JP5711316B2

JP5711316B2 - 沸騰水型原子炉の初装荷炉心および沸騰水型原子炉の運転方法

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Publication number: JP5711316B2
Application number: JP2013159786A
Authority: JP
Inventors: 金子　浩久; 浩久金子
Original assignee: 株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: JP2013250275A

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の初装荷炉心および運転方法に関する。

原子炉は、中性子が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。また、連鎖反応が増大していく状態を臨界超過といい、逆に減少していく状態を未臨界という。

原子炉は、たとえば１年程度の所定の期間にわたって燃料の補給なしに運転し続けねばならないために、炉心内には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。したがって、所定の運転期間の途中までの期間では、原子炉は、制御材なしには臨界超過になる。

この超過した反応度を余剰反応度といい、余剰反応度を運転期間を通じて適切に制御することが重要である。余剰反応度を運転期間を通じて制御する技術としては、可燃性毒物を燃料中に混入するものがよく知られている。可燃性毒物とは、運転期間を通じて徐々に燃焼しその物質量が減少していく中性子吸収材のことで、核燃料物質に混ぜて使用されるガドリニアなどが知られている。

可燃性毒物を含有する燃料集合体の無限増倍率は、燃焼に伴って一旦上昇した後、減少していく。一般に、可燃性毒物を含有する燃料棒の本数が増加すれば、燃焼初期での無限増倍率が低下する。また、可燃性毒物の濃度を増加させれば、可燃性毒物が燃え尽きる時期を遅らせることができるため、無限増倍率の最大値を抑えることが可能になる。このため、可燃性毒物の混入濃度とそれが混入した燃料棒の本数の組み合わせにより、余剰反応度を適切に制御することができる。

初装荷炉心では、装荷された燃料集合体の一部が第１サイクルの運転終了後に取り出され、新しい取替燃料集合体と交換される。第１サイクルで取り出される燃料集合体は他の燃料集合体に比べて燃焼度が低く、発生エネルギーが少ない。このため、第１サイクルで取り出される燃料集合体の体数が少ないほど、燃料経済性が高くなる。

しかし、燃料経済性を向上させるために、単に炉心平均濃縮度を高めると、最小限界出力比や最大線出力密度などの熱的特性が悪化し、原子炉の安全性を損なう場合がある。そこで、核分裂性物質の有効活用を図るために、炉内滞在期間に応じてウラン濃縮度を変えた複数の燃料集合体を用いる初装荷炉心が知られている。

たとえば特許文献１には、２行２列の４体の燃料集合体からなる単位装荷ユニットを規則的に配置した初装荷炉心が開示されている。この単位装荷ユニットは、低濃縮燃料１体と高濃縮燃料３体とからなり、４つの単位装荷ユニットに含まれる低濃縮燃料４が隣接してコントロールセルを形成するように配置される。また、単位装荷ユニットに含まれる高濃縮燃料の低濃縮燃料に面する側にガドリニア入り燃料棒が多く位置するように、ガドリニア入り燃料棒を偏在させている。このような燃料棒の配置とすることにより、スペクトルミスマッチ効果による熱的特性の悪化を抑制している。

特許第３１８６５４６号公報

しかし、単位装荷ユニットを規則的に配置した炉心の場合、炉心中央に近いほど中性子の漏れが小さいため、径方向出力ピーキングは高くなる傾向がある。このため、炉心の中央付近で熱的特性が悪化し、熱的制限値を満足できないおそれがある。

