JPH0636046B2

JPH0636046B2 - 燃料集合体，燃料スペーサ及び原子炉の初装荷炉心

Info

Publication number: JPH0636046B2
Application number: JP63139313A
Authority: JP
Inventors: 幸久深沢; 章西村; 淳一山下; 通裕小沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: WO1993013530A1; JPH01308994A; US5128097A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、燃料集合体，燃料スペーサ及び原子炉の初装
荷炉心に係り、特に沸騰水型原子炉に適用するのに好適
な燃料集合体，燃料スペーサ及び原子炉の初装荷炉心に
関するものである。

〔従来の技術〕

高燃焼度化を図る燃料集合体としては、特開昭62−2171
86号公報の第１図及び第７図に示す構造が提案されてい
る。この燃料集合体は、中央部に２本の太径の水ロツド
を隣接して配置し、それらの周囲に多数の燃料棒を配置
したものである。中央部に２本の太径の水ロツドを配置
することによつて、結果的に７本の燃料棒が取除かれた
ことになる。このような燃料集合体は、水ロツドの設置
によつて取除かれる燃料棒の本数が少なく燃料経済性が
向上できると共に局所出力ピーキングを低減する（横断
面における出力分布を平坦化する）ことができる。

更に、高燃焼度化が可能な燃料集合体として、特開昭60
−202386号公報及び実開制54−115497号公報に示された
ものがある。これらの燃料集合体は、いずれも周辺部に
おいて燃料棒の配列ピツチを密にしている。特開昭60−
202386号公報の第３図の構造を例にとつて説明する。こ
の燃料集合体は、中央部に２本の水ロツドを配置すると
共に燃料棒及び水ロツドを四角格子状に配置し、熱中性
子利用率の低い中央部で、燃料棒のピツチを粗にし、熱
中性子利用率の高い周辺部で燃料棒のピツチを密にした
ものである。周辺部での燃料棒のピツチを密にすること
によつて、燃料集合体平均の熱中性子利用率を向上で
き、高燃焼度化を図ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

現在、燃料集合体の燃焼度を更に高くすることが望まれ
ている。このような観点から発明者等は、特開昭62−21
7186号公報の第１図及び第７図の燃料集合体を基調にし
て、燃焼度をより高くできる燃料集合体を検討した。最
初に検討したことは、上記燃料集合体の平均濃縮度を高
めることである。平均濃縮度を高くすると、高燃焼度化
が可能になるが、燃料集合体内の局所出力ピーキングが
増大する。

その後の種々の検討の過程において、特開昭62−217186
号公報の第１図及び第７図の構造に、特開昭60−202386
号公報の第３図等に示された概念も提案された。この案
は、特開昭62−217186号公報の例えば第７図の構造にお
いて、中央部の燃料棒のピツチを粗にすると共に周辺部
の燃料棒のピツチを密にしたものである。特開昭62−21
7186号公報の第７図の燃料集合体も、燃料棒のピツチを
前述のように領域毎に変えることによつて、特開昭60−
203386号公報と同様に、燃料集合体平均での熱中性子利
用率が向上し、高燃焼度化を図ることができる。しかし
ながら、そのような燃焼集合体では、最小限界出力比
（ＭＣＰＲという）が厳しくなる。これは、燃料棒のピ
ツチを小さくすると、伝熱特性の良好な核沸騰から伝熱
特性が悪くなる膜沸騰に遷移する燃料集合体の限界出力
が低下することに起因する。ＭＣＰＲは、上記限界出力
と実際の出力との比の最小値であり、膜沸騰が生じるま
での余裕を表わしている。なお、限界出力は、膜沸騰を
一番最初に起こす燃料棒に対して定義される。

本発明の第１の目的は、最小限界出力比を増大させしか
も局所出力ピーキングを減少できる燃料集合体を提供す
ることにある。

本発明の第２の目的は、燃料経済性を向上できる燃料集
合体を提供することにある。

本発明の第３の目的は、炉停止余裕を増大できる燃料集
合体を提供することにある。

本発明の第４の目的は、燃料装荷量の減少を防止でき水
ロツド内の減速領域の増加を図ることのできる燃料集合
体を提供することにある。

本発明の第５の目的は、２本の水ロツドのフレツテイン
グ・コロージヨンの発生を防止でき局所出力ピーキング
をより減少できる燃料集合体を提供することにある。

本発明の第６の目的は、水ロツドによる燃料スペーサの
保持が容易な燃料集合体を提供することにある。

本発明の第７の目的は、最小限界出力比を増大させしか
も局所出力ピーキングを減少できる燃料棒の配置が容易
にできる燃料スペーサを提供することにある。

本発明の第８の目的は、取出し燃焼度の増加を図れる原
子炉の炉心及び初装荷炉心を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的は、複数の燃料棒が四角格子状に配置さ
れた中央領域及び複数の燃料棒が三角格子状に配置され
て中央領域を取囲む周辺領域を設けることによつて達成
できる。

第２の目的は、中央領域内に２本の水ロツドが隣接して
配置され、水ロツド内の減速領域の合計横断面積を、燃
料棒の横断面積の７〜１２倍にすることによつて達成で
きる。

第３の目的を達成できる要件は、２本の水ロツドに隣接
して配置された燃料棒の無限増倍率が、この燃料棒に隣
接している他の燃料棒の無限増倍率よりも小さくするこ
とにある。

この第３の目的は、燃料棒のピツチをＰ及び燃料スペー
サの外周部にあるバンドの肉厚をｔとした場合に最外周
に配置された燃料棒の軸心とチヤンネルボツクス内面と
の最短距離ｌが下記の式を満足することによつても達成
できる。

ｌ＞２．６ｔ＋Ｐ／２本発明の第４の目的は、上記最短距離ｌが下記の式を満
足することによつて達成できる。

ｌ≦２．６ｔ＋Ｐ／２本発明の第５の目的は、２本の隣接する水ロツドを結合
手段にて結合することによつて達成できる。

本発明の第６の目的は、燃料スペーサが、燃料棒が挿入
される複数の円筒部材、及び２本の水ロツドに隣接して
いる円筒部材に取付けられて各々の水ロツドに接触する
間隔保持部材を有し、１つの水ロツドが間隔保持部材を
支持する支持部材を有することによつて達成できる。

この第６の目的は、燃料スペーサが、燃料棒が挿入され
る複数の円筒部材、及び水ロツドに面する円筒部材に取
付けられると共に水ロツドに設けられた結合部材にて支
持される燃料スペーサ支持部材を有することによつても
達成できる。

本発明の第７の目的は、燃料棒が挿入される複数の円筒
部材が四角格子状に配置された中央領域、及び燃料棒が
挿入される複数の円筒部材が三角格子状に配置されて中
央領域を取囲む周辺領域を設けることにより達成でき
る。

本発明の第８の目的は、複数の燃料棒が四角格子状に配
置された中央領域及び複数の燃料棒が三角格子状に配置
された中央領域を取囲む周辺領域を有する複数の燃料集
合体を炉心に装荷することにより達成できる。

〔作用〕

中央領域での燃料棒の四角格子状配置及び周辺領域での
燃料棒の三角格子状配置を採用することによつて、周辺
付近での燃料物質の量が増大するので、周辺付近の高出
力が減少され、局所出力ピーキングが低減される。ま
た、燃料棒の四角格子状配置と三角格子状配置との併用
によつて、燃料棒のピツチを中央領域と周辺領域で等し
くできるので、ＭＣＰＲを増大できる。

水ロツド内の減速領域の合計横断面積を燃料棒の横断面
積の７〜１２倍にすることは、燃料経済性が最も好まし
くなる。

２本の水ロツドに隣接する燃料棒の無限増倍率を小さく
すると、他の燃料棒に比べて周囲に広い冷却水通路が形
成され上記隣接燃料棒の発熱量を抑制できる。このた
め、その広い冷却水通路での出力運転時と冷温停止持と
の間でのボイド率の変化が減少し、炉停止余裕が増大す
る。

ｌ＞２．６ｔ＋Ｐ／２を満足させることによつて燃料棒
の三角格子状配置によつて生じた最外周の燃料棒とチヤ
ンネルボツクス内面との間の距離の増加分を燃料集合体
内の周辺部で利用することができる。このため、燃料集
合体内の周辺部における冷却材領域が増大し、炉停止余
裕が増大する。

ｌ≦２．６ｔ＋Ｐ／２を満足させることによつて前述の
距離の増加分を燃料棒のピツチの拡大に利用できる。こ
のため、燃料棒の直径が増加できて三角格子状配置に伴
う燃料物質の装荷量の減少を補償でき、しかも水ロツド
の外径も増加できる。

