JPH10206582A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】平均取り出し燃焼度を増加せず燃料棒配列数を
増加することにより、ＭＯＸ燃料棒の数を減らすことな
くＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度種類数を低減でき
る燃料集合体を提供する。 【解決手段】ウラン−プルトニウム混合酸化物燃料を充
填した複数本のＭＯＸ燃料棒101a，１０１ｂと、ガドリ
ニアを添加したウラン酸化物燃料を充填した複数本のウ
ラン−ガドリニア燃料棒１０１ｃと、水ロッド１０２と
を、９行９列の格子状配列中に配置した沸騰水型原子炉
用の燃料集合体において、ＭＯＸ燃料棒１０１ａ，１０
１ｂ中に含まれる核分裂性プルトニウムが燃料集合体内
の全燃料中に占める割合を３.４重量％以下の２.２重量
％とすることにより、ＭＯＸ燃料棒１０１ａ，１０１ｂ
のプルトニウム富化度を２種類に低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉炉
心に装荷される燃料集合体に係わり、特に、ウラン−プ
ルトニウム混合酸化物燃料を用いた燃料集合体に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、資源有効利用等の観点から、軽水
炉におけるプルトニウム利用が検討され、ウラン−プル
トニウム混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸ燃料という）の
利用が提唱されている。このＭＯＸ燃料は、既にいくつ
かの照射試験を通じ、その健全性が確認されている。こ
のようなＭＯＸ燃料を備えた燃料集合体（以下、ＭＯＸ
燃料集合体という）のうち、沸騰水型原子炉用燃料集合
体については、プルトニウム装荷量の増大，燃料集合体
製造コストの低減，高燃焼度化等の観点から検討が加え
られている。

【０００３】沸騰水型原子炉用ＭＯＸ燃料集合体の公知
例としては、例えば、第２８回炉物理夏期セミナーテキ
スト８７頁〜９８頁（「フルＭＯＸ−ＢＷＲについ
て」）に記載のものがある。このＭＯＸ燃料集合体の構
造を表す横断面図を図５に示す。図５において、ＭＯＸ
燃料集合体は、商用炉でウラン燃料用に用いられている
燃料集合体をベースにし、その濃縮ウラン燃料に換えて
ＭＯＸ燃料を用いたものであり、８行８列の格子状に配
列した燃料棒１と、この格子状配列の中心における４本
分の燃料棒１のスペースに設けられた水ロッド２と、こ
れらの配列の外周を取り囲むチャンネルボックス３とを
備えている。

【０００４】燃料棒１は、８行８列配列のうち水ロッド
２の分を除いた６０本が設けられているが、そのうち４
８本の燃料棒１ａがＭＯＸ燃料棒であり、すなわちＭＯ
Ｘ燃料棒割合が８０％となっている。また残りの１２本
の燃料棒１ｂは、燃焼に伴なう燃料の余剰反応度の変化
を適正な値に抑制するために可燃性毒物としてガドリニ
アを添加したウラン−ガドリニア燃料棒である。またＭ
ＯＸ燃料棒１ａは、最大線出力密度を既定値以下に保ち
出力分布を平坦化するように、プルトニウム富化度が異
なる４種類の燃料棒で構成されている。

【０００５】ところで、上記公知技術の第８８頁及び８
９頁にも記載されているように、８行８列配列のウラン
燃料集合体の取り出し燃焼度として実績があるのは、約
３９ＧＷｄ／ｔ以下である。したがって、８行８列のＭ
ＯＸ燃料集合体の目標取り出し燃焼度も約３９ＧＷｄ／
ｔ以下に設定するのが一般的である。この図５に示すＭ
ＯＸ燃料集合体においても、目標取り出し燃焼度を約３
９ＧＷｄ／ｔ以下としている。但し、この場合、ＭＯＸ
燃料集合体はまだ実績がないことから、かなり余裕を見
て約３３ＧＷｄ／ｔとしている。またこのとき、このＭ
ＯＸ燃料集合体を全数装荷した炉心においても、ウラン
燃料集合体を用いた炉心と同程度の炉停止余裕・最大線
出力密度が実現可能となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、ＭＯＸ燃料集合
体の製造コストを低減するニーズが非常に高まってい
る。通常、ＭＯＸ燃料集合体の製造時には、最大線出力
密度を抑制し出力分布を平坦化するために、富化度種類
の異なるペレットが製造される。このとき、各富化度種
類毎に製造ラインのクリーニング等の準備工程が必要と
なることから、製造コストダウンのためには、ＭＯＸ燃
料棒のプルトニウム富化度種類を減らすことが有効であ
る。

【０００７】しかしながら、上記従来構造においては、
プルトニウム富化度種類数低減を図る場合に以下の課題
が存在する。

【０００８】すなわち、前述したように、燃料集合体に
おける燃料棒の最大線出力密度は、燃料棒の健全性を保
つために運転サイクル期間を通じてある既定値以下にお
さえなければならないが、一般に、ＭＯＸ燃料棒のプル
トニウム富化度種類数を減らした場合、燃料棒の最大線
出力密度が増大することとなる。この公知技術において
は、最大線出力密度の既定値までの余裕が少ないことか
ら、出力分布を平坦化するために４種類のプルトニウム
富化度分布が設定されている。そして富化度種類のさら
なる低減（この場合３種類以下への低減）を図ろうとす
ると、各ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度分布や配置
等を最適化したとしても最大線出力密度の既定値を超え
ることとなる。したがって、プルトニウム富化度種類数
の低減を図ることは困難である。

【０００９】但し、上記従来構造においても、ＭＯＸ燃
料棒の数を減らし、その分を、ウラン燃料棒で置き換え
れば、よりＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度種類数を
減らすことは可能である。しかしながらこの場合、ＭＯ
Ｘ燃料集合体１体当たりのプルトニウム装荷量が少なく
なり、資源の有効利用の観点から好ましくない。さら
に、１体の燃料集合体にプルトニウムを多く装荷するほ
どＭＯＸ燃料集合体の輸送コストを低減できるので、こ
の輸送コスト低減の観点からも好ましくない。

