JPH0445795B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉用の燃料の設計および配置な
らびにかる配置の原子炉を運転する方法に関す
る。

核燃料はウランおよび／またはプルトニウムを
適当な形態で含有する。例えば、水冷却兼減速動
力用原子炉に普通用いられる燃料は二酸化ウラン
（UO₂）よりなり、そのうち約0.7〜4.0％は核分裂
性Ｕ−235と燃料親Ｕ−238との混合物である。原
子炉の運転中に燃料親Ｕ−238は核分裂性Pu−
239およびPu−241に変換され、後者が原子炉出
力を維持するように働らく。Ｕ−235も核分裂性
であるが、それは原子炉内の高エネルギー中性子
に対してのみである。

周知の商業用騰水型動力炉、例えば米国イリノ
イ州シカゴ近郊のドレスデン原子力発電所に使用
されている動力炉では、核燃料は代表的には、例
えば米国特許第3365371号に示されているように、
燃結ペレツトをジルコニウム合金のような適当な
金属よりなる細長い被覆管に充填して燃料要素ま
たは棒を形成した形態をとつている。端部プラグ
で密封された被覆管は核燃料を減速材兼冷却材か
ら分離するとともに、核分裂生成物の放出を防止
する作用をなす。

このような燃料要素は、例えば米国特許第
3689358号に示されているように、群毎に配置さ
れ、別々に交換できる燃料集合体または束として
上部および下部タイプレート間に支持される。十
分な数の燃料集合体を角柱に近いマトリツクス状
に配列して、自己持続核分裂反応をする原子炉炉
心を形成する。この炉心を作動流体および中性子
減速材として作用する流体、例えば軽水中に沈め
る。

典型的な原子炉は、たいてい１年程度の長さの
運転サイクルの間ずつと運転状態を維持するのに
十分な以上の反応度の燃料を定期的に再装荷する
（運転サイクルの長さを「燃料サイクル間隔」と
称する）。ここで原子炉を停止し、代表的には約
１／４の燃料集合体を交換する。運転サイクルの開
始時には反応度が過剰であるので、運転中実効増
倍率を１に維持するためには十分な強さの制御シ
ステムが必要である。制御システムは慣例では中
性子の核分裂を起こさない捕獲または吸収により
中性子を制御する作用をなす中性子吸収材を具え
る。

代表的な制御システムは、中性子吸収材を含有
する複数本の制御棒の形態の機械的制御部を有す
る。制御棒を燃料集合体間の空間またはギヤツプ
に選択的に挿入して、炉心の反応度、また従つて
運転出力レベルを制御することができる。例えば
米国特許第3020888号に開示されているような既
知の配置では、制御棒ブレードは横断面が十字形
で、従つて各制御棒のブレードの「羽根」（ウイ
ング）を隣接する４個の燃料集合体間の空間に挿
入することができる。１本の制御棒を囲む４個の
燃料集合体のクラスタを炉心「セル」と称する。
（適当な中性子吸収材および制御ブレード駆動機
構は前記米国特許第3020888号に記載されてい
る。） 制御システムは、燃料の一部と配合されたガド
リニウムのような可燃性中性子吸収材も含む。天
然に産出するGd−155およびGd−157同位体は強
い中性子吸収材で、中性子の吸収により一層低い
制御価値（中性子吸収能）の同位体に変換され
る。このように可燃性吸収材を用いることによ
り、機械的制御の必要量が減少し、また可燃性吸
収材の適切な配置により出力分布を改善すること
ができる。大抵の場合、可燃性吸収材を燃料要素
に核燃料の選択部分との混合物として導入する。
可燃性吸収材の配置は、例えば米国特許第
3799839号に示されている。

さらに、原子炉についての説明が、例えば「原
子力工学（Nuclear Power Engineering）」N.
M.El−Wakil著、McGraw−Hill Book
Company，Inc.刊、1962年に見られる。

管状燃料要素クラツデイングは普通0.8mm
（0.032インチ）程度の厚さのもので、原子炉炉心
の環境内での高圧、高温、核放射線および化学的
核分裂生成物攻撃を含む比較的苛酷な使用条件に
さらされる。挿入された制御棒を引抜くと隣接燃
料要素の局所出力は急に増加する。このように燃
料の局所線出力レベル（KW／ft）が急に大きく
変わると、燃料ペレツトとクラツデイングとの相
互作用により大きな局部的応力および歪が生じ
る。隣接ペレツトの膨張する分離端縁（またはペ
レツトの亀裂の隣接側部）がクラツデイングに食
い込むように接触すると、その結果生じる局部的
歪がクラツデイングの極限歪を超え、クラツデイ
ングに亀裂を生じる。クラツデイングに亀裂がで
きると、冷却材が燃料要素中に進入し、核分裂生
成物が燃料要素からこれを囲む冷却材中に逃げ出
してしまう。この望ましくない現象は「ペレツト
−クラツデイング相互作用」（Pellet−
Claddinginteraction＝PCI）として知られるよう
になつてきた。線出力の増大の大きさにかゝわり
なくそれ以下ではクラツデイングが欠損しないこ
との知られている燃料燃焼依存しきい値が存在す
る。

ペレツト−クラツデイング相互作用（PCI）問
題を解決する方法として、種々提案されているな
かで、後の急速な出力変化に耐えるように燃料を
状態調整する方法が用いられるようになつた。
かゝる方法は米国特許第4057466号に記載されて
いる。簡潔に説明すると、この方法によれば、出
力増加速度を、例えば0.1KW／ft／hr以下に系統
的に調節制御して局部的PCI生成ペレツト力を緩
和させる。PCIしきい値と所望の最高局所線出力
レベルとの間での局部線出力の増加でクラツデイ
ング破損をもたらす臨界速度以下に出力増加速度
を制御する。このような状態調整後、最高調整レ
ベル以下での比較的迅速な出力変化を、クラツデ
イング破損を生じることなく行えることが確認さ
れている。この方法の第１の欠点は、このような
調整または再調整に比較的長い時間が必要で、こ
のため定格出力レベルでの運転に使える時間が短
くなることである。また、多くの実際の運転状況
において、挿入制御棒付近の燃料を完全に調整す
ることは不可能である。

原子炉の運転に付随する別の現象に所謂「制御
棒履歴」（control rod history）がある。制御棒
ブレードの存在する効果は、隣接燃料における核
分裂性燃料燃焼またはバーンアツプの速度を大幅
に下げる一方、燃料親Ｕ−238の核分裂性Pu−
239への変換を著しく低いレベルに抑えることに
ある。従つて制御棒を引抜くと、その制御棒にも
つとも近い「曝露された」（uncovered）燃料
（即ち燃料集合体の角および制御棒隣接要素の燃
料）の出力は制御棒からもつと離れた燃料より大
きく増加する。この制御棒履歴効果は、制御棒に
隣接する燃料集合体の角の燃料要素の燃料におい
て最大であり、制御棒が燃料の隣りに留まる時間
が長くなるにつれてこの効果は一層顕著になる。
制御棒履歴効果は制御棒に従動棒またはフオロワ
がない設計の場合に最大である。

沸騰水型原子炉によく生じる別の現象は「軸方
向蒸気ボイド抑制」（axial steam
voidsuppression）である。この種の原子炉で冷
却材が個々のチヤンネル内で沸騰すると負の出力
フイードバツクの原因となる。その理由は、燃料
の局部反応度が蒸気ボイドの増加とともに減少す
るからである。制御棒をチヤンネルの底に部分的
に挿入すると、この制御棒が制御ブレードの近く
の沸騰を抑制し、これに対応して制御ブレードよ
り上の一層高反応度の領域での蒸気ボイドを減少
させる。部分的に挿入された制御棒より上での沸
騰の減少が原因で、激しい出力ピーキングが生
じ、出力ピークが制御棒を完全に引抜いたときの
チヤンネル内の出力の大きさを超えることがあ
る。

