JPH06347578A

JPH06347578A - 沸騰水型原子炉の初装荷炉心

Info

Publication number: JPH06347578A
Application number: JP5134710A
Authority: JP
Inventors: Atsuji Hirukawa; 厚治蛭川; Kazutaka Hida; 和毅肥田; Hisao Suzuki; 壽生鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: JP3175996B2

Abstract

(57)【要約】【目的】初装荷炉心全体の平均濃縮度が低下し、製造コ
ストが増大するのを同時に解除する。【構成】異なる平均濃縮度の燃料集合体を平均濃縮度の
高い方からそれぞれタイプ１，タイプ２，タイプ３と
し、タイプ３は可燃性毒物含有燃料棒を含まず、タイプ
１，タイプ２は可燃性毒物含有燃料棒を含んでいる。可
燃性毒物含有燃料棒の本数はタイプ１の方がタイプ２よ
り多く、タイプ２は可燃性毒物含有燃料棒の本数が２本
以上の差のある２種類を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉の初装荷
炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと呼ぶ）
の初装荷炉心は、濃縮度の異なる複数種類の燃料集合体
を装荷して、初装荷炉心の取り出し燃焼度の向上を図る
ものが実用化されている。しかして、運転サイクルを更
新する毎に反応度の低下した燃料集合体を新しい燃料集
合体と交換して運転を継続することにより、平衡サイク
ルへの移行を速やかに行うことができる。なお、前記平
衡サイクルとは下記のことを意味する。

【０００３】すなわち、初装荷炉心による運転を第１サ
イクルと呼ぶが、燃料集合体を前述のように部分的に交
換しながら、第２、第３、…と運転サイクルを繰り返
し、第１サイクルから相当の長期間を経て炉心全体の燃
料成分が隣接するサイクル間でほとんど一定となったサ
イクルを平衡サイクルという。

【０００４】この平衡サイクルに到達すると隣接するサ
イクルの熱的特性（最大線出力密度、ＭＣＰＲ、径方向
出力ピーキング等）、サイクル終了後の取り替え燃料集
合体数、炉心の燃料装荷配置、サイクル運転中の制御棒
パターン計画等がほぼ等しく安定している。

【０００５】前述したような炉心を有する原子炉では、
１サイクルの運転終了毎に原子炉を停止させ、最も反応
度の低下した燃料集合体を新しいものと交換し、次の運
転サイクルに入る。これを繰り返しながら原子炉の運転
を継続するわけであるが、サイクル毎の熱的特性が悪か
ったり、あるいは目標とする燃焼度が達成されなかった
りすれば、燃料集合体の健全性、原子炉炉心および燃料
集合体の経済性上問題である。

【０００６】燃料集合体の健全性、原子炉炉心および燃
料集合体の経済性の点からみて、第１サイクルから平衡
サイクルに移行する過程の中間サイクル、換言すれば移
行サイクルにおける熱的特性およびサイクル取得燃焼度
が、平衡サイクルのそれらと同程度であるか、またはそ
れらに向かって速やかに収束するものであることが望ま
しい。

【０００７】このような移行サイクル中の熱的特性およ
び取得燃焼度のサイクル毎の変動が少なく、燃料経済性
の優れた沸騰水型原子炉の先行技術として例えば特公平
3-045358号公報「沸騰水型原子炉」が開示されている。

【０００８】この中で、平衡炉心においてＮサイクル分
だけ炉内に滞在する燃料集合体を装荷する場合、初装荷
炉心において平均濃縮度の異なるＮ種類の燃料集合体を
装荷し、それら各燃料集合体の平均濃縮度を、平衡炉心
内に滞在するＮバッチ燃料集合体それぞれの平衡サイク
ル初期における可燃性毒物を含めない時の中性子無限増
倍率とほぼ等しい中性子無限増倍率を与えるように設定
することを提案している。なお、前記各燃料集合体の平
均濃縮度は前記設定によって得られる値より±0.2wt％
の上下の変化幅をも許容している。

【０００９】ところで、濃縮度複数種類の燃料集合体を
用いた初装荷炉心の取り出し燃焼度は、炉心平均濃縮度
を増加させる方法、炉心平均濃縮度は一定でも次に示す
炉心内の濃縮度の分散パラメータを増加させる方法でも
増加できることが研究によってわかってきた。

【００１０】

【数１】

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】また、最近は取り替え
燃料の濃縮度が13ヶ月運転の条件下でより取り出し燃焼
度を上げて燃料経済性を向上する観点から、 3.2〜 3.6
wt％に増加し、平衡サイクルにおける燃料のバッチ数が
従来約３バッチであったのが４バッチを超えるまでにな
ってきている。

【００１２】その結果、第１サイクルから平衡サイクル
までの炉心熱的特性、特に径方向出力ピーキングを熱的
な制限（最大線出力密度、ＭＣＰＲ）を守って容易に運
転するために、前記先行技術を土台にすると初装荷燃料
の種類は４種類の濃縮度を用意することが必要になって
くる。

