(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料有効長が燃料集合体の有効長と等しい全長燃料棒と、それより短い部分長燃料棒を有し、かつ、可燃性毒物を含有する燃料棒と可燃性毒物を含有しない燃料棒とを複数本束ねた沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
可燃性毒物を含有する燃料棒が、
燃料集合体の燃料有効長の上下端部を除くほぼ全長に亘って可燃性毒物を含有し、且つ、未燃焼時の可燃性毒物濃度が異なる少なくとも２つの可燃性毒物領域を含有する第１の毒物含有燃料棒と、
軸方向の下部側から有効長途中までの部分軸方向領域にのみ可燃性毒物を含有する第２の毒物含有燃料棒とを含み、
第２の毒物含有燃料棒が可燃性毒物を含有する部分軸方向領域の上端位置が相対的に高位置と低位置とに異なる２種類の毒物含有燃料棒を含み、
第２の毒物含有燃料棒の本数割合が、下式で示されることを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
ＦPL×ＦGd ＜ α ＜ ２×ＦPL×ＦGd
ここで、
ＦPL ： 部分長燃料棒本数割合
ＦGd ： 毒物含有燃料棒本数割合
α ： 第２の毒物含有燃料棒本数割合
【請求項２】
少なくとも１本の第１の毒物含有燃料棒の軸方向下部側領域の可燃性毒物濃度が燃料集合体の最高濃度であることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
少なくとも１本の第２の毒物含有燃料棒の未燃焼時の可燃性毒物濃度が燃料集合体中の最低濃度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項４】
第２の毒物含有燃料棒が部分長燃料棒を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項５】
第２の毒物含有燃料棒の可燃性毒物含有領域の上端位置が、
前記相対的に高位置にある毒物含有燃料棒においては燃料集合体の燃料有効長の下部側からほぼ１／３〜２／３の位置、
前記相対的に低位置にある毒物含有燃料棒においては燃料集合体の燃料有効長の下部側からほぼ１／４〜１／３の位置にあることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項６】
部分長燃料棒が集合体外周部に配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項７】
燃料棒が１０行１０列以上の格子状配列で束ねられ、且つ、燃料棒９本分の領域が角型ウォータチャンネルに置換されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと記す）に供する燃料集合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、経済性向上のため、プラント高効率運転を目指した長期サイクル運転や出力向上運転への対応やウラン資源有効利用のための高燃焼度化への対応が原子燃料に対して求められている。これらは、燃焼前のウラン濃縮度を高めることで対応できるが、現在実用化されている燃料をそのまま高濃縮度化するだけでは、熱的余裕の悪化や原子炉停止余裕の悪化が発生し、原子炉プラントを安全に運転することが困難となる。
【０００３】
長期サイクル運転時の軸方向出力分布を平坦化し、熱的余裕を向上する手段として、未燃焼時の可燃性毒物濃度が一様で、且つ、可燃性毒物濃度の添加領域の上端位置が異なる３種類の燃料棒を備える提案があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この発明では、軸方向平坦化範囲を適切に行うため、軸方向下方領域と中央領域にのみ可燃性毒物を添加する燃料棒の全燃料棒本数の割合を４〜８％，軸方向下方領域にのみ可燃性毒物を添加する燃料棒の全燃料棒本数の割合を３〜６％と規定している。
【０００５】
また、燃料が高濃縮度化すると一般的に、減速材ボイド係数の絶対値が増大する。減速材ボイド係数の絶対値が増大すると、負のボイドフィードバックが大きくなり炉心安定性が悪化する。
【０００６】
これらの課題に対して、熱的余裕確保のため格子数を増やし、集合体あたりの燃料棒本数を増やす研究がなされている。燃料集合体に装荷される燃料棒本数が増えることにより次の利点が生じ、熱的余裕の増大につながる。
(1) 同じ集合体出力でも燃料棒本数が増えることにより、燃料棒単位長さあたりの発熱量である線出力密度を小さくでき、熱的余裕が大きくなる。
(2) 濡れぶち長さが増大することにより、冷却能力が増し、沸騰遷移をおこす限界出力が向上する。
【０００７】
