(57)【要約】【課題】局所出力ピーキングを低減しつつ、燃料集合体一体あたりの製造コストを低減する。【解決手段】水ロッド１４をｎ行ｎ列正方格子状配列の略中央部領域に配置し、燃料棒１２を燃料有効長が通常の燃料棒と短尺燃料棒とで構成し、正方格子状配列の最外周層にはウラン燃料棒１２（燃料番号１〜４）を配置し、正方格子状配列の最外周層から２層目を含みそれより内側の領域のうち２層目の４つのコーナー位置にはウラン燃料棒１２（燃料番号１，Ｇ１）を配置するとともに、残りの位置に、可燃性毒物入りの複数のウラン燃料棒１２（燃料番号Ｇ１）と、プルトニウム富化度が互いに同一である複数のＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）とを配置する。【選択図】図２
2005098924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料を含む複数のＭＯＸ燃料棒とウラン酸化物燃料を含む複数のウラン燃料棒とをｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用のＭＯＸ燃料集合体において、
水ロッド又は水チャンネルを前記正方格子状配列の略中央部領域に配置し、
前記燃料棒を、燃料有効長が通常の通常燃料棒と、燃料有効長が通常よりも短い短尺燃料棒とで構成し、
前記正方格子状配列の最外周層には前記ウラン燃料棒を配置し、
前記正方格子状配列の最外周層から２層目を含みそれより内側の領域のうち、２層目の４つのコーナー位置である(２，２)、(２，ｎ−１)、(ｎ−１，２)、(ｎ−１，ｎ−１)には前記ウラン燃料棒を配置するとともに、残りの位置の前記通常燃料棒としては、可燃性毒物入りの複数の前記ウラン燃料棒と、プルトニウム富化度が互いに同一である複数の前記ＭＯＸ燃料棒とを配置したことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項２】
請求項１記載のＭＯＸ燃料集合体において、
前記可燃性毒物入りの複数のウラン燃料棒は、すべて前記正方格子状配列の最外周層から２層目に配置されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項３】
ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料を含む複数のＭＯＸ燃料棒とウラン酸化物燃料を含む複数のウラン燃料棒とをｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用のＭＯＸ燃料集合体において、
水ロッド又は水チャンネルを前記正方格子状配列の略中央部領域に配置し、
前記燃料棒を、燃料有効長が通常の通常燃料棒と、燃料有効長が通常よりも短い短尺燃料棒とで構成し、
前記複数のＭＯＸ燃料棒を、プルトニウム富荷度が相対的に低い低富荷度ＭＯＸ燃料棒と、プルトニウム富荷度が相対的に高い高富荷度ＭＯＸ燃料棒とで構成し、
前記正方格子状配列の最外周層には前記ウラン燃料棒を配置し、
前記正方格子状配列の最外周層から２層目を含みそれより内側の領域のうち、前記低富荷度ＭＯＸ燃料棒を、少なくとも４つのコーナー位置である(２，２)、(２，ｎ−１)、(ｎ−１，２)、(ｎ−１，ｎ−１)を含む前記２層目に配置するとともに、残りの位置の前記通常燃料棒としては、複数の前記高富荷度ＭＯＸ燃料棒を配置したことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項４】
請求項３記載のＭＯＸ燃料集合体において、
前記可燃性毒物入りの複数のウラン燃料棒は、すべて前記正方格子状配列の最外周層に配置されていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項５】
請求項４記載のＭＯＸ燃料集合体において、
前記可燃性毒物入りの複数のウラン燃料棒は、前記最外周層のうち、４つのコーナー位置に隣接する位置にさらに隣接する位置に設けられていることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項６】
請求項１又は３記載のＭＯＸ燃料集合体において、
前記正方格子状配列の最外周層から２層目のなす４辺のうち、４つのコーナー位置と各辺の略中央とに位置する燃料棒を、それぞれ前記短尺燃料棒としたことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項７】
請求項１又は３記載のＭＯＸ燃料集合体において、
前記正方格子状配列の最外周層のなす４辺のうち各辺の略中央に位置する燃料棒と、最も内側の層において前記水ロッド又は水チャンネルの近傍に位置する燃料棒とを、それぞれ前記短尺燃料棒としたことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉（以下適宜、ＢＷＲという）に装荷する燃料集合体に係わり、特にプルトニウム酸化物を混入したＭＯＸ燃料棒を有するＭＯＸ燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
（１)中性子吸収効果の低下による可燃性毒物燃料棒本数・毒物量の増大
原子力発電所の核燃料リサイクルとして、再処理によって取り出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（以下適宜、ＭＯＸ燃料という）の利用がある。近年、燃料の経済性の向上を図るため、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化のニーズがある。
【０００３】
