JP3990013B2 - 燃料集合体及び原子炉炉心 - 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及びこれを用いた原子炉炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造を表す概念的横断面図を図１０に示す。この図１０において、炉心１は、多数の燃料集合体２を配置して構成されており、これら燃料集合体２は、４体を１組としてその間に横断面十字形の制御棒３が挿入されるようになっている。
【０００３】
各燃料集合体２においては、多数の燃料棒４と１本以上（図では２本）の水ロッド５を正方格子状に配列して燃料バンドルを形成し、この燃料バンドルを単位セル（破線で示す）６の中央に据えるとともに燃料バンドルを囲むように横断面矩形のチャンネルボックス８を配置している。この燃料バンドルの上下端は、チャンネルボックスに挿入される上部タイプレート（図示せず）及び下部タイプレート（同）によってそれぞれ支持されている。
燃料棒４は、この例では７４本が設けられており、それぞれ核燃料物質を充填した燃料ペレットが被覆管中に配置されて構成されている。またそれら７４本のうち一部の燃料棒４の燃料ペレットには、燃焼初期の反応を抑制するための可燃性毒物（例えばガドリニア）がさらに添加されている。
水ロッド５は、燃料棒４の７本分のスペースに２本が配置されている。なお、水ロッド５ではなく、角型の水ボックスを用いる場合もある。
【０００４】
この燃料集合体２では、運転時、わずかに未飽和状態の冷却水が下部タイプレートの孔から燃料棒４間に流入し、燃料棒４間を下部から上部に流れるにつれ燃料棒４により加熱されて沸騰し、二相流となって上部タイプレートの孔から流出していく。その結果、冷却材のボイド率は燃料集合体２下部では０％だが、上部では７０％程度にも達し、燃料集合体２の核的な特性を決める要因である減速材対燃料比、即ち、水素対ウラン比（Ｈ／Ｕ比）が軸方向位置で大きく異なることになる。
このＨ／Ｕ比が燃料集合体２の核的な特性を決める原理は、以下のようである。すなわち、沸騰水型原子炉では減速材として軽水を用いるため、核分裂によって発生した高速中性子が減速材である水で散乱減速されて熱中性子になり次の核分裂を引き起こす、という連鎖反応によってエネルギーを発生する。つまり、核分裂反応を促進する上で水が重要な役割を果たし、水が相対的に多い領域では核分裂反応が促進され、水が相対的に少ない領域では核分裂反応が抑制されることとなる。
【０００５】
ここで、図１０に戻り、燃料集合体２のチャンネルボックス８の外側には、制御棒３や中性子検出器計装管（図示せず）を配置するための間隙が設けられている。この間隙は飽和水で満たされており、冷却材の軽水が沸騰せずに流れる流路となるギャップ水領域９，１０を形成している。これらギャップ水領域９，１０には制御棒３が挿入されるギャップ水領域９と、制御棒３の出し入れがないギャップ水領域１０の２種類がある。このようなギャップ水領域９，１０の存在のため、燃料集合体２の周辺部（間隙に近い領域）にある燃料棒４と燃料集合体２中心部の燃料棒４とでは、飽和水による影響が異なる。すなわち、ギャップ水領域９，１０に近い燃料集合体２の周辺部は、中心部に比べＨ／Ｕ比が大きな領域となる。そのため、燃料集合体２の周辺部が中心部に比べて核分裂反応が促進されるため、局所出力ピーキングが増大することとなる。
また特に、図１０の炉心１は、制御棒側のギャップ水領域９のギャップ幅が反制御棒側のギャップ水領域１０のギャップ幅よりも広いＤ格子炉心となっており、ギャップ水領域９及びギャップ水領域１０のギャップ幅が等しいＣ格子炉心とは異なるタイプとなっている。そのため、制御棒３に面する側と反対側とではＨ／Ｕ比が大きく異なり、局所出力ピーキングも大きく異なることとなる。
【０００６】
以上のようなＨ／Ｕ比の径方向分布に関し、これを改善し最適化することは燃料集合体特性の向上の観点から非常に重要である。そのため、従来、種々の方法でこのＨ／Ｕ比の径方向分布の改善が行われている。以下、それらについて順次説明する。
【０００７】
（１）水ロッドの配置による径方向Ｈ／Ｕ比の改善
燃料集合体の径方向のＨ／Ｕ比の改善のための方策としては、特に水の少なくなる燃料集合体中央部分に配置される水ロッド（あるいは水ボックス）の本数を増加させたり大型化する構成がある。この水ロッドや水ボックスの内部の水は沸騰することがないため、中性子減速効果の十分でない燃料集合体の中央領域に効果的に水を取り込むことができる。これにより、径方向のＨ／Ｕ比分布を改善し、燃料集合体の特性を向上させることが可能となっている。
【０００８】
