JP5878442B2 - 燃料集合体及び原子炉の炉心 - Google Patents

Description

本発明は、燃料集合体及び原子炉の炉心に係り、特に、沸騰水型原子力発電プラントに適用するのに好適な燃料集合体及び原子炉の炉心に関する。

複数の燃料集合体が、沸騰水型原子力発電プラントの原子炉圧力容器内の炉心に装荷されている。燃料集合体は、核燃料物質（例えば、二酸化ウラン）を含む複数の燃料ペレットを封入した複数の燃料棒、各燃料棒の下端部を支持する下部タイプレート、各燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート、軸方向に配置されて燃料棒相互間の間隔を保持する複数の燃料スペーサ及び横断面が正方形の筒状体であるチャンネルボックスを有する。チャンネルボックスは、上端部が上部タイプレートに取り付けられて下部タイプレートに向って伸びており、複数の燃料スペーサによって束ねられた複数の燃料棒を取り囲んでいる。

原子炉圧力容器内に配置された複数の制御棒が、原子炉出力を制御するために、炉心に挿入され、または炉心から引き抜かれる。また、燃料集合体内の一部の燃料棒は、燃料ペレット内に可燃性毒物（例えば、ガドリニア）を含んでいる。制御棒及び可燃性毒物は、核燃料物質の核分裂によって余分に発生した中性子を吸収する。可燃性毒物は、中性子の吸収により中性子を吸収しにくい物質に変換される。このため、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの新燃料集合体が炉心に装荷された後における沸騰水型原子力発電プラントの運転開始時点からある期間が経過すると、その新燃料集合体に含まれる可燃性毒物は、中性子を吸収しにくい物質に変換されて消滅する。可燃性毒物が消滅した燃料集合体は、核燃料物質が燃焼するにつれて反応度が単調に減少していく。

炉心には滞在期間が異なる複数の燃料集合体が装荷されているので、炉心全体として、反応度が運転サイクルを通して或る程度平坦な状態で維持される。炉心を定格熱出力で運用する際に余る反応度（余剰反応度）は、炉心に挿入された制御棒の本数、炉心内での制御棒の挿入深さ、及び炉心流量によって制御される。さらに、燃料集合体内における可燃性毒物の濃度及び可燃性毒物を含む燃料棒の配置によって余剰反応度をある程度平坦化している。可燃性毒物により平坦化しきれなかった余剰反応度は制御棒パターンを変更することで対応している。

可燃性毒物濃度を変更することによって可燃性毒物の中性子吸収効果の持続期間を調整でき、可燃性毒物を含む燃料棒の本数を変更することによって運転サイクルの初期の反応度を調整できる。燃料集合体内の可燃性毒物の濃度、可燃性毒物の、燃料集合体の軸方向及び燃料集合体横断面における配置、及び可燃性毒物含有燃料棒の本数の調整により、炉心の反応度を調整することができ、余剰反応度を抑制することができる。さらに、それらの調整により、熱的余裕及び燃料経済性などの炉心性能を向上させることができる。

特開平３−２６７７９３号公報に記載された燃料集合体（図１及び図２参照）では、燃料集合体の軸方向における上部領域の可燃性毒物の平均濃度と比べ、下部領域の可燃性毒物の平均濃度を大きくし、且つ燃料集合体に設けられた可燃性毒物を含有する燃料棒のうち１〜２本の可燃性毒物含有燃料の下部領域の可燃性毒物の濃度を上部領域のその濃度よりも小さくしている。沸騰水型原子炉では、一般に、炉心上部領域に比べて、ボイド率（水と蒸気の気液二相流の中で、蒸気が占める体積比率）が低い炉心下部領域で中性子減速効果が大きくなって反応度が高くなるため、炉心下部領域における出力が高くなる。特開平３−２６７７９３号公報では、炉心下部領域の可燃性毒物を多くすることにより運転サイクル初期における炉心下部領域での出力ピークを抑え、燃料の運転制限値である最大線出力密度を設計基準内に収めることができる。

更に、可燃性毒物含有燃料のうち１〜２本の燃料棒の下部領域の可燃性毒物の濃度を上部領域の可燃性毒物の平均含有量よりも低くするので、この可燃性毒物が燃え尽きた後の運転初期を過ぎた時点より、炉心下部領域の出力が増加し、軸方向出力分布を下ピークにすることができる。運転サイクル初期から運転サイクル中期にかけて軸方向出力分布が下ピークとなり、炉心の平均ボイド率が高くなると、中性子スペクトルが硬くなり、核燃料物質であるプルトニウムを蓄積することができる。この結果、反応度を増加させることができる。また、運転サイクルの末期では、可燃性毒物が燃え尽きること、及び運転サイクル初期から運転サイクル中期までの間に炉心下部領域において核燃料物質の燃焼が進み、当該領域の核燃料物質量が減少することから、炉心軸方向分布が上ピークとなる。これにより、炉心平均ボイド率が低くなって、中性子スペクトルが柔らかくなり、反応度を増加させることができる。したがって、核燃料物質を効率良く燃焼させることができるので、燃料経済性が向上する。

また、特開平２−２４５６９３号公報は、運転サイクル初期における軸方向出力ピーキングを減少できると共にその出力ピーキングの変化を抑制できる燃料集合体を記載している。図１５及び図１６に示された、この燃料集合体２０は、１５本の可燃性毒物含有燃料棒を有し、これらの可燃性毒物燃料棒のうち８本の第１可燃性毒物含有燃料棒では下部領域の可燃性毒物の濃度が全可燃性毒物含有燃料棒の上部領域の可燃性毒物の平均濃度よりも大きく、４本の第２可燃性毒物含有燃料棒では下部領域の可燃性毒物の濃度（ガドリニア濃度：２．０ｗｔ％）が上記上部領域の可燃性毒物の平均濃度よりも小さくなっている。

燃料集合体２０は、図１７に示された、下部領域の可燃性毒物の濃度が上記上部領域の可燃性毒物の平均濃度よりも大きい第１可燃性毒物燃料棒及び上部領域が上記平均の濃度の可燃性毒物を含み下部領域の可燃性毒物の濃度が０ｗｔ％である第２可燃性毒物含有燃料棒を含む燃料集合体２１に対して、下部領域に低濃度の可燃性毒物を付加している。このため、燃料集合体２０では、中性子無限増倍率が運転サイクル初期で燃焼度に対してほぼ直線状に上昇する変化を実現している（図１９参照）。燃料集合体２０では、第２可燃性毒物含有燃料棒の下部領域の低濃度（２．０ｗｔ％）の可燃性毒物が運転サイクル初期で燃え尽きた後において、燃料集合体２０の下部領域での可燃性毒物含有燃料棒の本数が上部領域でのその本数よりも少なくなる。

特開平３−２６７７９３号公報 特開平２−２４５６９３号公報

一般に、余剰反応度の変化幅が大きいと、反応度を制御するために、制御棒の引抜きのパターン変更を頻繁に実施する必要があり、沸騰水型原子力発電プラントの運転が煩雑となる。前述したように燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体には可燃性毒物が含まれており、運転サイクル中に可燃性毒物が燃焼することで、反応度が大きく変化する。

発明者らは、特開平３−２６７７９３号公報の図１及び図２に示された燃料集合体、及び特開平２−２４５６９３号公報の図１５及び図１６に示された燃料集合体を、それぞれ、燃焼度０ＧＷｄ／ｔで炉心に装荷した後の最初の運転サイクルでの反応度の変化について検討を行った。この結果、燃焼度０ＧＷｄ／ｔで炉心に装荷された燃料集合体ではその運転サイクルの中期において燃焼度の増加と共に反応度が下に凸になるように変化することを新たに見出した。特開平３−２６７７９３号公報及び特開平２−２４５６９３号公報に記載された、下部領域に低濃度の可燃性毒物が存在する燃料棒を含む燃料集合体では、運転サイクルの初期において生じる、燃焼度の増加に伴う反応度の下に凸になる変化を改善することができる。しかしながら、運転サイクル中期で生じる反応度が下に凸になる変化を改善することができない。このため、運転サイクルにおいて余剰反応度の変化幅が大きくなる。

本発明の目的は、運転サイクルにおいて炉心の余剰反応度の変化幅をさらに低減することができる燃料集合体及び原子炉の炉心を提供することである。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、複数の燃料棒、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、燃料棒間の間隔を保持する複数の燃料スペーサ及び燃料スペーサによって束ねられた複数の燃料棒を取り囲むチャンネルボックスを備えた燃料集合体において、
複数の燃料棒が、ガドリニアを含まない核燃料物質を充填した複数の第１燃料棒、及びガドリニアを含む核燃料物質を充填した複数の第２燃料棒を含んでおり、
第２燃料棒の本数が、第１燃料棒及び第２燃料棒の合計本数の８％以上を占め、
複数の第２燃料棒に充填された核燃料物質に含まれるガドリニアの濃度のうちで最も高い濃度をａ_maxとし、核燃料物質に含まれるガドリニアの濃度ａが０．７＜ａ／ａ_max≦１．０の範囲内に存在し、核燃料物質に含まれるガドリニアの濃度ｂが０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７の範囲内に存在し、及び核燃料物質に含まれるガドリニアの濃度ｃが０＜ｃ／ａ_max≦０．４の範囲内に存在し、
濃度ｂのガドリニアを含む核燃料物質である核燃料物質Ｂ、及び濃度ｃのガドリニアを含む核燃料物質である核燃料物質Ｃのそれぞれが、燃料集合体の燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の１９／２４の位置の間に配置され、
全ての前記第２燃料棒内における、濃度ａのガドリニアを含む核燃料物質である核燃料物質Ａの充填領域の軸方向長さの合計長さＬ（Ａ）、全ての第２燃料棒内における、核燃料物質Ｂの充填領域の軸方向長さの合計長さＬ（Ｂ）、及び全ての第２燃料棒内における、核燃料物質Ｃの充填領域の軸方向長さの合計長さＬ（Ｃ）が、Ｌ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）及びＬ（Ｂ）／５．０≧Ｌ（Ｃ）を満足していることにある。

