JP5462730B2 - Ｍｏｘ燃料集合体の組 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰水型のＭＯＸ燃料集合体の組に関し、より詳しくは、２ストリームも実現できるＭＯＸ燃料集合体の組に関するものである。

我が国のプルトニウムの利用については、余剰プルトニウムを持たないとの原則から、プルトニウムの需給が均衡していることが重要である。このようなプルトニウムバランスの観点から、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以降、ＭＯＸ燃料と記す）炉心において使用されるプルトニウム量は多い方が好ましい。従って、全炉心にＭＯＸ燃料を装荷することがプルトニウムの利用効率向上の手段と考えられている。

沸騰水型原子炉に装荷する燃料集合体は、燃料集合体内での出力分布を最適にするため、核燃料物質の濃度の異なる数種類の燃料棒を束ねて構成されている。このような燃料棒の種類は、燃料集合体の種類、燃料集合体を装荷する炉心の種類、原子炉の運転方法などにより異なるが、燃料棒及び燃料集合体を製造する燃料製造工場では、その種類が少ないほど燃料製造時のコストが低減する。

さらに、ＭＯＸ（ウラン・プルトニウム混合酸化物）燃料集合体の製造では、製造に従事する作業員の被ばく低減の観点からも、燃料種類を極力少なくする必要がある。

また、沸騰水型原子炉では、サイクル初期の反応度抑制のために、従来から燃料集合体を構成する燃料棒の一部に可燃性毒物を添加する方法が採られており、炉心の運転期間調整等のため、互いに可燃性毒物入り燃料棒の本数を変えて燃焼初期に異なる反応度を持たせると共に、可燃性毒物消滅後は反応度が等しくなるように設計された２種類の燃料集合体を用いた、所謂２ストリーム燃料としている（例えば、特許文献１参照。）。

そこで、ＭＯＸ燃料炉心についても、可燃性毒物を用いたＭＯＸ燃料集合体による２ストリーム燃料を採用することによって同様の効果が期待できる。しかし、ＭＯＸ燃料集合体では、可燃性毒物入り燃料棒にはプルトニウムを充填することができないため、上記のように可燃性毒物入り燃料棒の本数を異ならしめた場合、２種類の燃料集合体の可燃性毒物消滅後の反応度を同一とする設計は困難である。

さらに、ＭＯＸ燃料に含まれるプルトニウムは、ウラン燃料とは異なり、燃料取り替えバッチ毎にその同位体組成比が変化する可能性がある。このような組成比変化に対するものとして、可燃性毒物入りウラン燃料の本数が異なる２種類以上の燃料集合体を用意し、それらを炉心に装荷する際に、燃料集合体数の内訳を調整することにより一定期間の炉心の運転を達成する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この方法においても、可燃性毒物が燃焼した後に反応度を同一とするための手段は採られていない。

このように、ＭＯＸ燃料製造工場においては、燃料集合体製造時に取り扱う燃料棒の種類を少なくすると共に、２ストリームＭＯＸ燃料を取り扱う必要がある。この２ストリームＭＯＸ燃料には、従来の２ストリーム燃料の効果を得るために、互いに可燃性毒物の効果は異なるが、可燃性毒物が燃焼して消滅した後の反応度が同一となる２種類の燃料集合体を実現するための技術が必要である。

特許番号第２９５８８６１号公報 特開平１０−２６０２８２号公報 特公平６−３６０４９号公報 特開２００６−３２９８６７号公報 特開２００２−２７７５８０号公報

従来のウラン燃料では、出力分布最適化のため、対象炉心毎に濃縮度スプリットや可燃性毒物入り燃料棒の本数及び濃縮度を最適化していることから、多種類の濃縮度で燃料棒が製造されている。

しかし、ＭＯＸ燃料の製造では、粉末の二次混合による富化度調整や、富化度切り替え時における設備クリーニングに多くの労力を要することから、富化度の多様化やそれに伴う燃料棒の種類の増加はウラン燃料以上に製造コストを増大させてしまう。また、設備クリーニング回数の増加は作業員の被ばく量も増大させることになるため、被ばく量低減の観点からも好ましくない。

このような理由から、ＭＯＸ燃料棒の製造では、富化度の種類を極力少なくする必要がある。これに対する有効な方法として、各燃料間で共通のＭＯＸ燃料棒を使用するという方法がある。例えば、２ストリーム燃料間での共通ＭＯＸ燃料棒の使用や、対称格子間及び対称格子−非対称格子間のＭＯＸ燃料集合体で用いるＭＯＸ燃料棒として共通した種類のものを用いる方法（特許文献５参照。）がある。これらは、例えば、ＡというＭＯＸ燃料集合体では４種類のＭＯＸ燃料棒が用いられているが、ＢというＭＯＸ燃料集合体では３種類しか用いられていないなど、必ずしも全種類のＭＯＸ燃料棒が共通して用いられているわけではない。また、使用するＭＯＸ燃料棒の種類は同じでも、炉心毎で使用するＭＯＸ燃料棒の本数が異なる等、使用する各種類のＭＯＸ燃料棒の本数が必ずしも同一でない。

