(57)【要約】【課題】運転サイクル期間を通じて軸方向出力分布を平坦化し、炉心の熱的余裕を改善することができる燃料集合体を提供する。【解決手段】燃料集合体１に設けられた燃料棒７４本のうち４本を短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５とし、１４本を長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３としている。また、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３のうち、第２長尺燃料棒１２は、下部領域「Ｃ」において２領域に濃度分布が分かれており、更に、ガドリニア濃度が軸方向下方に行くほど高められている。そして、第２短尺燃料棒１５は、その燃料有効長の上部側をガドリニアが添加されていない天然ウランを母材としたウラン燃料を充填し、下部側をガドリニア濃度を低濃度としたウラン燃料を充填している。また、短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に添加されたガドリニア濃度は、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３の最小値より低く抑えられている。【選択図】  図５
2013217678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料有効長が長い第１および第２長尺燃料棒と、これらの長尺燃料棒よりも燃料有効長が短い第１および第２短尺燃料棒とを、９行９列以上の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体であって、
ウランとプルトニウムの混合酸化物であるＭＯＸ燃料を充填した第１長尺燃料棒と、
前記短尺燃料棒と同じ長さの領域において少なくとも２以上に分けられ、下部側領域に可燃性吸収材の濃度が上部側領域のそれよりも高い可燃性吸収材が添加されたウラン燃料を充填した第２長尺燃料棒と、
燃料有効長全体に可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填した第１短尺燃料棒と、
その燃料有効長軸方向の下部側領域に可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填し、上部側領域に可燃性吸収材を添加していないウラン燃料を充填した第２短尺燃料棒とを備え、
前記第１短尺燃料棒および前記第２短尺燃料棒に添加した前記可燃性吸収材の濃度が、前記第２長尺燃料棒に添加した前記可燃性吸収材の濃度の最小値以下であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料集合体において、
前記短尺燃料棒よりも長い領域において少なくとも２以上に分けられ、上部側領域に可燃性吸収材の濃度が下部側領域のそれよりも低い可燃性吸収材が添加されたウラン燃料を充填した第３長尺燃料棒を更に備えたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料集合体において、
前記長尺燃料棒および前記短尺燃料棒におけるウラン燃料は、その母材が、天然ウラン、劣化ウラン、回収ウランのいずれかである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、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ；Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ）に装荷される燃料集合体に関し、特に、ウランとプルトニウムの混合酸化物であるＭＯＸ燃料を備えた燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＸ燃料集合体において、燃焼初期の軸方向出力分布を平坦化することにより炉心の熱的特性を向上させるとともに、制御棒価値の低下を抑制し炉停止余裕の低下を防止しつつ、富化度分布を単純化してＭＯＸ燃料棒の種類数を減らすことができる燃料集合体を提供するために、燃料有効長が相対的に長い長尺燃料棒と、この長尺燃料棒よりも燃料有効長が短い短尺燃料棒とを９行９列以上の正方格子状に配列した燃料集合体において、前記長尺燃料棒は、ウランとプルトニウムの混合酸化物であるＭＯＸ燃料が充填された第１長尺燃料棒と、可燃性吸収材を添加しないウラン燃料が充填された第２長尺燃料棒と、可燃性吸収材を添加したウラン燃料が充填された第３長尺燃料棒とを備え、前記短尺燃料棒に、可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填したものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１９４９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料集合体において、近年、原子力発電の経済性向上のために、燃料の高燃焼度化が進められている。原子炉に装荷される燃料の経済性を向上させるためには、できるだけ原子炉内に装荷される期間を長くして燃焼度を増加させることが必要となる。また、燃料集合体に含まれる核燃料物質が多いほど、燃料集合体の燃焼度は増加することになるため、燃料集合体に含まれる核分裂性物質を増加させること、すなわち、燃料物質の平均濃度を増加することが行われてきた。
