JP3563727B2 - 原子炉の炉心 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと記す）炉心に係り、特に軸方向出力分布を平坦化す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均濃縮度の異なる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 ２００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】
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。
【００２４】
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り、軸方向出力分布が平坦化しない課題がある。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。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、軸方向出力分布を平坦化することができる原子炉の炉心を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、複数の長尺燃料棒と複数の短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体を装荷した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、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体は可燃性毒物入り燃料棒を含まず、かつ燃料集合体あたりの可燃性毒物入り燃料棒の本数は平均濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体で最も多く、かつ燃料集合体下部領域に可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数は燃料集合体上部領域に可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数と等しいかもしくはより多く前記本数の差は平均濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体で最も大きいことを特徴とする。
【００２６】
【作用】
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、軸方向出力分布は下方ピークとなり易いので、本発明では、燃料集合体の上部領域と下部領域の可燃性毒物、例えばガドリニア入り燃料棒の本数設定を行う。これにより、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、軸方向出力分布を平坦化することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図面を参照しながら本発明に係る原子炉の炉心の実施の形態を第１の実施例から第６の実施例により説明する。
（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。
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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ＮＵ（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¨Ｌe ¨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¨Ｌe ¨が濃縮度の軸方向に一様である。
【００３７】
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。
【００３８】
尚、ここでタイプ１燃料集合体の境界ａ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。
【００３９】
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¨Ｌｅ ¨に可燃性毒物が添加されており、その領域¨Ｌｅ ¨内で一様か分布を有する設計が考えられる。
【００４０】
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。
【００４１】
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¨Ｌｅ ¨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¨ＬＬＧ¨を有する。
【００４２】
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¨ＬＬＧ¨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。
【００４３】
また、タイプ１燃料集合体は低可燃性毒物領域¨ＬＬＧ¨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。
【００４４】
タイプ２、２Ｃ燃料集合体については低可燃性毒物領域¨ＬＬＧ¨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¨ＬＬＧ¨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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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３０００〜５０００ＭＷｄ／ｓｔ程度後に生ずる。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
これが第２サイクル（サイクル長さ約9500MWd/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焼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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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燃料集合体を示している。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
図１１は図２における低可燃性毒物領域¨ＬＬＧ¨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¨ＬＰＬＲ ¨とした例であるが、必ずしも一致させる必要はない。
【００７９】
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¨ＬＰＬＲ ¨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。
【００８０】
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。
【００８１】
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（２，２Ｃ）、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。
【００８２】
（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。
【００８３】
【表４】
【００８４】
【表５】
【００８５】
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。
【００８６】
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１Ｐ （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１Ｐ 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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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（ＭＬＨＧＲ，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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
（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。
【００９８】
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。
【００９９】
【表６】
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
（第４の実施例）
図１７および図１８により本発明に係る第４の実施例を説明する。
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
これに対して、本実施例では、軸方向出力分布を平坦化するために、図１７に示すようにガドリニア棒の本数設計を行う。ガドリニア棒とはガドリニア入り燃料棒のことである。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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
（第５の実施例）
次に本発明の第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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
【表７】
【０１１７】
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２４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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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Ｉのうち少なくとも１体が配置されている。
【０１２４】
取り替え燃料集合体Ｉ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。
【０１２５】
（第６の実施例）
本発明の第６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５の実施例で使用されたものと同一である。
【０１２６】
この第６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５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５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。
【０１２７】
従って、この第６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。
【０１２８】
【発明の効果】
本発明によれば、可燃性毒物入り燃料棒の本数を設定することによって、各燃料集合体の上下の無限増倍率は適度な差に保たれ、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】本発明に係る原子炉の炉心の第４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】第４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、（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６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。
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと記す）炉心に係り、特に軸方向出力分布を平坦化す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均濃縮度の異なる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】
