JP4496272B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷＲと記す）に用いられる限界出力特性を向上させた燃料集合体に関する。

一般にＢＷＲで用いられる燃料集合体は、多数の燃料棒を正方格子状に束ねてチャンネルボックスで包囲した構造となっている。図６（ａ）〜（ｃ）により従来のＢＷＲ用燃料集合体の一例を説明する。図６中、符号１で示す燃料集合体は、長尺燃料棒２、短尺燃料棒３およびウォータロッド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６（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、図６（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。

冷却材兼中性子減速材の水はチャンネルボックス７で包囲された空間を流れ、加熱されてボイドが発生する。チャンネルボックス７の外側に隣接する他方の燃料集合体のチャンネルボックスとの間には非沸騰水が存在し、ここからの熱中性子がチャンネルボックス７に近い他方の燃料集合体１の外側の部分に供給されるため、一方の燃料集合体１内で熱中性子束分布の不均一が生じる。

熱中性子束分布の不均一は燃料棒の出力の不均一につながる。熱中性子束分布の不均一のある程度の是正と、減速材対核燃料物質比の適正化を図るため、燃料集合体１のほぼ中央に水が流れるウォータロッド６を配置している。この図６に示すウォータロッド６は横断面が円形であるが、必ずしも円形断面である必要はない。

燃料集合体１の短尺燃料棒３は比較的下方に存在するため、図６（ｂ）の断面図には短尺燃料棒３は図示されず空所となり、その空所部分は冷却材流路となっている。燃料集合体１の上部ではボイド率が高いため、圧力損失が増え、核燃料物質に対する減速材の量が少なくなるが、短尺燃料棒３が上部に存在しないことにより是正が図られている。

従来、使用されている燃料集合体すべてが長さの異なる２種類の長尺燃料棒２と短尺燃料棒３を有するわけではなく、１種類の長さの燃料棒しか使用していない燃料集合体も多い。図７（ａ）に長尺燃料棒２の構成を示し、図７（ｂ）に短尺燃料棒３の構成を示す。

図７に示すように長尺燃料棒２、短尺燃料棒３はとも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内の上部プレナム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は下部にもプレナム14が設けられている。以下、燃料ペレットを単にペレットと呼称する。

ペレット10の材質はほとんどの場合二酸化ウランである。最近では、ウランとプルトニウムの混合酸化物（ＭＯＸ）の使用が始まっている。一部のペレットには熱中性子を吸収する可燃性毒物を含んでいる。可燃性毒物として一般に用いられているのはガドリニウムであり、酸化物であるガドリニア（Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）の形でペレットに混入される。

１本の燃料棒に装填されるペレットは必ずしも１種類である必要はなく、核分裂性物質濃度、可燃性毒物濃度の異なる数種類のペレットを組合わせて使用することが多い。また、被覆管内部に装填するペレットの異なる数種類の燃料棒を組合わせて燃料集合体が構成される。

燃料集合体１内の燃料棒の配置と燃料棒内のペレットの軸方向分布の一例を示したものが図８である。図８（ａ）は燃料集合体内の燃料棒の配置を示した横断面図、図８（ｂ）は燃料棒内のペレットの軸方向分布を示す図である。図中、Ｎ１〜Ｎ５はガドリニアなし長尺燃料棒、Ｇはガドリニア入り長尺燃料棒、Ｖは短尺燃料棒、ＷＲはウォータロッドで、長尺燃料棒はＮ１〜Ｎ５とＧで示す６種類、短尺燃料棒Ｖは１種類である。短尺燃料棒Ｖは最外周から２層目の（２，２），（２，５）位置およびこれらの対称位置に設けられている。

ペレットの材質は二酸化ウランで、一部のペレットには可燃性毒物としてガドリニアが混入されている。ペレットのウラン235 濃縮度は天然ウランを除いてａ〜ｅの５種類であり、互いにａ＞ｂ＞ｃ＞ｄ＞ｅの関係となっている。ガドリニアの濃度はＸ．ＸＧ（ｗｔ％）という形で示す。

長尺燃料棒Ｎ１〜Ｎ５，Ｇの上下端のハッチングで示す部分には天然ウランのペレットを装填している。ガドリニア入りペレットを装填した燃料棒Ｇは16本で、上下端部の天然ウランのペレットを除き、ガドリニア濃度が4.0 wt％、ウラン235 濃縮度がｃのペレットを装填している。

