JP2003149367A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 最高濃縮度が5wt%制限下で局所ピーキングの
増大を許容し、熱的運転余裕を確保でき、50GWd/t程度
以上の高燃焼度のＢＷＲ用燃料集合体を得る。 【解決手段】 燃料棒が燃料有効長と等しい燃料有効長
を持つ標準燃料棒１と燃料有効長の短い部分長燃料棒２
とに分けられ、更に、前記燃料棒が可燃性毒物を含まな
い燃料棒Ｕと可燃性毒物含有燃料棒Ｇとに分けられ、可
燃性毒物含有燃料棒Ｇが上下端を除く全領域に可燃性毒
物を含む全長毒物含有燃料棒Ｇａと下部領域Ｌにのみ可
燃性毒物を含む部分長毒物含有燃料棒Ｇｂとに分けら
れ、前記燃料棒ＧｂはＮ_Ｇｂ＝(Ｎ_Ｇａ・Ｎ_２ )／Ｎ_１
で得られるＮ_Ｇｂに近似する整数の本数だけ備えるもの
（但し、Ｎ_１ ：標準燃料棒１の本数、Ｎ_２ ：部分長燃
料棒２の本数、Ｎ_Ｇａ：全長毒物含有燃料棒Ｇａの本
数、Ｎ_Ｇｂ：部分長毒物含有燃料棒Ｇｂ数）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は本発明は沸騰水型原
子炉に用いる燃料集合体、特に、高燃焼度化を目的とす
る取替燃料集合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉における燃料集合体の設
計分野においては、平均濃縮度を増加し、反応度を増大
させることで平均取出燃焼度を増大させることのでき
る、より経済性の高い燃料集合体の開発が進められてい
る。燃料集合体の平均濃縮度を高めた場合には、運転中
においては反応度ミスマッチの増大等により、最大線出
力密度や最小限界出力比といった熱的運転余裕が小さく
なり、また、低温時においては燃料集合体の反応度の増
大により、原子炉停止余裕が小さくなるといった問題が
生じる。

【０００３】また、燃料集合体は、熱的運転余裕が確保
できるよう、燃料棒ごとに濃縮度分布を持たせることで
燃料集合体の半径方向における燃料棒の相対出力（燃料
棒局所ピーキング）を必要以上に大きくしない設計が施
される。一方、製造工程における臨界安全上の観点から
取り扱い可能な濃縮度は５ｗｔ％以下である。このた
め、高濃縮度化を図るにつれ、濃縮度分布によって燃料
棒局所ピーキングを小さくするには自ずと限界が生じ
る。

【０００４】１０行ｌ０列の燃料棒格子配列を有する１
０×１０燃料は、先行する９×９燃料よりも燃料棒本数
が２０％以上多い。このため、燃料棒１本当たりの熱負
荷が低減し、熱的運転余裕が増すこととなり、この分だ
け燃料棒局所ピーキングを大きくできる。

【０００５】しかし、燃料棒数を増やしただけの１０×
１０燃料は、９×９燃料よりも燃料棒本数が増えた分だ
け、圧損が高まる方向にありチャンネル水力学的安定性
が悪化する。このため、１０×ｌ０燃料に用いる燃料棒
には、燃料集合体の発熱有効長と等しい有効長を持つ標
準燃料棒の他に、標準燃料棒よりも燃料有効長の短い部
分長燃料棒を採用する従来技術がある。部分長燃料棒の
採用は、燃料有効長さ上部の二相圧損を小さくし、チャ
ンネル水力学的安定性の悪化を抑制するのに役立つ。

【０００６】ところで、最大線出力密度は原子炉運転中
の重要な監視パラメータであり、燃料集合体の設計にお
いては、運転中の最大線出力密度が運転制限値（通常１
３．４ｋＷ／ｆｔ）以下に十分留まるよう工夫する必要
がある。部分長燃料棒の存在は、軸方向出力分布の下部
ピークを大きくする結果、最大線出力密度が増大する傾
向がある。

