JP3356542B2

JP3356542B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JP3356542B2
Application number: JP09469794A
Authority: JP
Inventors: 靖平野; 俊吾桜井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1994-05-09
Publication date: 2002-12-16
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: JPH07301688A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉の燃料
集合体、特にプルトニウムを富化した燃料棒を有する燃
料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、原子力発電の経済性向上のため
に、燃料の高燃焼度化が進められている。このような高
燃焼度用燃料集合体の一例を図14（Ａ）〜（Ｃ）により
説明する。なお、図14（Ａ）は燃料集合体の全体構造を
示し、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面を、（Ｃ）は
（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面を示している。

【０００３】すなわち、燃料集合体１は、通常の長尺燃
料棒２、上部の燃料を欠如させた短尺燃料棒３および太
径ウォータロッド６をスペーサ８で正方格子状に束ね
て、これを上部タイプレート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、長尺燃料
棒２と上部タイプレート４との間には外部スプリング９
が介在されている。

【０００４】図15は、図14に示した燃料集合体１と同様
の構成で、濃縮ウランのみを燃料とする燃料集合体（以
下ウラン燃料と略称）を構成した場合のチャンネルボッ
クス７内での燃料棒の配置関係を示す横断面図である。

【０００５】図15中に記入された数字10〜13は燃料棒
で、数字10を最高とし13を最低とするウラン−235 濃縮
度を示し、濃縮度種類数は４種類（Ｇと12が同じ濃縮
度）であり、７はチャンネルボックスを示している。ま
た、文字Ｗはウォータロッド、Ｇは可燃性毒物であるガ
ドリニアを添加した可燃性毒物入り燃料棒、Ｐは短尺燃
料棒、ＣＲは制御棒を示している。

【０００６】図16は、図15の燃料集合体と運転サイクル
末期の余剰反応度特性がほぼ等価となるように、プルト
ニウムを富化した燃料棒（ＭＯＸ燃料棒）を使用した燃
料集合体（以下、ＭＯＸ燃料と略称）のチャンネルボッ
クス７内での燃料棒14〜17の配置を示している。数字14
〜17はプルトニウムの富化度を示し、数字14を最高とし
17を最低としている。富化度種類数は４種類である。

【０００７】図15のウラン燃料では、最高濃縮度の燃料
棒10をチャンネルボックス７内面側の外周部に配置した
が、図16では、最高富化度の燃料棒14を燃焼初期の運転
時の局所出力ピーキング係数（ＬＰＦ）低減のためにチ
ャンネルボックス７内面から一列隔てた内部のみに配置
している。

【０００８】図15および図16からわかるように、ＭＯＸ
燃料ではウラン燃料よりも可燃性毒物入り燃料棒Ｇの本
数が多く（14本→18本）なっている。これは、ＭＯＸ燃
料ではウラン燃料に比べて中性子スペクトルが硬く、ガ
ドリニアの反応度価値が下がるためである。さらに、ガ
ドリニアの反応度価値が下がる分、ガドリニアの燃焼速
度が遅くなる。

【０００９】したがって、ＭＯＸ燃料でガドリニアによ
る反応度制御をウラン燃料と同様に行うためには、ウラ
ン燃料よりもガドリニア濃度を低くし可燃性毒物入り燃
料棒Ｇの本数を多くする必要がある。

【００１０】軽水炉用ＭＯＸ燃料集合体の設計は大別し
て、以下の２種類に分けられている。すなわち、第１の
設計例は、燃料集合体の制御棒から離れた中央部分にＭ
ＯＸ燃料（全本数の約１／２以下）を使用し、外周部は
ウラン燃料棒を使用するアイランド型設計であり、例え
ば特公昭55-26437号公報において実例が開示されてい
る。

【００１１】一方、第２の設計例は燃料集合体あたりの
プルトニウム装荷量を極力増すために、可燃性毒物入り
燃料棒を除くすべての燃料棒にＭＯＸ燃料棒を使用する
ディスクリート型設計（可燃性毒物入り燃料棒は製造上
の観点よりウラン燃料棒とする）である。

【００１２】図16に示したものはこれに含まれる。ま
た、第１と第２の中間の設計例として、一部の燃料棒と
してウラン燃料棒を使用した設計（変形ディスクリート
型設計）も考えられている。

【００１３】なお、ＭＯＸ燃料は、成型加工費、輸送費
がウラン燃料より高いことから、加工体数、輸送体数を
減らすことを考える必要がある。この場合、燃料集合体
一体当りのプルトニウム装荷量を増加させ少数の燃料集
合体でプルトニウムを集中利用できるディスクリート型
設計または変形ディスクリート型設計が有利である。

