JPH021589A - 燃料集合体及び原子炉の炉心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

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

〔従来技術〕

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

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

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

Ｐ＝φ・σ□・Ｎ で与えられる。

さらに、燃料を効率よく燃焼させて、燃焼期間を長くす
るためには、燃料集合体のいわゆる無限増倍率を大きく
する必要がある。この無限増幅率を大きくするためには
、熱中性子束の大きな領域では燃料原子の密度（濃度）
を大きくし、熱中性子束の小さな領域では燃料原子の密
度を小さくした方が効果的であることが知られている。

従って、沸騰水型原子炉では、中性子の減速材の不均一
性及び燃料棒自体の中性子吸収効果等により、熱中性子
束は燃料集合体の周辺部で大きく、中央部で小さくなっ
ているため、沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、燃料集
合体の周辺部の燃料原子の密度を中央部より大きくする
ことが望まれる。

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

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

〔発明が解決しようとする課題〕

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

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

本発明の第１の目的は、軸方向の出力ビーキングを抑制
できて中性子利用による燃料経済性の向上を図ることが
できる燃料集合体及び原子炉の炉心を提供することにあ
る。

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

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第１の目的を達成する本発明の第１の特徴は、
燃料集合体の周辺部に位置する燃料棒のうち、下部領域
の濃縮度が燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大
きい燃料棒の占める割合が、上部領域の濃縮度が燃料集
合体の上部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の占め
る割合よりも小さいことにある。

上記第２の目的を達成する本発明の第２の特徴は、燃料
集合体の上部領域では、燃料集合体の周辺部に位置する
燃料棒のうち上部領域の濃′縮度が燃料集合体の上部領
域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の占める割合が５０
％以上であり、燃料集合体の下部領域では、燃料集合体
の周辺部に位置する燃料棒のうち下部領域の濃縮度が燃
料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の
占める割合が２０％を越えないことにある。

〔作用〕

本発明の第１の特徴によれば、燃料集合体の上部領域の
周辺部に、少なくとも上部領域の濃縮度が燃料集合体の
上部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒が存在するの
で、中性子束の大きい燃料集合体の周辺部における中性
子を有効に利用でき、大きな燃料経済性が得られる。燃
料集合体の周辺部に位置する燃料棒のうち、下部領域の
濃縮度が燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大き
い燃料棒の占める割合が、上部領域の濃縮度が燃料集合
体の下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒の占める
割合よりも小さいので、ボイド率の小さな燃料集合体の
下部領域における局所出力ビーキング、特に下部領域の
周辺部の局所出方ピーキングが減少する。

本発明の第２の特徴によれば、燃料集合体の上部領域に
おいて周辺部に位置する燃料棒のうち上部領域の濃縮度
が燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よりも大きな燃料
棒が５０％以上を占めているので、中性子束の大きい外
周部における中性子を有効に利用でき、大きな燃料経済
性が得られる。

上記のように燃料集合体の上部領域で周辺部の燃料棒の
うち５０％以上の燃料棒で上部領域の濃縮度が燃料集合
体の上部領域の平均濃縮度゛よりも大きいので、燃料集
合体の無限増倍率の増加量が急激に減少しない。また、
燃料集合体の下部領域において周辺部に位置する燃料棒
のうち下部領域の濃縮度が燃料集合体の下部領域の平均
濃縮度よりも大きな燃料棒が２０％を越えないので、ボ
イド率の小さな燃料集合体の下部領域における局所出力
ビーキング、特に周辺部の局所出力ビーキングが小さく
なり、これに伴って軸方向の出力ビーキングが減少する
。更に、上記の各機能を有することは、結果的に、炉心
内に装荷される新しい燃料集合体（燃焼度が零の燃料集
合体）内の核分裂性物質の量を多くできるので、燃焼度
を増大させることができる。

〔実施例〕

発明者は、前述した課題を解消する解決手段を得るため
に特開昭５８−２６２９２号公報に示された周辺部で核
分裂性物質の量を多くした燃料集合体について全体の核
分裂性物質量を増大させた状態で種種の検討を行った。

