(57)【要約】      （修正有）【課題】現行炉心から、燃料有効長の異なる燃料装荷する炉心への移行時において、炉心の熱的余裕を確保した炉心移行方法を提供する。【解決手段】炉心に備える長尺燃料１から短尺燃料３に移行する際に、長尺燃料１を調整用燃料２（長尺燃料１と短尺燃料３の間の燃料有効長を持つ燃料）に置き換える工程を挟む。複数の第１燃料集合体を備える炉心にて運転する第１運転工程と、炉心から第１燃料集合体を取り出し、取り出した第１燃料集合体のあった位置に、第１燃料集合体より燃料有効長が短い第２燃料集合体を装荷して運転する第２運転工程と、炉心から第１燃料集合体または第２燃料集合体を取り出し、取り出した第１燃料集合体または第２燃料集合体のあった位置に、第２燃料集合体より燃料有効長が短い第３燃料集合体を装荷して運転する第３運転工程と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１燃料集合体を備える炉心にて運転する第１運転工程と、
前記炉心から前記第１燃料集合体を取り出し、取り出した前記第１燃料集合体のあった位置に、前記第１燃料集合体より燃料有効長が短い第２燃料集合体を装荷して運転する第２運転工程と、
前記炉心から前記第１燃料集合体または前記第２燃料集合体を取り出し、取り出した前記第１燃料集合体または前記第２燃料集合体のあった位置に、前記第２燃料集合体より燃料有効長が短い第３燃料集合体を装荷して運転する第３運転工程と、を有する原子炉の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の原子炉の運転方法であって、
前記第１燃料集合体の燃料有効長が、前記第３燃料集合体の燃料有効長の２倍以上である原子炉の運転方法。
【請求項３】
請求項１に記載の原子炉の運転方法であって、
第２運転工程の実施により、炉心が備える燃料集合体が全て第２燃料集合体となる状態になった後に、前記第３運転工程を開始する開始する原子炉の運転方法。
【請求項４】
請求項１に記載の原子炉の運転方法であって、
３つ並んだ第１燃料集合体のうちの中央の第１燃料集合体を取り出して、取り出した前記第１燃料集合体のあった位置に前記第２燃料集合体を装荷して運転し、
残る２つの第１燃料集合体のうちの一方の第１燃料集合体を取り出して、取り出した前記第１燃料集合体のあった位置に前記第３燃料集合体を装荷して運転し、
残った第１燃料集合体を取り出して、取り出した前記第１燃料集合体のあった位置に前記第３燃料集合体を装荷して運転し、
前記第２燃料集合体を取り出して、取り出した前記第２燃料集合体のあった位置に前記第３燃料集合体を装荷して運転する原子炉の運転方法。
【請求項５】
請求項１に記載の原子炉の運転方法であって、
前記第１燃料集合体と前記第２燃料集合体の入れ替えを２回実施し、炉心が１つ以上の前記第１燃料集合体と２つの前記第２燃料集合体を備えた状態になった後に、前記第１燃料集合体と前記第３燃料集合体の入れ替えを開始する原子炉の運転方法。
【請求項６】
請求項１に記載の原子炉の運転方法であって、
前記第３燃料集合体の下部に装荷される核分裂性物質の装荷量が、前記第３燃料集合体の上部に装荷される核分裂性物質の装荷量よりも小さい原子炉の運転方法。
【請求項７】
請求項１に記載の原子炉の運転方法であって、
前記第２燃料集合体の燃料有効長と前記第３燃料集合体の燃料有効長との比が、前記第２燃料集合体のチャンネルボックス内の流路面積の２乗と前記第３燃料集合体のチャンネルボックス内の流路面積の２乗の比とほぼ等しい原子炉の運転方法。
【請求項８】
請求項７に記載の原子炉の運転方法であって、