その一方で、濡れぶち長さが大きくなることにより摩擦圧損が増加するといったデメリットも生じる。集合体圧力損失が大きくなると、集合体内を流れる冷却材流量が少なくなり、冷却能力の減少、ひいては沸騰遷移をおこす限界出力の低下につながる。
【０００８】
また、格子数を大きくして燃料棒本数を増やし、高濃縮度化が達成できたとしても、減速材ボイド係数の絶対値の増加や原子炉停止余裕が十分に確保できないといった課題は解決されない。
【０００９】
これに対し、減速材ボイド係数の絶対値の増大の緩和及び十分な炉停止余裕を確保するための手段として、部分長燃料棒を集合体コーナー部や集合体外周部に配置している提案もあった（例えば、特許文献２参照）。この提案では原子炉停止余裕の改善に寄与の大きい軸方向上部領域の冷温時反応度を下げるために、この効果の大きい箇所に部分長燃料棒を配置することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３５９８０９２号
【特許文献２】特許第４０７８０６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１２は従来の燃料集合体の可燃性毒物配置例を示す説明図である。図１２に示す通り、例えば従来の燃料集合体は、１０×１０の正方格子状に燃料棒１，２，３，４，５，Ｇ１，Ｇ２を束ね、チャンネルボックス７内に配置して構成されている。チャンネルボックス７の中心軸から反制御棒８側に偏心させた位置に３×３の燃料棒分のウォータチャンネルＷを備えている。尚、長尺燃料棒を２４分割した上下端１ノードずつには、低濃縮度（０．７１ｗｔ％）の天然ウランブラケットが設けられていおり、燃料有効長はこれら最上部ノードと最下部ノードとを含んだ定義とする。
【００１２】
燃料棒１，２，３，４，５，Ｇ１，Ｇ２は、可燃性毒物を含有しない燃料棒１，２，３，４，５と、可燃性毒物を含有する燃料棒Ｇ１，Ｇ２との２種類に分けられる。可燃性毒物を含有しない燃料棒は、濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒１と４．４０ｗｔ％の燃料棒２と２．４０ｗｔ％の燃料棒３との長尺燃料棒と、濃縮度が４．９０ｗｔ％と２．４０ｗｔ％との１４ノードまでの部分長燃料棒４，５とに分けられる。
【００１３】
未燃焼のガドリニアを可燃性毒物として含有する２種類の燃料棒の本数は、上下１ノード分の上下端のブランケット部を除く有効長すべての領域で同一であり、これら２種類の可燃性毒物含有燃料棒の各々が、その燃料棒内に複数の可燃性毒物濃度領域を有している。また、集合体中における可燃性毒物の最高濃度の領域は、軸方向下部領域に存在する。
【００１４】
即ち、可燃性毒物を含有する燃料棒は、共に濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒であり、一方の毒物含有燃料棒Ｇ１は、下から２０ノードの下部領域が８．０ｗｔ％のガドリニア入り燃料棒領域であり、その上部領域が６．０ｗｔ％のガドリニア入り燃料棒領域であり、他方の毒物含有燃料棒Ｇ２は、下から２０ノードの下部領域が６．０ｗｔ％のガドリニア入り燃料棒領域であり、その上部領域が５．０ｗｔ％のガドリニア入り燃料棒領域である。
【００１５】
ところで、原子炉の運転期間や出力向上割合及び目標とする取出平均燃焼度に応じて、可燃性毒物を含有する燃料棒の本数割合には最適な範囲がある。可燃性毒物燃料棒本数が過剰な場合、原子炉停止余裕は十分に確保できるが、所要の原子炉出力や運転期間を達成できず、経済性が劣ることとなる。
【００１６】
一方、可燃性毒物燃料棒本数割合が不足すると、所要の原子炉出力や運転期間を満足するものの、原子炉停止余裕の確保が難しくなる。さらに、燃料集合体中の可燃性毒物を有しない一部の燃料棒に部分長燃料棒を採用した場合には、部分長燃料棒の存在により軸方向下部領域では可燃性毒物燃料棒本数割合が前記の最適範囲から不足し、反対に軸方向上部領域では過剰となる場合がある。
【００１７】
上述のような従来技術を利用し、長期サイクル運転、出力向上運転、あるいは高燃焼度化を同時に達成しようとした場合であっても、軸方向上部領域の冷温時の反応度を十分に下げることは可能である。
【００１８】
しかしながら、軸方向中央領域の冷温時反応度に対しては反応度を低下させるよう構造上の特段の配慮をしない場合には、冷温時の中性子束分布の上部ピークの程度が比較的小さいサイクル初期においては、原子炉停止余裕の十分な確保が難しくなる傾向があることがわかった。
【００１９】
本発明は、長期サイクル運転、出力向上運転、あるいは高燃焼度化を同時に達成すると共に軸方向上部領域の冷温時反応度は十分下げることができ、尚且つ、冷温時の中性子束分布の上部ピークの程度が比較的小さいサイクル初期においても、経済性や熱的余裕を損なうことなく、十分な原子炉停止余裕を確保したＢＷＲ用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】
