JPH1082879A

JPH1082879A - 原子炉の炉心

Info

Publication number: JPH1082879A
Application number: JP8235488A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Yoshida; 紀之吉田; Naoki Sugita; 直紀杉田; Takeshi Nakajima; 毅中嶋; Masahiko Kuroki; 政彦黒木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 1998-03-31
Anticipated expiration: 2016-09-05
Also published as: JP3651522B2

Abstract

(57)【要約】【課題】第１サイクル初期の炉心特性を良好にできると
ともに、第１サイクル終了後に取り出す燃料の経済性を
向上し、全サイクルを通じて炉心特性が悪化することの
ない原子炉の炉心を提供する。【解決手段】燃料集合体Ｂを集合体平均濃縮度の違いに
より２種類以上１１，１２，１３，１４に種分けし、さ
らに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を可燃性毒
物入り燃料棒の本数の違いにより２種類１１，１２に種
分けし、燃料単位Ｃを構成しない炉心外周側の燃料集合
体のすべてと、炉心外周を覆う反射体Ｅに面する燃料単
位を構成する燃料集合体の４体中３体以上とを、最高濃
縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集合
体１１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の炉
心における燃料の装荷技術に係り、特に炉心特性の改善
および燃料経済性の向上を図った原子炉の炉心に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図２５は、沸騰水型原子炉の炉心に装荷
される燃料単位の一般的な構成例を示している。すなわ
ち、図２５に示すように、断面十字型の制御棒Ａの周囲
に４体の燃料集合体Ｂが装荷され、これによって燃料単
位Ｃが構成される。

【０００３】図２６は、多数の燃料集合体が配置された
炉心Ｄの１／４（炉心中心Ｏから区分した四半分）の構
成を示している。この図２６に示すように、炉心Ｄは一
般に円柱に近い形であり、燃料単位Ｃが炉心全体に亘っ
て多数配列されるとともに、反射体Ｅによって囲まれる
炉心最外周の一部には燃料単位Ｃを構成しない燃料集合
体Ｆが配列されている。なお、原子炉出力調整用の制御
棒Ａ廻りに配置する燃料集合体Ｂで構成される燃料単位
Ｃは、コントロールセルと呼ばれている。

【０００４】このような原子炉では約１年強、すなわち
１サイクル運転毎に燃料集合体の交換が行われ、全燃料
集合体のうち１／３〜１／５の燃料が取り出され、代わ
りに新しい燃料集合体が装荷される。燃料交換の際に取
り出される燃料集合体は、経済性の観点から最も残留濃
縮度の低い燃料集合体である。例えば燃料集合体を１／
４ずつ交換して運転した場合、４サイクル以後は燃焼が
最も進んだ燃料集合体、燃焼が中程度進んだ燃料集合
体、燃焼が進んでいない燃料集合体、すなわち残留濃縮
度が最低、中程度、最高、の各燃料集合体が装荷された
炉心となり、以後は燃料交換毎に残留濃縮度が最低の燃
料集合体から取り出し、代わりに新燃料集合体を装荷す
れば以降は同じ状態の炉心が維持される。

【０００５】このように、最も残留濃縮度の低い燃料集
合体を取り出し、新しい燃料集合体を装荷することを繰
り返していくと、炉心は残留濃縮度の異なる数種類の燃
料集合体が混在した定常的な状態になり、各サイクル毎
の炉心特性の差がほとんどなくなる。このような炉心を
平衡炉心と称している。平衡炉心では、燃料集合体が３
〜５サイクルの間炉心の中にあり、残留濃縮度が低くな
って出力があまり出なくなった時に取り出される。な
お、装荷される燃料集合体は、後述する初装荷炉心に使
用する初装荷燃料集合体と対比して、取替燃料集合体と
呼ばれる。

【０００６】初装荷炉心、すなわち原子炉が建設されて
初めて燃料集合体が装荷された炉心では、すべての燃料
集合体が新燃料である。しかしながら、第１サイクル終
了後には燃料交換の必要が生じる。これは炉心全体の出
力を維持するために新燃料を装荷する必要があるからで
ある。同様に、第２サイクル終了後にも２サイクル使用
されただけで取り出される燃料集合体が生じる。このよ
うに、原子炉が運転を開始して３サイクル程度の間は、
短期間使用されただけで取り出される燃料集合体が発生
する。

【０００７】かつては、初装荷炉心をすべて同一の集合
体平均燃焼度の初装荷燃料集合体で構成していたため、
最初の数サイクルは、平衡炉心で取り出される燃料集合
体に比べて残留濃縮度の高い燃料集合体が取り出されて
いた。このことは非常に不経済なことであった。

【０００８】このような問題を解決するため、原子炉の
初装荷炉心については、これまで様々な改良が加えられ
てきた。たとえば初装荷炉心に装荷する燃料集合体、す
なわち初装荷燃料集合体を濃縮度の異なる数種類のもの
とし、濃縮度の高い順に１サイクル目燃料（新燃料）、
２サイクル目燃料、３サイクル目燃料というようにみた
て、平衡炉心を模擬した初装荷炉心を構成する。これ
は、多種類濃縮度炉心と呼ばれている炉心装荷方法であ
る。

【０００９】図２７はこの例として、集合体平均濃縮度
の異なる４種類の初装荷燃料集合体を使用した炉心Ｄの
１／４の燃料集合体配置構成を示している。最高濃縮度
の燃料集合体７が平衡炉心の１サイクル目燃料を模擬
し、２番目に濃縮度の高い燃料集合体８が２サイクル目
燃料を模擬し、３番目に濃縮度の高い燃料集合体９が３
サイクル目燃料を模擬し、最も濃縮度の低い燃料集合体
１０が４、５サイクル目燃料を模擬している。

【００１０】平衡炉心においては、中性子の漏れが大き
く熱中性子束が低い炉心最外周部に、残留濃縮度の低い
燃料から装荷する。多種類濃縮度炉心においても、これ
と同様の考えにより、炉心最外周部に濃縮度の最も低い
燃料を装荷する。第１サイクル終了時には、濃縮度の最
も低い燃料を取り出し、取替燃料集合体を新燃料として
装荷する。第１サイクル終了時に取り出すのは、もとも
と低濃縮度の燃料であるため、残留濃縮度は低く、燃料
経済性は向上する。

【００１１】このように、平衡炉心を模擬した炉心に対
し、初装荷燃料集合体の配置をより工夫することによ
り、一層燃料の経済性を向上させる発明が特開昭６０−
７１９８７号公報「沸騰水型原子炉の運転方法」に開示
されている。この開示された発明は、第１サイクルでは
最高濃縮度の燃料集合体を炉心の最外周部に、最低濃縮
度の燃料集合体をコントローセルに配置し、１サイクル
運転した後には無限増倍率の最も低い燃料集合体を炉心
の最外周およびコントローセルに装荷するというもので
ある。

【００１２】これにより、第１回の燃料交換で取り出さ
れる最低濃縮度の燃料集合体は、熱中性子束が低く燃焼
があまり進まない炉心最外周ではなく、熱中性子束が高
く燃焼が進む炉心中央部に装荷されるため、残留濃縮度
はより低くなる。しかも、最外周に装荷されていた最高
濃縮度の燃料集合体は燃焼があまり進んでおらず、第２
サイクルにおいて高い出力を維持できるため、必要とさ
れる新燃料の体数が減り、これによっても燃料の経済性
が向上する。

【００１３】このように、初装荷炉心の設計は当初の平
衡炉心模擬から、より高い経済性を狙って改良が続けら
れている。経済性向上のためには、炉心平均濃縮度を上
げることが必要であるが、最高濃縮度の初装荷燃料集合
体の濃縮度を取替燃料集合体より高くすることは、燃料
機械設計上の燃焼度の制約により困難である。また、第
１、第２サイクル終了時に取り出される燃料集合体の初
期濃縮度を上げることは、取り出し時の残留濃縮度を上
げてしまうことになる。よって、初装荷炉心の改良は、
初装荷燃料集合体中の最高濃縮度の燃料集合体の割合を
増やす方向で進んでいる。

【００１４】図２８は、このような初装荷炉心を例示し
た燃料集合体配置図であり、集合体平均濃縮度が異なる
２種類の初装荷燃料集合体を使用した炉心の１／４の構
成を示している。この炉心Ｄでは、コントロールセル１
５を構成する燃料単位Ｃが高濃縮度燃料１６および低濃
縮燃料１７とされているが、コントロールセル１５を構
成する燃料集合体以外はほとんど高濃縮度燃料１６であ
り、全燃料集合体８７２体中、高濃縮度燃料１６が６７
２体、低濃縮度燃料１７が２００体となっている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、炉心の設計
においては最大線出力密度、最小限界出力比等の運転制
限値を満足することが第一である。経済性向上をめざし
て初装荷燃料集合体中の最高濃縮度の燃料集合体の割合
を増やした最近の初装荷炉心は、一般に平衡炉心より特
性が厳しくなる傾向にあり、炉心特性の改善の手段なく
しては初装荷炉心の経済性の向上は図れなくなってきて
いる。

【００１６】図２９は、最高濃縮度の初装荷燃料集合体
と取替燃料集合体とにおける、無限増倍率の燃焼変化の
一例を示している。最高濃縮度の初装荷燃料集合体の濃
縮度は一般に使用されているように、取替燃料集合体と
同一としている。濃縮度が同一であるから、無限増倍率
の大きさの比較をそのまま出力の比較に置き換えること
ができる。

【００１７】取替燃料集合体の無限増倍率は、燃焼初期
には可燃性毒物であるガドリニア（Ｇｄ₂Ｏ₃）によって
抑えられており、１サイクルの燃焼が終るころにガドリ
ニアがほぼ燃え尽き、無限増倍率が最大になる。これは
炉心の余剰反応度をサイクルを通じてほぼ一定に保つた
めである。これにより、サイクル初期には２サイクル目
の燃料の出力が高く、サイクル末期には１サイクル目の
燃料の出力が高くなる。最高濃縮度の初装荷燃料集合体
は、完全に平衡サイクル模擬ができている初装荷炉心で
は１サイクル目燃料を模擬するはずであるが、実際には
経済性の向上のため燃焼初期から出力を担うことになる
ため、燃焼初期においては無限増倍率が取替燃料集合体
の無限増倍率よりも高くなっている。

【００１８】これは、ガドリニア入り燃料棒の本数を取
替燃料集合体より少なくすることにより実現されてい
る。ただし、第１サイクルの長さは試運転期間を含むこ
とにより平衡サイクルより長くなること、第２サイクル
の余剰反応度は高くなりやすいことにより、長期にわた
って余剰反応度を適切に抑えるためガドリニアの濃度は
最高濃縮度の初装荷燃料集合体のほうが取替燃料集合体
よりも高い。

