(57)【要約】【課題】高燃焼度化での熱的運転余裕を確保し、高濃縮度化の阻害なしに運転長期化と取出燃焼度の向上を実現するＢＷＲ用燃料集合体を得る。【解決手段】ウラン最高濃縮度が４．９ｗｔ％〜５ｗｔ％の、水ロッドを有し、チャンネルボックス外のギャップ水の幅が反制御棒側でより狭い９×９格子配列の燃料集合体であって、燃料有効長上端から燃料有効長の略３０％相当の距離だけ下方位置の下限位置よりも上方側で濃縮度境界のないものと、濃縮度が低くなる濃縮度境界を有するものとの燃料棒を備え、最下位置の濃縮度境界を境界Ｂの直上にある燃料集合体の上部領域（Ｕ）は、境界Ｂの直下にある燃料集合体の下部領域（Ｌ）よりも断面平均濃縮度が低く、最外周燃料棒のうちの制御棒側の１５本の燃料棒を燃料棒群１の下部領域及び反制御棒側の１５本の燃料棒を燃料棒群２の下部領域は、最高濃縮度ペレットを各々含み、ｅｉ（ｘ）を軸方向領域ｘ（ｘ＝Ｕ又はＬ）における燃料棒群ｉ（ｉ＝１又は２）の平均濃縮度としたとき、ｅ２（Ｕ）−ｅ１（Ｕ）＞ｅ２（Ｌ）−ｅ１（Ｌ）＞０の関係を満たす燃料集合体。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側より反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷される燃料集合体であって、
前記燃料集合体は、核燃料濃縮度の燃料ペレットを充填した燃料棒を９×９格子状に配列し、複数本の燃料棒領域を占める水ロッドを有し、
前記核燃料ペレットのウラン最高濃縮度は４．９ｗｔ％乃至５ｗｔ％の範囲にあり、
燃料有効長上端から燃料有効長の略３０％相当の距離だけ下方位置を下限位置としたとき、前記燃料棒は、上下端部に低濃縮度ペレットから構成されるブランケットが備えられている場合に、前記ブランケット部を除き、前記下限位置よりも上方側において濃縮度境界のない燃料棒と、前記下限位置よりも上方側において上部側で濃縮度が低くなる濃縮度境界を有する燃料棒とからなり、
前記濃縮度境界のうち最も下方側にある濃縮度境界を境界Ｂとしたとき、前記境界Ｂの直上にある前記燃料集合体の上部領域（Ｕ）は、前記境界Ｂの直下にある前記燃料集合体の下部領域（Ｌ）よりも前記燃料集合体の断面平均濃縮度が低く、
燃料集合体の半径方向において、最外周燃料棒のうち、制御棒挿入側の１５本の燃料棒を燃料棒群１とし、反制御棒挿入側の１５本の燃料棒を燃料棒群２とし、
燃料棒群１の下部領域及び燃料棒群２の下部領域は、燃料集合体中で最高濃縮度の燃料ペレットをそれぞれ含み、
ｅｉ（ｘ）を軸方向領域ｘ（ｘ＝Ｕ又はＬ）における燃料棒群ｉ（ｉ＝１又は２）の平均濃縮度としたとき、次の（１）  式に示した関係を満たすことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【数１】
2004354319.tif 000004
【請求項２】
前記燃料棒群１の全ては、燃料有効長の同じ軸方向位置に前記境界Ｂを有することを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
燃料集合体の断面中心部より１燃料棒ピッチ分だけ反制御棒挿入側に偏って配置された燃料棒９本分の領域を置換してなる１本の角型形状の水ロッドを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の沸騰水型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】
本発明は沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという。）におけるＤ格子炉心に装荷される９×９燃料集合体、特に、高濃縮度化をめざした９×９燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（炉心の格子タイプ）
