JP2015031574A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】経済性及び原子炉停止余裕を向上させることができ、軸方向上部領域における低温時の反応度及び局所ピーキング係数を低減することが可能なＢＷＲ用燃料集合体を提供する。
【解決手段】本発明によるＢＷＲ用燃料集合体は、核燃料物質を含む燃料ペレットが被覆管内に充填されてなる燃料棒群が、１０行１０列以上の正方格子配列に配置され、燃料棒複数本相当の領域に水ロッドを備える。また、燃料棒群は、第１の燃料棒（標準燃料棒）と、軸方向下部の濃縮度が軸方向上部よりも高い第２の燃料棒（濃縮度分割燃料棒）と、燃料有効長が比較的短い第３の燃料棒（部分長燃料棒）を含む。そして、第２の燃料棒は、燃料集合体の最外周及び／又は水ロッドに隣接する位置のみに配置される。
【選択図】図７

Description

本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体、特に、１０行１０列以上の正方格子配列を有する燃料集合体に関する。

日本国内の沸騰水型原子炉（Boiling Water Reactor；以下「ＢＷＲ」と記す）においては、現在、９行９列の正方格子配列を有する燃料集合体（以下「ｍ行ｎ列」を「ｍ×ｎ」のようにも記す）が使用されている。一方、それよりも格子数を増やした１０×１０正方格子配列を有する燃料集合体の開発が進められている（例えば特許文献１参照）。

かかる１０×１０燃料集合体は、燃料集合体当たりの燃料棒本数が９×９燃料集合体よりも２０％程度多くなるため、燃料棒の単位長さ当たりの発熱量が減る分、平均線出力密度が低下することにより、最大線出力密度の低減が期待できる。また、１０×１０燃料集合体では、９×９燃料集合体よりも燃料棒表面積を大きくすることが可能であり、これにより、沸騰遷移に至る限界出力の低減を図ることも可能となる。さらに、燃料集合体あたりの燃料棒本数が増加することにより、濃縮度配置及び可燃性毒物（Burnable Poison；以下「ＢＰ」と記す）配置の自由度を高め得るという利点もある。

一般に、燃料棒本数が増えると、流路面積が小さくなり摩擦圧損が増大する傾向にある。このため、燃料棒本数が従来よりも多い燃料集合体と、従来の燃料集合体が、原子炉炉心に同時に装荷されると、燃料棒本数が多くて圧損が高い燃料集合体には、冷却水が配分され難くなる。そのため、除熱が不十分となったり、チャンネル安定性が悪化したりといった不都合を招くおそれがある。よって、かかる不都合を抑止するため、燃料棒本数が増えたとしても、従来の圧損と同等となるように、燃料集合体の設計を行うことが要求される。

この要求に応えるべく、特許文献１には、１０×１０燃料集合体に部分長燃料棒を採用し、その本数及び配置を最適化することにより、９×９燃料集合体と同等の圧損を実現する手法が開示されている。具体的には、部分長燃料棒を１４本配置し、それらの全ての部分長燃料棒を非沸騰水に隣接させる配置により、燃料集合体の軸方向上部側に、部分長燃料棒とともにギャップ水及び太径水ロッドを含む大きな非沸騰領域を形成し、これにより、低温停止状態における反応度を低減することが提案されている。

一方、特許文献２には、ＢＷＲ用燃料集合体において、軸方向下部の核分裂性物質の濃縮度及びＢＰ含有量を、軸方向上部のそれらよりも高くし、且つ、核分裂性物質の濃縮度の境界とＢＰ含有量の境界を異ならせたものが記載されている。この燃料集合体は、核燃料物質の有効利用を行ういわゆるスペクトルシフト運転に好適な特性を実現することを目的として構成されたものである。具体的には、濃縮度の軸方向分布により、燃焼初期における軸方向下部側の出力ピークを高くして、軸方向上部領域の核分裂性プルトニウムの蓄積を図り、且つ、燃焼末期における炉心平均ボイド率の減少と、蓄積した核分裂性プルトニウムを有効に利用することを企図している。また、そのような濃縮度分布を用いて、低温時に反応度が高くなる燃料集合体の軸方向上部領域の濃縮度を相対的に減じることにより、原子炉停止余裕を増大させる効果も期待できる。

特許第４０７８０６２号公報 特開平４−２２０５９５号公報

これらの特許文献１及び２に記載された技術を組み合わせること、すなわち、核分裂性物質の濃縮度の軸方向分布により燃焼初期における軸方向下部側の出力ピークを高くしつつ、部分長燃料棒を採用することにより、更なる優位な効果を奏する１０×１０燃料集合体の実現が期待される。すなわち、そのような構成により、炉心平均ボイド率が減少する燃焼末期でも、その軸方向上部側の出力ピークが、核分裂性物質の濃縮度の軸方向分布を有しない従来燃料よりも顕著になってしまうことを防止する効果が期待される。その結果、スペクトルシフト運転における特性が更に改善され、経済性及び原子炉停止余裕を更に一層向上させ得ると考えられる。

しかし、燃料集合体の軸方向下部側における核分裂性物質の濃縮度を過度に高めると、その軸方向下部領域の反応度が過大となってしまい、最大線出力密度が不都合な程度に増大してしまうといった悪影響が懸念される。

