JP3598092B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術的分野】
本発明は、沸騰水型原子炉に装荷する燃料集合体に係わり、特に、長期サイクル運転に配慮した燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の炉心は、その多数の燃料集合体と、その間に挿抜自在に設けられた十字型制御棒とにより形成される。燃料集合体は、燃料被覆管内に酸化ウランなどの各分裂性物質からなる燃料ペレットを多数充填した複数の燃料棒から構成されている。運転開始時（サイクル初期）には、サイクル末期まで所定の出力で臨界を維持するために必要な量の核分裂性物質を新しい燃料集合体として装荷する。サイクル初期で余剰となる反応度は、制御棒による反応度抑制効果に加えて、燃料棒にガドリニア等の可燃性吸収材を添加することにより制御されている。この原理を以下に説明する。
【０００３】
核分裂によって発生した高速中性子は、燃料棒のまわりやチャンネルボックス外側にある減速材（冷却水）によって減速され、燃料棒のまわりに熱中性子として戻ってくる。この熱中性子は、燃料棒中のウラン−２３５等の核分裂性物質に吸収され、再び核分裂を起こす。可燃性吸収材を添加した燃料棒では、ウラン−２３５だけでなく可燃性吸収材によって熱中性子が吸収されるため、通常の燃料棒に比べて燃料棒内部の熱中性子束が小さくなり、燃料寿命初期の無限増倍率を抑制する効果がある。
【０００４】
燃焼が進行すると可燃性吸収材が燃え尽きることから無限増倍率抑制効果がなくなるが、燃焼に伴い燃料中に含まれる核分裂性物質であるウラン−２３５の含有量も減少することから、この可燃性吸収材の濃度を適切に調整することにより、燃料寿命初期から可燃性吸収材が燃え尽きる期間での低温時における制御棒挿入状態および引抜き状態の無限増倍率を抑制し、運転サイクルを通じて必要な炉停止余裕を確保することができる。一般には、可燃性吸収材の濃度は、原子炉の運転サイクル末期でほぼ燃え尽きるように調整される。
【０００５】
可燃性吸収材のもう一つの機能として、軸方向出力分布の制御が挙げられる。例えば、特開平８−２８５９７６号公報に記載のように、軸方向のウラン濃縮度分布を上部で高くかつ下部で低くするとともに、可燃性吸収材の濃度を上部で低くかつ下部で高くすることにより、軸方向出力分布の平坦化を図る構成が既に提唱されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の課題が存在する。
すなわち、原子炉の運転期間が１２〜１８ヶ月で平均取出燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔ程度であれば、上記の従来技術により軸方向出力分布の平坦化は十分に可能である。しかしながら、近年、米国等で設備利用率向上等の観点から、２２ヶ月連続運転（定期検査の約２ヶ月を含めて２４ヶ月運転）のような長期サイクル運転が計画される動向にある。このような場合には、現行の４５ＧＷｄ／ｔ程度の取出燃焼度を達成するために必要な平均ウラン濃縮度が４％を超える。この場合、現在の燃料ペレットの製造技術では燃料集合体に適用できる最高ウラン濃縮度が５％にとどまるという制約があることから、軸方向に濃縮度分布を設けることが困難になる。
【０００７】
また、平均ウラン濃縮度の増加に伴い余剰反応度の抑制に必要な可燃性吸収材の平均濃度も高くなる。ここで、前述したように可燃性吸収材を添加した燃料棒では燃料寿命初期の無限増倍率を抑制する効果があるが、その可燃性吸収材の反応度制御能力は熱中性子束と添加濃度との積にほぼ比例する。このため、上記のように可燃性吸収材の添加濃度を高くしても、熱中性子束が逆に低下することから、トータルで見た可燃性吸収材の反応度制御能力はあまり増加しない（自己遮蔽効果）。すなわち、可燃性吸収材の添加濃度が比較的高い場合には、上記従来技術のように可燃性吸収材の添加濃度に軸方向に多少差をつけても上記自己遮蔽効果により反応度制御能力（吸収断面積）の変化が小さい。したがって、軸方向出力分布を可燃性吸収材の濃度差で制御することは困難となる。この結果、軸方向出力分布の平坦化を図るのが困難となり、軸方向出力ピーキング係数が増大して最大線出力密度に対する熱的余裕が減少する。
【０００８】
本発明の目的は、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、熱的余裕を向上できる燃料集合体を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向にほぼ一様である複数種類の燃料棒を含み、前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を４〜８％とし、前記第３燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を３〜６％としたものとする。
【００１０】
設備利用率向上等の観点から計画されている長期サイクル運転の場合、平均ウラン濃縮度の増加に伴い余剰反応度の抑制に必要な可燃性吸収材の平均濃度も高くなる。可燃性吸収材の反応度制御能力は熱中性子束と添加濃度との積にほぼ比例し、可燃性吸収材の添加濃度を高くしても熱中性子束が逆に低下する結果反応度制御能力はあまり増加しないことから、可燃性吸収材の添加濃度に軸方向に差をつけても反応度制御能力の変化が小さく、軸方向出力分布を可燃性吸収材の濃度差で制御するのは困難である。
【００１１】
これに対し、本発明においては、複数の種類の燃料棒について、それぞれ可燃性吸収材の濃度を軸方向にほぼ一様としつつ、可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが各種類ごとに互いに異なるようにする。すなわち、例えば燃料集合体上部水平断面、中央部水平断面、下部水平断面において可燃性吸収材添加燃料棒の本数が異なるようにする。このように、軸方向に可燃性吸収材添加燃料棒の本数を調整する場合、例えば正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置する等、各可燃性吸収材添加燃料棒が互いにあまり近接しないようにすることで、各燃料棒のまわりの熱中性子束がほとんど変わらないようにすることができる。この結果、可燃性吸収材添加燃料棒の本数にほぼ比例させて、反応度制御能力を変化させることができる。すなわち、上記のように軸方向に可燃性吸収材添加燃料棒の本数を異ならせることで軸方向出力分布を確実に制御することができるので、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図り、熱的余裕を向上することができる。
【００１２】
また、沸騰水型原子炉では、減速材ボイド率に軸方向分布があり、例えば軸方向下部がボイド率０％、軸方向中央部がボイド率４０％、軸方向上部がボイド率７０％に相当する。このため、中性子の減速効果が軸方向位置で異なり、出力分布は、減速が十分に行われる炉心下部で高く、減速が不足する炉心上部で低くなる傾向となる。
【００１３】
これをボイド反応度に置き換えて考えると、まず、軸方向下部と軸方向中央部との間については、沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲Ｈ／Ｕ＝２．７〜３．２のうち、例えばＨ／Ｕ＝２．７程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は、約２．６％Δｋとなる。この反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補おうとする場合、ある断面で見た全燃料棒本数に占める本数割合約６％に相当することとなる。添加領域長さが最短である第３燃料棒の添加領域を軸方向下部から軸方向中央部までにほぼ位置させたとすると、この第３燃料棒の本数割合を約６％とすればよいことになる。同様に例えばＨ／Ｕ＝３．２程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は、約１．５％Δｋとなり、ある断面で見た全燃料棒本数に占める本数割合約３％に相当することとなる。添加領域長さが最短である第３燃料棒の添加領域を軸方向下部から軸方向中央部までにほぼ位置させたとすると、この第３燃料棒の本数割合を約３％とすればよいことになる。したがって、通常の沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲においては、第３燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を３〜６％とすれば、軸方向下部と軸方向中央部との間の反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補い、これらの間の軸方向出力分布を平坦化できる。
【００１４】
同様に、軸方向中央部と軸方向上部との間については、沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲Ｈ／Ｕ＝２．７〜３．２のうち、例えばＨ／Ｕ＝２．７程度の場合、軸方向中央部と軸方向上部とのボイド反応度差は、約３．３％Δｋとなる。この反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補おうとする場合、ある断面で見た全燃料棒本数に占める本数割合約８％に相当することとなる。添加領域長さが中間である第２燃料棒の添加領域を軸方向中央部から軸方向上部までにほぼ位置させたとすると、この第２燃料棒の本数割合を約８％とすればよいことになる。同様に例えばＨ／Ｕ＝３．２程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は、約２．１％Δｋとなり、ある断面で見た全燃料棒本数に占める本数割合約４％に相当することとなる。添加領域長さが中間である第２燃料棒の添加領域を軸方向中央部から軸方向上部までにほぼ位置させたとすると、この第２燃料棒の本数割合を約４％とすればよいことになる。したがって、通常の沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲においては、第２燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を４〜８％とすれば、軸方向中央部と軸方向上部との間の反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補い、これらの間の軸方向出力分布を平坦化できる。
以上により、軸方向下部から軸方向上部まで、軸方向出力分布を確実に平坦化することができる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材の濃度が互いにほぼ同一である。
【００１６】
（３）上記（１）又は（２）において、また好ましくは、前記複数の吸収材添加燃料棒のそれぞれを、前記正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置する。
【００１７】
（４）上記（１）乃至（３）において、また好ましくは、前記吸収材添加燃料棒は、上下端部の劣化ウラン又は天然ウランあるいは低濃縮ウラン領域を除いてウラン濃縮度が軸方向にほぼ一様である。
【００１８】
（５）上記（１）乃至（４）において、また好ましくは、燃料集合体平均のウラン濃縮度が未燃焼時に４％以上５％以下である。
【００１９】
平均濃縮度４％以上の燃料集合体においては、現在の燃料ペレットの製造技術では燃料集合体に適用できる最高ウラン濃縮度が５％にとどまるという制約があることから、上下端に天然ウラン領域を設けるとそれ以外の高濃縮ウラン領域について軸方向に濃縮度分布を設けることが困難となる。本発明においては、前述したようにこのような場合でも上記（１）のように可燃性吸収材を添加する領域の軸方向長さの異なる複数種類の燃料棒を設けることにより、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布を確実に平坦化でき、熱的余裕を向上することができる。
【００２０】
（６）上記（１）乃至（４）において、また好ましくは、前記吸収材添加燃料棒に添加した可燃性吸収材はガドリニアであり、その未燃焼時の添加濃度を５％以上とする。
【００２１】
１８ヶ月以上の運転期間を通じて余剰反応度を適正な範囲に制御するためには５％以上の濃度を有するガドリニア入り燃料棒が必要である。このように高い濃度のガドリニアを用いると、自己遮蔽効果により、濃度増加に対して中性子吸収断面積の増大効果がほぼ飽和しているため、ガドリニア濃度差による軸方向出力分布制御は特に困難である。前述したように、このような場合でも上記（１）のように可燃性吸収材を添加する領域の軸方向長さの異なる複数種類の燃料棒を設けることにより、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布を確実に平坦化でき、熱的余裕を向上することができる。
【００２４】
（７）上記（１）において、また好ましくは、前記吸収材添加燃料棒のうち、少なくとも前記複数の第１燃料棒のそれぞれを前記正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置する。
【００２５】
