JP4138190B2

JP4138190B2 - 燃料集合体及び原子炉の炉心

Info

Publication number: JP4138190B2
Application number: JP35610899A
Authority: JP
Inventors: 淳一小山; 亮司桝見; 裕子原口; 勝正配川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: JP2001174580A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料集合体とそれを装荷した原子炉の炉心に係り、特にウラン２３５を主な核分裂性物質とする核燃料物質を含む燃料棒を用い、初装荷炉心での長期連続運転を目指した燃料集合体と原子炉の炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体は四角筒型のチャンネルボックスと、チャンネルボックスの内部に収納された燃料バンドルからなり、燃料バンドルは、核分裂性物質を含む燃料ペレットを封入した多数の燃料棒が正方格子状に配列されて構成されている。また、近年の沸騰水型原子炉用燃料集合体では出力分布を平坦にするため、水ロッドなどを用いて燃料集合体中央部に広い減速材領域を設けることが多い。
【０００３】
原子炉は、中性子がウラン２３５などの核分裂性物質に吸収されて核分裂が起こり、その際にエネルギーとともに放出される中性子が次の核分裂を引き起こすという連鎖反応により、エネルギーを出し続けている。この連鎖反応が平衡にある状態を臨界といい、一定の出力で運転される原子炉はこの状態を保ち続けている。核分裂性物質は核分裂反応によって消滅するが、原子炉を一定の期間にわたって燃料の補給なしに運転するため、炉心内には初期の臨界維持に必要な量よりも多い核分裂性物質が装荷されている。このために超過した反応度を余剰反応度といい、運転期間を通じて余剰反応度を適切に制御することは重要である。余剰反応度を制御する技術としては、ガドリニアなどの可燃性毒物を燃料ペレット中に混入するものがよく知られている。
【０００４】
近年、原子力プラントの設備利用率を高めるため、連続運転期間を長くすることが望まれている。長期間にわたって連続運転するためには、新しく装荷する燃料集合体のウラン濃縮度を高める必要がある。このため、正方格子状の燃料棒配列は８行８列から９行９列以上にし、１本の燃料棒の熱的負担を軽減する傾向にある。これと同時に長期間にわたって余剰反応度を抑えるために、ガドリニアの濃度を増すのが普通である。ガドリニアの濃度が高いほど、長い期間にわたってガドリニアによる中性子吸収効果が持続し、燃料集合体の反応度が抑えられる。例えば、ウランを主な核分裂性物質とする最近の初装荷炉心では７重量％以上の高濃度ガドリニアが用いられる。
【０００５】
しかし、ガドリニアを増やすと、その分ウランの量が減るため、燃料集合体の経済性が悪化する傾向がある。また、ガドリニア入り燃料ペレットはガドリニア濃度の増加に伴って熱伝導率が低下し、燃料温度が高まる傾向がある。そこで、濃度を増加せずに長期間にわたってガドリニアの中性子吸収を持続させる工夫が考案されてきた。
【０００６】
特開平９−１０５７９２号公報には、その図１３に、燃料集合体のコーナーを結ぶ対角線に対して片側にガドリニア入り燃料棒を集中配置した構成が示され、このようにガドリニア入り燃料棒を集中配置することによって、ガドリニア入り燃料棒相互の干渉効果によりガドリニアの燃焼を遅延できることが記載されている。
【０００７】
また、特開平７−２０９４６０号公報及び特開平７−２４４１８４号公報には、３本のガドリニア入り燃料棒をＬ型に隣接配置したり、５本のガドリニア入り燃料棒を十字型に配置すると、ガドリニア入り燃料棒相互の干渉効果によってガドリニアの燃焼が遅くなり、長期間にわたって反応度抑制できることが記載されている。
【０００８】
また、プルトニウムを主な核分裂性物質とする燃料集合体として、ＭＯＸ燃料と呼ばれるものがあり、このものでも連続運転期間を長くするためにはプルトニウムの富化度を高める必要がある。このＭＯＸ燃料に関しては、特開平１０−２６６８２号公報にガドリニア入り燃料棒の配置例が記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者らの検討の結果、ウランを主な核分裂性物質とする上記従来技術には次のような問題があることが分かった。
【００１０】
特開平９−１０５７９２号公報に記載の燃料集合体におけるガドリニア入り燃料棒の配置では、燃焼に伴う中性子増倍率の上昇が遅く、優れたガドリニアの燃焼遅延効果が得られる。しかし、局所出力ピーキングは燃焼初期で１．６程度になり、最大線出力密度の制限値を満足することは困難である。特開平９−１０５７９２号公報の記述によると、このような非対称のガドリニア配置は、初装荷炉心内で濃縮度の低い燃料集合体の隣りに置くことを想定したものである。このため隣りに低濃縮度の燃料集合体が置かれない場合は局所出力ピーキングが過大になってしまう。
【００１１】
