JP3792735B2

JP3792735B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体およびその炉心

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Publication number: JP3792735B2
Application number: JP00435494A
Authority: JP
Inventors: 厚治蛭川; 毅中嶋; 和毅肥田; 壽生鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-01-20
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: JPH07209460A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は沸騰水型原子炉用燃料集合体およびその炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲと呼ぶ）の炉心、つまり初装荷炉心は、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。しかして、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】
上記平衡サイクルとは下記のことを意味する。すなわち、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サイクルから相当の長期間を経て炉心全体の燃料成分が隣接するサイクル間でほとんど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）、径方向出力ピーキング等）、サイクル終了後の取り替え燃料集合体の数、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計画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、第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、原子炉炉心およ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、原子炉炉心およ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およ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】
このような移行サイクル中の熱的特性および取得燃焼度のサイクル毎の変動が少なく、燃焼経済性の優れた沸騰水型原子炉の先行技術が例えば特公平 3-45358号公報に開示されている。
【０００８】
この中で、平衡炉心においてＮサイクル分だけ炉内に滞在する燃料集合体を装荷する場合、初装荷炉心において平均濃縮度の異なるＮ種類の燃料集合体を装荷し、それら各燃料集合体の平均濃縮度を、平衡炉心内に滞在するＮバッチ燃料集合体それぞれの平衡サイクル初期における可燃性毒物を含めない時の中性子無限増倍率とほぼ等しい中性子無限増倍率を与えるように設定することを提案している。
【０００９】
尚、前記各燃料集合体の平均濃縮度は前記設定によって得られる値より±0.2 wt％の上下の変化幅をも許容している。
【００１０】
ところで、濃縮度が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炉心内の濃縮度の分散パラメータを増加させる方法によっても増加できることが研究によって分かってきた。
【００１１】
【数１】

ｎ_ｉ：_ｉタイプの燃料集合体の本数
ｅ_ｉ：_ｉタイプの燃料集合体の濃縮度
ｅ：炉心平均濃縮度
（注）ここでは、濃縮度多種類の初装荷炉心において、高濃縮度燃料からタイプ１，タイプ２，タイプ３…と呼ぶことにする。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
最近の初装荷炉心は取り出し燃焼度を向上させて、燃料経済性の向上を図っている。そのため、初装荷炉心の平均濃縮度は従来の２．３％濃縮度から２．６％濃縮度程度まで増大してきており、第１サイクル末期においても、炉心の余剰反応はより高くなる傾向にある。
【００１３】
一般に、炉心の余剰反応度が大きいと、制御棒による余剰反応度抑制量が大きくなって、径方向出力ピーキングが高くなり易い。また、径方向のピーキングの大きい燃料集合体の軸方向出力分布は、自身の冷却材チャンネル内の軸方向ボイド初期分布の影響で、下方ピークの傾向が強くなる。
【００１４】
その結果、第２サイクル初期において、初装荷燃料の高濃縮度燃料集合体であるタイプ１燃料集合体の下部に最大線出力密度が発生し易く、運転制御値を満たしにくいという課題がある。
【００１５】
また、最近は13ケ月運転の条件下でより取り出し燃焼度を挙げて燃焼経済性を向上する観点から、取り替え燃料集合体の濃縮度が、 3.2〜 3.6wt％に増加し、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バッチを越えるまでになってきている。
【００１６】
その結果、第１サイクルから平衡サイクルまでの炉心の熱的特性、特に径方向出力ピーキングを熱的な制限（最大線出力密度、ＭＣＰＲ）を守って容易に運転するために、前記特許公報に記載された先行技術を土台にすると、初装荷燃料集合体の種類は４種類の濃縮度を用意するか、または３種類の濃縮度タイプの燃料を用意する。
【００１７】
そして、従来の初装荷炉心よりも最低濃縮度の燃料集合体を炉心の中央領域に広く分散配置して、その初装荷炉心における体数割合を増加し、最高濃縮度燃料の体数割合を少なくする。
【００１８】
これによって、高い濃縮度燃料集合体の第１サイクル中期から末期にかけての径方向出力ピーキングを抑制することが必要になってくる。これは、炉心平均濃縮度を上げて初装荷炉心の取り出し燃焼度を増加させる目的と逆行することになる。
【００１９】
ところで、初装荷炉心では多数の燃料集合体に例えば濃縮度が３種類ある場合、タイプ１およびタイプ２燃料集合体に可燃性毒物含有燃料棒を組み込むが、タイプ１およびタイプ２燃料集合体の数がほぼ2/3 を占めるので、サイクル初期の余剰反応度の確保の点から、可燃性毒物含有燃料棒の本数は同じ濃縮度の取り替え燃料集合体を取り替え炉心に装荷する場合に比して少ない。
【００２０】
その結果、可燃性毒物含有燃料棒同士の間の熱中性子束を低下させる干渉効果が少なく、速く燃えるので、サイクル末期近傍で可燃性毒物を燃え尽きさせる設計に必要な可燃性毒物、一般に沸騰水型原子炉で使用されるガドニリアの濃度は高くする必要がある。
【００２１】
また、第１サイクルは取り替え炉心と異なり、原子炉の試運転中の運転期間を含むので第２サイクル以降よりも運転期間が長いという特長を有している。
【００２２】
可燃性毒物のガドリニア入り燃料は一般的に二酸化ウラン（ＵＯ₂）粉末にガドリニア（Ｇｄ₂Ｏ₃）粉末を混合し、円柱状にペレットに圧粉成形したのち、焼結してガドリニア含有燃料ペレットとして形成される。
【００２３】
このガドリニア含有燃料ペレットの熱伝導度は通常のＵＯ₂燃料ペレットより低いので、燃料ペレット温度が高いこと、およびそれによる燃料ペレット中の核分裂生成ガスの放出率が高いこと等が知られている。
【００２４】
これらの理由により燃料ペレット中のガドリニア濃度が増えると、それに応じて燃料ペレットのＵ²³⁵濃縮度を下げている。この結果、燃料集合体の平均濃縮度が増加する抑制因子になっている。
【００２５】
