JP3428150B2 - 軽水炉炉心及び燃料集合体 - Google Patents

軽水炉炉心及び燃料集合体

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、軽水炉炉心及び炉心を
構成する燃料集合体に係り、特にＢＷＲにおいて、経済
性や安全性が現在運転中のＢＷＲと同程度、すなわち、
炉内構造の変更を最小限にとどめ、負のボイド係数を維
持しつつ、増殖比を１.０ 近傍又は１.０ を若干上まわ
るＰｕマルチリサイクルを指向した軽水炉炉心及び燃料
集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子炉の内部では核分裂反応により、ウ
ラン−２３５やプルトニウム−２３９などの核分裂性物
質の消耗とともに、ウラン−２３８やプルトニウム−２
４０などの燃料親物質の核分裂性物質への変換が起って
いる。炉心から取り出される燃料に含まれる核分裂性物
質量と炉心に装荷される燃料に含まれる核分裂性物質量
の比を増殖比と言うが、従来の軽水冷却原子炉では、増
殖比は０.５ 程度である。ウラン資源を有効に活用する
方法として、増殖比を高めることが考えられている。
【０００３】特開昭55−10591号公報、また、１９８２
年のNuclear Technology 誌５９巻の第２１２〜２２７
ページには、加圧水型原子炉において、燃料棒を三角格
子に稠密配置し、水対燃料体積比を小さくすることで増
殖比を向上できることが示されている。しかしながら、
増殖比は、高々０.９ 程度であり、出力を落さず運転を
継続するには、核分裂性物質を補給する必要がある。増
殖比をさらに高めるには、燃料棒間隙を狭くし、水対燃
料体積比をさらに小さくすることが考えられるが、燃料
集合体の製作や熱的余裕の確保などの点で限界があり、
実現は困難である。
【０００４】一方、特開平1−227993 号公報には、沸騰
水型原子炉の特徴である炉心内で発生する蒸気ボイドを
活用して、水対燃料体積比を実効的に小さくする方法が
示されている。しかしながら、従来例においてもプルト
ニウム増倍比（炉心から取り出される燃料に含まれる核
分裂性プルトニウム量と炉心に装荷される燃料に含まれ
る核分裂性プルトニウム量の比；核分裂性プルトニウム
に対する増殖比）を１近傍にすることは示されている
が、増殖比（天然ウランにプルトニウムを富化した場合
プルトニウム増倍比より４〜５％程度小さい値となる）
を１近傍又は１以上にすることは示されていない。プル
トニウム増倍比が１近傍の場合、出力を落さず運転を継
続するには、プルトニウムを天然ウランに富化すること
が必要となり、全ウラン資源を使いきることができな
い。なお、本発明において、増殖比１近傍とは０.９８
以上を意味している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、発電コスト，熱的余裕と安全性を現在運転中の軽水
炉と同程度に保ち、エネルギー長期安定供給に寄与する
炉心、燃料集合体を提供することである。
【０００６】本発明の第２の目的は、エネルギーの長期
安定供給に寄与するため水対燃料体積比を低減して、劣
化ウランにＰｕを富化した燃料で、増殖比１.０ を実現
する炉心，燃料集合体及び制御棒を提供することであ
る。
【０００７】本発明の第３の目的は、エネルギーの長期
安定供給に寄与するため、単位出力あたりの所要Ｐｕイ
ンベントリーを低減し、一定のＰｕ量で、できるだけ多
くの発電用原子炉を運転できる炉心、燃料集合体を提供
することである。
【０００８】発明の第４の目的は、発電コストを現在の
軽水炉と同程度にするため、現在運転中の炉と同じ材
料，同程度の圧力容器の大きさで、同程度の出力，燃焼
度を同程度の熱的余裕で達成出来る炉心，燃料集合体を
提供することである。
【０００９】本発明の第５の目的は、安全性を現在の軽
水炉と同程度にするため、炉心の高さ方向の中性子漏洩
の増大や、出力上昇時の炉心高さ方向の出力分布スウィ
ングにより、負のボイド係数を実現出来る炉心、燃料集
合体を提供することである。本発明の第６の目的は、安
全性を現在の軽水炉と同程度にするため、沸騰による蒸
留機能を維持し、炉内に存在する放射化物質の圧力容器
内への閉じ込めを達成出来る炉心を提供することであ
る。
【００１０】本発明の第７の目的は、核不拡散に対応す
るため、Ｐｕ単独抽出を撤廃し、ＰｕとＵを一体として
リサイクルする炉心、燃料集合体を提供することであ
る。本発明の第８の目的は、長寿命の放射性廃棄物を後
世に残さないために、アクチノイド核種をウラン，Ｐｕ
と一緒に炉内に滞在させ、リサイクルする炉心，燃料集
合体を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明によれば、劣化ウランに、Ｐｕあるい
はＰｕとアクチノイド核種を富化した燃料を有する炉心
において、上下両端部のブランケット部を除く炉心高さ
方向について、燃料集合体水平断面の核分裂性プルトニ
ウム平均富化度が６ｗｔ％以上の部分を４０cmから１４
０cmの間にすることによりボイド係数を負にし、定格出
力の５０％以上で運転されている時の炉心平均のボイド
率を４５〜７０％とすることにより増殖比を１.０近傍
又は１.０以上にした炉心が提供される。また、上記第
１の目的を達成するために、本発明によれば、天然ウラ
ン，減損ウラン，低濃縮ウランの少なくとも１つを含む
ウランに、ＰｕあるいはＰｕとアクチノイド核種を富化
した燃料を有する炉心において、上下両端部のブランケ
ット部を除く炉心高さ方向について、燃料集合体水平断
面の核分裂性プルトニウム平均富化度が６ｗｔ％以上の
部分を４０cmから１４０cmの間にすることによりボイド
係数を負にし、定格出力の５０％以上で運転されている
時の炉心平均のボイド率を４５〜７０％とすることによ
り増殖比を１.０近傍又は１.０以上にした炉心が提供さ
れる。
【００１２】また上記第１の目的を達成するために、本
発明によれば、劣化ウランに、プルトニウムまたはプル
トニウムとアクチノイド核種を富化した燃料を有する燃
料集合体において、実効的な水対燃料体積比を０.１ か
ら０.６ の間とすることにより増殖比を１.０ 近傍又は
１.０ 以上にした燃料集合体が提供される。また上記第
１の目的を達成するために、本発明によれば、天然ウラ
ン，減損ウラン，低濃縮ウランの少なくとも１つを含む
ウランに、プルトニウムまたはプルトニウムとアクチノ
イド核種を富化した燃料を有する燃料集合体において、
実効的な水対燃料体積比を０.１ から０.６ の間とする
ことにより増殖比を１.０ 近傍又は１.０ 以上にしたこ
とを特徴とする燃料集合体が提供される。また、上記第
２の目的を達成するために、本発明によれば、燃料棒が
正三角形の格子状に配列された六角形の稠密燃料集合体
において、燃料棒の間隙が０.７〜２.０mmであることを
特徴とする燃料集合体と、その燃料集合体で構成される
炉心が提供される。
【００１３】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、実効的な水対燃料体積比が０.１から
０.６の間であることを特徴とする炉心および燃料集合
体が提供される。
【００１４】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、炉心外周部および上下端部のブランケ
ット部分を除いた炉心部における核分裂性Ｐｕの平均富
化度が６〜２０％であることを特徴とする軽水炉炉心が
提供される。
【００１５】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、上下両端のブランケット部分を除いた
領域の平均核分裂性Ｐｕの富化度が６〜２０％であるこ
とを特徴とする燃料集合体が提供される。
【００１６】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、定格出力の５０％以上で運転されてい
るときの炉心の平均ボイド率が４５〜７０％であること
を特徴とする沸騰水型軽水炉炉心が提供される。
【００１７】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、六角形の燃料集合体とその中に挿入さ
れるクラスター型制御棒より構成される軽水炉炉心が提
供される。
【００１８】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、六角形の燃料集合体とその間に挿入さ
れる翼の間隔がそれぞれ１２０度である３枚の翼を持つ
Ｙ字型制御棒より構成される軽水炉炉心が提供される。
【００１９】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、正六角形燃料集合体一体に隣接するＹ
字型制御棒の翼がそれぞれ２枚以下であり、燃料集合体
間に翼が挿入されない燃料集合体間の間隙が、翼が挿入
される燃料集合体間の間隙より狭いことを特徴とする軽
水炉炉心が提供される。
【００２０】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、正三角形の格子状に稠密に配置された
正方形燃料集合体とその間に挿入される翼の間隔がそれ
ぞれ９０度である４枚の翼を持つ十字型制御棒より構成
される軽水炉炉心が提供される。
【００２１】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、燃料棒が正三角形の格子状に配列され
た六角形燃料集合体において、向いあう最外層燃料棒列
に平行な三組の燃料棒列のうち、二組の燃料棒列の数が
等しく、残りの一組の燃料棒列の数より１列多いことを
特徴とする蝕形燃料集合体とＹ字型制御棒の１枚の翼に
より正六角形の燃料集合体格子が構成される軽水炉炉心
が提供される。
【００２２】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、制御棒上端部に減速材を排除するため
に軽水より減速能が小さな物質、例えば炭素，重水素，
ベリリウム，Ｚｒ合金，ステンレス等からなるフォロア
ー部が設置されたクラスター型，Ｙ字型または十字型制
御棒より構成される軽水炉炉心が提供される。
【００２３】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、正六角形および、蝕型六角形燃料集合
体において、Ｙ字型制御棒に近接した領域から、Ｙ字型
制御棒からはなれた領域にわたる少なくとも２つ以上の
領域について、核分裂性Ｐｕの富化度が異なる複数種
類、特に２〜５種類の燃料棒で構成することを特徴とす