一方、特開平７−２０９４６０号公報及び特開平７−２４４１８４号公報におけるガドリニア入り燃料棒の配置では、局所出力ピーキングは燃焼初期でも１．４程度であり、熱的余裕は優れている。しかし、特開平９−１０５７９２号公報の配置に比べると、ガドリニアの燃焼遅延効果はかなり小さく、改善の余地のあることが分かった。
【００１２】
なお、ＭＯＸ燃料においては、プルトニウムの中性子吸収反応断面積が大きいため、ガドリニアによる中性子吸収が比較的少なく、ガドリニアの消耗はゆっくりしている。例えば、ウラン燃料の場合に比べて，ＭＯＸ燃料で同じ期間だけ中性子吸収を持続させるのに必要なガドリニア濃度は半分以下である。したがって、上記の課題はウラン燃料に特有のものである。特開平１０−２６６８２号公報に記載されたＭＯＸ燃料では、むしろガドリニアの燃焼を早めるために、１重量％未満の薄いガドリニアを全燃料棒の半数以上に混入しており、上記課題とは目的が逆である。
【００１３】
本発明の目的は、ウランを主な核分裂性物質とする燃料集合体及び原子炉の炉心において、長期連続運転を可能とするため可燃性毒物の消耗を十分に遅延すると共に、燃料集合体内の出力分布を平坦化できるものを提供することである。
【００１４】
【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、第１燃料集合体と、この第１燃料集合体より燃料集合体平均ウラン濃縮度が低い第２燃料集合体を含む原子炉の炉心に前記第１燃料集合体として装荷される燃料集合体であって、ウラン２３５を主な核分裂性物質とする核燃料物質を含む燃料ペレットを封入した燃料棒と、前記核燃料物質に可燃性毒物を混入した燃料ペレットを封入した可燃性毒物入り燃料棒とを正方格子状に配列し、前記可燃性毒物により原子炉運転中における前記核分裂性物質の余剰反応度を制御する燃料集合体において、前記正方格子状の燃料棒配列の対向する角を結ぶ２本の対角線のそれぞれについて、その対角線によって燃料集合体の横断面を２つの領域に分けたとき、その２つの領域の両方に少なくとも１本以上前記可燃性毒物入り燃料棒が含まれ、前記可燃性毒物入り燃料棒は、燃料集合体の同じ横断面位置に前記可燃性毒物を混入した燃料ペレットを備える複数の燃料棒であり、前記燃料集合体の横断面において、前記可燃性毒物入り燃料棒が置かれた格子の総数をＮｇ、前記可燃性毒物入り燃料棒が置かれた格子の境界のうち、他の可燃性毒物入り燃料棒に面しない境界の総数をＮｆとするとき、Ｎｆ／Ｎｇ＜２であるものとする。
【００１５】
正方格子状の燃料棒配列の２本の対角線のそれぞれについて、２つに分けられる領域の両方に少なくとも１本以上前記可燃性毒物入り燃料棒を配置することにより、局所出力ピーキング特性を大幅に低減できる。
【００１６】
また、このように局所出力ピーキングを抑えるため２本の対角線のそれぞれに対して、その両側に可燃性毒物入り燃料棒を配置すると、可燃性毒物入り燃料棒の集中度は小さくなる傾向がある。このため、可燃性毒物の燃焼が早まる。しかし、発明者らは、種々のガドリニア入り燃料棒配置について、その燃焼特性を評価、分析した結果、Ｎｆ／Ｎｇを指標とすると、ガドリニアの燃焼遅延の程度が整理できること、そして、Ｎｆ／Ｎｇは定義により４以下の値をとるが、Ｎｆ／Ｎｇが４から２の範囲ではガドリニアの燃焼遅延に大差が無く、Ｎｆ／Ｎｇ＜２にすると効果的に燃焼遅延が可能であることを見出した。本発明はこの知見に基づいてＮｆ／Ｎｇ＜２とする配置を併用しており、これにより可燃性毒物の燃焼遅延効果を改善できる。
【００１７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記２本の対角線のうちの１本について、その対角線によって分けられる燃料集合体の横断面の２つの領域の両方に２行２列に、隣接配置された４本の可燃性毒物入り燃料棒が含まれる。
【００１８】
このように４本の可燃性毒物入り燃料棒を集中配置させた部分を２ヶ所設けることにより、出力分布のバランスをとりつつ、可燃性毒物の消耗を遅らせることができる。
【００１９】
（３）また、上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記燃料棒の配列が９行９列以上の正方格子状であり、燃料集合体は沸騰水型原子炉用である。
【００２０】
これにより沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、ウラン濃縮度を高めつつ上記（１）の作用が得られる。
【００２１】
（４）更に、上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記２本の対角線のうちの１本について、その対角線によって分けられる燃料集合体の横断面の２つの領域のうち、制御棒側に位置する領域に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の数が反対側の領域に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の数より少なく、燃料集合体は沸騰水型原子炉用である。
【００２２】