【００１０】一方、ＭＯＸ燃料集合体におけるＭＯＸ燃
料棒の配列を８行８列から９行９列にすることにより最
大線出力密度の既定値までの余裕を増大し、これによっ
て平均取り出し燃焼度を従来よりも増加する構成は既に
公知であり、例えば、特開平2−259493 号公報の図６に
そのような構造が開示されている（平均取り出し燃焼度
は約４５ＧＷｄ／ｔ）。しかしながら、この燃料棒配列
数の増加による最大線出力密度の余裕の増大を、平均取
り出し燃焼度の増加でなくプルトニウム富化度種類数の
低減に利用する構造は開示されていない。すなわち、燃
料棒配列数を増加するときに平均取り出し燃焼度を増加
させないことにより、プルトニウム富化度種類数を低減
し、これによって製造コストを低減する概念は、従来存
在しなかった。

【００１１】本発明の目的は、平均取り出し燃焼度を増
加させず燃料棒配列数を増加することにより、ＭＯＸ燃
料棒の数を減らすことなくＭＯＸ燃料棒のプルトニウム
富化度種類数を低減できる燃料集合体を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ウラン−プルトニウム混合酸化物燃料を
充填した複数本のＭＯＸ燃料棒と、可燃性毒物を添加し
たウラン酸化物燃料を充填した複数本の毒物入りウラン
燃料棒と、少なくとも１本の水ロッドとを、ｎ行ｎ列の
格子状配列中に配置した沸騰水型原子炉用の燃料集合体
において、ｎを９以上とし、前記ＭＯＸ燃料棒中に含ま
れる核分裂性プルトニウムが燃料集合体内の全燃料中に
占める割合を、３.４重量％以下とする。

【００１３】また、ウラン−プルトニウム混合酸化物燃
料を充填した複数本のＭＯＸ燃料棒と、可燃性毒物を添
加したウラン酸化物燃料を充填した複数本の毒物入りウ
ラン燃料棒と、少なくとも１本の水ロッドとを、ｎ行ｎ
列の格子状配列中に配置した沸騰水型原子炉用の燃料集
合体において、ｎを１０以上とし、前記ＭＯＸ燃料棒中
に含まれる核分裂性プルトニウムが燃料集合体内の全燃
料中に占める割合を、４.２ 重量％以下とする。

【００１４】一般に、燃料棒が、ウラン−プルトニウム
混合酸化物燃料を充填したＭＯＸ燃料棒と可燃性毒物を
添加したウラン酸化物燃料を充填した毒物入りウラン燃
料棒からなるＭＯＸ燃料集合体においては、ある平均取
り出し燃焼度を得るために必要な所要核分裂性プルトニ
ウム富化度には上限が存在する。すなわち、ある所定の
平均取り出し燃焼度を目標とする場合、核分裂性プルト
ニウム富化度の値がこの上限値を超えると、無駄な核分
裂性プルトニウムがある分余剰反応度が過大となってし
まう。

【００１５】原子炉において、余剰反応度を適正値に抑
制することは炉停止余裕の確保等のためにきわめて重要
であるので、この過大な余剰反応度を適性値に抑え込む
必要が生じ、毒物入りウラン燃料棒の本数を増加させな
ければならなくなる。しかし毒物入りウラン燃料棒は、
通常、毒物が燃え尽きた後の出力分布を平坦化するため
に、Ｕ−２３５の濃縮度を高くしていることから、毒物
入りウラン燃料棒の本数の増加はさらに余剰反応度を増
加することにつながるため、実際は上限値を超えた点で
は、余剰反応度を抑制することが極めて困難となる。し
たがって、ある所定の平均取り出し燃焼度を目標とする
場合、所要核分裂性プルトニウム富化度には上限があ
り、核分裂性プルトニウムの富化度をこれ以下に設定し
なければならない。

【００１６】この平均取り出し燃焼度と所要核分裂性プ
ルトニウム富化度上限値は、図２に示すように単調増加
関係にある。燃料棒を８行８列に配置した場合、限界と
なる平均取り出し燃焼度は３９ＧＷｄ／ｔであり、これ
に対応する所要核分裂性プルトニウム富化度の上限値は
３.４ 重量％である。また、燃料棒を９行９列に配置し
た場合、公知技術の９×９ＭＯＸ燃料集合体では平均取
出し燃焼度４５ＧＷｄ／ｔとしているが、線出力密度の
観点から限界となる平均取り出し燃焼度は５１ＧＷｄ／
ｔであり、これに対応する所要核分裂性プルトニウム富
化度の上限値は４.２ 重量％である。

【００１７】本発明においては、ＭＯＸ燃料集合体中に
含まれる核分裂性プルトニウムが燃料集合体内の全燃料
中に占める割合を、燃料棒を９行９列に配置したＭＯＸ
燃料集合体の場合に３.４ 重量％以下としたことによ
り、平均取り出し燃焼度を、従来の燃料棒を８行８列に
配置した燃料集合体の限界である３９ＧＷｄ／ｔ以下に
設定することができる。また、ＭＯＸ燃料集合体中に含
まれる核分裂性プルトニウムが燃料集合体内の全燃料中
に占める割合を、燃料棒を１０行１０列に配置したＭＯ
Ｘ燃料集合体の場合に４.２ 重量％以下としたことによ
り、平均取り出し燃焼度を、従来の燃料棒を９行９列に
配置した燃料集合体の限界である51ＧＷｄ／ｔ以下に設
定することができる。

