JP2020118526A - 燃料集合体および軽水炉の炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｐｕへの転換率をさらに向上でき、ボイド反応度係数をより負にできる燃料集合体を提供する。【解決手段】燃料集合体１は、複数の燃料棒および複数の水排除棒３Ａをチャンネルボックス内に配置する。各水排除棒は、チャンネルボックスの対向する一対の内面に隣接する。燃料集合体１は、燃料有効長の下端からその上端に向かって、燃料有効長内に、燃料領域６、内部ブランケット領域７、燃料領域８、内部ブランケット領域９、燃料領域１０および上部ブランケット領域１１を形成する。各燃料領域はＭＯＸ燃料を含む。水排除棒３Ａは、燃料領域６，８および１０に対向する第１領域４Ａ１，４Ａ２および４Ａ３を含み、内部ブランケット領域７および９に対向する第２領域４Ｂ１および４Ｂ２を含む。軽水よりも中性子減速能が小さい物質（例えば、炭素）が各第１領域に配置され、軽水よりも中性子減速能が大きい物質（例えば、ＺｒＨ2）が各第１領域に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料集合体および軽水炉の炉心に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な燃料集合体および軽水炉の炉心に関する。

現在運転中の正方燃料集合体格子および十字型制御棒を装荷している軽水炉において、燃料集合体内の燃料棒を正三角形格子稠密に配置すると共に、運転中に、横断面が正方形状の筒であるチャンネルボックス内でボイドを発生させることによって中性子スペクトルを硬化させた低減速スペクトル軽水炉が提唱されている。

低減速スペクトル軽水炉は、液体ナトリウムを冷却材とする高速炉と同様に、プルトニウム燃料を充填した燃料領域および劣化ウラン燃料を充填したブランケット領域を有する燃料集合体を炉心に配置した高転換炉として機能させることができる。しかしながら、横断面が正方形状になっている燃料集合体内に燃料棒を正三角形格子稠密に配置した場合には、最外層の燃料棒とチャンネルボックスとの間に間隙が生じ、燃料集合体内の減速材領域の割合が増加し、水対燃料体積比が増大して転換比が減少する。

さらに、燃料棒を冷却する冷却材が燃料集合体の最外層の燃料棒とチャンネルボックスとの間に間隙に集中して流れるため、燃料集合体の中央領域に流れる冷却材の量が減少し、燃料集合体の中央領域に存在する燃料棒の冷却性能が低下する。

一方、低減速スペクトル軽水炉では、中性子スペクトルが硬化するため、燃料集合体内に供給される冷却材の流量（炉心流量）が減少して燃料集合体内のボイド率が上昇した際に投入される反応度であるボイド反応度係数の負の絶対値が減少するという課題がある。原子炉を安全に運転するためには、ボイド反応度係数を負に維持する必要がある。

以上に述べたように、内部に燃料棒を正三角形格子稠密に配置して正方形状の横断面を有する燃料集合体が装荷された低減速スペクトル軽水炉では、転換比および燃料棒の冷却性能の低下、ボイド反応度係数の負の絶対値が減少するという課題が存在する。

これらの課題を解決する燃料集合体が幾つか提案されている。その一つは、特開平１１−２３７６５号公報に記載された燃料集合体である。この燃料集合体は、多数の燃料棒を、横断面が正方形状のチャンネルボックス内に正三角形格子稠密に配置する。多数の燃料棒の正三角形格子稠密配置は、チャンネルボックスの向かい合っている一対の第２内面に対して平行に配置された複数の燃料棒列を含む。これらの燃料棒配列は、それらの第２内面と直交する方向に配置されて向かい合っている他の一対の第１内面間に配置された複数の燃料棒を含む第１燃料棒配列と、第１燃料棒配列に含まれる燃料棒の本数よりも１本少ない本数の燃料棒がそれらの第１内面との間で配置される第２燃料棒配列を含んでおり、第１燃料棒配列と第２燃料棒配列は一対の第２内面の間で交互に配置される。第２燃料棒配列に含まれる各燃料棒は、第１燃料棒配列に含まれる、隣り合った各一対の燃料棒間に存在する間隙に対向して配置される。各第２燃料棒配列において、水排除部材である係合突起が、第２燃料棒配列の両端部に位置してその第１内面に対向している各燃料棒と第１内面との間に配置される。

特開平１１−２３７６５号公報に記載された燃料集合体では、係合突起の設置によって、チャンネルボックス内面付近の減速材領域を減少させ、冷却材が燃料集合体の外周部に偏在して流れることを抑制している。また、特開平１１−２３７６５号公報では、係合突起内を空洞にすることによって、燃料集合体の軸方向への中性子漏洩効果を増加させてボイド反応度係数をより低減させている。

また、特開２０１８−６６６９０号公報は、横断面が正方形状のチャンネルボックス内に、多数の燃料棒を正三角形格子稠密に配置している燃料集合体を記載する。この燃料集合体は、燃料有効長の上端から下端に向かって、上部より、上部ブランケット領域、燃料領域、第２内部ブランケット領域、燃料領域、第1内部ブランケット領域および燃料領域を配置している。さらに、特開２０１８−６６６９０号公報では、特開平１１−２３７６５号公報と同様に、チャンネルボックスの向かい合っている一対の第２内面に対して平行に配置された複数の燃料棒列が、それらの第２内面と直交する方向に配置されて向かい合っている他の一対の第１内面との間に配置された第１燃料棒配列と、第１燃料棒配列に含まれる燃料棒の本数よりも１本少ない本数の燃料棒がそれらの第１内面との間で配置される第２燃料棒配列を含んでおり、第１燃料棒配列と第２燃料棒配列は一対の第２内面の間で交互に配置される。第２燃料棒配列に含まれる各燃料棒は、第１燃料棒配列に含まれる、隣り合った各一対の燃料棒間に存在する間隙に対向して配置される。