他方、原子炉起動時における制御棒の落下事故を想定すると、落下制御棒に隣接する燃料棒の出力上昇が比較的大きくなる。その燃料棒を含む燃料集合体では、局所ピーキング係数（燃料集合体のその断面における最大燃料棒出力と平均燃料棒出力との比）が大きい場合、燃料エンタルピの増加が大きく事象が厳しくなる。また、上述したスペクトルシフト運転を行った場合、ボイドが発生しなくなった低温時に、燃料集合体の軸方向上部領域における反応度が過度に高まる可能性もある。このようにして、局所ピーキング係数、及び燃料集合体の軸方向上部領域の反応度が、ともに大きくなればなるほど、制御棒落下時の事象進展が許容範囲に対して厳しくなり、運転制御及び安全上の懸念が高まってしまう。

これに対し、燃料集合体の軸方向下部側の核分裂性物質の濃縮度を軸方向上部側よりも高め、且つ、部分長燃料棒を組み合わせた構成では、軸方向上部領域に、核分裂性物質の濃縮度が互いに異なる燃料棒と、燃料棒が存在しない領域が混在することになる。よって、このような構成においては、上述した原子炉起動時における運転制御及び安全上の懸念を排除又は軽減するために、燃料集合体における各燃料棒の濃縮度の配置を工夫して、軸方向上部領域における低温時の反応度、及び局所ピーキング係数を低減する必要がある。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、スペクトルシフト運転の特性を更に改善して経済性及び原子炉停止余裕を従来に比して更に向上させることができるとともに、軸方向上部領域における低温時の反応度、及び局所ピーキング係数を低減することが可能なＢＷＲ用燃料集合体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明によるＢＷＲ用燃料集合体は、まず、核燃料物質を含む燃料ペレットが被覆管内に充填されてなる燃料棒群が、１０行１０列（１０×１０）以上の正方格子配列に配置され、且つ、その正方格子配列における燃料棒複数本相当の領域に水ロッドを備えるものである。また、燃料棒群は、軸方向における核燃料物質の濃縮度が一様又は略一様である第１の燃料棒と、軸方向下部における核燃料物質の濃縮度が軸方向上部における核燃料物質の濃縮度よりも高い第２の燃料棒と、燃料有効長が第１の燃料棒及び第２の燃料棒よりも短い第３の燃料棒とを含んでいる。そして、第２の燃料棒は、当該ＢＷＲ用燃料集合体の最外周及び／又は水ロッドに隣接する位置のみに配置され（すなわち、第２の燃料棒は、それらの位置以外には配置されない）、また、第２の燃料棒の本数が、第１の燃料棒の本数の１／２未満（半数未満）とされる。

このように構成されたＢＷＲ燃料集合体では、軸方向における核燃料棒物質の濃縮度分布を有しない第１の燃料棒を「標準燃料棒」とすれば、上述の如く構成された第２の燃料棒は「特定の濃縮度分布を有する燃料棒」に相当する。また、「標準燃料棒」としての第１の燃料棒よりも有効長が短い第３の燃料棒が、上述した「部分長燃料棒」に相当する。なお、第２の燃料棒における核燃料物質の濃縮度分布は、相対的に、軸方向上部＜軸方向下部（ただし、上下端部を除くことが好ましい）の条件を満たす限り特に制限されず、連続的に変化していても断続的に変化していてもよい。また、軸方向における「上部」と「下部」の境界位置も特に限定されない。さらに、水ロッドの具体例としては、例えば角管形状（断面矩形）のいわゆるウォータチャンネル構造を有するもの、丸管形状（断面円形）のもの等が挙げられる。なお、その「断面」とは、燃料棒又は燃料集合体の管軸（長手軸、延在軸）に垂直な平面における断面を示す。

かかる構成を有する本発明によるＢＷＲ燃料集合体においては、軸方向下部における核燃料物質の濃縮度が軸方向上部における前記核燃料物質の濃縮度よりも高い第２の燃料棒と、部分長燃料棒としての第３の燃料棒の双方を含むので、スペクトルシフト運転を助長して経済性を向上させることができるとともに、原子炉停止余裕を増大させることができる。それに加え、第２の燃料棒を燃料集合体の最外周及び／又は水ロッドに隣接する位置のみに配置すること、及び、第２の燃料棒の本数を所定の範囲に制限することにより、軸方向上部領域における低温時の反応度（指標として中性子無限増倍率）を低減し、且つ、同領域における局所ピーキング係数の増大を有効に抑止し得ることが確認された。

また、第３の燃料棒が、当該ＢＷＲ用燃料集合体の最外周、及び水ロッドに隣接する位置の双方のみに配置される（すなわち、第３の燃料棒は、それらの位置以外には配置されない）構成を採用しても好適である。さらに、水ロッドに隣接する位置に配置される燃料棒の全てが、第２の燃料棒又は第３の燃料棒であっても好ましい。これらの構成を用いることにより、軸方向上部領域における低温時の反応度（指標として無限増倍率）を更に低減し、且つ、局所ピーキング係数の増大を更に一層抑止することが可能となる。

