JP2958856B2

JP2958856B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体

Info

Publication number: JP2958856B2
Application number: JP6335157A
Authority: JP
Inventors: 一成小口; 勝弘津田
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 1994-09-05
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JPH08129091A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉用燃料集
合体に関するものであり、更に詳しくは燃料ペレットを
装填した燃料棒の９本分の３×３格子の位置を占めるウ
ォーターチャンネルを備えた９×９正方格子配列の沸騰
水型原子炉用燃料集合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の炉心構成に
は、大別して二つのタイプ、即ちＣ格子と呼ばれるもの
と、Ｄ格子と呼ばれるものとがある。図４はＣ格子炉心
構成の一例を示す燃料集合体周辺の配置図であり、図５
はＤ格子炉心構成の一例を示す燃料集合体周辺の配置図
である。

【０００３】Ｃ格子における燃料集合体４２の隣接間隙
の水ギャップは、制御棒４１の挿入位置における幅ａと
制御棒の非挿入位置における幅ｂとが実質的に均等であ
り、燃料集合体に対して水ギャップが対称的である。こ
れに対してＤ格子では、隣接する燃料集合体５２の間の
水ギャップは制御棒５１の挿入位置における幅ａが制御
棒の非挿入位置における幅ｂよりも大きく実質的に不均
等であり、燃料集合体に対して水ギャップが非対称的で
ある。尚、これらの図において符号４３又は５３はウォ
ーターロッドを、符号４４又は５４は燃料棒をそれぞれ
示し、これらによる８×８正方格子配列の燃料集合体が
構成されている。

【０００４】運転状態にある原子炉の中では、燃料集合
体内の冷却水（減速材）が沸騰して密度が低下するた
め、中性子の減速は燃料集合体の外部の水ギャップの方
が優勢となる。このため、炉心横断面内での熱中性子の
分布は水ギャップとその近傍に位置する集合体周辺部の
燃料棒に偏り、熱中性子と燃料中の核分裂性物質（ウラ
ン）との核分裂反応は燃料集合体の中央部寄りの燃料棒
に比べて周辺部の燃料棒において活発になる。このよう
にして燃料棒毎の出力分布の偏りが生じ、従って局所ピ
ーキングが生じる。ここで、局所ピーキングとは、燃料
棒毎の出力と全燃料棒で平均した出力との相対値であ
る。

【０００５】過度の局所ピーキングは燃料棒の熱・機械
的健全性を阻害し、従って燃料棒毎に使用する燃料ペレ
ットの濃縮度を選択して局所ピーキングを抑制する必要
があることから、ＢＷＲの燃料集合体では燃料棒配列に
横断面内の濃縮度分布が与えられている。

【０００６】ここでいう濃縮度とは、燃料ペレットに含
まれるウランの重量に対する核分裂性同位体、典型的に
は ²³⁵Ｕの重量割合であり、Ｃ格子の場合は濃縮度分布
が水ギャップに応じて対称であるが、Ｄ格子では濃縮度
分布が水ギャップの非対称性に応じて制御棒挿入位置と
その反対側とで非対称となり、従ってＤ格子ではＣ格子
に比べて燃料集合体に使用するペレットの濃縮度の種類
が多くなっている。

【０００７】一方、近時においては、燃料集合体の燃焼
度を高めることにより燃料集合体の１体当たりの取出し
エネルギーを増加して経済性を高くするために、従来の
８×８型燃料集合体から９×９型燃料集合体に移行する
傾向にあり、これはまた、使用済み燃料の発生を抑制す
る面でも効果が認められている。このような９×９型燃
料集合体への移行に当たっては、上記のような本来の目
的を達成するために燃料集合体の平均濃縮度を高める必
要がある。ここでいう平均濃縮度とは、燃料集合体に含
まれる全てのウランの重量に対する核分裂性同位体、典
型的には ²³⁵Ｕの重量割合である。

【０００８】平均濃縮度を高めるためには、燃料集合体
の平均濃縮度と共にペレットの最高濃縮度も高める必要
があるが、ペレット最高濃縮度には、燃料の加工工程や
輸送および再処理等における臨界管理による一定の制限
があり、この制限によるペレットの最高濃縮度は従来か
ら５wt％に定められている。

