JPH102982A - 原子炉の炉心とその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 初装荷燃料の平均濃縮度を高めたＢＷＲ炉心
において、余剰反応度を適切に制御するとともに十分な
炉停止余裕を確保し、さらに取出燃焼度の増大によって
燃料経済性を向上させる。 【解決手段】 高濃縮度燃料集合体２種類のうちウォー
タロッドに面している可燃性毒物入り燃料棒の本数の多
いものをＡ、少ないものをＢとする。炉心周辺領域にＢ
を装荷する。炉心内部領域にはＡを多く装荷するととも
に、低濃縮度燃料集合体Ｌ４体からなるコントロールセ
ル１４を離散的に配置する。この構成により炉心の径方
向出力分布の歪みを平坦化するとともに十分な炉停止余
裕を確保することができる。またこの配置での燃焼を第
１サイクルとすると、第２サイクルにおいて各燃料集合
体の位置を交換することでガドリニアの寿命を伸長する
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】本発明は沸騰水型原子炉の炉
心とその運転方法に係り、特に取出燃焼度の増大によっ
て燃料経済性を大幅に向上させた初装荷燃料集合体から
なる原子炉の炉心とその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉が建設されて初めて炉心に装荷さ
れる燃料を初装荷燃料という。このような初装荷燃料と
して、かつては燃料集合体の濃縮度を統一したものを使
用していたが、近年では、取出燃焼度を向上させるた
め、濃縮度の異なる複数の種類の燃料集合体を組み合わ
せて使用するようになった。但しいずれの場合において
も、初装荷燃料の平均濃縮度は、第１サイクルの終了時
に炉心の余剰反応度がほぼゼロとなるように、２．１〜
２．５％の範囲に設定されている。

【０００３】このような初装荷炉心の例として、燃料ウ
ランの平均濃縮度の異なる４種類の燃料集合体の組み合
わせからなる初装荷燃料によって構成された、従来の沸
騰水型原子炉の燃料配置の一例を示す１／４炉心の構成
図を、図１２に示す。この図に示す炉心１は８７２体の
燃料集合体２、３、４、５で構成されており、またこの
図においては升目□が１体の燃料集合体を表す。またこ
こでは４種類の燃料集合体が使用されている。記号Ｈで
示された燃料２は平均濃縮度が３．７％のものであり、
燃料交換時に新たに装荷される取替燃料集合体の平均濃
縮度と等しい。また、記号Ｍ、Ｌ、Ｓで示された燃料集
合体３、４、５は、それぞれ平均濃縮度が２．５％、
１．６％、０．９％のものを示す。この燃料集合体３、
４、５については、取替燃料集合体がそれぞれ１、２、
３サイクルにわたって炉内に滞在した後の反応度とほぼ
同等の反応度となるように、濃縮度を定めている。また
ここに示した炉心においては、燃料集合体２、３、４は
各２００体、燃料集合体５は２７２体装荷されており、
初装荷燃料の全体の平均濃縮度は２．１％である。

【０００４】ここで用いられている４種類の燃料集合体
２、３、４、５はともに高燃焼度燃料集合体の一例であ
る。この高燃焼度燃料集合体の縦断面図を図１３（ａ）
に示す。また図１３（ａ）におけるｂ−ｂ及びｃ−ｃ矢
視方向断面図をそれぞれ図１３（ｂ）及び（ｃ）に示
す。

【０００５】ここに示した燃料集合体は、長尺燃料棒６
と、長尺燃料棒６より短い短尺燃料棒７及び内部を冷却
材が流れるウォータロッド８を、スペーサ９により９行
９列の正方格子状に束ねて上部タイプレート１０及び下
部タイプレート１１に固定して燃料棒束とし、この燃料
棒束をチャンネルボックス１２で包囲して構成されてい
る。短尺燃料棒７を採用することで、燃料集合体上部の
冷却材流路を拡大して圧力損失を低減するとともに、炉
停止余裕を向上させることができる。

【０００６】また、図１２に示した初装荷炉心１におい
ては、図中丸印で示した位置１３に制御棒が、合計２０
５本具備されている。この制御棒１本とこれを包囲する
４体の燃料棒を合わせて１体のセルと呼ぶ。この炉心の
最外周の一部にはセルを構成しない燃料が存在する。

【０００７】ところで、原子炉運転中に炉心の余剰反応
度を適切に制御するために、図中の位置１３に配置され
た制御棒の少なくとも一部を移動させる。この際、制御
棒の移動に伴って制御棒に隣接する燃料集合体の出力分
布に歪みが生ずる。そこで、濃縮度が低い燃料集合体あ
るいは燃焼の進んだ反応度の低い燃料集合体を４体１組
にして配したコントロールセルを炉心内に離散的に配置
することで、この出力分布の歪みを緩和することができ
る。尚図１２においては、低濃縮度燃料集合体５からな
るコントロールセル１４を太枠で示した。この炉心内に
は２１体のコントロールセル１４が配置されている。

【０００８】この図１２に示した初装荷炉心により原子
炉を運転し、第１サイクルが終了すると、この炉心内の
反応度の低下した燃料集合体約２００体を炉心から取り
出し、新たに取替燃料集合体を装荷して第２サイクルの
運転を行う。以下同様に、第３、第４サイクル…と運転
を繰り返す。

【０００９】ところで近年、このような初装荷燃料集合
体の取出燃焼度を増大させ、もって燃料の経済性を向上
させるための開発が進められている。そのためには初装
荷燃料の平均濃縮度を高める必要があるが、一方で濃縮
度を高めると特に第１サイクル及び第２サイクルにおい
て余剰反応度が増加し、また炉停止余裕が低下するとい
う、２つの課題が生じる。

【００１０】沸騰水型原子炉では一般に、炉心の余剰反
応度を１〜２％Δｋの適正な範囲に制御するために、燃
料集合体を構成する一部の燃料棒にガドリニア等の可燃
性毒物を含有させている。燃料集合体１体あたりの可燃
性毒物入り燃料棒の本数は、サイクル初期における余剰
反応度が適切な範囲内となるように、また可燃性毒物の
濃度はサイクル長さを考慮して、それぞれ設定される。
図１２に示した平均濃縮度２．１％の初装荷炉心におい
て、燃料集合体２、３、４を構成する適切な本数の燃料
棒を、濃度７．５％でガドリニアを混合した燃料棒とし
た場合、第１サイクルの余剰反応度は、１．５〜２％Δ
ｋの範囲でほぼ一定して推移し、サイクル末期にはほぼ
ゼロとなる。

【００１１】ところが、初装荷燃料の平均濃縮度を高く
すると、原子炉の運転期間が一定であっても、サイクル
中期以降の余剰反応度が増大してしまう。たとえば図１
２における初装荷燃料において各燃料集合体２、３、
４、５の装荷体数を調整して平均濃縮度を２．７％とし
た場合の初装荷炉心では、余剰反応度がサイクル後半で
３％Δｋを超える。

【００１２】また、平均濃縮度を高くすると、一般に原
子炉運転時の反応度と原子炉停止時の反応度との差が大
きくなる。従って、平均濃縮度を従来よりも大幅に高め
た初装荷炉心においては、仮に余剰反応度を適正な範囲
内に制御できたとしても、十分な炉停止余裕を確保する
ことが困難となる。ここで炉停止余裕とは、通常原子炉
停止時には全ての制御棒が炉心に挿入されるのに対し、
何らかの理由により１本の制御棒が炉心に挿入されない
ような場合、特に最大反応度価値の制御棒が挿入されな
い場合の未臨界度のことをいう。こうした場合において
も原子炉を未臨界に保つことが設計上要求される。

