JPH04122889A - 原子炉炉心およびその燃料集合体ならびに原子炉内における燃料装荷法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、原子炉炉心およびその燃料集合体ならびに原
子炉内における燃料装荷法に係り、特に大幅な燃料高燃
焼度化炉心において、水素対ウラン原子数比を最適に保
ち、燃料の反応度を向上させ、燃料経済性を向上させる
ために好適な原子炉炉心およびその燃料集合体ならびに
原子炉内における燃料装荷法に関する。

［従来の技術］ 一般に使用されている軽水型原子炉の炉心構造として、
沸騰水型原子炉の炉心構造を、第１１図に示す。この第
１１図に示す原子炉炉心は、炉心全領域にわたって均一
な炉心格子１を多数配列して構成されている。各炉心格
子ｌは、燃料集合体２と、制御棒３とにより構成されて
いる。

このような構造の原子炉炉心では、炉心内の冷却材と燃
料中のウラン（核分裂性のＵ２３５と非核分裂性のＵ２
ｍ”を含む。さらにＰｕ等の元素を含めるが、大半はウ
ランであるため、ここではウランで代表する。）の重量
または原子個数の比（一般に、水素対ウラン原子数比と
呼ばれている）は。

炉心内で均一と言える。厳密には、燃料棒１本１本の周
りを取り畠せば不均一であるが、炉心内の中性子の平均
飛程距離（炉心格子の格子間隔＝１５国で、平均飛程距
離＝１０〜２０ａ１１）が炉物理上の意味があり、この
単位でみると水素対ウラン原子数比は炉心内で均一と言
える。

このような炉心構造の原子炉で燃料を燃焼させた場合、
水の量（水の密度）は燃焼を通じて一定となるが、燃料
中の核分裂性核種Ｕ２３５　、　ｐｕｐ３ｓＰｕ２４１
は燃焼とともに変化する。したがって、水素対ウラン原
子数比は一定でも水素対核分裂性核種比は燃焼とともに
変化する。

第１２図は水素対核分裂性核種比をパラメータとした。

水素対核分裂性核種比と燃料の無限増倍率の関係を示す
。この第１２図に示すように、水素対核分裂性核種比に
対して無限増倍率にωは、ある水素対核分裂性核種比ｎ
に対し、最大値Ｋｏｏｍａｘを持つ曲線を描くことがよ
く知られている。かかる無限増倍率ＫＯＯは、次式で表
される。

ＫＯＯ＝ｚηｆｐ ここで、Ｅ：高速中性子による核分裂寄与の補正因子 η：核分裂性核種の中性子吸収歯たり 発生する核分裂中性子数 ｆ：全中性子の吸収に対する核分裂性 核種による中性子の吸収の割合 ｐ：中性子の減速中における共鳴吸収 をのがれる割合 である。

一般に、水素対核分裂性核種比がある値、つまり最大と
なるときの値ｎより小さくなると、水による中性子吸収
は少なくなるので、ｆの増加割合が大きくなるが、ｐの
減少割合が小さくなる傾向になり、Ｐの減少割合の方が
勝って、無限増倍率Ｋｃｗ）としては結局小さな値とな
る。また逆に、水素対核分裂性核種比がある値ｎより大
きくなると、ｐの増加割合よりｆの減少割合の方が勝っ
て、無限増倍率Ｋｏｏとしては結局小さくなることにな
る。

したがって、水素対核分裂性核種比はある最適値を持つ
ことになる。

前述したように、原子炉炉心内の燃料は、燃焼とともに
核分裂性核種の個数が変わるため、燃料としてみれば、
水素対核分裂性核種比は燃焼とともに常に変化すること
になる。

従来の原子炉炉心では、このように水素対核分裂性核種
比の燃焼に対する変化を考慮し、燃焼変化幅の平均的な
水素対核分裂性核種比に対し、最適点がくるように、水
の量ならびに水素対ウラン原子数比を設定している。以
上のような従来の原子炉炉心では、燃焼度が増加し、核
分裂性核種数の変化が大きい場合には、一定の水素対ウ
ラン原子数比とすることは燃料の有効利用の観点からす
れば最適になっていない。

この問題を解決すべく、従来特開昭６０−７９２８８号
公報に記載の技術がある。この特開昭６０−７９２８８
号公報は、燃料集合体６列ごとに燃料集合体間隔（水ギ
ャップ）を広くした原子炉炉心格子を採用することによ
り、燃料集合体の炉内滞在年数（運転サイクル数）に応
じて、水素対ウラン原子数比を次第に小さくする技術が
示されている。第１３図は前記特開昭６０−７９２８８
号公報の第８図に掲載の技術シボす。

この第１３図において、４は第２の単位セル、５は燃料
集合体、６は制御棒を示し、燃料集合体中の０内の数字
中、■は１サイクル目燃料、■は２サイクル目燃料、■
は３サイクル目燃料、■は４サイクル目燃料を示してい
る。

