JPS5844237B2 - 原子炉炉心の燃料装荷および運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉内の燃料の設計および配置ならびにか
＼る配置の原子炉を運転する方法に関する。

核燃料はウランおよび／またはプルトニウムを適当な形
態で含有する。

例えば、水冷却兼減速動力用原子炉に普通用いられる燃
料は二酸化ウラン（ＵＯ２）よりなり、そのうち約０．
７〜４．０％は核分裂性Ｕ−２３５と燃料親Ｕ−２３８
との混合物である。

原子炉の運転中に燃料親Ｕ−２３８は核分裂性Ｐｕ−２
３９およびＰｕ−２４１に変換され、後者が原子炉出力
を維持するように働らく。

Ｕ−２３８も核分裂性であるが、それは原子炉内の高エ
ネルギー中性子に対してのみである。

周知の商業用沸騰水型動力炉、例えば米国イリノイ州シ
カゴ近郊のドレスデン原子力発電所に使用されている動
力炉では、核燃料は代表的には、例えば米国特許第３，
３６５，３７１号に示されているように、焼結ペレット
をジルコニウム合金のような適当な金属よりなる細長い
被覆管に充填して燃料要素または棒を形成した形態をと
っている。

端部プラグで密封された被覆管は核燃料を減速材兼冷却
材から分離するとともに、核分裂生成物の放出を防止す
る作用をなす。

このような燃料要素は、例えば米国特許第３．６８９，
３５８号に示されているように、群毎に配置され、別々
に交換できる燃料集合体または束として上部および下部
タイプレート間に支持される。

十分な数の燃料集合体を角柱に近いマトリックス状に配
置１ルで、自己持続核分裂反応をする原子炉炉心を形成
する。

この炉心を作動流体および中性子減速材として作用する
流体、例えば軽水中に沈める。

典型的な原子炉は、たいてい１年程度の長さの運転サイ
クルの間ずつと運転状態を維持するのに十分な以上の反
応度の燃料を定期的に再装荷する（運転サイクルの長さ
を「燃料サイクル間隔」と称する）。

ここで原子炉を停止し、代表的には約Ｈの燃料集合体を
交換する。

運転サイクルの開始時には反応度が過剰であるので、運
転中実効増倍率を１に維持するためには十分な強さの制
御システムが必要である。

制御システムは慣例では中性子の核分裂を起こさない捕
獲または吸収により中性子数を制御する作用をなす中性
子吸収材を具える。

代表的な制御システムは、中性子吸収材を含有する複数
本の制御棒の形態の機械的制御部を有する。

制御棒を燃料集合体間の空間またはギャップに選択的に
挿入して、炉心の反応度、また従って運転出力レベルを
制御することができる。

例えば米国特許第３，０２０，８８８号に開示されてい
るような既知の配置では、制御棒ブレードは横断面が十
字形で、従って各制御棒のブレードの「羽根」（ウィン
グ）を隣接する４個の燃料集合体間の空間に挿入するこ
とができる。

１本の制御棒を囲む４個の燃料集合体のクラスタを炉心
「セル」と称する。

（適当な中性子吸収材および制御ブレード駆動機構は前
記米国特許第３，０２０，８８８号に記載されている。

）制御システムは、燃料の一部と配合されたガドリニウ
ムのような可燃性中性子吸収材も含む。

天然に産出するＧｄ−１５５およびＧｄ−１５７同位体
は強い中性子吸収材で、中性子の吸収により一層低い制
御価値（中性子吸収能）の同位体に変換される。

このように可燃性吸収材を用いることにより、機械的制
御の必要量が減少し、また可燃性吸収材の適切な配置に
より出力分布を改善することができる。

大抵の場合、可燃性吸収材を燃料要素に核燃料の選択部
分との混合物として導入する。

可燃性吸収材の配置は、例えば米国特許第３．７９９，
８３９号に示されている。

さらに、原子炉についての説明が、例えば「原子カニ学
（Ｎｕｃｌｅａｒ ＰＯｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ ） ＪＮ、Ｍ、Ｅ １−Ｗａｋｉ ｌ著、ＭｃＧｒ
ａｗ−Ｈｉｌｌ ＢｏｏｋＣｏｍ ｐａｎｙ、 Ｉ ｎ
ｃ、刊、１９６２年に見られる。

管状燃料要素クラツディングは普通０．８Ｍ（０，０３
２インチ）程度の厚さのもので、原子炉炉心の環境内で
の高圧、高温、核放射線および化学的核分裂生成物攻撃
を含む比較的苛酷な使用条件にさらされる。

挿入された制御棒を引抜くと隣接燃料要素の局所出力は
急に増加する。

このように燃料の局所線出力レベル（ＫＷ／ ｆｔ）が
急に大きく変わると、燃料ペレットとクラツディングと
の相互作用により大きな局部的応力および歪が生じる。

隣接ペレットの膨張する分離端縁（またはペレットの亀
裂の隣接側部）がクラツディングに食い込むように接触
すると、その結果生じる局部的歪がクラツディングの極
限歪を超え、クラツディングに亀裂を生じる。

クラツディングに亀裂ができると、冷却材が燃料要素中
に進入し、核分裂生成物が燃料要素からこれを囲む冷却
材中に逃げ出してしまう。

この望ましくない現象は「ペレット−クラツディング相
互作用Ｊ （Ｐｅ１ｌｅｔ −ｃｌａ−ｄｄｉｎｇ １
ｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ＝ Ｐ ＣＩ ）として知られ
るようになってきた。

線出力の増大の大きさにか＼わりなくそれ以下ではクラ
ツディングが欠損しないことの知られている燃料燃焼依
存しきい値が存在する。

ペレット−クラツディング相互作用（ＰＣＩ）問題を解
決する方法として、種々提案されているなかで、後の急
速な出力変化に耐えるように燃料を状態調整する方法が
用いられるようになった。

かＮる方法は米国特許第４，０５７，４６６号に記載さ
れている。

簡潔に説明すると、この方法によれば、出力増加速度を
、例えば０． Ｉ Ｋ Ｗ、／ｆ ｔ−／ｈｒ以下に系
統的に調節制御して局部的ＰＣＩ生成ペレットカを緩和
させる。

ＰＣＩＬ＠い値と所望の最高局所線出力レベルとの間で
の局部線出力の増加でクラツディング破損をもたらす臨
界速度以下に出力増加速度を制御する。

このような状態調整後、最高調整レベル以下での比較的
迅速な出力変化を、クラツディング破損を生じることな
く行えることが確認されている。

この方法の第１の欠点は、このような調整または再調整
に比較的長い時間が必要で、このため定格出力レベルで
の運転に使える時間が短くなることである。

また、多くの実際の運転状況において、挿入制御棒付近
の燃料を完全に調整することは不可能である。

原子炉の運転に付随する別の現象に所謂「制御棒履歴Ｊ
（ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｄ ｈｉｓｔｏｒｙ ）があ
る。

制御棒ブレードの存在する効果は、隣接燃料における核
分裂性燃料燃焼またはバーンアップの速度を大幅に下げ
る一方、燃料親Ｕ−２３８の核分裂性Ｐｕ−２３９への
変換を著しく低いレベルに抑えることにある。

従って制御棒を引抜くと、その制御棒にもつとも近い「
曝露されたＪ （ｕｎｃｏｖｅｒｅｄ）燃料（即ち燃料
集合体の角および制御棒隣接要素の燃料）の出力は制御
棒からもつと離れた燃料より大きく増加する。

この制御棒履歴効果は、制御棒に隣接する燃料集合体の
角の燃料要素の燃料において最大であり、制御棒が燃料
の隣りに留まる時間が長くなるにつれてこの効果は一層
顕著になる。

制御棒履歴効果は制御棒に従動棒またはフォロワがない
設計の場合に最大である。

沸騰水型原子炉によく生じる別の現象は「軸方向蒸気ボ
イド抑制Ｊ （ａｘｉａｌ ｓｔｅａｍ ｖｏｉｄ ５
ｕｐｐｒ−ｅｓｓｉｏｎ）である。

この種の原子炉で冷却材が個々のチャネル内で沸騰する
と負の出力フィードバックの原因となる。

その理由は、燃料の局部反応度が蒸気ボイドの増加とと
もに減少するからである。

制御棒をチャネルの底に部分的に挿入すると、この制御
棒が制御ブレードの近くの沸騰を抑制し、これに対応し
て制御ブレードより上の一層高反応度の領域での蒸気ボ
イドを減少させる。

部分的に挿入された制御棒より上での沸騰の減少が原因
で、激しい出力ビーキングが生じ、出力ピークが制御棒
を完全に引抜いたときのチャネル内の出力の大きさを超
えることがある。