【００２０】
請求項１に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、燃料有効長が燃料集合体の有効長と等しい全長燃料棒と、それより短い部分長燃料棒を有し、かつ、可燃性毒物を含有する燃料棒と可燃性毒物を含有しない燃料棒とを複数本束ねた沸騰水型燃料集合体において、
可燃性毒物を含有する燃料棒が、
燃料集合体の燃料有効長の上下端部を除くほぼ全長に亘って可燃性毒物を含有し、且つ、未燃焼時の可燃性毒物濃度が異なる少なくとも２つの可燃性毒物領域を含有する第１の毒物含有燃料棒と、
軸方向の下部側から有効長途中までの部分軸方向領域にのみ可燃性毒物を含有する第２の毒物含有燃料棒とを含み、
第２の毒物含有燃料棒が可燃性毒物を含有する部分軸方向領域の上端位置が相対的に高位置と低位置とに異なる２種類の毒物含有燃料棒を含み、
第２の毒物含有燃料棒の本数割合が、下式で示されることを特徴とするものである。
ＦPL×ＦGd ＜ α ＜ ２×ＦPL×ＦGd
ここで、
ＦPL ： 部分長燃料棒本数割合
ＦGd ： 毒物含有燃料棒本数割合
α ： 第２の毒物含有燃料棒本数割合
【００２１】
請求項２に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１に記載の少なくとも１本の第１の毒物含有燃料棒の軸方向下部側領域の可燃性毒物濃度が燃料集合体の最高濃度であることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項３に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１又は２に記載の少なくとも１本の第２の毒物含有燃料棒の未燃焼時の可燃性毒物濃度が燃料集合体中の最低濃度であることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項４に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１〜３の何れか１項に記載の第２の毒物含有燃料棒が部分長燃料棒を含むことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項５に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１〜４の何れか１項に記載の第２の毒物含有燃料棒の可燃性毒物含有領域の上端位置が、
前記相対的に高位置にある毒物含有燃料棒においては燃料集合体の燃料有効長の下部側からほぼ１／３〜２／３の位置、
前記相対的に低位置にある毒物含有燃料棒においては燃料集合体の燃料有効長の下部側からほぼ１／４〜１／３の位置にあることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項６に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１〜５の何れか１項に記載の部分長燃料棒が集合体外周部に配置されていることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項７に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料棒が１０行１０列以上の格子状配列で束ねられ、且つ、燃料棒９本分の領域が角型ウォータチャンネルに置換されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、長期サイクル運転、出力向上運転、あるいは高燃焼度化を同時に達成するとともに、軸方向上部領域の冷温時反応度は十分下げることができ、尚且つ、冷温時の中性子束の上部ピークの程度が比較的小さいサイクル初期においても、経済性や熱的余裕を損なうことなく、十分な原子炉停止余裕を確保できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のＢＷＲ用燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。
【図２】燃料集合体のサイクル初期及びサイクル末期における平衡炉心の冷温時の軸方向相対出力分布を示す線図であり、ａ図は図１２に示す従来例、ｂ図は図１に示す実施例である。
【図３】従来例と実施例とのサイクル初期の運転時軸方向出力分布を示す線図である。
【図４】従来例と実施例との軸方向出力ピーキング係数の燃焼変化を示す線図である。
【図５】従来例と実施例との原子炉停止余裕の燃焼変化を示す線図である。
【図６】従来例と実施例との熱的制限値のひとつである最大線出力密度の燃焼変化を示す線図である。
