JPH0792512B2 - 燃料集合体及び原子炉の炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料集合体及び原子炉の炉心に係り、特に沸
騰水型原子炉で用いるのに好適な燃料集合体及び原子炉
の炉心に関するものである。

〔従来技術〕

沸騰水型原子炉の炉心は、相互に所定の間隔を有して配
置される複数の燃料集合体と、燃料集合体相互の間に挿
入される複数の制御棒を備えている。

燃料集合体は、上部タイプレート、下部タイプレート及
びこれらのタイプレートに両端部が支持される複数の燃
料棒を有している。燃料棒は、内部に多数の燃料ペレツ
トを有している。チヤンネルボツクスが上部タイプレー
トに取付けられ、燃料棒束の周囲を取囲んでいる。

このような燃料集合体が装荷された炉心内の最高出力
は、次の３つのピーキングの積に炉心内の燃料集合体平
均出力を乗じて求められる。この３つのピーキングのう
ち、第１のピーキングが半径方向出力ピーキングで、原
子炉内の燃料集合体の最高出力と原子炉平均出力との比
である。第２のピーキングが軸方向出力ピーキングであ
つて燃料集合体の上下方向の最高出力と上下方向平均出
力の比である。第３のピーキングが局所出力ピーキング
であつて燃料集合体内における燃料棒の最高出力と燃料
集合体内における燃料棒平均出力との比である。また、
燃料集合体の各燃料棒の出力Ｐは、燃料棒位置の熱中性
子束をφ、核分裂性物質の核分裂断面積をσ_ｆ、燃料棒
中の核分裂性物質の原子（以下燃料原子と称す）の濃度
Ｎとすれば、 Ｐ＝φ・σ_ｆ・Ｎ で与えられる。

さらに、燃料を効率よく燃焼させて、燃焼期間を長くす
るためには、燃料集合体のいわゆる無限増倍率を大きく
する必要がある。この無限増幅率を大きくするために
は、熱中性子束の大きな領域では燃料原子の密度（濃
度）を大きくし、熱中性子束の小さな領域では燃料原子
の密度を小さくした方が効果的であることが知られてい
る。従つて、沸騰水型原子炉では、中性子の減速材の不
均一性及び燃料棒自体の中性子吸収効果等により、熱中
性子束は燃料集合体の周辺部で大きく、中央部で小さく
なつているため、沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、燃
料集合体の周辺部の燃料原子の密度を中央部より大きく
することが望まれる。

このような要求を満足する燃料集合体としては、特開昭
58−26292号公報に示されたものがある。

特開昭58−26292号公報に示された燃料集合体は、核分
裂物質を燃料とする原子炉用燃料棒の複数を平行して組
込み一体化した燃料集合体において、この燃料集合体の
周辺部の燃料棒の核燃料物質の平均濃度を燃料集合体の
中央部の前記燃料棒の核燃料物質の平均濃度より大きく
すると共に、特公昭58−29878号公報と同様に燃料棒の
軸方向で核分裂性物質の含有割合を長手方向で変えるこ
とにより、燃料集合体の上部の無限増倍率を燃料集合体
の下部の無限増倍率より大きくし、燃料集合体全体の無
限増倍率を大きくして燃料集合体の燃焼期間が長くなる
ように構成したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

最近、高燃焼度燃料の開発が行われ、燃料棒内に装荷さ
れる燃料ペレツトの濃縮度も増大する方向にある。

このため、発明者は、特願昭58−26292号公報に示され
た概念、すなわち燃料集合体の周辺部に配置される燃料
棒の上部領域の濃縮度を燃料集合体の上部領域の平均濃
縮度よりも大きくし、また上記周辺部に配置される燃料
棒の下部領域の濃縮度を燃料集合体の下部領域の平均濃
縮度よりも大きくして経済性を高める特性を利用した上
で、更に高い燃焼度を得るために濃縮度をより高めた燃
料集合体について検討を行つた。このような検討を行つ
た結果、上記の燃料集合体では中性子束の高い周辺部に
濃縮度の大きな燃料棒を配置している上に、高燃焼度を
得るために更に濃縮度を高くする必要があるので、下部
領域に形成される軸方向の出力分布のピーキングが更に
増大し、燃料棒の最大線出力密度が許容値を越えてしま
うという新たな課題が、発明者によつて発見された。

本発明の第１の目的は、最大線出力密度を許容値以内に
抑えて、中性子利用による燃料経済性の向上を図ること
ができる燃料集合体及び原子炉の炉心を提供することに
ある。

