JP3916807B2 - Ｍｏｘ燃料集合体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉に用いる燃料集合体に係わり、特に、ＭＯＸ燃料を備えたＭＯＸ燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、沸騰水型原子炉を含む軽水炉においては、燃料としてウラン酸化物を用いる燃料集合体（以下適宜、ウラン燃料集合体という）が備えられている。
【０００３】
（１）ボイド反応度係数
ところで、一般に、沸騰水型原子炉の炉心においては、燃料棒内の燃料から発生する熱を除去する冷却材、及び核分裂によって発生した高エネルギー中性子を低エネルギー中性子まで減速する減速材として、軽水を用いている。すなわち燃料集合体下部から炉心へ流入した軽水は、燃料集合体近傍を流れる間に沸騰し、燃料集合体上部から流出する。このときの沸騰の程度をボイド率と呼び、このボイド率は、炉心への入口である燃料集合体下部では小さく、炉心からの出口である燃料集合体上部では大きくなっている。
【０００４】
このボイド率に関連する原子炉設計上重要な因子として、ボイド反応度係数がある。この係数は、体積割合で１％のボイドが発生した場合に投入される負の反応度を表すものであり、沸騰水型原子炉では常に負の値をとる。そして、この負のボイド反応度係数の絶対値は、燃料集合体内の中性子の減速が促進されると小さくなる性質がある。これを、以下に説明する。
【０００５】
すなわち、一般に沸騰水型原子炉の燃料集合体において、水対燃料比（＝燃料集合体内及びその外側を流れる水の量と燃料棒内の燃料量との比）と反応度（例えば中性子増倍率）との関係を考えた場合、まず、水の割合を増やしていくと減速効果が促進されて反応度は増加する。しかしその増加割合は一定でなく、水の量の増加とともに水により吸収される中性子の量が多くなることから、増加割合は次第に減少して反応度の値は頭打ちとなり、あるピークを迎える。このピークを超えてさらに水の割合を増やしていくと、水に吸収される中性子の量のほうが多くなり、反応度は次第に減少し、その減少割合も次第に大きくなる。通常、沸騰水型原子炉の燃料集合体は、そのピーク値以前の状態における水対燃料比の設定で設計されている。つまり、水の割合を増やしていくと減速効果が促進されて反応度は増加するが、その反応度増加割合は水の割合が多くなるほど減少する。
【０００６】
ここで、ボイド反応度係数は、ボイドが発生する割合に対する負の反応度の投入割合であるから、言い換えれば、水が減少する割合に対する反応度の減少割合に等しい。つまり、その絶対値は、上記した水の増加割合に対する反応度の増加割合に等しいことになる。
したがって、沸騰水型原子炉の燃料集合体では、水の割合を増やして中性子の減速を促進するほど、水の増加割合に対する反応度の増加割合が減少し、ボイド反応度係数の絶対値が小さくなる。
【０００７】
（２）軸方向出力分布の歪み
一方、上記ボイド率及びボイド反応度係数と燃料集合体に投入される反応度との間には、
（投入される負の反応度）＝（ボイド率）×（ボイド反応度係数）
の関係がある。すなわち、ボイド率が大きければ、投入される負の反応度が大きくなるので、燃料集合体上部では下部よりも投入される負の反応度が大きくなる。この投入される反応度差により、通常、沸騰水型原子炉の燃料集合体においては、平均軸方向出力分布が下部に歪む傾向となる。
また特に、沸騰水型原子炉では、軸方向の上方ほどボイド率が大きく、燃焼が進むにつれてプルトニウムの蓄積が大きくなって軸方向出力分布が上方に歪むようになるため、上記のような軸方向出力分布の下部への歪みが緩和される。しかしながら、初装荷炉心や移行炉心のように燃焼度の小さい炉心では、この軸方向出力分布の下部への歪みが緩和されないため、特に軸方向の出力ピーキングが大きくなる傾向となる。
【０００８】
（３）短尺燃料棒による軸方向出力分布制御
このような下方に歪む軸方向出力分布を制御する技術の１つとして、例えば、特開平５−２３２２７３号公報記載のように、燃料有効長が他の燃料棒よりも短い燃料棒（以下、短尺燃料棒という）を設け、燃料集合体上部においてその短尺燃料棒の上方位置に水の領域を形成することにより、燃料集合体上部における水の割合を増やしてボイド反応度係数の絶対値を小さくし、上部と下部との投入反応度差を低減して、軸方向出力分布の歪み傾向を低減する構成が提唱されている。
【０００９】
特に、上記公知技術の燃料集合体では、短尺燃料棒を、燃料集合体外周側の水ギャップ領域に近く中性子スペクトルが軟らかい（熱中性子束の大きい）燃料バンドル正方格子状配列の最外周に配置することにより、実効的な中性子減速効果をさらに向上させボイド反応度係数絶対値のさらなる低減を図っている。
【００１０】
（４）可燃性毒物による軸方向出力分布制御
また、前述した下方に歪む軸方向出力分布を制御する他の技術として、可燃性毒物をウラン燃料棒中に混入する構造が知られている。ここで、可燃性毒物とは、運転期間を通じ徐々に燃焼しその物質量が減少していく中性子吸収材のことであり、例えばガドリニア等熱中性子吸収断面積の大きな物質が用いられる。
【００１１】
このような可燃性毒物による反応度抑制挙動の一例を図１０に示す。
図１０は、可燃性毒物の一種であるガドリニアを混入した燃料棒を含む燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化の一例を示したものである。横軸には燃焼度を、縦軸には無限増倍率をとり、また比較のために、同一燃料棒配置のまま、可燃性毒物入り燃料棒の本数を減らした場合の挙動を破線で、可燃性毒物の濃度を濃くした場合の挙動を一点鎖線で併せて示している。
図１０に示されるように、無限増倍率は、燃焼度が進み可燃性毒物が燃えるにつれて緩やかに上昇し、可燃性毒物が燃え尽きたところでピークを迎え、そのピークを超えた後は緩やかに下降する。そして、この特性は、まず、可燃性毒物を混入する燃料棒の本数を増減させることで制御可能である。すなわち、可燃性毒物を混入する燃料棒の本数を増加させると、中性子吸収が増加する分燃焼初期での無限増倍率が減少し、逆に本数を減少させると、燃焼初期での無限増倍率が増大する（破線参照）。また、混入する可燃性毒物の濃度の増減によっても特性の制御が可能であり、濃度を増加させれば、可燃性毒物の燃え尽きる時期を遅らせることが可能になるため、無限増倍率の最大値を低下させることができ（一点鎖線参照）、逆に濃度を減少させれば、無限増倍率の最大値を増加させることができる。これら可燃性毒物入り燃料棒本数の増減と可燃性毒物濃度の増減（軸方向濃度分布を含む）という２つを組み合わせることにより、炉心の余剰反応度や軸方向出力分布を適切に制御することが可能となる。
【００１２】
また、可燃性毒物の燃焼は中性子スペクトルに強く依存しており、中性子平均エネルギーが低く（中性子スペクトルが軟らかく）なるほど燃焼が進行して中性子吸収効果が大きくなる一方、中性子スペクトルが硬くなるほど中性子吸収効果が小さくなるという性質もある。
【００１３】
このように可燃性毒物を用いて軸方向出力分布を制御した燃料集合体に関する公知技術としては、例えば、特開昭５８−２１６９８９公報記載の燃料集合体がある。この燃料集合体では、特に、燃料集合体外周側の水ギャップ領域に近く中性子スペクトルが軟らかい（熱中性子束の大きい）燃料バンドル正方格子状配列最外周にガドリニア入りウラン燃料棒を配置することにより、ガドリニアの中性子吸収効果を向上させている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
（５）ＭＯＸ燃料集合体
ところで、近年、原子力発電所の核燃料リサイクルを図る観点から、再処理によって使用済み燃料から取り出されたプルトニウムをウランと混合し、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以下適宜、ＭＯＸ燃料という）として、軽水炉で利用することが提唱されている。特に、その際、経済性の向上のために、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化（例えば、取り出し平均燃焼度４０ＧＷｄ／ｔ以上）や炉心へのＭＯＸ燃料装荷率増加が考えられている。
【００１５】
