JPH09292482A - 沸騰水型原子炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｄ格子炉心をＣまたはＳ格子炉心へスムーズ
に移行させる。 【解決手段】 Ｄ格子炉心からＣまたはＳ格子炉心への
移行サイクルにおいて、Ｄ格子燃料集合体を燃料取替え
バッチごとにＤ格子燃料集合体３D よりも徐々にＷギャ
ップ幅に対するＮギャップ幅の比を大きくした格子変更
用燃料集合体３Bに順次交換する。その際、格子変更用
燃料集合体３B は、Ｄ格子燃料集合体３Dと集合体寸法
が同じかそれより小さなものとし、燃料棒本数を増加さ
せ、集合体平均濃縮度もＤ格子燃料集合体３D と比較し
て同等以上とする。格子変更用燃料集合体３B のＷ、Ｎ
ギャップ幅の調節は、下部タイプレートの軸心の偏心さ
せることによって行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウランの有効利用
のために、炉心内の燃料集合体の構成、いわゆる燃料格
子を変更する沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという。）
に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明の背景となるＢＷＲの炉心・燃料
格子の変遷について説明する。

【０００３】ＢＷＲの燃料設計において、燃料寿命初期
の過剰な反応度を抑制する手段として、現在はガドリニ
ア入り燃料ペレットを使用することが一般に知られてい
るが、初期のＢＷＲでは、過剰反応度制御を全て制御捧
に依存する設計であった。そのため、制御捧の反応度制
御効果を十分確保できるように制御捧形状が決定され、
制御捧を挟んで隣接する燃料集合体間に形成される制御
捧挿入側の水ギャップ（以下、Ｗギャップという。）幅
は制御捧の挿入性から決められた。

【０００４】一方、非制御捧挿入側の隣接燃料集合体間
の水ギャップ（以下、Ｎギャップという。）ついては、
ギャップ幅を大きくすると、非沸騰水領域が過大に大き
くなることによってボイド反応度係数の絶対値が小さく
なり、運転条件によっては正となる恐れが生じる。この
傾向は、初期のＢＷＲのように特に濃縮度の低い炉心で
問題となりやすい特性であった。

【０００５】以上から、制御捧挿入側は制御棒の反応度
制御効果を確保するために制御棒厚さに対応して水ギャ
ップ幅を広くするとともに、ボイド反応度係数などの観
点から非制御捧挿入側の水ギャップは狭くするいわゆる
Ｄ格子設計が採用された。

【０００６】図１８は、Ｄ格子燃料集合体の横断面を示
すものであり、断面四角形状のチャンネルボックス１の
内部に複数の燃料捧２が正方格子状に配列される。各燃
料棒２に記された番号は、ウラン２３５の濃縮度のレベ
ルを示しており、同一番号は同一濃縮度であることを表
わしている。また、符号Ｇは可燃性毒物を含んだ燃料捧
２を示し、燃焼に伴う燃料集合体の反応度変化の特性を
向上させるために配設される。さらに、符号Ｗは水捧
（ウォーターロッド）を示している。

【０００７】このような燃料集合体３は、制御捧４およ
び近接する燃料集合体３に対し一定の間隔を保ち配置さ
れる。すなわち、図１８に示すように、隣接する４本の
制御棒４で囲まれた領域を燃料集合体単位に４分割した
断面正方形状の燃料集合体単位セル５内に規則的に配置
される。

【０００８】Ｄ格子燃料集合体では、チャンネルボック
ス１と制御捧４側の燃料集合体単位セル境界面６との間
に形成されるギャップの幅（Ｗギャップ幅の1/2 ）ＧＷ
と、非制御棒挿入側の燃料集合体単位セル境界面６との
間に形成されるギャップの幅（Ｎギャップ幅の1/2 ）Ｇ
Ｎの比（ＧＷ／ＧＮ）が約２となっている。

【０００９】図１９は、燃料集合体の下端に設けられる
下部タイプレート１０を示すもので、この下部タイプレ
ート１０は、その軸心がチャンネルボックス１の軸心に
なるように設定され、その下端には燃料支持金具に挿入
される燃料支持金具挿入部が形成されている。

【００１０】図２０は、下部タイプレート１０の横断面
図であり、図中Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂは下部タイプレート１０
の中心線、Ｃは下部タイプレート１０の軸心である。こ
の下部タイプレート１０内には、 8× 8正方格子状をな
す燃料捧下部端栓挿入穴１１ａを有する挿入穴部材１１
が配置されており、この挿入穴部材１１の軸心は、前記
軸心Ｃと同一に設定されている。

【００１１】図１８に示すように、Ｄ格子燃料集合体
は、制御棒挿入側の水ギャップ幅ＧＷが非制御棒挿入側
の水ギャップ幅ＧＮの約２倍となっているため、減速材
分布の対称性が悪く、燃料集合体内の局所出力ピーキン
グ（以下、ＬＰＦという。）を燃料健全性に必要な熱的
余裕を確保できる範囲で制限内に抑えるために、燃料捧
のウラン２３５濃度の種類（以下、スプリットとい
う。）の数を増加したり、あるいは可燃性毒物を含有す
る燃料棒の位置を工夫して設計されている。

【００１２】したがって、Ｄ格子燃料集合体は、制御棒
側で濃縮度が低く、制御捧非挿入側で濃縮度が高いた
め、濃縮度分布が複雑であるとともに、可燃性毒物を含
有する燃料捧の配置位置の選定が困難であるという問題
がある。

【００１３】また近年、運転サイクルの長期化、取出燃
焼度の増大、省資源の達成を目的とし、燃料集合体内の
ウラン２３５の平均濃縮度の増加、可燃性毒物入り燃料
捧本数の増加を図った設計が志向されている。その際、
さらにウラン２３５濃度の種類数を増加させる必要があ
るが、通常の核燃料製造工場のウラン２３５濃縮度の取
扱い上の上限は、−般に 5％以下であるため、Ｄ格子用
燃料の濃縮度分布設計はますます融通性が乏しくなって
いる。

【００１４】Ｄ格子設計はガドリニアが導入された後も
一時継承されたが、ＢＷＲの運転実績の蓄積とガドリニ
アによる反応度制御効果が相俟って、薄型制御棒の採用
が可能となり、Ｄ格子炉心に代わってＷギャップ幅とＮ
ギャップ幅が等しく、すなわち減速材分布がより均質に
近いため中性子経済性の良いＣ格子炉心が開発された。
Ｃ格子燃料集合体は、Ｄ格子燃料集合体と幾何形状は全
く等しいが、燃料集合体単位セル５内での相対位置、す
なわち制御棒挿入側の水ギャップ幅ＧＷおよび非制御棒
挿入側の水ギャップ幅ＧＮがＤ格子と異なっている。Ｃ
格子燃料集合体は、図２１に示すように、ＧＷとＧＮと
の比が１、すなわち両水ギャップの幅ＧＷ、ＧＮが同一
であることが特徴である。

【００１５】Ｃ格子燃料集合体は、Ｗギャップ幅とＮギ
ャップ幅が等しいことから、減速材分布がより均一なた
め、Ｄ格子に比べ濃縮度分布をより対称性よく配置する
ことが可能であり、燃料棒２の種類がＤ格子燃料集合体
に比較して２種類程度少なくできるとともに、可燃性毒
物を含有する燃料捧２の配置位置の選定が容易である。

【００１６】したがって、Ｃ格子炉心は、Ｄ格子炉心に
比べ、同一取出燃焼度を確保するための所要平均濃縮度
を低減させることが可能であり、良好な核特性を確保し
つつ、経済性、省資源性に優れているという利点があ
る。

【００１７】Ｃ格子炉心に引き続き、集合体寸法すなわ
ちチャンネル対面距離がＤ格子燃料集合体、Ｃ格子燃料
集合体よりも若干小さく、Ｃ格子と同様にＷギャップ幅
とＮギャップ幅が等しいいわゆるＳ格子燃料集合体が開
発された。

【００１８】Ｓ格子燃料集合体は、Ｃ格子燃料集合体と
比べると、集合体寸法が小さいため、相対的に水ギャッ
プ部分の面積が増加していることに特徴がある。Ｓ格子
炉心の特徴は、Ｃ格子炉心に比べてＷギャップ幅が大き
く、制御捧厚さの大きい制御棒の採用が可能となるた
め、反応度制御能力が向上している所に特徴があり、Ｃ
格子炉心よりも炉停止余裕の確保が容易であり、さら
に、運用性、省資源性に優れた設計である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上の各燃料格子の特
性から、核特性上最も不利なＤ格子炉心を、燃料交換の
たびに、集合体寸法が等しく、Ｗギャップ幅とＮギャッ
プ幅が同一となるＣ格子炉心に変更することが考えられ
てきた。

