JP2011075294A - 沸騰水型原子炉の初装荷炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】初装荷炉心の外周領域で熱出力を高める。
【解決手段】沸騰水型原子炉の初装荷炉心に、３体の高濃縮燃料集合体１，２と１体の低濃縮燃料集合体４とを４本の制御棒で囲まれる領域内で２行２列に配列した単位装荷ユニット７６を各単位装荷ユニット７６に含まれる低濃縮燃料集合体４が互いに隣り合うように配置された中央領域７１と、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２が配置された最外周領域７３と、中央領域７１と最外周領域７３との間に高濃縮低ガドリニア燃料集合体と低濃縮燃料集合体４とが互いに側面を対向させて配置された少なくとも一対の燃料集合体の組が配置された外周領域７２と、を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の初装荷炉心に関する。

原子炉は、中性子が核分裂性物質に吸収されて核分裂が起こり、その際にエネルギーとともに放出される中性子が次の核分裂を引き起こすという連鎖反応により、エネルギーを出し続けている。この連鎖反応が平衡にある状態を臨界といい、一定の出力で運転される原子炉はこの状態を保ち続けている。また、連鎖反応が増大していく状態を臨界超過といい、逆に減少していく状態を未臨界という。

原子炉は、たとえば１年程度の所定の期間にわたって燃料の補給なしに運転し続けねばならないために、炉心内には臨界維持に必要な量よりも多い核分裂性物質が装荷されている。したがって、所定の運転期間の途中までの期間では、原子炉は、制御材なしには臨界超過になる。

この超過した反応度を余剰反応度といい、余剰反応度を運転期間を通じて適切に制御することが重要である。余剰反応度を運転期間を通じて制御する技術としては、可燃性毒物を燃料中に混入するものがよく知られている。可燃性毒物とは、運転期間を通じて徐々に燃焼しその物質量が減少していく中性子吸収材のことで、核燃料物質に混ぜて使用されるガドリニアなどが知られている。

可燃性毒物を含有する燃料集合体の無限増倍率は、燃焼に伴って一旦上昇した後、減少していく。一般に、可燃性毒物を含有する燃料棒の本数が増加すれば、燃焼初期での無限増倍率が低下する。また、可燃性毒物の濃度を増加させれば、可燃性毒物が燃え尽きる時期を遅らせることができるため、無限増倍率の最大値を抑えることが可能になる。このため、可燃性毒物の混入濃度とそれが混入した燃料棒の本数の組み合わせにより、余剰反応度を適切に制御することができる。

初装荷炉心では、装荷された燃料集合体の一部が第１サイクルの運転終了後に取り出され、新しい取替燃料集合体と交換される。第１サイクルで取り出される燃料集合体は他の燃料集合体に比べて燃焼度が低く、発生エネルギーが少ない。このため、第１サイクルで取り出される燃料集合体の体数が少ないほど、燃料経済性が高くなる。

しかし、燃料経済性を向上させるために、単に炉心平均濃縮度を高めると、最小限界出力比や最大線出力密度などの熱的特性が悪化し、原子炉の安全性を損なう場合がある。そこで、核分裂性物質の有効活用を図るために、炉内滞在期間に応じてウラン濃縮度を変えた複数の燃料集合体を用いる初装荷炉心が知られている。

たとえば特許文献１には、２行２列の４体の燃料集合体からなる単位装荷ユニットを規則的に配置した初装荷炉心が開示されている。この単位装荷ユニットは、低濃縮燃料１体と高濃縮燃料３体とからなり、４つの単位装荷ユニットに含まれる低濃縮燃料が隣接してコントロールセルを形成するように配置される。また、単位装荷ユニットに含まれる高濃縮燃料の低濃縮燃料に面する側にガドリニア入り燃料棒が多く位置するように、ガドリニア入り燃料棒を偏在させている。このような燃料棒の配置とすることにより、スペクトルミスマッチ効果による熱的特性の悪化を抑制している。

原子炉の運転サイクルの初期において、炉心内には臨界維持に必要な量よりも多い核分裂性物質が装荷されている。このため、運転サイクルの初期においては、炉心に制御棒を挿入することにより臨界状態を維持する。制御棒は、運転サイクル中の時間の経過に伴って引き抜かれ、運転サイクルの末期においては全ての制御棒が完全に引き抜かれた状態になる。