【００１３】こうした課題に対して、第１サイクル及び
第２サイクルにおける余剰反応度を適正な範囲に制御す
るとともに、十分な炉停止余裕を確保することを目的と
する発明が、特開平７−２４４１８４号公報に開示され
ている。同公報の請求項３及び４に記載された発明で
は、第１サイクルの炉停止余裕を確保するための手段と
して、低濃縮度燃料と高濃縮度燃料の炉内での配置を規
定している。また同公報の請求項５乃至７に記載された
発明では、第２サイクルの余剰反応度を低減しさらに燃
料の燃焼効率を向上させるための手段として、第１サイ
クルから第２サイクルに移行する際の燃料の移動を規定
している。また同公報の請求項９乃至１２に記載された
発明では、第１サイクルと第２サイクルの余剰反応度を
適正な範囲に制御するとともに炉心径方向の出力分布の
歪みを平坦化するための手段として、初装荷燃料のうち
最高濃縮度の燃料を可燃性毒物入り燃料棒の本数が異な
る２種類の燃料からなるものとして、各燃料の炉心内で
の配置を規定している。また同公報の請求項１９及び２
０に記載された発明では、第２サイクルにおける余剰反
応度を低減するために、燃料集合体内での可燃性毒物入
り燃料棒の配置を規定している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】余剰反応度を制御する
ために、可燃性毒物濃度を高く設定して可燃性毒物を長
寿命化する方法がある。しかし可燃性毒物の濃度を過度
に高めると燃料棒の熱伝導度が低下して燃料温度が上昇
しやすくなるので、燃料の健全性を高く維持するために
も可燃性毒物の濃度は低い方が望ましい。

【００１５】可燃性毒物の濃度を変えずに長寿命化する
方法として、可燃性毒物入り燃料棒を、燃料集合体内に
おいてウォータロッドに面しない位置に配置する方法が
ある。すなわち、可燃性毒物は減速した低エネルギーの
中性子ほどよく吸収する性質があるので、中性子を減速
する冷却水が多く存在するウォータロッドに面した位置
を避けて配置することで、中性子の吸収を抑制し可燃性
毒物としての効果を長期化させることができる。

【００１６】一方、可燃性毒物入り燃料棒をウォータロ
ッドに面する位置に配置した場合には、炉停止余裕が向
上するという利点がある。高温の原子炉運転状態と比較
して、水の密度が大きく低温の原子炉停止状態の方が、
中性子の減速作用が大きい。そのため可燃性毒物入り燃
料棒をウォータロッドの近くに配置した場合、可燃性毒
物による中性子吸収効果は原子炉運転時よりも原子炉停
止状態において大きくなり、その結果炉停止余裕が向上
する。

【００１７】特開平７−２４４１８４号公報に開示され
ている請求項１９及び２０記載の発明に係る燃料集合体
では、少なくとも１本の可燃性毒物入り燃料棒がＸ方向
及びＹ方向において他の４本の可燃性毒物入り燃料棒と
面するように配置されている。すなわち、５本の可燃性
毒物入り燃料棒が十字型に配置されている。この十字型
配置の可燃性毒物入り燃料棒のうち、特に中央に位置す
る燃料棒においてその可燃性毒物の中性子吸収効果が抑
制されるため、可燃性毒物によるこの効果を長期間持続
させることができる。しかしながら、上述したようなウ
ォータロッドに面する位置に可燃性毒物入り燃料棒を配
置することから生じる利点や課題を考え、原子炉の炉心
における余剰反応度の適切な制御と炉停止余裕の確保と
いう２つの点を同時に改善するために、燃料集合体中の
どの位置に可燃性毒物入り燃料棒を配置するべきかにつ
いては、従来は考慮されてこなかった。

【００１８】本発明は上記の事情に鑑みなされたもの
で、初装荷燃料の平均濃縮度を高めた原子炉の炉心にお
いて、余剰反応度を適切な範囲に制御するとともに十分
な炉停止余裕を確保し、さらに初装荷燃料の取出燃焼度
を増大させることで燃料の経済性を大幅に向上させた原
子炉の炉心を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まな
い第１群の燃料棒と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む
第２群の燃料棒と、内部を冷却水が流れるウォータロッ
ドとを格子状に束ねて構成された燃料集合体を複数具備
する原子炉の炉心において、前記複数の燃料集合体に
は、前記第２群の燃料棒のうち前記ウォータロッドに面
する位置に配置されている燃料棒の割合が異なる少なく
とも２種類の燃料集合体が含まれることを特徴とする原
子炉の炉心を提供する。

【００２０】可燃性毒物を含む第２群の燃料棒のうち、
ウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒の
割合の異なる２種類の燃料集合体の一例として、２種類
の燃料集合体１５、１６の燃料棒配置を示す断面図を、
それぞれ図８（ａ）及び（ｂ）に示す。また、各燃料集
合体１５、１６の無限増倍率を示すグラフを図９に示
す。

【００２１】可燃性毒物を含む第２群の燃料棒１７及び
１８を、図中では記号Ｇで表す。図７に示した燃料集合
体１５、１６は、いずれも１０本の第２群の燃料棒を含
む。またこの第２群の燃料棒Ｇのうちウォータロッドに
面する位置に配置されている燃料棒（図中符号１８で示
した。）の割合は、燃料集合体１５では２０％、燃料集
合体１６では０％である。

【００２２】図９はこれらの燃料集合体１５及び１６の
無限増倍率の燃焼推移を示すグラフである。ここでは、
燃料集合体１５及び１６の原子炉運転時の無限増倍率を
それぞれａ、ｂとし、また原子炉停止時の無限増倍率を
それぞれｃ、ｄとしている。またいずれの場合も制御棒
が未挿入の状態である。原子炉停止時には実際は全ての
制御棒が挿入されるが、炉停止余裕を考えるうえでは何
らかの理由により１本の制御棒が挿入されない場合を想
定する必要があるため、ここでは制御棒未挿入の条件下
で考察する。

【００２３】原子炉運転状態では、燃焼初期段階では燃
料集合体１５に比べて燃料集合体１６の無限増倍率ｂが
大きいが、燃焼が進むにつれて今度は燃料集合体１５の
無限増倍率ａの方が大きくなる。従って燃料集合体１６
の方が可燃性毒物の中性子吸収効果が小さく、可燃性毒
物の寿命が長いことがわかる。一方原子炉停止状態で
は、燃焼初期から長期にわたり、燃料集合体１６に比べ
て燃料集合体１５の無限増倍率ｃが小さい。すなわち燃
料集合体１５の方が炉停止余裕を改善する。

【００２４】よってこれらの燃料集合体の特性を有効に
用いることにより、炉停止余裕の改善と長期間にわたる
余剰反応度の低減を同時に達成することができる。たと
えば、炉心内で炉停止余裕が厳しくなりやすい場所に
は、第２群の燃料棒のうちウォータロッドに面した位置
に配置された燃料棒の割合の比較的大きい燃料集合体１
５を多く配置し、また炉停止余裕の面でそれほど厳しく
ない位置には燃料集合体１６を多く配置すると効果的で
ある。

【００２５】さらに本発明では、平均濃縮度が異なる少
なくとも２種類の燃料集合体を具備し、かつこれらの燃
料集合体のうち最高濃縮度の燃料集合体には、第１の燃
料集合体と、前記第２群の燃料棒のうち前記ウォータロ
ッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合が前記
第１の燃料集合体より小さい第２の燃料集合体とが含ま
れることを特徴とする原子炉の炉心を提供する。