これにより沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、制御棒側の中性子束が比較的高くなり、制御棒の中性子吸収価値が高くなり、原子炉の停止余裕が向上する。また、制御棒と反対側の狭い領域に可燃性毒物入り燃料棒を集中的に配置することにより、燃料集合体内の大域的な出力分布の偏りが緩和される。
【００２３】
（５）また、上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記燃料棒の配列が１０行１０列の正方格子状であり、燃料集合体中央部の８格子分の領域に水ロッドが置かれ、燃料集合体は沸騰水型原子炉用である。
【００２４】
これにより燃料棒配列が１０行１０列の正方格子状にありかつ中央部の水ロッドの広い減速材領域により出力分布を平坦にした沸騰水型原子炉用の燃料集合体で、上記（１）の作用が得られる。
【００２５】
（６）また、上記（１）又は（２）において、前記正方格子状の燃料棒配列は５行５列の正方格子状に燃料棒を配列した４つのサブバンドルを有していてもよく、この場合、前記サブバンドルが２行２列に組み合わされると共に、各サブバンドルの燃料棒のうち燃料集合体中央側の燃料棒が除去され、燃料集合体中央部に減速材流路が形成されている。
【００２６】
これにより５行５列の正方格子状に燃料棒を配列した４つのサブバンドルを有しかつ中央部の広い減速材領域により出力分布を平坦にした沸騰水型原子炉用の燃料集合体で、上記（１）の作用が得られる。
【００２７】
（７）また、上記目的を達成するために、本発明は、上記（１）〜（６）のいずれか１項記載の燃料集合体を装荷した原子炉の炉心が提供される。
【００２８】
これにより上記（１）で述べたように可燃性毒物の燃焼を十分に遅延すると共に、燃料集合体内の出力分布を平坦化できるので、長期連続運転に対応できる炉心が得られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態による燃料集合体のを図１により説明する。本実施形態は沸騰水型原子炉の初装荷炉心に装荷される燃料集合体の例であり、図１はその横断面を示すものである。
【００３１】
図１において、符号１５は本実施形態の燃料集合体を示しており、この燃料集合体１５は、９行９列の正方格子状に配列された多数の燃料棒２，７と、中央部の７格子分の領域に配置され大きな高減速領域を形成する２本の水ロッド６とを有している。燃料棒２，７は核分裂性物質を含む燃料ペレットを封入して構成されており、燃料棒７はガドリニア入り燃料棒（可燃性毒物入り燃料棒）である。燃料棒７の燃料ペレットには余剰反応度を制御するための可燃性毒物としてガドリニアが混入されている。ガドリニア入り燃料棒７は全部で１６本配置されており、ガドリニアを６重量％含んでいる。
【００３２】
本実施形態において、１６本のガドリニア入り燃料棒７は次のように配置されている。
【００３３】
まず、図１に示す燃料集合体１５の横断面において、可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の総数をＮｇ、可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の境界面のうち、他の可燃性毒物入り燃料棒７に面しない境界面の総数をＮｆとすると、Ｎｇは１６、Ｎｆは２８である。したがって、Ｎｆ／Ｎｇ＝１．７５＜２である。
【００３４】
また、正方格子状の燃料棒配列の一方の対向する角を結ぶ対角線８によって上記横断面を２つの領域に分けたとき、対角線上に４本の可燃性毒物入り燃料棒７があり、分けられた両方の領域に６本ずつの可燃性毒物入り燃料棒７が含まれている。正方格子状の燃料棒配列の他方の対向する角を結ぶ対角線１８によって上記横断面を２つの領域に分けた場合も、両方の領域に８本ずつの可燃性毒物入り燃料棒７が含まれている。
【００３５】
更に、対角線１８によって分けられた２つの領域の両方に、２行２列に隣接配置された４本の可燃性毒物入り燃料棒７が含まれている。
【００３６】
図２に本実施形態の燃料集合体１５の縦断面図を示す。燃料集合体１５は四角筒型のチャンネルボックス１と、チャンネルボックスの内部に収納された燃料バンドル２０からなる。燃料バンドル２０は、上記燃料棒２，７を正方格子状に配列しかつ中央部に２本の水ロッド６を配置したものを、上部タイプレート３、下部タイプレート４で支持し、スペーサ５で束ねて構成されている。
【００３７】
本実施形態の燃料集合体１５におけるガドリニア入り燃料棒７の上記の配置による作用を説明する。
【００３８】
図３に特開平９−１０５７９２号公報に記載された燃料集合体の横断面を比較例１として示し、図４に特開平７−２４４１８４号公報に記載された燃料集合体の横断面を比較例２として示し、図５に特開平９−１０５７９２号公報に記載された他の燃料集合体の横断面を比較例３として示す。図中、燃料棒、水ロッド、チャンネルボックス、対角線には図１と同じ符号を付している。
【００３９】
発明者らは、図３〜図５に示す比較例１〜３のガドリニア入り燃料棒の配置について燃料集合体特性を評価した。
【００４０】
