(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＸ燃料ペレットを封入したＭＯＸ燃料棒を含む複数の燃料棒と、水ロッドとを正方格子状に配置したＭＯＸ燃料集合体において、
前記ＭＯＸ燃料棒は可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒を有し、全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒数の割合Ｎfr（％）と、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒の可燃性毒物の平均重量割合Ｃag（％）とが
−１．７Ｃag＋２１．８≦Ｎfr≦−４．４Ｃag＋５６．１
の関係を満たし、
可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒を燃料棒配列の最外周に配置したことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項２】
請求の範囲第１項において、更に、前記平均重量割合Ｃagが
Ｃag≦５．０
の関係を満たすことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項３】
請求の範囲第１項において、更に、前記平均重量割合Ｃagが
０．５≦Ｃag
の関係を満たすことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項４】
ＭＯＸ燃料ペレットを封入したＭＯＸ燃料棒を含む複数の燃料棒と、水ロッドとを正方格子状に配置したＭＯＸ燃料集合体において、
前記ＭＯＸ燃料棒は可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒を有し、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒の可燃性毒物の平均重量割合Ｃag（％）が
０．５≦Ｃag≦５．０
の関係を満たし、
可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒を燃料棒配列の最外周に配置したことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項５】
請求の範囲第４項において、更に、全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒数の割合Ｎfr（％）が
Ｎfr≦−４．４Ｃag＋５６．１
の関係を満たすことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項６】
ＭＯＸ燃料ペレットを封入したＭＯＸ燃料棒を含む複数の燃料棒と、水ロッドとを正方格子状に配置したＭＯＸ燃料集合体において、
前記ＭＯＸ燃料棒は可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒を有し、全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒数の割合Ｎfr（％）と、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒の可燃性毒物の平均重量割合Ｃag（％）とが
−１．７Ｃag＋２１．８≦Ｎfr≦−４．４Ｃag＋５６．１
０．５≦Ｃag≦５．０
の関係を満た満たし、
可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒を燃料棒配列の最外周に配置したことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項７】
請求の範囲第１項又は第４項において、全ての燃料棒がＭＯＸ燃料棒であることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項８】
請求の範囲第１項又は第４項において、前記可燃性毒物がガドリニアであることを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項９】
請求の範囲第１項又は第４項において、前記水ロッドの横断面積が、前記複数の燃料棒の１つの格子セルの横断面積より大きいことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項１０】
請求の範囲第１項又は第４項の何れかに記載のＭＯＸ燃料集合体を含む複数の燃料集合体を装荷したことを特徴とする炉心。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は軽水炉用の燃料集合体に係り、特にウラン酸化物とプルトニウム酸化物を混合した混合酸化物（ＭＯＸ）燃料集合体及びこれを用いた炉心に関する。