また、天然のガドリニウムは主にＧｄ¹⁵⁵，Ｇｄ¹⁵⁶，Ｇｄ¹⁵⁷，Ｇｄ¹⁵⁸，Ｇｄ¹⁶⁰で構成され、中でもＧｄ¹⁵⁵，Ｇｄ¹⁵⁷の熱中性子吸収断面積が大きく、中性子毒物効果に主に寄与している。
【００２６】
ところがＧｄ¹⁵⁶の熱中性子吸収断面積は小さいので、可燃性毒物の寿命末期（ほぼ毒物効果が無くなった時）でも、Ｇｄ¹⁵⁵から核変換したものと最初から存在したＧｄ¹⁵⁶の両方が残り、これがわずかであるが中性子を吸収して熱中性子吸収断面積の大きいＧｄ¹⁵⁷に変換し毒物作用をする残留による反応度損失を生じるという影響がある。したがって、ガドリニアの添加濃度はできるだけ低減したほうがよいことになる。
【００２７】
３タイプまたは４タイプ濃縮度燃料炉心の場合、コントロールセルにはそれぞれ高濃縮側から数えて３番目また４番目の燃料集合体を配置するのが普通である。これは、コントロールセルに配置される燃料集合体は、運転中に炉心の余剰反応度を抑制するために炉心にサイクル期間中長期に亘って挿入される制御棒によって燃焼度の進行が遅れ、かつ燃料集合体横断面の燃焼度も制御棒側の進行が遅れることになる効果を考えてのことである。
【００２８】
初装荷炉心の平均濃縮度が 2.2wt％以上の場合、サイクル末期にコントロールセルの制御棒を引き抜いた時にこれらの効果により制御棒に隣接する燃料集合体にＭＬＨＧＲ（最大線出力密度）が生じないように燃料集合体の平均濃縮度を設定すると 1.2〜 1.4wt％の濃縮度以下であることが要請される。
【００２９】
その結果、低濃縮度燃料がコントロールセルの数と径方向出力分布抑制用の数だけ必要となり、炉心の平均濃縮度が低下する。
【００３０】
ところで、炉心平均濃縮度を高めることと、同一の炉心平均濃縮度なら前述の濃縮度分散のパラメータを大きくした方が取り出し燃焼度向上の点からはよいとすると、濃縮度の選定に当たっては最大濃縮度の燃料集合体の濃縮度はより高く、その体数はより多く、また最低濃縮度の燃料の濃縮度はより低く、燃料集合体の体数は炉心平均濃縮度を低下させないように少なく、できるならば第１サイクル後取り出される燃料集合体とほぼ同じ体数とし、燃料濃縮度の種類を少なくすることが要点である。
【００３１】
その様な観点からは、４バッチを越えるような平衡サイクル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を初装荷炉心に使用する場合、濃縮度３タイプの方が取り出し燃焼度は向上するが、最高濃縮度燃料集合体の径方向ピーキングはより増加するので、その対策が必要になる。
【００３２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、平衡炉心において４バッチ程度またはそれ以上の取り替え燃料集合体となる 3.4wt％以上の濃縮度の燃料を初装荷炉心の最高濃縮度燃料集合体として使用する場合の、第１、第２サイクルの熱的特性を満足し、燃料経済性向上及び初装荷燃料集合体の製造コストの低減を同時に計ることができる沸騰水型原子炉用燃料集合体およびその炉心を提供することにある。
【００３３】
特に、初装荷炉心に使用する最高濃縮度の燃料集合体が、平衡サイクル運用時には４バッチ以上に対応する場合においても、濃縮度を３タイプにして初装荷炉心の構成を単純化して、燃料集合体製造コスト低減のメリットと、燃料経済性、最小限界出力比（ＭＣＰＲ）および最大線出力密度を満たし、かつ良好な炉心性能を満たすことができる沸騰水型原子炉用燃料集合体およびその炉心を提供することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、長尺燃料棒と、この長尺燃料棒よりも有効部分が短い短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、可燃性毒物を含有する燃料棒として、前記長尺燃料棒の上下端の少なくとも一方のブランケット領域を除く燃料有効長内の領域に可燃性毒物が含有されている第１群の可燃性毒物含有燃料棒と、前記短尺燃料棒が存在する軸方向下部領域に相当する部位の少なくとも一部分に可燃性毒物が含有されている第２ａ群の長尺の可燃性毒物含有燃料棒とを具備し、且つ２本の前記第１群の可燃性毒物含有燃料棒と１本の前記第２ａ群の可燃性毒物含有燃料棒の３本がＬ字形に前記短尺燃料棒を囲むように隣接して配置された短尺燃料棒配置箇所を少なくとも１箇所有することを特徴とする。
【００３５】
請求項２記載の発明は、長尺燃料棒と、この長尺燃料棒よりも有効部分が短い短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、可燃性毒物を含有する燃料棒として、前記長尺燃料棒の上下端の少なくとも一方のブランケット領域を除く燃料有効長内の領域に可燃性毒物が含有されている第１群の可燃性毒物含有燃料棒と、前記短尺燃料棒が存在する軸方向下部領域に相当する部位の少なくとも一部分に可燃性毒物が含有されている第２ｂ群の短尺の可燃性毒物含有燃料棒とを具備し、且つ２本の前記第１群の可燃性毒物含有燃料棒と１本の前記第２ｂ群の短尺の可燃性毒物含有燃料棒の３本がＬ字形に隣接して配置された箇所を少なくとも１箇所有するとともに、前記第１群の可燃性毒物含有燃料棒３本がＬ字形に前記短尺燃料棒を囲むように隣接して配置された短尺燃料棒配置箇所を少なくとも１箇所有することを特徴とする。
【００３６】
請求項３記載の発明は、長尺燃料棒と、この長尺燃料棒よりも有効部分が短い短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、可燃性毒物を含有する燃料棒として、前記長尺燃料棒の上下端の少なくとも一方のブランケット領域を除く燃料有効長内の領域に可燃性毒物が含有されている第１群の可燃性毒物含有燃料棒と、前記短尺燃料棒が存在する軸方向下部領域に相当する部位の少なくとも一部分に可燃性毒物が含有されている第２ａ群の長尺の可燃性毒物含有燃料棒とを具備し、且つ前記第１群の可燃性毒物含有燃料棒４本が前記第２ａ群の長尺の可燃性毒物含有燃料棒を中心に十字形に隣接して配置している配置箇所を少なくとも１箇所有することを特徴とする燃料集合体。
【００３７】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料集合体において、前記ブランケット領域を除く燃料有効長内の領域である濃縮領域の上端から燃料有効長の１／１２から１／６の長さの低可燃性毒物領域を有し、この低可燃性毒物領域の可燃性毒物量は、低可燃性毒物領域以外の濃縮領域の可燃性毒物量より少ないことを特徴とする。
【００３９】
本発明に係る沸騰水型原子炉用炉心は下記構成を有することを特徴とする。◎平衡炉心において４バッチ程度またはそれ以上の取り替え燃料集合体となる 3.4wt％以上の濃縮度の燃料集合体を初装荷燃料集合体の最高濃縮度燃料として使用する場合の、濃縮度３種類の初装荷炉心において、高濃縮度の燃料集合体を可燃性毒物の量でさらに２種類に分け、その可燃性毒物含有燃料棒の本数差が１本以上であることによる。
【００４０】
また、異なる平均濃縮度の燃料集合体を複数種類使用する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、燃料集合体を平均濃縮度の高い方から各々タイプ１、タイプ２、タイプ３燃料集合体とすると、タイプ３燃料集合体は可燃性毒物含有燃料棒を含まず、タイプ１、タイプ２燃料集合体は可燃性毒物含有燃料棒を含み、可燃性毒物含有燃料棒本数はタイプ１燃料集合体の方がタイプ２燃料集合体より多く、かつタイプ１燃料集合体は可燃性毒物含有燃料棒が１本以上差のある２種類を有する。
【００４１】
