JPH02296192A - 燃料集合体及び原子炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲと呼ぶ）の燃料集
合体及び、この燃料集合体を装荷した原子炉に関する。

本発明は経済性の向上をはかった高燃焼度用燃料集合体
及び原子炉を提供することにある。

（従来の技術と発明が解決しようとする課題）原子力発
電所の経済性向上をはかるためには、運転期間の長期化
による設備利用率向上に対応しつつ燃料の高燃焼度化に
よる燃料サイクル費を低減させることが効果的である。

高燃焼度化をはかるために、従来燃料を使用しＩｌｌに
濃縮度を上げる方法が考えられるが、中性子スペクトル
の硬化が生じ炉心特性上以下のような現象が生じる。す
なわち、中性子スペクトルが硬化すると、（１）ボイド
係数絶対値の増加、（２）冷温時の炉心反応度の増加、
（３）ガドリニア等の可燃性毒物の反応度制御能力の低
下、：５が生じる。これにより、熱的余裕、炉停止余裕
が減少する恐れがある。

また、単に濃縮度を上げるだけで、高燃焼度化をはかる
場合、燃料力りに必要な天然ウラン費、濃縮費等が増加
するため、高燃焼度化により燃料サイクル費の低減幅が
小さくなる。

本発明は上記の炉心性能上の問題を解決し、ＩＩＪ能な
限り低い濃縮度で目標とする高燃焼度を達成することが
できる高経済型燃焼度燃料を提供するものである。

〔発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 高経済型とするための手段として、本発明は、（１）出
力ビーキングの活用、（２）ガドリニア残留量の低減、
（３）水対ウラン比の改善、を採用する。

ここで、出力ビーキングの活用とは、炉心あるいは燃料
集合体の中性束の分布に着目して、中性子束の高い領域
のＵ−２３５の二を高め、反対に中性子束の低い領域の
Ｕ、−２３５の二を低くするようなＵ−２３５の分布と
することで熱中性子利用率を高めるものである。これに
より出力ビーキングは増加する一方、炉心の反応度が向
上すると言う原理に基づいている。

ガドリニア残留量の低減とは、炉心ド端や、特にボイド
率が高く中性子スペクトルが硬い炉心上部でガドリニア
の燃焼が遅いため、あらかじめ、これらの領域ではガド
リニアの濃度を低くしておき、ガドリニアの燃え残りに
よる反応度損失を極力小さくすることである。

水対ウラン比の改善とは、水対ウラン比を増加させるこ
とにより熱中性子利用率を高め反応度を高めるものであ
る。これらの手段を用いることで最小限の濃縮度増加で
高燃焼度化を達成することができる。

以下具体的に述べる。

１、　燃料集合体 本発明の燃料集合体は以下に示す設計を用いている。

（１）　大径ウォータロッド 本発明の燃料集合体の断面形状の例を第１図に示す。本
発明の燃料集合体ではウオータロ・ソドは集合体中央部
にあって燃ｔ４棒４本分の領域を占める大口径のもので
あり、ウォータロッド内には沸騰しない水が流れるよう
にしである。従来燃料集合体の断面形状の例を第１８図
に示すが、本発明のウォータロッドの断面積は従来燃料
のウォータロッドの断面積の約３倍に増えている。

本発明の燃料集合体の形状により、水対燃料比が従来燃
料より大きくなるため中性子スペクトルがソフト化し、
濃縮度の増加によって生ずる（１）ボイド係数絶対値の
増加、（２）冷温時の炉心反応度の増加、（３）ガドリ
ニア等のｉｌ燃性毒物の反応度制御能力の低下の効果を
打消し、熱的余裕、炉停止余裕の特性悪化を解決するこ
とができる。また同時に、水対燃料比が従来より増加し
ているため燃料の反応度を向上させることができる。

（２）　軸方向濃縮度分布 炉心の上下端では、炉心中央に比べて中性子束が低い。

そこで燃料の上下端を天然ウランを配置し、燃料中央部
の濃縮度を増加させる。これにより、炉心上下方向への
中性子漏洩量を減少させると共に、熱中性子利用率を高
めることができる。

これにより炉心の反応度を向上させることができる。

上下端の天然ウラン部長さと燃料経済性向上率の関係を
第１５図に示す。天然ウラン部のノード数を増加させれ
ば燃料経済性は向上するが、それに伴って軸方向ピーキ
ングも増加する。本発明ては径方向及び局所ピーキング
との組合せで線出力密度の運転制限値を満足する軸方向
ピーキングとなること、また（１／１）から（２／１）
とする場合の経済性向上率が飽和する傾向があることか
ら、上ド端各１ノードを天然ウランとしている。

本発明の燃料集合体では、天然ウラン部を除く、ｌ農縮
部は断面１Ｖ−均濃縮度について下部、中央部、上部の
３領域を設け、中央部の断面平均濃縮度を他より高くし
ている。

下部の断面平均濃縮度に対して中央部の断面平均濃縮度
を高めることによって燃料の軸方向の出力分布を平坦化
し、高燃焼度化による燃料集合体間の出力のミスマツチ
が増加することによるピーキングの増加を緩和し、さら
に得られる出力ビーキングの余裕を他の経済性向上のた
めのピーキングに活用している。この燃料集合体の軸方
向の出力分布平坦化の事例は、特公昭５８−２９８７８
号公報に示されている。

