JP3262057B2

JP3262057B2 - 燃料集合体

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Publication number: JP3262057B2
Application number: JP01852598A
Authority: JP
Inventors: 淳一小山; 肇男青山; 浩二西田; 淳一山下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2002-03-04
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: JPH10288687A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は沸騰水型原子炉に装
荷される燃料集合体に係り、特に高燃焼度化を目指した
燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉では、近年、ウラン資源
の有効利用と使用済み燃料の発生量の低減の観点から、
燃料の単位重量当たりの発生エネルギーを高める高燃焼
度化が望まれている。高燃焼度化のためには、燃料集合
体中の核分裂性物質の平均濃度を高めることが必要とな
る。また、核分裂性物質を効率的に反応させ、沸騰水型
原子炉の核熱水力安定性を保つためには、核分裂性物質
の濃度の増加に伴って減速材の割合も増大させる必要の
あることが知られている。

【０００３】減速材の割合を増大させる技術としては、
特開平5−232273号公報に、図２に示すような、大型の
水ロッド５と、他の燃料棒より長さが短い短尺燃料棒３
とを有する燃料集合体１が記載されている。図２では、
燃料棒が９行９列の正方格子状に配置され、中央部の７
格子分の領域に大型の水ロッド５が２本配置されてい
る。長尺燃料棒２は６６本、短尺燃料棒３は８本であ
る。短尺燃料棒を使うことで燃料集合体の上部の冷却材
の流路が拡大するため、炉心の上部の中性子減速材の量
が増大して核分裂反応が促進される。また、冷却材の流
れの観点からも圧力損失が低下して安定性が向上する効
果がある。

【０００４】沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体の
熱的余裕に関する尺度として、燃料集合体の限界出力が
重要である。限界出力は、燃料集合体へ流入する冷却材
の量の条件下で、燃料棒が沸騰遷移を起こさない範囲に
おける燃料集合体の最大熱出力である。燃料集合体の限
界出力が大きいほど熱的余裕が大きい。多くの場合、熱
出力が最大の燃料棒で沸騰遷移が生じ、燃料集合体の限
界出力を制限する。従って、燃料棒間の出力差が小さ
く、燃料集合体内の出力分布が平坦であるほど限界出力
は大きくなる。一方、燃料棒の出力が均一でも各燃料棒
の周囲の冷却材の流量にむらがあると、冷却材の流量が
少ない位置で沸騰遷移が生じやすく、限界出力は小さく
なる。

【０００５】短尺燃料棒を備えた燃料集合体の熱的余裕
に関しては、特開平5−232273 号公報に、短尺燃料棒を
コーナー付近以外に設置して燃料集合体内の出力分布を
平坦化できることが記載されている。一方、特開平5−3
41071 号公報には、短尺燃料棒の上端より上側では冷却
材の流路が広いため、短尺燃料棒に隣接する燃料棒の上
部では冷却が効果的に行われることが記載されている。

【０００６】また、特開平5−232273 号公報に記載の短
尺燃料棒を有する燃料集合体に関連して、冷温時の出力
ピーキングを低減するために可燃性毒物入り燃料棒を配
置した構成が特開平8−292281号公報に記載されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のうち、
特開平5−232273 号公報では、短尺燃料棒をコーナー付
近以外に配置することで燃料集合体内の出力分布を平坦
化しつつ安定性を改善できることが記載されているが、
冷却材の流れへの影響については十分考慮されていな
い。

【０００８】また、特開平5−232273 号公報によれば、
短尺燃料棒をコーナー領域以外に置くことは、出力分布
の平坦化の面では限界出力を増大する方向に働く。一
方、特開平5−341071 号公報によれば、冷却材の流れの
面では限界出力を減少させる方向に働くことになり、正
味の限界出力の向上効果は明らかでない。

【０００９】また、特開平5−341071 号公報では、短尺
燃料棒の位置における冷却材の局所的な流れの効果が記
載されている。しかし、短尺燃料棒から離れた位置を含
めた燃料集合体全体の流量分布への影響や、燃料集合体
内の出力分布に対する短尺燃料棒の影響は考慮されてい
ない。

【００１０】また、特開平5−232273 号公報では、核分
裂性物質や可燃性毒物の分布については考慮されていな
い。これに対して、特開平8−292281 号公報に可燃性毒
物の分布が記載されている。しかし、その目的は冷温時
の出力ピーキングの抑制であり、運転時の熱的余裕の改
善は考慮されていない。

【００１１】本発明の第１の目的は、短尺燃料棒を有す
る燃料集合体内における冷却材の流れの分布と熱出力の
分布の両方を考慮して、運転時の熱的余裕、特に限界出
力を向上できる燃料集合体を提供することにある。熱出
力の分布は、核分裂性物質及び可燃性毒物の分布，短尺
燃料棒の配置などに影響される。