前記タイプ１燃料集合体のうち可燃性毒物含有燃料棒の多いタイプ１Ｂ燃料集合体を炉心の中央領域に主に配置し、前記タイプ１燃料のうち可燃性毒物含有燃料棒の少ないタイプ１Ａ燃料を炉心の最外周を含む周辺領域または最外周を含まない周辺領域に主に配置する。
【００４２】
タイプ２燃料集合体は、炉心中央領域に主に配置し、タイプ３燃料はコントロールセル及び炉心中央領域に主に配置する。炉心最外周にはタイプ１Ａ、タイプ２、タイプ３燃料のいずれを配置してもよい。さらにタイプ１Ａ，２，３のうち任意の２種類の混合配置でもよい。前記タイプ１Ａ及び１Ｂ燃料集合体は、上記（１）から（４）に記載したいずれかの可燃性毒物含有燃料棒を有している。
【００４３】
【作用】
本発明では、可燃性毒物含有燃料棒の隣接配置を短尺燃料棒を囲むか、または含むようにし、前記第１群ないし第２ａ，第２ｂ群の可燃性毒物含有燃料棒をＬ字形、または短尺燃料棒をはさむか、または含むようにし前記第１群ないし第２ａ、第２ｂ群の可燃性毒物含有燃料棒を直線形に隣接して配置しているので、短尺燃料棒の有効部分とその上側の部分で大きく可燃性毒物の燃える速度を変化させることができる。
【００４４】
つまり短尺燃料有効部分に位置する隣接した可燃性毒物含有燃料棒の領域は、上側の領域よりも減速材の量が少なく熱中性子の供給量が少なく、且つ水平断面でＬ字形に３本または直線的に２〜３本の可燃性毒物含有燃料棒領域が隣接しているので、熱中性子束吸収作用が干渉し合い、その結果、可燃性毒物の効果が小さくなり、長い期間に亘って毒物効果が持続する。
【００４５】
これに対し、短尺燃料棒の有効部より上側では減速材の量が多いことによって多くの熱中性子が供給され、可燃性毒物の燃え方が速くなる。特に短尺燃料から上方の領域において、可燃性毒物含有燃料棒領域が横断面内で離散的配置を組み合わせると、熱中性子束吸収作用の干渉がなくなるので可燃性毒物の燃焼を速くできる。
【００４６】
ところで、沸騰水型原子炉では冷却材は炉心入口ではサブクール状態で燃料集合体の冷却材チャンネルに流入し、燃料棒からの熱を除去する過程でサブクール沸騰から飽和沸騰に変わって、２相流となる。そして、燃料集合体軸方向に上方になるに従い、ボイド率が増加し、その結果、減速材の密度は上方の方が低く、中性子のエネルギースペクトルも上方程固くなる。
【００４７】
このような場合、燃料棒中ウラン²³⁵等の核分裂性物質も核分裂断面積が小さくなり燃焼が遅れるが、同時に可燃性毒物であるＧｄの熱中性子吸収断面積も小さくなり燃焼が遅くなる。
【００４８】
したがって、燃料集合体の上部の燃え方が下部よりも遅くなり、サイクル末期にも上部で可燃性毒物の燃え残りが反応度ロスを招き、その結果、中性子経済を悪くしている。
【００４９】
しかし、本発明のように可燃性毒物含有燃料棒の隣接配置を短尺燃料棒を囲むようにするか、または含むように、前記第１群ないし第２ａ，第２ｂ群の可燃性毒物含有燃料棒をＬ字形、または短尺燃料棒をはさむか、または含むように前記第１群ないし第２ａ，第２ｂ群の可燃性毒物含有燃料棒を直線形に隣接して配置することによって、短尺燃料棒の有効部から上部ではその下部と同一のガドリニア濃度でもより速くガドリニアが燃焼し、サイクル中期から燃料上部の反応度が増加し、軸方向出力分布の平坦化に役立つ。
【００５０】
また、短尺燃料棒を囲むかまたは含んでＬ字形に３本の可燃性毒物含有燃料棒で隣接配置するか、または短尺燃料棒をはさんでまたは含んで直線的に３本の可燃性毒物含有燃料棒で隣接配置し、中央の１本の可燃性毒物含有燃料棒を短尺燃料棒の有効部分の領域の少なくとも１部にのみ可燃性毒物を含有する構成の場合は、さらに当該可燃性毒物含有領域のみ３本の可燃性毒物含有燃料棒が隣接して、互いに強く干渉しあい、可燃性毒物の燃焼速度が遅くなる。
【００５１】
これに対し、短尺燃料棒の燃料有効部より上方では対角方向に２本のみまたは１本おいて可燃性毒物燃料棒が配置され、隣接干渉効果が弱く、さらに隣は短尺燃料棒の上方空間で減速材が十分供給されているので、熱中性子の供給が多く、その二つの効果で下部よりも可燃性毒物の燃える速度がさらに大きくできる。その結果、可燃性毒物の燃焼速度に上下で大きな差をつけることができ、サイクルの末期までに燃料集合体中上部の可燃性毒物を燃焼し尽くし易く出来る。
【００５２】
そのため、燃料集合体下部は燃料集合体全体の反応度がピークを迎える（つまり径方向出力ピーキングが大きくなる）サイクル末期でも、従来技術で必要になる約９wt％よりも低いガドリニア濃度で、若干の可燃性毒物を残して、燃料集合体の軸方向出力分布が下方にピークになり易いのを、燃料集合体上方の反応度を高め、下部反応度を抑制して平坦化できる。
【００５３】
例えば初装荷濃縮度３タイプ炉心において、最高濃縮度燃料集合体が例えば3.75wt％濃縮度の取り替え燃料と同じとすると、例えば濃縮度の3.75（タイプ１）， 2.5（タイプ２），1.25（タイプ３）wt％のような濃縮度分布となる。
【００５４】
これに対して、本発明によれば核燃料タイプの濃縮度は同じであるが、高濃縮度の3.75wt％（タイプ１）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１Ａ）と多いもの（タイプ１Ｂ）の２種類用意し、そのガドリニア入り燃料棒の本数差が１本以上とする。
【００５５】
さらに燃料集合体の軸方向のガドリニア含有燃料棒の配置をタイプ１Ａ燃料集合体において、第１群の長尺可燃性毒物含有燃料棒２本と第２群の可燃性毒物燃料棒１本を、前記短尺燃料棒の配置箇所で、Ｌ字形に前記短尺燃料棒を囲むようにまたは含むように隣接して配置された短尺燃料棒配置箇所を２箇所以上有するように配置する。
【００５６】
これによりガドリニア含有燃料棒本数が少ない分燃料集合体の反応度ピークが高くなり易く且つ、燃料下部での出力ピーキングが発生し易い、高濃縮度燃料の低ガドリニア燃料（タイプ１Ａ）を第１サイクルの末期及び第２サイクル初期において、最大線出力密度の運転基準を満たすことができる。
【００５７】
しかも、高い濃縮度の初装荷燃料のガドリニア設計の異なる種類の間では、濃縮度所要量の設計は共通化させることによって、初装荷燃料に必要な濃縮ウラン粉末の濃縮度の種類を増加させずに対応できる。
【００５８】
この結果、本発明の濃縮度３タイプ炉心では初装荷炉心の低濃縮度燃料（タイプ１）の体数を従来技術より減少することができ、その結果炉心平均濃縮度をより高めることによって初装荷炉心の取り出し燃焼度を増大できる。
【００５９】
【実施例】
図面を参照しながら本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体およびその炉心の実施例を説明する。
【００６０】
図１は本発明に係る沸騰水型原子炉用炉心の 1/4 90゜回転対称の初装荷炉心の燃料配置例を示している。本実施例に係る炉心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１Ａ，１Ｂ燃料集合体、中濃縮度燃料のタイプ２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。その燃料集合体の平均濃縮度と体数を下表に示す。
【００６１】
【表１】

【００６２】
【表２】

【００６３】
本発明に係る炉心では、例えば取り替え燃料の平均濃縮度を3.75wt％とした場合、初装荷炉心の濃縮度のタイプを3.75（タイプ１Ａ，タイプ１Ｂ）， 2.5（タイプ２），1.25（タイプ３）wt％のような３種類にする。
【００６４】
3.75wt％（タイプ１Ａ，タイプ１Ｂ）の燃料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１Ａ）と多いもの（タイプ１Ｂ）の２種類用意し、そのガドリニア入り燃料棒の本数差を１本以上とする。また、高い濃縮度の初装荷燃料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、さらに燃料製造上都合がよい。