上述したタイプの動力炉の設計および運転の初
期に、制御棒挿入および引抜きプロセスおよびパ
ターンが開発された。基本的解決指針として、制
御棒パターンを定期的に変更および相互交換（ス
ワツピング）することにより、燃料燃焼、プルト
ニウム生成および制御棒履歴効果を炉心の燃料集
合体間でできるだけ均等に分布させるように試み
ている。

上述したタイプの原子炉用の既知の制御棒操作
手順によれば、制御棒を幾つかの交番パターンに
配列し、これにより１群の制御棒を操作時に別群
の制御棒と交換することができる。かゝる制御棒
のパターンは普通２，３または４つなり、出力形
状および燃焼反応度制御に応じてかゝるパターン
の制御棒を択一的な原子炉炉心に挿入する。

既知の制御棒操作手順によれば、炉心を所定の
制御棒パターンで１エネルギー発生期間の間運転
する。次いで出力を下げ、所定制御棒パターンを
別のパターンと交換する。従つて、１年の原子炉
運転サイクルの間に５〜８回の制御棒パターン変
更を行うことになる。かゝる制御棒パターンおよ
びパターン交換は米国特許第3385758号に詳述さ
れている。

既知の制御棒操作手順ではほとんどの燃料が約
４年の炉心内滞在期間の間に出力時の隣接制御棒
移動を経験する。かゝる制御棒運動は燃焼制御、
制御棒パターン交換、負荷追従、キセノン過渡制
御、燃料調整などの結果である。これらの運転変
数が原因で、燃料が経験する制御棒移動の総数が
望ましくない程に増加する。さらに制御棒パター
ン交換により空間的出力分布キセノン過渡が励起
され、熱的、水力学的、安全および燃料調整限度
に基づく制御棒移動制約により原子炉運転が望ま
しくない程に複雑になり、オペレーータの誤操作
の可能性が増す。従つて既知の操作手順には熱的
および安全余裕を減少させ、製造上の複雑さを増
し、稼動率を下げ、燃料損傷の恐れを増す傾向が
ある。

制御棒パターンを相互交換またはスワツピング
する既知のBWR運転方法に見られる問題を要約
すると次の通りである。

(1) パターン交換を行うためには原子炉出力を減
少させる一方、PCI制約に適合させなければな
らない。大抵の場合、交換後に原子炉を全出力
に戻すのに５日程の多くの日数を要し、従つて
原子炉稼動率が低下する。

(2) パターン交換により原子炉設計および運転が
複雑になる。出力が何か別の理由で下つたとき
に制御棒交換を行うのが望ましいので、原子炉
運転のブラシを定めるのが難しく、同じ原子炉
でも１燃料サイクル間隔の運転がそれぞれ異な
る。

(3) 制御棒交換および関連する出力低下が原因
で、空間的および非空間的キセノン過渡が生じ
これが原子炉運転を複雑にし、またPCI限界に
適合させるのが困難になる。

(4) 原子炉オペレータ学習曲線が、複雑かつ相互
作用する三次元的変数および制約により長くな
る。このため、オペレータがPCIまたは他の制
約を破るような誤操作をする可能性が増す。

(5) 炉心の外周部に位置する燃料以外のすべての
燃料が、再装荷と次の再装荷との間の燃料サイ
クル間隔の間の隣接制御棒移動に基づき、大き
な線形出力増加を経験する。通常炉心外周部は
燃料が隣接制御棒移動を経験しないように燃料
を配置できる唯一の区域である。

(6) 炉心の外周部に位置する制御棒以外のすべて
の制御棒が、出力整形−燃焼反応度制御と原子
炉停止との二重機能を果たさなければならな
い。従つてこれらの異なる機能に必要な特殊な
設計特性を制御棒および制御棒駆動機構の設計
に内包させることは容易でない。

(7) 負荷追従または他の目的に自動出力分布空間
形状制御を適用することは、変数の数が多くこ
れらが複雑に相互作用するので非常に複雑にな
る。さらに、制御棒を高出力もしくは高反応度
燃料の隣りにまたは未減損可燃性吸収材含有燃
料の隣りに配置することから次の欠点が認めら
れている。

部分的に挿入された制御棒より上の低蒸気ボイ
ド水はしばしばピーク局所原子炉出力をこれらの
領域に達しさせる原因となる。核沸騰限界からの
移行または離脱のような熱的限界も高反応度燃料
の隣りに部分的に挿入された制御棒により悪影響
を受ける。

未減損可燃性吸収材含有燃料に隣接して挿入さ
れた制御棒は、吸収材の燃焼をゆがめがちであ
り、望ましくない可燃性吸収材空間過渡を起し、
これにより原子炉のピーク局所出力が増加する
か、または燃料を複雑な可燃性吸収材形状に設計
し製造する必要が生じる。

本発明を達成するにあたつては、制御棒の機能
を出力整形−反応度制御機能と停止機能とに分
け、低反応度の特別な設計の燃料を制御セル内に
維持して出力整形−反応度制御用制御棒を出力時
にこの制御セルに挿入する。

初期炉心では、制御セルに相対的に低濃縮度を
有する特別設計の燃料集合体を装荷する。非制御
セルには、相対的に高い初期濃縮度を有し、後続
の燃料サイクル間隔の間に制御セルに配置できる
特別設計の燃料集合体を装荷する。原子炉を運転
開始し定格出力までもつて行くにつれて、非制御
セルの制御棒をほゞ完全に引抜き、そしてそれ以
後運転サイクル中ずつと原子炉を制御セルの制御
棒のみで制御する。従つて制御セルの特別設計の
低濃縮度燃料のみが運転サイクル中隣接制御棒移
動を経験する。この解決手段により炉心運転を著
しく簡単にし、制御棒交換に伴う多数の問題を回
避することができる。

運転サイクルの終点で再装荷のために原子炉を
停止し、通常制御セルの燃料集合体を排出する
（即ち原子炉から取出す）か、または炉心の外周
燃料集合体位置に移動する。制御セル以外からの
最低反応度の照射ずみ燃料集合体を制御セルに挿
入する。新しい（即ち未照射の）燃料集合体を、
定格出力時に挿入すべき制御棒から遠去かつた、
制御セルの外側に（即ち非制御セルに）挿入す
る。

燃料は炉心内にｎ炉心運転サイクルの間滞在す
る（代表的にはｎは４である）。燃料集合体は代
表的にはその炉心内滞在時間のうち（ｎ−１）サ
イクルの間非制御セルに滞在し（但し、非制御セ
ル内である位置から別の位置に移動することがで
きる）、炉心内滞在時間の最終サイクルで制御セ
ルに移動され、しかる後炉心から取出されるかま
たは炉心外周部に移動される。場合によつては、
未照射の特別設計の高信頼性燃料を第１サイクル
以外で制御セルに直接に挿入でき、この場合燃料
はｍサイクルだけ炉心に滞在する。但し、ｍは非
制御セル燃料の滞在サイクルの数ｎと同じかまた
は異なる。本発明に従つて制御棒機能の分離およ
び出力整形−反応度制御用制御棒の隣りへの低反
応度燃料のみの配置を実現する炉心設計は「制御
セル炉心」と称される。

非制御セルの停止制御ブレードは出力時に引抜
かれ、従つて少ない燃焼、照射損傷および応力を
受けるだけなので、制御ブレードの寿命は長い。
従つてこれらの制御ブレードに、特にその上方部
分に高価な制御物質を用いてコールド停止価値を
最大にするとともに原子炉の燃料サイクル燃焼能
力を改善するのが容易である。また、非制御セル
の制御棒の駆動機構も比較的簡単かつ安価なもの
とすることができる。