そして、この第１３図に示す従来技術では、水ギャップ
Ａは水ギャップＢより広いため、６行６列の燃料集合体
配列より構成される第２の単位セル４の中央側と外側で
は、水素対ウラン原子数比が異なっている。この第２の
単位セル４内での燃料集合体の配置は、１サイクル目燃
料に対して、炉内滞在サイクル数の大きな４サイクル目
燃料は単位セルの内側に配置されている。これは、水素
対ウラン原子数比を小さくするためである。このような
炉心構造および燃料集合体の配置とすることにより、各
燃料集合体は１〜４サイクルというサイクル数を問わず
、水素対ウラン原子数比を反応度の最大値に近づけるこ
とが可能となる。

一方、特開昭６０−１３２８４号公報には、従来一般に
使用されている燃料集合体をさらに小さな燃料集合体サ
ブバンドルに分割し、燃焼の途中で燃料配置を入れ替え
る技術が記載されている。しかし、この従来技術では炉
心格子の形状、大きさが一種類の格子で構成されている
。

他方、特開昭６２−７６４８９号公報には、寸法の異な
る二種類の正方形の格子で炉心格子を構成した原子炉炉
心が開示されている。

第１４図は前掲特開昭６２−７６４８９号公報に記載の
原子炉炉心を示す図、第１５図（Ａ）、（Ｂ）は同原子
炉炉心を構成している二種類の正方形の格子の形状を示
す拡大図である。

これら第１４図および第１５図（Ａ）、（Ｂ）に示す従
来技術では、燃料集合体を炉心内に支持する目的で炉心
の頂部付近に設けられた炉心格子支持板を、燃料集合体
の稠密配列領域と粗配列領域とを有する構造としている
。前記稠密配列領域は、４本１組の燃料集合体を囲む小
正方形の格子７に形成されており、燃料集合体間に形成
される冷却水のための水ギャップが極力狭くなっている
。前記粗配列領域は、４本１組の燃料集合体を囲む大正
方形の格子８に形成されており、燃料集合体間の水ギャ
ップが広くとられている。そして、大、小正方形の格子
７，８間で燃料集合体を移動させることにより、水素対
燃料体積比、または水素対ウラン原子数比を変更するよ
うにしている。しかし、この従来技術では寸法の異なる
正方形の格子が接する面では、第１４図から分かるよう
に、交点の形状が一部丁字形となるため、この丁字形と
なる部分９には十字形の制御棒を挿入できない。

［発明が解決しようとする課題］ 前記第１１図に示す従来技術では、燃料の燃焼変化幅の
平均的な水素対核分裂性核種比に対して最適点がくるよ
うに、水の量を設定しているが、このような技術では燃
料の有効利用の観点からすれば、最適になっていないと
いう問題がある。

また、特開昭６０−１３２８４号公報に記載の従来技術
では、炉心格子が一種類の格子で構成されているので、
燃焼の各時点で水素対ウラン原子数比を無限増倍率が最
適値になるように変更することができないという問題が
ある。

そして、特開昭６０−７９２８８号公報に記載され、か
つ第１３図に示す従来技術では、燃料の分散装荷を前提
にしているため、第２の単位セルを構成する燃料集合体
の数が３６体となり、第２の単位セルピッチは約９０ａ
＋＋どなる。したがって、特開昭６０−７９２８８号公
報にも例示されているように、Ｉ１００ＭＷ級の沸騰水
型原子炉では、炉心に装荷される燃料集合体または第１
の単位セルは７６４体であり、この７６４体の燃料集合
体を６行６列の３６体に分けて２０個の第２の単位セル
を作る仕様に最適であると言える。しかし、前記１１０
０ＭＷ級の原子炉よりも大きく、燃料集合体の数が多い
原子炉、または前記１１００ＭＷ級の原子炉よりも小さ
く、燃料集合体の数が少ない原子炉では、第２の単位セ
ルを整数個、程よく配置することは、必ずしも容易では
ない。

さらに、特開昭６０−７９２８８号公報に記載の従来技
術では、今後の燃料の高燃焼度化の傾向を考慮するなら
ば、炉心内での燃料間の燃焼度のパラツキ幅が大きくな
り、炉内滞在期間に応じて水素対ウラン原子数比が無限
増倍率の最適点から大きくずれる可能性がある。特に、
燃焼度を７００ｗｄ／を以上の大幅な高燃焼度を目標と
する場合には、水素対ウラン原子数比の大幅な変化に対
する対応が必要となる。ところが、この従来技術のよう
に、燃料集合体のチャンネルボックスの内部、つまり燃
料集合体自体を変更することなしに、水ギヤツプ幅のみ
を変更するだけでは、燃料集合体内の燃料・水分布の不
均質性が増加し、結果的には反応度の最適化が得られに
くくなる。

また、燃料集合体の４側面すべてに十字形の制御棒が挿
入される型の原子炉炉心では、炉心格子間の十字形の交
点に制御棒を挿入することが必要となる。これに対して
、特開昭６２−７６４８９号公報に記載され、かつ第１
４図および第１５図（Ａ）、（Ｂ）に示す従来技術では
、寸法の異なる正方形の接する境界面の形状が一部丁字
形となる。このため、十字形の制御棒を挿入することが
できない場所が生じる不都合がある。これは、反応度制
御および出力分布制御の点で問題となる。

本発明の第１の目的は、燃料の大幅な高燃焼度化により
、水素対ウラン原子数比が例えば７〜８から５〜６へ大
幅に変化するような原子炉であっても、水素対ウラン原
子数比を反応度が最大値となるように変更でき、しかも
炉心格子を規則正しく組むことができ、反応度制御およ
び出力分布制御を的確に行い得る原子炉炉心を提供する
ことにある。