【００１３】ところで、前述の濃縮度分散のパラメータ
で評価すると、濃縮度の選定に当たっては最大濃縮度の
燃料の濃縮度はより高く、その体数はより多く、また最
低濃縮度の燃料の濃縮度はより低く、体数は炉心平均濃
縮度を低下させないように少なく、できるならば第１サ
イクル後、取り出される燃料とほぼ同じ体数とし、燃料
濃縮度の種類を少なくすることが要点である。

【００１４】その結果、濃縮度のタイプを４種類にする
ことは濃縮度分散が小さくなり、また、新たに導入した
最低濃縮度のタイプ４燃料集合体が炉心平均濃縮度を低
下して取り出し燃焼度が低下する点および初装荷燃料の
種類が増加して製造コストが増加する点から評価すると
不利である。

【００１５】しかし、第１サイクル，第２サイクルにお
いて平衡炉心と同様に出力の低い第３，４サイクル目燃
料の分散配置による径方向出力分布の平坦化機能と同じ
機能を第１サイクルにおいては濃縮度の最も低い燃料
が、第２サイクルにおいては次に濃縮度の低い燃料が担
ってくれ、径方向出力分布が平坦化され最大線出力、Ｍ
ＣＰＲの制限値内の達成が容易である。

【００１６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、平衡炉心において４バッチ程度またはそれ以
上の取り替え燃料となる 3.4wt％以上の濃縮度の燃料を
初装荷燃料の最高濃縮度燃料として使用する場合の、第
１，第２サイクルの熱的特性の満足と、燃料経済性向上
および初装荷燃料製造コストの低減を同時に解消するこ
とができる沸騰水型原子炉の初装荷炉心を提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は異なる平均濃縮
度の燃料集合体を複数種類使用する沸騰水型原子炉の初
装荷炉心において、前記燃料集合体を平均濃縮度の高い
方から各々タイプ１、タイプ２、タイプ３燃料集合体と
し、前記タイプ３燃料集合体は可燃性毒物含有燃料棒を
含まず、前記タイプ１燃料集合体および前記タイプ２燃
料集合体は可燃性毒物含有燃料棒を含み、この可燃性毒
物含有燃料棒の本数は前記タイプ１燃料集合体の方が前
記タイプ２燃料集合体より多く、かつ前記タイプ２燃料
集合体は可燃性毒物含有燃料棒の本数が２本以上差のあ
る２種類を有することを特徴とする。

【００１８】

【作用】平衡炉心において４バッチ程度またはそれ以上
の取り替え燃料となる 3.4wt％以上の濃縮度の燃料を初
装荷燃料の最高濃縮度燃料として使用する場合、濃縮度
を３種類に分け、中濃縮度の燃料集合体を可燃性毒物の
量で更に２種類に分け、その可燃性毒物含有燃料棒の本
数差を２本以上とする。

【００１９】また、最低濃縮度の燃料集合体の濃縮度は
コントロールセル位置に配置できる程度の低い濃縮度と
する。なお、コントロールセルとはサイクル運転中の炉
心の余剰反応度を制御棒で制御するために、制御棒の移
動によって制御棒に隣接する燃料の出力分布歪が緩和さ
れるように、反応度的に相当低い、例えば濃縮度の低い
または燃焼が進んだ燃料を４体制御棒の周囲に配した炉
心内の燃料集合体−制御棒単位のことで、炉内に離散的
に配置するものであり、少ない場合で９ないし多い場合
で37個存在する。

【００２０】まず、初装荷濃縮度４タイプ炉心におい
て、最高濃縮度燃料が例えば3.75wt％濃縮度の取り替え
燃料と同じとすると、例えば濃縮度の種類は3.75（タイ
プ１）， 2.5（タイプ２）， 1.6（タイプ３）， 0.9
（タイプ４）wt％のような濃縮度分布となる。

【００２１】これに対して、本発明によれば3.75（タイ
プ１）， 2.5（タイプ２）， 1.3（タイプ３）wt％のよ
うな３種類にし、しかも 2.5wt％（タイプ２）の燃料に
対しては可燃性毒物として添加するガドリニア入り燃料
棒の本数が少ないもの（タイプ２Ａ）と多いもの（タイ
プ２Ｂ）の２種類用意する。

【００２２】そのガドリニア入り燃料棒の本数差が２本
以上とすることによって、中濃縮度の燃料の高ガドリニ
ア燃料（タイプ２Ｂ）で第１サイクルの反応度挙動上、
前記４タイプ濃縮度の場合の低濃縮度燃料（タイプ３，
タイプ４）と同程度にタイプ１燃料集合体の径方向出力
ピーキングを抑制制御できる。

【００２３】しかも、中濃縮度の初装荷燃料のガドリニ
ア設計の異なる種類の間では、濃縮度設計は共通化させ
ることによって、初装荷燃料に必要な濃縮ウラン粉末の
濃縮度の種類を増加させずに対応できる。

【００２４】この結果、まず初装荷炉心の濃縮度タイプ
としては３種類に減ずることができ、更に第１サイクル
の径方向出力分布としては４濃縮度タイプ並みの平坦化
が実現できる。