特許第３１８６５４６号公報

炉心の外周領域では、体系からの中性子の漏れの影響によって、熱中性子束は内周領域に比べて小さい。このため、炉心の外周領域に高濃縮燃料を装荷したとしても、炉心の外周領域では、燃料集合体１体当たりの熱出力は小さくなる傾向にある。

その結果、炉心全体から所定の熱出力を得るためには、炉心の中央領域で燃料集合体１体当たりの熱出力を相対的に高める必要がある。燃料集合体１体当たりの熱出力が増加すると、熱的特性が悪化してしまう。そこで、炉心の外周領域での燃料集合体１体当たりの熱出力を高めることが好ましい。

そこで、本発明は、初装荷炉心の外周領域で熱出力を高めることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、高濃縮燃料集合体とこの高濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質量が小さい低濃縮燃料集合体とを含む燃料集合体を正方格子状に配列した沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、横断面を対角線で制御棒側領域と反制御棒側領域に区分したときに第１の条件を前記反制御棒側領域に存在する可燃性毒物入り燃料棒の本数が前記制御棒側領域に存在する可燃性毒物入り燃料棒の本数よりも多いこととし第２の条件を前記反制御棒側領域に存在する核分裂物質量が前記制御棒側領域に存在する核分裂物質量よりも少ないこととすると前記第１の条件および前記第２の条件の少なくとも一方を満足する２体の第１高濃縮燃料集合体を含む３体の前記高濃縮燃料集合体と１体の前記低濃縮燃料集合体とを４本の制御棒で囲まれる２行２列の領域内で前記第１高濃縮燃料集合体が互いに側面が対向しないように配列した単位装荷ユニットを各前記単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置された中央領域と、前記燃料集合体が配置された最外周領域と、前記中央領域と前記最外周領域との間に核分裂性物質量が前記高濃縮燃料集合体以上である第１燃料集合体と核分裂性物質量が前記高濃縮燃料未満である第２燃料集合体とが互いに側面を対向させて前記第１燃料集合体が前記第１の条件および前記第２の条件のいずれかを満足する場合には前記制御棒を挟んで配列された少なくとも一対の燃料集合体の組が配置された外周領域と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、初装荷炉心の外周領域で熱出力を高めることができる。

本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態における燃料集合体の配置を示す１／４横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態における横断面（水平断面）図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いる燃料集合体の横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いる高濃縮高ガドリニア燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いる高濃縮低ガドリニア燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いる低濃縮燃料の燃料棒配置を示す横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第２の実施の形態における燃料集合体の配置を示す１／４横断面図である。

本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態における横断面（水平断面）図である。図３は、本実施の形態に用いる燃料集合体の横断面図である。図２は、炉心の横断面の左上１／４を示した図であって、残りの部分は炉心の鉛直方向中心軸を対称軸とする図示した部分の回転対称となっている。なお、炉心全体が回転対称になっている必要はなく、鏡面対称であってもよいし、対称性がない炉心であってもよい。

沸騰水型原子炉には、角筒状の燃料集合体２６を配置する空間２２が正方格子状に配列された領域１０を有している。この領域１０は、全体としてほぼ円筒形に形成されていて、燃料集合体２６の軸は、その円筒の軸と同じ方向に向かっている。これらの空間２２に燃料集合体２６が配置されて、炉心を形成する。

また、燃料集合体２６を配置する空間２２は、燃料集合体２６よりも若干大きく、隣り合う４体の燃料集合体２６の間に、制御棒２１が挿入できるようになっている。なお、領域１０の半径方向の外側の一部には、制御棒２１と隣接しない燃料集合体２６を配置する空間２２も存在する。

本実施の形態の炉心では、８７２体の燃料集合体２６が装荷され、２０５本の制御棒２１が配置される。

燃料集合体２６は、正方格子状に９行９列で配列された円筒状の燃料棒２４、および、燃料棒２４の配列の中央部分に配置された角筒状のウォータチャンネル２５を有している。ウォータチャンネル２５は、燃料棒２４の３行３列の９本分の領域を占めている。燃料棒２４およびウォータチャンネル２５は、軸方向の両端に設けられたタイプレート（図示せず）および軸方向の数箇所に設けられたスペーサ（図示せず）で保持されている。燃料集合体２６の外周は、角筒状のチャンネルボックス２３で囲まれている。

