JPH10253789A

JPH10253789A - 燃料集合体及び炉心

Info

Publication number: JPH10253789A
Application number: JP9055114A
Authority: JP
Inventors: Takemi Narita; 健味成田; Katsumasa Haikawa; 勝正配川; Akihiro Yamanaka; 章広山中; Akiko Kanda; 亜紀子神田; Takaaki Mochida; 貴顕持田; Junichi Yamashita; 淳一山下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1998-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】高燃焼度化を図る場合にも、制御棒引き抜き後
に制御棒側領域における最大線出力密度を制限値以下に
抑える。【解決手段】燃料集合体１Ｌの内部を制御棒１１側領域
と反制御棒１１側領域とに２分する対角線ｍを引き、こ
の対角線ｍ上にある６本の燃料棒４及び２本の水ロッド
を含む第３の領域８と、この第３の領域８より制御棒１
１側にある第１の領域６と、反制御棒１１側にある第２
の領域７とに区分する。そして軸方向下部（１／２４〜
１０／２４）に位置する全ての横断面において、第２の
領域７にある３４本の全燃料棒４の平均濃縮度を第１の
領域６にある３４本の全燃料棒４の平均濃縮度よりも約
１４％大きくし、また軸方向上部（１１／２４〜２２／
２４）に位置する全ての横断面において、第２の領域７
の全燃料棒４の平均濃縮度を第１の領域６の全燃料棒４
の平均濃縮度よりも約７％大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉に
装荷される燃料集合体及びこれを備えた炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉の炉心は、原子
炉出力を制御するために運転時に挿入される制御棒に隣
接する位置に、比較的反応度の低い低濃縮度の燃料集合
体を４体ずつ配置する。これをコントロールセルと言
い、これにより、制御棒が引き抜かれた際に、炉心平均
軸方向出力分布に与える影響を小さくするようになって
いる。このコントロールセルにおいては、制御棒がある
所定期間炉心内に挿入され、燃焼の進行とともに引き抜
かれることになる。ここで、コントロールセルの各燃料
集合体は、制御棒が挿入されている間は、横断面出力分
布が制御棒側領域が小さく反制御棒側領域が大きくなっ
た状態のまま燃焼するので、制御棒側領域の燃料棒の燃
焼が遅れる（以下適宜、偏燃焼という）。そして、制御
棒を引き抜いた後には、逆に、燃え遅れていた制御棒側
領域の燃焼が活発となり、この領域の出力が大きくな
る。すなわち、制御棒側領域の燃料棒の線出力密度（＝
単位長さ当たりの熱出力）が増大し、特に、通常最大線
出力密度となる軸方向下部ではその制限値近くにまで増
大するので、熱的余裕が減少する。

【０００３】この出力分布の均一化を図るために、例え
ば特開平８−２３３９６７号公報では、軸方向に垂直な
横断面において、燃料集合体内部を制御棒側領域と反制
御棒側領域とに２分する対角線を境に、制御棒側領域の
平均濃縮度を反制御棒側領域の平均濃縮度よりも低くす
る構造が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年、燃料経済
性向上等の観点から、炉心の高燃焼度化が図られてい
る。そのためには炉心の平均濃縮度を高くする必要があ
るが、この場合余剰反応度が高くなるので、これを抑え
るために、制御棒は従来より長い期間炉心に挿入された
後引き抜かれることになる。上述したように、制御棒引
き抜き後には、制御棒が挿入されていた間の偏燃焼によ
り制御棒側領域の出力が大きくなる傾向があるが、これ
は制御棒の挿入期間が長いほど顕著となるので、高燃焼
度化を図る炉心においてはこの傾向が著しくなる。

【０００５】ここで、上記公知技術においては、高燃焼
度化に配慮した構成となっているものの、偏燃焼による
上記傾向の顕著化については特に配慮されていない。す
なわち、制御棒引き抜き後における制御棒側領域の出力
増大防止が不十分であるため、制御棒側領域における燃
料棒の最大線出力密度を制限値以下に抑えるのが困難で
ある。

【０００６】本発明の目的は、高燃焼度化を図る場合に
も、制御棒引き抜き後に制御棒側領域における最大線出
力密度を制限値以下に抑えることができる燃料集合体及
び炉心を提供することにある。

