JP3105933B2

JP3105933B2 - 燃料集合体

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Publication number: JP3105933B2
Application number: JP03067374A
Authority: JP
Inventors: 護永野; 久生野際
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-03-30
Filing date: 1991-03-30
Publication date: 2000-11-06
Anticipated expiration: 2015-11-06
Also published as: US5249211A; JPH04303799A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉の炉心部
に装荷される燃料集合体に係り、特に、反応度投入事象
における安全性が高く、かつ運転特性が良好で、経済性
の高い燃料集合体に関する。

【０００３】

【従来の技術】図１は、沸騰水型原子炉の炉心部に装荷
される代表的な燃料集合体１を示す縦断面図である。こ
の燃料集合体１は角筒状のチャンネルボックス２を有
し、このチャンネルボックス２内には、核燃料物質を納
めた燃料棒３と中性子減速棒としてのウォータロッド４
が、スペーサ５で互いに離隔されながら、軸方向を垂直
にして８行８列の格子状に収納される。燃料棒３、ウォ
ータロッド４は上部タイプレート６および下部タイプレ
ート７にて支持されている。

【０００４】これらの燃料集合体１を多数配置して原子
炉の炉心が構成されている。燃料集合体１の中には、中
性子減速材であり、かつ冷却材である高圧の水が燃料集
合体１の下方より流入し、途中熱せられて沸騰し、ボイ
ドを発生させる。このため燃料集合体１内には、下方で
はボイド率が小さく上方ではボイド率が大きいボイド分
布が存在している。

【０００５】また、燃料集合体１と隣接する燃料集合体
の間には、沸騰していない高圧の水が流れている。

【０００６】したがって、燃料集合体１の内部および外
部では、軸方向および径方向で水の密度に差が生じてい
る。ところが、水の密度の高い領域ほど中性子の減速効
果が高いため、核分裂を引き起こす熱中性子束が高く、
高い出力を発生し、出力分布にバラツキが生じ、一様で
はない。このため、沸騰水型原子炉の燃料集合体１では
出力発生の平坦化を図るため、燃料集合体１内の軸方
向、径方向で核燃料の濃縮度分布や可燃性毒物濃度分布
を設けている。濃縮度分布や可燃性毒物濃度分布を設け
た燃料集合体１の例を図２に示す。

【０００７】図２に示す燃料集合体１は燃料棒３を８行
８列の正方格子状に並べ、中央に太径の１本のウォータ
ロッド４を配置したものである。各燃料棒３の配置が図
２（Ａ）に各燃料棒の濃縮度および可燃性毒物であるガ
ドリニア濃度の分布が図２（Ｂ）に示してある。

【０００８】燃料棒番号のうち、１，２，３，４の数値
で示したものはウラン燃料棒であることを示し、Ｇの記
号で示したものは、可燃性毒物、例えばガドリニア入り
のウラン燃料棒であることを示す。図２（Ｂ）の燃料棒
３の中に記された数値はウラン２３５の濃縮度（重量パ
ーセント：ｗ／ｏ）を示し、５．０Ｇ等の数値は、ガド
リニアの含有量が５．０ｗ／ｏであることを示す。

【０００９】図２（Ａ），（Ｂ）に示す例では燃料集合
体１の濃縮度分布は軸方向で２領域に分割され、出力分
布の平坦化のため上部領域の濃縮度が下部領域の濃縮度
より高い設計となっている。すなわち、燃料棒番号２，
３，４の燃料棒３に濃縮度分布が設けられ、全ての燃料
棒３は上部領域の濃縮度が下部領域より大となってい
る。

【００１０】また、図２（Ａ）に見られるように、燃料
集合体１のチャンネルボックス２に面する側の燃料棒ほ
ど、またチャンネルボックス２のコーナに近い燃料棒ほ
ど相対的に濃縮度の低い燃料棒が使用されている。燃料
集合体１内の径方向の出力分布を平坦化するためであ
る。

【００１１】燃料集合体１の各燃料棒３に濃縮度分布を
設ける際、重要な燃料棒となっているのが、チャンネル
ボックス２に面する外周側の燃料棒３である。外周側に
列状に配置された燃料棒３では、チャンネルボックス２
外側の非沸騰水のために、中性子束が高いことに起因し
ている。

【００１２】このため、チャンネルボックス２の周辺に
位置する燃料棒３の濃縮度を高めると、熱中性子束が高
いため周辺側の燃料棒３の発生出力が大きくなる。とこ
ろで、燃料集合体１内の燃料棒３の発生出力の指標とし
て、局所出力ピーキング係数がある。局所出力ピーキン
グ係数は、燃料集合体１の径方向平均出力に対する各燃
料棒３の出力の相対比である。局所出力ピーキング係数
の最大値は燃料棒３に許容される最大線出力密度の制限
値により制限されるので、周辺列の濃縮度を高めるのに
は限度がある。

【００１３】一方、熱中性子束の高い領域の濃縮度を上
げると、熱中性子束の低い領域で同じ量の濃縮度を上げ
た場合に比べ高い無限増倍率の増加が得られる。このた
めできるだけ相対的に周辺部の濃縮度を高めることが、
無限増倍率の増大に繋り、燃料の経済性にとっては好ま
しい。

【００１４】局所出力ピーキング係数上の制限と無限増
倍率の増加との相反する条件を両方満たせるように燃料
集合体１を設計することが最適である。このため従来の
燃料集合体１では、上部領域の平均濃縮度を下部領域よ
り上げる方法として、チャンネルボックス２側である周
辺列の燃料棒３に実施している。この場合、周辺列の燃
料棒３において局所出力ピーキング係数が大きくなる特
性を有する。