【０００５】
この高燃焼度化に伴って燃料の反応度が増大するため、反応度の増加を抑制するために可燃性吸収材を混入する燃料棒の本数や可燃性吸収材量が増加する傾向になる。また、燃料集合体の核分裂性物質の平均濃縮度の増加に伴って、燃焼初期における反応度が増加するため、炉停止余裕および熱的余裕を確保するために、可燃性吸収材を含有する燃料棒の装荷割合も増加する傾向がある。
【０００６】
ここで、ＭＯＸ燃料集合体の場合、濃縮ウラン燃料棒にのみガドリニア等の可燃性吸収材を混入することを考えると、可燃性吸収材を混入した燃料棒の本数が増加することはウラン使用量が増加することになる。このため、一燃料集合体あたりのウラン使用量を少なくする観点から、ガドリニア燃料棒のウラン濃縮度はできるだけ小さくすることが望まれる。また、濃縮度分布およびガドリニア濃度分布を軸方向に分布させると燃料の成形が複雑になり、製造コストの上昇を招くことになる。このため、ガドリニアを含有したウラン燃料棒のウラン濃縮度およびガドリニア濃度は、種類を軸方向にできるだけ少なくすることが望ましい。
【０００７】
このようなＭＯＸ燃料特有のニーズを踏まえると、ＭＯＸ燃料集合体では可燃性吸収材が添加されたウラン燃料棒の配置について最適化を図る必要がある。
【０００８】
ここで、燃料の平均取出燃焼度Ｅは、バッチ数Ｎ、運転期間Ｔおよび燃料装荷量Ｍに依存しており、これらの間には、次の関係がある。
Ｅ∝Ｎ＊Ｔ／Ｍ
よって、燃料の経済性を向上させるには、バッチ数Ｎが大きい（新燃料体数が少ない）方がよいものの、運転期間Ｔを長くするとバッチ数Ｎは小さく（新燃料体数が多く）なる方向にある。また、バッチ数Ｎが小さくなると、炉心内における燃料の燃焼度のばらつきが少なくなり、同傾向の燃焼変化を行う燃料体の数が増加する。このため、軸方向の出力分布が厳しくなり、サイクル初期からサイクル中期において炉心出力分布が下方に歪む傾向が生じる。
【０００９】
ＭＯＸ燃料の場合、燃料の経済性を向上させるには、ガドリニア添加ウラン燃料棒のウラン濃縮度を低下させるかウラン濃度の低い天然ウラン等を使用し、その分、ＭＯＸ燃料棒のＰｕ富化度を増加させてＰｕの利用率を高めることが図られている。このため、ガドリニア添加ウラン燃料棒の出力が低下してＭＯＸ燃料棒の出力が増加することから燃料集合体の局所出力ピーキングが増加する。
【００１０】
このため、ガドリニア添加ウラン燃料棒において、天然ウラン等を使用すると共に運転サイクル期間を長期化させることは、軸方向出力ピーキングや局所出力ピーキングが増加することになり、炉心の熱的余裕が低下するという問題があった。
【００１１】
特許文献１では、短尺燃料棒にガドリニア等の可燃性吸収材を添加することによりサイクル初期の軸方向出力分布を平坦化しているものの、運転サイクル期間を通じての出力分布平坦化を達成することはできない。
【００１２】
本発明は、運転サイクル期間を通じて軸方向出力分布を平坦化し、炉心の熱的余裕を改善することができる燃料集合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、第１の発明は、燃料有効長が長い第１および第２長尺燃料棒と、これらの長尺燃料棒よりも燃料有効長が短い第１および第２短尺燃料棒とを、９行９列以上の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体であって、ウランとプルトニウムの混合酸化物であるＭＯＸ燃料を充填した第１長尺燃料棒と、前記短尺燃料棒と同じ長さの領域において少なくとも２以上に分けられ、下部側領域に可燃性吸収材の濃度が上部側領域のそれよりも高い可燃性吸収材が添加されたウラン燃料を充填した第２長尺燃料棒と、燃料有効長全体に可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填した第１短尺燃料棒と、その燃料有効長軸方向の下部側領域に可燃性吸収材を添加したウラン燃料を充填し、上部側領域に可燃性吸収材を添加していないウラン燃料を充填した第２短尺燃料棒とを備え、前記第１短尺燃料棒および前記第２短尺燃料棒に添加した前記可燃性吸収材の濃度が、前記第２長尺燃料棒に添加した前記可燃性吸収材の濃度の最小値以下である。
【００１４】
