JP3482560B2 - 加圧水型原子炉の燃料運用方法及び加圧水型原子炉炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加圧水型原子炉用燃
料の運用方法及び加圧水型原子炉炉心に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の加圧水型原子炉（以下、「ＰＷ
Ｒ」と記す）用燃料の運用法について、以下に述べる。

【０００３】１）燃料運用について、 燃料運用とは、ＰＷＲの使用燃料の選定およびその装荷
パターンを決定することであり、ａ．先３サイクル程度
を対象とした詳細検討、ｂ．先１０サイクル程度を対象
とした簡略検討がある。

【０００４】使用燃料の選定とは、ＰＷＲの前サイクル
終了時に新サイクル（当該サイクル）の構成燃料を決定
することであり、除却（取り出し）燃料、継続使用燃
料、一時保管燃料、新燃料などの体数を決定することで
ある。また、装荷パターンとは、選択した燃料の炉内配
置のことである。

【０００５】装荷パターンによってその炉心の安全性、
経済性は決定される。炉心内には１２０〜２００体程度
の燃料が装荷される。具体的には、２ループ炉心では１
２１体、３ループ炉心では１５７体、４ループ炉心では
１９３体の燃料が装荷される。従って、装荷位置の組み
合わせは天文学的数値になり、優れたパターンを作成す
るには、高度の知識・熟練と検討時間を要する。

【０００６】２）従来の検討法 従来の使用燃料の選択法と装荷パターン検討手順を以下
に述べる。 2-1）新燃料体数の決定 ＰＷＲでは炉心の１／４対称性保持のため、新燃料は通
常４体単位で増減させる。新燃料４体で、炉心の大きさ
や取り出し燃料によっても異なるが、概ね６０〜８０ｐ
ｐｍ臨界ボロン濃度（ＰＷＲでは１次冷却材中にホウ素
１０（^１０Ｂ）を混入しているが、炉心が臨界となるボ
ロン濃度のこと。サイクル初期は高い。）が変動する。
炉心のサイクル長（運転期間）は予め発電計画にて決め
られているため、そのサイクル長（運転期間）を満足す
るように、即ち、サイクル末期まで原子炉を全出力にて
運転できるだけの炉心反応度を得られるように、新燃料
体数を決定する。

【０００７】過去の炉心のサイクル長と新燃料体数よ
り、内外挿的に所要サイクル長を満足するように新燃料
体数を決める。基本的にはそのようにして予め決められ
た長期燃料取替計画に準じている。これは、 ・中性子経済向上のため、必要以上に炉心の低漏洩化度
を強くすると取出し燃焼度が悪化する場合が多く、経済
性は必ずしも向上しない ・今サイクル新燃料を４体減らせても次サイクル４体増
えるので無意味との考えから、必要以上に強い低漏洩化
度を採用して、新燃料体数を減らしたりすることはあま
りなかった。

【０００８】2-2）取り出し燃料の決定 新燃料体数が決まれば、前サイクル装荷燃料の内、設計
燃焼度（保証燃焼度）を満足した燃料および設計燃焼度
への余裕が少ないものから順に新燃料体数と同数の燃料
を取り出す。

【０００９】2-3）最外周燃料配置の決定 通常、新燃料は炉内の出力分布を平坦化させるため、炉
心最外周に装荷する。一方、炉心の中性子漏洩量を減少
させ、炉心の中性子経済を向上させるために既燃焼燃料
を炉心最外周に装荷する考え方がある。これを低漏洩型
炉心（ＬＬＬＰ）といい、最外周に配置される燃料の燃
焼度と体数により、低漏洩の効果は変化し、一般に最外
周に配置される既燃焼燃料の燃焼度が高いほど、また既
燃焼燃料の体数が多いほど、低漏洩の効果は増大する。
しかしながら、その低漏洩化度の強さに応じて炉心の平
坦化は損なわれ、出力ピーキングなどの炉心特性は悪化
する。

【００１０】このため、従来は炉心の安全性確保のた
め、こうした低漏洩化の見地からは、取り分け低漏洩化
を強める方向では、最外周配置を検討することはなく、
最外周配置によって炉心の反応度が変化するので、専ら
サイクル末期のボロン濃度が高すぎたり低すぎたりしな
いよう（即ち、炉心反応度に過不足がないよう）最外周
燃料の燃焼度と体数を調整するのみだった。

【００１１】2-4）新燃料配置の決定 最外周燃料の既燃焼燃料の体数が決まれば、それ以外の
最外周位置に可燃性毒物無しの新燃料を装荷する。新燃
料体数は既に決まっているので、最外周に配置できない
新燃料は炉心内部に装荷されるが、新燃料をそのまま炉
心内部に装荷すると出力ピーキング係数が制限値を逸脱
するため、可燃性毒物とともに装荷する。以前はクラス
タ状のＢＰＲを燃料に挿入していたが、近年は燃料ペレ
ット中に直接可燃性毒物を混入するガドリニア入り燃料
が主流である。このガドリニア入り燃料はガドリニアが
燃え尽きるサイクル中期に出力が大きくなるため、出力
ピーキング係数が高くなりすぎないよう工夫して配置す
る。

【００１２】2-5）既燃焼燃料配置の決定 新燃料配置と最外周燃料とが決まれば、その他の使用燃
料、即ち、継続使用燃料（この時、まれに一過的に再使
用燃料〔過去のサイクルでの一時保管燃料〕）の配置を
検討する。配置の検討にあたっては、出力ピーキング係
数や最高燃焼度、原子炉停止余裕など１１の安全性確認
項目全てを満足するように試行錯誤を繰り返す。