上述したタイプの動力炉の設計および運転の初期に、制
御棒挿入および引抜きプロセスおよびパターンが開発さ
れた。

基本的解決指針として、制御棒パターンを定期的に変更
および相互交換（スワツピング）することにより、燃料
燃焼、プルトニウム虫取および制御棒履歴効果を炉心の
燃料集合体間でできるだけ均等に分布させるように試み
ている。

上述したタイプの原子炉用の既知の制御棒操作手順によ
れば、制御棒を幾つかの交番パターンに配置１ル、これ
により１群の制御棒を操作時に別群の制御棒と交換する
ことができる。

か＼る制御棒のパターンは普通２，３または４つあり、
出力形状および燃焼反応度制御に応じてかＳるパターン
の制御棒を択一的に原子炉炉心に挿入する。

既知の制御棒操作手順によれば、炉心を所定の制御棒パ
ターンで１工ネルギー発生期間の間運転する。

次いで出力を下げ、所定制御棒パターンを別のパターン
と交換する。

従って、１年の原子炉運転サイクルの間に５〜８回の制
御棒パターン変更を行うことになる。

かＸる制御棒パターンおよびパターン交換は米国特許第
３，３８５，７５８号に詳述されている。

既知の制御棒操作手順ではほとんどの燃料が約４年の炉
心内滞在期間の間に出力時の隣接制御棒移動を経験する
。

か＼る制御棒運動は燃焼制御、制御棒パターン交換、負
荷追従、キセノン過渡制御、燃料調整などの結果である
。

これらの運転変数が原因で、燃料が経験する制御棒移動
の総数が望ましくない程に増加する。

さらに制御棒パターン交換により空間的出力分布キセノ
ン過渡が励起され、熱的、水力学的、安全および燃料調
整限度に基づく制御棒移動制約により原子炉運転が望ま
しくない話に複雑になり、オペレータの誤操作の可能性
が増す。

従って既知の操作手順には熱的および安全余裕を減少さ
せ、製造上の複雑さを増し、稼動率を下げ、燃料損傷の
恐れを増す傾向がある。

制御棒パターンを相互交換またはスワツピングする既知
のＢＷＲ運転方法に見られる問題を要約すると次の通り
である。

（１）パターン交換を行うためには原子炉出力を減少さ
せる一方、ＰＣＩ制約に適合させなければならない。

大抵の場合、交換後に原子炉を全出力に戻すのに５日程
の多くの日数を要し、従って原子炉稼動率が低下する。

（２）パターン交換により原子炉設計および運転が複雑
になる。

出力が何か別の理由で下ったときに制御棒交換を行うの
が望ましいので、原子炉運転のプランを定めるのが難し
く、同じ原子炉でも１燃料サイクル間隔の運転がそれぞ
れ異なる。

（３）制御棒交換および関連する出力低下が原因で、空
間的および非空間的キセノン過渡が生じこれが原子炉運
転を複雑にし、またＰＣＩ限界に適合させるのが困難に
なる。

（４）原子炉オペレータ学習曲線が、複雑かつ相互作用
する三次元的変数および制約により長くなる。

このため、オペレータがＰＣＩまたは他の制約を破るよ
うな誤操作をする可能性が増す。

（５）炉心の外周部に位置する燃料以外のすべての燃料
が、再装荷と次の再装荷との間の燃料サイクル間隔の間
の隣接制御棒移動に基づき、大きな線形出力増加を経験
する。

通常炉心外周部は燃料が隣接制御棒移動を経験しないよ
うに燃料を配置できる唯一の区域である。

（６）炉心の外周部に位置する制御棒以外のすべての制
御棒が、出力整形−燃焼反応度制御と原子炉停止との二
重機能を果さなければならない。

従ってこれらの異なる機能に必要な特殊な設計特性を制
御棒および制御棒駆動機構の設計に内包させることは容
易でない。

（７）負荷追従または他の目的に自動出力分布空間形状
制御を適用することは、変数の数が多くこれらが複雑に
相互作用するので非常に複雑になる。

さらに、制御棒を高出力もしくは高反応度燃料の隣りに
または未減損可燃性吸収材含有撚料の隣りに配置するこ
とから次の欠点が認められている。

部分的に挿入された制御棒より上の低蒸気ボイド水はし
ばしばピーク局所原子炉出力をこれらの領域に達しさせ
る原因となる。

核沸騰限界からの移行または離脱のような熱的限界も高
反応度燃料の隣りに部分的に挿入された制御棒により悪
影響を受ける。

未減損可燃性吸収材含有撚料に隣接して挿入された制御
棒は、吸収材の燃焼をゆがめがちであり、望ましくない
可燃性吸収材空間過渡を起し、これにより原子炉のピー
ク局所出力が増加するか、または燃料を複雑な可燃性吸
収材形状に設計し製造する必要が生じる。

本発明を達成するにあたっては、制御棒の機能を出力整
形−反応度制御機能と停止機能とに分け、低反応度の特
別な設計の燃料を制御セル内に維持して出力整形−反応
度制御用制御棒を出力時にこの制御セルに挿入する。

初期炉心では、制御セルに相対的に低濃縮度を有する特
別設計の燃料集合体を装荷する。

非制御セルには、相対的に高い初期濃縮度を有し、後続
の燃料サイクル間隔の間に制御セルに配置できる特別設
計の燃料集合体を装荷する。

原子炉を運転開始し定格出力までもって行くにつれて、
非制御セルの制御棒をはゾ完全に引抜き、そしてそれ以
後運転サイクル中ずつと原子炉を制御セルの制御棒のみ
で制御する。

従って制御セルの特別設計の低濃縮度燃料のみが運転サ
イクル中隣接制御棒移動を経験する。

この解決手段により炉心運転を著しく簡単にし、制御棒
交換に伴う多数の問題を回避することができる。

運転サイクルの終点で再装荷のために原子炉を停止し、
通常制御セルの燃料集合体を排出する（即ち原子炉から
取出す）か、または炉心の外周燃料集合体位置に移動す
る。

制御セル以外からの最低反応度の照射ずみ燃料集合体を
制御セルに挿入する。

新しい（即ち未照射の）燃料集合体を、定格出力時に挿
入すべき制御棒から遠去かった、制御セルの外側に（即
ち非制御セルに）挿入する。

燃料は炉心内にｎ炉心運転サイクルの間滞在する（代表
的にばｎは４である）。

燃料集合体は代表的にはその炉心内滞在時間のうち（ｎ
−１）サイクルの開弁制御セルに滞在しく但し、非制御
セル内である位置から別の位置に移動することができる
）、炉心内滞在時間の最終サイクルで制御セルに移動さ
れ、しかる後炉心から取出されるかまたは炉心外周部に
移動される。

場合によっては、未照射の特別設計の高信頼性燃料を第
１サイクル以外で制御セルに直接に挿入でき、この場合
燃料ばｍサイクルだけ炉心に滞在する。

但し、ｍは非制御セル燃料の滞在サイクルの数ｎと同じ
かまたは異なる。

本発明に従って制御棒機能の分離および出力整形−反応
度制御用制御棒の隣りへの低反応度燃料のみの配置を実
現する炉心設計は「制御セル炉心」と称される。

非制御セルの停止制御ブレードは出力時に引抜かれ、従
って少ない燃焼、照射損傷および応力を受けるだけなの
で、制御ブレードの寿命は長い。

従ってこれらの制御ブレードに、特にその上方部分に高
価な制御物質を用いてコールド停止価値を最大にすると
ともに原子炉の燃料サイクル燃焼能力を改善するのが容
易である。

また、非制御セルの制御棒の駆動機構も比較的簡単かつ
安価なものとすることができる。

他方、制御セルに配置された制御棒は炉心の全制御棒の
約Ｋを占めるにすぎないので、制御セルの制御棒および
駆動機構をその出力整形および燃焼反応度制御という主
要用途から見て最適にするのが容易である。

か５る最適化として、微細移動駆動機構およびダレイチ
ツプ（テーパ化制御価（ｉＬ）制御ブレードを設ける。

これら２つの特徴により、制御棒を移動する際の隣接燃
料の出力変化を一層ゆっくりにすることができ、有利で
ある。

微細移動駆動機構は高価で複雑であるが、制御セル位置
のみに用いるように限定でき、好都合である。

また、一層長い寿命および一層好適な中性子吸収スペク
トルを保証する別の制御ブレード物質を用いることも可
能になる。

例えば長寿命のハフニウム制御物質により出力整形ブレ
ードの出力擾乱を軽減しブレード寿命を伸ばすことがで
きる。

炉心から取出す以前の最終燃料サイクルまたは最後より
１回前の燃料サイクルで制御セルに挿入すべき燃料集合
体を適切に設計することにより、制御セル炉心の最大運
転能力を改善することができる。