そこで本発明は、単位装荷ユニットを配列した領域を有する初装荷炉心の径方向出力ピーキングを低減し、熱的特性を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、１本の制御棒が鉛直方向に挿入可能な制御棒挿入部を囲み鉛直方向に延びる４体の正四角筒状の燃料集合体からなるセルを正方格子状に配列した領域を含み鉛直方向に延びるほぼ円筒形の領域に前記燃料集合体を正方格子状に配列した炉心であって、前記燃料集合体のうち低濃縮燃料集合体１体およびその低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質の含有量が大きい高濃縮燃料集合体３体が４箇所の前記制御棒挿入部に囲まれる２行２列に配列した単位装荷ユニットを各単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置した単位装荷ユニット配置領域を備え、前記単位装荷ユニットそれぞれにおいて前記高濃縮燃料集合体の少なくとも一つは、前記低濃縮燃料集合体側に偏在している可燃性毒物入り燃料棒を有する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記単位装荷ユニット配置領域の内部であって炉心中央部分に形成された中央領域と、前記単位装荷ユニット配置領域のうち前記中央領域よりも径方向の外側の領域である中間領域と、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入される第１のコントロールセルと、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり、それらの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の核分裂性物質の含有量の総和が、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の核分裂性物質の含有量の総和に比べて小さく前記第１のコントロールセルの中心の制御棒の後にその中心の制御棒が挿入される第２のコントロールセルと、を有し、前記高濃縮燃料集合体は、第１の高濃縮燃料集合体と、前記第１の高濃縮燃料集合体よりも平均核分裂性物質の含有量が大きい第２の高濃縮燃料集合体とからなり、前記第１の高濃縮燃料集合体の割合は、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットよりも、前記第２のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットにおいて大きい、ことを特徴とする。

また、本発明は、１本の制御棒が鉛直方向に挿入可能な制御棒挿入部を囲み鉛直方向に延びる４体の正四角筒状の燃料集合体からなるセルを正方格子状に配列した領域を含み鉛直方向に延びるほぼ円筒形の領域に前記燃料集合体を正方格子状に配列した炉心であって、前記燃料集合体のうち低濃縮燃料集合体１体およびその低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質の含有量が大きい高濃縮燃料集合体３体が４箇所の前記制御棒挿入部に囲まれる２行２列に配列した単位装荷ユニットを各単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置した単位装荷ユニット配置領域を備え、前記単位装荷ユニットそれぞれにおいて前記高濃縮燃料集合体の少なくとも一つは、前記低濃縮燃料集合体側に偏在している可燃性毒物入り燃料棒を有する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記単位装荷ユニット配置領域の内部であって炉心中央部分に形成された中央領域と、前記単位装荷ユニット配置領域のうち前記中央領域よりも径方向の外側の領域である中間領域と、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入される第１のコントロールセルと、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり、それらの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の可燃性毒物の含有量の総和が、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の可燃性毒物の含有量の総和に比べて大きく前記第１のコントロールセルの中心の制御棒の後にその中心の制御棒が挿入される第２のコントロールセルと、を有し、前記高濃縮燃料集合体は、可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の高濃縮燃料集合体と、前記第１の高濃縮燃料集合体よりも少数の可燃性毒物入り燃料棒を有する第２の高濃縮燃料集合体とからなり、前記第１の高濃縮燃料集合体の割合は、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットよりも、前記第２のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットにおいて大きい、ことを特徴とする。