本発明によれば、核燃料物質Ａに含まれるガドリニアの濃度ａが０．７＜ａ／ａ_max≦１．０を満足し、核燃料物質Ｂに含まれるガドリニアの濃度ｂが０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７を満足し、核燃料物質Ｃに含まれるガドリニア濃度ｃが０＜ｃ／ａ_max≦０．４を満足しており、さらに、Ｌ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）及びＬ（Ｂ）／５．０≧Ｌ（Ｃ）が満たされるので、濃度ａのガドリニアを含む核燃料物質Ａの影響を受けて、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体に対する最初の運転サイクルである第１運転サイクルの運転サイクル中期において反応度が下に凸になる変化を、その運転サイクル中期に燃え尽きる、核燃料物質Ｂに含まれる濃度ｂのガドリニアの作用によって補償することができる。また、濃度ｂのガドリニアを含む核燃料物質Ｂの影響を受けて、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体に対する最初の運転サイクルである第１運転サイクルの運転サイクル初期において反応度が下に凸になる変化を、その運転サイクル初期に燃え尽きる、核燃料物質Ｃに含まれる濃度ｃのガドリニアの作用によって補償することができる。このため、運転サイクル中期及び初期において反応度が下に凸になる変化を改善することができ、運転サイクルにおける炉心の余剰反応度の変化幅を低減することができる。

上記した目的は、ガドリニアを含まない核燃料物質を充填した複数の第１燃料棒、及びガドリニアを含む前記核燃料物質を充填した複数の第２燃料棒を有する複数の燃料集合体が装荷された原子炉の炉心において、
複数の燃料集合体の一部であり、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである複数の燃料集合体が、
第２燃料棒の本数を、第１燃料棒及び第２燃料棒の合計本数の８％以上にし、
複数の第２燃料棒に充填された核燃料物質に含まれるガドリニアの濃度のうちで最も高い濃度をａ_maxとし、核燃料物質に含まれるガドリニアの濃度ａが０．７＜ａ／ａ_max≦１．０の範囲内に存在し、及び核燃料物質に含まれるガドリニアの濃度ｂが０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７の範囲内に存在し、核燃料物質に含まれるガドリニアの濃度ｃが０＜ｃ／ａ_max≦０．４の範囲内に存在し、
濃度ｂのガドリニアを含む核燃料物質である核燃料物質Ｂ、及び濃度ｃのガドリニアを含む核燃料物質である核燃料物質Ｃのそれぞれが、燃料集合体の燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の１９／２４の位置の間に配置され、及び
全ての第２燃料棒内における、濃度ａのガドリニアを含む核燃料物質である核燃料物質Ａの充填領域の軸方向長さの合計長さをＬ（Ａ）、及び全ての第２燃料棒内における、核燃料物質Ｂの充填領域の軸方向長さの合計長さをＬ（Ｂ）、及び全ての第２燃料棒内における、核燃料物質Ｃの充填領域の軸方向長さの合計長さをＬ（Ｃ）とするとき、Ｌ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）及びＬ（Ｂ）／５．０≧Ｌ（Ｃ）を満足していることによっても達成することができる。

本発明によれば、運転サイクルにおいて炉心の余剰反応度の変化幅をさらに低減することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の燃料集合体の横断面図である。 図１に示す燃料集合体内に配置された各燃料棒の濃縮度及び可燃性毒物（例えば、ガドリニア）濃度の分布を示す説明図である。 図１に示す燃料集合体の縦断面図である。 ガドリニアを含む燃料集合体及びガドリニアを含まない燃料集合体それぞれの反応度の、燃焼度に対する変化を示す特性図である。 燃料集合体の平均濃縮度／炉心のバッチ数とガドリニア濃度の関係を示す特性図である。 運転サイクル終了時での、図１に示す燃料集合体の軸方向の燃焼度分布を示す特性図である。 運転サイクルの末期で燃え尽きる濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ａが存在する、燃料集合体内における領域の横断面での反応度の、燃焼度に対応した変化を示す特性図である。 運転サイクルにおけるサイクル燃焼度に対応する余剰反応度の変化を示す特性図である。 運転サイクルの末期で燃え尽きる濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ａが存在する、燃料集合体内における領域の横断面での反応度の、燃焼度に対応した変化、及び運転サイクルの中期で燃え尽きる濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ｂが存在する、燃料集合体内における領域の横断面での反応度の、燃焼度に対応した変化をそれぞれ示す特性図である。 運転サイクルの末期で燃え尽きる濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ａが存在する、燃料集合体内における領域の横断面での反応度と、運転サイクルの中期で燃え尽きる濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ｂが存在する、燃料集合体内における領域の横断面での反応度を、５：１の重み付けで平均して得られた反応度の、燃焼度に対応した変化を示す特性図である。 第１近似直線と、第１運転サイクルにおいて第１反応度と第２反応度を重み付けで平均して得られた反応度の変化を示す曲線との間の最大距離の、Ｌ（Ｂ）／Ｌ（Ａ）に対応した変化を示す特性図である。 運転サイクルの中期で燃え尽きる濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ｂが存在する、燃料集合体内における領域の横断面での反応度の、燃焼度に対応した変化、及び運転サイクルの初期で燃え尽きる濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ｃが存在する、燃料集合体内における領域の横断面での反応度の、燃焼度に対応した変化をそれぞれ示す特性図である。 ガドリニア含有燃料棒の本数が異なる複数の燃料集合体のそれぞれの横断面での各反応度の、燃焼度に対応した変化を示す特性図である。 燃料集合体に含まれる全燃料棒の本数に対するガドリニア含有燃料棒の本数の割合と、その燃料集合体の燃焼度０ＧＷｄ／ｔにおける反応度の関係を示す特性図である。 図１に示す核燃料棒を有する燃料集合体を装荷した炉心におけるサイクル燃焼度に対応する余剰反応度の変化を示す特性図である。 第２近似直線と、第１運転サイクルにおいて第２反応度と第３反応度を重み付けで平均して得られた反応度の変化を示す曲線との間の最大距離の、Ｌ（Ｃ）／Ｌ（Ｂ）に対応した変化を示す特性図である。 本発明の他の実施例である実施例２の燃料集合体内に配置された各燃料棒の濃縮度及び可燃性毒物（例えば、ガドリニア）濃度の分布を示す説明図である。 図１７に示す核燃料棒を有する燃料集合体を装荷した炉心におけるサイクル燃焼度に対応する余剰反応度の変化を示す特性図である。

前述したように、発明者らは、特開平３−２６７７９３号公報の図１及び図２に示された燃料集合体、及び特開平２−２４５６９３号公報の図１５及び図１６に示された燃料集合体を、それぞれ、燃焼度０ＧＷｄ／ｔで炉心に装荷した後の最初の運転サイクルでの反応度の変化について検討を行った。この結果、燃焼度０ＧＷｄ／ｔで炉心に装荷された燃料集合体ではその運転サイクルの中期において燃焼度の増加と共に反応度が下に凸になるように変化するため、その運転サイクルにおいて余剰反応度を平坦化することができないという新たな課題が見出された。

発明者らは、この課題を改善するために種々の検討を行った。これらの検討内容を以下に説明する。

まず、可燃性毒物であるガドリニアの一般的な効果の説明を行う。燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体（以下、新燃料集合体という）は、反応度を抑えるために可燃性毒物であるガドリニアを含んでいる。図４は、新燃料集合体を炉心に装荷してから炉心から取り出すまでの間における、その燃料集合体の横断面における反応度の、燃焼度に対応する変化を示している。なお、図４には、参考として、ガドリニアを含まない燃料集合体の横断面における反応度の、燃焼度に対応する変化を点線で併記している。ガドリニアは燃焼と共に減少するため、炉心に装荷された新燃料集合体の反応度はガドリニアの燃焼と共に増大する。

炉心には、炉内滞在期間が異なる（炉心内に滞在した運転サイクル数が異なる）複数の燃料集合体が存在する。図４に示すように、新燃料集合体の反応度が、燃焼が進むにつれて点アから点イに向かって増加するのに対し、燃焼の進んだその燃料集合体の反応度は、点イから点ウ、点ウから点エ及び点エから点オに向かって減少する。このため、炉心全体では、炉心に装荷されて第１サイクル目の運転サイクルでの原子炉の運転を経験する新燃料集合体による点アから点イに向かって増加する反応度が、炉心に装荷されて第２サイクル目以降の異なる炉内滞在期間となるその運転サイクルでの原子炉の運転を経験する各燃料集合体による点イから点ウに向かって減少する反応度及び点ウから点エに向かって減少する反応度等によって相殺される。この結果、図８に示すように運転サイクルを通しての炉心の余剰反応度を抑えることができ、原子炉の反応度制御が容易になる。図８はサイクル燃焼度に対応した余剰反応度の変化を示している。サイクル燃焼度は、１つの運転サイクルにおける、炉心に装荷している燃料集合体の燃焼度の平均の増加分を意味する。