ＭＯＸ燃料集合体では、核分裂核種であるプルトニウム２３９やプルトニウム２４１の熱中性子吸収がウラン２３５より大きく、プルトニウム２４０の中性子吸収がウラン２３８より大きいため、中性子のエネルギスペクトルが硬くなることにより、ウラン燃料集合体よりもガドリニア等の可燃性毒物の中性子吸収効果が低下する。また、燃料の高燃焼度化を図るためには、燃料の持つ反応度を高める必要があることから、ＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度を増加させることによって、中性子エネルギスペクトルの硬化や中性子吸収効果の低下が増す。
【０００４】
ＢＷＲにおける反応度制御は、制御棒による反応度抑制効果に加えて、燃料棒にガドリニア等の可燃性毒物を混入することによる反応度抑制効果が使用されている。従って、高燃焼度化に伴い、燃料のウラン濃縮度やプルトニウム富化度が増加すると燃料の反応度が増大するため、反応度を抑制するために可燃性毒物を混入する燃料棒の本数や可燃性毒物量が増加する傾向になるが、ＭＯＸ燃料においては、この傾向は、中性子スペクトルの硬化により可燃性毒物の中性子吸収効果が低減する効果によって助長される。
【０００５】
（２)ウラン燃料棒への可燃性毒物の添加
一般に、可燃性毒物を混入する燃料棒の本数を増加させれば、燃焼初期での無限増倍率が低下する。また、混入する可燃性毒物の濃度を増加させれば、ガドリニアの燃え尽きる時期を遅らせ、その結果、無限増倍率の最大値を抑えることが可能となる。これらの効果を用いることで、可燃性毒物を混入した燃料棒本数とその混入濃度の組み合わせにより、炉心の余剰反応度や軸方向出力分布を適切に制御することが可能となる。しかしながら、ＭＯＸ燃料集合体の場合、ＭＯＸ燃料棒にガドリニア等の可燃性毒物を混入することは、燃料の成型が複雑になりコスト高の要因となるため、実際は現実的ではない。このため、ウラン燃料棒にのみガドリニア等の可燃性毒物を混入することが通常考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この従来技術では、特に、可燃性毒物入りウラン燃料棒を、大きな水ギャップ部に隣接し中性子スペクトルがもっとも柔らかい燃料集合体の最外周の４つのコーナー位置に配置することにより、可燃性毒物の価値を増大させている。そして、上記４隅コーナー位置以外のすべての格子位置にはすべてＭＯＸ燃料棒を配置している。
【０００７】
このとき、この従来技術では、ＭＯＸ燃料棒として、プルトニウム富化度が相対的に大きい高富化度燃料棒、相対的に小さい低富化度燃料棒、それらの中間の中富化度燃料棒の３種類を設けている。そして、燃料集合体内における径方向局所出力ピーキングを低減するために、水ギャップ部に隣接し中性子スペクトルが比較的柔らかく局所出力が大きくなりやすい燃料集合体の最外周層には上記低富化度燃料棒と中富化度燃料棒とを配置し、特に局所出力が大きくなりやすい上記４つのコーナー位置の可燃性毒物入りウラン燃料棒に隣接する位置に低富化度燃料棒を、それ以外の位置には中富化度燃料棒を配置している。また同様の観点から、最外周層から２層目を含みそれより内側の領域のうち、２層目の４つのコーナー部には中富化度燃料棒を配置し、それ以外の位置に高富化度燃料棒を配置している。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−４６５８７号公報（第７図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来技術においては、以下の課題が存在する。
【００１０】
すなわち、ＭＯＸ燃料は、従来は再利用が考えられていなかった使用済み燃料を再処理してプルトニウムを取り出し、これを混合して有効利用するものであるため、その性質上、もともと、通常のウラン燃料よりは成型工程が複雑となって製造コストが増大する傾向とならざるを得ない。したがって、核燃料物質の有効活用という観点から考案されたＭＯＸ燃料のさらなる活用・推進を図るためには、これ以上の製造コストの増大要素は極力排除することが、資源の乏しい我が国のエネルギー施策上からもきわめて重要である。
【００１１】
ＭＯＸ燃料の製造コストを低減するためには、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム平均富化度を極力高くすることが有効である。これは、一本のＭＯＸ燃料棒になるべくたくさんのプルトニウムを装荷することにより、ある所定量全体のプルトニウムを装荷するためのＭＯＸ燃料棒本数を低減でき、結果として、ＭＯＸ燃料集合体一体あたりの製造コストを低減できるからである。
【００１２】
上記従来技術においては、このような平均富化度を高くすることによるコスト低減という観点からの配慮が十分でなく、局所出力ピーキングの低減のために３種類の富化度のＭＯＸ燃料棒、すなわち前述のように低富化度燃料棒、中富化度燃料棒、高富化度燃料棒を設けている。このように高富化度燃料棒に加えて、中富化度燃料棒、低富化度燃料棒という３種類の富化度の燃料棒が存在する結果、全ＭＯＸ燃料棒の平均富化度を増大させるのに限界があり、ＭＯＸ燃料集合体一体あたりの製造コストの低減を十分に図るのが困難であった。
【００１３】
本発明の目的は、局所出力ピーキングを低減しつつ、燃料集合体一体あたりの製造コストを低減できるＭＯＸ燃料集合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
