JPH09304571A - 原子炉の炉心及び原子炉の燃料取り替え方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体とが混在
する場合に、線出力密度をより平坦化できる原子炉の炉
心及び原子炉の燃料取り替え方法を提供する。 【解決手段】ＭＯＸ燃料集合体４ａは、炉心外周領域を
除いてほぼまんべんなく分布され、隣接する４つの燃料
集合体がすべてＭＯＸ燃料集合体３となっている。ま
た、ＭＯＸ燃料集合体４ｂは、概ね炉心最外周から３列
目の領域に配置されており、隣接する４つの燃料集合体
は、ＭＯＸ燃料集合体３又はＭＯＸ燃料集合体４となっ
ている。これにより、吸収断面積の差に基づきウラン燃
料集合体２からＭＯＸ燃料集合体４ａ，ｂへ流れ込む熱
中性子量を低減でき、運転初期における最外周燃料棒出
力の増大を低減できる。よって、局所出力分布を平坦化
することができるので、炉心全体の線出力密度をより平
坦化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数種類の燃料集
合体を装荷した沸騰水型原子炉の炉心に係わり、特に、
混合酸化物（ＭＯＸ）を装荷した燃料集合体を有する原
子炉の炉心及びこの原子炉の燃料取り替え方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、原子炉の炉心においては、所定
の期間（＝１サイクル）運転を継続した後原子炉が停止
され、装荷された燃料集合体の一部が取り出されて新し
い燃料集合体と交換される。通常、交換される燃料集合
体は全炉心の４分の１から３分の１程度である。つま
り、一度装荷された燃料集合体は、炉心から取り出され
る迄に３サイクルから４サイクル程度の期間炉内に滞在
することになる。各サイクルで交換される燃料集合体の
数が一定であるものを平衡炉心と呼び、この平衡炉心で
は、滞在期間に応じ燃焼度の異なる燃料集合体が、炉内
に混在する配置となっている。

【０００３】そして、燃焼履歴を持たない新燃料集合体
だけからなる初装荷炉心においても、上記同様、始めの
１サイクル（第１サイクル）の間運転を継続した後、装
荷された燃料集合体の一部が取り出されて新しい燃料集
合体と交換されることになる。そして、初装荷炉心から
このようにして何サイクルか燃料交換を行った後に平衡
炉心へと移行する。ここで、第１サイクル終了後に初装
荷炉心から取り出される燃料集合体は１サイクルしか炉
心に滞在していないので、３サイクルから４サイクル炉
心内に滞在する通常の燃料集合体に比べて燃焼度が低
く、発生エネルギーが少ない。したがって、一般に、初
装荷炉心においては、例えば特開平５−２４９２７０号
公報に記載されているように、炉内滞在期間に応じてウ
ラン濃縮度を変えた複数の濃縮度からなる平衡炉心模擬
の炉心構成が採用されている。このような初装荷炉心と
すると、核分裂性物質を有効に利用することで経済性の
向上を図ることができ、さらに、平衡炉心へとスムーズ
に移行できる利点がある。

【０００４】近年、燃料経済性等の観点から、混合酸化
物を装荷した燃料集合体（以下適宜ＭＯＸ燃料集合体と
いう）が提唱されており、このＭＯＸ燃料集合体とウラ
ン燃料集合体とを混在させた初装荷炉心が考えられてい
る。このとき、このようなＭＯＸ燃料集合体及びウラン
燃料集合体を備えた初装荷炉心を、上記した平衡炉心模
擬の構成とする場合、経済性の観点から、ＭＯＸ燃料集
合体はいちばん濃縮度の高い燃料集合体の代わりとして
用いられる。その後、各サイクル終了時の取り替え用燃
料集合体としてもＭＯＸ燃料集合体が用いられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成においては、運転初期（燃焼初期）において、炉心全
体の線出力密度を平坦化するのが困難となるという課題
が存在する。このことを、以下順を追って詳細に説明す
る。 （１）主として熱中性子の流れ込みにより生じるもの （１−ａ）運転初期（燃焼初期）における燃料集合体内
の局所出力分布特性 一般に、燃料集合体内の出力分布は、運転初期（燃焼初
期）においては、水ギャップに隣接している燃料集合体
最外周の中性子スペクトルがやわらかいことからこの燃
料集合体最外周の燃料棒の出力が大きい。そして、この
ように運転初期（燃焼初期）で最外周の燃料棒の燃焼が
他の燃料棒より先に進む結果、燃焼中期以後では、最外
周の燃料棒では既に燃焼のピークを超えてしまうので、
最外周以外の燃料棒の出力が大きくなる。

【０００６】（１−ｂ）ＭＯＸ燃料集合体への熱中性子
の流れ込み 一方、ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体が、互いに
最外周の燃料棒が対向するように隣り合って配置される
（以下、本明細書において、「隣接する」又は「隣接位
置」という）炉心においては、ウラン燃料集合体からＭ
ＯＸ燃料集合体への熱中性子の流れ込みが発生する。こ
の理由を、図６により説明する。図６は、横軸に中性子
エネルギー、縦軸に吸収断面積をとり、ウラン−２３５
及びプルトニウム−２３９の吸収断面積を比較して示し
たものである。図示のように、低エネルギー領域では、
プルトニウム−２３９の吸収断面積がウラン−２３５よ
り大きくなっており、その結果、ウラン燃料集合体では
ＭＯＸ燃料集合体よりも低エネルギー領域の中性子割合
が大きくなることになる。したがって、ウラン燃料集合
体からＭＯＸ燃料集合体に熱中性子が流れ込むこととな
るが、このとき流入した中性子は燃料集合体の最外周の
燃料棒のみに影響を与えるので、運転初期（燃焼初期）
には、（１−ａ）の効果と共に最外周の燃料棒の出力を
増大させることとなる。よって、ＭＯＸ燃料集合体のう
ち、ウラン燃料集合体に隣接する側の最外周燃料棒出力
が増大するとともに、ＭＯＸ燃料集合体に隣接する側の
最外周燃料棒出力が低下することとなって、大きな局所
出力ピーキングを生じる。

