(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子状に束ねられた燃料棒と、格子内において該燃料棒複数本相当の領域を占める水ロッドと、を備え、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体であって、
前記燃料棒が、可燃性毒物を含有する第１の燃料棒と、可燃性毒物を含有しない第２の燃料棒と、を含み、
前記第１の燃料棒のうち、装荷状態における当該燃料集合体の上部領域に前記可燃性毒物が存在する前記第１の燃料棒の本数Ｊが、６〜１２本であり、且つ、装荷状態における当該燃料集合体の下部領域に前記可燃性毒物が存在する前記第１の燃料棒の本数Ｋが、４〜１１本であり、
前記本数Ｊが、前記本数Ｋよりも多く、
新燃料貯蔵庫や使用済燃料プールにおける未臨界を担保するための臨界評価上の設計条件が、無限増倍率１．３である原子力発電施設で用いるものであり、かつ前記沸騰水型原子炉として５年以上停止したものに装荷される、
燃料集合体。
【請求項２】
前記上部領域が、装荷状態における当該燃料集合体の下端から当該燃料集合体の全長の１６／２４以上の位置にある、
請求項１に記載の燃料集合体。
【請求項３】
当該燃料集合体における前記第１の燃料棒の全本数Ｚが、６〜１２本である、
請求項１又は２に記載の燃料集合体。
【請求項４】
前記本数Ｋに含まれる第１の燃料棒が、当該燃料集合体の燃料棒配列において、最外周位置、最外周から２層目のコーナー位置、該コーナー位置に面隣接する位置、及び、前記水ロッドに面隣接する位置を除く位置に配置されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項５】
前記本数Ｊに含まれる第１の燃料棒が、当該燃料集合体の燃料棒配列において、制御棒が挿入される側に面隣接する最外周位置、該最外周位置に面隣接する２層目のコーナー位置、及び、該コーナー位置に面隣接する位置を除く位置に配置されている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項６】
前記第１の燃料棒は、前記上部領域にのみ前記可燃性毒物を含有する燃料棒と、前記下部領域にのみ前記可燃性毒物を含有する燃料棒と、を含む、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項７】
前記第１の燃料棒は、前記上部領域及び前記下部領域に前記可燃性毒物を含有し、中部領域に前記可燃性毒物を含有しない前記第１の燃料棒を含む、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項８】
前記第１の燃料棒のうち、装荷状態における当該燃料集合体の中部領域に前記可燃性毒物が存在する前記第１の燃料棒の本数Ｃが、前記本数Ｋよりも少ない、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項９】
第１の燃料集合体と第２の燃料集合体とから構成される原子炉炉心であって、
前記第１の燃料集合体は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料集合体であり、
前記第２の燃料集合体は、前記第１の燃料集合体と実質的に同一の燃料棒配置及び集合体平均濃縮度を有し、かつ、前記第１の燃料集合体とは異なる可燃性毒物の含有量及び分布を有する、
原子炉炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料集合体及び原子炉炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の運転が進むと、核燃料中の核分裂性物質（Ｕ−２３５）が減損するとともに、核分裂生成物やＵ−２３８の中性子捕獲により生成するアクチニドに含まれる中性子吸収物質（中性子毒物）の蓄積により、原子炉の反応度は運転時間の経過とともに減少する。何ら措置を講じない場合、余剰反応度はやがて負の値となり、臨界状態を維持することができなくなって原子炉が停止してしまう。これを抑止するべく、原子炉の運転サイクルの初期（初運転開始後や運転再開後の燃焼初期）には、原子炉に過剰の核燃料物質を装荷することにより、適正な余剰反応度が投入される。
【０００３】
その一方で、原子炉を所定の定格出力で安全に運転（定常運転）するには、反応度が０（中性子実効増倍率ｋeffが１）の状態、すなわち臨界状態を維持する必要がある。そのため、燃焼初期には反応度を十分に低下させつつ、運転に伴って反応度の低下を緩和することができる反応度の制御システムとして、可燃性毒物（バーナブルポイズン）が広く使用されている。具体的には、酸化ガドリニウム（Ｇｄ2Ｏ3；ガドリニア）が添加された燃料棒（ガドリニア燃料棒）を、通常の燃料棒とともに原子炉に装荷する方法が挙げられる。
【０００４】
かかる可燃性毒物の使用は、その含有量や原子炉炉心における分布に起因して運転効率に及ぼす影響が大きいため、炉心タイプ等に応じて、最適な設計が試みられている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、運転効率への悪影響を最小にして原子炉の冷温時における停止余裕を向上させるため、燃料集合体軸方向において停止余裕への影響が支配的となる位置としての制御領域（コールド停止制御区域）における可燃性毒物の量を増強することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−１７９３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、原子力発電施設には、所定の運転期間が経過したとき、例えば運転サイクル毎に定期検査が義務付けられている。一般に、その定期検査期間中に、原子炉炉心に装荷されていた全燃料集合体のうちの一部が使用済燃料集合体として炉外へ取り出され、それに替えて新たな燃料集合体が装荷される。これにより、運転サイクル毎に適正な余剰反応度を投入して原子炉の継続的な定常運転を可能ならしめている。