まず、前述した周辺部の核分裂性物質の量を多くした燃
料集合体で全体の核分裂性物質の量を増大させた場合に
、下部領域に形成される軸方向の出力ピークが増大する
原因を検討した。燃料集合体の下部領域は、その上部領
域に比べてボイド率が小さく中性子の減速効果が大きい
。また燃料集合体の横断面においては、中央部よりも周
辺部における中性子の減速効果が大きい。従って、燃料
集合体全体で核分裂性物質量を増大させた場合に、下部
領域の周辺部で局所出力ビーキングが必要以上に大きく
なりすぎ、これが軸方向の出力ビーキングを上昇させて
いることが判明した。

この結果に基づいて、下部領域の周辺部における核分裂
性物質量を変えて検討を行ったところ。

第９図に示す特性が得られた。第９図の特性は、下部領
域の周辺部（最外周領域）に配置された燃料棒のうち下
部領域の濃縮度が燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よ
りも大きい燃料棒の占める割合と燃料集合体の局所出力
ビーキングの増加量との関係を示したものである。下部
領域の周辺部において燃料集合体の下部領域の平均濃縮
°度よりも大きな濃縮度を有する燃料棒の割合が２０％
を越えると、局所出力ビーキングの増加量が著しく大き
くなる。このため、局所出力ビーキングの増加を押える
ためには、周辺部において燃料集合体の下部領域の平均
濃縮度よりも大きな濃縮度を有する燃料棒の割合が２０
％を越えないように、すなわち２０％以下になるように
することが望ましい。

周辺部における濃縮度の大きな燃料棒の１割合を前述の
数値以下に押えることによって、軸方向の出力ビーキン
グの著しい増加を抑制することができ、燃料棒の最大線
出力密度を許容値以下にできる。

また、燃料集合体の上部領域においても、燃料集合体の
下部領域と同様に周辺部（最外周部）に配置された燃料
棒のうち上部領域の濃縮度が燃料集合体の上部領域の平
均濃縮度よりも大きい燃料棒の占める割合の影響を調べ
た。この結果、第１０図に示すような特性が得られた。

すなわち、周辺部において燃料集合体の上部領域の平均
濃縮度よりも大きな上部領域の濃縮度を有する燃料棒の
割合が周辺部の全燃料棒に対して５０％よりも小さくな
ると、燃料集合体の無限増倍率の増加量が著しく低下す
る。従って、燃料集合体の周辺部において、上部領域の
濃縮度が燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よりも大き
い燃料棒が、周辺部に配置された全燃料棒の５０％以上
を占めることによって、特開昭５８−２６２９２号公報
に示された周辺部の濃縮度を高くした燃料集合体の効果
を有効に発揮できる。このように燃料集合体の上部領域
の周辺部において燃料集合体の上部領域の平均濃縮度よ
りも大きな上部領域濃縮度を有する燃料棒の割合を５０
％以上にしたとしても、燃料集合体の上部領域はボイド
率が大きいので局所出力ビーキングが燃料棒の最大線出
力密度に悪影響を与える（燃料棒の最大線出力密度が許
容値を越える）程度に著しく増大することはない。

以上の検討結果に基づいてなされた本発明の好適な一実
施例である燃料集合体を、第１図、第２図及び第３図に
基づいて説明する。

燃料集合体１０は、下部タイプレート１４．水ロッド１
７．複数の燃料棒１６及び上部°タイプレート２１を有
している。水ロッド１７及び燃料棒１６の上下端部は、
下部タイプレート１４及び上部タイプレート２１に支持
される。チャンネルボックス１２が、上部タイプレート
２１に取付けられる。チャンネルボックス１２の下端に
下部タイプレート１４が装着されている。この下部タイ
プレート１４には複数の孔が穿設され、燃料棒１６の下
部端栓１８が挿入されている。燃料棒１６は、上部端栓
２０に取付けられている膨張スプリング２２により下方
に押圧される。燃料スペーサ２６は、軸方向に複数個配
置され、燃料棒１６の相互横間隔を所定幅に保持してい
る。上部タイプレート１４は、上面にハンドル２８を取
付けている。