本発明の第２の目的は、無限増倍率の減少を抑制できる
燃料集合体を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第１及び第２の目的を達成するための第１の特
徴は、外径が燃料棒の配列ピッチよりも大きい水ロッド
が燃料集合体の中央部に配置され、燃料集合体の周辺部
に位置する燃料棒のうち、下部領域の濃縮度が燃料集合
体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の占める
割合が、上部領域の濃縮度が燃料集合体の上部領域の平
均濃縮度よりも大きい燃料棒の占める割合よりも小さい
ことにある。

本発明の第１及び第２の目的を達成するための第２の特
徴は、外径が燃料棒の配列ピッチよりも大きい水ロッド
が燃料集合体の中央部に配置され、燃料集合体の上部領
域では、燃料集合体の周辺部に位置する燃料棒のうち上
部領域の濃縮度が燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よ
りも大きい燃料棒の占める割合が50％以上であり、燃焼
集合体の下部領域では、燃料集合体の周辺部に位置する
燃料棒のうち下部領域の濃縮度が燃料集合体の下部領域
の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の占める割合が20％を
越えないことにある。

〔作用〕

第１の特徴によれば、外径が燃料棒の配列ピッチよりも
大きい太径の水ロッドが燃料集合体の中央部に配置さ
れ、燃料集合体の周辺部に位置する燃料棒のうち、下部
領域の濃縮度が燃料集合体の下部領域の平均濃縮度より
も大きい燃料棒の占める割合が、上部領域の濃縮度が燃
料集合体の上部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の
占める割合よりも小さいので、ボイド率が小さく熱中性
子束が大きな下部領域の周辺部の局所出力ピーキングを
減少させても、軸方向出力ピーキングを増加させて炉心
出力を増加できる。従って、下部領域周辺部の局所出力
ピーキングによる最大線出力密度を許容値以内に抑え、
周辺部及び太径水ロッド周りの熱中性子を有効に利用し
て燃料経済性を向上を図ることができる。更に、下部領
域周辺部の局所出力ピーキングを減少させたことによる
無限増倍率の減少を、中央部に配置した太径水ロッド周
りの熱中性子の有効利用で補償することができるので、
無限増倍率の減少を抑制することができる。

第２の特徴によれば、外径が燃料棒の配列ピッチよりも
大きい水ロッドが燃料集合体の中央部に配置され、燃料
集合体の周辺部に位置する燃料棒のうち下部領域の濃縮
度が燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃
料棒の占める割合が20％を越えないので、ボイド率が小
さく熱中性子束が大きな下部領域の周辺部の局所出力ピ
ーキングを減少させても、軸方向出力ピーキングを増加
させて炉心出力を増加できる。従って、下部領域周辺部
の局所出力ピーキングによる最大線出力密度を許容値以
内に抑え、周辺部及び太径水ロッド周りの熱中性子を有
効に利用して燃料経済性の向上を図ることができる。ま
た、燃料集合体の周辺部に位置する燃料棒のうち上部領
域の濃縮度が燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よりも
大きい燃料棒の占める割合が50％以上であるので、後述
の第10図に示すように、無限増倍率の増加量が急激に減
少することはない。もちろん、下部領域周辺部の局所出
力ピーキングを減少させたことによる無限増倍率の減少
を、中央部に配置した太径水ロッド周りの熱中性子の有
効利用で補償することができるので、これも無限増倍率
の減少抑制効果に寄与する。更に、上記の各機能を有す
ることは、結果的に炉心内に装荷される新しい燃料集合
体（燃焼度が零の燃料集合体）内の核分裂性物質の量を
多くできるので、燃焼度を増大させることができる。

〔実施例〕

発明者は、前述した課題を解消する解決手段を得るため
に特開昭58−26292号公報に示された周辺部で核分裂性
物質の量を多くした燃料集合体について全体の核分裂性
物質量を増大させた状態で種種の検討を行つた。まず、
前述した周辺部の核分裂性物質の量を多くした燃料集合
体で全体の核分裂性物質の量を増大させた場合に、下部
領域に形成される軸方向の出力ピークが増大する原因を
検討した。燃料集合体の下部領域は、その上部領域に比
べてボイド率が小さく中性子の減速効果が大きい。また
燃料集合体の横断面においては、中央部よりも周辺部に
おける中性子の減速効果が大きい。従つて、燃料集合体
全体で核分裂性物質量を増大させた場合に、下部領域の
周辺部で局所出力ピーキングが必要以上に大きくなりす
ぎ、これが軸方向の出力ピーキングを上昇させているこ
とが判明した。