前記第２燃料集合体に装荷される燃料棒の本数は、前記第３燃料集合体に装荷される燃料棒の本数よりも少ない原子炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は沸騰水型原子炉炉心の移行方法に係り、特に、現行の沸騰水型原子炉の炉心から、超ウラン元素の燃焼を主な目的として、現行の沸騰水型原子炉の燃料よりも有効長が短く、かつ燃料棒を密に配置した燃料を装荷した炉心への移行方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在運転中の燃料集合体及び十字型制御棒を装荷している沸騰水型原子炉において燃料集合体内の燃料棒を三角格子稠密に配置するとともに、運転中にチャンネルボックス内でボイドを発生させることによって中性子スペクトルを硬化させた沸騰水型原子炉（以下、低減速スペクトル沸騰水型原子炉と称する）が特許文献１に提唱されている。
【０００３】
低減速スペクトル沸騰水型原子炉では中性子スペクトルの硬化のため、冷却材である水（冷却水）の流量減少などの理由によりチャンネルボックス内のボイド率が増加した際に投入される反応度であるボイド反応度係数の負の絶対値が減少するという課題がある。これを解決するため、特許文献1の構成では燃料において核分裂性物質を装荷する高さ方向長さ（以下、燃料有効長）を現行燃料よりも短くした燃料（以下、短尺燃料）を用い、ボイド率が増加した際に軸方向の中性子漏洩を増大させることで負のボイド反応度係数を保っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−６６６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の炉心を実現するために、既設の沸騰水型原子炉に短尺燃料を装荷することが考えられる。このとき、既設の沸騰水型原子炉に既に装荷されている、相対的に燃料の長い現行燃料(以下、長尺燃料)を無駄にしない観点から、運転サイクル毎に長尺燃料を燃焼の進んだものから一部取り出し、代わりに短尺燃料を装荷していくことで、既設炉心に装荷される燃料を全て短尺燃料にすることが望ましい。ところが、長尺燃料と短尺燃料が混在する移行時には、炉心下部の燃料装荷量が炉心上部と比較し多くなるため、炉心下部の発熱量が極端に大きくなり、炉心の熱的余裕が小さくなる課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、極端に異なる燃料有効長を有する燃料が炉心に混在するため生じる。そこで上記課題を解決するために、炉心に備える長尺燃料から短尺燃料に移行する際に、長尺燃料を調整用燃料（長尺燃料と短尺燃料の間の燃料有効長を持つ燃料）に置き換える工程を挟む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ある燃料有効長の燃料が装荷された炉心から、異なる燃料有効長の燃料が装荷された炉心へ移行する際に、炉心の熱的余裕の減少を緩和できる。これにより、長尺燃料が装荷された既設の沸騰水型原子炉から、超ウラン核種の燃焼を主な目的とした、短尺燃料を装荷した低減速スペクトル沸騰水型原子炉炉心に、安全性を確保しながら移行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】原子炉の運転方法の概念図である。
【図２】ＡＢＷＲの概略構成図である。
【図３】長尺燃料の燃料集合体の概略構成図である。
【図４】短尺燃料の燃料集合体の概略構成図である。
【図５】調整用燃料の燃料集合体の概略構成図である。
【図６】図３〜５の燃料集合体が複数体装荷されるＡＢＷＲ炉心の概略構成図である。
【図７】実施例１の移行炉心の燃料装荷パターンの説明図である。
【図８】実施例１と比較例１の相対値を示す最大線出力密度のグラフである。
【図９】実施例２と比較例２の相対値を示す最大線出力密度のグラフである。
【図１０】実施例３の調整用燃料の構成である。
【図１１】実施例３と比較例３の相対値を示す最大線出力密度のグラフである。。
【図１２】実施例３の調整用燃料の構成である。
【図１３】実施例４と比較例４の相対値を示す最大線出力密度のグラフである。