隣接する２本の水ロツドを結合することによつて冷却材
の流動振動に伴う水ロツドの振動を抑制でき、フレツテ
イング・コロージヨンの発生を防止できる。

水ロツドに接触する間隔保持部材を水ロツドに設けた支
持部材によつて支持するので、燃料スペーサの保持が容
易に行える。

また、２本の水ロツドを結合する結合手段にて燃料スペ
ーサを容易に保持することができる。

燃料スペーサが四角格子状に配置された円筒部材と三角
格子状に配置された円筒部材を備えているので、燃料棒
を四角格子状配置及び三角格子状配置することが容易で
ある。

四角及び三角格子状配置の燃料棒を有する燃料集合体を
装荷しているので、炉心の取出し燃焼度が増加する。

〔実施例〕

沸騰水型原子炉に適用した本発明の好適な一実施例であ
る燃料集合体を第１図，第２図，第３図及び第５図に基
づいて説明する。

本実施例の燃料集合体５は、７０本の燃料棒６，上部タ
イプレート７，下部タイプレート８，水ロツド９，燃料
スペーサ１０及びチヤンネルボツクス１３を有してい
る。

上部タイプレート７及び下部タイプレート８は、燃料棒
６の上端部及び下端部をそれぞれ保持している。７０本
の燃料棒６は、隣接する相互の間隔が燃料スペーサ１０
にて保持されている。燃料棒６内には、多数の燃料ペレ
ツトが充填されている。チヤンネルボツクス１３は、横
断面が実質的に正方形をした筒状体であつて上部タイプ
レート７に取付けられ、燃料スペーサ１０にて束ねられ
た燃料棒束の周囲を取囲んでいる。２本の水ロツド９
が、燃料集合体３０の横断面の中央部に配置されてい
る。これらの２本の水ロツド９は、燃料集合体５、すな
わちチヤンネルボツクス１３の対向する１対のコーナー
を結ぶ対角線上でその中央部に配置され、互いに隣接し
ている。

燃料集合体５内に配置される燃料棒６は、燃料棒１〜３
の３種類である。各々の燃料棒１〜３の濃縮度及び可燃
性毒物であるガドリニウムの濃度は、第２図に示す通り
である。すなわち、燃料棒１の濃縮度は４．９重量％、
燃料棒２の濃縮度は３．２重量％及び燃料棒３の濃縮度
は４．５重量％である。燃料棒１〜３の濃縮度は、前述
の各濃縮度で燃料有効長部（燃料ペレツトが充填された
領域の軸方向の長さ）の軸方向の全長にわたつて一様に
なつている。燃料棒３は、４．５重量％のガドリニウム
を含んでおりこのガドリニウムも軸方向の全長にわたつ
て一様に含まれている。このような燃料集合体５の濃縮
度は、炉心に装荷する前の燃焼度零の時（製造後の新し
い燃料集合体）のものである。燃料棒１〜４の燃料有効
長部の軸方向長さは等しい。燃料棒１〜３の外径は、約
１０．９mmである。燃料棒１〜３とも、密封された被覆
管内に二酸化ウランを焼結してなる燃料ペレツトを充填
している。２本の燃料棒２は、２本の水ロツド９に隣接
して配置され、これらの水ロツド９を間に挾んで互いに
対向している。詳細に言えば、２本の燃料棒２は、２本
の水ロツド９の軸心を結ぶ直線と直交す燃料集合体５の
１本の対角線上に配置されて２本の水ロツド９に隣接し
ており、２本の水ロツド９の軸心から等距離の位置にあ
る。

本実施例の燃料集合体５は、第１図から明らかなよう
に、横断面の中央領域（本実施例では一点鎖線１６より
内側の領域）では燃料棒６が四角格子状（例えば正方格
子状）になるように配置され、横断面の周辺領域（本実
施例では一点鎖線１６より外側の領域であり実質的に燃
料集合体５の最外周の燃料棒６が配置されている領域）
では燃料棒６が三角格子状になるように配置されてい
る。

以上の燃料棒配列を詳細に説明すると、中央領域では７
行７列に燃料棒６が正方形格子状に配置されており、こ
れらの燃料棒６は中央領域内の中心部に前述したように
配置された２本の水ロツド９の周囲を取囲んでいる。中
央領域内の中心部で燃料棒６が正方格子状で３行３列に
配置できる領域内で、２本の水ロツド９が斜めに隣接し
て配置されると共に、その領域の対向する２つのコーナ
部に２本の水ロツド９に隣接するように各燃料棒２が配
置されている。２本の水ロツド９は、中央領域内で配列
された燃料棒６のピツチと同じピツチで正方格子状に７
本の燃料棒６が配置できる領域に配置されている。換言
すれば、２本の水ロツド９は、７本の燃料棒６（第４図
の×印で示した位置の燃料棒）と置替えられた状態で燃
料集合体５内に配置されている。水ロツド９の外径は、
燃料棒６のピツチＰ₂よりも大きい。燃料棒３は、中央
領域内に配置され、周辺領域内には配置されていない。

周辺領域には、２８本の燃料棒６が配置されている。周
辺領域で燃料集合体５のコーナ部に位置している燃料棒
６（本実施例では燃料棒２）を除き、周辺領域内の燃料
棒６（本実施例では燃料棒１）は、中央領域内において
最外周に配置された燃料棒６と正三角格子状に配置され
ている。この正三角格子状の燃料棒６の配列ピツチＰ₁
（第４図）と中央領域内での正方格子状のその配列ピツ
チＰ₂（第４図）は、同じである。周辺部のコーナ部に
配置された燃料棒２と中央領域内にあつてそれに隣接し
ている燃料棒３との間のピツチは、ピツチＰ₁及びＰ₂
に等しい。しかしながら、周辺領域のコーナ部に位置し
ている燃料棒２と周辺領域にあつてそれに隣接している
燃料棒１との間のピツチは、ピツチＰ₁及びＰ₂よりも
大きい。このため、燃料集合体５のコーナ部においてそ
れらの燃料棒１と燃料棒２との間に広い空間１４が形成
される。

以上のように、燃料棒６の四角格子状配置と三角格子状
配置とを組合せることによつて、チヤンネルボツクス１
３の一つの内面からそれに対向する面の間で、燃料棒配
列間の間隔がチヤンネルボツクス１３の内面側（燃料集
合体５の周辺側）で密になるように更に燃料集合体５の
軸心側（燃料集合体５の中央側）で粗になるように、燃
料棒６が配置されている。すなわち、本実施例の燃料集
合体５は、第４図の一点鎖線で示すように、チヤンネル
ボツクス１３の１つの内面（第４図において右側の内
面）からこれと対向する内面（第４図において左側の内
面）との間に、９列の燃料棒配列を有している。このよ
うな配列は、上記と直交する方向においても同様になさ
れている。燃料集合体５の周辺側における燃料棒配列間
の間隔（具体的には最外周の燃料棒配列１５Ａと二層目
の燃料棒配列１５Ｂとの間の間隔Ｐ₃）は、燃料集合体
５の中央側における燃料棒配列間の間隔（具体的には燃
料棒配列１５Ｃと燃料棒配列１５Ｄとの間の間隔）より
も狭くなっている。後者の燃料棒配列間の間隔は、ピツ
チＰ₂に等しい。本実施例においては、中央領域内での
燃料棒配列間の間隔はすべて等しい。このため、三角格
子状に配置された互いに隣接する３本の燃料棒６間に形
成される冷却水通路の流路面積（第１図の面積Ｓ₁）
は、四角格子状に配置された互いに隣接する４本の燃料
棒６間に形成される冷却水通路の流路面積（第１図の面
積Ｓ₂）よりも小さい。また、燃料集合体５内には、燃
料棒６が密に配置された領域（三角格子状に燃料棒６を
配置した領域）及び燃料棒６が粗に配置された領域（四
角格子状に燃料棒６を配置した領域）が形成される。

燃料集合体５の横断面での平均濃縮度は、約４．７重量
％である。この平均濃縮度は、燃料集合体５の燃料有効
長部の軸方向全長にわたつて一様となつている。

第５図及び第６図は、燃料スペーサ１０の詳細構造を示
している。燃料スペーサ１０は、特開昭59−65287 号公
報の第２Ａ図に示された燃料スペーサと同様に、内部に
燃料棒６が挿入される７０個の円筒スリーブ１０Ａ、ル
ープ状バネ１０Ｂ、バンド１０Ｃ、Ｕ字部を有する１対
のプレート１０Ｄ、プレート１０Ｅ及びスプリング１０
Ｆを有している。燃料スペーサ１０は、複数の円筒スリ
ーブすなわち丸センサを有する丸セル型燃料スペーサで
ある。円筒スリーブ１０Ａは、内側に突出する２個の突
起部１０Ｇを有している。円筒スリーブ１０Ａは、互い
に溶接にて接合されている。接合されて最外周に配列さ
れた２８個の円筒スリーブ１０Ａの外側にバンド１０Ｃ
が取付けられる。バンド１０Ｃは、コーナ部付近にバン
ド１０Ｃの一部をチヤンネルボツクス１３側に突出して
なるバスタブ１７を有している。バスタブ１７は、チヤ
ンネルボツクス１３の内面と接触し、燃料スペーサ１０
の横方向の移動を拘束している。ループ状バネ１０Ｂ
は、隣接している円筒スリーブ１０Ａに取付けられる。
円筒スリーブ１０Ａ内に挿入された燃料棒６は、２つの
突起部１０Ｇと１つのループ状バネ１０Ｂの３点によつ
て保持される。

