(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種類に種分けし、燃料単位を構成しない炉心外周側の燃料集合体のすべてと、炉心外周を覆う反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合体の４体中３体以上とを、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集合体とし、前記反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合体のうち、当該燃料単位のなかで最も炉心中心に近い配置のものを、最高濃縮度ではなく、かつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ないものでもない燃料集合体としたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項２】
請求項１記載の炉心において、反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合体を、すべて最高濃縮度の燃料集合体としたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項３】
請求項１または２記載の炉心において、反射体に面する燃料単位以外の燃料単位であって、かつ反射体に面する燃料単位に隣接するものの燃料集合体の４体中２体以下を、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集合体としたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の炉心において、反射体に面するものではなく、また反射体に面する燃料単位に隣接するものでもない燃料単位については、最高濃縮度のものではなく、かつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ないものでもない燃料集合体を適用したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項５】
１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより３種類に種分けし、炉心外周を覆う反射体に面する燃料集合体をすべて最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が３種類のうち最少の本数のものとしたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項６】
１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種類に種分けし、炉心外周を覆う反射体に面する燃料集合体をすべて最高濃縮度のものとし、また炉心最外周から２層目の燃料集合体をすべて最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ないものとし、かつ最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が少ない燃料集合体は炉心の最外周から２層目以内に限って装荷したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【請求項７】
１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより３種類以上に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種類に種分けし、炉心最外周の燃料集合体をすべて集合体平均濃縮度が中位の燃料集合体とし、また炉心最外周から２層目の燃料集合体をすべて最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が少ないものとし、かつ最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が少ない燃料集合体は炉心の最外周から２層目以内に限って装荷したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心。
【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における燃料の装荷技術に係り、特に炉心特性の改善および燃料経済性の向上を図った原子炉の炉心に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２５は、沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料単位の一般的な構成例を示している。すなわち、図２５に示すように、断面十字型の制御棒Ａの周囲に４体の燃料集合体Ｂが装荷され、これによって燃料単位Ｃが構成される。
【０００３】
図２６は、多数の燃料集合体が配置された炉心Ｄの１／４（炉心中心Ｏから区分した四半分）の構成を示している。この図２６に示すように、炉心Ｄは一般に円柱に近い形であり、燃料単位Ｃが炉心全体に亘って多数配列されるとともに、反射体Ｅによって囲まれる炉心最外周の一部には燃料単位Ｃを構成しない燃料集合体Ｆが配列されている。なお、原子炉出力調整用の制御棒Ａ廻りに配置する燃料集合体Ｂで構成される燃料単位Ｃは、コントロールセルと呼ばれている。
【０００４】
このような原子炉では約１年強、すなわち１サイクル運転毎に燃料集合体の交換が行われ、全燃料集合体のうち１／３〜１／５の燃料が取り出され、代わりに新しい燃料集合体が装荷される。燃料交換の際に取り出される燃料集合体は、経済性の観点から最も残留濃縮度の低い燃料集合体である。例えば燃料集合体を１／４ずつ交換して運転した場合、４サイクル以後は燃焼が最も進んだ燃料集合体、燃焼が中程度進んだ燃料集合体、燃焼が進んでいない燃料集合体、すなわち残留濃縮度が最低、中程度、最高、の各燃料集合体が装荷された炉心となり、以後は燃料交換毎に残留濃縮度が最低の燃料集合体から取り出し、代わりに新燃料集合体を装荷すれば以降は同じ状態の炉心が維持される。
【０００５】
このように、最も残留濃縮度の低い燃料集合体を取り出し、新しい燃料集合体を装荷することを繰り返していくと、炉心は残留濃縮度の異なる数種類の燃料集合体が混在した定常的な状態になり、各サイクル毎の炉心特性の差がほとんどなくなる。このような炉心を平衡炉心と称している。平衡炉心では、燃料集合体が３〜５サイクルの間炉心の中にあり、残留濃縮度が低くなって出力があまり出なくなった時に取り出される。なお、装荷される燃料集合体は、後述する初装荷炉心に使用する初装荷燃料集合体と対比して、取替燃料集合体と呼ばれる。
【０００６】
初装荷炉心、すなわち原子炉が建設されて初めて燃料集合体が装荷された炉心では、すべての燃料集合体が新燃料である。しかしながら、第１サイクル終了後には燃料交換の必要が生じる。これは炉心全体の出力を維持するために新燃料を装荷する必要があるからである。同様に、第２サイクル終了後にも２サイクル使用されただけで取り出される燃料集合体が生じる。このように、原子炉が運転を開始して３サイクル程度の間は、短期間使用されただけで取り出される燃料集合体が発生する。
【０００７】
かつては、初装荷炉心をすべて同一の集合体平均燃焼度の初装荷燃料集合体で構成していたため、最初の数サイクルは、平衡炉心で取り出される燃料集合体に比べて残留濃縮度の高い燃料集合体が取り出されていた。このことは非常に不経済なことであった。
【０００８】
このような問題を解決するため、原子炉の初装荷炉心については、これまで様々な改良が加えられてきた。たとえば初装荷炉心に装荷する燃料集合体、すなわち初装荷燃料集合体を濃縮度の異なる数種類のものとし、濃縮度の高い順に１サイクル目燃料（新燃料）、２サイクル目燃料、３サイクル目燃料というようにみたて、平衡炉心を模擬した初装荷炉心を構成する。これは、多種類濃縮度炉心と呼ばれている炉心装荷方法である。