背景技術
現在、ウランを燃料として運転している原子炉では、所定の期間原子炉を運転後に一定数の燃料集合体を取り出し、取り出した燃料集合体と同数の新しい燃料集合体を装荷する運転方法を行っている。この運転方法では一定の期間原子炉を臨界状態に保つために、運転末期に臨界になるように新たに装荷される燃料集合体の濃縮度が設定されており、運転初期では超臨界の状態になっている。この超臨界の状態にある原子炉を臨界状態にするために、可燃性毒物と呼ばれる中性子吸収材を燃料に添加し、さらに中性子吸収効果のある制御棒を運転初期からほぼ運転末期まで挿入している。最近では、ＭＯＸ燃料を原子炉燃料として用いることが検討されているが、この場合でも原子炉の運転方法はウランを燃料とした原子炉と同様である。
一般にＭＯＸを燃料として用いた燃料集合体（ＭＯＸ燃料集合体）に可燃性毒物を用いる場合には、ウランのみを燃料とした燃料集合体（ウラン燃料集合体）に可燃性毒物を用いる場合よりも反応度抑制効果が減少する。これは以下の理由による。
中性子エネルギーとウラン２３５及びプルトニウム２３９の中性子吸収断面積の関係を第４図に示す。第４図から、低エネルギー領域ではプルトニウム２３９の中性子吸収断面積はウラン２３５より大きい。一般的には、この差の影響により、ＭＯＸ燃料集合体に可燃性毒物を用いた場合、燃料集合体内での中性子束は硬くなり（中性子束のうち、高エネルギー側の中性子束の相対的な割合が高くなり）、可燃性毒物の反応度抑制効果は減少する傾向にある。特に、可燃性毒物を添加する燃料棒の燃料にＭＯＸを用いた場合には、上記断面積の差により反応度抑制効果が小さくなる傾向にある。
このことから、ＭＯＸ燃料集合体において、可燃性毒物を含有する燃料棒の燃料としてウランを用いた技術が特開平4−50796号公報に記載されている。
現在までのウラン燃料集合体では、経済性向上の観点から、段階的に取り出し燃焼度を増大し、これとともに濃縮度を増大してきた。今後、ＭＯＸ燃料集合体においても、ウラン燃料集合体と同様に取り出し燃焼度を増大し、プルトニウムの富化度を増大する方向に向かうことが予想される。これに伴って、増大した富化度分だけ反応度が増大するために、反応度抑制効果の増大が必要になる。
反応度抑制効果の増大には可燃性毒物を添加した燃料棒本数の増加が有効である。しかし、ウラン燃料を母材として可燃性毒物を添加した燃料棒を用いると、反応度抑制効果は増大するものの、燃料集合体中のＭＯＸ燃料棒がウラン燃料棒に置き代わるためにプルトニウム装荷量の減少を引き起こす。
一方、特開平5−80174号公報に、燃料ペレットの焼結性を改善してＭＯＸ燃料に可燃性毒物を含有する技術が記載されている。
発明の開示
本発明の目的は、反応度抑制効果を確保しつつ、プルトニウム装荷量を増大できるＭＯＸ燃料集合体及び炉心を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、ＭＯＸ燃料ペレットを封入したＭＯＸ燃料棒を含む複数の燃料棒と、水ロッドとを正方格子状に配置したＭＯＸ燃料集合体において、前記ＭＯＸ燃料棒は可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒を有し、全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒数の割合Ｎfr（％）と、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒の可燃性毒物の平均重量割合Ｃag（％）とが、次の２つの条件のうち少なくとも１つを満たすように構成する。
−１．７Ｃag＋２１．８≦Ｎfr≦−４．４Ｃag＋５６．１
０．５≦Ｃag≦５．０
以下、上記の条件を満足することにより得られる効果について説明する。ＭＯＸ燃料集合体を用いた炉心においても、平均取出燃焼度をウラン燃料集合体を用いた炉心と同等にすることが想定されるので、以下では、平均取出燃焼度を３０ＧＷｄ／ｔ以上、運転期間を１３ヶ月以上とすることを目標にした。
まず、余剰反応度について考える。ここで余剰反応度とは、原子炉を所定の期間運転するために、運転初期に原子炉が余裕として持つべき反応度であり、制御棒により抑制する反応度のことである。制御棒の数が有限であるために、制御棒で制御（抑制）できる反応度には制限がある。
また、現在の原子炉炉心の設計ではコントロールセルコア炉心概念を用いている。コントロールセルコア炉心概念とは以下のようなものである。原子炉運転では制御棒を挿入して運転初期から運転末期まで原子炉を運転するが、運転末期において制御棒を引き抜いた後に、制御棒に隣接した燃料集合体の出力が過剰に増大しないように、制御棒に隣接した燃料集合体には炉心内で比較的燃焼の進んだ燃料集合体を配置する概念である。
