JPH0378954B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の利用分野］ 本発明は、燃料集合体および、この燃料集合体
を炉心に装荷した原子炉に関する。 ［発明の目的］ 本発明は、燃料経済性の向上をはかつた燃料集
合体及び原子炉を提供することにある。 ［発明の概要］ 上記の目的を達成することにより、本発明の燃
料集合体及び本原子炉が、従来燃料とほぼ同じ平
均濃縮度で、従来よりも約10％多くのエネルギー
を取出すことができる。これにより発電費と低減
できるとともに使用済燃料発生量や、再処理量を
低減できる。 本発明の燃料集合体及び原子炉では、上記の目
的である燃料経済性向上をはかるために、以下の
手法を用いた。 Ｉ 燃料集合体 本発明の燃料集合体は、以下に示す(1)、(2)及
び(3)の概念を用いている。 (1) ３領域の濃縮ウラン領域の軸方向濃縮度分
布 炉心の軸方向での上下端部あるいは半径方
向での周辺部では、出力が低く逆に軸方向あ
るいは半径方向の中央部付近では出力が高く
なる。前者の低出力部のＵ−235の量を減ら
して後者の高出力部のＵ−235を増すことに
より、中性子の利用率を向上させることがで
きる。このようなＵ−235の分布によつて出
力ピーキングが増加することになり、いわば
出力ピーキングの余裕を燃料経済性にふり向
けることが可能になる。本方法を活用するた
めには出力ピーキングの余裕が必要である。
本発明の燃料集合体は、その出力ピーキング
の余裕を、軸方向の濃縮度分布を用いて軸方
向の出力分布を平坦化することによつて得て
いる。すなわち、本発明の燃料集合体は、燃
料集合体の上部領域の平均濃縮度を下部領域
のそれよりも大きくすることによつて燃料集
合体の軸方向の出力分布を平坦化し、出力ピ
ーキングを下げている。このようにして、本
発明の燃料集合体は、出力ピーキングの余裕
を得ている。上記の燃料集合体の軸方向の出
力分布平坦化の事例は、特公昭58−29878号
公報に示されている。本発明の燃料集合体
は、濃縮ウランを充填した領域の濃縮度分布
が第３図Ａに示すように三領域（すなわち一
つの高濃縮度領域及び二つの低濃縮度領域）
になつている。二つの低濃縮度領域は、高濃
縮度領域を挟んでその上下に配置されてい
る。上部の低濃縮度領域は、後述する可燃性
毒物の軸方向分布による炉停止余裕の減少を
補償するために設けられている。本発明の燃
料集合体の軸方向濃縮度分布は、後述する天
然ウラン領域を除いて三領域になつている。
上下の低濃縮度領域は、両者の濃縮度分布や
平均濃縮度をできるだけ同一にし、製造上の
適宜を図ることが望ましい。 本発明の燃料集合体は、出力ピーキングの
余裕を利用した燃料経済性向上の具体策の１
つとして燃料集合体の上端部及び下端部の少
なくとも一方に天然ウランブラケツトを設け
ている。効果的に燃料経済性を向上させるた
めには、天然ウランブランケツトは、燃料集
合体の上下端部に設けるとよい。第３図Ａ
は、上下端部に天然ウランブランケツトを配
置したものである。 出力の低い燃料集合体の端部（例えば、上
下端部）は、濃縮ウランから天然ウランに変
えて天然ウランブランケツトにする。端部を
天然ウランブランケツトにした分だけ出力の
高い軸方向の中央部の濃縮度を高める。この
ように構成された本発明の燃料集合体は同じ
平均濃縮度であつて軸方向の濃縮度が一様な
燃料集合体に比べて反応度利得を得ることが
できる。この方法は又、炉心上下端部での中
性子束を減少させることにより、炉心からの
中性子の漏れを減少させ炉心の反応度利得を
得ることができる。 燃料集合体の軸方向の出力ピーキングは、
端部に天然ウランブランケツトを設けること
によつて大きくなる。この軸方向の出力ピー
キングを増大させる度合いは、前述した軸方
向の濃縮度分布による出力ピーキングの減少
量内に抑えられている。これによつて、燃料
集合体に課せられた熱的な運転制限値を守つ
て原子炉を運転することができる。 本発明の燃料集合体の軸方向出力分布を好
適に平坦化できるのは、濃縮ウラン領域の最
下部の低濃縮度領域である最下部領域と濃縮
ウラン領域の高濃縮度領域である中央部領域
との境界の位置を、燃料集合体の燃料物質充
填領域の下端からその燃料物質充填領域の軸
方向長さの1/3〜7/12の範囲に配置した時で
ある。本発明の燃料集合体は、濃縮ウラン領
域の中央部領域より上方の平均濃縮度が濃縮
ウラン領域の最下部領域より下方の平均濃縮
度よりも大きい。 天然ウランブランケツトの軸方向長さによ
る燃料経済性（取出燃焼度）の改善度合を、
第１３図に示す。第１３図の（ ）内の分数