【図７】従来例と実施例における余剰反応度の燃焼変化を示す線図である。
【図８】第２の毒物含有燃料棒本数割合とサイクル初期原子炉停止余裕の関係を示した図である。
【図９】第２の毒物含有燃料棒本数割合とサイクル末期余剰反応度の関係を示した図である。
【図１０】本発明のＢＷＲ用燃料集合体の別の実施例の構成を示す説明図である。
【図１１】本発明のＢＷＲ用燃料集合体の更に別の実施例の構成を示す説明図である。
【図１２】従来の燃料集合体の可燃性毒物配置例を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明においては、ＢＷＲ用燃料集合体において、
可燃性毒物を含有する燃料棒が、
燃料集合体の燃料有効長のほぼ全長に亘る軸方向領域に可燃性毒物を含有する第１の毒物含有燃料棒と、
軸方向の下部側から前記燃料有効長の途中までの部分軸方向領域のみに可燃性毒物を含有する第２の毒物含有燃料棒とを含み、
第２の毒物含有燃料棒が、可燃性毒物を含有する部分軸方向領域の上端位置が相対的に高位置と低位置とに異なる２種類の毒物含有燃料棒を含むため、経済性や熱的余裕を損なうことなく、十分な原子炉停止余裕を確保することができる。
【００３１】
本発明の第１の毒物含有燃料棒は、好ましくは相対的に未燃焼時の可燃性毒物濃度の異なる少なくとも２つの可燃性毒物含有領域を含み、更に好ましくは、少なくとも１本の第１の毒物含有燃料棒の軸方向下部側領域の可燃性毒物濃度が燃料集合体の最高濃度とする。このため、運転時の中性子束分布の下部ピークの程度が比較的大きいサイクル初期においても経済性を損なうことなく十分な熱的余裕を確保できる。
【００３２】
また、第２の毒物含有燃料棒を適用しない場合でも、サイクル初期以外は十分な原子炉停止余裕が確保できている時には、経済性の観点から可燃性毒物濃度はできるだけ小さい方が望ましい。少なくとも１本の第２の毒物含有燃料棒の未燃焼時の可燃性毒物濃度は、好ましくは、燃料集合体中の最低濃度とすることが望ましい。
【００３３】
ところで、原子炉の運転期間や出力向上割合及び目標とする取出平均燃焼度に応じて、可燃性毒物を含有する燃料棒の本数割合には最適な範囲があるが、燃料集合体中の一部の燃料棒に部分長燃料棒を採用した場合に、この部分長燃料棒の存在により、可燃性毒物本数割合が軸方向下部領域ではこの最適範囲から不足し、反対に軸方向上部領域では過剰となる。これについて、第２の毒物含有燃料棒本数割合を下式の数１の通りの範囲内とすることで、経済性や熱的余裕を損なうことなく、十分な原子炉停止余裕が確保できる。
【００３４】
（数１）
ＦPL×ＦGd ＜ α ＜ ２×ＦPL×ＦGd
ここで、
ＦPL  ：  部分長燃料棒本数割合
ＦGd  ：  毒物含有燃料棒本数割合
α  ：  第２の毒物含有燃料棒本数割合
【００３５】
なお、第２の毒物含有燃料棒本数割合が上式の範囲より少ない場合は、原子炉停止余裕の十分な確保に到らず、反対に上式の範囲より多い場合は、十分な原子炉停止余裕が確保できるものの、サイクル末期での可燃性毒物の燃え残りにより、目標とする取出平均燃焼度が達成できないこととなる。
【００３６】
また、第２の毒物含有燃料棒の可燃性毒物含有領域の上端位置は、冷温時軸方向出力分布の中央ピークを緩和する観点から、燃料集合体の有効長の１／３程度以上の位置で、できるだけ高い方が望ましく、運転時の軸方向出力分布の下部ピークを緩和する観点から、相対的に高位置にある第２の毒物含有燃料棒の上端位置は、燃料有効長の２／３程度以下でできるだけ低い方が望ましい。
【００３７】
また、相対的に低位置にある第２の毒物含有燃料棒の可燃性毒物含有領域の上端位置は、運転時の軸方向出力分布の下部ピークを緩和する観点から、燃料集合体の有効長の１／４程度以上の位置で、できるだけ高い方が好ましく、サイクル末期での可燃性毒物の燃え残りをできるだけ避ける観点から、相対的に低位置にある第２の毒物含有燃料棒の上端位置は、燃料有効長の１／３程度以下できるだけ低いほうが望ましい。
【００３８】
したがって第２の毒物含有燃料棒の可燃性毒物含有領域の好ましい上端位置は、相対的に高位置にある毒物含有燃料棒においては、燃料集合体の燃料有効長の下部側からほぼ１／３〜２／３の位置、相対的に低位置にある毒物含有燃料棒においては、燃料集合体の燃料有効長の下部側からほぼ１／４〜１／３の位置である。
【００３９】
さらに、部分長燃料棒は、軸方向上部領域の冷温時反応度を抑制する観点から非沸騰領域に隣接させる配置が好ましく、集合体外周部及び／またはウォータチャンネル（ウォータロッド）周りに配置されているものである。なお、第２の毒物含有燃料棒本数割合が上式の範囲より少ない場合は、後述する図８に示す通り、原子炉停止余裕の十分な確保に到らず、反対に上式の範囲より多い場合は、十分な原子炉停止余裕が確保できるものの、後述する図９に示す通りサイクル末期での可燃性毒物の燃え残りにより、目標とする取出平均燃焼度が達成できないこととなる。
