JPH07151883A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】局所出力ピーキングを増大させることなく、平
均ウラン濃縮度を高めて高燃焼度化を達成し、熱経済性
の向上を図る。 【構成】チャンネルボックス５内にウォータロッド２を
４本、第１群の燃料棒３を56本、第２群の燃料棒４を20
本、最外周の四隅部の燃料棒６を４本および最外周の四
隅部に隣接する燃料棒７を８本ずつ配置する。第１群の
燃料棒３のウラン濃縮度は 5.0％、第２群の燃料棒４の
ウラン濃縮度は５％、ガドリニア濃度は 4.5％、最外周
の四隅部の燃料棒６のウラン濃縮度は3.6％、最外周の
四隅部に新競るする燃料棒７のウラン濃縮度は 4,3％で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高燃焼度化に適した沸騰
水型原子炉用燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料経済性の向上と使用済み燃料
体数の削減を目的として、燃料集合体１体から取り出せ
るエネルギーを増大させる高燃焼度化が進められてい
る。沸騰水型原子炉に使用される高燃焼度燃料集合体の
一例が特公昭63−311195号公報に開示されている。

【０００３】この燃料集合体は、核燃料物質である濃縮
ウランの酸化物を焼結した燃料ペレットを充填した74本
の燃料棒と２本の太径ウォータロッドとを９行９列の格
子状に束ねて燃料束とし、これをチャンネルボックスで
包囲して構成されている。一部の燃料棒には、余剰反応
度を適切な範囲に制御するために、濃縮ウランの酸化物
と可燃性毒物であるガドリニウムの酸化物（ガドリニ
ア）を混合焼結燃料ペレットが充填されている。

【０００４】また、たとえば特開平 4− 58191号公報に
開示されている高燃焼度燃料集合体の例では、燃料ペレ
ットが充填されている燃料棒有効長が通常の長さである
66本の長尺燃料棒と燃料棒有効長が長尺燃料棒の約 2/3
である８本の短尺燃料棒とが９行９列に配列されてい
る。これら短尺燃料棒は、燃料集合体上部の冷却材流路
を拡大して圧力損失を低減するために設けられたもので
あり、全て最外周から２層目に均等に配置されている。

【０００５】一般に沸騰水型原子炉用燃料集合体では特
開昭63−311195号公報の第１図および第２図にみられる
ように、中性子減速が起こり易い燃料集合体最位置外周
位置、特に四隅部およびその近傍の燃料棒のウラン濃縮
度を燃料集合体内部の燃料棒よりも低くして、局所出力
ピーキングの増大を抑制している。

【０００６】また、可燃性毒物入り燃料ペレットでは、
可燃性毒物を含有しない燃料ペレットに比べて熱伝導度
が低いので、燃料温度が高くなりやすく燃料棒の内圧が
上昇しやすい傾向にある。このため、可燃性毒物入り燃
料ペレットのウラン濃縮度を比較的低く設定してその出
力を制御しており、少なくとも燃料集合体内で使用され
ている燃料ペレットのウラン濃縮度の中で最高濃縮度よ
りも低い濃縮度のものが使用されている。

【０００７】なお、ガドリニウムには中性子吸収断面積
の異なる多数の同位体が存在し、断面積の大きい同位体
が中性子を吸収して断面積の小さい他のガドリニウム同
位体に変換する。これら断面積の大きい同位体が存在す
る間は、ウラン濃縮度の大小にあまり関係なく可燃性毒
物入り燃料棒の出力は十分低いので問題ない。

【０００８】上記問題が生ずるのは、断面積の大きい同
位体が他の同位体が他の同位体に変換し尽くしてからで
あり、通常１サイクル運転終了後に相当する。このとき
可燃席毒物入り燃料棒の出力は可燃性毒物を含有しない
燃料棒と同程度になるが、この時点でもガドリニウム同
位体の総量は初期と同量だけ存在しているので熱伝導度
が依然として低いからである。

【０００９】このような燃料集合体をさらに高燃焼度化
するためには、燃料集合体の平均ウラン濃縮度を高める
とともに、燃料集合体１体あたりの可燃性毒物入り燃料
棒の本数を増加させる必要がある。ところが以下に述べ
るように従来の設計方法では燃料集合体の平均ウラン濃
縮度をあまり高くできず、その結果、十分に高燃焼度化
することができない。

【００１０】、まず、燃料製造工場における臨界管理上
の点からあまり高濃縮度のウランを使用することができ
ず、現状国内では５％を越えないことが上限になってい
る。仮にこのような制限が緩和されても、臨界安全の観
点から最高濃縮度は極力低くしておく方が望ましい。

【００１１】特開昭63−311195号公報の第２図ではすで
に一部の燃料棒に最高濃縮度に近い4.9％の濃縮ウラン
が使用されており、燃料集合体内の局所出力ピーキング
を過度に増大させることなく、燃料集合体平均ウラン濃
縮度を増加させることは困難である。

