JPH11174178A - 燃料集合体及び原子炉炉心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高燃焼度化を図った燃料集合体において、Ｈ／
Ｕ比の径方向均一化を確保しつつ、可燃性毒物の燃焼不
均一を抑制し軸方向・径方向出力分布の均一化を図れる
構成を提供する。 【解決手段】 燃料棒１０１は、燃料有効長が通常の長
さであって可燃性毒物を含まない第１の燃料棒１０１ａ
と、燃料有効長が通常の長さであってガドリニアを含む
第２の燃料棒１０１ｂと、燃料有効長が短い１４本の第
３の燃料棒１０１ｃとから構成されている。そして、燃
料集合体内部を制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１
１２とに２分して考えたとき、水ボックス１０２を反制
御棒側領域１１２に偏って配置するとともに、制御棒側
領域１１１に配置される第２及び第３の燃料棒１０１
ｂ，１０１ｃの本数を、反制御棒側領域１１２に配置さ
れる第２及び第３の燃料棒１０１ｂ，１０１ｃの本数よ
りも多くしている。

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
用いる燃料集合体及びこれを用いた原子炉炉心に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造
を表す概念的横断面図を図１０に示す。この図１０にお
いて、炉心１は、多数の燃料集合体２を配置して構成さ
れており、これら燃料集合体２は、４体を１組としてそ
の間に横断面十字形の制御棒３が挿入されるようになっ
ている。

【０００３】各燃料集合体２においては、多数の燃料棒
４と１本以上（図では２本）の水ロッド５を正方格子状
に配列して燃料バンドルを形成し、この燃料バンドルを
単位セル（破線で示す）６の中央に据えるとともに燃料
バンドルを囲むように横断面矩形のチャンネルボックス
８を配置している。この燃料バンドルの上下端は、チャ
ンネルボックスに挿入される上部タイプレート（図示せ
ず）及び下部タイプレート（同）によってそれぞれ支持
されている。燃料棒４は、この例では７４本が設けられ
ており、それぞれ核燃料物質を充填した燃料ペレットが
被覆管中に配置されて構成されている。またそれら７４
本のうち一部の燃料棒４の燃料ペレットには、燃焼初期
の反応を抑制するための可燃性毒物（例えばガドリニ
ア）がさらに添加されている。水ロッド５は、燃料棒４
の７本分のスペースに２本が配置されている。なお、水
ロッド５ではなく、角型の水ボックスを用いる場合もあ
る。

【０００４】この燃料集合体２では、運転時、わずかに
未飽和状態の冷却水が下部タイプレートの孔から燃料棒
４間に流入し、燃料棒４間を下部から上部に流れるにつ
れ燃料棒４により加熱されて沸騰し、二相流となって上
部タイプレートの孔から流出していく。その結果、冷却
材のボイド率は燃料集合体２下部では０％だが、上部で
は７０％程度にも達し、燃料集合体２の核的な特性を決
める要因である減速材対燃料比、即ち、水素対ウラン比
（Ｈ／Ｕ比）が軸方向位置で大きく異なることになる。
このＨ／Ｕ比が燃料集合体２の核的な特性を決める原理
は、以下のようである。すなわち、沸騰水型原子炉では
減速材として軽水を用いるため、核分裂によって発生し
た高速中性子が減速材である水で散乱減速されて熱中性
子になり次の核分裂を引き起こす、という連鎖反応によ
ってエネルギーを発生する。つまり、核分裂反応を促進
する上で水が重要な役割を果たし、水が相対的に多い領
域では核分裂反応が促進され、水が相対的に少ない領域
では核分裂反応が抑制されることとなる。

【０００５】ここで、図１０に戻り、燃料集合体２のチ
ャンネルボックス８の外側には、制御棒３や中性子検出
器計装管（図示せず）を配置するための間隙が設けられ
ている。この間隙は飽和水で満たされており、冷却材の
軽水が沸騰せずに流れる流路となるギャップ水領域９，
１０を形成している。これらギャップ水領域９，１０に
は制御棒３が挿入されるギャップ水領域９と、制御棒３
の出し入れがないギャップ水領域１０の２種類がある。
このようなギャップ水領域９，１０の存在のため、燃料
集合体２の周辺部（間隙に近い領域）にある燃料棒４と
燃料集合体２中心部の燃料棒４とでは、飽和水による影
響が異なる。すなわち、ギャップ水領域９，１０に近い
燃料集合体２の周辺部は、中心部に比べＨ／Ｕ比が大き
な領域となる。そのため、燃料集合体２の周辺部が中心
部に比べて核分裂反応が促進されるため、局所出力ピー
キングが増大することとなる。また特に、図１０の炉心
１は、制御棒側のギャップ水領域９のギャップ幅が反制
御棒側のギャップ水領域１０のギャップ幅よりも広いＤ
格子炉心となっており、ギャップ水領域９及びギャップ
水領域１０のギャップ幅が等しいＣ格子炉心とは異なる
タイプとなっている。そのため、制御棒３に面する側と
反対側とではＨ／Ｕ比が大きく異なり、局所出力ピーキ
ングも大きく異なることとなる。