また、本発明は、１本の制御棒が鉛直方向に挿入可能な制御棒挿入部を囲み鉛直方向に延びる４体の正四角筒状の燃料集合体からなるセルを正方格子状に配列した領域を含み鉛直方向に延びるほぼ円筒形の領域に前記燃料集合体を正方格子状に配列した炉心であって、前記燃料集合体のうち低濃縮燃料集合体１体およびその低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質の含有量が大きい高濃縮燃料集合体３体が４箇所の前記制御棒挿入部に囲まれる２行２列に配列した単位装荷ユニットを各単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置した単位装荷ユニット配置領域と、前記単位装荷ユニット配置領域の内部であって炉心中央部分に形成された中央領域と、前記単位装荷ユニット配置領域のうち前記中央領域よりも径方向の外側の領域である中間領域と、を備え、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入される第１のコントロールセルと、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなりそれらの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の核分裂性物質の含有量の総和が前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の核分裂性物質の含有量の総和に比べて小さく前記第１のコントロールセルの中心の制御棒の後にその中心の制御棒が挿入される第２のコントロールセルと、が形成され、前記高濃縮燃料集合体は第１の高濃縮燃料集合体と前記第１の高濃縮燃料集合体よりも平均核分裂性物質の含有量が大きい第２の高濃縮燃料集合体とからなり、前記第１の高濃縮燃料集合体の割合は、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットよりも、前記第２のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットにおいて大きく、前記第１のコントロールセルでは少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入されており、前記単位装荷ユニットそれぞれにおいて前記高濃縮燃料集合体の少なくとも一つは、前記低濃縮燃料集合体側に偏在している可燃性毒物入り燃料棒を有する初装荷炉心を備えた沸騰水型原子炉の運転方法において、前記第１のコントロールセルで囲まれる前記制御棒挿入部に挿入される前記制御棒を原子炉の制御に用いる第１の工程と、前記第１の工程よりも後に、前記第２のコントロールセルで囲まれる前記制御棒挿入部に挿入される前記制御棒を原子炉の制御に用いる第２の工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、１本の制御棒が鉛直方向に挿入可能な制御棒挿入部を囲み鉛直方向に延びる４体の正四角筒状の燃料集合体からなるセルを正方格子状に配列した領域を含み鉛直方向に延びるほぼ円筒形の領域に前記燃料集合体を正方格子状に配列した炉心であって、前記燃料集合体のうち低濃縮燃料集合体１体およびその低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質の含有量が大きい高濃縮燃料集合体３体が４箇所の前記制御棒挿入部に囲まれる２行２列に配列した単位装荷ユニットを各単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置した単位装荷ユニット配置領域と、前記単位装荷ユニット配置領域の内部であって炉心中央部分に形成された中央領域と、前記単位装荷ユニット配置領域のうち前記中央領域よりも径方向の外側の領域である中間領域と、を備え、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入される第１のコントロールセルと、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなりそれらの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の可燃性毒物の含有量の総和が前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の可燃性毒物の含有量の総和に比べて大きく前記第１のコントロールセルの中心の制御棒の後にその中心の制御棒が挿入される第２のコントロールセルと、が形成され、前記高濃縮燃料集合体は可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の高濃縮燃料集合体と前記第１の高濃縮燃料集合体よりも少数の可燃性毒物入り燃料棒を有する第２の高濃縮燃料集合体とからなり、前記第１の高濃縮燃料集合体の割合は、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットよりも、前記第２のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットにおいて大きく、前記第１のコントロールセルでは少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入されており、前記単位装荷ユニットそれぞれにおいて前記高濃縮燃料集合体の少なくとも一つは、前記低濃縮燃料集合体側に偏在している可燃性毒物入り燃料棒を有する初装荷炉心を備えた沸騰水型原子炉の運転方法において、前記第１のコントロールセルで囲まれる前記制御棒挿入部に挿入される前記制御棒を原子炉の制御に用いる第１の工程と、前記第１の工程よりも後に、前記第２のコントロールセルで囲まれる前記制御棒挿入部に挿入される前記制御棒を原子炉の制御に用いる第２の工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、単位装荷ユニットを配列した領域を有する初装荷炉心の径方向出力ピーキングを低減し、熱的特性を向上させることができる。

本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第１の実施の形態における炉心の第１サイクルの燃料集合体の配置を示す１／４横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第１の実施の形態における１／４横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第１の実施の形態における燃料集合体の横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第１の実施の形態における高濃縮高ガドリニア燃料集合体１を３体含む単位装荷ユニットの燃料棒の配置の例を示す横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第１の実施の形態における高濃縮高ガドリニア燃料集合体１を１体含む単位装荷ユニットの燃料棒の配置の例を示す横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第２の実施の形態における中央領域の単位装荷ユニットの燃料棒配置を示す横断面図である。本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第３の実施の形態における炉心の第１サイクルの燃料集合体の配置を示す１／４横断面図である。

本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第１の実施の形態における横断面（水平断面）図である。図３は、本実施の形態における燃料集合体の横断面図である。図２は、炉心の横断面の左上１／４を示した図であって、残りの部分は炉心の鉛直方向中心軸を対称軸とする図示した部分の回転対称となっている。なお、炉心全体が回転対称になっている必要はなく、鏡面対称であってもよいし、対称性がない炉心であってもよい。