る六角形燃料集合体および、蝕型六角形燃料集合体が提
供される。
【００２４】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明によれば、正方形燃料集合体において、十字型制
御棒に近接した領域から、十字型制御棒からはなれた領
域にわたる少なくとも２つ以上の領域について、核分裂
性Ｐｕの富化度が異なる複数種類、特に２〜５種類の燃
料棒で構成することを特徴とする正方形燃料集合体が提
供される。
【００２５】また、上記第３，４，５の目的を達成する
ために、本発明によれば、炉心外周部および上下端部の
ブランケット部を除く炉心部平均の出力密度が１００ｋ
Ｗ／ｌから３００ｋＷ／ｌであることを特徴とする軽水
炉炉心が提供される。
【００２６】また、上記第３，４，５の目的を達成する
ために、本発明によれば、劣化ウランに、Ｐｕあるいは
Ｐｕとアクチノイド核種を富化した燃料を有する炉心に
おいて、炉心上下両端部のブランケット部を除く高さ方
向について、燃料集合体水平断面の核分裂性Ｐｕ平均富
化度が６ｗｔ％以上の部分が、４０cmから１４０cmの間
であることを特徴とする軽水炉炉心が提供される。ま
た、上記第３，４，５の目的を達成するために、本発明
によれば、天然ウラン，減損ウラン，低濃縮ウランの少
なくとも１つを含むウランに、ＰｕあるいはＰｕとアク
チノイド核種を富化した燃料を有する炉心において、炉
心上下両端部のブランケット部を除く高さ方向につい
て、燃料集合体水平断面の核分裂性Ｐｕ平均富化度が６
ｗｔ％以上の部分が、４０cmから１４０cmの間であるこ
とを特徴とする軽水炉炉心が提供される。
【００２７】また、上記第３，４，５の目的を達成する
ために、本発明によれば、劣化ウランに、Ｐｕあるいは
Ｐｕとアクチノイド核種を富化した燃料を有する燃料集
合体において、上下両端部のブランケット部を除く燃料
集合体の高さ方向について、水平断面の核分裂性Ｐｕ平
均富化度が６ｗｔ％以上である部分が、４０cmと140cm
の間であることを特徴とする燃料集合体が提供される。
また、上記第３，４，５の目的を達成するために、本発
明によれば、天然ウラン，減損ウラン，低濃縮ウランの
少なくとも１つを含むウランに、ＰｕあるいはＰｕとア
クチノイド核種を富化した燃料を有する燃料集合体にお
いて、上下両端部のブランケット部を除く燃料集合体の
高さ方向について、水平断面の核分裂性Ｐｕ平均富化度
が６ｗｔ％以上である部分が、４０cmと１４０cmの間で
あることを特徴とする燃料集合体が提供される。
【００２８】また、上記第４の目的を達成するために、
本発明によれば、炉心最外周を除き炉心を径方向に等面
積に二分割して、炉心外側領域の燃料集合体炉心滞在サ
イクル数の平均値が、炉心内側領域のそれより小さくな
るように燃料集合体を装荷したことを特徴とする軽水炉
炉心が提供される。
【００２９】また、上記第４の目的を達成するために、
本発明によれば、炉心最外周およびそれに隣接する燃料
集合体のオリフィス圧損係数の平均値が、それ以外の領
域のオリフィス圧損係数の平均値より大きいことを特徴
とする軽水炉炉心が提供される。
【００３０】また、上記第５の目的を達成するために、
本発明によれば、上下両端部のブランケット部を除い
て、核分裂性Ｐｕ富化度が上半部の平均値より下半分の
平均値が低いことを特徴とする六角形燃料集合体が提供
される。
【００３１】また、上記第５の目的を達成するために、
本発明によれば、上下両端部のブランケット部を除く燃
料集合体の高さ方向について、核分裂性Ｐｕ富化度が６
ｗｔ％以上の部分が上下にあり、それらの間の領域の核
分裂性Ｐｕ富化度が６ｗｔ％以下であることを特徴とす
る軽水炉炉心が提供される。上記第５の目的を達成する
ために、本発明によれば、上下両端部のブランケット部
を除く燃料集合体の高さ方向について、核分裂性Ｐｕ富
化度が６ｗｔ％以上の部分が上下にあり、それらの間の
領域の核分裂性Ｐｕ富化度が６ｗｔ％以下であることを
特徴とする燃料集合体が提供される。
【００３２】また、上記第６の目的を達成するために、
本発明によれば、定格出力の５０％以上で運転されてい
るときの冷却材の炉心の出口の蒸気重量率が２０％から
４０％の間であることを特徴とする沸騰水型軽水炉炉心
が提供される。
【００３３】また、上記第７の目的を達成するために、
本発明によれば、Ｐｕとウランを同時にリサイクルする
ことを特徴とする軽水炉炉心および燃料集合体が提供さ
れる。
【００３４】また、上記第８の目的を達成するために、
本発明によれば、Ｐｕとウランおよびアクチノイドを同
時にリサイクルすることを特徴とする軽水炉炉心および
燃料集合体が提供される。
【００３５】
【作用】本願発明者等の検討によれば、以下のことが判
明している。
【００３６】世界の天然ウラン資源量は、１５００万ト
ン前後と推定されており、電気出力１００万ｋＷの現行
軽水炉１０００基を約１００年間運転可能な量に対応し
ている。その結果として、１５００万トン弱の劣化ウラ
ンと１.５ 万トンの核分裂性Ｐｕが残される。したがっ
て、劣化ウランにＰｕを富化した燃料で、電気出力１０
０万ｋＷあたりの炉内と炉外を含めた核分裂性Ｐｕのイ
ンベントリーが１０トンで、増殖比１.０の発電炉(ＲＢ
ＷＲ）は、Ｐｕを触媒のようにして、劣化ウランで核分
裂を継続することが可能となり、ウランは１ｇあたり約
１ＭＷＤの熱エネルギーを発生するので、１５００基の
ＲＢＷＲを１万年間運転することが可能となり、全ウラ
ン資源量を使いきることができるので、前記第１の目的
である長期安定供給に寄与する。
【００３７】また、以下の作用により前記第２の目的が
達成される。本願発明者等の検討によれば、軽水炉炉心
における増殖比と実効的な水対燃料体積比の関係につい
て、以下のことが判明している。実効的な水対燃料体積
比［（Ｖｍ／Ｖｆ)eff］は、炉心内で蒸気ボイドが発生
することを考慮して、幾何学的な水対燃料体積比［（Ｖ
ｍ／Ｖｆ)geo；蒸気ボイドが発生しない水対燃料体積
比］を拡張したものである。蒸気ボイドが発生すること
での水素密度の減少割合をＦとすると、両者には下記の
関係がある。
【００３８】
【数１】 （Ｖｍ／Ｖｆ)eff＝Ｆ(Ｖｍ／Ｖｆ)geo （数１） また、Ｆは、炉心平均の蒸気ボイド率Ｖ（％）と以下の
関係にある。
【００３９】 Ｆ＝(１００−Ｖ)／１００＋ｆＶ／１００ ここで、 ｆ：飽和水密度に対する飽和蒸気密度の比 一般に、ｆは約１／２０という小さな値であり、Ｆは以
下のように近似できる。
【００４０】Ｆ≒(１００−Ｖ)／１００ 図２に実効的な水対燃料体積比と中性子バランスから定
義される転換比および転換比を構成する三つの因子の関
係を示す。
【００４１】
【数２】 転換比＝α(１＋β)−(１＋γ） （数２） ここで、 α：核分裂性物質に中性子が吸収され、核分裂性物質が
１個消滅した時に発生する新しい中性子の個数 β：燃料親物質の高速エネルギー領域における核分裂に
よる追加分 γ：核分裂性物質による中性子吸収量に対する中性子の
無駄捕獲（中性子漏洩を含む）の割合 現在運転中の軽水炉は、実効的な水対燃料体積比は、約
２.０ で、増殖比は約０.５ である。増殖比１近傍を実
現するには、上記転換比を１近傍にする必要がある。本
願発明者等の検討によれば、後述の範囲で核分裂性Ｐｕ
の富化度を高くし、かつ、ブランケットへの中性子漏洩
を増加することで、転換比０.８５ 以上で増殖比１近傍
を実現できることがわかった。そのための実効的な水対
燃料体積比は０.６以下となる。一方、実効的な水対燃
料体積比を０.１以下とするためには、炉心平均の蒸気
ボイド率が７０％を超える値にしなければならず、過渡
事象時に、炉心出口で二相流状態が維持できなくなる。
【００４２】実効的な水対燃料体積比０.１〜０.６は、
燃料棒を稠密に配置する、または、炉心内で発生する蒸
気ボイドを活用する、または、制御棒が挿入されないと
きには制御棒挿入位置にフォロアーを挿入し減速材を排
除することで実現する。あるいは、以上の三つを組合せ
ることで実現する。図３に燃料棒間隙と幾何学的な水対
燃料体積比の関係例を示す。図３では、燃料棒直径を現
在軽水炉で使用されている約９.５〜１２.３mmの範囲と
し、正三角形の燃料棒格子を対象とした。燃料棒間隙を
２mm以下にすると燃料棒格子の(Ｖｍ／Ｖｆ)geoは、約
０.９以下になる。燃料棒を正三角形の格子状に稠密配
列した燃料集合体の場合、燃料集合体間のギャップ領域
や制御棒挿入領域等を考慮すると燃料集合体体系の(Ｖ
ｍ／Ｖf)geoは、燃料棒格子の（Ｖｍ／Ｖｆ)geoより０.
１から０.２大きな値となる。したがって、この幾何学
的な水対燃料体積比のもとで、実効的な水対燃料体積比
０.６以下を実現するためには、数１より炉心平均の蒸
気ボイド率を４５％以上（図２７に示す関係図より炉心
出口の蒸気重量率は２０％以上）にする必要がある。一
方、燃料棒間隙が０．７(燃料集合体の製作や熱的余裕
の確保などの点からの燃料棒間隙の最小値）〜１.０mm
の範囲（燃料棒直径が９.５mmより太い場合には１.０mm
以上にすることが可能）では、蒸気ボイド率０％で、
（Ｖｍ／Ｖｆ)geoを約０.６以下にできる。
【００４３】図４は、燃料集合体の平均核分裂性Ｐｕ富
化度と増殖比の関係を示す。炉心を、運転期間を通じて
臨界状態に維持するためには、核分裂性Ｐｕ富化度を６
ｗｔ％以上にすることが必要である。一方、増殖比は、
核分裂性Ｐｕ富化度とともに減少するが、前述のよう
に、余剰反応度の増加を活用し、ブランケットへの中性
子漏洩を増加することで２０ｗｔ％までは増殖比１近傍
を実現できることがわかった。
【００４４】また、その際、炉の反応度を制御する手段
としては、燃料集合体の中にクラスター型制御棒を挿入
するか、六角形燃料集合体の周囲にＹ字型制御棒、ある
いは、正方形燃料集合体の周囲に十字型制御棒を挿入す
る方法が考えられる。以上の組合せにより増殖比１.０
の炉心が実現できる。
【００４５】また、以下の作用により前記第３，４，５
の目的が達成される。本願発明者等の検討によれば、炉
心の単位水平断面あたりの燃料集合体の出力を現行沸騰
水型軽水炉と同程度にすることで、熱的余裕を確保しつ
つ、燃料集合体の高さ（有効炉心長：水平断面平均核分
裂性Ｐｕ富化度が６ｗｔ％以上の領域の長さ）を減少で
きることがわかった。実効的な水対燃料体積比を０.６
以下とするため、燃料棒を稠密に配置した結果、炉心の
単位水平断面あたりの燃料棒本数は現行沸騰水型軽水炉
の３〜４倍となる。従って、平均線出力密度が同等とな
る燃料集合体の高さ（有効炉心長）は現行沸騰水型軽水
炉の約１／３〜１／４倍となる。さらに、現行沸騰水型
軽水炉に比べ、減速材が均一に分散した構成であるた