【００１２】本発明の第２の目的は、高燃焼度炉心の安
定性を向上するためにボイド係数を低減しつつ、限界出
力を向上できる燃料集合体を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１の目的を達成するた
めの第１の発明は、長さが他の燃料棒より短い複数の第
１燃料棒及び可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒を含む
複数の燃料棒と、中性子減速棒とを備え、前記複数の燃
料棒が９行９列以上の正方格子状に配列された燃料集合
体において、各第１燃料棒は、４つのコーナー部の３行
３列の領域以外の位置で且つ縦横方向で前記中性子減速
棒と他の第１燃料棒に同時に隣接しない位置に配置さ
れ、前記第２燃料棒は最外周を除く位置に配置され、前
記第２燃料棒のうち前記第１燃料棒に縦横方向で隣接す
るものは半数以下であり、前記第１燃料棒の上端よりも
上側の燃料集合体横断面において、前記第１燃料棒のう
ち最も外側の層に配置された複数の第１燃料棒の各中心
を頂点とする多角形で形成される領域内に含まれる可燃
性毒物の量が、前記領域外の可燃性毒物の量よりも少な
くなるように構成する。

【００１４】

【００１５】第２の目的を達成するための第２の発明
は、長さが他の燃料棒より短い複数の第１燃料棒及び可
燃性毒物を含む複数の第２燃料棒を含む複数の燃料棒
と、中性子減速棒とを備え、前記複数の燃料棒が９行９
列以上の正方格子状に配列された燃料集合体において、
前記第１燃料棒は４つのコーナー部の３行３列の領域以
外の位置に配置され、最外周の各辺に前記第１燃料棒が
配置され、前記第２燃料棒は最外周を除く位置に配置さ
れ、前記第２燃料棒のうち前記第１燃料棒に縦横方向で
隣接するものは半数以下であり、前記第１燃料棒の上端
よりも上側の燃料集合体横断面において、前記第１燃料
棒のうち最も外側の層に配置された複数の第１燃料棒の
各中心を頂点とする多角形で形成される領域内に含まれ
る可燃性毒物の量が、前記領域外の可燃性毒物の量より
も少なくなるように構成する。

【００１６】

【００１７】

【発明の実施の形態】

（第１実施例）以下、沸騰水型原子炉用の燃料集合体に
本発明を適用した第１実施例を図１及び図１５を用いて
説明する。図１は第１実施例の横断面図、図１５は第１
実施例の概略縦断面図である。本燃料集合体は、四角筒
型のチャンネルボックス１と、チャンネルボックス１の
内部に収納された燃料バンドルからなる。燃料バンドル
は、核分裂性物質を含む燃料ペレットを封入した複数の
燃料棒と、燃料棒の上部及び下部を支持する上部タイプ
レート１４及び下部タイプレート１５と、燃料棒間の間
隔を保持する複数のスペーサ１６などから構成される。

【００１８】燃料棒は、燃料有効長が相対的に長い長尺
燃料棒と、長尺燃料棒よりも燃料有効長が短い短尺燃料
棒３からなる。長尺燃料棒は、二酸化ウラン（ＵＯ₂）
のみを含む燃料棒２及び燃料棒１１〜１３と、ＵＯ₂と
可燃性毒物であるガドリニアの両方を含む可燃性毒物入
り燃料棒（以下、Ｇｄ燃料棒という）４とからなる。短
尺燃料棒３は、ＵＯ₂のみを含む。５は、中性子減速棒
として機能する横断面が円形の大型の水ロッドである。

【００１９】短尺燃料棒３の上端よりも上側の領域（以
下、上部領域という）における長尺燃料棒の平均ウラン
濃縮度（以下、単に平均濃縮度という）に関しては、燃
料棒２，燃料棒１１（図１中のａ），燃料棒１２（図１
中のｂ），燃料棒１３（図１中のｃ）の順に低くなる。
即ち、燃料棒２が最高濃縮度で、燃料棒１３が最低濃縮
度である。短尺燃料棒３に縦横方向で隣接する全ての燃
料棒は、最高濃縮度の燃料棒２である。以下、縦横方向
で隣接することを、単に隣接するという。燃料集合体の
最外周で短尺燃料棒３に隣接する燃料棒２は、１本のＧ
ｄ燃料棒４に隣接している。

【００２０】短尺燃料棒３の上端は、燃料棒２の燃料有
効長(燃料充填部の長さ)の約１７／２４の高さにある。
短尺燃料棒３の燃料充填部の上端は、燃料棒２の燃料有
効長の約１５／２４の高さにある。Ｇｄ燃料棒４は、燃
料棒２とほぼ同じ燃料有効長を有する。

【００２１】本実施例では、燃料棒が９行９列の正方格
子状に配列されており、２本の水ロッド５が燃料集合体
の中央部の７格子分の領域に配置されている。また、４
本の短尺燃料棒３が最外周の４辺の中央に、残りの４本
の短尺燃料棒３が水ロッド５に隣接して配置されてい
る。燃料集合体の上部領域の横断面には燃料棒が６６本
存在する。燃料集合体の４隅の３行３列のコーナー領域
（以下、３行３列コーナー領域という）６〜９には短尺
燃料棒３が配置されていない。また、水ロッド５に隣接
している短尺燃料棒３は、他の短尺燃料棒とは隣接しな
い。