沸騰水型原子炉には、角筒状の燃料集合体２６を配置する空間２２が正方格子状に配列された領域１０を有している。この領域１０は、全体としてほぼ円筒形に形成されていて、燃料集合体２６の軸は、その円筒の軸と同じ方向に向かっている。これらの空間２２に燃料集合体２６が配置されて、炉心を形成する。

また、燃料集合体２６を配置する空間２２は、燃料集合体２６よりも若干大きく、隣り合う４体の燃料集合体２６の間に、制御棒２１が挿入できるようになっている。なお、領域１０の半径方向の外側の一部には、制御棒２１と隣接しない燃料集合体２６を配置する空間２２も存在する。

本実施の形態の炉心では、８７２体の燃料集合体２６が装荷され、２０５本の制御棒２１が配置される。

燃料集合体２６は、正方格子状に９行９列で配列された円筒状の燃料棒２４、および、燃料棒２４の配列の中央部分に配置された角筒状のウォータチャンネル２５を有している。ウォータチャンネル２５は、燃料棒２４の３行３列の９本分の領域を占めている。燃料棒２４およびウォータチャンネル２５は、軸方向の両端に設けられたタイプレート（図示せず）および軸方向の数箇所に設けられたスペーサ（図示せず）で保持されている。燃料集合体２６の外周は、角筒状のチャンネルボックス２３で囲まれている。

燃料棒２４の内部には、ウラン２３５などの核分裂性物質が、たとえばウラン２３８などとともに円筒状に焼き固められたペレットとして収められている。各燃料棒２４中のウラン２３５の濃縮度は、燃料棒２４ごとに異なっていて、各燃料棒２４に収められた核分裂性物質量も燃料棒２４ごとに異なっている。なお、燃料棒２４の軸方向に濃縮度が異なる領域を設けてもよい。

図１は、本実施の形態における炉心の第１サイクルの燃料集合体の配置を示す１／４横断面図である。符号１，２，３はそれぞれ燃料集合体２６の種類を示しており、同一の符号は、燃料棒２４の配置が同一の燃料集合体を示している。

第１サイクルの炉心１１、すなわち初装荷炉心１１は、３種類の燃料集合体１，２，３で構成されている。これらは、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２、および、低濃縮燃料集合体３である。なお、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１および高濃縮低ガドリニア燃料集合体２を、まとめて高濃縮燃料集合体１，２と呼ぶ。

また、この炉心１１は、中央領域７１、中間領域７２、外周領域７３から構成されている。

外周領域７３には、高濃縮低ガドリニア燃料集合体２が配列されている。

中央領域７１および中間領域７２には、コントロールセル７４が形成されている。コントロールセル７４とは、ある制御棒２１を囲む４体の燃料集合体が全て低濃縮燃料集合体３である燃料集合体の組（セル）である。運転中の炉心の制御棒２１による制御には、主としてコントロールセル７４に位置する制御棒２１を用いる。

また、中央領域７１および中間領域７２は、正方格子状に配列された単位装荷ユニット７５で構成されている。単位装荷ユニット７５は、４本の制御棒２１に囲まれる４体の燃料集合体１，２，３から構成されている。これらの４体の燃料集合体１，２，３は、１体の低濃縮燃料集合体３と、３体の高濃縮燃料集合体１，２である。したがって、単位装荷ユニット７５には、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１が、含まれないもの、１体含まれるもの、２体含まれるもの、および、３体含まれるものの４種類がある。

図４は、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１を３体含む単位装荷ユニット７５の燃料棒の配置の例を示す横断面図である。図５は、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１を１体含む単位装荷ユニット７５の燃料棒の配置の例を示す横断面図である。

図４および図５において、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３で示される位置はウラン燃料棒が配置され、Ｇで示される位置はガドリニア入り燃料棒が配置されることを示している。Ｗは、ウォータチャンネルの位置を示している。

