JP3779299B2 - 原子炉の炉心 - Google Patents

Description

本発明は沸騰水型原子炉において取出燃焼度の増大により燃料経済性を向上させた初装荷炉心に係る原子炉の炉心に関する。

沸騰水型原子炉が建設されて初めて炉心に装荷される核燃料の燃料集合体は初装荷燃料と呼ばれる。このような初装荷燃料としては、原子力発電プラントの開発初期の頃には濃縮度が１種類のものが使用されていたが、近年では取出燃焼度の向上のために、濃縮度の異なる複数種のものが使用されるようになった。

ただし、いずれの場合でも初装荷燃料の平均濃縮度は、第１サイクルの終了時に炉心の余剰反応度が、ほぼゼロとなるように設定されており、したがって2.1 〜2.5 ％とされている。

このような初装荷炉心の例として、濃縮度が異なる４種類の初装荷燃料で構成された電気出力 135万ｋＷの沸騰水型原子炉の炉心の１／４部を図20の燃料配置構成図に示す。この図20において四角で示したものが一般に燃料と呼ばれている燃料集合体の１体を表し、炉心１は合計 872体の燃料集合体で構成している。

ここで、四角内に表示したＨは濃縮度3.7 ％、Ｍは濃縮度2.5 ％、Ｌは濃縮度1.6 ％、そしてＳは濃縮度0.9 ％の初装荷燃料集合体であることを示す。この燃料Ｈの濃縮度は取替燃料集合体と同じであり、燃料Ｍ、Ｌ、Ｓの濃縮度は取替燃料集合体が第１，第２，第３サイクル炉内に滞在した後の反応度を模擬するように設定したものである。

図20において、燃料Ｈの燃料集合体２と燃料Ｍの燃料集合体３、及び燃料Ｌの燃料集合体４は各々 200体で、燃料Ｓの燃料集合体５は 272体装荷されており、これによる初装荷燃料の平均濃縮度は2.1 ％である。

ここで用いられている燃料は高燃焼度燃料集合体の一例であり、図21（ａ）の縦断面図と、図21（ｂ）の図21（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図、及び図21（ｃ）の図21（ａ）のｃ−ｃ矢視断面図で示す。

燃料集合体２〜５は長尺の燃料棒６と短尺燃料棒７、及び太径ウォータロッド８を、スペーサ９により９行９列の正方格子状に束ねて、上部タイプレート10及び下部タイプレート11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12で包囲して構成している。前記短尺燃料棒７は燃料集合体２〜５の上部における冷却材流路を拡大して、圧力損失を低減すると共に炉停止余裕を向上している。

炉心１では図20において白丸の位置に制御棒13が 205本具備されているが、この制御棒13の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ない燃料が存在する。

また、原子炉の運転中に炉心１の余剰反応度を制御棒13でコントロールするために、制御棒13の移動による制御棒13と隣接した燃料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結果から、反応度が低い燃料を４体配した低反応度セル14（コントロールセルとも呼ばれる）を炉心１内に離散的に配置している。なお、本炉心１では太枠で示された21個の低反応度セル14があり、最低濃縮度の燃料集合体５（Ｓ）が装荷されている。

このような初装荷炉心による第１サイクルの運転が終了すると、初装荷燃料集合体のうち反応度の低下した約 200体を炉心１から取り出して、新たに取替燃料集合体を装荷して第２サイクルの運転を行い、以下同様に順次、第３，第４サイクルと運転が繰り返される。

これに対して初装荷燃料の取出燃焼度を大幅に増大させる発明が特許文献１に開示されている。この発明は全ての初装荷燃料の濃縮度を取替燃料と同一とすることにより、第１サイクルの運転終了後において燃料交換を行わずに第２サイクルの運転を行うものである。

これにより、取替燃料との交換作業を省略すると共に、燃料経済性を従来よりも大幅に向上させる。しかしながらこの発明では、第２サイクル終了時において炉心の余剰反応度はゼロにならず、未だ運転できる余力を残したままで原子炉を停止しなければならないという課題があった。

また、上記課題を解決するための発明が、特許文献２に開示されている。この発明では、濃縮度が異なる２種類以上の初装荷燃料を用意して、高濃縮度燃料の濃縮度を取替燃料と同一とすると共に、低濃縮度燃料の濃縮度と装荷体数を、第１サイクルの運転終了後に燃料交換をせずに第２サイクルの運転を行い、しかも第２サイクルの終了時には炉心の余剰反応度がゼロとなるように定めることが提案されている。
特開昭60−119492号公報 特開平 2−222867号公報 特開昭63−168589号公報 特開平 4−58191 号公報 特開昭61−240193号公報

しかしながら上記２つの発明では未だ以下のような課題が残されている。

沸騰水型原子炉では一般に炉心１における余剰反応度を１〜２％Δｋの適切な範囲に制御するために、燃料集合体２〜５を構成する一部の燃料棒６，７にガドリニア等の可燃性毒物を含有させている。

燃料集合体２〜５の１体当たりの可燃性毒物入り燃料棒の本数は、燃焼サイクル初期における余剰反応度を適切な範囲に設定するように、また可燃性毒物の濃度は燃焼サイクルの長さにほぼ比例して決定される。前記図20に示した平均濃縮度2.1 ％の初装荷炉心において、従来使用されてきた最高濃度である7.5 ％のガドリニアを、燃料集合体Ｈ、Ｍ、Ｌを構成する適切な本数の燃料棒に含有させた場合の第１サイクルの余剰反応度は、1.2 〜2 ％Δｋの一定値を取り、サイクル末期にはほぼゼロとなる。

ところが、初装荷燃料の平均濃縮度が高くなると、原子炉の運転期間が一定であっても、従来の濃度の可燃性毒物を用いたままでは運転サイクル中期以降の余剰反応度が増大してしまう。一例として、図20において各初装荷燃料の装荷体数を調整して平均濃縮度を 2.7％に高めた初装荷炉心の余剰反応度は、サイクル後半で 3％Δｋを超える。

さらに、可燃性毒物としてガドリニアを用いた場合に、可燃性毒物入り燃料棒１本当たりの反応度効果は３〜４％Δｋであるから、初装荷燃料の大半を占める高濃縮度燃料集合体における可燃性毒物入り燃料棒本数の調整により、余剰反応度を常に適切な範囲に設定できるとは限らない。

例えば、初装荷燃料の平均濃縮度を0.1 ％増大させるためには、余剰反応度を約１％Δｋ低下させる必要があるが、可燃性毒物入り燃料棒の本数を１本増やすと余剰反応度は２〜３％Δｋ低下してしまう。

本発明の目的とするところは、取出し燃焼度を増大させて燃料の有効利用により経済性を大幅に向上させるため初装荷燃料の平均濃縮度を高めた原子炉の炉心における余剰反応度の増大の課題を解決し、余剰反応度を適切な範囲に制御することができる原子炉の炉心を提供することにある。

上記目的を達成するため請求項１記載の発明に係る原子炉の炉心は、１本の制御棒とこれを囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成され、各領域に含まれる燃料集合体数がほぼ等しくなるように同心円状で径方向に炉心周辺領域と炉心内部領域とに２分割された原子炉の炉心において、濃縮度の異なる２種類以上の初装荷燃料集合体を装荷すると共に、最高濃縮度の前記初装荷燃料集合体には少なくとも上下端を除く部分に可燃性毒物を含有する可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の燃料集合体と可燃性毒物入り燃料棒の本数が前記第１の燃料集合体よりも少ない第２の燃料集合体とが存在し、前記第１の燃料集合体および前記第２の燃料集合体をいずれも前記炉心周辺領域および前記炉心内部領域の両方に装荷し、前記第１の燃料集合体を前記炉心周辺領域よりも前記炉心内部領域に多く配置したことを特徴とする。

請求項２記載の発明に係る原子炉の炉心は、１本の制御棒とこれを囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成される原子炉の炉心において、濃縮度の異なる２種類以上の初装荷燃料集合体を装荷すると共に、最高濃縮度の前記初装荷燃料集合体には少なくとも上下端を除く部分に可燃性毒物を含有する可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の燃料集合体と可燃性毒物入り燃料棒の本数が前記第１の燃料集合体よりも少ない第２の燃料集合体とが存在し、前記第１の燃料集合体が炉心最外周に配置されると共に前記第２の燃料集合体が炉心最外周から２層目及び３層目の少なくとも一方に配置されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明に係る原子炉の炉心は、１本の制御棒とこれを囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成される原子炉の炉心において、濃縮度の異なる２種類以上の初装荷燃料集合体を装荷すると共に、最高濃縮度の前記初装荷燃料集合体には少なくとも上下端を除く部分に可燃性毒物を含有する可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の燃料集合体と可燃性毒物入り燃料棒の本数が前記第１の燃料集合体よりも少ない第２の燃料集合体とが存在し、前記原子炉の炉心が４体の前記最高濃縮度初装荷燃料集合体で構成された高反応度セルと前記最高濃縮度初装荷燃料集合体よりも濃縮度の低い４体の前記初装荷燃料集合体で構成された低反応度セルとを備え、前記低反応度セルにＸ及びＹ方向のいずれにおいても面しない前記高反応度セルには、前記低反応度セルにＸ及びＹ方向の少なくともいずれか一方において面する前記高反応度セルよりも前記第１の燃料集合体が多く装荷されていることを特徴とする。