【００１３】2-6）経済性評価法 また、経済性の比較についても、従来は取り出し平均燃
焼度の比較あるいは次サイクルへの引継燃料の平均燃焼
度の比較のみであり、取り出し平均燃焼度或いは引継燃
料の平均燃焼度が同一である２つの炉心の経済性の優劣
については定量的には評価できなかった。なお、取り出
し平均燃焼度と引継燃料平均燃焼度は着目点は異なるが
相補的な関係にあり、「取り出し平均燃焼度が高い」と
いうことと「引継燃料平均燃焼度が低い」ということは
全く等価で経済性が良好ということである。

【００１４】実際は取り出し平均燃焼度（引継燃料平均
燃焼度）が同一でも、引継燃料の燃焼度分布が異なれば
先のサイクルの経済性は大きく変わるため、先のサイク
ルヘの影響を考慮して経済性を比較する必要がある。従
来はこの様な先のサイクルヘの影響を考慮するための指
標はなく、真に経済的な装荷パターンの比較はできなか
った。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、ＰＷＲ
の使用燃料の選定及びその装荷方法に関し、原子炉燃料
を有効に利用し、原子燃料サイクルコストの低減を図る
ことを目的として鋭意努力した結果、本発明をなすに至
った。

【００１６】即ち、ＰＷＲの燃料運用において、使用燃
料の選定およびその装荷パターンの組み合わせば単純計
算すると膨大な数になるが、本発明を採用することによ
り、その膨大な組み合わせの中から経済的に最適若しく
は最適なものとほぼ同等の解を得ることができる。ま
た、従来は装荷パターンの経済性を比較する明確な指標
がなかったが、本発明ではこれについても新たに有効な
方法を提示する。

【００１７】本発明は、ＰＷＲの燃料運用時に最適な検
討方針を解析者に与え、新たな経済性評価指標を用い
て、常に経済的に最適な解を得ることのできるＰＷＲの
燃料運用方法及びＰＷＲ炉心を得ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明に係るＰＷＲの燃料運用方法は、ＰＷＲの使用燃料の
選定及びその装荷パターンを決定する燃料運用方法にお
いて、炉心の中性子低漏洩化のために、下記に示す低漏
洩化指標について予め定められた範囲内で可能な限り強
い低漏洩化度の指標値を選定する低漏洩化度決定工程
と、 〔低漏洩化指標〕＝Σ〔最外周のｎ回燃焼燃料の炉外に
面している面の総数〕×ｎ 前記低漏洩化度決定工程で決定された低漏洩化度で、必
要な運転期間を満足する最小の新燃料体数を決定する最
小新燃料体数決定工程と、前記新燃料体数が決定され炉
心に余剰反応度が発生する場合に、余剰反応度を零とす
るように先サイクルから引き継ぐ継続使用燃料の一部を
一時保管燃料として選定し、代わりに、先サイクル終了
時で取り出す予定であった燃料又は過去のサイクルで取
り出されていた一時保管燃料から選ばれた燃料に入れ替
える一時保管燃料選定工程と、前記最小新燃料体数決定
工程で決定された新燃料と、前記一時保管燃料の代替と
して入れ替えた燃料とを低漏洩化指標が前記予め定めら
れた範囲内となるよう炉心に装荷しつつ、炉心の安全性
を満足するよう装荷パターンを１つ以上決定する装荷パ
ターン決定工程と、前記装荷パターン決定工程で決定さ
れた装荷パターンによる経済性を評価する際に、各サイ
クル末期における引継使用燃料の燃焼度を次サイクルに
引き継ぐ経時サイクルについて経済性が最も高い装荷パ
ターンを選択する経済性評価工程とを備えたものであ
る。

【００１９】請求項２に記載された発明に係るＰＷＲの
燃料運用方法は、請求項１に記載の低漏洩化度決定工程
において、前記低漏洩化指標値を、４０〜６８の範囲内
で選定するものである。

【００２０】請求項３に記載された発明に係るＰＷＲの
燃料運用方法は、請求項１又は２に記載の一時保管燃料
の選定は、次サイクル及び次々サイクルにおいても装荷
が予定された燃料の燃焼度の若い燃料を選択するもので
ある。

【００２１】請求項４に記載された発明に係るＰＷＲの
燃料運用方法は、請求項１〜３の何れかに記載の装荷パ
ターン決定工程で、炉心の安全性について満足が得られ
ない場合に、前記低漏洩化度決定工程で選定する低漏洩
化指標値を１ランク下げて前記装荷パターン決定工程を
繰り返すものである。

【００２２】請求項５に記載された発明に係るＰＷＲの
燃料運用方法は、請求項１〜４の何れかに記載の経済性
評価工程で、１点炉モデルによりサイクル長の増減量を
燃料サイクルコストに換算して、個々の炉心の経済性を
比較するものである。