ウラン燃料棒とは、内部にガドリニアなどの可燃性毒物を含有しない燃料棒２４のことであり、ガドリニア入り燃料棒とは、ガドリニアなどの可燃性毒物を核分裂性物質とともに含有する燃料棒２４のことである。Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３で示されるウラン燃料棒はそれぞれウラン２３５の濃縮度が異なり、Ｕ１で示されるウラン燃料棒の濃縮度が最も高く、Ｕ３で示される位置のウラン燃料棒の濃縮度が最も低い。Ｕ１で示されるウラン燃料棒の濃縮度は、たとえば４．９ｗｔ％である。

中央領域７１および中間領域７２は、中央領域７１に形成される全ての単位装荷ユニット７５で平均したときの１つの単位装荷ユニット７５あたりの高濃縮高ガドリニア燃料１の割合が、中間領域７２に形成される全ての単位装荷ユニット７５での平均に比べて大きくなるように形成されている。つまり、中央領域７１に形成される単位装荷ユニット７５には、高濃縮高ガドリニア燃料１が比較的多く含まれている。一方、中間領域に形成される単位装荷ユニット７５には、高濃縮低ガドリニア燃料２が比較的多く含まれている。

炉心の中心軸に近いほど中性子の漏れは小さいため、中央領域７１および中間領域７２の全ての単位装荷ユニット７５において、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１の割合を同じにすると、炉心の中心軸に近い領域で径方向出力ピーキングが大きくなる傾向にある。このような場合に炉心の中心軸に近い領域では、最大線出力密度や最小限界出力比などの熱的特性が悪化する場合がある。

本実施の形態の炉心１１では、炉心１１の中央領域７１において、高濃縮高ガドリニア燃料１の割合が多くなるように配置するため、径方向出力ピーキングを抑制することができ、熱的特性を改善することができる。

また、高濃縮高ガドリニア燃料集合体１および高濃縮低ガドリニア燃料集合体２では、ともに、制御棒２１に面する側と反対側にガドリニア入り燃料棒がより多く配置されている。したがって、全ての単位装荷ユニット７５において、低濃縮燃料集合体３に面する側に、ガドリニア入り燃料棒が偏在している。このため、スペクトルミスマッチによる熱的特性の悪化を抑制することができる。

［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第２の実施の形態における中央領域の単位装荷ユニットの燃料棒配置を示す横断面図である。

本実施の形態の初装荷炉心は、第１の実施の形態の初装荷炉心１１の中央領域７１の高濃縮燃料集合体１，２の一部を、中濃縮燃料集合体４と置き換えたものである。

中濃縮燃料集合体４は、たとえば低濃縮燃料集合体３と向かい合う面に位置する燃料棒２４の濃縮度を、高濃縮燃料集合体１，２よりも低くしたものである。中濃縮燃料集合体４の集合体平均濃縮度は、高濃縮燃料集合体１，２よりも低く、低濃縮燃料集合体３よりも大きい。

このように中濃縮燃料集合体４を、初装荷炉心１１の中央領域７１に配置することにより、中央領域７１での径方向出力ピーキングを抑制することができ、熱的特性を改善することができる。

また、低濃縮燃料集合体３に面する側に、比較的低い濃縮度の燃料棒が偏在しているため、スペクトルミスマッチによる熱的特性の悪化を抑制することができる。

［第３の実施の形態］
図７は、本発明に係る沸騰水型原子炉の炉心の第３の実施の形態における炉心の第１サイクルの燃料集合体の配置を示す１／４横断面図である。

本実施の形態の炉心１２も、第１の実施の形態と同様に、中央領域７１および中間領域７２は、正方格子状に配列された単位装荷ユニット７５（図１参照）によって形成されている。単位装荷ユニット７５は、１体の低濃縮燃料集合体３と、３体の高濃縮燃料集合体１，２で構成されている。

また、中央領域７１および中間領域７２には、第１の実施の形態と同様に、コントロールセル７６，７７が形成されている。コントロールセル７６，７７は、制御棒２１を囲む４体の低濃縮燃料集合体３で構成されている。

本実施の形態の炉心１２には、２種類のコントロールセル７６，７７がある。第１のコントロールセル７６は、そのセルを構成する低濃縮燃料集合体３と向かい合う位置に高濃縮低ガドリニア燃料２が配置されたセルである。第２のコントロールセル７７は、そのセルを構成する低濃縮燃料集合体３と向かい合う位置に高濃縮高ガドリニア燃料１が配置されたセルである。