また、本発明の第２の目的は、炉心格子の形状に応じて
燃料集合体サブバンドルの配置を変えるだけで、比較的
均質に水素対ウラン原子数比を変更させることができ、
燃料の反応度を向上させ得る燃料集合体を提供すること
にある。

そして、本発明の第３の目的は、燃料の大幅な高燃焼度
化に伴う大幅な水素対ウラン原子数比の変化に対しても
、燃焼の前半と後半とでそれぞれ最適な水素対ウラン原
子数比を選択でき、燃料の反応度をより一層向上させ得
る原子炉炉心における燃料装荷法を提供することにある
。

［課題を解決するための手段］ 前記第１の目的は、炉心格子を、正方形の格子と、一辺
が正方形の格子の長さと等しく、他辺が正方形の格子の
長さよりも長い長方形の格子とにより構成し、炉心の内
側には前記正方形の格子を配列し、炉心の外側には前記
長方形の格子を配列したことにより、達成される。

また、前記第２の目的は、前記正方形の格子と長方形の
格子とに配列される燃料集合体において、従来値われて
いる燃料集合体の代わりに、これをさらに複数個に分割
した燃料集合体サブバンドルを複数個配列して構成し、
各燃料集合体サブバンドルをチャンネルボックスと、こ
れの内部に配列された複数本の燃料棒とにより構成する
とともに、前記燃料集合体サブバンドルを前記正方形の
格子と長方形の格子とにそれぞれ複数個配列可能な形状
に形成したことにより、達成される。

さらに、前記第２の目的は、前記チャンネルボックス内
に、燃料棒を３行Ｎ列（ただし、Ｎ≧３）配列し、支持
したことによって、より良く達成される。

そして、前記第３の目的は、前記炉心の外側に配列され
た長方形の格子に新燃料集合体サブバンドルを装荷し、
数サイクル燃焼させたのち、前記炉心の内側に配列され
た正方形の格子に移し替えて燃焼させることにより、達
成される。

さらにまた、前記第３の目的は、前記長方形の格子およ
び正方形の格子を、複数個の燃料集合体サブバンドルを
配列して構成し、各燃料集合体サブバンドルをチャンネ
ルボックスと、これの内部に配列された複数本の燃料棒
とにより構成するとともに、前記燃料集合体サブバンド
ルを前記正方形の格子と長方形の格子とにそれぞれ複数
個配列可能な形状に形成して装荷することにより、また
チャンネルボックス内に、燃料棒を３行Ｎ列（ただし、
Ｎ≧３）配列して装荷することによって、より良く達成
される。

［作用コ 本発明の請求項１記載の発明では、炉心格子を正方形の
格子と、これより断面積が広い長方形の格子とにより構
成し、炉心の内側には前記正方形の格子を配列し、炉心
の外側には前記長方形の格子を配列して構成している。

その結果、燃焼の前半には新燃料集合体サブバンドルを
、断面積が広くかつ炉心の外側に配列された長方形の格
子内に配置し、高濃縮度の場合に対応した水素対ウラン
原子数比である例えば７〜８とし、その燃焼時点での最
大の反応度が得られるようにすることができる。また、
燃焼の後半には数サイクル燃焼後の燃料集合体サブバン
ドルを、断面積が狭くかつ炉心の内側に配列された正方
形の格子内に移し、低濃縮度の場合に対応した水素対ウ
ラン原子数比である例えば５〜６とすることにより、そ
の燃焼時点での最大の反応度が得られるようにすること
ができる。これにより、燃料の大幅な高燃焼度化を図る
うえで顕著となる水素対ウラン原子数比の大幅な変化に
対応させて燃焼の各時点での反応度が最大値になるよう
に変更できる結果、燃料の経済性を高めることができる
。

また、請求項１記載の発明では、炉心格子を正方形の格
子と長方形の格子とにより構成するとともに、長方形の
格子の一辺を正方形の格子の長さと等しくし、他辺を正
方形の格子の長さより長くしている。その結果、正方形
の格子と長方形の格子間の境界面が十字形になるように
、規則正しく配列することができる。これにより、正方
形の格子と長方形の格子とが接する境界面にも十字形の
制御棒を確実に挿入することができ、その制御棒により
反応度制御および出力分布制御を的確に行うことが可能
となる。

さらに、本発明の請求項２記載の発明では、前記正方形
の格子と長方形の格子を、複数個の燃料集合体サブバン
ドルで構成している。また、各燃料集合体サブバンドル
をチャンネルボックスと、これの内部に配列された複数
本の燃料棒とにより構成している。そして、前記燃料集
合体サブバンドルを正方形の格子と長方形の格子とにそ
れぞれ複数個配列可能な形状に形成している。その結果
、燃焼の前半と後半とで水素対ウラン原子数比を大幅に
変える際に、長方形の格子から正方形の格子へ、複数個
の燃料集合体サブバンドルで構成された燃料集合体グル
ープを容易に配置替えすることができるし、燃料集合体
自体の構造を変えることなく、燃料集合体グループを配
置替えするするだけ、で燃料集合体サブバンドル間のピ
ッチを変えることによって水ギヤツプ幅を変えることが
できる。