制御棒履歴効果およびこの制御棒履歴効果が生じる関連
燃料燃焼期間に備えて燃料集合体を最適に設計するのが
望ましい。

初期炉心については、制御セルに滞在するはずの燃料集
合体を上記目的に合わせて特別に設計する。

また、第１回再装荷時に制御セルに移動する予定の燃料
集合体の設計は、後続の再装荷時に制御セルに移動する
予定の燃料集合体の設計とは異なる。

言い換えると、燃料集合体はその炉心内位置およびその
予想される炉心内滞在時間に応じて特別設計される。

再装荷燃料集合体は、通常その炉心内滞在の第３または
第４サイクルまで制御セルに移動せず、かＳる再装荷燃
料の可燃性吸収材設計は初期炉心燃料の場合とは異なる
。

従って再装荷燃料集合体も制御機能の分離から最大の利
益を引出すように最適に設計することができる。

多数の適用例において、燃料の約半分だけがその炉心内
履歴のなかで制御セルに滞在するので、特別設計の燃料
集合体を制御セルに用いることができる。

か＼る特別設計の燃料集合体を制御セルにその炉内滞在
の第１、第２、第３、第４または第５サイクルで導入す
ることができ、場合によっては２サイクル以上制御セル
に残しておくことができる。

しかし、普通の最適例では燃料は炉心内滞在の最終サイ
クルまたは最後より１回前のサイクルのみ制御セルに滞
在する。

製造基準から、標準設計の燃料要素を用いて燃料集合体
を形成すること、そして異なる標準燃料要素タイプの数
を最小にすることが要求される。

従って、燃料集合体は設計、性能および安全要件を満た
す一方、できるだけ多くの標準燃料要素を共通に使用で
きるように設計する。

制御セル炉心用の初期および組合せ再装荷燃料集合体設
計により、必要な燃料集合体の製造に用いる必要のある
標準燃料要素タイプの数の減少を含むこれら要件を容易
に達成することができる。

本発明に係わる制御セル炉心設計により、未減損の可燃
性吸収材含有燃料集合体を出力時に挿入される制御棒の
隣りに配置するのを避けることができ、この特徴に基づ
いて、可燃性吸収材含有撚料要素内の可燃性吸収材の異
なる軸方向領域の数を減らすことによって、燃料集合体
内の可燃性吸収材含有燃料要素の設計を簡単にすること
ができる。

特定の炉心必要条件および原子炉設計に応じて別の制御
セルパターンを用いることができる。

主要基準は制御セルのパターンにより最大炉心対称性を
与えることと、原子炉運転開始の容易さ、出力形状およ
び最大過剰反応度の制御、および使用格子の負荷追従を
保証できる十分な制御セルが存在することである。

制御セルの数および位置は、その変更により性能上のま
たは他の利点かある場合に、新しい燃料サイクル間隔の
開始時に変更することができる。

制御機能の分離と特別な炉心設計とにより以下の基本的
基準を実現することができる。

（１）未減損可燃性吸収材含有撚料を有意出力時に制御
棒の隣りに配置しないこと。

（２）高反応度燃料を定常状態定格出力時に制御棒の隣
りに配置しないこと。

（３）制御棒パターン変更および制御棒移動を１燃料サ
イクル間隔内で最小限にすること。

（４）隣接制御棒移動に基づく大きなδ出力変化を経験
する燃料を制御棒引抜き時に比較的低い出力に維持する
こと。

（５）制御棒でコールド停止反応度を最高反応度の局部
領域で最大にするとともに、制御棒燃焼のコールド停止
制御への影響を最小限にすること。

（６）定格出力で出力整形に用いられる制御棒による局
部および全体的出力の優乱を最小にするとともに、制御
ブレード寿命を出力時に顕著な中性子照射が何度も重な
る制御ブレードに関しては最大にすること。

これらの原理を制御セル炉心設計に適用する結果として
、大きな熱的余裕、プラント稼動率の上昇、オペレータ
誤操作可能性の減少および安全性の向上、燃料信頼性の
向上、燃料サイクル経済上の向上、簡単な燃料製造およ
び負荷追従速度および範囲の向上といった利点が得られ
る。

さらに、制御棒パターン変数の数の減少により設計が簡
単になり、全自動直接出力整形制御を適用する可能性が
増加する。

次に図面を参照しながら本発明を詳述する。

本発明を沸騰水型の水冷減速原子炉に適用するものとし
て説明するが、本発明はこれのみに限定されるものでは
ない。

沸騰水型原子炉の１例を第１図の略図に示す。

この原子炉は圧力容器１０を具え、圧力容器は、軽水の
ような冷却材兼減速材中に沈められた炉心１１を有する
。

炉心１１は環状シュラウド１２により包囲され、上部炉
心グリッド１４と下部炉心プレート１６との間に、互に
間隔をあけて配列された多数の変換可能な燃料集合体１
３を含む。

複数個の制御棒駆動機構収納管１７内に収容された制御
棒駆動機構によって、炉心の反応度を制御する目的で、
複数個の制御棒１８を燃料集合体１３間に選択的に挿入
することができる。

各収納管１７には燃料集合体支持部材１９が装着され、
各支持部材１９には４個の隣接燃料集合体のノーズ部材
２１を受入れるソケットが形成されている。

ノーズ部材２１および支持部材１９には、冷却材供給室
２２と連通ずる冷却材通路または開口が形成されている
。

冷却材循環用ポンプ２３により供給室２２中の冷却材を
加圧し、かくして冷却材を供給室２２から支持部材１９
および燃料集合体ノーズ部材２１の開口を経て燃料集合
体１３内に上向きに強制送給する。

これにより冷却材の一部は水蒸気に転換され、水蒸気は
、気水分離器−蒸気乾燥器２４を通過してタービン２６
のような蒸気使用装置に達する。

復水器２７で形成された凝縮水をポンプ２８により給水
として容器１０に戻す。

１本の制御棒１８とこれを囲む４つの燃料集合体が炉心
の１つの燃料セルを横取する。

このようなセル２９の代表例を第２図の平面図に示す。

制御棒１８を囲む４つの燃料集合体１３（１）〜１３（
４）は、その上端で、ビーム３０と３２を交差連結する
ことにより形成された上部炉心支持格子により、横方向
に支持されている。

交換可能な燃料集合体１３それぞれは、複数個の細長い
燃料要素３４を、上部および下部タイプレート（図示せ
ず）間で相互に間隔をあけて支持するとともに、管状の
流れチャネル３６で囲んで形成される。

チャネル３６は冷却材を燃料要素の間で上方に導ひく作
用をなす。

このような燃料集合体のさらに詳しい図解は、前述した
米国特許第３．６８９，３５８号に見られる。

上述したタイプの原子炉では、炉心の一部をなすある部
分量（バッチ）の燃料を定期的に再装荷する。

代表的な例では、原子炉を燃料濃縮度、再装荷バッチの
寸法および使用格子の条件に応じて再装荷から次の再装
荷まで１２〜１８ケ月間作動させる。

この再装荷と次の再装荷との間の運転間隔を「再装荷サ
イクルＪ （ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ）と称
する。

本発明によれば、炉心の燃料セルを制御セルおよび非制
御セルのパターンに配列し、制御セルを互に少くとも１
個の非制御セルにより分離する。

かＳるパターンとして使用できる２つの例を、第３Ａお
よび３Ｂ図の炉心の対称な４象限のうちの１象限の平面
図によって説明する。

制御セルの燃料集合体３８をｒＣＪで示し、非制御セル
の燃料集合体４０をｒＮＪで示す（ＣおよびＮばＣ０ｎ
ｔｒＯ１およびｎｏｎ −ｃｏｎｔｒｏｌの頭文字）。

これらのパターンは、両者とも炉心の中心に関して制御
セルの異なるパターンと％炉心対称である。

（炉心の対称性は望ましいものではあるが、ここで説明
する制御セル炉心配列の必須条件ではない。

）再装荷サイクルと次の再装荷サイクルとの間で、制御
セルの数を増減したりパターンを別のパターンに変えた
りすることができる。

例えば、第３Ａ図のパターンを１回の代表的１年間再装
荷サイクルの間使用し、その次の１年間再装荷サイクル
の間、第３Ｂ図の位置に配置転換された制御セルを使用
することができる。

