JPH10221474A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、ＭＯＸ燃料棒，ウラン燃料
棒、及び可燃性毒物入り燃料棒を備えたＭＯＸ燃料集合
体において、平均取り出し燃焼度を増加せずに燃料棒配
列数を増加することにより、燃料集合体１体当たりのプ
ルトニウム装荷量を減らすことなくＭＯＸ燃料棒のプル
トニウム富化度種類数を低減することにある。 【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と、ウラン酸化物燃料
を充填した複数本のウラン燃料棒１０１ｂ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
入り燃料棒１０１ｃと、少なくとも１本の水ロッド１０
２とを、９行９列以上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１０１
ａの核分裂性プルトニウム富化度を、４.４重量％以下
とする。

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（以下、ＭＯＸ燃料という）
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、ＭＯＸ燃料の
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燃料を充填した燃料棒（以下、ＭＯＸ燃
料棒という）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
技術としては、例えば、第２８回炉物理夏期セミナー
テキスト第８７頁〜第９８頁（「フルＭＯＸ−ＢＷＲに
ついて」）、特開平3−128482 号公報の２つがある。

【０００４】公知技術に開示されたＭＯＸ燃料集合体
の構造を表す横断面図を図８に示す。図８において、Ｍ
ＯＸ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。

【０００５】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。このとき、この
ＭＯＸ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】公知技術に開示されたＭＯＸ燃料集合体
の構造を表す横断面図を図９に示す。図８と同等の部材
には同一の符号を付す。図９において、ＭＯＸ燃料集合
体は、図８のものと同様、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。

【０００７】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３
０本の燃料棒１ａ（燃料棒記号Ｐ１〜Ｐ３）がＭＯＸ燃
料棒であり、すなわちＭＯＸ燃料棒割合が５０％となっ
ている。また残りの燃料棒のうち、１０本の燃料棒１ｂ
（燃料棒記号Ｇ）はウラン−ガドリニア燃料棒であり、
２０本の燃料棒１ｃ（燃料棒記号Ｕ１〜Ｕ３）はウラン
酸化物燃料を充填したウラン燃料棒である。

【０００８】また、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、MOX燃料棒１ａはプルト
ニウム富化度が異なる３種類の燃料棒（Ｐ１〜Ｐ３で表
す）で構成され、ウラン燃料棒１ｃはウラン濃縮度が異
なる３種類の燃料棒（Ｕ１〜Ｕ３で表す）で構成されて
いる。具体的には、燃料棒記号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のＭＯ
Ｘ燃料棒１ａは、それぞれ核分裂性プルトニウム富化度
が６.２重量％，5.0重量％，３.６ 重量％であり、燃料
棒記号Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３のウラン燃料棒１ｃは、それぞ
れウラン濃縮度が３.５重量％，２.８重量％，２.０ 重
量％である。また、ウラン−ガドリニア燃料棒１ｃは、
ウラン濃縮度４.５ 重量％，ポイズン濃度２.０重量％
である。

【０００９】ところで、公知技術の第８８頁及び８９
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３
９ＧＷｄ／ｔ以下である。したがって、８行８列のＭＯ
Ｘ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に示す公知
技術によるＭＯＸ燃料集合体においても、目標取り出
し燃焼度を約３９ＧＷｄ／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ため、かな
り余裕を見て約３３ＧＷｄ／ｔとしている）。公知技術
のＭＯＸ燃料集合体も、特に記載されていないが、目
標取り出し燃焼度は同様の値である。

【００１０】

【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。

【００１１】しかしながら、上記公知技術及びにお
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。

【００１２】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３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２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。

【００１３】但し、上記公知技術，においても、Ｍ
ＯＸ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。例えば、公知技術にお
いては、燃料棒記号Ｐ２，Ｐ３のＭＯＸ燃料棒１ａを、
出力への感度がほぼ等価なウラン燃料棒に置き換えるこ
とで、ＭＯＸ燃料棒１ａの富化度種類数を１種類とする
ことができる。

【００１４】しかしながら、このような場合、ＭＯＸ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
る。上記した公知技術の置き換えの例は、出力分布を
平坦化するために必要なウラン燃料棒の本数はほぼ最小
化されているが、それでもMOX燃料棒割合は５０％から
３０％にまで低下する。したがって、資源の有効利用の
観点から好ましくなく、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。