ＢＷＲには大別して２種類の格子の炉心がある。一つは、燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側と反制御棒挿入側とで等しい対称炉心であり、一例としてＣ格子炉心が該当する。
【０００３】
もう一つは、制御棒挿入側のギャップ水の幅が、反制御棒挿入側のギャップ水の幅より広い非対称炉心であり、これはＤ格子炉心と呼ばれる。このＤ格子炉心では、中性子の減速は、ギャップ幅が広い制御棒挿入側で大きく、ギャップ幅が狭い反制御棒挿入側で小さくなるため、制御棒挿入側の燃料棒で出力が高まり易い特性を持つ。
【０００４】
（濃縮度分布）
ＢＷＲでは、最大線出力密度や、沸騰遷移に係る最小限界出力比といった熱的運余裕を運転中に確保するため燃料棒の半径方向における燃料棒の相対出力分布をある程度平坦化する必要がある。一般に、Ｄ格子炉心に装荷される燃料集合体では、出力が高まりやすい制御棒挿入側は、反制御棒挿入側よりも濃縮度を減じた設計がなされる。
【０００５】
（９×９燃料）
ＢＷＲでは、経済性を高めるためには、運転サイクルの長期化と、平均取出燃焼度の向上とを図ることが有効な手段として知られている。これら２つの目的に対しては、燃料集合体中の核燃料の平均濃縮度を高めることが、有効かつ不可欠な手段となっている。
【０００６】
例えば、図６は燃料棒が９行９列に配列された９×９格子の燃料集合体の断面形状の一従来例を示す説明図である。この燃料集合体６０では、燃料棒９本分の領域を置換してなる１本の角型形状の水ロッド６１が、燃料集合体の断面中心部より１燃料棒ピッチ分だけ制御棒６２の対向位置側、即ち、反制御棒挿入側に偏って配置された構造となっている。
【０００７】
図６の従来例において水ロッド６１が中心よりずれているのは、Ｄ格子でのギャップ水の非均質性が集合体内の熱中性子束分布の非均質性に及ぼす影響を緩和させるためになされた設計である。もちろん、この場合でも非均質性緩和の程度は完全ではないため、実際の核設計においては濃縮度分布は半径方向で非対称な設計となっている。この燃料集合体は高燃焼度向け９×９燃料集合体の一例であり、本構造の燃料集合体は、現在、１３ヶ月運転で４５ＧＷｄ／ｔの平均取出燃焼度の性能を持つよう濃縮度分布設計がなされ、国内において燃焼中である。
【０００８】
（濃縮度分布）
一般に、核沸騰状態から膜沸騰状態への沸騰遷移は、燃料棒上部に配置されたスペーサの直ぐ下側付近で厳しくなる。多くは、沸騰遷移が起こりやすい配列位置に、上部領域に比較的低濃縮度の燃料ペレットが充填されている燃料棒を優先的に配置することによって、熱的運転余裕を向上させる。即ち、濃縮度分布を工夫することにより最小限界出力比を低減させることができる。
【０００９】
この従来例の核設計（半径方向及び軸方向の濃縮度分布）を図７に示す。以下、これを従来例１とする。この従来例１の構成は本発明の発明者が以前に提案したものである（特許文献１の図５を参照）。ここで、燃料棒内の数値は濃縮度（ｗｔ％）を示し、文字Ｇが付された数値は可燃性毒物として作用するガドリニアの濃度（ｗｔ％）を示す。
【００１０】
製造工程における臨界上の観点から、現在、取り扱い可能なウラン濃縮度は５．０ｗｔ％以下である。従来例１の燃料集合体平均濃縮度は４．３９ｗｔ％であり、これはＤ格子炉心向け燃料としては充分に高い濃縮度である。従来例１では、出力が高くなりやすい最外周の燃料棒に対し上部領域の濃縮度を低減することで、高濃縮度化を維持しつつ沸騰遷移に至る限界出力の向上を図っている。
【００１１】
（チャンネルボックスの曲がり）
ところで、燃料集合体を炉内に装荷する際には、その外周にチャンネルボックスを装着する。チャンネルボックスは中性子の照射により伸びが生じる。その結果、半径方向の高速中性子フルエンスに差違がある場合、チャンネルボックスには歪みが生じる。
【００１２】