特開平１１−２３７６５号公報 特開２０１８−６６６９０号公報

しかしながら、特開平１１−２３７６５号公報に記載されているように、空洞が内部に形成された水排除棒を燃料集合体内に配置したとしても、水排除棒内の空洞に漏洩した中性子の、燃料集合体の軸方向の上方に漏れる割合が極めて小さい。このため、特開平１１−２３７６５号公報におけるボイド反応度係数改善は不十分である。

本発明の目的は、プルトニウムへの転換率をさらに向上でき、ボイド反応度係数をより負にできる燃料集合体および軽水炉の炉心を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、チャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に配置され、核燃料物質を内部に充填している複数の燃料棒と、そのチャンネルボックス内に配置されてそのチャンネルボックスの内面に隣接する複数の水排除棒とを備えた燃料集合体であって、
燃料集合体の燃料有効長では、それらの燃料棒内の核燃料物質により、その燃料有効長の下端から上端に向かって、第１燃料領域、内部ブランケット領域および第２燃料領域が形成され、
その水排除棒は、水排除棒の軸方向に、第１燃料領域および第２燃料領域に対向する第１領域および内部ブランケット領域に対向する第２領域を有し、
その第１領域は軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質を含み、その第２領域は軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質を含んでいることにある。

チャンネルボックスの内面に隣接する各水排除棒が、水排除棒の軸方向に、第１燃料領域および第２燃料領域に対向する第１領域および内部ブランケット領域に対向する第２領域を有し、その第１領域は軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質を含み、その第２領域は軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質を含んでいるため、第１および第２燃料領域では、チャンネルボックスの内面付近での冷却水が排除され、さらに、第１物質（例えば、炭素）により、中性子の減速が著しく抑制され、中性子スペクトルが硬化されてウラン２３８のプルトニウム２３９への転換比を向上させることができる。また、水排除棒内の第２物質（例えば、ジルコニウムハイドライド）により、燃料集合体の相互間にあるギャップ水領域で減速された中性子がさらに減速されるため、内部ブランケット領域で生成されるプルトニウム２３９により、燃料集合体のボイド反応度係数がより負となる。

本発明によれば、プルトニウムへの転換率をさらに向上させることができ、ボイド反応度係数をより負にすることができる。

本発明の好適な一実施例である、沸騰水型原子炉に適用される実施例１の燃料集合体を示し、（Ａ）はこの燃料集合体における軸方向での燃料領域および内部ブランケット領域の配置状態を示す説明図であり、（Ｂ）はこの燃料集合体に含まれる水排除棒における、燃料集合体の軸方向での軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質および軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質のそれぞれの配置状態を示す説明図である。 図１のII−II断面図である。 図１のIII−III断面図である。 図１に示された燃料集合体が装荷された、沸騰水型原子炉の炉心の横断面図である。 図１に示された燃料集合体が装荷された炉心を有する沸騰水型原子炉の縦断面図である。 本発明の好適な他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用される実施例２の燃料集合体を示し、（Ａ）はこの燃料集合体における軸方向での燃料領域および内部ブランケット領域の配置状態を示す説明図であり、（Ｂ）はこの燃料集合体に含まれる水排除棒における、燃料集合体の軸方向での軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質および軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質のそれぞれの配置状態を示す説明図である。 本発明の好適な他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用される実施例３の燃料集合体を示し、（Ａ）はこの燃料集合体における軸方向での燃料領域および内部ブランケット領域の配置状態を示す説明図であり、（Ｂ）はこの燃料集合体に含まれる水排除棒における、燃料集合体の軸方向での軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質および軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質のそれぞれの配置状態を示す説明図である。

本発明者等は、種々の検討を重ね、プルトニウムへの転換率をさらに向上させることができ、ボイド反応度係数を負側にさらに低減することができる新たな燃料集合体の構成を見出した。この検討結果および新たに見出した燃料集合体の概要を以下に説明する。

燃料集合体は、例えば、特開２０１８−６６６９０号公報の図１に記載されたように、軸方向に、３つの燃料領域および２つの内部ブランケット領域を配置し、燃料領域と内部ブランケット領域を交互に配置している。燃料領域は、核分裂性プルトニウムを含む超ウラン核種を劣化ウランの酸化物または劣化ウランに富化した混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸ燃料という）を含み、内部ブランケット領域は、劣化ウランを含むが核分裂性プルトニウムを含む超ウラン核種を含んでいない。超ウラン核種としては、
このような燃料集合体において、発明者らは、プルトニウムへの転換率のさらなる向上、およびボイド反応度係数の負側へのさらなる低減を図ることができる対策を検討した。その結果、発明者らは、冷却材である軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質を燃料領域に対向する位置に配置し、軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質を内部ブランケット領域に対向する位置に配置した水排除棒を、燃料集合体内に配置すれば良いとの結論に達した。第１物質としては、Ｃ，Ａｌ，Ｚｒ，ジルカロイ，Ｆｅおよびステンレス鋼（ＳＵＳ）のいずれかを用いるとよい。なお、第１物質としては、軽水よりも中性子吸収断面積が小さいＣ，Ａｌ，Ｚｒおよびジルカロイのいずれかを用いることが望ましい。第１物質として、Ｆｅおよびステンレス鋼ではなく、軽水よりも中性子吸収断面積が小さいＣ，Ａｌ，Ｚｒおよびジルカロイのいずれかを用いることによって吸収される中性子の量が低減され、中性子の利用効率が向上する。また、第２物質としては、ジルコニウムハイドライド（ＺｒＨ₂）および水素化イットリウム（Ｙ−Ｈ）のいずれかを用いるとよい。

第１物質および第２物質のそれぞれを含む水排除棒は、多数の燃料棒を正三角形格子稠密に配置した燃料集合体内において、前述の各第２燃料棒配列の両端部のそれぞれとチャンネルボックスの内面との間に配置するとよい。これらの水排除棒は、チャンネルボックスを介して、隣り合う燃料集合体間に形成される、飽和水が存在するギャップ水領域に向き合っている。