の分子の数字ｎは、燃料物質充填領域の上端
部に設けられた天然ウランブランケツトの軸
方向の長さ、すなわちノード数を示してい
る。燃料物質充填領域の軸方向全長が24ノー
ドである。例えば、ｎ＝１は、燃料物質充填
領域の上端部にある天然ウランブランケツト
の軸方向長さが１ノード、すなわち燃料物質
充填領域の軸方向長さの1/24であることを示
している。第１３図の（ ）内の分数の分母
の数時n₂は、燃料物質充填領域の下端部に設
けられた天然ウランブランケツトの軸方向長
さ（ノード数）を示している。上下端部の天
然ウランブランケツトの軸方向長さが増大す
る程、軸方向の出力ピーキングの増加率が増
大する。燃料経済性の改善率は、軸方向長さ
１／２４の天然ウランブランケツトを燃料物質充
填領域の上端部に設けた場合が最も大きく、
次いて軸方向長さ1/24の天然ウランブランケ
ツトを燃料物質充填領域の下端部に設けた場
合、軸方向長さ1/12の天然ブランケツトを上
端部に設けた場合、軸方向長さ1/12の天然ウ
ランブランケツトを下端部に設けた場合の順
にだんだん低下する。燃料経済性の改善率
は、燃料充填領域の上下端部とも軸方向長さ
が燃料充填領域の軸方向長さの1/12より大き
くなるとあまり増加しなくなる。従つて、天
然ウランブランケツトの長さは、燃料充填領
域の軸方向長さの1/24〜1/12の範囲が最も燃
料経済性を改善できる。 (2) 濃縮ウラン領域における２領域又は３領域
の軸方向可燃性毒物分布 炉心の余剰反応度を制御する可燃性毒物
（例えばガドリニア）は、出力の低い場所や
中性子スペクトルの硬い場所では予定した運
転期間内に燃え尽きずに残留する場合があ
る。このような場合には反応度の損失を伴う
ため、低出力部での可燃性毒物の残留量を減
少させるようあらかじめ低濃度にしておくこ
とにより、反応度損失を防ぐことができる。 沸騰水型軽水炉（以下BWRという）で
は、炉心の上端部付近において低出力である
ことと蒸気泡（ボイド）の発生量が多いこと
から中性子スペクトルが、硬くなり、他の部
分に比べると可燃性毒物の残留が多い。従つ
て、この炉心上端部付近に位置する燃料集合
体の上端部付近における軸方向単位長さ当り
の可燃性毒物の含有量を、軸方向の他の部分
における軸方向単位長さ当りのその含有量よ
りもあらかじめ減らしておくことにより、反
応度利得を得て、燃料経済性を向上させるこ
とができる。第３図Ｂに本発明の燃料集合体
における軸方向の可燃性毒物分布を示す。本
発明の燃料集合体では、濃縮ウラン領域の上
端部における軸方向単位長さ当りの可燃性毒
物の含有量が、濃縮ウラン領域の他の領域の
それよりも少なくなつている。本発明の燃料
集合体は、濃縮ウラン領域にのみ可燃性毒物
が混入している。 燃料集合体上端部付近における軸方向単位
長さ当りの可燃性毒物の含有量の減少は、
BWRの炉停止余裕を減少させる方向であ
る。すなわち炉心上端部付近の低出力部は、
燃料物質（特に核分裂性物質）の燃焼も他に
比べ遅いことからＵ−235の燃え残りが多い
上に、中性子スペクトルが硬いためにPuの
生成も他の部分（例えば炉心下部）に比べて
即進されるので、冷温時には中性子束がピー
クとなる。このため、燃料集合体上端部付近
における軸方向単位長さ当りの可燃性毒物量
の減少は、出力ピークが燃料集合体の中央部
あるいは下部に生ずる出力運転時の特性には
影響が少ないが、BWRの運転が停止された
冷温時にはその影響が強調されることとな
る。 燃料集合体上端部付近の可燃性毒物量減少
による炉停止余裕の減少を補償するため、本
発明の燃料集合体では、可燃性毒物量を減少
させた領域の濃縮度を低くする方法を採用し
ている。従つて、濃縮ウラン領域で軸方向単
位長さ当りの可燃性毒物の含有量を減少させ
た領域と濃縮ウラン領域の最上部の低濃縮度
領域とのレベルは一致させておくことが必要
である。 濃縮ウラン領域上端部の軸方向単位長さ当
りの可燃性毒物の含有量の少ない領域の軸方
向長さは、燃料物質充填領域の軸方向長さの
３／２４〜5/24の範囲にすることが望しい。これ
は、第１４図の特性から明らかである。第１
４図は可燃性毒物としてガドリニアを用いた
場合の上記可燃性毒物の低含有領域の軸方向
長さと燃料経済性改善率との関係を示したも
のである。この低含有領域の軸方向長さが燃
料物質充填領域の軸方向長さの3/24より短か
くなると燃料経済性改善率が急激に低下し、
低含有領域の軸方向長さが燃料物質の軸方向
長さの5/24より大きくなつても燃料経済性改
善率がほとんど増加しない。従つて、上記可
燃性毒物の低含有領域の軸方向長さは、前述
