JPH0378599B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は広義には原子炉に関し、狭義には沸騰
水形原子炉用の燃料集合体構成に関する。

発明の背景 原子炉においては、核分裂性燃料原子、例えば
Ｕ−235がその原子核に中性子を吸収し核壊変を
受け、これにより平均して大きな運動エネルギー
を有する低原子量の２つの核分裂破片と同じく高
エネルギーの数個の中性子とを生成する。

代表的な沸騰水形原子炉（BWR）では、核燃
料は燃料棒の形態をとり、各燃料棒は多数の焼結
ペレツトを細長い被覆管内に収容してなる。この
ような燃料棒を群毎に上部および下部タイプレー
ト間に支持して個々に交換可能な燃料集合体又は
燃料束を形成する。十分な数の燃料集合体を直円
柱シリンダに近いマトリツクスに配列して、自己
持続核分裂反応を行い得る原子炉炉心を形成す
る。核分裂生成物の運動エネルギーは燃料棒内で
熱として消散される。エネルギーは核分裂過程か
ら生じる中性子、ガンマ線および他の放射線によ
り燃料構造体および減速材にも貯められる。炉心
は冷却材（例えば水）中に沈められ、冷却材によ
り熱を取出し、その熱をその後抽出して有用な仕
事を行う。冷却材が水である場合、水は中性子減
速材としても働き、中性子を減速して中性子が核
分裂反応を開始しやすくする。

水冷却兼減速発電用電子炉に通常用いられる燃
料は二酸化ラウンよりなり、その約0.7〜5.0％が
核分裂性Ｕ−235で燃料親元素Ｕ−238と混合され
ている。原子炉の運転中、燃料親元素Ｕ−238の
一部が核分裂性Pu−239とPu−241とに転換され
る。Ｕ−238も核分裂性であるが、それは高エネ
ルギー中性子に対してだけである。生成した核分
裂性物質（例えばPu−239およびPu−241）対崩
壊した核分裂性物質（例えばＵ−235，Pu−239
およびPu−241）の比は「転換比」として定義さ
れる。

原子炉を定常状態出力レベルで運転する必要が
ある場合、核分裂誘引中性子数を一定に維持しな
ければならない。即ち、各核分裂反応が正味１個
の中性子を生成し、この中性子が次の核分裂反応
を生起し、従つて反応が自己持続性となることが
必要である。原子炉運転は実効増倍率Keffで特
徴付けられ、定常状態運転ではKeffが１でなけ
ればならない。ここで実効増倍率Keffは全体と
して考えた原子炉の中性子再生率であり、問題と
している炉心の局部領域と同じ組成および特性を
全体に有する無限に大きな系の中性子再生を定義
する局部または無限増倍率Kinfからは区別され
るべきものである。

運転中、核分裂性燃料は減損し、そして実際核
分裂生成物の一部はそれ自体中性子吸収材、即ち
「毒物質」である。これを打ち消すためには、通
常原子炉に初期に過剰の核燃料を装荷する。この
結果初期の反応度が過剰となる。この初期の過剰
反応度が原因で、原子炉運転中の実効増倍率を１
に維持するために、また原子炉を停止する必要が
ある場合に実効増倍率を１未満に下げるために制
御システムが必要である。代表的な制御システム
は中性子吸収物質を使用し、中性子吸収物質は中
性子の非核分裂性吸収または捕獲により中性子数
を制御する作用をなす。

中性子吸収物質の少くとも一部を複数個の選択
的に駆動できる制御棒に導入し、これらの制御棒
を必要に応じて炉心の底部から軸方向に挿入し
て、出力レベルおよび分布を調節し、また炉心を
停止させる。燃料棒のいくつかに可燃性吸収材を
導入して機械的制御の必要量を最小にする。可燃
性吸収材は中性子吸収材であり、中性子の吸収に
より中性子吸収能力が低い物質に転換される。可
燃性吸収材としてはガドリニウムがよく知られて
おり、通常ガドリニアの形態で用いられる。奇同
位体（Gd−155およびGd−157）は熱中性子に対
して極めて大きな捕獲断面積を有する。設計上用
いて有効な可燃性吸収材は、小さな中性子断面積
の吸収材による残留同位体中性子吸収に基因す
る、燃料再装荷サイクル末期に望ましくない中性
子吸収反応度の残留を呈する。例えば、可燃性吸
収材としてガドリニウムを用いると、大きな断面
積の同位体（Gd−155およびGd−157）は急速に
減損するが、偶同位体（Gd−154，Gd−156およ
びGd−158）の中性子捕獲の継続により残留吸収
が残る。