【００１９】図３０は、最高濃縮度の初装荷燃料集合体
および取替燃料集合体における局所ピーキング係数の燃
焼変化の一例を示している。

【００２０】沸騰水型原子炉では燃料集合体問に水ギャ
ップがあるため、燃料集合体の外周の燃料棒の出力が相
対的に高くなる。燃料集合体の外周の燃料棒の濃縮度を
燃料集合体の内部の燃料棒の濃縮度より高くすることに
より、ある程度出力を平坦化することができるが、核燃
料物質の最高濃縮度が制限されている状況で、燃料集合
体平均の濃縮度を確保するためには、燃料集合体の外周
の燃料棒の濃縮度を充分に下げることはできない。

【００２１】また、ガドリニア入り燃料棒は出力が低
く、その分他の燃料棒の出力が相対的に高くなる。出力
の高い燃料棒ほど核分裂性物質の消費が早いので出力が
下がるのも早く、またガドリニア入り燃料棒はガドリニ
アが減少するにつれて出力が上がるため、燃料集合体は
燃焼が進むと局所ピーキング係数が低下する。燃焼初期
での取替燃料集合体を比較すると、ガドリニア入り燃料
棒の本数の違いにより最高濃縮度の初装荷燃料集合体の
ほうが取替燃料集合体よりも若干小さくなるが、大きな
差ではない。また、最小限界出力比の算出にはＲ因子と
いう指標を用い、これが大きいほど厳しいが、やはり燃
料集合体の燃焼初期が最も大きい。

【００２２】最大線出力密度が問題となるのは、燃料集
合体の出力が高く、局所ピーキング係数も高いところで
ある。取替燃料集合体では局所ピーキング係数の最も高
い燃料初期では燃料集合体の出力が低いため、熱的にあ
まり問題にならない。これに対し、初装荷炉心では最高
濃縮度の初装荷燃料集合体の出力が第１サイクルの初期
から高いため、この燃料の最大線出力密度が問題となっ
てくる。また、最小限界出力比についても、最大線出力
密度と同様の問題が生じる。よって、第１サイクル初期
の最大線出力密度および最小限界出力比は、平衡サイク
ルより厳しくなる傾向にある。

【００２３】そこで、本発明の第１の目的は、炉心平均
濃縮度を高くして燃料経済性の向上を図りつつ、第１サ
イクル初期の炉心特性を良好にできる原子炉の初装荷炉
心を提供することにある。

【００２４】一方、前述したように、燃料集合体には可
燃性毒物が含まれている。可燃性毒物とは、ガドリニウ
ム（Ｇｄ）またはその酸化物であるガドリニア（Ｇｄ₂
Ｏ₃）のように中性子を吸収する性質が強く、しかも中
性子を吸収すると中性子を吸収する性質の弱い物質に変
換するものである。これらの可燃性毒物は、Ｕ−２３５
（ウラン２３５）などの核分裂性物質が過剰にあるサイ
クル初期には、中性子を吸収して核分裂性物質と中性子
の核反応を抑制し、燃焼に伴って可燃性毒物も消費さ
れ、その中性子吸収能力を低下させる。燃料集合体には
核燃料物質のみからなる燃料ぺレットを装荷した燃料棒
の他に、核燃料物質のみならず可燃性毒物も含んだ燃料
ぺレットを装荷した燃料捧が数本〜１０数本入ってお
り、初期余剰反応度の抑制が行われている。

【００２５】ところで一般に、原子炉の炉心において
は、炉心中心付近が熱中性子束も高く燃焼が良く進む。
一方、炉心の外周方向に行くに従って熱中性子の炉心外
への漏れの効果が大きくなる。即ち熱中性子束も低くな
り、燃焼の進み具合は悪くなる。このように、炉心外周
領域に装荷した燃料と、炉心中心付近に装荷した燃料と
では、燃焼の進み具合に差が生じる。即ち、炉心中心付
近に装荷した燃料は、可燃性毒物の燃焼も早い。

【００２６】逆に炉心外周領域に装荷した燃料は、可燃
性毒物の燃焼が遅い。仮に炉心中心付近に装荷する高濃
縮燃料と、炉心最外周および最外周から２層目に装荷す
る高濃縮燃料とが全く同一の燃料であるとすると、まず
炉心中心付近の高濃縮燃料が良く燃焼するため、可燃性
毒物も効率よく減衰してゆき、それにつれてその領域の
相対出力も高くなる。さらに燃焼が進み、可燃性毒物が
ある程度減少してしまうと、その後その領域の相対出力
は低くなる一方である。

【００２７】これに対し、炉心最外周および最外周から
２層目の高濃縮燃料は燃焼が進みにくいため、炉心中心
付近の可燃性毒物がある程度減少した時点においても可
燃性毒物はかなり残っており、炉心外周領域の相対出力
は未だ増加する方向にある。つまり、サイクル初期から
ある燃焼度までは、炉心断面における径方向の出力分布
は炉心中心領域で高く、それ以降は炉心外周領域で高く
なるというようにバランスが悪くなり、これが出力ピー
キングの増加の原因となる。

【００２８】炉心断面における径方向の出力ピーキング
が増加すると、燃料集合体の線出力密度や最小限界出力
比といった原子炉の運転に関する熱的パラメータが悪化
し、運転裕度の減少につながる。従って、炉心断面にお
ける径方向の出力分布は平坦であるのが望ましい。

【００２９】このように、濃縮度の異なる３種類の燃
料、即ち高濃縮、中濃縮、および低濃縮燃料から構成さ
れ、コントロールセルには低濃縮燃料を装荷し、かつ炉
心外周領域の燃料装荷パターンに関しては高い燃料経済
性を実現するために炉心最外周のみならず最外周から２
層目にも高濃縮燃料を装荷した炉心においては、前述し
たような炉心断面における径方向の出力ピーキングの増
加をもたらすために、炉心の運転裕度が少なくなるとい
う問題が生じる。

【００３０】そこで、本発明の第２の目的は、第１サイ
クル終了後に取り出す燃料の残留濃縮度を低め、燃料経
済性の向上をめざした炉心、即ち濃縮度の異なる３種類
の燃料集合体から構成される炉心において、最外周と最
外周から２層目にすべて高濃縮燃料が配置し、かつコン
トロールセルには全て低濃縮燃料を配置したものとし、
サイクルを通じて炉心特性が悪化することのない原子炉
の炉心を提供することにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、１本の制御棒の周りに４体
１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃
料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外
周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を
配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体
を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種分け
し、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当
該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の
違いにより２種類に種分けし、燃料単位を構成しない炉
心外周側の燃料集合体のすべてと、炉心外周を覆う反射
体に面する燃料単位を構成する燃料集合体の４体中３体
以上とを、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数
が少ない燃料集合体としたことを特徴とする原子炉の初
装荷炉心を提供する。

【００３２】本発明によれば、炉心の外周部に最高濃縮
度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集
合体が配置されることにより、炉心の外周部の出力が高
くなり、炉心中央部の出力は相対的に低くなる。即ち径
方向出力分布の平坦化が図れる。これにより最大線出力
密度、最小限界出力比のような炉心の熱的特性の改善が
可能となる。なお、一つの燃料単位に出力の高い燃料集
合体が集中した場合には炉停止余裕に問題が起こる可能
性があるが、炉心外周の反射体に面する燃料単位におい
ては、最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数
の少ない燃料集合体を３または４体装荷することが可能
である。

【００３３】請求項２の発明では、請求項１記載の炉心
において、反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合
体のうち、当該燃料単位のなかで最も炉心中心に近い配
置のものを、最高濃縮度ではなく、かつ可燃性毒物入り
燃料棒本数が少ないものでもない燃料集合体としたこと
を特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。

【００３４】本発明によれば、炉心外周の反射体に面す
る燃料単位に、最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料
棒の本数の少ない燃料集合体以外の燃料集合体が１体装
荷される場合は、出力の高い最高濃縮度で、かつ可燃性
毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体をできるだけ
炉心の外部に配置するほうが、径方向出力分布の平坦
化、および炉停止余裕の確保の点で有利である。

【００３５】請求項３の発明では、請求項１記載の炉心
において、反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合
体を、すべて最高濃縮度の燃料集合体としたことを特徴
とする原子炉の初装荷炉心を提供する。

【００３６】本発明によれば、炉停止余裕の点から、反
射体に面する燃料単位を構成する燃料集合体４体中１体
を最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少
ない燃料集合体以外にする場合、その１体を最高濃縮度
で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の多い燃料集合体
とすることが経済性の向上の点から有利である。また、
炉停止余裕の確保も可能である。

【００３７】請求項４の発明では、請求項１から３まで
のいずれかに記載の炉心において、反射体に面する燃料
単位以外の燃料単位であって、かつ反射体に面する燃料
単位に隣接するものの燃料集合体の４体中２体以下を、
最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃
料集合体としたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を
提供する。

【００３８】本発明によれば、反射体に面してはいない
が、反射体に面する燃料単位に隣接している燃料単位
は、炉心の最外周部からやや離れて中性子の漏洩の効果
も小さくなっている。出力の高くなり易い燃料集合体を
過度に集中すると、この部分が炉心で最も出力が高くな
ってしまう。このため最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り
燃料棒の本数の少ない方の燃料集合体の体数を制限する
が、炉停止余裕の点から各燃料単位の出力を均等にほぼ
均等にしておくことが望ましい。そこで、最高濃縮度で
かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体の
体数を各燃料単位毎に２体以下とする。

【００３９】請求項５の発明では、請求項１から４まで
のいずれかに記載の炉心において、反射体に面するもの
ではなく、また反射体に面する燃料単位に隣接するもの
でもない燃料単位については、最高濃縮度のものではな
く、かつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ないものでもな
い燃料集合体を適用したことを特徴とする原子炉の初装
荷炉心を提供する。

【００４０】本発明によれば、炉心内部に最高濃縮度で
かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体を
装荷すると、その燃料集合体の出力が高くなり過ぎ、熱
的特性が厳しくなる。炉心外周部の出力を高くするため
に適正化されている燃料集合体は、炉心中央部に装荷す
るべきではない。なお、請求項１から請求項５までの炉
心でも、炉心の最外周部の出力は未だかなり低い。炉心
最外周部に装荷する燃料集合体は、可燃性毒物入り燃料
棒の本数をより減らすことが可能である。

【００４１】請求項６の発明では、１本の制御棒の周り
に４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、
この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、
炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集
合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料
集合体を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種
分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体
を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本
数の違いにより３種類に種分けし、炉心外周を覆う反射
体に面する燃料集合体をすべて最高濃縮度で、かつ可燃
性毒物入り燃料棒の本数が３種類のうち最少の本数のも
のとしたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供す
る。