ここにおいて、ＭＯＸ燃料は、その核分裂性物質であるプルトニウム２３９やプルトニウム２４１の熱中性子吸収断面積がウラン２３５より大きいこと、及びプルトニウム２４０による中性子の吸収がウラン２３８より大きいこと等により、ウラン燃料よりも熱中性子の割合が減少し、中性子スペクトルが硬くなるという性質がある。
【００１６】
そのため、ＭＯＸ燃料を備えたＭＯＸ燃料集合体では、減速材である水による中性子の減速効果が悪くなり、上記（１）で説明したようにボイド率が増加した時の反応度変化であるボイド反応度係数の負の絶対値がウラン燃料集合体に比べて増大する。ここで上記（２）で説明したように、沸騰水型原子炉では、軸方向のボイド率分布に基づき軸方向出力分布が下部に歪む傾向にあるが、このボイド反応度係数の負の絶対値の増加によってボイド率の高い炉心上部で反応度低下量がさらに大きくなり、軸方向出力分布がさらに下方に歪んで軸方向の出力ピーキングが大きくなることになる。また、可燃性毒物の中性子吸収効果が低下する。特に、高燃焼度化を図るためには燃料の持つ反応度を高める必要があるが、そのためにＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度を増加させると、中性子スペクトルの硬化がさらに増す傾向となる。
【００１７】
したがって、ＭＯＸ燃料集合体、特に、高燃焼度化が図られたＭＯＸ燃料集合体において、ウラン燃料集合体なみに軸方向出力分布を平均化するためには、別途何らかの方策を講じる必要がある。
【００１８】
そこで、このような点に配慮したＭＯＸ燃料集合体として、例えば特開平７−３０１６８８号公報記載の燃料集合体がある。
このＭＯＸ燃料集合体では、特に高燃焼度化について明記されているわけではないが、上記（３）で説明した原理を利用し、短尺燃料棒を９行９列正方格子状配列中の４隅に隣接する位置（合計８カ所）に配置することにより、前述のように実効的な中性子減速効果をさらに向上させてボイド反応度係数絶対値を低減し、かつ、上記（４）で説明した原理を利用し、ガドリニア入りウラン燃料棒を正方格子状配列最外周におけるそれら８本の短尺燃料棒の反４隅側隣接位置に配置し、ガドリニアの中性子吸収効果を向上させている。
【００１９】
しかしながら、このＭＯＸ燃料集合体では、以下のような不都合が存在する。すなわち、前述した特開平５−２３２２７３号公報にも記載されているように、通常、燃料バンドルを９行９列以上の正方格子状に配列し、かつ短尺燃料棒をその正方格子状配列の最外周に配置した燃料集合体においては、短尺燃料棒を４隅に配置した場合が燃料集合体全体の反応度損失及び短尺燃料棒に隣接する燃料棒の局所出力ピーキングが最も大きくなる。そして、短尺燃料棒を４隅隣接位置に配置した場合は４隅位置に配置した場合よりも若干改善されるものの、依然として反応度損失及び短尺燃料棒に隣接する燃料棒の局所出力ピーキングが大きい値となり、また４隅位置の燃料棒の局所出力ピーキングが大きくなる。特に高燃焼度化を図る場合には、このような傾向がいっそう増長される。
【００２０】
本発明の目的は、高燃焼度化を図ったＭＯＸ燃料集合体において、反応度損失や短尺燃料棒隣接燃料棒・４隅位置燃料棒の局所出力ピーキング増大を抑制しつつ、ボイド反応度係数の絶対値の増大や可燃性毒物の中性子吸収効果減少を防止し、軸方向出力分布を平均化できる構成を提供することにある。
【００２１】
【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、プルトニウム酸化物及びウラン酸化物を充填した複数のＭＯＸ燃料棒と、ウラン酸化物を充填し可燃性毒物を含有した複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒とをｎ行ｎ列の正方格子状に配列したＭＯＸ燃料集合体において、ｎ≧９であり、前記複数のＭＯＸ燃料棒は、燃料有効長が他のものよりも短く、かつ前記正方格子状配列の最外周部分のうち該正方格子状配列の４隅及びこの４隅に隣接する格子位置以外の格子位置に配置された複数の第１短尺燃料棒を含み、前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒は、前記正方格子状配列の最外周部分に配置された複数の第１毒物燃料棒を含み、前記複数の第１短尺燃料棒は、前記正方格子状配列の形成する４辺の各辺中点の格子位置にそれぞれ配置されており、前記第１毒物燃料棒は、前記第１短尺燃料棒を挟んでその両側に隣接する格子位置に配置されており、前記正方格子状配列の最外周部分に配置される前記第１短尺燃料棒及び前記第１毒物燃料棒以外の燃料棒は、可燃性毒物を含有しない、燃料有効長が通常長さのＭＯＸ燃料棒であるものとする。
【００２２】
一般に、沸騰水型原子炉の燃料集合体においては、減速材である水に近い燃料棒ほど熱中性子束が大きく（すなわち中性子スペクトルが柔らかく）、逆に他の燃料棒に取り囲まれている燃料棒ほど熱中性子束が小さく（すなわち中性子スペクトルが硬く）なるので、正方格子状配列最外周部分の燃料棒は特に中性子スペクトルが柔らかくなる。
【００２３】
本発明においては、第１短尺燃料棒をその中性子スペクトルが柔らかい正方格子状配列の最外周部分に配置することにより、ＭＯＸ燃料化及び高燃焼度化に基づく中性子スペクトル硬化傾向を緩和できるので、ボイド反応度係数の絶対値増大を防止することができる。
【００２４】
また、その燃焼性が中性子スペクトルに強く依存する可燃性毒物に関しても、第１毒物燃料棒をその中性子スペクトルが柔らかい最外周部分に配置することにより、上記同様、ＭＯＸ燃料化及び高燃焼度化に基づく中性子スペクトル硬化傾向を緩和できることから、中性子吸収効果の減少を防止することができる。
このとき、特に高燃焼度化のためにプルトニウム富化度を増加させると燃料の反応度が増大するため、可燃性毒物を混入する燃料棒の本数や可燃性毒物量を増やす必要があり、その分、可燃性毒物の燃え残りにより反応度が低下するが、前記した第１毒物燃料棒を中性子吸収効果の高い（すなわち反応度価値が高い）正方格子状配列最外周部分に配置することはまた、この燃え残りによる燃料集合体全体の反応度低下を防止でき、これによって可燃性毒物入りウラン燃料棒のウラン濃縮度を低減できるという効果もある。
【００２５】
さらに、前述したように、一般に、短尺燃料棒を９行９列以上の正方格子状配列の正方格子状配列の最外周部分における４隅又は４隅隣接位置に配置した場合、反応度損失や短尺燃料棒に隣接する燃料棒の局所出力ピーキングが大きい値となることが知られており、特に高燃焼度化を図る場合には、このような傾向がいっそう増長される。そこで、本発明においては、第１短尺燃料棒を、正方格子状配列の最外周部分のうち４隅及びこの４隅に隣接する格子位置以外の格子位置に配置することにより、上記の弊害を防止できる。
【００２６】
以上のように、本発明によれば、高燃焼度化を図る場合にも、反応度損失や短尺燃料棒隣接燃料棒の局所出力ピーキング増大を抑制しつつ、ボイド反応度係数の絶対値の増大や可燃性毒物の中性子吸収効果減少を防止し軸方向出力分布を平均化することができる。
【００２８】
また、第１短尺燃料棒を正方格子状配列最外周部分に配置した場合、燃料集合体上部においては第１短尺燃料棒の格子位置には燃料棒が存在しなくなるため、隣接する通常長さの燃料棒の局所出力がその燃料集合体上部で大きくなる傾向となる。そこで、本発明においては、第１毒物燃料棒を、正方格子状配列最外周部分のうち第１短尺燃料棒に隣接する格子位置に配置することにより、ＭＯＸ燃料棒を配置する場合に比べてその隣接位置燃料棒の出力増大を抑制することができる。
【００３０】
更に、上記したように、一般に、沸騰水型原子炉の燃料集合体においては、正方格子状配列最外周部分の燃料棒は熱中性子束が大きくなる。その最外周の中でも、正方格子状配列の隅になるほど大きな水ギャップ領域が近くに存在することから、熱中性子束は、正方格子状配列の４隅位置が最も大きく、４隅より離れて正方格子状配列最外周部分が形成する４辺の各辺中点に向かうにつれて低減する傾向を示す。
【００３１】
このような熱中性子束の差に応じ、通常、ＭＯＸ燃料集合体では、局所出力ピーキングを減少して出力分布の平坦化を図り熱的余裕を確保する観点から、水に近い燃料棒のプルトニウム富化度を比較的低くし、水から遠い燃料棒のプルトニウム富化度を比較的高くする等の富化度分布をつけることが行われる。このとき、正方格子状配列の最外周では、上記の熱中性子束の特性に対応して、少なくとも４隅位置のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富荷度を最も低い富荷度とする一方、正方格子状配列最外周部分が形成する４辺の各辺中点の格子位置（又は中点位置とその隣接位置の場合もある）の燃料棒を最外周部分配列燃料棒の中では最も高い富荷度とし、正方格子状配列最外周部分のうち残りの格子位置のＭＯＸ燃料棒をそれらの中間の富荷度とし、すなわち最外周部分配列燃料棒として合計で少なくとも３種類のプルトニウム富荷度とすることが多い。