【００２５】また、４濃縮度タイプ炉心の最低濃縮度燃
料（タイプ４）とその上の濃縮度燃料（タイプ３）のほ
ぼ中間的な濃縮度の燃料（タイプ３’）を本発明の初装
荷炉心の最低濃縮度燃料（タイプ３’）とし、４濃縮度
タイプ炉心のタイプ４燃料集合体がタイプ２Ｂ燃料集合
体に置き代わる。

【００２６】したがって、もし濃縮度４タイプ炉心にお
けるタイプ１，タイプ２燃料集合体の体数と本発明の３
タイプ炉心のタイプ１，タイプ２Ａ燃料集合体の体数を
同じとすると、本発明の濃縮度３タイプ炉心の方が炉心
平均濃縮度を高くすることができ、初装荷炉心の取り出
し燃焼度を増大できる。

【００２７】

【実施例】図１に本発明に係る1/4 90°回転対称の初装
荷炉心の燃料配置例を示す。本実施例では燃料集合体の
平均濃縮度が異なる３種類の燃料集合体（高濃縮度燃料
のタイプ１燃料集合体、中濃縮度燃料のタイプ２Ａ，２
Ｂ燃料集合体、低濃縮度燃料のタイプ３’燃料集合体）
を用いている。その燃料集合体平均濃縮度と体数を下表
に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】本発明の炉心では、例えば取り替え燃料の
平均濃縮度を 3.75wt%とした場合、初装荷炉心の濃縮度
のタイプを3.75（タイプ−１）， 2.5（タイプ−２Ａ，
タイプ−２Ｂ）， 1.3（タイプ−３’）wt％のような３
種類にする。

【００３１】そして、 2.5wt％（タイプ−２Ａ，タイプ
−２Ｂ）の燃料に対しては可燃性毒物として添加するガ
ドリニア入り燃料棒の本数が少ないもの（タイプ−２
Ａ）と多いもの（タイプ−２Ｂ）の２種類用意し、その
ガドリニア入り燃料棒の本数差を２本以上とし、かつ、
中濃縮度の初装荷燃料のガドリニア設計の異なる燃料集
合体の間では、濃縮度分布設計は共通化させる。

【００３２】図１の本実施例では炉心最外周にタイプ
３’燃料集合体を配し、また炉心中央領域には、制御棒
周囲４体をすべてタイプ３’燃料集合体で構成されたコ
ントロールセルＣを配している。なお、コントロールセ
ルＣは出力運転中、反応度制御および出力分布制御を行
うための専用の制御棒セルで制御棒周囲の燃料は低反応
度の燃料集合体を配する。

【００３３】最外周から第２層目，第３層目には最高濃
縮度のタイプ１燃料集合体のみを配するか、または大半
をタイプ１燃料集合体とする。

【００３４】他の残りの位置でコントロールセルＣに面
した制御棒セルは原則としてタイプ２（２Ａ，２Ｂ）燃
料集合体とタイプ１燃料集合体を交互にほぼチェカーボ
ード状に配する。

【００３５】コントロールセルＣに面しない制御棒セル
は原則としてタイプ２（２Ａ，２Ｂ）燃料集合体３体と
タイプ１燃料集合体１体を配する。この時、制御棒周囲
にタイプ２燃料集合体はタイプ２Ｂ燃料集合体が２体、
タイプ２Ａ燃料集合体が１体配されるようにする。

【００３６】図２には燃料集合体に含まれる燃料棒の有
効部長さが少なくとも濃縮領域では同じである場合のタ
イプ１、タイプ２Ａ，２Ｂ、タイプ３’燃料集合体の軸
方向濃縮度分布、可燃性毒物軸方向分布の例を示す。こ
のような燃料集合体としては図４（Ａ）のような燃料有
効部が標準長さの燃料棒のみで構成された、図３
（Ａ），（Ｂ）のような燃料集合体の例がある。

【００３７】図３（Ａ）は８行８列の燃料集合体を、
（Ｂ）は９行９列の燃料集合体の列を示している。図４
（Ａ）は標準長燃料棒２、（Ｂ）は部分長燃料棒３の立
面図を示している。図４において符号10は燃料ペレット
で被覆管11内に装填されており、被覆管11の上下両端は
上部端栓12および下部端栓13で封止されている。被覆管
11内にはガスプレナム14およびスプリング15が設けられ
ている。

【００３８】この初装荷燃料は燃料有効長“Ｌ”の上下
端にブランケット領域（天然ウラン、劣化ウランまたは
再処理回収ウランを使用した燃料有効領域）を有し、そ
の長さはそれぞれＬ／24〜Ｌ／12である。タイプ１、タ
イプ２Ａ，２Ｂ燃料集合体は濃縮領域“Ｌ_e”が濃縮度
の軸方向分布を有し、タイプ３’燃料集合体の濃縮領域
“Ｌ_e”の濃縮度は軸方向に一様である。

【００３９】タイプ１燃料集合体およびタイプ２Ａ，２
Ｂ燃料集合体は燃料有効長“Ｌ”の下端から約Ｌ／３〜
Ｌ／２の位置に濃縮度の区分境界ａを有し、境界ａの上
下で上部の濃縮度の方が下部よりも約 0.2wt％程度高
い。