の3/24〜5/24の範囲にするとよい。濃縮ウラ
ン領域の最上部の低濃縮度領域の軸方向長さ
も、燃料物質充填領域の軸方向の長さの3/24
〜5/24の範囲にすることが望しい。 燃料集合体の軸方向の出力分布平坦化のた
めに、軸方向の濃縮度分布と併せて可燃性毒
物を軸方向に分布させる場合がある。可燃性
毒物の分布による軸方向の出力分布の平坦化
に当つては、特公昭58−23913号公報に示す
ように、燃料集合体上部の可燃性毒物の量を
下部のより減らす軸方向二領域の可燃性毒物
分布を採用することができる。この場合にお
ける本発明の燃料集合体は、濃縮のウラン領
域の上端部に軸方向単位長さ当りの可燃性毒
物の含有量を減少させた領域があるので、軸
方向長さ当りの可燃性毒物の含有量の異なる
領域が天然ウランブランケツトを除いて軸方
向に三領域存在することになる。 (3) 燃料集合体横断面における高利得型濃縮度
分布 燃料集合体横断面内の中性子束分布は、
BWRの場合に水ギヤツプに面した最外周に
配置された燃料棒で最も高く内側の燃料棒で
は低くなる。したがつて、燃料集合体横断面
で最外周に配置された燃料棒の平均濃縮度を
燃料集合体の平均濃縮度よりも高くすること
によつて、中性子利用率を向上させ反応度利
得を得ることができる。 これにより出力ピーキングが増大する。こ
の出力ピーキングの増大は、前述の軸方向濃
縮度分布及び軸方向可燃性毒物分布による出
力ピーキングの減少量内に抑えられている。 原子炉 燃料経済性の向上のみならず、広く発電コス
トの低減のために、炉心内の燃料集合体の配置
として以下の手法を用いている。 (1) 炉心最外周への高燃焼度燃料集合体の装荷
前述（項参照）の出力ピーキングの余裕を
利用した燃料経済性向上の具体策として、炉
心の最外周に高燃焼度の燃料集合体を装荷す
る。すなわち、出力の低い炉心最外周にＵ−
235の減つた高燃焼度の燃料集合体を装荷し、
Ｕ−235の多い新燃料集合体及び低燃焼度の
燃料集合体を炉心中央に装荷する。本発明の
原子炉は、炉心の半径方向の最外周に高燃焼
度の燃料集合体を、炉心の中央部に低燃焼度
の燃料集合体及び新燃料集合体を配置してい
る。これによつて、新燃料集合体を一様に分
散させて配置した炉心に比べて反応度利得を
得ることができる。また、本発明の原子炉
は、炉心の最外周部での中性子束が減少でき
るので、炉心側面からの中性子の漏れを減少
させ炉心の反応度利得を得ることができる。
このような本発明の原子炉は、炉心半径方向
の出力ピーキングが増大する。しかし、本発
明の原子炉は、炉心内に項で述べた燃料集
合体を装荷しているので、前述の炉心半径方
向の出力ピーキングの増加が前述の軸方向濃
縮度分布及び軸方向可燃性毒物分布によつて
生じる出力ピーキングの余裕にて補償でき
る。 (2) 改良シヤツフリング法 予定した運転期間が終ると、炉心から燃焼
の進んだ燃料集合体を取出してその後に未照
射の新燃料集合体が装荷される。この際、出
力分布の平坦化等の理由から取出されずに炉
心内に残つている燃料集合体の位置を替える
操作（燃料シヤツフリングという）を従来炉
心では行つていた。しかし、本発明の炉心で
は、前述した軸方向の濃縮度分布によつて出
力ピーキングに余裕が生じることから、燃料
シヤツフリングを行う必要が無い。但し、
−(1)項で述べた炉心最外周に高燃焼度の燃料
集合体を装荷するために、さらに炉心中央の
数本の制御棒のそれぞれを取囲むコントロー
ルセルに高燃焼度の燃料集合体を装荷するた
めに燃料シヤツフリングを若干行う。 この燃料シヤツフリング実施の際に移動さ
れる高燃焼度の燃料集合体は、炉心中央に装
荷されていた燃料集合体で所定の運転期間を
経過したものである。コントロールセルは、
炉心内に挿入された原子炉出力調整用の制御
棒の周囲を取囲みしかもその制御棒に隣接す
る４体の燃料集合体にて構成される。これら
４体の燃料集合体は、炉心中央に装荷されて
いる他の燃料集合体に比べて反応度が低くな
つている。 (3) 可燃性毒物含有量の異なる二種類の燃料集
合体を装荷 原子炉の運転期間が変動した場合には、当
初の予定より燃料集合体の取替体数が変わ
る。運転期間の変動が大巾な場合、反応度を
調節するために燃料集合体内の可燃性毒物の
含有量を設計変更する必要が生ずることもあ
る。大巾な計画変更に容易に対応できるよう
に、可燃性毒物含有量の異る二種類の燃料集
合体をあらかじめ用意しておき、これらの燃
料集合体の炉心内への装荷比率を変えること
により融通性を拡大できる。これらの二種類
の燃料集合体は、項に示す各用件を満たし
ており、可燃性毒物の含有量が互いに異つて
いる。 可燃性毒物含有量の少ない燃料集合体を出
