JP6466206B2 - 初装荷炉心および燃料交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉の初装荷炉心および原子炉における燃料の交換方法に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な原子炉の初装荷炉心と燃料交換方法に関する。

初装荷炉心の一例が特許文献１に記載されている。この特許文献１では、周辺部に配置された複数の燃料集合体の核分裂物質の量が、周辺部よりも内側の領域に配置された燃料集合体のそれよりも多くなっている。また、周辺部よりも内側の領域において、平均濃縮度が低い４体の燃料集合体を有する複数のコントロールセルが配置され、原子炉出力調整用の制御棒がコントロールセルを構成する４体の燃料集合体の間に挿入されている。

また、特許文献２には、燃料として複数種類のウラン濃縮度を有する燃料集合体を装荷している初装荷炉心が記載されている。特許文献２では、これら複数の燃料を用いて炉心の出力分布を平坦にすることで、プラントの経済性を向上している。

また、特許文献３では、ウラン濃縮度の高い高濃縮燃料と天然ウラン燃料のみを使って炉心を構成している。この結果、平均濃縮度が同じ条件下で他の中濃縮燃料等を用いた場合と比較すると、高濃縮燃料の装荷体数が多いため、第１サイクルの運転期間を長期化できる。

特開２００８−１４５３５９号公報 特公平０６−０４４０５５号公報 特開平０３―２５１７９４号公報

沸騰水型原子炉は、複数の燃料集合体を原子炉圧力容器内に設けられた炉心に装荷している。これらの燃料集合体は、ウランを含む核燃料物質で製造された複数の燃料ペレットを充填した複数の燃料棒、これらの燃料棒の下端を支持する下部タイプレート、核燃料棒の上端部を保持する上部タイプレート、及び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かって伸びる、正方形の角筒であるチャンネルボックスを有している。複数の燃料棒は、相互の間隔を所定幅に保持する燃料スペーサによって束ねられてチャンネルボックス内に配置される。

新設の沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内に設けられた炉心は初装荷炉心と呼ばれ、この初装荷炉心に装荷された全ての燃料集合体は、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの新燃料集合体である。この初装荷炉心を有する沸騰水型原子炉では、第１サイクルの運転が終了した後、初装荷炉心内の一部の燃料集合体が取り出され、新燃料集合体と交換される。第１サイクルの運転が終了した後に炉心から取り出される複数の燃料集合体は、初装荷炉心に装荷される時点において、初装荷炉心に装荷される全燃料集合体の平均濃縮度よりも低い濃縮度を有している。

初装荷炉心を有する沸騰水型原子炉であっても１つの運転サイクル（例えば、１年間）に亘って燃料集合体を補給することなしに運転し続けねばならない。そのため、初装荷炉心は臨界を維持するために必要な量よりも多い核分裂性物質を含んでいる。このため、初装荷炉心は余剰反応度を保有することになり、この余剰反応度を制御するために、沸騰水型原子炉は複数の制御棒を有しており、さらに、初装荷炉心に装荷された燃料集合体に含まれる核燃料棒内の核燃料物質に可燃性毒物を混入している。

初装荷炉心のコストを低減するとともに、第２サイクル以降の燃料費を低減するためには、初装荷炉心の平均濃縮度を下げつつ、第１サイクル終了後に取り出される燃料の燃焼度を増大させることが必要である。

しかし、特許文献２に記載された初装荷炉心は、複数種類の濃縮度の燃料を備えた炉心において、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔにおいて中性子増倍率が燃料中で最大となる中程度の濃縮度を最外層に装荷する方法であり、炉心の中性子の漏れが増大する結果となり、経済性が低下するとともに第２サイクル以降の交換燃料数低減については言及されていない。

また、特許文献３に記載された初装荷炉心は、燃料経済性を向上するために、天然ウラン燃料が装荷されている。平均濃縮度が同じ条件において天然ウラン燃料を用いると高濃縮燃料の体数を多くできるためであるが、高濃縮燃料体数が多いために、第２，第３サイクルの後に高濃縮燃料が取り出されることになる。この結果、通常よりも早く高濃縮燃料が取り出されることで、経済性が低下する。