図１の燃料配置構成図は炉心の１／４を示したもので、図１（ａ）は第１サイクルの炉心15ａ、図１（ｂ）は第２サイクルの炉心15ｂで、いずれも３種類の初装荷燃料集合体が装荷されている。図中で４角内に１で示した燃料集合体16と、２で示した燃料集合体17は同じ高濃縮度初装荷燃料であり、Ｌで示した燃料集合体18は低濃縮度初装荷燃料である。

なお、１本の制御棒13の周囲に４体の燃料集合体16〜18を配置したものが１セルで、４体の燃料集合体全てに低濃縮度初装荷燃料である燃料集合体18（Ｌ）を配置した、太枠で示す部分の低反応度セル14に対して、高反応度セル19と呼んでいる。

前記原子炉の炉心15ａ，15ｂに装荷された燃料集合体は、夫々複数の燃料棒を正方格子状に束ねて構成され、四角内に１と２で示した初装荷燃料の平均濃縮度が約2.7 ％以上であり、かつ可燃性毒物として燃料棒に含有されるガドリニアの濃度が少なくとも一部の初装荷燃料集合体において7.5 ％よりも高く含有させている。

また、図１（ａ）に示す第１サイクルの炉心15ａにおいて初装荷燃料集合体が装荷され、図１（ｂ）の第２サイクルの炉心15ｂまたは第３サイクル以降において取替燃料集合体が装荷される炉心において、前記初装荷燃料集合体の平均取出燃焼度を前記取替燃料集合体の平均取出燃焼度の約0.7 倍以上とする。

以上の構成によれば、平均濃縮度を大幅に高めた初装荷炉心においては、第１サイクルの余剰反応度を適切な範囲に設定することができる。図２の特性図は上記図20の従来例で用いられた４種類の初装荷燃料集合体のうち、燃料集合体２（Ｈ）と燃料集合体４（Ｌ）を用いて、その装荷体数割合の調整によって構成した平均濃縮度の異なる種々の初装荷炉心における第１サイクルの余剰反応度の最大値を示したものである。

燃料集合体２（Ｈ）は従来用いられてきた濃度 7.5％のガドリニア入り燃料棒を９本、また燃料集合体４（Ｌ）は２本有していて、本来、装荷体数割合の変更に伴ってガドリニア入り燃料棒の本数を調整する必要があるが、サイクル末期付近ではガドリニアの反応度価値は消滅しているので、余剰反応度の最大値はガドリニア入り燃料棒本数の影響をあまり受けない。

図２においては、炉心最外周に燃料集合体４（Ｌ）を配置した場合が曲線20、燃料集合体２（Ｈ）を配置した場合を曲線21で示す。炉心最外周に燃料集合体２を配置した場合に、平均濃縮度が約 2.7％以上の炉心では余剰反応度が 4.5％Δｋを越えている。一般に低反応度セルはＸ方向、Ｙ方向及び対角方向において互いに隣接しないように配置されるため、従来の図20に示す炉心１では最大45個の低反応度セル14を配置できる。

しかしながら、45本の制御棒13で制御可能な余剰反応度は約 4.5％Δｋであるから、濃度 7.5％のガドリニアを用いる限り、平均濃縮度が約 2.7％以上の初装荷炉心では原子炉の制御ができないことになる。

したがって、この構成に基づいて 7.5％よりも高濃度のガドリニアを使用することにより、適切な余剰反応度を有する平均濃縮度が約 2.7％以上の初装荷炉心を構成することができる。

一方、炉心最外周に高濃縮度燃料集合体16（１）と高濃縮度燃料集合体17（２）を配置すると、炉心からの中性子の漏洩が増大するので余剰反応度を低くでき、平均濃縮度が約 2.9％以上の炉心で余剰反応度が 4.5％Δｋを越える。したがって、このような燃料配置を採用した炉心では、平均濃縮度が約 2.9％以上で、7.5％よりも高濃度のガドリニアを用いればよい。

図２における曲線22は、１種類の燃料集合体で構成した種々の濃縮度の初装荷炉心において、濃度 7.5％のガドリニアを用いた場合の第１サイクルの余剰反応度の最大値で、この図２から分かるように濃縮度の異なる複数の燃料で構成した初装荷炉心の場合は、曲線20または曲線21に比べて余剰反応度はかなり大きくなっている。これは、燃料の濃縮度が高いほど中性子スペクトルがハードになるためガドリニアの燃焼が遅れるからである。

すなわち、平均濃縮度が同じであれば、濃縮度が異なる複数の燃料で炉心を構成し、濃縮度の高い燃料により多くの可燃性毒物を含有させることによって、可燃性毒物の反応度寿命を長期化させ、これにより余剰反応度を低減することができる。

上記構成によって平均濃縮度を大幅に高めたことにより、初装荷燃料の平均取出燃焼度が従来よりも大幅に増加し、従来の図20に示した平均濃縮度 2.1％の初装荷炉心１では、初装荷燃料の平均取出燃焼度は約25ＧＷｄ／ｔであり、濃縮度3.7％の取替燃料の平均取出燃焼度45ＧＷｄ／ｔの0.56倍にしか満たないが、平均濃縮度を 2.7％に高めた初装荷炉心15ａでは、平均取出燃焼度は約32ＧＷｄ／ｔとなり、取替燃料の平均取出燃焼度の0.71倍となる。

第１の発明群においては、例えば図１の燃料配置構成図に示すように、第１サイクルにおいて初装荷燃料集合体が装荷され、第２サイクルまたは第３サイクル以降にて取替燃料集合体が装荷される原子炉を、各領域に含まれる燃料集合体数がほぼ等しくなるように同心円状で径方向に斜線23部分で２分割した炉心において、第１サイクルにて炉心周辺領域に配置されていた前記初装荷燃料集合体を第２サイクルにおいて炉心周辺領域よりも炉心内部領域に多く配置して運転する。

また、この濃縮度が異なる２種類以上の初装荷燃料集合体が装荷された原子炉の炉心において、第１サイクル及び第２サイクルにて炉心最外周に最高濃縮度の前記初装荷燃料集合体を配置し、第１サイクルにおいて炉心最外周に配置された前記最高濃縮度初装荷燃料集合体と異なる前記最高濃縮度初装荷燃料集合体を第２サイクルにおいて炉心最外周に配置して運転する。

さらに、炉心の各領域に含まれる燃料集合体数がほぼ等しくなるように同心円状で径方向に斜線23部分で２分割して、第１サイクルの運転中に原子炉の炉心に挿入される制御棒の本数を炉心内部領域よりも炉心周辺領域において多くして運転する。

この第１の発明群による作用として、第２サイクルの余剰反応度を抑制できると共に、より長く運転することができる。図１（ａ）の炉心15ａに示す第１サイクルにおいて炉心周辺領域に配置されていた初装荷燃料の高濃縮燃料集合体16，17は出力が低いため燃焼が進まないので、これに含有されている可燃性毒物および核分裂性物質は、第２サイクル移行時においても十分に残っている。

したがって、初装荷燃料集合体16〜18を図１（ｂ）の炉心15ｂに示す第２サイクルにおいて、炉心の内部領域に移動させることにより、可燃性毒物の濃度を過度に高めることなく第２サイクルの余剰反応度を適切な範囲に制御することができると共に、第２サイクルの燃焼効率を高くなる。

なお、そのためには、可燃性毒物を多く含有する最高濃縮度初装荷燃料の燃料集合体16，17を、第１サイクルにおいて炉心周辺領域、特に炉心最外周に配置することが効果的であり、さらに、第１サイクルにおいて制御棒13の挿入によって炉心周辺領域の燃料の燃焼を一層遅れさせることによって、前記の作用をさらに強調することができる。