【０００７】使用可能なウラン濃縮度に５ｗｔ％の制約
がある限り、たとえ１０×１０燃料であっても、部分長
燃料棒の採用に伴う最大線出力密度の上昇は、高濃縮度
化を目的に最高濃縮度ペレットを多く配し、燃料棒局所
ピーキングを大きくした設計を実施する上で大きな制約
となる。部分長燃料棒を有するｌ０×１０燃料に対し
て、最大線出力密度の運転制限値を満たしつつ高濃縮度
化を実現するには、相当の工夫が必要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、最高濃縮度
が５ｗｔ％の制限下において、燃料棒局所ピーキングの
増大を許容しつつも熱的運転余裕を確保できると共に、
例えば平均取出燃焼度が５０ＧＷｄ／ｔ程度以上といっ
た高燃焼度化を達成するに好適な沸騰水型原子炉用燃料
集合体を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体は、核燃料物質と
して二酸化ウランペレットを被覆管内に充填した燃料棒
群が１０行１０列の正方格子配列に規則正しく配置さ
れ、前記核燃料物質は最高ウラン濃縮度を４．９乃至
５．０ｗｔ％の範囲としたペレットを最も多く含み、前
記正方格子配列内には前記燃料棒複数本相当の領域を占
める太径水ロッドが配置されている沸騰水型原子炉用燃
料集合体において、前記燃料棒は、 ・前記燃料集合体の燃料有効長と等しい燃料有効長を持
つ標準燃料棒１と、 ・標準燃料棒よりも燃料有効長の短い部分長燃料棒２と
に分けられ、更に、前記燃料棒は、 ・可燃性毒物を含まない燃料棒Ｕと、 ・軸方向の一部に可燃性毒物を含む可燃性毒物含有燃料
棒Ｇとに分けられ、前記可燃性毒物含有燃料棒Ｇは、 ・燃料集合体の燃料有効長の上下端を除く全軸方向領域
に可燃性毒物を含む全長毒物含有燃料棒Ｇａと、 ・燃料集合体の燃料有効長の下端を除く最も下部側に位
置する下部領域Ｌにのみ可燃性毒物を含む部分長毒物含
有燃料棒Ｇｂとに分けられ、前記部分長毒物含有燃料棒
Ｇｂは、次の数２に示された式で得られる短軸毒物燃料
棒Ｇｂ数（Ｎ_Ｇｂ）に近似する整数の本数だけ備えられ
ているものである。

【００１０】

【数２】Ｎ_Ｇｂ＝(Ｎ_Ｇａ・Ｎ_２ )／Ｎ_１ Ｎ_１ ：標準燃料棒１の本数 Ｎ_２ ：部分長燃料棒２の本数 Ｎ_Ｇａ：全長毒物含有燃料棒Ｇａの本数 Ｎ_Ｇｂ：部分長毒物含有燃料棒Ｇｂ数

【００１１】請求項２に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１に記載の部分長燃料棒
２の燃料有効長が前記標準燃料棒１の燃料有効長の５０
〜７０％である場合に、下部領域Ｌが占める長さは、前
記標準燃料棒１の燃料有効長の２０〜４０％の範囲内に
あるものである。

【００１２】請求項３に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１又は２に記載の部分長
毒物含有燃料棒Ｇｂにおける可燃性毒物の含有濃度は、
燃料集合体中で最低濃度であるものである。

【００１３】請求項４に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１〜３の何れかに記載の
下部領域Ｌは少なくとも２種類の濃度の可燃性毒物を含
み、しかも、下部領域Ｌにおいて最低濃度の可燃性毒物
を有する燃料棒の本数は、前記部分長毒物含有燃料棒Ｇ
ｂの本数よりも多いものである。

【００１４】請求項５に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１〜４の何れかに記載の
燃料集合体において、最外周にあって四隅部及び四隅部
近傍に位置する少なくとも一部の燃料棒と；前記太径水
ロッドに近接する少なくとも一部の燃料棒と；を除く燃
料棒は全て最高濃縮度ペレットを含んでいるものであ
る。

【００１５】請求項６に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１〜５の何れかに記載の
太径水ロッドは燃料棒９本分の領域を占める角管状の１
本の水ロッドであるものである。

【００１６】請求項７に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、請求項１〜６の何れかに記載の
部分長燃料棒２の少なくとも複数本は、前記太径水ロッ
ドに隣接して配置されているものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明においては、部分長毒物含
有燃料棒Ｇｂの本数を、前記数２に示された式で求め
る。得られた短軸毒物燃料棒Ｇｂ数（Ｎ_Ｇｂ）は、整数
でない場合があるため、この短軸毒物燃料棒Ｇｂ数（Ｎ
_Ｇｂ）に近似する整数の本数だけ実際は装荷されるもの
である。

【００１８】この数１に示された式は、下記の特性調査
に従い最適化した条件である。図１は部分長燃料棒の本
数をパラメータとしたときの燃料集合体断面のガドリニ
ア入り燃料棒の本数と無限増倍率との関係を示した線図
である。部分長燃料棒の本数は０〜１６本の範囲で調査
した。部分長燃料棒０本は燃料集合体の下部領域に、そ
れ以外は上部領域に対応する。上部側領域における部分
長燃料棒とは燃料がなく空隙の状態を意味する。本図
は、仮想的に全ての燃料棒の濃縮度を５．０ｗｔ％と
し、定格出力運転条件下、未燃焼時での無限増倍率を評
価した結果である。この際、ガドリニアの濃度は６ｗｔ
％を仮定した。また、運転中のボイド率は下部よりも上
部で大きくなるが、冷却材のボイド率は出力運転中の典
型値である４０％とした。