【００１５】なお、特開平5−66282号公報記載のよう
に、ＭＯＸ燃料棒を細径とすることにより、ＭＯＸ燃料
棒の数を減らさずに熱的余裕を確保しつつ、プルトニウ
ム富化度種類数を１種類に低減する構造もある。しかし
この場合も、ＭＯＸ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るので、資源の有効利用や輸送コス
ト低減の観点から好ましくない。

【００１６】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４５
ＧＷｄ／ｔ）。しかしながら、８行８列から９行９列へ
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。

【００１７】本発明の目的は、ＭＯＸ燃料棒，ウラン燃
料棒、及び可燃性毒物入り燃料棒を備えたＭＯＸ燃料集
合体において、平均取り出し燃焼度を増加せずに燃料棒
配列数を増加することにより、燃料集合体１体当たりの
プルトニウム装荷量を減らすことなくＭＯＸ燃料棒のプ
ルトニウム富化度種類数を低減することにある。

【００１８】

【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、ウラン酸化物燃料を
充填した複数本のウラン燃料棒と、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燃料棒の核分裂性プル
トニウム富化度を４.４重量％以下とする。

【００１９】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、ウラン酸化物燃
料を充填した複数本のウラン燃料棒と、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燃料棒の核分裂
性プルトニウム富化度を５.２重量％以下とする。

【００２０】一般に、燃料棒が、ウラン酸化物燃料を充
填したウラン燃料棒，ＭＯＸ燃料棒、及び可燃性毒物を
添加したウラン酸化物燃料を充填した毒物入り燃料棒と
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ＭＯＸ燃料棒中の核分裂性
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。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、毒物入り燃料棒の本数を増加させなけれ
ばならなくなる。

【００２１】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。

【００２２】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、ＭＯＸ燃料棒中の核分裂性プルト
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。

【００２３】この平均取り出し燃焼度とＭＯＸ燃料棒中
の核分裂性プルトニウム富化度上限値との関係は図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３９ＧＷ
ｄ／ｔであり、これに対応するＭＯＸ燃料棒の核分裂性
プルトニウム富化度の上限値は４.４ 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
る燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度の上限値は５.
２重量％である。

【００２４】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重量比で４.４％ 以下，燃料棒を１
０行１０列に配置したＭＯＸ燃料集合体の場合に重量比
で５.２％ 以下としたことにより、平均取り出し燃焼度
を、燃料棒を９行９列に配置したＭＯＸ燃料集合体の場
合に、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、１０行１０列に配置
したＭＯＸ燃料集合体の場合に、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。

【００２５】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。図１１に
示すように、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ＭＯＸ燃料集合体の平均取り出し燃焼度
を、燃料棒を８行８列に配置した従来の燃料集合体の限
界である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、燃料棒を９行９列に配置した従来の燃料集合体
の限界である５１ＧＷｄ／ｔ以下に設定している。

【００２６】すなわち、本発明の燃料集合体では、例え
ば燃料棒を９行９列の格子状配列に配置した場合、ｎ＝
８の公知技術及びに比べ、燃料棒１本当たりの平均
出力が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。

【００２７】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、これによって燃料
集合体内出力分布の平坦化を図っている。すなわち、プ
ルトニウム富化度種類数が多いほど熱中性子束格差に応
じてきめ細かく富化度分布をつけることができるので最
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。

【００２８】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。

【００２９】好ましくは、前記燃料集合体において、前
記複数本のウラン燃料棒は、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ＭＯＸ燃料棒は、核分裂性プルトニウム富化
度がそれぞれ同一でありかつ該コーナー側領域以外の領
域に配置されている。

【００３０】すなわち、燃料集合体のｎ行ｎ列の各格子
位置における熱中性子束は、コーナー側領域から離れた
格子位置ではあまり変わらないが、コーナー側領域に近
づくほど急激に増大する。そこでこれに対応して、コー
ナー側領域以外の領域には富化度がすべて同一のプルト
ニウムを備えたＭＯＸ燃料棒を配置する。また、コーナ
ー側領域には、例えば４隅位置に低濃縮度ウラン燃料
棒、それ以外の位置に高濃縮度ウラン燃料棒を配置す
る。これにより、燃料集合体内出力分布の平坦化を図り
つつ、プルトニウム富化度の種類を１つに統一すること
ができる。

