JPH1090460A

JPH1090460A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH1090460A
Application number: JP8249462A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Watanabe; 庄一渡辺; Yasushi Hirano; 靖平野; Ritsuo Yoshioka; 律夫吉岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-04-10
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: JP3874466B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＭＯＸ燃料集合体中のＰｕ富化度の種類を減
らしかつＰｕ装荷量を大きくすると同時に、炉心高さ方
向の出力分布を平坦化し運転サイクル末期での可燃性毒
物の燃え残りをなくすことで、燃料設計の融通性及び燃
料経済性を高める。【解決手段】軸心部分に可燃性毒物を含みかつこの軸
心部分を可燃性毒物を含まない物質で包囲した燃料棒Ｇ
i を燃料集合体の最外周領域に配置する。これらＧi の
軸心部分の直径はＧ1 、Ｇ2 、Ｇ4 の順に大きく、Ｇ3
の直径は上半分がＧ2 、下半分がＧ4 と同じとする。こ
のＧ3 はウォータロッドに面する位置にも配置する。ま
たこれら以外の場所には可燃性毒物を含まない燃料棒Ｍ
を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉で用いられ
る燃料集合体に係り、特に二酸化ウランと二酸化プルト
ニウムの混合酸化物からなる燃料棒を多数装荷してなる
沸騰水型原子炉に利用される燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉に使用する核燃料集合体
は、これまでは基本的に核燃料物質としてウランを使用
している。すなわち、ウランの酸化物（ＵＯ₂ ）を円柱
状に成型し焼結したペレットをジルコニウム合金製の被
覆管に封入したウラン燃料棒を製造し、この燃料棒を多
数本正方格子状に束ねて燃料集合体としている。燃料集
合体中では燃料棒の外側に冷却材の流路が設けられてい
る。図１２（ａ）は従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体
の縦断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ矢視
方向断面図である。燃料集合体９は燃料棒４と、内部を
冷却材が流れるウォータロッド５とを、スペーサ６によ
り例えば９行９列の正方格子状に束ねて、上部タイプレ
ート７及び下部タイプレート８により固定して燃料棒束
とし、この燃料棒束をジルカロイ製のチャンネルボック
ス３で包囲して構成される。この燃料集合体９は、７４
本の燃料棒４と２本の円筒状の太径ウォータロッド７を
有する。

【０００３】沸騰水型原子炉では、燃料集合体９の各燃
料棒４間には沸騰水の流路が設けられている。また燃料
集合体９間には減速材である水が流通する水ギャップが
設けられているが、炉心の燃料集合体水平断面方向の減
速材分布が均一でない等の理由により、炉心の水平断面
方向出力分布に歪みが生ずる。よって、ウラン濃縮度あ
るいはプルトニウム富化度が異なる数種類の燃料棒４を
適切に配置することにより、局所出力分布の平坦化を図
っている。

【０００４】さらに、燃焼初期における余剰の核分裂連
鎖反応を抑制し余剰反応度を適切に制御するために、一
部の燃料棒には、可燃性毒物としてガドリニア（Ｇｄ₂
Ｏ₃）のような中性子吸収体がほぼ全長にわたって添加
されている。この可燃性毒物入り燃料棒における中性子
吸収効果は、燃焼が進むにつれてほぼ直線的に低下す
る。可燃性毒物の添加量は、燃料経済性の観点から、運
転サイクル末期において可燃性毒物が残留量が極力残留
しないように設定される。

【０００５】燃料棒によっては、可燃性毒物が高さ方向
に一様に分布するもののほかに、燃料集合体高さ方向で
可燃性毒物の濃度が異なるいくつかの領域に分かれるも
のがある。このように燃料棒内の可燃性毒物濃度を数種
類に設定することについて、以下説明する。

【０００６】沸騰水型原子炉では出力運転時には沸騰水
のボイド率が炉心上方で大きくなるため、炉心下方にお
いて減速材密度が高く、炉心高さ方向出力分布は炉心下
方でピークを生ずる。このため、特公昭６１−３７５９
１号公報に開示された発明では、可燃性毒物を燃料棒全
長に添加しかつ燃料棒下半分の可燃性毒物濃度を大きく
する、あるいは燃料棒の下半分にのみ可燃性毒物を添加
することにより、炉心下方における出力分布の歪を改善
している。