水排除棒内で第１物質（例えば、炭素）を燃料領域に対向させて配置することにより、燃料集合体の燃料領域では、チャンネルボックス内の、減速材となる冷却水（軽水）が存在する領域が低減されて中性子の減速を抑制することができ、さらに、軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質の作用によってその中性子の減速をさらに抑制することができる。このため、中性子スペクトルが硬化されてウラン２３８のプルトニウム２３９への転換比を向上させることができる。

内部ブランケット領域では劣化ウランに含まれるウラン２３８の、中性子の捕獲反応により、そのウラン２３８から核分裂性物質であるプルトニウム２３９が生成される。水排除棒内で内部ブランケット領域に対向させて配置された第２物質によって中性子を減速させて中性子エネルギーを低エネルギー側にシフトさせるほど、内部ブランケット領域で生成されるプルトニウム２３９により、燃料集合体のボイド反応度係数がより負となる。燃料集合体において、内部ブランケット領域と対向する第２物質（例えば、ジルコニウムハイドライド）を含む水排除棒を、各第２燃料棒配列の両端部のそれぞれとチャンネルボックスの内面との間に配置することにより、チャンネルボックスの外側に形成されたギャップ水領域で減速された中性子を第２物質によってさらに減速させるため、燃料集合体のボイド反応度係数をより負とすることができる。

また、その水排除棒が、燃料集合体内において、前述の各第２燃料棒配列の両端部のそれぞれとチャンネルボックスの内面との間に配置されるため、特開２０１８−６６６９０号公報の図１に記載された燃料集合体において、各第２燃料棒配列の両端部のそれぞれとチャンネルボックスの内面との間に形成された間隙を通して上昇する冷却水の流量を抑制することができ、燃料集合体の横断面での中央部に流れる冷却水の流量を増加させることができる。この結果、燃料集合体の横断面の中央部に配置された各燃料棒の冷却性能を向上させることができる。

以上に述べた検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である、沸騰水型原子炉、例えば、軽水炉の一種である改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）に適用される実施例１の燃料集合体を、図１、図２および図３に基づいて説明する。

まず、本実施例の燃料集合体が適用される沸騰水型原子炉の概略構成を、図５を用いて説明する。図５は、ＡＢＷＲの構成を示している。

ＡＢＷＲ１７は、炉心１６、原子炉圧力容器１８、炉心シュラウド１９、炉心支持板２０および上部格子板２１を有する。炉心シュラウド１９、炉心支持板２０、上部格子板２１、気水分離器２５および蒸気乾燥器２６が、原子炉圧力容器１８内に配置される。

円筒状の炉心シュラウド１９が原子炉圧力容器１８内で炉心１６を取り囲んでおり、シュラウドヘッド２２が炉心シュラウド１９の上端部に設けられる。気水分離器２５が、炉心シュラウド１９に取り付けられ、炉心シュラウド１９から上方に向かって伸びている。蒸気乾燥器２６が、気水分離器２５よりも上方に配置される。

炉心支持板２０および上部格子板２１が炉心シュラウド１９内に配置される。図１、図２および図３に示された構成を有する複数の燃料集合体１が、炉心１６に装荷されている。これらの燃料集合体１の下端部は、炉心シュラウド１９に取り付けられた炉心支持板２０に設置された複数の燃料支持金具２４のそれぞれによって支持され、各燃料集合体１の上端部は、炉心支持板２０よりも上方に配置されて炉心シュラウド１９に取り付けられた上部格子板２１によって支持される。

炉心１６に装荷された隣り合う４体毎の燃料集合体１の相互間に挿入されて燃料集合体の核反応を制御する、横断面が十字形をしている複数の制御棒１４が、原子炉圧力容器１８内に配置される。これらの制御棒１４のそれぞれは、炉心支持板２０よりも下方で原子炉圧力容器１８内に配置された複数の制御棒案内管（図示せず）内に別々に配置される。さらに、複数の制御棒駆動機構（制御棒駆動装置）２７が、原子炉圧力容器１８の底部である鏡板に取り付けられてこの鏡板よりも下方に向かって伸びる複数の制御棒駆動機構ハウジング（図示せず）内に別々に設置される。各制御棒駆動機構２７は、各制御棒１４に連結されている。

複数のインターナルポンプ２３が、原子炉圧力容器１８の内面と炉心シュラウド１９の外面の間に形成される環状のダウンカマ２８の位置で原子炉圧力容器１８の下鏡を鏡板の下方に向かって貫通し、その鏡板に取り付けられる。各インターナルポンプ２３のインペラはダウンカマ２８に配置される。これらのインターナルポンプ２３は、ダウンカマ２８の周方向に、所定の間隔で配置される。このように配置される各インターナルポンプ２３は、炉心シュラウド１９の内側に配置される各制御棒案内管と干渉することはない。

ＡＢＷＲ１７の起動後に各インターナルポンプ２３が駆動されると、ダウンカマ２８内の冷却水（軽水）が、回転するインペラによって昇圧されて、ダウンカマ２８から、炉心支持板２０よりも下方の領域である、原子炉圧力容器１８内の下部プレナム２９内に流入し、炉心１６に装荷された各燃料集合体１内に導かれる。燃料集合体１内に達した冷却水は、燃料集合体１に含まれる後述の複数の燃料棒２内の核燃料物質に含まれる核分裂性物質（プルトニウム２３９等）の核分裂によって発生する熱によって加熱され、一部の冷却水は蒸気になる。蒸気を含む冷却水である気液二相流は、燃料棒２を冷却しながら燃料集合体１内を上昇し、気水分離器２５に流入する。気水分離器２５内で、気液二相流は、湿分を含む蒸気（気相）と水（液相）に分離され、液相は再び冷却水としてダウンカマ２８内に導かれる。一方、蒸気（気相）は気水分離器２５から蒸気乾燥器２６に導かれ、蒸気乾燥器２６で蒸気から湿分が除去される。湿分が除去された蒸気が、主蒸気配管３０を通してタービン（図示せず）に供給される。タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水になる。この水は、給水として、給水配管３１により原子炉圧力容器１８に導かれて冷却水となる。この冷却水は、ダウンカマ２８内を下降し、インターナルポンプ２３で昇圧される。