【００１４】一般に、ＭＯＸ燃料では、プルトニウムに
よる人体への内部被曝を防止するため燃料ペレットの成
型加工を完全密封容器（グローブボックス）内で行うた
め、成型加工費はウラン燃料よりも高くなる。

【００１５】前述したように、ディスクリート型設計を
採用した場合は、ＬＰＦを低減して炉心の熱的特性を良
好にするために、図16に示したように、プルトニウム富
化度の異なるＭＯＸ燃料棒を数種類使用して燃料集合体
内部に富化度分布を設ける必要がある。

【００１６】しかし、プルトニウム富化度種類が多くな
ると、燃料ペレットの製造ライン数が増加するか、もし
くは、グローブボックスの洗浄回数が増加することにな
る。前者は設備費を増加させ、また、後者は設備の不稼
働時間の増加となるため、共に成型加工費増加の要因と
なる。

【００１７】したがって、ＭＯＸ燃料では、成型加工費
を低く抑えるために、炉心特性を損なわない範囲内でで
きるだけ富化度分布を単純にし、富化度種類数を減らす
ことが必要となる。

【００１８】また、ＭＯＸ燃料棒にガドリニアを混入す
る場合は、ガドリニア、酸化ウラン、酸化プルトニウム
の３種類を取扱うことになり、製造工程、装置は一層複
雑化し、高価となるので、ウラン燃料棒にガドリニアを
混入する方が成型加工費低減の観点からは望ましい。

【００１９】なお、富化度設計を単純にすることは、成
型加工費の低減だけでなく、実績の少ないＭＯＸ燃料に
おいて核特性解折の精度を高くするのにも有利となる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ＭＯＸ燃料の成型加工
費を抑えるためには、富化度分布をできるだけ単純化し
ＭＯＸ燃料棒種類数を減らす必要がある。例えば特公平
4-60236号公報の燃料集合体では、ＭＯＸ燃料集合体に
おいて、可燃性毒物を添加した燃料棒にはプルトニウム
を含まないものとし、かつそれを水ギャップ近傍の燃料
集合体最外周位置に配置している。

【００２１】可燃性毒物入り燃料棒の最外周配置は、燃
料集合体外周部の局所出力を低減でき、その分、富化度
種類数を減らすことが可能となる。また、水ギャップ近
傍はガドリニアの反応度価値が高いので可燃性毒物入り
燃料棒の本数を削減でき、ＭＯＸ燃料棒の装荷本数を増
加できる。しかし、燃料集合体最外周位置にガドリニア
が燃え残っている期間は低温時の制御棒価値が減少する
ので、炉停止余裕が課題となる。

【００２２】一方、例えば特開平 5-17296号公報記載の
炉心では、ウラン燃料集合体およびＭＯＸ燃料集合体の
混在炉心において、ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度
をウラン燃料集合体の取出平均燃焼度より小さくするこ
とにより、富化度種類数を減らしている。しかし、これ
では、ＭＯＸ燃料集合体の取出平均燃焼度をウラン燃料
集合体と同程度に高めることはできない課題がある。

【００２３】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、前述のディスクリート型または変形ディスク
リート型のＭＯＸ燃料集合体において、炉心の熱的特
性、炉停止余裕、取出平均燃焼度を犠牲にすることな
く、富化度分布を単純化してＭＯＸ燃料棒の種類数を減
らすことができる原子炉用燃料集合体を提供することに
ある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の第１は横断面が
正方形状のチャンネルボックス内にプルトニウムを富化
した燃料棒、可燃性毒物を添加した可燃性毒物入り燃料
棒および上部の燃料を欠如させた短尺燃料棒を正方格子
状に配置した燃料集合体において、前記チャンネルボッ
クス内での最外周位置に、可燃性毒物入り燃料棒および
短尺燃料棒を配置し、かつ、最外周位置の可燃性毒物入
り燃料棒にはプルトニウムを含まないことを特徴とす
る。

【００２５】本発明の第２は横断面が正方形のチャンネ
ルボックス内にプルトニウムを富化した燃料棒、可燃性
毒物を添加した可燃性毒物入り燃料棒および上部の燃料
を欠如させた短尺燃料棒を正方格子状に配置した燃料集
合体において、前記チャンネルボックス内の四隅部に短
尺燃料棒を配置し、四隅部を除く最外周位置に可燃性毒
物入り燃料棒を配置し、かつ、最外周位置の可燃性毒物
入り燃料棒にはプルトニウムを含まないことを特徴とす
る。