この概念では比較的燃焼の進んだ燃料集合体が１つの制御棒に対して４体必要となる。ところが、一般の軽水炉では所定期間の運転の後、装荷されている燃料集合体のうち約１／３を取り出す運転パターンを繰り返すので、炉内で比較的燃焼の進んだ燃料集合体の割合は約１／３となる。更に、炉心の最外層には比較的燃焼の進んだ燃料集合体を配置して、原子炉からの中性子の漏洩を低減する燃料装荷パターンになっている。このために、運転期間中に使用できる制御棒の数は、実際の制御棒の数よりも少なくなる。従って、この概念を用いた炉心で制御できる余剰反応度には上限があり、約３％である。
この上限を満たすために、燃料集合体内の可燃性毒物を含有するMOX燃料棒数やこのＭＯＸ燃料棒内の可燃性毒物の重量割合にも制約がある。上記３％の制約を満たすために必要な可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒の可燃性毒物の平均重量割合（以下、可燃性毒物平均重量割合と呼ぶ）Ｃag（％）と、燃料集合体内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料棒数の割合（以下、可燃性毒物棒割合と呼ぶ）Ｎfr（％）との関係を第２図に実線で示す。第２図の実線は、次式を表している。
Ｎfr≧−１．７Ｃag＋２１．８                                            …（１）
また、原子炉の設計基準として、運転初期において余剰反応度は１％以上の余裕を持つ必要がある。この観点からも、前記のＣagとＮfrには制限がある。上記１％の制約を満たすために必要なＣagとＮfrとの関係を第２図に破線で示す。第２図の破線は、次式を表している。
Ｎfr≦−４．４Ｃag＋５６．１                                            …（２）
従って、（１）式及び（２）式の条件を満足すれば、十分な反応度抑制効果を確保することができる。また、可燃性毒物をＭＯＸ燃料棒に含有させることにより、可燃性毒物をウラン燃料棒に含有させた場合に比べて、プルトニウム装荷量を増大することができる。
次に、可燃性毒物が反応度抑制効果を発揮する期間（以下、反応度抑制期間と呼ぶ）について考える。原子炉運転において、制御棒の操作などにより運転が複雑になることを避けるために、炉心の余剰反応度をできるだけ一定にするように、炉心は設計される。また、ほぼ運転末期において可燃性毒物の影響がなくなるように、可燃性毒物の濃度は設定される。
可燃性毒物平均重量割合と反応度抑制期間の関係を第１１図に示す。ここで、反応度抑制期間はＧＷｄ／ｔの単位で示している。１３ヶ月運転の場合、サイクル燃焼度（運転サイクル期間に発生する単位燃料重量当りのエネルギー）は約１０ＧＷｄ／ｔである。第１１図から、このために必要な可燃性毒物平均重量割合は０．５ｗｔ％程度であることが判る。今後、運転の長期化や高燃焼度化に応じて、必要となる可燃性毒物平均重量割合は現在よりも増大する。
従って、現在の炉心よりも長い期間に渡って反応度抑制効果を確保するためには、０．５ｗｔ％以上の可燃性毒物平均重量割合が必要となる。この観点から、可燃性毒物平均重量割合Ｃag（％）に下限が存在し、この下限を第２図の左側の一点鎖線で示す。同図の左側の一点鎖線は次式を表している。
０．５≦Ｃag                                                            …（３）
一方、可燃性毒物平均重量割合と原子炉運転初期の反応度抑制効果の間には第３図の関係がある。第３図に示すように、反応度抑制効果は、可燃性毒物平均重量割合の増加（濃度の増加）に伴って増大し、次第に飽和の傾向を示す。従って、この飽和の傾向が表れる領域より可燃性毒物平均重量割合を大きくしても、それ以上に大きな反応度抑制効果は余り期待できない。更に、ＭＯＸ燃料棒中の可燃性毒物平均重量割合を増加することはプルトニウム装荷量の減少につながるので、プルトニウム装荷量を増やすためには、必要以上に可燃性毒物平均重量割合を増加すべきではない。この観点で可燃性毒物平均重量割合Ｃag（％）に上限が存在し、この上限は飽和傾向が表れる約５％である。この上限は次式で表され、次式を第２図の右側の一点鎖線で示す。
Ｃag≦５．０                                                            …（４）