力の低い炉心周辺近くに多く配置することに
よつて、炉心内における可燃性毒物の残留量
を減少でき、反応度利得を得ることができ
る。しかし、原子炉の運転期間の変動の融通
性が拡大する。可燃性毒物の含有量が多い燃
料集合体は、炉心中央に配置される。

【発明の実施例】

BWRに適用する好適な一実施例である燃料集
合体を、第１図及び第２図に基づいて以下に説明
する。本実施例の燃料集合体１６は、燃料棒１７
及びチヤンネルボツクス１８、及び図示されてい
ないが、下部タイプレート、上部タイプレート及
びスペーサからなつている。燃料棒１７の上下端
部は、下部タイプレート及び上部タイプレートに
て保持される。スペーサは、燃料棒１７の軸方向
に幾つか配置され、燃料棒１７相互間の間隙を適
切な状態に保持している。チヤンネルボツクス１
８は、上部タイプレートに取付けられ、スペーサ
で保持された燃料棒１７の束の外周を取り囲んで
いる。チヤンネルフアナスが、上部タイプレート
に取付けられる。１９は、制御棒である。 燃料棒１７は、図示されていないが下部端栓及
び上部端栓にて両端を密封された被覆管内に多数
の燃料ペレツトを装荷したものである。燃料ペレ
ツトは、燃料物質であるUO₂にて構成され、核分
裂性物質であるU²³⁵を含んでいる。被覆管内のガ
スプレナム内に配置され、燃料ペレツトを下方に
押圧している。 BWR炉心は、燃料集合体４体に１体の割合で
十字型の制御棒１９が挿入される。この炉心に
は、挿入される制御棒に面する燃料集合体の側壁
側に形成された水ギヤツプの幅がその反対側にあ
つて制御棒に面しない燃料集合体の側壁側に形成
された水ギヤツプの幅よりも広くなつている炉心
（Ｄ格子炉心）と、制御棒に面する燃料集合体の
側壁側に形成された水ギヤツプの幅が、その反対
側にあつて制御棒に面しない燃料集合体の側壁側
に形成された水ギヤツプの幅と等しい炉心（Ｃ格
子炉心）とがある。 本実施例の燃料集合体１６は、Ｃ格子炉心に装
荷される燃料集合体である。燃料集合体１６を構
成する燃料棒１７は、第２図に示すように燃料棒
１１〜１５及びG₁の６種類のものがある。これ
らの燃料棒１１〜１５及びG₁が、第１図のよう
にチヤンネルボツクス１８内で燃料集合体横断面
に配置されている。 燃料棒１１〜１５及びG₁は、燃料物質充填領
域の上下端部に天然ウランからなる燃料ペレツト
を充填した領域（天然ウランブランケツト領域）
が形成される。各天然ウランブランケツトは、燃
料物質充填領域の下端及び上端からそれぞれ燃料
物質充填領域の軸方向長さ（以下、燃料有効長Ｈ
という）の1/24の位置までを占めている。本実施
例の天然ウランブランケツトの軸方向長さは、第
１３図に示すように燃料経済性の改善度合いの大
きい燃料有効長Ｈの1/24とする。燃料物質充填領
域は、燃料ペレツトを充填している領域を意味す
る。各燃料棒の燃料物質充填領域の軸方向の長さ
は等しい。 燃料棒１１〜１５及びG₁において、燃料物質
充填領域の下端から燃料有効長Ｈの1/24〜23/24
の範囲は、濃縮ウランが充填されている濃縮ウラ
ン領域である。第２図に示すように燃料棒１１，
１３〜１５及びG₁は濃縮ウラン領域が軸方向に
おいて一様な濃縮度になつており、燃料棒１２は
濃縮ウラン領域が軸方向で濃縮度の異なる三つの
領域を有している。各燃料棒の濃縮ウラン領域の
濃縮度は、燃料棒１１で3.8重量％、燃料棒１３
で3.5重量％、燃料棒１４で3.0重量％、燃料棒１
５で1.9重量％及び燃料棒G₁で3.5重量％になつて
いる。燃料棒１２は、濃縮ウラン領域において、
燃料物質充填領域の下端を基点として燃料有効長
Ｈの1/24〜8/24の範囲の濃縮度が2.8重量％、燃
料有効長Ｈの8/24〜20/24の範囲の濃縮度が3.8重
量％及び燃料有効長Ｈの20/24〜23/24の範囲の濃
縮度が2.8重量％である。燃料棒G₁は、濃縮ウラ
ン領域の燃料ペレツト内に可燃性毒物であるガド
リニアを含有している。濃縮ウラン領域の軸方向
におけるガドリニア濃度は、燃料物質充填領域の
下端を基点として、燃料有効長Ｈの1/24〜20/24
の範囲で4.0重量％及び燃料有効長Ｈの20/24〜2
３／２４の範囲で2.5重量％である。燃料棒１１〜１
５は、ガドリニアを含有していない。 上記の軸方向濃縮度分布を有する燃料棒１１〜
１５は及びG₁を第１図の如く配置することによ
つて、燃料集合体１６の軸方向における各部の平
均濃縮度分布は以下のようになる。燃料集合体の
燃料物質充填領域の下端を基点として、燃料有効
長Ｈの1/24〜8/24の範囲（濃縮ウラン領域の最上
部領域）の平均濃縮度は3.15重量％、燃料有効長