【００２２】Ｇｄ燃料棒４は上部領域に可燃性毒物を含
む。１６本のＧｄ燃料棒４が、燃料集合体の最外周を除
く位置に配置されている。領域１０は、短尺燃料棒３の
うち最も外側の層に配置された４本の短尺燃料棒の各中
心を頂点とする多角形（四角形）で形成される。燃料集
合体の上部領域の横断面において、領域１０に含まれる
可燃性毒物の量はＧｄ燃料棒６本分であり、領域１０の
外側の可燃性毒物の量（１０本分）より少ない。

【００２３】沸騰水型原子炉の炉心内においては、燃料
集合体の周囲に非沸騰水の領域が存在し、この領域で中
性子の減速が促進されるため、最外周の燃料棒における
核分裂反応が活発に起こり易い。従って、最外周の燃料
棒の熱出力が最も高くなって燃料集合体の限界出力が制
限されることが多い。特に、３行３列コーナー領域は、
燃料集合体の中で最も出力が高くなり易い領域である。

【００２４】図２に示した従来技術の場合、燃料集合体
のコーナー近くに短尺燃料棒３が存在する。このため、
短尺燃料棒３の上側には減速材（冷却材）が集中するの
で、更に中性子の減速が促進されてコーナー領域の燃料
棒の出力が一層高くなる。

【００２５】本実施例の場合、コーナー近くに短尺燃料
棒３がなく減速材が集中しないため、コーナー領域の燃
料棒の出力が抑えられ、比較的平坦な出力分布となる。
例えば、燃料集合体内のウラン濃縮度（以下、単に濃縮
度という）の分布が同じ場合、図１のコーナーから２列
目の燃料棒の出力は図２に比べて約５％低減され、冷却
材の流れが同じであれば限界出力は改善される。

【００２６】一方、図１で上部領域の横断面における冷
却材の流量分布を評価した結果、コーナー領域に流れる
冷却材の流量は、図２に比べて約３％減少することが判
った。これは、図１の場合、コーナー領域以外に配置さ
れた短尺燃料棒３の上側のスペースに多くの冷却材が流
れるためである。また、短尺燃料棒３に隣接する燃料棒
２の上部は広い冷却材の流路に面しているため、冷却が
効果的に行われる。冷却材の流れでみると、コーナー領
域の燃料棒の出力が同じ場合、図２の方が限界出力は高
くなる傾向がある。

【００２７】以上のように、短尺燃料棒の配置を図２か
ら図１のように変えることにより、限界出力に対して増
大効果と減少効果の両方があることが判る。発明者ら
は、限界出力の定量的な評価により、３行３列コーナー
領域に短尺燃料棒を含まない構成にすると共に、可燃性
毒物及び核分裂性物質の分布を工夫することによって、
燃料集合体の限界出力を向上できることを見い出した。

【００２８】短尺燃料棒の配置について詳しく調べた結
果、中性子減速棒（水ロッド）との関係に留意すべきこ
とが判った。中性子減速棒は発熱が僅かであり、特に規
則的な燃料棒の配列を崩す大型の中性子減速棒の周囲は
他よりも流路が広くなるため、冷却材が流れ易い。この
ため、中性子減速棒の存在も燃料集合体内の冷却材の流
量の偏りをもたらす。

【００２９】図１０は特開平8−292281 号公報に記載さ
れた従来の燃料集合体の横断面を示す。本従来例では、
短尺燃料棒３が水ロッド５の近傍に集中的に配置されて
いる。この配置の冷却材の流れを評価した結果、図１に
比べてコーナー領域の冷却材の流量は約３％低下する。
これは、水ロッド近傍の冷却材の流れが増えるためであ
る。従って、熱的に厳しくない燃料集合体の中央部に冷
却材の流れが集中し、熱的に厳しいコーナー領域の冷却
材の流量が減少するため、限界出力は低下する。

【００３０】本実施例では、図１０のように短尺燃料棒
３が水ロッド５の近傍に集中することを避けている。即
ち、図１に示すように、短尺燃料棒３が水ロッド５と他
の短尺燃料棒に同時に隣接しないように配置している。
このような構成を備えることにより、本発明の第１の目
的である限界出力の改善効果を達成することができる。

【００３１】また、本発明の第２の目的であるボイド係
数の改善のためには、燃料集合体の最外周または水ロッ
ドの近傍に短尺燃料棒を配置することが有効であること
が知られている。しかし、冷却材の流量分布の観点から
は、沸騰遷移を起こし易い燃料集合体の外周側に短尺燃
料棒を配置し、外周側の冷却材の流量を増大することが
好ましいことが判った。そこで、本実施例では、最外周
の各辺に１本の短尺燃料棒３を配置している。この構成
の方が図２に比べて中性子の減速効果が大きい。このた
め、ボイド係数の絶対値が小さくなるので、高燃焼度化
対応の炉心の安定性を確保し易い。

【００３２】以上のような燃料集合体内の冷却材の流量
分布を配慮した短尺燃料棒の配置を採用した上で、以下
の可燃性毒物や核分裂性物質の分布を採用することによ
り、本発明の目的が達成される。