【００３１】さらに好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記コーナー側領域の複数本のウラン燃料棒は、前
記格子状配列の４隅位置に配置された４本の低濃縮度ウ
ラン燃料棒と、前記４隅位置に最隣接する位置に配置さ
れた８本の高濃縮度ウラン燃料棒とを含む。

【００３２】また、好ましくは、前記燃料集合体におい
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Ｍ
ＯＸ燃料棒または前記毒物入り燃料棒を配置する。すな
わち、水ロッドが占める格子状配列中の略中央部領域と
行又は列が等しい格子位置にウラン燃料棒を配置しない
ことにより、ウラン燃料棒をコーナー側領域に配置する
構成を実現できる。

【００３３】また、好ましくは、前記燃料集合体におい
て、各毒物入り燃料棒の最隣接する４つの格子位置に
は、前記ＭＯＸ燃料棒及び前記水ロッドのうちいずれか
１つを配置する。

【００３４】一般に、毒物入り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。このような燃料棒に近接する位置にもう１本の毒
物入り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。

【００３５】そこで、各毒物入り燃料棒の最隣接する格
子位置には毒物入り燃料棒を置かず、ＭＯＸ燃料棒、若
しくは水ロッドを配置することにより、毒物入り燃料棒
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、毒物入り燃料棒の本数をさらに低減することができ
る。

【００３６】また、好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記ＭＯＸ燃料棒の本数が全燃料棒本数に占める割
合を５０％以上とする。

【００３７】

【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。

【００３８】本発明の第１の実施形態を図１〜図４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。

【００３９】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４８本の燃料棒１０１ａ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６５％となっている。また、
１２本の燃料棒１０１ｂ_L，ｂ_Hがウラン酸化物燃料を充
填したウラン燃料棒で、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。

【００４０】ウラン燃料棒１０１ｂ_L，ｂ_Hは、濃縮度が
異なる２種類の燃料棒、すなわち低濃縮度ウラン燃料棒
１０１ｂ_L と、高濃縮度ウラン燃料棒１０１ｂ_H とで構
成されている。ウラン燃料棒１０１ｂ_H，ｂ_L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。この場合、コーナー側領域とは格
子状配列の四隅及びその最隣接位置である。最隣接位置
とは、同行隣接列又は同列隣接行の位置をいう。詳細に
は、濃縮度が３.０重量％の低濃縮度ウラン燃料棒１０
１ｂ_Lは、格子状配列の４隅位置に４本装荷されてい
る。また、濃縮度が４.９重量％の高濃縮度ウラン燃料
棒１０１ｂ_Hは、格子状配列の４隅位置に最隣接する位
置に８本装荷されている。

【００４１】ＭＯＸ燃料棒１０１ａは、すべて核分裂性
プルトニウム（Ｐｕ−２３９及びＰｕ−２４１）富化度
が３.７ 重量％となっており、コーナー側領域以外に配
置されている。より詳細には、ウラン−ガドリニア燃料
棒１０１ｃ，ウラン燃料棒１０１ｂ_L，ｂ_H、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、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。ＭＯＸ燃料棒１０１ａ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。

【００４２】一方、ウラン−ガドリニア燃料棒１０１ｃ
は、濃縮度４.９ 重量％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１０１ｃの最隣接位置には、ＭＯＸ燃料
棒１０１ａ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どうしが最隣接位置になら
ないようにしている。

【００４３】なお、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行８列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。

【００４４】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、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、ウラン酸化物燃料を充填したウラン燃料棒と、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
ウラン燃料棒とからなるＭＯＸ燃料集合体においては、
核分裂性物質としては、核分裂性ウラン（Ｕ−２３５）
と核分裂性プルトニウム（Ｐｕ−２３９，２４１）とが
含有される。

【００４５】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
焼度が３３ＧＷｄ／ｔの場合１２〜１４本，平均取り出
し燃焼度が３９ＧＷｄ／ｔの場合１４〜１６本，平均取
り出し燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔの場合１６〜１８本，平
均取り出し燃焼度が５１ＧＷｄ／ｔの場合１８〜２０本
が最低限必要となる。