この結果に基づいて、下部領域の周辺部における核分裂
性物質量を変えて検討を行つたところ、第９図に示す特
性が得られた。第９図の特性は、下部領域の周辺部（最
外周領域）に配置された燃料棒のうち下部領域の濃縮度
が燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料
棒の占める割合と燃料集合体の局所出力ピーキングの増
加量との関係を示したものである。下部領域の周辺部に
おいて燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きな
濃縮度を有する燃料棒の割合が20％を越えると、局所出
力ピーキングの増加量が著しく大きくなる。このため、
局所出力ピーキングの増加を押えるためには、周辺部に
おいて燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きな
濃縮度を有する燃料棒の割合が20％を越えないように、
すなわち20％以下になるようにすることが望ましい。周
辺部における濃縮度の大きな燃料棒の割合を前述の数値
以下に押えることによつて、軸方向の出力ピーキングの
著しい増加を抑制することができ、燃料棒の最大線出力
密度を許容値以下にできる。

また、燃料集合体の上部領域においても、燃料集合体の
下部領域と同様に周辺部（最外周部）に配置された燃料
棒のうち上部領域の濃縮度が燃料集合体の上部領域の平
均濃縮度よりも大きい燃料棒の占める割合の影響を調べ
た。この結果、第10図に示すような特性が得られた。す
なわち、周辺部において燃料集合体の上部領域の平均濃
縮度よりも大きな上部領域の濃縮度を有する燃料棒の割
合が周辺部の全燃料棒に対して50％よりも小さくなる
と、燃料集合体の無限増倍率の増加量が著しく低下す
る。従つて、燃料集合体の周辺部において、上部領域の
濃縮度が燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よりも大き
い燃料棒が、周辺部に配置された全燃料棒の50％以上を
占めることによつて、特開昭58−26292号公報に示され
た周辺部の濃縮度を高くした燃料集合体の効果を有効に
発揮できる。このように燃料集合体の上部領域の周辺部
において燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よりも大き
な上部領域濃縮度を有する燃料棒の割合を50％以上にし
たとしても、燃料集合体の上部領域はボイド率が大きい
ので、局所出力ピーキングが燃料棒の最大線出力密度に
悪影響を与える（燃料棒の最大線出力密度が許容値を越
える）程度に著しく増大することはない。

以上の検討結果に基づいてなされ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図及び第３図に
基づいて説明する。

燃料集合体10は、下部タイプレート14,水ロツド17,複数
の燃料棒16及び上部タイプレート21を有している。水ロ
ッド17及び燃料棒16の上下端部は、下部タイプレート14
及び上部タイプレート21に支持される。チヤンネルボツ
クス12が、上部タイプレート21に取付けられる。チヤン
ネルボツクス12の下端に下部タイプレート14が装着され
ている。この下部タイプレート14には複数の孔が穿設さ
れ、燃料棒16の下部端栓18が挿入されている。燃料棒16
は、上部端栓20に取付けられている膨張スプリングによ
り下方に押圧される。燃料スペーサ26は、軸方向に複数
個配置され、燃料棒16の相互横間隔を所定幅に保持して
いる。上部タイプレート14は、上面にハンドル28を取付
けている。

燃料棒16は、第４図に示すように、下部端栓18及び上部
端栓20にて両端が密封された被覆管30内に多数の燃料ペ
レツト32を充填したものである。これらの燃料ペレツト
32がスプリング34により下方に押圧されている。

水ロツド17は、第１図に示すように燃料集合体10の横断
面の中央部に配置される。この水ロツド17の外径は燃料
棒16の配列ピツチよりも大きい。水ロツド17は４本の燃
料棒16が配置可能な領域を占有している。

第１図における破線13は、燃料集合体10の横断面におけ
る周辺部と中央部の境界である。熱中性子束の大きい周
辺部は、破線13よりも外側の領域であつて最外周に配置
された燃料棒16を有している。周辺部よりも相対的に熱
中性子束の小さい中央部は、破線13よりも内側の領域で
ある。燃料集合体10は、具体的には燃料棒16として第１
図に示すように５種類の燃料棒、すなわち燃料棒１〜５
を有している。燃料棒１〜５の濃縮度分布は、第２図に
示されている。燃料棒１〜５は、燃料有効長部（燃料ペ
レツトが充填されている部分、すなわち第４図のＣ部
分）の下端から燃料有効長部の軸方向全長の1/24までの
間及び燃料有効長部の下端を基点として燃料有効長部の
軸方向全長の23/24の位置から燃料有効長部の上端まで
の間にそれぞれ天然ウランを有している。燃料棒１は天
然ウランを充填した以外の燃料有効長部の部分の濃縮度
が4.8重量％、燃料棒２は同じ部分の濃縮度が3.9重量
％、燃料棒４は同じ部分の濃縮度が3.3重量％、及び燃
料棒５の同じ部分の濃縮度が2.3重量％である。各燃料
棒において、前述の濃縮度は軸方向に一様である。燃料
棒３は、燃料有効長部の下端を基点として燃料有効長部
の軸方向全長の1/24の位置から燃料有効長部の軸方向全
長の11/24の位置までの濃縮度が3.3重量％、及びその領
域の上方すなわち燃料有効長部の軸方向全長の11/24の
位置からその軸方向全長の23/24の位置までの濃縮度が
3.9重量％である。このような濃縮度分布の燃料棒を有
する燃料集合体10では、下部領域のうち燃料有効長部の
軸方向全長の1/24〜11/24の範囲における平均濃縮度が
3.63重量％となり、上部領域のうち燃料有効長部の軸方
向全長の11/24〜23/24の範囲における平均濃縮度が3.83
重量％となる。燃料集合体10は、燃料有効長部の下端か
ら燃料有効長部の軸方向全長の11/24までの範囲を下部
領域、燃料有効長部の軸方向全長の11/24から燃料有効
長部の上端までの範囲を上部領域としている。燃料集合
体10の上部領域の平均濃縮度は、その下部領域の平均濃
縮度よりも大きい。燃料集合体10の周辺部に配置されて
いる28本の燃料棒16のうち16本の燃料棒16（比率にして
57％）はその上部領域の濃縮度が燃料集合体10の上部領
域の平均濃縮度よりも大きくなつている。また、燃料集
合体10の周辺部に配置されている28本の燃料棒のうち下
部領域の濃縮度が燃料集合体10の下部領域の平均濃縮度
よりも大きい燃料棒は一本もない。すなわち、燃料集合
体10の周辺部に配置された燃料棒のうち下部領域の濃縮
度が燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃
料棒の占める割合は、20％を越えていない。