【０００７】一方、原子炉が冷温炉停止時においては減
速材分布が上下一様となるため、出力運転時とは逆に炉
心上方において反応度が高くなる特性を示す。これは、
出力運転時には炉心上方は出力が低いため燃焼が進みに
くく核分裂性物質が燃え残りやすいこと、またボイド率
が高いため中性子束スペクトルが硬くプルトニウムの生
成割合が大きいこと等による。このため、特開昭６０−
２３８７８４号公報に開示された発明では、冷温炉停止
時における炉心高さ方向の中性子束分布が最も高くなる
位置、具体的には高さ位置１９／２４から２１／２４ま
での範囲で可燃性毒物濃度を高くすることにより、炉心
の反応度を抑制して炉停止余裕を改善している。なお、
以下高さ位置ｋ／２４（ｋは１から２４までの自然数）
とは、燃料棒の燃料ペレット充填領域を２４ノードに分
割したとき最下部から数えてｋノードめの位置を指すも
のとする。

【０００８】ところで近年、燃料経済性の向上を図るた
めにウラン燃料集合体の高燃焼度化すなわち高濃縮度化
が進められている。また、これと平行して、使用済ウラ
ン燃料を再処理して得られたプルトニウムを軽水炉で再
利用するプル・サーマル利用（Plutonium thermal util
ization ）の計画が進められている。これは、再処理で
回収された二酸化プルトニウム（ＰｕＯ₂ ）に二酸化ウ
ラン（ＵＯ₂ ）を混合することにより、混合酸化物燃料
（mixed-oxide fuel；以下、ＭＯＸ燃料という）を製造
し利用するものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したプル・サーマ
ル利用の観点から、最近の燃料集合体の中には、ＭＯＸ
燃料集合体中の大部分の燃料棒をＭＯＸ燃料棒とするこ
とでＭＯＸ燃料集合体におけるプルトニウムの装荷量を
高めたものが開発されている。

【００１０】これらの燃料集合体において高燃焼度化を
図るためには、各燃料棒のウラン濃縮度やプルトニウム
富化度を高める必要があり、さらに可燃性毒物入り燃料
棒の本数を増して余剰反応度を抑制する必要がある。こ
れにより燃料棒配置の自由度は著しい制約を受けること
になる。

【００１１】また一方でＭＯＸ燃料集合体については、
製造コスト低減の観点からＭＯＸ燃料棒の製造工程の簡
素化を図る必要もある。このため、特開平３−１２８４
８２号公報に開示された発明では、可燃性毒物をウラン
燃料棒のみに添加してＭＯＸ燃料棒には添加しない構成
としている。

【００１２】一般に、ＭＯＸ燃料集合体では特にプルト
ニウム２４０の共鳴中性子吸収断面積が大きいため、ウ
ラン燃料集合体と比べて中性子束スペクトルが硬く、ガ
ドリニアの熱中性子吸収割合が小さい。よってＭＯＸ燃
料集合体においては、余剰反応度を抑制するために、ウ
ラン燃料集合体の場合と比べて可燃性毒物入り燃料棒を
多く配置する必要がある。しかし上述の特開平３−１２
８４８２号公報に開示された発明では、可燃性毒物入り
燃料棒の本数を増加させるとＭＯＸ燃料棒本数が減るか
ら、プルトニウム装荷量を増加させるのは難しい。

【００１３】図１３は、特開平４−２４４９９４号に開
示されているガドリニアをウラン燃料棒に添加する方法
による、従来のＭＯＸ燃料集合体１０の燃料棒配置の一
例を示す水平方向断面図である。ここでは可燃性毒物と
してガドリニアを採用している。図中、記号ＧU はガド
リニア入りウラン燃料棒を、また記号Ｍ1 、Ｍ2 、Ｍ3
、Ｍ4 はそれぞれプルトニウム富化度が異なるＭＯＸ
燃料棒を示し、ＭＯＸ燃料棒は添字番号が若いほどプル
トニウム富化度が大きいものとする。このＭＯＸ燃料集
合体１０では７４本の燃料棒４中、外周部を除く領域に
ほぼ均等に２２本のガドリニア入りウラン燃料棒ＧU が
配置されているが、この配置はガドリニアのもえ残りが
生じにくいように隣接配置を避けたものである。また燃
料集合体１０の隅部には燃料棒Ｍ4 を、この燃料棒Ｍ4
に隣接する位置に燃料棒Ｍ3 を配置する。また、燃料集
合体１０の最外周部で燃料棒Ｍ3 、Ｍ4 の配置されない
位置に燃料棒Ｍ2 を配置する。また燃料集合体１０最外
周部以外の位置にはガドリニア入り燃料棒ＧU に隣接し
て燃料棒Ｍ1 を配置する。