これにより、比較的均質に燃料集合体全体の水素対ウラ
ン原子数比を変更することができ、燃料の反応度を向上
させることができる。

また、本発明の請求項３記載の発明では、前記チャンネ
ルボックス内に、燃料棒を３行Ｎ列（ただし、Ｎ≧３）
配列し、支持している。これにより、新たにウォータロ
ッド等を用いることなく、各燃料集合体サブバンドル内
の水と燃料の分布の均質化、最適化を図ることができる
。

そして、本発明の請求項４記載の発明では、炉心の外側
に配列された断面積の広い長方形の格子に新燃料集合体
サブバンドルを装荷し、燃焼させる。ついで、数サイク
ル燃焼させたのち、炉心の内側に配列された比較的断面
積の狭い正方形の格子に移し替えて燃焼させる。これに
より、燃焼の前半では高濃縮度の燃料によって水素対ウ
ラン原子数比を大きくとり、燃料の反応度をその燃焼時
点での最大値である例えば７〜８とし、燃焼の後半では
低濃縮度の燃料によって水素対ウラン原子数比を小さく
することにより、燃料の反応度をその燃焼時点での最大
値である例えば５〜６とすることができる。その結果、
燃料の大幅な高燃焼度化に伴う大幅な水素対ウラン原子
数比の変化にも的確に対応でき、かつ燃料の経済性を大
幅に改善することができる。

さらに、本発明の請求項５記載の発明では、前記長方形
の格子および正方形の格子を、複数個の燃料集合体サブ
バンドルを配列して構成し、各燃料集合体サブバンドル
をチャンネルボックスと、これの内部に配列された複数
本の燃料棒とにより構成するとともに、前記燃料集合体
サブバンドルを前記正方形の格子と長方形の格子とにそ
れぞれ複数個配列可能な形状に形成して装荷することに
より、またチャンネルボックス内に、燃料棒を３行Ｎ列
（ただし、Ｎ≧３）配列し、支持した燃料集合体サブバ
ンドルを装荷することによって、燃料の大幅な高燃焼度
化に伴う大幅な水素対ウラン原子数比の変更に際しても
、より一層的確に対応することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明原子炉炉心の一実施例を示す平面図、第
２図は同原子炉炉心の炉心格子を示す一部拡大平面図、
第３図（Ａ）、（Ｂ）は同炉心格子を構成している正方
形の格子と長方形の格子の寸法関係の説明図である。

これらの図に示す実施例の原子炉炉心は、制御棒挿入用
のスペースにより観念的に区画された複数個の炉心格子
により構成されている。前記炉心格子は、複数個の正方
形の格子１０と、好ましくは正方形の格子１０と同数の
長方形の格子１１とを配列して構成されている。

前記正方形の格子１０と長方形の格子１１とは、第３図
（Ａ）、（Ｂ）に示すように、正方形の格子１０の長さ
をＬとするとき、長方形の格子１１の一辺は長さしに形
成され、長方形の格子１１の他辺は正方形の格子１０の
長さしよりも長いし＋αの長さに形成されている。また
、長方形の格子１１における正方形の格子１０の辺より
長い辺は、この格子１１内で目標とする水素対ウラン原
子数比が得られるように、核特性の観点から決定される
。さらに、長方形の格子１１の一辺を正方形の格子ｌＯ
の長さと同じ長いＬとし、他辺を正方形の格子１０の長
さより長いし＋αに設定したことは、正方形の格子１０
と長方形の格子１１の二種類の格子を規則正しく組み合
わせて炉心を構成するうえで有利であるばかりでなく。

正方形の格子ｌＯと長方形の格子１１間の境界面に、十
字形の制御棒挿入用のスペースを確保することができる
。

前記正方形の格子１０および長方形の格子１１とも、第
２図に示すように、燃料集合体サブバンドルＩ３と、燃
料集合体サブバンドル１３間のスペースに挿入された制
御棒１２とにより構成されている。そして、正方形の格
子１０は炉心の内側に配列されており、長方形の格子１
１は第１図に斜線を施して示すように、炉心の外側に配
列されている。このように、正方形の格子１０を炉心の
内側に配列し、長方形の格子１１を炉心の外側に配列す
る構成は、円形状の原子炉炉心に正方形の格子１０と長
方形の格子１１の二種類の格子を規則正しく配列するう
えで、設計上有利であるばかりでなく、反応度の高い新
燃料を常に炉心の外側に置き、燃焼した反応度の低い燃
料を常に炉心の内側（中央部）に置いたうえで、炉心内
の半径方向の出力分布を平坦化し、炉心内の半径方向の
出力ビーキングを低く抑えることができる。

次に、第４図は正方形の格子の構成を示す拡大平面図、
第５図は長方形の格子の構成を示す拡大平面図、第６図
は正方形の格子および長方形の格子を構成している燃料
集合体サブバンドルの一部破断斜視図である。