周知のように、ガドリニウムのような可燃性吸
収材は、十分な濃度で存在するときには自己遮蔽
モードで作用する。即ち、中性子束に露出される
と、中性子吸収が実質的に吸収材の外面で起こ
り、従つて吸収材の体積が吸収材の濃度によつて
決まる速度で半径方向に収縮する。かくして、吸
収材含有領域の数およびそこでの吸収材濃度を適
当に選ぶことにより、１回以上の原子炉運転サイ
クルにわたつて吸収価の変動を望ましいものとす
ることが可能である。

運転中、蒸気ボイドの割合が原子炉頂部に向つ
て増加し、その結果頂部領域では減速が減少し、
従つて出力分布が炉心の下部領域に向つてゆが
む。可燃性吸収材を軸方向に不均質に分布させる
ことによりこのゆがみを捕償することは周知の技
術である。多数の燃料棒に可燃性吸収材を、ホツ
ト運転時最高反応率の軸方向領域に向つてゆがめ
た分布にて組込む。代表的な構成が米国特許第
3799839号に示されている。

しかし、コールド停止状態では事情がまつたく
異なる。さらに詳しく説明すると、コールド状態
では、照射済BWR炉心の頂部は底部より反応性
が高い。その理由は、運転中頂部の方がプルトニ
ウム生産が大きく、Ｕ−235壊変が少ない（炉心
頂部の方が転換比が大きく、燃焼度、即ちバーン
アツプが小さい）からである。コールド停止状態
では、炉心の上部の蒸気ボイドが除去され、従つ
て炉心の頂部が底部より一層反応性となる。代表
的な認可基準ではどれか１本の制御棒を炉心から
取り出された状態で0.38％の反応度停止余裕
（Keff0.9962未満）が要求される。予測の不確実
性を考慮した余裕を得るために、制御棒および可
燃性吸収材によつて与へられる値として１％の予
測停止余裕（Keff0.99未満）の設計基準が大抵の
場合に用いられている。

炉心の下方部分における可燃性吸収材の量を多
くすることにより軸方向出力分布の調整を行うこ
とができるが、最大出力時の軸方向出力分布最適
化に最適な吸収材分布は適正なコールド停止余裕
を維持するのに役立たない。コールド停止時の制
約を満たすためには、代表的には、過剰な可燃性
吸収材を残留させて設計を行う必要があり、かゝ
る過剰な可燃性吸収材の残留は初期濃縮度および
ウラン鉱要件に不利な条件を課し、原子炉の燃料
サイクルコストを増加する。

ガドリニアが燃料棒の熱伝導率を減少し核分裂
ガス放出を増加することも問題である。この結
果、ガドリニア含有燃料棒は大抵の場合燃料集合
体中のもつとも制約された燃料棒であり、出力定
格を低くしなければならず、これに対応して局部
出力分布に悪影響をなす。出力定格低下の必要量
はガドリニア濃度に依存するが、適正なコールド
停止余裕を得るためにガドリニア濃度を増す必要
があるような、長期燃焼燃料束設計および／また
は高エネルギーサイクル設計において重大な問題
となる。

従つて、ホツト運転状態およびコールド停止状
態に必要とされる余裕それぞれは、原子炉の炉心
設計に競合的制約を課し、従つて最適炉心構造の
実現を阻む傾向があつた。

発明の開示 本発明は、運転効率への悪影響を最小にしてコ
ールド停止余裕を満たすことができる原子炉燃料
集合体の構造を提供する。本燃料集合体構造によ
り、可燃性吸収材のサイクル末期反応度残留を最
小にし、初期濃縮度要求を最小にし、より高い濃
度の可燃性吸収材の使用を一層実現可能にかつ最
適にし、しかも軸方向出力分布制御のための可燃
性吸収材分布の融通性を最大にする。

上述した利点を達成する本発明の燃料集合体
は、燃料集合体の軸方向ほゞ全長にわたつて分布
する核分裂性物質成分と、中性子吸収物質成分と
よりなり、この中性子吸収物質成分の軸方向分布
が、コールド停止時最高反応度の軸方向領域（コ
ールド停止状態で中性子束がピークに達する領
域）の少くとも一部に対応する比較的短い軸方向
区域（コールド停止制御区域と称される）におけ
る増強で特徴付けられる。この目的のために、コ
ールド停止制御区域において可燃性吸収材濃度が
大きくなるか、可燃性吸収材を含有する横断面分
布領域数が多くなるように燃料集合体を構成す
る。コールド停止制御区域の存在により、炉心の
頂部および中間部の他の領域での可燃性吸収材を
減少させることができる。これにより、燃料集合
体の可燃性吸収材総含量が減少し、可燃性吸収材
分布の最適化が容易になる。本発明で「核分裂性
物質成分」が意味するところは、燃料集合体の燃
料棒の全てにおける核分裂性物質である。例え
ば、燃料集合体の軸方向位置のいずれにおいて
も、核分裂性物質の全体量は、その軸方向位置に
おける全ての燃料棒に含まれる核分裂性物質の量
の総計である。同様に、本発明で「中性子吸収物
質成分」の意味するところは、燃料集合体の吸収
材含有燃料棒の全てにおける中性子吸収物質であ
る。例えば、燃料集合体の軸方向位置のいずれに
おいても、中性子吸収物質の全体量は、その軸方
向位置における全ての吸収材含有燃料棒に含まれ
る中性子吸収物質の量の総計である。

