JP4812890B2

JP4812890B2 - 燃料集合体

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Inventors: 岳光安; 肇男青山; 哲士日野
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Description

本発明は、燃料集合体に係り、特に、沸騰水型原子炉に用いるのに好適な燃料集合体に関する。

沸騰水型原子炉の炉心には、四角筒であるチャンネルボックス内に燃料バンドルを収納して構成される燃料集合体が多数配置されている。各燃料バンドルは、ウランを含む複数の燃料ペレットを封入した多数の燃料棒、燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート、燃料棒の下端部を支持する下部タイプレート、および燃料棒間の間隔を保持する燃料スペーサを有する。この炉心は、燃料集合体間に挿入される制御棒、および燃料ペレットに含まれる可燃性毒物によって余分に発生した中性子を吸収し、これにより運転期間を通じて臨界状態を維持している。可燃性毒物としては、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。可燃性毒物を含む燃料棒を備えた燃料集合体としては、例えば、特開平１０−１７０６７４号公報に記載されているように、ガドリニア含有ウラン燃料棒を有する燃料集合体が知られている。

このような可燃性毒物による反応度抑制挙動の一例を以下に説明する。ガドリニアを含む燃料棒を有する燃料集合体の無限増倍率の燃焼度に対する変化の一例を、図３に実線で示す。横軸は燃焼度を、縦軸は無限増倍率を示している。また、比較のために、可燃性毒物を含む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３に実線で示すように、無限増倍率は、燃焼度が増大して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。この特性は、可燃性毒物を含む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、可燃性毒物を含む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する。逆に、その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。また、燃料棒に含まれ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る。その濃度が増大すれば、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る。逆に、可燃性毒物の濃度が減少すれば、無限増倍率の最大値を増加させることができる。可燃性毒物入り燃料棒の本数の増減および可燃性毒物濃度の増減を組み合わせることにより、炉心の余剰反応度および軸方向出力分布を適切に制御することが可能となる。

沸騰水型原子炉の運転中における反応度は、一般的に、炉心流量および給水温度と制御棒により制御される。沸騰水型原子炉では、運転中において炉心流量を減少させることにより炉心内の冷却材のボイドが増大し、原子炉出力が低下する。逆に、炉心流量を増大することにより炉心内の冷却材のボイドが減少し、原子炉出力を上昇させることができる。
また、給水温度を低下させることで炉心流量を増大したことと同等の効果が得られる。給水温度を上昇させることで炉心流量を低下させたことと同等の効果が得られる。炉心流量及び給水温度による反応度制御幅は、炉心のボイド率変化幅と燃料集合体のボイド反応度係数に依存しており、燃料集合体のボイド反応度係数を負側に増大させることで反応度制御幅を拡大できる。一般に、炉心の反応度制御幅を拡大することにより燃料集合体の取り出し燃焼度を増大させ、燃料経済性を向上できる。

特開昭５８−２１６９８９号公報の第５図及び第７図に示された各燃料集合体は、最外層のコーナー部に、ガドリニア含有ウラン燃料棒を配置している。ガドリニア含有ウラン燃料棒は、原子炉の運転時における燃料集合体横断面の出力分布制御に着目し、中性子スペクトルが柔らかく、局所出力ピークが増大する最外層に配置している。このため、燃料集合体の横断面における出力分布が平坦化される。また、そのようなガドリニア含有ウラン燃料棒の配置は、炉停止時において出力が高くなる最外周の燃料棒の出力を低減することができる。第７図に示す燃料集合体は、水ロッドに隣接してガドリニア含有ウラン燃料棒を配置している。

特開２０００−９８７０号公報は、各燃料物質としてウラン酸化物およびプルトニウム酸化物を混合した混合酸化物（ＭＯＸ）を含むＭＯＸ燃料集合体を記載している。このＭＯＸ燃料集合体は、ガドリニア含有ウラン燃料棒を、最外層のコーナー部に配置し、さらに水ロッドに隣接させて配置している。特許第３８７４４６号公報も、ガドリニア含有ウラン燃料棒を同様に配置したＭＯＸ燃料集合体を記載している。

特開昭６３−１３３０８６号公報は、ガドリニア含有ウラン燃料棒を有する燃料集合体を記載している。この燃料集合体は、ガドリニア含有ウラン燃料棒を水ロッドに隣接した位置及び最外層に配置している。最外層においては、各コーナーの両隣にガドリニア含有ウラン燃料棒をそれぞれ配置している。

特開平１０−１７０６７４号公報特開昭５８−２１６９８９号公報特開２０００−９８７０号公報特許第３８７４４６号公報特開昭６３−１３３０８６号公報

低コストに燃料経済性を向上するには炉心機器の変更を最小に抑えつつ反応度制御幅を向上させることが必要である。これを実現するために、発明者らは種々の検討を行った。
この結果、発明者らは、沸騰水型原子炉ではボイド率が制御可能であるために、炉心の安定性が許容される範囲において燃料集合体の負のボイド反応度係数を増大することが望ましいことを新たに見出した。発明者らは、さらに、その際において炉停止余裕を損なわないために、燃料集合体の高温−冷温の状態変化時の反応度変化率を従来と同等にする必要があることを見出した。

特開昭５８−２１６９８９号公報、特開昭６３−１３３０８６号公報、特開２０００−９８７０号公報および特許第３８７４４６号公報は、炉心の安定性が許容される範囲における燃料集合体の負のボイド反応度係数の増大、および炉心の高温−冷温の状態変化時における反応度の変化については着目していない。

本発明の目的は、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大を抑制でき、負のボイド反応度係数を増大することができる燃料集合体を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、ウランを含み可燃性毒物を含まない複数の第１燃料棒と、ウランおよび可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒と、水ロッドとを備え、燃料棒配列の最外層のコーナーに第２燃料棒を配置し、最外層において他の第２燃料棒をコーナーに配置した前記第２燃料棒に隣接して配置し、水ロッドに他の第２燃料棒を隣接して配置し、燃料集合体の燃料有効長をＬ、および燃料集合体の軸方向におけるこの燃料有効長Ｌの下端からの距離をｈとしたとき、第２燃料棒内の可燃性毒物充填領域を、Ｌ／８≦ｈ≦Ｌ／２となる領域に配置し、ｈ＝Ｌ／２で燃料有効長を上部領域と下部領域に分割したとき、最外層で隣接して配置された各記第２燃料棒は、下部領域の大部分で可燃性毒物を含んでおり、上部領域の大部分で可燃性毒物を含んでいなく、第２燃料棒が配置される最外層のコーナーを含む、燃料集合体の第２コーナー部は、燃料集合体が炉心に装荷されたときに制御棒と向かい合う第１コーナー部以外のコーナー部であり、第１コーナー部に配置される第２燃料棒の本数は、第２コーナー部に配置される第２燃料棒の本数よりも少なく、第１コーナー部では燃料棒配列の外側から二層目に、第２燃料棒を配置することにある。

燃料棒配列の最外層のコーナーに第２燃料棒を配置し、最外層において他の第２燃料棒をそのコーナーに配置した第２燃料棒に隣接して配置し、水ロッドに他の第２燃料棒を隣接して配置しているので、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大を抑制でき、負のボイド反応度係数を増大することができる。第２燃料棒内の可燃性毒物充填領域を、Ｌ／８≦ｈ≦Ｌ／２となる領域に配置しているので、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大をさらに抑制することができる。

本発明によれば、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大を抑制でき、負のボイド反応度係数を増大することができる。

本発明の好適な一実施例である、沸騰水型原子炉に適用する実施例１の燃料集合体の縦断面図である。図１に示す燃料集合体の横断面図である。ガドリニアを含む燃料集合体の無限増倍率の、燃焼度対する変化の一例を示した説明図である。ガドリニアを含まない燃料集合体にガドリニアを添加したときのボイド反応度係数の増大量と、燃料集合体の横断面の平均ウラン濃縮度の関係を示す特性図である。ガドリニアを含んでいない燃料集合体の出力が一定であると想定したとき、この燃料集合体に配置された各燃料棒の、原子炉運転時に対する冷温時での出力増加割合を示す説明図である。燃料集合体の中央部に配置された水ロッドが占める燃料棒の本数とこの水ロッドに隣接して配置される燃料棒の炉心冷温時における出力変化割合の関係を示す説明図である。各比較例の燃料集合体の横断面図である。他の比較例である燃料集合体の横断面図である。各燃料集合体における、燃焼度に対するボイド反応度係数の増大量の変化を示す説明図である。各燃料集合体Ａにおける、燃焼度に対する反応度変化率の増大率の変化を示す説明図である。炉心流量が１０％上昇したときの燃料集合体の軸方向におけるボイド率の変化を示す説明図である。本発明の他の実施例である実施例２の燃料集合体の横断面図である。本発明の他の実施例である実施例３の燃料集合体の横断面図である。本発明の他の実施例である実施例４の燃料集合体の縦断面図である。本発明の他の実施例である実施例５の燃料集合体の横断面図である。本発明の他の実施例である実施例６の燃料集合体の下部領域の横断面図である。本発明の他の実施例である実施例６の燃料集合体の中央領域の横断面図である。本発明の他の実施例である実施例６の燃料集合体の上部領域の横断面図である。本発明の他の実施例である実施例７の燃料集合体の横断面図である。図１９に示す燃料集合体に配置される各燃料棒のウラン濃縮度およびＧｄ濃度を示す説明図である。