本発明の目的は、初装荷および第２サイクル以降の燃料コスト低減することができる初装荷炉心および燃料交換方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、原子炉の初装荷炉心であって、前記原子炉の炉心最外周部を除く位置に、天然ウラン燃料で構成された燃料集合体が前記原子炉の前記炉心最外周部を除いた燃料集合体の本数に対して２５％以上、核分裂性物質の含有量が３．０ｗｔ％以上の高濃縮燃料で構成された燃料集合体が前記原子炉の前記炉心最外周部を除いた燃料集合体の本数に対して２５％以上５０％以下装荷されたことを特徴とする。

本発明によれば、初装荷炉心および移行炉心の経済性を向上することができる。

天然ウランの装荷割合に対する第一サイクルの取出燃料に含まれる残存核分裂ウラン量である。 取替燃料体数が最大となる１／２取替の場合の残存燃料の平均濃縮度である。 初装荷燃料が最後に取り出される１つ前の燃料交換時に取り出される高濃縮燃料に残る残存核分裂ウラン量である。 本発明の好適な一実施例である実施例１の初装荷炉心を有する沸騰水型原子炉の構成図である。 実施例１の初装荷炉心に装荷される燃料集合体の構成図である。 実施例１の初装荷炉心の中性子検出器の周囲に配置された４体の燃料集合体の横断面図である。 実施例１の初装荷炉心の１つのセルに配置された４体の燃料集合体の平面図である。 実施例１の初装荷炉心の燃料装荷パターンである。 本発明の実施例２の初装荷炉心の燃料装荷パターンである。 本発明の実施例３の初装荷炉心の燃料装荷パターンである。 本発明の実施例４の初装荷炉心の燃料装荷パターンである。

本発明者は、種々の検討を重ね、初装荷炉心において経済性を向上する新たな構成を見いだした。この検討結果および新たに見いだした初装荷炉心の概要を以下に説明する。

従来技術にあるように、沸騰水型原子炉の初装荷炉心の経済性向上にために核分裂性物質含有割合（以下、濃縮度と記述）が多種類の燃料を用いることが一般的である。この理由を以下に述べる。なお、初装荷炉心から運転を開始して複数回燃料交換を繰り返す間を移行炉心と称し、移行炉心が燃料交換を繰り返して燃料装荷パターンがほぼ一定となった状態を平衡炉心と称する。

一般的に、平衡炉心が最も経済性が高い。前述した濃縮度多種類の燃料を使用した初装荷炉心では、出来るだけ平衡炉心に近づけるために平衡炉心を模擬することを念頭に置いて燃料を装荷する。各燃料は平衡炉心における燃焼した燃料を模擬するために、複数種類の濃縮度を用いられる。例えば、燃焼した燃料に相当する燃料は濃縮度を低下させることで模擬する。

その上で、初装荷炉心から平衡炉心までの移行炉心において、取替燃料体数を平衡炉心のそれに近づけることにより、最も高い経済性を達成できる。

しかし、初装荷炉心において装荷した濃縮度の低い燃料は、濃縮度の高い燃料に比べて出力が低下するために、第１サイクル終了後において、取り出される濃縮度の低い燃料の燃焼度（単位重量あたりの発生エネルギー）は炉心平均のサイクル燃焼度よりも小さくなる。逆に、濃縮度の高い燃料は燃焼度がサイクル燃焼度よりも高くなる。

平衡炉心においても、濃縮度の高い燃料を新燃料、濃縮度の低い燃料を数サイクル炉内に滞在した燃料と考えれば同じであるが、初装荷炉心の濃縮度の低い燃料は１サイクルで取り出される点が大きな違いである。

一つの解決策として、初装荷炉心において１サイクルで取り出される燃料の濃縮度をできるだけ低くする（例えば、天然ウラン燃料）ことが考えられる。しかし、濃縮度を低くすることで出力もさらに低くなるため、根本的な解決にはならない。

そこで本発明者は、天然ウラン燃料を初装荷炉心に装荷するとともに、出力が大きく低下する炉心最外周を除いた位置（炉心中心部）に装荷することを考えた。天然ウランを選択した理由は、初装荷炉心の平均濃縮度を低減して経済性を向上するためである。移行炉心における炉心の臨界性維持には高濃縮燃料の装荷が必須となる。一般に、原子炉の取替燃料は３ｗｔ％以上の濃縮度の燃料が用いられるため、３ｗｔ％以上の濃縮度を持つ燃料を高濃縮燃料とする。初装荷炉心に装荷される濃縮度の低い燃料は一般に炉心最外周に装荷されるため、高濃縮燃料とともに装荷された天然ウラン燃料はより燃焼することになる。燃焼した天然ウラン燃料は第１サイクル終了後に取り出される。