中性子吸収物質成分の軸方向分布は代表的に
は、核分裂性物質の軸方向長さの大部分または全
部にわたつて延在する複数部分を含み、これによ
り軸方向出力分布を達成し、また代表的には、ホ
ツト運転時最高反応度の軸方向領域の少くとも一
部に対応する軸方向区域における追加の増強で特
徴付けられる。この最後の区域は「ホツト運転制
御区域」と称され、代表的な例ではコールド停止
制御区域より長く、燃料集合体の底部近くに位置
する。

中性子吸収物質成分を燃料棒の少くとも一部に
組込むのが好都合である。コールド停止制御区域
での増強は、少くとも部分的に、一本または複数
本の燃料棒にコールド停止制御区域においてのみ
吸収材を含有させることにより達成できる。ガド
リニアを使用する場合、これらの燃料棒中のガド
リニア濃度を他のガドリニア含有燃料棒より高く
することができる。短い高濃度ガドリニア部分の
全ガス内圧寄与が小さいからである。

最高濃度および最大数の可燃性吸収材領域がコ
ールド停止制御区域にくるように燃料集合体を構
成することによつて、可燃性吸収材のコールド停
止価が最大になることがわかる。同時に、この吸
収材増強はホツト運転条件下で炉心の中性子重要
度の低い領域にあり、従つてホツト運転状態での
軸方向出力分布に最小の影響しかもたない。さら
に、コールド反応度区域のガドリニア残留吸収率
ペナルテイはホツト時に最小だが、コールド時に
最大である。これは望ましくない燃料サイクル効
果を最小にする効果をもつ。

コールド停止制御区域に短いガドリニア部分の
みを有する燃料棒を、通常ガドリニアに対して禁
止された格子位置、例えば燃料集合体の角の燃料
棒に対角線方向で隣り合う格子位置に配置して
も、炉心計装計器の読みに悪影響を与えず、また
ガドリニアに基因する核分裂ガスの放出に対処す
るためにこれらの燃料棒において濃縮度を下げる
必要もない。

本発明の他の観点によれば、コールド停止制御
区域における中性子吸収物質の増強を、コールド
停止制御区域における燃料濃縮度の減少によつて
補なうことができる。濃縮度の減少をガドリニア
含有燃料棒に限り、燃料製造を簡単にするのがよ
い。コールド停止制御区域の濃縮度を減少させる
ことにより、この区域のガドリニア含量を増すよ
り効率よく中性子を利用できる。所定の設計燃焼
度を達成するのに要する核分裂性物質インベント
リ条件が緩和される。濃縮度の減少に基づく反応
度の減少は燃料集合体の滞留期間全体に及ぶが、
可燃性吸収材は主として滞留期間の最初の燃料再
装荷サイクル中に反応度を低下させる。しかし、
ピーク濃縮度が固定されている場合、コールド停
止制御区域における濃縮度を減少させることは燃
焼度を減少させ、軸方向出力ピーキングをこの区
域のガドリニアを増加する場合より一層ひどくす
る。従つて、濃縮度の減少とガドリニア含量の増
加とを組合せて用いるのが有利である。

本発明の構成および利点をさらによく理解でき
るように、以下に本発明を図面を参照しながら説
明する。

好適実施例の説明 第１図は沸騰水形の水冷却兼減速原子炉システ
ム１０を線図的に一部破断して示す縦側面図であ
る。このシステムは圧力容器１１を含み、その内
部に炉心１２が冷却材兼減速材、例えば軽水に沈
められた状態で配置されている。炉心１２は複数
個の燃料セル１３を環状シユラウド１４で囲んだ
構成である。各燃料セル１３は４つの燃料集合体
（または束）１５および１つの制御棒１６を含む。
燃料セルは、上部炉心グリツド１８および下部炉
心プレート１９により互に離間関係で保持されて
おり、それぞれの底部で適当なサポート２０によ
り支持されている。制御棒１６は炉心反応度を制
御するために、燃料集合体間に選択的に挿入可能
である。各制御棒１６に関連して制御棒案内管２
１が設けられており、制御棒を炉心の下方に引抜
くときこの案内管が制御棒を案内する。第２図は
燃料セル１３の炉心１２内での配列状態を示す線
図的頂部平面図である。代表的な炉心は300〜900
程度の燃料集合体を含む。