本発明によれば、標準的な燃料棒である第１の燃料棒に、核燃料物質の特定の濃縮度分布を有する第２の燃料棒及び部分長燃料棒である第３の燃料棒を混在させつつ、第２の燃料棒の配置を燃料集合体の最外周及び／又は水ロッドに隣接する位置に限定し、且つ、その本数をも限定することにより、軸方向上部領域における低温時の反応度、及び、同領域の局所ピーキング係数を低減することが可能となる。これにより、そのＢＷＲ用燃料集合体が装荷された原子炉における運転制御性、経済性、及び更なる安全性の向上に資することができる。

（Ａ）は、従来のＢＷＲ用燃料集合体の代表的な一形態における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、その燃料集合体に備わる燃料棒を模式的に示す側面図である。 （Ａ）は、参考例（比較例）としてのＢＷＲ用燃料集合体の他の一形態における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、その燃料集合体に備わる燃料棒を模式的に示す側面図である。 本発明によるＢＷＲ用燃料集合体の好適な第１実施形態における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図である。 本発明によるＢＷＲ用燃料集合体の好適な第２実施形態における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図である。 各燃料集合体の軸方向上部領域における低温時の中性子無限増倍率の評価結果を示すグラフである。 各燃料集合体の軸方向上部領域における低温時の局所ピーキング係数の評価結果を示すグラフである。 （Ａ）は、実施例１に係る燃料集合体における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、その燃料集合体に備わる燃料棒を模式的に示す側面図である。 （Ａ）は、実施例２に係る燃料集合体における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、その燃料集合体に備わる燃料棒を模式的に示す側面図である。 （Ａ）は、実施例３に係る燃料集合体における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、その燃料集合体に備わる燃料棒を模式的に示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

（従来例の燃料集合体）
図１（Ａ）は、従来のＢＷＲ用燃料集合体の代表的な一形態における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図である。燃料集合体１００は、核燃料物質として酸化ウランを含む燃料ペレットが被覆管内に充填されてなる複数の燃料棒１が、１０×１０の正方格子配列に配置され、且つ、３×３の燃料棒９本分を占める中央領域に水ロッドＷが設けられたものである。この燃料集合体１００の燃料棒群は、後述する低濃縮度のウランブランケット部を除く部位の核燃料物質の濃縮度が軸方向に一様又は略一様な「ｂ」である標準燃料棒（第１の燃料棒に相当；以下「タイプ１燃料棒」という）と、その燃料棒よりも燃料有効長が短く且つ濃縮度が同じく「ｂ」である部分長燃料棒（第３の燃料棒に相当；以下「タイプＰ１燃料棒」という）から構成されている。

タイプ１燃料棒は、断面円形をなす丸管形状を有し、水ロッドＷは、例えば断面矩形をなす角管形状を有するが、図示においては、それらの詳細な実際の形状の記載を省略した。かかる表記については、後出の他図（図２（Ａ）、図３、図４、図７（Ａ）、図８（Ａ）、及び図９（Ａ））においても同様とする。また、図示においては、１０×１０の正方格子配列を１０行（第ｍ１行〜第ｍ１０行）１０列（第ｎ１列〜第ｎ１０列）の桝目で示し、以下の説明において、１０×１０正方格子配列における各燃料棒及び水ロッド等の位置を、行列座標の要素（ｍ_i，ｎ_j）（ただし、添え字ｉ及びｊは１〜１０の整数を示す）で表す場合がある。

また、図１（Ｂ）は、燃料集合体１００に備わる燃料棒（タイプ１燃料棒及びタイプＰ１燃料棒）を模式的に示す側面図であり、同図中、高さ（長さ）の目安として、タイプ１燃料棒の全長を２４分割したノード目盛りＺを併せて示す。同図に示す如く、タイプ１燃料棒は、下端１ノード（ノード１）及び上端２ノード（ノード２３及び２４）に、低濃縮度のウランブランケットが設けられており、また、部分長燃料棒であるタイプＰ１燃料棒は、下端の１ノード（ノード１）に、低濃縮度のウランブランケットが設けられている。

またさらに、タイプ１燃料棒及びタイプＰ１燃料棒の中央に記載した「ｂ」は、上述したそれぞれの核燃料物質の濃縮度であり、符号直下の括弧内の数字は、燃料集合体１００に装荷されたタイプ１燃料棒及びタイプＰ１燃料棒のそれぞれの数量（本数）を示す。以上の図１（Ｂ）の表記は、後出する他図（図２（Ｂ）、図７（Ｂ）、図８（Ｂ）、及び図９（Ｂ）において同様とする。

（参考例の燃料集合体）
図２（Ａ）は、参考例（比較例）としてのＢＷＲ用燃料集合体の他の一形態における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図である。燃料集合体２００は、タイプ１燃料棒及びタイプＰ１燃料棒に加え、軸方向において核燃料物質の濃縮度分布を有する燃料棒（第２の燃料棒に相当；以下「タイプ２燃料棒」という）を備える。なお、図示においては、各燃料棒を弁別し易いように、タイプ２燃料棒を、丸数字の「２」で示す。