【００４２】本発明によれば、燃料集合体の種類が増え
るのことにより、製造コストの点で不利ではあるが、径
方向出力分布の平坦化に有効である。

【００４３】請求項７の発明では、１本の制御棒の周り
に４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、
この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、
炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集
合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料
集合体を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種
分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体
を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本
数の違いにより２種類に種分けし、炉心外周を覆う反射
体に面する燃料集合体をすべて最高濃縮度のものとし、
また炉心最外周から２層目の燃料集合体をすべて最高濃
縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ないものとし
たことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。

【００４４】炉心の最外周に最低濃縮度の燃料集合体を
配置した炉心は、最外周に最高濃縮度の燃料集合体を配
置した炉心に比べて、径方向出力分布の平坦化には不利
である。しかしながら、本発明によれば、炉心の最外周
から２層目の燃料集合体を、すべて最高濃縮度で、かつ
可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体とする
ことにより、ある程度は径方向出力分布の平坦化が可能
である。

【００４５】請求項８の発明では、１本の制御棒の周り
に４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、
この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、
炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集
合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料
集合体を集合体平均濃縮度の違いにより３種類以上に種
分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体
を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本
数の違いにより２種類に種分けし、炉心最外周の燃料集
合体をすべて集合体平均濃縮度が中位の燃料集合体と
し、また炉心最外周から２層目の燃料集合体をすべて最
高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が少ないも
のとしたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供す
る。

【００４６】本発明によれば、炉心の最外周に中位の濃
縮度の燃料集合体を配置した炉心においても、炉心の最
外周から２層目の燃料集合体を、すべて最高濃縮度で、
かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体と
することで、径方向ピーキングの低減が有効的に図れる
ようになる。

【００４７】請求項９の発明では、請求項７または８記
載の炉心において、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃
料棒の本数が少ない燃料集合体は炉心の最外周から２層
目以内に限って装荷したことを特徴とする原子炉の初装
荷炉心を提供する。

【００４８】本発明によれば、請求項７または請求項８
の炉心について、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料
棒の本数の少ない燃料集合体を炉心の最外周から２層目
に限ることで、最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料
棒の本数の少ない燃料集合体の燃焼初期の無限増倍率を
かなり大きくすることができる。

【００４９】請求項１０の発明では、１本の制御棒の周
りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成
し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方
で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃
料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記
燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより３種類以上
に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集
合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒
の本数の違いにより２種類に種分けし、炉心最外周の燃
料集合体をすべて集合体平均濃縮度が中位で、かつ可燃
性毒物入り燃料棒の本数が少ないものとしたことを特徴
とする原子炉の初装荷炉心を提供する。

【００５０】本発明も炉心の最外周に中位の濃縮度の燃
料集合体を配置した炉心において径方向出力分布を平坦
化する方法であり、最外周に配置される中位の濃縮度の
燃料集合体の可燃性毒物入り燃料棒の本数を炉心内部の
中位の濃縮度の燃料集合体よりも少なくすることによ
り、炉心最外周の出力を高くすることができる。

【００５１】請求項１１の発明では、１本の制御棒の周
りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成
し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方
で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃
料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記
燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより３種類以上
に種分けし、集合体平均濃縮度が最も低い燃料集合体と
２番目に低い燃料集合体とが可燃性毒物入り燃料棒を有
しないものとし、またコントロールセルを構成する燃料
単位に最低濃縮度の燃料集合体を配置するとともに、炉
心最外周に集合体平均濃縮度が２番目に低い燃料集合体
を配置したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供
する。

【００５２】可燃性毒物入り燃料棒の本数を有しない燃
料集合体は燃焼初期から出力が急速に低下していく。本
発明によれば、ある程度濃縮度が高く可燃性毒物入り燃
料棒の本数を有しない燃料集合体を炉心最外周に用いる
ことで、第１サイクルの初期だけは径方向出力分布を平
坦化できる。炉心最外周の燃料集合体は出力が高くなり
にくいため、かなり濃縮度の高い燃料集合体でも可燃性
毒物入り燃料棒を入れる必要がなくなる。

【００５３】請求項１２の発明では、１本の制御棒の周
りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成
し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方
で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃
料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記
燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより低濃縮燃料
集合体、中濃縮燃料集合体および高濃縮燃料集合体の３
種類に種分けし、その高濃縮燃料集合体をさらに可燃性
毒物入り燃料捧の本数が異なるＡタイプ，Ｂタイプの２
つのタイプに種分けし、前記Ａタイプの高濃縮燃料集合
体は前記Ｂタイプの高濃縮燃料集合体よりも可燃性毒物
入り燃料捧の本数が１本以上多く、かつ前記Ｂタイプの
高濃縮燃料集合体の炉心装荷体系無限配列における中性
子増倍率が最大となる燃焼度が、前記Ａタイプの高濃縮
燃料集合体の炉心装荷体系無限配列における中性子増倍
率が最大となる燃焼度よりも低いものとし、さらに燃料
装荷パターンは、炉心最外周と最外周から２層目とにす
べて前記Ｂタイプの高濃縮燃料集合体を配置し、かつコ
ントロールセルを構成する燃料単位の燃料集合体をすべ
て前記低濃縮燃料としたことを特徴とする原子炉の炉心
を提供する。

【００５４】請求項１３の発明では、請求項１２記載の
炉心において、Ｂタイプの高濃縮燃料集合体の炉心装荷
体系無限配列における中性子増倍率が最大となる燃焼度
と、Ａタイプの高濃縮燃料集合体の炉心装荷体系無限配
列における中性子増倍率が最大となる燃焼度との差を、
５GWd/t 以下としたことを特徴とする原子炉の炉心を提
供する。

【００５５】請求項１４の発明では、請求項１２または
１３記載の炉心において、ＡタイプおよびＢタイプの各
高濃縮燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料捧の本
数の差を４本としたことを特徴とする原子炉の炉心を提
供する。

【００５６】請求項１５の発明では、請求項１４記載の
炉心において、Ａタイプの各高濃縮燃料集合体に含まれ
る可燃性毒物入り燃料捧の本数を１４本とし、かつＢタ
イプの各高濃縮燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃
料棒の本数を１０本としたことを特徴とする原子炉の炉
心を提供する。

【００５７】請求項１２から１５までの発明について説
明すると、以下の通りである。これらの発明では、従来
公知である改良型多種類濃縮度炉心の概念、即ち、濃縮
度の異なる３種類の燃料集合体（低濃縮燃料、中濃縮燃
料、高濃縮燃料）から構成される。炉心最外周には高濃
縮燃料が配置し、かつ、コントロールセルはすべて低濃
縮燃料から構成する原子炉炉心の概念をベースに、さら
に燃料経済性を上げるために炉心最外周のみならず、最
外周から２層目にも高濃縮燃料を配置する。

【００５８】また、炉心外周領域と炉心中心付近の可燃
性毒物の燃焼特性の相違から生じる炉心断面の径方向に
おける出力ピーキングの増加による原子炉運転裕度の減
少を改善するために、高濃縮燃料には可燃性毒物入り燃
料捧本数の異なる２種類の燃料、高濃縮燃料のＡタイプ
とＢタイプを準備し、ＡタイプはＢタイプに比べて可燃
性毒物を含んだ燃料捧の本数を多く、かつ炉心装荷体系
無限配列における中性子増倍率が最大となる燃焼度をＢ
タイプのそれよりも高くするものである。

【００５９】そして、炉心の最外周および最外周から２
層目にはＢタイプ燃料を装荷し、コントロールセルには
すべて低濃縮燃料を装荷し、その他の領域は低濃縮燃
料、中濃縮燃料、高濃縮Ａタイプ、および高濃縮Ｂタイ
プを適当に組み合わせた複数の単位格子により炉心を構
成するものである。

【００６０】本発明による炉心は濃縮度の異なる３種類
の燃料集合体である低濃縮燃料、中濃縮燃料、および高
濃縮燃料から構成され、さらに高濃縮燃料は可燃性毒物
入り燃料棒本数が異なる高濃縮Ａタイプと高濃縮Ｂタイ
プからなる。高濃縮Ａタイプは高濃縮Ｂタイプに比べて
可燃性毒物を含んだ燃料捧の本数が１本以上多く、かつ
炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率が最大とな
る燃焼度がＢタイプのそれよりも高い。

【００６１】装荷パターンは、炉心最外周と最外周から
２層目にはＢタイプを配置し、コントロールセルには低
濃縮燃料を配置し、その他の部分は低濃縮燃料、中濃縮
燃料、高濃縮燃料Ａタイプ、およびＢタイプを適切に装
荷することによって構成する複数の単位格子からなる。

【００６２】なお、この装荷例においては、コントロー
ルセルに面隣接する箇所には低濃縮燃料を配置していな
い。多種類濃縮度の燃料で構成する初装荷炉心では、炉
心内における燃料毎の中性子スペクトルの違いが顕著と
なる。低濃縮燃料が４体で構成されるコントロールセル
は中性子スペクトルが軟らかい、即ち炉心内において局
所的に熱中性子束が高い領域となる。従って、コントロ
ールセルに面隣接する箇所には低濃縮燃料以外の燃料を
配置することにより、炉心内において局所的に熱中性子
束が高い領域を拡大することがないように配慮してい
る。

【００６３】最外周および最外周から２層目は、中性子
の漏れが大きく熱中性子束が小さいため燃焼が進みにく
い。それに対し炉心中心付近は中性子の漏れが少なく燃
焼がよく進む。

【００６４】燃料集合体の無限増倍率はＵ−２３５など
の核分裂性物質の濃縮度にほぼ比例するので、燃焼が進
んで核分裂性物質が消費するとともに小さくなる。しか
し、燃料に可燃性毒物を添加すると、燃焼初期の無限増
倍率が抑えられる。可燃性毒物は、中性子を吸収すると
自分自身の中性子吸収効果を失ってしまうので、燃焼が
進むとともに可燃性毒物は減衰していく。それに伴い、
無限増倍率の値は上昇していく。そして、ある燃焼度以
降においては、無限増倍率が減少するという傾向を示
す。

【００６５】低濃縮燃料は濃縮度が１．５ｗｔ％以下
と、もともと濃縮度が他の燃料に比べて低く、無限増倍
率の値が小さいうえに、大部分のものは第１サイクル終
了後に取り出される。燃料経済性の観点からは、第１サ
イクルにおいてできる限り核分裂性物質を燃焼させ、残
留濃縮度を低減する必要がある。従って、燃料捧が吸収
した熱中性子をできるだけ核分裂に寄与させるために、
可燃性毒物を含む燃料棒を用いないようにし、これによ
り、無限増倍率は燃焼度と共に値が小さくなる。