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 ２００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】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００２４】
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り、軸方向出力分布が平坦化しない課題がある。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。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、軸方向出力分布を平坦化することができる原子炉の炉心を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、複数の長尺燃料棒と複数の短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体を装荷した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、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体は可燃性毒物入り燃料棒を含まず、かつ燃料集合体あたりの可燃性毒物入り燃料棒の本数は平均濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体で最も多く、かつ燃料集合体下部領域に可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数は燃料集合体上部領域に可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数と等しいかもしくはより多く前記本数の差は平均濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体で最も大きいことを特徴とする。
【００２６】
【作用】
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、軸方向出力分布は下方ピークとなり易いので、本発明では、燃料集合体の上部領域と下部領域の可燃性毒物、例えばガドリニア入り燃料棒の本数設定を行う。これにより、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、軸方向出力分布を平坦化することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図面を参照しながら本発明に係る原子炉の炉心の実施の形態を第１の実施例から第６の実施例により説明する。
（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。
【００２８】
【表２】
【表３】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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ＮＵ（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¨Ｌe ¨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¨Ｌe ¨が濃縮度の軸方向に一様である。
【００３７】
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。
【００３８】
尚、ここでタイプ１燃料集合体の境界ａ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。
【００３９】
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¨Ｌｅ ¨に可燃性毒物が添加されており、その領域¨Ｌｅ ¨内で一様か分布を有する設計が考えられる。
【００４０】
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。
【００４１】
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¨Ｌｅ ¨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¨ＬＬＧ¨を有する。
【００４２】
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¨ＬＬＧ¨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。
【００４３】
また、タイプ１燃料集合体は低可燃性毒物領域¨ＬＬＧ¨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。
【００４４】
タイプ２、２Ｃ燃料集合体については低可燃性毒物領域¨ＬＬＧ¨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¨ＬＬＧ¨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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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３０００〜５０００ＭＷｄ／ｓｔ程度後に生ずる。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
これが第２サイクル（サイクル長さ約9500MWd/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焼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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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燃料集合体を示している。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
図１１は図２における低可燃性毒物領域¨ＬＬＧ¨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¨ＬＰＬＲ ¨とした例であるが、必ずしも一致させる必要はない。
【００７９】
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¨ＬＰＬＲ ¨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。
【００８０】
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。
【００８１】
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（２，２Ｃ）、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。
【００８２】
（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。
【００８３】
【表４】
【表５】
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。
【００８６】
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１Ｐ （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１Ｐ 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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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（ＭＬＨＧＲ，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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
（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。
【００９８】
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。
【００９９】
【表６】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
（第４の実施例）
図１７および図１８により本発明に係る第４の実施例を説明する。
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
これに対して、本実施例では、軸方向出力分布を平坦化するために、図１７に示すようにガドリニア棒の本数設計を行う。ガドリニア棒とはガドリニア入り燃料棒のことである。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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
（第５の実施例）
次に本発明の第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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
【表７】
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２４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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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Ｉのうち少なくとも１体が配置されている。
【０１２４】
取り替え燃料集合体Ｉ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。
【０１２５】
（第６の実施例）
本発明の第６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５の実施例で使用されたものと同一である。
【０１２６】
この第６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５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５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。
【０１２７】
従って、この第６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。
【０１２８】
【発明の効果】
本発明によれば、可燃性毒物入り燃料棒の本数を設定することによって、各燃料集合体の上下の無限増倍率は適度な差に保たれ、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】本発明に係る原子炉の炉心の第４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】第４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、（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６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。
Claims (1)
- 複数の長尺燃料棒と複数の短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体を装荷した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、平均濃縮度が最も低い初装荷燃料集合体は可燃性毒物入り燃料棒を含まず、かつ燃料集合体あたりの可燃性毒物入り燃料棒の本数は平均濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体で最も多く、かつ燃料集合体下部領域に可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数は燃料集合体上部領域に可燃性毒物が添加されている燃料棒の本数と等しいかもしくはより多く前記本数の差は平均濃縮度が最も高い初装荷燃料集合体で最も大きいことを特徴とする原子炉の炉心。
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