【実施例】
【００４０】
１．実施例１
図１は本発明のＢＷＲ用燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。図１に示す通り、本実施例１の燃料集合体１０は、１０×１０の正方格子状に燃料棒１１，１２，１３，１４，１５，Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４を束ねてチャンネルボックス内１７内に配置して構成されている。チャンネルボックス１７の中心軸から反制御１８側に偏心させた位置に３×３の燃料棒分のウォータチャンネルＷを備えている。尚、長尺燃料棒を２４分割した上下端１ノードずつには、低濃縮度（０．７１ｗｔ％）の天然ウランブランケットが設けられており、燃料有効長としてはこれら最上部ノードと最下部ノードとを含んだ定義とした。
【００４１】
燃料棒１１，１２，１３，１４，１５，Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４は、可燃性毒物を含有しない燃料棒１１，１２，１３，１４，１５と、可燃性毒物を含有する燃料棒Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４との２種類に分けられる。可燃性毒物を含有しない燃料棒は、ウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒１１と４．４０ｗｔ％の燃料棒１２と２．４０ｗｔ％の燃料棒１３との長尺燃料棒と、ウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％と２．４０ｗｔ％で有効長が長尺燃料棒の１４／２４である部分長燃料棒１４，１５に分けられる。
【００４２】
可燃性毒物を含有する燃料棒は、燃料集合体の燃料有効長のほぼ全長に亘って、複数濃度の可燃性毒物を含有する第１の毒物含有燃料棒Ｇ１１，Ｇ１２と、軸方向の下部側から有効長途中までにのみ可燃性毒物を含有する第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３，Ｇ１４との２種類に分けられる。第１の毒物含有燃料棒Ｇ１１，Ｇ１２はともに、ウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒であり、Ｇ１１のガドリニア濃度は８．０ｗｔ％と６．０ｗｔ％の２種類であり、Ｇ１２のガドリニア濃度は９．０ｗｔ％と６．０ｗｔ％と５．０ｗｔ％の３種類である。なお、第１の毒物含有燃料棒Ｇ１２の下部領域（９．０ｗｔ％）可燃性毒物濃度は燃料集合体中の最大濃度となっている。
【００４３】
第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３，Ｇ１４は、可燃性毒物を含有する領域の上端位置が相違する２種類の第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３と第２の毒物含有燃料棒Ｇ１４とを備える。具体的には、第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３，Ｇ１４はともにウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒である。高位置の第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３は、１４／２４ノードまでの部分長燃料棒であり、その部分長燃料棒のほぼ全領域でガドリニア濃度は２．０ｗｔ％である。低位置の第２の毒物含有燃料棒Ｇ１４は、長尺燃料棒であり、８／２４ノードまでの領域でガドリニア濃度は２．０ｗｔ％である。なお、第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３，Ｇ１４の可燃性毒物濃度は集合体中の最低濃度となっている。
【００４４】
本実施例の燃料集合体１０では、軸方向有効長の途中まで可燃性毒物を含有する部分長燃料棒の第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３を備えることにより、軸方向中央部の冷温時の反応度を低下できる。このため、サイクル初期における原子炉停止余裕が改善する。また、第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３の可燃性毒物の含有領域の上端が可燃性毒物を含有しない他の部分長燃料棒１４，１５の有効長上端と等しくしている。
【００４５】
