(57)【要約】【課題】ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットを封入した燃料棒を用いる場合にも、成型加工施設における臨界安全管理対策への影響を軽減しつつ、ウラン濃縮度の上昇による燃料サイクルコストの低減効果を活用して経済性を向上できること。【解決手段】複数の燃料棒が正方配列されて構成され、軽水炉に装荷される軽水炉用燃料集合体であって、燃料棒の少なくとも一部の燃料棒１３は、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１と、この５ｗｔ％を超えるウラン燃料にガドリニアが混入されたガドリニア入りペレット１２とを備え、このガドリニア入りペレットが、一列に封入された前記ウラン燃料ペレット１１の配列方向に分散配置して構成され、この燃料集合体の中性子増倍率が、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長の全長に封入してなる燃料棒を用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下となるよう構成されたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料棒が正方配列されて構成され、軽水炉に装荷される軽水炉用燃料集合体であって、
前記燃料棒の少なくとも一部は、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットと、この５ｗｔ％を超えるウラン燃料に可燃性毒物が混入された可燃性毒物入りペレットとを備え、この可燃性毒物入りペレットが、一列に封入された前記ウラン燃料ペレットの配列方向に分散配置して構成され、
中性子増倍率が、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長の全長に封入してなる燃料棒を用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下となるように構成されたことを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
【請求項２】
前記可燃性毒物入りペレットにおける可燃性毒物の濃度が、２〜４ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項３】
前記可燃性毒物入りペレットの配置間隔が、１０ｃｍ以上５０ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項４】
前記ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットと可燃性毒物入りペレットとを備えた、互いに隣接する燃料棒では、各燃料棒の上記可燃性毒物入りペレットは互いに、前記ウラン燃料ペレットの配列方向に異なった位置に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項５】
前記可燃性毒物入りペレットが、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットよりも短尺に構成された燃料棒を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項６】
ウラン燃料ペレットを封入した燃料棒と、上記ウラン燃料ペレットに可燃性毒物が混入された可燃性毒物入りペレットを有効長の全長に封入した可燃性毒物入り燃料棒と、を有する軽水炉用燃料集合体において、
前記ウラン燃料ペレットを封入した燃料棒は、封入されるウラン燃料ペレットのウラン濃縮度が５ｗｔ％を超える場合に、当該ウラン燃料ペレットに可燃性毒物が混入された可燃性毒物入りペレットを、当該ウラン燃料ペレットが一列に封入された配列方向に分散配置して構成されたことを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
【請求項７】
前記ウラン燃料ペレットを封入した燃料棒は、封入されるウラン燃料ペレットのウラン濃縮度によってそのウラン濃縮度が定められ、このウラン濃縮度が異なる複数種類の燃料棒であることを特徴とする請求項６に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項８】
前記可燃性毒物が、ガドリニア、またはサマリウムの酸化物であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項９】
ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットを一列に封入すると共に、当該ウラン燃料ペレットに可燃性毒物が混入した可燃性毒物入りペレットを、当該ウラン燃料ペレットの配列方向に分散配置して燃料棒を製造し、
この燃料棒を燃料集合体の少なくとも一部に使用し、
当該燃料集合体の中性子増倍率が、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長の全長に封入してなる燃料棒を用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下となるように構成することで、
原子燃料サイクル施設において単一の燃料集合体の中性子実効増倍率を制限値以下に抑制して臨界安全管理を実施することを特徴とする原子燃料サイクル施設の臨界管理法。
【請求項１０】
前記可燃性毒物が、ガドリニア、またはサマリウムの酸化物であることを特徴とする請求項９に記載の原子燃料サイクル施設の臨界管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉、特に軽水型原子炉（以下、軽水炉と称する）に装荷される軽水炉用燃料集合体に係り、可燃性毒物が混入された可燃性毒物入りペレットが配設された燃料棒を有する軽水炉用燃料集合体、及び原子燃料サイクル施設の臨界管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽水炉用燃料集合体において燃料（ウラン）の高濃縮度化は、同じ発電量を得るために新燃料集合体の取替体数を低減させることを可能とし、使用済燃料集合体の発生量の低減につながり、燃料サイクルコストの低減に大きな効果がある。
【０００３】
しかし、現在の商用規模で実用化されている軽水炉用燃料集合体の加工施設は、通常、「ウラン加工施設安全審査指針」において、ウラン濃縮度、つまりＵ−２３５濃縮度が５ｗｔ％を上限とした臨界安全評価に基づいて設計され、設置許可を取得している。同様に、商用の核燃料サイクル施設や燃料輸送キャスクにおける臨界安全評価も、ウラン濃縮度５ｗｔ％を上限として評価を行っている。
【０００４】
一方、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットが封入された燃料棒を備える燃料集合体については、「特定のウラン加工施設のための安全審査指針」に基づき、より厳格な規制を受けることとされている。これに伴い、５ｗｔ％を超えるウラン濃縮度を採用するためには、臨界安全管理の観点から、成型加工工程のみならず、ウラン濃縮、新燃料輸送、新燃料貯蔵、使用済燃料貯蔵、使用済燃料輸送および再処理の各工程において設計変更や設備改造等が必要となり、ウラン濃縮度の上昇による燃料サイクルコスト低減効果が相殺される可能性がある。
【０００５】
今後、更なる経済性向上の観点から、ウラン濃縮度５ｗｔ％の制限にとらわれず、ウラン濃縮度を増大させることが望まれる。しかし、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットが封入された燃料棒を備える燃料集合体を採用するためには、前述のごとく、臨界安全管理の観点から各工程における設計変更、設備改造等のコストが増大し、ウラン濃縮度上昇による燃料サイクルコスト低減効果が相殺される可能性があることから、これに対応する対策が必要となる。
【０００６】
なお、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットが封入された燃料棒を備える燃料集合体を採用するにあたり、商用の軽水炉用燃料集合体では、最大のウラン濃縮度は１０ｗｔ％程度が実用的であると考えられる。
【０００７】
かかる対策について検討を行った結果、組み立て後の新燃料集合体の輸送・貯蔵、使用済燃料集合体の輸送・貯蔵・再処理については、燃料集合体全数を可燃性毒物入り燃料集合体とし、可燃性毒物として広く使用されているガドリニアの反応度抑制効果を活用することによって、輸送容器や設備の改造などを避けられる可能性がある。しかしながら、成型加工施設については、可燃性毒物を含まない、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランを取り扱う工程において設備改造が避けられないものと判断されるに至った。
【０００８】
以下、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットが封入された燃料棒を備える燃料集合体に関わる成形加工工程での臨界安全管理について述べる。
【０００９】