可燃性毒物入りペレット中の可燃性毒物濃度、可燃性毒物入りペレットの個数は次の条件から設定される。図９は図８に示した燃料集合体の領域Ｉ、IIの無限増倍率の燃焼に伴う変化を模式的に示したものである。この燃料集合体は約４サイクル使用されると仮定している。可燃性毒物が存在しない場合の無限増倍率を図中に点線で示す。

この場合は、１，２，３，４サイクル目の燃料の無限増倍率がすべて燃焼とともに低下していくので、サイクル初期は極めて多数の制御棒を挿入する必要があり、また運転中次々と制御棒を引き抜いていく必要が生じる。可燃性毒物をペレットに混入すると、可燃性毒物が熱中性子を吸収するため無限増倍率を下げることができる。

可燃性毒物は熱中性子を吸収することにより失われていき、無限増倍率の低下効果も小さくなっていく。可燃性毒物の濃度を変化させることにより、ほぼ完全に可燃性毒物が失われる（燃え尽きる）時期を調節することができる。初期の無限増倍率の低下量は可燃性毒物入りペレット個数に依存する。通常、可燃性毒物が燃え尽きる時期は１サイクル目末期としている。

そして、初期の無限増倍率の低下量を適切に設定することにより、２，３，４サイクル目燃料の無限増倍率の燃焼に伴う減少を１サイクル目燃料の無限増倍率の燃焼に伴う増加が補償し、炉心の反応度をほぼ一定に保つことができ、使用する制御棒の本数とその挿入深さをほぼ一定として運転することができる。

図８に示す燃料集合体の上下端部は可燃性毒物が存在しないが、この部分は中性子の漏れが大きく、またウラン235 含有量の小さい天然ウランを使用しているため、出力が低く燃料全体の特性に及ぼす効果は少ない。上下端部に可燃性毒物を入れないのは、あえてこの部分の出力を抑える必要がないからである。

なお、以上の可燃性毒物についての説明は平衡状態に達した炉心に使用する取替燃料についてのものである。初装荷炉心に使用する初装荷燃料でも、炉心全体の反応度を適切に制御するために可燃性毒物を使用しているが、可燃性毒物が１サイクル目末期に燃え尽きるとは限らないなど違いがある。

沸騰水型原子炉において、原子炉運転中に遵守すべき燃料に対する熱的制限条件の一つに最小限界出力比がある。限界出力とは沸騰遷移、すなわち核沸騰を超えた状態となる燃料集合体出力をいい、限界出力比は次式で定義される。

（限界出力比）＝（限界出力）／（燃料集合体発生出力）
炉心内に装荷されている各々の燃料集合体についての限界出力比のうち、最小のものが最小限界出力比と呼ばれ、燃料棒のバーンアウトに対する熱的余裕の尺度として用いられている。

沸騰遷移を起こす燃料集合体出力が限界出力であるが、限界出力となってもすべての燃料棒が沸騰遷移を起こすわけではない。１本でも沸騰遷移を起こしやすい燃料棒があれば、燃料集合体の限界出力が小さくなってしまう。

また、一部の燃料棒が沸騰遷移を非常に起こし難くても、燃料集合体の限界出力の観点からは意味がない。一部の燃料棒が可燃性毒物入りペレットを装填している燃料集合体では、可燃性毒物入りペレットを装填した燃料棒は沸騰遷移を起こしにくいが、他の燃料棒は沸騰遷移を起こしやすいという課題がある。

燃料棒表面での沸騰遷移の起こりやすさには、その燃料棒の出力のほか、スペーサのように冷却材の流れに影響を与える部材の形状など影響する要因が多く、現時点では厳密に評価するには実験に頼るしかない。

ただし、ここでは燃料部材の細かい構造にとらわれない一般的な議論を行うために、燃料棒の出力を使う。沸騰遷移が起こる可能性があるのはボイド率の高い燃料集合体の上部であるが、燃料棒全体の出力を使うのは、沸騰遷移の起こりやすさに大きく影響する冷却材のクオリティ（気相と液相の割合）には上流側、すなわち燃料棒の下方向の出力が問題となるからである。