更に上部が可燃性毒物を含まない通常の核燃料を装荷した第２の毒物含有燃料棒Ｇ１４を備えることにより、サイクル初期における下部ピークを抑制し、最大線出力密度の改善を図ることができる。また、第１の毒物燃料棒Ｇ１１，Ｇ１２の可燃性毒物濃度を下部領域と上部領域とで相違させることにより、サイクル末期における可燃性毒物の燃え残りを改善し、目標とする取出平均燃焼度を達成することが可能となる。
【００４６】
２．実施例１と従来例との比較
以下、図１の実施例と図１２の従来例それぞれについて、例えばＧ１２燃料棒の本数が異なる２種類の燃料から構成した平衡炉心について、運転期間１９ヶ月の長期サイクル運転，取出平均燃焼度５０ＧＷｄ／ｔ以上といった高燃焼度化を達成しようとした場合の炉心特性を比較して本発明の効果を説明する。
【００４７】
図２は燃料集合体のサイクル初期及びサイクル末期における平衡炉心の冷温時の軸方向相対出力分布を示す線図であり、ａ図は図１２に示す従来例、ｂ図は図１に示す実施例である。ａ図に示す通り、サイクル初期には軸方向中央部が、サイクル末期では軸方向上部の冷温時の相対出力が高くなっている。
【００４８】
これに対し、ｂ図に示す通り、本実施例の燃料集合体では、部分長燃料棒の全領域にガドリニアを含有する第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３を備えることにより、軸方向中央部の冷温時の軸方向相対出力分布の出力ピークを図２に示す従来例より緩やかにすることが可能となる。
【００４９】
図３は従来例と実施例とのサイクル初期の運転時の軸方向出力分布を示す線図である。従来例に対して実施例では下部ピークの程度を緩和することが可能である。図２に示す通り、第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３の可燃性毒物含有領域の上端位置は、冷温時軸方向出力分布の中央ピークを緩和する観点から、燃料集合体の燃料有効長の１／３程度以上の位置でできるだけ高い方が望ましい。
【００５０】
それに加えて、図３に示す通り、運転時の軸方向出力分布の下部ピークを緩和する観点から、第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３の可燃性毒物含有領域の上端位置は、燃料有効長の２／３程度以下でできるだけ低いほうが望ましい。また、第２の毒物含有燃料棒Ｇ１４の可燃性毒物含有領域の上端位置は、燃料集合体の燃料有効長の１／４から１／３程度の範囲にあることが望ましい。
【００５１】
これらの条件により、第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３の可燃性毒物含有領域の上端位置は、燃料集合体の燃料有効長の１／３から２／３程度の範囲にあることが望ましく、第２の毒物含有燃料棒Ｇ１４の可燃性毒物含有領域の上端位置は、燃料集合体の燃料有効長の１／４から１／３程度の範囲にあることが望ましい。
【００５２】
図４は従来例と実施例との軸方向出力ピーキング係数の燃焼変化を示す線図である。図４に示す通り、実施例はサイクル初期より、軸方向出力ピーキング係数の変化が従来例に比べて緩やかであることが解る。
【００５３】
図５は従来例と実施例との原子炉停止余裕の燃焼変化を示す線図である。図５に示す通り、従来例では制限値を満足するものの原子炉停止余裕はサイクル初期のみ十分な設計余裕が確保できていないので、実施例の第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３に含有する可燃性毒物濃度は集合体最低濃度とすることが経済性の観点から望ましい。第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３を備えることにより、軸方向中央部の冷温時出力ピークを従来例より緩やかにすることが可能であり、これが原子炉停止余裕の改善につながる。
【００５４】
図６は熱的制限値のひとつである最大線出力密度の従来例と実施例との燃焼変化を示す線図である。図６に示す通り、特にサイクル初期の熱的余裕を改善できることが示された。これは上部が毒物を含まない通常のウラン燃料を装荷した第２の毒物含有燃料棒Ｇ１４を備えることにより、特にサイクル初期の熱的余裕を改善できることが示唆された。
【００５５】
図７は従来例と実施例における余剰反応度の燃焼変化を示す線図である。第２の毒物含有燃料棒Ｇ１３及び第２の毒物含有燃料棒Ｇ１４を備えることにより余剰反応度は低下しているが、サイクル末期ではほぼ同等となっており、著しく経済性を損なうことはない。
【００５６】
図８は第２の毒物含有燃料棒本数割合とサイクル初期原子炉停止余裕の関係を示した図である。図９は第２の毒物含有燃料棒本数割合とサイクル末期余剰反応度の関係を示した図である。これらの図には、前述の数１で示した式の下限値（ＦPL×ＦGd）及び上限値（２×ＦPL×ＦGd）が示されている。
【００５７】