第２の発明群においては、例えば図１の燃料配置構成図に示すように、１本の制御棒13とこれを囲繞する４体の燃料集合体16〜18とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成される原子炉の炉心において、濃縮度の異なる２種類以上の初装荷燃料集合体を装荷すると共に、第１サイクル及び第２サイクルにおいて最高濃縮度の前記初装荷燃料の燃料集合体16，17よりも濃縮度の低い４体の前記初装荷の燃料集合体18で低反応度セル14を構成して、運転中に制御棒13が挿入される前記低反応度セル14の数が第１サイクルよりも第２サイクルにおいて多くして運転する。

この第２の発明群による作用は、上記の第１の発明群によっても第２サイクルの余剰反度を十分に抑制できない場合に、第１サイクルよりも多い制御棒13を炉心に挿入することにより、第２サイクルの余剰反応度を制御することができる。

また一般に、燃焼に伴って燃料の反応度が減少して行くために、１本の制御棒13の反応度価値は、これを取り囲む燃料の燃焼と共に減少する。その結果、第１及び第２サイクルにおいて同じ濃縮度の初装荷燃料を低反応度セル14に用いた場合に、両サイクルにおいて余剰反応度が等しい場合であっても、第２サイクルの方がより多くの制御棒13を挿入しなければならない。

しかしながら、この第２の発明群によれば、このような状況に対処することができ、第１及び第２サイクル共に適切な本数の制御棒13を使用することによって原子炉を運転することができる。

次に第３の発明群は請求項１乃至４に係る発明であって、原子炉の炉心は１本の制御棒とこれを囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成している。この炉心は濃縮度の異なる２種類以上の初装荷の燃料集合体16〜18を装荷すると共に、最高濃縮度の前記初装荷の燃料集合体16，17がさらに少なくとも上下端を除く大部分に可燃性毒物を含有する燃料棒の本数が異なる２種類以上で構成している。

また、各領域に含まれる燃料集合体数がほぼ等しくなるように同心円状で径方向に２分割した炉心において、前記最高濃縮度初装荷燃料集合体を第１の燃料集合体と、この第１の燃料集合体よりも可燃性毒物入り燃料棒本数が多い第２の燃料集合体とで構成して、この第２の燃料集合体を炉心周辺領域よりも炉心内部領域に多く配置する。

さらに、前記第２の燃料集合体が炉心最外周に配置されると共に、前記第１の燃料集合体を炉心最外周から２層目及び３層目の少なくとも一方に配置して構成する。

また、４体の前記最高濃縮度初装荷の燃料集合体16，17で高反応度セル19を構成し、前記最高濃縮度初装荷の燃料集合体16，17よりも濃縮度の低い４体の前記初装荷の燃料集合体18で構成された低反応度セル14にＸ及びＹ方向のいずれにおいても面しない前記高反応度セル19には、前記低反応度セル14にＸ及びＹ方向の少なくともいずれか一方において面する前記高反応度セル19よりも前記第２の燃料集合体を多く装荷する。

この第３の発明群よる作用として、高濃縮度初装荷燃料が多く装荷された初装荷炉心15ａにおいて、可燃性毒物入り燃料棒本数が異なる２種類以上の高濃縮度初装荷の燃料集合体16，17を装荷し、その装荷体数割合を調整することによって、第１及び第２サイクルの余剰反応度を適切な範囲に設定することができる。

さらに、可燃性毒物入り燃料棒本数が多い高濃縮度初装荷の燃料集合体17を炉心内部領域に多く配置することによって、炉心径方向出力分布を平坦化することができるので、熱的余裕が増大する。特に、可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない高濃縮度初装荷燃料16を炉心最外周に配置し、炉心最外周よりも内部においては可燃性毒物入り燃料棒本数が異なる高濃縮度初装荷燃料をほぼ均等に配置すると良い。

あるいは、可燃性毒物入り燃料棒本数が多い高濃縮度初装荷燃料集合体17を炉心最外周に配置し、可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない高濃縮度初装荷の燃料集合体16を炉心最外周から２層目または２層目と３層目に配置することによっても第１サイクルの炉心径方向出力分布を平坦化することができる。

この場合さらに、上記第１の発明群に基づいて、第１サイクル終了後に炉心最外周に装荷されていた可燃性毒物入り燃料棒本数が多い高濃縮度初装荷燃料集合体17を炉心内部領域の燃料集合体と入れ替えることによって、第２サイクルの余剰反応度を十分に低減することができる。

一方、可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない高濃縮度初装荷の燃料集合体16を炉心最外周に配置した場合に、上記第１の発明群に基づいて燃料の入れ替えを行っても、第２サイクルの余剰反応度はあまり低下しない。したがって、第２サイクルの余剰反応度如何によって炉心最外周に装荷する初装荷燃料を選べば良い。

また、低反応度セル14に隣接しないセルでは制御棒13の反応度価値が大きいので、このセルに可燃性毒物入り燃料棒本数が多い高濃縮度初装荷の燃料集合体をより多く装荷することによって、初装荷燃料の平均濃縮度を引き下げることなく、炉停止余裕を向上させることができる。

次に第４の発明群では、図４の燃料棒配置の断面図に示すように図４（ａ），（ｂ）は従来技術の燃料集合体25，26で、図４（ｃ），（ｄ）の燃料集合体27，28が本第４の発明群に基づいた燃料棒配置の燃料集合体を示す。複数の燃料棒を正方格子状に束ねて構成された燃料集合体及び前記燃料集合体が装荷された原子炉の炉心において、前記燃料集合体を構成する少なくとも１本の可燃性毒物入り燃料棒29がＸ及びＹ方向の４方向にて他の可燃性毒物入り燃料棒24と面している構成とする。なお、図中Ｇを付した燃料棒がガドリニア入り燃料棒24，29を示す。

また、濃縮度の異なる２種類以上の初装荷燃料集合体が装荷された原子炉の炉心において、最高濃縮度の前記初装荷燃料集合体が前記少なくとも１本の可燃性毒物入り燃料棒がＸ及びＹ方向の４方向にて他の可燃性毒物入り燃料棒と面している燃料集合体であるか、または外管と内管とからなる二重管構造で外管と内管とで形成された環状部に可燃性毒物を設けたウォータロッドを少なくとも１本具備する燃料集合体で、且つ前記最高濃縮度初装荷燃料集合体よりも濃縮度の低い前記初装荷燃料集合体が可燃性毒物を含有しないか、または前記最高濃縮度初装荷燃料集合体に含有されている可燃性毒物よりも反応度寿命が短い可燃性毒物を含有している構成としている。

この第４の発明群の作用としては、可燃性毒物の反応度価値を長期間持続させることができる。図４は可燃性毒物であるガドリニア入り燃料棒の種々の配置であり、図中Ｇを付した燃料棒がガドリニア入り燃料棒24を示す。なお、図４（ａ）は従来の燃料棒配置の燃料集合体25、図４（ｂ）は特許文献３に開示されている発明に基づいた配置の燃料集合体26であり、図４（ｃ）及び図４（ｄ）の燃料集合体27，28が本第４の発明群に基づいた燃料棒配置の燃料集合体である。

これら４つの燃料集合体25〜28では、いずれも燃焼初期の無限増倍率が等しくなるようにガドリニア入り燃料棒24，29の本数を調整してある。濃度 7.5％のガドリニアを使用した場合の燃料集合体25〜28の無限増倍率を、図５の特性図により夫々曲線25ａ〜28ａで示す。

また本第４の発明群では、Ｘ及びＹ方向の４方向を可燃性毒物入り燃料棒24によって包囲された可燃性毒物入り燃料棒29は、これを包囲した可燃性毒物によって中性子の入射を阻止されるので、包囲した可燃性毒物入り燃料棒24の可燃性毒物が燃焼して消失するまでは可燃性毒物として作用せず、これらが消失すると共に可燃性毒物として作用するようになる。

したがって、低濃度の可燃性毒物であっても十分長期間にわたって可燃性毒物として作用するため、第１及び第２サイクルの余剰反応度を制御することができる。さらに本第４の発明群の燃料集合体を用いることによって、第２サイクルの余剰反応度の燃焼変化を平坦にすることができるので、制御棒操作が簡素化されて原子炉の運転が容易になる。

一般に低濃縮度燃料集合体18では、高濃縮度燃料集合体16，17に比べて中性子スペクトルが柔らかいため、可燃性毒物の燃焼が速い。したがって、高濃縮度初装荷燃料において第２サイクル終了時に消滅するように可燃性毒物濃度を設定し、これを低濃縮度初装荷燃料にも用いた場合には、低濃縮度初装荷燃料の可燃性毒物は第１サイクル終了時か、または第２サイクルの途中で消滅してしまうので、第２サイクルの中期以降では無限増倍率は燃焼と共に減少して行くことになる。

