JP2004020268A - 原子炉炉心とその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料棒の熱的健全性と燃料経済性を同時に改善する原子炉炉心とその運転方法を提供する。
【解決手段】燃料中にＧｄ−１５５と天然存在比より多い同位体比のＧｄ−１５７とを含むガドリニウムを添加した第１の燃料集合体と、燃料中にＧｄ−１５５と前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５７の同位体比より少ない同位体比のＧｄ−１５７とを前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７との合計含有量と実質的に等しい合計含有量で含むガドリニウムを添加した第２の燃料集合体とを、前記第１の燃料集合体を炉心最外周隣接部およびコントロールセル隣接部において第２の燃料集合体に優先させて配置してなる。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料中にＧｄ−１５５と天然存在比より多い同位体比のＧｄ−１５７とを含むガドリニウムを添加した第１の燃料集合体と、燃料中にＧｄ−１５５と前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５７の同位体比より少ない同位体比のＧｄ−１５７とを前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７との合計含有量と実質的に等しい合計含有量で含むガドリニウムを添加した第２の燃料集合体とを、前記第１の燃料集合体を炉心最外周隣接部およびコントロールセル隣接部において第２の燃料集合体に優先させて配置してなる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃性毒物として、同位体濃縮されたガドリニウムを用いた燃料集合体を配列した原子炉炉心とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ウランや二酸化ウランを核燃料物質として用いる軽水炉では、燃料集合体は、所要の初期ウラン濃縮度に設定されており、燃焼に従って炉の余剰反応度が減少する。この余剰反応度は、安全上の観点から過大にならないようにする必要があるため、燃焼に従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、燃料に添加する方式が採られる。そして、主に沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、可燃性毒物として、原子番号６４のガドリニウムが用いられ、その酸化物であるガドリニアが核燃料物質に添加されている。
【０００３】
従来の燃料集合体の水平断面図を図９に示す。
この燃料集合体１０５は、ウラン等の核燃料物質を封入した燃料棒１０１と、核燃料物質とガドリニアが封入されたガドリニア燃料棒１０７とが、例えば８行８列の正方格子状に配列されるとともに、出力運転時に沸騰しない冷却水が内部を流れるウォーターロッド１０６が中央付近に配置され、さらに、これら全体がチャンネルボックス１０２内に収納されている。そして、４体の燃料集合体１０５ごとに１体の制御棒１０３が配置されて、原子炉の炉心が構成される。ここで、制御棒１０３内部には中性子吸収物質を封入したポイズン棒が規則的に配置され、格納されている。
【０００４】
燃料集合体１０５の燃料棒１０１やガドリニア燃料棒１０７は、集合体内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ている。
【０００５】
図１０（ａ）は、制御棒１０３の位置を左上位置とする場合の、燃料棒１０５とカドリニア燃料棒１０７の配置を示す水平断面図である。燃料棒１０３を番号１，２，３，４，５，６およびＰで、ガドリニア燃料棒１０７をＧ１，Ｇ２でそれぞれ示している。番号１，２，３，４，５およびＧ１，Ｇ２は、長尺であり、番号Ｐは短尺である。また、ＷＲはウォータロッド１０６を示す。
【０００６】
さらに、図１０（ｂ）は、燃料棒（１，２，３，４，５，Ｐ）およびガドリニア燃料棒（Ｇ１，Ｇ２）の垂直方向（軸方向）の核分裂物質及びガドリニアの濃度分布を示している。
【０００７】
この図のように、核分裂性物質であるウランの濃縮度としてはＡ〜Ｇが使用され、ガドリニア濃度（添加割合）としてはａ〜ｃが使用されている。ウラン濃縮度の大小関係は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇであり、Ｇは天然ウランの濃縮度である。長尺燃料棒には、上端及び下端に、天然ウランブランケットと呼ばれる天然ウランのみが含まれる部分Ｇが大方配置されている。また、燃料棒によっては、軸方向で核分裂性物質の濃度差に差を設ける場合がある。
【０００８】
ガドリニア燃料棒は、核燃料物質とガドリニアの両方を含んでおり、通常燃料集合体の最外周以外の位置に配置されるが、最外周に配置される場合もある。ガドリニア添加濃度の大小関係は、ａ＞ｂ＞ｃであり、ガドリニア燃料棒によっては、軸方向（垂直方向）に添加濃度の差を設けることもある。また、上端及び下端には、ガドリニアを含まず天然ウランのみが含まれる部分が大方設けられている。
【０００９】
ところで、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１５４，１５５，１５６，１５７，１５８および１６０の６種類の同位体を含有しており、それぞれの含有率（同位体比とも呼ぶ）は２．１ｗｔ％、１４．５ｗｔ％、２０．３ｗｔ％、１５．７ｗｔ％、２５．０ｗｔ％および２２．５ｗｔ％である。このうち質量数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。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。従来の燃料集合体では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。
【００１０】
このように、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。その添加量は、通常、サイクル終了時にガドリニアが燃え尽きるように設定されている。その理由は、サイクル終了時にガドリニアが残っていると、負の反応度をウランで補償しなければならないので、燃料経済性が低下するからである。しかし、一部のガドリニアの添加量を高めて、サイクル期間の１．２倍程度まで燃え残すことによって、燃料経済性の低下は最小限に抑えつつ、燃料集合体の出力ピーキングを低減できることが知られている（特願平１０−２７０７９６号）。しかしながら、燃料棒の熱的健全性の観点からは、一般的にガドリニアの添加量は少ない方が好ましい。
【００１１】
また、燃料集合体を形成する燃料棒においては、Ｇｄ−１５７あるいはＧｄ−１５５の含有率（同位体比）を天然存在比より高めたガドリニアを使用することによって、残留ガドリニアによる反応度ロスが低減されて、燃料経済性が改善されることも知られている（特開平６−３３１７６５号）。
【００１２】