【０００７】（１−ｃ）炉心の線出力密度に与える影響 ここにおいて、炉心全体の線出力密度の最大値は、炉心
軸方向出力ピーキング、炉心径方向出力ピーキング、及
び燃料集合体内の局所出力ピーキングにより決定され
る。したがって、ＭＯＸ燃料集合体の局所出力ピーキン
グが増大すると、炉心全体の線出力密度の最大値の増大
を招き、線出力密度を平坦化するのが困難となる。な
お、燃焼中期以後は、上記（１−ａ）に示したように燃
料集合体最外周の燃料棒の出力自体が小さくなるので、
上記（１−ｂ）の中性子流入によるＭＯＸ燃料集合体の
局所出力増大は考慮しなくても良く、線出力密度への影
響も考慮しなくても良い。以上説明したように、ウラン
燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体とが炉内で混在する場合
に、従来の炉心構成では、ウラン燃料集合体からＭＯＸ
燃料集合体への熱中性子の流れ込みによって、運転初期
（燃焼初期）においてＭＯＸ燃料集合体における局所出
力分布の増大を招くので、炉心全体の線出力密度を平坦
化するのが困難となる。

【０００８】（２）主として制御棒挿入の制限により生
じるもの 一般に、炉心は、制御棒を挿入するため複数箇所にコン
トロールセルが設けられている。そして、原子炉運転期
間中の大部分において、余剰反応度を抑制するために、
これらコントロールセルのうち所定割合のものに対して
制御棒が挿入される。したがって、初装荷炉心において
も、コントロールセルに対して制御棒の挿入が行われる
こととなるが、このとき、余剰反応度との関連から、制
御棒の本数及び挿入長さに制限があるのが通常であり、
これによって、制御棒による出力抑制にも限界が生じる
ので、炉心全体の線出力密度を十分平坦化できない場合
がある。

【０００９】本発明の目的は、ウラン燃料集合体とＭＯ
Ｘ燃料集合体とが混在する場合において、線出力密度を
より平坦化できる原子炉の炉心及び原子炉の燃料取り替
え方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、プルトニウムが充填されたＭＯＸ
燃料棒を含む複数本の燃料棒が配列された少なくとも１
つの第１ＭＯＸ燃料集合体と、ウランが充填された複数
本のウラン燃料棒が配列された少なくとも１つのウラン
燃料集合体とが装荷され、かつ、所定の運転サイクルが
経過するごとに、前記第１ＭＯＸ燃料集合体及び前記ウ
ラン燃料集合体のうち少なくとも１つが取り外されると
ともに、該取り外された燃料集合体の個数と同数の、プ
ルトニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒を含む複数本の燃
料棒が配列された第２ＭＯＸ燃料集合体が新たに装荷さ
れる原子炉の炉心において、前記新たに装荷される第２
ＭＯＸ燃料集合体のうち少なくとも１つは、隣接して配
置される４つの燃料集合体が、前記第１ＭＯＸ燃料集合
体及び前記第２ＭＯＸ燃料集合体のいずれか一方となっ
ていることを特徴とする原子炉の炉心が提供される。以
上のように構成した本発明においては、取り替え後の炉
心における第２ＭＯＸ燃料集合体のうち少なくとも１つ
は、隣接配置された４つのＭＯＸ燃料集合体に取り囲ま
れ、ウラン燃料集合体と隣接しない。これにより、吸収
断面積の差に基づくウラン燃料集合体からＭＯＸ燃料集
合体への熱中性子流れ込み量を低減することができる。
したがって、この流れ込み量によるＭＯＸ燃料集合体最
外周燃料棒出力の増大を低減でき、局所出力分布を平坦
化することができるので、炉心全体の線出力密度をより
平坦化することができる。

【００１１】好ましくは、前記原子炉の炉心において、
前記新たに装荷される第２ＭＯＸ燃料集合体のうち少な
くとも１つは、隣接して配置される４つの燃料集合体
が、前記第１ＭＯＸ燃料集合体となっていることを特徴
とする原子炉の炉心が提供される。

【００１２】また上記目的を達成するために、本発明に
よれば、プルトニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒を含む
複数本の燃料棒が配列された少なくとも１つのＭＯＸ燃
料集合体と、ウランが充填された複数本のウラン燃料棒
が配列された少なくとも１つのウラン燃料集合体とが装
荷される原子炉の炉心において、前記ＭＯＸ燃料集合体
のうち少なくとも１つは、隣接して配置される４つの燃
料集合体が、前記ウラン燃料集合体となっていることを
特徴とする原子炉の炉心が提供される。以上のように構
成した本発明においては、ＭＯＸ燃料集合体のうち少な
くとも１つは、隣接配置された４つのウラン燃料集合体
に取り囲まれている。すなわちこれにより、このＭＯＸ
燃料集合体には、吸収断面積の差に基づき四方から熱中
性子が流れ込むことになり、４つのウラン燃料集合体に
対面する四辺位置に配列された最外周燃料棒の出力がす
べて同じように増大する。ここで例えばＭＯＸ燃料集合
体の隣接位置に、例えば２つのウラン燃料集合体と２つ
のＭＯＸ燃料集合体を配置した場合等においては、中心
にあるＭＯＸ燃料集合体のうちウラン燃料集合体に隣接
する側の最外周燃料棒出力が増大するとともに、ＭＯＸ
燃料集合体に隣接する側の最外周燃料棒出力が低下する
こととなって、中心にあるＭＯＸ燃料集合体内で大きな
局所出力分布を生じる。しかし本発明においては、ＭＯ
Ｘ燃料集合体の最外周燃料棒の出力がすべて同じように
増大する分、ＭＯＸ燃料集合体内の局所出力分布を平坦
化することができる。よって、炉心全体の線出力密度を
より平坦化することができる。