図３の配置では、横断面内の対角線８の片側にガドリニア入り燃料棒が１９本存在する。また、図４の配置では、横断面内に１３本のガドリニア入り燃料棒７が存在する。そのうちの１０本は５本ずつ十字型に配置されている。図５の配置では、横断面内に１６本のガドリニア入り燃料棒７が存在する。これらの評価ケースにおいて、ガドリニアの濃度は全て６重量％とし、横断面平均のウラン濃縮度はいずれのケースも約５重量％とした。
【００４１】
図６及び図７に燃料集合体の特性を比較して示す。図６は燃焼度に伴う中性子増倍率の動きである。曲線Ａは図３の配置、曲線Ｂは図４の配置、曲線Ｃは図５の配置の特性を示す。また、図７は燃料集合体横断面における最大出力燃料棒の相対出力で定義される局所出力ピーキングの燃焼に伴う変化を示す。この図でも、曲線Ａは図３の配置、曲線Ｂは図４の配置、曲線Ｃは図５の配置の特性を示す。
【００４２】
図６に示される通り、図３の配置（曲線Ａ）では燃焼に伴う中性子増倍率の上昇が遅く、優れたガドリニアの燃焼遅延効果が得られる。しかし、図７の曲線Ａに示されるように、局所出力ピーキングは燃焼初期で１．６程度になり、最大線出力密度の制限値を満足することは困難である。特開平９−１０５７９２号公報の記述によると、図３や図５のような非対称のガドリニア配置は、初装荷炉心内で濃縮度の低い燃料集合体の隣りに置くことを想定したものである。このため隣りに低濃縮度の燃料集合体が置かれない場合は局所出力ピーキングが図７のとおり過大になってしまう。
【００４３】
一方、図４の配置（曲線Ｂ）では、図７に示すように局所出力ピーキングは燃焼初期でも１．４程度であり、熱的余裕は優れている。一方、図６の通り、図４の配置（曲線Ｂ）と図５の燃料集合体（曲線Ｃ）は同程度の中性子増倍率の最大値となる。ガドリニア入り燃料棒の本数が異なるので初期の中性子増倍率は異なるが、中性子増倍率が最高になる燃焼度は同程度であり、ガドリニアの持続期間もほぼ同等である。図３の配置（曲線Ａ）に比べるとガドリニアの燃焼遅延効果はかなり小さく、改善の余地のあることが分かった。
【００４４】
本発明は、上記の問題点に着目し、長期連続運転を可能とするため、ウランを主な核分裂性物質とする場合の可燃性毒物の消耗を十分に遅延すると共に、燃料集合体内の出力分布を平坦化できるようにしたものである。
【００４５】
まず、従来の技術である図３及び図４について発明者らが詳細に分析した結果、以下の知見が得られた。
【００４６】
図４のガドリニア入り燃料棒配置において、ガドリニアの燃焼遅延効果が比較的小さいのは、十字型配置の突起部にあたる４本のガドリニア入り燃料棒７ではガドリニアの燃焼遅延がほとんどないためである。これら４本のガドリニア入り燃料棒７では、ガドリニアを含まない燃料棒２に３方向で接しているため、熱中性子が十分に供給されて、普通の離散配置の場合とほぼ同程度の速度でガドリニアが燃えてしまう。これら４本のガドリニア入り燃料棒７は十字型配置の中央のガドリニア入り燃料棒７を熱中性子から遮蔽する働きを持っている。これらが通常の速度で燃えるのに伴って、中央のガドリニア入り燃料棒７に対する遮蔽効果も消えていくため、大きな燃焼遅延効果が得られない。すなわち、少数のガドリニア入り燃料棒だけに対してガドリニアの燃焼遅延の対策を施しても大きな効果が得られないことが分かった。
【００４７】
発明者らは、種々のガドリニア入り燃料棒配置について、その燃焼特性を評価、分析した結果、
Ｎｇ：ガドリニア入り燃料棒が置かれた格子の総数、
Ｎｆ：ガドリニア入り燃料棒が置かれた格子の境界のうち、他のガドリニア入り燃料棒に面しない境界の総数、
として、Ｎｆ／Ｎｇを指標とすると、ガドリニアの燃焼遅延の程度が整理できることを見出した。
【００４８】
図４や図５の配置では燃焼度１８ＧＷｄ／ｔで中性子増倍率がほぼ最高になっており、ガドリニアの燃焼遅延の目安としてこの点の中性子増倍率が参考になる。すなわち、１８ＧＷｄ／ｔにおける中性子増倍率が小さいほどガドリニアの燃焼が遅い。種々のガドリニア入り燃料棒配置に対する上記指標値と、１８ＧＷｄ／ｔにおける中性子増倍率との関係を図８に示す。黒丸は各評価ケースの点を示し、実線はそれらの傾向を示している。Ｎｆ／Ｎｇが小さいほど１８ＧＷｄ／ｔにおける中性子増倍率が小さく、ガドリニアが長期間持続する。
【００４９】
他のガドリニア入り燃料棒に面しない格子境界からは中性子が豊富に流入するので、このような境界を少なくすると、ガドリニアの燃焼を遅くできると考えられる。本発明による指標Ｎｆ／Ｎｇは、燃料集合体横断面の平均で見たときの、ガドリニア入り燃料棒１本あたりの、他のガドリニア入り燃料棒以外に面する境界の数という意味を持つ。一般にガドリニアの断面積は燃料集合体内の位置によって異なり、例えば水ロッドの近傍では大きな値を持つ。また、全体のガドリニア分布によって燃料集合体内の中性子束分布は大きく影響される。したがって、ガドリニア入り燃料棒相互の干渉効果も、燃料集合体内の位置や燃料集合体全体にわたる他のガドリニア入り燃料棒の配置によって影響を受ける。しかしながら、発明者らによる図８の検討結果から、そのような影響はあまり大きくなく、局所的な隣接関係の単純平均であるＮｆ／Ｎｇによってガドリニアの燃焼特性がうまく整理できることが明らかになった。