このように、２ストリーム燃料集合体間、あるいは対象とする炉心によりＭＯＸ燃料棒の種類の比率が異なると、ＭＯＸ燃料棒の本数を製造プロジェクト毎に調整する必要が生じ生産性が低下する。また、あるプロジェクトで製造していた燃料をなんらかの理由で他のプロジェクトに転用する場合などに、使用するＭＯＸ燃料棒の種類により過不足が生じ、それを補うため当該燃料のみ追加生産を行う必要が生じたり、逆に特定の燃料に余剰が発生するなどの原因により、生産性が低下するという問題があった。

また、可燃性毒物が燃焼した後に反応度を同一とするための手段として、２ストリーム燃料集合体間の可燃性毒物燃料を含むウラン燃料棒の本数を互いに同一とし、燃料集合体を構成するＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度種類及びその種類毎の本数を同一とするという方法が考えられる。この方法によれば、ウラン燃料棒の本数を同一とすることで、残りのＭＯＸ燃料棒数を同じとすることが可能となり、２ストリーム燃料集合体間での集合体平均富化度を互いに等しくすることができる。もちろん、このような、同一本数のウラン燃料棒とし同一のＭＯＸ燃料棒の種類及び本数とした上で、２ストリーム燃料集合体間における燃焼初期の反応度に差異を持たせ、また、それぞれの燃料集合体について局所出力ピーキングの抑制を図る必要がある。

ここで、上記２ストリーム燃料集合体間の燃焼初期における反応度の差異を実現するため、燃料集合体内部の位置による可燃性毒物の価値に着目する。例えば、特許文献３には、可燃性毒物の価値が燃料集合体内部の位置により異なること、また、その位置により可燃性毒物の燃焼速度が異なることが記載されている。しかしここでは、その性質を当該集合体内の出力ピーキングの抑制に対して適用しており、燃料集合体間での反応度調整に係る課題を解決するものではない。

また、特許文献４には、可燃性毒物の価値が高くなるウォーターロッド周りに、可燃性毒物入り燃料棒を配置した構成が開示されているが、これは、ピーキング抑制を目的とするものであり、２ストリーム燃料集合体間の燃焼初期の反応度については、可燃性毒物入り燃料棒の本数を変えることによって差異を持たせている。従って、可燃性毒物入りウラン燃料棒の配置に着目した別の解決手段が必要となる。なお、燃料集合体最外周部への可燃性毒物入りウラン燃料棒の配置は、制御棒価値の低下、核計装の感度特性変化への影響が考えられるため好ましくない。