【００４０】なお、ここでタイプ１燃料集合体とタイプ
２（２Ａ，２Ｂの両方）燃料集合体の境界ａを軸方向に
ずらしてもよい。ずらす場合はタイプ２（２Ａ，２Ｂの
両方）燃料集合体の境界ａをタイプ１燃料集合体のそれ
よりもＬ／12以上上方に設定する。

【００４１】また、タイプ１、タイプ２Ａ，２Ｂ燃料集
合体は可燃性毒物燃料棒を有し、その本数はタイプ２
Ａ、タイプ２Ｂ、タイプ１の順に多くなる。可燃性毒物
としてはここでは燃料ペレットにガドリニアを添加する
形態を考える。可燃性毒物の軸方向分布設計は、燃料有
効長“Ｌ”の内の濃縮領域“Ｌ_e”に可燃性毒物が添加
されており、その領域“Ｌ_e”内で一様か、分布を有す
る設計が考えられる。

【００４２】分布を有する例としては図２に示すよう
に、その領域内で可燃性毒物添加燃料棒のガドリニア濃
度は一様かまたは濃縮度区分の境界ａと同じ位置で可燃
性毒物の量の差があり、燃料集合体全体のガドリニア軸
方向設計として、図２の如く境界ａの上側でガドリニア
が小さく下側で大きくなっている。

【００４３】更にタイプ１燃料集合体１およびタイプ２
（２Ａ，２Ｂの両方）燃料集合体のいずれかまたは両方
ともが、境界ａより上方の濃縮領域“Ｌ_e”の上端から
約Ｌ／12〜Ｌ／６の長さの可燃性毒物の少ない低可燃性
毒物領域“Ｌ_LG”を有している。

【００４４】可燃性毒物量を少なくする手段として、タ
イプ１燃料集合体についてはガドリニアの濃度を低可燃
性毒物領域“Ｌ_LG”のすぐ下の領域より小さくする。例
えばガドリニア濃度を 1.5〜４wt％の低い濃度とする
か、またはガドリニア添加燃料棒を１本減ずるか、ある
いはその両方とする等の手段がある。

【００４５】また、タイプ１燃料集合体は低可燃性毒物
領域“Ｌ_LG”に対応した部位の濃縮度を濃縮領域の中で
最低の濃縮度とするか、または境界ａの下側の濃縮度と
してもよい。

【００４６】タイプ２（Ａ，Ｂ）燃料集合体については
低可燃性毒物領域“Ｌ_LG”のガドリニア添加燃料棒を１
〜３本減じ、同時にガドリニア濃度を 1.5〜４wt％の低
い濃度とする。また、低可燃性毒物領域“Ｌ_LG”に対応
した部位の濃縮度はその下方の濃縮度と同じとする。

【００４７】本発明の第１の実施例の作用を図７，図８
および従来の濃縮度４タイプ炉心の例である図13，図15
を用いて説明する。

【００４８】本発明の第１の実施例によれば、第１のサ
イクル初期において、タイプ２Ｂ燃料集合体の出力が抑
制され、あたかも平衡炉心における 2.5サイクル燃焼済
みの取り替え燃料のように、反応度的にはタイプ２Ａ燃
料集合体より３％Δｋ以上（この例では２本のガドリニ
ア入り燃料棒により約６％Δｋ）の無限増倍率の抑制が
できる。

【００４９】この結果、図７に示す各燃料集合体タイプ
の無限増倍率の燃焼変化からわかるように、タイプ２Ｂ
燃料集合体は、第１サイクル初期における無限増倍率は
平衡炉心における 2.5サイクル燃焼後の燃料に相当し、
その後可燃性毒物の燃焼に従ってゆっくり無限増倍率が
増加し、第１サイクル末期では平衡炉心で２サイクルで
燃焼した取り替え燃料集合体の無限増倍率相当に達す
る。この時点でほぼ可燃性毒物は燃え尽きている。第２
サイクルでは、その後燃焼に従って、無限増倍率は減少
する。

【００５０】これに対し、タイプ２Ａ燃料集合体は第１
サイクル初期から末期にかけて無限増倍率の変化は少な
く、ほぼ平衡炉心における２サイクル燃焼後の無限増倍
率に近い反応度を維持し、可燃性毒物の燃焼による反応
度増加とＵ²³⁵の燃焼による反応度低下がバランスした
推移を示す。

【００５１】タイプ１燃料集合体は取り替え燃料と同一
濃縮度であるが、ガドリニア添加燃料棒は５〜６本少な
い。そのため、第１サイクル初期の無限増倍率は取り替
え燃料より10％Δｋ程度高い値である。

【００５２】このタイプ１、タイプ２Ａ，２Ｂ燃料集合
体のガドリニア濃度は第１サイクル長さが、起動試験等
により相当長さ（2000〜 3000MWd／st）取り替え炉心よ
りも長くなるので、取り替え燃料よりも濃度の高いもの
とする。本発明では 7.5wt％以上のガドリニア添加濃度
である。その結果、タイプ１燃料集合体の無限増倍率の
最大値は取り替え燃料より小さく、ピーク位置も3000〜
5000MWd／st程度後に生ずる。