燃料棒２４の内部には、ウラン２３５などの核分裂性物質が、たとえばウラン２３８などとともに円筒状に焼き固められたペレットとして収められている。各燃料棒２４中のウラン２３５の濃縮度は、燃料棒２４ごとに異なっていて、各燃料棒２４に収められた核分裂性物質量も燃料棒２４ごとに異なっている。なお、燃料棒２４の軸方向に濃縮度が異なる領域を設けてもよい。

図４は、本実施の形態に用いる高濃縮高ガドリニア燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。図５は、本実施の形態に用いる高濃縮低ガドリニア燃料集合体の燃料棒配置を示す横断面図である。図６は、本実施の形態に用いる低濃縮燃料の燃料棒配置を示す横断面図である。

図４ないし図６において、１〜４で示される位置はウラン燃料棒が配置され、Ｇ１、Ｇ２で示される位置はガドリニア入り燃料棒が配置されることを示している。Ｗは、ウォータチャンネルあるいはウォータロッドの位置を示している。

高濃縮高ガドリニア燃料集合体１および高濃縮低ガドリニア燃料集合体２は、９行９列の正方格子の中央の３行３列を占める位置に角筒状のウォータチャンネルが配置されている。低濃縮燃料集合体４は、９行９列の正方格子の中央に２本の円筒状のウォータロッドが設けられて、７つの格子位置を占めている。このように、１つの炉心１１には、内部形状が異なる複数の種類の燃料集合体を用いてもよい。

ウラン燃料棒とは、内部にガドリニアなどの可燃性毒物を含有しない燃料棒２４のことである。異なる数字の位置に配置されるウラン燃料棒は、互いにウラン２３５の濃縮度が異なる。ウラン燃料棒は、同一の燃料集合体内の数字が大きい位置に配置されるものほどウランの濃縮度が低い。つまり、１で示される燃料棒の濃縮度が最も高く、４で示される位置のウラン燃料棒の濃縮度が最も低い。１で示されるウラン燃料棒の濃縮度は、たとえば４．９ｗｔ％である。

また、核分裂性物質としては、ウランの代わりに、プルトニウム、トリウム、あるいはこれらの組み合わせを用いてもよい。この場合、ウラン濃縮度の代わりに、核分裂性物質濃度を考慮する。

ガドリニア入り燃料棒とは、ガドリニアなどの可燃性毒物を核分裂性物質とともに含有する燃料棒２４のことである。Ｇ１で示される位置に配置されるガドリニア入り燃料棒は、燃料有効部の全体に亘って可燃性毒物が含有された全長ガドリニア入り燃料棒である。Ｇ２で示される位置に配置されるガドリニア入り燃料棒は、燃料有効部のたとえば下端から燃料有効長の１／３程度までの下部に可燃性毒物が含有され、それよりも上部には可燃性毒物が含有されていない部分長ガドリニア入り燃料棒である。

ガドリニア入り燃料棒であっても、燃料有効部の上端および下端の燃料有効長の１／２４あるいは２／２４程度の長さには、ガドリニアを含有しない天然ウランのペレットを装填したブランケット領域を設けてもよい。また、可燃性毒物としては、ガドリニアの他に、エルビア、ホウ素、およびこれらの組み合わせを用いることができる。燃料集合体中の可燃性毒物量は、可燃性毒物入りの燃料棒の本数・体積、可燃性毒物の添加濃度、あるいはこれらの組み合わせによって変化させることができる。

高濃縮高ガドリニア燃料集合体１は、１４本のガドリニア入り燃料棒が用いられており、そのうち２本が部分長ガドリニア入り燃料棒である。また、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２は、１２本のガドリニア入り燃料棒が用いられており、そのうち１本が部分長ガドリニア入り燃料棒である。低濃縮燃料集合体４は、２本のガドリニア入り燃料棒が用いられている。また、低濃縮燃料集合体４は、高濃縮燃料集合体１，２に比べて核分裂性物質量が小さい。

燃料集合体の横断面を対角線で制御棒側領域と反制御棒側領域とに区分したときに、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１では、反制御棒側領域に存在するガドリニア入り燃料棒の本数は９本である。一方、制御棒側領域に存在するガドリニア入り燃料棒の本数は５本である。つまり、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１では、反制御棒側領域により多くのガドリニア入り燃料棒が存在する。