【００４６】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ＭＯＸ燃料棒中の核分裂性
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。

【００４７】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、ウラ
ン燃料棒又は毒物入りウラン燃料棒中に含まれるＵ−２
３５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、ウラン燃料棒又は可燃性毒物濃度を低く設定し
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、
ウラン燃料棒及び毒物入りウラン燃料棒の本数が減少す
る。

【００４８】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
た最低限の本数になり、同時にウラン燃料棒は出力分布
を平坦化するために必要な最低限の本数になる。

【００４９】核分裂性プルトニウム富化度が上限値を超
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
の確保等のためにきわ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適性値に抑え込む必要が生じ
る。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すなわ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。

【００５０】したがって、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（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。したがって、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。

【００５１】図２に示すように、この平均取り出し燃焼
度とＭＯＸ燃料棒中の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６Ｇ
Ｗｄ／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。

【００５２】図２に示すように、平均取り出し燃焼度が
３３ＧＷｄ／ｔではＭＯＸ燃料棒の核分裂性プルトニウ
ム富化度の上限値は４.０ 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４.４ 重量
％，９行９列に配列した燃料集合体の限界である５１Ｇ
Ｗｄ／ｔでは５.２ 重量％となる。

【００５３】本実施形態のＭＯＸ燃料集合体において
は、ＭＯＸ燃料棒１０１ａの核分裂性プルトニウム富化
度は、平均取り出し燃焼度約３９ＧＷｄ／ｔに対応する
核分裂性プルトニウム富化度の上限値４.４重量％以下
の３.７重量％である。これにより、平均取り出し燃焼
度を公知技術及びのＭＯＸ燃料集合体と同様に３９
ＧＷｄ／ｔ以下に設定することを可能にしている。

【００５４】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。

【００５５】本実施形態においては、平均取り出し燃焼
度を公知技術及びのＭＯＸ燃料集合体と同様に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の公知技術及びの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列の公知技術及びで最大１.２ 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 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。

【００５６】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
周の燃料棒や水ロッドに隣接する燃料棒）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。したがって、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。

【００５７】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してそ
の分最大線出力密度の増加を許容でき、具体的には局所
出力ピーキング係数を例えば１.５（８行８列燃料集合
体の場合の約１.２に対応）まで許容できる。これによ
り、ＭＯＸ燃料棒１０１ａのプルトニウム富化度を３.
７重量％の１種類にすることができる。このことを図３
に示す。

【００５８】図３は、本実施形態の燃料集合体における
燃焼初期での出力分布例を表したものであり、各格子位
置の数値はその位置の燃料棒の局所出力ピーキング係数
を示している。図３において、ＭＯＸ燃料棒１０１ａ
は、最大値が１.４６ ，最小値が０.７９(下線部）とな
っている。特に、中心部のウォータロッド１０２が占め
る格子位置と行または列の少なくとも一方が等しい位置
においては、最大値が１.２９，最小値が０.８２となっ
ており、この領域に等しい富化度のＭＯＸ燃料棒１０１
ａを装荷するのに適していたことが分かる。

【００５９】また、コーナー側領域のウラン燃料棒１０
１ｂ_L，ｂ_Hの出力は１.２０から １.３２ となってお
り、出力感度の低いウラン燃料棒が、本来ギャップ水の
影響で最も高くなり易い位置での出力を、最大値１.４
６ より十分低い値に抑制している。さらに、ウラン−
ガドリニア燃料棒１０１ｃの出力は、０.４２から０．
４４と一様に低くなっており、個々のウラン−ガドリニ
ア燃料棒１０１ｃが十分に反応度抑制効果を発揮してい
る。これは以下のような理由による。

【００６０】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。

【００６１】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，ｂまたは水
ロッド102を配置し、ウラン−ガドリニア燃料棒１０１
ｃどうしが最隣接位置に配置しないようにしている。こ
れにより、ウラン−ガドリニア燃料棒１０１ｃ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１０
１ｃの本数をさらに低減することができる。