め、燃料棒の局所出力ピーキング係数を（必要な場合は
富化度分布の採用により）、約３０％以上低減できる。
また、燃焼反応度変化やボイド反応度変化が小さいこ
と、さらに以下で述べる他の手段と合わせて、出力ピー
キング係数を約４０％以上低減できる。したがって、平
均線出力密度が同等以上となる燃料集合体の高さ（有効
炉心長）は現行沸騰水型軽水炉の約１／１０倍である４
０cm以上となる。一方、有効炉心長を短尺にし、軸方向
の中性子漏洩を増大することで、ボイド係数低減効果が
活用できる。本願発明者等の検討によれば、有効炉心長
を１４０cm以下にすれば、以下で述べる他の手段と合わ
せて、負のボイド係数が実現できることがわかった。短
尺化によりブランケット部での出力発生割合は増加する
が、有効炉心長を減少したことで、ブランケット部を除
く領域での平均出力密度は約１００〜３００ｋＷ／ｌと
なる。
【００４６】その結果、現行炉とほぼ同じ直径の圧力容
器の中に同一出力のＲＢＷＲがおさまるので、発電コス
トを現行軽水炉と同程度に保つことができ、安全性にお
いても、現行軽水炉と同程度の水準に保つことができ
る。また、これにより、Ｐｕインベントリーを減少で
き、したがって、一定のＰｕ量で多くの発電炉を運転す
ることが可能で、エネルギー安定供給が実現できる。
【００４７】また、以下の作用により前記第５の目的が
達成される。本願発明者等の検討によれば、炉心の上部
の核分裂性Ｐｕの富化度を炉心の下部より高くすること
により、炉心の軸方向出力分布を平坦化できるととも
に、その結果、Ｐｕインベントリーを減少させることが
できる。また、出力が上昇した時や、炉心冷却材流量が
低下した時に、炉心内の蒸気ボイド率が上昇するが、そ
の際、図５に示すように、比較的核分裂性Ｐｕの富化度
が低く、中性子インポータンスの小さい炉心下部に出力
分布がスウィングして、炉心の反応度を低下（負のボイ
ド係数と）できる。
【００４８】また、以下の作用により前記第２の目的が
達成される。本願発明者等の検討によれば、燃料集合体
内にクラスター型制御棒を挿入することで、燃料棒を正
三角形の格子状に稠密配列した炉心構成が実現できる。
さらに、本願発明者等の検討によれば、六角形燃料集合
体とＹ字型制御棒を組合せても、燃料棒を正三角形の格
子状に稠密配列した炉心構成が実現できる。Ｙ字型制御
棒と六角形燃料集合体を組合せる場合には、燃料集合体
形状を正六角形とする方式とＹ字型制御棒の一つの翼と
燃料集合体で正六角形を構成する方式が可能である。前
者では、燃料集合体構成が単純化される利点があり、後
者では、炉心内の集合体中心位置が正三角形を形成する
利点がある。さらに、本願発明者等の検討によれば、正
方形燃料集合体と十字型制御棒を組合せても、燃料棒を
正三角形の格子状に稠密配列した炉心構成が実現でき
る。
【００４９】また、本願発明者等の検討によれば、六角
形燃料集合体とＹ字型制御棒あるいは正方形燃料集合体
と十字型制御棒の組合せにおいて、制御棒に面した燃料
棒では、制御棒引き抜き時に、水の中性子減速効果が大
きくなり、中性子エネルギーが低下し、集合体中の各燃
料棒の核分裂性Ｐｕの富化度を同一にしておくと、制御
棒に面した燃料棒に出力ピーキングが発生する。そこ
で、制御棒挿入位置からの距離に応じて、集合体中の核
分裂性Ｐｕの富化度を数種類変化させることにより、燃
料集合体内の出力分布を平坦化させた燃料集合体が実現
できる。
【００５０】また、以下の作用により前記第４の目的が
達成される。本願発明者等の検討によれば、炉心内の燃
料集合体配置やオリフィス構成を適正化することで、炉
心内燃料集合体の出力と流量を平坦化でき熱的余裕を向
上することができる。炉心の最外周を除く領域を半径方
向に等面積に二分割し、炉心外側領域の燃料集合体炉心
滞在サイクル数の平均値が、炉心内側領域のそれより小
さくなるように燃料集合体を装荷することで、炉心外側
領域の中性子無限増倍率を内側より高くでき、径方向の
出力分布が平坦化できる。中性子インポータンスが低い
炉心の最外周領域には、滞在サイクル数が大きな燃料集
合体を装荷することで、所要核分裂性Ｐｕの富化度低減
が実現できる。本願発明者等の検討によれば、炉心外周
部からの中性子漏洩の影響は、炉心最外層およびそれに
隣接する燃料集合体で特に大きく、その結果、燃料集合
体出力が他の領域に比べ低くなり、燃料集合体内を流れ
る流量が大きくなる。したがって、炉心の最外周及び、
それに隣接する燃料集合体のオリフィス圧損係数の平均
値が、それ以外の領域のオリフィス圧損係数の平均値よ
り大きくなるように設定することで、流量配分を平坦化
できる。これにより、炉心の最外周近傍の流量を低減
し、全炉心流量を低減することができる。また、オリフ
ィス圧損係数を大きくした領域で蒸気ボイド率を増大で
き、ボイド係数の改善、増殖比の増大に寄与することが
できる。
【００５１】また、以下の作用により前記第６の目的が
達成される。本発明者等の検討によれば、軽水蒸気冷却
により増殖比を１.０ 以上とすることが可能であるが、
蒸気温度が飽和温度を越えることにより、現行のＢＷＲ
で使用されているものより耐高温性の強い材料を開発す
ることが必要となるとともに、コロージョン生成物等の
放射性核種が、蒸気とともに炉心外に流出する。本発明
においては、炉心出口の蒸気重量率を４０％以下におさ
えて、異常な過渡変化で出力が上昇した時にも、冷却材
が飽和温度の二相流状態を保ち、飽和温度を維持して、
現行軽水炉と同じ構造材が使用でき、炉内における沸騰
による蒸留機能により、タービンに行く蒸気中に、コロ
ージョン生成物等の放射性核種が含まれることを防止し
つつ、増殖比１.０ 以上の炉心が実現できる。
【００５２】また、以下の作用により前記第１及び第７
の目的が達成される。本発明者等の検討によれば、エネ
ルギー長期安定供給をめざして、現行軽水炉で使用され
る濃縮ウラン製造時に、その残渣として発生する劣化ウ
ランにＰｕを富化した燃料について実施例を検討する
が、現在のようにまだ天然ウランや、使用済み燃料から
回収される減損ウランが多量に存在する時には、劣化ウ
ランのかわりに天然ウランや減損ウランさらには低濃縮
ウラン（０.７１ｗｔ％〜２.０ｗｔ％）にＰｕを富化す
ることによっても、核分裂性Ｐｕの富化度を劣化ウラン
使用の場合に比べて、約０.５ｗｔ％ 以上低くすること
により、劣化ウランにＰｕを富化した場合に比べ、増殖
比，ボイド係数に関し同等以上の性能を有する炉心を実
現できる。また、以下の作用により前記第８の目的が達
成される。本発明者等の検討によれば、劣化ウランにＰ
ｕを富化するだけでなく、アクチノイド核種も同時にリ
サイクルすることにより、長寿命の放射性核種が炉内に
平衡状態になり、一定量に達する。したがって、本発明
の炉ではアクチノイド核種は、発生量と消滅量がバラン
スして、増加量は零となり、放射性廃棄物の中で特に問
題となっている長半減期アクチノイド核種の全発生量を
大幅に低減するのみからず、Ｐｕを含むアクチノイド核
種を原子炉，再処理施設，燃料製造施設の中のみに閉じ
込めることができる原子炉システムが実現できる。
【００５３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。以下の実施例では、電気出力１３５万ｋＷ級
の炉心を対象にしたが、出力規模はこれに限定されるも
のではない。燃料集合体の体数を変更することで、他の
出力規模にも適用できる。 （第１の実施例）本発明の第１の実施例を図１及び図６
〜図１１により説明する。
【００５４】図１に、本実施例の電気出力１３５６ＭＷ
ｅの水平断面を示す。７２０体の燃料集合体１と、燃料
集合体３体に一体の割合で２２３体のＹ字型制御棒２が
示されている。図６に燃料集合体格子の断面を示す。直
径１０.１mm の燃料棒３が燃料棒間隙１.３mm で正三角
形に配置され、チャンネルボックス４とＹ字型制御棒の
一つの翼５で正六角形燃料集合体格子を作るように正六
角形燃料集合体の一辺の最外周の燃料棒一列が存在しな
い構造になっている。すなわち、六角形燃料集合体にお
いて、向かいあう最外層燃料棒列に平行な三組の燃料棒
列のうち二組が１７列で等しく、残りの一組が１６列と
なっている。制御棒の翼には、Ｂ4Ｃ が充填されたステ
ンレス管が配置されており、翼の間隔はそれぞれ１２０
度で、それぞれの翼を延長した直線により正三角形が構
成されるように翼が配置されている。また、制御棒の先
端部には、軽水より減速能が小さな物質である炭素で構
成されたフォロアー部を有している。図７に平衡炉心の
燃料配置を示す。燃料集合体１に記された番号は、炉心
に滞在している期間をサイクル数で示している。中性子
インポータンスが低い炉心最外周には、炉内滞在期間が
最も長い３サイクル目燃料が装荷されている。その内側
である炉心外側領域には、中性子無限増倍率が最も高
い、炉内滞在期間１サイクル目燃料を装荷し、炉心径方
向の出力分布平坦化を図っている。炉心内側領域には、
炉内滞在期間２および３サイクル目燃料が分散装荷され
ており、内側領域の出力分布平坦化を図っている。図８
に、平衡炉心におけるオリフィスの状態を示しており、
燃料集合体１に記された番号は、燃料支持部に設置され
たオリフィスの開閉度が異なることを示しており、３領
域になっている。燃料集合体出力が小さな炉心外側領域
（番号１及び２）のオリフィス口径は、内側領域のオリ
フィス口径より小さくなっている。図９に平衡炉心用の
燃料集合体の水平断面で平均した核分裂性Ｐｕの富化度
の高さ方向分布を示す。なお、Ｐｕが富化されるウラン
は劣化ウランである。炉心の高さは５５cmで、炉心の下
端から８／１２のところで２領域に分割され、上部の富
化度が１２ｗｔ％，下部が１０ｗｔ％である。また、炉
心部の上下にそれぞれ２５cmと２０cmの劣化ウランのブ
ランケットが付設されている。図１０に燃料集合体の下
部の水平断面のＰｕの富化度分布を示す。核分裂性Ｐｕ
の富化度は１０.４ｗｔ％，９.４ｗｔ％，８.４ｗｔ
％，７.４ｗｔ％ の４種類、平均富化度は１０ｗｔ％で
ある。燃料集合体の上部の水平断面のＰｕの富化度分布
は、下部と同じ分布で、核分裂性Ｐｕの富化度は１２.
４ｗｔ％，１１.４ｗｔ％，１０.４ｗｔ％，９.４ｗｔ
％の４種類、平均富化度は１２ｗｔ％である。図１１
に、炉心平均の高さ方向の出力分布とボイド率分布を示
す。炉心平均ボイド率は６１％、炉心出口の蒸気重量率
は３２ｗｔ％である。
【００５５】次に、本実施例の作用を説明する。
【００５６】燃料棒間隙１.３mm の正三角形格子の稠密
六角形燃料集合体，炉心平均ボイド率６１％，Ｙ字型制
御棒の組合せにより、水対燃料の実効体積比０.２７ が
達成され、炉内増殖比０.９０，ブランケット増殖比０.