図８に示す通り、計算精度を考慮し通常設定する原子炉停止余裕の設計目標を１．５％ｄｋとした場合、望ましい第２の毒物含有燃料棒本数割合は、下限値より大きい範囲となる。また、図９に示す通り、第２の毒物含有燃料棒の採用により低下するサイクル末期の余剰反応度を０．０５％ｄｋ以内にとどめようとする場合、望ましい第２の毒物含有燃料棒本数割合は、上限値より小さい範囲となる。尚、本実施例１では、ＦPL＝0.15、ＦGd＝0.21、α＝0.04であり、第２の毒物含有燃料棒本数割合αは、前述の数１で示した式の範囲内にある。
【００５８】
以上の通り、本実施例の燃料集合体は、経済性や熱的余裕を損なうことなく、十分な原子炉停止余裕を確保できる。
【００５９】
３．実施例２
図１０は本発明のＢＷＲ用燃料集合体の別の実施例の構成を示す説明図である。図１０に示す通り、本実施例２の燃料集合体２０では、実施例１と同様に、１０×１０の正方格子状に燃料棒２１，２２，２３，２４，２５，Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４を束ね、チャンネルボックス２７内に配置して構成されている。チャンネルボックス２７の中心軸から反制御２８側に偏心させた位置に３×３の燃料棒分のウォータチャンネルＷを備えている。なお、長尺燃料棒を２４分割した上下端１ノードずつには、低濃縮度（０．７１ｗｔ％）の天然ウランブランケットが設けられており、燃料有効長にはこれら最上部ノードと最下部ノードとを含んだ定義とする。
【００６０】
燃料棒２１，２２，２３，２４，２５，Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４は、可燃性毒物を含有しない燃料棒２１，２２，２３，２４，２５と、可燃性毒物を含有する燃料棒Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４との２種類に分けられる。可燃性毒物を含有しない燃料棒は、ウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒２１と４．４０ｗｔ％の燃料棒２２と２．４０ｗｔ％の燃料棒２３との長尺燃料棒と、ウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％と２．４０ｗｔ％で有効長が長尺燃料棒の１４／２４である部分長燃料棒２４，２５に分けられる。
【００６１】
可燃性毒物を含有する燃料棒は、燃料集合体の燃料有効長のほぼ全長に亘って、複数濃度の可燃性毒物を含有する第１の毒物含有燃料棒Ｇ２１，Ｇ２２と、軸方向の下部側から有効長途中までにのみ可燃性毒物を含有する第２の毒物含有燃料棒Ｇ２３，Ｇ２４との２種類に分けられる。第１の毒物含有燃料棒Ｇ２１，Ｇ２２はともに、ウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒であり、Ｇ２１のガドリニア濃度は８．０ｗｔ％と５．０ｗｔ％の２種類であり、Ｇ２２のガドリニア濃度は６．０ｗｔ％と５．０ｗｔ％の２種類である。なお、第１の毒物含有燃料棒Ｇ２１の下部領域（８．０ｗｔ％）可燃性毒物濃度は燃料集合体中の最大濃度となっている。
【００６２】
第２の毒物含有燃料棒Ｇ２３，Ｇ２４は、可燃性毒物を含有する領域の上端位置が相違する２種類の第２の毒物含有燃料棒Ｇ２３と第２の毒物燃料棒Ｇ２４とを備える。具体的には、第２の毒物含有燃料棒Ｇ２３，Ｇ２４はともにウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒である。高位置の第２の毒物含有燃料棒Ｇ２３は、長尺燃料棒であり、１６／２４ノードまでの領域でガドリニア濃度は５．０ｗｔ％である。低位置の第２の毒物含有燃料棒Ｇ２４は、長尺燃料棒であり、８／２４ノードまでの領域でガドリニア濃度は５．０ｗｔ％である。なお、第２の毒物含有燃料棒Ｇ２３，Ｇ２４の可燃性毒物濃度は集合体中の最低濃度となっている。
【００６３】
本実施例２の燃料集合体２０では、軸方向有効長の途中まで可燃性毒物を含有する第２の毒物含有燃料棒Ｇ２３及び第２の毒物含有燃料棒Ｇ２４を備えることにより、軸方向中央領域の冷温時の反応度を低下でき、サイクル初期における停止余裕は改善する。また、第２の毒物含有燃料棒Ｇ２４を備えることによりサイクル初期における下部ピークを抑制し、最大線出力密度の改善を図ることができる。尚、本実施例２では，ＦPL＝0.15、ＦGd＝0.19、α＝0.04であり、第２の毒物含有燃料棒本数割合αは、前述の数１で示した式の範囲内にある。
【００６４】
４．実施例３
図１１は本発明のＢＷＲ用燃料集合体の別の実施例の構成を示す説明図である。図１１に示す通り、本実施例の燃料集合体では、図１０に示した燃料集合体の相対的に高位置にある第２の毒物含有燃料棒の可燃性毒物を含有する領域の高さが、可燃性毒物を含有しない部分長燃料棒４，５の燃料有効長と同一となった例であり、個々の燃料棒の配置も変わっていない。