【００１２】また、前述したように、可燃性毒物を含有
する燃料ペレットのウラン濃縮度は比較的低く設定して
いる。従って、高燃焼度化に伴って燃料集合体１体あた
り可燃性毒物入り燃料棒の本数が増加すると、ウラン濃
縮度を低く設定した燃料棒本数が増加することになり、
燃料集合体平均ウラン濃縮度を十分高くできないことに
なる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】例えば特開昭64− 285
87号公報には、可燃性毒物入り燃料棒のウラン濃縮度を
燃料集合体で使用されているウランの中で最高濃縮度と
し、かつ可燃性毒物入り燃料棒の燃料有効長を短くして
プレナムを拡大し、ウラン濃縮度を最高としたために生
じる出力上昇による内圧の上昇を抑制する技術が開示さ
れている。しかしながら、このような技術では燃料重量
が減少するため、燃料経済性が低下するという課題があ
る。

【００１４】また、特開平 5−188168号公報には、燃料
集合体外周の四隅部にある４〜12本の燃料棒と可燃性毒
物入り燃料棒を除く全ての燃料棒のウラン濃縮度を燃料
集合体で使用されているウランの中で最高濃縮度とし、
かつ可燃性毒物入り燃料棒のうち 1/2以上をウォータロ
ッドに面するように配置した技術が開示されている。

【００１５】しかしながら、このような技術では燃料重
量は減少しないものの、可燃性毒物入り燃料棒のウラン
濃縮度を最高濃縮度よりも低くしなければならないため
燃料集合体の平均ウラン濃縮度を十分高くすることがで
きず、その結果十分な高燃焼度化が達成できないという
課題は解決されていない。

【００１６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、使用できるウラン濃縮度に上限がある場合
に、可燃性毒物入り燃料棒に温度上昇や内圧上昇のよう
な問題を生じることなく、しかも局所出力ピーキングを
過度に増大させることなく、平均ウラン濃縮度を高めて
高燃焼度化を達成し、熱経済性の向上を図ることのでき
る沸騰水型原子炉用燃料集合体を提供することを目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、多数の燃料ペ
レットが充填された複数の燃料棒と１本または複数本の
ウォータロッドとを格子状に配列して構成される沸騰水
型原子炉用燃料集合体において、前記複数の燃料棒は核
燃料物質を含有しかつ可燃性毒物を含有しない燃料ペレ
ットが少なくとも上下端を除く大部分の領域に充填され
た第１群の燃料棒と核燃料物質および可燃性毒物をいづ
れも含有する燃料ペレットが少なくとも上下端を除く大
部分の領域に充填された第２群の燃料棒とからなり、少
なくとも上下端を除く大部分の領域に充填されている燃
料ペレットに含有されている核燃料物質の核分裂性物質
濃度が前記燃料集合体において使用されている核燃料物
質の核分裂性物質濃度の中で最大である第２群の燃料棒
が、前記燃料集合体において最外周以外の位置で、しか
も前記ウォータロッドに隣接しない位置に配置されてお
り、かつ少なくとも上下端を除く大部分の領域に充填さ
れている燃料ペレットに含有されている核燃料物質の核
分裂性物質濃度が前記燃料集合体において使用されてい
る核燃料物質の核分裂性物質濃度の中で最大である第１
群の燃料棒が前記燃料集合体の少なくとも最外周の一部
に配置されていることを特徴とする。

【００１８】好ましくは、少なくとも上下端を除く大部
分の領域に充填されている燃料ペレットに含有されてい
る核燃料物質の核分裂性物質濃度が前記燃料集合体にお
いて使用されている核燃料物質の核分裂性物質濃度の中
の最大濃度よりも低い第２群の燃料棒を、前記燃料集合
体において最外周から２層目の四隅部に配置する。

【００１９】さらに好ましくは、少なくとも上下端を除
く大部分の領域に充填されている燃料ペレットに含有さ
れている核燃料物質の核分裂性物質濃度が前記燃料集合
体において使用されている核燃料物質の核分裂性物質濃
度の中で最大である前記第１群の燃料棒を、前記燃料集
合体の最外周にあって最外周から２層目に配置されてい
る前記第２群の燃料棒に隣接する位置に配置する。

【００２０】また、前記燃料ペレットが充填されている
有効長が長い長尺燃料棒と前記長尺燃料棒よりも有効長
が短い短尺燃料棒とからなる燃料集合体においては、前
記短尺燃料棒を最外周から２層目の四隅部を除いた位置
に配置する。

【００２１】さらに、以上の燃料集合体において、最外
周の四隅部に配置されている前記第１群の燃料棒の少な
くとも上下端を除く領域において、上部に充填されてい
る核燃料物質の核分裂性物質濃度を下部に充填されてい
る核燃料物質の核分裂性物質濃度よりも低くする。

【００２２】あるいはまた、前記長尺燃料棒と前記短尺
燃料棒とからなる燃料集合体において、前記短尺燃料棒
の一部を最外周から２層目の四隅部に配置するととも
に、最外周の四隅部およびこれに隣接する位置に配置さ
れている前記第１群の燃料棒の少なくとも上下端を除く
領域において、上部に充填されている核燃料物質の核分
裂性物質濃度を下部に充填されている核燃料物質の核分
裂性物質濃度よりも低くする。

【００２３】前記長尺燃料棒と前記短尺燃料棒とからな
る燃料集合体においてさらに好ましくは、前記短尺燃料
棒の一部を前記ウォータロッドに隣接する位置に配置す
る。

【００２４】

【作用】沸騰水型原子炉用燃料集合体において、最外周
以外の位置であってしかもウォータロッドに隣接しない
位置は中性子の減速が比較的起こりにくい位置であるの
で、ここに配置された第２群の燃料棒の核分裂性物質濃
度を最高濃度してもその出力が過度に増大することがな
く、熱伝導度が低いことによる燃料温度上昇や内圧上昇
の問題が起こらない。