【図１４】その他の炉心の移行方法である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書において、燃料集合体及びそれを装荷する沸騰水型原子炉の炉心が適用される沸騰水型原子炉とは、再循環ポンプを備え冷却材として水（冷却水）を原子炉圧力容器外へ通流し再び原子炉圧力容器内のダウンカマへ流入させることで冷却水を循環させる通常の沸騰水型原子炉（Boiling Water Reactor:ＢＷＲ）、インターナルポンプを備え冷却水を原子炉圧力容器内で循環させる改良型沸騰水型原子炉（Advanced Boiling Water Reactor:ＡＢＷＲ）、ＡＢＷＲにおけるインターナルポンプを不要とする高経済性単純化沸騰水型原子炉（Economic Simplified Boiling Water Reactor:ＥＳＢＷＲ）等を含む。
【００１０】
以下では、移行前の炉心として混合酸化物（以下ＭＯＸ）を用いた長尺燃料を全数装荷したＡＢＷＲを、移行後の炉心として特許文献１に記載されているように、現行燃料の正方格子チャンネルボックス内に燃料棒を三角格子稠密に配置し、有効長が長尺燃料の半分である短尺燃料を装荷した炉心を、及び調整用燃料として燃料有効長が長尺燃料と短尺燃料との間である構成を例として説明する。なお、上述のように、本発明に係る燃料集合体および炉心は、横断面十字状の制御棒（十字型制御棒）を装荷する燃料集合体の体数が異なる他の沸騰水型原子炉にも適用可能である。
【００１１】
図１に本実施形態に係る原子炉の運転方法の概念図を示す。第Ｎ運転サイクルの移行前炉心（現行炉心）は長尺燃料１の燃料集合体のみで構成する。第Ｎ＋１運転サイクルの移行中炉心では、第Ｎ運転サイクルの現行炉心が備える複数の長尺燃料１の燃料集合体から１つの長尺燃料１の燃料集合体を取り出し、調整用燃料２の燃料集合体を装荷する。この工程を繰り返し、第Ｎ＋２運転サイクルの移行中炉心では、第Ｎ＋１運転サイクルの移行中炉心が備える複数の長尺燃料１の燃料集合体から１つの長尺燃料１の燃料集合体を取り出し、調整用燃料２の燃料集合体を装荷する。さらに、第Ｎ＋３運転サイクルの移行中炉心では、第Ｎ＋２運転サイクルの移行中炉心が備える最後の長尺燃料１の燃料集合体を取り出し、調整用燃料２の燃料集合体を装荷する。これにより、第Ｎ＋３運転サイクルの移行中炉心は調整用燃料２の燃料集合体のみで構成するものとなる。
【００１２】
第Ｎ＋４運転サイクルの移行中炉心では、第Ｎ＋３運転サイクルの移行中炉心が備える複数の調整用燃料２の燃料集合体から１つの調整用燃料２の燃料集合体を取り出し、短尺燃料３の燃料集合体を装荷する。この工程を繰り返し、第Ｎ＋５運転サイクルの移行中炉心では、第Ｎ＋４運転サイクルの移行中炉心が備える複数の調整用燃料２の燃料集合体から１つの調整用燃料２の燃料集合体を取り出し、短尺燃料２を装荷する。さらに、第Ｎ＋６運転サイクルの移行後炉心では、第Ｎ＋５運転サイクルの移行中炉心が備える最後の調整用燃料２の燃料集合体を取り出し、短尺燃料３の燃料集合体を装荷する。これにより、第Ｎ＋６運転サイクル（図１ではＮ＋ｍと示す）の移行後炉心は短尺燃料３の燃料集合体のみで構成するものとなる。
【００１３】
このような移行方法の採用によって、燃料有効長が極端に異なる長尺燃料１の燃料集合体と短尺燃料３の燃料集合体が混在することによる炉心移行時の熱的余裕の減少を緩和する。
【実施例１】
【００１４】
図２はＡＢＷＲの概略構成図である。ＡＢＷＲについて説明する。実施例１の燃料集合体（詳細後述する）が装荷される炉心を備えるＡＢＷＲ２０は、原子炉圧力容器２１内に円筒状の炉心シュラウド２６を備える。炉心シュラウド２６内に、複数体の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心２２が設置されている。また、原子炉圧力容器２１内には、気水分離器２８、蒸気乾燥器２９が設けられている。気水分離器２８は、炉心２２を覆うシュラウドヘッド３０に取り付けられ、上方へと延伸する。蒸気乾燥器２９は、気水分離器２８の上方に配される。
【００１５】