圧力容器１１の炉心１２より下側の部分は冷却
材供給室２２を画成し、他方炉心より上側の部分
は汽水分離器兼乾燥器構造２５を含む。運転時に
は、冷却材循環ポンプ２７により冷却材供給室２
２内の冷却材を加圧し、冷却材を炉心１２を通つ
て上向きに圧送する。冷却材は炉心内で起つてい
る核分裂反応により発生した熱を吸収し、冷却材
の一部が蒸気（スチーム）に転換され、この蒸気
は汽水分離器兼乾燥器構造２５を経て利用装置、
例えばタービン３０に達する。タービンにつなが
つた復水器３２で排出蒸気を凝縮し、凝縮水を給
水として凝縮水返送ポンプ３５により冷却材循環
ポンプ２７の入口側に戻す。

第３図に１つの燃料セル１３の構造を詳しく示
す。制御棒１６は横断面が十字形状で制御ブレー
ド４０を有し、各制御ブレード４０が隣り合つた
２つの燃料集合体間にはさまれている。各燃料集
合体１５は、多数の細長い燃料棒４２を上部タイ
プレート４５および下部タイプレート４６間に保
持し、矩形断面の管状流れチヤンネル４８内に収
容してなる。燃料集合体の下部にはノーズ５０が
設けられ、ノーズ５０にあけた複数の開口５２を
通して冷却水が流れチヤンネル４８内に入り燃料
棒４２に沿つて上向きに流れる。ノーズ５０は適
当な形状となつており、燃料集合体サポート２０
に設けられた対応形状のソケツト（図示せず）に
はまる。

よく知られているように、各燃料棒４２は円筒
形被覆管に多数の濃縮酸化ウランおよび／または
プルトニウム燃料の焼結ペレツトを収容して構成
される。濃縮度は１つの燃料集合体でも燃料棒毎
に変わり、代表的には約0.7〜5.0W／Ｏ（核分裂
性核種重量パーセント）の範囲にわたつて変り、
平均値約1.5〜3.5W／Ｏを呈する（天然産出ウラ
ンは0.7W／Ｏである）。燃料棒は直径約1.3cm
（１／２インチ）長さ約366〜457cm（12〜15フイ
ート）とすることができる。

第４図は本発明の代表的な再装荷燃料集合体に
おける燃料棒の横断面（水平）分布を示す略線図
である。燃料棒４２は８×８の行列に配列され、
中心燃料棒位置２つは水チヤンネル５５（「ウオ
ータロツド」と称されることもある）で占められ
ている。参照数字５７を付した10本の燃料棒はガ
ドリニアの形態の可燃性吸収材を含み、円内に符
号G1，G2，G3またはG4を付した円で表示され
ている。残りの52本の燃料棒はガドリニアを含ま
ず、円内にＵ−235の重量パーセントを示す、本
例では1.60〜3.95W／Ｏの範囲の数字を付した円
で表示されている。燃料集合体１５の横断領域で
の濃縮度の変化およびガドリニア含有燃料棒５７
の特定位置は周知の考察条件によつて決められる
が、これらの条件は本発明の一部を構成するわけ
ではないので、詳しく説明しない。

G1，G2，G3およびG4燃料棒の特定構造が、
燃料集合体の軸方向出力分布およびコールド停止
制御特性を決定する。種々の具体例を以下に示
す。第５Ａ〜５Ｇ図は７つの燃料集合体例の組成
を示し、第６Ａ〜６Ｇ図はこれら７つの例のガド
リニウム含有燃料棒の組成を示す。燃料集合体に
所定の軸方向区域でガドリニアの相対的増強を達
成するには、当該区域でガドリニア含有棒の数を
増やすか、当該区域内の所定数の燃料棒中のガド
リニア濃度を高めればよいことに留意すべきであ
る。本発明に利用する濃度（２〜5W／Ｏ）で、
ガドリニアはすべて自己遮蔽性である。

第５Ａ図は本発明による燃料集合体の第１実施
例の長さ方向組成を示す略線図である。この燃料
集合体は軸方向寸法12.5フイートすなわち381cm
（150インチ）で、このなかに頂部および底部の15
cm（６インチ）の天然ウランブランケツト５９お
よび351cm（11.5フイート）の濃縮部分６０が含
まれる。ウランブランケツト５９についてはこれ
以上説明せず、以下の説明は濃縮部分６０につい
て行う。