局所ピーキングの抑制については、上述した反応度調整のために可燃性毒物入りウラン燃料棒の配置を踏まえた上で、燃焼を通じて燃料集合体内での局所出力ピーキングを抑えるようにＭＯＸ燃料棒の富化度及び配置を決定しなくてはならない。この際、燃料集合体内での中性子スペクトル分布、可燃性毒物入りウラン燃料棒の影響、燃焼に伴う出力ピーキング位置の変化を考慮する必要がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類を極力少なく抑えながらもＭＯＸ燃料において２ストリーム用にも適用でき、広く炉心への装荷が可能でＭＯＸ燃料棒自体の生産性を向上できるＭＯＸ燃料集合体の組を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、それぞれ予め定められた本数のウラン・プルトニウム混合酸化物燃料棒と、少なくとも１本に可燃性毒物を含むウラン燃料棒とが正方格子状に配列され、該正方格子状配列の予め定められた燃料棒本数分の領域に水管が置換配置された沸騰水型原子炉用のＭＯＸ燃料集合体の組であって、
前記ＭＯＸ燃料集合体の組は、２種類の第１と第２のＭＯＸ燃料集合体を有し、
前記第１と第２のＭＯＸ燃料集合体は、互いにプルトニウム富化度種類と各富化度種類毎の混合酸化物燃料棒本数を同一とし、それぞれ前記正方格子状配列の最外周部に配置される燃料棒に可燃性毒物入りウラン燃料棒は含まれず、最高プルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒は前記水管配置領域に直接隣接しない位置に配置されるものであり、
前記第１のＭＯＸ燃料集合体は、前記水管配置領域に直接隣接する全ての位置に混合酸化物燃料棒が配置され、
前記第２のＭＯＸ燃料集合体は、前記水管配置領域に直接隣接する位置の一部に、少なくとも一本の可燃性毒物入りウラン燃料棒が配置されていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、請求項１に記載のＭＯＸ燃料集合体の組において、前記第１のＭＯＸ燃料集合体は、全てのウラン燃料棒に可燃性毒物を含み、全ウラン燃料棒のうち半数本以上が、前記水管配置領域に斜めに隣接する位置と該水管配置領域から２層目とを合わせた領域中に配置され、
前記第２のＭＯＸ燃料集合体は、全てのウラン燃料棒に可燃性毒物を含み、全ウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に直接隣接する位置に配置されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、請求項１又は２に記載のＭＯＸ燃料集合体の組において、最高プルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒と、その次に高いプルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒との富化度比が１．１以上、１．３以下であることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＯＸ燃料集合体の組において、第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体とが備えている可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち、最も可燃性毒物の含有量が低いウラン燃料棒から、最も可燃性毒物の含有量が高いウラン燃料棒までの各可燃性毒物含有量の高低順位毎に、同じ順位のウラン燃料棒同士間の、軸方向同一位置にある可燃性毒物の第１のＭＯＸ燃料集合体に対する第２のＭＯＸ燃料集合体の濃度比が１．４以上、２．０以下であることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＯＸ燃料集合体の組において、第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体とを、同一の対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＯＸ燃料集合体の組において、第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体とを、それぞれ異なる対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷することを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、請求項１に記載のＭＯＸ燃料集合体の組において、前記第１のＭＯＸ燃料集合体は、全可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に斜めに隣接する位置と該水管配置領域から２層目とを合わせた領域中に配置され、
前記第２のＭＯＸ燃料集合体は、全可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に直接隣接する位置に配置されていることを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、請求項７に記載のＭＯＸ燃料集合体の組において、最高プルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒と、その次に高いプルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒との富化度比が１．１以上、１．３以下であることを特徴とするものである。

請求項９に記載の発明に係るＭＯＸ燃料集合体の組は、請求項１又は７又は８に記載のＭＯＸ燃料集合体の組において、第１のＭＯＸ燃料集合体を対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷すると共に、第２のＭＯＸ燃料集合体を非対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷することを特徴とするものである。

本発明のＭＯＸ燃料集合体の組においては、沸騰水型原子炉用炉心において、各種炉心製造に採用することによって、各炉心間で、種類を抑えた共通のＭＯＸ燃料棒を利用できるため、作業者の被ばく量を従来より低減すると共に、高い生産性で燃料棒の製造コストを低減することができるという効果がある。

しかも、本発明の、互いに燃焼初期の反応度に差異を持ちながらも同一のプルトニウム富化度種類及び種類毎の本数のＭＯＸ燃料棒を備えた第１と第２のＭＯＸ燃料集合体を装荷することによって、可燃性毒物の燃焼、消滅後の反応度を同一とする２ストリームＭＯＸ燃料集合体を実現したＭＯＸ炉心を得ることもできる。

本発明の第１実施例による対称格子型炉心用のＭＯＸ燃料集合体の組の燃料配列であって、中央部に燃料棒９本分の水管配置領域を有する場合を示す設計図であり、（ａ）は該組を構成する一方の第１のＭＯＸ燃料集合体の９×９配列、（ｂ）は該組を構成する他方の第２のＭＯＸ燃料集合体の９×９配列である。 図１の第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の無限増倍率の推移を示す線図である。 図１の第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の局所出力ピーキングの推移を示す線図である。 図１の各ＭＯＸ燃料集合体において、最高富化度Ｐ１と次に高い富化度Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２に対する局所出力ピーキングを示す線図であり、（ａ）は第１の燃料集合体、（ｂ）は第２の燃料集合体に関する線図である。 本発明の第２実施例による対称格子型炉心用のＭＯＸ燃料集合体の組の燃料配列であって、中央部に燃料棒４本分の水管配置領域を有する場合を示す設計図であり、（ａ）は該組を構成する一方の第１のＭＯＸ燃料集合体の８×８配列、（ｂ）は該組を構成する他方の第２のＭＯＸ燃料集合体の８×８配列である。 図５の各ＭＯＸ燃料集合体において、最高富化度Ｐ１と次に高い富化度Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２に対する局所出力ピーキングを示す線図であり、（ａ）は第１の燃料集合体、（ｂ）は第２の燃料集合体に関する線図である。 本発明の第３実施例による対称格子型炉心用のＭＯＸ燃料集合体の組の燃料配列であって、中央部に燃料棒７本分の水管配置領域を有する場合を示す設計図であり、（ａ）は該組を構成する一方の第１のＭＯＸ燃料集合体の９×９配列、（ｂ）は該組を構成する他方の第２のＭＯＸ燃料集合体の９×９配列である。 図７の各ＭＯＸ燃料集合体において、最高富化度Ｐ１と次に高い富化度Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２に対する局所出力ピーキングを示す線図であり、（ａ）は第１の燃料集合体、（ｂ）は第２の燃料集合体に関する線図である。 本発明の第４実施例による非対称格子型炉心用の第２のＭＯＸ燃料集合体の９×９燃料配列であって、中央部から反制御棒側に一列ずれた位置に燃料棒９本分の水管配置領域を有する場合を示す設計図である。