Ｄ格子炉心では、反制御棒挿入側は、ギャップ水が少なく高速中性子が多い分、制御棒挿入側に比べて伸びが大きい。この結果、チャンネルボックスは軸方向に沿って反制御棒挿入側に傾斜する曲がりを生じる（以下、この現象をチャンネル曲がりという。）。その結果、反制御棒挿入側ではギャップ水領域が減り、制御棒挿入側ではギャップ水領域が増える。
【００１３】
制御棒挿入側でのギャップ水領域の増加は、この付近での中性子をより熱化させるため、特に、制御棒挿入側最外周に位置する燃料棒の出力が増大し、沸騰遷移を起こす限界出力が小さくなり、熱的運転余裕の低下を招く。近年の高燃焼度化に伴い、チャンネル曲がりは増大し最小限界出力の低下が懸念される。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−４８８８６号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、チャンネル曲がりを考慮すると、一層、制御棒挿入側の限界出力を向上させる必要がある。たとえ、出力分布の偏りを緩和するために水ロッドが反制御棒挿入側にずれて配置した９×９燃料集合体であっても、チャンネル曲がりにより制御棒挿入側の限界出力の悪化を考えると、やはり設計上の配慮が必要となる。
【００１６】
また、チャンネル曲がりは燃焼の進行に伴って起こると考えられるが、燃焼経験のない新燃料であっても、これにチャンネル曲がりの生じた燃料集合体が隣接した場合には、やはり制御棒側のギャップ水が拡大することとなる。このように新燃料であってもチャンネル曲がりの影響を受けることから、設計においては、燃焼の初期段階からチャンネル曲がりによる限界出力の影響に対する配慮が必要となる。
【００１７】
本発明は、高燃焼度化に伴うチャンネル曲がりの影響を考えて熱的運転余裕を確保し、しかも燃料集合体の高濃縮度化を阻害することなく運転長期化と取出燃焼度の向上を実現する沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ることを目的とする。
【００１８】
【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ＢＷＲ用燃料集合体は、燃料集合体を取り囲むチャンネルボックスの外側に位置するギャップ水の幅が制御棒挿入側より反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷される燃料集合体であって、
前記燃料集合体は、核燃料濃縮度の燃料ペレットを充填した燃料棒を９×９格子状に配列し、複数本の燃料棒領域を占める水ロッドを有し、
前記核燃料ペレットのウラン最高濃縮度は４．９ｗｔ％乃至５ｗｔ％の範囲にあり、
燃料有効長上端から燃料有効長の略３０％相当の距離だけ下方位置を下限位置としたとき、前記燃料棒は、上下端部に低濃縮度ペレットから構成されるブランケットが備えられている場合に、前記ブランケット部を除き、前記下限位置よりも上方側において濃縮度境界のない燃料棒と、前記下限位置よりも上方側において上部側で濃縮度が低くなる濃縮度境界を有する燃料棒とからなり、
前記濃縮度境界のうち最も下方側にある濃縮度境界を境界Ｂとしたとき、前記境界Ｂの直上にある前記燃料集合体の上部領域（Ｕ）は、前記境界Ｂの直下にある前記燃料集合体の下部領域（Ｌ）よりも前記燃料集合体の断面平均濃縮度が低く、
燃料集合体の半径方向において、最外周燃料棒のうち、制御棒挿入側の１５本の燃料棒を燃料棒群１、反制御棒挿入側の１５本の燃料棒を燃料棒群２とし、
燃料棒群１の下部領域及び燃料棒群２の下部領域は、燃料集合体中で最高濃縮度の燃料ペレットをそれぞれ含み、
ｅｉ（ｘ）を軸方向領域ｘ（ｘ＝Ｕ又はＬ）における燃料棒群ｉ（ｉ＝１又は２）の平均濃縮度としたとき、次の（１）  式に示した関係を満たすことを特徴とするものである。
【００１９】
【数２】
ｅ２（Ｕ）−ｅ１（Ｕ）＞ｅ２（Ｌ）−ｅ１（Ｌ）＞０        …（１）  式
【００２０】