したがって、第２サイクルの余剰反応度の燃焼変化を平坦にするためには、第２サイクルにおいて高濃縮度初装荷燃料の無限増倍率は燃焼と共に増加しなければならない。すなわち、高濃縮度初装荷燃料の無限増倍率の燃焼変化は、第１サイクルでは平坦であり第２サイクルでは増加していくことが望ましい。ところが、可燃性毒物入り燃料棒における中性吸収効果は、一般には、燃焼と共に表面積が減少して行くためにほぼ直線的に減少する。

しかしながら、本第４の発明群における燃料集合体では、燃焼に伴って４方向を取り囲む可燃性毒物の中性子吸収効果が減少すると共に、中心の可燃性毒物入り燃料棒の中性子吸収効果が増大してくるので、全体としての可燃性毒物による中性子吸収効果は比較的長い間一定の値が維持される。したがって、可燃性毒物であるガドリニア入り燃料棒24，29の本数を適切に設定することによって、前記した望ましい無限増倍率を達成できる。

さらに、前記と同様な無限増倍率は、外管と内管とからなる二重管構造で、この外管と内管との間に形成された環状部に可燃性毒物を充填させたウォータロッドを、少なくとも１本具備する構成の燃料集合体においても実現できる。この可燃性毒物が環状構造をしている場合に、燃焼に伴って可燃性毒物が占める領域の表面積はほとんど変化せず、その密度が減少して行く。

ところがガドリニウムのように中性子吸収断面積が大きい物質の場合には、ある程度以上の密度であれば、密度に関係なくその表面積だけで中性子吸収効果が決まるので、これによる中性子吸収効果は比較的長い間一定の値を維持し、その後急速に減少する。この結果、前記した望ましい無限増倍率が得られる。

以上本発明によれば、初装荷燃料の平均濃縮度を大幅に高めた原子炉の炉心において、第１サイクル及び第２サイクルの余剰反応度を適切な範囲に制御すると共に、十分な炉停止余裕を確保することができるので、初装荷燃料の取出燃焼度を増大して燃料経済性が大幅に向上する。

また、第１サイクル終了後に燃料交換を行わないので、原子炉の定期検査工程を簡素化することができて、原子力プラントにおける定期検査期間を短縮することができる。さらに、可燃性毒物の過度な高濃度化を避けることによって、燃料の健全性を維持することもできる効果がある。

本発明の一実施例を図面を参照して説明する。なお、上記した従来技術と同じ構成部分については同一符号を付して詳細説明を省略する。

第１実施例の炉心を図６の燃料配置構成図で示す。この図６は炉心の１／４を示したもので、（ａ）は第１サイクルの炉心30ａ、（ｂ）は第２サイクルの炉心30ｂで、いずれも３種類の初装荷燃料が装荷されている。図中で４角内に１で示した燃料集合体31と、２で示した燃料集合体32は取替燃料と同じ濃縮度3.7％の高濃縮度初装荷燃料であり、Ｌで示した燃料集合体33は濃縮度 1.6％の低濃縮度初装荷燃料である。

なお、１本の制御棒13の周囲に４体の燃料集合体31〜33を配置した部分をセルと呼び、４体の燃料集合体全てに低濃縮度初装荷燃料である燃料集合体33を配置した部分が低反応度セル14で太枠で示している。

また第１サイクルの炉心30ａでは、高濃縮度燃料の燃料集合体31（１）が 372体と、燃料集合体32（２）が 316体の計 668体、低濃縮度燃料の燃料集合体33（Ｌ）は 184体の合計 872体が装荷されており、この初装荷炉心の平均濃縮度は 3.3％である。

図７の燃料構成図により各初装荷燃料集合体31〜33及び取替燃料集合体34の濃縮度及びガドリニア入り燃料棒の構成を示す。図７の各領域35〜42における例えば「 3.9ｅ，10Ｇ 7.0」は「濃縮度が 3.9％で、10本の 7.0％濃度のガドリニア入り燃料棒を有する」。また「 4.2ｅ，10Ｇ 9.0」は「濃縮度が 4.2％で、10本の 9.0％濃度のガドリニア入り燃料棒を有する」ことを示している。

さらに、これらの燃料はいずれも上記図21に示した燃料集合体と同様の形状の高燃焼度用燃料であり、全長24ノードのうち、上端部２ノード及び下端部１ノードに斜線で示すガドリニアを含有しない天然ウラン領域が設けられている。

この高濃縮度燃料は下部のみにガドリニアを含有する燃料棒本数が異なる２種類があり、図７（ａ）に示す第１の燃料集合体であるＡ高濃縮度燃料集合体31に比べて、（ｂ）に示す第２の燃料集合体であるＢ濃縮度燃料集合体32は、下部の領域39のみにガドリニアを含有する燃料棒が１本多い。

なお、Ａ，Ｂ高濃縮度燃料集合体31，32におけるガドリニア入り燃料棒のうちで、上下端の天然ウラン領域を除く全長にわたってガドリニアを含有する10本の燃料棒は、図８の断面図にて燃料集合体31，32のＧで示すガドリニア入り燃料棒43のように、５本１組を十字状に隣接配置したものを２組配設して構成する。

また、最高10％濃度のガドリニアを用いており、ガドリニア入り燃料棒の配置と併せて、第１サイクル及び第２サイクルの余剰反応度を平坦化している。なお、図７（ｃ）に示す低濃縮度燃料集合体33は、上下端の天然ウラン領域を除いてガドリニア入り燃料棒本数は２本である。

次に低濃縮度燃料集合体に関連する参考発明について説明する。この参考発明は、原子炉の炉心を１本の制御棒とこれを囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成し、初装荷燃料は濃縮度が異なる２種類以上の燃料集合体を装荷する。

この炉心は、その最外周を除くほとんど全ての前記セルが、最高濃縮度初装荷燃料集合体よりも濃縮度が低い低濃縮度初装荷燃料集合体を少なくとも１体含むか、またはセルのＸ，Ｙ方向のいずれかの面において前記低濃縮度初装荷燃料集合体と少なくとも２体面するか、またはセルの隅部４カ所のうち少なくとも３カ所において前記低濃縮度初装荷燃料集合体と対角方向に隣接するか、またはセルのＸ、Ｙ方向のいずれかの面において前記低濃縮度初装荷燃料集合体と１体面すると共にセルの隅部４カ所のうち少なくとも１カ所において前記低濃縮度初装荷燃料集合体と対角方向に隣接するか、のいずれかの構成である。

また、４体の前記最高濃縮度初装荷燃料集合体16，17で構成された高反応度セル19と４体の前記低濃縮度初装荷燃料集合体18で構成された低反応度セル14とを具備し、炉心最外周を除くほとんど全ての前記セルにおいて、前記高反応度セル19はＸまたはＹ方向の少なくともいずれか一方において前記低反応度セル14と面し、かつ前記低反応度セル14にＸ及びＹ方向のいずれにおいても面しない前記セルには前記低濃縮度初装荷燃料集合体18が少なくとも１体装荷した構成としている。

この参考発明による作用としては、平均濃縮度を大幅に高めた炉心において十分な炉停止余裕を確保することができる。すなわち、図３（ａ）の要部燃料配置構成図に示すように、炉心の６行６列部分の燃料配置において、黒丸位置の制御棒13ａの制御棒価値は、この制御棒13ａを取り囲む４体の燃料の位置Ａと、これらをさらに取り囲む８体の燃料の位置Ｂ、及び４体の燃料の位置Ｃの反応度に大きく依存する。

また図３（ｂ）の特性図は、全ての燃料が高濃縮度燃料集合体16（１）と高濃縮度燃料集合体17（２）である場合の制御棒13の制御棒価値を基準にして、低濃縮度燃料集合体18（Ｌ）の装荷によって炉停止余裕が改善されて行く様子を示したものである。

高濃縮度燃料集合体16，17の１体を低濃縮度燃料集合体18の１体に置き換えた効果は、燃料位置Ａで最も大きく、位置Ｂ、位置Ｃの順に減少している。この図３（ｂ）から低濃縮度燃料集合体18を、Ａの位置に１体か、Ｂの位置に２体か、Ｃの位置に３体か、またはＢ及びＣの位置に１体ずつ配置することによって、同程度に炉停止余裕を改善することができることが分かる。