特に、Ｄ格子炉心に装荷される燃料集合体では、図１０で前述したように、制御棒３が位置する側のギャップ水領域９とその反対側のギャップ水領域１０の面積が等しくないことにより、径方向のＨ／Ｕ比が不均一となり、局所出力ピーキングが増大する傾向にある。これに対しては、従来より燃料棒４のウラン２３５の濃縮度を調整する方法が用いられている。すなわち、熱中性子束が相対的に小さい狭いギャップ水領域１０に面する側の燃料棒４を比較的高い濃縮度とし、熱中性子束が相対的に大きい広いギャップ水領域９に面する側の燃料棒４を比較的低い濃縮度とすることにより、両者の出力差を低減し、径方向の局所出力ピーキングを抑制するものである。
【０００９】
（２）高燃焼度化におけるＨ／Ｕ比の改善
ところで、近年、沸騰水型原子炉において、プラント利用率の向上と共にウラン資源を有効に活用する方法として、燃料の高燃焼度化及び長期運転サイクル化が提唱されている。このとき、燃料集合体の取出燃焼度を高めるためには濃縮度を高める必要があるため燃料集合体のＨ／Ｕ比が影響を受けることになるが、適切な炉停止余裕やボイド反応度係数を得る減速状態となるように配慮する必要がある。また、長期運転サイクル化による炉内滞在期間の延長は、Ｈ／Ｕ比が径方向で異なるという影響を燃料が炉心内で長期間受けることを意味しており、このＨ／Ｕ比の影響がさらに拡大することになる。
【００１０】
このような高燃焼度化を図った燃料集合体における径方向Ｈ／Ｕ比の改善に関する公知技術としては、例えば特開平３−２９６６８９号公報がある。この従来技術においては、Ｄ格子炉心に配置される燃料集合体内における、径方向Ｈ／Ｕ比の差を小さくする方法として、
▲１▼水ロッドを狭いギャップ水領域に近づける。
▲２▼飽和水領域を増加させる機能をもつ短尺燃料棒を設け、かつこの短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づける。
という２つの方法が開示されている。これらはいずれも、狭いギャップ水領域付近ではＨ／Ｕ比を大きくし、広いギャップ水領域付近ではＨ／Ｕ比を小さくするものである。
上記▲１▼を実施した燃料集合体の構造の例を図１１に示す。図１０と共通の部分は同一の符号を付す。図１１に示す燃料集合体は、９行９列正方格子状配列において、水ロッドの機能を果たす角型水ボックス１１を、燃料集合体中央部から狭いギャップ水領域１０側に一列だけ偏心させたものである。
また、上記従来技術においては、▲１▼を実施している場合には、▲２▼をさらに実施することはあまり効果がないことも示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、以下の課題が存在する。
すなわち、燃料集合体の燃焼度を増加させ高燃焼度化を図る場合には、一般的には集合体平均濃縮度を例えば３．８重量％以上に増加させるが、それに伴って、反応度を抑えるために一部の燃料棒の燃料ペレットに混入する可燃性毒物の量も多くなる。このとき、上記▲１▼を実施して径方向Ｈ／Ｕ比の差を小さくした場合には、例えば図１１に示すように水ボックス１１が反制御棒側に偏ることとなるため、その可燃性毒物入りの燃料棒の配置位置は、制御棒側に偏らざるを得なくなる。これは、以下の理由による。
すなわち、まず第一に、可燃性毒物入りの燃料棒は、熱中性子束が最も大きい正方格子状配列の最外周に配置すると早く燃え尽きてしまうため、通常は最外周には配置せず、最外周から２列目以降に配置するのが一般的である。また燃料集合体の安定的な性能発揮や可燃性毒物価値減少の防止等の観点から、可燃性毒物入りの燃料棒どうしを隣接配置（ｎ×ｎ行配列における同行隣接列又は同列隣接行となる位置）するのも避けるのが一般的である。これらにより、例えば図１１の例においては、反制御棒側コーナー部（図中右下側コーナー部）近傍には可燃性毒物入りの燃料棒が配置しにくくなるので、可燃性毒物入りの燃料棒は制御棒側に配置されもののほうが多くなる。
【００１２】
ここで、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する。制御棒側領域では、水ボックス１１が反制御棒側に偏ることで最外周以外の内部領域では水が相対的に少なくなり、中性子スペクトルが硬くなっているため、その制御棒側領域に可燃性毒物入り燃料棒を配置するとそれら可燃性毒物の燃焼が遅れがちとなって可燃性毒物の径方向燃焼が不均一となる。
このとき特に、沸騰水型原子炉の燃料集合体では、冷却水が軸方向で沸騰、すなわち相変化しながら流れていくために、軸方向上部の方がボイド率が高く（＝減速材密度が小さく）なり中性子スペクトルがさらに硬くなる。そのため、炉心上部では特に可燃性毒物の燃焼が遅れることになり、可燃性毒物の軸方向燃焼も不均一となる。