上部格子板２４は、炉心シュラウド２６の内部、シュラウドヘッド３０の下方、かつ炉心２２の上方に位置する。炉心支持板２３は、炉心シュラウド２６の内部、かつ炉心２２の下方に位置する。複数の燃料支持金具２５が炉心支持板２３に設置されている。
【００１６】
また、原子炉圧力容器２１内には、燃料集合体の核反応を制御するため炉心２２へ複数の横断面十字状の制御棒（図示せず）を挿入可能とする制御棒案内管３２が設けられている。原子炉圧力容器２１の底部より下方に設置された制御棒駆動機構ハウジング（図示せず）内に制御棒駆動機構３３を備え、制御棒は制御棒駆動機構３３に連結されている。原子炉圧力容器２１の底部には下鏡３４が設けられ、下鏡３４の下方より原子炉圧力容器２１の内部へ貫通するよう複数のインターナルポンプ３１が設置されている。
【００１７】
複数のインターナルポンプ３１は、複数の制御棒案内管３２の最外周部より外側であって、環状に相互に所定の間隔にて離間し、複数台配されている。これにより、インターナルポンプ３１は、制御棒案内管３２等と干渉することはない。そして、各インターナルポンプ３１のインペラが、円筒状の炉心シュラウド２６と原子炉圧力容器２１の内面との間に形成される環状のダウンカマ２６の内部に設けられている。原子炉圧力容器２１内の冷却材である水（冷却水）は、各インターナルポンプ３１のインペラにより、ダウンカマ２７を介して、下鏡３４側から炉心２２へ供給される。炉心２２内に流入する冷却水は、燃料集合体（図示せず）の核反応により加熱され気液二相流となり、気水分離器２８へ流入する。気水分離器２８を通流する気液二相流は、湿分を含む蒸気（気相）と水（液相）に分離され、液相は再び冷却水としてダウンカマ２７へ降下する。一方、蒸気（気相）は、蒸気乾燥器２９へと導入され湿分が除去された後、主蒸気配管３５を介してタービン（図示せず）へ供給される。復水器等を介して給水配管３６より原子炉圧力容器21内に流入する冷却水は、ダウンカマ２７内を下方へと通流する（降下する）。このように、インターナルポンプ31は、炉心２２で発生する熱を効率良く冷却するため、冷却水を炉心２２へ強制循環させる。
【００１８】
図３は、炉心２２に装荷される長尺燃料の燃料集合体の概略構成図（垂直方向の断面図と、水平方向の断面図）である。図３の右に示す燃料集合体３００は、横断面が正方形のチャンネルボックス３０１の内部に、直径約10 mmの燃料棒３０２を７４本、正方格子状に配置している。なお、各燃料棒３０２は上下両端部を上部タイプレート及び下部タイプレート（図示せず）にて、また、燃料棒３０２の途中を軸方向に一定間隔で離間する燃料スペーサー（図示せず）によって保持されている。チャンネルボックス３０１の内側には燃料棒３０２、および外径約34 mmの水ロッド３０３が配置されており、燃料棒３０２および水ロッド３０３の外側かつチャンネルボックスの内側領域は、水領域と呼ばれる減速材３０４で満たされている。チャンネルボックス３０１の外側にはギャップ水領域と呼ばれる飽和水３０５が設けられている。
【００１９】
図３の左に示す燃料集合体３０１は軸方向の構成として燃料有効長約3.7mの燃料領域を有している。燃料棒３０２は、劣化ウランの酸化物或いは劣化ウランに核分裂プルトニウムを含む超ウラン核種を富化したMOXペレット（図示せず）を被覆管（図示せず）に充填している。
【００２０】
図４は、炉心２２に装荷される短尺燃料の燃料集合体の概略構成図（垂直方向の断面図と、水平方向の断面図）である。図４の右に示す燃料集合体４００は、横断面が正方形のチャンネルボックス４０１の内部に２４３本の燃料棒４０２を三角稠密配置している。なお、各燃料棒４０２は上下両端部を上部タイプレート及び下部タイプレート（図示せず）にて、また、燃料棒４０２の途中を軸方向に一定間隔で離間する燃料スペーサー（図示せず）によって保持されている。チャンネルボックス４０１の外側には飽和水であるギャップ水領域４０３と十字型制御棒（横断面十字状の制御棒）４０４が挿入されている。以上の構成により、燃料に対して冷却水が占める割合を減らすことで、炉心２２内の中性子スペクトルを硬化した（高エネルギー側にシフトした）低減速スペクトルＢＷＲを実現している。また図４の左に示す燃料集合体４００はＭＯＸペレットを充填した燃料有効長約1.8mの燃料領域を有する。