【００２５】また、核分裂性物質濃度が最高濃度である
第１群の燃料棒を、中性子の減速が起こり易い燃料集合
体最外周に配置することによって、これら第１群の燃料
棒の出力分担が増加するので、その分だけ第２群の燃料
棒の出力分担を減らすことができる。

【００２６】特に、第２群の燃料棒を燃料集合体の最外
周から２層目の四隅部に配置することによって、中性子
の減速が最も起こり易い最外周の四隅部およびこれに隣
接する位置の第１群の燃料棒の出力を抑制することがで
きるので、これら第１群の燃料棒の核分裂性物質濃度を
高くすることができ、その結果、燃料集合体平均の核分
裂性物質濃度を高めることができる。

【００２７】ただし、最外周から２層目の四隅部は、最
外周以外の位置であってしかもウォータロッドに隣接し
ない位置の中では中性子の減速が最も起こり易い位置で
あるので、ここに配置する第２群の燃料棒の核分裂性物
質濃度は最大濃度よりも低く設定しておくことが望まし
い。

【００２８】さらに、このように第２群の燃料棒を配置
すれば、局所出力ピーキングを過度に増大させることな
く、最外周の四隅部に隣接する第１群の燃料棒を含め、
燃料集合体の最外周に配置されたより多くの第１群の燃
料棒の核分裂性物質濃度を最高濃度とすることができる
ので、燃料集合体平均の核分裂性物質濃度を高めること
ができる。

【００２９】なお、特開昭61−218991号公報には、燃料
集合体の最外周の一部に核分裂性物質濃度が最高濃度で
ある第１群の燃料棒を配置し、その近傍に第２群の燃料
棒を配置する技術が開示されている。

【００３０】これに対して本発明の好適な実施例では、
最外周から２層目に配置された第２群の燃料棒のうち少
なくとも四隅部を除く燃料棒、および最外周に配置され
た第１群の燃料棒のうち少なくとも第２群の燃料棒に隣
接する燃料棒の核分裂性物質濃度を最高濃度することが
重要である。

【００３１】このような構成とすることにより、第２群
の燃料棒によって、最外周に配置された核分裂性物質濃
度が最高濃度である第１群の燃料棒の燃焼初期における
局所出力ピーキングを低減することができる。

【００３２】同時に、最外周に配置された核分裂性物質
濃度が最高濃度である第１群の燃料棒の出力が増加する
ことによって、可燃性毒物が燃焼した後における核分裂
性物質濃度が最高濃度である第２群の燃料局所出力を低
減して健全性を確保するものである。

【００３３】また、長尺燃料棒と短尺燃料棒とからなる
燃料集合体において、前述したように最外周から２層目
の四隅部に第２群の燃料棒を配置する場合、最外周の四
隅部およびこれに隣接する位置の第１群の燃料棒の出力
を抑制できるのは、最外周から２層目の四隅部の燃料棒
が短尺燃料棒であれば燃料集合体下部においてのみであ
る。

【００３４】原子炉の運転時における熱的制限値である
最大線出力密度は燃料集合体下部で増大し易いので、こ
れを低減するには燃料集合体下部の局所出力ピ−キング
を抑制すればよい。しかしながら、原子炉の停止時ある
いは起動時において問題となる制御棒落下事故の際に
は、燃料の健全性を確保するために、少なくとも燃料集
合体の上端からその全長の 1/4ないし 1/3を占める部位
の局所出力ピーキングが制限される。

【００３５】従って、最外周から２層目の四隅部の長尺
燃料棒を配置してこれを第２群の燃料棒とすれば、燃料
集合体全長にわたって最外周の四隅部およびこれに隣接
する位置の第１群の燃料棒の出力を抑制することができ
るので、最大線出力密度と制御棒落下事故時の影響とを
同時に低減できる。

【００３６】ただし、最外周から２層目の四隅部に配置
した第２群の長尺燃料棒による、最外周の四隅部の第１
群の燃料棒に対する局所出力低減効果は、原子炉停止時
では運転時ほど十分でない。

【００３７】前述したように原子炉停止時の局所出力ピ
ーキングは燃料集合体上部において低減することが重要
であるから、最外周の四隅部の第１群の燃料棒の上部の
核分裂性物質濃度を下部よりも低くすることによって、
燃料集合体平均の核分裂性物質濃度を過度に引き下げる
ことなく、原子炉停止時の局所出力ピーキングを低減す
ることができ、制御棒落下事故等の燃料棒の健全性を確
保することができる。

【００３８】あるいは、長尺燃料棒と短尺燃料棒とから
なる燃料集合体において、最外周から２層目の四隅部に
第２群の短尺燃料棒を配置した場合には、最外周の四隅
部およびこれに隣接する位置の第１群の燃料棒の上部の
核分裂性物質濃度を下部よりも低くすることによって、
燃料集合体平均の核分裂性物質濃度を過度に引き下げる
ことなく、原子炉停止時の局所出力ピーキングを低減す
ることができる。

【００３９】さらに、短尺燃料棒を有する燃料集合体に
おいてその一部をウォータロッドに隣接する位置に配置
することによって、ウォータロッド周囲の燃料棒の出力
が増大するので、その分最外周燃料棒の出力が低下し、
局所出力ピーキングを低下することができる。