したがって、この参考発明に基づいて、炉停止余裕の改善に効果的な場所から優先的に低濃縮度燃料集合体18を装荷することによって、低濃縮度燃料集合体18の装荷体数を最小限に止めることができるので、その分だけ高濃縮度燃料集合体16，17の装荷体数が増加して、初装荷燃料の平均濃縮度を大幅に増加させることが可能となる。

図６（ａ）に示す第１サイクルの炉心30ａでは、低濃縮度燃料集合体33（Ｌ）で構成される低反応度セル14が全炉心で21個具備されている。また低濃縮度燃料集合体33は、低反応度セル14に装荷されているほかに、参考発明にしたがって炉心内にほぼ均等に装荷されている。

これら以外の位置には全て高濃縮度燃料集合体31（１）と高濃縮度燃料集合体32（２）が装荷されており、炉心最外周セルの一部及び低反応度セル14にＸ及びＹ方向のいずれか一方において隣接しているほとんどのセルは高濃縮度燃料集合体31，32のみで構成された高反応度セル19である。

このような燃料配置の結果、初装荷燃料の平均濃縮度を 3.3％と高くした初装荷炉心において、約 1.5％Δｋの一定な余剰反応度と、１％Δｋ以上の十分な炉停止余裕を確保することができた。

図６（ｂ）に示す第２サイクルの炉心30ｂは、第１サイクル終了後に初装荷燃料と取替燃料集合体34との交換は行わずに、炉心30ｂを同心円状で２分割する斜線23を境界にして、周辺領域の燃料集合体と内部領域の燃料集合体とを入れ替えただけで構成したものである。

さらに、第１サイクルにおいて低反応度セル14に装荷されていた低濃縮度燃料集合体33を、低反応度セル14以外に装荷されていた低濃縮度燃料集合体33と入れ替えている。低反応度セル14に装荷された燃料は燃焼が進まないので、この燃料移動により低濃縮度燃料集合体33の燃焼を均一にすることができる。

また、低反応度セル14に装荷された低濃縮度燃料集合体33では、制御棒挿入側に近い燃料棒の燃焼が特に進まないため、サイクル末期で制御棒13が引き抜かれると、この燃料棒13に過大な出力ピークを生ずる可能性がある。

この傾向は低反応度セル14に装荷されていた期間が長いほど顕著なので、本第１実施例のように、低反応度セル14に装荷される低濃縮度燃料集合体33を入れ替えることによって、第２サイクル末期において過大な出力ピークが発生するのを避けることができる。

図９の特性図は、第１実施例における曲線44で示す第２サイクルの余剰反応度を、第１サイクル終了後の燃料移動を全く行わなかった場合の曲線45で示す余剰反応度とを比較したものである。第２サイクル末期の反応度は、燃料移動を行わないと約 0.7％Δｋ不足しており、第２サイクル末期まで原子炉を運転するためには、初装荷燃料の平均濃縮度を本一実施例よりもさらに約 0.1％高めなければならない。ところがその場合に、余剰反応度は図９の曲線45よりも約 0.7％Δｋ高くなり、最大で 2.5％Δｋの大きな余剰反応度になってしまう。

しかしながら本第１実施例では、余剰反応度は第２サイクルの方が第１サイクルよりも小さいが、低反応度セル14の数は逆に第２サイクルの方が第１サイクルよりも多い。これは、第１サイクル、第２サイクル共に同じ低濃縮度初装荷燃料集合体33が低反応度セル14に装荷されているため、燃焼が進行して燃料の反応度が低下するにつれて制御棒13の反応度価値が減少することによる。

また、第１サイクルでは、炉心30ａを各領域に含まれる燃料集合体数がほぼ等しくなるように同心円状で２分割する斜線23を境にして、炉心周辺領域の方が炉心内部領域よりも低反応度セル14の数が多い。これによって、炉心周辺領域に装荷されている燃料の燃焼を抑制し、これを第２サイクルにおいて炉心内部領域に移動させることによって、図９に示した効果を達成する一助としている。

第２サイクル終了後は、 184体の低濃縮度初装荷燃料集合体33が全て炉心30ｂから取り出され、図７（ｄ）に示す濃縮度 3.7％の取替燃料集合体34が炉心に装荷されて第３サイクルの運転が行われる。本第１実施例の第１及び第２サイクルでは、高濃縮度初装荷燃料集合体31，32が炉心最外周に装荷されており、余剰反応度の低減に役立っつているだけでなく、第２サイクル終了後に炉心30ｂから取り出される低濃縮度燃料集合体33を長期間にわたって炉心内部に配置することによって、その取出燃焼度を増大させている。

一方、第３サイクル以降の炉心では、最も燃焼が進んで反応度が低下した燃料を炉心最外周に装荷し、炉心からの中性子の漏洩を低減して炉心の反応度を高めることにより、燃料の燃焼効率を向上させている。

このような燃料交換を繰り返した結果、本第１実施例による初装荷燃料全 872体の平均取出燃焼度は約38ＧＷｄ／ｔとなり、濃縮度 3.7％の取替燃料34の平均取出燃焼度45ＧＷｄ／ｔの 0.84 倍に達した。また、平均濃縮度が 2.1％の従来の初装荷燃料の平均取出燃焼度は約25ＧＷｄ／ｔであるので、本発明によって初装荷燃料の平均濃縮度を大幅に高めた結果、平均取出燃焼度を約50％増大させることができた。

本炉心に装荷されている各初装荷燃料の濃縮度及びガドリニアは、図７に示すように軸方向に分布しており、この各燃料の燃焼変化を図10の特性図に示す無限増倍率を用いて、その作用について説明する。なお、図10における軸方向の各領域の無限増倍率は、前記図７において付した各領域と同じ符号に「ａ」を付加した符号で表す。

先ず、２種類のＡ，Ｂ高濃縮度燃料集合体31，32ではいずれも、特許文献４に記載の発明に基づいて、短尺燃料棒７の上端の上方よりも下方においてガドリニア入り燃料棒の本数を多くしている。本一実施例で用いた高燃焼度燃料では、短尺燃料棒７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おり、上方は下方に比べて燃料棒が少なく減速材が多いので、ガドリニアの中性子吸収効果は上方が下方よりも大きくなる。

したがって、ガドリニア入り燃料棒本数が上下で同じであれば、燃焼初期の無限増倍率は上方が下方よりも小さく、軸方向出力分布は下方ピークとなる。そこで本第１実施例のように、短尺燃料棒７の上端の上方よりも下方においてガドリニア入り燃料棒の本数を多くした結果、無限増倍率は図10の曲線36ａ及び37ａのように上方が下方よりも大きくなって軸方向出力分布が平坦化する。またＢ高濃縮度燃料集合体32では、下部領域38においてガドリニア入り燃料棒が１本追加されており、さらに軸方向出力分布を平坦化している。

図11の特性図は、この第１実施例における第１サイクル中期の軸方向出力分布の曲線46を、図６（ａ）に示した炉心30ａの第１サイクルに装荷される高濃縮度燃料として、図７（ａ）に示すＡ高濃縮度燃料集合体31のみを用いた場合の曲線47と、図７（ｂ）に示すＢ高濃縮度燃料32のみを用いた場合の曲線48とを比較したものである。ただし比較のために、図７（ａ）に示されるＡ高濃縮度燃料集合体31における下端の天然ウラン領域の直上を、図７（ｂ）に示されるＢ高濃縮度燃料集合体32の対応する領域40と同一とした。

この図11から分かるように、曲線47では下方ピークが大きく、短尺燃料棒７の上端（図７中の矢印）を境にして、下方の領域のガドリニア入り燃料棒本数を上方より１本多くしただけでは出力分布の下方歪を十分に是正することができない。一方、曲線48が示すように、全ての高濃縮度燃料集合体において下部のガドリニア入り燃料棒本数をさらに１本増加させると下部の出力が低下し過ぎてしまう。

そこで本発明のように、下部領域のみにガドリニアを含有する燃料棒本数が異なる２種類の高濃縮度燃料を用意して、その装荷体数割合を調整することによって適度な軸方向出力分布を達成することができる。

また、Ａ，Ｂ高濃縮度燃料集合体31，32のいずれにおいても、下部領域38，39のガドリニア濃度を上部よりも大きくしてある。一般に沸騰水型原子炉では出力が下方に歪む性質があるため、下部領域の燃焼が上部よりも進むことになる。

ところが、高濃縮度燃料の無限増倍率は、第２サイクルでは燃焼に伴って上昇するため、上下のガドリニア濃度が同一の場合には、燃焼の速い下部の方が上部よりも無限増倍率が大きくなり、その結果、出力の下部ピークがさらに強調されることになる。したがって、下部領域のガドリニア濃度を上部よりも高くしておくことによって、軸方向出力分布を平坦化することができる。