前記正方形の格子１０および長方形の格子１１は、第３
図および第４図に示すごとく、二つの対角点に配置され
た制御棒１２により囲まれた空間内に、それぞれ４行２
列、合計８体の燃料集合体サブバンドル１３を配列して
構成されている。前記正方形の格子ＩＯでは、燃料集合
体サブバンドル１３間に、第４図に示すように、狭い幅
の水ギャップ２０が確保されている。前記長方形の格子
１１では、燃料集合体サブバンドル１３間に、第５図に
示すように、広い幅の水ギャップ２１が確保されている
。これら水ギャップ２０．２１の幅は、当該格子の大き
さと、燃料集合体サブバンドル１３の形状とにより、そ
の格子内で目標とする水素対ウラン原子数比が得られる
ように決定する。具体的な一例として、燃料集合体サブ
バンドル１３の平面から見た大きさを５ａＩＩＸ１０Ｃ
２１１の長方形とし、正方形の格子１０内での水ギャッ
プ２０の幅を１１とすると、正方形の格子１０での水素
対ウラン原子数比を約５とすることができ、長方形の格
子ｌｌ内での水ギャップ２１の幅を３１とすると、長方
形の格子１１での水素対ウラン原子数比を約８とするこ
とが可能となる。これにより、ウォータロッド数を変更
する等の燃料集合体の構造を変更することなく、長方形
の格子１１と正方形の格子１０間に燃料集合体サブバン
ドル１３を移し、水ギャップ２０．２１の幅を替えて並
び替えるだけで、最適の水素対ウラン原子数比を得るこ
とが可能となる。

前記炉心の格子を、それぞれほぼ同じ数の正方形の格子
１０と長方形の格子１１の２種類により構成し、その中
に配置される燃料集合体を複数体の燃料集合体サブバン
ドル１３で構成し、この燃料集合体サブバンドル１３を
炉心の外側に配列された長方形の格子１１内で数サイク
ル燃焼させたのち、炉心の内側に配列された正方形の格
子１０内に配置替えする際、長方形の格子１１から正方
形の格子１０へそのまま同じ数の燃料集合体サブバンド
ル１３を納めることが可能となる。

前記各燃料集合体サブバンドル１３は、第４図および第
５図に示すように、チャンネルボックス１５内に、核分
裂性物質を含む燃料棒１６を３行Ｎ列（ただし、Ｎ≧３
）、この実施例ではＮ＝７、つまり２１本の燃料棒１６
を配列し、支持して構成されている。燃料棒１６の配列
を３行Ｎ列とした理由は、燃料集合体サブバンドル１３
内の水と燃料の分布を均質にし、最適化を図るためであ
る。これを例えば４行とすると、新たにウォータロッド
等を用いて、燃料集合体サブバンドル１３内の水と燃料
の分布を均質化する必要がある。前記１２本の燃料棒１
６は、互いに水ギャップを有して配列されている。

また、前記燃料棒１６は第６図に示すように、上端部と
下端部とは上部タイプレート１７と下部タイプレート１
８により固定され、中間部はスペーサ１９により支持さ
れている。

ついで、第７図は本発明燃料装荷法の一実施例の説明図
、第８図は燃料の濃縮度に対応する反応度と水素対ウラ
ン原子数比との関係を示す図である。

本発明における燃料装荷法では、同一の炉心格子内に配
置された複数個の燃料集合体サブバンドルは、複数個ま
とめたグループとして燃料配置移動の際に、従来の燃料
集合体のように炉心格子間を移動するため、同一の炉心
格子内に配置された複数個の燃料集合体サブバンドルを
ここでは“燃料集合体グループ”と名付ける。第７図に
示すように、新燃料である新燃料集合体グループ２２を
、燃焼の前半では炉心の外側に配列された断面積の広い
長方形の格子１１内に配置し、燃焼させる。ついで、数
サイクル燃焼させたのち、燃焼の後半は前記数サイクル
燃焼後の燃料集合体グループ２３を、炉心の内側に配列
された断面積の比較的狭い正方形の格子１０内に移し替
えて燃焼させる。この正方形の格子１０内で数サイクル
燃焼させたのち、その燃料集合体グループを原子炉炉心
より取り出す。

この取り出し燃料集合体グループを、第７図に符号２４
で示す。

前述のごとく、燃焼の前半で、高濃縮度の新燃料集合体
グループ２２を断面積の広い長方形の格子１１内に配置
することにより、新燃料集合体グループ２２を構成して
いる燃料集合体サブバンドル間の水ギャップの幅を広く
とることができる（第５図参照）。その結果、第８図に
示す水素対ウラン原子数比を大きく、例えば８に取り、
この燃焼時点での反応度を最大値にすることが可能とな
る。

また、燃焼の後半では数サイクル燃焼後の燃料集合体グ
ループ２３を断面積の比較的狭い正方形の格子１０に移
し替えることにより、燃料集合体グループ２３を構成し
ている燃料集合体サブバンドル間の水ギャップの幅が狭
くなる（第４図参照）。その結果、燃料の低濃縮度に対
応して、第８図に示す水素対ウラン原子数比を小さく、
例えば５に取り、この燃焼時点での反応度を最大値にす
ることができる。

ところで、燃焼度７０〜１０１００Ｇ／ｌを目標とした
軽水炉用のウラン燃料は、燃料濃縮度が６％以上と高く
、第８図に示すように、燃焼の前半では反応度が最大と
なる水素対ウラン原子数比は７〜８であるのに対し、燃
焼の後半では水素対ウラン原子数比５〜６で反応度が最
大となる。したがって、燃焼の各時点に応じて反応度が
最大となるようにするには、水素対ウラン原子数比を７
〜８がら５〜６へと大幅に変更する必要がある。