【００６５】
本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燃料に３ｐの符号を付した。）を配置する。
【００６６】
また、炉心中央領域には、制御棒周囲４体をすべてタイプ３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、反応度制御およ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。）を配置する。
【００６７】
最外周から第２層目、第３層目には最高濃縮度のタイプ１Ａ燃料集合体のみを配置するか、または大半をタイプ１Ａ燃料集合体とする。
【００６８】
さらに炉心内側の領域ではタイプ１Ａ、タイプ１Ｂ燃料集合体を原則としてタイプ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１Ａ燃料集合体を交互にほぼチェカーボード状に配置する。
【００６９】
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またはタイプ３燃料集合体と、タイプ１Ｂ燃料集合体を交互にほぼチェカーボード状に配置するか、また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１Ｂ燃料集合体１体を配置する。
【００７０】
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、図を省略するが第２サイクルの炉心燃料配置は、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サイクルの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。
【００７１】
図２は上記初装荷炉心に配置されるタイプ１Ａ，タイプ１Ｂ，タイプ２及びタイプ３の燃料集合体について軸方向濃縮分布、可燃性毒物の軸方向分布を模式的に図示した分布図である。
【００７２】
図３は図２における各燃料集合体の構造の一例を示したものである。すなわち燃料集合体１は長尺燃料棒２、短尺燃料棒３及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３（Ａ）は燃料集合体を示し、図３（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、図３（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００７３】
図４（Ａ）は図３における長尺燃料棒２を示し、同（Ｂ）は短尺燃料棒３の構成を示している。すなわち、これらの燃料棒２、３は共に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上部のプレナム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は上部および下部にプレナム14が設けられている。
【００７４】
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。
【００７５】
これらの初装荷炉心用燃料集合体は図２に示したように燃料有効長“Ｌ”の上下端にブランケット領域（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。ここでは上部がL/12、下部がL/24の長さである。
【００７６】
タイプ１Ａ，１Ｂ，タイプ２燃料集合体濃縮領域“Ｌ_e”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“Ｌ_e”の濃縮度は軸方向に一様である。タイプ１Ａ，タイプ１Ｂ燃料集合体およびタイプ２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（図中ａを括弧で囲んである）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 0.1〜 0.2wt％程度高い。
【００７７】
なお、ここでタイプ１（１Ａ，１Ｂ）燃料集合体とタイプ２燃料集合体の境界ａを軸方向にずらしてもよい。ずらす場合はタイプ２燃料集合体の境界ａをタイプ１（１Ａ，１Ｂ）燃料集合体のそれよりもL/12以上上方に設定する。
【００７８】
また、タイプ１Ａ，タイプ１Ｂ，タイプ２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１Ａ，タイプ１Ｂ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。
【００７９】
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“Ｌ_e”に可燃性毒物が添加されており、その領域“Ｌ_e”内で一様か分布を有する設計が考えられる。
【００８０】
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。
【００８１】
さらにタイプ１（１Ａ，１Ｂの両方）燃料集合体およびタイプ２の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“Ｌ_e”の上端から約L/12〜L/6 の長さの可燃性毒物量の少ない低可燃性毒物領域“Ｌ_LG”を有する。
【００８２】
なお、短尺燃料棒（図２中では“ＰＬＲ”と記入）については、燃料有効部の上下端にブランケット部を設けず、単純設計のため、ここでは濃縮度の軸方向分布は設けない一様濃縮度設計としている。
【００８３】
タイプ１（１Ａ，１Ｂ）、タイプ２燃料集合体については、燃料集合体の有効部“Ｌ”の内、短尺燃料棒の有効部から上方の領域“Ｌ_v”の燃料装荷量がそれより下方の領域よりも小さいことを考慮すると、燃料棒下部の燃料ウランの量が多い分、軸方向下部に出力ピーキングが発生しやすいのでより平坦化の対策が必要である。例えばａの境界は約L/3 の位置の方が軸方向出力が平坦化しやすい。また、境界ａの上下の濃縮度差をより上に大きくすることも効果がある。
【００８４】
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可燃性毒物領域“Ｌ_LG”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 1.5〜5 wt％の低い濃度とする。または、ガドリニア添加燃料棒を１本減少するか、あるいはその両方とする等の手段がある。この例ではガドリニアの濃度を低下させている。
【００８５】
また、タイプ１（１Ａ，１Ｂ）燃料集合体は低可燃性毒物領域“Ｌ_LG”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よい。
【００８６】
タイプ２燃料集合体についてもタイプ１燃料集合体と同様に低可燃性毒物領域“Ｌ_LG”のガドリニア添加燃料棒を１〜３本減少するか、ガドリニア濃度を 1.5〜5 wt％の低い濃度とするか、またはその二つを組み合わせることが考えられる。また、低可燃性毒物領域“Ｌ_LG”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。
【００８７】
図５、図６、図７及び図８は本発明に係る燃料集合体について、タイプ１（１Ａ，１Ｂ）燃料集合体、タイプ２燃料集合体、タイプ３燃料集合体の横断面および軸方向の燃料棒濃縮度を縦断面で示している。
【００８８】