以上のような可燃性毒物の軸方向・径方向燃焼の不均一により、軸方向・径方向出力分布が不均一となり大きくひずむという課題があった。
【００１３】
ここで、上記従来技術では、上記▲１▼（＝水ロッド領域を狭いギャップ水領域に近づける）を実施すれば、狭いギャップ水領域付近の減速材量としてはほぼ十分であり、そのためさらに上記▲２▼（＝短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づける）を実施しても径方向Ｈ／Ｕ比の均一化にはあまり意味がないとしている。そこで、この均一化にあまり寄与しない短尺燃料棒を上記▲２▼とは逆に制御棒側の広いギャップ水領域に近づけることにより、径方向Ｈ／Ｕ比均一化の効果は▲１▼▲２▼両方を実施した場合とほぼ同等の効果を確保しつつ、その分制御棒側領域の特に軸方向上部の中性子スペクトルを軟らかくして可燃性毒物の燃焼を促進し軸方向・径方向出力分布の均一化を図れれば、そのほうがはるかに有益であると思われる。上記従来技術では、このような点について配慮されていない。
【００１４】
本発明の目的は、高燃焼度化を図った燃料集合体において、Ｈ／Ｕ比の径方向均一化を確保しつつ、可燃性毒物の燃焼不均一を抑制し軸方向・径方向出力分布の均一化を図れる構成を提供するとともに、この燃料集合体を用いた原子炉炉心を提供することにある。
【００１５】
【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、正方格子状に配列された複数本の燃料棒と、該燃料棒が１本以上配列可能な領域に配置された少なくとも１本の水ロッド又は水ボックスと、チャンネルファスナーを固定するために制御棒側に設けられるガイドポストとを備え、かつ前記複数本の燃料棒が、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数本の第１の燃料棒と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む複数本の第２の燃料棒と、これら第１及び第２の燃料棒より燃料有効長が短くかつ核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数本の第３の燃料棒とを含んでいる燃料集合体において、燃料集合体内部を前記燃料棒の配列の対角線上に位置する鉛直方向の境界面によって制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分したとき、前記水ロッド又は水ボックスは、前記反制御棒側領域側に偏って配置されており、かつ、前記第２の燃料棒及び第３の燃料棒は、それぞれ前記制御棒側領域に配置される本数が前記反制御棒側領域に配置される本数よりも多くなっている。沸騰水型原子炉用の燃料集合体をＤ格子炉心に装荷した場合には、制御棒側は燃料集合体間の間隔が広くなっているため減速材である水の量が相対的に多くなる一方、反制御棒側は燃料集合体間の間隔が狭く水の量が相対的に少なくなる。本発明においては、まず、水ロッド又は水ボックスを反制御棒側領域に偏って配置することにより、この水ロッド又は水ボックス内の飽和水領域の作用によって反制御棒側領域における水の量を増加させＨ／Ｕ比を増大させるとともに、制御棒側領域における燃料の量を増加させてＨ／Ｕ比を抑制する。これにより、水及び燃料の径方向の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒側との径方向Ｈ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体内における径方向Ｈ／Ｕ比分布を均一に確保する。ここで、可燃性毒物を含む複数本の第２の燃料棒の配置可能箇所は、通常、正方格子状配列の最外周を除く等の制限がある。したがって上記のように水ロッド又は水ボックスの配置を反制御棒側へ偏って配置すると、反制御棒側領域の空きスペースが少なくなるため、第２の燃料棒を反制御棒側にはあまり配置できなくなる。したがって第２の燃料棒の本数を制御棒側と反制御棒側とで等しくしようとすると、全体の配置本数が限られてしまい、高燃焼度化を図る場合に必要な所定の可燃性毒物量入り燃料棒の本数を確保できない可能性がある。しかしながら、本発明においては、これら第２の燃料棒を反制御棒側よりも制御棒側に多く配置することにより、高燃焼度化を図る場合に必要な所定の可燃性毒物量入り燃料棒の本数を十分に確保することができる。ところで、一般に、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、中性子スペクトルが軟らかくなるほど燃焼が進行する。