上述した観点から、可燃性毒物平均重量割合Ｃag（％）が（３）式及び（４）式を満足すれば、十分な反応度抑制効果を確保することができる。また、可燃性毒物をＭＯＸ燃料棒に含有させることにより、可燃性毒物をウラン燃料棒に含有させた場合に比べて、プルトニウム装荷量を増大できることは、前述したことと同じ効果である。
以上説明したように、本発明の目的は、（１）式及び（２）式を満足するか、または、（３）式及び（４）式を満足することにより達成することができる。また、本発明をより効果的にするための好ましい条件としては、（１）式，（２）式及び（３）式を満足するか、（１）式，（２）式及び（４）式を満足するか、（３）式，（４）式及び（２）式を満足すれば良い。
更に、第２図に示した（１）〜（４）式に対応した４本の線で囲まれた領域が、可燃性毒物平均重量割合Ｃag（％）と、可燃性毒物棒割合Ｎfr（％）に関する最も好ましい範囲となる。即ち、この範囲を満足することにより、反応度抑制効果を確保しつつプルトニウム装荷量を増大することが最も効果的となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による燃料集合体の第１実施例の水平断面図。
第２図は可燃性毒物棒割合と可燃性毒物平均重量割合の関係を示す図。
第３図は可燃性毒物平均重量割合と反応度抑制効果の関係を示す図。
第４図はプルトニウムとウランの中性子吸収断面積を示す図。
第５図は本発明による燃料集合体の第２実施例の水平断面図。
第６図は本発明による燃料集合体の第３実施例の水平断面図。
第７図は本発明による燃料集合体の第４実施例の水平断面図。
第８図は本発明による燃料集合体の第５実施例の水平断面図。
第９図は本発明による燃料集合体の第６実施例の水平断面図。
第１０図は本発明による燃料集合体を用いた炉心の水平断面図。
第１１図は可燃性毒物平均重量割合と反応度抑制期間の関係を示す図。
第１２図は第２実施例の燃料棒の詳細図。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第１図は本発明による燃料集合体の第１実施例の水平断面図を示す。１体の制御棒５の周囲にこの制御棒５と隣接して配置された４体の燃料集合体によって１つのセルが構成される。各燃料集合体は、中央部に配置された１本の水ロッド３と、水ロッド３の周りに８行８列（８×８）の格子状に配列された燃料棒と、これらの燃料棒及び水ロッド３を取り囲むチャンネルボックス４とを備える。
燃料棒は、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填した燃料棒１（４４本）と、ガドリニアなどの可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料ペレットを充填した燃料棒２（１６本）から構成される。また、水ロッド３は、燃料棒４本を配置可能な中央領域を占めている。このように構成された８７２体の燃料集合体と、水平断面が十字形をした３７個の制御棒などが第１０図に示すように炉心を構成する。第１０図の一升が１体の燃料集合体を示している。第１０図は炉心の１／４水平断面図で、斜線で示した３７個のコントロールセル８が炉心の中央領域に配置されている。コントロールセル８も、制御棒に隣接して配置される４体の燃料集合体により構成される。この制御棒は、原子炉の定格運転中に原子炉出力を制御する。
本実施例は、コントロールセル８以外のセルは第１図のようにＭＯＸ燃料ペレットを有した４体の燃料集合体を含んでいる。各コントロールセル８も、４体の燃料集合体はＭＯＸ燃料ペレットを含んでいる。コントロールセル８の各燃料集合体は、コントロールセル８周囲の燃料集合体よりも無限増倍率が小さい（例えば、プルトニウムの量が少）。
本実施例における炉心はＢＷＲに適用した平衡炉心である。この平衡炉心は、約１／３が燃焼度０ＧＷｄ／Ｔの新燃料集合体を含む。
本実施例では、上記新燃料集合体内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒２の数の割合は約２７％、可燃性毒物を含有する燃料棒２の可燃性毒物の平均重量割合は２％である。このように燃料集合体を構成することにより、可燃性毒物棒割合及び可燃性毒物平均重量割合が前述の（１）〜（４）式を満たすので、反応度抑制効果を確保しつつ、プルトニウム装荷量を増大することができる。
尚、可燃性毒物の重量割合（濃度）に関しては、全ての燃料棒２の平均が２％であれば、燃料棒２の軸方向に濃度分布を有していても、各燃料棒２の平均濃度が異なっていても良い。
新燃料集合体内の可燃性毒物は、炉心内に１サイクル滞在する間に消滅する。２サイクル目においては、この燃料集合体は可燃性毒物を含まない。
