(57)【要約】【課題】軸方向に亘って熱出力を均一化し、運転サイクルを長くすることができる燃料棒および燃料集合体を提供する。【解決手段】加圧水型原子炉に装荷され、核燃料と核燃料の核反応を低下させるガドリニウム等の可燃性毒物とを含有する第１燃料棒４１および第２燃料棒４２であって、ガドリニウムの含有率は、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２の軸方向両側から軸方向中央へ向けて高くなっている。また、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２が設けられた燃料集合体は、低ガドリニウムの燃料棒となる第２燃料棒４２が、高ガドリニウムの燃料棒となる第１燃料棒４１よりも、外側に配置される割合が多くなるように装荷される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧水型原子炉に装荷され、核燃料と前記核燃料の核反応を低下させる可燃性毒物とを含有する燃料棒であって、
前記可燃性毒物の含有率は、前記燃料棒の軸方向の両端部から中央部へ向けて高くなっていることを特徴とする燃料棒。
【請求項２】
前記核燃料の濃縮度は、軸方向に一様であることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒。
【請求項３】
軸方向の中央部に設けられた主燃料領域と、
前記主燃料領域の軸方向の両端部に設けられ、前記主燃料領域の前記核燃料の濃縮度に比して低い濃縮度となる一対の軸方向ブランケット領域と、を備え、
前記主燃料領域は、前記可燃性毒物の含有率が、軸方向の両端部から中央部へ向けて高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒。
【請求項４】
前記可燃性毒物は、ガドリニウムであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料棒。
【請求項５】
軸方向の中央部に設けられた前記ガドリニウムの含有率が高い高ガドリニウム領域と、
前記高ガドリニウム領域の軸方向の両端部に設けられ、前記ガドリニウムの含有率が前記高ガドリニウム領域に比して低い一対の低ガドリニウム領域と、を有し、
前記低ガドリニウム領域における前記ガドリニウムの含有率は、前記高ガドリニウム領域における前記ガドリニウムの含有率に比して、１ｗｔ％〜４ｗｔ％低いことを特徴とする請求項４に記載の燃料棒。
【請求項６】
軸方向の中央部に設けられた前記ガドリニウムの含有率が高い高ガドリニウム領域と、
前記高ガドリニウム領域の軸方向の両端部に設けられ、前記ガドリニウムの含有率が前記高ガドリニウム領域に比して低い一対の低ガドリニウム領域と、を有し、
前記低ガドリニウム領域の軸方向における長さは、前記核燃料を含有する燃料領域の軸方向における全長に対し、９％〜２５％の範囲であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料棒。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料棒が設けられた燃料集合体であって、
前記燃料棒は、前記可燃性毒物の総重量が多い第１燃料棒と、前記第１燃料棒に比して前記可燃性毒物の総重量が少ない第２燃料棒と、を有し、
軸方向に直交する直交面内において、前記第２燃料棒は、前記第１燃料棒よりも、外側に装荷される割合が多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、原子炉に装荷される可燃性毒物を含有した燃料棒および燃料集合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子炉の運転時において、炉心が持つ余剰反応度を適切に抑制するため、可燃性毒物を含有した燃料棒が用いられている。ここで、可燃性毒物（burnable poison）とは、中性子吸収能力が大きい物質のことであり、中性子吸収反応に伴い中性子吸収能力を失っていく物質である。可燃性毒物を含有した燃料棒が装荷される燃料集合体の一例としては、特許文献１に示す燃料集合体が知られている。この燃料集合体では、第１の可燃性毒物の含有量である燃料棒と、第２の可燃性毒物の含有量である燃料棒とが用いられている。