前述したように水ロッド又は水ボックスの反制御棒側へ偏在させると、制御棒側領域では最外周以外の内部領域に限っては水が相対的に少なくなり中性子スペクトルが硬くなる傾向となる。そのため、上記のようにこの制御棒側領域に可燃性毒物入り第２の燃料棒を配置すると可燃性毒物の燃焼が遅れ、その中でも特に軸方向上部で最も燃焼が遅れることとなり、径方向・軸方向出力分布が不均一となる。しかしながら本発明においては、可燃性毒物入り第２の燃料棒を制御棒側領域に多く配置するとともに、燃料有効長が短い第３の燃料棒もこの制御棒側領域に多く配置する。これにより、第３の燃料棒の上部に生じる飽和水領域の作用で、制御棒側領域の特に軸方向上部における水の量を増加させて中性子スペクトルを軟らかくすることができる。したがって、第２の燃料棒に含まれる可燃性毒物の特に軸方向上部における燃焼を促進して軸方向燃焼の均一化を図ることができる。またこれによって制御棒側領域全体でみても反制御棒側領域より燃焼が促進されることとなるので、径方向燃焼の均一化も図ることができる。したがって、軸方向・径方向出力分布の均一化を図ることができる。
【００１６】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第２の燃料棒及び第３の燃料棒のすべてが、前記制御棒側領域に配列されている。
【００１７】
（３）上記（１）において、また好ましくは、前記第２の燃料棒は、軸方向上部の可燃性毒物の濃度が軸方向下部の可燃性毒物の濃度よりも小さくなっている。
これにより、第２の燃料棒における軸方向上部の可燃性毒物の燃え残りをさらに効果的に防止できるので、さらに軸方向出力分布を均一化できる効果がある。
【００１８】
（４）上記目的を達成するために、また本発明は、上記燃料集合体を装荷した原子炉炉心を提供する。
【００１９】
【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。
本発明の第１の実施形態を図１〜図４により説明する。
本実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料集合体の構造を表す縦断面図を図２に示し、図２中Ｉ−Ｉ断面でみた横断面図を図１に示す。これら図１及び図２において、本実施形態による燃料集合体１００は、図１０に示した炉心と同様、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セル１０７に装荷されるものであり、９行９列の正方格子状に配列され内部に核燃料物質としてのウラン−２３５が充填された７２本の燃料棒１０１と、正方格子状配列の中央部領域の水の量を増やすのを目的として燃料棒１０１が９本配列可能な領域に配置された１本の水ボックス１０２と、これら燃料棒１０１及び水ボックス１０２により形成される燃料バンドルの周囲を囲むチャンネルボックス１０３とを備えている。燃料バンドルの上部及び下部はそれぞれ上部タイプレート１０４及び下部タイプレート１０５により支持されており、また燃料バンドルの軸方向複数箇所には、燃料棒１０１及び水ボックス１０２の間隔を保持するためのスペーサ１０６が設けられている。
また、上部タイプレート１０４の制御棒１０８側（以下適宜、単に制御棒側という）及びその反対側（以下適宜、反制御棒側という）のコーナー部には、ガイドポスト１０４ａ，１０４ｂがそれぞれ一体に形成されており、そのうち、制御棒側のガイドポスト１０４ａには、チャンネルボックス１０３に接続されたチャンネルファスナー１０９が固定されている。
このチャンネルファスナー１０９は、１つの制御棒１０８まわりの４つの燃料集合体１００を相互に連結するとともに、これら燃料集合体１００間に制御棒１０８の挿入・引き抜きスペースを確保する機能を果たすものであり、各燃料集合体１００の制御棒側のガイドポスト１０４ａに固定されている。なお、反制御棒側のガイドポスト１０４ｂは、制御棒側のガイドポスト１０４ａとの重量バランスをとるためのダミーとなっている。
【００２０】
燃料棒１０１は、燃料有効長が通常の長さであって可燃性毒物を含まない５２本の第１の燃料棒１０１ａと、燃料有効長が通常の長さであって可燃性毒物としてガドリニアを含む６本の第２の燃料棒１０１ｂと、燃料有効長が第１及び第２の燃料棒１０１ａ，１０１ｂよりも短いいわゆる短尺燃料棒である１４本の第３の燃料棒１０１ｃとから構成されている。なおこのとき、第２の燃料棒１０１ｂのガドリニアの混入濃度は軸方向に一様となっており、また第３の燃料棒１０１ｃの燃料有効長は、第１及び第２の燃料棒１０１ａ，１０１ｂの有効長の１５／２４（＝５／８）となっている。