【００６２】以上のように、燃料集合体全体での局所出
力ピーキング係数の最大値はＭＯＸ燃料棒１０１ａの
１.４６であり、これは前述した許容限界の１.５（８行
８列の燃料集合体の場合では約１.２に相当）以下とな
っている。

【００６３】一方、図４は、この局所出力ピーキング係
数最大値の燃焼による変化を示したものである。前述し
たように、燃焼初期での局所出力ピーキング係数最大値
は１.４６ であるが、この図４に示されるように、燃焼
が進んでも局所出力ピーキング係数の最大値は単調に減
少していき、初期の最大値１.４６ を超えることはな
い。これは燃焼初期に最大値をとっていたＭＯＸ燃料棒
１０１ａが、燃焼が進んでも最大値をとり続けるもの
の、燃料集合体内部（中心側）の燃料棒に比べ早く燃焼
し、出力差が縮まることによる。また、ガドリニアが１
００ＧＷｄ／ｔ前後で燃え尽きるので、その後、ウラン
−ガドリニア燃料棒１０１ｃの出力が上昇し、出力分布
が一層平坦化している。

【００６４】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及びと同様に３９
ＧＷｄ／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の富
化度種類数を１種類に減少させることができる。したが
って、ＭＯＸ燃料集合体の製造コストに大きな割合をも
つ、ＭＯＸ燃料ペレットの製造工程を簡素化することが
でき、製造コストの低減を図ることができる。

【００６５】また、このとき、ＭＯＸ燃料棒本数割合は
約６５％であり、公知技術でプルトニウム富化度種類
数を減らす場合のように５０％から３０％へと本数割合
を減らすことなく、むしろ５０％より大きくなってい
る。更に、特開平5−66282号公報のように細径燃料棒を
使用しないので、１体当たりのプルトニウム装荷量を減
少させずに、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。

【００６６】なお、上記第１の実施形態ではウラン燃料
棒１０１ｂ_H，ｂ_Lを計１２本用いているが、これに限ら
れない。例えばこの本数を増加し、さらに出力分布を平
坦化してもよい。すなわち、図１に示す第１の実施形態
では、高濃縮ウラン燃料棒１０１ｂ_H に最隣接するＭＯ
Ｘ燃料棒１０１ａで局所出力ピーキング係数の最大値
１.４６ を生じていたが、このＭＯＸ燃料棒１０１ａを
高濃縮ウラン燃料棒１０１ｂ_H で置換することにより、
この位置での局所出力ピーキング係数が約１.３ となる
ので、出力分布がさらに大きく改善される。

【００６７】この変形例による燃料集合体ではＭＯＸ燃
料棒１０１ａの数が８本減って４０本となり、ＭＯＸ燃
料棒本数割合は約５４％となって第１の実施形態と比べ
MOX燃料割合が約１１％低下するが、それでも公知技術
におけるＭＯＸ燃料棒本数割合５０％よりも大きくな
っている。また、局所出力ピーキングに余裕が生じるこ
とで燃料集合体のとりうる出力範囲が拡大されるので、
格子状配列における燃料棒の配置分布、それらの富化度
の設定、炉心内での配置や運転方法等の自由度を拡大す
ることが可能となる。

【００６８】次に、本発明の第２の実施形態を図５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５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。

【００６９】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４８本の燃料棒２０１ａ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の実施形態とほ
ぼ同様の約６７％となっている。また１２本の燃料棒２
０１ｂ_L，ｂ_Hがウラン酸化物燃料を充填したウラン燃料
棒であり、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。

【００７０】ウラン燃料棒２０１ｂ_L，ｂ_Hは、第１の実
施形態同様、濃縮度が異なる２種類の燃料棒、すなわち
濃縮度が３.０ 重量％の低濃縮ウラン燃料棒２０１ｂ_L
と、濃縮度が４.９ 重量％の高濃縮ウラン燃料棒２０１
ｂ_H とで構成されており、格子状配列のコーナー側領域
に装荷されている。詳細には、第１の実施形態同様、低
濃縮ウラン燃料棒２０１ｂ_L は格子状配列の４隅位置に
４本、高濃縮ウラン燃料棒２０１ｂ_H は格子状配列の４
隅位置に最隣接する位置に８本、それぞれ装荷されてい
る。