二酸化ウラン（ＵＯ２）粉末を焼結してウラン燃料ペレットに加工するペレット成形加工段階では、まず原料として入荷した二酸化ウラン粉末を用い、これを一定の形状に加圧成型する。次に、この成型体を還元雰囲気中で熱処理して焼結する。この焼結によって二酸化ウランは高密度になり、同時に機械的強度を増して化学的にも安定なウラン燃料ペレットになる。次に、このウラン燃料ペレットを一定の寸法とするために、研削設備により研削仕上げを行う。この段階では、製造されたウラン燃料ペレットがトレイ一面に敷き詰められた平板状の体系が、臨界安全上最も厳しいと考えられる。このときの平板体系の厚さは、ウラン燃料ペレットの直径または高さ程度（２ｃｍ程度以下）である。
【００１０】
一方、臨界安全ハンドブック（非特許文献１参照）では、周囲に水反射条件を想定した場合における二酸化ウランの塊の体系に対する臨界安全上の制限となるサイズが示されている。これを表１に示す。
【表１】
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【００１１】
この表１において、本発明で想定するウラン濃縮度の最大値（１０ｗｔ％）に対応する無限平板体系での厚さの制限値（最小臨界推定下限値）は、不確かさを考慮して７．９７ｃｍとなっており、前述のウラン燃料ペレットのサイズ２ｃｍよりも十分に大きい。従って、ペレット成形加工段階では、５ｗｔ％を超えるウラン濃縮度に関して臨界安全管理上の新たな制限を設ける必要性はないものと考えられる。
【００１２】
よって、次のステップの燃料棒製造段階以降について考察する。この場合、本発明の目的を達成するにあたっては、使用する可燃性毒物の種類と濃度及び燃料棒内での配置が重要となる。
【００１３】
現在、軽水炉用燃料棒に混入する可燃性毒物として一般的に用いられているガドリニアは、中性子吸収の微視断面積が大きく、炉心反応度抑制効果が高い。このため、燃料棒に封入されるウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットの全てにガドリニアを均一に微少量添加することによって、加工施設の臨界安全性は確保されるものと考えられる。例えば、ガドリニアをウラン燃料ペレットに０．１ｗｔ％程度添加した場合、加工施設の臨界安全性は十分に確保されると考えられる。
【００１４】
一方、熱中性子吸収の微視断面積がガドリニウム（Ｇｄ）よりも小さい物質である酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）をウラン燃料ペレットに微少量だけ添加したり（特許文献１）、酸化エルビウムやボロン（Ｂ）化合物等の物質をウラン燃料ペレットの表面や燃料棒被覆管の内側に塗布すること（特許文献２）によっても臨界安全性が確保される。
【特許文献１】特開２００４−１７７２４１号公報
【特許文献２】特開平４−２１２０９３号公報
【非特許文献１】臨界安全ハンドブック”，  科学技術庁原子力安全局核燃料規制課編、１９８８年１０月３１日にっかん書房発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところが、燃料棒に封入される、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットの全てにガドリニアを均一に微少量添加した燃料棒を備える燃料集合体では、運転サイクル初期において炉心反応度が極めて低くなり、軽水炉を臨界状態に保持することが困難になる。また、燃料集合体の燃焼と共に炉心反応度が急激に上昇して、炉心の出力ピーキングの抑制が困難になることが予想される。
【００１６】
また、酸化エルビウムやボロンなどをウラン燃料ペレットに微少量だけ添加したり塗布してなる燃料棒を備えた燃料集合体の場合には、日本原子力研究開発機構核データ評価研究グループのホームページに掲載された図７〜図９に示すように、熱中性子吸収の微視断面積がガドリニウムに比べて小さくなる欠点がある。
【００１７】
つまり、熱中性子吸収の微視断面積は、図７の点Ｘに示すようにエルビウム（Ｅｒ−１５７）で６４０バーン程度であり、ボロン（Ｂ−１０）では図８の点Ｙに示すように３，８４０バーン程度であり、図９の点Ｚに示す、ガドリニウム（Ｇｄ）の同位体であるＧｄ−１５７の２５４，０８０バーン程度と比べてはるかに小さい。このため、運転サイクル末期において、これらの可燃性毒物（エルビウム、ボロン）が残留して炉心反応度ペナルティが発生することが予想され、高燃焼度化による燃料サイクルコスト低減効果が損なわれる恐れがある。
【００１８】
尚、これらの図７〜図９において、破線Ａ２は中性子弾性散乱の場合、点線Ａ３は中性子非弾性散乱の場合、一点鎖線Ａ４は中性子吸収の場合、破線Ａ５は中性子吸収によるヘリウム放出の場合をそれぞれ示すグラフである。また、実線Ａ１は、上記Ａ２〜Ａ４または上記Ａ２〜Ａ５の総和を示すグラフである。