【００２３】請求項６に記載された発明に係るＰＷＲ炉
心は、請求項１〜５の何れかに記載されたＰＷＲの燃料
運用方法によって選定された使用燃料及び決定された装
荷パターンで装荷されたものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明においては、炉心の中性子
低漏洩化のために、下記に示す低漏洩化指標について予
め定められた範囲内で可能な限り強い低漏洩化度の指標
値を選定する低漏洩化度決定工程と、 〔低漏洩化指標〕＝Σ〔最外周のｎ回燃焼燃料の炉外に
面している面の総数〕×ｎ 前記低漏洩化度決定工程で決定された低漏洩化度で、必
要な運転期間を満足する最小の新燃料体数を決定する最
小新燃料体数決定工程と、前記新燃料体数が決定され炉
心に余剰反応度が発生する場合に、余剰反応度を零とす
るように先サイクルから引き継ぐ継続使用燃料の一部を
一時保管燃料として選定し、代わりに、先サイクル終了
時で取り出す予定であった燃料又は過去のサイクルで取
り出されていた一時保管燃料から選ばれた燃料に入れ替
える一時保管燃料選定工程と、前記最小新燃料体数決定
工程で決定された新燃料と、前記一時保管燃料の代替と
して入れ替えた燃料とを低漏洩化指標が前記予め定めら
れた範囲内となるよう炉心に装荷しつつ、炉心の安全性
を満足するよう装荷パターンを１つ以上決定する装荷パ
ターン決定工程と、前記装荷パターン決定工程で決定さ
れた装荷パターンによる経済性を評価する際に、各サイ
クル末期における引継使用燃料の燃焼度を次サイクルに
引き継ぐ経時サイクルについて経済性が最も高い装荷パ
ターンを選択する経済性評価工程とにより、ＰＷＲの使
用燃料の選定およびその装荷パターンを決定する燃料運
用方法である。

【００２５】これにより、ＰＷＲの燃料運用時に最適な
検討方針を解析者に与え、新たな経済性評価指標を用い
て、常に経済的に最適な解を得ることのできるＰＷＲの
燃料運用方法及びＰＷＲ炉心を得ることができる。

【００２６】より具体的に本発明の燃料運用方法の構成
及び作用を説明する。 １）基本原則 本発明では、非常に広範な比較検討の結果、燃料運用の
経済性向上のための基本原則として以下の原則ａ）〜原
則ｄ）の新しい知見を得た。 ａ）新燃料はできるだけ先送りして使用した方が（即
ち、当該サイクルの次以降に使う方が）よい。換言すれ
ば、当該サイクルの新燃料体数は出来るだけ少ない方が
よい。 ｂ）引継使用燃料の燃焼度分布が経済性に大きく影響す
る。引継使用燃料の平均燃焼度が同一でも、燃焼度の低
い燃料（次サイクル、次次サイクルに使用可能燃料）の
燃焼度が低いほど経済性に優れている。燃焼度の高い燃
料（次サイクルのみ使用可能燃料）の燃焼度が低い場
合、平均燃焼度は低くても先のサイクルでの反動が大き
く、見かけほど経済性は良くない。 ｃ）炉心の余剰反応度は可能な限り小さくする。余剰反
応度が大きいほど、経済性の損失は大きい。 ｄ）炉心の低漏洩化は、炉心の安全性を満足する範囲
で、可能な限り強い方が経済的に優れている。

【００２７】これらの基本原則の内、原則ａ）について
は、従来は新燃料の総数が同一であれば経済的に差はな
いと考えられており、当該サイクルの次以降のサイクル
で使うことの効用については、必ずしも周知の事実には
なっていない。これについては、今回導入した一点炉モ
デルを用いた経済性比較評価により、定量的にその利得
を評価することが可能となった。従って、最小新燃料体
数決定工程で、必要な運転期間を満足する最小の新燃料
体数を決定する。

【００２８】原則ｂ）については従来は、全く認識され
ていない事実である。これについても、今回導入した一
点炉モデルを用いた経済性比較評価により定量的にその
利得を評価することが可能となった。従って、一時保管
燃料選定行程では、体数は少なくてもできるだけ燃焼度
の低い（反応度の高い）燃料を選定するようにする。ま
た、装荷パターン決定工程でも、装荷パターンを１つ以
上決定し、決定された装荷パターンによる経済性を経済
性評価工程において、評価する。この際に、各サイクル
末期における全ての燃料のうち、次サイクルの新燃料体
数分を差し引いた燃料について燃焼度を次サイクルに引
き継いで経時サイクルについて経済性が最も高い装荷パ
ターンを選択する。

【００２９】原則ｃ）については、概念的には周知であ
ると思われる。従って、炉心に余剰反応度が発生する場
合に、一時保管燃料選定工程で、余剰反応度を零とする
ように先サイクルから引き継ぐ継続使用燃料の一部を一
時保管燃料として選定し、代わりに、先サイクル終了時
で取り出す予定であった燃料又は過去のサイクルで取り
出されていた一時保管燃料から選ばれた燃料に入れ替え
る。

【００３０】原則ｄ）については、「低漏洩化が強い方
が中性子経済的に優れている」というのは、概念的に周
知の事実である。しかしながら、低漏洩化のために燃焼
度の高い燃料を炉心最外周に配置するとその燃料の取り
出し燃焼度は低くなるため、中性子経済は向上しても燃
料サイクルコストの低減にはならないと考えられてい
た。従って、従来は「低漏洩化が強いほど燃料サイクル
コストの低減になる」とは言えなかったが、本発明を採
用すれば、中性子経済性が向上した分、燃料サイクルコ
ストの経済性も向上させることができる。本発明では、
低漏洩化度決定工程では、低漏洩化指標の範囲内で可能
な限り低漏洩化を強くするものとする。以降の装荷パタ
ーン決定工程で炉心の安全性を満足する装荷パターンを
作成できない場合、低漏洩化度を１ランク弱めて再度検
討する。

【００３１】２）燃料運用検討方針 上記基本原則を踏まえ、経済的に最適な燃料運用の検討
法を以下に述べる。以下の燃料運用作成手順が、本発明
における新たな手法である。