そして、可燃性毒物を含有した第１および第２の燃料棒は、燃料集合体の各セルに装荷されることで、可燃性毒物は、燃料集合体の平面（燃料棒の軸断面）上に亘って分布している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５１２５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、加圧水型原子炉では、一般的に、運転サイクル初期において、燃料棒の軸方向の中央部における核反応が、燃料棒の軸方向の両端部における核反応に比して高くなる。一方で、運転サイクル後期になると、当該中央部の核反応が当該両端部に比べ進んでいるため、当該両端部における核反応が、当該中央部における核反応に比して高くなる。これにより、運転サイクル後期において、燃料棒の軸方向の両端部における熱出力が相対的に大きくなる傾向がある。
【０００５】
上記傾向に加え、可燃性毒物が軸方向にほぼ均一に分布した燃料棒を使用している場合、燃料棒の中央部と両端部とにおいて可燃性毒物の減損速度差が生じることにより、運転サイクル後期における燃料棒の両端部の熱出力が局所的により大きくなる現象が生じる。この現象は、運転サイクルが長くなるほど大きくなる傾向がある。原子炉の運転時における異常な過渡変化事象または事故事象への影響を考えた場合、上記現象のように、出力分布が局所的に大きい状態は好ましいものではない。したがって、運転サイクルの長期化を目標とする場合、運転サイクル後期における、燃料棒の軸方向両端部の局所的な熱出力の増加がサイクル長の制限となる可能性がある。
【０００６】
なお、可燃性毒物を含有した燃料棒は、沸騰水型原子炉に装荷される場合もある。沸騰水型原子炉では、装荷される燃料棒の軸方向の上部と下部とにおける水密度差が大きいことに起因し、燃料棒の核反応の進み方が上部と下部とで異なる。このため、可燃性毒物の含有率は、この上下部の大きな水密度差に応じて設定される。しかしながら、加圧水型原子炉に対し、沸騰水型原子炉と同様の可燃性毒物の含有率の分布としても、加圧水型原子炉では、燃料棒の軸方向に亘って出力分布を均一化することはできない。
【０００７】
そこで、本発明は、加圧水型原子炉において、軸方向に亘って出力分布を均一化することで、局所的な出力変化を抑制し、原子炉の運転時における異常な過渡変化事象または事故事象への影響を考慮した信頼性の高い燃料棒および燃料集合体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料棒は、加圧水型原子炉に装荷され、核燃料と核燃料の核反応を低下させる可燃性毒物とを含有する燃料棒であって、可燃性毒物の含有率は、燃料棒の軸方向の両端部から中央部へ向けて高くなっていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、燃料棒に含まれる可燃性毒物の含有率を、軸方向の中央部において高くすることができ、軸方向の両端部において低くすることができる。このため、運転サイクル初期において、可燃性毒物は、核反応の低い両端部に比して、核反応の高い中央部の核反応を抑制することができる。また、運転サイクル後期において、軸方向の両端部における核反応は進んでいるため、軸方向の両端部における局所的な熱出力の増加を抑制することができる。これにより、この燃料棒を加圧水型原子炉に装荷することで、燃料棒の軸方向に亘って、熱出力を均一化することができる。よって、この燃料集合体を装荷した炉心では、運転サイクルを長くすることで生じ得る局所的な熱出力の増加を抑制することが期待でき、原子炉の運転時における異常な過渡変化事象または事故事象への影響を考慮した信頼性の高い燃料とすることができる。なお、可燃性毒物としては、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホウ素（Ｂ）、エルビウム（Ｅｒ）やジスプロシウム（Ｄｙ）等がある。
【００１０】
この場合、核燃料の濃縮度は、軸方向に一様であることが、好ましい。
【００１１】
この構成によれば、濃縮度が軸方向に一様な核燃料を用いて燃料棒を製造することができる。
【００１２】