(１)上記目的を達成するために、本発明は、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料を含む複数のＭＯＸ燃料棒とウラン酸化物燃料を含む複数のウラン燃料棒とをｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用のＭＯＸ燃料集合体において、水ロッド又は水チャンネルを前記正方格子状配列の略中央部領域に配置し、前記燃料棒を、燃料有効長が通常の通常燃料棒と、燃料有効長が通常よりも短い短尺燃料棒とで構成し、前記正方格子状配列の最外周層には前記ウラン燃料棒を配置し、前記正方格子状配列の最外周層から２層目を含みそれより内側の領域のうち、２層目の４つのコーナー位置である(２，２)、(２，ｎ−１)、(ｎ−１，２)、(ｎ−１，ｎ−１)には前記ウラン燃料棒を配置するとともに、残りの位置の前記通常燃料棒としては、可燃性毒物入りの複数の前記ウラン燃料棒と、プルトニウム富化度が互いに同一である複数の前記ＭＯＸ燃料棒とを配置する。
【００１５】
正方格子状に配列された燃料集合体においては、その最外周層が水ギャップ部に面しているため、もっとも出力ピークが立ちやすい。このため、ＭＯＸ燃料集合体においては、正方格子状配列の最外周部に配置されるＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を低減する必要がある。ここで、ＭＯＸ燃料棒の平均のプルトニウム富化度を高めるには、ＭＯＸ燃料集合体に配置される多数のＭＯＸ燃料棒のうち富化度の低いＭＯＸ燃料棒をウラン燃料棒に置き換えることが有効である。
【００１６】
そこで本発明においては、上記に対応して、正方格子状配列の最外周層にはＭＯＸ燃料棒を配置することなくウラン燃料棒を配置し、さらに最外周層から２層目の中でもっとも相対的に水ギャップに近く出力ピークが立ちやすい４つのコーナーにもウラン燃料棒を配置している。そして、上記以外の残りの位置には、プルトニウム富化度が互いに同一である（言い換えれば富化度一種類の)ＭＯＸ燃料棒をすべて配置している。このようにすべてのＭＯＸ燃料棒の富化度を同一とし富化度を一種類とすることにより、例えばその一種類の富化度設定を比較的高めにすることで、３種類の富化度設定を設ける従来構造と異なり、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム平均富化度を高くすることができる。この結果、一本のＭＯＸ燃料棒になるべくたくさんのプルトニウムを装荷することができるので、ある所定量全体のプルトニウムを装荷するためのＭＯＸ燃料棒本数を低減でき、結果として、ＭＯＸ燃料集合体一体あたりの製造コストを低減できる。また、富化度種類を一種類にすることで、３種類である従来構造に比べて燃料ペレット成型を行う製造ラインを簡略化でき、これによっても製造コストを低減できる。
【００１７】
一方、上記のようにして正方格子状配列の最外周層をＭＯＸ燃料棒からウラン燃料棒に置き換えた場合、その置き換える本数を多くするほど、燃焼が進んだ時点での燃料集合体内の燃料棒の局所出力ピーキングが大きくなる。そこで、本発明においては、これに対応して、横断面形状略円形の水ロッド又は横断面形状略四角形の水チャンネルを正方格子状配列の略中央部領域に配置し、そのままでは相対的に水ギャップから遠くて出力が低くなる中央部領域の近くに新たに水領域を出現させ、これによって中央部領域の出力を相対的に増大させている。これにより、上記置き換えによる局所出力ピーキングの増大を相殺し、燃料集合体で見た場合に局所出力ピーキングを低減することが可能となる。なお、例えば水ロッド又は水チャンネルの近傍は特に出力が高くなることから、これについてもＭＯＸ燃料棒とせず、例えば短尺のウラン燃料棒に置き換えてもよい。
【００１８】
以上のようにして、本発明においては、局所出力ピーキングを低減しつつ、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類を一種類に統一し、燃料集合体一体あたりの製造コストを低減することができる。
【００１９】
(２）上記（１）において、好ましくは、前記可燃性毒物入りの複数のウラン燃料棒は、すべて前記正方格子状配列の最外周層から２層目に配置されている。
【００２０】
(３)上記目的を達成するために、また本発明は、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料を含む複数のＭＯＸ燃料棒とウラン酸化物燃料を含む複数のウラン燃料棒とをｎ行ｎ列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用のＭＯＸ燃料集合体において、水ロッド又は水チャンネルを前記正方格子状配列の略中央部領域に配置し、前記燃料棒を、燃料有効長が通常の通常燃料棒と、燃料有効長が通常よりも短い短尺燃料棒とで構成し、前記複数のＭＯＸ燃料棒を、プルトニウム富荷度が相対的に低い低富荷度ＭＯＸ燃料棒と、プルトニウム富荷度が相対的に高い高富荷度ＭＯＸ燃料棒とで構成し、前記正方格子状配列の最外周層には前記ウラン燃料棒を配置し、前記正方格子状配列の最外周層から２層目を含みそれより内側の領域のうち、前記低富荷度ＭＯＸ燃料棒を、少なくとも４つのコーナー位置である(２，２)、(２，ｎ−１)、(ｎ−１，２)、(ｎ−１，ｎ−１)を含む前記２層目に配置するとともに、残りの位置の前記通常燃料棒としては、複数の前記高富荷度ＭＯＸ燃料棒を配置する。
【００２１】
正方格子状に配列された燃料集合体においては、その最外周層が水ギャップ部に面しているため、もっとも出力ピークが立ちやすい。このため、ＭＯＸ燃料集合体においては、正方格子状配列の最外周部に配置されるＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を低減する必要がある。ここで、ＭＯＸ燃料棒の平均のプルトニウム富化度を高めるには、ＭＯＸ燃料集合体に配置される多数のＭＯＸ燃料棒のうち富化度の低いＭＯＸ燃料棒をウラン燃料棒に置き換えることが有効である。
【００２２】