【０００７】

【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、内部に燃料物質が充填された複数
本の燃料棒と少なくとも１本の水ロッドとを正方格子状
に配列し、かつ、チャンネルファスナーを固定するガイ
ドポストを制御棒側に備えた燃料集合体において、前記
燃料棒の軸方向に垂直な所定の横断面上において、前記
燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに２
分する対角線上にある燃料棒及び水ロッドより制御棒側
に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度を、反制御
棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度よりも
６．３％以上小さくしたことを特徴とする燃料集合体が
提供される。複数の燃料集合体及び制御棒を備えた炉心
では、運転中に一部の制御棒を徐々に引き抜いてその制
御棒に隣接する燃料集合体の出力を調整することによ
り、炉心全体の出力を制御する。このとき、制御棒で出
力を調整される燃料集合体は、制御棒が挿入されている
間は、横断面出力分布が制御棒側領域が小さく反制御棒
側領域が大きくなった状態のまま燃焼するため、制御棒
側領域の燃料棒の燃焼が遅れる。これにより、制御棒を
引き抜いた後には、逆に、燃え残っていた制御棒側領域
の出力が大きくなり、特に燃料棒軸方向下部における最
大線出力密度が過大となる傾向がある。高燃焼度化を図
る場合には制御棒の挿入期間が長くなるのでこの傾向が
特に顕著となる。この制御棒引き抜き後の出力分布を均
一化し、最大線出力密度を適正な値に抑制するために
は、制御棒側領域と反制御棒側領域との境界をなす対角
線上の燃料棒及び水ロッドより制御棒側の平均濃縮度
を、反制御棒側の平均濃縮度よりも小さくすればよい。
これら濃縮度差と最大線出力密度は図５に示すように濃
縮度差が約１４％までの範囲では単調減少関係にあり、
この差を大きくするほど、制御棒引き抜き後の制御棒側
の出力増大を抑制し最大線出力密度を小さくすることが
できる。このとき、軸方向下部全体において濃縮度差を
６．３％に設定すれば、最大線出力密度はちょうど制限
値に等しい１３．４ｋＷ／ｆｔとなる。したがって、最
も線出力密度が高い位置に対し、少なくともその位置を
含む横断面上で濃縮度差を６．３％以上とることによ
り、他の位置の濃縮度差をそれを超えない適正値に設定
すれば引き抜き後の制御棒側の出力増大を十分抑制する
ことができ、その位置における最大線出力密度を制限値
の１３．４ｋＷ／ｆｔ以下とすることができる。

【０００８】好ましくは、前記燃料集合体において、前
記燃料棒の軸方向に垂直でかつ横断面平均の濃縮度が天
然ウランより高くなるような所定の横断面上において、
前記燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域と
に２分する対角線上にある燃料棒及び水ロッドより制御
棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度を、反
制御棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度よ
りも６．３％以上小さくしたことを特徴とする燃料集合
体が提供される。

【０００９】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒は軸方向長さが他よりも短い部
分長燃料棒を含んでおり、かつ、前記燃料棒の軸方向に
垂直でかつすべての前記部分長燃料棒が存在するような
所定の横断面上において、前記燃料集合体内部を制御棒
側領域と反制御棒側領域とに２分する対角線上にある燃
料棒及び水ロッドより制御棒側に配置された全ての前記
燃料棒の平均濃縮度を、反制御棒側に配置された全ての
前記燃料棒の平均濃縮度よりも６．３％以上小さくした
ことを特徴とする燃料集合体が提供される。

【００１０】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒は軸方向長さが他よりも短い部
分長燃料棒を含んでおり、かつ、前記燃料棒の軸方向に
垂直でかつすべての前記部分長燃料棒が存在する全ての
横断面上において、前記燃料集合体内部を制御棒側領域
と反制御棒側領域とに２分する対角線上にある燃料棒及
び水ロッドより制御棒側に配置された全ての前記燃料棒
の平均濃縮度を、反制御棒側に配置された全ての前記燃
料棒の平均濃縮度よりも６．３％以上小さくしたことを
特徴とする燃料集合体が提供される。

【００１１】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記燃料棒の軸方向に垂直でかつ横断面平均の濃縮
度が天然ウランより高くなる全ての横断面上において、
前記燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域と
に２分する対角線上にある燃料棒及び水ロッドより制御
棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度を、反
制御棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度よ
りも６．３％以上小さくしたことを特徴とする燃料集合
体が提供される。

【００１２】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒は、濃縮度が他の燃料棒よりも
高い複数本の高濃縮度燃料棒を含んでおり、かつこれら
複数本の高濃縮度燃料棒のうち１／２以上の本数は、前
記対角線上にある燃料棒及び水ロッドよりも反制御棒側
に配置されていることを特徴とする燃料集合体が提供さ
れる。

【００１３】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒は、濃縮度が他の燃料棒よりも
低い複数本の低濃縮度燃料棒を含んでおり、かつこれら
複数本の低濃縮度燃料棒のうち１／２以上の本数は、前
記対角線上にある燃料棒及び水ロッドよりも制御棒側に
配置されていることを特徴とする燃料集合体が提供され
る。

【００１４】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒及び少なくとも１本の水ロッド
は、９行９列の正方格子状に配列されていることを特徴
とする燃料集合体が提供される。

【００１５】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒の濃縮度は、すべて天然ウラン
の濃縮度以上であることを特徴とする燃料集合体が提供
される。

【００１６】また好ましくは、前記燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒のうち、前記正方格子状配列の
４隅に配置された４本の燃料棒は、互いに濃縮度が等し
くなっていることを特徴とする燃料集合体が提供され
る。