一般にプラントの運転期間を１３ヶ月〜２４ヶ月とすると、ＢＷＲの燃料交換体数は全体の１／４〜１／２となる。より濃縮度が低く、より燃焼した燃料を取り出すためには、炉心中心部に天然ウランを２５％以上装荷しておけばよい。

例えば、天然ウランの他に１〜２ｗｔ％の低濃縮燃料を含む炉心において炉心の１／４の燃料を取り替える場合に天然ウランの装荷割合に対する第一サイクルの取出燃料に含まれる残存核分裂ウラン量を図１に示す。

図１に示すように、残存核分裂ウラン量が多いほど、新たに装荷する燃料体数が多くなり、コストが増大する。また、天然ウランを２５％以上装荷すると取出燃料はすべて天然ウランとなるために取出燃料に含まれる残存核分裂ウランは最低となる。つまり、天然ウランが２５％以上装荷されれば、取替燃料のコストは最低となる。

また、初装荷炉心の平均濃縮度を２ｗｔ％として第一サイクルの臨界維持を考える場合、天然ウラン燃料の装荷割合が多くなると、天然ウラン燃料以外の燃料の平均濃縮度が増大する。また、第一サイクル後に天然ウラン燃料が取り出されれば、残存燃料の平均濃縮度が増大する。ここで、取替燃料体数が最大となる１／２取替の場合の残存燃料の平均濃縮度を図２に示す。この図２に示すように、天然ウラン装荷割合が５０％で最大を示し、それ以上は同じとなる。つまり、天然ウラン装荷割合は５０％あれば十分である。

次に、高濃縮燃料の体数が交換燃料体数よりも多い場合、２つのサイクルにまたがって高濃縮燃料が取り出されることになり、前のサイクルで取り出される高濃縮燃料は相対的に燃焼度が低くなる。

例えば、高濃縮燃料を３．４ｗｔ％とし、高濃縮燃料の次に濃縮度が高い燃料である中濃縮燃料を２．２ｗｔ％とし、取替燃料体数が最大の１／２としたときに、初装荷燃料が最後に取り出される１つ前の燃料交換時に取り出される高濃縮燃料に残る残存核分裂ウラン量を図３に示す。

この図３に示すように、取替燃料体数（５０％）を超えて高濃縮燃料が多くなるほど早期に取り出される高濃縮燃料も多くなり、残存核分裂ウラン量は増加する。従って、高濃縮燃料の体数は、最大で５０％以下とすることが求められる。さらに、出来るだけ平衡炉心の状態に近づけることによるコスト低減を目的とすると、高濃縮燃料体数は取替燃料体数と同数が良い。運転期間を考慮すると、高濃縮燃料の体数は２５％以上必要となる。

つまり、移行サイクル中の運転期間が長期化し、取替燃料体数が多くなることも考慮に入れても、高濃縮燃料の体数は最大の交換燃料体数（５０％）以下、最小の交換燃料体数（２５％）以上であればよい。

以上の検討から、炉心中心部に装荷される天然ウランを２５％以上、好ましくは２５％以上５０％以下とし、高濃縮燃料を２５％以上５０％以下とすることで初装荷炉心および移行炉心の経済性を向上できることが分かった。

次に本発明者は、運転制御性に着目した。

一般にＢＷＲの平衡炉心では運転中に制御棒操作する位置には燃焼の進んだ燃料を４体装荷し、その中央部に位置する制御棒を操作する。この４体の燃料はコントロールセル（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｅｌｌ）と呼ばれている。高濃縮燃料と天然ウラン燃料を用いた初装荷炉心に同様の考え方を適用すれば、天然ウラン燃料でコントロールセルを作成することになる。しかしながら、天然ウラン燃料は従来の低濃縮燃料や平衡炉心において炉内に数サイクル滞在した燃料と比べると、濃縮度が低いために炉内での出力が低くなり、結果としてコントロールセルに挿入する制御棒が吸収する中性子数が少なく、制御棒価値が低下する。そこで、高濃縮燃料よりも濃縮度が低く、天然ウラン燃料よりも濃縮度が高い燃料でコントロールセルを構成すると、より効果的に、従来と同等の制御棒価値を確保しながら本発明の経済性を得られることが分かった。