【００３２】
ところで、ＭＯＸ燃料集合体の場合、燃料の成型加工工程を複雑にしないためあるいはコストダウンの観点から、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度の種類は極力低減することが望まれている。
そこで、本発明においては、第１短尺燃料棒を、正方格子状配列の形成する４辺の各辺中点の格子位置に配置することにより、この位置の局所出力を低減できる。したがって、例えば第１短尺燃料棒を上記中間の富荷度とすることで、前述のようにこの格子位置のために１種類の富荷度（最高富荷度）が必要であったのを省略することができるので、富荷度種類数を１種類低減することができ、例えば全体で富荷度種類数を３種類以下とすることができる。
【００３３】
（２）上記（１）において、また好ましくは、前記正方格子状配列中に設けられた少なくとも１本の水ロッドをさらに有し、かつ、前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒は、前記水ロッドに隣接する格子位置に配置された少なくとも１本の第２毒物燃料棒を含む。
特に高燃焼度化を図る場合等には、増大した反応度を抑制するために、正方格子状配列最外周部分位置以外にもさらに可燃性毒物入りウラン燃料棒を配置する必要があることが多い。
【００３４】
特に高燃焼度化を図る場合等には、増大した反応度を抑制するために、正方格子状配列最外周部分位置以外にもさらに可燃性毒物入りウラン燃料棒を配置する必要があることが多い。
【００３５】
ところで、正方格子状配列に水ロッドが設けられている場合には、その水ロッドの近傍は、減速材である水に近いことから熱中性子束が大きく（すなわち中性子スペクトルが柔らかく）なる。そこで、本発明においては、可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち第２毒物燃料棒を中性子スペクトルが柔らかい水ロッドに隣接する格子位置に配置することにより、上記（１）で説明したのと同様の原理で、これら第２毒物燃料棒についても、中性子吸収効果の減少を防止することができる。したがって、燃料集合体全体として可燃性毒物による反応度抑制効果を向上することができるので、可燃性毒物燃え残りによる燃料集合体全体の反応度低下をさらに防止でき、可燃性毒物入りウラン燃料棒の濃縮度をさらに低減できるという効果もある。
【００３６】
（３）上記（２）において、さらに好ましくは、前記複数のＭＯＸ燃料棒は、燃料有効長が他のものよりも短く、前記水ロッドに隣接する格子位置に配置された少なくとも１本の第２短尺燃料棒を含み、前記第２毒物燃料棒は、前記第２短尺燃料棒に隣接する格子位置に配置されている。
【００３７】
第１短尺燃料棒に加えて第２短尺燃料棒を設けることにより、燃料集合体上部における水の割合をさらに増やしてボイド反応度係数の絶対値をさらに小さくすることができる。
【００３８】
（４）上記（１）において、また好ましくは、前記複数本のＭＯＸ燃料棒は、前記正方格子状配列の４隅に配置されたコーナー部燃料棒を含み、かつ、このコーナー部燃料棒は、前記複数のＭＯＸ燃料棒のうちそれ以外の燃料棒よりも核分裂性プルトニウム富化度が低くなっている。
【００３９】
【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。
【００４０】
本発明の第１の実施形態を図１〜図７により説明する。
【００４１】
本実施形態によるＭＯＸ燃料集合体の全体構造を表す側断面図を図２に、図２中Ｉ−Ｉ断面による横断面図を図１（ａ）に、各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図を図１（ｂ）に示す。なお、本願明細書においては、ｍ行ｍ列の格子位置に対する「隣接」位置とは、ｍ±１行ｍ列、ｍ行ｍ±１列、ｍ±１行ｍ±列の３通りを含む。
【００４２】
これら図１（ａ）、図１（ｂ）、及び図２において、本実施形態による燃料集合体１は、核分裂性物質を焼結した燃料ペレットを封入した多数の燃料棒２と、燃料集合体中央部の中性子スペクトルを改善する中性子減速棒として設けられ、冷却材流路を形成する中空管である水ロッド３（図１（ａ）参照）と、燃料棒２及び水ロッド３を軸方向複数箇所で適切な間隔に保持するスペーサ４と、これら燃料バンドルを上端及び下端でそれぞれ保持する上部タイプレート５および下部タイプレート６とを備えており、それらのまわりを四角筒型のチャンネルボックス７で取り囲んでいる。
【００４３】
水ロッド３は、燃料集合体径方向の熱中性子束平坦化を目的に燃料集合体中央部の７本の燃料棒２を置き換えるように配置されており、燃料物質を充填せず、内部を沸騰しない冷却水が通過するようになっている。
【００４４】
チャンネルボックス７は、上部タイプレート５にチャンネルファスナー９を介して取り付けられており、これに隣接するように横断面十字型の制御棒８（図１（ａ）参照）が挿入されるようになっている。
【００４５】
燃料棒２は、全部で７４本が９行９列の正方格子状に配列されており、後述のように例えば取り出し平均燃焼度４０ＧＷｄ／ｔ以上といった高燃焼度化を図る場合に対応可能な配置となっている。各燃料棒２は、特に詳細を図示しないが、上部端栓及び下部端栓により両端を密封された被覆管内に多数の燃料ペレット（プルトニウム酸化物及びウラン酸化物、もしくはウラン酸化物）を充填し、被覆管内のガスプレナム領域に配置されたスプリングでそれら燃料ペレットを上下に押圧した構造となっている。また各燃料棒２は、ペレットの種類や燃料有効長（燃料ペレットが充填されている長さ）が互いに異なる６種類が配置されており、それぞれ燃料棒記号１，２，３，４，５，６で表す。
【００４６】
燃料棒記号１，２，３，４の燃料棒２は、ペレットとして、プルトニウム酸化物及びウラン酸化物からなるＭＯＸ燃料ペレットを充填するＭＯＸ燃料棒である。このＭＯＸ燃料ペレットは、燃料物質であるＰｕＯ２及び燃料母材であるＵＯ２にて構成され、核分裂物質である２３９−Ｐｕ、２４１−Ｐｕ、及び２３５−Ｕを含んでいる。
【００４７】
このとき燃料棒記号１，２，３の燃料棒２のプルトニウム富化度は、図１（ｂ）に示すように、燃料有効長の全域（下端基準０／２４ノード〜２３／２４ノード部分）において軸方向に一様に、それぞれＡ［ｗｔ％］，Ｂ［ｗｔ％］，Ｃ［ｗｔ％］（但しＡ＞Ｂ＞Ｃ）となっている。
【００４８】
また、燃料棒記号４の燃料棒は、燃料有効長が他のものよりも短い短尺燃料棒（部分長燃料棒ともいう）となっており、プルトニウム富化度は、その燃料有効長の全域（下端基準１／２４ノード〜１５／２４ノード部分）において軸方向に一様にＢ［ｗｔ％］となっている。
【００４９】
燃料棒記号５，６の燃料棒２は、ペレットとして、濃縮ウラン酸化物に可燃性毒物としてのガドリニアを添加したガドリニア入りウラン燃料ペレットを充填するガドリニア入りウラン燃料棒である。このガドリニア入りウラン燃料ペレットは、燃料物質であるＵＯ２及びこれに含有した可燃性毒物であるガドリニアにて構成され、核分裂物質である２３５−Ｕを含んでいる。このとき燃料棒記号５，６の燃料棒２のウラン濃縮度は、図１（ｂ）に示すように、燃料有効長の全域（下端基準０／２４ノード〜２４／２４ノード部分）において軸方向に一様に、それぞれＤ［ｗｔ％］，Ｅ［ｗｔ％］（但しＤ＞Ｅ）となっている。またガドリニア濃度は、それぞれＦ［ｗｔ％］，Ｇ［ｗｔ％］（但しＦ＞Ｇ）となっている。
【００５０】
このような燃料棒２は、図１（ｂ）に示すように、燃料棒記号１が３４本、燃料棒記号２が２０本、燃料棒記号３が４本、燃料棒記号４が４本、燃料棒記号５が８本、燃料棒記号６が４本、それぞれ図１（ａ）に示すように配置されている。
【００５１】