前述したように、発明者らは、炉心機器の変更を最小に抑えつつ反応度制御幅を向上させる対応策について、種々の検討を行った。発明者らは、それらの検討の結果、炉心の安定性が許容される範囲において燃料集合体の負のボイド反応度係数を増大することが望ましいこと、および、その際において、炉停止余裕を損なわないために、燃料集合体の高温−冷温の状態変化時における反応度変化率を少なくとも従来と同等にする必要があることを新たに見出した。上記の検討結果を、具体的に説明する。

ガドリニアを含まない燃料集合体にガドリニアを添加したときのボイド反応度係数の増大量と、燃料集合体の横断面での平均ウラン濃縮度の関係を、図４に示す。一方で、ガドリニアは、燃料集合体の高温−冷温の状態変化時における反応度変化率を低減させる。ガドリニアは前述の反応度制御の観点から総量を大きく変化させることはできないが、燃料集合体内におけるガドリニア含有燃料棒の配置を変えることは可能である。

燃料集合体内の、ガドリニアを含まないウラン燃料棒は、中性子スペクトルが柔らかくなるにつれて出力が増大するため、ボイド反応度係数が大きく負である。これに対し、ガドリニアは中性子スペクトルが柔らかくなるにつれて中性子の吸収断面積が急激に増大する。このガドリニアの機能により、ボイド反応度係数が正側へシフトされるので、燃料集合体の負のボイド反応度係数が減少する。燃料集合体内のガドリニアを含むガドリニア含有燃料棒は、ガドリニアを含まないウラン燃料棒に比べて出力がボイド増大時に、出力低下が抑えられ、燃料集合体断面の負のボイド反応度係数を減少させる。

燃料集合体の横断面での平均濃縮度を３．７ｗｔ％以上にした場合には、ガドリニアは、ボイド率が低下して中性子スペクトルが柔らかくなるに従い、吸収の反応断面積が大きくなる。さらに、燃料集合体の平均濃縮度が増大するにつれて、炉心の余剰反応度を抑えるためにガドリニアの総量が増大する。したがって、ガドリニアの作用による負のボイド反応度係数の大きな減少は、図４に示すように燃料集合体の横断面での平均濃縮度３．７ｗｔ％以上でもたらされる。図４の特性に基づけば、燃料集合体の横断面での平均濃縮度が約３．７ｗｔ以上になると、ボイド反応度係数が正側に増大する、すなわち、負のボイド反応度係数が減少する。

そこで、発明者らは、ガドリニア含有燃料棒による負の反応度係数の減少、特に、燃料集合体の横断面での平均濃縮度３．７ｗｔ％以上で生じる、ガドリニア含有燃料棒による負の反応度係数の大きな減少に対処するため、下記に示す第一および第二の対策を行うことを新たに考え付いた。これらの対策によって、実効的なガドリニアの量を低減することにより負のボイド反応度係数を増大することができた。なお、燃料集合体の横断面での平均濃縮度は、１０．０ｗｔ％以下にすることが望ましい。

第一の対策は、複数の可燃性毒物含有燃料棒、例えば、複数のガドリニア含有燃料棒を隣接して配置することである。このようなガドリニア含有燃料棒の配置によって、周囲のエネルギーの低い中性子が吸収されることで中性子スペクトルが硬くなるため、ガドリニア含有燃料棒を単独で配置するよりも吸収反応が抑制される。このため、燃料集合体における実効的なガドリニアの量を低減することができる。

第二の対策は、可燃性毒物含有燃料棒、例えば、ガドリニア含有燃料棒を、チャンネルボックスに隣接する、燃料棒の正方格子配列の最外層で少なくとも一つのコーナー（望ましくは四つのコーナー）の位置または燃料棒配列の最外層にあってコーナーに隣接する位置、および水ロッドの周囲で中性子スペクトルの柔らかい位置に配置することである。このようなガドリニア含有燃料棒の配置によって、ガドリニアの吸収断面積が大きくなり、中性子の吸収が燃料ペレットの外周部でほとんど起こるために中性子が燃料ペレットの中心部に到達しにくくなる。この結果、燃料集合体は、実効的なガドリニアの量が低減された状態になる。さらに、沸騰水型原子炉のチャンネルボックス相互間に形成されたギャップ領域、および水ロッド内では、原子炉の運転時においてボイド率変化がほとんど無いために、燃料集合体の横断面における最外層および水ロッド付近に配置されたそれぞれの燃料棒の周囲における実効的なボイド率変化が小さくなる。したがって、燃料集合体の横断面における最外層、および水ロッド付近に配置されたガドリニア含有燃料棒の、燃料集合体横断面のボイド反応度係数に対する正側への寄与を低減させることができる。結果として、燃料集合体の負のボイド反応度係数を増大させることができる。

ところで、ガドリニアは、燃料集合体の高温−冷温の状態変化時の反応度変化率を低減させる機能を有する。上記したように、燃料集合体内の実効的なガドリニアの量が低減されることによって、高温−冷温の状態変化時の反応度変化率が大きくなり、炉停止余裕が低下する。原子炉の運転時（高温状態時）および原子炉の冷温時における、ガドリニアを含んでいない燃料集合体の出力が一定であると想定したとき、この燃料集合体に配置された各燃料棒の、原子炉運転時に対する冷温時での出力増加割合、すなわち、高温−冷温の状態変化時におけるその燃料集合体の局所出力ピークの変化割合を、図５に示す。燃料集合体の一つのコーナーは制御棒ＣＲと向かい合っている。ガドリニアを含まない燃料集合体では、チャンネルボックスに隣接する最外層に配置された燃料棒および水ロッド付近に配置された燃料棒の、炉心冷温時における出力が著しく増大する。燃料棒４本分の太径水ロッドＷＲを２本用いた場合には、燃料集合体の横断面の四つのコーナーに配置された燃料棒、および水ロッドＷＲに隣接する中央部に位置する燃料棒のそれぞれの出力の増加割合は、ほぼ等しい。

燃料集合体の中央部に配置された水ロッドが占める燃料棒の本数とこの水ロッドに隣接して配置される燃料棒の炉心冷温時における出力変化割合の関係を、図６に示す。横断面積が１本の燃料棒のそれと同じである水ロッドを配置することによって、その水ロッドの周囲における冷温時の出力は著しく増大する。横断面積が燃料棒１本分よりも大きくなった水ロッド、例えば、横断面積が燃料棒４本分の水ロッドを配置することによって、水ロッドの周囲における冷温時の出力はさらに増大する。この結果、チャンネルボックスに隣接する最外層、特に四つのコーナーの位置またはコーナーに隣接する位置、および水ロッドに隣接する位置のそれぞれに、ガドリニア含有燃料棒を配置することにより、炉心冷温時における出力を低減することができる。特に、燃料棒４本分の横面積を占有する太径水ロッドを中央部に配置した場合には、燃料集合体内外において出力をバランスよく低減することが可能である。さらに、スペクトルが柔らかいために燃料集合体の横断面の平均燃焼度よりも燃焼が進む最外層の燃料棒の燃焼を抑制できるため、その横断面内での各燃料棒の燃焼度のばらつきを小さくし、効率の良い燃焼によってウランを節約することができる。

本発明の第１燃料集合体に対する比較例である燃料集合体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦを、図７および図８に示す。これらの燃料集合体は、いずれも、燃料棒を１０行１０列の正方格子に配置し、横断面中央部に２本の水ロッドＷＲを配置した構成を有する。水ロッドＷＲは、燃料棒が４本配置可能な領域を占有している。

本発明の第１燃料集合体は、ウランを含み可燃性毒物を含まない複数の第１燃料棒、ウランおよび可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒、および水ロッドを備え、燃料棒配列の最外層のコーナーに第２燃料棒を配置し、最外層において他の第２燃料棒をそのコーナーに配置した第２燃料棒に隣接して配置し、水ロッドに他の第２燃料棒を隣接して配置した構成を有する。