図８は、従来の原子炉炉心の燃料集合体配置を示す。ここで、符号１〜４は１〜４の燃焼サイクル目の燃料集合体を示している。沸騰水型原子炉においては、通常、運転時に挿入、引抜きを行って使用する制御棒３の周囲４体の燃料集合体２は、燃焼の進んだ燃料集合体で構成され、これはコントロールセル４と呼ばれている。また、炉心最外周部も燃焼の進んだ燃料集合体で構成される。燃焼の進んだ燃料集合体の反応度は低下しているので、一般に、炉心最外周およびコントロールセル周辺では、燃料集合体の出力ピーキングは小さくなり、逆に、それら以外のところで、燃料集合体の出力ピーキングは大きくなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、原子炉における燃料経済性の向上を目的として、１体の燃料集合体から取り出すエネルギーを増大させる高燃焼度化が進められており、このため、１運転サイクルあたりの燃焼度（サイクル燃焼度という。）は増加する傾向にある。サイクル燃焼度が増加すると、一般に、燃料集合体の出力ピーキングが増加して、燃料棒の熱的健全性が低下する。したがって、燃料集合体の出力ピーキングを低減することが高燃焼度化の課題の一つとなっている。
【００１４】
また、燃料経済性を向上させる方法として、上述したように、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）を天然組成比より高めたガドリニアを使用する方法（特開平６−３３１７６５号）が知られているが、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）を天然存在比より高めたガドリニアを使用すると、図４に示すように無限増倍率のピークが大きくなるので、これも燃料集合体の出力ピーキングを増加させて燃料棒の熱的健全性を低下させることになる。なお、図４において、符号Ａは、Ｇｄ−１５７が天然組成比以上である燃料集合体を示し、符号Ｂは、Ｇｄ−１５５が天然組成比以上であるものを示し、符号Ｃは、天然組成比のガドリニアを用いたものを示している。
【００１５】
そこで、燃料集合体の出力ピーキングを低減する方策として、天然組成のガドリニア添加濃度を増加する方法（特願平１０−２７０７９６号）が知られているが、燃え残ったガドリニアによる負の反応度をウランで補償しなければならないので、燃料経済性が低下する。
【００１６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、２種類の燃料集合体の特性とその配置方法に着目して、燃料棒の熱的健全性と燃料経済性を同時に改善する原子炉炉心とその運転方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の原子炉炉心は、燃料中にＧｄ−１５５と天然存在比より多い同位体比のＧｄ−１５７とを含むガドリニウムを添加した第１の燃料集合体と、燃料中にＧｄ−１５５と前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５７の同位体比より少ない同位体比のＧｄ−１５７とを前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７との合計含有量と実質的に等しい合計含有量で含むガドリニウムを添加した第２の燃料集合体とを、前記第１の燃料集合体を炉心最外周隣接部およびコントロールセル隣接部において第２の燃料集合体に優先させて配置してなることを特徴とする。
【００１８】
本発明により、第１の燃料集合体と第２の燃料集合体のガドリニアの添加量が等しくなるように設定されれば、それぞれの集合体のガドリニアは同時に燃え尽きるため、それぞれの集合体の無限増倍率は同時にピークを迎える。このとき図４のＡに示す第１の燃料集合体の無限増倍率のピークは、図４のＢに示す第２の燃料集合体より大きくなる。なぜなら、第２の燃焼集合体では、Ｇｄ−１５４，１５５，１５６の含有率が相対的に高くなり、中性子捕獲反応によって燃焼中に次々とＧｄ−１５７が生成されるために、中性子吸収反応が持続するからである。本発明によれば、第１の燃料集合体の出力は第２の燃料集合体よりも相対的に高くなるので、もともと出力が低い傾向にあった、炉心最外周隣接部及びコントロールセル隣接部に第１の燃料集合体が配置されると、その配置された部分の燃料集合体の出力が増加する。これによって、炉心内の各燃料集合体の出力分布が平坦化されて、出力ピーキングが低減する。また、第１の燃料集合体では、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）が天然存在比より高いガドリニウムを用いるため、残留ガドリニアが少なくなり、それによる反応度ロスが低減でき、そのために燃料経済性も改善される。
【００１９】
上記構成の原子炉炉心において、第２の燃料集合体には、天然組成のガドリニウムを用いても良いし、 Ｇｄ−１５５の含有率（同位体比）が天然存在比より高いガドリニウムを用いても良い。いずれの場合も、請求項１の必要条件を満たしているからである。
【００２０】
すなわち、請求項２記載の原子炉炉心は、請求項１記載の原子炉炉心において、前記第２の燃料集合体は天然組成のガドリニウムが添加されてなることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項３記載の原子炉炉心は、請求項１記載の原子炉炉心において、前記第２の燃料集合体はＧｄ−１５５の含有率（同位体比）が天然存在比より高いガドリニウムを添加してなることを特徴とする。
【００２２】
これにより、Ｇｄ−１５５の含有率（同位体比）が天然存在比より高い場合は、中性子捕獲反応によって燃焼中に次々とＧｄ−１５７が生成されるために、初期のガドリニア添加濃度は少なくても良い。したがって、熱的健全性が向上する。
【００２３】
また、前記第２の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有合計量が、前記第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有合計量より少ない場合でも、第２の燃料集合体において、Ｇｄ−１５５とＧｄ−１５７だけでなく、残留ガドリニアも減少するので、反応度ロスが低減され、燃料経済性がさらに改善される。
【００２４】
本発明の請求項４記載の原子炉炉心は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心において、前記第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の合計含有率がＷ１であり、前記第２の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の合計含有率がＷ２であるとき、前記第１の燃料集合体のガドリニア添加濃度は、前記第２の燃料集合体のガドリニア添加濃度のＷ２／Ｗ１倍であることを特徴とする。
【００２５】
上記のように添加濃度を設定すれば、第１の燃料集合体と第２の燃料集合体のガドリニアの添加量は、それぞれ等価の可燃性毒物効果を示すことになる。したがって、第１の燃料集合体のガドリニアは、第２の燃料集合体と同時に燃え尽きるので、無限増倍率ピークのタイミングが揃うことになる。このとき、第１の燃料集合体の出力は、第２の燃料集合体より相対的に大きくなるので、請求項１に関して述べたと同じように、出力ピーキング低減効果が得られる。
【００２６】
本発明の請求項５記載の原子炉炉心は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心において、前記第１の燃料集合体の燃料にガドリニアを添加した燃料棒の本数は、前記第２の燃料集合体の燃料にガドリニアを添加した燃料棒の本数より少ないことを特徴とする。
【００２７】
第１の燃料集合体ではＧｄ−１５７の含有率（同位体比）が高いために、第２の燃料集合体よりも中性子吸収効果が大きい。このため、第２の燃料集合体よりも負の反応度が効きすぎて、燃料集合体が燃え切れないために、反応度ロスが生じる場合がある。