【００１９】図１より以下のことが判る。 (1) ガドリニア入り燃料棒０本の結果を比べたとき、部
分長燃料棒（運転中は、ボイドを含む冷却水で満たされ
た領域）の本数が多いほど、僅かに無限増倍率は大きく
なっている。これは、運転中、燃料集合体は減速不足で
あり、部分長燃料棒が増えることで、燃料棒が冷却水に
取って代わる結果中性子の減速が促進され、反応度が高
まるためである。 (2) 一方、ガドリニア入り燃料棒の本数が増えるに従
い、この傾向は逆転し、部分長燃料棒の本数が多いほ
ど、無限増倍率は小さくなる。一般に、燃料集合体の軸
方向出力はボイド率の差により下部側に歪む（下部ピー
クとなる）傾向を持つが、部分長燃料棒を複数本配置し
た燃料集合体おいて、ほぼ全長に亘ってガドリニアを添
加した標準燃料棒を配置し、特に、その本数が多い場合
には、部分長燃料棒の数が増えるほど、無限増倍率は燃
料集合体上部側よりも下部側（図では部分長燃料棒０本
に対応）で相対的に大きくなる、つまりは、下部ピーク
がさらに高まることを示している。

【００２０】図２は図１の横軸を整理し直したものであ
り、横軸は、断面内燃料棒本数に対するガドリニア入り
燃料棒の本数割合を示している（本数割合とは、例え
ば、部分長燃料棒１６本、ガドリニア入り燃料棒２０本
の場合には、全燃料棒本数は９１本であるから、断面内
燃料棒本数＝９１−１６＝７５本、よって横軸は２０／
７５＝２６．７％となる）。この場合、ガドリニア入り
燃料棒の本数割合の増加に伴う無限増倍率の低下は、部
分長燃料棒の本数にほとんど依存しない。

【００２１】本発明の数２で示された式は、図２の特性
を利用する。即ち、部分長燃料棒が存在する下部側領域
と存在しない上部側領域との各々に対し、ガドリニア入
り燃料棒の本数割合が同じとなる条件は、次の数３で示
された（１）式で与えられる。（１）式より、部分長毒
物含有燃料棒Ｇｂ数（Ｎ_Ｇｂ）は数３の（２）式で与え
られる。このＮ_Ｇｂ分だけ下部側領域においてガドリニ
ア入り燃料棒の数を増やせば、部分長燃料棒の採用に伴
う下部ピークの増大を回避できることが理解できる。

【００２２】

【数３】 （Ｎ_Ｇａ＋Ｎ_Ｇｂ）／（Ｎ_１＋Ｎ_２）＝Ｎ_Ｇａ／Ｎ_１ …（１） ∴ Ｎ_Ｇｂ＝（Ｎ_Ｇａ・Ｎ_２）／Ｎ_１ …（２）

【００２３】（２）式の適用性は次の方法で確認した。
先ず、仮想的に以下の構成の燃料集合体を想定し、計算
コードを用いて各々の燃料集合体の平衡炉心設計を実施
した。この際、燃料集合体としては、全燃料棒本数は９
１本であり、うち標準燃料棒が７９本、部分長燃料棒は
１２本である。但し、比較用のケース０は部分長燃料棒
が０本であり、部分長燃料棒の影響を受けないケースに
相当する。全長毒物含有燃料棒Ｇａの本数は１６本とし
た。本計算では、部分長毒物含有燃料棒Ｇｂの本数（Ｎ
_Ｇｂ）をパラメータに解析を実施した。Ｎ_Ｇｂは次の表
１のとおりとした。ここでは、下部領域で増やすガドリ
ニア入り燃料棒のガドリニアが添加された領域（つまり
は、本発明の下部領域Ｌが占める領域）の軸方向上端位
置は、部分長燃料棒の有効長上端に同じとした。

【００２４】

【表１】

【００２５】図３は、平衡炉心サイクル初期における炉
心平均軸方向出力分布の相対値を示している。同図
（ａ）はケース０とケース１の比較である。ケース１で
は部分長燃料棒の影響により、ケース０に比して下部ピ
ーキングが高まっている。同図（ｂ）は、ケース０とケ
ース２及び３の比較である。下部領域のガドリニア入り
燃料棒の本数を２乃至３本増やすことで部分長燃料棒の
影響は相殺されている。（２）式によるＮ_Ｇｂは２．４
となり、燃料棒Ｇｂの本数としては、最も近似の２本、
次に近似の３本となり、（２）式の妥当性が確認でき
た。

【００２６】ところで、本発明の下部領域Ｌが占める長
さには、サイクル初期の最大線出力密度を最小化する最
適範囲がある。図４は下部領域Ｌの占める軸方向割合を
パラメータとして変化させ、平衡炉心特性を評価したと
きの最大線出力密度の変化を示す線図である。図におい
て、横軸が０％は本発明の下部領域Ｌがないとき、５８
％は下部領域Ｌの上端が、部分長燃料棒有効長上端と一
致した場合に相当する。