【００１７】また上記目的を達成するために、本発明に
よれば、複数の燃料集合体とこれら複数の燃料集合体間
に挿入可能な横断面略十字形の複数の制御棒とを備え、
該複数の燃料集合体は平均濃縮度が他よりも低い低濃縮
度燃料集合体を含んでいる炉心において、前記低濃縮度
燃料集合体は、上記燃料集合体を含んでいることを特徴
とする炉心が提供される。

【００１８】さらに上記目的を達成するために、本発明
によれば、平均濃縮度が他よりも低い低濃縮度燃料集合
体を含む複数の燃料集合体と、これら複数の燃料集合体
間に挿入可能な横断面略十字形の複数の制御棒とを備
え、４つの前記低濃縮度燃料集合体が１つの前記制御棒
を挟むように略正方形状に配置されたコントロールセル
を複数箇所に形成した炉心において、前記コントロール
セルに配置される各低濃縮度燃料集合体として、上記燃
料集合体を用いたことを特徴とする炉心が提供される。

【００１９】好ましくは、前記炉心において、所定の燃
焼期間が経過する毎に、前記複数の燃料集合体のうち少
なくとも１つを配置替えするか又は新規な燃料集合体と
取り替えるように構成されており、かつ、炉心の運転開
始後、最初に前記所定燃焼期間が経過したときには、前
記コントロールセルに配置された低濃縮度燃料集合体の
配置側又は取り替えを行わず、前記コントロールセルに
配置された低濃縮度燃料集合体以外の燃料集合体の配置
側又は取り替えを行うように構成されていることを特徴
とする炉心が提供される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を用いて説明する。本実施形態は、初装荷炉心に適用さ
れる燃料集合体の実施形態である。図２は、この炉心の
１／４横断面における燃料集合体の配置を概略的に示す
図である。この図２に示すように、炉心は、８７２体の
燃料集合体１と、炉心の出力を制御するためにこれらの
間に挿入可能な制御棒（図示せず、後述する図３参照）
とによって構成されている。本実施形態による燃料集合
体は、それら燃料集合体１のうちの一部を占める、平均
濃縮度が最も低い低濃縮度燃料集合体１Ｌであり、運転
中に制御棒が引き抜かれるコントロールセル５（後述）
と炉心最外周位置とに２０８体が配置されている。ま
た、この低濃縮度燃料集合体１Ｌより平均濃縮度が高い
高濃縮度燃料集合体１Ｈは、高濃縮度燃料集合体１Ｌが
配置される領域以外の領域に６６４体が配置されてい
る。

【００２１】コントロールセル５は、炉心中の２９箇所
に形成されている。このコントロールセル５の横断面概
略構造を図３に示す。図示のように、コントロールセル
５は、４つの低濃縮度燃料集合体１Ｌが、横断面略十字
形の１つの制御棒１１を挟むように略正方形状に配置さ
れることにより形成されている。ここで、この炉心の運
転開始時には制御棒１１がコントロールセル５の下方か
ら所定の軸方向位置まで挿入され、燃焼の進行とともに
徐々に下方へ引き抜かれていくが、この炉心に備えられ
た各燃料集合体１Ｌ，１Ｈは高燃焼度化に対応したもの
となっており、そのため制御棒１１は、通常の炉心より
も長い期間が経過したとき（例えば燃焼度２０ＧＷｄ／
ｔとなったとき）に最終的にコントロールセル５の下方
へ完全に引き抜かれるようになっている。

【００２２】コントロールセル５に配置される低濃縮度
燃料集合体１Ｌの詳細横断面構造及び各燃料棒の濃縮度
分布を図１に、縦断面構造を図４に示す。図１及び図４
において、本実施形態による燃料集合体１Ｌは、内部に
燃料物質が充填された７４本の燃料棒４と、２本の太径
水ロッド１０とを、９行９列の正方格子状に配列して燃
料バンドルとし、その周囲をチャンネルボックス９で囲
むことにより構成されている。燃料バンドルの上部及び
下部はそれぞれ上部タイプレート１２及び下部タイプレ
ート１３により支持されており、また燃料バンドルの軸
方向複数箇所には、位置決め用のスペーサ１４が設けら
れている。また、上部タイプレート１２の制御棒側及び
反制御棒側のコーナー部にはガイドポスト１２ａ，１２
ｂがそれぞれ一体に形成されており、そのうち、制御棒
１１側のガイドポスト１２ａには、チャンネルファスナ
ー１５が固定されている。このチャンネルファスナー１
５は、コントロールセル５を構成する４つの燃料集合体
１Ｌを相互に連結する機能を果たすものであり、各燃料
集合体１Ｌの制御棒側のガイドポスト１２ａに固定され
ている。なお、反制御棒側のガイドポスト１２ｂは、制
御棒側のガイドポスト１２ａとの重量バランスをとるた
めのダミーとなっている。

