JP2022006419A - 燃料集合体及び沸騰水型原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】最外層に配置される燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に、偏在して流通する冷却水の流れを抑制し、最外層付近に配置される燃料棒の発熱分布を考慮し、最外層から１層内側に配置される燃料棒の除熱性能を向上させる燃料集合体を提供する。
【解決手段】燃料集合体は、三角格子状に配置される複数の燃料棒２０１と、燃料棒を配置する四角筒状のチャンネルボックス２０３と、を有し、燃料棒は、中央領域に配置される第１燃料棒２０１１と、その周囲に配置される第２燃料棒２０１２と、更に、その周囲に配置される第１燃料棒とを、有し、第１燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、１つの燃料濃縮度の燃料を有し、第２燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、２つの燃料濃縮度の燃料を有し、第２燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度は、第１燃料棒の燃料の燃料濃縮度よりも、低いことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料集合体及び沸騰水型原子炉に関する。

沸騰水型原子炉には、その炉心に装荷される燃料集合体の燃料棒を三角格子状に配置し、四角筒状のチャンネルボックスを有する沸騰水型原子炉（低減速スペクトル沸騰水型原子炉）が存在する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１８－６６６９０号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、運転中に中性子スペクトルを硬化させる低減速スペクトル沸騰水型原子炉が記載され、ボイド反応度係数を改善し、原子炉の安全性が向上する燃料集合体が記載されている。

特開２０１８－６６６９０号公報

特許文献１には、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体が記載されている。

一般的に、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体は、四角筒状のチャンネルボックスに、燃料棒を三角格子状に配置するため、最外層に配置される燃料棒とチャンネルボックスとの間に、必然的に、間隙が形成される。

一方、この間隙が形成されることにより、燃料棒を冷却する冷却水は、この間隙に偏在（集中）して流通する可能性がある。これにより、燃料集合体の最外周に流通する冷却水が増加し、これよりも内側に流通する冷却水が減少し、燃料集合体の内側に配置される燃料棒の除熱性能が低下する可能性がある。

つまり、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体では、最外層に配置される燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に、冷却水が偏在して流通する可能性があるため、この間隙に偏在して流通する冷却水の流れを抑制する必要がある。

更に、最外層に配置される燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙には、多くの冷却水が流通するため、最外層付近（最外層及び最外層から１層内側）に配置される燃料棒は熱出力が高くなる。

最外層に配置される燃料棒は、冷却水が十分に供給されるため、十分に除熱される。しかし、最外層から１層内側に配置される燃料棒は、冷却水が十分に供給されない可能性があるため、十分に除熱されない可能性がある。

特許文献１には、低減速スペクトル沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体において、最外層に配置される燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水の流れを抑制すること、及び、最外層付近に配置される燃料棒の発熱分布を考慮し、最外層から１層内側に配置される燃料棒の除熱性能を向上させることは、記載されていない。

そこで、本発明は、最外層に配置される燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水の流れを抑制し、最外層付近に配置される燃料棒の発熱分布を考慮し、最外層から１層内側に配置される燃料棒の除熱性能を向上させる燃料集合体及び沸騰水型原子炉を提供する。

上記した課題を解決するため、本発明の燃料集合体は、三角格子状に配置される複数の燃料棒と、燃料棒を配置する四角筒状のチャンネルボックスと、を有し、燃料棒は、中央領域に配置される第１燃料棒と、その周囲に配置される第２燃料棒と、更に、その周囲に配置される第１燃料棒とを、有し、第１燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、１つの燃料濃縮度の燃料を有し、第２燃料棒は、燃料棒の有効長方向において、２つの燃料濃縮度の燃料を有し、第２燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度は、第１燃料棒の燃料の燃料濃縮度よりも、低いことを特徴とする。

また、本発明の沸騰水型原子炉は、炉心に装荷される上記した燃料集合体を有することを特徴とする。

本発明によれば、最外層に配置される燃料棒とチャンネルボックスとの間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水の流れを抑制し、最外層付近に配置される燃料棒の発熱分布を考慮し、最外層から１層内側に配置される燃料棒の除熱性能を向上させる燃料集合体及び沸騰水型原子炉を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。

実施例１に記載する低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００を説明する説明図である。 実施例１に記載する燃料集合体２００の水平断面を説明する説明図である。 実施例１に記載する燃料集合体２００に配置される２種類の燃料棒２０１の鉛直断面を説明する説明図である。 実施例１に記載する燃料集合体２００の鉛直断面を説明する説明図である。 実施例２に記載する燃料集合体５００の水平断面を説明する説明図である。 実施例３に記載する燃料集合体２００に配置される２種類の燃料棒６０１の鉛直断面を説明する説明図である 実施例４に記載する燃料集合体７００の水平断面を説明する説明図である。 実施例４に記載する燃料集合体７００に配置される３種類の燃料棒７０１の鉛直断面を説明する説明図である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。

本実施例において、沸騰水型原子炉には、冷却材として冷却水を使用し、再循環ポンプで冷却水を、原子炉圧力容器外へ流出させ、再び、原子炉圧力容器内へ流入させることにより、冷却水を循環させる沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor:ＢＷＲ)、インターナルポンプを有し、冷却水を原子炉圧力容器の内部で循環させる改良型沸騰水型原子炉(Advanced Boiling Water Reactor:ＡＢＷＲ)、ＡＢＷＲにおけるインターナルポンプを使用しない、高経済性単純化沸騰水型原子炉(Economic Simplified Boiling Water Reactor:ＥＳＢＷＲ)などを含む。

まず、実施例１に記載する低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００を説明する。

図１は、実施例１に記載する低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００を説明する説明図である。

実施例１では、低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００を使用して説明する。特に、有効長が長尺燃料の半分である燃料棒が配置される燃料集合体を炉心に装荷するＡＢＷＲを使用して説明する。

なお、実施例１に記載する低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００は、炉心に装荷される燃料集合体の燃料棒を三角格子状（水平断面が正三角形の格子状）に稠密に配置し、運転中に、四角筒状（水平断面が正方形状の筒状）のチャンネルボックスでボイドを発生させることにより、中性子スペクトルを硬化させ、核分裂プルトニウム転換比を向上させる沸騰水型原子炉である。

つまり、低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００は、四角筒状のチャンネルボックスに、三角格子状に燃料棒を配置し、水対燃料体積比を低減し、核分裂性プルトニウム転換比を向上させるものである。

低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００は、以下の構成を有する。
・円筒状の原子炉圧力容器１０１、
・原子炉圧力容器１０１の内部に配置される円筒状の炉心シュラウド１０２、
・炉心シュラウド１０２の内部に配置され、複数の燃料集合体を正方格子状に装荷する炉心１０３、
・原子炉圧力容器１０１の内部に配置され、炉心１０３を覆うシュラウドヘッド１０４、
・シュラウドヘッド１０４の上部に配置され、上方へと延伸する気水分離器１０５、
・気水分離器１０５の上方に配置される蒸気乾燥器１０６、
・炉心シュラウド１０２の内部に配置され、シュラウドヘッド１０４の下方で、炉心シュラウド１０２に取り付けられ、炉心１０３の上端部に位置する上部格子板１０７、
・炉心シュラウド１０２の内部に配置され、シュラウドヘッド１０４の下方で、炉心シュラウド１０２に取り付けられ、炉心１０３の下端部に位置する炉心支持板１０８、
・炉心支持板１０８に配置される複数の燃料支持金具１０９、
・原子炉圧力容器１０１の内部に配置され、燃料集合体の核反応を制御するため、炉心１０３に水平断面が十字状の制御棒(十字型制御棒)を挿入可能とする複数の制御棒案内管１１０、
・原子炉圧力容器１０１の底部よりも下方に配置される制御棒駆動機構ハウジング（図示せず）の内部に配置され、制御棒と連結する制御棒駆動機構１１１、
・原子炉圧力容器１０１の底部で、その下方から原子炉圧力容器１０１の内部へ貫通するように配置される複数のインターナルポンプ１１３。