【００２１】
図５は、炉心２２に装荷される調整用燃料の燃料集合体の概略構成図（垂直方向の断面図と、水平方向の断面図）である。図５の右に示す燃料集合体５００は、横断面（水平断面）の構成が正方形のチャンネルボックス５０１の内部に燃料棒５０２を三角稠密配置している図４の構成と同じであるが、燃料有効長が約2.8mである点で図４の構成と異なる。燃料棒５０２は上下両端部を上部タイプレート及び下部タイプレート（図示せず）にて、また、燃料棒５０２の途中を軸方向に一定間隔で離間する燃料スペーサー（図示せず）によって保持されている。チャンネルボックス５０１の外側には飽和水であるギャップ水領域５０３と十字型制御棒５０４（横断面十字状の制御棒）が挿入されている。
【００２２】
図６は、図３〜５に示す燃料集合体３００、４００、５００が複数体装荷されるＡＢＷＲ炉心２２の概略構成図（水平方向の断面図）である。炉心２２に８７２体の燃料集合体６０１が正方格子状に装荷されており、最外周に配される複数体の燃料集合体６０１を除き、相互に隣接する４体の燃料集合体６０１は、十字型制御棒６０２を囲むよう炉心２２に装荷されている。上述の図３〜５の右に示す燃料集合体３００、４００、５００の概略構成図（水平断面図）は、上記４体の燃料集合体の内の１体の燃料集合体６０１を示している。図４、図５の右に示すように、概略構成図（水平断面図）が正方形のチャンネルボックス４０１、チャンネルボックス５０１を構成する１つの角部で接続する２辺が、十字型制御棒６０２の２本のブレードと僅かな間隙を介して対向するよう炉心２２に装荷されている。
【００２３】
実施例１の炉心移行方法の効果を説明するため、比較例（図３の燃料集合体３００を長尺燃料として全数装荷する炉心２２から、図４の燃料集合体４００を短尺燃料として装荷する炉心２２へ移行する際に、長尺燃料から短尺燃料に直接置き換えて移行した場合）と、実施例１（図３の燃料集合体３００を長尺燃料として全数装荷する炉心２２から、図４の燃料集合体４００を短尺燃料として装荷する炉心２２へ移行する際に、いったん調整用燃料の燃料集合体５００に置き換えた後、調整用燃料を短尺燃料に置き換えて移行した場合）について、熱的余裕を示す指標である最大線出力密度を比較する。
【００２４】
図７は、実施例１の移行炉心の燃料装荷パターンの説明図である。水平断面を示すＡＢＷＲの１／４炉心７００の料体数（四角の枠で示す）は２１８である。四角内の数字「１」は滞在サイクル数１の燃料の装荷位置を示し、四角の中の数字「２」は滞在サイクル２の燃料の装荷位置を示し、四角内の数字「なし」は滞在サイクル数３以降の燃料の装荷位置を示す。ＡＢＷＲの１／４炉心７００は、滞在サイクル数１の燃料７０１の５０体と、滞在サイクル数２の燃料７０２の５０体を有する。なお、図７の燃料装荷パターンでは、出力の高い炉心中央部において滞在サイクル数１の燃料７０１と滞在サイクル数２の燃料７０２が隣接しないことを特徴としている。後述するように、滞在サイクル数２の燃料７０２には相対的に燃焼の進んでいない長尺燃料が装荷されており、滞在サイクル数１の燃料７０１の位置に短尺燃料を装荷した場合に、相対的に出力の高い長尺燃料の炉心下部の出力が増加することによる熱的余裕の減少を抑制するためである。
【００２５】
次に、実施例１に係る炉心移行時の燃料交換方法について説明する。図７に示すＡＢＷＲの１／４炉心７００の運転サイクルが終了したタイミングで、滞在サイクル数の最も多い燃料を取り出す。次にその取り出した燃料の位置に、残った燃料の中で滞在サイクル数の最も多い燃料を移動する。なお、このとき、最初に取り出した滞在サイクル数の燃料の数よりも、次に移動すべき滞在サイクル数の燃料の数が多い場合には、移動すべき滞在サイクル数の燃料の中で燃焼が進んだものから順に取り出す。これを滞在サイクル数１の燃料まで繰り返す。すなわち、図７で四角内に「２」と示された滞在サイクル数２の燃料は滞在サイクル数３（図示せず）の燃料があった位置に移動し、四角内に「１」と示された滞在サイクル数１の燃料は図７で四角内に「２」と示された位置に移動する。そして、最後に調整用燃料を図７で四角内に「１」と示された滞在サイクル数１の燃料があった位置に装荷する。