【００２７】図に示す通り、下部領域Ｌの占める長さが
燃料集合体の有効長の２０〜４５％程度の範囲内で、最
大線出力密度は、最小化することが判った。なお、本図
は前述のケース２において、部分長燃料棒２の有効長
を、燃料集合体の有効長の約２／３としたときの結果を
示したものである。部分長燃料棒２の有効長が５０％か
ら７０％程度の範囲で同様の検討を行う限りにおいて
は、下部領域Ｌの最適長さはやはり存在し、それは２０
〜４０％程度の範囲内であった。

【００２８】従って、本発明では、好ましくは部分長燃
料棒の燃料有効長が標準燃料棒の燃料有効長の５０〜７
０％であると共に、下部領域Ｌが占める長さが前記標準
燃料棒１の燃料有効長の２０〜４０％とするものであ
る。

【００２９】一般に、運転中の炉心の最大線出力密度
は、サイクル初期における取替新燃料集合体の下部で大
きくなる。これは、取替新燃料集合体では、燃料棒相対
出力の最大値（局所ピーキング係数）が大きいこと、ま
た、サイクル初期は余剰反応度が高く、制御棒が深挿入
となったり、炉心流量が低くなることなどに起因して、
下部出力が大きくなる傾向があることによる。一方、燃
焼に伴い取替新燃料集合体の反応度は大きくなるもの
の、局所ピーキング係数は低減するため、サイクル中期
以降においては、燃料棒本数が多い１０×１０燃料で
は、９×９燃料に比して最大線出力密度は運転制御値に
対して過度の余裕を持つ傾向がある。

【００３０】このため、本発明の下部領域Ｌにのみガド
リニアを含有する部分長毒物含有燃料棒Ｇｂは、サイク
ル初期における最大線出力密度を低減する目的から、部
分長毒物含有燃料棒Ｇｂに含有するガドリニアの濃度
は、濃い必要はなく、燃料集合体中で最低濃度としてよ
い。

【００３１】従って、本発明では、好ましくは部分長毒
物含有燃料棒Ｇｂにおける可燃性毒物の含有濃度は、燃
料集合体中で最低濃度とするものである。

【００３２】さらに、本発明では、下部領域Ｌおける最
低濃度の可燃性毒物を有する燃料棒の本数は、部分長毒
物含有燃料棒Ｇｂの本数よりも多くすることを提案す
る。これは、前述のサイクル中期以降における最大線出
力密度の余裕を利用し、経済性に振り分けるための手段
である。つまり、下部領域Ｌにおけるガドリニア濃度を
相対的に低くしておけば、サイクル中期では、この領域
の反応度が高まり、出力分布の下部歪みを大きくでき
る。これにより、炉心の平均ボイド率が高まり、スペク
トルが硬くなる結果、燃料集合体上部おいて核分裂性物
質であるプルトニウムの蓄積が促進され、反応度すなわ
ち燃料経済性が向上する。

【００３３】従って、本発明では、好ましくは下部領域
Ｌは少なくとも２種類の濃度の可燃性毒物を含み、しか
も、下部領域Ｌにおいて最低濃度の可燃性毒物を有する
燃料棒の本数は、前記部分長毒物含有燃料棒Ｇｂの本数
よりも多くする。

【００３４】図５は本発明構成の１０×１０格子燃料集
合体の断面について、仮想的に全ての燃料棒の濃縮度を
５．０ｗｔ％とし、可燃性毒物のガドリニアを添加しな
いとしたときの定格出力運転条件下、未燃焼時での燃料
棒局所ピーキングの相対値を示した説明図である。本図
は、下部側の一横断面を示しており、本例では、燃料棒
本数は９１本、中央部には９本分の燃料棒領域を占める
角管状の水ロッドが配されている。

【００３５】本図より最外周四隅部付近に位置する燃料
棒の出力が大きくなっているのが判る。詳細な濃縮度及
びガドリニア分布を行う核設計を実施しても、これらの
燃料棒の一部は、元来出力が高まり易い位置であるた
め、運転中、最大線出力密度を制限値以下とするために
は、最高濃縮度にできない場合がある。

【００３６】また、ガドリニアが添加された燃料ペレッ
トは、これを添加しない場合に比べて、熱伝導度が低下
する。熱伝導度の低下は燃料ペレットの温度上昇をまね
くため、核分裂生成物（ＦＰガス）の放出が増え、燃料
棒の内圧が上昇し、燃料健全性が損なわれるといった好
ましくない事態をまねく。これは、ガドリニアの濃度が
濃いほど顕著となる。これを防ぐため、太径水ロッドに
隣接する位置にガドリニア入り燃料棒を配した場合に
は、これら燃料棒の濃縮度は、最高濃縮度としないほう
が良い。