【０００８】
また、定期検査以外にも原子力発電施設において発生し得る偶発的な事象に対応するために、原子炉を停止させることが想定される。そのような場合、停止後すぐに運転を再開することができず、原子炉が長期間の停止状態におかれる可能性がある。このとき、停止期間が数年から十年を超えるようになると、原子炉の運転中にＵ−２３８の中性子捕獲によって生成したプルトニウム同位体のうち核分裂性物質であるＰｕ−２４１のβ崩壊（Ｐｕ−２４１→Ａｍ−２４１；半減期は約１４年）量が有意となり得る。通常の運転期間におけるＰｕ−２４１（の核分裂）の発電への寄与は無視し得るほどには少なくないので、原子炉停止中のＰｕ−２４１の減少は、運転再開時の原子炉の反応度を不都合に低下させるおそれがある。
【０００９】
ここで、図１は、原子炉の長期（１０年）停止後、運転を再開したときの反応度の回復度合いの一例を示すグラフであり、横軸はＢＷＲ燃料集合体の断面燃焼度を示し、縦軸は無限増倍率ｋ∞を示す。図１に示すとおり、運転再開時のｋ∞は、燃焼が進む（燃焼度が増加する）につれて、燃焼初期から急激に回復する。また、原子炉の停止期間が長期にわたる場合、運転再開後の再燃焼初期における反応度の低下は顕著となる。その結果、再燃焼初期において十分な余剰反応度を確保することができず、場合によっては原子炉の再起動が不可能となってしまう懸念が生じ得る。
【００１０】
しかし、従来、原子炉を停止させる形態として考慮されていたのは、定期検査等の短期の点検時のみであって、偶発的な事象に起因する原子炉の長期停止から運転を再開して原子炉を再起動するといったシナリオは、これまで想定されていなかった。したがって、かかる長期停止に起因する反応度の低下や運転制御への影響（特に再燃焼初期における余剰反応度の確保の必要性）については、十分な検討が行われていない。
【００１１】
これに対し、長期停止後の再燃焼初期の余剰反応度を回復するためには、可燃性毒物を含む燃料棒の本数を削減したり、可燃性毒物の含有量がより少ない燃料集合体と従来の燃料集合体の組を用いて原子炉を構成したりといった手段が想起され得る。しかし、その場合、冷温時における中性子増倍率が過度に増大してしまい、新燃料貯蔵庫や使用済燃料プールにおける未臨界を担保するための無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件を超過してしまったり、また、原子炉の停止余裕が不都合な程度に悪化して炉心が成立しなくなったりといったおそれがある。
【００１２】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、原子炉を長期停止した場合であっても、原子炉再起動時における十分な余剰反応度の確保と、停止余裕の低下及び貯蔵時の無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件の超過の防止という、相反する課題を同時に解決することができる燃料集合体、及びそれを備える原子炉炉心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】
【００１３】
本発明者らは、上記の新規な課題を解決するために鋭意検討し、その結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
【００１４】
〔１〕  格子状に束ねられた燃料棒と、格子内において該燃料棒複数本相当の領域を占める水ロッドと、を備え、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体であって、
前記燃料棒が、可燃性毒物を含有する第１の燃料棒と、可燃性毒物を含有しない第２の燃料棒と、を含み、
前記第１の燃料棒のうち、装荷状態における当該燃料集合体の上部領域に前記可燃性毒物が存在する前記第１の燃料棒の本数Ｊが、６〜１２本であり、且つ、装荷状態における当該燃料集合体の下部領域に前記可燃性毒物が存在する前記第１の燃料棒の本数Ｋが、４〜１１本であり、
前記本数Ｊが、前記本数Ｋよりも多く、
新燃料貯蔵庫や使用済燃料プールにおける未臨界を担保するための臨界評価上の設計条件が、無限増倍率１．３である原子力発電施設で用いるものであり、かつ前記沸騰水型原子炉として５年以上停止したものに装荷される、
燃料集合体。
【００１５】
なお、「燃料集合体」の「上部領域」及び「下部領域」とは、装荷状態の軸方向（高さ方向）における相対的な位置領域を表し、仮想的な適宜の境界位置よりも上方に位置する部位が「上部領域」に相当し、その境界位置よりも下方に位置する部位が「下部領域」に相当する。また、後述するとおり、「上部領域」及び「下部領域」に加えて「中央部領域」を規定する場合においても、これらの各領域は、装荷状態の軸方向（高さ方向）における相対的な位置領域を表す。
【００１７】
〔２〕  前記上部領域が、装荷状態における当該燃料集合体の下端から当該燃料集合体の全長の１６／２４以上の位置にある、
前項〔１〕に記載の燃料集合体。
【００１８】
〔３〕  当該燃料集合体における前記第１の燃料棒の全本数Ｚが、６〜１２本である、
前項〔１〕又は〔２〕に記載の燃料集合体。
【００１９】
〔４〕  前記本数Ｋに含まれる第１の燃料棒が、当該燃料集合体の燃料棒配列において、最外周位置、最外周から２層目のコーナー位置、該コーナー位置に面隣接する位置、及び、前記水ロッドに面隣接する位置を除く位置に配置されている、
前項〔１〕〜〔３〕のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【００２０】
〔５〕  前記本数Ｊに含まれる第１の燃料棒が、当該燃料集合体の燃料棒配列において、制御棒が挿入される側に面隣接する最外周位置、該最外周位置に面隣接する２層目のコーナー位置、及び、該コーナー位置に面隣接する位置を除く位置に配置されている、
前項〔１〕〜〔４〕のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【００２１】