新燃料集合体に含まれる可燃性毒物が、この新燃料集合体に対する最初の運転サイクル（以下、第一運転サイクルという）が終了した時点において残っている場合には、この燃料集合体が原子炉の運転を経験する次の運転サイクルにおいて、炉心の反応度が低下するため、燃料経済性が悪くなる。したがって、新燃料集合体の可燃性毒物含有量は、第一運転サイクル終了時にすべての可燃性毒物が燃え尽きるように設定されている。

燃料集合体内の核燃料物質に含まれる可燃性毒物の濃度のうちで最大の濃度ａ_maxと、この燃料集合体における、当該可燃性毒物が燃え尽きる燃焼度との間には、式（１）で表されるように、ほぼ線形の関係がある。

αａ_max＝Ｅｃ …（１）
ここで、Ｅｃは第一運転サイクルの終了時のサイクル燃焼度及びαは比例係数である。式（１）を満たすよう、可燃性毒物濃度ａ_maxを設定すれば、新燃料集合体に含まれる可燃性毒物を第１運転サイクルの終了時に燃え尽きるようにすることができる。

一方、サイクル燃焼度とバッチ数（炉心に装荷されている全燃料集合体の体数に占める新燃料集合体の体数の割合）の積を取出燃焼度という。取出燃焼度は、炉心から取り出される使用済燃料集合体の平均燃焼度に等しく、燃料集合体の積算出力を表す指標である。取り出し燃焼度Ｅｅｘは式（２）で表される。サイクル燃焼度Ｅｃ、バッチ数ｎ、取出燃焼度Ｅｅｘの関係は以下の式で表される。

ｎＥｃ＝Ｅｅｘ …（２）
燃料集合体は平均ウラン濃縮度が高いほど多くの出力を出すことができ、結果的に、その燃料集合体の取出燃焼度が大きくなる。取出燃焼度Ｅｅｘは、平均ウラン濃縮度ｅ及び比例係数βを用いて式（３）のように表される。

Ｅｅｘ＝βｅ …（３）
式（１）、式（２）及び式（３）より、第１運転サイクル終了時で燃え尽きる可燃性毒物の濃度ａ_max、平均ウラン濃縮度ｅ、バッチ数ｎの間には、式（４）で示される関係がある。

ａ_max＝（β／α）ｅ／ｎ …（４）
発明者らは、改良型沸騰水型原子炉に用いられる、９行９列の燃料棒配列を有する燃料集合体の核燃料物質の組成を分析した結果、図５に示すように、４．０＜ａ_maxｎ／ｅ＜７．０の条件を満足すれば、可燃性毒物を第１運転サイクルの終了時に燃え尽きさせることができ、燃料経済性の良い原子炉の運転を実現できることを見出した。

次に、本発明の特徴的な可燃性毒物濃度の設定及びその効果について説明する。第１運転サイクルでの運転開始時を０とし、運転終了時をＥｃとしたとき、第１運転サイクルの期間を、０から０．４Ｅｃ、０．４Ｅｃから０．７Ｅｃ及び０．７ＥｃからＥｃの３つの期間に区分する。そして、０から０．４Ｅｃまでの期間を運転サイクル初期、０．４Ｅｃから０．７Ｅｃまでの期間を運転サイクル中期及び０．７ＥｃからＥｃまでの期間を運転サイクル末期と定義する。更に、運転サイクル末期で燃え尽きる濃度ａの可燃性毒物を含む核燃料物質が核燃料物質Ａであり、運転サイクル中期で燃え尽きる濃度ｂの可燃性毒物を含む核燃料物質が核燃料物質Ｂであり、及び運転サイクル初期で燃え尽きる濃度ｃの可燃性毒物を含む核燃料物質が核燃料物質Ｃである。

本発明は、核燃料物質Ａの一部を核燃料物質Ｂ及び核燃料物質Ｃに置き換えることを特徴としている。

前述したように、燃料集合体に含まれる可燃性毒物の濃度とこの可燃性毒物が燃え尽きる燃焼度の間には、式（１）で表されるほぼ線形の関係があるため、第１運転サイクル終了時に燃え尽きるガドリニア濃度ａ_maxに対して、核燃料物質Ｃに含まれる可燃性毒物の濃度ｃ、核燃料物質Ｂに含まれる可燃性毒物の濃度ｂ及び核燃料物質Ａに含まれる可燃性毒物の濃度ａは０．０＜ｃ／ａ_max≦０．４、０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７及び０．７＜ａ／ａ_max≦１．０を満たす濃度である。

ただし、核燃料物質Ｂ及びＣのそれぞれに含まれる可燃性毒物は運転サイクル末期よりも前に燃え尽きる必要があるため、核燃料物質Ｂ及びＣは、燃料集合体の軸方向において、燃料集合体に含まれる燃料棒内で可燃性毒物の燃焼が進みやすい位置に配置する必要がある。後述の実施例１の燃料集合体における第１運転サイクル終了時での軸方向の燃焼度分布を図６に示す。縦軸は燃料有効長を軸方向に２４等分した時の各領域を示し、横軸は軸方向における各領域での燃焼度を合計が２４となるように規格化して表している。燃料有効長は燃料集合体の核燃料物質充填領域の軸方向の長さを意味している。燃料有効長の軸方向における上端部ではボイド率が大きいため、中性子スペクトルが硬く、可燃性毒物の燃焼が進みにくい。また、その軸方向の下端部は中性子の漏洩が大きくて出力が低いため、可燃性毒物の燃焼が進みにくい。核燃料物質Ｂ及びＣは可燃性毒物の燃焼が進みやすい、相対燃焼度が０．８以上である、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の１９／２４の位置の間に配置する必要がある。

燃料有効長の下端からその軸方向全長の１９／２４の位置より上方に存在する、核燃料物質Ａに含まれる可燃性毒物の濃度ａよりも低い濃度の可燃性毒物（例えば、後述の燃料集合体１の燃料棒Ｇ１〜Ｇ３に含まれる４ｗｔ％のガドリニア）は、運転サイクル中期及び運転サイクル初期で燃え尽きない。このため、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１９／２４の位置より上方に存在する上記した濃度の可燃性毒物を含む核燃料物質は、核燃料物質Ｂ及びＣに該当しない。また、運転サイクルにおける余剰反応度の変化幅を大きくする要因である、運転サイクル中期での反応度が下に凸になる変化は、可燃性毒物の濃度が大きいほど顕著になる。このため、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１９／２４の位置より上方に存在する上記の可燃性毒物が運転サイクル末期に燃え尽きたとしても、この可燃性毒物は、運転サイクル末期に燃え尽きる、核燃料物質Ａに含まれる可燃性毒物濃度ａよりも濃度が低いため、余剰反応度の変化幅を大きくする要因への寄与が少ない。したがって、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１９／２４の位置より上方に存在する、核燃料物質Ａに含まれる可燃性毒物の濃度ａよりも低い濃度の可燃性毒物を含む核燃料物質は、核燃料物質Ａにも該当しない。

次に、運転サイクル中期で燃え尽きる濃度ｂの可燃性毒物を含んでいる核燃料物質Ｂを燃料集合体内に配置したことによって得られる効果について説明する。

運転サイクル末期に燃え尽きる濃度ａの可燃性毒物を含む核燃料物質Ａが存在する、燃料集合体内の領域の横断面での反応度の、燃焼度に対応した変化の一例を、図７に示している。運転サイクル末期に燃え尽きる濃度ａの可燃性毒物を含む核燃料物質Ａが存在する、燃料集合体内の領域の横断面での反応度（以下、第１反応度という）は、後述する実施例１の燃料集合体１を対象にして算出された。

燃料集合体１の、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の６／２４の位置と短尺燃料棒Ｐ１の上端の間の領域の横断面での反応度、すなわち、第１反応度は、この領域の横断面における、燃料棒Ｕ１〜Ｕ４，Ｐ１及びＧ１〜Ｇ３のウラン濃縮度（図２に示された各燃料棒における（ ）が付いていない値、すなわち、２．８ｗｔ％、３．９ｗｔ％、４．４ｗｔ％及び４．９ｗｔ％）、燃料棒Ｇ１〜Ｇ３のガドリニア濃度（図２に示された各燃料棒に対する（ ）内の値、すなわち、８ｗｔ％及び１０ｗｔ％）を用いて、対応する燃焼度ごとに算出された。燃焼度ごとに算出した各第１反応度を用いて、図７に実線で示す第１反応度の変化を表す特性を得ることができる。

図７において、燃焼度の増加に伴って反応度が上昇している期間が、燃料集合体内の可燃性毒物が中性子を吸収している期間、つまり、燃料集合体内に可燃性毒物が存在している期間である。燃料集合体１の、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の６／２４の位置と短尺燃料棒Ｐ１の上端の間の領域の横断面を対象にして求められた第１反応度の増加は、可燃性毒物による中性子吸収反応率の変化の特徴から、運転サイクル中期おいて一点鎖線で示された直線からやや低下した、下に凸になる変化となる（図７の点線の楕円で囲んだ部分）。この下に凸になる第１反応度変化の影響により、炉心の余剰反応度は、図８に示すように、運転サイクル中期において下に凸になる変化となる。この結果、その余剰反応度の変化幅が大きくなる。この特性は、一般的な燃料集合体に共通して見られる特性である。