１１，合計１.０１ の増殖比が実現した。
【００５７】以上の理由により、本実施例では、実効的
な水対燃料体積比を、現行炉の約２.０から０.２７に低
減することにより、増殖に１.０１ の軽水炉が実現す
る。本炉心の出力は、現行のＡＢＷＲと同じ出力１３５
万ｋＷｅで、炉心の外接半径は２.８ｍ で、ＡＢＷＲの
値とほぼ同じである。炉心高さは５５cmで、その上下
に、それぞれ２５cm，２０cmのブランケットが付いてお
り、短尺燃料集合体になっている。しかし燃料棒が稠密
になっているため、燃料棒の全長は、ＡＢＷＲと大差な
く、ＭＣＰＲは１.３２で、熱的な設計基準値、１.２４
を十分満たしている。稠密にかかわらず炉心部５５cmの
短尺燃料としたため、Ｐｕインベントリーは、１００万
ｋＷｅ出力あたりの核分裂性Ｐｕ量に換算して４.４ ト
ンと少なく、再処理等のＰｕの炉外滞在期間を考慮して
も、１００万ｋＷｅあたり１０トン以下となる。
【００５８】以上の理由により、増殖比１.０１ の本実
施例では、世界のウラン埋蔵量1500万トンから生じる
１.５ 万トンの核分裂性Ｐｕと劣化ウラン１５００万ト
ンを使って、１００万ｋＷｅ炉１５００基を１万年間運
転を続けることが出来、エネルギーの長期安定供給体制
が実現する。
【００５９】本実施例では、現在建設中のＡＢＷＲとほ
ぼ同じ大きさの圧力容器で、同じ出力を出し、燃料の被
覆材もＡＢＷＲと同じジルカロイで、同一燃焼度４５Ｇ
Ｗｄ／ｔが達成される。
【００６０】以上の理由により、本実施例では、現在運
転中の燃料をもやしきりの軽水炉と同程度の発電コスト
で、エネルギー長期安定供給に対応できるＢＷＲが実現
する。
【００６１】現在運転中のＢＷＲは、炉心の高さが約３
７０cmであるが、本実施例では５５cmである。したがっ
て、炉心中で発生する蒸気の量が増加した時の反応度の
増加を表わすボイド係数を負にする中性子漏洩効果が大
きい。又、燃料集合体の高さ方向について上端から１
８.３cm の所で、核分裂性Ｐｕの富化度が異なる上下２
領域燃料になっており、上部の富化度が１２ｗｔ％，下
部の富化度が１０ｗｔ％である。一方、炉心のボイド量
が増加した時には、すでに飽和状態に達している炉心上
部より、ボイド率の低い炉心下部の方がボイド率の相対
的な増加量は約２０％大きく、その結果、中性子インポ
ータンスの高い炉心上部から、中性子インポータンスの
低い炉心下部への中性子束分布のスウィングが起こり、
負のボイド反応度が投入される。又、本実施例では、炉
心出口の蒸気重量率が３２％で、異常な過渡変化時にお
いても、全冷却材が蒸気になることはなく、常に２相流
状態を保ち、現在のＢＷＲと同様、炉心内に蓄積された
コロージョン生成物等の放射性物質を沸騰による蒸留作
用により炉心内に閉じ込め、タービン側への移行を防い
でいる。
【００６２】以上の理由により、本実施例では、現在運
転中の燃料もやしきりの軽水炉と同程度の安全性の下
で、エネルギー長期安定供給に対応出来るＢＷＲが実現
する。現在運転中のＢＷＲは、核分裂反応の８５％前後
が０.６ｅＶ以下の熱中性子領域で発生しているのに対
して、本実施例の核分裂反応が生じるエネルギー中央値
は、約１ｋｅＶであり、共鳴領域での反応割合が非常に
大きい。そのためドップラー係数は、現在運転中のＢＷ
Ｒが１.６×１０-5Δｋ／ｋ／℃ であるのに対して、本
実施例の値は３.７×１０-5Δｋ／ｋ／℃で、約２倍大
きい。
【００６３】又、現在運転中のＢＷＲのボイド係数は−
７.０×１０-4Δｋ／ｋ／％void であり、本実施例の値
は、−０.５×１０-4ｋ／ｋ／％void と、絶対値が小さ
く設計されている。その結果、圧力が上昇する事象と
か、冷却水の温度が低下する事象での熱的余裕が比較的
大きくなる。
【００６４】以上の理由により、本実施例では、現在運
転中のＢＷＲより、かなりの過渡事象において、より安
全余裕の大きなＢＷＲ炉心が実現する。
【００６５】本実施例によれば、稠密の六角形燃料集合
体，Ｙ字型制御棒と炉心平均ボイド率６１％の組合せに
より、劣化ウランに平均１０.５ｗｔ％ の核分裂性Ｐｕ
を富化した燃料により、増殖比１.０１ が実現され、炉
心高さを５５cmにしたことで、Ｐｕインベントリも低減
して、世界の天然ウラン埋蔵量１５００万トンで、百万
ｋＷの炉１５００基を１万年間運転出来るＢＷＲで、エ
ネルギー長期安定供給が図れる。又、現在運転中のＢＷ
Ｒと圧力容器の直径や出力等の運転条件，使用材料をほ
ぼ同じにしたことにより、性能の大幅向上にもかかわら
ず、発電コストを現行ＢＷＲと同程度に押えることが出
来る。又、短尺燃料集合体，上下二領域燃料集合体によ
る負のボイド係数の維持や、炉心出口の蒸気重量率を約
３０％におさえたことにより、沸騰による蒸留機能を維
持して放射化物質を圧力容器内に閉じ込める等、現行Ｂ
ＷＲと同程度の安全余裕を保つことが出来る。
【００６６】本実施例では、エネルギー長期安定供給を
めざして、現行軽水炉で使用される濃縮ウラン製造時
に、その残渣として発生する劣化ウランにＰｕを富化し
た燃料についての構成，作用，効果を述べた。しかし、
劣化ウランのかわりに、天然ウランや、使用済み燃料か
ら回収される減損ウラン，低濃縮ウランにＰｕを富化し
た燃料でも同等以上の効果が得られる。この場合、燃料
に含まれるウラン−235の重量割合が増加することで、
核分裂性Ｐｕの富化度を劣化ウラン使用の場合に比べ
て、０.５ｗｔ％ 以上低くすることができる。その結
果、核分裂性Ｐｕに対する増倍比を約３％以上高くでき
るとともに、ボイド係数をより負にすることができる。
また、Ｐｕインベントリーが低減できるので、ＲＢＷＲ
運転基数をさらに増加できる。
【００６７】本実施例ではボイド係数は負となっている
が、ボイド係数が０あるいは若干正を有しても、ドップ
ラー係数を含めた出力係数は負にすることができる。本
願発明者らの検討によれば、安全性の評価結果から、出
力係数が負であれば、ボイド係数の正負は本質的には問
題ないことが示されている。したがって、炉心部を５５
cmよりさらに長くして、熱的余裕をさらに増大させるこ
とができる。また、燃料棒間隙を１.３mm より狭くし
て、増殖比を増大することも可能である。
【００６８】本実施例では、ウランにＰｕのみを富化し
た燃料について述べたが、Ｐｕとともにその他のアクチ
ノイド核種を富化することもできる。この場合には、RB
WRは中性子の平均エネルギーが高いので、Ｐｕが質量数
の高いアクチノイド核種に移行しにくくなるとともに、
アクチノイド核種を核分裂反応により消滅することがで
きる。
【００６９】さらに、本実施例では、核分裂性Ｐｕの富
化度が炉心の下端から８／１２のところで上下２領域に
なっているが、これに限定されるものではない。図２８
に、本実施例とは異なる平衡炉心用燃料集合体の、水平
断面で平均した核分裂性Ｐｕ富化度の高さ方向分布例を
示す。Ｐｕが富化されるウランは、本実施例と同じ劣化
ウランであり、炉心部の上下にそれぞれ２５cmと２０cm
の劣化ウランのブランケットが付設されている。炉心の
高さは、本実施例と同じ５５cmで、炉心の下端から１／
１２，２／１２,７／１２,８／１２のところで５領域に
分割されている。核分裂性Ｐｕ富化度は、上部より１
２.５ｗｔ％,１０.５ｗｔ％,９.５ｗｔ％,１０.５ｗｔ
％，１２.５ｗｔ％となっており、集合体平均の核分裂
性Ｐｕの富化度は１１ｗｔ％で、上半分の平均富化度は
１１.７ｗｔ％ 、下半分の平均富化度は１０.２ｗｔ％
である。下端近傍の領域の核分裂性Ｐｕ富化度を高める
とともに、最高富化度（１２.５ｗｔ％）と最低富化度
（９.５ｗｔ％）の間に中間富化度(１０.５ｗｔ％）を
配置することで、図２９に示すように、軸方向の出力分
布をより平坦化することができる。図２８の実施例で
は、本実施例に比べ、出力ピーキングがさらに５％低減
できる。また、燃料集合体の高さ方向については、上半
分の平均核分裂性Ｐｕの富化度が下半分の平均値より高
くなっており、本実施例と同様に、ボイド反応度係数を
低減する効果が得られる。さらに、軸方向の出力分布を
平坦化したことで、炉心上下からの中性子漏洩量が増大
する。これにより、所要核分裂性Ｐｕ富化度は本実施例
より増大するが、ボイド反応度係数をさらに低減する効
果が得られる。図３０は、図２８の変形で中間富化度
（１０.５ｗｔ％）を無くした場合である。出力分布平
坦化の効果は図２８の方が大きいが、本実施例と同じ２
種類の核分裂性Ｐｕ富化度で、同様の効果が得られる。
【００７０】（第２の実施例）本発明の第２の実施例を
図１８〜図２０により説明する。
【００７１】図１８に、本実施例の電気出力１３５６Ｍ
Ｗｅの炉心水平断面を示す。７２０体の燃料集合体９と
燃料集合体３体に一体の割合で、２２３本のＹ字型制御
棒１０が示されている。図１９に燃料集合体格子の断面
を示す。直径１０.１mm の燃料棒３が、燃料棒間隙１.
３mm で正三角形に配置され、燃料棒列１０列の正六角
形集合体を形成している。そして、燃料集合体３体に一
体の割合でＹ字型制御棒が図１８のように配置されてお
り、制御棒が挿入されない燃料集合体間の間隙が、挿入
される燃料集合体間の間隙より狭くなっている。制御棒
の翼には、B4Cが充填されたステンレス管が配置されて
おり、翼の間隔はそれぞれ１２０度となっている。ま
た、制御棒の先端部には、軽水より減速能が小さな物質
である炭素で構成されたフォロアー部を有している。炉
心内の燃料の配置，オリフィスの状態，平衡炉心用の燃
料集合体の水平断面で平均した核分裂性Ｐｕ富化度の高
さ方向の分布は、いずれも実施例１の図７，図８，図９
と同じである。図２０に燃料集合体内の下部の水平断面
の核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す。正六角形燃料集合
体に隣接しないＹ字型制御棒の１翼に対して、核分裂性
Ｐｕの富化度分布が対称になっている。核分裂性Ｐｕの
富化度は１０.４ｗｔ％，９.４ｗｔ％，８.４ｗｔ％，
７.４ｗｔ％ の４種類、平均富化度は１０ｗｔ％であ
る。燃料集合体の上部の水平断面のＰｕの富化度分布
は、下部と同じ分布で、核分裂性Ｐｕの富化度は１２.