一方で、軸方向の中央部に設けられた主燃料領域と、主燃料領域の軸方向の両端部に設けられ、主燃料領域の核燃料の濃縮度に比して低い濃縮度となる一対の軸方向ブランケット領域と、を備え、主燃料領域は、可燃性毒物の含有率が、軸方向の両端部から中央部へ向けて高くなっていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、主燃料領域の核燃料の濃縮度に比して低い濃縮度となる一対の軸方向ブランケット領域を燃料棒の両端部に設けることができる。ここで、一対の軸方向ブランケット領域は、軸方向の両端部に核燃料の濃縮度を低下させた領域を設けることで、使用する核分裂性物質量を低減している。この場合、中央部に対する両端部の熱出力が低下するため、相対的に中央部の熱出力が大きくなり、局所的な熱出力が増加する。このとき、主燃料領域において、可燃性毒物の含有率を、軸方向の両端部から中央部へ向けて高くすることにより、軸方向ブランケット領域を導入したことによる局所的な熱出力の増加を抑制することが期待でき、軸方向ブランケット領域の導入を容易にすることが可能となる。
【００１４】
この場合、可燃性毒物は、ガドリニウムであることが、好ましい。
【００１５】
この構成によれば、可燃性毒物としてガドリニウムを用いることで、中性子を好適に吸収することができるため、燃料棒への可燃性毒物の含有率を小さいものとすることができる。
【００１６】
この場合、軸方向の中央部に設けられたガドリニウムの含有率が高い高ガドリニウム領域と、高ガドリニウム領域の軸方向の両端部に設けられ、ガドリニウムの含有率が高ガドリニウム領域に比して低い一対の低ガドリニウム領域と、を有し、低ガドリニウム領域におけるガドリニウムの含有率は、高ガドリニウム領域におけるガドリニウムの含有率に比して、１ｗｔ％〜４ｗｔ％低いことが、好ましい。
【００１７】
この構成によれば、高ガドリニウム領域および低ガドリニウム領域における、ガドリニウムの含有率を好適なものとすることができるため、加圧水型原子炉の熱出力を、燃料棒の軸方向に亘って好適に均一化することができる。
【００１８】
この場合、軸方向の中央部に設けられたガドリニウムの含有率が高い高ガドリニウム領域と、高ガドリニウム領域の軸方向の両端部に設けられ、ガドリニウムの含有率が高ガドリニウム領域に比して低い一対の低ガドリニウム領域と、を有し、低ガドリニウム領域の軸方向における長さは、核燃料を含有する燃料領域の軸方向における全長に対し、９％〜２５％の範囲であることが、好ましい。
【００１９】
この構成によれば、高ガドリニウム領域および低ガドリニウム領域における軸方向の長さを好適なものとすることができるため、加圧水型原子炉の熱出力を、燃料棒の軸方向に亘って好適に均一化することができる。
【００２０】
本発明の燃料集合体は、上記の燃料棒が設けられた燃料集合体であって、燃料棒は、可燃性毒物の総重量が多い第１燃料棒と、第１燃料棒に比して可燃性毒物の総重量が少ない第２燃料棒と、を有し、軸方向に直交する直交面内において、第２燃料棒は、第１燃料棒よりも、外側に装荷される割合が多いことを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、燃料棒の軸方向に加え、直交面内においても、加圧水型原子炉の熱出力を均一化することができるため、加圧水型原子炉の熱出力を３次元において均一化することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料棒および燃料集合体によれば、可燃性毒物の含有率を軸方向の両端部から中央部へ向けて高くすることにより、加圧水型原子炉の軸方向における出力分布を運転サイクル後期においても均一化することができ、これにより、運転サイクルの長期化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料集合体を模式的に表した構成図である。
【図２】図２は、実施例１に係る燃料集合体を、燃料棒の軸方向に直交する面で切ったときの断面図である。
【図３】図３は、実施例１に係る燃料棒の一部を破断して表した部分破断図である。
【図４】図４は、実施例１に係る燃料棒の可燃性毒物の分布を表した説明図である。
【図５】図５は、実施例１に係る燃料集合体に対する燃料棒の配置を表した説明図である。
【図６】図６は、従来および実施例１に係る燃料棒を装荷した燃料集合体の熱出力を比較したグラフである。
【図７】図７は、実施例１の変形例に係る燃料棒の可燃性毒物の分布を表した説明図である。
【図８】図８は、実施例２に係る燃料棒の可燃性毒物の分布を表した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付した図面を参照して、本発明に係る燃料棒および燃料集合体について説明する。なお、以下の実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２５】
