JP3340818B2

JP3340818B2 - 原子炉の炉心

Info

Publication number: JP3340818B2
Application number: JP27227393A
Authority: JP
Inventors: 厚治蛭川; 和毅肥田; 壽生鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 2002-11-05
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: JPH07128473A

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（以下、
ＢＷＲと記す）炉心に係り、特に取り出し燃焼度が増大
し燃料経済性を向上させ得る原子炉の炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＢＷＲの初装荷炉心は、平均濃縮度の異
なる複数種類の燃料集合体を装荷して、初装荷炉心の取
り出し燃焼度の向上を図るものが実用化されている。こ
のような炉心では、運転サイクルを更新する毎に反応度
の低下した燃料集合体を新しい燃料集合体と交換して運
転を継続することにより、平衡サイクルへの移行を速や
かに行うことができる。

【０００３】ここで初装荷炉心による運転を第１サイク
ルと呼ぶが燃料集合体を前述のように部分的に交換しな
がら、第２、第３、…と運転サイクルを繰り返し、前記
第１サイクルから数サイクルの運転を経て炉心全体の燃
料成分が隣接するサイクル間ではほぼ一定となったサイ
クルを平衡サイクルという。

【０００４】なお、この平衡サイクルに到達すると隣接
するサイクルの熱的特性（最大線出力密度、最小限界出
力比（ＭＣＰＲ）、出力ピーキング等）、サイクル終了
後の取り替え燃料集合体数、炉心の燃料集合体装荷配
置、サイクル運転中の制御棒パターン等がほぼ等しく安
定している。

【０００５】前述したような炉心を有する原子炉では、
１サイクルの運転終了毎に原子炉を停止させ、最も反応
度の低下した燃料集合体を新しいものと交換し、次の運
転サイクルに入る。これを繰り返しながら原子炉の運転
を継続するわけであるが、サイクル毎の熱的特性が悪か
ったり、あるいは目標とする燃焼度が達成されなかった
りすれば、燃料集合体の健全性、原子炉炉心及び燃料集
合体の経済性上問題である。

【０００６】燃料集合体の健全性、原子炉炉心及び燃料
集合体の経済性の点からみて、第１サイクルから平衡サ
イクルに移行する過程の中間サイクル、換言すれば移行
サイクルにおける熱的特性及びサイクル取得燃焼度が、
平衡サイクルのそれらと同程度であるか、またはそれら
に向かって速やかに収束するものであることが望まし
い。

【０００７】このような原子炉において、第１サイクル
から平衡サイクルに移行する過程の移行サイクル中の熱
的特性及び取得燃焼度のサイクル毎の変動が少なく燃料
経済性の優れたＢＷＲの先行技術として特公平 3-45358
号公報に開示されている。

【０００８】この公報では、平衡炉心において取り替え
燃料集合体がＮサイクル分だけ炉内に滞在する場合、初
装荷炉心において平衡濃縮度の異なるＮ種類の初装荷燃
料集合体を装荷し、各初装荷燃料集合体の可燃性毒物を
含有しないときの無限増倍率が平衡炉心における炉内滞
在サイクルの異なる取り替え燃料集合体の無限増倍率と
ほぼ等しくなるように各初装荷燃料集合体の平均濃縮度
を設定している。なお、各初装荷燃料集合体の平均濃縮
度は前記設定よって得られる値に対して±0.2wt%の上下
の変化幅を許容している。

【０００９】ところで、濃縮度複数種類の燃料集合体を
用いた初装荷炉心の取り出し燃焼度は、炉心平均濃縮度
を増加させる方法、炉心平均濃縮度は一定でも次に示す
炉心内の濃縮度の分散パラメータを増加させる方法でも
増加出来ることが研究によってわかってきた。

【００１０】

【数１】

【００１１】また、取り出し燃焼度を増大させて燃料経
済性を向上させるために、取り替え燃料集合体の濃縮度
が増加し、平衡サイクルにおける燃料集合体のバッチ数
が従来約３バッチであったのが４バッチを超えるまでに
なってきている。このような高燃焼度燃料集合体の一例
を図21に示す。

【００１２】燃料集合体１は、長尺燃料棒２、短尺燃料
棒３および太径ウォータロッド６をスペーサ８で９行９
列の正方格子状に束ねて上部タイプレート４および下部
タイプレート５に固定して燃料棒束とし、この燃料棒束
をチャンネルボックス７で包囲して構成されている。な
お、図21（Ａ）は燃料集合体を示し、図21（Ｂ）は
（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、図21（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断
面図である。

【００１３】図22（Ａ）に長尺燃料棒２を、同（Ｂ）に
短尺燃料棒３の構成を示す。すなわち、これらの燃料棒
２、３は複数個の燃料ペレット10が被覆管11内に装填さ
れ、被覆管11の両端は上部端栓12および下部端栓13で封
止され、被覆管11内の上部プレナム14内にスプリング15
を設けて燃料ペレット10を押圧している。なお。短尺燃
料棒３は下部にもプレナム14が設けられている。

【００１４】短尺燃料棒３は、燃料集合体上部の冷却材
流路を拡大して圧損を低減するとともに、炉停止余裕を
向上させている。また、短尺燃料棒３の位置は沸騰遷移
を起こし易い位置を選んで選定されており、限界出力の
向上に寄与している。

【００１５】高燃焼燃料集合体を装荷した平衡炉心９の
例として、電気出力 135万ＫＷのＢＷＲ炉心の 1/4平面
図を図23に示す。図において１つの□が燃料集合体１体
を表しており、炉心は 872体の燃料集合体１で構成され
ている。□内の数字は各燃料集合体の炉内滞在サイクル
数である。

【００１６】この炉心には□内１で示す１サイクル目燃
料（新燃料）集合体、同じく２で示す２サイクル目燃料
集合体、同じく３で示す３サイクル目燃料集合体および
同じく４で示す４サイクル目燃料集合体が各々 200体、
同じく５で示す５サイクル目燃料集合体が72体装荷され
ている。この炉心９で使用されている取り替え燃料集合
体の平均濃縮度は3.7wt%である。

【００１７】この炉心９では制御棒が 205本具備されて
いるが、この制御棒１本とこれを取り囲む燃料集合体４
体を合わせて１つのセルと呼ぶ。ただし、炉心最外周の
一部にはセルを構成していない燃料集合体がある。

【００１８】また、サイクル運転中の炉心の余剰反応度
を制御棒でコントロールするために、制御棒の移動によ
る制御棒に隣接する燃料集合体の出力分布歪が緩和され
るように濃縮度が低いかまたは燃焼が進んだ反応度の低
い燃料集合体を４体配置したセルをコントロールセル16
と呼び、炉内に離散的に配置される。コントロールセル
16の数や位置は炉心の余剰反応度や制御棒パターンなど
によって異なるが、本炉心では太枠で示された21個で構
成されている。

【００１９】このような平衡サイクルに好適な第１サイ
クルを、前記従来の技術に基づいて構成するには、平均
濃縮度の異なる５種類の初装荷燃料集合体を使用するこ
とになる。ただし、５サイクル目燃料集合体に相当する
平均濃縮度が最も低い燃料集合体は装荷体数が少ないの
で、通常は平均濃縮度が２番目に低い初装荷燃料集合体
で代用され、４種類の初装荷燃料集合体が使用される。

【００２０】このような第１サイクルの例を図24に示
す。また、その燃料集合体の内訳を表１に示す。本炉心
は図23と同じＢＷＲ炉心であり、図24において□内の記
号Ｓは４サイクル目燃料集合体に相当する最低濃縮度燃
料集合体、Ｌは３サイクル目燃料集合体に相当する平均
濃縮度が２番目に低い燃料集合体、Ｍは２サイクル目燃
料集合体に相当する平均濃縮度が３番目に低い燃料集合
体、そしてＨは取り替え燃料集合体と同じ濃縮度の最高
濃縮度燃料集合体である。

【００２１】燃料集合体Ｈ，Ｍ，Ｌの装荷体数は各々 2
00本、燃料集合体Ｓの装荷体数は 272体である。コント
ロールセル16は21個あり、最低濃縮度の燃料集合体Ｓは
コントロールセルおよび、図23に示した平衡サイクルと
同様、炉心からの中性子の漏洩を抑えて経済性を向上さ
せるために炉心最外周に装荷されている。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】近時、取り替え燃料集
合体の濃縮度が13ケ月運転の条件下でより取り出し燃焼
度を上げて燃料経済性を向上する観点から、3.2 〜3.6w
t%に増加し、平衡サイクルにおける燃料集合体のバッチ
数が従来約３バッチであったのが４バッチを超えるまで
になってきている。

【００２４】その結果、第１サイクルから平衡サイクル
までの炉心熱的特性、特に径方向出力ピーキングを熱的
な制限最大線出力密度（ＭＬＨＧＲ）、最小限界出力比
（ＭＣＰＲ）を守って容易に運転するために、前記先行
技術を土台とすると、初装荷燃料集合体の種類は４種類
の濃縮度を用意するか、３種類の濃縮度タイプの燃料集
合体を用意し、最低濃縮度の燃料集合体を炉心の中央領
域に広く分散配置して、高濃縮度燃料集合体の第１サイ
クル中期から末期にかけての径方向出力キーピングを抑
制することが必要になってくる。