【００６６】一方、中濃縮燃料の濃縮度は２．数ｗｔ％
程度であり、可燃性毒物を添加しないと燃焼初期の無限
増倍率は１．２程度とかなり大きくなることから、それ
を抑制するために、数本の可燃性毒物を含む燃料捧が必
要となる。また、中濃縮燃料は大部分のものが第２サイ
クル終了時に取り出されるため、無限増倍率が最大とな
る燃焼度は、第１サイクル終了時よりも若干低くなるよ
うに調整する。そうすることによって、第２サイクルに
おける中濃縮燃料は、あたかも第１サイクルにおける低
濃縮燃料の如くなるので、燃料棒が吸収した熱中性子を
効率よく核分裂に寄与することができ、その結果取出時
における残留濃縮度を低減することができる。

【００６７】さらに、高濃縮燃料は中濃縮燃料よりも濃
縮度が高く、４．０ｗｔ％程度となることもあり、燃焼
初期の無限増倍率を抑制するための可燃性毒物入り燃料
捧の本数は、中濃縮燃料の場合よりも多く必要となる。
また、高濃縮燃料は第３サイクル以降に取り出されるた
めに、無限増倍率が最大となる燃焼度は、第２サイクル
終了時の燃焼度よりも若干低くなるようにする必要があ
る。こうすることによって、第３サイクル以降における
高濃縮燃料は、あたかも第１サイクルにおける低濃縮燃
料や、第２サイクルにおける中濃縮燃料の如くなるの
で、取出時における残留濃縮度を低減することができ
る。

【００６８】しかしながら、現状の設計においては、可
燃性毒物の濃度に関して後述するように、その上限値が
定められているため、可燃性毒物の濃度のみで所要の無
限増倍率が最大となる燃焼度を得られない場合もある。
そのようなときには、可燃性毒物を含む燃料棒の本数を
増やすことにより、無限増倍率が最大となる燃焼度を延
ばす必要がある。

【００６９】可燃性毒物としては現在、前述したよう
に、主にＧｄ（ガドリニウム）が酸化物となった形態の
Ｇｄ₂Ｏ₃（ガドリニア）として用いられている。一般
に、燃焼初期の無限増倍率を抑制するには、可燃性毒物
を添加した燃料棒の本数を増やし、また無限増倍率が最
大となる燃焼度を延ばすには、可燃性毒物の濃度を高め
れば良い。しかしながら、Ｇｄ₂Ｏ₃濃度を上げると、ぺ
レットの熱伝導率が悪くなり、また融点が下がることが
知られており、このため燃料棒の出力の制約が課せられ
る。そこで、現状ではＧｄ₂Ｏ₃の上限濃度を７．５ｗｔ
％として制限している。前述したように、高濃縮燃料の
無限増倍率が最大となる燃焼度はかなり長いことが要求
されるため、最近の設計例では、高濃縮燃料のＧｄ₂Ｏ₃
濃度としては上限濃度である７．５ｗｔ％を用いてい
る。

【００７０】高濃縮燃料において、さらにＡタイプとＢ
タイプの無限増倍率が最大となる燃焼度の差をつけるに
は、大きく分けて３通りの考えがある。

【００７１】第１案は可燃性毒物を含む燃料捧の本数を
等しくして、可燃性毒物の濃度を変える方法であり、第
２案は可燃性毒物の濃度を等しくして、可燃性毒物を含
む燃料棒の本数を変える方法である。第３案はそれらを
組み合わせた発想であり、可燃性毒物の濃度と可燃性毒
物を含む燃料捧の本数の両方とも変える方法である。

【００７２】第１案では、無限増倍率が最大となる燃焼
度は変わるものの、未燃焼時の無限増倍率抑制効果はほ
とんど変わらない。一方、第２案では無限増倍率が最大
となる燃焼度のみならず、未燃焼時の無限増倍率も異な
った値が得られる。第３案ではこれらを組み合わせた効
果が得られる。

【００７３】結果的に、第２案および第３案のように、
可燃性毒物を含む燃料捧の本数を変えた方が、無限増倍
率が最大となる燃焼度が異なる燃料が実現できるのみな
らず、未燃焼時における無限増倍率の異なる燃料を装荷
できるようになり、炉心設計上の融通性も増すので、利
点が大きい。第２案の場合は、炉心設計上の融通性は第
３案よりも低下するが、第３案に比べて可燃性毒物の濃
度種類が少ないため、製造上有利になるという特徴があ
る。

【００７４】本発明のように、最外周および最外周から
２層目に高濃縮燃料を装荷する炉心の場合、燃焼の進み
にくい最外周および最外周から２層目には、無限増倍率
が最大となる燃焼度の短い高濃縮燃料Ｂタイプを装荷
し、またそれ以外の領域の一部には、無限増倍率が最大
となる燃焼度が高濃縮燃料Ｂタイプより長い高濃縮燃料
Ａタイプを装荷することによって、サイクルを通じた炉
心断面径方向の出力バランスを保つことが可能となる。

【００７５】しかしながら、高濃縮燃料が唯１種類のみ
の場合、下記のような問題が生じる。即ち、サイクル初
期における炉心断面の径方向出力分布をバランス良く維
持していても、燃焼が進むにつれて炉心中心付近の可燃
性毒物の燃焼が効率よく進むのに伴って、炉心中心付近
の相対出力が高くなる。しかしながら、さらに燃焼が進
むと、炉心中心付近の燃料の可燃性毒物は減少してしま
い、その後は中性子増倍率が単調減少していくに伴って
相対出力も小さくなっていく。

【００７６】一方、炉心外周領域の燃料は炉心中心付近
の燃料の可燃性毒物が減少した状態になっても、まだ可
燃性毒物は十分残っている。即ち、炉心中心付近の相対
出力は減少していく傾向にあるのに対し、炉心外周領域
の燃料は中性子増倍率がまだ増加しており、それに伴っ
て相対出力も増加していく傾向にある。つまり、サイク
ル中期から末期になると、炉心外周領域の相対出力が高
くなる。このように炉心断面の径方向における出力分布
のバランスが悪くなる、即ち、炉心径方向の出力ピーキ
ングが高くなるということは、燃料の線出力密度や、最
小限界出力比といった原子炉の運転において、制約が課
せられている熱的条件が厳しくなるということであり、
それだけ原子炉運転上の裕度が減少するということであ
る。

【００７７】このようにならないように、本発明による
炉心においては、炉心断面の径方向における相対出力分
布がサイクルを通じてほぼ平坦になるように、Ｂタイプ
の無限増倍率が最大となる燃焼度よりも、Ａタイプの無
限増倍率が最大となる燃焼度を高くする。Ａタイプの無
限増倍率が最大となる燃焼度を高くするには、第１案の
ように可燃性毒物の濃度を上げるか、あるいは第２案の
ように可燃性毒物を含む燃料棒の本数を増やすか、ある
いは第３案のようにそれらを適切に組み合わせる方法が
あるが、炉心設計上の融通性の高い第２案あるいは第３
案の考えを採用するものとし、高濃縮燃料Ｂタイプより
もＡタイプの可燃性毒物を含む燃料棒本数を１本以上多
くしている。

【００７８】第２案と第３案とを比較すると、第２案は
可燃性毒物の濃度が固定しているのに対し、第３案は可
燃性毒物の濃度および本数が制約を受けないという点で
燃料設計上の自由度が大きい。即ち、第３案に基づく燃
料を用いると燃料設計および炉心設計はより容易にな
る。しかしながら、第２案は可燃性毒物の濃度が固定し
ているので、ぺレット製造上の加工経済性の観点から有
利であるという特徴がある。従って、燃料および炉心設
計の融通性を優先するのであれば第３案を採用し、経済
性を優先するのであれば第２案を採用するというように
使い分ければ良い。

【００７９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る原子炉の炉心
の実施形態について、図面を参照して説明する。

【００８０】（第１の実施形態）（請求項１〜５対応）図１は、本発明の第１の実施形態を示すもので、初装荷
炉心Ｄの１／４部の燃料集合体を示す配置図である。

【００８１】本実施形態においては、燃料集合体が集合
体濃縮度の違いによって３種類、即ち高濃縮度燃料１
１，１２、中濃縮度燃料１３、および低濃縮度燃料１４
に分けられている。さらに、高濃縮度燃料１１，１２
は、ガドリニア入り燃料棒本数の違いにより２種類に分
けられ、一方は高濃縮度低Ｇｄ燃料１１、他方は高濃縮
度高Ｇｄ燃料１２とされている。よって、合計４種類の
燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。

【００８２】高濃縮度低Ｇｄ燃料１１は２００体、高濃
縮度高Ｇｄ燃料１２は２２８体、中濃縮度燃料１３は１
８４体、低濃縮度燃料１４は２６０体で、合計８７２体
である。炉心Ｄの外周の燃料単位を構成しない燃料集合
体は、すべて高濃縮度低Ｇｄ燃料１１とされている。炉
心外周の反射体Ｅに面する燃料単位Ｃは、４体の高濃縮
度低Ｇｄ燃料１１で構成され、または３体の高濃縮度低
Ｇｄ燃料１１と１体の高濃縮度高Ｇｄ燃料１２とで構成
されている。

【００８３】３体の高濃縮度低Ｇｄ燃料１１と１体の高
濃縮度高Ｇｄ燃料１２とで構成される燃料単位Ｃの中で
は、高濃縮度高Ｇｄ燃料１２が炉心Ｄの中心Ｏに最も近
い位置に配置してある。反射体Ｅに面してはいないが、
反射体Ｅに面する燃料単位Ｃに隣接する燃料単位Ｃに
は、高濃縮度低Ｇｄ燃料１１が２体または１体含まれる
か、全く含まれていない。反射体Ｅに面しないで、かつ
反射体Ｅに面する燃料単位に隣接もしない燃料単位Ｃに
は、高濃縮度低Ｇｄ燃料１１は一切含まれていない。

【００８４】このような炉心Ｄの構成において、炉心外
周部に位置する燃料集合体では中性子の漏れがあるた
め、出力はあまり高くならない。このため、炉心Ｄの中
央部Ｏに位置する燃料集合体の出力が相対的に高くな
り、熱的に厳しくなる。平衡炉心では、炉心最外周に燃
焼の最も進んだ燃料集合体を配置し、中性子の漏れを少
なくすることが経済的に有利であるが、初装荷炉心で
は、例えば特開昭６０−７１９８７号公報「沸騰水型原
子炉の運転方法」のように、第１サイクルにおいて、低
中性子漏洩型の炉心でなくても経済性上必ずしも不利に
はならない。