これにより、中性子スペクトルが硬くなりやすい上部断面において可燃性吸収材添加燃料棒が互いに隣接しなくなり、その周囲には強吸収体がなくなる結果、熱中性子束が増加して可燃性吸収材の燃焼が促進されるため、可燃性吸収材の燃え残りによる反応度損失を低減することができる。
【００２６】
（８）上記（１）において、また好ましくは、前記第３燃料棒を、燃料有効長が他の燃料棒より短い部分長燃料棒とする。
【００２７】
これにより、第３燃料棒には可燃性吸収材を添加したペレット１種類のみを充填すれば足りるようにでき、製造工程が簡素化できる。
【００２８】
（９）また、上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第１燃料棒は、前記制御棒側領域よりも前記反制御棒側領域に多く配置する。
【００２９】
これにより上記（１）で述べたように長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、熱的余裕を向上できる。また、低温時に熱中性子束の軸方向分布がピークとなる炉心上部の水平断面で見た場合において、制御棒側に配置される可燃性吸収材入り燃料棒が少なくなって熱中性子束が制御棒側で大きくなる。この結果、制御棒価値を高めることができ、炉停止余裕を増大することができる。
【００３０】
（１０）また、上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第２燃料棒は、前記反制御棒側領域よりも前記制御棒側領域に多く配置する。
【００３１】
これによっても、上記（１）で述べたように長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、熱的余裕を向上できるとともに、上記（９）同様、炉心上部の水平断面で見た場合において熱中性子束が制御棒側で大きくなり、制御棒価値を高めて炉停止余裕を増大することができる。
【００３２】
（１１）また、上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第３燃料棒は、前記反制御棒領域よりも前記制御棒側領域に多く配置する。
【００３３】
これによっても、上記（１）で述べたように長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、熱的余裕を向上できるとともに、上記（９）、（１０）同様、炉心上部の水平断面で見た場合において熱中性子束が制御棒側で大きくなり、制御棒価値を高めて炉停止余裕を増大することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
本発明の一実施の形態を図１〜図６により説明する。
【００３６】
図２は本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の全体構造を表す一部破断斜視図であり、図１はその横断面図であり、図３はこの燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【００３７】
これら図２、図１、及び図３に示す燃料集合体１０において、燃料棒１は上部タイプレート１４ａ及び下部タイプレート１４ｄによって束ねられて配列され、軸方向中間部の燃料棒１の間隔はスペーサ１４ｃによって保持される。このように束ねられた複数の燃料棒１は、チャンネルボックス７で覆われている。そして、コーナーロッド１４ｂに固定されるチャンネルファスナ（図示せず）で隣接する４体の燃料集合体１０を束ねたものを１つの単位として炉心が構成されている。
【００３８】
この燃料集合体１０は、炉心内に挿抜自在で断面が十字状の制御棒１１の周囲に配置して、ウラン燃料の燃料棒１をｎ行ｎ列（この例ではｎ＝９）の正方格子状に配列し、その径方向中央部に燃料棒１の３×３本分の領域を占める角筒状の水ロッド（ウォータチャンネル）５を配置している。
【００３９】
燃料棒１は合計７２本が備えられており、核分裂性物質としてのウラン酸化物を含む可燃性吸収材（ガドリニア）非添加の燃料棒１（燃料棒記号１，２，３）と、核分裂性物質としてのウラン酸化物に可燃性吸収材（ガドリニア）を添加した燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）とから構成されている。
【００４０】
このとき、局所出力ピーキング係数低減の観点から、コーナー部にウラン濃縮度３．０％の燃料棒１（燃料棒記号３）を４本配置し、その隣にウラン濃縮度４．０％の燃料棒１（燃料棒記号２）を８本、配置している。それ以外のうち、４４本はウラン濃縮度４．９％の燃料棒１（燃料棒記号１）とし、残りの１６本はガドリニアを添加したガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）８本、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）６本、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）２本となっている。これらガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ，２Ｃ）の全燃料棒本数（７２本）に対する割合は、それぞれ約８％、約３％となっており、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）のウラン濃縮度は軸方向に一様でいずれも４．０％、ガドリニアの未燃焼時の添加濃度も軸方向に一様に７％となっている。またそれらガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）のうち、図１に示すようにガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）は、燃料集合体１０内を制御棒１１側と制御棒１１と反対側とに幾何学的に２等分したとき、反制御棒側の本数のほうが制御棒側の本数よりも大きくなっており、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）は、制御棒１１側の本数のほうが反制御棒側の本数よりも大きくなっている。
【００４１】
また、軸方向の中性子の漏れを少なくして燃料経済性を上げるために、燃料棒１（燃料棒記号１，２，３）及びガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）には、上下端部から燃料有効長の１／２４の長さ分の領域に、天然ウランブランケット１２を配置している。
【００４２】
ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）は図３に示すようにガドリニアを添加した領域１３の長さがそれぞれ異なり、特許請求の範囲各項記載の第１燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）では、天然ウランブランケット１２を除く全長（１／２４ノード〜２３／２４ノード、高濃縮ウラン領域）をガドリニア添加領域１３としている。これに対し、第２燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）ではガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）に対してガドリニア添加領域１３を上部の４／２４だけ短い１／２４ノード〜１９／２４ノードとしており、第３燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）では上部の１４／２４だけ短い１／２４ノード〜９／２４ノードとしている。
【００４３】
なお、燃料集合体１０における集合体平均のウラン濃縮度は、約２２ヶ月の長期サイクル運転を達成するために、約４．２％の高濃縮度として高燃焼度化を図っている。
【００４４】
次に、以上のように構成した本実施形態の作用を説明する。
【００４５】
すでに述べたように、設備利用率向上等の観点から計画されている長期サイクル運転の場合、平均ウラン濃縮度の増加に伴い余剰反応度の抑制に必要な可燃性吸収材（ガドリニア等）の平均濃度も高くなる。一般にガドリニア等の可燃性吸収材の反応度制御能力は熱中性子束と可燃性吸収材添加濃度との積にほぼ比例するが、可燃性吸収材の添加濃度を高くしても熱中性子束が逆に低下する結果反応度制御能力はあまり増加しないことから、可燃性吸収材の添加濃度に軸方向に差をつけても反応度制御能力の変化が小さく、軸方向出力分布を可燃性吸収材の濃度差で制御するのは困難である。
【００４６】
そこで、本実施形態においては、上記ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）について、それぞれガドリニアの濃度を軸方向にほぼ一様としつつ、可燃性吸収材を添加した領域１３の軸方向長さが各種類ごとに互いに異なるようにして、燃料集合体上部水平断面、中央部水平断面、下部水平断面においてガドリニア燃料棒１の本数が異なるようにする。このように、軸方向にガドリニアを添加した燃料棒１の本数を調整することにより、図１に示すように正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置することで各可燃性吸収材添加燃料棒が互いにあまり近接しないようにすれば、各燃料棒１のまわりの熱中性子束がほとんど変わらないようにすることができる。この結果、ガドリニア燃料棒１の本数にほぼ比例させて、反応度制御能力を変化させることができる。
【００４７】
以下、その詳細原理を図４〜図６により説明する。
【００４８】
図４は、一般的な沸騰水型原子炉における炉心の軸方向位置とボイド率との関係を表す図であり、横軸に燃料有効長の下端からの距離を、その燃料有効長の２４等分刻みで表したもの（＝ノード）、縦軸にボイド率をとって表している。
【００４９】
図４に示すように、一般に、沸騰水型原子炉では、減速材ボイド率に軸方向分布があり、軸方向下部（例えば０／２４〜１／２４ノード付近、以下同様）がボイド率０％、軸方向中央部（例えば１２／２４ノード付近、以下同様）がボイド率４０％、軸方向上部（例えば２３／２４〜２４／２４ノード付近、以下同様）がボイド率７０％程度となる。このため、中性子の減速効果が軸方向位置で異なり、出力分布は、減速が十分に行われる炉心下部で高く、減速が不足する炉心上部で低くなる傾向となる。
【００５０】
図５は、これをボイド反応度に置き換えて表したものであり、横軸には上記のノード、縦軸にボイド反応度をとって表している。なお、この図５中には、水対燃料比にほぼ相当するＨ／Ｕ＝２．７の場合の曲線（実線）１５ａとＨ／Ｕ＝３．２の場合の曲線（破線）１５ｂとを併せて示している。このＨ／Ｕ＝２．７及び３．２は、沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲のＨ／Ｕの上限及び下限に該当するものであり、詳細には、９×９正方格子状配列において燃料棒７本分及び９本分の断面積を有する水ロッドを配置した燃料集合体を、国内の沸騰水型原子炉及び改良型沸騰水型原子炉（いわゆるＡＢＷＲ）に装荷した場合の最小値と最大値に相当するものである。図５において、炉心上部ほど、前述の図４に示したように減速材（冷却水）のボイド率が高くなって中性子の減速が不足するため、反応度は低下しているのがわかる。
【００５１】
本発明は、このような挙動として表される軸方向反応度の差を、軸方向上部、中央部、下部それぞれの断面における可燃性吸収材添加燃料棒の本数に差をつけて可燃性吸収材反応度価値の違いにより相殺し、軸方向出力分布を平坦化しようとするものである。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、そのときの特性を表した図であり、横軸にはある水平断面でみた可燃性吸収材添加燃料棒の全燃料棒に占める本数割合をとり、縦軸に可燃性吸収材反応度価値をとって表したものであり、図示のように、可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合が増加するほど可燃性吸収材反応度価値が単調増加する特性となる。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）の特性線は同一のものであり、後述の出力分布平坦化の説明の便宜上、別図としたものである。
【００５２】
上記特性に基づく、軸方向出力分布平坦化の具体的内容を、軸方向下部と軸方向中央部との間の出力分布平坦化と、軸方向中央部と軸方向上部との間の出力分布平坦化とに分けて説明する。
【００５３】
▲１▼軸方向下部と軸方向中央部との間の出力分布平坦化
まず、軸方向下部と軸方向中央部との間については、上記沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲Ｈ／Ｕ＝２．７〜３．２のうち、例えばＨ／Ｕ＝２．７程度の場合、図５に示されるように、軸方向下部（０／２４〜１／２４ノード付近）と軸方向中央部（１２／２４ノード付近）とのボイド反応度差は、約２．６％Δｋとなる。この反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補おうとする場合、図６（ａ）を用いて、ある断面で見た全燃料棒本数に占める可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合約６％に相当することとなる。本実施形態の構成に対応させて考えると、ガドリニアの添加領域長さが最短であるガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の添加領域１３は軸方向下部から軸方向中央部までにほぼ位置していることから、この燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の本数割合を約６％とすればよいことになる。