またこれら燃料棒は、特に図示や詳細な説明を行わないが、この種の燃料集合体として公知であるものと同様、濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から構成されている。そして各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布を設けることにより軸方向出力ピーキングの平坦化を図ったり、各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより径方向出力ピーキングの平坦化が図られている。なお、このとき、このような燃料棒１０１の配置において、燃料集合体１００における平均濃縮度は３．８重量％となっている。
【００２１】
以上のような燃料集合体１００における本実施形態の要部は、水ボックス１０２の配置方法と第２及び第３の燃料棒１０１ｂ，１０１ｃの配置方法にある。すなわち、燃料集合体内部を前記燃料棒の配列の対角線上に位置する鉛直方向の境界面１１０によって制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１１２とに２分して考えたとき、水ボックス１０２を反制御棒側領域１１２に偏って配置するとともに、制御棒側領域１１１に配置される第２及び第３の燃料棒１０１ｂ，１０１ｃの本数を、反制御棒側領域１１２に配置される第２及び第３の燃料棒１０１ｂ，１０１ｃの本数よりも多くしたことである。具体的には、制御棒側領域１１１には１０本の第２の燃料棒１０１ｂと５本の第３の燃料棒１０１ｃが配置されているのに対し、反制御棒側領域１１２には４本の第２の燃料棒１０１ｂと１本の第３の燃料棒１０１ｃしか配置されていない。
【００２２】
このような水ボックス１０２、第２の燃料棒１０１ｂ、及び第３の燃料棒１０１ｃの配置により、本実施形態においては、以下の作用を奏する。
【００２３】
（１）水ボックスの偏在によるＨ／Ｕ比の改善
すなわち、Ｄ格子炉心に装荷される場合、制御棒側においてチャンネルボックス１０３の外側に形成されるギャップ水領域１１３の面積が広くなっているため水の量が相対的に多くなる一方、反制御棒側でチャンネルボックス１０３の外側に形成されるギャップ水領域１１４の面積が狭くなっているため水の量が相対的に少なくなる。
しかしながら、本実施形態においては、水ボックス１０２を反制御棒側に偏って配置することにより、この水ボックス１０２内の飽和水領域の作用によって反制御棒側領域１１２における水の量を増加させＨ／Ｕ比を増大させるとともに、制御棒側領域１１１における燃料の量を増加させてＨ／Ｕ比を抑制する。これにより、水及び燃料の径方向の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒側との径方向Ｈ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体１００内における径方向Ｈ／Ｕ比分布を均一に確保することができる。
【００２４】
（２）高燃焼度化の確保
通常、ガドリニアを含む燃料棒の配置箇所には、以下のような制限がある。すなわち、ガドリニア入りの燃料棒は、熱中性子束が最も大きい正方格子状配列の最外周に配置すると早く燃え尽きてしまうため、通常は最外周には配置せず、最外周から２列目以降に配置するのが一般的である。また、燃料集合体の安定的な性能発揮やガドリニア価値減少の防止等の観点から、ガドリニア入りの燃料棒どうしを隣接配置（ｎ×ｎ行配列における同行隣接列又は同列隣接行となる位置）するのも避けるのが一般的である。
したがって、上記（１）により水ボックス１０２の配置を反制御棒側領域１１２へ偏って配置すると、反制御棒側領域１１２の空きスペースが少なくなるため、第２の燃料棒１０１ｂを反制御棒側領域１１２にはあまり配置できなくなる。したがって第２の燃料棒１０１ｂの本数を制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１１２とで等しくしようとすると、全体の配置本数が限られてしまい、高燃焼度化を図る場合に必要な所定のガドリニア入り第２の燃料棒１０１ｂの本数（図１の例では１４本）を確保できない可能性がある。しかしながら、本実施形態においては、これら第２の燃料棒１０１ｂを反制御棒側領域１１２よりも制御棒側領域１１１に多く配置することにより、高燃焼度化を図る場合に必要な所定の可燃性毒物量入り第２の燃料棒１０１ｂの本数（１４本）を全体として確保することができる。
【００２５】
（３）軸方向・径方向燃焼均一化