燃料集合体はガドリニア含有燃料棒により与え
られるガドリニア成分を含み、これは２つの目的
即ちホツト運転状態での軸方向出力分布調整とコ
ールド停止時反応度の制御の目的をもつている。
この目的のために、燃料集合体は「ホツト運転制
御区域」と称される長い区域６２および「コール
ド停止制御区域」と称される相対的に短い区域６
５内でガドリニアが増強されている。区域６２は
濃縮部分６０の底部または底部付近に位置し、他
方区域６５は濃縮部分６０の頂部付近に位置す
る。この特定実施例では、区域６２の長さは137
cm（54インチ）、区域６５の長さは30cm（12イン
チ）である。こうして、第５Ａ図及び第６Ａ図の
実施例におけるコールド停止制御区域６５は、燃
料集合体における燃料棒の全体高さ381cm（150イ
ンチ）の76〜84パーセント、すなわち下から290
〜320cm（114〜126インチ）の範囲にわたつて延
在することになる。区域６２における増強はガド
リニア濃度の増加により達成され、区域６５にお
ける増強はガドリニア濃度の増加とガドリニア含
有燃料棒の数の増加により達成される。

第６Ａ図はガドリニア含有燃料棒の長さ方向組
成を示す。G1およびG4燃料棒はガドリニア成分
が濃縮部分６０の全域にわたつて分布しており、
G4燃料棒はホツト運転制御区域６２のガドリニ
ア濃度が高くなつている（他の区域の2W／Ｏに
対して4W／Ｏ）。G4燃料棒はコールド停止制御
区域６５のガドリニア濃度も高く（4W／Ｏ）、コ
ールド停止制御区域６５の追加のガドリニア増強
は、区域６５のみに比較的高い濃度（5W／Ｏ）
のガドリニアを含有するG2およびG3燃料棒によ
り達成されている。なお、G2およびG3燃料棒は
コールド停止制御区域６５におけるウラン濃縮度
が幾分低められていることに特徴がある。この区
域における顕著に低下した濃縮度は以下に記載す
る実施例のいくつかの特徴であるが、G2および
G3燃料棒の濃縮度の低下だけでは燃料集合体全
体での平均濃縮度低下は小さい。この実施例の重
要な点は、予め定められた標準のガドリニアおよ
びＵ−235濃度を有する燃料ペレツトを製造する
のが有利な点である。

コールド停止制御区域６５におけるガドリニア
含量の増加により区域６５および６２以外の領域
のガドリニア含量を低下でき、所望の軸方向出力
分布の調整を行うことができる。区域６５のない
従来の燃料棒では、軸方向出力分布調整を達成す
るのに、区域６２中のガドリニア含量を増加しな
ければならなかつた。さらに、従来技術では、コ
ールド停止余裕を増す必要があると、すべての軸
方向区域におけるガドリニア装填量を増加して軸
方向出力分布を維持しなければならなかつた。

第５Ｂ図は本発明による燃料集合体の第２実施
例の長さ方向組成を示す略線図である。この実施
例が第５Ａ図の実施例と相違するのは、ホツト運
転制御区域が僅かに短く（122cmすなわち48イン
チ）、コールド停止制御区域が長い（76cmすなわ
ち30インチ）点であり、本実施例のコールド停止
制御区域は、燃料棒の高さの68〜88％、すなわち
下から259〜335cm（102〜132インチ）の範囲にわ
たつて延在する。コールド停止制御区域のガドリ
ニア成分が均一でなく、それよりもむしろ中心部
分６７の増強が最高である段階的分布を有するこ
ともわかる。第６Ｂ図はガドリニア含有燃料棒の
長さ方向組成を示す。G2およびG3燃料棒の増強
部分をG4燃料棒の増強部分より相対的に短くす
ることにより、コールド停止制御区域におけるガ
ドリニア分布の調整を行つていることがわかる。

第５Ｃ図は本発明による燃料集合体の第３実施
例の長さ方向組成を示す略線図である。この実施
例が第５Ｂ図の実施例と相違するのは、コールド
停止制御区域６５が、同じく段階的構成であり、
燃料棒の高さの68〜88％、すなわち下から259〜
335cm（102〜132インチ）の範囲にわたつて延在
するが、その最高ガドリニア増強部分６８が一層
長い点である。第６Ｃ図はガドリニア含有燃料棒
の長さ方向組成を示す。G2およびG3燃料棒のガ
ドリニア増強部分が第５Ｂおよび６Ｂ図の実施例
の場合より長いことがわかり、部分６８の長さの
差が説明されている。