各図とも（ａ）は燃料集合体の水平断面で、それぞれ燃料棒タイプの配置を示し、（ｂ）に各燃料棒タイプの軸方向濃縮度およびガドリニア分布を縦断面で示している。上下端はブランケット領域を示す。ガドリニア含有燃料棒のタイプにはＧを付してある。
【００８９】
ここでの濃縮度はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，………Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｋと濃縮度の高いほうから順に記号で示す。可燃性毒物としてガドリニアを使用する場合の濃度を、ガドリニア含有燃料棒の当該部分に数値で示す。図５はタイプ１Ａ，図６はタイプ１Ｂ，図７はタイプ２、図８はタイプ３の燃料集合体である。図８のようにタイプ３燃料集合体はより簡単化した濃縮度分布とする。
【００９０】
タイプ１（１Ａ，１Ｂ）燃料集合体は図５及び図６に示すように、長尺燃料棒１〜７，Ｇ１〜２と、この長尺燃料棒１〜７，Ｇ１〜２よりも有効部分が短い短尺燃料棒Ｐとを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、可燃性毒物を含有する燃料棒Ｇ１，Ｇ２として、前記長尺燃料棒のうちの複数本からなる。
【００９１】
そして、その上端または下端または上下端のブランケット領域を除く軸方向中央部の大部分の領域に可燃性毒物が含有されている第１群の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ１と、前記短尺燃料棒Ｐが存在する軸方向下部領域に相当する部位の少なくとも一部分だけに可燃性毒物が含まれている第２ａ群の前記長尺の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ２とを有している。
【００９２】
ここではタイプ１Ａ燃料集合体は図５に示すように、第１群の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ１が２本と第２ａ群の可燃性毒物燃料棒Ｇ２が１本の計３本前記短尺燃料棒Ｐの１配置箇所に対してＬ型に短尺燃料棒を囲むように隣接して配置された短尺燃料棒Ｐの配置箇所を２箇所有し、また第１群の前記可燃性毒物含有の長尺燃料棒Ｇ１の３本が前記短尺燃料棒Ｐの配置箇所に対してＬ字形に短尺燃料棒Ｐを囲むように隣接して配置された短尺燃料棒配置箇所を２箇所有している。
なお、図５（ａ）では、第１群の前記可燃性毒物含有の長尺燃料棒Ｇ１の３本が前記短尺燃料棒Ｐの配置箇所に対してＬ字形に短尺燃料棒Ｐを囲むように隣接して配置された短尺燃料棒配置箇所が３箇所となっているが、この内の１箇所において、可燃性毒物含有燃料棒をＬ字形に配置した３本の隣接配置の中心の第１群の前記可燃性毒物含有の長尺燃料棒Ｇ１は第２ａ群の前記可燃性毒物燃料棒Ｇ２である。したがって、図５においてＧ１をＧ２とすべき燃料棒は、（７，７）の位置の燃料棒である。これにより、第１群の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ１が２本と第２ａ群の可燃性毒物燃料棒Ｇ２が１本の計３本前記短尺燃料棒Ｐの１配置箇所に対してＬ型に短尺燃料棒を囲むように隣接して配置された短尺燃料棒Ｐの配置箇所は２箇所となる。
【００９３】
つまり、ロッド（燃料棒）の座標をＸ−Ｙ軸にとれば、（２，２），（２，８），（８，２），（８，８）の位置の短尺燃料棒ＰはＧ１またはＧ２の可燃性毒物含有の燃料棒３本によってＬ字形に取り囲まれている。
【００９４】
これに対し図６に示すように、第１群の長尺の可燃性毒物含有燃料棒本数の多いタイプ１Ｂ燃料集合体では、第１群の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ１が２本と第２ａ群の可燃性毒物燃料棒Ｇ２が１本計３本が前記短尺燃料棒Ｐに対してＬ字形に短尺燃料棒Ｐを囲むように隣接して配置された短尺燃料棒Ｐの配置箇所を１箇所有し、第１群の前記可燃性毒物含有の長尺燃料棒Ｇ１３本が、１本の短尺燃料棒Ｐに対してＬ字形に短尺燃料棒Ｐを囲むように隣接して配置された短尺燃料棒Ｐの配置箇所を３箇所所有している。
【００９５】
さらに、この図６で示すように制御棒挿入位置を原点とした燃料棒座標（Ｘ，Ｙ）表示で（７，６），（６，７）の位置の燃料棒には第１群の長尺可燃性毒物含有燃料棒Ｇ１が配置されている。
【００９６】
つぎに、本発明の第１の実施例の作用を図９〜図13を用いて従来の濃縮度３タイプ炉心における高濃縮度燃料の特性との比較で説明する。
【００９７】
図９は濃縮度３タイプ炉心の第１サイクルにおいてタイプ１（１Ａ，１Ｂ）集合体、タイプ２集合体、タイプ３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。
【００９８】
第１サイクル長さが起動試験等により相当長さ（2000〜3000MWd/st）取り替え炉心よりも長くなる（第１サイクル長さ約 11000MWd/st）ので、このタイプ１、タイプ２燃料集合体のガドリニア濃縮は取り替え燃料集合体よりも濃度の高いものとする。
【００９９】
図９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燃料の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6000MWd/st程度後に生ずる。
【０１００】
また、図10、図11に本発明の高濃縮度初装荷燃料集合体の可燃性毒物含有燃料棒の配置による無限増倍率の制御を簡単に示す。それぞれ実線（曲線ａ）と破線（曲線ｂ）が本発明のような可燃性毒物配置の場合であり、一点鎖線（曲線ａ’）と点線（曲線ｂ’）が可燃性毒物含有燃料棒が離散的に配置された場合の特性である。
【０１０１】
本発明に係る高濃縮度燃料タイプ１Ａ、タイプ１Ｂは従来の高濃縮度燃料の設計と異なり、燃料集合体横断面で外周から２層目の隅部に位置する（（２，２）位置およびその対象位置の）短尺燃料棒を囲むように３本の可燃性毒物含有燃料棒がＬ字形に隣接して配置されている。
【０１０２】
ガドリニア濃度が同じ 7.5wt％でも曲線ａ，ｂに示すように、従来の可燃性毒物含有燃料棒の離散的配置燃料の方が初期無限増倍率が低く、且つガドリニアが燃え尽きる時点が速く且つその時点の無限増倍率も高くなる。
【０１０３】
これに対して、本発明に係る高濃縮度燃料集合体は、可燃性毒物含有燃料棒が隣接配置しているため、干渉作用により毒物効果が小さくなり、燃焼初期の無限増倍率も高く、且つ燃え方が遅いので無限増倍率のピークも遅くなる。その結果、ピーク値を低く制御できる。
【０１０４】
これは本発明によれば、炉心の余剰反応度の観点からは、図12中、本発明は実線に示すように、従来例を点線で示した場合に比較して第１サイクル初期の余剰反応度を高くし、サイクル中期における余剰反応度の増加を抑制し、その結果、サイクル運転中に使用する制御棒の本数の変化を減少できる。
【０１０５】
また、第１サイクル末期の高い濃縮度燃料集合体の軸方向燃焼度分布と軸方向出力分布について図13中本発明を実線で示すように、特にタイプ１Ａ燃料集合体では、２箇所で第２ａ群の可燃性毒物燃料棒を可燃性毒物含有燃料棒をＬ字形に配置した３本の隣接配置の中心に位置する構成としているので、タイプ１Ａ燃料集合体では上部では可燃性毒物含有燃料棒が離散的に配置され比較的速く可燃性毒物が燃え、下部では干渉効果により遅く燃える。
【０１０６】
その結果、短尺燃料棒を含む燃料では下方ピークの軸方向分布になり易い第１サイクル末期において、第１群および第２ａ群の隣接Ｌ字形配置の可燃性毒物含有長尺燃料棒により下部のピーキングが押さえられ、且つ、上部の可燃性毒物の燃焼が速いことと、可燃性毒物燃料棒が少ないことにより無限増倍率が高く、軸方向出力分布を平坦化する。