他方、制御セルに配置された制御棒は炉心の全
制御棒の約1/4を占めるにすぎないので、制御セ
ルの制御棒および駆動機構をその出力整形および
燃焼反応度制御という主要用途から見て最適にす
るのが容易である。かゝる最適化として、微細移
動駆動機構およびクレイチツプ（テーパ化制御価
値）制御ブレードを設ける。これら２つの特徴に
より、制御棒を移動する際の隣接燃料の出力変化
を一層ゆつくりにすることができ、有利である。
微細移動駆動機構は高価で複雑であるが、制御セ
ル位置のみに用いるように限定でき、好都合であ
る。また、一層長い寿命および一層好適な中性子
吸収スペクトルを保証する別の制御ブレード物質
を用いることも可能になる。例えば長寿命のハフ
ニウム制御物質により出力整形ブレードの出力優
乱を軽減しブレード寿命を伸ばすことができる。

炉心から取出す以前の最終燃料サイクルまたは
最後より１回前の燃料サイクルで制御セルに挿入
すべき燃料集合体を適切に設計することにより、
制御セル炉心の最大運転能力を改善することがで
きる。制御棒履歴効果およびこの制御棒履歴効果
が生じる関連燃料燃焼期間に備えて燃料集合体を
最適に設計するのが望ましい。

初期炉心については、制御セルに滞在するはず
の燃料集合体を上記目的に合わせて特別に設計す
る。また、第１回再装荷時に制御セルに移動する
予定の燃料集合体の設計は、後続の再装荷時に制
御セルに移動する予定の燃料集合体の設計とは異
なる。言い換えると、燃料集合体はその炉心内位
置およびその予想される炉心内滞在時間に応じて
特別設計される。

再装荷燃料集合体は、通常その炉心内滞在の第
３または第４サイクルまで制御セルに移動せず、
かゝる再装荷燃料の可燃性吸収材設計は初期炉心
燃料の場合とは異なる。従つて再装荷燃料集合体
も制御機能の分離から最大の利益を引出すように
最適に設計することができる。

多数の適用例において、燃料の約半分だけがそ
の炉心内履歴のなかで制御セルに滞在するので、
特別設計の燃料集合体を制御セルに用いることが
できる。かゝる特別設計の燃料集合体を制御セル
にその炉内滞在の第１、第２、第３、第４または
第５サイクルで導入することができ、場合によつ
ては第２サイクル以上制御セルに残しておくこと
ができる。しかし、普通の最適例では燃料は炉心
内滞在の最終サイクルまたは最後より１回前のサ
イクルのみ制御セルに滞在する。

製造基準から、標準設計の燃料要素を用いて燃
料集合体を形成すること、そして異なる標準燃料
要素タイプの数を最小にすることが要求される。
従つて、燃料集合体は設計、性能および安全要件
を満たす一方、できるだけ多くの標準燃料要素を
共通に使用できるように設計する。

制御セル炉心用の初期および組合せ再装荷燃料
集合体設計により、必要な燃料集合体の製造に用
いる必要のある標準燃料要素タイプの数の減少を
含むこれら要件を容易に達成することができる。

本発明に係わる制御セル炉心設計により、未減
損の可燃性吸収材含有燃料集合体を出力時に挿入
される制御棒の隣りに配置するのを避けることが
でき、この特徴に基づいて、可燃性吸収材含有燃
料要素内の可燃性吸収材の異なる軸方向領域の数
を減らすことによつて、燃料集合体内の可燃性吸
収材含有燃料要素の設計を簡単にすることができ
る。

特定の炉心必要条件および原子炉設計に応じて
別の制御セルパターンを用いることができる。主
要基準は制御セルのパターンにより最大炉心対称
性を与えることと、原子炉運転開始の容易さ、出
力形状および最大過剰反応度の制御、および使用
格子の負荷追従を保証できる十分な制御セルが存
在することである。制御セルの数および位置は、
その変更により性能上のまたは他の利点がある場
合に、新しい燃料サイクル間隔の開始時に変更す
ることができる。

制御機能の分離と特別な炉心設計とにより以下
の基本的基準を実現することができる。(1)末減損
可燃性吸収材含有燃料を有意出力時に制御棒の隣
りに配置しないこと。(2)高反応度燃料を定常状態
定格出力時に制御棒の隣りに配置しないこと。(3)
制御棒パターン変更および制御棒移動を１燃料サ
イクル間隔内で最小限にすること、(4)隣接制御棒
移動に基づく大きなδ出力変化を経験する燃料を
制御棒引抜き時に比較的低い出力に維持するこ
と。(5)制御棒でコールド停止反応度を最高反応度
の局部領域で最大にするとともに、制御棒燃焼の
コールド停止制御への影響を最小限にすること。
(6)定格出力で出力整形に用いられる制御棒による
局部および全体的出力の擾乱を最小にするととも
に、制御ブレード寿命を出力時に顕著な中性子照
射が何度も重なる制御ブレードに関しては最大に
すること。

これらの原理を制御セル炉心設計に適用する結
果として、大きな熱的余裕、ブランド稼動率の上
昇、オペレータ誤操作可能性の減少および安全性
の向上、燃料信頼性の向上、燃料サイクル経済上
の向上、簡単な燃料製造および負荷追従速度およ
び範囲の向上といつた利点が得られる。さらに、
制御棒パターン変数の数の減少により設計が簡単
になり、全自動直接出力整形制御を適用する可能
性が増加する。

次に図面を参照しながら本発明を詳述する。本
発明を沸騰水型の水冷減速原子炉に適用するもの
として説明するが、本発明はこれのみに限定され
るものではない。沸騰水型原子炉の１例を第１図
の略図に示す。この原子炉は圧力容器１０を具
え、圧力容器は、軽水のような冷却材兼減速材中
に沈められた炉心１１を有する。炉心１１は環状
シユラウド１２により包囲され、上部炉心グリツ
ド１４と下部炉心ブレード１６との間に、互に間
隔をあけて配列された多数の交換可能な燃料集合
体１３を含む。

複数個の制御棒駆動機構収納管１７内に収容さ
れた制御棒駆動機構によつて、炉心の反応度を制
御する目的で、複数個の制御棒１８を燃料集合体
１３間に選択的に挿入することができる。各収納
管１７には燃料集合体支持部材１９が装着され、
各支持部材１９には４個の隣接燃料集合体のノー
ズ部材２１を受入れるソケツトが形成されてい
る。ノーズ部材２１および支持部材１９には、冷
却材供給室２２と連通する冷却材通路または開口
が形成されている。冷却材循環用ポンプ２３によ
り供給室２２中の冷却材を加圧し、かくして冷却
材を供給室２２から支持部材１９および燃料集合
体ノーズ部材１の開口を経て燃料集合体１３内に
上向きに強制送給する。これにより冷却材の一部
は水蒸気に転換され、水蒸気は、気水分離器−蒸
気乾燥器２４を通過してタービン２６のような蒸
気使用装置に達する。復水器２７で形成された凝
縮水をポンプ２８により給水として容器１０に戻
す。

１本の制御棒１８とこれを囲む４つの燃料集合
体が炉心の１つの燃料セルを構成する。このよう
なセル２９の代表例を第２図の平面図に示す。制
御棒１８を囲む４つの燃料集合体１３（１）〜１
３（４）は、その上端で、ビーム３０と３２を交
差連結することにより形成された上部炉心支持格
子により、横方向に支持されている。

交換可能な燃料集合体１３それぞれは、複数個
の細長い燃料要素３４を、上部および下部タイプ
レート（図示せず）間で相互に間隔をあけて支持
するとともに、管状の流れチヤンネル３６で囲ん
で形成される。チヤンネル３６は冷却材を燃料要
素の間で上方に導びく作用をなす。このような燃
料集合体のさらに詳しい図解は、前述した米国特
許第3689358号に見られる。