【００８５】炉心外周部の出力を高くすることができれ
ば、相対的に炉心中央部Ｏの燃料集合体の出力は低くす
ることができるので、熱的特性の改善が可能となる。炉
心Ｄの最外周部に最高濃縮度の燃料集合体１１，１２を
配置するだけでも、最外周部に最低濃縮度の燃料集合体
１４を配置した場合よりも径方向出力分布が平坦にな
る。ただし、炉心Ｄの内部にも最高濃縮度の燃料集合体
１１，１２が多数配置されるため、外周部に配置される
最高濃縮度の燃料集合体１１，１２の出力は高くする
が、炉心内部の最高濃縮度の燃料集合体１１，１２の出
力は上げない方法を考える必要がある。

【００８６】最高濃縮度の燃料集合体１１，１２はガド
リニア入り燃料棒により初期の出力を抑えているが、こ
のガドリニア入り燃料棒の本数を変えることにより、同
じ濃縮度の燃料集合体１１，１２でも燃焼初期の無限増
倍率を異ならせることが可能である。

【００８７】図２は、ガドリニア入り燃料棒の本数を異
ならせた２種類の最高濃縮度の初装荷燃料集合体１１，
１２の無限増倍率の燃焼度変化を示している。この図２
に示すように、両者の無限増倍率の差は、燃焼初期にお
いて最も大きく、ガドリニアの燃焼とともに差が縮ま
り、ガドリニアが燃え尽きた後はほとんど差がなくな
る。

【００８８】図３は、本実施形態の効果を示したもので
あり、第１サイクル初期の運転状態の炉心半径方向の位
置と相対出力との関係を示す特性図で、本実施形態の炉
心Ｄの出力分布と従来の炉心の径方向の出力分布とを比
較して示したものである。従来の炉心としては、平衡サ
イクル模擬の初装荷炉心を取り上げている。

【００８９】本実施形態の炉心Ｄでは、炉心外周部に最
高濃縮度でガドリニア入り燃料棒本数の少ない燃料集合
体１１が配置されているため、従来の炉心に比べて出力
が高くなり、相対的に炉心中央部の出力が低くなる。こ
のようにして燃料集合体の出力の均一化を図ることによ
り、最大線出力密度や最小限界出力比のような熱的特性
を改善することができる。

【００９０】ただし、炉停止余裕の観点からは、出力の
高くなりやすい燃料が集中することは不利である。炉停
止余裕とは、冷温状態で最も反応度制御効果の大きい制
御捧が引き抜かれ、他の制御棒はすべて挿入された状態
での未臨界度をいう。一つの燃料単位に出力の高くなり
易い燃料を集中すると、最も反応度制御効果の大きい制
御棒が引き抜かれることによる反応度変化が大きくな
る。冷温で殆どの制御棒が挿入された状態では、中性子
の移動距離が運転状態に比べて小さくなるので炉心外周
からの中性子の漏れの影響は炉心最外周の１〜２層程度
に限定される。よって、炉心外周部で反射体Ｅに面する
燃料単位Ｃには高濃縮度低Ｇｄ燃料１１を３体以上装荷
できるが、それより内側の燃料単位Ｃでは高濃縮度低Ｇ
ｄ燃料１１を２体以下にすることが炉停止余裕の点から
必要である。

【００９１】本実施形態では、径方向出力分布の平坦化
により熱的特性を改善しつつ、炉停止余裕も従来の初装
荷炉心に遜色ない初装荷炉心を実現することができる。

【００９２】（第２の実施形態）（請求項６対応）図４は本発明の第２の実施形態を示すもので、初装荷炉
心の１／４部の燃料集合体配置図である。

【００９３】本実施形態では、燃料集合体が集合体濃縮
度の違いにより２種類、即ち高濃縮度燃料４１，４２，
４３と、低濃縮度燃料４４とに種分けされ、さらに高濃
縮度燃料４１，４２，４３はガドリニア入り燃料棒本数
の違いにより３種類、即ち高濃縮度低Ｇｄ燃料４１、高
濃縮度中Ｇｄ燃料４２、および高濃縮度高Ｇｄ燃料４３
に分けられている。よって、合計４種類の燃料集合体で
炉心Ｄが構成されている。高濃縮度低Ｇｄ燃料４１は１
３２体、高濃縮度中Ｇｄ燃料４２は１６４体、高濃縮度
高Ｇｄ燃料４３は３８０体、低濃縮度燃料４４は１９６
体で、合計８７２体である。

【００９４】この実施形態による炉心Ｄは極めて高い経
済性を狙ったもので、コントロールセル１５以外は、ほ
とんどすべてが高濃縮度燃料４１，４２，４３である。
この高濃縮度燃料４１，４２，４３が前記のように、ガ
ドリニア入り燃料棒本数の違いにより分けられている。
炉心最外周の燃料集合体９２体のほか、反射体Ｅにコー
ナ部で接する燃料集合体４０体が高濃縮度低Ｇｄ燃料４
１である。中性子の漏れが大きい位置であるので、高濃
縮度低Ｇｄ燃料４１の燃焼初期の無限増倍率をかなり大
きくすることができる。

【００９５】炉心内部には、高濃縮度中Ｇｄ燃料４２と
高濃縮度高Ｇｄ燃料４３とが配置されているが、炉心外
周から２，３層目には、高濃縮度中Ｇｄ燃料４２が比較
的多くなるようにしている。最外周部に燃焼初期の無限
増倍率のかなり大きな燃料集合体を配置できるので、高
濃縮度燃料をガドリニア入り燃料棒本数の違いで２種類
に分けている場合よりも、さらに径方向出力分布の平坦
化が図れる。

【００９６】（第３の実施形態）（請求項７，９対応）図５は本発明の第３の実施形態を示すもので、初装荷炉
心の１／４部の燃料集合体配置図である。

【００９７】燃料集合体は集合体濃縮度の違いにより３
種類、即ち高濃縮度燃料５１，５２、中濃縮度燃料５
３、および低濃縮度燃料５４に種分けされ、さらに高濃
縮度燃料５１，５２はガドリニア入り燃料棒本数の違い
により２種類、即ち高濃縮度低Ｇｄ燃料５１、高濃縮度
高Ｇｄ燃料５２に分けられている。よって、合計４種類
の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。高濃縮度低Ｇ
ｄ燃料５１は８８体、高濃縮度高Ｇｄ燃料５２は３４４
体、中濃縮度燃料５３は２０４体、低濃縮度燃料５４は
２３６体で、合計８７２体である。

【００９８】前述した第１，２の実施形態の初装荷炉心
は、いずれも炉心Ｄの最外周に高濃縮度燃料を配置した
ものであるが、この第３の実施形態の初装荷炉心は、炉
心Ｄの最外周に低濃縮度燃料５４を配置したものであ
る。炉心Ｄの最外周に低濃縮度燃料５４を配置した場合
には、高濃縮度燃料５１，５２を配置した場合よりも径
方向出力分布の平坦化には不利であるが、ある程度の平
坦化は可能である。このため、高濃縮度低Ｇｄ燃料５１
を炉心の最外周から２層目に配置している。高濃縮度低
Ｇｄ燃料５１は、炉心の最外周から２層目以外には装荷
しないことで、かなり燃焼初期の無限増倍率を大きくす
ることができる。

【００９９】（第４の実施形態）（請求項８，９対応）図６は本発明の第４の実施形態を示しており、初装荷炉
心の１／４部の燃料集合体配置図である。

【０１００】燃料集合体は集合体濃縮度の違いにより３
種類、即ち高濃縮度燃料６１，６２、中濃縮度燃料６
３、および低濃縮度燃料６４に種分けされ、さらに高濃
縮度燃料６１，６２はガドリニア入り燃料棒本数の違い
により２種類、即ち高濃縮度低Ｇｄ燃料６１と高濃縮度
高Ｇｄ燃料６２とに分けられている。よって、合計４種
類の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。高濃縮度低
Ｇｄ燃料６１は８８体、高濃縮度高Ｇｄ燃料６２は３４
８体、中濃縮度燃料６３は２３６体、低濃縮度燃料６４
は２００体で、合計８７２体である。

【０１０１】この第４の実施形態によれば、炉心Ｄの最
外周部に中濃縮度燃料６３を配置した場合でも、第３の
実施形態の初装荷炉心と同様に、炉心Ｄの最外周から２
層目に高濃縮度低Ｇｄ燃料６１を配置することで、径方
向出力分布を平坦化することができる。

【０１０２】（第５の実施形態）（請求項１０対応）図７は本発明の第５の実施形態を示すもので、初装荷炉
心の１／４部の燃料集合体配置図である。

【０１０３】燃料集合体は集合体濃縮度の違いにより３
種類、即ち高濃縮度燃料７１、中濃縮度燃料７２，７
３、および低濃縮度燃料７４に種分けされ、さらに中濃
縮度燃料７２，７３はガドリニア入り燃料棒本数の違い
により２種類、即ち中濃縮度低Ｇｄ燃料７２と、中濃縮
度高Ｇｄ燃料７３とに分けられている。よって、合計４
種類の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。

【０１０４】高濃縮度燃料７１は４３６体、中濃縮度低
Ｇｄ燃料７２は９２体、中濃縮度高Ｇｄ燃料７３は１４
４体、低濃縮度燃料７４は２００体で、合計８７２体で
ある。

【０１０５】本実施形態の初装荷炉心は、第４の実施形
態の初装荷炉心と同様に、炉心Ｄの最外周部に中濃縮度
燃料７２を配置しているが、中濃縮度燃料自身をガドリ
ニア入り燃料棒本数の違いで２種類に分け、そのうちの
中濃縮度低Ｇｄ燃料７２を炉心の最外周に配置すること
により、径方向出力分布の平坦化を図っている。

【０１０６】（第６の実施形態）（請求項１１対応）図８は本発明の第６の実施形態を示すもので、初装荷炉
心の１／４部の燃料集合体配置図である。

【０１０７】本実施形態では、燃料集合体が集合体濃縮
度の違いにより４種類、即ち最高濃縮度の燃料集合体８
１と、２番目に濃縮度の高い燃料集合体８２と、３番目
に濃縮度の高い燃料集合体８３と、最低濃縮度の燃料集
合体８４とに種分けされている。よって、合計４種類の
燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。

【０１０８】このうち、３番目に濃縮度の高い燃料集合
体８３と、最低濃縮度の燃料集合体８４とは、ガドリニ
ア入り燃料棒を有しない。最高濃縮度の燃料集合体８１
は４３６体、２番目に濃縮度の高い燃料集合体８２は１
４４体、３番目に濃縮度の高い燃料集合体８３は９２
体、最低濃縮度の燃料集合体８４は２００体で、合計８
７２体である。

【０１０９】本実施形態において、ガドリニア入り燃料
棒を有しない燃料集合体８３，８４については、燃焼初
期から出力が急速に低下していく。この場合、ある程度
濃縮度が高くガドリニア入り燃料棒を有しない燃料集合
体８３を炉心最外周に用いれば、第１サイクルの初期だ
けは径方向出力分布を平坦化できる。炉心最外周の燃料
集合体は出力が高くなりにくいため、かなり濃縮度の高
い燃料集合体でも、ガドリニア入り燃料棒を入れる必要
がない。