【０００９】
図２７はこの例として、集合体平均濃縮度の異なる４種類の初装荷燃料集合体を使用した炉心Ｄの１／４の燃料集合体配置構成を示している。最高濃縮度の燃料集合体７が平衡炉心の１サイクル目燃料を模擬し、２番目に濃縮度の高い燃料集合体８が２サイクル目燃料を模擬し、３番目に濃縮度の高い燃料集合体９が３サイクル目燃料を模擬し、最も濃縮度の低い燃料集合体１０が４、５サイクル目燃料を模擬している。
【００１０】
平衡炉心においては、中性子の漏れが大きく熱中性子束が低い炉心最外周部に、残留濃縮度の低い燃料から装荷する。多種類濃縮度炉心においても、これと同様の考えにより、炉心最外周部に濃縮度の最も低い燃料を装荷する。第１サイクル終了時には、濃縮度の最も低い燃料を取り出し、取替燃料集合体を新燃料として装荷する。第１サイクル終了時に取り出すのは、もともと低濃縮度の燃料であるため、残留濃縮度は低く、燃料経済性は向上する。
【００１１】
このように、平衡炉心を模擬した炉心に対し、初装荷燃料集合体の配置をより工夫することにより、一層燃料の経済性を向上させる発明が特開昭６０−７１９８７号公報「沸騰水型原子炉の運転方法」に開示されている。この開示された発明は、第１サイクルでは最高濃縮度の燃料集合体を炉心の最外周部に、最低濃縮度の燃料集合体をコントローセルに配置し、１サイクル運転した後には無限増倍率の最も低い燃料集合体を炉心の最外周およびコントローセルに装荷するというものである。
【００１２】
これにより、第１回の燃料交換で取り出される最低濃縮度の燃料集合体は、熱中性子束が低く燃焼があまり進まない炉心最外周ではなく、熱中性子束が高く燃焼が進む炉心中央部に装荷されるため、残留濃縮度はより低くなる。しかも、最外周に装荷されていた最高濃縮度の燃料集合体は燃焼があまり進んでおらず、第２サイクルにおいて高い出力を維持できるため、必要とされる新燃料の体数が減り、これによっても燃料の経済性が向上する。
【００１３】
このように、初装荷炉心の設計は当初の平衡炉心模擬から、より高い経済性を狙って改良が続けられている。経済性向上のためには、炉心平均濃縮度を上げることが必要であるが、最高濃縮度の初装荷燃料集合体の濃縮度を取替燃料集合体より高くすることは、燃料機械設計上の燃焼度の制約により困難である。また、第１、第２サイクル終了時に取り出される燃料集合体の初期濃縮度を上げることは、取り出し時の残留濃縮度を上げてしまうことになる。よって、初装荷炉心の改良は、初装荷燃料集合体中の最高濃縮度の燃料集合体の割合を増やす方向で進んでいる。
【００１４】
図２８は、このような初装荷炉心を例示した燃料集合体配置図であり、集合体平均濃縮度が異なる２種類の初装荷燃料集合体を使用した炉心の１／４の構成を示している。この炉心Ｄでは、コントロールセル１５を構成する燃料単位Ｃが高濃縮度燃料１６および低濃縮燃料１７とされているが、コントロールセル１５を構成する燃料集合体以外はほとんど高濃縮度燃料１６であり、全燃料集合体８７２体中、高濃縮度燃料１６が６７２体、低濃縮度燃料１７が２００体となっている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、炉心の設計においては最大線出力密度、最小限界出力比等の運転制限値を満足することが第一である。経済性向上をめざして初装荷燃料集合体中の最高濃縮度の燃料集合体の割合を増やした最近の初装荷炉心は、一般に平衡炉心より特性が厳しくなる傾向にあり、炉心特性の改善の手段なくしては初装荷炉心の経済性の向上は図れなくなってきている。
【００１６】
図２９は、最高濃縮度の初装荷燃料集合体と取替燃料集合体とにおける、無限増倍率の燃焼変化の一例を示している。最高濃縮度の初装荷燃料集合体の濃縮度は一般に使用されているように、取替燃料集合体と同一としている。濃縮度が同一であるから、無限増倍率の大きさの比較をそのまま出力の比較に置き換えることができる。
【００１７】
取替燃料集合体の無限増倍率は、燃焼初期には可燃性毒物であるガドリニア
（Ｇｄ2Ｏ3）によって抑えられており、１サイクルの燃焼が終るころにガドリニアがほぼ燃え尽き、無限増倍率が最大になる。これは炉心の余剰反応度をサイクルを通じてほぼ一定に保つためである。これにより、サイクル初期には２サイクル目の燃料の出力が高く、サイクル末期には１サイクル目の燃料の出力が高くなる。最高濃縮度の初装荷燃料集合体は、完全に平衡サイクル模擬ができている初装荷炉心では１サイクル目燃料を模擬するはずであるが、実際には経済性の向上のため燃焼初期から出力を担うことになるため、燃焼初期においては無限増倍率が取替燃料集合体の無限増倍率よりも高くなっている。
【００１８】
これは、ガドリニア入り燃料棒の本数を取替燃料集合体より少なくすることにより実現されている。ただし、第１サイクルの長さは試運転期間を含むことにより平衡サイクルより長くなること、第２サイクルの余剰反応度は高くなりやすいことにより、長期にわたって余剰反応度を適切に抑えるためガドリニアの濃度は最高濃縮度の初装荷燃料集合体のほうが取替燃料集合体よりも高い。
【００１９】
図３０は、最高濃縮度の初装荷燃料集合体および取替燃料集合体における局所ピーキング係数の燃焼変化の一例を示している。
【００２０】
沸騰水型原子炉では燃料集合体問に水ギャップがあるため、燃料集合体の外周の燃料棒の出力が相対的に高くなる。燃料集合体の外周の燃料棒の濃縮度を燃料集合体の内部の燃料棒の濃縮度より高くすることにより、ある程度出力を平坦化することができるが、核燃料物質の最高濃縮度が制限されている状況で、燃料集合体平均の濃縮度を確保するためには、燃料集合体の外周の燃料棒の濃縮度を充分に下げることはできない。
【００２１】
また、ガドリニア入り燃料棒は出力が低く、その分他の燃料棒の出力が相対的に高くなる。出力の高い燃料棒ほど核分裂性物質の消費が早いので出力が下がるのも早く、またガドリニア入り燃料棒はガドリニアが減少するにつれて出力が上がるため、燃料集合体は燃焼が進むと局所ピーキング係数が低下する。燃焼初期での取替燃料集合体を比較すると、ガドリニア入り燃料棒の本数の違いにより最高濃縮度の初装荷燃料集合体のほうが取替燃料集合体よりも若干小さくなるが、大きな差ではない。また、最小限界出力比の算出にはＲ因子という指標を用い、これが大きいほど厳しいが、やはり燃料集合体の燃焼初期が最も大きい。
【００２２】
最大線出力密度が問題となるのは、燃料集合体の出力が高く、局所ピーキング係数も高いところである。取替燃料集合体では局所ピーキング係数の最も高い燃料初期では燃料集合体の出力が低いため、熱的にあまり問題にならない。これに対し、初装荷炉心では最高濃縮度の初装荷燃料集合体の出力が第１サイクルの初期から高いため、この燃料の最大線出力密度が問題となってくる。また、最小限界出力比についても、最大線出力密度と同様の問題が生じる。よって、第１サイクル初期の最大線出力密度および最小限界出力比は、平衡サイクルより厳しくなる傾向にある。
【００２３】
そこで、本発明の第１の目的は、炉心平均濃縮度を高くして燃料経済性の向上を図りつつ、第１サイクル初期の炉心特性を良好にできる原子炉の初装荷炉心を提供することにある。
【００２４】
一方、前述したように、燃料集合体には可燃性毒物が含まれている。可燃性毒物とは、ガドリニウム（Ｇｄ）またはその酸化物であるガドリニア（Ｇｄ2Ｏ3）のように中性子を吸収する性質が強く、しかも中性子を吸収すると中性子を吸収する性質の弱い物質に変換するものである。これらの可燃性毒物は、Ｕ−２３５（ウラン２３５）などの核分裂性物質が過剰にあるサイクル初期には、中性子を吸収して核分裂性物質と中性子の核反応を抑制し、燃焼に伴って可燃性毒物も消費され、その中性子吸収能力を低下させる。燃料集合体には核燃料物質のみからなる燃料ぺレットを装荷した燃料棒の他に、核燃料物質のみならず可燃性毒物も含んだ燃料ぺレットを装荷した燃料捧が数本〜１０数本入っており、初期余剰反応度の抑制が行われている。
【００２５】