また第２の発明は、第１の発明において、前記短尺燃料棒よりも長い領域において少なくとも２以上に分けられ、上部側領域に可燃性吸収材の濃度が下部側領域のそれよりも低い可燃性吸収材が添加されたウラン燃料を充填した第３長尺燃料棒を更に備えた。
【００１５】
また第３の発明は、第１または第２の発明において、前記長尺燃料棒および前記短尺燃料棒におけるウラン燃料は、その母材が、天然ウラン、劣化ウラン、回収ウランのいずれかである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料集合体によれば、運転サイクル期間を通じて軸方向出力分布を平坦化し、炉心の熱的余裕を改善することができ、よってＭＯＸ燃料集合体で長期運転およびＰｕ装荷量増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のＭＯＸ燃料集合体の第１の実施形態の一部断面を示す立面図である。
【図２】図１に示す本発明のＭＯＸ燃料集合体の第１の実施形態のＡ−Ａ矢視断面を示す断面図である。
【図３】図１に示す本発明のＭＯＸ燃料集合体の第１の実施形態のＢ−Ｂ矢視断面を示す断面図である。
【図４】図１に示す本発明のＭＯＸ燃料集合体の第１の実施形態のＢ−Ｂ矢視断面における燃料棒の断面方向での配置を示す図である。
【図５】図１に示す本発明のＭＯＸ燃料集合体の第１の実施形態の燃料棒の軸方向の構成を示す図である。
【図６】ガドリニア添加ウラン燃料棒のガドリニア濃度，ガドリニア燃料棒本数と反応度の関係を示す図である。
【図７】第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で１領域とした場合の炉心平均軸方向出力分布のサイクル中の遷移の様子を示す図である。
【図８】燃料集合体の下部領域「Ｃ」における第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域とした場合の炉心平均軸方向出力分布のサイクル中の遷移の様子を示す図である。
【図９】燃料集合体の下部領域「Ｃ」における第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域とした燃料集合体と、１領域とした燃料集合体における、最大線出力密度のサイクル中の変化を示す図である。
【図１０】燃料集合体の下部領域「Ｃ」における第２短尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域とした場合と、１領域とした場合の燃料集合体でのサイクル初期における炉心平均軸方向出力分布の様子を示す図である。
【図１１】本発明のＭＯＸ燃料集合体の第２の実施形態の燃料棒の軸方向の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明の燃料集合体の実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞  
本発明の燃料集合体の第１の実施形態を、図１乃至図１０を用いて説明する。
まず燃料集合体の一例を図１〜３を用いて説明する。なお、図１は、ＭＯＸ燃料集合体を一部破断して示す正面図、図２は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００２０】
図１−３において、燃料集合体１は、長尺燃料棒２、短尺燃料棒３、上部タイプレート４、下部タイプレート５、ウォータロッド６、チャンネルボックス７、スペーサ８等により概略構成されている。
【００２１】
この燃料集合体１は、燃料有効長が相対的に長い通常の長尺燃料棒２と、この長尺燃料棒２よりも燃料有効長が短く上部領域の燃料を欠如させた短尺燃料棒３と、大径のウォータロッド６とを、軸方向に配置した複数のスペーサ８で燃料棒間の間隔を保持して９行９列の正方格子状に束ねている。束ねられた複数の燃料棒２，３のうち、長尺燃料棒２は外部スプリング９と共に上部タイプレート４と下部タイプレート５で固定されており、短尺燃料棒３は下部タイプレート５に固定されている。またこの束ねた燃料棒２，３の周囲をチャンネルボックス７で包囲している。
２本のウォータロッド６は断面が円形で、燃料棒２，３よりも径が大きく、燃料集合体１の中央部の燃料棒が７本配置可能な領域に対角線上に配置されている。また、チャンネルボックス７の隣り合う２辺には、断面が十字形をした制御棒１０が近接するように配置されている。そして、制御棒１０や図示されていない中性子検出器計装管を配置するために、チャンネルボックス７の外部は各燃料集合体間の間隔が拡げられており、周囲は冷却水で満たされている。冷却水はチャンネルボックス７内外を図１下方より上方に向かって流れている。
【００２２】
次に、長尺燃料棒２および短尺燃料棒３の構成の詳細について、図４および図５を用いて説明する。