これに対し、図９に示すように、燃料集合体の核燃料物質Ｂが存在する領域に含まれる可燃性毒物が運転サイクル中期で燃え尽きるため、反応度が増加する。したがって、核燃料物質の一部を核燃料物質Ｂに置き換えることにより、核燃料物質Ａによる運転サイクル中期における下に凸になる第１反応度の変化を補償することができる。この結果、運転サイクル中期における炉心の余剰反応度が増加し、余剰反応度の変化幅を低減することができる。

運転サイクル中期に燃え尽きる濃度ｂの可燃性毒物を含む核燃料物質Ｂが存在する、燃料集合体内の領域の横断面での反応度（以下、第２反応度という）の、燃焼度に対応した変化の一例を、図９に示している。第２反応度は、後述する実施例１の燃料集合体１の、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の２／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の４／２４の位置の間の領域（図２参照）において、燃料棒Ｇ１のガドリニア濃度（可燃性毒物濃度）２ｗｔ％を５ｗｔ％に換え、更に、燃料棒Ｇ１において燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の２／２４の位置の間の領域及び燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の４／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の２１／２４の位置の間の領域のそれぞれのガドリニア濃度を８ｗｔ％にした第１修正燃料集合体を対象に算出された。第１修正燃料集合体は、上記した燃料棒Ｇ１の、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の２／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の４／２４の位置の間の領域のガドリニア濃度を５ｗｔ％にし、更に、燃料棒Ｇ１において燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の２／２４の位置の間の領域及び燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の４／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の２１／２４の位置の間の領域のそれぞれのガドリニア濃度を８ｗｔ％にした点を除いて、燃料集合体１と同じ構成を有する。第１修正燃料集合体に含まれる燃料棒Ｕ１〜Ｕ４，Ｐ１及びＧ１〜Ｇ３のそれぞれのウラン濃縮度の分布及び燃料棒Ｇ２及びＧ３のそれぞれのガドリニア濃度の分布は、燃料集合体と同じである。

第１修正燃料集合体の、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の２／２４の位置と燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の４／２４の間の領域の横断面での反応度、すなわち、第２反応度は、この領域の横断面における、燃料棒Ｕ１〜Ｕ４，Ｐ１及びＧ１〜Ｇ３のウラン濃縮度、燃料棒Ｇ２及びＧ３のガドリニア濃度及び燃料棒Ｇ１の８ｗｔ％を用いて、対応する燃焼度ごとに算出された。燃焼度ごとに算出した各第２反応度を用いて、図９に破線で示す第２反応度の変化を表す特性を得ることができる。

図９に示された２つの反応度、すなわち、第１及び第２反応度のそれぞれの変化から明らかであるように、平均ウラン濃縮度が同じであれば、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体に含まれる可燃性毒物の濃度が小さいほど、可燃性毒物が燃え尽きた時の反応度が大きくなる。核燃料物質Ｂに含まれる可燃性毒物が燃え尽きた時の第２反応度は、可燃性毒物の濃度が核燃料物質Ｂのそれよりも大きい核燃料物質Ａに含まれる可燃性毒物が燃え尽きた時の第１反応度よりも大きくなる。核燃料物質Ａを核燃料物質Ｂで置き換えた時の反応度の増加分は、運転サイクル中期における、燃料集合体の、核燃料物質Ａが存在する領域の横断面での反応度の下に凸になる低下分に比べて大きくなる。このため、核燃料物質Ａに起因して生じる、運転サイクル中期における下に凸になる第１反応度を、核燃料物質Ｂにより補償して、炉心の余剰反応度の変化幅を低減するためには、Ｌ（Ａ）及びＬ（Ｂ）が、Ｌ（Ａ）＞Ｌ（Ｂ）を満足する必要がある。なお、Ｌ（Ａ）は燃料集合体内の全可燃性毒物含有燃料棒内における、核燃料物質Ａの充填領域の軸方向長さの合計長さであり、Ｌ（Ｂ）は燃料集合体内の全可燃性毒物含有燃料棒内における、核燃料物質Ｂの充填領域の軸方向長さの合計長さである。

また、発明者らは、核燃料物質Ａによる運転サイクル中期における下に凸になる第１反応度の変化を核燃料物質Ｂで補償するために、図９に示した２つの反応度、すなわち、燃料集合体の、核燃料物質Ａが存在する領域の横断面での反応度（第１反応度）と、燃料集合体の、核燃料物質Ｂが存在する領域の横断面での反応度（第２反応度）を、重み付けで平均した。例として、第１反応度と第２反応度を５：１の重み付けで平均して得られた反応度の、燃焼度に対応した変化を図１０に示す。第１反応度と第２反応度を５：１の重み付けで平均して得られた反応度の変化（図１０に長い破線で示す曲線）から明らかであるように、核燃料物質Ａによって生じる、運転サイクル中期における第１反応度の下に凸となる変化が、核燃料物質Ｂによって補償され、運転サイクル中期においてはほぼ直線になっている。

核燃料物質Ａによる反応度の変化において、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである時の反応度の最小値と、核燃料物質Ａに含まれる可燃性毒物が燃え尽きた時の反応度のピークを結ぶ直線（図９に一点鎖線で示す直線）を反応度の第１近似直線と称する。第１運転サイクルにおいて第１反応度と第２反応度の重み付けの度合いを０：１から１：１まで変化させ、それぞれの重み付けを用いて、第１反応度と第２反応度をそれぞれの重み付けで平均して得られた反応度の変化を示す各曲線（例えば、重み付け５：１の場合は図１０において長い破線で示す曲線）と、第１近似直線との間の距離の最大値を求めた。第１反応度と第２反応度を重み付けはＬ（Ｂ）／Ｌ（Ａ）に対応するので、上記した各重み付けにより求められた距離の最大値を、Ｌ（Ｂ）／Ｌ（Ａ）と関係付けて図１１に示す。なお、その距離の最大値は、第１反応度の下に凸になる反応度曲線（図１０に実線で示された曲線）と第１近似直線との距離で規格化した。

図１１に示すように、Ｌ（Ｂ）／Ｌ（Ａ）の値が１／５．０のときに、核燃料物質Ａによってもたらされる第１反応度の下に凸になる変化が、核燃料物質Ｂにより補償され、第１近似直線に最も近づく。Ｌ（Ｂ）／Ｌ（Ａ）＞１／５．０においては、核燃料物質Ｂによる第２反応度の影響が大きくなり、運転サイクル中期における反応度は上に凸になるように変化する。一般的に、運転サイクル末期では、可燃性毒物が燃え尽き、燃焼に伴う燃料棒内のウランの減少のみとなるため、余剰反応度は図８に示すように低下する。そして、余剰反応度は運転サイクルの終了時に最小値となる。通常、可燃性毒物が運転サイクル終了以前に燃え尽きるように可燃性毒物の濃度及び配置を設計するので、運転サイクル終了時の反応度は、平均ウラン濃縮度のみで決まり、Ｌ（Ｂ）／Ｌ（Ａ）の値には依存しない。一方、先に述べたように、Ｌ（Ｂ）／Ｌ（Ａ）＞１／５．０では運転サイクル中期の反応度が上に凸になるとなるため、余剰反応度もまた上に凸になる。したがって、Ｌ（Ｂ）／Ｌ（Ａ）＞１／５．０の領域では余剰反応度の最大値が大きくなり、運転サイクル中の余剰反応度の変化幅が大きくなる。以上より、余剰反応度の変化幅の低減は、運転サイクル中期における反応度の変化が下に凸なるもしくは直線状になる、Ｌ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）の時に達成される。

可燃性毒物が運転サイクル初期で燃え尽きる濃度ｃの可燃性毒物を含む核燃料物質Ｃを燃料集合体内に配置することによって得られる効果について説明する。燃料集合体の、核燃料物質Ｃが存在する領域での反応度（以下、第３反応度という）の、燃焼度に対応した変化の一例を、図１２に破線で示す。燃料集合体の燃料棒内に充填される核燃料物質Ｂが核燃料物質Ａによる第１反応度の下に凸になる変化を補償したのに対し、核燃料物質Ｃは、核燃料物質Ｂによる第２反応度の下に凸になる変化を補償する（図１２参照）。これにより、運転サイクル初期の余剰反応度の変化幅を低減できる。また、燃料集合体内の全可燃性毒物含有燃料棒内における、核燃料物質Ｃの充填領域の軸方向長さの合計長さＬ（Ｃ）は、Ｌ（Ｂ）＞Ｌ（Ｃ）を満足する必要がある。

第３反応度は、後述する実施例１の燃料集合体１の、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の４／２４の位置と短尺燃料棒Ｐ１の上端の間の領域（図２参照）において、燃料棒Ｇ２及びＧ３のガドリニア濃度（可燃性毒物濃度）８ｗｔ％及び１０ｗｔ％をそれぞれ２ｗｔ％に換えた第２修正燃料集合体を対象に算出された。第２修正燃料集合体は、上記した燃料棒Ｇ２及びＧ３のそれぞれの、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の４／２４の位置と短尺燃料棒Ｐ１の上端の間の領域のガドリニア濃度を２ｗｔ％にした点を除いて、燃料集合体１と同じ構成を有する。第２修正燃料集合体に含まれる燃料棒Ｕ１〜Ｕ４，Ｐ１及びＧ１〜Ｇ３のそれぞれのウラン濃縮度の分布、燃料棒Ｇ１のガドリニア濃度の分布及び燃料棒Ｇ２及びＧ３の燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端からその軸方向全長の４／２４の位置の間及び短尺燃料棒Ｐ１の上端と燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の２３／２４の位置の間のそれぞれのガドリニア濃度の分布は燃料集合体１と同じである。