【００１９】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットを封入した燃料棒を用いる場合にも、成型加工施設における臨界安全管理対策への影響を軽減しつつ、ウラン濃縮度の上昇による燃料サイクルコストの低減効果を活用して経済性を向上できる軽水炉用燃料集合体及び原子燃料サイクル施設の臨界管理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る軽水炉用燃料集合体は、複数の燃料棒が正方配列されて構成され、軽水炉に装荷される軽水炉用燃料集合体であって、前記燃料棒の少なくとも一部は、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットと、この５ｗｔ％を超えるウラン燃料に可燃性毒物が混入された可燃性毒物入りペレットとを備え、この可燃性毒物入りペレットが、一列に封入された前記ウラン燃料ペレットの配列方向に分散配置して構成され、中性子増倍率が、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長の全長に封入してなる燃料棒を用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下となるように構成されたことを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明に係る軽水炉用燃料集合体は、ウラン燃料ペレットを封入した燃料棒と、上記ウラン燃料ペレットに可燃性毒物が混入された可燃性毒物入りペレットを有効長の全長に封入した可燃性毒物入り燃料棒と、を有する軽水炉用燃料集合体において、前記ウラン燃料ペレットを封入した燃料棒は、封入されるウラン燃料ペレットのウラン濃縮度が５ｗｔ％を超える場合に、当該ウラン燃料ペレットに可燃性毒物が混入された可燃性毒物入りペレットを、当該ウラン燃料ペレットが一列に封入された配列方向に分散配置して構成されたことを特徴とするものである。
【００２２】
更に、本発明に係る原子燃料サイクル施設の臨界管理方法は、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットを一列に封入すると共に、当該ウラン燃料ペレットに可燃性毒物が混入した可燃性毒物入りペレットを、当該ウラン燃料ペレットの配列方向に分散配置して燃料棒を製造し、この燃料棒を燃料集合体の少なくとも一部に使用し、当該燃料集合体の中性子増倍率が、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長の全長に封入してなる燃料棒を用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下となるように構成することで、原子燃料サイクル施設において単一の燃料集合体の中性子実効増倍率を制限値以下に抑制して臨界安全管理を実施することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る軽水炉用燃料集合体及び原子燃料サイクル施設の臨界管理方法によれば、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレットを封入して燃料棒を製造する段階で、一列に封入された前記ウラン燃料ペレットの配列方向に可燃性毒物入りペレットが分散配置して当該燃料棒が構成されることから、燃料棒の成型加工施設における臨界安全管理対策への影響を軽減でき、この成型加工施設の設備改造費、それに伴う成型加工費、燃料貯蔵費、燃料輸送費及び再処理費の上昇を抑制することができる。と同時に、ウラン濃縮度の上昇によって新燃料取替体数を削減できるなど燃料サイクルコストを低減できるので、経済性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２５】
［Ａ］第１の実施の形態（図１、図２）
図１は、（Ａ）が、本発明に係る軽水炉用燃料集合体の第１の実施の形態における燃料棒の構成を示す断面図であり、（Ｂ）が、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図であり、（Ｃ）が、図１（Ａ）のＩＣ−ＩＣ線に沿う断面図である。図２は、図１の燃料棒のみを用いて構成された燃料集合体などの無限増倍率と燃焼度との関係を示すグラフである。
【００２６】