【００１３】好ましくは、前記原子炉の炉心において、
前記ウラン燃料集合体を合計４つ配置して構成されるコ
ントロールセルを複数箇所設け、かつ、これら複数のコ
ントロールセルに含まれるウラン燃料集合体の平均濃縮
度は、炉心に配置される全ウラン燃料集合体の炉心平均
濃縮度よりも低くなっていることを特徴とする原子炉の
炉心が提供される。一般に、原子炉の運転においては、
運転初期から、運転末期の大部分にかけてまで制御棒を
挿入して運転するのが通常であるが、運転末期には制御
棒が引き抜かれる場合もある。そしてこのとき燃料集合
体の出力が過剰に増大しないように、コントロールセル
内の燃料集合体には、比較的燃焼の進んだ燃料集合体が
配置されるか、濃縮度の低い燃料集合体があらかじめ配
置される。これをコントロールセルコア炉心という。こ
れに対し本発明では、コントロールセルに含まれるウラ
ン燃料集合体の平均濃縮度が炉心全体に含まれるウラン
燃料集合体の炉心平均濃縮度よりも低くなっていること
により、このようなコントロールセルコア炉心にも適用
することができる。

【００１４】また上記目的を達成するために、本発明に
よれば、プルトニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒を含む
複数本の燃料棒が配列された少なくとも１つのＭＯＸ燃
料集合体と、ウランが充填された複数本のウラン燃料棒
が配列された少なくとも１つのウラン燃料集合体とが装
荷され、かつ、４つの前記ウラン燃料集合体で構成され
る複数のコントロールセルのそれぞれの中心領域に、複
数の制御棒がそれぞれ挿入されて出力が制御される原子
炉の炉心において、前記コントロールセルのうち少なく
とも１つは、隣接して配置される８つの燃料集合体が、
前記ＭＯＸ燃料集合体となっていることを特徴とする原
子炉の炉心が提供される。すなわち、少なくとも１つの
コントロールセルを構成する４つのウラン燃料集合体が
８つのＭＯＸ燃料集合体に取り囲まれることから、その
コントロールセル外部領域からコントロールセルに向か
って放出される熱中性子のうち比較的低エネルギーのも
のは、低エネルギー側で大きくなっている吸収断面積に
基づきＭＯＸ燃料集合体に捕捉される。よって、反応に
寄与しない比較的高エネルギーの熱中性子だけがコント
ロールセルに流入しコントロールセルでの熱中性子束が
低下するので、例えば運転サイクルの前半のある期間に
おいて複数の制御棒のうち少なくとも１つを炉心内に挿
入することなく、対応するコントロールセル領域の出力
を抑制することができる。これにより、コントロールセ
ルに隣接するＭＯＸ燃料集合体の出力も抑えられ、制御
棒を挿入した場合と似た出力抑制効果を奏することとな
る。ところで、一般に、初装荷炉心のコントロールセル
に対して制御棒の挿入が行われる場合、余剰反応度との
関連から、制御棒の本数及び挿入長さに制限があるのが
通常であり、これによって制御棒による出力抑制にも限
界が生じ、炉心全体の線出力密度を十分平坦化できない
場合がある。しかしながら、本発明においては、上述し
たように、一部のコントロールセルに対応する制御棒を
挿入することなく、挿入したのと同様のコントロールセ
ル領域の出力抑制効果を得ている。したがって、その挿
入していない分、他の制御棒の挿入本数及び挿入長さを
増やすことができるので、炉心径方向出力ピーキングを
より抑制することができる。よって、炉心軸方向出力ピ
ーキング、炉心径方向出力ピーキング、及び燃料集合体
内の局所出力分布により決定される炉心全体の線出力密
度を平坦化することができる。

【００１５】好ましくは、前記原子炉の炉心において、
前記複数の制御棒のうち、前記少なくとも１つのコント
ロールセルに対応する制御棒は、少なくとも運転初期の
所定期間において、該コントロールセルの中心領域に挿
入されていないことを特徴とする原子炉の炉心が提供さ
れる。

【００１６】また好ましくは、前記原子炉の炉心におい
て、各コントロールセルに含まれるウラン燃料集合体の
平均濃縮度は、炉心に配置される全ウラン燃料集合体の
炉心平均濃縮度よりも低くなっていることを特徴とする
原子炉の炉心が提供される。これにより、コントロール
セルコア炉心にも適用することができる。