第５図（Ａ）は燃料集合体10の上部領域の横断面を示す
ものであり、上部領域の濃縮度が燃料集合体10の上部領
域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒16に斜線を付してあ
る。第５図（Ｂ）は燃料集合体10の下部領域の横断面を
示すもので、下部領域の濃縮度が燃料集合体10の下部領
域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒16に斜線を付してあ
る。

第６図は、多数の燃料集合体10を沸騰水型原子炉を炉心
に装荷した状態での１つのセルの構成を示している。１
つのセルは、隣接する４体の燃料集合体10にて構成され
る。横断面が十字型をした制御棒19が、１つのセル内で
４体の燃料集合体10間に挿入される。炉心は、このよう
なセルを多数有している。

燃料集合体10を炉心に装荷した沸騰水型原子炉を運転す
ると、中央部に水ロツド17が設けられているが燃料集合
体10間に形成される水ギヤツプの影響により中央部より
も周辺部にて熱中性子束が大きくなる。燃料集合体10の
周辺部に位置している燃料棒16の57％がその上部領域で
燃料集合体10の上部領域の平均濃縮度よりも濃縮度が大
きいことは、燃料集合体10の上部領域の無限増倍率を大
きくしている。これは、燃料集合体10全体の無限増倍率
を大きくすることにもつながる。一方、燃料集合体の下
部領域の平均濃縮度よりも小さな濃縮度を下部領域で有
する燃料棒16が周辺部に配置されているので、燃料集合
体10の局所出力ピーキングが小さくなり最大線出力密度
も許容値以下となり、しかも燃料集合体10の下部領域の
無限増倍率も小さくなる。

燃料集合体10は、特開昭58−26292号公報の第４図及び
第５図に示される燃料集合体に比べて平均濃縮度が著し
く増大しているので、その公知の燃料集合体よりも燃焼
度が著しく大きくなる。しかも、本実施例の燃料集合体
10は、以下に述べる理由により出力ピーキングの上でも
何等問題がない。本実施例は、ボイド率が大きくなる上
部領域で燃料集合体の上部領域の平均濃縮度より大きな
濃縮度を有する燃料棒を前述の割合で燃料集合体の周辺
部に配置しているので、局所ピーキングに悪影響を与え
ることなく特開昭58−26292号公報の４頁、上部左欄11
〜17に示された効果を得ること、すなわち燃料の経済性
を大幅に向上でき燃焼期間を延ばすことができる。ま
た、本実施例は、ボイド率が小さくなる下部領域で燃料
集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きな濃縮度を有
する燃料棒を周辺部に配置していないので、第９図に示
すように局所出力ピーキングの増加量は最も小さく局所
出力ピーキングを低く押えることができる。このため、
燃料集合体10の最大線出力密度は許容値を越えることは
ない。