【００３２】2-1）低漏洩化度の極大化 炉心の低漏洩化は、炉心の安全性を満足する範囲で、可
能な限り強くする。あまり低漏洩化度を強くしすぎると
炉内出力分布の平坦化が損なわれ、出力ピーキング係数
などの炉心パラメータが悪化する。それらの炉心の安全
性を満足する範囲で、低漏洩化度をできる限り強くす
る。具体的には、４０〜６８の範囲内で選定する。 〔低漏洩化指標〕＝Σ〔最外周のｎ回燃焼燃料の炉外に
面している面の総数〕×ｎ

【００３３】具体的な例を示すと、最外周の炉外に面し
ている面の総数としては、炉心の形状により相違する。
図１は炉外に面する面のうちＬ字コーナ、Ｉ字コーナの
定義を示す説明図である。ａ図は４ループ炉心、ｂ図は
３ループ炉心、ｃ図は２ループ炉心の代表的な１／４構
成を示す。各図において、斜線部が炉外に面している面
が１つのＩ字コーナ、交差線部が炉外に面している面が
２つのＬ字コーナである。

【００３４】例えば、最外周燃料３６体のうち、新燃
料：２０体、１回燃焼燃料：８体（Ｌ字コーナ８体）、
２回燃焼燃料：８体（Ｌ字コーナ８体）の試算１、又
は、新燃料：１６体、１回燃焼燃料：４体（Ｉ字コーナ
４体）、２回燃焼燃料：１６体（Ｌ字コーナ１６体）の
試算２の場合には、 〔低漏洩化指標〕＝20×0＋8×2＋8×2×2 ＝４８（試算１） 16×0＋4×1＋16×2×2＝６８（試算２） となる。

【００３５】低漏洩化指標が４０よりも低い場合は経済
性が低く、６８よりも高い場合は炉心を成立させること
が困難である。実際のパターン検討時には、例えば、最
も低漏洩化が強い低漏洩化度６８より検討を開始し、炉
心の安全性を満足できない場合は低漏洩化度を下げてい
く。なお、低漏洩化度が同一の場合は、最外周の低漏洩
化の為の既使用燃料の体数が多い方を優先させる。

【００３６】2-2）最小新燃料体数の決定 低漏洩化度は既に 2-1) で決まっているので、次にこの
低漏洩化度で必要な運転期間を満足する新燃料体数を決
定する。新燃料体数は必要な運転期間を満足する最小の
体数とする。炉心全体の燃料体数は炉心毎に一定である
ので、新燃料体数が決まった時点で必要な既燃焼燃料体
数も一意に決まる。

【００３７】既燃焼燃料には前サイクルから引き継ぐ継
続使用燃料と過去のサイクルの一時保管燃料である再使
用燃料とがある。これらの既燃焼燃料から燃焼度の低い
順（反応度の高い順）に必要体数選択する。この結果、
反応度が余っている場合には次ステップ 2-3) に示すよ
うに継続使用燃料を温在（一時保存）することで対応す
る。

【００３８】必要な新燃料体数を決定した際に、全ての
新燃料を炉心の最外周に配置することができない場合が
ある。最外周の燃料配置は 2-1) で既に決めているの
で、最外周に配置できない新燃料は、可燃性毒物を併用
し炉心内部に装荷する。この点は従来と同じように取り
扱う。

【００３９】2-3）一時保管燃料の選定 新燃料体数は通常４体単位で増減させるため、炉心反応
度は不連続に変化する。このため、新燃料体数の調整だ
けではサイクル末期ボロン濃度が目標値を上回り、余剰
反応度が発生する場合がある。炉心に余剰反応度が発生
した場合、余剰反応度が零になるように継続使用燃料を
入れ替える。

【００４０】余剰反応度をうち消すためにある燃料を４
体一時保管する場合、替わりに４体の燃料を炉心に装荷
する必要がある。この燃料としては、取り出し平均燃焼
度の向上と最高燃焼度制限との観点から、取り出し予定
燃料の内、最も燃焼度の低い４体の燃料が選定される。

【００４１】このようにして一時保管燃料の替わりに炉
心に装荷される燃料は、炉心内で最も燃焼度が高くなっ
ているため、通常これらが低漏洩化燃料として新たに炉
心最外周に配置され、替わりにそれまで最外周に配置さ
れていた燃料は炉内に装荷されることになる。このよう
に取り出し予定であった燃料を有効利用することによ
り、取り出し燃焼度は向上するため、かくして低漏洩化
炉心の問題点とされていた取り出し燃焼度の低下が改善
されることになる。

【００４２】交換燃料の選定の際には、新たに装荷され
る燃料と入れ替わりに炉外に出される燃料との燃焼度差
から炉心におけるボロン濃度変化を概略予測する。

【００４３】一時保管燃料の選択にあたっては、基本原
則ｂ）に則り、可能な限り燃焼度の低い燃料が含まれる
ようにする。即ち、以下の点に留意する。 ・８体よりも４体とする。（少数体の方が燃焼度を低く
できるため） ・平均的に燃焼度が若いものを選択するより、少数でも
とにかく燃焼度の低いものを数多く選択する。（例：２
０ＧＷｄ／ｔを８体するより、１０ＧＷｄ／ｔと３０Ｇ
Ｗｄ／ｔを４体ずつのほうが良い）

【００４４】2-4）装荷パターンの決定 決定した燃料構成にて、炉心の安全性を満足するよう装
荷パターンを決定する。また、従来通り、取り出し平均
燃焼度が上がるようにも考慮する。炉心安全性が満足で
きない場合には、低漏洩化度を１ランク下げて 2-2) 以
下を繰り返す。