【００１７】また上記目的を達成するために、本発明に
よれば、プルトニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒を含む
複数本の燃料棒が配列された少なくとも１つの第１ＭＯ
Ｘ燃料集合体と、ウランが充填された複数本のウラン燃
料棒が配列された少なくとも１つのウラン燃料集合体と
が装荷された原子炉の炉心に対し、所定の運転サイクル
が経過するごとに、前記第１ＭＯＸ燃料集合体及び前記
ウラン燃料集合体のうち少なくとも１つを取り外し、該
取り外された燃料集合体の個数と同数の、プルトニウム
が充填されたＭＯＸ燃料棒を含む複数本の燃料棒が配列
された第２ＭＯＸ燃料集合体を新たに装荷することによ
り、燃料集合体の取り替えを行う原子炉の燃料取り替え
方法において、前記新たに装荷する第２ＭＯＸ燃料集合
体のうち少なくとも１つを、隣接する位置の４つの燃料
集合体が前記第１ＭＯＸ燃料集合体及び前記第２のＭＯ
Ｘ燃料集合体のいずれか一方となるように、配置するこ
とを特徴とする原子炉の燃料取り替え方法が提供され
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。本発明の第１の実施形態を図１及
び図２により説明する。図１は、本実施形態による炉心
が、運転開始後の第１サイクルが終了して燃料集合体の
取り替えが行われ、第２サイクルが開始されるときの状
態を表す１／４横断面図である。この図１に示される状
態では、本実施形態の炉心は、８７２体の燃料集合体か
ら構成されており、すなわち、ウラン燃料棒が配列され
た２９６体のウラン燃料集合体２、プルトニウム燃料棒
及びウラン燃料棒が配列された２８８体のＭＯＸ燃料集
合体４ａ〜ｄ、プルトニウム燃料棒及びウラン燃料棒が
配列された２８８体のＭＯＸ燃料集合体３から構成され
ている。このとき各燃料集合体２〜４は、図２に示され
るように、ウラン燃料集合体２の平均ウラン濃縮度の値
は３．１ｗｔ％と中程度であり、ＭＯＸ燃料集合体３の
平均富化度の値は２．９ｗｔ％と高い一方平均ウラン濃
縮度が１．２ｗｔ％と低くなっており、ＭＯＸ燃料集合
体４ａ〜ｄの平均富化度及び平均ウラン濃縮度の値も同
様にそれぞれ２．９ｗｔ％及び１．２ｗｔ％となってい
る。

【００１９】図１に戻り、本実施形態の炉心には、４つ
のウラン燃料集合体２、若しくは３つのウラン燃料集合
体２と１つのＭＯＸ燃料集合体３、若しくは２つのウラ
ン燃料集合体２と２つのＭＯＸ燃料集合体３、若しくは
１つのウラン燃料集合体２と３つのＭＯＸ燃料集合体３
から構成されたコントロールセル８が、３７箇所設けら
れている。原子炉運転期間中の大部分において、これら
コントロールセル８のうち所定割合（一部又は全部）の
コントロールセル８に対し、制御棒（図示せず）が所定
深さ（有効長の一部又は全部）だけ挿入され、炉心の出
力抑制が行われる。

【００２０】また、ＭＯＸ燃料集合体４ａ〜ｄは、初装
荷時に配置され第１サイクル終了後に取り外された２８
８体のウラン燃料集合体（図示せず）の代わりに、第２
サイクル開始前に新たに装荷されたものであり、すなわ
ち図示する時点（第２サイクル開始時）においては燃焼
履歴がない。これらＭＯＸ燃料集合体４ａ〜ｄはそれぞ
れ、同一の燃料集合体であるが、炉心内における配列態
様が異なっている。すなわち、ＭＯＸ燃料集合体４ａ
は、炉心外周領域を除いてほぼまんべんなく分布され、
図１に示されるように、隣接する４つの燃料集合体がす
べてＭＯＸ燃料集合体３となっている。また、ＭＯＸ燃
料集合体４ｂは、概ね炉心最外周から３列目の領域に配
置されており、隣接する４つの燃料集合体は、ＭＯＸ燃
料集合体３又はＭＯＸ燃料集合体４となっている。さら
に、ＭＯＸ燃料集合体４ｃは概ね炉心最外周から２列目
に配置され、ＭＯＸ燃料集合体４ｄはコントロールセル
８に隣接して配置されており、ともに、隣接する４つの
燃料集合体は特に固定されず、ウラン燃料集合体２、Ｍ
ＯＸ燃料集合体３、又はＭＯＸ燃料集合体４となってい
る。

【００２１】また、ウラン燃料集合体２は、初装荷時に
配置され炉内に既に１サイクル滞在したものであり、図
示する時点（第２サイクル開始時）においては１サイク
ル分の燃焼履歴があることになる。そしてウラン燃料集
合体２は、図１に示されるように、コントロールセル８
内と炉心最外周領域とに主として配列されている。

【００２２】また、ＭＯＸ燃料集合体３は、ウラン燃料
集合体同様、初装荷時に配置され炉内に既に１サイクル
滞在したものであり、図示する時点（第２サイクル開始
時）においては１サイクル分の燃焼履歴がある。そして
ＭＯＸ燃料集合体３は、一部のコントロールセル８内及
び、以上記述しなかった他の領域に配列されている。ま
た、上記は第２サイクル開始時の状態を示したが、さら
にこの後、１サイクルが終了する毎に、燃焼が進行した
燃料集合体（ウラン燃料集合体でもＭＯＸ燃料集合体で
もよい）から順に取り外され、この取り外された燃料集
合体と同数のＭＯＸ燃料集合体４が、代わりに新たに装
荷されるようになっている。すなわち例えば、第２サイ
クル終了後には２９６体のウラン燃料集合体２の一部が
取り外され、同数のＭＯＸ燃料集合体４が新たに装荷さ
れるなお、上記において、ＭＯＸ燃料集合体３が第１Ｍ
ＯＸ燃料集合体を構成し、ＭＯＸ燃料集合体４ａ〜４ｄ
が第２ＭＯＸ燃料集合体を構成し、さらにＭＯＸ燃料集
合体４ａ，４ｂが、第１ＭＯＸ燃料集合体及び第２ＭＯ
Ｘ燃料集合体に隣接される、少なくとも１つの第２ＭＯ
Ｘ燃料集合体を構成する。