一般に、ガドリニアの燃焼は、中性子スペクトルに強く依存しており、中性子スペクトルが軟らかくなるほど燃焼が進行する。上記（１）により水ボックス１０２を反制御棒側領域１１２へ偏在させると、制御棒側領域１１１では最外周以外の内部領域に限っては水が相対的に少なくなり中性子スペクトルが硬くなる傾向となる。そのため、上記（２）のようにこの制御棒側領域１１１にガドリニア入り第２の燃料棒１０１ｂを多く配置した場合ガドリニアの燃焼が遅れ、その中でも特に軸方向上部で最も燃焼が遅れることとなり、径方向・軸方向出力分布が不均一となる。しかしながら本実施形態においては、ガドリニア入り第２の燃料棒１０１ｂを制御棒側領域１１１に多く配置するとともに、燃料有効長が短い第３の燃料棒１０１ｃもこの制御棒側領域１１１に多く配置する。これにより、第３の燃料棒１０１ｃの上部に生じる飽和水領域の作用で、制御棒側領域１１１の特に軸方向上部における水の量を増加させて中性子スペクトルを軟らかくすることができる。したがって、第２の燃料棒１０１ｂに含まれるガドリニアの特に軸方向上部における燃焼を促進して軸方向燃焼の均一化を図ることができる。またこれによって制御棒側領域１１１全体でみても反制御棒側領域１１２より燃焼が促進されることとなるので、径方向燃焼の均一化も図ることができる。したがって、軸方向・径方向出力分布の均一化を図ることができる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態の燃料集合体１００によれば、高燃焼度化を図った構造において、Ｈ／Ｕ比の径方向均一化を確保しつつ、ガドリニアの燃焼不均一を抑制し、軸方向・径方向出力分布の均一化を図ることができる。
【００２７】
上記効果のうち、特に、軸方向出力分布の均一化について比較例を用いて説明する。
本実施形態の燃料集合体１００の比較例として、燃料集合体１００における第３の燃料棒１０１ｃをすべて第１の燃料棒１０１ａに置き換えたものを図３に示す。図３に示すように、この比較例による燃料集合体１５０は、上記置き換えによって第１の燃料棒１０１ａの数が５２本から５８本に増えている。その他の構造は、本実施形態による燃料集合体１００とほぼ同様となっている。
そして、図４は、本実施形態による燃料集合体１００を図１０と同様にして装荷した沸騰水型原子炉炉心の軸方向出力分布の解析結果（曲線ア）と、比較例による燃料集合体１５０を図１０と同様にして装荷した沸騰水型原子炉炉心の軸方向出力分布の解析結果（曲線イ）とを比較して示したものである。図４に示されるように、比較例の燃料集合体１５０を適用した炉心では、減速材密度が少なく中性子スペクトルが硬い軸方向上部でガドリニアの燃焼が遅れるため出力分布が下膨らみとなっているが、本実施形態の燃料集合体１００を適用した炉心では、第３の燃料棒１０１ｃ上部の飽和水の作用で中性子スペクトルの硬化が緩和される分、可燃性毒物の軸方向燃焼差が緩和され、軸方向出力分布がより平坦化していることが分かる。
【００２８】
なお、上記実施形態においては、高燃焼度化対応として、９行９列の正方格子状配列において集合体平均濃縮度を３．８重量％とし、これに応じてガドリニア入り第２の燃料棒１０１ｂを１４本配置していたが、これに限られない。例えばこれよりも集合体平均濃縮度を若干小さくしてガドリニア入り第２の燃料棒１０１ｂの本数の割合を少なくしてもよい。このような場合の実施形態を以下、第２の実施形態〜第４の実施形態により説明する。なお以降の実施形態においては、煩雑を避けるために、制御棒側領域１１１及び反制御棒側領域１１２の図示を適宜省略する。
【００２９】
本発明の第２の実施形態を図５〜図７により説明する。
本実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料集合体の構造を表す横断面図を図５に示す。この図５は第１の実施形態の図１にほぼ相当する図であり、共通の部材には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３０】
図５において、本実施形態による燃料集合体２００が図１に示した第１の実施形態の燃料集合体１００と異なる点は、第２の燃料棒１０１ｂの本数が若干減っていることである。すなわち、ガドリニア入り第２の燃料棒１０１ｂは、６本減って全体で８本となり、制御棒側領域１１１には６本、反制御棒側領域１１２には２本が配置されている。そしてこれに対応して第１の燃料棒１０１ａの数が６本増えて５８本となっている。第３の燃料棒１０１ｃについては本数も配置位置も変わらない。また、集合体平均濃縮度はｘ［重量％］（但しｘ＞３．８）となっている。
その他の構造は、第１の実施形態の燃料集合体１００とほぼ同様である。
【００３１】
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。
【００３２】