【００２３】また、７４本の燃料棒４は、互いに濃縮度
分布が異なる５種類の燃料棒から構成されており、燃料
棒記号１，２，３，４，Ｐにより区別される。それらの
うち、燃料棒４（燃料棒記号１）は、図示のように１６
本が配置されている。また、それぞれの濃縮度分布は、
軸方向有効長下端近傍部分（有効長を１とし下端基準で
表すと０／２４〜１／２４の軸方向位置、以下同様）と
上端近傍部分（軸方向位置２２／２４〜２４／２４）の
ウラン濃縮度（Ｕ−２３５の占める重量割合）が、天然
ウラン中のウラン濃縮度と同じ０．７１１重量％であ
り、中間部分（軸方向位置１／２４〜２２／２４）のウ
ラン濃縮度がＡ重量％（後述）となっている。また燃料
棒４（燃料棒記号２）は、図示のように３０本が配置さ
れている。それぞれの濃縮度分布は、燃料棒４（燃料棒
記号１）と同様、軸方向有効長下端近傍部分（軸方向位
置０／２４〜１／２４）と上端近傍部分（軸方向位置２
２／２４〜２４／２４）のウラン濃縮度が０．７１１重
量％であり、また、中間部分（軸方向位置１／２４〜２
２／２４）のうち、上部（軸方向位置１０／２４〜２２
／２４）のウラン濃縮度がＡ重量％、下部（軸方向位置
１／２４〜１０／２４）のウラン濃縮度がＢ重量％（後
述）となっている。さらに燃料棒４（燃料棒記号３）
は、図示のように６本が配置されている。それぞれの濃
縮度分布は、燃料棒４（燃料棒記号１，２）と同様、軸
方向有効長下端近傍部分（軸方向位置０／２４〜１／２
４）と上端近傍部分（軸方向位置２２／２４〜２４／２
４）のウラン濃縮度が０．７１１重量％であり、また、
中間部分（軸方向位置１／２４〜２２／２４）のウラン
濃縮度がＣ重量％（後述）となっている。また燃料棒４
（燃料棒記号４）は、図示のように１４本が配置されて
いる。それぞれの濃縮度分布は、軸方向有効長の全長
（軸方向位置０／２４〜２４／２４）にわたり、ウラン
濃縮度が天然ウランと同じ０．７１１重量％となってい
る。さらに燃料棒４（燃料棒記号Ｐ）は、これまで説明
した燃料棒４（燃料棒記号１〜４）と異なり、それらよ
りも軸方向有効長が短い部分長燃料棒であり、図示のよ
うに８本が配置されている。それぞれの濃縮度分布は、
軸方向有効長の全長（但し、部分長であることから軸方
向位置１／２４〜１５／２４）にわたり、ウラン濃縮度
がＤ重量％（後述）となっている。なお、上記濃縮度分
布において、Ａ〜Ｄは、Ａ≧Ｂ≧Ｃ≧Ｄ≧０．７１１の
関係にある。この結果、５種類に分類される燃料棒４の
濃縮度を、濃縮度が高い順に燃料棒記号で表すと、１≧
２≧３≧Ｐ≧４となる。またこのとき、すべての燃料棒
４の濃縮度は、天然ウランの０．７１１重量％以上とな
っている。

【００２４】ここで、本実施形態による燃料集合体１Ｌ
の最も大きな特徴は、上記のような燃料棒４を適宜配置
することにより、軸方向に垂直な横断面において制御棒
１１側と反制御棒１１側とで大きな濃縮度差をつけたこ
とにある。すなわち、図１において、燃料集合体１Ｌの
内部を制御棒１１側領域と反制御棒１１側領域とに２分
する対角線ｍを引き、この対角線ｍ上にある６本の燃料
棒４及び２本の水ロッドを含む第３の領域８と、この第
３の領域８より制御棒１１側にある第１の領域６と、反
制御棒１１側にある第２の領域７とに区分する。そし
て、図示のように、最高濃縮度である１６本の燃料棒４
（燃料棒記号１）のうち１／２以上の１４本を第２の領
域７に配置し、残り２本を第３の領域８に配置する。ま
た、３０本の燃料棒４（燃料棒記号２）のうち２０本を
第１の領域６に配置し、残りの１０本を第２の領域７に
配置する。さらに、８本の燃料棒４（燃料棒記号Ｐ）の
うち、第１の領域６に３本、第２の領域７に３本、第３
の領域８に２本、それぞれ格子状配列の再外層から２層
目に配置する。また、最低濃縮度である１４本の燃料棒
４（燃料棒記号４）のうち第１の領域６に１／２以上の
７本、第２の領域７に５本、第３の領域８に２本、それ
ぞれ格子状配列の再外層でかつ４隅及びその近傍位置に
配置する。なおこれにより格子状配列の４隅はすべて燃
料棒記号４の燃料棒となり、同一濃縮度となっている。
さらに、６本の燃料棒４（燃料棒記号３）のうち第１の
領域６に４本を配置し、残りの２本を第２の領域７に配
置する。そして、このような配置とすることにより、両
端を除き、軸方向下部（軸方向位置１／２４〜１０／２
４）に位置する全ての横断面においては、第２の領域７
にある３４本の全燃料棒４の平均濃縮度が第１の領域６
にある３４本の全燃料棒４の平均濃縮度よりも約１４％
大きくなり、また軸方向上部（軸方向位置１１／２４〜
２２／２４）に位置する全ての横断面においては、第２
の領域７の全燃料棒４の平均濃縮度が第１の領域６の全
燃料棒４の平均濃縮度よりも約７％大きくなっている。