【００２６】
次に、実施例１の効果を示す。発明者らは、長尺燃料で構成する炉心から短尺燃料で構成する炉心への移行に際し、長尺燃料と短尺燃料が混在し、短尺燃料の存在により炉心軸方向出力が炉心下部で大きくなることで、移行炉心の熱的余裕の指標の一つである最大線出力密度が、長尺燃料側で小さくなることを見出した。炉心を短尺燃料で構成する場合には、短尺燃料がもともと炉心下部に相当する燃料有効長で出力を発生できるように、長尺燃料よりも燃料棒本数を多く設定している。しかし、長尺燃料では炉心下部に相当する燃料有効長で出力を発生することを想定していないため、炉心下部の出力分布の増加への対策はなく、長尺燃料と短尺燃料が混在すると熱的余裕が減少してしまう。
【００２７】
こうした課題を鑑み、実施例１に係る発明の本質は、長尺燃料と短尺燃料の間の燃料有効長を有する調整用燃料を装荷することで、炉心下部の出力が極端に高くなることを防ぐことにある。なお、この調整用燃料による効果は長尺燃料集合体の燃料有効長が、短尺燃料集合体の燃料有効長の２倍以上となる場合に有効である。
【００２８】
図８は、実施例１と比較例１の相対値を示す最大線出力密度のグラフである。実施例１の最大線出力密度Ａは、長尺燃料を装荷した炉心２２に対し、長尺燃料を全て調整用燃料と入れ替えた上で、調整用燃料を短尺燃料に入れ替えた炉心２２に移行した場合の運転サイクル毎の最大線出力密度である。比較例１の最大線出力密度Ｂは、長尺燃料を装荷した炉心２２に対し、長尺燃料を短尺燃料に入れ替えた炉心２２に移行した場合の最大線出力密度である。図８の折れ線は、最大線出力密度Ｂに対する最大線出力密度Ａの相対値である。移行第一サイクル、移行第二サイクル期間のいずれの期間においても相対値は１未満であり、実施例１に示す炉心移行方法を採用した原子炉の運転方法は、炉心の熱的余裕の減少の緩和の観点で効果が高いことが分かる。
【００２９】
なお、本実施例では、長尺燃料を装荷した炉心から短尺燃料を装荷した炉心への移行方法を示したが、逆に短尺燃料を装荷した炉心から、長尺燃料を装荷した炉心への移行方法としても適用できる。
【実施例２】
【００３０】
発明者らはさらに、長尺燃料の中でも、相対的に燃焼の進んでいない燃料で線出力密度が高くなり、これらの燃料の炉心下部での出力増加を抑制することが有効であることを見出した。すなわち、図８の移行第一サイクル、移行第二サイクルでは、最大線出力密度はそれぞれ滞在サイクル数２および３の長尺燃料で発生したものである。また、移行第３サイクル以降でも、残った長尺燃料で最大線出力密度が発生しているが、これら長尺燃料は滞在サイクル数が４以上となって燃料の出力自体が低下しているため、最大線出力密度の絶対値が低下し熱的余裕の観点からは問題がないことが分かった。この観点から実施例２では、実施例１において特に最大線出力密度の高くなる移行第一サイクルおよび移行第二サイクルのみ、取り出した長尺燃料の代わりに調整用燃料を装荷し、その後の運転サイクルでは取り出した長尺燃料の代わりに短尺燃料を装荷する。
【００３１】
図９は、実施例２と比較例２の相対値を示す最大線出力密度のグラフである。実施例２の最大線出力密度Ｃは、長尺燃料を装荷した炉心２２に対し、移行第一サイクルおよび移行第二サイクルだけ長尺燃料を調整用燃料と入れ替えた上で、その後は長尺燃料を短尺燃料に入れ替えた炉心２２に移行した場合の運転サイクル毎の最大線出力密度である。比較例２の最大線出力密度Ｄは、長尺燃料を装荷した炉心２２に対し、長尺燃料を短尺燃料に入れ替えた炉心２２に移行した場合の最大線出力密度である。図８の折れ線は、最大線出力密度Ｄに対する最大線出力密度Ｃの相対値である。
【００３２】