【００１４】このＭＯＸ燃料集合体においてガドリニア
入り燃料棒ＧU の本数をさらに増やすと、それに伴いＭ
ＯＸ燃料棒の本数が減少し燃料集合体当たりのプルトニ
ウム装荷量が減少する。またこの場合、ガドリニア入り
燃料棒ＧU 同士を隣接して配置することに伴って燃料棒
１本あたりの中性子吸収効果が低減し、燃焼後のガドリ
ニアの残留量が増加する。従って、プルトニウム富化度
を増した高燃焼度燃料集合体の設計に関しては、現状で
は図１３に示した場合より多くのガドリニア入り燃料棒
ＧU を配置することは困難である。

【００１５】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、製造コストを低減しつつも燃料設計の融通性及び
燃料経済性に優れた燃料集合体として、炉心の反応度を
適切に制御し、運転サイクル末期での可燃性毒物の燃え
残りをなくすとともに、出力分布の歪の平坦化された熱
的余裕の大きい、かつ燃料集合体あたりのプルトニウム
装荷量の十分多い沸騰水型原子炉に用いられる燃料集合
体を提供することを目的とする。

【００１６】

【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、核分裂性物質及び可燃性毒物を含む第
１の燃料棒と、核分裂性物質を含み可燃性毒物を含まな
い第２の燃料棒と、内部を冷却材が流れるウォータロッ
ドとを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、
燃料集合体のウォータロッドに面する位置のうち少なく
とも一部または燃料集合体の最外周領域に第１の燃料棒
を配置し、かつこの第１の燃料棒の軸心部分は可燃性毒
物を含有する物質からなり、さらに第１の燃料棒の軸心
部分を除いた領域は可燃性毒物を含有しない核分裂性物
質からなることを特徴とする燃料集合体を提供する。

【００１７】この構成により、熱中性子束の高い位置、
すなわち燃料集合体の最外周領域あるいはウォータロッ
ドに面する位置に第１の燃料棒を多く配置することによ
り、第１の燃料棒の可燃性毒物による中性子吸収効果を
高める。またウォータロッドに面する位置に配置された
第１の燃料棒により、冷温炉停止時のウォータロッド周
辺の減速材密度の増加に伴う中性子束の高まりを抑制し
炉停止余裕を十分確保する。

【００１８】さらに、第１の燃料棒に含まれる可燃性毒
物はガドリニアとする。また、第１の燃料棒及び第２の
燃料棒に含まれる核分裂性物質は、二酸化ウランと二酸
化プルトニウムとの混合酸化物（ＭＯＸ）とする。

【００１９】これにより、特に本発明をＭＯＸ燃料集合
体に適用することで、上述したプル・サーマル利用の促
進を図る。さらに、第１の燃料棒の軸心部分に位置する
可燃性毒物の母材を、二酸化ウランもしくは中性子吸収
断面積の小さい多孔質のセラミックスとする。これによ
り、まず燃料ペレットの軸心部分を除いた領域を成型し
中空ペレットを製造した後可燃性毒物を含有する軸心部
分を成型することで、可燃性毒物入り燃料棒を直接製造
しないため、製造コストを低減するとともに可燃性毒物
による製造設備の汚染を極力除去することができる。

【００２０】さらに、第１の燃料棒は上下端部を除いて
上部領域と下部領域とに分かれ、可燃性毒物の濃度が上
部領域と下部領域とで均一な第３の燃料棒と、可燃性毒
物の濃度が上部領域より下部領域の方が大きい第４の燃
料棒とからなり、かつウォータロッドに面する位置に配
置される第１の燃料棒は第４の燃料棒であるよう設定す
る。具体的には、第４の燃料棒の可燃性毒物を含む軸心
部分の直径が上部領域より下部領域の方が大きくなるよ
う設定するか、あるいは第４の燃料棒の可燃性毒物を含
む軸心部分の可燃性毒物濃度が上部領域より下部領域の
方が大きくなるよう設定する。この構成により、特に燃
料集合体下部領域において可燃性毒物による中性子吸収
を増すことで、炉心高さ方向の出力分布の平坦化を図
る。

【００２１】さらに、第４の燃料棒のうち少なくとも一
部の燃料棒は、燃料棒の高さ位置１９／２４から２１／
２４の範囲の軸心部分の直径を燃料下部の軸心部分の直
径と実質的に同じとする。これにより、炉心高さ方向で
冷温炉停止時において中性子束が最も高くなる位置に可
燃性毒物を多く配置することにより、当該領域での反応
度を抑制し炉停止余裕を十分確保する。

【００２２】さらに、第４の燃料棒は、可燃性毒物を含
む軸心部分の直径が上部領域より下部領域の方が大きい
第５の燃料棒と、軸心部分の直径が下部領域より上部領
域の方が大きい第６の燃料棒とからなり、かつウォータ
ロッドに面する位置に配置される第４の燃料棒は第５の
燃料棒であり、さらに燃料集合体の最外周に配置される
第１の燃料棒は第６の燃料棒であるよう設定する。

