(57)【要約】【課題】燃料サイクルコストの低減を行うに当たり、端部領域に着目して高燃焼度化、燃料経済性の向上を実現する燃料集合体を提供する。【解決手段】平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、相互に間隔を開けてバンドル状に装荷し、前記燃料棒は、燃料棒軸方向に予め定められたノード数に分けられて燃料ペレットが装荷された全体の平均濃縮度が４ｗｔ％以上の原子炉用燃料集合体において、前記燃料集合体中のペレットの最高濃縮度が４．９ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下であり、燃料棒のうち少なくとも複数本が、最上部の燃料ペレットを含む上端ノード及び／又は最下部の燃料ペレットを含む下端ノードを含む軸方向領域に亘って可燃性毒物を含有すると共に、上端ノード及び／又は下端ノードにおける横断面の平均濃縮度が３．０ｗｔ％よりも大きく、５．０ｗｔ％よりも小さいもの。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、相互に間隔を開けてバンドル状に装荷し、前記燃料棒は、燃料棒軸方向に予め定められたノード数に分けられて燃料ペレットが装荷された全体の平均濃縮度が４ｗｔ％以上の原子炉用燃料集合体において、
前記燃料集合体中のペレットの最高濃縮度が　４．９ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下であり、
燃料棒のうち少なくとも複数本が、最上部の燃料ペレットを含む上端ノード及び／又は最下部の燃料ペレットを含む下端ノードを含む軸方向領域に亘って可燃性毒物を含有すると共に、上端ノード及び／又は下端ノードにおける横断面の平均濃縮度が３．０ｗｔ％よりも大きく、５．０ｗｔ％よりも小さいことを特徴とする原子炉用燃料集合体。
【請求項２】
前記上端ノード及び／又は下端ノードにおける横断面中に、集合体断面の中で最も平均濃縮度が高い断面領域が含まれていることを特徴とする請求項１記載の原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
複数本の燃料棒領域を占める太径水ロッドを有する９×９格子以上の燃料棒配列を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の原子炉用燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子炉用燃料集合体、特に、高燃焼度化を目的とした沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず燃料サイクルコストについて説明する。燃料サイクルコスト（ＦＣＣ）は、集合体１体当たりとして（１）式で定義する。
ＦＣＣ（円／ｋＷｈｅ）＝Ｃｔｏｔａｌ／Ｑｔｏｔａｌ　　　…　（１）
但し、
Ｃｔｏｔａｌ：集合体１体の全コスト（円）
Ｑｔｏｔａｌ：集合体１体の総発電量（ｋＷｈｅ）
【０００３】
一方、総発電量は下式で算出される。
Ｑｔｏｔａｌ＝Ｅｏｕｔ・ＷＵ・ｆ　　　　　　　　　　　　　…　（２）
但し、
Ｅｏｕｔ：平均取出燃焼度（ＧＷｄ／ｔ）
ＷＵ　：集合体ウラン重量（ｋｇ）
ｆ　　：単位換算を含む熱効率
である。
【０００４】
また、全コストＣｔｏｔａｌは、主に以下のコスト成分の総和である。
（ａ）　天然ウラン購入、（ｂ）　転換、（ｃ）　濃縮、（ｄ）　成型加工、
（ｅ）　新燃料輸送、（ｆ）　再処理、（ｇ）　使用済み燃料輸送、
（ｈ）　Ｐｕ、Ｕクレジット、（ｉ）　廃棄物処分
【０００５】
一般に燃料集合体の平均濃縮度の増加は、反応度の増大を伴うため平均取出燃焼度の増大に寄与する。濃縮度を増加させた場合、（ａ）　〜（ｃ）　、特に（ｃ）　濃縮コストが大きくなるが、他のコストはほとんど変わらない。典型的には、濃縮コストの上昇が総コストに及ぼす影響は２０％程度に留まる。一方、（１）　式及び（２）　式より、燃料サイクルコストは平均取出燃焼度に反比例することが判る。
【０００６】