次に本発明者は、燃料集合体の装荷パターンに着目した。

天然ウラン燃料を炉内でより燃焼させるためには、濃縮度の高い燃料を隣接させて中性子を流れ込ませるとよい。すなわち、初装荷炉心で最も濃縮度が高い燃料は高濃縮燃料であるため、天然ウラン燃料に高濃縮燃料を隣接させると、天然ウラン燃料の燃焼を促進できる。さらに、高濃縮燃料から発生した中性子が天然ウラン燃料に吸収されるため、高濃縮燃料の設計に必要な可燃性毒物の添加量を低減できる。天然ウラン燃料を装荷した初装荷炉心では、天然ウラン燃料と高濃縮燃料との出力差が大きいため熱的余裕が厳しくなるが、上述した天然ウラン燃料に高濃縮燃料を隣接させることで、天然ウラン燃料の出力を増大させ、熱的余裕を向上できることが分かった。

上記の検討結果を反映した、本発明の初装荷炉心および燃料交換方法の実施例について図面を用いて以下に説明する。

＜実施例１＞
本発明の初装荷炉心および燃料交換方法の実施例１を、図４乃至図８を用いて説明する。

図４は本実施例の初装荷炉心を有する沸騰水型原子炉の構成図、図５は本実施例の初装荷炉心に装荷される燃料集合体の構成図、図６は本実施例の初装荷炉心の中性子検出器の周囲に配置された４体の燃料集合体の横断面図、図７は本実施例の初装荷炉心の１つのセルに配置された４体の燃料集合体の平面図、図８は本実施例である初装荷炉心の燃料装荷パターンである。

まず、本実施例の初装荷炉心が適用される沸騰水型原子炉の概略の構成を、図４を用いて説明する。

図４において、沸騰水型原子炉１０１は、原子炉圧力容器１０２内に初装荷炉心である炉心１０３を設けている。

炉心１０３は、原子炉圧力容器１０２内に設置された円筒状の炉心シュラウド７によって取り囲まれている。炉心１０３を覆うシュラウドヘッド１０が炉心シュラウド７の上端に設けられ、気水分離器１１がシュラウドヘッド１０に取り付けられて上方に向かって伸びている。蒸気乾燥器１２がこの気水分離器１１の上方に配置される。そしてこれらシュラウドヘッド１０、気水分離器１１及び蒸気乾燥器１２が、原子炉圧力容器１０２内に配置されている。

また、上部格子板２７が、シュラウドヘッド１０の下方で炉心シュラウド７内に配置され、炉心シュラウド７に取り付けられて炉心１０３の上端部に位置している。

炉心支持板８が、炉心１０３の下端部に位置して炉心シュラウド７内に配置され、炉心シュラウド７に設置される。

複数のインターナルポンプ１３が原子炉圧力容器１０２の底部に取り付けられ、各インターナルポンプ１３のインペラが炉心シュラウド７と原子炉圧力容器１０２の間に形成される環状のダウンカマ１４内に配置される。複数の燃料支持金具９が炉心支持板８に設置されている。複数の制御棒案内管１５が炉心支持板８の下方で原子炉圧力容器１０２内に配置される。横断面が十字形をした制御棒５が各制御棒案内管１５内にそれぞれ配置され、制御棒５は原子炉圧力容器１０２の底部に取り付けられた制御棒駆動機構ハウジング（図示せず）内に設置された制御棒駆動機構１６に連結されている。

このような炉心１０３には、図５に示すような複数（例えば、８７２体）の燃料集合体１０４が装荷されている。初装荷炉心である炉心１０３に装荷された全ての燃料集合体の燃焼度は、炉心１０３を有する沸騰水型原子炉の運転開始前において、０ＧＷｄ／ｔである。８７２体の燃料集合体１０４が装荷される炉心１０３を有する沸騰水型原子炉１０１では、２０５本の制御棒５が用いられる。