中央領域では燃料棒６と同様に円筒スリーブ１０Ａが正
方格子状に配置され、中央領域を取囲む周辺領域では円
筒スリーブ１０Ａが、三角格子状に配置される。このた
め、周辺領域に位置する円筒スリーブ１０Ａの一部分
が、中央領域に最外周に位置する円筒スリーブ１０Ａ間
に入込んでいる。すべての円筒スリーブ１０Ａの内径及
び外径は、等しい。周辺領域のコーナ部にある円筒スリ
ーブ１０Ａを除いた他の円筒スリーブ１０Ａは、ピツチ
Ｐ₂（＝Ｐ₁）にて配置される。周辺領域のコーナ部に
ある円筒スリーブ１０Ａは、それよりも内側にある円筒
スリーブ１０ＡとはピツチＰ₂で配置されるが、周辺領
域で隣接する円筒スリーブ１０ＡとはピツチＰ₂以上の
間隔で配置される。円筒スリーブ１０Ａの配列間隔は、
第４図に示す燃料棒６の配列間隔と同じである。

燃料スペーサ１０は、１本の対角線上では最外周から三
列目、他の対角線上では最外周から四列目まで円筒スリ
ーブ１０Ａが配置されている。このように二箇所のみで
最外周から四列目に配置された円筒スリーブ１０Ａ、及
びその他の部分で最外周から三列目に配置された円筒ス
リーブ１０Ａにて取囲まれた内側の領域１０Ｈに、２本
に水ロツド９が挿入される。領域１０Ｈは、水ロツド挿
入領域である。前述の最外周から４列目に配置された円
筒スリーブ１０Ａ₁とこの両側に隣接している円筒スリ
ーブ１０Ａ₂との領域Ｈに面する側面に、プレート１０
Ｄが取付けられる。各プレート１０ＤのＵ字部１０Ｄ₁
は、領域１０Ｈ内に突出している。１つの対角線上で最
外周から３列目に配置された円筒スリーブ１０Ａに隣接
している２個の円筒スリーブ１０Ａ₃の水ロツド挿入領
域１０Ｈに面する側面に、プレート１０Ｅがそれぞれ取
付けられる。スプリング１０Ｆが、プレート１０Ｅに設
置される。領域１０Ｈ内に挿入される２本の隣接する水
ロツド９は、スプリング10Ｆと２枚のプレート１０Ｄの
Ｕ字部１０Ｄ₁との３点によつて保持される。すなわ
ち、燃料スペーサ１０は、２本の太径の水ロツド９を容
易に保持することができる。１本の水ロツド９は、この
水ロツド９に設けられた突起部１１によりＵ字部１０Ｄ
₁を保持することによつて燃料スペーサ１０を保持して
いる。すなわち、突起部１１が第６図の破線の位置にあ
る状態で燃料スペーサ１０を水ロツド９に装着し、その
後、水ロツド９を矢印１２の方向に回転させて突起部１
１をＵ字部１０Ｄ₁の位置まで移動させる。このように
して、燃料スペーサ１０が水ロツド９に保持される。

燃料集合体５は、沸騰水型原子炉の炉心内に装荷され
る。この燃料集合体５は、平衡炉心において３バツチで
新しい燃料集合体５と交換される。すなわち、１体の燃
料集合体５は、２つの燃料サイクルの間、炉新内に滞在
している。１つの燃料サイクルは、ある燃料交換から次
の燃料交換までの原子炉の運転期間である。

以上のように構成された本実施例の燃料集合体５の作用
効果について説明する。

本実施例の作用効果の理解を助けるために、まず先願で
ある特願昭62−147061号（出願日：昭和６２年６月１５
日）の第１図に示された発明の燃料集合体の概要を第７
図に基づいて説明する。この燃料集合体３０は、チヤン
ネルボツクス１３内で燃料集合体５と同様ら中央部に太
径の２本の水ロツド３１を隣接して配置し、その周囲を
正方格子状に配置された燃料棒３１にて取囲んだもので
ある。燃料棒３１としては、前述した燃料棒１〜３のほ
かに第８図に示す燃料棒４が用いられている。燃料棒１
〜３の配置は、燃料集合体５とほぼ同じである。燃料棒
４は、最外周において燃料棒２に隣接して配置される。
燃料集合体３０の横断面での平均濃縮度は、燃料有効長
部の軸方向全長にわたつて一様であり、その値は約４．
６重量％である。燃料棒３１の外径は、約１０．６mmで
ある。

第１図の実施例は、局所出力ピーキングを抑制できると
共に最小限界出力比を大きくできる。これらの機能は、
燃料集合体３０の最外周に配置された燃料棒を三角格子
状に配置することによつて得られたものである。

燃料集合体３０では、局所出力ピーキングが低減されて
横断面での出力分布が平坦化されたとはいえ、炉心内に
おいて燃料集合体３０の周囲に設けられる水ギヤツプの
影響で燃料棒配列の最外周部付近で出力分布が最も大き
くなる。本実施例は、周辺領域で燃料棒６を三角格子状
に配置しているので、燃料集合体５の周辺領域付近にお
ける減速材／燃料の比（すなわち水素原子数／ウランの
原子数の比）が小さくなり、水ギヤツプの中性子減速効
果の影響を軽減できる。従つて、燃料集合体５の周辺領
域での出力分布が相対的に低くなり、燃料集合体の局所
出力ピーキングを抑制できる。

周辺領域での燃料棒６の三角格子状の配置は、燃料集合
体５内の燃料棒６のピツチを一部で大きくなる部分があ
るが実質的に同じにすることができる。このため、本実
施例では、特開昭60−202386号公報の第３図の構造のよ
うに局所的に燃料棒のピーチが小さくなる部分がなく、
ＭＣＰＲが大きくなり、ＭＣＰＲが改善される。核沸騰
から膜沸騰への沸騰遷移は、出力分布の大きな周辺部の
燃料棒で生じ易い。特開昭60−202386号公報の第３図の
構造は、出力分布の大きな周辺部で燃料棒のピツチを小
さくしているのでＭＣＰＲが著しく厳しくなる。第１図
の実施例では、周辺領域の燃料棒６のピツチが大きいの
で、ＭＣＰＲは燃料集合体３０と同程度に改善できる。

局所出力ピーキングの減少は、燃料集合体５に以下の効
果をもたらす。すなわち、局所出力ピーキングの減少
は、燃料集合体５の平均濃縮度を燃料集合体３０のそれ
よりもほとんど高くしないでも、燃料集合体５の燃焼度
を燃料集合体３０の燃料度よりも高くできる。すなわ
ち、燃料集合体５内の最高濃縮度（燃料棒１の濃縮度）
の増加を抑制できて燃焼度の増大を図ることができる。
具体的には、本実施例のように周辺領域の燃料棒６を三
角格子状に配置することによつて、燃焼度を約１％増加
させることができる。同程度の燃焼度の増加を燃料集合
体３０の平均濃縮度の増加によつて達成しようとした場
合には、燃料集合体３０の最高濃縮度が５重量％よりも
かなり大きくなり、ウラン濃縮に要する時間が長くなる
と共にウラン濃縮設備の大型化（カスケード段の増加）
が必要になる。本実施例によれば、このような問題が生
じない。

更に燃料集合体５は、燃料棒が４本少ない割には、燃料
物質の装荷量を燃料集合体３０と同程度にすることがで
きる。この理由を以下に説明する。燃料集合体３０は、
第９図（Ａ）のように、ピツチＰ₀で燃料棒３１が正方
格子状に配置されている。最外周に配置された燃料棒３
１とチヤンネルボツクス１３の内面との間の距離をｌ₁
とする。第９図（Ｂ）のように、燃料集合体３０の最外
周の燃料棒３１を正三角格子状に配置した場合における
最外周の燃料棒３１とチヤンネルボツクス１３の内面と
の間の距離をｌ₂とする。距離ｌ₂は、距離ｌ₁に比べて
(1) 式のように広くなる。