燃料集合体Ａ（図７参照）は、基準となる従来の燃料集合体であり、複数のガドリニア含有ウラン燃料棒Ｇを、燃料棒配列の外側から二層目およびこの二層目よりも内側に配置している。ガドリニア含有ウラン燃料棒Ｇは、燃料有効長の全長に亘ってガドリニアを含有している。ガドリニア含有ウラン燃料棒Ｇの一部は、水ロッドＷＲに隣接して配置される。ガドリニア含有ウラン燃料棒Ｇ以外は、ガドリニアを含まないウラン燃料棒Ｕである。燃料集合体Ｂ（図７参照）は、特開昭５８−２１６９８９号公報の第５図に記載された燃料集合体に相当し、複数のガドリニア含有ウラン燃料棒Ｇを燃料集合体の横断面のコーナー部で最外層に配置している。ガドリニア含有燃料棒Ｇは、水ロッドＷＲに隣接して配置されていない。燃料集合体Ｃ（図７参照）は、燃料集合体Ａにおけるガドリニア含有燃料棒Ｇの配置の思想を踏襲し、さらに部分長燃料棒を配置している。燃料集合体Ｃは、上部領域での横断面を示しており、燃料棒が図示されていない位置に複数の部分長燃料棒が配置されている。燃料集合体Ｄ（図７参照）は、燃料集合体Ｂにおけるガドリニア含有燃料棒Ｇの配置の思想を踏襲し、さらに部分長燃料棒を配置している。燃料集合体Ｄも、上部領域での横断面を示している。燃料集合体Ｅは、特開昭５８−２１６９８９号公報の第７図に記載された燃料集合体に相当し、複数のガドリニア含有ウラン燃料棒Ｇを燃料集合体の横断面のコーナー部で最外層に配置している。ガドリニア含有燃料棒Ｇの一部は、水ロッドＷＲに隣接して配置されている。燃料集合体Ｂはガドリニア含有燃料棒Ｇを最外層のコーナーに配置しているのに対し、燃料集合体Ｅはガドリニア含有燃料棒Ｇを最外層のそのコーナーに配置していない。燃料集合体Ａ〜Ｅで用いられるそれぞれのガドリニア含有燃料棒Ｇは、ガドリニアを、濃縮ウランを含む核燃料物質に混入している。

燃料集合体Ｆは、ＭＯＸ燃料集合体であり、複数のガドリニア含有燃料棒Ｇを、燃料集合体の横断面で最外層のコーナー、および水ロッドＷＲに隣接する位置に配置している。
この燃料集合体は、特開２０００−９８７０号公報の図２に記載された燃料集合体に相当し、概念的には特許第３８７４４６６号公報の図１に記載された燃料集合体にも相当している。燃料集合体Ｆに用いられるガドリニア含有燃料棒Ｇは、ガドリニアを混入した天然ウランを核燃料物質として充填している。残りの燃料棒は、混合酸化物を含むＭＯＸ燃料棒Ｍである。

発明者らは、本発明の第１燃料集合体、燃料集合体Ｂ，ＥおよびＦの各燃料集合体に対して、燃焼度によるボイド反応度係数の変化を検討した。この検討結果を図９に示す。図９に示す本発明の第１燃料集合体は、代表例として、後述する実施例１の燃料集合体１（図１参照）を示している。図９に示す各燃料集合体のボイド反応度係数の増大量は前述の燃料集合体Ａを基準にして示したものである。可燃性毒物（例えばガドリニア）が燃料集合体内に存在する期間、すなわち、原子炉の運転を開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間では、本発明の第１燃料集合体および燃料集合体Ｂの各ボイド反応度係数の増大量は、これら以外の燃料集合体のそれよりも極めて少なくなる。このため、本発明の第１燃料集合体および燃料集合体Ｂにおける負のボイド反応度係数が大きくなる。燃料集合体Ｆは、上記の期間では、ボイド反応度係数の増大量が大きく、本発明の第１燃料集合体とは逆に、負のボイド反応度係数が減少する。約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔを超えた可燃性毒物が消滅した期間では、本発明の第１燃料集合体が負のボイド反応度係数が最も大きくなるが、本発明の第１燃料集合体における負のボイド反応度係数は他の燃料集合体のそれとはあまり違いがなくなる。

さらに、発明者らは、図９に示す結果を考慮し、燃料集合体Ｆを除く残りの燃料集合体、すなわち、本発明の第１燃料集合体、燃料集合体Ｂおよび燃料集合体Ｅにおける、燃焼度の変化による高温−冷温時の反応度の変化について、検討を行った。図１０は、その結果を示し、燃焼度と反応度変化率の増大率の関係を、本発明の第１燃料集合体、燃料集合体Ｂおよび燃料集合体Ｅ毎に示したものである。図１０に示す本発明の第１燃料集合体も、後述する実施例１の燃料集合体１（図１参照）を代表として示している。本発明の第１燃料集合体は、可燃性毒物（例えばガドリニア）が燃料集合体内に存在する期間、すなわち、原子炉の運転を開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間での高温−冷温時の反応度変化率の増大率を、燃料集合体Ｂおよび燃料集合体Ｅのそれらよりもさらに５〜１０％抑えることができる。図１０に示す各燃料集合体の高温−冷温時の反応度変化率の増大率も前述の燃料集合体Ａを基準にして示している。

図９および図１０には、燃料集合体ＣおよびＤのボイド反応度係数の増大量および高温−冷温時の反応度変化率の増大率が示されていないが、燃料集合体ＣおよびＤは部分長燃料棒を有しているだけであるので、燃料集合体Ｃのボイド反応度係数の増大量および高温−冷温時の反応度変化率の増大率は、値は異なるが、燃料集合体Ａのそれらと同じ傾向を示す。また、燃料集合体Ｄのボイド反応度係数の増大量および高温−冷温時の反応度変化率の増大率は、値は異なるが、燃料集合体Ｂのそれらと同じ傾向を示す。

発明者らは、炉心流量が変化するときにおける燃料集合体の軸方向のボイド率の変化についても検討した。この検討結果を図１１に示す。負のボイド反応度係数を増大することにより反応度制御幅を増大させるためには、本発明の前述の特徴的な構成を燃料集合体の軸方向においてボイド率変化が大きくなる位置に適用するのが好ましい。燃料集合体の核燃料物質充填領域の軸方向における長さである燃料有効長をＬおよび燃料有効長Ｌの下端からの高さをｈとしたとき、図１１に示す特性によれば、ボイド率変化量が燃料集合体の軸方向における平均ボイド率変化量以上になる領域、すなわち、Ｌ／８≦ｈ≦Ｌ／２の領域に、本発明の前述の特徴的な構成を適用することが望ましい。このような配置によって、可燃性毒物含有燃料棒のＬ／８≦ｈ≦Ｌ／２の領域に可燃性毒物を配置するという最小の構成の変更で図９および図１０に示す効果を得ることができる。

発明者らは、さらに、検討することによって、第一の対策を実施せず第２の対策を実施することによって燃料集合体Ａよりも高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大を抑制でき、負のボイド反応度係数を増大することができる燃料集合体を創生することができた。この燃料集合体は、ウランおよび可燃性毒物を含む第２燃料棒が、それぞれ可燃性毒物を有する複数の第３燃料棒および複数の第４燃料棒を含んでおり、ウランを含み可燃性毒物を含まない上記の第１燃料棒が燃料棒配列の最外層のコーナーに配置され、第３燃料棒が最外層でコーナーに配置された第１燃料棒に隣接して配置され、第４燃料棒が水ロッドに隣接して配置され、燃料集合体の燃料有効長をＬ、および燃料集合体の軸方向におけるこの燃料有効長Ｌの下端からの距離をｈとし、ｈ＝Ｌ／２で燃料有効長を上部領域と下部領域に分割したとき、そのコーナーの第１燃料棒に隣接して配置された、最外層の第３燃料棒は、下部領域の大部分に可燃性毒物を含んでおり、上部領域の大部分に可燃性毒物を含んでいない、という構成を有する。この燃料集合体を便宜的に本発明の第２燃料集合体という。

本発明の第２燃料集合体は、下部領域の大部分（例えば、Ｌ／２４＜ｈ≦Ｌ／２）に可燃性毒物を有し、上部領域の大部分（例えば、１４Ｌ／２４＜ｈ）に可燃性毒物を有しない第３燃料棒を最外層のコーナーに配置された第１燃料棒の両隣で最外層に配置しているので、第３燃料棒の可燃性毒物充填領域が下部領域において中性子スペクトルの柔らかい位置に配置される。このため、下部領域では実効的なＧｄの量が低減された状態になる。
また、第３燃料棒が配置された、本発明の第２燃料集合体のコーナー部では、原子炉の運転時において実効的なボイド率変化が少なくなる。最外層のコーナーに配置された第１燃料棒の両隣にそれぞれ配置された各可燃性毒物領域の、第２燃料集合体の横断面におけるボイド反応度係数に対する寄与度を低減できる。結果として、本発明の第２燃料集合体は燃料集合体Ａに比べて負の反応度係数を増大させることができる。