【００５４】
同様に、例えばＨ／Ｕ＝３．２程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は、図５より約１．５％Δｋとなり、図６（ａ）に基づきある断面で見た全燃料棒本数に占める可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合約３％に相当することとなるから、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の本数割合を約３％とすればよいことになる。したがって、通常の沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲を考えると、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の全燃料棒に占める本数割合を約３〜６％とすれば、軸方向下部と軸方向中央部との間の反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補い、これらの間の軸方向出力分布を平坦化できることがわかった。
【００５５】
本実施形態においては、前述したように、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の全燃料棒本数（７２本）に対する割合は、約３％となっており、上記の範囲内である。これにより、軸方向下部と軸方向中央部との間の反応度差をガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）に添加したガドリニアの反応度価値で補い、これら軸方向下部と軸方向中央部との間の軸方向出力分布を確実に平坦化することができる。
【００５６】
▲２▼軸方向中央部と軸方向上部との間の出力分布平坦化
上記▲１▼と同様にして、軸方向中央部と軸方向上部との間については、沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲Ｈ／Ｕ＝２．７〜３．２のうちＨ／Ｕ＝２．７程度の場合、図５に示されるように、軸方向中央部（１２／２４ノード付近）と軸方向上部（２３／２４〜２４／２４ノード付近）とのボイド反応度差は約３．３％Δｋとなる。この反応度差は、図６（ｂ）を用いて、ある断面で見た全燃料棒本数に占める可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合約８％に相当することとなる。本実施形態の構成に対応させて考えると、ガドリニアの添加領域長さが中間であるガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の添加領域１３は軸方向中央部から軸方向上部近傍までにほぼ対応していることから、このガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の本数割合を約８％とすればよい。
【００５７】
Ｈ／Ｕ＝３．２程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は図５より約２．１％Δｋとなり、ある断面で見た全燃料棒本数に占める可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合約４％に相当する。したがって、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の本数割合を約４％とすればよい。したがって、通常の沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲を考えると、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の全燃料棒に占める本数割合を約４〜８％とすれば、軸方向中央部と軸方向上部との間の反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補い、これらの間の軸方向出力分布を平坦化できることがわかった。
【００５８】
本実施形態においては、前述したように、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の全燃料棒本数（７２本）に対する割合は、約８％となっており、上記の範囲内である。これにより、軸方向中央部と軸方向上部との間の反応度差をガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）に添加したガドリニアの反応度価値で補い、これら軸方向中央部と軸方向上部との間の軸方向出力分布を確実に平坦化することができる。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば、軸方向に可燃性吸収材添加燃料棒（ガドリニア添加燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ））の本数を異ならせることで軸方向出力分布を確実に制御することができるので、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図り、熱的余裕を向上することができる。したがって、軸方向出力ピーキング係数を低減し最大線出力密度に対する熱的余裕を向上することができる。
【００６０】
また上記に加え、本実施形態によれば、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ,２Ｃ）のすべてについて、互いに行方向にも列方向にも隣接しないような配置としているが、特に、ガドリニア添加領域１３が最長であるガドリニア燃料棒（燃料棒記号２Ａ）について行方向にも列方向にも互いに隣接させないことで、以下の効果がある。すなわち、中性子スペクトルが硬くなりやすい上部断面においてガドリニア添加燃料棒１が互いに隣接しなくなり、その周囲には強吸収体がなくなる結果、熱中性子束が増加してガドリニアの燃焼が促進される。この結果、ガドリニアの燃え残りによる反応度損失を低減することができる。
【００６１】
またガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）のうち、図１に示すようにガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）は反制御棒側の本数のほうが制御棒側の本数よりも大きく、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）は、制御棒１１側の本数のほうが反制御棒側の本数よりも大きくなっている。これにより、低温時に熱中性子束の軸方向分布がピークとなる炉心上部の水平断面で見た場合において、制御棒１１側に配置される可燃性吸収材入り燃料棒が少なくなって熱中性子束が制御棒１１側で大きくなる。この結果、制御棒価値を高めることができ、炉停止余裕を増大することができる。
【００６２】
なお、上記燃料集合体１０は、長期サイクル運転を達成するために設計された燃料集合体の一例であり、従って、前記燃料棒１（燃料棒記号１，２，３，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）および水ロッド５の長さ、本数、形状および配置位置と、天然ウランブランケット部１２の有無や長さ等は設計によって異なることは言うまでもない。
【００６３】
また、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲において種々の変形例が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。
（１） 第１燃料棒を離して配置した構造
図７はこの変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図であり、図８はこの燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【００６４】
これら図７及び図８において、本変形例の燃料集合体１０２では、図１に示した燃料集合体１０において、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）の配置位置を変えている。このとき特に、上記図１の構成においては、上部断面８２にガドリニア添加領域１３を有する第１燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）が、互いに行方向及び列方向に隣接することはなかったものの、１行１列隣接した位置に配列される個所は存在していた。
【００６５】
これに対し、本変形例では、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）が、少なくとも燃料棒配列ピッチの２倍離れて配置されるように構成されている。これにより、特にボイド率が高く中性子スペクトルが硬い上部断面８２においても、ガドリニア添加領域１３の周囲に強吸収体がなくなる結果、熱中性子束が比較的高くなり、ガドリニアの燃え残りによる反応度損失を低減できる効果がある。
（２） 横断面円形の水ロッドを用いた構造
図９はこの変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図であり、図１０はこの燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【００６６】
これら図９及び図１０において、本変形例の燃料集合体１０３では、図１に示した燃料集合体１０における横断面四角形の水ロッド５に代えて、燃料棒１の７本分を占める領域に横断面円形の水ロッド５１を２本配置するとともに、残り７４本の燃料棒１中、ガドリニアを添加しない燃料棒１のうちの一部（８本を燃料有効長が他の燃料棒より短い部分長燃料棒（短尺燃料棒、燃料棒記号１Ｐ）としている。
【００６７】
この変形例によれば、ガドリニアを添加しない燃料棒１のうちの一部を部分長燃料棒１（燃料棒記号１Ｐ）とすることにより、上部の水対ウラン比（Ｈ／Ｕ）が増大し、ボイドによる減速材分布がやや平坦化されるため、軸方向出力分布平坦化のために必要なガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２）Ｃの本数をやや低減できるという効果がある。
【００６８】
（３）可燃性吸収材添加燃料棒の一部も部分長燃料棒とした構造
図１１はこの変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図であり、図１２はこの燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【００６９】
これら図１１及び図１２において、本変形例の燃料集合体１０４では、図９及び図１０に示したような横断面円形の水ロッド５１を用いるとともに、７４本の燃料棒のうち、部分長燃料棒を６本としており、そのうちの２本を第３燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２ＣＰ）としている。
【００７０】
本変形例によっても、上記（２）の変形例と同様の効果を得る。また、部分長燃料棒のガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２ＣＰ）とすることにより、この燃料棒については可燃性吸収材を添加したペレット１種類のみを充填すれば足りるようにでき、製造工程が簡素化できるという効果もある。
（４）第３燃料棒を制御棒近傍に配置した構造
図１３はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図１４は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００７１】
これら図１３及び図１４において、本変形例の燃料集合体１０５では、先の図７及び図８を用いて説明した変形例（１）の燃料集合体１０２において、第３燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）を制御棒１１に近い領域に配置したものである。
【００７２】
これにより、炉停止余裕を高める効果がある。その原理を図１５を用いて以下に説明する。
【００７３】
図１５は、一般的な沸騰水型原子炉の炉心において出力運転時に軸方向出力分布を平坦化した場合における低温時の出力分布を示した図であり、縦軸に前述のノードをとり、横軸に炉心平均出力分布（相対値）をとって表したものである。この図１５に示されるように、例えば本発明のような出力運転時における軸方向出力分布平坦化のための方策をとった場合には、低温時の炉心出力分布は減速材密度が大きく増加する炉心上部でピークをもつ傾向の特性線８５となる。
【００７４】