図１は、実施例１に係る燃料集合体を模式的に表した構成図であり、図２は、実施例１に係る燃料集合体を、燃料棒の軸方向に直交する面で切ったときの断面図である。図３は、実施例１に係る燃料棒の一部を破断して表した部分破断図である。
【００２６】
実施例１の燃料集合体１は、図示しない加圧水型原子炉に装荷されており、原子炉内は減速材で満たされている。燃料集合体１は、１７×１７のセル１０で構成されており、２６４本の燃料棒１５と、制御棒５が挿入される２４本の制御棒案内管１６と、炉内計装用検出器６が挿入される１本の炉内計装用案内管１７と、これらを束ねるグリッド１８とを有している。また、燃料集合体１は、燃料棒１５の軸方向上側に設けられた上部ノズル１９と、軸方向下側に設けられた下部ノズル２０とを有し、上部ノズル１９および下部ノズル２０は、燃料棒１５、制御棒案内管１６および炉内計装用案内管１７の軸方向の上端部および下端部をそれぞれ固定している。
【００２７】
各燃料棒１５は、複数の燃料ペレット２５で構成された燃料領域３０と、複数の燃料ペレット２５が装填される円筒の被覆管２６とを有している。燃料ペレット２５は、核燃料としてのウラン２３５を所定の濃縮度にし、二酸化ウランとして焼き固め、ペレット状に形成したものである。なお、実施例１では、核燃料としてウラン２３５を用いたが、これに限らず、例えば、プルトニウム等の核分裂物質を用いてもよい。そして、被覆管２６に所定数の燃料ペレット２５が充填され、上部にスプリング２７が装着されることで燃料ペレット２５を位置規制すると共に、上端部および下端部に端栓２８，２９がそれぞれ装着されることで、各燃料棒１５が構成される。
【００２８】
このように構成された燃料集合体１を加圧水型原子炉に装荷して、加圧水型原子炉の運転が開始されると、燃料集合体１は、制御棒５により核反応が制御されながら、発生した熱エネルギにより減速材を加熱する。このとき、原子炉の内部は加圧されるため、減速材は、燃料集合体１の軸方向の全長に亘って液相状態となる。
【００２９】
この場合、加圧水型原子炉の運転サイクルの後期になると、燃料集合体１は、軸方向の両端部における熱出力が大きくなる一方で、軸方向の中央部における熱出力が小さくなり、軸方向における出力分布の歪みが大きくなる。このため、実施例１では、燃料棒１５の軸方向に対して可燃性毒物が分布するように含有させ、これを燃料集合体１に装荷している。
【００３０】
図４は、実施例１に係る燃料棒の可燃性毒物の分布を表した説明図である。図４を参照して、可燃性毒物を含有する実施例１の燃料棒１５について説明する。なお、以下では、可燃性毒物として、ガドリニウム（Ｇｄ）を用いた場合について説明する。
【００３１】
上記の燃料棒１５は、可燃性毒物の分布の種類に応じて３種類あり、高ガドリニウムの燃料棒である第１燃料棒４１と、低ガドリニウムの燃料棒である第２燃料棒４２と、ガドリニウムを含有しない第３燃料棒４３とが用意されている。各燃料棒４１，４２，４３の燃料領域３０は、図３に示すように燃料ペレット２５を軸方向に配置することで構成されており、燃料ペレット２５は、実施例１において４種類用意されている。
【００３２】
４種類の燃料ペレット２５は、第１燃料ペレット５１と、第２燃料ペレット５２と、第３燃料ペレット５３と、第４燃料ペレット５４とである。第１燃料ペレット５１は、核燃料を含有する一方で、ガドリニウムを含有していない。第２燃料ペレット５２は、核燃料と４ｗｔ％（重量パーセント）のガドリニウムとを含有する。第３燃料ペレット５３は、核燃料と６ｗｔ％のガドリニウムとを含有する。第４燃料ペレット５４は、核燃料と１０ｗｔ％のガドリニウムとを含有する。このとき、各燃料ペレット５１，５２，５３，５４は、核燃料の濃縮度が一様となっている。このため、各燃料ペレット５１，５２，５３，５４は、異なる濃縮度の核燃料を使用せずに、一様の濃縮度の核燃料を使用することが可能となる。なお、実施例１では、各燃料ペレット５１，５２，５３，５４における核燃料の濃縮度を一様としたが、これに限らず、異なる濃縮度としてもよい。
【００３３】