４ｗｔ％，１１.４ｗｔ％，１０.４ｗｔ％，９.４ｗｔ
％の４種類、平均富化度は１２ｗｔ％である。
【００７２】本実施例は、燃料集合体が正六角形とな
り、燃料集合体あたりの燃料棒本数が実施例１に比べ１
０本増加し、平均線出力密度が下がるとともに、伝熱面
積が増大するため、熱的余裕が改善される。一方、燃料
集合体外にＹ字型制御棒のスペースが増大するため、実
施例１より炉心の外接半径は増大する。本実施例におい
ても、稠密の六角形燃料集合体，Ｙ字型制御棒と炉心平
均ボイド率６１％の組合せにより、水対燃料の実効体積
比０.２７ が達成される。その結果、炉心特性は、実施
例１と同等であり、同等の効果が得られる。
【００７３】また、本実施例においても、劣化ウランの
かわりに、天然ウランや、使用済み燃料から回収される
減損ウラン、低濃縮ウランにＰｕを富化した燃料でも同
等以上の効果が得られる。さらに、Ｐｕとともにその他
のアクチノイド核種を富化することもできる。
【００７４】さらに、本実施例では、炉心の下端から８
／１２のところで核分裂性Ｐｕの富化度が上下２領域に
なっているが、これに限定されるものではない。実施例
１の変形である図２８あるいは図３０にすれば、実施例
１の場合と同様の効果が得られる。
【００７５】（第３の実施例）本発明の第３の実施例を
図１５〜図１７により説明する。
【００７６】図１５に、本実施例の電気出力１３５６Ｍ
Ｗｅの炉心の水平断面を示す。720体の正六角形燃料集
合体６と燃料集合体３体に挿入されるクラスター制御棒
を１つの制御棒駆動機構で作動させる２２３本の制御棒
駆動機構７が示されている。図１６に燃料集合体格子の
水平断面を示す。直径１０.１mm の燃料棒３が燃料棒間
隙１.３mm で正三角形に配置され、燃料棒列１０列の正
六角形集合体を形成している。その中で、燃料棒格子の
１２ヶ所には、クラスター制御棒が入るガイドチューブ
８が配置されている。炉心の燃料の配置，オリフィスの
状態，平衡炉心用の燃料集合体の水平断面で平均した核
分裂性Ｐｕの富化度の高さ方向の分布は、いずれも、実
施例１の図７，図８，図９と同じである。図１７に燃料
集合体内の下部の水平断面のＰｕ富化度分布を示す。実
施例１，２より減速材の分布が均質であるため、２種類
の核分裂性Ｐｕ富化度で出力ピーキングを抑えることが
できる。燃料棒１，２の核分裂性Ｐｕ富化度はそれぞれ
９.０ｗｔ％，１０.１wt％である。燃料集合体内の上部
の水平断面のＰｕ富化度分布は下部と同じで、燃料棒
１，２の核分裂性Ｐｕ富化度はそれぞれ１１.０ｗｔ
％，１２.１ｗｔ％である。
【００７７】本実施例は、制御棒が燃料集合体内に挿入
されるため、実施例１に比べ、燃料棒本数は２本減少す
るが、より大きな反応度制御効果が得られ、吸収材とし
て天然ボロンを用いても必要反応度が制御できる。本実
施例においても、稠密の六角形燃料集合体，クラスター
型制御棒と炉心平均ボイド率６１％の組合せにより、水
対燃料の実効体積比０.２７ が達成される。その結果、
炉心特性は、実施例１と同等であり、同等の効果が得ら
れる。
【００７８】また、本実施例においても、劣化ウランの
かわりに、天然ウランや、使用済み燃料から回収される
減損ウラン、低濃縮ウランにＰｕを富化した燃料でも同
等以上の効果が得られる。さらに、Ｐｕとともにその他
のアクチノイド核種を富化することもできる。
【００７９】さらに、本実施例では、炉心の下端から８
／１２のところで核分裂性Ｐｕの富化度が上下２領域に
なっているが、これに限定されるものではない。実施例
１の変形である図２８あるいは図３０にすれば、実施例
１の場合と同様の効果が得られる。
【００８０】（第４の実施例）本発明の第４の実施例を
図１２〜図１４により説明する。本実施例は、実施例１
の構成をベースに炉心性能を高度化したものであるが、
実施例２あるいは３の構成をベースとしても同等の炉心
が実現できる。
【００８１】本実施例は、電気出力１３５６ＭＷｅで、
燃料の高燃焼度化を特徴とする炉心の場合である。本実
施例の炉心水平断面，燃料集合体格子の断面，オリフィ
ス分布は、実施例１の図１，図６，図８と同じである。
図１２に平衡炉心の燃料配置を示す。燃料集合体に記さ
れた番号は炉心に滞在している期間をサイクル数で示し
ている。中性子インポータンスが低い炉心最外周には、
炉内滞在期間が最も長い３サイクル目燃料が装荷されて
いる。その内側である炉心外側領域には、中性子無限増
倍率が最も高い、炉内滞在期間１サイクル目燃料を装荷
し、炉心径方向の出力分布平坦化を図っている。炉心内
側領域には、炉内滞在期間２および３サイクル目燃料が
分散装荷されており、内側領域の出力分布平坦化を図っ
ている。本実施例では、軸方向中央部にブランケット部
を有することで、実施例１に比べ、燃焼反応度が小さく
なったため、３サイクル目燃料が炉心中央領域で多くな
っている。図１３に平衡炉心用燃料集合体の水平断面で
平均した核分裂性Ｐｕ富化度の高さ方向分布を示す。な
お、Ｐｕが富化されるウランは劣化ウランである。炉心
高さは７７cmで、炉心の下端から、２３cm，５２cmのと
ころで、１，２，３の３領域に分割され、それぞれの核
分裂性Ｐｕ富化度は、１７ｗｔ％，０ｗｔ％，１７ｗｔ
％，平均で１０.６ｗｔ％ である。又、炉心部の上下部
にそれぞれ２５cm，２０cmの劣化ウランのブランケット
が付設されている。図１４に炉心平均の高さ方向の出力
分布とボイド率分布を示す。炉心平均ボイド率は６０
％、炉心出口の蒸気重量率は２９％である。
【００８２】次に、本実施例の作用を説明する。
【００８３】燃料集合体構成は実施例１と同じであり、
燃料集合体は燃料棒間隙１.３mm の正三角形格子の稠密
六角形燃料集合体で、炉心平均ボイド率６０％，Ｙ字型
制御棒の組合せにより、水対燃料の実効体積比０.２７
が達成され、炉内増殖比0.87,ブランケット増殖比０.１
４，合計１.０１の増殖比が実現した。
【００８４】本実施例では、燃料集合体の高さ方向につ
いて、核分裂性Ｐｕの富化度が１７ｗｔ％の部分が上下
にあり、その間の中央領域は核分裂性Ｐｕを含まない劣
化ウランとなっている。出力が上昇した時や、炉心冷却
材流量が低下した時に、炉心内の蒸気ボイド率が上昇す
るが、その際、炉心上部の出力分布は、中央の核分裂性
Ｐｕを含まない領域にスウィングする。これにより、実
施例１より大きな炉心の反応度低下効果が得られる。そ
の結果、実施例１よりさらに燃料を高燃焼度化しても、
ボイド係数は、実施例１と同じ−０.５×１０-4ｋ／ｋ
／％void とすることができた。
【００８５】本実施例では、現在建設中のＡＢＷＲとほ
ぼ同じ大きさの圧力容器で、同じ出力を出し、７０ＧＷ
ｄ／ｔが達成される。
【００８６】実施例１に比べ、炉心部が７７cmと若干長
くなったが、Ｐｕインベントリーは、１００万ｋＷｅ出
力あたりの核分裂性Ｐｕ量に換算して６.２ トンと少な
く、再処理等のＰｕの炉外滞在期間を考慮しても、１０
０万ｋＷｅあたり１０トン以下となり、実施例１と同様
な効果が得られる。
【００８７】また、本実施例においても、劣化ウランの
かわりに、天然ウランや、使用済み燃料から回収される
減損ウラン、低濃縮ウランにＰｕを富化した燃料でも同
等以上の効果が得られる。さらに、Ｐｕとともにその他
のアクチノイド核種を富化することもできる。さらに、
本実施例では、燃料集合体の高さ方向について、核分裂
性のＰｕ富化度が等しい部分が上下にあり、その間に核
分裂性Ｐｕを含まない劣化ウランの構成となっている。
しかしながら、上下の核分裂性Ｐｕの富化度は、必ずし
も等しくする必要はない。また、本実施例では、劣化ウ
ランの領域が炉心部中央よりやや上部に配置されている
が、これに限定されるものではない。上下の核分裂性Ｐ
ｕの富化度，劣化ウラン領域の位置を組み合わせること
で、軸方向出力ピーキングを同等にすることは可能であ
る。
【００８８】（第５の実施例）本発明の第５の実施例を
図２１〜図２２により説明する。本実施例では、実施例
１の構成をベースに炉心性能を高度化したものである
が、実施例２あるいは３の構成をベースとしても同等の
炉心が実現できる。
【００８９】本実施例は、電気出力１３５６ＭＷｅで、
最小限界出力比、最大線出力密度に余裕を持たせたこと
を特徴とした炉心の場合である。本実施例の炉心の水平
断面からみた構成は、実施例１と同じである。図２１に
第５の実施例用燃料集合体の水平断面で平均した核分裂
性Ｐｕ富化度の高さ方向分布を示す。なお、Ｐｕが富化
されるウランは劣化ウランである。炉心高さは９１cm
で、炉心の下端から、３３cm，５３cmのところで、１，
２，３の３領域に分割され、それぞれの核分裂性Ｐｕ富
化度は、１１.７ｗｔ％，０ｗｔ％，１１.７ｗｔ％,平
均で９.１ｗｔ％である。又、炉心部の上下端部にそれ
ぞれ２５cm，２０cmの劣化ウランのブランケットが付設
されている。図２２に炉心平均の高さ方向の出力分布と
ボイド率分布を示す。炉心平均ボイド率は５７％、炉心
出口の蒸気重量率は２６％である。燃料集合体構成は実
施例１と同じであり、燃料集合体は燃料棒間隙１.３mm
の正三角形格子の稠密六角形燃料集合体で、炉心平均ボ
イド率５７％，Ｙ字型制御棒の組合せにより、水対燃料
の実効体積比０.２８ が達成され、炉内増殖比0.93，ブ
ランケット増殖比０.０８，合計１.０１ の増殖比が実
現した。
【００９０】本実施例では、燃料集合体の高さ方向につ
いて、核分裂性Ｐｕの富化度が11.7ｗｔ％の部分が上下
にあり、その間の中央領域は核分裂性Ｐｕを含まない劣
化ウランとなっている。出力が上昇した時や、炉心冷却
材流量が低下した時に、炉心内の蒸気ボイド率が上昇す
るが、その際、炉心上部の出力分布は、中央の核分裂性
Ｐｕを含まない領域にスウィングする。これにより、実
施例１より大きな炉心の反応度低下効果が得られる。そ
の結果、実施例１より炉心高さを高くしても、ボイド係
数は、実施例１と同じ−０.５×１０-4ｋ／ｋ／％void