本発明の沸騰水型原子炉用ＭＯＸ燃料集合体の組は、互いにプルトニウム富化度種類と各富化度種類毎の混合酸化物燃料棒（以下、ＭＯＸ燃料棒と記す）本数を同一とし、前記正方格子状配列の最外周部に配置する燃料棒の種類および位置が同一であると共に、それぞれ該最外周部に配置される燃料棒に可燃性毒物入りウラン燃料棒は含まれず、最高プルトニウム富化度のＭＯＸ燃料棒は水管配置領域に隣接しない位置に配置される、という共通の構成を有する第１と第２の２種類のＭＯＸ燃料集合体からなるものであり、第１のＭＯＸ燃料集合体は、水管配置領域に直接隣接する全ての位置にＭＯＸ燃料棒が配置され、第２のＭＯＸ燃料集合体は、水管配置領域に直接隣接する位置の一部に少なくとも一本の可燃性毒物入りウラン燃料棒が配置されているものである。

本発明の第１と第２の２種類のＭＯＸ燃料集合体の組においては、炉心の製造プロジェクトにて、プルトニウム富化度種類と各富化度種類毎のＭＯＸ燃料棒本数を同一とし、最外周部に可燃性毒物入りウラン燃料棒を配置しないことで制御棒価値の低下及び核計装の感度特性変化への影響を排除し、最外周部に配置する燃料棒の種類及び位置を同一とし且つ最高富化度のＭＯＸ燃料棒を水管配置領域に直接隣接しない配置とすることで、局所出力ピーキングの抑制を可能とした設計を基本とするものである。

従って、このような基本設計を備えた第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組を燃料集合体の製造単位とすれば、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体を適宜選択して所定の設計を加えるだけで広く様々な炉心装荷用に最適化することが可能であり、また第１と第２のＭＯＸ燃料集合体を組単位のまま同一炉心に装荷することも、また第１と第２のＭＯＸ燃料集合体をそれぞれの特徴を生かして互いに異なる炉心に装荷して使い分けることも可能である一方で、各種製造プロジェクト毎にＭＯＸ燃料棒の本数を調整する必要もなく共通のＭＯＸ燃料棒を高効率で利用できるため高い生産性が実現できる。

即ち、本発明の第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組は、炉心の各種製造プロジェクトにおいて採用することができるが、いずれのＭＯＸ燃料集合体においても、同一のプルトニウム富化度の種類と本数のＭＯＸ燃料棒で構成されるため、各炉心毎に共通のＭＯＸ燃料棒を利用でき、種類を抑えた燃料棒の製造で済む。従って各種炉心製造においてもプルトニウム富化度の種類が抑えられ、製造時の富化度毎に行われるクリーニングなどの回数が従来より減少し、作業員の被ばく量を抑制しながら、製造コストの低減を図ることができる。

まず、本発明によるＭＯＸ燃料集合体の組を各燃料集合体間の距離が等間隔である対称格子型の炉心に装荷する場合には、前記基本設計に加え、第１のＭＯＸ燃料集合体は、全てのウラン燃料棒に可燃性毒物を含むと共に全ウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に斜め、即ち正方格子配列の対角線方向に隣接する位置と該水管配置領域から２層目とを合わせた領域中に配置されるものとし、第２のＭＯＸ燃料集合体は、全てのウラン燃料棒に可燃性毒物を含むと共に全ウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に直接隣接する位置に配置されるものとする。

これにより、第１のＭＯＸ燃料集合体は、燃焼初期に相対的に高い反応度を有するという特徴を持ち、第２のＭＯＸ燃料集合体は、燃焼初期に相対的に低い反応度を有するという特徴を持ち、さらにこれら第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組では、同一炉心内で両者間に燃焼初期における反応度に差異を持たせ、２ストリーム炉心を構成することができる。また、必要な可燃性毒物入りウラン燃料棒以外を全てＭＯＸ燃料棒とすることができ、その分、プルトニウムの利用効率を向上させることができる。

なお、後述の実施例に示すように、本発明者等の検討の結果、各ＭＯＸ燃料集合体において、最高富化度のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度とその次に高いＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度との比を１．１以上、１．３以下と設定することによって、特に燃焼中期以降の局所ピーキングを良好に抑制することができる。

