(57)【要約】【課題】▲１▼経済性評価のコスト緒言が変動しても最適な設計を選択でき、▲２▼プルトニウムの需給バランスが崩れた場合にもＭＯＸ燃料集合体製造体数、予備ウラン燃料集合体体数に影響を及ぼさないような設計が可能となり、炉心サイズ、出力密度、運転期間が変わっても、目標の取出燃焼度を達成することができるようにすること。【解決手段】プルトニウム及び可燃性毒物を含まない第１のウラン燃料棒と、可燃性毒物を含みプルトニウムを含まない第２の可燃性毒物入り燃料棒と、プルトニウムを富化した第３のＭＯＸ燃料棒を正方格子状に束ねた燃料集合体が少なくとも２種類以上装荷される沸騰水型原子炉の炉心に関するものであり、異なる燃料集合体間では、燃料集合体のＭＯＸ燃料棒の形状および少なくとも１種類以上のＭＯＸ燃料棒の等価核分裂性物質濃度が同一であり、第３のＭＯＸ燃料棒の本数が異なるか、または、第１のウラン燃料棒と第２の可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度が異なるようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プルトニウム及び可燃性毒物を含まない第１のウラン燃料棒と、可燃性毒物を含みプルトニウムを含まない第２の可燃性毒物入り燃料棒と、プルトニウムを富化した第３のＭＯＸ燃料棒を正方格子状に束ねた燃料集合体が少なくとも２種類以上装荷される沸騰水型原子炉の炉心において、異なる燃料集合体間では、燃料集合体のＭＯＸ燃料棒の形状および少なくとも１種類以上のＭＯＸ燃料棒の等価核分裂性物質濃度が同一であり、第３のＭＯＸ燃料棒の本数が異なるか、または、第１のウラン燃料棒と第２の可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度が異なることを特徴とする沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項２】
運転期間が長いサイクルに装荷されるＭＯＸ燃料集合体の方が、標準サイクル用のＭＯＸ燃料集合体より、ウラン燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度が高いか、またはＭＯＸ燃料棒の本数が多くて、ＭＯＸ燃料集合体平均の等価核分裂性物質濃度が高くなっていることを特徴とする、請求項１記載の沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項３】
少なくとも１種類の燃料集合体において、正方格子状の燃料棒配置の最外周部の一部または全部が、ウラン燃料棒または可燃性毒物入り燃料棒で構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項４】
ウラン燃料集合体と、前記ウラン燃料集合体と取出燃焼度が同じ第１のＭＯＸ燃料集合体と、前記ウラン燃料集合体より取出燃焼度の高い第２のＭＯＸ燃料集合体が装荷された沸騰水型原子炉の炉心において、第１のＭＯＸ燃料集合体より第２のＭＯＸ燃料集合体の方が、燃料集合体中における全燃料棒に対するＭＯＸ燃料棒本数の割合が多いことを特徴とする、沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項５】
第１および第２のＭＯＸ燃料集合体において、少なくとも１種類以上の等価核分裂性物質濃度が同一であることを特徴とする、請求項４記載の沸騰水型原子炉の炉心。
【請求項６】
炉心サイズが小さい、或いは、出力密度が高いプラントに装荷されるＭＯＸ燃料集合体において、標準プラント用のＭＯＸ燃料集合体に比し、ウラン燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度が高いかまたはＭＯＸ燃料棒の本数を多くすることにより、ＭＯＸ燃料集合体平均の等価核分裂性物質濃度が高くなるようにしてあることを特徴とする、ＭＯＸ燃料集合体。
【請求項７】
正方格子状の燃料棒配置の最外周部の一部または全部が、ウラン燃料棒または可燃性毒物入り燃料棒で構成されていることを特徴とする、請求項６記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術的分野】
本発明は、沸騰水型原子炉の炉心及びその炉心に装荷するＭＯＸ燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来技術】
資源の有効利用やエネルギーセキュリィティなどの観点から、使用済み燃料の再処理により回収されたプルトニウムをウランと混合したウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸ燃料と記す）を軽水炉で用いるプルサーマルが行われる予定である。