【００２３】以上のように構成した本実施形態の炉心に
おいては、第２サイクル開始時において、燃焼履歴のな
いＭＯＸ燃料集合体４ａ〜ｄのうち、ＭＯＸ燃料集合体
４ａ，ｂは、隣接配置された４つのＭＯＸ燃料集合体
３，４に取り囲まれ、ウラン燃料集合体２と隣接しな
い。これにより、燃焼履歴のないＭＯＸ燃料集合体４
ａ，ｂへ流れ込む熱中性子量を低減することができ、具
体的には例えばＭＯＸ燃料集合体をウラン燃料集合体に
隣接させる場合より流れ込み量を５〜１０％程度低減す
ることができる。したがって、この流れ込み量による運
転初期（燃焼初期）におけるＭＯＸ燃料集合体４ａ，ｂ
の最外周燃料棒出力の増大を低減でき、局所出力分布を
平坦化することができるので、炉心全体の線出力密度を
より平坦化することができ、良好な炉心特性を得ること
ができる。なお、新たに装荷する燃焼履歴のないＭＯＸ
燃料集合体４ａ〜ｄのうち、一部であるＭＯＸ燃料集合
体４ａ，ｂの隣接位置のみをＭＯＸ燃料集合体３，４と
し、残りのＭＯＸ燃料集合体４ｃ，ｄの隣接位置は必ず
しもＭＯＸ燃料集合体３，４としていないのは、以下の
理由による。

【００２４】（ａ）ＭＯＸ燃料集合体４ｃについて 前述したように、炉心の線出力密度の最大値は、炉心軸
方向出力ピーキング、炉心径方向出力ピーキング、及び
燃料集合体内の局所出力ピーキングの３つによって決定
される。ここで、ＭＯＸ燃料集合体４ｃが主として配置
される炉心最外周近傍は、周囲の燃料集合体数が少ない
ことから中性子束がもともと少なく、他の部分に比し炉
心径方向出力ピーキングが小さい。したがって、熱中性
子流れ込みによりＭＯＸ燃料集合体４ｃ内の局所出力分
布が少々大きくなっても、炉心全体の線出力密度の最大
値にはあまり影響を及ぼさない。よって、隣接位置の４
つの燃料集合体が必ずしもＭＯＸ燃料集合体３，４とな
らずウラン燃料集合体２となるような位置に、ＭＯＸ燃
料集合体４ｃを配置しているのである。

【００２５】（ｂ）ＭＯＸ燃料集合体４ｂについて このＭＯＸ燃料集合体４ｂが配置されるコントロールセ
ル８の周囲領域は、運転初期（燃焼初期）を含む燃焼期
間の大部分において制御棒が挿入されている。したがっ
てこの領域は出力が低く、炉心のこの部分の線出力密度
ももともと低くなっている。よって、この領域に配置し
たＭＯＸ燃料集合体４ｂへの熱中性子流れ込みによって
ＭＯＸ燃料集合体４ｂ内の局所出力分布が大きくなり、
炉心のこの部分の線出力密度最大値が大きくなったとし
ても、炉心全体の線出力密度の平坦化を悪化させること
はない。よって、隣接位置の４つの燃料集合体が必ずし
もＭＯＸ燃料集合体３とならずウラン燃料集合体２とな
るような位置に、ＭＯＸ燃料集合体４ｂを配置している
のである。

【００２６】本発明の第２の実施の形態を図３及び図２
により説明する。図３は、本実施形態による炉心の初装
荷状態を表す１／４横断面図である。この図３に示され
る状態では、本実施形態の炉心は、８７２体の燃料集合
体から構成されており、すなわち、ウラン燃料棒が配列
された２４０体のウラン燃料集合体５、ウラン燃料棒が
配列された３４４体のウラン燃料集合体６、プルトニウ
ム燃料棒及びウラン燃料棒が配列された２８８体のＭＯ
Ｘ燃料集合体７ａ〜ｃから構成されている。このとき各
燃料集合体５〜７は、図２に示されるように、ウラン燃
料集合体５の平均ウラン濃縮度の値は１．５ｗｔ％と低
く、ウラン燃料集合体６の平均ウラン濃縮度の値は２．
９ｗｔ％と中程度であり、ＭＯＸ燃料集合体７の平均富
化度の値は２．９ｗｔ％と高い一方平均ウラン濃縮度が
１．０ｗｔ％と低くなっている。

【００２７】図３に戻り、本実施形態の炉心には、４つ
のウラン燃料集合体５から構成されたコントロールセル
２８が、３７箇所設けられている。原子炉運転期間中の
大部分において、これらコントロールセル２８のうち所
定割合（一部又は全部）のコントロールセル２８に対
し、制御棒（図示せず）が所定深さ（有効長の一部又は
全部）だけ挿入され、炉心の出力抑制が行われる。なお
これらのコントロールセル２８内に配置されているウラ
ン燃料集合体５の平均濃縮度（＝１．５ｗｔ％）は、こ
の炉心全体に配置されているウラン燃料集合体５，６の
炉心平均濃縮度よりも小さくなっている。

【００２８】これら燃料集合体５〜７は初装荷時に装荷
されるものであるので、図示する時点（第１サイクル開
始時）においては燃焼履歴がない。そしてまず、ＭＯＸ
燃料集合体７ａ〜ｃはそれぞれ、同一の燃料集合体であ
るが、炉心内における配列態様が異なっている。すなわ
ち、ＭＯＸ燃料集合体７ａは、炉心内各領域にほぼまん
べんなく分布され、図３に示されるように、隣接する４
つの燃料集合体がすべてウラン燃料集合体６となってい
る。また、ＭＯＸ燃料集合体７ｂは、概ね炉心最外周か
ら３列目近傍に配置されており、隣接する４つの燃料集
合体は、ウラン燃料集合体６又はＭＯＸ燃料集合体７と
なっている。さらに、ＭＯＸ燃料集合体７ｃはコントロ
ールセル２８に隣接して配置されており、隣接する４つ
の燃料集合体は特に固定されず、ウラン燃料集合体５、
ウラン燃料集合体６、又はＭＯＸ燃料集合体７となって
いる。