本実施例における炉心は、全ての燃料集合体がＭＯＸ燃料ペレットを含んでいる。しかし、炉心内の１／３の燃料集合体（ＭＯＸ燃料集合体）がＭＯＸ燃料ペレットを含み、残りの２／３の燃料集合体（Ｕ燃料集合体）がＭＯＸ燃料ペレットを含まずウランを含むように炉心を構成してもよい。この炉心はＭＯＸ燃料集合体とＵ燃料集合体をコントロールセル８以外で混在して配置する。コントロールセル８は、複数サイクルの運転を経験したＵ燃料集合体が配置される。初装荷炉心の場合は、コントロールセル８内のＵ燃料集合体の無限増倍率は、コントロールセル８周囲にある燃料集合体のそれよりも小さい。Ｕ燃料集合体を含む上記した各炉心においても、上記新燃料集合体はＭＯＸ燃料集合体の一部を占めている。
第１実施例の燃料集合体（上記新燃料集合体）を適用した初装荷炉心は、上記新燃料集合体が１／２を占める。残りの燃料集合体は、ＭＯＸ燃料ペレットを有しているが、プルトニウムの平均富化度が上記新燃料集合体のそれよリも小さくかつ可燃性毒物を含まない。この残りの燃料集合体は、プルトニウムの平均富化度の大小の違いにより更に２種類に分けられる。コントロールセル８内の燃料集合体のプルトニウムの平均富化度は、最も小さい。
次に、第５図を用いて本発明による燃料集合体の第２実施例を説明する。同図は、第２実施例の水平断面図を示している。第２実施例の燃料集合体は、中央部に配置された２本の水ロッド３と、水ロッド３の周りに９行９列（９×９）の格子状に配列された燃料棒と、これらの燃料棒及び水ロッド３を取り囲むチャンネルボックス４とを備える。
燃料棒は、第１２図に示すように、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填した燃料棒１（４８本）と、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填し且つ燃料棒１よりも軸方向長さが短い部分長燃料棒７（８本）と、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料ペレットを充填した燃料棒２（１８本）から構成される。部分長燃料棒７は、その燃料有効長が燃料棒１の燃料有効長の１５／２４であり、燃料集合体の最外周から２層目に配置されている。また、２本の水ロッド３は燃料棒７本を配置可能な中央領域を占めている。
本実施例では、燃料集合体（燃焼度０ＧＷｄ／Ｔ）内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒２の数の割合は約２５％、可燃性毒物を含有する燃料棒２の可燃性毒物の平均重量割合は２％である。尚、部分長燃料棒７を用いた場合の全燃料棒数としては、部分長燃料棒７の燃料有効長を燃料棒１の燃料有効長で規格化した実効的な燃料棒数を用いている。即ち、実効的な燃料棒数Ｎefは次式で与えられる。
Ｎef＝ＮL＋Ｎs・Ｌs／ＬL                                                …（５）
ここで、ＮLは燃料棒１及び燃料棒２の本数の和、Ｎsは部分長燃料棒７の本数、Ｌsは部分長燃料棒７の燃料有効長、ＬLは燃料棒１の燃料有効長である。
本実施例の場合、ＮL＝６６，Ｎs＝８，Ｌs／ＬL＝１５／２４であるから、実効的な燃料棒数（全燃料棒数）Ｎef＝７１本となり、Ｎfr＝１８／７１＝０．２５となる。
本実施例でも、前述の（１）〜（４）式を満たすので、第１実施例と同様に、反応度抑制効果を確保しつつ、プルトニウム装荷量を増大することができる。
更に、本実施例では、第１実施例に比べて燃料棒の格子配列を増大したことにより、燃料集合体内の燃料棒数が増加している。これにより、燃料集合体内の全ての燃料棒の総延長長さが増大しているために、燃料集合体の設計において重要な指標である線出力密度（燃料棒の単位長さ当りの出力）を、第１実施例の燃料集合体に比べて減少することができる。これは、燃料集合体の出力が同じ場合、燃料棒の総延長長さが長い方が線出力密度が低いためである。
尚、本実施例でも、全ての燃料棒２の可燃性毒物の平均濃度が２％であれば、燃料棒２の軸方向に濃度分布を有していても、各燃料棒２の平均濃度が異なっていても良い。
本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成は、第１実施例で述べた種々のものが考えられる。
次に、第６図を用いて本発明による燃料集合体の第３実施例を説明する。第６図は、第３実施例の水平断面図を示す。本実施例の燃料集合体は、中央部に配置された１本の角型の水ロッド３と、水ロッド３の周りに９行９列の格子状に配列された燃料棒と、これらの燃料棒及び水ロッド３を取り囲むチャンネルボックス４とを備える。燃料棒は、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填した燃料棒１（５２本）と、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料ペレットを充填した燃料棒２（２０本）から構成される。また、水ロッド３は、燃料棒９本を配置可能な中央領域を占めている。