【００３７】本発明の燃料集合体は、最外周にあって四
隅部付近に位置する少なくとも一部の燃料棒と、前記太
径水ロッドに近接する少なくとも一部の燃料棒とを除く
全ての燃料棒には最高濃縮ペレットを含有させること
で、燃料集合体の平均濃縮度を高めることができる。こ
の構成による局所ピーキング係数の増大は、下部領域Ｌ
の構成と組み合わせることで吸収でき、最大線出力密度
を許容範囲に留めることができる。

【００３８】従って、本発明では、好ましくは最外周に
あって四隅部及び四隅部近傍に位置する少なくとも一部
の燃料棒と；前記太径水ロッドに近接する少なくとも一
部の燃料棒と；を除く燃料棒は全て最高濃縮度ペレット
を含むものである。

【００３９】また、本発明に用いる太径水ロッドは、十
分な非沸騰領域を確保するため燃料棒９本分の領域を占
める角管状の１本の水ロッドであることが望ましい。こ
の構成の水ロッドは摩擦圧損をあまり増大させることな
く、従って、部分長燃料棒の本数を過度に増やすことが
ないため核燃料物質の充填量の減少に伴う経済性の悪化
を最小限に抑え、しかも、出力運転中においては軸方向
出力分布の平坦化と、ボイド係数の絶対値の緩和に作用
するため、高濃縮度化すなわち高燃焼度化に対し好適で
ある。

【００４０】従って、本発明では、好ましくは太径水ロ
ッドは燃料棒９本分の領域を占める角管状の１本の水ロ
ッドを採用する。

【００４１】さらに、本発明では、部分長燃料棒の少な
くとも複数本は、太径水ロッドに隣接して配置すること
を提案する。この場合、太径水ロッドとこれに隣接する
部分長燃料棒は、停止時において冷却水で満たされた大
きな熱中性子吸収領域を形成するため、停止余裕は一層
向上する。従って、上部領域の平均濃縮度を過度に低減
することなく停止余裕が確保できるため、燃料集合体平
均濃縮度の増大を図ることができる。つまり、本構成は
停止余裕を確保して高燃焼度化に対し好適である。

【００４２】よって、本発明では、好ましくは部分長燃
料棒２の少なくとも複数本は、太径水ロッドに隣接して
配置する。

【００４３】

【実施例】以下に具体的な実施例を示す。詳細な説明は
最も好適な第４の実施例に対して行う。 （実施例１）図６は第１の実施例である燃料集合体の濃
縮度及びガドリニア分布を示す説明図である。同図は燃
料棒９本分の領域を占める角型水ロッドを燃料集合体の
中央に配した１０×１０燃料集合体の例である。燃料棒
本数は全てで９１本であり、うち８３本は標準燃料棒で
ある。残りの８本は標準燃料棒の約５０％（１２／２
４）の燃料有効長を持つ部分長燃料棒である。また、全
長毒物含有燃料棒Ｇａは１４本で、（２）式よりＮ_Ｇｂ
は１．３（＝１４×８／８３）となるため、部分長毒物
含有燃料棒Ｇｂは１本とした。下部領域Ｌの長さは標準
燃料棒の２５％（６／２４）であり、前述の好適条件の
範囲内である。

【００４４】以上の構成により、ボイド係数の絶対値の
緩和とチャンネル、炉心、領域安定性及び最大線出力密
度に対する余裕を確保できる。さらに、本実施例の場
合、上下に配された天然ウランを除くと、四隅のタイプ
２燃料棒とこれに近接するタイプ３燃料棒を除いては、
全て最高濃縮度となっている。本発明の構成により、最
高濃縮度５．０ｗｔ％以下の条件下であっても、平均濃
縮度は天然ウランを除く領域で４．８ｗｔ％、集合体平
均で４．５ｗｔ％まで高めることができ高濃縮度化が実
現できる。

【００４５】（実施例２）図７は第２の実施例である燃
料集合体の濃縮度及びガドリニア分布を示す説明図であ
る。構造的な構成及び濃縮度配列は第１の実施例に同じ
であり、ガドリニア分布のみが異なる。ここでは、下部
領域Ｌにおいてガドリニア濃度を低減させている。すな
わち、部分長毒物含有燃料棒Ｇｂ（図中、タイプＧ１）
と全長毒物含有燃料棒Ｇａの一部（図中、タイプＧ３）
のガドリニア濃度を下部領域で１．５ｗｔ％と低濃度化
した。これに伴い、サイクルから中期にかけて余剰反応
度の増加を抑制するため全長毒物含有燃料棒Ｇａの本数
を１本増やし１６本とした。