【００２６】平均濃縮度が異なる２種類以上の燃料集合
体が装荷された炉心では、最高濃縮度が装荷されている
セルの位置において炉停止余裕が厳しくなりやすい。ま
た、燃料の濃縮度を高くするほど中性子スペクトルがエ
ネルギーの高い方へ移動する現象（中性子硬化）によ
り、可燃性毒物による中性子吸収の効果は濃縮度の高い
燃料ほど小さくなる。よって、炉心の余剰反応度を長期
にわたって抑制するためには、最高濃縮度の燃料集合体
に含まれる可燃性毒物の寿命を伸長させることが最も効
果的である。従って、２種類以上に分類された最高濃縮
度の燃料集合体において、第２群の燃料棒のうちウォー
タロッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合が
異なるように設計することにより、炉停止余裕の改善と
余剰反応度抑制効果の一層の長期化を図ることができ
る。

【００２７】さらに本発明では、第１の燃料集合体につ
いて、前記第２群の燃料棒のうち少なくとも１本が前記
ウォータロッドに２方向で面していることを特徴とする
原子炉の炉心を提供する。

【００２８】図９のグラフから、燃料集合体１６と比べ
て、ウォータロッドに２方向で面する位置１８に第２群
の燃料棒が配置された燃料集合体１５は、原子炉運転時
と原子炉停止時との余剰反応度の差が小さいことがわか
る。このような運転時と停止時の反応度差の小さい燃料
集合体を用いることにより、さらに炉停止余裕を向上さ
せることができる。

【００２９】さらに本発明では、第２の燃料集合体につ
いて、前記第２群の燃料棒のうち少なくとも１本がＸ方
向またはＹ方向のうち少なくとも１方向で他の第２群の
燃料棒と面していることを特徴とする原子炉の炉心を提
供する。

【００３０】第２群の燃料棒は可燃性毒物による中性子
吸収効果を有するため、第１群の燃料棒と比較して核分
裂により発生する中性子数が少ない。従って、第２群の
燃料棒を互いに面して配置した場合、第２群の燃料棒の
位置に隣接する燃料棒から流入する中性子量が減少する
から、可燃性毒物の燃焼の進行が遅くなり、寿命が長期
化する。

【００３１】さらに本発明では、第１の燃料集合体と第
２の燃料集合体は、第２群の燃料棒の本数が等しいこと
を特徴とする原子炉の炉心を提供する。先に引用した特
開平７−２４４１８４号公報の請求項９乃至１２に記載
され開示された発明では、余剰反応度を適切な範囲に制
御するとともに炉心内の径方向の出力分布の歪みを平坦
化するために、第２群の燃料棒の本数が異なる２種類の
燃料集合体を使用していた。すなわち、径方向で出力を
低く抑制する要求の高い位置には、第２群の燃料棒を多
く含む燃料集合体を配置していた。これに対し、図８
（ａ）に示した燃料集合体１５においては、２本の可燃
性毒物入り燃料棒１８が２方向でウォータロッドと接し
ているため、第２群の燃料棒の本数が燃料集合体１６と
同じであるにもかかわらず、図８（ｂ）に示した燃料集
合体１６と比べて可燃性毒物による中性子吸収効果が大
きい。よって、燃料集合体１５は、上記の開示された発
明における第２群の燃料棒の本数を多く含む燃料集合体
とほぼ同様の作用を有する。さらに、各最高濃縮度の燃
料集合体において第２群の燃料棒の本数が等しいことか
ら、燃料製造時に第２群の燃料棒の本数を最高濃縮度の
燃料集合体の種類毎に考慮する必要がなくなり、燃料の
製造に要する時間や手間を低減させることができる。

【００３２】さらに本発明では、第１の燃料集合体と第
２の燃料集合体は、燃料集合体を構成する燃料棒の種類
及び本数が等しいことを特徴とする原子炉の炉心を提供
する。

【００３３】上記構成により、最高濃縮度の燃料集合体
のうち少なくとも２種類については、燃料棒の種類及び
本数は等しく、燃料棒の配列のみが異なることとなり、
燃料の製造がさらに容易となる。

【００３４】さらに本発明では、炉心内には１本の制御
棒とこれを包囲する４体の燃料集合体とから構成される
セルが多数配置されており、かつ前記炉心を、炉心最外
周に位置する燃料集合体と前記炉心最外周に位置する燃
料集合体を少なくとも１体含むセルを構成する燃料集合
体とからなる炉心周辺領域と、この炉心周辺領域に属さ
ない炉心中心領域とに分けたとき、前記炉心内部領域に
おける第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比
は、前記炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体と
第２の燃料集合体の体数の比より大きいことを特徴とす
る原子炉の炉心を提供する。

【００３５】上述したように、第１の燃料集合体は主に
炉停止余裕を改善する作用を有し、また第２の燃料集合
体は主に可燃性毒物の寿命を伸長させる作用を有する。
図１０は、同一仕様の燃料集合体のみからなる原子炉の
炉心における、原子炉停止時の制御棒価値の分布の一例
を示す１／４炉心の構成図である。ここでは径方向での
制御棒価値の最大値を１として、相対値を示した。この
図より、炉心周辺領域に属するセルの制御棒価値は、炉
心内部領域に属するセルと比べて著しく低いことがわか
る。このため、炉心内部領域において可燃性毒物による
炉停止余裕の改善効果を高くすることが要求される一
方、炉心周辺領域においてはそれほど厳しい要求はな
く、可燃性毒物による効果が小さい場合でも十分な炉停
止余裕を確保することができる。

【００３６】従って、炉心周辺領域には、第１の燃料集
合体と比べて炉停止余裕の改善効果の小さい第２の燃料
集合体を多く配置することができる。この炉心周辺領域
では中性子の一部が炉心外に漏れ出すため、この位置に
装荷された燃料集合体の出力が低く燃焼の進行が遅いの
で、可燃性毒物の寿命は相対的に長くなる。よってこの
炉心周辺領域に配置された第２の燃料集合体に関しては
可燃性毒物の寿命をさらに伸長させることができる。

【００３７】また、図９によれば、燃焼初期から燃焼前
半にわたって、第１の燃料集合体と比べて第２の燃料集
合体の運転時の無限増倍率が大きいことがわかる。よっ
て第２の燃料集合体を出力の低い炉心周辺領域に多く配
置することにより、炉心内の径方向の出力分布の歪みを
平坦化することができる。

【００３８】さらに本発明では、炉心周辺領域において
は第２の燃料集合体の体数が第１の燃料集合体の体数よ
り多いことを特徴とする原子炉の炉心を提供する。ま
た、炉心内部領域においては第１の燃料集合体の体数が
第２の燃料集合体の体数より多いことを特徴とする原子
炉の炉心を提供する。また、炉心周辺領域において装荷
される最高濃縮度の燃料集合体は第２の燃料集合体であ
ることを特徴とする原子炉の炉心を提供する。

【００３９】炉心周辺領域に第２の燃料集合体を多く配
置することにより、高い炉停止余裕を維持しつつも、炉
心全体として可燃性毒物の寿命を伸長させることができ
る。また炉心内部領域に第１の燃料集合体を多く配置す
ることにより、可燃性毒物の寿命を長く維持しつつも、
炉停止余裕をさらに向上させることができる。同時に、
第１の燃料集合体を配置することにより元来出力が大き
い炉心内部領域の出力を下げ、径方向の出力分布の歪み
をさらに平坦化することができる。