【００２３】すなわち第６の燃料棒は、可燃性毒物を含
む物質の表面積は下部領域より上部領域の方が大きく、
かつ可燃性毒物の濃度は上部領域より下部領域の方が大
きいものである。

【００２４】この構成により、炉心上方のプルトニウム
及びガドリニアの量を若干減らして炉心上方の中性子ス
ペクトルを硬化させることにより、炉心高さ方向の出力
分布に歪を生じることなく炉停止余裕を増すことができ
る。

【００２５】さらに、第１の燃料棒の上下端部に封入さ
れた燃料ペレットは可燃性毒物を含有しない物質からな
るよう設定する。この上下端部のペレットとして天然ウ
ランまたは劣化ウランからなる二酸化ウランペレットを
採用することで、燃焼の進みにくい領域において余分の
核分裂性物質の量を削減する。また上下端部に中空ペレ
ットを採用した場合には、核分裂性物質量低減に加えて
ガスプレナムの体積を増加することができる。さらに中
空ペレットの中空部に中性子吸収断面積の小さい多孔質
のセラミックスを封入することにより、中空ペレットの
欠落を防止する。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下本発明の第１の実施形態につ
いて説明する。図１は本実施形態に係る燃料集合体１の
燃料棒配置を示す水平方向断面図、図２はこの燃料集合
体１を構成する各燃料棒の高さ方向のガドニリア分布を
示す軸方向断面図である。

【００２７】図中記号Ｍは可燃性毒物を含まないＭＯＸ
燃料棒、Ｇ1 、Ｇ2 、Ｇ3 、Ｇ4 は可燃性毒物としてガ
ドリニアを含むＭＯＸ燃料棒である。各ガドリニア入り
ＭＯＸ燃料棒Ｇi は軸心部分にガドリニアを含有する物
質を配置し、この軸心部分の外周にはガドリニアを含有
しない物質を配置した構造となっている。なお図２では
軸心部分のガドリニアを含有する物質を斜線で示した。
ここではガドリニアの母材として二酸化ウランを用い
る。また、簿剤として中性子断面積の小さいたこ宇出津
のセラミックスを用いてもよい。この斜線部分を除いた
領域はガドリニアを含有しないＭＯＸ燃料で占められ
る。

【００２８】また、各燃料棒Ｇi の軸心部分を除いた部
分及び燃料棒ＭにおけるＭＯＸのプルトニウム富化度は
一様である。すなわち、上記従来の技術で説明した図１
２の燃料集合体１０ではプルトニウム富化度の異なる４
種類の燃料ペレットを製造する必要があったのに対し、
本実施形態ではプルトニウム富化度は一様と設定できう
ので、燃料製造コストを著しく低減することができる。

【００２９】これらの燃料棒に用いられる燃料ペレット
の外径は約９．６ｍｍであるが、ガドリニアを含有する
軸心部分の直径は、燃料棒Ｇ1 、Ｇ2 及びＧ4 はそれぞ
れ５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍで上下方向一様である。また
燃料棒Ｇ3 の軸心部分は、図中符号１１を付した燃料棒
の高さ位置１／２４から１２／２４の部分、すなわち燃
料棒下半分のうち最下部１ノードを除いた部分は４ｍ
ｍ、その他の部分は３ｍｍとなっている。またこれら軸
心部分の母材には二酸化ウラン、とりわけ劣化ウランを
用いることとし、軸心部分のガドリニア濃度はいずれも
一様に５％とする。

【００３０】こうした軸心部分の直径及びガドリニア濃
度の値はこれに限定されるものではないが、この構成に
より、燃料棒の上下１ノードを除いた領域において、燃
料棒Ｇ1 、Ｇ2 、Ｇ4 についてはガドリニア濃度は上部
領域と下部領域とで均一であるが、燃料棒Ｇ3 について
はガドリニア濃度は上部領域より下部領域の方が大きく
なっている。

【００３１】燃料集合体１中の燃料棒配置について、図
１を参照して説明する。燃料集合体１の最外周領域につ
いては、燃料集合体１の隅部に燃料棒Ｇ1 を、この燃料
棒Ｇ1 に隣接する位置に燃料棒Ｇ2 を、またこの燃料棒
Ｇ2 に隣接する位置に燃料棒Ｇ3 を、さらにこれらの燃
料棒Ｇ1 、Ｇ2 、Ｇ3 の配置されない位置に燃料棒Ｇ4
を、それぞれ配置する。また、ウォータロッド５に２方
向で隣接する位置に燃料棒Ｇ3 を配置し、この燃料棒Ｇ
3 及びウォータロッド５に隣接する位置にも燃料棒Ｇ3
を配置する。それ以外の位置には燃料棒Ｍを配置する。