本実施例では、燃料集合体（燃焼度０ＧＷｄ／Ｔ）内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒２の数の割合は約２８％、可燃性毒物を含有する燃料棒２の可燃性毒物の平均重量割合は２％である。本実施例でも、前述の（１）〜（４）式を満たすので、第１実施例と同様に、反応度抑制効果を確保しつつプルトニウム装荷量を増大することができる。
また、本実施例でも、第１実施例に比べて燃料棒の格子配列を増大したことにより、燃料集合体内の燃料棒数が増加している。従って、燃料集合体内の全ての燃料棒の総延長長さが増大しているために、第２実施例と同様に、燃料集合体の線出力密度を、第１実施例の燃料集合体に比べて減少することができる。
更に、本実施例では、第２実施例に比べて燃料集合体内の水ロッド３の断面積（非沸騰水の断面積）が増大している。このため、燃料棒数は減少するが燃料集合体の出力変化などにより燃料集合体内のボイド率が変化しても、このボイド率変化による反応度への影響は小さくて済む。従って、第２実施例に比べてボイド係数を改善できる効果も得られる。
本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成は、第１実施例で述べた種々のものが考えられる。
次に、第７図を用いて本発明による燃料集合体の第４実施例を説明する。第７図は、第４実施例の水平断面図を示す。本実施例は、第５図に示した第２実施例において、更に燃料集合体の最外周にも可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料ペレットを充填した燃料棒２を配置して、全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒２の数の割合を増大している。
燃料棒は、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填した燃料棒１（４４本）と、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填し且つ燃料棒１よりも軸方向長さが短い部分長燃料棒７（８本）と、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料ペレットを充填した燃料棒２（２２本）から構成される。部分長燃料棒７は、第１２図で示したように、その燃料有効長が燃料棒１の燃料有効長の１５／２４である。
本実施例では、（５）式の実効的な燃料棒数（全燃料棒数）Ｎef＝７１本であり、Ｎfr＝２２／７１＝０．３１となる。即ち、燃料集合体（燃焼度０ＧＷｄ／Ｔ）内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒２の数の割合は約３１％、可燃性毒物を含有する燃料棒２の可燃性毒物の平均重量割合は１％である。本実施例でも、前述の（１）〜（４）式を満たすので、第１実施例と同様に、反応度抑制効果を確保しつつ、プルトニウム装荷量を増大することができる。
また、ＭＯＸ燃料棒に可燃性毒物を含有させた場合、プルトニウムの核分裂断面積が大きいために、可燃性毒物の燃焼と燃料の燃焼とが同時に且つ適度に生じる。一方、プルトニウムに比べてウランの核分裂断面積は小さいので、ウラン燃料棒に可燃性毒物を含有させた場合、可燃性毒物が選択的に燃焼する。即ち、可燃性毒物を含有したＭＯＸ燃料棒は、可燃性毒物を含有したウラン燃料棒に比べて、可燃性毒物が燃え尽きた後の出力を低く抑えることができる。
このため、本実施例のように、可燃性毒物を含有する燃料棒２を中性子束が高い燃料集合体の最外周に配置することができる。この特性を用いることにより、第２実施例に比べて可燃性毒物を含有する燃料棒２の数を増やして、燃料集合体内の局所出力ピーキング（平均燃料集合体出力で規格化した燃料棒の相対的出力のうち最大のもの）を第２実施例よりも抑制することができる。
本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成は第１実施例のように種々のものが考えられる。
ＭＯＸ燃料集合体の最外周の出力ピークは、ＭＯＸ燃料集合体が隣接する場合に比べてＵ燃料集合体が隣接する場合のほうがより高くなる。従って、可燃性毒物を含む燃料棒２を最外周に配置した本実施例の燃料集合体（ＭＯＸ燃料集合体）とＵ燃料集合体を用いて、炉心を構成した場合は、Ｕ燃料集合体から飛んでくる多量の中性子が上記燃料棒２の可燃性毒物により吸収されるので、ＭＯＸ燃料集合体の最外周での出力ピークを著しく抑制できる。炉心の出力ピーキングが、著しく減少する。
