(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の濃度の可燃性中性子毒物を含有する第１の毒物入り燃料棒と、
燃料集合体の最外周の少なくとも一部に配置され、前記第１の濃度よりも高い第２の濃度の可燃性中性子毒物を含有する第２の毒物入り燃料棒とを備え、
前記第２の毒物入り燃料棒は、前記燃料集合体の最外周の全てに配置され、
前記第１の毒物入り燃料棒は、制御棒案内管または炉内計装用案管の周囲を取り囲むように配置されたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
前記燃料集合体は、高濃縮度化され、濃縮度が１種類である請求項１記載の燃料集合体。
【請求項３】
前記燃料集合体の最外周の少なくとも一の隅部に配置され、前記第２の濃度よりも高い第３の濃度の可燃性中性子毒物を含有する第３の毒物入り燃料棒をさらに備える請求項１記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば加圧水型原子炉に装荷される燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の燃料集合体には、局所的な出力分布を平坦化し、出力ピーキングを効率的に抑制する設計が求められる。従来の燃料集合体として、可燃性中性子毒物としてガドリニウムの酸化物であるガドリニアが含有された燃料棒を備えるものが知られている。
【０００３】
また、燃料棒のペレットの最外周に、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）を薄く塗布した燃料棒（「ボロン入り燃料棒」と称する。）も知られている。例えば、非特許文献１には、ＰＷＲ燃料集合体におけるＩＢＡ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｂｕｒｎａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ）またはＩＦＢＡ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｆｕｅｌ  Ｂｕｒｎａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ）と呼ばれるボロン入り燃料棒の配置例が示されている。
【０００４】
図７は、非特許文献１に開示された従来の燃料集合体１０１、１０２の構成例であり、（Ａ）は可燃性中性子毒物入り燃料棒１１２を８０本、（Ｂ）は可燃性中性子毒物入り燃料棒１１２を１５６本有する燃料集合体である。
【０００５】
この燃料集合体１０１、１０２は、全ての燃料棒においてウラン濃縮度が一定である。ボロン入燃料棒１１２は、ガドリニウムよりも中性子吸収効果が小さい二ホウ化ジルコニウムを含有する。ボロン入ウラン燃料棒１１２は、出力が上がりやすい制御棒案内管１１４および計装用案内管１１５の周囲に多数配置され、局所出力分布は好適に平坦化される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｃ．  Ｅ．  Ｓａｎｄｅｒｓ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｃ．  Ｗａｇｎｅｒ，  ＯＲＮＬ，  “Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｂｕｒｎａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ  ｆｏｒ  ＰＷＲ  Ｂｕｒｎｕｐ  Ｃｒｅｄｉｔ，”  ＮＵＲＥＧ／ＣＲ−６７６０  ＯＲＮＬ／ＴＭ−２０００／３２１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料の高濃縮度化（高燃焼度化）は、濃縮度が低い燃料に比べ、燃料集合体の取替体数を低減させて同じ発電量を得ることができる。燃料の高濃縮化は、使用済燃料集合体の発生量を低減させ、燃料サイクルコストの低減に大きな効果がある。
【０００８】
一方、燃料の高濃縮度化に伴って、燃料の反応度が増して燃料集合体間の出力ミスマッチが増大する。従って、燃料の高濃縮度化は、熱特性を悪化させてしまうという課題がある。
【０００９】
今後、更なる経済性向上の観点から、前述したボロン入り燃料棒を備える燃料集合体のウラン高濃縮度化が考えられる。高濃縮度化に伴って、ボロン入り燃料棒の本数を増すとともに、燃料棒のウラン濃縮度種類数を増すことによって熱特性の悪化を抑制することが考えられる。
【００１０】
しかし、これらの対策を講じてもやはり熱特性の悪化は避けられず、燃料集合体の局所出力分布にばらつきが生じてしまう恐れがあった。また、ウラン濃縮度種類を増やすことは、製造工程でのコストアップの要因となる。