【００２０】Ｄ格子炉心からＣ格子炉心に燃料格子を変
更する際、炉心下部に配置され燃料下部を支持する燃料
支持金具が、Ｄ格子炉心に対応した形状・寸法であるた
め、燃料支持金具を燃料交換に対応して順次交換してい
く必要が生じてしまう。この燃料支持金具の交換を避け
るため、燃料下部タイプレートの軸心をチャンネルボッ
クス軸心から偏心させ、Ｃ格子化する方法が考えられて
きた。（特開昭 60-213882号公報、特開昭62-44684号公
報） しかしながら、これらの従来技術は、Ｄ格子炉心に軸心
の異なる下部タイプレートを用いたＣ格子燃料集合体を
装荷し、すべてのＤ格子炉心燃料が取り出され、Ｃ格子
化した場合の利点のみに着目したもので、Ｄ格子炉心が
Ｃ格子化されていくことに伴う根本的な諸問題、すなわ
ち混在炉心において発生する特有のいくつかの問題を見
落とし、当然その問題を解決する手段を明らかにするこ
とができなかった。

【００２１】また、格子変更は、Ｗギャップが狭まる方
向であり、制御捧の干渉、挿入性が問題となるため、実
現が困難と考えられてきた。以下に、Ｄ格子炉心をＣ格
子炉心またはＳ格子炉心に変更する際の問題点について
具体的に説明する。

【００２２】通常のＢＷＲの燃料集合体核設計において
は、燃料集合体は寿命を通じて隣接する燃料集合体間の
水ギャップ幅は不変であるということを前提とし、全て
の燃料集合体が同一燃料集合体で構成されると仮定した
いわゆる無限体系で燃料集合体の核特性を評価し、ＬＰ
Ｆが燃焼を通じて過渡に大きくならないよう配慮してい
る。

【００２３】これは、通常の取替炉心において、隣接す
る燃料集合体の燃焼履歴が異なっても、水ギャップ幅の
位置関係が同一であれば、無限体系で求めた核特性が当
該燃料集合体の特性を正しく表すことが可能であるとい
う知見に基づいている。例えば、Ｄ格子燃料集合体のＷ
ギャップ幅は約18ｍｍ、Ｎギャップ幅は約 9ｍｍで、最
初に炉心に装荷され定検時の燃料移動を経て取り出され
るまで、隣接する燃料集合体との相対距離関係は不変で
ある。この設計の考え方は、Ｃ格子燃料集合体、Ｓ格子
燃料集合体に関しても同様に当てはまるものである。

【００２４】ここで、Ｄ格子燃料集合体の周囲４面にＣ
格子燃料集合体またはＳ格子燃料集合体が装荷されるこ
とによって、燃焼の途中で水ギャップ幅が変化したこと
を想定する。着目するＤ格子燃料集合体のＷギャップ
は、隣にＤ格子燃料集合体が装荷された場合よりも縮小
し、逆に、Ｎギャップは拡大する方向となる。これは、
Ｗギャップでの水の減速効果が減少し、Ｎギャップでは
大きくなることを意味する。

【００２５】したがって、この場合のＤ格子燃料集合体
は、周囲をＤ格子燃料集合体に囲まれた場合を基準とす
れば、Ｗギャップに面した側の燃料棒の出力は減少し、
Ｎギャップ側の燃料捧の出力が増加することとなる。こ
の関係を図２２に示す。この図から明らかなように、周
囲をＣ格子燃料集合体に囲まれた場合（図中、破線）に
は、周囲をＤ格子燃料集合体に囲まれた場合（図中、実
線）と比べて、Ｄ格子燃料集合体のＬＰＦがＮギャップ
側で過大に増加し、燃料の熱的余裕が小さくなり、最大
線出力密度、最小限界出力比（ＭＣＰＲ）に代表される
熱的制限値に対する余裕が減少し、運転性が悪化するこ
とになる。

【００２６】この問題の特徴は、Ｄ格子燃料集合体自身
の燃焼履歴とＤ格子燃料集合体のチャンネルボックス外
周４面の内どの面にどのような水ギャップ幅を持つ燃料
集合体が隣接するかにより、ＬＰＦが上昇または低下す
る燃料棒位置が異なってくること、またそのＬＰＦの上
昇量が変化することというように複雑な点である。すな
わち、Ｄ格子炉心に新燃料としてＣ格子燃料集合体また
はＳ格子燃料集合体が装荷されるとき、その体数、装荷
位置、Ｄ格子燃料集合体との相対関係、Ｄ格子燃料集合
体の燃焼履歴等は、運用に応じて無限に変化するもので
あり、上記のＬＰＦの上昇量は数多くの装荷パターンに
依存して炉心３次元で変化し得るものであるため、初期
設計段階で一義的に決定することはできない。

【００２７】この水ギャップ幅の変化の影響は、新燃料
として装荷されるＣ格子燃料集合体、Ｓ格子燃料集合体
にも当てはまることで、通常の設計の考え方、すなわ
ち、すべての燃料が同じ水ギャップ幅であることを前提
とした燃料を装荷した場合と比べて、Ｄ格子燃料集合体
とは逆にＷギャップの幅は広くなり、Ｎギャップ幅は狭
まる方向となる。したがって、Ｗギャップ側の燃料捧の
ＬＰＦは増加し、Ｎギャップ側のＬＰＦは減少する方向
となり、無限体系を想定した設計を基準とすれば熱的余
裕が減少する方向であることには変わりない。特に、Ｃ
またはＳ格子燃料集合体は新燃料として装荷されるた
め、燃焼がある程度進んだＤ格子燃料集合体に比べ、Ｌ
ＰＦの上昇に伴う運転性への影響はより厳しい方向であ
る。

【００２８】この問題を解決する簡単な対応方法とし
て、熱的制限値を遵守できる程度に過渡期のＤ格子燃料
集合体、ＣまたはＳ格子燃料集合体の濃縮度を下げる設
計等が考えられるが、運用の自由度の低下は避けられ
ず、取出燃焼度の減少に伴う経済的損失の方が格子変更
の利点より大きくなり、格子変更の意味がなくなってし
まう。

【００２９】以上説明したように、Ｄ格子炉心をＣ格子
化またはＳ格子化することは、その過渡期である移行サ
イクルでどのような対処をするかを明らかにしない限
り、実現は不可能といえる。他の付随する問題点とし
て、制御捧挿入性がある。Ｄ格子炉心は、Ｗギャップが
広く制御棒もＣ格子炉心に比べ厚型であり、Ｗギャップ
に対応した制御捧ガイドローラが備えられている。Ｃ格
子炉心では制御捧挿入性を確保するため、薄型の制御棒
が使用されており、制御捧ガイドローラも当然Ｄ格子用
制御棒に比べ、小さい寸法となっている。

【００３０】Ｓ格子炉心については、制御捧厚さがＣ格
子用よりも若干厚い制御棒が入るが、Ｗギャップ幅はＤ
格子よりも若干小さいため、ガイドローラ径は若干小さ
くなっている。

【００３１】簡潔にいえば、Ｄ格子炉心に集合体寸法の
等しいＣ格子燃料集合体を装荷し、最終的に水ギャップ
幅の等しいＣ格子炉心にするためには、制御捧挿入が困
難となり安全性を確保する上で、制御捧の交換が避けら
れない。全制御棒を交換しても、燃料経済性、運転性の
改善されたＣまたはＳ格子に炉心を変更した方が、長期
的には有利ではあるが、格子変更を開始するとき、格子
変更用の新燃料が装荷される運転サイクルの開始前の定
検で新燃料装荷対象の全制御棒を交換すると、長期の交
換作業日数を要し、プラント稼働率の低下に伴う経済的
損失が避けられないという問題が生じる。

【００３２】本発明は、上記したＤ格子炉心のＣ格子炉
心またはＳ格子炉心への変更に伴う燃料の熱的余裕の減
少、制御棒交換に関わる問題を解決し、スムーズな格子
変更を実現することができる沸騰水型原子炉を提供する
ことを目的とする。

【００３３】また本発明は、Ｄ格子炉心をＷギャップと
Ｎギャップ幅を同等とした格子に変更する際に、燃料交
換ごとに、燃焼度利得につながる炉心反応度の増大、核
特性の向上が可能で、かつ濃縮度スプリット数を減らし
て成形加工費の低減が可能な燃料集合体を使用すること
ができる沸騰水型原子炉を提供することを目的とする。