なお本第１実施例では、ガドリニア分布に加えて、下部領域38，39，40の濃縮度を上部領域36，37よりも低くしており、これによっても軸方向出力分布を平坦化している。ただし図７（ｃ）に示す低濃縮度燃料集合体33では、ガドリニア含有量は上下一様とした。これは、図10の曲線41ａ，42ａから分かるように、ガドリニア入り燃料棒本数が少ない場合には、短尺燃料棒７の上端（図７中の矢印）を境にした上下でのガドリニアの反応度価値の相違が、軸方向出力分布へ及ぼす影響が小さいからである。

ただし、各燃料棒において斜線部の上下端天然ウラン領域を除いて濃縮度は軸方向一様とし、短尺燃料棒７の濃縮度を燃料集合体で使用されている中で最低の濃縮度とすることによって、実質的に軸方向濃縮度分布を持たせている。

ここで、低濃縮度燃料集合体33では濃度 7.5％のガドリニアを使用しており、その反応度価値は第１サイクルでほぼ消滅している。その結果、無限増倍率は第１サイクルではほぼ一定であり、第２サイクルでは燃焼と共に減少している。この無限増倍率と、第１サイクルではほぼ一定であり第２サイクルでは燃焼と共に増加する高濃縮度燃料の無限増倍率とを組み合わせることによって、第１及び第２サイクルの余剰反応度の燃焼変化を平坦にすることができる。

本第１実施例ではまた、いずれの高濃縮度燃料においても、上端の天然ウラン直下の領域34においてガドリニア濃度を低くして無限増倍率を高め、この領域の出力を高めて軸方向出力分布を平坦化している。この炉心では大半の燃料が高濃縮度燃料であり、その無限増倍率は図10の曲線36ａのように、第１サイクルでは燃焼と共にほぼ一定であり、第２サイクルでは燃焼と共に上昇している。

したがって、ガドリニア濃度が同じであれば、第２サイクルにおいて、上端に近く燃焼が進まない領域35では、燃焼が進む領域36に比べて無限増倍率が低くなる。その結果第３サイクルでは、燃焼の進まなかった領域35の無限増倍率が、燃焼が進んですでに無限増倍率のピークを越えた領域36よりも大きくなり、この領域35に出力ピークを生ずるようになる。そこで本一実施例では、領域35のガドリニア濃度を低くして、特に第２サイクルで無限増倍率を高めて燃焼を促進させている。

図12の特性図は第３サイクル末期の軸方向出力分布であるが、本第１実施例の曲線49は領域34のガドリニア濃度を、領域36と同一とした場合の曲線50よりも出力分布が平坦化されている。さらに、ガドリニア濃度を低くした結果から、反応度損失をもたらす第２サイクル終了時でのガドリニアの燃え残りを減少させることができて、反応度利得を得ている。

ところで取替燃料集合体34において、上端の天然ウラン領域の直下における可燃性毒物濃度をそれよりも下方の可燃性毒物濃度よりも低くする発明は、特許文献５に開示されている。これに対して本発明では、上端の天然ウラン直下の領域における可燃性毒物濃度と、それよりも下方の可燃性毒物濃度との差を、初装荷燃料において取替燃料集合体34よりも大きくしたことが特徴である。

本第１実施例におけるガドリニア濃度差は、取替燃料34では１％であるのに対して、Ｂ高濃縮度初装荷燃料集合体32では２％である。なお、この実施例では領域35として２ノードにおけるガドリニア濃度を低くしたが、３ノード以上にわたってガドリニア濃度を低くすると、第１サイクル末期でこの領域に出力ピークを生ずるので、領域35としては２ノードが適切である。

また、本第１実施例では、領域35の濃縮度を領域36よりも低くして、第２サイクル末期における領域35の無限増倍率の増大による炉停止余裕の悪化を避けている。ただし、炉停止時におけるこの領域の出力ピークは、燃焼があまり進んでいない第２サイクルでは平衡サイクルほど極端に大きくないので、濃縮度を下げなくとも設計基準を満たすことは可能である。

さらに、下端の天然ウランの直上領域の出力も低いので、Ｂ高濃縮度燃料集合体32においてこの領域40のガドリニア入り燃料棒の本数及び濃度を、その上の領域39よりも少なくして無限増倍率を高め、領域40の出力を高めて軸方向出力分布を平坦化している。

また、第３サイクル中期の軸方向出力分布を図13の特性図に示すが、この第１実施例の曲線51は領域40のガドリニア含有量を領域39と同一とした場合の曲線52よりも出力分布が平坦化されていることが分かる。なお、本第１実施例ではＢ高濃縮度燃料集合体32のガドリニア入り燃料棒を10本としたが、Ａ高濃縮度燃料集合体31で10本、Ｂ高濃縮度燃料集合体32で11本としても良い。

第２実施例は図14の断面図に示す燃料集合体を採用している。この燃料集合体53は複数本束ねた燃料棒のほぼ中央に、外管54と内管55とからなる二重管構造で、これらに挟まれた環状部56に例えばガドリニアとジルコニウムのサーメット、または金属ガドリニウムのような可燃性毒物入りウォータロッド57を２本具備した構成としている。

ただし、燃料棒の中にＧで示すガドリニア入り燃料棒43を５本併用しており、このうち１本は短尺燃料棒７の上端よりも下方のみにガドリニアが含有されている。

上記構成による一例として、可燃性毒物入りウォータロッド57の環状部56に濃度40％の可燃性毒物であるガドリニアを含有するサーメットを使用した場合で、上記図７（ａ）の下部領域37に相当する領域の無限増倍率を図15の特性図に示す。

この燃料集合体53における無限増倍率は、可燃性毒物を全く含有しない場合の無限増倍率の曲線58に対して、ウォータロッド57に含有されているガドリニアは、曲線59で示すように比較的長い間一定の中性子吸収効果を維持し、その後急速に減少する。しかし、濃度７％のガドリニアを含有させた燃料棒43が５本配置しされていることから、曲線60に示すような良好な無限増倍率が達成される。

なお、この燃料集合体53において、上記した第１実施例のようにガドリニア濃度を軸方向に分布させる場合は、燃料棒43に含有されるガドリニアではなく、ウォータロッド57の環状部56に設けたガドリニア濃度を分布させれば良い。

これにより、原子炉の炉心で第１サイクル及び第２サイクルの余剰反応度の燃焼変化を平坦化するために望ましい高濃縮度初装荷燃料の無限増倍率の燃焼変化、すなわち第１サイクルでは平坦であり、第２サイクルでは増加して行く無限増倍率を達成するために、上記第１実施例では図８に示すようにガドリニア入り燃料棒43を十字状配置にして多数用いたが、本第２実施例では、この数を削減することができる。

第３実施例は図16の燃料構成図に示す燃料集合体を採用している。すなわち、図６に示す炉心30ａ，30ｂに装荷する高濃縮度初装荷燃料集合体を、図16（ａ）の第１の燃料集合体であるＣ高濃縮度初装荷燃料集合体61、及び図16（ｂ）の第２の燃料集合体であるＤ高濃縮度初装荷燃料集合体62とする。

この燃料集合体は上記第１実施例において図７（ａ），（ｂ）で示したＡ，Ｂ高濃縮度燃料集合体31，32における、上下端の天然ウラン領域を削除して内部の濃縮領域を拡張したもので、その平均濃縮度を4.1 ％に構成している。

燃料集合体において平均濃縮度を高める際には、上下端に配置した天然ウラン領域はそのままで、内部の濃縮領域の濃縮度を高めても良いが、本第３実施例のように構成することで、容易に軸方向出力分布を平坦化することができる。

また、上下端の天然ウラン領域の長さを取替燃料集合体34よりも短くして、内部の濃縮領域の濃縮度をやや高めても良い。なお、図16に示すＣ，Ｄ高濃縮度燃料集合体61，62において、上下端の可燃性毒物含有量をさらに少なくすれば、軸方向出力分布をさらに平坦化することができる。

あるいは、図７（ａ）に示した第１サイクルの炉心30ａにおいて、炉心最外周に配置されている高濃縮度初装荷燃料だけを、図16（ａ）のＣ高濃縮度燃料集合体61に置き換えても良い。

濃縮度の高い高濃縮度初装荷燃料を炉心内部に装荷した場合に、径方向出力ピーキングの増大や炉停止余裕の悪化が懸念されるが、炉心最外周へ高濃縮度燃料集合体を装荷してもこのような問題は生ぜず、むしろ径方向出力ピーキングが平坦化されるという好ましい結果をもたらす。

