(57)【要約】【課題】中間停止期間を短縮して、原子力発電のコスト低下を図る。【解決手段】所定の定期検査を受けるべき期間等から定まる長サイクル運転を採用し、該長サイクル運転の途中に一部の燃焼済み燃料を炉内から除去し、これに換えて新燃料を炉内に装荷するために中間停止期間を設けた軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、次の運転でも継続して使用される燃料を炉内で配置換えすること無しになされるものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法とする。【選択図】図９
2006119004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の定期検査を受けるべき期間等から定まる長サイクル運転を採用し、該長サイクル運転の途中に一部の燃焼済み燃料を炉内から除去し、これに換えて新燃料を炉内に装荷するために中間停止期間を設けた軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、
前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、次の運転でも継続して使用される燃料を炉内で配置換えすること無しになされるものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項２】
前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、燃焼済みでない燃料を炉内から除去し、該燃料のあった位置に新燃料を装荷することが無いものであることを特徴とする請求項１に記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項３】
前記長サイクル運転は、２４ヶ月を１サイクルとするものであり、前記中間停止期間はその中央の時期に設けられたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項４】
前記炉内燃料は、全体が幾つかにバッチ分けされ、前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の交換は、燃焼済みの１バッチについてのみなされるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項５】
前記炉内燃料のバッチ数は４であり、前記中間停止期間に配置換え無しに次の運転でも継続して使用される燃料は３バッチであることを特徴とする請求項４に記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項６】
前記中間停止期間における使用済み燃料の新燃料への交換に際して、次の運転でも継続して使用する燃料を炉内で配置換えすることを不必要とするために、前記所定の定期検査を受けるべき期間内に次の運転に使用する燃料が炉内の所定位置に配置され、また前記所定の定期検査を受けるべき期間に装荷される新燃料と前記中間停止期間に炉内に装荷される新燃料とには各々所定の措置がなされていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項７】
前記所定の定期検査を受けるべき期間内に次の運転に使用する燃料が炉内の所定位置に配置されていることとは、炉心の最外周に配置される燃料集合体は新燃料と次回の運転停止期間に燃焼済みとなる燃料であり、さらに半サイクルしか使用されていない燃料のなかで最も燃焼した燃料の一部を炉心から除去しこれに換えて新燃料を装荷するものであることを特徴とする請求項６に記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項８】
前記所定の定期検査を受けるべき期間に装荷される新燃料になされる措置とは、炉心の非周辺部に装荷される新燃料はガドリニアまたは可燃性毒物クラスタ入りであり、前記中間停止期間に炉内に装荷される新燃料になされる措置とは可燃性毒物クラスタ入りであることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項９】
前記軽水炉の運転、燃料装荷方法は、加圧水型炉を対象としたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項１０】
前記軽水炉のループ数は、３であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項１１】
長サイクル運転を採用し、該長サイクル運転の途中に一部の燃焼済み燃料を炉内から除去し、これに換えて新燃料を炉内へ装荷するために中間停止期間を設けた軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、
前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、前の半サイクルの運転開始時の炉内の燃料の配置並びに前記前の半サイクル開始前に設けられていた定期検査の期間または前記中間停止期間に装荷する新燃料の状態を予め特定の規則に従って決められた内容にしておくことにより、後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料であって炉内で配置換えが必要とされる燃料は全装荷燃料の８％以内であるようになされる交換であり、
さらに、前記特定の規則に従って決められた内容とは、以下の（ａ）から（ｈ）の細則を満たすことを特徴とする、
（ａ）前の半サイクルの運転で内部に配置した新燃料は、２回燃焼燃料として使用する際には、最大８体の例外を除き外周部または外周部にある燃料に隣接する位置に配置する、