【００２５】なお、以上の構成において、第３の領域８
にある６本の燃料棒４及び２本の水ロッド１０が、燃料
集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分す
る対角線上にある燃料棒及び水ロッドを構成し、第１の
領域６にある３４本の燃料棒４が、対角線より制御棒側
に配置された全ての燃料棒を構成し、第２の領域７にあ
る３４本の燃料棒４が、対角線より反制御棒側に配置さ
れた全ての燃料棒を構成する。

【００２６】次に、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態は、反制御棒側の平均濃縮度と制御棒側の平
均濃縮度との差を大きくとることにより、制御棒引き抜
き後における制御棒側の最大線出力密度を抑制するもの
である。

【００２７】本願発明者等は、燃料集合体において、反
制御棒側における平均濃縮度と制御棒側における平均濃
縮度との間の濃縮度差と、制御棒引き抜き後における制
御棒側の最大線出力密度との関係を解析し、図５に示す
結果を得た。

【００２８】図５は、燃料集合体１Ｌと同様の燃料棒配
置を備えた燃料集合体において、軸方向位置１／２４〜
１０／２４のすべての横断面で第２の領域７の平均濃縮
度と第１の領域６の平均濃縮度との間に所定の濃縮度差
［％］を設けた場合に、燃焼度２０ＧＷｄ／ｔで制御棒
を完全に引き抜いたときの第１の領域６の最大線出力密
度［ＧＷｄ／ｔ］の値を示した図である。横軸には濃縮
度差、縦軸に最大線出力密度をとり、濃縮度差約３％〜
約１４％まで解析した。なお、解析対象として軸方向位
置１／２４〜１０／２４を選定した理由は、より長く制
御棒１１が挿入されている軸方向下部のほうが偏燃焼に
よる最大線出力密度の過大が顕著に生じやすいのでその
下部の一例として適当であることと、部分長燃料棒４
（燃料棒記号Ｐ）が存在する位置であることとによる。
この図５に示すように、濃縮度差と最大線出力密度は濃
縮度差が約１４％までの範囲では単調減少関係にあり、
濃縮度差が３．０％のときは最大線出力密度は約１３．
６４ｋＷ／ｆｔであるが、濃縮度差が５．０％になると
最大線出力密度は約１３．５ｋＷ／ｆｔに減少し、さら
に濃縮度差を増加させて６．３％とすると最大線出力密
度はちょうど制限値に等しい１３．４ｋＷ／ｆｔとな
る。そして、さらに濃縮度差を増加させると最大線出力
密度は制限値を下回るようになり、濃縮度差１０％で最
大線出力密度は約１３．１４ｋＷ／ｆｔ、濃縮度差１
２．５％で最大線出力密度は約１２．９ｋＷ／ｆｔとな
る。したがって、図５によれば、高燃焼度化を図る燃料
集合体においては、制御棒引き抜き後における制御棒側
の最大線出力密度を制限値以下にするには、軸方向位置
１／２４〜１０／２４のすべての横断面における反制御
棒側と制御棒側との濃縮度差を、６．３％以上にするこ
とが有効であることが分かった。

【００２９】本実施形態の燃料集合体１Ｌにおいては、
軸方向位置１／２４〜１０／２４の全ての横断面におい
て、第２の領域７の平均濃縮度は第１の領域６よりも約
１４％大きくなっており、上記の条件を満たしている。
これにより、制御棒１１引き抜き後における最大線出力
密度を、制限値である１３．４ｋＷ／ｆｔ以下にするこ
とができる。

【００３０】以上の作用効果を、比較例を用いた局所ピ
ーキング係数の対比により、さらに具体的に説明する。
図６は、比較例による燃料集合体１０１Ｌの詳細横断面
構造を示す図である。図１に示す実施形態の燃料集合体
１Ｌと同等の部材には同一の符号及び燃料棒記号を付
す。図６に示されるように、本比較例による燃料集合体
１０１Ｌは、実施形態の燃料集合体１Ｌと同一の燃料棒
４を用いつつ、その配置が異なるものである。すなわ
ち、燃料棒４（燃料棒記号１）は、２本増えて１８本と
なり、第１の領域６と第２の領域７とに８本ずつ配置
し、残り２本を第３の領域８に配置している。また燃料
棒４（燃料棒記号２）は２本減って２８本となり、第１
の領域６と第２の領域７とにそれぞれ１４本ずつ配置し
ている。なお１４本の燃料棒４（燃料棒記号４）と８本
の燃料棒（燃料棒記号Ｐ）の配置は図１と同じである。
そして６本の燃料棒４（燃料棒記号３）をその他の領域
に配置している。そして、このような燃料棒配置とする
ことにより、軸方向両端を除く部分（１／２４〜２２／
２４）に位置する全ての横断面においては、第２の領域
７にある３４本の全燃料棒４の平均濃縮度が第１の領域
６にある３４本の全燃料棒４の平均濃縮度よりも約３％
大きくなっている。その他の点は、図１に示す実施形態
と同様である。