図10は、図８の燃料集合体の燃料棒の出力を平均を１としたときの各燃料棒の相対出力を表わしたものである。図10（ａ）は燃焼度０（図９のＡ点）のもの、図10（ｂ）はガドリニアが燃え尽きた燃焼度（図９のＢ点）のものである。ガドリニア入りペレットを装填した燃料棒の値には○印をつけている。燃料集合体の軸方向出力分布は、上下端が低く中央部が高いものと仮定している。なお、図９は図８における燃料棒の可燃性毒物の無限増倍率への影響を、燃焼度との関係で示している。

まず、図10（ａ）において、燃料集合体最外周の燃料棒の出力が高いのが目につくが、これはチャンネルボックス７の外側の非沸騰水からの熱中性子の供給が多いからである。ただし、非発熱のチャンネルボックス７の内面に沿ってクオリティの低い（液相の多い）冷却材の流れがあり、この冷却材流の一部が燃料集合体最外周の燃料棒表面に供給されるので、出力の割には沸騰遷移は起こりにくい。同様のことは、程度は小さいがウォータロッドに隣接する燃料棒についても言える。

また、短尺燃料棒の出力が低いことも確認できる。これは、燃料棒の発熱部の長さが短いことによる。短尺燃料棒はボイド率の低い下部に位置していることもあり、その表面で沸騰遷移が起こる可能性は極めて低い。

図10（ａ）では、ガドリニア入りペレットを装填した燃料棒は、熱中性子をガドリニアが吸収してしまうため、出力が他の燃料棒にくらべ極端に低い。また、図10（ｂ）でもガドリニア入りペレットを装填した燃料棒の出力が低いが、これはウラン235 の濃縮度を低くしたためである。

ガドリニア入りペレットのウラン235 の濃縮度を低く設定することは、多くの設計で採用されているが、その目的は、ペレットにガドリニアを混ぜた場合の熱伝導度の低下、融点の低下が起こり熱機械的特性が悪化するので、ガドリニアが燃え尽きた後でも出力を低く抑え、熱機械的特性の余裕を十分に確保することにある。

このように、可燃性毒物入りペレットを装填した燃料棒の出力は低いので、相対的に他の燃料棒の出力は高く、その表面で沸騰遷移が起こりやすくなり、燃料集合体の限界出力が低くする。可燃性毒物入りペレットを装填した燃料棒は出力が低く、その表面で沸騰遷移が起こる可能性は非常に低いのであるが、このことは燃料集合体の限界出力には何ら寄与していない。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、一部の燃料棒の出力が過度に低いために、相対的に他の燃料棒の出力が上昇して、その表面での沸騰遷移が起こりやすくなって限界出力が低下するのを防止し、もって、多数の燃料棒の限界出力特性を向上し得る燃料集合体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明に係る燃料集合体は、可燃性毒物入りペレットが装填された燃料棒を含む多数本の燃料棒を正方格子状に配列し内部を水が流れる２つのウォータロッドを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記多数本の燃料棒はその有効長において可燃性毒物入り燃料ペレットが装填されていない長尺燃料棒と短尺燃料棒および被覆管内の少なくとも軸方向の一部に可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒から構成され、前記可燃性毒物入り燃料ペレットが装填されていない長尺燃料棒は前記燃料集合体の最外周部と、前記２つのウォータロッドの双方に隣接する位置に配置されるとともに、前記短尺燃料棒は最外周から２層目に配置され、前記可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒は、前記最外周部と前記２つのウォータロッドの双方に隣接する位置を除く位置に配置されることを特徴とする。

また、本願発明に係る燃料集合体は、可燃性毒物入り燃料棒を含む多数本の燃料棒を正方格子状に配列し内部を水が流れる角筒状のウォータロッドを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記燃料集合体の最外周部の燃料棒と、前記ウォータロッドの各辺に隣接する燃料棒と、最外周から２層目の燃料棒の複数本は、被覆管内に可燃性毒物入りペレットを装填しておらず、前記可燃性毒物入りペレットを装填していない燃料棒が配置された位置を除く位置に配置された燃料棒は被覆管内の少なくとも軸方向の一部に可燃性毒物入りペレットを装填してなることを特徴とする。