【００２５】その場合、コントロールセル16には、３タ
イプまたは４タイプ濃縮度燃料集合体炉心では、それぞ
れ高濃縮側から数えて３番目または４番目の燃料集合体
を配置するのが普通である。これは、コントロールセル
に配置される燃料集合体は、運転中に炉心の余剰反応度
を制御するために炉心にサイクル期間中長期に亘って挿
入される制御棒によって燃焼度の進行が遅れ、かつ燃料
集合体横断面図の燃焼度も制御棒側の進行が遅れること
により、炉心の余剰反応度が低下し、コントロールセル
の制御棒が引き抜かれ制御棒による反応度制御がなくな
った時に制御棒挿入側の線出力密度が非常に大きくなる
その最大線出力密度を運転制限以内とすることを考えて
のことである。

【００２６】初装荷炉心の平均濃縮度2.2wt%以上の場
合、サイクル末期にコントロールセルの制御棒を引き抜
いた場合、これらの効果により制御棒に隣接する燃料集
合体に最大線出力密度（ＭＬＨＧＲ）が生じない様にコ
ントロールセルに配置される燃料集合体の平均濃縮度を
設定すると1.2〜1.4wt%の濃縮度以下であることが、要
請される。その結果、低濃縮度燃料集合体がコントロー
ルセル16の数と径方向出力分布抑制用の数だけ必要とな
り、炉心の平均濃縮度が低下する。

【００２７】ところで、取り出し燃焼度向上の点からは
炉心平均濃縮度を高めることと、同一の炉心平均濃縮度
なら前述の濃縮度分散のパラメータを大きくした方が良
いとすると、濃縮度の選定に当たっては最大濃縮度の燃
料集合体の濃縮度はより高く、その体数はより多く、ま
た最低濃縮度の燃料集合体の濃縮度はより低く、体数は
炉心平均濃縮度を低下させないように少なく、できるな
らば第１サイクル後取り出される燃料集合体とほぼ同じ
体数とし、燃料集合体濃縮度の種類を少なくすることが
要点である。

【００２８】図24に示した第１サイクルの運転が終了す
ると、原子炉を停止させ、反応度が最も低下した燃料集
合体を新しい燃料集合体と交換した後に第２サイクルの
運転に入る。この場合、前記従来例では、最低濃縮度の
初装荷燃料集合体Ｓから順に取り出されることになる。

【００２９】ところが、第１サイクルではコントロール
セル16に配置されていた最低濃縮度の初装荷燃料集合体
Ｓは、コントロールセル16には制御棒が挿入されている
ため、出力が抑えられており、十分に燃焼が進んでいな
い。

【００３０】従って、前記従来例では、最低濃縮度の初
装荷燃料集合体Ｓは、未だ燃焼していないウラン 235を
多く残したまま新燃料集合体と交換されてしまうことに
なるので、初装荷燃料集合体の経済性向上の点で未だ不
十分である。このことは、第１サイクルにおいて炉心最
外周に配置されていた最低濃縮度の初装荷燃料集合体Ｓ
についても同様である。

【００３１】本発明は上記の課題を解決するためにされ
たもので、平衡炉心において３バッチ程度またはそれ以
上の取り替え燃料集合体となる3.0wt%以上の濃縮度の燃
料集合体を、初装荷燃料集合体の最高濃縮度燃料集合体
として使用する場合、第１、第２サイクルの熱的特性の
満足と、燃料経済性向上及び初装荷燃料集合体製造コス
トの低減を図ることができる原子炉の炉心を提供するこ
とにある。

【００３２】また、本発明は平衡炉心において４バッチ
程度またはそれ以上のバッチ数となる高濃縮度取り替え
燃料集合体を用いる原子炉の炉心において、これに好適
な初装荷炉心を提供し、初装荷燃料集合体の取り出し燃
焼度を増大して燃料経済性の向上を図ることができる原
子炉の炉心を提供することにある。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明は平衡炉心におい
て３バッチ程度またはそれ以上の取り替え燃料集合体と
なる3.0wt%以上の濃縮度の燃料集合体を、初装荷燃料集
合体の最高濃縮度燃料集合体として使用する場合の濃縮
度３種類の初装荷炉心において、少なくとも中濃縮度の
燃料集合体を可燃性毒物の量で更に２種類に分け、その
可燃性毒物含有燃料棒の本数差が２本以上であることに
よる。また、前記高可燃性毒物含有の中濃縮度燃料集合
体をコントロールセル位置に配置する。

【００３４】ここでコントロールセルは炉内に離散的に
配置し、少ない場合で９ないし多い場合でも37個ある。

【００３５】前記高可燃性毒物含有の中濃縮度燃料集合
体は可燃性毒物含有燃料棒の本数が低可燃性毒物含有の
中濃縮度燃料集合体より２本以上多く、その配置が燃料
集合体横断面の中心から制御棒側に片寄っており、かつ
燃料集合体平均濃縮度が1.5〜2.8wt%の燃料集合体とす
る。

【００３６】また、本発明では、１本の制御棒と、これ
を囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを多
数配列して構成される原子炉の炉心において、異なる平
均濃縮度の初装荷燃料集合体を複数種類使用し、第１サ
イクルにおいて、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合
体は、原子炉運転時の反応度制御用に設けられたコント
ロールセル以外の位置のみに配置する。さらに望ましく
は、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体は、炉心最
外周以外の炉心内部にあってコントロールセルに隣接し
ないセルに互いに隣り合わせないように配置する。

【００３７】

【作用】例えば、初装荷濃縮度３タイプ炉心において、
最高濃縮度燃料集合体が例えば3.5wt%濃縮度の取り替え
燃料集合体と同じとすると、例えば濃縮度の種類は、3.
5(タイプ１）， 2.3（タイプ２）， 1.3（タイプ３）wt
% のような濃縮度分布となる。

【００３８】これに対して、本発明によれば各タイプの
濃縮度燃料集合体は同じであるが、少なくとも中濃縮度
の2.3wt%（タイプ２）の燃料集合体に対しては可燃性毒
物として添加するガドリニア入り燃料棒の本数が少ない
もの（タイプ２）と多いもの（タイプ２Ｃ）の２種類用
意する。

【００３９】そのガドリニア入り燃料棒の本数差を２本
以上とすることによって、さらに燃料集合体横断面のガ
ドリニア含有燃料棒の配置を制御棒側に重心が片寄る様
な配置とする。

【００４０】これにより、中濃縮度燃料集合体の高ガド
リニア燃料集合体（タイプ２Ｃ）を第１サイクルのコン
トロールセルのブレードヒストリーを考慮しても最大線
出力密度の運転基準を満たすことができる。

【００４１】しかも、中濃縮度の初装荷燃料集合体のガ
ドリニア設計の異なる種類の間では、濃縮度所要量の設
計は共通化させることによって、初装荷燃料集合体に必
要な濃縮ウラン粉末の濃縮度の種類を増加させずに対応
できる。

【００４２】この結果、本発明の濃縮度３タイプ炉心で
は初装荷炉心の低濃縮度燃料集合体（タイプ３）の体数
を従来より減少することができ、その結果、炉心平均濃
縮度を高めることによって初装荷炉心の取り出し燃焼度
を増大できる。

【００４３】従来、原子炉の初装荷炉心では、最低濃縮
度の燃料集合体はコントロールセルや炉心最外周に配置
されていたため、原子炉の運転中にはその出力が抑えら
れており、十分燃焼が進まない状態のまま第１サイクル
終了後に新燃料集合体と交換されていた。

【００４４】これに対して本発明によれば、第１サイク
ル終了後炉心から取り出される平均濃縮度が最も低い初
装荷燃料集合体は、コントロールセルや炉心最外周を除
く位置に配置されていたものであるので、十分に燃焼が
進んでおり、初装荷燃料集合体の取り出し燃焼度を増大
することができる。

【００４５】また、平均濃縮度が最も低い燃料集合体を
コントロールセルに隣接しないセルに互いに隣り合わな
いように配置することによって、その隣に配置されて平
均濃縮度の高い燃料集合体で発生した過剰の中性子の供
給を受けることができるので、さらにその燃焼を進行さ
せることができる。さらに、第１サイクルでは、コント
ロールセルや炉心最外周に配置されていた平均濃縮度の
高い初装荷燃料集合体は燃焼が抑制されることになる。

【００４６】これらの燃料集合体は第２サイクル以降も
炉心内に残るため、未燃焼のウラン235が第２サイクル
までより多く持ち越されることになり、その分第２サイ
クルの運転に必要な新燃料集合体の体数が削減できるの
で、さらに燃料経済性が向上する。その結果、従来技術
で構成された炉心と同じ炉心平均濃縮度としても、より
高い初装荷炉心の取り出し燃焼度が達成される。