炉心の外周は、例えば高い熱中性子束勾配により特徴付
けられる特殊領域とみなすことができる。

この領域に使用するのに好適な燃料集合体を同定し易く
するために、外周燃料集合体を「Ｐ」で示し、これに隣
接する燃料集合体を原則としてｒＩＪで示す。

図示の便宜上、炉心の１象限のみを示しであるが、炉心
が対称であるとすれば、炉心配列全体を示すのに１象限
を図示寸れば十分である。

さらに、本発明によれば、制御セル（以下Ｃセル）３８
には相対的に低い反応度の燃料を装荷し、非制御セル（
以下Ｎセル）４０には相対的に高い反応度の燃料を装荷
する。

例えば、特定ケースの必要条件に応じて、Ｃセルは、運
転サイクルの開始時に、約０．７１１〜１．２Ｗ１０（
核分裂性物質重量パーセント）の新燃料濃縮度（初期炉
心の場合代表値は０．９２４Ｗ１０ ）に等価な反応度
を有し、Ｎセルは、約１．６〜２．７Ｗ１０または２，
１５Ｗ１０程度の平均値の新燃料濃縮度に等価な反応度
を有する。

Ｎセル中の核分裂性物質対Ｃセル中の核分裂性物質の比
は、通常、設計、運転および燃料サイクル条件に従って
最大にする。

さらに、外周燃料集合体Ｐには、例えば天然ウランの新
燃料濃縮度（０，７１１Ｗ１０ ）に等価な低い反応度
の燃料を装荷し、隣接中間燃料集合体■には、例えば約
３Ｗ１０の新燃料濃縮度に等価な高い反応度の燃料を装
荷する。

このように低反応度外周燃料と高反応度隣接中間燃料と
の組合せを用いることにより、炉心からの中性子もれを
最小にする一方、炉心の半径方向出力分布を平坦化し、
熱的性能限度に関する余裕（ｍａｒｇｉｎ）を改善する
。

本発明によれば、このように燃料を配列した状態で、原
子炉を停止状態から運転状態にするために、Ｎセルの制
御棒を外周部分のものから順次炉心から引抜き、それ以
後運転サイクルの間ずつとＣセルの制御棒のみを用いて
出力レベルおよび分布を制御する。

Ｃセルの制御棒の操作計画は色々な要素の中でも特に隣
接Ｎセル中の燃料の反応度分布に依存する。

（運転サイクル中のＣセルの制御棒の操作計画例は後で
示す。

）原子炉運転の一般的計画は、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
ｏｆ ＩＡＥＡ Ｐａｎｅｌ 。

Ｖｉｅｎｎａ １９６７ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙ Ａｇｅｎｃｙ （１
９６８）中のＲ，Ｌ、Ｃｒｏｗｔｈｅｒの論文” Ｂｕ
ｒｎｕｐ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌａｒｇｅ Ｂｏ
ｉ ｌｉｎｇＷａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒｓ”（大形沸
騰水型原子炉の燃焼分析）に記載されている。

この論文に記載された一定の燃焼出力サイクル初期−末
期状態は「ヘーリング分布Ｊ （Ｈａｌｉｎｇ ｄｉｓ
ｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）と称される。

原子炉炉心が十分な回数の均一反復運転サイクル運転さ
れると、炉心は交換燃料集合体の数および濃縮度ならび
にその炉心内分布に関して「平衡」に達する。

従ってこのような炉心は平衡炉心と称され、その運転サ
イクルは平衡サイクルと称される。

代表的な例では、平衡炉心を全燃料集合体の４分の１程
度の交換によりは７１年毎に再装荷する。

従って平衡炉心では燃料集合体は、２６，０００ＭＷＤ
／ＳＴ（メガワット・日／標準トン）程度の代表的出力
照射の場合、炉心内に約４年間滞在する。

平衡炉心において、本発明によれば、Ｎセルの最大燃焼
即ち最小反応度の燃料集合体をか＼る集合体の炉心内滞
在の最終サイクルの間Ｃセルに使用する。

この例では、Ｎセル燃料はその最終サイクルの間Ｃセル
内に配置できるように、そして最大熱余裕および燃料信
頼性を呈するように特別に設計されている。

本発明の他の実施例では、特別な燃料集合体をＣセル内
に新燃料として、もしくは幾つかのＮセルに１〜３再装
荷サイクルの間滞在させた後に装荷する。

実用運転において、原子炉が真の「平衡」に達するのは
ごく稀である。

従って実用原子炉炉心設計では、原子炉運転状態の実際
の変動に適合するように反応度、再装荷バッチ寸法、制
御棒パターンおよび原子炉運転モードを調節できること
が必要である。

本発明によれば、この目的を達成するために、制御セル
および非制御セルの反復配列を炉心の中心部分に、低反
応度セルを外周領域に維持して、炉心からの中性子のも
れを最小にし、かつ中心領域と外周領域との間の中間領
域は、燃料集合体の数および体積を変えることができる
ようにする。

従って、Ｃセルの数はある再装荷サイクルから次の再装
荷サイクルで変えることができる。

２種以上の燃料集合体を再装荷できることにより融通性
がさらに増す。

再装荷中に挿入する燃料集合体はタイプ、平均濃縮度、
可燃性吸収材含量および他の設計特性を変えることがで
き、先の再装荷サイクルから取出された燃料をもって構
成することもできる。

しかし、稼動状態に入ったばかりの新しい原子炉におい
ては、普通炉心の燃料のすべてが新しい。

このような初期炉心に用いる燃料集合体は平衡炉心を事
実上まねるように設計配置され、これにより初期炉心か
ら平衡炉心への移動を容易にする。

本発明の初期および移行サイクル運転への適用を以下に
説明する。

第４Ａ〜４Ｇ図は初期炉心に用いる炉心配置例およびこ
れに用いる燃料集合体例を示す。

第４Ａ図に示す初期炉心配列には、第４Ｂ〜４Ｆ図に示
す異なる燃料集合体タイプＧｉ、Ｎａ。

Ｎｂ 、 Ｉ ｉおよびＰｉを用いる。

第４Ｂ〜４Ｆ図において、Ｗで示される燃料要素位置は
、水減速材が流通する下部および上部開口を有する非燃
料装填管で占められている（例えば米国特許第３．８０
２，９９５号に説明されている）。

第４Ｃ。４Ｄおよび４Ｅ図において、ＢＡで示される燃
料要素は、その燃料物質の部分に可燃性吸収材、例えば
ガドリニウムが混合されている。

か＼る可燃性吸収材の軸方向分布例を第４Ｇ図に示す。

このような簡単な可燃性吸収材配置は、本発明に係わる
制御セル炉心およびその運転に適当である。

その理由は、このような配置では出力時に有意の未燃焼
の可燃性吸収材を含有する燃料集合体付近に制御棒を挿
入しないからである。

かくして、制御棒に起因する出力分布擾乱および制御棒
の可燃性吸収材燃焼との相互作用が回避される。

また第４Ｃおよび４Ｄ図に示すように特定の燃料要素は
特定の炉心の必要条件に応じてまた炉心内の燃料集合体
の位置に応じて可燃性吸収材を含有してもしなくてもよ
い。

燃料集合体Ｃｉ、Ｎａ、Ｎｂ、ＩｉおよびＰｉは、第４
Ａ図の配列に、設計上の安全制約を満たす一方、初期運
転サイクル全体にわたって炉心の全出力能力を最大にす
るような態様で、並べられている。

炉心容積の約％を占める外周領域には低濃縮度の集合体
Ｐｉ （第４Ｆ図）を装填して炉心からの中性子のもれ
を最小にする。

高濃縮度の燃料集合体Ｉｉ （第４Ｅ図）を外周集合体
の隣りに配置して炉心半径方向出力分布を平坦にし、熱
的性能を改善する。

燃料集合体Ｃｉ （第４Ｂ図）は、初期運転サイクル全
体にわたってＣセルに用いるように設計されている。

低い平均濃縮度に加えて、この燃料集合体の燃料要素の
濃縮度分布は、最低濃縮度の燃料要素を隣接制御棒にも
つとも近い燃料要素位置に配置するように設計されてい
る。

燃料要素の分布は、制御棒を燃料に隣接するよう挿入し
た状態で長期の出力運転に適合するように最適化されて
いる。

この配置により、燃料集合体が挿入された制御棒ブレー
ドに隣接する状態からその後制御棒引抜きに致る必要な
長期間に順応でき、かつ先の制御棒挿入の履歴に基づく
関連した局部的出力ビーキングを補償することができる
。

（なお、燃料集合体Ｃｉは、炉心の外周位置で燃料集合
体Ｐｉの代替品として用いることもできる。

）燃料集合体Ｎａ、ＮｂおよびＩｉば、初期にＮセルに
滞在させ、十分な照射を重ねた後、最終的にＣセルに使
用するように設計されている。

例えば、燃料集合体Ｎａは第２サイクルでＣセルに、燃
料集合体Ｎｂは第３サイクルでＣセルに、燃料集合体■
１は第４サイクルでＣセルに移動することができる。

このような使用を可能にするこれらの燃料集合体の設計
特徴の１つが、制御棒を長期運転期間中挿入しておいた
場合の最終サイクル運転を保証する独特の燃料濃縮度分
布である。