〔６〕  前記第１の燃料棒は、前記上部領域にのみ前記可燃性毒物を含有する燃料棒と、前記下部領域にのみ前記可燃性毒物を含有する燃料棒と、を含む、
前項〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【００２２】
〔７〕  前記第１の燃料棒は、前記上部領域及び前記下部領域に前記可燃性毒物を含有し、中部領域に前記可燃性毒物を含有しない前記第１の燃料棒を含む、
前項〔１〕〜〔６〕のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【００２３】
〔８〕  前記第１の燃料棒のうち、装荷状態における当該燃料集合体の中部領域に前記可燃性毒物が存在する前記第１の燃料棒の本数Ｃが、前記本数Ｋよりも少ない、
前項〔１〕〜〔７〕のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【００２４】
〔９〕  第１の燃料集合体と第２の燃料集合体とから構成される原子炉炉心であって、
前記第１の燃料集合体は、前項〔１〕〜〔８〕のいずれか１項に記載の燃料集合体であり、
前記第２の燃料集合体は、前記第１の燃料集合体と実質的に同一の燃料棒配置及び集合体平均濃縮度を有し、かつ、前記第１の燃料集合体とは異なる可燃性毒物の含有量及び分布を有する、
原子炉炉心。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、原子炉を長期停止した場合であっても、原子炉再起動時に十分な余剰反応度を確保可能であり、かつ、停止余裕の低下や貯蔵時の無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件を超過しない燃料集合体、及び該燃料集合体を備える原子炉炉心を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】原子炉を長期（１０年）停止後、運転を再開したときの反応度の回復度合いの一例を示すグラフである。
【図２】（Ａ）は、従来例１の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、装荷状態における従来例１の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。
【図３】（Ａ）は、従来例２の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、装荷状態における従来例２の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。
【図４】（Ａ）は、第１実施形態の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、装荷状態における第１実施形態の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。
【図５】軸方向全体にわたって可燃性毒物を含有する燃料棒の本数を変化させたときの燃料集合体断面燃焼度と運転時の無限増倍率との関係を示すグラフである。
【図６】軸方向全体にわたって可燃性毒物を含有する燃料棒の本数を変化させたときの燃料集合体断面燃焼度と冷温時の無限増倍率との関係を示すグラフである。
【図７】装荷状態の第１実施形態の燃料集合体３００と従来例２の燃料集合体２００における、可燃性毒物を含有する燃料棒の軸方向の本数分布を表す図である。
【図８】第１実施形態、並びに従来例２及び３の各燃料集合体について、サイクル燃焼度に対する余剰反応度の変化を評価した結果を示すグラフである。
【図９】第１実施形態、並びに従来例２及び３の各燃料集合体について、サイクル燃焼度に対する停止余裕の変化を評価した結果を示すグラフである。
【図１０】５年の長期停止と１０年の長期停止を考慮し、本数Ｊの値を変化させたときの停止余裕の評価結果を示すグラフである。
【図１１】制御棒挿入時の燃料集合体における熱中性子束分布の一例を示す濃淡図である。
【図１２】（Ａ）は、第２実施形態の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、装荷状態における第２実施形態の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。
【図１３】（Ａ）は、第３実施形態の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、（Ｂ）は、装荷状態における第３実施形態の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００２８】
（従来例）
本発明の理解を容易にするべく、ここではまず、従来例の構成について説明する。図２（Ａ）及び図３（Ａ）は、従来例１及び２の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）は、装荷状態における従来例１及び２の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。
【００２９】
燃料集合体１００，２００は、それぞれ、格子状に束ねられた燃料棒１１０，２１０と、格子内において該燃料棒１１０，２１０複数本相当の領域を占める水ロッド１２０，２２０と、を備える。これらの燃料集合体１００，２００は、例えば、それぞれ制御棒１３０，２３０が挿入される領域に隣接した状態で炉心に装荷される。なお、以下、各燃料棒の格子配列を、行列座標（ｍ，ｎ）（ここで、ｍは行、ｎは列を示す。）で表す場合がある。また、燃料棒の高さ（長さ）を、装荷状態における燃料集合体を軸方向の下側から上側へノード１〜ノード２４に等分割したノード目盛りにより表す場合がある。かかる表記については、後出の他図においても同様とする。
【００３０】
