JPH0548437B2

JPH0548437B2 -

Info

Publication number: JPH0548437B2
Application number: JP59251389A
Authority: JP
Inventors: Renzo Takeda; Kanji Kato; Tadahiro Oonishi; Sadao Uchikawa; Hiromi Maruyama; Tadao Aoyama; Kikuo Umegaki; Taisuke Betsusho; Motomasa Fuse; Michiro Yokomi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-11-28
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1993-07-21
Also published as: JPS61129594A; CN85109302A; DE3576876D1; US4851181A; KR860004417A; EP0184134A1; KR920000287B1; CN85109302B; EP0184134B1

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、軽水減速型原子炉に関するものであ
る。

〔発明の背景〕

軽水減速型原子炉（以下、軽水炉と記す）での
燃料物質の利用方式は、ワンススルー方式と再処
理リサイクル方式に大別される。ワンススルー方
式では、原子炉は濃縮ウランを用い、原子炉から
取り出された使用済燃料棒に含まれている燃料物
質のどの成分も、軽水炉で再利用しない（リサイ
クルされない）方式である。この方式は燃料再処
理の費用がウラン濃縮の費用を上回つている場合
には、燃料サイクル費の面で有利な方法である。
再処理リサイクル方式は、使用済燃料棒に含まれ
ている燃料物質を再処理して新たな燃料棒を作り
その燃料棒を軽水炉内に装荷して燃料物質の再利
用を図るものである。ワンススルー方式で燃料物
質の有効利用を図る１つの方法は、燃料集合体か
らの取出し燃焼度を大きくする、すなわち高燃焼
度を実現することである。燃料集合体は、多数の
燃料棒にて構成されている。高燃焼度を達成する
ためには、濃縮ウランの濃縮度を高くする必要が
あるが、濃縮度が高くなると、次の問題が生じ
る。新燃料集合体の濃縮度が高くてしかも燃料集
合体の取出燃焼度が大きいために、軽水炉の炉心
内には、中性子無限増倍率の大きく異なる燃料集
合体が混在することになり、各燃料集合体の出力
分担割合に差が生じて出力ミスマツチが大きくな
り、出力ピーキングが増大する。また濃縮度の増
加に伴ない燃焼初期で制御しなければならない余
剰反応度が増大し、従来のガドリニア入り燃料棒
を使つた燃料集合体では、ガドリニア入り燃料棒
を多くする必要がある。

一方、ウラン資源の有効利用の観点から、ウラ
ン238から核分裂物質（プルトニウム239）への転
換を良くした軽水炉が提案されている。Nucl.
Technol.、59、212（1982年）におけるOldekopら
による“General features of advanced
pressurized water reactors with improved
fuel utilization”と題する文献では、軽水炉の
炉心間での水対燃料体積比を従来の2.0から0.5ま
で下げて、中性子の平均エネルギーを高め、プル
トニウム転換率を0.9以上にした炉心が示されて
いる。この水対燃料比0.5を実現する構造として、
稠密格子構造を用いている。この例も含めて、従
来の高転換軽水炉では、炉心から取出された使用
済の燃料集合体を再処理して炉心にリサイクルす
ることにより、燃料物質の有効利用を図るもので
燃料再処理や再加工等の燃料サイクルが完結して
いる必要がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料物質を再利用することな
く軽水炉の単位エネルギーを発生するのに必要な
天然ウラン量を減少でき、各領域内での各燃料集
合体間の出力ミスマツチを小さくできる軽水減速
型原子炉を提供することにある。

〔発明の概要〕

特許請求の範囲第１項記載の発明の特徴は、炉
心が半径方向において第１領域及び第２領域に分
けられ、前記第２領域における単位断面積当りの
燃料棒の平均本数が前記第１領域のそれよりも少
なくて前記第１領域における水素対ウラン原子数
比が1.0〜2.0であつて前記第２領域における水素
対ウラン原子数比が5.0以上であり、前記第２領
域に配置されている前記燃料棒は、前記第１領域
に配置されていた燃料棒であることにある。

特許請求の範囲第２項記載の発明の特徴は、上
記特許請求の範囲第１項記載の発明の特徴に、前
記第１領域内で初めて原子炉の運転を経験する第
１の燃料集合体は可燃性毒物を含まず、前記第２
領域に配置されている前記燃料棒は前記第１領域
内に配置されていた燃料棒であり、これらの燃料
棒を含み第２領域に装荷された第２の燃料集合体
は可燃性毒物を含有する燃料棒を含んでいること
を付加したものである。

炉心内におけるプルトニウム生産を増大させる
には、中性子のエネルギースペクトルを高エネル
ギー側にシフトさせウラン238に補獲吸収させる
割合を大きくさせればよい。このためには、中性
子の減速能の最も大きい水素原子に対するウラン
原子数の比を小さくする必要がある、ワンススル
ー方式の原子炉では生産された核分裂性物質であ
る。プルトニウム−239、−241および濃縮された
ウラン−235をできるだけ効率よく燃し切る必要
がある。このためには、中性子の減速をよくし熱
中性子の割合を多くすることにより核分裂性物質
への吸収率を良くすればよい。これは水素原子に
対するウラン原子数の比を大きくすることにより
実現できる。このように、プルトニウム生産増大
の対策と核分裂性物質（プルトニウム−239、−
241、ウラン−235）の高効率燃焼の対策とでは中
性子減速すなわち水素原子対ウラン原子数の比に
関しては反するものとなる。