ところで一般に、原子炉の炉心においては、炉心中心付近が熱中性子束も高く燃焼が良く進む。一方、炉心の外周方向に行くに従って熱中性子の炉心外への漏れの効果が大きくなる。即ち熱中性子束も低くなり、燃焼の進み具合は悪くなる。このように、炉心外周領域に装荷した燃料と、炉心中心付近に装荷した燃料とでは、燃焼の進み具合に差が生じる。即ち、炉心中心付近に装荷した燃料は、可燃性毒物の燃焼も早い。
【００２６】
逆に炉心外周領域に装荷した燃料は、可燃性毒物の燃焼が遅い。仮に炉心中心付近に装荷する高濃縮燃料と、炉心最外周および最外周から２層目に装荷する高濃縮燃料とが全く同一の燃料であるとすると、まず炉心中心付近の高濃縮燃料が良く燃焼するため、可燃性毒物も効率よく減衰してゆき、それにつれてその領域の相対出力も高くなる。さらに燃焼が進み、可燃性毒物がある程度減少してしまうと、その後その領域の相対出力は低くなる一方である。
【００２７】
これに対し、炉心最外周および最外周から２層目の高濃縮燃料は燃焼が進みにくいため、炉心中心付近の可燃性毒物がある程度減少した時点においても可燃性毒物はかなり残っており、炉心外周領域の相対出力は未だ増加する方向にある。つまり、サイクル初期からある燃焼度までは、炉心断面における径方向の出力分布は炉心中心領域で高く、それ以降は炉心外周領域で高くなるというようにバランスが悪くなり、これが出力ピーキングの増加の原因となる。
【００２８】
炉心断面における径方向の出力ピーキングが増加すると、燃料集合体の線出力密度や最小限界出力比といった原子炉の運転に関する熱的パラメータが悪化し、運転裕度の減少につながる。従って、炉心断面における径方向の出力分布は平坦であるのが望ましい。
【００２９】
このように、濃縮度の異なる３種類の燃料、即ち高濃縮、中濃縮、および低濃縮燃料から構成され、コントロールセルには低濃縮燃料を装荷し、かつ炉心外周領域の燃料装荷パターンに関しては高い燃料経済性を実現するために炉心最外周のみならず最外周から２層目にも高濃縮燃料を装荷した炉心においては、前述したような炉心断面における径方向の出力ピーキングの増加をもたらすために、炉心の運転裕度が少なくなるという問題が生じる。
【００３０】
そこで、本発明の第２の目的は、第１サイクル終了後に取り出す燃料の残留濃縮度を低め、燃料経済性の向上をめざした炉心、即ち濃縮度の異なる３種類の燃料集合体から構成される炉心において、最外周と最外周から２層目にすべて高濃縮燃料が配置し、かつコントロールセルには全て低濃縮燃料を配置したものとし、サイクルを通じて炉心特性が悪化することのない原子炉の炉心を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１の発明では、１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種類に種分けし、燃料単位を構成しない炉心外周側の燃料集合体のすべてと、炉心外周を覆う反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合体の４体中３体以上とを、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集合体とし、前記反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合体のうち、当該燃料単位のなかで最も炉心中心に近い配置のものを、最高濃縮度ではなく、かつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ないものでもない燃料集合体としたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。
【００３２】
本発明によれば、炉心の外周部に最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体が配置されることにより、炉心の外周部の出力が高くなり、炉心中央部の出力は相対的に低くなる。即ち径方向出力分布の平坦化が図れる。これにより最大線出力密度、最小限界出力比のような炉心の熱的特性の改善が可能となる。なお、一つの燃料単位に出力の高い燃料集合体が集中した場合には炉停止余裕に問題が起こる可能性があるが、炉心外周の反射体に面する燃料単位においては、最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体を３または４体装荷することが可能である。
【００３４】
また、本発明によれば、炉心外周の反射体に面する燃料単位に、最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体以外の燃料集合体が１体装荷される場合は、出力の高い最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体をできるだけ炉心の外部に配置するほうが、径方向出力分布の平坦化、および炉停止余裕の確保の点で有利である。
【００３５】
請求項２の発明では、請求項１記載の炉心において、反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合体を、すべて最高濃縮度の燃料集合体としたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。
【００３６】
本発明によれば、炉停止余裕の点から、反射体に面する燃料単位を構成する燃料集合体４体中１体を最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体以外にする場合、その１体を最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の多い燃料集合体とすることが経済性の向上の点から有利である。また、炉停止余裕の確保も可能である。
【００３７】
請求項３の発明では、請求項１または２記載の炉心において、反射体に面する燃料単位以外の燃料単位であって、かつ反射体に面する燃料単位に隣接するものの燃料集合体の４体中２体以下を、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集合体としたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。
【００３８】
本発明によれば、反射体に面してはいないが、反射体に面する燃料単位に隣接している燃料単位は、炉心の最外周部からやや離れて中性子の漏洩の効果も小さくなっている。出力の高くなり易い燃料集合体を過度に集中すると、この部分が炉心で最も出力が高くなってしまう。このため最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない方の燃料集合体の体数を制限するが、炉停止余裕の点から各燃料単位の出力を均等にほぼ均等にしておくことが望ましい。そこで、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体の体数を各燃料単位毎に２体以下とする。
【００３９】
請求項４の発明では、請求項１から３までのいずれかに記載の炉心において、反射体に面するものではなく、また反射体に面する燃料単位に隣接するものでもない燃料単位については、最高濃縮度のものではなく、かつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ないものでもない燃料集合体を適用したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。
【００４０】
本発明によれば、炉心内部に最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体を装荷すると、その燃料集合体の出力が高くなり過ぎ、熱的特性が厳しくなる。炉心外周部の出力を高くするために適正化されている燃料集合体は、炉心中央部に装荷するべきではない。なお、請求項１から請求項４までの炉心でも、炉心の最外周部の出力は未だかなり低い。炉心最外周部に装荷する燃料集合体は、可燃性毒物入り燃料棒の本数をより減らすことが可能である。
【００４１】