また、図２（Ｂ）は、燃料集合体２００に備わる燃料棒（タイプ１燃料棒、タイプ２燃料棒、及びタイプＰ１燃料棒）を模式的に示す側面図である。同図に示す如く、タイプ２燃料棒は、部分長燃料棒であるタイプＰ１燃料棒の燃料有効長の上端（ノード１４とノード１５の間）を境界として軸方向に２分割されており、軸方向下部側の核燃料物質の濃縮度が「ａ」であり、且つ、軸方向上部側の核燃料物質の濃縮度が「ｃ」である。このように、タイプ２燃料棒は、核燃料物質の濃縮度が、軸方向上部と軸方向下部に分割されて互いに異なることから「濃縮度分割燃料棒」ということもできる。

燃料集合体２００に備わるこれらの燃料棒に採用されている核燃料物質の濃縮度の大小関係は、「ａ」＞「ｂ」＞「ｃ」とされており、各燃料棒の配置本数を適宜設定することにより、燃料集合体２００における核燃料物質の低濃縮度のウランブランケット部を除く平均濃縮度が、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す燃料集合体１００と同様に「ｂ」となるように調整されている。具体的には、図２（Ａ）に示す如く、タイプ２燃料棒が、燃料集合体２００の最外周から２層目に間隔をおいて且つ周状に８本配置されている。タイプ２燃料棒のそれらの位置を行列座標で示すと、（ｍ２，ｎ２）、（ｍ２，ｎ６）、（ｍ２，ｎ９）、（ｍ６，ｎ９）、（ｍ９，ｎ９）、（ｍ９，ｎ６）、（ｍ９，ｎ２）、及び（ｍ６，ｎ２）となる。このように、燃料集合体２００は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す燃料集合体１００におけるタイプ１燃料棒がそれらの８本のタイプ２燃料棒で置換された構成を有しており、各燃料棒の数量は、図２（Ｂ）に示すとおりである。

（第１実施形態）
図３は、本発明によるＢＷＲ用燃料集合体の好適な第１実施形態における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図である。燃料集合体１０は、タイプ２燃料棒の配置が変更されたこと以外は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示す燃料集合体２００と同様に構成されたものである。すなわち、図３に示す如く、燃料集合体２００の最外周から２層目に配置された８本のタイプ２燃料棒がタイプ１燃料棒で置換され、それに代えて、燃料集合体１０の最外周における各辺中央に２本ずつ隣接するようにタイプ２燃料棒が合計８本配置されている。タイプ２燃料棒のそれらの位置を行列座標で示すと、最外周図示上辺の（ｍ１，ｎ５）及び（ｍ１，ｎ６）、同左辺の（ｍ５，ｎ１）及び（ｍ６，ｎ１）、同右辺の（ｍ５，ｎ１０）及び（ｍ６，ｎ１０）、並びに、同下辺の（ｍ１０，ｎ５）及び（ｍ１０，ｎ６）となる。なお、燃料集合体１０における各燃料棒の濃縮度については、図２（Ｂ）に示すものと同等であるので、ここでの図示を省略する。

（第２実施形態）
図４は、本発明によるＢＷＲ用燃料集合体の好適な第２実施形態における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図である。燃料集合体２０も、タイプ２燃料棒の配置が変更されたこと以外は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示す燃料集合体２００と同様に構成されたものである。すなわち、図４に示す如く、燃料集合体２００の最外周から２層目に配置された８本のタイプ２燃料棒がタイプ１燃料棒で置換され、それに代えて、燃料集合体２０における水ロッドＷに隣接する位置に所定の間隔でタイプ２燃料棒が合計８本配置されている。タイプ２燃料棒のそれらの位置を行列座標で示すと、水ロッドＷの隣接層における図示上辺の（ｍ４，ｎ５）及び（ｍ４，ｎ７）、同左辺の（ｍ５，ｎ４）及び（ｍ７，ｎ４）、同右辺の（ｍ５，ｎ８）及び（ｍ７，ｎ８）、並びに、同下辺の（ｍ８，ｎ５）及び（ｍ８，ｎ７）となる。なお、燃料集合体２０における各燃料棒の濃縮度についても、図２（Ｂ）に示すものと同等であるので、ここでの図示を省略する。

なお、「水ロッドに隣接する」とは、水ロッドが占有する行列領域と同じ行又は同じ列において水ロッドに対向して配置された状態を示す。例えば、角管形状を有する水ロッドの場合、その側壁面（矩形断面における縦横辺）に対向して配置された状態を示し、或いは、後述するような丸管形状を有する水ロッドの場合、それを角管形状の水ロッドと仮定したときに、その仮想的な側壁面（矩形断面における縦横辺）に対向して配置された状態を示す。

（反応度及び局所ピーキング係数の評価）
上述した従来例の燃料集合体１００、参考例の燃料集合体２００、及び、本発明の実施形態の燃料集合体１０，２０について、軸方向上部領域における低温時の反応度（指標として低温時の中性子無限増倍率）、及び、低温時の局所ピーキング係数を、燃料集合体核特性計算コードにより算出評価した。結果を図５及び図６のグラフに示す。なお、両グラフにおいては、燃料集合体１００に対する算出値を基準値として正規化（ノーマライズ）したそれぞれの算出結果を黒塗り四角印（■）でプロットし、目安としてそれらのプロット点を折れ線で結んで示す。