【００１５】このように設計された燃料集合体１におい
ては、原子炉低温時における局所出力ピーキング係数が
出力運転状態時の値に比べさらに過大となる問題を有し
ている。原子炉低温時には燃料集合体１内の中央部に配
置されている可燃性毒物含有の燃料棒Ｇにおいて、可燃
性毒物の中性子吸収効果が増大し、中央部の出力が低下
して周辺配列の燃料棒３の出力が大きくなることによ
る。この低温時の局所出力ピーキング係数は、反応度投
入事象における燃料の保有エンタルピの観点より重要な
パラメ―タである。

【００１６】反応度投入事象は、原子炉起動時のような
低温時に制御棒の反応度価値が高く、誤って即発臨界を
誘起するような高い反応度が原子炉に加えられた時に起
こる事象である。このような場合、燃料棒３の保有エン
タルピが急上昇し、燃料棒３が破損したり、また燃料エ
ンタルピが制限値である２３０cal/ｇ・ＵＯ₂を超える
と圧力波等の機械的エルネギが発生する。さらに、原子
炉の低温時にはボイドの発生がなくなっているため、低
温時の原子炉の軸方向出力分布は極めて上部方向に歪ん
だ分布となっている。このため、燃料集合体１の上部領
域での低温時の局所出力ピーキング係数の大きさが、反
応度投入事象時の燃料エンタルピの観点より重要であ
る。

【００１７】従来の燃料集合体１における低温時の局所
出力ピーキング係数は圧力波の発生に至るような高い燃
料エンタルピとならない範囲に抑えられている。

【００１８】しかし、今後、原子力発電の経済性を高め
るため、燃料集合体１の濃縮度を増加し、核燃料の高燃
焼度化を図ると、低温時の局所出力ピーキング係数はさ
らに高くなる不都合が生じるおそれがある。しかし、こ
の場合でも反応度投入事象で許容される燃料エンタルピ
の最大値を超えてはならないため、低温時の局所出力ピ
ーキング係数は自ずと制限されることになる。その結
果、これが燃料集合体設計上の大きな制約となり、燃料
集合体の濃縮度を増加できない等の問題が生じる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料集合体の核
設計においては、できるだけ燃料集合体１内の周辺列に
面する燃料棒の濃縮度を上げることが、燃料経済性の観
点より好ましいが、一方、周辺列の燃料棒の濃縮度を上
げるに伴い、局所出力ピーキング係数が増加し、特に低
温時の局所出力ピーキング係数の増加が著しくなる。低
温時の局所出力ピキング係数の増加は、反応度投入事象
発生時の燃料エンタルピの増大化に繋り問題である。

【００２０】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、低温時における局所出力ピーキング係数の増大
化を防止し、反応度投入事象発生時の燃料エンタルピの
増大化を防ぐと共に、燃料経済性を損うことなく、かつ
良好な出力分布を実現し運転特性上も支障がない燃料集
合体を提供することを目的とする。〔発明の構成〕

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料集合体
は、上述した課題を解決するために請求項１に記載した
ように、角筒状のチャンネルボックス内に多数の燃料棒
を正方格子状に配列した燃料集合体において、前記チャ
ンネルボックスの４隅部付近に配設される燃料棒は、上
下端部を除き上部領域の濃縮度が下部領域の濃縮度より
小さな第１燃料棒で構成し、上記第１燃料棒は、その上
部領域の濃縮度が、前記チャンネルボックスの４隅部付
近以外に配置される燃料棒の同一高さの濃縮度より低
く、かつ上部領域と下部領域の境界位置を、軸方向燃料
有効長部下端より全長の１５／２４〜２２／２４の範囲
内に設けてなるものである。

【００２２】また、上述した課題を解決するために本発
明に係る燃料集合体は、請求項２に記載したように、角
筒状のチャンネルボックス内に多数の燃料棒を正方格子
状に配列した燃料集合体において、前記チャンネルボッ
クスの４隅部付近に配設される燃料棒は、上下端部を除
き上部領域の濃縮度が、下部領域の濃縮度より小さな第
１燃料棒で構成し、上記第１燃料棒は、その上部領域の
濃縮度が、前記チャンネルボックスの４隅部付近以外に
配置される燃料棒の同一高さの濃縮度より低く、かつ上
部領域と下部領域の境界位置を、軸方向燃料有効長部下
端より全長の１５／２４〜２２／２４の範囲内に設けて
なり、さらに前記チャンネルボックスの４隅部付近以外
に配置される燃料棒の少なくとも一部は、上下端部を除
き上部領域の濃縮度を下部領域の濃縮度より大きく設定
した第２燃料棒で構成されるものである。

【００２３】さらに、本発明の燃料集合体は、上述した
課題を解決するために請求項３に記載したように、第１
燃料棒と第２燃料棒とで上部領域および下部領域の境界
位置をほぼ同じにして燃料集合体を上部領域と下部領域
の２領域に区画し、上部領域の平均濃縮度を下部領域の
平均濃縮度より大きく設定してなるものであり、また、
請求項４に記載したように、第１燃料棒と第２燃料棒と
で上部領域と下部領域の境界位置を異にして燃料集合体
を上部領域と中央部領域と下部領域とに区画し、上部領
域および下部領域の平均濃縮度を中央部領域の平均濃縮
度より小さく設定してなるものである。

【００２４】

【作用】本発明の燃料集合体においては、チャンネルボ
ックスの４隅部付近に配設される燃料棒は上下端部分を
除き、上部領域の濃縮度が下部領域の濃縮度より小さな
第１燃料棒で構成したから、原子炉起動時のような低温
状態において、軸方向出力分布が極端に上方ピークとな
っている場合に、燃料集合体の上部領域の局所出力ピー
キング係数を、従来の燃料集合体と較べ小さくすること
ができる。