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

水ロッド１７は、第５図に示すように燃料集合体１０の
横断面の中央部に配置される。この水ロッド１７の外径
は燃料棒１６の配列ピッチよりも大きい。水ロッド１７
は、４本の燃料棒１６が配置可能な領域を占有している
。

第１図における破線１３は、燃料集合体１ｏの横断面に
おける周辺部と中央部の境界である。熱中性子束の大き
い周辺部は、破線１３よりも外側の領域であって最外周
に配置された燃料棒１６を有している。周辺部よりも相
対的に熱中性子束の小さい中央部は、破線１３よりも内
側の領域である。燃料集合体１０は、具体的には燃料棒
１６として第１図に示すように５種類の燃料棒、すなわ
ち燃料棒１〜５を有している。燃料棒１〜５の濃縮度分
布は、第２図に示されている。燃料棒１〜５は、燃料有
効長部（燃料ペレットが充填されている部分、すなわち
第４図のＣ部分）の下端から燃料有効長部の軸方向全長
の１／２４までの間及び燃料有効長部の下端を基点とし
て燃料有効長部の軸方向全長の２３／２４の位置から燃
料有効長部の上端までの間にそれぞれ天然ウランを有し
ている。燃料棒１は天然ウランを充填した以外の燃料有
効長部の部分の濃縮度が４．８重量％、燃料棒２は同じ
部分の濃縮度が３．９重量％、燃料棒４は同じ部分の濃
縮度が３．３重量％、及び燃料棒５の同じ部分の濃縮度
が２．３重量％である。

各燃料棒において、前述の濃縮度は軸方向に一様である
。燃料棒３は、燃料有効長部の下端を基点として燃料有
効長部の軸方向全長の１／２４の位置から燃料有効長部
の軸方向全長の１１／２４の位置までの濃縮度が３．３
重量％、及びその領域の上方すなわち燃料有効長部の軸
方向全長の１１／２４の位置からその軸方向全長の２３
／２４の位置までの濃縮度が３．９重量％である。この
ような濃縮度分布の燃料棒を有する燃料集合体１０では
、下部領域のうち燃料有効長部の軸方向全長の１／２４
〜１１／２４の範囲における平均濃縮度が３．６３重量
％となり、上部領域のうち燃料有効長部の軸方向全長の
１１／２４〜芝３／２４の範囲における平均濃縮度が３
．８３重量％となる。燃料集合体１０は、燃料有効長部
の下端から燃料有効長部の軸方向全長の１１／２４まで
の範囲を下部領域、燃料有効長部の軸方向全長の１１７
２４から燃料有効長部の上端までの範囲を上部領域であ
る。燃料集合体１０の上部領域の平均濃縮度は、その下
部領域の平均濃縮度よりも大きい。

燃料集合体１０の周辺部に配置されている２８本の燃料
棒１６のうち１６本の燃料棒１６（比率にして５７％）
はその上部領域の濃縮度が燃料集合体１０の上部領域の
平均濃縮度よりも大きくなっている。また、燃料集合体
１０の周辺部に配置されている２８本の燃料棒のうち下
部領域の濃縮度が燃料集合体１０の下部領域の平均濃縮
度よりも大きい燃料棒は一本もない。すなわち、燃料集
合体１０の周辺部に配置された燃料棒のうち下部領域の
濃縮度が燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも大き
い燃料棒の占める割合は、２０％を越えていない。

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

第６図は、多数の燃料集合体１０を沸騰水型原子炉の炉
心に装荷した状態での１つのセルの構成を示している。

１つのセルは、隣接する４体の燃料集合体１０にて構成
される。横断面が十字型をした制御棒１９が、１つのセ
ル内で４体の燃料集合体１０間に挿入される。炉心は、
このようなセルを多数有している。