上部の低濃縮部は炉停止余裕を改溌するために設けたも
のである。すなわち、炉停止余裕が最小となる冷温時に
おいて、中性子束は軸方向上部で高くなるが、この領域
の濃縮度を下げることで、炉心の反応度を下げ炉停止余
裕を改答することができる。

（３）　集合体径方向濃縮度分布 集合体内の中性子東方／ｉは、チャンネルの外の水ギャ
ップの存在のためにチャンネルに面した領域で高くなる
傾向にある。本発明の燃料集合体ではチャンネルに面し
た燃料棒の濃縮度を高めることによって中性子利用率を
高め集合体反応度を高めている。

（４）　軸方向可燃性毒物分布 ＢＷＲの燃料集合体では、一般に炉心反応度を調整する
ために一部の燃料棒にｉｉＪ燃性毒物を混入させる。

本発明の燃料集合体では、ｉ＋Ｊ燃性毒物を混入させた
燃料棒のｒ＋Ｊ燃性毒物の分布を集合体軸方向について
４または５領域とする。すなわち、同燃料棒の上ド端は
前記（２）軸方向ン農縮度分布、で述べたように天然ウ
ランが装荷されているが、二の部分には可燃性毒物を混
入させない。この領域を除く部分については、上部、中
央部、下部の３領域とし、可燃性毒物の濃度をそれぞれ
低濃度、中濃度、高濃度とする。上下端の天然ウラン部
では、中性子の漏れのため出力が低い。したがって、こ
の領域で可燃性毒物を混入させない本発明の燃料集合体
では、可燃性毒物の上下端での燃え残りによる反応度損
失を減らすことができる。

また、炉心上部ではボイド率が高く中性子スペクトルが
硬いためガドリニアの燃焼が遅い。本発明の燃料集合体
では、この領域で可燃性毒物の濃度を低くしているので
、上端での燃え残りによる反応度損失を減らすことがで
きる。第１６図にｎ■燃性毒物の低濃度の領域の長さと
経済性向上率の関係を示す。低濃度の領域の長さを増加
させれば、経済性は向上するが徐々に飽和し３ノ一ド程
度以上では経済性向上率の増加が小さい。本発明の燃料
集合体では３〜５ノードを低濃度としている。

本発明の燃料集合体では上記のように、可燃性毒物は中
央部に対して下部の濃度を高くし、軸ｈ″向出出力分布
平坦化を図っている。これにより薗燃焼度化により燃料
集合体間の出力ミスマ・ソチが増加することによるピー
キングの増加を緩和し、さらに得られる出力ビーキング
の余裕を他の経済性向上のためのピーキングに活用して
いる。口■燃性毒物の分布による軸方向の出力分布の・
１＜ｔ＋Ｂヒに当っては、特公昭５８−２３９１３号公
報に示すように、燃料集合体下部の可燃性毒物の量を上
部より増やす分布を採用することができる。

以上の様に、本発明の可燃性毒物入り燃料棒の可燃性毒
物の軸方内分１１ｉは５領域となる。

また、中央部の可燃性毒物を下部と同様に高濃度とする
場合がある。これにより、炉停止余裕が最小となる冷温
時において、中性子束が高（なる炉心上部での燃料集合
体の反応度を下げることで炉停止余裕を改善することが
できる。この場可燃性毒物入り燃料棒の可燃性毒物の軸
方向分布は４領域となる。

また、上部と中央部の全部または一部にのみ口■燃性毒
物を混入した燃料棒を設ける場合がある。

これにより、燃料経済性の向上を図ることができる。こ
の燃料棒によりサイクル初期からサイクル中期にかけて
燃料下部の反応度が同上部に比べて相対的に高くなって
いる。このためサイクル初期からサイクル中期にかけて
軸方向出力分布がド方ピークとなり、炉心の平均ボイド
率が高くなる。

これにより、中性子スペクトルが硬くなりＰ　の口 蓄積をはかることができ炉心反応度を増加することがで
きる。また、サイクル末期では可燃性毒物が燃えつきる
こと、またサイクル初期からサイクル中期まで下部の燃
焼が進むこと及び前記の濃縮度分布が下部に比べて上部
を高くしていることから炉心軸方向分布が上部ピークと
なる。これにより炉心平均ボイド率が低くなり炉心反応
度を増ツノ１させることができる。また、この燃料棒の
効果により冷温時における炉心反応度を下げることかで
きるので炉停止り余裕を改善することができる。

以上述べた本発明の燃料集合体の軸方向濃縮度の分布及
び可燃性毒物入り燃料棒の可燃性毒物の分布を第１３ａ
、ｂｓ　ｃＳｄ図に示す。これらの図中（１）は「集合
体断面・＋ｉ均濃縮度分布」を、（１１）および（ＩＩ
Ｉ）は「ｒＩＪ燃性毒物入り燃料棒の可燃性毒物の分布
」を示している。

２、　原子炉 以上述べた燃料集合体を炉心に装荷した原子炉について
、本発明では集合体同様高経済型とすると共に、定検期
間の低減等により原子力発電所の設備利用率の向上が図
られるように工夫している。

（１）　炉心最外周高燃焼度燃料装荷 本発明の原子炉では、炉心最外周に炉心中の比較的燃焼
度の進んだ燃料を装６：Ｊシ、炉心中央部には新燃料と
比較的燃焼度の若い燃料を装６：１する。