【００４０】さらに本発明では、炉心内に多数配置され
たセルの一部が反応度の低い燃料集合体４体からなるコ
ントロールセルであり、かつ前記炉心内での前記コント
ロールセルに面するセルまたは最低濃縮度の燃料集合体
を少なくとも１体含むセルに装荷される第１の燃料集合
体と第２の燃料集合体の体数の比が、前記炉心内部領域
での前記コントロールセル以外の前記コントロールセル
に面しないかつ最低濃縮度の燃料集合体を含まないセル
に装荷される前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体
の体数の比よりも小さいことを特徴とする原子炉の炉心
を提供する。

【００４１】また本発明では、炉心内部領域において、
第２の燃料集合体はコントロールセルに面するセルまた
は最低濃縮度の燃料集合体を少なくとも１体含むセルに
のみ装荷されていることを特徴とする原子炉の炉心を提
供する。

【００４２】図１１は、コントロールセル１４を２１個
配置した原子炉の炉心における、原子炉停止時の制御棒
価値の分布の一例を示す１／４炉心の構成図である。こ
の炉心は図中太枠で示された位置１４に低濃縮度燃料集
合体からなるコントロールセルを配置し、コントロール
セル以外の位置には全て同一仕様の高濃縮度燃料集合体
を配置した。またここでは径方向での制御棒価値の最大
値を１として、相対値を示した。この図より、コントロ
ールセルにおいては、高濃縮度燃料集合体のみからなる
セルと比べて制御棒価値が小さいことがわかる。ただ
し、高濃縮度燃料集合体のみからなるセルのうちコント
ロールセルと面する位置にあるセルは、コントロールセ
ルに面しないセルと比べて制御棒価値が１０〜２０％程
度小さい。また、低濃縮度燃料集合体を少なくとも１体
含むセルは相対的に制御棒価値が小さいので、十分な炉
停止余裕がある。従って、このような制御棒価値が小さ
いセルに、炉停止余裕が相対的に厳しい第２の燃料集合
体を多く配置することにより、十分な炉停止余裕を確保
しつつ炉心全体としての可燃性毒物の寿命を伸長させる
ことができる。

【００４３】さらに本発明では、炉心内部領域における
第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比を、第
１サイクルにおいては炉心周辺領域における前記第１の
燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比より大きく設
定し、第２サイクルにおいては前記炉心周辺領域におけ
る前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比
より小さく設定することを特徴とする原子炉の炉心の運
転方法を提供する。

【００４４】この構成によれば、第１サイクルでは、制
御棒価値の小さい炉心周辺領域に第２の燃料集合体が多
く装荷されることから、上述したように、炉停止余裕の
改善と可燃性毒物の寿命の伸長という２つの課題を同時
に達成できるとともに径方向出力分布を平坦化すること
ができる。また第２サイクルでは、第１サイクルで炉心
周辺領域に装荷されて燃焼の進行が遅くまだ多くの可燃
性毒物を残している第２の燃料集合体の一部を、炉心全
体の実効増倍率への寄与が大きい炉心内部領域に配置す
るため、余剰反応度を十分低くすることができる。また
図９によれば、燃焼後半においては、第１の燃料集合体
と比べて第２の燃料集合体の原子炉運転時の無限増倍率
が大きいことがわかる。よって上記構成により、第２サ
イクルにおいて径方向出力分布の歪みを平坦化すること
ができる。

【００４５】さらに本発明では、炉心周辺領域において
第１の燃料集合体の体数は、第１サイクルでは第２の燃
料集合体の体数より少なくかつ第２サイクルでは第２の
燃料集合体の体数より多いことを特徴とする原子炉の炉
心の運転方法を提供する。また、炉心内部領域において
第１の燃料集合体の体数は、第１サイクルでは第２の燃
料集合体の体数より多くかつ第２サイクルでは第２の燃
料集合体の体数より少ないことを特徴とする原子炉の炉
心の運転方法を提供する。

【００４６】この構成により、特に第２サイクルにおい
て余剰反応度を低く制御しつつ径方向の出力分布の歪み
を平坦化することができる。さらに本発明では、炉心の
最外周には最高濃縮度の燃料集合体として、第１サイク
ルでは第２の燃料集合体を、また第２サイクルでは第１
の燃料集合体を装荷することを特徴とする原子炉の炉心
の運転方法を提供する。

【００４７】制御棒価値が小さい炉心周辺領域の中でも
炉心最外周は、炉停止余裕への影響が少なく、かつ炉心
内で径方向で最も出力の小さい領域にあたる。従って上
記構成によれば、第１サイクルにおいては、炉停止余裕
を悪化させることなく可燃性毒物の燃焼の進行を最大限
に遅らせることができると同時に径方向の出力分布の歪
みを平坦化することができる。また第２サイクルにおい
ては、余剰反応度をさらに低減させることができると同
時に径方向の出力分布を平坦化させることができる。

【００４８】さらに本発明では、第１サイクルから第２
サイクルに移行する際に、炉心内部領域内の低濃縮度燃
料集合体４体からなるコントロールセルに装荷された低
濃縮度燃料集合体を、前記コントロールセル以外に装荷
された低濃縮度燃料集合体と交換することを特徴とする
原子炉の炉心の運転方法を提供する。

【００４９】また本発明では、第１サイクルから第２サ
イクルに移行する際に、炉心周辺領域に装荷された第２
の燃料集合体を、炉心内部領域に装荷された第１の燃料
集合体と交換することを特徴とする原子炉の炉心の運転
方法を提供する。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下本発明の第１の実施形態につ
いて図面を参照して説明する。図１（ａ）は第１の実施
形態に係る原子炉の１／４炉心の燃料配置構成図であ
る。この炉心に装荷する燃料集合体の基本構成は図１３
に示した従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体と同じであ
る。図１（ａ）において記号Ａ及びＢは、それぞれ平均
濃縮度３．７％の高濃縮度初装荷燃料集合体１９及び２
０を表し、また記号Ｌは平均濃縮度１．６％の低濃縮度
初装荷燃料集合体２１を表す。この高濃縮度燃料集合体
１９、２０の平均濃縮度は、燃料交換時に装荷する取替
燃料集合体の濃縮度と等しい。またこの初装荷炉心に
は、高濃縮度燃料集合体ＡとＢは合わせて６８８体、低
濃縮度燃料集合体Ｌは１８４体装荷されており、初装荷
炉心全体の平均濃縮度は３．３％である。

【００５１】またこの炉心は、炉心最外周に位置する燃
料集合体とこの炉心最外周に位置する燃料集合体を少な
くとも１体含むセルを構成する燃料集合体とからなる炉
心周辺領域３０と、この炉心周辺領域３０に属さない炉
心中心領域３１とに分けられる。図１（ａ）中の２重線
はこの炉心周辺領域３０と炉心中心領域３１との境界を
示している。

【００５２】図１（ａ）に太枠で示すように、低濃縮度
燃料集合体２１が４体で構成されるコントロールセル１
４が、炉心内に２１個配置されている。またコントロー
ルセル１４以外にも、低濃縮度燃料集合体２１は炉心内
にほぼ均等に装荷されている。