【００２６】本発明の第３は横断面が正方形のチャンネ
ルボックス内にプルトニウムを富化した燃料棒、可燃性
毒物を添加した可燃性毒物入り燃料棒および上部の燃料
を欠如させた短尺燃料棒を正方格子状に配置した燃料集
合体において、前記チャンネルボックス内の四隅部に短
尺燃料棒を配置し、四隅部に隣接する８箇所の最外周位
置に可燃性毒物入り燃料棒を配置し、かつ、最外周位置
の可燃性毒物入り燃料棒にはプルトニウムを含まないこ
とを特徴とする。

【００２７】また、本発明の第４は上記第２または第３
の燃料集合体において、四隅部の短尺燃料棒を削除し、
燃料集合体四隅部には燃料棒を配置しないことを特徴と
する。さらに、本発明の第５は上記第２または第３の
燃料集合体において、四隅部の短尺燃料棒の代りに、全
長ウォータロッド、または上部を欠如させた短尺ウォー
タロッドあるいは上部を細径化したウォータロッドを配
置したことを特徴とする。

【００２８】また、本発明の第６は上記第２または第３
の燃料集合体において、四隅部の第１群の短尺燃料棒と
それ以外の第２群の短尺燃料棒の長さが異なり、第１群
の短尺燃料棒の方が第２群の短尺燃料棒より短いことを
特徴とする。

【００２９】

【作用】可燃性毒物入り燃料棒をチャンネルボックス内
での最外周位置（水ギャップ近傍）に配置したことによ
り、燃料集合体外周部の運転時の局所出力を低減でき、
この分だけ富化度種類数を減らすことができる。

【００３０】また、水ギャップ近傍はガドリニアの反応
度価値が高いので可燃性毒物入り燃料棒の本数を削減で
き、その分、ＭＯＸ燃料棒の装荷本数を増加できる。た
だし、最外周位置にガドリニアが燃え残っている期間
は、低温時の制御棒価値が減少するので炉停止余裕が問
題となる。

【００３１】そこで、短尺燃料棒を水ギャップ近傍の最
外周位置（特にチャンネルボックス内の四隅部）に配置
した。これにより、低温時において燃料集合体上部断面
に中性子の減速過剰領域（水による吸収の反応度効果が
減速による反応度効果を上回る領域）を作り、低温時の
無限増倍率を下げることにより炉停止余裕を改善でき
る。

【００３２】本発明においては、可燃性毒物入り燃料棒
と短尺燃料棒を同時に最外周位置に配置することで、炉
停止余裕、取出平均燃焼度を確保しつつ局所出力ピーキ
ング係数を低減することが可能となり、この分だけ富化
度種類数を減らすことができる。特に、本発明の第３の
ように短尺燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒を配置すれ
ば、それ自体で図16に示した通常のディスクリート型設
計から富化度種類数を２種類削減したことになる。

【００３３】なお、本発明の構成はＭＯＸ燃料集合体に
おいて可燃性毒物入り燃料棒を最外周位置に配置した燃
料集合体と四隅部に短尺燃料棒を配置した燃料集合体の
組み合わせである。

【００３４】しかしながら、本発明はそれぞれ単独では
成立性の少ない両者を組み合わせてはじめて各種設計条
件を満足できる燃料集合体を達成できる。すなわち、前
者の燃料集合体では、燃料集合体最外周部の局所出力を
抑えることで富化度種類数を減らすことは可能であるが
制御棒価値の悪化に伴い炉停止余裕が問題となってい
る。

【００３５】後者の燃料集合体では炉停止余裕を改善す
ることはできるが、燃料集合体外周部の運転時の局所出
力、または燃料集合体上部断面で短尺燃料棒に隣接する
位置の低温時の局所出力が問題となるので、富化度種類
数を減らすことはできない。

【００３６】一方、燃料集合体四隅部の短尺燃料棒の長
さを短くすることは、その分だけ低温時における中性子
の減速過剰領域が軸方向に増加することになり、炉停止
余裕をより一層改善できる。本発明の第４から第６はこ
の効果を目的としたもので、本発明の第４では四隅部の
短尺燃料棒を全て削除している。

【００３７】本発明の第５では四隅部の短尺燃料棒を全
て全長ウォータロッドまたは上部を欠如させた短尺ウォ
ータロッド又は上部を細径化したウォータロッドに置換
している。ここで、上部を欠如させた短尺ウォータロッ
ドを用いれば、上部断面での圧損低減に効果がある。

【００３８】上部を細径化したウォータロッドを用いる
と、細径化による圧損低減の他に、流れにせん回流を発
生させる機構を装着可能となり、熱的特性の改善ができ
る。また、本発明の第６では、燃料集合体あたりの燃料
重量をできるだけ削減しないように、炉停止余裕の改善
効果が最も顕著な燃料集合体四隅部の短尺燃料棒をその
他の短尺燃料棒より短くしている。