従来例１の燃料集合体１００は、可燃性毒物を含有する燃料棒（タイプＧ１及びＧ２）１２本と、可燃性毒物を含有しない燃料棒６０本（タイプ１〜５）とを含む低ガドリニアタイプのものであり、従来例２の燃料集合体２００は、可燃性毒物を含有する燃料棒（タイプＧ１及びＧ２）１６本と、可燃性毒物を含有しない燃料棒５６本（タイプ１〜５）とを含む高ガドリニアタイプのものである。なお、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）中、Ａ〜Ｄは核燃料物質の濃縮度を示し、ａ及びｂはガドリニア濃度を示し、それぞれ下記関係を有する。かかる表記については、後出の他図においても同様とする。
濃縮度        ：Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ
ガドリニア濃度：ａ＞ｂ
【００３１】
原子炉が長期間の停止状態におかれると、原子炉の運転中にＵ−２３８の中性子捕獲によって生成したプルトニウム同位体のうち核分裂性物質であるＰｕ−２４１がβ崩壊により減少し、運転再開時の原子炉の反応度が低下する。従来例１及び２の燃料集合体１００，２００では、可燃性毒物を含有する燃料棒（タイプＧ１及びＧ２）の本数が多いため、原子炉の停止期間が長期にわたる場合、再燃焼初期において十分な余剰反応度を確保することができず、原子炉の再起動が不可能となり得る。
【００３２】
これに対して、従来例１及び２の燃料集合体１００，２００の燃料棒（タイプＧ１及びＧ２）の一部を、可燃性毒物を含有しない燃料棒（タイプ１〜５）に置換すると、冷温時における中性子増倍率が過度に増大してしまい、新燃料貯蔵庫や使用済燃料プールにおける未臨界を担保するための無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件を超過してしまったり、また、原子炉の停止余裕が不都合な程度に悪化して炉心が成立しなくなったりといったおそれがある。
【００３３】
また、再稼働後、しばらくの間は定格出力状態での運転をせず、部分出力状態で運転を行うことにより、余剰反応度の回復を待つような運転方法や、再稼働の際に装荷する新燃料集合体の体数を増やすような運転方法により、燃料集合体自体の設計は変更せずに余剰反応度の問題の解決を図ることも考えられる。しかしながら、これらの方法では、部分出力運転期間における稼働率が低下したり、まだ使用可能な継続使用燃料を取出したりする必要があるため、経済的ではない。
【００３４】
〔本発明に係る燃料集合体〕
そこで、装荷状態における燃料集合体の上部領域に可燃性毒物が存在する燃料棒の本数Ｊが、原子炉の停止余裕に対して、比較的支配的な影響を与えることに着目し、本実施形態の燃料集合体においては、長期停止後においても十分な余剰反応度を確保する観点から、燃料集合体全体としては可燃性毒物を含有する燃料棒の本数を新燃料貯蔵庫や使用済燃料プールにおける未臨界を担保するための無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件を超過しない範囲で少なくしつつ、一方で、装荷状態における燃料集合体の上部領域に可燃性毒物が存在する燃料棒の本数Ｊを、装荷状態における燃料集合体の下部領域に可燃性毒物が存在する燃料棒の本数Ｋよりも多くする。
【００３５】
すなわち、本実施形態の燃料集合体は、格子状に束ねられた燃料棒と、格子内において該燃料棒複数本相当の領域を占める水ロッドと、を備え、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体であって、燃料棒が、可燃性毒物を含有する第１の燃料棒と、可燃性毒物を含有しない第２の燃料棒と、を含み、第１の燃料棒のうち、装荷状態における当該燃料集合体の上部領域に可燃性毒物が存在する第１の燃料棒の本数Ｊが、６〜１２本であり、且つ、装荷状態における当該燃料集合体の下部領域に可燃性毒物が存在する第１の燃料棒の本数Ｋが、４〜１１本であり、本数Ｊが、本数Ｋよりも多いという構成を有する。以下、具体的な構成について、図４（Ａ）〜図１２（Ｂ）を参照してさらに説明する。
【００３６】
〔第１実施形態〕
図４（Ａ）は、第１実施形態の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、図４（Ｂ）は、装荷状態における第１実施形態の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。燃料集合体３００は、格子状に束ねられた燃料棒３１０と、格子内において該燃料棒３１０複数本相当の領域を占める水ロッド３２０と、を備え、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体である。この燃料集合体３００は、例えば制御棒３３０が挿入される領域に隣接した状態で炉心に装荷することができる。
【００３７】
燃料棒３１０は、可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ１及びＧ３）と、可燃性毒物を含有しない第２の燃料棒（タイプ１〜５）と、を含む。第１の燃料棒のうち、装荷状態における燃料集合体の上部領域に可燃性毒物が存在する第１の燃料棒（タイプＧ１及びＧ３）の本数Ｊが、８本であり、且つ、装荷状態における燃料集合体の下部領域に可燃性毒物が存在する第１の燃料棒（タイプＧ１）の本数Ｋが、４本である。すなわち、本数Ｊが、本数Ｋよりも多い。なお、燃料棒は、その上端及び下端に、低濃縮度のウランブランケット（ｎａｔ．；天然ウラン）を有してもよい。
【００３８】
以下、図５〜図７により、上述した本数Ｊと本数Ｋについて更に説明する。
【００３９】
図５は、軸方向全体にわたって可燃性毒物を含有する燃料棒（以下の説明において「Ｇｄ棒」ともいい、図５及び後述の図６において「可燃性毒物含有燃料棒」という。）の本数を変化させたときの燃料集合体断面燃焼度と運転時の無限増倍率との関係を示すグラフである。このグラフより、Ｇｄ棒の本数が少ないほど、再稼働時の燃焼初期の余剰反応度が向上することが理解される。そのため、余剰反応度確保の観点からは、Ｇｄ棒の本数は少ないほど好ましい。
【００４０】