【０００３】
プルトニウムはα線の放出強度が強く、人体への内部被爆を防止する必要がある。また崩壊や自発核分裂によって中性子やγ線を放出する。このためプルトニウムを含む燃料の製造や加工は、ウラン燃料に比べて密閉された状態で行わなければならない。また、遮蔽設備がより多く必要であること、除染や保守管理に厳重な注意が必要なことなど、設備や工程に関して多くの配慮をしなければならない。したがってプルトニウムを含む燃料ペレット及び燃料棒の製作に関しては、多数個のペレットを製造すること、富化度などの異なるものを多数種類製造することは経済的に不利となる。
【０００４】
一方、プルトニウムを含む燃料集合体は、輸送、計量管理、臨界管理に厳しい条件が課せられるので、燃料集合体１体あたりに含まれるプルトニウムの割合をできるだけ大きくしてプルトニウムを含む燃料体数を減らすことが望まれる。
【０００５】
一般に、燃料経済性（ＦＣＣ：Ｆｕｅｌ  Ｃｙｃｌｅ  Ｃｏｓｔの略）は、金利の効果を無視すれば以下のように表される。
ＦＣＣ＝｛（原材料費）＋（転換・濃縮費）＋（加工費）＋（輸送費）＋  （貯蔵・再処理費）｝／（１体あたりの発生エネルギー）  （Ａ）
分母は、（１体あたりの発生エネルギー）＝（取出燃焼度）×（燃料重量）なので、取出燃焼度を高めることが、燃料経済性上有利である。
【０００６】
ＭＯＸ燃料の場合は、ウラン燃料と比べて、（転換・濃縮費）は必要ないが、製造・加工、輸送などに厳しい条件が課せられるので、（加工費）、（輸送費）、（貯蔵・再処理費）などの単価は高くなる傾向にある。
【０００７】
ここで、一定量のプルトニウムを消費する際、同一取出燃焼度の条件でＭＯＸ燃料の経済性を高めるには、以下の２つの設計の方向性がある。
▲１▼  加工費低減の観点から、ＭＯＸペレット及びＭＯＸ燃料棒の製造個数を減らすため、燃料集合体中のＭＯＸ燃料棒の棒平均のプルトニウム富化度を高くし、さらに、富化度種類を減らすことができるような燃料集合体内の位置にＭＯＸ燃料棒を配置する。
▲２▼  ＭＯＸ燃料の輸送費、貯蔵費低減の観点から、ＭＯＸ燃料集合体を削減するため、燃料集合体１体あたりのプルトニウムの装荷量（１体あたりのＭＯＸ燃料棒数）を増やす。
【０００８】
▲１▼は、燃料集合体内の局所出力分布の平坦化のため、核燃料物質が低い燃料集合体外周部はウラン燃料棒で構成し、燃料集合体内部はプルトニウム富化度を高くしたＭＯＸ燃料棒で構成した、いわゆる「アイランド型」の設計の方向である。
【０００９】
▲２▼は、可燃性毒物を除く燃料棒を全てＭＯＸ燃料棒で構成した「ディスクリート型」の設計の方向である。
【００１０】
さらに、経済性評価のためのコスト緒言によっては、例えば、特許第２８８６５５５号明細書に記載されているように、燃料集合体外周部のコーナーに近い一部の燃料棒のみをウラン燃料棒に置き換えたアイランド型とディスクリート型の中間の、いわゆる「変形ディスクリート型」の設計が最適となる場合もある。
【００１１】
以上のように、燃料集合体内のＭＯＸ燃料棒とウラン燃料棒の構成および配置は、設計概念によって異なっている。
【００１２】
一方、可燃性毒物入り燃料棒の構成、配置についても種々の設計概念がある。通常、可燃性毒物入り燃料棒はウラン燃料棒で構成されている。これは、ＭＯＸ燃料棒に可燃性毒物を混入すると、ペレット製造ライン数の増加または稼働率低下により加工費が増加すること、また、可燃性毒物入りＭＯＸ燃料棒の照射実績が少ないことなどによる。可燃性毒物入り燃料棒の燃料集合体内の配置については、現行のウラン燃料と同様に燃料集合体の内部に配置する場合、また、ＭＯＸ燃料の特性を考慮して、燃料集合体外周部に配置する設計概念がある。一般に、ＭＯＸ燃料は、ウラン燃料に比べて、熱中性子吸収断面積の大きいプルトニウムの存在により、燃料集合体内の中性子スペクトルが硬くなるので、可燃性毒物入り燃料棒の反応度価値が低下する。この傾向は、ＭＯＸ燃料棒の割合の多いディスクリート型で顕著である。これを解決する方法としては、例えば、特公平４−６０２３６号公報記載のように、可燃性毒物入り燃料棒を燃料集合体外周部に配置したり、さらに、特開平７−３０１６８８号公報記載のように、可燃性毒物入り燃料棒だけでなく短尺燃料棒を燃料集合体外周部に配置することにより、炉停止余裕を改善する方法もある。なお、アイランド型の設計は、ディスクリート型に比べてＭＯＸ燃料棒の割合が少なく、外周部のウラン燃料棒に近い位置は中性子スペクトルの硬化は比較的少ないので、従来までの設計では、必ずしも可燃性毒物入り燃料棒の外周配置が必要ではなかった。
【００１３】