【００７１】ＭＯＸ燃料棒２０１ａは、第１の実施形態
同様、すべて核分裂性プルトニウム（Ｐｕ−２３９及び
Ｐｕ−２４１)富化度が３.７重量％となっており、コー
ナー側領域以外に配置されている。なお、水ロッド２０
２が占める格子位置と行又は列が等しい格子位置には、
ＭＯＸ燃料棒２０１ａまたはウラン−ガドリニア燃料棒
２０１ｃが配置されている。

【００７２】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 重量％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
り、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か水ロッド２０２が配置さ
れ、ウラン−ガドリニア燃料棒２０１ｃどうしが最隣接
位置にならないようにしている。

【００７３】なお、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、３９ＧＷｄ／
ｔ以下の３３ＧＷｄ／ｔに設定されている。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。

【００７４】次に、本発明の第３の実施形態を図６によ
り説明する。この実施形態は、ウラン燃料棒の濃縮度を
１種類と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、９行９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７本分の燃料棒
３０１のスペースに設けられた正方形断面の水ロッド３
０２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。

【００７５】燃料棒３０１は、９行９列配列のうち水ロ
ッド３０２の分を除いた７４本が設けられており、その
うち５６本の燃料棒３０１ａ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、約７６％となってい
る。また、４本の燃料棒３０１ｂがウラン酸化物燃料を
充填したウラン燃料棒で、残りの１４本の燃料棒３０１
ｃ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。ウ
ラン燃料棒３０１ｂは、すべて濃縮度が４.９ 重量％で
あり、格子状配列のコーナー側領域（この場合は格子状
配列の４隅位置のみ）に装荷されている。ＭＯＸ燃料棒
３０１ａは、すべて核分裂性プルトニウム（Ｐｕ−２３
９及びＰｕ−２４１）富化度が３.８ 重量％となってお
り、コーナー側領域以外に配置されている。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、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。

【００７６】ウラン−ガドリニア燃料棒３０１ｃ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り、
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か水ロッド３０２が配置され、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。

【００７７】なお、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、３９ＧＷｄ／
ｔ以下の３３ＧＷｄ／ｔに設定されている。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。

【００７８】また、これに加え、ウラン燃料棒３０１ｂ
の濃縮度種類数を１種類に減少させることができるの
で、ウラン燃料ペレットの製造工程を簡素化することが
でき、製造コストのさらなる低減を図ることができる。
さらに、第１の実施形態に比べてＭＯＸ燃料棒の割合が
増加するので、燃料集合体１体当たりプルトニウム装荷
量を増加させることができる効果もある。

【００７９】次に、本発明の第４の実施形態を図７によ
り説明する。この実施形態は第３の実施形態の構造をさ
らに１０行１０列の格子状配列に適用した場合の実施形
態である。図７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。

【００８０】燃料棒４０１は、１０行１０列の格子状配
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７０本の燃料棒４０１ａ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３
の実施形態より高い約７８％となっている。また、４本
の燃料棒４０１ｂがウラン酸化物燃料を充填したウラン
燃料棒であり、残りの１６本の燃料棒４０１ｃ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。

【００８１】ウラン燃料棒４０１ｂは、第３の実施形態
同様、すべて濃縮度が４.９ 重量％であり、格子状配列
のコーナー側領域（この場合も格子状配列の４隅位置の
み）に装荷されている。

【００８２】ＭＯＸ燃料棒４０１ａは、すべて核分裂性
プルトニウム（Ｐｕ−２３９及びＰｕ−２４１）富化度
が３.８ 重量％となっており、コーナー側領域以外に配
置されている。なお、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、ＭＯＸ燃料棒４０１
ａまたはウラン−ガドリニア燃料棒４０１ｃが配置され
ている。

【００８３】ウラン−ガドリニア燃料棒４０１ｃは、第
１〜第３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４０１ｃの最
隣接位置には、ＭＯＸ燃料棒４０１ａ，ｂか水ロッド４
０２が配置されており、ウラン−ガドリニア燃料棒４０
１ｃどうしが最隣接位置にならないようにしている。