上述したタイプの原子炉では、炉心の一部をな
すある部分量（バツチ）の燃料を定期的に再装荷
する。代表的な例では、原子炉を燃料濃縮度、再
装荷バツチの寸法および使用格子の条件に応じて
再装荷から次の再装荷まで12〜18ケ月間作動させ
る。この再装荷と次の再装荷との間の運転間隔を
「再装荷サイクル」（refueling cycle）と称する。

本発明によれば、炉心の燃料セルを制御セルお
よび非制御セルのパターンに配列し、制御セルを
互に少くとも１個の非制御セルにより分離する。
かゝるパターンとして使用できる２つの例を、第
３Ａおよび３Ｂ図の炉心の対称な４象限のうちの
１象限の平面図によつて説明する。制御セルの燃
料集合体３８を「Ｃ」で示し、非制御セルの燃料
集合体４０を「Ｎ」で示す（ＣおよびＮは
contrclおよびnon−controlの頭文字）。これらの
パターンは、両者とも炉心に関して制御セルの異
なるパターンと1/8炉心対称である。（炉心の対称
性は望ましいものではあるが、ここで説明する制
御セル炉心配列の必須要件ではない。）再装荷サ
イクルと次の再装荷サイクルとの間で、制御セル
の数を増減したりパターンを別のパターンに変え
たりすることができる。例えば、第３Ａ図のパタ
ーンを１回の代表的１年間再装荷サイクルの間使
用し、その次の１年間再装荷サイクルの間、第３
Ｂ図の位置に配置転換された制御セルを使用する
ことができる。

炉心の外周は、例えば高い熱中性子束勾配によ
り特徴付けられる特殊領域とみなすことができ
る。この領域に使用するのに好適な燃料集合体を
同定し易くするために、外周燃料集合体を「Ｐ」
で示し、これに隣接する燃料集合体を原則として
「Ｉ」で示す。

図示の便宜上、炉心の１象限のみを示してある
が、炉心が対称であるとすれば、炉心配列全体を
示すのに１象限を図示すれば十分である。

さらに、本発明によれば、制御セル（以下Ｃセ
ル）３８には相対的に低い反応度の燃料を装荷
し、非制御セル（以下Ｎセル）４０には相対的に
高い反応度の燃料を装荷する。例えば、特定ケー
スの必要条件に応じて、Ｃセルは、運転サイクル
の開始時に、約0.711〜1.2W／Ｏ（核分裂性物質
重量パーセント）の新燃料濃縮度（初期炉心の場
合代表値は0.924W／Ｏ）に等価な反応度を有し、
Ｎセルは、約1.6〜2.7W／Ｏまたは2.15W／Ｏ程
度の平均値の新燃料濃縮度に等価な反応度を有す
る。Ｎセル中の核分裂性物質対Ｃセル中の核分裂
性物質の比は、通常、設計、運転および燃料サイ
クル条件に従つて最大にする。

さらに、外周燃料集合体Ｐには、例えば天然ウ
ランの新燃料濃縮度（0.711W／Ｏ）に等価な低
い反応度の燃料を装荷し、隣接中間燃料集合体Ｉ
には、例えば約3W／Ｏの新燃料濃縮度に等価な
高い反応度の燃料を装荷する。このように低反応
度外周燃料と高反応度隣接中間燃料との組合せを
用いることにより、炉心からの中性子もれを最小
にする一方、炉心の半径方向出力分布を平担化
し、熱的性能限度に関する余裕（margin）を改
善する。

本発明によれば、このように燃料を配列した状
態で、原子炉を停止状態から運転状態にするため
に、Ｎセルの制御棒を外周部分のものから順次炉
心から引抜き、それ以後運転サイクルの間ずつと
Ｃセルの制御棒のみを用いて出力レベルおよび分
布を制御する。Ｃセルの制御棒の操作計画は色々
な要素の中でも特に隣接Ｎセル中の燃料の反応度
分布に依存する。（運転サイクル中のＣセルの制
御棒の操作計画例は後で示す。）原子炉運転の一
般的計画は、Proceedings of IAEA Panel，
Vienna 1967，International Atomic Energy
Agency（1968）中のR.L.Crowtherの論文
“Burnup Analysis of Large Boiling Water
Reactors”（大形沸騰水型原子炉の燃焼分析）に
記載されている。この論文に記載された一定の燃
焼出力サイクル初期−末期状態は「ヘーリング分
布」（Haling distributicn）と称される。

原子炉炉心が十分な回数の均一反復運転サイク
ル運転されると、炉心は交換燃料集合体の数およ
び濃縮度ならびにその炉心内分布に関して「平
衡」に達する。従つてこのような炉心は平衡炉心
と称され、その運転サイクルは平衡サイクルと称
される。代表的な例では、平衡炉心を全燃料集合
体の４分の１程度の交換によりほゞ１年毎に再装
荷する。従つて平衡炉心では燃料集合体は、
26000MWD／ST（メガワツト・日／標準トン）
程度の代表的出力照射の場合、炉心内に約４年間
滞在する。

平衡炉心において、本発明によれば、Ｎセルの
最大撚焼即ち最小反応度の燃料集合体をかゝる集
合体の炉心内滞在の最終サイクルの間Ｃセルに使
用する。この例では、Ｎセル燃料はその最終サイ
クルの間Ｃセル内に配置できるように、そして最
大熱余裕および燃料信頼性を呈するように特別に
設計されている。本発明の他の実施例では、特別
な燃料集合体をＣセル内に新燃料として、もしく
は幾つかのＮセルに１〜３再装荷サイクルの間滞
在させた後に装荷する。

実用運転において、原子炉が真の「平衡」に達
するのはごく稀である。従つて実用原子炉炉心設
計では、原子炉運転状態の実際の変動に適合する
ように反応度、再装荷バツチ寸法、制御棒パター
ンおよび原子炉運転モードを調節できることが必
要である。本発明によれば、この目的を達成する
ために、制御セルおよび非制御セルの反復配列を
炉心の中心部分に、低反応度セルを外周領域に維
持して、炉心からの中性子のもれを最小にし、か
つ中心領域と外周領域との間の中間領域は、燃料
集合体の数および体積を変えることができるよう
にする。

従つて、Ｃセルの数はある再装荷サイクルから
次の再装荷サイクルで変えることができる。２種
以上のの燃料集合体を再装荷できることにより融
通性がさらに増す。再装荷中に挿入する燃料集合
体はタイプ、平均濃縮度、可燃性吸収材含量およ
び他の設計特性を変えることができ、先の再装荷
サイクルから取出された燃料をもつて構成するこ
ともできる。

しかし、稼動状態に入つたばかりの新しい原子
炉においては、普通炉心の燃料のすべてが新し
い。このような初期炉心に用いる燃料集合体は平
衡炉心を事実上まねるように設計配置され、これ
により初期炉心から平衡炉心への移行を容易にす
る。本発明の初期および移行サイクル運転への適
用を以下に説明する。