第１燃料棒４１は、第２燃料棒４２に比してガドリニウムの総重量が多い高ガドリニウムの燃料棒となっている。第１燃料棒４１の燃料領域３０ａは、軸方向の上下両端部の一対の低ガドリニウム領域６０，６０と、一対の低ガドリニウム領域６０，６０に挟まれた軸方向の中央部の高ガドリニウム領域６１とに区分けされている。また、軸方向の上端部の低ガドリニウム領域６０は、２つの領域に区分けされている。このため、第１燃料棒４１の燃料領域３０ａは、軸方向において４つの領域に区分けされており、軸方向上側から順に、第１領域６０ａ、第２領域６０ｂ、第３領域６１、第４領域６０ｃとなっている。つまり、第１燃料棒４１の燃料領域３０ａは、第１領域６０ａおよび第２領域６０ｂからなる低ガドリニウム領域６０と、第３領域６１となる高ガドリニウム領域６１と、第４領域６０ｃとなる低ガドリニウム領域６０とで構成されている。
【００３４】
ここで、第１燃料棒４１において、第１領域６０ａは、第１燃料ペレット５１を用いて構成され、第２領域６０ｂは、第３燃料ペレット５３を用いて構成されている。第３領域６１は、第４燃料ペレット５４を用いて構成されている。第４領域６０ｃは、第３燃料ペレット５３を用いて構成されている。よって、第１燃料棒４１において、第１領域６０ａは、ガドリニウムを含有しておらず、第２領域６０ｂは、６ｗｔ％のガドリニウムを含有しており、第３領域６１は、１０ｗｔ％のガドリニウムを含有しており、第４領域６０ｃは、６ｗｔ％のガドリニウムを含有している。これにより、第１燃料棒４１における燃料領域３０ａのガドリニウムは、軸方向の両端部から中央部に向けて含有率が高くなるように分布している。
【００３５】
第２燃料棒４２は、第１燃料棒４１に比してガドリニウムの総重量が少ない低ガドリニウムの燃料棒となっている。第２燃料棒４２の燃料領域３０ｂは、軸方向の上下両端部の一対の低ガドリニウム領域６２，６２と、一対の低ガドリニウム領域６２，６２に挟まれた軸方向の中央部の高ガドリニウム領域６３とに区分けされている。また、軸方向の上端部の低ガドリニウム領域６２は、２つの領域に区分けされている。このため、第２燃料棒４２の燃料領域３０ｂは、軸方向において４つの領域に区分けされており、軸方向上側から順に、第１領域６２ａ、第２領域６２ｂ、第３領域６３、第４領域６２ｃとなっている。つまり、第２燃料棒４２の燃料領域３０ｂは、第１領域６２ａおよび第２領域６２ｂからなる低ガドリニウム領域６２と、第３領域６３となる高ガドリニウム領域６３と、第４領域６２ｃとなる低ガドリニウム領域６２とで構成されている。
【００３６】
ここで、第２燃料棒４２において、第１領域６２ａは、第１燃料ペレット５１を用いて構成され、第２領域６２ｂは、第２燃料ペレット５２を用いて構成されている。第３領域６３は、第３燃料ペレット５３を用いて構成されている。第４領域６２ｃは、第２燃料ペレット５２を用いて構成されている。よって、第２燃料棒４２において、第１領域６２ａは、ガドリニウムを含有しておらず、第２領域６２ｂは、４ｗｔ％のガドリニウムを含有しており、第３領域６３は、６ｗｔ％のガドリニウムを含有しており、第４領域６２ｃは、４ｗｔ％のガドリニウムを含有している。これにより、第２燃料棒４２における燃料領域３０ｂのガドリニウムは、軸方向の両端部から中央部に向けて含有率が高くなるように分布している。
【００３７】
第３燃料棒４３は、その燃料領域３０ｃが、第１燃料ペレット５１を軸方向に並べて配置されることで構成される。すなわち、第３燃料棒４３の燃料領域３０ｃは、ガドリニウムを含有していない。
【００３８】
図５は、実施例１に係る燃料集合体に対する燃料棒の配置を表した説明図である。上記のように構成された第１燃料棒４１、第２燃料棒４２および第３燃料棒４３を用いて、燃料集合体１を構成する場合、低ガドリニウムの燃料棒となる第２燃料棒４２は、高ガドリニウムの燃料棒となる第１燃料棒４１よりも、燃料集合体１の外側に装荷される割合が多くなっている。図５は、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２の配置を例示しており、４本の第２燃料棒４２は、燃料集合体１の四隅に装荷され、４本の第１燃料棒４１は、隣接する２つの第２燃料棒４２の間にそれぞれ装荷される。なお、１燃料棒４１および第２燃料棒４２以外の燃料棒１５として、第３燃料棒４３が装荷される。
【００３９】
次に、ガドリニウムを含有する第１燃料棒４１および第２燃料棒４２における各領域６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６１の長さと、ガドリニウムの濃度差についてそれぞれ説明する。先ず、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２における各低ガドリニウム領域６０，６２の長さＬ１は、燃料領域３０ａ，３０ｂの全長Ｌに対し、９％〜２５％の範囲であることが好ましい。また、低ガドリニウム領域６０，６２を２つの領域に分割する場合、軸方向端側の領域（例えば、第１領域６０ａ，６２ａ）の長さＬ２は、燃料領域３０ａ，３０ｂの全長Ｌに対し、２％〜８％の範囲であることが好ましい。