また、本願発明に係る燃料集合体は、可燃性毒物入りペレットが装填された燃料棒を含む多数本の燃料棒を正方格子状に配列し内部を水が流れる２つのウォータロッドを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記多数本の燃料棒はその有効長において可燃性毒物入り燃料ペレットが装填されていない長尺燃料棒と、可燃性毒物入り燃料ペレットが装填された短尺燃料棒と、被覆管内の少なくとも軸方向の一部に可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒から構成され、前記燃料集合体の最外周部の燃料棒は被覆管内に前記可燃性毒物入り燃料ペレットを装填していない長尺燃料棒からなり、前記２つのウォータロッド双方に隣接する燃料棒は被覆管内に軸方向の全長に可燃性毒物入りペレットを装填した長尺燃料棒からなり、前記短尺燃料棒は最外周から２層目に配置されるとともに、前記最外周部の燃料棒、前記２つのウォータロッド双方に隣接する燃料棒及び前記短尺燃料棒が配置された位置を除く位置に配置された燃料棒は、被覆管内の軸方向中央より下方または上方に可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒からなることを特徴とする。

本発明によれば、多数本の燃料棒の出力を平均化して、特定の燃料棒の沸騰遷移が高くなることによって生じる限界出力の低下を防止して、限界出力特性の高い燃料集合体を提供することができる。

（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態の燃料棒配置図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。 （ａ）は図１の燃料集合体における燃料棒の燃焼度０の場合の相対出力図、（ｂ）はガドリニアが燃え尽きた燃焼度の場合の相対出力図。 （ａ）は本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態の燃料棒配置図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。 （ａ）は本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態の燃料棒配置図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。 （ａ）は本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態の燃料棒配置図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。 （ａ）は従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の一例を一部切り欠いて示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図。 （ａ）は図６における燃料集合体の長尺燃料棒を一部断面で示す立体図、（ｂ）は同じく短尺燃料棒を一部断面で示す立体図。 （ａ）は従来の燃料集合体の燃料棒配置図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布図。 図８における燃料棒の可燃性毒物の無限増倍率への影響を示す特性図。 （ａ）は従来の燃料集合体の燃料棒の燃焼度０の場合の相対出力図、（ｂ）はガドリニアが燃え尽きた燃焼度の場合を示す相対出力図。

（第１の実施の形態）
図１および図２により本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る燃料集合体の構造は図６（ａ）〜（ｃ），燃料棒の構造は図７（ａ），（ｂ）で示したものと本質的に変るものではないので、これらの説明は省略する。

図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を説明するための図で、図１（ａ）はチャンネルボックス７内の燃料棒とウォータロッドの配置を示した横断面図、図１（ｂ）は燃料棒内のペレットの軸方向分布図で、図１（ａ）は図８（ａ）に対応し、図１（ｂ）は図８（ｂ）に対応し、図１中、図８と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。

本実施の形態が従来例と異なる点は、図８に示した従来の燃料集合体に比較して最高濃縮度のペレットを装填した燃料棒Ｎ１の本数を16本減らし、かつほぼ全長に渡ってガドリニア入りペレットを装填した燃料棒Ｇを除去し、その代りに、それらの燃料棒に装填しているペレットを組合わせて部分的にガドリニア入りペレットを装填した燃料棒Ｇ１とＧ２を16本ずつ設けたことにある。

なお、その他の燃料棒Ｎ２〜Ｎ５とＶには変更はない。本実施の形態の燃料集合体と従来の燃料集合体は、燃料集合体平均のウラン235 濃縮度、使用しているガドリニアの量は全く同じである。

ガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ１，Ｇ２の水平方向の位置を基準として図１の燃料集合体を軸方向に領域分けをすると、４つの領域に分けられる。領域Ｉと領域IIでのガドリニア入りペレットの配置が全く異なり、ガドリニア入りペレットのウラン235 濃縮度は領域Ｉ、領域IIにおいて最高ではない。

燃料集合体全体では部分的にガドリニア入りペレットを装填した燃料棒が32本あり、最外周部とウォータロッドに隣接する部分以外の長尺燃料棒すべてがガドリニア入りペレットを装填した燃料棒となっている。

