(57)【要約】【課題】経済性を損なうことなく初装荷炉心のコントロールセルに燃料集合体が長期間配置されても制御棒履歴効果が過度に大きくならないようにする。【解決手段】コントロールセルに配置される低濃縮度燃料１７には、制御棒１４の中心に最も近い格子位置に冷却水が流通可能な欠損領域６６が形成されている。また、欠損領域を通らない対角線２０でチャンネルボックス５２の内部を、欠損領域６６を含む制御棒側領域１５とそれ以外の反制御棒側領域１６とに分割したときに、制御棒側領域１５内の燃料棒５３，５４の平均濃縮度が反制御棒側領域１６内の燃料棒５３，５４の平均濃縮度よりも低く、かつ、制御棒側領域１５内の燃料棒の平均可燃性毒物濃度は反制御棒側領域１６内にある燃料棒５３，５４の平均可燃性毒物濃度よりも低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核分裂性物質を含有する燃料を被覆管に装填して両端を封じた複数本の燃料棒を角筒状のチャンネルボックス内に正方格子状に配列した燃料集合体を２行２列に配列してその中央に十字型の制御棒が挿入可能なセルを複数備えた沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、
前記燃料集合体は、前記制御棒の中心に最も近い格子位置に冷却水が流通可能な欠損領域が形成され、前記欠損領域を通らない対角線で前記チャンネルボックスの内部を前記欠損領域を含む制御棒側領域とそれ以外の反制御棒側領域とに分割したときに前記制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度が前記反制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度よりも低く、かつ、前記制御棒側領域内の燃料棒の平均可燃性毒物濃度は前記反制御棒側領域内にある燃料棒の平均可燃性毒物濃度よりも低い低濃縮度燃料集合体を含む、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【請求項２】
前記セルは４体の前記低濃縮度燃料集合体で形成されたコントロールセルを含むことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【請求項３】
前記燃料集合体は集合体平均濃縮度が異なる複数の種類からなり、前記低濃縮度燃料集合体は前記複数の種類のうち最も集合体平均濃縮度が低いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【請求項４】
前記低濃縮度燃料集合体は可燃性毒物を含有する燃料棒を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【請求項５】
核分裂性物質を含有する燃料を被覆管に装填して両端を封じた複数本の燃料棒を角筒状のチャンネルボックス内に正方格子状に配列した燃料集合体を２行２列に配列してその中央に十字型の制御棒が挿入可能なセルを複数備えた初装荷炉心を持つ沸騰水型原子炉の運転方法において、
前記燃料集合体は、前記制御棒の中心に最も近い格子位置に冷却水が流通可能な欠損領域が形成され、前記欠損領域を通らない対角線で前記チャンネルボックスの内部を前記欠損領域を含む制御棒側領域とそれ以外の反制御棒側領域とに分割したときに前記制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度が前記反制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度よりも低く、かつ、前記制御棒側領域内の燃料棒の平均可燃性毒物濃度は前記反制御棒側領域内にある燃料棒の平均可燃性毒物濃度よりも低い低濃縮度燃料集合体を含み、
前記セルは４体の前記低濃縮度燃料集合体で形成されたコントロールセルを含み、
前記コントロールセル内の制御棒の１回の運転サイクル中の制御棒の挿入時間が他の位置の制御棒よりも長くなるように制御棒を挿抜する、
ことを特徴とする沸騰水型原子炉の運転方法。
【請求項６】
複数の十字型の制御棒が挿入可能な沸騰水型原子炉の初装荷炉心に装荷される燃料集合体において、