【００２８】
ところで、ガドリニアの中性子吸収反応は、燃焼初期においてはガドリニア燃料棒の表面付近で生じるので、負の反応度の大きさは、表面積、すなわちガドリニア燃料棒の本数に強く依存する。
【００２９】
上記のようにガドリニア燃料棒を構成すれば、第１の燃料集合体の負の反応度を適切に低減することができ、反応度ロスが小さくなり、ひいては燃料経済性が改善される。
【００３０】
本発明の請求項６記載の原子炉炉心は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心において、前記第１の燃料集合体の平均ウラン濃縮度は、前記第２の燃料集合体の平均ウラン濃縮度より低いことを特徴とする。
【００３１】
第１の燃料集合体はＧｄ−１５７の含有率（同位体比）が高いため、第２の燃料集合体よりも残留ガドリニアが少なくなり、反応度ロスが小さくなる。したがって、これを補償するのに必要なウラン濃縮度も少なくて済む。上記構成によって第１の燃料集合体のウラン濃縮度を適切に低減すれば、ウラン濃縮コストを節約することができる。
【００３２】
本発明の請求項７記載の原子炉炉心は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心において、前記第１の燃料集合体は、ウランを燃料とするウラン燃料集合体であり、前記第２の燃料集合体は、ウランとプルトニウムを燃料とするＭＯＸ燃料集合体であることを特徴とする。
【００３３】
プルトニウムはウランよりも核分裂断面積が大きいために、ウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体が混在する原子炉炉心においては、後者に出力ピーキングが生じ易い。上記のように構成すれば、もともと出力の低い傾向にあったウラン燃料集合体の出力負担を増加することができる。これによって、出力分布が平坦化され、出力ピーキングが低減化されて、燃料棒の熱的健全性が向上する。
【００３４】
本発明の請求項８記載の原子炉運転方法は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心を用いて、燃焼サイクル期間の末期に燃料交換を行う際に、Ｇｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有率の合計が小さい順に燃料集合体を取出し、同順であればＧｄ−１５７の含有率が小さい順に燃料集合体を取出すことを特徴とする。
【００３５】
図４に示すように、第３サイクル以降の取出しにおいて、符号Ｃで示された天然組成のガドリニウムを用いた燃料集合体の無限増倍率が最も小さいために、これを優先して取出した方が、炉心の反応度確保の点で有利となる。次に優先すべきは、符号Ｂで示したＧｄ−１５５の含有率が天然存在比より高いガドリニウムを用いた燃料集合体であり、最後に、符号Ａで示したＧｄ−１５７の含有率が天然存在比より高いガドリニウムを用いた燃料集合体を取出すのが望ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
本発明に係る原子炉炉心の第１の実施の形態を図１，２，３および４に基づき説明する。
図１は、本実施の形態における原子炉炉心の燃料集合体の配置を示す断面図である。この図は、炉心の１／４を示している。炉心には１／４回転対称に燃料が配置されている。図１に示した炉心は、符号Ｉで示された第１の燃料集合体と、符号ＩＩで示された第２の燃料集合体とによって構成されている。太線で囲まれた部分はコントロールセル３であり、燃焼の進んだ第３および第４サイクル目の燃料集合体により構成されている。第１の燃料集合体Ｉは、一般に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に配置されている。
【００３７】
第１の燃料集合体のガドリニア濃度分布を図２に示す。なお、図中の符号の濃度および濃縮度の大小は、図１０と同一であり、その部分の説明は省略する。
【００３８】
ガドリニウムＧｄの同位体の相対重量割合は、Ｇｄ−１５５が６ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が６０ｗｔ％、その他が３４ｗｔ％である。また、添加濃度は、図２（ｂ）に示すように、ガドリニア燃料棒Ｇ１，Ｇ２において、ａタイプが１．５ｗｔ％、ｂタイプが２．０ｗｔ％、ｃタイプが２．５ｗｔ％である。したがって、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）が６０％であるガドリニアを用いており、平均添加濃度は２．０％である。
【００３９】
第２の燃料集合体のガドリニア濃度分布を図３に示す。なお、図中の符号の濃度および濃縮度の大小は、図１０と同一であり、その部分の説明は省略する。こちらでは、ガドリニウムＧｄの同位体の相対重量割合は、Ｇｄ−１５５が１５ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が１５ｗｔ％、その他が７０ｗｔ％である。また、添加濃度は、図３（ｂ）に示すように、ガドリニア燃料棒Ｇ１，Ｇ２において、ａタイプが３．５ｗｔ％、ｂタイプが４．５ｗｔ％、ｃタイプが５．５ｗｔ％である。したがって、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）が１５％であるガドリニアを用いており、平均添加濃度は４．５％である。第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の合計含有率（６６％）は第２の燃料集合体のそれ（３０％）より高いが、逆に第１の燃料集合体のガドリニア添加濃度（平均２％）は第２の燃料集合体のそれ（平均４．５％）より低く、両者の可燃性毒物として有効なガドリニア量は等しくなるように設定されている。
【００４０】
このとき、第１の燃料集合体の無限増倍率は図４に示した破線Ａのようになり、第２の燃料集合体の無限増倍率は同図に示した実線Ｃのようになる。破線Ａで示された第１の燃料集合体の無限増倍率は、第１サイクルから第２サイクルにかけてそのピークを迎え、実線Ｃで示された第２の燃料集合体より大きくなる。したがって、一般的に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に、破線Ａで示された第１の燃料集合体が配置されれば、出力分布が平坦化されて、出力ピーキングが低減する。
【００４１】
次に、本発明の原子炉炉心の第２の実施の形態を図１，２，４および５に基づき説明する。
第２の燃料集合体のガドリニア濃度分布は図５に示すとおりである。なお、図中の符号の濃度および濃縮度の大小は図１０と同一であり、その部分の説明は省略する。ガドリニウムＧｄの同位体の含有率（同位体比）は、Ｇｄ−１５５が６０ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が６ｗｔ％、その他が３４ｗｔ％である。また、添加濃度は、図５（ｂ）に示すように、ガドリニア燃料棒Ｇ１，Ｇ２において、ａタイプが１．４ｗｔ％、ｂタイプが１・８ｗｔ％、ｃタイプが２．３ｗｔ％である。したがって、Ｇｄ−１５５の含有率が６０％であるガドリニアを用いており、平均添加濃度は１．８％である。
【００４２】