【００１８】一方、燃料集合体１体当たりの平均出力が
等しいとき、燃料集合体１体に含まれる燃料棒本数が多
いほど、燃料棒１本当たりの平均出力は小さくて済み、
最大線出力密度の既定値までの余裕が増大する。本発明
においては、燃料棒を９行９列の格子状に配列したＭＯ
Ｘ燃料集合体の平均取り出し燃焼度を３９ＧＷｄ／ｔ以
下に、燃料棒を１０行１０列の格子状に配列したＭＯＸ
燃料集合体の平均取り出し燃焼度を５１ＧＷｄ／ｔ以下
にそれぞれ設定しているので、図７に示すように、燃料
棒１本当たりの平均出力がそれぞれ２０％以上低減す
る。これにより、その平均出力が低減された分、最大線
出力密度の余裕が増大する。

【００１９】ここにおいて、通常、沸騰水型原子炉用の
燃料集合体においては、減速材である水への距離に基づ
く燃料棒の熱中性子束格差に応じ、例えばＭＯＸ燃料棒
ではプルトニウム富化度の高・低分布をつけることが行
われる。すなわち、プルトニウム富化度種類数が多いほ
ど最大線出力密度を抑制することができ、少なくするほ
ど最大線出力密度が増大することとなる。本発明におい
ては、上記したように最大線出力密度の既定値までの余
裕が増加することにより、その分、最大線出力密度の増
加を許容できることとなるので、プルトニウム富化度種
類数を少なくすることができる。

【００２０】好ましくは、前記燃料集合体において、前
記複数本のＭＯＸ燃料棒は、核分裂性プルトニウム富化
度が低い複数本の第１の燃料棒と、これら第１の燃料棒
より核分裂性プルトニウム富化度が高い複数本の第２の
燃料棒とから構成されており、前記複数本の第１の燃料
棒を前記ｎ行ｎ列の格子状配列の四隅を少なくとも含む
コーナー側領域に配置し、前記複数本の第２の燃料棒を
該コーナー側領域以外の領域に配置する。即ち、燃料集
合体中の燃料棒出力分布に対応して、低富化度の第１の
燃料棒をコーナー側領域、高富化度の第２の燃料棒をそ
れ以外の領域に配置することにより、プルトニウム富化
度の種類を高・低２つに統一することができる。したが
って、プルトニウム富化度を２種類に低減できる。

【００２１】さらに好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記水ロッドを前記格子状配列中の略中央部領域に
配置し、前記水ロッドが占める格子位置と行及び列の少
なくとも一方が等しい格子位置に、前記第２の燃料棒ま
たは前記毒物入りウラン燃料棒を配置する。即ち、水ロ
ッドが占める格子状配列中の略中央部領域と行及び列の
少なくとも一方が等しい格子位置に、第１の燃料棒を配
置しないことにより、第１の燃料棒をコーナー側領域に
配置する構成を実現できる。

【００２２】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、各毒物入りウラン燃料棒の最隣接する４つの格子位
置に、前記ＭＯＸ燃料棒または前記水ロッドを配置す
る。

【００２３】一般に、毒物入りウラン燃料棒に含まれる
可燃性毒物は、比較的エネルギーが小さい中性子を吸収
する断面積特性を備えているので、１本の毒物入りウラ
ン燃料棒の周囲には、この小エネルギー中性子が比較的
少なくなっている。ここで、このような燃料棒に近接す
る位置にもう１本の毒物入りウラン燃料棒を配置して
も、もともと小エネルギー中性子が比較的少なくなって
いるので、その断面積特性を有効に発揮することができ
ず無駄になる。そこで、各毒物入りウラン燃料棒の最隣
接する格子位置には毒物入りウラン燃料棒を置かずＭＯ
Ｘ燃料棒または水ロッドを配置することにより、毒物入
りウラン燃料棒同士が近接し上記の無駄が発生するのを
防止できるので、可燃性毒物を有効に利用することがで
きる。よって、毒物入りウラン燃料棒の本数をさらに低
減することができる。

【００２４】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記ＭＯＸ燃料棒の本数を、全燃料棒本数の８０％
以上とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。

【００２６】本発明の第１の実施形態を図１及び図２に
より説明する。図１は、本実施形態によるＭＯＸ燃料集
合体の構造を表す横断面図であり、９行９列の格子状に
配列された燃料棒１０１と、この格子状配列中の略中央
部領域における７本分の燃料棒１０１のスペースに設け
られた水ロッド１０２と、これらの配列の外周を取り囲
むチャンネルボックス１０３とを備えている。

【００２７】燃料棒１０１は、９行９列配列のうち水ロ
ッド１０２の分を除いた７４本が設けられているが、そ
のうち６０本の燃料棒１０１ａ，１０１ｂがウラン−プ
ルトニウム混合酸化物燃料を充填したＭＯＸ燃料棒であ
り、その全燃料棒中に占める割合は約８１％となってい
る。また残りの１４本の燃料棒１０１ｃは、燃焼に伴な
う燃料の余剰反応度の変化を適正な値に抑制するために
可燃性毒物としてガドリニアを添加したウラン酸化物燃
料を充填したウラン−ガドリニア燃料棒である。

【００２８】ＭＯＸ燃料棒１０１ａ，１０１ｂは、含有
するプルトニウムの富化度が異なる２種類の燃料棒、す
なわち第１の燃料棒としての低富化度ＭＯＸ燃料棒１０
１ａと、第２の燃料棒としての高富化度ＭＯＸ燃料棒１
０１ｂとで構成されている。低富化度ＭＯＸ燃料棒１０
１ａは１２本装荷されており、核分裂性プルトニウム富
化度が１.８ 重量％となっている。そして低富化度ＭＯ
Ｘ燃料棒１０１ａは、隣接燃料集合体間のギャップ水の
影響により最も出力が高くなりやすい、格子状配列の四
隅を含むコーナー側領域（この場合は格子状配列の四隅
及びその最隣接位置である。なお最隣接位置とは同行隣
接列又は同列隣接行位置をいう。以下同じ）に３本ずつ
計１２本設置され、これによって出力分布を効率的に平
坦化している。