【０００６】以上のようなＨ／Ｕ比の径方向分布に関
し、これを改善し最適化することは燃料集合体特性の向
上の観点から非常に重要である。そのため、従来、種々
の方法でこのＨ／Ｕ比の径方向分布の改善が行われてい
る。以下、それらについて順次説明する。

【０００７】（１）水ロッドの配置による径方向Ｈ／Ｕ
比の改善 燃料集合体の径方向のＨ／Ｕ比の改善のための方策とし
ては、特に水の少なくなる燃料集合体中央部分に配置さ
れる水ロッド（あるいは水ボックス）の本数を増加させ
たり大型化する構成がある。この水ロッドや水ボックス
の内部の水は沸騰することがないため、中性子減速効果
の十分でない燃料集合体の中央領域に効果的に水を取り
込むことができる。これにより、径方向のＨ／Ｕ比分布
を改善し、燃料集合体の特性を向上させることが可能と
なっている。

【０００８】特に、Ｄ格子炉心に装荷される燃料集合体
では、図１０で前述したように、制御棒３が位置する側
のギャップ水領域９とその反対側のギャップ水領域１０
の面積が等しくないことにより、径方向のＨ／Ｕ比が不
均一となり、局所出力ピーキングが増大する傾向にあ
る。これに対しては、従来より燃料棒４のウラン２３５
の濃縮度を調整する方法が用いられている。すなわち、
熱中性子束が相対的に小さい狭いギャップ水領域１０に
面する側の燃料棒４を比較的高い濃縮度とし、熱中性子
束が相対的に大きじ広いギャップ水領域９に面する側の
燃料棒４を比較的低い濃縮度とすることにより、両者の
出力差を低減し、径方向の局所出力ピーキングを抑制す
るものである。

【０００９】（２）高燃焼度化におけるＨ／Ｕ比の改善 ところで、近年、沸騰水型原子炉において、プラント利
用率の向上と共にウラン資源を有効に活用する方法とし
て、燃料の高燃焼度化及び長期運転サイクル化が提唱さ
れている。このとき、燃料集合体の取出燃焼度を高める
ためには濃縮度を高める必要があるため燃料集合体のＨ
／Ｕ比が影響を受けることになるが、適切な炉停止余裕
やボイド反応度係数を得る減速状態となるように配慮す
る必要がある。また、長期運転サイクル化による炉内滞
在期間の延長は、Ｈ／Ｕ比が径方向で異なるという影響
を燃料が炉心内で長期間受けることを意味しており、こ
のＨ／Ｕ比の影響がさらに拡大することになる。

【００１０】このような高燃焼度化を図った燃料集合体
における径方向Ｈ／Ｕ比の改善に関する公知技術として
は、例えば特開平３−２９６６８９号公報がある。この
従来技術においては、Ｄ格子炉心に配置される燃料集合
体内における、径方向Ｈ／Ｕ比の差を小さくする方法と
して、 水ロッドを狭いギャップ水領域に近づける。 飽和水領域を増加させる機能をもつ短尺燃料棒を設
け、かつこの短尺燃料棒を狭いギャップ水領域に近づけ
る。 という２つの方法が開示されている。これらはいずれ
も、狭いギャップ水領域付近ではＨ／Ｕ比を大きくし、
広いギャップ水領域付近ではＨ／Ｕ比を小さくするもの
である。上記を実施した燃料集合体の構造の例を図１
１に示す。図１０と共通の部分は同一の符号を付す。図
１１に示す燃料集合体は、９行９列正方格子状配列にお
いて、水ロッドの機能を果たす角型水ボックス１１を、
燃料集合体中央部から狭いギャップ水領域１０側に一列
だけ偏心させたものである。また、上記従来技術におい
ては、を実施している場合には、をさらに実施する
ことはあまり効果がないことも示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、以下の課題が存在する。すなわち、
燃料集合体の燃焼度を増加させ高燃焼度化を図る場合に
は、一般的には集合体平均濃縮度を例えば３．８重量％
以上に増加させるが、それに伴って、反応度を抑えるた
めに一部の燃料棒の燃料ペレットに混入する可燃性毒物
の量も多くなる。このとき、上記を実施して径方向Ｈ
／Ｕ比の差を小さくした場合には、例えば図１１に示す
ように水ボックス１１が反制御棒側に偏ることとなるた
め、その可燃性毒物入りの燃料棒の配置位置は、制御棒
側に偏らざるを得なくなる。これは、以下の理由によ
る。すなわち、まず第一に、可燃性毒物入りの燃料棒
は、熱中性子束が最も大きい正方格子状配列の最外周に
配置すると早く燃え尽きてしまうため、通常は最外周に
は配置せず、最外周から２列目以降に配置するのが一般
的である。また燃料集合体の安定的な性能発揮や可燃性
毒物価値減少の防止等の観点から、可燃性毒物入りの燃
料棒どうしを隣接配置（ｎ×ｎ行配列における同行隣接
列又は同列隣接行となる位置）するのも避けるのが一般
的である。これらにより、例えば図１１の例において
は、反制御棒側コーナー部（図中右下側コーナー部）近
傍には可燃性毒物入りの燃料棒が配置しにくくなるの
で、可燃性毒物入りの燃料棒は制御棒側に配置されもの
のほうが多くなる。