この第３実施例によれば、上記第１実施例における初装荷燃料の平均取出燃焼度は約38ＧＷｄ／ｔであり、このうち低濃縮度初装荷燃料集合体33は約20ＧＷｄ／ｔ、Ａ，Ｂ高濃縮度初装荷燃料集合体16，17は約42ＧＷｄ／ｔであった。すなわち、Ａ，Ｂ高濃縮度初装荷燃料集合体16，17の平均取出燃焼度は、同じ濃縮度の取替燃料集合体34の平均取出燃焼度45ＧＷｄ／ｔよりも小さい。

これは、全ての取替燃料集合体34は第４または第５サイクルの間、炉心に装荷されているのに対して、一部の高濃縮度初装荷燃料は３サイクル終了後に炉心から取り出されるからである。

そこで、燃料の健全性は、濃縮度ではなく取出燃焼度に依存することを考慮すると、本第３実施例のＣ，Ｄ高濃縮度初装荷燃料集合体61，62の濃縮度をさらに高めて、その取出燃焼度を取替燃料集合体34並みにまで増大させることによってさらに経済性を向上させることができる。

第４実施例を図17の炉心の燃料配置構成図に示す。第１サイクルにおける炉心63には、３種類の初装荷燃料が装荷されており、図中の４角内に１または２で示した燃料集合体は、図18の燃料構成図（ａ），（ｂ）に示すＥ，Ｆ高濃縮度初装荷燃料集合体64，65（取替燃料集合体34と同濃縮度）であり、Ｌで示した燃料集合体は同じく図７（ｃ）に示した濃縮度1.6 ％の低濃縮度初装荷燃料集合体33である。

炉心63にはＥ高濃縮度燃料集合体64（１）が 384体、Ｆ高濃縮度燃料集合体65
（２）を 300体の計 684体で、低濃縮度燃料集合体33（Ｌ）は 188体の合計 872体が装荷されている。本第３実施例では低反応度セル14は45個具備されており、低濃縮度燃料集合体33はこれら低反応度セル14に 180体と、炉心周辺領域に８体装荷されている。

高濃縮度燃料はガドリニア入り燃料棒本数が異なる２種類があり、図18（ａ）に示す第１の燃料集合体であるＥ高濃縮度燃料集合体64は、ガドリニア入り燃料棒が図18（ｂ）に示す第２の燃料集合体であるＦ高濃縮度燃料集合体65よりも２本多い。

なお、上記した第１実施例では、下部の一部を除いてガドリニア入り燃料棒本数が等しい２種類のＡ，Ｂ高濃縮度燃料集合体31，32を使用しており、これで適切な余剰反応度を達成することができた。

しかしながら、例えば図10の曲線39ａと40ａとの比較から分かるように、ガドリニア入り燃料棒１本の反応度価値は３〜４％Δｋであるから、例えば初装荷燃料の平均濃縮度が異なる炉心で余剰反応度を調整しなければならない場合には、高濃縮度燃料が１種類だけでは対応が困難である。

そのような場合には、本第４実施例のようにガドリニア入り燃料棒の異なる２種類のＥ，Ｆ高濃縮度初装荷燃料集合体64，65を用意しておき、その装荷体数を調整することにより、余剰反応度を適切な範囲に容易に設定することが可能となる。

さらに第４実施例では、低反応度セル14に隣接しないセル66は隣接するセル67に比べて制御棒価値が大きいので、低反応度セル14に隣接しないセル66を、ガドリニア入り燃料棒本数の多いＥ高濃縮度燃料集合体64（１）３体と、ガドリニア入り燃料棒本数の少ないＦ高濃縮度燃料集合体65（２）を１体とで構成して炉停止余裕を向上させている。

また、炉心最外周にガドリニア入り燃料棒本数の多いＥ高濃縮度燃料集合体65
（１）を装荷すると共に、炉心最外周から２層目にはガドリニア入り燃料棒本数の少ないＦ高濃縮度燃料集合体65（２）を装荷して炉心径方向出力ピーキングを低減している。

本第４実施例では、炉心最外周に装荷されていたガドリニア入り燃料棒本数の多いＥ高濃縮度燃料集合体64を、第１サイクル終了後の炉心内部領域の燃料集合体と入れ替えることによって、第２サイクルの余剰反応度を十分に制御している。なお、炉心内の同等の位置に装荷された場合に、ガドリニア入り燃料棒本数の少ない燃料の方が軸方向出力ピーキングが増大しやすいので、本第４実施例では、下部のみにガドリニアを含有する燃料棒を、Ｆ高濃縮度燃料集合体65において１本多く具備させている。

ただし、Ｆ高濃縮度燃料集合体65に加えて、第１サイクルで炉心最外周に装荷されるＥ高濃縮度燃料集合体64にも下部にのみガドリニアを含有する燃料棒を１本増加しても良く。この場合には第１サイクル終了後の燃料移動によって、第２サイクルにおいて、余剰反応度を十分に低減できる上に、軸方向出力分布を平坦化することができる。

この第４実施例では45個の低反応度セル14を具備しており、炉心63を同心円状で２分割する斜線23を境界にして、炉心内部領域の低反応度セル14よりも炉心周辺領域の低反応度セル14において、より多くの制御棒13を挿入して第１サイクルの運転を行う。

第１サイクル終了後は、炉心周辺領域の高濃縮度燃料集合体と炉心内部領域の高濃縮度燃料集合体とを入れ替えて第２サイクルの炉心を構成する。さらに第２サイクルでは、第１サイクルで制御棒13が挿入されなかった低反応度セル14に装荷されていた低濃縮度初装荷燃料集合体33で構成された低反応度セル14に制御棒13を挿入して運転を行う。

これらによって、第２サイクルの余剰反応度の制御、及び燃焼効率が向上されると共に、第２サイクル終了時における低濃縮度燃料集合体33の制御棒挿入側の燃料棒13における出力ピーキングの増大が避けられる。

第５実施例は、図19の燃料配置構成図に示すように、第１サイクルにおける炉心68の燃料配置が、４角中に夫々Ｈ，Ｍ，Ｌで示す濃縮度が異なる３種類の初装荷燃料集合体で構成されており、夫々平均濃度 4.1％の高濃縮度燃料集合体69（Ｈ）が 480体、平均濃度 2.8％の中濃縮度燃料集合体70（Ｍ）が 208体、平均濃縮度 1.6％の低濃縮度燃料集合体33（Ｌ）が 184体と、合計 872体装荷されていて初装荷燃料の平均濃縮度は 3.3％である。

上記した第１実施例等では、第１実施例を例にすると高濃縮度燃料集合体31，32と低濃縮度燃料集合体33の２種類の初装荷燃料が用いられていて、このうち低濃縮度燃料集合体33は全て第２サイクル終了後に取り出され、一方高濃縮度燃料集合体31，32は第３乃至第６サイクルにおいて取り出される。

したがって、上記第３実施例のように、一部の高濃縮度燃料集合体61，62の濃縮度を高めたとしても、第３サイクル終了後に炉心から取り出されるものは未だ多くの核分裂性物質を残したままになる。

そこで本第５実施例では、第３サイクル終了後に炉心から取り出される 216体を中間濃縮度としている。

これにより、取り出し時の核分裂性物質の残存量を低減することができるので、核燃料資源を有効に活用することができる。ただし、このままでは初装荷燃料の平均濃縮度が低下してしまうので、本第５実施例では、高濃縮度燃料集合体69
（Ｈ）の濃縮度を取替燃料集合体34の 3.7％よりも高い 4.1％としてある。

また低濃縮度燃料集合体33（Ｌ）は、37個の低反応度セル14に装荷されているほかに、炉心周辺領域にも装荷して炉停止余裕の改善を図っている。中濃縮度燃料集合体70（Ｍ）は、低反応度セル14と炉心周辺領域の一部のセルを除いて、各セル71に１体を配置して出力ピークを低減すると共に、炉心最外周にも配置してある。

すでに述べたように、濃縮度が低くなると中性子スペクトルがソフトになるため可燃性毒物の反応度寿命は短くなるので、中濃縮度燃料集合体70に含有されているガドリニアは、高濃縮度燃料集合体69に含有されているガドリニアよりも早く消滅する。そこで本第５実施例では、中濃縮度燃料集合体70を炉心最外周に配置することでその燃焼を抑制し、これにより第２サイクルの余剰反応度の低減を図っている。