このように、燃料集合体３０にて最外周の燃料棒３１を
三角格子状に配列することによつて生じた距離ｌ₁の増
大分は、ピツチＰ₀を広げてピツチＰ₂にするために利
用できる。ピツチの増大は、燃料棒３１の外径を増加さ
せることも可能になる。燃料集合体及び燃料集合体３０
において、チヤンネルボツクス１３の内面間の距離は等
しい。このため、燃料集合体５の燃料棒６のピツチＰ₂
は、燃料集合体３０の燃料棒３１のピツチＰ₀の1.03倍
にすることができる。燃料棒６の外径も、燃料棒３１の
それの１．０３倍になつている。その分、燃料棒６の燃
料ペレツト直径を大きくできる。燃料集合体５は、燃料
集合体３０に比べて燃料棒が４本少ないが、ピツチＰ₂
の増大により燃料棒６内の燃料ペレツトの横断面積を燃
料棒３１内のその横断面積よりも６％大きくできるの
で、４本の燃料棒３１減少に伴う燃料物質の装荷量の減
少を十分にカバーすることができる。

また、ピツチＰ₀を１．０３倍のピツチＰ₂にすること
によつて各水ロツド９の外径も水ロツド３２の外径の
１．０３倍にできる。このため、水ロツド９内の冷却水
流路面積が、１．０６倍となつて中央領域での減速材／
燃料の比が大きくなり、局所出力ピーキングをより低く
できる。これは、各燃料棒６内の燃料物質の燃焼割合を
平均化することにつながる。従つて、燃料棒６の三角格
子状配置による燃焼度の増大分（約１％）に、更に、水
ロツドの冷却水流路面積の増大による燃焼度の増大分を
上乗せすることができる。

前述のように、周辺領域の燃料棒配置を三角格子状した
上で燃料物質の装荷量を燃料集合体３０のその装荷量と
同程度以上にするためには、最外周に配列された燃料棒
６の軸心とチヤンネルボツクス１３の内面との間の最短
距離ｌ₅が、バンド１０ｃの内面とバスタブ１７のチヤ
ンネルボツクス接触面との間の距離ｔにＰ₂／２を加え
た値以下にすることが望ましい。燃料集合体３０におけ
る距離ｔは、バンド１０Ｃの肉厚ｔ₁の２．６倍であ
る。従つて、最短距離ｌ₂の好ましい値は、（２．６ｔ
₁＋Ｐ₂／２）の値以下となる。燃料集合体５では、ｌ₅
＝２．６ｔ₁＋Ｐ₂／２となる。

燃料集合体５は、燃料集合体３０によつて得られる効果
も達成できる。これは、２本の水ロツド９に隣接してい
る燃料棒２の平均濃縮度が、この燃料棒２に隣接する他
の燃料棒（燃料棒１）の平均濃縮度よりも低いからであ
る。この構成によつて得られる機能を以下に説明する。

第１０図は、沸騰水型原子炉における燃料集合体の平均
濃縮度の増加による減速材／燃料の比と無限増倍率との
関係を示している。特性Ａは平均濃縮度が高い高燃焼度
の燃料集合体、特性Ｂは平均濃縮度が低い燃料集合体
（従来の燃料集合体）に対するものである。Ａ₁は平均
濃縮度の高い特性Ａの燃料集合体における原子炉の出力
運転時の無限増倍率と原子炉の低温停止時の無限増倍率
との差を示している。また、Ｂ₁は、平均濃縮度の低い
特性Ｂの燃料集合体における原子炉出力運転時と原子炉
冷温停止時との間における無限増倍率の差を示してい
る。特性Ａ及びＢとも、ボイドの多い原子炉出力運転時
には無限増倍率が小さく、ボイドが少なく中性子がよく
減速される原子炉の冷温停止時には無限増倍率が大きく
なつている。なお、燃料集合体の平均濃縮度が大きくな
る程、原子炉出力運転時と原子炉冷温停止時との間の無
限増倍率の差が大きくなる。これは、平均濃縮度の高い
燃料集合体程、炉停止余裕が低下することを意味してい
る。

しかしながら、燃料集合体における水ロツドの減速材領
域の横断面積を増大させることによつて、原子炉出力運
転時と原子炉冷温時との間の無限増倍率の差が小さくな
り（第１１図を参照）、炉停止余裕が増大する。これ
は、水ロツド内を上昇して流れる冷却水は軸方向の上部
においても沸騰する確率がひじように小さく飽和水の状
態にあるので、水ロツドの減速材領域の横断面積が大き
いと、燃料集合体の上部においてもその横断面積に占め
る飽和水領域の面積の割合が大きくなるためである。ま
た水ロツドの減速材領域の横断面積の増加は、燃料集合
体内の減速材／燃料の比を大きくすることにもつなが
り、前述したように、燃料集合体の横断面における熱中
性子束分布（出力分布）の平坦化に大きく寄与する。

燃料集合体５は、特開昭62−217186号公報の第７図と同
様に中央部に２本の太径の水ロツド９を配置している。
このよう２本の太径の水ロツドを有する燃料集合体で
は、太径の水ロツドに隣接する燃料棒の周囲に形成され
る冷却材領域が大きくなり、これが炉停止余裕の低下の
一因になつている。その内容を特開昭62−217186号公報
の第７図の燃料集合体を例にとつて第１１図により説明
する。この燃料集合体３３のチヤンネルボツクス１３内
の冷却材領域の面積（２本の水ロツド３２内の減速材領
域面積を除く）を７４本の燃料棒３４について分割する
と、第１２図のようになる。一部しか記入していない
が、破線が各燃料棒３４毎の冷却材領域の境界を示して
いる。この破線は、隣接する燃料棒３４の中間を通る仮
想線である。ほとんどの燃料棒３４は、３５で示す冷却
材領域を周囲に形成している。しかし、２本の水ロツド
３２の軸心を結ぶ直線と直交する燃料集合体３３の１本
の対角線上に配置されて各々の水ロツド３２に隣接する
２本の燃料棒３４Ａは、冷却材領域３５に比べ著しく面
積の大きい３６で示す冷却材領域を周囲に形成してい
る。冷却材領域における冷却材の密度は、原子炉の出力
運転時においては蒸気のボイドが存在し原子炉の冷温停
止時においては蒸気のボイドがなくなるので、原子炉の
出力運転時と冷温停止時との間で変化する。この変化の
割合は、冷却材領域３５よりも２本の水ロツド３２に隣
接する冷却材領域３６で著しく大きくなる。このような
問題を解消するために、燃料集合体５は、２本の水ロツ
ド９に隣接する各冷却材領域３６に配置される燃料棒の
反応度を低くしている。具体的には、水ロツド９に隣接
する２本の燃料棒２の平均濃縮度をこの燃料棒２に隣接
する燃料棒１の平均濃縮度よりも低くしている。

水ロツド９に燃料棒２を隣接させた場合に生じる炉停止
余裕の増加を、第１３図に基づいて定量的に説明する。
第１３図において、破線は、燃料集合体５で水ロツド９
に隣接する燃料棒２の濃縮度を４．９重量％（燃料有効
長部の軸方向全長にわたつて）にした場合における原子
炉出力運転時と原子炉冷温停止時との間における無限増
倍率の差が燃焼度によつて変化する様子を示したもので
ある。実線は、水ロツド９に隣接する燃料棒２の燃料有
効長部の濃縮度が３．２重量％である本実施例の燃料集
合体５における前述の無限増倍率の差が燃焼度によつて
変化する様子を示したものである。第１３図から明らか
なように、２本の水ロツド９に隣接する燃料棒２（冷却
材領域３６に配置される燃料棒）の濃縮度がその周囲に
配置されてしかもその燃料棒２に隣接する燃料棒の濃縮
度よりも低い場合に、原子炉の出力運転時と冷温停止時
との間での無限増倍率の差が小さくなり、炉停止余裕が
増大する。

第１３図は濃縮度３．２重量％の２本の燃料棒２を２本
の水ロツド９の軸心を結ぶ直線と直交する１つの対角線
上で位置を変えて配置した場合における炉停止余裕の変
化を示したものである。第１４図（Ａ）に示すようにＸ
及びＹの位置よりも２本の水ロツド９に隣接したＺの位
置（冷却材領域３６内）に濃縮度の低い燃料棒２を配置
すると、炉停止余裕の増加量が著しく多くなる。Ｘ，Ｙ
及びＺの位置は、第１４図（Ｂ）に示されている。

燃料集合体５は、第１５図に示すように水ロツド９の減
速材領域の合計横断面積を大きくすることによる炉停止
余裕の増加と、更に２本の太径の水ロツド９に隣接する
冷却材領域３６（冷却材領域３５の面積の約２倍の面積
を有する）に周囲の燃料棒の平均濃縮度よりも低い平均
濃縮度を有する燃料棒２の配置による炉停止余裕の増加
という異なる機能による炉停止余裕の増加を得ることが
できる。