【００５０】
更に、Ｎｆ／Ｎｇは定義により４以下の値をとるが、図８の結果により、４から２の範囲では大きな差の無いことが分かった。すなわち、Ｎｆ／Ｎｇを２より小さくすると効果的に燃焼遅延が可能であることを見出した。
【００５１】
本発明の第１の実施形態である図１の配置では、ガドリニア入り燃料棒が１６本ある。ガドリニア入り燃料棒が置かれた格子の境界総数１６×４＝６４うち、他のガドリニア入り燃料棒によって遮蔽されていない境界の数は２８となり、半数未満である。
【００５２】
図１の配置の中性子増倍率特性を図９の曲線Ｄに示す。曲線Ｂで示される図４の配置や曲線Ｃで示される図５の配置よりもガドリニアの燃焼はゆっくりしている。図４の配置のＮｆ／Ｎｇは２．７７、図５の配置のＮｆ／Ｎｇは４．０であり、いずれもＮｆ／Ｎｇは２よりも大きい。図１のガドリニア入り燃料棒配置では、他のガドリニア入り燃料棒によって４方向全部を遮蔽されたガドリニア入り燃料棒が存在せず、また、燃料集合体の片側に多く配置されてもいないが、Ｎｆ／Ｎｇが２より小さく、平均的にガドリニア入り燃料棒が良く遮蔽されているため、ガドリニアは長期間持続する。
【００５３】
なお、プルトニウムを主な核分裂性物質とする燃料においては、プルトニウムの中性子吸収断面積が大きいので、ガドリニア入り燃料棒の隣がガドリニア入り燃料棒であってもガドリニアを含まない燃料棒であっても、半ば遮断された状況にある。このため、ガドリニア入り燃料棒の相対関係の影響は小さい。上記の可燃性毒物の燃焼遅延に関する知見は、ウランを主な核分裂性物質とする燃料に特有なものである。
【００５４】
次に、燃料集合体内の出力分布に着目する。図３の配置の局所ピーキングが非常に高いのは、ガドリニア入り燃料棒配置の非対称性が大きすぎるためである。つまり、対角線８の右下だけにガドリニア入り燃料棒が集中しているため、この領域の中性子束が非常に低く、反対側のコーナー近くの中性子束が過大になっている。図３の配置は特開平９−１０５７９２号公報に記載されているように、領域のガドリニア入り燃料棒数の差を明示するため参考的に示された配置例であり、局所出力ピーキングに関しては考慮されていない。
【００５５】
そこで、本発明の図１の配置では、対角線８の両側にガドリニア入り燃料棒７を配置する。また、もう一方の対角線１８についても、その両側にガドリニア入り燃料棒を配置する。
【００５６】
図１の配置の局所出力ピーキング特性を図１０の曲線Ｄに示す。燃焼度初期で１．４程度であり、曲線Ａで示される図３の配置に比べて局所出力ピーキングは大幅に低減される。
【００５７】
このように局所出力ピーキングを抑えるため対角線８，１８のそれぞれに対して、その両側にガドリニア入り燃料棒を配置すると、ガドリニア入り燃料棒７の集中度は小さくなる傾向がある。このため、一般的には図４の配置のようにガドリニアの燃焼が早まる。しかし、本発明の知見に基づいて、本実施形態ではＮｆ／Ｎｇを２未満とする配置を併用しており、これによりガドリニアの燃焼遅延効果は改善できる。
【００５８】
また、局所ピーキングを抑えつつ、Ｎｆ／Ｎｇを小さくするガドリニア入り燃料棒配置として、ガドリニア入り燃料棒７を隣接集中配置した部分を複数設けることが効果的である。４本のガドリニア入り燃料棒７を２行２列に配置すると、その部分のＮｆ／Ｎｇはちょうど２である。したがって、全体のＮｆ／Ｎｇを２未満とするためには、このような２行２列以上の大きな集中配置部分を設ける必要がある。図１の配置では、８本のガドリニア入り燃料棒７を集中配置させた部分を２ヶ所設けることにより、出力分布のバランスをとりつつ、ガドリニアの消耗を遅らせている。
【００５９】
以上により本実施形態では、図１のガドリニア入り燃料棒配置を用いることにより、可燃性毒物の燃焼を十分に遅延すると共に、燃料集合体内の出力分布を平坦化できるので、熱的余裕を確保しつつ、長期連続運転が可能となる。
【００６０】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図１１により説明する。図中、図１に示す部材と同等のものには同じ符号を付している。
【００６１】
図１１において、本実施形態の燃料集合体１５Ａでは、燃料棒２，７が１０行１０列の正方格子状に配列されており、２本の水ロッド５が中央部の８格子分の領域に置かれ、大きな高減速領域を形成している。燃料棒２，７は全部で９２本あり、そのうちガドリニア入り燃料棒（可燃性毒物入り燃料棒）７は全部で１８本配置されている。
【００６２】
可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の総数Ｎｇは１８、可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の境界面のうち、他の可燃性毒物入り燃料棒７に面しない境界面の総数Ｎｆは３２である。したがって、Ｎｆ／Ｎｇ＝１．７８＜２である。
【００６３】
燃料棒配列の対向する角を結ぶ対角線８，１８のそれぞれについて、その対角線によって上記横断面を２つの領域に分けたとき、その両方の領域に可燃性毒物入り燃料棒７が含まれ、対角線８，１８に対して対称に配置されている。