軽水炉に装荷される図示しない軽水炉用燃料集合体は、複数の燃料棒が正方配列されて構成され、これらの燃料棒の少なくとも１本の図１に示す燃料棒１３の少なくとも一部には、ウラン濃縮度（Ｕ−２３５濃縮度、以下単にウラン濃縮度と称する）が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット（つまり、二酸化ウラン（ＵＯ２）ペレット）１１と、この５ｗｔ％を超えるウラン燃料に可燃性毒物としてのガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）が混入された同一形状のガドリニア入りペレット１２とを備え、このガドリニア入りペレット１２が、燃料棒１３の有効長Ｌの全長または一部に一列に封入された前記ウラン燃料ペレット１１の配列方向に分散配置して燃料棒３として構成される。そして、燃料集合体の製造段階において燃料棒１３を含めた燃料棒を束ねる際に、これらの燃料棒の束または製造した燃料集合体の中性子増倍率は、図３に示すように、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレット（つまり二酸化ウラン（ＵＯ２）ペレット）１５を有効長Ｌの全長に封入してなる燃料棒１６のみを用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下となるように構成されている。これにより、燃料棒１３を含めた燃料棒からなる燃料集合体は、臨界安全管理上、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレット１５からなる燃料棒１６のみを用いた燃料集合体として取り扱うことが可能となる。
【００２７】
ここで、燃料棒１６は、図３に示すように、その製造過程において、被覆管１７の下端に下部端栓１８を溶接し、この被覆管１７内にウラン燃料ペレット１５を一列に多数封入した後にスプリング１４を配設し、不活性ガス雰囲気下で被覆管１７の上端に上部端栓１９を溶接して構成される。ウラン燃料ペレット１５は、下部端栓１８、上部端栓１９及びスプリング１４を除いた燃料棒１６の有効長Ｌの全長に一列に封入されている。この有効長Ｌは、一般には、燃料棒１６の全長の１１／１２の長さである。
【００２８】
また、燃料棒１３は、図１に示すように、上述の燃料棒１６の構成のうち、下部端栓１８、上部端栓１９及びスプリング１４を除いた燃料棒１３の有効長Ｌの全長または一部に、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１を一列に封入し、このウラン燃料ペレット１１の配列方向にガドリニア入りペレット１２を等間隔に分散配置して構成されたものである。
【００２９】
上述のごとく、可燃性毒物としてガドリニアを用いた理由は、燃料棒１３の製造過程から可燃性毒物による反応度抑制効果を活用する必要があるため、ウラン燃料ペレットの原料である二酸化ウラン粉末に均一に添加できること、及び、軽水炉の運転サイクル末期において燃え残りが生ぜず、且つ燃焼特性を緩やかに調整できることを考慮したためである。
【００３０】
図２は、加圧水型原子炉用の下記５種類の燃料集合体において、無限増倍率と燃焼度との関係を示すグラフである。図２の実線Ａは、ウラン濃縮度が５．０ｗｔ％のウラン燃料ペレット（例えば図３のウラン燃料ペレット１５）を有効長の全長に封入した燃料棒（例えば図３の燃料棒１６）のみからなる燃料集合体（以下、第１燃料集合体という）における無限増倍率を示す。図２の破線Ｂは、ウラン濃縮度が７．０ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長の全長に封入した燃料棒のみからなる燃料集合体（以下、第２燃料集合体という）における無限増倍率を示す。
【００３１】
図２の実線Ｃは、ウラン濃縮度が７．０ｗｔ％のウラン燃料ペレットに０．１ｗｔ％のガドリニアを均一に添加したガドリニア入りペレットを成形し、このガドリニア入りペレットを有効長の全長に封入した燃料棒のみからなる燃料集合体（以下、第３燃料集合体という）の無限増倍率を示す。
【００３２】
図２の実線Ｄは、ウラン濃縮度が７．０ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長Ｌの略全長に封入すると共に、このウラン燃料ペレットに濃度が２ｗｔ％のガドリニアを混入した２ｗｔ％ガドリニア入りペレットを上記ウラン燃料ペレットの配列方向に分散配置して構成された燃料棒のみからなる燃料集合体（以下、第４燃料集合体という）の無限増倍率を示す。
【００３３】
図２の実線Ｅは、ウラン濃縮度が７．０ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長Ｌの略全長に封入すると共に、このウラン燃料ペレットに濃度が３ｗｔ％のガドリニアを混入した３ｗｔ％ガドリニア入りペレットを上記ウラン燃料ペレットの配列方向に分散配置して構成された燃料棒のみからなる燃料集合体の無限増倍率を示す。また、図２の実線Ｆは、ウラン濃縮度が７．０ｗｔ％のウラン燃料ペレットを有効長Ｌの略全長に封入すると共に、このウラン燃料ペレットに濃度が４ｗｔ％のガドリニアを混入した４ｗｔ％ガドリニア入りペレットを上記ウラン燃料ペレットの配列方向に分散配置して構成された燃料棒のみからなる燃料集合体の無限増倍率を示す。