すなわち、短尺ＭＯＸ燃料棒である燃料棒記号４の燃料棒２は、正方格子状配列の最外周部分が形成する４辺の各辺中点の格子位置にそれぞれ１本ずつ４本が配置されている。また、ガドリニア入りウラン燃料棒である燃料棒記号５，６の燃料棒２のうちウラン濃縮度及びガドリニア濃度が低い燃料棒記号６の燃料棒２は、正方格子状配列の最外周部分のうち上記燃料棒記号４の燃料棒２の両側隣接位置にそれぞれ２本ずつ合計８本が配置されている。さらにこれに加えて、高燃焼度化で増大した反応度を抑制するために、ウラン濃縮度及びガドリニア濃度が高い燃料棒記号５の燃料棒２を、正方格子状配列の最外周部分を含みその最外周部分から３層目が形成する４辺の、水ロッド３に隣接する各辺中点の格子位置に合計４本配置している。
【００５２】
また、上記以外の格子位置には、燃料有効長が通常長さのＭＯＸ燃料棒である燃料棒記号１，２，３の燃料棒２が配置されている。すなわち、それら燃料棒記号１，２，３の燃料棒２のうち、プルトニウム富化度が最も低い燃料棒記号３の燃料棒２が、熱中性子束が比較的高く出力が高くなる正方格子状配列の最外周部分のうち、さらに最も熱中性子束が高い４隅にそれぞれ合計４本が配置され、これによって燃焼初期の局所出力ピーキングを抑えるようになっている。
【００５３】
また正方格子状配列の最外周部分のうち、ここまで述べた燃料棒記号４のＭＯＸ短尺燃料棒２、燃料棒記号６のガドリニア入りウラン燃料棒２、及び燃料棒記号３のＭＯＸ燃料棒２以外の部分には、プルトニウム富荷度が中程度である燃料棒記号２の燃料棒２が配置されている。この燃料棒記号２の燃料棒２は、正方格子状配列の最外周部分を含みその最外周部分から２層目が形成する４辺の４隅位置（言い換えれば正方格子状配列の４隅から対角線方向に隣接する位置）にも設けられている。
【００５４】
以上説明した以外の位置は、すべてプルトニウム富化度が最も高い燃料棒記号１の燃料棒２が配置されている。
【００５５】
なお、上記構成において、燃料棒記号４の燃料棒２が、燃料有効長が他のものよりも短く、かつ正方格子状配列の最外周部分のうち正方格子状配列の４隅及びこの４隅に隣接する格子位置以外の格子位置に配置された複数の第１短尺燃料棒を構成し、燃料棒記号６の燃料棒２が、正方格子状配列の最外周部分に配置された複数の第１毒物燃料棒を構成し、燃料棒記号５の燃料棒２が、水ロッドに隣接する格子位置に配置された少なくとも１本の第２毒物燃料棒を構成し、燃料棒記号３の燃料棒２が、正方格子状配列の４隅に配置されたコーナー部燃料棒を構成する。
【００５６】
次に、以上のように構成した本実施形態の効果を順次説明する。
【００５７】
（１）短尺燃料棒２（燃料棒記号４）の配置位置による第１の効果（ボイド反応度係数絶対値低下）
一般に、沸騰水型原子炉の燃料集合体においては、減速材である水に近い燃料棒ほど熱中性子束が大きく（すなわち中性子スペクトルが柔らかく）、逆に他の燃料棒に取り囲まれている燃料棒ほど熱中性子束が小さく（すなわち中性子スペクトルが硬く）なるので、正方格子状配列最外周部分の燃料棒は特に中性子スペクトルが柔らかくなる。
【００５８】
本実施形態においては、短尺燃料棒２（燃料棒記号４）をその中性子スペクトルが柔らかい正方格子状配列の最外周部分に配置することにより、ＭＯＸ燃料化及び高燃焼度化に基づく中性子スペクトル硬化傾向を緩和できるので、ボイド反応度係数の絶対値増大を防止することができる。
【００５９】
（２）ガドリニア入りウラン燃料棒（燃料棒記号６）の配置位置による第１の効果（中性子吸収効果の減少）
一般に、ガドリニア等の可燃性毒物の燃焼は中性子スペクトルに強く依存しており、中性子平均エネルギーが低く（中性子スペクトルが軟らかく）なるほど燃焼が進行して中性子吸収効果が大きくなる一方、中性子スペクトルが硬くなるほど中性子吸収効果が小さくなるという性質がある。
本実施形態においては、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号６）をその中性子スペクトルが柔らかい最外周部分に配置することにより、上記同様、ＭＯＸ燃料化及び高燃焼度化に基づく中性子スペクトル硬化傾向を緩和できることから、中性子吸収効果の減少を防止することができる。
このとき、特に高燃焼度化のためにプルトニウム富化度を増加させると燃料の反応度が増大するため、可燃性毒物を混入する燃料棒の本数や可燃性毒物量を増やす必要があり、その分、可燃性毒物の燃え残りにより反応度が低下するが、本実施形態ではガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号６）を中性子吸収効果の高い（すなわち反応度価値が高い）正方格子状配列最外周部分に配置することにより、この燃え残りによる燃料集合体全体の反応度低下を防止でき、これによって可燃性毒物入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５，６）のウラン濃縮度を低減できる。
【００６０】
（３）短尺燃料棒２（燃料棒記号４）の配置位置による第２の効果（反応度損失や局所出力ピーキング増大の抑制）
前述したように、一般に、短尺燃料棒を９行９列以上の正方格子状配列の正方格子状配列の最外周部分における４隅又は４隅隣接位置に配置した場合、反応度損失や短尺燃料棒に隣接する燃料棒の局所出力ピーキングが大きい値となることが知られており、特に高燃焼度化を図る場合には、このような傾向がいっそう増長される。これを用いて説明する。
【００６１】
図３は、前述した特開平５−２３２２７３号公報に開示され公知となっているものであり、燃料棒を９行９列以上の正方格子状に配列した燃料集合体において、短尺燃料棒を正方格子状配列の最外周部分に配置した場合に、その配置位置が反応度及び局所出力ピーキングに及ぼす影響を示したものである。検討した条件としては、図３中上部に示す構造の１０行１０列正方格子状配列の燃料集合体（水ロッド３本が正方格子状配列中央部の４行４列格子領域中の燃料棒１０本分の領域に配置され、その他の領域に９０本の燃料棒が配置）で、最外周部分の形成する４辺の各辺に１本ずつ、２つの対角線に対して互いに対称となるように、合計４本の短尺燃料棒を配置している。そしてそのときの短尺燃料棒配置を、例えば４辺中図３の上辺でみて(1)〜(10)の位置にそれぞれ変更して配置（他の３つについては前述のようにこれに対応して２対角線に関し対称となるように配置）し、各場合における短尺燃料棒より上部断面での中性子無限増倍率（図中Ａで表す）、短尺燃料棒に隣接する燃料棒（以下、短尺隣接燃料棒という）の局所出力ピーキング（図中Ｂで表す）、及びコーナー部（正方格子状配列の４隅）に位置する燃料棒の局所出力ピーキング（図中Ｃで表す）を示したものである。
なお、中性子無限増倍率Ａについては、短尺燃料棒が上記した図３中上辺の(5)位置にあるときを基準としてそれとの反応度差（すなわち相対値）で示している。また、短尺隣接燃料棒局所出力ピーキングＢについては、短尺燃料棒がコーナー部に位置するときはそれに隣接する通常長さの燃料棒、短尺燃料棒がコーナー部以外に位置するときはその短尺燃料棒に図３中左側で隣接する通常長さの燃料棒の局所出力ピーキング係数を示している。また、コーナー部燃料棒局所出力ピーキングＣについては、その燃料棒の局所出力ピーキング係数を示している。
【００６２】
図３において、短尺燃料棒がコーナー部（(1)又は(10)の位置）にあるときは図３中(5)位置の場合との反応度差は約０．４［％△ｋ］にもなり反応度損失が大きく、燃料経済性の面で好ましくない。また短尺隣接燃料棒の局所出力ピーキング係数も約１．３３と大きいため、熱的余裕が低下する。
【００６３】
短尺燃料棒が正方格子状配列最外周部分でコーナー部に隣接する(2)又は(9)の位置に移動すると、図３中(5)位置の場合との反応度差は約０．２［％△ｋ］となり反応度損失はある程度改善されるもののまだ比較的大きく、短尺隣接燃料棒及びコーナー部燃料棒の局所出力ピーキング係数はそれぞれ約１．３２及び約１．７１とかなり大きい。
【００６４】
これに対して、短尺燃料棒がさらに移動して(3)又は(8)の位置になると、図３中(5)位置の場合との反応度差は０．１［％△ｋ］以下となり反応度損失は大幅に低減され、短尺隣接燃料棒及びコーナー部燃料棒の局所出力ピーキング係数はそれぞれ約１．３０及び約１．５２と低減される。この傾向はさらに各辺中点側に向かって続き、(5)又は(6)位置になったときには、短尺隣接燃料棒及びコーナー部燃料棒の局所出力ピーキング係数はそれぞれ約１．２及び約１．４となる。
【００６５】
以上の結果より、燃料棒を９行９列以上の正方格子状に配列した場合、反応度損失や短尺燃料棒隣接燃料棒・４隅位置燃料棒の局所出力ピーキング増大を抑制するためには、短尺燃料棒を、正方格子状配列の最外周部分のうち４隅及びこの４隅に隣接する格子位置以外の格子位置に配置すればよいことがわかる。