【００４６】また、（２）式のＮ_Ｇｂは１．５（＝１６
×８／８３）となることから部分長毒物含有燃料棒Ｇｂ
の本数を１本増やし２本とした。以上の構成により、サ
イクル中期での最大線出力密度を積極的に高めることが
でき、実施例１よりもさらに経済性が向上した設計とす
ることができる。

【００４７】（実施例３）図８は第３の実施例である燃
料集合体の濃縮度及びガドリニア分布を示す説明図であ
る。本実施例では、実施例２に対し、部分長燃料棒の数
を増やし１６本とした場合であり、チャンネル安定性の
更なる改善を図っている。また、部分長燃料棒のうち８
本を水ロッドに隣接することで停止余裕の向上を図って
いる。さらに、停止余裕の向上を利用し、最上部付近の
ガドリニアの濃度を低減することでサイクル末期におけ
るガドリニアの残留をなくし、経済性向上に振り分け
た。

【００４８】なお、本例では部分長燃料棒の有効長は、
燃料集合体中のウラン重量の低減を最小限に留めるため
標準燃料棒の約７０％（１７／２４）まで長くしてい
る。本構成の燃料集合体の場合、全長毒物含有燃料棒Ｇ
ａの本数を１７本として余剰反応度特性が適正化する。
この際、（２）式のＮ_Ｇｂは３．６（＝１７×１６／７
５）となることから部分長毒物含有燃料棒Ｇｂの本数は
４本とした。以上の構成により実施例２に比べて一層、
安定性、停止余裕と経済性が向上する。

【００４９】（実施例４）図９は第４実施例である燃料
集合体の濃縮度及びガドリニア分布を示す説明図であ
り、図１０は別の第４実施例である燃料集合体の濃縮度
及びガドリニア分布を示す説明図である。２つの実施例
は、互いにガドリニア入り燃料棒の本数が異なってお
り、ガドリニア入り燃料棒の本数（全長毒物含有燃料棒
Ｇａと部分長毒物含有燃料棒Ｇｂの和）は、図９では１
７本、また、図１０では２２本である。燃料棒本数は全
てで９１本であり、うち７９本は標準燃料棒である。残
りの１２本を標準燃料棒の約６０％（１４／２４）の有
効長を持つ部分長燃料棒とすることで、二層圧損を低減
しチャンネル安定性を向上させている。

【００５０】また、角型水ロッドの採用により非沸騰領
域を確保し、高濃縮度化に伴うボイド係数絶対値の増大
を緩和させているため、チャンネル安定性の向上と相ま
って、炉心安定性及び領域安定性の向上が図られる。本
例の場合、部分長燃料棒のうち４本が水ロッドに隣接し
て配置された構造となっている。この構造により、前述
のとおり高濃縮度化した場合であっても十分な停止余裕
を確保できる。

【００５１】図９及び図１０に示す実施例において、濃
縮度配列は互いに同じとした。上下端に配された天然ウ
ランを除くと、四隅の燃料棒Ｕ（図中、タイプ３燃料
棒）と、これに近接する燃料棒Ｕの一部（図中、タイプ
２燃料棒）、また、水ロッドの近傍に配された一部の燃
料棒（図９では燃料棒Ｕ（図中タイプ２燃料棒）、図１
０では燃料棒Ｇ（図中タイプＧ４燃料棒）を除いては、
全て最高濃縮度となっている。この結果、最高濃縮度
５．０ｗｔ％以下の条件下であっても、平均濃縮度は天
然ウランを除く領域で４．８ｗｔ％、集合体平均で４．
５ｗｔ％まで高めることができる。

【００５２】部分長毒物含有燃料棒Ｇｂは図９では３
本、図１０では４本である。それぞれの実施例につい
て、（２）式のＮ_Ｇｂを求めると、図９では２．１（＝
１４×１２／７９）、また、図１０では２．７（＝１８
×１２／７９）である。本実施例において部分長毒物含
有燃料棒Ｇｂの本数はそれぞれ３及び４本であり（２）
式をほぼ満足することから、部分長燃料棒によって下部
ピークが増大する効果を相殺させることができる。ま
た、下部領域Ｌの長さは有効長の約３０％（７／２４）
であり、最大線出力密度を最小化する最適長さである２
０〜４０％程度の範囲内にある。

【００５３】部分長毒物含有燃料棒Ｇｂのガドリニア濃
度は３．５ｗｔ％（図中３．５Ｇと表記）であり、集合
体中最低濃度とした。これにより、部分長毒物含有燃料
棒Ｇｂによる出力分布の下部ピークの抑制は、サイクル
前半に対してのみ作用する。さらに、Ｇｂ以外にも下部
領域Ｌにおいて最低濃度のガドリニアを有する燃料棒
（図中、タイプＧ３燃料棒）を２本配した。