これより、平均濃縮度の増加に伴うコスト上昇以上に平均取出燃焼度を高めることができれば、燃料サイクルコストを低減させることができる。
【０００７】
このように、原子炉における燃料集合体の設計分野においては、燃料経済性を高めるために、ウラン２３５で代表される核分裂性物質の平均濃縮度を増加させることで、平均取出燃焼度の増大を実現する方策が採られている（高濃縮度化による高燃焼度化）。
【０００８】
ところで、例えば沸騰水型原子炉においては、燃料集合体の発熱有効部の上端及び／又は下端に天然ウランなどを配して低濃縮度化し、中性子の漏れを減らすことでウラン資源を節約する技術があり、広く用いられている。ここでは、この技術をブランケット技術とよぶこととする。
【０００９】
しかし、ブランケットは濃縮度が低いため、ブランケットの採用は集合体平均燃焼度を下げる方向となる。特に、取り扱える濃縮度に上限（現行５ｗｔ％）がある場合には、ブランケット技術を用いた場合、平均濃縮度の増大は容易ではない。
【００１０】
これを解決するための従来技術としては以下がある。この様子を図４を用いて説明するが、説明に先立ち図５について示す。
【００１１】
図５は従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の例（従来例１）である。本例は、９×９格子配列の燃料棒に、燃料棒９本分の領域を置換した水ロッドが備えられた、典型的な高燃焼度化向け燃料集合体である。本例では、典型的なブランケットとして、上下端に１／２４ずつの長さの天然ウランブランケットを有している。ここでは、上下端を端部領域、上下端を除く領域を中央部領域と呼ぶことにする。図において、各燃料棒内に記載した数値は各燃料棒の各領域での濃縮度（ｗｔ％）を示す。斜線を施した領域は可燃性毒物であるガドリニアが添加された領域を示し、「Ｇ」を付した数値はガドリニア濃度（ｗｔ％）を示す。従来例１の濃縮度は、端部領域でそれぞれ０．７１ｗｔ％、中央部領域で４．２８ｗｔ％、また、集合体平均では３．９８ｗｔ％である。この濃縮度にて、１３ヶ月連続運転を想定した場合、平均取出燃焼度はおよそ５０ＧＷｄ／ｔを達成することができる。
【００１２】
尚、従来例１のガドリニア分布は、以下の観点より従来技術に従って設計したものである。先ず、下部側の一部で高濃度のガドリニアを使用するのは、運転サイクル中期で出力分布が過度に下部歪みとなり線出力密度が増大するのを抑制するためである。また、上部側については、運転サイクルを通じて充分な停止余裕を確保することを前提に、サイクル末期でのガドリニアの残留に伴う経済性の低下を最小限にするためガドリニア濃度を低減している。
【００１３】
この設計に対して、集合体平均濃縮度を高め平均取出燃焼度を上げることで、更に燃料サイクルコストを低減することを考える。図４は従来例１を基準（図中点（ａ）　）としたときの平均濃縮度の増加量と燃料サイクルコストの関係を評価した結果を示している。図中の各線（１）〜（３）は下記従来方法（１）〜（３）にそれぞれ対応する。ここでは、それぞれの方法が、最大線出力密度や最小限界出力比などについて熱的運転余裕を確保できるかについても検討している（熱的設計基準ということにする）。図４の線に対し、この熱的設計基準を満たす場合は実線で、熱的設計基準を満たすことができない場合には破線で表している。
【００１４】
（１）　天然ウランブランケットの採用による中央部領域の濃縮度を高める方法
中央部領域の濃縮度を十分に高めた高濃縮度の燃料集合体においては、取り扱える濃縮度に５ｗｔ％の上限がある場合、特別な対策を講じない限り中央部領域の濃縮度の増加は半径方向での燃料棒の出力分布の増大を伴うため、熱的運転余裕を維持したまま、中央部領域の濃縮度の増加を行うことは難しい。今、従来例１は、熱的運転余裕を減じることなく中央部領域の濃縮度を高めることができないほど高濃縮度燃料集合体であると考える。この場合、中央部の濃縮度を高めた場合、図４の線（１）　上をたどることになるが、線（１）　は、集合体の平均濃縮度を増加する場合、破線となってしまう。つまり、熱的設計基準を維持して高濃縮度化することができない。