さらに、可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち、最も可燃性毒物の含有量が低いウラン燃料棒から、最も可燃性毒物の含有量が高いウラン燃料棒までの各可燃性毒物含有量の高低順位毎に、第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体とで同じ順位のウラン燃料棒同士間の、軸方向同一位置にある可燃性毒物の第１のＭＯＸ燃料集合体に対する第２のＭＯＸ燃料集合体の濃度比を１．４以上、２．０以下とすることによって、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体間で、可燃性毒物の消滅時期を同一とすることができる。

本発明による第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組は、各種格子型炉心において装荷でき、対称格子型炉心には、燃料集合体間のピッチが等間隔なＣ格子、Ｃ格子に内幅の小さいチャンネルボックスを組み合わせて成るＳ格子、Ｃ格子で燃料集合体間ピッチと制御棒ピッチを大きくしたＮ格子とがあるが、出力密度の高いＮ格子型炉心向けに最適化した燃料集合体の富化度種類と燃料配置をＣ格子型炉心、Ｓ格子型炉心へ適用することにより、その余剰反応度を有効利用し、Ｃ格子型炉心及びＳ格子型炉心のサイクルコストを低減させることができる。

これら各種対称格子型炉心において、共通する第１のＭＯＸ燃料集合体または第２の燃料集合体、あるいは両ＭＯＸ燃料集合体を装荷すれば、互いに同一のＭＯＸ燃料棒の種類と本数および同一のウラン燃料棒の本数を有するものであるため、各炉心間で各種共通する燃料棒を主として構成された燃料集合体を装荷することになり、決まった種類の燃料棒をそれぞれ多数まとめて製造しておくことができるため、高い生産性と、製造コストの低減が図れる。

また、第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体をそれぞれ異なる対称格子型炉心の各々に装荷させる場合、第１のＭＯＸ燃料集合体は、その特徴から低い余剰反応度抑制効果により炉心の反応度を高めるという効果が期待でき、第２のＭＯＸ燃料集合体は高い余剰反応度抑制効果により炉心の過大な反応度を抑制するという効果が期待でき、この場合、燃料集合体の組の特徴であるプルトニウム富化度が同一であるため、この組の製造においては著しい効率向上効果が期待できる。

また、本発明における前記基本設計に加え、第１のＭＯＸ燃料集合体を全可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に斜めに隣接する位置と該水管配置領域から２層目とを合わせた領域中に配置されるものとし、第２のＭＯＸ燃料集合体を全可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に直接隣接する位置に配置されるものとすることによって、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体間で互いに使用するＭＯＸ燃料棒の種類及びその本数を共通としながらも、第１のＭＯＸ燃料集合体を対称格子型炉心用とすると共に第２のＭＯＸ燃料集合体を非対称格子型炉心用とすることができる。

従って、これら対称格子型炉心用の第１のＭＯＸ燃料集合体と非対称格子型炉心用の第２のＭＯＸ燃料集合体とからなる燃焼集合体の組を製造単位とすれば、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体をそれぞれの特徴を生かした互いに異なる炉心に装荷するという使い分けが可能となり、結果として共通のＭＯＸ燃料棒を高効率で利用することになる。

このような対称格子型炉心用の第１のＭＯＸ燃料集合体と非対称格子型炉心用の第２のＭＯＸ燃料集合体の組においても、最高富化度のＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度とその次に高いＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度との比を１．１以上、１．３以下と設定することによって、特に燃焼中期以降の局所ピーキングを良好に抑制することができる。

なお、本発明の燃料集合体に配置されるウラン燃料棒について、使用されるウラン母材は、天然もしくは劣化ウランとすれば、濃縮ウランを用いる場合よりもプルトニウム装荷量を増大できると共に、濃縮のためのコストが不要となり、さらなる製造コストの低減に寄与する。

本発明の第１の実施例として、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体を、９×９配列ＭＯＸ燃料集合体の組として対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷した場合を図１に示す。図１の（ａ），（ｂ）は、それぞれ燃料集合体の組を構成する第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体の燃料配列を示す設計図である。なお、本実施例の燃料集合体においては、中央部の燃料棒９本分が水管配置領域であり、配置される水管は、角形のウォーターチャンネルである。

本実施例における第１と第２のＭＯＸ燃料集合体は、互いに、プルトニウム富化度に関してそれぞれ同一種類（富化度高い順からＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）のタイプ１〜４の４種のＭＯＸ燃料棒を同一本数ずつ有すると共に、可燃性毒物入りウラン燃料棒Ｇ１，Ｇ２を同一本数ずつ有するものとしたＭＯＸ燃料集合体の組である。