次に、第８図を用いて本発明による燃料集合体の第５実施例を説明する。第８図は、第５実施例の水平断面図を示す。本実施例は、第５図に示した第２実施例において、燃料集合体の最外周から２層目に配置した可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料ペレットを充填した燃料棒２を、最外周の４箇所にのみ配置している。
燃料棒は、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填した燃料棒１（５２本）と、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填し且つ燃料棒１よりも軸方向長さが短い部分長燃料棒７（４本）と、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料ペレットを充填した燃料棒２（１８本）から構成される。部分長燃料棒７は、第１２図で示したように、その燃料有効長が燃料棒１の燃料有効長の１５／２４である。
本実施例では、（５）式の実効的な燃料棒数（全燃料棒数）Ｎef＝72.5本であり、Ｎfr＝１８／７２．５＝０．２５となる。即ち、本実施例では、燃料集合体（燃焼度０ＧＷｄ／Ｔ）内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒２の数の割合は約２５％、可燃性毒物を含有する燃料棒２の可燃性毒物の平均重量割合は２．５％である。本実施例でも、前述の（１）〜（４）式を満たすので、第１実施例と同様に、反応度抑制効果を確保しつつプルトニウム装荷量を増大することができる。
更に、本実施例では、部分長燃料棒７を燃料集合体の最外周に配置することにより、第２実施例に比べて、燃料集合体上部の最外周における水領域が広がるので、中性子の減速効果が増大し、ボイド係数を向上することができる。
本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成も、第１実施例のように種々のものが考えられる。
次に、第９図を用いて本発明による燃料集合体の第６実施例を説明する。第９図は、第６実施例の水平断面図を示す。本燃料集合体の構成は第５図に示した第２実施例と類似しており、第２実施例と異なる点は、可燃性毒物を含有する燃料棒２の配置と可燃性毒物の平均重量割合である。即ち、本実施例では、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填した燃料棒１が５０本、ＭＯＸ燃料ペレットのみを充填し且つ燃料棒１よりも軸方向長さが短い部分長燃料棒７が８本、可燃性毒物を含有するＭＯＸ燃料ペレットを充填した燃料棒２が１６本、第９図のように配置されている。部分長燃料棒７は、第１２図で示したように、その燃料有効長が燃料棒１の燃料有効長の１５／２４である。
本実施例では、（５）式の実効的な燃料棒数（全燃料棒数）Ｎef＝７１本であり、Ｎfr＝１６／７１＝０．２３となる。即ち、本実施例では、燃料集合体内の全燃料棒数に対する可燃性毒物を含有する燃料棒２の数の割合は約２３％、可燃性毒物を含有する燃料棒２の可燃性毒物の平均重量割合は３％である。本実施例でも、前述の（１）〜（４）式を満たすので、第１実施例と同様に、反応度抑制効果を確保しつつ、プルトニウム装荷量を増大することができる。
更に、本実施例では、第２実施例より少ない数の燃料棒２に高濃度の可燃性毒物を含有させているため、長い原子炉運転期間に渡って反応度を抑制できるので、第２実施例に比べて高い燃焼度に対応することができる。
本実施例の燃料集合体を用いた炉心構成も第１実施例のように種々のものが考えられる。
尚、以上説明した実施例では、燃料集合体内の全ての燃料棒がＭＯＸ燃料棒である例を示したが、可燃性毒物を含まない燃料棒の一部がプルトニウムを含まないウラン燃料棒である場合においても、（１）〜（４）式の条件を満たせば、本発明と同様の効果を達成することは可能である。
産業上の利用可能性
本発明によれば、反応度抑制効果を確保しつつ、プルトニウム装荷量を増大できるＭＯＸ燃料集合体及びこれを備えた炉心を提供できる。
【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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【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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