【００４５】３）経済性の比較法（経済性評価工程） 前記２）燃料運用検討方針によって、幾つかの装荷パタ
ーンが決定される。決定された個々の装荷パターンにつ
いて経済性を評価して経済性が最も高い装荷パターンを
選択する。燃料運用の経済性を比較する際、従来は取り
出し平均燃焼度の比較あるいは引継使用燃料の平均燃焼
度の比較のみであり、これらが同一の２つの炉心の経済
性の優劣については定量的に評価できなかった。

【００４６】実際は取り出し平均燃焼度が同一でも、引
継使用燃料の燃焼度分布が異なれば先のサイクルの経済
性は大きく変わるため、先サイクルヘの影響を考慮して
経済性を比較する必要がある。

【００４７】本発明では先のサイクルヘの影響を考慮す
るため、１点炉モデルによる評価法を導入した。１点炉
モデルは燃料の反応度をバッチ毎に線形に近似し、炉心
平均反応度およびサイクル長を評価するために広く用い
られているモデルである。しかしながら、１点炉モデル
は通常先１０サイクル程度のおよその新燃料体数をサー
ベイする際に用いられたり、燃料運用に関する理論的考
察を行う際のツールとして用いられるのみであり、実機
装荷パターンの経済性比較に応用された例は無い。

【００４８】本発明では、作成した装荷パターンのサイ
クル末期における次サイクルの新燃料体数分を除く全て
の燃料の燃焼度をそれぞれ引き継ぎ、１点炉モデルにて
サイクル長の増減を先１０サイクルについて評価する。
サイクル長の増減の基準となる炉心としては、平衡炉心
などを選択するが、パターンの優劣を相対的に評価する
場合には基準炉心は何でも良い。サイクル長の増減量を
後述する燃料サイクルコストに換算し、個々の炉心の経
済性を比較する。

【００４９】図２は燃焼度の低い燃料が多い場合の炉心
平均燃焼度差とサイクル長延長効果とを示す説明図であ
る。図３は燃焼度の高い燃料が多い場合の炉心平均燃焼
度差とサイクル長延長効果とを示す説明図である。図４
は燃焼度の高い燃料又は燃焼度の低い燃料のみが若い場
合の炉心平均燃焼度差とサイクル長延長効果とを比較し
た説明図である。

【００５０】図２に示す通り、燃焼度の低い燃料では、
１サイクルのみ燃焼度を引き継ぐ反動を考慮しない場合
には、第２サイクルで、初期炉心平均燃焼度が１３．３
３と小さくなり、この点にのみサイクル長延長効果のメ
リット（＋１．６７）が生じている。一方、各サイクル
末期における全ての燃料の燃焼度を各々引き継いで反動
を考慮した場合には、第３サイクルで第２サイクルの反
動（第２サイクルのサイクル長が延びた分、引継使用燃
料の燃焼度が増加し、第３サイクルの炉心平均燃焼度が
高くなる）により、サイクル長延長効果のデメリット
（−１．１１）及び第６サイクルにも若干のデメリット
が生じるが、その他第４、第５、第７サイクルでは若干
のサイクル長延長効果のメリットが生じ、合計ではサイ
クル長延長効果のメリットは＋０．７５という結果が生
じている。

【００５１】図３に示す通り、燃焼度の高い燃料では、
１サイクルのみ燃焼度を引き継ぐ反動を考慮しない場合
には、第２サイクルで、初期炉心平均燃焼度が１６．６
７と高くなり、この点にのみサイクル長延長効果のデメ
リット（−１．６７）が生じている。一方、各サイクル
末期における全ての燃料の燃焼度を各々引き継いで反動
を考慮した場合には、第３サイクルで第２サイクルの反
動（第２サイクルのサイクル長が短くなった分、引継使
用燃料の燃焼度が低下し、第３サイクルの炉心平均燃焼
度が若くなっている）により、サイクル長延長効果のメ
リット（＋１．１１）及び第６サイクルにも若干のメリ
ットが生じ、反面第２で大きなデメリットの他に、第
４、第５、第７サイクル等では若干のサイクル長延長効
果のデメリットが生じ、合計ではサイクル長延長効果の
デメリットは−０．８４という結果が生じている。

【００５２】図４に示す通り、燃焼度の低い燃料のみが
若い場合に、各サイクル末期における全ての燃料の燃焼
度を各々引き継いで反動を考慮すると、合計ではサイク
ル長延長効果のメリットは＋１．６７という結果が生じ
ている。また、燃焼度の高い燃料のみが若い場合に、各
サイクル末期における全ての燃料の燃焼度を各々引き継
いで反動を考慮すると、合計ではサイクル長延長効果の
メリットは＋０．８４という結果が生じている。

【００５３】本手法により、引継使用燃料の平均燃焼度
が同一でも、燃焼度の低い燃料（次サイクル、次次サイ
クルに使用可能燃料）の燃焼度が低いほど経済性に優れ
ていることが判った。燃焼度の高い燃料（次サイクルの
み使用可能燃料）の燃焼度が低い場合、平均燃焼度は低
くても先のサイクルでの反動が大きく、見かけほど経済
性は良くない。

【００５４】尚、１点炉モデルでは炉内燃料配置は考慮
できないため、炉心の漏洩量などは評価できないが、そ
のため逆に客観的に公平な装荷パターンの比較が可能で
ある。何れにせよ、本発明を用いることにより、先のサ
イクルにおける反動も考慮でき、引継使用燃料平均燃焼
度では評価できなかった真の経済性についても比較する
ことが可能となる。