【００２５】このように、第１燃料棒は、原子炉低温時
における燃料集合体上部領域の局所出力ピーキング係数
を低減できると共に、下部領域で出力運転時の無限増倍
率を増加できる作用を有している。したがって、燃料経
済性を損うことなく、かつ原子炉低温時における反応度
投入事象発生時の燃料エンタルピの増大を防ぐことがで
きる。

【００２６】また、この燃料集合体は、請求項２に記載
したように構成し、チャンネルボックスの４隅部付近に
配列される第１燃料棒と併用して、その他の燃料棒の一
部に第２燃料棒を使用すると、第２燃料棒は上部領域の
濃縮度が下部領域の濃縮度よりも大きい燃料棒であるた
め、第１燃料棒の導入により、燃料集合体の下部領域の
平均濃縮度が増加するが、この増加を第２燃料棒が相殺
する効果を有している。これによって出力運転時の原子
炉の出力分布が第２燃料棒の導入により、下方歪の傾向
となるのを防止することができ、軸方向出力分布の平坦
化を図っている。

【００２７】さらに、第１燃料棒と第２燃料棒の上下領
域における濃縮度差の適正化およびそれぞれの上下領域
の境界位置を適正化した場合には、より一層の出力分布
の平坦化と燃料経済性の向上を図ることができる。

【００２８】すなわち、第１燃料棒と第２燃料棒の上部
および下部領域の境界位置を同一高さに揃えると、燃料
集合体の軸方向平均濃縮度分布は２領域となる。この場
合、上部領域の平均濃縮度が下部領域の平均濃縮度より
大となるよう、第１燃料棒と第２燃料棒の濃縮度分布を
調整すると、軸方向ボイド分布の存在による出力運転時
の軸方向出力分布の下方歪の傾向は矯正され、平坦な出
力分布が実現される。

【００２９】また、第１燃料棒の上下領域の境界位置を
第２燃料棒の上部および下部領域の境界位置より上方に
設定すると、燃料集合体の軸方向濃縮度分布は３領域と
なる。この場合上部領域および下部領域の平均濃縮度が
中央部領域の平均濃縮度よりも小さくなるよう第１燃料
棒、第２燃料棒の濃縮度分布を調整すると、原子炉出力
運転中の出力分布の平坦化と、燃料経済性の向上とが図
られる。燃料経済性の向上は、上部領域の濃縮度を低く
設定したことにより図られる効果である。原子炉炉心の
上部ではボイド量が多く、中性子の炉外への漏洩が多い
ので、濃縮度を低く設定した分、中性子の漏洩が低減さ
れることによる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明に係る燃料集合体の一実施例に
ついて添付図面を参照して説明する。

【００３１】この燃料集合体は沸騰水型原子炉の炉心部
に装荷されるもので、その全体的な構成は、図１に示す
代表的な燃料集合体と異ならないので、説明を省略す
る。図３に示す燃料集合体１０は本発明の第１実施例を
示すものである。

【００３２】この燃料集合体１０は、図３（Ａ）に示す
ように角筒状のチャンネルボックス１１を有し、このチ
ャンネルボックス１１内に例えば８行８列の正方格子状
に配置された多数の燃料棒１２が収容され、中央部に１
本の太径のウォータロッド１３が配置される。各燃料棒
１２は燃料被覆管内に例えばペレット状の核燃料物質を
装填したものであり、燃料棒１２の軸方向有効長（核燃
料が充填された部分の長さ）は例えば２４ノードに区画
される一方、通常１４４インチ〜１４６インチで、原子
炉炉心部の炉心有効高さと等しい。

【００３３】チャンネルボックス１１内に配設される燃
料棒１２は核燃料の濃縮度が異なる複数種１２ａ〜１２
ｃが用意される。各燃料棒１２の濃縮度分布は図３
（Ｂ）に示されている。各燃料棒１２は、濃縮度の分布
状態に応じて第１の燃料棒１２ａと第２の燃料棒１２ｂ
と第３の燃料棒１２ｃに分けられる。

【００３４】第１燃料棒１２ａは上下端部分を除いて上
部領域の濃縮度が下部領域の濃縮度より小さなもので、
燃料棒番号４および５で示される燃料棒である。第２燃
料棒１２ｂは、第１燃料棒１２ａとは異なり、上部領域
の濃縮度が下部領域の濃縮度より大きなもので、燃料棒
番号２および３で示される燃料棒である。また、第３燃
料棒１２ｃは軸方向の濃縮度分布が均一な燃料棒番号１
およびＧで示される燃料棒である。

【００３５】第２燃料棒１２ｂの上部領域と下部領域の
境界は燃料集合体１０の燃料有効長部の下端から前記燃
料有効長部の軸方向全長の７／２４〜１６／２４との範
囲内に位置しており、第１燃料棒１２ａの上部領域と下
部領域の境界は、第２燃料棒１２ｂの境界位置と同じで
ある。

【００３６】また、全ての燃料棒１２は、上下端約６〜
１２インチの両端部分に天然ウラン（Ｕ−２３５の含有
率０．７１ｗ／ｏ）が装填されている。天然ウランの領
域はブランケット領域と呼ばれ、炉心中央部の濃縮部領
域と分けて考えられる。一般に、ブランケット領域は上
下端１ノード分で約６〜１２インチの領域に施されてい
るので、以下で述べる軸方向濃縮度分布の説明では、こ
のブランケット領域を除いている。