また、図６は、Ｇｄ棒の本数を変化させたときの燃料集合体断面燃焼度と冷温時の無限増倍率との関係を示すグラフである。このグラフより、Ｇｄ棒の本数が多いほど、新燃料貯蔵庫や使用済み燃料プールにおける未臨界状態を担保するための無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件を満たし易くなることが理解される。そのため、当該観点からは、Ｇｄ棒の本数を４本以上とすることが好ましい。
【００４１】
このように、長期停止後の再稼働を考慮した場合、Ｇｄ棒の本数を調整するのみで余剰反応度と無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件の両方を十分かつ確実に確保するにはＧｄ棒の本数を４本とすることが考えられるが、このような設計は後述の従来例３に示すように停止余裕の観点で成立性が乏しい。したがってＧｄ棒の本数のみで余剰反応度と無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件の両方を十分かつ確実に確保することは困難な傾向にある。ここで、沸騰水型原子炉において水は中性子減速材として機能し核分裂反応を誘導する熱中性子を増大させるが、原子炉運転時においては、燃料集合体の下部から上部に向かってボイド率が増加するため、反応度は、上部領域よりも下部領域の方が高くなる。一方、冷温停止時においては、ボイドが発生しないため、核分裂性物質（Ｕ−２３５）の減損が比較的小さい上部領域の方が下部領域よりも反応度が高くなる。その結果、上部領域に可燃性毒物が存在する燃料棒の本数が、原子炉の停止余裕に対して、比較的支配的な影響を与える。
【００４２】
図７は、装荷状態の第１実施形態の燃料集合体３００と従来例２の燃料集合体２００における、可燃性毒物を含有する燃料棒の軸方向の本数分布を表す図である。図７の縦軸に示す１〜２４の数値は、装荷状態における燃料集合体の軸方向におけるノード位置（番号）を示す。また、図７の横軸は、所定のノード位置において可燃性毒物を含有する燃料棒の本数を示す。このように第１実施形態の燃料集合体においては、長期停止後においても十分な余剰反応度を確保する観点から、燃料集合体全体としては可燃性毒物を含有する第１の燃料棒の本数を少なくする。それに加えて、停止余裕向上の観点から、その第１の燃料棒の内訳として、装荷状態における燃料集合体の上部領域に可燃性毒物が存在するものの本数Ｊを、装荷状態における燃料集合体の下部領域に可燃性毒物が存在するものの本数Ｋよりも多くする。
【００４３】
図８は、第１実施形態、並びに従来例２及び３の各燃料集合体について、サイクル燃焼度に対する余剰反応度の変化を評価した結果を示すグラフである。ここで、従来例３の燃料集合体は、従来例２の燃料集合体からＧｄ棒を８本除いたもの、つまりＧｄ棒を４本有するものである。この結果より、サイクル燃焼度全般にわたり、第１実施形態の余剰反応度は、Ｇｄ棒を１２本有する従来例２の余剰反応度よりも十分に大きく、Ｇｄ棒を４本有する従来例３の余剰反応度と同程度であることが判明した。
【００４４】
また、図９は、第１実施形態、並びに従来例２及び３の各燃料集合体について、サイクル燃焼度に対する停止余裕の変化を評価した結果を示すグラフである。この結果より、サイクル燃焼度全般にわたり、第１実施形態の停止余裕は、Ｇｄ棒を１２本有する従来例２の停止余裕よりも小さいものの、サイクル燃焼度が小さいときにおいても、設計目標値を上回ることが判明した。これに対し、Ｇｄ棒を４本有する従来例３では、サイクル燃焼度が小さいときに設計目標値を達成できないことが理解される。
【００４５】
ここで、装荷状態における燃料集合体の上部領域に可燃性毒物が存在する第１の燃料棒の本数Ｊは、６〜１２本とされ、好ましくは８〜１２本であり、第１実施形態においては８本（タイプＧ１及びＧ３）の例を示す。この本数Ｊが６本以上であることにより、停止余裕がより向上する。また、本数Ｊが１２本以下であることにより、余剰反応度がより向上する。なお、例えば図７において、ノード１８とノード１９の間の位置を、「上部領域」と「下部領域」との仮想的な境界位置とした場合、下部領域のうちノード２〜１８の高さ範囲では、本数Ｋは４本となり、上部領域のうちノード１９〜２３の高さ範囲では、本数Ｊは８本と計数し得る。このような場合、「上部領域」全体はノード番号１９〜２３の範囲の領域であることから、本数Ｊは、最大値の「８本」となる。下部領域においても同様である。
【００４６】
一方、装荷状態における燃料集合体の下部領域に可燃性毒物が存在する第１の燃料棒の本数Ｋは、４〜１１本とされ、好ましくは４〜８本であり、より好ましくは４〜６本であり、第１実施形態においては４本（タイプＧ１）の例を示す。この本数Ｋが１１本以下であることにより、余剰反応度がより向上する。
【００４７】
また、燃料集合体１体あたりの第１の燃料棒の全本数Ｚは、好ましくは６〜１２本であり、より好ましくは６〜１０本であり、さらに好ましくは６〜８本である。この第１の燃料棒の全本数Ｚが上記範囲内であることにより、余剰反応度と無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件に対する裕度がより向上する傾向にある。
【００４８】
ここで、原子力発電所の燃料貯蔵施設における未臨界性の評価は、如何なる燃焼度の燃料を貯蔵しても、十分に未臨界が維持されるよう、冷温停止における原子炉の装荷状態での燃料集合体の無限増倍率（ｋ∞）として例えば最大１．３を仮定して行われる。一方、停止余裕の設計方針としては、計算評価において、最大反応度価値を有する制御棒が全引き抜きされた状態（制御棒が挿入されない領域）であっても常に炉心を未臨界にできることが挙げられる。ただし、実際の炉心において未臨界であることを確保するために、設計上の余裕を見込んで、中性子実効増倍率（ｋeff）が０．９９未満であること、すなわち停止余裕１％ｄｋを設計目標値として掲げ、当該目標値を同時に満たすことが求められる。
【００４９】