なお、上記第１及び第２の実施形態においては、第２の燃料棒１０１ｂのガドリニアの混入濃度は軸方向に一様であったが、これに限られず、軸方向で濃度差を設けてもよい。すなわち、図６に示すように、第２の燃料棒１０１ｂのガドリニア濃度を、軸方向ノード１５／２４位置を境に上部をβ［重量％］、下部をα［重量％］（但しα＞β）としてもよい。この場合、上部のガドリニア濃度が相対的に小さい分、第２の燃料棒１０１ｂにおける軸方向上部のガドリニアの燃え残りをさらに効果的に防止できるので、さらに軸方向出力分布を均一化できる効果がある。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、燃料棒１０１を９本配置できるスペースに水ボックス１０２を設けたが、これに限られず、横断面円形の水ロッドを設けてもよい。第２の実施形態の燃料集合体２００において水ボックス１０２の代わりに２本の水ロッド１０２Ａ，１０２Ａを設けた燃料集合体２００Ａの構造を図７に示す。この場合も、第２の実施形態と同様の効果を得る。
【００３３】
本発明の第３の実施形態を図８により説明する。
図８は、本実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。この図８は第１の実施形態の図１、第２の実施形態の図５にほぼ相当する図であり、共通の部材には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
図８において、本実施形態による燃料集合体３００が図５に示した第２の実施形態の燃料集合体２００と異なる点は、すべての第２の燃料棒１０１ｂ及び第３の燃料棒１０１ｃを制御棒側領域１１１に配置していることである。
その他の構造は、第２の実施形態の燃料集合体２００とほぼ同様である。
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。
【００３５】
本発明の第４の実施形態を図９により説明する。本実施形態は１０行１０列の正方格子状に燃料棒を配列した燃料集合体に本発明を適用した場合の実施形態である。
図９は、本実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料集合体４００の構造を表す横断面図であり、第１の実施形態の図１、第２の実施形態の図５、第３の実施形態の図８にほぼ相当する図である。
【００３６】
この図９において、本実施形態の燃料集合体４００は、配列される燃料棒の本数が増えただけで基本的には第２の燃料集合体２００と類似の構造である。すなわち、燃料集合体４００は、沸騰水型原子炉Ｄ格子炉心の単位セル４０７に装荷されるものであり、１０行１０列の正方格子状に配列され内部に核燃料物質としてのウラン−２３５が充填された９１本の燃料棒４０１と、正方格子状配列の中央部近傍の水の量を増やすのを目的として燃料棒４０１が９本配列可能な領域に配置された１本の水ボックス４０２と、これら燃料棒４０１及び水ボックス４０２により形成される燃料バンドルの周囲を囲むチャンネルボックス４０３とを備えている。
【００３７】
燃料棒４０１は、燃料有効長が通常の長さであって可燃性毒物を含まない７５本の第１の燃料棒４０１ａと、燃料有効長が通常の長さであって可燃性毒物としてガドリニアを含む９本の第２の燃料棒４０１ｂと、燃料有効長が第１及び第２の燃料棒４０１ａ，４０１ｂよりも短いいわゆる短尺燃料棒である７本の第３の燃料棒４０１ｃとから構成されている。またこれら燃料棒４０１は、濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から構成されており、各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布を設けたり各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより軸方向・径方向出力ピーキングの平坦化が図られている。そしてこのとき、燃料集合体４００における平均濃縮度はｘ［重量％］となっている。また、燃料集合体内部を前記燃料棒の配列の対角線上に位置する鉛直方向の境界面４１０によって制御棒４０８側にある制御棒領域４１１とその反対側にある反制御棒側領域４１２とに２分して考えたとき、水ボックス４０２を反制御棒側領域４１２に偏って配置するとともに、制御棒側領域４１１に配置される第２及び第３の燃料棒４０１ｂ，４０１ｃの本数を、反制御棒側領域４１２に配置される第２及び第３の燃料棒４０１ｂ，４０１ｃの本数よりも多くし、それぞれの本数差が５本となっている。
【００３８】