請求項５の発明では、１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより３種類に種分けし、炉心外周を覆う反射体に面する燃料集合体をすべて最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が３種類のうち最少の本数のものとしたことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。
【００４２】
本発明によれば、燃料集合体の種類が増えるのことにより、製造コストの点で不利ではあるが、径方向出力分布の平坦化に有効である。
【００４３】
請求項６の発明では、１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより２種類以上に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種類に種分けし、炉心外周を覆う反射体に面する燃料集合体をすべて最高濃縮度のものとし、また炉心最外周から２層目の燃料集合体をすべて最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒本数が少ないものとしないものとし、かつ最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が少ない燃料集合体は炉心の最外周から２層目以内に限って装荷したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。
【００４４】
炉心の最外周に最低濃縮度の燃料集合体を配置した炉心は、最外周に最高濃縮度の燃料集合体を配置した炉心に比べて、径方向出力分布の平坦化には不利である。しかしながら、本発明によれば、炉心の最外周から２層目の燃料集合体を、すべて最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体とすることにより、ある程度は径方向出力分布の平坦化が可能である。また、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体を炉心の最外周から２層目に限ることで、最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体の燃焼初期の無限増倍率をかなり大きくすることができる。
【００４５】
請求項７の発明では、１本の制御棒の周りに４体１組の燃料集合体を配置して燃料単位を構成し、この燃料単位を炉心全体に亘って多数配列する一方で、炉心外周側の一部には前記燃料単位を構成しない燃料集合体を配列させてなる原子炉の炉心において、前記燃料集合体を集合体平均濃縮度の違いにより３種類以上に種分けし、さらに集合体平均濃縮度の最も高い燃料集合体を当該燃料集合体に含まれる可燃性毒物入り燃料棒の本数の違いにより２種類に種分けし、炉心最外周の燃料集合体をすべて集合体平均濃縮度が中位の燃料集合体とし、また炉心最外周から２層目の燃料集合体をすべて最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が少ないものとし、かつ最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数が少ない燃料集合体は炉心の最外周から２層目以内に限って装荷したことを特徴とする原子炉の初装荷炉心を提供する。
【００４６】
本発明によれば、炉心の最外周に中位の濃縮度の燃料集合体を配置した炉心においても、炉心の最外周から２層目の燃料集合体を、すべて最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体とすることで、径方向ピーキングの低減が有効的に図れるようになる。また、最高濃縮度でかつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体を炉心の最外周から２層目に限ることで、最高濃縮度で、かつ可燃性毒物入り燃料棒の本数の少ない燃料集合体の燃焼初期の無限増倍率をかなり大きくすることができる。
【００７９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る原子炉の炉心の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００８０】
（第１の実施形態）（請求項１〜４対応）
図１は、本発明の第１の実施形態を示すもので、初装荷炉心Ｄの１／４部の燃料集合体を示す配置図である。
【００８１】
本実施形態においては、燃料集合体が集合体濃縮度の違いによって３種類、即ち高濃縮度燃料１１，１２、中濃縮度燃料１３、および低濃縮度燃料１４に分けられている。さらに、高濃縮度燃料１１，１２は、ガドリニア入り燃料棒本数の違いにより２種類に分けられ、一方は高濃縮度低Ｇｄ燃料１１、他方は高濃縮度高Ｇｄ燃料１２とされている。よって、合計４種類の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。
【００８２】
高濃縮度低Ｇｄ燃料１１は２００体、高濃縮度高Ｇｄ燃料１２は２２８体、中濃縮度燃料１３は１８４体、低濃縮度燃料１４は２６０体で、合計８７２体である。炉心Ｄの外周の燃料単位を構成しない燃料集合体は、すべて高濃縮度低Ｇｄ燃料１１とされている。炉心外周の反射体Ｅに面する燃料単位Ｃは、４体の高濃縮度低Ｇｄ燃料１１で構成され、または３体の高濃縮度低Ｇｄ燃料１１と１体の高濃縮度高Ｇｄ燃料１２とで構成されている。
【００８３】
３体の高濃縮度低Ｇｄ燃料１１と１体の高濃縮度高Ｇｄ燃料１２とで構成される燃料単位Ｃの中では、高濃縮度高Ｇｄ燃料１２が炉心Ｄの中心Ｏに最も近い位置に配置してある。反射体Ｅに面してはいないが、反射体Ｅに面する燃料単位Ｃに隣接する燃料単位Ｃには、高濃縮度低Ｇｄ燃料１１が２体または１体含まれるか、全く含まれていない。反射体Ｅに面しないで、かつ反射体Ｅに面する燃料単位に隣接もしない燃料単位Ｃには、高濃縮度低Ｇｄ燃料１１は一切含まれていない。
【００８４】
このような炉心Ｄの構成において、炉心外周部に位置する燃料集合体では中性子の漏れがあるため、出力はあまり高くならない。このため、炉心Ｄの中央部Ｏに位置する燃料集合体の出力が相対的に高くなり、熱的に厳しくなる。平衡炉心では、炉心最外周に燃焼の最も進んだ燃料集合体を配置し、中性子の漏れを少なくすることが経済的に有利であるが、初装荷炉心では、例えば特開昭６０−７１９８７号公報「沸騰水型原子炉の運転方法」のように、第１サイクルにおいて、低中性子漏洩型の炉心でなくても経済性上必ずしも不利にはならない。
【００８５】
炉心外周部の出力を高くすることができれば、相対的に炉心中央部Ｏの燃料集合体の出力は低くすることができるので、熱的特性の改善が可能となる。炉心Ｄの最外周部に最高濃縮度の燃料集合体１１，１２を配置するだけでも、最外周部に最低濃縮度の燃料集合体１４を配置した場合よりも径方向出力分布が平坦になる。ただし、炉心Ｄの内部にも最高濃縮度の燃料集合体１１，１２が多数配置されるため、外周部に配置される最高濃縮度の燃料集合体１１，１２の出力は高くするが、炉心内部の最高濃縮度の燃料集合体１１，１２の出力は上げない方法を考える必要がある。
【００８６】
最高濃縮度の燃料集合体１１，１２はガドリニア入り燃料棒により初期の出力を抑えているが、このガドリニア入り燃料棒の本数を変えることにより、同じ濃縮度の燃料集合体１１，１２でも燃焼初期の無限増倍率を異ならせることが可能である。
【００８７】
図２は、ガドリニア入り燃料棒の本数を異ならせた２種類の最高濃縮度の初装荷燃料集合体１１，１２の無限増倍率の燃焼度変化を示している。この図２に示すように、両者の無限増倍率の差は、燃焼初期において最も大きく、ガドリニアの燃焼とともに差が縮まり、ガドリニアが燃え尽きた後はほとんど差がなくなる。
【００８８】
図３は、本実施形態の効果を示したものであり、第１サイクル初期の運転状態の炉心半径方向の位置と相対出力との関係を示す特性図で、本実施形態の炉心Ｄの出力分布と従来の炉心の径方向の出力分布とを比較して示したものである。従来の炉心としては、平衡サイクル模擬の初装荷炉心を取り上げている。