【００５５】図５は先に示した本発明での燃料運用作成
手順を従来法と対比して説明した説明図である。本手法
と対比した従来法では、最適な解を得るためには、装荷
パターンについて、考えられるすべての組み合わせにつ
いて実施する必要があり、膨大な労力を要している。通
常、このような膨大な作業は実施されないので、従来法
では最適な解を得ることが事実上不可能である。

【００５６】

【実施例】本発明の実施例を以下に示す。以下の例は３
ループＰＷＲプラントにおける解析例であり、いずれも
同一の炉心から燃料を引き継ぎ、当該サイクルの装荷パ
ターンを作成している。

【００５７】使用燃料を表１に示す。図６は表１に示し
た使用燃料で、本発明のＰＷＲの燃料運用方法に従った
ＰＷＲ炉心の実施例を比較した説明図である。ａ図はケ
ース１，ｂ図はケース２，ｃ図はケース３，ｄ図はケー
ス４の１／４炉心の配置を示す。尚、当該サイクルの所
要サイクル長は１５．４ＧＷｄ／ｔであり、所要サイク
ル長時のボロン濃度を３０ｐｐｍとしている。

【００５８】また、表１において、平均燃焼度でたとえ
ば８体の平均が１１．２、一方、図６は個々の燃料のた
め、１１．３や１１．４が出てくる。これは、平均した
表１と、ある象限のみ図示している図６とは完全には一
致しないためである。

【００５９】図６のａ図に示す通り、ケース１は、長期
燃料取替計画に従い、新燃料を５６体とした。低漏洩化
度の決定においては、所要サイクル長時点での余剰ボロ
ン濃度が最小（３０ｐｐｍ）になるように調整し、低漏
洩化度を８（２回燃焼燃料４体を最外周に配置）とし
た。継続使用燃料は、燃焼度の低い順に必要体数選択し
ており、一時保管よる温存は実施していない。即ち、従
来の方法と同一である。

【００６０】

【表１】

【００６１】図６のｂ図に示す通り、ケース２は２回燃
焼燃料１２体を最外周に配置し、低漏洩化したものであ
り、低漏洩化度は４０である。この装荷パターンではサ
イクル長を満足するための新燃料は５６体となる。この
場合所要サイクル長時点での余剰ボロン濃度は７０ｐｐ
ｍ（ボロン濃度は１００ｐｐｍ）程度であり、これをう
ち消す（余剰ボロン濃度を０ｐｐｍにする、即ちボロン
濃度を３０ｐｐｍにする）ために１５．４ＧＷｄ／ｔ、
１８．１ＧＷｄ／ｔの燃料４体ずつを一時保管として取
り出し、替わりに３３．１ＧＷｄ／ｔ燃料８体を装荷し
ている。

【００６２】図６のｃ図に示す通り、ケース３は１回燃
焼燃料８体と２回燃焼燃料８体にて低漏洩化したもので
あり、低漏洩化度は４８である。この場合新燃料５２体
で所要サイクル長時点での余剰ボロン濃度はちょうど零
となり、一時保管燃料は無い。

【００６３】図６のｄ図に示す通り、ケース４は２回燃
焼燃料１６体にて低漏洩化したものであり、低漏洩化度
は６４である。この装荷パターンではサイクル長を満足
するための新燃料は５２体となり、更に所要サイクル長
時点での余剰ボロン濃度は４５ｐｐｍ（ボロン濃度は７
５ｐｐｍ）程度であり、これをうち消す（余剰ボロン濃
度を０ｐｐｍにする、即ちボロン濃度を３０ｐｐｍにす
る）ために１５．４ＧＷｄ／ｔ燃料４体を一時保管燃料
として温存している。

【００６４】ケース１〜４の経済性の比較を表２に示
す。表２において、サイクル長延長効果は大きいほど経
済性に優れていることを示している。従来（これまでの
経済性比較）では次サイクルの引継燃焼平均燃焼度でし
か経済性を比較できなかったが、本発明による１点炉モ
デルを用いることにより、先のサイクルでの反動を考慮
した正味の経済性（利得）を評価できる。一般には次サ
イクルの引継炉心平均燃焼度は小さいほど経済性に優れ
ていると考えられているが、正味の利得で評価すると、
引継燃焼度だけでは正しい経済性評価ができないことが
判る。

【００６５】

【表２】

【００６６】詳しくは、ケース１が最も経済性が低く、
ケース４が最も経済性に優れていることがわかる。炉心
の漏洩量が小さくなる（低漏洩化度が大きくなる）ほど
経済性が向上していることがわかる。

【００６７】ケース１は２回燃焼燃料４体にて低漏洩化
炉心としている。余剰反応度はほぼ０ｐｐｍである。燃
料の温存はなく、経済性は最も低い。

【００６８】また、ケース２は１５ＧＷｄ／ｔと１８Ｇ
Ｗｄ／ｔの燃焼度の低い燃料を８体温存できているこ
と、最外周新燃料の体数が多いため１回燃焼燃料の燃焼
度が低いことにより、次サイクルの引継炉心平均燃焼度
は全ケース中最も優れている。しかしながら、１８ＧＷ
ｄ／ｔの温存燃料は次サイクルにのみ装荷可能で次次サ
イクルには装荷できないため、反動が大きい。このた
め、正味の経済性はケース３、４に比べると良くない。
この様な効果は本発明による経済性の比較法を用いるこ
とにより、初めて評価可能となった。