【００３３】図３に、Ｇｄ燃料棒の効果を比較するため
の第１比較例を示す。本比較例は、短尺燃料棒３の配置
は図１と同じで、Ｇｄ燃料棒４の配置が異なる。図１で
は、短尺燃料棒３が配置されていない３行３列コーナー
領域６〜９に存在するガドリニアの量が図３よりも多
い。核分裂反応を起こす低エネルギー中性子がガドリニ
アによって吸収されるため、図１のこの領域の燃料棒の
出力は図３に比べて約３％減少する。即ち、図１の燃料
集合体の限界出力は、図３に比べて約３％向上すること
が判った。

【００３４】上記知見に基づいて、燃料集合体の内側寄
りに短尺燃料棒を配置し、外側寄りにＧｄ燃料棒（可燃
性毒物）を配置する。いま、燃料集合体内で最も外側の
層に配置された複数の短尺燃料棒の各中心を頂点とする
多角形の領域を想定する。この領域内では比較的多量の
冷却材が流れ、この領域の外側では冷却材の流量が相対
的に不足する。従って、この外側の領域に可燃性毒物を
多く配置することによって燃料棒の出力を下げ、冷却材
の流量の不足に対処できる。

【００３５】本実施例では、短尺燃料棒を３行３列コー
ナー領域に配置しないので、このコーナー領域にＧｄ燃
料棒を集中して配置できる。これによる出力分布の平坦
化効果が前述の流量分布のデメリットに勝るため、図１
の燃料集合体の限界出力は、図２に比べて改善される。
また、短尺燃料棒に隣接する位置は沸騰遷移が起こりに
くいので、この位置にはできるだけ可燃性毒物を含まな
い燃料棒を配置する。その替わり、熱的に厳しい位置に
Ｇｄ燃料棒を配置することにより、さらに熱的余裕を改
善できる。

【００３６】また、本実施例では、３行３列コーナー領
域の最外周の燃料棒、特にコーナーから２番目の燃料棒
１２で沸騰遷移が起こる可能性が高い。これに対して、
燃料棒１２に内側で隣接する位置にＧｄ燃料棒４を配置
している。Ｇｄ燃料棒４の熱出力は低いため、可燃性毒
物を含まない燃料棒を隣接させた場合に比べて、周辺の
流路への熱負荷が小さくなるので、高い冷却効果が得ら
れる。更に、短尺燃料棒が存在しない領域にＧｄ燃料棒
を配置することは、この領域の燃料棒の出力を全体的に
下げるだけでなく、隣接する燃料棒の沸騰遷移を起こり
にくくする効果もある。

【００３７】尚、Ｇｄ燃料棒を燃料集合体の最外周に配
置した場合、燃焼初期における制御棒の反応度価値が減
る傾向がある。本実施例では、Ｇｄ燃料棒４を燃料集合
体の最外周以外に配置することにより、制御棒の反応度
価値の減少を防止している。図４に、短尺燃料棒と最高
濃縮度の燃料棒の隣接関係の効果を比較するための第２
比較例を示す。図４は、図１の燃料集合体において、最
外周の短尺燃料棒３に隣接する燃料棒２と、最外周のコ
ーナーから３番目の燃料棒１１の位置を取り替えた構成
になっている。本比較例では、最外周のコーナーから３
番目の燃料棒２（最高濃縮度）が最高出力を発生し、限
界出力を制限する。これに比べ、図１の燃料集合体で
は、最外周のコーナーから３番目の燃料棒出力は約４％
低下する。

【００３８】図１の場合、最外周のコーナーから４番目
の燃料棒２の出力は、図４に比べて約３％増加する。し
かし、隣接する短尺燃料棒３の上側には冷却材が豊富に
あるため、この燃料棒２は限界出力を制限する燃料棒に
はならない。また、図１では、コーナーから４番目の燃
料棒２が発熱量の比較的少ないＧｄ燃料棒４に隣接して
いることも、この燃料棒２の沸騰遷移を起こりにくくし
ている。

【００３９】一般に、３行３列コーナー領域の燃料棒は
出力が高くなり易いので、その濃縮度を最高にすること
は難しい。本実施例では、短尺燃料棒３を３行３列コー
ナー領域に配置しないため、短尺燃料棒３に隣接するほ
とんどの燃料棒はコーナー領域に含まれない。従って、
本実施例では、短尺燃料棒３に隣接する燃料棒の濃縮度
を最高にすることができる。

【００４０】即ち、燃料集合体の平均濃縮度が一定の条
件下では、本実施例のように、短尺燃料棒に隣接し、且
つ熱的に楽な位置にある燃料棒の上部領域における平均
濃縮度を最高とすることにより、熱的に厳しい他の位置
にある燃料棒の平均濃縮度を下げることができる。これ
による出力分布の平坦化効果が流量分布のデメリットに
勝るため、図１の燃料集合体の限界出力を図２に比べて
向上できる。

【００４１】尚、本実施例において、最外周よりも内側
の層に配置した燃料棒２の上部領域における平均濃縮度
を、最外周に配置した燃料棒２のそれより低くしても、
上記本実施例の効果は得られる。

【００４２】また、燃料集合体の上部領域の横断面にお
ける燃料棒の数が減少すると、上部領域における燃料棒
１本当たりの発熱量が増加し、限界出力が低下する傾向
がある。従って、図２よりも高い限界出力を得るために
は、本実施例のように上部領域の横断面における燃料棒
の数を６６本以上とすることが望ましい。