図５より、濃縮度分割燃料棒であるタイプ２燃料棒を備える参考例の燃料集合体２００は、タイプ２燃料棒を備えない従来例の燃料集合体１００に比して、軸方向上部領域における低温時の中性子無限増倍率が有意に低下し、さらに、タイプ２燃料棒の本数が燃料集合体２００と同じではあるが配置が異なる本発明による燃料集合体１０，２０では、その低温時の中性子無限増倍率が更に一層低下することが確認された。すなわち、燃料集合体１００よりも燃料集合体１０，２０の方が、軸方向上部領域における反応度の低下度合いが有意に大きいことが判明した。

ここで、燃料集合体２００，１００，１０，２０が原子炉炉心に装荷された運転状態においては、燃料集合体の最外周や水ロッドＷの近傍は、燃料集合体における他の領域に比して、減速材密度が相対的に大きくなり、中性子インポータンスがより高くなる。そして、燃料集合体１０，２０では、その最外周や水ロッドＷに隣接する位置にタイプ２燃料棒が配置されており、その軸方向上部側の核燃料物質の濃縮度が周囲の燃料棒よりも小さいので、中性子無限増倍率を低下させる効果が、燃料集合体１００よりも有意に且つ十分に高められたものと推察される。また、燃料集合体１０，２０の如く、タイプＰ１燃料棒を燃料集合体の軸方向下部領域に設置し、それに隣接するようにタイプ２燃料棒を配置することにより、中性子無限増倍率の低減効果が更に高められる。このような低温時の中性子無限増倍率の低下は、原子炉停止余裕の増大につながり、この点において、タイプ２燃料棒が、燃料集合体の最外周又は水ロッドＷに隣接する位置のみに配置された燃料集合体１０，２０の優位性が理解される。

また、図６より、濃縮度分割燃料棒であるタイプ２燃料棒を備える参考例の燃料集合体２００は、タイプ２燃料棒を備えない従来例の燃料集合体１００に比して、局所ピーキング係数が増大することが確認された。これは、核燃料物質の濃縮度が比較的低い領域を有するタイプ２燃料棒が燃料棒群に混在することによって、核燃料物質の濃縮度が比較的高いタイプ１燃料棒の相対出力が高まることに起因するものと推察される。このように低温時の局所ピーキング係数が増大すると、上述の如く、制御棒落下時の事象進展が厳しくなり得るので、本来的には好ましくない。

一方、図６から明らかなとおり、燃料集合体１０，２０は、燃料集合体２００と同数のタイプ２燃料棒を備えているにも拘わらず、燃料集合体１００に対する局所ピーキング係数の上昇程度（増大率）が有意に緩和されることが判明した。これは、核燃料物質の濃縮度が比較的低い領域を有するタイプ２燃料棒を、減速材密度が相対的に大きい位置（前出の図５の解説参照）に配設することにより、タイプ１燃料棒に比して低濃縮度燃料棒であるタイプ２燃料棒の相対出力が高められ、その結果、タイプ２燃料棒に比して高濃縮度燃料棒であるタイプ１燃料棒の相対出力を低下させる効果が得られることに起因するものと推察される。

以上のことから、燃料集合体１０，２０によれば、濃縮度分割燃料棒であるタイプ２燃料棒の採用により、上述の如く（図５参照）低温時の反応度を低下させて原子炉停止余裕を増大させ、また、出力運転時のスペクトルシフト運転を助長することができるという利益を享受しつつ、タイプ２燃料棒の採用によって不可避的に生じ得る局所ピーキング係数の増大を確実に抑制することが可能となる。

なお、タイプ２燃料棒をより多く配置した場合、燃料集合体の核燃料物質の平均濃縮度を「ｂ」に維持するためには、軸方向下部側の濃縮度を「ａ」よりも更に高めることが必要となる。そうすると、軸方向下部領域の出力運転時の中性子無限増倍率及び局所ピーキング係数が高まり、最大線出力密度が制限値に対して厳しくなってしまう。その程度は、一般に、燃料集合体の軸方向上部領域よりも軸方向下部領域で顕著な傾向にある。これは、出力運転中においては、ボイド率が燃料集合体の軸方向上部よりも軸方向下部で小さく、よって、減速材密度が軸方向上部よりも軸方向下部で大きいため、出力分布においていわゆる下部歪みが生じ易いことによる。

この観点から、本発明者の知見によれば、タイプ２燃料棒の本数は、タイプ１燃料棒の１／２未満（半数未満）であることが望ましい。図３及び図４に示す燃料集合体１０，２０は、６９本のタイプ１燃料棒に対して８本のタイプ２燃料棒が配設されており、タイプ２燃料棒の本数がタイプ１燃料棒の本数の１／２未満（半数未満）とされているので、出力運転時における中性子無限増倍率及び局所ピーキング係数の増大の程度は極めて小さく、これにより、最大線出力密度が過大となることが防止される。

以下、実施例により本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図７（Ａ）は、実施例１に係る燃料集合体における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図であり、図７（Ｂ）は、その燃料集合体に備わる燃料棒を模式的に示す側面図である。なお、図７（Ａ）においては、燃料集合体３０が、断面十字型の制御棒Ｓに隣接し、その制御棒Ｓによって区画される４つの領域のうちの１つの領域に配置された状態を示す（後述する図８（Ａ）及び図９（Ａ）において同様とする）。