とすることができた。また、炉心中央の核分裂性Ｐｕを
含まない領域へ、核分裂性Ｐｕを含む上下の領域から中
性子が流入することにより、増殖比を増大することがで
きる。したがって、炉心流量を増加し、炉心平均のボイ
ド率を実施例１より低くしても、同等以上の増倍比が得
られる。また、炉心流量を増加したことにより、ＭＣＰ
Ｒは１.４５ となり、実施例１に比べ、熱的余裕を増大
した炉心を実現できる。
【００９１】また、本実施例においても、劣化ウランの
かわりに、天然ウランや、使用済み燃料から回収される
減損ウラン、低濃縮ウランにＰｕを富化した燃料でも同
等以上の効果が得られるし、Ｐｕとともにその他のアク
チノイド核種を富化することもできる。さらに、本実施
例においても、上下の核分裂性Ｐｕの富化度は、必ずし
も等しくする必要はなく、炉心部中央領域の劣化ウラン
位置も、これに限定されるものではない。
【００９２】実施例１に比べ、炉心部が９１cmと若干長
くなったが、Ｐｕインベントリーは、１００万ｋＷｅ出
力あたりの核分裂性Ｐｕ量に換算して６.３ トンと少な
く、再処理等のＰｕの炉外滞在期間を考慮しても、１０
０万ｋＷｅあたり１０トン以下となり、実施例１と同様
な効果が得られる。
【００９３】（第６の実施例）本発明の第６の実施例を
図２３〜図２４により説明する。本実施例では、実施例
１の構成をベースに、炉心性能を高度化したものである
が、実施例２または３をベースにしても同様の炉心が実
現できる。
【００９４】本実施例は、電気出力１３５６ＭＷｅで、
Ｐｕインベントリーを増大し、Ｐｕ貯蔵炉としての特徴
を有する炉心の場合である。本実施例の炉心の水平断面
からみた構成は、実施例１と同じである。図２３に第６
の実施例用燃料集合体の水平断面で平均した核分裂性Ｐ
ｕ富化度の高さ方向分布を示す。なお、Ｐｕが富化され
るウランは劣化ウランである。炉心高さは１２６cmで、
炉心の下端から、４２cm，８２cmのところで、１，２，
３の３領域に分割され、それぞれの核分裂性Ｐｕ富化度
は、１１.７ｗｔ％，０ｗｔ％，１１.７ｗｔ％，平均で
８.０ｗｔ％である。又、炉心部の上下端部にそれぞれ
２５cm，２０cmの劣化ウランのブランケットが付設され
ている。図２４に炉心平均の高さ方向の出力分布とボイ
ド率分布を示す。炉心平均ボイド率は６０％、炉心出口
の蒸気重量率は３１％である。燃料集合体構成は実施例
１と同じであり、燃料集合体は燃料棒間隙１.３mm の正
三角形格子の稠密六角形燃料集合体で、炉心平均ボイド
率６０％，Ｙ字型制御棒の組合せにより、水対燃料の実
効体積比０.２７ が達成され、炉内増殖比0.95，ブラン
ケット増殖比０.０７，合計１.０２ の増殖比が実現し
た。
【００９５】本実施例では、燃料集合体の高さ方向につ
いて、核分裂性Ｐｕの富化度が11.7ｗｔ％の部分が上下
にあり、その間の中央領域は核分裂性Ｐｕを含まない劣
化ウランであり、実施例４，５に比べ、炉心中央部の劣
化ウラン領域が４０cmと増加しており、ボイド係数の低
減効果、増殖比の増大効果を大きくすることができた。
これにより、核分裂性Ｐｕを含む領域を増大することが
でき、Ｐｕインベントリーを１０.３ トンとすることが
できる。
【００９６】また、Ｐｕインベントリーは若干減少する
が、本実施例においても、劣化ウランのかわりに、天然
ウランや、使用済み燃料から回収される減損ウラン，低
濃縮ウランにＰｕを富化した燃料を使用することができ
る。さらに、Ｐｕとともにその他のアクチノイド核種を
富化することもできる。
【００９７】さらに、本実施例では、燃料集合体の高さ
方向について、核分裂性のＰｕ富化度が等しい部分が上
下にあり、その間に核分裂性Ｐｕを含まない劣化ウラン
の構成となっている。しかしながら、上下の核分裂性Ｐ
ｕの富化度は、必ずしも等しくする必要はない。また、
本実施例では、劣化ウランの領域が炉心部中央よりやや
上部に配置されているが、これに限定されるものではな
い。
【００９８】（第７の実施例）本発明の第７の実施例を
図２５〜図２６により説明する。本実施例では、実施例
１の構成をベースに、炉心性能を高度化したものである
が、実施例２または３をベースにしても同様の炉心が実
現できる。
【００９９】本実施例は、電気出力１３５６ＭＷｅで、
負のボイド係数が大きいことを特徴とする炉心の場合で
ある。本実施例の炉心の水平断面からみた構成は、実施
例１と同じである。図２５に第７の実施例用燃料集合体
の水平断面で平均した核分裂性Ｐｕ富化度の高さ方向分
布を示す。なお、Ｐｕが富化されるウランは劣化ウラン
である。炉心高さは６５cmで、炉心の下端から、２３c
m，３８cmのところで、１，２，３の３領域に分割さ
れ、それぞれの核分裂性Ｐｕ富化度は、１３.５ ｗｔ
％，０ｗｔ％，１３.５ｗｔ％，平均で１０.５ｗｔ％で
ある。又、炉心部の上下端部にそれぞれ２５cm，２０cm
の劣化ウランのブランケットが付設されている。図２６
に炉心平均の高さ方向の出力分布とボイド率分布を示
す。炉心平均ボイド率は６０％、炉心出口の蒸気重量率
は２９％である。
【０１００】燃料集合体構成は実施例１と同じであり、
燃料集合体は燃料棒間隙１.３mm の正三角形格子の稠密
六角形燃料集合体で、炉心平均ボイド率６０％，Ｙ字型
制御棒の組合せにより、水対燃料の実効体積比０.２７
が達成され、炉内増殖比0.90,ブランケット増殖比０.１
２，合計１.０２の増殖比が実現した。
【０１０１】本実施例では、燃料集合体の高さ方向につ
いて、核分裂性Ｐｕの富化度が13.5ｗｔ％の部分が上下
にあり、その間の中央領域は核分裂性Ｐｕを含まない劣
化ウランであり、実施例５，６に比べ、炉心上下の核分
裂性Ｐｕの領域が減少しており、短尺によるボイド係数
の低減効果がさらに加わる。その結果、ボイド係数はー
１.８×１０-4ｋ／ｋ／％void とすることができた。こ
れにより、流量制御による出力制御や反応度制御が可能
となる。
【０１０２】また、本実施例においても、劣化ウランの
かわりに、天然ウランや、使用済み燃料から回収される
減損ウラン、低濃縮ウランにＰｕを富化した燃料を使用
することができる。さらに、Ｐｕとともにその他のアク
チノイド核種を富化することもできる。
【０１０３】さらに、本実施例では、燃料集合体の高さ
方向について、核分裂性のＰｕ富化度が等しい部分が上
下にあり、その間に核分裂性Ｐｕを含まない劣化ウラン
の構成となっている。しかしながら、上下の核分裂性Ｐ
ｕの富化度は、必ずしも等しくする必要はない。核分裂
性Ｐｕの富化度、劣化ウラン領域の位置に対する本実施
例の変形を図３１に示す。図３１においても、軸方向出
力ピーキングを本実施例と同等にすることができる。
【０１０４】また、図３２には、本実施例とは異なる燃
料集合体の水平断面で平均した核分裂性Ｐｕ富化度の高
さ方向分布例を示す。なお、Ｐｕが富化されるウラン
は、本実施例と同様、劣化ウランであり、炉心高さは６
５cm、炉心部の上下端部にそれぞれ２５cm，２０cmの劣
化ウランのブランケットが付設されている。炉心の下端
から、２０cm，３５cmのところで、１，２，３の３領域
に分割され、それぞれの核分裂性Ｐｕ富化度は、１３.
５ｗｔ％,０ｗｔ％,１３.５ｗｔ％,平均で１０.５ｗｔ
％である。核分裂性Ｐｕを含まない劣化ウランの領域が
本実施例よりさらに炉心下部に移動することにより、図
３３に示すように、軸方向出力分布は上部ピークとなる
が、ボイド増大時の出力変動が増大するため、ボイド反
応度係数をより負にする効果が得られる。
【０１０５】（第８の実施例）本実施例は、第７の実施
例において、使用済み燃料から取り出されたアクチノイ
ド核種をＰｕと同時にリサイクルされた場合である。
【０１０６】本実施例の炉心の水平断面からみた構成
は、実施例１と同じである。本実施例用燃料集合体にお
いても、水平断面で平均した核分裂性Ｐｕ富化度の高さ
方向の分布は実施例７と同じである。なお、Ｐｕが富化
されるウランは、プルトニウムと同時に使用済み燃料か
ら取り出されたウランであり、使用済み燃料から取り出
されたアクチノイド核種も同時に添加されている。核分
裂性Ｐｕ富化度は、13.5ｗｔ％，０ｗｔ％，１３.５ｗ
ｔ％、平均で１０.５ｗｔ％である。又、炉心部の上下
部にそれぞれ２５cm，２０cmの劣化ウランのブランケッ
トが付設されている。
【０１０７】燃料集合体構成は実施例１と同じであり、
燃料集合体は燃料棒間隙１.３mm の正三角形格子の稠密
六角形燃料集合体で、炉心平均ボイド率６１％，Ｙ字型
制御棒の組合せにより、水対燃料の実効体積比０.２７
が達成され、炉内増殖比0.91,ブランケット増殖比０.１
０，合計１.０１の増殖比が実現した。
【０１０８】本実施例では、燃料集合体の高さ方向につ
いて、核分裂性Ｐｕの富化度が13.5ｗｔ％の部分が上下
にあり、その間の中央領域は核分裂性Ｐｕを含まない劣
化ウランであり、実施例５，６に比べ、炉心上下の核分
裂性Ｐｕの領域が減少しており、短尺によるボイド係数
の低減効果がさらに加わる。その結果、使用済み燃料か
ら取り出されたアクチノイド核種をＰｕと同時にリサイ
クルしてもボイド係数は負にすることができる。
【０１０９】また、使用済み燃料から取り出されたアク
チノイド核種をＰｕと同時にリサイクルすることを繰り
返すことで、長寿命の放射性核種が炉内で平衡状態にな
り、一定量に達する。したがって、本実施例では、アク
チノイド核種の発生量と消滅量がバランスして、増加量
は零となり、放射性廃棄物の中で特に問題となっている
長半減期のアクチノイド核種の全発生量を大幅に低減す
るのみからず、Ｐｕを含むアクチノイド核種を原子炉，
再処理施設，燃料製造施設の中のみにとじこめることが
できる。
【０１１０】（第９の実施例）本実施例は、本発明をＰ
ＷＲに適用した場合である。
【０１１１】本実施例では、実施例３と同じクラスター
型制御棒と、現行ＰＷＲの燃料棒外径より太径の１４.