【０１１０】（第７の実施形態）（請求項１２対応）図９〜図１６は、本発明の第７の実施形態を示してい
る。

【０１１１】図９は、本実施形態による炉心Ｄの１／４
部の燃料集合体配置図である。

【０１１２】この炉心Ｄは濃縮度の異なる３種類の燃料
集合体である低濃縮燃料集合体１、中濃縮燃料集合体
２、および高濃縮燃料集合体３から構成され、さらに高
濃縮燃料集合体３は可燃性毒物入り燃料棒本数が異なる
高濃縮タイプ３Ａと高濃縮タイプ３Ｂからなる。

【０１１３】高濃縮タイプ３Ａは、高濃縮タイプ３Ｂに
比べて可燃性毒物を含んだ燃料捧の本数が１本以上多
く、かつ炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率が
最大となる燃焼度がタイプ３Ｂのそれよりも高い。装荷
パターンについては、炉心最外周と最外周から２層目
（斜線で示す）にはタイプ３Ｂを配置し、制御棒Ａと４
つの燃料集合体Ｂからなるコントロールセル１５には低
濃縮燃料集合体１を配置し、その他の部分には低濃縮燃
料集合体１、中濃縮燃料集合体２、高濃縮燃料タイプ３
Ａ、および高濃縮燃料タイプ３Ｂを適切に配置すること
によって、複数の単位格子を構成している。

【０１１４】なお、この装荷例においては、コントロー
ルセル１５に面隣接する箇所に、低濃縮燃料集合体１を
配置していない。その理由は以下の通りである。即ち、
多種類濃縮度の燃料集合体で構成する初装荷炉心では、
炉心内における燃料毎の中性子スペクトルの違いが顕著
となる。低濃縮燃料集合体１が４体で構成されるコント
ロールセル１５は、中性子スペクトルが軟らかい、即ち
炉心内において局所的に熱中性子束が高い領域となる。
従って、コントロールセル１５に面隣接する箇所には、
低濃縮燃料集合体１以外の燃料集合体を配置することに
より、炉心内において局所的に熱中性子束が高い領域を
拡大することがないように配慮したものである。最外周
および最外周から２層目は中性子の漏れが大きく、熱中
性子束が小さいため燃焼が進みにくい。それに対し、炉
心中心付近は中性子の漏れが少なく、燃焼がよく進む。

【０１１５】図１０は、燃料集合体の炉心装荷体系無限
配列における中性子増倍率（無限増倍率）の燃焼度に対
する変化を示すものである。

【０１１６】燃料集合体の無限増倍率は、Ｕ−２３５な
どの核分裂性物質の濃縮度にほぼ比例するので、図１０
の特性線ａに示すように、燃焼が進んで核分裂性物質が
消費するとともに小さくなる。しかし、燃料に可燃性毒
物を添加すると、特性線ｂに示すように、燃焼初期の無
限増倍率が抑えられる。可燃性毒物は中性子を吸収する
と自分自身の中性子吸収効果を失ってしまうので、燃焼
が進むとともに可燃性毒物は減衰していく。それに伴
い、無限増倍率の値は上昇していく。そして、ある燃焼
度ｃ以降は無限増倍率が減少していくという傾向を示
す。

【０１１７】図１１は、異なる３種類の濃縮度の燃料集
合体から構成される初装荷炉心の炉心装荷体系無限配列
における中性子増倍率（無限増倍率）の燃焼度に対する
変化を示した特性図である。この図１１において、実線
ｄは低濃縮燃料集合体の特性を示し、破線ｂは中濃縮燃
料集合体の特性を示し、一点鎖線ｆは高濃縮燃料集合体
の特性を示している。

【０１１８】低濃縮燃料集合体は濃縮度が〜１．５ｗｔ
％程度と、もともと濃縮度が他の燃料集合体に比べて低
く、無限増倍率の値が小さいうえに、大部分のものは第
１サイクル終了後に取り出される。燃料経済性の観点か
らは第１サイクルにおいて、できる限り核分裂性物質を
燃焼させ、残留濃縮度を低減する必要がある。従って、
燃料捧が吸収した熱中性子をできるだけ核分裂に寄与さ
せるために可燃性毒物を含む燃料棒はなく、実線ｄで示
す低濃縮燃料集合体の無限増倍率は燃焼度とともに値が
小さくなる。

【０１１９】一方、中濃縮燃料集合体は濃縮度が２．数
ｗｔ％であり、可燃性毒物を添加しないと燃焼初期の無
限増倍率は１．２程度とかなり大きくなることから、そ
れを抑制するために、数本の可燃性毒物を含む燃料捧が
必要となる。また、中濃縮燃料集合体は大部分のものが
第２サイクル終了時に取り出されるため、無限増倍率が
最大となる燃焼度は破線ｅで示すように、第１サイクル
終了時よりも若干低くなるように調整する。そうするこ
とによって、第２サイクルにおける中濃縮燃料集合体
は、あたかも第１サイクルにおける低濃縮燃料集合体の
如くなるので、燃料棒が吸収した熱中性子を効率よく核
分裂に寄与することができ、その結果取出時における残
留濃縮度を低減する事ができる。

【０１２０】さらに高濃縮燃料集合体は、中濃縮燃料集
合体よりも濃縮度が高く、４．０ｗｔ％程度にまでなる
こともあり、燃焼初期の無限増倍率を抑制するための可
燃性毒物入り燃料捧の本数は、中濃縮燃料集合体の場合
よりも多く必要となる。また、高濃縮燃料集合体は第３
サイクル以降に取り出されるため、一点鎖線ｆで示すよ
うに、無限増倍率が最大となる燃焼度は第２サイクル終
了時の燃焼度よりも若干低くなるようにする必要があ
る。こうすることによって、第３サイクル以降における
高濃縮燃料集合体は、あたかも第１サイクルにおける低
濃縮燃料集合体や第２サイクルにおける中濃縮燃料集合
体の如くなるので、取出時における残留濃縮度を低減す
ることができる。

【０１２１】しかしながら、現状の設計においては後述
するように、可燃性毒物の濃度に関してその上限値が定
められているため、可燃性毒物の濃度のみで所要の無限
増倍率が最大となる燃焼度を得られない場合もある。そ
のようなときには、可燃性毒物を含む燃料棒の本数を増
やすことによって、無限増倍率が最大となる燃焼度を延
ばす必要がある。前述したように、可燃性毒物には、Ｇ
ｄ（ガドリニウム）が酸化物の形態であるＧｄ₂Ｏ₃（ガ
ドリニア）として多く用いられており、燃焼初期の無限
増倍率を抑制するには、可燃性毒物を添加した燃料棒の
本数を増大し、また無限増倍率が最大となる燃焼度を延
ばすためには、可燃性毒物の濃度を高めればよい。しか
しながら、Ｇｄ₂Ｏ₃濃度を上げると、ぺレットの熱伝導
率が悪くなり融点が下がることが知られており、燃料棒
の出力の制約が課せられる。

【０１２２】このため現状では、Ｇｄ₂Ｏ₃の上限濃度を
７．５ｗｔ％として制限している。前述したように、高
濃縮燃料集合体の無限増倍率が最大となる燃焼度を得る
ためには、かなりの長さが要求されるため、最近の設計
例では高濃縮燃料集合体のＧｄ₂Ｏ₃濃度として上限濃度
である７．５ｗｔ％を用いている。高濃縮燃料集合体に
おいてさらにタイプＡとタイプＢの無限増倍率が最大と
なる燃焼度の差をつけるには、大きく分けて３通りの考
えがある。

【０１２３】その第１案は可燃性毒物を含む燃料捧の本
数を等しくして可燃性毒物の濃度を変える方法である。
第２案は可燃性毒物の濃度を等しくして可燃性毒物を含
む燃料棒の本数を変える方法である。第３案はそれらを
組み合わせた発想であり、可燃性毒物の濃度と可燃性毒
物を含む燃料捧の本数の両方とも変える方法である。

【０１２４】第１案では図１２に示すように、無限増倍
率が最大となる燃焼度は変わるものの未燃焼時の無限増
倍率抑制効果はほとんど変わらない。一方、第２案では
図１３に示すように、無限増倍率が最大となる燃焼度の
みならず、未燃焼時の無限増倍率も異なった値が得られ
る。第３案では、これらを組み合わせた効果が得られ
る。結果的に、第２案および第３案のように可燃性毒物
を含む燃料捧の本数を変えた方が、無限増倍率が最大と
なる燃焼度が異なる燃料が実現できることのみならず、
未燃焼時における無限増倍率の異なる燃料集合体を装荷
できるようになり、炉心設計上の融通性も増すので利点
は大きい。

【０１２５】第２案の場合は、炉心設計上の融通性は第
３案より悪くなるが、第３案に比べて可燃性毒物の濃度
種類が少ないので、製造上有利になるという特徴があ
る。ちなみに、図１２および図１３は、燃料集合体の平
均濃縮度が同一である燃料集合体において、可燃性毒物
の濃度が同じであるが可燃性毒物を含んだ燃料棒の本数
が異なる場合（図１３）と、可燃性毒物を含んだ燃料棒
の本数が同一であるが可燃性毒物の濃度が異なる場合
（図１２）における炉心装荷体系無限配列における中性
子増倍率（無限増倍率）を比較した例である。

【０１２６】図１３に示す特性において、特性線ｇの燃
料集合体に比べて、特性線ｈの燃料集合体は、可燃性毒
物の本数が多い。また、図１２に示す特性において、特
性線ｉの燃料集合体に比べて、特性線ｊの燃料集合体は
可燃性毒物の濃度が高い。

【０１２７】本実施形態のように、最外周および最外周
から２層目に高濃縮燃料集合体を装荷する炉心の場合、
燃焼の進みにくい最外周および最外周から２層目に装荷
する高濃縮燃料集合体Ｂタイプは、無限増倍率が最大と
なる燃焼度ｃの短いものとし、それ以外の領域の一部に
は、無限増倍率が最大となる燃焼度ｃが高濃縮燃料Ｂタ
イプより高い高濃縮燃料Ａタイプを装荷することによ
り、図１４に例示すように、サイクルを通じた炉心断面
径方向の出力バランスを保つことが可能となる。