【００２９】またウラン燃料集合体５は、図３に示され
るように、コントロールセル２８内と炉心最外周領域と
に配列されている。さらにウラン燃料集合体６は、図３
に示されるように、概ね炉心最外周から２列目の領域及
び、以上記述しなかった他の領域に配列されている。

【００３０】以上のように構成した本実施形態の炉心に
おいては、初装荷時において、ＭＯＸ燃料集合体７ａ
が、隣接配置された４つのウラン燃料集合体６に取り囲
まれている。すなわちこれにより、このＭＯＸ燃料集合
体７ａには、ウラン燃料集合体６との吸収断面積の差に
基づき四方から熱中性子が流れ込むことになり、４つの
ウラン燃料集合体６に対面する四辺位置に配列された最
外周燃料棒の出力がすべて同じように増大する。ここで
例えばＭＯＸ燃料集合体７ａの隣接位置に、例えば２つ
のウラン燃料集合体６と２つのＭＯＸ燃料集合体７を配
置した場合等を考えると、中心にあるＭＯＸ燃料集合体
７ａのうちウラン燃料集合体６に隣接する側の最外周燃
料棒出力が増大するとともに、ＭＯＸ燃料集合体７に隣
接する側の最外周燃料棒出力が低下することとなって、
中心にあるＭＯＸ燃料集合体７ａ内で大きな局所出力ピ
ーキングを生じることになる。しかし本実施形態におい
ては、ＭＯＸ燃料集合体７ａの最外周燃料棒の出力がす
べて同じように増大する分、ＭＯＸ燃料集合体７ａ内で
の熱中性子束のバランスがとれ、ＭＯＸ燃料集合体７ａ
内の一部分の出力が過度に上昇することなく局所出力分
布を平坦化することができる。よって、炉心全体の線出
力密度をより平坦化することができ、第１サイクルを通
じて良好な炉心特性を得ることができる。

【００３１】また一般に、原子炉の運転においては、運
転初期から、運転末期の大部分にかけてまで制御棒を挿
入して運転するのが通常であるが、運転末期には制御棒
が引き抜かれる場合もある。そしてこのとき燃料集合体
の出力が過剰に増大しないように、コントロールセル内
の燃料集合体には、比較的燃焼の進んだ燃料集合体が配
置されるか、濃縮度の低い燃料集合体があらかじめ配置
される。これをコントロールセルコア炉心概念という。
これに対し本実施形態では、コントロールセル２８に含
まれるウラン燃料集合体５の平均濃縮度が炉心全体に含
まれるウラン燃料集合体５，６の炉心平均濃縮度よりも
低くなっていることにより、このようなコントロールセ
ルコア炉心概念を適用することができるようになってい
る。

【００３２】なお、上記実施形態は、初装荷炉心の場合
を示したが、これに限られず、２以上の運転サイクルが
経過した後であっても、ある時点で、図３に示すような
構成となれば、同様の局所出力分布平坦化作用を得るこ
とができる。

【００３３】また、上記実施形態は、平均濃縮度の異な
るウラン燃料集合体５，６の２つを用いたが、これに限
られず、同一のウラン燃料集合体を用いても良い。よっ
て、本実施形態に装荷されるウラン燃料集合体は、少な
くとも１種類であれば足りる。

【００３４】本発明の第３の実施形態を図４、図５及び
図２により説明する。第１の実施形態と同等の部材には
同一の符号を付す。まず図４は、本実施形態による炉心
の初装荷状態を表す１／４横断面図である。この図４に
示される状態では、本実施形態の炉心は、８７２体の燃
料集合体から構成されており、すなわち、ウラン燃料棒
が配列された２８８体のウラン燃料集合体１、ウラン燃
料棒が配列された２９６体のウラン燃料集合体２、プル
トニウム燃料棒及びウラン燃料棒が配列された２８８体
のＭＯＸ燃料集合体３から構成されている。なおウラン
燃料集合体２及びＭＯＸ燃料集合体３は第１の実施形態
の炉心で用いられたものと同等である。このときウラン
燃料集合体１は、図２に示されるように、平均ウラン濃
縮度の値は１．５ｗｔ％と低い。また第１の実施形態で
も説明したように、ウラン燃料集合体２の平均ウラン濃
縮度の値は３．１ｗｔ％と中程度であり、ＭＯＸ燃料集
合体３の平均富化度は２．９ｗｔ％と高い一方平均ウラ
ン濃縮度が１．２ｗｔ％と低くなっている。

【００３５】図４に戻り、本実施形態の炉心には、４つ
のウラン燃料集合体１から構成されたコントロールセル
３８ａ，ｂが合計３７箇所設けられている。これらコン
トロールセル３８に対し、原子炉運転期間中の大部分に
おいて制御棒（図示せず）が挿入されて、炉心の出力抑
制が行われる。しかしながら、そしてそのうち一部であ
る１２箇所のコントロールセル３８ａ（ウラン燃料集合
体を特にで示す）においては、運転初期（燃焼初期）
のある所定期間において、制御棒が全く挿入されない
か、途中までしか挿入されないようになっている。これ
を図５により説明する。図５は、この所定期間における
本実施形態の炉心での制御棒挿入パターンを示してい
る。図５中の数字は、制御棒の有効長を軸方向で４８分
割したとき、引き抜かれた制御棒の長さを表している。
図５に示されるように、この期間においては、３７箇所
のコントロールセル３８ａ，ｂのうち１２箇所のコント
ロールセル３８ａでは、引き抜き長さが４８で制御棒は
全く挿入されておらず、また残り２５箇所のコントロー
ルセル３８ｂでは、引き抜き長さが１２又は１６で制御
棒は上部１／３又は１／４が挿入されてない状態であ
る。なお、この挿入パターンは一例であって他のパター
ンでも良く、要するに、少なくとも１つの制御棒が全挿
入されていない状態であれば足りる。またこれらのコン
トロールセル３８内に配置されているウラン燃料集合体
１の平均濃縮度（＝１．５ｗｔ％）は、この炉心全体に
配置されているウラン燃料集合体１，２の炉心平均濃縮
度よりも小さくなっている。