これにより、中性子束の高い炉心中央部てＵ２３５の量
を多くすることができるので、炉心外への中性子のもれ
を低減できることと）Ｕまりで炉心反応度を増加させる
ことができる。第１７図に燃料装荷法による出力ビーキ
ングと燃料経済性の関係を示す。

（２）　可燃性毒物２タイプ装荷 本発明の原子炉の燃料は、燃料集合体当たりの可燃性毒
物混入量が異なる２種類の前記で説明した燃料集合体か
ら成り、このうち新燃料については炉心周辺部に可燃性
毒物混入量が少ない燃料を、炉心中央部に可燃性毒物混
入量が多い燃料を装Ａする。炉心周辺部は炉心中央部に
比べ比較的出力が小さいため可燃性毒物の燃焼が遅い。

したかって、本発明の新燃料の装荷方法による原子炉で
あれば、サイクル末期での可燃性毒物の燃え残りを少な
くすることができ、炉心反応度を向上させることができ
る。

また、本発明のように可燃性毒物混入量が異なる燃料を
用意しておき、それらの可燃性毒物が燃えつきるまでの
反応度差を利用して、新燃料として装荷する際にその体
数割合を変えることにより、炉心の反応度の調整を行な
うことができる。これにより運転期間等の変動による炉
心反応度の調整を容易に行なうことができる。

また、本発明の原子炉では、運転中制御棒により：Ｊ３
整するいわゆる余剰反応度を適切に工ｊ整することがで
きる。運転中使用する制御棒の数を最小限にとどめるこ
とができ、制御棒取替本数が少なくてすむ。

（３）　コントロールセル及び燃料シャラフリング最少
化装荷法 本発明の原子炉では、運転時に挿入する制御棒に隣接す
る燃料を燃料度の進んだ燃料とする（これをコントロー
ルセルと言う。）。

原子力発電所では、一般に毎定険毎に一部の燃料を取出
し、替わりに新しい燃料を装荷する。この際、再使用す
る燃料の移動を同時に行なっている（これを燃料シャラ
フリングと言う。）。本発明の原子炉では、再使用する
燃料について、コントロールセル及び炉心最外周への燃
料の移動以外は基本的に行なわない。これにより定検時
の燃料シャラフリングに要する期間が減少するので、定
検期間の短縮を図ることができる。

本発明の原子炉の概念を第１４図に示す。

（発明の実施例） 本発明の燃料集合体の一実施例を、第１図及び第２図に
基づいて以上に説明する。本実施例の燃料集合体１８は
、燃料棒１９及びチャンネルボックス２０、ウォータロ
ッド１０及び図示されていないが、下部タイブレート、
上部タイブレート及びスペーサからなっている。燃料棒
１９及びウォータロッドｌＯの上下端部は、下部タイプ
レート及び上部タイブレートにて保持される。スペーサ
は、燃料棒１９の軸方向に幾つか配置され、燃享−１棒
１９及びウォータロッド相互間の間隙を適切な状態に保
持している。チャンネルボックス２０は、上部タイブレ
ートに取付けられ、スペーサで保持された燃料棒１９の
束の外周を取り囲んでいる。

チャンネルファスナが、上部タイブレートに取付けられ
る。２１は、制御棒である。

燃料棒１９は、図示されていないが下部端栓及び上部端
栓にて両端を密封された被覆管内に多数の燃料ペレット
を装荷したものである。燃料ペレットは、燃料物質であ
るＵＯ２にて（＆成され、核分裂性物質であるＵ２３５
を含んている。スプリングが被覆管内のガスブレナム内
に配置され、燃料ペレットをＦ方に押圧している ウォータロッド１０は燃料棒１つと同じ被覆管を用いて
いるが、燃料物質を装荷せず、図示されていないが被覆
管の上部及び下部の側面に孔を設は内部を沸騰しない冷
却材が通過するようになっている。

ＢＷＲ炉心は、燃料集合体４体に１体の割合で十字型の
制御棒２１が挿入される。この炉心には、挿入される制
御棒に面する燃料集合体の側壁側に形成された水ギャッ
プの幅がその反対側にあって制御棒に面しない燃料集合
体の側壁側に形成された水ギャップの幅よりも広くなっ
ている炉心（Ｄ格子炉心）と、制御棒に面する燃料集合
体の側壁側に形成された水ギャップの幅が、その反χ・
ｌ側にあって制御棒に而しない燃料集合体の側壁側に形
成された水ギャップの幅と等しい炉心（ＣＦ８子炉心）
とがある。

本実施例の燃料集合体１８は、Ｃ＋子炉心に装荷される
燃料集合体である。燃料集合体１８を構成する燃料棒１
９は、第２図に示すように燃料棒１１〜１７の７種類の
ものがある。これらの燃料棒１１〜１７が、第１図のよ
うにチャンネルボックス２０内で燃料集合体横断面に配
置されている。

本実施例でのウォータロッドは、第１図のように燃料棒
１９の４本の領域を占領するように大口径のものとし、
集合体中央に位置している。これにより水対燃料比が従
来燃料より大きくなり、高燃焼度化による炉心特性の悪
化を解決し、同時に反応度の向上をはかっている。