現在計画されているＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度は、ウラン燃料集合体よりも低く設定されている。ウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体のトータルの経済性は下式のようになる。
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仮にウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体の費用及び重量が同程度であれば、
トータルのＦＣＣ≒［費用／重量］×［ウラン燃料体数／ウラン取出燃焼度＋ＭＯＸ体数／ＭＯＸ取出燃焼度］        （Ｃ）
【００１４】
ここで、現在は、ウラン取出燃焼度＞ＭＯＸ取出燃焼度なので、ＭＯＸ燃料集合体体数を増加させることは取出燃焼度の高いウラン燃料集合体の体数を減少させることになるので、（Ｃ）式より、ウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体のトータルの燃料経済性は悪くなる。
【００１５】
以上述べたことが、現時点でアイランド型よりディスクリート型の設計が主流となっている理由の１つである。図１１に、ディスクリート型ＭＯＸ燃料集合体１１の一例を示す。上記ＭＯＸ燃料集合体１１は、可燃性毒物入り燃料棒及びＭＯＸ燃料棒を有する多数本の燃料棒１２が、８行８列の正方格子状に配列されるとともに中央部に水ロッド１４が配設され、チャンネルボックス１３により覆われている。そして、可燃性毒物入り燃料棒を除く位置には、全てＭＯＸ燃料棒が配置されている。
【００１６】
しかしながら、ＭＯＸ燃料集合体の高燃焼度化に伴い、ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体の取出燃焼度が同程度になれば、ＭＯＸ燃料集合体体数を増加させてもトータルの燃料経済性で不利とはならず、（Ｂ）式の費用の部分、すなわち、ＭＯＸ燃料集合体単体の経済性が重要となってくる。この場合、ＭＯＸ燃料集合体の加工費低減効果も重要になってくるので、アイランド型ＭＯＸ燃料集合体の設計が有利な面が出てくる。
【００１７】
ただし、経済性の観点だけでなく、余剰プルトニウムを持たないようにするため、プルトニウムの消費が優先される場合もある。この場合は、燃料集合体あたりのプルトニウム装荷量の多いディスクリート型の方が燃料集合体輸送の効率の面から有利となる。この傾向は、輸送費の高い海外加工のＭＯＸ燃料集合体で顕著である。
【００１８】
また、再処理工場の稼働率によって原料となるプルトニウムの供給量が変化する可能性があり、加工工場で製造可能なＭＯＸ燃料ペレット数、ＭＯＸ燃料棒数が変動する可能性がある。この場合、プルトニウムの供給量に応じてＭＯＸ燃料集合体の製造体数を調節することもできるが、ＭＯＸ燃料集合体と同時に装荷されるウラン燃料集合体の体数が変動するので、予備のウラン燃料集合体を確保しておく必要がある。さらに、ＭＯＸ燃料集合体の体数の変動は、ＭＯＸ燃料集合体の輸送、貯蔵施設の設備容量に影響を及ぼすので、輸送、貯蔵施設のための初期投資が大きくなる恐れがある。
【００１９】
一方、プルトニウム供給量の変動をＭＯＸ燃料集合体中のＭＯＸ燃料棒の装荷割合で調整すれば、ウラン燃料集合体の体数には影響がないので予備のウラン燃料集合体は必要はない。ただし、ＭＯＸ加工工場において予備のウラン燃料棒を見込んでおく必要があるが、ウラン燃料集合体ではなくウラン燃料棒として保管する方が燃料集合体として組み立てる際に融通性があり、貯蔵スペースの観点からも有利である。さらに、ＭＯＸ燃料集合体の体数が変動しないので、ＭＯＸ燃料集合体の輸送、貯蔵施設の設備容量には影響を及ぼさない。
【００２０】
以上のように、ＭＯＸ燃料集合体の経済性は、その時々の状況でコスト緒言（加工費、輸送費など）が変われば、最適な設計概念が変わる可能性がある。また、経済性だけでなくプルトニウムの加工と消費のバランスを考慮する場合にも、望ましい設計概念が異なってくる。したがって、状況が変化した場合により適切な設計概念を選ぶようにするには、アイランド型からディスクリート型設計まで広い範囲の柔軟な設計を予め用意しておくことが有効である。
【００２１】
次に、燃料集合体中のＭＯＸ燃料棒の装荷割合の柔軟な設計が有効な点を、別の観点から説明する。
【００２２】
沸騰水型原子炉の炉心は、出力密度、炉心サイズの異なる種々のプラントが存在し、また、運転期間も各電力の計画によって変動する場合がある。ウラン燃料においては、それぞれに応じ、集合体平均濃縮度を調整した最適な設計を採用している。
【００２３】