【００６６】
本実施形態においては、前述のように、短尺ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号４）を、正方格子状配列最外周部分のなす４辺の各辺中点位置に配置する。これにより、上記の弊害を防止し、反応度損失や短尺燃料棒隣接燃料棒・４隅位置燃料棒の局所出力ピーキング増大を抑制することができる。
【００６７】
（４）その他の効果
▲１▼ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号６）の配置位置による第２の効果（短尺隣接燃料棒出力抑制）
上記（１）のように短尺燃料棒２（燃料棒記号４）を正方格子状配列最外周部分に配置した場合、燃料集合体１の上部においてその短尺燃料棒２（燃料棒記号４）の格子位置には燃料棒が存在しなくなるため、隣接する通常長さの燃料棒２の局所出力がその燃料集合体１上部で大きくなる傾向となる。
【００６８】
そこで、本実施形態においては、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号６）を、正方格子状配列最外周部分のうち短尺燃料棒２（燃料棒記号４）に隣接する格子位置に配置することにより、ＭＯＸ燃料棒を配置する場合に比べてその隣接位置燃料棒の出力増大を抑制することができる。
【００６９】
▲２▼短尺燃料棒２（燃料棒記号４）の配置位置による第３の効果（富荷度種類数低減）
上記（１）で説明したように、一般に、沸騰水型原子炉の燃料集合体においては、正方格子状配列最外周部分の燃料棒は熱中性子束が大きくなる。その最外周の中でも、正方格子状配列の隅になるほど大きな水ギャップ領域が近くに存在することから、熱中性子束は、正方格子状配列の４隅位置が最も大きく、４隅より離れて正方格子状配列最外周部分が形成する４辺の各辺中点に向かうにつれて低減する傾向を示す。
【００７０】
このような熱中性子束の差に応じ、通常、ＭＯＸ燃料集合体では、局所出力ピーキングを減少して出力分布の平坦化を図り熱的余裕を確保する観点から、水に近い燃料棒のプルトニウム富化度を比較的低くし、水から遠い燃料棒のプルトニウム富化度を比較的高くする等の富化度分布をつけることが行われる。このとき、正方格子状配列の最外周では、上記の熱中性子束の特性に対応して、少なくとも４隅位置のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富荷度を最も低い富荷度とする一方、正方格子状配列最外周部分が形成する４辺の各辺中点の格子位置（又は中点位置とその隣接位置の場合もある）の燃料棒を最外周部分配列燃料棒の中では最も高い富荷度とし、正方格子状配列最外周部分のうち残りの格子位置のＭＯＸ燃料棒をそれらの中間の富荷度とし、すなわち最外周部分配列燃料棒として合計で少なくとも３種類のプルトニウム富荷度とすることが多い。
【００７１】
ところで、ＭＯＸ燃料集合体の場合、燃料の成型加工工程を複雑にしないためあるいはコストダウンの観点から、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度の種類は極力低減することが望まれている。
【００７２】
そこで、本実施形態においては、短尺ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号４）を、正方格子状配列の形成する４辺の各辺中点の格子位置に配置することにより、この位置の局所出力を低減できる。そして、この短尺ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号４）を３種類の富荷度のうち中間の富荷度とすることにより、前述のようにこの格子位置のために別途もう１種類の富荷度が必要であったのを省略することができるので、富荷度種類数を１種類低減することができ、最外周部分配列燃料棒として２種類のプルトニウム富荷度（富荷度Ｂ，Ｃ）、全体で合計３種類のプルトニウム富荷度（富荷度Ａ，Ｂ，Ｃ）とすることができる。
【００７３】
▲３▼ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５）の配置による効果
本実施形態においては、高燃焼度化で増大した反応度を抑制するために、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号６）に加えてガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５）も設けられているが、この可燃性毒物入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５）を中性子スペクトルが柔らかい水ロッド３に隣接する格子位置に配置している。これにより、上記（２）で説明したのと同様の原理で、これらのガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号６）についても、中性子吸収効果の減少を防止することができる。
【００７４】
したがって、燃料集合体１全体としてガドリニアによる反応度抑制効果を向上することができるので、ガドリニアの燃え残りによる燃料集合体１全体の反応度低下をさらに防止でき、ガドリニア入りウラン燃料棒の濃縮度Ｄ，Ｅをさらに低減できる。
【００７５】
なお、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５）の本数は本実施形態では４本であるが、水ロッド３の本数や形状、あるいは燃料集合体の配置される炉心のタイプ（いわゆるＤ格子炉心かＣ格子炉心か等）、さらに高燃焼度化の程度などに応じ、適宜の本数、すなわち少なくとも１本を設ければよいことは言うまでもない。
【００７６】
▲４▼ＭＯＸ装荷率増大
前述したように、近年、経済性の向上の観点から高燃焼度化が図られているが、同様に経済性向上の観点からＭＯＸ燃料の炉心への装荷率増加が考えられている。ところが、高燃焼度化の際に増大した反応度を抑制するためには、可燃性毒物を混入するウラン燃料棒の本数を増加させる必要があり、ＭＯＸ燃料装荷率が低減してしまう傾向となる。また、前述したようにＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度を増加させると中性子スペクトルの硬化がさらに増す傾向となるため、これによっても可燃性毒物入りウラン燃料棒の本数を増加させる必要が生じ、ＭＯＸ燃料装荷率が低減する。したがって、ＭＯＸ燃料集合体において高燃焼度化・ＭＯＸ燃料装荷率増大により経済性向上を図りつつ余剰反応度を制御するためには、なるべく少ない数の可燃性毒物入り燃料棒を効果的な位置に配置する必要がある。
【００７７】
ここで、本実施形態においては、上記（２）で述べたように、可燃性毒物入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５，６）を、中性子吸収効果が効果的に発揮される中性子スペクトルが柔らかい位置に配置するので、その本数を必要最小限にすることができる。したがって、例えば取り出し平均燃焼度４０ＧＷｄ／ｔ以上といった高燃焼度化を図る場合にも、可燃性毒物入りウラン燃料棒の本数を十分に低減し、ＭＯＸ燃料装荷率を大きく確保することができる。
【００７８】
（５）上記効果の具体例
上記効果のうちいくつかの具体的な一例を、２つの比較例を用いて説明する。
【００７９】
（５−Ａ）第１比較例の構成
図４（ａ）は、ほぼ従来構造に相当する第１比較例による燃料集合体の横断面図であり、上記実施形態の図１（ａ）に相当する図である。また、図４（ｂ）は、第１比較例による燃料集合体における各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図であり、上記実施形態の図１（ｂ）に相当する図である。上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
第１比較例による燃料集合体は、基本的な構造は図２に示した上記実施形態の燃料集合体１と同様であり、各燃料棒２のペレット種類及び燃料有効長、また燃料棒２の配置位置が異なっているのみである。
【００８１】