（ｂ）前の半サイクルでは、後の半サイクルの運転で内部に配置する新燃料と同数の３回燃焼燃料を内部に配置する、
（ｃ）後の半サイクルの運転で内部に配置した新燃料は、３回燃焼燃料として使用する際には、最大８体の例外を除き外周部または外周部にある燃料に隣接する位置に配置する、
（ｄ）前の半サイクルで取出す燃料以外は、出力分布が平坦になるような位置に配置する（ｅ）１サイクルの運転期間を通じて、炉内最中心部にある５体は新燃料としない、
（ｆ）炉の内部に位置しないため周囲の８箇所に燃料が配置されることとなる新燃料は、可燃性毒物クラスタ入りを除き、相互に隣接させない、
（ｇ）１の頂点が炉の外周部に位置するため周囲の７箇所に燃料が配置されることとなる新燃料で、１辺が炉の外周部にある新燃料と隣接するものは、最大４体の例外を除き、可燃性毒物クラスタ入りとする、
（ｈ）外周部にある新燃料は、最大４体の例外を除き、可燃性毒物クラスタ入りとはしない
ものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、
後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料であって炉内で配置換えが必要とされる燃料は全装荷燃料の６％以内であるようにされるものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、
後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料であって炉内で配置換えされる燃料は無いことを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子力発電所の燃料交換に関し、特に軽水炉におけるサイクル運転途中の炉の停止期間を短縮するため、当該停止期間には燃料交換のみを行うことに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉（以下、単に「炉」とも記す）内での核燃料（以下、原則として「燃料」と記す）の核分裂（以下、慣用に従って「燃焼」と記す）は、炉心中央等の中性子密度の高い場所ほど燃焼が激しいこと、新燃料ほど燃焼が激しいこと、燃焼に伴い新たにプルトニウム２３９等の核分裂性物質が生成されること、核反応の制御性等に影響を及ぼす娘核が生成されること、核反応を抑制する中性子吸収材が消耗されること、更に軽水炉においてはその運転中に燃料の装荷や取出し等を行うことができないこと等化石燃料を燃やすボイラや内燃機関とは本質的に異なる特徴がある。
【０００３】
このため、原子力発電における炉内への燃料の供給は、単に定期検査等で炉が停止している時に、燃焼済みの燃料を炉心から除去し、その後へ新燃料を装荷するのではない。すなわち、軽水炉における核燃料の燃焼や交換では、次のような作業がいわばセットでなされるのが一般的である（特許文献１）。
第１に、原子炉の運転を、所定の期間の経過や運転時間の合計等を元に定められている原子炉の定期検査、燃料集合体の使用制限等を考慮して、一定期間運転を継続するサイクル運転としている。
【０００４】
第２に、炉心内の核燃料を幾つかのバッチに分け（グループ分けし）、各サイクルあるいは半サイクル毎に設けられた炉の停止期間内に燃焼済みの一部のバッチの燃料を、次のサイクル運転等では使用されない様に炉内から除去する。またケースによっては、特定のバッチのまだ燃焼済みでない燃料も部分的に炉内から除去する。そして、これに換えて新規なバッチとなるそして新しい（未使用の）燃料を、炉内に装荷する。
【０００５】
第３に、部分的に燃焼した他のバッチに属する燃料は、次の継続する運転でも適切な燃焼がなされるように前記第２の燃料の交換作業に併せて、炉心内での配置変更（シャッフリング）が行われる。またこのため、これら他のバッチの燃料は全て一旦炉外の燃料ピットに取り出され、ピット内で異常や損傷の有無を検査され、それらの程度によっては除去されたりもする。従って、次の運転に使用されないため炉心から除去された使用済み燃料が在った位置にそのまま新燃料が装荷されるわけではない。
【０００６】
第４に、炉心内で適切な燃焼がなされるように、上記第３の作業の他に、予め新燃料には中性子を吸収する物質を混入しておく、具体的には燃料ペレット自体にガドリニアを混入したり燃料集合体のガイドシンブル位置にボロン化合物の入ったクラスタを挿入したりする。その他運転状態に応じて冷却水中の中性子吸収物質（ボロン１０等）の濃度を調整する等の各種の調整や制御を行う。
【０００７】
第５に、燃料は、２酸化ウランのペレットが多数上下方向に重なって詰込まれたジルカロイ製の被覆管をこれまた例えば１７×１７本束ねた燃料集合体に収納されている。このため、燃料集合体ごと炉内への搬入、炉外への搬出等の作業がなされ、また前記バッチ分けや燃焼の制御や燃焼度の上限の設定等の管理もなされる。
【０００８】
次に、炉内から除去された使用済み燃料については、わが国では再処理され、燃え残ったウラン２３５、新しく生成されたプルトニウム２３９等は、別途新燃料の製造にまわされる等される。従って、我国の軽水炉で使用する核燃料は、鉱山から採掘され、濃縮されたウラン２３５のみならず、この再処理により得られたウラン２３５やプルトニウム２３９等もある。ただし、この再処理を採用するためには、本来の費用のみならず、２酸化ウランペレットを被覆しているジルカロイ管等の廃棄物の保管、放射能による被爆や汚染の対策等のために副次的なコストもかかる。
【０００９】
ところで、原子力発電におけるコストは、高価な建設費の償却等の資本コスト、燃料費を含む燃料サイクルコスト、定期検査のコストを含む運転・維持コストからなる。そして、これらの各コストと前記サイクル運転の運転期間との間におおよそ次の関係が在る。
【００１０】