【００４７】

【実施例】図面を参照しながら本発明に係る原子炉の炉
心の実施例を説明する。（第１の実施例）図１（Ａ）に本発明に係る第１の実施例における 1/4
90°回転対称の初装荷炉心の燃料配置例を示す。第１の
実施例では燃料集合体の平均濃縮度が異なる３種類の燃
料集合体（高濃縮度燃料のタイプ１燃料集合体，中濃縮
度燃料のタイプ２，２Ｃ燃料集合体，低濃縮度燃料のタ
イプ３燃料集合体）を用いている。その燃料集合体平均
濃縮度と体数を下表に示す。

【００４８】

【表２】

【００４９】

【表３】

【００５０】本実施例の炉心では、例えば取り替え燃料
集合体の平均濃縮度を3.5wt%とした場合、初装荷炉心の
濃縮度のタイプを 3.5（タイプ１）， 2.3（タイプ２，
タイプ２Ｃ）， 1.3（タイプ３）wt% の様な３種類に
し、しかも少なくとも2.3wt%（タイプ２，タイプ２Ｃ）
の燃料集合体に対しては可燃性毒物として添加するガド
リニア入り燃料棒の本数が少ないもの（タイプ２）と多
いもの（タイプ２Ｃ）の２種類用意し、そのガドリニア
入り燃料棒の本数差を２本以上とする。しかも、中濃縮
度の初装荷燃料集合体のガドリニア設計の異なる燃料集
合体の間では、濃縮度所要量の設計は共通化させると、
更に燃料製造上都合が良い。

【００５１】図１（Ａ）の第１の実施例では炉心最外周
にタイプ３燃料集合体３ｐ（ここでは炉心の中央に配置
されるタイプ３燃料集合体と同一設計の場合でも第１サ
イクルから第２サイクルへの燃料交換、移動が分かりや
すいように炉心最外周のタイプ３燃料集合体に３ｐの記
号を付した。）を配置する。

【００５２】また、炉心中央領域には制御棒の周囲４体
をすべてタイプ２Ｃ燃料集合体で構成されたコントロー
ルセルＣ（出力運転中、反応度制御及び出力分布制御を
行うための専用制御棒セルで、制御棒周囲の燃料集合体
は低反応度の燃料集合体を配置する。）を配置してあ
る。最外周から第２層目、第３層目には最高濃縮度のタ
イプ１燃料集合体のみを配置するか、または大半をタイ
プ１燃料集合体とする。

【００５３】他の残りの位置ではタイプ１燃料集合体は
原則としてタイプ２またはタイプ３燃料集合体に面する
ように分散配置する。例えば、コントロールセルＣに面
した制御セルは原則としてタイプ２またはタイプ３燃料
集合体と、タイプ１燃料集合体を交互にほぼチェカーボ
ード状に配置する。コントロールセルＣに面しない制御
棒セルは原則としてタイプ２とタイプ３燃料集合体の燃
料集合体を３体とタイプ１燃料集合体を１体を配置す
る。

【００５４】このタイプ３燃料集合体の数は第１回取り
替え燃料集合体の体数より多くする。特にこの例では、
図１（Ｂ）の第２サイクルの炉心燃料配置図からも分か
るように、最外周のタイプ３燃料集合体は第２サイクル
も最外周に配置され、第１サイクルに最外周より内側に
配置されたタイプ３燃料集合体のみが第１回取り替え燃
料集合体と交換される。

【００５５】図２は燃料集合体に含まれる燃料棒の有効
部長さが少なくとも濃縮領域では同じである場合のタイ
プ１、タイプ２、２Ｃ、タイプ３燃料集合体の軸方向濃
縮度分布、可燃性毒物軸方向分布の例を示す。この様
な、燃料集合体としては図22（Ａ）に示したような燃料
有効部が標準長さの長尺燃料棒２のみで構成された、図
３（Ａ）（Ｂ）に示すような燃料集合体１ａ，１ｂの例
がある。

【００５６】この初装荷燃料集合体は図２に示したよう
に燃料有効長さ¨Ｌ¨の上下端にブランケット領域（天
然ウラン、劣化ウランまたは再処理回収ウランを使用し
た燃料有効領域）を有し、その長さはそれぞれL/24〜L/
12である。タイプ１、タイプ２、２Ｃ燃料集合体は濃縮
領域¨Ｌ_e¨が濃縮度の軸方向分布を有し、タイプ３燃
料集合体の濃縮領域¨Ｌ_e¨が濃縮度の軸方向に一様で
ある。

【００５７】タイプ１燃料集合体およびタイプ２，２Ｃ
燃料集合体は燃料有効長¨Ｌ¨の下端から約L/3 〜 L/2
の位置に濃縮度の区分境界ａを有し、境界ａの上下で上
部の濃縮度の方が下部よりも約0.2wt%程度高い。

【００５８】尚、ここでタイプ１燃料集合体とタイプ２
（２，２Ｃの両方）燃料集合体の境界ａを軸方向にずら
しても良い。ずらす場合はタイプ２（２，２Ｃの両方）
燃料集合体の境界ａをタイプ１燃料集合体のそれよりも
L/12以上上方に設定する。

【００５９】また、タイプ１、タイプ２、２Ｃ燃料集合
体は可燃性毒物燃料棒を有し、その本数はタイプ２、タ
イプ２Ｃ、タイプ１燃料集合体の順に多くなる。可燃性
毒物としてはここでは燃料ペレットにガドリニアを添加
する形態を考える。可燃性毒物の軸方向分布設計は燃料
有効長¨Ｌ¨の内の濃縮領域¨Ｌ_e¨に可燃性毒物が添
加されており、その領域¨Ｌ_e¨内で一様か分布を有す
る設計が考えられる。

【００６０】分布を有する例としては図２に示すよう
に、その領域内で可燃性毒物添加燃料棒のガドリニア濃
度は一様かまたは濃縮度区分の境界ａと同じ位置で可燃
性毒物の量に差があり、燃料集合体全体のガドリニア軸
方向設計として、図２の如く境界ａの上側でガドリニア
量が小さく下側で大きくなっている。

【００６１】更にタイプ１燃料集合体及びタイプ２
（２，２Ｃの両方）燃料集合体のいずれかまたは両方と
もが、境界ａより上方の濃縮領域¨Ｌ_e¨の上端から約
L/12〜L/6の長さの可燃性毒物の少ない低可燃性毒物領
域¨Ｌ_LG¨を有する。

【００６２】可燃性毒物量を少なくする手段はタイプ１
燃料集合体についてはガドリニアの濃度を低可燃性毒物
領域¨Ｌ_LG¨のすぐ下の領域より小さくする。例えばガ
ドリニア濃度を1.5〜4wt%の低い濃度とする。または、
ガドリニア添加燃料棒を１本減ずる。またはその両方と
する等の手段がある。

【００６３】また、タイプ１燃料集合体は低可燃性毒物
領域¨Ｌ_LG¨に対応した部位の濃縮度を濃縮領域の中で
最低の濃縮度とするか、または境界ａの下側の濃縮度と
同程度の濃縮度としても良い。

【００６４】タイプ２、２Ｃ燃料集合体については低可
燃性毒物領域¨Ｌ_LG¨のガドリニア添加燃料棒を 1〜3
本減少し、同時にガドリニア濃度を1.5〜4wt%の低い濃
度とする。また、低可燃性毒物領域¨Ｌ_LG¨に対応した
部位の濃縮度はその下方の濃縮度と同じとする。

【００６５】図４に９×９燃料棒で中央に３×３燃料棒
セル分のウォーターロッド６を有した構造の場合の例
で、タイプ２燃料集合体とタイプ２Ｃ燃料集合体の横断
面濃縮度及びガドリニア分布設計例を示す。

【００６６】図４のタイプ２燃料集合体では離散的に且
つ燃料集合体横断面の中心に重心を有する形でガドリニ
ア含有燃料棒（Ｇ１）が４本配置されている。これに対
して図５に示すタイプ２Ｃ燃料集合体では、ガドリニア
含有燃料棒が４本多く且つガドリニア添加濃度7.5wt%以
上と、高い濃度の燃料棒７本は複数本づつ互いに隣接し
ている。

【００６７】その配置の重心も燃料集合体横断面図中心
より制御棒（Ｗ−Ｗ側）側に片寄っている。また、Ｗ−
Ｗ側の最外周燃料棒はタイプ２燃料集合体よりもタイプ
２Ｃ燃料集合体の方が低濃縮度の燃料棒本数が多く配置
されている。

【００６８】初装荷燃料集合体の濃縮度設計で見た燃料
棒製造種類をタイプ２燃料集合体とタイプ２Ｃ燃料集合
体と濃縮度と本数共々同一にする方が燃料製造上簡単で
あるが、図６の様に若干平均濃縮度がずれても同一濃縮
度で本数のみがことなる設計でも良い。

【００６９】タイプ２Ｃ燃料集合体の燃料棒位置（８．
８）のガドリニア添加燃料棒は薄いガドリニア濃度、例
えば1.0wt%を配置しても良い。また、他のガドリニア添
加燃料棒の濃いガドリニア濃度としては 10wt%程度にま
で上げることも考えられる。