【００１５】
（２）　天然ウランブランケットを用いない方法
天然ウランブランケットを用いない場合、端部領域の出力分担が大きくなる分だけ軸方向出力分布は平坦化し、熱的運転余裕が厳しくなることはない。ブランケットを用いない燃料集合体の燃料サイクルコストは図４の線（２）　の傾向を示す。ブランケットのない燃料集合体は端部領域での中性子の漏れが多く反応度ロスが出る分、平均取出燃焼度が低下し経済性上不利となる。例えば、ブランケットを用いない燃料が、点ａと同じ燃料サイクルコストになるには、平均取出燃焼度を高めるために平均濃縮度を更に０．１５ｗｔ％程度増加させる必要がある。点ｂがこれに相当する。但し、この場合、中央部断面の濃縮度は、従来例１の４．２８ｗｔ％よりも低濃縮度（３．９８＋０．１５＝４．１３ｗｔ％）で済むため、半径方向での燃料棒の出力分布の増大は起こらないため、熱的設計基準に問題が生じることはない。また、従来例１の燃料集合体から上下端のブランケットを取り去った場合は、図４中の点ｃとなり、点ａよりも燃料サイクルコストは低くなる。
【００１６】
このように、点ｂ、ｃのケースは何れも、従来例１に比べて熱的に厳しくなることなく、燃料サイクルコストを低減させることができる。しかしながら、ブランケットを用いない点では、省ウラン資源の観点からは無駄を招いていることは明らかである。また、熱的設計基準内での高濃縮度化は、点ｃが限界である。
【００１７】
（３）　端部領域に濃縮ブランケットを用いる方法
可燃性毒物を含有させることなく端部領域の平均濃縮度を１．４〜３．０ｗｔ％まで高める方法が提案されている（特許第３２６２０２２号参照）。本方法の場合、端部領域は可燃性毒物を含まないので、天然ウランブランケットを用いた場合よりも端部領域の反応度が大きくなり、軸方向出力分布が平坦化し、線出力密度などの熱的余裕を増大させることができる。一方、端部領域は可燃性毒物を含まないので、貯蔵プールでの未臨界性を確実に保証するためには端部領域の平均濃縮度は３ｗｔ％以下とする必要があり、十分な高濃縮度化を図れない場合がある。従来例１に適用した場合、集合体の平均濃縮度は４．０４〜４．１７ｗｔ％までしか高められない。この様子を図４の線（３）　で示すが、本方法の場合、燃料サイクルコストは点ｄが限界となる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記（１）　〜（３）　の従来技術を用いた場合、熱的設計基準内で段階的に高濃縮度化を行うとすると、図４の点ａ−点ｄ−点ｅ−点ｃの経路をたどることになる。特に、点ｄ−点ｅ間は、濃縮度増加に共なう燃料サイクルコストの低減が全く期待できず、経済性上問題がある領域が存在することが分かる。また、従来技術では、点ｃより経済性の良い燃料集合体を提供することができない。
【００１９】
本発明は、高濃縮度化を目指すことで高燃焼度化を達成し、燃料経済性の向上、すなわち燃料サイクルコストの低減を行うに当たり、端部領域に着目してこれを実現する燃料集合体を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明に係る原子炉燃料集合体は、平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、相互に間隔を開けてバンドル状に装荷し、前記燃料棒は、燃料棒軸方向に予め定められたノード数に分けられて燃料ペレットが装荷された全体の平均濃縮度が４ｗｔ％以上の原子炉用燃料集合体において、
前記燃料集合体中のペレットの最高濃縮度が４．９ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下であり、
燃料棒のうち少なくとも複数本が、最上部の燃料ペレットを含む上端ノード及び／又は最下部の燃料ペレットを含む下端ノードを含む軸方向領域に亘って可燃性毒物を含有すると共に、上端ノード及び／又は下端ノードにおける横断面の平均濃縮度が３．０ｗｔ％よりも大きく、５．０ｗｔ％よりも小さいものである。
【００２１】