【００３７】この燃料集合体１０の実施例では、第１燃
料棒１２ａと第２燃料棒１２ｂの上部領域と下部領域の
境界は同一高さ位置にあるため、燃料集合体１０の軸方
向平均濃縮度分布は上下２領域に分けられる。上部領域
の平均濃縮度が３．８４ｗ／ｏで、下部領域の平均濃縮
度３．６３ｗ／ｏより大きい。図３（Ｂ）には、各燃料
棒１２に充填される核燃料の濃縮度の値が重量パーセン
ト（ｗ／ｏ）で表示されている。この燃料集合体１０の
軸方向平均濃縮度分布は、図２（Ａ），（Ｂ）で示す従
来の燃料集合体１と同一である。

【００３８】次に、燃料集合体１０のチャンネルボック
ス１１の４隅部付近に燃料棒番号３，４の第１燃料棒１
２ａを配置したときの、燃料集合体１０の上部領域にお
ける原子炉起動時のような低温時の局所出力ピーキング
係数の分布図は図４（Ａ）に示すように表わされる。図
４（Ｂ）は図２に示す従来の燃料集合体１１における原
子炉低温時の局所出力ピーキング係数の分布図である。

【００３９】従来の燃料集合体１では、局所出力ピーキ
ング係数の最大値は１．３５であり、燃料集合体１のチ
ャンネルボックス２の４隅部の燃料棒に発生している。
これに対し、本実施例の燃料集合体ではチャンネルボッ
クス１１の４隅部の燃料棒の局所出力ピーキング係数は
１．２２と低下して、最大値は他の燃料棒に発生し、そ
の値は１．３０である。このように、チャンネルボック
ス１１の４隅部付近に第１燃料棒１２ａを配置すること
により局所出力ピーキング係数の最大値を約４％低下さ
せることができる。

【００４０】また、燃料集合体１０における原子炉低温
時の軸方向出力分布曲線の例を図５に実線Ａで示し、従
来の破線Ｂで示すものと対比させている。原子炉低温時
にはチャンネルボックス１１内でボイドの発生がないた
め、軸方向出力分布は極端に上方歪となっている。この
ため、低温時に反応度投入事象が発生し、原子炉出力が
急上昇すると、燃料集合体上部における燃料の保有エン
タルピの増加が特に大きくなる。

【００４１】反応度投入事象の１つである制御棒落下事
故を想定したときの最大燃料エンタルピを評価すると、
従来の燃料集合体の燃料エンタルピの最大値は２２３ca
l/ｇ／ＵＯ₂であるのに対し、本実施例の燃料集合体１
０では２１５cal/ｇ／ＵＯ₂である。この燃料集合体１
０では、局所出力ピーキング係数の低下率に比例して燃
料エンタルピの最大値が低下した。設計上許容される燃
料エンタルピの最大値（制限値）は２３０cal/ｇ／ＵＯ
₂であるので、本実施例の燃料集合体１０では、制限値
に対する余裕が増大している。

【００４２】次に、原子炉の出力運転時における燃料集
合体の無限増倍率について比較する。図３に示す燃料集
合体１０はチャンネルボックス１１の４隅部付近位置に
第１燃料棒１２ａを使用しているため、燃料棒番号２の
第２燃料棒１２ｂにより上部領域の平均濃縮度を従来例
と同じまで高めても、従来例より約０．５０％ΔＫ、無
限増倍率Ｋ∞が低下している。

【００４３】一方、下部領域では第１燃料棒１２ａをチ
ャンネルボックス１１の４隅部周辺位置に使用している
ため、従来例より約０．４６％ΔＫ、無限増倍率Ｋ∞が
増加している。したがって、燃料集合体平均としては従
来例と同等の無限増倍率となっている。

【００４４】このように第１燃料棒１２ａの採用によっ
て燃料経済性が損われることはない。

【００４５】また、図３に示す燃料集合体１０において
は、第２燃料棒１２ｂの採用によって軸方向平均濃縮度
分布を従来例と同等に調整している。よって、図６に示
すように出力運転中の出力分布曲線は実線Ａで示すよう
に、従来の出力分布曲線Ｂと変らず平坦であり、運転性
能は良好である。

【００４６】図７に、第１燃料棒における上部領域と下
部領域の平均濃縮度差をパラメ―タとしたときの上部領
域における低温時局所出力ピーキング係数と、上部およ
び下部領域の出力運転時の無限増倍率（Ｋ∞）および燃
料集合体平均無限増倍率（Ｋ∞）の関係を示す。本評価
では、第１燃料棒１２ａの上部および下部領域における
平均濃縮度は一定に保たれている。また、第２燃料棒１
２ｂは軸方向濃縮度分布の調整によって燃料集合体１０
の各軸方向領域における平均濃縮度は従来例と同一にし
てある。

【００４７】図７から第１燃料棒１２ａの上部領域の濃
縮度を下部領域よりも小さくするのに伴い上部領域の低
温時局所出力ピーキング係数は小さくなる。また、第１
燃料棒１２ａの下部領域の濃縮度も上げるようにしてい
るため、燃料集合体平均の無限増倍率Ｋ∞の低下も殆ど
ない。

【００４８】次に、本発明に係る燃料集合体の第２実施
例を説明する。

【００４９】図３に示す燃料集合体１０と同一部分には
同じ符号を付して説明する。この燃料集合体は、図８お
よび図９に示すように、高燃焼度化を図るために好都合
な燃料集合体１０Ａの例である。高燃焼度化を図った原
子炉では、燃料集合体の平均濃縮度が増加しているた
め、燃料集合体間の出力ミスマッチが増加する。このた
め反応度投入事象発生時の最大燃料エンタルピはさらに
上昇の傾向を示すので、高燃焼度化の燃料集合体の適用
の効果が大きい。