１サイクルの期間が長くなればなるほど原子炉の稼働率が向上するため、資本コストは低下する。また、運転・維持コストも低下する。ただし、取出し燃焼度は低下するため、燃料サイクルコストは増加する。燃料のウラン２３５の４．６、４．８、５．０ ｗｔ％の濃縮度毎に、発電コスト、燃料サイクルコスト、資本コストがサイクル長によってどのように変化するかの傾向を、図１に示す。この図１において、最下方にある３本の線は資本コストである。ただし、これはウランの濃縮度との関係は少なく、このためこれらの線は、事実上１本の線となっている。また、中央の３本の線は、燃料サイクルコストである。最上方の３本の線は、発電コストである。
従って、図１からも明らかな様に、発電コストが最小となるサイクル長さが存在する。
【００１１】
ただし、これはあくまでも原則であり、燃料仕様や定期検査の期間、その他各国固有の事情や軽水炉のタイプ等に応じて、以下の如く、様々な工夫がなされているのが実情である。
（１）  ケース１
本ケース１は、主に米国においてなされているものである。米国においては、再処理をしていないため、発電コストに占める燃料サイクルコストの割合が少ない。そこで、１サイクルの期間を２４ヶ月と長くして稼働率を上げ、資本コストを下げるものである。本ケースの各サイクルでの燃料構成と交換スキームを図２に、燃料の装荷パターンを図３に示す。なお、図２においては、燃料の装荷量を燃料集合体の個数で示している。
また、図２の１ｃｅは、１サイクル使用された（Ｏｎｃｅ  Ｂｕｒｎｅｄ、１回燃焼）燃料を示す。図３においては、いわゆる１／４炉心を示している。また、図３の各四角は、燃料集合体を示す。そしてこれらは、後に出てくる各ケースの図でも同じである。
【００１２】
本ケース１においては、図２に示す様に炉の中間停止期間がなく、各サイクルは最初に、即ちそのサイクルの運転開始時に、新燃料が全体（燃料集合体で１５７体）の約２／３、１サイクル使用されたため部分的に燃焼した燃料が全体の約１／３装荷される、即ち、各々燃料集合体で１００体と５７体が装荷されるだけである。そして、サイクル途中に中間停止期間を設けて燃料を交換したりその配置を変更したりすることはない。このため、第ｎ回目のサイクルの新燃料は、次のサイクルでは１ｃｅの燃料となる。また、１ｃｅの燃料は、そのサイクル終了後全て除去されるため、次のサイクルでは使用されない。
【００１３】
なお、図３において、左方の図は炉心内の各位置での燃料集合体の燃焼度の分布の変化を示し、右方はこれに対応する可燃性毒物クラスタのＢ１０残存割合（ＢＰＲｓのＦｒａｃｔｉｏｎ）の分布の変化を示す。この右方を見れば判るように、このパターンでは、可燃性毒物クラスタは使われていない。
【００１４】
左方と右方の図で図上上部に水平方向に記載されたＡ、Ｂ等の大文字のアルファベットと左方上下方向に記載された８、９等の数字は、炉心内の燃料集合体の位置（座標）を示す。また、左方の図で各長方形の格子内に３段に記載された文字列は、上段より順に燃料集合体の識別符号、サイクル初期（Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ  Ｏｆ  Ｃｙｃｌｅ：ＢＯＣ）の燃焼度、サイクル末期（Ｅｎｄ  Ｏｆ  Ｃｙｃｌｅ：ＥＯＣ）の燃焼度を示す。右方の図は、本ケースでは可燃性毒物クラスタは使われていないので白地のままである。
【００１５】
また、燃料集合体の識別符号段におけるＮとＮＧのＮは新燃料を示し、１と１Ｇの１は先行するサイクルで１回使用された燃料を、従って一部燃焼した燃料を意味する。さらに、ＮＧと１ＧのＧは、ガドリニア入り燃料を意味する。これにより、ガドリニアが消耗したサイクル中期以降の燃焼度の向上を図っている。
なおここで、ボロンでなくガドリニアを使用しているのは、廃棄物が出ないことと制御棒位置にも配置できることを考慮したものである。
【００１６】
（２）  ケース２
本ケース２は、我国の実務者が検討しているものである。我国では再処理を行うため、発電コストに占める燃料サイクルコストの割合が比較的大きい。このため、米国並みの長サイクル運転を採用すると燃料サイクルコストが悪化し、発電コストが上がりかねない。この対策として、１サイクルを２４ヶ月とするのは前記ケース１と同じであるが、サイクルの中間に、燃焼済みの燃料を新燃料に交換するが、一旦全数をピットに取出し、新燃料と継続使用する燃料を順に炉内に装荷し直す中間停止期間を設けるものである。このため、例えば１２ヶ月の半サイクル運転を、２回セットで行うものである。
【００１７】
この場合の各サイクルでの燃料構成と交換スキームを図４に、燃料装荷パターンを図５に示す。本ケース２においては、図４に示す様に各サイクルには炉の中間停止期間が設けられている。なお、この図５において、１ｃｅ、２ｃｅおよび３ｃｅの１、２および３は各々、便宜的な簡略表示であり、運転開始時にそれまでに炉内で使用された半サイクルの回数を示す。従って、その運転終了時には、１ｃｅと２ｃｅの燃料は各２ｃｅ（Ｔｗｉｃｅ  Ｂｕｒｎｅｄ、２回燃焼）と３ｃｅ（Ｔｈｒｉｃｅ  Ｂｕｒｎｅｄ、３回燃焼）の燃料となり、３ｃｅの燃料は燃焼済みの燃料となる。
【００１８】
図４と図５に示すように、各サイクルの終了時と、中間停止期間毎に、全体（燃料集合体で１５７体）の１／４強の燃料集合体が、即ち運転終了時に燃焼済みとなる３７体と運転終了時に３ｃｅとなる３体の合計４０体の燃料集合体が、炉内から除去される。また、これらに換えて同数の新燃料の集合体が炉内に装荷される。さらに、運転終了時に１ｃｅ、２ｃｅとなる燃料集合体は全てが、同じく３ｃｅとなる燃料集合体は除去された３体を除く３７体が、即ち全体の約３／４にあたる合計１１７体の燃料集合体は、次の運転でも使用されるため、継続して炉内に装荷される。ただし、中間停止期間内の燃料交換時には、全ていったんピットに取出され、配置換えがなされる。
【００１９】