炉心１０３に装荷される燃料集合体１０４を、図５乃至図７を用いて説明する。

図５において、燃料集合体１０４は、複数の燃料棒２０、上部タイプレート２３、下部タイプレート２４及びチャンネルボックス２２を有する。

燃料棒２０の各々の内側には、核分裂性物質（ウラン２３５）を含む核燃料物質を用いて製造した円筒形状の多数の燃料ペレットが充填されている。各燃料棒２０の下端部が下部タイプレート２４によって支持され、各燃料棒２０の上端部がハンドル２３ａを設けている上部タイプレート２３によって保持される。各燃料棒２０が、正方格子状に配置され（図６参照）、燃料棒相互間に所定の間隔が保持されるように複数の燃料スペーサ２５で束ねられている。複数の燃料スペーサ２５は、燃料集合体１０４の軸方向に配置される。

図６において、燃料集合体１０４の横断面の中央部には２本の水ロッド２１が隣接して配置され、燃料集合体１０４では各燃料棒２０がこれらの水ロッド２１の周囲を取り囲むように配置されている。水ロッド２１も、下端部が下部タイプレート２４で支持され、上端部が上部タイプレートで保持される。複数の燃料スペーサ２５によって束ねられた複数の燃料棒２０及び水ロッド２１は、上端部が上部タイプレート２３に取り付けられて下部タイプレート２４に向かって伸びるチャンネルボックス２２内に配置される。燃料集合体１０４内の一部の燃料棒２０は、燃料ペレットに可燃性毒物を含んでいる。更に、中性子検出器２８が炉心１０３内に配置されている。

図７に示すように、４体の燃料集合体１０４の上端部が、上部格子板２７に形成されるそれぞれの升目内に挿入された状態で、各燃料集合体１０４のチャンネルボックス２２の上端に取り付けられたチャンネルファスナ２６によって上部格子板２７に押し付けられて保持される。これら４体の燃料集合体１０４は、１本の制御棒５に隣接して配置され、この制御棒５を取り囲んでいる。１本の制御棒５、及びこの制御棒に隣接して配置された４体の燃料集合体１０４により１つのセルが形成される。炉心１０３は複数のセルを含んでいる。

次に初装荷炉心１０３における燃料集合体の配置について図８を参照して説明する。図８において、符号１は天然ウラン燃料を、符号２は低濃縮燃料を、符号４は高濃縮燃料を示す。

図８に示すように、燃料集合体１０４は核分裂性物質の装荷割合に応じて種類があり、核分裂性ウラン２３５の重量割合（濃縮度）を燃料集合体平均３．４ｗｔ％持つ高濃縮燃料４と、１．８ｗｔ％の低濃縮燃料２と、天然ウラン（０．７１ｗｔ％）のみを用いた天然ウラン燃料１と、の３種類の燃料集合体から初装荷炉心１０３が構成される。炉心中央部に装荷される天然ウラン燃料１はすべて高濃縮燃料４に隣接しているように配置されている。

これら３種類の燃料は、図８のように炉心に装荷される。図８は１／４炉心の水平方向断面であり、図内の燃料集合体数は２１８体、最外周を除いた燃料集合体数は１９５体である。

図８に示す１／４の炉心１０３は回転対称性を持っており、左下の燃料集合体の座標を（１，１）、右上の座標を（１７，１７）、右下の座標を（１７，１）とすると、座標（１７，２）と（１６，１）に位置する燃料集合体は、時計回りに９０度回転させた時に隣接している状態となる。

図８において、最外周を除いた炉心中央部に装荷される燃料集合体数はそれぞれ、天然ウラン燃料１が６０体、低濃縮燃料２が７１体、高濃縮燃料４が６４体であり、装荷割合は天然ウラン燃料１が３１％と２５％以上の条件を満たし、低濃縮燃料２が３６％、高濃縮燃料４が３３％と２５％以上５０％以下の条件を満たしている。

次に、本実施例に係る初装荷炉心の燃料交換方法について説明する。

図８に示すような初装荷炉心１０３の運転が終了したタイミングである第一サイクル終了後、燃料集合体１０４を取り出す。この際、天然ウランのみを用いた天然ウラン燃料１の燃料集合体１０４を炉心１０３から取り出し、高濃縮燃料４は取り出さないでおく。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本発明の初装荷炉心の実施例１では、核分裂性物質の含有量が３．０ｗｔ％以上の高濃縮燃料、同０．７１ｗｔ％の天然ウラン燃料を備えた沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、炉心の最外周にあって他の燃料と接しない水平方向の面を持つ燃料が占める領域を最外周領域とし、それ以外を炉心中央領域とするとき、炉心中央領域に装荷される天然ウラン燃料の割合を２５％以上、高濃縮燃料の割合を２５％以上５０％以下とする。