図４は本発明に係る燃料集合体の第１の実施形態の燃料棒の配置を示す横断面図、図５はガドリニア添加ウラン燃料棒のガドリニア濃度分布を示す図である。
【００２３】
図４および図５に示すように、燃料集合体１における長尺燃料棒２は、第１長尺燃料棒としてウランとプルトニウムの混合酸化物であるＭＯＸ燃料が充填された長尺ＭＯＸ燃料棒１１と、第２長尺燃料棒として可燃性吸収材にガドリニアが添加されたウラン燃料が充填された長尺ウラン燃料棒（長尺Ｇｄ燃料棒）１２と、第３長尺燃料棒として可燃性吸収材にガドリニアが添加されたウラン燃料が充填された長尺ウラン燃料棒（長尺Ｇｄ燃料棒）１３とを有している。長尺燃料棒２は、第１長尺燃料棒１１が５２本、第２長尺燃料棒１２が８本、第３長尺燃料棒１３が６本となっている。
【００２４】
短尺燃料棒３は、第１短尺燃料棒として可燃性吸収材にガドリニアが添加されたウラン燃料が充填された短尺ウラン燃料棒（短尺Ｇｄ燃料棒）１４と、第２短尺燃料棒として可燃性吸収材にガドリニアが添加されたウラン燃料が充填された短尺ウラン燃料棒（短尺Ｇｄ燃料棒）１５と、第３短尺燃料棒としてウランとプルトニウムの混合酸化物であるＭＯＸ燃料が充填された短尺ＭＯＸ燃料棒１６とからなる。ここで、短尺燃料棒３は、正方格子状配列の最外周から２層目のコーナおよび各辺の中央に８本配置されており、第１短尺燃料棒１４および第２短尺燃料棒１５はそれぞれ２本、第３短尺燃料棒１６は４本となっている。
【００２５】
また、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３および短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５のウラン燃料には、ウラン母材として天然ウランが使用されており、天然ウランに可燃性吸収材としてガドリニアを添加し、この混合物を焼結したペレットが充填されている。
【００２６】
燃料集合体１内は、図５に示すように、短尺燃料棒３の燃料有効長の上端を境界として、上側の上部領域「Ｂ」と下側の下部領域「Ｃ」とに分けられる。このうち、本実施形態の燃料集合体のガドリニア濃度分布について以下説明する。
【００２７】
図５に示すように、第２長尺燃料棒１２は、短尺燃料棒３の燃料有効長の長さと同じ長さの下部領域「Ｃ」が軸方向に２種類のガドリニア濃度ｅ、ｃとなっており、上部領域「Ｂ」は下部領域「Ｃ」のガドリニア濃度ｅ、ｃとは異なる濃度ｂとなっている。また、第３長尺燃料棒１３は、下部領域「Ｃ」で一様のガドリニア濃度ｃとなっており、上部領域「Ｂ」は下部領域「Ｃ」のガドリニア濃度ｃとは異なる濃度ｂとなっている。ここで、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３におけるガドリニア濃度ｂ、ｃ、ｅは、軸方向下部ほど高くなっており、ｂ＜ｃ＜ｅの関係を満たしている。
【００２８】
また、第１短尺燃料棒１４は、下部領域「Ｃ」において一様のガドリニア濃度ｄとなっている。また、第２短尺燃料棒１５は、下部領域「Ｃ」において、軸方向の上から、ガドリニアが添加されていない天然ウラン領域ｆと、ガドリニアが添加された天然ウラン領域ｄとを有している。ここで、この短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５におけるガドリニア濃度ｄは、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３におけるガドリニア濃度ｂ、ｃ、ｅのうちの最小値ｂより小さくなっており、ガドリニア濃度ｄはｄ＜ｂの関係を満たしている。
【００２９】
なお、長尺ＭＯＸ燃料棒１１および短尺ＭＯＸ燃料棒１６は、Ｐｕ富化度ａが実際には４種類に分かれており、軸方向に分布しているが、本実施形態においてはその詳細は省略する。
【００３０】
また、図５中の領域ｆは、ガドリニアが添加されていない天然ウラン燃料のみから構成される領域を示しており、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３および短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５において、中性子の漏れを抑制する効果を有している。
【００３１】
図４において、燃料集合体１における第２長尺燃料棒１２は、９行９列の正方格子状配列の２層目コーナ部に配置された短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に隣接した位置に８本配置される。また第３長尺燃料棒１３は、正方格子状配列のうち、中央領域に配置された水ロッド６に隣接した位置に６本配置される。
第１短尺燃料棒１４は、制御棒１０側および反制御棒側（制御棒１０から遠い側）の位置に２本配置される。また第２短尺燃料棒１５は、正方格子状配列の２層目コーナ部に２本配置される。なお、短尺ＭＯＸ燃料棒１６は、正方格子状配列の最外周から２層目の各辺の中央に４本配置される。そして残りの位置に第１長尺燃料棒１１が配置される。