【００１２】ここで、可燃性毒物の燃焼は中性子スペク
トルに強く依存しており、中性子平均エネルギーが低く
（中性子スペクトルが軟らかく）なるほど燃焼が進行す
る。制御棒側領域では、水ボックス１１が反制御棒側に
偏ることで最外周以外の内部領域では水が相対的に少な
くなり、中性子スペクトルが硬くなっているため、その
制御棒側領域に可燃性毒物入り燃料棒を配置するとそれ
ら可燃性毒物の燃焼が遅れがちとなって可燃性毒物の径
方向燃焼が不均一となる。このとき特に、沸騰水型原子
炉の燃料集合体では、冷却水が軸方向で沸騰、すなわち
相変化しながら流れていくために、軸方向上部の方がボ
イド率が高く（＝減速材密度が小さく）なり中性子スペ
クトルがさらに硬くなる。そのため、炉心上部では特に
可燃性毒物の燃焼が遅れることになり、可燃性毒物の軸
方向燃焼も不均一となる。以上のような可燃性毒物の軸
方向・径方向燃焼の不均一により、軸方向・径方向出力
分布が不均一となり大きくひずむという課題があった。

【００１３】ここで、上記従来技術では、上記（＝水
ロッド領域を狭いギャップ水領域に近づける）を実施す
れば、狭いギャップ水領域付近の減速材量としてはほぼ
十分であり、そのためさらに上記（＝短尺燃料棒を狭
いギャップ水領域に近づける）を実施しても径方向Ｈ／
Ｕ比の均一化にはあまり意味がないとしている。そこ
で、この均一化にあまり寄与しない短尺燃料棒を上記
とは逆に制御棒側の広いギャップ水領域に近づけること
により、径方向Ｈ／Ｕ比均一化の効果は両方を実施
した場合とほぼ同等の効果を確保しつつ、その分制御棒
側領域の特に軸方向上部の中性子スペクトルを軟らかく
して可燃性毒物の燃焼を促進し軸方向・径方向出力分布
の均一化を図れれば、そのほうがはるかに有益であると
思われる。上記従来技術では、このような点について配
慮されていない。