【００６５】
すなわち、本実施例３の燃料集合体３０では、実施例２と同様に、１０×１０の正方格子状に燃料棒３１，３２，３３，３４，３５，Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４を束ね、チャンネルボックス３７内に配置して構成されている。チャンネルボックス３７の中心軸から反制御３８側に偏心させた位置に３×３の燃料棒分のウォータチャンネルＷを備えている。なお、長尺燃料棒を２４分割した上下端１ノードずつには、低濃縮度（０．７１ｗｔ％）の天然ウランブランケットが設けられており、燃料有効長にはこれら最上部ノードと最下部ノードとを含んだ定義とする。
【００６６】
燃料棒３１，３２，３３，３４，３５，Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４は、可燃性毒物を含有しない燃料棒３１，３２，３３，３４，３５と、可燃性毒物を含有する燃料棒Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４との２種類に分けられる。可燃性毒物を含有する燃料棒は、燃料集合体の燃料有効長のほぼ全長に亘って、複数濃度の可燃性毒物を含有する第１の毒物含有燃料棒Ｇ３１，Ｇ３２と、軸方向の下部側から有効長途中までにのみ可燃性毒物を含有する第２の毒物含有燃料棒Ｇ３３，Ｇ３４との２種類に分けられる。第１の毒物含有燃料棒Ｇ２１，Ｇ２２はともに、ウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒であり、Ｇ２１のガドリニア濃度は８．０ｗｔ％と５．０ｗｔ％の２種類であり、Ｇ２２のガドリニア濃度は６．０ｗｔ％と５．０ｗｔ％の２種類である。なお、第１の毒物含有燃料棒Ｇ２１の下部領域（８．０ｗｔ％）可燃性毒物濃度は燃料集合体中の最大濃度となっている。
【００６７】
第２の毒物含有燃料棒Ｇ３３，Ｇ３４は、可燃性毒物を含有する領域の上端位置が相違する２種類の第２の毒物含有燃料棒Ｇ３３と第２の毒物燃料棒Ｇ３４とを備える。具体的には、第２の毒物含有燃料棒Ｇ３３，Ｇ３４はともにウラン２３５濃縮度が４．９０ｗｔ％の燃料棒である。高位置の第２の毒物含有燃料棒Ｇ３３は、長尺燃料棒であり、１４／２４ノードまでの領域でガドリニア濃度は５．０ｗｔ％である。低位置の第２の毒物含有燃料棒Ｇ３４は、長尺燃料棒であり、８／２４ノードまでの領域でガドリニア濃度は５．０ｗｔ％である。なお、第２の毒物含有燃料棒Ｇ３３，Ｇ３４の可燃性毒物濃度は集合体中の最低濃度となっている。
【００６８】
本実施例３の燃料集合体３０でも、軸方向有効長の途中まで可燃性毒物を含有する第２の毒物含有燃料棒Ｇ３３及び第２の毒物含有燃料棒Ｇ３４を備えることにより、軸方向中央領域の冷温時の反応度を低下でき、サイクル初期における停止余裕は改善する。また、第２の毒物含有燃料棒Ｇ３３の可燃性毒物の含有領域の上端が、可燃性毒物を含有しない部分長燃料棒４，５の燃料有効長上端と等しくしているため、部分長燃料棒の存在する下部断面と部分長燃料棒の存在しない上部断面における、可燃性毒物燃料棒本数割合それぞれ、最適範囲内に容易に収めることが可能となる。
【００６９】
さらに、第２の毒物含有燃料棒Ｇ３４を備えることによりサイクル初期における下部ピークを抑制し、最大線出力密度の改善を図ることができる。尚、本実施例３では，ＦPL＝0.15、ＦGd＝0.19、α＝0.04であり、第２の毒物含有燃料棒本数割合αは、前述の数１で示した式の範囲内にある。
【符号の説明】
【００７０】
１０  ，２０  ，３０  …燃料集合体、
１１  ，２１  ，３１  …燃料棒（長尺燃料棒）、
１２  ，２２  ，３２  …燃料棒（長尺燃料棒）、
１３  ，２３  ，３３  …燃料棒（長尺燃料棒）、
１４  ，２４  ，３４  …燃料棒（部分長燃料棒）、
１５  ，２５  ，３５  …燃料棒（部分長燃料棒）、
Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ３１…第１の毒物含有燃料棒、
Ｇ１２，Ｇ２２，Ｇ３２…第１の毒物含有燃料棒、
Ｇ１３，Ｇ２３，Ｇ３３…第２の毒物含有燃料棒、
Ｇ１４，Ｇ２４，Ｇ３４…第２の毒物含有燃料棒、
１７  ，２７  ，３７  …チャンネルボックス、
１８  ，２８  ，３８  …制御棒、
Ｗ                    …ウォータチャンネル、
【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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