燃料集合体３０は、先に述べた燃料集合体と同様に、１０×１０の正方格子配列を有し、角管形状の水ロッドＷが３×３の燃料棒９本分を占める中央領域に設けられたものである。この燃料集合体３０の燃料棒群は、核燃料物質の濃縮度が互いに異なる５種類の燃料棒（以下「タイプ１〜５燃料棒」という）、それらの燃料棒よりも燃料有効長が短く且つ核燃料物質の濃縮度が互いに異なる２種類の部分長燃料棒（第３の燃料棒に相当；以下「タイプ６燃料棒」及び「タイプ７燃料棒」という）、並びに、ＢＰ入り燃料棒（以下「タイプＧ１燃料棒」という）から構成されている。何れのタイプの燃料棒も、断面円形をなす丸管形状を有する。

また、図７（Ｂ）に示すとおり、タイプ１〜５燃料棒及びタイプＧ１燃料棒は、下端１ノード（ノード１）及び上端２ノード（ノード２３及び２４）に、低濃縮度のウランブランケットが設けられており、部分長燃料棒であるタイプ６，７燃料棒は、下端の１ノード（ノード１）に、低濃縮度のウランブランケットが設けられている。

これらのうち、タイプ１，３，４，５燃料棒の核燃料物質の濃縮度は、軸方向に一様又は略一様であって、それぞれ「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」及び「Ｄ」であり、これらの燃料棒が第１の燃料棒に相当する。一方、本実施例におけるタイプ２燃料棒も、先述したタイプ２燃料棒と同様に、部分長燃料棒であるタイプ６，７燃料棒の燃料有効長の上端（ノード１４とノード１５の間）を境界として軸方向に２分割されており、軸方向下部側の核燃料物質の濃縮度が「Ａ」であり、且つ、軸方向上部側の核燃料物質の濃縮度が「Ｂ」である。このように、本実施例のタイプ２燃料棒も、「濃縮度分割燃料棒」に該当する。

また、部分長燃料棒であるタイプ６，７燃料棒における核燃料物質の濃縮度は、それぞれ「Ｂ」及び「Ｄ」である。さらに、ＢＰ入り燃料棒であるタイプＧ１燃料棒における核燃料物質の濃縮度は「Ｂ」であり、そのガドリニア濃度は「α」である。このタイプＧ１燃料棒も、核燃料物質の濃縮度が軸方向に一様又は略一様である点において、第１の燃料棒に相当する。なお、それらの核燃料物質の濃縮度の大小関係は、「Ａ」＞「Ｂ」＞「Ｃ」＞「Ｄ」とされている。

このように構成された燃料集合体３０においては、濃縮度分割燃料棒であるタイプ２燃料棒が、燃料集合体３０の最外周及び水ロッドＷに隣接する位置のみに配置されており、他の座標位置には配置されていない。かかる構成により、原子炉停止余裕を十分に確保し、且つ、制御棒の落下時の安全性向上を実現した上で、スペクトルシフト運転を助長して燃料経済性を向上させることができる。それに加えて、水ロッドＷに隣接する燃料棒の全てが、部分長燃料棒であるタイプ６燃料棒及び濃縮度分割燃料棒であるタイプ２燃料棒の何れかであることから、原子炉停止余裕を更に一層向上させることができる。

さらに、燃料集合体３０では、第１の燃料棒に該当するタイプ１，３，４，５燃料棒及びタイプＧ１燃料棒の合計本数が６１本であるのに対し、タイプ２燃料棒の本数が１６本とされている。このように、タイプ２燃料棒の本数が第１の燃料棒の本数の１／２未満（半数未満）とされているので、出力運転時における軸方向下部領域の中性子無限増倍率及び局所ピーキング係数の増大を抑えて、最大線出力密度が過大となることを防止することができる。

（実施例２）
図８（Ａ）は、実施例２に係る燃料集合体における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図であり、図８（Ｂ）は、その燃料集合体に備わる燃料棒を模式的に示す側面図である。燃料集合体４０は、１０×１０の正方格子配列を有し、丸管形状を有する２本の水ロッドＷ，Ｗが、それぞれ２×２の燃料棒４本分を占める中央近傍の２箇所の領域に設けられたものである。より具体的には、これらの水ロッドＷ，Ｗは、制御棒Ｓの挿入位置に対応する（最も近い）特定のコーナ部（ｍ１，ｎ１）の燃料棒とそれに対向するコーナ部（ｍ１０，ｎ１０）の燃料棒を結ぶ仮想的な対角線上の中点が重心となるように配置されている。

この燃料集合体４０の燃料棒群は、核燃料物質の濃縮度が互いに異なる４種類の燃料棒（以下「タイプ１１〜１４燃料棒」という）、それらの燃料棒よりも燃料有効長が短い１種類の部分長燃料棒（第３の燃料棒に相当；以下「タイプ１５燃料棒」という）、及び、ＢＰ入り燃料棒（以下「タイプＧ２燃料棒」という）から構成されている。何れのタイプの燃料棒も、断面円形をなす丸管形状を有する。