例えば、改良型沸騰水型原子炉などのように出力密度が高いプラントでは、Ｘｅ反応度損失が多くなり、さらに、サイクル燃焼度が長くなり同一取出燃焼度下ではバッチ数（＝全燃料体数／新燃料体数）が小さくなるのでサイクル末期の炉心平均反応度が低下する（参考文献：Ｈ・Ｗグレイブス「核燃料管理の方法と解析」の線形反応度モデル）。したがって、出力密度が高い場合は、燃料集合体あたりの核分裂性物質量を増加させ所定の取出燃焼度を達成できるような設計を採用している。
【００２４】
炉心サイズが小さくなる場合は、体系からの中性子漏洩量が増加しサイクル末期の炉心平均反応度が低下するので、所定の取出燃焼度を達成するには、燃料集合体あたりの核分裂性物質量を増加させる必要がある。
【００２５】
また、運転期間が長くなる場合はサイクル燃焼度が長くなるので、出力密度増加の場合と同様に、所定の取出燃焼度を達成できるようにするには、燃料集合体あたりの核分裂性物質量を増加させる必要がある。
【００２６】
燃料集合体あたりの核分裂性物質量を増加させるのはウラン燃料では容易である。しかし、ＭＯＸ燃料の場合は、加工費低減の観点からプルトニウム富化度（または等価核分裂性物質濃度）を共通設計とする場合がある。図１２に一例を示すが、この設計では図１１に対して可燃性毒物燃料棒のみの濃縮度を変更している。この場合は可燃性毒物燃料棒本数が少ないので、標準プラントの標準設計からの平均濃縮度の調整幅が小さく、所定の取出燃焼度を達成できない場合がある。したがって、濃縮度の増加幅を確保するには、濃縮度調整可能なウラン棒数を増加させ、ウラン燃料棒の濃縮度を調整するか、もしくは、基準設計のウラン燃料棒の一部を反応度的に高いＭＯＸ燃料棒で置き換える必要があり、アイランド型設計に近い方が濃縮度の調整幅が大きく有利となる。なお、ＭＯＸ燃料棒の反応度をウラン燃料棒と比較する指標としては、等価核分裂性物質濃度が適用できる。（参考文献：ＴＬＲ−０６７改訂１  沸騰水型原子力発電所  混合酸化物燃料のプルトニウム組成変化について）
【００２７】
以上のように、出力密度、炉心サイズ、運転期間など種々の設計ニーズに柔軟に対応するには、アイランド型に近い設計からディスクリート型に近い設計まで柔軟に変更可能な設計を用意しておくことも１つの方法である。
【００２８】
逆に、以上の説明では、燃料集合体の平均取出燃焼度を一定の条件としていたが、この条件をはずして燃料棒の熱機械設計の鍵となるペレット最高燃焼度に同一の制約を課した場合を考える。
【００２９】
現行のウラン燃料棒の濃縮度は加工上５％以下の制限が決められており、これを変更するには加工設備を更新する必要があるので加工費を増加させ、濃縮度の増加は濃縮費自体を増加させるので、コストアップにつながる。一方、ＭＯＸ燃料棒は、濃縮費に相当するものはなく、現行の加工工場ではプルトニウム富化度の上限値がウラン濃縮度５％よりも実質的に高めに設定されている。したがって、高燃焼度化に対しては、ウラン燃料集合体よりＭＯＸ燃料集合体の方が有利である。
【００３０】
この場合、同一のペレット最高燃焼度の制限下で燃料集合体の取出燃焼度を高めるためには、燃料集合体の熱的特性（局所出力ピーキング係数、燃焼度ピーキング係数）の良好なディスクリート型ＭＯＸ燃料集合体の方が有利である。この理由を以下に述べる。一般に、ウラン燃料棒はＭＯＸ燃料棒に比べＰｕ−２４０がないので転換比が低く、燃料棒の燃焼度進行に伴う局所出力の低下が大きくなる。特に、燃料集合体間の非沸騰水領域に近く熱中性子束の多い燃料集合体外周部にウラン燃料棒を配置し、熱中性子束の少ない燃料集合体内部にＭＯＸ燃料棒を配置したアイランド型ＭＯＸ燃料集合体では、外周部のウラン燃料棒の局所出力の低下が内部のＭＯＸ燃料棒に比べて顕著となり、燃焼後半の局所出力ピーキング、燃焼度ピーキングが高くなる傾向にある。この傾向は、ペレット最高燃焼度を増加させるものである。
【００３１】
したがって、燃料の高燃焼度化にはプルトニウム富化度の制限の緩いＭＯＸ燃料集合体の方が有利であり、同じペレット最高燃焼度の制約下では、ディスクリート型ＭＯＸ燃料集合体の方が有利となる場合もある。
【００３２】
既に述べたように、ディスクリート型ＭＯＸ燃料集合体は加工費の観点では不利であるが、燃料集合体平均の取出燃焼度自体を高めることができれば、ＭＯＸ燃料集合体１体あたりの発生エネルギーが増し燃料経済性の評価式の分母に直接影響して燃料経済性の大幅な向上が期待できるので、将来においてＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度がウラン燃料集合体を超えた場合は、アイランド型設計からディスクリート型設計に切り替える方が有利となることも考えられる。
【００３３】
【特許文献１】
特公平４−６０２３６号公報
【特許文献２】
特開平７−３０１６８８号公報