前記制御棒の２つの翼に２面が対向するように配置される角筒状のチャンネルボックス内に核分裂性物質を含有する燃料を被覆管に装填して両端を封じた複数本の燃料棒を配列し、前記制御棒の中心に最も近い正方格子位置に冷却水が流通可能な欠損領域が形成され、前記欠損領域を通らない対角線で前記チャンネルボックスの内部を前記欠損領域を含む制御棒側領域とそれ以外の反制御棒側領域とに分割したときに前記制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度が前記反制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度よりも低く、かつ、前記制御棒側領域内の燃料棒の平均可燃性毒物濃度は前記反制御棒側領域内にある燃料棒の平均可燃性毒物濃度よりも低いことを特徴とする燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、初装荷炉心およびそれに用いる燃料集合体ならびに沸騰水型原子炉の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体は、一般に燃料ペレットを充填した被覆管からなる燃料棒を多数束ねて構成される。原子炉の炉心は、この燃料集合体をさらに束ねて円柱状に装荷することで形成される。原子炉の炉心には、燃料として濃縮ウランなどの核分裂性物質が酸化物の形態で装荷される。炉心の反応度は燃料の燃焼に伴って減少していくので、運転末期でも原子炉が臨界を保つように、運転初期には燃料を臨界量よりも多く装荷している。その結果生じる余剰反応度は、中性子の吸収量を調節して制御されている。中性子の吸収量は、ガドリニアなどの可燃性毒物を燃料に混合するとともに、炭化ホウ素あるいはハフニウムなどの中性子吸収物質からなる十字型の制御棒を、隣接する複数の燃料集合体の間に挿入することによって、調整される。
【０００３】
近年、原子力発電プラントにおいては、運転経済性を向上させるために、燃料であるウランの濃縮度を高めることにより高燃料度化を図ることや、運転サイクルを長期化してプラント利用率を向上させることで運転経済性を高めることに取り組んでいる。初装荷炉心に着目した場合、徐々に初装荷炉心平均取出燃焼度を高めて、経済性の向上を図ってきた。従来の初装荷炉心は、取替燃料よりも低い一様濃縮度燃料で構成されていたが、平衡炉心と同じ濃縮度の燃料集合体を最高濃縮度燃料として燃料集合体の濃縮度差を設定することで平衡炉心を模擬した初装荷炉心などが開発されてきた。最近の初装荷炉心では、こういった技術をさらに発展させて、燃料取替なしで二サイクル連続運転が可能な技術が考案されている。このような初装荷炉心では、燃料取替なしで２サイクル連続運転が可能なように、初装荷炉心に装荷される高濃縮度燃料の濃縮度が取替炉心よりも高く設定されている。
【０００４】
また、これに合わせて、原子炉の運転操作性向上のために、燃料集合体の原子炉内での配置も改良されてきた。たとえば、原子炉の出力を制御する制御棒を限定し、運転中に使用する制御棒の周辺に比較的燃料度の進んだ燃料集合体を配置して、コントロールセル（Control Cell）を形成する技術も導入された。これにより、制御棒の挿入深度を調整する際に周辺の燃料集合体における出力変動を緩やかにして、制御棒の移動による影響を小さくするような炉心のコントロールセルコア（Control Cell Core）が考案されている。現在は、このような燃料集合体および原子炉内の配置の改良を基に、原子炉の急速起動や定格出力での制御棒調整が考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１２２８８８号公報
【特許文献２】特開平８−２１１１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、コントロールセルコアの採用により、長期間、同一制御棒が使用されることになる。その結果、当該制御棒の周辺における燃料集合体については、制御棒が近傍に挿入されていることにより、燃料集合体の熱中性子分布が歪んで燃焼が不均一となる。このため、制御棒引抜時において制御棒挿入時には抑えられていた部分に出力が集中する。
【０００７】
また、制御棒が近傍に挿入されることにより、減速材が排除されて比較的高速中性子束が高くなり、プルトニウムの蓄積が進むことから制御棒引抜き時に出力が上昇するという制御棒履歴効果（Control blade history、ＣＢＨ効果）が生じる。
【０００８】
図１０は、コーナーロッドの局所ピーキングの燃焼変化を模式的に示すグラフである。コーナーロッドとは制御棒の中心に最も近い格子位置に配置された燃料棒である。局所ピーキングとは、燃料集合体の平均出力に対するある燃料棒の出力の比である。
【０００９】
図１０において、点線９１は制御棒が挿入されていない場合の局所ピーキング係数、点線９２は制御棒が挿入されている場合の局所ピーキング係数を表わしている。さらに、コントロールセルを構成している燃料集合体の局所ピーキング係数は、実線９３で示すように点Ａ〜点Ｆへと変化する。
【００１０】