図２は、図１の燃料集合体の燃料棒の出力を平均を１とした相対出力で表わしたものである。図２（ａ）は燃焼度０のもの、図２（ｂ）はガドリニアが燃え尽きた燃焼度のものである。図２（ａ），（ｂ）中○で囲んだ部分はガドリニア入りペレットを装填したガドリニア入り燃料棒である。図２を図10と比較すると、ガドリニア入りペレットを装填した燃料棒32本の出力の低下が適度であり、ガドリニアを含まない燃料棒と比べて極端に出力が低下する現象が回避されていることがわかる。

最外周の燃料棒とウォータロッド２本に隣接する燃料棒は、熱中性子の供給が多い位置にあり、ガドリニア入りペレットを装填していないので出力が高いが、チャンネルボックス内面やウォータロッド外面からのクオリティの低い冷却材の供給があるため沸騰遷移は起こりにくい。それ以外の燃料棒の出力の最大値を図２と図10で比較すると、図２のほうが低くなっている。特に燃焼度０の時点では効果が大きい。本実施の形態によれば、沸騰遷移の起こる可能性の高い位置の燃料棒の出力の最大値を抑制することができ、燃料集合体の限界出力が向上する。

（第２の実施の形態）
つぎに図３（ａ），（ｂ）により本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態を説明する。図３（ａ）は燃料集合体内の燃料棒の配置を示した横断面図、図３（ｂ）は燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布を示す図である。

本実施の形態に係る燃料集合体が、図１や図８に示した燃料集合体と異なる点は、チャンネルボックス７内に配列する短尺燃料棒Ｖの長さと位置が異なっていることにある。すなわち、短尺燃料棒Ｖを最外周の中央の（１，５）位置と最外周から３層目の（３，３）位置およびこれらの対称位置に設け、短尺燃料棒Ｖは従来例よりも短くなっている。

ガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ１〜Ｇ３のうち外周から２層目のコーナー位置に配置される燃料棒Ｇ１を除いた、燃料棒Ｇ２，Ｇ３の水平方向の位置を基準として図３の燃料集合体を軸方向に領域分けをすると、４つの領域に分けられる。領域Ｉと領域IIでのガドリニア入り長尺燃料棒の配置は外周から２層目のコーナー位置を除いて異なり、ガドリニア入り長尺燃料棒のウラン235 濃縮度は領域Ｉ、領域IIにおいて最高ではない。

ガドリニア入りペレットを装填したガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ１〜Ｇ３は３種類、計28本であり、最外周とウォータロッド６に隣接する部分を除く位置の長尺燃料棒はすべてガドリニア入りペレットを装填した燃料棒となっている。軸方向のほぼすべてにわたってガドリニア入りペレットを装填した燃料棒Ｇ１は、外周から２層目のコーナー位置に配置している。

外周から２層目のコーナー位置は、チャンネルボックス７の外部の非沸騰水からの熱中性子の影響が、燃料集合体最外周に次いで大きく、燃料棒の出力が高くなりやすい。しかし、チャンネルボックス７に隣接してはいないので、チャンネルボックス７の内面を流れるクオリティの低い（液相の多い）冷却材の流れの供給はない。このためこの位置は、沸騰遷移が最も起こりやすくなっている。

本実施の形態では、沸騰遷移が最も起こりやすい位置の長尺燃料棒に軸方向のほぼすべてにわたってガドリニア入りペレットを装填して出力を特に低くしている。また、その次に沸騰遷移を起こしやすい位置の長尺燃料棒には、軸方向の一部分にガドリニア入りペレットを装填して出力をある程度下げている。このようにして、限界出力の観点から望ましい燃料棒出力分布を作り出している。

（第３の実施の形態）
つぎに図４（ａ），（ｂ）により本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態を説明する。図４（ａ）はチャンネルボックス７内の燃料棒の配置を示した横断面図、図４（ｂ）は燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布を示す図である。ウォータロッド６は角筒状のものが１本であり、燃料棒は有効長がすべて同じで72本ある。

ガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ１〜Ｇ３のうち外周から２層目のコーナー位置に配置される燃料棒Ｇ１を除いた、燃料棒Ｇ２，Ｇ３の水平方向の位置を基準としてこの燃料集合体を軸方向に領域分けをすると、４つの領域に分けられる。