そこで、本変形例では、上記したようにガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）を制御棒１１に近い領域に配置することにより、上部断面８５において制御棒に近い領域には可燃性吸収材を添加した領域１３が存在しないようにすることができる。これにより、干渉効果がなくなり制御棒価値が可燃性吸収材により低下することがなくなるので、低温時に出力ピークとなる上部断面１３の制御棒価値が高められ、炉停止余裕を増大させることができる。
【００７５】
（５）第２燃料棒を制御棒近傍に配置した構造
図１６はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図１７は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００７６】
これら図１６及び図１７において、本変形例の燃料集合体１０６では、先の図７及び図８を用いて説明した変形例（１）の燃料集合体１０２において、第２燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）を制御棒１１に近い領域に配置したものである。
【００７７】
本変形例においても、上記変形例（４）と同様に、低温時に出力ピークとなる上部断面１３の制御棒価値が高められるため、炉停止余裕が増大する。
【００７８】
（６）第１燃料棒を制御棒より遠くに配置した構造
図１８はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図１９は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００７９】
これら図１８及び図１９において、本変形例の燃料集合体１０７では、先の図７及び図８を用いて説明した変形例（１）の燃料集合体１０２において、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）を制御棒１１から遠い領域に多く配置したものである。
【００８０】
本変形例においても、上記変形例（４）と同様に、低温時に出力ピークとなる上部断面１３の制御棒価値が高められるため、炉停止余裕が増大する。
【００８１】
またこれに加え、下端側にのみガドリニアを添加したガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）は制御棒側の本数のほうが反制御棒側の本数よりも大きくなっていることにより、低温時に熱中性子束の軸方向分布がピークとなる炉心上部の水平断面で見た場合において、制御棒１１側に配置される可燃性吸収材入り燃料棒が少なくなって熱中性子束が制御棒１１側で大きくなる。この結果、制御棒価値を高めることができ、これによっても炉停止余裕を増大できるという効果がある。
【００８２】
（７）第３燃料棒の下端部に可燃性吸収材非添加領域を設けた構造
図２０はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図２１は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００８３】
これら図２０及び図２１において、本変形例の燃料集合体１０８では、先の図７及び図８を用いて説明した変形例（１）の燃料集合体１０２において、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）のガドリニア添加領域（１／２４ノード〜９／２４ノード）１３のうち下端部の１／２４ノード〜３／２４ノードをガドリニア非添加領域とした（言い換えれば１／２４ノード〜２３／２４ノードの高濃縮度ウラン領域の下端部をガドリニア非添加領域とした）ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ′）を設けたものである。
【００８４】
この変形例によれば、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）において、高濃縮ウラン領域の下端部（１／２４ノード〜３／２４ノード）１４にガドリニアを添加しない構成とすることにより、中性子漏洩により低下しやすい下端の出力を高めることができ、軸方向出力分布がより平坦化されるとともに、可燃性吸収材の燃え残りによる反応度損失を低減できる効果がある。
【００８５】
（８）１０×１０配列に適用した場合
図２２はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図２３は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００８６】
これら図２２及び図２３において、本変形例の燃料集合体１０９では、本発明を１０行１０列の正方格子配列に適用したものであり、燃料集合体の中央付近に燃料棒３×３本分の領域を占める角筒状の水ロッド５２を配置している。９１本の燃料棒のうち、圧力損失低減の観点から、部分長燃料棒１（燃料棒記号１Ｐ）を１２本配置している。
【００８７】
また、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）が１０本、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）が６本、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）が５本配置されている。このとき、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）及びガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の全燃料棒本数（９１本）に占める本数割合は、それぞれ約７％、約６％となっている。
【００８８】
ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）はこれまでに説明してきたものと同様のものであり、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）のウラン濃縮度は軸方向に一様でいずれも４．０％、ガドリニアの未燃焼時添加濃度は軸方向に一様に７％である。また、ガドリニアを添加した領域１３の長さがそれぞれ異なっている。
【００８９】
ガドリニアを添加しない燃料棒１（燃料棒記号１，２，３，１Ｐ）についてもこれまでに説明してきたものと同様であり、燃料棒１（燃料棒記号１）、燃料棒１（燃料棒記号２）、燃料棒１（燃料棒記号３）、燃料棒１（燃料棒記号１Ｐ）のウラン濃縮度はそれぞれ４．９％、４．０％、３．０％、４．９％である。なおこの変形例では新たに、反制御棒側のコーナー部にウラン濃縮度２．０％の燃料棒１（燃料棒記号４）を１本設けている。
【００９０】
以上の結果、燃料集合体１０９における集合体平均の核分裂性物質の濃縮度は、約２２ヶ月の長期サイクル運転を達成するために、約４．２％の高濃縮度としている。
【００９１】
本変形例においても、上記本発明の一実施形態と同様に、軸方向出力分布を平坦化でき、最大線出力密度に対する熱的余裕増大効果を得る。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、沸騰水型燃料集合体に装荷する燃料集合体において、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、最大線出力密度の制限値に対する熱的余裕を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の全体構造を表す一部破断斜視図である。
【図３】図１及び図２に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図４】一般的な沸騰水型原子炉における炉心の軸方向位置とボイド率との関係を表す図である。
【図５】図４の縦軸をボイド反応度に置き換えて表した図である。
【図６】図５に示したボイド反応度の軸方向分布特性を相殺するための、可燃性吸収材反応度価値と可燃性吸収材添加燃料棒の全燃料棒に占める本数割合との関係を表した図である。
【図７】第１燃料棒を離して配置した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図８】図７に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図９】横断面円形の水ロッドを用いた変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１０】図９に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図１１】可燃性吸収材添加燃料棒の一部も部分長燃料棒とした変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１２】図１１に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図１３】第３燃料棒を制御棒近傍に配置した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１４】図１３に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図１５】一般的な沸騰水型原子炉の炉心において出力運転時に軸方向出力分布を平坦化した場合における低温時の出力分布を示した図である。
【図１６】第２燃料棒を制御棒近傍に配置した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１７】図１６に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図１８】第１燃料棒を制御棒より遠くに配置した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１９】図１８に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図２０】第３燃料棒の下端部に可燃性吸収材非添加領域を設けた変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図２１】図２０に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図２２】１０×１０配列に適用した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図２３】図２２に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【符号の説明】
１ 燃料棒
１０ 燃料集合体
１１ 制御棒
１３ ガドリニアを添加した領域
１０２ 燃料集合体
１０３ 燃料集合体
１０４ 燃料集合体
１０５ 燃料集合体
１０６ 燃料集合体
１０７ 燃料集合体
１０８ 燃料集合体
１０９ 燃料集合体
【発明の属する技術的分野】
本発明は、沸騰水型原子炉に装荷する燃料集合体に係わり、特に、長期サイクル運転に配慮した燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の炉心は、その多数の燃料集合体と、その間に挿抜自在に設けられた十字型制御棒とにより形成される。燃料集合体は、燃料被覆管内に酸化ウランなどの各分裂性物質からなる燃料ペレットを多数充填した複数の燃料棒から構成されている。運転開始時（サイクル初期）には、サイクル末期まで所定の出力で臨界を維持するために必要な量の核分裂性物質を新しい燃料集合体として装荷する。サイクル初期で余剰となる反応度は、制御棒による反応度抑制効果に加えて、燃料棒にガドリニア等の可燃性吸収材を添加することにより制御されている。この原理を以下に説明する。
【０００３】
核分裂によって発生した高速中性子は、燃料棒のまわりやチャンネルボックス外側にある減速材（冷却水）によって減速され、燃料棒のまわりに熱中性子として戻ってくる。この熱中性子は、燃料棒中のウラン−２３５等の核分裂性物質に吸収され、再び核分裂を起こす。可燃性吸収材を添加した燃料棒では、ウラン−２３５だけでなく可燃性吸収材によって熱中性子が吸収されるため、通常の燃料棒に比べて燃料棒内部の熱中性子束が小さくなり、燃料寿命初期の無限増倍率を抑制する効果がある。
【０００４】
燃焼が進行すると可燃性吸収材が燃え尽きることから無限増倍率抑制効果がなくなるが、燃焼に伴い燃料中に含まれる核分裂性物質であるウラン−２３５の含有量も減少することから、この可燃性吸収材の濃度を適切に調整することにより、燃料寿命初期から可燃性吸収材が燃え尽きる期間での低温時における制御棒挿入状態および引抜き状態の無限増倍率を抑制し、運転サイクルを通じて必要な炉停止余裕を確保することができる。一般には、可燃性吸収材の濃度は、原子炉の運転サイクル末期でほぼ燃え尽きるように調整される。
【０００５】
可燃性吸収材のもう一つの機能として、軸方向出力分布の制御が挙げられる。例えば、特開平８−２８５９７６号公報に記載のように、軸方向のウラン濃縮度分布を上部で高くかつ下部で低くするとともに、可燃性吸収材の濃度を上部で低くかつ下部で高くすることにより、軸方向出力分布の平坦化を図る構成が既に提唱されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の課題が存在する。