【００３２】ＭＯＸ燃料棒Ｇi の軸心部分の外周に装填
されたＭＯＸによる中性子遮蔽効果が無視できないた
め、上述のように、熱中性子束の高い水ギャップに面す
る位置あるいはウォータロッド５に面する位置に燃料棒
Ｇi を配置することにより、ガドリニアの中性子吸収効
果を高めることができる。

【００３３】一般に、ガドリニアを含む軸心部分の外径
が大きいほど、表面積が大きいことによりガドリニアに
よる中性子吸収効果が大きい。本実施形態では特に熱中
性子束の高い燃料集合体隅部及びその近接位置に軸心部
分の外径の大きい燃料棒Ｇ1及びＧ2 を配置している。

【００３４】またウォータロッド５に面する位置６箇所
に燃料棒Ｇ3 を配置したことで、冷温炉停止時に燃料集
合体１の中心部において減速材密度が増して熱中性子束
が高くなるのを抑制し、炉停止余裕を改善することがで
きる。

【００３５】図３は本実施形態に係る燃料集合体１に関
する、燃料集合体上下平均のボイド率が４０％の場合の
無限増倍率の燃焼推移を、上記従来の技術で説明した図
１２の燃料集合体１０と比較して示したグラフである。
図中符号２１を付した実線が本実施形態を、また符号２
２を付した破線が従来の場合を示したものである。また
それぞれの場合において可燃性毒物がない場合、すなわ
ち燃焼進行につれて無限増倍率が直線的に低下する場合
をともに破線で示した。

【００３６】本実施形態では、熱中性子束の高い位置に
ガドリニア入り燃料棒を多く配置したことにより、ガド
リニアの燃え尽きる燃焼度が短くなっている。すなわ
ち、図３によれば、無限増倍率の燃焼推移がガドリニア
なしの場合とほぼ同様の挙動をなすのは、従来の場合は
およそ１４ＧＷｄ／ｔ以降であるのに対し、本実施形態
ではおよそ１０ＧＷｄ／ｔ以降である。よって本実施形
態では、運転サイクル末期におけるガドリニアの燃え残
りが少なくなり、その結果として反応度利得が向上す
る。

【００３７】図４は本実施形態に係る燃料集合体１に関
する局所出力ピーキング係数の燃焼推移を、上記従来の
技術で説明した図１２の燃料集合体１０の場合と比較し
て示したグラフである。図中符号２３を付した実線が本
実施形態を、また符号２４を付した破線が従来の場合を
示したものである。このように、富化度種類数が従来の
４から１に減ったにも関わらず局所出力分布の歪は大幅
に改善されている。

【００３８】図５は本実施形態に係る燃料集合体１を装
荷した平衡サイクル炉心における炉心平均高さ方向の出
力分布である。ここで、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれ
ぞれ運転サイクル初期（ＢＯＣ）、中期（ＭＯＣ）及び
末期（ＥＯＣ）を示す。なお運転サイクル末期において
は制御棒は全引抜きされる。グラフの縦軸には炉心高さ
方向位置を全体を２４ノードとして示し、横軸には相対
出力、すなわち出力を平均出力を１として規格化したも
のを示す。また、図中符号２５を付した○印が本実施形
態の出力分布を、符号２６を付した×印が従来技術の場
合の出力分布を示したものである。

【００３９】この図からわかるように、従来の燃料集合
体１０と比較して、運転サイクル全般にわたって、燃料
集合体の下半分での出力が小さく抑えられまた上半分で
の出力はやや上昇するから、燃料集合体１は全体として
高さ方向の出力分布の歪が平坦化される。また本実施形
態では、特にＢＯＣでの相対出力は上下端の数ノードを
除いてほぼ一定となっており、出力分布の歪が大幅に改
善されることがわかる。

【００４０】なお、ここで燃料棒各ガドリニア入り燃料
棒Ｇi の母材としては劣化ウランに限らず、天然ウラン
や低濃縮ウランを採用してもよい。また、酸化ジルコニ
ウム（ＺｒＯ₂ ）やアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）に代表され
る非核分裂性物質で構成することもできる。