【００３４】さらに本発明は、Ｄ格子炉心をＷギャップ
とＮギャップの等しい格子に変更する際に、制御捧の交
換に伴う稼働率の著しい低下を軽減するため、制御捧交
換を何回かの定検に分割実施することができる沸騰水型
原子炉を提供することを目的とする。

【００３５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、正方格子状に配列された多数
の燃料捧を上部タイプレートおよび下部タイプレートで
保持し周囲をチャンネルボックスで取り囲んだ燃料集合
体を複数装荷し、４体の燃料集合体の中間に十字型の制
御棒が挿入される沸騰水型原子炉において、制御捧挿入
側のチャンネルボックス外面と燃料集合体単位の炉心区
画を示す燃料集合体単位セル境界面との距離ＧＷａが制
御捧非挿入側のチャンネルボックス外面と燃料集合体単
位セル境界面との距離ＧＮａより大きいタイプＡの燃料
集合体が、燃料取替えバッチごとに、タイプＡの燃料集
合体に対して以下の関係 Ｌｂ≦Ｌａ、Ｎａ＜Ｎｂ、Ｆａ≦Ｆｂ、ＧＮａ≦ＧＮ
ｂ、ＧＮａ／ＧＷａ＜ＧＮｂ／ＧＷｂ ただし、Ｌａ；タイプＡの燃料集合体のチャンネルボッ
クス対面距離、Ｌｂ；タイプＢの燃料集合体のチャンネ
ルボックス対面距離，Ｎａ；タイプＡの燃料集合体の１
体当たりの燃料捧本数、Ｎｂ；タイプＢの燃料集合体の
１体当たりの燃料捧本数、Ｆａ；タイプＡの燃料集合体
の平均核分裂性物質含有率、Ｆｂ；タイプＢの燃料集合
体の平均核分裂性物質含有率、ＧＷｂ；タイプＢの燃料
集合体の制御捧挿入側のチャンネルボックス外面と燃料
集合体単位セル境界面との距離、ＧＮｂ；タイプＢの燃
料集合体の制御捧非挿入側のチャンネルボックス外面と
燃料集合体単位セル境界面との距離にあるタイプＢの燃
料集合体に順次交換されることを特徴とする。

【００３６】この発明では、格子変更の過渡期に、Ｗギ
ャップ幅に対するＮギャップ幅の比が１より小さいＡタ
イプの燃料集合体をこれよりＷギャップ幅に対するＮギ
ャップ幅の比が大きくかつ燃料棒本数の多いタイプＢの
燃料集合体に交換することにより、タイプＢの燃料集合
体のギャップ幅変化による熱的余裕の減少を燃料棒本数
の増加により補うことができる。また、このときＷギャ
ップとＮギャップが若干均一化されることから、燃料設
計上は減速材が均一に分布することによりタイプＢの燃
料集合体の平均核分裂性物質含有量を上昇させることが
でき、燃料経済性が向上する。

【００３７】請求項２の発明は、上記タイプΒの燃料集
合体が、燃料取替えバッチ順に新燃料として装荷される
燃料集合体の制御捧挿入側のチャンネル外面と燃料集合
体単位セル境界面との距離をＧＷｂ１、ＧＷｂ２、……
ＧＷｂｎ（ｎは装荷バッチ数を表す。ｎ≧２）、制御捧
非挿入側のチャンネル外面と燃料集合体単位セル境界面
との距離をＧＮｂ１、ＧＮｂ２、……ＧＮｂｎとした
時、 ＧＮｂ１／ＧＷｂ１≦ＧＮｂ２／ＧＷｂ２≦………≦Ｇ
Ｎｂｎ／ＧＷｎ であることを特徴とする。

【００３８】この発明では、Ａタイプの燃料集合体と交
換すべきＢタイプの燃料集合体のＷギャップ幅に対する
Ｎギャップ幅の比を燃料取替えバッチごとに大きくする
ことにより、燃料集合体のＷギャップとＮギャップが徐
々に均一化され、格子変更の過渡期の新燃料のギャップ
幅変化による熱的余裕の減少が数サイクルに渡って拡散
され、運転の融通性も損なわれることはない。

【００３９】請求項３の発明は、上記タイプΒの燃料集
合体が、燃料取替えバッチ順に新燃料として装荷される
燃料集合体のチャンネルボックス対面距離をＬｂ１、Ｌ
ｂ２、…Ｌｂｎ（ｎは装荷バッチ数を表す。ｎ≧２）と
した時、 Ｌｂ１≧Ｌｂ２≧………≧Ｌｂｎ であることを特徴とする。

【００４０】この発明では、Ａタイプの燃料集合体と交
換すべきＢタイプの燃料集合体のチャンネルボックス対
面距離を燃料取替えバッチごとに徐々に小さくしていく
ことにより、Ｄ格子から特にＳ格子への移行を円滑に進
めることができる。また、チャンネルボックス対面距離
が小さくなることから、隣接チャンネルとの距離は増大
し、制御捧の挿入性が良くなるとともに、場合によって
は制御棒の交換を回避することができる。

【００４１】請求項４の発明は、上記タイプＢの燃料集
合体が、下部タイプレートの中心軸をチャンネルボック
ス中心軸から偏心させて、ＧＮｂ／ＧＷｂを変更させる
ことを特徴とする。

【００４２】この発明では、燃料取替えバッチごとにＡ
タイプの燃料集合体と交換すべきＢタイプの燃料集合体
のＷギャップ幅を、燃料下部タイプレートの中心軸をチ
ャンネルボックス中心軸から偏心させることにより小さ
くする。これにより、チャンネルボックスの変更をなし
に燃料格子をＣまたはＳ格子化することができる。

【００４３】請求項５の発明は、上記タイプＢの燃料集
合体が、ある燃料取替えバッチ以降では前回の燃料取替
えバッチに新燃料として装荷されたものと比較してＧＮ
ｂ／ＧＷｂおよびＬｂが同じであることを特徴とする。

【００４４】この発明では、あるバッチ以降はＡタイプ
の燃料集合体と交換すべきＢタイプの燃料集合体の水ギ
ャップ比および集合体寸法を一定とする。数バッチの燃
料取替えを経て完全にＣまたはＳ格子化されれば、それ
以降はＣまたはＳ格子に対応した面間距離となる。

【００４５】完全にＣまたはＳ格子化されなくても、Ｄ
格子とＣまたはＳ格子の中間的な位置で面間距離が一定
の炉心とする。これにより、例えば制御捧との取り合い
が許す範囲までＣまたはＳ格子化した炉心とすれば、燃
料経済性を向上させ、かつＤ格子用制御捧からＣまたは
Ｓ格子用制御棒への取替えが不要となり、制御棒取替え
にかかる費用およびプラント稼働率の損失を防ぐことが
できる。

【００４６】請求項６の発明は、上記タイプＡの燃料集
合体と上記タイプΒの燃料集合体が、タイプＡの燃料集
合体を対角線で２分割した場合の制御棒挿入側の半数の
燃料棒の平均核分裂性物質含有率をＦＷａ、制御捧非挿
入側の半数の燃料捧の平均核分裂性物質含有率をＦＮａ
とし、同様にタイプＢの燃料集合体を対角線で２分割し
た場合の制御捧挿入側の半数の燃料棒の平均核分裂性物
質含有量をＦＷｂ、制御棒非挿入側の半数の燃料棒の平
均核分裂性物質含有率をＦＮｂとした時、 ＦＷａ＜ＦＮａ、ＦＷｂ≦ＦＮｂ、ＦＷａ／ＦＮａ＜Ｆ
Ｗｂ／ＦＮｂ であることを特徴とする。

【００４７】この発明では、燃料集合体の燃料捧を制御
捧挿入側と制御捧非挿入側で対角線上で２分割したと
き、タイプＡの燃料集合体では制御捧挿入側の半数の燃
料棒の核分裂性物質含有率が制御捧非挿入側の半数の燃
料捧の核分裂性物質含有率よりも小さい。また、これと
交換すべきＢタイプの燃料集合体では制御捧非挿入側の
半数の燃料棒の核分裂性物質含有率に対する制御捧挿入
側の半数の燃料捧の核分裂性物質含有率の比が、タイプ
Ａの燃料集合体よりも大きい。こうすることにより、タ
イプＢの燃料集合体において、タイプＡの燃料集合体よ
りも熱的余裕が減少するＮギャップ側の熱的条件を核分
裂性物質を減少させることにより緩和し、逆に熱的余裕
が増大するＮギャップ側では核分裂性物質を増大させて
燃料経済性を向上させるとともに、ＣまたはＳ格子燃料
集合体への移行を円滑にすることができる。