また、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１では、反制御棒側領域に存在する燃料棒中のウランの濃縮度の平均が、制御棒側領域に存在する燃料棒中のウランの濃縮度に比べて小さい。つまり、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１では、反制御棒側領域の核分裂性物質量は、制御棒側領域の核分裂性物質量よりも少ない。

図１は、本実施の形態における燃料集合体の配置を示す１／４横断面図である。符号１〜４はそれぞれ燃料集合体２６の種類を示しており、同一の符号は、燃料棒２４の配置が同一の燃料集合体を示している。

この炉心１１は初装荷炉心であって、３種類の燃料集合体１，２，４が装荷されている。これらは、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２、低濃縮燃料集合体４である。

本実施の形態の炉心１１は、径方向の中央から外側に向かって、中央領域７１、外周領域７２および最外周領域７３の２つの領域に分けられる。最外周領域７３とは、炉心１１の径方向の最外周の１層分の領域である。最外周領域７３には、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２が装荷されている。外周領域７２とは、炉心１１の最外周領域７３よりも径方向内側の４層程度の領域である。中央領域７１とは、外周領域７２よりも径方向の内側の領域である。

中央領域７１は、単位装荷ユニット７６を配列して形成される。各単位ユニット７６は、３体の高濃縮燃料集合体１，２と１体の低濃縮燃料集合体４とを４本の制御棒２１で囲まれる領域内で２行２列に配列したものである。この単位装荷ユニット７６は、低濃縮燃料集合体４が互いに隣り合うように配置される。その結果、互いに隣り合うように配置された低濃縮燃料集合体４は、１本の制御棒２１を囲むように配置されることとなり、これら４体の低濃縮燃料集合体４は、コントロールセル７４，７５を形成している。

また、単位装荷ユニット７６の対角位置には、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１が配置される。つまり、単位装荷ユニット７６内では、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１は、互いに側面が対向しない位置に配置されている。その結果、中央領域７１では、低濃縮燃料集合体４には、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１の反制御棒側の側面が面していることになり、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１の制御棒側の側面および高濃縮低ガドリニア燃料集合体２は低濃縮燃料集合体に面していない。

運転中の炉心の制御棒２１による制御には、主としてコントロールセル７４，７５に位置する制御棒２１を用いる。特に、運転サイクルの大部分の期間では、炉心１１の中央領域７１に白抜きの四角で示した１３箇所のコントロールセル７４を用いる。これらのコントロールセル７４，７５には、低濃縮燃料集合体４が配置されている。

低濃縮燃料集合体４が装荷されたコントロールセル７４，７５と側面が向かい合う高濃縮燃料は、スペクトルミスマッチ効果により熱的特性が悪化しやすい傾向にある。しかし、本実施の形態では、コントロールセル７４，７５には高濃縮高ガドリニア燃料集合体１の側面のみが向かい合っている。高濃縮高ガドリニア燃料集合体１のコントロールセル７４，７５と向かい合う側面、すなわち、反制御棒側領域では、制御棒側に比べてウランの濃縮度が低く、また、ガドリニア入り燃料棒の本数が多い。このため、炉心１１の中央領域７１では、スペクトルミスマッチ効果による熱的特性の悪化が抑制されている。

コントロールセル７４，７５と側面が対向しない位置、すなわち対角には、高濃縮低ガドリニア燃料集合体が配置されている。コントロールセル７４，７５と側面が対向しない位置において、スペクトルミスマッチ効果は大きくないため、この位置に配置される高濃縮低ガドリニア燃料集合体２では、濃縮度およびガドリニア入り燃料棒の横断面内での分布を均一化することができる。

炉心１１の外周領域７２あるいは最外周領域７３では、炉心体系からの中性子の漏れの影響により燃料集合体１体当たりの熱出力が小さくなる傾向にある。このため、中央領域７１よりも外側では、単位装荷ユニット７６を構成しなくても、熱的特性が中央領域７１よりも厳しくなることはない。

そこで、本実施の形態では、外周領域７２に、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２と低濃縮燃料集合体４とが互いに側面を対向させて配置された集合体の組を多く配置している。このように、核分裂性物質量に差がある２種類の燃料集合体を対面させて配置することによって、スペクトルミスマッチ効果により、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２の熱出力が高くなる。