【００５３】タイプ３’燃料集合体は第１サイクル初期
に平衡炉心における 2.5サイクル燃焼後の無限増倍率を
示し、その後燃焼に従って、無限増倍率は減少する。

【００５４】なお、図７の燃料タイプ毎の無限増倍率の
燃焼変化図から、図１の炉心において図13の濃縮度４タ
イプ炉心におけるタイプ１、タイプ２（図１ではタイプ
２Ａに相当）燃料集合体の同一ガドリニア設計を使う
と、図13のタイプ３燃料集合体と図１のタイプ３’燃料
集合体の燃焼初期の反応度に差がない。

【００５５】したがって、タイプ４燃料集合体をタイプ
２Ｂ燃料集合体に置き換えた分、第１サイクル初期の余
剰反応度は約 1.5％Δｋ程度増加する。これは、タイプ
１燃料集合体のガドリニア燃料棒本数を１，２本増加す
るか、タイプ２（２Ａ，２Ｂ）燃料集合体のガドリニア
入り燃料棒を１本程度増加することで容易に対処でき
る。

【００５６】タイプ３，タイプ３’燃料集合体の径方向
ピーキングの挙動は省略してあるが、コントロールセル
の燃料集合体は制御棒によって出力制御され、かつ、反
応度の低い燃料が４体かたまっているので、 0.9程度の
出力か、またはそれ以下の出力で推移する。

【００５７】次に上記実施例の効果を説明する。ＢＷＲ
の取り替え炉心では、径方向の出力分布を平坦化するに
は無限増倍率の異なる燃料集合体を分散配置してサイク
ルの燃焼期間中、任意の最小配置の４体の平均無限増倍
率がほぼ同じように配することが重要なことがわかって
いる。また、インポータンスの高い炉心中央から外側に
向けて徐々に平均の無限増倍率を増加させると炉心の径
方向の出力分布が平坦化できることがわかっている。

【００５８】本発明の初装荷炉心においては第１サイク
ル初期に最大の反応度を有するタイプ２Ａ燃料集合体は
それより反応度の低いタイプ２Ｂ燃料集合体、タイプ１
燃料集合体またはタイプ３’燃料集合体に囲まれるの
で、径方向出力ピーキングの抑制の働きをしてくれる。

【００５９】また、本発明では濃縮度４タイプ炉心にお
ける反応度の低いタイプ４燃料集合体の代りにそれより
も反応度の高いタイプ２Ｂ燃料集合体に置き換えている
ので、タイプ２Ｂ燃料集合体の出力がタイプ４燃料集合
体より高い分炉心出力が平坦化し、図８のタイプ２Ａ燃
料集合体のようなより低い径方向出力ピーキングを示
す。

【００６０】さらに、第１サイクル末期においては、従
来のタイプ４燃料集合体は急速に反応度が低下するのに
対し、本発明ではタイプ２Ｂ燃料集合体は逆に増加した
後、少し減少して第１サイクル末期を迎えるのでタイプ
４燃料集合体よりも20％Δｋ程度高い無限増倍率で終わ
る。その結果第１サイクル末期を余剰反応度に十分な余
裕をもって迎えられる。

【００６１】また、第１サイクル末期における燃料の無
限増倍率の分布が従来よりもタイプ４燃料集合体がない
分、炉内の出力ミスマッチが緩和され径方向出力分布が
平坦である。その結果、本発明の炉心では図８に示すよ
うに第１サイクル末期の径方向出力ピーキングが従来よ
り抑制される。

【００６２】さらに炉心内における各濃縮度タイプの燃
料集合体の配置において、コントロールセルＣに面した
制御棒セルは原則としてタイプ２（２Ａ，２Ｂ）燃料集
合体とタイプ１燃料集合体を交互にほぼチェカーボード
に配されており、タイプ１燃料集合体２体のうち１体は
コントロールセルＣに面しているのでサイクル末期にも
出力が抑制される。

【００６３】コントロールセルＣに面しない制御棒セル
は原則としてタイプ２（２Ａ，２Ｂ）燃料集合体３体と
タイプ１燃料集合体を配する。この時、制御棒周囲にタ
イプ２燃料集合体はタイプ２Ｂ燃料集合体が２体、タイ
プ２Ａ燃料集合体が１体配されるので、このセルの４体
平均無限増倍率は第１サイクル初期にはタイプ燃料集合
体１体、タイプ２Ｂ燃料集合体２体でタイプ２Ａ燃料集
合体１体のより高い無限増倍率を抑制し、第１サイクル
末期にはタイプ１燃料集合体１体のより高い無限増倍率
を他の３体のタイプ２燃料集合体で抑制できる。

【００６４】これより、炉心中央ではコントロールセル
Ｃ以外にはタイプ３’燃料集合体が使用されずその結果
炉心平均濃縮度を従来より約0.17wt％増大して、初装荷
炉心の取り出し燃焼度が増大できる。これは初装荷炉心
の燃料経済性が向上することを意味する。