以下、ｋ∞の最大値を１．３とした場合の停止余裕の概算手法の一例について説明する。まず、修正一群拡散方程式による直方体均質体系において、反射体のない裸炉心のｋeffは次式１で表される。
ｋeff＝ｋ∞／（１＋Ｍ2Ｂ2）  ・・・  式１
式中、Ｍ2は移動面積であり、燃焼を通じて３６程度の値である。また、Ｂ2はバックリングであり、裸の直方体均質体系では、次式２で与えられる。
Ｂ2＝（π／Δｘ）2＋（π／Δｙ）2＋（π／Δｚ）2  ・・・  式２
式中、Δｘ，Δｙ，Δｚは、それぞれ、直方体のｘ，ｙ，ｚ方向の寸法である（ｘ，ｙは水平方向、ｚは高さ方向）。
【００５０】
停止余裕の解析で想定される「制御棒が挿入されない領域」では、当該領域近傍において、局所的な臨界状態となる。したがって、当該領域を上述の如く裸の直方体均質体系にモデル化することが可能となる。具体的には、例えば、Δｘ＝６０ｃｍ，Δｙ＝６０ｃｍ，Δｚ＝１８０ｃｍの直方体均質体系にモデル化する。なお、当該直方体均質体系は、４行４列に配置された燃料集合体１６体の炉心上部半分程度にあたる。また、当該直方体の寸法は、詳細な炉心計算によって得られる停止余裕計算のｋeffを再現することが確認されている。
【００５１】
停止余裕は、「制御棒が挿入されない領域」に装荷される燃料のｋ∞によって支配的な影響を受ける。当該領域は、典型的には、以下１〜４サイクル目の燃料集合体から構成される。下記燃焼度は、何れもサイクル初期の状態を想定したものである。
１サイクル目燃料集合体（すなわち新燃料）１体（燃焼度０ＧＷｄ／ｔ程度）
２サイクル目燃料集合体１体（燃焼度１０ＧＷｄ／ｔ程度）
３サイクル目燃料集合体１体（燃焼度２０ＧＷｄ／ｔ程度）
４サイクル目燃料集合体１体（燃焼度３０ＧＷｄ／ｔ程度）
（９×９の正方行列に束ねられた燃料棒集合体（９×９燃料）において、１サイクルを１３ヶ月とし、１サイクルに対応するサイクル燃焼度を１０ＧＷｄ／ｔ程度とする。また、燃料集合体の平均取出燃焼度を４５ＧＷｄ／ｔ程度とする。）
【００５２】
上記仮定のもとにおけるバッチ数（燃料集合体の平均取出燃焼度／サイクル燃焼度）は４．５バッチとなり、炉心に装荷される全ての燃料のうち、１／４．５ずつが取出され、代わりに新燃料が装荷される。なお、５サイクル目燃料集合体は、経済性を向上させる観点からサイクル寿命を最大化するべく、炉心最外周領域に装荷される。したがって、５サイクル目燃料集合体が装荷される領域は、停止余裕が厳しくなる領域とはならない（最外周であるため、中性子の漏えいが大きく、ｋeffがそもそも低い）。したがって、前記「制御棒が挿入されない領域」においては、５サイクル目燃料の装荷を考慮する必要はない。
【００５３】
ところで、９×９燃料における、１〜４サイクル目の燃料集合体のサイクル初期の各ｋ∞は、以下のように仮定される。これらのなかで、長期停止の余剰反応度の回復効果が最も高い燃料は、１サイクル目及び２サイクル目の燃料集合体である。なお、下記ｋ∞は、長期停止による反応度低下を見込んでいない値である。
１サイクル目燃料集合体：ｋ∞＝１．３
２サイクル目燃料集合体：ｋ∞＝１．３
３サイクル目燃料集合体：ｋ∞＝１．１８
４サイクル目燃料集合体：ｋ∞＝１．０９
【００５４】
ここで、５年の長期停止を仮定した場合、長期停止による反応度低下効果は以下のように仮定される。
１サイクル目燃料集合体：０．０％ｄｋ低下
２サイクル目燃料集合体：０．５％ｄｋ低下
３サイクル目燃料集合体：１．０％ｄｋ低下
４サイクル目燃料集合体：１．５％ｄｋ低下
【００５５】
したがって、それぞれ、以下の５年の長期停止を考慮した場合の１〜４サイクル目の燃料集合体のサイクル初期の各ｋ∞は、以下の通りとなる。
１サイクル目燃料：ｋ∞＝１．３−０．０００＝１．３
２サイクル目燃料：ｋ∞＝１．３−０．００５＝１．２９５
３サイクル目燃料：ｋ∞＝１．１８−０．０１０＝１．１７
４サイクル目燃料：ｋ∞＝１．０９−０．０１５＝１．０７５
【００５６】
上記の燃料集合体のｋ∞の単純平均値ｋ∞,aveは、１．２１となることから、式１より、５年の長期停止を考慮した場合のｋeffは、次式３のとおり１．００１となる。
ｋeff＝ｋ∞,ave／（１＋Ｍ2Ｂ2）
＝１．２１／［１＋３６×｛（π／６０）2＋（π／６０）2＋（π／１８０）2｝］
＝１．００１  ・・・  式３
【００５７】
すなわち、停止余裕は１−１．００１＝−０．１％ｄｋであり、設計目標値の１％ｄｋ以上を満たしておらず、当該燃料集合体を用いた炉心で停止余裕を満たすのは容易ではない。
【００５８】
そこで、１サイクル目燃料集合体（例えば、第１実施形態の燃料集合体）の反応度を抑える目的で、Ｇｄ棒を１本、１サイクル目燃料集合体へ追加することを考える。Ｇｄ棒１本あたりの典型的な反応度価値は−２．５％ｄｋであるから、１サイクル目燃料集合体のｋ∞は以下のようになる。
１サイクル目燃料集合体：ｋ∞＝１．３−０．０２５＝１．２７５
【００５９】
２，３，４サイクル目燃料集合体（例えば、従来の燃料集合体）のｋ∞は前記値から変更はないため、上記値と上記１サイクル目燃料集合体のｋ∞＝１．２７５の単純平均から、ｋ∞,aveは１．２０３７５となる。したがって、式１よりｋeffは０．９９６、停止余裕は１−０．９９６＝０．４％ｄｋとなり、設計目標値の１％ｄｋ以上を満たしておらず、この燃料集合体を用いた炉心の場合でも、停止余裕を満たすのは容易ではない。
【００６０】
そこで、１サイクル目燃料集合体（例えば、第１実施形態の燃料集合体）へＧｄ棒をさらに１本追加した場合、当該燃料のｋ∞は以下のようになる。
１サイクル目燃料集合体：ｋ∞＝１．３−２×０．０２５＝１．２５
【００６１】
２，３，４サイクル目燃料集合体（例えば、従来の燃料集合体）のｋ∞は前記値から変更はないため、上記値と上記１サイクル目燃料集合体のｋ∞＝１．２５の単純平均から、ｋ∞,aveは１．１９７５となる。したがって、式１よりｋeffは０．９９１、停止余裕は１−０．９９１＝０．９％ｄｋとなる。この値は、設計目標値の１％ｄｋ以上ではないが、当該燃料に隣接する燃料を、燃焼度が少し高い燃料へ置き換えるといった燃料配置の最適化により、１％ｄｋ以上とすることが可能と考えられる。すなわち、Ｇｄ棒を２本以上追加すれば、停止余裕を容易に成立させることが可能な燃料を構成できる。