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に記載の燃料棒群１の全ては、燃料有効長の同じ軸方向位置に前記境界Ｂを有することを特徴とするものである。
【００２１】
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に記載されたＢＷＲ用燃料集合体において、
燃料集合体の断面中心部より１燃料棒ピッチ分だけ反制御棒挿入側に偏って配置された燃料棒９本分の領域を置換してなる１本の角型形状の水ロッドを備えたことを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明での軸方向における領域Ｕ、領域Ｌ及びその濃縮度境界の定義を示す説明図である。燃料棒の一部は上部側で濃縮度を低くしてあり、濃縮度境界を有している。図に示す通り、燃料有効長上端から燃料有効長の約３０％相当の距離だけ下方位置を下限位置としたとき、この下限位置より上方で実際の濃縮度境界が決定される。今決定された濃縮度境界のうち、最も下方側にある濃縮度境界を境界Ｂとし、境界Ｂの直上にある領域を上部領域（Ｕ）、また、境界Ｂの直下にある領域を下部領域（Ｌ）とする。
【００２３】
一般に、沸騰遷移を起こすのは燃料集合体の上部側の領域である。燃料集合体は燃料棒を束ねるために７枚〜８枚程度のスペーサが予め定められた間隔で備えられている。スペーサの存在は燃料棒に液滴の付着を促す作用があり、限界出力を改善させる効果を持つ。
【００２４】
スペーサ構造の改善が図られ、限界出力が向上した燃料集合体の場合などでは、沸騰遷移を起こす軸方向位置はより下方側に移行する傾向がある。これは、沸騰遷移に至る出力が増大して蒸気クオリティが大きくなる分、燃料下部側で熱的に厳しい状態となるためである。現行の燃料の性能を考えると沸騰遷移を起こす軸方向位置は、燃料有効長の上端より約３０％下方よりも上方側にあるスペーサの直ぐ下までである。
【００２５】
従って、本発明では、軸方向については沸騰遷移が起こりやすい上部領域に着目し、上部領域の出力を相対的に小さくすることで限界出力の向上を図るものである。
【００２６】
より具体的には、本発明の燃料集合体は、ギャップ水の幅が制御棒挿入側より反制御棒挿入側で狭い格子形状の炉心に装荷されるＤ格子炉心に装荷され、内部に複数本の燃料棒領域を占める水ロッドを備えた９×９燃料集合体である。本燃料集合体の燃料棒に用いられる核燃料ペレットのウラン最高濃縮度は４．９ｗｔ％乃至５ｗｔ％の範囲のＤ格子炉心向け燃料としては充分に高い濃縮度である。
【００２７】
また、本燃料集合体は、燃料有効長上端から燃料有効長の略３０％相当の距離だけ下方位置を下限位置としたとき、この下限位置よりも上方側において濃縮度境界のない燃料棒と、濃縮度境界を有する燃料棒とからなる。濃縮度境界を有する燃料棒では、上部側で濃縮度が低くなるように燃料ペレットを配した燃料棒が使用され、上部で濃度の高い燃料棒を含まない。更に、本燃料集合体の燃料棒としては、上下端部に低濃縮度ペレットから構成されるブランケットが備えられているもの又は備えられていないものの何れでも良い。ブランケットが備えられている場合には、濃縮度境界はブランケット部を除いて判断する。
【００２８】
従って、本発明の燃料集合体では、濃縮度境界のうち最も下方側にある濃縮度境界を境界Ｂとしたとき、境界Ｂの直上にある燃料集合体の上部領域（Ｕ）は、境界Ｂの直下にある燃料集合体の下部領域（Ｌ）よりも燃料集合体の断面平均濃縮度は低くなる。
【００２９】
更に、本発明の燃料集合体では、燃料集合体の半径方向において、最外周燃料棒のうち、制御棒挿入側の１５本の燃料棒を燃料棒群１とし、反制御棒挿入側の１５本の燃料棒を燃料棒群２とする。図２に燃料棒群１と燃料棒群２との定義を示す。番号１〜８で示す制御棒挿入側の最外周燃料棒１５本を燃料棒群１とし、また、番号１０〜１７で示す反制御棒挿入側の最外周燃料棒１５本を燃料棒群２とする。なお、制御棒挿入側でも反制御棒挿入側でもない番号９の燃料棒は、燃料棒群１にも燃料棒群２にも属さない。