上記の相反する対策を同一の炉心で実現させ、
核分裂性物質をより多く生産し、かつより有効に
利用することで省ウランと高燃焼度化をはかる本
発明の概要を第１２図及び第１３図に基づいて具
体的に述べる。炉心４５仕切り部材４９によつて
半径方向に第１領域４６、第２領域４７，……、
及び第Ｎ領域４８に分割されている。第１領域４
６の水素対ウラン原子数比r_H／_Uはa₁、第２領域
４７のその比r_H／_Uはa₂、第Ｎ領域４８のその比
r_H／_Uはa_Nであり、 a₁＜a₂＜……a_N ……(1) の関係にある。またa₁は、現行の軽水減速型原子
炉の水素対ウラン原子数比よりも少さい値、すな
わち1.0〜2.0の値とし、a_Nは現行の軽水型原子炉
の水素対ウラン原子数比より大きな値、すなわ
ち、5.0より大の値とする。燃焼度０の新燃料棒
は、最初に第１領域４６に装荷され、第１２図に
示す切替え点E₁まで燃焼させる。次にE₁まで燃
焼された燃料棒は、第２領域４７に移行される。
第２領域４７で切替え点E₂まで燃焼された燃料
棒は、第３領域に移行される。以上の燃料棒の移
替えを燃料交換時ごとに実施させることにより、
最初第１領域４６に装荷された新燃料棒は、その
寿命中領域を次々に移替り第Ｎ＋１の交換時に最
後の第Ｎ領域４８でE_Nまで燃焼して原子炉外に
取出される。したがつて、燃料棒の寿命の前半
は、水素対ウラン原子数比の小さい領域に存在し
て燃料棒中のプルトニウム生産の増大が計られ、
寿命の後半では水素対ウラン原子数比のより大き
い領域に存在することによつて燃料棒中の核分裂
性物質をより効率よく燃焼させていくことができ
る。第１４図に、ウラン濃縮度約４％の燃料棒に
ついて水素対ウラン原子数比をパラメータに、燃
焼度に対する転換比（初期ウラン−235原子数濃
度に対する燃焼後の核分裂性物質原子数濃度の
比）の変化を示す。第１領域４６の水素対ウラン
原子数比を約1.0にすると30GWd／ｔ燃焼させた
後にも、初期のＵ−235原子数濃度の約95％の核
分裂性物質が残つている。第１２図の仕切り部材
１４は領域間を仕切る境界層で各領域間で冷却材
流体の出入かないようにセパレータとして設け
る。材料としては中性子吸収が少ない物質、例え
ばジルカロイ等の合金を用いる。また、第１３図
に、本発明を実施した場合の燃料棒寿命中の燃焼
度に対する中性子増倍率の変化を示す。領域４６
で中性子増倍率の平均値が臨界条件を満たしてい
なくとも全領域の平均が条件を満たすように設計
すればよい。第２領域以降には反応度制御のため
ガドリニアを入れる。

第１５図は、本発明による炉心の各領域におけ
る出力密度と冷却材流量の半径方向分布を示した
ものである。出力密度は、中心に近い領域ほど燃
料棒が密に詰つているため高くなつており、冷却
材炉心の冷却材入口で各領域に設けたオリフイス
を調整して、各領域の燃料棒および燃料被覆管温
度が設計基準値を越えないよう冷却材の流量を配
分する。さらに、冷却材を沸騰させる炉心では、
流量を調整して各領域のボイド率を変えることに
より水素対ウラン原子数比を調整することも可能
である。

〔発明の実施例〕

軽水炉に含まれる加圧水型原子炉に適用した本
発明の好適な一実施例を、第１図及び第２図に基
づいて説明する。

本実施例は、炉心を半径方向に二領域にわけた
場合の例である。

加圧水型原子炉１は、炉心を内蔵する原子炉圧
力容器２を有している。原子炉容器２は、その壁
面に入口ノズル３及び出口ノズル４を有し、頂部
に密閉蓋５を設置している。実質的に円筒形の炉
心シユラウド６は、密閉蓋５近くにある原子炉圧
力容器２のたなに吊下げられている。バツフル７
が、炉心シユラウド６の下部で炉心シユラウド６
内に取付けられている。燃料集合体Ａ及びＢの下
端部を収容するための穴を有する下部炉心支持板
８が、炉心シユラウド６の下端に取付けられる。
燃料集合体Ａ及びＢの上端部を収容するための穴
を有する上部炉心支持板９が、複数の支柱１０に
よつて太い梁のある上部支持板１１に支持され
る。複数の案内筒２６が、上部支持板１１と上部
炉心支持板９との間に配置されている。案内筒２
６には開口３３が設けられている。

炉心１２は、炉心シユラウド６内の下部に構成
され、多数の燃料集合体Ａ及びＢ、及び筒状の仕
切り部材１３からなつている。仕切り部材１３
は、ジルカロイ（ジルコニウム合金）にて作られ
ている。本実施例では、炉心１２は、仕切り部材
１３によつてそれより内側の中央領域２７とそれ
より外側の周辺領域２８の２つの領域に分割され
ている。燃料集合体Ａは、仕切り部材１３内の中
央領域２７にそれぞれ配置され、燃料集合体Ｂは
仕切り部材１３外の周辺領域２８にそれぞれ配置
されている。

燃料集合体Ａは、第３図及び第４図に示すよう
に、複数の燃料棒１５、下部タイプレート１６、
上部タイプレート１７及びスペーサ１８を有して
いる。２１は、ハンドルである。下部タイプレー
ト１６及び上部タイプレート１７は、正六角形を
している。燃料棒１５は、その両端が下部タイプ
レート１６及び上部タイプレート１７にそれぞれ
保持される。下部タイプレート１６は、内側に円
筒部１６Ａを有しており、その円筒部１６Ａが外
側の円筒部１６Ｃに放射状に配置された複数の連
結板１６Ｂにて結合されて構成されている。燃料
棒１５は、第４図に示すように正六角形になるよ
うに配置されている。燃料棒１５のうちの何本か
はタイロツド１５Ａとして機能している。タイロ
ツド１５Ａの両端は、下部タイプレート１６及び
上部タイプレート１７を貫通している。タイロツ
ド１５Ａの下端にはナツト１９が取付けられ、タ
イロツド１５Ａの上端には締付ナツト２０が取付
けられている。これらのタイロツド１５Ａによつ
て下部タイプレート１６と上部タイプレート１７
が連結されている。燃料棒１５（タイロツド１５
Ａも含む）は、密封されたジルカロイ製の被覆管
内に燃料ペレツトを充填したものである。燃料ペ
レツト内には、濃縮されたウラン235が核分裂性
物質として含れている。燃料棒１５の束の軸方向
には、複数のスペーサ１８が配置されている。ス
ペーサ１８は、隣接している燃料棒１５相互の接
触を防止し、それらの燃料棒１５相互間に冷却水
が流れる通路を確保するものである。