【００６９】更に、ケース３は引継炉心平均燃焼度では
ケース４と大差はないが、先のサイクルまで考慮した正
味の経済性ではケース４よりも大きく劣る。ケース３で
は炉心最外周に配置された１回燃焼燃料に反応度が蓄積
されているが、これらの燃料は２２ＧＷｄ／ｔ程度まで
燃焼しており、次サイクルにしか装荷できない。このた
め、次サイクルの引継炉心平均燃焼度はかなり低くなる
ものの、次次サイクル以降での反動が大きく、実質の経
済性はさほど改善しないものである。

【００７０】また、ケース４は新燃料が４体少なく、か
つ、１５ＧＷｄ／ｔ程度の燃焼度の非常に低い燃料を温
存できているため、全てのケース中最も経済性が高い。
引継炉心平均燃焼度ではケース２に劣るが、これは炉内
に装荷された新燃料の燃焼が進行するためである。しか
しながら、新燃料４体と１５ＧＷｄ／ｔの燃料４体を温
存しており、これらは当然次次サイクルにも装荷可能で
あるため、反動が小さく正味の経済性は全ケースの中最
も優れている。ただし、本ケースの低漏洩化度はかなり
強いため出力ピーキングや炉内外出力差の抑制が難し
い。本ケースでは炉心は成立したが、常に炉心が成立す
るとは限らない。このため、低漏洩化度は２４〜３２と
ある程度の幅が必要である。

【００７１】以上の通り、従来の方法であれば、燃料運
用の経済性向上は装荷パターンの改善のみであり、燃料
構成の変更まで実施することはまれであった。また、燃
料構成を変更するとしても、 ・余剰反応度は一時保管燃料に温存する場合と、最外周
燃料に温存する場合とでは、どちらが優れているのか？ ・低漏洩化の度合いの経済的な最適点はどこか？ ・どのように一時保管燃料を選定すれば経済的に優れて
いるのか？ 等については、その都度非常に広範なケース設定（数１
０ケース）のもとで比較検討解析を実施し、最適なもの
を選定する必要があった（通常そのような広範な検討は
実施されない）。

【００７２】しかし、本発明による装荷パターンは、従
来の検討方法による装荷パターンと比較し、燃料サイク
ルコストにして数千万〜数億円の削減効果があり、経済
的効果が非常に大きい。しかも、本発明による方法を用
いれば広範な比較検討を実施する必要が無く、初めから
経済的に最適な燃料装荷パターンを得ることができ、そ
の解析労力は数１０分の１に縮小できる。実際の効果は
炉心毎、あるいは引き継いだ燃料構成毎でまちまちであ
るが、前出のケースの例で試算すると、従来法（ケース
１）と比べ、ケース２で１．２億円、ケース３で１．７
億円、ケース４で２．５億円程度の燃料費削減効果があ
る［（サイクル長延長効果）×（炉心ウラン重量：７
１．５ｔ）×（熱効率：３４％）×（燃料サイクルコス
ト：１．７￥／ｋＷｈ）×１Ｅ６ｋＷ／ＧＷ×２４ｈ／
ｄにて算出）］。

【００７３】本発明の方法に従えば、ケース２、３、４
と３種類の装荷パターンを作成する必要もなく、初めか
ら最適なケース４の装荷パターンを作成することとな
る。ただし、前述のようにもしケース４で出力ピーキン
グや炉内外出力差を抑制できない場合はケース３のよう
に低漏洩化度を弱める必要がある。即ち、まず低漏洩化
度が最大の値である６８での検討を行い、６８では不成
立であったので低漏洩化度の値が６４のケース４を実施
し、ケース４で成立するため、ケース３，２，１は不要
となる。尚、ケース４で炉心の安全性を満足できない等
の不成立の場合にはケース３，２，１へと徐々に低漏洩
化度を弱めていく。

【００７４】さらに本発明の効果として、運転計画の変
更に対する柔軟性が挙げられる。運転計画の変更には、 ・所要サイクル長の急な増減 ・使用予定燃料の損傷による使用燃料の変更 などがあるが、積極的に反応度の高い燃料を温存してい
る本発明では、軽微な修正のみでこれらに対応できる場
合が多い。従来の手法では燃料を温存せず炉心の余剰反
応度を最適化しているため、サイクル長の増減や使用可
能燃料の変更があった場合は初めから装荷パターンを作
り直す必要がある。これに対し本発明では、例えば急な
サイクル長の延長については温存燃料を使用することに
より炉心反応度の増加が可能であったり、使用予定燃料
が損傷した場合なども温存燃料と損傷燃料を入れ替える
のみで対応できる可能性が高い。

【００７５】本発明の要点を以下に示す。 ・本発明はＰＷＲの燃料運用の最適化に関わるものであ
る。 ・低漏洩化により積極的に炉心の反応度上げ、新燃料体
数を最小とし、その結果炉心に余剰反応度が発生した場
合に、できるだけ燃焼度の低い燃料を一時保管燃料とし
て余剰反応度を温存する。 ・燃料の温存を実施すれば、低漏洩化炉心にするほど経
済性は向上する。 ・引継使用燃料の燃焼度分布が経済性に大きく影響す
る。例え平均の燃焼度は同一でも、次サイクルのみでな
く、次次サイクルにも装荷可能な燃料（燃焼度の低い燃
料）の燃焼度をより低くした方が経済性に優れている。

【００７６】・以上を反映した燃料運用の作成手順は まず低漏洩化度を決定、極大化 新燃料体数を決定、最小化 反応度調整のため、一時保管燃料を選定 である。 ・先のサイクルでの反動を考慮した経済性の評価のた
め、１点炉モデルを用いた指標を新たに定義した。 ・上記の発明を燃料運用自動解析システムに導入し、経
済的に最適な燃料運用を自動で作成すればよい。