すなわち、点Ｃ〜点Ｄの一定期間、制御棒の履歴を受けた局所ピーキング係数は、制御棒を引抜くと点Ｇへ戻るのではなく、制御棒履歴効果により点Ｅへ移る。この時の点Ｇ−点Ｅの増加が制御棒履歴効果である。この制御棒履歴効果は、燃料集合体における比較的制御棒寄りの燃料棒に生ずるが、特にコーナーロッドにおいて、また原子炉の長期運転が行われるほど著しい。
【００１１】
図１１は、沸騰水型原子炉の運転サイクル後期における典型的な炉心平均軸方向出力分布を示すグラフの例である。
【００１２】
長期にわたり原子炉を運転すること、および燃料集合体の上下軸方向に濃縮度分布を設けることなどにより、運転後期においては、炉心平均軸方向出力分布は図１１に示すように炉心上部にそのピークを生じる傾向にある。
【００１３】
図１２は、沸騰水型原子炉の運転サイクル後期において引き抜き途中の制御棒の近傍の燃料集合体の典型的な軸方向出力分布を示すグラフの例である。
【００１４】
制御棒履歴効果および出力分布を考えると、定格出力での制御棒調整で制御棒を引抜く場合に、挿入された制御棒１４の周辺の燃料集合体における軸方向出力分布は、制御棒が挿入されている高さまでは出力が抑えられている。このために軸方向出力分布は極端に歪み、炉心上部にピークを生じる可能性がある。特に燃料集合体のコーナーロッドに出力の集中が予測される。
【００１５】
そこで、たとえば特許文献１には、制御棒側領域に位置する燃料棒の平均濃縮度が反制御棒側領域に位置する濃縮度よりも低く、かつ、制御棒側領域に位置する燃料棒の平均可燃性毒物濃度が反制御棒側領域よりも低いという燃料集合体が開示されている。また、特許文献２には、制御棒と隣接するコーナーに位置する燃料棒（コーナーロッド）の少なくとも一部を欠如させた燃料集合体が開示されている。この燃料集合体では、制御棒履歴効果がコーナーロッド付近で顕著であることから、コーナーロッドの少なくとも一部を欠如させたことにより、出力制御を行う制御棒と隣接するコーナーロッドおよびコーナーロッドに隣接した燃料棒で、制御棒履歴効果による影響が少なくなる。また、制御棒調整も容易となる。
【００１６】
しかし、高濃縮度初装荷炉心においては２サイクル連続運転を想定しているため、コントロールセルに装荷される燃料の濃縮度も高めに設定されている関係上、このコントロールセルに装荷される燃料はガドリニアを含んだものとなっている。濃縮度が高く可燃性毒物を含んだ燃料が燃料寿命初期に制御棒との隣接環境下で燃焼した場合、反制御棒側領域と比較して制御棒側領域に配置される燃料の燃焼が遅れることになる。その結果サイクル末期で制御棒を引き抜いた際の制御棒履歴効果が過大になり、制御棒側領域の出力上昇が大きくなる懸念がある。
【００１７】
そこで、本発明は、経済性を損なうことなく初装荷炉心のコントロールセルに燃料集合体が長期間配置されても制御棒履歴効果が過度に大きくならないようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の目的を達成するため、本発明は、核分裂性物質を含有する燃料を被覆管に装填して両端を封じた複数本の燃料棒を角筒状のチャンネルボックス内に正方格子状に配列した燃料集合体を２行２列に配列してその中央に十字型の制御棒が挿入可能なセルを複数備えた沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記燃料集合体は、前記制御棒の中心に最も近い格子位置に冷却水が流通可能な欠損領域が形成され、前記欠損領域を通らない対角線で前記チャンネルボックスの内部を前記欠損領域を含む制御棒側領域とそれ以外の反制御棒側領域とに分割したときに前記制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度が前記反制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度よりも低く、かつ、前記制御棒側領域内の燃料棒の平均可燃性毒物濃度は前記反制御棒側領域内にある燃料棒の平均可燃性毒物濃度よりも低い低濃縮度燃料集合体を含む、ことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、核分裂性物質を含有する燃料を被覆管に装填して両端を封じた複数本の燃料棒を角筒状のチャンネルボックス内に正方格子状に配列した燃料集合体を２行２列に配列してその中央に十字型の制御棒が挿入可能なセルを複数備えた初装荷炉心を持つ沸騰水型原子炉の運転方法において、前記燃料集合体は、前記制御棒の中心に最も近い格子位置に冷却水が流通可能な欠損領域が形成され、前記欠損領域を通らない対角線で前記チャンネルボックスの内部を前記欠損領域を含む制御棒側領域とそれ以外の反制御棒側領域とに分割したときに前記制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度が前記反制