なお、図５においても、左方は燃料集合体の燃焼率の分布を示し、右方はＢＰＲｓのFｒａｃｔｉｏｎの分布を示す。また、大文字のアルファベットと数字の意味、左方の図の各格子内に３段に記載された文字の意味は図３と同じである。また、燃料集合体の識別符号段におけるＮは新燃料を示し、数字の１、２および３は各先行する運転で燃焼された半サイクル数を意味する。また、本ケースでも、右方の図は白地のままであり、可燃性毒物クラスタは使用されていない。
【００２０】
ところで、上記我国で検討されているケース２の方法では、燃料サイクルから見れば１サイクルが１２ヶ月となる。このため、燃料サイクルのコストは、１サイクルが１２ヶ月の場合と同じとなる。しかしながら、中間停止期間があるので、ケース１の２４ヶ月運転に比べれば、原子炉の稼働率は低下し、資本コストは増加する。このため、発電コストを下げる面からは、この中間停止期間を如何に短くするかが重要になる。短くする手段として、このケース２に加えて更に以下の方法が検討等なされている。
【００２１】
ａ）使用済み燃料ピットへの移動を極力減らし、炉内で配置変更をする。なおこの方法は、国内外の沸騰水型炉（ＢＷＲ）及び海外の加圧水型炉（ＰＷＲ）で採用されている。
【００２２】
ｂ）新燃料と２回燃焼燃料のみ配置変更の対象とし、１回燃焼燃料は移動させない。なおこの方法は、海外のＢＷＲで検討されている事例であり、１サイクルは１８〜２４ヶ月であるため３ｃｅの燃料はない。
【００２３】
一方、ＰＷＲはＢＷＲに比べて炉心は小さく装荷される燃料集合体は大きいため、燃料集合体の配置のパターン作成の自由度は低い。従って、ＢＷＲと異なり前記ａ）でも非常に困難であり、上記ｂ）は不可能であると考えられてきた。そこで、ＰＷＲでは、全ての燃料集合体をいったん使用済み燃料用のピットに取り出し、次の運転でも継続して使用する燃料は改めて新燃料と共に再度炉心内に装荷し、この際併せて配置変更を行う、いわゆるフルシャッフリングをすることがなされている。
【特許文献１】特開２００２−２８６８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、近年の発電コスト低下の要請は、益々厳しくなって来ている。特に現今の電力自由化の下では、なおさらである。このため、前記ケース２やこれに加えてのａ）、ｂ）のケース以上に、中間停止期間を短縮する方法の開発あるいは実用化が望まれていた。
また、ＢＷＲのみならずＰＷＲにも適用可能な方法の開発が望まれていた。
もちろん、上記ケース１の方法以上に低コストとなる方法の開発が望まれていた。
また、厳密な意味での中間停止期間に限定されず、定期検査等を受けるための比較的長期の停止期間、即ち各サイクル間にある停止期間、広義の中間停止期間であっても、手間とコストがかかる燃料交換に必要な時間を出来る限り短縮したいという要望もあった。
以上のほか、作業員や冶工具の被爆量が少なくなり、燃料の破損リスクも少ない技術の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、長サイクル運転の途中に燃料交換のために中間停止期間を設けるが、この際炉心から除去する燃焼済み燃料が占めていた位置に新燃料を装荷するだけにし、次の運転でも継続して使用する燃料の炉心内の配置は極力そのままにしておく、好ましくは配置換えを不必要にすることにより、中間停止期間の短縮を図るものである。またこのため、中間停止前後のサイクルを対とみなし、中間停止時の燃料移動量を最小にするよう中間停止前後の燃料装荷位置を予め最適化しておくものである。具体的には、以下の発明である。
【００２６】
請求項１に記載の発明は、所定の定期検査を受けるべき期間等から定まる長サイクル運転を採用し、該長サイクル運転の途中に一部の燃焼済み燃料を炉内から除去し、これに換えて新燃料を炉内に装荷するために中間停止期間を設けた軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、次の運転でも継続して使用される燃料を炉内で配置換えすること無しになされるものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００２７】
本発明では、中間停止時の燃料移動量を最小にするよう中間停止前後の燃料装荷位置を予め最適化しておくことがなされることとなる。
ここに、前記長サイクル運転の期間は、所定の運転期間や前の受検からの経過期間ごとに定められた定期検査の受検や核燃料からの制限などで定められた期間であり、１８ヶ月以上原則として２４ヶ月が普通である。ただし、電力事情等で多少（１月の延長や２月の短縮）の変動はあり得る。また、使用済み燃料の炉内からの搬出や新燃料の炉内への搬入は、燃料集合体ごとなされる。さらに、各サイクル終了後の定期検査の時には、充分な時間的余裕があるため、次のサイクルでも継続して使用される燃料集合体が、一旦ピットへ搬出され、再度炉内へ搬入されることもなされる。
【００２８】
請求項２に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、燃焼済みでない燃料を炉内から除去し、該燃料のあった位置に新燃料を装荷することが無いものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００２９】
ただし、中間停止期間でない停止期間においては、燃焼済みでない燃料を炉内から除去し、その後へ新燃料を装荷することはあり得る。
【００３０】
請求項３に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記長サイクル運転は、２４ヶ月を１サイクルとするものであり、前記中間停止期間はその中央の時期に設けられたものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００３１】
ただし、前記２４ヶ月等は、諸般の事情で多少（１０％）の短縮や１月程度の延長はありえる。また、中間停止期間も、前記２４ヶ月等の運転期間の中央に設けられるのが原則であるが、真夏の電力事情がピークになるときの対策等のため１月程度前倒しに実施される等、多少のずれはあり得る。