【００４３】（第２実施例）次に、本発明の第２実施例
を図５を用いて説明する。本実施例は、第１実施例にお
いて、水ロッド５に隣接する４本の短尺燃料棒３を燃料
棒２に置き替えた構成となっている。短尺燃料棒３の上
端は、燃料棒２の燃料有効長の約１／２の高さにある。
また、Ｇｄ燃料棒４の燃料有効長は、燃料棒２の燃料有
効長の約７１／７２である。上部領域（短尺燃料棒３の
上端より上側の領域）における燃料集合体の横断面に
は、７０本の燃料棒が存在する。その他の構成は第１実
施例と同じである。

【００４４】本実施例でも、最も外側の層に配置された
短尺燃料棒３の各中心を頂点とする多角形の領域は、第
１実施例の領域１０と同じである。また、上部領域の横
断面における可燃性毒物の分布も、図１と同じである。

【００４５】本実施例では、図１に比べて短尺燃料棒３
の数が少ないため、燃料集合体の上部の冷却材の流量分
布はより均一となり、燃料棒の全伝熱面積も約２％増加
する。これに伴い、本実施例の限界出力は、第１実施例
に比べて約１％向上する。

【００４６】また、Ｇｄ燃料棒４の燃料有効長を燃料棒
２よりも僅かに（約１／７２）短かくすることにより、
Ｇｄ燃料棒４内のプレナムの体積が大きくなる。プレナ
ムは燃料ペレットから放出されるガスを溜めるためのス
ペースとして機能するので、この構造は高燃焼度化によ
り適したものとなる。この程度の燃料有効長の差は、本
発明の効果にほとんど影響しない。

【００４７】尚、Ｇｄ燃料棒４で高い中性子吸収効果を
得るためには、縦横方向でＧｄ燃料棒４が互いに隣接し
ないように配置することが望ましい。これを考慮すれ
ば、図５に示すＧｄ燃料棒４の位置以外に、水ロッド５
に隣接し且つ図５のＧｄ燃料棒４に斜め方向で隣接する
６箇所の位置にもＧｄ燃料棒４を配置することができ
る。即ち、この６箇所も含めた２２箇所の位置の中から
選択した位置にＧｄ燃料棒４を配置することにより、良
好な中性子吸収効果が得られる。

【００４８】（第３実施例）次に、本発明の第３実施例
を図６を用いて説明する。本実施例でも、燃料棒は９行
９列の正方格子状に配列されており、２本の水ロッド５
が燃料集合体の中央部の７格子分の領域に配置されてい
る。４本の短尺燃料棒３が最外周の４辺の中央に、残り
の２本の短尺燃料棒３が両方の水ロッド５に隣接する位
置に配置されている。燃料集合体の上部領域の横断面に
は６８本の燃料棒が存在する。本実施例でも、３行３列
コーナー領域６〜９には短尺燃料棒３は配置されていな
い。また、水ロッド５に隣接する短尺燃料棒３は、他の
短尺燃料棒に隣接していない。本実施例では、１２本の
Ｇｄ燃料棒４の全てが、３行３列コーナー領域６〜９内
の最外周を除く位置に配置されており、短尺燃料棒３に
隣接していない。また、最も外側の層に配置された短尺
燃料棒３の各中心を頂点とする多角形の領域は、図１と
同じ領域１０である。全てのＧｄ燃料棒４は、領域１０
の外側に配置されている。

【００４９】本実施例によれば、全てのＧｄ燃料棒４
を、短尺燃料棒３を含まない３行３列コーナー領域６〜
９に配置することにより、冷却材の流量が少ないコーナ
ー領域の出力を効果的に低減し、限界出力を向上でき
る。また、図６は、図１に比べて発熱量の少ないＧｄ燃
料棒４の数が少ない。従って、本実施例では、第１実施
例に比べて燃料集合体内の出力分布が更に平坦化され、
限界出力も高くなる。

【００５０】（第４実施例）次に、本発明の第４実施例
を図７を用いて説明する。本実施例では、燃料棒が９行
９列の正方格子状に配列され、中性子減速棒として横断
面が正方形の大型の水ロッド５を用いている。水ロッド
５は、燃料集合体の中央部の９格子分の領域に配置され
ている。４本の短尺燃料棒３が最外周の４辺の中央に配
置されている。即ち、短尺燃料棒３は、水ロッド５に隣
接せず、４つの３行３列コーナー領域以外に配置されて
いる。

【００５１】本実施例では、上部領域の横断面に６８本
の燃料棒が存在する。１６本のＧｄ燃料棒４が最外周を
除く位置に配置されており、短尺燃料棒３には隣接して
いない。最も外側の層に配置された短尺燃料棒３の各中
心を頂点とする多角形の領域は、図１と同じ領域１０で
ある。領域１０の内側にある可燃性毒物の量は、Ｇｄ燃
料棒６本分であり、領域１０の外側にある可燃性毒物の
量（Ｇｄ燃料棒１０本分）よりも少ない。