【００４８】請求項７の発明は、上記タイプΒの燃料集
合体が、炉心軸方向中央部から上下に２分割した場合の
上部の核分裂性物質含有率が下部の核分裂性物質含有率
と同じかそれ以上であり、上部の核分裂性物質含有率に
対する下部の核分裂性物質含有率の比が、タイプＡの燃
料集合体よりも大きいことを特徴とする。

【００４９】これにより、−般的には上部の核分裂性物
質含有率に対する下部の核分裂性物質含有率の比が大き
いＣまたはＳ格子燃料集合体への移行を円滑にすること
ができる。

【００５０】請求項８の発明は、上記タイプΒの燃料集
合体が、炉心軸方向中央部から上下に２分割した時の上
部の核分裂性物質含有率が下部の核分裂性物質含有率以
上であり、上部の核分裂性物質含有率に対する下部の核
分裂性物質含有率の比が、前回の燃料取替えバッチで新
燃料として装荷されたものより同じかもしくは大きくな
ることを特徴とする。

【００５１】この発明では、燃料取替えバッチごとにＡ
タイプの燃料集合体と交換すべきＢタイプの燃料集合体
の上部の核分裂性物質含有率に対する下部の核分裂性物
質含有率の比を大きくするものであり、これにより、炉
心上部と下部の濃縮度差を小さくし燃料製造上、より簡
単な軸方向濃縮度設計とすることができる。

【００５２】請求項９の発明は、上記タイプΒの燃料集
合体が、タイプＡの燃料集合体よりも可燃性毒物の含有
量が大きいことを特徴とする。

【００５３】この発明では、ＣまたはＳ格子へ移行して
いく過程で、可燃性毒物を増加していくことにより、濃
縮度の上昇や熱的余裕の減少に対する燃料設計の融通性
を増大させることができる。

【００５４】請求項１０の発明は、上記タイプΒの燃料
集合体が、チャンネルボックスの少なくとも制御捧に面
する２面の肉厚が、タイプＡの燃料集合体のチャンネル
ボックスの肉厚よりも小さいことを特徴とする。

【００５５】この発明では、チヤンネルボックスの少な
くとも制御棒に面する２面を肉厚を薄くすることによ
り、制御棒との取り合いの裕度を増させ、したがって薄
肉化した分だけ制御棒の交換なしに燃料集合体を偏心さ
せることができる。

【００５６】請求項１１の発明は、上記タイプΒの燃料
集合体が、チャンネルボックスの外面の少なくとも制御
捧に面する２面に、軸方向に沿って溝を有していること
を特徴とする。

【００５７】この発明では、チャンネルボックス外面に
溝を制御捧のローラーガイドが接するところに持たせる
ことにより、チャンネルボックスと制御捧のローラーガ
イドとの取り合いの裕度を増大させることができ、溝の
深さの分だけ制御棒の交換なしに燃料を偏心させること
ができる。

【００５８】請求項１２の発明は、上記タイプＡ、Ｂそ
れぞれの燃料集合体の下部タイプレートの冷却材流路面
積をＡａ、Ａｂとした時、 Ａａ≦Ａｂ であることを特徴とする。

【００５９】この発明では、燃料取替えバッチごとに装
荷される新燃料のチャンネルボックス対面距離が小さく
なることに伴う、炉心圧損の増大を、下部タイプレート
の冷却材流路面積を広げることで緩和し、円滑にＤ格子
からＳ格子へ移行することができる。

【００６０】請求項１３の発明は、上記タイプＢの燃料
集合体は、燃料取替えバッチ順に新燃料として装荷され
る燃料集合体の下部タイプレートの冷却材流路面積をＡ
ｂ１、Ａｂ２、……Ａｂｎ（ｎは装荷バッチ数を表す。
ｎ≧２）とした時、 Ａｂ１≦Ａｂ２≦………≦Ａｂｎ であることを特徴とする。

【００６１】この発明では、装荷される新燃料のチャン
ネルボックス対面距離が燃料取替えバッチごとに小さく
なっていくことに伴う、炉心圧損の増大を、燃料取替え
バッチごとにその燃料の下部タイプレートの冷却材流路
面積を徐々に広げていくことで順次緩和していき、炉心
圧損変化量を最小限にして円滑にＤ格子からＳ格子へ移
行することができる。

【００６２】以上本発明においては、Ｗギャップ幅をバ
ッチごとに小さく、Ｎギャップ幅をバッチごとに大きく
することにより、Ｄ格子からＣまたはＳ格子化する際の
移行サイクルを炉心・燃料設計上運転管理の妨げになら
ないよう円滑に進めるとともに、燃料経済性を向上させ
るものである。

【００６３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。なお、全図面において、共通する
部分には同一符号を付記する。

【００６４】図１〜図３は、本発明の沸騰水型原子炉の
一実施の形態としてＤ格子炉心から格子変更をしていく
場合の各移行サイクルでの燃料装荷パターン例を示す。

【００６５】図１は、移行第１サイクルで、制御棒４を
囲む４体の燃料集合体３が、１体の３年目Ｄ格子燃料集
合体３D3、２体の２年目Ｄ格子燃料集合体３D2、１体の
第１バッチ格子変更用新燃料集合体３B1(1) で構成され
た例である。

【００６６】図２は、移行第２サイクルで、制御捧４を
囲む４体の燃料集合体３が、１体の３年目Ｄ格子燃料集
合体３D3、１体の２年目第１バッチ格子変更用燃料集合
体３B2(1) 、２体の第２バッチ格子変更用新燃料集合体
３B1(2) で構成された例である。

【００６７】図３は、移行第３サイクルで、制御棒４を
囲む４体の燃料集合体３が、１体の３年目第１バッチ格
子変更用燃料集合体３B3(1) 、２体の２年目第２バッチ
格子変更用燃料集合体３B2(2) 、１体の格子変更用第３
バッチ新燃料集合体３B1(3)で構成された例である。

【００６８】上記移行サイクルで装荷される格子変更用
燃料集合体３B は、集合体寸法（チャンネルボックス対
面距離）が、Ｄ格子燃料集合体と同じかそれより小さい
ものとする。

【００６９】また、格子変更用燃料集合体３B は、燃料
集合体単位セル内での相対位置、すなわち制御棒挿入側
境界面との水ギャップ幅および非制御棒挿入側境界面と
の水ギャップ幅をＤ格子燃料集合体３D とは変えて配置
される。その際、格子変更用燃料集合体３B の水ギャッ
プ幅は、燃料取替えバッチごとに燃料集合体の下部タイ
プレートの軸心をチャンネルボックスの軸心より偏心さ
せることにより調整される。

【００７０】図４は、格子変更用燃料集合体３B の下部
タイプレート１０の一例を示す下方から見た平面図であ
る。図中、実線Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂは下部タイプレート１０
の縦方向、横方向各々の中心線、一点鎖線の交点Ｃはチ
ャンネルボックス１の軸心である。この下部タイプレー
卜１０は、 9× 9格子状をなす燃料捧下部端栓挿入穴１
１ａを有している。

【００７１】図４に示すように、格子変更用燃料集合体
３B は、下部タイプレート１０の中心線をチャンネルボ
ックス１の中心線よりそれぞれ 1mm変位させて、下部タ
イプレート１０の軸心をチャンネルボックス１の軸心Ｃ
より変位させることにより、制御捧側Ｄ格子燃料集合体
との面間距離を小さくし、非制御捧側Ｄ格子燃料集合体
との面間距離を大きくする。この変位幅を約 2.4mmとし
た場合、格子変更用燃料集合体３B は完全にＣ（Ｓ）格
子燃料集合体と同一の配置となる。

【００７２】本実施の形態では、１バッチごとの下部タ
イプレート１０の軸心の変化量を 1mmとしたが、このよ
うに格子変更用に最初に装荷する取替えバッチでは小さ
くし、徐々にその軸心位置移動寸法を大きくしていき、
最終的に所望の値まで軸心を変えて、それ以降は前サイ
クルに装荷した燃料集合体と同一の軸心位置移動寸法を
持つ下部タイプレート１０とする。

【００７３】また、下部タイプレートの軸心が変位する
格子変更用燃料集合体３B は、燃料捧の半径方向濃縮度
分布を、軸心の偏心量に対応して無限格子でのＬＰＦ燃
焼変化を同一とし、熱的余裕を確保する適切な濃縮度分
布とし、Ｄ格子燃料集合体３D よりも対称性の高い濃縮
度分布とする。格子変更用燃料集合体３B の平均濃縮度
については、Ｄ格子燃料集合体３D と同じかより高くし
て高燃焼度化を図る。