このとき、第１の燃料集合体の無限増倍率は図４に示した破線Ａのようになり、第２の燃料集合体の無限増倍率は同図に示した破線Ｂのようになる。破線Ａで示された第１の燃料集合体の無限増倍率は、第１サイクルから第２サイクルにかけてそのピークを迎え、破線Ｂで示された第２の燃料集合体より大きくなる。したがって、一般に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に、第１の燃料集合体を配置すれば、出力分布が平坦化されて、炉心の出力ピーキングが低減する。
【００４３】
次に、本発明の原子炉炉心の第３の実施の形態を図２，３に基づき説明する。
図２に示す第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有率合計Ｗ１は６６％であり、図３に示す第２の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有率合計Ｗ２は３０％である。第１の燃料集合体のガドリニア平均添加濃度２％は、第２の燃料集合体のガドリニア平均添加濃度４．５％のＷ２／Ｗ１倍に設定されている。また、図２に示す第１の燃料集合体のガドリニア燃料棒Ｇ１とＧ２の合計は１４本であり、図３に示す第２の燃料集合体のガドリニア燃料棒Ｇ１とＧ２の合計１６本より少ない。
【００４４】
また、図２に示す第１の燃料集合体においては、ウラン濃縮度Ａである燃料棒タイプ１の本数が第２の燃料集合体より少なく、逆にウラン濃縮度Ｃ，Ｄである燃料棒タイプ３の本数が多い。濃縮度の大小関係は、ここではＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄであるので、第１の燃料集合体の平均ウラン濃縮度は、第２の燃料集合体より低く設定されている。
【００４５】
図２に示す第１の燃料集合体と、図３に示す第２の燃料集合体を用いて、図１に示すように、一般に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に、第１の燃料集合体を配置すれば、出力分布が平坦化されて、炉心の出力ピーキングが低減する。
【００４６】
次に、本発明の原子炉炉心の第４の実施の形態を図６に基づき説明する。
図６に示す第２の燃料集合体は、ウランとプルトニウムを燃料とするＭＯＸ燃料集合体であり、燃料棒タイプ１〜５及びＰで示されるのが、プルトニウム燃料棒である。プルトニウム富化度の大小関係は、ここではＨ＞Ｉ＞Ｊ＞Ｋ＞Ｌとする。また、Ｇ１，Ｇ２で示されるのが、天然ガドリニアを含むウラン燃料棒である。天然組成のガドリニウムＧｄの同位体の含有率（同位体比）は、Ｇｄ−１５５が１５ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が１５ｗｔ％、その他が７０ｗｔ％である。また、添加濃度は、ａタイプが３．５ｗｔ％、ｂタイプが４．５ｗｔ％、ｃタイプが５．５ｗｔ％である。したがって、平均添加濃度は４．５％に設定されている。さらに、ウラン濃縮度の大小はＡ＞Ｂ＞Ｇで設定されている。
【００４７】
図２に示す第１の燃料集合体と、図６に示す第２の燃料集合体を用いて、図１に示すように、一般に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に、第１の燃料集合体を配置すれば、出力分布が平坦化されて、炉心の出力ピーキングが低減する。
【００４８】
次に、本発明の原子炉炉心の第５の実施の形態を図７に基づき説明する。
図７は、原子炉炉心の燃料集合体の配置を示す断面図である。この図は炉心の１／４を示している。図７に示された炉心は、符号Ａ１〜Ａ４で示された、Ｇｄ−１５７の含有率が高い、１〜４サイクル目の第１の燃料集合体と、符号１〜４で示された、Ｇｄ−１５７含有率が低い、１〜４サイクル目の第２の燃料集合体によって構成されている。
【００４９】
炉心は全部で３６８体の燃料集合体によって構成され、このうち１〜３サイクル目の燃料は１００体であり、４サイクル目の燃料は６８体である。１サイクル目の燃料１００体のうち、符号Ａ１で示される第１の燃料集合体は３６体であり、符号１で示される第２の燃料集合体は６４体ある。２、３サイクル目の燃料集合体も同様である。４サイクル目の燃料６８体のうち、符号Ａ４で示される第１の燃料集合体は３６体であり、符号４で示される第２の燃料集合体は３２体である。 この炉心は、以下のように燃料を交換することによって運転される。すなわち、炉心は３６８体の燃料集合体によって構成されているが、１燃焼サイクル期間終了時毎に、燃焼の進んだ燃料集合体１００体を新燃料と交換する。
【００５０】
このとき、炉心から取出される１００体のうち、６８体は符号Ａ４と符号４で示される４燃焼サイクルを経験した燃料集合体とする。残りの３２体は３燃焼サイクルを経験した燃料集合体から取出されるが、符号３で示される第２の燃料集合体６４体の中から、符号Ａ３で示される第１の燃料集合体よりも優先して取出されるものとする。
【００５１】
これによって、各サイクル毎に、ほぼ同一の燃料集合体の配置を維持することができる。したがって、第１および第２の２種類の燃料集合体を配列することによって反応度ロスを軽減して燃料経済性を改善するとともに、４サイクルに亘って、常に、出力分布の平坦化が保たれて、炉心の出力ピーキングが低減でき、熱的健全性も改善される。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の原子炉炉心とその運転方法によれば、同位体を濃縮したガドリニアを含む第１および第２の２種類の燃料集合体が炉心に最適配置されるので、反応度ロスが軽減されて燃料経済性が改善されると同時に、出力ピーキングが低減されて熱的健全性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１，２，３および４の実施の形態に係る原子炉炉心の燃料集合体配置を示す断面図。
【図２】本発明に係る第１，２，３および４の実施例を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図３】本発明に係る第１，３および４の実施例を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図４】本発明による燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を示す図。
【図５】本発明に係る第２の実施例を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図６】本発明に係る第４の実施例を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係る原子炉炉心の燃料集合体配置を示す断面図。
【図８】従来の原子炉炉心の燃料集合体配置を示す断面図。
【図９】従来の燃料集合体の構成を示す断面図。
【図１０】従来の燃料集合体の燃料棒配置を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【符号の説明】
１…原子炉炉心（１／４回転対称）、２…燃料集合体、３…制御棒、４…コントロールセル、１０１…燃料棒（ガドリニア燃料棒は除く）、１０２…チャンネルボックス、１０３…制御棒、１０４…ポイズン棒、１０５…燃料集合体、１０６…ウォーターロッド、１０７…ガドリニア燃料棒、１０８…部分長燃料棒、