【０１０７】
従来の離散的な可燃性毒物配置では、燃料集合体全体の出力ピーキング（径方向出力ピーキング）がサイクル初期から中期にかけてより小さくなるので、軸方向ボイド分布による上部の出力は低いことと相まって、上部の可燃性毒物の燃焼が遅く、第１サイクル末期にまで残留して燃料上部の無限増倍率抑制が効きすぎることと、燃料下部では可燃性毒物がほぼ燃えきって、無限増倍率の最大値を示すので両方の効果により下方ピークの出力分布が強調される。
【０１０８】
これに対し、本発明に係るタイプ１Ｂ燃料集合体では、第１群の可燃性毒物燃料棒をＬ字形に３本隣接配置する構成を３箇所としているので、タイプ１Ｂ燃料集合体では上部、下部とも干渉効果により遅く燃焼する。
【０１０９】
タイプ１Ｂ燃料集合体の短尺燃料棒を囲む隣接配置の第１群の可燃性毒物含有燃料棒の配置の場合、短尺燃料棒有効部上端を境界とした上下の可燃性毒物の燃え方の差は減速材の量の差であり、タイプ１Ａ燃料集合体の場合の燃え方の差より小さい。
【０１１０】
しかし、タイプ１Ｂ燃料集合体は炉心中央領域で配置され、径方向出力ピーキングが大きくなり易い傾向にある。その点、隣接可燃性毒物燃料棒により、燃料集合体軸方向の大部分に亘って、反応度が抑制されるので、径方向出力ピーキングの低減に役立つ。特に従来から使用されている程度の（ここでは 7.7wt％）ガドリニアによって第１サイクルの末期近傍まで抑制される効果がある。
【０１１１】
この長期反応度抑制効果は、図６に示したタイプ１Ｂ燃料集合体の例では特に、（７，７）の位置に配置した前記第２ａ群の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ２を第１群の可燃性毒物燃料棒Ｇ１を４本隣接して十字形の中心部に配置しているので、下部において特に大きくなっている。（７，７）配置の燃料棒Ｇ２の上部は可燃性毒物を含有していないので、隣接している４本の燃料棒Ｇ１は離散的に配置された４本の可燃性毒物燃料棒とほぼ同じ燃え方をする。
【０１１２】
従来の可燃性毒物含有燃料棒配置では、燃料集合体の下部において遅く可燃性毒物を燃やし、燃料集合体の上部では比較的速く可燃性毒物を燃やすためには、可燃性毒物を上下で従来の 7.5wt％以上の９〜10wt％濃度を用いて、例えば図20、図21に示すような可燃性毒物含有燃料棒の上下軸方向により複雑な設計が必要になり、また、従来技術ではガドリニア濃度をより高濃度にした結果、濃縮度をＤからＥに一段更に下げざるを得なくなる。
【０１１３】
これに対して本発明ではより単純な可燃性毒物燃料棒で製造でき、また、タイプ１Ａ燃料集合体はタイプ１Ｂ燃料集合体よりも第１群の可燃性毒物含有燃料棒が少ないので、燃料の反応度も高く、この燃料集合体を第１サイクルの炉心最外周から２層目、３層目に配置することによって、第１サイクルの径方向出力ピーキングを平坦化できる。
【０１１４】
本発明の第１の実施例によれば、第１サイクルにおいて、濃縮度に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、炉心最外周および炉心中央領域のコントロールセル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タイプ３燃料集合体のみとなる。この結果、濃縮度４タイプ炉心とすることなく簡単な濃縮度３タイプ炉心を構成できる。
【０１１５】
ＢＷＲ取り替え炉心では、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、分散して配置してサイクル燃料期間中、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ることが重要なことがわかっている。更に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径方向の出力分布が平坦化できることがわかっている。
【０１１６】
本発明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働きをしてくれる。
【０１１７】
更に、初装荷炉心において高濃縮度燃料のタイプ１燃料集合体を可燃性毒物含有燃料棒の少ないタイプ１Ａ燃料集合体と多いタイプ１Ｂ燃料集合体に分け、タイプ１Ｂ燃料集合体を炉心の中央領域内部に、タイプ１Ａ燃料集合体を炉心の外周から２層目、３層目およびコントロールセルに面した位置に配置する。
【０１１８】
これにより、径方向出力ピーキングを平坦化し、更に、径方向ピーキングが大きくなり易い傾向にあるタイプ１Ａ燃料集合体の軸方向設計において、下部に可燃性毒物含有部分を有する燃料棒をタイプ１Ｂ燃料集合体より多く設けることにより、タイプ１Ａ燃料集合体の第１サイクル中期から第２サイクル初期にかけての燃料棒下部の線出力密度の増加を抑制する。
【０１１９】
この軸方向出力分布の制御を短尺燃料棒を有する燃料集合体において、短尺燃料棒隣接の効果を利用して、短尺燃料棒有効部より上部では可燃性毒物を下部より速く燃えるように工夫することにより、図20に示すような従来の隣接配置を使わない設計より、単純な可燃性毒物含有燃料棒の設計ができる。
【０１２０】
ちなみに従来例では、 7.5wt％以上より高濃度のガドリニアを使用するので、（４，４）、（６，６）位置の燃料棒はガドリニアが燃え尽きた時点における燃料棒の出力がウォーターロッドの効果により高いので、濃縮度を下げる必要がある。
【０１２１】
また、それを避けて従来例と同じガドリニア濃度とすると、図12に示したように第１サイクルにおける余剰反応度曲線の変化が大きいので、サイクル運転中に使用する制御棒の本数が増加し、これはコントロールセルをより多く用意する必要がある。
【０１２２】
さらに、径方向出力ピーキングを大きくする傾向にあり、図10および図11で示したように、ガドリニアが燃え尽きた時点の反応度も本発明より大きいので線出力密度を厳しくする傾向と重なり、一段と厳しくなる。本発明は、これを単純な可燃性毒物燃料設計により解決している。
【０１２３】
すなわち、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、且つコントロールセル炉心において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棒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。
【０１２４】
特に、燃料有効部の下部から L/3〜L/2 の位置に濃縮度およ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。
【０１２５】
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、境界のすぐ上部出力ピークを生じるので、反応度は低く下方出力ピーク特性の弱いタイプ２燃料集合体の前記境界ａをL/12以上上方にずらすことにより、それを緩和することができる。
【０１２６】
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り燃料経済性が向上する。このときタイプ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。
【０１２７】
つぎに図14および図15により本発明に係る燃料集合体の第２の実施例を説明する。図５および図６に示した燃料集合体の第１の実施例では短尺燃料棒の有効部分にのみ可燃性毒物を含有する燃料棒は長尺燃料棒であったが、本実施例では短尺燃料棒を使っている点が異なる。つまり前記第２ｂ群の可燃性毒物含有燃料棒ＰＧを用いる例である。
【０１２８】