【００８９】
本実施形態の炉心Ｄでは、炉心外周部に最高濃縮度でガドリニア入り燃料棒本数の少ない燃料集合体１１が配置されているため、従来の炉心に比べて出力が高くなり、相対的に炉心中央部の出力が低くなる。このようにして燃料集合体の出力の均一化を図ることにより、最大線出力密度や最小限界出力比のような熱的特性を改善することができる。
【００９０】
ただし、炉停止余裕の観点からは、出力の高くなりやすい燃料が集中することは不利である。炉停止余裕とは、冷温状態で最も反応度制御効果の大きい制御捧が引き抜かれ、他の制御棒はすべて挿入された状態での未臨界度をいう。一つの燃料単位に出力の高くなり易い燃料を集中すると、最も反応度制御効果の大きい制御棒が引き抜かれることによる反応度変化が大きくなる。冷温で殆どの制御棒が挿入された状態では、中性子の移動距離が運転状態に比べて小さくなるので炉心外周からの中性子の漏れの影響は炉心最外周の１〜２層程度に限定される。よって、炉心外周部で反射体Ｅに面する燃料単位Ｃには高濃縮度低Ｇｄ燃料１１を３体以上装荷できるが、それより内側の燃料単位Ｃでは高濃縮度低Ｇｄ燃料１１を２体以下にすることが炉停止余裕の点から必要である。
【００９１】
本実施形態では、径方向出力分布の平坦化により熱的特性を改善しつつ、炉停止余裕も従来の初装荷炉心に遜色ない初装荷炉心を実現することができる。
【００９２】
（第２の実施形態）（請求項５対応）
図４は本発明の第２の実施形態を示すもので、初装荷炉心の１／４部の燃料集合体配置図である。
【００９３】
本実施形態では、燃料集合体が集合体濃縮度の違いにより２種類、即ち高濃縮度燃料４１，４２，４３と、低濃縮度燃料４４とに種分けされ、さらに高濃縮度燃料４１，４２，４３はガドリニア入り燃料棒本数の違いにより３種類、即ち高濃縮度低Ｇｄ燃料４１、高濃縮度中Ｇｄ燃料４２、および高濃縮度高Ｇｄ燃料４３に分けられている。よって、合計４種類の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。高濃縮度低Ｇｄ燃料４１は１３２体、高濃縮度中Ｇｄ燃料４２は１６４体、高濃縮度高Ｇｄ燃料４３は３８０体、低濃縮度燃料４４は１９６体で、合計８７２体である。
【００９４】
この実施形態による炉心Ｄは極めて高い経済性を狙ったもので、コントロールセル１５以外は、ほとんどすべてが高濃縮度燃料４１，４２，４３である。この高濃縮度燃料４１，４２，４３が前記のように、ガドリニア入り燃料棒本数の違いにより分けられている。炉心最外周の燃料集合体９２体のほか、反射体Ｅにコーナ部で接する燃料集合体４０体が高濃縮度低Ｇｄ燃料４１である。中性子の漏れが大きい位置であるので、高濃縮度低Ｇｄ燃料４１の燃焼初期の無限増倍率をかなり大きくすることができる。
【００９５】
炉心内部には、高濃縮度中Ｇｄ燃料４２と高濃縮度高Ｇｄ燃料４３とが配置されているが、炉心外周から２，３層目には、高濃縮度中Ｇｄ燃料４２が比較的多くなるようにしている。最外周部に燃焼初期の無限増倍率のかなり大きな燃料集合体を配置できるので、高濃縮度燃料をガドリニア入り燃料棒本数の違いで２種類に分けている場合よりも、さらに径方向出力分布の平坦化が図れる。
【００９６】
（第３の実施形態）（請求項６対応）
図５は本発明の第３の実施形態を示すもので、初装荷炉心の１／４部の燃料集合体配置図である。
【００９７】
燃料集合体は集合体濃縮度の違いにより３種類、即ち高濃縮度燃料５１，５２、中濃縮度燃料５３、および低濃縮度燃料５４に種分けされ、さらに高濃縮度燃料５１，５２はガドリニア入り燃料棒本数の違いにより２種類、即ち高濃縮度低Ｇｄ燃料５１、高濃縮度高Ｇｄ燃料５２に分けられている。よって、合計４種類の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。高濃縮度低Ｇｄ燃料５１は８８体、高濃縮度高Ｇｄ燃料５２は３４４体、中濃縮度燃料５３は２０４体、低濃縮度燃料５４は２３６体で、合計８７２体である。
【００９８】
前述した第１，２の実施形態の初装荷炉心は、いずれも炉心Ｄの最外周に高濃縮度燃料を配置したものであるが、この第３の実施形態の初装荷炉心は、炉心Ｄの最外周に低濃縮度燃料５４を配置したものである。炉心Ｄの最外周に低濃縮度燃料５４を配置した場合には、高濃縮度燃料５１，５２を配置した場合よりも径方向出力分布の平坦化には不利であるが、ある程度の平坦化は可能である。このため、高濃縮度低Ｇｄ燃料５１を炉心の最外周から２層目に配置している。高濃縮度低Ｇｄ燃料５１は、炉心の最外周から２層目以外には装荷しないことで、かなり燃焼初期の無限増倍率を大きくすることができる。
【００９９】
（第４の実施形態）（請求項７対応）
図６は本発明の第４の実施形態を示しており、初装荷炉心の１／４部の燃料集合体配置図である。
【０１００】
燃料集合体は集合体濃縮度の違いにより３種類、即ち高濃縮度燃料６１，６２、中濃縮度燃料６３、および低濃縮度燃料６４に種分けされ、さらに高濃縮度燃料６１，６２はガドリニア入り燃料棒本数の違いにより２種類、即ち高濃縮度低Ｇｄ燃料６１と高濃縮度高Ｇｄ燃料６２とに分けられている。よって、合計４種類の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。高濃縮度低Ｇｄ燃料６１は８８体、高濃縮度高Ｇｄ燃料６２は３４８体、中濃縮度燃料６３は２３６体、低濃縮度燃料６４は２００体で、合計８７２体である。
【０１０１】
この第４の実施形態によれば、炉心Ｄの最外周部に中濃縮度燃料６３を配置した場合でも、第３の実施形態の初装荷炉心と同様に、炉心Ｄの最外周から２層目に高濃縮度低Ｇｄ燃料６１を配置することで、径方向出力分布を平坦化することができる。
【０１０２】
図７は本発明の関連技術を示すもので、初装荷炉心の１／４部の燃料集合体配置図である。
【０１０３】
燃料集合体は集合体濃縮度の違いにより３種類、即ち高濃縮度燃料７１、中濃縮度燃料７２，７３、および低濃縮度燃料７４に種分けされ、さらに中濃縮度燃料７２，７３はガドリニア入り燃料棒本数の違いにより２種類、即ち中濃縮度低Ｇｄ燃料７２と、中濃縮度高Ｇｄ燃料７３とに分けられている。よって、合計４種類の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。
【０１０４】
高濃縮度燃料７１は４３６体、中濃縮度低Ｇｄ燃料７２は９２体、中濃縮度高Ｇｄ燃料７３は１４４体、低濃縮度燃料７４は２００体で、合計８７２体である。
【０１０５】
本実施形態の初装荷炉心は、第４の実施形態の初装荷炉心と同様に、炉心Ｄの最外周部に中濃縮度燃料７２を配置しているが、中濃縮度燃料自身をガドリニア入り燃料棒本数の違いで２種類に分け、そのうちの中濃縮度低Ｇｄ燃料７２を炉心の最外周に配置することにより、径方向出力分布の平坦化を図っている。
【０１０６】
図８は本発明の関連技術を示すもので、初装荷炉心の１／４部の燃料集合体配置図である。
【０１０７】
本実施形態では、燃料集合体が集合体濃縮度の違いにより４種類、即ち最高濃縮度の燃料集合体８１と、２番目に濃縮度の高い燃料集合体８２と、３番目に濃縮度の高い燃料集合体８３と、最低濃縮度の燃料集合体８４とに種分けされている。よって、合計４種類の燃料集合体で炉心Ｄが構成されている。
【０１０８】
このうち、３番目に濃縮度の高い燃料集合体８３と、最低濃縮度の燃料集合体８４とは、ガドリニア入り燃料棒を有しない。最高濃縮度の燃料集合体８１は４３６体、２番目に濃縮度の高い燃料集合体８２は１４４体、３番目に濃縮度の高い燃料集合体８３は９２体、最低濃縮度の燃料集合体８４は２００体で、合計８７２体である。
【０１０９】
本実施形態において、ガドリニア入り燃料棒を有しない燃料集合体８３，８４については、燃焼初期から出力が急速に低下していく。この場合、ある程度濃縮度が高くガドリニア入り燃料棒を有しない燃料集合体８３を炉心最外周に用いれば、第１サイクルの初期だけは径方向出力分布を平坦化できる。炉心最外周の燃料集合体は出力が高くなりにくいため、かなり濃縮度の高い燃料集合体でも、ガドリニア入り燃料棒を入れる必要がない。