複数のインターナルポンプ１１３は、複数の制御棒案内管１１０の最外周よりも外側で、環状に相互に所定の間隔を形成して、配置される。これにより、インターナルポンプ１１３は、制御棒案内管１１０と干渉することはない。

インターナルポンプ１１３のインペラ１１７は、円筒状の炉心シュラウド１０２の外面と円筒状の原子炉圧力容器１０１の内面との間に形成される環状のダウンカマ１１４に向けられ、配置される。

原子炉圧力容器１０１の内部の冷却水１１８は、インターナルポンプ１１３のインペラ１１７により、原子炉圧力容器１０１の底部側から、炉心１０３の内部に流入する。

炉心１０３の内部に流入する冷却水１１８は、燃料集合体の核反応により加熱され、気液二相流となり、気水分離器１０５に流入する。気水分離器１０５に流入する気液二相流は、湿分を含む蒸気（気相）と水（液相）とに分離される。

水（液相）は、再び、冷却水１１８としてダウンカマ１１４に降下する。

一方、蒸気（気相）は、蒸気乾燥器１０６に流入し、湿分が除去され、主蒸気配管１１５を介して、タービン（図示せず）に供給される。タービンに供給される蒸気は、復水器（図示せず）で水に戻され、この水は、給水配管１１６を介して、原子炉圧力容器１０１の内部に流入する。

原子炉圧力容器１０１の内部に流入する水は、冷却水１１８としてダウンカマ１１４に降下する。

このように、インターナルポンプ１１３は、炉心１０３に装荷される燃料集合体の核反応により発生する熱を、効率良く冷却するため、冷却水１１８を、原子炉圧力容器１０１の底部側から、炉心１０３の内部に強制的に供給し、冷却水１１８を原子炉圧力容器１０１の内部で循環する。

なお、冷却水１１８は、原子炉圧力容器１０１の底部側から、つまり、燃料集合体２００の下部から上部に向かって、炉心１０３の内部に、流入する。

そして、低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００は、下記する燃料集合体を有する。

次に、実施例１に記載する燃料集合体２００の水平断面を説明する。

図２は、実施例１に記載する燃料集合体２００の水平断面を説明する説明図である。

炉心１０３に正方格子状に装荷される複数の燃料集合体２００は、三角格子状に配置される複数の燃料棒２０１と、燃料棒２０１を配置する四角筒状（水平断面が正方形状の筒状）のチャンネルボックス２０３と、を有する。

チャンネルボックス２０３とチャンネルボックス２０３との間、つまり、燃料集合体２００と燃料集合体２００との間には、冷却水１１８が流通する水ギャップ２２４が形成される。

また、チャンネルボックス２０３とチャンネルボックス２０３との間、つまり、燃料集合体２００と燃料集合体２００との間には、燃料集合体２００の核反応を制御するため、水平断面が十字状の制御棒２０４が配置される。

チャンネルボックス２０３は、正方形状のそれぞれ１辺に相当する側壁部２１１、側壁部２１２、側壁部２１３、側壁部２１４を有する。

なお、燃料集合体２００は、四角筒状のチャンネルボックス２０３に、燃料棒２０１を三角格子状に配置するため、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に、必然的に、間隙が形成される。

最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙とは、冷却水１１８が流通する流路であり、具体的には、以下のとおりである。
（１）チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に形成される間隙２２０、
（２）チャンネルボックス２０３の側壁部２１２と最外層に配置される燃料棒２０１とで形成される、及び、チャンネルボックス２０３の側壁部２１４と最外層に配置される燃料棒２０１とで形成される間隙２２１、
（３）チャンネルボックス２０３の側壁部２１１と最外層に配置される燃料棒２０１とで形成される、及び、チャンネルボックス２０３の側壁部２１３と最外層に配置される燃料棒２０１とで形成される間隙２２２。

また、３本の燃料棒２０１で囲まれる間隙２２３（冷却水１１８が流通する流路）も形成される。

なお、間隙２２０の断面積は、間隙２２３の断面積よりも、８倍以上大きい。また、冷却水１１８が流通する流路の代表直径を表現する熱的等価直径において、間隙２２０は、間隙２２３よりも、４倍以上大きい。

また、間隙２２０の断面積は、間隙２２１の断面積よりも、大きく、間隙２２１の断面積は、間隙２２２の断面積よりも、大きく、間隙２２２の断面積は、間隙２２３の断面積よりも、大きい。

このように、この大きさが相違する４つの間隙が形成されることにより、燃料棒２０１を冷却する冷却水１１８は、特に、間隙２２０、間隙２２１、間隙２２２に偏在して流通する可能性がある。これにより、燃料集合体２００の最外周、つまり、チャンネルボックス２０３の最外周に流通する冷却水１１８が増加し、これよりも内側に流通する冷却水１１８が減少する。

更に、間隙２２０、間隙２２１、間隙２２２には、多くの冷却水１１８が流通するため、最外層付近（最外層及び最外層から１層内側）に配置される燃料棒２０１は熱出力が高くなる。

このように、最外層に配置される燃料棒２０１は、冷却水１１８が十分に供給されるため、その除熱性能が維持される。しかし、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１は、冷却水１１８が十分に供給されない可能性があるため、その除熱性能が低下する可能性がある。

なお、実施例１では、複数の燃料棒２０１の直径は、全て８．２ｍｍであり、チャンネルボックス２０３には、合計１８４本の燃料棒２０１が配置される。燃料棒２０１と燃料棒２０１との間隔（ピッチ）は、１．５ｍｍである。

燃料棒２０１は、側壁部２１１や側壁部２１３に平行に、１５列（側壁部２１１から側壁部２１３に（図中、上から下に）向かって、第１列から第１５列まで）が、配置される。

そして、燃料棒２０１は、以下のとおり、配置される。
（１）第１列、第１５列は、１１本の燃料棒２０１（第１燃料棒配列２３１）、
（２）第２列、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列、第１４列は、１２本の燃料棒２０１（第２燃料棒配列２３２）、
（３）第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列は、１３本の燃料棒２０１（第３燃料棒配列２３３）。

つまり、燃料棒２０１は、側壁部２１１や側壁部２１３に平行に、３つの燃料棒配列を有する。

このように、第１燃料棒配列２３１は、最外層に配置される。また、第２燃料棒配列２３２と第３燃料棒配列２３３とは、側壁部２１１や側壁部２１３に平行に、交互に配置される。

また、第１燃料棒配列２３１に含まれる燃料棒２０１は、第２燃料棒配列２３２に含まれる燃料棒２０１よりも、１本少なく、第２燃料棒配列２３２に含まれる燃料棒２０１は、第３燃料棒配列２３３に含まれる燃料棒２０１よりも、１本少ない。これは、第１燃料棒配列２３１の両端部が、チャンネルボックス２０３のコーナ部分に位置するためである。

また、第２燃料棒配列２３２の一端部の燃料棒２０１Ａ１とチャンネルボックス２０３の側壁部２１２との間の間隔は、第３燃料棒配列２３３の一端部の燃料棒２０１Ｂ１とチャンネルボックス２０３の側壁部２１２との間の間隔よりも、大きい。

同様に、第２燃料棒配列２３２の他端部の燃料棒２０１Ａ２とチャンネルボックス２０３の側壁部２１４との間の間隔は、第３燃料棒配列２３３の他端部の燃料棒２０１Ｂ２とチャンネルボックス２０３の側壁部２１４との間の間隔よりも、大きい。

このように、燃料棒２０１を三角格子状に配置することにより、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に間隙２２０が形成され、チャンネルボックス２０３の側壁部２１２と最外層に配置される燃料棒（２０１Ａ１や２０１Ｂ１）との間に、及び、チャンネルボックス２０３の側壁部２１４と最外層に配置される燃料棒（２０１Ａ２や２０１Ｂ２）との間に、間隙２２１が形成される。

そして、実施例１に記載する燃料集合体２００は、燃料棒２０１が、燃料集合体２００の中央領域に配置される第１燃料棒２０１１（白丸）と、その周囲に配置される第２燃料棒２０１２（斜線丸）と、更に、その周囲（最外層）に配置される第１燃料棒２０１１（白丸）とを、有する。