第２修正燃料集合体の、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の４／２４の位置と短尺燃料棒Ｐ１の上端の間の領域の横断面での反応度、すなわち、第３反応度は、この領域の横断面における、燃料棒Ｕ１〜Ｕ４，Ｐ１及びＧ１〜Ｇ３のウラン濃縮度、燃料棒Ｇ１のガドリニア濃度及び燃料棒Ｇ２及びＧ３のそれぞれの２ｗｔ％を用いて、対応する燃焼度ごとに算出された。燃焼度ごとに算出した各第３反応度を用いて、図１２に破線で示す第３反応度の変化を表す特性を得ることができる。

核燃料物質Ｂによる反応度の変化において、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである時の反応度の最小値と、核燃料物質Ｂに含まれる可燃性毒物が燃え尽きた時の反応度のピークを結ぶ直線（図１２に一点鎖線で示す直線）を反応度の第２近似直線と称する。第１運転サイクルにおいて第２反応度と第３反応度の重み付けの度合いを０：１から１：１まで変化させ、それぞれの重み付けを用いて、第２反応度と第３反応度を重み付けで平均して得られた反応度の変化を示す各曲線と、第２近似直線との間の距離の最大値を求めた。第２反応度と第３反応度を重み付けはＬ（Ｃ）／Ｌ（Ｂ）に対応するので、上記した各重み付けにより求められた距離の最大値を、Ｌ（Ｃ）／Ｌ（Ｂ）と関係付けて図１６に示す。なお、その距離の最大値は、第２反応度の下に凸になる反応度曲線と第２近似直線との距離で規格化した。

図１１を用いてＬ（Ａ）とＬ（Ｂ）の関係について述べたのと同様に、Ｌ（Ｂ）とＬ（Ｃ）についても、図１６に示すように、Ｌ（Ｃ）／Ｌ（Ｂ）＞１／５．０では核燃料物質Ｃによる第３反応度の影響が大きくなる。このため、運転サイクル初期の反応度が上に凸になるため、余剰反応度もまた上に凸になる。したがって、Ｌ（Ｃ）／Ｌ（Ｂ）＞１／５．０の領域では余剰反応度の最大値が大きくなり、運転サイクル中の余剰反応度の変化幅が大きくなる。以上により、その余剰反応度の変化幅の低減は、運転サイクル初期の反応度の変化が下に凸もしくは直線状になる、Ｌ（Ｂ）／５．０≧Ｌ（Ｃ）の時に達成される。

燃料集合体内における部分長燃料棒を含む全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒の本数の割合の違いによる反応度変化の違いについて図１３を用いて説明する。後述の実施例１の燃料集合体１のように、９２本の全燃料棒に対して、可燃性毒物含有燃料棒が１４本含まれている場合には、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔのときにおける反応度は、十分に抑えることができ、運転サイクル末期においてガドリニアが燃え尽きる時に形成される反応度のピークよりも低くなる。このため、燃料集合体内にガドリニアが存在している期間において、ガドリニアの消滅に伴って反応度が増加する。９２本の全燃料棒のうち８本が可燃性毒物含有燃料棒である場合には、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔのときにおける反応度は、運転サイクル末期においてガドリニアが燃え尽きる時の反応度と同程度となる。このため、ガドリニアが存在している期間において、反応度はほぼ平坦に変化する。また、９２本の全燃料棒中、可燃性毒物含有燃料棒が４本である場合には、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔのときにおける反応度は、十分に抑えられず、運転サイクル末期においてガドリニアが燃え尽きる時の反応度よりも高くなる。このため、ガドリニアが存在している期間において反応度が減少する。燃料集合体内の全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒の本数の割合が小さくて、燃料集合体内に可燃性毒物が存在している期間での反応度の変化が、減少もしくは平坦になる場合には、炉心の余剰反応度を抑えることができない。このため、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔのときにおける反応度が運転サイクル末期において可燃性毒物が消滅する時に形成される反応度のピークよりも低くなり、可燃性毒物の消滅に伴って反応度が上昇するように、燃料集合体内の全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒の本数の割合を設定する必要がある。

燃料集合体内の全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒の本数の割合を設定について説明する。燃料集合体内に配置された全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒の本数の割合と、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの時の反応度の関係を図１４に示す。運転サイクル末期において可燃性毒物が燃え尽きるときの反応度に対して、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの時の反応度が小さい場合に可燃性毒物の消滅に伴って反応度が増加するため、図１４に示す特性に基づけば、燃料集合体内に配置された全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒の本数の割合を８％以上にする必要がある。なお、燃料集合体内の全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒の本数の割合の上限は、燃焼初期でも炉心の反応度を臨界に保つという、燃料集合体としての機能を発揮できる範囲になるように決定される。可燃性毒物としてガドリニアを用いた場合にはその上限は３０％であり、エルビアを用いた場合にはその上限は１００％である。

後述の実施例１の燃料集合体１では、全燃料棒の本数が９２本であるのに対し、可燃性毒物含有燃料棒の本数が１４本である。このため、全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒の本数の割合は１５％であり、その割合の下限である８％を超えている。

核燃料物質Ａ以外に、核燃料物質Ｃ及びＢを含む燃料集合体は、運転サイクル初期において核燃料物質Ｃに含まれる可燃性毒物が燃え尽き、さらに、運転サイクル中期において核燃料物質Ｂに含まれる可燃性毒物が燃え尽きるため、この燃料集合体が装荷されて構成された炉心の余剰反応度の変化幅を、図８に示す炉心の余剰反応度の変化幅よりも低減することができる。その燃料集合体の一例が（後述の実施例１の燃料集合体１）が装荷された第１運転サイクルにおける炉心の余剰反応度の変化幅は、図１５に示すように小さくなる。この余剰反応度の変化幅は、０．５０％であり、図８に示す余剰反応度の変化幅である０．６５％に比べて低減されている。

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実施例１の燃料集合体を、図１、図２及び図３を用いて説明する。本実施例の、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔ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る。

本実施例の燃料集合体１は、図３に示すように、複数の燃料棒２、２本の水ロッド５、下部タイプレート６、上部タイプレート７、複数の燃料スペーサ８及びチャンネルボックス９を備えている。燃料棒２は、核燃料物質を成形して構成された複数の燃料ペレット（図示せず）を被覆管（図示せず）内に充填している。核燃料棒２の下端部は下部タイプレート６に支持され、各燃料棒２の上端部は上部タイプレート５に支持される。また、一部の燃料棒２は、下部タイプレート６から上部タイプレート５までの長さを有しておらず、燃料有効長が短い短尺燃料棒（部分長燃料棒）である。水ロッド５の下端部は下部タイプレート６に支持され、水ロッド５の上端部は上部タイプレート７に保持される。複数の燃料スペーサ８が、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相互間に形成される間隙を所定幅に保持している。また、水ロッド５相互間の間隙及び水ロッド５と隣接する燃料棒２との間の間隙も、燃料スペーサ８によって所定幅に保持される。燃料スペーサ８によって束ねられた燃料棒２は、チャンネルボックス９内に配置される。チャンネルボックス９は、上部タイプレート７に取り付けられ、下部タイプレート６まで下方に向かって伸びている。

複数の燃料棒２が、図１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。これらの燃料棒２は、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９の内側に配置される。燃料集合体１の横断面の中央部には、２本の水ロッド５が、８本の燃料棒２が配置可能な領域に配置されている。

燃料棒２内に充填される燃料ペレットは、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ペレットを充填した燃料棒（以下、ウラン燃料棒という）３、及びウラン及びガドリニアを含む複数のペレットを充填した燃料棒（以下、可燃性毒物含有燃料棒という）４を含んでいる。

複数の燃料棒２は、燃料棒Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｐ１、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３を含んでいる。燃料棒Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４及びＰ１がウラン燃料棒３であり、燃料棒Ｇ１、Ｇ２及びＧ３が可燃性毒物含有燃料棒４である。なお、ウラン燃料棒３のうち燃料棒Ｐ１は部分長燃料棒である。燃料集合体１は９２本の燃料棒２を有する。これらの燃料棒２のうち、７８本がウラン燃料棒３であり、そのうち１４本は部分長燃料棒である。残りの１４本が可燃性毒物含有燃料棒４である。可燃性毒物含有燃料棒４は、中性子吸収効果が低下しないように、互いに隣接することなく分散して配置されている。部分長燃料棒である燃料棒Ｐ１は、チャンネルボックス９内における冷却材流路の流路面積を拡大し、燃料集合体１の圧力損失低減及び水対ウラン体積比の適正化を目的として配置されている。

部分長燃料棒である燃料棒Ｐ１は、燃料棒配列において、チャンネルボックス９の内面から２層目及び水ロッド５に隣接して配置される。燃料棒Ｇ３はチャンネルボックス９の内面から２層目に配置され、燃料棒Ｇ１及びＧ２はその２層目よりも内側に配置される。

燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体１内の燃料棒Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｐ１、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３の濃縮度分布及び燃料棒Ｇ１，Ｇ２及びＧ３のガドリニア濃度の分布を、図２を用いて詳細に説明する。図２に記載されたＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｐ１、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３の燃料棒番号は、図１に記載された燃料棒番号と対応している。図２において、各燃料棒内に括弧を付さないで記載されている数字はウラン濃縮度を、括弧付きで記載されている数字はガドリニア濃度を表している。図２の右端に記載された数字は、燃料集合体１の燃料有効長の軸方向全長を２４としたときにおける各燃料棒２内の領域の軸方向の長さを表している。以下、燃料棒Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｐ１、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３内のそれぞれの領域の軸方向長さは全てこの単位で表記する。