ここで、本実施例の燃料集合体１の具体的な構成を以下に説明する。燃料集合体１は、図２に示すように、複数の燃料棒２、横断面が正方形状の角筒であるチャンネルボックス５、下部タイプレート（図示せず）、上部タイプレート（図示せず）、複数の燃料スペーサ（図示せず）および複数の水排除棒３Ａを有する。複数の燃料棒２、例えば、外形が７．２ｍｍである２４３本の燃料棒２が、チャンネルボックス５内において、所定の間隔（例えば、１．５ｍｍピッチ）で正三角形格子稠密に配置される。これらの燃料棒２の下端部が下部タイプレートに支持され、各燃料棒２の上端部が上部タイプレートに支持される。各水排除棒３Ａも、下端部が下部タイプレートに支持され、上端部が上部タイプレートに支持される。軸方向に配置された複数の燃料スペーサによって、これらの燃料棒２が燃料棒２の相互間を前述の所定間隔に保持された状態で、また、各水排除棒３Ａも燃料棒２との間を所定間隔に保持された状態で、束ねられる。燃料集合体１の横断面における、各燃料棒２および各水排除棒３Ａの配置は、後程、詳細に説明する。

チャンネルボックス５は、図２に示すように、４つの側壁部５Ａ，５Ｂ，５Ｃおよび５Ｄを有する。互いに向かい合っている一対の側壁部５Ｃおよび５Ｄのそれぞれの内面を第１内面と称し、側壁部５Ｃおよび５Ｄと直交する方向に位置して互いに向かい合っている一対の側壁部５Ａおよび５Ｂのそれぞれの内面を第２内面と称する。

この燃料集合体１の横断面において、チャンネルボックス５内に配置された複数の燃料棒２は、チャンネルボックス５の向かい合っている一対の第２内面の間に存在する、第２内面に対して平行に配列された複数の燃料棒配列に含まれる。これらの燃料棒配列は、第２内面と直交する方向に位置して互いに向かい合っている一対の第１内面の間に配置された複数の燃料棒２を含んでいる。それらの燃料棒配列は、燃料棒配列（第１燃料棒配列）３３、燃料棒配列（第２燃料棒配列）３４を含み、さらに、燃料棒配列（第３燃料棒配列）３５を含んでいる。

燃料棒配列３４に含まれる燃料棒２の本数は、燃料棒配列３３に含まれる燃料棒２の本数よりも一本少なくなっている。燃料棒配列３３と燃料棒配列３４は、一対の第２内面の間（側壁部５Ａと側壁部５Ｂの間））で、交互に配置される。燃料棒配列のうち一対の第２内面のそれぞれに最も近い位置に配置される各燃料棒配列３５に含まれる燃料棒２の本数は、燃料棒配列３３に含まれる燃料棒２の本数よりも二本少なくなっている。これは、燃料棒配列３５の両端部が、チャンネルボックス５のコーナー部付近に位置しているからである。

各燃料棒配列３４の一端部に位置する燃料棒２Ａと側壁部５Ｄの第１内面との間の間隔、および各燃料棒配列３４の他端部に位置する燃料棒２Ｂと側壁部５Ｃの第１内面との間の間隔のそれぞれは、燃料棒配列３３の両端部に位置する燃料棒２と第１内面との間隔よりも広くなっている。このため、水排除棒３Ａが、各燃料棒配列３４の一端部に位置する燃料棒２Ａと側壁部５Ｄの第１内面との間、および各燃料棒配列３４の他端部に位置する燃料棒２Ｂと側壁部５Ｃの第１内面との間のそれぞれに配置される。換言すれば、燃料棒２Ａは燃料棒配列３４に含まれる複数の燃料棒２のうち側壁部５Ｄの第１内面に最も近い位置に存在する燃料棒２である。また、燃料棒２Ｂは燃料棒配列３４に含まれる複数の燃料棒２のうち側壁部５Ｃの第１内面に最も近い位置に存在する燃料棒２である。水排除棒３Ａの横断面の形状は、図２および図３に示すように、チャンネルボックス５の第１内面に面する部分の幅が燃料棒２に面する部分の幅よりも広くなる台形になっている。

横断面が十字形をしている制御棒１４は、図４に示すように、炉心１６の横断面において、隣接して配置された４体の燃料集合体１毎に一体の割合で配置される。制御棒１４は、図２に示すように、燃料集合体１の外側で、燃料集合体１の一つのコーナー部に面して配置される。制御棒１４の二枚のブレードが、一体の燃料集合体１の二つの側壁部５Ａおよび５Ｃに対向している。

制御棒１４は、中性子吸収材（例えば、ボロン）を充填した中性子吸収材領域（図示せず）、およびフォロアー部（図示せず）を有する。中性子吸収材領域およびフォロアー部のそれぞれは制御棒１４におけるブレードの軸方向の長さの１／２になっており、フォロアー部は中性子吸収材領域の上方に配置される。中性子吸収材領域の、制御棒１４の軸方向における長さは、燃料集合体１における後述の燃料有効長の軸方向長さと同じであり、制御棒１４が炉心１６に全挿入されたとき、中性子吸収材領域の全長が燃料集合体１４の燃料有効長の全長と対向する。そのフォロアー部は、軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質である炭素で構成されている。制御棒１４が炉心１６に全挿入されたとき、フォロアー部は、燃料集合体１において燃料有効長の上方に存在するプレナム部（図示せず）に対向する。このプレナム部は、燃料集合体１内に配置された各燃料棒２の被覆管（図示せず）内で、複数の燃料ペレットが充填された領域（燃料有効長）の上端よりも上方に形成される。