【００３２】
請求項４に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記炉内燃料は、全体が幾つかにバッチ分けされ、前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の交換は、燃焼済みの１バッチについてのみなされるものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００３３】
このため、各バッチは、最初は同数の燃料集合体よりなる。ただし、長サイクル運転終了時には、まだ完全には燃焼済みではない、即ち２ｃｅとなった燃料も一部除去されるため、１サイクルの使用が終了した燃料については同じバッチ数とは限らなくなる。
【００３４】
請求項５に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記炉内燃料のバッチ数は４であり、前記中間停止期間に配置換え無しに次の運転でも継続して使用される燃料は３バッチであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００３５】
請求項６に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記中間停止期間における使用済み燃料の新燃料への交換に際して、次の運転でも継続して使用する燃料を炉内で配置換えすることを不必要とするために、前記所定の定期検査を受けるべき期間内に次の運転に使用する燃料が炉内の所定位置に配置され、また前記所定の定期検査を受けるべき期間に装荷される新燃料と前記中間停止期間に炉内に装荷される新燃料とには各々所定の措置がなされていることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００３６】
このため、後の半サイクルでの燃料移動を最小（基本的に０％）にするために、燃料配置は、前の半サイクルと後の半サイクルをカップリング（ひとまとめ）にして同時に検討することとなる。即ち、前の半サイクルが終了した後、おもむろに後の半サイクルの燃料配置を検討するのではなく、前の半サイクルの燃料配置検討時に後の半サイクルの燃料配置を併せて検討しておくことになる。
またこのため、前の半サイクルでは、炉心中央には半サイクルに２度使用された燃料が装荷され、その周囲には１度使用された燃料が配置されることもある。
【００３７】
請求項７に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記所定の定期検査を受けるべき期間内に次の運転に使用する燃料が炉内の所定位置に配置されていることとは、炉心の最外周に配置される燃料集合体は新燃料と次回の運転停止期間に燃焼済みとなる燃料であり、さらに半サイクルしか使用されていない燃料のなかで最も燃焼した燃料の一部を炉心から除去しこれに換えて新燃料を装荷するものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００３８】
このため、後の半サイクルでは、炉心の最外周に配置される燃料は新燃料と半サイクルの運転に使用された燃料となる。
【００３９】
請求項８に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記所定の定期検査を受けるべき期間に装荷される新燃料になされる措置とは、炉心の非周辺部に装荷される新燃料はガドリニアまたは可燃性毒物クラスタ入りであり、前記中間停止期間に炉内に装荷される新燃料になされる措置とは可燃性毒物クラスタ入りであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００４０】
なお、ＢＷＲの場合には、前述のごとく炉の内径が大きくまた燃料集合体の装荷数も多くなる。このため、装荷パターンの自由度が増加する。従がって，ＰＷＲに実施可能な本発明は、当然ＢＷＲにも実施可能となる。
【００４１】
請求項９に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記軽水炉の運転、燃料装荷方法は、加圧水型炉を対象としたものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００４２】
これにより、本発明の効果が大きく発揮されることとなる。
【００４３】
請求項１０に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記軽水炉のループ数は、３であることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００４４】
ループ数が４であるならば、燃料集合体の装荷数が多くなるため装荷パターンの自由度が増加する。従って、燃料の交換や配置についての自由度が増す。このため、本発明は当然実施可能となる。
なお、ループ数が２の小さな軽水炉でも、本発明が適用可能なのはもちろんである。
【００４５】
請求項１１に記載の発明は、長サイクル運転を採用し、該長サイクル運転の途中に一部の燃焼済み燃料を炉内から除去し、これに換えて新燃料を炉内へ装荷するために中間停止期間を設けた軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、前の半サイクルの運転開始時の炉内の燃料の配置並びに前記前の半サイクル開始前に設けられていた定期検査の期間または前記中間停止期間に装荷する新燃料の状態を予め特定の規則に従って決められた内容にしておくことにより、後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料であって炉内で配置換えが必要とされる燃料は全装荷燃料の８％以内であるようになされる交換であり、さらに、前記特定の規則に従って決められた内容とは、以下の（ａ）から（ｈ）の細則を満たすことを特徴とする、