【００４０】また、原子炉停止時においては燃料集合体
中心部が中性子の過減速状態となり、炉停止余裕が改善
される、一般に高燃焼度化のため核分裂性物質濃度を高
めると炉停止余裕が低下する傾向にあるので、本発明に
よって炉停止余裕が向上した燃料集合体は高燃焼度化に
好適である。

【００４１】

【実施例】

（第１の実施例）本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集
合体の第１の実施例を図１により説明する。本燃料集合
体１では、燃料棒が10行10列に配置されており、４本の
太径ウォータロッド２、68本の可燃性毒物を含有しない
第１群の燃料棒３、および20本の可燃性毒物を含有する
第２群の燃料棒４を正方格子状に束ねたものをチャンネ
ルボックス５で包囲して構成されている。

【００４２】可燃性毒物としては濃度 4.5％のガドリニ
アが用いられている。また各燃料棒において、燃料棒有
効長の2/24を占める上端部および燃料棒有効長の1/24を
占める下端部には天然ウランが充填されている。

【００４３】第１群の燃料棒のウラン濃縮度は特開平 5
−188168号公報の図１と同一であり、最外周の四隅部の
４本の燃料棒６では 3.6％、これらに隣接する８本の燃
料棒７では 4.3％であり、残り56本の燃料棒では 5.0％
である。一方第２群の燃料棒は前記公報と異なり全て最
外周から２層目に配置されており、これらのウラン濃縮
度は 5.0％である。

【００４４】その結果、上下端を除く軸方向中央部の断
面平均ウラン濃縮度は、前記公報の4.75％に対して本実
施例では4.87％であり、本実施例により0.12％高くする
ことができた。

【００４５】図２は燃料集合体内の燃料棒の中央部断面
の局所出力分布状態を表示した表図である、図２（ａ）
で示す燃焼度0.0GWd/tでの局所出力ピーキングは、前記
公報の 1.516に対して本実施例では 1.396であり、８％
低減されている。これは、最外周から２層目に第２群の
燃料棒を配置したことにより最外周の四隅部およびこれ
に隣接する第１群の燃料棒の出力が低減されたからであ
る。

【００４６】また、１サイクル運転後に相当する図２
（ｂ）で示す燃焼度 13.2GWd/tにおける第２群の燃料棒
と第１群の燃料棒との局所出力ピーキングの比は、前記
公報では 1.006／ 1.125＝ 0.894 であるのに対して、
本実施例では 1.012／ 1.127＝0.898 でありほぼ同程度
となっている。

【００４７】これは、第２群の燃料棒のウラン濃縮度を
最高濃縮度である 5.0％にしたにもかかわらず、燃料集
合体内で中性子減速が起こりにくい位置に配置したこと
により出力が十分に低減されたからである。

【００４８】以上のように、第１の実施例によれば、第
２群の燃料棒の局所出力ピーキングを十分抑制したま
ま、燃料集合体平均ウラン濃縮度を高めることができる
とともに、燃焼初期の局所出力ピーキングを低減するこ
とができるので、熱的余裕の向上と高燃焼度化を同時に
達成することができる。

【００４９】（第２の実施例）本発明に係る沸騰水型原
子炉用燃料集合体の第２の実施例を図３により説明す
る。第１の実施例では図２（ａ）に示されているように
燃焼初期の局所出力ピーキングが従来例よりも低減され
ている。

【００５０】そこで、第２の実施例に係る燃料集合体１
ａでは最外周の四隅部およびこれに隣接する合計12本の
第１群の燃料棒の濃縮度を第１の実施例よりも高めてい
る。特に最外周の四隅部に隣接する８本の第１群の燃料
棒ではウラン濃縮度を最高濃縮度である 5.0％としてい
る。

【００５１】第１の実施例ではまた、図２（ｂ）に示さ
れているように燃焼後の局所出力分布において、第２群
の燃料棒のうち最外周から２層目の四隅部の燃料棒の出
力が第２群の他の燃料棒の出力よりも顕著に大きい。

【００５２】従って、第２群の燃料棒の健全性にさらに
余裕を持たせるためには、20本の第２群の燃料棒のうち
これら４本のウラン濃縮度のみを下げればよい。そこで
第２の実施例ではこれら４本の第２群の燃料棒（図中、
Ｌで記す）８のウラン濃縮度を、最外周の四隅部の第１
群の燃料棒（図中、１で記す）６のウラン濃縮度と等し
い 4.2％としている。

【００５３】以上の結果、本第２の実施例における軸方
向中央部の断面平均ウラン濃縮度は4.93％であり、第１
の実施例よりもさらに高くすることができる。本実施例
における軸方向中央部断面の局所出力分布を図４（ａ）
〜（ｃ）に示す。

【００５４】図４（ａ）の燃焼度0.0GWd/tでの局所出力
ピーキングは 1.521であり、従来例と同程度である。ま
た、図４（ｂ）の燃焼度 13.2GWd/tにおける第２群の燃
料棒と第１群の燃料棒との局所出力ピーキングの比は
0.899／ 1.217＝0.739 であり、従来例および第１の実
施例よりも十分低く抑えられている。

【００５５】以上のように第２の実施例では、最外周の
四隅部の第１群の燃料棒および最外周から２層目の四隅
部の第２群の燃料棒を除く全ての燃料棒のウラン濃縮度
を最高濃縮度とすることによって、第２群の燃料棒の健
全性を十分に維持しながら燃料集合体平均ウラン濃縮度
を大幅に高めることができる。