【０１１０】
図９〜図１６は、本発明の関連技術を示している。
【０１１１】
図９は、炉心Ｄの１／４部の燃料集合体配置図である。
【０１１２】
この炉心Ｄは濃縮度の異なる３種類の燃料集合体である低濃縮燃料集合体１、中濃縮燃料集合体２、および高濃縮燃料集合体３から構成され、さらに高濃縮燃料集合体３は可燃性毒物入り燃料棒本数が異なる高濃縮タイプ３Ａと高濃縮タイプ３Ｂからなる。
【０１１３】
高濃縮タイプ３Ａは、高濃縮タイプ３Ｂに比べて可燃性毒物を含んだ燃料捧の本数が１本以上多く、かつ炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率が最大となる燃焼度がタイプ３Ｂのそれよりも高い。装荷パターンについては、炉心最外周と最外周から２層目（斜線で示す）にはタイプ３Ｂを配置し、制御棒Ａと４つの燃料集合体Ｂからなるコントロールセル１５には低濃縮燃料集合体１を配置し、その他の部分には低濃縮燃料集合体１、中濃縮燃料集合体２、高濃縮燃料タイプ３Ａ、および高濃縮燃料タイプ３Ｂを適切に配置することによって、複数の単位格子を構成している。
【０１１４】
なお、この装荷例においては、コントロールセル１５に面隣接する箇所に、低濃縮燃料集合体１を配置していない。その理由は以下の通りである。即ち、多種類濃縮度の燃料集合体で構成する初装荷炉心では、炉心内における燃料毎の中性子スペクトルの違いが顕著となる。低濃縮燃料集合体１が４体で構成されるコントロールセル１５は、中性子スペクトルが軟らかい、即ち炉心内において局所的に熱中性子束が高い領域となる。従って、コントロールセル１５に面隣接する箇所には、低濃縮燃料集合体１以外の燃料集合体を配置することにより、炉心内において局所的に熱中性子束が高い領域を拡大することがないように配慮したものである。最外周および最外周から２層目は中性子の漏れが大きく、熱中性子束が小さいため燃焼が進みにくい。それに対し、炉心中心付近は中性子の漏れが少なく、燃焼がよく進む。
【０１１５】
図１０は、燃料集合体の炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率（無限増倍率）の燃焼度に対する変化を示すものである。
【０１１６】
燃料集合体の無限増倍率は、Ｕ−２３５などの核分裂性物質の濃縮度にほぼ比例するので、図１０の特性線ａに示すように、燃焼が進んで核分裂性物質が消費するとともに小さくなる。しかし、燃料に可燃性毒物を添加すると、特性線ｂに示すように、燃焼初期の無限増倍率が抑えられる。可燃性毒物は中性子を吸収すると自分自身の中性子吸収効果を失ってしまうので、燃焼が進むとともに可燃性毒物は減衰していく。それに伴い、無限増倍率の値は上昇していく。そして、ある燃焼度ｃ以降は無限増倍率が減少していくという傾向を示す。
【０１１７】
図１１は、異なる３種類の濃縮度の燃料集合体から構成される初装荷炉心の炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率（無限増倍率）の燃焼度に対する変化を示した特性図である。この図１１において、実線ｄは低濃縮燃料集合体の特性を示し、破線ｂは中濃縮燃料集合体の特性を示し、一点鎖線ｆは高濃縮燃料集合体の特性を示している。
【０１１８】
低濃縮燃料集合体は濃縮度が〜１．５ｗｔ％程度と、もともと濃縮度が他の燃料集合体に比べて低く、無限増倍率の値が小さいうえに、大部分のものは第１サイクル終了後に取り出される。燃料経済性の観点からは第１サイクルにおいて、できる限り核分裂性物質を燃焼させ、残留濃縮度を低減する必要がある。従って、燃料捧が吸収した熱中性子をできるだけ核分裂に寄与させるために可燃性毒物を含む燃料棒はなく、実線ｄで示す低濃縮燃料集合体の無限増倍率は燃焼度とともに値が小さくなる。
【０１１９】
一方、中濃縮燃料集合体は濃縮度が２．数ｗｔ％であり、可燃性毒物を添加しないと燃焼初期の無限増倍率は１．２程度とかなり大きくなることから、それを抑制するために、数本の可燃性毒物を含む燃料捧が必要となる。また、中濃縮燃料集合体は大部分のものが第２サイクル終了時に取り出されるため、無限増倍率が最大となる燃焼度は破線ｅで示すように、第１サイクル終了時よりも若干低くなるように調整する。そうすることによって、第２サイクルにおける中濃縮燃料集合体は、あたかも第１サイクルにおける低濃縮燃料集合体の如くなるので、燃料棒が吸収した熱中性子を効率よく核分裂に寄与することができ、その結果取出時における残留濃縮度を低減する事ができる。
【０１２０】
さらに高濃縮燃料集合体は、中濃縮燃料集合体よりも濃縮度が高く、４．０ｗｔ％程度にまでなることもあり、燃焼初期の無限増倍率を抑制するための可燃性毒物入り燃料捧の本数は、中濃縮燃料集合体の場合よりも多く必要となる。また、高濃縮燃料集合体は第３サイクル以降に取り出されるため、一点鎖線ｆで示すように、無限増倍率が最大となる燃焼度は第２サイクル終了時の燃焼度よりも若干低くなるようにする必要がある。こうすることによって、第３サイクル以降における高濃縮燃料集合体は、あたかも第１サイクルにおける低濃縮燃料集合体や第２サイクルにおける中濃縮燃料集合体の如くなるので、取出時における残留濃縮度を低減することができる。
【０１２１】
しかしながら、現状の設計においては後述するように、可燃性毒物の濃度に関してその上限値が定められているため、可燃性毒物の濃度のみで所要の無限増倍率が最大となる燃焼度を得られない場合もある。そのようなときには、可燃性毒物を含む燃料棒の本数を増やすことによって、無限増倍率が最大となる燃焼度を延ばす必要がある。前述したように、可燃性毒物には、Ｇｄ（ガドリニウム）が酸化物の形態であるＧｄ2Ｏ3（ガドリニア）として多く用いられており、燃焼初期の無限増倍率を抑制するには、可燃性毒物を添加した燃料棒の本数を増大し、また無限増倍率が最大となる燃焼度を延ばすためには、可燃性毒物の濃度を高めればよい。しかしながら、Ｇｄ2Ｏ3濃度を上げると、ぺレットの熱伝導率が悪くなり融点が下がることが知られており、燃料棒の出力の制約が課せられる。
【０１２２】
このため現状では、Ｇｄ2Ｏ3の上限濃度を７．５ｗｔ％として制限している。前述したように、高濃縮燃料集合体の無限増倍率が最大となる燃焼度を得るためには、かなりの長さが要求されるため、最近の設計例では高濃縮燃料集合体のＧｄ2Ｏ3濃度として上限濃度である７．５ｗｔ％を用いている。高濃縮燃料集合体においてさらにタイプＡとタイプＢの無限増倍率が最大となる燃焼度の差をつけるには、大きく分けて３通りの考えがある。
【０１２３】
その第１案は可燃性毒物を含む燃料捧の本数を等しくして可燃性毒物の濃度を変える方法である。第２案は可燃性毒物の濃度を等しくして可燃性毒物を含む燃料棒の本数を変える方法である。第３案はそれらを組み合わせた発想であり、可燃性毒物の濃度と可燃性毒物を含む燃料捧の本数の両方とも変える方法である。
【０１２４】
第１案では図１２に示すように、無限増倍率が最大となる燃焼度は変わるものの未燃焼時の無限増倍率抑制効果はほとんど変わらない。一方、第２案では図１３に示すように、無限増倍率が最大となる燃焼度のみならず、未燃焼時の無限増倍率も異なった値が得られる。第３案では、これらを組み合わせた効果が得られる。結果的に、第２案および第３案のように可燃性毒物を含む燃料捧の本数を変えた方が、無限増倍率が最大となる燃焼度が異なる燃料が実現できることのみならず、未燃焼時における無限増倍率の異なる燃料集合体を装荷できるようになり、炉心設計上の融通性も増すので利点は大きい。
【０１２５】
第２案の場合は、炉心設計上の融通性は第３案より悪くなるが、第３案に比べて可燃性毒物の濃度種類が少ないので、製造上有利になるという特徴がある。ちなみに、図１２および図１３は、燃料集合体の平均濃縮度が同一である燃料集合体において、可燃性毒物の濃度が同じであるが可燃性毒物を含んだ燃料棒の本数が異なる場合（図１３）と、可燃性毒物を含んだ燃料棒の本数が同一であるが可燃性毒物の濃度が異なる場合（図１２）における炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率（無限増倍率）を比較した例である。