【００４０】
具体的に、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２の燃料領域３０ａ，３０ｂの全長Ｌが４２０ｃｍである場合、低ガドリニウム領域６０，６２の長さＬ１は、４０ｃｍ〜９０ｃｍの範囲であることが好ましい。また、低ガドリニウム領域６０，６２を第１領域６０ａ，６２ａと第２領域６０ｂ，６２ｂとに分割する場合、燃料領域３０ａ，３０ｂの端部からの長さである第１領域６０ａ，６２ａの長さＬ２は、１０ｃｍ〜３０ｃｍの範囲であることが好ましい。第１燃料棒４１および第２燃料棒４２の燃料領域３０ａ，３０ｂの全長Ｌが３６６ｃｍである場合も同様に、低ガドリニウム領域６０，６２の長さＬ１は、４０ｃｍ〜９０ｃｍの範囲であることが好ましく、また、第１領域６０ａ，６２ａの長さＬ２は、１０ｃｍ〜３０ｃｍの範囲であることが好ましい。
【００４１】
続いて、ガドリニウムの濃度差について説明すると、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２における高ガドリニウム領域６１，６３は、４ｗｔ％〜１２ｗｔ％の範囲であることが好ましい。また、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２における低ガドリニウム領域６０，６２は、高ガドリニウムに比して１ｗｔ％〜４ｗｔ％低下させることが好ましい。さらに、低ガドリニウム領域６０，６２を２つの領域に分割する場合、軸方向端側の領域（例えば、第１領域６０ａ，６２ａ）は、０ｗｔ％〜２ｗｔ％の範囲であることが好ましい。なお、実施例１における第１燃料棒４１および第２燃料棒４２のガドリニウムの分布は、上記に記載したとおりである。
【００４２】
図６は、従来および実施例１に係る燃料棒を装荷した燃料集合体の出力を比較したグラフである。このグラフは、その横軸が燃料集合体１の燃料領域３０の全長Ｌを１．０としたものであり、その縦軸が燃料集合体１の熱出力である。また、Ｐ１は、従来の燃料集合体における熱出力のグラフであり、Ｐ２は、実施例１の燃料集合体１における熱出力のグラフである。
【００４３】
軸方向に対し可燃性毒物の含有量が一定である従来の燃料集合体は、燃料集合体を所定の周期で取り替える運転サイクルの前期において、燃料棒の軸方向の中央部における核反応が、軸方向の両端部における核反応に比して高くなる。このため、運転サイクルの後期になると、燃料集合体は、軸方向の両端部における核反応が、軸方向の中央部よりも高くなることから、Ｐ１は、軸方向の両端部における熱出力が、軸方向の中央部における熱出力よりも高くなる。
【００４４】
一方で、実施例１の燃料集合体１は、燃料棒１５の軸方向の中央部における核反応を抑制すべく、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２の軸方向の中央部に高ガドリニウム領域６１，６３を設けている。このため、運転サイクルの前期において、燃料棒１５の軸方向の中央部における核反応は、従来の軸方向の中央部における核反応に比して低くなる。このため、運転サイクルの後期になると、燃料集合体１は、軸方向の両端部における核反応が、軸方向の中央部における核反応とほぼ一様となることから、Ｐ２は、軸方向の両端部における熱出力と軸方向の中央部における熱出力とが均一となり平坦化する。
【００４５】
以上の構成によれば、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２において、ガドリニウム等の可燃性毒物が、軸方向の両端部から中央部に向けて含有率が高くなるように分布させることで、図６に示すように、燃料集合体１の軸方向における熱出力を均一化することができる。これにより、運転サイクルを長期化させた場合であっても、運転サイクルの後期において、軸方向の両端部における核反応と、軸方向の中央部における核反応の差を小さくすることができる。よって、この燃料集合体１を装荷した加圧水型原子炉では、運転サイクルを長くすることで生じ得る局所的な熱出力の増加を抑制することが期待でき、原子炉の運転時における異常な過渡変化事象または事故事象への影響を考慮した信頼性の高い燃料とすることができる。