第５Ｄ図は本発明による燃料集合体の第４実施
例の長さ方向組成を示す略線図である。この実施
例は第５Ｂ図の例にもつとも近似しているが、コ
ールド停止制御区域の中心最高増強部分がやゝ短
い点で区別され、コールド停止制御区域６５は、
燃料棒の高さの72〜88％、すなわち下から274〜
335cm（108〜132インチ）の範囲にわたつて延在
する。第６Ｄ図はガドリニア含有燃料棒の長さ方
向組成を示す略線図である。

第５Ｅ図は本発明による燃料集合体の第５実施
例の長さ方向組成を示す略線図である。この実施
例は第５Ｄ図の例にもつとも近似していて、コー
ルド停止制御区域６５は燃料棒の高さの72〜88
％、すなわち下から274〜335cm（108〜132イン
チ）の範囲にわたつて延在するが、制御区域６２
および６５以外でのガドリニア分布が少し異なる
点で区別される。さらに具体的には、第５Ａ〜Ｄ
図の実施例は制御区域外に８本のガドリニア含有
燃料棒を有し、うち４本がガドリニア濃度4W／
Ｏ、４本がガドリニア濃度2W／Ｏを有すること
で特徴付けられるが、この第５実施例はガドリニ
ア濃度3W／Ｏを有する８本の同一燃料棒を用い
る。従つて、絶対ガドリニア含量は同じである
が、燃焼および製造特性は異なる。第６Ｅ図はガ
ドリニア含有燃料棒の長さ方向組成を示す略線図
である。

第5F図は本発明による燃料集合体の第６実施
例の長さ方向組成を示す略線図である。この実施
例は区域長さおよびガドリニア分布が第５Ｄ図の
実施例と同じである。しかし、本例は、コールド
停止制御区域６５の濃縮度が制御区域外の濃縮度
と較べて著しく低くなつている点で相違する。ガ
ドリニア含有燃料棒の長さ方向組成を示す第６Ｆ
図からわかるように、G1，G2，G3およびG4燃
料棒のガドリニウム増強部分に天然ウランを用い
ることにより、この濃縮度の低下を実現してい
る。濃縮度の低下は均一ではなく、ガドリニウム
増強を段階的にするのと同様のやり方で段階的に
なつている。

第５Ｇ図は本発明による燃料集合体の第７実施
例の長さ方向組成を示す略線図である。この実施
例が第５Ｆ図の例と相違するのは、ホツト運転制
御区域６２の長さが少し長い点だけである。この
差は、第６Ｇ図からわかるように、G4燃料棒の
構成を対応して再構成することにより達成され
る。

上述した実施例はガドリニア分布をホツト運転
制御区域６２において増強して軸方向出力分布の
調整を行つていることで特徴付けられるが、本発
明により達成されるコールド停止制御を軸方向出
力分布調整と結合する必要はない。第５Ｈ図は本
発明による燃料集合体の第８実施例の長さ方向組
成を示す略線図である。この実施例は上述した７
つの実施例から、燃料棒の高さの68〜84％、すな
わち下から259〜320cm（102〜126インチ）の範囲
にわたつて延在するコールド停止制御区域６５で
の増強を除いてはガドリニア分布が均一である点
で相違する。ガドリニア含有燃料棒の長さ方向組
成を示す第６Ｈ図から明らかなように、G1およ
びG4燃料棒は均一なガドリニア成分を有し、G2
およびG3燃料棒によりコールド停止制御区域６
５の増強を実現している。この実施例は第５Ｃお
よび６Ｃ図の実施例とは、G4燃料棒を構成する
態様についてのみ相違する。

燃料棒の高さの68〜88％の範囲にわたつて延在
するコールド停止制御区域６５の増強ガドリニア
の効果は種々の実施例ごとに異なり、また原子炉
の運転履歴によつても変化することが明らかであ
る。第７Ａ図において曲線８５は、第５Ａおよび
６Ａ図に示したタイプの燃料集合体よりなる炉心
を有する原子炉をBOC（サイクルの開始）で全制
御棒引抜き状態で運転した場合の、相対出力を炉
の軸方向位置の関数として示す。このグラフは単
位平均出力に標準化されている。比較の目的で、
第７Ａ図にはガドリニア分布が均一な炉心におけ
る軸方向出力分布を仮想線の曲線８６で示してあ
る。図からわかるように、ホツト運転制御区域に
おけるガドリニア増強には軸方向出力分布を幾分
より均一にする効果があり、コールド停止制御区
域におけるガドリニア増強の効果としてはこの区
域の出力が少し減少する。

第７Ｂ図の曲線８８は、１本を除いてすべての
制御棒を差入れてBOCでコールド停止状態にあ
る原子炉炉心について、相対出力を軸方向位置の
関数として示す。本グラフも単位平均出力に標準
化されている。図面には、さらにガドリニア成分
が軸方向に均一な炉心における出力分布を仮想線
の曲線８９で示してある。第７Ｂ図における絶対
中性子束は通常第７Ａ図の絶対中性子束より小さ
いことに留意すべきである。コールド停止制御区
域におけるガドリニア増強の効果はコールド停止
区域６５における中性子束および出力の著しい減
少として現われる。