【００２９】高富化度ＭＯＸ燃料棒１０１ｂは４８本装
荷されており、核分裂性プルトニウム富化度が４.０ 重
量％となっている。そして、コーナー側領域以外、詳細
にはウラン−ガドリニア燃料棒１０１ｃ，低富化度ＭＯ
Ｘ燃料棒１０１ａ、及び水ロッド１０２の配置位置以外
のすべての格子位置に配置されている。なお、水ロッド
１０２が占める格子位置と行又は列が等しい格子位置に
は、低富化度ＭＯＸ燃料棒１０１ａまたはウラン−ガド
リニア燃料棒１０１ｃが配置されている。また、これら
ＭＯＸ燃料棒１０１ａ，１０１ｂの母材としては劣化ウ
ランを用いるが、天然ウランまたは減損ウランを母材と
してもよい。

【００３０】一方、ウラン−ガドリニア燃料棒１０１ｃ
は、濃縮度４.９％ のウラン燃料に２.０ 重量％の濃度
でガドリニアを添加したものである。そして、各ウラン
−ガドリニア燃料棒１０１ｃの最隣接位置（＝同行隣接
列又は同列隣接行位置）には、ＭＯＸ燃料棒１０１ａ，
１０１ｂか水ロッド１０２が配置されており、ウラン−
ガドリニア燃料棒１０１ｃ同士が最隣接位置にならない
ようにしている。

【００３１】尚、上記構成のＭＯＸ燃料集合体の目標取
り出し燃焼度は、公知技術のＭＯＸ燃料集合体と同様、
８×８ウラン燃料集合体の取り出し燃焼度として実績の
ある３９ＧＷｄ／ｔ以下の３３ＧＷｄ／ｔに設定されて
いる。また、ＭＯＸ燃料棒１０１ａ，１０１ｂ中に含ま
れる核分裂性プルトニウム（Ｐｕ−２３９及びＰｕ−２
４１）が、燃料集合体内の全燃料に占める重量割合は、
２.９ 重量％となっている。

【００３２】次に、以上のような本実施形態のＭＯＸ燃
料集合体の作用を説明する。一般に、ウラン−プルトニ
ウム混合酸化物燃料を充填したＭＯＸ燃料棒と、可燃性
毒物を添加したウラン酸化物燃料を充填した毒物入りウ
ラン燃料棒とを含むＭＯＸ燃料集合体には、核分裂性物
質として、核分裂性ウラン（Ｕ−２３５）及び核分裂性
プルトニウム（Ｐｕ−２３９，２４１）が含有される。

【００３３】このうち、毒物入りウラン燃料棒は、通
常、毒物が燃え尽きた後の出力分布を平坦化するため
に、Ｕ−２３５の濃縮度を現状製造設備で最高の４.９
重量％としている。また、その本数は、配置にもよる
が、余剰反応度を適正値に抑制するために、平均取り出
し燃焼度３３ＧＷｄ／ｔの場合１２〜１４本、平均取り
出し燃焼度３９Ｗｄ／ｔの場合１４〜１６本，平均取り
出し燃焼度４５Ｗｄ／ｔの場合１６〜１８本，平均取り
出し燃焼度５１ＧＷｄ／ｔの場合１８〜２０本が最低限
必要となる。

【００３４】このような条件のもとで、この種のＭＯＸ
燃料集合体において、平均取り出し燃焼度と核分裂性プ
ルトニウム富化度の関係を考えるとき、ある平均取り出
し燃焼度を得るために必要な所要核分裂性プルトニウム
富化度には上限が存在することになる。これを図２に示
す。

【００３５】図２において、例えば、ある所定の平均取
り出し燃焼度ｘを目標とする場合、核分裂性プルトニウ
ム富化度が比較的低い場合（図２中の点Ａ）には、毒物
入りウラン燃料棒中に含まれるＵ−２３５が核分裂性プ
ルトニウム富化度の低い分を補うこととなり、可燃性毒
物の濃度を低く設定した毒物入りウラン燃料棒が必要最
低限より多い本数含まれることとなる。核分裂性プルト
ニウム富化度が増加するとともに補わなければならない
分が少なくなるので、毒物入りウラン燃料棒の本数が減
少し、これに伴って可燃性毒物の濃度が高くなる。

【００３６】核分裂性プルトニウム富化度の上限値（図
２中の点Ｂ）になると、毒物入りウラン燃料棒は上述し
た最低限の本数となる。核分裂性プルトニウム富化度の
値がこの上限値を超える（図２中の点Ｃ）と、無駄な核
分裂性プルトニウムがある分余剰反応度が過大となって
しまう。原子炉において、余剰反応度を適正値に抑制す
ることは炉停止余裕の確保等のために極めて重要である
ので、この過大な余剰反応度を可燃性毒物で抑制する必
要が生じる。

【００３７】通常、可燃性毒物の添加による負の反応度
量は、添加した燃料棒の表面積即ち燃料棒の本数に大き
く依存する。これは、同様の負の反応度を添加する可燃
性毒物の濃度で得ようとすると大幅に濃度を増加する必
要があり、しかも可燃性毒物の必要が無い燃焼後期にな
っても燃え残るというデメリットがあるからである。従
って、上記の過大な余剰反応度を抑え込むために毒物入
りウラン燃料棒の本数を増加させる必要が生じる。しか
し、前述のように、毒物入りウラン燃料棒の本数の増加
はさらに余剰反応度を増加することにつながるため、実
際は上限値（点Ｂ）を超えた点Ｃでは、余剰反応度を抑
制することが極めて困難となる。以上のように、ある所
定の平均取り出し燃焼度ｘを目標とする場合、所要核分
裂性プルトニウム富化度には上限ｙがあり、核分裂性プ
ルトニウムの富化度をこれ以下に設定しなければならな
い。