【００４６】
さらに、実施例１では、第２燃料棒４２は、第１燃料棒４１よりも燃料集合体１の外側に装荷される割合が多くなっている。このため、燃料集合体１の径方向（軸断面内）における熱出力を均一化することができ、これにより、燃料集合体１の熱出力を３次元において均一化することが可能となる。
【００４７】
なお、実施例１では、軸方向下側の低ガドリニウム領域６０，６２である第４領域６０ｃ，６２ｃを分割しない構成としたが、図７に示すように、軸方向下側の低ガドリニウム領域６０，６２を分割して、第４領域６０ｃ，６２ｃおよび第５領域６０ｄ，６２ｄとしてもよい。この場合、第４領域６０ｃ，６２ｃは第２領域６０ｂ，６２ｂと同様の構成とし、第５領域６０ｄ，６２ｄは第１領域６０ａ，６２ａと同様の構成とする。
【００４８】
また、実施例１では、可燃性毒物としてガドリニウムを用いたが、上記したホウ素（Ｂ）、エルビウム（Ｅｒ）やジスプロシウム（Ｄｙ）等を用いてもよい。この場合、可燃性毒物は、燃料集合体１の軸方向における熱出力が均一化するような含有率とすることが、好ましい。
【実施例２】
【００４９】
次に、図８を参照して、実施例２に係る燃料棒および燃料集合体について説明する。図８は、実施例２に係る燃料棒の可燃性毒物の分布を表した説明図である。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ記載する。実施例１の燃料集合体１では、第１燃料棒４１および第２燃料棒４２の核燃料の濃縮度は一様としたが、実施例２の燃料集合体７１では、第１燃料棒８１および第２燃料棒８２の核燃料の濃縮度は異なっている。以下、実施例２の第１燃料棒８１および第２燃料棒８２について説明する。なお、実施例２の第３燃料棒４３は、実施例１と同様の構成であるため説明を省略する。
【００５０】
第１燃料棒８１は、高ガドリニウムの燃料棒となっており、第１燃料棒８１の燃料領域３０ｄは、軸方向の両端部の一対の軸方向ブランケット領域８５と、一対の軸方向ブランケット領域８５に挟まれた軸方向の中央部の主燃料領域８６とに区分けされている。また、主燃料領域８６は、軸方向の両端部の一対の低ガドリニウム領域８７，８７と、一対の低ガドリニウム領域８７，８７に挟まれた軸方向の中央部の高ガドリニウム領域８８とに区分けされている。これにより、第１燃料棒８１における主燃料領域８６のガドリニウムは、軸方向の両端部から中央部に向けて含有率が高くなるように分布している。すなわち、第１燃料棒８１の燃料領域３０ｄは、軸方向において５つの領域に区分けされており、軸方向上側から順に、軸方向ブランケット領域８５、低ガドリニウム領域８７、高ガドリニウム領域８８、低ガドリニウム領域８７、軸方向ブランケット領域８５となっている。
【００５１】
このとき、第１燃料棒８１において、軸方向ブランケット領域８５における核燃料の濃縮度は、主燃料領域８６における核燃料の濃縮度に比して低いものとなっている。また、第１燃料棒８１におけるガドリニウムの分布は、実施例１の第１燃料棒４１におけるガドリニウムの分布と同様となっている。このため、実施例２の第１燃料棒８１の軸方向ブランケット領域８５は、実施例１の第１燃料棒４１の第１領域６０ａで用いられた第１燃料ペレット５１に代えて、第５燃料ペレット５５が用いられている。ここで、第５燃料ペレット５５は、主燃料領域８６よりも濃縮度の低い核燃料を含有する一方で、ガドリニウムを含有していない。以上から、第１燃料棒８１において、軸方向ブランケット領域８５は、第５燃料ペレット５５を用いて構成され、軸方向上側の低ガドリニウム領域８７は、第３燃料ペレット５３を用いて構成されている。また、高ガドリニウム領域８８は、第４燃料ペレット５４を用いて構成され、軸方向下側の低ガドリニウム領域８７は、第３燃料ペレット５３を用いて構成されている。
【００５２】
第２燃料棒８２は、低ガドリニウムの燃料棒となっており、第２燃料棒８２の燃料領域３０ｅは、軸方向の両端部の一対の軸方向ブランケット領域９０と、一対の軸方向ブランケット領域９０に挟まれた軸方向の中央部の主燃料領域９１とに区分けされている。また、主燃料領域９１は、軸方向の両端部の一対の低ガドリニウム領域９２，９２と、一対の低ガドリニウム領域９２，９２に挟まれた軸方向の中央部の高ガドリニウム領域９３とに区分けされている。これにより、第２燃料棒８２における主燃料領域９１のガドリニウムは、軸方向の両端部から中央部に向けて含有率が高くなるように分布している。すなわち、第２燃料棒８２の燃料領域３０ｅは、軸方向において５つの領域に区分けされており、軸方向上側から順に、軸方向ブランケット領域９０、低ガドリニウム領域９２、高ガドリニウム領域９３、低ガドリニウム領域９２、軸方向ブランケット領域９０となっている。