【００８４】なお、上記構成のＭＯＸ燃料集合体の目標
取り出し燃焼度も、第１〜第３の実施形態同様、３９Ｇ
Ｗｄ／ｔ以下の３３ＧＷｄ／ｔに設定されている。以上
のように構成した本実施形態によれば、第３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。

【００８５】すなわち、第３の実施形態より燃料棒配列
における行数及び列数が増加し燃料棒本数が増加する
分、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燃料棒の配置分布
や、それらの富化度の設定，炉心内での配置，運転方法
等に関し、設計の自由度を高めることができる。また、
第３の実施形態に比べてさらにＭＯＸ燃料棒の割合が増
加するので、１体当たりプルトニウム装荷量を増加させ
ることができる効果もある。

【００８６】なお、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。すなわち、ｎは１１以上であってもよく、
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。

【００８７】また、上記第１〜第４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行８列のウラン燃料集合
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１種類とすること自体
は、燃焼度が３３ＧＷｄ／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。

【００８８】さらに、上記第１〜第４の実施形態におい
ては、ＭＯＸ燃料棒の本数が全燃料棒本数に占める割合
を、それぞれ第１の実施形態で６５％，その変形例で５
４％，第２の実施形態で６７％，第３の実施形態で７６
％，第４の実施形態で７８％としたが、この割合はこれ
らの値に限られず、(１）ウラン燃料棒の本数、(２）水
ロッドの形状、(３）ウラン燃料棒の濃縮度の種類数、
(４）ｎ行ｎ列格子状配列におけるｎの値、等の要素に
より変化可能である。このとき、９行９列配列以上でＭ
ＯＸ燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度を４.４ 重量
％以下とする範囲内において、前述した要素を適宜選択
することで、常に公知技術のＭＯＸ燃料棒の本数割合
５０％よりも減少させない値とすることができる。

【００８９】次に、本発明の第５の実施形態を図１０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１０は、本実施形態によるＭ
ＯＸ燃料集合体の構造を表す横断面図であり、１０行１
０列の格子状に配列された燃料棒５０１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５０１
のスペースに設けられた３本の水ロッド５０２と、これ
らの配列の外周を取り囲むチャンネルボックス５０３と
を備えている。

【００９０】燃料棒５０１は、１０行１０列の格子状配
列のうち水ロッド５０２の分を除いた９０本が設けられ
ているが、そのうち６８本の燃料棒５０１ａ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約７６％
となっている。また、４本の燃料棒５０１ｂがウラン酸
化物燃料を充填したウラン燃料棒で、残りの１８本の燃
料棒５０１ｃ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。目標とする平均取り出し燃焼度を高く設定した
分、第３の実施例に比べて、ウラン−ガドリニア燃料棒
の本数を２本増加してある。

【００９１】ウラン燃料棒５０１ｂは、第４の実施形態
同様、すべて濃縮度が４.９ 重量％であり、格子状配列
のコーナー側領域（この場合も格子状配列の４隅位置の
み）に装荷されている。

【００９２】ＭＯＸ燃料棒５０１ａは、平均取り出し燃
焼度が５１ＧＷｄ／ｔとなるよう、すべて核分裂性プル
トニウム富化度が約５.２重量％となっており、コーナ
ー側領域以外に配置されている。なお、水ロッド５０２
が占める格子位置と行または列が等しい格子位置には、
ＭＯＸ燃料棒５０１ａまたはウラン−ガドリニア燃料棒
５０２ｂが配置されている。

【００９３】ウラン−ガドリニア燃料棒５０１ｃは、第
１〜第４の実施形態と同様に、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５０１ｃの最隣接
位置には、ＭＯＸ燃料棒501ａか水ロッド５０２が配置
されており、ウラン−ガドリニア燃料棒５０１ｃどうし
が最隣接位置にならないようにしている。

【００９４】上記構成のＭＯＸ燃料集合体では、ＭＯＸ
燃料棒５０１ａの核分裂性プルトニウム富化度が、５１
ＧＷｄ／ｔに対する上限値５.２ 重量％にほぼ等しくな
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。すな
わち、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。

【００９５】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、Ｍ
ＯＸ燃料棒５０１ａの富化度をすべて同一としている。

【００９６】なお、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。すなわち、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５１ＧＷｄ／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。