【００７４】可燃性毒物の含有量は、Ｄ格子燃料集合体
３D に対し、Ｃ格子またはＳ格子化する格子変更用燃料
集合体３B は反応度が上がるためより大きくする。ま
た、軸方向濃縮度分布に関しては、ＣまたはＳ格子燃料
集合体は格子変更の初期に比べ、必要とあらば徐々に上
下反応度差を小さくする。

【００７５】図５に格子変更用燃料集合体３B の濃縮度
分布例、図６にＤ格子燃料集合体３D の濃縮度分布例を
示す。なお、格子変更用燃料集合体３B およびＤ格子燃
料集合体３D のそれぞれの各燃料棒２の番号による濃縮
度（重量％）は次表の通りである。表中、（ ）内はＧ
ｄ濃度を示す。

【００７６】

【表１】 図１〜図３に示すような移行サイクルにおいて、Ｄ格子
燃料集合体３D と格子変更用燃料集合体３B が混在する
場合は、すでに述べてきたようにサイクル間で水ギャッ
プ幅が変動することによるＬＰＦの上昇が炉心設計上最
も厳しい条件となる。

【００７７】図７〜図９は、それぞれ図１〜図３に示す
本実施の形態での移行第１サイクル、移行第２サイク
ル、移行第３サイクルのＬＰＦの変化を示す。これらの
図において、一点鎖線はＤ格子無限体系でのＬＰＦの推
移、二点鎖線は格子変更用燃料無限体系でのＬＰＦの推
移を示し、実線ａは格子変更用新燃料集合体３B1(1) の
ＬＰＦの推移、実線ｂは２年目Ｄ格子燃料集合体３D2の
ＬＰＦの推移、実線ｃは３年目Ｄ格子燃料集合体３D3の
ＬＰＦの推移、実線ｄは格子変更用新燃料集合体３B1
(2) のＬＰＦの推移、実線ｅは２年目格子変更用燃料集
合体３B2(1) のＬＰＦの推移、実線ｆは３年目Ｄ格子燃
料集合体３D3のＬＰＦの推移、実線ｇは格子変更用新燃
料集合体３B1(3) のＬＰＦの推移、実線ｈは２年目格子
変更用燃料集合体３B2(2) のＬＰＦの推移、実線ｉは３
年目格子変更用燃料集合体３B3(1) を示している。

【００７８】図７〜図９に示すように、サイクル間での
ＬＰＦの上昇は 2〜 3％に抑えられている。これは熱的
制限値である最大線出力密度が 2〜 3％上昇することを
意味しているが、制限値 13.4kW/ftに対しては最大0.4k
W/ft程度であり、燃料の濃縮度分布設計や炉心設計で十
分に吸収し得る値である。

【００７９】次に、本実施の形態の作用を説明する。ま
ず、各バッチごとに下部タイプレートを徐々に変化させ
ることによる作用について説明する。

【００８０】前述のように、Ｄ格子をＣ格子またはＳ格
子に変更する際、移行サイクルでの水ギャップ幅の寿命
途中での変化に伴うＬＰＦの増大が問題となる。格子変
更時にこの水ギャップの変動は不可避であり、ＬＰＦの
変動、増加は避けられない。図１０に示すように、Ｄ格
子燃料集合体のＬＰＦの増加量は、Ｎギャップ幅の増加
量にほぼ比例する。また、図１１に示すように、Ｃまた
はＳ格子燃料集合体は、Ｄ格子燃料集合体とは逆にＷギ
ャップ幅に比例してＬＰＦが増加する。

【００８１】全炉心で一気に大幅な水ギャップ幅の変更
を実施すると、一時的に熱的余裕は小さくなり、定格出
力運転が困難となる恐れがあるが、取替燃料ごとに徐々
に軸心を変えていくことにより、ＬＰＦ増加の影響を移
行サイクル全体に拡散させ、熱的余裕の減少を緩和させ
ながら徐々に格子変更をしていくことが可能となる。当
然のことながら、格子変更が炉心性能、運用性に影響を
及ぼさない範囲で、多種類の下部タイプレートを使用
し、ある取替えバッチ以降は、同一仕様の燃料集合体が
使用可能となる。

【００８２】水ギャップ幅が変化することによるＬＰＦ
の増加は、Ｄ格子、Ｓ格子それぞれ約 3％／mmである。
本実施の形態では偏心量を 1mmとすることでＬＰＦ上昇
量を2〜 3％程度としているが、これまでのＢＷＲの運
転実績から、ＬＰＦ上昇量を2〜 3％程度に抑えれば、
格子変更に先だって装荷したＤ格子燃料集合体に特殊な
対応、例えば、濃縮度を低下させる対策、一時的に炉心
から取り出す等の不経済な対応なしで、熱的余裕を確保
した格子変更が可能である。

【００８３】次に、Ｄ格子燃料集合体３D に着目して、
具体的な移行サイクルでの炉心特性について説明する。
格子変更の移行第１サイクルで格子変更用燃料集合体を
Ｄ格子炉心に装荷するとき、格子変更用燃料下部タイプ
レート軸心がＣまたはＳ格子配置となるような燃料集合
体、すなわち、集合体軸心が燃料集合体単位セルの中心
に位置するような燃料集合体をいきなり装荷すると、Ｄ
格子燃料集合体およびＣまたはＳ格子燃料集合体はとも
にＬＰＦが過大に増加し、運転性を損なう。しかしなが
ら、図１０に示すＤ格子燃料集合体の特性から、Ｎギャ
ップの変化幅を約 1mm程度に抑えれば、ＬＰＦ増加量を
実運用上対処可能な 2〜 3％程度に抑えることができる
ため、実質的な運用上の自由度を損なうことなく、燃料
装荷パターンの工夫により対応可能である。

【００８４】格子変更の移行第２サイクルで、さらに燃
料集合体軸心が燃料集合体単位セル中央に近いものと
し、約 2mmの偏心量とした格子変更用燃料集合体３B を
装荷した場合について説明する。

【００８５】すなわち、図２に示すように、Ｄ格子燃料
集合体３D に移行第２サイクルで装荷した格子変更用新
燃料集合体３B1(2) が隣接した場合を考える。前述のよ
うに、問題となるのはＮギャップ幅が移行第１サイクル
で装荷される格子変更用新燃料集合体３B1(1) と隣接し
た場合よりも大きくなることであり、図１０に示すよう
に、Ｄ格子燃料集合体のＬＰＦ増加量は移行第１サイク
ルでの影響の２倍となる。しかしながら、このとき、図
２に示すように、Ｄ格子燃料集合体３D は３サイクル目
となっており、反応度が低下しているため熱的に厳しく
なる可能性は非常に小さく、運用上の問題とはならな
い。移行第３、第４サイクルではさらにＤ格子燃料集合
体３D の反応度が低下するため、格子変更用燃料集合体
３B がＮギャップ側で隣接しＤ格子燃料集合体３D のＮ
ギャップ側のＬＰＦが上昇しても、熱的余裕の減少は問
題とならない。

【００８６】次に、炉心に装荷された格子変更用燃料集
合体３B に着目して説明する。格子変更用燃料集合体３
B はＷギャップ側がポイントである。図１１に示すよう
に、格子変更用燃料集合体３B のＬＰＦは、無限体系の
場合を基準とするとＷギャップの水の量が、図１のよう
にＤ格子燃料集合体３D と隣接するとより大きくなるた
め、Ｗギャップ側のＬＰＦが高くなる。一方、Ｎギャッ
プ側がＤ格子燃料集合体３D に面すると水ギャップが狭
くなるため、Ｎギャップ側のＬＰＦは小さくなる。

【００８７】本実施の形態の下部タイプレートを徐々に
軸心を変えること自体は、Ｄ格子燃料集合体３D のＬＰ
Ｆの緩和に寄与するが、格子変更用燃料集合体３B にと
っては熱的裕度の確保の観点からは、むしろ、一気に軸
心を中央に配置しＷギャップ幅を狭める場合に比べ、厳
しい方向であり、ＬＰＦの増加は大きくなる方向であ
る。すなわち、バッチごとに徐々に軸心を変えた格子変
更用燃料集合体３B を装荷すること自体は、あくまでＤ
格子燃料集合体３D のＬＰＦ増加の緩和対策である。