燃料棒１１〜１７は、燃料物質充填領域の上下端部に天
然ウランからなる燃料ペレットを充填した領域（天然ウ
ランブランケット領域）が形成される。各天然ウランブ
ランケットは、燃料物質充填領域の下端及び上端から、
それぞれ燃料物質充填領域の軸方向長さ（以上、燃料有
効長Ｈという）の１／２４の位置までを占めている。本
実施例の天然ウランブランケットの軸方向長さは、第１
５図に示すように燃料経済性の改善度合いの大きい燃料
有効長Ｈの１／２４とする。燃料物質充填領域は、燃料
ペレットを充填している領域を意味する。各燃料棒の燃
料物質充填領域の軸方向の長さは等しい。

燃料棒１１〜１７において、燃料物質充填領域の下端か
ら燃料有効長Ｈの１／２４〜２３／２４の範囲は、濃縮
ウランが充填されている濃縮ウラン領域である。第２図
に示すように、燃料棒１１゜１３．１６及び１７は、濃
縮ウラン領域が軸方向において−様な濃縮度になってお
り、燃料棒１２゜１４及び１５は濃縮ウラン領域が軸方
向の濃縮度の異なる三つの領域を有している。各燃料棒
の濃縮ウランβｈ域の濃縮度は、燃料棒１１で４，３重
量９６、燃料棒１３，１．６及び１７で３，３重量０６
になっている。燃料棒１２は、濃縮ウラン領域において
、燃料物質充填領域の下端を基点として、燃料白゛助長
Ｈの〕／２４〜１０／２４の範囲の濃縮度が３，３重量
％、燃料６効長Ｈの１（１／２４〜２０／２４の範囲の
濃縮度が３．８重量％及び燃料Ｈ助長Ｈの２０／２４〜
２３／２４の範囲のｌ農縮度が３，３重量？６である。

燃料棒１４は、同様に２．９．３．３．２．９重量％、
燃料棒１５は、同様に２．１．２．５．２．１重量９６
である。

燃料棒１６は、濃縮ウラン領域の燃料ベレット内にｎＪ
燃性毒物であるガドリニアを含何している。

濃縮ウラン領域の軸方向におけるガドリニア濃度は、燃
料物質充填領域の下端を基点として、燃料有効長Ｈの１
／２４〜１０／２４の範囲で、５．０重量％及び燃料有
効長Ｈの１０／２４〜２０／２４の範囲で、４．０重量
％、２０／２４〜２３／２４の範囲で、３．０重量％で
ある。燃料棒１７は、燃料物質充填領域の下端を基点−
とじて、燃料有効長Ｈの１／２４〜２０／２４の範囲で
、４．０重量％及び燃料有効長Ｈの２０／２４〜２３／
２４の範囲で、３．０重量％である。燃料棒１１〜１５
は、ガドリニアを含有していない。

上記の軸方向濃縮度分布を有する燃料棒１１〜１７を第
１図の如く配置することによって、燃料集合体１８の軸
方向における各部の断面゛１尺均；ａ縮度分布は以下の
ようになる。燃料集合体の燃料物質充填Ｂｆｉ域の下端
を基点として、燃料Ｈ助長Ｈの１／２４〜１０／２４の
範囲（／ａ縮ウラン領域の最上部８ｒｉ域）の平均濃縮
度は３　、４４１ｍ”ｏ、燃料有助長Ｈの１０／２４〜
２０／２４の範囲（濃縮ウラン領域の中央部領域）の平
均濃縮度は３．６４重量％及び燃料有効長Ｈの２０／２
４〜２３／２４の範囲（濃縮ウラン領域の最下部領域）
の平均濃縮度は３．４４重ｊｉＬ％である。

燃料集合体１８において燃料物質充填領域の上下端部に
形成される天然ウランプランケ・ント領域は０．７１重
量％のＵ２３５を含Ｈしている。

本実施例の燃料集合体１８は、濃縮ウラン領域の最下部
領域の断面平均濃縮度を低くして濃縮ウラン領域の中央
部領域の断面平均濃縮度を高くし、それらの領域の間で
約０．２重２％の平均濃縮反差をつけている。

ＢＷＲでは炉心上端に行くに従って蒸気泡（ボイド）が
多いために、炉心上部で中性子減速（」である水の密度
が低下する。このため、軸方向の濃縮度分布が−様な燃
料集合体を炉心内に装荷した場合、燃料集合体上部に出
力ピークが生ずるド歪の出力分布となる傾向がある。従
って、前述のように、燃料集合体下部の濃縮度よりも燃
料集合体上部の濃縮度を高くすることによって、燃料集
合体の軸方向の出力分布を゛１元担化できる。本実施例
の燃料集合体１８における前述のような中央部領域と最
下部領域との平均１ｇｉ縮度の差の約０．２重量％及び
中央部領域と最下部領域との位置（燃料物質充填領域下
端から燃料有効長Ｈの１０／２４の位置）は、軸方向出
力分布平坦化の効果が最大となるよう選んだものである
。

本実施例の燃料集合体１８のガドリニア入り燃料棒１０
本のガドリニアの平均型ユ％は、最下部領域を高くして
、中央部領域を低くし、それらの領域の間で約０．　５
重量％の差をつけている。前記の様にＢＷＲでは炉心上
端に行くに従って蒸気泡（ボイド）が多いために炉心上
部で中性子−減速材である水の密度が低く、炉心下部で
水の密度が高い。このため軸方向のガドリニア゛［也均
重Ｑ　Ｏｏを同一とすると、炉心下部で中性子スペクト
ルが上部に比べやわらかいことからガドリニアの燃焼が
早く進む。これによりガドリニアの燃焼が進む際の炉心
下部の反応度の上昇速度が早くなるため軸方向の出力分
布が下部ピークとなり易くなる。本発明ではこれを適切
に制御するため、最下部領域の濃度を大きくしている。