つまり、燃料棒２０１は、中央領域及び最外層に配置される第１燃料棒２０１１と、中央領域と最外層との間の層に配置される第２燃料棒２０１２と、を有する。

つまり、燃料棒２０１は、中央領域及び最外層に配置される第１燃料棒２０１１と、最外層から１層内側に配置される第２燃料棒２０１２と、を有する。

ここで、燃料集合体２００における、第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２の配置を具体的に説明する。第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２の配置は、以下のとおりである。
（１）第１燃料棒配列２３１（第１列、第１５列）に配置される燃料棒２０１は、１１本全て、第１燃料棒２０１１、
（２）第２燃料棒配列２３２に配置され、第２列、第１４列に配置される燃料棒２０１は、中央部の１０本が第２燃料棒２０１２、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒２０１１、
（３）第３燃料棒配列２３３に配置され、第３列、第１３列に配置される燃料棒２０１は、中央部の７本が第１燃料棒２０１１、その外側の左右２本づつ（合計４本）が第２燃料棒２０１２、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒２０１１、
（４）その他の第２燃料棒配列２３２に配置され、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列に配置される燃料棒２０１は、中央部の８本が第１燃料棒２０１１、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第２燃料棒２０１２、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒２０１１、
（５）その他の第３燃料棒配列２３３に配置され、第５列、第７列、第９列、第１１列に配置される燃料棒２０１は、中央部の９本が第１燃料棒２０１１、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第２燃料棒２０１２、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒２０１１。

ここで、中央領域に配置される燃料棒２０１とは、第２燃料棒配列２３２のうち、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列の中央部及び第３燃料棒配列２３３の中央部に配置される燃料棒２０１である。

また、最外層に配置される燃料棒２０１とは、第１燃料棒配列２３１、第２燃料棒配列２３２の最外側（左右両側の最も外側）及び第３燃料棒配列２３３の最外側（左右両側の最も外側）に配置される燃料棒２０１である。

また、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１とは、以下の燃料棒２０１である。
・第２燃料棒配列２３２のうち、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列、及び、第３燃料棒配列２３３のうち、第５列、第７列、第９列、第１１列において、最外側から１層内側に配置される燃料棒２０１、
・第２燃料棒配列２３２のうち、第２列、第１４列の中央部に配置される燃料棒２０１、
・第３燃料棒配列２３３のうち、第３列、第１３列において、最外側から１層及び２層内側に配置される燃料棒２０１。

このように、燃料棒２０１は、合計１８４本の燃料棒２０１が配置される燃料集合体２００（以下、この燃料集合体２００を「１８４燃料集合体２００」と称する場合がある。）の中央領域に、第１燃料棒２０１１が配置され、その周囲に第２燃料棒２０１２が配置され、更に、その周囲に第１燃料棒２０１１が配置される。

つまり、燃料棒２０１は、中央領域及び最外層に、第１燃料棒２０１１が配置され、中央領域と最外層との間の層（最外層から１層内側）に、第２燃料棒２０１２が配置される。

つまり、燃料棒２０１は、中央領域及び最外層に、第１燃料棒２０１１が配置され、最外層から１層内側に、第２燃料棒２０１２が配置される。

そして、第１燃料棒２０１１は、第１燃料棒配列２３１（第１列、第１５列）に１１本が配置され、第２燃料棒配列２３２（第２列、第１４列）の最外層の左右に１本づつ（合計２本）が配置され、第３燃料棒配列２３３（第３列、第１３列）の最外層の左右に１本づつ及び中央領域に７本（合計９本）が配置され、第２燃料棒配列２３２（第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列）の最外層の左右に１本づつ及び中央領域に８本（合計１０本）が配置され、第３燃料棒配列２３３（第５列、第７列、第９列、第１１列）の最外層の左右に１本づつ及び中央領域に９本（合計１１本）が配置される。

また、第２燃料棒２０１２は、第２燃料棒配列２３２（第２列、第１４列）の中央部に１０本が配置され、第３燃料棒配列２３３（第３列、第１３列）の最外層から１層及び２層内側の左右に２本づつ（合計４本）が配置され、第２燃料棒配列２３２（第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２）の最外層から１層内側の左右に１本づつ（合計２本）が配置され、第３燃料棒配列２３３（第５列、第７列、第９列、第１１列）の最外層から１層内側の左右に１本づつ（合計２本）が配置される。

これにより、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制し、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

そして、特に、１８４燃料集合体２００は、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に、間隙２２０が形成され、また、チャンネルボックス２０３の側壁部２１２と最外層に配置される燃料棒２０１との間に、及び、チャンネルボックス２０３の側壁部２１４と最外層に配置される燃料棒２０１との間に、間隙２２１が形成される。そして、間隙２２０の断面積は、間隙２２１の断面積や間隙２２２の断面積よりも、大きい。

これにより、特に、１８４燃料集合体２００は、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒２０１の熱出力が高くなる。つまり、１８４燃料集合体２００は、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることが、特に、重要である。

チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒２０１（第２燃料棒２０１２）とは、以下の燃料棒２０１である。
・第２燃料棒配列２３２であって、第２列、第１４列のうち、最外側から２層目及び３層目の左右２本づつ（合計４本）に配置される燃料棒２０１、
・第３燃料棒配列２３３であって、第３列、第１３列のうち、最外側から２層目及び３層目の左右２本づつ（合計４本）に配置される燃料棒２０１、
・第２燃料棒配列２３２であって、第４列、第１２列のうち、最外側から１層目の左右１本づつ（合計２本）に配置される燃料棒２０１。

なお、これら燃料棒２０１を、「コーナ部分に配置される燃料棒２０１」と称する場合がある。

実施例１では、第３燃料棒配列２３３のうち、第３列、第１３列において、最外側から内側に２層目に配置される４つの燃料棒２０１を、第２燃料棒２０１２とする。そして、実施例１では、特に、この４つの燃料棒２０１を、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１に含める。つまり、実施例１では、コーナ部分に配置される燃料棒２０１に、第２燃料棒２０１２を使用する。これにより、特に、間隙２２０に偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制し、コーナ部分に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

そして、実施例１では、図中、上下方向外側（第１列から第４列及び第１２列から第１５列）の第２燃料棒配列２３２及び第３燃料棒配列２３３に配置される第２燃料棒２０１２の本数は、図中、上下方向内側（第５列から第１１列）の第２燃料棒配列２３２及び第３燃料棒配列２３３に配置される第２燃料棒２０１２の本数よりも、多い。

また、実施例１では、間隙２２０が形成される領域の内側に配置される第２燃料棒２０１２（コーナ部分に配置される燃料棒２０１）は、チャンネルボックス２０３の中心からチャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に向かって、２層に配置され、間隙２２１や間隙２２２が形成される領域の内側に配置される第２燃料棒２０１２（第２列、第１４列の中央部に配置される６本の燃料棒２０１や第５列から第１１列の最外層から１層内側の左右に配置される１本づつ（合計２本）の燃料棒２０１）は、１層に配置される。

つまり、間隙２２０が形成される領域の内側に配置される第２燃料棒２０１２であって、チャンネルボックス２０３の中心からチャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に向かって配置される第２燃料棒２０１２の本数は、間隙２２１や間隙２２２が形成される領域の内側に配置される第２燃料棒２０１２であって、チャンネルボックス２０３の中心からチャンネルボックス２０３の４つの側壁部に向かって配置される第２燃料棒２０１２の本数よりも、多い。

これにより、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制し、特に、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

次に、実施例１に記載する燃料集合体２００に配置される２種類の燃料棒２０１の鉛直断面を説明する。

図３は、実施例１に記載する燃料集合体２００に配置される２種類の燃料棒２０１の鉛直断面を説明する説明図である。

実施例１では、燃料集合体２００の中央領域及び最外層に配置される第１燃料棒２０１１（白丸）と、中央領域と最外層との間の層に配置される第２燃料棒２０１２（斜線丸）と、の２種類の燃料棒２０１を使用する。