【００３１】ここで、上記比較例による燃料集合体、及
び図１に示した実施形態による燃料集合体について、そ
れぞれ燃焼度２０Ｇｗｄ／ｔまで制御棒１１を挿入した
まま運転した後、制御棒１１を引き抜いたときの軸方向
に垂直な横断面での局所ピーキング係数を解析により求
めたものを表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】この表１は、各燃料集合体の下部領域（軸
方向位置１／２４〜１０／２４）内の任意の横断面にお
ける解析結果を示しており、またこれらの係数は、図１
及び図６から明らかなように、制御棒１１引き抜き後に
最も出力が増大する制御棒１１側隅部の燃料棒４（燃料
棒記号４）における値である。なお、ここで軸方向位置
１／２４〜１０／２４を選定した理由は、図５の場合と
同様である。表１に示すように、比較例においては局所
ピーキング係数が１．７であるのに対し、実施形態にお
いては１．６となっており、比較例より局所ピーキング
係数が約６％低下していることが分かる。これは、比較
例の燃料集合体１０１Ｌにおいては、制御棒１１の挿入
状態で燃焼が遅れる第１の領域６の、第２の領域７との
燃焼度差が十分でないために、制御棒１１を引き抜いた
ときに燃え遅れた第１の領域６の燃焼が第２の領域７に
比べて活発になるからである。これによって第１の領域
６に存在する各燃料棒４の出力が全体的に高くなり、制
御棒１１側隅部の燃料棒４（燃料棒記号４）における局
所ピーキング係数が高くなり、最大線出力密度が増大す
る。これに対して、図１に示す実施形態の燃料集合体１
Ｌでは、前述したように、第１の領域６と第２の領域７
との平均濃縮度差が十分大きいため、制御棒１１を引き
抜いたときでも第１の領域６はあまり活発に燃焼しな
い。したがって第１の領域６に存在する各燃料棒４（燃
料棒記号４）の出力も全体的にあまり高くならず、制御
棒１１側隅部の燃料棒４（燃料棒記号４）における局所
ピーキング係数があまり高くならず、最大線出力密度も
あまり増大しない。

【００３４】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、軸方向位置１／２４〜１０／２４の全ての横断面に
おいて、第２の領域７の平均濃縮度を第１の領域６より
も６．３％以上大きくするので、制御棒１１引き抜き後
における制御棒１１側の第１の領域６の局所ピーキング
係数を低減することができ、最大線出力密度を抑制して
制限値である１３．４ｋＷ／ｆｔ以下にすることができ
る。そしてこれにより、最大線出力密度を抑えつつ従来
より長期間の連続運転が可能となる。

【００３５】なお、上記実施形態においては、軸方向位
置１／２４〜１０／２４のすべての横断面において６．
３％以上の濃縮度差を設定したが、これに限られない。
すなわち、前述したように、偏燃焼による最大線出力密
度の過大が顕著に生じるのは軸方向下部であり、上部に
なるほど偏燃焼は生じにくい。したがって、６．３％以
上の濃縮度差を設定する軸方向位置範囲をさらに上方へ
拡大し、例えばすべての部分長燃料棒４（燃料棒記号
Ｐ）が存在する範囲に相当する１／２４〜１５／２４の
全ての横断面上で６．３％以上の濃縮度差を設定しても
同様の効果を得られるのは明らかである。またさらに上
方へ拡大し、軸方向両端部を除く１／２４〜２２／２４
の全ての横断面上で６．３％以上の濃縮度差を設定した
場合についても同様である。