このように炉心最外周を除く位置に天然ウランを２５％以上装荷し、３．０ｗｔ％以上の高濃縮燃料を２５％以上５０％以下装荷することで、初装荷炉心の平均濃縮度を低減して燃料コストを低減するとともに、天然ウランの燃焼を促進し、第２サイクル以降の移行炉心の燃料コストも低減できる。更に、初装荷炉心と移行炉心における燃料交換体数を低減することができ、初装荷および移行炉心の経済性を向上させることができる。

また、天然ウラン燃料が装荷される初装荷炉心では、天然ウラン燃料と高濃縮燃料の出力差が大きいため出力ピーキングが高くなり、熱的余裕が低下する。しかし、本実施例のように天然ウラン燃料１の全てを高濃縮燃料４に隣接させることで、天然ウラン燃料の出力を増大させることができ、熱的余裕を向上することができる。よってプラントの経済性の向上が可能となる。

また、天然ウラン燃料１を炉心中心部に装荷し、装荷体数を第一サイクルで交換する燃料体数以上となる２５％以上とする。更に、燃料取り出しにあたっては、天然ウラン燃料１を取り出す。これにより、高濃縮燃料により燃焼が促進された天然ウランすべてを交換することができる。また、この高濃縮燃料の装荷体数が２５％以上５０％以下と天然ウラン燃料の装荷体数とほぼ同程度であるため、高濃縮燃料が早期に取り出されることを防ぎ、経済性を向上することができる。

＜実施例２＞
本発明の初装荷炉心および燃料交換方法の実施例２を図９を用いて説明する。図４乃至図８と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施例においても同様とする。

図９は実施例２の初装荷炉心の燃料装荷パターンである。

図９に示すように、本実施例の初装荷炉心である炉心１０３Ａは、濃縮度０．７１ｗｔ％の天然ウラン燃料１と、天然ウラン燃料１よりも濃縮度が高く、高濃縮燃料４よりも濃縮度が低い燃料としての１．２ｗｔ％の低濃縮燃料２および２．２ｗｔ％の中濃縮燃料３と、３．４ｗｔ％の高濃縮燃料４と、の４種類の燃料が配置された構成を有する。炉心中央部に装荷される天然ウラン燃料１はすべて高濃縮燃料４に隣接しているように配置されている。

本実施例における初装荷炉心１０３Ａでは、最外周を除いた炉心中央部に装荷される燃料集合体数はそれぞれ、天然ウラン燃料１が５２体、低濃縮燃料２が４２体、中濃縮燃料３が４５体、高濃縮燃料４が５６体であり、炉心中央領域に装荷されている天然ウラン燃料１の割合は２７％と２５％以上の条件を満たし、高濃縮燃料４の割合は２９％と２５％以上５０％以下の条件を満たしている。

なお、本実施例の初装荷炉心１０３Ａは、上記以外の構成は実施例１の初装荷炉心１０３と略同じ構成であり、詳細は省略する。また、燃料の交換方法についても略同じであり、詳細は省略する。

本発明の初装荷炉心および燃料交換方法の実施例２においても、前述した初装荷炉心および燃料交換方法の実施例１とほぼ同様な効果、すなわち初装荷炉心の経済性を向上するとともに熱的余裕を向上することができる、との効果が得られる。

＜実施例３＞
本発明の初装荷炉心および燃料交換方法の実施例３を図１０を用いて説明する。

図１０は実施例３の初装荷炉心の燃料装荷パターンである。

図１０に示すように、本実施例の初装荷炉心１０３Ｂは、濃縮度０．７１ｗｔ％の天然ウラン燃料１と、天然ウラン燃料１よりも濃縮度が高く、高濃縮燃料４よりも濃縮度が低い燃料としての１．２ｗｔ％の低濃縮燃料２および２．２ｗｔ％の中濃縮燃料３と、３．４ｗｔ％の高濃縮燃料４と、の４種類の燃料が配置された構成を有する。炉心中央部に装荷される天然ウラン燃料１はすべて高濃縮燃料４に隣接しているように配置されている。