その結果、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２のみを外周領域７２に配置した場合に比べて、燃料集合体１体当たりの熱出力が増大する。したがって、相対的に炉心１１の中央領域７１の熱出力が低下する。このようにして、熱的特性に余裕がある炉心１１の外周領域７２で燃料集合体１体当たりの熱出力を高めることにより、炉心１１の中央領域７１での熱的特性を緩和することができる。なお、炉心１１の最外周領域７３では、中性子の漏れの影響が大きいため、この領域で核分裂性物質量に差がある２種類の燃料集合体を対面させて配置させても、熱的特性が中央領域７１よりも厳しくなることはない。

また、外周領域７２に高濃縮高ガドリニア燃料集合体１と低濃縮燃料集合体４とを互いに側面を対向させた組を配置してもよい。この際、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１と低濃縮燃料集合体４とは、制御棒２１を挟んで配置する。

高濃縮高ガドリニア燃料集合体１の反制御棒側領域では、制御棒側に比べてウランの濃縮度が低く、また、ガドリニア入り燃料棒の本数が多い。このため、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１の反制御棒側の側面を低濃縮燃料集合体４の側面と対面させて配置しても、スペクトルミスマッチ効果は小さい。しかし、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１は、制御棒側領域では、反制御棒側に比べてウランの濃縮度が高く、また、ガドリニア入り燃料棒の本数が少ない。このため、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１と低濃縮燃料集合体４とを制御棒２１を挟んで配置することにより、スペクトルミスマッチ効果が大きくなる。

このように、核分裂性物質量に差がある２種類の燃料集合体を対面させて配置し、かつ、制御棒側のウランの濃縮度が高く、あるいは、ガドリニア入り燃料棒の本数が少ない場合にはこれらの燃料集合体を制御棒２１を挟んで配置することにより、スペクトルミスマッチ効果が大きくなる。したがって、このような燃料集合体の組を外周領域７２に配置することにより、外周領域７２の熱出力を高めることができる。

また、外周領域７２に配置された高濃縮低ガドリニア燃料集合体２と低濃縮ガドリニア燃料集合体４とが互いに側面を対向させて配置された燃料集合体の組の一部は、制御棒２１を挟んで配置されている。スペクトルミスマッチ効果は、濃縮度の差がある燃料集合体同士が向かい合う面において大きい。したがって、このように制御棒２１を挟んで配置された燃料集合体の組では、制御棒２１に面する側の側面の燃焼が進みやすい。

初装荷炉心で外周領域７２に配置された燃料集合体の一部は、次サイクル以降に炉心１１の中央領域７１に配置され、その一部はコントロールセル７４，７５を構成する場合もある。このような場合であっても、スペクトルミスマッチ効果によって制御棒２１に面する側の側面の燃焼が進んだ燃料集合体は、コントロールセル７４，７５に用いても熱的特性の悪化が小さい。

また、沸騰水型原子炉の炉心１１は、運転サイクルの初期においては、制御棒２１を挿入することにより臨界状態が維持される。この際、運転中に炉心１１に挿入される制御棒２１としては、原子炉の炉心の径方向出力分布を平坦化させるため、主として炉心の中央領域７１に位置するものが用いられる。本実施の形態では、中央領域７１のコントロールセル７４の制御棒２１が挿入される。相対的に、炉心の外周領域７２には挿入された制御棒の本数が少なくなる。このため、炉心の外周領域７２では、軸方向出力分布がボトムピークになる傾向にある。

そこで、炉心の外周領域７２には、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２あるいは低濃縮燃料集合体４の代わりとして、軸方向下部の軸方向上部に対する無限増倍率の比が小さい燃料集合体を用いてもよい。このような燃料集合体は、たとえば、所定の高さよりも下方の核分裂性物質量のその所定の高さよりも上方の核分裂性物質量に対する比が小さいことによって形成することができる。あるいは、所定の高さよりも下方の可燃性毒物量のその所定の高さよりも上方の可燃性毒物量に対する比が大きいことによって、所定の高さよりも下方の無限増倍率のその所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が小さい燃料集合体を形成することもできる。