濃度差０．５重塁９６は軸方向出力分布の平坦化の効果
が最適となるように選んだものである。本発明の実施例
では、ガドリニア入り燃料棒が２種類あるが、これは燃
料製造上の配慮からであり、同一燃料棒内でガドリニア
の濃度の差を約１重量％以上とするために設けたもので
ある。このような選択によって得られた軸方向の濃縮度
分布及びガドリニア濃度分布によって生じる燃料集合体
１８の出力ビーキングの余裕は、約１５％〜２０％とな
る。燃料集合体１８は、その出力ビーキングの余裕を、
高燃焼度化によるピーキングの増加の緩和及び前述に示
すような反応度利得に振向けて燃料経済性を向上させて
いる。

燃料集合体１８は、濃縮ウラン領域の最上部領域（燃１
４１−７効＆Ｈの２０／２４〜．２３／２４の範囲）を
Ｈしている。この最上部領域の断面平均濃縮度は、ｌ濃
縮ウラン領域の最下部領域（燃料臼°助長Ｈの１／２４
〜１０／２４の範囲）の断面さ＋＝均濃縮度と同一であ
る。濃縮ウラン領域の最下部領域は、断面平均を農縮度
が低くてしかも燃料棒１６及び１７の可燃性毒物の低ｌ
ｆＡ度領域に対応しており、炉停止余裕の減少を補償し
ている。濃縮ウラン領域の最上部領域の軸方向長さ（燃
料角゛助長Ｈの３／２４）は、後述の可燃性毒物減少に
よる経済的効果が最大となるよう決定したものである。

燃料集合体１８は、１０本のガドリニア入り燃料棒を有
している。このような燃料集合体１８は、燃料棒１６及
び１７の濃縮ウラン領域の上端部における軸方向単位長
さ当たりのガドリニア含有量を、それよりも下方の領域
における軸方向中位長さ当たりのガドリニア含有量より
も少なくしているので、第１６図に示すように燃料経済
性が向上する。第１６図で本実施例と示した点が、燃料
集合体１８のガドリニア低濃度による燃料経済性の改芒
効果である。

燃料集合体１８は、燃料集合体の平均’ｒｆＡ縮度より
も大きな濃縮度の領域を有する燃料棒〕２を、燃料集合
体横断面の最外周に配置している。このため、燃料集合
体１８は、前述の１−（３）項に示す反応度利得を得る
ことができる。

以上述べた燃料集合体１８は、燃料経済性をと゛しく向
上できる。燃料集合体１８は、原子炉の安全余裕を十分
確保しつつ、可能な限り低い濃縮度で目標とする高燃焼
度を達成することができる。

これによって、燃料サイクルに要する費用を著しく低減
できる。さらに、使用済燃ｔ−１集合体の発生量も著し
く低減できる。

本発明の他の実施例である燃料集合体を、第３図及び第
４図に基づいて説明する。本実施例の燃料集合体２２は
、燃料集合体１８とほとんど同し構成であり、燃料集合
体１８と同じくＣ格子炉心に装荷される燃料集合体であ
る。第５図に示す燃料棒１１〜１５は、第２図の燃料棒
と同しものである。燃料棒１６が第２図に示す実施例と
異なっている。すなわち燃料棒１６の軸方向の濃縮度分
布及びガドリニア濃度分布は、前述の実施例のそれと同
じであるが、燃料棒１６の本数が前述の実施例と異なっ
ている。

本実施例の燃料集合体２２も、前述の実施例と同じ効果
を得ることができる。

Ｄｉ子炉心に適用される本発明の他の実施例である燃料
集合体を、第５図及び第６図に基づいて説明する。本実
施例の燃料集合体４０は、第６図に示す９種類の燃料棒
を第５図の如く燃料集合体横断面に配置したものである
。燃料棒３１〜３９は、燃料物質充填領域の上下端部、
すなわち第２図に示す各燃ｆ４棒と同じ軸方向の位置に
天然ウランブランケットをそれぞれａしている。燃料棒
３１．３３．３５〜３つは、燃料物質充填領域の下端を
基点として、燃料台助長Ｈの１／２４〜２３／２４の範
囲の濃縮ウラン領域の濃縮度か第６図に示すように４．
６重量％、３，２重ｒ：ＬＯｏ、２．８重量％、２．４
重量％、１．９重量０ｏ１３．７重−％及び３．７重量
％である。これらの燃料棒の濃縮ウラン領域の濃縮度は
軸方向に一様である。燃料棒３２及び３４の濃縮ウラン
領域は、燃料棒１２と同じように濃縮度が異なる三領域
にわかれている。すなわち、燃料物質充填領域の下端を
基点として、燃料白゛助長Ｈの１／２４〜］０／２４の
範囲（ｌ農縮ウラン頭域の最下部領域）及び燃料台助長
Ｈの２０／２４〜２３／２４の範囲（濃縮ウラン領域の
最上部領域）の濃縮度は、燃料１３２で４．１重−％、
燃料棒３４で２．８重量９６である。また、燃料物質充
填領域の下端から燃料有効長Ｈの１０／２４〜２０／２
４の範囲（濃縮ウラン領域の中央部領域）の濃縮度は、
燃料棒３２，３４でそれぞれ４．６重量９６．３．２重
量９６である。