第１５図に示す特性は、第１図に示す燃料集合体５の水
ロツド９の断面積を変えることによつて得られたもので
ある。燃料集合体５内における水ロツド９の減速材領域
の合計横断面積を点Ｍ_Xの面積（燃料棒６の横断面積の
９倍）にすることによつて、水ロツドの大きさが寄与す
る燃料経済性は最大になる。しかしながら、２本の太径
の水ロツドを斜めに隣接して配置した燃料集合体におい
て望ましい燃料経済性を得るためには、燃料集合体内の
水ロツドの減速領域の合計横断面積は、１本の燃料棒の
横断面積７〜１２倍の範囲（第１５図のＬの範囲）にす
ることが好ましい。前述したように燃料集合体内の水ロ
ツドの横断面積の増加は、炉停止余裕を減少させる機能
及び出力分布平坦化の機能を有するが、その横断面積が
あまり大きくなり過ぎると燃料集合体内における核分裂
性物質（例えばウラン２３５）及び燃料親物質（例えば
ウラン２３８）を含む核燃料物質の装荷量の減少に伴う
悪影響が強くなつてくる。このためにも、燃料集合体５
内の２本の水ロツド９の減速領域の合計横断面積は、１
本の燃料棒６の横断面積の１２倍を越えないことが望ま
しい。

燃料集合体５の２本の太径の水ロツド９は、燃料集合体
５の横断面中央部であつて、燃料棒６がピツチＰ₂にて
３行３列の正方格子状に配置できる領域に配置されてい
るが、３行３列に燃料棒６を配置できる領域の１つの対
角線上に前述のように四列目に配置された円筒スリーブ
１０Ａ₁内に燃料棒２を挿入している。このため、本実
施例は、２本の太径の水ロツド９を配置している割には
水ロツド９の配置によつて第４図の×印をつけた位置に
配置される７本の燃料棒が取除かれるだけであり７０本
という多くの本数の燃料棒６を配置でき、核燃料物質の
装荷量が多くなる。この点からも燃料集合体５の燃料経
済性が大きくなる。

燃料集合体５は、燃料棒６を複数の円筒スリーブ１０Ａ
に備えた丸セル型燃料スペーサにて保持しているので、
Ｘ方向，Ｙ方向に直交する格子板の組合せからなる格子
型燃料スペーサを用いた場合に比べてＭＣＰＲが大きく
なる。これは、丸セル型燃料スペーサでは、燃料棒６と
の円筒スリーブ１０Ａとの間の間隔が燃料棒６の周囲で
等しいために、燃料棒６と円筒スリーブ１０Ａとの間に
流入した冷却水流の乱れが少なくなることに起因してい
る。冷却水流の乱れが少ないと、燃料棒６表面に形成さ
れる液膜の剥離も少なくなり、それだけ燃料棒６の冷却
効果が向上する。このため、丸セル型燃料スペーサのＭ
ＣＰＲが大きくなる。また、格子型燃料スペーサでは、
燃料棒が挿入される１つの升目の横断面積が実質的に正
方形であるためにその正方形の升目内における燃料棒周
囲の冷却水通路の幅が変化する。従つて、燃料棒周囲、
特に、正方形状の升目の冷却水通路の各コーナ部で渦等
が生じるなど冷却水流の乱れが大きく、丸セル型燃料ス
ペーサに比べて燃料棒表面から液膜が剥離し易くなる。
このため、格子型燃料スペーサは、丸セル型燃料スペー
サよりもＭＣＰＲが小さくなる。

また、水ロツド９は横断面が円型をしているので製作が
容易であり、燃料スペーサがＵ字部を有するプレートを
備えているので太径の水ロツドによる燃料スペーサの保
持が容易に行える。円筒スリーブ１０Ａが前述のように
四角及び三角格子状に配置されているので燃料棒６の四
角及び三角格子状配置が極めて容易である。また、丸セ
ル型燃料スペーサは円筒スリーブを互いに溶接すればよ
いので上記の燃料棒配置が可能な構造に容易に製造でき
る。燃料棒２２が９行９列に配置された本数が多くなつ
ているので、全燃料棒の表面積の合計量が多くなり線出
力密度を高くできる。このような本実施例の燃料集合体
は、燃料度を約５５ＧＷｄ／Ｔ以上に高燃焼度化でき
る。

第１図に燃料集合体５に適用された中央領域で燃料棒を
四角格子状に配置し中央領域を取囲む周辺領域で燃料棒
を三角格子状に配置するという技術思想は、水ロツドの
形状及びその配置が異なる他の燃料集合体、例えば特開
昭62−217186号公報に第３図〜第５図に示す各燃料集合
体、更には水ロツドのない燃料集合体に適用することも
可能である。

第１図の実施例において水ロツド９に隣接する燃料棒２
の濃縮度をその周囲で各々に隣接する燃料棒１の濃縮度
と等しくした場合であつても、燃料棒２の燃料有効長部
の範囲に、その周囲で隣接している他の燃料棒の当該領
域に対する無限増倍率よりも低くなるように（燃焼度が
零の時で）所定濃度のガドリニウムを充填してもよい。
ガドリニウム濃度は、１つの燃料サイクルにて燃え尽き
るように調整する。２本の太径の水ロツドに隣接する燃
料棒の少なくとも上端部における無限増倍率をその燃料
棒に隣接する燃料棒の当該領域での無限増倍率よりも低
くすることは、濃縮度にて行うことが望ましい。濃縮度
の調節にて実施すると、２本の太径の水ロツドに隣接す
る燃料棒とこの燃料棒に隣接する燃料棒との間の無限増
倍率の差は燃焼度の増大によつてほとんど変化しない。
前述の無限増倍率の差を２本の太径の水ロツドに隣接す
る燃料棒への可燃性毒物の添加によつて行うと、その無
限増倍率の差は、燃焼度の増大によつて変化する。

可燃性毒物で調整した場合は、冷却材領域３６に配置し
た燃料棒の低無限増倍率による炉停止余裕の増加の機能
が燃料集合体の寿命期間中に維持されず、短期間に消失
する。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第１６図及び第
１７図に基づいて説明する。本実施例の燃料集合体４０
は、燃料集合体５の水ロツド９の外径を隣接する水ロツ
ドに接触する程度に大きくしたものである。すなわち、
燃料集合体４０は、燃料集合体５と同様に、２本の水ロ
ツド９Ａを中央領域の中央に配置している。水ロツド９
Ａは、水ロツド９よりも外径が大きい。２本の水ロツド
９Ａは、並列状態でしかも互いに接触した状態で側面に
取付けられた一対の結合部材９Ｂにて連結されている。
結合部材９Ｂにて連結された２本の水ロツド９Ａは、冷
却水の流動振動による振動が防止され、フレツテイング
コロージヨンの発生が防止できる。燃料スペーサ４１
は、燃料スペーサ１０と同様に円筒スリーブ１０Ａの配
置を有しており、互いに溶接にて接合された円筒スリー
ブ１０Ａのうち最外周の円筒スリーブ１０Ａにバンド１
０Ｃを取付けたものである。バンド１０Ｃには、バスタ
ブ１７が設けられている。燃料スペーサ４１は、互いに
結合された水ロツド９Ａとの関係で、燃料スペーサ１０
と中央部の構造が異なつているだけである。燃料スペー
サ４１は、領域１０Ｈに面する一方の円筒スリーブ１０
Ａ₁及びこれの両側に隣接する２個の円筒スリーブ１０
Ａ₂に取付けられる１つのプレート１０Ｄ₂、及びもう
一方の円筒スリーブ１０Ａ₁とこれに隣接する円筒スリ
ーブ１０Ａ₂とに取付けられた一対のプレート１０Ｉを
備えている。プレート１０Ｄ₂は、２本の水ロツド９Ａ
と接触するＵ字部を有している。各プレート１０Ｉに
は、スプリング１０Ｊが設けられている。燃料スペーサ
４１は、軸方向に配置された結合部材９Ｂの間にプレー
ト１０Ｄ₂のＵ字部を挿入することによつて支持され
る。一対のスプリング１０Ｊは、結合された２本の水ロ
ツド９Ａをプレート１０Ｄ₂側に押圧している。このた
め、プレート１０Ｄ₂のＵ字部が結合部材９Ｂ間から外
れることを防止している。２本の水ロツド９Ａのプレー
ト１０Ｄ₂に面する外面には、一対の結合部材９Ｂが上
下方向に所定間隔を有して取付けられている。プレート
１０Ｄ₂のＵ字部は、これらの結合部材９Ｂの間に挿入
され、下側の結合部材９Ｂにより落下しないように保持
される。結合部材９Ｂにて連結された２本の水ロツド９
Ａは、スプリング１０Ｊの矢印１２Ａの方向に圧縮した
状態で領域１０Ｈ内に挿入される。プレート１０Ｄ₂の
Ｕ字部が軸方向に所定位置に到達したときに、矢印１２
Ａの方向に水ロツド９Ａを押圧していた力を取除いて前
述したようにそのＵ字部を結合部材９Ｂ間に挿入され
る。