請求項２に記載された発明に係る原子炉燃料集合体は、請求項１に記載された上端ノード及び／又は下端ノードにおける横断面は、集合体断面の中で最も平均濃縮度が高い断面領域が含まれているものである。
【００２２】
請求項３に記載された発明に係る原子炉燃料集合体は、請求項１又は２に記載された原子炉用燃料集合体が、複数本の燃料棒領域を占める太径水ロッドを有する９×９格子以上の燃料棒配列を備えたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明においては、平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、相互に間隔を開けてバンドル状に装荷し、前記燃料棒は、燃料棒軸方向に予め定められたノード数に分けられて燃料ペレットが装荷された全体の平均濃縮度が４ｗｔ％以上の原子炉用燃料集合体において、前記燃料集合体中のペレットの最高濃縮度が　４．９ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下であり、燃料棒のうち少なくとも複数本が、最上部の燃料ペレットを含む上端ノード及び／又は最下部の燃料ペレットを含む下端ノードを含む軸方向領域に亘って可燃性毒物を含有すると共に、上端ノード及び／又は下端ノードにおける横断面の平均濃縮度が３．０ｗｔ％よりも大きく、５．０ｗｔ％よりも小さいものである。このため、図４中点ｄ−点ｅ間に相当する濃縮度領域が持つ不経済性を緩和することができる。高濃縮度化を目指すことで高燃焼度化を達成し、燃料経済性の向上、すなわち燃料サイクルコストの低減を行うことができる。
【００２４】
また、本発明によれば端部領域にも可燃性毒物を含有させることで、貯蔵中の未臨界度を確保するために端部領域での濃縮度を　３．０ｗｔ％以下にする必要がなくなり、端部領域で更なる高濃縮度化が可能となる。この結果、平均取出燃焼度は向上し燃料サイクルコストはさらに低減する。この場合、図４の線（４）に示す特性が得られる。
【００２５】
また、この濃縮度範囲（端部領域の濃縮度で　３．０ｗｔ％よりも大）であれば、可燃性毒物を混入させても端部領域の無限増倍率は、天然ウランの場合よりも大きくできることから、軸方向出力分布が厳しくなることはないため、熱的設計基準を満たす燃料集合体を提供できる。
【００２６】
また、上端部での可燃性毒物の存在は、例えば方法（３）において懸念される、停止余裕の悪化を回避することもできる。さらに本発明では、端部領域に可燃性毒物を添加する燃料棒は中央部領域にも可燃性毒物を含む燃料棒であるため、可燃性毒物を含む燃料棒の本数は最小限に留めることができる。よって、可燃性毒物としてガドリニアを用いた場合でも、成型加工の際のペレットを被覆管に充填する作業などに対し、作業効率の低下をまねくことはない。
【００２７】
また、本発明では上端ノード及び／又は下端ノードにおける横断面は、集合体断面の中で最も平均濃縮度が高い断面領域としても良い。即ち、本発明では、上端ノード及び下端ノードの端部領域はもともと最大線出力密度や最小限界出力比などの熱的運転余裕が厳しくなる領域ではないため、更に濃縮度を高め、この領域の燃料棒出力を高めることが可能である。本発明では、端部領域の濃縮度は中央領域よりも高く、従って、反応度が大きくなるので軸方向出力分布の平坦化に寄与する。つまり、熱的設計基準を損なうことがない。本発明の場合、平均濃縮度の増加量と燃料サイクルコストの関係は図４の線（４）の点Ｃよりも右の範囲となり、熱的設計基準を維持して極めて燃料サイクルコストが低い燃料集合体を提供することができる。
【００２８】
本発明は、特に原子炉用燃料集合体が、複数本の燃料棒領域を占める太径水ロッドを有する９×９格子以上の燃料棒配列を備えた高燃焼度化に好適な沸騰水型原子炉に用いるのが好適である。
【００２９】
【実施例】
以下に示す実施例は、図５の沸騰水型原子炉用の従来燃料集合体１を基に本発明を適用したものである。
【００３０】
（実施例１）