また、図８（Ｂ）に示すとおり、タイプ１１〜１４燃料棒及びタイプＧ２燃料棒は、下端１ノード（ノード１）及び上端１ノード（ノード２４）に、低濃縮度のウランブランケットが設けられている。

これらのうち、タイプ１１，１４燃料棒の核燃料物質の濃縮度は、軸方向に一様又は略一様であって、それぞれ「Ｅ」及び「Ｈ」であり、これらの燃料棒が第１の燃料棒に相当する。一方、本実施例におけるタイプ１２，１３燃料棒は、部分長燃料棒であるタイプ１５燃料棒の燃料有効長の上端（ノード１２とノード１３の間）を境界として軸方向に２分割されている。そして、タイプ１２燃料棒では、軸方向下部側及び軸方向上部側の核燃料物質の濃縮度がそれぞれ「Ｅ」及び「Ｆ」であり、タイプ１３燃料棒では、軸方向下部側及び軸方向上部側の核燃料物質の濃縮度がそれぞれ「Ｆ」及び「Ｇ」である。このように、本実施例のタイプ１２，１３燃料棒も、「濃縮度分割燃料棒」に該当する。

また、部分長燃料棒であるタイプ１５燃料棒における核燃料物質の濃縮度は、「Ｆ」である。なお、本実施例におけるタイプ１５燃料棒の下端部は、他の燃料棒と異なり、低濃縮度のウランブランケットは設けられておらず、ここではプレナム領域を想定した。さらに、ＢＰ入り燃料棒であるタイプＧ２燃料棒における核燃料物質の濃縮度も「Ｆ」であり、そのガドリニア濃度は「β」である。このタイプＧ２燃料棒も、核燃料物質の濃縮度が軸方向に一様又は略一様である点において、第１の燃料棒に相当する。なお、それらの核燃料物質の濃縮度の大小関係は、「Ｅ」＞「Ｆ」＞「Ｇ」＞「Ｈ」とされている。

このように構成された燃料集合体４０においても、濃縮度分割燃料棒であるタイプ１２，１３燃料棒が、燃料集合体４０の最外周及び水ロッドＷ，Ｗに隣接する位置のみに配置されており、他の座標位置には配置されていない。よって、かかる構成によっても、原子炉停止余裕を十分に確保し、且つ、制御棒の落下時の安全性向上を実現した上で、スペクトルシフト運転を助長して燃料経済性を向上させることができる。

また、燃料集合体４０では、第１の燃料棒に該当するタイプ１１，１４燃料棒及びタイプＧ２燃料棒の合計本数が５８本であるのに対し、タイプ１２，１３燃料棒の合計本数が２０本とされている。このように、タイプ１２，１３燃料棒の合計本数が第１の燃料棒の本数の１／２未満（半数未満）とされているので、出力運転時における軸方向下部領域の中性子無限増倍率及び局所ピーキング係数の増大を抑えて、最大線出力密度が過大となることを防止することができる。

（実施例３）
図９（Ａ）は、実施例３に係る燃料集合体における燃料棒等の配置を模式的に示す水平断面図であり、図９（Ｂ）は、その燃料集合体に備わる燃料棒を模式的に示す側面図である。燃料集合体５０は、実施例２の燃料集合体４０と同様に、１０×１０の正方格子配列を有し、丸管形状を有する２本の水ロッドＷ，Ｗが、それぞれ２×２の燃料棒４本分を占める中央近傍の２箇所の領域に設けられたものである。

この燃料集合体５０の燃料棒群は、核燃料物質の濃縮度が互いに異なる４種類の燃料棒（以下「タイプ２１〜２４燃料棒」という）、それらの燃料棒よりも燃料有効長が短い２種類の部分長燃料棒（第３の燃料棒に相当；以下「タイプ２５，２６燃料棒」という）、及び、ＢＰ入り燃料棒（以下「タイプＧ３燃料棒」という）から構成されている。何れのタイプの燃料棒も、断面円形をなす丸管形状を有する。

また、図９（Ｂ）に示すとおり、タイプ２１〜２４燃料棒及びタイプＧ３燃料棒は、下端１ノード（ノード１）及び上端１ノード（ノード２４）に、低濃縮度のウランブランケットが設けられており、部分長燃料棒であるタイプ２５，２６燃料棒は、下端の１ノード（ノード１）に、低濃縮度のウランブランケットが設けられている。

これらのうち、タイプ２１，２３，２４燃料棒の核燃料物質の濃縮度は、軸方向に一様又は略一様であって、それぞれ「Ｊ」、「Ｌ」及び「Ｍ」であり、これらの燃料棒が第１の燃料棒に相当する。一方、本実施例におけるタイプ２２燃料棒は、部分長燃料棒であるタイプ２５燃料棒の燃料有効長の上端（ノード１６とノード１７の間）を境界として軸方向に２分割されている。そして、タイプ２２燃料棒では、軸方向下部側及び軸方向上部側の核燃料物質の濃縮度がそれぞれ「Ｊ」及び「Ｋ」である。このように、本実施例のタイプ２２燃料棒も、「濃縮度分割燃料棒」に該当する。