【００３２】
通常、ＭＯＸ燃料では、Ｐｕ利用率を高めるため、ＭＯＸ燃料棒のＰｕ富化度を上げてガドリニア添加ウラン燃料棒のウラン濃縮度を低減することが有効であるが、これではガドリニア添加ウラン燃料棒の出力が低下してＭＯＸ燃料棒の出力が増加してしまい、燃料集合体の局所出力ピーキングが増加する傾向となり、熱的余裕が悪化する要因となる。
【００３３】
ここで、図６に、ガドリニア添加ウラン燃料棒のガドリニア濃度やガドリニア燃料棒本数と反応度（無限増倍率）との関係の燃焼度依存性について示す。
【００３４】
図６中、（１）はガドリニア燃料棒におけるガドリニア濃度およびガドリニア燃料棒本数が平均的な場合、（２）はガドリニア燃料棒本数が平均的でガドリニア濃度が平均より濃い場合（図中（２）＋で示す）と薄い場合（図中（２）−で示す）、（３）はガドリニア燃料棒におけるガドリニア濃度が平均的で本数が平均より多い場合（図中（３）＋で示す）と少ない場合（図中（３）−で示す）、（４）はガドリニア燃料棒におけるガドリニア濃度が平均より濃く本数も多い場合、（５）はガドリニア燃料棒がない場合、の燃焼度に対する無限増倍率（ｋ∞）の関係をそれぞれ示している。横軸には燃焼度を、縦軸には無限増倍率を取っている。
【００３５】
図６において、図６中（１）に示すように、無限増倍率は、燃焼が進んでガドリニアが燃えるに従って緩やかに上昇し、ガドリニアが燃え尽きたところでピークを迎え、ピークを超えた後は緩やかに下降する。
【００３６】
また、図６中（１）および（２）＋に示すように、ガドリニア濃度が濃いほどガドリニアが燃え尽きる燃焼度を高く（ガドリニアの燃え尽きる時期を遅く）することができ、無限増倍率（ｋ∞）の最大値を低下させることができる。逆に、（１）および（２）−に示すように、ガドリニア濃度が薄いほどガドリニアが燃え尽きる燃焼度を低く（ガドリニアの燃え尽きる時期を早く）することができ、無限増倍率（ｋ∞）の最大値を増加させることができる。
なお、ＢＷＲの炉心では、一般的に出力分布が下方ピークとなるため、ガドリニア濃度を軸方向に対して一様な濃度とした場合、下部のガドリニアが早く燃え尽きてしまい、サイクル中期の下方ピークが過大となる傾向がある。このため、軸方向に濃度分布の領域を分割して、下部領域ほどガドリニア濃度を高めることにより、サイクル中期の下方ピークを抑制できることになる。
【００３７】
また、図６中（１）および（３）＋に示すように、ガドリニア添加ウラン燃料棒本数が多いほど、同燃料棒の表面積が増加して中性子吸収が増加するため、燃焼初期の無限増倍率が低くなる。逆に、（１）および（３）−に示すように、ガドリニア添加ウラン燃料棒本数が少ないほど、同燃料棒の表面積が減少して中性子吸収が減少するため、燃焼初期の無限増倍率が増大する。
なお、ＢＷＲの炉心では、一般的にサイクル初期からサイクル中期に渡って出力分布が下方ピークとなる。このため、下部領域に存在する短尺燃料棒にもガドリニア添加ウラン燃料を充填して下部領域におけるガドリニア添加ウラン燃料棒の本数を増加させることで、燃焼初期の下方ピークを抑制することができる。
【００３８】
また、図６（５）に示すように、ガドリニア燃料棒がない場合、反応度が増加するにしたがって無限増倍率は単調減少する。
【００３９】
このように、ガドリニア燃料棒の本数の増減とガドリニア濃度の増減（軸方向濃度分布を含む）という２つを組み合わせることにより、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。
【００４０】
そこで、燃料集合体１に設けられた燃料棒７４本のうち４本を短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５とし、１４本を長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３としている。また、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３のうち、第２長尺燃料棒１２は、下部領域「Ｃ」において２領域に濃度分布が分かれており、更に、ガドリニア濃度が軸方向下方に行くほど高められている。そして、第２短尺燃料棒１５は、その燃料有効長の上部側をガドリニアが添加されていない天然ウランを母材としたウラン燃料を充填し、下部側をガドリニア濃度を低濃度添加したウラン燃料を充填している。また、短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に添加されたガドリニア濃度は、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３の最小値より低く抑えられている。