【００３６】これら燃料集合体１〜３は初装荷時に装荷
されるものであるので、図示する時点（第１サイクル開
始時）においては燃焼履歴がない。そしてまず、ＭＯＸ
燃料集合体３は、主としてコントロールセル３８ａ，ｂ
の周囲に配置されている。特に、上述したように所定期
間に制御棒が全く挿入されないコントロールセル３８ａ
の周囲は、隣接する８体のＭＯＸ燃料集合体３で取り囲
まれている。

【００３７】また、ウラン燃料集合体１は、図４に示さ
れるように、コントロールセル３８ａ，ｂ内と炉心最外
周領域とに主として配列されている。さらに、ウラン燃
料集合体２は、図４に示されるように、概ね炉心最外周
から２列目の領域及び、以上記述しなかった他の領域に
配列されている。

【００３８】以上のように構成した本実施形態において
は、少なくとも１つのコントロールセル３８ａを構成す
る４つのウラン燃料集合体１が８つのＭＯＸ燃料集合体
３に取り囲まれることから、そのコントロールセル３８
ａ外部領域からコントロールセル３８ａに向かって放出
される熱中性子のうち比較的低エネルギーのものは、低
エネルギー側で大きくなっている吸収断面積に基づき周
囲の８体のＭＯＸ燃料集合体３に捕捉される。よって、
反応に寄与しない比較的高エネルギーの熱中性子だけが
コントロールセル３８ａに流入しコントロールセル３８
ａでの熱中性子束が低下するので、運転サイクルの前半
のある所定期間にこのコントロールセル３８ａに対応す
る制御棒を炉心内に挿入しなくても、そのコントロール
セ３８ａル領域の出力を抑制することができる。これに
より、コントロールセル３８ａに隣接するＭＯＸ燃料集
合体３の出力も約５〜１０％抑えられるので、制御棒を
挿入した場合と似た出力抑制効果を奏することとなる。
ところで、一般に、初装荷炉心のコントロールセルに対
して制御棒の挿入が行われる場合、余剰反応度との関連
から、制御棒の本数及び挿入長さに制限があるのが通常
であり、これによって制御棒による出力抑制にも限界が
生じ、炉心全体の線出力密度を十分平坦化できない場合
がある。しかしながら、本実施形態の炉心においては、
上述したように、コントロールセル３８ａに対応する制
御棒を挿入することなく、挿入したのと同様のコントロ
ールセル３８ａ領域の出力抑制効果を得ている。したが
って、その挿入していない分、他のコントロールセル３
８ｂに対応する制御棒の挿入本数及び挿入長さを増やす
ことができるので、炉心径方向出力ピーキングをより抑
制することができる。よって、炉心軸方向出力ピーキン
グ、炉心径方向出力ピーキング、及び燃料集合体内の局
所出力ピーキングにより決定される炉心全体の線出力密
度を平坦化することができ、第１サイクルを通じて良好
な炉心特性を得ることができる。

【００３９】また本実施形態の炉心では、コントロール
セル３８ａ，ｂに含まれるウラン燃料集合体１の平均濃
縮度が炉心全体に含まれるウラン燃料集合体１，２の炉
心平均濃縮度よりも低くなっていることにより、第２の
実施形態と同様、コントロールセルコア炉心概念を適用
することができるようになっている。

【００４０】なお、上記実施形態は、初装荷炉心の場合
を示したが、これに限られず、２以上の運転サイクルが
経過した後であっても、ある時点で、図４に示すような
構成となれば、同様の径方向出力ピーキング低減作用を
得ることができる。

【００４１】また、上記実施形態は、平均濃縮度の異な
るウラン燃料集合体１，２の２つを用いたが、これに限
られず、同一のウラン燃料集合体を用いても良い。よっ
て、本実施形態に装荷されるウラン燃料集合体は、少な
くとも１種類であれば足りる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、吸収断面積の差に基づ
くウラン燃料集合体からＭＯＸ燃料集合体への熱中性子
流れ込み量を低減することができるので、この流れ込み
量によるＭＯＸ燃料集合体最外周燃料棒出力の増大を低
減できる。よって、局所出力分布を平坦化することがで
き、炉心全体の線出力密度をより平坦化することができ
る。

【００４３】また本発明によれば、ＭＯＸ燃料集合体の
最外周燃料棒の出力がすべて同じように増大するので、
ＭＯＸ燃料集合体内の局所出力分布を平坦化することが
できる。よって、炉心全体の線出力密度をより平坦化す
ることができる。

【００４４】さらに本発明によれば、例えば一部のコン
トロールセルに対応する制御棒を挿入することなく、挿
入したのと同様のコントロールセル領域の出力抑制効果
を得ることができる。したがって、その挿入していない
分、他の制御棒の挿入本数及び挿入長さを増やすことが
できるので、炉心径方向出力ピーキングをより抑制する
ことができる。よって、炉心軸方向出力ピーキング、炉
心径方向出力ピーキング、及び燃料集合体内の局所出力
分布により決定される炉心全体の線出力密度を平坦化す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による炉心が、運転開
始後の第１サイクルが終了して燃料集合体の取り替えが
行われ、第２サイクルが開始されるときの状態を表す１
／４横断面図である。