３mmを、燃料棒間隙１.０mmで正三角形の格子状に稠密
に配置した正六角形燃料集合体で炉心を構成した。図３
４に第９の実施例用燃料集合体の水平断面で平均した核
分裂性Ｐｕ富化度の高さ方向分布を示す。なお、Ｐｕが
富化されるウランは劣化ウランである。炉心高さは５０
cmで、核分裂性Ｐｕ富化度は、１０.５ｗｔ％ で一様で
ある。炉心部の上下端部にそれぞれ３０cmの劣化ウラン
のブランケットが付設されている。
【０１１２】燃料棒間隙１.０mm の正三角形格子の稠密
六角形燃料集合体で、太径燃料棒，クラスター型制御棒
の組合せにより、水対燃料体積比０.４４ が達成され
た。その結果、炉内増殖比０.９０，ブランケット増殖
比０.１１，合計１.０１ の増殖比が実現した。
【０１１３】本実施例では、燃料集合体の高さ方向につ
いて、核分裂性のＰｕ富化度が一様となっている。しか
しながら、燃料構成はこれに限定されるものではない。
核分裂性Ｐｕの軸方向富化度分布に対する本実施例の変
形を図３５及び図３６に示す。図３５においては、軸方
向出力ピーキングをより平坦にするため、炉心上下端部
の核分裂性Ｐｕ富化度が中央領域のそれより高くなって
いる。図３６においては、炉心高さは６５cmで、炉心の
下端から、２５cm，４０cmのところで、１，２，３の３
領域に分割され、それぞれの核分裂性Ｐｕ富化度は、１
３.０ｗｔ％，０ｗｔ％，１３.０ｗｔ％，平均で１０ｗ
ｔ％となっている。また、炉心部の上下端部にそれぞれ
３０cmの劣化ウランのブランケットが付設されている。
核分裂性Ｐｕを含まない劣化ウランの領域が炉心中央部
にあることで、ボイド発生時の投入反応度をより負にす
る効果が得られる。
【０１１４】本実施例では、燃料棒外径を現行ＰＷＲの
燃料棒外径より太径の１４.３mm を採用したが、現行Ｐ
ＷＲの９.５mm を使用することもできる。この場合、燃
料棒間隙１.０mm の正三角形格子の稠密六角形燃料集合
体で、クラスター型制御棒を組合せることにより、水対
燃料体積比０.５８ が達成される。水対燃料体積比の増
大により、核分裂性Ｐｕ富化度を本実施例より０.５ｗ
ｔ％ 程度高める必要があるが、増殖比１.０ を実現で
きる。
【０１１５】また、本実施例においても、劣化ウランの
かわりに、天然ウランや、使用済み燃料から回収される
減損ウラン，低濃縮ウランにＰｕを富化した燃料を使用
することができる。さらに、Ｐｕとともにその他のアク
チノイド核種を富化することもできる。
【０１１６】（第１０の実施例）本実施例は、本発明を
現行ＢＷＲと同じ正方形燃料集合体に適用した場合であ
る。
【０１１７】本実施例の燃料集合体構成を図３７に示
す。水対燃料体積比を減少するため、現行ＢＷＲの燃料
棒外径より太径の１３.８mmを、燃料棒間隙１.０mmで正
三角形の格子状に稠密に配置した。燃料集合体当りの燃
料棒本数は８５本である。チャンネルボックス１１外部
の減速材は、十字型制御棒上端部に設置されたフォロア
ー部並びに、制御棒が挿入されない反対側のギャップ水
領域はフォロアー部と同様に減速能が小さな物質からな
る水排除板により排除されている。これにより、実効的
な水対燃料体積比０.５３ が達成され、他の実施例と同
様の炉心高さ方向の燃料構成により、増殖比１.０ が実
現できる。燃料集合体内の燃料棒出力ピーキングを平坦
にするため、本実施例では、チャンネルボックスに面し
た燃料棒の核分裂性Ｐｕの富化度を他の領域の燃料棒の
それより低くしている。
【０１１８】また、本実施例においても、劣化ウランの
かわりに、天然ウランや、使用済み燃料から回収される
減損ウラン，低濃縮ウランにＰｕを富化した燃料を使用
することができる。さらに、Ｐｕとともにその他のアク
チノイド核種を富化することもできる。
【０１１９】
【発明の効果】本発明によれば、劣化ウラン，天然ウラ
ン，減損ウランや低濃縮ウランにＰｕを添加した燃料
で、増殖比１.０近傍又は１.０以上を達成することで、
Ｐｕを触媒のようにして、劣化ウラン，天然ウラン，減
損ウランや低濃縮ウランを燃焼されることができ、エネ
ルギー長期安定供給に寄与出来る。
【０１２０】また、劣化ウラン，天然ウラン，減損ウラ
ンや低濃縮ウランにＰｕを添加した燃料からなる稠密六
角形燃料集合体あるいは正方形燃料集合体、４５％〜７
０％の高ボイド率冷却材、及び、クラスター型，Ｙ字型
または十字型制御棒を組合せ、実効的な水対燃料体積比
を０.１〜０.６ としたことにより、増殖比１.０近傍又
は１.０ 以上が達成でき、エネルギー長期安定供給に寄
与出来る。
【０１２１】また、現在建設中のＡＢＷＲと同程度の直
径の圧力容器で同じ出力を出し、炉心の高さを４０〜１
４０cmと短尺の燃料集合体にしたことにより、Ｐｕのイ
ンベントリーを少なく出来、限られた世界の天然ウラン
埋蔵量の下で、軽水炉の使用済燃料から発生するＰｕ
で、多くの本発明の炉が運転出来ることになり、エネル
ギー長期安定供給に寄与出来る。
【０１２２】また、現在運転中のＢＷＲと圧力容器の直
径や、出力等の運転条件，使用材料をほぼ同じにしたこ
とにより、性能が大幅に向上したにもかかわらず、発電
コストを現行のＢＷＲと同程度に抑えることが出来る。
【０１２３】また、短尺燃料集合体，上下二領域燃料集
合体，軸方向非均質燃料集合体により、炉心上下方向の
中性子漏洩の増大，出力分布の炉心上下方向のスウィン
グ等の活用により、負のボイド係数の炉心が実現出来、
燃料燃やしきり型の現行軽水炉と同程度の安全性を有す
ることができる。
【０１２４】また、稠密形燃料集合体と高ボイド率冷却
材の組合せにより、共鳴エネルギー領域の中性子の割合
が増加し、ドップラー効果が増大するとともに、負のボ
イド係数の絶対値が小さくなるので、出力上昇事象，加
圧事象，冷却材ボイド率減少事象等の安全性が向上す
る。
【０１２５】また、冷却材の炉心出口の蒸気重量率を４
０％以下におさえたため、炉内に蓄積されたコロージョ
ン生成物等の放射性物質を、沸騰による蒸溜機能を維持
することにより、炉内に閉じ込めることが出来、現在運
転中のＢＷＲと同程度のタービン側の放射性レベルを維
持出来るとともに、従来の増殖炉の概念である蒸気冷却
高速炉より、大幅な放射性レベルの低減が図れる。
【０１２６】また、六角形の燃料集合体とその中に挿入
されるクラスター型制御棒より構成される炉心により、
炉心の均質性が増加し、熱的余裕が増大する。
【０１２７】また、六角形の燃料集合体と、集合体間に
挿入されるＹ字型制御棒より構成される炉心により、炉
心下部から挿入する現行ＢＷＲの技術がそのまま活用出
来る。
【０１２８】また、正方形の燃料集合体と、集合体間に
挿入される十字型制御棒より構成される炉心により、現
行ＢＷＲの炉心システムがそのまま活用出来る。
【０１２９】また、正六角形、蝕形六角形燃料集合体あ
るいは正方形燃料集合体において、Ｙ字型または十字型
の制御棒に近接した領域から、制御棒より離れた領域に
わたる多領域、特に２〜５領域について、核分裂性Ｐｕ
富化度を変化させた２〜５種類の燃料棒で構成すること
により、燃料集合体内の出力ピーキングが低減され、熱
的余裕が増大する。
【０１３０】また、炉心の出力密度を１００〜３００ｋ
Ｗ／ｌに高めることにより、単位出力あたりのＰｕイン
ベンリー量が低減し、一定のＰｕに対して運転出来る本
発明の発電設備容量が増大し、エネルギーの長期安定供
給に寄与する。
【０１３１】また、燃料集合体の高さ方向について水平
断面の核分裂性Ｐｕの平均富化度が６ｗｔ％以上（劣化
ウランを用いた場合）の部分が４０〜１４０cmの間であ
ることにより、単位出力あたりのＰｕインベントリー量
が低減し、一定のＰｕに対して運転できる本発明の発電
設備容量が増大し、エネルギーの長期安定供給に寄与す
るとともに、蒸気発生量が増加したときの炉心高さ方向
の中性子漏洩効果が増大して、負のボイド係数を大きく
し、安全性に寄与する。
【０１３２】また、上下両端部のブランケット部を用い
た燃料集合体の上半部の核分裂性Ｐｕ富化度の平均値よ
り、下半部の平均値が低いことにより、炉心高さ方向の
出力分布が平坦化して、熱的余裕が増大するとともに、
蒸気発生量が増加した時に、炉心高さ方向の出力分布の
スウィングが働き、負のボイド反応度係数が増大して安
全性に寄与する。
【０１３３】また、燃料集合体の上下両端のブランケッ
ト部を除く高さ方向について、核分裂性Ｐｕの富化度が
６ｗ／ｏ以上の部分が上下にあり、その間の中央付近の
領域の核分裂性Ｐｕ富化度を６％以下にすることによ
り、炉の出力が上昇し、炉心内の蒸気量が増加したとき
の炉心上下方向の出力分布スウィングによる負のボイド
係数が大きくなり、安全性が向上する。さらに、炉心軸
方向中央付近の領域の中性子吸収効果により、炉心に装
荷出来るＰｕインベントリーが大きくなり、Ｐｕ貯蔵炉
としての機能が向上する。そして、炉心高さも相対的に
高くなり、燃料棒の全長も長くなるので、最大線出力密
度に対する熱的余裕も大きくなる。
【０１３４】また、Ｐｕとウランを同時にリサイクルす
ることにより、核不拡散に対する防止効果が大きくな
る。
【０１３５】また、Ｐｕ，ウランおよびアクチノイド核
種を同時にリサイクルすることにより、アクチノイド核
種の発生量と消滅量をバランスさせて増加量を零とする
とともに放射性廃棄物の中で、特に問題になっている長
半減期のアクチノイド核種を原子炉，再処理施設，燃料
製造施設の中のみに閉じ込めることが出来、環境に対す
る特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における炉心の水平断面
図。
【図２】転換比を表わすのに必要な燃料棒格子定数と実
効的な水対燃料体積比の関係を表わす特性図。
【図３】燃料棒間隙と幾何学的な水対燃料体積比の関係
を表わす特性図。
【図４】核分裂性Ｐｕ富化度と増殖比の関係を表わす特
性図。
【図５】蒸気ボイド率上昇時の出力分布変動を示す説明
図。
【図６】図１の炉心に装荷される燃料集合体の水平断面
図。
【図７】図１の実施例の平衡炉心時の燃料集合体配置
図。
【図８】図１の実施例におけるオリフィスの分布図。
【図９】図１の炉心に装荷される燃料集合体の軸方向富
化度分布図。
【図１０】図１の炉心に装荷される燃料集合体内の燃料
棒富化度分布図。
【図１１】図１の実施例における炉心の軸方向出力、及
びボイド率分布を示した特性図。
【図１２】本発明の第４の実施例における平衡炉心時の
燃料集合体配置図。
【図１３】図１２の炉心に装荷される燃料集合体の軸方
向富化度分布図。
【図１４】図１２の実施例における炉心の軸方向出力、
及びボイド率分布を示した特性図。
【図１５】本発明の第３の実施例における炉心の水平断
面図。
【図１６】図１５の炉心に装荷される燃料集合体の水平
断面図。
【図１７】図１５の炉心に装荷される燃料集合体内の燃
料棒富化度分布図。
【図１８】本発明の第２の実施例における炉心の水平断
面図。
【図１９】図１８の炉心に装荷される燃料集合体の水平
断面図。
【図２０】図１８の炉心に装荷される燃料集合体内の燃
料棒富化度分布図。
【図２１】本発明の第５の実施例の炉心に装荷される燃
料集合体の軸方向富化度分布図。
【図２２】本発明の第５の実施例における炉心の軸方向
出力、及びボイド率分布を示した特性図。
【図２３】本発明の第６の実施例の炉心に装荷される燃
料集合体の軸方向富化度分布図。