また、所定の高さよりも下方のチャンネルボックス２３の厚さを大きくして、所定の高さよりも下方の無限増倍率のその所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が小さい燃料集合体を形成することもできる。あるいは、ウォータチャンネル２５の形状を変化させるなどによって所定の高さよりも下方の水対核分裂性物質量比を小さくして、所定の高さよりも下方の無限増倍率のその所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が小さい燃料集合体を形成してもよい。

この所定の高さ、すなわち、無限増倍率を比較する軸方向下部と軸方向上部との境界は、たとえば炉心の下端から燃料有効長の１／３程度の高さとする。これは、沸騰水型原子炉では、一般的に、炉心の下端から燃料有効長の１／３程度の高さの位置からボイド率が大きくなるため、軸方向出力分布のボトムピークは、その高さよりも下方で現われやすいからである。

このような軸方向下部の軸方向上部に対する無限増倍率の比が小さい燃料集合体を外周領域７２に装荷すると、外周領域７２における軸方向出力分布が、過度にボトムピークになることを抑制することができる。つまり、外周領域７２における熱的特性が向上する。その結果、外周領域７２に装荷される燃料集合体の核分裂性物質量を増加させることなどにより、中央領域７１の熱出力を相対的に低下させ、炉心全体の熱的特性を向上させることができる。

本実施の形態では、炉心１１の外周領域７２においてスペクトルミスマッチ効果によって燃料集合体１体当たりの熱出力を増加させている。その結果、炉停止余裕が悪化する可能性がある。このような場合、外周領域７２に装荷される燃料集合体に炉停止余裕の改善のための対策を施してもよい。

炉停止余裕の改善のための対策とは、たとえばコーナー部近傍の燃料棒の濃縮度を低くすることである。また、低温時において出力が高くなる軸方向上部の濃縮度を低くした燃料棒を用いてもよい。炉停止余裕に対しては、より多くの水に面するコーナー部およびその近傍の燃料棒の影響が大きい。

このように濃縮度が低いウランを用いた領域を炉停止余裕の改善に効果的な燃料有効部の上部にのみ設けることにより、燃料集合体の平均濃縮度をそれほど低下させずに炉停止余裕を改善できる。また、燃料有効部の全体の濃縮度を低減した燃料棒は、たとえば炉停止余裕の改善に最も効果的なコーナー部およびその近傍にのみ用いることにより、燃料集合体の平均濃縮度の低下を抑制できる。

このようにして、外周領域７２に装荷される燃料集合体の平均濃縮度をあまり低下させずに、炉停止余裕を改善することができる。冷温時、すなわち炉停止時の軸方向出力分布は、炉心の下端から２０／２４程度の高さにピークを持つ。このため、炉停止余裕に対して影響が大きいのは、燃料有効部の上端から燃料有効長の１／３程度の長さの領域である。よって、炉停止余裕の改善のためには、燃料有効部の上端から燃料有効長の１／３程度の長さの領域の濃縮度を小さくすればよい。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態における燃料集合体の配置を示す１／４横断面図である。

本実施の形態の初装荷炉心は、第１の実施の形態において外周領域７１に装荷された一部の高濃縮低ガドリニア燃料集合体２の代わりに外周領域用高濃縮燃料集合体３を用い、外周領域７２に装荷された低濃縮燃料集合体４の代わりに外周領域用低濃縮燃料集合体５を用いたものである。外周領域用高濃縮燃料集合体３は、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２よりも濃縮度が高い。また、外周領域用低濃縮燃料集合体５は、低濃縮燃料集合体４よりも濃縮度が高い。

炉心１１の外周領域７２あるいは最外周領域７３では、炉心体系からの中性子の漏れの影響により燃料集合体１体当たりの熱出力が小さくなる傾向にある。このため、中央領域７１よりも外側では、単位装荷ユニット７６を構成しなくても、熱的特性が中央領域７１よりも厳しくなることはない。

そこで、本実施の形態では、外周領域７２に、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２と低濃縮燃料集合体４とが互いに側面を対向させて配置された集合体の組を配置している。さらに、外周領域用高濃縮燃料集合体３と外周領域用低濃縮燃料集合体５とが互いに側面を対向させて配置された集合体の組を多く配置している。このように、核分裂性物質量に差がある２種類の燃料集合体を対面させて配置することによって、スペクトルミスマッチ効果により、これらの燃料集合体の熱出力が高くなる。