これにより、燃料集合体１の下部領域「Ｃ」におけるガドリニア添加ウラン燃料棒１３〜１５の数を、上部領域「Ｂ」におけるガドリニア添加ウラン燃料棒１２，１３の数に対して、下部領域「Ｃ」の上部側で２本（短尺Ｇｄ燃料棒１４による）、下部領域「Ｃ」の下部側で４本（短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５による）多くなるよう構成している。
【００４１】
すなわち、燃料集合体１の横断面を上部横断面（短尺燃料棒２のない上部領域「Ｂ」断面）、中央部横断面（下部領域「Ｃ」における第２短尺燃料棒１５のガドリニアを添加しない領域を含む）、下部横断面（第２短尺燃料棒１５のガドリニアを添加した領域を含む）としたときに、可燃性吸収材を添加した燃料棒の数が、
上部横断面＜中央部横断面＜下部横断面
となるよう構成した。
【００４２】
図７は、第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で１領域とした場合の炉心平均軸方向出力分布のサイクル中の遷移の様子を示す図で、図８は、燃料集合体の下部領域「Ｃ」における第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域とした場合の炉心平均軸方向出力分布のサイクル中の遷移の様子を示す図である。図７，８中、Ａはサイクル初期、Ｂは中期、Ｃは末期における炉心平均軸方向出力分布である。
【００４３】
図７に示すように、下部領域「Ｃ」において第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で１領域とした場合、サイクル中期（図７中Ｂ）において軸方向下部の出力が上部に比べて約４割程度大きくなり、またサイクル末期（図７中Ｃ）における軸方向出力分布に大きな偏りが生じてしまう。
これに対し、図８に示すように、下部領域「Ｃ」において第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域とすることにより、サイクル中期（図８中Ｂ）において軸方向下部の出力を低下させることができ、これによって下部と上部の出力差を小さくでき、またサイクル初期（図８中Ａ）および末期（図８中Ｃ）においても軸方向出力を平坦にすることができる。
【００４４】
図９に、燃料集合体の下部領域「Ｃ」における第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域とした燃料集合体と、比較のための第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で１領域とした燃料集合体における、最大線出力密度の運転サイクル中変化の図を示す。図９中、Ａは２領域、Ｂは１領域とした燃料集合体における最大線出力密度である。
【００４５】
図９に示すように、下部領域「Ｃ」において第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で１領域（図９中Ｂ）とした燃料集合体では、サイクル中期における最大線出力密度が高く、制限値までの余裕が小さい。これに対し、第２長尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域（図９中Ａ）とした燃料集合体の場合、サイクル中期における最大線出力密度をサイクル初期や末期とほぼ変わらないレベルに抑制することができ、運転サイクル期間中の軸方向出力分布の変化を安定化させることができ、熱的余裕を大きく改善することができる。
【００４６】
図１０に、下部領域「Ｃ」における第２短尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域とした燃料集合体と、比較のための１領域とした燃料集合体でのサイクル初期における炉心平均軸方向出力分布の様子を示す。図１０中、Ａは２領域、Ｂは１領域とした燃料集合体における最大線出力密度である。
【００４７】
図１０に示すように、燃料集合体の下部領域「Ｃ」における第２短尺燃料棒のガドリニア濃度を軸方向で２領域（図１０中Ａ）とすることによって、１領域（図１０中Ｂ）とした場合に比べてサイクル初期における軸方向中間部の出力を上げることができ、軸方向出力分布を平坦化することができる。よってサイクル初期での最大線出力密度を改善できるとともに、サイクル初期から中期にかけての熱的余裕の改善を図ることができる。
【００４８】
以上の構成により、上述のような効果が得られ、よって、ガドリニア添加ウラン燃料棒に天然ウランを使用しながらサイクル初期の軸方向出力分布の平坦化およびサイクル中期の下方歪出力分布を平坦化することができる。従って、サイクル初期の下方歪出力分布および出力分布の下歪の影響が顕著となる長期運転炉心やＭＯＸ燃料装荷炉心における軸方向出力分布の平坦化が可能となり、熱的余裕の低下を改善し、最大線出力密度で約１０％程度の向上を達成することができる。