【００５６】図４（ｃ）は第２の実施例の燃焼度0.0GWd
/tにおける原子炉停止時の局所出力分布である。原子炉
停止時の局所出力ピーキングは、制御棒落下事故の際に
燃料の健全性を確保するために、少なくとも燃料主集合
体の上端からその全長の 1/4ないし 1/3を占める部位に
おいて、 1.4〜 1.5程度以下に制限される。

【００５７】原子炉停止時の各燃料棒の出力は、図４
（ａ）の運転時の局所出力分布に比べると、最外周の四
隅部の燃料棒において特に著しく増大していることがわ
かる。

【００５８】（第３の実施例）原子炉停止時の局所出力
ピーキングの低減に好適な第３の実施例を図５により説
明する。本実施例の断面図は図３と同一である。本実施
例では、最外周の四隅部に配置されている第１群の燃料
棒のウラン濃縮度のみが第２の実施例と異なっており、
上端天然ウラン領域の直下において全長の 1/4を占める
部位の濃縮度を4.2％から 3.1％に下げている。本実施
例の燃焼度0.0GWd/tにおける原子炉停止時の局所出力分
布を図６に示すが、原子炉停止時の局所出力ピーキング
は1.45に抑えられている。

【００５９】燃料集合体平均ウラン濃縮度を少しでも高
くするためには、第１または第２の実施例のように各燃
料棒のウラン濃縮度は少なくとも上下端を除いて一様と
することが望ましい。しかしながら、本実施例によれ
ば、燃料集合体平均ウラン濃縮度を過度に低減すること
なく、原子炉停止時の局所出力ピーキングを低減するこ
とができる。

【００６０】（第４の実施例）本発明の第４の実施例を
図７により説明する。この第４の実施例に係る燃料集合
体１ｂは、76本の長尺燃料棒と燃料棒有効長が長尺燃料
棒の約 2/3である12本の短尺燃料棒９とで構成されてい
る。短尺燃料棒のうち８本は最外周から２層目に均等に
配置されており、４本がウォータロッドに隣接して配置
されている。

【００６１】図８に示す第５の実施例では全ての短尺燃
料棒が最外周から２層目に配置されているが、短尺燃料
棒の配置の相違により、第４の実施例の方が第５の実施
例よりも炉停止余裕が約１％Δｋ改善されている。

【００６２】第４の実施例に置ける20本の第２群の燃料
棒は全て長尺燃料棒であり、最外周から２層目に配置さ
れている。これらのうち16本は上下端を除く全長にわた
って可燃性毒物が含有されているが、他の４本は燃料棒
の下部のみ可燃性毒物が含有されている。その結果、短
尺燃料棒の上端を境にして燃料集合体を上下に分割した
場合、第２群の燃料棒は上部では16本、下部では20本と
なっている。

【００６３】特開平 4− 58191号公報に開示されている
ように、短尺燃料棒をふくむ燃料集合体では、第２群の
燃料棒１本あたりの毒物反応度は、燃料棒本数が少なく
減速材が多い上部の方が下部よりも大きい。従って、上
下の反応度をバランスさせるためには、第２群の燃料棒
の本数を下部よりも上部で少なくする必要がある。

【００６４】なお、可燃性毒物を含有する領域の上端
は、短尺燃料棒の上端に合致させる必要はなく、燃料棒
の下端からその全長の 1/3ないし 2/3に相当する位置に
設定すればよい。

【００６５】本実施例では、図５に示した第３の実施例
のように最外周の四隅部に配置された第１群の燃料棒の
上部のウラン濃縮度を下げることなく、燃料集合体上部
での原子炉停止時の局所出力ピーキングを1.47にするこ
とができる。

【００６６】これは、出力の低い第２群の燃料棒の本数
が燃料集合体上部において少なくないことの他に、短尺
燃料棒を燃料集合体中心部に集めたことにより、原子炉
停止時において燃料集合体中心部での中性子の減速が促
進されるためにはその近傍の燃料棒の出力が増加し、そ
の分最外周に配置された燃料棒の出力が低下するからで
ある。

【００６７】（第５の実施例）本発明の第５の実施例を
図８により説明する。図７に示した第４の実施例では、
燃料集合体上部では冷却水はウォータロッドの周囲に集
中し易いが、この領域を流れる冷却水は燃料棒の除熱に
あまり寄与しない。そこで第５の実施例の燃料集合体１
ｃでは、長尺燃料棒および短尺燃料棒の本数は第４の実
施例と同じであるが、全ての短尺燃料棒を最外周から２
層目に均等に配置した。

【００６８】本実施例では、20本の第２群の燃料棒が全
て最外周から２層目に配置されており、これらのうち16
本が長尺燃料棒、４本が短尺燃料棒である。最外周から
２層目の四隅部に配置された第２群の短尺燃料棒は、燃
料集合体１ｃの下部においては局所出力ピーキングを抑
制することができるが、燃料集合体１ｃの上部における
原子炉停止時の局所出力ピーキングを低減することはで
きない。

【００６９】そこで、本実施例では最外周の四隅部の４
本およびこれに隣接する８本の第１群の燃料棒の上部ウ
ラン濃縮度を低減している。これにより、燃料集合体上
部の原子炉停止時の局所出力ピーキング1.44とすること
ができた。