【００３４】
図２の実線Ｃに示すように、第３燃料集合体は、無限増倍率が第１燃料集合体の未燃焼時の無限増倍率ｋ０以下となっており、成型加工施設の臨界安全管理上、第１燃料集合体と同等に取り扱うことが可能となる。しかし、この第３燃料集合体では、運転サイクルの初期（１〜２年）に相当する燃焼度１０〜２０ＧＷｄ／ｔ以内において、ガドリニアの燃焼特性が急激であることから、燃焼と共に無限増倍率が急激に上昇して、炉心の出力ピーキングの抑制が困難になると予想される。更に、この第３燃料集合体では、運転サイクル初期において無限増倍率が極めて低くなって炉心反応度が極端に低下し、原子炉の臨界状態を保持することが困難になると予想される。
【００３５】
これに対し、第４、第５、第６燃料集合体では、図２の実線Ｄ、Ｅ、Ｆに示すように、運転サイクル初期において、無限増倍率が極めて低くなって炉心反応度が極端に低下することがなく、しかも、無限増倍率も略一定となって炉心出力を容易に制御可能である。また、運転サイクル末期においてガドリニアの残留がなく、従って、ガドリニアによる炉心の反応度ペナルティを低減または防止することが可能となる。このため、ウラン濃縮度の上昇による新燃料取替体数の削減効果が達成される。
【００３６】
更に、これらの第４、第５及び第６の燃料集合体において、無限増倍率は第１燃料集合体の未燃焼時の無限増倍率ｋ０以下に抑制されており、第１燃料集合体と同等に取り扱うことが可能となる。このため、成型加工施設のみならず、新燃料輸送、新燃料貯蔵の工程においても、臨界安全を確保できる。また、第４、第５及び第６の燃料集合体においては、燃焼後においてもガドリニアの反応度抑制効果を活用することによって、使用済み燃料貯蔵、使用済み燃料輸送、及び再処理の各工程で臨界安全が確保される。
【００３７】
本実施の形態において、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１の配列方向に分散配置されるガドリニア入りペレット１２のガドリニア濃度は、図２にも示すように２〜４ｗｔ％程度である。その理由は、運転サイクル初期において炉心反応度を緩やかに変化させ、また、運転サイクル末期においてガドリニアの燃え残りを低減して炉心の反応度ペナルティを抑制し、これにより、ウラン濃縮度の上昇による新燃料取替体数の削減効果を実現させるためである。
【００３８】
また、本実施の形態において、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１の配列方向に分散配置されるガドリニア入りペレット１２の間隔Ｍは、１０ｃｍ以上５０ｃｍ以下、好ましくは３０ｃｍ程度である。間隔Ｍを５０ｃｍ以下とすることで、燃料集合体の中性子増倍率は、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレット１５を有効長Ｌの全長に封入してなる燃料棒１６（図３参照）のみを用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下に抑制される。また、ガドリニア入りペレット１２の配置間隔Ｍを１０ｃｍ以上とすることで、運転サイクルの初期において、燃料集合体の無限増倍率が極めて低くなって炉心反応度が極端に低下することが防止される。
【００３９】
以上のように、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１を燃料棒１３の有効長Ｌの全長または一部に一列に封入すると共に、このウラン燃料ペレット１１の配列方向に分散してガドリニア入りペレット１２を配置して燃料棒１３を製造し、この燃料棒１３を燃料集合体の少なくとも一本以上に使用して、当該燃料集合体の中性子増倍率が、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレット１５を有効長Ｌの全長に封入してなる燃料棒１６のみを用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下になるように構成して燃料集合体を製造する。これにより、成型加工のみならず、ウラン濃縮、新燃料輸送、新燃料貯蔵、使用済み燃料貯蔵、使用済み燃料輸送及び再処理の各工程を含む原子燃料サイクル施設における単一の燃料集合体の中性子実効増倍率を制限値、例えば０．９５以下に抑制して臨界安全管理を実施する。
【００４０】