第４Ａ〜４Ｇ図は初期炉心に用いる炉心配置例
およびこれに用いる燃料集合体例を示す。

第４Ａ図に示す初期炉心配列には、第４Ｂ〜４
Ｆ図に示す異なる燃料集合体タイプCi、Na、
Nb、IiおよびPiを用いる。第４Ｂ〜４Ｆ図にお
いて、Ｗで示される燃料要素位置は、水減速材が
流通する下部および上部開口を有する非燃料装填
管で占められている（例えば米国特許第3802995
号に説明されている）。第４Ｃ、４Ｄおよび４Ｅ
図において、BAで示される燃料要素は、その燃
料物質の部分に可燃性吸収材、例えばガドリニウ
ムが混合されている。かゝる可燃性吸収材の軸方
向分布例を第４Ｇ図に示す。このような簡単な可
燃性吸収材配置は、本発明に係わる制御セル炉心
およびその運転に適当である。その理由は、この
ような配置では出力時に有意の未燃焼の可燃性吸
収材を含有する燃料集合体付近に制御棒を挿入し
ないからである。かくして、制御棒に起因する出
力分布擾乱および制御棒の可燃性吸収材燃焼との
相互作用が回避される。また第４Ｃおよび４Ｄ図
に示すように特定の燃料要素は特定の炉心の必要
条件に応じてまた炉心内の燃料集合体の位置に応
じて可燃性吸収材を含有してもしなくてもよい。

燃料集合体Ci、Na、Nb、IiおよびPiは、第４
Ａ図の配列に、設計上の安全制約を満たす一方、
初期運転サイクル全体にわたつて炉心の全出力能
力を最大にするような態様で、並べられている。
炉心容積の約1/8を占める外周領域には低濃縮度
の集合体Pi（第４Ｆ図）を装填して炉心からの中
性子のもれを最小にする。高濃縮度の燃料集合体
Ii（第４Ｅ図）を外周集合体の隣りに配置して炉
心半径方向出力分布を平坦にし、熱的性能を改善
する。

燃料集合体Ci（第４Ｂ図）は、初期運転サイク
ル全体にわたつてＣセルに用いるように設計され
ている。低い平均濃縮度に加えて、この燃料集合
体の燃料要素の濃縮度分布は、最低濃縮度の燃料
要素を隣接制御棒にもつとも近い燃料要素位置に
配置するように設計されている。燃料要素の分布
は、制御棒を燃料に隣接するよう挿入した状態で
長期の出力運転に適合するように最適化されてい
る。この配置により、燃料集合体が挿入された制
御棒ブレードに隣接する状態からその後制御棒引
抜きに致る必要な長期間に順応でき、かつ先の制
御棒挿入の履歴に基づく関連した局部的出力ピー
キングを補償することができる。（なお、燃料集
合体Ciは、炉心の外周位置で燃料集合体Piの代替
品として用いることもできる。） 燃料集合体Na、NbおよびIiは、初期にＮセル
に滞在させ、十分な照射を重ねた後、最終的にＣ
セルに使用するように設計されている。例えば、
燃料集合体Naは第２サイクルでＣセルに、燃料
集合体Nbは第３サイクルでＣセルに、燃料集合
体Iiは第４サイクルでＣセルに移動することがで
きる。このような使用を可能にするこれらの燃料
集合体の設計特徴の１つが、制御棒を長期運転期
間中挿入しておいた場合の最終サイクル運転を保
証する独特の燃料濃縮度分布である。

別の方式においては、新しい（未照射）Ciタイ
プの燃料集合体を各再装荷サイクル毎に制御セル
中に装入することができる。これらの燃料集合体
の燃料要素は、隣接制御ブレード移動から生じる
大きなδ出力からの特別な保護、例えば米国特許
第3925151号に記載されたような被覆障壁をもつ
ように設計することができる。

前述したように、制御セル炉心の運転にあつて
は、原子炉を出力状態にもつて行くにつれてＣセ
ルの制御棒を除くすべての制御棒を引抜く。従つ
て出力時の運転はＣセルの制御棒によつて制御さ
れる。Ｃセル制御棒の操作計画は、特に従来の制
御棒操作計画と比較して、極めて簡単である。

第４Ａ図に示す燃料集合体の特殊なパターンに
より、原子炉運転開始が容易になり、運転の融通
性が高まる。２番目に低い反応度の燃料集合体
Na（第４Ｃ図）は1/8炉心対称な別の制御セル位
置に配置する。運転開始の間、Na位置の制御棒
は、蒸気ボイド係数、ドツプラー係数およびキセ
ノン反応度を部分的に制御するのに用いられ、そ
の後炉心運転を制御するために制御棒をCi位置の
みに用いる前に引抜くべき最後の制御棒群とな
る。このことにより低い原子炉出力時に移動され
る制御ブレードの先端をはずれた局部的出力が最
小限に抑えられ、さらに迅速かつ信頼性ある原子
炉運転開始を行える。

次の再装荷サイクルの間、制御セル（Ci）の位
置をNa位置に変えることができ、Ci位置からの
燃料集合体を取出すかまたは外周位置Piに移動
し、Nb位置の燃料集合体をCi位置に移動し、新
しい燃料集合体を空になつたNb位置に配置する。

その次の再装荷サイクルでは、制御セルを第４
Ａ図に示すCi位置に戻す。この組合せの再装荷お
よび運転プランにより、再装荷中に移動しなけれ
ばならない燃料集合体の数を少くする。同様の計
画を用いる統合化平衡装荷プランを以下に説明す
る。

１例としてＣセル制御棒操作計画を一般用語で
第５図に関連して説明する。第５図ではＣセル制
御棒を８個のセル群の１構成要素として示してあ
る。

第５図の群指定を用いた場合、サイクル全体に
わたつてのＣセル制御棒パターンの選択は代表的
には次のようになる。

(1) 群１、２および８の制御棒を相対的に深い位
置に挿入する。これらの制御棒を用いて、その
長さの約1/3が炉心から引抜かれるまで、サイ
クル中の反応度変化を補償する。次いでこれら
の制御棒を炉心から完全に引抜く。

(2) 群３の制御棒を中間位置にかつ群１、２およ
び８の制御棒に関連して挿入して炉心を臨界状
態にし、全半径方向炉心出力分布を炉心の中心
に向けてピーキングさせるとともに、中心ピー
クの大きさを前述したヘーリング燃焼分布の中
心ピークに少くとも等しくする。

(3) 群７の制御棒を浅い位置から深い位置に挿入
する。これらの制御棒は二重の役割を果す。こ
れらの制御棒は、群１および２の制御棒を深く
挿入するサイクルの部分期間の間半径方向炉心
出力分布を整形するのに用いられる。その上、
これらの制御棒は、外周集合体に隣接する高反
応度の燃料集合体に許容範囲内に限定された出
力密度を維持するのに必要な軸方向出力整形を
なす。さらに、運転融通性が必要とされる装入
後の運転開始および他の状態の間、群７の制御
棒を深く挿入して、制御棒を部分的に引抜いた
際にブレード先端をはずれた燃料の局所出力密
度がペレツト−クラツド相互作用（PCI）しき
い値限定出力より小さくなるようにし、この結
果、これらの制御棒を定格出力時に深い位置か
ら移動することができる。

(4) 群４および５の制御棒は、群１、２および８
の制御棒を挿入したサイクルの部分期間の間軸
方向出力整形のためのみ用いられる。この期間
中制御棒を必要に応じてのみ挿入して隣接高反
応度燃料集合体に許容し得る出力密度余裕を維
持する。群１、２および８の制御棒を完全に引
抜いたとき、群４および５の制御棒を挿入して
そのサイクルの残りの期間の反応度制御の役割
を引継ぐ。この群１、２および８の制御棒を群
４および５の制御棒と交換することは、時には
Ｃセル燃料集合体におけるピーク出力密度を最
小にするために行われる。群４および５のセル
中のＣセル燃料集合体は交換時にその中心面よ
り上に制御棒履歴をもたないので、これらの局
所出力ピーキングは交換を行わなかつた場合に
群１、２および８制御セルの燃料集合体が呈す
るであろうピーキングより低い。

(5) 最後に、群６の制御棒を必要な場合にのみ挿
入して高反応燃料集合体に許容し得る出力密度
を維持するか、または前述した群７の制御棒の
適用に類似した深い制御および全出力運転融通
性を達成する。