そこで本発明においては、上記に対応して、正方格子状配列の最外周層にはＭＯＸ燃料棒を配置することなくウラン燃料棒を配置している。そして、上記以外の残りの位置には、プルトニウム富荷度が相対的に低い低富荷度ＭＯＸ燃料棒とプルトニウム富荷度が相対的に高い高富荷度ＭＯＸとからなる（言い換えれば富化度２種類の)ＭＯＸ燃料棒を配置するとともに、このとき最外周層から２層目の中でもっとも相対的に水ギャップに近く出力ピークが立ちやすい４つのコーナーには低富荷度ＭＯＸ燃料棒を配置している。このようにしてＭＯＸ燃料棒の富化度を２種類に限定することにより、３種類の富化度設定を設ける従来構造よりも、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム平均富化度を高めに設定することが可能となる。この結果、一本のＭＯＸ燃料棒になるべくたくさんのプルトニウムを装荷することができるので、ある所定量全体のプルトニウムを装荷するためのＭＯＸ燃料棒本数を低減でき、結果として、ＭＯＸ燃料集合体一体あたりの製造コストを低減できる。また、富化度種類を２種類にすることで、３種類である従来構造に比べて燃料ペレット成型を行う製造ラインをその分簡素化でき、これによっても製造コストを低減できる。
【００２３】
一方、上記のようにして正方格子状配列の最外周層をＭＯＸ燃料棒からウラン燃料棒に置き換えた場合、その置き換える本数を多くするほど、燃焼が進んだ時点での燃料集合体内の燃料棒の局所出力ピーキングが大きくなる。そこで、本発明においては、これに対応して、横断面形状略円形の水ロッド又は横断面形状略四角形の水チャンネルを正方格子状配列の略中央部領域に配置し、そのままでは相対的に水ギャップから遠くて出力が低くなる中央部領域の近くに新たに水領域を出現させ、これによって中央部領域の出力を相対的に増大させている。これにより、上記置き換えによる局所出力ピーキングの増大を相殺し、燃料集合体で見た場合に局所出力ピーキングを低減することが可能となる。なお、例えば水ロッド又は水チャンネルの近傍は特に出力が高くなることから、これについてもＭＯＸ燃料棒とせず、例えば短尺のウラン燃料棒に置き換えてもよい。
【００２４】
以上のようにして、本発明においては、局所出力ピーキングを低減しつつ、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類を２種類に低減し、燃料集合体一体あたりの製造コストを低減することができる。
【００２５】
(４）上記（３）において、好ましくは、前記可燃性毒物入りの複数のウラン燃料棒は、すべて前記正方格子状配列の最外周層に配置されている。
【００２６】
これにより、燃料集合体外側の水ギャップ領域に近くスペクトルが柔らかい位置に可燃性毒物入り燃料棒を配置するので、可燃性毒物の価値を高め、可燃性毒物入り燃料棒の本数を抑制し、その分燃料集合体当たりのプルトニウム装荷量増大を図ることができる。
【００２７】
(５）上記（４）において、さらに好ましくは、前記可燃性毒物入りの複数のウラン燃料棒は、前記最外周層のうち、４つのコーナー位置に隣接する位置にさらに隣接する位置に設けられている。
【００２８】
(６）上記（１）又は(３）において、また好ましくは、前記正方格子状配列の最外周層から２層目のなす４辺のうち、４つのコーナー位置と各辺の略中央とに位置する燃料棒を、それぞれ前記短尺燃料棒とする。
【００２９】
(７）上記（１）又は(３）において、好ましくは、前記正方格子状配列の最外周層のなす４辺のうち各辺の略中央に位置する燃料棒と、最も内側の層において前記水ロッド又は水チャンネルの近傍に位置する燃料棒とを、それぞれ前記短尺燃料棒とする。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１記載の発明によれば、局所出力ピーキングを低減しつつ、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類を一種類に統一し、燃料集合体一体あたりの製造コストを低減することができる。
【００３１】
請求項３記載の発明によれば、局所出力ピーキングを低減しつつ、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類を２種類に限定し、燃料集合体一体あたりの製造コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３３】
本発明の第１の実施形態を図１及び図２により説明する。
図１は、本実施形態の燃料集合体の全体構造を表す縦断面図である。
【００３４】
この図１において、本実施形態の燃料集合体１１は、複数（この例では７４本)の燃料棒１２と２本の水ロッド１４とをｎ行ｎ列（この例ではｎ（笑)９の９行９列)正方格子状に配列して燃料バンドルを形成し、その燃料バンドルの軸方向上下端を上部タイプレート１５及び下部タイプレート１６で支持すると共に、軸方向中間部複数箇所を燃料スペーサ１７で束ねることで燃料棒１２及び水ロッド１４の相互間の間隙を適切に保持し、さらにそれらの外周側を略角筒状のチャンネルボックス１３で覆って構成されている。
【００３５】
チャンネルボックス１３は、上部タイプレート１５に取り付けられ、スペーサ１７で保持された燃料棒１２の束の外周を取り囲んでいる。十字型の制御棒１９は、チャンネルボックス１３に隣接するようにして、４つの燃料集合体１１に１つの割合でそれら４つの燃料集合体のうち隣接するもののチャンネルボックス１３の間に挿入される。
【００３６】
燃料棒１２は、上部端栓及び下部端栓により両端を密封された被覆管内に多数の燃料ペレットを充填し、被覆管内のガスプレナム領域に配置したスプリングで燃料ペレットを上下に押圧するように構成したものである。
【００３７】