領域Ｉと領域IIでのガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ１〜Ｇ３の配置は外周から２層目のコーナー位置を除いて異なり、ガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ１〜Ｇ３のウラン235 濃縮度は領域Ｉ、領域IIにおいて最高ではない。

最外周部とウォータロッド６に隣接する部分以外にもガドリニア入りペレットを装填していない燃料棒がある。これらの燃料棒についてはウラン235 濃縮度が最高の燃料棒Ｎ１ではなく、やや濃縮度の低い燃料棒Ｎ２を使用して、ある程度出力を下げている。

本実施の形態によれば、軸方向のほぼすべてにわたってガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ１、軸方向の一部分にガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ２とＧ３、ガドリニア入りペレットは装填していないが濃縮度のやや低いガドリニアなし燃料棒Ｎ２を、最外周部とウォータロッドに隣接する部分以外の位置に適宜配置して、限界出力の観点から望ましい燃料棒出力分布を作り出すことができる。

（第４の実施の形態）
つぎに図５（ａ），（ｂ）により本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態を説明する。

図５（ａ）はチャンネルボックス７内の燃料棒とウォータロッド６の配置を示した横断面図、図５（ｂ）は燃料棒内の燃料ペレットの軸方向分布を示す図である。図５（ａ），（ｂ）中、Ｎはガドリニアなし長尺燃料棒、Ｇ１〜Ｇ３はガドリニア入り長尺燃料棒、ＶＧはガドリニア入り短尺燃料棒である。燃料棒内ペレットの核燃料物質としてはウランとプルトニウムを混合酸化物（以下ＭＯＸ燃料と記す）のペレットとして装填している。可燃性毒物はガドリニアである。プルトニウム富化度やウラン235 濃縮度は、本実施の形態の説明に必要ではないので、図５ではプルトニウム富化度やウラン235 濃縮度でペレットや燃料棒を区別していない。

ＭＯＸ燃料は、中性子スペクトルが硬くなり、ガドリニウムの中性子吸収量が減り、無限増倍率の低減効果が小さくなる特長がある。このため、ＭＯＸ燃料ではガドリニア入りペレットの数を増加する必要がある。ガドリニウムの中性子吸収量が減少するわけであるから、ガドリニア入りペレット中のガドリニア濃度は低くする。

ガドリニア入り長尺燃料棒Ｇ１〜Ｇ３の水平方向の位置を基準として、図５の燃料集合体を軸方向に領域分けをすると、３つの領域に分けられる。領域Ｉでの水平断面では66個所の燃料棒のうち22個所に、領域IIでの水平断面では74個所の燃料棒のうち22個所に、領域III での水平断面では66個所の燃料棒のうち14本個所にガドリニア入りペレットを装填している。

軸方向の少なくとも一部にガドリニア入りペレットを装填した燃料棒は42本であるが、軸方向のほぼ全長にガドリニア入りペレットを装填した長尺燃料棒に換算すると約22本でありウラン燃料の場合より多いことがわかる。

本実施の形態によれば、最外周部以外のすべての燃料棒の軸方向の少なくとも一部にガドリニア入りペレットを装填することにより、必要なガドリニア入り燃料棒本数の多いＭＯＸ燃料でも、適切な燃料棒出力分布よる限界出力の向上を図ることができる。

１…燃料集合体、２…長尺燃料棒、３…短尺燃料棒、４…上部タイプレート、５…下部タイプレート、６…ウォータロッド、７…チャンネルボックス、８…スペーサ、９…外部スプリング、10…燃料ペレット、11…被覆管、12…上部端栓、13…下部端栓、14…プレナム、15…スプリング。

Claims (9)