第１燃料棒２０１１は、燃料棒２０１の有効長方向（上下方向）において、１つの燃料濃縮度の燃料（１種類の燃料ペレット）が使用され、第２燃料棒２０１２は、燃料棒２０１の有効長方向（上下方向）において、２つの燃料濃縮度の燃料（２種類の燃料ペレット）が使用される。

なお、実施例１では、第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度は、軸方向（上下方向）で一様であるが、軸方向に任意の分布を有してもよい。また、実施例１では、第１燃料棒２０１１の熱出力は、水平方向で一様であるが、第１燃料棒２０１１ごとに水平方向で相違してもよい。つまり、燃料集合体２００の下部において、第１燃料棒２０１１の熱出力が、第２燃料棒２０１２の熱出力よりも、高ければよい。

第１燃料棒２０１１は、燃料棒２０１の有効長方向において、１つの燃料濃縮度の燃料を有し、第２燃料棒２０１２は、燃料棒２０１の有効長方向において、２つの燃料濃縮度の燃料を有する。

そして、実施例１では、特に、燃料集合体２００の下部において、中央領域及び最外層に配置される第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度が高く、中央領域と最外層との間の層に配置される第２燃料棒２０１２の燃料の燃料濃縮度が低い。

図３に示すように、第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度を「Ａ」とする場合、第２燃料棒２０１２の上部の燃料の燃料濃縮度は、第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度と同等の「Ａ」となり、第２燃料棒２０１２の下部の燃料の燃料濃縮度は、第２燃料棒２０１２の上部の燃料の燃料濃縮度「Ａ」や第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度「Ａ」よりも低い「Ｂ」となる。

つまり、実施例１では、第２燃料棒２０１２の下部の燃料の燃料濃縮度は、第２燃料棒２０１２の上部の燃料の燃料濃縮度や第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度よりも、低い。なお、燃料濃縮度とは、核燃料物質の濃縮度である。

このように、第１燃料棒２０１１は、燃料棒２０１の有効長方向（上下方向）において、１つの燃料濃縮度「Ａ」の燃料（１種類「Ａ」の燃料ペレット）が使用される。一方、第２燃料棒２０１２は、燃料棒２０１の有効長方向（上下方向）において、２つの燃料濃縮度「Ａ」及び燃料濃縮度「Ｂ」の燃料（２種類（「Ａ」及び「Ｂ」）の燃料ペレット）が使用される。なお、燃料濃縮度「Ｂ」は、燃料濃縮度「Ａ」よりも、燃料濃縮度が低い。

なお、「Ａ」を加熱領域（発熱する燃料を使用する領域）とし、「Ｂ」を非加熱領域（発熱しない燃料を使用する領域）とすることもできる。

つまり、第１燃料棒２０１１は、上下方向に１つの燃料濃縮度の燃料を有し、第２燃料棒２０１２は、上下方向に２つの燃料濃縮度（下部の燃料濃縮度は、上部の燃料濃縮度よりも、低い）の燃料を有する。

これら燃料棒２０１に使用される燃料には、例えば、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも１つを含むウランに、プルトニウムを富化した核燃料、又は、プルトニウムとアクチノイド核種とを富化した核燃料が、使用される。

また、第１燃料棒２０１１の核分裂性プルトニウム富化度は、軸方向に「Ａ」の１種類であり、第２燃料棒２０１２の核分裂性プルトニウム富化度は、軸方向に「Ａ」及び「Ｂ」の２種類である。

第２燃料棒２０１２の上部の核分裂性プルトニウム富化度は、第１燃料棒２０１１の核分裂性プルトニウム富化度と同等であり、第２燃料棒２０１２の下部の核分裂性プルトニウム富化度は、第１燃料棒２０１１の核分裂性プルトニウム富化度や第２燃料棒２０１２の上部の核分裂性プルトニウム富化度よりも、低い。

なお、燃料棒２０１の核分裂性プルトニウム富化度が高いほど、燃料棒２０１の熱出力が高い。

つまり、第１燃料棒２０１１の燃料には、高富化度燃料が使用され、第２燃料棒２０１２の上部の燃料には、高富化度燃料が使用され、第２燃料棒２０１２の下部の燃料には、低富化度燃料が使用される。

なお、実施例１では、第１燃料棒２０１１の直径と第２燃料棒２０１２の直径とは同等であり、第１燃料棒２０１１の軸方向長さと第２燃料棒２０１２の軸方向長さとは同等である。実施例１では、直径は８．２ｍｍ、軸方向長さは１．８ｍである。

そして、実施例１では、第１燃料棒２０１１の燃料濃縮度「Ａ」の領域は１．８ｍ、第２燃料棒２０１２の燃料濃縮度「Ａ」の領域は１．５ｍ及び燃料濃縮度「Ｂ」の領域は０．３ｍとする。

また、実施例１では、燃料集合体２００の水平断面における燃料棒２０１ごとの発熱係数について、最外層付近に配置される燃料棒２０１の発熱係数は、平均の発熱係数の１．３倍となり、これら以外に配置される燃料棒２０１（中央領域に配置される燃料棒２０１）の発熱係数は、平均の発熱係数の０．８倍となり、最外層付近に配置される燃料棒２０１の熱出力が高くなることを考慮する。なお、平均の発熱係数とは、燃料集合体２００（集合体として）の平均の発熱係数である。

なお、実施例１では、燃料集合体２００の水平断面における燃料棒２０１の発熱係数は、燃料集合体２００の最外周のどの間隙に隣接していても一様に設定される。

そこで、実施例１では、燃料集合体２００の下部において、中央領域及び最外層に配置される第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度を高く（燃料棒２０１は熱出力が高く）設定し、中央領域と最外層との間の層（最外層から１層内側）に配置される第２燃料棒２０１２の燃料の燃料濃縮度を低く（燃料棒２０１は熱出力が低く）設定する。

また、間隙２２０、間隙２２１、間隙２２２には、多くの冷却水１１８が流通するため、最外層付近に配置される燃料棒２０１は熱出力が高くなる。

このように、実施例１では、第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２が配置され、また、間隙２２０、間隙２２１、間隙２２２が形成されることにより、燃料集合体２００の下部において、最外層に配置される燃料棒２０１の熱出力は、高くなり、中央領域に配置される燃料棒２０１の熱出力は、最外層に配置される燃料棒２０１の熱出力よりも、低くなり、中央領域と最外層との間の層に配置される燃料棒２０１の熱出力は、中央領域に配置される燃料棒２０１の熱出力よりも、低くなる。

つまり、燃料集合体２００の下部において、最外層に配置される燃料棒２０１や中央領域に配置される燃料棒２０１は、中央領域と最外層との間の層に配置される燃料棒２０１よりも、冷却水１１８の沸騰が、早い。

一方、蒸気を含む冷却水１１８は、蒸気を含まない冷却水１１８よりも、圧力損失係数が大きい。このため、燃料集合体２００の下部において、中央領域と最外層との間の層に配置される燃料棒２０１に供給される冷却水１１８の圧力損失係数は、最外層に配置される燃料棒２０１や中央領域に配置される燃料棒２０１に供給される冷却水１１８の圧力損失係数よりも、小さい。

これにより、実施例１によれば、冷却水１１８が、燃料集合体２００の最外周から１層内側に流れ込み（燃料集合体２００の最外周から１層内側に流通する冷却水１１８が増加し）、中央領域と最外層との間の層に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させる。

つまり、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制し、中央領域と最外層との間の層に配置される燃料棒の除熱性能を向上させることができる。

そして、実施例１によれば、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙（側壁部２１１、側壁部２１２、側壁部２１３、側壁部２１４）に、偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制し、中央領域と最外層との間の層に配置される燃料棒２０１に積極的に冷却水１１８を供給することができ、圧力損失を増加させることなく、中央領域と最外層との間の層に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