本実施例における初装荷炉心１０３Ｂでは、最外周を除いた炉心中央部に装荷される燃料集合体数はそれぞれ、天然ウラン燃料１が５１体、低濃縮燃料２が４４体、中濃縮燃料３が４５体、高濃縮燃料４が５５体であり、炉心中央領域に装荷されている天然ウラン燃料１の割合は２６％と２５％以上の条件を満たし、高濃縮燃料４の割合は２８％と２５％以上５０％以下の条件を満たしている。

また、運転中に制御棒を挿入する一部の領域（例えば、炉心中心）に低濃縮燃料２でコントロールセル４０が構成されている。このコントロールセル４０が、図１０に示す炉心１０３Ｂにおいて計３か所（全て半分のみ表示）、炉心全体で計５か所設けられている。この炉心中で低濃縮燃料２が４体集められたコントロールセル４０の位置の中央は、運転中に制御棒５が操作される領域であり、この制御棒５を用いて沸騰水型原子炉１０１の出力を調整する。

なお、本実施例の初装荷炉心１０３Ｂは、上記以外の構成は実施例１の初装荷炉心１０３と略同じ構成であり、詳細は省略する。また、燃料の交換方法についても略同じであり、詳細は省略する。

本発明の初装荷炉心および燃料交換方法の実施例３においても、前述した初装荷炉心および燃料交換方法の実施例１とほぼ同様な効果が得られる。

また、本実施例では、制御棒を運転中に操作する位置にあるコントロールセル４０の全てを、天然ウラン燃料１よりも濃縮度が高く、高濃縮燃料４よりも濃縮度が低い、低濃縮燃料２で構成している。

天然ウラン燃料と高濃縮燃料で構成される初装荷炉心では、高濃縮燃料による制御棒の急速な寿命低下を防ぐ目的で、天然ウラン燃料が装荷された位置に制御棒を挿入する。しかし、天然ウランのみで隣接する４体の燃料集合体を構成する場合は、天然ウランの中性子増倍率が著しく低いために制御棒価値が低くなり、炉心の反応度調整が難しくなる。そこで、高濃縮燃料４よりも濃縮度が低く、天然ウラン燃料１よりも濃縮度が高い低濃縮燃料２をコントロールセル４０に用いることで炉心の反応度調整を容易にできる。また、制御棒価値を増大することができる。これらの効果により、より初装荷炉心や以降炉心の経済性の向上を図ることができる。

なお、制御棒を運転中に操作する位置にあるコントロールセル４０の全てを、天然ウラン燃料１よりも濃縮度が高く、高濃縮燃料４よりも濃縮度が低い、低濃縮燃料２で構成している場合について説明したが、制御棒を運転中に操作する位置にあるコントロールセル４０のうち、少なくとも一つが天然ウラン燃料１よりも濃縮度が高く、高濃縮燃料４よりも濃縮度が低い、低濃縮燃料２または中濃縮燃料３で構成することができる。これによっても、炉心の反応度調整を容易にできるとともに、制御棒価値を増大することができ、より初装荷炉心や以降炉心の経済性の向上を図ることができる。

＜実施例４＞
本発明の初装荷炉心および燃料交換方法の実施例４を図１１を用いて説明する。

図１１は実施例４の初装荷炉心の燃料装荷パターンである。

図１１に示すように、本実施例の初装荷炉心１０３Ｃは、濃縮度０．７１ｗｔ％の天然ウラン燃料１と、天然ウラン燃料１よりも濃縮度が高く、高濃縮燃料４よりも濃縮度が低い燃料としての１．２ｗｔ％の低濃縮燃料２および２．２ｗｔ％の中濃縮燃料３と、３．４ｗｔ％の高濃縮燃料４と、の４種類の燃料が配置された構成を有する。炉心中央部に装荷される天然ウラン燃料１はすべて高濃縮燃料４に隣接しているように配置されている。

本実施例における初装荷炉心１０３Ｃでは、最外周を除いた炉心中央部に装荷される燃料集合体数はそれぞれ、天然ウラン燃料１が６１体、低濃縮燃料２が４０体、中濃縮燃料３が２９体、高濃縮燃料４が６５体であり、炉心中央領域に装荷されている天然ウラン燃料１の割合は３１％と２５％以上の条件を満たし、高濃縮燃料４の割合は３３％と２５％以上５０％以下の条件を満たしている。