【００６５】その他に、初装荷濃縮度多種類炉心におい
ては、低濃縮度燃料では熱中性子束の割合が多く高濃縮
度燃料では逆に少ないという燃料集合体間の中性子スペ
クトルの差による、隣接燃料集合体間の中性子流の特に
熱中性子流による、無限体系における計算結果との差異
による計算誤差の問題がある。

【００６６】これは、低濃縮燃料に隣接した高濃縮燃料
の局所出力、反応度に及ぼす効果が一番大きい。本発明
の炉心では、従来の４タイプ炉心におけるタイプ４燃料
集合体とタイプ１燃料集合体隣接によるこの問題を大き
く緩和できる。

【００６７】また、各燃料タイプの軸方向の濃縮度分
布、ガドリニア分布設計とすることによって、取り出し
燃焼度が向上し、かつ、コントロールセル炉心において
制御棒に隣接しないタイプ２，タイプ１燃料集合体の軸
方向出力分布が燃料の軸方向反応度分布によって安定に
制御でき、最大線出力密度、ＭＣＰＲ等の炉心の熱的制
限を満足できる。

【００６８】特に、燃料有効部の下部からＬ／３〜Ｌ／
２の位置に濃縮度およびガドリニア量の分布境界ａを設
け、境界より下部の反応度を抑制することにより、ＢＷ
Ｒの特徴であるボイド発生による下方ピーク出力分布を
抑制し、平坦化できる。

【００６９】更に、この境界がタイプ１燃料集合体とタ
イプ２燃料集合体で同じであると、境界のすぐ上部に出
力ピークを生じるので、反応度が低く下方出力ピーク特
性の弱いタイプ２燃料集合体の前記境界ａをＬ／12以上
上方にずらすことにより、それを緩和することができ
る。

【００７０】また、濃縮領域の上端に低可燃性毒物領域
を設け、サイクル末期における可燃性毒物の燃え残りを
減じることによって、燃料経済性が向上する。この時、
タイプ１燃料集合体については炉内装荷サイクル数が多
いので、濃縮度も低減すると、移行サイクルにおける炉
停止余裕の改善に寄与する。

【００７１】図10，図12に、従来の平衡炉心における取
り替え燃料が 3.5wt％である場合の従来の濃縮度３タイ
プ炉心の例を示す。この場合、タイプ１，２燃料集合体
がガドリニア入り燃料棒を含有し、タイプ３燃料集合体
は可燃性毒物を含有しない例である。

【００７２】炉心中央領域のコントロールセルＣに面し
ない制御棒セルにはタイプ１燃料集合体１体、タイプ２
燃料集合体２体、タイプ３燃料集合体１体を配して、当
該制御棒セルの無限増倍率の平均値の抑制をして径方向
出力ピーキングを制御している。ここでもタイプ３燃料
集合体の配置が炉心平均濃縮度の増大を図る場合のネッ
クになっているが、径方向出力分布の制御上必要であ
る。

【００７３】この場合にも本発明のように、炉心中央領
域のコントロールセルＣを除く制御棒セルのタイプ３燃
料集合体の代わりにタイプ２燃料集合体にガドリニア入
り燃料棒本数が多いタイプを導入すれば、本発明と同様
な径方向出力分布の平坦化を維持しつつ、初装荷炉心の
取り出し燃焼度向上効果を得ることができる。

【００７４】図５，図６に図３（Ｃ），（Ｄ）中にＰで
示された部分長燃料棒を有した燃料集合体の場合のタイ
プ１、タイプ２Ａ，２Ｂ、タイプ３’燃料集合体の軸方
向濃縮度分布、可燃性毒物軸方向分布の例を示す。

【００７５】図５は図２における低可燃性毒物領域“Ｌ
_LG”を部分長燃料棒の燃料棒有効部でない上部全体“Ｌ
_PLR”とした例である。

【００７６】軸方向の構成は図２とほぼ同じであるが、
タイプ１、タイプ２（２Ａ，２Ｂ）燃料集合体について
は、領域“Ｌ_PLR”の燃料装荷量がそれより下の領域よ
りも小さいことを考慮して濃縮度をそれより下部と同一
かやや低下する程度とし、また更に燃料下部の燃料ウラ
ンの量が多い分軸方向下部に出力ピーキングが発生しや
すいのでより平坦化の対応が必要である。

【００７７】例えば、ａの境界は約Ｌ／３の位置の方が
軸方向出力が平坦化しやすく、また、境界ａの上下の濃
縮度差をより上を大きくすることも効果がある。

【００７８】このような軸方向設計により部分長燃料棒
を有する燃料集合体を用いた本発明の初装荷炉心の軸方
向出力分布が平坦化できる。

【００７９】図６は図５の軸方向設計の簡易化を図った
ものである。タイプ１燃料集合体を除いて下部領域（部
分長燃料棒の有効部領域）の濃縮度およびガドリニアの
軸方向設計が一様である。この時タイプ１燃料集合体も
この領域の軸方向設計はガドリニア分布のみとしてい
る。