燃料集合体４０の濃縮ウラン領域における最上部及び最
上部領域の各・１ろ均濃縮度は３．６重４重量％、及び
その濃縮ウラン領域における中央部領域の・＋ｉ均濃縮
度は３．８３重量？６である。

燃料棒３８の軸方向のガドリニアの濃度分（Ｉｉは、燃
料棒１６と同じである。燃料棒３つの輔ｈ゛向のガドリ
ニアのｉｌｋ度分布は、燃料棒１７と同じである。

本実施例の燃料集合体４０は、燃料集合体１６と同じよ
うな効果を得ることができる。

第７図及び第８図に示す燃料集合体５０は、Ｄ格子炉心
に適用される燃料集合体である。燃料集合体５０は、第
８図に示す１０種類の燃料棒を第７図の如く配置するこ
とによって構成される。第８図の燃料棒４１は濃縮ウラ
ン領域の濃縮度が３６７重量％である。燃料集合体５０
の濃縮ウランの軸方向における・■４均濃縮度の分／ｌ
ｉは、第８図に示すように燃料集合体４０のそれと同一
であるが、燃料棒３８の本数が異なっている。

燃料集合体５０は、燃料集合体１８と同様な効果を得る
ことができる。

第９図及び第１０図に示す燃料集合体５２は、１−（４
）項に示す軸方向４領域の可燃性品物分布の実施例であ
る。燃料集合体５２は、第１０図に示す６Ｐｒｉ類の燃
料棒を第９図の如く配置したものである。燃料棒５１は
、ガドリニア分布を除いて燃料＋１６と同じである。す
なわち、燃料棒５１は、燃料物質充填領域のド端から燃
料ａ助長Ｈの１／２４〜２０／２４の範囲の領域を、ガ
ドリニア濃度を４．５重ＪＵＬ　９６として、−様分／
ｒｉとしている。

燃料集合体５２は、燃料集合体１８と同じ効果を得るこ
とができる。さらに燃料集合体５２は、上記のガドリニ
アＩＰＬ度分布を有しているので、１−（４）項で説明
したように冷温時において中性子束が高くなる炉心上部
での燃料集合体の反応度を下げるので、炉停止余裕を改
善することができる。

第１１図及び第１２図に示す燃料集合体５４は１−（４
）項に示す可燃性毒物分布のもう一つの実施例である。

燃料集合体５４は、第１２図に小す７種類の燃料棒を第
１１図の如く配置したものである。燃料棒５３はガドリ
ニア分６１を除いて燃料Ｖ％１６と同じである。すなわ
ち、燃料棒５３は、燃料物質充填領域の下端から燃料白
゛助長Ｈの１０／２４〜２３／２４の範囲の領域ガドリ
ニア濃度３．０重量％としている。

燃料集合体５４は、燃料集合体１６と同じ効果を得るこ
とができる。さらに燃料集合体５４は上記のガドリニア
濃度分布を何しているので、］（４）項で説明したよう
に、燃料の反応度が向上するので、燃料経済性が向上す
ると共に、冷温時において中性子束が高くなる炉心上部
での燃料集合体の反応度を下げるので、炉停＋Ｌ余裕を
改善することができる。

この例では１０／２４〜２３／２４の範囲の領域をガド
リニア濃度３．０重−％とじているが、ガドリニア濃度
３．０重量％の領域を１０／２４〜２３／２４の一部と
しても燃料集合体５４と同じ効果を得ることができる。

本発明の一実施例である沸騰水型原子炉を以下に説明す
る。本実施例の沸騰水型原子炉は、第１４図に示す炉心
６０を有している。炉心６０は、ＣＩ８子炉心である。

第１４図は、炉心６０の横断面の１／４を示している。

第１４図において、＋Ｅ方形の一つの升目は一体の燃料
集合体を示している。前述の正方形の升目内に肥大しで
ある１〜４の番号は、該当する燃料集合体のＢＷＲ炉心
内における滞在期間を示している。すなイ〕ち、１はＢ
ＷＲの運転サイクルが１サイクル目である燃料集合体を
、２はＢＷＲの運転サイクルが２サイクル目である燃料
集合体を、以下、３は３サイクルＨの燃料集合体及び４
は４サイクルＨの燃料集合体をそれぞれ示している。Ｂ
ＷＲの運転サイクルは、ＢＷＲの起動から運転停止１−
までの所定の期間をいう。サイクル数が多（なる燃料集
合体程、燃料度が高くなる。