別の方式においては、新しい（未照射）Ｃｉタイプの燃
料集合体を各再装荷サイクル毎に制御セル中に装入する
ことができる。

これらの燃料集合体の燃料要素は、隣接制御ブレード移
動から生じる大きなδ出力からの特別の保護、例えば米
国特許第３，９２５，１５１号に記載されたような被覆
障壁をもつように設計することができる。

前述したように、制御セル炉心の運転にあっては、原子
炉を出力状態にもって行くにつれてＣセルの制御棒を除
くすべての制御棒を引抜く。

従って出力時の運転はＣセルの制御棒によって制御され
る。

Ｃセル制御棒の操作計画は、特に従来の制御棒操作計画
と比較して、極めて簡単である。

第４Ａ図に示す燃料集合体の特殊なパターンにより、原
子炉運転開始が容易になり、運転の融通性が高まる。

２番目に低い反応度の燃料集合体Ｎａ （第４Ｃ図）は
％炉心対称な別の制御セル位置に配置する。

運転開始の間、Ｎａ位置の制御棒は、蒸気ボイド係数、
ドツプラー係数およびキセノン反応度を部分的に制御す
るのに用いられ、その後炉心運転を制御するために制御
棒をＣｉ位置のみに用いる前に引抜くべき最後の制御棒
群となる。

このことにより低い原子炉出力時に移動される制御ブレ
ードの先端をはずれた局部的出力が最小限に抑えられ、
さらに迅速かつ信頼性ある原子炉運転開始を行える。

次の再装荷サイクルの間、制御セル（Ｃｉ）の位置をＮ
ａ位置に変えることができ、Ｃ１位置からの燃料集合体
を取出すかまたは外周位置Ｐｉに移動し、Ｎｂ位置の燃
料集合体をＣｉ位置に移動し、新しい燃料集合体を空に
なったＮｂ位置に配置する。

その次の再装荷サイクルでは、制御セルを第４Ａ図に示
すＣｉ位置に戻す。

この組合せの再装荷および運転プランにより、再装荷中
に移動しなければならない燃料集合体の数を少くする。

同様の計画を用いる統合化平衡再装荷プランを以下に説
明する。

１例としてＣセル制御棒操作計画を一般用語で第５図に
関連して説明する。

第５図ではＣセル制御棒を８個のセル群の１構成要素と
して示しである。

第５図の群指定を用いた場合、サイクル全体にわたって
のＣセル制御棒パターンの選択は代表的には次のように
なる。

（１）群１，２および８の制御棒を相対的に深い位置に
挿入する。

これらの制御棒を用いて、その長さの約％が炉心から引
抜かれるまで、サイクル中の反応度変化を補償する。

次いでこれらの制御棒を炉心から完全に引抜く。

（２）群３の制御棒を中間位置にかつ群１，２および８
の制御棒に関連して挿入して炉心を臨界状態にし、全半
径方向炉心出力分布を炉心の中心に向けてピーキングさ
せるとともに、中心ピークの大きさを前述したヘーリン
グ燃焼分布の中心ピークに少くとも等しくする。

（３）群７の制御棒を浅い位置から深い位置に挿入する
。

これらの制御棒は二重の役割を果す。これらの制御棒は
、群１および２の制御棒を深く挿入するサイクルの部分
期間の聞手径方向炉心出力分布を整形するのに用いられ
る。

その上、これらの制御棒は、外周集合体に隣接する高反
応変の燃料集合体に許容範囲内に限定された出力密度を
維持するのに必要な軸方向出力整形をなす。

さらに、運転融通性が必要とされる装入後の運転開始お
よび他の状態の間、群７の制御棒を深く挿入して、制御
棒を部分的に引抜いた際にブレード先端をはずれた燃料
の局所出力密度がペレット−クラッド相互作用（ＰＣＩ
）Ｌきい値限定出力より小さくなるようにし、この結果
、これらの制御棒を定格出力時に深い位置から移動する
ことができる。

（４）群４および５の制御棒は、群１，２および８の制
御棒を挿入したサイクルの部分期間の間軸方向出力整形
のためのみに用いられる。

この期間中制御棒を必要に応じてのみ挿入して隣接高反
応度燃料集合体に許容し得る出力密度余裕を維持する。

群１，２および８の制御棒を完全に引抜いたとき、群４
および５の制御棒を挿入してそのサイクルの残りの期間
の反応度制御の役割を引継ぐ。

この群１，２および８の制御棒を群４および５の制御棒
と交換することは、時にはＣセル燃料集合体におけるピ
ーク出力密度を最小にするために行われる。

群４および５のセル中のＣセル燃料集合体は交換時にそ
の中心面より上に制御棒履歴をもたないので、これらの
局所出力ビーキングは交換を行わなかった場合に群１，
２および８制御セルの燃料集合体が呈するであろうピー
キングより低い。

（５）最後に、群６の制御棒を必要な場合にのみ挿入し
て高反応度燃料集合体に許容し得る出力密度を維持する
か、または前述した群７の制御棒の適用に類似した深い
制御および全出力運転融通性を達成する。

１運転サイクルの最後に、再装荷のために原子炉を停止
する。

通常、外周燃料集合体を炉心から取出す。

Ｃセル集合体をＣセルから外し、炉心から取出すか、ま
たは場合によってはこれらの集合体を炉心でもう１サイ
クル用いるために外周燃料集合体位置に移動してもよい
。

ＣセルにはＮセルから最高燃焼最低反応度の燃料集合体
を再装荷する。

（Ｎセルからの高燃焼集合体も外周燃料集合体位置に移
動することができる。

）新しい燃料集合体をＮセルに（好ましくは散乱装入態
様で）挿入する。

これらの新しい集合体は次の運転サイクル全体にわたっ
て必要な反応度を与えるのに適当な濃縮度を有する。

本発明に従って再装荷した炉心の配列例を第６Ａ図に示
す。

燃料集合体の判別符号（Ｎ、Ｃ，Ｐ ）の添字Ｏ〜３は
この再装荷時までに燃料が受けている照射サイクルの数
を示す。

第６Ｂ図は第４Ａ図の初期炉心設計と同様の反応度分布
を呈する別のパターンを示す。

外周（Ｐ４位置）に位置する第５サイクル燃料は、通常
それ以前のサイクルからの第４サイクル外周燃料である
が、制御セル位置から移動された燃料とすることもでき
る。

このパターンを平衡時に繰返すには、Ｐ４．Ｃ３および
／またはＰ３３燃料集体を取出し、Ｎ２および／またば
Ｃ３燃料集合体をＰ位置に移動し、Ｎ２燃料集合体をＣ
３位置に移動し、Ｎ□燃料集合体を以前のＮ２位置に移
動し、新しい燃料を空のＮ１位置に装入する。

第６Ｃ図は第６Ｂ図と類似した別の装入パターンを示す
が、本例では制御セルを炉心の中心に関して異なる位置
に配置して第３Ｂ図の炉心配置と同様の配置を達成して
いる。

第６Ｃ図の配置の制御セルは第６Ｂ図の配置のＮ２燃料
のセルと同じ位置にあることに注意すべきである。

Ｎ２燃料集合体は、その最終サイクルの量制御セルに使
用されるように予定されているので、再装荷中に移動し
なければならない燃料集合体の数は、ある再装荷サイク
ルでの第６Ｂ図の制御セルパターンから次の再装荷サイ
クルで第６Ｃ図のパターンに、またその次の再装荷サイ
クルで第６Ｂ図のパターンにと順次変えて行くことによ
り最小にすることができる。

この別法により制御ブレードの使用および燃焼が一層多
数の制御棒に広げられ、従って制御セル内での出力整形
および反応度制御のために特殊機能長寿命制御棒の数が
約２倍必要である。

第７図は、第５，６Ａおよび６Ｃ図の炉心配置に新しい
燃料Ｎ。

とじて使用する再装荷燃料集合体例を示す。

この設計で注目に値するのは、燃料集合体の制御棒角部
に相対的に低い濃縮度の燃料要素を配置したことで、こ
れにより制御棒履歴効果を最小にするとともに、集合体
をＮセルで照射した後Ｃセル位置に使用することができ
る。

特別な燃料要素を、再装荷または初期炉心燃料集合体内
の出力変化またはペレット−クラッド相互作用からの損
傷をもつとも受は易い燃料要素位置、例えば第７図の再
装荷燃料集合体の位置３゜４，５および７に使用するこ
とができる。