【００７０】なお、第４の実施例では、短尺燃料棒を含
む燃料集合体において上下の反応度をバランスさせるた
めに、一部の第２群の長尺燃料棒において下部のみ可燃
性毒物を含有させていたが、本実施例では短尺燃料棒に
その全長にわたって可燃性毒物を含有させればよいので
燃料の製造が容易になる。

【００７１】（第６の実施例）図９により本発明の第６
の実施例を説明する。第１ないし第５の実施例では４本
の太径ウォータロッドが用いられていた。しかしながら
このような構成では、ウォータロッドに囲まれた領域を
流れる冷却水は燃料棒の冷却に寄与することができず、
その結果除熱効率が低下する。

【００７２】図９に示す本発明の第６の実施例の燃料集
合体１ｄでは、燃料集合体１ｄの中央部に、燃料棒12本
分の面積を占める八角形の断面形状を有する１本のウォ
ータロッド10が配置されている。このような構成とする
ことによって、冷却材を無駄なく燃料棒の除熱に利用す
ることができるとともに、ウォータロッド内では冷却水
が沸騰しないため燃料集合体中心部での中性子の減速が
促進されるので局所出力分布を平坦化することができ
る。

【００７３】さらにウォータロッドの８つの辺のうち燃
料集合体の対角方向に向いている４つの辺は、図９に示
されるように、隣接する燃料棒の形状に合わせてウォー
タロッドの内部に向かって凸とすることによって、冷却
材の無駄な流れを減少することができるので除熱効率を
一層高めることができる。

【００７４】本実施例における第２群の燃料棒は、第１
ないし第５の実施例よりも多く24本であり、うち４本が
ウォータロッドに隣接する短尺燃料棒である。第２群の
燃料棒のうち残り20本は長尺燃料棒であり最外周から２
層目または３層目のウォータロッドに隣接しない位置に
配置されている。これらのウラン濃縮度は、最外周から
２層目の四隅部に配置された４本では 4.2％であり、他
の16本では最高濃縮度の 5.0％である。

【００７５】（第７の実施例）本発明の第７の実施例を
図10により説明する。本実施例では、燃料棒４本分の面
積を占める断面が円形のウォータロッド11が燃料集合体
１ｅの中央部に２本配置されており、78本の長尺燃料棒
と14本の短尺燃料棒で構成されている。本実施例では、
第１ないし第６の実施例と燃料重量が等しくなるように
燃料棒径が調整されている。

【００７６】その結果、本実施例では第１ないし第６の
実施例と比べて、燃料集合体上部の冷却材流路が拡大し
ており燃料集合体の圧力損失が低下しているので、安全
性などの点で優れた性能を有する。

【００７７】本実施例においても第２群の燃料棒が２４
本用いられているが、全て長尺燃料棒である。これらの
うち最外周から３層目のウォータロッドに隣接しない位
置に配置されている４本では、短尺燃料棒の上端よりも
やや低い位置を境界としてこれよりも下部のみに可燃性
毒物が含有されている。またウラン濃縮度は、最外周か
ら２層目の四隅部に配置された４本では 4.2％であり、
他の20本では最高濃縮度の 5.0％である。

【００７８】第６および第７の実施例では燃料棒内では
上下端を除いてウラン濃縮度は分布していないが、第３
の実施例のように最外周の四隅部の燃料棒の上部のウラ
ン濃縮度を下部より低くすることによって、燃料集合体
平均ウラン濃縮度を過度に低下させることなく原子炉停
止時の局所出力ピーキングを低減することができる。

【００７９】また、第５の実施例のように短尺燃料棒を
最外周から２層目の四隅部に配置してもよく、その場合
には最外周の四隅部およびこれに隣接する燃料棒の上部
のウラン濃縮度を下部よりも低くすることによって、同
様の効果を達成することができる。

【００８０】（第８の実施例）本発明の第８の実施例を
図11により説明する。本実施例の燃料集合体１ｆでは、
燃料棒が９行９列の格子状に配列されており、燃料集合
体中心部には２本の太径ウォータロッドが配置されてい
る。さらにこのウォータロッドに隣接する位置に８本の
短尺燃料棒が配置されており、図12に示す第９の実施例
における短尺燃料棒の配置と比較して炉停止余裕が１％
Δｋ改善されている。

【００８１】本実施例では、製造公差を考慮して使用で
きるウラン最高濃縮度を 4.9％とした。その結果、第１
ないし第７の実施例に比べ燃料集合体平均ウラン濃縮度
が低下するので、上端の天然ウラン領域の長さを短くし
てある。

【００８２】本実施例では第１群および第２群の燃料棒
は各々54本および20本である。第１群の燃料棒のウラン
濃縮度は、最外周の四隅部の４本が 3.6％でありその他
は全て 4.9％である。また、第２群の燃料棒のウラン濃
縮度は、最外周から２層目の四隅部の４本が 3.6％であ
り、その他は全て 4.9％である。この結果、軸方向中央
部の断面平均ウラン濃縮度は、短尺燃料棒の上端よりも
上位で4.74％、下位で4.76％である。

【００８３】また、第２群の燃料棒における可燃性毒物
としては濃度 3.5％のガドリニアが用いられており。第
２群の燃料棒のうち４本では短尺燃料棒の上端よりもや
や低い位置を境界として、これよりも下部のみにガドリ
ニアが含有されている。