【０００９】図６は、従来の９×９正方格子配列の沸騰
水型原子炉用燃料集合体の典型的な一例を示す燃料集合
体周辺の配置図（Ａ）と燃料棒の軸方向濃縮度分布図
（Ｂ）である。この燃料集合体６２は、１本のウォータ
ーチャンネル６３と７２本の燃料棒６４を備え、平均濃
縮度は約３．７７wt％である。ウォーターチャンネル６
３は、９行９列の正方格子配列における中央の３行３列
分（３×３格子）に相当する面積位置に配置されてい
る。ウォーターチャンネル６３の内部は、原子炉の運転
中においても沸騰を生じていない水（減速材）で満たさ
れており、燃料集合体周囲の水ギャップによって生じる
燃料棒毎の出力分布の偏りを緩和する。

【００１０】図６Ａにおける燃料棒６４に付した符号
（１、２、３、４、Ｇ１）は、図６Ｂに示す各濃縮度別
の燃料棒タイプに対応し、図６Ｂにおける符号ＮＵは天
然ウランブランケットを示している。このような大口径
のウォーターチャンネル６３を有する９×９型燃料集合
体では、横断面内の燃料棒の濃縮度分布についても最高
濃縮度と最低濃縮度との差を小さくすることができ、ペ
レットの最高濃縮度を５wt％に制限したとしても、局所
ピーキングを高めることなしに約４wt％程度まで燃料集
合体平均濃縮度を高めた濃縮度分布の設計が可能であ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】８×８型燃料集合体と
同様に、高燃焼度化のための移行を目的とする９×９型
燃料集合体でも燃料材には低濃縮二酸化ウラン焼結ペレ
ットが用いられるが、ＢＷＲの炉心構成から必然的に生
じる燃料棒の局所ピーキングを抑制するためには多種類
の濃縮度のペレットが必要となる。

【００１２】また、ＢＷＲの炉心構成にはＣ格子とＤ格
子の二種類があり、これらの炉心構成に対応して燃料集
合体の製造に必要な濃縮度の種類は更に多くなる。双方
の炉心構成に対して燃料ペレットの濃縮度を共通にする
こと、即ち濃縮度の共用化を図るには、共用化の対象と
して以下の二通りがあり、その第１はＣ格子同士あるい
はＤ格子同士のように同じ炉心構成の原子炉間でそれぞ
れの運転条件に適合する濃縮度分布の設計が二種類以上
あるとき、これらの設計の燃料集合体に共通の濃縮度の
ペレットを使用する場合であり、第２はＣ格子とＤ格子
のように互いに異なる炉心構成の原子炉間でそれぞれの
運転条件に適合する濃縮度分布の設計が二種類以上ある
とき、これらの燃料集合体に共通の濃縮度のペレットを
使用する場合である。

【００１３】従来の燃料集合体の製造においては、この
ような多種類の濃縮度の管理が必要とされていたので、
製造面での過大な負担を余儀なくされ、濃縮ウランの手
配、輸送、再転換、ペレット及び燃料棒の製造工程など
における厳格な濃縮度管理を多種類に亙って行わなけれ
ばならないという問題点を残していた。

【００１４】例えば図６Ａ及びＢに示した９×９型燃料
集合体を例にとって、前述の諸条件を課した制限下でペ
レットの濃縮度の選択によって適正な濃縮度分布を得よ
うとする場合の問題点を具体的に説明すると以下のとお
りである。

【００１５】燃料棒の上下端には天然ウランや劣化ウラ
ンによる軸方向ブランケットが設けられ、また少数の燃
料棒には中性子吸収物質としてガドリニア(Gd₂O₃) など
の可燃性毒物が混入されるのが一般的であるが、説明を
簡明にするため、ここでは燃料集合体の濃縮度分布につ
いては燃料棒が濃縮ウランペレットのみで構成されるも
のとして考える。

【００１６】図６に示した燃料集合体では４種類の濃縮
度のペレットで濃縮度分布が構成されているが、この燃
料集合体の平均濃縮度は天然ウランブランケットＮＵを
除いて次式で与えられる。 (4.7×34 + 3.9×12 + 3.4×22 + 2.5×4)／72 = 4.047
[wt％]

【００１７】この設計に対して、原子炉の運転条件の変
更により平均濃縮度を0.05wt％だけ引き上げるものとす
る。この場合、局所ピーキングを増加させない方法には
以下の二通りがある。

【００１８】第１の方法は、全てのペレット濃縮度を
(4.047 + 0.05)／4.047 = 1.012 倍だけ一律に引き上げ
る方法である。この方法は、運転条件の異なる原子炉に
対して平均濃縮度の異なる燃料集合体を用いるときに互
いの燃料集合体でペレット濃縮度の共用化が図れないこ
とに難点があり、濃縮度の多種類化が避けられない。