【００５２】本実施例のような正方形の水ロッドを有す
る場合でも、第１実施例と同様な効果を得ることができ
る。

【００５３】（第５実施例）次に、本発明の第５実施例
を図８を用いて説明する。本実施例は、第４実施例にお
いて、最外周の４本の短尺燃料棒３と、水ロッド５に隣
接する４本の燃料棒２を置き替えた構成となっている。
その他の構成は第４実施例と同じであり、上部領域の横
断面には、６８本の燃料棒が存在する。全てのＧｄ燃料
棒４は、最も外側の層に配置された短尺燃料棒３の各中
心を頂点とする多角形の領域である領域１０の外側に配
置されており、短尺燃料棒３には隣接していない。

【００５４】本実施例の場合、水ロッド５に隣接する短
尺燃料棒３の近傍では冷却材が流れ易いため、冷却材の
流れの偏りが生じる。しかし、水ロッド５に隣接する短
尺燃料棒３を他の短尺燃料棒と隣接しないように配置す
ることにより、冷却材の流れの偏りを小さく抑えること
ができる。

【００５５】更に、周囲の中性子の減速を促す短尺燃料
棒３と水ロッド５が中央部に集中して配置され、周囲の
低エネルギー中性子を吸収するＧｄ燃料棒４が外周側に
配置されているため、低エネルギー中性子の分布が平坦
化され、熱出力の分布も平坦化される。このため、限界
出力は図７と同等以下であるが、最大線出力密度は図７
よりも小さくなる。これに伴い、燃料棒内の核分裂生成
物であるガスの放出量も減少する。

【００５６】（第６実施例）次に、本発明の第６実施例
を図９を用いて説明する。本実施例では、燃料棒が１０
行１０列の正方格子状に配列されている。中央部の８格
子分の領域には、横断面が円形の大型の水ロッド５が２
本配置されている。２本の短尺燃料棒３が２本の水ロッ
ド５の両方に隣接する中央部の位置に配置され、８本の
短尺燃料棒３が最外周の４辺の中央に２本ずつ並んで配
置されている。水ロッド５に隣接する短尺燃料棒３は、
他の短尺燃料棒に隣接していない。本実施例でも、４つ
の３行３列コーナー領域６〜９に短尺燃料棒３は配置さ
れていない。上部領域の横断面には、８２本の燃料棒が
存在する。

【００５７】２０本のＧｄ燃料棒が燃料集合体の最外周
を除く位置に配置されており、そのうち８本が３行３列
コーナー領域６〜９に配置されている。最外周から２層
目のコーナーに配置されたＧｄ燃料棒４ａに含まれる可
燃性毒物の濃度は、その他のＧｄ燃料棒４に含まれる可
燃性毒物の濃度よりも高い。

【００５８】最も外側の層に配置された短尺燃料棒３の
各中心を頂点とする多角形の領域は、図９に示すような
八角形の領域１０である。この領域１０に含まれるＧｄ
燃料棒の数は１０本で、全体（２０本）の半分である。
但し、Ｇｄ燃料棒４ａに含まれる可燃性毒物の濃度が他
よりも高いので、領域１０の内側の可燃性毒物の量は領
域１０の外側の可燃性毒物の量よりも少ない。可燃性毒
物の濃度が高いほど、中性子の吸収が強く、長い燃焼期
間にわたって吸収能力が保たれる。

【００５９】本実施例のように、可燃性毒物の濃度の調
整などを用いて、領域１０の内側の可燃性毒物の量を領
域１０の外側のその量よりも少なくすることによって
も、熱的余裕の改善効果が得られる。また、本実施例で
は、第１実施例に比べて燃料棒の数が多いので、熱的余
裕が更に大きくなる。

【００６０】（第７実施例）次に、本発明の第７実施例
を図１１を用いて説明する。本実施例では、燃料棒が１
０行１０列の正方格子状に配列され、中央部の９格子分
の領域に横断面が正方形の大型の水ロッド５が１本配置
されている。２本の短尺燃料棒３が水ロッド５に隣接す
る中央部の位置に配置され、８本の短尺燃料棒３が最外
周の４辺の中央に２本ずつ並んで配置されている。水ロ
ッド５に隣接する短尺燃料棒３は、他の短尺燃料棒に隣
接していない。本実施例でも、４つの３行３列コーナー
領域に短尺燃料棒３は配置されていない。上部領域の横
断面には、８１本の燃料棒が存在する。

【００６１】２１本のＧｄ燃料棒４が、燃料集合体の最
外周を除く位置に配置されている。短尺燃料棒３に隣接
するＧｄ燃料棒は２本であり、全体の半分以下である。
最も外側の層に配置された短尺燃料棒３の各中心を頂点
とする多角形の領域は、図９と同じ領域１０である。領
域１０に含まれる可燃性毒物の量はＧｄ燃料棒９本分
で、領域１０の外側の可燃性毒物の量（Ｇｄ燃料棒１２
本分）よりも少ない。

【００６２】本実施例のように、水ロッド５や短尺燃料
棒３の分布に偏りがある場合、出力分布や冷却材の流量
分布にも偏りが生じ易い。しかし、本実施例のようなＧ
ｄ燃料棒４の配置を採用することにより、熱的余裕を向
上できる。