沸騰水型原子炉では、冷却材と減速材を兼ねる軽水の流
路はチャンネルにより仕切られ、チャンネルの内部の沸
騰領域と、外部の非沸騰領域に分けられるが、水素対ウ
ラン原子数比をこのように大幅に変える際には、チャン
ネルの外部のみならず、チャンネルの内部についても変
えて、燃料と水の分布を均質に保つ必要がある。この方
法として二つの方法が考えられる。

その第１の方法は、チャンネルの外部の水ギヤツプ部の
みならず、チャンネルの内部にウォータロッドを設け、
その数を変更することにより、燃料と水の分布を均質に
保ち、水素対ウラン原子数比を変える方法である。この
方法の場合、ウォータロッドの数を増減して水素対ウラ
ン原子数比を変更する際に、燃料集合体内の燃料棒の一
部を除去する等の煩雑な操作が必要となる。

第２の方法は、燃料集合体を従来のものより小さな燃料
集合体サブバンドルで構成し、この燃料集合体サブバン
ドル間の水ギャップの幅を変えることにより、均質に近
い形で燃料集合体全体の水素対ウラン原子数比を変更す
る方法である。この方法は、原子炉内における燃料集合
体の配置をあらかしめ規定したうえで、原子炉内での燃
料集合体を支持する炉心下部格子板および炉心上部格子
板の構造を変更して不等間隔とし、燃料集合体の炉心内
の位置により、燃料集合体サブバンドル間の水ギャップ
の幅が異なる構造とすることにより、達成される。

この第２の方法では、第１の方法のように燃料集合体自
体を照射期間中に燃料再組立等により変更する必要はな
く、燃料集合体は炉心格子ピッチが大きな領域から小さ
な領域へと移動させるだけである。理想的には燃料集合
体サブバンドル間の水ギャップの幅を、燃料の炉内滞在
サイクルごとにそれぞれ変えることが望ましいが、実用
上の観点からは、燃焼の前半と後半とで二分することで
十分である。この場合、炉心格子ピッチは二種類となる
が、軽水炉炉心のように格子状配列の場合、第１５図（
Ａ）、（Ｂ）に示すように、Ｘ方向、Ｘ方向の双方同時
に変更すると、第１４図に示すように炉心全体として規
則正しく格子を組むことが難しくなる。

これに対し、本発明の第３図（Ａ）、（Ｂ）に示す実施
例のように、Ｘ方向またはＸ方向のいずれか一方を変更
して炉心格子セルの大きさを変更する場合には、第１図
に示すように、正方形の格子１０と、これと一辺の長さ
が等しい長方形の格子１１により従来と同じように格子
形状の炉心を構成することができる。

また、燃料装荷法については、炉心内の格子の大きさが
炉心の内側と外側とで異なるため、この異なる大きさの
格子内で燃料を燃焼させ、かつ大幅な高燃焼度化に伴う
大幅な水素対ウラン原子数比の変化に対応させ、しかも
燃料の反応度を最大値に近づけるためには、比較的新し
い燃料を炉心の外側の広い断面積の長方形の格子１１の
中に装荷し、２，３サイクル燃焼させたのちに、炉心の
内側の狭い断面積の正方形の格子１０と移動させて燃焼
させることにより、達成することができる。

さらに、本発明の原子炉炉心では、正方形の格子１０と
長方形の格子１１とを組み合わせて用いているため、長
方形の格子１１の一辺の長さを自由に設定できる自由度
と合わせて、互いに大きさの違う正方形の格子】０と長
方形の格子１１の数を比較的自由に選択することができ
るので、燃料集合体の数の異なる種々の原子炉炉心に容
易に適用することができる。

続いて、第９図および第１０図はそれぞれ本発明燃料集
合体を構成している燃料集合体サブバンドルの他の実施
例を示す横断面図である。

第２図および第３図に示した燃料集合体サブバンドル１
３は３行７列の燃料配列であったが、水ギャップの幅は
ＸＹの一方向についてのみ変更すればよいので、第２図
および第３図に示す燃料集合体サブバンドル１３の２体
を合わせて１本としてもよい。

第９図に示す燃料集合体サブバンドル２５は、第２図お
よび第３図に示す燃料集合体サブバンドル１３を２体合
わせた長さのチャンネルボックス２６内に、燃料棒１６
が３行１４列、配列されており、チャンネルボックス２
６の長さ方向の中間部、つまり燃料棒１６の７列目と８
列目の間に水路用隔壁２７で仕切られた長方形の水路２
８が設けられている。

前記水路隔壁２７は、中性子照射におけるチャンネルボ
ックス２６の曲がり等の変形を小さくする役目を果たす
。

また、第１０図に示す燃料集合体サブバンドル３０は、
第２図および第３図に示す燃料集合体サブバンドル１３
を２本合わせた長さのチャンネルボックス３１内に、燃
料棒１６が３行１４列、配列されており、チャンネルボ
ックス３１の長さ方向の中間部、つまり７列目と８列目
の間に、１列３本のウォータロッド３２が配置されてい
る。