どの燃料集合体例を選択するかは原子力発電所
を運転する設備の特有の要件による。運転モード
が特定のコールド停止必要条件に強く影響するか
らである。ある設備は高い稼動率を必要とし、同
時に過剰な反応度に対し早期停止を必要とする厳
格な時間表に固執しなければならない。例えばこ
のような時間的制約は査察間隔を決めている規則
により、または水力発電のような交替発電源の季
節的利用の可能性により課せられる。このような
場合、もつとも限定的な状況がサイクルの初めご
ろであるときには、一層長いコールド停止制御区
域または一層多数のガドリニア含有燃料棒を設け
ることにより、十分なコールド停止制御を維持す
る。コールド停止制御区域におけるウラン濃縮度
を下げることがこのような状況下での適切な技術
である。濃縮度の低下はサイクル全体にほゞ均一
な効果をもつが、ガドリニア価はサイクル全域で
変わることを注意しておく。他方、別の設備は長
いサイクルにわたつて運転される傾向にある。こ
の運転モードは、交替電力のコストが常に高く、
従つて交替電力コストが燃料サイクルコストを上
回る状況下で必要とされる。このような場合、コ
ールド停止制御区域におけるガドリニアの濃度を
増加してサイクルの中間期および末期付近で十分
なガドリニア価を維持するのが適当である。

上述したところから明らかなように、本発明の
燃料集合体構成は、コールド停止余裕が増加し、
コールド停止余裕が調節可能であり、しかも可燃
性吸収材残留反応度ペナルテイおよび軸方向出力
分布への影響が小さいことで特徴付けられる。コ
ールド停止および軸方向出力分布調整の必要条件
が、ともに、本発明により可能となつた幾つかの
構成例により、索連した関係で最適に満たされ
る。上述した実施例を考慮すれば、広範な種々の
運転条件に適当な燃料集合体が、ガドリニア含有
燃料棒のみを（しかも必ずしもその全部ではな
く）再構成することによつて得られるという本発
明の融通性がすぐに実証される。