【００６４】
本実施形態においても、ガドリニア入り燃料棒７が置かれた格子の境界面のうち、他のガドリニア入り燃料棒７によって遮蔽されている面が半分以上あるので、ガドリニアの燃焼遅延効果が大きい。また、対角線８，１８に対して対称にガドリニア入り燃料棒を配置して出力分布のバランスをとることにより、局所出力ピーキングは低く抑えられる。
【００６５】
本実施形態のように１０行１０列格子の燃料集合体１５Ａにおいては、冷却材流路を十分に確保するため９行９列格子の燃料集合体に比べて、燃料棒を細くする必要がある。この場合、燃料棒内における熱中性子レベルの低下が少ないため、ガドリニアの燃焼は早まる傾向がある。したがって、本実施形態の配置によるガドリニアの燃焼遅延は特に効果的である。また、本実施形態の燃料集合体は９行９列格子の燃料集合体に比べて燃料棒が多いため、熱的余裕が大きい。
【００６６】
（第３の実施形態）
本発明の第３実施形態を図１２により説明する。図中、図１に示す部材と同等のものには同じ符号を付している。
【００６７】
図１２において、本実施形態の燃料集合体１５Ｂでは、燃料棒２，７が１０行１０列の正方格子状に配列されており、２本の水ロッド５が中央部の８格子分の領域に置かれ、大きな高減速領域を形成している。燃料棒２，７は全部で９２本あり、そのうちガドリニア入り燃料棒（可燃性毒物入り燃料棒）７は全部で１８本配置されている。燃料集合体１５Ｂは、炉心に装荷するとき図示左上側のコーナー部に制御棒３０が位置するよう装荷される。
【００６８】
可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の総数Ｎｇは１８、可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の境界面のうち、他の可燃性毒物入り燃料棒７に面しない境界面の総数Ｎｆは３２である。したがって、Ｎｆ／Ｎｇ＝１．７８＜２である。
【００６９】
燃料棒配列の対向する角を結ぶ対角線８，１８のそれぞれについて、その対角線によって上記横断面を２つの領域に分けたとき、両方の領域に可燃性毒物入り燃料棒７が含まれている。
【００７０】
本実施形態においても、ガドリニア入り燃料棒７が置かれた格子の境界面のうち、他のガドリニア入り燃料棒７によって遮蔽されている面が半分以上あるので、ガドリニアの燃焼遅延効果が大きい。また、対角線８に対して両側にガドリニア入り燃料棒７を配置し、かつ対角線１８に対して対称にガドリニア入り燃料棒を配置して出力分布のバランスをとることにより、局所出力ピーキングは低く抑えられる。
【００７１】
本実施形態では、対角線８に対してはガドリニア入り燃料棒７の配置を非対称にしており、炉心に装荷されたとき制御棒３０側の領域にガドリニア入り燃料棒７が少ない。この配置により、制御棒３０側の中性子束が比較的高くなり、局所出力ピーキングは第２の実施形態よりも高まる傾向がある。しかし、同時に制御棒３０の中性子吸収価値が高くなり、原子炉の停止余裕が向上する。図５に示されるような従来の非対称ガドリニア入り燃料棒配置でも制御棒価値の向上効果が期待される。しかし、制御棒と反対側の領域に広く分散してガドリニア入り燃料棒７が置かれているため、燃料集合体内に大域的な出力分布の偏りが生じ、局所出力ピーキングは比較的大きい。本実施形態ではＮｆ／Ｎｇを小さくするために、制御棒３０と反対側の狭い領域にガドリニア入り燃料棒７を集中的に配置することになる。これによって、燃料集合体内の大域的な出力分布の偏りが緩和される。
【００７２】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態を図１３により説明する。図中、図１に示す部材と同等のものには同じ符号を付している。
【００７３】
図１３において、本実施形態の燃料集合体１５Ｃでは、燃料棒２，７が５行５列の正方格子状に配列されたサブバンドル９が４つ組み合わさって、全体として１０行１０列の燃料棒配列構造となっている。各サブバンドル９の燃料棒配列において燃料集合体１５Ｃの中央側コーナーの燃料棒が除去され、４格子分以上の面積を有する大きな減速材領域１０が形成されている。燃料棒２，７は全部で９６本あり、ガドリニア入り燃料棒（可燃性毒物入り燃料棒）７は全部で１７本配置されている。
【００７４】
可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の総数Ｎｇは１７、可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の境界面のうち、他の可燃性毒物入り燃料棒７に面しない境界面の総数Ｎｆは３２である。したがって、Ｎｆ／Ｎｇ＝１．８８＜２である。
【００７５】
燃料棒配列の対向する角を結ぶ対角線８，１８のそれぞれについて、その対角線によって上記横断面を２つの領域に分けたとき、その両方の領域に１本以上の可燃性毒物入り燃料棒７が含まれている。
【００７６】
本実施形態の燃料集合体１５Ｃは燃料棒２，７の数が、図１１の燃料集合体１５Ａよりも多いので、線出力密度の余裕を更に大きくできる傾向がある。