【００１９】第２の方法は、新たなペレット濃縮度を準
備する方法であり、この場合、注意しなければならない
のは、燃料集合体の製造工程で製品である燃料棒の濃縮
度の測定が必須であることであり、そのための検査装置
の分解能に制限があることから、ペレットの濃縮度スプ
リットが相対値で10％以上の濃縮度スパンを持たない
と、測定結果による濃縮度の判別精度の信頼性が得られ
ないことである。

【００２０】例えば図６Ｂに示された４種類の濃縮度を
そのまま利用し、これに１種類の新たな濃縮度のペレッ
トを準備する場合、濃縮度 3.9wt％と 4.7wt％との間の
濃縮度差は 0.8wt％、即ち 3.9wt％の20.5％のスパンに
相当するが、その中間に例えば4.28wt％の新たな濃縮度
を設定すると、この新たな濃縮度と 3.9wt％との濃縮度
差0.38wt％は 3.9wt％の約9.74％にしかならず、また
4.7wt％との間の濃縮度差0.42wt％は4.28wt％の約9.81
％にしかならず、その結果、燃料集合体の製造工程中で
燃料棒の濃縮度を測定する際に検査装置によるこれらの
ペレット濃縮度の判別が新たな濃縮度の加入によって不
確実となってしまうことになる。

【００２１】同様の理由により、 3.9wt％と 3.4wt％と
の間はいずれにせよ約15％のスパンしかないので、これ
らの中間の濃縮度を新たに選択することはできない。ま
た、2.5 wt％の濃縮度の燃料棒４本で集合体平均濃縮度
を0.05wt％増加させるためには、燃料棒の本数が少なく
3.4wt％まで引き上げなければならないので、局所ピー
キングが過大となってしまう。更に 4.7wt％の濃縮度に
ついては、濃縮度の検査を前提に10％増のペレット濃縮
度を設定すると5.17wt％となるため、使用ペレットの最
高濃縮度を５wt％以下に抑えるという制限を維持できな
くなる。

【００２２】本発明の第１の目的は、ペレットの濃縮度
の共用化を前提に太径ウォーターチャンネルを有する９
×９型燃料集合体において濃縮度分布の設計に対する自
由度の大きい構成を提供することである。

【００２３】本発明の第２の目的は、第１の目的に加え
て、燃料集合体の製造工程における燃料棒の濃縮度の測
定に際して検査装置の分解能の制限下で十分な精度で濃
縮度の判別ができるような濃縮度スプリットのもとに可
及的に少ない種類の濃縮度のペレットによって局所ピー
キングを抑制した前記９×９型燃料集合体を提供するこ
とである。

【００２４】本発明の第３の目的は、第１及び第２の目
的に加えて、ペレットの最高濃縮度５wt％以下という制
限下において燃料集合体の平均濃縮度を例えば0.01wt％
の高い精度で比較的自由に選択することができ、要求さ
れた原子炉運転条件、即ち、平均取出燃焼度や燃料取替
本数などの条件を十分に満足することのできる構成を持
った前記９×９型燃料集合体を提供することである。

【００２５】本発明の第４の目的は、第１〜第３の目的
に加えて、燃料集合体の製造工程において原料の濃縮ウ
ランの手配から再転換、ペレットの製造、および最終製
品までの加工工程を少ない種類の濃縮度で可能とすると
共に、原子炉の炉心構成及び運転条件の差異にも濃縮度
を共用化するのに好適な構成の前記９×９型燃料集合体
を提供することである。

【００２６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による沸
騰水型原子炉用燃料集合体は、燃料ペレットを装填した
燃料棒の９本分の３×３格子の位置を占めるウォーター
チャンネルを備えた９×９正方格子配列をもっている。

【００２７】燃料ペレットは、核分裂性物質の濃縮度が
互いに１０％以上の濃縮度スパンで異なる７種類以下の
燃料ペレットからなると共に、これらの燃料ペレットの
最高濃縮度は５wt％以下である。

【００２８】正方格子配列を構成する燃料棒は４〜１２
本の第１タイプの燃料棒と残余の第２タイプの燃料棒と
からなり、第１タイプの燃料棒と第２タイプの燃料棒の
各上下端には天然ウランもしくは劣化ウランに相当する
低濃縮度の軸方向ブランケットが設けられている。

【００２９】第１タイプの燃料棒には軸方向の予め定め
られた境界を境にして上部と下部とで核分裂性物質の濃
縮度が互いに異なる燃料ペレットが装填され、これ対し
て第２タイプの燃料棒には軸方向に関して核分裂性物質
の濃縮度が実質的に同じ燃料ペレットが装填されてい
る。