【００７０】図７、図８には本発明のタイプ１燃料集合
体、タイプ３燃料集合体の横断面設計例を示す。図８の
様にタイプ３燃料集合体はより簡単化した濃縮度分布と
し、燃料集合体の外周燃料棒や大型ウォーターロッド周
囲に高局所出力ピーキングが発生しやすい設計とする。

【００７１】つぎに本発明の第１実施例の作用を図１
（Ａ），（Ｂ）図10及び図13（Ａ），（Ｂ）を用いて従
来の濃縮度３タイプ炉心との比較で説明する。図10は濃
縮度３タイプ炉心の第１サイクルにおいて、各タイプの
燃料集合体の無限増倍率が変化する様子を示したもので
ある。

【００７２】初装荷燃料集合体を装荷した炉心の第１サ
イクル長さは、起動試験等により取替炉心の１サイクル
長さと比べて相当長さ（2000〜3000MWd/st）長くなり、
約11000MWd/stとなる。よって、タイプ１、タイプ２、
タイプ２Ｃ燃料集合体のガドリニア濃度は取り替え燃料
集合体のガドリニア濃度よりも濃度を高くされる。図10
の無限増倍率のタイプ１、タイプ２燃料集合体の曲線は
7.5wt%のガドリニア添加濃度の場合の計算である。その
結果、タイプ１燃料集合体の無限増倍率の最大値は取り
替え燃料集合体より小さく、ピーク位置も3000〜5000MW
d/st程度後に生ずる。

【００７３】従来例では炉心に配置された各タイプの第
１の燃料集合体のサイクル末期の燃焼度を図10にプロッ
トすると、縦のバーで示すようになる。このようにタイ
プ３燃料集合体の内コントロールセルに配置されたもの
は、その他の炉心中央に配置されたタイプ３燃料集合体
に比較して 0.8倍程度の燃焼度（8000MWd/st）しか進ま
ない。

【００７４】また、最外周に配置されたタイプ３燃料集
合体は同じく約 0.5倍の燃焼度（5000MWd/st）しか進ま
ない。この炉心が第２サイクルに移行するとき、図13
（Ａ），（Ｂ）に示すように炉心中央領域の燃焼度の進
んだタイプ３燃料集合体が取り出され、残ったタイプ３
燃料集合体は最も燃焼の進んだものを炉心最外周に優先
的に配置する。

【００７５】これが第２サイクル（サイクル長さ約9500
MWd/st）の炉心反応度をより高め、タイプ３燃料集合体
の取り出し燃料度をより向上する方法である。しかし第
１サイクルでコントロールセルに配置されたタイプ３燃
料集合体は第２サイクルで約半数が最外周に配置され、
約半数が取り出される。

【００７６】第２サイクルに最外周に配置されたタイプ
３燃料集合体は約4000MWd/st程度の燃焼度を取得出来る
のみであり、第１サイクル最外周、第２サイクル炉心中
央のコントロールセル以外の位置に配置されたタイプ３
燃料集合体が得る5000＋8000MWd/stと同程度である。こ
の結果、第１サイクル後に取り出されたコントロールセ
ル配置のタイプ３燃料集合体の燃焼度取得損失は第２サ
イクルではほとんど取り返せないこととなる。

【００７７】本発明の第１の実施例によれば、第１サイ
クルにおいて、濃縮度の最も低い且つ可燃性毒物を含有
しないタイプ３燃料集合体は、炉心最外周及び炉心中央
領域のコントロールセル以外の位置に配置されること
と、タイプ３燃料集合体の体数を第２サイクルでの最外
周配置の数と第１回取り替え燃料集合体の数の合計以上
とすることにより、第１回の燃料交換は炉心中央のタイ
プ３燃料集合体のみとなる。炉心中央のタイプ３燃料集
合体はコントロールセルによる燃焼度取得の損失を受け
ること無く取り出される。

【００７８】コントロールセルに装荷された燃料集合体
においては、制御棒挿入運転が長く続いて、Ｗ−Ｗ側の
燃料棒の燃焼が遅れ、対角反対側（Ｎ−Ｎ側）の燃料棒
の燃焼がより進む。第１サイクル末期に炉心の余剰反応
度が低下するとコントロールセルの制御棒は引き抜かれ
る。

【００７９】この時点でのＷ−Ｗ側の燃料棒の局所出力
ピーキングがステップ状に増加することと、制御棒によ
る反応度制御がなくなったことによりＷ−Ｗ側の燃料棒
の線出力密度が非常に大きくなる。この結果を考慮して
も最大線出力密度の運転制限以内とする必要から従来は
タイプ３燃料集合体の平均濃縮度を可燃性毒物なしとし
て、1.3wt%程度以下に設定し、燃料集合体内の最外周燃
料棒の濃縮度も比較的低い設計としている。

【００８０】本実施例では第１サイクルでコントロール
セルに配置されるタイプ２Ｃ燃料集合体はガドリニア燃
料棒の本数が多いのと、ガドリニア添加燃料棒を複数互
いに隣接して燃料集合体内に配置するので、熱中性子束
遮蔽によりガドリニウムの燃焼が遅くなることの効果に
より第１サイクル中の無限倍増率は約 10%△k以上タイ
プ２燃料集合体に比して抑制される。

【００８１】この抑制効果はガドリニアの添加濃度が高
いほど長期間反応度抑制が可能なので、7.5wt%（図10中
破線のタイプ２Ｃ燃料集合体）以上 10wt%（図10中一点
鎖線のタイプ２Ｃ燃料集合体）程度あると都合が良い。

【００８２】また、タイプ２Ｃ燃料集合体はＷ−Ｗ側の
最外周位置に低濃縮度の燃料棒がより多く配置され且
つ、高濃度のガドリニア添加燃料棒も制御棒側に配置が
片寄ったパターンで設計されている。

【００８３】従って、サイクル末期に制御棒が引き抜か
れても、Ｗ−Ｗ側の燃料棒のインポータンスが増加する
が、その近傍に配置された高濃度のガドリニア添加燃料
棒のガドリニウムもまだ残留反応度を有しているので、
Ｗ−Ｗ側の局所出力の増加を抑制して燃料集合体横断面
内の出力分布の平坦化の方向に働く。第２サイクルで
は、タイプ２Ｃ燃料集合体の残留ガドリニウムも燃焼し
尽くし、その後燃焼に従って無限増倍率は減少する。

【００８４】これに対し、タイプ２燃料集合体は第１サ
イクル初期から末期にかけて無限増倍率の変化は少な
く、ほぼ平衡炉心における２サイクル燃焼後の無限増倍
率に近い反応度を維持し、可燃性毒物の燃焼による反応
度増加とＵ²³⁵の燃焼による反応度低下がバランスした
推移を示す。

【００８５】タイプ１燃料集合体は取り替え燃料集合体
と同一濃縮度であるが、ガドリニア添加燃料棒は５〜６
本少ない。そのため、第１サイクル初期の無限増倍率は
取り替え燃料集合体より 10%△k程度高い値である。タ
イプ３燃料集合体は第１サイクル初期に平衡炉心におけ
る２．５サイクル燃焼度の無限増倍率を示し、その後燃
焼に従って、無限増倍率は減少する。

【００８６】また、図８のタイプ３燃料集合体の様に燃
料集合体最外周や大型ウォーターロッド周囲等の中性子
インポータンスの高い燃料棒位置に濃縮度の高い燃焼棒
を配置することにより、低い濃縮度でより高い無限増倍
率が得られ、より経済的な燃料構成となる。すなわち、
本実施例ではタイプ３燃料集合体は全てコントロールセ
ル以外の位置に配置する初装荷炉心であることによる。

【００８７】従来の濃縮度多種類炉心ではタイプ３燃料
集合体をコントロールセルに配置するために、最外周の
燃料棒の出力ピーキングを下げる。そのため、中性子イ
ンポータンスの高い燃料集合体最外周に横断面で使用す
る濃縮度の比較的低い燃料棒を配置すると、その分燃料
集合体の無限増倍率が低くなり、炉心の燃料経済性が低
下する。図９に従来のタイプ３燃焼集合体を示してい
る。

【００８８】尚、図10の燃料集合体タイプ毎の無限増倍
率の燃焼変化図から、図１の炉心において図13（Ａ）の
濃縮度３タイプ炉心におけるタイプ１、タイプ２、タイ
プ３の同一ガドリニア設計、同一濃縮度設計を使うと、
図13（Ａ）におけるコントロールセルのタイプ３燃料集
合体がタイプ２Ｃ燃料集合体に置き代わった分、サイク
ル末期の炉心余剰反応度が増加し、第１回取り替え燃料
集合体の体数が低減することになる。

【００８９】つぎに上記第１の実施例の効果を説明す
る。ＢＷＲの取替炉心では、径方向出力分布を平坦にす
るには、無限増倍率の異なる燃料集合体を分散して配置
し、サイクルの燃焼期間中、任意の最小配置の４体の平
均無限増倍率がほぼ同じように配置すればよい。また、
炉心の最外周を除いてインポータンスの高い炉心中央か
ら外側に向かって徐々に平均の無限増倍率を増加させる
と炉心の最外周付近を除き炉心の径方向の出力分布が平
坦化できる。