これにより、可燃性毒物含有燃料棒の隣接配置を確保しつつ、この燃料棒（図 14 、（２，２）（８，８）燃料棒）に隣接する最外周の燃料棒の局所出力ピーキングを軸方向出力ピークになり易い下部において抑制することができる。また、最高濃縮度の燃料棒本数をこの置き換えによって増加することができ、燃料集合体の平均濃縮度のより増加が図れる。
【０１２９】
つぎに、図16により本発明に係る炉心の第２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説明する。本第２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１Ａ、１Ｂ燃料集合体、中濃縮度燃料のタイプ２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次表に示す。
【０１３０】
【表３】

【０１３１】
【表４】

【０１３２】
第２の実施例では、例えば取り替え燃料集合体の平均濃縮度を3.75wt％とした場合、初装荷炉心の濃縮度のタイプを3.75（タイプ１Ａ，タイプ１Ｂ）， 2.5（タイプ２），1.25（タイプ３）wt％のような３種類にする。
【０１３３】
また、3.75wt％（タイプ１Ａ，タイプ１Ｂ）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１Ａ）と多いもの（タイプ１Ｂ）の２種類用意し、そのガドリニア入り燃料棒の本数差を１本以上とする。しかも高い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。
【０１３４】
本実施例では炉心最外周に高反応度のタイプ１Ａ燃料集合体を配置し、炉心中央領域に制御棒周囲の４体の燃料集合体をすべてタイプ３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、反応度制御およ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。）を配置する。最外周から第２層目には最高濃縮度のタイプ１Ａ燃料集合体のみを配置するか、または大半をタイプ１Ａ燃料集合体とする。
【０１３５】
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１Ａまたはタイプ１Ｂ燃料集合体を交互にほぼチェカーボード状に配置する。
【０１３６】
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またはタイプ３燃料集合体と、タイプ１Ｂ燃料集合体を交互にほぼチェカーボード状に配置するか、タイプ２とタイプ３燃料集合体の燃料集合体３体とタイプ１Ｂ燃料集合体１体を配置する。
【０１３７】
本実施例で使用する燃料集合体の軸方向設計としては前述した図２と同様に可能であり、本実施例では最外周に高反応度のタイプ１Ａ燃料集合体を配置しているので、径方向出力分布がより一層平坦化され、ＭＣＰＲや最大線出力密度の特性が炉心の第１の実施例よりも向上できる。
【０１３８】
また、最外周配置のタイプ１Ａ燃料集合体は炉心中央領域の燃料に比較して約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サイクルへの燃料交換体数を低減できる。また、初装荷炉心の平均濃縮度も増加するので初装荷炉心の取り出し燃焼度増加に寄与する。
【０１３９】
なお、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、本発明の変形例としてタイプ２燃料集合体を配置してもよいし、タイプ１とタイプ２燃料集合対を混合させても、タイプ１とタイプ３燃料集合体の混合配置、タイプ２燃料集合体とタイプ３燃料集合体の混合配置としてもよく、その特性は中間的な効果を得る。
【０１４０】
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燃料集合体の比較的燃焼の進んだ燃料集合体を配置する。
【０１４１】
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37個のコントロールセ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か、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。
【０１４２】
第２サイクルのためにタイプ２燃料集合体は
コントロールセル用 84〜 116本
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用残り体数
が必要である。
【０１４３】
本発明によれば、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２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上記要望に満足できる。
【０１４４】
したがって、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。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。
【０１４５】
つぎに、図17から図19により本発明の燃料集合体の第３の実施例を説明する。
【０１４６】
本実施例では図３に示す９×９燃料集合体の例における（２，２），（５，２）およびその対称位置にある短尺燃料棒隣接の２層目燃料棒を使った可燃性毒物含有燃料棒の隣接配置の利用である。この例では基本的に２本の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ１の隣接配置とその２本の燃料棒Ｇ１の両隣が短尺燃料棒Ｐ１、ＰＧになっている点が特徴である。
【０１４７】
例えば、図１７の（３，２），（４，２）の第１群の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ１は、短尺燃料棒Ｐ１の有効部分領域では減速材が少なく、両方の燃料棒が面する部分で遮蔽効果がある。しかし、短尺燃料棒有効部より上方の部分では（３，２），（４，２）の各燃料棒は隣接の短尺燃料棒Ｐ１上方の減速材領域からより多くの熱中性子が供給されるので、可燃性毒物が速く燃焼する。
【０１４８】
したがって、この場合も可燃性毒物含有燃料棒の配置による下部での遮蔽効果と上部における短尺燃料棒の上方空隙効果を第１の実施例同様に得て、燃焼初期の無限増倍率の増加、燃焼過程における下部よりも上部の方が速く燃焼することによる軸方向出力分布の長期に亘る平坦化が得られる。
【０１４９】
図18に示したように図17と同様に配置した短尺燃料棒の一部に可燃性毒物を含有した第２ｂ群の可燃性毒物含有燃料棒ＰＧを組み合わせることにより第１の燃料集合体の実施例と同様の効果が得られる。
【０１５０】
図19は図17における（２，６）の可燃性毒物燃料棒Ｇ１を（３，７）に、また（８，４）を（７，３）に配置換えしたことにある。また、第１の実施例の可燃性毒物含有燃料棒３本をＬ字形に隣接配置した例と第２の実施例の隣接配置を混合して使用してもよい。
【０１５１】
図17から図19に示す可燃性毒物含有燃料棒Ｇ１，Ｇ２の本数が多い例は、取り替え燃料集合体の場合に適する。取り替え炉心の場合、炉心全体の余剰反応度とバランスが取れる濃度は４〜６wt％のガドリニア濃度となる。
【０１５２】
これまでの実施例では初装荷炉心の燃料集合体の最大濃縮度を3.75wt％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燃料棒格子に限定されるものではない。
【０１５３】