本発明の第２燃料集合体は、上記のような第３燃料棒の配置および第４燃料棒の配置によって、炉心冷温時における出力を低減することができる。したがって、燃料集合体１Ｅの高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大を抑制できる。本発明の第２燃料集合体は、Ｌ／８≦ｈ≦Ｌ／２の領域を含むＬ／２よりも下方の領域で第二の対策を実施しているので、本発明の第１燃料集合体よりも、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大を抑制することができる。

本発明の第２燃料集合体に対する図９および図１０の特性について説明する。本発明の第２燃料集合体（例えば実施例６の燃料集合体１Ｅ）では、図９に示す負のボイド反応度係数の増大量は、原子炉の運転開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間において基準とする燃料集合体Ａよりも大きくなるが、特開昭６３−１３３０８６号公報の第１図に示された燃料集合体に相当する燃料集合体Ｅで生じる負のボイド反応度係数の増大量よりも小さくなる。本発明の第２燃料集合体において、負のボイド反応度係数の増大量が燃料集合体Ｅに比べて小さくなる理由は、燃料集合体の軸方向の一部に限定して第二の対策を実施しているからである。

本発明の第２燃料集合体では、図１０に示す反応度変化率の増大率、すなわち、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大が、原子炉の運転開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間において本発明の第１燃料集合体よりも抑制される。

本発明の第２燃料集合体では燃料集合体ＢおよびＥに対して原子炉の運転開始時の抑制効果は３％程度であるが、燃焼が進んで燃焼度が約１．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになると、燃料集合体ＢおよびＥに対して抑制効果を１５％に増大させることができる。このため、本発明の第２燃料集合体において炉心の運転開始時の高温−冷温時での反応度変化率を抑えるために、例えば実施例６で述べるように、高温−冷温時の反応度変化率が小さくなる可燃性毒物領域の配置（例えば燃料集合体Ａの可燃性毒物燃料棒の配置）を適用した領域を燃料集合体の軸方向の一部に適用する必要がある。これは、燃料集合体のコーナー部の最外層に配置された第３燃料棒の一部の領域（例えば上部領域の大部分）に可燃性毒物領域を配置しないことによって実現できる。
以上に述べたガドリニアを用いて検討して得られた結果は、ガドリニアの替りにサマリウムおよびユーロピウムを用いても得ることができる。

以上の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である、沸騰水型原子炉に適用する実施例１の燃料集合体を、図１および図２を用いて詳細に説明する。

本実施例の燃料集合体１は、複数の燃料棒２、上部タイプレート５、下部タイプレート６、複数の燃料スペーサ８、複数の水ロッドＷＲおよびチャンネルボックス７を備えている。燃料棒２は、複数の燃料ペレット（図示せず）を密封された被覆管（図示せず）内に充填している。下部タイプレート６は各燃料棒２の下端部を支持し、上部タイプレート５は各燃料棒２の上端部を保持する。これらの燃料棒２は、図２に示すように、燃料集合体１の横断面において１０行１０列に配置されている。その横断面の中央部には、燃料棒２が４本配置できる領域を占有する横断面積を有する水ロッドＷＲが２本配置されている。
これらの水ロッドＷＲの下端部は下部タイプレート６に支持され、それらの上端部は上部タイプレート５に保持される。複数の燃料スペーサ８は、燃料集合体１の軸方向において所定の間隔に配置され、燃料棒２の相互間、および燃料棒２と水ロッドＷＲの間に、冷却水が流れる流路を形成するように、燃料棒２および水ロッドＷＲを保持している。横断面が正方形状をしている角筒であるチャンネルボックス７は、上部タイプレート５に取り付けられ、下方に向かって伸びている。燃料スペーサ８によって束ねられた各燃料棒２は、チャンネルボックス７内に配置されている。なお、チャンネルボックス７の外幅は約１５ｃｍ、燃料棒２の外径は約１．０ｃｍ、および水ロッドＷＲの外径は約２．５ｃｍである。燃料集合体１内の燃料棒２は実施例２で述べる部分長燃料棒を含んでいない。水ロッドＷＲは、少なくとも２本の燃料棒２が配置可能な領域を占有する横断面積を有する太径水ロッドである。

燃料集合体１は、沸騰水型原子炉の炉心に装荷されたとき、一つのコーナーが炉心に挿入された横断面が十字形をしている制御棒ＣＲと向かい合うように配置される。チャンネルボックス７は、チャンネルファスナ（図示せず）によって上部タイプレート５に取り付けられる。チャンネルファスナは、燃料集合体１が炉心に装荷されたとき、制御棒ＣＲが燃料集合体１の相互間に挿入できるように、燃料集合体１の相互間に必要な幅の間隙を保持する機能を有する。このため、チャンネルファスナは、制御棒ＣＲと向かい合うコーナーに位置するように、上部タイプレート６に取り付けられている。燃料集合体１の制御棒ＣＲに向かい合うコーナー部は、換言すれば、チャンネルファスナが取り付けられたコーナー部である。

各燃料棒２内に充填される各燃料ペレットは、核燃料物質である二酸化ウランを用いて製造され、核分裂性物質であるウラン−２３５を含んでいる。燃料集合体１内の複数の燃料棒２は、ウランを含み可燃性毒物であるガドリニアを含まない複数の燃料棒（以下、ウラン燃料棒という）３、およびウランおよびガドリニアを含む複数の燃料棒（以下、可燃性毒物含有燃料棒という）４を含んでいる。可燃性毒物含有燃料棒４は、燃料ペレットがガドリニアを含んでいる。可燃性毒物含有燃料棒４以外は、ウラン燃料棒３である。９２本の燃料棒２のうち、７９本がウラン燃料棒３であり、残りの１３本が可燃性毒物含有燃料棒４である。燃料集合体１の横断面の平均濃縮度は、約４．６ｗｔ％である。すなわち、燃料集合体１は、燃料有効長の上端部及び下端部にブランケット領域を有し、上端部と下端部の両ブランケット領域の間に濃縮ウラン領域を有している。燃料集合体１は、濃縮ウラン領域の横断面における平均濃縮度が約４．６ｗｔ％である。両ブランケット領域は、濃縮ウランではなく天然ウランが充填されている。ブランケット領域にはガドリニアが含まれていなく、濃縮ウラン領域にはガドリニアが含まれている。このため、燃料集合体４は、燃料有効長のガドリニアを含む領域の横断面における平均濃縮度が約４．６ｗｔ％である。

可燃性毒物含有燃料棒４の燃料集合体１内での配置を、図２を用いて詳細に説明する。
可燃性毒物含有燃料棒４は、４つのコーナー部および水ロッドＷＲ付近に配置される。可燃性毒物含有燃料棒４は、制御棒ＣＲと向かい合っている１つのコーナーを通る第１の対角線を基準に対称になるように配置される。１０行１０列の燃料棒配列において、チャンネルボックス７の内面に隣接する最外層に、８本の可燃性毒物含有燃料棒４が配置され、外側から二層目に１本の可燃性毒物含有燃料棒４が配置されている。４本の可燃性毒物含有燃料棒４が２本の水ロッドＷＲに隣接して配置される。複数の可燃性毒物含有燃料棒を第１の対角線に対して対称になるように配置する理由は、制御棒ＣＲの炉心への挿入度合いが変化しても第１の対角線に対して対称な燃料集合体１の横断面の出力分布を形成するためである。

二層目に配置された１本の可燃性毒物含有燃料棒４は、第１の対角線上で制御棒ＣＲに向かい合ったコーナー部（第１コーナー部）に配置され、二層目のコーナーに位置している。第１の対角線上で制御棒ＣＲとは反対側、すなわち、第１コーナー部とは反対側に位置するコーナー部（第３コーナー部）には、２本の可燃性毒物含有燃料棒が配置され、これらの可燃性毒物含有燃料棒４は、最外層において、コーナーに位置するウラン燃料棒３に隣接して配置されている。第１の対角線と直交する他の対角線（第２の対角線）上に、第２コーナー部および第４コーナー部の２つのコーナー部が位置する。図２において、第２コーナー部は左下に位置するコーナー部であり、第４コーナー部は右上に位置するコーナー部である。第２および第４コーナー部には、最外層に配置される３本の可燃性毒物含有燃料棒４がそれぞれ存在する。これらの３本の可燃性毒物含有燃料棒４のうち、１本の可燃性毒物含有燃料棒４が最外層のコーナーに配置され、残りの２本の可燃性毒物含有燃料棒４が最外層においてそのコーナーに配置された可燃性毒物含有燃料棒４に隣接して配置されている。