【００４１】本実施形態に係る燃料棒の製造工程では、
可燃性毒物入り燃料棒を直接製造することはない。すな
わちこの燃料棒の製造にあたっては、例えばまず燃料ペ
レットの軸心部分を除いた領域を成型し中空ペレットを
製造した後、可燃性毒物を含有する軸心部分を成型する
ことにより燃料ペレットを製造し、これを燃料被覆管に
積層封入するという方法が考えられる。この製造工程で
は、特にＭＯＸ燃料集合体では軸心部分の母材としてＭ
ＯＸ以外の物質を用いることにより、製造コストを低減
を図るとともに可燃性毒物による製造設備の汚染を極力
除去することができる。

【００４２】以下本発明の第２の実施形態について説明
する。図６は本実施形態に係る燃料集合体を構成する各
燃料棒の高さ方向のガドニリア分布を示す軸方向断面図
である。本実施形態は、第１の実施形態における燃料集
合体１中の燃料棒Ｍ、Ｇ1 、Ｇ2 、Ｇ3 、Ｇ4 の配置は
同様であるが、燃料棒のうちＧ3 、Ｇ4 のガドリニア濃
度を一部変更したものである。すなわち図６において、
燃料棒Ｇ3 の軸心部分のうち図中符号１１を付した高さ
位置１／２４から１２／２４の部分、すなわち最下部１
ノードを除いた下半分についてのガドリニア濃度を、燃
料棒Ｇ3 の上半分の軸心部分のガドリニア濃度よりも低
く設定する。また燃料棒Ｇ4 の軸心部分のうち図中符号
１２を付した高さ位置１／２４から１２／２４の部分の
ガドリニア濃度を、燃料棒Ｇ4 上半分の軸心部分のガド
リニア濃度よりも高く設定する。さらにこれらの燃料棒
からなる燃料集合体は、全体として、上半分より下半分
の方がガドリニア濃度が高くなるよう設定する。

【００４３】本実施形態は、特にガドリニアによる中性
子吸収効果が大きく燃焼の進行が早い部分のガドリニア
濃度を高めた構成となっている。これにより、第１の実
施形態とほぼ同様の作用効果が得られると同時に、特に
燃料集合体の下半分の中性子吸収効果を増すことで、第
１の実施形態と比較してさらなる炉心軸方向の出力分布
の平坦化を図ることができる。

【００４４】以下本発明の第３の実施形態について説明
する。図７は本実施形態に係る燃料集合体を構成する各
燃料棒の高さ方向のガドニリア分布を示す軸方向断面図
である。本実施形態は、第１の実施形態における燃料集
合体中の燃料棒Ｍ、Ｇ1 、Ｇ2 、Ｇ3 、Ｇ4 の配置は同
様であるが、各燃料棒上下端部の構造及び燃料棒Ｇ4の
ガドリニアを含有する軸心部の外径を一部変更したもの
である。すなわち図７において、図中符号１４を付した
各燃料棒の上下端部に天然ウランまたは劣化ウランを配
置する。また燃料棒Ｇ4 の軸心部分のうち図中符号１３
を付した高さ位置２／２４から８／２４の部分、すなわ
ち最下部１ノードを除いた下部１／３の部分の直径を、
その上方の軸心部分の直径よりも大きく設定する。

【００４５】これにより、第１の実施形態とほぼ同様の
作用効果が得られると同時に、燃焼の進みにくい燃料棒
上下端部１４における核分裂性物質を削除することがで
きる。またこの削除に伴い生じる端部での出力低下によ
って炉心高さ下部での出力ピーキングが増大するのを防
止するために燃料棒Ｇ4 の軸心部分の下部の直径を大き
くしたことにより、炉心高さ方向出力ピーキングの増大
を抑制することができる。

【００４６】以下本発明の第４の実施形態について説明
する。図８は本実施形態の燃料集合体を構成する各燃料
棒の高さ方向のガドニリア分布を示す軸方向断面図であ
る。本実施形態は、第１の実施形態における燃料集合体
中の燃料棒Ｍ、Ｇ1 、Ｇ2 、Ｇ3 、Ｇ4 の配置は同様で
あるが、燃料棒Ｇ3 のガドリニアを含有する軸心部の直
径を一部変更したものである。すなわち図８において、
燃料棒Ｇ4 の軸心部分のうち図中符号１５を付した高さ
位置１９／２４から２１／２４の部分の直径を、その上
方の軸心部分の直径よりも大きく設定する。

【００４７】これにより、第１の実施形態とほぼ同様の
作用効果が得られる。さらに、第１の実施形態における
高さ位置１９／２４から２１／２４の範囲での軸心部分
の直径は３ｍｍであったから、当該部分の直径を例えば
５ｍｍとした場合、こうして冷温炉停止時の中性子束が
高くなる領域においてガドリニア含有量を局所的に増加
させることにより、炉心の反応度を抑制して炉停止余裕
を約０．５％Δｋ増大させることができる。