【００９０】本実施例の濃縮度多種類初装荷炉心におい
て、第１サイクル初期に最大の反応度を有するタイプ２
燃料集合体はそれより反応度の低いタイプ３燃料集合
体、タイプ１燃料集合体に囲まれるので、タイプ２燃料
集合体の径方向出力ピーキング抑制の作用がある。

【００９１】また、濃縮度３タイプ炉心におけるコント
ロールセルに配置される反応度の低いタイプ３燃料集合
体の代わりに、それよりも濃縮度及びガドリニア添加量
が多くサイクル末期において反応度の高いタイプ２Ｃ燃
料に置き換えているので、第１サイクル末期においてタ
イプ２Ｃ燃料集合体の出力がタイプ３燃料集合体より高
い分炉内の出力ミスマッチが緩和され炉心出力が平坦化
し、径方向出力ピーキングを改善する。

【００９２】したがって、第１サイクル末期を余剰反応
度に十分な余裕を持って迎えられるので、第１回取り替
え燃料集合体の体数を従来よりも大幅に減じることがで
きる。その結果炉心平均濃縮度を従来より約 0.16wt%増
大して、初装荷炉心の取り出し燃焼度が増大できる。こ
れは初装荷炉心の燃料経済性が向上することを意味す
る。

【００９３】また、各燃料タイプの軸方向の濃縮度分
布、ガドリニア分布設計とすることによって、取り出し
燃焼度が向上し、且つ炉内においてコントロールセルの
制御棒に隣接しないタイプ２、タイプ１燃料集合体の軸
方向出力分布が燃料集合体の軸方向反応度分布によって
安定に制御でき、最大線出力密度、ＭＣＰＲ等の炉心の
熱的制限を満足できる。

【００９４】特に、燃料有効部の下部から L/3〜L/2 の
位置に濃縮度及びガドリニア量の分布境界ａを設け，境
界より下部の反応度を抑制することにより、ＢＷＲの特
徴であるボイド発生による下方ピーク出力分布を抑制
し、平坦化できる。

【００９５】さらに、この境界がタイプ１燃料集合体と
タイプ２燃料集合体で同じであると、境界のすぐ上部に
出力ピークを生じるので、反応度が低く下方出力ピーク
特性の弱いタイプ２燃料の前記境界ａをL/12以上ずらす
ことにより、それを緩和することができる。

【００９６】また、濃縮領域の上端に低可燃性毒物領域
を設け、サイクル末期における可燃性毒物の燃え残りを
減じることによって、燃焼経済性が向上する。この時、
タイプ１燃料集合体については炉内装荷サイクル数が多
いので、濃縮度も低減すると、移行サイクルにおける炉
停止余裕の改善に寄与する。

【００９７】つぎに本発明に係る原子炉の炉心の第１の
実施例の変形を説明する。本発明は第１の実施例の炉心
構成における燃料集合体設計のみが異なる実施例であ
る。図11、図12に図３（Ｃ）（Ｄ）中にＰで示した部分
長燃料棒を有する燃料集合体を使用したタイプ１、タイ
プ２、２Ｃ、タイプ３燃料集合体の軸方向濃縮度分布、
可燃性毒物軸方向分布の例を示す。

【００９８】図11は図２における低可燃性毒物領域¨Ｌ
_LG¨を標準長燃料棒において、部分長燃料棒の燃料棒有
効部上方の領域に対応する領域全体¨Ｌ_PLR¨とした例
であるが、必ずしも一致させる必要はない。

【００９９】軸方向の構成は図２とほぼ同じであるが、
タイプ１、タイプ２（２，２Ｃ）燃料集合体について
は、領域¨Ｌ_PLR¨の燃料装荷量がそれより下の領域よ
りも小さい事を考慮して濃縮度をそれより下部と同一か
やや低下する程度とし、また更に燃料下部の燃料ウラン
の量が多い分軸方向に出力ピーキングが発生しやすいの
でより軸方向出力の平坦化が必要である。例えば、境界
ａの上下の濃縮度差をより大きくすることも効果があ
る。この様な軸方向設計により部分長燃焼棒を有する燃
料集合体を使用した本実施例の初装荷炉心の軸方向分布
を平坦化することができる。

【０１００】図12は図11の軸方向設計の簡易化を図った
ものである。タイプ１燃料集合体を除いて下部領域（部
分長燃料棒の有効部領域）の濃縮度及びガドリニア軸方
向設計が一様である。タイプ１燃料集合体は実線の様に
約 L/3の位置にガドリニア量の境界ａを有し、濃縮度の
境界は有しない。

【０１０１】この場合、タイプ１燃料集合体のガドリニ
ア設計を点線の様にこの下部領域だけ１、２本の部分ガ
ドリニア添加燃料棒としてガドリニア入り燃料棒本数を
増加させても良い。また、図11のタイプ２（２，２
Ｃ）、タイプ３燃料集合体と図12タイプ１燃料集合体の
軸方向設計を組み合わせても良い。

【０１０２】（第２の実施例）図14（Ａ），（Ｂ）に本発明の第２の実施例に係る 1/4
90°回転対称の初装荷炉心の燃料配置例を示す。本実
施例では燃料集合体の平均濃縮度が異なる３種類の燃料
集合体（高濃縮度燃料タイプ１燃料集合体、中濃縮度燃
料タイプ２、２Ｃ燃料集合体、低濃縮度燃料のタイプ３
燃料集合体）を使用している。その燃料集合体の平均濃
縮度と体数を下表に示す。第２の実施例に対応した従来
の濃縮度３タイプ初装荷炉心の例を図１５（Ａ），
（Ｂ）に示す。

【０１０３】

【表４】

【０１０４】

【表５】

【０１０５】本発明の炉心では、例えば取り替え燃料集
合体の平均濃縮度を3.5wt%とした場合、初装荷炉心の濃
縮度のタイプを 3.5（タイプ１燃料集合体）， 2.3（タ
イプ２、タイプ２Ｃ燃料集合体）， 1.3（タイプ３燃料
集合体）wt% の様な３種類にし、しかも少なくとも 2.3
wt%（タイプ２、タイプ２Ｃ燃料集合体）の燃料集合体
に対しては可燃性毒物として添加するガドリニア入り燃
料棒の本数の少ないもの（タイプ２燃料集合体）と多い
もの（タイプ２Ｃ燃料集合体）の２種類用意し、そのガ
ドリニア入り燃料棒の本数差を２本以上とする。しか
も、中濃縮度の初装荷燃料集合体のガドリニア設計の異
なる燃料集合体の間では、濃縮度所要量の設計は共通化
される。

【０１０６】図14（Ａ），（Ｂ）の本発明の第２の実施
例では炉心最外周にタイプ１燃料集合体１_P（ここでは
炉心の中央に配置されるタイプ１燃料集合体と同一設計
の場合でも第１サイクルから第２サイクルへの燃料交
換、移動が分かりやすいように炉心最外周のタイプ１燃
料集合体に１_Pの記号を付した。）を配置し、また炉心
中央領域には、制御棒周囲４体をすべてタイプ２Ｃ燃料
集合体で構成されたコントロールセルＣ（出力運転中、
反応度制御及び出力分布制御を行うための専用の制御棒
セルで制御棒周囲の燃料集合体は低反応度の燃料集合体
を配置する。）を配置してある。最外周及び第２層目に
は最高濃縮度のタイプ１燃料集合体のみを配置するか、
または、大半をタイプ１燃料集合体とする。

【０１０７】他の残りの位置ではタイプ１燃料集合体は
原則としてタイプ２またはタイプ３燃料集合体に面する
ように分散配置する。例えば、コントロールセルＣに面
した制御棒セルは原則としてタイプ２またはタイプ３燃
料集合体と、タイプ１燃料集合体を交互にほぼチェカー
ボード状に配置する。コントロールセルＣに面しない制
御棒セルは原則としてタイプ２とタイプ３燃料集合体を
３体とタイプ１燃料集合体１体を配置する。

【０１０８】本実施例の燃料集合体の軸方向設計として
は前記の図２、図11、図12の何れも可能である。本実施
例では最外周に高反応度のタイプ１燃料集合体を配置し
ているので、径方向出力分布がよりいっそう平坦化さ
れ、ＭＣＰＲや最大線出力密度の特性が第１の実施例よ
りもより向上できる。

【０１０９】また、最外周配置のタイプ１燃料集合体は
炉心中央領域の燃料集合体に比較して約50％程度の出力
であり、第１サイクルにおける燃焼が進まないので、第
２サイクルに持ち越される反応度が大きい。その結果、
第２サイクルへの燃料集合体の交換体数を低減できる。
さらに、初装荷炉心の平均濃縮度も増大するので初装荷
炉心の取り出し燃焼度増加に寄与する。