燃料棒Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｐ１、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３は、燃料有効長の下端部に天然ウランブランケット領域（以下、ＮＵ領域という）を設けている。燃料棒Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３は、燃料有効長の上端部にＮＵ領域を設けている。下端部のＮＵ領域と上端部のＮＵ領域の間は、濃縮ウラン領域である。燃料棒Ｇ１、Ｇ２及びＧ３は、その濃縮ウラン領域一部にガドリニアを含んでいる。

燃料棒Ｕ４，Ｐ１、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３のそれぞれの濃縮ウラン領域におけるウラン濃縮度は４．９ｗｔ％である。燃料棒Ｕ１の濃縮ウラン領域におけるウラン濃縮度は２．８ｗｔ％、燃料棒Ｕ２の濃縮ウラン領域におけるウラン濃縮度は３．９ｗｔ％、及び燃料棒Ｕ３の濃縮ウラン領域におけるウラン濃縮度は４．４ｗｔ％である。

また、燃料棒Ｇ１内のガドリニア濃度は、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長（以下、単に軸方向全長という）の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の６／２４の位置の間で２ｗｔ％、燃料有効長の下端から軸方向全長の６／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置の間で８ｗｔ％、及び燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２３／２４の位置の間で４ｗｔ％である。燃料棒Ｇ２内のガドリニア濃度は、燃料有効長の下端から軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２／２４の位置の間で８ｗｔ％、燃料有効長の下端から軸方向全長の２／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置の間で５ｗｔ％、燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置の間で８ｗｔ％、及び燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２３／２４の位置の間で４ｗｔ％である。燃料棒Ｇ３内のガドリニア濃度は、燃料有効長の下端から軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２／２４の位置の間で１０ｗｔ％、燃料有効長の下端から軸方向全長の２／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置の間で６ｗｔ％、燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置の間で１０ｗｔ％、及び燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２３／２４の位置の間で４ｗｔ％である。

燃料集合体１内で、燃料棒Ｐ１が存在する下部濃縮ウラン領域の平均濃縮度は約４．７ｗｔ％、燃料棒Ｐ１が存在しない上部濃縮ウラン領域の平均濃縮度は約４．６ｗｔ％である。下部濃縮ウラン領域は、燃料有効長の下端から軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の１４／２４の位置の間の領域である。上部濃縮ウラン領域は、燃料有効長の下端から軸方向全長の１４／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２３／２４の位置の間の領域である。また、下端部及び上端部のＮＵ領域を含めた、燃料集合体１全体の平均濃縮度は約４．３ｗｔ％である。

燃料集合体１が装荷されて構成される炉心では、１つの運転サイクルでの原子炉の運転前において、装荷された４００体の燃料集合体のうち燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体１が１６０体を占めている。このため、この炉心のバッチ数は、２．５である。

燃料集合体１において、燃料棒Ｇ１の、燃料有効長の下端から１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の６／２４の位置の間の領域に充填された、ガドリニア濃度２ｗｔ％及びウラン濃縮度４．９ｗｔ％の複数の燃料ペレットは、含まれている濃度２ｗｔ％のガドリニアが運転サイクル初期で燃え尽きるために、核燃料物質Ｃである。燃料棒Ｇ２の、燃料有効長の下端から２／２４の位置と燃料有効長の下端から４／２４の位置の間の領域に充填された、ガドリニア濃度５ｗｔ％及びウラン濃縮度４．９ｗｔ％の複数の燃料ペレット、及び燃料棒Ｇ３の、燃料有効長の下端から２／２４の位置と燃料有効長の下端から４／２４の位置の間の領域に充填された、ガドリニア濃度６ｗｔ％及びウラン濃縮度４．９ｗｔ％の複数の燃料ペレットは、含まれている濃度５ｗｔ％及び濃度６ｗｔ％のそれぞれのガドリニアが運転サイクル中期で燃え尽きるために、核燃料物質Ｂである。

燃料棒Ｇ１，Ｇ２及びＧ３において燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２３／２４の位置の間の領域に充填された、ウラン濃縮度４．９ｗｔ％の複数の燃料ペレットは、ガドリニア濃度４ｗｔ％との濃度の低いガドリニアを含んでいる。燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２３／２４の位置の間の領域では、燃料棒２相互間を流れる冷却水は多量のボイドを含んでおり、ボイド率が高くなっている。このため、その領域内の燃料ペレットに含まれるガドリニアは、濃度が４ｗｔ％と低くても燃焼が遅く、運転サイクル末期で消滅する。

沸騰水型原子炉の炉心は、例えば、４００体の燃料集合体１を装荷して構成されている。この炉心は沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内に配置され、炉心内では、４体の燃料集合体１に対して１体の制御棒１０が配置される。炉心全体では、１００体の制御棒１が存在する。或る運転サイクルでの運転が開始される時点では、炉心内に装荷されている各燃料集合体１は、炉内滞在期間が異なっている。４００体のうち１６０体の燃料集合体１は、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔであり、これから１つ目の運転サイクルでの運転を経験しようとする燃料集合体（以下、第１燃料集合体という）である。燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの、これらの第１燃料集合体１は、図２に示された濃縮度分布およびガドリニア濃度分布を有する燃料棒Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｐ１、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３を含んでいる。４００体のうち他の１６０体の燃料集合体１は、直前の一つの運転サイクルでの運転を経験しており、これから２つ目の運転サイクルでの運転を経験しようとする燃料集合体（以下、第２燃料集合体という）である。残りの８０体の燃料集合体１は、直前の一つの運転サイクルでの運転を経験しており、これから３つ目の運転サイクルでの運転を経験しようとする燃料集合体（以下、第３燃料集合体という）である。第２及び第３核燃料集合体１内に配置された各燃料棒も、炉心に装荷された、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔであった時点では、図２に示された濃縮度分布およびガドリニア濃度分布を有していた。

８０体の第３燃料集合体１は、炉心内の外周部に配置されている。それぞれ１６０体の第１及び第２燃料集合体１は、互いに混在した状態で、上記の外周部の内側で炉心内に配置されている。それらの第３燃料集合体１は、第１及び第２燃料集合体１が配置された炉心内の領域を取り囲むように配置されている。

炉心に装荷された各燃料集合体１の下端部は、原子炉圧力容器内に設置された炉心支持板に設けられる燃料支持金具によって支持される。また、各燃料集合体１の上端部は原子炉圧力容器内に設置された上部格子板によって支持される。

制御棒１０は、４体の燃料集合体１の間に挿入される。チャンネルボックス９は、１個の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７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１０が燃料集合体１の間隙に確実に挿入できるように、燃料集合体１間の間隙を適切な値に保持する機能を有する。このため、チャンネルファスナは、燃料集合体１の１つのコーナ部においてチャンネルボックス９の側面に面するように配置され、上部タイプレート７に結合されている。

１つの運転サイクルでの運転が終了して沸騰水型原子炉が停止された後、原子炉圧力容器の上端部に取り付けられた上蓋が取り外され、燃料交換作業が行われる。この燃料交換作業において、炉心内の、８０体の第３燃料集合体１、及び１６０体の第２燃料集合体１のうち８０体の第２燃料集合体が、炉心から取り出されて、原子炉圧力容器外に搬出される。残りの８０体の第２燃料集合体は、移動されて炉心内の上記した外周部に配置される。炉心から取り出された１６０体の燃料集合体１の替りに、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである１６０体の燃料集合体１が外周部の内側で炉心内に装荷される。

燃料交換作業の終了後、原子炉圧力容器に上蓋が取り付けられて原子炉圧力容器が密封される。その後、次に運転サイクルにおける、沸騰水型原子炉の運転が開始される。

上記した炉心でのバッチ数ｎは２．５である。上記の構成を有する、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体１では、可燃性毒物濃度ａ_maxが１０ｗｔ％であり、核燃料物質の平均濃縮度ｅが４．３ｗｔ％である。このため、ａ_maxｎ／ｅが５．８になり、燃料集合体１は、４．０＜ａ_maxｎ／ｅ＜７．０の条件を満たしている。

燃料集合体１では、全燃料棒の本数が９２本、可燃性毒物含有燃料棒４（燃料棒Ｇ１，Ｇ２及びＧ３）の本数が１４本であるため、全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒４の本数の割合は１５％である。

核燃料物質Ｃに含まれるガドリニア濃度ｃが２ｗｔ％であるため、燃料集合体１ではｃ／ａ_maxが０．２である。したがって、核燃料物質Ｃに含まれるガドリニア濃度ｃが０．０＜ｃ／ａ_max≦０．４を満足している。核燃料物質Ｂに含まれるガドリニア濃度ｂが５ｗｔ％及び６ｗｔ％であるため、燃料集合体１ではｂ／ａ_maxが０．５及び０．６になる。したがって、核燃料物質Ｂに含まれるガドリニア濃度ｂが０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７を満足している。核燃料物質Ａに含まれるガドリニア濃度ａが８ｗｔ％及び１０ｗｔ％であるため、燃料集合体１ではａ／ａ_maxが０．８及び１になる。したがって、核燃料物質Ａに含まれるガドリニア濃度ａが０．７＜ａ／ａ_max≦１．０を満足している。