【００８４】本実施例では、燃料集合体下部における原
子炉運転時の局所出力ピーキングは1.41、燃料集合体上
部における原子炉停止時の局所出力ピーキングは1.42で
あり、８本の短尺燃料棒を全てウォータロッドに隣接さ
せたことにより十分低く抑えられている。

【００８５】（第９の実施例）本発明の第９の実施例を
図12により説明する。本実施例の燃料集合体１ｇでは、
第８の実施例と異なり、８本の短尺燃料棒は全て最外周
から２層目に均等に配置されている。また、20本の第２
群の燃料棒は全て最外周から２層目に配置されており、
これらのうち16本は長尺燃料棒、４本は短尺燃料棒であ
る。

【００８６】本実施例では、第５の実施例と同様、最外
周から２層目の四隅部に短尺燃料棒が配置されているた
め、原子炉停止時の燃料集合体上部の局所出力ピーキン
グが増大し易いので、最外周の四隅部およびこれに隣接
する第１群の燃料棒の上部のウラン濃縮度を下部よりも
低くしてある。これにより本実施例では、燃料集合体下
部における原子炉運転時の局所出力ピーキングは1.48で
あり、また燃料集合体上部における原子炉停止時の局所
出力ピーキングは1.42であり、十分低く抑えられてい
る。

【００８７】（第１０の実施例）本発明の第10の実施例
を図13により説明する。本実施例の燃料集合体１ｈは、
64本の長尺燃料棒と10本の短尺燃料棒とで構成されてい
る。短尺燃料棒のうち８本が最外周から２層目の四隅部
を除いた位置に均等に配置されており、残りの２本はウ
ォータロッドに隣接する位置に配置されている。

【００８８】第２群の燃料棒は22本あり、最外周から２
層目に配置されている20本のウラン濃縮度は、四隅部の
４本では 3.6％。それ以外の16本では最高濃縮度の 4.9
％である。残り２本の第２群の燃料棒は、中性子の減速
が起こり易いウォータロッドに隣接する位置に配置され
ており、そのウラン濃縮度は 3.6％である。

【００８９】第２群の燃料棒のうち、最外周から２層目
の４本とウォータロッドに隣接する２本とが短尺燃料棒
であり、短尺燃料棒を含有する燃料集合体における上下
の反応度バランスを調整している。このうちウォータロ
ッドに隣接する２本はガドリニア濃度が非常に薄く、特
に運転サイクル初期おいて原子炉の出力分布が下方ピー
クとなるのを是正する作用を有する。

【００９０】また、最外周から２層目に配置された第２
群の長尺燃料棒のうち８本では下部のガドリニア濃度が
上部よりも濃くしてあり、これにより特に運転サイクル
後半において原子炉の出力分布が下方ピークとなるのを
是正する作用を有する。

【００９１】本実施例では、２本の短尺燃料棒がウォー
タロッドに隣接する位置に配置されているため、最外周
の四隅部およびこれに隣接する第１群の燃料棒の上部の
ウラン濃縮度を低くしなくとも原子炉停止時の局所出力
ピーキングが過大になることはない。

【００９２】本実施例では、燃料集合体下部における原
子炉運転時の局所出力ピーキングは1.47であり、また燃
料集合体上部における原子炉停止時の局所出力ピーキン
グは1.37であり、十分低く抑えられている。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば、使用できるウラン濃縮
度に上限がある場合に、原子炉の運転時および停止時に
おける局所出力ピーキングを十分低くしたうえで、燃料
集合体の平均ウラン濃縮度を大幅に高めることができる
ので、原子炉運転時の熱的余裕および制御棒落下事故時
の燃料健全性を十分に確保したうえで高燃焼度化を達成
することができる。

【００９４】その結果、ウラン資源を効率的に利用する
ことができるので燃料経済性が向上すると共に、使用済
み燃料集合体数を削減することができるので、貯蔵施設
や再処理施設への負担を大幅に軽減することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第１の実施
例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の構
成を概略的に示す縦断面図。

【図２】本発明に係る燃料集合体の第１の実施例の軸方
向中央部分の断面内局所出力分布状態を示す表示図で、
（ａ）は燃焼度0.0GWt/dを、（ｂ）は燃焼度 13.2GWt/d
をそれぞれ示す。

【図３】（ａ）は本発明に係る燃焼集合体の第２の実施
例を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の構
成を概略的に示す縦断面図。

【図４】本発明に係る燃料集合体の第２の実施例の軸方
向中央部分の断面内局所出力分布状態を示す表示図で、
（ａ）は燃焼度0.0GWt/dを、（ｂ）は燃焼度 13.2GWt/d
を、（ｃ）は燃焼度0.0GWt/d（原子炉停止時）をそれぞ
れ示す。