また、燃料集合体１の他の側壁部５Ｂとこの側壁部５Ｂに隣接している他の燃料集合体１との間、および燃料集合体１の他の側壁部５Ｄとこの側壁部５Ｄに隣接している他の燃料集合体１との間のそれぞれに存在するギャップ水領域１３に、水排除板１５が配置される。

燃料集合体１の燃料有効長（核燃料物質が充填された領域の、燃料集合体の軸方向における長さ）は、１８０ｃｍである。燃料集合体１の燃料有効長では、図１（Ａ）に示すように、その燃料有効長Ｈの下端から上端に向かって、燃料領域（第１燃料領域）６、第１内部ブランケット領域７、燃料領域（第２燃料領域）８、第２内部ブランケット領域９、燃料領域（第３燃料領域）１０および上部ブランケット領域１１が形成される。燃料領域８の高さは燃料領域６および１０の高さよりも低くなっている。さらに、燃料領域６の高さは燃料領域１０のそれよりも高くなっている。第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９のそれぞれの高さは等しい。燃料領域６、８および１０の各領域には、ＭＯＸ燃料が充填される。第１内部ブランケット領域７、第２内部ブランケット領域９および上部ブランケット領域１１の領域には、核分裂性プルトニウムを含む超ウラン核種が存在しなく、劣化ウランが充填される。第１内部ブランケット領域７、第２内部ブランケット領域９および上部ブランケット領域１１の領域には、劣化ウランの替りに、天然ウランおよび減損ウランのいずれかを充填してもよい。燃料領域６、第１内部ブランケット領域７、燃料領域８、第２内部ブランケット領域９、燃料領域１０および上部ブランケット領域１１のそれぞれの高さは、炉心１６の軸方向の出力分布が平坦になるように設定される。

なお、燃料領域６は燃料有効長Ｈの下端と燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの３／２４の位置との間に存在し、第１内部ブランケット領域７は燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの３／２４の位置と燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの１０．７／２４の位置との間に存在し、燃料領域８は燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの１０．７／２４の位置と燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの１３．３／２４の位置との間に存在する。さらに、第２内部ブランケット領域９は燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの１３．３／２４の位置と燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの２０．９／２４の位置との間に存在し、燃料領域１０は燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの２０．９／２４の位置と燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの２３．７／２４の位置との間に存在し、上部ブランケット領域１１は燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの２３．７／２４の位置と燃料有効長Ｈの上端との間に存在する。

燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体１の燃料有効長における、燃料領域６、第１内部ブランケット領域７、燃料領域８、第２内部ブランケット領域９、燃料領域１０および上部ブランケット領域１１の各領域は、各燃料棒２内に充填された核燃料物質によって形成される。核燃料物質は、燃料棒２の、上端部および下端部が密封された被覆管（図示せず）内に充填される。各燃料棒２の被覆管内には、下端部から上端部に向かって、燃料領域６、第１内部ブランケット領域７、燃料領域８、第２内部ブランケット領域９、燃料領域１０および上部ブランケット領域１１が形成されている。燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体１において、各燃料棒２は、核燃料物質であるＭＯＸ燃料の複数の燃料ペレットを燃料領域６、８および１０のそれぞれに充填し、他の核燃料物質である劣化ウランの酸化物または劣化ウランの複数の燃料ペレットを第１内部ブランケット領域７、第２内部ブランケット領域９および上部ブランケット領域１１のそれぞれに充填している。燃料集合体１の燃焼度が０ＧＷｄ／ｔであるとき、第１内部ブランケット領域７、第２内部ブランケット領域９および上部ブランケット領域１１のそれぞれに充填される複数のペレットは、プルトニウムを含んでいない。

燃料集合体１内に配置される各水排除棒３Ａは、図１（Ｂ）に示すように、燃料有効長Ｈの下端からその上端に向かって、第１領域４Ａ_１、第２領域４Ｂ_１、第１領域４Ａ_２、第２領域４Ｂ_２および第１領域４Ａ_３をこの順番で配置している。第１領域４Ａ_１は燃料領域６に対向しており、第１領域４Ａ_１の、燃料集合体１の軸方向の長さは燃料領域６のその軸方向の長さと同じである。第２領域４Ｂ_１は第１内部ブランケット領域７に対向しており、第２領域４Ｂ_１の、燃料集合体１の軸方向の長さは第１内部ブランケット領域７のその軸方向の長さと同じである。第１領域４Ａ_２は燃料領域８に対向しており、第１領域４Ａ_２の、燃料集合体１の軸方向の長さは燃料領域８のその軸方向の長さと同じである。第２領域４Ｂ_２は第２内部ブランケット領域９に対向しており、第２領域４Ｂ_２の、燃料集合体１の軸方向の長さは第２内部ブランケット領域９のその軸方向の長さと同じである。第１領域４Ａ_３は燃料領域１０および上部ブランケット領域１１に対向しており、第１領域４Ａ_３の、燃料集合体１の軸方向の長さは燃料領域１０および上部ブランケット領域１１のそれぞれのその軸方向の長さの合計と同じである。

なお、第１領域４Ａ_１と第２領域４Ｂ_１の境界の、燃料集合体１の軸方向での位置は、燃料領域６と第１内部ブランケット領域７の境界の、その軸方向での位置と同じである。第２領域４Ｂ_１と第１領域４Ａ_２の境界の、燃料集合体１の軸方向での位置は、第１内部ブランケット領域７と燃料領域８の境界の、その軸方向での位置と同じである。第１領域４Ａ_２と第２領域４Ｂ_２の境界の、燃料集合体１の軸方向での位置は、燃料領域８と第２内部ブランケット領域９の境界の、その軸方向での位置と同じである。第２領域４Ｂ_２と第１領域４Ａ_３の境界の、燃料集合体１の軸方向での位置は、第２内部ブランケット領域９と燃料領域１０の境界の、その軸方向での位置と同じである。