このような燃料要素には保護被覆障壁、例えば被覆を核
分裂生成物の攻撃から保護する銅または純粋なジルコニ
ウムの層を設けることができる。

このような耐損傷性燃料要素は環状燃料ペレットおよび
／または添加可塑剤含有燃料ペレットを含むこともある
。

本発明に係わる燃料集合体は炉心必要条件および特定の
集合体の炉心内の位置に応じて一層多量または少量の可
燃性吸収材を含有できることを注意すべきである。

第８Ａ図は、第６Ａ図の平衡炉心の運転サイクル全体に
わたっての種々の照射量ＥにおけるＣセル制御棒パター
ンの例を示す。

制御棒は群毎に操作され、この制御棒群の符号１〜８は
第５図に示したのと同じである。

Ｃセルを表わす四角内の数字はセルの制御棒の全深さ挿
入に対する割合（パーセント）を示す。

従って、１００は完全挿入を示し、０は完全引抜きを示
す。

制御セル以外の制御棒は有意の出力時には運転に用いら
れず、制御セルの制御棒の移動は原子炉運転中は最小限
に抑えられる。

第８Ｂ図は、普通の設計および運転の炉心に関して、制
御棒に隣接する相対出力を底部進入制御棒位置の函数と
して示す。

この図は炉心の頂部における減少した蒸気ボイド注入の
効果を示し、その結果、制御棒を炉心の底部に挿入した
としても高いピーク出力が生じる。

第８Ｃ図は、本発明の制御セル炉心思想に基づく設計お
よび運転の炉心に関する相対出力対制御棒位置の関係を
示す同様の曲線を示す。

注目すべきことには、第８Ｂ図の通常の炉心と比較して
制御ブレードに隣接するピーク出力が著しく減少し、炉
心内の上方または下方で出力のピークが生じ難く、出力
ビーキングを増さずに制御ブレードを炉心中一層深くに
挿入でき、制御ブレードを完全に引抜いた位置で出力が
燃料の頂部約８０％にわたって減少する。

第８Ｄ図は、本発明の制御セル内での制御棒移動が非制
御セル内の高反応度燃料に与える効果を示す。

通常の設計の高反応度燃料出力分布傾向（第８Ｂ図）と
比較して、制御ブレード移動中の出力（ＫＷ、／ｆｔ、
）の変化が小さく、この燃料では制御セルブレードの部
分的挿入により軸方向出力ピークを一層よく制御でき、
ある制御棒状態から別の状態への移行が一層スムーズで
、炉心の頂部における出力増加が著しく小さく、そして
ピーク原子炉局所出力が減少する。

従って本発明に係わる制御セル操作モードにおいては、
制御ブレードを炉心の底部約１７％に挿入しても、制御
セルの燃料にも制御セルの外側のつまり非制御セルの高
反応度燃料にも著しいピーク出力の増加がない。

さらに、制御セルの制御ブレードを中心炉心位置に挿入
することにより、隣接非制御セルの燃料のピーク出力が
著しく減少する。

これらの傾向を用いて、今まで適用されてきた従来の制
御法で遠戚されるより一層適切な出力形状を本発明の制
御セル設計で得ることができる。

本発明の制御セル炉心の重要な特徴はＣセルおよびＮセ
ル制御棒の機能の分離である。

炉心出力レベルおよび整形制御に用いられるＣセルの制
御棒は全制御棒の約にだけである。

残りの制御棒、即ちＣセル以外の制御棒はその主機能と
して原子炉停止を行う。

この機能分離と炉心出力制御に用いられる制御棒の数を
最小にすることによって、制御棒およびその駆動機構の
設計を改変して、すべての制御棒および駆動機構が出力
整形および停止の二重機能を果さなければならない場合
には実用できないような態様で、前記制御棒および駆動
機構が特定の機能を果すようにすることができる。

例えば、Ｃセルの制御棒が長い寿命を有し、これらの制
御棒がその移動につれて隣接燃料の局所出力を急激にと
いうよりはむしろ徐々に変化させることが望ましい。

Ｃセルに用いるのに適当な制御棒１８１および制御棒駆
動機構１７１の例を第９Ａ〜９Ｄ図に示す。

制御棒１８１は、ハンドル４４が形成された上部鋳造部
４２と下部鋳造部４６とを十字断面の中心ポスト４８で
連結して形成される。

下部鋳造部４６には速度制限器５０、案内ローラ５２お
よび駆動機構１７１への取付用の連結ソケット５４が形
成されている。

上部鋳造部４２にも案内ローラ５５が取付けられ、これ
により制御棒１８１を燃料集合体間で横方向に支持する
。

Ｕ字形のシースを中心ポスト４８および上部鋳造部４２
および下部鋳造部４６に取付けて制御棒の４つのブレー
ド５６（１）〜５６（４）を形成する。

ブレード５６（１）〜５６（４）それぞれの中には複数
個の中性子吸収棒５Ｂが収容される。

代表的には、吸収棒５８は第９Ｂ図に示す通り、適当な
中性子吸収材、例えば天然の炭化硼素（Ｂ４Ｃ）粉末６
２を含有する密封管６０から形成される。

粉末６２の柱状体は、一連の離間した球６４により分割
され、球６４は、管６０の壁に設けられた円周方向クリ
ンプ６６により移動を拘束されている。

この横取により、粉末６２の柱状体に空隙が生じるのを
防止するとともに、吸収棒の一部に亀裂が入った場合に
吸収棒から粉末がすべて失なわれるのを防止する。

制御セル内に配置された制御棒が、隣接燃料に最小の衝
撃しか与えず、従って制御棒ブレードを引抜いたときに
局所出力変化を最小にすることが望ましい。

このことは制御棒ブレードに「グレイチツプ（ｇｒｅｙ
ｔｉｐ）Ｊを設けることによりある程度達成される。

グレイチツプは水減速材を排水するとともに、制御ブレ
ードの他の場所の強い制御物質より少量の中性子を吸収
する。

制御セル内に配置された制御ブレードが長い寿命を有す
ることも望ましい。

制御ブレードの羽根の先端および側縁は最大数の中性子
を吸収し、これらが制御ブレード寿命を限定する。

制御ブレードの高捕獲領域に、中性子捕獲から気体また
は他の損傷性反応生成物を生成しない長寿命物質を選択
使用することにより、制御ブレードの寿命を伸ばすこと
ができる。

制御棒１８１をＣセルに使用するように改作する特徴は
次の通りである。

制御棒１８１には長寿命または「グレイチツプ」を種々
の方法で形成することができる。

（ここで「グレイチツプ」は制御強さが頂部またはハン
ドル端から徐々に増加することを意味する。

）第９Ａ図に示すように、ハンドル４４は正規より幅広
にかつ長くシ、例えば中性子吸収材であるが硼素より制
御強さの低いステンレス鋼で形成する。

従って、拡大されたハンドル４４は水をその分排水し、
制御棒の先端から本体へ制御強さを変移させる。

グレイチップ長寿命制御棒１８１を形成する別のまたは
追加の方法を第９Ｃ図に示す。

本例では、ブレード５６（１）〜５６（４）内の吸収棒
５８の管６０に吸収材６２をその高さがブレードの外縁
に向って次第に低くなるように充填することにより、グ
レイチップ長寿命制御棒を得る。

グレイチップ効果および長い制御ブレード寿命双方をも
たらす配置を第９Ｄ図に示す。

この配置では、硼素に代えて適当な中性子吸収材、例え
ばハフニウムを内側吸収棒ではその長さの頂部１／２４
からＫまで、また１本または２本以上の外側吸収棒では
その全長に充填する。

制御ブレードの中性子束勾配が急峻であるので、制御ブ
レードの先端および外側吸収棒は最高入射中性子束、最
大中性子捕獲速度、従って最短寿命を有する。

これらの位置に用いられるハフニウムはＢ４Ｃよりはる
かに長いブレード寿命を与える。

その理由は、ハフニウムがＢ、Ｃから生成されるガスを
含めて損傷性反応生成物を形成しないからである。

またハフニウムは熱中性子に対してＢ４Ｃより鈍感であ
るが、エビサーマル中性子の強い吸収材である。

従って、ハフニウムは熱中性子吸収が少ないが、エビサ
ーマル中性子に関してばＵ−２３８とより大きく競合す
る。

その結果、Ｕ−２３８の転換が減少し、従って制御棒履
歴効果が減少する。

ハフニウムでは経費が大きくなることばＣセル制御棒へ
の使用については正補化される。

その理由は、Ｃセル制御棒は炉心の制御棒のうち少数部
分であり、もつとも厳しい責務を果すからである。

第９Ｄ図の制御棒設計は、高価なハフニウム物質を制御
ブレード寿命の延長にこの物質が必要とされる制御ブレ
ードの領域のみに局在化することによりコストを最小限
に抑えている。