図９に示すように、移行第三サイクルまで最大線出力密度が低下している。なお、移行第四サイクルでは最大線出力密度が、調整用燃料を用いずに移行した場合と比較して同等あるいは高くなる時期があるが、既に短尺燃料に移行し、最大線出力密度の絶対値が小さくなり熱的余裕が相対的に大きくなっているため問題ない。
【００３３】
実施例２によれば、実施例１と比較して、より少ない移行サイクル数で全て短尺燃料に取り換えることが可能となる。従って、短尺燃料を用いる本来の目的である超ウラン核種の燃焼を効果的に図ることができる。
【実施例３】
【００３４】
発明者はさらに、図４の調整用燃料と長尺燃料が隣接する際、長尺燃料で最も出力が高い領域は調整用燃料の中央付近であることを見出した。調整用燃料の中央付近の位置は、長尺燃料の下端から約１ｍの位置であるため、調整用燃料を用いたとしても長尺燃料の出力は依然として下側に偏る傾向がある。このことから、図４の調整用燃料の構成を修正し、長尺燃料のより上領域で出力が大きくなるように調節することができれば、長尺燃料の炉心下部での出力増加をより効果的に抑制できる。この観点から実施例３では、実施例１の調整用燃料構成に対し、軸方向の核分裂性物質の装荷量を変更する。
【００３５】
図１０は、実施例３の調整用燃料の概略構成図（水平方向の断面図）である。図１０の右側は調整用燃料の燃料集合体１０００のチャンネルボックス１００１、燃料棒１０００２、ギャップ水領域１００３および制御棒１００４は図５の構成と同じである。図１０の左に燃料の軸方向の構成を示す。実施例３では、調整用燃料の燃料集合体１０００の下端から約１．８ｍの領域で、プルトニウム富化度が１３w%の燃料を、燃料の上端から約１ｍの領域でプルトニウム富化度が１６ｗ％の燃料構成とした。この構成により、調整用燃料の上部における出力を大きくし、それに伴い長尺燃料の炉心下部での出力増加を抑制できる。
【００３６】
図１１は、実施例３と比較例３の相対値を示す最大線出力密度のグラフである。実施例３の最大線出力密度Ｅは、図３の長尺燃料の燃料集合体３００を全数装荷するＡＢＷＲの炉心２２から、図１０の調整用燃料の燃料集合体１０００を装荷した炉心へ移行する第一サイクルにおける最大線出力密度である。比較例３の最大線出力密度Ｆは、図３の長尺燃料の燃料集合体３００を全数装荷するＡＢＷＲの炉心２２から、図５の調整用燃料の燃料集合体５００を装荷した炉心へ移行する第一サイクルにおける最大線出力密度である。図１１の折れ線は、最大線出力密度Ｆに対する最大線出力密度Ｅの相対値である。
【００３７】
図１１に示す通り、実施例３により、線出力が最も高くなる燃焼初期において、調整用燃料の燃料集合体１０００を用いることで最大線出力密度を小さくすることができる。サイクル末期には調整用燃料の燃料集合体１０００を用いた際には最大線出力密度が高くなるが、サイクル末期では最大線出力密度の絶対値が小さくなり熱的余裕が相対的に大きくなっているため問題ない。
【００３８】
実施例３によれば、調整用燃料の軸方向の燃料構成を変える事で、炉心移行時の炉心下部における出力増加を抑制することができる。
【実施例４】
【００３９】
発明者はさらに調整用燃料と短尺燃料の圧力損失の差に着目した。すなわち、調整用燃料は短尺燃料の燃料有効長を長くする構成となっているため、調整用燃料の圧力損失は、短尺燃料より大きくなる。圧力損失が大きくなると、その燃料内に配分される冷却水流量が少なくなり、熱的余裕を示す他の指標である限界出力比が小さくなるなどの課題が生じる可能性がある。そのため、調整用燃料には短尺燃料との圧力損失の違いを補正しつつ、炉心下部の出力増加を抑制する構成が望ましい。この観点から実施例４では、実施例１の調整用燃料構成に加え、調整用燃料内に配される燃料棒の数を少なくする。
【００４０】
