燃料棒の
熱的健全性を改善することができる。また、ガドリニウ
ム燃料棒におけるＧｄ−１５５あるいはＧｄ−１５７の
含有率が天然存在率より高いため、ガドリニアの添加量
はそれだけ低減でき、ガドリニア燃料棒の熱伝導度を改
善することができる。したがって、ガドリニア燃料棒の
熱的健全性を損なうことなく、他の燃料棒の熱的健全性
を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態による燃料集合
体の燃料棒配置を示す平面図、（ｂ）は各燃料棒の核分
裂性物質濃度およびガドリニア添加濃度を説明するため
の縦断面図、（ｃ）はガドリニウム同位体の相対重量割
合を示す表。

【図２】（ａ）は本発明の第２実施形態による燃料集合
体の燃料棒配置を示す平面図、（ｂ）は各燃料棒の核分
裂性物質濃度およびガドリニア添加濃度を説明するため
の縦断面図、（ｃ）はガドリニウム同位体の相対重量割
合を示す表。

【図３】（ａ）は本発明の第３実施形態による燃料集合
体の燃料棒配置を示す平面図、（ｂ）は各燃料棒の核分
裂性物質濃度およびガドリニア添加濃度を説明するため
の縦断面図、（ｃ）はガドリニウム同位体の相対重量割
合を示す表。

【図４】（ａ）は本発明の第４実施形態による燃料集合
体の燃料棒配置を示す平面図、（ｂ）は各燃料棒の核分
裂性物質濃度およびガドリニア添加濃度を説明するため
の縦断面図、（ｃ）はガドリニウム同位体の相対重量割
合を示す表。

【図５】（ａ）は本発明の第５実施形態による燃料集合
体の燃料棒配置を示す平面図、（ｂ）は各燃料棒の核分
裂性物質濃度およびガドリニア添加濃度を説明するため
の縦断面図、（ｃ）はガドリニウム同位体の相対重量割
合を示す表。

【図６】前記第５実施形態の作用を説明するための特性
図。

【図７】従来の燃料集合体の構成を示す断面図。

【図８】従来の燃料棒の構成を示す断面図。

【図９】（ａ）は従来の燃料集合体の燃料棒配置を示す
平面図、（ｂ）は各燃料棒の核分裂性物質濃度およびガ
ドリニア添加濃度を説明するための縦断面図。

【符号の説明】１０１…燃料集合体、１０２…燃料棒、１０３…ガドリ
ニア燃料棒、１０４…ウォーターロッド、１０５…チャ
ンネルボックス、１０６…制御棒、１０７…ポイズン
棒、１０８…燃料ペレット、１０９…プレナムスプリン
グ、１１０…被覆管、１１１…下部端栓、１１２…上部
短栓、１１３…部分長燃料棒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者二木正一郎神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号東京電力株式会社原子力研究所内 (72)発明者滝沢靖史神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号東京電力株式会社原子力研究所内 (72)発明者林大和神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者平岩宏司神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者平野靖神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者渡辺順子神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウランを封入した複数の燃料棒と、ウラ
ンおよびガドリニアを封入した複数のガドリニア燃料棒
とを規則的に配列した燃料集合体において、前記ガドリ
ニア燃料棒の１本以上が、ガドリニウム同位体であるＧ
ｄ−１５５およびＧｄ−１５７の少なくともいずれかを
天然存在率よりも高い含有率で含み、かつ核分裂性物質
を全ての燃料棒の中で１番目あるいは２番目に高い濃縮
度で含むことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】核分裂性物質の濃縮度が１番目に高いガ
ドリニア燃料棒は、Ｇｄ−１５５およびＧｄ−１５７の
少なくともいずれかを含み、Ｇｄ−１５５とＧｄ−１５
７の含有率の合計が６０ｗｔ％以上であることを特徴と
する請求項１記載の燃料集合体。
【請求項３】核分裂性物質の濃縮度が２番目に高いガ
ドリニア燃料棒は、Ｇｄ−１５５およびＧｄ−１５７の
少なくともいずれかを含み、Ｇｄ−１５５とＧｄ−１５
７の含有率の合計が４０ｗｔ％以上である含むことを特
徴とする請求項１または２記載の燃料集合体。
【請求項４】核分裂性物質の濃縮度が１番目または２
番目に高いガドリニア燃料棒は、燃料棒配列における最
外周部およびウォーターロッドへの隣接部を除く場所に
配置されていることを特徴とする請求項１から３までの
いずれかに記載の燃料集合体。
【請求項５】核分裂性物質の濃縮度が１番目または２
番目に高いガドリニア燃料棒は、Ｇｄ−１５５の含有率
をＧｄ−１５７の含有率よりも多くしたものであること
を特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の燃
料集合体。