【００５３】各燃料集合体の軸方向の濃縮度の分布の構
成図を図２に示す。またここでは、可燃性毒物としてガ
ドリニアを用いたガドリニア入り燃料棒を一部採用して
おり、この燃料棒の軸方向の分布構成についても示す。
図２（ａ）は高濃縮度燃料集合体１９、２０の構成図、
図２（ｂ）は低濃縮度燃料集合体２１の構成図、図２
（ｃ）は取替燃料集合体の構成図である。この図におい
て例えば「３．９ｅ，１０Ｇ７．０」とは、「濃縮度が
３．９％で、かつ７．０％濃度のガドリニア入り燃料棒
を１０本有する」ことを示す。またこれらの燃料集合体
はいずれも図１３に示した燃料集合体と同様の形状の高
燃焼度燃料集合体であり、全長２４ノードのうち上端部
２ノード及び下端部１ノードに、図中斜線で示すガドリ
ニアを含有しない天然ウラン領域が設けられている。ま
た図中の矢印は、図１２に示した短尺燃料棒７の上端を
示す。これらの燃料集合体のうち図２（ｂ）及び（ｃ）
に示した低濃縮度燃料集合体２１及び取替燃料集合体２
２は、特開平７−２４４１８４号公報に開示された発明
で図７に示された燃料集合体と同一である。

【００５４】図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１
（ａ）で記号Ａ及びＢを付して示した高濃縮度燃料集合
体１９及び２０の燃料棒の配置を示す断面図である。こ
れらの断面図は図１３（ａ）の燃料集合体におけるｃ−
ｃ矢視方向位置での断面図である。図３で記号Ｇで示し
た燃料棒がガドリニア入り燃料棒である。また１から４
までの番号を付した燃料棒は、ガドリニアを含まず、ま
た番号の若い順に濃縮度が高い燃料棒を示す。燃料集合
体１９と２０とでは、燃料集合体中に配置されるガドリ
ニアを含まない燃料棒４種類及びガドリニア入り燃料棒
の構造や燃料集合体中の本数は同じである。但し図３に
示すように、燃料集合体１９では１１本のガドリニア入
り燃料棒のうち５本がウォータロッドに面しているのに
対し、燃料集合体２０では１１本のガドリニア入り燃料
棒のうち１本がウォータロッドに面している。すなわ
ち、ガドリニア入り燃料棒のうちウォータロッドに接す
る位置に配置されている燃料棒の割合は、燃料集合体１
９が５／１１、燃料集合体２０が１／１１であるから、
燃料集合体１９の方がその割合が高い。

【００５５】また、図３に示した燃料集合体１９及び２
０中にそれぞれ１本存在する、図中符号１８を付したガ
ドリニア入り燃料棒Ｇは、２本のウォータロッド８に面
している。この燃料棒１８については、図２に示した軸
方向分布構成図において図中矢印で示した部分より上部
にはガドリニアを含まないものとする。また、図３に示
した燃料集合体１９及び２０中にそれぞれ２本存在す
る、図中符号２３を付したガドリニア入り燃料棒Ｇは、
Ｘ方向及びＹ方向で４本のガドリニア入り燃料棒に接し
ている。尚ここでＸ方向及びＹ方向とは図３に矢印で示
した方向をさすものとする。

【００５６】このような配置とした場合、燃料集合体中
のガドリニアが燃え尽きたときの燃焼度は約２５ＧＷｄ
／ｔとなる。一方、同濃度のガドリニア入り燃料棒を上
述した図８に示した燃料配置とした場合に、燃料集合体
中のガドリニアが燃え尽きたときの燃焼度は約２０ＧＷ
ｄ／ｔである。従って、図３のようにガドリニア入り燃
料棒を配置することにより、図８の場合と比較してガド
リニアの寿命を約２０％伸長させることができる。

【００５７】図４は高濃縮度燃料集合体１９、２０の無
限増倍率の燃焼推移を示すグラフである。ここでは高濃
縮度燃料集合体１９及び２０の原子炉運転時の無限増倍
率をそれぞれａ、ｂとし、また原子炉停止状態の無限増
倍率をそれぞれｃ、ｄとしている。またいずれの場合も
制御棒が未挿入の状態である。図４からわかるように、
燃焼初期においては、燃料集合体２０と比べて燃料集合
体１９の方が原子炉停止時の無限増倍率が小さいため炉
停止余裕を改善する。一方燃焼が進み燃焼度が１５ＧＷ
ｄ／ｔ超の段階では燃料集合体１９と比べて燃料集合体
２０の方が原子炉運転時の無限増倍率が小さくなる。よ
って燃料集合体２０の方が燃料中のガドリニアの寿命が
長い。

【００５８】図１（ｂ）は図１（ａ）に示した配置で
の、炉心周辺領域３０及び炉心内部領域３１における、
記号Ａ及びＢで示される高濃縮度燃料集合体１９及び２
０の体数を表す表である。ここに示すように、炉心周辺
領域３０では燃料集合体１９と比べて燃料集合体２０の
体数が多く、また炉心内部領域３１では燃料集合体２０
と比べて燃料集合体１９の体数が多い。また、炉心内部
領域３１における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体
数の比は、炉心周辺領域３０における燃料集合体１９と
燃料集合体２０の体数の比より大きい。尚ここで、燃料
集合体１９と燃料集合体２０の体数の比とは、燃料集合
体１９の体数を燃料集合体２０の体数で除した値であ
る。

【００５９】以上のような配置の結果、本実施形態に係
る炉心は、初装荷燃料の平均濃縮度が３．３％と従来よ
り高く設定しているにもかかわらず、約１〜２％Δｋの
範囲内でほぼ一定した余剰反応度を示し、また１％Δｋ
以上の十分な炉停止余裕を確保することができる。

【００６０】以下本実施形態の作用について、図１に示
した炉心において記号Ａ及びＢで示した２種類の高濃縮
度燃料集合体１９、２０の位置に、全て燃料集合体１９
を配置した場合あるいは全て燃料集合体２０を配置した
場合と比較して説明する。図１に示した炉心において燃
料集合体２０を全て燃料集合体１９で置き換えた炉心で
は、本実施形態と比較して炉停止余裕がやや改善される
が、炉心周辺領域の出力が低下するので径方向ピーキン
グが増大する。すなわち径方向の出力分布の歪みが大き
くなる。また図１に示した炉心において燃料集合体１９
を全て燃料集合体２０で置き換えた炉心では、本実施形
態と比較して炉停止余裕が悪化するとともに、炉心内部
領域の出力が増大するので径方向ピーキングが増大す
る。従って、本実施形態のように２種類の高濃縮度燃料
１９、２０を適切な位置に配置することにより、径方向
の出力分布の歪みを平坦化し、かつ十分な炉停止余裕を
確保することができる。

【００６１】以下本発明の第２の実施形態について、図
面を参照して説明する。尚第１の実施形態と同様の構成
部分については同一符号を付し詳細な説明を省略する。
第２の実施形態に係る原子炉の炉心の運転方法において
は、燃焼の第１サイクルと第２サイクルとで燃料配置の
パタンが異なるため、第１サイクルから第２サイクルに
移行する際に燃料配置を一部変更する。本実施形態の第
１サイクルにおける原子炉の炉心は、第１の実施形態に
おいて図１に示した炉心と同じものである。第２サイク
ルにおける炉心について図５に示す。図５（ａ）は本実
施形態の第２サイクルにおける原子炉の１／４炉心の燃
料配置構成図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示した配置で
の、炉心周辺領域３０及び炉心内部領域３１における、
記号Ａ及びＢで示された高濃縮度燃料集合体１９及び２
０の体数を表す表である。

【００６２】第１サイクルが終了し第２サイクルに移行
する際には、初装荷燃料集合体と取替燃料集合体との交
換は行わず、初装荷燃料集合体の配置の変更のみを行
う。まず、第１サイクルにおいて炉心内部領域３１内の
コントロールセル１４に装荷された低濃縮度燃料集合体
２１を、コントロールセル以外に装荷された低濃縮度燃
料集合体２１と交換する。第１サイクルに比べて余剰反
応度が増加するのに備えて、第２サイクルでは符号１４
ａで示した箇所に新しくコントロールセル４個を配置し
て全部で２５個としている。