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃性毒物として、同位体濃縮されたガドリニウムを用いた燃料集合体を配列した原子炉炉心とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ウランや二酸化ウランを核燃料物質として用いる軽水炉では、燃料集合体は、所要の初期ウラン濃縮度に設定されており、燃焼に従って炉の余剰反応度が減少する。この余剰反応度は、安全上の観点から過大にならないようにする必要があるため、燃焼に従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、燃料に添加する方式が採られる。そして、主に沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、可燃性毒物として、原子番号６４のガドリニウムが用いられ、その酸化物であるガドリニアが核燃料物質に添加されている。
【０００３】
従来の燃料集合体の水平断面図を図９に示す。
この燃料集合体１０５は、ウラン等の核燃料物質を封入した燃料棒１０１と、核燃料物質とガドリニアが封入されたガドリニア燃料棒１０７とが、例えば８行８列の正方格子状に配列されるとともに、出力運転時に沸騰しない冷却水が内部を流れるウォーターロッド１０６が中央付近に配置され、さらに、これら全体がチャンネルボックス１０２内に収納されている。そして、４体の燃料集合体１０５ごとに１体の制御棒１０３が配置されて、原子炉の炉心が構成される。ここで、制御棒１０３内部には中性子吸収物質を封入したポイズン棒が規則的に配置され、格納されている。
【０００４】
燃料集合体１０５の燃料棒１０１やガドリニア燃料棒１０７は、集合体内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ている。
【０００５】
図１０（ａ）は、制御棒１０３の位置を左上位置とする場合の、燃料棒１０５とカドリニア燃料棒１０７の配置を示す水平断面図である。燃料棒１０３を番号１，２，３，４，５，６およびＰで、ガドリニア燃料棒１０７をＧ１，Ｇ２でそれぞれ示している。番号１，２，３，４，５およびＧ１，Ｇ２は、長尺であり、番号Ｐは短尺である。また、ＷＲはウォータロッド１０６を示す。
【０００６】
さらに、図１０（ｂ）は、燃料棒（１，２，３，４，５，Ｐ）およびガドリニア燃料棒（Ｇ１，Ｇ２）の垂直方向（軸方向）の核分裂物質及びガドリニアの濃度分布を示している。
【０００７】
この図のように、核分裂性物質であるウランの濃縮度としてはＡ〜Ｇが使用され、ガドリニア濃度（添加割合）としてはａ〜ｃが使用されている。ウラン濃縮度の大小関係は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇであり、Ｇは天然ウランの濃縮度である。長尺燃料棒には、上端及び下端に、天然ウランブランケットと呼ばれる天然ウランのみが含まれる部分Ｇが大方配置されている。また、燃料棒によっては、軸方向で核分裂性物質の濃度差に差を設ける場合がある。
【０００８】
ガドリニア燃料棒は、核燃料物質とガドリニアの両方を含んでおり、通常燃料集合体の最外周以外の位置に配置されるが、最外周に配置される場合もある。ガドリニア添加濃度の大小関係は、ａ＞ｂ＞ｃであり、ガドリニア燃料棒によっては、軸方向（垂直方向）に添加濃度の差を設けることもある。また、上端及び下端には、ガドリニアを含まず天然ウランのみが含まれる部分が大方設けられている。
【０００９】
ところで、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１５４，１５５，１５６，１５７，１５８および１６０の６種類の同位体を含有しており、それぞれの含有率（同位体比とも呼ぶ）は２．１ｗｔ％、１４．５ｗｔ％、２０．３ｗｔ％、１５．７ｗｔ％、２５．０ｗｔ％および２２．５ｗｔ％である。このうち質量数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。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。従来の燃料集合体では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。
【００１０】
このように、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。その添加量は、通常、サイクル終了時にガドリニアが燃え尽きるように設定されている。その理由は、サイクル終了時にガドリニアが残っていると、負の反応度をウランで補償しなければならないので、燃料経済性が低下するからである。しかし、一部のガドリニアの添加量を高めて、サイクル期間の１．２倍程度まで燃え残すことによって、燃料経済性の低下は最小限に抑えつつ、燃料集合体の出力ピーキングを低減できることが知られている（特願平１０−２７０７９６号）。しかしながら、燃料棒の熱的健全性の観点からは、一般的にガドリニアの添加量は少ない方が好ましい。
【００１１】
また、燃料集合体を形成する燃料棒においては、Ｇｄ−１５７あるいはＧｄ−１５５の含有率（同位体比）を天然存在比より高めたガドリニアを使用することによって、残留ガドリニアによる反応度ロスが低減されて、燃料経済性が改善されることも知られている（特開平６−３３１７６５号）。
【００１２】
図８は、従来の原子炉炉心の燃料集合体配置を示す。ここで、符号１〜４は１〜４の燃焼サイクル目の燃料集合体を示している。沸騰水型原子炉においては、通常、運転時に挿入、引抜きを行って使用する制御棒３の周囲４体の燃料集合体２は、燃焼の進んだ燃料集合体で構成され、これはコントロールセル４と呼ばれている。また、炉心最外周部も燃焼の進んだ燃料集合体で構成される。燃焼の進んだ燃料集合体の反応度は低下しているので、一般に、炉心最外周およびコントロールセル周辺では、燃料集合体の出力ピーキングは小さくなり、逆に、それら以外のところで、燃料集合体の出力ピーキングは大きくなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、原子炉における燃料経済性の向上を目的として、１体の燃料集合体から取り出すエネルギーを増大させる高燃焼度化が進められており、このため、１運転サイクルあたりの燃焼度（サイクル燃焼度という。）は増加する傾向にある。サイクル燃焼度が増加すると、一般に、燃料集合体の出力ピーキングが増加して、燃料棒の熱的健全性が低下する。したがって、燃料集合体の出力ピーキングを低減することが高燃焼度化の課題の一つとなっている。
【００１４】
また、燃料経済性を向上させる方法として、上述したように、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）を天然組成比より高めたガドリニアを使用する方法（特開平６−３３１７６５号）が知られているが、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）を天然存在比より高めたガドリニアを使用すると、図４に示すように無限増倍率のピークが大きくなるので、これも燃料集合体の出力ピーキングを増加させて燃料棒の熱的健全性を低下させることになる。なお、図４において、符号Ａは、Ｇｄ−１５７が天然組成比以上である燃料集合体を示し、符号Ｂは、Ｇｄ−１５５が天然組成比以上であるものを示し、符号Ｃは、天然組成比のガドリニアを用いたものを示している。
【００１５】
そこで、燃料集合体の出力ピーキングを低減する方策として、天然組成のガドリニア添加濃度を増加する方法（特願平１０−２７０７９６号）が知られているが、燃え残ったガドリニアによる負の反応度をウランで補償しなければならないので、燃料経済性が低下する。