【００５４】この構成によりサイクル中期以降は、図中
タイプＧ３燃料棒の存在が下部領域Ｌにおける反応度を
高め、下部ピークが増大しやすくなる。この結果、前述
のとおり、最大線出力密度が厳しくなりにくいサイクル
中期に対して積極的に下部ピークとすることができるた
め、プルトニウムの蓄積が促進され反応度は向上する。

【００５５】以下、本実施例の燃料集合体を用いたとき
の炉心特性について示す。炉心特性は、図９及び図１０
に示した２種類の設計の燃料集合体を炉心に装荷した場
合の平衡炉心設計により評価した。両燃料は濃縮度は同
じであるが、ガドリニア入り燃料棒本数が異なるため、
取替配分を変えることでサイクル初期の余剰反応度特性
の調節が可能である。図９及び図１０の燃料をそれぞれ
低Ｇｄ燃料及び高Ｇｄ燃料と呼ぶ。

【００５６】燃料装荷パターンを図１１に示す。ここ
で、図１１は電気出力１１０万ｋＷ級、炉内燃料集合体
数７６４体の沸騰水型原子炉における炉内燃料配置の１
／４象限を示したものである。図中に付した番号は燃料
の燃焼サイクルを示している。取替新燃料集合体は２１
２体であり、燃料は最大４サイクル燃焼する。解析で
は、同一の装荷パターンに従って炉心特性が収束するま
で燃料装荷（燃料シャフリング）と運転（燃焼計算）を
繰り返し、平衡炉心を作成している。本解析では、サイ
クル長さは約１８ヶ月を仮定した。このとき燃料集合体
の平均取出燃焼度は約５１ＧＷｄ／ｔを達成できた。

【００５７】また、このときの最大線出力密度は１２ｋ
Ｗ／ｆｔ以下であり、運転制限値１３．４ｋＷ／ｆｔに
対し十分な余裕がある。図１２に運転中の最大線出力密
度のサイクル燃焼度推移を示す。以下、本図をもとに本
発明による最大線出力密度の改善効果を説明する。本図
中実線は本実施例の平衡炉心における挙動である。ま
た、破線で示す挙動は、本発明の効果を比較するため、
本発明のうち最大線出力密度の改善に係る構成を用いな
い場合の設計での結果である。比較用設計では図９の実
施例に対し部分長毒物含有燃料棒Ｇｂを用いず、さらに
最低濃度のガドリニアを下部領域に用いないものとし
た。図１１より明らかなように、比較用設計では、サイ
クル初期の最大線出力密度は運転制限値に近く、高濃縮
度化に伴い運転余裕が小さくなる反面、サイクル中期の
最大線出力密度には過度の余裕がある。一方、本発明の
場合、サイクル初期の運転余裕は拡大し、過度の余裕が
あるサイクル中期では下部ピークの増大を許容できるた
め反応度が向上する。

【００５８】以上、実施例に示した燃料集合体では、天
然ウランを除いて燃料棒には濃縮度の軸方向分布を持た
せることなく良好な炉心特性を確保できる。この場合、
燃料集合体成型加工の工程が簡素化されるという利点も
ある。もちろん、工程が複雑となることを覚悟すれば、
本発明構成に対し軸方向に濃縮度分布を持たせ、更なる
炉心特性の改善を図ってもよいことは言うまでもない。

【００５９】なお、運転中監視する熱的状態には、最大
線出力密度の他に最小限界出力比がある。最小限界出力
比については、沸騰遷移に至る限界出力を向上させるこ
とが熱的運転余裕の向上につながる。限界出力は燃料棒
出力に直接関係するが、一方、燃料棒を束ねるスペーサ
の設計や燃料棒間隔など熱水力特性に係る構造にも深く
関係する。スペーサ構造などの改良により限界出力が改
善されれば、本発明は高濃縮度化に対して極めて有効な
手段となる。

【００６０】本発明によれば、比較的単純な濃縮度分布
であっても、最高濃縮度が５ｗｔ％の制限下において最
大線出力密度を運転許容範囲内に抑え、停止余裕を確保
し、さらに運転中の出力分布を適正化することで燃料反
応度を高めつつ、高燃焼度化を達成するに好適な沸騰水
型原子炉用燃料集合体を提供できるため、本産業の発展
に著しく貢献する。

【００６１】

【発明の効果】本発明は以上説明した通り、最高濃縮度
が５ｗｔ％の制限下において、燃料棒局所ピーキングの
増大を許容しつつも熱的運転余裕を確保できると共に、
例えば平均取出燃焼度が５０ＧＷｄ／ｔ程度以上といっ
た高燃焼度化を達成するに好適な沸騰水型原子炉用燃料
集合体を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガドリニア燃料棒の本数と無限増倍率との関係
を示した線図である。