燃料ペレットは、ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料からなるＭＯＸ燃料ペレット、ウラン酸化物燃料からなるウラン燃料ペレット、ウラン酸化物燃料にさらに可燃性毒物としてのガドリニアを混入したガドリニア入りウラン燃料ペレットの３種類がある。ＭＯＸ燃料ペレットは、燃料物質であるＰｕＯ２及び燃料母材であるＵＯ２にて構成され、核分裂物質である２３９Ｐｕ、２４１Ｐｕ及び２３５Ｕを含んでいる。ウラン燃料ペレットは、燃料物質であるＵＯ２で構成され、核分裂物質である２３５Ｕを含んでいる。ガドリニア入りウラン燃料ペレットは、燃料物質であるＵＯ２及びこれに含有した可燃性毒物であるガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）にて構成され、核分裂物質である２３５Ｕを含んでいる。
【００３８】
図２は、本実施形態による燃料集合体の詳細構造を表す横断面図である。この図２及び前述の図１において、７４本の燃料棒１２と２本の水ロッド１４とが９行９列の正方格子状に配列されている(以下適宜、各格子位置を(行数字、列数字)で表す)。
【００３９】
水ロッド１４は、燃料物質を充填せず、内部を沸騰しない冷却水が通過するようになっており、９行９列の合計８１本の燃料棒を配列したもののうち、バンドル略中央部領域の７本の燃料棒を置き換える形で２本が配置されている。
【００４０】
燃料棒１２には、燃料番号１，２，３，４，Ｐ１，Ｇ１の合計６種類の燃料ペレットが設けられる。
【００４１】
燃料番号１，２，３，４はそれぞれ、ガドリニアを含有しないウラン燃料ペレットであり、長尺燃料棒（後述）３２本及び短尺燃料棒（後述）２本の合計３４本に装荷される。これら燃料番号１〜４のウラン燃料ペレットを備えた燃料棒１２（以下、燃料棒１２（燃料番号１〜４)のように表す)は、水平方向位置で見て、正方格子状配列の最外周層及び最外周部から２層目の２コーナ位置に配置される。
【００４２】
このとき、ウラン燃料の濃縮度の大小関係は、燃料番号１＞燃料番号２＞燃料番号３＞燃料番号４となっている。そして、局所出力ピーキングを低減するために、以下のような配置となっている。すなわち、正方格子状配列の４つのコーナー部(１，１)、(１，９)、(９，９)、(９，１)には濃縮度の最も小さい燃料棒１２（燃料番号４）が配置され、これらに隣接する８箇所(１，２)、(１，８)、(２，１)、(２，９)、（８，１）、（８，９）、(９，２)、(９，８)がその次に濃縮度の小さい燃料棒１２(燃料番号３)が配置され、さらにそれらのコーナー部と反対側に隣接する８箇所(１，３)、(１，７)、(３，１)、(３，９)、（７，１）、（７，９）、(９，３)、(９，７)がその次に濃縮度の小さい燃料棒１２(燃料番号２)が配置されている。最外周層のうち残りの部分と、最外周層から２層目の２つのコーナー部(２，８)、(８，２)には、最も濃縮度の大きい燃料棒１２(燃料番号１)が配置されている。
【００４３】
燃料番号Ｇ１は、ガドリニア入りウラン燃料ペレットであり、長尺燃料棒（後述）１２本及び短尺燃料棒（後述）２本の合計１４本に装荷され、正方格子状配列の最外周層から２層目を含みそれより内側の領域（１点鎖線で示された領域）のうち、最外周層（言い換えれば正方格子状配列の最外周層から２層目)に配置される。具体的には、図２に示すように、(２，２)、(２，３)、（２，６）、（２，７）、(３，２)、(３，８)、(４，８)、(６，２)、(７，２)、(７，８)、(８，３)、(８，４)、(８，７)、(８，８)の１４箇所の燃料棒に装荷されている。なお、ウラン濃縮度は、燃焼度制御の態様に応じて適宜設定される。
【００４４】
燃料番号Ｐ１は、ガドリニアを含有しないＭＯＸ燃料ペレットであり、すべて互いに同一のプルトニウム富荷度であり、長尺燃料棒（後述）２２本及び短尺燃料棒（後述）４本の合計２６本、具体的には最外周層から２層目を含みそれより内側の領域のうち、上記したガドリニア入りウラン燃料棒１２(燃料番号Ｇ１)、ＭＯＸ燃料棒１２(燃料番号Ｐ１)、水ロッド１４以外の部分に配置された燃料棒１２に装荷される。
【００４５】
なお、上記した各燃料棒１２のうち、最外周層から２層目のなす４辺のうち、コーナー位置(２，２)、(８，８)に位置する燃料棒１２(燃料番号Ｇ１)、コーナー位置(８，２)、(２，８)に位置する燃料棒１２(燃料番号１)、各辺の中央(２，５)、(５，２)、(５，８)、(８，５)に位置する燃料棒１２(燃料番号Ｐ１)の合計８本を、それぞれ燃料有効長が通常よりも短い短尺燃料棒(図２中◎で表す）としている（これに対比させて、通常有効長の燃料棒を適宜長尺燃料棒と称する）。
【００４６】
以上のように構成した本実施形態の燃料集合体１１においては、以下のような作用効果を奏する。
【００４７】
一般に、正方格子状に配列された燃料集合体においては、その最外周層が水ギャップ部に面しているため、もっとも出力ピークが立ちやすい。このため、ＭＯＸ燃料集合体においては、正方格子状配列の最外周部に配置されるＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を低減する必要がある。ここで、ＭＯＸ燃料棒の平均のプルトニウム富化度を高めるには、ＭＯＸ燃料集合体に配置される多数のＭＯＸ燃料棒のうち富化度の低いＭＯＸ燃料棒をウラン燃料棒に置き換えることが有効である。
【００４８】
そこで、本実施形態においては、上記に対応して、正方格子状配列の最外周層にはＭＯＸ燃料棒を配置することなくウラン燃料棒１２（燃料番号１〜４）を配置している。また、最外周層から２層目の中でもっとも相対的に水ギャップに近く出力ピークが立ちやすい４つのコーナー位置（２，２）、（２，８）、（８，２）、(８，８）にもウラン燃料棒（正確にはガドリニア非添加のウラン燃料棒１２（燃料番号１）とガドリニア入りウラン燃料棒１２（燃料番号Ｇ１））を配置している。