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＯＸ燃料集合体の高燃焼度に伴い、ＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度がウラン燃料集合体と同程度になってくると、ディスクリート型とアイランド型の設計の経済性は競合してくる。また、経済性だけでなく、その時点でのプルトニウムの製造と消費のバランスを確保するためにも、適切な設計概念が異なってくる。したがって、従来のように、ディスクリート型ＭＯＸ燃料集合体のみ、アイランド型ＭＯＸ燃料集合体のみとそれぞれ単独に設計を行っているのでは、状況の変化に応じて適切な設計概念を選ぶことが難しくなる。
【００３５】
一方、炉心サイズ、出力密度、運転期間によっても、同じ取出燃焼度を達成するためには、燃料集合体あたりの核分裂性物質量を微調整する必要があるが、ウラン燃料で行われているのと同様に、単に、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を微調整する方法では、プルトニウム富化度種類が増加し、ＭＯＸ燃料ペレットの製造工程に負担がかかる。
【００３６】
また、将来において、ＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度がウラン燃料集合体を大きく超える場合は、ウラン濃縮度やプルトニウム富化度の上限値から、加工費に有利なアイランド型ではなく、取出燃焼度増加に有利なディスクリート型が有利となる可能性があり、アイランド型からディスクリート型に近づける逆方向の設計の融通性も必要となる。
【００３７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ディスクリート型ＭＯＸ燃料集合体からアイランド型ＭＯＸ燃料集合体、またはその逆のアイランド型ＭＯＸ燃料集合体からディスクリート型ＭＯＸ燃料集合体への設計変更が容易になるように、あらかじめ広い範囲の設計を考慮しておくことにより、状況の変化に柔軟に対応できるような複数種類のＭＯＸ燃料集合体を提供すること、また、それらが装荷された原子炉の炉心を提供することにある。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、プルトニウム及び可燃性毒物を含まない第１のウラン燃料棒と、可燃性毒物を含みプルトニウムを含まない第２の可燃性毒物入り燃料棒と、プルトニウムを富化した第３のＭＯＸ燃料棒を正方格子状に束ねた燃料集合体が少なくとも２種類以上装荷される沸騰水型原子炉の炉心において、異なる燃料集合体間では、燃料集合体のＭＯＸ燃料棒の形状および少なくとも１種類以上のＭＯＸ燃料棒の等価核分裂性物質濃度が同一であり、第３のＭＯＸ燃料棒の本数が異なるか、または、第１のウラン燃料棒と第２の可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度が異なることを特徴とする。
【００３９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、運転期間が長いサイクルに装荷されるＭＯＸ燃料集合体の方が、標準サイクル用のＭＯＸ燃料集合体より、ウラン燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度が高いか、またはＭＯＸ燃料棒の本数が多くて、ＭＯＸ燃料集合体平均の等価核分裂性物質濃度が高くなっていることを特徴とする。
【００４０】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、少なくとも１種類の燃料集合体において、正方格子状の燃料棒配置の最外周部の一部または全部が、ウラン燃料棒または可燃性毒物入り燃料棒で構成されていることを特徴とする。
【００４１】
請求項４に係る発明は、ウラン燃料集合体と、前記ウラン燃料集合体と取出燃焼度が同じ第１のＭＯＸ燃料集合体と、前記ウラン燃料集合体より取出燃焼度の高い第２のＭＯＸ燃料集合体が装荷された沸騰水型原子炉の炉心において、第１のＭＯＸ燃料集合体より第２のＭＯＸ燃料集合体の方が、燃料集合体中における全燃料棒に対するＭＯＸ燃料棒本数の割合が多いことを特徴とする。
【００４２】
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、第１および第２のＭＯＸ燃料集合体における、少なくとも１種類以上の等価核分裂性物質濃度が互いに同一であることを特徴とする。
【００４３】
請求項６に係る発明は、炉心サイズが小さい、或いは、出力密度が高いプラントに装荷されるＭＯＸ燃料集合体において、標準プラント用のＭＯＸ燃料集合体に比し、ウラン燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度が高いかまたはＭＯＸ燃料棒の本数を多くすることにより、ＭＯＸ燃料集合体平均の等価核分裂性物質濃度が高くなるようにしてあることを特徴とする。