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度よりも低く、かつ、前記制御棒側領域内の燃料棒の平均可燃性毒物濃度は前記反制御棒側領域内にある燃料棒の平均可燃性毒物濃度よりも低い低濃縮度燃料集合体を含み、前記セルは４体の前記低濃縮度燃料集合体で形成されたコントロールセルを含み、前記コントロールセル内の制御棒の１回の運転サイクル中の制御棒の挿入時間が他の位置の制御棒よりも長くなるように制御棒を挿抜する、ことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、複数の十字型の制御棒が挿入可能な沸騰水型原子炉の初装荷炉心に装荷される燃料集合体において、前記制御棒の２つの翼に２面が対向するように配置される角筒状のチャンネルボックス内に核分裂性物質を含有する燃料を被覆管に装填して両端を封じた複数本の燃料棒を配列し、前記制御棒の中心に最も近い正方格子位置に冷却水が流通可能な欠損領域が形成され、前記欠損領域を通らない対角線で前記チャンネルボックスの内部を前記欠損領域を含む制御棒側領域とそれ以外の反制御棒側領域とに分割したときに前記制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度が前記反制御棒側領域内の燃料棒の平均濃縮度よりも低く、かつ、前記制御棒側領域内の燃料棒の平均可燃性毒物濃度は前記反制御棒側領域内にある燃料棒の平均可燃性毒物濃度よりも低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、経済性を損なうことなく初装荷炉心のコントロールセルに燃料集合体が長期間配置されても制御棒履歴効果が過度に大きくならないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いられる低濃縮度燃料の水平断面図である。
【図２】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いられる燃料集合体の立断面図である。
【図３】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態の水平断面図である。
【図４】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いられる低濃縮度燃料の出力運転状態で制御棒が挿入されていない状態での無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。
【図５】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いられる低濃縮度燃料のＣＢＨ効果がある場合の出力運転状態での無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。
【図６】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いられる低濃縮度燃料のＣＢＨ効果がある場合の冷温状態での無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。
【図７】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いられる低濃縮度燃料のＣＢＨ効果がある場合の出力運転状態での局所ピーキング係数の燃焼変化を示すグラフである。
【図８】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第２の実施の形態に用いられる低濃縮度燃料の水平断面図である。
【図９】本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第３の実施の形態の水平断面図である。
【図１０】コーナーロッドの局所ピーキングの燃焼変化を模式的に示すグラフである。
【図１１】沸騰水型原子炉の運転サイクル後期における典型的な炉心平均軸方向出力分布を示すグラフの例である。
【図１２】沸騰水型原子炉の運転サイクル後期において引き抜き途中の制御棒の近傍の燃料集合体の典型的な軸方向出力分布を示すグラフの例である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第１の実施の形態に用いられる燃料集合体の立断面を示す図１のII−II矢視断面図である。
【００２５】
燃料集合体５０は、ウランを焼き固めたペレットが装填された燃料棒５３，５４を有している。燃料棒５３，５４は、チャンネルボックス５２内に１０行１０列の正方格子状に束ねられる。燃料棒５３，５４は２つに分類することができる。一方は、標準長燃料棒５３であり、他方は部分長燃料棒５４である。部分長燃料棒５４は、標準長燃料棒５３よりも短い。