【００４８】以下本発明の第５の実施形態について説明
する。図９は本実施形態の燃料集合体を構成する各燃料
棒の高さ方向のガドニリア分布を示す軸方向断面図であ
る。本実施形態は、第１の実施形態における燃料集合体
中の燃料棒Ｍ、Ｇ1 、Ｇ2 、Ｇ3 、Ｇ4 の配置は同様で
あるが、燃料棒Ｇ4 のガドリニアを含有する軸心部分を
一部変更したものである。すなわち、それぞれ符号１６
を付して示した、燃料棒Ｇ4 の上半分の軸心部分の直径
を下半分の直径よりも大きく設定した。さらに、これら
の燃料棒Ｇ4 の上半分の軸心部分のガドリニア含有量を
下半分より小さく設定する。

【００４９】これにより、第１の実施形態とほぼ同様の
作用効果が得られる。さらに、炉心上方のプルトニウム
富化度及びガドリニア量を若干減らして炉心上方の中性
子束スペクトルを硬化させることにより、プルトニウム
をより効率よく燃焼させることができるから、炉心高さ
方向の出力分布の歪をさらに低減し、かつ炉停止余裕を
増すことができる。

【００５０】以下本発明の第６の実施形態について説明
する。図１０は本実施形態の燃料集合体を構成する各燃
料棒の高さ方向のガドニリア分布を示す軸方向断面図で
ある。本実施形態は、第１の実施形態における燃料集合
体中の燃料棒Ｍ、Ｇ1 、Ｇ2、Ｇ3 、Ｇ4 の配置は同様
であるが、各燃料棒の上下端部を中空ペレットに変更し
たものである。すなわち、図中符号１７で示した部分を
中空としている。

【００５１】これにより、第１の実施形態とほぼ同様の
作用効果が得られる。さらに、燃焼の進みにくい領域に
おいて核分裂性物質の量を減らしかつガスプレナムの体
積を増すことができる。

【００５２】またこの中空部分に酸化ジルコニウムやア
ルミナ等の中性子吸収断面積の小さい多孔質のセラミッ
クスを封入することによっても、上述と同様の作用効果
が得られる。

【００５３】以下本発明の第７の実施形態について説明
する。図１１は本実施形態に係る燃料集合体２の燃料棒
配置を示す水平方向断面図である。本実施形態は、第１
の実施形態における燃料集合体１のウォータロッド５に
代えて角型ウォータロッド１８を燃料集合体の中心部に
設けたものである。燃料集合体１体あたりの燃料棒本数
は第１の実施形態より２本少ない７２本であるが、基本
的な燃料棒配置は第１の実施形態と同様である。これに
より、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。

【００５４】また、第１の実施形態に係る燃料集合体の
燃料棒に代えて、第２乃至第６の実施形態に係る燃料集
合体の燃料棒を配置することも考えられる。これによ
り、各々の実施形態に対応する作用効果が得られる。以
上いくつかの実施の形態を示したが、各実施形態はＭＯ
Ｘ燃料集合体に限らず、従来のウラン燃料集合体におい
ても同様に適用可能である。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、可燃
性毒物を燃料棒の軸心部分に配置した燃料棒を燃料集合
体中に上述の適切な位置に配置することにより、プルト
ニウム富化度の種類を大幅に減らしたことで製造コスト
の著しい低減が図れると同時に、炉心の高さ方向出力分
布を平坦化し熱的余裕を向上させ、かつ運転サイクル末
期での可燃性毒物の燃え残りをなくし、さらに燃料集合
体１体あたりのプルトニウム装荷量を十分大きくするこ
とにより、燃料設計の融通性及び燃料経済性に優れた原
子炉を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料集合体の燃
料棒配置を示す水平方向断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料集合体を構
成する各燃料棒のガドリニア分布を示す軸方向断面図で
ある。

【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料集合体の無
限増倍率の燃焼推移を示すグラフである。

【図４】本発明の第１の実施形態に係る燃料集合体の局
所出力ピーキング係数の燃焼推移を示すグラフである。

【図５】本発明の第１の実施形態に係る燃料集合体を装
荷した平衡サイクル炉心における炉心高さ方向出力分布
を示すグラフであり、（ａ）は運転サイクル初期、
（ｂ）は運転サイクル中期、（ｃ）は運転サイクル末期
のものである。

【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料集合体を構
成する各燃料棒のガドリニア分布を示す軸方向断面図で
ある。

【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料集合体を構
成する各燃料棒のガドリニア分布を示す軸方向断面図で
ある。

