(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない第１群の燃料棒と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む第２群の燃料棒と、内部を冷却水が流れるウォータロッドとを格子状に束ねて構成された燃料集合体を複数具備する原子炉の炉心において、平均濃縮度が異なる少なくとも２種類の燃料集合体を具備し、かつこれらの燃料集合体のうち最高濃縮度の燃料集合体には、第１の燃料集合体と、前記第２群の燃料棒のうち前記ウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合が前記第１の燃料集合体より小さい第２の燃料集合体とが含まれ、炉心内には１本の制御棒とこれを包囲する４体の燃料集合体とから構成されるセルが多数配置されており、炉心最外周の少なくとも一部には前記第１の燃料集合体または前記第２の燃料集合体が装荷され、かつ前記炉心を、炉心最外周に位置する燃料集合体と前記炉心最外周に位置する燃料集合体を少なくとも１体含むセルを構成する燃料集合体とからなる炉心周辺領域と、この炉心周辺領域に属さない炉心内部領域とに分けたとき、前記炉心内部領域における第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比は、前記炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比より大きいことを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項２】
炉心周辺領域においては第２の燃料集合体の体数が第１の燃料集合体の体数より多いことを特徴とする請求項１記載の原子炉の炉心。
【請求項３】
炉心内部領域においては第１の燃料集合体の体数が第２の燃料集合体の体数より多いことを特徴とする請求項１または２記載の原子炉の炉心。
【請求項４】
炉心周辺領域において装荷される最高濃縮度の燃料集合体は第２の燃料集合体であることを特徴とする請求項１乃至３記載の原子炉の炉心。
【請求項５】
炉心内に多数配置されたセルの一部が反応度の低い燃料集合体４体からなるコントロールセルであり、かつ前記炉心内部領域での前記コントロールセルに面するセルまたは最低濃縮度の燃料集合体を少なくとも１体含むセルに装荷される第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比が、前記炉心内部領域での前記コントロールセル以外の前記コントロールセルに面しないかつ最低濃縮度の燃料集合体を含まないセルに装荷される前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４記載の原子炉の炉心。
【請求項６】
炉心内部領域において、第２の燃料集合体はコントロールセルに面するセルまたは最低濃縮度の燃料集合体を少なくとも１体含むセルにのみ装荷されていることを特徴とする請求項５記載の原子炉の炉心。
【請求項７】
平均濃縮度が異なる少なくとも２種類の燃料集合体を具備し、かつこれらの燃料集合体のうち最高濃縮度の燃料集合体には、第１の燃料集合体と、前記第２群の燃料棒のうち前記ウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合が前記第１の燃料集合体より小さい第２の燃料集合体とが含まれ、炉心内には１本の制御棒とこれを包囲する４体の燃料集合体とから構成されるセルが多数配置されており、炉心最外周の少なくとも一部には前記第１の燃料集合体または前記第２の燃料集合体が装荷され、かつ前記炉心を、炉心最外周に位置する燃料集合体と前記炉心最外周に位置する燃料集合体を少なくとも１体含むセルを構成する燃料集合体とからなる炉心周辺領域と、この炉心周辺領域に属さない炉心内部領域とに分けたとき、炉心内部領域における第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比を、第１サイクルにおいては炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比より大きく設定し、第２サイクルにおいては前記炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比より小さく設定することを特徴とする原子炉の炉心の運転方法。
【請求項８】
炉心周辺領域において第１の燃料集合体の体数は、第１サイクルでは第２の燃料集合体の体数より少なくかつ第２サイクルでは第２の燃料集合体の体数より多いことを特徴とする請求項７記載の原子炉の炉心の運転方法。
【請求項９】
炉心内部領域において第１の燃料集合体の体数は、第１サイクルでは第２の燃料集合体の体数より多くかつ第２サイクルでは第２の燃料集合体の体数より少ないことを特徴とする請求項７または８記載の原子炉の炉心の運転方法。
【請求項１０】