【０１１０】尚、これまでの実施例では最外周の燃料集
合体はタイプ１燃料集合体か、タイプ３燃料集合体を配
置したが本実施例の変形例としてタイプ２燃料集合体を
配置しても良いし、タイプ１とタイプ２燃料集合体を混
合させても、タイプ１とタイプ３燃料集合体と混合させ
ても良い。その特性は中間的な効果を得る。

【０１１１】本発明の第１、第２の実施例の炉心を第２
サイクルに移行するときはタイプ３燃料集合体の燃焼の
進んだものから優先的に取り出して、コントロールセル
Ｃにはタイプ２の比較的燃焼の進んだ燃料集合体を配置
する。この時コントロールセルの数は第１サイクルより
減らす。例えば本発明では第１サイクルに29個のコント
ロールを用いているが第２サイクルには21〜29個のコン
トロールセルに減じる。または炉心最外周には、燃焼の
進んだ反応度の低いタイプ３、タイプ２燃料集合体を配
置する。

【０１１２】このため、第２サイクルのためにタイプ２
（２，２Ｃ）燃料集合体はコントロールセル用： 84〜116体最外周用： 92体の内タイプ３燃料
集合体が足りない分炉心中央径方向出力平坦化：残り体数が必要である。

【０１１３】本実施例によれば第１回取り替え燃料集合
体はほぼ 100体前後であり、タイプ２Ｃ燃料集合体は第
２サイクルにおいて炉心中央領域のコントロールセルで
はないところに配置しても炉心の熱的制限値要求（ＭＬ
ＨＧＲ，ＭＣＰＲ）を満足できる。従って、容易に第２
サイクルに移行して径方向出力分布の平坦化が実現で
き、第２サイクルのコントロールセル炉心、低中性子漏
洩炉心が構成できる。

【０１１４】また、第２サイクルにタイプ２Ｃ燃料集合
体の持ち越したＵ²³⁵をインポータンスの高い炉心中央
領域のコントロールセル以外の位置に配置して、第２サ
イクルの経済的な運用ができる。第２サイクル以降、低
中性子漏洩炉心を組むことにより、更に初装荷炉心の取
り出し燃焼度が向上する。

【０１１５】これまでの実施例の説明では初装荷炉心の
燃料集合体の最大濃縮度を3.5wt%の例で説明してきた
が、より高い濃縮度を使用した場合にも適用できる。ま
た、燃料集合体の断面構造も濃縮度分布を具体的に例示
した９×９燃料棒格子３×３燃料棒セルウォーターロッ
ドに限定されるものはない。

【０１１６】さらに、濃縮度３タイプ炉心の例で示した
が、濃縮度４タイプ炉心において、コントロールセルを
最低濃縮度燃料集合体とせず、より高濃縮で、1.5wt%以
上の濃縮度を有する濃縮度タイプ燃料集合体とする場合
にも応用できる。

【０１１７】（第３の実施例）本発明の第３の実施例である原子炉の炉心の第１サイク
ルにおける燃料集合体の配置を図16に示す。本実施例で
は図24の従来例と同一のＢＷＲであり、図16はその 1/4
炉心平面を示したものである。本炉心に装荷されている
初装荷燃料の平均濃縮度および装荷体数を表６に示す。
図16では、図24と異なり、炉心最外周に２番目に濃縮度
が低い燃料集合体Ｌが配置されている。

【０１１８】なお本炉心では、図24に示した従来例とほ
ぼ同じ炉心平均濃縮度であるが、Ｓ，Ｍ，Ｌの燃料集合
体濃縮度を若干下げて、図24の従来例の場合よりＳの燃
料集合体体数を減少させた分の調整をしている。また、
余剰反応度の制御の柔軟性を増やすためコントロールセ
ルを29個に増やしている。

【０１１９】

【表６】

【０１２０】平均濃縮度が最も低い燃料集合体Ｓは、コ
ントロールセル１６および炉心最外周を除く位置のみに
配置されており、第１サイクルで十分に燃焼が進み、第
１サイクル終了後全て炉心から取り出される。その装荷
体数はほぼ第１回取り替え燃料集合体と同じ体数であ
り、燃焼余力を有する平均濃縮度が高い他の初装荷燃料
集合体が第１サイクル終了時に取り出されることがない
ようにしている。

【０１２１】また、燃料集合体Ｓの燃焼を進めるため
に、本実施例では、ほとんどの燃料集合体Ｓをコントロ
ールセルに隣接しないセルに配置し、しかも燃料集合体
Ｓどうしが隣合わないようにしている。このように配置
することによって、出力が低いコントロールセルから遠
ざけることができるとともに、平均濃縮度の高い燃料集
合体ＨまたはＭが燃料集合体Ｓの四方を取り囲むことに
なる。

【０１２２】したがって、より高濃縮度の燃料集合体で
発生した過剰の中性子が低濃縮度燃料集合体Ｓに流入し
燃料集合体Ｓがその濃縮度から期待される以上に燃焼す
ることができる。

【０１２３】さらに、このような配置によれば、多くの
高濃縮度燃料集合体Ｈや中濃縮度燃料集合体Ｍが低濃縮
度燃料集合体ＳまたはＬに隣接することになるので、
高，中濃縮度燃料集合体の出力が抑制され炉停止余裕や
熱的余裕が向上する。

【０１２４】本実施例に使用する各初装荷燃料集合体の
軸方向濃縮度およびガドリニア分布を図17に示す。いず
れの燃料集合体においても、上端部２ノードおよび下端
部１ノードに天然ウランブランケットが設けられてお
り、さらに短尺燃料棒の上端を境にして、上部が下部よ
りも断面平均濃縮度を約0.2wt%高くしている。

【０１２５】ＢＷＲの炉心では、冷却材が沸騰するため
に炉心上部では炉心下部よりも減速材不足となる。その
ため、出力分布は下方ピークとなり易いので、上部の濃
縮度を高めることによってこれを補償し、軸方向出力分
布を平坦化している。

【０１２６】本実施例では、上下端の天然ウランブラン
ケット部を除いて軸方向に濃縮度が一様な燃料棒を用
い、短尺燃料棒の濃縮度を長尺燃料棒の平均濃縮度より
も低くすることによって、上下濃縮度分布を持たせてい
る。また、他の実施例として、特定の長尺燃料棒におい
て上下に濃縮度分布を持たせてもよい。

【０１２７】ところで、図21に示した高燃焼度用燃料集
合体では、短尺燃料棒３の存在のために、無限増倍率の
特性が上下で大きく異なっている。すなわち、上部は下
部に対して同じボイド率で比較すると、燃料棒が少なく
減速材が多いので、同じ濃縮度であれば無限増倍率は大
きく、これ自体は軸方向出力分布を平坦化する作用を有
する。

【０１２８】しかしながら、ガドリニアの毒物反応度も
上部が下部よりも大きくなるので、ガドリニア入り燃料
棒の本数が上下で同じであれば、燃焼初期の無限増倍率
は上部が下部よりも抑制され、軸方向出力分布は下方ピ
ークとなる。

【０１２９】この傾向は、ガドリニア入り燃料棒本数が
多いほど顕著である。これを図18に示した燃料集合体Ｈ
と燃料集合体Ｌの無限増倍率を用いて説明する。一般に
特定の燃料集合体の出力が過大にならないようにするた
めに、平均濃縮度が高い燃料集合体ほど多くのガドリニ
ア入り燃料棒を含有させて、各燃料集合体の無限増倍率
を適度な値に保っている。

【０１３０】本実施例においては、平均濃縮度3.7wt%の
燃料集合体Ｈでは９本程度のガドリニア入り燃料棒を、
平均濃縮度1.6wt%の燃料集合体Ｌでは２本のガドリニア
入り燃料棒を使用している。図18に示されているとお
り、上下でガドリニア入り燃料棒本数が等しい場合、燃
料集合体Ｌでは適度な上下無限増倍率差が維持されてい
るが、燃料集合体Ｈでは燃焼初期においては上部の無限
増倍率は下部よりも小さくなっており、出力分布の下方
ピークが顕著となる。

【０１３１】本実施例では、この点を改善して軸方向出
力分布を平坦化するために、図17に示すようなガドリニ
ア設計を行っている。図17は本実施例で使用された初装
荷燃料集合体の軸方向濃縮度およびガドリニア分布状態
を示し、図17中（Ａ）は初装荷燃料集合体低低濃縮度Ｓ
で平均濃縮度0.9wt%、（Ｂ）は初装荷燃料集合体中濃縮
度Ｍで平均濃縮度2.5wt%、（Ｃ）は初装荷燃料集合体低
濃縮度Ｌで平均濃縮度1.6wt%、（Ｄ）は初装荷燃料集合
体高濃縮度Ｈで平均濃縮度3.7wt%である。

【０１３２】すなわち、ガドリニア入り燃料棒は、燃料
集合体Ｓには含有されておらず、燃料集合体Ｌには上下
２本ずつ、燃料集合体Ｍには上部に３本、下部に４本、
さらに燃料集合体Ｈには上部に９本、下部に１１本含有
している。