【００６３】（第８実施例）次に、本発明の第８実施例
を図１２を用いて説明する。本実施例は、第１実施例
（図１）のＧｄ燃料棒の配置と、第３実施例（図６）の
短尺燃料棒の配置とを組み合わせた例である。本実施例
では、燃料棒が９行９列の正方格子状に配列され、２本
の水ロッド５が燃料集合体の中央部の７格子分の領域に
配置されている。４本の短尺燃料棒３が最外周の４辺の
中央に、残りの２本の短尺燃料棒３が水ロッド５に隣接
する位置に配置されている。

【００６４】水ロッド５に隣接する短尺燃料棒３は、他
の短尺燃料棒に隣接していない。上部領域の横断面に
は、６８本の燃料棒が存在する。４つの３行３列コーナ
ー領域６〜９には短尺燃料棒３が配置されていない。短
尺燃料棒３の上端は、燃料棒２の燃料有効長の約１／２
の高さにある。

【００６５】上部領域に可燃性毒物を含むＧｄ燃料棒４
は、燃料集合体の最外周を除く位置に１６本配置されて
いる。最も外側の層に配置された短尺燃料棒３の各中心
を頂点とする多角形の領域は、図１と同じ領域１０であ
る。上部領域の横断面において、領域１０に含まれる可
燃性毒物の量はＧｄ燃料棒６本分であり、領域１０の外
側に含まれるその量（Ｇｄ燃料棒１０本分）よりも少な
い。

【００６６】本実施例では、第１実施例に比べると中央
部の短尺燃料棒の数が少ないため、その分コーナー領域
の冷却材の流量が多いので、限界出力は高くなる。一
方、第３実施例に比べるとＧｄ燃料棒の数が多いので、
燃料集合体の反応度が低く、炉心内での燃料集合体の熱
出力を小さくできる。

【００６７】（第９実施例）次に、本発明の第９実施例
を図１３を用いて説明する。本実施例は、第８実施例に
おいてＧｄ燃料棒４の配置のみを変えた例である。本実
施例のＧｄ燃料棒は、燃料集合体の最外周から２層目の
各コーナー及びその両隣りの位置、並びに最外周から３
層目の各コーナーに配置されている。

【００６８】上部領域の横断面において、領域１０に含
まれる可燃性毒物の量はＧｄ燃料棒２本分であり、領域
１０の外側に含まれる可燃性毒物の量(Ｇｄ燃料棒１４
本分)よりも少ない。

【００６９】本実施例では、可燃性毒物がコーナー領域
に集中して配置されているため、周辺の燃料棒の出力を
下げる効果が大きい。従って、コーナー部の燃料棒の出
力は図１２の第８実施例に比べて約２％低下する。これ
により、限界出力は約２％以上高くなる。

【００７０】（第１０実施例）次に、本発明の第１０実
施例を図１４を用いて説明する。本実施例は、第８実施
例においてＧｄ燃料棒４の数と配置を変えた例である。
本実施例は、十字型の制御棒が挿入される側（以下、制
御棒側という）と、その反対側（以下、反制御棒側とい
う）で、燃料集合体間の水ギャップの幅が異なる炉心
（Ｄ格子炉心）に装荷される燃料集合体を前提としてい
る。

【００７１】図１４では、左上側が制御棒側で、右下側
が反制御棒側である。水ギャップの幅は、制御棒側で広
く、反制御棒側で狭い。水ギャップの幅が広いと中性子
の減速効果が高いため、広い水ギャップに面した燃料棒
の出力は相対的に高くなる。このため、本実施例ではＧ
ｄ燃料棒の分布を非対称とし、出力分布の偏りを緩和し
ている。

【００７２】即ち、制御棒側の３行３列コーナー領域６
には３本のＧｄ燃料棒４が配置されているが、反制御棒
側の３行３列コーナー領域７にはＧｄ燃料棒４は配置さ
れていない。Ｇｄ燃料棒４は、燃料集合体の最外周を除
く位置に１５本配置されている。上部領域の横断面にお
いて、領域１０に含まれる可燃性毒物の量はＧｄ燃料棒
５本分であり、領域１０の外側に含まれるその量（Ｇｄ
燃料棒１０本分）よりも少ない。

【００７３】本実施例では、燃料棒の出力が最も高くな
り易い３行３列コーナー領域６に短尺燃料棒３が存在せ
ず、Ｇｄ燃料棒４を集中して配置できるため、燃料集合
体内の出力分布を平坦化できる。これに伴い、Ｄ格子炉
心に装荷する燃料集合体においても、限界出力を高める
ことができる。

【００７４】尚、以上の実施例では、核分裂性物質とし
てウラン燃料を用いた例を説明したが、核分裂性物質と
してウランとプルトニウムの混合酸化物（ＭＯＸ）燃料
を用いた場合にも、本発明は適用できる。即ち、可燃性
毒物と核分裂性物質の分布に関して本発明を適用すれ
ば、ＭＯＸ燃料の場合も、ウラン燃料の場合と同様に熱
的余裕を向上できる効果が得られる。

【００７５】

【発明の効果】第１の発明によれば、短尺燃料棒を有す
る燃料集合体内における冷却材の流れの分布と熱出力の
分布の両方を考慮して、限界出力を向上できる。また、
第２の発明によれば、ボイド係数を低減しつつ、限界出
力を向上できる。これにより、高燃焼度化を目指した燃
料集合体においても、燃料経済性及び炉心安定性を損な
うことなく、熱的余裕を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料集合体の第１実施例を示す横断面
図。