【００４９】
＜第２の実施形態＞  
本発明の燃料集合体の第２の実施形態を図１１を用いて説明する。
【００５０】
第２の実施形態における燃料集合体は、長尺燃料棒２以外の構成は第１の実施形態の燃料集合体と概略同じ構成であり、詳細は省略する。
図１１は、ガドリニア添加ウラン燃料棒のガドリニア濃度分布を示す図である。
【００５１】
図１１に示すように、本発明の燃料集合体１の第２の実施形態は、燃料集合体１における長尺燃料棒２が、第１長尺燃料棒１１と、第２長尺燃料棒１２と、第３長尺燃料棒１３とを有している点は第１の実施形態と同じである。
【００５２】
このうち、図１１に示すように、第３長尺燃料棒１３は、下部領域「Ｃ」が一様のガドリニア濃度ｃとなっており、上部領域「Ｂ」は軸方向に２種類のガドリニア濃度ｂ、ｄとなっている。なお第２長尺燃料棒１２は、下部領域「Ｃ」が軸方向に２種類のガドリニア濃度ｅ、ｃとなっており、上部領域「Ｂ」は下部領域「Ｃ」のガドリニア濃度とは異なる濃度ｂとなっている。ここで、ガドリニア濃度ｂ、ｃ、ｄ、ｅは軸方向下部ほど高くなっており、ｄ＜ｂ＜ｃ＜ｅの関係を満たしている。
【００５３】
第２の実施態様の燃料集合体においても、得られる効果は第１の実施形態の燃料集合体の場合とほぼ同様である。さらに、本実施形態の燃料集合体では、長尺Ｇｄ燃料棒１２におけるガドリニア濃度を上部領域「Ｂ」において２つの領域に分け、上部側濃度を低減させることで、サイクル末期におけるガドリニアの残留量の低減を図ることができ、ガドリニアの有効利用が可能となり、コスト低減の効果がある。また、軸方向上部の反応度を上昇させることもでき、軸方向出力分布をより平坦化する効果も得られる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、第３長尺燃料棒１３のガドリニア濃度ｄと短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５のガドリニア濃度ｄはガドリニア濃度が同じであるが、短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５のガドリニア濃度は、第３長尺燃料棒１３のガドリニア濃度より小さくても構わない。
【００５５】
＜第３の実施の形態＞  
上記の第１の実施形態では、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３および短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に充填するウラン燃料のウラン母材として天然ウラン（ウラン２３５濃度が０．７ｗｔ％程度の濃度）を用いた例を説明しているが、このウラン燃料のウラン母材には、劣化ウランを用いることができる。その他の構成は第１の実施形態の燃料集合体と概略同じ構成であり、詳細は省略する。
ここで、劣化ウランとは、天然ウランから濃縮ウランを得るための濃縮過程において得られるウラン燃料の総称であり、一般的にウラン２３５濃度が０．２〜０．３ｗｔ％程度のウランのことを示している。
【００５６】
本実施形態では、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３および短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に充填するウラン燃料のウラン母材として劣化ウランを使用しており、劣化ウランにガドリニアを添加し、この混合物を焼結したペレットを充填している。
【００５７】
一般的に、ウラン燃料のウラン２３５の濃度が低いほど、燃料集合体における局所出力ピーキングが厳しくなり、熱的余裕が小さくなる。しかし、運転サイクル期間長さや取出平均燃焼度が大きくない条件では、この余裕を活用して、第１，第２の実施形態のように燃料集合体１における可燃性吸収材を添加した燃料棒の数を、上部横断面＜中央部横断面＜下部横断面、となるよう構成することによって、ウラン母材に劣化ウランを使用することが可能となる。
【００５８】
このように長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３および短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に充填するウラン燃料のウラン母材として劣化ウランを用いる第３の実施形態の燃料集合体においても、得られる効果は第１の実施形態の燃料集合体の場合とほぼ同様である。また、劣化ウランをウラン母材に用いることによって、濃縮ウランを用いる場合に比べて一燃料集合体あたりのウラン使用量を低減でき、燃料の経済性を向上させることができる。また、軽水冷却・軽水減速沸騰水型原子炉で使用される濃縮ウラン燃料の製造過程では、ウラン２３５を濃縮する過程で転換費、濃縮費および再転換費が発生するが、劣化ウランをウラン母材に使用する場合には、上述の費用のうち転換費および濃縮費が不要となり、燃料集合体の製造コストを削減を図ることができる。