【００１４】本発明の目的は、高燃焼度化を図った燃料
集合体において、Ｈ／Ｕ比の径方向均一化を確保しつ
つ、可燃性毒物の燃焼不均一を抑制し軸方向・径方向出
力分布の均一化を図れる構成を提供するとともに、この
燃料集合体を用いた原子炉炉心を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、正方格子状に配列された複数本の
燃料棒と、該燃料棒が１本以上配列可能な領域に配置さ
れた少なくとも１本の水ロッド又は水ボックスと、チャ
ンネルファスナーを固定するために制御棒側に設けられ
るガイドポストとを備え、かつ前記複数本の燃料棒が、
核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数本の第１の
燃料棒と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む複数本の第
２の燃料棒と、これら第１及び第２の燃料棒より燃料有
効長が短くかつ核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない
複数本の第３の燃料棒とを含んでいる燃料集合体におい
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分したとき、前記水ロッド又は水ボックスは、前記
反制御棒側領域側に偏って配置されており、かつ、前記
第２の燃料棒及び第３の燃料棒は、それぞれ前記制御棒
側領域に配置される本数が前記反制御棒側領域に配置さ
れる本数よりも多くなっている。沸騰水型原子炉用の燃
料集合体をＤ格子炉心に装荷した場合には、制御棒側は
燃料集合体間の間隔が広くなっているため減速材である
水の量が相対的に多くなる一方、反制御棒側は燃料集合
体間の間隔が狭く水の量が相対的に少なくなる。本発明
においては、まず、水ロッド又は水ボックスを反制御棒
側領域に偏って配置することにより、この水ロッド又は
水ボックス内の飽和水領域の作用によって反制御棒側領
域における水の量を増加させＨ／Ｕ比を増大させるとと
もに、制御棒側領域における燃料の量を増加させてＨ／
Ｕ比を抑制する。これにより、水及び燃料の径方向の配
置をより均等にして反制御棒側と制御棒側との径方向Ｈ
／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体内における径方向Ｈ／
Ｕ比分布を均一に確保する。ここで、可燃性毒物を含む
複数本の第２の燃料棒の配置可能箇所は、通常、正方格
子状配列の最外周を除く等の制限がある。したがって上
記のように水ロッド又は水ボックスの配置を反制御棒側
へ偏って配置すると、反制御棒側領域の空きスペースが
少なくなるため、第２の燃料棒を反制御棒側にはあまり
配置できなくなる。したがって第２の燃料棒の本数を制
御棒側と反制御棒側とで等しくしようとすると、全体の
配置本数が限られてしまい、高燃焼度化を図る場合に必
要な所定の可燃性毒物量入り燃料棒の本数を確保できな
い可能性がある。しかしながら、本発明においては、こ
れら第２の燃料棒を反制御棒側よりも制御棒側に多く配
置することにより、高燃焼度化を図る場合に必要な所定
の可燃性毒物量入り燃料棒の本数を十分に確保すること
ができる。ところで、一般に、可燃性毒物の燃焼は、中
性子スペクトルに強く依存しており、中性子スペクトル
が軟らかくなるほど燃焼が進行する。前述したように水
ロッド又は水ボックスの反制御棒側へ偏在させると、制
御棒側領域では最外周以外の内部領域に限っては水が相
対的に少なくなり中性子スペクトルが硬くなる傾向とな
る。そのため、上記のようにこの制御棒側領域に可燃性
毒物入り第２の燃料棒を配置すると可燃性毒物の燃焼が
遅れ、その中でも特に軸方向上部で最も燃焼が遅れるこ
ととなり、径方向・軸方向出力分布が不均一となる。し
かしながら本発明においては、可燃性毒物入り第２の燃
料棒を制御棒側領域に多く配置するとともに、燃料有効
長が短い第３の燃料棒もこの制御棒側領域に多く配置す
る。これにより、第３の燃料棒の上部に生じる飽和水領
域の作用で、制御棒側領域の特に軸方向上部における水
の量を増加させて中性子スペクトルを軟らかくすること
ができる。したがって、第２の燃料棒に含まれる可燃性
毒物の特に軸方向上部における燃焼を促進して軸方向燃
焼の均一化を図ることができる。またこれによって制御
棒側領域全体でみても反制御棒側領域より燃焼が促進さ
れることとなるので、径方向燃焼の均一化も図ることが
できる。したがって、軸方向・径方向出力分布の均一化
を図ることができる。

【００１６】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記第２の燃料棒及び第３の燃料棒のすべてが、前記制
御棒側領域に配列されている。

【００１７】（３）上記（１）において、また好ましく
は、前記第２の燃料棒は、軸方向上部の可燃性毒物の濃
度が軸方向下部の可燃性毒物の濃度よりも小さくなって
いる。これにより、第２の燃料棒における軸方向上部の
可燃性毒物の燃え残りをさらに効果的に防止できるの
で、さらに軸方向出力分布を均一化できる効果がある。

【００１８】（４）上記目的を達成するために、また本
発明は、上記燃料集合体を装荷した原子炉炉心を提供す
る。

【００１９】

【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〜
図４により説明する。本実施形態による沸騰水型原子炉
用の燃料集合体の構造を表す縦断面図を図２に示し、図
２中Ｉ−Ｉ断面でみた横断面図を図１に示す。これら図
１及び図２において、本実施形態による燃料集合体１０
０は、図１０に示した炉心と同様、沸騰水型原子炉Ｄ格
子炉心の単位セル１０７に装荷されるものであり、９行
９列の正方格子状に配列され内部に核燃料物質としての
ウラン−２３５が充填された７２本の燃料棒１０１と、
正方格子状配列の中央部領域の水の量を増やすのを目的
として燃料棒１０１が９本配列可能な領域に配置された
１本の水ボックス１０２と、これら燃料棒１０１及び水
ボックス１０２により形成される燃料バンドルの周囲を
囲むチャンネルボックス１０３とを備えている。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１０
４及び下部タイプレート１０５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、燃料棒１０１
及び水ボックス１０２の間隔を保持するためのスペーサ
１０６が設けられている。また、上部タイプレート１０
４の制御棒１０８側（以下適宜、単に制御棒側という）
及びその反対側（以下適宜、反制御棒側という）のコー
ナー部には、ガイドポスト１０４ａ，１０４ｂがそれぞ
れ一体に形成されており、そのうち、制御棒側のガイド
ポスト１０４ａには、チャンネルボックス１０３に接続
されたチャンネルファスナー１０９が固定されている。
このチャンネルファスナー１０９は、１つの制御棒１０
８まわりの４つの燃料集合体１００を相互に連結すると
ともに、これら燃料集合体１００間に制御棒１０８の挿
入・引き抜きスペースを確保する機能を果たすものであ
り、各燃料集合体１００の制御棒側のガイドポスト１０
４ａに固定されている。なお、反制御棒側のガイドポス
ト１０４ｂは、制御棒側のガイドポスト１０４ａとの重
量バランスをとるためのダミーとなっている。