【００８８】格子変更用燃料集合体３B の軸心をバッチ
ごとに徐々に変えることによるＬＰＦの上昇は、後で述
べるように燃料捧本数を増加させるとともに、Ｄ格子燃
料集合体３D のようにＮギャップ側に比べて相対的にＷ
ギャップ側の濃縮度を下げるような濃縮度スプリット配
置とすることにより対応可能であり、かつそのような設
計対応が必要となる場合も個々の炉心によっては生じ
る。

【００８９】この格子変更用燃料集合体３B の濃縮度分
布のＷギャップ側とＮギャップ側の非均一性は、下部タ
イプレートの軸心位置に依存し、燃料集合体単位セルの
中央配置に近付くほど、その濃縮度分布の差が小さくな
る設計を採用する必要がある。ただし、必ずしも下部タ
イプイレートの仕様の種類数と同じ数の濃縮度分布を採
用する必要はなく、あるバッチと次のバッチで熱的裕度
の許す範囲で共通の濃縮度分布の採用も可能である。最
終的には通常のＣまたはＳ格子燃料集合体のようにＷギ
ャップ側とＮギャップ側で濃縮度が対象となることが、
中性子経済、燃料製造等の観点から望ましいことは当然
である。

【００９０】本実施の形態のもうひとつのポイントとし
て、格子変更用燃料集合体３B にＤ格子燃料集合体３D
よりも燃料棒本数の多い燃料集合体を採用することにつ
いて、その作用を説明する。

【００９１】図１に示すようなＤ格子燃料集合体３D と
隣接する格子変更用燃料集合体３BのＬＰＦの増加を軽
減するため、上記のように濃縮度分布だけで対応するこ
とも可能ではあるが、以下の観点から格子変更用燃料集
合体３B の燃料棒本数を増加することが提案される。

【００９２】すなわち、濃縮度分布のみでの対応は、軸
心の異なる下部タイプレートに応じて各バッチごとに異
なる濃縮度分布設計が必須となる。例えば、図１〜図３
に示すように、格子変更用燃料集合体３B を各バッチご
とに装荷し、すべてのＤ格子燃料集合体３D が取り出さ
れるまで４バッチを要すると仮定し、４種類の下部タイ
プレートを要した場合、４種類の濃縮度分布が必要とな
り、製造上繁雑となるおそれが生じる。

【００９３】しかしながら、格子変更用燃料集合体３B
の燃料捧本数を増加させれば、熱的余裕が確保しやすい
ので、上記の例に対応した格子変更用燃料集合体３B の
濃縮度分布は、例えば４種類から３種類以下に減らすこ
とができる。例えば、Ｄ格子燃料集合体３D が 8× 8燃
料で格子変更用燃料集合体３B を 9× 9燃料とする場
合、水ロッドの本数にも依存するが、燃料捧本数は約20
％増加する。この20％の熱的余裕の増加を格子変更用燃
料集合体３B のＬＰＦの増加の他に濃縮度の増加による
高燃焼度化にも利用すれば、省資源性の向上に寄与す
る。現実に格子変更を実施する際、安全審査を初めとす
る安全解析、許認可が必要となるが、格子変更と併せて
高燃焼度化も図れれば一石二鳥であり、燃料の熱的余裕
を確保できる範囲で濃縮度の向上を図ることが得策であ
る。

【００９４】さらに、燃料棒本数の増加を軸方向反応度
分布設計の簡素化に利用することも可能である。すなわ
ち、ＢＷＲ特有の下部ピークを回避するための設計を、
燃料棒本数の増加で緩和することができる。なお、格子
変更用燃料集合体３B は、水ギャップの均質化により反
応度は増加する方向なので、ガドリニアなどの可燃性毒
物の含有量は、Ｄ格子燃料集合体３D に比べて大きくす
る必要があり、さらに、濃縮度の増加を行う場合もその
増加量に応じて、ガドリニア量の増加が必要である。

【００９５】次に、格子変更用燃料集合体３B の集合体
寸法、すなわち、Ｄ格子燃料集合体３D よりもチャンネ
ルボックスの対面距離が同じ燃料集合体（例えばＣ格子
燃料集合体）かより小さい燃料集合体（例えばＳ格子燃
料集合体）を使用することについてその作用を説明す
る。

【００９６】チャンネルボックスの厚さが約 2.5mmのＤ
格子燃料集合体３D の場合、Ｗギャップ側の燃料集合体
単位セル境界面からチャンネルボックス外面との距離
（Ｗギャップ幅の 1/2）は約 9.0mm、Ｎギャップ側は約
4.2mmである。このＤ格子炉心を仮に同一集合体寸法で
ＷギャップとＮギャップを同一寸法とし、数サイクルか
けて完全にＣ格子化したとすると、燃料集合体単位セル
境界面との水ギャップ幅は約 6.6mmなる。一方、同一チ
ャンネル厚のＳ格子炉心の燃料集合体単位セル境界面と
の水ギャップ幅は約 7.4mmである。したがって、Ｄ格子
をＣ格子とするのに対し、Ｓ格子化する場合は燃料集合
体単位セル境界面との水ギャップ幅が約 0.8mm大きくな
ることが重要なポイントである。

【００９７】格子変更時問題となるのが、すでに述べた
ように制御捧とチャンネルボックスとの干渉であるが、
Ｓ格子燃料集合体、すなわちチャンネルボックスの対面
距離が小さい燃料集合体を使用して格子変更をする方
が、チャンネルボックス外面と制御捧のガイドローラと
のクリアランスの確保が容易であることは明らかであ
る。

【００９８】したがって、Ｄ格子炉心を完全にＣ格子化
またはＳ格子化する場合は、制御棒の交換が避けられな
いが、制御捧の交換を回避することを前提にＤ格子炉心
をＣまたはＳ格子相当に近付けるように格子変更をする
場合、Ｓ格子燃料集合体のような集合体寸法の小さい燃
料集合体に徐々に軸心を変えた下部タイプレー卜を具備
させて格子変更用燃料集合体とし、徐々に格子変更を行
えば、Ｃ格子燃料集合体のようなＤ格子燃料集合体と同
一寸法の燃料集合体を用いる場合よりも、制御棒挿入側
と非制御棒挿入側の水ギャップ幅が相対的に均一な配置
に近付けることができる。

【００９９】例えば、Ｓ格子相当の燃料集合体を装荷
し、Ｗギャップ幅をＤ格子燃料集合体と同一とした場合
を想定し、Ｗギャップ側の燃料集合体単位セル境界面か
らチャンネルボックス外面との距離（Ｗギャップ幅の 1
/2）を約 9.0mmとすると、Ｎギャップ側は 7.4× 2−
9.0＝ 5.8mmとなる。燃料格子の均質化を表す指標とし
て、ＷギャップとＮギャップの比をとると、 9.0/5.8＝
約 1.6となり、Ｄ格子炉心の 9.0/4.2＝約 2.1（Ｃ格子
燃料集合体はＤ格子燃料集合体と同一集合体寸法なので
この比は同じ）と比較して、大幅に中央配置に近付いて
いることが分かる。なお、この例では、Ｓ格子相当の燃
料集合体を装荷してもＷギャップ幅をＤ格子と同一とし
ているが、実際は、制御捧とチャンネルが干渉するまで
にクリアランスの余裕があるため、最終的にはより中央
配置とすることも可能である。

【０１００】また、最終的に全制御捧を交換する完全Ｓ
格子化を目標とするとき、徐々にバッチごとに集合体軸
心を変えた設計とすることにより、全ての制御棒を一気
に交換する必要はなく、部分的に交換することにより、
何回かの定検に分けて制御捧交換が可能となる。

【０１０１】以上は、集合体寸法がＤ格子燃料集合体よ
りも小さい燃料集合体（Ｓ格子燃料集合体）の方が、集
合体寸法の大きい燃料集合体（Ｃ格子燃料集合体）より
も、格子変更用燃料集合体として制御捧との取り合い上
有利であることを説明したが、プラントに応じて、格子
変更用燃料集合体としてＣ格子相当の燃料集合体を使用
して格子変更することも当然可能であるとともに、最初
はＣ格子相当の燃料集合体を使用し、途中から制御捧と
の取り合い上有利なＳ格子燃料集合体に変える対応も可
能である。

【０１０２】次に、格子変更における核設計上の対応に
ついて説明する。一般的に、同じ集合体平均濃縮度であ
る場合、Ｗ、Ｎギャップ幅がより等しい方が、減速材が
集合体周りに均一に分布していることになり、反応度が
大きい。さらに、上記の通り、燃料棒本数を増加させる
対応は、格子変更に伴う熱的余裕の増加が期待され、そ
の裕度を濃縮度の増加による取出し燃焼度の増加に振り
向けている。