【００５０】この燃料集合体１０Ａではチャンネルボッ
クス１１内に燃料棒１２を例えば９行９列の正方格子状
に配置し、燃料集合体１０Ａの中央部に燃料棒７本分の
スペースに太径のウォータロッド１３を２本配置し、燃
料棒１２の本数を従来より約２０％増やしている。これ
により燃料棒１２の１本当たりの熱負荷を低減でき、高
燃焼度化による熱的余裕の低下を防止している。

【００５１】この燃料集合体１０Ａの各燃料棒１２の軸
方向濃縮度、ガドリニア濃度分布を図９に示す。燃料集
合体１０Ａの平均濃縮度は約３．９ｗ／ｏである。燃料
棒番号２および３の燃料棒が第１燃料棒１２ａであり、
燃料棒番号Ｇ２が第２燃料棒１２ｂである。残りの燃料
棒は第３燃料棒１２ｃであり、軸方向の濃縮度分布が一
様で均一なものである。第１燃料棒１２ａは、第１実施
例で示した燃料集合体１０と同様に４隅近傍付近に配置
された計１２本の燃料棒である。一方、第２燃料棒１２
ｂはガドリニアを含む４本の燃料棒に適用されており、
上部領域の濃縮度が３．９ｗ／ｏ、下部領域は濃縮度が
０．７１ｗ／ｏの天然ウランより構成されている。

【００５２】第１燃料棒１２ａを４隅領域の燃料棒に採
用したことにより燃料集合体１０Ａの上部領域における
低温時局所出力ピーキング係数は、１．３４である。こ
の場合、制御棒落下を想定した反応度投入事象における
燃料エンタルピは２２６cal/ｇＵＯ₂であり、燃料エン
タルピの制限値である２３０cal/ｇＵＯ₂を充分に満た
す。

【００５３】一方、第１燃料棒１２ａを採用しないで、
第１燃料棒１２ａの上部領域と下部領域の濃縮度を逆に
した従来型の燃料集合体では、上部領域の低温時局所出
力ピーキング係数は約１．５まで上昇するおそれがあ
る。この場合には、燃料エンタルピの制限値を遥かに超
えて燃料集合体設計として成立しなくなる。

【００５４】また、図８および図９に示す燃料集合体１
０Ａでは、下記の理由から第２燃料棒１２ｂをガドリニ
ア等の可燃性毒物を含む燃料棒とした。

【００５５】第１点は、燃料集合体１０Ａの下部領域に
おける無限増倍率の増大化による経済性の向上を図った
ためである。同一の平均濃縮度の燃料集合体では燃料集
合体の周辺列の燃料棒の濃縮度をできるだけ高くした方
が無限増倍率を大きくできる。ガドリニア等の可燃性毒
物入りの燃料棒は、燃料集合体の中央部に配置されてい
る燃料棒であり、第２燃料棒１２ｂを燃料集合体１０Ａ
の中央部に配置することにより、図２に示す従来例や、
図３に示す第１実施例記載の燃料集合体のように、第２
燃料棒を周辺列に配置する場合より、同一の平均濃縮度
では無限増倍率を大きくできる。

【００５６】第２点はガドリニア等の可燃性毒物入り燃
料棒で、下部領域の濃縮度を低下させた方が、出力運転
時の下部領域の局所出力ピーキング係数の増大化を防ぐ
ことができる。ガドリニアロッド等の可燃性毒物入り燃
料棒は、元々他のガドリニア等の可燃性毒物を含まない
燃料棒に比べ発生出力が小さく、初期の局所出力ピーキ
ング係数は約０．４程度である。

【００５７】燃料集合体１０Ａに装荷される可燃性毒物
入り燃料棒Ｇ２としてのガドリニアロッドの下部領域を
天然ウランで構成すると、局所出力ピーキング係数は約
０．２程度まで低下する。一方、可燃性毒物を含まない
ウラン燃料棒において下部領域の濃縮度を天然ウラン相
当まで低下させると、その燃料棒の局所出力ピーキング
係数は約１．０から約０．５程度まで低下してしまう。

【００５８】燃料棒１本当たりの出力の低下量は、ガド
リニアロッドの場合約０．２であるのに対し、ウラン燃
料棒の場合約０．５である。出力が低下した分は他の燃
料棒で補うことになるため、燃料集合体の局所出力ピー
キング係数の最大値はさらに増加する。

【００５９】しかし、１本当たりの出力の低下量が少な
いガドリニアロッドでは、この局所出力ピーキング係数
の増大化を最小に抑えることができる。出力運転時の局
所出力ピーキング係数の増大化を抑制できることは出力
運転時の最大線出力密度を低くできる利点となる。

【００６０】以上２つの理由により、この燃料集合体１
０Ａは第２燃料棒１２ｂをガドリニアロッドとしたもの
である。なお、原子炉運転時の最大線出力密度が許容さ
れる範囲においては、第２燃料棒を必ずしもガドリニア
ロッドに適用する必要はなく、他の中央部配置の燃料棒
に適用しても差し支えない。この場合でも下部領域にお
ける無限増倍率の増加による経済性の向上は図られる。

【００６１】次に、図８および図９に示す燃料集合体１
０Ａを装荷した原子炉の出力運転時の軸方向出力分布を
図１０に示す。この燃料集合体１０Ａは上部領域と下部
領域の上下２領域に分かれ、上部領域の平均濃縮度が下
部領域の平均濃縮度より大きく、かつ下部領域の可燃性
毒物含有量が上部領域の可燃性毒物含有量よりも大きく
構成されているため、軸方向出力分布は実線Ｃで示すよ
うに充分平坦である。