燃料集合体１ｏを炉心に装荷した沸騰水型原子炉を運転
すると、中央部に水ロッド１７が設けられているが燃料
集合体１０間に形成されろ水ギャップの影響により中央
部よりも周辺部にて熱中性子束が大きくなる。燃料集合
体１０の周辺部に位置している燃料棒１６の５７％がそ
の上部領域で燃料集合体１０の上部領域の平均濃縮度よ
りも濃縮度が大きいことは、燃料集合体１０の上部領域
の無限増倍率を大きくしている。これは、燃料集合体１
０全体の無限増倍率を大きくすることにもつながる。一
方、燃料集合体の下部領域の平均濃縮度よりも小さな濃
縮度を下部領域で有する燃料棒１６が周辺部に配置され
ているので、燃料集合体１０の局所出力ビーキングが小
さくなり最大線出力密度も許容値以下となり、しかも燃
料集合体１０の下部領域の無限増倍率も小さくなる。

燃料集合体１０は、特開昭５８−２６２９２号公報の第
４図及び第５図に示される燃料集合体に比べて平均濃縮
度が著しく増大しているので、その公知の燃料集合体よ
りも燃焼度が著しく大きくなる。

しかも、本実施例の燃料集合体１０は、以下に述べる理
・由により出力ビーキングの上でも何等問題がない。本
実施例は、ボイド率が大きくなる上部領域で燃料集合体
の上部領域の平均濃縮度より大きな濃縮度を有する燃料
棒を前述の割合で燃料集合体の周辺部に配置しているの
で、局所ピーキングに悪影響を与えることなく特開昭５
８−２６２９２号公報の４頁、上部左欄１１〜１７行に
示された効果を得ること、すなわち燃料の経済性を大幅
に向上でき燃焼期間を延ばすことができる。また、本実
施例は、ボイド率が小さくなる下部領域で燃料集合体の
下部領域の平均濃縮度よりも大きな濃縮度を有する燃料
棒を周辺部に配置していないので、第９図に示すように
局所出力ビーキングの増加量は最も小さく局所出力ビー
キングを低く押えることができる。このため、燃料集合
体１０の最大線出力密度は許容値を越えることはない。

燃料集合体１０の下部領域における局所ピーキングが小
さいので、制御棒の操作により第７図に実線にて示すよ
うに燃料集合体１０の下部ピーキングが形成されるよう
に軸方向の出力分布を形成しても、燃料集合体１０の最
大線出力密度が許容値を越えることはない。上記の実線
のような出力分布を形成する場合には、制御棒が炉心内
に深く挿入されている。本実施例の燃料集合体１０を用
いることによって前述のように最大線出力密度の許容値
を越えることなく下側ピークの出力分布を形成すること
が可能になるので、燃料を有効に活用できるスペクトル
シフト運転が実施できる。すなわち、スペクトルシフト
運転は、１つの燃料サイクルにおいてその燃料サイクル
初期から燃料サイクル中期にかけて炉心平均の軸方向出
力分布を燃料集合体１０の下側で出力ピークを形成して
、炉心の平均ボイド率を大きくすることにより中性子ス
ペクトルを硬くし、燃料集合体１０の上部領域における
プルトニウムの蓄積を促進させ、制御棒の引抜きによっ
て燃料サイクル末期においては、炉心の平均軸方向出力
分布を燃料集合体１０の上側で出力ピークを形成して炉
心の平均ボイド率を小さくし、これにより中性子スペク
トルを軟らかくして、燃料集合体１０の上部領域のウラ
ン２３５および、燃料サイクル初期から燃料サイクル中
期にかけて上部領域に蓄積させたプルトニウムを燃焼さ
せて反応度向上を図るものである。燃料集合体１０を装
荷した炉心では、燃料集合体１ｏの上部領域の平均濃縮
度がその下部領域のそれよりも大きいこと、燃料集合体
１０の上部領域はその下部領域に比べて周辺部に濃縮度
の高い燃料棒を多数配置していること、燃料サイクル初
期から燃料サイクル中期にかけて燃料集合体の下部領域
で核分裂性物質が消費され燃料集合体の上部領域で核分
裂性物質が蓄積されること及び制御棒の引抜きとが相俟
って、燃料サイクル末期において第７図の破線で示すよ
うな上側に出力ピークを有する軸方向の出力分布が形成
される。これにより、ボイド率が小さくなり、反応度を
向上させることが可能となる。この効果は、燃料サイク
ル末期での反応度を０．４％　Δに向上させることがで
きる。−方、燃料集合体１９の下部領域における局所出
力ビーキングを小さくしたことによる無限増倍率の低下
は、０．２　％Δに程度であり、差し引き０．２％Δに
程度の燃料経済性向上となる。