【００５３】
このとき、第２燃料棒８２において、軸方向ブランケット領域９０における核燃料の濃縮度も、第１燃料棒８１と同様に、主燃料領域９１における核燃料の濃縮度に比して低いものとなっている。また、第２燃料棒８２におけるガドリニウムの分布は、実施例１の第２燃料棒４２におけるガドリニウムの分布と同様となっている。このため、実施例２の第２燃料棒８２の軸方向ブランケット領域９０は、実施例１の第２燃料棒４２の第１領域６２ａで用いられた第１燃料ペレット５１に代えて、上記の第５燃料ペレット５５が用いられている。以上から、第２燃料棒８２において、軸方向ブランケット領域９０は、第５燃料ペレット５５を用いて構成され、軸方向上側の低ガドリニウム領域９２は、第２燃料ペレット５２を用いて構成されている。また、高ガドリニウム領域９３は、第３燃料ペレット５３を用いて構成され、軸方向下側の低ガドリニウム領域９２は、第２燃料ペレット５２を用いて構成されている。
【００５４】
以上の構成によれば、核燃料の濃縮度が低い軸方向ブランケット領域８５，９０を設けた第１燃料棒８１および第２燃料棒８２であっても、ガドリニウム等の可燃性毒物が、主燃料領域９１において軸方向両端から軸方向中央に向けて含有率が高くなるように分布させることで、燃料集合体７１の軸方向における熱出力を均一化することができる。これにより、運転サイクルを長期化させた場合であっても、運転サイクルの後期において、軸方向の両端部における核反応と、軸方向の中央部における核反応の差を小さくすることができる。よって、この燃料集合体１を装荷した加圧水型原子炉においても、運転サイクルを長くすることで生じ得る局所的な熱出力の増加を抑制することが期待でき、原子炉の運転時における異常な過渡変化事象または事故事象への影響を考慮した信頼性の高い燃料とすることができる。
【００５５】
また、実施例１および実施例２において、第１燃料棒４１，８１および第２燃料棒４２，８２における可燃性毒物が、軸方向の両端部から中央部に向けて含有率が高くなるように分布させるのであれば、低ガドリニウム領域６０，６２，８７，９２は、複数の領域に分割しても良いし、高ガドリニウム領域６１，６３，８８，９３も、複数の領域に分割しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明に係る燃料棒および燃料集合体は、加圧水型原子炉において有用であり、特に、燃料集合体の運転サイクルを長くする場合に適している。
【符号の説明】
【００５７】
１      燃料集合体
５      制御棒
６      炉内計装用検出器
１０    セル
１５    燃料棒
１６    制御棒案内管
１７    炉内計装用案内管
１８    グリッド
１９    上部ノズル
２０    下部ノズル
２５    燃料ペレット
２６    被覆管
２７    スプリング
４１    第１燃料棒
４２    第２燃料棒
４３    第３燃料棒
６０    第１燃料棒の低ガドリニウム領域
６１    第１燃料棒の高ガドリニウム領域
６２    第２燃料棒の低ガドリニウム領域
６３    第２燃料棒の高ガドリニウム領域
７１    燃料集合体（実施例２）
８１    第１燃料棒（実施例２）
８２    第２燃料棒（実施例２）
８５    第１燃料棒の軸方向ブランケット領域
８６    第１燃料棒の主燃料領域
８７    第１燃料棒の低ガドリニウム領域（実施例２）
８８    第１燃料棒の高ガドリニウム領域（実施例２）
９０    第２燃料棒の軸方向ブランケット領域（実施例２）
９１    第２燃料棒の主燃料領域（実施例２）
９２    第２燃料棒の低ガドリニウム領域（実施例２）
９３    第２燃料棒の高ガドリニウム領域（実施例２）
Ｌ      燃料領域の全長
Ｌ１    低ガドリニウム領域の長さ
Ｌ２    第１領域の長さ
【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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