【００６２】図１１は本発明に係る燃料集合体の第３実
施例を示すものである。この実施例に示された燃料集合
体１０Ｂは、図８で示すものと同様、高燃焼度化に適し
た燃料集合体であり、この燃料集合体１０Ｂのチャンネ
ルボックス１１内に収容される燃料棒の配列は、図８に
示したものと同様であるので図示を省略する。各燃料棒
の軸方向濃縮度、ガドリニア分布を図１１に示す。この
燃料集合体１０Ｂが図８および図９で示す燃料集合体１
０Ａと相違する点は第１燃料棒１２ａである燃料棒番号
２および３の上下領域の境界が第２燃料棒１２ｂである
燃料棒番号Ｇ２の上下領域の境界より上方に、本例にお
いては下端から１５／２４に位置している点である。

【００６３】すなわち、この燃料集合体１０Ｂは、第２
燃料棒１２ｂの上部領域と下部領域の境界は、燃料集合
体１０Ｂの燃料有効長部の下端から前記燃料有効長部の
軸方向全長の１０／２４との範囲内に位置しており、第
１燃料棒１２ａの上部領域と下部領域の境界は、前記第
２燃料棒１２ｂの境界位置より上方に位置させて、燃料
集合体１０Ｂの内部を上部領域と中央部領域と下部領域
の３領域に区画している。そして、上部領域および下部
領域の平均濃縮度が中央部領域の平均濃縮度よりも小さ
く、かつ下部領域の可燃性毒物含有量は、中央部領域の
可燃性毒物含有量よりも大きく、さらに上部領域の可燃
性毒物含有量は中央部領域の可燃性毒物量と等しく（小
さくてもよい。）したものである。

【００６４】また、可燃性毒物を含有する第２燃料棒１
２ｂの下部領域には天然ウランまたは濃縮工程で廃棄さ
れる廃棄ウランの中に、可燃性毒物を添加させている。

【００６５】第１燃料棒１２ａと第２燃料棒１２ｂの境
界位置を異にして燃料集合体１０Ｂを上部領域、中央部
領域および下部領域に区画したのは、反応度投入事象時
の燃料エンタルピの評価より、低温時の局所出力ピーキ
ング係数の低減化が必要な領域は最低限燃料有効長部の
下端から軸方向全長の１５／２４〜２２／２４の範囲に
あればよいことからである。したがって、この範囲に第
１燃料棒の境界位置があればよい。この実施例に示され
る燃料集合体１０Ｂの場合、制御棒落下を想定したとき
の燃料エンタルピは図８および図９で示された燃料集合
体１０Ａの場合と同じく２２６cal/ｇＵＯ₂であり、制
限値の２３０cal/ｇＵＯ₂を満たす。

【００６６】図１１に示すように燃料集合体１０Ｂ内に
収容される第１燃料棒１２ａと第２燃料棒１２ｂの上下
領域の境界位置をずらすと、軸方向の濃縮度分布は３領
域となるが、図１０の軸方向出力分布線Ｄに示されるよ
うに第２実施例に示された燃料集合体１０Ａと比べ殆ど
差がなく、充分平坦である。よって、運転性能上問題は
ない。また、軸方向３領域分割の方が、上部領域におけ
る出力が相対的に中央より低下する傾向がみられ、この
結果、上部からの中性子漏洩が減少し、燃料経済性の向
上にも寄与できる。

【００６７】図１２は本発明に係る燃料集合体の第４実
施例を示すものである。この実施例に示された燃料集合
体は図８で示す燃料集合体と同様に高燃焼度化に適した
燃料集合体である。この燃料集合体１０Ｃにおいても、
燃料棒の配列は図８に示した第２実施例の燃料集合体と
同じであるので図示を省略する。この燃料集合体１０Ｃ
に収容される各燃料棒１２の軸方向濃縮度、ガドリニア
分布を図１２に示す。図１２に示された燃料集合体１０
Ｃと第２実施例で示された燃料集合体１０Ａが相違する
点は、燃料棒番号Ｇ２の燃料棒において、上端部の約１
２インチ（２ノード分）の天然ウランの下側に、例えば
３ノード分（約１８インチ）の領域を設け、この領域を
天然ウラン（濃縮度０．７１ｗ／ｏ）として、その下側
領域よりも濃縮度を低下させている点である。このよう
な上部領域の約１２〜２４インチの長さにおいて濃縮度
を低下させて第４燃料棒１２ｄを構成している。

【００６８】この実施例では、第４燃料棒１２ｄは第２
燃料棒１２ｂを改良して作られているが、必ずしも第２
燃料棒と組み合せる必要はなく、他の第３燃料棒におい
て上部領域の濃縮度を低下させてもよい。

【００６９】この燃料集合体１０Ｃの特徴は、反応度投
入事象時の燃料エンタルピを低くできることは勿論のこ
と、原子炉停止余裕を改善できることにある。図５に例
示したように原子炉の炉心部においては、低温時の軸方
向出力分布は、上部の約１２〜２４インチの領域で大き
くなるので、この領域の濃縮度を低下させると原子炉停
止余裕が増加する。

【００７０】原子炉停止余裕が増すため前記約１２〜２
４インチの領域のガドリニア量をさらに小さくすること
も可能である。ガドリニア量の低減は、ガドリニアの燃
え残りを低減し、反応度損失を軽減できるので、燃料経
済性の向上に繋る。