なお、実施例１では、所定の燃料棒２０１の直径及び所定の燃料棒２０１と燃料棒２０１との間隔を有する燃料集合体２００を使用して説明したが、間隙２２０の断面積や間隙２２１の断面積が、間隙２２２の断面積や間隙２２３の断面積よりも大きい燃料集合体２００であれば、実施例１に記載する技術を、使用することができる。

また、実施例１に記載する技術は、燃料集合体２００に配置される燃料棒２０１の本数や炉心１０３に装荷される燃料集合体２００の体数には、限定されない。

次に、実施例１に記載する燃料集合体２００の鉛直断面を説明する。

図４は、実施例１に記載する燃料集合体２００の鉛直断面を説明する説明図である。

燃料集合体２００は、第１燃料棒２０１１、第２燃料棒２０１２、チャンネルボックス２０３、タイロッド４０４、スペーサ４０５、下部タイプレート４０７、ハンドル４０８、上部タイプレート４０９を有する。

実施例１では、第１燃料棒２０１１の軸方向長さ及び第２燃料棒２０１２との軸方向長さは、１．８ｍである。なお、実施例１では、燃料棒２０１の有効長が、長尺燃料の半分であり、チャンネルボックス２０３（軸方向長さが３．６ｍ）の半分の短尺の燃料棒２０１を使用するが、長尺の燃料棒２０１を使用することもできる。

第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２は、軸方向に配置される複数の燃料スペーサ４０５により、燃料棒２０１が、相互に所定の間隔を形成して、保持される。また、燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３とは、タイロッド４０４により、所定の間隔を形成して、保持される。

タイロッド４０４は、第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２よりも、長く（例えば、３．６ｍ）、下部タイプレート４０７及び上部タイプレート４０９に固定される。そして、タイロッド４０４は、スペーサ４０５を保持する。

第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２は、その下端が下部タイプレート４０７で固定され、その上端がスペーサ４０５で固定される。

また、第２燃料棒２０１２の下部４０６の燃料の燃料濃縮度は、同等の高さの水平断面に配置される、第１燃料棒２０１１の下部４１０の燃料の燃料濃縮度よりも、低い。なお、第１燃料棒２０１１の下部４１０を発熱領域とし、第２燃料棒２０１２の下部４０６を非発熱領域としてもよい。つまり、燃料集合体２００の下部において、第１燃料棒２０１１の熱出力が、第２燃料棒２０１２の熱出力よりも、高くなればよい。

なお、第２燃料棒２０１２の下部４０６を非発熱領域とする場合には、第２燃料棒２０１２の下部４０６の燃料を、核分裂性のプルトニウムを含まない、例えば、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも１つを含むウラン(ブランケット)としてもよい。

また、燃料集合体２００の下部において、第１燃料棒２０１１の熱出力と第２燃料棒２０１２の熱出力とを同等にした場合（ＡＡの場合）と、実施例１のように、燃料集合体２００の下部において、第２燃料棒２０１２の熱出力を第１燃料棒２０１１の熱出力よりも低くした場合（ＢＢの場合）と、を比較した。なお、それぞれの場合の燃料集合体２００の除熱性能を、冷却水流動評価手法を使用して、評価した。

この結果、ＡＡの場合に比較してＢＢの場合は、ＭＣＰＲ(最小限界出力比：Minimum Critical Power Ratio)が、約５％向上した。なお、ＭＣＰＲとは、ＢＷＲの熱的余裕を評価するものであり、限界出力比（限界熱出力／燃料集合体２００の発生熱出力）のうち、炉心１０３に装荷される燃料集合体２００のうちで、最小となるものである。

また、同様の冷却水流動評価手法を使用して、燃料集合体２００の圧力損失を評価した。この結果、ＡＡの場合に比較してＢＢの場合は、圧力損失が、約５％低下した。これは、蒸気と冷却水１１８とを含む流れの軸方向長さ(沸騰長)が、ＡＡの場合に比較してＢＢの場合は、短くなり、圧力損失係数が低下するためである。

このように、実施例１によれば、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制することができ、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

なお、実施例１では、低減速スペクトル沸騰水型原子炉１００の炉心１０３に装荷される燃料集合体２００を使用して説明したが、間隙２２０や間隙２２１を有する燃料集合体２００であれば、実施例１に記載する技術を、使用することができる。

また、実施例１では、第１燃料棒２０１１は、燃料棒２０１の有効長方向において、１つの燃料濃縮度の燃料が使用されるが、燃料棒２０１の有効長方向において、任意の分布を有してもよい。

また、実施例１では、第２燃料棒２０１２は、燃料棒２０１の有効長方向において、２つの燃料濃縮度の燃料が使用されるが、燃料棒２０１の有効長方向において、それぞれが任意の分布を有してもよい。

次に、実施例２に記載する燃料集合体５００の水平断面を説明する。

図５は、実施例２に記載する燃料集合体５００の水平断面を説明する説明図である。

実施例２に記載する燃料集合体５００は、実施例１に記載する燃料集合体２００と比較すると、燃料棒２０１の配置が相違する。

図５を使用して、燃料集合体５００における、第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２の配置を具体的に説明する。第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２の配置は、以下のとおりである。
（１）第１燃料棒配列５３１（第１列、第１５列）に配置される燃料棒２０１は、１２本全て、第１燃料棒２０１１、
（２）第２燃料棒配列５３２に配置され、第２列、第１４列に配置される燃料棒２０１は、中央部の１１本が第２燃料棒２０１２、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒２０１１、
（３）その他の第１燃料棒配列５３１に配置され、第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列に配置される燃料棒２０１は、中央部の８本が第１燃料棒２０１１、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第２燃料棒２０１２、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒２０１１、
（４）その他の第２燃料棒配列５３２に配置され、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列に配置される燃料棒２０１は、中央部の９本が第１燃料棒２０１１、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第２燃料棒２０１２、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒２０１１。

つまり、実施例２では、燃料棒２０１は、合計１８７本の燃料棒２０１が配置される燃料集合体５００（以下、この燃料集合体５００を「１８７燃料集合体５００」と称する場合がある。）の中央領域に、第１燃料棒２０１１が配置され、その周囲に第２燃料棒２０１２が配置され、更に、その周囲に第１燃料棒２０１１が配置される。

つまり、実施例２では、燃料棒２０１は、中央領域及び最外層に、第１燃料棒２０１１が配置され、中央領域と最外層との間の層（最外層から１層内側）に、第２燃料棒２０１２が配置される。

つまり、実施例２では、燃料棒２０１は、中央領域及び最外層に、第１燃料棒２０１１が配置され、最外層から１層内側に、第２燃料棒２０１２が配置される。

実施例２において、中央領域に配置される燃料棒２０１とは、第１燃料棒配列５３１のうち、第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３の中央部に、及び、第２燃料棒配列５３２のうち、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列の中央部に、配置される燃料棒２０１である。

また、最外層に配置される燃料棒２０１とは、第１燃料棒配列５３１のうち、第１列、第１５列、第１燃料棒配列５３１のうち、第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列の最外側（左右両側の最も外側）に、及び、第２燃料棒配列５３２の最外側（左右両側の最も外側）に、配置される燃料棒２０１である。

また、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１とは、第１燃料棒配列５３１のうち、第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列において、最外側から１層内側に、第２燃料棒配列５３２のうち、第２列、第１４列の中央部に、及び、第２燃料棒配列２３２のうち、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列において、最外側から１層内側に、配置される燃料棒２０１である。

このように、第１燃料棒２０１１は、第１燃料棒配列５３１（第１列、第１５列）に１２本が配置され、第２燃料棒配列５３２（第２列、第１４列）の最外層の左右に１本づつ（合計２本）が配置され、第１燃料棒配列５３１（第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列）の最外層の左右に１本づつ及び中央領域に８本（合計１０本）が配置され、第２燃料棒配列５３２（第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列）の最外層の左右に１本づつ及び中央領域に９本（合計１１本）が配置される。

また、このように、第２燃料棒２０１２は、第２燃料棒配列５３２（第２列、第１４列）の中央部に１１本が配置され、第１燃料棒配列５３１（第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列）の最外層から１層内側の左右に１本づつ（合計２本）が配置され、第２燃料棒配列５３２（第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２）の最外層から１層内側の左右に１本づつ（合計２本）が配置される。