【００５９】
なお、この第３の実施形態においても、第２の実施形態のように、第３長尺燃料棒１３の上部領域「Ｂ」のガドリニア濃度を軸方向に２つに分割し、上部側ほど低濃度とすることができ、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６０】
＜第４の実施の形態＞  
上記の第３の実施形態では、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３および短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に充填するウラン燃料のウラン母材として劣化ウランを用いた例を説明しているが、このウラン燃料のウラン母材には回収ウランを用いることもできる。その他の構成は第１の実施形態の燃料集合体と概略同じ構成であり、詳細は省略する。
ここで、回収ウランとは、使用済燃料を再処理して得られるウラン燃料の総称であり、一般的にウラン２３５濃度が１ｗｔ％程度のウランのことを示している。
【００６１】
本実施形態では、長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３および短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に充填するウラン燃料のウラン母材として回収ウランを使用しており、回収ウランにガドリニアを添加し、この混合物を焼結したペレットを充填している。
【００６２】
このように長尺Ｇｄ燃料棒１２，１３および短尺Ｇｄ燃料棒１４，１５に充填するウラン燃料のウラン母材として回収ウランを用いる第４の実施形態の燃料集合体においても、得られる効果は第１の実施形態の燃料集合体の場合とほぼ同様である。また、回収ウランをウラン母材に用いることにより、濃縮ウランを用いる場合に比べて、一燃料集合体あたりのウラン使用量を低減でき、燃料の経済性を向上させることができる。
【００６３】
なお、この第４の実施形態においても、第２の実施形態のように、第３長尺燃料棒１３の上部領域「Ｂ」のガドリニア濃度を軸方向に２つに分割し、上部側ほど低濃度とすることができ、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
＜その他＞  
上述の各実施形態では、燃料集合体１として９行９列の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られず、例えば１０行１０列あるいはそれ以上の正方格子状に配列した沸騰水型原子炉用の燃料集合体に適用することができる。
【００６５】
また、チャンネルボックス７内における長尺燃料棒２と短尺燃料棒３、およびウォータロッド６の長さと本数、形状、配置については、それぞれの原子炉によって異なるため、燃料棒やウォータロッドの配置や本数は本実施形態に示す燃料集合体１に限定されるものではない。
【００６６】
また、図６では、可燃性吸収材としてガドリニアを例示して説明しているが、他の種類の可燃性吸収材を用いるケースでも、図６と同様の傾向を示す。
【００６７】
さらに、上述の実施形態では、第２長尺燃料棒１２の下部領域「Ｃ」（第１，２実施形態）や第３長尺燃料棒の上部領域「Ｂ」（第２の実施形態）でのガドリニア濃度を２つに分ける場合を例にして説明したが、分割数は２に限定されず、２以上であればよい。
【符号の説明】
【００６８】
１…燃料集合体、
２…長尺燃料棒、
３…短尺燃料棒、
４…上部タイプレート、
５…下部タイプレート、
６…ウォータロッド、
７…チャンネルボックス、
８…スペーサ、
９…外部スプリング、
１０…制御棒、
１１…長尺ＭＯＸ燃料棒（第１長尺燃料棒）、
１２…長尺ウラン燃料棒（第２長尺燃料棒、長尺Ｇｄ燃料棒）、
１３…長尺ウラン燃料棒（第３長尺燃料棒、長尺Ｇｄ燃料棒）、
１４…短尺ウラン燃料棒（第１短尺燃料棒、短尺Ｇｄ燃料棒）、
１５…短尺ウラン燃料棒（第２短尺燃料棒、短尺Ｇｄ燃料棒）、
１６…短尺ＭＯＸ燃料棒（第３短尺燃料棒）。
【図１】
2013217678.tif 000003
【図２】
2013217678.tif 000004
【図３】
2013217678.tif 000005
【図４】
2013217678.tif 000006
【図５】
2013217678.tif 000007
【図６】
2013217678.tif 000008
【図７】
2013217678.tif 000009
【図８】
2013217678.tif 000010
【図９】
2013217678.tif 000011
【図１０】
2013217678.tif 000012
【図１１】
2013217678.tif 000013