【００４４】
請求項７に係る発明は、請求項６に係る発明において、正方格子状の燃料棒配置の最外周部の一部または全部が、ウラン燃料棒または可燃性毒物入り燃料棒で構成されていることを特徴とする。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００４６】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態のＭＯＸ燃料集合体の代表断面の模式図である。１、２…はウラン燃料棒を表し、Ｐ１、Ｐ２…はそれぞれ富化度が異なるＭＯＸ燃料棒を表し、Ｇ１、Ｇ２…はそれぞれ濃縮度が異なる可燃性毒物入り燃料棒を表し、それぞれ数字が小さいほど濃縮度、富化度が低くなっている。図１（ａ）と図１（ｂ）は短尺燃料棒（１５）の位置が異なっており燃料集合体形状は異なっているが、ＭＯＸ燃料棒の形状は同じである。図１（ａ）はＭＯＸ燃料棒が２４本の場合、図１（ｂ）はＭＯＸ燃料棒が３６本の場合であり、取出燃焼度は約４５ＧＷｄ／ｔである。
【００４７】
図１（ａ）と図１（ｂ）の燃料集合体は、プルトニウム及び可燃性毒物を含まない第１のウラン燃料棒１、２、３と、可燃性毒物を含みプルトニウムを含まない第２の可燃性毒物入り燃料棒Ｇ１或いはＧ２と、プルトニウムを富化した第３のＭＯＸ燃料棒Ｐ１を正方格子状に束ねた構成としてあり、両者の違いは、「Ｐ１」のＭＯＸ燃料棒本数、「１」と「１’」のウラン燃料棒の濃縮度（前者：３．９ｗｔ％、後者：３．５ｗｔ％）、「Ｇ１」と「Ｇ２」の可燃性毒物入り燃料棒の濃縮度（前者：３．２ｗｔ％、後者：２．４ｗｔ％）であり、これにより、ウラン燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度は、図１（ａ）で３．１ｗｔ％、図１（ｂ）で２．７ｗｔ％となっている。ＭＯＸ燃料棒におけるプルトニウム富化度は、共に５．６ｗｔ％Ｐｕｆと共通の設計としているので、どちらの設計を採用してもペレットの製造工程を変更する必要はない。
【００４８】
図２に、両燃料の４０％ボイド状態の無限増倍率の燃焼変化を比較する。炉心平均燃焼度は、線形反応度モデルより、サイクル燃焼度（約１０ＧＷｄ／ｔ）と取出燃焼度の和の１／２で近似できるので約２７．５ＧＷｄ／ｔ（＝（４５＋１０）／２）となる。図２に示すように、炉心平均燃焼度時の無限増倍率はほぼ等価となっている。さらに、図１（ｂ）に示すように、可燃性毒物を燃料集合体の最外周部に配置することにより、ＭＯＸ燃料棒を２４本から３６本まで（１．５倍）大幅に増加させることが可能である。
【００４９】
本発明の原子炉の炉心は、これらの燃料を各サイクル毎のプルトニウムのバランスに応じて装荷するものである。例えば、第Ｎサイクルでは当初の予定通り図１（ａ）の燃料を１１２体装荷した後、仮に、第Ｎ＋１サイクルで加工工場からのＭＯＸ燃料の供給量が１．５倍程度に増加したとしても、図１（ｂ）の設計に切り替えれば、新燃料の装荷体数は当初の計画通り（ＭＯＸ燃料：１１２体、ウラン燃料：５６体）のままでよいので図３のような燃料装荷パターンになる。すなわち、各サイクル毎のＭＯＸ燃料の輸送または貯蔵体数（１１２体）とウラン燃料の装荷体数（５２体）を維持したまま、プルトニウムの消費量を調整できる。燃料装荷パターンについても、基準設計である平衡炉心のパターンに近い炉心で構成できるので、炉心管理上の作業量が低減できる。一方、ＭＯＸ燃料を図１（ａ）から図１（ｂ）のようにフレキシブルに変更しない場合は、ＭＯＸ新燃料は１６８体（＝１１２×１．５）程度、ウラン燃料０体となり、ＭＯＸ新燃料の輸送体数や使用済みＭＯＸ燃料の貯蔵体数が１６８体と増加する。
【００５０】
すなわち、異なる燃料集合体間でＭＯＸ燃料棒の本数、または、ウラン燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度を変えれば、燃料集合体の反応度を調整することができるので、炉心サイズ、出力密度、運転期間等が変わっても、同じ取出燃焼度（燃料集合体１体から同じエネルギーを取り出せる）の設計とすることができる。
【００５１】
また、製造時期の異なる燃料集合体間でＭＯＸ燃料棒の本数を変えればプルトニウムの消費量を変更できるので、各プラントにおけるウラン燃料集合体の予備体数を変更することなく、プルトニウムの製造と消費のバランスをとることができる。
【００５２】
これらの場合、ＭＯＸ燃料棒の形状は同じで、プルトニウム富化度（または等価核分裂性物質濃度）は少なくとも１種類以上は共通化して本数のみの調整なので、ＭＯＸペレットの製造工程には大きな影響を及ぼさない。
【００５３】