このような炉心１２が形成された沸騰水型原子炉の第１サイクルでは、起動して定常運転に至ったときには、まず第１のコントロールセル７６に制御棒を挿入し、その制御棒を操作して原子炉を制御する。この第１のコントロールセル７６にのみ制御棒を挿入して原子炉を制御する工程を第１の工程と呼ぶこととする。その後、第２のコントロールセル７７に制御棒を挿入して、その制御棒を操作して原子炉を制御する。この第２のコントロールセル７７に制御棒を挿入して原子炉を制御する工程を第２の工程と呼ぶこととする。第２の工程においては、第１のコントロールセル７６の制御棒を操作してもよいし、第１のコントロールセル７６の制御棒を全て引き抜いた状態としてもよい。

中央領域７１および中間領域７２の全ての単位装荷ユニット７５を同じ単位装荷ユニットとすると、運転中に制御棒を長期間挿入するか否かにかかわらず、コントロールセル７６，７７を構成する低濃縮燃料集合体３と向かい合う燃料集合体は、たとえば高濃縮高ガドリニア燃料１などの特定の燃料集合体２６となる。しかし、制御棒２１が挿入されているコントロールセル７６，７７の近傍では、制御棒２１による出力抑制効果が大きく、熱的特性には余裕が大きい。

本実施の形態では、第２のコントロールセル７７を構成する低濃縮燃料集合体３と向かい合う位置には、高濃縮高ガドリニア燃料１が配置されている。このため、第１サイクルの初期において、第２のコントロールセル７７に制御棒２１が挿入されていない状態、すなわち第１の工程でも、第２のコントロールセル７７の近傍では、ガドリニアによって熱出力が抑制され、熱的特性には余裕が大きい。

また、第１のコントロールセル７６を構成する低濃縮燃料集合体３と向かい合う位置には、高濃縮低ガドリニア燃料２が配置されている。第１サイクルの初期において、第１のコントロールセル７６に制御棒２１が挿入されている状態、すなわち第１の工程では、制御棒２１による出力抑制効果が大きいため、その近傍でのガドリニア量は多くないが、熱的特性には余裕が大きい。

このように、初装荷炉心１２の第１サイクル目の初期において制御棒２１が挿入される第１のコントロールセル７６の周りの高濃縮燃料集合体を高濃縮低ガドリニア燃料集合体２とすることで、不必要なガドリニアの使用を回避し、中性子経済性を向上させている。

また、第２のコントロールセル７７の低濃縮燃料集合体３と向かい合う高濃縮高ガドリニア燃料集合体１の代わりに、第３の実施の形態における中濃縮燃料集合体４を用いてもよい。このようにして、初装荷炉心１２の第１サイクル目の初期において制御棒２１が装荷されない第２のコントロールセル７７の周りの燃料集合体の濃縮度を下げることで、熱的制限値を満足させることもできる。このような場合、なるべく中濃縮燃料集合体４の体数を減らすことで、スペクトルミスマッチ効果による熱的特性の悪化を抑制するための炉心平均濃縮度の低下を避けることができる。

なお、本発明は、上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。たとえば、上述の各実施の形態は、８７２体で構成される炉心について説明したが、これよりも小型あるいは大型の炉心であっても適用可能である。また、燃料集合体も９×９型燃料を用いて説明したが、他の型式の燃料、たとえば燃料棒が１０行１０列に配列された燃料などであってもよい。ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料についても適用することができる。これらの燃料集合体が混在していてもよい。可燃性毒物としては、ガドリニアを例に説明しているが、エルビアなど他の可燃性毒物を使用してもよい。

さらに、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

１…高濃縮高ガドリニア燃料集合体（高濃縮燃料集合体）、２…高濃縮低ガドリニア燃料集合体（高濃縮燃料集合体）、３…低濃縮燃料集合体、４…中濃縮燃料集合体、１１、１２…第１サイクルの炉心（初装荷炉心）、２１…制御棒、２３…チャンネルボックス、２４…燃料棒、２５…ウォータチャンネル、２６…燃料集合体、７１…中央領域、７２…中間領域、７３…外周領域、７４…コントロールセル、７５…単位装荷ユニット、７６…第１のコントロールセル、７７…第２のコントロールセル