【００４９】
図３は、この構成による出力ピーキング低減作用を表す説明図である。最外周層から２層目を含みそれより内側の領域に所定の高プルトニウム富荷度のＭＯＸ燃料棒を配置した前提において、最外周層から２層目の上記４つのコーナー位置をウラン燃料棒に置き換えた場合（ウラン燃料棒配置ケース、本実施形態に相当）、上記所定の富荷度よりも低富荷度のＭＯＸ燃料棒に置き換えた場合(低富荷度ＭＯＸ燃料棒配置ケース)、何も置き換えない場合(高富荷度ＭＯＸ燃料棒配置ケース)を、それぞれ比較して示したものであり、横軸には燃焼度（ＧＷｄ／ｔ）、縦軸には燃焼度ピーキングをとって示している。このときの評価で使用したＭＯＸ燃料集合体は、炉心装荷状態で同一の取出燃焼度及び同程度のＭＯＸ燃料棒平均プルトニウム富化度を維持したものである。図３に示すように、最外周層から２層目の４つのコーナー位置に内側領域と同一富化度のＭＯＸ棒を配置した「高富化度ＭＯＸ棒配置ケース」では大きな燃焼度ピーキングが見られるのに対し、４つのコーナー位置に内側領域より低い富化度のＭＯＸ棒を配置した「低富化度ＭＯＸ棒配置ケース」及びウラン棒を配置した「ウラン棒配置ケース」では、適正な燃焼度ピーキングが得られ、局所出力ピーキングが大きく低減していることが分かる。
【００５０】
そして本実施形態では、上記（最外周層及び２層目コーナー部）以外の残りの位置には、プルトニウム富化度が互いに同一である（言い換えれば富化度一種類の)ＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）をすべて配置している。このようにすべてのＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）の富化度を同一とし富化度を一種類とすることにより、その富化度設定を比較的高めにすることで、３種類の富化度設定を設ける従来構造と異なり、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム平均富化度を高くすることができる。この結果、一本のＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）になるべくたくさんのプルトニウムを装荷することができるので、ある所定量全体のプルトニウムを装荷するためのＭＯＸ燃料棒１２の本数を低減でき、結果として、ＭＯＸ燃料集合体１１一体あたりの製造コストを低減できる。また、富化度種類を一種類にすることで、３種類である従来構造に比べて燃料ペレット成型を行う製造ラインを簡略化でき、これによっても製造コストを低減できる。
【００５１】
一方、上記のようにして正方格子状配列の最外周層をＭＯＸ燃料棒からウラン燃料棒（燃料番号１〜４）に置き換えた場合、その置き換える本数を多くするほど、燃焼が進んだ時点での燃料集合体１１内の燃料棒１２の局所出力ピーキングが大きくなる。そこで、本実施形態においては、これに対応して、横断面形状略円形の水ロッド１４，１４を正方格子状配列の略中央部領域に配置し、そのままでは相対的に水ギャップから遠くて出力が低くなる中央部領域の近くに新たに水領域を出現させ、これによって中央部領域の出力を相対的に増大させている。これにより、上記置き換えによる局所出力ピーキングの増大を相殺し、燃料集合体１１全体で見た場合における局所出力ピーキングを低減することが可能となる。
【００５２】
以上のようにして、本実施形態においては、局所出力ピーキングを低減しつつ、ＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）の富化度種類を一種類に統一し、燃料集合体一体あたりの製造コストを低減することができる。
【００５３】
また、最外周層から２層目を含みそれより内側の領域において、燃料集合体１１外側の水ギャップ領域に比較的近く相対的に最もスペクトルが柔らかい位置にすべての可燃性毒物入り燃料棒１２（燃料番号Ｇ１）を配置するので、可燃性毒物の価値を高め、可燃性毒物入り燃料棒１２の本数を抑制し、その分燃料集合体１１当たりのプルトニウム装荷量増大を図ることができる。
【００５４】
なお、上記構成の第１の実施形態において、例えば水ロッド１４，１４の近傍は特に出力が高くなることから、これについてもＭＯＸ燃料棒とせず、例えば短尺のウラン燃料棒に置き換えてもよい。このような変形例を図４により説明する。
【００５５】
図４は、この変形例による燃料集合体１１′の全体構造を表す横断面図である。
【００５６】
図４において、この変形例では、図２に示した上記第１の実施形態の燃料集合体１１の構成において、水ロッド１４，１４近傍である（４，４）、（６，６）の２本のＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）を、短尺のウラン燃料棒（燃料番号１）に置き換えている。またこれに対応して、短尺燃料棒であった、最外周層から２層目のコーナー位置(２，２)、(８，８)に位置する燃料棒１２(燃料番号Ｇ１)、コーナー位置(８，２)、(２，８)に位置する燃料棒１２(燃料番号１)、各辺の中央(２，５)、(５，２)、(５，８)、(８，５)に位置する燃料棒１２(燃料番号Ｐ１)の合計８本を、燃料ペレット種類は変えないままで通常有効長の燃料棒とし、これに代えて、最外周層の四角形各辺中点位置（１，５）、（５，１）、（５，９）、（９，５）の４つのウラン燃料棒１２（燃料番号１）を、短尺の燃料棒としている。この結果、短尺燃料棒の数は、第１実施形態の合計８本から合計６本に低減されている。
【００５７】
本変形例によっても、上記第１の実施形態と同様の効果を得る。
【００５８】