【００２０】燃料棒１０１は、燃料有効長が通常の長さ
であって可燃性毒物を含まない５２本の第１の燃料棒１
０１ａと、燃料有効長が通常の長さであって可燃性毒物
としてガドリニアを含む６本の第２の燃料棒１０１ｂ
と、燃料有効長が第１及び第２の燃料棒１０１ａ，１０
１ｂよりも短いいわゆる短尺燃料棒である１４本の第３
の燃料棒１０１ｃとから構成されている。なおこのと
き、第２の燃料棒１０１ｂのガドリニアの混入濃度は軸
方向に一様となっており、また第３の燃料棒１０１ｃの
燃料有効長は、第１及び第２の燃料棒１０１ａ，１０１
ｂの有効長の１５／２４（＝５／８）となっている。ま
たこれら燃料棒は、特に図示や詳細な説明を行わない
が、この種の燃料集合体として公知であるものと同様、
濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から構成されてい
る。そして各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布を設け
ることにより軸方向出力ピーキングの平坦化を図った
り、各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより径方向
出力ピーキングの平坦化が図られている。なお、このと
き、このような燃料棒１０１の配置において、燃料集合
体１００における平均濃縮度は３．８重量％となってい
る。

【００２１】以上のような燃料集合体１００における本
実施形態の要部は、水ボックス１０２の配置方法と第２
及び第３の燃料棒１０１ｂ，１０１ｃの配置方法にあ
る。すなわち、燃料集合体内部を鉛直方向の境界面１１
０によって制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１１２
とに２分して考えたとき、水ボックス１０２を反制御棒
側領域１１２に偏って配置するとともに、制御棒側領域
１１１に配置される第２及び第３の燃料棒１０１ｂ，１
０１ｃの本数を、反制御棒側領域１１２に配置される第
２及び第３の燃料棒１０１ｂ，１０１ｃの本数よりも多
くしたことである。具体的には、制御棒側領域１１１に
は１０本の第２の燃料棒１０１ｂと５本の第３の燃料棒
１０１ｃが配置されているのに対し、反制御棒側領域１
１２には４本の第２の燃料棒１０１ｂと１本の第３の燃
料棒１０１ｃしか配置されていない。

【００２２】このような水ボックス１０２、第２の燃料
棒１０１ｂ、及び第３の燃料棒１０１ｃの配置により、
本実施形態においては、以下の作用を奏する。

【００２３】（１）水ボックスの偏在によるＨ／Ｕ比の
改善 すなわち、Ｄ格子炉心に装荷される場合、制御棒側にお
いてチャンネルボックス１０３の外側に形成されるギャ
ップ水領域１１３の面積が広くなっているため水の量が
相対的に多くなる一方、反制御棒側でチャンネルボック
ス１０３の外側に形成されるギャップ水領域１１４の面
積が狭くなっているため水の量が相対的に少なくなる。
しかしながら、本実施形態においては、水ボックス１０
２を反制御棒側に偏って配置することにより、この水ボ
ックス１０２内の飽和水領域の作用によって反制御棒側
領域１１２における水の量を増加させＨ／Ｕ比を増大さ
せるとともに、制御棒側領域１１１における燃料の量を
増加させてＨ／Ｕ比を抑制する。これにより、水及び燃
料の径方向の配置をより均等にして反制御棒側と制御棒
側との径方向Ｈ／Ｕ比の差を低減し、燃料集合体１００
内における径方向Ｈ／Ｕ比分布を均一に確保することが
できる。

【００２４】（２）高燃焼度化の確保 通常、ガドリニアを含む燃料棒の配置箇所には、以下の
ような制限がある。すなわち、ガドリニア入りの燃料棒
は、熱中性子束が最も大きい正方格子状配列の最外周に
配置すると早く燃え尽きてしまうため、通常は最外周に
は配置せず、最外周から２列目以降に配置するのが一般
的である。また、燃料集合体の安定的な性能発揮やガド
リニア価値減少の防止等の観点から、ガドリニア入りの
燃料棒どうしを隣接配置（ｎ×ｎ行配列における同行隣
接列又は同列隣接行となる位置）するのも避けるのが一
般的である。したがって、上記（１）により水ボックス
１０２の配置を反制御棒側領域１１２へ偏って配置する
と、反制御棒側領域１１２の空きスペースが少なくなる
ため、第２の燃料棒１０１ｂを反制御棒側領域１１２に
はあまり配置できなくなる。したがって第２の燃料棒１
０１ｂの本数を制御棒側領域１１１と反制御棒側領域１
１２とで等しくしようとすると、全体の配置本数が限ら
れてしまい、高燃焼度化を図る場合に必要な所定のガド
リニア入り第２の燃料棒１０１ｂの本数（図１の例では
１４本）を確保できない可能性がある。しかしながら、
本実施形態においては、これら第２の燃料棒１０１ｂを
反制御棒側領域１１２よりも制御棒側領域１１１に多く
配置することにより、高燃焼度化を図る場合に必要な所
定の可燃性毒物量入り第２の燃料棒１０１ｂの本数（１
４本）を全体として確保することができる。