【００６３】また高濃縮度燃料集合体については、第１
サイクルで炉心周辺領域３０に装荷されていた燃料集合
体２０と第１サイクルで炉心内部領域３１に装荷されて
いた燃料集合体１９とを交換する。この結果、炉心の最
外周には高濃縮度燃料集合体として、第１サイクルでは
燃料集合体２０が配置されたが、第２サイクルでは燃料
集合体１９が配置されることになる。またこの燃料集合
体の交換により、炉心周辺領域３０及び炉心内部領域３
１における燃料集合体１９及び２０の体数は、この交換
により図１（ｂ）から図５（ｂ）の表に示すように変化
する。すなわち、第１サイクルにおいて炉心内部領域３
１における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比
は、炉心周辺領域３０における燃料集合体１９と燃料集
合体２０の体数の比より大きいが、第２サイクルにおい
てはこの両者の大小関係が逆転している。

【００６４】以下本実施形態の作用について説明する。
第１サイクルにおいては第１の実施形態と同様の作用が
得られる。第１サイクルでは炉心周辺領域３０は出力が
低いため、炉心周辺領域３０に配置された燃料集合体２
０は炉心内部領域３１に比べ相対的に燃焼が進まない。
また上述したように燃料集合体２０内のガドリニアの寿
命は燃料棒配置の作用により伸長されている。よって、
燃料集合体２０内のガドリニアは第１サイクル終了時に
おいてもまだ十分に残っている。従って第２サイクルに
おいて、この燃料集合体２０を炉心内部領域３１に多く
配置することによって、主に炉心内部領域３１に位置す
るガドリニアの作用により、余剰反応度を十分低くして
適切な範囲内に制御することができる。

【００６５】無限増倍率の推移を示した図４において、
記号ｆ１及びｆ２は、それぞれ本実施形態における第１
サイクル及び第２サイクルの燃焼期間を表すものとす
る。図４からわかるように、炉心内部領域３０に配置さ
れた燃料集合体１９の無限増倍率ａは、第１サイクルで
は燃料集合体２０の無限増倍率ｂよりも小さいが、燃焼
が進み第２サイクルへ移行すると逆転して燃料集合体２
０の無限増倍率ｂよりも大きくなる。従って、第２サイ
クルにおいて、無限増倍率が大きい燃料集合体１９を炉
心周辺領域３０に配置し、かつガドリニアを多く残して
いる燃料集合体２０を炉心内部領域３１に多く配置する
ことにより、炉心の径方向の出力分布の歪みを低減する
ことができる。

【００６６】以下本発明の第３の実施形態について、図
面を参照して説明する。尚第１または第２の実施形態と
同様の構成部分については同一符号を付し詳細な説明を
省略する。図６（ａ）は第３の実施形態に係る原子炉の
１／４炉心の燃料配置構成図である。第３の実施形態に
係る原子炉の炉心には低濃縮度、中濃縮度、高濃縮度の
３種類の濃縮度の初装荷燃料が用いられている。尚図中
で記号Ａ、Ｂ、Ｌで示した燃料は第１の実施形態で詳述
した燃料と同一であり、また記号Ｍは中濃縮度燃料２４
を表す。

【００６７】この炉心には記号Ｌで示した平均濃縮度
１．６％の低濃縮度燃料集合体２１が２９６体、記号Ｍ
で示した平均濃縮度２．５％の中濃縮度燃料集合体２４
が８４体、記号Ａ及びＢで示した平均濃縮度３．７％の
高濃縮度燃料集合体１９及び２０が合わせて４９２体装
荷されており、初装荷燃料集合体の全体の平均濃縮度は
２．９％である。

【００６８】低濃縮度燃料集合体２１は、炉心最外周
と、炉心内部に離散的に配置されたコントロールセル１
４に装荷されているほか、炉心内部領域３１にあって炉
心最外周に近いセルにも一部装荷されている。また中濃
縮度燃料集合体２４は、炉心内部領域３１のコントロー
ルセル１４以外の低濃縮度燃料集合体２１を含むセルに
装荷されている。

【００６９】図６（ｂ）は図６（ａ）に示した配置で
の、炉心周辺領域３０及び炉心内部領域３１における、
記号Ａ及びＢで示される高濃縮度燃料集合体１９及び２
０の体数を表す表である。ここに示すように、炉心内部
領域３１における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体
数の比は、炉心周辺領域３０における燃料集合体１９と
燃料集合体２０の体数の比より大きい。また、炉心内部
領域３１でのコントロールセル１４に面するセルまたは
低濃縮度燃料集合体２１を少なくとも１体含むセルに装
荷される燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比
は、炉心内部領域３１でのコントロールセル１４以外の
コントロールセル１４に面しないかつ低濃縮度燃料集合
体２１を含まないセルに装荷される燃料集合体１９と燃
料集合体２０の体数の比よりも小さい。

【００７０】図６（ａ）に示すように、炉心周辺領域３
０に装荷される高濃縮度燃料集合体は全て燃料集合体２
０である。また炉心内部領域３１では燃料集合体２０
は、コントロールセル１４に面したセルや、あるいは炉
心周辺領域３１に近くかつ低濃縮度燃料集合体２１を含
むセルに装荷される。このような装荷位置においては制
御棒価値は相対的に小さいので、原子炉運転時と原子炉
停止時とで反応度の差が大きい燃料集合体２０を装荷し
ても炉停止余裕を悪化させることはない。一方、炉心内
部領域３１の制御棒価値が大きい位置には、燃料集合体
２０と比べて原子炉運転時と停止時とで反応度差が小さ
い燃料集合体１９を多く装荷している。これにより炉停
止余裕を確保したうえで、ガドリニアの寿命を長期化す
ることができる。

【００７１】また本実施形態では、炉心最外周に低濃縮
度燃料集合体２１を装荷することによって炉心外への中
性子の漏れを低減し、中性子の利用効率を向上させてい
る。この配置により炉心最外周における出力が極端に小
さくなるきらいがあるが、その対策として、炉心最外周
から２層目及び３層目に高濃縮度燃料集合体を装荷し
て、炉心の径方向出力分布の歪みを平坦化している。ま
たこの２、３層目に配置する高濃縮度燃料集合体の殆ど
を、燃焼初期の無限増倍率が大きい燃料集合体２０とし
たため、径方向出力分布の歪みの低減効果はさらに大き
くなる。

【００７２】本実施形態では初装荷燃料集合体の全体の
平均濃縮度が２．９％であり、第２の実施形態の３．３
％よりも低く設定されている。そのため、初装荷燃料集
合体の第１サイクルの燃焼が終了した後、低濃縮度燃料
集合体２１のうち最も燃焼が進んだ５６体を選んで、図
２（ｃ）に示した取替燃料集合体２２と交換して、第２
サイクルの運転を行う。また、第１サイクルで炉心最外
周を除く炉心周辺領域３０に装荷された燃料集合体２０
を、炉心内部領域３１に装荷された燃料集合体１９と交
換する。このとき第２サイクルでは、炉心最外周には低
濃縮度燃料集合体２１が配置され、炉心最外周を除いた
炉心周辺領域３０には燃料集合体１９が配置され、炉心
内部領域３１内の高濃縮度燃料集合体の殆どを燃料集合
体２０が占めることになる。従って第２サイクルにおい
て、炉心の径方向の出力分布の歪みを平坦化できるとと
もに、炉心内部領域３１内における燃料集合体２０の作
用により余剰反応度を低減することができる。