なお図19では、炉心最外周に中濃縮度燃料集合体70を配置しているが、低濃縮度燃料集合体33または高濃縮度燃料集合体69を配置しても良く。さらに、初装荷燃料の濃縮度の種類としては、第１乃至第４実施例では２種類、第５実施例では３種類を使用しているが、これに対して上記図20で示したように高濃縮度燃料集合体２〜４と低濃縮度燃料集合体５の４種類の濃縮度の初装荷燃料集合体で構成することもできる。

なお、この場合に低反応度セル14や炉停止余裕向上のために装荷する燃料としては、最低濃縮度燃料集合体５または２番目に低い濃縮度の初装荷燃料集合体４を用いることができる。また、第１サイクルにおいて炉心最外周に配置される初装荷燃料としては、最低濃縮度燃料集合体５、２番目に低い濃縮度の燃料集合体４、３番目に低い濃縮度の燃料集合体３、最高濃縮度の燃料集合体２、またはこれらを組合わせた配置が考えられる。

第６実施例としては、低反応度セル14や炉停止余裕向上のために装荷する燃料として、反応度が低い燃料であれば良いことから、その一例として図７（ｃ）に示した低濃縮度燃料集合体33の代わりに、図７（ａ）及び（ｂ）に示したＡ，Ｂ高濃縮度燃料集合体31，32よりもガドリニア入り燃料棒本数が多く、しかもガドリニア濃度も高い第３の高濃縮度燃料集合体を使用する。

すなわち、上記した第１乃至第５実施例では、濃縮度の低い初装荷燃料集合体を低反応度セル14や炉停止余裕向上のために配置している。しかしながら、低反応度セル14や炉停止余裕向上のために装荷する燃料としては、反応度が低い燃料であれば良く、必ずしも低濃縮度燃料集合体33である必要はない。

したがって、この第３の高濃縮度燃料集合体を使用すれば、前記Ａ高濃縮度燃料集合体31及びＢ高濃縮度燃料集合体32に比べて、第１サイクル初期から第２サイクル末期までの燃焼期間において反応度が十分低いので、低反応度セル14及び炉停止余裕向上のための低反応度燃料集合体として使用することができる。

この場合に、低濃縮度燃料集合体33を用いた第１実施例に比べて、初装荷燃料の平均濃縮度をさらに高めることができるので、初装荷燃料の取出燃焼度が増大して、経済性が向上するという効果が得られる。

本発明に係る一実施例の１／４炉心の燃料配置構成図で、（ａ）は第１サイクル、（ｂ）は第２サイクルを示す。 本発明に係る一実施例の第１サイクルにおける初装荷燃料の平均濃縮度と余剰反応度の最大値を示す特性図。 本発明に係る一実施例の低濃縮度燃料装荷に係り、（ａ）は炉心要部の制御棒と燃料配置構成図、（ｂ）は低濃縮度燃料の装荷体数と炉停止余裕の特性図。 燃料集合体における種々のガドリニア入り燃料棒の配置を示す断面図で、（ａ），（ｂ）は従来技術例を、（ｃ），（ｄ）は本発明の一実施例を示す。 燃料集合体におけるガドリニア入り燃料棒の配置に対する無限増倍率の燃焼変化を示す特性図。 本発明に係る第１実施例の１／４炉心の燃料配置構成図で、（ａ）は第１サイクル、（ｂ）は第２サイクルを示す。 本発明に係る第１実施例の初装荷燃料集合体の軸方向濃縮度及びガドリニア分布の燃料構成図で、（ａ）はＡ高濃縮度燃料集合体、（ｂ）はＢ高濃縮度燃料集合体、（ｃ）は低濃縮度燃料集合体、（ｄ）は取替燃料集合体を示す。 本発明に係る第１実施例の燃料集合体の燃料棒配置を示す断面図。 本発明に係る第１実施例の炉心における第２サイクルの余剰反応度を示す特性図。 本発明に係る第１実施例の初装荷燃料集合体の軸方向各断面における無限増倍率の燃焼変化を示す特性図。 本発明に係る第１実施例の炉心における第１サイクル中期の軸方向出力分布特性図。 本発明に係る第１実施例の炉心における第３サイクル末期の軸方向出力分布特性図。 本発明に係る第１実施例の炉心における第３サイクル中期の軸方向出力分布特性図。 本発明に係る第２実施例の燃料集合体の燃料棒配置断面図。 本発明に係る第２実施例の燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を示す特性図。 本発明に係る第３実施例の初装荷燃料集合体の軸方向濃縮度及びガドリニア分布の燃料構成図で、（ａ）はＣ高濃縮度燃料集合体、（ｂ）はＤ高濃縮度燃料集合体を示す。 本発明に係る第４実施例の１／４炉心における第１サイクルの燃料配置構成図。 本発明に係る第４実施例の初装荷燃料集合体の軸方向濃縮度及びガドリニア分布の燃料構成図で、（ａ）はＥ高濃縮度燃料集合体、（ｂ）はＦ高濃縮度燃料集合体を示す。 本発明に係る第５実施例の１／４炉心における第１サイクルの燃料配置構成図。 従来の原子炉の１／４炉心における第１サイクルの燃料配置構成図。 単尺燃料棒を有する燃料集合体の断面図で、（ａ）は縦断面、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視断面、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ矢視断面を示す。

符号の説明

１，63，68…炉心、２，16，17，25〜28，31，32，53，61，62，64，65，69…高燃焼度燃料集合体、３，70…中燃焼度燃料集合体、４，５，18，33…低燃焼度燃料集合体、６…長尺の燃料棒、７…短尺燃料棒、８…ウォータロッド、９…スペーサ、10…上部タイプレート、11…下部タイプレート、12…チャンネルボックス、13，13ａ…制御棒、14…低反応度セル、15ａ，30ａ…第１サイクルの炉心、15ｂ，30ｂ…第２サイクルの炉心、19…高反応度セル、20〜22，25ａ〜28ａ，35ａ〜42ａ，44〜52，58〜60…曲線、23…斜線（境界）、24，29，43…ガドリニア入り燃料棒、34…取替燃料集合体、35〜42…燃焼領域、54…外管、55…内管、56…環状部、57…可燃性毒物入りウォータロッド、66…低反応度セルに隣接しないセル、67…低反応度セルに隣接するセル、71…セル。

Claims (3)

1. １本の制御棒とこれを囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成され、各領域に含まれる燃料集合体数がほぼ等しくなるように同心円状で径方向に炉心周辺領域と炉心内部領域とに２分割された原子炉の炉心において、濃縮度の異なる２種類以上の初装荷燃料集合体を装荷すると共に、最高濃縮度の前記初装荷燃料集合体には少なくとも上下端を除く部分に可燃性毒物を含有する可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の燃料集合体と可燃性毒物入り燃料棒の本数が前記第１の燃料集合体よりも少ない第２の燃料集合体とが存在し、前記第１の燃料集合体および前記第２の燃料集合体をいずれも前記炉心周辺領域および前記炉心内部領域の両方に装荷し、前記第１の燃料集合体を前記炉心周辺領域よりも前記炉心内部領域に多く配置したことを特徴とする原子炉の炉心。
2. １本の制御棒とこれを囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成される原子炉の炉心において、濃縮度の異なる２種類以上の初装荷燃料集合体を装荷すると共に、最高濃縮度の前記初装荷燃料集合体には少なくとも上下端を除く部分に可燃性毒物を含有する可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の燃料集合体と可燃性毒物入り燃料棒の本数が前記第１の燃料集合体よりも少ない第２の燃料集合体とが存在し、前記第１の燃料集合体が炉心最外周に配置されると共に前記第２の燃料集合体が炉心最外周から２層目及び３層目の少なくとも一方に配置されたことを特徴とする原子炉の炉心。
3. １本の制御棒とこれを囲繞する４体の燃料集合体とから構成されるセルを正方格子状に多数配列して構成される原子炉の炉心において、濃縮度の異なる２種類以上の初装荷燃料集合体を装荷すると共に、最高濃縮度の前記初装荷燃料集合体には少なくとも上下端を除く部分に可燃性毒物を含有する可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の燃料集合体と可燃性毒物入り燃料棒の本数が前記第１の燃料集合体よりも少ない第２の燃料集合体とが存在し、前記原子炉の炉心が４体の前記最高濃縮度初装荷燃料集合体で構成された高反応度セルと前記最高濃縮度初装荷燃料集合体よりも濃縮度の低い４体の前記初装荷燃料集合体で構成された低反応度セルとを備え、前記低反応度セルにＸ及びＹ方向のいずれにおいても面しない前記高反応度セルには、前記低反応度セルにＸ及びＹ方向の少なくともいずれか一方において面する前記高反応度セルよりも前記第１の燃料集合体が多く装荷されていることを特徴とする原子炉の炉心。

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