【００３０】
このように燃料棒群１と燃料棒群２とを定義した場合に、燃料棒群１の下部領域及び燃料棒群２の下部領域は、燃料集合体中で最高濃縮度の燃料ペレットをそれぞれ含み、ｅｉ（ｘ）を軸方向領域ｘ（ｘ＝Ｕ又はＬ）における燃料棒群ｉ（ｉ＝１又は２）の平均濃縮度としたとき、前述の（１）  式に示した関係を満たすものである。
【００３１】
具体的には、本発明では、半径方向に対して、チャンネル曲がりによる限界出力の低下の影響を緩和することを目的としている。ここでは、チャンネル曲がりの軸方向プロファイルとしてはコサイン分布を仮定し、１ｍｍ程度の最大曲がり量が燃料有効長の中央部で発生しているとした。この最大曲がり量は、Ｄ格子炉心で最高燃焼度で５５ＧＷｄ／ｔの高燃焼度化燃料での平均曲がり量に対し想定した代表値である。
【００３２】
図３はチャンネル曲がりによる限界出力の低下の様子を示す説明図である。図３は、半径方向の燃料棒相対出力分布の曲がりによる変化をもとに、最外周燃料棒における限界出力の変化を従来例１の燃料集合体に対して評価したものである。尚、横軸である燃料棒位置は図２の定義に従う。
【００３３】
図３に示す通り、チャンネル曲がりによって制御棒挿入側の燃料棒群１では限界出力が低下し、その影響は制御棒挿入側に最も近いコーナ部で最も大きく、燃料棒位置１では限界出力は約４％低下していることが判る。一方、反制御棒挿入側の燃料棒群２では、逆に限界出力は向上していることが判る。何れにも属さない燃料棒（位置９）では変化はない。こうした傾向は、燃料集合体の構造や核設計の違いによって大きく変わらない。
【００３４】
本発明では、チャンネル曲がりによる限界出力の変化傾向を考慮し、限界出力が低減する制御棒挿入側に近い最外周燃料棒では濃縮度を低減することで限界出力の向上を図る。また、この構成に対し、集合体の平均濃縮度が低下するのを防ぐため、限界出力が大きくなる反制御棒挿入側の最外周燃料棒に対しては、濃縮度を高める構成としている。更に、上記構成にあたっては、下部側断面の高濃縮度化を阻害することがないよう沸騰遷移が起こりやすい上部側の領域に対して適用する。
【００３５】
また、Ｄ格子炉心では、前述のとおり制御棒挿入側の燃料棒で出力が高まり易い。運転中の熱的制限値である最大線出力密度の運転余裕を確保するためには、線出力密度が大きくなり易い下部断面に対しては、やはり制御棒挿入側燃料棒群１の平均濃縮度は燃料棒群２よりも濃縮度を低くすることが望ましい。
【００３６】
以上までのことから、制御棒挿入側燃料棒群１の平均濃縮度は燃料棒群２よりも濃縮度を低くし、しかも、その差は上部断面で大きくなるようにすればよいことがわかった。この構成を定式化したものが（１）  式である。本構成により、最小限界出力比の熱的運転余裕は確保され、しかも高濃縮度化を阻害することのない、高燃焼度化に好適な燃料集合体を構成することができる。
【００３７】
【実施例】
図４は本発明の沸騰水原子炉用燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。この図４は、従来例１から濃縮度分布を変更し本発明の構成としたものである。上下端１／２４ノードずつ（燃料有効長を２４個のノードに分割して記載）の天然ウランについては、従来例１から変更をしていないので以下の説明では天然ウランの記述を省略する。
【００３８】
本実施例では、従来例１より燃料棒の種類は以下の追加変更を行った。まず、最高濃縮度のみから形成される燃料タイプ０を追加した。燃料タイプ１については濃縮度境界を３／２４ノード分だけ下げ、燃料タイプ１’とした。また、燃料タイプ３については、上部が低濃縮度となるよう燃料タイプ１’と同じ位置に濃縮度境界を設け燃料タイプ３’とした。燃料タイプ４については、２１ノードよりも上部が低濃縮度となるよう濃縮度境界を設け燃料タイプ４’とした。同様に、燃料タイプ６についても上部が低濃縮度となるよう濃縮度境界を設け燃料タイプ６’とした。