Ｈの8/24〜20/24の範囲（濃縮ウラン領域の中央
部領域）の平均濃縮度は3.35重量％及び燃料有効
長Ｈの20/24〜23/24の範囲（濃縮ウラン領域の最
下部領域）の平均濃縮度は3.15重量％である。 燃料集合体１６において燃料物質充填領域の上
下端部に形成される天然ウランブランケツト領域
は0.71重量％のU²³⁵を含有している。 本実施例の燃料集合体１６は、濃縮ウラン領域
の最下部領域の平均濃縮度を低くして濃縮ウラン
領域の中央部領域の平均濃縮度を高くし、それら
の領域の間で約0.2重量％の平均濃縮度差をつけ
ている。 BWRでは炉心上端に行くに従つて蒸気泡（ボ
イド）が多いために炉心上部で中性子減速材であ
る水の密度が低下する。このため、軸方向の濃縮
度分布が一様な燃料集合体を炉心内に装荷した場
合、燃料集合体下部に出力ピークが生ずる下歪の
出力分布となる傾向がある。従つて、前述のよう
に燃料集合体下部の濃縮度よりも燃料集合体上部
の濃縮度を高くすることによつて、燃料集合体の
軸方向の出力分布を平坦化できる。本実施例の燃
料集合体１６における前述のような中央部領域と
最下部領域との平均0.5重量％及び中央部領域と
最下部領域との位置（燃料物質充填領域下端から
燃料有効長Ｈの8/24の位置）は、軸方向出力分布
平坦化の効果が最大となるよう選んだものであ
る。このような選択によつて得られた軸方向の濃
縮度分布によつて生じる燃料集合体１６の出力ピ
ーキングの余裕は、約15％〜20％となる。燃料集
合体１６は、その出力ピーキングの余裕を前述の
−(1)、及び(3)項に示すような反応度利得に振向
けて燃料経済性を向上させている。 燃料集合体１６は、濃縮ウラン領域の最上部領
域（燃料有効長Ｈの20/24〜23/24の範囲を有して
いる。この最上部領域の平均濃縮度は、濃縮ウラ
ン領域の最下部領域（燃料有効長Ｈの1/24〜8/24
の範囲）の前均濃縮度と同一である。濃縮ウラン
領域の最上部領域は、平均濃縮度が低くてしかも
燃料棒G₁の可燃性毒物の低濃度領域に対応して
おり、BWRの炉停止余裕の減少を補償してい
る。濃縮ウラン領域の最上部領域の軸方向長さ
（燃料有効長Ｈの3/24）は、後述の可燃性毒物減
少による経済的効果が最大となるよう決定したも
のである。 燃料集合体１６は、６本の燃料棒G₁を有して
いる。このような燃料集合体１６は、燃料棒G₁
の濃縮ウラン領域の上端部における軸方向単位長
さ当りのガドリニア含有量をそれよりも下方の領
域における軸方向単位長さ当りのガドリニア含有
量よりも少なくしているので、第１４図に示すよ
うに燃料経済性が向上する。第１４図で本実施例
と示した点が、燃料集合体１６のガドリニア低濃
度による燃料経済性の改善効果である。 燃料集合体１６は、燃料集合体の平均濃縮度よ
りも大きな平均濃縮度を有する燃料棒１３を、燃
料集合体横断面の最外周に配置している。このた
め、燃料集合体１６は、前述の−(3)項に示す反
応度利得を得ることができる。 以上述べた燃料集合体１６は、燃料経済性を著
しく向上できる。燃料集合体１６は、平均濃縮度
が同じである従来の燃料集合体に比べて著しく多
くのエネルギーを取出すことができる。これによ
つて、燃料サイクルに要する費用を著しく低減で
きる。さらに、使用済燃料集合体の発生量も著し
く低減できる。 本発明の他の実施例である燃料集合体を、第４
図及び第５図に基づいて説明する。本実施例の燃
料集合体２０は、燃料集合体１６とほとんど同じ
構成であり、燃料集合体１６と同じくＣ格子炉心
に装荷される燃料集合体である。第５図に示す燃
料棒１１〜１５は、第２図の燃料棒と同じもので
ある。燃料棒G₂が第２図に示す燃料棒と異つて
いる。燃料棒G₂の軸方向の濃縮度分布およびガ
ドリニア濃度分布は、前述の燃料棒G₁のそれと
同じである。しかし、燃料棒G₂の本数が、燃料
棒G₁と異つている。すなわち、燃料棒G₂は、燃
料物質充填領域の下端を基点として、燃料有効長
Ｈの1/24〜20/24の範囲で4.5重量％及び燃料有効
長Ｈの20/24〜23/24の範囲で3.0重量％である。
燃料集合体２０の燃料棒G₂の本数は、燃料集合
体１６の燃料棒G₁の本数よりも多い。第４図に
おいて、Ｗは、ウオータロツドを示している。 本実施例の燃料集合体２０も、前述の実施例と
同じ効果を得ることができる。 Ｄ格子炉心に適用される本発明の他の実施例で
ある燃料集合体を、第６図及び第７図に基づいて
説明する。本実施例の燃料集合体３０は、第７図
に示す９種類の燃料棒を第６図の如く燃料集合体
横断面に配置したものである。第７図に示す燃料
棒１１及び１４は、第２図に示されている。燃料