【００７３】また、本実施形態の変形例として、炉心最
外周に低濃縮度燃料２１に代えて中濃縮度燃料２４を装
荷した初装荷炉心がある。この場合、炉心からの中性子
漏れは第３の実施形態と比較していくらか増大するが、
中濃縮度燃料集合体２４の作用により径方向の出力分布
の歪みの低減効果はより大きくなる。

【００７４】あるいはまた、本実施形態の他の変形例と
して、図１２に示した４種類の濃縮度の初装荷燃料集合
体で構成される初装荷炉心がある。この場合、第３の実
施形態において炉心内部領域３１内の低濃縮度燃料集合
体２１の装荷位置には、４種類のうち最低濃縮度の燃料
集合体または２番目に低い濃縮度の燃料集合体を装荷す
ることで、炉停止余裕の向上を図ることができる。ま
た、第１サイクルにおいて炉心最外周に装荷される燃料
集合体としては、最低濃縮度燃料集合体に限らず、２番
目に低い濃縮度の燃料集合体、３番目に低い濃縮度の燃
料集合体あるいは最高濃縮度の燃料集合体を装荷するこ
とが考えられる。あるいはこれらの４種類の燃料を適切
に組み合わせた配置も可能である。

【００７５】以下本発明の第４の実施形態について、図
面を参照して説明する。尚第１乃至第３の実施形態と同
様の構成部分については同一符号を付し詳細な説明を省
略する。本実施形態に係る原子炉の炉心は、第１乃至第
３の実施形態における記号Ａ及びＢで示された高濃縮度
燃料集合体１９及び２０を、それぞれ以下に詳述する高
濃縮度燃料集合体２５及び２６に置き換えたものであ
る。図７は、本実施形態に係る原子炉の炉心の高濃縮度
燃料集合体の配置構成図である。ここで図７（ａ）が燃
料集合体２５、図７（ｂ）が燃料集合体２６に関するも
のである。また記号Ｇがガドリニア入り燃料棒を表す。

【００７６】図３に示した高濃縮度燃料集合体１９及び
２０は、Ｘ方向及びＹ方向で４本のガドリニア入り燃料
棒に接するガドリニア入り燃料棒２３をそれぞれ２本有
していた。すなわち５本のガドリニア入り燃料棒２組が
それぞれ十字型に配置されていた。これに対して本実施
形態では、燃料集合体２５及び２６において、ガドリニ
ア入り燃料棒の十字型配置をなくし、各ガドリニア入り
燃料棒が隣接しているガドリニア入り燃料棒が多くて２
本となるよう配置されている。またガドリニア入り燃料
棒のうちウォータロッド８に面する位置に配置されてい
る燃料棒の割合は、燃料集合体２５は６／１１、燃料集
合体２６は０／１０であるから、燃料集合体２５の方が
その割合が高い。この燃料集合体２５中に２本存在す
る、図中符号１８を付したガドリニア入り燃料棒Ｇは、
２本のウォータロッド８に面している。

【００７７】本実施形態においては、燃料集合体１９及
び２０をそれぞれ燃料集合体２５及び２６に置き換えた
以外は、第１乃至第３の実施形態の炉心配置のいずれか
を採用するものとする。

【００７８】高濃縮度燃料集合体の燃料棒の配置変更に
よりガドリニアの寿命は短くなるが、ガドリニア入り燃
料棒を燃料集合体内で均一に配置することにより、燃料
集合体内の出力分布を平坦化することができるので、熱
的余裕が向上する。

【００７９】燃料集合体内において、一般にガドリニア
の中性子吸収量が最大となる位置とウォータロッドに面
する位置とは一致しないことが知られている。従って、
燃料集合体２５においてウォータロッドに面する位置に
ガドリニア入り燃料棒を集中して配置しているため、場
合によっては燃料集合体２６よりも燃焼初期の無限増倍
率が大きくなることも起こり得る。しかし、本実施形態
においては、燃料集合体２６にガドリニア入り燃料棒を
１０本配置したのに対し、燃料集合体２５にはガドリニ
ア入り燃料棒を１１本配置している。この構成により、
燃料集合体２６と比べて燃料集合体２５の燃焼初期の無
限増倍率を低く抑えている。

【００８０】ところで、上述したように、燃料の健全性
を保持するため、燃料内に配置されるガドリニア入り燃
料棒の本数を少なくまたガドリニア濃度を低く抑える場
合がある。ガドリニア濃度の上限を仮に１０％以下に抑
える必要がある場合には、燃料集合体２５及び２６に用
いられる全てのガドリニア入り燃料棒のガドリニア濃度
を１０％とすることで、第２サイクルの余剰反応度を最
大限に抑制することができる。また設定条件によって
は、燃料集合体２５には濃度１０％のガドリニア入り燃
料棒を、また燃料集合体２６には濃度１１％のガドリニ
ア入り燃料棒を用いることが考えられる。この場合、第
２サイクルにおいて炉心内部に燃料集合体２６が多く配
置したことにより、第２サイクルにおける余剰反応度の
抑制効果が一層高められる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、初
装荷燃料集合体の全体の平均濃縮度を大幅に高めた原子
炉の炉心において、燃料の健全性維持の観点から許容さ
れる範囲内で従来よりも可燃性毒物の濃度を高く設定
し、燃焼初期から後期に至るまで余剰反応度を適切な範
囲に制御しつつも同時に十分な炉停止余裕を確保するこ
とができるので、初装荷燃料集合体の取出燃焼度を増大
させることで燃料の経済性を従来より大幅に向上させる
ことができる。さらに本発明により、燃焼初期から長期
にわたって径方向の出力分布の歪みを平坦化させること
ができるので、最大線出力密度を低く制御しペレット−
被覆管相互作用を防止し、また最小限界出力比を適切な
範囲に制御することで炉心の熱的余裕を改善することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る原子炉
の１／４炉心の燃料配置構成図、（ｂ）は（ａ）に示し
た配置での炉心周辺領域及び炉心内部領域における高濃
縮度燃料集合体１９、２０の体数を示す表である。

【図２】（ａ）は高濃縮度燃料集合体１９、２０の軸方
向の濃縮度及びガドリニア分布の構成図、（ｂ）は低濃
縮度燃料集合体２１の軸方向の濃縮度及びガドリニア分
布の構成図、（ｃ）は取替燃料集合体２４の軸方向の濃
縮度及びガドリニア分布の構成図である。

【図３】（ａ）は高濃縮度燃料集合体１９の燃料棒配置
を示す断面図、（ｂ）は高濃縮度燃料集合体２０の燃料
集合体の燃料棒配置を示す断面図である。

【図４】本発明の第１乃至第３の実施形態に係る原子炉
の炉心の高濃縮度燃料集合体１９、２０の無限増倍率の
推移を示すグラフである。

【図５】（ａ）は本発明の第２の実施形態における第２
サイクルに係る原子炉の１／４炉心の燃料配置構成図、
（ｂ）は（ａ）に示した配置での炉心周辺領域及び炉心
内部領域における高濃縮度燃料集合体１９、２０の体数
を示す表である。

【図６】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る原子炉
の１／４炉心の燃料配置構成図、（ｂ）は（ａ）に示し
た配置での炉心周辺領域及び炉心内部領域における高濃
縮度燃料集合体１９、２０の体数を示す表である。

【図７】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る原子炉
の炉心の高濃縮度燃料集合体２５の燃料棒配置を示す断
面図、（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る原子炉の
炉心の高濃縮度燃料集合体２６の燃料棒配置を示す断面
図である。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は、可燃性毒物を含む燃料棒
のうち、ウォータロッドに面する位置に配置されている
燃料棒の割合の異なる２種類の燃料集合体の燃料棒配置
を示す断面図である。