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とせず、より高い濃縮度 1.3wt％以上の濃縮度の燃料集合体をコントロールセルの燃料集合体とする場合にも応用できる。
【０１５４】
【発明の効果】
本発明によれば濃縮度多種類の初装荷炉心において、より高濃縮度の採用の場合でも、高濃縮度燃料を第１サイクルの末期および第２サイクル初期において、最大線出力密度の運転基準を満たすことができる。
【０１５５】
その過程で高濃縮度燃料のガドリニア含有燃料棒の軸方向設計を簡単化し、かつ従来例が必要とするよりも低濃度のガドリニアで、残留ガドリニア反応度ロスを低減しつつ実現できる。その結果、最高濃縮度燃料集合体の体数を減少することなく、対応が可能となり初装荷炉心の取り出し燃焼度向上が実現できる。
【０１５６】
また、取り替え燃料炉心においても、部分長の短尺燃料棒の利用により簡単なガドリニア含有燃料棒の軸方向設計により、軸方向出力分布制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉用炉心の第１の実施例における初装荷炉心を示す燃料配置図。
【図２】図１における初装荷炉心に配置する各燃料集合体の軸方向濃縮度、可燃性毒物の分布を説明するための分布図。
【図３】（Ａ）は図１の初装荷炉心に配置する燃料集合体の一例を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。
【図４】（Ａ）は図３における標準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５】（ａ）は本発明に係るタイプ１Ａ燃料集合体の第１の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮度状態を示す縦断面図。
【図６】（ａ）は本発明に係るタイプ１Ｂ燃料集合体の第２の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮度状態を示す縦断面図。
【図７】（ａ）は本発明に係るタイプ２燃料集合体を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮度状態を示す縦断面図。
【図８】（ａ）は本発明に係るタイプ３燃料集合体を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮度状態を示す縦断面図。
【図９】本発明の初装荷炉心を構成する各燃料タイプの無限増倍率の燃焼推移例を示す特性図。
【図１０】本発明に係るタイプ１Ａ燃料集合体と従来の燃料集合体の無限増倍率の燃焼推移を比較して示す特性図。
【図１１】本発明に係るタイプ１Ｂ燃料集合体と従来の燃料集合体の無限増倍率の燃焼推移を比較して示す特性図。
【図１２】本発明と従来例における第１サイクルの余剰反応度の推移を示す特性図。
【図１３】（ａ）は本発明に係る最高濃縮度の初装荷燃料集合体と従来例と第１サイクル末期における軸方向燃焼度分布を示す特性図、（ｂ）は（ａ）と同じく相対出力分布を示す特性図。
【図１４】（ａ）は本発明に係るタイプ１Ａ燃料集合体の第２の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮度状態を示す縦断面図。
【図１５】（ａ）は本発明に係るタイプ１Ｂ燃料集合体の第２の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮度状態を示す縦断面図。
【図１６】本発明における初装荷炉心の第２の実施例を示す燃料配置図。
【図１７】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第３の実施例における第１の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮度状態を示す縦断面図。
【図１８】（ａ）は図17において、第２の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮状態を示す縦断面図。
【図１９】（ａ）は図17において、第３の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮状態を示す縦断面図。
【図２０】（ａ）は従来の燃焼集合体の第１の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮状態を示す縦断面図。
【図２１】（ａ）は従来の燃焼集合体の第２の例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の濃縮状態を示す縦断面図。
【符号の説明】
２…長尺燃料棒、２…短尺燃料棒、10…燃料ペレット、11…被覆管、12…上部端線、13…下部端線、14…ガスプレナム、15…スプリング。

Claims

長尺燃料棒と、この長尺燃料棒よりも有効部分が短い短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、可燃性毒物を含有する燃料棒として、前記長尺燃料棒の上下端の少なくとも一方のブランケット領域を除く燃料有効長内の領域に可燃性毒物が含有されている第１群の可燃性毒物含有燃料棒と、前記短尺燃料棒が存在する軸方向下部領域に相当する部位の少なくとも一部分に可燃性毒物が含有されている第２ａ群の長尺の可燃性毒物含有燃料棒とを具備し、且つ２本の前記第１群の可燃性毒物含有燃料棒と１本の前記第２ａ群の可燃性毒物含有燃料棒の３本がＬ字形に前記短尺燃料棒を囲むように隣接して配置された短尺燃料棒配置箇所を少なくとも１箇所有することを特徴とする燃料集合体。
長尺燃料棒と、この長尺燃料棒よりも有効部分が短い短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、可燃性毒物を含有する燃料棒として、前記長尺燃料棒の上下端の少なくとも一方のブランケット領域を除く燃料有効長内の領域に可燃性毒物が含有されている第１群の可燃性毒物含有燃料棒と、前記短尺燃料棒が存在する軸方向下部領域に相当する部位の少なくとも一部分に可燃性毒物が含有されている第２ｂ群の短尺の可燃性毒物含有燃料棒とを具備し、且つ２本の前記第１群の可燃性毒物含有燃料棒と１本の前記第２ｂ群の短尺の可燃性毒物含有燃料棒の３本がＬ字形に隣接して配置された箇所を少なくとも１箇所有するとともに、前記第１群の可燃性毒物含有燃料棒３本がＬ字形に前記短尺燃料棒を囲むように隣接して配置された短尺燃料棒配置箇所を少なくとも１箇所有することを特徴とする燃料集合体。
長尺燃料棒と、この長尺燃料棒よりも有効部分が短い短尺燃料棒とを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、可燃性毒物を含有する燃料棒として、前記長尺燃料棒の上下端の少なくとも一方のブランケット領域を除く燃料有効長内の領域に可燃性毒物が含有されている第１群の可燃性毒物含有燃料棒と、前記短尺燃料棒が存在する軸方向下部領域に相当する部位の少なくとも一部分に可燃性毒物が含有されている第２ａ群の長尺の可燃性毒物含有燃料棒とを具備し、且つ前記第１群の可燃性毒物含有燃料棒４本が前記第２ａ群の長尺の可燃性毒物含有燃料棒を中心に十字形に隣接して配置している配置箇所を少なくとも１箇所有することを特徴とする燃料集合体。
前記ブランケット領域を除く燃料有効長内の領域である濃縮領域の上端から燃料有効長の１／１２から１／６の長さの低可燃性毒物領域を有し、この低可燃性毒物領域の可燃性毒物量は、低可燃性毒物領域以外の濃縮領域の可燃性毒物量より少ないことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料集合体。