燃料集合体４０の他の構成は、燃料集合体５と同じであ
る。燃料集合体４０では、２本の水ロツド９Ａの減速領
域の合計横断面積が１本の燃料棒６の横断面積の約１０
倍となる。このため、燃料集合体４０は、横断面での出
力分布が燃料集合体５に比べてより平坦化され、燃料集
合体５よりも燃焼度を増大できる。また、本実施例で
は、燃料スペーサ１を結合された水ロツド９Ａにて容易
に保持することができる。燃料集合体４０は、燃料集合
体５と同様な効果も得ることができる。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第１８図に示
す。本実施例の燃料集合体４５は、燃料棒６及び水ロツ
ド９よりも外径の小さな燃料集合体３０の燃料棒３１及
び水ロツド３２を備えている。燃料集合体４５は、燃料
集合体３０と同様なピツチＰ₀で燃料棒３１を配置して
おり、周辺領域では燃料集合体５と同様に燃料棒３１を
三角格子状に配置している。外径約１０．６mmの燃料棒
３１を周辺領域で三角格子状に配置しているので、最外
周の燃料棒３１とチヤンネルボツクス１３の内面との間
の距離ｌ₂の増加分（(1) 式の解）は、そのまま最外周
の燃料棒３１とチヤンネルボツクス１３の内面との間に
残されている。このように本実施例では最外周の燃料棒
３１とチヤンネルボツクス１３の内面との間の間隙の増
大により炉停止余裕が燃料集合体５及び３０よりも増大
する。燃料集合体３０よりも炉停止余裕を増大させるた
めには、最外周に配置された燃料棒３１の軸心とチヤネ
ルボツクス１３の内面との間の最短距離ｌ₆が、燃料ス
ペーサ４６のバンド４６Ｃの肉厚をｔ₁とした場合に、
下記の(2) 式を満足させる必要がある。燃料集合体４５
は、(2) 式の条件を満足している。

ｌ₆＞２．６ｔ₁＋Ｐ₀／２ …(2) 燃料棒３１としては、図示されていないが燃料集合体５
と同様に燃料棒１〜３の３種類の燃料棒が用いられてい
る。これらの燃料棒は、本実施例において燃料集合体５
と同様に配置されている。本実施例に用いられる燃料ス
ペーサ４６は、全体的にサイズが小さくなつているほか
は燃料スペーサ１０と同じ構成を有している。すなわ
ち、互いに溶接にて接合された円筒スリーブ４６Ａ，ル
ープ状バネ４６Ｂ及びバンド４６Ｃ等を備えている。本
実施例では、上記(2) 式を満足する必要があるので、チ
ヤンネルボツクス１３の内面とバンド４６Ｃとの間の間
隙が燃料集合体５のそれよりも広い。このため、バスタ
ブ１７よりも高さの高いバスタブ１７Ａが設けられてい
る。バスタブ１７Ａは、チヤンネルボツクス１３の内面
に接触している。

燃料集合体４５は、周辺領域に燃料棒３１を三角格子状
に配置しているので、燃料集合体５と同様にＭＣＰＲの
増大及び局所出力ピーキングの減少の効果をもたらすほ
かに、前述したように炉停止余裕も増大する。局所出力
ピーキング減少は、前述したように燃焼度の増大につな
がる。燃料集合体４５も２本の水ロツド３２に平均濃縮
度の低い燃料棒２を配置しているので、炉停止余裕を増
大できる。２本の水ロツド３２の減速領域の合計横断面
積も１本の燃料棒３１の横断面積の９倍となつているの
で、炉停止余裕の増大及び横断面での出力分布の平坦化
に貢献している。燃料スペーサ４６も、燃料スペーサ１
０と同じ機能を達成できる。燃料集合体４５も、燃料集
合体５と同様に２本の水ロツド３２の配置によつて７本
の燃料棒３１が中央部から取除かれる。

燃料集合体４０及び４５も、燃料集合体５と同じように
３つの燃料サイクルの間、炉心内に滞在する。

燃料棒１〜３を有する平均濃縮度の高い燃料集合体５，
４０及び４５は、取替え用燃料集合体として沸騰水型原
子炉の炉心内に装荷され、平衡炉心を構成する。燃料集
合体５，４０及び４５は、沸騰水型原子炉の初装荷炉心
を構成することも可能である。燃料集合体５で構成され
た初装荷炉心の構造を例にとつて説明する。この初装荷
炉心は、特開昭61−165682号公報の第１図に示される初
装荷炉心の概念を適用したものであり、平衡サイクル
（平衡炉心）への移行が速やかに行うことができしかも
初装荷の燃料集合体の取出燃焼度を増大できる。

本実施例の初装荷炉心は、平均濃縮度の異なる複数の燃
料集合体５により構成し、これら燃料集合体５の平均濃
縮度，体数及び取出時期を特定することにより、上記の
効果を得ることができる。本実施例の初装荷炉心の概略
は次の６点で特徴づけられる。

平均濃縮度の異なる２種類以上（例えば３種類）の
燃料集合体５により初装荷炉心を構成する。

第１燃料サイクル後の燃料集合体５の取替割合を１
／Ｎとすると、燃料集合体５の種類も約Ｎとする。

第１燃料サイクルでは、起動試験期間に相当する燃
焼度だけ、次の燃料サイクル以降における各燃料サイク
ルでの燃焼度よりも増える。従つて、このサイクル増分
燃焼度を、初装荷炉心での高濃縮燃料集合体の体数を、
平衡炉心での取替えのために炉心から取出される燃料集
合体（取替燃料という）の体数より多くすることによ
り、補償する。

出力運転中に炉心に挿入される制御棒を囲む４体の
燃料集合体は、低濃縮度燃料集合体Ｌ１により構成され
る。

低濃縮度燃料集合体の濃縮度は約１．６重量％〜
２．４重量％の範囲である。

初装荷炉心を構成する燃料集合体５のうち、濃縮度
が最も高い燃料集合体（これを高濃縮度燃料集合体と呼
ぶ）の濃縮度は、取替燃料の代りに炉心内に装荷される
新燃料集合体５の濃縮停と等しい。

の要件は、平衡炉心を模擬した初装荷炉心を実現する
上で基本となるもので、平衡炉心への移行を速やかにす
るとともに、の要件で述べる燃料集合体の取出し方の
限定により、取出燃焼度の増大に寄与する。

これらの要件だけでは、本実施例の効果を充分に達成す
るものではなく、さらに次に述べる技術が必要であつ
た。

によると、第１燃料サイクル末期での初装荷用の燃料
集合体５（初装荷燃料という）の種類は、平衡炉心での
バツチ数とほぼ等しくなるので、初装荷炉心ら平衡炉心
への移行がスムーズとなる。

燃料集合体５の全装荷体数をＮ_t、取替燃料の体数をＮ
_Rとすると、バツチ数（これは取替燃料の体数割合の逆
数で定義される。）は、Ｎ_t／Ｎ_Rで示されるので、に
示すように、初装荷燃料の平衡濃縮度の種類ｎを、バツ
チ数とほぼ等しくするためには、ｎをとなる整数に選べばよい。即ち、取替燃料の体数Ｎ
_Rと、平均濃縮度の種類ｎの間には、の関係が成り立つ。

は次のような原理により決定される。

一般に、無限増倍率は燃焼度の一次式でよく近似され
る。第１９図は、無限増倍率と燃焼度の関係を模式的に
示したものである。ｅ₃で示される直線は、３バツチ炉
心を例にとり、毎燃料サイクル終了時に炉心内の１／３
の燃料集合体５が交換される平衡炉心での、燃焼度と無
限増倍率の関係を示す。（Ｎ＋１）燃料サイクルで炉心
に装荷された新燃料集合体５の無限増倍率は燃焼度が０
なので▲Ｋ³ ₀▼の値を持つ。そして（Ｎ＋１）燃料サイ
クル終了時にはその燃料集合体５燃焼度がＥ_N1となるの
で、無限増倍率は▲Ｋ³ _EN1▼となる。同様に（Ｎ＋２）
燃料サイクル終了時にはこの燃料集合体５の無限増倍率
は▲Ｋ³ _EN2▼、（Ｎ＋３）燃料サイクル終了時すなわ
ち、燃料集合体５の取出し時にはＫ_EN3となる。この場
合平衡サイクルを想定しているので、各燃料サイクル毎
の取替燃料の体数は同じで、各燃料サイクルのサイクル
増分燃焼度ΔＥはすべて等しい。この時、各燃料サイク
ル末期には、無限増倍率▲Ｋ³ _E1▼，▲Ｋ³ _E2▼，▲Ｋ³
_E3▼の燃料集合体５が同数存在するので、炉心の平均無
限増倍率はこの平均で示される。これが臨界となつてい
ればよい。

このような平衡炉心を初装荷炉心から実現するために
は、燃焼度０での無限増倍率が▲Ｋ³ _EN1▼と等しいｅ₂
で示される平均濃縮度の燃料集合体と、燃焼度０での無
限増倍率▲Ｋ³ _EN2▼に等しいｅ₁で示される平均濃縮度
の燃料集合体を等しい数だけ炉心に装荷すればよい。