すなわち、図１（ａ）及び図１（ｂ）において、全部で７４本が９行９列の正方格子状に配列されている燃料棒２は、ペレットの種類や燃料有効長が互いに異なる６種類が配置されており、それぞれ燃料棒記号１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａで表す。
【００８２】
燃料棒記号１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａの燃料棒２はＭＯＸ燃料棒であり、燃料棒記号１ａ，２ａ，３ａ，４ａの燃料棒２のプルトニウム富化度は、図４（ｂ）に示すように、燃料有効長の全域（下端基準０／２４ノード〜２３／２４ノード部分）において軸方向に一様に、それぞれＡ′［ｗｔ％］，Ｂ′［ｗｔ％］，Ｃ′［ｗｔ％］，Ｄ′［ｗｔ％］（但しＡ′＞Ｂ′＞Ｃ′＞Ｄ′）となっている。また燃料棒記号５ａの燃料棒は短尺燃料棒であり、プルトニウム富化度は、その燃料有効長の全域（下端基準１／２４ノード〜１５／２４ノード部分）において軸方向に一様にＢ′［ｗｔ％］となっている。
【００８３】
燃料棒記号６ａの燃料棒２はガドリニア入りウラン燃料棒であり、そのウラン濃縮度は、図４（ｂ）に示すように、燃料有効長の全域（下端基準０／２４ノード〜２４／２４ノード部分）において軸方向に一様にＥ′［ｗｔ％］となっている。またガドリニア濃度は、Ｆ′［ｗｔ％］となっている。
【００８４】
このような燃料棒２は、図１（ｂ）に示すように、燃料棒記号１ａが１６本、燃料棒記号２ａが１２本、燃料棒記号３ａが１６本、燃料棒記号４ａが４本、燃料棒記号５ａが８本、燃料棒記号６ａが１８本、それぞれ図４（ａ）に示すように配置されている。
【００８５】
すなわち、短尺ＭＯＸ燃料棒である燃料棒記号５ａの燃料棒２は、正方格子状配列の最外周部分を含みその最外周部分から２層目が形成する４辺の４隅及び各辺中点の格子位置にそれぞれ１本ずつ合計８本が配置されている。また、ガドリニア入りウラン燃料棒である燃料棒記号６ａの燃料棒２は、正方格子状配列の上記２層目のうち上記燃料棒記号５ａの燃料棒２の両側隣接位置にそれぞれ２本ずつ計８本、最外周部分から３層目が形成する４辺の４隅及び各辺中点の格子位置にそれぞれ１本ずつ計８本、最外周部分から４層目に相当する水ロッド３，３の両方に隣接する位置に２本、合計１８本が配置されている。
【００８６】
そして、上記以外の格子位置には、燃料有効長が通常のＭＯＸ燃料棒である燃料棒記号１ａ，２ａ，３ａ，４ａの燃料棒２が配置されている。
すなわち、それらのうち、プルトニウム富化度が最も低い（富荷度Ｄ′）燃料棒記号４ａの燃料棒２が正方格子状配列の４隅にそれぞれ合計４本が配置されている。そして、正方格子状配列の最外周部分のうちその燃料棒２（燃料棒記号４）に隣接する２つの位置及びさらにその位置から同方向にそれぞれ隣接する２つの位置には、プルトニウム富化度が２番目に低い（富荷度Ｃ′）燃料棒記号３ａの燃料棒２が合計１６本配置されている。さらに、最外周部分が形成する各辺中点の格子位置及び最外周部分においてその両側に隣接する位置には、プルトニウム富化度が２番目に低い（富荷度Ｂ′）燃料棒記号２ａの燃料棒２がそれぞれ３本ずつ合計１２本配置されている。
【００８７】
なお、ここまで述べたＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号５ａ）、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号６ａ）、及びＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号２ａ，３ａ，４ａ）以外の位置には、すべてプルトニウム富荷度が最も低い（富荷度Ａ′）燃料棒記号１ａの燃料棒２が配置されている。
【００８８】
（５−Ｂ）第２比較例の構成
図５（ａ）は、第２比較例による燃料集合体の横断面図であり、上記実施形態の図１（ａ）、上記第１比較例の図４（ａ）に相当する図である。また、図５（ｂ）は、第２比較例による燃料集合体における各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図であり、上記実施形態の図１（ｂ）、上記第１比較例の図４（ｂ）に相当する図である。上記実施形態及び第１比較例と同等の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８９】
第２比較例による燃料集合体は、基本的な構造と各燃料棒２のペレット種類及び燃料有効長は上記第１比較例と同様であり、燃料棒２の配置が一部異なっているのみである。
【００９０】
すなわち、図５（ｂ）において、第２比較例の燃料棒配置が図４（ａ）に示した第１比較例の燃料棒配置と異なる点は、第１に、正方格子状配列の最外周部分が形成する４辺の各辺中点の格子位置にある４本のＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号２ａ）と、その内側に隣接する（言い換えれば正方格子状配列の最外周部分を含み最外周から２層目が形成する４辺の各辺中点の格子位置にある）４本の短尺ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号５ａ）とを、互いに場所を入れ替えた点である。
【００９１】
そして第２に、正方格子状配列の最外周部分を含み最外周から２層目が形成する４辺の４隅にある４本の短尺ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号５ａ）を、通常長さのＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号３ａ）に置き換えた点である。これにより、図５（ｂ）に示すように、短尺ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号５ａ）の本数が第１比較例より４本減って合計４本となり、ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号３ａ）の本数が第１比較例より４本増えて合計２０本となっている。
【００９２】
（５−Ｃ）本実施形態と第１及び第２比較例との対比
本実施形態、第１比較例、及び第２比較例の各燃料集合体の仕様を図６に示し、また各燃料集合体のボイド反応度係数及びＭＯＸ燃料装荷量（インベントリ）を相対値で比較したものを図７に示す。
【００９３】
これら図６及び図７において、従来技術にほぼ相当する第１比較例（図４（ａ）及び図４（ｂ））では、短尺燃料棒２（燃料棒記号５ａ）が中性子スペクトルが比較的硬い正方格子状配列の最外周部分から２層目に配置されているため、ＭＯＸ燃料化及び高燃焼度化に基づく中性子スペクトル硬化傾向を緩和できず、ボイド反応度係数の絶対値は比較的高い。また、可燃性毒物入り燃料棒２（燃料棒記号６ａ）に関しても、中性子スペクトルが柔らかい正方格子状配列の最外周部分に配置していないため、上記中性子スペクトル硬化傾向による中性子吸収効果の減少を防止できない。そのため、高燃焼度化の際に増大した反応度を抑制するために、可燃性毒物入りウラン燃料棒（燃料棒記号６ａ）が１８本必要であり、その分ＭＯＸ燃料装荷率が比較的低い。
【００９４】
次に、第２比較例では、上記２層目に配置されていた８本の短尺燃料棒２（燃料棒記号５ａ）に代わって、中性子スペクトルが柔らかい正方格子状配列の最外周部分の各辺中点格子位置に４本の短尺燃料棒２（燃料棒記号５ａ）を配置することにより、第１比較例よりもボイド反応度係数の絶対値が約３％低減される。
しかしながら、可燃性毒物入り燃料棒２（燃料棒記号６ａ）については、依然として正方格子状配列の最外周部分に配置していないため上記中性子吸収効果の減少を防止できず、可燃性毒物入りウラン燃料棒（燃料棒記号６ａ）が第１比較例同様１８本必要である。但し、短尺燃料棒２（燃料棒記号５ａ）の本数が上述のように４本減少しているため、その分通常長さのＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１ａ，２ａ，３ａ，４ａ）の本数合計が４本増えて５２本となる分、ＭＯＸ燃料装荷率が第１比較例よりは若干向上している。すなわち、燃料集合体１体当たりのＵ＋Ｐｕのインベントリは第１比較例の１６６ｋｇから１７０ｋｇへ増加し、またＰｕのインベントリは第１比較例の８．３ｋｇから９．２ｋｇへと約１１％増加している。
【００９５】