【００３８】図２に示すように、この平均取り出し燃焼
度と所要核分裂性プルトニウム富化度上限値との関係は
単調増加関係にある。横軸が平均取り出し燃焼度である
が、線出力密度の観点から、燃料棒を８行８列に配置し
た燃料集合体では約39ＧＷｄ／ｔが限界となる。また、
線出力密度は平均取り出し燃焼度が６ＧＷｄ／ｔ増す毎
に約１０％ずつ増加すること、９×９燃料集合体では８
×８燃料集合体に比べ燃料棒１本当たりの平均出力が約
２０％減少することから、燃料棒を９行９列に配置した
燃料集合体では約５１ＧＷｄ／ｔが限界となる。

【００３９】図２に示すように、平均取り出し燃焼度３
３ＧＷｄ／ｔでは所要核分裂性プルトニウム富化度上限
値は３.０ 重量％、８行８列に配列した燃料集合体の限
界である３９ＧＷｄ／ｔでは３.４ 重量％、９行９列に
配列した燃料集合体の限界である５１ＧＷｄ／ｔでは
４.２ 重量％となる。

【００４０】ここで、本実施形態のＭＯＸ燃料集合体に
おいては、ＭＯＸ燃料集合体101a，１０１ｂ中に含まれ
る核分裂性プルトニウムが燃料集合体内の全燃料中に占
める割合は、平均取出し燃焼度約３９ＧＷｄ／ｔに対応
する所要核分裂性プルトニウム富化度上限値３.４重量
％以下の２.９重量％である。これにより、平均取り出
し燃焼度を３３ＧＷｄ／ｔに設定することを可能にして
いる。

【００４１】一方、一般に、燃料集合体１体当たりの平
均出力が等しいとき、集合体１体に含まれる燃料棒本数
が多いほど、燃料棒１本当たりの平均出力は小さくて済
む。燃料棒の最大出力は線出力密度（＝単位長さ当たり
の出力）で規定されていることから、燃料棒１本の平均
出力が低下すれば、最大線出力密度の既定値までの余裕
が増大する。

【００４２】ここで、本実施形態においては、平均取り
出し燃焼度を公知技術のＭＯＸ燃料集合体と同等の３９
ＧＷｄ／ｔ以下に設定しており、この条件の下で、燃料
棒１０１を９行９列の格子状配列に配置している。これ
により、１本の燃料棒101当たりの平均の出力が、ｎ＝
８の構造の８０％程度に低減される。これにより、その
平均出力が低減された分、最大線出力密度の余裕が増大
する。これを、燃料集合体のある高さ断面においての各
燃料棒の出力とその平均値との比である局所出力ピーキ
ング係数に置き換えて考えると、例えば８行８列の構造
で最大1.25程度まで平坦化する必要があったとすると、
９行９列の本実施形態では１.５ 程度まで許される。す
なわち、大きな局所出力ピーキングを許容でき、最大線
出力密度の余裕が増加していることを示している。

【００４３】通常、沸騰水型原子炉用の燃料集合体にお
いては、減速材である水に近い燃料棒（すなわち最外周
の燃料棒等）ほど熱中性子束が大きく、逆に他の燃料棒
に取り囲まれている燃料棒ほど熱中性子束が小さくなる
傾向にある。これによって出力分布が生じるのを防止し
出力を平坦化するために、この熱中性子束格差に応じ、
例えばＭＯＸ燃料棒では前者のプルトニウム富化度を比
較的低くし、後者のプルトニウム富化度を比較的高くす
る等の富化度分布をつけることが行われる。従って、プ
ルトニウム富化度種類数を多くしてきめ細かく出力調整
を行うほど最大線出力密度を抑制することができ、逆に
プルトニウム富化度種類数を少なくするほど最大線出力
密度が増大することとなる。

【００４４】本実施形態のＭＯＸ燃料集合体において
は、上記したように最大線出力密度の余裕が増加するこ
とにより、その分、最大線出力密度の増加を許容できる
こととなるので、ＭＯＸ燃料棒１０１ａ，１０１ｂのプ
ルトニウム富化度を高富化度（４.０重量％）と低富化
度（＝１.８重量％）の２種類にすることができる。

【００４５】尚、本実施形態のＭＯＸ燃料集合体におい
ては、各ウラン−ガドリニア燃料棒１０１ｃの最隣接す
る４つの格子位置にはＭＯＸ燃料棒１０１ａ，１０１ｂ
または水ロッド１０２を配置し、ウラン−ガドリニア燃
料棒１０１ｃどうしが最隣接位置に配置しないようにし
ているが、これによって以下のような作用を奏する。一
般に、毒物入りウラン燃料棒に含まれる可燃性毒物は、
比較的エネルギーが小さい中性子を吸収する断面積特性
を備えているので、１本の毒物入りウラン燃料棒の周囲
には、この小エネルギー中性子が比較的少なくなってい
る。ここで、このような燃料棒に近接する位置にもう１
本の毒物入りウラン燃料棒を配置しても、もともと小エ
ネルギー中性子が比較的少なくなっているので、その断
面積特性を有効に発揮することができず無駄になる。

【００４６】そこで、本実施形態においては、ウラン−
ガドリニア燃料棒１０１ｃ同士が最隣接位置に配置しな
いようにすることにより、ウラン−ガドリニア燃料棒10
1cどうしが近接し上記の無駄が発生するのを防止できる
ので、ガドリニアを有効に利用し、ウラン−ガドリニア
燃料棒１０１ｃの本数をさらに低減することができる。

【００４７】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、平均取出し燃焼度を公知技術と同様の３９ＧＷｄ／
ｔ以下とし、燃料棒を８行８列から９行９列としたこと
による最大線出力密度の余裕の増加を、プルトニウム富
化度種類の低減による出力分布の歪み増大の補償分とし
て活用することで、ＭＯＸ燃料棒１０１ａ，１０１ｂの
富化度種類数を２種類に減少させることができる。