本実施形態によっても、第２の実施形態とほぼ同様の原理に基づき、ギャップ水領域３１３，３１４の面積差に基づくＨ／Ｕ比の不均一を水ボックス４０２の偏心によって改善し、第２の燃料棒４０１ｂを制御棒側領域１１１に多く配置することで高燃焼度化に必要な本数を確保し、第３の燃料棒４０１ｃを制御棒側領域１１１に多く配置することで中性子スペクトルを軟らかくしガドリニアの燃焼を促進して軸方向・径方向燃焼の均一化を図ることができる。
【００３９】
なお、上記第１〜第４の実施形態においては、水ボックス１０２，４０２はいずれも９本の第２の燃料棒１０１ｂ，４０１ｂが配列可能な領域に配置されていたが、これに限られず、少なくとも１本の第２の燃料棒１０１ｂ，４０１ｂが配列可能な領域に配置すれば足りる。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、高燃焼度化を図った燃料集合体において、Ｈ／Ｕ比の径方向均一化を確保しつつ、可燃性毒物の燃焼不均一を抑制し軸方向・径方向出力分布の均一化を図ることができ、良好な炉心特性を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図２】図１に示した燃料集合体の縦断面図である。
【図３】比較例にによる燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図４】図１及び図４の燃料集合体をそれぞれ装荷した沸騰水型原子炉炉心の軸方向出力分布の解析結果を比較して示した図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図６】第２の燃料棒のガドリニア混入濃度に関する変形例を説明するための図である。
【図７】水ボックスの代わりに２本の水ロッドを設けた変形例の構造を表す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。
【図１０】一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造を表す概念的横断面図である。
【図１１】径方向Ｈ／Ｕ比の差を小さくするために、水ロッドを狭いギャップ水領域に近づけた従来の燃料集合体の構造例を示す図である。
【符号の説明】
１００ 燃料集合体
１０１ 燃料棒
１０１ａ 第１の燃料棒
１０１ｂ 第２の燃料棒
１０１ｃ 第３の燃料棒
１０２ 水ボックス
１０２Ａ 水ロッド
１０４ａ ガイドポスト
１０８ 制御棒
１０９ チャンネルファスナー
１１０ 境界面
１１１ 制御棒側領域
１１２ 反制御棒側領域
２００ 燃料集合体
２００Ａ 燃料集合体
３００ 燃料集合体
４００ 燃料集合体
４０１ 燃料棒
４０１ａ 第１の燃料棒
４０１ｂ 第２の燃料棒
４０１ｃ 第３の燃料棒
４０２ 水ボックス
４０８ 制御棒
４１０ 境界面
４１１ 制御棒側領域
４１２ 反制御棒側領域

Claims (4)

1. 正方格子状に配列された複数本の燃料棒と、該燃料棒が１本以上配列可能な領域に配置された少なくとも１本の水ロッド又は水ボックスと、チャンネルファスナーを固定するために制御棒側に設けられるガイドポストとを備え、かつ前記複数本の燃料棒が、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数本の第１の燃料棒と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む複数本の第２の燃料棒と、これら第１及び第２の燃料棒より燃料有効長が短くかつ核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数本の第３の燃料棒とを含んでいる燃料集合体において、
   燃料集合体内部を前記燃料棒の配列の対角線上に位置する鉛直方向の境界面によって制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分したとき、前記水ロッド又は水ボックスは、前記反制御棒側領域側に偏って配置されており、かつ、前記第２の燃料棒及び第３の燃料棒は、それぞれ前記制御棒側領域に配置される本数が前記反制御棒側領域に配置される本数よりも多くなっていることを特徴とする燃料集合体。
2. 請求項１記載の燃料集合体において、前記第２の燃料棒及び第３の燃料棒のすべてが、前記制御棒側領域に配列されていることを特徴とする燃料集合体。
3. 請求項１記載の燃料集合体において、前記第２の燃料棒は、軸方向上部の可燃性毒物の濃度が軸方向下部の可燃性毒物の濃度よりも小さくなっていることを特徴とする燃料集合体。
4. 請求項１〜３記載の燃料集合体を装荷した原子炉炉心。

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