燃料集合体１において、２ｗｔ％の濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ｃが燃料棒Ｇ１内で燃料有効長の下端から１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の６／２４の位置の間に配置され、５ｗｔ％及び６ｗｔ％のそれぞれの濃度のガドリニアを含む核燃料物質Ｂが燃料棒Ｇ２及びＧ３内で燃料有効長の下端から軸方向全長の２／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置の間に配置されている。このように、本実施例では、核燃料物質Ｂ及びＣが燃料有効長の下端から軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の１９／２４の位置の間に配置される。

燃料有効長の軸方向全長の２４分の１の長さを１ノードとする。核燃料物質Ｃは１本の燃料棒Ｇ１だけに充填されており、核燃料物質Ｃの充填領域のノード数は５ノード（合計長さＬ（Ｃ））である。核燃料物質Ｂは５本の燃料棒Ｇ２及び８本の燃料棒Ｇ３に充填されている。１本の燃料棒Ｇ２及びＧ３における核燃料物質Ｂの充填領域のノード数はそれぞれ２ノードであるため、５本の燃料棒Ｇ２及び８本の燃料棒Ｇ３において核燃料物質Ｂの充填領域のノード数の合計は２６ノード（合計長さＬ（Ｂ））である。また、核燃料物質Ａは、１本の燃料棒Ｇ１、５本の燃料棒Ｇ２及び８本の燃料棒Ｇ３にそれぞれ含まれる。１本の燃料棒Ｇ１における核燃料物質Ａのノード数は２０ノードであり、１本の燃料棒Ｇ２及び１本の燃料棒Ｇ３における核燃料物質Ａのノード数はそれぞれ１８ノードである。１本の燃料棒Ｇ１、５本の燃料棒Ｇ２及び８本の燃料棒Ｇ３において核燃料物質Ａの充填領域のノード数の合計は２４９ノード（合計長さＬ（Ａ））である。このため、燃料集合体１ではＬ（Ａ）／５．０が４９．８となるため、燃料集合体１はＬ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）を満足する。また、Ｌ（Ｂ）／５．０が５.２となるため、燃料集合体１はＬ（Ｂ）／５．０≧Ｌ（Ｃ）を満足する。

本実施例の燃料集合体１では、核燃料物質Ａに含まれるガドリニア濃度ａが０．７＜ａ／ａ_max≦１．０を満足し、核燃料物質Ｂに含まれるガドリニア濃度ｂが０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７を満足しており、さらに、Ｌ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）が満たされる。このため、本実施例によれば、濃度ａ（８ｗｔ％及び１０ｗｔ％）のガドリニアを含む核燃料物質Ａの影響を受けて、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体１に対する最初の運転サイクルである第１運転サイクルの運転サイクル中期において第１反応度が下に凸になる変化を、その運転サイクル中期に燃え尽きる、核燃料物質Ｂに含まれる濃度ｂ（５ｗｔ％及び６ｗｔ％）のガドリニアの作用によって補償することができる。運転サイクル中期において第１反応度が下に凸になる変化を改善することができ、運転サイクルにおける炉心の余剰反応度の変化幅を低減することができる。

本実施例は、特開平３−２６７７９３号公報の図１及び図２に示された燃料集合体、及び特開平２−２４５６９３号公報の図１５及び図１６に示された燃料集合体では改善することができない運転サイクル中期における第１反応度が下に凸になる変化を、核燃料物質Ｂに含まれる濃度ｂ（５ｗｔ％及び６ｗｔ％）のガドリニアの作用によって改善することができる。このため、運転サイクルにおける余剰反応度の変化幅を低減することができる。

また、燃料集合体１では、核燃料物質Ｃに含まれるガドリニア濃度ｃが０．０＜ｃ／ａ_max≦０．４を満足しており、さらに、Ｌ（Ｂ）／５．０＞Ｌ（Ｃ）を満足している。このため、本実施例によれば、濃度ｂ（５ｗｔ％及び６ｗｔ％）のガドリニアを含む核燃料物質Ｂの影響を受けて、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体１に対する第１運転サイクルの運転サイクル初期において第２反応度が下に凸になる変化を、その運転サイクル初期に燃え尽きる、核燃料物質Ｃに含まれる濃度ｃ（２ｗｔ％）のガドリニアの作用によって補償することができる。このため、運転サイクル初期における第２反応度が下に凸になる変化をそれぞれ改善することができる。

この結果、核燃料物質Ｂに含まれる濃度ｂ（５ｗｔ％及び６ｗｔ％）のガドリニアの作用により改善された、運転サイクルにおける余剰反応度の変化幅を、核燃料物質Ｃに含まれる濃度ｃ（２ｗｔ％）のガドリニアの作用により更に改善することができる。核燃料物質Ｂに含まれる濃度ｂ（５ｗｔ％及び６ｗｔ％）のガドリニアの作用、及び核燃料物質Ｃに含まれる濃度ｃ（２ｗｔ％）のガドリニアの作用により、運転サイクルにおける余剰反応度の変化幅は、図１５に示すように、低減することができ、その変化幅を運転サイクルの期間に亘ってより平坦化することができる。

本実施例では、核燃料物質Ｂ及びＣが、燃料有効長の下端から燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の１９／２４の位置の間である、燃料有効長の下端から軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の１４／２４の位置の間に配置されるため、核燃料物質Ｃに含まれるガドリニアが運転サイクル初期の終了時までに燃え尽き、核燃料物質Ｂに含まれるガドリニアが運転サイクル中期の終了時までに燃え尽きる。このように、核燃料物質Ｃに含まれるガドリニア、及び核燃料物質Ｂに含まれるガドリニアがそれぞれ燃え尽きるので、上記した効果を得ることができる。

核燃料物質Ａ，Ｂ及びＣを同じ可燃性毒物含有燃料棒４内に充填しても良い。

本発明の他の実施例である実施例２の燃料集合体を、図１及び図１７を用いて説明する。本実施例の燃料集合体（実施例１の燃料集合体１と区別するために、便宜的に、燃料集合体１Ａと称する。）は、沸騰水型原子炉の炉心に装荷される。

本実施例の燃料集合体１Ａは、実施例１の燃料集合体１と燃料棒Ｇ１、Ｇ２及びＧ３のガドリニア濃度の分布が異なっているだけである。燃料集合体１Ａの燃料棒Ｇ１は、図１７に示すように、濃度２ｗｔ％のガドリニアを含む核燃料物質Ｃを、燃料有効長の下端から軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の７／２４の位置の間の領域に充填し、濃度８ｗｔの％ガドリニアを含む核燃料物質Ａを、燃料有効長の下端から軸方向全長の７／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置の間の領域に充填している。燃料集合体１Ａの燃料棒Ｇ２は、濃度５ｗｔ％のガドリニアを含む核燃料物質Ｂを、燃料有効長の下端から軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置の間の領域に充填し、濃度８ｗｔの％ガドリニアを含む核燃料物質Ａを、燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置の間の領域に充填している。燃料集合体１Ａの燃料棒Ｇ３は、濃度６ｗｔ％のガドリニアを含む核燃料物質Ｂを、燃料有効長の下端から軸方向全長の１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置の間の領域に充填し、濃度１０ｗｔ％のガドリニアを含む核燃料物質Ａを、燃料有効長の下端から軸方向全長の４／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置の間の領域に充填している。また、燃料棒Ｇ１、Ｇ２及びＧ３は、濃度４ｗｔ％のガドリニアを含む核燃料物質を、燃料有効長の下端から軸方向全長の２１／２４の位置と燃料有効長の下端から軸方向全長の２３／２４の位置の間の領域にそれぞれ充填している。燃料集合体１Ａの、ウラン濃縮度分布を含む他の構成は燃料集合体１と同じである。燃料集合体１Ａにおける燃料棒Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｐ１、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３のそれぞれの、燃料集合体１Ａの横断面における配置は、図１に示す燃料集合体１の横断面におけるそれらの燃料棒の配置と同じである。

実施例１で述べた沸騰水型原子炉の炉心と同様に、本実施例の燃料集合体１Ａを用いて炉心が構成される。この炉心でのバッチ数ｎも２．５である。上記の構成を有する、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである燃料集合体１Ａでは、可燃性毒物濃度ａ_maxが１０ｗｔ％であり、核燃料物質の平均濃縮度ｅが４．３ｗｔ％である。このため、ａ_maxｎ／ｅが５．８になり、燃料集合体１Ａは、４．０＜ａ_maxｎ／ｅ＜７．０の条件を満たしている。

燃料集合体１Ａでは、全燃料棒の本数が９２本、可燃性毒物含有燃料棒４（燃料棒Ｇ１，Ｇ２及びＧ３）の本数が１４本であるため、全燃料棒の本数に対する可燃性毒物含有燃料棒４の本数の割合は１５％である。

本実施例の燃料集合体１Ａでは、合計長さＬ（Ａ）が２３５ノード、合計長さＬ（Ｂ）が３９ノード及び合計長さＬ（Ｃ）が６ノードになる。

このため、燃料集合体１Ａでは、燃料集合体１と同様に、核燃料物質Ａに含まれるガドリニア濃度ａ（８ｗｔ％及び１０ｗｔ％）が０．７＜ａ／ａ_max≦１．０を満足し、核燃料物質Ｂに含まれるガドリニア濃度ｂ（５ｗｔ％及び６ｗｔ％）が０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７を満足しており、さらに、Ｌ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）が満たされる。燃料集合体１Ａ燃料集合体１Ａは、燃料集合体１と同様に、運転サイクル中期において第１反応度が下に凸になる変化を改善することができ、運転サイクルにおける炉心の余剰反応度の変化幅を低減することができる。