【００１６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、２種類の燃料集合体の特性とその配置方法に着目して、燃料棒の熱的健全性と燃料経済性を同時に改善する原子炉炉心とその運転方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の原子炉炉心は、燃料中にＧｄ−１５５と天然存在比より多い同位体比のＧｄ−１５７とを含むガドリニウムを添加した第１の燃料集合体と、燃料中にＧｄ−１５５と前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５７の同位体比より少ない同位体比のＧｄ−１５７とを前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７との合計含有量と実質的に等しい合計含有量で含むガドリニウムを添加した第２の燃料集合体とを、前記第１の燃料集合体を炉心最外周隣接部およびコントロールセル隣接部において第２の燃料集合体に優先させて配置してなることを特徴とする。
【００１８】
本発明により、第１の燃料集合体と第２の燃料集合体のガドリニアの添加量が等しくなるように設定されれば、それぞれの集合体のガドリニアは同時に燃え尽きるため、それぞれの集合体の無限増倍率は同時にピークを迎える。このとき図４のＡに示す第１の燃料集合体の無限増倍率のピークは、図４のＢに示す第２の燃料集合体より大きくなる。なぜなら、第２の燃焼集合体では、Ｇｄ−１５４，１５５，１５６の含有率が相対的に高くなり、中性子捕獲反応によって燃焼中に次々とＧｄ−１５７が生成されるために、中性子吸収反応が持続するからである。本発明によれば、第１の燃料集合体の出力は第２の燃料集合体よりも相対的に高くなるので、もともと出力が低い傾向にあった、炉心最外周隣接部及びコントロールセル隣接部に第１の燃料集合体が配置されると、その配置された部分の燃料集合体の出力が増加する。これによって、炉心内の各燃料集合体の出力分布が平坦化されて、出力ピーキングが低減する。また、第１の燃料集合体では、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）が天然存在比より高いガドリニウムを用いるため、残留ガドリニアが少なくなり、それによる反応度ロスが低減でき、そのために燃料経済性も改善される。
【００１９】
上記構成の原子炉炉心において、第２の燃料集合体には、天然組成のガドリニウムを用いても良いし、 Ｇｄ−１５５の含有率（同位体比）が天然存在比より高いガドリニウムを用いても良い。いずれの場合も、請求項１の必要条件を満たしているからである。
【００２０】
すなわち、請求項２記載の原子炉炉心は、請求項１記載の原子炉炉心において、前記第２の燃料集合体は天然組成のガドリニウムが添加されてなることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項３記載の原子炉炉心は、請求項１記載の原子炉炉心において、前記第２の燃料集合体はＧｄ−１５５の含有率（同位体比）が天然存在比より高いガドリニウムを添加してなることを特徴とする。
【００２２】
これにより、Ｇｄ−１５５の含有率（同位体比）が天然存在比より高い場合は、中性子捕獲反応によって燃焼中に次々とＧｄ−１５７が生成されるために、初期のガドリニア添加濃度は少なくても良い。したがって、熱的健全性が向上する。
【００２３】
また、前記第２の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有合計量が、前記第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有合計量より少ない場合でも、第２の燃料集合体において、Ｇｄ−１５５とＧｄ−１５７だけでなく、残留ガドリニアも減少するので、反応度ロスが低減され、燃料経済性がさらに改善される。
【００２４】
本発明の請求項４記載の原子炉炉心は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心において、前記第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の合計含有率がＷ１であり、前記第２の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の合計含有率がＷ２であるとき、前記第１の燃料集合体のガドリニア添加濃度は、前記第２の燃料集合体のガドリニア添加濃度のＷ２／Ｗ１倍であることを特徴とする。
【００２５】
上記のように添加濃度を設定すれば、第１の燃料集合体と第２の燃料集合体のガドリニアの添加量は、それぞれ等価の可燃性毒物効果を示すことになる。したがって、第１の燃料集合体のガドリニアは、第２の燃料集合体と同時に燃え尽きるので、無限増倍率ピークのタイミングが揃うことになる。このとき、第１の燃料集合体の出力は、第２の燃料集合体より相対的に大きくなるので、請求項１に関して述べたと同じように、出力ピーキング低減効果が得られる。
【００２６】
本発明の請求項５記載の原子炉炉心は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心において、前記第１の燃料集合体の燃料にガドリニアを添加した燃料棒の本数は、前記第２の燃料集合体の燃料にガドリニアを添加した燃料棒の本数より少ないことを特徴とする。
【００２７】
第１の燃料集合体ではＧｄ−１５７の含有率（同位体比）が高いために、第２の燃料集合体よりも中性子吸収効果が大きい。このため、第２の燃料集合体よりも負の反応度が効きすぎて、燃料集合体が燃え切れないために、反応度ロスが生じる場合がある。
【００２８】
ところで、ガドリニアの中性子吸収反応は、燃焼初期においてはガドリニア燃料棒の表面付近で生じるので、負の反応度の大きさは、表面積、すなわちガドリニア燃料棒の本数に強く依存する。
【００２９】
上記のようにガドリニア燃料棒を構成すれば、第１の燃料集合体の負の反応度を適切に低減することができ、反応度ロスが小さくなり、ひいては燃料経済性が改善される。
【００３０】
本発明の請求項６記載の原子炉炉心は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心において、前記第１の燃料集合体の平均ウラン濃縮度は、前記第２の燃料集合体の平均ウラン濃縮度より低いことを特徴とする。
【００３１】
第１の燃料集合体はＧｄ−１５７の含有率（同位体比）が高いため、第２の燃料集合体よりも残留ガドリニアが少なくなり、反応度ロスが小さくなる。したがって、これを補償するのに必要なウラン濃縮度も少なくて済む。上記構成によって第１の燃料集合体のウラン濃縮度を適切に低減すれば、ウラン濃縮コストを節約することができる。
【００３２】
本発明の請求項７記載の原子炉炉心は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心において、前記第１の燃料集合体は、ウランを燃料とするウラン燃料集合体であり、前記第２の燃料集合体は、ウランとプルトニウムを燃料とするＭＯＸ燃料集合体であることを特徴とする。
【００３３】
プルトニウムはウランよりも核分裂断面積が大きいために、ウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体が混在する原子炉炉心においては、後者に出力ピーキングが生じ易い。上記のように構成すれば、もともと出力の低い傾向にあったウラン燃料集合体の出力負担を増加することができる。これによって、出力分布が平坦化され、出力ピーキングが低減化されて、燃料棒の熱的健全性が向上する。
【００３４】