【００３０】第１タイプの燃料棒における前記境界の位
置は、燃料集合体平均の濃縮度が予め定められた値とな
るように選ばれており、第１タイプの燃料棒の前記境界
よりも上部には比較的低濃縮度の燃料ペレットが装填さ
れ、また下部には比較的高濃縮度の燃料ペレットが装填
され、これら上下の燃料ペレット相互間の濃縮度差が前
記スパンの一段階分に相当するように選ばれている。

【００３１】請求項２の発明は、請求項１に記載の沸騰
水型原子炉用燃料集合体において、燃料集合体を囲む水
ギャップの幅が四周で実質的に均等なＣ格子炉心構成の
沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体であり、核分裂
性物質の濃縮度が互いに１０％以上の濃縮度スパンで異
なる５種類以下の燃料ペレットにより構成されているこ
とを特徴とするものである。

【００３２】請求項３の発明は、請求項１に記載の沸騰
水型原子炉用燃料集合体において、燃料集合体を囲む水
ギャップの幅が四周で実質的に不均等なＤ格子炉心構成
の沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体であり、核分
裂性物質の濃縮度が互いに１０％以上の濃縮度スパンで
異なる７種類以下の燃料ペレットにより構成されている
ことを特徴とするものである。

【００３３】

【作用】請求項１の発明において、燃料ペレットは核分
裂性物質、典型的には ²³⁵Ｕの濃縮度が互いに１０％以
上の濃縮度スパンで異なる７種類以下のものからなる。
ここで１０％以下の濃縮度スパンとは、低い方の濃縮度
から順にＡ，Ｂ，Ｃ…とするとき、濃縮度Ｂは濃縮度Ａ
の１０％増（Ａの１１０％）以上、濃縮度Ｃは濃縮度Ｂ
の１０％増（Ｂの１１０％）以上であることを意味す
る。従って、これらの濃縮度のペレットは燃料棒の濃縮
度を測定する際に検査装置によって十分な精度で判別さ
れ得るものである。

【００３４】濃縮度の種類は、製造上は種類が少ないほ
ど製造コストの低減効果があること、核特性上は種類が
多いほど最適な核設計ができることを考慮して決定され
る。更に、出力ピーキング特性を考慮すると濃縮度の種
類は、Ｃ格子において５種類以下、Ｄ格子において、７
種類以下とするのが適当である。

【００３５】本発明の燃料集合体では、このような７種
類以下の濃縮度のペレットによって４〜１２本の第１タ
イプの燃料棒と残余の本数の第２タイプの燃料棒とが構
成され、これら燃料棒が、その９本分の３×３格子の位
置を占める一本のウォーターチャンネルを備えた９×９
の正方格子配列を構成している。

【００３６】４〜１２本の第１タイプの燃料棒には、軸
方向のあらかじめ定められた境界を境にして上部と下部
とで核分裂性物質の濃縮度が互いに異なる燃料ペレット
が装填されている。これに対して残余の本数の第２タイ
プの燃料棒には、軸方向に関して核分裂性物質の濃縮度
が実質的に同じ燃料ペレットが装填されている。４〜１
２本の第１タイプの燃料棒における前記境界の軸方向位
置を選択することにより、燃料集合体の平均濃縮度があ
らかじめ定められた値に定められる。

【００３７】この場合、第１タイプの燃料棒の境界位置
を全て同一とする場合だけでなく、互いに異なる境界を
持つように設計することもできる。

【００３８】このようにして、本発明では先に図６を参
照して述べた９×９型燃料集合体の特徴を活用し、７種
類以下の少ない濃縮度種類で局所ピーキングを抑制した
燃料集合体を構成することができ、また第１タイプの燃
料棒の本数とその上下の装填ペレットの濃縮度および境
界の位置を選ぶことにより、前記濃縮度スパンと濃縮度
種類の数によって燃料集合体の平均濃縮度は例えば0.01
wt％の精度で種々に設定することが可能であり、これに
より、原子炉の平均取出燃焼度や燃料取替本数などの運
転条件の違いに高い精度で適応することが可能となると
共に、炉心構成または運転条件の異なる原子炉間におけ
る燃料集合体の燃料ペレットを高い利用率で共用化する
ことが可能となる。