（ａ）前の半サイクルの運転で内部に配置した新燃料は、２回燃焼燃料として使用する際には、最大８体の例外を除き外周部または外周部にある燃料に隣接する位置に配置する、
（ｂ）前の半サイクルでは、後の半サイクルの運転で内部に配置する新燃料と同数の３回燃焼燃料を内部に配置する、
（ｃ）後の半サイクルの運転で内部に配置した新燃料は、３回燃焼燃料として使用する際には、最大８体の例外を除き外周部または外周部にある燃料に隣接する位置に配置する、
（ｄ）前の半サイクルで取出す燃料以外は、出力分布が平坦になるような位置に配置する、
（ｅ）１サイクルの運転期間を通じて、炉内最中心部にある５体は新燃料としない、
（ｆ）炉の内部に位置しないため周囲の８箇所に燃料が配置されることとなる新燃料は、可燃性毒物クラスタ入りを除き、相互に隣接させない、
（ｇ）１の頂点が炉の外周部に位置するため周囲の７箇所に燃料が配置されることとなる新燃料で、１辺が炉の外周部にある新燃料と隣接するものは、最大４体の例外を除き、可燃性毒物クラスタ入りとする、
（ｈ）外周部にある新燃料は、最大４体の例外を除き、可燃性毒物クラスタ入りとはしない、
ものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００４６】
ここに、後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料であって炉内で配置換えが必要とされる燃料は全装荷燃料の８％以内であるため、装荷される全燃料が１５７体ならば、炉内の位置が変更される燃料は最大１２体であり、１／４炉心では３体となる。この程度の数量の燃料の配置換えであるならば、取出した燃焼済み燃料のあった位置を仮の置き場所として利用することができる。このため、配置換えする燃料を一端炉外の燃料ピット内へ搬出しなくても済ませられることが多いであろう。
【００４７】
また、前記予め特定の規則に従って決められた内容とは、後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料であって炉内で配置換えが必要とされるのは全装荷燃料の８％以内であるような配置および燃料の状態となっていることである。これは、前記の（ａ）から（ｈ）の細則（事項）を全て充たすという条件の下で試行錯誤的に適合する配置、内容を見つけ出す作業あるいは計算となるが、前記の（ａ）から（ｈ）の細則（事項）に従がう限り、経験則で好ましい結果となる燃料の配置や燃料の状態が大よそ判る。特に、炉内の燃料の配置は、各燃料の均等な燃焼を図る面からＸ軸とＹ軸の両方に対して対称とされるのが原則であるため、１／４炉心を対象とすればよく、この面からも検討に都合がよい。
【００４８】
（ａ）の細則により、前の半サイクル開始時点で装荷された新燃料は、後の半サイクル終了時点では（半サイクルに）２回燃焼に使用された燃料となり、次のサイクルで使用されるならば、最大８体の例外を除き、外周や外周近くの位置に配置される。
最大８体の例外は、１／４炉心では最大２個の例外となる。
ここに、「外周近くの位置」とは、外周にある燃料に１辺が隣接する位置を指す。
また、この８体には、次のサイクルに使用されず除去される燃料を含まない。
なお、次のサイクルに使用されずに除去される２回燃焼燃料は、それらのうちで最も燃焼が進んだ燃料であるのが好ましい。
（ｂ）の細則により、前の半サイクル開始時点で３回燃焼に使用された燃料は、前の半サイクル終了時点で４回燃焼燃料となり、中間停止期間中に炉から除去される。そしてその除去された位置に、新燃料が装荷される。
（ｃ）の細則により、後の半サイクル開始時点で装荷された新燃料は、（半サイクルに）３回燃焼燃料として使用する際には、最大８体の例外を除き、外周や外周近くの位置に配置される。
最大８体の例外は、１／４炉心では最大２個の例外となる。
【００４９】
（ｄ）の細則により、後の半サイクルでも同じ位置で継続して使用される燃料は、燃焼度のバランスが大きく崩れる、あるいは過度に燃焼することがない。
「出力分布が平坦な位置」とは、反応度の高い燃料と低い燃料が市松模様のように配置させる位置となる配置（チェッカーボード配置）等を指す。ただし、市松模様でなくても出力分布が平坦になる場合はその限りではなく、最終的には燃焼状態および中性子分布のシュミレーション計算によるケースバイケースの検討、確認で判断され、決定される。
【００５０】
（ｅ）の細則により、新燃料が極端に燃焼することと炉内最中心部の中性子の分布が高くなりすぎることが避けられる。
また、前の半サイクルでは、炉内最中心には３回燃焼燃料は配置されないこととなる。
（ｅ）から（ｈ）の細則により、炉内の中性子分布の平坦化と特定の燃料が極端に燃焼することの防止が図られる。
なお、（ａ）、（ｃ）、（ｇ）および（ｈ）の細則における「例外」は、本来はないのが好ましいが、やむをえない場合を考慮したものである。
【００５１】
請求項１２に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料であって炉内で配置換えが必要とされる燃料は全装荷燃料の６％以内であるようにされるものであることを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００５２】
後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料であって炉内で配置換えが必要とされる燃料は、全装荷燃料の６％以内であるため、装荷される全燃料が１５７体ならば、炉内の位置が変更される燃料は最大９体であり、１／４炉心では２体となる。
このため、先の発明以上に燃料交換に必要な時間が短縮される。