【００２６】
燃料棒５３，５４の下端は、下部タイプレート５６で支持されている。標準長燃料棒５３の上端は、上部タイプレート５５に係合している。標準長燃料棒５３の上部の肩部と上部タイプレートの間には、膨張スプリング５８が配置される。また、上部タイプレート５５および下部タイプレート５６の間には、複数のスペーサ５７が設けられている。
【００２７】
角管状のチャンネルボックス５２は、チャンネルファスナ５９によって上部タイプレート５５に固定される。チャンネルファスナ５９には、チャンネルファスナ用スプリング６０が取り付けられている。燃料集合体５０は、チャンネルボックス５２が装着されて、沸騰水型原子炉の炉心に装荷される。チャンネルファスナ用スプリング６０によって、炉心で隣り合う燃料集合体５０同士の間隔が保たれる。
【００２８】
図３は、本実施の形態の沸騰水型原子炉の初装荷炉心の水平断面図である。
【００２９】
この炉心１３に装荷される燃料集合体５０は、低濃縮度燃料１７および高濃縮度燃料１８に分類される。低濃縮度燃料１７の集合体平均濃縮度は、約２ｗｔ％（質量％）である。高濃縮度燃料１８の集合体平均濃縮度は、約４ｗｔ％である。
【００３０】
炉心１３は、複数の燃料集合体５０を互いに軸が平行になるように配列して形成される。炉心１３は、全体としてほぼ円柱状に形成される。最外周に配置される一部の燃料集合体５０を除き、２行２列の燃料集合体５０の配列の中心には制御棒１４が挿入可能である。制御棒１４は、中性子吸収材を含有する４つの翼を十字型に結合したものである。それぞれの燃料集合体５０は、隣り合う側面が一本の制御棒の隣り合う２つの翼にそれぞれ面するように配置される。
【００３１】
炉心１３の３７か所に、コントロールセル４７が形成されている。コントロールセル４７は、一本の制御棒１４を囲む２行２列の位置に低濃縮度燃料１７が配置されている。コントロールセル４７以外の位置には、高濃縮度燃料１８が配置されている。高濃縮度燃料１８の燃料集合体平均濃縮度は、低濃縮度燃料１７に比べて高い。
【００３２】
この炉心１３は初装荷炉心であり、第１サイクル目と第２サイクル目との間でシャッフリングを行わずに運転される。つまり、燃料配置のまま２サイクル運転される。また、１回の運転サイクルは約１３月であり、１回の運転サイクルでの燃焼度は、炉心平均で１０〜１２ＧＷｄ／ｔ程度進む。したがって、燃焼度が約２０ＧＷｄ／ｔ以上の間、同一の燃料配置となる。２回の運転サイクルの終了後におけるコントロールセル４７に装荷された低濃縮度燃料１７の燃料集合体燃焼度は、３０ＧＷｄ／ｔ程度となる。
【００３３】
図１は、本実施の形態の沸騰水型原子炉の初装荷炉心に用いられる低濃縮度燃料の水平断面図である。
【００３４】
燃料棒５３，５４が配列されたチャンネルボックス５２内に１０行１０列の正方格子位置のうち一か所のコーナー部は、欠損領域６６となっている。欠損領域６６には燃料棒５３，５４は配置されておらず、この位置には冷却水が存在可能な領域となっている。
【００３５】
また、燃料集合体５０の中央部には２本のウォータロッド５１が配置されている。それぞれのウォータロッド５１は、４か所の格子位置を占めている。ウォータロッド５１の下端は、下部タイプレート５６で支持されている。ウォータロッド５１の上端は、上部タイプレート５５に係合している。
【００３６】
図１において各燃料棒５３，５４に付した１，２，３，４，６，７およびＧ１の記号は、その燃料棒５３，５４の種類を示している。番号１から番号４は標準長燃料棒５３のうち可燃性毒物を含まないウラン燃料棒であって、番号１から番号４の順に燃料棒濃縮度が低くなっている。番号６および番号７は部分長燃料棒５４であり、いずれもウラン燃料棒である。部分長燃料棒５４の燃料棒濃縮度は番号１の標準長燃料棒５３と同等である。Ｇ１が付された燃料棒は、標準長燃料棒５３のうち可燃性毒物を含有する燃料棒である。可燃性毒物としてはガドリニウムが用いられている。５の記号が付された部分が欠損領域６６である。
【００３７】
チャンネルボックス５２の内部の領域を、制御棒１４の中心に最も近いコーナーを通らない対角線２０で区切って、制御棒側領域１５と反制御棒側領域１６に分けた場合、制御棒側領域１５の方が平均濃縮度は低い。また、可燃性毒物の濃度は、制御棒側領域１５の方が低い。
【００３８】
燃料集合体５０を横断面で見た場合、燃料棒と水領域は非均質になっている。軽水型原子炉の場合、核分裂で発生した高速中性子は水によって熱中性子に減速された後に核分裂性物質に吸収され、次々と核分裂連鎖反応を繰り返している。このため、水の多いウォータロッド５１周辺や燃料集合体５０の外側の水領域の近傍では中性子の減速がよくなり出力ピーキングが高くなりやすい。
【００３９】