棒３２，３３，３５〜３８及びG₃は、燃料物質
充填領域の上下端部、すなわち第２図に示す各燃
料棒と同じ軸方向の位置に天然ウランブランケツ
トをそれぞれ有している。燃料棒３７，３８及び
G₃は、燃料物質充填領域の下端を基点として、
燃料有効長Ｈの1/24〜23/24の範囲の濃縮ウラン
領域の濃縮度が第７図に示すように2.1重量％、
1.7重量％及び2.8重量％である。これらの燃料棒
の濃縮ウラン領域の濃縮度は軸方向に一様であ
る。燃料棒３２，３３，３５及び３６の濃縮ウラ
ン領域は、燃料棒１２と同じように濃縮度が異な
る三領域にわかれている。すなわち、燃料物質充
填領域の下端を基点として、燃料有効長Ｈの1/24
〜8/24の範囲（濃縮ウラン領域の最下部領域）及
び燃料有効長Ｈの20/24〜23/24の範囲（濃縮ウラ
ン領域の最上部領域）の濃縮度は、燃料棒３２で
3.3重量％、燃料棒３３で3.0重量％、燃料棒３５
で2.5重量％及び燃料棒３６で1.6重量％である。
また、燃料物質充填領域の下端から燃料有効長Ｈ
の8/24〜20/24の範囲（濃縮ウラン領域の中央部
領域）の濃縮度は、燃料棒３２，３３，３５及び
３６でそれぞれ3.8重量％、3.5重量％、3.0重量％
及び2.5重量％である。 燃料集合体３０の濃縮ウラン領域における最上
部及び最下部領域の各平均濃縮度は3.08重量％、
及びその濃縮ウラン領域における中央部領域の平
均濃縮度は3.30重量％である。 燃料棒G₃の軸方向のガドリニアの濃度分布は、
燃料棒G₁と同じである。燃料棒３２，３３，３
５〜３８は、ガドリニアを含有していない。 本実施例の燃料集合体３０は、燃料集合体１６
と同じような効果を得ることができる。特に、
−(3)項に基づく反応度利得は、燃料集合体３０の
平均濃縮度より大きな平均濃縮度を有する燃料棒
３２を、燃料集合体横断面の最外周に配置するこ
とによつて達成できる。 第８図及び第９図に示す燃料集合体４０は、Ｄ
格子炉心に適用される燃料集合体である。燃料集
合体４０は、第９図に示す８種類の燃料棒を第８
図の如く配置することによつて構成される。第９
図の燃料棒１１は第２図に、燃料棒３２，３３，
３５〜３８は第７図に示されている。燃料棒G₄
の軸方向におけるガドリニア濃度分布は、燃料棒
Ｇのそれと同じである。燃料棒G₄は、燃料棒G₃
と同様に燃料物質充填領域の上下端部に天然ウラ
ンブランケツトを有しており、濃縮ウラン領域の
濃縮度が3.0重量％である。燃料集合体４０の濃
縮ウランの軸方向における平均濃縮度の分布は、
第９図に示すように燃料集合体３０のそれと同一
である。 燃料集合体４０は、燃料集合体１６と同様な効
果を得ることができる。 第１０図及び第１１図に示す燃料集合体５０は
−(2)項に示す軸方向二領域の可燃毒物分布の実
施例である。燃料集合体５０は、第１１図に示す
６種類の燃料棒を第１０図の如く配置したもので
ある。第１１図の燃料棒１１〜１５は、第２図に
示されている。燃料棒G₅は、ガドリニア分布を
除いて燃料棒G₁と同じである。すなわち、燃料
棒G₅は、燃料棒G₁の燃料物質充填領域の下端か
ら燃料有効長Ｈの1/24〜20/24の範囲の領域を、
燃料物質充填領域の下端から燃料有効長Ｈの8/24
の位置でさらに二つに分け、この二つに分けた領
域のうち上部領域のガドリニア濃度を4.0重量％
に、その領域のうち下部領域のガドリニア濃度を
5.0重量％にしたものである。燃料棒G₅は、濃縮
ウラン領域の軸方向にガドリニア濃度の異なる三
領域を有している。 燃料集合体５０は、燃料集合体１６と同じ効果
を得ることができる。さらに燃料集合体５０は、
上記のガドリニア濃度分布を有しているので、燃
料集合体下部の出力を押えて軸方向出力分布をよ
り平坦化できる。 本発明の一実施例である沸騰水型原子炉を以下
に説明する。本実施例の沸騰水型原子炉は、第１
２図に示す炉心６０を有している。炉心６０は、
Ｃ格子炉心である。第１２図は、炉心６０の横断
面の1/4を示している。第１２図において、正方
形の一つの升目は一体の燃料集合体を示してい
る。前述の正方形の升目内に記入してある１〜４
の番号は、該当する燃料集合体のBWR炉心内に
おける滞在期間を示している。すなわち、１は
BWRの運転サイクルが１サイクル目である燃料
集合体を、２はBWRの運転サイクルが２サイク
ル目である燃料集合体を、以下、３は３サイクル
目の燃料集合体及び４は４サイクル目の燃料集合
体をそれぞれ示している。BWRの運転サイクル
は、BWRの起動から運転停止までの所定の期間
（ほぼ一年）をいう。サイクル数が多くなる燃料
集合体程、燃焼度が高くなる。 燃料集合体６１（１の番号が付された升目の燃