【００３９】さらに、本発明は、短尺燃料棒と可燃性毒
物入り燃料棒をウラン燃料棒とした場合は、従来のアイ
ランド型ＭＯＸ燃料、または、燃料集合体外周部のＭＯ
Ｘ燃料棒を単にウラン燃料棒と置き換えた変形ディスク
リート型ＭＯＸ燃料に比べ、毒物入り燃料棒の本数を削
減できる分、ＭＯＸ燃料棒の装荷本数を多くできる。

【００４０】なお、可燃性毒物入り燃料棒と短尺燃料棒
の位置については、運転期間、取出平均燃焼度などの設
計条件によって調整すべきであり、本発明の第１におい
ては燃料集合体の最外周位置の中で特に限定していな
い。本発明の第２においては、短尺燃料棒の位置は炉停
止余裕改善効果の大きい燃料集合体の四隅部に限定し、
可燃性毒物入り燃料棒は燃料集合体の四隅部を除く最外
周位置としている。

【００４１】本発明の第３については、短尺燃料棒の位
置は燃料集合体の四隅部、可燃性毒物入り燃料棒は燃料
集合体の四隅に隣接する８箇所の最外周位置に限定して
いる。本発明の第３は、図16と比べ富化度種類数が２種
類削減されており、ガドリニア入り燃料棒に隣接する位
置のＭＯＸ燃料棒の燃焼初期の局所出力を押さえる効果
もある。

【００４２】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る燃料集合体の第１実施例である。
ここで、７はチャンネルボックス、Ｕは通常のウラン燃
料棒、Ｐは短尺燃料棒（ウラン燃料棒）、Ｇは可燃性毒
物入り燃料棒（ウラン燃料棒）を示す。Ｍおよび文字の
ない燃料棒は１種類の富化度からなるＭＯＸ燃料棒を示
し、燃焼初期の運転時の局所出力の厳しい位置をＭで表
す。

【００４３】この実施例によれば、短尺燃料棒Ｐ８本を
チャンネルボックス内での、四隅部の外周に配置するこ
とにより、低温時の無限増倍率を下げ、炉停止余裕を改
善している。なお、チャンネルボックス７内の四隅部４
本の燃料棒Ｕは通常のウラン燃料棒としている。

【００４４】図２は、本発明に係る燃料集合体の第２実
施例である。記号の意味は図１と同じである。この燃料
集合体では、チャンネルボックス７内の四隅部に短尺燃
料棒Ｐ４本を配置し、また、その四隅部に隣接する８箇
所の最外周位置および（１，５）位置とその対称位置の
４箇所の最外周位置に計12本の可燃性毒物入りの燃料棒
Ｇを配置している。

【００４５】さらに、ＭＯＸ燃料棒Ｍの富化度種類数は
１種類とし、チャンネルボックス７内に残りの短尺燃料
棒Ｐを配置している。この実施例によれば、最外周位置
の可燃性毒物入りの燃料棒Ｇを多くして、燃焼初期の運
転時の無限増倍率を下げている。なお、燃料集合体の最
外層の内側の４本の短尺燃料棒Ｐは、ＭＯＸ燃料棒とし
てもよい。

【００４６】図３は、本発明に係る燃料集合体の第３実
施例である。記号の意味は図１と同じである。この燃料
集合体では、チャンネルボックス７内の四隅部に短尺燃
料棒Ｐを４本配置し、隣接する８箇所の最外周位置に可
燃性毒物入り燃料棒Ｇを配置している。

【００４７】また、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類数は１種
類とし、短尺燃料棒Ｐと可燃性毒物入り燃料棒Ｇ以外に
は通常のウラン燃料棒を使用していない。さらに、チャ
ンネルボックス７内中央部の４本の短尺燃料棒Ｐは、低
温時に減速過剰領域を作り低温時の無限増倍率を下げる
ために２本の大径ウォータロッドＷに隣接して配置し
た。

【００４８】図４は、本発明に係る燃料集合体の第４実
施例である。記号の意味は図１と同じである。この燃料
集合体では、図３に示したチャンネルボックス７内の四
隅部の短尺燃料棒Ｐを削除して炉停止余裕を大幅に改善
している。

【００４９】また、チャンネルボックス７内の四隅部に
隣接する８箇所の最外周位置に可燃性毒物入り燃料棒Ｇ
を配置し、かつチャンネルボックス７内部の４本の短尺
燃料棒Ｐも含めて残りの燃料棒は、全て富化度種類数１
種類のＭＯＸ燃料棒としている。