その結果、核分裂性物質量が１種類の燃料集合体のみを外周領域７２に配置した場合に比べて、燃料集合体１体当たりの熱出力が増大する。したがって、相対的に炉心１１の中央領域７１の熱出力が低下する。このようにして、熱的特性に余裕がある炉心１１の外周領域７２で燃料集合体１体当たりの熱出力を高めることにより、炉心１１の中央領域７１での熱的特性を緩和することができる。さらに、本実施の形態では、熱的特性に余裕のある外周領域７２に装荷する燃料集合体の核分裂性物質量を増加させて中央領域７１よりも燃料集合体１体当たりの熱出力を増加させている。その結果、炉心１１の全体の径方向出力分布をより平坦化させ、熱的特性が向上する。

また、本実施の形態では、外周領域７２に装荷される燃料集合体の核分裂性物質量を増加させて熱出力を増加させているが、可燃性毒物量を低減することによって熱出力を増加させてもよい。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

１…高濃縮高ガドリニア燃料集合体、２…高濃縮低ガドリニア燃料集合体、３…外周領域用高濃縮燃料集合体、４…低濃縮燃料集合体、５…外周領域用低濃縮燃料集合体、１１…炉心、２１…制御棒、２３…チャンネルボックス、２４…燃料棒、２５…ウォータチャンネル、２６…燃料集合体、７１…中央領域、７２…外周領域、７３…最外周領域、７４…コントロールセル、７５…コントロールセル、７６…単位装荷ユニット

Claims (5)

1. 高濃縮燃料集合体とこの高濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質量が小さい低濃縮燃料集合体とを含む燃料集合体を正方格子状に配列した沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、
   横断面を対角線で制御棒側領域と反制御棒側領域に区分したときに第１の条件を前記反制御棒側領域に存在する可燃性毒物入り燃料棒の本数が前記制御棒側領域に存在する可燃性毒物入り燃料棒の本数よりも多いこととし第２の条件を前記反制御棒側領域に存在する核分裂物質量が前記制御棒側領域に存在する核分裂物質量よりも少ないこととすると前記第１の条件および前記第２の条件の少なくとも一方を満足する２体の第１高濃縮燃料集合体を含む３体の前記高濃縮燃料集合体と１体の前記低濃縮燃料集合体とを４本の制御棒で囲まれる２行２列の領域内で前記第１高濃縮燃料集合体が互いに側面が対向しないように配列した単位装荷ユニットを各前記単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置された中央領域と、
   前記燃料集合体が配置された最外周領域と、
   前記中央領域と前記最外周領域との間に核分裂性物質量が前記高濃縮燃料集合体以上である第１燃料集合体と核分裂性物質量が前記高濃縮燃料未満である第２燃料集合体とが互いに側面を対向させて前記第１燃料集合体が前記第１の条件および前記第２の条件のいずれかを満足する場合には前記制御棒を挟んで配列された少なくとも一対の燃料集合体の組が配置された外周領域と、
   を有することを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
2. 第１の条件を前記第１燃料集合体が前記中央領域に配置される前記高濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質量が多いこととし、
   第２の条件を前記第１燃料集合体が前記中央領域に配置される前記高濃縮燃料集合体よりも可燃性毒物量が小さいこととし、
   第３の条件を前記第２燃料集合体が前記中央領域に配置される前記低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質量が多いこととし、
   第４の条件を前記第２燃料集合体が前記中央領域に配置される前記低濃縮燃料集合体よりも可燃性毒物量が小さいこととすると、
   前記第１の条件、前記第２の条件、前記第３の条件および前記第４の条件の少なくとも一つの条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
3. 前記一対の燃料集合体は、前記第１燃料集合体と前記第２燃料集合体とが制御棒を挟んで隣り合っていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
4. 前記第１燃料集合体および前記第２燃料集合体の少なくとも一方は、核分裂性物質濃度が燃料有効部の全体の平均に比べて小さい上部領域が形成された燃料棒を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
5. 前記外周領域には、所定の高さよりも下方の無限増倍率の前記所定の高さよりも上方の無限増倍率に対する比が前記内周領域に配置された燃料集合体よりも小さい少なくとも１体の燃料集合体が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。

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