しかしながら、初装荷炉心では起動試験があるため、第
１燃料サイクルの燃焼度Ｅは、それ以降の燃料サイクル
の燃焼度Ｅ₂〜Ｅ₃より多くなる。このため、ｅ₃で示さ
れる平衡炉心に装荷される燃料集合体５を初装荷炉心を
装荷すると、第１燃料サイクル末での無限増倍率は▲Ｋ
³ _E1▼となつて▲Ｋ³ _EN1▼よりもΔＫだけ低くなつてし
まい、燃料サイクル末では臨界未満となる。このような
情況はｅ₂，ｅ₁でも同様であるため、上記ｅ₁，ｅ₂，ｅ
₃の各燃料集合体５で初装荷炉心を構成した場合には、
第１燃料サイクル〜第３燃料サイクルの各燃料サイクル
末期の無限増倍率で低下してしまい、臨界を維持できな
くなる。

この対策としては、燃焼度Ｅ₁で無限増倍率が、燃料集
合体ｅ₃の燃料度▲Ｋ³ _EN1▼と等しくなるように濃縮度
を高くした燃料集合体ｅ₃′を用いることが考えられ
る。同様にして、燃料集合体ｅ₁の替りに濃縮度の高い
燃料集合体ｅ₁′が、燃料集合体ｅ₂の替りに濃縮度を高
くした燃料集合体ｅ₂′が用いられる。燃料集合体ｅ₃′
は、取替用の新燃料集合体５の平均濃縮度以上に高くす
ることは好ましくない。

そこで、初装荷炉心に装荷される最高濃縮度燃料集合体
の平均濃縮度を取替用の新燃料集合体の平均濃縮度と同
一にした上で、起動試験時の燃焼度増分を補償する方法
としては、初期に装荷される最高濃縮度燃料集合体の体
数を、他の燃料集合体の体数より多くすればよい。

この場合、起動期間Ｅ₀を補償する体数ΔＮは、平衡サ
イクルでの取替燃料の体数をＮ_R、サイクル増分燃焼度
をΔＥとすると、よりとなる。

従つて求める最高濃縮度燃料集合体の体数Ｎ_nは(5) 式
よりとなる。ここで、Ｅ₁は第１燃料サイクル増分燃焼度、及びＥ_Nは第２燃料サイクル以後の平均増分燃焼度である。
(4) 式の関係を用いると、平均濃縮度の種類ｎとＮ_nの
関係はとなる。

このように燃料集合体の体数を決定すると、移行サイク
ルでの燃料集合体の取替体数を一定にすることができ、
平衡サイクルへ速やかに移行することができる。

は、特開昭56−1386号公報に記載されるように、運転
中に炉心に挿入される制御棒を限定し、制御棒のパター
ン交換を不要とした運転するために必要である。このよ
うな運転を行なうためには、運転中に炉心に挿入される
制御棒を囲む４体の燃料集合体を低反応度燃料集合体で
構成する必要であり、本実施例では低反応度燃料集合体
として、濃縮度の低い燃料集合体を採用していることが
特徴である。

は、以下のように特徴づけられる。

第１燃料サイクルの燃焼度は、９〜１２ケ月の運転期間
に移動期間を加えただけ必要である。

取替用の新燃料集合体は平均濃縮度約４．７重量％で少
なくとも約５５ＧＷｄ／ｔ燃えるので、濃縮度１重量％
につき約１１．７ＧＷｄ／ｔの割合で燃えることにな
る。第１燃料サイクル終了時に取出される低濃縮度燃料
集合体の燃焼度が少なくとも約１８．３ＧＷｄ／ｔであ
ることから考えると、その平均濃縮度は約１．６重量％
にするのがよい。さらに今後予定される運転期間の長期
化により、第１燃料サイクルの燃焼度も増加すると考え
られるので、低濃縮度燃料の濃縮度は約１．６重量％〜
２．４重量％とするのが適当である。

に述べたように、高濃縮度燃料集合体の平均濃縮度を
取替用の新燃料集合体の平均濃縮度と等しくすると、初
装荷炉心の構成が、平衡サイクルの炉心構成に似てくる
ので、平衡炉心への移行が速やかになる。

以上に述べた本実施例における初装荷炉心の１例を説明
する。第２０図は、１１００ＭＷｅ級沸騰水型原子炉の
初装荷炉心の１／４を平面を示している。図中、５１及
び５２は制御棒を示し、その周囲には４体の燃料集合体
５が装荷されている。この１本の制御棒１体と４体の燃
料集合体で単位セルを構成し、こ単位セルを複数個配置
して初装荷炉心が構成される。制御棒としては、通常運
転時に炉心に挿入され炉心の反応度を調整することを目
的とした制御棒５１と、通常は炉心から引抜かれ炉心停
止時のみ炉心に挿入される制御棒５２とが用いられてい
る。本実施例の初装荷炉心に装荷される全燃料集合体
は、一部で平均濃縮度が違つてはいるが、前述した燃料
集合体５を用いている。燃料集合体５は平均濃縮度の違
いによつて３種類に分類される。本実施例は、炉心に装
荷された全燃料集合体５の体数は７６４体で目標とする
平衡炉心の平均取替体数を２１２体とした例で(4) 式に
よれば平均濃縮度の種類は７６４／２１２＝３．６を超
えない最大の整数として３が選ばれている。第２０図に
おいて、１で示される燃料集合体５は高濃縮度燃料集合
体であつて、その平均濃縮度は取替用の新燃料集合体５
と同じ約４．７重量％である。高濃縮度燃料集合体の装
荷体数は２４８体である。２で示される燃料集合体５
は、中濃縮度燃料集合体であつて平均濃縮度が約３．８
重量％、装荷される体数が２１２体である。残りの３．
３７及び３８で示される燃料集合体５は、平均濃縮度が
約２．２重量％の低濃縮度燃料集合体である。低濃縮度
燃料集合体３７は炉心最外周部に配置され、低濃縮度燃
料集合体３８は制御棒５１の周囲に配置される。炉心中
央部側に配置される低濃縮度燃料集合体３及び３８の合
計体数は２１２体で、これらは第１燃料サイクルの運転
終了時には炉心から取出される。また低濃縮度燃料集合
体の３７装荷の体数は９２体である。

このような燃料集合体５で構成された初装荷炉心は以下
のように燃料交換され、平衡炉心へと移行される。ま
ず、第１燃料サイクルの運転が終了すると、低濃縮度燃
料集合体３及び３８を炉心から２１２体取出し、代りに
平均濃縮度約４．７重量％の取替用の新燃料集合体５を
装荷する。

この場合、必要に応じて燃料集合体配置の交換（シヤツ
フリング）を行なうが、この場合も目標とする平衡炉心
への移行を速やかに行なうことを目的として実施する。
この時に、炉心最外周部に配置した低濃縮度燃料集合体
３７を取り出さない理由は、前述した通りで、この方法
により炉心最外周部に配置した燃料集合体の燃焼度増大
をさせることができる。従つて、第１燃料サイクル終了
時に取出される燃料集合体は、常にウラン２３５の残留
量が少ないものである。

第２燃料サイクル運転終了時には、前述の炉心最外周部
に配置された９２体の低濃縮度燃料集合体３７と１２０
体の中濃縮度燃料集合体が炉心から取出され、新たに平
均濃縮度約４．７重量％の２１２体の新燃料集合体５が
炉心内に装荷される。同様に、第３燃料サイクル運転終
了時には、残りの９２体の中濃縮度燃料集合体及び１２
０体の高濃縮度燃料集合体が平均濃縮度約４．７重量％
の２１２体の新燃料集合体５と交換される。このように
して構成された第４燃料サイ勲ル開始時における炉心
は、毎年２１２体ずつ燃料集合体５を交換し続ける第４
燃料サイクル以降における炉心構成が同じになるため、
平衝炉心となつている。

初装荷炉心に装荷された燃料集合体５の第１〜第３燃料
サイクル終了時での取替体数は２１２体で一定である。
このようにして燃料集合体５の交換を行なつた場合に
は、常にウラン２３５残留量の少ない燃料集合体５から
取出されるので、ウランを有効に利用することができ、
燃料経済性が向上する。

第１〜第３の各燃料サイクルでの余剰反応度の燃焼度に
対する変化は、第１燃料サイクルだけは起動試験期間の
分だけサイクル増分燃焼度が多くなるが、各燃料サイク
ル間の余剰反応度変化は少ない。特に第３燃料サイクル
以降の余剰反応度の燃焼度に対する変化は同一となり、
炉心は平衡状態になつている。このように速やかに平衡
炉心に収束するのは、前述したように、第１燃料サイク
ル以降の燃料集合体の取替体数が同一となつているため
である。