【００３９】また請求項１の発明によれば、燃料ペレッ
トの最高濃縮度が５wt％以下に制限されているので、前
述の特徴に加えて燃料加工工程や輸送及び再処理などに
おける臨界管理を従来と同様に行うことができ、新たな
対策は不要である。

【００４０】更に請求項１の発明によれば、第１タイプ
の燃料棒の前記境界より上部に装填される燃料ペレット
の濃縮度よりも、下部に装填される燃料ペレットのほう
が、比較的高い濃縮度をもっており、これら上下の燃料
ペレット相互間の濃縮度の差は前記濃縮度スパンの一段
階分に相当している。ＢＷＲ炉心内のチャンネル内では
冷却水の沸騰により蒸気体積が多くなっている上部の熱
中性子利用率は下部よりも低いので、本発明のように上
部を低濃縮度、下部を高濃縮度とすることにより、燃料
のウラン利用率が向上すると共に、第１タイプの燃料棒
の本数を４〜１２本に制限し、且つその上下の濃縮度差
を前記濃縮度スパンの一段階分に制限しているので、燃
料集合体の平均濃縮度の上下差も例えば７２本の燃料棒
の場合で最高でも前記濃縮度スパンの１７％程度に抑制
することができ、下部に過大な出力ピーキングを生じる
ことを防止することが可能である。

【００４１】請求項２の発明によればＣ格子炉心構成向
けの燃料集合体が提供でき、この場合、燃料ペレットの
濃縮度は５種類である。一方、請求項３の発明によれば
Ｄ格子炉心構成向けの燃料集合体が提供でき、この場合
の燃料ペレットの濃縮度は７種類である。これらＣ格子
向けの燃料集合体とＤ格子向けの燃料集合体の各燃料ペ
レットの濃縮度は相互に共用可能であることは述べるま
でもない。

【００４２】

【実施例】図１は、本発明によるＣ格子向けの９×９型
燃料集合体の一実施例を示す横断面配置図（Ａ）と燃料
棒の軸方向濃縮度分布図（Ｂ）であり、ここでは集合体
の平均濃縮度は３．７７wt％に選ばれている。

【００４３】図１において、燃料集合体１２の周囲は水
ギャップで囲まれており、片側の隣接辺に接する水ギャ
ップは制御棒１１の挿入位置となっている。燃料集合体
１２は、１本のウォーターチャンネル１３と７２本の燃
料棒１４を備え、平均濃縮度は約３．７７wt％である。
ウォーターチャンネル１３は、９行９列の正方格子配列
における中央の３×３格子の位置、即ち３行３列分に相
当する面積を占めて配置されている。ウォーターチャン
ネル１３の内部は、原子炉の運転中においても沸騰を生
じていない水（減速材）で満たされており、燃料集合体
周囲の水ギャップによって生じる燃料棒毎の出力分布の
偏りを緩和する。

【００４４】図１Ａにおける燃料棒１４に付した符号
（１、２、３、Ｇ１，Ｇ２）は、図１Ｂに示す各濃縮度
別の燃料棒タイプに対応し、図１Ｂにおける符号ＮＵは
１／２４の軸方向長さの天然ウランブランケットを示し
ている。これらの各タイプの燃料棒１４を構成するペレ
ットの濃縮度の種類は、２．６wt％，３．３wt％，３．
８wt％および４．５wt％の４種類である。

【００４５】タイプ２の燃料棒は、下部から１７／２４
の軸方向位置を境界として上部領域に３．３wt％のペレ
ットを、下部領域に３．８wt％のペレットを装填して、
上下に濃縮度差をつけた第１タイプの燃料棒であり、そ
の本数は１２本である。

【００４６】タイプ１、３、Ｇ１、Ｇ２の各燃料棒は上
下のブランケットを除いて軸方向に均一な濃縮度のペレ
ットを装填した第２タイプの燃料棒であり、それらの本
数は、４．５wt％の濃縮度のタイプ１の燃料棒が４２
本、２．６wt％の濃縮度のタイプ３の燃料棒が４本、そ
して３．８wt％の濃縮度で４wt％のガドリニアを含有し
たタイプＧ１の燃料棒が４本、３．３wt％の濃縮度で５
wt％のガドリニアを含有したタイプＧ２の燃料棒が１０
本である。

【００４７】図２は、図１のＣ格子向けの実施例とペレ
ットの濃縮度の共用化を行った場合の本発明によるＤ格
子向けの９×９型燃料集合体の一実施例を示す横断面配
置図（Ａ）と燃料棒の軸方向濃縮度分布図（Ｂ）であ
り、ここでは集合体の平均濃縮度は３．８６wt％に選ば
れている。