最後に、制御棒を移動するときに隣接燃料における局所
出力の変化割合を小さくするために、制御棒駆動機構１
７１（第９Ａ図）を微細移動型のものとするのが望まし
い。

適当な微細移動蓋スクラム７駆動機構が米国特許第３，
７３４，８２４号に開示されている。

Ｃセルの外側の制御棒、即ちＮセルの制御棒は、原子炉
炉心が出力運転中は引抜かれる。

従ってこれらの制御棒は長い寿命を有し、コールド停止
価値を最大にするためにより強い吸収性のより高価な物
質でつくることができる。

Ｎセルに用いる制御棒１８２および駆動機構１７２の例
を第１０図に示す。

制御棒１８２の概略構造は第９Ａ図の制御棒１８１とは
ゾ同様である。

従って概略の説明は繰返さない。コールド状態では、例
えば沸騰水型原子炉の場合、炉心の頂部付近の燃料がも
つとも反応性である。

従って、Ｎセル制御棒においては、より高価かつ強い中
性子吸収性の物質を吸収棒の頂部Ｋまたは％のみに使用
することが必要である。

従って、第１０図に示すように、吸収棒の特殊な強力停
止ブレードは、例えばブレード５６’（１）〜５６’（
４）の上部％の部分に炭化硼素（Ｂ−１０）を、その長
さの残り下側％に普通のＢ４Ｃを含有する。