また、実施例２において、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙とは、具体的には、以下のとおりである。
（１）チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に形成される間隙５２０、
（２）チャンネルボックス２０３の側壁部２１２と最外層に配置される燃料棒２０１とで形成される、及び、チャンネルボックス２０３の側壁部２１４と最外層に配置される燃料棒２０１とで形成される間隙５２１、
（３）チャンネルボックス２０３の側壁部２１１と最外層に配置される燃料棒２０１とで形成される、及び、チャンネルボックス２０３の側壁部２１１と最外層に配置される燃料棒２０１とで形成される間隙５２２。

実施例２では、つまり、１８７燃料集合体５００では、間隙５２０の断面積は、間隙５２１の断面積よりも、小さい。これにより、間隙５２０に偏在して流通する冷却水１１８の流れは、間隙５２１に偏在して流通する冷却水１１８の流れよりも、少ない。

このため、実施例２では、つまり、１８７燃料集合体５００では、第１燃料棒２０１１を、最外層に、均等に（一律に、１層のみ）配置し、第２燃料棒２０１２を、最外層から１層内側に、均等に（一律に、１層のみ）配置することができる。

つまり、１８７燃料集合体５００では、第１燃料棒２０１１を、中央領域及び最外層の１層のみに配置し、第２燃料棒２０１２を、最外層から１層内側の１層のみに配置することにより、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

つまり、１８７燃料集合体５００のような、間隙５２０の断面積が、間隙５２１の断面積よりも、小さい燃料集合体５００においては、第１燃料棒２０１１及び第２燃料棒２０１２を、実施例２のように配置することにより、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

実施例２によれば、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制し、最外層付近に配置される燃料棒２０１の発熱分布を考慮し、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

次に、実施例３に記載する燃料集合体２００に配置される２種類の燃料棒６０１の鉛直断面を説明する。

図６は、実施例３に記載する燃料集合体２００に配置される２種類の燃料棒６０１の鉛直断面を説明する説明図である。

実施例３に記載する燃料棒６０１は、実施例１に記載する燃料棒２０１と比較すると、第２燃料棒の燃料の燃料濃縮度が相違する。

図６を使用して、実施例３において配置する燃料棒６０１である、第１燃料棒６０１１と第２燃料棒６０１２とを具体的に説明する。

第１燃料棒６０１２は、第１燃料棒６０１１の燃料の燃料濃縮度を「Ａ」とする場合、第２燃料棒６０１２の上部の燃料の燃料濃縮度「Ｃ」は、第１燃料棒６０１１の燃料の燃料濃縮度「Ａ」よりも、低くなり、第２燃料棒６０１２の下部の燃料の燃料濃縮度「Ｂ」は、第２燃料棒６０１２の上部の燃料の燃料濃縮度「Ｃ」よりも、低くなる。

第１燃料棒６０１１の燃料の燃料濃縮度を「Ａ」とし、第２燃料棒６０１２の下部の燃料の燃料濃縮度を「Ｂ」とし、第２燃料棒６０１２の上部の燃料の燃料濃縮度を「Ｃ」とする。

燃料集合体２００（集合体として）の平均の燃料濃縮度を１とする場合、「Ａ」は以下の式（１）で算出される。

Ａ＝Ｃ×｛１＋（１－Ｂ）×（Ｎ_１／Ｎ_２）×（Ｌ_２／Ｌ_１）｝・・・・・（１）
ここで、Ｎ_１は、第２燃料棒６０１２の本数であり、Ｎ_２は、第１燃料棒６０１１の本数及び第２燃料棒６０１２の本数の和（燃料集合体２００の全ての燃料棒の本数）である。また、Ｌ_１は、第２燃料棒６０１２の上部の燃料濃縮度「Ａ」の領域の長さ及び第２燃料棒６０１２の下部の燃料濃縮度「Ｂ」の領域の長さの和であり、Ｌ_２は、第２燃料棒６０１２の下部の燃料濃縮度「Ｂ」の領域の長さである。

つまり、実施例３では、式（１）は、式（２）となる。

Ａ＝Ｃ×｛１＋（１－Ｂ）×（Ｎ_１／Ｎ_２）×（０．３／１．８）｝・・・・・（２）
ここで、「１．８」は、第２燃料棒６０１２の燃料濃縮度「Ａ」の領域の長さ及び第２燃料棒６０１２の燃料濃縮度「Ｂ」の領域の長さの和であり、「０．３」は、第２燃料棒６０１２の燃料濃縮度「Ｂ」の領域の長さである。

また、「０．３／１．８」は、第２燃料棒６０１２の燃料濃縮度「Ａ」の領域の長さ及び第２燃料棒６０１２の燃料濃縮度「Ｂ」の領域の長さの和に対する、第２燃料棒６０１２の燃料濃縮度「Ｂ」の領域の長さの割合である。

そして、「Ｂ」の燃料濃縮度を、平均の燃料濃縮度「１」よりも小さく設定し、「Ｃ」の燃料濃縮度を、平均の燃料濃縮度「１」と設定すると、「Ａ」の燃料濃縮度は、平均の燃料濃縮度「１」よりも、大きくなる。

このように、実施例３では、第１燃料棒６０１１の燃料濃縮度「Ａ」を、平均の燃料濃縮度「１」よりも、大きくすることができる。

実施例３では、第２燃料棒６０１２の下部に、平均の燃料濃縮度「１」よりも、小さい、燃料濃縮度「Ｂ」の燃料を使用し、第１燃料棒６０１１に、平均の燃料濃縮度「１」よりも、大きい、燃料濃縮度「Ａ」の燃料を使用する。

これにより、実施例３では、平均の燃料濃縮度を維持することができ、平均の燃料濃縮度の低下を抑制することができる。

実施例３によれば、燃料集合体２００の平均の燃料濃縮度を維持し、最外層に配置される燃料棒２０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制し、最外層付近に配置される燃料棒２０１の発熱分布を考慮し、最外層から１層内側に配置される燃料棒２０１の除熱性能を向上させることができる。

次に、実施例４に記載する燃料集合体７００の水平断面を説明する。

図７は、実施例４に記載する燃料集合体７００の水平断面を説明する説明図である。

実施例４に記載する燃料集合体７００は、実施例１に記載する燃料集合体２００と比較すると、燃料棒２０１の配置が相違する。

図７を使用して、燃料集合体７００における、第１燃料棒７０１１、第２燃料棒７０１２、及び第３燃料棒７０１３の配置を具体的に説明する。第１燃料棒７０１１、第２燃料棒７０１２、及び第３燃料棒７０１３の配置は、以下のとおりである。
（１）第１燃料棒配列２３１（第１列、第１５列）に配置される燃料棒７０１は、１１本全て、第１燃料棒７０１１、
（２）第２燃料棒配列２３２に配置され、第２列、第１４列に配置される燃料棒７０１は、中央部の６本が第１燃料棒７０１１、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第２燃料棒７０１２、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第３燃料棒７０１３、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒７０１１、
（３）第３燃料棒配列２３３に配置され、第３列、第１３列に配置される燃料棒７０１は、中央部の７本が第１燃料棒７０１１、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第２燃料棒７０１２、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第３燃料棒７０１３、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒７０１１、
（４）第２燃料棒配列２３２に配置され、第４列、第１２列に配置される燃料棒７０１は、中央部の８本が第１燃料棒７０１１、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第２燃料棒７０１２、更に、その外側の左右１本づつ（合計２本）が第１燃料棒７０１１、
（５）その他の第２燃料棒配列２３２に配置され、第６列、第８列、第１０列に配置される燃料棒７０１は、１２本全て、第１燃料棒７０１１、
（６）その他の第３燃料棒配列２３３に配置され、第５列、第７列、第９列、第１１列に配置される燃料棒７０１は、１３本全て、第１燃料棒７０１１。

そして、実施例４では、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒７０１の熱出力が最も高くなるとの知見を考慮する。