【００３６】また、必ずしも上記実施形態のように軸方
向位置１／２４〜１０／２４のすべての横断面において
６．３％以上の濃縮度差を設定しなくても、実際は、線
出力密度が最大となるどこか１つの軸方向位置（１／２
４〜１０／２４のうちのどこか）の横断面において６．
３％以上の濃縮度差とすることにより、他の横断面では
その値を超えない適正な濃縮度差（例えば６％）とすれ
ば、上記実施形態と同様の出力抑制効果を得ることがで
きると考えられる。さらにこれを拡大して考察すると、
一般的な燃料集合体の構造では、軸方向下部（上記実施
形態の例では軸方向位置１／２４〜１０／２４）のどこ
かで線出力密度が最大となるが、燃料集合体の構造によ
っては、それ以外の位置で線出力密度が最大となる場合
があり、このような場合に対しても上記実施形態の概念
を応用できる。例えば、すべての部分長燃料棒４（燃料
棒記号Ｐ）が存在する範囲に相当する軸方向位置１／２
４〜１５／２４のどこかで線出力密度が最大となる燃料
集合体では、この１／２４〜１５／２４のどこかの横断
面において６．３％以上の濃縮度差とすれば足り、さら
に広く軸方向両端部以外の軸方向位置１／２４〜２２／
２４のどこかで線出力密度が最大となる燃料集合体で
は、この１／２４〜２２／２４のどこかの横断面におい
て６．３％以上の濃縮度差とすれば足り、さらにもっと
広く軸方向両端部も含んで軸方向位全長０／２４〜２４
／２４のどこかで線出力密度が最大となる燃料集合体で
は、この０／２４〜２４／２４のどこかの横断面におい
て６．３％以上の濃縮度差とすれば足りる。そしていず
れの場合も、その他の横断面ではその値を超えない適正
な濃縮度差とすればよい。これらの場合も、上記実施形
態と同様の効果を得ることができる。

【００３７】また、上記実施形態では、燃料棒４及び水
ロッド１０を９行９列に配列した場合を例にとって説明
してきたが、これに限られない。すなわち、この格子数
を１０行１０列、１１行１１列、…と増加させていった
場合には、図５に示す直線が格子数を増加させるほど下
方へずれることを本願発明者等は確認した。このこと
は、格子数を増加させるほど、制御棒側の最大線出力密
度＝１３．４ｋＷ／ｆｔとなる反制御棒側と制御棒側と
の濃縮度差が６．３％より小さくなることを意味する。
したがって、このような場合であっても、少なくとも濃
縮度差を６．３％以上とることにより、最大線出力密度
を１３．４ｋＷ／ｆｔ以下とすることができ、上記実施
形態と同様の効果を得ることができる。

【００３８】また一般に、炉心においては、所定の燃焼
期間（＝サイクル）が経過する毎に、炉心に備えられた
多数の燃料集合体のうち一部を、同数の新規な燃料集合
体と取り替えるか若しくは炉心内での移動（配置替え）
を行う。しかしながら、上記実施形態による燃料集合体
１Ｌを備えた炉心においては、上記したように燃料集合
体１Ｌが最大線出力密度を抑えつつ従来より長期間の連
続運転が可能となるので、第１サイクル終了時にコント
ロールセル５の燃料集合体１Ｌの取り替えや移動は行わ
ずそのまま第２サイクルにも引き続き使用し（つまり第
１サイクル終了時にはこれ以外の燃料集合体についての
み取り替えや移動を行う）、第２サイクルが終了した時
に燃料集合体１Ｌの取り替えや移動を行うようにするこ
ともできる。

【００３９】さらに、上記実施形態においては、低濃縮
度燃料集合体１Ｌをコントロールセル５に配置した場合
を例にとりその作用効果を説明した。しかしながら、燃
料集合体の製造種類を低減する観点から、図２で説明し
たように、コントロールセル５に用いる低濃縮度燃料集
合体とコントロールセル５以外に配置される低濃縮度燃
料集合体とを共通構造とする場合もある。したがって、
コントロールセル５の低濃縮度燃料集合体１Ｌを、炉心
のコントロールセル５以外の部分にも配置してもよい。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、引き抜き後の制御棒側
の出力増大を十分抑制することができ、最大線出力密度
を制限値の１３．４ｋＷ／ｆｔ以下とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による低濃縮度燃料集合体
の詳細横断面構造を示す断面図及び各燃料棒の濃縮度分
布を示す図である。