上述の説明は本発明の好適実施例の十分かつ完
全な記載であるが、本発明の要旨を逸脱せぬ範囲
内で種々の変更例、別の構造および均等物が使用
できる。例えば、コールド停止制御区域のガドリ
ニアを増強し濃縮度を減少させた実施例は、その
ガドリニア増強と濃縮度減少とを同一領域で行う
としているが、こうでなければならないという絶
対の必要条件はない。従つて、ガドリニア増強を
区域の第１部分に適用し、濃縮度減少を第２部分
に、おそらくは第１部分にオーバーラツプさせて
適用することができる。ほかに、図示のようなガ
ドリニア含有燃料棒の横断面分布は再装荷燃料集
合体に適当であるが、本構成は初期装荷燃料集合
体の場合には異なるのが普通である。さらに、ガ
ドリニア含量および減少した濃縮度で特徴付けら
れる「特別な」燃料棒の数を、これらの特性を少
数の１組の燃料棒に限定することにより、最小に
するのが好都合であるが、こうしなければならな
いという絶対の必要条件はない。従つて、第１組
の燃料棒にコールド停止制御区域のガドリニア増
強を与え、第２組の燃料棒にコールド停止制御区
域の濃縮度減少を与えることができる。従つて、
本明細書の記載および具体例は本発明の範囲を限
定するものと解すべきではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は水冷却兼減速原子炉を一部断面にて示
す概略図、第２図は炉心の燃料集合体の普通のレ
イアウトを示す平面図、第３図は炉心内の１本の
燃料セルを一部破断して示す斜視図、第４図は本
発明による燃料集合体の横断面図、第５Ａ〜５Ｈ
図は本発明による燃料集合体の種々の実施例の長
さ方向組成を示す図、第６Ａ〜６Ｈ図は第５Ａ〜
５Ｈ図の燃料集合体中のガドリニア含有燃料棒の
長さ方向組成を示す図、第７Ａ図はホツト運転状
態の原子炉における相対出力を示すグラフ、そし
て第７Ｂ図は１本の制御棒を抜いたコールド停止
状態の原子炉における相対出力を示すグラフであ
る。 １０……水冷却兼減速原子炉、１５……燃料集
合体、４２……燃料棒、５７……ガドリニア含有
燃料棒、６０……濃縮部分、６２……ホツト運転
制御区域、６５……コールド停止制御区域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉心頂部に向うに従つて減速が減少するよう
   な蒸気ボイドの実質的割合で炉心の運転が特徴付
   けられ、減速が減少した結果、上部炉心領域では
   燃焼が遅くなり転換比が大きくなり、従つて上部
   炉心領域における減速が相対的に増加するコール
   ド停止に伴つて、上部炉心領域でピークになる反
   応度プロフイールが生じる沸騰水形原子炉炉心に
   用いる燃料集合体であつて；燃料集合体のほぼ軸
   方向全長にわたつて分布する核分裂性物質成分を
   有すると共に、中性子吸収物質成分を有し、該中
   性子吸収物質成分の軸方向分布がコールド停止制
   御区域と称される軸方向区域における増強で特徴
   付けられ、該コールド停止制御区域は、コールド
   停止における無限反応度プロフイールがピークに
   達する軸方向領域の少なくとも一部に対応し、コ
   ールド停止制御区域における中性子吸収物質の全
   体量が、該コールド停止制御区域の直上及び直下
   の燃料集合体軸方向区域における中性子吸収物質
   の全体量より多く、コールド停止状態における反
   応度ピークが前記コールド停止制御区域の直上及
   び直下の区域の反応度に対して減少し、前記コー
   ルド停止制御区域が核燃料集合体の核分裂性物質
   の高さに対し底から68〜88％の範囲内において軸
   方向に延在することを特徴とする燃料集合体。 ２ 前記中性子吸収物質が可燃性吸収材である特
   許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 ３ 前記可燃性吸収材がカドリニウムよりなる特
   許請求の範囲第２項記載の燃料集合体。 ４ 前記コールド停止制御区域における中性子吸
   収物質の増強が、可燃性吸収材を含む横断面分布
   領域の数の相対的増加により、少くとも部分的に
   達成される特許請求の範囲第１項記載の燃料集合
   体。 ５ 前記コールド停止制御区域における中性子吸
   収物質の増強が、可燃性吸収材を含む横断面分布
   領域の一定数において吸収材濃度の相対的増加に
   より、少くとも部分的に達成される特許請求の範
   囲第１項記載の燃料集合体。 ６ 前記核分裂性物質成分が軸方向にほぼ均質に
   分布している特許請求の範囲第１項記載の燃料集
   合体。 ７ 前記核分裂性物質成分の軸方向分布が前記コ
   ールド停止制御区域における濃縮度の相対的減少
   により特徴付けられる特許請求の範囲第１項記載
   の燃料集合体。 ８ 前記中性子吸収物質成分の軸方向分布が前記
   核分裂性物質の軸方向全長に実質的に重なる複数
   部分を含む特許請求の範囲第１項記載の燃料集合
   体。 ９ 前記中性子吸収物質成分の軸方向分布が、ホ
   ツト運転反応度が最高になる軸方向領域の少くと
   も一部分に対応する軸方向区域における追加の増
   強で特徴付けられる特許請求の範囲第１項記載の
   燃料集合体。 １０ 前記燃料集合体がほぼ平行な相互に間隔を
   あけた複数本の燃料棒を備え、そのうち第１組の
   燃料棒のコールド停止制御区域において中性子吸
   収物質が増強され、第２組の燃料棒のコールド停
   止制御区域において中性子吸収物質が増強されて
   いない特許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 １１ 前記第２組の燃料棒の少くともいく本かが
   中性子吸収物質を本質的に含まない特許請求の範
   囲第１０項記載の燃料集合体。 １２ 前記第１組の燃料棒の少なくともいく本か
   が前記コールド停止制御区域を越えた軸方向範囲
   にわたつて中性子吸収物質を含有する特許請求の
   範囲第１０項記載の燃料集合体。 １３ 前記第１組の燃料棒の少くともいく本かが
   前記コールド停止制御区域のみに中性子吸収物質
   を含有する特許請求の範囲第１０項記載の燃料集
   合体。 １４ 前記核分裂性物質成分の軸方向長さが305
   〜457cm（10〜15フイート）で、前記コールド停
   止制御区域の軸方向長さが15〜91cm（0.5〜３フ
   イート）である特許請求の範囲第１項記載の燃料
   集合体。 １５ 前記コールド停止制御区域の軸方向長さが
   該燃料集合体の底から測定して、該燃料集合体の
   核分裂性物質の高さの68〜84％の範囲内にある特
   許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 １６ 前記コールド停止制御区域の軸方向長さが
   該燃料集合体の底から測定して、該燃料集合体の
   核分裂性物質の高さの72〜88％の範囲内にある特
   許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 １７ 前記コールド停止制御区域の軸方向長さが
   該燃料集合体の底から測定して、該燃料集合体の
   核分裂性物質の高さの76〜84％の範囲内にある特
   許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。