Claims

１本の制御棒が鉛直方向に挿入可能な制御棒挿入部を囲み鉛直方向に延びる４体の正四角筒状の燃料集合体からなるセルを正方格子状に配列した領域を含み鉛直方向に延びるほぼ円筒形の領域に前記燃料集合体を正方格子状に配列した炉心であって、前記燃料集合体のうち低濃縮燃料集合体１体およびその低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質の含有量が大きい高濃縮燃料集合体３体が４箇所の前記制御棒挿入部に囲まれる２行２列に配列した単位装荷ユニットを各単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置した単位装荷ユニット配置領域を備え、前記単位装荷ユニットそれぞれにおいて前記高濃縮燃料集合体の少なくとも一つは、前記低濃縮燃料集合体側に偏在している可燃性毒物入り燃料棒を有する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、
前記単位装荷ユニット配置領域の内部であって炉心中央部分に形成された中央領域と、
前記単位装荷ユニット配置領域のうち前記中央領域よりも径方向の外側の領域である中間領域と、
２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入される第１のコントロールセルと、
２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり、それらの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の核分裂性物質の含有量の総和が、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の核分裂性物質の含有量の総和に比べて小さく前記第１のコントロールセルの中心の制御棒の後にその中心の制御棒が挿入される第２のコントロールセルと、
を有し、
前記高濃縮燃料集合体は、第１の高濃縮燃料集合体と、前記第１の高濃縮燃料集合体よりも平均核分裂性物質の含有量が大きい第２の高濃縮燃料集合体とからなり、
前記第１の高濃縮燃料集合体の割合は、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットよりも、前記第２のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットにおいて大きい、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
１本の制御棒が鉛直方向に挿入可能な制御棒挿入部を囲み鉛直方向に延びる４体の正四角筒状の燃料集合体からなるセルを正方格子状に配列した領域を含み鉛直方向に延びるほぼ円筒形の領域に前記燃料集合体を正方格子状に配列した炉心であって、前記燃料集合体のうち低濃縮燃料集合体１体およびその低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質の含有量が大きい高濃縮燃料集合体３体が４箇所の前記制御棒挿入部に囲まれる２行２列に配列した単位装荷ユニットを各単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置した単位装荷ユニット配置領域を備え、前記単位装荷ユニットそれぞれにおいて前記高濃縮燃料集合体の少なくとも一つは、前記低濃縮燃料集合体側に偏在している可燃性毒物入り燃料棒を有する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、
前記単位装荷ユニット配置領域の内部であって炉心中央部分に形成された中央領域と、
前記単位装荷ユニット配置領域のうち前記中央領域よりも径方向の外側の領域である中間領域と、
２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入される第１のコントロールセルと、
２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり、それらの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の可燃性毒物の含有量の総和が、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の可燃性毒物の含有量の総和に比べて大きく前記第１のコントロールセルの中心の制御棒の後にその中心の制御棒が挿入される第２のコントロールセルと、
を有し、
前記高濃縮燃料集合体は、可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の高濃縮燃料集合体と、前記第１の高濃縮燃料集合体よりも少数の可燃性毒物入り燃料棒を有する第２の高濃縮燃料集合体とからなり、
前記第１の高濃縮燃料集合体の割合は、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットよりも、前記第２のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットにおいて大きい、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