【図２】炉心の１／４横断面における燃料集合体の配置
を概略的に示す断面図である。

【図３】コントロールセルの横断面概略構造を示す断面
図である。

【図４】図１に示した低濃縮度燃料集合体の詳細縦断面
構造を示す断面図である。

【図５】第２の領域と第１の領域との間に所定の濃縮度
差を設けた場合の、第１の領域の最大線出力密度の値を
示した図である。

【図６】比較例による燃料集合体の詳細横断面構造を示
す断面図である。

【符号の説明】

１燃料集合体１Ｌ低濃縮度燃料集合体４燃料棒５コントロールセル６第１の領域７第２の領域（反制御棒側）８第３の領域１０水ロッド１１制御棒１５チャンネルファスナー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ２１Ｃ 3/32 ＧＤＢＥ (72)発明者神田亜紀子茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者持田貴顕茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者山下淳一茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に燃料物質が充填された複数本の燃料
棒と少なくとも１本の水ロッドとを正方格子状に配列
し、かつ、チャンネルファスナーを固定するガイドポス
トを制御棒側に備えた燃料集合体において、前記燃料棒の軸方向に垂直な所定の横断面上において、
前記燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域と
に２分する対角線上にある燃料棒及び水ロッドより制御
棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度を、反
制御棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度よ
りも６．３％以上小さくしたことを特徴とする燃料集合
体。
【請求項２】請求項１記載の燃料集合体において、前記
燃料棒の軸方向に垂直でかつ横断面平均の濃縮度が天然
ウランより高くなるような所定の横断面上において、前
記燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに
２分する対角線上にある燃料棒及び水ロッドより制御棒
側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度を、反制
御棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度より
も６．３％以上小さくしたことを特徴とする燃料集合
体。
【請求項３】請求項１記載の燃料集合体において、前記
複数本の燃料棒は軸方向長さが他よりも短い部分長燃料
棒を含んでおり、かつ、前記燃料棒の軸方向に垂直でか
つすべての前記部分長燃料棒が存在するような所定の横
断面上において、前記燃料集合体内部を制御棒側領域と
反制御棒側領域とに２分する対角線上にある燃料棒及び
水ロッドより制御棒側に配置された全ての前記燃料棒の
平均濃縮度を、反制御棒側に配置された全ての前記燃料
棒の平均濃縮度よりも６．３％以上小さくしたことを特
徴とする燃料集合体。
【請求項４】請求項１記載の燃料集合体において、前記
複数本の燃料棒は軸方向長さが他よりも短い部分長燃料
棒を含んでおり、かつ、前記燃料棒の軸方向に垂直でか
つすべての前記部分長燃料棒が存在する全ての横断面上
において、前記燃料集合体内部を制御棒側領域と反制御
棒側領域とに２分する対角線上にある燃料棒及び水ロッ
ドより制御棒側に配置された全ての前記燃料棒の平均濃
縮度を、反制御棒側に配置された全ての前記燃料棒の平
均濃縮度よりも６．３％以上小さくしたことを特徴とす
る燃料集合体。
【請求項５】請求項１記載の燃料集合体において、前記
燃料棒の軸方向に垂直でかつ横断面平均の濃縮度が天然
ウランより高くなる全ての横断面上において、前記燃料
集合体内部を制御棒側領域と反制御棒側領域とに２分す
る対角線上にある燃料棒及び水ロッドより制御棒側に配
置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度を、反制御棒側
に配置された全ての前記燃料棒の平均濃縮度よりも６．
３％以上小さくしたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】請求項１記載の燃料集合体において、前記
複数本の燃料棒は、濃縮度が他の燃料棒よりも高い複数
本の高濃縮度燃料棒を含んでおり、かつこれら複数本の
高濃縮度燃料棒のうち１／２以上の本数は、前記対角線
上にある燃料棒及び水ロッドよりも反制御棒側に配置さ
れていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項７】請求項１記載の燃料集合体において、前記
複数本の燃料棒は、濃縮度が他の燃料棒よりも低い複数
本の低濃縮度燃料棒を含んでおり、かつこれら複数本の
低濃縮度燃料棒のうち１／２以上の本数は、前記対角線
上にある燃料棒及び水ロッドよりも制御棒側に配置され
ていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項８】請求項１記載の燃料集合体において、前記
複数本の燃料棒及び少なくとも１本の水ロッドは、９行
９列の正方格子状に配列されていることを特徴とする燃
料集合体。
【請求項９】請求項１記載の燃料集合体において、前記
複数本の燃料棒の濃縮度は、すべて天然ウランの濃縮度
以上であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項１０】請求項１記載の燃料集合体において、前
記複数本の燃料棒のうち、前記正方格子状配列の４隅に
配置された４本の燃料棒は、互いに濃縮度が等しくなっ
ていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項１１】複数の燃料集合体とこれら複数の燃料集
合体間に挿入可能な横断面略十字形の複数の制御棒とを
備え、該複数の燃料集合体は平均濃縮度が他よりも低い
低濃縮度燃料集合体を含んでいる炉心において、前記低濃縮度燃料集合体は、請求項１記載の燃料集合体
を含んでいることを特徴とする炉心。
【請求項１２】平均濃縮度が他よりも低い低濃縮度燃料
集合体を含む複数の燃料集合体と、これら複数の燃料集
合体間に挿入可能な横断面略十字形の複数の制御棒とを
備え、４つの前記低濃縮度燃料集合体が１つの前記制御
棒を挟むように略正方形状に配置されたコントロールセ
ルを複数箇所に形成した炉心において、前記コントロールセルに配置される各低濃縮度燃料集合
体として、請求項１記載の燃料集合体を用いたことを特
徴とする炉心。
【請求項１３】請求項１２記載の炉心において、所定の
燃焼期間が経過する毎に、前記複数の燃料集合体のうち
少なくとも１つを配置替えするか又は新規な燃料集合体
と取り替えるように構成されており、かつ、炉心の運転
開始後、最初に前記所定燃焼期間が経過したときには、
前記コントロールセルに配置された低濃縮度燃料集合体
の配置側又は取り替えを行わず、前記コントロールセル
に配置された低濃縮度燃料集合体以外の燃料集合体の配
置側又は取り替えを行うように構成されていることを特
徴とする炉心。