本実施例では、同一の初期炉心平均濃縮度で比較する
と、平均取出燃焼度が増加する。

さらに、本実施例では、各燃料サイクルとも余剰反応度
の燃焼変化が少なく平坦であるため、４体の低濃縮度燃
料集合体３８に囲まれた制御棒５１だけを利用して、制
御棒パターン交換を不要とした単一パターン運転が、第
１燃料サイクルから可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＭＣＰＲを増加できしかも局所出力ピ
ーキングを減少できる。従つて、熱的に安全で燃焼度の
より高い燃料集合体が得られる。

【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燃料集合体の横
断面図、第２図は第１図の燃料棒１〜３の濃縮度分布を
示す説明図、第３図は第１図の燃料集合体の縦断面図、
第４図は第１図での燃料棒配列を示す説明図、第５図は
第３図のＶ−Ｖ断面図、第６図は第５図の燃料スペーサ
中央部の拡大図、第７図は本発明の先願に示された燃料
集合体の横断面図、第８図は第７図の燃料棒４の濃縮度
分布を示す説明図、第９図は最外周の燃料棒とチヤンネ
ルボツクス内面との間の距離を示す説明図、第１０図は
減速材／燃料比と無限増倍率との関係を示す特性図、第
１１図は燃料集合体内の全水ロツドの減速材領域の合計
横断面積に対応する出力運転時と冷温停止時との間の無
限増倍率の差の変化を示す特性図、第１２図は特開昭62
−217186号公報に示された燃料集合体における各燃料棒
周囲に形成される冷却材領域の大きさを示す説明図、第
１３図は出力運転時と冷温停止時との無限増倍率の差の
燃焼度による変化を示す特性図、第１４図(Ａ)は低濃縮
度燃料棒の配置位置の違いによる炉停止余裕の変化を示
す特性図、第１４図(Ｂ)は第１４図(Ａ)の特性に対応し
た低濃縮度燃料棒の配置位置を示す説明図、第１５図は
燃料集合体内の全水ロツドの減速材領域の合計横断面積
と無限増倍率との関係を示す特性図、第１６図及び第１
８図は本発明の他の実施例である燃料集合体の横断面
図、第１７図は第１６図の燃料スペーサ中央部の拡大
図、第１９図は燃焼度と無限増倍率の関係を示した特性
図、第２０図は本発明の一実施例である初装荷炉心の構
成図である。５，４０，４５……燃料集合体、６，３１……燃料棒、
７……下部タイプレート、８……上部タイプレート、
９，９Ａ，３２……水ロツド、９Ｂ……結合部材、１
０，４１……燃料スペーサ、１０Ａ，４６Ａ……円筒ス
リーブ、１０Ｂ，４６Ｂ……ループ状バネ、１０Ｃ，４
６Ｃ……バンド、１０Ｄ，１０Ｄ₂，１０Ｅ，１０Ｉ…
…プレート、１０Ｆ……スプリング、１３……チヤンネ
ルボツクス、１７，１７Ａ……バスタブ、５１，５２…
…制御棒。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の燃料棒が四角格子状に配置された中
央領域及び複数の燃料棒が三角格子状に配置されて前記
中央領域を取囲む周辺領域を有する燃料集合体。
【請求項２】複数の燃料棒が四角格子状に配置された中
央領域及び複数の燃料棒が中央領域の燃料棒配列の間に
配置されて前記中央領域を取囲む周辺領域を有する燃料
集合体。
【請求項３】前記周辺領域における大部分の前記燃料棒
が前記中央領域における前記燃料棒のピツチと同じピツ
チで配置されている請求項１または２の燃料集合体。
【請求項４】前記三角格子状に配置された前記燃料棒の
配列とこの配列に隣接する前記燃料棒の配列との間の間
隔よりも前記中央領域における前記燃料棒の配列間の間
隔が広くなつている請求項１の燃料集合体。
【請求項５】前記中央領域内で７本の前記燃料棒が配置
可能な領域に前記中央領域における前記燃料棒のピツチ
よりも大きな直径の２本の水ロツドを隣接して配置して
なる請求項１の燃料集合体。
【請求項６】前記中央領域内に２本の水ロツドが隣接し
て配置され、前記水ロツド内の減速領域の合計横断面積
が前記燃料棒の横断面積の７〜１２倍である請求項１の
燃料集合体。
【請求項７】２本の前記水ロツドに隣接して配置された
前記燃料棒の無限増倍率が、この燃料棒に隣接している
他の前記燃料棒の無限増倍率よりも小さい請求項５また
は６の燃料集合体。
【請求項８】前記水ロツドに隣接する燃料棒の平均濃縮
度が前記他の燃料棒のそれよりも小さい請求項７の燃料
集合体。
【請求項９】前記中央領域及び前記周辺領域における前
記燃料棒の相互間隔を保持する燃料スペーサと、前記燃
料スペーサにて束ねられた燃料棒束を取囲むチヤンネル
ボツクスとを備え、前記燃料棒のピツチをＰ及び前記燃
料スペーサの外周部にあるバンドの肉厚をｔとした場合
に、最外周に配置された燃料棒の軸心と前記チヤンネル
ボツクス内面との最短距離ｌが下記の式を満足している
請求項１の燃料集合体。ｌ≦２．６ｔ＋Ｐ／２
【請求項１０】前記中央領域及び前記周辺領域における
前記燃料棒の相互間隔を保持する燃料スペーサと、前記
燃料スペーサにて束ねられた燃料棒束を取囲むチヤンネ
ルボツクスとを備え、前記燃料棒のピツチをＰ及び前記
燃料スペーサの外周部にあるバンドの肉厚をｔとした場
合に、最外周に配置された燃料棒の軸心と前記チヤンネ
ルボツクス内面との最短距離ｌが下記の式を満足してい
る請求項１の燃料集合体。ｌ＞２．６ｔ＋Ｐ／２
【請求項１１】前記中央領域及び前記周辺領域の前記燃
料棒を支持する複数の円筒部材を有する燃料スペーサを
備えている請求項１の燃料集合体。
【請求項１２】２本の前記水ロツドが結合手段にて互い
に結合されている請求項５または６の燃料集合体。
【請求項１３】前記燃料棒の相互の間隔を保持する燃料
スペーサを備えており、この燃料スペーサが、前記燃料
棒が挿入される複数の円筒部材、及び２本の前記水ロツ
ドに隣接している前記円筒部材に取付けられて各々の前
記水ロツドに接触する間隔保持部材を有し、１つの水ロ
ツドが前記間隔保持部材を支持する支持部材を有してい
る請求項５または６の燃料集合体。
【請求項１４】前記燃料棒の相互の間隔を保持する燃料
スペーサを備えており、前記燃料スペーサが、前記燃料
棒が挿入される複数の円筒部材、及び前記水ロツドに面
する前記円筒部材に取付けられると共に前記水ロツドに
設けられた前記結合部材にて支持される燃料スペーサ支
持部材を有している請求項１２の燃料集合体。
【請求項１５】燃料棒が挿入される複数の円筒部材が四
角格子状に配置された中央領域、及び前記燃料棒が挿入
される複数の円筒部材が三角格子状に配置されて前記中
央領域を取囲む周辺領域を有する燃料スペーサ。
【請求項１６】四角格子状に配置されて互いに接触して
接合された複数の円筒部材を備えた第１円筒部材群と、
前記第１円筒部材群の最外周に位置する前記円筒部材間
に一部分が入込んでそれらの円筒部材に接合される複数
の他の円筒部材を備えた第２円筒部材群とを有する燃料
スペーサ。
【請求項１７】複数の燃料棒が四角格子状に配置された
中央領域及び複数の燃料棒が三角格子状に配置されて前
記中央領域を取囲む周辺領域を有する複数の燃料集合体
が装荷されて構成される原子炉の炉心。
【請求項１８】複数の燃料棒が四角格子状に配置された
中央領域及び複数の燃料棒が三角格子状に配置されて前
記中央領域を取囲む周辺領域を有する複数の燃料集合体
が炉心内に装荷され、前記炉心から早く取出される前記
燃料集合体程、平均濃縮度が低くなつている原子炉の初
装荷炉心。
【請求項１９】複数の燃料集合体及び制御棒を備えてい
る原子炉の初装荷炉心において、前記燃料集合体は、複
数の燃料棒が四角格子状に配置された中央領域及び複数
の燃料棒が三角格子状に配置されて前記中央領域を取囲
む周辺領域を有しており、装荷される前記燃料集合体は
平均濃縮度について複数群に分類され、各群における前
記燃料集合体の平均濃縮度を第１群，第２群……第ｎ群
の順に高くし、最も平均濃縮度の高い第ｎ群に属する前
記燃料集合体の数Ｎ_nが、炉心に装荷される前記燃料集
合体の総数をＮ_tとすると、ただし、Ｅ_Nは第２サイクル以後のサイクル増分燃焼度、Ｅ₁は
第１サイクルのサイクル増分燃焼度で特徴づけられる原子炉の初装荷炉心。