前記ウォータロッド３２は、燃料集合体サブバンドル３
０内の水と燃料の分布を均質化する役目を果たす。

前記第９図および第１０図に示す燃料集合体サブバンド
ル２５．３０は、構成部品が増加するものの、燃料集合
体サブバンドルの炉内配置を変える際の燃料集合体の移
動回数を減らすことができる利点がある。

［発明の効果］ 以上説明した本発明の請求項１記載の発明によれば、炉
心格子を正方形の格子と、これより断面積が広い長方形
の格子とにより構成し、炉心の内側には前記正方形の格
子を配列し、炉心の外側には前記長方形の格子を配列し
て構成しており、燃焼の前半には新燃料集合体を、断面
積が広くかつ炉心の外側に配列された長方形の格子内に
配置し、高濃縮度の場合に対応した水素対ウラン原子数
比である例えば７〜８とし、その燃焼時点での最大の反
応度が得られるようにすることができるし、燃焼の後半
には数サイクル燃焼後の燃料集合体を。

断面積が狭くかつ炉心の内側に配列された正方形の格子
内に移し、低濃縮度の場合に対応した水素対ウラン原子
数比である例えば５〜６とすることにより、その燃焼時
点での最大の反応度が得られるようにすることができる
。これにより、燃料の大幅な高燃焼度化を図るうえで顕
著となる水素対ウラン原子数比の大幅な変化に対応させ
て燃焼の各時点での反応度が最大値になるように変更で
きる結果、燃料の経済性を高め得る効果がある。

また２本発明の請求項１記載の発明によれば、炉心格子
を正方形の格子と長方形の格子とにより構成するととも
に、長方形の格子の一辺を正方形の格子の長さと等しく
し、他辺を正方形の格子の長さより長くしている結果、
正方形の格子と長方形の格子間の境界面が十字形になる
ように、規則正しく配列することができる。これにより
、正方形の格子と長方形の格子とが接する境界面にも十
字形の制御棒を確実に挿入することができ、その制御棒
により反応度制御および出力分布制御を的確に行い得る
効果もある。

さらに、本発明の請求項２記載の発明によれば、前記正
方形の格子と長方形の格子を、複数個の燃料集合体サブ
バンドルで構成し、各燃料集合体サブバンドルをチャン
ネルボックスと、これの内部に配列された複数本の燃料
棒とにより構成し、前記燃料集合体サブバンドルを正方
形の格子と長方形の格子とにそれぞれ複数個配列可能な
形状に形成しているので、燃焼の前半と後半とで水素対
ウラン原子数比を大幅に変える際に、長方形の格子から
正方形の格子へ複数個の燃料集合体サブバンドルで構成
された燃料集合体グループを容易に配置替えすることが
できるし、燃料集合体自体の構造を変えることなく、燃
料集合体を配置替えするするだけで燃料集合体サブバン
ドル間のピッチを変えることによって水ギヤツプ幅を変
えることができる。これにより、比較的均質に燃料集合
体グループ全体の水素対ウラン原子数比を変更すること
ができるし、燃料の反応度を向上させ得る効果がある。

また、本発明の請求項３記載の発明によれば、前記チャ
ンネルボックス内に、燃料棒を３行Ｎ列（ただし、Ｎ≧
３）配列し、支持したことにより、新たにウォータロッ
ド等を用いることなく、各燃料集合体サブバンドル内の
水と燃料の分布の均質化、最適化を図り得る効果がある
。

そして１本発明の請求項４記載の発明によれば、炉心の
外側に配列された断面積の広い長方形の格子に新燃料集
合体サブバンドルを装荷し、燃焼させ、ついで数サイク
ル燃焼させたのち、炉心の内側に配列された比較的断面
積の狭い正方形の格子に移し替えて燃焼させるようにし
ているので、燃焼の前半では高濃縮度の燃料によって水
素対ウラン原子数比を大きくとり、燃料の反応度をその
燃焼時点での最大値である例えば７〜８とし、燃焼の後
半では低濃縮度の燃料によって水素対ウラン原子数比を
小さくすることにより、燃料の反応度をその燃焼時点で
の最大値である例えば５〜６とすることができる結果、
燃料の大幅な高燃焼度化に伴う大幅な水素対ウラン原子
数比の変更にも的確に対応でき、かつ燃料の経済性を大
幅に改善し得る効果がある。