【００７７】

【発明の効果】本発明は以上説明した通り、ＰＷＲの燃
料運用時に最適な検討方針を解析者に与え、新たな経済
性評価指標を用いて、常に経済的に最適な解を得ること
のできるＰＷＲの燃料運用方法及びＰＷＲ炉心を得るこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】炉外に面する面のうちＬ字コーナ、Ｉ字コーナ
の定義を示す説明図である。ａ図は４ループ炉心、ｂ図
は３ループ炉心、ｃ図は２ループ炉心の代表的な１／４
構成を示す。

【図２】燃焼度の低い燃料が多い場合の炉心平均燃焼度
差とサイクル長延長効果とを示す説明図である。

【図３】燃焼度の高い燃料が多い場合の炉心平均燃焼度
差とサイクル長延長効果とを示す説明図である。

【図４】燃焼度の高い燃料又は燃焼度の低い燃料のみが
若い場合の炉心平均燃焼度差とサイクル長延長効果とを
比較した説明図である。

【図５】本発明での燃料運用作成手順を従来法と対比し
て説明した説明図である。

【図６】本発明のＰＷＲの燃料運用方法に従ったＰＷＲ
炉心の実施例を比較した説明図である。ａ図はケース
１，ｂ図はケース２，ｃ図はケース３，ｄ図はケース４
の１／４炉心の配置を示す。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−55592（ＪＰ，Ａ) 中川正幸 他，核計算法の研究成果と 炉心設計法の進歩，日本原子力学会誌, 日本，社団法人日本原子力学会，1997年 １月30日，Ｖｏｌ．39 Ｎｏ．１，Ｐ ３−27 Ｋ．Ｙ． Ｃｈｏｉ， Ｙ．Ｋ．Ｙｏ ｏｎ，Ａ ｐｒｏｐｏｓｅｄ Ｈｅｕｒ ｉｓｔｉｃ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｓｅａｒｃｈｉｎｇ Ｒｅｌ ｏａｄｉｎｇ Ｐａｔｔｅｒｎ，Ｊｏｕ ｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｋ Ｒ，Ｋｏｒｅａｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓ ｏｃｉｅｔｙ，1993年 ９月 ８日，Ｖ ｏ．25 Ｎｏ．２，ｐ193−203 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 5/00 G21C 17/00 GDP

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加圧水型原子炉の使用燃料の選定及びそ
   の装荷パターンを決定する燃料運用方法において、 炉心の中性子低漏洩化のために、下記に示す低漏洩化指
   標について予め定められた範囲内で可能な限り強い低漏
   洩化度の指標値を選定する低漏洩化度決定工程と、 〔低漏洩化指標〕＝Σ〔最外周のｎ回燃焼燃料の炉外に
   面している面の総数〕×ｎ 前記低漏洩化度決定工程で決定された低漏洩化度で、必
   要な運転期間を満足する最小の新燃料体数を決定する最
   小新燃料体数決定工程と、 前記新燃料体数が決定され炉心に余剰反応度が発生する
   場合に、余剰反応度を零とするように先サイクルから引
   き継ぐ継続使用燃料の一部を一時保管燃料として選定
   し、代わりに、先サイクル終了時で取り出す予定であっ
   た燃料又は過去のサイクルで取り出されていた一時保管
   燃料から選ばれた燃料に入れ替える一時保管燃料選定工
   程と、 前記最小新燃料体数決定工程で決定された新燃料と、前
   記一時保管燃料の代替として入れ替えた燃料とを低漏洩
   化指標が前記予め定められた範囲内となるよう炉心に装
   荷しつつ、炉心の安全性を満足するよう装荷パターンを
   １つ以上決定する装荷パターン決定工程と、 前記装荷パターン決定工程で決定された装荷パターンに
   よる経済性を評価する際に、各サイクル末期における引
   継使用燃料の燃焼度を次サイクルに引き継ぐ経時サイク
   ルについて経済性が最も高い装荷パターンを選択する経
   済性評価工程とを備えたことを特徴とする加圧水型原子
   炉の燃料運用方法。
2. 【請求項２】 前記低漏洩化度決定工程において、前記
   低漏洩化指標値を、４０〜６８の範囲内で選定すること
   を特徴とする請求項１に記載の加圧水型原子炉の燃料運
   用方法。
3. 【請求項３】 前記一時保管燃料の選定は、次サイクル
   及び次々サイクルにも装荷可能な燃料を優先して選択
   し、尚且つ、該燃料の燃焼度を可能な限り若くすること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の加圧水型原子炉の
   燃料運用方法。
4. 【請求項４】 前記装荷パターン決定工程で、炉心の安
   全性について満足が得られない場合に、前記低漏洩化度
   決定工程で選定する低漏洩化指標値を１ランク下げて前
   記装荷パターン決定工程を繰り返すことを特徴とする請
   求項１〜３の何れかに記載の加圧水型原子炉の燃料運用
   方法。
5. 【請求項５】 前記経済性評価工程で、１点炉モデルに
   よりサイクル長の増減量を燃料サイクルコストに換算し
   て、個々の炉心の経済性を比較することを特徴とする請
   求項１〜４の何れかに記載の加圧水型原子炉の燃料運用
   方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れかに記載された加圧
   水型原子炉の燃料運用方法によって選定された使用燃料
   及び決定された装荷パターンで装荷されたことを特徴と
   する加圧水型原子炉炉心。