燃料集合体Ｂは、第５図及び第６図に示すよう
に、複数の燃料棒１５及び可燃性毒物棒１５Ｂ、
下部タイプレート２３、上部タイプレート２４及
びスペーサ２５を有している。燃料集合体Ｂも、
燃料集合体Ａと同様に複数の燃料棒１５の一部分
であるタイロツド１５Ａによつて下部タイプレー
ト２３及び上部タイプレート２４が連結されてい
る。下部タイプレート２３は、内側に円筒部２３
Ａを有しており、その円筒部２３Ａが外側の円筒
部２３Ｃに放射状に配置された複数の連結板２３
Ｂにて結合されている。燃料棒１５及び可燃性毒
物棒１５Ｂの両端は、下部タイプレート２３及び
上部タイプレート２４に保持されている。燃料棒
１５（タイロツド１５Ａを含む）は、燃料集合体
Ａのそれと同一構成である。可燃性毒物棒１５Ｂ
は、密封された被覆管内に、減速材である水素化
ジルコニウムと可燃性毒物であるガドリニアの混
合物を充填したものである。可燃性毒物棒１５Ｂ
の水素化ジルコニウム及びガドリニアの濃度分布
は、その軸方向に一様である。スペーサ２５は正
六角形であつて各々のタイプレートに保持されて
いる燃料棒を正六角形状に束ねている。スペーサ
２５は、軸方向に複数個配置され、燃料棒相互間
の接触を防止している。可燃性毒物棒１５Ｂの代
りに燃料棒１５のUO₂ペレツト内にガドリニアを
混入したものを、燃料集合体Ｂ内に配置してもよ
い。

燃料集合体Ｂにおける隣接している燃料棒相互
間の距離（ピツチ）は、燃料集合体Ａにおけるそ
のピツチよりも大きい。すなわち、燃料集合体Ｂ
を構成している燃料棒の本数は、燃料集合体Ａに
おけるその本数よりも多い。下部タイプレート１
６及び２３及び上部タイプレート１７及び２４の
水平断面（燃料集合体の軸に垂直な方向の断面）
の断面積は、すべて等しい。

燃料集合体Ａの円筒部１６Ａ及び燃料集合体Ｂ
の円筒部２３Ａが、下部炉心支持板８の前述した
穴内に挿入される。そして、燃料集合体Ａの円筒
部１６Ｃ及び燃料集合体Ｂの円筒部２３Ｃが、下
部炉心支持板８上に設置される。燃料集合体Ａの
上部タイプレート１７の上部１７Ａ及び燃料集合
体Ｂの上部タイプレート２４の上部２４Ａが、上
部炉心支持板９の前述した穴内に挿入される。こ
のようにして燃料集合体Ａ及びＢが、下部炉心支
持板８及び上部炉心支持板９に保持される。中央
領域２７内において、隣接している燃料集合体Ａ
の下部タイプレート１６及び上部タイプレート１
７は、それぞれ接触している。中央領域２７の最
外周に位置している燃料集合体Ａの下部タイプレ
ート１６及び上部タイプレート１７は、仕切り部
材１３の内面に接している。周辺領域２８におい
ても、隣接している燃料集合体Ｂ同士は、下部タ
イプレート２３及び上部タイプレート２４が接し
ている。周辺領域２８の最も内側に位置している
燃料集合体Ｂは、下部タイプレート２３及び上部
タイプレート２４が仕切り部材１３の外面に接し
ている。

加圧水型原子炉は、流体圧力で作動される制御
棒駆動機構２９を備えている。制御棒駆動機構２
９の構成は、米国特許第3607629号明細書に示さ
れているものと同じである。制御棒駆動機構２９
は、アダプタ管３１の上部フランジ３２に取付け
られる。アダプタ管３１は、密閉蓋５を貫通する
とともに密閉蓋５に溶接にて取付けられている。
制御棒駆動機構２９の下端に、第７図に示す制御
棒３４が着脱可能に取付けられる。制御棒３４
は、案内筒２６内を上下動する。制御棒駆動機構
２９は、制御棒３４の燃料集合体Ａ及びＢの内へ
挿入操作、それからの引抜き操作を行う。制御棒
３４が挿入される燃料集合体Ａ及びＢは、一般に
制御用燃料集合体A₀及びB₀と言われている。制
御用燃料集合体A₀及びB₀は、第１図に示すよう
に燃料集合体Ａ及びＢのそれぞれの３体に１体の
割合で炉心１２内に配置され、アダプタ管３１の
真下に位置する案内筒２６と同一軸心上に配列さ
れている。

制御棒３４の構造を第７図に基づいて説明す
る。制御棒３４は、制御棒駆動機構２９に連結さ
れる本体３５、本体３５に放射状に取付けられた
支持部材３６及び支持部材３６の先端部に取付け
られた中性子吸収棒３７を有している。中性子吸
収棒３７は、密封された被覆管内に中性子吸収材
であるB₄Cを充填したものである。

このような制御棒３４が挿入される制御用燃料
集合体A₀及びB₀について説明する。制御用燃料
集合体A₀は、タイロツド１５Ａの代りに第８図
に示すように中空管である複数の制御棒案内管３
８が配置されている点が前述の燃料集合体Ａと異
つている。制御棒案内管３８が下部タイプレート
１６及び上部タイプレート１７を連絡している。
制御用燃料集合体B₀は、タイロツド１５Ａの代
りに第９図に示すように配置された制御棒案内管
３８が下部タイプレート２３と上部タイプレート
２４を連結している点が前述した燃料集合体Ｂと
異つている。

周辺領域２８に装荷された燃料集合体Ｂ及び制
御用燃料集合体B₀を構成している燃料棒１５は、
後で詳細に述べるように中央領域２７内に装荷さ
れていた燃料集合体Ａ及び制御用燃料集合体A₀
を構成していた燃料棒１５であつて中央領域２７
内で所定期間燃焼されたものである。

周辺領域２８に装荷された燃料集合体Ｂ（制御
用燃料集合体B₀を含む）の本数は、中央領域２
７に装荷された燃料集合体Ａ（制御用燃料集合体
A₀を含む）の本数の２倍になつている。すなわ
ち、周辺領域２８の横断面積は、中央領域２７の
その面積の２倍である。