【００２５】（３）軸方向・径方向燃焼均一化 一般に、ガドリニアの燃焼は、中性子スペクトルに強く
依存しており、中性子スペクトルが軟らかくなるほど燃
焼が進行する。上記（１）により水ボックス１０２を反
制御棒側領域１１２へ偏在させると、制御棒側領域１１
１では最外周以外の内部領域に限っては水が相対的に少
なくなり中性子スペクトルが硬くなる傾向となる。その
ため、上記（２）のようにこの制御棒側領域１１１にガ
ドリニア入り第２の燃料棒１０１ｂを多く配置した場合
ガドリニアの燃焼が遅れ、その中でも特に軸方向上部で
最も燃焼が遅れることとなり、径方向・軸方向出力分布
が不均一となる。しかしながら本実施形態においては、
ガドリニア入り第２の燃料棒１０１ｂを制御棒側領域１
１１に多く配置するとともに、燃料有効長が短い第３の
燃料棒１０１ｃもこの制御棒側領域１１１に多く配置す
る。これにより、第３の燃料棒１０１ｃの上部に生じる
飽和水領域の作用で、制御棒側領域１１１の特に軸方向
上部における水の量を増加させて中性子スペクトルを軟
らかくすることができる。したがって、第２の燃料棒１
０１ｂに含まれるガドリニアの特に軸方向上部における
燃焼を促進して軸方向燃焼の均一化を図ることができ
る。またこれによって制御棒側領域１１１全体でみても
反制御棒側領域１１２より燃焼が促進されることとなる
ので、径方向燃焼の均一化も図ることができる。したが
って、軸方向・径方向出力分布の均一化を図ることがで
きる。

【００２６】以上説明したように、本実施形態の燃料集
合体１００によれば、高燃焼度化を図った構造におい
て、Ｈ／Ｕ比の径方向均一化を確保しつつ、ガドリニア
の燃焼不均一を抑制し、軸方向・径方向出力分布の均一
化を図ることができる。

【００２７】上記効果のうち、特に、軸方向出力分布の
均一化について比較例を用いて説明する。本実施形態の
燃料集合体１００の比較例として、燃料集合体１００に
おける第３の燃料棒１０１ｃをすべて第１の燃料棒１０
１ａに置き換えたものを図３に示す。図３に示すよう
に、この比較例による燃料集合体１５０は、上記置き換
えによって第１の燃料棒１０１ａの数が５２本から５８
本に増えている。その他の構造は、本実施形態による燃
料集合体１００とほぼ同様となっている。そして、図４
は、本実施形態による燃料集合体１００を図１０と同様
にして装荷した沸騰水型原子炉炉心の軸方向出力分布の
解析結果（曲線ア）と、比較例による燃料集合体１５０
を図１０と同様にして装荷した沸騰水型原子炉炉心の軸
方向出力分布の解析結果（曲線イ）とを比較して示した
ものである。図４に示されるように、比較例の燃料集合
体１５０を適用した炉心では、減速材密度が少なく中性
子スペクトルが硬い軸方向上部でガドリニアの燃焼が遅
れるため出力分布が下膨らみとなっているが、本実施形
態の燃料集合体１００を適用した炉心では、第３の燃料
棒１０１ｃ上部の飽和水の作用で中性子スペクトルの硬
化が緩和される分、可燃性毒物の軸方向燃焼差が緩和さ
れ、軸方向出力分布がより平坦化していることが分か
る。

【００２８】なお、上記実施形態においては、高燃焼度
化対応として、９行９列の正方格子状配列において集合
体平均濃縮度を３．８重量％とし、これに応じてガドリ
ニア入り第２の燃料棒１０１ｂを１４本配置していた
が、これに限られない。例えばこれよりも集合体平均濃
縮度を若干小さくしてガドリニア入り第２の燃料棒１０
１ｂの本数の割合を少なくしてもよい。このような場合
の実施形態を以下、第２の実施形態〜第４の実施形態に
より説明する。なお以降の実施形態においては、煩雑を
避けるために、制御棒側領域１１１及び反制御棒側領域
１１２の図示を適宜省略する。

【００２９】本発明の第２の実施形態を図５〜図７によ
り説明する。本実施形態による沸騰水型原子炉用の燃料
集合体の構造を表す横断面図を図５に示す。この図５は
第１の実施形態の図１にほぼ相当する図であり、共通の
部材には同一の符号を付し、説明を省略する。