【００５０】図５は、本発明に係る燃料集合体の第５実
施例である。記号の意味は図１と同じである。この燃料
集合体では、チャンネルボックス７内の四隅部に細径ウ
ォータロッドＷを配置し、チャンネルボックス７の四隅
部に隣接する８箇所の最外周位置に可燃性毒物入り燃料
棒Ｇを配置する。

【００５１】この実施例によれば、低温時の無限増倍率
を下げて炉停止余裕を大幅に改善すると同時に、図４の
燃料集合体に比べ運転時のＧｄ反応度価値を高めてい
る。また、チャンネルボックス７内部の４本の短尺燃料
棒Ｐも含めて残りの燃料棒は、全て富化度種類数１種類
のＭＯＸ燃料棒としている。

【００５２】図６は、本発明に係る燃料集合体の第６実
施例である。記号の意味は図１と同じである。この燃料
集合体では、２種類の長さの短尺燃料棒Ｐ₁，Ｐ₂を使
用し、チャンネルボックス７内の四隅部に長さの短い短
尺燃料棒Ｐ₁を、燃料集合体の内部に長さの残りの４本
の短尺燃料棒Ｐ₂を配置している。

【００５３】この燃料集合体は、図４および図５に比べ
燃料集合体あたりの燃料重量が多くなっている。なお、
短尺燃料棒の長さの種類数は場合によって２種類以上と
してもよい。

【００５４】図７は、本発明に係る燃料集合体の第７実
施例である。記号の意味は図１と同じである。この燃料
集合体は10行10列に燃料棒を配置した例で、チャンネル
ボックス７の四隅部および（１，５）、（１，６）位置
と対称位置８箇所に計12本の短尺燃料棒Ｐを配置し、チ
ャンネルボックス四隅部に隣接する８箇所の最外周位置
に可燃性毒物入り燃料棒Ｇを配置している。

【００５５】また、ＭＯＸ燃料棒Ｍの富化度種類数は１
種類とし、チャンネルボックス７内の中央部に残りの短
尺燃料棒Ｐおよび可燃性毒物入り燃料棒Ｇを配置してい
る。この燃料集合体によれば、最外周位置の短尺燃料棒
Ｐを多くして、低温時の無限増倍率を大幅に低減させ、
炉停止余裕の改善効果をより高めている。

【００５６】ただし、（１，５）、（１，６）位置と対
称位置８箇所に短尺燃料棒Ｐを配置すると、その隣の
（１，４）、（１，７）位置と対称位置８箇所で燃料上
部断面において低温時の局所出力が高くなるので、これ
を抑えるため、（２，４）、（２，７）位置と対称位置
８箇所に可燃性毒物入り燃料棒Ｇを配置している。

【００５７】図８は、本発明に係る燃料集合体の第８実
施例である。記号の意味は図１と同じである。この燃料
集合体も図７と同様に10行10列に燃料棒を配置した例
で、チャンネルボックス７の四隅部に短尺燃料棒Ｐ４本
を配置し、隣接する８箇所の最外周位置に通常のウラン
燃料棒Ｕを配置し、さらに、その隣の８箇所の最外周位
置に可燃性毒物入り燃料棒Ｇを配置している。

【００５８】また、ＭＯＸ燃料棒Ｍの富化度種類数は１
種類とし、チャンネルボックス７内部に残りの短尺燃料
棒Ｐおよび可燃性毒物入り燃料棒Ｇを配置している。こ
の燃料集合体によれば、チャンネルボックス７内にＵで
示した通常のウラン燃料棒を８本使用しており、その
分、燃料集合体中のＭＯＸ燃料棒の装荷本数が減少して
いる。

【００５９】これは、局所出力の厳しいＭＯＸ燃料棒Ｍ
を（１，３）位置から（１，４）位置にずらすことによ
り、ＬＰＦを低減するか、またはその分だけＭＯＸ燃料
棒Ｍの富化度を高めるために行ったものである。なお、
ＭＯＸ燃料棒の装荷本数を高めたい場合は、燃料集合体
の内部の８本の短尺燃料棒は、ＭＯＸ燃料棒としてもよ
い。

【００６０】図９は、本発明に係る燃料集合体の第９実
施例である。記号の意味は図１と同じである。この燃料
集合体では、チャンネルボックス７の四隅部の燃料棒の
削除を利用して、チャンネルボックス７の四隅部を削除
して構造を変え、チャンネルボックス７の外部の非沸騰
水領域を大きくすることにより、制御棒価値を増加させ
るとともに、ウラン燃料よりも、通常絶対値が大きくな
るボイド計数をウラン燃料並に近づけている。