【０１２６】
図１３に示す特性において、特性線ｇの燃料集合体に比べて、特性線ｈの燃料集合体は、可燃性毒物の本数が多い。また、図１２に示す特性において、特性線ｉの燃料集合体に比べて、特性線ｊの燃料集合体は可燃性毒物の濃度が高い。
【０１２７】
本実施形態のように、最外周および最外周から２層目に高濃縮燃料集合体を装荷する炉心の場合、燃焼の進みにくい最外周および最外周から２層目に装荷する高濃縮燃料集合体Ｂタイプは、無限増倍率が最大となる燃焼度ｃの短いものとし、それ以外の領域の一部には、無限増倍率が最大となる燃焼度ｃが高濃縮燃料Ｂタイプより高い高濃縮燃料Ａタイプを装荷することにより、図１４に例示すように、サイクルを通じた炉心断面径方向の出力バランスを保つことが可能となる。
【０１２８】
しかしながら、図１５の炉心装荷例に示すように、高濃縮燃料集合体３が唯１種類のみの場合、以下に記するような問題が生じる。即ち、図１６のＩに例示するように、サイクル初期における炉心断面における径方向出力分布をバランス良く維持していても、燃焼が進むにつれて炉心中心付近の可燃性毒物の燃焼が効率よく進むのに伴い、図１６のＩＩのように、炉心中心付近の相対出力が高くなる。しかしながら、さらに燃焼が進むと炉心中心付近の燃料の可燃性毒物は減少してしまい、その後は中性子増倍率が単調減少し、それに伴い相対出力も小さくなっていく。一方、炉心外周領域の燃料は炉心中心付近の燃料の可燃性毒物が減少した状態になっても、未だ可燃性毒物が十分残っている。つまり、炉心中心付近の相対出力は減少していく傾向にあるのに対し、炉心外周領域の燃料集合体は中性子増倍率がまだ増加しており、それに伴って相対出力も増加してゆく傾向にある。即ち、サイクル中期から末期になると、図１６のＩＩＩに示すように、炉心外周領域の相対出力が高くなる。
【０１２９】
このように、炉心断面の径方向における出力分布のバランスが悪くなる。このように、炉心径方向の出力ピーキングが高くなるということは、燃料の線出力密度や、最小限界出力比といった原子炉の運転において制約が課せられている熱的条件が厳しくなるということであり、それだけ原子炉運転上の裕度が減少するということである。このようなことにならないように、本実施形態の炉心においては、炉心断面の径方向における相対出力分布が図１４の如く、サイクルを通じてほぼ平坦になるようにＢタイプの無限増倍率が最大となる燃焼度ｃよりもＡタイプの無限増倍率が最大となる燃焼度ｃを高くするのである。無限増倍率が最大となる燃焼度を長くするには、前述した第１案のように、可燃性毒物の濃度を上げるか、あるいは第２案のように可燃性毒物を含む燃料棒の本数を増やすか、あるいは第３案のようにそれらを適切に組み合わせる方法があるが、本実施形態では炉心設計上の融通性の高い第２案あるいは第３案の考えを採用するものとし、高濃縮燃料ＢタイプよりもＡタイプの可燃性毒物を含む燃料棒本数を１本以上多くしている。
【０１３０】
第２案と第３案とを比較すると、第２案は可燃性毒物の濃度が固定しているのに対し、第３案は可燃性毒物の濃度および本数が制約を受けないという点で燃料設計上の自由度が大きい。即ち、第３案に基づく燃料集合体を用いると燃料設計および炉心設計はより容易になる。しかしながら、第２案は可燃性毒物の濃度が固定しているので、ぺレット製造上の加工経済性の観点から有利であるという特徴がある。従って、燃料および炉心設計の融通性を優先するのであれば、第３案を採用し、経済性を優先するのであれば第２案を採用するという様に使い分ければ良い。
【０１３１】
（第８の実施形態）（請求項１３〜１５対応）
本実施形態は各燃料の濃縮度、可燃性毒物の分布についてのものであり、図１７〜図２０にその分布例を示している。なお、これらの図においては、左上に制御捧Ａがある場合の各燃料棒の濃縮度および可燃性毒物分布を示しており、図１７は低濃縮燃料の濃縮度分布例、図１８は中濃縮燃料の濃縮度およびＧｄ分布例、図１９は高濃縮燃料Ａタイプの濃縮度およびＧｄ分布例、図２０は高濃縮燃料Ｂタイプの濃縮度およびＧｄ分布例をそれぞれ示している。
【０１３２】
これらの例では、燃料捧を９行９列に正方配列した燃料集合体が示してあり、○は燃料棒を、また○内の数字は燃料棒の濃縮度の種類を示しており、数字の若い順に濃縮度が高い。Ｗはウオータロッドであり、燃料集合体の中心付近における減速材を確保するために水を通す中空管である。このタイプの燃料では、太径のウオータロッドを２本有している。Ｇは可燃性毒物であるＧｄ2Ｏ3を含んだ燃料捧である。
【０１３３】
この実施形態は既に述ベた第２案に基づく一例であり、中濃縮燃料集合体、高濃縮燃料集合体（タイプＡ、タイプＢ）間で同一のＧｄ2Ｏ3濃度を用いてぺレットの共通化を図ることで燃料製造時における経済性向上を図っており、Ｇｄ2Ｏ3を含んだ燃料捧の本数によって無限増倍率が最大となる燃焼度を調整している。
【０１３４】
ここで装荷する低濃縮燃料集合体１、中濃縮燃料集合体２、高濃縮燃料集合体３（３Ａ，３Ｂ）の各燃料における集合体平均濃縮度、可燃性毒物棒本数、可燃性毒物濃度の一例を下記の表１に示す。
【０１３５】
【表１】
0003651522.tif 000002
【０１３６】
図２１は、これら燃料集合体の炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率
（無限増倍率）の燃焼度に対する変化を示している。即ち図２１に示すように、可燃性毒物を含んだ燃料棒本数が増えると可燃性毒物の寿命、つまり無限増倍率が最大となるまでの燃焼度も高くなり、例えば低濃縮燃料集合体１が０本（ａ１）では０GWd/t 、中濃縮燃料集合体２が４本（ａ２）では９GWd/t 、高濃縮燃料タイプ３Ｂが１０本（ａ３ｂ）では１７GWd/t 、高濃縮燃料タイプ３Ａが１４本（第２案におけるａ３Ａ）では１９GWd/t となる。
【０１３７】
ここで示すタイプ３Ａとタイプ３Ｂは、それぞれ可燃性毒物であるＧｄ2Ｏ3を含んだ燃料棒の本数がそれぞれ１４本、１０本であり、その差は４本である。そして、無限増倍率が最大となるまでの燃焼度の差は約２GWd/t である。これらは請求項１３、１４、１５の好適な１例にもなっている。
【０１３８】
第２案のように、可燃性毒物の濃度がタイプ３Ａとタイプ３Ｂで同一であるという制約を受ける場合、最低でも４本程度は可燃性毒物を含む燃料棒数の差をつけないと、タイプ３Ａおよびタイプ３Ｂの燃料集合体の無限増倍率が最大となる燃焼度の有為な差が得られない。
【０１３９】
一方、第３案の場合、可燃性毒物の濃度をタイプ３Ａとタイプ３Ｂで異なる値を用いることができるので、可燃性毒物を含む燃料棒本数の差が４本未満であっても、タイプ３Ａおよびタイプ３Ｂ燃料集合体の無限増倍率が最大となる燃焼度の有為な差をつけることができる。
【０１４０】
第３案の低濃縮燃料集合体１、中濃縮燃料集合体２、高濃縮燃料集合体３Ａ、高濃縮燃料集合体３Ｂ各燃料集合体の集合体平均濃縮度、可燃性毒物棒本数、可燃性毒物濃度の一例を下記の表２に示す。
【０１４１】
【表２】
0003651522.tif 000003
上記の低濃縮燃料集合体１、中濃縮燃料集合体２、高濃縮燃料集合体タイプ３Ｂの濃縮度および可燃性毒物濃度分布の一例は図１７、図１８、図２０と同じである。
【０１４２】
一方、タイプ３Ａの濃縮度および可燃性毒物濃度分布の一例を図２２に示す。
【０１４３】
この典型例に示すタイプ３Ａでは、図２１の３Ａ（第３案）に示すように、無限増倍率が最大となる燃焼度は第２案のそれと同じ１９GWd/t となるように可燃性毒物を含む燃料棒数および可燃性毒物濃度を調整したものである。仮にタイプ３Ａの可燃性毒物本数をタイプ３Ｂのそれと同じ１０本にして、可燃性毒物濃度を上記値よりもさらに上げることによっても、図２１の３Ａ（第１案）に示すように、無限増倍率が最大となる燃焼度として前記と同じ程度の値を得る事は可能である。これが第１案の考え方であるが、第２案および第３案のように、タイプ３Ａとタイプ３Ｂの可燃性毒物を含む燃料棒の本数差を１本以上つけることによって、未燃焼時における無限増倍率の値の差もつけることができ、炉心設計上における融通性は高い。