【００４８】図２において、燃料集合体２２の周囲は水
ギャップで囲まれており、片側の隣接辺に接する水ギャ
ップは制御棒２１の挿入位置となっている。燃料集合体
２２は、１本のウォーターチャンネル２３と７２本の燃
料棒２４を備え、平均濃縮度は約３．８６wt％である。
ウォーターチャンネル２３は、９行９列の正方格子配列
における中央の３×３格子の位置、即ち３行３列分に相
当する面積を占めて配置されている。ウォーターチャン
ネル２３の内部は、原子炉の運転中においても沸騰を生
じていない水（減速材）で満たされており、燃料集合体
周囲の水ギャップによって生じる燃料棒毎の出力分布の
偏りを緩和する。

【００４９】図２Ａにおける燃料棒２４に付した符号
（１、２、３、４、５、６、Ｇ１，Ｇ２）は、図２Ｂに
示す各濃縮度別の燃料棒タイプに対応し、図２Ｂにおけ
る符号ＮＵは１／２４の軸方向長さの天然ウランブラン
ケットを示している。これら各タイプの燃料棒２４を構
成するペレットの濃縮度の種類は、１．８wt％，２．６
wt％，３．０wt％、３．３wt％、３．８wt％、４．５wt
％および４．９５wt％の７種類である。

【００５０】タイプ５の燃料棒は、下部から１７／２４
の軸方向位置を境界として上部領域に２．６wt％のペレ
ットを、下部領域に３．０wt％のペレットを装填して、
上下に濃縮度差をつけた第１タイプの燃料棒であり、そ
の本数は６本である。

【００５１】タイプ１、２、３、４、６、Ｇ１、Ｇ２の
各燃料棒は上下のブランケットを除いて軸方向に均一な
濃縮度のペレットを装填した第２タイプの燃料棒であ
り、それらの本数は、４．９５wt％の濃縮度のタイプ１
の燃料棒が２２本、４．５wt％の濃縮度のタイプ２の燃
料棒が９本、３．８wt％の濃縮度のタイプ３の燃料棒が
１６本、３．３wt％の濃縮度のタイプ４の燃料棒が４
本、１．８wt％の濃縮度のタイプ６の燃料棒が１本、そ
して４．５wt％の濃縮度で４wt％のガドリニアを含有し
たタイプＧ１の燃料棒が８本、３．３wt％の濃縮度で５
wt％のガドリニアを含有したタイプＧ２の燃料棒が６本
である。

【００５２】図１と図２に明らかなように、Ｃ格子向け
燃料集合体（図１）におけるタイプ１〜３、Ｇ１および
Ｇ２に使用したペレット原料の４種類の濃縮度は、異な
る平均濃縮度のＤ格子向け燃料集合体（図２）における
タイプ２〜４、タイプ５の上部領域、タイプＧ２に使用
したペレットの濃縮度と完全な共用化が達成されてい
る。この結果、これら４種類の濃縮度に関するウラン原
料の手配、輸送、再転換およびペレット製造までの工程
をこれらＣ格子向けとＤ格子向けの各燃料集合体で共用
化できる。

【００５３】図３は、最高濃縮度の４．９５wt％を含め
て図２のＤ格子向けの実施例とペレットの濃縮度の共用
化を行った場合の本発明によるＣ格子向けの９×９型燃
料集合体の別の実施例を示す横断面配置図（Ａ）および
燃料棒の軸方向濃縮度分布図（Ｂ）であり、ここでは集
合体の平均濃縮度は図１の場合と同じく３．７７wt％に
選ばれている。

【００５４】図３において、燃料集合体３２の周囲は水
ギャップで囲まれており、片側の隣接辺に接する水ギャ
ップは制御棒３１の挿入位置となっている。燃料集合体
３２は、１本のウォーターチャンネル３３と７２本の燃
料棒３４を備え、ウォーターチャンネル３３は、９行９
列の正方格子配列における中央の３×３格子の位置、即
ち３行３列分に相当する面積を占めて配置されている。
ウォーターチャンネル３３の内部は、原子炉の運転中に
おいても沸騰を生じていない水（減速材）で満たされて
おり、燃料集合体周囲の水ギャップによって生じる燃料
棒毎の出力分布の偏りを緩和する。