燃料集合体10の下部領域における局所ピーキングが小さ
いので、制御棒の操作により第７図に実線にて示すよう
に燃料集合体10の下部ピーキングが形成されるように軸
方向の出力分布を形成しても、燃料集合体10の最大線出
力密度が許容値を越えることはない。上記の実線のよう
な出力分布を形成する場合には、制御棒が炉心内に深く
挿入されている。本実施例の燃料集合体10を用いること
によつて前述のように最大線出力密度の許容値を越える
ことなく下側ピークの出力分布を形成することが可能に
なるので、燃料を有効に活用できるスペクトルシフト運
転が実施できる。すなわち、スペクトルシフト運転は、
１つの燃料サイクルにおいてその燃料サイクル初期から
燃料サイクル中期にかけて炉心平均の軸方向出力分布を
燃料集合体10の下側で出力ピークを形成して、炉心の平
均ボイド率を大きくすることにより中性子スペクトルを
硬くし、燃料集合体10の上部領域におけるプルトニウム
の蓄積を促進させ、制御棒の引抜きによつて燃料サイク
ル末期においては、炉心の平均軸方向出力分布を燃料集
合体10の上側で出力ピークを形成して炉心の平均ボイド
率を小さくし、これにより中性子スペクトルを軟らかく
して、燃料集合体10の上部領域のウラン235および、燃
料サイクル初期から燃料サイクル中期にかけて上部領域
に蓄積させたプルトニウムを燃焼させて反応度向上を図
るものである。燃料集合体10を装荷した炉心では、燃料
集合体10の上部領域の平均濃縮度がその下部領域のそれ
よりも大きいこと、燃料集合体10の上部領域はその下部
領域に比べて周辺部に濃縮度の高い燃料棒を多数配置し
ていること、燃料サイクル初期から燃料サイクル中期に
かけて燃料集合体の下部領域で核分裂性物質が消費され
燃料集合体の上部領域で核分裂性物質が蓄積されること
及び制御棒の引抜きとが相俟って、燃料サイクル末期に
おいて第７図の破線で示すような上側に出力ピークを有
する軸方向の出力分布が形成される。これにより、ボイ
ド率が小さくなり、反応度を向上させることが可能とな
る。この効果は、燃料サイクル末期での反応度を0.4％
Δｋ向上させることができる。一方、燃料集合体10の下
部領域における局所出力ピーキングを小さくしたことに
よる無限増倍率の低下は、0.2％Δｋ程度であり、差し
引き0.2％Δｋ程度の燃料経済性向上となる。

なお、特開昭58−26292号公報に示された第４図の燃料
集合体において全体的に平均して濃縮度を高めて燃料集
合体10の平均濃縮度にした場合は、下部領域の局所出力
ピーキングが大きくなつて最大線出力密度が許容値より
も大きくなるので、これを防止するために制御棒を軸方
向長の約半分程度引抜く必要があり、燃料サイクル初期
のおいて第８図の破線に示す炉心軸方向の出力分布が形
成される。すなわち、実線で示す燃料集合体10の燃料サ
イクル初期のような下側に出力ピークのある出力分布が
形成されず、スペクトルシフト運転を行うことができな
い。

軸方向出力分布を平坦化するためには、特公昭58−2987
8号公報に示されるように、平均濃縮度の高い燃料集合
体の上部領域と平均濃縮度の低い燃料集合体の下部領域
との境界を、燃料集合体の燃料有効長部の下端から燃料
有効長部の軸方向全長の1/3〜7/12の範囲に位置させる
とよい。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第11図により説
明する。前述した燃料集合体10が燃料棒16を８行８列に
配置したものであるのに対して、本実施例の燃料集合体
10Aは燃料棒16を９行９列に配置したものである。燃料
集合体10Aは、燃料集合体10と同様に燃料棒１〜５の５
種類の燃料棒を配置しており、配置の場所及び本数が燃
料集合体10と異なつているだけである。燃料集合体10A
の中央部には、水ロツド17Aが配置されている。水ロツ
ド17Aは、９本の燃料棒16を排除できる大きさである。
燃料集合体の周辺部には、燃料有効長部の軸方向全長の
11/24〜23/24の範囲における燃料集合体の平均濃縮度
（3.89重量％）よりも上部領域での濃縮度が高い燃料棒
３が20本配置されている。これらの燃料棒が燃料集合体
の周辺部において占める割合は約63％である。このた
め、燃料集合体の上部領域の無限増倍率が燃料集合体の
下部領域でのそれよりも大きくなっている。一方、燃料
集合体の周辺部の燃料棒のうち燃料有効長部の下端から
燃料有効長部の軸方向全長の1/24〜11/24の範囲におけ
る燃料集合体の平均濃縮度（3.66重量％）よりも下部領
域での濃縮度が高い燃料棒は一本もなく、燃料集合体の
下部領域の局所出力ピーキングが小さくなつている。本
実施例も、前述した実施例と同様な効果を得ることがで
きる。