【００３０】図５において、本実施形態による燃料集合
体２００が図１に示した第１の実施形態の燃料集合体１
００と異なる点は、第２の燃料棒１０１ｂの本数が若干
減っていることである。すなわち、ガドリニア入り第２
の燃料棒１０１ｂは、６本減って全体で８本となり、制
御棒側領域１１１には６本、反制御棒側領域１１２には
２本が配置されている。そしてこれに対応して第１の燃
料棒１０１ａの数が６本増えて５８本となっている。第
３の燃料棒１０１ｃについては本数も配置位置も変わら
ない。また、集合体平均濃縮度はｘ［重量％］（但しｘ
＞３．８）となっている。その他の構造は、第１の実施
形態の燃料集合体１００とほぼ同様である。

【００３１】本実施形態によっても、第１の実施形態と
同様の効果を得る。

【００３２】なお、上記第１及び第２の実施形態におい
ては、第２の燃料棒１０１ｂのガドリニアの混入濃度は
軸方向に一様であったが、これに限られず、軸方向で濃
度差を設けてもよい。すなわち、図６に示すように、第
２の燃料棒１０１ｂのガドリニア濃度を、軸方向ノード
１５／２４位置を境に上部をβ［重量％］、下部をα
［重量％］（但しα＞β）としてもよい。この場合、上
部のガドリニア濃度が相対的に小さい分、第２の燃料棒
１０１ｂにおける軸方向上部のガドリニアの燃え残りを
さらに効果的に防止できるので、さらに軸方向出力分布
を均一化できる効果がある。また、上記第１及び第２の
実施形態においては、燃料棒１０１を９本配置できるス
ペースに水ボックス１０２を設けたが、これに限られ
ず、横断面円形の水ロッドを設けてもよい。第２の実施
形態の燃料集合体２００において水ボックス１０２の代
わりに２本の水ロッド１０２Ａ，１０２Ａを設けた燃料
集合体２００Ａの構造を図７に示す。この場合も、第２
の実施形態と同様の効果を得る。

【００３３】本発明の第３の実施形態を図８により説明
する。図８は、本実施形態による沸騰水型原子炉用の燃
料集合体の構造を表す横断面図である。この図８は第１
の実施形態の図１、第２の実施形態の図５にほぼ相当す
る図であり、共通の部材には同一の符号を付し、説明を
省略する。

【００３４】図８において、本実施形態による燃料集合
体３００が図５に示した第２の実施形態の燃料集合体２
００と異なる点は、すべての第２の燃料棒１０１ｂ及び
第３の燃料棒１０１ｃを制御棒側領域１１１に配置して
いることである。その他の構造は、第２の実施形態の燃
料集合体２００とほぼ同様である。本実施形態によって
も、第２の実施形態と同様の効果を得る。

【００３５】本発明の第４の実施形態を図９により説明
する。本実施形態は１０行１０列の正方格子状に燃料棒
を配列した燃料集合体に本発明を適用した場合の実施形
態である。図９は、本実施形態による沸騰水型原子炉用
の燃料集合体４００の構造を表す横断面図であり、第１
の実施形態の図１、第２の実施形態の図５、第３の実施
形態の図８にほぼ相当する図である。

【００３６】この図９において、本実施形態の燃料集合
体４００は、配列される燃料棒の本数が増えただけで基
本的には第２の燃料集合体２００と類似の構造である。
すなわち、燃料集合体４００は、沸騰水型原子炉Ｄ格子
炉心の単位セル４０７に装荷されるものであり、１０行
１０列の正方格子状に配列され内部に核燃料物質として
のウラン−２３５が充填された９１本の燃料棒４０１
と、正方格子状配列の中央部近傍の水の量を増やすのを
目的として燃料棒４０１が９本配列可能な領域に配置さ
れた１本の水ボックス４０２と、これら燃料棒４０１及
び水ボックス４０２により形成される燃料バンドルの周
囲を囲むチャンネルボックス４０３とを備えている。

【００３７】燃料棒４０１は、燃料有効長が通常の長さ
であって可燃性毒物を含まない７５本の第１の燃料棒４
０１ａと、燃料有効長が通常の長さであって可燃性毒物
としてガドリニアを含む９本の第２の燃料棒４０１ｂ
と、燃料有効長が第１及び第２の燃料棒４０１ａ，４０
１ｂよりも短いいわゆる短尺燃料棒である７本の第３の
燃料棒４０１ｃとから構成されている。またこれら燃料
棒４０１は、濃縮度分布が異なる複数種類の燃料棒から
構成されており、各種類ごとに適宜軸方向の濃縮度分布
を設けたり各種燃料棒の配置を適宜工夫することにより
軸方向・径方向出力ピーキングの平坦化が図られてい
る。そしてこのとき、燃料集合体４００における平均濃
縮度はｘ［重量％］となっている。また、燃料集合体内
部を鉛直方向の境界面４１０によって制御棒４０８側に
ある制御棒領域４１１とその反対側にある反制御棒側領
域４１２とに２分して考えたとき、水ボックス４０２を
反制御棒側領域４１２に偏って配置するとともに、制御
棒側領域４１１に配置される第２及び第３の燃料棒４０
１ｂ，４０１ｃの本数を、反制御棒側領域４１２に配置
される第２及び第３の燃料棒４０１ｂ，４０１ｃの本数
よりも多くし、それぞれの本数差が５本となっている。