【００８０】タイプ１燃料集合体は実線のように約Ｌ／
３の位置にガドリニア量の境界ａを有し、濃縮度の境界
は有しない。この時、タイプ１燃料集合体のガドリニア
設計を点線のようにこの下部領域だけ１，２本の部分ガ
ドリニア添加燃料棒としてガドリニア入り燃料棒本数を
増加させてもよい。また、図６のタイプ２，タイプ３’
燃料集合体と図５のタイプ１燃料集合体の軸方向設計を
組み合わせてもよい。

【００８１】図９に本発明に係る第２の実施例の1/4 90
°回転対称の初装荷炉心の燃料配置例を示す。本実施例
では燃料集合体の平均濃縮度が異なる３種類の燃料集合
体（高濃縮度燃料タイプ１燃料集合体、中濃縮度燃料の
タイプ２Ａ，２Ｂ燃料集合体、低濃縮度燃料のタイプ
３’燃料集合体）を用いている。その燃料集合体平均濃
縮度と体数を下表に示す。

【００８２】

【表３】

【００８３】

【表４】

【００８４】本実施例の炉心では、例えば取り替え燃料
の平均濃縮度を 3.75wt%とした場合、初装荷炉心の濃縮
度のタイプを3.75（タイプ−１）， 2.5（タイプ−２
Ａ，タイプ２Ｂ）， 1.3（タイプ−３’）wt％のような
３種類にし、かつ 2.5wt％（タイプ−２Ａ，タイプ−２
Ｂ）の燃料に対しては可燃性毒物として添加するガドリ
ニア入り燃料棒の本数が少ないもの（タイプ−２Ａ）と
多いもの（タイプ−２Ｂ）の２種類用意し、そのガドリ
ニア入り燃料棒の本数差を２本以上とし、しかも、中濃
縮度の初装荷燃料のガドリニア設計の異なる燃料集合体
の間では、濃縮度分布設計は共通化させる。

【００８５】図９の本発明の第２の実施例では炉心最外
周にタイプ１燃料集合体を配し、また炉心中央領域に
は、制御棒周囲４体をすべてタイプ３’燃料集合体で構
成されたコントロールセルＣ（出力運転中、反応度制御
および出力分布制御を行うための専用の制御棒セルで制
御棒周囲の燃料は低反応度の燃料集合体を配する。）を
配してある。

【００８６】最外周から第２層目には最高濃縮度のタイ
プ１燃料集合体のみを配するか、または大半をタイプ１
燃料集合体とする。他の残りの位置でコントロールセル
Ｃに面した制御棒セルは原則としてタイプ２（２Ａ，２
Ｂ）燃料集合体とタイプ１燃料集合体を交互にほぼチェ
カーボード状に配する。

【００８７】コントロールセルＣに面しない制御棒セル
は原則としてタイプ２（２Ａ，２Ｂ）燃料集合体３体と
タイプ１燃料集合体１体を配する。この時、制御棒周囲
にタイプ２燃料集合体はタイプ２Ｂ燃料集合体が２体、
タイプ２Ａ燃料集合体が１体配されるようにする。本実
施例の燃料集合体の軸方向設計としては前記図２，図
５，図６の何れも可能である。

【００８８】本実施例では最外周に高反応度のタイプ１
燃料集合体を配しているので、径方向出力分布がより一
層平坦化され、ＭＣＰＲや最大線出力密度の特性が第１
の実施例よりもより向上できる。また、最外周配置のタ
イプ１燃料集合体は炉心中央領域の燃料に比して約50％
程度の出力であり、第１サイクルにおける燃焼が進まな
いので、第２サイクルにもちこされる反応度が大きい。

【００８９】その結果、第２サイクルへの燃料交換体数
を低減できるとともに、初装荷炉心の平均濃縮度も増大
するので初装荷炉心の取り出し燃焼度増加に寄与する。

【００９０】第２の実施例に対応した従来の濃縮度４タ
イプ初装荷炉心の例を図14に、従来の濃縮度３タイプ初
装荷炉心の例を図11に示す。

【００９１】図11の従来炉心においても本発明のよう
に、炉心中央領域のコントロールセルＣを除く制御棒セ
ルのタイプ３燃料集合体の代りにタイプ２燃料集合体に
ガドリニア入り燃料棒本数が多いタイプを導入すれば、
本発明と同様な径方向出力分布の平坦化を維持しつつ、
初装荷炉心の取り出し燃焼度向上効果を得ることができ
る。

【００９２】なお、これまでの実施例では最外周の燃料
はタイプ１燃料集合体かタイプ３’燃料集合体を配した
が、本発明の変形としてタイプ２燃料集合体を配しても
よいし、タイプ１燃料集合体とタイプ２燃料集合体を混
合させても、タイプ１燃料集合体とタイプ３’燃料集合
体と混合させてもよい。その特性は中間的な効果を得
る。

【００９３】本発明の炉心を第２サイクルに移行すると
きはタイプ３’燃料集合体の燃焼の進んだものから優先
的に取り出して、コントロールセルＣにはタイプ２Ａの
比較的燃焼の進んだ燃料集合体を配置する。この時のコ
ントロールセルの数は第一サイクルより減らす。例えば
本発明では第１サイクルに29個のコントロールセルを用
いているが第２サイクルには21〜29個のコントロールセ
ルに減じる。