なお、特開昭５８−２６２９２号公報に示された第４図
の燃料集合体において全体的に平均して濃縮度を高めて
燃料集合体１０の平均濃縮度にした場合は、下部領域の
局所出力ビーキングが大きくなって最大線出力密度が許
容値よりも大きくなるので、これを防止するために制御
棒を軸方向長の約半分程度引抜く必要があり、燃料サイ
クル初期のおいて第８図の破線に示す炉心軸方向の出力
分布が形成される。すなわち、実線で示す燃料集合体１
０の燃料サイクル初期のような下側に出力ピークのある
出力分布が形成されず、スペクトルシフト運転を行うこ
とができない。

軸方向出力分布を平坦化するためには、特公昭５８−２
９８７８号公報に示されるように、平均濃縮度の高い燃
料集合体の上部領域と平均濃縮度の低い燃料集合体の下
部領域との境界を、燃料集合体の燃料有効長部の下端か
ら燃料有効長部の軸方向全長の１７３〜７／１２の範囲
に位置させるとよい。

本発明の他の実施例である燃料集合体を第１１図により
説明する。前述した燃料集合体１０が燃料棒１６を８行
８列に配置したものであるのに対して、本実施例の燃料
集合体１０Ａは燃料棒１６を９行９列に配置したもので
ある。燃料集合体１０Ａは、燃料集合体１０と同様に燃
料棒１〜５の５種類の燃料棒を配置しており、配置の場
所及び本数が燃料集合体１０と異なっているだけである
。燃料集合体１０Ａの中央部には、水ロッド１７Ａが配
置されている。水ロッド１７Ａは、９本の燃料棒１６を
排除できる大きさである。燃料集合体の周辺部には、燃
料有効長部の軸方向全長の１１／２４〜２３／２４の範
囲における燃料集合体の平均濃縮度（３，８９重量％）
よりも上部領域での濃縮度が高い燃料棒３が２０本配置
されている。これらの燃料棒が燃料集合体の周辺部にお
いて占める割合は約６３％である。このため、燃料集合
体の上部領域の無限増倍率が燃料集合体の下部領域での
それよりも大きくなっている。一方、燃料集合体の周辺
部の燃料棒のうち燃料有効長部の下端から燃料有効長部
の軸方向全長の１／２４〜１１／２４の範囲における燃
料集合体の平均濃縮度（３，６６重量％）よりも下部領
域での濃縮度が高い燃料棒は一本もなく、燃料集合体の
下部領域の局所出力ビーキングが小さくなっている。

本実施例も、前述した実施例と同様な効果を得ることが
できる。

また、燃料集合体１０に特開昭５９−８４１８４号公報
の第１図（ｂ）に示される概念を適用することができる
。すなわち、燃料集合体１ｏの上部領域に含まれる可燃
性毒物量をその下部領域に含まれる可燃性毒物量よりも
多くなるように、燃料集合体１０に可燃性毒物を添加す
ることである。可燃性毒物としては、例えばＤｄ等があ
る。燃料集合体の上部領域に含まれる可燃性毒物量をそ
の下部領域に含まれるその量よりも多くする具体的な手
法としては、同じ濃度のＧｄを含む燃料棒の本数を燃料
集合体の下部領域よりもその上部領域で多くすることで
ある。このような可燃性毒物の軸方向分布を有する燃料
集合体１０は、Ｕ、Ｓ、Ｐ、４５８７０！３０のＦｉｇ
、５及び７に示すような可燃性毒物によるスペクトルシ
フトの効果が付加されるので、上記の可燃性毒物の軸方
向分布を有しない燃料集合体１０に比べてスペクトルシ
フトの効果が更に助長される燃料の経済的利用が更に増
大する。