また第１と第２のＭＯＸ燃料集合体のいずれも、最外周部に配置される燃料棒に可燃性毒物入りウラン燃料棒（Ｇ１，Ｇ２）は含まれず、最高プルトニウム富化度のＭＯＸ燃料棒（タイプ１）は水管配置領域に直接隣接しない位置に配置されている。

さらに、第１のＭＯＸ燃料集合体は、全ウラン燃料棒のうち半数本以上がウォーターチャンネルに斜めに隣接する位置と該ウォーターチャンネルから２層目を合わせた領域中に配置されており、第２のＭＯＸ燃料集合体では、全ウラン燃料棒のうち半数本以上がウォーターチャンネルに直接隣接する位置に配置されている。

また、この組においては、それぞれ最高富化度Ｐ１と次に高い富化度Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２を１．２１とすると共に、互いの可燃性毒物入りウラン燃料棒の、可燃性毒物の含有量が最高のウラン燃料棒同士（タイプＧ２）の軸方向同一位置にある可燃性毒物の含有量（第１のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ４，第２のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ８）の濃度比Ｃ８／Ｃ４を１．６７とし、可燃性毒物の含有量が二番目に高いウラン燃料棒同士（タイプＧ１）の軸方向同一位置にある可燃性毒物の含有量（第１のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ２，第２のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ６）の濃度比Ｃ６／Ｃ２を１．７５としたものである。この濃度比とすることで、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体間で可燃性毒物の消滅時期をほぼ同一にすることができる。

このような第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組に関し、各燃料集合体の断面における無限増倍率の推移を図２の線図に示す。この図２から、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の無限増倍率は、燃焼初期に差異があり、可燃性毒物が消滅した後は一致することがわかる。即ち、本実施例における第１と第２のＭＯＸ燃料集合体は、従来のウラン２ストリーム燃料集合体ペアと同様の傾向を持つものと言える。

次に、本実施例の第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組における局所出力ピーキングの推移を図３の線図に示す。本実施例では、前記Ｐ１／Ｐ２＝１．２１としたものであるが、図３には、本実施例の第１と第２のＭＯＸ燃料集合体と局所出力ピーキングと、集合体平均富化度を変えずにＰ１／Ｐ２＝１．４１としたＭＯＸ燃料集合体の組についてもその局所出力ピーキングの推移を併せて示した。図３に示されるように、本実施例による第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組（Ｐ１／Ｐ２＝１．２１）では、Ｐ１／Ｐ２＝１．４１としたＭＯＸ燃料集合体ペアに比べて燃焼中期以降の局所出力ピーキングが良好に抑えられていることがわかる。

次に、燃焼中期におけるＰ１／Ｐ２に対する第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の局所出力ピーキングをそれぞれ図４（ａ）、（ｂ）の線図に示す。この図４から、燃料集合体の種類や燃焼度によって局所出力ピーキングが変化することがわかるが、いずれにおいても、Ｐ１／Ｐ２が１．１〜１．３の範囲にある場合に極小値となっていることがわかる。従って、ＭＯＸ燃料集合体の組において、特に燃焼中期以降の局所ピーキングを良好に抑制するためには、Ｐ１／Ｐ２を１．１以上、１．３以下の範囲に設定することが望ましいことが明らかとなった。

本発明の第２の実施例として、対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷される８×８配列ＭＯＸ燃料集合体の組を図５に示す。図５の（ａ），（ｂ）は、それぞれ燃料集合体の組を構成する第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体の燃料配列を示す設計図である。なお、本実施例の燃料集合体においては、中央部の燃料棒４本分が水管配置領域であり、配置される水管は、円形のウォーターロッドである。

本実施例における第１と第２のＭＯＸ燃料集合体は、互いに、プルトニウム富化度に関してそれぞれ同一種類のタイプ１〜４の４種類（富化度の高い順からＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）のＭＯＸ燃料棒を同一本数ずつ有すると共に、可燃性毒物入りウラン燃料棒Ｇ１を同一本数ずつ有しするものとした２ストリーム用のＭＯＸ燃料集合体ペアである。

また、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体のいずれも、最外周部に配置される燃料棒に可燃性毒物入りウラン燃料棒（Ｇ１）は含まれず、最高プルトニウム富化度のＭＯＸ燃料棒（タイプ１）はウォーターロッドに直接隣接しない位置に配置されている。

さらに、第１のＭＯＸ燃料集合体は、全ウラン燃料棒のうち半数本以上がウォーターロッドに斜めに隣接する位置とウォーターロッドから２層目を合わせた領域中に配置されており、第２のＭＯＸ燃料集合体では、全ウラン燃料棒のうち半数本以上がウォーターロッドに直接隣接する位置に配置されている。