【００９４】また炉心最外周には、燃焼の進んだ反応度
の低いタイプ３’、タイプ２（２Ａ，２Ｂ）燃料集合体
を配する。

【００９５】このため第２サイクルのためにタイプ２燃
料集合体は、コントロールセル用 → 84〜 116体最外周用 → 92体のうちタイプ３’燃料集合体が足り
ない分炉心中央径方向出力平坦化用 → 残り体数が必要であるが、本発明によれば第１回取り替え燃料は
ほぼ 100体前後であり、十分賄うことができる。従っ
て、容易に第２サイクルに移行して径方向出力分布の平
坦化が実現でき、第２サイクルのコントロール炉心、低
中性子漏洩炉心が構成できる。

【００９６】第２サイクル以降、低中性子漏洩炉心を組
むことにより、更に初装荷炉心の取り出し燃焼度が向上
する。

【００９７】

【発明の効果】本発明によれば、コントロールセルおよ
び最外周位置を除いて、炉心中央領域には高濃縮度燃料
と、中濃縮度燃料のみを用い径方向の出力分布を制御で
きかつ初装荷炉心の取り出し燃焼度の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の一
実施例における燃料集合体の１／４炉心配置図。

【図２】図１における初装荷炉心の各燃料タイプの軸方
向濃縮度、可燃性毒物分布例を説明するための説明図。

【図３】（Ａ）は８行８列の燃料集合体を示す横断面
図、（Ｂ）は９行９列の燃料集合体を示す横断面図、
（Ｃ）は部分燃料棒を有する９行９列の燃料集合体を示
す横断面図、（Ｄ）は（Ｃ）の他の例を示す横断面図。

【図４】（Ａ）は燃料集合体における標準長燃料棒を示
す立面図、（Ｂ）は（Ａ）と同じく部分長燃料棒を示す
立面図。

【図５】本発明に係る初装荷炉心（部分長燃料棒を有す
る燃料集合体の場合）の各燃料タイプの軸方向濃縮度、
可燃性毒物分布例を説明するための説明図。

【図６】本発明に係る初装荷炉心（部分長燃料棒を有す
る燃料集合体の場合の他の例）の各燃料タイプの軸方向
濃縮度、可燃性毒物分布例を説明するための説明図。

【図７】本発明係る初装荷炉心を構成する各燃料タイプ
の無限増倍率の燃焼推移例を示す特性図。

【図８】本発明に係る第１の実施例の径方向出力ピーキ
ングの低減効果を説明するための特性図。

【図９】本発明に係る第２の実施例における初装荷炉心
燃料集合体を示す１／４炉心配置図。

【図１０】従来の濃縮度３タイプ初装荷炉心（最外周低
濃縮度燃料配置の場合）の燃料集合体の１／４炉心配置
図。

【図１１】従来の濃縮度３タイプ初装荷炉心（最外周低
濃縮度燃料配置の場合）の燃料集合体の１／４炉心配置
図。

【図１２】従来の濃縮度３タイプ初装荷炉心を構成する
各燃料タイプの無限増倍率の燃焼推移例を示す特性図。

【図１３】従来の濃縮度４タイプ初装荷炉心（最外周低
濃縮度燃料配置の場合）の燃料集合体の１／４炉心配置
図。

【図１４】従来の濃縮度４タイプ初装荷炉心（最外周低
濃縮度燃料配置の場合）の燃料集合体の１／４炉心配置
図。

【図１５】従来の濃縮度４タイプ初装荷炉心を構成する
各燃料タイプの無限増倍率の燃焼推移例を示す特性図。

【符号の説明】

２…標準長燃料棒、３…部分長燃料棒、10…燃料ペレッ
ト、11…被覆管、12…上部端栓、13…下部端栓、14…ガ
スプレナム、15…スプリング。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異なる平均濃縮度の燃料集合体を複数種
類使用する沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記
燃料集合体を平均濃縮度の高い方から各々タイプ１、タ
イプ２、タイプ３燃料集合体とし、前記タイプ３燃料集
合体は可燃性毒物含有燃料棒を含まず、前記タイプ１燃
料集合体およびタイプ２燃料集合体は可燃性毒物含有燃
料棒を含み、この可燃性毒物含有燃料棒の本数は前記タ
イプ１燃料集合体の方が前記タイプ２燃料集合体より多
く、かつ前記タイプ２燃料集合体は可燃性毒物含有燃料
棒の本数が２本以上差のある２種類を有することを特徴
とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【請求項２】前記タイプ３燃料集合体を原子炉運転時
の余剰反応度制御用に設定されたコントロールセルに原
則として配することを特徴とする請求項１記載の沸騰水
型原子炉の初装荷炉心。
【請求項３】前記炉心最外周に前記タイプ３燃料集合
体を配することを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原
子炉の初装荷炉心。
【請求項４】前記炉心最外周または炉心最外周と２層
目に前記タイプ１燃料集合体を配することを特徴とする
請求項１記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。