【０１４４】
第１案、第２案、第３案いずれの方法であっても、炉心断面における径方向相対出力分布は局所的に多少の違いはあっても、サイクルを通じてほぼ図２３に示すような傾向を取る。即ち、サイクルを通じて径方向における相対出力の最大値である出力ピーキングがあまり高くなることがなく、良好な運転特性が得られる。ただし、第１案の場合は、タイプ３Ａとタイプ３Ｂの未燃焼時における無限増倍率がほぼ等しいので、炉心設計上の融通性が少ないのに対し、第２案、第３案の場合は炉心設計上の融通性が高く、図９の燃料装荷パターン例以外にも良好な炉心特性を有する設計が何通りか得られる。
【０１４５】
図２４は、タイプ３Ａとタイプ３Ｂの無限増倍率が最大となる燃焼度の差が７GWd/t のときの、炉心断面における径方向相対出力分布の例である。このとき図１６の傾向とは逆に、まず炉心外周領域における相対出力が高くなり、次に炉心中心付近の相対出力が高くなることがわかる。即ち、タイプ３Ａとタイプ３Ｂの無限増倍率が最大となる燃焼度の差は大きすぎてもよくない。従って、本発明の請求項１３に示すように、タイプＡとタイプＢの無限増倍率が最大となる燃焼度の差は５GWd/t 以下がよい。
【０１４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る原子炉の初装荷炉心によれば、第１サイクル、特にその初期における炉心の径方向出力分布を平坦化することにより、熱的特性を改善することができ、炉心平均濃縮度を高めて経済性の向上が図れる。
【０１４７】
また、本発明に係る原子炉の炉心によれば、濃縮度の異なる３種類の燃料集合体、低濃縮燃料、中濃縮燃料、および高濃縮燃料から構成され、炉心最外周と最外周から２層目に全て高濃縮燃料が配置し、コントロールセルは全て低濃縮燃料を配置する炉心において、高濃縮燃料を２つのタイプに分け、一方のタイプを他方のタイプに比べて、可燃性毒物入り燃料棒本数が１本以上多く、かつ炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率が最大となる燃焼度が低くすることにより、炉心特性を悪化することなく、取出燃料の残留濃縮度を低めて燃料経済性をさらに向上することができるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態による初装荷炉心を示す燃料集合体の配置図。
【図２】  本発明の第１の実施形態の初装荷炉心に使用する高濃縮度燃料の無限増倍率の燃料変化を示す図。
【図３】  本発明の第１の実施形態の初装荷炉心の第１サイクル初期の運転状態の炉心半径方向の位置と相対出力との関係を示す特性図。
【図４】  本発明の第２の実施形態による初装荷炉心を示す燃料集合体の配置図。
【図５】  本発明の第３の実施形態による初装荷炉心を示す燃料集合体の配置図。
【図６】  本発明の関連技術による初装荷炉心を示す燃料集合体の配置図。
【図７】  本発明の関連技術による初装荷炉心を示す燃料集合体の配置図。
【図８】  本発明の関連技術による初装荷炉心を示す燃料集合体の配置図。
【図９】  本発明の関連技術による炉心を示す燃料集合体の配置図。
【図１０】  本発明の関連技術における燃料集合体の炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率の燃焼度に対する変化を示す図。
【図１１】  本発明の関連技術における多種類濃縮度炉心に装荷される低濃縮燃料、中濃縮燃料、高濃縮燃料それぞれの炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率の燃焼度に対する変化を示す図。
【図１２】  本発明の関連技術における可燃性毒物燃料棒本数が同じで可燃性毒物濃度が異なる場合における中性子増倍率の燃焼度に対する変化を示す図。
【図１３】  本発明の関連技術における可燃性毒物濃度が同じで可燃性毒物燃料棒本数が異なる場合における中性子増倍率の燃焼度に対する変化を示す図。
【図１４】  本発明の関連技術における炉心断面の径方向における相対出力分布を示す概念図であり、サイクルを通じて相対出力の最大値、即ち出力ピーキングが小さい安定した状態を示す図。
【図１５】  本発明の関連技術において、高濃縮燃料の仕様が唯１種類のときで、最外周および最外周から２層目に高濃縮燃料を装荷した状態を示す配置図。
【図１６】  本発明の関連技術において、炉心断面の径方向における相対出力分布を示す概念図。
【図１７】  本発明の関連技術において、低濃縮燃料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ燃料のー実施例を示す濃縮度・可燃性毒物濃度分布図。
【図１８】  本発明の関連技術において、低濃縮燃料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ燃料のー実施例を示す濃縮度・可燃性毒物濃度分布図。
【図１９】  本発明の関連技術において、低濃縮燃料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ燃料のー実施例を示す濃縮度・可燃性毒物濃度分布図。
【図２０】  本発明の関連技術において、低濃縮燃料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ燃料のー実施例を示す濃縮度・可燃性毒物濃度分布図。
【図２１】  関連技術として記載した低濃縮燃料、中濃縮燃料、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ燃料の炉心装荷体系無限配列における中性子増倍率（無限増倍率）の燃焼度に対する変化を示す図。
【図２２】  本発明の関連技術における高濃縮タイプ３Ａ燃料を示す図。
【図２３】  本発明の関連技術において、炉心径方向の相対出力分布を示す図。
【図２４】  本発明の関連技術において、高濃縮タイプＡ燃料、高濃縮タイプＢ燃料の無限増倍率が最大となる燃焼度の差が７GWd/tである時における炉心径方向の相対出力分布を示す概念図。
【図２５】  本発明が適用される燃料単位を示す模式的な平面図。
【図２６】  本発明が適用される炉心の燃料配置を示す模式的な平面図。
【図２７】  従来の初装荷炉心で平衡炉心を模擬した燃料集合体の配置図。
【図２８】  従来の初装荷炉心で高濃縮度燃料の割合を増やした燃料集合体の配置図。
【図２９】  従来例を説明するもので、最高濃縮度の初装荷燃料集合体と取替燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を比較して示す図。
【図３０】  従来例を説明するもので、最高濃縮度の初装荷燃料集合体と取替燃料集合体との局所ピーキング係数の燃焼変化を比較して示す図。
【符号の説明】
Ａ  制御棒
Ｂ  燃料集合体
Ｃ  燃料単位
Ｄ  燃料単位を構成しない燃料集合体
Ｅ  炉心
Ｆ  反射体
Ｏ  炉心中心
１  低濃縮燃料
２  中濃縮燃料
３  高濃縮燃料
３Ａ  高濃縮タイプＡ燃料
３Ｂ  高濃縮タイプＢ燃料
１１  高濃縮度低Ｇｄ燃料
１２  高濃縮度高Ｇｄ燃料
１３  中濃縮度燃料
１４  低濃縮度燃料
１５  コントロールセル
４１  高濃縮度低Ｇｄ燃料
４２  高濃縮度中Ｇｄ燃料
４３  高濃縮度高Ｇｄ燃料
４４  低濃縮度燃料
５１  高濃縮度低Ｇｄ燃料
５２  高濃縮度高Ｇｄ燃料
５３  中濃縮度燃料
５４  低濃縮度燃料
６１，６２  高濃縮度燃料
６３  中濃縮度燃料
６４  低濃縮度燃料
７１  高濃縮度燃料
７２  中濃縮度低Ｇｄ燃料
７３  中濃縮度高Ｇｄ燃料
７４  低濃縮度燃料
８１  １番目に濃縮度の高い燃料集合体
８２  ２番目に濃縮度の高い燃料集合体
８３  ３番目に濃縮度の高い燃料集合体
８４  最低濃縮度の燃料集合体
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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