従って、本実施の形態によれば次の効果を奏する。即ち、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１を有効長Ｌの全長または一部に封入して燃料棒１３を製造する段階で、一列に封入された前記ウラン燃料ペレット１１の配列方向にガドリニア入りペレット１２が分散配置して当該燃料棒１３が構成されることから、燃料棒１３の成型加工施設における臨界安全管理対策への影響を軽減でき、この成型加工施設の設備改造費、それに伴う成型加工費、燃料貯蔵費、燃料輸送費及び再処理費の上昇を抑制することができる。さらに、運転サイクル末期におけるガドリニアの燃え残りを低減できるので、炉心の反応度ペナルティを抑制でき、この結果、ウラン濃縮度の上昇によって新燃料取替体数を削減できるなど燃料サイクルコストを低減できるので、経済性を向上させることができる。
【００４１】
尚、本実施の形態では、可燃性毒物として希土類酸化物のガドリニアを用いるものを述べたが、中性子吸収微視断面積がガドリニアと同程度に大きなサマリウムの酸化物を用いてもよい。
【００４２】
［Ｂ］第２の実施の形態（図４）
図４は、本発明に係る軽水炉用燃料集合体の第２の実施の形態における燃料棒の一部の構成を示す断面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
【００４３】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる点は次のとおりである。本実施の形態における燃料集合体を構成する燃料棒の少なくとも一部の互いに隣接する燃料棒２１、２２は、共に、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１とガドリニア入りペレット１２とを備え、ウラン燃料ペレット１１の配列方向に等間隔に分散してガドリニア入りペレット１２が配置されているが、各燃料棒２１、２２において、ガドリニア入りペレット１２の配置位置がウラン燃料ペレット１１の配列方向に異なって構成されている。
【００４４】
つまり、燃料棒２１では、ガドリニア入りペレット１２はウラン燃料ペレット１１の配列方向に間隔Ｍで分散配置され、燃料棒２２では、ガドリニア入りペレット１２はウラン燃料ペレット１１の配列方向に同じく間隔Ｍで分散配置されるが、燃料棒２１のガドリニア入りペレット１２と燃料棒２２のガドリニア入りペレット１２とは、ウラン燃料ペレット１１の配列方向（つまり、燃料棒２１、２２の軸方向）に異なった位置に設けられている。
【００４５】
従って、本実施の形態によれば、これらの燃料棒２１及び２２を備えた燃料集合体の未臨界性を増大させることができると共に、軽水炉運転時の燃料集合体の軸方向における出力分布を平坦化することができる。その他、本実施の形態においても前記実施の形態と同様な効果を奏する。
【００４６】
［Ｃ］第３の実施の形態（図５）
図５は、本発明に係る軽水炉用燃料集合体の第３の実施の形態における燃料棒の一部の構成を示す断面図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
【００４７】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる点は次のとおりである。本実施の形態における燃料集合体を構成する燃料棒の少なくとも１本の燃料棒３１の少なくとも一部には、ウラン燃料ペレット１１にガドリニアを混入してなるガドリニア入りペレット３２が、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１（図１参照）よりも短尺（高さが低い）に構成され、且つウラン燃料ペレット１１の配列方向において、前記第１の実施の形態の間隔Ｍよりも短い間隔Ｍ１で配置されたものである。
【００４８】
従って、本実施の形態においても、燃料棒３１を備えた燃料集合体の未臨界性を向上させることができると共に、軽水炉運転時の燃料集合体の軸方向における出力分布を平坦化することができる。その他、本実施の形態においても前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。
【００４９】
［Ｄ］第４の実施の形態（図６）
図６は、本発明に係る軽水炉用燃料集合体の第４の実施の形態を示す横断面図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
【００５０】
本実施の形態における燃料集合体４０は沸騰水型原子炉に用いられるものであり、制御棒４１に面し、チャンネルボックス４２で囲まれた内部に、ウラン燃料ペレットが封入されてなる燃料棒４３、４４、４５、４６、４７及び４８と、ガドリニア入り燃料棒Ｇと、ウォータロッドＷとが配置されて構成される。
【００５１】