【０１０３】したがって、格子変更用燃料集合体はＤ格
子燃料集合体よりも反応度が増加し出力が増加するた
め、Ｄ格子燃料集合体よりもより多くの可燃性毒物を入
れることにより、適切な反応度制御が可能となる。この
可燃性毒物の量は、ＷギャップとＮギャップ幅が等しく
なるにしたがって反応度が大きくなるため、必要に応じ
取替えバッチごとに増加し、最終的には一定の可燃性毒
物量となる。

【０１０４】また、軸方向出力については、一般にＢＷ
Ｒ特有の下部ピークに対し、燃料設計では、炉心下部の
核分裂性物質割合を炉心上部よりも小さくする設計が採
用されているが、Ｄ格子燃料集合体に比べ、格子変更用
燃料集合体は燃料棒本数が増加するため、より熱的裕度
が確保できるため、Ｄ格子燃料集合体よりも上下反応度
差を小さくし、燃料製造上のより簡単な軸方向設計が可
能となる。

【０１０５】以上の作用により、本実施の形態において
は、前述の通りＤ格子からＣ格子またはＳ格子への格子
変更を、移行サイクルにおける水ギャップ変化の影響を
核的特性上、制御捧との取り合い上の問題を回避して実
現することができることになり、より経済性が高いＣ格
子炉心またはＳ格子炉心へ円滑に移行することができる
ことになる。

【０１０６】図１２は、移行サイクルで装荷する格子変
更用燃料集合体３B の一例を示すもので、制御捧４との
取り合いの関係から、格子変更用燃料集合体３B のチャ
ンネルボックス１と制御捧４が干渉することを避け、制
御棒４と面するチャンネルボックス１を薄肉化し、制御
捧４の挿入性を確保した例を示すものである。

【０１０７】燃料集合体のチャンネルボックスの厚さは
プラントに応じて適宜選定されるものであり、格子変更
用燃料集合体３B のチャンネルボックス１の厚さは、通
常は格子変更前のＤ格子燃料集合体と同一の厚さに設定
される。

【０１０８】図１３は、図１２に示す格子変更用燃料集
合体３B の変形例を示すもので、チャンネルボックス１
の強度上の関係から、チャンネルボックス１の対称性を
持たせるため、制御捧４の非挿入側の面も薄肉化して、
制御捧４の挿入性を確保した例を示すものである。

【０１０９】図１４は、格子変更用燃料集合体３B の他
の例を示すもので、制御捧４のガイドローラ部に対応す
るチャンネルボックス１に溝加工を施し、干渉を避けた
例を示すものである。

【０１１０】図１５は、図１４に示す格子変更用燃料集
合体３B の変形例を示すもので、チャンネルボックス１
の対称性を持たせるため、全ての面に溝加工をした例を
示している。

【０１１１】また、上述したように、格子変更において
は、制御棒との取り合いからはＣ格子よりもＳ格子燃料
集合体の方が有利であるが、Ｓ格子燃料集合体はＤ格子
燃料集合体に比較してチャンネルボックス対面距離が小
さいため、冷却材流路面積が小さく、炉心圧損が増大し
てしまう。冷却材を炉心内に循環させる再循環ポンプの
容量が十分に大きければ、仮に炉心圧損が増大しても特
に問題とならないが、ポンプにかかる負荷が大きくなる
ことは確実である。

【０１１２】そこで、格子変更用燃料集合体３B として
Ｓ格子燃料集合体を用いる場合は、Ｓ格子燃料集合体の
下部タイプレートの冷却材流路面積を従来型の下部タイ
プレートよりも広くしてＤ格子燃料集合体のものと同等
かもしくはそれ以上とし、炉心圧損の増大を緩和させる
ことが望ましい。これにより、再循環ポンプの負荷増大
という問題点を回避することができる。

【０１１３】図１６は、このような冷却材流路面積の拡
大を図った格子変更用燃料集合体（ 9×9 正方格子状の
燃料棒からなる燃料集合体）３B の下部タイプレート１
０の設計例を示したものである。また、図１７は、 9×
9 タイプの燃料集合体に対する従来型の下部タイプレー
ト１０を示したものである。図１６、図１７において、
下部タイプレート１０は、 9×9 正方格子状をなす燃料
棒下部端栓挿入穴１１ａが形成された挿入穴部材１１を
有し、燃料棒下部端栓挿入穴１１ａの間に冷却材流路１
２が形成されている。図１６では、燃料棒下部端栓挿入
穴１１ａをグリッド状に配置することにより、冷却材流
路１２を極力広くとるよう設計されている。

【０１１４】なお、上記したような格子変更用燃料集合
体３B の下部タイプレートの冷却材流路面積の拡大を装
荷バッチごとに徐々に行い、数サイクルかけて冷却材流
路面積を目標値まで拡大していくことも可能である。

【０１１５】これら冷却材流路面積の拡大は、各装荷バ
ッチごとの流路抵抗を同等とすることを目的として行う
ものであるから、例えば図１７に示す下部タイプレート
１０において、冷却材流路１２の穴径を最適化したり、
冷却材との接触面にテーパーを施すなどして、下部タイ
プレート部での圧損係数を低減することができれば、流
路面積は同一であっても流路面積を拡大した場合と同等
の効果を得ることができる。

【０１１６】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、Ｄ格
子炉心からＷギャップ幅とＮギャップ幅をより均一な燃
料格子に変更するに際し、以下の効果を奏することがで
きる。

【０１１７】（１）Ｄ格子からＣ格子またはＳ格子への
移行過程のＤ格子燃料集合体と格子変更用燃料集合体が
混在する炉心において、ＬＰＦの増加による熱的余裕の
低減を緩和することができる。

【０１１８】（２）格子変更を行うことによる減速材分
布の均質化、濃縮度の増加により、反応度、取出し燃焼
度が向上するため、天然ウラン資源の節約が可能とな
る。

【０１１９】（３）燃料棒本数を増加させることによ
り、格子変更に伴う熱的余裕の低減を緩和し、格子変更
用燃料集合体の各バッチごとに複雑な濃縮度分布設計と
することが回避され、製造性が向上する。

【０１２０】（４）徐々に下部タイプレートの軸心を変
えることにより、熱的余裕を確保しつつ、制御捧交換の
時期を分散化でき、稼働率損失を避けることができる。

【０１２１】（５）Ｄ格子燃料集合体よりもサイズの小
さい格子変更用燃料集合体を採用することにより、減速
材分布の均質化がより容易であり、燃料経済性をより向
上させることができる。

【０１２２】（６）Ｄ格子燃料集合体よりもサイズの小
さい格子変更用燃料集合体を採用することにより、制御
捧交換を行わなくても、より減速材分布が均質化の方向
となる炉心構成が可能となる。

【０１２３】以上をまとめると、格子変更による省資源
性、燃料製造性の向上を図り、現実的に実施可能に炉心
構成を変えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態におけるＤ格子炉心に格
子変更用燃料集合体を装荷する移行第１サイクルの制御
棒周りの燃料装荷パターンを示す図である。