また、燃料集合体10に特開昭59−84184号公報の第１図
（ｂ）に示される概念を適用することができる。すなわ
ち、燃料集合体10上部領域に含まれる可燃性毒物量をそ
の下部領域に含まれる可燃性毒物量よりも多くなるよう
に、燃料集合体10に可燃性毒物を添加することである。
可燃性毒物としては、例えばGd等がある。燃料集合体の
上部領域に含まれる可燃性毒物量をその下部領域に含ま
れるその量よりも多くする具体的な手法としては、同じ
濃度のGdを含む燃料棒の本数を燃料集合体の下部領域よ
りもその上部領域で多くすることである。このような可
燃性毒物の軸方向分布を有する燃料集合体10は、U.S.P.
4587090のFig.5及び７に示すような可燃性毒物によるス
ペクトルシフトの効果が付加されるので、上記の可燃性
毒物の軸方向分布を有しない燃料集合体10に比べてスペ
クトルシフトの効果が更に助長され燃料の経済的利用が
更に増大する。

また、この場合、燃料集合体の上部領域の無限増倍率
と、燃料集合体の下部領域の無限増倍率の差が、大きく
なり炉停止余裕が厳しくなると予想される。しかし、本
実施例では燃料サイクル前半で軸方向出力分布を下側ピ
ークにしているので、燃料集合体の上部領域での出力が
小さくなつてその上部領域における可燃性毒物の燃焼が
遅くなり、燃料サイクル末期で可燃性毒物が燃え残り炉
停止余裕は改善される方向へ進む。結局、燃料集合体の
上部領域及び下部領域での無限増倍率の差が大きくなる
点と、可燃性毒物が燃え残ることの両者の炉停止余裕へ
の影響は相殺され炉停止余裕は変化しない。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第12図及び第13
図に基づいて説明する。本実施例の燃料集合体10Bは、
第11図の実施例の燃料棒配置とほとんど同じであり、異
なる部分は周辺部に４本の燃料棒２を配置していること
である。４本の燃料棒２を周辺部に配置することによつ
て、これらの燃料棒２の下部領域の濃縮度は、燃料集合
体10Bの下部領域の平均濃縮度（3.69重量％）よりも大
きくなつている。このため、燃料集合体10Bの周辺部に
おいて、下部領域の濃縮度が燃料集合体10Bの下部領域
の平均濃縮度よりも大きい燃料棒２の占める割合が約1
2.2％である。燃料集合体10Bの上部領域の平均濃縮度
は、約3.89重量％となつている。

本実施例は、燃料集合体10と同様な効果を得ることがで
きるが、燃料集合体10に比べて局所出力ピーキングが少
し大きくなる。

本発明の他の実施例である燃料集合体10Cを第14図及び
第15図に基づいて説明する。第14図は、燃料集合体10C
の横断面を示す。燃料集合体10Cの側面の構成は、第３
図と同じである。燃料集合体10Cは、燃料集合体10Aと同
様に燃料棒16を９行９列に配置したものである。しかし
ながら、燃料集合体10Cは、第15図に示す６種類の燃料
棒16、すなわち燃料棒1,P及び22〜25を有し、中央部に
２本の水ロツド17Bを有している。燃料棒1,P及び22〜25
は、燃料有効長部の下端から燃料有効長部の軸方向全長
の1/24の位置までの範囲に天然ウランを充填している。
燃料棒１及び22〜25は、燃料有効長部の下端を基点とし
て燃料有効長部の軸方向全長の22/24の位置から燃料有
効長部の上端までの範囲にも、天然ウランが充填されて
いる。燃料棒１及び22〜25は、上端部及び下端部に存在
する天然ウラン領域間に濃縮ウランが充填される濃縮ウ
ラン充填領域を有する。燃料棒１及び23〜25の各々は、
濃縮ウラン充填領域の濃縮度が軸方向に一様であつて、
第15図に示すように4.8重量％,3.7重量％,3.0重量％及
び3.9重量％となつている。燃料棒22は、燃料有効長部
の下端を基点にして燃料有効長部の軸方向全長の11/24
の位置で濃縮ウラン充填領域が上部領域と下部領域とに
分けられ、上部領域の濃縮度が4.8重量％及び下部領域
の濃縮度が4.1重量％である。燃料棒Ｐは、燃料有効長
部の上端が燃料有効長部の軸方向全長の15/24の位置
（燃料有効長部の下端を基点にして）ある。燃料棒Ｐ
は、その軸方向長さが他の燃料棒16のそれよりも短くな
つている。燃料棒Ｐは燃料有効長部のうち天然ウラン充
填領域より上方で濃縮度が一様な濃縮ウラン充填領域を
有しており、その濃縮度は4.8重量％である。燃料集合
体10Cは、前述の燃料有効長部の軸方向全長の15/24の位
置より上方が上部領域であり、その位置より下方が下部
領域である。