本発明の請求項８記載の原子炉運転方法は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心を用いて、燃焼サイクル期間の末期に燃料交換を行う際に、Ｇｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有率の合計が小さい順に燃料集合体を取出し、同順であればＧｄ−１５７の含有率が小さい順に燃料集合体を取出すことを特徴とする。
【００３５】
図４に示すように、第３サイクル以降の取出しにおいて、符号Ｃで示された天然組成のガドリニウムを用いた燃料集合体の無限増倍率が最も小さいために、これを優先して取出した方が、炉心の反応度確保の点で有利となる。次に優先すべきは、符号Ｂで示したＧｄ−１５５の含有率が天然存在比より高いガドリニウムを用いた燃料集合体であり、最後に、符号Ａで示したＧｄ−１５７の含有率が天然存在比より高いガドリニウムを用いた燃料集合体を取出すのが望ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
本発明に係る原子炉炉心の第１の実施の形態を図１，２，３および４に基づき説明する。
図１は、本実施の形態における原子炉炉心の燃料集合体の配置を示す断面図である。この図は、炉心の１／４を示している。炉心には１／４回転対称に燃料が配置されている。図１に示した炉心は、符号Ｉで示された第１の燃料集合体と、符号ＩＩで示された第２の燃料集合体とによって構成されている。太線で囲まれた部分はコントロールセル３であり、燃焼の進んだ第３および第４サイクル目の燃料集合体により構成されている。第１の燃料集合体Ｉは、一般に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に配置されている。
【００３７】
第１の燃料集合体のガドリニア濃度分布を図２に示す。なお、図中の符号の濃度および濃縮度の大小は、図１０と同一であり、その部分の説明は省略する。
【００３８】
ガドリニウムＧｄの同位体の相対重量割合は、Ｇｄ−１５５が６ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が６０ｗｔ％、その他が３４ｗｔ％である。また、添加濃度は、図２（ｂ）に示すように、ガドリニア燃料棒Ｇ１，Ｇ２において、ａタイプが１．５ｗｔ％、ｂタイプが２．０ｗｔ％、ｃタイプが２．５ｗｔ％である。したがって、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）が６０％であるガドリニアを用いており、平均添加濃度は２．０％である。
【００３９】
第２の燃料集合体のガドリニア濃度分布を図３に示す。なお、図中の符号の濃度および濃縮度の大小は、図１０と同一であり、その部分の説明は省略する。こちらでは、ガドリニウムＧｄの同位体の相対重量割合は、Ｇｄ−１５５が１５ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が１５ｗｔ％、その他が７０ｗｔ％である。また、添加濃度は、図３（ｂ）に示すように、ガドリニア燃料棒Ｇ１，Ｇ２において、ａタイプが３．５ｗｔ％、ｂタイプが４．５ｗｔ％、ｃタイプが５．５ｗｔ％である。したがって、Ｇｄ−１５７の含有率（同位体比）が１５％であるガドリニアを用いており、平均添加濃度は４．５％である。第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の合計含有率（６６％）は第２の燃料集合体のそれ（３０％）より高いが、逆に第１の燃料集合体のガドリニア添加濃度（平均２％）は第２の燃料集合体のそれ（平均４．５％）より低く、両者の可燃性毒物として有効なガドリニア量は等しくなるように設定されている。
【００４０】
このとき、第１の燃料集合体の無限増倍率は図４に示した破線Ａのようになり、第２の燃料集合体の無限増倍率は同図に示した実線Ｃのようになる。破線Ａで示された第１の燃料集合体の無限増倍率は、第１サイクルから第２サイクルにかけてそのピークを迎え、実線Ｃで示された第２の燃料集合体より大きくなる。したがって、一般的に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に、破線Ａで示された第１の燃料集合体が配置されれば、出力分布が平坦化されて、出力ピーキングが低減する。
【００４１】
次に、本発明の原子炉炉心の第２の実施の形態を図１，２，４および５に基づき説明する。
第２の燃料集合体のガドリニア濃度分布は図５に示すとおりである。なお、図中の符号の濃度および濃縮度の大小は図１０と同一であり、その部分の説明は省略する。ガドリニウムＧｄの同位体の含有率（同位体比）は、Ｇｄ−１５５が６０ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が６ｗｔ％、その他が３４ｗｔ％である。また、添加濃度は、図５（ｂ）に示すように、ガドリニア燃料棒Ｇ１，Ｇ２において、ａタイプが１．４ｗｔ％、ｂタイプが１・８ｗｔ％、ｃタイプが２．３ｗｔ％である。したがって、Ｇｄ−１５５の含有率が６０％であるガドリニアを用いており、平均添加濃度は１．８％である。
【００４２】
このとき、第１の燃料集合体の無限増倍率は図４に示した破線Ａのようになり、第２の燃料集合体の無限増倍率は同図に示した破線Ｂのようになる。破線Ａで示された第１の燃料集合体の無限増倍率は、第１サイクルから第２サイクルにかけてそのピークを迎え、破線Ｂで示された第２の燃料集合体より大きくなる。したがって、一般に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に、第１の燃料集合体を配置すれば、出力分布が平坦化されて、炉心の出力ピーキングが低減する。
【００４３】
次に、本発明の原子炉炉心の第３の実施の形態を図２，３に基づき説明する。
図２に示す第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有率合計Ｗ１は６６％であり、図３に示す第２の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有率合計Ｗ２は３０％である。第１の燃料集合体のガドリニア平均添加濃度２％は、第２の燃料集合体のガドリニア平均添加濃度４．５％のＷ２／Ｗ１倍に設定されている。また、図２に示す第１の燃料集合体のガドリニア燃料棒Ｇ１とＧ２の合計は１４本であり、図３に示す第２の燃料集合体のガドリニア燃料棒Ｇ１とＧ２の合計１６本より少ない。
【００４４】
また、図２に示す第１の燃料集合体においては、ウラン濃縮度Ａである燃料棒タイプ１の本数が第２の燃料集合体より少なく、逆にウラン濃縮度Ｃ，Ｄである燃料棒タイプ３の本数が多い。濃縮度の大小関係は、ここではＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄであるので、第１の燃料集合体の平均ウラン濃縮度は、第２の燃料集合体より低く設定されている。
【００４５】
図２に示す第１の燃料集合体と、図３に示す第２の燃料集合体を用いて、図１に示すように、一般に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に、第１の燃料集合体を配置すれば、出力分布が平坦化されて、炉心の出力ピーキングが低減する。
【００４６】
次に、本発明の原子炉炉心の第４の実施の形態を図６に基づき説明する。
図６に示す第２の燃料集合体は、ウランとプルトニウムを燃料とするＭＯＸ燃料集合体であり、燃料棒タイプ１〜５及びＰで示されるのが、プルトニウム燃料棒である。プルトニウム富化度の大小関係は、ここではＨ＞Ｉ＞Ｊ＞Ｋ＞Ｌとする。また、Ｇ１，Ｇ２で示されるのが、天然ガドリニアを含むウラン燃料棒である。天然組成のガドリニウムＧｄの同位体の含有率（同位体比）は、Ｇｄ−１５５が１５ｗｔ％、Ｇｄ−１５７が１５ｗｔ％、その他が７０ｗｔ％である。また、添加濃度は、ａタイプが３．５ｗｔ％、ｂタイプが４．５ｗｔ％、ｃタイプが５．５ｗｔ％である。したがって、平均添加濃度は４．５％に設定されている。さらに、ウラン濃縮度の大小はＡ＞Ｂ＞Ｇで設定されている。