【図２】図１に示す移行第１サイクルに続く移行第２サ
イクルの燃料装荷パターンを示す図である。

【図３】図２に示す移行第２サイクルに続く移行第３サ
イクルの燃料装荷パターンを示す図である。

【図４】本発明にかかる格子変更用燃料集合体の下部タ
イプレートを下方からみた平面図である。

【図５】本発明にかかる格子変更用燃料集合体の濃縮度
分布例を示す図である。

【図６】Ｄ格子燃料集合体の濃縮度分布例を示す図であ
る。

【図７】図１に示すようなＤ格子炉心に格子変更用燃料
集合体を装荷する移行第１サイクルにおける局所ピーキ
ング係数（ＬＰＦ）の推移を示すグラフである。

【図８】図２に示すような移行第２サイクルにおける局
所ピーキング係数（ＬＰＦ）の推移を示すグラフであ
る。

【図９】図３に示すような移行第３サイクルにおける局
所ピーキング係数（ＬＰＦ）の推移を示すグラフであ
る。

【図１０】Ｄ格子燃料集合体でのＮギャップ幅増加量と
ＬＰＦ上昇量の関係を示すグラフである。

【図１１】格子変更用燃料集合体でのＷギャップ幅増加
量とＬＰＦ上昇量の関係を示すグラフである。

【図１２】本発明にかかる格子変更用燃料集合体のチャ
ンネルボックスの制御棒側の肉厚を薄くした例を示す図
である。

【図１３】本発明にかかる格子変更用燃料集合体のチャ
ンネルボックスの肉厚を全体的に薄くした例を示す図で
ある。。

【図１４】本発明にかかる格子変更用燃料集合体のチャ
ンネルボックスの制御棒のガイドローラーと干渉する部
分に溝加工を施した例を示す図である。

【図１５】図１２に示す格子変更用燃料集合体のチャン
ネルボックスの変形例を示す図である。

【図１６】本発明にかかる格子変更用燃料集合体の下部
タイプレートの一例を示す横断面図である。

【図１７】９×９タイプの燃料集合体の下部タイプレー
トの従来例を示す横断面図である。

【図１８】炉心に配置されたＤ格子燃料集合体の一例を
示す図である。

【図１９】Ｄ格子燃料集合体の下部タイプレートを示す
縦断面図である。

【図２０】Ｄ格子燃料集合体の下部タイプレートを示す
横断面図である。

【図２１】Ｃ格子燃料集合体の一例を示す図である。

【図２２】周囲にＣ格子燃料集合体が配置されたときと
Ｄ格子燃料集合体が配置されたときのＤ格子燃料集合体
内のＬＰＦ分布変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１………チャンネルボックス ２………燃料捧 ３………燃料集合体 ４………制御捧 ５………燃料集合体単位セル ６………燃料集合体単位セル境界面 １０………下部タイプレート １１………挿入穴部材 １１ａ……燃料棒下部端栓挿入穴 １２………冷却材流路

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正方格子状に配列された多数の燃料捧を
   上部タイプレートおよび下部タイプレートで保持し周囲
   をチャンネルボックスで取り囲んだ燃料集合体を複数装
   荷し、４体の燃料集合体の中間に十字型の制御棒が挿入
   される沸騰水型原子炉において、 制御捧挿入側のチャンネルボックス外面と燃料集合体単
   位の炉心区画を示す燃料集合体単位セル境界面との距離
   ＧＷａが制御捧非挿入側のチャンネルボックス外面と燃
   料集合体単位セル境界面との距離ＧＮａより大きいタイ
   プＡの燃料集合体が、燃料取替えバッチごとに、タイプ
   Ａの燃料集合体に対して以下の関係 Ｌｂ≦Ｌａ、Ｎａ＜Ｎｂ、Ｆａ≦Ｆｂ、 ＧＮａ≦ＧＮｂ、ＧＮａ／ＧＷａ＜ＧＮｂ／ＧＷｂ ただし、Ｌａ；タイプＡの燃料集合体のチャンネルボッ
   クス対面距離、Ｌｂ；タイプＢの燃料集合体のチャンネ
   ルボックス対面距離，Ｎａ；タイプＡの燃料集合体の１
   体当たりの燃料捧本数、Ｎｂ；タイプＢの燃料集合体の
   １体当たりの燃料捧本数、Ｆａ；タイプＡの燃料集合体
   の平均核分裂性物質含有率、Ｆｂ；タイプＢの燃料集合
   体の平均核分裂性物質含有率、ＧＷｂ；タイプＢの燃料
   集合体の制御捧挿入側のチャンネルボックス外面と燃料
   集合体単位セル境界面との距離、ＧＮｂ；タイプＢの燃
   料集合体の制御捧非挿入側のチャンネルボックス外面と
   燃料集合体単位セル境界面との距離にあるタイプＢの燃
   料集合体に順次交換されることを特徴とする沸騰水型原
   子炉。
2. 【請求項２】 タイプΒの燃料集合体は、燃料取替えバ
   ッチ順に新燃料として装荷される燃料集合体の制御捧挿
   入側のチャンネル外面と燃料集合体単位セル境界面との
   距離をＧＷｂ１、ＧＷｂ２、……ＧＷｂｎ（ｎは装荷バ
   ッチ数を表す。ｎ≧２）、制御捧非挿入側のチャンネル
   外面と燃料集合体単位セル境界面との距離をＧＮｂ１、
   ＧＮｂ２、……ＧＮｂｎとした時、 ＧＮｂ１／ＧＷｂ１≦ＧＮｂ２／ＧＷｂ２≦………≦Ｇ
   Ｎｂｎ／ＧＷｎ であることを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子
   炉。
3. 【請求項３】 タイプΒの燃料集合体は、燃料取替えバ
   ッチ順に新燃料として装荷される燃料集合体のチャンネ
   ルボックス対面距離をＬｂ１、Ｌｂ２、…Ｌｂｎ（ｎは
   装荷バッチ数を表す。ｎ≧２）とした時、 Ｌｂ１≧Ｌｂ２≧………≧Ｌｂｎ であることを特徴とする請求項１または２記載の沸騰水
   型原子炉。
4. 【請求項４】 タイプΒの燃料集合体は、下部タイプレ
   ートの中心軸をチャンネルボックス中心軸から偏心させ
   て、ＧＮｂ／ＧＷｂを変更させることを特徴とする請求
   項１または２記載の沸騰水型原子炉。
5. 【請求項５】 タイプΒの燃料集合体は、ある燃料取替
   えバッチ以降では前回の燃料取替えバッチに新燃料とし
   て装荷されたものと比較してＧＮｂ／ＧＷｂおよびＬｂ
   が同じであることを特徴とする請求項１ないし３のいず
   れか１項に記載の沸騰水型原子炉。
6. 【請求項６】 タイプＡの燃料集合体とタイプΒの燃料
   集合体は、タイプＡの燃料集合体を対角線で２分割した
   場合の制御棒挿入側の半数の燃料棒の平均核分裂性物質
   含有率をＦＷａ、制御捧非挿入側の半数の燃料捧の平均
   核分裂性物質含有率をＦＮａとし、同様にタイプＢの燃
   料集合体を対角線で２分割した場合の制御捧挿入側の半
   数の燃料棒の平均核分裂性物質含有量をＦＷｂ、制御棒
   非挿入側の半数の燃料棒の平均核分裂性物質含有率をＦ
   Ｎｂとした時、 ＦＷａ＜ＦＮａ、ＦＷｂ≦ＦＮｂ、 ＦＷａ／ＦＮａ＜ＦＷｂ／ＦＮｂ であることを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子
   炉。
7. 【請求項７】 タイプΒの燃料集合体は、炉心軸方向中
   央部から上下に２分割した場合の上部の核分裂性物質含
   有率が下部の核分裂性物質含有率と同じかそれ以上であ
   り、上部の核分裂性物質含有率に対する下部の核分裂性
   物質含有率の比が、タイプＡの燃料集合体よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉。
8. 【請求項８】 タイプΒの燃料集合体は、炉心軸方向中
   央部から上下に２分割した時の上部の核分裂性物質含有
   率が下部の核分裂性物質含有率以上であり、上部の核分
   裂性物質含有率に対する下部の核分裂性物質含有率の比
   が、前回の燃料取替えバッチで新燃料として装荷された
   ものより同じかもしくは大きくなることを特徴とする請
   求項１ないし５のいずれか１項に記載の沸騰水型原子
   炉。
9. 【請求項９】 タイプΒの燃料集合体は、タイプＡの燃
   料集合体よりも可燃性毒物の含有量が大きいことを特徴
   とする請求項１記載の沸騰水型原子炉。
10. 【請求項１０】 タイプΒの燃料集合体は、チャンネル
    ボックスの少なくとも制御捧に面する２面の肉厚が、タ
    イプＡの燃料集合体のチャンネルボックスの肉厚よりも
    小さいことを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子
    炉。
11. 【請求項１１】 タイプΒの燃料集合体は、チャンネル
    ボックスの外面の少なくとも制御捧に面する２面に、軸
    方向に沿って溝を有していることを特徴とする請求項１
    記載の沸騰水型原子炉。
12. 【請求項１２】 タイプＡ、Ｂそれぞれの燃料集合体の
    下部タイプレートの冷却材流路面積をＡａ、Ａｂとした
    時、 Ａａ≦Ａｂ であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１
    項に記載の沸騰水型原子炉。
13. 【請求項１３】 タイプＢの燃料集合体は、燃料取替え
    バッチ順に新燃料として装荷される燃料集合体の下部タ
    イプレートの冷却材流路面積をＡｂ１、Ａｂ２、……Ａ
    ｂｎ（ｎは装荷バッチ数を表す。ｎ≧２）とした時、 Ａｂ１≦Ａｂ２≦………≦Ａｂｎ であることを特徴とする請求項３記載の沸騰水型原子
    炉。