【００７１】次に、本発明に係る燃料集合体の第５実施
例を図１３を参照して説明する。

【００７２】図１３に示された燃料集合体１０Ｄも原子
炉の高燃焼度化に適した燃料集合体である。この燃料集
合体１０Ｄは、チャンネルボックス１１内に燃料棒１２
を例えば９行９列の正方格子状に配置しているが、燃料
棒番号Ｐの燃料棒１２ｅは部分長燃料棒と呼ばれ、他の
燃料棒１２より燃料棒の長さが短かい短尺燃料棒であ
る。

【００７３】この短尺燃料棒は、燃料有効長部の約１／
３の上方部分が途中から削除された燃料棒であり、圧力
損失の低減化を狙っている。

【００７４】このような燃料集合体１０Ｄでは、特にチ
ャンネルボックス１１の４隅部付近の燃料棒１２の低温
時局所出力ピーキング係数が過大となる特性を有してい
る。この局所出力ピーキング係数が過大になるのを防止
するために、図１３に示す燃料集合体１０Ｄが有効であ
る。この燃料集合体１０Ｄにおいては上部領域における
低温時局所出力ピーキング係数の最大値は１．３５であ
り、制御棒落下を想定したときの燃料エンタルピは２２
７cal/ｇＵＯ₂である。また、仮に、この燃料集合体１
０Ｄにおいて４隅部近傍に第１燃料棒１２ａを採用せ
ず、従来型の上部領域の方が濃縮度が高くなるような設
計を採用すると、低温時局所出力ピーキング係数は約
１．６程度となり、燃料エンタルピの制限値を守ること
ができない。

【００７５】本実施例では、チャンネルボックス１１の
４隅部近傍のみに第１燃料棒１２ａを採用しているが、
短尺（部分長）燃料棒１２ｅを有する燃料集合体１０Ｄ
では、部分長燃料棒１２ｅに隣接するチャンネルボック
ス１１側の中央部配置の燃料棒でも低温時局所出力ピー
キング係数が大きくなる傾向を有している。このため、
その燃料棒をも第１燃料棒１２ａとすることにより、さ
らに低温時局所出力ピーキング係数を小さくできる。

【００７６】本発明に係る燃料集合体の各実施例ではチ
ャンネルボックス内に第１燃料棒１２ａと第２燃料棒１
２ｄとを収容した例を示したが、次にこの第１燃料棒１
２ａと第２燃料棒１２ｄの軸方向領域の境界位置の設定
の仕方について説明する。

【００７７】まず、第２燃料棒１２ｄの軸方向下部領域
と中央部領域の領域境界位置は、原子炉の出力運転時の
軸方向出力分布平坦化の観点より決定される。出力運転
中の軸方向出力のピーク位置は、燃料有効長部の軸方向
全長の７／２４〜１６／２４との範囲より下側に発生し
易いため、第２燃料棒１２ｄの境界位置は、この範囲内
に設定することが好ましい。

【００７８】第１燃料棒１２ａの軸方向領域境界位置
は、低温時の軸方向出力分布形との関係で決定される。
低温時の軸方向出力分布のピーク位置は燃料有効長部の
軸方向全長の１２／２４より上方に存在するため、第１
燃料棒の１２／２４より上方の領域は濃縮度を低くして
おけばよい。但し、燃料棒製造の簡素化、および設計の
単純化の観点より第２燃料棒１２ｄの軸方向境界位置と
同一にすることは差し支えない。

【００７９】なお、本発明の各実施例の説明において
は、可燃性毒物であるガドリニアの濃度は相対的に下部
領域において上部領域より大となっていたが、これに限
定される必要はなく、ガドリニアの濃度は軸方向で一様
であっても差し支えない。第２燃料棒をガドリニアロッ
ドとした例では下部領域は天然ウランとしていたが、必
ずしも天然ウランに限定する必要はない。

【００８０】また、高燃焼度化に適した燃料集合体の例
では、２本のウォータロッドを中央部に配置した例を説
明したが、燃料集合体の中央部に例えば燃料棒９本分の
スペースを占める太径のウォータロッドを１本配置した
燃料集合体も考えられ、この場合にも本発明と全く同じ
効果が得られる。

【００８１】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に型燃料集
合体においては、チャンネルボックスの４隅部付近に配
設される燃料棒を、上下端部を除き、上部領域の濃縮度
が下部領域の濃縮度より小さな第１燃料棒とし、第１燃
料棒の上部領域と下部領域の境界位置を所定の範囲内と
して適正化したので、出力分布の平坦化と燃料経済性の
向上を図ることができ、原子炉起動時の低温時の燃料集
合体の上部領域における局所出力ピーキング係数を小さ
くすることができ、反応度投入事象発生時の燃料エンタ
ルピを低減することができ、安全性を向上できる。ま
た、下部領域で原子炉出力運転時の無限増倍率を増加さ
せることができるので、無限増倍率の低下もなく、燃料
経済性を損うこともなく、かつ原子炉低温時における反
応度投入事象発生時の燃料エンタルピの増大を防ぐこと
ができる。

【００８２】また、この燃料集合体は、請求項２に記載
したように構成し、チャンネルボックスの４隅部付近に
配列され、上下領域の濃縮度や境界領域を適正化した第
１燃料棒と併用して、チャンネルボックスの４隅部付近
以外に配置される燃料棒の少なくとも一部に第２燃料棒
を使用すると、第２燃料棒は上部領域の濃縮度が下部領
域の濃縮度よりも大きいため、第１燃料棒を配設しても
第２燃料棒により燃料集合体の下部領域の平均濃縮度が
増加するのを相殺することができる。これによって、原
子炉出力運転時の原子炉の出力分布が第１燃料棒の導入
により、下方歪の平坦化を図ることができる。