図１２に実施例４で用いる調整用燃料の構成を示す。図１２の右側は調整用燃料の燃料集合体１２００の水平断面図を示しており、チャンネルボックス１２０１、燃料棒１２０２、ギャップ水領域１２０３および制御棒１２０４は図５の構成と同じである。燃料集合体１２００に配される燃料棒の本数は、短尺燃料との圧力損失を合わせるため、流路面積(チャンネルボックス内側の面積から、燃料棒の占める面積を引いたもの)の２乗が、調整用燃料と短尺燃料の有効長の比となるよう、図５の燃料棒数から３９本引いた２０４本としている。図１２の左図は調整用燃料の軸方向構成を示しており、図５の調整用燃料と同じ燃料有効長である。
【００４１】
図１３は、実施例４と比較例４の相対値を示す最大線出力密度のグラフである。実施例４の最大線出力密度Ｇは、図３の長尺燃料の燃料集合体３００を全数装荷するＡＢＷＲの炉心２２から、図１２の調整用燃料の燃料集合体１２００を装荷した炉心へ移行した場合の運転サイクル毎の最大線出力密度である。比較例４の最大線出力密度Ｈは長尺燃料を装荷した炉心２２に対し、長尺燃料を短尺燃料に入れ替えた炉心２２に移行した場合の運転サイクル毎の最大線出力密度である。図１１の折れ線は、最大線出力密度Ｆに対する最大線出力密度Ｅの相対値である。
【００４２】
図１３では、移行時の炉心下部での出力増加が顕著である移行第一、第二および第三サイクルについて示している。図１３に示す様に、長尺燃料を装荷した炉心から短尺燃料へ移行する移行第一サイクルから移行第三サイクル期間において、炉心の最大線出力密度が小さくなっている。
【００４３】
実施例４によれば、調整用燃料の燃料棒本数を短尺燃料と異なるものにしたとしても、実施例１と同様に炉心移行時の炉心下部における出力増加を抑制することができる。
【実施例５】
【００４４】
図１４は、その他の炉心の移行方法である。３つ並んだ長尺燃料の燃料集合体のうちの中央の長尺燃料の燃料集合体を取り出して、取り出した長尺燃料の燃料集合体のあった位置に調整用燃料の燃料集合体を装荷して運転する。次に、残る２つの長尺燃料の燃料集合体のうちの一方の長尺燃料の燃料集合体を取り出して、取り出した長尺燃料の燃料集合体のあった位置に短尺燃料の燃料集合体を装荷して運転する。次に、残った長尺燃料の燃料集合体を取り出して、取り出した長尺燃料の燃料集合体のあった位置に短尺燃料の燃料集合体を装荷して運転する。次に、調整用燃料の燃料集合体を取り出して、取り出した調整用燃料集合体のあった位置に短尺燃料の燃料集合体を装荷して運転する。
【００４５】
このように、２つの長尺燃料の燃料集合体の間に挟まれる位置にだけ調整用燃料の燃料集合体を配置することは、熱的余裕の抑制及び効率的な燃料集合体の入れ替えを考慮すると有効である。
【符号の説明】
【００４６】
１…長尺燃料、２…調整用燃料、３…短尺燃料、２０…ＡＢＷＲ、
２１…原子炉圧力容器、２２…炉心、２３…炉心支持板、２４…上部格子板
２５…燃料支持金具、２６…炉心シュラウド、２７…ダウンカマ、
２８…気水分離器、２９…蒸気乾燥器、３０…シュラウドヘッド、
３１…インターナルポンプ、３２…制御棒案内管、３３…制御棒駆動機構、３４…下鏡、
３５…主蒸気配管、３６…給水配管、
３００…燃料集合体、３０１…チャンネルボックス、３０２…燃料棒、
３０３…水ロッド、３０４…減速材、３０５…飽和水、
４００…燃料集合体、４０１…チャンネルボックス、４０２…燃料棒、
４０３…飽和水、４０４…制御棒、
５００…燃料集合体、５０１…チャンネルボックス、５０２…燃料棒、
５０３…飽和水、５０４…制御棒
６０１…燃料集合体、６０２…十字型制御棒、
７００…ＡＢＷＲの１／４炉心、７０１…滞在サイクル数１の燃料、
７０２…滞在サイクル数２の燃料、７０３…滞在サイクル数３以上の燃料、
１０００…燃料集合体、１００１…チャンネルボックス、
１００１…燃料棒、１００３…飽和水、１００４…制御棒、
１２００…燃料集合体、１２０１…チャンネルボックス、
１２０１…燃料棒、１２０３…飽和水、１２０４…制御棒、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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