また、配置換えする燃料の数が少なければ、除去した燃料のあったスペースに新燃料が装荷されるまでの間在る空きスペースを、配置換えする燃料の仮置き場として一次的に利用することも可能であるため、配置換えする燃料を必ずしも一端ピットへ搬出する必要もない。
【００５３】
請求項１３に記載の発明は、前記の軽水炉の運転、燃料装荷方法であって、前記中間停止期間における一部の燃焼済み燃料の新燃料への交換は、後の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料で、炉内で配置換えされる燃料はないことを特徴とする軽水炉の運転、燃料装荷方法である。
【００５４】
継続して使用される燃料で配置換えが必要な燃料はないため、先の発明以上に燃料交換に必要な時間が短縮される。
ただし、長サイクル終了後の運転停止時においては、まだ完全に燃焼済みではない燃料を炉内から除去し、その後へ新燃料を装荷すること等はあり得る。
【発明の効果】
【００５５】
前記構成により、本発明によれば、ＢＷＲ、ＰＷＲを問わず、軽水炉の長サイクル運転において、長サイクルの途中に中間停止期間を設け、この期間内に燃焼済みの燃料を炉外へ取出しその後への新燃料を装荷する燃料交換を行うが、この中間停止期間では後の半サイクルの運転でも継続して使用する燃料の炉内での配置換え（シャッフリング）は行わない（もちろん、破損が明白な燃料集合体や何らかのサンプリング調査や試験のために搬出あるいは除去される極少数の燃料集合体はあり得る）。このため、中間停止期間が短縮される。この結果、原子力発電所の稼働率が向上し、その分発電コストが低下する。
【００５６】
また、核燃料の取扱いが減少する分、人や機器の被爆が少なくなる。
また、本発明自体は燃料の再処理を前提とするものではないが、現実には我国では再処理が行われており、このため再処理のコストも低下する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。
図６に、本実施の形態の基本を示す。本実施の形態においては、１サイクルが２４ヶ月であり、その中間に燃料交換のための停止期間が設けられている。本図は、左から順に前の（最初の）半サイクルの運転開始時（ＢＯＣ）、同運転終了時（ＥＯＣ）、後の（第２回目の）半サイクルの運転開始時（ＢＯＣ）、同運転終了時（ＥＯＣ）の炉心内の燃料の装荷パターンを示している。上から順に３個、２個、１個の正方形からなる図形は、いわゆる１／４炉心図である。
【００５８】
これら正方形内の上下２段の文字列のうち、下段は燃料装荷体の識別番号である。また同じく、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは燃料集合体のグループを示し、その後に続く０１と０２は各グループ内の燃料集合体の識別番号である。上段の１ｃｅ、２ｃｅ、３ｃｅの１、２、３は各々それまでに通算して燃焼された半サイクル運転の回数を示す。また、Ｎｅｗは新燃料を示す。
【００５９】
この図６の中央、前の半サイクルの運転終了後と後の半サイクルの運転開始時を比べれば判る様に、太線の四角形で示す半サイクル運転を３度なされたＡのグループの燃料のみが中間停止期間（ＭＳ）内に搬出され、その後にＤのグループの新燃料が装荷されている。
また、後の半サイクルでも継続して燃焼されるＢとＣのグループの燃料の炉内の位置は、そのままである。このため、これらの燃料は中間停止期間内に炉外へ一旦搬出され再度搬入されることはない。また、この図６の左右両端の炉内配置図を比較すれば判るように、後の半サイクル終了後においては、燃焼済みの３ｃｅの燃料が炉内から除去されるだけでなく、Ｎｅｗで示す新燃料も含めての配置換えがなされている。なお、この実施の形態では、炉心に装荷する燃料の個数が少ないため、全体の２／３が継続使用され、かつ燃料は１．５サイクル（３６ヶ月）で交換される。
【００６０】
（実験例）
本発明の実験例を、図を参照しつつ説明する。
本発明の実験例は、以下の条件にて上記背景技術欄にて説明した２つのケースとの炉心特性及び経済性の検討を行ったものである。
・炉心のタイプ        ：３ループ１７×１７タイプのＰＷＲ
・燃料濃縮度          ：４．８ｗｔ％
・集合体の最高燃焼度  ：５５ＧＷｄ／ｔ以下
・出力ピーキング係数  ：１．５２以下
・減速材温度係数      ：負であること
・原子炉停止余裕      ：１．８Δｋ／ｋ以上
【００６１】
・所要サイクル長  ：ケース１            ：２６．２ＧＷｄ／ｔ（２４ヶ月）
：ケース２            ：１３．１ＧＷｄ／ｔ（１２ヶ月）
：ケース３（本発明）  ：１３．１ＧＷｄ／ｔ（１２ヶ月×２）
ケース１は、１サイクルを２４ヶ月とした長サイクル運転において、中間停止期間を設けないものである。ただし、発電コストの比較計算では、背景技術欄で説明した米国のケースと異なり使用済み燃料の再処理を行うものとしている。
ケース２は、背景技術欄で説明したケース２と同じであり、長サイクル運転の途中に設けられた中間停止期間に、次の運転に継続して使用する燃料集合体をも全数ピットに取出す。またこのため、ケース１とケース２の燃料構成と交換スキーム、燃料装荷パターンは、各々図２、図３、図４、図５に示すのと同じである。
【００６２】
ケース３は、本発明の実験例であり、中間停止期間に燃焼済みの燃料を新燃料に取替えるのはケース２と同じであるが、継続して燃焼する燃料をいったんピットに搬出せずそのままの位置に装荷しておくものである。
【００６３】
本発明の実験例の燃料構成と交換スキームを、図７に示す。中間停止期間の前の燃料装荷パターンを図８に、同じく後の燃料装荷パターンを図９に示す。図７に示すように、本実験例では、前の半サイクル終了時には、全体の１／４強に当たる４０体の燃焼済み燃料の集合体が炉内から除去され、新燃料の集合体が同数装荷される。また、長サイクル運転が終了後の停止時には、４０体の燃料集合体が炉内から除去されるのは同じであるが、そのうち燃焼済みの燃料集合体は３７体であり、この他に２ｃｅになった燃料の集合体が３体である。