本発明の第２の実施形態を図５により説明する。本実施形態は、ガドリニア入りウラン燃料棒を最外周層に配置した場合の実施形態である。第１の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５９】
図５は、本実施形態による燃料集合体１１−２の詳細構造を表す横断面図である。この図５において、７４本の燃料棒１２には、燃料番号１，２，３，Ｐ１，Ｐ２，Ｇ１の合計６種類の燃料ペレットが設けられる。
【００６０】
燃料番号Ｇ１は、ガドリニア入りウラン燃料ペレットであり、長尺燃料棒８本に装荷され、正方格子状配列の最外周層に配置される。具体的には、図５に示すように、(１，３)、(１，７)、（３，１）、（３，９）、(７，１)、(７，９)、(９，３)、(９，７)の８箇所の燃料棒１２に装荷されている。なお、ウラン濃縮度は、燃焼度制御の態様に応じて適宜設定される。
【００６１】
燃料番号１，２，３はそれぞれ、ガドリニアを含有しないウラン燃料ペレットであり、長尺燃料棒２４本に装荷される。これら燃料番号１〜３のウラン燃料ペレットを備えた燃料棒１２（燃料番号１〜３は、正方格子状配列の最外周層に配置される。なお、ウラン燃料の濃縮度の大小関係は、燃料番号１＞燃料番号２＞燃料番号３となっている。そして、局所出力ピーキングを低減するために、以下のような配置となっている。すなわち、正方格子状配列の４つのコーナー部(１，１)、(１，９)、(９，９)、(９，１)には濃縮度の最も小さい燃料棒１２（燃料番号３）が配置され、これらに隣接する８箇所(１，２)、(１，８)、(２，１)、(２，９)、（８，１）、（８，９）、(９，２)、(９，８)がその次に濃縮度の小さい燃料棒１２(燃料番号２)が配置されている。そして、最外周層のうち残りの部分(１，４)、(１，５)、（１、６）、（４，１）、（４，９）、（５，１）、（５，９）（６，１）、（６，９）には、最も濃縮度の大きい燃料棒１２(燃料番号１)が配置されている。
【００６２】
燃料番号Ｐ１，Ｐ２は、ガドリニアを含有しないＭＯＸ燃料ペレットであり、それぞれ長尺燃料棒３４本及び短尺燃料棒８本の合計４２本に装荷される。これら燃料番号Ｐ１，Ｐ２のＭＯＸ燃料ペレットを備えた燃料棒１２（燃料番号Ｐ１，Ｐ２は、正方格子状配列の最外周層より２層目を含みそれより内側の領域に配置される。なお、ＭＯＸ燃料のプルトニウム濃縮度の大小関係は、燃料番号Ｐ１＞燃料番号Ｐ２、すなわちＰ１が相対的に高富荷度の燃料、Ｐ２が相対的に低富荷度の燃料となっている。そして、局所出力ピーキングを低減するために、以下のような配置となっている。すなわち、正方格子状配列の最外周層より２層目の４つのコーナー部(２，２)、(２，８)、(８，２)、(８，８)と、２層目のなす四角形の各辺中点位置（２，５）、（５，２）、（５，８）、（８，５）とには負荷度の相対的に低い低富荷度燃料棒１２（燃料番号Ｐ２）が短尺燃料棒(図５中◎で表す）として合計８本配置され、残りの部分に富荷度の相対的に高い高富荷度燃料棒１２(燃料番号Ｐ１)が配置されている。
【００６３】
以上のように構成した本実施形態の燃料集合体１１−２においても、第１の実施形態の燃料集合体１１−１と同様、以下のような作用効果を奏する。
【００６４】
前述したように、正方格子状配列の最外周層はもっとも出力ピークが立ちやすくこの最外周部に配置されるＭＯＸ燃料棒のプルトニウム富化度を低減する必要があるが、ＭＯＸ燃料棒の平均のプルトニウム富化度を高めるには富化度の低いＭＯＸ燃料棒をウラン燃料棒に置き換えることが有効である。
【００６５】
本実施形態においては、上記に対応して、正方格子状配列の最外周層にはＭＯＸ燃料棒を配置することなくウラン燃料棒１２（燃料番号１〜３）を配置している。そして、上記（最外周層）以外の残りの位置には、プルトニウム富化度が相対的に低い低富荷度ＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ２）とプルトニウム富化度が相対的に高い高富荷度ＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）とを配置するとともに、このとき最外周層から２層目の中でもっとも相対的に水ギャップに近く出力ピークが立ちやすい４つのコーナー（２，２）、（２，８）、（８，２）、（８，８）には低富荷度ＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ２）を配置している。このようにしてＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１，Ｐ２）の富化度を２種類に限定することにより、３種類の富化度設定を設ける従来構造よりも、ＭＯＸ燃料棒のプルトニウム平均富化度を高めに設定することが可能となる。この結果、上記第１の実施形態と同様、ＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１又はＰ２）の１本当たりになるべくたくさんのプルトニウムを装荷することができるので、ある所定量全体のプルトニウムを装荷するためのＭＯＸ燃料棒１２の本数を低減でき、結果として、ＭＯＸ燃料集合体１１−２一体あたりの製造コストを低減できる。また、富化度種類を２種類にすることで、３種類である従来構造に比べて燃料ペレット成型を行う製造ラインを簡略化でき、これによっても製造コストを低減できる。
【００６６】
一方、上記のようにして正方格子状配列の最外周層をＭＯＸ燃料棒からウラン燃料棒（燃料番号１〜３）に置き換えた場合、その置き換える本数を多くするほど、燃焼が進んだ時点での燃料集合体１１−２内の燃料棒１２の局所出力ピーキングが大きくなる。そこで、本実施形態においては、これに対応して、横断面形状略円形の水ロッド１４，１４を正方格子状配列の略中央部領域に配置し、そのままでは相対的に水ギャップから遠くて出力が低くなる中央部領域の近くに新たに水領域を出現させ、これによって中央部領域の出力を相対的に増大させている。これにより、上記置き換えによる局所出力ピーキングの増大を相殺し、燃料集合体１１全体で見た場合における局所出力ピーキングを低減することが可能となる。