原子炉の運転中、蒸気発生器（図示せず）から
送られてきた減速材でもある冷却水（軽水）は、
入口ノズル１４より原子炉容器２内に入り、原子
炉容器２と炉心シユラウド６との間に形成された
環状通路３９を下方へ流れ、下部炉心支持板８よ
り下方に形成された下部プレナム４０に流入す
る。この冷却水は、さらに下部炉心支持板２２に
支持されている燃料集合体Ａ，A₀，Ｂ及びB₀の
各各の下部タイプレート１６及び２３の円筒部１
６Ａ及び２３Ａを通つて各々の燃料集合体内に流
入する。燃料集合体Ｂ及びB₀は、燃料棒１５等
の本数が燃料集合体Ａ及びA₀よりも少ないので
圧力損失が燃料集合体Ａ及びA₀よりも小さい。
このため、燃料集合体Ｂ及びB₀に多量の冷却水
が流れ易くなる。すなわち中央領域２７及び周辺
領域２８に供給される冷却水流量を均一にするた
めに、燃料集合体Ｂ及びB₀の円筒部２３Ａ内に
第５図に示すようにオリフイス４１が設けられて
いる。オリフイス４１を設けることによる燃料集
合体Ｂ及びB₀の浮上りは、上部炉心支持板９が
上部タイプレート２４の円筒部２４Ｂの上端に接
しているので防止できる。

冷却水は、各々の燃料集合体内を上昇する過程
で加熱されて高温の水になる。制御用燃料集合体
A₀及びB₀から吐出された高温の冷却水は、真上
にある案内筒２６内に流入して上部炉心支持板９
より上方に位置している上部プレナム４２内に開
口３３より流出する。残りの燃料集合体Ａ及びＢ
から吐出された高温の冷却水は、上部炉心支持板
９を通して上部プレナム４２内に達する。中央領
域２７及び周辺領域２８内を流れる冷却水は、仕
切り部材１３が存在するので炉心６内では混合さ
れず、上部プレナム４２内で混合される。高温の
冷却水は、上部プレナム４２より出口ノズル４を
通して原子炉容器２外へ流出し、蒸気発生器に送
られる。原子炉の出力の制御は、制御棒３４の中
性子吸収棒３７を、制御用燃料集合体A₀及びB₀
の制御棒案内管３８内へ出入れすることによつて
行なわれる。

本実施例では、前述したように中央領域２７の
単位断面積当りに配置された燃料棒１５（タイロ
ツド１５Ａを含む）の平均本数は、周辺領域２８
の単位断面積当りに配置された燃料棒１５（タイ
ロツド１５Ａを含む）の平均本数よりも多い。す
なわち、中央領域２７での単位断面積当りにおけ
る燃料棒の平均密度は、周辺領域２８での単位断
面積当りにおけるその平均密度よりも大きい。本
実施例においては、各々の領域における燃料棒の
平均密度は、中央領域２７において水素対燃料物
質の原子数比（平均値）が約1.0になるように、
周辺領域２８において水素対燃料物質の原子数比
（平均値）が約5.0になるように設定されている。

従つて、前述したように中央領域２７は、水素
対燃料物質の原子数比が約1.0と小さいので増殖
領域となり、原子炉の運転中において中央領域２
７に配置された燃料棒１５のUO₂ペレツトに含ま
れているウラン238のプルトニウム239への転換比
が増大する。周辺領域２８は水素対燃料物質の原
子数比が約5.0と大きいので燃焼領域となり、原
子炉の運転期間中において周辺領域２７に配置さ
れた燃料棒１５のUO₂ペレツトに含まれているウ
ラン235及びプルトニウム239等の核分裂性物質の
核分裂が活発となつて核分裂性物質を有効に燃焼
させることができる。

中央領域２７に装荷された燃料棒１５、すなわ
ち燃料集合体Ａ及びA₀は、第１０図に示すよう
に燃焼度０から燃焼度E_aまでの期間、中央領域
２８に装荷されている。燃料集合体Ａ及びA₀の
中性子増倍率は、曲線P₁（実線）のように燃焼期
間の経過とともに低下する。周辺領域２８に装荷
された燃料棒１５、すなわち燃料集合体Ｂ及び
B₀は、第１０図に示すように燃焼度E_aから燃焼
度E_bまでの期間、周辺領域２８に装荷されてい
る。燃料集合体Ｂ及びB₀の中性子増倍率は、曲
線P₂（実線）のように燃焼期間の経過とともに低
下する。曲線P₂の初期、すなわち燃焼度E_a経過
後において中性子増倍率がＸ点に向つて増大して
いる。これは、燃料集合体Ｂ及びB₀の可燃性毒
物棒１５Ｂ内のガドリニアが徐々に消失するため
である。Ｘ点でガドリニアは完全になくなる。中
央領域２７に装荷されていて燃焼度E_aに達した
燃料集合体Ａ及びA₀は、中性子増倍率が低いの
で水素対燃料物質の原子数が約1.0と小さい中央
領域２７における燃焼の経続が困難になる。この
ため、中央領域２７に装荷されていて燃焼度E_a
に達した燃料集合体Ａ及びA₀内の燃料棒１５は、
原子炉の運転を停止した状態で、周辺領域２８内
に装荷され、その後、水素対燃料物質の原子数比
が約5.0と大きい周辺領域２８で燃焼度E_bまで燃
焼が経続される。中央領域２７から周辺領域２８
への燃料棒１５の移動は、該当する燃料集合体Ａ
及びA₀を分解して燃料集合体Ｂ及びB₀に再組立
てした状態で行われる。