また、この組においては、ウラン燃料棒同士（タイプＧ１）の可燃性毒物の含有量（第１のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ１，第２のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ２）の濃度比Ｃ２／Ｃ１を１．４としたものである。この濃度比とすることで、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体間で可燃性毒物の消滅時期をほぼ同一にすることができる。

このような第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組に関し、燃焼中期におけるＰ１／Ｐ２に対する第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の局所出力ピーキングをそれぞれ図６（ａ）、（ｂ）の線図に示す。この図６から、燃料集合体の種類や燃焼度によって局所出力ピーキングが変化することがわかるが、いずれにおいても、Ｐ１／Ｐ２が１．１〜１．３の範囲にある場合に極小値となっていることがわかる。従って、ＭＯＸ燃料集合体の組において、特に燃焼中期以降の局所ピーキングを良好に抑制するためには、Ｐ１／Ｐ２を１．１以上、１．３以下の範囲に設定することが望ましいことが本実施例においても明らかとなった。

本発明の第３の実施例として、第１の実施例とは異なる、対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷される９×９配列ＭＯＸ燃料集合体の組を図７に示す。図７の（ａ），（ｂ）は、それぞれ燃料集合体の組を構成する第１のＭＯＸ燃料集合体と第２の燃料集合体の燃料配列を示す設計図である。第３の実施例は第１の実施例と集合体断面中央の水管配置領域の形状が異なり、水管として燃料棒７本分の領域に円形のウォーターロッドが２本配置されている。これを９×９配列の第２の例とする。

本実施例における第１と第２のＭＯＸ燃料集合体は、互いに、プルトニウム富化度に関してそれぞれ同一種類のタイプ１〜４の４種（富化度高い順からＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）の４種のＭＯＸ燃料棒と、タイプ５，６としてプルトニウム富化度Ｐ１，Ｐ２で部分長燃料棒とした２種のＭＯＸ燃料棒を同一本数ずつ有すると共に、可燃性毒物入りウラン燃料棒Ｇ１，Ｇ２を同一本数ずつ有するものとしたＭＯＸ燃料集合体の組である。

また第１と第２のＭＯＸ燃料集合体のいずれも、最外周部に配置される燃料棒に可燃性毒物入りウラン燃料棒（Ｇ１，Ｇ２）は含まれず、最高プルトニウム富化度のＭＯＸ燃料棒（タイプ１）はウォーターロッドに直接隣接しない位置に配置されている。

さらに、第１のＭＯＸ燃料集合体は、全ウラン燃料棒のうち半数本以上がウォーターロッド配置領域に斜めに隣接する位置とウォーターロッド配置領域から２層目を合わせた領域の中に配置されており、第２のＭＯＸ燃料集合体では、全ウラン燃料棒のうち半数本以上がウォーターロッド配置領域に直接隣接する位置に配置されている。

また、この組においては、互いの可燃性毒物入りウラン燃料棒の、可燃性毒物の含有量が最高のウラン燃料棒同士（タイプＧ２）の軸方向同一位置にある可燃性毒物の含有量（第１のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ３，Ｃ４，第２のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ７，Ｃ８）の濃度比Ｃ７／Ｃ３を１．５、Ｃ８／Ｃ４を１．５とし、可燃性毒物の含有量が二番目に高いウラン燃料棒同士（タイプＧ１）の軸方向同一位置にある可燃性毒物の含有量（第１のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ１，Ｃ２，第２のＭＯＸ燃料集合体：Ｃ５，Ｃ６）の濃度比Ｃ５／Ｃ１を１．５、Ｃ６／Ｃ２を１．４としたものである。この濃度比とすることで、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体間で可燃性毒物の消滅時期をほぼ同一にすることができる。

このような第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の組に関し、燃焼中期におけるＰ１／Ｐ２に対する第１と第２のＭＯＸ燃料集合体の軸方向下部及び上部の局所出力ピーキングをそれぞれ図８（ａ）、（ｂ）の線図に示す。この図８から、燃料集合体の種類や燃焼度によって局所出力ピーキングが変化することがわかる。第１のＭＯＸ燃料集合体上部の３０ＧＷｄ／ｔの推移において，Ｐ１／Ｐ２＝１．０と１．１のときにほぼ同程度の最小値を示しているが，いずれにおいても、Ｐ１／Ｐ２が１．１〜１．３の範囲にある場合に極小値となっていることがわかる。従って、ＭＯＸ燃料集合体の組において、特に燃焼中期以降の局所ピーキングを良好に抑制するためには、Ｐ１／Ｐ２を１．１以上、１．３以下の範囲に設定することが望ましいことが本実施例においても明らかとなった。