すなわち、原子炉の運転期間が１２〜１８ヶ月で平均取出燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔ程度であれば、上記の従来技術により軸方向出力分布の平坦化は十分に可能である。しかしながら、近年、米国等で設備利用率向上等の観点から、２２ヶ月連続運転（定期検査の約２ヶ月を含めて２４ヶ月運転）のような長期サイクル運転が計画される動向にある。このような場合には、現行の４５ＧＷｄ／ｔ程度の取出燃焼度を達成するために必要な平均ウラン濃縮度が４％を超える。この場合、現在の燃料ペレットの製造技術では燃料集合体に適用できる最高ウラン濃縮度が５％にとどまるという制約があることから、軸方向に濃縮度分布を設けることが困難になる。
【０００７】
また、平均ウラン濃縮度の増加に伴い余剰反応度の抑制に必要な可燃性吸収材の平均濃度も高くなる。ここで、前述したように可燃性吸収材を添加した燃料棒では燃料寿命初期の無限増倍率を抑制する効果があるが、その可燃性吸収材の反応度制御能力は熱中性子束と添加濃度との積にほぼ比例する。このため、上記のように可燃性吸収材の添加濃度を高くしても、熱中性子束が逆に低下することから、トータルで見た可燃性吸収材の反応度制御能力はあまり増加しない（自己遮蔽効果）。すなわち、可燃性吸収材の添加濃度が比較的高い場合には、上記従来技術のように可燃性吸収材の添加濃度に軸方向に多少差をつけても上記自己遮蔽効果により反応度制御能力（吸収断面積）の変化が小さい。したがって、軸方向出力分布を可燃性吸収材の濃度差で制御することは困難となる。この結果、軸方向出力分布の平坦化を図るのが困難となり、軸方向出力ピーキング係数が増大して最大線出力密度に対する熱的余裕が減少する。
【０００８】
本発明の目的は、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、熱的余裕を向上できる燃料集合体を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向にほぼ一様である複数種類の燃料棒を含み、前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を４〜８％とし、前記第３燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を３〜６％としたものとする。
【００１０】
設備利用率向上等の観点から計画されている長期サイクル運転の場合、平均ウラン濃縮度の増加に伴い余剰反応度の抑制に必要な可燃性吸収材の平均濃度も高くなる。可燃性吸収材の反応度制御能力は熱中性子束と添加濃度との積にほぼ比例し、可燃性吸収材の添加濃度を高くしても熱中性子束が逆に低下する結果反応度制御能力はあまり増加しないことから、可燃性吸収材の添加濃度に軸方向に差をつけても反応度制御能力の変化が小さく、軸方向出力分布を可燃性吸収材の濃度差で制御するのは困難である。
【００１１】
これに対し、本発明においては、複数の種類の燃料棒について、それぞれ可燃性吸収材の濃度を軸方向にほぼ一様としつつ、可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが各種類ごとに互いに異なるようにする。すなわち、例えば燃料集合体上部水平断面、中央部水平断面、下部水平断面において可燃性吸収材添加燃料棒の本数が異なるようにする。このように、軸方向に可燃性吸収材添加燃料棒の本数を調整する場合、例えば正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置する等、各可燃性吸収材添加燃料棒が互いにあまり近接しないようにすることで、各燃料棒のまわりの熱中性子束がほとんど変わらないようにすることができる。この結果、可燃性吸収材添加燃料棒の本数にほぼ比例させて、反応度制御能力を変化させることができる。すなわち、上記のように軸方向に可燃性吸収材添加燃料棒の本数を異ならせることで軸方向出力分布を確実に制御することができるので、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図り、熱的余裕を向上することができる。
【００１２】
また、沸騰水型原子炉では、減速材ボイド率に軸方向分布があり、例えば軸方向下部がボイド率０％、軸方向中央部がボイド率４０％、軸方向上部がボイド率７０％に相当する。このため、中性子の減速効果が軸方向位置で異なり、出力分布は、減速が十分に行われる炉心下部で高く、減速が不足する炉心上部で低くなる傾向となる。
【００１３】
これをボイド反応度に置き換えて考えると、まず、軸方向下部と軸方向中央部との間については、沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲Ｈ／Ｕ＝２．７〜３．２のうち、例えばＨ／Ｕ＝２．７程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は、約２．６％Δｋとなる。この反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補おうとする場合、ある断面で見た全燃料棒本数に占める本数割合約６％に相当することとなる。添加領域長さが最短である第３燃料棒の添加領域を軸方向下部から軸方向中央部までにほぼ位置させたとすると、この第３燃料棒の本数割合を約６％とすればよいことになる。同様に例えばＨ／Ｕ＝３．２程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は、約１．５％Δｋとなり、ある断面で見た全燃料棒本数に占める本数割合約３％に相当することとなる。添加領域長さが最短である第３燃料棒の添加領域を軸方向下部から軸方向中央部までにほぼ位置させたとすると、この第３燃料棒の本数割合を約３％とすればよいことになる。したがって、通常の沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲においては、第３燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を３〜６％とすれば、軸方向下部と軸方向中央部との間の反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補い、これらの間の軸方向出力分布を平坦化できる。
【００１４】
同様に、軸方向中央部と軸方向上部との間については、沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲Ｈ／Ｕ＝２．７〜３．２のうち、例えばＨ／Ｕ＝２．７程度の場合、軸方向中央部と軸方向上部とのボイド反応度差は、約３．３％Δｋとなる。この反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補おうとする場合、ある断面で見た全燃料棒本数に占める本数割合約８％に相当することとなる。添加領域長さが中間である第２燃料棒の添加領域を軸方向中央部から軸方向上部までにほぼ位置させたとすると、この第２燃料棒の本数割合を約８％とすればよいことになる。同様に例えばＨ／Ｕ＝３．２程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は、約２．１％Δｋとなり、ある断面で見た全燃料棒本数に占める本数割合約４％に相当することとなる。添加領域長さが中間である第２燃料棒の添加領域を軸方向中央部から軸方向上部までにほぼ位置させたとすると、この第２燃料棒の本数割合を約４％とすればよいことになる。したがって、通常の沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲においては、第２燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を４〜８％とすれば、軸方向中央部と軸方向上部との間の反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補い、これらの間の軸方向出力分布を平坦化できる。
以上により、軸方向下部から軸方向上部まで、軸方向出力分布を確実に平坦化することができる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材の濃度が互いにほぼ同一である。
【００１６】
（３）上記（１）又は（２）において、また好ましくは、前記複数の吸収材添加燃料棒のそれぞれを、前記正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置する。
【００１７】
（４）上記（１）乃至（３）において、また好ましくは、前記吸収材添加燃料棒は、上下端部の劣化ウラン又は天然ウランあるいは低濃縮ウラン領域を除いてウラン濃縮度が軸方向にほぼ一様である。
【００１８】
（５）上記（１）乃至（４）において、また好ましくは、燃料集合体平均のウラン濃縮度が未燃焼時に４％以上５％以下である。
【００１９】
平均濃縮度４％以上の燃料集合体においては、現在の燃料ペレットの製造技術では燃料集合体に適用できる最高ウラン濃縮度が５％にとどまるという制約があることから、上下端に天然ウラン領域を設けるとそれ以外の高濃縮ウラン領域について軸方向に濃縮度分布を設けることが困難となる。本発明においては、前述したようにこのような場合でも上記（１）のように可燃性吸収材を添加する領域の軸方向長さの異なる複数種類の燃料棒を設けることにより、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布を確実に平坦化でき、熱的余裕を向上することができる。
【００２０】
（６）上記（１）乃至（４）において、また好ましくは、前記吸収材添加燃料棒に添加した可燃性吸収材はガドリニアであり、その未燃焼時の添加濃度を５％以上とする。
【００２１】
１８ヶ月以上の運転期間を通じて余剰反応度を適正な範囲に制御するためには５％以上の濃度を有するガドリニア入り燃料棒が必要である。このように高い濃度のガドリニアを用いると、自己遮蔽効果により、濃度増加に対して中性子吸収断面積の増大効果がほぼ飽和しているため、ガドリニア濃度差による軸方向出力分布制御は特に困難である。前述したように、このような場合でも上記（１）のように可燃性吸収材を添加する領域の軸方向長さの異なる複数種類の燃料棒を設けることにより、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布を確実に平坦化でき、熱的余裕を向上することができる。
【００２４】
（７）上記（１）において、また好ましくは、前記吸収材添加燃料棒のうち、少なくとも前記複数の第１燃料棒のそれぞれを前記正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置する。
【００２５】
これにより、中性子スペクトルが硬くなりやすい上部断面において可燃性吸収材添加燃料棒が互いに隣接しなくなり、その周囲には強吸収体がなくなる結果、熱中性子束が増加して可燃性吸収材の燃焼が促進されるため、可燃性吸収材の燃え残りによる反応度損失を低減することができる。
【００２６】
（８）上記（１）において、また好ましくは、前記第３燃料棒を、燃料有効長が他の燃料棒より短い部分長燃料棒とする。
【００２７】
これにより、第３燃料棒には可燃性吸収材を添加したペレット１種類のみを充填すれば足りるようにでき、製造工程が簡素化できる。
【００２８】
（９）また、上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第１燃料棒は、前記制御棒側領域よりも前記反制御棒側領域に多く配置する。
【００２９】
これにより上記（１）で述べたように長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、熱的余裕を向上できる。また、低温時に熱中性子束の軸方向分布がピークとなる炉心上部の水平断面で見た場合において、制御棒側に配置される可燃性吸収材入り燃料棒が少なくなって熱中性子束が制御棒側で大きくなる。この結果、制御棒価値を高めることができ、炉停止余裕を増大することができる。
【００３０】
（１０）また、上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第２燃料棒は、前記反制御棒側領域よりも前記制御棒側領域に多く配置する。
【００３１】
これによっても、上記（１）で述べたように長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、熱的余裕を向上できるとともに、上記（９）同様、炉心上部の水平断面で見た場合において熱中性子束が制御棒側で大きくなり、制御棒価値を高めて炉停止余裕を増大することができる。
【００３２】
（１１）また、上記目的を達成するために、本発明は、核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第３燃料棒は、前記反制御棒領域よりも前記制御棒側領域に多く配置する。
【００３３】
これによっても、上記（１）で述べたように長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、熱的余裕を向上できるとともに、上記（９）、（１０）同様、炉心上部の水平断面で見た場合において熱中性子束が制御棒側で大きくなり、制御棒価値を高めて炉停止余裕を増大することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