この燃料集合体Ａ及びA₀から燃料集合体Ｂ及
びB₀への組立てを、燃料集合体Ａ及びＢに基づ
いて以下に説明する。

中央領域２７に装荷されていて寿命のきた（燃
焼度がE_aに達した）燃料棒１５を有している燃
料集合体Ａは、原子炉が停止された後、炉心１２
より取出されて原子炉容器２の外部にある燃料プ
ール（図示せず）に移される。すなわち、原子炉
の運転が停止された後、密閉蓋５、上部支持板１
１及び案内筒２６が、原子炉容器２より取外され
る。制御棒３４は、制御棒駆動機構２９と切離さ
れてそれぞれの燃料集合体A₀及びB₀内に挿入さ
れている。このような状態で燃焼度がE_aに達し
た燃料集合体Ａは、炉心１２より燃料プールに移
される。燃料集合体A₀及びB₀の炉心１２から取
出し作業は、その中の挿入されている制御棒３４
を引抜いた後に実施する。燃料プールに移された
燃料集合体Ａの締付ナツト２０が、取外される。
そして上部タイプレート１７がタイロツド１５Ａ
より取外された後、各々の燃料棒１５が上方に引
抜かれて下部タイプレート１６より取外される。
ナツト１９が取外された後、タイロツド１５Ａが
下部タイプレート１６から取外される。スペーサ
１８も、タイロツド１５Ａから外される。このよ
うな燃料集合体Ａの分解作業は、燃料プール内の
水中で遠隔操作のできる工具を用いて行われる。
燃料集合体Ａの分解作業にて取外されたタイロツ
ド１５Ａは、燃料集合体Ｂを構成する下部タイレ
ート２３に取付けられてその下端部にナツト１９
が取付けられる。スペーサ２５は、すでにタイロ
ツド１５Ａに取付けられている。燃料集合体Ａか
ら取外された燃料棒１５は、スペーサ２５内に挿
入されてその下端部が下部タイプレート２３に取
付けられる。別途準備されている可燃性毒物棒１
５Ｂが、燃料棒１５と同様にスペーサ２５内に挿
入されて下部タイプレート２３に取付けられる。
可燃性毒物棒１５Ｂは、周辺領域２８に装荷され
た燃料集合体Ｂ及びB₀の初期における余剰反応
度を第１０図の曲線P₂のＸ点以前の如く抑制す
る効果を有している。これは、燃料集合体Ｂ及び
B₀が水素対燃料物質の原子数比の大きな領域に
装荷されているために必要なものである。上部タ
イプレート２４が、燃料棒１５を挾んで下部タイ
プレート２３とは反対側に設置されてタイロツド
１５Ａに締付ナツト２０にて取付けられる。可燃
性毒物棒１５Ｂの代りに燃料ペレツト内にガドリ
ニアを混入した燃料棒を用いる場合には、その燃
料棒の燃料ペレツト内の核分裂性物質の組成は、
燃焼度E_aの燃料集合体を構成する燃料棒１５内
に含まれている核分裂性物質のそれと同じにする
必要がある。一体の燃料集合体Ａから再組立てに
より二体の燃料集合体Ｂが得られる。

制御用燃料集合体A₀の分解作業及び制御用燃
料集合体B₀の組立て作業も、同様に行われる。
制御用燃料集合体A₀の燃料棒１５（タイロツド
１５Ａ含む）及び制御棒案内管３８は、制御用燃
料集合体B₀に再利用される。なお、燃料集合体
Ａの燃料棒１５を制御用燃料集合体B₀に、燃料
集合体Ｂの燃料棒１５を制御用燃料集合体A₀に
用いてもよい。

燃焼度がE_aになつた燃料集合体Ａ及びA₀が中
央領域２７から外部に取出される時に、燃焼度が
E_bになつた燃料集合体Ｂ及びB₀が周辺領域２８
から外部に取出される。前述のように組立てられ
た燃料集合体Ｂ及びB₀は、燃料プールから原子
炉容器２内に移送されて周辺領域２８内の所定の
位置に装荷される。中央領域２７で燃料集合体Ａ
及びA₀を取出した位置には、新しい燃料集合体
Ａ及びA₀が装荷される。この新しい燃料集合体
Ａ及びA₀を構成する燃料棒１５内には、原料で
ある天然ウランを濃縮して作られた濃縮ウランが
充填されている。燃焼度E_bに達して炉心１２か
ら取出された燃料集合体Ｂ及びB₀は、使用済燃
料集合体として貯蔵され、再処理が行われない。
前述した燃料集合体の交換作業はほぼ年１回の割
合で行われ、年１回を燃料交換作業で中央領域２
７及び周辺領域２８のそれぞれ1/4の燃料集合体
が前述のように交換される。

新しい燃料集合体Ａ及びA₀、及び組立てられ
た燃料集合体Ｂ及びB₀が炉心１２に装荷された
後に、密閉蓋５、上部支持板１１及び案内筒２６
が原子炉容器２に取付けられる。そして切離され
ていた制御棒駆動機構２９と制御棒３４が、制御
棒駆動機構２９の操作により結合される。その
後、制御棒３４が炉心１２より引抜かれて原子炉
出力が上昇され、原子炉の運転が開始される。

一旦、炉心１２内に装荷された燃料棒１５は、
まず、燃料集合体ＡまたはA₀内に組込まれて中
央領域２７内に装荷され、第１０図の曲線P₁の
如く燃焼されて燃焼度E_aに達する。この間にお
いて燃料棒１５内には前述したように転換比が増
大して多量のプルトニウムが蓄積される。そして
その燃料棒１５は、中央領域２７から取出され、
燃料集合体ＢまたはB₀に組込まれて周辺領域２
８に装荷され、第１０図の曲線P₃（二点鎖線、Ｘ
点以降は曲線P₂に一致）の如く燃焼されて燃焼
度E_bに達する。燃焼度E_bに達した燃料棒１５は、
周辺領域２８から取出されて前述の如く廃棄処分
に付される。本実施例では、燃料棒１５内に充填
された核分裂性物質は、再処理されることなく有
効に燃焼される。

第１０図に示す曲線P₄は、水素燃料物質の原
子数比が炉心内で一様（その原子数比約2.0）の
従来の加圧水型原子炉における中性子増倍率の変
化を示している。炉心に初めて装荷する燃料棒の
濃縮度は、本実施例の中央領域２７に初めて装荷
する燃料棒１５の濃縮度に等しい。従来の原子炉
においては、燃焼度E_cで燃料集合体は新しい燃料
集合体と交換される。中央領域２７でのプルトニ
ウム生産増大と周辺領域２８での核分裂性物質の
高効率燃焼の過程を得た本実施例における燃料棒
１５の平均取出し燃焼度はE_bとなり、従来の原
子炉の炉心に装荷された燃料棒の平均取出し燃焼
度はE_cとなり、前者の平均取出し燃焼度が大きく
なる本実施例と従来例で燃料物質の装荷量が同じ
である場合には、本実施例の炉心は従来の炉心に
対して（E_b−E_a）／E_bの省ウランとなる。E_a／
E_bが２／３であると、本実施例の炉心での省ウ
ランは従来炉心の33％となる。