【００５５】図３Ａにおける燃料棒３４に付した符号
（１、２、３、４、５、Ｇ１，Ｇ２）は、図３Ｂに示す
各濃縮度別の燃料棒タイプに対応し、図３Ｂにおける符
号ＮＵは１／２４の軸方向長さの天然ウランブランケッ
トを示している。これらの各タイプの燃料棒３４を構成
するペレットの濃縮度の種類は、２．６wt％，３．３wt
％，３．８wt％、４．５wt％および４．９５wt％の５種
類である。

【００５６】タイプ３の燃料棒は、下部から１７／２４
の軸方向位置を境界として上部領域に３．３wt％のペレ
ットを、下部領域に３．８wt％のペレットを装填して、
上下に濃縮度差をつけた第１タイプの燃料棒であり、そ
の本数は４本である。

【００５７】タイプ１、２、４、５、Ｇ１、Ｇ２の各燃
料棒は上下のブランケットを除いて軸方向に均一な濃縮
度のペレットを装填した第２タイプの燃料棒であり、そ
れぞれの本数は、４．９５wt％の濃縮度のタイプ１の燃
料棒が４本、４．５wt％の濃縮度のタイプ２の燃料棒が
３８本、３．３wt％の濃縮度のタイプ４の燃料棒が８
本、２．６wt％の濃縮度のタイプ５の燃料棒が４本、そ
して３．８wt％の濃縮度で４wt％のガドリニアを含有し
たタイプＧ１の燃料棒が６本、３．３wt％の濃縮度で５
wt％のガドリニアを含有したタイプＧ２の燃料棒が８本
である。

【００５８】図２と図３に明らかなように、Ｃ格子向け
燃料集合体（図３）におけるタイプ１〜５、Ｇ１および
Ｇ２に使用したペレット原料の５種類の濃縮度は、異な
る平均濃縮度のＤ格子向け燃料集合体（図２）における
タイプ１〜４、タイプ５の上部領域、タイプＧ１とＧ２
に使用した各ペレットの濃縮度と完全な共用化が達成さ
れている。この結果、これらの５種類の濃縮度に関する
ウラン原料の手配、輸送、再転換およびペレット製造ま
での工程をこれらＣ格子向けとＤ格子向けの各燃料集合
体で共用化できる。

【００５９】以上に述べたいずれの実施例においても、
各濃縮度は１０％以上の濃縮度スパンでスプリット構成
されているので、燃料棒の濃縮度測定において十分な判
別精度で検査可能である。

【００６０】また、軸方向に均一な濃縮度の第２タイプ
の燃料棒の濃縮度の選定に加えて、図１のＣ格子炉心構
成の実施例では１２本、図２のＤ格子炉心構成の実施例
では６本、そして図３のＣ格子炉心構成の別の実施例で
は４本の各第１タイプの燃料棒（タイプ２，５またはタ
イプ３）における上下各領域の燃料ペレットの濃縮度を
１段階分の濃縮度スパンで種々に選び、上下領域の境界
の軸方向位置を種々に選定することにより、７種類以下
という少ない濃縮度でも燃料集合体の平均濃縮度を充分
に細かいスパンで高精度に可変設計することができ、し
かも局所ピーキングの抑制が可能である。

【００６１】燃料集合体の平均濃縮度は、例えば４〜１
２本の第１タイプの上下領域の各燃料ペレット間の濃縮
度の絶対値の差が０．５wt％である場合、その境界位置
を変えることにより最大で０．０８wt％（０．５wt％×
１２本／７２本）までのスパンで連続的に調整可能であ
る。これは、燃料集合体の平均取出燃焼度で約1000 MWd
/tに相当し、また２０％の取替を仮定した場合のサイク
ル長さ約200 MWd/t(約１週間）に相当する。このような
調整ができることは、原子炉運転計画に応じて燃料集合
体の濃縮ウランを有効に利用できる利点がある。

【００６２】第１タイプの燃料棒に関して、上下の濃縮
度差は上部で低濃縮度、下部で高濃縮度となるようにす
るのが好ましく、これは、ＢＷＲでは燃料集合体内の冷
却水流通チャンネル内で冷却水の沸騰が生じるため、蒸
気体積の比較的大きい上部領域における熱中性子の利用
率が下部に比べて低いため、上部領域を低濃縮度、下部
領域を高濃縮度とするほうが濃縮ウランの利用率が向上
するためである。この場合、下部に過大な出力ピーキン
グが生じることを避けるため、第１タイプの燃料棒の本
数の上限は１２本に制限され、しかも第１タイプ燃料棒
における上下の濃縮度差も１段階分の濃縮度スパンに制
限されており、これにより燃料集合体の平均濃縮度でみ
た場合の上下の差は、燃料棒内の上下の濃縮度差が０．
５wt％の場合に約０．０８wt％に抑制される。