燃料集合体10Cは、下部領域のうち燃料有効長部の軸方
向全長の1/24〜11/24の範囲における平均濃縮度が4.2重
量％であり、上部領域のうち燃料有効長部の軸方向全長
の11/24〜15/24の範囲での平均濃縮度が4.39重量％及び
燃料有効長部の軸方向全長の15/24〜22/24の範囲での平
均濃縮度が4.34重量％である。上部領域の平均濃縮度の
うち4.39重量％は燃料集合体10Cの軸方向で燃料棒Ｐが
存在する領域での平均濃縮度であり、4.34重量％は燃料
集合体10Cの軸方向で燃料棒Ｐが存在しない領域での平
均濃縮度である。

燃料集合体10Cの、周辺部に配置された32本の燃料棒16
のうち20本の燃料棒16、すなわち燃料棒22（比率にして
約63％）は、その上部領域の濃縮度が燃料集合体10Cの
上部領域の平均濃縮度よりも大きくなつている。また、
上記周辺部に配置された32本の燃料棒16のうち下部領域
の濃縮度が燃料集合体10Cの下部領域の平均濃縮度より
も大きい燃料棒16は一本もない。

本実施例の燃料集合体10Cは、前述の燃料集合体10と同
じ効果を生じる。

燃料集合体10Cは、軸方向の長さの短い燃料棒Ｐを有し
ているので、燃料集合体上端部付近での燃料物質の量が
少なく炉停止余裕が向上する。燃料棒Ｐを用いること
は、気液二相流となる燃料集合体上端部での冷却水流路
面積の拡大につながり、燃料集合体の圧力損失が低減す
る。上端部における天然ウラン充填領域の長さが燃料集
合体10より長く、炉心上方への中性子漏洩量が低減す
る。このため、燃料集合体10Cは、中性子利用率が向上
する。

燃料集合体10Cは、前述したように２本の水ロツド17Bを
有している。これらの水ロツド17Bは、燃料集合体横断
面の中央部で、しかもチヤンネルボツクス12の対向する
一対のコーナ部を結ぶ直線上に隣接して配置される。水
ロツド17Bの外径は、燃料棒ピツチよりも大きい。２本
の水ロツド17Bは、配置されている燃料棒16と同じピツ
チで７本の燃料棒16が配置可能な領域を占有している。
すなわち、７本の燃料棒16が、２本の水ロツド17Bの配
置によつて排除された形になつている。このような、水
ロツド17Bを配置した燃料集合体の例は特開昭62−21718
6号公報の第１図，第７図及び第８図に示されている。