【００６１】図10は、本発明に係る燃料集合体の第10実
施例である。Ｗ_sは、短尺ウォータロッドを表し、それ
以外の記号の意味は図１と同じである。この燃料集合体
は10行10列に燃料棒を配列した例で、チャンネルボック
ス７の四隅部には短尺ウォータロッドＷ_sを配置し、チ
ャンネルボックス７内の四隅部に隣接する８箇所の最外
周位置に短尺燃料棒Ｐを配置する。

【００６２】また、その隣の８箇所の最外周位置に可燃
性毒物入り燃料棒Ｇを配置している。さらに、ＭＯＸ燃
料棒の富化度種類数は１種類とし、チャンネルボックス
７の内部に残りの短尺燃料棒Ｐおよび可燃性毒物入り燃
料棒Ｇを配置している。

【００６３】この燃料棒集合体によれば、チャンネルボ
ックス７の四隅部およびその四隅部に隣接する８箇所の
最外周位置に短尺ウォータロッドＷ_sおよび短尺燃料棒
Ｐを配置したので、低温時の無限増倍率の低減効果は顕
著である。なお、短尺ウォータロッドＷ_sは燃料集合体
上部断面における圧損低減にも役立つ効果がある。

【００６４】つぎに図11により図10における燃料集合体
の他の例を説明する。図10の他の例としては、短尺ウォ
ータロッドＷ_sの上部を細径化して上部細径化ウォータ
ロッドを構成したことにある。ウォータロッドを細径化
すると、冷却水のぬれ面積が減少し、流路が拡大できる
ため、冷却材の圧損が低減できるが、一方、燃料棒の冷
却に対する冷却材の有効利用性が若干低下する恐れが生
じる。

【００６５】そこで、細径化した部分の外周に冷却材の
流れを旋回流などに変えるフロー制御材を装着して冷却
特性の向上をはかることもできる。図11はこのような考
えを具体化する例を示したものである。

【００６６】図11（Ａ）は全長の外径が一様の燃料棒
２、（Ｂ）は上部を細径化したウォータロッド６で、外
径が燃料棒２とほぼ等しい管部６ａと、この管部６ａよ
り細い細径管６ｂとからなっている。

【００６７】図11（Ｃ）は（Ｂ）の拡大図、（Ｄ）は
（Ｃ）の（ｄ）部の詳細図、（Ｅ）は（Ｃ）の（ｅ）部
拡大図、（Ｆ）は（Ｅ）に代る他のフロー制御材の例で
ある。冷却材の流れは矢印で示したが、自明であるた
め、その説明は省略する。細径部は必要に応じて中実棒
とすることもできる。

【００６８】図11（Ｃ）から明らかなように、スペーサ
当接部（ｄ）の外側には短尺外管がフロー制御材として
旋回羽根６ｄを介して装着されているため、ウォータロ
ッドの細径化されていない部分とほぼ同じである。

【００６９】細径管６ｂの部分は通常のスペーサで適切
に保持されるとともに、燃料集合体の組立や万一時の解
体時も他の通常の燃料棒と同様に取扱うことが出来ると
いうメリットがある。また、細径管６ｂの部分でスペー
サ８と当接する以外の大部分の部位は、高速炉燃料にお
けるワイヤスペーサと類似のワイヤ６ｃがゆるやかなら
せん状に巻回して固着される。

【００７０】このワイヤ６ｃによって、圧力損失の影響
をあまり受けないで冷却材の流れに回転力を与えること
が可能となり、隣接する燃料棒の冷却に大きく寄与させ
る事が出来る。なお、このワイヤ６ｃを含めた細径管６
ｂ部の最大外径は（ｄ）部の外径とほぼ等しいかやや細
めとするのは当然である。

【００７１】また、（ｅ）に示すようなワイヤ状のもの
で流れにせん回力を与える事は細径管６ｂ部に反動とし
ての回転力が発生することになる。この反動を抑制する
ために、たとえば（ｄ）部をはさんで上流側（図では下
側）と下流側（図では上側）とで、ワイヤ６ｃの巻く方
向を逆転させることができる。

【００７２】図11（Ｆ）は旋回羽根６ｄに代る他のフロ
ー制御材10の一例を示している。このフロー制御材10に
よれば細径管６ｂの部位に回転力が発生することはな
い。

【００７３】以上説明した第１から第10の実施例では、
燃料集合体最外周位置のＭＯＸ燃料棒Ｍに隣接する位置
には、必ず可燃性毒物入り燃料棒Ｇを配置している。こ
れより、ＭＯＸ燃料棒Ｍの局所出力を押さえ、燃焼初期
の運転時のＬＰＦを低減している。

【００７４】仮に、この位置に通常のウラン燃料棒また
は短尺燃料棒を配置すると、可燃性毒物入り燃料棒を配
置した場合に比べ熱中性子が多く供給されることになり
局所出力が高くなる。