１運転サイクルの最後に、再装荷のために原子
炉を停止する。通常、外周燃料集合体を炉心から
取出す。Ｃセル集合体をＣセルから外し、炉心か
ら取出すか、または場合によつてはこれらの集合
体を炉心でもう１サイクル用いるために外周燃料
集合体位置に移動してもよい。ＣセルにはＮセル
から最高燃焼最低反応度の燃料集合体を再装荷す
る。（Ｎセルからの高燃料集合体も外周燃料集合
体位置に移動することができる。）新しい燃料集
合体をＮセルに（好ましくは散乱装入態様で）挿
入する。これらの新しい集合体は次の運転サイク
ル全体にわたつて必要な反応度を与えるのに適当
な濃縮度を有する。

本発明に従つて再装荷した炉心の配列例を第６
Ａ図に示す。燃料集合体の判別符号（Ｎ、Ｃ、
Ｐ）の添字０〜３はこの再装荷時までに燃料が受
けている照射サイクルの数を示す。

第６Ｂ図は第４Ａ図の初期炉心設計と同様の反
応度分布を呈する別のパターンを示す。外周
（P₄位置）に位置する第５サイクル燃料は、通常
それ以前のサイクルからの第４サイクル外周燃料
であるが、制御セル位置から移動された燃料とす
ることもできる。このパターンを平衡時に繰返す
るには、P₄、C₃および／またはP₃燃料集合体を
取出し、N₂および／またはC₃燃料集合体をＰ位
置に移動し、N₂燃料集合体をC₃位置に移動し、
N₁燃料集合体を以前のN₂位置に移動し、新しい
燃料を空のN₁位置に装入する。

第６Ｃ図は第６Ｂ図と類似した別の装入パター
ンを示すが、本例では制御セルを炉心の中心に関
して異なる位置に配置して第３Ｂ図の炉心配置と
同様の配置を達成している。第６Ｃ図の配置の制
御セルは第６Ｂ図の配置のN₂燃料のセルと同じ
位置にあることに注意すべきである。

N₂燃料集合体は、その最終サイクルの間制御
セルに使用されるように予定されているので、再
装荷中に移動しなければならない燃料集合体の数
は、ある再装荷サイクルでの第６Ｂ図の制御セル
パターンから次の再装荷サイクルで第６Ｃ図のパ
ターンに、またその次の再装荷サイクルで第６Ｂ
図のパターンにと順次変えて行くことにより最小
にすることができる。この別法により制御ブレー
ドの使用および燃焼が一層多数の制御棒に広げら
れ、従つて制御セル内での出力整形および反応度
制御のために特殊機能長寿命制御棒の数が約２倍
必要である。

第７図は、第５，６Ａおよび６Ｃ図の炉心配置
に新しい燃料No.として使用する再装荷燃料集合体
例を示す。この設計で注目に値するのは、燃料集
合体の制御棒角部に相対的に低い濃縮度の燃料要
素を配置したことで、これにより制御棒履歴効果
を最小にするとともに、集合体をＮセルで照射し
た後Ｃセル位置に使用することができる。

特別な燃料要素を、再装荷または初期炉心燃料
集合体内の出力変化またはペレツト−クラツド相
互作用からの損傷をもつとも受け易い燃料要素位
置、例えば第７図の再装荷燃料集合体の位置３、
４、５および７に使用することができる。このよ
うな燃料要素には保護被覆障壁、例えば被覆を核
分裂生成物の攻撃から保護する銅または純粋なジ
ルコニウムの層を設けることができる。このよう
な耐損傷性燃料要素は環状燃料ペレツトおよび／
または添加可塑剤含有燃料ペレツトを含むことも
ある。

本発明に係わる燃料集合体は炉心必要条件およ
び特定の集合体の炉心内の位置に応じて一層多量
または少量の可燃性吸収材を含有できることを注
意すべきである。

第８Ａ図は、第６Ａ図の平衡炉心の運転サイク
ル全体にわたつての種々の照射量ＥにおけるＣセ
ル制御棒パターンの例を示す。制御棒は群毎に操
作され、この制御棒群の符号１〜８は第５図に示
したのと同じである。Ｃセルを表わす四角内の数
字はセルの制御棒の全深さ挿入に対する割合（パ
ーセント）を示す。従つて、100は完全挿入を示
し、０は完全引抜きを示す。

制御セル以外の制御棒は有意の出力時には運転
に用いられず、制御セルの制御棒の移動は原子炉
運転中は最小限に抑えられる。

第８Ｂ図は、普通の設計および運転の炉心に関
して、制御棒に隣接する相対出力を底部進入制御
棒位置の函数として示す。この図は炉心の頂部に
おける減少した蒸気ボイド注入の効果を示し、そ
の結果、制御棒を炉心の底部に挿入したとしても
高いピーク出力が生じる。

第８Ｃ図は、本発明の制御セル炉心思想に基づ
く設計および運転の炉心に関する相対出力対制御
棒位置の関係を示す同様の曲線を示す。注目すべ
きことには、第８Ｂ図の通常の炉心と比較して制
御ブレードに隣接するピーク出力が著しく減少
し、炉心内の上方または下方で出力のピークが生
じ難く、出力ピーキングを増さずに制御ブレード
を炉心中一層深くに挿入でき、制御ブレードを完
全に引抜いた位置で出力が燃料の頂部的80％にわ
たつて減少する。

第８Ｄ図は、本発明の制御セル内での制御棒移
動が非制御セル内の高反応度燃料に与える効果を
示す。通常の設計の高反応度燃料出力分布傾向
（第８Ｂ図）と比較して、制御ブレード移動中の
出力（KW／ft）の変化が小さく、この燃料では
制御セルブレードの部分的挿入により軸方向出力
ピークを一層よく制御でき、ある制御棒状態から
別の状態への移行が一層スムーズで、炉心の頂部
における出力増加が著しく小さく、そしてピーク
原子炉局所出力が減少する。

従つて本発明に係わる制御セル操作モードにお
いては、制御ブレードを炉心の底部約17％に挿入
しても、制御セルの燃料にも制御セルの外側のま
り非制御セルの高反応度燃料にも著しいピーク出
力の増加がない。さらに、制御セルの制御ブレー
ドを中心位置に挿入することにより、隣接非制御
セルの燃料のピーク出力が著しく減少する。これ
らの傾向を用いて、今まで適用されてきた従来の
制御法で達成されるより一層適切な出力形状を本
発明の制御セル設計で得ることができる。

本発明の制御セル炉心の重要な特徴はＣセルお
よびＮセル制御棒の機能の分離である。炉心出力
レベルおよび整形制御に用いられるＣセルの制御
棒は全制御棒の約1/4だけである。残りの制御棒、
即ちＣセル以外の制御棒はその主機能として原子
炉停止を行う。この機能分離と炉心出力制御に用
いられる制御棒の数を最小にすることとによつ
て、制御棒およびその駆動機構の設計を改変し
て、すべての制御棒および駆動機構が出力整形お
よび停止の二重機能を果たさなければならない場
合には実用できないような態様で、前記制御棒お
よび駆動機構が特定の機能を果すようにすること
ができる。

例えば、Ｃセルの制御棒が長い寿命を有し、こ
れらの制御棒がその移動につれて隣接燃料の局所
出力を急激にというよりはむしろ徐々に変化させ
ることが望ましい。Ｃセルに用いるのに適当な制
御棒１８１および制御棒駆動機構１７１の例を第
９Ａ〜９Ｄ図に示す。