本実施例では、燃料棒16は、２本の水ロツド17Bを取囲
むように燃料集合体の外側から三層目までに環状に配列
されている。２本の水ロツド17Bは、燃料集合体横断面
の中央部であつて、燃料棒16が３行３列に配置できる領
域に配置されている。２本の水ロツド17Bの太さは、上
記の領域内に配置できる大きさである。これにより、水
ロツド17Bを２本設置したにもかかわらず、前述の燃料
棒16が３行３列に配置できる領域内で水ロツド17Bの両
脇で２本の水ロツド17Bの中心を結ぶ直線と直角な方向
に２本の燃料棒16を配置することができる。このため、
前述したように排除された燃料棒16の本数は７本であ
る。よつて、装荷できる燃料の物質の量を燃料集合体10
Aよりも燃料棒16を２本分ほど多くできる。また、２本
の水ロツド17Bを燃料集合体10Cの中央に設置しているの
で、燃料集合体10Cの中央で発生する核分裂中性子を、
よく減速し熱中性子束を大きくして、燃料集合体10C中
央部の熱中性子束を高め、燃料集合体10C内の熱中性子
束分布を平坦化している。また、燃料集合体10C内の燃
料棒16および水ロツド17Bの配置は、燃料集合体10Cの中
心についての回転対称配置から、大きくはずれていない
ので、濃縮度の等しい燃料棒16をほぼ回転対称の位置に
配置できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、最大線出力密度を許容値以内に抑え
て、中性子利用による燃料経済性の向上を図ることがで
きる。また、無限増倍率の減少を抑制することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水型原子炉に用いられる本発明の好適な一
実施例である燃料集合体の横断面図、第２図は第１図に
示す各燃料棒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３図の燃料棒の
構成図、第５図（Ａ）は第３図のVA−VA断面図、第５図
（Ｂ）は第３図のVB−VB断面図、第６図は第１図の燃料
集合体を装荷した炉心の局部横断面図、第７図及び第８
図は炉心軸方向における相対出力の分布を示す特性図、
第９図は燃料集合体の下部領域の周辺部に配置された濃
縮度の大きな燃料棒の割合と局所出力ピーキングの増加
量との関係を示す特性図、第10図は燃料集合体の上部領
域の周辺部に配置された濃縮度の大きな燃料棒の割合と
無限増倍率の増加量との関係を示す特性図、第11図、第
12図及び第14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13図は第12図に示す各燃料棒の濃縮度分
布を示す説明図、第15図は第14図に示す各燃料棒の濃縮
度分布を示す説明図である。 １〜5,16……燃料棒、10,10A〜10C……燃料集合体、14
……下部タイプレート、17,17A,17B……水ロツド、21…
…上部タイプレート。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の燃料棒を有する燃料集合体におい
   て、 外径が前記燃料棒の配列ピッチよりも大きい１本の水ロ
   ッドが前記燃料集合体の中央部で４本の前記燃料棒を配
   置可能な領域に配置され、 前記燃料集合体の周辺部に位置する前記燃料棒のうち、
   下部領域の濃縮度が前記燃料集合体の下部領域の平均濃
   縮度よりも大きい燃料棒の占める割合が、上部領域の濃
   縮度が前記燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よりも大
   きい燃料棒の占める割合よりも小さいことを特徴とする
   燃料集合体。
2. 【請求項２】複数の燃料棒を有する燃料集合体におい
   て、 外径が前記燃料棒の配列ピッチよりも大きい１本の水ロ
   ッドが前記燃料集合体の中央部で４本の前記燃料棒を配
   置可能な領域に配置され、 前記燃料集合体の上部領域では、前記燃料集合体の周辺
   部に位置する燃料棒のうち上部領域の濃縮度が前記燃料
   集合体の上部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の占
   める割合が50％以上であり、 前記燃料集合体の下部領域では、前記燃料集合体の周辺
   部に位置する燃料棒のうち下部領域の濃縮度が前記燃料
   集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の占
   める割合が20％を越えないことを特徴とする燃料集合
   体。
3. 【請求項３】前記燃料集合体の上部領域の平均濃縮度が
   前記燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい請
   求項１または２の燃料集合体。
4. 【請求項４】前記上部領域と前記下部領域との境界が、
   前記燃料集合体の燃料有効長部の下端から前記燃料有効
   長部の軸方向全長の1/3と7/12との範囲内に位置してい
   る請求項１または２の燃料集合体。
5. 【請求項５】前記燃料集合体の上部領域に含まれる可燃
   性毒物の量が、前記燃料集合体の下部領域に含まれるそ
   の量よりも多い請求項３の燃料集合体。
6. 【請求項６】複数の燃料棒を有する燃料集合体におい
   て、 外径が前記燃料棒の配列ピッチよりも大きい１本の水ロ
   ッドが前記燃料集合体の中央部で４本の前記燃料棒を配
   置可能な領域に配置され、 前記燃料集合体の上部領域では、前記燃料集合体の周辺
   部に位置する燃料棒のうち上部領域の濃縮度が前記燃料
   集合体の上部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の占
   める割合が50％以上であり、 前記燃料集合体の下部領域では、前記燃料集合体の周辺
   部に位置する燃料棒は下部領域の濃縮度が前記燃料集合
   体の下部領域の平均濃縮度よりも小さい燃料棒であるこ
   とを特徴とする燃料集合体。
7. 【請求項７】前記燃料集合体の上部領域の平均濃縮度が
   前記燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい請
   求項６の燃料集合体。
8. 【請求項８】複数の燃料棒を有する燃料集合体におい
   て、 外径が前記燃料棒の配列ピッチよりも大きい１本の水ロ
   ッドが前記燃料集合体の中央部で４本の前記燃料棒を配
   置可能な領域に配置され、 前記燃料集合体の周辺部に位置する前記燃料棒のうち、
   下部領域の濃縮度が前記燃料集合体の下部領域の平均濃
   縮度よりも小さい燃料棒の占める割合が、上部領域の濃
   縮度が前記燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よりも小
   さい燃料棒の占める割合よりも大きいことを特徴とする
   燃料集合体。
9. 【請求項９】複数の燃料棒を有する燃料集合体におい
   て、 外径が前記燃料棒の配列ピッチよりも大きい２本の水ロ
   ッドが前記燃料集合体の中央部で７本の前記燃料棒を配
   置可能な領域に配置され、 前記燃料集合体の周辺部に位置する前記燃料棒のうち、
   下部領域の濃縮度が前記燃料集合体の下部領域の平均濃
   縮度よりも大きい燃料棒の占める割合が、上部領域の濃
   縮度が前記燃料集合体の上部領域の平均濃縮縮よりも大
   きい燃料棒の占める割合よりも小さいことを特徴とする
   燃料集合体。
10. 【請求項１０】前記燃料棒が第１燃料棒と前記第１燃料
    棒よりも軸方向の長さが短い第２燃料棒を含み、前記燃
    料集合体の周辺部に位置する前記燃料棒が前記第１燃料
    棒である請求項９の燃料集合体。
11. 【請求項１１】請求項１、２、９の何れかの燃料集合体
    が装荷された原子炉の炉心。