つまり、実施例４では、燃料棒７０１は、合計１８４本の燃料棒７０１が配置される燃料集合体７００（以下、この燃料集合体７００を「１８４燃料集合体７００」と称する場合がある。）のチャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に、第２燃料棒７０１２及び第３燃料棒７０１３が配置され、これら以外に、第１燃料棒７０１１が配置される。

なお、実施例４では、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒７０１２及び第３燃料棒７０１３とは、第２燃料棒配列２３２であって、第２列、第１４列のうち、最外側から２層目及び３層目の左右２本づつ（合計４本）に配置され、第３燃料棒配列２３３であって、第３列、第１３列のうち、最外側から２層目及び３層目の左右２本づつ（合計４本）に配置され、第２燃料棒配列２３２であって、第４列、第１２列のうち、最外側から１層目の左右１本づつ（合計２本）に配置される燃料棒７０１である。

また、実施例４では、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒７０１２及び第３燃料棒７０１３とは、第２燃料棒配列２３２であって、第２列、第１４列のうち、中央部の外側の左右２本づつ（合計４本）に配置され、第３燃料棒配列２３３であって、第３列、第１３列のうち、中央部の外側の左右２本づつ（合計４本）に配置され、第２燃料棒配列２３２であって、第４列、第１２列のうち、中央部の外側の左右１本づつ（合計２本）に配置される燃料棒７０１である。

そして、実施例４では、第２燃料棒７０１２の下部の燃料の燃料濃縮度及び第３燃料棒７０１３の下部の燃料の燃料濃縮度は、第１燃料棒７０１１の燃料の燃料濃縮度よりも、低い。更に、実施例４では、第３燃料棒７０１３の下部の燃料の燃料濃縮度は、第２燃料棒７０１２の下部の燃料の燃料濃縮度よりも、低い。

つまり、燃料棒７０１は、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒７０１に、第２燃料棒７０１２及び第３燃料棒７０１３を使用すると共に、これら以外に配置される燃料棒７０１に、第１燃料棒７０１１を使用する。

このように、実施例４では、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒７０１の熱出力が最も高くなるとの知見に基づいて、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒７０１に、第２燃料棒７０１２及び第３燃料棒７０１３を使用する。これにより、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒７０１の除熱性能を向上させることができる。

また、第２燃料棒７０１２は、第２燃料棒配列２３２であって、第２列、第１４列のうち、中央部の外側の左右１本づつに配置され、第３燃料棒配列２３３であって、第３列、第１３列のうち、中央部の外側の左右１本づつに配置され、第２燃料棒配列２３２であって、第４列、第１２列のうち、中央部の外側の左右１本づつに配置される。

また、第３燃料棒７０１３は、第２燃料棒配列２３２であって、第２列、第１４列に配置される第２燃料棒７０１２の外側の左右１本づつに配置され、第３燃料棒配列２３３であって、第３列、第１３列に配置される第２燃料棒７０１２の外側の左右１本づつに配置される。

そして、燃料棒７０１は、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に配置される燃料棒７０１であって、チャンネルボックス２０３の中心からチャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分に向かって、内側（説明の便宜上、「コーナ部分の内側」と称する）に第２燃料棒７０１２が配置され、外側（説明の便宜上、「コーナ部分の外側」と称する）に第３燃料棒７０１３が配置される。

これにより、特に、コーナ部分に配置される燃料棒７０１の除熱性能を向上させることができる。

次に、実施例４に記載する燃料集合体７００に配置される３種類の燃料棒７０１の鉛直断面を説明する
図８は、実施例４に記載する燃料集合体７００に配置される３種類の燃料棒７０１の鉛直断面を説明する説明図である。

実施例４では、燃料棒７０１として、第１燃料棒７０１１（白丸）と、コーナ部分の内側に配置される第２燃料棒７０１２（斜線丸）と、コーナ部分の外側に配置される第３燃料棒７０１３（黒丸）と、を使用する。

第１燃料棒７０１１は、燃料棒７０１の有効長方向（上下方向）において、１つの燃料濃縮度の燃料（１種類の燃料ペレット）が使用され、第２燃料棒７０１２は、燃料棒７０１の有効長方向（上下方向）において、２つの燃料濃縮度の燃料（２種類の燃料ペレット）が使用され、第３燃料棒７０１３は、燃料棒７０１の有効長方向（上下方向）において、第２燃料棒７０１２と同等の２つの燃料濃縮度の燃料（第２燃料棒７０１２と同等の２種類の燃料ペレット）が使用される。

そして、実施例４では、第１燃料棒７０１１の燃料濃縮度「Ａ」の領域は１．８ｍ、第２燃料棒７０１２の燃料濃縮度「Ａ」の領域は１．５ｍ及び燃料濃縮度「Ｂ」の領域は０．３ｍ、第３燃料棒７０１３の燃料濃縮度「Ａ」の領域は１．２ｍ及び燃料濃縮度「Ｂ」の領域は０．６ｍとする。

つまり、第２燃料棒７０１２と第３燃料棒７０１３とでは、燃料棒７０１の下部の燃料濃縮度「Ｂ」の有効長が相違し、第３燃料棒７０１３の下部の燃料濃縮度「Ｂ」の有効長が、第２燃料棒７０１２の下部の燃料濃縮度「Ｂ」の有効長よりも、長い。

そして、第２燃料棒７０１２の上部の核分裂性プルトニウム富化度及び第３燃料棒７０１３の上部の核分裂性プルトニウム富化度は、第１燃料棒２０１１の核分裂性プルトニウム富化度と同等である。

また、第２燃料棒２０１２の下部の核分裂性プルトニウム富化度及び第３燃料棒７０１３の下部の核分裂性プルトニウム富化度は、第１燃料棒２０１１の核分裂性プルトニウム富化度、第２燃料棒２０１２の上部の核分裂性プルトニウム富化度、第３燃料棒７０１３の上部の核分裂性プルトニウム富化度よりも、低い。

また、第３燃料棒７０１３の下部の核分裂性プルトニウム富化度は、第２燃料棒２０１２の下部の核分裂性プルトニウム富化度よりも、低い。

燃料濃縮度「Ｂ」の燃料の核分裂性プルトニウム富化度は、燃料濃縮度「Ａ」の燃料の核分裂性プルトニウム富化度よりも、低い。これにより、第２燃料棒２０１２の下部の燃料の燃料濃縮度及び第３燃料棒７０１３の下部の燃料の燃料濃縮度は、第１燃料棒２０１１の燃料の燃料濃縮度よりも、低い。

そして、第３燃料棒７０１３の下部の燃料濃縮度「Ｂ」の有効長が、第２燃料棒７０１２の下部の燃料濃縮度「Ｂ」の有効長よりも、長いため、第３燃料棒７０１３の下部の燃料の燃料濃縮度は、第２燃料棒２０１２の下部の燃料の燃料濃縮度よりも、低い。

そして、実施例４では、特に、コーナ部分の外側に配置される燃料棒７０１の熱出力が更に高くなるとの知見を考慮する。

実施例４では、燃料集合体７００の水平断面における燃料棒７０１の発熱係数は、以下のとおりである。
（１）第２燃料棒配列２３２であって、第２列、第１４列に配置され、最外層から１層内側の左右１本づつに配置される燃料棒７０１、及び、第３燃料棒配列２３３であって、第３列、第１３列に配置され、最外層から１層内側の左右１本づつに配置される燃料棒７０１、の平均の発熱係数は、燃料集合体７００の平均の発熱係数の、１．５倍である。
（２）第２燃料棒配列２３２であって、第２列、第１４列に配置され、最外層から２層内側の左右１本づつに配置される燃料棒７０１、第３燃料棒配列２３３であって、第３列、第１３列に配置され、最外層から２層内側の左右１本づつに配置される燃料棒７０１、第２燃料棒配列２３２であって、第４列、第１２列に配置され、最外層から１層内側の左右１本づつに配置される燃料棒７０１、第１燃料棒配列２３１（第１列、第１５列）に配置され、左右１本づつに配置される燃料棒７０１、第２燃料棒配列２３２であって、第２列、第４列、第６列、第８列、第１０列、第１２列、第１４列に配置され、最外層の左右１本づつに配置される燃料棒７０１、及び、第３燃料棒配列２３３であって、第３列、第５列、第７列、第９列、第１１列、第１３列に配置され、最外層の左右１本づつに配置される燃料棒７０１、の平均の発熱係数は、燃料集合体７００の平均の発熱係数の、１．３倍である。
（３）第１燃料棒配列２３１（第１列、第１５列）に配置され、左右１本づつに配置される燃料棒７０１を除く部分に配置される燃料棒７０１、の平均の発熱係数は、燃料集合体７００の平均の発熱係数の、１．２倍である。
（４）これら以外に配置される燃料棒７０１の平均の発熱係数は、燃料集合体７００の平均の発熱係数の、０．８倍である。