また、最外周部をウラン燃料棒で構成することにより、濃縮度調整またはＭＯＸ燃料棒との置換用の燃料棒本数が増加するので反応度調整幅が増加し、プルトニウムの需給バランスや運転期間の変更に対する調整幅が大きくできる。さらに、最外周部の可燃性毒物入り燃料棒の配置を許容すれば、燃料集合体あたりのプルトニウム装荷量を多くできる。
【００５４】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態のＭＯＸ燃料集合体の断面方向の模式図である。これらはＭＯＸ燃料棒が２４本のアイランド型の設計で、プルトニウム富化度は共に５．６ｗｔ％Ｐｕｆである。図４（ａ）は図１（ａ）と短尺燃料棒（１５）の位置が異なることを除き同じであり、１３ヶ月運転用の燃料である。図４（ｂ）は１５ヶ月運転用の燃料で、図４（ａ）と同じ燃料集合体形状である。図４（ａ）と図４（ｂ）の違いは、「２」の燃料棒の濃縮度が２．４ｗｔ％なのに対し、「２’」の燃料棒の濃縮度は３．２ｗｔ％となっていることで、これにより、ウラン燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度は、図４（ａ）で３．１ｗｔ％、図４（ｂ）で３．３ｗｔ％となっている。
【００５５】
図５に、図４（ａ）および図４（ｂ）のＭＯＸ燃料の４０％ボイド状態の無限増倍率を比較する。図４（ｂ）は、図４（ａ）より運転期間が２ヶ月伸びた分（約１ＧＷｄ／ｔ）だけ炉心平均燃焼度が大きくなるが、図５より、炉心平均燃焼度時点の無限増倍率の値は同程度となっていることがわかる。したがって、図４（ｂ）の燃料を用いれば、図４（ａ）の基準設計より２ヶ月長い運転期間が数サイクル続いたとしても、プルトニウム富化度を図４（ａ）から変更することなく、目標とするＭＯＸ燃料の取出燃焼度（約４５ＧＷｄｔ）を達成できる。
【００５６】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態のＭＯＸ燃料集合体の断面方向の模式図である。図６（ａ）は、ＭＯＸ燃料棒が２４本の場合で、図４（ａ）と同じ設計である。図６（ｂ）は、ＭＯＸ燃料棒が２８本の場合である。プルトニウム富化度は両設計ともに５．６ｗｔ％Ｐｕｆである。図６（ａ）と図６（ｂ）の違いは、「１」のウラン燃料棒本数が後者の方が多く、「Ｇ１」と「Ｇ３」の可燃性毒物入り燃料棒の濃縮度（前者：３．２ｗｔ％、後者：２．８ｗｔ％）が相違している。これにより、ウラン燃料棒と可燃性毒物入り燃料棒の平均濃縮度は、図６（ａ）、図６（ｂ）ともに３．１ｗｔ％となっている。図６（ｂ）は、出力密度の高いプラントに用いられる燃料である。
【００５７】
図７に、図６（ａ）および図６（ｂ）のＭＯＸ燃料の４０％ボイド状態の無限増倍率を比較する。図６（ｂ）の方が５．６ｗｔ％ＰｕｆのＭＯＸ燃料棒が４本多く燃料集合体平均の等価核分裂性物質濃度が高くなっているので、図６（ａ）よりも炉心平均燃焼度が０．５ＧＷｄ／ｔ程度長いところで、無限増倍率がほぼ同等となっている。これをサイクル燃焼度増加分に換算すると、倍の１ＧＷｄ／ｔ程度（サイクル燃焼度の１／１０程度）となる。したがって、図６（ｂ）のＭＯＸ燃料は、図６（ａ）のプラントに比べて１０％程度出力密度を増加したプラントに装荷したとしても、プルトニウム富化度を図６（ａ）から変更することなく、目標とするＭＯＸ燃料の取出燃焼度（約４５ＧＷｄ／ｔ）を達成できる。
【００５８】
さらに、図６（ａ）を標準プラント用のＭＯＸ燃料集合体、図６（ｂ）を炉心サイズが小さいプラント用のＭＯＸ燃料集合体と見なせば、本発明の第４の実施の形態となる。この場合、燃料集合体の無限増倍率は、炉心平均燃焼時においてほぼ等価となるように調整されている。したがって、炉心サイズが小さいプラントでも、プルトニウム富化度を変更することなく、目標とするＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度（約４５ＧＷｄ／ｔ）を達成できる。
【００５９】
図８（ａ）および図８（ｂ）は、本発明の第５の実施の形態のＭＯＸ燃料集合体の断面方向の模式図である。図８（ａ）は、取出燃焼度４５ＧＷｄ／ｔでＭＯＸ燃料棒４０本の設計であり、図８（ｂ）は、取出燃焼度５０ＧＷｄ／ｔでＭＯＸ燃料棒６２本の設計である。図８（ｂ）は、図８（ａ）よりも、ＭＯＸ燃料棒の富化度を２種類とも高くし、さらに、燃料集合体の最外周部にＭＯＸ燃料棒を多数配置することにより、燃料集合体平均の等価核分裂性物質濃度を高めている。
【００６０】
図９に、図８（ａ）および図８（ｂ）のＭＯＸ燃料集合体の４０％ボイド状態の無限増倍率を比較する。炉心平均燃焼度は、図８（ａ）が２７．５ＧＷｄ／ｔ、図８（ｂ）は取出燃焼度５ＧＷｄ／ｔの伸長分を考慮して３０ＧＷｄ／ｔであり、無限増倍率はほぼ同じ値になっている。
【００６１】