また、部分長燃料棒であるタイプ２５，２６燃料棒における核燃料物質の濃縮度は、ともに「Ｊ」である。さらに、ＢＰ入り燃料棒であるタイプＧ３燃料棒における核燃料物質の濃縮度も「Ｊ」であり、そのガドリニア濃度は「γ」である。このタイプＧ３燃料棒も、核燃料物質の濃縮度が軸方向に一様又は略一様である点において、第１の燃料棒に相当する。なお、それらの核燃料物質の濃縮度の大小関係は、「Ｊ」＞「Ｋ」＞「Ｌ」＞「Ｍ」とされている。

このように構成された燃料集合体５０においても、濃縮度分割燃料棒であるタイプ２２燃料棒が、燃料集合体５０の最外周及び水ロッドＷ，Ｗに隣接する位置のみに配置されており、他の座標位置には配置されていない。よって、かかる構成によっても、原子炉停止余裕を十分に確保し、且つ、制御棒の落下時の安全性向上を実現した上で、スペクトルシフト運転を助長して燃料経済性を向上させることができる。それに加えて、水ロッドＷ，Ｗに隣接する燃料棒の全てが、部分長燃料棒であるタイプ２６燃料棒及び濃縮度分割燃料棒であるタイプ２２燃料棒の何れかであることから、原子炉停止余裕を更に一層向上させることができる。

さらに、燃料集合体５０では、第１の燃料棒に該当するタイプ２１，２３，２４及びタイプＧ３燃料棒の合計本数が５４本であるのに対し、タイプ２２燃料棒の本数が２４本とされている。このように、タイプ２２燃料棒の本数が第１の燃料棒の本数の１／２未満（半数未満）とされているので、出力運転時における軸方向下部領域の中性子無限増倍率及び局所ピーキング係数の増大を抑えて、最大線出力密度が過大となることを防止することができる。

なお、上述したとおり、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、燃料集合体の正方格子配列の格子数は１０×１０以上であれば特に制限されず、例えば、１１×１１、１２×１２等であってもよい。また、水ロッドＷの配置は、図示の配置が望ましいものの、それらに限定されない。さらに、燃料棒としては、濃縮ウラン及び／又は再濃縮ウランに加えて、天然ウラン、劣化ウラン、回収ウラン（減損ウラン）を含むものでも構わず、或いはＭＯＸ燃料であってもよい。また、本発明に関して適宜推定して上述した作用機序は、それらに限定されるものではない。

以上説明したとおり、本発明によるＢＷＲ用燃料集合体は、標準的な燃料棒である第１の燃料棒に、核燃料物質の特定の濃縮度分布を有する第２の燃料棒及び部分長燃料棒である第３の燃料棒を混在させつつ、第２の燃料棒の配置を燃料集合体の最外周及び／又は水ロッドに隣接する位置に限定し、且つ、その本数をも限定することにより、軸方向上部領域における低温時の反応度、及び同領域の局所ピーキング係数を低減することが可能となる。これにより、そのＢＷＲ用燃料集合体が装荷された原子炉の経済性及び更なる安全性の向上に資することができるので、ＢＷＲ及びそれを備える発電所、並びに、それらが関連する電機及び電力産業等の技術分野に広く且つ有効に利用することが可能である。

１，３，４，５，１１，１４，２１，２３，２４：標準燃料棒（第１の燃料棒）
２，１２，１３，２２：濃縮度分割燃料棒（第２の燃料棒）
１０，２０，３０，４０，５０：ＢＷＲ用燃料集合体（本発明）
１００：燃料集合体（従来例）
２００：燃料集合体（参考例）
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３：ＢＰ入り燃料棒（第１の燃料棒）
Ｐ１，６，７，１５，２５，２６：部分長燃料棒（第３の燃料棒）
Ｓ：制御棒
Ｗ：水ロッド
Ｚ：ノード目盛り
ａ〜ｃ，Ａ〜Ｈ，Ｊ〜Ｍ：核燃料物質の濃縮度
α〜γ：ガドリニア濃度

Claims (3)

1. 核燃料物質を含む燃料ペレットが被覆管内に充填されてなる燃料棒群が、１０行１０列以上の正方格子配列に配置され、且つ、該正方格子配列における燃料棒複数本相当の領域に水ロッドを備える沸騰水型原子炉用燃料集合体であって、
   前記燃料棒群は、軸方向における前記核燃料物質の濃縮度が一様又は略一様である第１の燃料棒と、軸方向下部における前記核燃料物質の濃縮度が軸方向上部における前記核燃料物質の濃縮度よりも高い第２の燃料棒と、燃料有効長が前記第１の燃料棒及び前記第２の燃料棒よりも短い第３の燃料棒とを含み、
   前記第２の燃料棒は、当該沸騰水型原子炉用燃料集合体の最外周及び／又は前記水ロッドに隣接する位置のみに配置され、
   前記第２の燃料棒の本数が、前記第１の燃料棒の本数の１／２未満である、
   沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. 前記第３の燃料棒は、当該沸騰水型原子炉用燃料集合体の最外周、及び前記水ロッドに隣接する位置のみに配置される、
   請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. 前記水ロッドに隣接する位置に配置される燃料棒は、全て前記第２の燃料棒又は前記第３の燃料棒である、
   請求項１又は２記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。

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