燃料集合体１Ａでは、核燃料物質Ｃに含まれるガドリニア濃度ｃ（２ｗｔ％）が０．０＜ｃ／ａ_max≦０．４を満足しており、さらに、Ｌ（Ｂ）／５．０＞Ｌ（Ｃ）を満足している。このような燃料集合体１Ａによって構成された炉心の、運転サイクルにおける余剰反応度の変化幅は、実施例１の燃料集合体１によって構成された炉心の、運転サイクルにおける余剰反応度の変化幅よりもさらに低減される。

本実施例では、全ての核燃料物質Ｂを、燃料集合体の軸方向において、核燃料物質Ａよりも下方に配置している。このような構成により、燃料集合体１Ａ内の核燃料物質Ｂが、燃料集合体１の核燃料物質Ｂよりもさらに下方に配置することができる。このため、運転サイクル中期において核燃料物質Ｂに含まれるガドリニアが燃え尽きて反応度が増加し、燃料集合体の軸方向における出力分布が実施例１よりも更に下ピークとなる。すると、炉心の平均ボイド率が高くなり、中性子スペクトルが硬くなって、プルトニウムの蓄積を図ることができる。そして、運転サイクル末期において、燃料集合体１Ａの上部領域の可燃性毒物が燃え尽きること、及び運転サイクル末期以前に燃料集合体１Ａの下部領域における核燃料物質の燃焼が進むことにより、炉心の軸方向の出力分布が上ピークとなる。これにより、炉心平均ボイド率が低くなり、中性子スペクトルが柔らかくなって、蓄積されたプルトニウムの燃焼が促進されるため、運転サイクル末期の反応度を増加させることができる。結果的に、運転サイクル末期での反応度が増加し、運転サイクル末期における余剰反応度の低下を抑制でき、余剰反応度の変化幅を低減することができる。

燃料集合体１Ａで構成した炉心の余剰反応度の変化幅は、図１８に示すように、０．４４％となり、実施例１における余剰反応度の変化幅（０．５０％）よりもさらに低減することができる。

上記した実施例１及び２の各実施例は、燃料棒配列が１０行１０列の燃料集合体だけでなく、燃料棒配列が８行８列の燃料集合体及び９行９列の燃料集合体等の他の燃料棒配列の燃料集合体に適用しても良い。

また、上記した実施例１及び２の各実施例は、部分長燃料棒を含まない燃料集合体に対しても適用することができる。

さらに、上記した実施例１及び２の各実施例は、１本の水ロッドを有する燃料集合体、及び横断面が矩形の水ロッドを有する燃料集合体にも適用することができる。上記した実施例１及び２の各実施例は、ウランを含む核燃料物質だけでなく、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔのときにプルトニウムを含む核燃料物質を有する燃料集合体に適用することができる。

１…燃料集合体、２…燃料棒、３…ウラン燃料棒、４…可燃性毒物含有燃料棒、５…水ロッド、６…下部タイプレート、７…上部タイプレート、８…燃料スペーサ、９…チャンネルボックス、１０…制御棒。

Claims (8)

1. 複数の燃料棒、前記燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート、前記燃料棒の下端部を支持する下部タイプレート、前記燃料棒間の間隔を保持する複数の燃料スペーサ及び前記燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒を取り囲むチャンネルボックスを備えた燃料集合体において、
   前記複数の燃料棒が、ガドリニアを含まない核燃料物質を充填した複数の第１燃料棒、及び前記ガドリニアを含む前記核燃料物質を充填した複数の第２燃料棒を含んでおり、
   前記第２燃料棒の本数が、前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒の合計本数の８％以上を占め、
   前記複数の第２燃料棒に充填された前記核燃料物質に含まれる前記ガドリニアの濃度のうちで最も高い濃度をａ_maxとし、前記核燃料物質に含まれる前記ガドリニアの濃度ａが０．７＜ａ／ａ_max≦１．０の範囲内に存在し、及び前記核燃料物質に含まれる前記ガドリニアの濃度ｂが０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７の範囲内に存在し、前記核燃料物質に含まれる前記ガドリニアの濃度ｃが０＜ｃ／ａ_max≦０．４の範囲内に存在し、
   前記濃度ｂの前記ガドリニアを含む前記核燃料物質である核燃料物質Ｂ、及び前記濃度ｃの前記ガドリニアを含む前記核燃料物質である核燃料物質Ｃのそれぞれが、前記燃料集合体の燃料有効長の下端から前記燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と前記燃料有効長の下端から前記軸方向全長の１９／２４の位置の間に配置され、
   全ての前記第２燃料棒内における、前記濃度ａの前記ガドリニアを含む前記核燃料物質である核燃料物質Ａの充填領域の軸方向長さの合計長さＬ（Ａ）、全ての前記第２燃料棒内における、前記核燃料物質Ｂの充填領域の軸方向長さの合計長さＬ（Ｂ）、及び全ての前記第２燃料棒内における、前記核燃料物質Ｃの充填領域の軸方向長さの合計長さＬ（Ｃ）が、Ｌ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）及びＬ（Ｂ）／５．０≧Ｌ（Ｃ）を満足していることを特徴とする燃料集合体。
2. 前記複数の第２燃料棒が、前記核燃料物質Ｂを前記１／２４の位置と前記１９／２４の位置の間に配置した第３燃料棒、及び前記核燃料物質Ｃを前記１／２４の位置と前記１９／２４の位置の間に配置した第４燃料棒を含んでいる請求項１に記載の燃料集合体。
3. 前記燃料集合体の前記核燃料物質の平均濃縮度をｅ、前記燃料集合体を装荷して構成される炉心の、全燃料集合体の体数と前記炉心において一回の燃料交換で交換される燃料集合体数との比をｎとするとき、前記ガドリニアの濃度ａ_maxが４．０＜ａ_maxｎ／ｅ＜７．０を満たしている請求項１または２に記載の燃料集合体。
4. 全ての前記核燃料物質Ｂが前記核燃料物質Ａよりも下方に配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料集合体。
5. 複数の燃料棒、前記燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート、前記燃料棒の下端部を支持する下部タイプレート、前記燃料棒間の間隔を保持する複数の燃料スペーサ及び前記燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒を取り囲むチャンネルボックスを備え且つ前記複数の燃料棒がガドリニアを含まない核燃料物質を充填した複数の第１燃料棒、及び前記ガドリニアを含む前記核燃料物質を充填した複数の第２燃料棒を含んでいる複数の燃料集合体が装荷された原子炉の炉心において、
   前記複数の燃料集合体の一部であり、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔである複数の前記燃料集合体は、
   前記第２燃料棒の本数を、前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒の合計本数の８％以上にし、
   前記複数の第２燃料棒に充填された前記核燃料物質に含まれる前記ガドリニアの濃度のうちで最も高い濃度をａ_maxとし、前記核燃料物質に含まれる前記ガドリニアの濃度ａが０．７＜ａ／ａ_max≦１．０の範囲内に存在し、及び前記核燃料物質に含まれる前記ガドリニアの濃度ｂが０．４＜ｂ／ａ_max≦０．７の範囲内に存在し、前記核燃料物質に含まれる前記ガドリニアの濃度ｃが０＜ｃ／ａ_max≦０．４の範囲内に存在し、
   前記濃度ｂの前記ガドリニアを含む前記核燃料物質である核燃料物質Ｂ、及び前記濃度ｃの前記ガドリニアを含む前記核燃料物質である核燃料物質Ｃのそれぞれが、前記燃料集合体の燃料有効長の下端から前記燃料有効長の軸方向全長の１／２４の位置と前記燃料有効長の下端から前記軸方向全長の１９／２４の位置の間に配置され、及び
   全ての前記第２燃料棒内における、前記濃度ａの前記ガドリニアを含む前記核燃料物質である核燃料物質Ａの充填領域の軸方向長さの合計長さをＬ（Ａ）、及び全ての前記第２燃料棒内における、前記核燃料物質Ｂの充填領域の軸方向長さの合計長さをＬ（Ｂ）、及び全ての前記第２燃料棒内における、前記核燃料物質Ｃの充填領域の軸方向長さの合計長さをＬ（Ｃ）とするとき、Ｌ（Ａ）／５．０≧Ｌ（Ｂ）及びＬ（Ｂ）／５．０≧Ｌ（Ｃ）を満足していることを特徴とする原子炉の炉心。
6. 前記複数の第２燃料棒が、前記核燃料物質Ｂを前記１／２４の位置と前記１９／２４の位置の間に配置した第３燃料棒、及び前記核燃料物質Ｃを前記１／２４の位置と前記１９／２４の位置の間に配置した第４燃料棒を含んでいる請求項５に記載の原子炉の炉心。
7. 前記燃料集合体の前記核燃料物質の平均濃縮度をｅ、前記燃料集合体を装荷して構成される炉心の、全燃料集合体の体数と前記炉心において一回の燃料交換で交換される燃料集合体数との比をｎとするとき、前記ガドリニアの濃度ａ_maxが４．０＜ａ_maxｎ／ｅ＜７．０を満たしている請求項５または６に記載の原子炉の炉心。
8. 全ての前記核燃料物質Ｂが前記核燃料物質Ａよりも下方に配置されている請求項５ないし７のいずれか１項に記載の原子炉の炉心。

Images