【００７７】
なお、第１〜第４の実施形態において、燃料集合体最外周にはガドリニア入り燃料棒を置いていない。前述のとおり、沸騰水型原子炉では燃料集合体の間に非沸騰水領域が存在し、そこで中性子の減速が促進される。したがって、燃料集合体の最外周位置は熱中性子量が多く、ガドリニアが早く燃え尽きてしまう傾向がある。そこで、これらの実施形態では最外周位置を避けてガドリニア入り燃料棒が置かれている。
【００７８】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態を図１４及び図１５により説明する。図中、図１に示す部材と同等のものには同じ符号を付している。本実施形態は加圧水型原子炉用の燃料集合体に本発明を適用したものである。
【００７９】
図１４において、本実施形態の加圧水型原子炉用の燃料集合体１５Ｄは、多数の燃料棒２，７が正方格子状に配列され、上部ノズル１１、下部ノズル１２、スペーサ１３などで支持されている。図１５は本実施形態の燃料集合体１５Ｄの横断面を示す。燃料棒２，７は１７行１７列の正方格子状に配列され、２５個の格子位置は制御棒が挿入される制御棒案内管１４で占められている。ガドリニア入り燃料棒（可燃性毒物入り燃料棒）７は４８本含まれている。
【００８０】
可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の総数Ｎｇは４８、可燃性毒物入り燃料棒７が置かれた格子の境界面のうち、他の可燃性毒物入り燃料棒７に面しない境界面の総数Ｎｆは８０である。したがって、Ｎｆ／Ｎｇ＝１．６７＜２である。
【００８１】
燃料棒配列の対向する角を結ぶ対角線８，１８のそれぞれについて、その対角線によって上記横断面を２つの領域に分けたとき、その両方の領域に１本以上の可燃性毒物入り燃料棒７が含まれている。
【００８２】
本実施形態では、ガドリニア入り燃料棒７が燃料集合体１５Ｄの最外周にも置かれている。加圧水型原子炉の場合、燃料集合体の外周部と中央部で熱中性子量にあまり大きな差がなく、最外周にガドリニア入り燃料棒を置いたときも、ガドリニアの燃焼が大幅に早まることはない。本実施形態の燃料集合体１５Ｄは炉心内でより低い濃縮度の燃料集合体と隣接することを想定したものである。最外周にガドリニア入り燃料棒７を置いた場合、低濃縮度の燃料集合体と隣接したときに、流れ込んでくる熱中性子によって最外周の燃料棒出力が高まることを緩和できる。更に、本実施形態では、最外周に置かれたガドリニア入り燃料棒７に対して、そのすぐ内側にもガドリニア入り燃料棒７を隣接配置することにより、ガドリニアの燃焼遅延を図っている。
【００８３】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態を図１６及び図１７により説明する。本実施形態は、高濃縮度の燃料集合体として、図１１と図１２の燃料集合体を装荷した、沸騰水型原子炉の初装荷炉心である。
【００８４】
図１６は１／４回転対称な燃料装荷パターンの１／４炉心部分を示す。燃料集合体平均ウラン濃縮度が約４．５重量％の高濃縮度燃料集合体２５，２６と燃料集合体平均ウラン濃縮度が約１．８重量％の低濃縮度燃料集合体２７の３種類で構成されている。
【００８５】
図１７は燃料集合体４体からなる部分を拡大して示す。高濃縮度燃料集合体２５は、図１１に示した燃料集合体１５Ａと同じガドリニア入り燃料棒の配置であり、高濃縮度燃料集合体２６は、図１２に示した燃料集合体１５Ｂと同じガドリニア入り燃料棒の配置になっている。ガドリニアの濃度は１０重量％である。低濃縮度燃料集合体２７に直接隣接する高濃縮度燃料集合体２６は低濃縮度燃料集合体２７に近い側に多くのガドリニア入り燃料棒７が位置するようになっている。これにより、低濃縮燃料集合体２７から熱中性子が流入しても、高濃縮燃料集合体２６の外周付近の出力が過大になるのを防ぐ効果が得られる。
【００８６】
ウラン燃料炉心では熱中性子の割合が多いため、ガドリニアが燃え易い。したがって、本発明のようなガドリニアの燃焼を遅らせる対策が特に有効である。これにより、本実施形態の初装荷炉心では、第１サイクルで２０ヶ月以上の連続運転が可能となる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、ウランを主な核分裂性物質とするもので可燃性毒物の燃焼を十分に遅延するとともに、燃料集合体内の出力分布を平坦化できるので、長期連続運転に対応できる燃料集合体および炉心が得られる。
【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燃料集合体の横断面図である。
【図２】図１に示した本発明の第１の実施形態による燃料集合体の概略構造を示す縦断面図である。
【図３】従来技術の燃料集合体におけるガドリニア入り燃料棒配置を比較例１として示す図１と同様な横断面図である。
【図４】従来技術の他の燃料集合体におけるガドリニア入り燃料棒配置を比較例２として示す図１と同様な横断面図である。
【図５】従来技術の更に他の燃料集合体におけるガドリニア入り燃料棒配置を比較例３として示す図１と同様な横断面図である。