料集合体）は、新燃料集合体であり、ガドリニア
を含有している燃料棒の本数が多い燃料集合体２
０を用いている（Ｄ格子炉心では燃料集合体４
０）。燃料集合体６４（の番号が付された升目
の燃料集合体）は、新燃料集合体であり、燃料集
合体６１よりガドリニアを含有している燃料棒の
本数が少ない燃料集合体１６を用いている（Ｄ格
子炉心では燃料集合体３０）。炉心６０の外周部
では燃料集合体６１及び６４のうち燃料集合体６
１が多く装荷され炉心６０の中央部では前述の二
種類の燃料集合体のうち燃料集合体６４が多く装
荷されている。燃料集合体６２は、原子炉出力調
整用の制御棒が挿入されるコントロールセルを構
成する燃料集合体である。コントロールセルは、
BWRの運転中において原子炉出力調整用の制御
棒の操作を容易にするために設けられている。燃
料集合体６２及び燃料集合体６３（の番号が付
された升目の燃料集合体）は、３サイクルの運転
サイクルを経験した高燃焼度の燃料集合体であ
る。炉心６０内の２及び３サイクル目の燃料集合
体は、燃料集合体６１及び６４の燃焼期間が経過
したものであり、ガドリニアはほぼ消失してい
る。 高燃焼度でＵ−235の含有量が少ない燃料集合
体６３は、炉心６０の半径方向で最外周部に装荷
されている。Ｕ−235の含有量が多い燃料集合体
６１及び６４は、炉心６０の中央部に装荷されて
いる。このような構成の炉心６０は、−(1)項に
示す反応度利得を得ることができる。第１５図
は、炉心６０の最外周部における燃料集合体６３
の装荷量と燃料経済性の改善効果との関係を示し
たものである。すなわち、第１５図は、４サイク
ル目の燃料集合体６３を炉心６０内に均一に装荷
したケースａを基準にして、燃料集合体６３を炉
心６０の最外周に一周だけ装荷したケースｂ及び
燃料集合体６３を炉心６０の最外周に二周だけ装
荷したケースｃについて燃料経済性の改善度合い
を示したものである。炉心６０の最外周に装荷し
た燃料集合体６３の列の数を多くするとそれに伴
つて出力ピーキングの増加率が増加する。しか
し、燃料経済性の改善度合いは、炉心６０の最外
周に燃料集合体６３を一周以上装荷してもほとん
ど変らない。従つて、本実施例では、ケースｂの
ように炉心６０の最外周に燃料集合体６３を一周
装荷した。 本実施例のBWRは、炉心６０の外周部付近
に、ガドリニアを含有している燃料棒G₁の本数
の少ない燃料集合体６１を燃料棒G₂の本数の多
い燃料集合体６４に比べて多く配置しているの
で、−(3)項に示す効果を得ることができる。す
なわち、BWRの運転期間の融通性が増すととも
に反応度利得を得る。 炉心６０の最外周およびコントロールセル以外
は燃料シヤツフリングを行わないノーシヤツフリ
ング領域とする。炉心６０の最外周及びコントロ
ールセルに配置されていた燃料集合体６３及び６
２は、４サイクルの運転期間を経過した後、炉心
６０から取出される。３サイクルの運転期間を経
過した燃料集合体は、炉心６０から取出されて燃
料集合体６２及び６３として、コントロールセル
及び炉心６０の最外周に装荷される。炉心６０か
ら燃焼が進んで取出された３サイクル経過の燃料
集合体の位置に未照射の新燃料集合体（燃料集合
体１６及び２０）を装荷する。従つて、燃料集合
体のシヤツフリングを最少にできるため、燃料交
換に要する時間を短縮でき、BWRのプラントの
設備利用率向上に寄与する。燃料シヤツフリング
が定検工程上のクリテイカルパスとならない場合
は、当然、燃料シヤツフリングによる半径方向出
力分布平坦化等のメリツトを利用可能である。 前述した炉心６０を有するBWRは、同一平均
濃縮度を有する燃料集合体を炉心に装荷した従来
のBWRに比べて10％多くのエネルギーを取出す
ることが可能である。さらに、使用済燃料集合体
の発生量が減少し、再処理量が低減する。

【発明の効果】

本発明によれば、出力ピーキングの余裕を燃料
経済性の向上に利用でき、取出しエネルギーを著
しく増大できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はBWRに適用する本発明の好適な一実
施例である燃料集合体の横断面、第２図は第１図
に示す燃料集合体を構成する燃料棒の濃縮度及び
ガドリニア分布を示す説明図、第３図は本発明の
燃料集合体の濃縮度及びガドリニア分布の概念を
示す説明図、第４図、第６図、第８図及び第１０
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５図は第４図の燃料集合体を構成する燃
料棒の、第７図は第６図の燃料集合体を構成する