【図２４】本発明の第６の実施例における炉心の軸方向
出力、及びボイド率分布を示した特性図。
【図２５】本発明の第７の実施例の炉心に装荷される燃
料集合体の軸方向富化度分布図。
【図２６】本発明の第７の実施例における炉心の軸方向
出力、及びボイド率分布を示した特性図。
【図２７】炉心平均のボイド率と炉心出口における上記
重量率の関係を示した特性図。
【図２８】図１の炉心に装荷される燃料集合体の軸方向
富化度分布の変形例。
【図２９】図２８を装荷した炉心の軸方向出力、及びボ
イド率分布を示した特性図。
【図３０】図１の炉心に装荷される燃料集合体の軸方向
富化度分布の変形例。
【図３１】第７の実施例の炉心に装荷される燃料集合体
の軸方向富化度分布の変形例。
【図３２】第７の実施例の炉心に装荷される燃料集合体
の軸方向富化度分布の変形例。
【図３３】図３２を装荷した炉心の軸方向出力、及びボ
イド率分布を示した特性図。
【図３４】第９の実施例の炉心に装荷される燃料集合体
の軸方向富化度分布図。
【図３５】第９の実施例の炉心に装荷される燃料集合体
の軸方向富化度分布の変形例。
【図３６】第９の実施例の炉心に装荷される燃料集合体
の軸方向富化度分布の変形例。
【図３７】本発明の第１０の実施例における燃料集合体
の水平断面図。
【符号の説明】
１，６，９…燃料集合体、２，１０…Ｙ字型制御棒、３
…燃料棒、４，１１…チャンネルボックス、５…Ｙ字型
制御棒の１翼、７…制御棒駆動機構、８…ガイドチュー
ブ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ２１Ｃ 7/10 Ｋ Ｚ (72)発明者 森脇 正直 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 エネルギー研究 所内 (56)参考文献 特開 昭63−175797（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−262993（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−85490（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−85197（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21C 5/20 G21C 3/328 G21C 7/10 G21C 7/113 G21C 7/117

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】劣化ウランに、プルトニウムまたはプルト
    ニウムとアクチノイド核種を富化した燃料を有する軽水
    炉炉心において、 上下両端部のブランケット部を除く炉心高さ方向につい
    て、燃料集合体水平断面の核分裂性プルトニウム平均富
    化度が６ｗｔ％以上の部分が上下にあり、それらの間の
    領域の核分裂性プルトニウム平均富化度を６ｗｔ％以下
    とし、前記核分裂性プルトニウム平均富化度が６ｗｔ％
    以上の部分の高さの合計を４０cmから１４０cmの間にす
    ることによりボイド係数を負にし、炉心外周部および上下端部のブランケット部分を除いた
    炉心部高さ方向について、核分裂性プルトニウム富化度
    が６ｗｔ％以下の前記領域を挟む前記上下領域における
    平均核分裂性プルトニウム富化度が６〜２０ｗｔ％であ
    り、 定格出力の５０％以上で運転されている時の炉心平均の
    ボイド率を４５〜７０％とすることにより増殖比を１.
    ０近傍又は１.０以上にしたことを特徴とする軽水炉炉
    心。
  2. 【請求項２】天然ウラン，減損ウラン，低濃縮ウランの
    少なくとも１つを含むウランに、プルトニウムまたはプ
    ルトニウムとアクチノイド核種を富化した燃料を有する
    軽水炉炉心において、 上下両端部のブランケット部を除く炉心高さ方向につい
    て、燃料集合体水平断面の核分裂性プルトニウム平均富
    化度が６ｗｔ％以上の部分が上下にあり、それらの間の
    領域の核分裂性プルトニウム平均富化度を６ｗｔ％以下
    とし、前記核分裂性プルトニウム平均富化度が６ｗｔ％
    以上の部分の高さの合計を４０cmから１４０cmの間にす
    ることによりボイド係数を負にし、炉心外周部および上下端部のブランケット部分を除いた
    炉心部高さ方向について、核分裂性プルトニウム富化度
    が６ｗｔ％以下の前記領域を挟む前記上下領域における
    平均核分裂性プルトニウム富化度が６〜２０ｗｔ％であ
    り、 定格出力の５０％以上で運転されている時の炉心平均の
    ボイド率を４５〜７０％とすることにより増殖比を１.
    ０近傍又は１.０以上にしたことを特徴とする軽水炉炉
    心。
  3. 【請求項３】請求項１又は２において、増殖比が１.０
    から１.１５の範囲であることを特徴とする軽水炉炉
    心。
  4. 【請求項４】請求項１乃至３の何れかにおいて、燃料棒
    が正三角形の格子状に稠密配列された六角形燃料集合体
    と、その中に挿入されるクラスター型制御棒より構成さ
    れることを特徴とする軽水炉炉心。
  5. 【請求項５】請求項１乃至３の何れかにおいて、燃料棒
    が正三角形の格子状に稠密配列された六角形燃料集合体
    と、その間に挿入され翼の間隔がそれぞれ１２０度であ
    る３枚の翼を持つＹ字型制御棒より構成されることを特
    徴とする軽水炉炉心。
  6. 【請求項６】請求項５において、六角形燃料集合体一体
    に隣接するＹ字型制御棒の翼がそれぞれ２枚以下であ
    り、燃料集合体間に翼が挿入されない燃料集合体間の間
    隙が、翼が挿入される燃料集合体間の間隙より狭いこと
    を特徴とする軽水炉炉心。
  7. 【請求項７】請求項１乃至３の何れかにおいて、燃料棒
    が正三角形の格子状に稠密配列された正方形燃料集合体
    と、その間に挿入される翼の間隔がそれぞれ９０度であ
    る４枚の翼を持つ十字型制御棒より構成されることを特
    徴とする軽水炉炉心。
  8. 【請求項８】請求項４乃至７の何れかにおいて、前記制
    御棒の先端部に軽水より減速能が小さな物質から構成さ
    れたフォロアー部を有することを特徴とする軽水炉炉
    心。
  9. 【請求項９】請求項５乃至７の何れかにおいて、前記燃
    料集合体内で前記制御棒に隣接する位置には、前記燃料
    集合体内における核分裂性プルトニウム富化度が最低の
    燃料棒が少なくとも配置されていることを特徴とする軽
    水炉炉心。
  10. 【請求項１０】請求項１乃至９の何れかにおいて、炉心
    外周部および上下端部のブランケット部を除く炉心部の
    平均出力密度が１００〜３００ｋＷ／ｌであることを特
    徴とする軽水炉炉心。
  11. 【請求項１１】請求項１乃至１０の何れかにおいて、定
    格出力の５０％以上で運転されている時の冷却材の炉心
    出口蒸気重量率が２０ｗｔ％〜４０ｗｔ％であることを
    特徴とする軽水炉炉心。
  12. 【請求項１２】請求項１乃至１１の何れかにおいて、炉
    心の最外周を除く領域を半径方向に等面積に二分割し、
    炉心外側領域に装荷された燃料集合体の炉心滞在サイク
    ル数の平均値が、炉心内側領域のそれより小さくなるよ
    うに燃料集合体を装荷することを特徴とする軽水炉炉
    心。
  13. 【請求項１３】請求項１乃至１２の何れかにおいて、炉
    心の最外周及びそれに隣接する燃料集合体のオリフィス
    圧損係数の平均値が、それ以外の燃料集合体のオリフィ
    ス圧損係数の平均値より大きくなるように設定すること
    を特徴とする軽水炉炉心。
  14. 【請求項１４】劣化ウランに、プルトニウムまたはプル
    トニウムとアクチノイド核種を富化した燃料を有する燃
    料集合体において、 上下両端部のブランケット部を除く燃料集合体高さ方向
    について、燃料集合体水平断面の核分裂性プルトニウム
    平均富化度が６ｗｔ％以上の部分が上下にあり、それら
    の間の領域の核分裂性プルトニウム平均富化度を６ｗｔ
    ％以下とし、前記上下領域における平均核分裂性プルト
    ニウム富化度が６〜２０ｗｔ％であり、前記核分裂性プ
    ルトニウム平均富化度が６ｗｔ％以上の部分の高さの合
    計が４０cmから１４０cmの間にあり、 実効的な水対燃料体積比を０.１ から０.６ の間とする
    ことにより増殖比を１.０近傍又は１.０以上にしたこと
    を特徴とする燃料集合体。
  15. 【請求項１５】天然ウラン，減損ウラン，低濃縮ウラン
    の少なくとも１つを含むウランに、プルトニウムまたは
    プルトニウムとアクチノイド核種を富化した燃料を有す
    る燃料集合体において、 上下両端部のブランケット部を除く燃料集合体高さ方向
    について、燃料集合体水平断面の核分裂性プルトニウム
    平均富化度が６ｗｔ％以上の部分が上下にあり、それら
    の間の領域の核分裂性プルトニウム平均富化度を６ｗｔ
    ％以下とし、前記上下領域における平均核分裂性プルト
    ニウム富化度が６〜２０ｗｔ％であり、前記核分裂性プ
    ルトニウム平均富化度が６ｗｔ％以上の部分の高さの合
    計が４０cmから１４０cmの間にあり、 実効的な水対燃料体積比を０.１ から０.６ の間とする
    ことにより増殖比を１.０近傍又は１.０以上にしたこと
    を特徴とする燃料集合体。
  16. 【請求項１６】請求項１４又は１５において、前記燃料
    集合体は燃料棒が正三角形の格子状に稠密配列された六
    角形燃料集合体又は正方形燃料集合体で、燃料棒の間隙
    が0.7〜２.０mmであることを特徴とする燃料集合体。
  17. 【請求項１７】請求項１４乃至１６の何れかにおいて、
    前記燃料集合体は燃料棒が正三角形の格子状に配列され
    た六角形燃料集合体で、向いあう最外層燃料棒列に平行
    な三組の燃料棒列のうち、二組の燃料棒列の数が等し
    く、残りの一組の燃料棒列の数より１列多いことを特徴
    とする燃料集合体。
  18. 【請求項１８】請求項１５乃至１７において、上下両端
    部のブランケット部を除いた燃料集合体高さ方向につい
    て、前記上下領域の核分裂性プルトニウム富化度が異な
    ることを特徴とする燃料集合体。
  19. 【請求項１９】請求項１８において、前記上下領域のう
    ち、前記下領域の核分裂性プルトニウム富化度平均値が
    前記上領域のその富化度平均値よりも低いことを特徴と
    する燃料集合体。
  20. 【請求項２０】燃料棒が正三角形の格子状に配列された
    六角形の燃料集合体において、向いあう最外層燃料棒列
    に平行な三組の燃料棒列のうち、二組の燃料棒列の数が
    等しく、残りの一組の燃料棒列の数より１列多いことを
    特徴とする燃料集合体。
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