【図５】本発明に係る燃料集合体の第３の実施例の燃料
棒の構成を概略的に示す縦断面図。

【図６】本発明に係る燃料集合体の第３の実施例の軸方
向中央部分の燃焼度0.0GWt/d（原子炉停止時）における
断面内局所出力分布状態を示す表示図。

【図７】本発明に係る燃料集合体の第４の実施例を示す
横断面図、（ｂ）は（ａ）における燃料棒の構成を概略
的に示す縦断面図。

【図８】本発明に係る燃料集合体の第５の実施例の軸方
向中央部分の燃焼度0.0GWt/d（原子炉停止時）における
断面内局所出力分布状態を示す表示図。

【図９】本発明に係る燃料集合体の第６の実施例の軸方
向中央部分の燃焼度0.0GWt/d（原子炉停止時）における
断面内局所出力分布状態を示す表示図。

【図１０】本発明に係る燃料集合体の第７の実施例の軸
方向中央部分の燃焼度0.0GWt/d（原子炉停止時）におけ
る断面内局所出力分布状態を示す表示図。

【図１１】本発明に係る燃料集合体の第８の実施例の軸
方向中央部分の燃焼度0.0GWt/d（原子炉停止時）におけ
る断面内局所出力分布状態を示す表示図。

【図１２】本発明に係る燃料集合体の第９の実施例の軸
方向中央部分の燃焼度0.0GWt/d（原子炉停止時）におけ
る断面内局所出力分布状態を示す表示図。

【図１３】本発明に係る燃料集合体の第１０の実施例の
軸方向中央部分の燃焼度0.0GWt/d（原子炉停止時）にお
ける断面内局所出力分布状態を示す表示図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、 2,10,11…ウォータロッド、３…第１
群の燃料棒、４…第２群の燃料棒、５…チャンネルボッ
クス、６…最外周の四隅部の燃料棒、７…最外周の四隅
部に隣接する燃料棒、８…最外周から２層目の四隅部の
燃料棒、９…短尺燃料棒。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の燃料ペレットが充填された複数の
   燃料棒と１本または複数本のウォータロッドとを格子状
   に配列して構成される沸騰水型原子炉用燃料集合体にお
   いて、前記複数の燃料棒は核燃料物質を含有しかつ可燃
   性毒物を含有しない燃料ペレットが少なくとも上下端を
   除く大部分の領域に充填された第１群の燃料棒と、核燃
   料物質および可燃性毒物をいずれも含有する燃料ペレッ
   トが少なくとも上下端を除く大部分の領域に充填された
   第２群の燃料棒とからなり、少なくとも上下端を除く大
   部分の領域に充填されている燃料ペレットに含有されて
   いる核燃料物質の核分裂性物質濃度が前記燃料集合体に
   おいて使用されている核燃料物質の核分裂性物質濃度の
   中で最大である第２群の燃料棒が、前記燃料集合体にお
   いて最外周以外の位置で、しかも前記ウォータロッドに
   隣接しない位置に配列されており、かつ少なくとも上下
   端を除く大部分の領域に充填されている燃料ペレットに
   含有されている核燃料物質の核分裂性物質濃度が前記燃
   料集合体において使用されている核燃料物質の核分裂性
   物質濃度の中で最大である第１群の燃料棒が前記燃料集
   合体の少なくとも最外周の一部に配置されていることを
   特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. 【請求項２】 少なくとも上下端を除く大部分の領域に
   充填されている燃料ペレットに含有されている核燃料物
   質の核分裂性物質濃度が前記燃料集合体において使用さ
   れている核燃料物質の核分裂性物質濃度の中の最大濃度
   よりも低い前記第２群の燃料棒は、前記燃料集合体にお
   いて最外周から２層目の四隅部に配置されていることを
   特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合
   体。
3. 【請求項３】 少なくとも上下端を除く大部分の領域に
   充填されている燃料ペレットに含有されている核燃料物
   質の核分裂性物質濃度が前記燃料集合体において使用さ
   れている核燃料物質の核分裂性物質濃度の中で最大であ
   る前記第１群の燃料棒が、前記燃料集合体の最外周にあ
   って、最外周から２層目に配置されている前記第２群の
   燃料棒に隣接する位置に配置されていることを特徴とす
   る請求項１または請求項２記載の沸騰水型原子炉用燃料
   集合体。
4. 【請求項４】 前記燃料棒は、前記燃料ペレットが充填
   されている有効長が長い長尺燃料棒と前記長尺燃料棒よ
   りも有効長が短い短尺燃料棒とからなり、前記短尺燃料
   棒が最外周から２層目の四隅部を除いた位置に配置され
   ていることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の
   沸騰水型原子炉用燃料集合体。
5. 【請求項５】 最外周の四隅部に配置されている前記第
   １群の燃料棒の少なくとも上下端を除く領域において、
   上部に充填さている核燃料物質の核分裂性物質濃度が下
   部に充填されている核燃料物質の核分裂性物質濃度より
   も低いことを特徴とする請求項１ないしな請求項４記載
   の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
6. 【請求項６】 前記燃料棒は、前記燃料ペレットが充填
   されている有効長が長い長尺燃料棒と前記長尺燃料棒よ
   りも有効長が短い短尺燃料棒とからなり、前記短尺燃料
   棒の一部が最外周から２層目の四隅部に配置されてお
   り、かつ最外周の四隅部およびこれに隣接する位置に配
   置されている前記第１群の燃料棒の少なくとも上下端を
   除く領域において、上部に充填されている核燃料物質の
   核分裂性物質濃度が下部に充填されている核燃料物質の
   核分裂性物質濃度よりも低いことを特徴とする請求項１
   ないし請求項３記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
7. 【請求項７】 前記短尺燃料棒の一部が、前記ウォータ
   ロッドに隣接する位置に配置されていることを特徴とす
   る請求項４ないし請求項６記載の沸騰水型原子炉用燃料
   集合体。