各水排除棒３Ａは、両端部が密封された被覆管（図示せず）内において、軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質，例えば、炭素の棒を、第１領域４Ａ_１、４Ａ_２および４Ａ_３のそれぞれに配置し、軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質、例えば、ジルコニウムハイドライドの棒を、第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２のそれぞれに配置している。各水排除棒３Ａでは、第２領域４Ｂ_１のジルコニウムハイドライド棒が第１領域４Ａ_１の炭素棒の上端に置かれ、第１領域４Ａ_２の炭素棒が第２領域４Ｂ_１のジルコニウムハイドライド棒の上端に置かれ、第２領域４Ｂ_２のジルコニウムハイドライド棒が第１領域４Ａ_２の炭素棒の上端に置かれ、さらに、第１領域４Ａ_３の炭素棒が第２領域４Ｂ_２のジルコニウムハイドライド棒の上端に置かれている。

複数の燃料集合体１が装荷される炉心１６も、燃料集合体１と同様に、下端から上端に向かって、燃料領域６、第１内部ブランケット領域７、燃料領域８、第２内部ブランケット領域９、燃料領域１０および上部ブランケット領域１１を形成し、さらに、下端から上端に向かって、第１領域４Ａ_１、第２領域４Ｂ_１、第１領域４Ａ_２、第２領域４Ｂ_２および第１領域４Ａ_３を形成している。

複数の燃料集合体１が装荷された炉心１６を有するＡＢＷＲ１７が起動されて制御棒１４が炉心１６から引き抜かれ、ＡＢＷＲ１７が臨界になる。さらに、制御棒１４が引き抜かれてＡＢＷＲ１７の昇温昇圧工程が実施され、原子炉圧力容器１８内の圧力が定格圧力まで上昇され、燃料集合体１内の各燃料棒２内に存在するＭＯＸ燃料に含まれる核分裂性プルトニムの核分裂で生じる熱によって燃料集合体１内の冷却水が加熱されて原子炉圧力容器１８内の冷却水の温度が定格温度（２８０℃）まで上昇される。原子炉圧力容器１８内の圧力が定格圧力になり、その冷却水の温度が定格温度に上昇した後、炉心１６からの制御棒１４の引き抜き、および炉心１６に供給される冷却水の流量増加により、原子炉出力が定格出力（１００％出力）まで上昇される。定格出力を維持した、ＡＢＷＲ１７の定格運転が、その運転サイクルの終了まで継続される。インターナルポンプ２３が駆動されているとき、例えば、ＡＢＷＲ１７の定格運転時において、インターナルポンプ２３で昇圧された冷却水（軽水）は、炉心１６に存在する各燃料集合体１内に供給される。

燃料集合体１のチャンネルボックス５内には、側壁部５Ｃおよび５Ｄのそれぞれの第１内面に隣接して配置された複数の水排除棒３Ａによって、各第１内面付近を上昇する冷却水の流量が抑制され、燃料集合体１の横断面の中央部を流れる冷却水の流量が増加する。このため、その中央部に配置された各燃料棒２の冷却性能が向上する。

チャンネルボックス５内に配置される各水排除棒３Ａは、複数の燃料棒２と共に燃料スペーサによって束ねられず、チャンネルボックス５の、前述の第１内面のそれぞれに設置してもよい。

各水排除棒３Ａをチャンネルボックス５内で側壁部５Ｃおよび５Ｄのそれぞれの第１内面に隣接して配置しているため、燃料集合体１の燃料領域６，８および１０では、側壁部５Ｃおよび５Ｄのそれぞれの第１内面付近での冷却水が排除され、さらに、軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質，例えば、棒状の炭素が、それぞれの第１内面付近に位置する、各燃料領域に対応する第１領域４Ａ_１、４Ａ_２および４Ａ_３のそれぞれに存在していることにより、中性子の減速が著しく抑制され、中性子スペクトルが硬化されて燃料領域６，８および１０のそれぞれに存在するウラン２３８のプルトニウム２３９への転換比を向上させることができる。

上記したように、燃料領域６，８および１０に対向して棒状の炭素が第１領域４Ａ_１、４Ａ_２および４Ａ_３に存在するため、燃料領域６，８および１０のそれぞれの第１内面付近における減速材が減少される。減速材の減少は、それらの燃料領域では、０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体１に存在するＭＯＸ燃料中の核分裂性プルトニウム（Ｐｕ２３９およびＰｕ２４１等）、およびＭＯＸ燃料中の劣化ウランに含まれるＵ２３８が高速中性子を捕獲することによって生成されるＰｕ２３９のそれぞれが熱中性子によって核分裂することを抑制し、熱中性子で核分裂を生じない非核分裂性プルトニウムおよび非核分裂性マイナアクチニドのそれぞれの、高速中性子による核分裂を促進する。この結果、燃料領域６，８および１０におけるウラン２３８のプルトニウム２３９への転換比が向上する。

第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９では劣化ウランに含まれるウラン２３８の、高速中性子の捕獲反応により、そのウラン２３８から核分裂性物質であるプルトニウム２３９が生成される。水排除棒３Ａ内で各内部ブランケット領域に対向させて配置された、各水排除棒３Ａ内の第２物質である棒状のジルコニウムハイドライドによって、ギャップ水領域１３で減速された中性子がさらに減速されるため、第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９で生成されるプルトニウム２３９により、燃料集合体１のボイド反応度係数がより負となる。

各水排除棒３Ａの各第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２内のジルコニウムハイドライドによって生じた熱中性子による、燃料集合体１のボイド反応度係数を負にする効果は、その熱中性子が燃料集合体１の横断面の中央部に到達しないため、主に、燃料集合体１の第１内面付近に到達する熱中性子によってもたらされる。

燃料集合体１の横断面の中央部に配置された各燃料棒２では、第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９のそれぞれが該当する燃料領域と接触しているため、接触する燃料領域に含まれる核分裂性プルトニウムの核分裂で生じる高速中性子が、第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９に到達する。このため、これらの第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９内の劣化ウランに含まれるウラン２３８がその高速中性子を捕獲してプルトニウム２３９に転換され、第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９における転換比も向上する。