本実施例は、ワンスルー方式で燃料物質の有効
利用を図ることができ、しかも、省ウランを達成
できる。

第１１図は、第１図に示す本実施例の炉心と水
素対燃料物質の原子数比が約2.0で一様であつて
本実施例の取出し燃焼度E_bを達成できるまで燃
料棒の初期濃縮度を高めた従来炉心との特性を比
較したものである。従来炉心の特性は、曲線P₅
にて表わされる。この従来炉心では、初期の中性
子増倍率が大きくなり、これを抑えるためガドリ
ニア等を可燃性毒物質を多量に燃料集合体に入れ
なければならず中性子経済を悪化させる。また、
中性子増倍率の大きく異る燃料集合体が炉心に混
在することは、出力分布平坦化が困難となつて、
ピーク出力の燃料棒によつて最高燃焼度が制限さ
れるため、取出し平均燃焼度の低下を招く。これ
に対して本実施例の炉心は、周辺領域２８に装荷
される燃料集合体には可燃性毒物が含まれている
が中央領域２７に装荷される燃料集合体には可燃
性毒物が含まれていないので、可燃性毒物の量が
減少し中性子経済が向上する。また、本実施例の
炉心は、中央領域２７及び周辺領域２８内におい
て各燃料集合体間における中性子増倍率の差、す
なわち出力ミスマツチが小さくなるので、取出し
平均燃焼度をより高くできる。

軽水炉の一種である沸騰水型原子炉に適用した
本発明の他の実施例を以下に説明する。第１６図
は、本実施例の沸騰水型原子炉の縦断面を示す。
沸騰水型原子炉５０は、上部が密閉蓋５２にて密
封された原子炉圧力容器５１を有している。炉心
シユラウド５３が、原子炉圧力容器５１内に設置
されている。気水分離器５４が炉心シユラウド５
３の上端に取付けられ、ドライヤ５５が気水分離
器５４より上方に位置している。下部炉心支持板
５６及び上部炉心支持板５７が、炉心シユラウド
５３内に設置されている。下部炉心支持板５６及
び上部炉心支持板５７は、炉心５８内に装荷され
た燃料集合体６１Ａ及び６１Ｂの上下端部がそれ
ぞれ保持される。筒状の仕切り部材６２は、下部
炉心支持板５６と上部炉心支持板５７の間に設置
され、炉心５８を半径方向に中央領域５９と周辺
領域６０に分割している。燃料集合体６１Ａは中
央領域５９に、燃料集合体６１Ｂは周辺領域６０
にそれぞれ装荷されている。燃料集合体６１Ａ
は、第３図に示す燃料集合体Ａに六角筒状のチヤ
ンネルボツクスを取付けたものである。チヤンネ
ルボツクスはスペーサ１８で束ねられた燃料バン
ドルの外側を取囲み、チヤンネルボツクスの上端
部が上部タイプレート１７に着脱可能に取付けら
れる。燃料集合体６１Ｂは、第５図に示す燃料集
合体Ｂに燃料集合体６１Ａと同様に六角状のチヤ
ンネルボツクスを着脱可能に取付けたものであ
る。このチヤンネルボツクスは燃料棒１５の束の
外側を取囲み、チヤンネルボツクスの上端部は上
部タイプレート２４に着脱可能に取付けられてい
る。中央領域５９に装荷された燃料集合体６１Ａ
の一部は、制御用燃料集合体であつて制御棒案内
管３８を有する第８図の制御用燃料集合体A₀に
チヤンネルボツクスを着脱可能に取付けたもので
ある。周辺領域６０に装荷された燃料集合体６１
Ｂの一部は、制御用燃料集合体であつて第９図の
制御用燃料集合体B₀にチヤンネルボツクスを着
脱可能に取付けたものである。燃料集合体６１Ａ
及び６１Ｂ及び各々の制御用燃料集合体は、第１
図の炉心１２と同様に炉心５８内に配置されてい
る。６５はジエツトポンプであり、炉心５８に冷
却材であり減速材である軽水を供給する。

中央領域５９における単位断面積当りの燃料棒
１５の平均密度及び周辺領域６０における単位断
面積当りの燃料棒１５の平均密度は、第１図の炉
心１２と同一であり、前者の平均密度は後者のそ
れよりも大きい。各領域の水素対燃料物質の原子
数比は、第１図の炉心１２と同じである。

制御棒駆動機構（図示せず）が、原子炉圧力容
器５１の底部の鏡部に取付けられる。制御棒案内
管６３は、制御棒駆動機構より上方の原子炉圧力
容器５１内で制御棒駆動機構の延長線上に設置さ
れる。制御棒６４の下端部が、制御棒駆動機構に
着脱可能に連結される。制御棒６４は、制御案内
管６３内を上下動し、制御棒３４と同様に複数の
アブソーバロツドを有している。これらのアブソ
ーバロツドは、上方に向つて延びている。各々の
制御棒６４のアブソーバロツドは、中央領域５９
及び周辺領域６０に配置された各制御用燃料集合
体の制御棒案内管３８内に下方より出入れされ
る。

前述の実施例である加圧水型原子炉と同様に、
中央領域５９に装荷された燃料集合体６１Ａが限
界の燃焼度E_aに達した時、その集合体６１Ａに
組込まれていた燃料棒１５は、燃料集合体６１Ａ
より取外されて燃料集合体６１Ｂの構成要素とし
て用いられる。そして、その燃料集合体６１Ｂを
構成する燃料棒１５は、水素対燃料物質の原子数
比の大きな周辺領域６０に装荷されて燃焼度E_b
まで燃焼が継続される。本実施例においても、前
述した実施例と同様にワンスルー方式で燃料物質
を有効に利用でき、しかも省ウランを達成でき
る。

第１６図に示す実施例の炉心５８は、炉心５８
内で隣接している燃料集合体は、相互にチヤンネ
ルボツクスが接触するように配置されている。し
かしながら、第１７図に示すように、周辺領域６
０において燃料集合体６１Ｂを隣接しているそれ
らの相互間にギヤツプ６６を設けてもよい。この
ギヤツプ６６内には、制御棒６４の代りに制御棒
駆動機構に連結された制御棒６７が下方より挿入
される。制御棒６７は、アブソーバロツドを内蔵
するブレードが三方向に延びており、周辺領域６
０でのみ用いられる。制御棒６４は、前述の実施
例と同様に中央領域５９に挿入され、周辺領域６
０には挿入されない。周辺領域６０における単位
断面積当りの燃料棒の平均密度は、燃料集合体６
１Ｂ相互間にギヤツプ６６が存在するので第１６
図に示す実施例の周辺領域６０のその平均密度よ
りもさらに小さくなる。本実施例においても前述
の実施例と同様な燃料交換が行われ、同じ効果を
奏することができる。