最後に、制御棒駆動機構１７２は比較的簡単に段階的移
動およびスクラム移動を行うことができる。

このような駆動機構の適当な例が米国特許第３．０２０
，８８７号に示されている。

以上、原子炉炉心用の燃料および制御棒の設計および配
置と、この炉心設計およびその運転を著しく簡単にでき
しかも燃料損壊の危険の低下した運転方法とを説明した
。

出力時に操作しなければならない制御棒の数を著しく少
なくシ、制御棒パターンをより精密かつ簡単にすること
により、自動化制御操作が一層容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、水冷却兼減速原子炉およびその蒸気使用系統
を示す概略図、第２図は、炉心の燃料セルの線図的平面
図、第３Ａ図および第３Ｂ図は、それぞれ制御セル配列
の異なる例を示す炉心のＨの部分の線図的平面図、第４
Ａ図は、初期炉心用の制御セル炉心配列を示す線図的平
面図、第４Ｂ〜４Ｆ図は、第４Ａ図の配列に用いる燃料
集合体Ｃｉ、Ｎａ、Ｎｂ、ＩｉおよびＰｉの配列図、第
４Ｇ図は、燃料要素内の可燃性吸収材の分布図、第５図
は、制御セルの制御棒の群指名の説明図、第６Ａ〜６Ｃ
図は、平衡炉心設計の再装荷例を示す平面図、第７図は
、再装荷燃料集合体の例を示す配列図、第８Ａ図は、炉
心運転サイクルの間の種々の照射量における制御棒パタ
ーンの例（群指定は第５図参照のこと）を示し、第８Ｂ
図は、従来の設計の炉心における高反応度燃料集合体の
局部出力変化をその集合体に隣接する制御棒の種々の位
置について示す曲線図（隣接制御棒を底部に向って引き
抜く際の従来の設計の新燃料集合体の出力を示す）、第
８Ｃ図は、本発明の制御セル内の燃料集合体の局部出力
変化をその制御セル内の制御棒の種々の位置について示
す曲線図（制御セルの制御棒を底部に向って引抜く際の
制御セル燃料の出力を示す）、第８Ｄ図は、本発明の非
制御セル内の高反応度燃料集合体の局部出力変化を隣接
制御セル内の制御棒の種々の位置について示す曲線図（
制御セルの制御棒を底部に向って引抜く際の制御セルの
隣りの新燃料の出力を示す）、第９Ａ〜９Ｄ図は、炉心
の制御セルに用いる制御棒および駆動機構を示し、第９
Ａ図は制御棒と駆動機構の斜視図、第９Ｂ図は吸収棒の
断面図、第９Ｃ図は、制御ブレード内の吸収材の配置例
、第９Ｄ図は制御ブレード内の吸収材の別の配置例を示
し、第１０図は、炉心の非制御セルに用いる制御棒およ
び駆動機構を示す斜視図である。 １１・・・・・・炉心、１３・・・・・・燃料集合体、
１８・・・・・・制御棒、２９・・・・・・燃料セル、
３４・・・・・・燃料要素、５６・・・・・・ブレード
、５８・・・・・・吸収棒、１７１゜１７２・・・・・
・Ｃ，Ｎセル駆動機構、１８１，１８２・・・・・・Ｃ
，Ｎセル制御棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個のセルを有する原子炉炉心において、各セル
   が、選択的に挿入可能な制御棒を囲む複数個の個別に変
   換可能な燃料集合体を含み、連続する定期運転サイクル
   １回毎に原子炉を停止して、炉心の燃料集合体の一部を
   交換するようにした原子炉炉心を燃料装荷および運転す
   るにあたり、（１）前記炉心に２種のセルのパターン、
   即ち制御セルセットと非制御セルセットよりなり、制御
   セルが互に少くとも１個の非制御セルで分離されたパタ
   ーンを選定し、 （２）前記制御セルに使用するように特に構成された設
   計の比較的低反応度の燃料の燃料集合体を制御セルに配
   置し、 （３）前記制御セルに次に使用するように特に構成され
   た設計の高反応度の燃料集合体を前記非制御セルに配置
   し、この高反応度は、前記燃料集合体を炉心にｎ運転サ
   イクル時間滞在させるのに十分なものとし、 （４）前記非制御セルの制御棒を炉心から実質的に引抜
   きかつ前記制御セルの少くとも幾つかのセルの制御棒を
   炉心に選択的に挿入して炉心の出力レベルを制御しなが
   ら、炉心を１運転サイクル全体にわたって運転し、 （５）前記サイクルの終点で炉心の再装荷のために原子
   炉を停止し、 （６）前記制御セルそれぞれからすべての燃料集合体を
   取出し、 （７）前記制御セルから取出した燃料集合体すべてを、
   前記非制御セルから移動され炉心内に（ｎ１）サイクル
   滞在していた照射ずみ燃料集合体と交換し、 （８）前記制御セルに移動された照射ずみ燃料集合体の
   数と少くとも等しい数の、炉心内でのｎ運転サイクルの
   滞在時間に十分な反応度を呈する濃縮度の未照射燃料集
   合体を前記非制御セルに挿入し、 （９）前記工程（４）〜（８）に従って、連続する運転
   サイクルで順次炉心を運転する、 以上の諸段階を有する原子炉炉心の燃料装荷および運転
   方法。 ２ 前記炉心の運転を、部分的に挿入された制御棒のブ
   レードを高反応度熱料の隣りに挿入しないように行う特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記燃料集合体のうち幾つかの燃料集合体が可燃性
   吸収材を含有し、前記炉心の運転を、部分的に挿入され
   た制御棒のブレードを非減損可燃性吸収材含有撚料の隣
   りに挿入しないように行う特許請求の範囲第１または２
   項記載の方法。 ４ 前記非制御セルに挿入される前記未照射燃料集合体
   が、四辺配列体に配置された複数個の細長い離間したは
   マ平行な燃料要素よりなり、集合体の２つの隣接辺が炉
   心内で制御棒のブレードに隣接して位置するよう選択さ
   れ；前記集合体の中心群の燃料要素が比較的高濃縮度の
   燃料を含有し；中間群の燃料要素が前記高濃縮度より低
   い中間濃縮度の燃料を含有し；外周群の燃料要素が前記
   中間濃縮度より低い低濃縮度の燃料を含有し；角の燃料
   要素が前記低濃縮度より低い濃縮度の燃料を含有し；前
   記所定隣接辺により画成される角に位置する１つの角燃
   料要素が前記集合体の他のあらゆる燃料要素より低い濃
   縮度の燃料を含有し；前記集合体の幾つかの燃料要素が
   可燃性吸収材を含有し；さらに少くとも１本の減速材流
   通棒が前記中心群の燃料要素間に延在する特許請求の範
   囲第３項記載の方法。 ５ 工程（７）および（８）を変更して、幾つかの燃料
   集合体のみを少くとも幾つかの制御セルから取出し、こ
   れらの燃料集合体を（ｎ−１）サイクル照射されている
   非制御セルからの燃料集合体と交換する特許請求の範囲
   第１〜４項のいずれか１項に記載の方法。 ６ 工程（７）および（８）を変更して、少くとも幾つ
   かの燃料集合体を少くとも幾つかの制御セルから取出し
   、これらの燃料集合体を比較的低反応度の未照射燃料集
   合体と交換する特許請求の範囲第１〜４項のいずれか１
   項に記載の方法。 ７ 工程（７）および（８）を変更して、幾つかの燃料
   集合体のみを少くとも幾つかの制御セルから取出し、こ
   れらの燃料集合体を前記非制御セル内で（ｎ−１）サイ
   クルより少いサイクル照射されている比較的低反応度の
   照射ずみ燃料集合体と交換する特許請求の範囲第１〜４
   項のいずれか１項に記載の方法。 ８ 燃料要素のペレット−クラツディング相互作用に対
   する抵抗性を増す手段を含む燃料集合体のみを前記非制
   御セルから前記制御セルに移動する特許請求の範囲第７
   項記載の方法。 ９ さらに、反応度が前記制御セルの燃料の反応度より
   大きく前記非制御セルの燃料の反応度より小さい燃料の
   燃料集合体を含む第２制御セルのセットを選定し、前記
   第２制御セルの制御棒を原子炉運転開始時および全出力
   運転に近つく間使用し、前記第２制御セルの制御棒を全
   出力運転中引抜き状態に維持する工程を含む特許請求の
   範囲第１〜８項のいずれか１項に記載の方法。 １０ さらに、グレイチップを有する制御棒を前記制
   御セルに配置する工程を含み、前記グレイチップにより
   制御棒の上端の一部に沿って制御強さを次第に減少させ
   る特許請求の範囲第１〜９項のいずれか１項に記載の方
   法。 １１ 前記制御セルの制御棒の上方部分および側方部分
   にハフニウムを配置し、前記制御セルの制御枠内の中性
   子吸収材の残りを特徴とする特許請求の範囲第１〜１０
   項のいずれか１項に記載の方法。 １２上部の制御強さが下部の制御強さより強い制御棒を
   前記非制御セルに配置する工程を含む特許請求の範囲第
   １〜１１項のいずれか１項に記載の方法。 １３前記非制御セルの制御棒の上部に−Ｈの部分に炭化
   硼素（Ｂ−１０）を、それより下方部分に天然Ｂ４Ｃを
   充填する工程を含む特許請求の範囲第１〜１２項のいず
   れか１項に記載の方法。 １４工程（２）で前記制御セルに配置される燃料集合体
   が、制御セルの制御棒チャネルに隣接する集合体の燃料
   要素内に低濃縮度燃料を含むが可燃性吸収材を含まず、
   隣接する制御棒の移動に耐えるように特に設計されてい
   る特許請求の範囲第１〜１３項のいずれか１項に記載の
   方法。 １５選択的に挿入可能な制御棒を囲み、個別に交換可能
   な複数個の燃料集合体を有する原子炉炉心であって、連
   続する定期運転サイクル１回毎に原子炉を停止して炉心
   の燃料集合体の一部を交換するようにした原子炉炉心を
   燃料装荷および運転するにあたり、 （１）前記炉心に第１制御セルセツト、第２制御セルセ
   ツトおよび非制御セルセットを含むセルパターンを選定
   し、 前記第１制御セルセツトは、その制御棒が出力時に炉心
   を制御できる十分な数とし、第１セツトのセルを互に他
   のセルセットの少くとも１個のセルにより分離し、 前記第２制御セルセツトは、その制御棒が出力時に炉心
   を制御できる十分な数とし、第２セツトのセルを互に他
   のセルセットの少くとも１個のセルにより分離し、第２
   セツトのセルを前記第１制御セルセツトのセルとは異な
   る炉心内セル位置に配置し、 前記非制御セルセットの非制御セルを前記第１および第
   ２制御セルセツトのセル間に配置し、（２）比較的低反
   応度の燃料の燃料集合体を前記第１セツトの制御セルに
   配置し、 （３）ｎ運転サイクルの炉心内滞在時間に十分な反応度
   を有する未照射燃料の燃料集合体を少くとも幾つか含む
   比較的高反応度の燃料の燃料集合体を前記非制御セルに
   配置し、 （４）前記第１制御セルセツトのセルの平均セル反応度
   と前記非制御セルのそれとの中間の平均セル反応度を呈
   する燃料集合体を前記第２セツトの制御セルに配置し、
   この第２制御セルセツトに配置される燃料集合体の少く
   とも幾つかを（ｎ−２）運転サイクルの間照射ずみとし
   、（５）前記第２制御セルセツトのセルおよび前記非制
   御セルの制御棒を出力時に実質的に引抜き、前記第１制
   御セルセツトの少くとも幾つかのセルの制御棒を選択的
   に挿入して原子炉炉心を制御しながら、炉心を１運転サ
   イクル全体にわたって運転し、 （６）前記サイクルの終点で炉心の再装荷のために原子
   炉を停止し、 （７）前記第１制御セルセツトの各セルの燃料集合体の
   うち少くとも幾つかを取出すとともに、これらを一層高
   い反応度の燃料集合体と交換し、（８）前記非制御セル
   の燃料集合体のうち少くとも幾つかを取出すとともに、
   これらを未照射燃料集合体と交換し、 （９）（ｎ−１）運転サイクルの間照射されている燃料
   集合体を少くとも幾つか含む比較的低反応度の燃料の燃
   料集合体を前記第２制御セルセツトのセルに配置し、こ
   れにより再装荷中の燃料集合体の移動を最小限に抑え、
   次いで （１■前記第１制御セルセツトのセルおよび非制御セル
   の制御棒を出力時に実質的に引抜き、前記第２制御セル
   セツトの少くとも幾つかのセルの制御棒を選択的に挿入
   して原子炉炉心を制御しながら、炉心を次の運転サイク
   ル全体にわたって運転する、以上の諸段階を有する原子
   炉炉心の燃料装荷および運転方法。 １６エ程（７）において、前記第１制御セルセツトのセ
   ルの交換燃料集合体が（ｎ−２）運転サイクルの間照射
   されている燃料集合体を少くとも幾つか含み、これによ
   り次の後続運転サイクルの間低反応度燃料を前記第１制
   御セルセツトのセルに配置し、前記第２制御セルセツト
   のセルおよび非制御セルの制御棒を出力時に炉心から実
   質的に引抜いた状態で前記第１制御セルセツトのセルの
   制御棒を選択的に挿入して原子炉炉心を制御する特許請
   求の範囲第１５項記載の方法。 １７エ程（８）において、前記非制御セルに配置される
   燃料集合体が（ｎ−３）サイクルの間照射されている燃
   料集合体と未照射燃料集合体との均等混合物よりなる特
   許請求の範囲第１５または１６項記載の力先 １８ さらに比較的低反応度の燃料の燃料集合体を炉
   心の外周燃料集合体位置に配置する工程を含む特許請求
   の範囲第１５〜１７項のいずれか１項に記載の方法。 １９ さらに比較的高反応度の燃料の燃料集合体を前
   記外周燃料集合体位置と前記セルセットとの間の炉心の
   中間燃料集合体位置に配置する工程を含む特許請求の範
   囲第１８項記載の方法。 ２０ さらに前記中間燃料集合体位置の燃料集合体の
   少くとも幾つかを再装荷中に非制御セル位置に移動する
   工程を含む特許請求の範囲第１９項記載の方法。 ２１ 前記外周燃料集合体位置に配置される燃料集合体
   の少くとも幾つかが照射ずみであり、炉心内の最終運転
   サイクルの間前記外周位置に配置される特許請求の範囲
   第１８〜２０項のいずれか１項に記載の方法。 ２２ さらにグレイチップを有する制御棒を前記第１お
   よび第２制御セルセツトのセルに配置する工程を含み、
   前記グレイチップにより制御棒の上端の一部に沿って制
   御強さを次第に減少させる特許請求の範囲第１５〜２１
   項のいずれか１項に記載の方法。 お前記第１および第２制御セルセツトのセルの制御棒の
   上方部分および側方部分にハフニウムを配置し、前記制
   御セルの制御棒内の中性子吸収材の残りを特徴とする特
   許請求の範囲第１５〜２２項のいずれか１項に記載の方
   法。 ２４ 上部の制御強さが下部の制御強さより強い制御棒
   を前記非制御セルに配置する工程を含む特許請求の範囲
   第１５〜２３項のいずれか１項に記載の方法。 ｂ前記非制御セルの制御棒の上部に−Ｈの部分に炭化硼
   素Ｂ−１０を、それより下方部分に天然Ｂ４Ｃを充填す
   る工程を含む特許請求の範囲第１５〜２４項のいずれか
   １項に記載の方法。