【００３８】本実施形態によっても、第２の実施形態と
ほぼ同様の原理に基づき、ギャップ水領域３１３，３１
４の面積差に基づくＨ／Ｕ比の不均一を水ボックス４０
２の偏心によって改善し、第２の燃料棒４０１ｂを制御
棒側領域１１１に多く配置することで高燃焼度化に必要
な本数を確保し、第３の燃料棒４０１ｃを制御棒側領域
１１１に多く配置することで中性子スペクトルを軟らか
くしガドリニアの燃焼を促進して軸方向・径方向燃焼の
均一化を図ることができる。

【００３９】なお、上記第１〜第４の実施形態において
は、水ボックス１０２，４０２はいずれも９本の第２の
燃料棒１０１ｂ，４０１ｂが配列可能な領域に配置され
ていたが、これに限られず、少なくとも１本の第２の燃
料棒１０１ｂ，４０１ｂが配列可能な領域に配置すれば
足りる。これらの場合も同様の効果を得る。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、高燃焼度化を図った燃
料集合体において、Ｈ／Ｕ比の径方向均一化を確保しつ
つ、可燃性毒物の燃焼不均一を抑制し軸方向・径方向出
力分布の均一化を図ることができ、良好な炉心特性を実
現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による沸騰水型原子炉
用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。

【図２】図１に示した燃料集合体の縦断面図である。

【図３】比較例にによる燃料集合体の構造を表す横断面
図である。

【図４】図１及び図４の燃料集合体をそれぞれ装荷した
沸騰水型原子炉炉心の軸方向出力分布の解析結果を比較
して示した図である。

【図５】本発明の第２の実施形態による沸騰水型原子炉
用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。

【図６】第２の燃料棒のガドリニア混入濃度に関する変
形例を説明するための図である。

【図７】水ボックスの代わりに２本の水ロッドを設けた
変形例の構造を表す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施形態による沸騰水型原子炉
用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。

【図９】本発明の第４の実施形態による沸騰水型原子炉
用の燃料集合体の構造を表す横断面図である。

【図１０】一般的な沸騰水型原子炉炉心の部分構造を表
す概念的横断面図である。

【図１１】径方向Ｈ／Ｕ比の差を小さくするために、水
ロッドを狭いギャップ水領域に近づけた従来の燃料集合
体の構造例を示す図である。

【符号の説明】

１００ 燃料集合体 １０１ 燃料棒 １０１ａ 第１の燃料棒 １０１ｂ 第２の燃料棒 １０１ｃ 第３の燃料棒 １０２ 水ボックス １０２Ａ 水ロッド １０４ａ ガイドポスト １０８ 制御棒 １０９ チャンネルファスナー １１０ 境界面 １１１ 制御棒側領域 １１２ 反制御棒側領域 ２００ 燃料集合体 ２００Ａ 燃料集合体 ３００ 燃料集合体 ４００ 燃料集合体 ４０１ 燃料棒 ４０１ａ 第１の燃料棒 ４０１ｂ 第２の燃料棒 ４０１ｃ 第３の燃料棒 ４０２ 水ボックス ４０８ 制御棒 ４１０ 境界面 ４１１ 制御棒側領域 ４１２ 反制御棒側領域

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正方格子状に配列された複数本の燃料棒
   と、該燃料棒が１本以上配列可能な領域に配置された少
   なくとも１本の水ロッド又は水ボックスと、チャンネル
   ファスナーを固定するために制御棒側に設けられるガイ
   ドポストとを備え、かつ前記複数本の燃料棒が、核燃料
   物質を含み可燃性毒物を含まない複数本の第１の燃料棒
   と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む複数本の第２の燃
   料棒と、これら第１及び第２の燃料棒より燃料有効長が
   短くかつ核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数本
   の第３の燃料棒とを含んでいる燃料集合体において、 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
   分したとき、前記水ロッド又は水ボックスは、前記反制
   御棒側領域側に偏って配置されており、かつ、前記第２
   の燃料棒及び第３の燃料棒は、それぞれ前記制御棒側領
   域に配置される本数が前記反制御棒側領域に配置される
   本数よりも多くなっていることを特徴とする燃料集合
   体。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料集合体において、前記
   第２の燃料棒及び第３の燃料棒のすべてが、前記制御棒
   側領域に配列されていることを特徴とする燃料集合体。
3. 【請求項３】請求項１記載の燃料集合体において、前記
   第２の燃料棒は、軸方向上部の可燃性毒物の濃度が軸方
   向下部の可燃性毒物の濃度よりも小さくなっていること
   を特徴とする燃料集合体。
4. 【請求項４】請求項１〜３記載の燃料集合体を装荷した
   原子炉炉心。