第２図の加圧水型原子炉における炉心構造の他
の実施例を第１８図に示す。本実施例における炉
心は、第１８図Ａで示す中央領域６８及び第１８
図Ｂで示す周辺領域６９を有している。中央領域
６８及び周辺領域６９は、第１図の中央領域２７
及び周辺領域２８にそれぞれ対応する。周辺領域
６９は、中央領域６８を取囲んでいる。中央領域
６８では、多数の燃料集合体７０Ａを相互に隣接
させて配置している。周辺領域６９では、多数の
燃料集合体７０Ｂを軽水領域７１を間に介在させ
て隣接させている。燃料集合体７０Ａは第１９図
に示すように燃料棒１５を配置してあり、燃料棒
１５は上部及び下部タイプレートに保持されてい
る。燃料集合体７０Ｂは、燃料集合体７０Ａの中
央の燃料棒１５を可燃性毒物棒１５Ｂに代えたも
のである。中央領域６８と周辺領域６９との間に
は、前述したように仕切り部材が設置されてい
る。中央領域６８の所定の燃料集合体７０Ａに設
けられた制御棒案内管内に制御棒のアブソーバロ
ツドが挿入される。周辺領域６９の所定の軽水領
域７１に制御棒が挿入される。

第２図の加圧水型原子炉における炉心構造の他
の実施例を第２０図に示す。本実施例の炉心は、
第２０図Ａで示す中央領域７２及び第２０図Ｂに
示す周辺領域７３を有している。中央領域７２及
び周辺領域７３は、第１図の中央領域２７及び周
辺領域２８にそれぞれ対応する。周辺領域７３
は、中央領域７２を取囲んでいる。中央領域７２
と周辺領域７３は、前述のように仕切り部材で分
割されている。中央領域７２では多数の燃料集合
体７３Ａが相互に隣接されて配置されている。周
辺領域７３では、燃料集合体７３Ｂの間に軽水領
域７４が配置されている。燃料集合体７３Ａは、
第２１図に示すように燃料棒１５が配置されてい
る。燃料棒１５の両端部は、上部及び下部タイプ
レートにて保持されている。燃料集合体７３Ｂ
は、燃料集合体７３Ａの中央の燃料棒１５を可燃
性毒物棒１５Ｂに代えたものである。中央領域７
２の所定の燃料集合体７３Ａの制御棒案内管内に
制御棒のアブソーバロツドが挿入される。周辺領
域７３の所定の軽水領域７４に制御棒が挿入され
る。

第１８図及び第２０図の炉心に配置された各燃
料集合体は、第１図の炉心に装荷される燃料集合
体よりも著しく小さくなつている。第１８図及び
第２０図に示す炉心は、周辺領域６９及び７３に
おける単位断面積当りの燃料棒の平均密度が軽水
領域７１及び７４の存在のために中央領域６８及
び７２のその平均密度よりも小さくなつている。
水素対燃料物質の原子数比は、中央領域６８及び
７２で約1.0となつており、周辺領域６９及び７
３で約5.0となつている。

第１８図及び第２０図に示す炉心を有する加圧
水型原子炉においても、第１図及び第２図に示す
加圧水型原子炉と同様に、所定の燃焼度E_aにな
つた燃料集合体７０Ａ及び７３Ａが解体されて燃
料棒１５を取外し、この燃料棒１５と可燃性毒物
棒１５Ｂにて燃料集合体７０Ｂ及び７３Ａを組立
てる。そして、組立てられたこれらの燃料集合体
７０Ｂ及び７３Ａを、周辺領域６９及び７３に装
荷する。従つて、一旦、原子炉内に装荷された燃
料棒１５は、第２図の実施例と同様に燃焼度E_b
まで燃焼させることができる。本実施例における
燃料棒１５からの取出し燃焼度は、第２図の実施
例と同様に従来の原子炉に比べて著しく増大す
る。このため、燃料物質を有効に利用でき、省ウ
ランを達成できる。さらに、第１８図及び第２０
図の炉心の如く小型の燃料集合体を用いることに
よつて以下の(1)〜(3)の効果を得ることができる。

(1) 炉心単位断面積あたりの装荷体数を調整する
ことで水素対燃料原子数比の細かい調整ができ
る。

(2) 外側領域では、集合体が取り除かれた領域が
水ギヤツプ領域になるが、その幅を必要以上に
大きくしない。

(3) 外側領域の燃料棒は、集合体中心部を除いて
水ギヤツプ領域に面することができ、熱中性子
の有効利用が可能となる。

第２２図は、燃料集合体７３Ｂを用いた周辺領
域７３の別の配置例である。このような燃料集合
体７３Ｂの配置では、燃料棒１５が等間隔配列に
なる。

第１８図、第２０図の炉心構造は、沸騰水型原
子炉でも達成できる。

第２３図は、第１図の実施例のように１つの高
転換領域（中央領域）及びこれを取り囲む１つの
燃焼領域（周辺領域）の２つの領域からなる炉心
を有する沸騰水型原子炉の具体的な実施例に対す
る特性を示している。この特性は、燃焼度に対す
る核分裂性物質の重量割合（重量％）及び無限増
倍率の変化を示している。第２３図に示した実施
例の具体的な条件は、下記の通りである。

(1) 核分裂性物質の重量割合の初期値が６重量％
である。

(2) 炉心は高転換領域及びこれを取り囲む燃焼領
域に分割され、高転換領域で燃焼度が
45GWd／ｔまたは45％に到達した燃料集合体
を構成する燃料棒が、燃焼領域に移されてそこ
で燃焼を継続する。

(3) 高転換領域における軽水の体積と燃料物質の
体積との比（V_H／V_F）は、約0.9であり、燃焼
領域における軽水の体積と核分裂性物質の体積
との比（V_H／V_F）は、約2.2である（または高
転換領域における水素原子数と燃料棒物質の原
子数との比（γ_H／Ｕ）は、約2.0であり、燃焼
領域における水素原子数と燃料棒物質の原子数
との比（γ_H／Ｕ）は、約5.0である）。

高転換領域において、核分裂性物質であるプル
トニウムが生成されて蓄積される。燃焼領域にお
いて、高転換領域から移されたプルトニウムが効
果的に燃焼される。このため、100GWd／ｔとい
う高燃焼度が得られる。