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

本発明の他の実施例である燃料集合体を第１２図及び第
１３図に基づいて説明する。本実施例の燃料集合体１０
Ｂは、第１１図の実施例の燃料棒配置とほとんど同じで
あり、異なる部分は周辺部に４本の燃料棒２を配置して
いることである。４本の燃料棒２を周辺部に配置するこ
とによって、これらの燃料棒２の下部領域の濃縮度は、
燃料集合体１０Ｂの下部領域の平均濃縮度（３，６９重
量％）よりも大きくなっている。このため、燃料集合体
１０Ｂの周辺部において、下部領域の濃縮度が燃料集合
体１０Ｂの下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒２
の占める割合が約１２．２％である。燃料集合体１０Ｂ
の上部領域の平均濃縮度は、約３．８９重量％となって
いる。

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

本発明の他の実施例である燃料集合体１０Ｃを第１４図
及び第１５図に基づいて説明する。第１４図は、燃料集
合体１０Ｃの横断面を示す。燃料集合体１０Ｃの側面の
構成は、第３図と同じである。燃料集合体１０Ｃは、燃
料集合体１０Ａと同様に燃料棒１６を９行９列に配置し
たものである。しかしながら、燃料集合体１０Ｃは、第
１５図に示す６種類の燃料棒１６、すなわち燃料棒１゜
Ｐ及び２２〜２５を有し、中央部に２本の水ロッド１７
Ｂを有している。燃料棒１．Ｐ及び２２〜２５は、燃料
有効長部の下端から燃料有効長部の軸方向全長の０１／
２４の位置までの範囲に天然ウランを充填している。燃
料棒１及び２２〜２５は、燃料有効長部の下端を基点と
して燃料有効長部の軸方向全長の２２／２４の位置から
燃料有効長部の上端までの範囲にも、天然ウランが充填
されている。燃料棒１及び２２〜２５は、上端部及び下
端部に存在する天然ウラン領域間に濃縮ウランが充填さ
れる濃縮ウラン充填領域を有する。燃料棒１及び２３〜
２５の各々は、濃縮ウラン充填領域の濃縮度が軸方向に
−様であって、第１５図に示すように４．８重量％、３
．７重量％、３．０重量％及び３．９重量％となってい
る。燃料棒２２は、燃料有効長部の下端を基点にして燃
料有効長部の軸方向全長の１１／２４の位置で濃縮ウラ
ン充填領域が上部領域と下部領域とに分けられ、上部領
域の濃縮度が４．８重量％及び下部領域の濃縮度が４．
１重量％である。燃料棒Ｐは、燃料有効長部の上端が燃
料有効長部の軸方向全長の１５７２４の位置（燃料有効
長部の下端を基点にして）ある。燃料棒Ｐは、その軸方
向長さが他の燃料棒１６のそれによりも短くなっている
。燃料棒Ｐは燃料有効長部のうち天然ウラン充填領域よ
り上方で濃縮度が−様な濃縮ウラン充填領域を有してお
り、その濃縮度は４．８重量％である。燃料集合体１０
Ｇは、前述の燃料有効長部の軸方向全長の１５／２４の
位置より上方が上部領域であり、その位置より下方が下
部領域である。

燃料集合体１０Ｃは、下部領域のうち燃料有効長部の軸
方向全長の１／２４〜１１／２４の範囲における平均濃
縮度が４．２重量％であり、上部領域のうち燃料有効長
部の軸方向全長の１１／２４〜１５／２４の範囲での平
均濃縮度が４．３９重量％及び燃料有効長部の軸方向全
長の１５７２４〜２２／２４の範囲での平均濃縮度が４
．３４重量％である。上部領域の平均濃縮度のうち４．
３９重量％は燃料集合体１０Ｃの軸方向で燃料棒Ｐが存
在する領域での平均濃縮度であり、４．３４重量％は燃
料集合体１ｏＣの軸方向で燃料棒Ｐが存在しない領域で
の平均濃縮度である。