なお、燃料棒７０１の発熱係数が高いほど、燃料棒７０１の熱出力が高くなる。そして、発熱係数は、燃料棒７０１に使用される燃料の燃料濃縮度を調整することにより、設定することができる。

実施例１では、燃料集合体２００の水平断面における燃料棒２０１の発熱係数は、燃料集合体２００の最外周のどの間隙に隣接していても一様に設定される。一方、実施例４では、燃料集合体７００の水平断面における燃料棒７０１の発熱係数は、隣接する間隙の大きさに応じて設定される。

このように、実施例４では、チャンネルボックス２０３の４つのコーナ部分の近傍に、第２燃料棒７０１２及び第３燃料棒７０１３を配置し、これら以外に、第１燃料棒７０１１を配置し、コーナ部分の内側に第２燃料棒７０１２を配置し、コーナ部分の外側に第３燃料棒７０１３を配置する。

そして、実施例４では、燃料集合体７００の下部において、第１燃料棒７０１１の燃料の燃料濃縮度を高く設定し、第２燃料棒７０１２の燃料の燃料濃縮度を、第１燃料棒７０１１の燃料の燃料濃縮度よりも、低く設定し、第３燃料棒７０１３の燃料の燃料濃縮度を、第２燃料棒７０１２の燃料の燃料濃縮度よりも、低く設定する。なお、燃料棒７０１の燃料の燃料濃縮度が高いほど、燃料棒７０１の熱出力が高い。

これにより、実施例４によれば、特に、コーナ部分の外側に配置される燃料棒７０１の除熱性能を向上させることができる。

そして、実施例４によれば、最外層に配置される燃料棒７０１とチャンネルボックス２０３との間に形成される間隙に偏在して流通する冷却水１１８の流れを抑制し、最外層付近に配置される燃料棒７０１の発熱分布を考慮し、コーナ部分に配置される燃料棒７０１の除熱性能を向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成の一部に置換することもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を追加することもできる。また、各実施例の構成の一部について、それを削除し、他の構成の一部を追加し、他の構成の一部と置換することもできる。

１００…低減速スペクトル沸騰水型原子炉、１０１…原子炉圧力容器、１０２…炉心シュラウド、１０３…炉心、１０４…シュラウドヘッド、１０５…気水分離器、１０６…蒸気乾燥器、１０７…上部格子板、１０８…炉心支持板、１０９…燃料支持金具、１１０…制御棒案内管、１１１…制御棒駆動機構、１１３…インターナルポンプ、１１４…ダウンカマ、１１５…主蒸気配管、１１６…給水配管、１１７…インペラ、１１８…冷却水、２００、５００、７００…燃料集合体、２０１、７０１…燃料棒、２０１１、６０１１、７０１１…第１燃料棒、２０１２、６０１２、７０１２…第２燃料棒、７０１３…第３燃料棒、２０３…チャンネルボックス、２０４…制御棒、２１１、２１２、２１３、２１４…側壁部、２２０、２２１、２２２、２２３、５２０、５２１、５２２…間隙、２２４…水ギャップ、２３１、５３１…第１燃料棒配列、２３２、５３２…第２燃料棒配列、２３３…第３燃料棒配列、４０４…タイロッド、４０５…スペーサ、４０６…第２燃料棒２０１２の下部、４０７…下部タイプレート、４０８…ハンドル、４０９…上部タイプレート、４１０…第１燃料棒２０１１の下部。

Claims (10)

1. 三角格子状に配置される複数の燃料棒と、前記燃料棒を配置する四角筒状のチャンネルボックスと、を有する燃料集合体であって、
   前記燃料棒は、中央領域に配置される第１燃料棒と、その周囲に配置される第２燃料棒と、更に、その周囲に配置される前記第１燃料棒とを、有し、
   前記第１燃料棒は、前記燃料棒の有効長方向において、１つの燃料濃縮度の燃料を有し、
   前記第２燃料棒は、前記燃料棒の有効長方向において、２つの燃料濃縮度の燃料を有し、
   前記第２燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度は、前記第１燃料棒の燃料の燃料濃縮度よりも、低いことを特徴とする燃料集合体。
2. 請求項１に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒の上部の燃料の燃料濃縮度は、前記第１燃料棒の燃料の燃料濃縮度と同等であることを特徴とする燃料集合体。
3. 請求項２に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒の上部の核分裂性プルトニウム富化度は、前記第１燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度と同等であり、前記第２燃料棒の下部の核分裂性プルトニウム富化度は、前記第１燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度及び前記第２燃料棒の上部の核分裂性プルトニウム富化度よりも、低いことを特徴とする燃料集合体。
4. 請求項２に記載する燃料集合体であって、
   前記第１燃料棒を、最外層の１層のみに配置し、前記第２燃料棒を、最外層から１層内側の１層のみに配置することを特徴とする燃料集合体。
5. 請求項１に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒の上部の燃料の燃料濃縮度は、前記第１燃料棒の燃料の燃料濃縮度よりも低く、前記第２燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度は、前記第２燃料棒の上部の燃料の燃料濃縮度よりも低いことを特徴とする燃料集合体。
6. 請求項５に記載する燃料集合体であって、
   前記第１燃料棒の燃料の燃料濃縮度をＡ、前記第２燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度をＢ、前記第２燃料棒の上部の燃料の燃料濃縮度をＣ、前記第２燃料棒の本数をＮ_１、全ての燃料棒の本数をＮ_２と、前記第２燃料棒の下部の燃料濃縮度の領域の長さ及び前記第２燃料棒の上部の燃料濃縮度の領域の長さの和をＬ_１と、前記第２燃料棒の下部の燃料濃縮度の領域の長さＬ_２と、する場合、
   Ａ＝Ｃ×｛１＋（１－Ｂ）×（Ｎ_１／Ｎ_２）×（Ｌ_２／Ｌ_１）｝
   であることを特徴とする燃料集合体。
7. 三角格子状に配置される複数の燃料棒と、前記燃料棒を配置する四角筒状のチャンネルボックスと、を有する燃料集合体であって、
   前記燃料棒は、前記チャンネルボックスの４つのコーナ部分の近傍に配置される第２燃料棒及び第３燃料棒と、これら以外に配置される第１燃料棒とを、有し、
   前記第１燃料棒は、前記燃料棒の有効長方向において、１つの燃料濃縮度の燃料を有し、
   前記第２燃料棒及び第３燃料棒は、前記燃料棒の有効長方向において、２つの燃料濃縮度の燃料を有し、
   前記第２燃料棒及び第３燃料棒の下部の燃料の燃料濃縮度は、前記第１燃料棒の燃料の燃料濃縮度よりも、低いことを特徴とする燃料集合体。
8. 請求項７に記載する燃料集合体であって、
   前記第３燃料棒の下部の燃料濃縮度の有効長が、前記第２燃料棒の下部の燃料濃縮度の有効長よりも、長いことを特徴とする燃料集合体。
9. 請求項８に記載する燃料集合体であって、
   前記第２燃料棒が、コーナ部分の内側に配置され、
   前記第３燃料棒が、コーナ部分の外側に配置されることを特徴とする燃料集合体。
10. 請求項１に記載する燃料集合体を有することを特徴とする沸騰水型原子炉。

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