燃料集合体６１（１の番号が付された升目の燃料集合体
）は、新燃料集合体であり、ガドリニアを含有している
燃料棒の本数が少ない燃料集合体２２を用いている（Ｄ
格子炉心では燃料集合体５０）。燃料集合体６４（■の
番号が付された升目の燃料集合体）は、新燃料集合体で
あり、燃料集合体６１よりガドリニアを含有している燃
料棒の本数が多い燃料集合体１８を用いている（ＤＩ”
ｌＳ子炉心では燃料集合体４０）。炉心６０の外周部で
は、燃料集合体６１及び６４のうち燃料集合体６１が多
く装荷され、炉心６０の中央部では前述の二種類の燃料
集合体のうち燃料集合体６４が多く装荷されている。燃
料集合体６２は、原ｒ−炉出力調整用の制御棒が挿入さ
れるコントロールセルを構成する燃料集合体である。コ
ントロールセルは、ＢＷＲの運転中において原子炉出力
及び反応度調整用の制御棒の操作を容易にするために設
けられている。燃料集合体６２及び燃料集合体６３（■
の番号が付された升目の燃料集合体）は、３サイクル以
上の運転サイクルを経験した高燃焼度の燃料集合体であ
る。炉心６０内の２及び３サイクル目の燃料集合体は、
燃料集合体６１及び６４の燃焼期間が経過したものであ
り、ガドリニアはほぼ消失している。

高燃焼度でＵ−２３５の含有−が少ない燃料集合体６３
は、炉心６０の半径方向で最外周部に装荷されている。

Ｕ−２３５の含有量が多い燃料集合体６１及び６４は、
炉心６０の中央部に装６：Ｉされている。このような構
成の炉心６０は、２（２）項に示す反応度利得を得るこ
とができる。

第１７図は、炉心６０の最外周部における燃料集合体６
３の装荷量と燃料経済性の敗訴効果との関係を示したも
のである。すなわち、第１７図は、４サイクル目の燃料
集合体６３を炉心６０内に均一に装荷したケースａを基
準にして、燃料集合体６３を炉心６０の最外周に一周だ
け装荷したケースｂ及び燃料集合体６３を炉心６０の最
外周に三周だけ装荷したケースＣについて燃料経済性の
改善度合いを示したものである。炉心６０の最外周に装
荷した燃料集合体６３の列の数を多くすると、それに伴
って出力ビーキングの増加率が増加する。

しかし、燃料経済性の改浮度合いは、炉心６０の最外周
に燃料集合体６３を一周以上装荷してもほとんど変らな
い。従って、本実施例では、ケースｂのように炉心６０
の最外周に燃料集合体６３を一周装荷した。

本実施例のＢＷＲは、炉心６０の外周部付近に、ガドリ
ニアを含Ｈしている燃料棒の本数の少ない燃料集合体６
１を燃料棒の本数の多い燃料集合体６４に比べて多く配
置しているので、２Ｃ２）項に示す効果を得ることがで
きる。すなわち、ＢＷＲの運転期間の融通性が増すとと
もに反応度利得を得る。

炉心６０の最外周及びコントロールセル以外は、燃料シ
ャラフリングを行わないノーシャラフリング領域とする
。炉心６０の最外周及びコントロールセルに配置されて
いた燃料集合体６゛３及び６２は、４サイクルの運転期
間を経過した後、炉心６０から取出される。３サイクル
の運転期間を経過した燃料集合体は、炉心６０から取出
されて燃料集合体６２及び６３として、コントロールセ
ル及び炉心６０の最外周に装荷される。炉心６０から燃
焼が進んで取出された３サイクル経過の燃料集合体の位
置に未照射の新燃料集合体（燃料集合体１８及び２２）
を装荷する。従って、燃料集合体のシャラフリングを最
少にできるため、燃料交換に要する時間を短縮でき、Ｂ
ＷＲのプラントの設備利用率向上に寄与する。燃料シャ
ラフリングが定検工程上のクリティカルパスとならない
場合は、当然、燃料シャラフリングによる半径方向出力
分布平坦化等のメリットを利用可能である。

前述した炉心６０を有するＢＷＲは、従来のＢＷＲに比
べて多くのエネルギーを取出することが可能である。さ
らに、使用済燃料集合体の発生量が減少し、再処理量が
低減する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高燃焼度化による炉心性能の悪化を解
消すると共に、出力ビーキングの余裕を燃料経済性の向
上に利用でき、取出しエネルギーを著しく増大できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＢＷＲに適用する本発明の好適な一実施例であ
る燃料集合体の横断面、第２図は第１図に示す燃料集合
体を構成する燃料棒の濃縮度及びガドリニア分布を示す
説明図、第３図、第５図、第７図、第９図及び第１１図
は本発明の他の実施例である燃料集合体の横断画面、第
４図は第３図の燃料集合体を構成する燃料棒の、第６図
は第５図の燃料集合体を構成する燃料棒の、第８図は第
７図の燃料集合体を構成する燃料棒の、第１０図は第９
図の燃料集合体を構成する燃料棒の、及び第１２図は第
１１図の燃料集合体を構成する燃料棒のそれぞれ濃縮度
及びガドリニア分布を示す説明図、第１３ａ、ｂ、ｃお
よびｄ図は本発明の燃料集合体の濃縮度及びガドリニア
分布の概念を示す説明図であり、（１）は集合体断面平
均濃縮度分布を、（ＩＩ）および（ｌｉｔ）は可燃性毒
物入り燃料棒の可燃性毒物の分布を示し、第１４図は本
発明の好適な一実施例であるＢＷＲに用いた炉心の１／
４横断面図、第１５図は天然ウランブランケットの軸方
向長さに対する出力ピークの増加率と燃料経済性改善効
果との関係を示す特性図、第１６図は低ガドリニア濃度
領域の軸方向長さと燃料経済性改善効果との関係を示す
特性図、第１７図は炉心最外周の高燃焼度燃料集合体の
配列と燃料経済性改善効果との関係を示す特性図、第１
８図は従来の燃料集合体の一例を示す断面図である。 １８．２２，４０，５０．５２．５４・・・燃料集合体
、１９・・・燃料棒、１０・・・ウォータロッド、２０
・・・チャンネルボックス、２１・・・制御棒、６０・
・・炉心。 断面平均濃縮度 第 図 第６ 図 第３ 図 第７ 図 第８ 図 （ｉｉ） 第１３ａ図 第１１図 （ｉ） 第１３ｂ図 〔 （下端） 第１３ｃ図 第１４図 （ｉｉｉ） 第１３ｃ１図 （ｉｉｉ） 第１５ 図 可燃性毒物低濃度部のノード数