【００１１】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、燃料の濃縮度に影響を受けることなく、局所出力分布を平坦化することができる燃料集合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料集合体は、上述した課題を解決するために、第１の濃度の可燃性中性子毒物を含有する第１の毒物入り燃料棒と、燃料集合体の最外周の少なくとも一部に配置され、前記第１の濃度よりも高い第２の濃度の可燃性中性子毒物を含有する第２の毒物入り燃料棒とを備え、前記第２の毒物入り燃料棒は、前記燃料集合体の最外周の全てに配置され、前記第１の毒物入り燃料棒は、制御棒案内管または炉内計装用案管の周囲を取り囲むように配置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料集合体においては、燃料の濃縮度に影響を受けることなく、局所出力分布を平坦化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態における加圧水型原子炉の燃料集合体の配置図。
【図２】本実施形態における燃料集合体が適用される初装荷炉心の燃料配置例を示す配置図。
【図３】図２の領域IIIの拡大図。
【図４】本実施形態における燃料集合体の比較例としての燃料集合体の燃料配置例を示す配置図。
【図５】本実施形態の燃料集合体と比較例としての燃料集合体との局所出力ピーキング係数の燃焼変化を比較したグラフ。
【図６】本実施形態における燃料集合体の変形例としての燃料集合体の配置図。
【図７】非特許文献１に開示された従来の燃料集合体の構成例であり、（Ａ）は可燃性中性子毒物入り燃料棒を８０本、（Ｂ）は可燃性中性子毒物入り燃料棒を１５６本有する燃料集合体を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る燃料集合体の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本実施形態においては、本発明に係る燃料集合体を加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に適用して説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態における加圧水型原子炉の燃料集合体１の配置図である。なお、図示されている各正方セルは、１本の燃料棒、制御棒案内管または計装用案内管が配置されていることを表す。
【００１７】
燃料集合体１は、１７本×１７本の燃料棒１０が配置される。燃料集合体１は、１種類のウラン（Ｕ−２３５）濃縮度からなる二酸化ウラン（ＵＯ２）ペレットを封入した燃料棒１０を備える。ウラン濃縮度は、５ｗｔ％を超える高濃縮度である。本実施形態においては６ｗｔ％濃縮度の燃料棒１０を備える例を説明する。
【００１８】
燃料集合体１は、可燃性中性子毒物を含有しないウラン燃料棒１１、第１の濃度の可燃性中性子毒物を含有する低濃度ボロン入燃料棒１２、および第１の濃度よりも高い第２の濃度の可燃性中性子毒物を含有する高濃度ボロン入燃料棒１３を有する。燃料集合体１は、２４本の制御棒案内管１４および１本の計装用案内管１５を有する。
【００１９】
低濃度ボロン入燃料棒１２および高濃度ボロン入燃料棒１３は、可燃性中性子毒物として二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）（ボロン化合物）を含有する。二ホウ化ジルコニウムは、燃料棒のペレットの最外周に薄く塗布される。
【００２０】
低濃度ボロン入燃料棒１２は、燃料ペレットの単位長さあたり０．６ｍｇ／ｃｍのＢ−１０濃度（１倍濃度）を有する。高濃度ボロン入燃料棒１３は、燃料ペレット単位長さあたり１．５ｍｇ／ｃｍのＢ−１０濃度（２．５倍濃度）を有する。
【００２１】
低濃度ボロン入燃料棒１２は、制御棒案内管１４または計装用案内管１５を囲むように、制御棒案内管１４または計装用案内管１５に隣接する位置に配置される。高濃度ボロン入燃料棒１３は、燃料集合体１の最外周に配置される。すなわち、燃料集合体１の最外周に配置される燃料棒１０は、高濃度ボロン入燃料棒１３であり、最外周以外に配置される燃料棒１０は、低濃度ボロン入燃料棒１２である。
【００２２】
図２は、本実施形態における燃料集合体１が適用される初装荷炉心の燃料配置例を示す配置図である。
図３は、図２の領域IIIの拡大図である。
【００２３】
なお、本実施形態の燃料集合体１は、初装荷炉心に限らず取替炉心に適用してもよい。
【００２４】
燃料集合体には、ウラン（Ｕ−２３５）の濃縮度が高い高濃縮度（例えば６ｗｔ％）の中央部燃料集合体３１と、ウランの濃縮度が高濃縮度の中央部燃料集合体３１よりも低い低濃縮度（例えば２ｗｔ％）の中央部燃料集合体３２と、周辺部燃料集合体３３とを有する。
【００２５】
高濃縮度の中央部燃料集合体３１と低濃縮度の中央部燃料集合体３２とは、チェッカーボード状に配置される。高濃縮の中央部燃料集合体３１は、外周部において隣接する燃料集合体との間の熱中性子束レベルの差により生じる熱中性子流が出力分布に影響する効果、すなわちスペクトルミスマッチが増大する傾向にある。このため、高濃縮度の中央部燃料集合体３１は、図３に示すように、領域Ａの熱中性子束が高くなり、局所出力が増大する。
【００２６】
そこで、本実施形態における燃料集合体１は、高濃度ボロン入燃料棒１３を最外周に配置することにより、スペクトルミスマッチを低減し、局所出力分布を平坦化することにより、燃料集合体１の出力ピーキングを効率的に抑制する。
【００２７】
ここで、本実施形態における燃料集合体１の比較例としての燃料集合体４１について説明する。