ガドリニア入り燃料棒Ｇは、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超える、例えば７ｗｔ％のウラン燃料ペレットに微少量のガドリニアを均一に混入してガドリニア入りペレットを成形し、このガドリニア入りペレットを有効長の全長に封入して構成された燃料棒である。
【００５２】
また、燃料棒４３、４４、４５、４６、４７及び４８では、封入されるウラン燃料ペレットのウラン濃縮度によってその濃縮度が定まる。但し、沸騰水型原子炉用の燃料集合体における燃料棒にあっては、１本の燃料棒に封入されるウラン燃料ペレットのウラン濃縮度が異なるため、これらのウラン濃縮度の平均値をもって燃料棒のウラン濃縮度を定める。燃料棒４３は、ウラン濃縮度が３ｗｔ％の燃料棒であり、燃料棒４４はウラン濃縮度が４ｗｔ％の燃料棒であり、燃料棒４５はウラン濃縮度が５ｗｔ％の燃料棒である。また、燃料棒４６はウラン濃縮度が６ｗｔ％の燃料棒であり、燃料棒４７はウラン濃縮度が７ｗｔ％の燃料棒であり、燃料棒４８はウラン濃縮度が８ｗｔ％の燃料棒である。
【００５３】
上述のように、燃料集合体４０にはウラン濃縮度の異なる複数種類の燃料棒４３〜４８が配設されている。このうち、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超える燃料棒４６、４７、４８については、ウラン濃縮度が５ｗｔ％を超えるウラン燃料ペレット１１にガドリニアが混入されたガドリニア入りペレット１２を、ウラン燃料ペレット１１が一列に封入された部分において、その配列方向に分散配置して構成される。そして、この燃料集合体４０の中性子増倍率は、ウラン濃縮度が５ｗｔ％のウラン燃料ペレット１５（図３参照）を有効長Ｌの全長に封入してなる燃料棒１６のみを用いた燃料集合体の中性子増倍率の最大値以下となるように構成されている。
【００５４】
従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏するほか、次の効果を奏する。つまり、燃料集合体４０が燃料棒４３〜４８を備えるほか、ガドリニア入り燃料棒Ｇを有することから、このガドリニア入り燃料棒Ｇの本数とガドリニア濃度を適切に調整することによって、燃料集合体４０の無限増倍率が上昇して燃料集合体４０の反応度が高くなり過ぎることを防止できるので、炉心の出力ピーキングを抑制することができる。
【００５５】
尚、加圧水型原子炉用の燃料集合体においても、ガドリニア入り燃料棒Ｇを備えてもよく、また濃度が異なる燃料棒を用いて燃料集合体を構成してもよく、更に、１本の燃料棒に封入されるウラン燃料ペレットのウラン濃縮度を異ならせてもよい。つまり、第４の実施の形態を加圧水型原子炉用燃料集合体に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】（Ａ）が、本発明に係る軽水炉用燃料集合体の第１の実施の形態における燃料棒の構成を示す断面図、（Ｂ）が、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図、（Ｃ）が、図１（Ａ）のＩＣ−ＩＣ線に沿う断面図。
【図２】図１の燃料棒のみを用いて構成された燃料集合体などの無限増倍率と燃焼度との関係を示すグラフ。
【図３】（Ａ）が、ウラン燃料ペレットが封入された通常の燃料棒を示す断面図、（Ｂ）が、図３（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿う断面図。
【図４】本発明に係る軽水炉用燃料集合体の第２の実施の形態における燃料棒の一部の構成を示す断面図。
【図５】本発明に係る軽水炉用燃料集合体の第３の実施の形態における燃料棒の一部の構成を示す断面図。
【図６】本発明に係る軽水炉用燃料集合体の第４の実施の形態を示す横断面図。
【図７】エルビウム（Ｅｒ−１６７）の中性子断面積を示し、微視断面積と中性子エネルギとの関係を示すグラフ。
【図８】ボロン（Ｂ−１０）の中性子断面積を示し、微視断面積と中性子エネルギとの関係を示すグラフ。
【図９】ガドリニウム（Ｇｄ−１５７）の中性子断面積を示し、微視断面積と中性子エネルギとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５７】
１１  ウラン燃料ペレット
１２  ガドリニア入りペレット
１３  燃料棒
１５  ウラン燃料ペレット
１６  燃料棒
２１、２２  燃料棒
３１  燃料棒
３２  ガドリニア入りペレット
４０  燃料集合体
４３、４４、４５、４６、４７、４８  燃料棒
Ｌ  有効長
Ｍ  間隔
Ｇ  ガドリニア入り燃料棒
【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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