そこで、これらの位置の燃料棒５３，５４のウランの濃縮度を低めに設定することで、燃料棒の出力ピーキングが過大にならないようにすることができる。すなわち、燃料集合体５０内部の燃料棒の出力分布はこの濃縮度の分布を調整することによって制御することができる。このため、同一の燃料集合体５０に用いる濃縮ウランの濃縮度は、数種類準備されている。
【００４０】
コントロールセル４７を形成した炉心において、コントロールセル４７に装荷される燃料集合体５０は、ある一定期間は制御棒１４が隣接した状態で燃焼することになる。本実施の形態の場合の低濃縮度燃料１７は、ある一定期間は制御棒１４が隣接した状態で燃焼する。
【００４１】
制御棒１４は強い中性子吸収体なので、制御棒１４が隣接すると燃料集合体内部の燃料棒出力分布は制御棒側領域１５が低くなるように大きく歪む。その結果、反制御棒側領域１６と比べて制御棒側領域１５の燃焼が遅れることになる。
【００４２】
燃料集合体周辺の制御棒側の水領域と集合体周辺の反制御棒側の水領域の領域面積が対称である格子タイプ（一般にＳ格子、Ｃ格子、Ｎ格子と呼ばれるタイプ）においては、燃料集合体内の濃縮度分布は制御棒側領域１５と反制御棒側領域１６で同一にするのが一般的である。このような格子において燃料集合体内の濃縮度分布を制御棒側領域１５と反制御棒側領域１６で同一にしておいた場合、運転サイクル末期の反応度調整のために当該燃料集合体５０に隣接して挿入されている制御棒１４を引き抜いた際に、制御棒１４に隣接していた燃料棒５３，５４、特にコーナー位置や（１，２）、（２，１）座標に位置する燃料棒の出力が過大に上昇してしまう場合がある。このような効果は、制御棒履歴効果と呼ばれる。
【００４３】
単純にこのコーナー位置およびそれに隣接する位置の燃料棒５３，５４の濃縮度を下げることで制御棒側領域１５の濃縮度を反制御棒側領域１６よりも低くすることで対応する方法がある。しかし、最近の高濃縮度初装荷炉心のように制御棒隣接期間が長くなった炉心では必ずしも十分な効果が得られない。
【００４４】
そこで、本実施の形態では、制御棒側領域１５の濃縮度を反制御棒側領域１６よりも低くすることに加えて、（１，１）のコーナー位置を欠損領域６６として、その位置に燃料棒５３，５４を配置しないこととしている。これにより、コントロールセル４７に装荷された燃料集合体５０すなわち低濃縮度燃料１７の制御棒履歴効果が緩和される。
【００４５】
制御棒１４の中心に最も近いコーナーロッドを削除しまうと、隣接する燃料棒５３，５４に制御棒履歴効果が現れることがある。これは、このコーナーロッドを取り除くことでその領域の水が増えた結果、中性子の減速がよくなり、隣接する燃料棒５３，５４の核分裂割合が多くなることによる。そこで、本実施の形態では、これらの燃料棒５３，５４の濃縮度をあらかじめ低く設定することで、出力の増加を防止している。
【００４６】
また、本実施の形態では、燃料棒５３，５４に含まれる可燃性毒物にも着目した。本実施の形態の低濃縮度燃料１７では、制御棒側領域１５に可燃性毒物を含む燃料棒を１本、反制御棒側領域１６には可燃性毒物を含む燃料棒を２本、それぞれ配置している。その結果、制御棒領域１５の方が相対的に可燃性毒物の混入濃度が低くなっている。
【００４７】
一般に燃料集合体５０に混入されている可燃性毒物は、燃料寿命初期から中期にかけて徐々に燃焼していく。コントロールセル４７に装荷されない燃料集合体５０の場合は、燃料寿命初期段階では制御棒１４との隣接環境下での燃焼は生じない。このため、燃料集合体５０の内部に配置された可燃性毒物は均一に燃焼していく。
【００４８】
初装荷炉心では、燃料寿命初期の新燃料がコントロールセル４７に装荷されることになる。高濃縮度初装荷炉心においては、２サイクル連続運転を想定しているため、コントロールセル４７に装荷される燃料集合体５０の濃縮度も高めに設定されている関係上、ガドリニアを含んだ燃料となっている。２サイクル連続運転を想定した場合、必要なガドリニア入り燃料棒の本数は３本程度であり、ガドリニアの濃度は、約７％である。
【００４９】
可燃性毒物を含んだ燃料集合体が燃料寿命初期に制御棒１４との隣接環境下で燃焼した場合、反制御棒側領域１６と比較して制御棒側領域１５に配置される可燃性毒物の燃焼が遅れることになる。その結果、サイクル末期で制御棒１４を引き抜いた際の制御棒履歴効果が過大になり、制御棒側領域の出力上昇が大きくなる可能性がある。しかし、本実施の形態では、反制御棒側領域１６よりも制御棒側領域１５に配置される可燃性毒物入り燃料棒を少なくすることによって燃料集合体５０内部に可燃性毒物の濃度差を設けている。このため、制御棒履歴効果が緩和される。
【００５０】