【００６２】
図１０は、このようにして５年の長期停止と１０年の長期停止を考慮し、上記本数Ｊの値を変化させたときの停止余裕の評価結果を示すグラフである。なお、１０年の長期停止を考慮した場合、反応度低下量は、５年長期停止の場合の約２倍と仮定した。
【００６３】
このように長期停止後の再稼働に用いる燃料集合体における燃料棒の構成は、余剰反応度を確保しつつも、長期停止を考慮した停止余裕を加味して設計することができる。具体的には、上記停止余裕確保の観点から、装荷状態における燃料集合体の下部領域に可燃性毒物が存在する第１の燃料棒の本数Ｋは、ｋ∞が１．３を超えない範囲で大きくなるような値にし、装荷状態における燃料集合体の上部領域に可燃性毒物が存在する第１の燃料棒の本数Ｊは、上記のように炉心設計に応じた停止余裕を考慮して、所定数多い値に調整することができる。より具体的には、図１０における５年停止時の評価結果より、好ましくは６本以上となるように設定される。
【００６４】
次に、可燃性毒物が早く燃え尽きると燃焼中期においてｋ∞のピークを迎えるため、余剰反応度がサイクル中期において極大化し、より多くの制御棒を挿入する必要が生じ得る。制御棒を多く挿入すると、制御棒を挿入した領域の燃料集合体の出力が抑えられる反動として、制御棒が挿入されない領域の燃料集合体の出力が高まることから、最大線出力や最小限界出力比等の熱的制限に対する裕度確保の観点から好ましくない。これを回避する観点から、本数Ｋに含まれる第１の燃料棒の配置位置は、中性子スペクトルが硬い位置が好ましい。具体的には、例えば図４に示すとおり、本数Ｋに含まれる第１の燃料棒（Ｇ１）の配置位置が、燃料集合体の燃料棒配列において、最外周位置、最外周から２層目のコーナー位置、該コーナー位置に面隣接する位置、及び、水ロッドに面隣接する位置を除く位置であることが好ましい。この配置位置を行列座標で示すと、（２，４〜６）、（４〜６，２）、（８，４〜６）、（４〜６，８）、（３，３）、（７，３）、（７，７）および（３，７）となる。本数Ｋに含まれる第１の燃料棒の配置位置が上記範囲内であることにより、燃焼中期においてｋ∞のピークを迎えてしまうことをより回避できる傾向にある。
【００６５】
一方で、停止余裕の低下を抑制する観点から、本数Ｊに含まれる第１の燃料棒の配置位置は、制御棒の影響範囲を除いた位置が好ましい。本数Ｊに含まれる第１の燃料棒が制御棒からより離れた位置に存在することにより、冷温時に制御棒全挿入状態から最大価値制御棒を引き抜いた際の未臨界度である停止余裕をより向上させることができる。
【００６６】
図１１は、制御棒挿入時の燃料集合体における熱中性子束分布の一例を示す濃淡図でありＧｄ棒及び水ロッドを含まない体系の燃料集合体における熱中性子束分布の一例を概略的に示す図である。図１１においては、熱中性子束が低い部分ほど濃い黒色で示されており、二重線で囲った領域が、制御棒が熱中性子束分布に対して特に影響を及ぼす範囲である。二重線で囲った該領域にＧｄ棒を配置すると、制御棒周辺のスペクトルを硬化させることから、制御棒の価値を低め、停止余裕を悪化させるおそれがある。
【００６７】
そのため、本数Ｊに含まれる第１の燃料棒（タイプＧ１及びＧ３）の配置位置は、燃料集合体の燃料棒配列において、制御棒が挿入される側に面隣接する最外周位置、該最外周位置に面隣接する２層目のコーナー位置、及び、該コーナー位置に面隣接する位置を除く位置であることが好ましい。この配置位置を行列座標で示すと、（１，７〜９）、（２，４〜９）、（３，３〜９）、（４〜６，２〜９）および（７〜９，１〜９）となる。本数Ｊに含まれる第１の燃料棒の配置位置が上記範囲内であることにより、停止余裕の低下をより抑制できる傾向にある。
【００６８】
さらに、第１実施形態の燃料集合体は、沸騰水型原子炉として５年以上停止したものに装荷される、代替燃料集合体であることが好ましい。通常、原子炉運転中のサイクル末期を除いて余剰反応度を１％ｄｋ以上確保するよう炉心設計がなされる。しかし、原子炉の５年以上の長期停止により、再稼働時における余剰反応度は１％ｄｋ程度低下する。これに対し、第１実施形態の燃料集合体を用いることにより、余剰反応度を回復させることができる。
【００６９】
〔第２実施形態〕
図１２（Ａ）は、第２実施形態の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、図１２（Ｂ）は、装荷状態における第２実施形態の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。燃料集合体４００は、第１実施形態の燃料集合体における軸方向全体にわたって可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ１）と上部領域にのみ可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ３）との組み合わせに代えて、上部領域にのみ可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ３及びＧ３’）と下部領域にのみ可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ１’）を備えること以外は、図４（Ａ）に示す燃料集合体３００と同様に構成されたものである。
【００７０】
第２実施形態のように、第１の燃料棒としては、上部領域にのみ可燃性毒物を含有する燃料棒、下部領域にのみ可燃性毒物を含有する燃料棒、又はこれらの組合せを用いることができる。このような態様の第１の燃料棒を適宜組み合わせて用いることにより、本数Ｊに含まれる第１の燃料棒の配置位置及び本数Ｋに含まれる第１の燃料棒の配置位置をより自由に、対称性よく設計することが可能となる。
【００７１】
〔第３実施形態〕