また、運転中に制御棒を挿入する一部の領域（例えば、炉心中心）に低濃縮燃料２でコントロールセル４０が構成されている。このコントロールセル４０が、図１１に示す炉心１０３Ｃにおいて計５か所、炉心全体で計１３か所設けられている。この炉心中で低濃縮燃料２が４体集められたコントロールセル４０の位置の中央は、運転中に制御棒５が操作される領域であり、この制御棒５を用いて沸騰水型原子炉１０１の出力を調整する。これにより、運転中に操作するすべての制御棒において制御棒価値を増大できる。

なお、本実施例の初装荷炉心１０３Ｃは、上記以外の構成は実施例１の初装荷炉心１０３と略同じ構成であり、詳細は省略する。また、燃料の交換方法についても略同じであり、詳細は省略する。

本発明の初装荷炉心および燃料交換方法の実施例４においても、前述した初装荷炉心および燃料交換方法の実施例３とほぼ同様な効果が得られる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１…天然ウラン燃料、
２…低濃縮燃料、
３…中濃縮燃料、
４…高濃縮燃料、
５…制御棒、
７…炉心シュラウド、
８…炉心支持板、
９…燃料支持金具、
１０…シュラウドヘッド、
１１…気水分離器、
１２…蒸気乾燥器、
１３…インターナルポンプ、
１４…ダウンカマ、
１５…制御棒案内管、
１６…制御棒駆動機構、
２０…燃料棒、
２１…水ロッド、
２２…チャンネルボックス、
２３…上部タイプレート、
２３ａ…ハンドル、
２４…下部タイプレート、
２５…燃料スペーサ、
２６…チャンネルファスナ、
２７…上部格子板、
２８…中性子検出器、
４０…コントロールセル、
１０１…原子炉、
１０１…沸騰水型原子炉、
１０２…原子炉圧力容器、
１０３，１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ…初装荷炉心、
１０４…燃料集合体。

Claims (6)

1. 原子炉の初装荷炉心であって、
   前記原子炉の炉心最外周部を除く位置に、天然ウラン燃料で構成された燃料集合体が前記原子炉の前記炉心最外周部を除いた燃料集合体の本数に対して２５％以上、核分裂性物質の含有量が３．０ｗｔ％以上の高濃縮燃料で構成された燃料集合体が前記原子炉の前記炉心最外周部を除いた燃料集合体の本数に対して２５％以上５０％以下装荷された
   ことを特徴とする初装荷炉心。
2. 請求項１に記載の初装荷炉心において、
   前記天然ウラン燃料で構成された燃料集合体が前記原子炉の前記炉心最外周部を除いた燃料集合体の本数に対して５０％以下装荷された
   ことを特徴とする初装荷炉心。
3. 請求項１に記載の初装荷炉心において、
   前記天然ウラン燃料で構成された燃料集合体は、全て前記高濃縮燃料で構成された燃料集合体に隣接するよう装荷された
   ことを特徴とする初装荷炉心。
4. 請求項１に記載の初装荷炉心において、
   制御棒を運転中に操作する位置にあるコントロールセルのうち少なくとも１か所に、前記天然ウラン燃料よりも濃縮度が高く、前記高濃縮燃料よりも濃縮度が低い燃料で構成された燃料集合体が装荷された
   ことを特徴とする初装荷炉心。
5. 請求項１に記載の初装荷炉心において、
   制御棒を運転中に操作する位置にあるコントロールセルのすべてに、前記天然ウラン燃料よりも濃縮度が高く、前記高濃縮燃料よりも濃縮度が低い燃料で構成された燃料集合体が装荷された
   ことを特徴とする初装荷炉心。
6. 原子炉の初装荷炉心の燃料交換方法であって、
   初装荷時に、前記原子炉の炉心最外周部を除く位置に、天然ウラン燃料で構成された燃料集合体を前記原子炉の前記炉心最外周部を除いた燃料集合体の本数に対して２５％以上、核分裂性物質の含有量が３．０ｗｔ％以上の高濃縮燃料で構成された燃料集合体を前記原子炉の前記炉心最外周部を除いた燃料集合体の本数に対して２５％以上５０％以下装荷し、
   最初の燃料交換時に、取り出す燃料集合体をすべて前記天然ウラン燃料で構成された燃料集合体とする
   ことを特徴とする初装荷炉心の燃料交換方法。

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