【００４８】また、このとき、公知技術の構造でプルト
ニウム富化度種類数を減らす場合のように、ＭＯＸ燃料
棒の数を減らしてウラン燃料棒に置き換える必要がない
ので、資源の有効利用及び輸送コスト低減を図ることが
できる。

【００４９】本発明の第２の実施形態を図３により説明
する。この実施形態は、異なる形状の水ロッドを用いた
場合の実施形態である。図３は、本実施形態によるＭＯ
Ｘ燃料集合体の構造を表す横断面図であり、９行９列の
格子状に配列された燃料棒２０１と、この格子状配列中
の略中央部領域における９本分の燃料棒２０１のスペー
スに設けられた正方形断面の水ロッド（ウォータチャン
ネル）２０２と、これらの配列の外周を取り囲むチャン
ネルボックス２０３とを備えている。

【００５０】燃料棒２０１は、９行９列配列のうち水ロ
ッド２０２の分を除いた７２本が設けられているが、そ
のうち６０本の燃料棒２０１ａ，２０１ｂがウラン−プ
ルトニウム混合酸化物燃料を充填したＭＯＸ燃料棒であ
り、ＭＯＸ燃料棒が全燃料棒に占める割合は、第１の実
施形態と同等の約８３％となっている。また残りの１２
本の燃料棒２０１ｃは可燃性毒物としてガドリニアを添
加したウラン酸化物燃料を充填したウラン−ガドリニア
燃料棒である。

【００５１】ＭＯＸ燃料棒２０１ａ，２０１ｂは、含有
するプルトニウムの富化度が異なる２種類の燃料棒、す
なわち第１の燃料棒としての低富化度ＭＯＸ燃料棒２０
１ａと、第２の燃料棒としての高富化度ＭＯＸ燃料棒２
０１ｂとで構成されている。低富化度ＭＯＸ燃料棒２０
１ａは１２本装荷されており、核分裂性プルトニウム富
化度が第１の実施形態同様１.８ 重量％となっている。
低富化度ＭＯＸ燃料棒２０１ａは、格子状配列の四隅を
含むコーナー側領域に３本ずつ計１２本設置されてい
る。

【００５２】高富化度ＭＯＸ燃料棒２０１ｂは４６本が
コーナー側領域以外に配置されており、核分裂性プルト
ニウム富化度が第１の実施形態同様４.０ 重量％となっ
ている。なお、水ロッド２０２が占める格子位置と行又
は列が等しい格子位置には、低富化度ＭＯＸ燃料棒２０
１ａまたはウラン−ガドリニア燃料棒２０１ｃが配置さ
れている。

【００５３】ウラン−ガドリニア燃料棒２０１ｃは、第
１の実施形態同様、濃縮度４.９ ％のウラン燃料に２.
０ 重量％の濃度でガドリニアを添加したものである。
各ウラン−ガドリニア燃料棒２０１ｃの最隣接位置に
は、ＭＯＸ燃料棒２０１ａ，201bか水ロッド２０２が配
置されており、ウラン−ガドリニア燃料棒２０１ｃ同士
が最隣接位置にならないようにしている。

【００５４】尚、上記構成のＭＯＸ燃料集合体の目標取
り出し燃焼度も、第１の実施形態同様、３３ＧＷｄ／ｔ
に設定されている。また、ＭＯＸ燃料棒２０１ａ，２０
１ｂ中に含まれる核分裂性プルトニウムが燃料集合体内
の全燃料に占める重量割合は、第１の実施形態より多い
３.０ 重量％となっている。以上のように構成した本実
施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得る
ことができる。

【００５５】本発明の第３の実施形態を図４により説明
する。この実施形態は格子配列を１０行１０列とした場
合の実施形態である。図４は、本実施形態によるＭＯＸ
燃料集合体の構造を表す横断面図であり、１０行１０列
の格子状に配列された燃料棒３０１と、この格子状配列
中の略中央部領域における１０本分の燃料棒３０１のス
ペースに設けられた３本の水ロッド３０２と、これらの
配列の外周を取り囲むチャンネルボックス３０３とを備
えている。

【００５６】燃料棒３０１は、１０×１０配列のうち水
ロッド３０２の分を除いた９０本が設けられているが、
そのうち７４本の燃料棒３０１ａ，３０１ｂがウラン−
プルトニウム混合酸化物燃料を充填したＭＯＸ燃料棒で
あり、ＭＯＸ燃料棒割合が全燃料棒に占める割合は第１
の実施形態より高い約８２％となっている。また残りの
１６本の燃料棒３０１ｃは可燃性毒物としてガドリニア
を添加したウラン酸化物燃料を充填したウラン−ガドリ
ニア燃料棒である。

【００５７】ＭＯＸ燃料棒３０１ａ，３０１ｂは、含有
するプルトニウムの富化度が異なる２種類の燃料棒、す
なわち第１の燃料棒としての低富化度ＭＯＸ燃料棒３０
１ａと、第２の燃料棒としての高富化度ＭＯＸ燃料棒３
０１ｂとで構成されている。低富化度ＭＯＸ燃料棒３０
１ａは４本装荷されており、第１及び第２の実施形態同
様、核分裂性プルトニウム富化度が１.８ 重量％となっ
ている。また低富化度ＭＯＸ燃料棒３０１ａは、コーナ
ー側領域（この場合格子状配列の四隅のみ）に１本ずつ
計４本設置されている。

【００５８】高富化度ＭＯＸ燃料棒３０１ｂは７０本が
コーナー側領域以外（この場合四隅以外）に配置されて
おり、核分裂性プルトニウム富化度が第１及び第２の実
施形態同様４.０ 重量％となっている。なお、水ロッド
３０２が占める格子位置と行又は列が等しい格子位置に
は、低富化度ＭＯＸ燃料棒３０１ａまたはウラン−ガド
リニア燃料棒３０１ｃが配置されている。