【００６７】
以上のようにして、本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、局所出力ピーキングを低減しつつ、ＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１，Ｐ２）の富化度種類を２種類に限定し、燃料集合体一体あたりの製造コストを低減することができる。
【００６８】
また、正方格子状配列のうち、燃料集合体１１外側の水ギャップ領域に最も近く相対的に最もスペクトルが柔らかい最外周層にすべての可燃性毒物入り燃料棒１２（燃料番号Ｇ１）を集中配置するので、可燃性毒物の価値を特に高め、可燃性毒物入り燃料棒１２の本数を８本まで低減している。この結果、ＭＯＸ燃料棒１２の本数を第１の実施形態の２６本から４２本にまで増加できるので、その分燃料集合体１１−２当たりのプルトニウム装荷量をさらに増大させることができる。
【００６９】
なお、上記構成の第２の実施形態において、例えば水ロッド１４，１４の近傍は特に出力が高くなることから、これについてもＭＯＸ燃料棒とせず、例えば短尺のウラン燃料棒に置き換えてもよい。このような変形例を図６により説明する。
【００７０】
図６は、この変形例による燃料集合体１１′−２の全体構造を表す横断面図である。
【００７１】
図６において、この変形例では、図５に示した上記第２の実施形態の燃料集合体１１−２の構成において、水ロッド１４，１４近傍である（４，４）、（６，６）の２本のＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）を、短尺のウラン燃料棒（燃料番号１）に置き換えている。またこれに対応して、短尺燃料棒であった、最外周層から２層目の４つのコーナー位置(２，２)、(８，８)、(８，２)、(２，８)に位置するＭＯＸ燃料棒１２(燃料番号Ｐ２)及び各辺の中央(２，５)、(５，２)、(５，８)、(８，５)に位置するＭＯＸ燃料棒１２(燃料番号Ｐ２)の合計８本を通常有効長の燃料棒とするとともに、各辺の中央(２，５)、(５，２)、(５，８)、(８，５)に位置するＭＯＸ燃料棒１２(燃料番号Ｐ２)については富荷度を増大させて高富荷度ＭＯＸ燃料棒１２（燃料番号Ｐ１）に置き換えている。
【００７２】
そして、上記長尺化した短尺燃料棒に代えて、最外周層の四角形各辺中点位置（１，５）、（５，１）、（５，９）、（９，５）の４つのウラン燃料棒１２（燃料番号１）を、短尺の燃料棒としている。この結果、短尺燃料棒の数は、第２実施形態の合計８本から合計６本に低減されている。
【００７３】
本変形例によっても、上記第２の実施形態と同様の効果を得る。
【００７４】
なお、以上においては、正方格子状配列の略中央部領域に横断面形状略円形の２本の水ロッド１４，１４を配置した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、１本の太径水ロッド又は３本以上の小径水ロッドを配置してもよい。また、水ロッドにも限られず、横断面形状略四角形の水チャンネルを配置してもよい。図７はこのような変形例を表す横断面図である。図７において、この例では、図６に示した燃料集合体１１′−２の構成において、水ロッド１４に代えて、燃料集合体１１Ａの正方格子状配列の略中央部領域の燃料棒１２の９本分のスペースに横断面形状略正方形の水チャンネル１４Ａを設けている。これに伴い、図６における水ロッド１４近傍の２本の短尺ウラン燃料棒１２（燃料番号１）が省略されると共に、最外周層各辺の中央(１，５)、(５，１)、(５，９)、(９，５)に位置する短尺ウラン燃料棒１２(燃料番号１)については燃料をそのままに長尺化している。このような場合も、上記第１及び第２実施形態と同様の効果を得る。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料集合体の全体構造を表す縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による燃料集合体の詳細構造を表す横断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における出力ピーキング低減作用を表す説明図である。
【図４】水ロッド近傍をＭＯＸ燃料棒とせず短尺のウラン燃料棒に置き換えた変形例を表す横断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による燃料集合体の詳細構造を表す横断面図である。
【図６】水ロッド近傍をＭＯＸ燃料棒とせず短尺のウラン燃料棒に置き換えた変形例を表す横断面図である。
【図７】水チャンネルを用いた変形例を表す横断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１１，１１′    燃料集合体
１１−２        燃料集合体
１１′−２      燃料集合体
１１Ａ          燃料集合体
１２            燃料棒
１４            水ロッド
１４Ａ          水チャンネル
【図１】
2005098924.tif 000003
【図２】
2005098924.tif 000004
【図３】
2005098924.tif 000005
【図４】
2005098924.tif 000006
【図５】
2005098924.tif 000007
【図６】
2005098924.tif 000008
【図７】
2005098924.tif 000009