【０１３３】この結果、図18に示すように、各燃料集合
体の上下の無限増倍率は適度な差に保たれており、軸方
向出力分布を平坦にすることができる。なお、燃料集合
体Ｍでは、図18に示すように無限増倍率の上下差はやや
大き過ぎるのでガドリニア入り燃料棒の本数を上下とも
４本としてもよい。

【０１３４】なお、本実施例では全ての燃料集合体にお
いて、上下端天然ウラン部を除く部分のガドリニア濃度
は7.5wt%である。ただし、特に運転サイクル後半の軸方
向出力分布を適宜制御するために、上部を下部よりも薄
くしたり、または上部を下部よりも濃くしたりした実施
例も考えられる。

【０１３５】また、本実施例では短尺燃料棒の上端を境
にして濃縮度およびガドリニア入り燃料棒本数を分布さ
せたが、これらの上下境界の位置は燃料集合体有効部の
下端からその燃料有効部全長の 1/3ないし 2/3の間であ
ればよく、さらに濃縮度の上下境界とガドリニア入り燃
料棒本数の上下境界とは異なっていてもよい。

【０１３６】（第４の実施例）次に本発明の第４の実施例である原子炉の炉心の第１サ
イクルにおける燃料配置を図19（Ａ）に示す。本実施例
は図16に示した第３の実施例と同一のＢＷＲであり、各
燃料集合体の濃縮度およびガドリニア分布は図17に示し
た第３の実施例で使用したものと同一のものである。

【０１３７】本炉心に装荷されている初装荷燃料集合体
の平均濃縮度および装荷体数を表７に示す。図19（Ａ）
では、炉心最外周に配置されている最高濃縮度の初装荷
燃料ＨをＰで示している。なお、本炉心では、図16に示
した第３の実施例に比べて炉心平均濃縮度が増加してお
り余剰反応度が増大するので、コントロールセルを37個
に増やしている。

【０１３８】

【表７】

【０１３９】本実施例では、特公平 5−27075 号公報に
従って、炉心最外周には平均濃縮度が最も高い燃料集合
体Ｈ（Ｐで表示）を配置しており、第１サイクルではそ
の燃焼を抑制している。従って燃料集合体Ｈでは、図２
４に示した従来例および第３の実施例に比べてより多く
のウラン２３５が第２サイクル以降に持ち越されること
になるので、第２サイクル以降でこれらの初装荷燃料集
合体を活発に燃焼させることができ、初装荷燃料集合体
の取り出し燃焼度が増大する。

【０１４０】第１サイクルにおいて炉心最外周に配置す
る初装荷燃料集合体は、第１サイクル終了後取り出され
る燃料集合体Ｓ以外であればどれでもよく、例えば上か
ら２番目の濃縮度の燃料集合体Ｍでもよいが、最も長期
間炉心内に滞在する燃料集合体Ｈが初装荷炉心の取り出
し燃焼度増大に最も効果的である。

【０１４１】平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体Ｓ
をコントロールセル以外の位置のみに配置する本実施例
の効果は、第１サイクル終了時の燃料集合体Ｓおよび燃
料集合体Ｌの燃焼度によって示される。本実施例では各
燃料集合体の燃焼度は 11.0GWd/tおよび11.2GWd/t であ
る。

【０１４２】一方従来例として、図19（Ａ）において、
燃料集合体Ｓを 100体、燃料集合体Ｌを 148体とし、燃
料集合体Ｓをコントロールセルに配置した場合には、燃
料集合体ＳおよびＬの燃焼度は各々8.9GWd/tおよび 12.
6GWd/tであった。

【０１４３】従って本実施例では上記従来例と比べて、
第１サイクル終了後に取り出される燃料集合体Ｓの燃焼
度は24％増加し、第２サイクルまでに炉内に滞在する燃
料集合体Ｌの燃焼度は12％抑制され約1.5%△kの反応度
利得が得られている。その結果、本発明では約８本の取
り替え燃料集合体が節約でき初装荷燃料集合体の経済性
を向上させることができた。

【０１４４】図19（Ａ）に示した本実施例の第１サイク
ルの運転終了後に燃料交換を行った後の第２サイクルの
燃料集合体の配置図を19（Ｂ）に示す。平均濃縮度が最
も低い燃料集合体Ｓは、第１サイクル終了後全て炉心か
ら取り出されているので、第２サイクルでは炉心に装荷
されていない。

【０１４５】コントロールセルには平均濃縮度が低い方
から３番目又は高い方から２番目の初装荷燃料集合体Ｍ
が配置されており、一方コントロールセル以外の全ての
セルには、第２サイクルにおいて炉心装荷される燃料集
合体の中で反応度が最も低い燃料集合体Ｌまたは第１サ
イクルにおいて炉心最外周に配置されていた最高濃縮度
の初装荷燃料集合体Ｐまたは取り替え燃料集合体１のう
ち少なくとも１体が配置されている。

【０１４６】取り替え燃料集合体１はガドリニアを含有
しており、また最高濃縮度の初装荷燃料集合体Ｐも第１
サイクルにおいて余り燃焼が進んでいないので未だガド
リニアが残っており、第２サイクル初期ではいずれも反
応度が低い。従って、反応度が最も低い燃料集合体Ｌと
ともに出力抑制の働きをすることができるので、これに
より第２サイクルの炉停止余裕や熱的余裕を改善してい
る。

【０１４７】（第５の実施例）本発明の第５の実施例である原子炉の炉心の第１サイク
ルにおける燃料集合体の配置を図20に示す。本実施例で
は図16に示した第３の実施例と同一のＢＷＲであり、各
燃料集合体の濃縮度およびガドリニア分布は図17に示し
た第３および第４の実施例で使用されたものと同一であ
る。

【０１４８】この第５の実施例では、平均濃縮度が最も
低い初装荷燃料集合体Ｓは、炉心内部では第３及び第４
の実施例と同じくコントロールセル以外の位置に配置さ
れているが、第３及び第４の実施例と異なり炉心最外周
にも配置されている。炉心最外周に配置された燃料集合
体Ｓは、第１サイクルでは燃焼が十分に進まないので、
第１サイクル終了後には取り出さず、第２サイクルもそ
のまま炉心最外周に配置しておき第２サイクル終了後に
炉心から取り出される。

【０１４９】従って、この第５の実施例では、平均濃縮
度が低い方から２番目の初装荷燃料集合体Ｌが第１サイ
クル終了後に炉心から取り出されることがないように、
炉心内部に配置された燃料集合体Ｓの体数を第１回取り
替え体数と等しいかまたはそれ以上にしておくことが重
要である。

【０１５０】

【発明の効果】本発明によれば、コントロールセル以外
の炉心中央領域のみ（または最外周位置とコントロール
セル以外の炉心中央領域のみ）に最低濃縮度燃料集合体
を配置するので初装荷炉心の最低濃縮度燃料集合体の体
数を低減できる。また、初装荷炉心の熱的制限も満足出
来る炉心平均濃縮度をより高めた炉心が構成できるの
で、初装荷炉心の取り出し燃焼度の大幅な向上が図れ
る。

【０１５１】本発明に基づいて初装荷燃料集合体を配置
すれば、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体が十分
に燃焼した後に炉心から取り出されるので、燃焼度が増
大し、燃料経済性が向上する。また第１サイクルにおけ
る炉停止余裕や熱的余裕が改善される。

【０１５２】また、第１サイクルにおいてコントロール
セルや炉心最外周に配置されていた平均濃縮度の高い初
装荷燃料集合体は、第１サイクルではあまり燃焼が進ま
ないので、より多くのウラン 235を第２サイクルまで持
ち越すことができる。従って、第２サイクルで必要な新
燃料集合体の体数を減少させることができるので、さら
に経済性が向上する。

【０１５３】さらに、短尺燃料棒を有する高燃焼度用燃
料集合体を使用する場合に、本発明に基づいてガドリニ
ア入り燃料棒を設定することによって軸方向出力分布を
十分に平坦化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明に係る原子炉の炉心の第１の実
施例における炉心の第１サイクルにおける燃料集合体配
置を示す 1/4炉心平面図、（Ｂ）は同じく第２サイクル
における 1/4炉心平面図。