以上に述べたように、本実施例の燃料集合体１は、プルトニウムへの転換率をさらに向上でき、ボイド反応度係数をより負にすることができる。燃料集合体１を装荷した炉心でも、プルトニウムへの転換率をさらに向上でき、ボイド反応度係数をより負にすることができる。

本発明の好適な他の実施例である、ＡＢＷＲに適用される実施例２の燃料集合体を、図６に基づいて説明する。

このＡＢＷＲの構成は、実施例１で述べたＡＢＷＲと同じ構成である。また、本実施例の燃料集合体１Ａ内に配置される水排除棒３Ｂの構成以外の、燃料集合体１Ａの構成は、実施例１の燃料集合体１の構成と同じである。

実施例１の燃料集合体１内に配置される水排除棒３Ａと構成が異なる、燃料集合体１Ａ内に配置される水排除棒３Ｂの構成を、図６（Ｂ）を用いて説明する。燃料集合体１Ａは、燃料集合体１と同様に、燃料有効長において、下端から上端に向かって、燃料領域６、第１内部ブランケット領域７、燃料領域８、第２内部ブランケット領域９、燃料領域１０および上部ブランケット領域１１を形成する（図６（Ａ）参照）。水排除棒３Ｂは、実施例１における水排除棒３Ａと同様に、下端から上端に向かって、第１領域４Ａ_１、第２領域４Ｂ_１、第１領域４Ａ_２、第２領域４Ｂ_２および第１領域４Ａ_３をこの順番で配置している。しかし、水排除棒３Ｂでは、水排除棒３Ａと異なって、第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２のそれぞれの高さが、第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９のそれぞれの高さｈの１／２（ｈ／２）になっている。すなわち、水排除棒３Ｂにおける第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２のそれぞれの高さは、水排除棒３Ａにおける第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２のそれぞれの高さよりも低くなっている。また、水排除棒３Ｂにおいて、第１領域４Ａ_１の上端は燃料領域６の上端よりも高い位置に存在し、第１領域４Ａ_２の上端は燃料領域８の上端よりも高い位置に存在する。水排除棒３Ｂにおいて、第１領域４Ａ_１と第２領域４Ｂ_１の境界は燃料領域６の上端よりもｈ／４だけ高い位置に存在し、第１領域４Ａ_２と第２領域４Ｂ_２の境界は燃料領域８の上端よりもｈ／４だけ高い位置に存在する。

このため、水排除棒３Ｂでは、第１領域４Ａ_１は燃料領域６に対向しているだけでなく第１内部ブランケット領域７の下端部にも対向しており、第１領域４Ａ_２は燃料領域８に対向しているだけでなく第１内部ブランケット領域７の上端部および第２内部ブランケット領域９の下端部にも対向しており、第１領域４Ａ_３は燃料領域１０および上部ブランケット領域１１に対向しているだけでなく第２内部ブランケット領域９の上端部にも対向している。なお、水排除棒３Ｂでは、高さの低い第２領域４Ｂ_１が第１内部ブランケット領域７に対向し、高さの低い第２領域４Ｂ_２が第２内部ブランケット領域９に対向する。

本実施例の燃料集合体１Ａは、第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２のそれぞれの高さが燃料集合体１における第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２のそれぞれの高さよりも低いが、実施例１の燃料集合体１で生じる各効果を得ることができる。ただし、第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２のそれぞれの高さが低くなると、第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９に隣接する中性子減速能の大きな領域が減少するため、ボイド反応度係数の改善度合いは実施例１よりも小さくなる。

第２領域４Ｂ_１および４Ｂ_２のそれぞれの、燃料集合体１Ａの軸方向における長さは、ｈ／２以上ｈ以下の範囲内の長さにするとよい。

本発明の好適な他の実施例である、ＡＢＷＲに適用される実施例３の燃料集合体を、図７に基づいて説明する。

このＡＢＷＲの構成は、実施例１で述べたＡＢＷＲと同じ構成である。また、本実施例の燃料集合体１Ｂ内に配置される水排除棒３Ｃの構成以外の、燃料集合体１Ｂの構成は、実施例１の燃料集合体１の構成と同じである。

実施例１の燃料集合体１内に配置される水排除棒３Ａと構成が異なる、燃料集合体１Ａ内に配置される水排除棒３Ｂの構成を、図７（Ｂ）を用いて説明する。燃料集合体１Ａは、燃料集合体１と同様に、燃料有効長において、下端から上端に向かって、燃料領域６、第１内部ブランケット領域７、燃料領域８、第２内部ブランケット領域９、燃料領域１０および上部ブランケット領域１１を形成する（図７（Ａ）参照）。水排除棒３Ｂは、実施例１における水排除棒３Ａとことなり、下端から上端に向かって、第１領域４Ａ_１、第２領域４Ｂ_１および第１領域４Ａ_２をこの順番で配置している。しかし、水排除棒３Ｂでは、第１領域４Ａ_１が燃料領域６、第１内部ブランケット領域７および燃料領域８に対応させて配置され、第２領域４Ｂ_１が第２内部ブランケット領域９に対応させて配置され、第１領域４Ａ_２が燃料領域１０および上部ブランケット領域１１に対応させて配置される。

水排除棒３Ｃにおいて、第１領域４Ａ_１の上端は燃料領域８と第２内部ブランケット領域９の境界の位置に存在し、第２領域４Ｂ_１の上端は第２内部ブランケット領域９と燃料領域１０の境界の位置に存在する。