燃料棒の、第９図は第８図の燃料集合体を構成す
る燃料棒の、及び第１１図は第１０図の燃料集合
体を構成する燃料棒のそれぞれの濃縮度及びガド
リニア分布を示す説明図、第１２図は本発明の好
適な一実施例であるBWRに用いた炉心の1/4横
断面図、第１３図は天然ウランブランケツトの軸
方向長さに対する出力ピークの増加率と燃料経済
性改善効果との関係を示す特性図、第１４図は低
ガドリニア濃度領域の軸方向長さと燃料経済性改
善効果との関係を示す特性図、第１５図は炉心最
外周の高燃焼度燃料集合体の配列と燃料経済性改
善効果との関係を示す特性図である。 １６，２０，３０，４０，５０……燃料集合
体、１７……燃料棒、１８……チヤンネルボツク
ス、１９……制御棒、６０……炉心。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に燃料物質が充填された複数の燃料棒を
   有する燃料集合体において、上端部及び下端部の
   少なくとも一方に設置された天然ウラン領域と、
   燃料集合体横断面における平均濃縮度の異なる最
   上部、中央部及び最下部の三つの領域を有する濃
   縮ウラン領域とが軸方向に配置された燃料物質充
   填領域を有し、前記最上部及び最下部領域の燃料
   集合体横断面での平均濃縮度が、前記中央部領域
   のそれよりも小さく、前記濃縮ウラン領域は軸方
   向単位長さ当りの可燃性毒物の含有量が異なる二
   以上の領域を有し、前記最上部領域における軸方
   向単位長さ当りの前記可燃性毒物の含有量が、前
   記濃縮ウラン領域の他の領域における軸方向単位
   長さ当りの前記可燃性毒物の含有量よりも少なく
   なつていることを特徴とする燃料集合体。 ２ 前記濃縮ウラン部領域の二つの前記最上部及
   び最下部のうち少なくとも２領域における燃料集
   合体横断面の平均濃縮度が実質的に同一である特
   許請求の範囲第１項記載の燃料集合体。 ３ 前記天然ウラン領域の軸方向の長さが前記燃
   料物質充填領域の軸方向の長さの1/24〜1/12の範
   囲である特許請求の範囲第１項もしくは第２項記
   載の燃料集合体。 ４ 前記濃縮ウラン部領域の最上部領域の軸方向
   における長さを、前記燃料物質充填領域の軸方向
   における長さの3/24〜5/24の範囲にした特許請求
   の範囲第１項もしくは第２項もしくは第３項記載
   の燃料集合体。 ５ 前記濃縮ウラン部領域の前記最下部領域と前
   記中央部領域との境界の位置を、前記燃料物質充
   填領域の下端から前記燃料物質領域の軸方向にお
   ける長さの1/3〜7/12の範囲に配置した特許請求
   の範囲第１項もしくは第２項もしくは第３項もし
   くは第４項記載の燃料集合体。 ６ 燃料集合体の平均濃縮度よりも高い平均濃縮
   度を有する前記燃料棒を、燃料集合体横断面にお
   いて最外周に配置した特許請求の範囲第１項もし
   くは第２項もしくは第３項もしくは第４項もしく
   は第５項記載の燃料集合体。 ７ 内部に燃料物質が充填された複数の燃料棒を
   有するとともに可燃性毒物を含有する第１燃料集
   合体と、内部に燃料物質が充填された複数の燃料
   棒を有するとともに前記第１燃料集合体よりも少
   ない量の可燃性毒物を含有する第２燃料集合体と
   が装荷されている炉心を有し、前記炉心の外周部
   では前記第１及び第２燃料集合体のうち前記第２
   燃料集合体が多く配置され、前記炉心の中央部で
   は前記第１及び第２燃料集合体のうち前記第１燃
   料集合体が多く配置されてなり前記第１及び第２
   燃料集合体は、上端部及び下端部の少なくとも一
   方に設置された天然ウラン領域と、燃料集合体横
   断面における平均濃縮度の異なる最上部、中央部
   及び最下部の三つの領域を有する濃縮ウラン領域
   とが軸方向に配置された燃料物質充填領域を有
   し、前記最上部及び最下部領域の燃料集合体横断
   面での平均濃縮度が、前記中央領域のそれよりも
   小さく、前記濃縮ウラン領域は軸方向単位長さ当
   りの可燃性毒物の含有量が異なる二以上の領域を
   有し、前記最上部領域における軸方向単位長さ当
   りの前記可燃性毒物の含有量が、前記濃縮ウラン
   領域の他の領域におけるそれよりも少なくなつて
   いる原子炉。 ８ 前記炉心内に滞在して燃焼の進んだ前記第１
   及び第２燃料集合体を、前記炉心の最外周部およ
   び中央部の数本の制御棒のそれぞれを取囲む４体
   づつの燃料集合体位置に配した特許請求の範囲第
   ７項記載の原子炉。