制御棒１８１は、ハンドル４４が形成された上
部鋳造部４２と下部鋳造部４６とを十字断面の中
心ポスト４８で連結して形成される。下部鋳造部
４６には速度制限器５０、案内ローラ５２および
駆動機構１７１への取付用の連結ソケツト５４が
形成されている。上部鋳造部４２にも案内ローラ
５５が取付けられ、これにより制御棒１８１を燃
料集合体間で横方向に支持する。

Ｕ字形のシースを中心ポスト４８および上部鋳
造部４２および下部鋳造部４６に取付けて制御棒
の４つのブレード５６（１）〜５６（４）を形成
する。ブレード５６（１）〜５６（４）それぞれ
の中には複数個の中性子吸収棒５８が収容され
る。代表的には、吸収棒５８は第９Ｂ図に示す通
り、適当な中性子吸収材、例えば天然の炭化硼素
（B₄C）粉末６２を含有する密封管６０から形成
される。粉末６２の柱状体は、一連の離間した球
６４により分割され、球６４は、管６０の壁に設
けられた円周方向クリンプ６６により移動を拘束
されている。この構成により、粉末６２の柱状体
に空隙が生じるのを防止するとともに、吸収棒の
一部に亀裂が入つた場合に吸収棒から粉末がすべ
て失なわれるのを防止する。

制御セル内に配置された制御棒が、隣接燃料に
最小の衝撃しか与えず、従つて制御棒ブレードを
引抜いたときに局所出力変化を最小にすることが
望ましい。このことは制御棒ブレードに「グレイ
チツプ（grey tip）」を設けることによりある程
度達成される。グレイチツプは水減速材を排水す
るとともに、制御ブレードの他の場所の強い制御
物質より少量の中性子を吸収する。

制御セル内に配置された制御ブレードが長い寿
命を有することも望ましい。制御ブレードの羽根
の先端および側縁は最大数の中性子を吸収し、こ
れらが制御ブレード寿命を限定する。制御ブレー
ドの高捕獲領域に、中性子捕獲から気体または他
の損傷性反応生成物を生成しない長寿命物質を選
択使用することにより、制御ブレードの寿命を伸
ばすことができる。

制御棒１８１をＣセルに使用するように改作す
る特徴は次の通りである。制御棒１８１には長寿
命または「グレイチツプ」を種々の方法で形成す
ることができる。（ここで「グレイチツプ」は制
御強さが頂部またはハンドル端から徐々に増加す
ることを意味する。）第９Ａ図に示すように、ハ
ンドル４４は正規より幅広にかつ長くし、例えば
中性子吸収材であるが硼素より制御強さの低いス
テンレス鋼で形成する。従つて、拡大されたハン
ドル４４は水をその分排水し、制御棒の先端から
本体へ制御強さを変移させる。

グレイチツプ長寿制御棒１８１を形成する別の
または追加の方法を第９Ｃ図に示す。本例では、
ブレード５６（１）〜５６（４）内の吸収棒５８
の管６０に吸収材６２をその高さがブレードの外
縁に向つて次第に低くなるように充填することに
より、グレイチツプ長寿命制御棒を得る。

グレイチツプ効果および長い制御ブレード寿命
双方をもたらす配置を第９Ｄ図に示す。この配置
では、硼素に代えて適当な中性子吸収材、例えば
ハフニウムを内側吸収棒ではその長さの頂部1/24
から1/4まで、また１本または２本以上の外側吸
収棒ではその全長に充填する。制御ブレードの中
性子束勾配が急唆であるので、制御ブレードの先
端および外側吸収棒は最高入射中性子束、最大中
性子捕獲速度、従つて最短寿命を有する。これら
の位置に用いられるハフニウムはB₄Cよりはるか
に長いブレード寿命を与える。その理由は、ハフ
ニウムがB₄Cから生成されるガスを含めて損傷性
反応生成物を形成しないからである。

またハフニウムは熱中性子に対してB₄Cより鈍
感であるが、エピサーマル中性子の強い吸収材で
ある。従つて、ハフニウムは熱中性子吸収が少な
いが、エピサーマル中性子に関してはＵ−238と
より大きく競合する。その結果、Ｕ−238の転換
が減少し、従つて制御棒履歴効果が減少する。ハ
フニウムでは経費が大きくなることはＣセル制御
棒への使用については正当化される。その理由
は、Ｃセル制御棒は炉心のの制御棒のうち少数部
分であり、もつとも厳しい責務を果すからであ
る。第９Ｄ図の制御棒設計は、高価なハフニウム
物質を制御ブレード寿命の延長にこの物質が必要
とされる制御ブレードの領域のみに局在化するこ
とによりコストを最小限に抑えている。

最後に、制御棒を移動するときに隣接燃料にお
ける局所出力の変化割合を小さくするために、制
御棒駆動機構１７１（第９Ａ図）を微細移動型の
ものとするのが望ましい。適当な微細移動兼スク
ラム駆動機構が米国特許第3734824号に開示され
ている。

Ｃセルの外側の制御棒、即ちＮセルの制御棒
は、原子炉炉心が出力運転中は引抜かれる。従つ
てこれらの制御棒は長い寿命を有し、コールド停
止価値を最大にするためにより強い吸収性のより
高価な物質でつくることができる。

Ｎセルに用いる制御棒１８２および駆動機構１
７２の例を第１０図に示す。制御棒１８２の概略
構造は第９Ａ図の制御棒１８１とほゞ同様であ
る。従つて概略の説明は繰返さない。

コールド状態では、例えば沸騰水型原子炉の場
合、炉心の頂部付近の燃料がもつとも反応性であ
る。従つて、Ｎセル制御棒においては、より高価
かつ強い中性子吸収性の物質を吸収棒の頂部1/4
または1/3のみに使用することが必要である。従
つて、第１０図に示すように、吸収棒の特殊な強
力停止ブレードは、例えばブレード５６′（１）
〜５６′（４）の上部1/3の部分に炭化硼素（Ｂ−
10）を、その長さの残り下側2/3に普通のB₄Cを
含有する。

最後に、制御棒駆動機構１７２は比較的簡単に
段階的移動およびスクラム移動を行うことができ
る。このような駆動機構の適当な例が米国特許第
3020887号に示されている。