【００７５】つぎに、実際の計算例を示して本実施例の
効果を説明する。図12に、図３に示した１種類の富化度
からなるＭＯＸ燃料と、図16に示した４種類の富化度か
らなる従来のディスクリート型ＭＯＸ燃料の低温時運転
時反応度差を比較する。ここで、運転時の無限増倍率は
ほぼ同程度となるように調整している。

【００７６】図12から明らかなように、炉停止余裕の厳
しい無限増倍率のピーク付近の燃焼度（10ＧＷｄ／ｓｔ
程度）では、本発明によるＭＯＸ燃料の方が低温時運転
時反応度差が小さくなっており（すなわち、低温時の無
限増倍率が小さくなる）、制御棒価値は悪化するものの
炉停止余裕上は問題ないと思われる。

【００７７】ただし、燃焼初期においては低温時運転時
反応度差が改善されないので、移行サイクル炉心など場
合によっては、ＭＯＸ新燃料の炉心装荷位置を炉停止余
裕上問題とならない場所（コントロール・セル隣接位
置、または炉心外周部など）に限定する必要がある。

【００７８】図13に、図３に示したＭＯＸ燃料と、図16
に示した従来のディスクリート型ＭＯＸ燃料の運転時Ｌ
ＰＦを示す。本発明によるＭＯＸ燃料では、燃焼期間を
通じて（１，７）位置と対称位置４本の燃料棒で局所出
力が最大値となっている。ＬＰＦの値は、従来のディス
クリート型ＭＯＸ燃料と比べ、燃焼初期および10ＧＷｄ
／ｓｔでは同程度となっている。

【００７９】以上説明したように、図３のＭＯＸ燃料で
は、炉停止余裕、熱的特性など炉心特性を悪化させるこ
となく、富化度種類数を４種類から１種類まで削減でき
ることがわかる。

【００８０】なお、本発明は前述の実施例のみに限定さ
れない。例えば、ＭＯＸ燃料棒の燃料棒種類数または富
化度種類数を２種類以上まで許容し、燃料集合体外周部
に低富化度ＭＯＸ燃料棒を配置してＬＰＦの低減を図る
か、あるいは、短尺燃料棒をＭＯＸ燃料棒とするなどし
て、燃料集合体あたりのプルトニウム装荷量を高めても
よい。

【００８１】また、熱的特性を改善するには、燃料集合
体軸方向の出力分布を制御することも有効であり、その
ために、軸方向下部のみに可燃性毒物を添加したウラン
燃料棒を用いたり、実効的な軸方向濃縮度差（または富
化度差）を付けるために短尺燃料棒の濃縮度または富化
度を平均値より下げた設計を採用してもよい。

【００８２】

【発明の効果】本発明によれば、可燃性毒物入り燃料棒
を燃料集合体の最外周位置に配置したことにより、燃料
集合体外周部の局所出力を低減でき、その分だけ富化度
種類数を減らすことができる。また、水ギャップ近傍は
ガドリニアの反応度価値が高いので、可燃性毒物入り燃
料棒の本数を削減でき、ＭＯＸ燃料棒の装荷本数を増加
できる。

【００８３】さらに、短尺燃料棒を水ギャップ近傍の燃
料集合体最外周位置、特に、燃料集合体四隅部に配置す
るか、燃料集合体四隅の短尺燃料棒を削除するか、ウォ
ータロッドに置換するかまたは短尺化したり上部細径化
することにより、低温時の無限増倍率を下げ炉停止余裕
を改善できる。ウォータロッドの上部を細径化して冷却
特性の向上に役立てることもできる。

【００８４】なお、通常のディスクリート型設計（可燃
性毒物入り燃料棒、短尺燃料棒ウラン燃料棒とした場
合）で、各々１種類ずつのプルトニウム富化度を要する
燃料集合体の四隅部および四隅部に隣接する８箇所の最
外周位置に短尺燃料棒および可燃性毒物入り燃料棒を配
置すれば、富化度種類数の低減がより効果的となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料集合体の第１実施例を示す横
断面図。