【図６】従来技術の中性子増倍率の燃焼度依存性を比較して示す図である。
【図７】従来技術の局所出力ピーキングの燃焼度依存性を比較して示す図である。
【図８】本発明の指標値であるＮｆ／Ｎｇと燃焼が進んだ時点の中性子増倍率の関係を示す図である。
【図９】図１に示した本発明の第１の実施形態による燃料集合体の中性子増倍率特性を示す図である。
【図１０】図１に示した本発明の本発明の第１実施形態による燃料集合体の局所出力ピーキング特性を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の横断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の横断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態による沸騰水型原子炉用燃料集合体の横断面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態による加圧水型原子炉用燃料集合体の概略構造を示す縦断面図である。
【図１５】図１４に示した本発明の第５の実施形態による燃料集合体の横断面図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態による沸騰水型原子炉の初装荷炉心の１／４炉心部分を示す横断面図である。
【図１７】図１６に示した本発明の第６の実施形態による初装荷炉心の燃料集合体４体からなる部分を拡大して示す横断面図である。
【符号の説明】
１…チャンネルボックス
２…燃料棒
３…上部タイプレート
４…下部タイプレート
５…スペーサ
６…水ロッド
７…可燃性毒物入り燃料棒
８，１８…対角線
９…サブバンドル
１０…高減速領域
１１…上部ノズル
１２…下部ノズル
１３…スペーサ
１４…制御棒案内管
１５，１５Ａ〜１５Ｄ…燃料集合体
２０…燃料バンドル
２５，２６…高濃縮度燃料集合体
２７…低濃縮度燃料集合体。
３０…制御棒

Claims

第１燃料集合体と、この第１燃料集合体より燃料集合体平均ウラン濃縮度が低い第２燃料集合体を含む原子炉の炉心に前記第１燃料集合体として装荷される燃料集合体であって、ウラン２３５を主な核分裂性物質とする核燃料物質を含む燃料ペレットを封入した燃料棒と、前記核燃料物質に可燃性毒物を混入した燃料ペレットを封入した可燃性毒物入り燃料棒とを正方格子状に配列し、前記可燃性毒物により原子炉運転中における前記核分裂性物質の余剰反応度を制御する燃料集合体において、
前記正方格子状の燃料棒配列の対向する角を結ぶ２本の対角線のそれぞれについて、その対角線によって燃料集合体の横断面を２つの領域に分けたとき、その２つの領域の両方に少なくとも１本以上前記可燃性毒物入り燃料棒が含まれ、
前記可燃性毒物入り燃料棒は、燃料集合体の同じ横断面位置に前記可燃性毒物を混入した燃料ペレットを備える複数の燃料棒であり、
前記燃料集合体の横断面において、前記可燃性毒物入り燃料棒が置かれた格子の総数をＮｇ、前記可燃性毒物入り燃料棒が置かれた格子の境界のうち、他の可燃性毒物入り燃料棒に面しない境界の総数をＮｆとするとき、Ｎｆ／Ｎｇ＜２であることを特徴とする燃料集合体。
請求項１記載の燃料集合体において、前記２本の対角線のうちの１本について、その対角線によって分けられる燃料集合体の横断面の２つの領域の両方に２行２列に、隣接配置された４本の可燃性毒物入り燃料棒が含まれることを特徴とする燃料集合体。
請求項１又は２記載の燃料集合体において、前記燃料棒の配列が９行９列以上の正方格子状であることを特徴とする沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
請求項１又は２記載の燃料集合体において、前記２本の対角線のうちの１本について、その対角線によって分けられる燃料集合体の横断面の２つの領域のうち、制御棒側に位置する領域に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の数が反対側の領域に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の数より少ないことを特徴とする沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
請求項１又は２記載の燃料集合体において、前記燃料棒の配列が１０行１０列の正方格子状であり、燃料集合体中央部の８格子分の領域に水ロッドが置かれていることを特徴とする沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
請求項１又は２記載の燃料集合体において、前記正方格子状の燃料棒配列は５行５列の正方格子状に燃料棒を配列した４つのサブバンドルを有し、前記サブバンドルが２行２列に組み合わされると共に、各サブバンドルの燃料棒のうち燃料集合体中央側の燃料棒が除去され、燃料集合体中央部に減速材流路が形成されていることを特徴とする沸騰水型原子炉用の燃料集合体。
請求項１〜６のいずれか１項記載の燃料集合体を装荷した原子炉の炉心。