本実施例の燃料集合体１Ｂは、実施例１の燃料集合体１で生じる各効果を得ることができる。しかし、本実施例では棒状の炭素が存在する第２領域４Ｂ_１が第１内部ブランケット領域７に対応して配置されていないため、本実施例におけるボイド反応度係数の改善度合いが、実施例１におけるその改善度合いよりも低くなる。棒状の炭素が存在する第２領域４Ｂ_１を第１内部ブランケット領域７および第２内部ブランケット領域９のいずれかに対応させて配置する場合には、本実施例における水排除棒３Ｃのように、第２領域４Ｂ_１を第２内部ブランケット領域９に対応させて配置するとよい。第２領域４Ｂ_１を第２内部ブランケット領域９に対応させて配置した場合には、第２領域４Ｂ_１を第１内部ブランケット領域７に対応させて配置した場合に比べて、ボイド反応度係数の改善度合いが大きくなる。これは、燃料集合体１Ｂの、燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの１／２の位置よりも下方では燃料集合体１Ｂの軸方向のボイド率が低く、水排除棒による中性子減速の効果が小さいため、その部分に、第１物質、例えば、炭素を配置しても、ボイド反応度係数を改善する効果が小さくなるからである。このため、ボイド反応度係数を改善する効果が大きくなる、燃料有効長Ｈの下端から燃料有効長Ｈの１／２の位置よりも上方に、すなわち、第２内部ブランケット領域９に対応させて炭素を配置するとよい。

さらに、本実施例は、水排除棒３Ｃ内の、軽水よりも中性子吸収断面積が小さい棒状の炭素を含む第１領域４Ａ_１を第１内部ブランケット領域７に対応させて配置しているため、第１内部ブランケット領域７における中性子の減速が抑制されて中性子スペクトルが硬化され、第１内部ブランケット領域７内でのウラン２３８のプルトニウム２３９への転換比を向上させることができる。

実施例１ないし３で述べた燃料集合体１，１Ａおよび１Ｂは、ＡＢＷＲ以外に、インターナルポンプの替りにジェットポンプを用いた沸騰水型原子炉に適用してもよい。

１，１Ａ，１Ｂ…燃料集合体、２，２Ａ，２Ｂ…燃料棒、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…水排除棒、４Ａ_１，４Ａ_２，４Ａ_３…第１領域（軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質が充填される領域）、４Ｂ_１，４Ｂ_２…第２領域（軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質が充填される領域）、５…チャンネルボックス、６，８，１０…燃料領域、７…第１内部ブランケット領域、９…第２内部ブランケット領域、１４…制御棒、１６…炉心、１８…原子炉圧力容器、１９…炉心シュラウド、３３，３４，３５，３５Ａ…燃料棒配列。

Claims (10)

1. チャンネルボックスと、前記チャンネルボックス内に配置され、核燃料物質を内部に充填している複数の燃料棒と、前記チャンネルボックス内に配置されて前記チャンネルボックスの第１内面に隣接する複数の水排除棒とを備えた燃料集合体であって、
   前記燃料集合体の燃料有効長では、それらの燃料棒内の前記核燃料物質により、前記燃料有効長の下端から上端に向かって、第１燃料領域、内部ブランケット領域および第２燃料領域が形成され、
   前記水排除棒は、この水排除棒の軸方向に、前記第１燃料領域および前記第２燃料領域に対向する第１領域および前記内部ブランケット領域に対向する第２領域を有し、
   前記第１領域は軽水よりも中性子減速能が小さい第１物質を含み、前記第２領域は軽水よりも中性子減速能が大きい第２物質を含んでいることを特徴とする燃料集合体。
2. 前記燃料集合体の軸方向における前記内部ブランケット領域の長さをｈとしたとき、前記第２領域は、その軸方向において、ｈ／２以上ｈ以下の範囲内の長さを有する請求項１に記載の燃料集合体。
3. 前記複数の燃料棒および前記複数の水排除棒は、下端部が下部タイプレートに支持されて上端部が上部タイプレートに支持され、前記燃料集合体の軸方向に配置された複数の燃料スペーサによって束ねられている請求項１または２に記載の燃料集合体。
4. 前記複数の燃料棒は、下端部が下部タイプレートに支持されて上端部が上部タイプレートに支持され、前記燃料集合体の軸方向に配置された複数の燃料スペーサによって束ねられており、
   前記複数の水排除棒は、前記チャンネルボックスの前記第１内面に設置されている請求項１または２に記載の燃料集合体。
5. 前記複数の燃料棒は、前記燃料集合体の横断面において正三角形格子状に配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料集合体。
6. 前記チャンネルボックスの対向する一対の前記第１内面と直交する方向に配置されて互いに対向する一対の第２内面に対して平行に配置され、一対の前記第１内面間に配置された複数の前記燃料棒を含む複数の第１燃料棒配列、および一対の前記第２内面に対して平行に配置され、前記燃料棒が前記第１燃料棒配列よりも一本少ない複数の第２燃料棒配列を有し、
   各前記水排除棒が、前記第２燃料棒配列の両端部にそれぞれ位置する前記燃料棒と前記第１内面との間に配置される請求項５に記載の燃料集合体。
7. 前記水排除棒内の前記第２領域は、前記燃料有効長の１／２よりも上方に位置する前記内部ブランケット領域に対向しており、
   前記水排除棒内の前記第１領域は、この内部ブランケット領域よりも上方に位置する前記第２燃料領域に対向しており、さらに、前記燃料有効長の下端と前記第２領域の間の領域に配置される請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料集合体。
8. 燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである前記燃料集合体では、前記第１燃料領域および前記第２燃料領域は、超ウラン核種を含んでおり、前記内部ブランケット領域は、劣化ウラン、天然ウランおよび減損ウランのいずれかを含み、前記超ウラン核種を含んでいない請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料集合体。
9. 前記第１物質がＣ，Ａｌ，Ｚｒ，ジルカロイ，Ｆｅおよびステンレス鋼のいずれかであり、前記第２物質がジルコニウムハイドライドおよび水素化イットリウムのいずれかである請求項１ないし８のいずれか１項に記載の燃料集合体。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料集合体が装荷されていることを特徴とする軽水炉の炉心。

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