【図２】各ウラン燃料集合体の平均ウラン濃縮度、及び
各ＭＯＸ燃料集合体の平均富化度・平均ウラン濃縮度を
表す図である。

【図３】本発明の第２の実施形態による炉心の初装荷状
態を表す１／４横断面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態による炉心の初装荷状
態を表す１／４横断面図である。

【図５】運転初期（燃焼初期）のある所定期間における
制御棒挿入パターンを示した図である。

【図６】ウラン−２３５及びプルトニウム−２３９の吸
収断面積を比較して示した図である。

【符号の説明】

１ ウラン燃料集合体 ２ ウラン燃料集合体 ３ ＭＯＸ燃料集合体（第１ＭＯＸ燃料集合
体） ４ａ〜ｄ ＭＯＸ燃料集合体（第２ＭＯＸ燃料集合
体） ５ ウラン燃料集合体 ６ ウラン燃料集合体 ７ａ〜ｃ ＭＯＸ燃料集合体 ８ コントロールセル ２８ コントロールセル ３８ａ，ｂ コントロールセル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内川 貞夫 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プルトニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒
   を含む複数本の燃料棒が配列された少なくとも１つの第
   １ＭＯＸ燃料集合体と、ウランが充填された複数本のウ
   ラン燃料棒が配列された少なくとも１つのウラン燃料集
   合体とが装荷され、かつ、所定の運転サイクルが経過す
   るごとに、前記第１ＭＯＸ燃料集合体及び前記ウラン燃
   料集合体のうち少なくとも１つが取り外されるととも
   に、該取り外された燃料集合体の個数と同数の、プルト
   ニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒を含む複数本の燃料棒
   が配列された第２ＭＯＸ燃料集合体が新たに装荷される
   原子炉の炉心において、 前記新たに装荷される第２ＭＯＸ燃料集合体のうち少な
   くとも１つは、隣接して配置される４つの燃料集合体
   が、前記第１ＭＯＸ燃料集合体及び前記第２ＭＯＸ燃料
   集合体のいずれか一方となっていることを特徴とする原
   子炉の炉心。
2. 【請求項２】 請求項１記載の原子炉の炉心において、
   前記新たに装荷される第２ＭＯＸ燃料集合体のうち少な
   くとも１つは、隣接して配置される４つの燃料集合体
   が、前記第１ＭＯＸ燃料集合体となっていることを特徴
   とする原子炉の炉心。
3. 【請求項３】 プルトニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒
   を含む複数本の燃料棒が配列された少なくとも１つのＭ
   ＯＸ燃料集合体と、ウランが充填された複数本のウラン
   燃料棒が配列された少なくとも１つのウラン燃料集合体
   とが装荷される原子炉の炉心において、 前記ＭＯＸ燃料集合体のうち少なくとも１つは、隣接し
   て配置される４つの燃料集合体が、前記ウラン燃料集合
   体となっていることを特徴とする原子炉の炉心。
4. 【請求項４】 請求項３記載の原子炉の炉心において、
   前記ウラン燃料集合体を合計４つ配置して構成されるコ
   ントロールセルを複数箇所設け、かつ、これら複数のコ
   ントロールセルに含まれるウラン燃料集合体の平均濃縮
   度は、炉心に配置される全ウラン燃料集合体の炉心平均
   濃縮度よりも低くなっていることを特徴とする原子炉の
   炉心。
5. 【請求項５】 プルトニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒
   を含む複数本の燃料棒が配列された少なくとも１つのＭ
   ＯＸ燃料集合体と、ウランが充填された複数本のウラン
   燃料棒が配列された少なくとも１つのウラン燃料集合体
   とが装荷され、かつ、４つの前記ウラン燃料集合体で構
   成される複数のコントロールセルのそれぞれの中心領域
   に、複数の制御棒がそれぞれ挿入されて出力が制御され
   る原子炉の炉心において、 前記コントロールセルのうち少なくとも１つは、隣接し
   て配置される８つの燃料集合体が、前記ＭＯＸ燃料集合
   体となっていることを特徴とする原子炉の炉心。
6. 【請求項６】 請求項５記載の原子炉の炉心において、
   前記複数の制御棒のうち、前記少なくとも１つのコント
   ロールセルに対応する制御棒は、少なくとも運転初期の
   所定期間において、該コントロールセルの中心領域に挿
   入されていないことを特徴とする原子炉の炉心。
7. 【請求項７】 請求項５記載の原子炉の炉心において、
   各コントロールセルに含まれるウラン燃料集合体の平均
   濃縮度は、炉心に配置される全ウラン燃料集合体の炉心
   平均濃縮度よりも低くなっていることを特徴とする原子
   炉の炉心。
8. 【請求項８】 プルトニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒
   を含む複数本の燃料棒が配列された少なくとも１つの第
   １ＭＯＸ燃料集合体と、ウランが充填された複数本のウ
   ラン燃料棒が配列された少なくとも１つのウラン燃料集
   合体とが装荷された原子炉の炉心に対し、所定の運転サ
   イクルが経過するごとに、前記第１ＭＯＸ燃料集合体及
   び前記ウラン燃料集合体のうち少なくとも１つを取り外
   し、該取り外された燃料集合体の個数と同数の、プルト
   ニウムが充填されたＭＯＸ燃料棒を含む複数本の燃料棒
   が配列された第２ＭＯＸ燃料集合体を新たに装荷するこ
   とにより、燃料集合体の取り替えを行う原子炉の燃料取
   り替え方法において、 前記新たに装荷する第２ＭＯＸ燃料集合体のうち少なく
   とも１つを、隣接する位置の４つの燃料集合体が前記第
   １ＭＯＸ燃料集合体及び前記第２のＭＯＸ燃料集合体の
   いずれか一方となるように、配置することを特徴とする
   原子炉の燃料取り替え方法。