本発明の一実施の形態を図１〜図６により説明する。
【００３６】
図２は本実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の全体構造を表す一部破断斜視図であり、図１はその横断面図であり、図３はこの燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【００３７】
これら図２、図１、及び図３に示す燃料集合体１０において、燃料棒１は上部タイプレート１４ａ及び下部タイプレート１４ｄによって束ねられて配列され、軸方向中間部の燃料棒１の間隔はスペーサ１４ｃによって保持される。このように束ねられた複数の燃料棒１は、チャンネルボックス７で覆われている。そして、コーナーロッド１４ｂに固定されるチャンネルファスナ（図示せず）で隣接する４体の燃料集合体１０を束ねたものを１つの単位として炉心が構成されている。
【００３８】
この燃料集合体１０は、炉心内に挿抜自在で断面が十字状の制御棒１１の周囲に配置して、ウラン燃料の燃料棒１をｎ行ｎ列（この例ではｎ＝９）の正方格子状に配列し、その径方向中央部に燃料棒１の３×３本分の領域を占める角筒状の水ロッド（ウォータチャンネル）５を配置している。
【００３９】
燃料棒１は合計７２本が備えられており、核分裂性物質としてのウラン酸化物を含む可燃性吸収材（ガドリニア）非添加の燃料棒１（燃料棒記号１，２，３）と、核分裂性物質としてのウラン酸化物に可燃性吸収材（ガドリニア）を添加した燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）とから構成されている。
【００４０】
このとき、局所出力ピーキング係数低減の観点から、コーナー部にウラン濃縮度３．０％の燃料棒１（燃料棒記号３）を４本配置し、その隣にウラン濃縮度４．０％の燃料棒１（燃料棒記号２）を８本、配置している。それ以外のうち、４４本はウラン濃縮度４．９％の燃料棒１（燃料棒記号１）とし、残りの１６本はガドリニアを添加したガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）８本、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）６本、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）２本となっている。これらガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ，２Ｃ）の全燃料棒本数（７２本）に対する割合は、それぞれ約８％、約３％となっており、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）のウラン濃縮度は軸方向に一様でいずれも４．０％、ガドリニアの未燃焼時の添加濃度も軸方向に一様に７％となっている。またそれらガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）のうち、図１に示すようにガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）は、燃料集合体１０内を制御棒１１側と制御棒１１と反対側とに幾何学的に２等分したとき、反制御棒側の本数のほうが制御棒側の本数よりも大きくなっており、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）は、制御棒１１側の本数のほうが反制御棒側の本数よりも大きくなっている。
【００４１】
また、軸方向の中性子の漏れを少なくして燃料経済性を上げるために、燃料棒１（燃料棒記号１，２，３）及びガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）には、上下端部から燃料有効長の１／２４の長さ分の領域に、天然ウランブランケット１２を配置している。
【００４２】
ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）は図３に示すようにガドリニアを添加した領域１３の長さがそれぞれ異なり、特許請求の範囲各項記載の第１燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）では、天然ウランブランケット１２を除く全長（１／２４ノード〜２３／２４ノード、高濃縮ウラン領域）をガドリニア添加領域１３としている。これに対し、第２燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）ではガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）に対してガドリニア添加領域１３を上部の４／２４だけ短い１／２４ノード〜１９／２４ノードとしており、第３燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）では上部の１４／２４だけ短い１／２４ノード〜９／２４ノードとしている。
【００４３】
なお、燃料集合体１０における集合体平均のウラン濃縮度は、約２２ヶ月の長期サイクル運転を達成するために、約４．２％の高濃縮度として高燃焼度化を図っている。
【００４４】
次に、以上のように構成した本実施形態の作用を説明する。
【００４５】
すでに述べたように、設備利用率向上等の観点から計画されている長期サイクル運転の場合、平均ウラン濃縮度の増加に伴い余剰反応度の抑制に必要な可燃性吸収材（ガドリニア等）の平均濃度も高くなる。一般にガドリニア等の可燃性吸収材の反応度制御能力は熱中性子束と可燃性吸収材添加濃度との積にほぼ比例するが、可燃性吸収材の添加濃度を高くしても熱中性子束が逆に低下する結果反応度制御能力はあまり増加しないことから、可燃性吸収材の添加濃度に軸方向に差をつけても反応度制御能力の変化が小さく、軸方向出力分布を可燃性吸収材の濃度差で制御するのは困難である。
【００４６】
そこで、本実施形態においては、上記ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）について、それぞれガドリニアの濃度を軸方向にほぼ一様としつつ、可燃性吸収材を添加した領域１３の軸方向長さが各種類ごとに互いに異なるようにして、燃料集合体上部水平断面、中央部水平断面、下部水平断面においてガドリニア燃料棒１の本数が異なるようにする。このように、軸方向にガドリニアを添加した燃料棒１の本数を調整することにより、図１に示すように正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置することで各可燃性吸収材添加燃料棒が互いにあまり近接しないようにすれば、各燃料棒１のまわりの熱中性子束がほとんど変わらないようにすることができる。この結果、ガドリニア燃料棒１の本数にほぼ比例させて、反応度制御能力を変化させることができる。
【００４７】
以下、その詳細原理を図４〜図６により説明する。
【００４８】
図４は、一般的な沸騰水型原子炉における炉心の軸方向位置とボイド率との関係を表す図であり、横軸に燃料有効長の下端からの距離を、その燃料有効長の２４等分刻みで表したもの（＝ノード）、縦軸にボイド率をとって表している。
【００４９】
図４に示すように、一般に、沸騰水型原子炉では、減速材ボイド率に軸方向分布があり、軸方向下部（例えば０／２４〜１／２４ノード付近、以下同様）がボイド率０％、軸方向中央部（例えば１２／２４ノード付近、以下同様）がボイド率４０％、軸方向上部（例えば２３／２４〜２４／２４ノード付近、以下同様）がボイド率７０％程度となる。このため、中性子の減速効果が軸方向位置で異なり、出力分布は、減速が十分に行われる炉心下部で高く、減速が不足する炉心上部で低くなる傾向となる。
【００５０】
図５は、これをボイド反応度に置き換えて表したものであり、横軸には上記のノード、縦軸にボイド反応度をとって表している。なお、この図５中には、水対燃料比にほぼ相当するＨ／Ｕ＝２．７の場合の曲線（実線）１５ａとＨ／Ｕ＝３．２の場合の曲線（破線）１５ｂとを併せて示している。このＨ／Ｕ＝２．７及び３．２は、沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲のＨ／Ｕの上限及び下限に該当するものであり、詳細には、９×９正方格子状配列において燃料棒７本分及び９本分の断面積を有する水ロッドを配置した燃料集合体を、国内の沸騰水型原子炉及び改良型沸騰水型原子炉（いわゆるＡＢＷＲ）に装荷した場合の最小値と最大値に相当するものである。図５において、炉心上部ほど、前述の図４に示したように減速材（冷却水）のボイド率が高くなって中性子の減速が不足するため、反応度は低下しているのがわかる。
【００５１】
本発明は、このような挙動として表される軸方向反応度の差を、軸方向上部、中央部、下部それぞれの断面における可燃性吸収材添加燃料棒の本数に差をつけて可燃性吸収材反応度価値の違いにより相殺し、軸方向出力分布を平坦化しようとするものである。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、そのときの特性を表した図であり、横軸にはある水平断面でみた可燃性吸収材添加燃料棒の全燃料棒に占める本数割合をとり、縦軸に可燃性吸収材反応度価値をとって表したものであり、図示のように、可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合が増加するほど可燃性吸収材反応度価値が単調増加する特性となる。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）の特性線は同一のものであり、後述の出力分布平坦化の説明の便宜上、別図としたものである。
【００５２】
上記特性に基づく、軸方向出力分布平坦化の具体的内容を、軸方向下部と軸方向中央部との間の出力分布平坦化と、軸方向中央部と軸方向上部との間の出力分布平坦化とに分けて説明する。
【００５３】
▲１▼軸方向下部と軸方向中央部との間の出力分布平坦化
まず、軸方向下部と軸方向中央部との間については、上記沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲Ｈ／Ｕ＝２．７〜３．２のうち、例えばＨ／Ｕ＝２．７程度の場合、図５に示されるように、軸方向下部（０／２４〜１／２４ノード付近）と軸方向中央部（１２／２４ノード付近）とのボイド反応度差は、約２．６％Δｋとなる。この反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補おうとする場合、図６（ａ）を用いて、ある断面で見た全燃料棒本数に占める可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合約６％に相当することとなる。本実施形態の構成に対応させて考えると、ガドリニアの添加領域長さが最短であるガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の添加領域１３は軸方向下部から軸方向中央部までにほぼ位置していることから、この燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の本数割合を約６％とすればよいことになる。
【００５４】
同様に、例えばＨ／Ｕ＝３．２程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は、図５より約１．５％Δｋとなり、図６（ａ）に基づきある断面で見た全燃料棒本数に占める可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合約３％に相当することとなるから、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の本数割合を約３％とすればよいことになる。したがって、通常の沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲を考えると、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の全燃料棒に占める本数割合を約３〜６％とすれば、軸方向下部と軸方向中央部との間の反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補い、これらの間の軸方向出力分布を平坦化できることがわかった。
【００５５】
本実施形態においては、前述したように、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の全燃料棒本数（７２本）に対する割合は、約３％となっており、上記の範囲内である。これにより、軸方向下部と軸方向中央部との間の反応度差をガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）に添加したガドリニアの反応度価値で補い、これら軸方向下部と軸方向中央部との間の軸方向出力分布を確実に平坦化することができる。
【００５６】
▲２▼軸方向中央部と軸方向上部との間の出力分布平坦化