制御棒側領域１５と反制御棒側領域１６で濃縮度差を設けたり、可燃性毒物の濃度差を設けたり、あるいはコーナーロッドをなくしたりした場合、それぞれ単独の適用では、最近の高濃縮度初装荷炉心においては十分な制御棒履歴効果の緩和が得られない。２サイクル連続運転条件下ではコントロールセルに装荷された燃料集合体は最大２サイクル近くの期間にわたり制御棒と隣接した状態での燃焼となる。このため、これらの技術を単独で適用した場合、コーナー位置や（１，２）、（２，１）座標に位置する燃料棒５３，５４の出力が過度に上昇してしまう。単純にコーナー位置の燃料棒や、（１，２）および（２，１）の燃料棒を削除するだけでは、更にそれに隣接する燃料棒に過大なピーキングが発生する結果となるばかりでなく、燃料集合体５０の燃料インベントリも減少し、燃料経済性の観点からも損失が生じることになる。
【００５１】
一方、本実施の形態では、単にコーナー位置の燃料棒を削除するだけではなく、その燃料集合体内部の濃縮度分布差や可燃性毒物濃度の分布差を最適に組み合わせている。これにより、本実施の形態では、高濃縮度初装荷炉心において燃料集合体内部のピーキングを抑制するだけでなく燃料経済性も損なわないという効果を併せ持った形で制御棒履歴効果が緩和される。
【００５２】
図４は、本実施の形態の低濃縮度燃料の出力運転状態で制御棒が挿入されていない状態での無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。図５は、本実施の形態の低濃縮度燃料のＣＢＨ効果がある場合の出力運転状態での無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。図６は、本実施の形態の低濃縮度燃料のＣＢＨ効果がある場合の冷温状態での無限増倍率の燃焼変化を示すグラフである。図７は、本実施の形態の低濃縮度燃料のＣＢＨ効果がある場合の出力運転状態での局所ピーキング係数の燃焼変化を示すグラフである。図４ないし図７は、燃料集合体の代表的な特性を示すものとして、いずれも軸方向の中央部の断面がボイド率４０％で燃焼した場合の値を示したものである。
【００５３】
図５および図７は、燃料集合体に隣接する制御棒１４が挿入された状態で燃焼を続けて、それぞれの燃焼度に到達したときに出力運転中に制御棒を抜いた状態での無限増倍率および局所ピーキング係数を示したものである。図６は、燃料集合体に隣接する制御棒１４が挿入された状態で燃焼を続けて、それぞれの燃焼度に到達したときに冷温時に制御棒１４を抜いた状態での無限増倍率を示したものである。
【００５４】
図４ないし図７には、本実施の形態の低濃縮度燃料１７とともに、比較用の燃料集合体の特性も併せて示した。図４ないし図７において、実線は低濃縮度燃料１７についての特性を、一点鎖線は比較用の燃料集合体の特性をそれぞれ示している。比較用の燃料集合体は、本実施の形態の低濃縮度燃料１７の欠損領域６６に標準長燃料棒５３が配置された燃料集合体である。比較用の燃料集合体において欠損領域６６、すなわち、制御棒１４に最も近いコーナー部に配置される標準長燃料棒５３として、図１の１番から５番の標準長燃料棒５３よりも濃縮度が低いウランが装填されているとした。
【００５５】
図４から、本実施の形態の低濃縮度燃料１７では、制御棒１４に最も近いコーナーロッドを削除したことにより減速効果が高まるために、燃料寿命初期から中期にかけて、従来技術適用の燃料よりも無限増倍率が高めで推移することが分かる。また、本実施の形態の低濃縮度燃料１７を装荷した炉心１３は、高濃縮度初装荷炉心であり燃料交換をせずに２サイクル連続して運転するために、この低濃縮度燃料１７の第２サイクル末期での到達燃焼度は、およそ３０ＧＷｄ／ｔ程度になる。この燃焼度までは、本実施の形態の低濃縮度燃料１７の方が、比較用の燃料集合体にくらべて反応度が高くなっている。つまり、コーナーロッドを削除したことに起因する燃料インベントリ減少によっても、反応度ロスの効果は生じておらず、燃料経済性を損なっていないことが示されている。
【００５６】
図５から、本実施の形態の低濃縮度燃料１７がコントロールセル４７に装荷され制御棒１４と隣接した状態で燃焼を続けて、サイクル末期で制御棒を引き抜かれたとしても、燃料棒を削除したことによる反応度ロスは見られず、燃料経済性を損なっていないことが確認できる。
【００５７】
図６から、本実施の形態の低濃縮度燃料１７がコントロールセル４７に装荷され制御棒１４と隣接した状態で燃焼を続けて冷温時に制御棒を引き抜かれたとしても、燃料寿命を通じて比較用の燃料集合体よりも無限増倍率が小さいことがわかる。つまり、本実施の形態の低濃縮度燃料１７は、比較用の燃料集合体に比べて炉停止余裕が大きいことがわかる。特に、炉停止余裕が最も厳しくなる傾向にある初装荷第１サイクル初期において効果が期待される。
【００５８】