【図９】図８に示した燃料集合体の無限増倍率の推移を
示すグラフである。

【図１０】同一仕様の燃料集合体のみからなる原子炉の
炉心における、原子炉停止時の制御棒価値の分布の一例
を示す１／４炉心の構成図である。

【図１１】２１個のコントロールセルを配備した原子炉
の炉心における、原子炉停止時の制御棒価値の分布の一
例を示す１／４炉心の構成図である。

【図１２】濃縮度の異なる４種類の初装荷燃料集合体に
より構成される、従来の沸騰水型原子炉の燃料配置の一
例を示す１／４炉心の構成図である。

【図１３】（ａ）は沸騰水型原子炉の高燃焼度燃料集合
体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視方向断面
図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ矢視方向断面図である。

【符号の説明】

６ 長尺燃料棒 ７ 短尺燃料棒 ８ ウォータロッド ９ スペーサ １０ 上部タイプレート １１ 下部タイプレート １２ チャンネルボックス １３ 制御棒 １４ コントロールセル １９、２０、２５、２６ 高濃縮度燃料集合体 ２１ 低濃縮度燃料集合体 ２２ 取替燃料集合体 ２４ 中濃縮度燃料集合体 ３０ 炉心周辺領域 ３１ 炉心内部領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｃ 3/30 ＧＤＢＰ ＧＤＢＹ

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない
   第１群の燃料棒と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む第
   ２群の燃料棒と、内部を冷却水が流れるウォータロッド
   とを格子状に束ねて構成された燃料集合体を複数具備す
   る原子炉の炉心において、前記複数の燃料集合体には、
   前記第２群の燃料棒のうち前記ウォータロッドに面する
   位置に配置されている燃料棒の割合が異なる少なくとも
   ２種類の燃料集合体が含まれることを特徴とする原子炉
   の炉心。
2. 【請求項２】 平均濃縮度が異なる少なくとも２種類の
   燃料集合体を具備し、かつこれらの燃料集合体のうち最
   高濃縮度の燃料集合体には、第１の燃料集合体と、前記
   第２群の燃料棒のうち前記ウォータロッドに面する位置
   に配置されている燃料棒の割合が前記第１の燃料集合体
   より小さい第２の燃料集合体とが含まれることを特徴と
   する請求項１記載の原子炉の炉心。
3. 【請求項３】 第１の燃料集合体について、前記第２群
   の燃料棒のうち少なくとも１本が前記ウォータロッドに
   ２方向で面していることを特徴とする請求項２記載の原
   子炉の炉心。
4. 【請求項４】 第２の燃料集合体について、前記第２群
   の燃料棒のうち少なくとも１本がＸ方向またはＹ方向の
   うち少なくとも１方向で他の第２群の燃料棒と面してい
   ることを特徴とする請求項２または３記載の原子炉の炉
   心。
5. 【請求項５】 第１の燃料集合体と第２の燃料集合体
   は、第２群の燃料棒の本数が等しいことを特徴とする請
   求項２乃至４記載の原子炉の炉心。
6. 【請求項６】 第１の燃料集合体と第２の燃料集合体
   は、燃料集合体を構成する燃料棒の種類及び本数が等し
   いことを特徴とする請求項５記載の原子炉の炉心。
7. 【請求項７】 炉心内には１本の制御棒とこれを包囲す
   る４体の燃料集合体とから構成されるセルが多数配置さ
   れており、かつ前記炉心を、炉心最外周に位置する燃料
   集合体と前記炉心最外周に位置する燃料集合体を少なく
   とも１体含むセルを構成する燃料集合体とからなる炉心
   周辺領域と、この炉心周辺領域に属さない炉心中心領域
   とに分けたとき、前記炉心内部領域における第１の燃料
   集合体と第２の燃料集合体の体数の比は、前記炉心周辺
   領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体
   の体数の比より大きいことを特徴とする請求項２乃至６
   記載の原子炉の炉心。
8. 【請求項８】 炉心周辺領域においては第２の燃料集合
   体の体数が第１の燃料集合体の体数より多いことを特徴
   とする請求項７記載の原子炉の炉心。
9. 【請求項９】 炉心内部領域においては第１の燃料集合
   体の体数が第２の燃料集合体の体数より多いことを特徴
   とする請求項７または８記載の原子炉の炉心。
10. 【請求項１０】 炉心周辺領域において装荷される最高
    濃縮度の燃料集合体は第２の燃料集合体であることを特
    徴とする請求項７乃至９記載の原子炉の炉心。
11. 【請求項１１】 炉心内に多数配置されたセルの一部が
    反応度の低い燃料集合体４体からなるコントロールセル
    であり、かつ前記炉心内部領域での前記コントロールセ
    ルに面するセルまたは最低濃縮度の燃料集合体を少なく
    とも１体含むセルに装荷される第１の燃料集合体と第２
    の燃料集合体の体数の比が、前記炉心内部領域での前記
    コントロールセル以外の前記コントロールセルに面しな
    いかつ最低濃縮度の燃料集合体を含まないセルに装荷さ
    れる前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の
    比よりも小さいことを特徴とする請求項７または８記載
    の原子炉の炉心。
12. 【請求項１２】 炉心内部領域において、第２の燃料集
    合体はコントロールセルに面するセルまたは最低濃縮度
    の燃料集合体を少なくとも１体含むセルにのみ装荷され
    ていることを特徴とする請求項１１記載の原子炉の炉
    心。
13. 【請求項１３】 請求項２乃至６記載の原子炉の炉心に
    おいて、炉心内部領域における第１の燃料集合体と第２
    の燃料集合体の体数の比を、第１サイクルにおいては炉
    心周辺領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料
    集合体の体数の比より大きく設定し、第２サイクルにお
    いては前記炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体
    と第２の燃料集合体の体数の比より小さく設定すること
    を特徴とする原子炉の炉心の運転方法。
14. 【請求項１４】 炉心周辺領域において第１の燃料集合
    体の体数は、第１サイクルでは第２の燃料集合体の体数
    より少なくかつ第２サイクルでは第２の燃料集合体の体
    数より多いことを特徴とする請求項１３記載の原子炉の
    炉心の運転方法。
15. 【請求項１５】 炉心内部領域において第１の燃料集合
    体の体数は、第１サイクルでは第２の燃料集合体の体数
    より多くかつ第２サイクルでは第２の燃料集合体の体数
    より少ないことを特徴とする請求項１３または１４記載
    の原子炉の炉心の運転方法。
16. 【請求項１６】 炉心の最外周には最高濃縮度の燃料集
    合体として、第１サイクルでは第２の燃料集合体を、ま
    た第２サイクルでは第１の燃料集合体を装荷することを
    特徴とする請求項１３または１５記載の原子炉の炉心の
    運転方法。
17. 【請求項１７】 第１サイクルから第２サイクルに移行
    する際に、炉心内部領域内の低濃縮度燃料集合体４体か
    らなるコントロールセルに装荷された低濃縮度燃料集合
    体を、前記コントロールセル以外に装荷された低濃縮度
    燃料集合体と交換することを特徴とする請求項１３乃至
    １６記載の原子炉の炉心の運転方法。
18. 【請求項１８】 第１サイクルから第２サイクルに移行
    する際に、炉心周辺領域に装荷された第２の燃料集合体
    を、炉心内部領域に装荷された第１の燃料集合体と交換
    することを特徴とする請求項１３乃至１７記載の原子炉
    の炉心の運転方法。