【０１２８】しかしながら、図１５の炉心装荷例に示す
ように、高濃縮燃料集合体３が唯１種類のみの場合、以
下に記するような問題が生じる。即ち、図１６のＩに例
示するように、サイクル初期における炉心断面における
径方向出力分布をバランス良く維持していても、燃焼が
進むにつれて炉心中心付近の可燃性毒物の燃焼が効率よ
く進むのに伴い、図１６のＩＩのように、炉心中心付近
の相対出力が高くなる。しかしながら、さらに燃焼が進
むと炉心中心付近の燃料の可燃性毒物は減少してしま
い、その後は中性子増倍率が単調減少し、それに伴い相
対出力も小さくなっていく。一方、炉心外周領域の燃料
は炉心中心付近の燃料の可燃性毒物が減少した状態にな
っても、未だ可燃性毒物が十分残っている。つまり、炉
心中心付近の相対出力は減少していく傾向にあるのに対
し、炉心外周領域の燃料集合体は中性子増倍率がまだ増
加しており、それに伴って相対出力も増加してゆく傾向
にある。即ち、サイクル中期から末期になると、図１６
のＩＩＩに示すように、炉心外周領域の相対出力が高く
なる。

【０１２９】このように、炉心断面の径方向における出
力分布のバランスが悪くなる。このように、炉心径方向
の出力ピーキングが高くなるということは、燃料の線出
力密度や、最小限界出力比といった原子炉の運転におい
て制約が課せられている熱的条件が厳しくなるというこ
とであり、それだけ原子炉運転上の裕度が減少するとい
うことである。このようなことにならないように、本実
施形態の炉心においては、炉心断面の径方向における相
対出力分布が図１４の如く、サイクルを通じてほぼ平坦
になるようにＢタイプの無限増倍率が最大となる燃焼度
ｃよりもＡタイプの無限増倍率が最大となる燃焼度ｃを
高くするのである。無限増倍率が最大となる燃焼度を長
くするには、前述した第１案のように、可燃性毒物の濃
度を上げるか、あるいは第２案のように可燃性毒物を含
む燃料棒の本数を増やすか、あるいは第３案のようにそ
れらを適切に組み合わせる方法があるが、本実施形態で
は炉心設計上の融通性の高い第２案あるいは第３案の考
えを採用するものとし、高濃縮燃料ＢタイプよりもＡタ
イプの可燃性毒物を含む燃料棒本数を１本以上多くして
いる。

【０１３０】第２案と第３案とを比較すると、第２案は
可燃性毒物の濃度が固定しているのに対し、第３案は可
燃性毒物の濃度および本数が制約を受けないという点で
燃料設計上の自由度が大きい。即ち、第３案に基づく燃
料集合体を用いると燃料設計および炉心設計はより容易
になる。しかしながら、第２案は可燃性毒物の濃度が固
定しているので、ぺレット製造上の加工経済性の観点か
ら有利であるという特徴がある。従って、燃料および炉
心設計の融通性を優先するのであれば、第３案を採用
し、経済性を優先するのであれば第２案を採用するとい
う様に使い分ければ良い。

【０１３１】（第８の実施形態）（請求項１３〜１５対
応）本実施形態は各燃料の濃縮度、可燃性毒物の分布につい
てのものであり、図１７〜図２０にその分布例を示して
いる。なお、これらの図においては、左上に制御捧Ａが
ある場合の各燃料棒の濃縮度および可燃性毒物分布を示
しており、図１７は低濃縮燃料の濃縮度分布例、図１８
は中濃縮燃料の濃縮度およびＧｄ分布例、図１９は高濃
縮燃料Ａタイプの濃縮度およびＧｄ分布例、図２０は高
濃縮燃料Ｂタイプの濃縮度およびＧｄ分布例をそれぞれ
示している。

【０１３２】これらの例では、燃料捧を９行９列に正方
配列した燃料集合体が示してあり、○は燃料棒を、また
○内の数字は燃料棒の濃縮度の種類を示しており、数字
の若い順に濃縮度が高い。Ｗはウオータロッドであり、
燃料集合体の中心付近における減速材を確保するために
水を通す中空管である。このタイプの燃料では、太径の
ウオータロッドを２本有している。Ｇは可燃性毒物であ
るＧｄ₂Ｏ₃を含んだ燃料捧である。

【０１３３】この実施形態は既に述ベた第２案に基づく
一例であり、中濃縮燃料集合体、高濃縮燃料集合体（タ
イプＡ、タイプＢ）間で同一のＧｄ₂Ｏ₃濃度を用いてぺ
レットの共通化を図ることで燃料製造時における経済性
向上を図っており、Ｇｄ₂Ｏ₃を含んだ燃料捧の本数によ
って無限増倍率が最大となる燃焼度を調整している。

【０１３４】ここで装荷する低濃縮燃料集合体１、中濃
縮燃料集合体２、高濃縮燃料集合体３（３Ａ，３Ｂ）の
各燃料における集合体平均濃縮度、可燃性毒物棒本数、
可燃性毒物濃度の一例を下記の表１に示す。

【０１３５】

【表１】

【０１３６】図２１は、これら燃料集合体の炉心装荷体
系無限配列における中性子増倍率（無限増倍率）の燃焼
度に対する変化を示している。即ち図２１に示すよう
に、可燃性毒物を含んだ燃料棒本数が増えると可燃性毒
物の寿命、つまり無限増倍率が最大となるまでの燃焼度
も高くなり、例えば低濃縮燃料集合体１が０本（ａ_１）
では０GWd/t 、中濃縮燃料集合体２が４本（ａ_２）では
９GWd/t 、高濃縮燃料タイプ３Ｂが１０本（ａ_３ｂ）で
は１７GWd/t 、高濃縮燃料タイプ３Ａが１４本（第２案
におけるａ_３Ａ）では１９GWd/t となる。

【０１３７】ここで示すタイプ３Ａとタイプ３Ｂは、そ
れぞれ可燃性毒物であるＧｄ₂Ｏ₃を含んだ燃料棒の本数
がそれぞれ１４本、１０本であり、その差は４本であ
る。そして、無限増倍率が最大となるまでの燃焼度の差
は約２GWd/t である。これらは請求項１３、１４、１５
の好適な１例にもなっている。

【０１３８】第２案のように、可燃性毒物の濃度がタイ
プ３Ａとタイプ３Ｂで同一であるという制約を受ける場
合、最低でも４本程度は可燃性毒物を含む燃料棒数の差
をつけないと、タイプ３Ａおよびタイプ３Ｂの燃料集合
体の無限増倍率が最大となる燃焼度の有為な差が得られ
ない。

【０１３９】一方、第３案の場合、可燃性毒物の濃度を
タイプ３Ａとタイプ３Ｂで異なる値を用いることができ
るので、可燃性毒物を含む燃料棒本数の差が４本未満で
あっても、タイプ３Ａおよびタイプ３Ｂ燃料集合体の無
限増倍率が最大となる燃焼度の有為な差をつけることが
できる。

【０１４０】第３案の低濃縮燃料集合体１、中濃縮燃料
集合体２、高濃縮燃料集合体３Ａ、高濃縮燃料集合体３
Ｂ各燃料集合体の集合体平均濃縮度、可燃性毒物棒本
数、可燃性毒物濃度の一例を下記の表２に示す。

【０１４１】

【表２】上記の低濃縮燃料集合体１、中濃縮燃料集合体２、高濃
縮燃料集合体タイプ３Ｂの濃縮度および可燃性毒物濃度
分布の一例は図１７、図１８、図２０と同じである。

【０１４２】一方、タイプ３Ａの濃縮度および可燃性毒
物濃度分布の一例を図２２に示す。

【０１４３】この典型例に示すタイプ３Ａでは、図２１
の３Ａ（第３案）に示すように、無限増倍率が最大とな
る燃焼度は第２案のそれと同じ１９GWd/t となるように
可燃性毒物を含む燃料棒数および可燃性毒物濃度を調整
したものである。仮にタイプ３Ａの可燃性毒物本数をタ
イプ３Ｂのそれと同じ１０本にして、可燃性毒物濃度を
上記値よりもさらに上げることによっても、図２１の３
Ａ（第１案）に示すように、無限増倍率が最大となる燃
焼度として前記と同じ程度の値を得る事は可能である。
これが第１案の考え方であるが、第２案および第３案の
ように、タイプ３Ａとタイプ３Ｂの可燃性毒物を含む燃
料棒の本数差を１本以上つけることによって、未燃焼時
における無限増倍率の値の差もつけることができ、炉心
設計上における融通性は高い。

【０１４４】第１案、第２案、第３案いずれの方法であ
っても、炉心断面における径方向相対出力分布は局所的
に多少の違いはあっても、サイクルを通じてほぼ図２３
に示すような傾向を取る。即ち、サイクルを通じて径方
向における相対出力の最大値である出力ピーキングがあ
まり高くなることがなく、良好な運転特性が得られる。
ただし、第１案の場合は、タイプ３Ａとタイプ３Ｂの未
燃焼時における無限増倍率がほぼ等しいので、炉心設計
上の融通性が少ないのに対し、第２案、第３案の場合は
炉心設計上の融通性が高く、図９の燃料装荷パターン例
以外にも良好な炉心特性を有する設計が何通りか得られ
る。

【０１４５】図２４は、タイプ３Ａとタイプ３Ｂの無限
増倍率が最大となる燃焼度の差が７GWd/t のときの、炉
心断面における径方向相対出力分布の例である。このと
き図１６の傾向とは逆に、まず炉心外周領域における相
対出力が高くなり、次に炉心中心付近の相対出力が高く
なることがわかる。即ち、タイプ３Ａとタイプ３Ｂの無
限増倍率が最大となる燃焼度の差は大きすぎてもよくな
い。従って、本発明の請求項１３に示すように、タイプ
ＡとタイプＢの無限増倍率が最大となる燃焼度の差は５
GWd/t 以下がよい。

【０１４６】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る原子炉の初
装荷炉心によれば、第１サイクル、特にその初期におけ
る炉心の径方向出力分布を平坦化することにより、熱的
特性を改善することができ、炉心平均濃縮度を高めて経
済性の向上が図れる。

【０１４７】また、本発明に係る原子炉の炉心によれ
ば、濃縮度の異なる３種類の燃料集合体、低濃縮燃料、
中濃縮燃料、および高濃縮燃料から構成され、炉心最外
周と最外周から２層目に全て高濃縮燃料が配置し、コン
トロールセルは全て低濃縮燃料を配置する炉心におい
て、高濃縮燃料を２つのタイプに分け、一方のタイプを
他方のタイプに比べて、可燃性毒物入り燃料棒本数が１
本以上多く、かつ炉心装荷体系無限配列における中性子
増倍率が最大となる燃焼度が低くすることにより、炉心
特性を悪化することなく、取出燃料の残留濃縮度を低め
て燃料経済性をさらに向上することができるという効果
が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による初装荷炉心を示
す燃料集合体の配置図。