【００２８】
図４は、本実施形態における燃料集合体１の比較例としての燃料集合体４１の燃料配置例を示す配置図である。
【００２９】
比較例としての燃料集合体４１は、燃料ペレットの単位長さあたり０．６ｍｇ／ｃｍのＢ−１０濃度（１倍濃度）を有する燃料棒５０、制御棒案内管５４、計装用案内管５５を有する。全ての燃料棒５０は、本実施形態における燃料集合体１の低濃度ボロン入燃料棒１２と同様の構成である。
【００３０】
本実施形態の燃料集合体１と比較例としての燃料集合体４１とは、燃料集合体あたりのＢ−１０濃度がほぼ同様となるように構成されている。
【００３１】
図５は、本実施形態の燃料集合体１と比較例としての燃料集合体４１との局所出力ピーキング係数の燃焼変化を比較したグラフである。
【００３２】
比較例としての燃料集合体４１は、燃焼初期においては、燃料集合体の外周部において局所出力ピーキングを生ずる。これに対し、本実施形態における燃料集合体１は、燃焼初期から外周部の局所出力が抑制される。
【００３３】
具体的には、比較例としての燃料集合体４１の燃焼初期の局所出力ピーキング係数は約１．１１であるのに対し、本実施形態における燃料集合体１の局所出力ピーキング係数は約１．０４と低い値を示す。すなわち、本実施形態における燃料集合体１は、燃焼初期の局所出力ピーキング係数を燃料集合体４１に対して６．３％低下させることができ、熱的特性の改善に寄与することができる。
【００３４】
また、本実施形態の燃料集合体１と比較例としての燃料集合体４１とは、燃料集合体あたりのＢ−１０濃度はほぼ同様となるように構成されるため、燃料集合体の可燃性中性子毒物量は、両者間で同程度である。また、両燃料集合体１、４１は、運転サイクル末期での可燃性中性子毒物の燃え残りも同程度であって反応度損失は生じないので、燃料経済性上の損失を生じさせない。
【００３５】
このような本実施形態における燃料集合体１は、最外周に配置される燃料棒１０の可燃性中性子毒物の濃度を、燃料集合体１の内側に配置される燃料棒１０よりも高くした。燃料集合体１は、燃料棒１０のウラン濃縮度を一定に保った状態で高濃縮度化した場合であっても、好適に局所出力を平坦化することができ、優れた出力キーピング係数を得ることができる。
【００３６】
よって、燃料集合体１は、熱的特性の改善を図ることができる上に、燃料経済性上の損失を生じさせない点で効果的である。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００３８】
例えば、可燃性中性子毒物は、二ホウ化ボロン（ボロン化合物）と同様にガドリニアより中性子吸収効果が低いエルビア（エルビウム酸化物、Ｅｒ２Ｏ３）でもよい。なお、エルビアは、燃料ペレット中に一様に添加される。
【００３９】
可燃性中性子毒物入りの燃料棒の配置例は、図１に示す配置に限られず、燃料集合体の最外周に配置される燃料棒の可燃性中性子毒物の濃度が内側の燃料棒の濃度より高ければよい。高濃度の毒物入りの燃料棒は、最外周を形成するすべての燃料棒である必要はなく、所要の位置に配置されればよい。例えば、燃料集合体の最外周には、高濃度ボロン入燃料棒１３とともに、可燃性中性子毒物を含有しないウラン燃料棒１１や低濃度ボロン入燃料棒１２が配置されてもよい。
【００４０】
燃料集合体１の四隅部（隅部）に配置される燃料棒１０は、第２の濃度よりも高い第３の濃度の可燃性中性子毒物を含有してもよい。
【００４１】
図６は、本実施形態における燃料集合体１の変形例としての燃料集合体６１の配置図である。
【００４２】
図１の燃料集合体と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４３】
第１のボロン入燃料棒６２は、第１の濃度の可燃性中性子毒物を含有する。第２のボロン入燃料棒６３は、第１の濃度よりも高い第２の濃度の可燃性中性子毒物を含有する。第３のボロン入燃料棒６４は、第２の濃度よりも高い第３の濃度の可燃性中性子毒物を含有する。
【００４４】
燃料集合体６１の四隅部は、特に局所出力が増大しやすい。変形例としての燃料集合体６１は、最も濃度が高い第３の濃度を有する第３のボロン入燃料棒６４を四隅部に配置する。燃料集合体６１は、可燃性中性子毒物の濃度が高まり、さらにピーキング係数を低減させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１、６１  燃料集合体
１０  燃料棒
１１  ウラン燃料棒
１２  低濃度ボロン入燃料棒
１３  高濃度ボロン入燃料棒
１４  制御棒案内管
１５  計装用案内管
３１  高濃度の中央部燃料集合体
３２  低濃度の中央部燃料集合体
３３  周辺部燃料集合体
６２  第１のボロン入燃料棒
６３  第２のボロン入燃料棒
６４  第３のボロン入燃料棒
【図５】
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【図７】
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【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６】
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