【００９７】さらに、上記第５の実施形態においては、
ＭＯＸ燃料棒の本数が全燃料棒本数に占める割合を７６
％としているが、この値に限られず、(１)ウラン燃料棒
の本数、（２）水ロッドの形状、(３）ウラン燃料棒の
濃縮度の種類数、（４)ｎ行ｎ列格子状配列におけるｎ
の値、等の要素により変化可能である。このとき、１０
行１０列配列以上でＭＯＸ燃料棒の核分裂性プルトニウ
ム富化度を５.２ 重量％以下とする範囲内において、前
述した要素を適宜選択することで、常にＭＯＸ燃料棒の
本数割合を５０％よりも減少させない値とすることがで
きる。

【００９８】

【発明の効果】本発明によれば、平均取出し燃焼度を３
９ＧＷｄ／ｔ以下に設定し燃料棒配列を９行９列以上と
したこと、または平均取出し燃焼度を５１ＧＷｄ／ｔに
設定し燃料棒配列を１０行１０列以上としたことによる
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
することで、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類数を１種類に減
少させることができる。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を低減
できる。また、燃料集合体１体当たりのプルトニウム装
荷量を減少させないので、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
体の構造を表す横断面図。

【図２】平均取出燃焼度と核分裂性プルトニウム富化度
との関係図。

【図３】図１に示した燃料集合体における燃焼初期での
出力分布例を表した図。

【図４】図１に示した燃料集合体における局所出力ピー
キング係数最大値の燃焼による変化を示した図。

【図５】本発明の第２の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の構造を表す横断面図。

【図６】本発明の第３の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の構造を表す横断面図。

【図７】本発明の第４の実施形態によるＭＯＸ燃料集合
体の構造を表す横断面図。

【図８】公知技術によるＭＯＸ燃料集合体の構造の一例
を表す横断面図。

【図９】公知技術によるＭＯＸ燃料集合体の構造の一例
を表す横断面図。

【図１０】本発明の第５の実施形態によるＭＯＸ燃料集
合体の構造を表す横断面図。

【図１１】燃料棒配列数と限界となる平均取出燃焼度及
び本発明の平均取出燃焼度との関係図。

【符号の説明】

１０１ａ，２０１ａ,３０１ａ,４０１ａ,５０１ａ…Ｍ
ＯＸ燃料棒、１０１ｂ_H，２０１ｂ_H …高濃縮ウラン燃
料棒、１０１ｂ_L ，２０１ｂ_L …低濃縮ウラン燃料棒、
１０１ｃ，２０１ｃ，３０１ｃ，４０１ｃ，５０１ｃ…
ウラン−ガドリニア燃料棒、１０２，２０２，３０２，
４０２，５０２…水ロッド、３０１ｂ，４０１ｂ，５０
１ｂ…ウラン燃料棒、５０３…チャンネルボックス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (7)

【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、ウラン酸化物燃料を充
   填した複数本のウラン燃料棒と、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燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度を、
   ４.４ 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、ウラン酸化物燃料を充
   填した複数本のウラン燃料棒と、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燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度を、
   ５.２ 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に記載の燃料集合体
   において、 前記複数本のウラン燃料棒は、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ＭＯＸ燃料棒は、核分裂性プルトニウム富
   化度がそれぞれ同一であり、かつ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に記載の燃料集合体において、 前記コーナー側領域の複数本のウラン燃料棒は、前記格
   子状配列の４隅位置に配置された４本の低濃縮度ウラン
   燃料棒と、前記４隅位置に最隣接する位置に配置された
   ８本の高濃縮度ウラン燃料棒とを含むことを特徴とする
   燃料集合体。
5. 【請求項５】請求項３に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ＭＯＸ燃料棒または前
   記毒物入り燃料棒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に記載の燃料集合体
   において、 各毒物入り燃料棒の最隣接する４つの格子位置には、前
   記ＭＯＸ燃料棒及び前記水ロッドのうちいずれか１つを
   配置したことを特徴とする燃料集合体。
7. 【請求項７】請求項１又は請求項２に記載の燃料集合体
   において、 前記ＭＯＸ燃料棒の本数が全燃料棒本数に占める割合を
   ５０％以上としたことを特徴とする燃料集合体。