水ロッドＷＲに隣接している４本の可燃性毒物含有燃料棒４のうち、２本の可燃性毒物燃料棒４は、２本の水ロッドＷＲの間に位置し、これらの水ロッドＷＲにそれぞれ隣接する。残りの２本の可燃性毒物含有燃料棒４は、外側から三層目に配置され、それぞれの水ロッドＷＲに別々に隣接している。２本の水ロッドＷＲは、第２の対角線上に配置される。

炉心内で、下部タイプレート６の下端から流入した冷却水は、燃料棒２の相互間に形成された流路および水ロッドＷＲ内を上昇し、上部タイプレート５を通って上方に流出する。この冷却水の一部は、燃料棒内のウラン−２３５の核分裂で発生する熱によって加熱され、蒸気になる。

本実施例は、４つのコーナー部のうち第２の対角線上にある２つのコーナー部で、最外層において可燃性毒物含有燃料棒４を互いに隣接させて配置し、これらの可燃性毒物含有燃料棒４のうち１本の可燃性毒物含有燃料棒４を最外層のそれぞれのコーナーに配置している。複数の可燃性毒物含有燃料棒４は前述したように水ロッドＷＲに隣接して配置される。このような可燃性毒物含有燃料棒４の配置構成を有する本実施例の燃料集合体１は、第２の対角線上にある２つのコーナー部において、前述した第一および第二の対策を適用していることになる。

上記の可燃性毒物含有燃料棒４の配置を有する本実施例は、図９および図１０に示すように、ガドリニアが燃料集合体内に存在している期間、すなわち、原子炉の運転を開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間において、燃料集合体Ａ，Ｃ，ＥおよびＦよりも負のボイド反応度係数が大きくなり、高温−冷温時の反応度変化率の増大率も燃料集合体Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥよりも低減される。具体的に説明すると、本実施例は、燃料集合体Ａと比較して負のボイド反応度係数を約７０％増大することができる。炉心高温時−冷温時の反応度変化率の増大率は、燃料集合体Ｂが燃料集合体Ａに対して約２３％増大するのに対して、本実施例が燃料集合体Ａに対して約１４％の増大に抑えられる。

最外層のコーナーに配置された可燃性毒物含有燃料棒４およびこの可燃性毒物含有燃料棒４に隣接して最外層に配置された他の可燃性毒物含有燃料棒４を組み合わせた可燃性毒物含有燃料棒配置構成は、第２および第４コーナー部と共に、第３コーナー部にも配置してもよい。この場合にも、その可燃性毒物含有燃料棒の配置構成を第２および第４コーナー部に配置した燃料集合体１と同じ効果を得ることができる。しかしながら、燃料集合体１に比べて第３コーナー部にもそのような可燃性毒物含有燃料棒配置構成が配置されているので、負のボイド反応度係数がさらに増大する。
前述の可燃性毒物含有燃料棒の配置構成は、第２および第４コーナー部に配置せず、第３コーナー部にのみ配置しても燃料集合体１と同じ効果を得ることができる。しかしながら、この場合には、上記の可燃性毒物含有燃料棒配置構成が配置されないコーナー部が３箇所存在するため、燃料集合体の横断面における出力の増大箇所が３箇所に分散され、横断面における出力分布の不均衡の抑制効果は小さくなる。

なお、上記の可燃性毒物含有燃料棒配置構成を制御棒ＣＲ側のコーナー部（第１コーナー部）に配置した場合には、制御棒価値の低下により、炉停止余裕が低下する。

燃料集合体１は、第一の対策を実施しているので、この対策を実施していない後述の実施例６に比べて負の反応度係数の増大量を増加させることができる。

本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用する実施例２の燃料集合体を、図１２を用いて説明する。本実施例の燃料集合体１Ａは、実施例１の燃料集合体１において複数のウラン燃料棒３の一部を部分長燃料棒に替え、可燃性毒物含有燃料棒４の本数および配置位置を替えた構成を有する。燃料集合体１Ｂの他の構成は燃料集合体１と同じである。本実施例では、部分長燃料棒は、ウランを含みガドリニアを含まない燃料棒であり、燃料有効長がウラン燃料棒３のそれよりも短くなっている。燃料集合体１Ａは９２本の燃料棒２を含んでいる。これらの燃料棒２のうち、６７本がウラン燃料棒であり、１４本が部分長燃料棒であり、１１本が可燃性毒物含有燃料棒４である。部分長燃料棒は、外側から二層目に間にウラン燃料棒２を挟んで配置され、さらに２本の水ロッドＷＲの間に配置される。図１との比較で図１２において燃料棒の印である○が記入されていない複数の領域１０に配置されている。図１２は、部分長燃料棒の上端よりも上方の位置での、燃料集合体１Ａの横断面を示している。チャンネルボックス７の外幅、燃料棒２の外径および水ロッドＷＲの外径の各寸法は実施例１と同じである。燃料集合体１Ａの濃縮ウラン領域のうち、部分長燃料棒が存在しない横断面での平均ウラン濃縮度が、約４．６ｗｔ％である。
燃料集合体１Ａの濃縮ウラン領域のうち、部分長燃料棒が存在する横断面での平均ウラン濃縮度も、約４．６ｗｔ％である。

本実施例は、４本の可燃性毒物含有燃料棒４が水ロッドＷＲにそれぞれ２本ずつ隣接して配置されており、７本の可燃性毒物含有燃料棒４が最外層に配置されている。最外層に配置された各可燃性毒物含有燃料棒４は、３つのコーナー部にそれぞれ配置される。第２、第３および第４コーナー部におけるそれぞれの最外層のコーナーに、可燃性毒物含有燃料棒４が１本ずつ配置されている。第２および第４コーナー部では、コーナーに位置する可燃性毒物含有燃料棒４に隣接して、最外層に位置する１本の可燃性毒物含有燃料棒４がそれぞれ配置される。第３コーナー部においては、コーナーに位置する可燃性毒物含有燃料棒４に、最外層に位置する２本の可燃性毒物含有燃料棒４が隣接して配置される。本実施例は、第２、第３および第４のコーナー部に前述の第一および第二の対策を適用している。

前述した可燃性毒物含有燃料棒４の配置を有する本実施例は、原子炉の運転を開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間において、燃料集合体Ａ，Ｃ，ＥおよびＦよりも負のボイド反応度係数が大きくなり、高温−冷温時の反応度変化率の増大率も燃料集合体Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥよりも低減される。本実施例は、燃料集合体Ａと同じ傾向を示す燃料集合体Ｃと比較して負のボイド反応度係数を約７９％増大することができる。また、炉心高温時−冷温時の反応度変化率は、燃料集合体Ｂと同じ傾向を示す燃料集合体Ｄが燃料集合体Ｃに対して約３％増大することに対して、本実施例が燃料集合体Ｃよりも約９％低減できる。

本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用する実施例３の燃料集合体を、図１３を用いて説明する。本実施例の燃料集合体１Ｂは、燃料集合体１において水ロッドＷＲに隣接する２本の可燃性毒物含有燃料棒４の配置位置を変更したものである。燃料集合体１Ｂの他の構成は燃料集合体１と同じである。ウラン燃料棒３の本数および可燃性毒物含有燃料棒４の本数は、実施例１と同じである。

燃料集合体１で三層目に配置されて水ロッドＷＲに隣接しており、かつ２本の水ロッドＷＲよりも制御棒ＣＲ側に位置する２本の可燃性毒物含有燃料棒４を、その三層目で第３コーナー部側に配置してかつ水ロッドＷＲに隣接させている。

本実施例では、負のボイド反応度係数、および高温−冷温の状態変化時の反応度変化率の増大率が実施例１とほぼ同等である。本実施例は、実施例１に比べて冷温時の制御棒価値が約５％増大するので、炉停止余裕が向上する。

本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用する実施例４の燃料集合体を、図１４を用いて説明する。燃料集合体１，１Ａおよび１Ｂは図１１に示した特性を反映していないが、本実施例の燃料集合体１Ｃは図１１に示した特性を反映している。この燃料集合体１Ｃは、可燃性毒物（例えばガドリニア）の軸方向の分布が以下に述べるように燃料集合体１と異なっている。なお、チャンネルボックス７の外幅、燃料棒２の外径および水ロッドＷＲの外径の各寸法は実施例１と同じである。燃料集合体１Ｃは、領域βにおける横断面の平均濃縮度が約４．６ｗｔ％で、領域β以外の濃縮ウラン領域での横断面の平均濃縮度も約４．６ｗｔ％である。燃料集合体１Ｃも、燃料集合体１と同様に、燃料有効長の上端部および下端部にそれぞれブランケット領域を備えている。