【図２】本発明に係る初装荷炉心の各タイプの燃料集合
体の軸方向濃縮度、可燃性毒物分布を説明するための模
式図。

【図３】燃料集合体を概略的に示す横断面図で、（Ａ）
は第１例を、（Ｂ）は第２の例を、（Ｃ）は第３の例
を、（Ｄ）は第４の例をそれぞれ示す。

【図４】（Ａ）は本発明に係る炉心で使用するタイプ２
燃料集合体の概略的横断面図、（Ｂ）は（Ａ）に対応す
るロッド番号の凡例図。

【図５】（Ａ）は図４と同じくタイプ２Ｃ燃料集合体の
概略的横断面図、（Ｂ）は（Ａ）に対応するロッド番号
の凡例図。

【図６】（Ａ）は図５のタイプ２Ｃ燃料集合体の変形例
を示す概略的横断面図、（Ｂ）は（Ａ）に対応するロッ
ド番号の凡例図。

【図７】（Ａ）は図４と同じくタイプ１燃料集合体の概
略的横断面図、（Ｂ）は（Ａ）に対応するロッド番号の
凡例図。

【図８】（Ａ）は図４と同じくタイプ３燃料集合体の概
略的横断面図、（Ｂ）は（Ａ）に対応するロッド番号の
凡例図。

【図９】（Ａ）は従来のタイプ３燃料集合体の概略的横
断面図、（Ｂ）は（Ａ）に対応するロッド番号の凡例
図。

【図１０】本発明に係る初装荷炉心を構成する各タイプ
の燃料集合体の無限増倍率の燃焼推移を示す特性図。

【図１１】本発明の初装荷炉心の各燃料タイプの軸方向
濃縮度、可燃性毒物分布例を短尺（部分長）燃料棒を有
する場合について説明するための模式図。

【図１２】図１１において他の例を説明するための模式
図。

【図１３】（Ａ）は従来の濃縮度タイプ３初装荷炉心の
最外周低濃縮度燃料集合体配置を示す第１サイクルの 1
/4炉心平面図、（Ｂ）は（Ａ）における第２サイクル炉
心燃料集合体配置の 1/4炉心平面図。

【図１４】（Ａ）は本発明の第２の実施例における初装
荷炉心燃料集合体配置の 1/4炉心平面図、（Ｂ）は
（Ａ）における第２サイクル炉心燃料集合体の配置の 1
/4炉心平面図。

【図１５】（Ａ）は第２の実施例に対応する従来の濃縮
度タイプ３初装荷炉心の最外周高濃縮度燃料集合体配置
を示す第１サイクルの 1/4炉心平面図、（Ｂ）は（Ａ）
における第２サイクル燃料集合体配置の 1/4炉心平面
図。

【図１６】本発明に係る原子炉の炉心の第３の実施例に
おける第１サイクルの燃料集合体配置を示す 1/4炉心平
面図。

【図１７】本発明の実施例で使用された初装荷燃料集合
体の軸方向濃度およびガドリニア分布図で、（Ａ）は平
均濃縮度0.9wt%を（Ｂ）は同じく2.5wt%を、（Ｃ）は同
じく1.6wt%を（Ｄ）は同じく3.7wt%をそれぞれ示す。

【図１８】本発明の実施例で使用された初装荷燃料集合
体の上下断面におけるボイド率４０％の場合の無限増倍
率の燃焼度変化を示す曲線図。

【図１９】（Ａ）は本発明に係る原子炉の炉心の第４の
実施例における第１サイクルの燃料集合体配置を示す 1
/4炉心平面図、（Ｂ）は（Ａ）における第２サイクルの
燃料集合体配置を示す 1/4炉心平面図。

【図２０】本発明に係る原子炉の炉心の第５の実施例に
おける第１サイクルの燃料集合体配置を示す 1/4炉心平
面図。

【図２１】（Ａ）は従来の原子炉炉心で使用されている
高燃焼度燃料集合体を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の
Ｂ−Ｂ矢視方向を切断して示す横断面図、（Ｃ）は
（Ａ）のＣ−Ｃ矢視方向を切断した横断面図。

【図２２】（Ａ）は図２１における燃料集合体の長尺燃
料棒を一部断面で示す立面図、（Ｂ）は同じく短尺燃料
棒を一部断面で示す立面図。

【図２３】従来の高濃度燃料集合体を装荷した平衡サイ
クルの燃料集合体配置を示す 1/4炉心平面図。

【図２４】従来のＢＷＲの炉心の第１サイクルにおける
燃料集合体配置を示す 1/4炉心平面図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…長尺燃料棒、３…短尺燃料棒、４
…上部タイプレート、５…下部タイプレート、６…ウォ
ータロッド、７…チャンネルボックス、８…スペーサ、
９…炉心、１０…燃料ペレット、１１…被覆管、１２…
上部端栓、１３…下部端栓、１４…プレナム、１５…ス
プリング、１６…コントロールセル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−222867（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 5/12 G21C 3/328

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】異なる平均濃縮度の燃料集合体を複数種類
使用する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記燃
料集合体を平均濃縮度の高いほうから各々タイプ１、タ
イプ２およびタイプ３燃料集合体として、前記タイプ３
燃料集合体は可燃性毒物含有燃料棒を含まず、前記タイ
プ１およびタイプ２燃料集合体は可燃性毒物含有燃料棒
を含み、前記可燃性毒物含有燃料棒本数は前記タイプ１
燃料集合体の方が前記タイプ２燃料棒集合体より多く、
かつ少なくとも前記タイプ２燃料集合体は可燃性毒物含
有燃料棒本数が２本以上差のある２種類を有し、前記タ
イプ２燃料集合体のうち可燃性毒物含有燃料棒の多いタ
イプ２燃料集合体を原子炉運転時の反応度制御用に設け
られたコントロールセルに配置することを特徴とする原
子炉の炉心。
【請求項２】前記タイプ２燃料集合体のうち可燃性毒物
含有棒の多い前記タイプ２燃料集合体は、前記可燃性毒
物含有燃料棒配置が、燃料集合体横断面の中心から制御
棒側に片寄りかつ平均濃縮度が 1.5〜2.8wt%の燃料集合
体からなることを特徴とする請求項１記載の原子炉の炉
心。
【請求項３】前記タイプ２燃料集合体をコントロールセ
ルに配置し、少なくとも炉心最外周に前記タイプ３燃料
集合体を配置することを特徴とする請求項１又は２記載
の沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項４】前記タイプ２燃料集合体をコントロールセ
ルに配置し、少なくとも炉心最外周または炉心最外周と
２層目に前記タイプ１燃料集合体を配置することを特徴
とする請求項１又は２記載の沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項５】前記タイプ２燃料集合体をコントロールセ
ルに配置し、少なくとも炉心最外周に前記タイプ２燃料
集合体を配置することを特徴とする請求項１又は２記載
の原子炉の炉心。
【請求項６】前記タイプ２燃料集合体をコントロールセ
ルに配置し、少なくとも炉心最外周に前記タイプ１燃料
集合体とタイプ２燃料集合体を混合配置することを特徴
とする請求項１又は２記載の原子炉の炉心。
【請求項７】前記タイプ２燃料集合体をコントロールセ
ルに配置し、少なくとも炉心最外周に前記タイプ１燃料
集合体とタイプ３燃料集合体を混合配置することを特徴
とする請求項１又は２記載の原子炉の炉心。
【請求項８】１本の制御棒とこの制御棒を囲繞する４本
の燃料集合体とから構成されるセルを多数配列して構成
される原子炉の炉心において、異なる平均濃縮度の初装
荷燃料集合体を複数種類使用し、第１サイクルにおい
て、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体は、原子炉
運転時の反応度制御用に設けられたコントロールセル以
外の位置のみに配置されており、かつコントロールセル
に可燃性毒物含有燃料棒を含む燃料集合体が配置されて
いることを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項９】前記第１サイクルにおいて、平均濃縮度が
最も低い初装荷燃料集合体は、前記コントロールセル以
外で、かつ炉心最外周以外の位置にのみ配置されている
ことを特徴とする請求項８記載の原子炉の炉心。
【請求項１０】前記第１サイクルにおいて、炉心最外周
には平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体が配置され
ており、かつ炉心最外周に配置されて平均濃縮度が最も
低い初装荷燃料集合体は、第２サイクルにおいても炉心
最外周に配置されていることを特徴とする請求項８記載
の原子炉の炉心。
【請求項１１】前記第１サイクルにおいて、前記コント
ロールセルに隣接しない炉心最外周以外の全てのセルに
は、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体が少なくと
も１体互いに隣接しないように配置されていることを特
徴とする請求項８記載の原子炉の炉心。
【請求項１２】前記第１サイクルにおいて、炉心最外周
以外の位置に配置されている平均濃縮度が最も低い初装
荷燃料集合体の装荷体数が、前記第１サイクル終了後、
炉心から取り出される初装荷燃料集合体の体数に少なく
とも等しいことを特徴とする請求項８，９，10ないし請
求項11記載の原子炉の炉心。
【請求項１３】第２サイクルにおいて、コントロールセ
ル及び炉心最外周以外の全てのセルには、少なくとも平
均濃縮度が低い方から２番目の初装荷燃料集合体または
第１サイクルにおいて炉心最外周に配置されていた初装
荷燃料集合体または取り替え燃料集合体のうち少なくと
も１本が配置され、しかもコントロールセルに隣接しな
い炉心最外周以外の全てのセルには、平均濃縮度が低い
方から２番目の初装荷燃料集合体が少なくとも１体互い
に隣接しないように配置されていることを特徴とする請
求項８から請求項12までのいずれかに記載の原子炉の炉
心。
【請求項１４】前記第１サイクルにおいてコントロール
セルには平均濃縮度が低い方から２番目の初装荷燃料集
合体が配置され、しかも第２サイクルにおいてコントロ
ールセルには平均濃縮度が低い方から３番目又は高い方
から２番目の初装荷燃料集合体が配置されていることを
特徴とする請求項８から13までのいずれかに記載の原子
炉の炉心。