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部に燃料物質が充填された複数の燃料棒を有する
   燃料集合体において、チャンネル内に設置したウォータ
   ロッドは燃料棒複数本分の領域を占める径のものであり
   、ウォータロッド内には沸騰しない水が流れるようにし
   、上端部及び下端部の少なくとも一方に設置された天然
   ウラン領域と、燃料集合体横断面における平均濃縮度の
   異なる最上部、中央部及び最下部の３つの領域を有する
   濃縮ウラン領域とが軸方向に配置された燃料物質充填領
   域を有し、前記最上部及び最下部領域の燃料集合体横断
   面での平均濃縮度が、前記中央部領域のそれよりも小さ
   く、前記濃縮ウラン領域は軸方向単位長さ当りの可燃性
   毒物の含有量が異なる二以上の領域を有し、前記最上部
   領域における軸方向単位長さ当りの前記可燃性毒物の含
   有量が、前記濃縮ウラン領域の他の領域における軸方向
   単位長さ当りの前記可燃性毒物の含有量よりも少なくな
   っていることを特徴とする燃料集合体。 ２、前記濃縮ウラン領域の前記最下部領域における軸方
   向単位長さ当りの前記可燃性毒物の含有量が中央部領域
   における軸方向単位長さ当りの前記可燃性毒物の含有量
   よりも大きくなっていることを特徴とする特許請求範囲
   第１項記載の燃料集合体。 ３、前記濃縮ウラン領域の前記最上部領域及び中央部領
   域の全部または一部にのみ前記可燃性毒物を含有する燃
   料棒を１本以上有することを特徴とする特許請求範囲第
   １項もしくは第２項記載の燃料集合体。 ４、前記濃縮ウラン部領域の前記最上部及び最下部にお
   ける燃料集合体横断面の平均濃縮度が実質的に同一であ
   る特許請求範囲第１項乃至第３項のいずれか一項に記載
   の燃料集合体。 ５、前記天然ウラン領域の軸方向の長さが前記燃料物質
   充填領域の軸方向の長さの１／２４〜１／１２の範囲で
   ある特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか一項に
   記載の燃料集合体。 ６、前記濃縮ウラン部領域の最上部領域の軸方向におけ
   る長さを、前記燃料物質充填領域の軸方向における長さ
   の３〜２４〜５／２４の範囲にした特許請求の範囲第１
   項乃至第５項のいずれか一項に記載の燃料集合体。 ７、前記濃縮ウラン部領域の前記最下部領域と前記中央
   部領域との境界の位置を、前記燃料物質充填領域の下端
   から前記燃料物質領域の軸方向における長さの１／３〜
   ７／１２の範囲に配置した特許請求の範囲第１項乃至第
   ６項のいずれか一項に記載の燃料集合体。 ８、燃料集合体の平均濃縮度よりも高い濃縮度の領域を
   有する前記燃料棒を、燃料集合体横断面において最外周
   に配置した特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか
   一項に記載の燃料集合体。 ９、内部に燃料物質が充填された複数の燃料棒を有する
   とともに可燃性毒物を含有する第１燃料集合体と、内部
   に燃料物質が充填された複数の燃料棒を有するとともに
   前記第１燃料集合体よりも少ない量の可燃性毒物を含有
   する第２燃料集合体とが装荷されている炉心を有し、前
   記炉心の外周部では前記第１及び第２燃料集合体のうち
   前記第２燃料集合体が多く配置され、前記炉心の中央部
   では前記第１及び第２燃料集合体のうち前記第１燃料集
   合体が多く配置されてなり、前記第１及び第２燃料集合
   体は、チャンネル内に配置したウォータロッドは燃料棒
   ４本分の領域を占める大口径のものであり上端部及び下
   端部の少なくとも一方に設置された天然ウラン領域と、
   燃料集合体横断面における平均濃縮度の異なる最上部、
   中央部及び最下部の三つの領域を有する濃縮ウラン領域
   とが軸方向に配置された燃料物質充填領域を有し、前記
   最上部及び最下部領域の燃料集合体横断面での平均濃縮
   度が、前記中央部領域のそれよりも小さく、前記濃縮ウ
   ラン領域は軸方向単位長さ当りの可燃性毒物の含有量が
   異なる二以上の領域を有し、前記最上部領域における軸
   方向単位長さ当りの前記可燃性毒物の含有量が、前記濃
   縮ウラン領域の他の領域におけるそれよりも少なくなっ
   ている原子炉。 １０、前記炉心内に滞在して燃焼の進んだ前記第１及び
   第２燃料集合体を、前記炉心の最外周部及び中央部の数
   本の制御棒のそれぞれを取囲む４本ずつの燃料集合体位
   置に配した特許請求の範囲第９項記載の原子炉。