【図８】本発明の第４の実施形態に係る燃料集合体を構
成する各燃料棒のガドリニア分布を示す軸方向断面図で
ある。

【図９】本発明の第５の実施形態に係る燃料集合体を構
成する各燃料棒のガドリニア分布を示す軸方向断面図で
ある。

【図１０】本発明の第６の実施形態に係る燃料集合体を
構成する各燃料棒のガドリニア分布を示す軸方向断面図
である。

【図１１】本発明の第７の実施形態に係る燃料集合体の
燃料棒配置を示す水平方向断面図である。

【図１２】（ａ）は従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体
の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視方向断面図で
ある。

【図１３】従来のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配置の一例
を示す水平方向断面図である。

【符号の説明】

１、２、９燃料集合体３チャンネルボックス４燃料棒５、１８ウォータロッド６スペーサ７上部タイプレート８下部タイプレート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核分裂性物質及び可燃性毒物を含む第１
の燃料棒と、核分裂性物質を含み可燃性毒物を含まない
第２の燃料棒と、内部を冷却材が流れるウォータロッド
とを格子状に束ねて構成される燃料集合体において、前
記燃料集合体の前記ウォータロッドに面する位置及び前
記燃料集合体の最外周のうち少なくとも一部に前記第１
の燃料棒を配置し、かつこの第１の燃料棒の軸心部分は
可燃性毒物を含有する物質からなり、さらに前記第１の
燃料棒の軸心部分を除いた領域は可燃性毒物を含有しな
い核分裂性物質からなることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】前記第１の燃料棒に含まれる可燃性毒物
はガドリニアであることを特徴とする請求項１記載の燃
料集合体。
【請求項３】前記第１の燃料棒及び前記第２の燃料棒
に含まれる核分裂性物質は、二酸化ウランと二酸化プル
トニウムとの混合酸化物であることを特徴とする請求項
１記載の燃料集合体。
【請求項４】前記第１の燃料棒の軸心部分に位置する
可燃性毒物の母材は二酸化ウランであることを特徴とす
る請求項１記載の燃料集合体。
【請求項５】前記第１の燃料棒の軸心部分に位置する
可燃性毒物の母材は中性子吸収断面積の小さい多孔質の
セラミックスであることを特徴とする請求項１記載の燃
料集合体。
【請求項６】前記第１の燃料棒は上下端部を除いて上
部領域と下部領域とに分かれ、前記可燃性毒物の濃度が
前記上部領域と前記下部領域とで均一な第３の燃料棒
と、前記可燃性毒物の濃度が前記上部領域より前記下部
領域の方が大きい第４の燃料棒とからなり、かつ前記ウ
ォータロッドに面する位置に配置される第１の燃料棒は
前記第４の燃料棒であることを特徴とする請求項１記載
の燃料集合体。
【請求項７】前記第４の燃料棒は、前記可燃性毒物を
含む軸心部分の直径が前記上部領域より前記下部領域の
方が大きいことを特徴とする請求項６記載の燃料集合
体。
【請求項８】前記第４の燃料棒は、前記可燃性毒物を
含む軸心部分の可燃性毒物濃度が前記上部領域より前記
下部領域の方が大きいことを特徴とする請求項６記載の
燃料集合体。
【請求項９】前記第４の燃料棒は、燃料棒の高さ位置
１９／２４から２１／２４の範囲の軸心部分の直径が高
さ位置２１／２４より上方の範囲の軸心部分の直径より
大きいことを特徴とする請求項６または７記載の燃料集
合体。
【請求項１０】前記第４の燃料棒は、前記可燃性毒物
を含む軸心部分の直径が前記上部領域より前記下部領域
の方が大きい第５の燃料棒と、前記軸心部分の直径が前
記下部領域より前記上部領域の方が大きい第６の燃料棒
とからなり、かつ前記ウォータロッドに面する位置に配
置される第４の燃料棒は前記第５の燃料棒であり、さら
に前記燃料集合体の最外周に配置される第１の燃料棒の
うち少なくとも一部は前記第６の燃料棒であることを特
徴とする請求項６記載の燃料集合体。
【請求項１１】前記第１の燃料棒の上下端部に封入さ
れた燃料ペレットは可燃性毒物を含有しない物質からな
ることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【請求項１２】前記第１の燃料棒の上下端部に封入さ
れた燃料ペレットは天然ウランまたは劣化ウランからな
ることを特徴とする請求項１１記載の燃料集合体。
【請求項１３】前記第１の燃料棒の上下端部に封入さ
れた燃料ペレットは中空ペレットであることを特徴とす
る請求項１１記載の燃料集合体。