これらに対して、本実施形態の燃料集合体１においては、まず上記第２比較例同様、中性子スペクトルが柔らかい正方格子状配列の最外周部分の各辺中点格子位置に４本の短尺燃料棒２（燃料棒記号５ａ）を配置することにより、第１比較例よりもボイド反応度係数の絶対値を約３％低減することができる。
【００９６】
そしてこれに加え、可燃性毒物入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５，６）を、中性子吸収効果が効果的に発揮される中性子スペクトルが柔らかい位置（短尺燃料棒及び水ロッドの隣接位置）に配置することにより、中性子吸収効果を向上することができる。これにより、可燃性毒物入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５，６）の本数を合計１２本とし、第１の及び第２比較例より６本低減できる。また、上記第２比較例と同様、短尺燃料棒２（燃料棒記号４）の本数が第１比較例よりは４本減少している。
これらにより、通常長さのＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１，２，３）の本数合計が第１比較例より１０本増え、第２比較例よりも６本増えて５８本となり、その分ＭＯＸ燃料装荷率が第１比較例から大きく向上している（第２比較例よりもさらに向上している）。すなわち、燃料集合体１体当たりのＵ＋Ｐｕのインベントリは第１比較例の１６６ｋｇより大きい（第２比較例と同じ）１７０ｋｇとなり、Ｐｕのインベントリは第１比較例の８．３ｋｇに比べて約１９％増加している。
【００９７】
以上説明したように、本実施形態の燃料集合体１によれば、例えば取り出し平均燃焼度４０ＧＷｄ／ｔ以上といった高燃焼度化を図る場合にも、反応度損失や短尺燃料棒隣接燃料棒の局所出力ピーキング増大を抑制しつつ、ボイド反応度係数の絶対値の増大や可燃性毒物の中性子吸収効果減少を防止できるので、軸方向出力分布を平均化することができる。
【００９８】
なお、上記第１の実施形態においては、短尺ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号４）を、正方格子状配列最外周部分のなす４辺の各辺中点位置に配置したが、上記（３）で説明した内容からも明らかなように、本発明の基本的な効果である上記（１）（２）（３）を得る限りにおいては、このような配置に限られない。すなわち、短尺ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号４）は、正方格子状配列の最外周部分のうち４隅及びこの４隅に隣接する格子位置以外の格子位置に配置すれば足りる。
【００９９】
本発明の第２の実施形態を図８（ａ）及び図８（ｂ）により説明する。
【０１００】
図８（ａ）は、本実施形態による燃料集合体の横断面図であり、上記第１の実施形態の図１（ａ）に相当する図である。また、図８（ｂ）は、本実施形態による燃料集合体における各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図であり、上記第１の実施形態の図１（ｂ）に相当する図である。上記第１の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１０１】
本実施形態による燃料集合体は、基本的な構造は図２に示した上記第１の実施形態の燃料集合体１と同様であり、一部の燃料棒２の配置（後述）及びウラン濃縮度（同）が異なっているのみである。
【０１０２】
すなわち、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、本実施形態が図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した第１の実施形態と異なる点は、第１に、正方格子状配列の最外周部分を含みその最外周部分から３層目が形成する４辺の、水ロッド３に隣接する各辺中点の格子位置に合計４本配置されたガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５）を、そのウラン濃縮度Ｄよりも低いウラン濃縮度Ｄ１であるガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｂ）に置き換えた点である。
また第２に、上記ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｂ）に挟まれる位置、すなわち最外周部分から４層目に相当する水ロッド３，３の両方に隣接する位置に配置された２本のＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１）を、ＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）に置き換えた点である。
そして、これらにより、図８（ｂ）に示すように、ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１）の本数が第１の実施形態より２本減って合計３２本となり、ＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）の本数が２本増えて合計６本となっている。
【０１０３】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得る。
【０１０４】
また、ＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）を、正方格子状配列最外周部分のに加えて水ロッド隣接位置にも配置することにより、燃料集合体上部における水の割合をさらに増やしてボイド反応度係数の絶対値をさらに小さくすることができる。さらに、その水ロッド隣接位置のＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）を挟むガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｂ）の中性子吸収効果（反応度抑制効果）が向上するので、ガドリニアの燃え残りによる反応度低下の割合を低減できる。ガドリニアの燃え残りが生じる場合にはそれによる反応度低下を見込んでウラン濃縮度をその分増大させなければならないが、反応度低下を低減できることで、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｂ）のウラン濃縮度Ｄ１を第１の実施形態におけるガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５）のウラン濃縮度Ｄよりも小さくすることができる。
【０１０５】
本発明の第３の実施形態を図９（ａ）及び図９（ｂ）により説明する。
【０１０６】
図９（ａ）は、本実施形態による燃料集合体の横断面図であり、上記第１の実施形態の図１（ａ）、第２の実施形態の図８（ａ）に相当する図である。また、図９（ｂ）は、本実施形態による燃料集合体における各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図であり、上記第１の実施形態の図１（ｂ）、第２の実施形態の図８（ｂ）に相当する図である。上記第１及び第２の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１０７】
本実施形態による燃料集合体は、基本的な構造は上記第１及び第２の実施形態の燃料集合体１と同様であり、一部の燃料棒２の配置（後述）及びウラン濃縮度（同）が異なっているのみである。
【０１０８】
すなわち、図９（ａ）及び図９（ｂ）において、本実施形態が図８（ａ）及び図８（ｂ）に示した第１の実施形態と異なる点は、第１に、正方格子状配列の最外周部分を含みその最外周部分から３層目が形成する４辺の、水ロッド３に隣接する各辺中点の格子位置に合計４本配置されたガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５）を、ＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）に置き換えた点である。