1. 可燃性毒物入りペレットが装填された燃料棒を含む多数本の燃料棒を正方格子状に配列し内部を水が流れる２つのウォータロッドを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
   前記多数本の燃料棒はその有効長において可燃性毒物入り燃料ペレットが装填されていない長尺燃料棒と短尺燃料棒および被覆管内の少なくとも軸方向の一部に可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒から構成され、
   前記可燃性毒物入り燃料ペレットが装填されていない長尺燃料棒は前記燃料集合体の最外周部と、前記２つのウォータロッドの双方に隣接する位置に配置されるとともに、前記短尺燃料棒は最外周から２層目に配置され、
   前記可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒は、前記最外周部と前記２つのウォータロッドの双方に隣接する位置を除く位置に配置されることを特徴とする燃料集合体。
2. 前記可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒を軸方向に２つの領域に分けた場合、第１の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している長尺燃料棒は第２の領域では可燃性毒物入りペレットを装填しておらず、またその逆に前記第２の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している長尺燃料棒は前記第１の領域では可燃性毒物入りペレットを装填しないことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
3. 可燃性毒物入り燃料棒を含む多数本の燃料棒を正方格子状に配列し内部を水が流れる角筒状のウォータロッドを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
   前記燃料集合体の最外周部の燃料棒と、前記ウォータロッドの各辺に隣接する燃料棒と、最外周から２層目の燃料棒の複数本は、被覆管内に可燃性毒物入りペレットを装填しておらず、
   前記可燃性毒物入りペレットを装填していない燃料棒が配置された位置を除く位置に配置された燃料棒は被覆管内の少なくとも軸方向の一部に可燃性毒物入りペレットを装填してなることを特徴とする燃料集合体。
4. 前記燃料集合体の最外周から２層目のコーナー位置にある可燃性毒物入りペレットが装填された燃料棒を除く可燃性毒物入りペレットが装填された燃料棒を、燃料集合体水平断面における可燃性毒物入り燃料棒の存在する位置を基準として軸方向に２つの領域に分けた場合、前記可燃性毒物入り燃料棒が存在する領域のうち、第１の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している燃料棒は第２の領域では可燃性毒物入りペレットを装填しておらず、またその逆に第２の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している燃料棒は第１の領域では可燃性毒物入りペレットを装填しないことを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。
5. 前記第１の領域および第２の領域の可燃性毒物入り燃料棒のペレットは、核分裂性物質の濃度について、それぞれ前記第１の領域および第２の領域の燃料集合体の燃料棒のペレット中最大ではないことを特徴とする請求項２または４記載の燃料集合体。
6. 前記第１の領域は前記第２の領域より上方に位置し、かつ前記第２の領域の上端は燃料集合体の軸方向中央より上方にあることを特徴とする請求項２、４または５記載の燃料集合体。
7. 可燃性毒物入りペレットが装填された燃料棒を含む多数本の燃料棒を正方格子状に配列し内部を水が流れる２つのウォータロッドを有する沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
   前記多数本の燃料棒はその有効長において可燃性毒物入り燃料ペレットが装填されていない長尺燃料棒と、可燃性毒物入り燃料ペレットが装填された短尺燃料棒と、被覆管内の少なくとも軸方向の一部に可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒から構成され、
   前記燃料集合体の最外周部の燃料棒は被覆管内に前記可燃性毒物入り燃料ペレットを装填していない長尺燃料棒からなり、
   前記２つのウォータロッド双方に隣接する燃料棒は被覆管内に軸方向の全長に可燃性毒物入りペレットを装填した長尺燃料棒からなり、
   前記短尺燃料棒は最外周から２層目に配置されるとともに、前記最外周部の燃料棒、前記２つのウォータロッド双方に隣接する燃料棒及び前記短尺燃料棒が配置された位置を除く位置に配置された燃料棒は、被覆管内の軸方向中央より下方または上方に可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒からなることを特徴とする燃料集合体。
8. 前記２つのウォータロッド双方に隣接する可燃性毒物入りペレットが装填された長尺燃料棒を除く可燃性毒物入りペレットが装填された燃料棒を、燃料集合体水平断面における可燃性毒物入り燃料棒の存在する位置を基準として軸方向に上下２つの領域に分けた場合、上方の第１の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している長尺燃料棒は第２の領域では可燃性毒物入りペレットを装填しておらず、またその逆に下方の第２の領域で可燃性毒物入りペレットを装填している長尺燃料棒及び短尺燃料棒は前記第１の領域では可燃性毒物入りペレットを装填していないことを特徴とする請求項７記載の燃料集合体。
9. 前記第２の領域の上端は燃料集合体の軸方向中央より上方にあることを特徴とする請求項８記載の燃料集合体。

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