さらに、本発明の請求項５記載の発明によれば、前記長
方形の格子および正方形の格子を、複数個の燃料集合体
サブバンドルを配列して構成し、各燃料集合体サブバン
ドルをチャンネルボックスと、これの内部に配列された
複数本の燃料棒とにより構成するとともに、前記燃料集
合体サブバンドルを前記正方形の格子と長方形の格子と
にそれぞれ複数個配列可能な形状に形成して装荷するこ
とにより、またチャンネルボックス内に、燃料棒を３行
Ｎ列（ただし、Ｎ≧３）配列し、支持した燃料集合体サ
ブバンドルを装荷するようにしたことにより、燃料の大
幅な高燃焼度化に伴う大幅な水素対ウラン原子数比の変
更に際しても、より一層的確に対応し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明原子炉炉心の一実施例を示す平面図、第
２図は同原子炉炉心の炉心格子を示す一部拡大平面図、
第３図（Ａ）、（Ｂ）は同炉心格子を構成している正方
形の格子と長方形の格子の寸法関係の説明図、第４図は
正方形の格子の構成を示す拡大平面図、第５図は長方形
の格子の構成を示す拡大平面図、第６図は正方形の格子
および長方形の格子を構成している燃料集合体サブバン
ドルの一部破断斜視図、第７図は本発明燃料装荷法の一
実施例の説明図、第８図は燃料の濃縮度に対応する反応
度と水素対ウラン原子数比との関係を示す図、第９図お
よび第１Ｏ図はそれぞれ本発明燃料集合体を構成してい
る燃料集合体サブバンドルの他の実施例を示す横断面図
である。 第１１図は一般に使用されている従来技術の原子炉炉心
の炉心格子を示す平面図、第１２図は核燃料を燃焼させ
たときの水対核分裂性核種比と反応度との関係を示す図
、第１３図は炉心格子の形状、大きさが同一種類の正方
形の格子で構成された原子炉炉心の従来技術を示す平面
図、第１４図は大小異なる二種類の正方形の格子で構成
された原子炉炉心の従来技術を示す平面図、第１５図（
Ａ）、（Ｂ）は同二種類の正方形の格子の寸法関係を示
す図である。 １０・・・正方形の格子、１１・・・長方形の格子、１
２・・・制御棒、１３・・・燃料集合体サブバンドル、
１５・・・チャンネルボックス、１６・・・燃料棒、２
０・・・正方形の格子内に納められた燃料集合体サブバ
ンドル間の狭い水ギャップ、２１・・・長方形の格子内
に燃料集合体サブバンドル間の広い水ギャップ、２２・
・・新燃料集合体グループ、２３・・・数サイクル燃焼
後の燃料集合体グループ、２４・・・取り出し燃料集合
体グループ、２５・・燃料集合体サブバンドル、２６・
・・チャンネルボックス、２８・・・水路、３０・・・
燃料集合体サブバンドル、３１・・・チャンネルボック
ス、３２・・・ウォータロッド。 代理人　弁理士　　秋　本　正　実 第 図 正号升′りの発子 七万吟の万春チ 第 図 ２・・−千１」岬井 、畑粁集倒本すブバノドル 第 図 （Ａ） 一ノ ｉｏ−・−正方昨′り／）発子 Ｘ方間 第 摺 第 図 ｆ−村井 第 図 第 図 １０・−正方的の旧トモ　　　　Ｉｌ−長８杓のに子２
２−＃ｆｆ１ｅ：Ｆ＋東令４本グループ２３−・（（サ
イフｌレゾは先γ更の姉；料峯骨イ本グループ２４−．
　取ＩＪ　上り、ｅｓｙ十＊＊４本第 図 ７１Ｋｆ　ｒｊ　ウ’ｙ　ン＃　’ｉＡ文Ｋ（Ｈ／Ｕ）
第９　ｉＱ＋ ２５・・、流孝士集登イ本サブバンドル２６−−−チイ
ン不ルボ゛２７ス ６・−Ｊ５：杆棒 ２７・−水浴用隔壁 ２８・−水産 ３０・−ζＪ千策合４本Ｊナフ゛ノぐンドル３１−　　
＋ベンネル小゛・ソ７ス ６−・嬶゛粁井 ３２−　　ウ不一タロ・／ド 第 図 第１２ 図 ７に紮村銀分製悸−元素比 第 図 第１４ 図 第 図 （Ａ） （Ｂ） Ｘて頗

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、制御棒と複数の燃料集合体とにより構成される炉心
   格子を、複数個配列した原子炉炉心において、前記炉心
   格子を、正方形の格子と、一辺が正方形の格子の長さと
   等しく、他辺が正方形の格子の長さよりも長い長方形の
   格子とにより構成し、炉心の内側には前記正方形の格子
   を配列し、炉心の外側には前記長方形の格子を配列した
   ことを特徴とする原子炉炉心。 ２、請求項１記載の正方形の格子と長方形の格子とに配
   列される燃料集合体において、前記格子を複数個の燃料
   集合体サブバンドルを配列して構成し、各燃料集合体サ
   ブバンドルをチャンネルボックスと、これの内部に配列
   された複数本の燃料棒とにより構成するとともに、前記
   燃料集合体サブバンドルを前記正方形の格子と長方形の
   格子とにそれぞれ複数個配列可能な形状に形成したこと
   を特徴とする燃料集合体。 ３、請求項２記載の燃料集合体において、前記チャンネ
   ルボックス内に、燃料棒を３行Ｎ列（ただし、Ｎ≧３）
   配列し、支持したことを特徴とする燃料集合体。 ４、請求項１記載の原子炉炉心に対する燃料装荷法にお
   いて、前記炉心の外側に配列された長方形の格子に新燃
   料集合体サブバンドルを装荷し、数サイクル燃焼させた
   のち、前記炉心の内側に配列された正方形の格子に移し
   替えて燃焼させることを特徴とする原子炉炉心における
   燃料装荷法。 ５、請求項４記載の燃料装荷法において、前記長方形の
   格子および正方形の格子に、請求項２または３記載の燃
   料集合体を装荷することを特徴とする原子炉炉心におけ
   る燃料装荷法。