【００８３】さらに、第１燃料棒と第２燃料棒の上部お
よび下部領域の境界位置を同一高さに揃えると、燃料集
合体の軸方向平均濃縮度分布は２領域となり、上部領域
の平均濃縮度が下部領域の平均濃縮度より大となるよ
う、第１燃料棒と第２燃料棒の濃縮度分布を調整する
と、軸方向ボイド分布の存在による原子炉の出力運転時
の軸方向出力分布の下方歪の傾向は矯正され、平坦な出
力分布が得られ、燃料経済性の向上を図ることができ
る。

【００８４】また、第１燃料棒の上下領域の境界位置を
第２燃料棒の上部および下部領域の境界位置より上方に
設定すると、燃料集合体の軸方向濃縮度分布は３領域と
なり、上部領域および下部領域の平均濃縮度が中央部領
域の平均濃縮度よりも小さくなるよう第１燃料棒、第２
燃料棒の濃縮度分布を調整すると、原子炉出力運転中の
出力分布の平坦化と、燃料経済性の向上とが図られる。
燃料経済性の向上は、上部領域の濃縮度を低く設定した
ことにより図られる効果である。原子炉の炉心の上部で
はボイド量が多く、中性子の炉外への漏洩が多いので、
濃縮度を低く設定した分、中性子の漏洩を低減させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】代表的な燃料集合体の軸方向断面図。

【図２】（Ａ）および（Ｂ）は従来の燃料集合体の各燃
料棒の配列例や濃縮度分布、可燃性毒物濃度分布を示す
図。

【図３】（Ａ）および（Ｂ）は本発明に係る燃料集合体
の第１実施例を示す各燃料棒の配置例および、濃縮度分
布、可燃性毒物濃度分布を示す図。

【図４】（Ａ）および（Ｂ）は本発明に係る燃料集合体
と従来例の燃料集合体の低温時局所出力ピーキング係数
分布を比較して示す図。

【図５】本発明に係る燃料集合体の低温時軸方向出力分
布を従来例と比較して示す図。

【図６】本発明に係る燃料集合体の出力運転時の軸方向
出力分布を従来例と比較して示す図。

【図７】本発明に係る燃料集合体に装荷される第１燃料
棒の上下濃縮度差と上部領域における低温時局所出力ピ
ーキング係数の関係および燃料集合体の上部領域、下部
領域および平均の無限増倍率の関係をそれぞれ示した
図。

【図８】本発明に係る燃料集合体の第２実施例を示す各
燃料棒の配置図。

【図９】図８に示された燃料集合体の濃縮度分布、可燃
性毒物濃度分布を示す図。

【図１０】図８に示された燃料集合体と図１１に示され
た燃料集合体の出力運転時の軸方向出力分布を比較して
示す図。

【図１１】本発明に係る燃料集合体の第３実施例を示す
濃縮度および可燃性毒物濃度分布を示す図。

【図１２】本発明に係る燃料集合体の第４実施例を示す
濃縮度および可燃性毒物濃度分布を示す図。

【図１３】本発明に係る燃料集合体の第５実施例を示す
図１２と同様な図。

【符号の説明】

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ燃料集合体１１チャンネルボックス１２燃料棒１２ａ第１燃料棒１２ｂ第２燃料棒１２ｃ第３燃料棒１２ｄ第４燃料棒１２ｅ短尺燃料棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−47986（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/30 G21C 3/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】角筒状のチャンネルボックス内に多数の
燃料棒を正方格子状に配列した燃料集合体において、前
記チャンネルボックスの４隅部付近に配設される燃料棒
は、上下端部を除き上部領域の濃縮度が下部領域の濃縮
度より小さな第１燃料棒で構成し、上記第１燃料棒は、
その上部領域の濃縮度が、前記チャンネルボックスの４
隅部付近以外に配置される燃料棒の同一高さの濃縮度よ
り低く、かつ上部領域と下部領域の境界位置を、軸方向
燃料有効長部下端より全長の１５／２４〜２２／２４の
範囲内に設けてなることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】角筒状のチャンネルボックス内に多数の
燃料棒を正方格子状に配列した燃料集合体において、前
記チャンネルボックスの４隅部付近に配設される燃料棒
は、上下端部を除き上部領域の濃縮度が、下部領域の濃
縮度より小さな第１燃料棒で構成し、上記第１燃料棒
は、その上部領域の濃縮度が、前記チャンネルボックス
の４隅部付近以外に配置される燃料棒の同一高さの濃縮
度より低く、かつ上部領域と下部領域の境界位置を、軸
方向燃料有効長部下端より全長の１５／２４〜２２／２
４の範囲内に設けてなり、さらに前記チャンネルボック
スの４隅部付近以外に配置される燃料棒の少なくとも一
部は、上下端部を除き上部領域の濃縮度を下部領域の濃
縮度より大きく設定した第２燃料棒で構成されることを
特徴とする燃料集合体。
【請求項３】第１燃料棒と第２燃料棒とで上部領域お
よび下部領域の境界位置をほぼ同じにして燃料集合体を
上部領域と下部領域の２領域に区画し、上部領域の平均
濃縮度を下部領域の平均濃縮度より大きく設定してなる
ことを特徴とする請求項２記載の燃料集合体。
【請求項４】第１燃料棒と第２燃料棒とで上部領域と
下部領域の境界位置を異にして燃料集合体を上部領域と
中央部領域と下部領域とに区画し、上部領域および下部
領域の平均濃縮度を中央部領域の平均濃縮度より小さく
設定してなることを特徴とする請求項２記載の燃料集合
体。