【００６３】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
炉心構成や運転条件の異なる沸騰水型原子炉向けの燃料
集合体として使用燃料ペレットの原料の濃縮度を共用化
でき、例えばＣ格子炉心向けとＤ格子炉心向けの燃料集
合体相互間および平均取出燃焼度や燃料取替本数などの
運転条件の異なる炉心向けに平均濃縮度の異なる燃料集
合体相互間において、濃縮ウランの手配、輸送、再転
換、ペレットおよび燃料棒の製造工程までの燃料材およ
び関連設備機器や作業の共用化が達成できることから、
製造コストの低減に多大に寄与する効果がある。なお、
本発明に従うＣ格子炉心向け燃料集合体の設計は、水ギ
ャップの幅に対称性をもつ炉心構成である他の型の原子
炉、例えばＡＢＷＲにも共用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＣ格子向けの９×９型燃料集合体
の一実施例を示す横断面配置図（Ａ）と燃料棒の軸方向
濃縮度分布図（Ｂ）である。

【図２】図１のＣ格子向けの実施例とペレットの濃縮度
の共用化を行った場合の本発明によるＤ格子向けの９×
９型燃料集合体の一実施例を示す横断面配置図（Ａ）と
燃料棒の軸方向濃縮度分布図（Ｂ）である。

【図３】図２のＤ格子向けの実施例とペレットの濃縮度
の共用化を行った場合の本発明によるＣ格子向けの９×
９型燃料集合体の別の実施例を示す横断面配置図（Ａ）
と燃料棒の軸方向濃縮度分布図（Ｂ）である。

【図４】従来のＣ格子炉心構成の一例を示す燃料集合体
周辺の配置図である。

【図５】従来のＤ格子炉心構成の一例を示す燃料集合体
周辺の配置図である。

【図６】従来の９×９正方格子配列の沸騰水型原子炉用
燃料集合体の一例を示す燃料集合体周辺の配置図（Ａ）
と燃料棒の軸方向濃縮度分布図（Ｂ）である。

【符号の説明】

１１，２１，３１：制御棒１２，２２，３２：燃料集合体１３，２３，３３：ウォーターチャンネル１４，２４，３４：燃料棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21C 3/328 GDB G21C 3/326

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ペレットを装填した燃料棒の９本分
の３×３格子の位置を占めるウォーターチャンネルを備
えた９×９正方格子配列の沸騰水型原子炉用燃料集合体
において、燃料ペレットは核分裂性物質の濃縮度が互いに１０％以
上の濃縮度スパンで異なる７種類以下の燃料ペレットか
らなると共に、燃料ペレットの最高濃縮度が５wt％以下
であり、正方格子配列を構成する燃料棒は４〜１２本の第１タイ
プの燃料棒と残余の第２タイプの燃料棒とからなり、第１タイプの燃料棒と第２タイプの燃料棒の各上下端に
天然ウランもしくは劣化ウランに相当する低濃縮度の軸
方向ブランケットが設けられており、第１タイプの燃料棒には軸方向の予め定められた境界を
境にして上部と下部とで核分裂性物質の濃縮度が互いに
異なる燃料ペレットが装填され、第２タイプの燃料棒には軸方向に関して核分裂性物質の
濃縮度が実質的に同じ燃料ペレットが装填され、燃料集合体平均の濃縮度が予め定められた値となるよう
に第１タイプの燃料棒における前記境界の位置が選ばれ
ていると共に、第１タイプの燃料棒の前記境界よりも上部に比較的低濃
縮度の燃料ペレットが装填されるとともに下部に比較的
高濃縮度の燃料ペレットが装填され、これら上下の燃料
ペレット相互間の濃縮度差が前記スパンの一段階分に相
当することを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項２】燃料集合体を囲む水ギャップの幅が四周
で実質的に均等なＣ格子炉心構成の沸騰水型原子炉に装
荷される燃料集合体であって、核分裂性物質の濃縮度が
互いに１０％以上の濃縮度スパンで異なる５種類以下の
燃料ペレットにより構成されていることを特徴とする請
求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】燃料集合体を囲む水ギャップの幅が四周
で実質的に不均等なＤ格子炉心構成の沸騰水型原子炉に
装荷される燃料集合体であって、核分裂性物質の濃縮度
が互いに１０％以上の濃縮度スパンで異なる７種類以下
の燃料ペレットにより構成されていることを特徴とする
請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。