【図２】従来の燃料集合体を示す横断面図。

【図３】第１比較例の燃料集合体を示す横断面図。

【図４】第２比較例の燃料集合体を示す横断面図。

【図５】本発明の燃料集合体の第２実施例を示す横断面
図。

【図６】本発明の燃料集合体の第３実施例を示す横断面
図。

【図７】本発明の燃料集合体の第４実施例を示す横断面
図。

【図８】本発明の燃料集合体の第５実施例を示す横断面
図。

【図９】本発明の燃料集合体の第６実施例を示す横断面
図。

【図１０】従来の燃料集合体を示す横断面図。

【図１１】本発明の燃料集合体の第７実施例を示す横断
面図。

【図１２】本発明の燃料集合体の第８実施例を示す横断
面図。

【図１３】本発明の燃料集合体の第９実施例を示す横断
面図。

【図１４】本発明の燃料集合体の第１０実施例を示す横
断面図。

【図１５】本発明の燃料集合体の第１実施例を示す概略
縦断面図。

【符号の説明】

１…チャンネルボックス、２，１１，１２，１３…燃料
棒、３…短尺燃料棒、４…Ｇｄ燃料棒、５…水ロッド、
６，７，８，９…３行３列コーナー領域、１０…最も外
側の層に配置された短尺燃料棒の各中心を頂点とする多
角形の領域、１４…上部タイプレート、１５…下部タイ
プレート、１６…スペーサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西田浩二茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者山下淳一茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開平８−292281（ＪＰ，Ａ) 特開平６−102384（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/328 G21C 3/326

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】長さが他の燃料棒より短い複数の第１燃料
棒及び可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒を含む複数の
燃料棒と、中性子減速棒とを備え、前記複数の燃料棒が
９行９列以上の正方格子状に配列された燃料集合体にお
いて、各第１燃料棒は、４つのコーナー部の３行３列の領域以
外の位置で且つ縦横方向で前記中性子減速棒と他の第１
燃料棒に同時に隣接しない位置に配置され、前記第２燃料棒は最外周を除く位置に配置され、前記第２燃料棒のうち前記第１燃料棒に縦横方向で隣接
するものは半数以下であり、前記第１燃料棒の上端よりも上側の燃料集合体横断面に
おいて、前記第１燃料棒のうち最も外側の層に配置され
た複数の第１燃料棒の各中心を頂点とする多角形で形成
される領域内に含まれる可燃性毒物の量が、前記領域外
の可燃性毒物の量よりも少ないことを特徴とする燃料集
合体。
【請求項２】長さが他の燃料棒より短い複数の第１燃料
棒及び可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒を含む複数の
燃料棒と、中性子減速棒とを備え、前記複数の燃料棒が
９行９列以上の正方格子状に配列された燃料集合体にお
いて、前記第１燃料棒は４つのコーナー部の３行３列の領域以
外の位置に配置され、最外周の各辺に前記第１燃料棒が
配置され、前記第２燃料棒は最外周を除く位置に配置され、前記第２燃料棒のうち前記第１燃料棒に縦横方向で隣接
するものは半数以下であり、前記第１燃料棒の上端よりも上側の燃料集合体横断面に
おいて、前記第１燃料棒のうち最も外側の層に配置され
た複数の第１燃料棒の各中心を頂点とする多角形で形成
される領域内に含まれる可燃性毒物の量が、前記領域外
の可燃性毒物の量よりも少ないことを特徴とする燃料集
合体。
【請求項３】請求項１又は２において、前記第１燃料棒
の上端よりも上側の領域に可燃性毒物を含む前記第２燃
料棒の数は、前記多角形で形成される領域の内側の方が
外側よりも少ないことを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】請求項１又は２において、前記第２燃料棒
は縦横方向で前記第１燃料棒に隣接しないことを特徴と
する燃料集合体。
【請求項５】請求項１又は２において、縦横方向で前記
第１燃料棒に隣接し且つ最外周に配置された燃料棒は、
縦横方向で前記第２燃料棒に隣接することを特徴とする
燃料集合体。
【請求項６】請求項１又は２において、６本の前記第１
燃料棒及び１２本以上の前記第２燃料棒とを含む７４本
の燃料棒が９行９列の正方格子状に配列され、中央部の
７格子分の領域に２本の大型の水ロッドが配置されてい
ることを特徴とする燃料集合体。
【請求項７】請求項６において、最外周の４辺の中央に
４本の前記第１燃料棒が配置され、前記水ロッドに隣接
する位置に２本の前記第１燃料棒が配置されていること
を特徴とする燃料集合体。
【請求項８】請求項１又は２において、前記４つのコー
ナー部の３行３列の領域のうち少なくとも一つに前記第
２燃料棒を配置したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項９】請求項１又は２において、中央部の７格子
分以上の領域に前記中性子減速棒が配置され、前記第１
燃料棒の上端より上側の燃料集合体横断面に６６本以上
の燃料棒が存在することを特徴とする燃料集合体。