【００３９】
燃料棒配置については、制御棒挿入側の最外周位置には、上部を低濃縮度とした燃料棒タイプ１’、３’、４’及び６’を配置した。また、反制御棒挿入側の最外周位置には、最高濃縮度からなる燃料棒タイプ０を配置した。ただし、反制御棒挿入側であっても出力が高くなりやすいコーナ位置については濃縮度が比較的低い燃料棒タイプ４’を配置している。
【００４０】
本構成による限界出力の改善の様子については後述するが、反制御棒挿入側コーナ位置の燃料棒は、限界出力に余裕があるため必ずしも上部の濃縮度を低減する必要はなく、従来例１の燃料棒タイプ４であっても良い。ここでは、燃料棒の種類数が増加し、製造上の複雑性の増大を抑えるために燃料棒タイプ４’を配した。
【００４１】
本実施例において、各領域の平均濃縮度は以下となり、明らかに（１）  式を満足することが判る。
【００４２】
【表１】
2004354319.tif 000003
【００４３】
以下、本発明による改善の程度を定量的に示す。前述のとおり、高濃縮度燃料では、最外周燃料棒で沸騰遷移が起こりやすい。最外周燃料棒について図５は沸騰遷移に至る限界出力を相対的に比較して示したものである。破線は従来例１に相当し、このうち最も限界出力が小さい燃料棒位置８を基準（０％）にしている。一点鎖線は従来例に対しチャンネル曲がりを考慮したときの様子である。
【００４４】
チャンネル曲がりが生じた場合、図３に示した影響を受ける結果、本例の場合、特に燃料棒１は燃料棒８よりも２．８％限界出力が低下する。つまり、チャンネル曲がりが生じた場合、原子炉運転中の熱的運転余裕は２．８％低下することになる。本実施例での限界出力の様子を図５の実線で示す。
【００４５】
これは、曲がりが生じた場合の結果として図示している。本実施例では、チャンネル曲がりが生じて制御棒挿入側で限界出力の低下があった場合でも、従来例１に比べて限界出力を約２％改善できる。なお、集合体平均濃縮度は４．３９ｗｔ％で、従来例１と変わらず高濃縮度化を阻害することはない。
【００４６】
以上説明したとおり、本発明は、高燃焼度化に伴いチャンネルボックスに曲がりが生じた場合であっても熱的運転余裕を確保し、しかも燃料集合体の高濃縮度化を阻害することなく運転長期化と取出燃焼度の向上を実現する沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通り、高燃焼度化に伴うチャンネル曲がりの影響を考えて熱的運転余裕を確保し、しかも燃料集合体の高濃縮度化を阻害することなく運転長期化と取出燃焼度の向上を実現する沸騰水型原子炉用燃料集合体を得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】本発明での軸方向における領域Ｕ、領域Ｌ及びその濃縮度境界の定義を示す説明図である。
【図２】燃料棒群１と燃料棒群２との定義を示す説明図である。
【図３】チャンネル曲がりによる限界出力の低下の様子を示す説明図である。
【図４】本発明の沸騰水原子炉用燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。
【図５】本実施例での限界出力の様子を示す線図である。
【図６】燃料棒が９行９列に配列された９×９格子の燃料集合体の断面形状の一従来例を示す説明図である。
【図７】核設計（半径方向及び軸方向の濃縮度分布）の一従来例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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【図６】
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【図７】
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