燃料集合体１Ｃの燃料有効長Ｌの下端から上方に向ってＬ／８の位置までを領域γ、燃料有効長Ｌの下端からＬ／８の位置と燃料有効長Ｌの下端からＬ／２の位置の間の領域を領域β、および燃料有効長Ｌの下端からＬ／２の位置と燃料有効長Ｌの上端の間の領域を領域αとする。燃料集合体１Ｃは、領域αでは横断面におけるガドリニア配置が図７に示す燃料集合体Ｃのガドリニア配置と同じであり、領域βでは横断面におけるガドリニア配置が図２に示す燃料集合体１のガドリニア配置と同じであり、領域γでは横断面におけるガドリニア配置が図７に示す燃料集合体Ａのガドリニア配置と同じである。燃料集合体１Ｃは、１４本の部分長燃料棒を有し、これらの部分長燃料棒の燃料集合体横断面での配置は実施例２と同じである。部分長燃料棒は、ウランを含みガドリニアを含んでいない燃料棒であり、その上端が燃料有効長Ｌの下端からＬ／２の位置にある。

燃料集合体１Ｃでは、複数のウラン燃料棒３が、図２の燃料集合体１、および図７の燃料集合体ＡおよびＣの全ての横断面で可燃性毒物含有燃料棒４が配置されていない位置で、かつ燃料集合体Ｃの横断面で部分長燃料棒が配置されていない位置に配置される。また、燃料集合体１Ｃでは、可燃性毒物含有燃料棒４が、図２の燃料集合体１、および図７の燃料集合体ＡおよびＣの各横断面のいずれかで可燃性毒物含有燃料棒４が配置されている位置に配置される。

部分長燃料棒のうち、領域βで２本の水ロッドＷＲの間に配置される２本の可燃性毒物含有燃料棒４（図２参照）はウランおよびガドリニアを含む燃料棒である。残りの１２本の部分長燃料棒は、ウランを含みガドリニアを含んでいない燃料棒である。１４本の部分長燃料棒の上端が燃料有効長Ｌの下端からＬ／２の位置にある。

燃料集合体１Ｃは、図９および図１０に示すように、ガドリニアが燃料集合体内に存在してい期間、すなわち、原子炉の運転を開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間において、燃料集合体Ａ，Ｃ，ＥおよびＦよりも負のボイド反応度係数が大きくなり、高温−冷温時の反応度変化率の増大率も燃料集合体Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥよりも低減される。具体的に説明すると、燃料集合体１Ｃは、領域β及び領域γのガドリニア配置を燃料集合体Ａの横断面におけるガドリニア配置と同じにし、領域αのガドリニア配置を燃料集合体Ｃの横断面におけるガドリニア配置と同じにした燃料集合体と比較して、負のボイド反応度係数を約３７％増大することができ、炉心高温時−冷温時の反応度変化率の増加率を約4．７％に抑えることができる。このため、燃料集合体１Ｃは、実施例１に比べて炉心高温時−冷温時の反応度変化率の増加を最小限にすることができ、負のボイド反応度係数を効率的に増大させることができる。また、本実施例は、Ｌ／８≦ｈ≦Ｌ／２の領域にガドリニアを含み、燃料有効長のその領域以外にガドリニアが含まれていない複数の可燃性毒物含有燃料棒４を燃料集合体１と同じように配置している。このような可燃性毒物含有燃料棒４を用いることによって、本実施例は、可燃性毒物含有燃料棒４のＬ／８≦ｈ≦Ｌ／２の領域に可燃性毒物を配置するという最小の構成の変更で図９および図１０に示す効果を得ることができる。ｈは燃料有効長Ｌの下端からの距離である。本実施例では、Ｌ／２＜ｈの燃料集合体上部の横断面における燃料棒配列最外周のコーナー部での可燃性毒物含有燃料棒４の本数が、ｈ≦Ｌ／２の燃料集合体下部の横断面におけるそのコーナー部での可燃性毒物含有燃料棒４の本数よりも少なくなっている。

燃料集合体１Ｃの領域βの横断面におけるガドリニア位置を、図１の配置に替えて図１２および図１３に示すガドリニア配置にしてもよい。

本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用する実施例５の燃料集合体１Ｄを、図１５を用いて説明する。本実施例の燃料集合体１Ｄは、燃料集合体１において最外層の燃料棒配列のコーナー部での可燃性毒物含有燃料棒４の配置及び水ロッドＷＲに隣接する可燃性毒物含有燃料棒４の配置を変更し、可燃性毒物含有燃料棒４の本数も変更している。可燃性毒物含有燃料棒４は、最外層のコーナー部に６本、水ロッドＷＲに隣接する位置に１１本それぞれ配置されている。最外層のコーナー部では、可燃性毒物含有燃料棒４は、第２、第３及び第４コーナー部にそれぞれ配置されており、第１コーナー部に配置されていない。第２及び第４コーナー部では、可燃性毒物含有燃料棒４がコーナー及びコーナーに隣接する第３コーナー側の位置にそれぞれ配置される。第３コーナー部では、可燃性毒物含有燃料棒４がコーナーに配置されず、そのコーナーに隣り合う両側の位置にそれぞれ配置されている。さらに、燃料集合体１Ｄの二層目の燃料棒配列に、３本の可燃性毒物含有燃料棒４が配置されている。これらのうち１本の可燃性毒物含有燃料棒４は、二層目の燃料棒配列の、制御棒ＣＲ側のコーナーに配置される。二層目に配置された残りの２本の可燃性毒物含有燃料棒４は、制御棒ＣＲ側のコーナーから燃料棒１本離れた位置に配置される。燃料集合体１Ｄの横断面での平均濃縮度は約６．４ｗｔ％であり、実施例１の燃料集合体１と比較して横断面平均の濃縮度が増大している。燃料集合体１Ｄの他の構成は燃料集合体１と同じである。

本実施例は、第一及び第二の各対策を実施しているので、実施例１の燃料集合体と同程度に、負のボイド反応度係数を増大させることができ、さらに、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大を抑制することができる。

本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用する実施例６の燃料集合体を、図１６、図１７および図１８を用いて説明する。本実施例の燃料集合体１Ｅは、複数の燃料棒２である複数のウラン燃料棒３及び複数の可燃性毒物含有燃料棒４を備え、図１６、図１７及び図１８に示されるそれぞれの横断面を軸方向に有している。ウラン燃料棒３は、燃料集合体１Ｅの燃料有効長Ｌを有する複数のウラン燃料棒３Ａ（４０本）および燃料有効長が１４Ｌ／２４である部分長の複数のウラン燃料棒３Ｂ（１０本）を含んでいる。これらのウラン燃料棒３は、可燃性毒物を含んでいない。可燃性毒物含有燃料棒４は、複数の可燃性毒物含有燃料棒４Ａ（１０本）、複数の可燃性毒物含有燃料棒４Ｂ（２２本）、複数の可燃性毒物含有燃料棒４Ｃ（６本）および複数の可燃性毒物含有燃料棒４Ｄ（４本）を含んでいる。可燃性毒物含有燃料棒４Ａ，４Ｂ，４Ｃは燃料有効長Ｌを有し、可燃性毒物含有燃料棒４Ｄは、ウラン燃料棒３Ｂと同様に、燃料有効長が１４Ｌ／２４である部分長燃料棒である。

ウラン燃料棒３Ａ，３Ｂおよび可燃性毒物含有燃料棒４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄのそれぞれの下端部、すなわち、燃料有効長の下端とこの下端からＬ／２４の位置の間の領域は、天然ウランが充填された天然ウラン領域である。ウラン燃料棒３Ａおよび可燃性毒物含有燃料棒４Ａ，４Ｂ，４Ｃのそれぞれの上端部、すなわち、燃料有効長の下端から２３Ｌ／２４の位置と燃料有効長Ｌの上端の間の領域も、天然ウラン領域である。ウラン燃料棒３Ａおよび可燃性毒物含有燃料棒４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、下端部の天然ウラン領域と上端部の天然ウラン領域との間に、濃縮ウランが充填された濃縮ウラン領域を有する。ウラン燃料棒３Ｂおよび可燃性毒物含有燃料棒４Ｄは、下端部の天然ウラン領域と燃料有効長の上端（１４Ｌ／２４の位置）との間に、濃縮ウラン領域を有する。