１本の制御棒が鉛直方向に挿入可能な制御棒挿入部を囲み鉛直方向に延びる４体の正四角筒状の燃料集合体からなるセルを正方格子状に配列した領域を含み鉛直方向に延びるほぼ円筒形の領域に前記燃料集合体を正方格子状に配列した炉心であって、前記燃料集合体のうち低濃縮燃料集合体１体およびその低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質の含有量が大きい高濃縮燃料集合体３体が４箇所の前記制御棒挿入部に囲まれる２行２列に配列した単位装荷ユニットを各単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置した単位装荷ユニット配置領域と、前記単位装荷ユニット配置領域の内部であって炉心中央部分に形成された中央領域と、前記単位装荷ユニット配置領域のうち前記中央領域よりも径方向の外側の領域である中間領域と、を備え、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入される第１のコントロールセルと、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなりそれらの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の核分裂性物質の含有量の総和が前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の核分裂性物質の含有量の総和に比べて小さく前記第１のコントロールセルの中心の制御棒の後にその中心の制御棒が挿入される第２のコントロールセルと、が形成され、前記高濃縮燃料集合体は第１の高濃縮燃料集合体と前記第１の高濃縮燃料集合体よりも平均核分裂性物質の含有量が大きい第２の高濃縮燃料集合体とからなり、前記第１の高濃縮燃料集合体の割合は、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットよりも、前記第２のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットにおいて大きく、前記第１のコントロールセルでは少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入されており、前記単位装荷ユニットそれぞれにおいて前記高濃縮燃料集合体の少なくとも一つは、前記低濃縮燃料集合体側に偏在している可燃性毒物入り燃料棒を有する初装荷炉心を備えた沸騰水型原子炉の運転方法において、
前記第１のコントロールセルで囲まれる前記制御棒挿入部に挿入される前記制御棒を原子炉の制御に用いる第１の工程と、
前記第１の工程よりも後に、前記第２のコントロールセルで囲まれる前記制御棒挿入部に挿入される前記制御棒を原子炉の制御に用いる第２の工程と、
を有することを特徴とする沸騰水型原子炉の運転方法。
１本の制御棒が鉛直方向に挿入可能な制御棒挿入部を囲み鉛直方向に延びる４体の正四角筒状の燃料集合体からなるセルを正方格子状に配列した領域を含み鉛直方向に延びるほぼ円筒形の領域に前記燃料集合体を正方格子状に配列した炉心であって、前記燃料集合体のうち低濃縮燃料集合体１体およびその低濃縮燃料集合体よりも核分裂性物質の含有量が大きい高濃縮燃料集合体３体が４箇所の前記制御棒挿入部に囲まれる２行２列に配列した単位装荷ユニットを各単位装荷ユニットに含まれる前記低濃縮燃料集合体が互いに隣り合うように配置した単位装荷ユニット配置領域と、前記単位装荷ユニット配置領域の内部であって炉心中央部分に形成された中央領域と、前記単位装荷ユニット配置領域のうち前記中央領域よりも径方向の外側の領域である中間領域と、を備え、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなり少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入される第１のコントロールセルと、２行２列に配列された４体の前記低濃縮燃料集合体からなりそれらの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の可燃性毒物の含有量の総和が前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットを構成する前記燃料集合体の可燃性毒物の含有量の総和に比べて大きく前記第１のコントロールセルの中心の制御棒の後にその中心の制御棒が挿入される第２のコントロールセルと、が形成され、前記高濃縮燃料集合体は可燃性毒物入り燃料棒を有する第１の高濃縮燃料集合体と前記第１の高濃縮燃料集合体よりも少数の可燃性毒物入り燃料棒を有する第２の高濃縮燃料集合体とからなり、前記第１の高濃縮燃料集合体の割合は、前記第１のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットよりも、前記第２のコントロールセルの低濃縮燃料集合体を含む前記単位装荷ユニットにおいて大きく、前記第１のコントロールセルでは少なくとも当該運転サイクルの初期の定格出力運転時において制御棒が挿入されており、前記単位装荷ユニットそれぞれにおいて前記高濃縮燃料集合体の少なくとも一つは、前記低濃縮燃料集合体側に偏在している可燃性毒物入り燃料棒を有する初装荷炉心を備えた沸騰水型原子炉の運転方法において、
前記第１のコントロールセルで囲まれる前記制御棒挿入部に挿入される前記制御棒を原子炉の制御に用いる第１の工程と、
前記第１の工程よりも後に、前記第２のコントロールセルで囲まれる前記制御棒挿入部に挿入される前記制御棒を原子炉の制御に用いる第２の工程と、
を有することを特徴とする沸騰水型原子炉の運転方法。