本発明の第４の実施例として、第１のＭＯＸ燃料集合体が対称格子型沸騰水型原子炉用炉心に装荷され、第２のＭＯＸ燃料集合体が非対称格子型沸騰水型原子炉用炉心に装荷されるＭＯＸ燃料集合体の組を示す。本実施例による第１のＭＯＸ燃料集合体は図１（ａ）に示した設計図と同一の燃料配列を持つものであり、第２のＭＯＸ燃料集合体の燃料配列を図９の設計図に示した。

本実施例における第１と第２のＭＯＸ燃料集合体は、互いに、プルトニウム富化度に関してそれぞれ同一種類のタイプ１〜４の４種類（富化度の高い順からＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）のＭＯＸ燃料棒を同一本数ずつ有すると共に、ウラン燃料棒を同一本数ずつ有するものとしたＭＯＸ燃料集合体の組である。

また、第１と第２のＭＯＸ燃料集合体のいずれも、最外周部に配置される燃料棒に可燃性毒物入りウラン燃料棒は含まれず、最高プルトニウム富化度のＭＯＸ燃料棒（タイプ１）はウォーターロッドに直接隣接しない位置に配置されている。

さらに、第１のＭＯＸ燃料集合体は、全可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち半数本以上がウォーターロッドに斜めに隣接する位置とウォーターロッドから２層目とを合わせた領域中に配置されており、第２のＭＯＸ燃料集合体では、全可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち半数本以上がウォーターロッドに直接隣接する位置に配置されている。

Claims (9)

1. それぞれ予め定められた本数のウラン・プルトニウム混合酸化物燃料棒と、少なくとも１本に可燃性毒物を含むウラン燃料棒とが正方格子状に配列され、該正方格子状配列の予め定められた燃料棒本数分の領域に水管が置換配置された沸騰水型原子炉用のＭＯＸ燃料集合体の組であって、
   前記ＭＯＸ燃料集合体の組は、２種類の第１と第２のＭＯＸ燃料集合体を有し、
   前記第１と第２のＭＯＸ燃料集合体は、互いにプルトニウム富化度種類と各富化度種類毎の混合酸化物燃料棒本数を同一とし、それぞれ前記正方格子状配列の最外周部に配置される燃料棒に可燃性毒物入りウラン燃料棒は含まれず、最高プルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒は前記水管配置領域に直接隣接しない位置に配置されるものであり、
   前記第１のＭＯＸ燃料集合体は、前記水管配置領域に直接隣接する全ての位置に混合酸化物燃料棒が配置され、
   前記第２のＭＯＸ燃料集合体は、前記水管配置領域に直接隣接する位置の一部に、少なくとも一本の可燃性毒物入りウラン燃料棒が配置されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体の組。
2. 前記第１のＭＯＸ燃料集合体は、全てのウラン燃料棒に可燃性毒物を含み、全ウラン燃料棒のうち半数本以上が、前記水管配置領域に斜めに隣接する位置と該水管配置領域から２層目とを合わせた領域中に配置され、
   前記第２のＭＯＸ燃料集合体は、全てのウラン燃料棒に可燃性毒物を含み、全ウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に直接隣接する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＸ燃料集合体の組。
3. 最高プルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒と、その次に高いプルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒との富化度比が１．１以上、１．３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＯＸ燃料集合体の組。
4. 第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体とが備えている可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち、最も可燃性毒物の含有量が低いウラン燃料棒から、最も可燃性毒物の含有量が高いウラン燃料棒までの各可燃性毒物含有量の高低順位毎に、同じ順位のウラン燃料棒同士間の、軸方向同一位置にある可燃性毒物の第１のＭＯＸ燃料集合体に対する第２のＭＯＸ燃料集合体の濃度比が１．４以上、２．０以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＯＸ燃料集合体の組。
5. 第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体とを、同一の対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＯＸ燃料集合体の組。
6. 第１のＭＯＸ燃料集合体と第２のＭＯＸ燃料集合体とを、それぞれ異なる対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＯＸ燃料集合体の組。
7. 前記第１のＭＯＸ燃料集合体は、全可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に斜めに隣接する位置と該水管配置領域から２層目とを合わせた領域中に配置され、
   前記第２のＭＯＸ燃料集合体は、全可燃性毒物入りウラン燃料棒のうち半数本以上が前記水管配置領域に直接隣接する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＸ燃料集合体の組。
8. 最高プルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒と、その次に高いプルトニウム富化度の混合酸化物燃料棒との富化度比が１．１以上、１．３以下であることを特徴とする請求項７に記載のＭＯＸ燃料集合体の組。
9. 第１のＭＯＸ燃料集合体を対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷すると共に、第２のＭＯＸ燃料集合体を非対称格子型の沸騰水型原子炉用炉心に装荷することを特徴とする請求項１又は７又は８に記載のＭＯＸ燃料集合体の組。

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