燃料集合体１０Ｃの、周辺部に配置されてた３２本の燃
料棒１６のうち２０本の燃料棒１６、すなわち燃料棒２
２（比率にして約６３％）は、その上部領域の濃縮度が
燃料集合体１０Ｃの上部領域の平均濃縮度よりも大きく
なっている。また、上記周辺部に配置された３２本の燃
料棒１６のうち下部領域の濃縮度が燃料集合体１０Ｃの
下部領域の平均濃縮度よりも大きい燃料棒１６は一本も
ない。

本実施例の燃料集合体１０Ｃは、前述の燃料集合体１０
と同じ効果を生じる。

燃料集合体１０Ｃは、軸方向の長さの短い燃料棒Ｐを有
しているので、燃料集合体上端部付近での燃料物質の量
が少なく炉停止余裕が向上する。

燃料棒Ｐを用いることは、気液二相流となる燃料集合体
上端部での冷却水流路面積の拡大につながり、燃料集合
体の圧力損失が低減する。上端部における天然ウラン充
填領域の長さが燃料集合体１０より長く、炉心上方への
中性子漏洩量が低減する。このため、燃料集合体１０Ｃ
は、中性子利用率が向上する。

燃料集合体１０Ｃは、前述したように２本の水ロッド１
７Ｂを有している。これらの水ロッド１７Ｂは、燃料集
合体横断面の中央部で、しかもチャンネルボックス１２
の対向する一対のコーナ部を結ぶ直線上に隣接して配置
される。水ロッド１７Ｂの外径は、燃料棒ピッチよりも
大きい。２本の水ロッド１７Ｂは、配置されている燃料
棒１６と同じピッチで７本の燃料棒１６が配置可能な領
域を占有している。すなわち、７本の燃料棒１６が、２
本の水ロッド１７Ｂの配置によって排除された形になっ
ている。このような、水ロッド１７Ｂを配置した燃料集
合体の例は特開昭６２−２１７１８６号公報の第１図、
第７図及び第８図に示されている。

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

〔発明の効果〕

本発明の第１の特徴によれば、軸方向の出力ビーキング
を抑制でき、中性子の有効利用に基づいて燃料経済性を
向上できる。

本発明の第２の特徴によれば、無限増倍率の減少を抑制
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水型原子炉に用いられる本発明の好適な一
実施例である燃料集合体の横断面図、第２図は第１図に
示す各燃料棒の濃縮度分布を示す説明図、第３図は第１
図の燃料集合体の縦断面図、第４図は第３図の燃料棒の
構成図、第５図（Ａ）は第３図のＶＡ−ＶＡ断面図、第
５図（Ｂ）は第３図のＶＢ−ＶＢ断面図、第６図は第１
図の燃料集合体を装荷した炉心の局部横断面図、第７図
及び第８図は炉心軸方向における相対出力の分布を示す
特性図、第９図は燃料集合体の下部領域の周辺部に配置
された濃縮度の大きな燃料棒の割合と局所出力ビーキン
グの増加量との関係を示す特性図、第１０図は燃料集合
体の上部領域の周辺部に配置された濃縮度の大きな燃料
棒の割合と無限増倍率の増加量との関係を示す特性図、
第１１図、第１２図及び第１４図は本発明の他の実施例
である燃料集合体の横断面図、第１３図は第１２図に示
す各燃料棒の濃縮度分布を示す説明図、第１５図は第１
４図に示す各燃料棒の′ａ！ｔａ度分布を示す説明図で
ある。 １〜５，１６・・・燃料棒、１０．ＩＯＡ〜ＩＯＣ・・
・燃料集合体、１４・・・下部タイプレート、１７゜１
７Ａ、１７Ｂ・・・水ロッド、２１・・・上部タイプレ
ート。 座２図 ホ５図 （Ａ） （Ｂ） 相対出力（炉１（平均＝ Ｏ〕 ＋２＋ １゜ １′１ オ目灯色力（炉１（・手灼＝１．○ン 嶌９ 図 宅 ０図 幻翫斥↑４Ａ矛４切上部クシへの平均、！侶度よりも天
でいば９叶を艷の占める習ｊビ）（Ｚ）尾 図 阜 ３図 俳沓号

Claims (1)

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