【００５９】ウラン−ガドリニア燃料棒３０１ｃは、第
１及び第２の実施形態同様、濃縮度４.９％のウラン燃
料に２.０重量％の濃度でガドリニアを添加したもので
ある。そして、各ウラン−ガドリニア燃料棒３０１ｃの
最隣接位置には、ＭＯＸ燃料棒３０１ａ，３０１ｂか水
ロッド３０２が配置されており、ウラン−ガドリニア燃
料棒３０１ｃどうしが最隣接位置にならないようにして
いる。

【００６０】上記構成のＭＯＸ燃料集合体の目標取り出
し燃焼度も、第１及び第２の実施形態同様、３３ＧＷｄ
／ｔに設定されている。また、ＭＯＸ燃料棒３０１ａ，
301b中に含まれる核分裂性プルトニウムが燃料集合体内
の全燃料に占める重量割合は、第１の実施形態より多い
３.０ 重量％となっている。

【００６１】以上のように構成した本実施形態によれ
ば、第１及び第２の実施形態と同様の効果に加え、以下
のような効果がある。即ち、第１及び第２の実施形態よ
り燃料棒本数が増加し、燃料棒１本当たりの平均の出力
が下がるので、さらに２０％程度、局所出力ピーキング
係数の取り得る範囲が拡大し、最大線出力密度の既定値
までの余裕が増大する。これにより、格子状配列におけ
る高富化度燃料棒・低富化度燃料棒の本数バランスや、
その配置分布や、それらの高・低富化度の設定（両者の
富化度差の大小を含む）に関し、設計の自由度を高める
ことができる。なお、上記第３の実施形態においては１
０行１０列（ｎ＝１０）の格子状配列であったが、これ
に限られない。すなわち、ｎは１１以上でもあってもよ
く、ｎが多いほど、上記したような設計の自由度がより
増加する。

【００６２】また、上記第１〜第３の実施形態において
は、いずれも平均取り出し燃焼度を３３ＧＷｄ／ｔに設
定したが、これに限られず、８×８ウラン燃料集合体で
実績のある３９ＧＷｄ／ｔ以下の種々の値を設定でき
る。燃焼度が高くなると熱的余裕は厳しくなる傾向にあ
るが、ＭＯＸ富化度種類数を２種類とすることは３３Ｇ
Ｗｄ／ｔ以上であっても可能である。一方、燃焼度が低
いほど、上記したような設計の自由度はより増加する。

【００６３】本発明の第４の実施形態を図６により説明
する。この実施形態は、格子配列を１０行１０列とし、
平均取り出し燃焼度を５１ＧＷｄ／ｔに設定した場合の
実施形態である。図６は、本実施形態によるＭＯＸ燃料
集合体の構造を表す横断面図であり、１０行１０列の格
子状に配列された燃料棒４０１と、この格子状配列中の
略中央部領域における１０本分の燃料棒４０１のスペー
スに設けられた３本の水ロッド４０２と、これらの配列
の外周を取り囲むチャンネルボックス４０３とを備えて
いる。

【００６４】燃料棒４０１は、１０×１０配列のうち水
ロッド４０２の分を除いた９０本が設けられているが、
そのうち７２本の燃料棒４０１ａ，４０１ｂがウラン−
プルトニウム混合酸化物燃料を充填したＭＯＸ燃料棒で
あり、ＭＯＸ燃料棒割合が全燃料棒に占める割合は約８
０％となっている。残りの１８本の燃料棒４０１ｃが可
燃性毒物としてガドリニアを添加したウラン酸化物燃料
を充填したウラン−ガドリニア燃料棒であり、目標とす
る平均取り出し燃焼度を高く設定した分、第３の実施例
と比べて本数が２本増加してある。

【００６５】ＭＯＸ燃料棒４０１ａ，４０１ｂは、含有
するプルトニウムの富化度が異なる２種類の燃料棒、す
なわち第１の燃料棒としての低富化度ＭＯＸ燃料棒４０
１ａと、第２の燃料棒としての高富化度ＭＯＸ燃料棒４
０１ｂとで構成されている。低富化度ＭＯＸ燃料棒４０
１ａは４本装荷されており、核分裂性プルトニウム富化
度が２.２ 重量％となっている。また、低富化度ＭＯＸ
燃料棒４０１ａは、コーナー側領域（この場合格子状配
列の四隅のみ）に１本ずつ、計４本設置されている。

【００６６】高富化度ＭＯＸ燃料棒４０１ｂは７０本が
コーナー側領域以外（この場合四隅以外）に配置されて
おり、核分裂性プルトニウム富化度が５.３ 重量％とな
っている。尚、水ロッド４０２が占める格子位置と行又
は列が等しい格子位置には、高富化度ＭＯＸ燃料棒４０
１ｂまたはウラン−ガドリニア燃料棒４０１ｃが配置さ
れている。

【００６７】ウランーガドリニア燃料棒４０１ｃは、濃
縮度４.９％のウラン燃料に２.２重量％の濃度でガドリ
ニアを添加したものである。そして、各ウラン−ガドリ
ニア燃料棒４０１ｃの最隣接位置には、ＭＯＸ燃料棒４
０１ａ，４０１ｂか水ロッド４０２が配置されており、
ウラン−ガドリニア燃料棒４０１ｃ同士が最隣接位置に
ならないようにしている。

【００６８】上記構成のＭＯＸ燃料集合体では、ＭＯＸ
燃料棒４０１ａ，４０１ｂ中に含まれる核分裂性プルト
ニウムが燃料集合体内の全燃料に占める重量割合が、５
１ＧＷｄ／ｔに対する上限値４.２重量％以下の４.１重
量％となっており、目標とする平均取り出し燃焼度が、
燃料棒を９行９列に配列した燃料集合体での限界の平均
取り出し燃焼度と同様の５１ＧＷｄ／ｔに設定されてい
る。