【００４７】
図２に示す第１の燃料集合体と、図６に示す第２の燃料集合体を用いて、図１に示すように、一般に出力が低い傾向にある炉心最外周隣接部とコントロールセル隣接部に、第１の燃料集合体を配置すれば、出力分布が平坦化されて、炉心の出力ピーキングが低減する。
【００４８】
次に、本発明の原子炉炉心の第５の実施の形態を図７に基づき説明する。
図７は、原子炉炉心の燃料集合体の配置を示す断面図である。この図は炉心の１／４を示している。図７に示された炉心は、符号Ａ１〜Ａ４で示された、Ｇｄ−１５７の含有率が高い、１〜４サイクル目の第１の燃料集合体と、符号１〜４で示された、Ｇｄ−１５７含有率が低い、１〜４サイクル目の第２の燃料集合体によって構成されている。
【００４９】
炉心は全部で３６８体の燃料集合体によって構成され、このうち１〜３サイクル目の燃料は１００体であり、４サイクル目の燃料は６８体である。１サイクル目の燃料１００体のうち、符号Ａ１で示される第１の燃料集合体は３６体であり、符号１で示される第２の燃料集合体は６４体ある。２、３サイクル目の燃料集合体も同様である。４サイクル目の燃料６８体のうち、符号Ａ４で示される第１の燃料集合体は３６体であり、符号４で示される第２の燃料集合体は３２体である。 この炉心は、以下のように燃料を交換することによって運転される。すなわち、炉心は３６８体の燃料集合体によって構成されているが、１燃焼サイクル期間終了時毎に、燃焼の進んだ燃料集合体１００体を新燃料と交換する。
【００５０】
このとき、炉心から取出される１００体のうち、６８体は符号Ａ４と符号４で示される４燃焼サイクルを経験した燃料集合体とする。残りの３２体は３燃焼サイクルを経験した燃料集合体から取出されるが、符号３で示される第２の燃料集合体６４体の中から、符号Ａ３で示される第１の燃料集合体よりも優先して取出されるものとする。
【００５１】
これによって、各サイクル毎に、ほぼ同一の燃料集合体の配置を維持することができる。したがって、第１および第２の２種類の燃料集合体を配列することによって反応度ロスを軽減して燃料経済性を改善するとともに、４サイクルに亘って、常に、出力分布の平坦化が保たれて、炉心の出力ピーキングが低減でき、熱的健全性も改善される。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の原子炉炉心とその運転方法によれば、同位体を濃縮したガドリニアを含む第１および第２の２種類の燃料集合体が炉心に最適配置されるので、反応度ロスが軽減されて燃料経済性が改善されると同時に、出力ピーキングが低減されて熱的健全性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１，２，３および４の実施の形態に係る原子炉炉心の燃料集合体配置を示す断面図。
【図２】本発明に係る第１，２，３および４の実施例を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図３】本発明に係る第１，３および４の実施例を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図４】本発明による燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を示す図。
【図５】本発明に係る第２の実施例を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図６】本発明に係る第４の実施例を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係る原子炉炉心の燃料集合体配置を示す断面図。
【図８】従来の原子炉炉心の燃料集合体配置を示す断面図。
【図９】従来の燃料集合体の構成を示す断面図。
【図１０】従来の燃料集合体の燃料棒配置を示し、（ａ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒とガドリニア燃料棒の軸方向の核分裂性物質とガドリニアの濃度分布を示す図。
【符号の説明】
１…原子炉炉心（１／４回転対称）、２…燃料集合体、３…制御棒、４…コントロールセル、１０１…燃料棒（ガドリニア燃料棒は除く）、１０２…チャンネルボックス、１０３…制御棒、１０４…ポイズン棒、１０５…燃料集合体、１０６…ウォーターロッド、１０７…ガドリニア燃料棒、１０８…部分長燃料棒、
Claims (8)
- 燃料中にＧｄ−１５５と天然存在比より多い同位体比のＧｄ−１５７とを含むガドリニウムを添加した第１の燃料集合体と、
燃料中にＧｄ−１５５と前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５７の同位体比より少ない同位体比のＧｄ−１５７とを前記第１の燃料集合体の燃料中のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７との合計含有量と実質的に等しい合計含有量で含むガドリニウムを添加した第２の燃料集合体とを、
前記第１の燃料集合体を炉心最外周隣接部およびコントロールセル隣接部において第２の燃料集合体に優先させて配置してなることを特徴とする原子炉炉心。 - 前記第２の燃料集合体は天然組成のガドリニウムが添加されてなることを特徴とする請求項１記載の原子炉炉心。
- 前記第２の燃料集合体はＧｄ−１５５を天然存在比より高い同位体比で含むガドリニウムを添加してなることを特徴とする請求項１記載の原子炉炉心。
- 前記第１の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の合計含有率がＷ１であり、前記第２の燃料集合体のＧｄ−１５５とＧｄ−１５７の合計含有率がＷ２であるとき、前記第１の燃料集合体のガドリニア添加濃度が前記第２の燃料集合体のガドリニア添加濃度のＷ２／Ｗ１倍であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心。
- 前記第１の燃料集合体の燃料にガドリニアを添加した燃料棒の本数は、前記第２の燃料集合体の燃料にガドリニアを添加した燃料棒の本数より少ないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心。
- 前記第１の燃料集合体の平均ウラン濃縮度は、前記第２の燃料集合体の平均ウラン濃縮度より低いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心。
- 前記第１の燃料集合体は、ウランを燃料とするウラン燃料集合体であり、前記第２の燃料集合体は、ウランとプルトニウムを燃料とするＭＯＸ燃料集合であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心。
- 請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉炉心を用いて、燃焼サイクル期間の末期に燃料交換を行う際に、Ｇｄ−１５５とＧｄ−１５７の含有率の合計が小さい順に燃料集合体を取出し、同順であればＧｄ−１５７の含有率が小さい順に燃料集合体を取出すことを特徴とする原子炉炉心の運転方法。
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