従来の沸騰水型原子炉では、核分裂性物質の重
量割合の初期値が３重量％であり、燃焼度が約
30GWd／ｔである。例え、従来の沸騰水型原子
炉において核分裂性物質の重量割合の初期値を６
重量％にしても、燃焼度が約60GWd／ｔよりも
大きくなることはない。従つて、本実施例の沸騰
水型原子炉の燃焼度は、従来の沸騰水型原子炉に
比べて２倍になる。

さらに、本実施例の高転換領域における軽水の
体積と燃料物質の体積との比（V_H／V_F）は、約
0.9に上昇する。従来の高転換原子炉における軽
水の体積と燃料物質の体積との比（V_H／V_F）で
ある0.5と比較して、本実施例の高転換領域にお
ける軽水の体積と燃料物質の体積との比（V_H／
V_F）である約0.9が、納２倍になる。従つて、本
実施例の炉心の圧力損失が低下するとともに熱伝
達または浮力の観点から生じる問題が容易に解決
される。

〔発明の効果〕

特許請求の範囲第１項記載の発明によれば、第
１領域における単位断面積当りの燃料棒の平均本
数が第２領域のそれよりも多いので、第１領域と
第２領域との水素対ウランの原子数比をの差を大
きくでき、第１領域に装荷されて原子炉の運転を
経験した燃料棒で第２領域を構成することにより
燃料物質を有効に活用することが可能になる。す
なわち、燃料棒を炉心に装荷してから取り出すま
での間でその燃料棒の取出し平均燃焼度が著しく
増大し、燃料物質を再処理して再利用することな
く軽水炉の単位エネルギーを発生するのに必要な
天然ウラン量を減少できる。

また、第１領域における水素対ウラン原子数比
が1.0〜2.0であつて第２領域における水素対ウラ
ン原子数比が5.0以上であるので、第１及び第２
領域において各燃料集合体間における中性子増倍
率の差、すなわち出力ミスマツチが小さくなるの
で、取出し平均燃焼度をより高くできる。

特許請求の範囲第２項記載の発明によれば、第
２領域に装荷される燃料集合体には可燃性毒物が
含まれているが第１領域に装荷される燃料集合体
には可燃性毒物が含まれていないので、炉心内の
可燃性毒物の量が著しく減少し中性子経済が著し
く向上する。このため、燃料経済性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である加圧水
型原子炉における炉心の概略横断面図、第２図は
本発明の好適な一実施例で第１図の炉心を有する
加圧水型原子炉の縦断面図、第３図は第１図の中
央領域に装荷される燃料集合体の側面図、第４図
は第３図の−断面図、第５図は第１図の周辺
領域に装荷される燃料集合体の側面図、第６図は
第５図の−断面図、第７図は制御棒の斜視
図、第８図は第１図の中央領域に装荷される制御
用燃料集合体の横断面図、第９図は第１図の周辺
領域に装荷される制御用燃料集合体の横断面図、
第１０図及び第１１図は燃焼度と中性子増倍率と
の関係を示す特性図、第１２図は本発明の原子炉
に用いられる炉心の原理構造の説明図、第１３図
は本発明の効果を示す特性図、第１４図は燃焼度
と転換比との関係を示す特性図、第１５図は出力
密度と冷却材流量との関係を示す説明図、第１６
図は本発明の他の実施例である沸騰水型原子炉の
縦断面図、第１７図は第１６図の原子炉における
炉心の周辺領域の他の実施例の構造図、第１８図
及び第２０図は炉心の他の実施例の構造を示すも
のであつて各々のＡは中央領域、各々のＢは周辺
領域における燃料集合体配置を示す構造図、第１
９図は第１８図に示す燃料集合体の横断面図、第
２１図は第２０図に示す燃料集合体の横断面図、
第２２図は第２０図Ｂの他の実施例である燃料集
合体の配置を示す説明図、第２３図は本発明の他
の実施例における核分裂性物質重量割合及び無限
増倍率の燃焼度に対する変化を示す説明図であ
る。１……加圧水型原子炉、２……原子炉容器、
６，５３……炉心シユラウド、８，５６……炉心
下部支持板、９，５７……炉心上部支持板、１
２，５８……炉心、１３，６２……仕切り部材、
１５……燃料棒、１５Ｂ……可燃性毒物棒、１
６，２３……下部タイプレート、１７，２４……
上部タイプレート、１８，２５……スペーサ、２
７，５９，６８，７２……中央領域、２８，６
０，６９，７３……周辺領域、３４，６４，６７
……制御棒、３８……制御棒案内管、Ａ，Ｂ，６
１Ａ，６１Ｂ，７０Ａ，７０Ｂ，７３Ａ，７３Ｂ
……燃料集合体、A₀，B₀……制御用燃料集合体。

Claims

【特許請求の範囲】１複数の燃料棒が配置されて軽水が流れる炉心
を有する軽水減速型原子炉において、前記炉心
が、半径方向において第１領域及び第２領域に分
けられ、前記第２領域における単位断面積当りの
燃料棒の平均本数が前記第１領域のそれよりも少
なくて前記第１領域における水素対ウラン原子数
比が1.0〜2.0であつて前記第２領域における水素
対ウラン原子数比が5.0以上であり、前記第２領
域に配置されている前記燃料棒は、前記第１領域
に配置されていた燃料棒であることを特徴とする
軽水減速型原子炉。２複数の燃料棒を備えた複数の燃料集合体が配
置されて軽水が流れる炉心を有する軽水減速型原
子炉において、前記炉心が、半径方向において第
１領域及び第２領域に分けられ、前記第２領域に
おける単位断面積当りの燃料棒の平均本数が前記
第１領域のそれよりも少なくて前記第１領域にお
ける水素対ウラン原子数比が1.0〜2.0であつて前
記第２領域における水素対ウラン原子数比が5.0
以上であり、前記第１領域内で初めて原子炉の運
転を経験する第１の前記燃料集合体は可燃性毒物
を含まず、前記第２領域に配置されている前記燃
料棒は前記第１領域内に配置されていた燃料棒で
あり、これらの燃料棒を含み第２領域に装荷され
た第２の前記燃料集合体は可燃性毒物を含有する
燃料棒を含んでいることを特徴とする軽水減速型
原子炉。