以上、原子炉炉心用の燃料および制御棒の設計
および配置と、その炉心設計およびその運転を著
しく簡単にできしかも燃料損壊の危険の低下した
運転方法とを説明した。出力時に操作しなければ
ならない制御棒の数を著しく少なくし、制御棒パ
ターンをより精密かつ簡単にすることにより、自
動化制御棒操作が一層容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、水冷却兼減速原子炉およびその蒸気
使用系統を示す概略図、第２図は、炉心の燃料セ
ルの線図的平面図、第３Ａ図および第３Ｂ図は、
それぞれ制御セル配列の異なる例を示す炉心の1/
４の部分の線図的平面図、第４Ａ図は、初期炉心
用の制御セル炉心配列を示す線図的平面図、第４
Ｂ〜４Ｆ図は、第４Ａ図の配列に用いる燃料集合
体Ci、Na、Nb、IiおよびPiの配列図、第４Ｇ図
は、燃料要素内の可燃性吸収材の分布図、第５図
は、制御セルの制御棒の群指名の説明図、第６Ａ
〜６Ｃ図は、平衡炉心設計の再装荷例を示す平面
図、第７図は、再装荷燃料集合体の例を示す配列
図、第８Ａ図は、炉心運転サイクルの間の種々の
照射量における制御棒パターンの例（群指定は第
５図参照のこと）を示し、第８Ｂ図は、従来の設
計の炉心における高反応度燃料集合体の局部出力
変化をその集合体に隣接する制御棒の種々の位置
について示す曲線図（隣接制御棒を底部に向つて
引き抜く際の従来の設計の新燃料集合体の出力を
示す）、第８Ｃ図は、本発明の制御セル内の燃料
集合体の局部出力変化をその制御セル内の制御棒
の種々の位置について示す曲線図（制御セルの制
御棒を底部に向つて引抜く際の制御セル燃料の出
力を示す）、第８Ｄ図は、本発明の非制御セル内
の高反応度燃料集合体の局部出力変化を隣接制御
セル内の制御棒の種々の位置について示す曲線図
（制御セルの制御棒を底部に向つて引抜く際の制
御セルの隣りの新燃料の出力を示す）、第９Ａ〜
９Ｄ図は、炉心の制御セルに用いる制御棒および
駆動機構を示し、第９Ａ図は制御棒と駆動機構の
斜視図、第９Ｂ図は吸収棒の断面図、第９Ｃ図
は、制御ブレード内の吸収材の配置例、第９Ｄ図
は制御ブレード内の吸収材の別の配置例を示し、
第１０図は、炉心の非制御セルに用いる制御棒お
よび駆動機構を示す斜視図である。 １１……炉心、１３……燃料集合体、１８……
制御棒、２９……燃料セル、３４……燃料要素、
５６……ブレード、５８……吸収棒、１７１，１
７２……Ｃ，Ｎセル駆動機構、１８１，１８２…
…Ｃ，Ｎセル制御棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個のセルを有する原子炉炉心において、
   各セルが、選択的に挿入可能な制御棒を囲む複数
   個の個別に置換可能な燃料集合体を含み、連続す
   る定期運転サイクル１回毎に原子炉を停止して、
   炉心の燃料集合体の一部を交換するようにした原
   子炉炉心を燃料装荷および運転するにあたり、 (a) 前記炉心に２種のセルのパターン、即ち制御
   セルセツトと非制御セルセツトよりなり、制御
   セルにあつてこれと協働する制御棒は出力整形
   −反応度制御・制御棒として働き、非制御セル
   にあつてこれと協働する制御棒は原子炉停止・
   制御棒として働き、制御セルが互に少なくとも
   １個の非制御セルで分離されたパターンを選定
   し、 (b) 前記制御セルに使用するように特に構成され
   た設計の比較的低反応度の燃料の燃料集合体を
   制御セルに配置し、 (c) 前記制御セルに後に使用するように特に構成
   された設計の高反応度の燃料集合体を前記非制
   御セルに配置し、この高反応度は、この燃料集
   合体を炉心にｎ運転サイクル時間（ｎは２以
   上）滞在させるのに十分なものとし、 (d) 前記非制御セルの制御棒を運転開始から定格
   出力までに炉心から実質的に引抜き、また、前
   記制御セルの少なくとも幾つかのセルの制御棒
   を炉心に選択的に挿入して炉心の出力レベルを
   制御するに際して、部分的に挿入された制御棒
   のブレードが高反応度燃料あるいは非減損可燃
   性吸収材含有燃料に隣接しないようにし、 (e) 前記サイクルの終点で炉心の再装荷のために
   原子炉を停止し、 (f) 前記制御セルそれぞれからすべての燃料集合
   体を取出し、 (g) 前記制御セルから取出した燃料集合体すべて
   を、炉心内に（ｎ−１）サイクル滞在してい
   た、前記非制御セルから移動される照射ずみ燃
   料集合体と交換し、 (h) 前記制御セルに移動された照射ずみ燃料集合
   体の数と少なくとも等しい数の、炉心内でのｎ
   運転サイクルの滞在時間に十分な反応度を呈す
   る濃縮度の未照射燃料集合体を前記非制御セル
   に挿入し、 (i) 前記工程(d)〜(h)に従つて、連続する運転サイ
   クルで順次炉心を運転する、 以上の諸段階を有する原子炉炉心の燃料装荷およ
   び運転方法。 ２ 前記非制御セルに挿入される前記未照射燃料
   集合体が、四辺配列体に配置された複数個の細長
   い離間したほゞ平行な燃料要素よりなり、集合体
   の２つの隣接辺が炉心内で制御棒のブレードに隣
   接して位置するよう選択され；前記集合体の中心
   群の燃料要素が比較的高濃縮度の燃料を含有し：
   中間群の燃料要素が前記高濃縮度より低い中間濃
   縮度の燃料を含有し：外周群の燃料要素が前記中
   間濃縮度より低い低濃縮度の燃料を含有し：角の
   燃料要素が前記低濃縮度より低い濃縮度の燃料を
   含有し；前記所定隣接辺により画成される角に位
   置する１つの角燃料要素が前記集合体の他のあら
   ゆる燃料要素より低い濃縮度の燃料を含有し：前
   記集合体の幾つかの燃料要素が可燃性吸収材を含
   有し：さらに少なくとも１本の減速材流通棒が前
   記中心群の燃料要素間に延在する特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３ 工程(g)および(h)を変更して、幾つかの燃料集
   合体のみを少なくとも幾つかの制御セルから取出
   し、これらの燃料集合体を、（ｎ−１）サイクル
   照射されている非制御セルからの燃料集合体と交
   換する特許請求の範囲第１〜２項のいずれか１項
   に記載の方法。 ４ 工程(g)および(h)を変更して、少なくとも幾つ
   かの燃料集合体を少なくとも幾つかの制御セルか
   ら取出し、これらの燃料集合体を、比較的低反応
   度の未照射燃料集合体と交換する特許請求の範囲
   第１〜２項のいずれか１項に記載の方法。 ５ 工程(g)および(h)を変更して、幾つかの燃料集
   合体のみを少なくとも幾つかの制御セルから取出
   し、これらの燃料集合体を、前記非制御セル内で
   （ｎ−１）サイクルより少ないサイクル照射され
   ている比較的低反応度の照射ずみ燃料集合体と交
   換する特許請求の範囲第１〜２項のいずれか１項
   に記載の方法。 ６ 燃料要素のペレツト−クラツデイング相互作
   用に対する抵抗性を増す手段を含む燃料集合体の
   みを前記非制御セルから前記制御セルに移動する
   特許請求の範囲第５項記載の方法。 ７ さらに、反応度が前記制御セルの燃料の反応
   度より大きく前記非制御セルの燃料の反応度より
   小さい燃料の燃料集合体を含む第２制御セルのセ
   ツトを選定し、前記第２制御セルの制御棒を原子
   炉運転開始時および全出力運転に近づく間使用
   し、前記第２制御セルの制御棒を全出力運転中引
   抜き状態に維持する工程を含む特許請求の範囲第
   １〜６項のいずれか１項に記載の方法。 ８ さらに、グレイチツプを有する制御棒を前記
   制御セルに配置する工程を含み、前記グレイチツ
   プにより制御棒の上端の一部に沿つて制御強さを
   次第に減少させる特許請求の範囲第１〜７項のい
   ずれか１項に記載の方法。 ９ 前記制御セルの制御棒の上方部分および側方
   部分にハフニウムを配置し、前記制御セルの制御
   棒内の中性子吸収材の残りを硼素とする特許請求
   の範囲第１〜８項のいずれか１項に記載の方法。 １０ 上部の制御強さが下部の制御強さより強い
   制御棒を前記非制御セルに配置する工程を含む特
   許請求の範囲第１〜９項のいずれか１項に記載の
   方法。 １１ 前記非制御セルの制御棒の上部1/4〜1/3の
   部分に炭化硼素（Ｂ−10）を、それより下方部分
   に天然B₄Cを充填する工程を含む特許請求の範囲
   第１〜１０項のいずれか１項に記載の方法。 １２ 工程(b)で前記制御セルに配置される燃料集
   合体が、制御セルの制御棒チヤンネルに隣接する
   集合体の燃料要素内に低濃縮度燃料を含むが可燃
   性吸収材を含まず、隣接する制御棒の移動に耐え
   るように特に設計されている特許請求の範囲第１
   〜１１項のいずれか１項に記載の方法。