可燃性毒物含有燃料棒４Ａでは、燃料有効長Ｌの下端部を除く燃料有効長Ｌの下端から上方に向かってＬ／２の位置よりも下方の領域（Ｌ／２４＜ｈ≦Ｌ／２の範囲）が可燃性毒物（例えば、Ｇｄ）を含む可燃性毒物領域Ｇ１となっている。可燃性毒物含有燃料棒４Ａでは、可燃性毒物領域Ｇ１以外の領域でのＧｄ濃度は０％である。可燃性毒物含有燃料棒４Ｂでは、燃料有効長Ｌの上端部を除く燃料有効長Ｌの下端からＬ／２の位置よりも上方の領域（Ｌ／２＜ｈ≦２３Ｌ／２４の範囲）が可燃性毒物（例えば、Ｇｄ）を含む可燃性毒物領域Ｇ２となっている。可燃性毒物含有燃料棒４Ｂでは、可燃性毒物領域Ｇ２以外の領域でのＧｄ濃度は０％である。可燃性毒物含有燃料棒４Ｃでは、Ｌ／２４＜ｈ≦２３Ｌ／２４の領域が可燃性毒物（例えば、Ｇｄ）を含む可燃性毒物領域Ｇ３となっている。
可燃性毒物含有燃料棒４Ｄでは、Ｌ／２４≦ｈ≦Ｌ／２の領域が可燃性毒物（例えば、Ｇｄ）を含む可燃性毒物領域ＧＰとなっている。可燃性毒物含有燃料棒４Ａ〜４Ｄのそれぞれの天然ウラン領域は、可燃性毒物を含んでいない。図１６、図１７および図１８において、「０」および「０Ｐ」はＧｄ濃度が０％であることを意味している。

燃料集合体１Ｅは、Ｌ／２４＜ｈ≦Ｌ／２の範囲である下部領域の横断面において図１６に示すように可燃性毒物領域Ｇ１，Ｇ３，ＧＰを配置し、Ｌ／２＜ｈ≦１４Ｌ／２４の範囲である中央領域の横断面において図１７に示すような可燃性毒物領域Ｇ２，Ｇ３を配置し、１４Ｌ／２４＜ｈ≦２３Ｌ／２４の範囲である上部領域の横断面において図１８に示すような可燃性毒物領域Ｇ２，Ｇ３を配置している。上部領域には、部分長燃料棒であるウラン燃料棒３Ｂおよび可燃性毒物含有燃料棒４Ｄは存在しない。

下部領域の横断面における燃料棒の配置は、実施例５の図１５に示す燃料棒の配置において、最外層の第２及び第４コーナー部のそれぞれのコーナーに位置する可燃性毒物含有燃料棒４を、第１コーナー部側に燃料棒１本分だけ移動させた配置となっている。すなわち、下部領域では、最外層の第２及び第４コーナー部のそれぞれのコーナーには可燃性毒物含有燃料棒４が配置されていなくウラン燃料棒３Ａが配置されている。これらのウラン燃料棒３Ａの両隣に可燃性毒物含有燃料棒４Ａの可燃性毒物領域Ｇ１がそれぞれ配置されている。２本の水ロッドＷＲに隣接して可燃性毒物含有燃料棒４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，ＧＰが配置される。可燃性毒物含有燃料棒４Ｂ以外の可燃性毒物含有燃料棒４Ａ，４Ｃ，ＧＰの可燃性毒物領域Ｇ１，Ｇ３，ＧＰが２本の水ロッドＷＲに隣接して配置されている。可燃性毒物領域ＧＰが下部領域に配置される３本の可燃性毒物含有燃料棒４Ｄが燃料棒配列の２層目に配置される。１本の可燃性毒物含有燃料棒４Ｄが第１コーナー部で２層目のコーナーに配置される。残りの２本の可燃性毒物含有燃料棒４Ｄは、前述のコーナーに配置された１本の可燃性毒物含有燃料棒４Ｄとの間に１本の可燃性毒物含有燃料棒４Ｂを置いて配置される。全ての可燃性毒物含有燃料棒４Ｂの可燃性毒物領域Ｇ２は下部領域に配置されていない。下部領域に可燃性毒物領域が配置された可燃性毒物含有燃料棒４の本数は２０本である。

中央領域では、燃料集合体Ａと同様に、燃料棒配列の最外層に可燃性毒物領域が配置されていない。すなわち、中央領域に配置される可燃性毒物領域Ｇ２，Ｇ３を有する可燃性毒物含有燃料棒４Ｂ，４Ｃは、燃料棒配列の外から二層目より内側に配置され、水ロッドＷＲに隣接する位置にも配置されている。二層目には、１６本の可燃性毒物含有燃料棒４Ｂのそれぞれの可燃性毒物領域Ｇ２が配置される。可燃性毒物含有燃料棒４Ｂ，４Ｃの可燃性毒物領域Ｇ２，Ｇ３が２本の水ロッドＷＲに隣接して配置されている。中部領域に可燃性毒物領域が配置された可燃性毒物含有燃料棒４の本数は２８本である。

上部領域の横断面における可燃性毒物含有燃料棒４の配置は中央領域のその配置と同じである。

燃料集合体１Ｅの横断面の平均濃縮度は約６．３ｗｔ％であり、下部領域、中央領域および上部領域のそれぞれの横断面における平均濃縮度も約６．３ｗｔ％である。

本実施例の燃料集合体１Ｅは、燃料有効長Ｌの下端からＬ／２の位置よりも下方に存在する下部領域において第１コーナー部を除く第２、第３及び第４コーナー部のそれぞれの最外層でコーナーの両隣に可燃性毒物含有燃料棒４Ａの可燃性毒物充填領域Ｇ１をそれぞれ配置している。中部領域及び上部領域における第２、第３及び第４コーナー部の最外層では、これらのコーナーの両隣に配置されたそれぞれの可燃性毒物含有燃料棒４Ａは可燃性毒物領域Ｇ１を配置していない。このように、燃料集合体１Ｅは、Ｌ／２よりも下方の領域、特に、図１１に示すボイド率変化量が燃料集合体の軸方向における平均ボイド率変化量以上になる領域（Ｌ／８≦ｈ≦Ｌ／２の領域）に第二の対策を実施しており、燃料有効長ＬのＬ／２よりも上方の領域（中央領域および上部領域）で第二の対策を実施していない。このため、燃料有効長ＬのＬ／２よりも下方の領域で最外層のコーナー部に可燃性毒物領域が配置される可燃性毒物含有燃料棒４の本数は６本であるのに対し、燃料有効長ＬのＬ／２よりも上方の領域における同じ位置に可燃性毒物領域が配置される可燃性毒物含有燃料棒４の本数は６本である。最外層のコーナー部では、燃料集合体１Ｅの上部に可燃性毒物領域が配置される可燃性毒物含有燃料棒４の本数が、燃料集合体１Ｅの下部に可燃性毒物領域が配置される可燃性毒物含有燃料棒４の本数よりも少なくなっている。

燃料集合体１Ｅは、第２、第３及び第４コーナー部で最外層のコーナーの両隣にそれぞれ可燃性毒物含有燃料棒４Ｂを配置している。これらの可燃性毒物含有燃料棒４Ｂの各可燃性毒物領域Ｇ１は中性子スペクトルが柔らかい位置である各コーナー部に配置されるので、前述したように、燃料集合体１Ｅの下部領域では実効的なＧｄの量が低減された状態になる。また、第２、第３及び第４コーナー部では、原子炉の運転時において実効的なボイド率変化が少なくなる。したがって、第２、第３及び第４コーナー部で最外層のコーナーの両隣にそれぞれ配置された各可燃性毒物領域Ｇ１の、燃料集合体１Ｅの横断面におけるボイド反応度係数に対する寄与度を低減できる。

結果として、本実施例は、原子炉の運転を開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間において、コーナー部に第二の対策を実施していない中央領域を下部領域にも適用した燃料集合体（図７に示す燃料集合体Ａ）に対して負のボイド反応度係数を約３０％増大させることができる。

燃料集合体１Ｅは、図１１に示す新たな知見を適用した構成としている。すなわち、燃料集合体１Ｅは、ボイド率変化量が燃料集合体の軸方向における平均ボイド率変化量以上になるＬ／８≦ｈ≦Ｌ／２の領域を含むＬ／２よりも下方の領域で第二の対策（コーナー部の最外層における可燃性毒物含有燃料棒４Ａの配置および水ロッドＷＲに隣接した可燃性毒物含有燃料棒４Ａ，４Ｃ等の配置）を実施している。燃料集合体１Ｅは、Ｌ／２よりも上方の領域の大部分において、コーナー部の最外層に可燃性毒物領域Ｇ１を配置していない。このような可燃性毒物領域の配置を有する燃料集合体１Ｅは、第二の対策の実施を燃料集合体の軸方向のボイド変化が大きな領域に限定することにより、負のボイド反応度係数の増大量が特開昭６３−１３３０８６号公報の第１図に示された燃料集合体に相当する燃料集合体Ｅにおける負のボイド反応度係数の増大量（図９参照）よりも小さくなるが、前記公知例に対する減少量を約３０％に抑えられる。一方で、原子炉の運転を開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間において、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大は前記公知例に相当する燃料集合体Eの増大量(図１０参照)に対して約５０％低減することができ、燃料集合体１の増大量よりもさらに抑えることができる。