上記▲１▼と同様にして、軸方向中央部と軸方向上部との間については、沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲Ｈ／Ｕ＝２．７〜３．２のうちＨ／Ｕ＝２．７程度の場合、図５に示されるように、軸方向中央部（１２／２４ノード付近）と軸方向上部（２３／２４〜２４／２４ノード付近）とのボイド反応度差は約３．３％Δｋとなる。この反応度差は、図６（ｂ）を用いて、ある断面で見た全燃料棒本数に占める可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合約８％に相当することとなる。本実施形態の構成に対応させて考えると、ガドリニアの添加領域長さが中間であるガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の添加領域１３は軸方向中央部から軸方向上部近傍までにほぼ対応していることから、このガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の本数割合を約８％とすればよい。
【００５７】
Ｈ／Ｕ＝３．２程度の場合、軸方向下部と軸方向中央部とのボイド反応度差は図５より約２．１％Δｋとなり、ある断面で見た全燃料棒本数に占める可燃性吸収材添加燃料棒の本数割合約４％に相当する。したがって、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の本数割合を約４％とすればよい。したがって、通常の沸騰水型原子炉の通常の運転条件範囲を考えると、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の全燃料棒に占める本数割合を約４〜８％とすれば、軸方向中央部と軸方向上部との間の反応度差を可変性吸収材の反応度価値で補い、これらの間の軸方向出力分布を平坦化できることがわかった。
【００５８】
本実施形態においては、前述したように、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）の全燃料棒本数（７２本）に対する割合は、約８％となっており、上記の範囲内である。これにより、軸方向中央部と軸方向上部との間の反応度差をガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）に添加したガドリニアの反応度価値で補い、これら軸方向中央部と軸方向上部との間の軸方向出力分布を確実に平坦化することができる。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば、軸方向に可燃性吸収材添加燃料棒（ガドリニア添加燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ））の本数を異ならせることで軸方向出力分布を確実に制御することができるので、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図り、熱的余裕を向上することができる。したがって、軸方向出力ピーキング係数を低減し最大線出力密度に対する熱的余裕を向上することができる。
【００６０】
また上記に加え、本実施形態によれば、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ,２Ｃ）のすべてについて、互いに行方向にも列方向にも隣接しないような配置としているが、特に、ガドリニア添加領域１３が最長であるガドリニア燃料棒（燃料棒記号２Ａ）について行方向にも列方向にも互いに隣接させないことで、以下の効果がある。すなわち、中性子スペクトルが硬くなりやすい上部断面においてガドリニア添加燃料棒１が互いに隣接しなくなり、その周囲には強吸収体がなくなる結果、熱中性子束が増加してガドリニアの燃焼が促進される。この結果、ガドリニアの燃え残りによる反応度損失を低減することができる。
【００６１】
またガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）のうち、図１に示すようにガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）は反制御棒側の本数のほうが制御棒側の本数よりも大きく、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）は、制御棒１１側の本数のほうが反制御棒側の本数よりも大きくなっている。これにより、低温時に熱中性子束の軸方向分布がピークとなる炉心上部の水平断面で見た場合において、制御棒１１側に配置される可燃性吸収材入り燃料棒が少なくなって熱中性子束が制御棒１１側で大きくなる。この結果、制御棒価値を高めることができ、炉停止余裕を増大することができる。
【００６２】
なお、上記燃料集合体１０は、長期サイクル運転を達成するために設計された燃料集合体の一例であり、従って、前記燃料棒１（燃料棒記号１，２，３，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）および水ロッド５の長さ、本数、形状および配置位置と、天然ウランブランケット部１２の有無や長さ等は設計によって異なることは言うまでもない。
【００６３】
また、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲において種々の変形例が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。
（１） 第１燃料棒を離して配置した構造
図７はこの変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図であり、図８はこの燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【００６４】
これら図７及び図８において、本変形例の燃料集合体１０２では、図１に示した燃料集合体１０において、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）の配置位置を変えている。このとき特に、上記図１の構成においては、上部断面８２にガドリニア添加領域１３を有する第１燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）が、互いに行方向及び列方向に隣接することはなかったものの、１行１列隣接した位置に配列される個所は存在していた。
【００６５】
これに対し、本変形例では、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）が、少なくとも燃料棒配列ピッチの２倍離れて配置されるように構成されている。これにより、特にボイド率が高く中性子スペクトルが硬い上部断面８２においても、ガドリニア添加領域１３の周囲に強吸収体がなくなる結果、熱中性子束が比較的高くなり、ガドリニアの燃え残りによる反応度損失を低減できる効果がある。
（２） 横断面円形の水ロッドを用いた構造
図９はこの変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図であり、図１０はこの燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【００６６】
これら図９及び図１０において、本変形例の燃料集合体１０３では、図１に示した燃料集合体１０における横断面四角形の水ロッド５に代えて、燃料棒１の７本分を占める領域に横断面円形の水ロッド５１を２本配置するとともに、残り７４本の燃料棒１中、ガドリニアを添加しない燃料棒１のうちの一部（８本を燃料有効長が他の燃料棒より短い部分長燃料棒（短尺燃料棒、燃料棒記号１Ｐ）としている。
【００６７】
この変形例によれば、ガドリニアを添加しない燃料棒１のうちの一部を部分長燃料棒１（燃料棒記号１Ｐ）とすることにより、上部の水対ウラン比（Ｈ／Ｕ）が増大し、ボイドによる減速材分布がやや平坦化されるため、軸方向出力分布平坦化のために必要なガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２）Ｃの本数をやや低減できるという効果がある。
【００６８】
（３）可燃性吸収材添加燃料棒の一部も部分長燃料棒とした構造
図１１はこの変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図であり、図１２はこの燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【００６９】
これら図１１及び図１２において、本変形例の燃料集合体１０４では、図９及び図１０に示したような横断面円形の水ロッド５１を用いるとともに、７４本の燃料棒のうち、部分長燃料棒を６本としており、そのうちの２本を第３燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２ＣＰ）としている。
【００７０】
本変形例によっても、上記（２）の変形例と同様の効果を得る。また、部分長燃料棒のガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２ＣＰ）とすることにより、この燃料棒については可燃性吸収材を添加したペレット１種類のみを充填すれば足りるようにでき、製造工程が簡素化できるという効果もある。
（４）第３燃料棒を制御棒近傍に配置した構造
図１３はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図１４は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００７１】
これら図１３及び図１４において、本変形例の燃料集合体１０５では、先の図７及び図８を用いて説明した変形例（１）の燃料集合体１０２において、第３燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）を制御棒１１に近い領域に配置したものである。
【００７２】
これにより、炉停止余裕を高める効果がある。その原理を図１５を用いて以下に説明する。
【００７３】
図１５は、一般的な沸騰水型原子炉の炉心において出力運転時に軸方向出力分布を平坦化した場合における低温時の出力分布を示した図であり、縦軸に前述のノードをとり、横軸に炉心平均出力分布（相対値）をとって表したものである。この図１５に示されるように、例えば本発明のような出力運転時における軸方向出力分布平坦化のための方策をとった場合には、低温時の炉心出力分布は減速材密度が大きく増加する炉心上部でピークをもつ傾向の特性線８５となる。
【００７４】
そこで、本変形例では、上記したようにガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）を制御棒１１に近い領域に配置することにより、上部断面８５において制御棒に近い領域には可燃性吸収材を添加した領域１３が存在しないようにすることができる。これにより、干渉効果がなくなり制御棒価値が可燃性吸収材により低下することがなくなるので、低温時に出力ピークとなる上部断面１３の制御棒価値が高められ、炉停止余裕を増大させることができる。
【００７５】
（５）第２燃料棒を制御棒近傍に配置した構造
図１６はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図１７は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００７６】
これら図１６及び図１７において、本変形例の燃料集合体１０６では、先の図７及び図８を用いて説明した変形例（１）の燃料集合体１０２において、第２燃料棒としてのガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）を制御棒１１に近い領域に配置したものである。
【００７７】
本変形例においても、上記変形例（４）と同様に、低温時に出力ピークとなる上部断面１３の制御棒価値が高められるため、炉停止余裕が増大する。
【００７８】
（６）第１燃料棒を制御棒より遠くに配置した構造
図１８はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図１９は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００７９】
これら図１８及び図１９において、本変形例の燃料集合体１０７では、先の図７及び図８を用いて説明した変形例（１）の燃料集合体１０２において、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）を制御棒１１から遠い領域に多く配置したものである。
【００８０】
本変形例においても、上記変形例（４）と同様に、低温時に出力ピークとなる上部断面１３の制御棒価値が高められるため、炉停止余裕が増大する。
【００８１】
またこれに加え、下端側にのみガドリニアを添加したガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）は制御棒側の本数のほうが反制御棒側の本数よりも大きくなっていることにより、低温時に熱中性子束の軸方向分布がピークとなる炉心上部の水平断面で見た場合において、制御棒１１側に配置される可燃性吸収材入り燃料棒が少なくなって熱中性子束が制御棒１１側で大きくなる。この結果、制御棒価値を高めることができ、これによっても炉停止余裕を増大できるという効果がある。