【図２】本発明の第１の実施形態の初装荷炉心に使用す
る高濃縮度燃料の無限増倍率の燃料変化を示す図。

【図３】本発明の第１の実施形態の初装荷炉心の第１サ
イクル初期の運転状態の炉心半径方向の位置と相対出力
との関係を示す特性図。

【図４】本発明の第２の実施形態による初装荷炉心を示
す燃料集合体の配置図。

【図５】本発明の第３の実施形態による初装荷炉心を示
す燃料集合体の配置図。

【図６】本発明の第４の実施形態による初装荷炉心を示
す燃料集合体の配置図。

【図７】本発明の第５の実施形態による初装荷炉心を示
す燃料集合体の配置図。

【図８】本発明の第６の実施形態による初装荷炉心を示
す燃料集合体の配置図。

【図９】本発明の第７の実施形態による炉心を示す燃料
集合体の配置図。

【図１０】本発明の第７の実施形態における燃料集合体
の炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率の燃焼度
に対する変化を示す図。

【図１１】本発明の第７の実施形態における多種類濃縮
度炉心に装荷される低濃縮燃料、中濃縮燃料、高濃縮燃
料それぞれの炉心装荷体系無限配列における中性子増倍
率の燃焼度に対する変化を示す図。

【図１２】本発明の第７の実施形態における可燃性毒物
燃料棒本数が同じで可燃性毒物濃度が異なる場合におけ
る中性子増倍率の燃焼度に対する変化を示す図。

【図１３】本発明の第７の実施形態における可燃性毒物
濃度が同じで可燃性毒物燃料棒本数が異なる場合におけ
る中性子増倍率の燃焼度に対する変化を示す図。

【図１４】本発明の第７の実施形態における炉心断面の
径方向における相対出力分布を示す概念図であり、サイ
クルを通じて相対出力の最大値、即ち出力ピーキングが
小さい安定した状態を示す図。

【図１５】本発明の第７の実施形態において、高濃縮燃
料の仕様が唯１種類のときで、最外周および最外周から
２層目に高濃縮燃料を装荷した状態を示す配置図。

【図１６】本発明の第７の実施形態において、炉心断面
の径方向における相対出力分布を示す概念図。

【図１７】本発明の第７の実施形態において、低濃縮燃
料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ
燃料のー実施例を示す濃縮度・可燃性毒物濃度分布図。

【図１８】本発明の第７の実施形態において、低濃縮燃
料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ
燃料のー実施例を示す濃縮度・可燃性毒物濃度分布図。

【図１９】本発明の第７の実施形態において、低濃縮燃
料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ
燃料のー実施例を示す濃縮度・可燃性毒物濃度分布図。

【図２０】本発明の第７の実施形態において、低濃縮燃
料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ
燃料のー実施例を示す濃縮度・可燃性毒物濃度分布図。

【図２１】実施例に記載した低濃縮燃料、中濃縮燃料、
高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ燃料の炉心装荷体
系無限配列における中性子増倍率（無限増倍率）の燃焼
度に対する変化を示す図。

【図２２】本発明の第８の実施形態における高濃縮タイ
プ３Ａ燃料を示す図。

【図２３】本発明の第８の実施形態において、炉心径方
向の相対出力分布を示す図。

【図２４】本発明の第８の実施形態において、高濃縮タ
イプＡ燃料、高濃縮タイプＢ燃料の無限増倍率が最大と
なる燃焼度の差が７GWd/t である時における炉心径方向
の相対出力分布を示す概念図。

【図２５】本発明が適用される燃料単位を示す模式的な
平面図。

【図２６】本発明が適用される炉心の燃料配置を示す模
式的な平面図。

【図２７】従来の初装荷炉心で平衡炉心を模擬した燃料
集合体の配置図。

【図２８】従来の初装荷炉心で高濃縮度燃料の割合を増
やした燃料集合体の配置図。

【図２９】従来例を説明するもので、最高濃縮度の初装
荷燃料集合体と取替燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化
を比較して示す図。

【図３０】従来例を説明するもので、最高濃縮度の初装
荷燃料集合体と取替燃料集合体との局所ピーキング係数
の燃焼変化を比較して示す図。

【符号の説明】

Ａ制御棒Ｂ燃料集合体Ｃ燃料単位Ｄ燃料単位を構成しない燃料集合体Ｅ炉心Ｆ反射体Ｏ炉心中心１低濃縮燃料２中濃縮燃料３高濃縮燃料３Ａ高濃縮タイプＡ燃料３Ｂ高濃縮タイプＢ燃料１１高濃縮度低Ｇｄ燃料１２高濃縮度高Ｇｄ燃料１３中濃縮度燃料１４低濃縮度燃料１５コントロールセル４１高濃縮度低Ｇｄ燃料４２高濃縮度中Ｇｄ燃料４３高濃縮度高Ｇｄ燃料４４低濃縮度燃料５１高濃縮度低Ｇｄ燃料５２高濃縮度高Ｇｄ燃料５３中濃縮度燃料５４低濃縮度燃料６１，６２高濃縮度燃料６３中濃縮度燃料６４低濃縮度燃料７１高濃縮度燃料７２中濃縮度低Ｇｄ燃料７３中濃縮度高Ｇｄ燃料７４低濃縮度燃料８１１番目に濃縮度の高い燃料集合体８２２番目に濃縮度の高い燃料集合体８３３番目に濃縮度の高い燃料集合体８４最低濃縮度の燃料集合体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒木政彦神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集
合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心
全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部に
は前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてな
る原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均
濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合
体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に
含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種
類に種分けし、燃料単位を構成しない炉心外周側の燃料
集合体のすべてと、炉心外周を覆う反射体に面する燃料
単位を構成する燃料集合体の４体中３体以上とを、最高
濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集
合体としたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項２】請求項１記載の炉心において、反射体に
面する燃料単位を構成する燃料集合体のうち、当該燃料
単位のなかで最も炉心中心に近い配置のものを、最高濃
縮度ではなく、かつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない
ものでもない燃料集合体としたことを特徴とする原子炉
の初装荷炉心。
【請求項３】請求項１記載の炉心において、反射体に
面する燃料単位を構成する燃料集合体を、すべて最高濃
縮度の燃料集合体としたことを特徴とする原子炉の初装
荷炉心。
【請求項４】請求項１から３までのいずれかに記載の
炉心において、反射体に面する燃料単位以外の燃料単位
であって、かつ反射体に面する燃料単位に隣接するもの
の燃料集合体の４体中２体以下を、最高濃縮度でかつ可
燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集合体としたこと
を特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項５】請求項１から４までのいずれかに記載の
炉心において、反射体に面するものではなく、また反射
体に面する燃料単位に隣接するものでもない燃料単位に
ついては、最高濃縮度のものではなく、かつ可燃性毒物
入り燃料棒本数が少ないものでもない燃料集合体を適用
したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項６】１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集
合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心
全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部に
は前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてな
る原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均
濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合
体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に
含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより３種
類に種分けし、炉心外周を覆う反射体に面する燃料集合
体をすべて最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の
本数が３種類のうち最少の本数のものとしたことを特徴
とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項７】１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集
合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心
全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部に
は前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてな
る原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均
濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合
体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に
含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種
類に種分けし、炉心外周を覆う反射体に面する燃料集合
体をすべて最高濃縮度のものとし、また炉心最外周から
２層目の燃料集合体をすべて最高濃縮度でかつ可燃性毒
物入り燃料棒本数が少ないものとしたことを特徴とする
原子炉の初装荷炉心。
【請求項８】１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集
合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心
全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部に
は前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてな
る原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均
濃縮度の違いにより３種類以上に種分けし、さらに集合
体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に
含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種
類に種分けし、炉心最外周の燃料集合体をすべて集合体
平均濃縮度が中位の燃料集合体とし、また炉心最外周か
ら２層目の燃料集合体をすべて最高濃縮度でかつ可燃性
毒物入り燃料棒の本数が少ないものとしたことを特徴と
する原子炉の初装荷炉心。
【請求項９】請求項７または８記載の炉心において、
最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が少ない
燃料集合体は炉心の最外周から２層目以内に限って装荷
したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項１０】１本の制御棒の周りに４体１組の燃料
集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉
心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部
には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させて
なる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平
均濃縮度の違いにより３種類以上に種分けし、さらに集
合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体
に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２
種類に種分けし、炉心最外周の燃料集合体をすべて集合
体平均濃縮度が中位で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本
数が少ないものとしたことを特徴とする原子炉の初装荷
炉心。
【請求項１１】１本の制御棒の周りに４体１組の燃料
集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉
心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部
には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させて
なる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平
均濃縮度の違いにより３種類以上に種分けし、集合体平
均濃縮度が最も低い燃料集合体と２番目に低い燃料集合
体とが可燃性毒物入り燃料棒を有しないものとし、また
コントロールセルを構成する燃料単位に最低濃縮度の燃
料集合体を配置するとともに、炉心最外周に集合体平均
濃縮度が２番目に低い燃料集合体を配置したことを特徴
とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項１２】１本の制御棒の周りに４体１組の燃料
集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉
心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部
には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させて
なる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平
均濃縮度の違いにより低濃縮燃料集合体、中濃縮燃料集
合体および高濃縮燃料集合体の３種類に種分けし、その
高濃縮燃料集合体をさらに可燃性毒物入り燃料捧の本数
が異なるＡタイプ，Ｂタイプの２つのタイプに種分け
し、前記Ａタイプの高濃縮燃料集合体は前記Ｂタイプの
高濃縮燃料集合体よりも可燃性毒物入り燃料捧の本数が
１本以上多く、かつ前記Ｂタイプの高濃縮燃料集合体の
炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率が最大とな
る燃焼度が、前記Ａタイプの高濃縮燃料集合体の炉心装
荷体系無限配列における中性子増倍率が最大となる燃焼
度よりも低いものとし、さらに燃料装荷パターンは、炉
心最外周と最外周から２層目とにすべて前記Ｂタイプの
高濃縮燃料集合体を配置し、かつコントロールセルを構
成する燃料単位の燃料集合体をすべて前記低濃縮燃料と
したことを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項１３】請求項１２記載の炉心において、Ｂタ
イプの高濃縮燃料集合体の炉心装荷体系無限配列におけ
る中性子増倍率が最大となる燃焼度と、Ａタイプの高濃
縮燃料集合体の炉心装荷体系無限配列における中性子増
倍率が最大となる燃焼度との差を、５GWd/t 以下とした
ことを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項１４】請求項１２または１３記載の炉心にお
いて、ＡタイプおよびＢタイプの各高濃縮燃料集合体に
含まれる可燃性毒物入り燃料捧の本数の差を４本とした
ことを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項１５】請求項１４記載の炉心において、Ａタ
イプの各高濃縮燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃
料捧の本数を１４本とし、かつＢタイプの各高濃縮燃料
集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数を１０本
としたことを特徴とする原子炉の炉心。