【図２】ガドリニア燃料棒の本数割合と無限増倍率との
関係を示した線図である。

【図３】サイクル初期における炉心平均出力分布の相対
値を示す説明図である。

【図４】下部領域Ｌの占める長さと最大線出力密度との
関係を示す線図である。

【図５】１０×１０格子燃料集合体の燃料棒相対出力分
布の説明図である。

【図６】第１の実施例である燃料集合体の濃縮度及びガ
ドリニア分布を示す説明図である。

【図７】第２の実施例である燃料集合体の濃縮度及びガ
ドリニア分布を示す説明図である。

【図８】第３の実施例である燃料集合体の濃縮度及びガ
ドリニア分布を示す説明図である。

【図９】第４の実施例である燃料集合体の濃縮度及びガ
ドリニア分布を示す説明図である。

【図１０】別の第４の実施例である燃料集合体の濃縮度
及びガドリニア分布を示す説明図である。

【図１１】沸騰水型原子炉における燃料装荷パターンの
例を示す説明図である。

【図１２】最大線出力密度のサイクル燃焼度推移を示す
説明図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核燃料物質として二酸化ウランペレット
   を被覆管内に充填した燃料棒群が１０行１０列の正方格
   子配列に規則正しく配置され、 前記核燃料物質は最高ウラン濃縮度を４．９乃至５．０
   ｗｔ％の範囲としたペレットを最も多く含み、前記正方
   格子配列内には前記燃料棒複数本相当の領域を占める太
   径水ロッドが配置されている沸騰水型原子炉用燃料集合
   体において、 前記燃料棒は、 ・前記燃料集合体の燃料有効長と等しい燃料有効長を持
   つ標準燃料棒１と、 ・標準燃料棒よりも燃料有効長の短い部分長燃料棒２と
   に分けられ、更に、前記燃料棒は、 ・可燃性毒物を含まない燃料棒Ｕと、 ・軸方向の一部に可燃性毒物を含む可燃性毒物含有燃料
   棒Ｇとに分けられ、前記可燃性毒物含有燃料棒Ｇは、 ・燃料集合体の燃料有効長の上下端を除く全軸方向領域
   に可燃性毒物を含む全長毒物含有燃料棒Ｇａと、 ・燃料集合体の燃料有効長の下端を除く最も下部側に位
   置する下部領域Ｌにのみ可燃性毒物を含む部分長毒物含
   有燃料棒Ｇｂとに分けられ、 前記部分長毒物含有燃料棒Ｇｂは、次の数１に示された
   式で得られる短軸毒物燃料棒Ｇｂ数（Ｎ_Ｇｂ）に近似す
   る整数の本数だけ備えられていることを特徴とする沸騰
   水型原子炉用燃料集合体。 【数１】Ｎ_Ｇｂ＝(Ｎ_Ｇａ・Ｎ_２ )／Ｎ_１ Ｎ_１ ：標準燃料棒１の本数 Ｎ_２ ：部分長燃料棒２の本数 Ｎ_Ｇａ：全長毒物含有燃料棒Ｇａの本数 Ｎ_Ｇｂ：部分長毒物含有燃料棒Ｇｂ数
2. 【請求項２】 前記部分長燃料棒２の燃料有効長が前記
   標準燃料棒１の燃料有効長の５０〜７０％である場合
   に、下部領域Ｌが占める長さは、前記標準燃料棒１の燃
   料有効長の２０〜４０％の範囲内にあることを特徴とす
   る請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. 【請求項３】 前記部分長毒物含有燃料棒Ｇｂにおける
   可燃性毒物の含有濃度は、燃料集合体中で最低濃度であ
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の沸騰水型原子
   炉用燃料集合体。
4. 【請求項４】 前記下部領域Ｌは少なくとも２種類の濃
   度の可燃性毒物を含み、しかも、下部領域Ｌにおいて最
   低濃度の可燃性毒物を有する燃料棒の本数は、前記部分
   長毒物含有燃料棒Ｇｂの本数よりも多いことを特徴とす
   る請求項１〜３の何れかに記載の沸騰水型原子炉用燃料
   集合体。
5. 【請求項５】 最外周にあって四隅部及び四隅部近傍に
   位置する少なくとも一部の燃料棒と；前記太径水ロッド
   に近接する少なくとも一部の燃料棒と；を除く燃料棒は
   全て最高濃縮度ペレットを含んでいることを特徴とする
   請求項１〜４の何れかに記載の沸騰水型原子炉用燃料集
   合体。
6. 【請求項６】 前記太径水ロッドは燃料棒９本分の領域
   を占める角管状の１本の水ロッドであることを特徴とす
   る請求項１〜５の何れかに記載の沸騰水型原子炉用燃料
   集合体。
7. 【請求項７】 前記部分長燃料棒２の少なくとも複数本
   は、前記太径水ロッドに隣接して配置されていることを
   特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の沸騰水型原子
   炉用燃料集合体。