本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用する実施例７の燃料集合体を、図１９および図２０を用いて説明する。本実施例の燃料集合体１Ｆは、複数の燃料棒２である複数のウラン燃料棒３及び複数の可燃性毒物含有燃料棒４を備えている。これらのウラン燃料棒３は、複数のウラン燃料棒Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｐ１を含んでいる。それらの可燃性毒物含有燃料棒４は、複数の可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７，Ｇ８，Ｐ２を含んでいる。ウラン燃料棒Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３および可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７，Ｇ８の燃料有効長はＬである。ウラン燃料棒Ｐ１および可燃性毒物含有燃料Ｐ２は、燃料有効長が１４Ｌ／２４である部分長燃料棒である。ウラン燃料棒Ｕ１〜Ｕ３，Ｐ１および可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５〜Ｇ８，Ｐ２の下端部（燃料有効長の下端からＬ／２４の範囲）は天然ウラン領域ＮＵである。ウラン燃料棒Ｕ１〜Ｕ３および可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５〜Ｇ８の上端部（燃料有効長の下端から２３Ｌ／２４と燃料有効長Ｌの上端との間の範囲）も天然ウラン領域ＮＵである。各燃料棒２の天然ウラン領域ＮＵ以外の領域は濃縮ウラン領域である。各燃料棒２のウラン濃縮度およびＧｄ濃度の分布を図２０に示す。図２０において、Ａ，Ｂ，Ｃはウラン濃縮度を示しており、これらのウラン濃縮度はＡ＞Ｂ＞Ｃの関係にある。図２０に記載されたａ，ｂ，ｃはＧｄ濃度を示しており、これらのＧｄ濃度はａ＞ｂ＞ｃの関係にある。可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５，Ｇ６，Ｐ２はＬ／２４＜ｈ≦１４Ｌ／２４の範囲に可燃性毒物であるＧｄを含んでおり、この範囲以外ではＧｄを含んでいない。可燃性毒物含有燃料棒Ｇ７はＬ／２４＜ｈ≦２３Ｌ／２４の範囲に可燃性毒物であるＧｄを含んでおり、この範囲以外ではＧｄを含んでいない。可燃性毒物含有燃料棒Ｇ８は１４Ｌ／２４＜ｈ≦２３Ｌ／２４の範囲にＧｄを含んでおり、この範囲以外ではＧｄを含んでいない。燃料集合体１Ｆは、部分長燃料棒であるウラン燃料棒Ｐ１および可燃性毒物含有燃料棒Ｐ２を有しているので、１４Ｌ／２４＜ｈ≦２３Ｌ／２４の範囲での燃料棒２の本数が７８本である。下端部を除く燃料有効長１４Ｌ／２４よりも下方における燃料集合体１Ｆの横断面での平均濃縮度は約４．７ｗｔ％である。上端部を除く燃料有効長１４Ｌ／２４よりも上方における燃料集合体１Ｆの横断面での平均濃縮度も約４．７ｗｔ％である。

燃料集合体１Ｆにおけるウラン燃料棒３および可燃性毒物含有燃料棒４の配置について説明する。ウラン燃料棒Ｕ３が第１、第３コーナー部の最外層のコーナーにそれぞれ配置される。可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５が第２、第４コーナー部の最外層のコーナーにそれぞれ配置される。各ウラン燃料棒Ｕ２は、最外層に配置され、第１コーナー部ではウラン燃料棒Ｕ３の両隣に配置され、第２、第４コーナー部では可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５に隣接して第１コーナー部側に配置される。可燃性毒物含有燃料棒Ｇ６は、最外層に配置され、第３コーナー部ではウラン燃料棒Ｕ３の両隣に配置され、第２、第４コーナー部では可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５に隣接して第３コーナー部側に配置される。各可燃性毒物含有燃料棒Ｇ７は、水ロッドＷＲに隣接して配置される。各可燃性毒物含有燃料棒Ｇ８は燃料棒配列の外から二層目に配置されている。各可燃性毒物含有燃料棒Ｐ２は２本の水ロッドＷＲの間に配置される。

燃料集合体１Ｆの１４Ｌ／２４よりも下方の横断面では、可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５〜Ｇ７，Ｐ２が配置される位置に可燃性毒物領域が配置される。燃料集合体１Ｆの１４Ｌ／２４よりも上方の横断面では、可燃性毒物含有燃料棒Ｇ７，Ｇ８が配置される位置に可燃性毒物領域が配置される。

燃料集合体１Ｆの他の構成は燃料集合体１と同じである。

燃料集合体１Ｆは、下端部を除く燃料有効長Ｌの１４Ｌ／２４よりも下方の領域において第一および第二の対策を実施している。これにより、１４Ｌ／２４よりも下方の領域ではコーナー部の最外層に配置された可燃性毒物含有燃料棒４の本数は６本であり、１４Ｌ／２４よりも上方の領域ではこの最外層に配置されたその燃料棒の本数が０本である。つまり、最外層に配置された可燃性毒物含有燃料棒Ｇ５および可燃性毒物含有燃料棒Ｇ６は、燃料有効長Ｌの下端からＬ／２の位置よりも下方の領域における大部分の領域である、燃料有効長Ｌの下端からＬ／２４の位置とその下端からＬ／２の位置との間の領域で可燃性毒物含んでおり、そのＬ／２の位置よりも上方の領域における大部分の領域である、燃料有効長Ｌの下端から１４Ｌ／２４の位置とその下端から２３Ｌ／２４の位置との間の領域で可燃性毒物を含んでいない。このことから、Ｌ／２よりも下方の領域でコーナー部の最外層に配置された可燃性毒物含有燃料棒４の本数が、Ｌ／２よりも上方の領域でのその本数よりも多くなっている。燃料集合体１Ｆは、第１コーナー部以外の第２、第３および第４コーナー部のそれぞれの最外層に可燃性毒物含有燃料棒４を配置している。

本実施例は、Ｌ／２よりも下方の領域で第一および第二の対策を実施しているので、原子炉の運転を開始してから燃焼度が約２．０×１０⁴ＭＷｄ／ｔになるまでの期間において、コーナー部に第一および第二の対策を実施していない燃料集合体に対して負のボイド反応度係数を約５０％増大することができる。さらに、本実施例は、第１コーナー部に可燃性毒物含有燃料棒４を配置しないことにより制御棒の価値が増大し、１４Ｌ／２４よりも上方の領域で第一および第二の対策を適用していないので、高温−冷温の状態変化時における反応度変化率の増大を抑制することができる。このため、炉停止余裕を第一および第二の対策を実施しない燃料集合体とほぼ同等にすることができる。

以上に述べた各実施例は、可燃性毒物含有燃料棒４にガドリニアを充填しているが、ガドリニアの替りに、可燃性毒物であるサマリウムおよびユーロピウムを用いることも可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…燃料集合体、２，３，４…燃料棒、５…上部タイプレート、６…下部タイプレート、７…チャンネルボックス、８…燃料スペーサ、ＷＲ…水ロッド。

Claims

ウランを含み可燃性毒物を含まない複数の第１燃料棒と、ウランおよび可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒と、水ロッドとを備え、
燃料棒配列の最外層のコーナーに第２燃料棒を配置し、前記最外層において他の前記第２燃料棒を前記コーナーに配置した前記第２燃料棒に隣接して配置し、
前記水ロッドに他の前記第２燃料棒を隣接して配置し、
燃料集合体の燃料有効長をＬ、および燃料集合体の軸方向におけるこの燃料有効長Ｌの下端からの距離をｈとしたとき、前記第２燃料棒内の可燃性毒物充填領域を、Ｌ／８≦ｈ≦Ｌ／２となる領域に配置し、
ｈ＝Ｌ／２で前記燃料有効長を上部領域と下部領域に分割したとき、前記最外層で隣接して配置された各前記第２燃料棒は、前記下部領域の大部分で前記可燃性毒物を含んでおり、前記上部領域の大部分で前記可燃性毒物を含んでいなく、
前記第２燃料棒が配置される前記最外層の前記コーナーを含む、燃料集合体の第２コーナー部は、前記燃料集合体が炉心に装荷されたときに制御棒と向かい合う第１コーナー部以外のコーナー部であり、
前記第１コーナー部に配置される前記第２燃料棒の本数は、前記第２コーナー部に配置される前記第２燃料棒の本数よりも少なく、
前記第１コーナー部では燃料棒配列の外側から二層目に、前記第２燃料棒を配置することを特徴とする燃料集合体。
燃料集合体の横断面での平均濃縮度が３．７ｗｔ％以上１０．０ｗｔ％以下の範囲にある請求項１に記載の燃料集合体。
前記水ロッドは少なくとも２本の燃料棒が配置可能な領域を占有する太径水ロッドであ
る請求項１または２に記載の燃料集合体。