実施例１を図１に示す。図に示す通り、上下端に１／２４ずつの長さの天然ウランブランケットを有している。ここでは、上下端を端部領域、上下端を除く領域を中央部領域と呼ぶことにする。図において、各燃料棒内に記載した数値は各燃料棒の各領域での濃縮度（ｗｔ％）を示す。斜線を施した領域は可燃性毒物であるガドリニアが添加された領域を示し、「Ｇ」を付した数値はガドリニア濃度（ｗｔ％）を示す。これらは以下の他の実施例の図においても同様である。本実施例はガドリニアを含む燃料棒とガドリニアを含まない一部の燃料棒において、上下端のブランケットを設けない設計としている。つまり、燃料棒タイプ２、Ｇ１、Ｇ２及びＧ３は、上下端の濃縮度は、中央領域の濃縮度と同じである。これにより、上下端部の断面平均濃縮度は３．１４ｗｔ％となり　３．０ｗｔ％よりも大きいにも拘わらず、ガドリニアを含ませることにより燃焼初期段階の反応度を抑制しているので、貯蔵プールでの燃料の未臨界性を確保することができる。
【００３１】
また、集合体の平均濃縮度は４．１８ｗｔ％となり、従来例１と比べて約　０．２ｗｔ％大きくなる。この燃料集合体の燃料サイクルコストは図４に示すとおりである。従来方法（３）で達成できる点ｄに比べて燃料サイクルコストは若干不利となるが、特に、毒性が強いため成型加工時のペレット充填作業効率の悪化が懸念されるガドリニア入り燃料棒の設計が簡素化している点が、燃料成型加工コストの低減に寄与するため、実際には図４の評価値ほどのサイクルコスト差は生じない。
【００３２】
さらに、本発明では上下端にガドリニアを含む。このため、反応度分担が大きく原子炉停止余裕特性に対し影響を与えやすい上部断面においては、本発明の燃料集合体の場合燃焼初期で反応度を小さくできる。よって、停止余裕の観点からは、従来方法（３）で構成される集合体よりも本発明の燃料集合体の方が停止余裕を大きくできる点は安全上有利である。
【００３３】
（実施例２）
実施例２を図２に示す。実施例１に対し天然ウラン部を　２．４ｗｔ％の濃縮ペレットとした。これにより、集合体の平均濃縮度は、従来例１よりも０．２５ｗｔ％大きい４．２３ｗｔ％まで高めることができる。この燃料集合体の燃料サイクルコストは図４に示すとおりである。従来方法（３）で達成できる点ｄに比べて燃料サイクルコストは更に　０．４％低減できる。
【００３４】
（実施例３）
実施例２よりも更に高濃縮度をねらった実施例３を図３に示す。出力が最も大きくなりやすいコーナ部を除いて、ガドリニアを含まない燃料棒の上下端には、全て最高濃縮度である　４．９ｗｔ％のペレットを配した。これにより、上下端での断面平均濃縮度は４．６１ｗｔ％となり、集合体中最大である。集合体の平均濃縮度は、従来例１よりも０．３３ｗｔ％大きい４．３１ｗｔ％まで高めることができる。この燃料集合体の燃料サイクルコストは図４に示すとおりである。実施例２に比べて燃料サイクルコストは更に　０．５％低減できる。
【００３５】
また、平衡炉心特性を解析した結果、何れの実施例も最大線出力密度及び最小限界出力比は、従来例１と比べて大差ないか、僅かに運転余裕が増すことを確認した。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通り、高濃縮度化を目指すことで高燃焼度化を達成し、燃料経済性の向上、すなわち燃料サイクルコストの低減を行うに当たり、端部領域に着目してこれを実現する燃料集合体を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の燃料集合体の別の実施例の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の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４】平均濃縮度の増加量と燃料サイクルコストの関係とを評価した結果を示す説明図である。
【図５】沸騰水型原子炉用燃料集合体の従来例の構成を示す説明図である。
【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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