【００８２】
（７）第３燃料棒の下端部に可燃性吸収材非添加領域を設けた構造
図２０はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図２１は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００８３】
これら図２０及び図２１において、本変形例の燃料集合体１０８では、先の図７及び図８を用いて説明した変形例（１）の燃料集合体１０２において、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）のガドリニア添加領域（１／２４ノード〜９／２４ノード）１３のうち下端部の１／２４ノード〜３／２４ノードをガドリニア非添加領域とした（言い換えれば１／２４ノード〜２３／２４ノードの高濃縮度ウラン領域の下端部をガドリニア非添加領域とした）ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ′）を設けたものである。
【００８４】
この変形例によれば、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）において、高濃縮ウラン領域の下端部（１／２４ノード〜３／２４ノード）１４にガドリニアを添加しない構成とすることにより、中性子漏洩により低下しやすい下端の出力を高めることができ、軸方向出力分布がより平坦化されるとともに、可燃性吸収材の燃え残りによる反応度損失を低減できる効果がある。
【００８５】
（８）１０×１０配列に適用した場合
図２２はこの変形例による燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、図２３は燃料棒の燃料および含有可燃性吸収材の軸方向分布図を示す。
【００８６】
これら図２２及び図２３において、本変形例の燃料集合体１０９では、本発明を１０行１０列の正方格子配列に適用したものであり、燃料集合体の中央付近に燃料棒３×３本分の領域を占める角筒状の水ロッド５２を配置している。９１本の燃料棒のうち、圧力損失低減の観点から、部分長燃料棒１（燃料棒記号１Ｐ）を１２本配置している。
【００８７】
また、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ）が１０本、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）が６本、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）が５本配置されている。このとき、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｂ）及びガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ｃ）の全燃料棒本数（９１本）に占める本数割合は、それぞれ約７％、約６％となっている。
【００８８】
ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）はこれまでに説明してきたものと同様のものであり、ガドリニア燃料棒１（燃料棒記号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）のウラン濃縮度は軸方向に一様でいずれも４．０％、ガドリニアの未燃焼時添加濃度は軸方向に一様に７％である。また、ガドリニアを添加した領域１３の長さがそれぞれ異なっている。
【００８９】
ガドリニアを添加しない燃料棒１（燃料棒記号１，２，３，１Ｐ）についてもこれまでに説明してきたものと同様であり、燃料棒１（燃料棒記号１）、燃料棒１（燃料棒記号２）、燃料棒１（燃料棒記号３）、燃料棒１（燃料棒記号１Ｐ）のウラン濃縮度はそれぞれ４．９％、４．０％、３．０％、４．９％である。なおこの変形例では新たに、反制御棒側のコーナー部にウラン濃縮度２．０％の燃料棒１（燃料棒記号４）を１本設けている。
【００９０】
以上の結果、燃料集合体１０９における集合体平均の核分裂性物質の濃縮度は、約２２ヶ月の長期サイクル運転を達成するために、約４．２％の高濃縮度としている。
【００９１】
本変形例においても、上記本発明の一実施形態と同様に、軸方向出力分布を平坦化でき、最大線出力密度に対する熱的余裕増大効果を得る。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、沸騰水型燃料集合体に装荷する燃料集合体において、長期サイクル運転時においても軸方向出力分布の平坦化を図れ、最大線出力密度の制限値に対する熱的余裕を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の全体構造を表す一部破断斜視図である。
【図３】図１及び図２に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図４】一般的な沸騰水型原子炉における炉心の軸方向位置とボイド率との関係を表す図である。
【図５】図４の縦軸をボイド反応度に置き換えて表した図である。
【図６】図５に示したボイド反応度の軸方向分布特性を相殺するための、可燃性吸収材反応度価値と可燃性吸収材添加燃料棒の全燃料棒に占める本数割合との関係を表した図である。
【図７】第１燃料棒を離して配置した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図８】図７に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図９】横断面円形の水ロッドを用いた変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１０】図９に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図１１】可燃性吸収材添加燃料棒の一部も部分長燃料棒とした変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１２】図１１に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図１３】第３燃料棒を制御棒近傍に配置した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１４】図１３に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図１５】一般的な沸騰水型原子炉の炉心において出力運転時に軸方向出力分布を平坦化した場合における低温時の出力分布を示した図である。
【図１６】第２燃料棒を制御棒近傍に配置した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１７】図１６に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図１８】第１燃料棒を制御棒より遠くに配置した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図１９】図１８に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図２０】第３燃料棒の下端部に可燃性吸収材非添加領域を設けた変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図２１】図２０に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【図２２】１０×１０配列に適用した変形例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面構造を表す横断面図である。
【図２３】図２２に示した燃料集合体における燃料棒のウラン濃縮度および可燃性吸収材濃度の軸方向分布図である。
【符号の説明】
１ 燃料棒
１０ 燃料集合体
１１ 制御棒
１３ ガドリニアを添加した領域
１０２ 燃料集合体
１０３ 燃料集合体
１０４ 燃料集合体
１０５ 燃料集合体
１０６ 燃料集合体
１０７ 燃料集合体
１０８ 燃料集合体
１０９ 燃料集合体
Claims (11)
- 核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、
前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、
前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、
前記第２燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を４〜８％とし、前記第３燃料棒の全燃料棒に占める本数割合を３〜６％としたことを特徴とする燃料集合体。 - 請求項１記載の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材の濃度が互いに同一であることを特徴とする燃料集合体。
- 請求項１又は２記載の燃料集合体において、前記複数の吸収材添加燃料棒のそれぞれを、前記正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置したことを特徴とする燃料集合体。
- 請求項１乃至３記載の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒は、上下端部の劣化ウラン又は天然ウランあるいは低濃縮ウラン領域を除いてウラン濃縮度が軸方向に一様であることを特徴とする燃料集合体。
- 請求項１乃至４記載の燃料集合体において、燃料集合体平均のウラン濃縮度が未燃焼時に４％以上５％以下であることを特徴とする燃料集合体。
- 請求項１乃至４記載の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒に添加した可燃性吸収材はガドリニアであり、その未燃焼時の添加濃度を５％以上としたことを特徴とする燃料集合体。
- 請求項１記載の燃料集合体において、前記吸収材添加燃料棒のうち、少なくとも前記複数の第１燃料棒のそれぞれを前記正方格子状配列における行方向にも列方向にも互いに隣接しないように配置したことを特徴とする燃料集合体。
- 請求項１記載の燃料集合体において、前記第３燃料棒を、燃料有効長が他の燃料棒より短い部分長燃料棒としたことを特徴とする燃料集合体。
- 核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、
前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、
前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、
制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第１燃料棒は、前記制御棒側領域よりも前記反制御棒側領域に多く配置したことを特徴とする燃料集合体。 - 核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、
前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、
前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、
制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第２燃料棒は、前記反制御棒側領域よりも前記制御棒側領域に多く配置したことを特徴とする燃料集合体。 - 核分裂性物質を含む複数の吸収材非添加燃料棒と核分裂性物質に可燃性吸収材を添加した複数の吸収材添加燃料棒とを、ｎを整数としたｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、
前記吸収材添加燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが互いに異なり、かつその添加領域において前記可燃性吸収材の濃度が軸方向に一様である複数種類の燃料棒を含み、
前記複数種類の燃料棒は、前記可燃性吸収材を添加した領域の軸方向長さが最も大きい複数の第１燃料棒と、中間の複数の第２燃料棒と、最も小さい複数の第３燃料棒とを含み、
前記吸収材添加燃料棒を軸方向に軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に分けたとき、前記第１燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域、軸方向中央領域、軸方向上方領域に添加された燃料棒であり、前記第２燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域と軸方向中央領域に添加された燃料棒であり、前記第３燃料棒は前記可燃性吸収材が軸方向下方領域に添加された燃料棒であり、
制御棒側領域と反制御棒側領域に２等分したとき、前記第３燃料棒は、前記反制御棒領域よりも前記制御棒側領域に多く配置したことを特徴とする燃料集合体。
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