図１０に、両燃料の燃焼度ピーキングの推移を示す。図８（ｂ）の方がプルトニウム最高富化度が高いにもかかわらず、燃焼期間全般を通じて楽な特性となっている。図８（ｂ）の方が、燃料寿命末期の無限増倍率が高い（５０ＧＷｄ／ｔで３％程度）のでノード平均の燃焼度は若干高くなる可能性があるが、燃料集合体内のＭＯＸ燃料棒の燃焼度ピーキングは有意に低い（５０ＧＷｄ／ｔで８％程度）ので、ペレット最高燃焼度は低くなると考えられる。
【００６２】
したがって、ペレット最高燃焼度に同じ制約を課した場合は、図８（ｂ）のようにディスクリート型ＭＯＸ燃料の方が取出燃焼度を高くできるので、ＭＯＸ燃料集合体の燃料経済性上は有利である。したがって、ＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度が高くなれば、燃料集合体あたりのＭＯＸ燃料棒の装荷量を増加させる方法が有利となる。
【００６３】
ところで、ウラン濃縮度を高めるには濃縮費用がかかるがプルトニウム富化度の増加はコストアップには影響が少なく、また、現行の加工工場ではウラン棒の濃縮度上限よりもＭＯＸ燃料棒の富化度上限の方が緩く設定されているので、ペレット最高燃焼度に同一の制約を課した場合にＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度をより高めた設計とするには、燃料集合体あたりのＭＯＸ燃料棒本数を高める方が有利となる。
【００６４】
なお、図８（ｂ）の低プルトニウム富化度を図８（ａ）と共通設計としておけば、図８（ａ）から図８（ｂ）に切り替える場合に、設計変更が容易であり、燃料棒形状が同じ場合は同じ加工工程を利用でき、また、図８（ａ）の余剰燃料棒を図８（ｂ）に流用できるメリットがある。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度がウラン燃料集合体と同程度になった場合に、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を共通設計とし、ＭＯＸ燃料棒数またはウラン燃料棒の平均濃縮度を調整し、アイランド型からディスクリート型に近い幅広い設計を用意しておき、それら複数種類のＭＯＸ燃料集合体を原子炉に装荷することにより、▲１▼経済性評価のコスト緒言が変動しても最適な設計を選択でき、▲２▼プルトニウムの需給バランスが崩れた場合にもＭＯＸ燃料集合体製造体数、予備ウラン燃料体数に影響を及ぼさないような設計が可能となる。また、炉心サイズ、出力密度、運転期間が変わっても、炉心平均燃焼度時の無限増倍率を調整できるので、目標の取出燃焼度を達成することができる。
【００６６】
また、将来、ＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度がウラン燃料集合体を超える場合には、ＭＯＸ燃料の取出燃焼度が高いほどＭＯＸ燃料棒本数を増やしたディスクリート型設計に近づくので、燃焼度ピーキングが改善されペレット最高燃焼度の悪化を緩和することができる。これにより、ＭＯＸ燃料集合体の取出燃焼度増加を実現でき、ＭＯＸ燃料集合体の燃料経済性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料集合体の第１の実施の形態を示す２種類の燃料集合体の横断面図。
【図２】本発明の燃料集合体の第１の実施の形態である２種類の燃料集合体の無限増倍率の推移図。
【図３】本発明の燃料集合体の第１の実施の形態を示し、図１の燃料集合体が装荷された１／４炉心図。
【図４】本発明の燃料集合体の第２の実施の形態を示す２種類の燃料集合体の横断面図。
【図５】本発明の燃料集合体の第２の実施の形態である２種類の燃料集合体の無限増倍率の推移図。
【図６】本発明の燃料集合体の第３の実施の形態を示す２種類の燃料集合体の横断面図。
【図７】本発明の燃料集合体の第３の実施の形態である２種類の燃料集合体の無限増倍率の推移図。
【図８】本発明の燃料集合体の第４の実施の形態を示す２種類の燃料集合体の横断面図。
【図９】本発明の燃料集合体の第４の実施の形態である２種類の燃料集合体の無限増倍率の推移図。
【図１０】本発明の燃料集合体の第４の実施の形態である２種類の燃料集合体の燃焼度ピーキング係数の推移図。
【図１１】沸騰水型原子炉のＭＯＸ燃料集合体の横断面図。
【図１２】沸騰水型原子炉のＭＯＸ燃料集合体の横断面図。
【符号の説明】
１１  燃料集合体
１２  燃料棒
１３  チャンネルボックス
１４  水ロッド
１５  短尺燃料棒
１６  十字型制御棒
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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