また第２に、上記３層目で上記ＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）に隣接するＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１）のうち水ロッドに隣接する４本と、上記ＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）に挟まれかつ最外周部分から４層目に相当する水ロッド３，３の両方に隣接する位置に配置された２本、合計６本を、第２の実施形態のガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｂ）のウラン濃縮度Ｄ１よりも低いウラン濃縮度Ｄ２であるガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｃ）に置き換えた点である。
そして、これらにより、図９（ｂ）に示すように、ＭＯＸ燃料棒２（燃料棒記号１）の本数が第１の実施形態より６本、第２の実施形態より４本減って合計２８本となり、ＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）の本数が第１の実施形態より４本、第２の実施形態より２本増えて合計８本となっている。さらに、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｃ）の本数が、第１の実施形態のガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５）や第２の実施形態のガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｂ）より２本増えて合計６本となっている。
【０１０９】
本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得る。
【０１１０】
また、ＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）の数がさらに増加していることにより、ボイド反応度係数の絶対値をさらに小さくすることができる。さらに、その水ロッド隣接位置のＭＯＸ短尺燃料棒２（燃料棒記号４）を挟むガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｃ）の中性子吸収効果（反応度抑制効果）が向上するので、ガドリニアの燃え残りによる反応度低下の割合を低減できる。したがって、前述したのと同様、ガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｃ）のウラン濃縮度Ｄ２を第２の実施形態におけるガドリニア入りウラン燃料棒２（燃料棒記号５ｂ）のウラン濃縮度Ｄ１よりもさらに小さくすることができる。
【０１１１】
なお、上記第１〜第３の実施形態においては、燃料棒２を９行９列の正方格子状配列した燃料集合体に本発明を適用した場合を例にとって説明したが、これに限られず、１０行１０列以上の正方格子状に配列した燃料集合体に適用してもよい。これらの場合も同様の効果を得る。
【０１１２】
また、上記第１〜第３の実施形態においては、２本の水ロッド３を中央部７本の燃料棒２を置き換えるように配置した燃料集合体に本発明を適用した場合を例にとって説明したが、これに限られず、１本の水ロッド、あるいは３本以上の水ロッドを備えた燃料集合体に適用してもよい。その場合、水ロッドの横断面形状も円形に限られず、正方形断面形状のいわゆる角形水ロッド（ウォータチャンネルということもある）であってもよいことは言うまでもない。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明によれば、高燃焼度化を図ったＭＯＸ燃料集合体において、反応度損失や短尺燃料棒隣接燃料棒・４隅位置燃料棒の局所出力ピーキング増大を抑制しつつ、ボイド反応度係数の絶対値の増大や可燃性毒物の中性子吸収効果減少を防止し、軸方向出力分布を平均化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるＭＯＸ燃料集合体の横断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態によるＭＯＸ燃料集合体の全体構造を表す側断面面図である。
【図３】燃料棒を９行９列以上の正方格子状に配列した燃料集合体において、短尺燃料棒を正方格子状配列の最外周部分に配置した場合に、その配置位置が反応度及び局所出力ピーキングに及ぼす影響を示す説明図である。
【図４】第１比較例による燃料集合体の横断面図、及び各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図である。
【図５】第２比較例による燃料集合体の横断面図、及び各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態、第１比較例、及び第２比較例の各燃料集合体の仕様を示す図である。
【図７】各燃料集合体のボイド反応度係数及びＭＯＸ燃料装荷量（インベントリ）を相対値で比較した図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による燃料集合体の横断面図、及び各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による燃料集合体の横断面図、及び各種燃料棒の軸方向プルトニウム富化度・ウラン濃縮度分布を表す説明図である。
【図１０】可燃性毒物による反応度抑制挙動の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ ＭＯＸ燃料集合体
２ 燃料棒
３ 水ロッド

Claims (4)

1. プルトニウム酸化物及びウラン酸化物を充填した複数のＭＯＸ燃料棒と、ウラン酸化物を充填し可燃性毒物を含有した複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒とをｎ行ｎ列の正方格子状に配列したＭＯＸ燃料集合体において、
   ｎ≧９であり、
   前記複数のＭＯＸ燃料棒は、燃料有効長が他のものよりも短く、かつ前記正方格子状配列の最外周部分のうち該正方格子状配列の４隅及びこの４隅に隣接する格子位置以外の格子位置に配置された複数の第１短尺燃料棒を含み、
   前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒は、前記正方格子状配列の最外周部分に配置された複数の第１毒物燃料棒を含み、
   前記複数の第１短尺燃料棒は、前記正方格子状配列の形成する４辺の各辺中点の格子位置にそれぞれ配置されており、
   前記第１毒物燃料棒は、前記第１短尺燃料棒を挟んでその両側に隣接する格子位置に配置されており、
   前記正方格子状配列の最外周部分に配置される前記第１短尺燃料棒及び前記第１毒物燃料棒以外の燃料棒は、可燃性毒物を含有しない、燃料有効長が通常長さのＭＯＸ燃料棒であることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
2. 請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体において、前記正方格子状配列中に設けられた少なくとも１本の水ロッドをさらに有し、かつ、前記複数の可燃性毒物入りウラン燃料棒は、前記水ロッドに隣接する格子位置に配置された少なくとも１本の第２毒物燃料棒を含むことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
3. 請求項２記載のＭＯＸ燃料集合体において、前記複数のＭＯＸ燃料棒は、燃料有効長が他のものよりも短く、前記水ロッドに隣接する格子位置に配置された少なくとも１本の第２短尺燃料棒を含み、前記第２毒物燃料棒は、前記第２短尺燃料棒に隣接する格子位置に配置されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
4. 請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体において、前記複数本のＭＯＸ燃料棒は、前記正方格子状配列の４隅に配置されたコーナー部燃料棒を含み、かつ、このコーナー部燃料棒は、前記複数のＭＯＸ燃料棒のうちそれ以外の燃料棒よりも核分裂性プルトニウム富化度が低くなっていることを特徴とする燃料集合体。

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