図７から、本実施の形態の低濃縮度燃料１７がコントロールセル４７に装荷され制御棒１４と隣接した状態で燃焼を続けて、サイクル末期で制御棒を引き抜かれた場合、比較用の燃料集合体と比較して、ＣＢＨ効果による局所ピーキング係数の上昇が抑制されていることが分かる。
【００５９】
このように、本実施の形態では、経済性を損なうことなく初装荷炉心のコントロールセルに燃料集合体が長期間配置されても制御棒履歴効果が過度に大きくならないようにすることができる。
【００６０】
［第２の実施の形態］
図８は、本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第２の実施の形態に用いられる低濃縮度燃料の水平断面図である。
【００６１】
本実施の形態の低濃縮度燃料７１は、燃料棒５３，５４が９行９列の正方格子状に配列されて束ねられている。また、中央領域には、太径のウォータロッド５１が２本配置されている。
【００６２】
燃料棒５３，５４に付与された番号１から番号４の順に燃料棒濃縮度が低くなっている。制御棒１４の中心に最も近いコーナーの格子位置は、燃料棒５３，５４が存在しない欠損領域６６となっている。
【００６３】
また、燃料棒番号６は部分長燃料棒５４で、濃縮度は標準長燃料棒５３の燃料棒番号１と同等になっている。燃料棒番号Ｇ１の標準長燃料棒５３には、可燃性毒物が含まれている。この低濃縮度燃料７１を制御棒側領域１５と反制御棒側領域１６に分けて見た場合、制御棒側領域１５の方が平均濃縮度が低くなっている。また、可燃性毒物の濃度は、制御棒側領域１５の方が反制御棒領域１６に比べて低くなっている。
【００６４】
このように本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の濃縮度分布、可燃性毒物濃度分布および欠損領域６６の配置をとることにより、経済性を損なうことなく初装荷炉心のコントロールセルに燃料集合体が長期間配置されても制御棒履歴効果が過度に大きくならないようにすることができる。
【００６５】
［第３の実施の形態］
図９は、本発明に係る沸騰水型原子炉の初装荷炉心の第３の実施の形態の水平断面図である。
【００６６】
この炉心７２には、第１の実施の形態と同様の低濃縮度燃料１７および高濃縮度燃料１８の他に、コントロールセル用高濃縮度燃料１９が装荷されている。この炉心７２は、第１の実施の形態と同様に初装荷炉心であり、第１サイクル目と第２サイクル目との間でシャッフリングを行わずに運転される。低濃縮度燃料１７は、コントロールセル４７を形成するように配置されている。
【００６７】
コントロールセル用高濃縮度燃料１９は、低濃縮度燃料１７よりも燃料集合体平均濃縮度は高い。また、コントロールセル用高濃縮度燃料１９は、低濃縮度燃料１７と同様に、反制御棒側領域１６（図１参照）に比べて制御棒側領域１５（図１参照）の方が、平均濃縮度は低く、可燃性毒物の濃度は低い。コントロールセル用高濃縮度燃料１９の正方格子位置の内、制御棒１４の中心に最も近いコーナー部には、低濃縮度燃料１７と同様に、燃料棒が存在しない欠損領域が形成されている。
【００６８】
この炉心７２は、初装荷から燃料取替をすることなく２サイクル連続で運転される。このため、コントロールセル４７に装荷された低濃縮度燃料１７は長期間にわたって制御棒１４と隣接した状態で燃焼することになる。しかしながら、第１の実施の形態と同様に、第１サイクル目および第２サイクル目では、ＣＢＨ効果が緩和されて、良好な運転特性を示す。また、第１の実施の形態と同様に、燃料経済性は損なわれない。
【００６９】
また、第３サイクル目の移行炉心においては、低濃縮度燃料１７の一部または全部は取り出され、コントロールセル４７の一部または全部は、コントロールセル用高濃縮度燃料１９で形成される。このため、第３サイクル目以降の炉心においても、ＣＢＨ効果を適切に抑制した運転ができ、燃料経済性向上に資する。
【００７０】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１３…炉心、１４…制御棒、１５…制御棒側領域、１６…反制御棒側領域、１７…低濃縮度燃料、１８…高濃縮度燃料、１９…コントロールセル用高濃縮度燃料、４７…コントロールセル、５０…燃料集合体、５１…ウォータロッド、５２…チャンネルボックス、５３…標準長燃料棒、５４…部分長燃料棒、５５…上部タイプレート、５６…下部タイプレート、５７…スペーサ、５８…膨張スプリング、５９…チャンネルファスナ、６０…チャンネルファスナ用スプリング、６６…欠損領域、７１…低濃縮度燃料、７２…炉心
【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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