図１３（Ａ）は、第３実施形態の燃料集合体における燃料棒の配置を模式的に示す水平断面図であり、図１３（Ｂ）は、装荷状態における第３実施形態の燃料集合体の燃料棒を模式的に示す側面図である。燃料集合体５００は、第１実施形態の燃料集合体における軸方向全体にわたって可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ１）と上部領域にのみ可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ３）との組み合わせに代えて、軸方向全体にわたって可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ１）と、上部領域にのみ可燃性毒物を含有する第１の燃料棒（タイプＧ３）と、上部領域及び下部領域に可燃性毒物を含有し、中部領域に前記可燃性毒物を含有しない第１の燃料棒（タイプＧ３’’）を備えることにより、中央部領域よりも下部領域の可燃性毒物を含有する第１の燃料棒の本数が多い以外は、図４（Ａ）に示す燃料集合体３００と同様に構成されたものである。
【００７２】
上部領域は、装荷状態における燃料集合体の下端から燃料集合体の全長の１６／２４以上の位置にあることが好ましく、１６／２４以上２３／２４以下の位置にあることがより好ましく、１９／２４以上２３／２４以下の位置にあることがさらに好ましい。上部領域が上記範囲内にあることにより、停止余裕がより向上する傾向にある。この燃料棒の高さ方向の位置をノード目盛りで示すと、上部領域はノード１６〜２４の高さ範囲にあることがより好ましく、ノード１６〜２３の高さ範囲にあることがより好ましく、ノード１９〜２３の高さ範囲にあることがさらに好ましい。
【００７３】
下部領域は、該上部領域の下端と接する領域であるが、該下部領域をさらに二つの領域に分割し、該分割領域の上部を中央部領域とした領域を有していてもよい。中央部領域の下端は、装荷状態における燃料集合体の下端から９／２４以下の位置にあることが好ましく、７／２４以下の位置にあることがより好ましく、５／２４以下の位置にあることがさらに好ましい。
【００７４】
第１の燃料棒のうち、装荷状態における燃料集合体の中央部領域の本数Ｃは、Ｃ＜Ｋ＜Ｊという関係を満たすことが好ましい。このような関係を有することにより、上部の出力が抑えられることに伴う反動で下部の出力が高くなる傾向が適切に抑制され、最大線出力や最小限界出力比等の熱的制限値に対する裕度がより向上する。なお、本数Ｃが上記関係を満たすものであれば、第１の燃料棒の種類は図１３に限定されるものではない。
【００７５】
〔原子炉炉心〕
本実施形態の原子炉炉心は、第１の燃料集合体と第２の燃料集合体とから構成される原子炉炉心であって、第１の燃料集合体は、本発明による燃料集合体であり、第２の燃料集合体は、第１の燃料集合体と実質的に同一の燃料棒配置及び集合体平均濃縮度を有し、かつ、第１の燃料集合体とは異なる可燃性毒物の含有量及び分布を有する。すなわち、第１の燃料集合体としては、例えば、燃料の軸方向全体にわたって可燃性毒物を含有する燃料棒、上部領域にのみ可燃性毒物を含有する燃料棒、下部領域にのみ可燃性毒物を含有する燃料棒、及びその組み合わせを有する前述した第１〜第３実施形態の燃料集合体３００，４００，５００が挙げられる。また、第２の燃料集合体としては、特に限定されず、例えば、従来例１および２で示した燃料集合体が挙げられる。
【００７６】
かかる構成を有する原子炉炉心であれば、原子炉の長期停止による燃焼初期の余剰反応度低下を回復し、原子炉再起動に必要な余剰反応度を確保しつつ、停止余裕の低下や貯蔵時の無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件を超過しないという、相反する目的を同時に満たし得る。
【００７７】
なお、上述したとおり、本発明は、上記の実施の形態、及び、既に述べた変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変形が可能である。すなわち、上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈されるものではない。例えば、中間領域の有無にかかわらず、上部領域および下部領域の範囲を決めることができる。水ロッドの形状及び配置形態は、図示に限定されず、また、水ロッドを２つ以上設けてもよい。さらに、燃料集合体は燃料棒が正方格子状に束ねられたものに限られず、また、その本数も８×８、９×９、１０×１０等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、原子炉を長期停止した場合であっても、原子炉再起動時に十分な余剰反応度を確保可能であり、かつ、停止余裕の低下や貯蔵時の無限増倍率にかかわる臨界評価上の設計条件の超過を抑制することができるので、燃料集合体を取り扱う分野において広く利用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１００，２００，３００，４００，５００…燃料棒集合体
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０…燃料棒
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０…水ロッド
１３０，２３０，３３０，４３０，５３０…制御棒
【図１】
0006513955.tif 000002
【図２】
0006513955.tif 000003
【図３】
0006513955.tif 000004
【図４】
0006513955.tif 000005
【図５】
0006513955.tif 000006
【図６】
0006513955.tif 000007
【図７】
0006513955.tif 000008
【図８】
0006513955.tif 000009
【図９】
0006513955.tif 000010
【図１０】
0006513955.tif 000011
【図１１】
0006513955.tif 000012
【図１２】
0006513955.tif 000013
【図１３】
0006513955.tif 000014