【００６９】即ち、燃料棒を１０行１０列に配置するこ
とで燃料棒１本当たりの平均出力を、燃料棒を９行９列
に配列した場合の約８０％に低減している。これによ
り、その平均出力が低減された分、最大線出力密度の余
裕が増大する。本実施形態では、増大した最大線出力密
度の余裕を、プルトニウム富化度種類の低減による燃料
集合体内の出力分布の歪み増大の補償分として活用し、
ＭＯＸ燃料棒４０１ａ，４０１ｂの富化度種類数を２種
類としている。

【００７０】尚、上記第４の実施形態においては１０行
１０列（ｎ＝１０）の格子状配列であったが、これに限
られない。即ち、ｎは１１以上であってもよく、ｎが多
いほど、最大線出力密度の余裕が増大し設計の自由度が
増大する。また、目標とする平均取り出し燃焼度を５１
ＧＷｄ／ｔとしているが、核分裂性プルトニウム富化度
を下げ、より小さい平均取り出し燃焼度とすることも可
能である。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、９行９列以上の燃料棒
配列で平均取出し燃焼度を３９ＧＷｄ／ｔ以下に設定で
き、１０行１０列以上の燃料棒配列で平均取出し燃焼度
を５１ＧＷｄ／ｔに設定できるので、これによる最大線
出力密度の余裕の増大を、プルトニウム富化度種類の低
減による出力分布の歪み増大の補償分として活用して、
ＭＯＸ燃料棒の富化度種類数を２種類に減少させること
ができる。

【００７２】従って、燃料ペレットの製造工程を簡素化
して、ＭＯＸ燃料集合体の製造コストの低減を図ること
ができる。また、ＭＯＸ燃料棒の数を減らしてウラン燃
料棒に置き換える必要が無いので、資源の有効利用及び
輸送コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の横断面図。

【図２】平均取り出し燃焼度と所要核分裂性プルトニウ
ム富化度との関係図。

【図３】本発明の第２の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の横断面図。

【図４】本発明の第３の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の横断面図。

【図５】従来のＭＯＸ燃料集合体の横断面図。

【図６】本発明の第４の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の横断面図。

【図７】燃料棒配列数と平均取り出し燃焼度の関係図。

【符号の説明】

１０１ａ，２０１ａ，３０１ａ，４０１ａ…低富化度Ｍ
ＯＸ燃料棒（第１の燃料棒)、１０１ｂ，２０１ｂ，３
０１ｂ，４０１ｂ…高富化度ＭＯＸ燃料棒（第２の燃料
棒）、１０１ｃ，２０１ｃ，３０１ｃ…ウラン−ガドリ
ニア燃料棒（毒物入りウラン燃料棒）、１０２，２０
２，３０２，４０２…水ロッド、４０３…チャンネルボ
ックス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ２１Ｃ 3/30 ＧＤＢＸ (72)発明者 中島 潤二郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウラン−プルトニウム混合酸化物燃料を充
   填した複数本のＭＯＸ燃料棒と、可燃性毒物を添加した
   ウラン酸化物燃料を充填した複数本の毒物入りウラン燃
   料棒と、少なくとも１本の水ロッドとを、ｎ行ｎ列の格
   子状配列中に配置した沸騰水型原子炉用の燃料集合体に
   おいて、 ｎを９以上とし、 前記ＭＯＸ燃料棒中に含まれる核分裂性プルトニウムが
   燃料集合体内の全燃料中に占める割合を、３.４ 重量％
   以下としたことを特徴とする燃料集合体。
2. 【請求項２】ウラン−プルトニウム混合酸化物燃料を充
   填した複数本のＭＯＸ燃料棒と、可燃性毒物を添加した
   ウラン酸化物燃料を充填した複数本の毒物入りウラン燃
   料棒と、少なくとも１本の水ロッドとを、ｎ行ｎ列の格
   子状配列中に配置した沸騰水型原子炉用の燃料集合体に
   おいて、 ｎを１０以上とし、 前記ＭＯＸ燃料棒中に含まれる核分裂性プルトニウムが
   燃料集合体内の全燃料中に占める割合を、４.２ 重量％
   以下としたことを特徴とする燃料集合体。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２記載の燃料集合体に
   おいて、 前記複数本のＭＯＸ燃料棒は、核分裂性プルトニウム富
   化度が低い複数本の第１の燃料棒と、これら第１の燃料
   棒より核分裂性プルトニウム富化度が高い複数本の第２
   の燃料棒とから構成されており、 前記複数本の第１の燃料棒は、前記ｎ行ｎ列の格子状配
   列の四隅を少なくとも含むコーナー側領域に配置され、
   前記複数本の第２の燃料棒は、該コーナー側領域以外の
   領域に配置されていることを特徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】請求項３記載の燃料集合体において、 前記水ロッドは、前記格子状配列中の略中央部領域に配
   置されており、 前記水ロッドが占める格子位置と行及び列の少なくとも
   一方が等しい格子位置には、前記第２の燃料棒または前
   記毒物入りウラン燃料棒を配置したことを特徴とする燃
   料集合体。
5. 【請求項５】請求項１又は請求項２記載の燃料集合体に
   おいて、 各毒物入りウラン燃料棒の最隣接する４つの格子位置に
   は、前記ＭＯＸ燃料棒または前記水ロッドを配置したこ
   とを特徴とする燃料集合体。
6. 【請求項６】請求項１又は請求項２記載の燃料集合体に
   おいて、 前記ＭＯＸ燃料棒の本数を、全燃料棒本数の８０％以上
   としたことを特徴とする燃料集合体。