【００６４】
図８と図９における格子内の３段の文字列の意味は、ケース２における図５と同様である。図８と図９の左方の図を比較すれば判る様に、後の半サイクルで継続して使用される燃料の位置は変更されていない。このため、いったん炉外へ搬出され再度搬入されることもなされない。なお、図８と図９の右方の図を見れば判る様に、継続して使用される燃料の配置変更を行わないため、可燃性毒物クラスタが後の半サイクルで消費されている。なお念のため記載するが、各サイクル終了時の定期検査においては、次のサイクルで継続して運転に使用されるあるいは燃やされる燃料はピットへの搬出、配置換え等がなされ得るのはもちろんである。
【００６５】
次に、上記各ケースの炉心特性の評価結果を表１に示す。なお、ケース３の本発明の実験例については、前と後の各半サイクルについて示す。本表より、本発明の実験例の場合は、新燃料および継続して使用する燃料の炉内での配置変更（シャッフリング）を全く行わないが、各種の炉心特性についての制限を充分に満たしているのが判る。
【００６６】
【表１】
2006119004.tif 000003
【００６７】
最後に、本発明の実験例と従来例の経済性の評価について説明する。
中間停止期間は、ケース１では０日となる。ケース２では、冷却期間を５日とし、全数（１５７体）ピット取出しであるため、作業に必要な期間を８日とする。このため、中間停止期間は、合計１３日となる。ケース３では、冷却期間は同じく５日であり、交換する燃料集合体は４０体であるため、これに必要な期間は（８×４０／１５７＝）２．０４日である。このため、中間停止期間は、合計で約７日必要になる。
【００６８】
中間停止期間中の代替発電コストについて説明する。中間停止期間中は、原子力発電に換えて燃料費の高い火力発電を行うことになる。このため余計にかかるコストは、現実には原油価格に左右されたりするが、計算の簡単のため１億円／日とする。ケース１を基準として、ケース２では１３億円余計にかかることとなる。ケース３では、７億円余計にかかることとなる。
【００６９】
次に、燃料コストの低下について説明する。燃料コストは、各ケース毎に一体当たりの金額を計算し、取替体数の差から換算する。なお、表１から判るように、各ケースともサイクル末あるいは前の半サイクル末では、炉心が臨界となるボロンの濃度（臨界ボロン濃度）が目標値よりも多くなっている。このため、臨界ボロン濃度が目標値になるように燃料の濃縮度を低下させ、その分燃料サイクルコストが低下することを反映している。この結果を表２に示す。この表より、ケース１を基準として、ケース２では４８．３億円のコストダウンとなり、ケース３では４５．８億円のコストダウンとなるのが判る。
【００７０】
【表２】
2006119004.tif 000004
【００７１】
以上の結果より、本発明の実験例では、ケース１と比較すると、中間停止期間があるため代替燃料のコストが７億円アップするが燃料サイクルのコストが約４６億円ダウンする。このため、トータルで１サイクルあたり３９億円のコストダウンとなる。ケース２と比較すると、燃料サイクルのコストは２．５億円アップするが中間停止期間の代替燃料のためのコスト６億円ダウンする。このため、１サイクルあたり３．５億円のコストダウンとなる。なお、資本コストの相違は、無視し得る。
【００７２】
なお、以上の他、この実験例では、被爆線量の低下等、金額に換算できないが、しかし重要な事項についての改善もなされる。
【００７３】
以上、本発明をその望ましい実施の形態を基に説明してきたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、例えば以下のような形態も含まれる。
ＰＷＲでなく、ＢＷＲに実施する。
燃料は、ウランのみでなくプルトニウムを混入して用いられている。
途中停止の７日において、定期検査の一部を行う。
次の半サイクルの運転でも継続して使用される燃料の一部について、その配置される位置の変更を行う。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】１サイクルの長さと各種コストの関係を、濃縮度毎に示す図である。
【図２】長（２４ヶ月）サイクルかつその途中に停止期間が無いとき（ケース１）の燃料構成と交換スキームを示す図である。
【図３】上記ケース１における燃料装荷パターンを示す図である。
【図４】長サイクルかつ途中に燃料交換とシャッフリングのために中間停止期間を設けたとき（ケース２）の燃料構成と交換スキームを示す図である。
【図５】上記ケース２における燃料装荷パターンを示す図である。
【図６】本発明の最良の実施の形態の原理を示す図である。
【図７】長サイクルかつ途中に燃料交換のみ行う停止期間を設けたとき（ケース３）の燃料構成と交換スキームを示す図である。
【図８】上記ケース３における前の半サイクル開始時の燃料装荷パターンとこの半サイクルでの燃焼度を示す図である。
【図９】上記ケース３における後の半サイクル開始時の燃料装荷パターン並びにこの半サイクルでの燃焼度およびボロンの消耗を示す図である。
【図１】
2006119004.tif 000005
【図２】
2006119004.tif 000006
【図３】
2006119004.tif 000007
【図４】
2006119004.tif 000008
【図５】
2006119004.tif 000009
【図６】
2006119004.tif 000010
【図７】
2006119004.tif 000011
【図８】
2006119004.tif 000012
【図９】
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