【図２】本発明に係る燃料集合体の第２実施例を示す横
断面図。

【図３】本発明に係る燃料集合体の第３実施例を示す横
断面図。

【図４】本発明に係る燃料集合体の第４実施例を示す横
断面図。

【図５】本発明に係る燃料集合体の第５実施例を示す横
断面図。

【図６】本発明に係る燃料集合体の第６実施例を示す横
断面図。

【図７】本発明に係る燃料集合体の第７実施例を示す横
断面図。

【図８】本発明に係る燃料集合体の第８実施例を示す横
断面図。

【図９】本発明に係る燃料集合体の第９実施例を示す横
断面図。

【図１０】本発明に係る燃料集合体の第10実施例を示す
横断面図。

【図１１】図10における他の例を説明するための図で
（Ａ）は燃料棒を概略的に示す側面図、（Ｂ）は先細り
のウォータロッドを示す側面図、（Ｃ）は（Ｂ）を拡大
し一部断面で示す斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）の（ｄ）部を
示す拡大図、（Ｅ）は（Ｃ）のｅ部を示す拡大図、
（Ｆ）は（Ｃ）における他のフロー制御材を示す斜視
図。

【図１２】本発明に係る燃料集合体の第１実施例と従来
のディスクリート型設計例の低温時運転時反応度差の燃
焼変化を示す曲線図。

【図１３】本発明に係る燃料集合体の第３実施例と従来
のディスクリート型設計例の運転時局所出力ピーキング
係数の燃焼変化を示す曲線図。

【図１４】（Ａ）は高燃焼度用燃料集合体を一部断面で
示す立面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、
（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。

【図１５】従来の濃縮ウランのみを燃料とする燃料集合
体のチャンネルボックス内での燃料棒の配置関係を示す
横断面図。

【図１６】従来のプルトニウムを富化した燃料棒（ＭＯ
Ｘ燃料棒）を使用した燃料集合体のチャンネルボックス
内での燃料棒の配置関係を示す横断面図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…長尺燃料棒、３…短尺燃料、４…
上部タイプレート、５…下部タイプレート、６…太径ウ
ォータロッド、６ａ…管部、６ｂ…細径管部、６ｃ…ワ
イヤ、６ｄ…旋回羽根、７…チャンネルボックス、８…
スペーサ、９…外部スプリング、10…フロー制御材、Ｕ
…通常のウラン棒、Ｐ…短尺燃料棒、Ｇ…可燃性毒物入
り燃料棒、Ｍ…ＭＯＸ燃料棒、Ｗ…ウォータロッド。

フロントページの続き (56)参考文献特開平４−220596（ＪＰ，Ａ) 特開平６−34779（ＪＰ，Ａ) 特開平３−246488（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−13981（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−129385（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−137886（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】横断面が正方形状のチャンネルボックス
内にプルトニウムを富化した燃料棒、可燃性毒物を添加
した可燃性毒物入り燃料棒および上部の燃料を欠如させ
た短尺燃料棒を正方格子状に配置した燃料集合体におい
て、前記チャンネルボックス内での最外周位置に、前記
可燃性毒物入り燃料棒および短尺燃料棒を配置し、か
つ、前記最外周位置の前記可燃性毒物入り燃料棒にはプ
ルトニウムを含まないことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】横断面が正方形のチャンネルボックス内
にプルトニウムを富化した燃料棒、可燃性毒物を添加し
た可燃性毒物入り燃料棒および上部の燃料を欠如させた
短尺燃料棒を正方格子状に配置した燃料集合体におい
て、前記チャンネルボックス内の四隅部に短尺燃料棒を
配置し、前記四隅部を除く前記最外周位置に前記可燃性
毒物入り燃料棒を配置し、かつ、前記最外周位置の前記
可燃性毒物入り燃料棒にはプルトニウムを含まないこと
を特徴とする燃料集合体。
【請求項３】横断面が正方形のチャンネルボックス内
にプルトニウムを富化した燃料棒、可燃性毒物を添加し
た可燃性毒物入り燃料棒および上部の燃料を欠如させた
短尺燃料棒を正方格子状に配置した燃料集合体におい
て、前記チャンネルボックス内の四隅部に前記短尺燃料
棒を配置し、前記四隅部に隣接する８箇所の最外周位置
に前記可燃性毒物入り燃料棒を配置し、前記最外周位置
の可燃性毒物入り燃料棒にはプルトニウムを含まないこ
とを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】前記チャンネルボックス内の四隅部に短
尺燃料棒を配置する代りに、前記四隅部には前記燃料棒
を配置しないことを特徴とする請求項２または３記載の
燃料集合体。
【請求項５】前記チャンネルボックス内の四隅部の短
尺燃料棒の代りに、全長ウォータロッド、または上部を
欠如させた短尺ウォータロッドあるいは上部を細径化し
たウォータロッドを配置したことを特徴とする請求項２
または３記載の燃料集合体。
【請求項６】前記チャンネルボックス内の四隅部の第
１群の短尺燃料棒とそれ以外の第２群の短尺燃料棒の長
さが異なり、前記第１群の短尺燃料棒の方が前記第２群
の短尺燃料棒より短いことを特徴とする請求項２または
３記載の燃料集合体。