炉心の最外周には最高濃縮度の燃料集合体として、第１サイクルでは第２の燃料集合体を、また第２サイクルでは第１の燃料集合体を装荷することを特徴とする請求項７乃至９記載の原子炉の炉心の運転方法。
【請求項１１】
第１サイクルから第２サイクルに移行する際に、炉心内部領域内の低濃縮度燃料集合体４体からなるコントロールセルに装荷された低濃縮度燃料集合体を、前記コントロールセル以外に装荷された低濃縮度燃料集合体と交換することを特徴とする請求項７乃至１０記載の原子炉の炉心の運転方法。
【請求項１２】
第１サイクルから第２サイクルに移行する際に、炉心周辺領域に装荷された第２の燃料集合体を、炉心内部領域に装荷された第１の燃料集合体と交換することを特徴とする請求項７乃至１１記載の原子炉の炉心の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型原子炉の炉心とその運転方法に係り、特に取出燃焼度の増大によって燃料経済性を大幅に向上させた初装荷燃料集合体からなる原子炉の炉心とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉が建設されて初めて炉心に装荷される燃料を初装荷燃料という。このような初装荷燃料として、かつては燃料集合体の濃縮度を統一したものを使用していたが、近年では、取出燃焼度を向上させるため、濃縮度の異なる複数の種類の燃料集合体を組み合わせて使用するようになった。但しいずれの場合においても、初装荷燃料の平均濃縮度は、第１サイクルの終了時に炉心の余剰反応度がほぼゼロとなるように、２．１〜２．５％の範囲に設定されている。
【０００３】
このような初装荷炉心の例として、燃料ウランの平均濃縮度の異なる４種類の燃料集合体の組み合わせからなる初装荷燃料によって構成された、従来の沸騰水型原子炉の燃料配置の一例を示す１／４炉心の構成図を、図１２に示す。この図に示す炉心１は８７２体の燃料集合体２、３、４、５で構成されており、またこの図においては升目□が１体の燃料集合体を表す。またここでは４種類の燃料集合体が使用されている。記号Ｈで示された燃料２は平均濃縮度が３．７％のものであり、燃料交換時に新たに装荷される取替燃料集合体の平均濃縮度と等しい。また、記号Ｍ、Ｌ、Ｓで示された燃料集合体３、４、５は、それぞれ平均濃縮度が２．５％、１．６％、０．９％のものを示す。この燃料集合体３、４、５については、取替燃料集合体がそれぞれ１、２、３サイクルにわたって炉内に滞在した後の反応度とほぼ同等の反応度となるように、濃縮度を定めている。またここに示した炉心においては、燃料集合体２、３、４は各２００体、燃料集合体５は２７２体装荷されており、初装荷燃料の全体の平均濃縮度は２．１％である。
【０００４】
ここで用いられている４種類の燃料集合体２、３、４、５はともに高燃焼度燃料集合体の一例である。この高燃焼度燃料集合体の縦断面図を図１３（ａ）に示す。また図１３（ａ）におけるｂ−ｂ及びｃ−ｃ矢視方向断面図をそれぞれ図１３（ｂ）及び（ｃ）に示す。
【０００５】
ここに示した燃料集合体は、長尺燃料棒６と、長尺燃料棒６より短い短尺燃料棒７及び内部を冷却材が流れるウォータロッド８を、スペーサ９により９行９列の正方格子状に束ねて上部タイプレート１０及び下部タイプレート１１に固定して燃料棒束とし、この燃料棒束をチャンネルボックス１２で包囲して構成されている。短尺燃料棒７を採用することで、燃料集合体上部の冷却材流路を拡大して圧力損失を低減するとともに、炉停止余裕を向上させることができる。
【０００６】
また、図１２に示した初装荷炉心１においては、図中丸印で示した位置１３に制御棒が、合計２０５本具備されている。この制御棒１本とこれを包囲する４体の燃料棒を合わせて１体のセルと呼ぶ。この炉心の最外周の一部にはセルを構成しない燃料が存在する。
【０００７】
ところで、原子炉運転中に炉心の余剰反応度を適切に制御するために、図中の位置１３に配置された制御棒の少なくとも一部を移動させる。この際、制御棒の移動に伴って制御棒に隣接する燃料集合体の出力分布に歪みが生ずる。そこで、濃縮度が低い燃料集合体あるいは燃焼の進んだ反応度の低い燃料集合体を４体１組にして配したコントロールセルを炉心内に離散的に配置することで、この出力分布の歪みを緩和することができる。尚図１２においては、低濃縮度燃料集合体５からなるコントロールセル１４を太枠で示した。この炉心内には２１体のコントロールセル１４が配置されている。
【０００８】
この図１２に示した初装荷炉心により原子炉を運転し、第１サイクルが終了すると、この炉心内の反応度の低下した燃料集合体約２００体を炉心から取り出し、新たに取替燃料集合体を装荷して第２サイクルの運転を行う。以下同様に、第３、第４サイクル…と運転を繰り返す。
【０００９】
ところで近年、このような初装荷燃料集合体の取出燃焼度を増大させ、もって燃料の経済性を向上させるための開発が進められている。そのためには初装荷燃料の平均濃縮度を高める必要があるが、一方で濃縮度を高めると特に第１サイクル及び第２サイクルにおいて余剰反応度が増加し、また炉停止余裕が低下するという、２つの課題が生じる。
【００１０】
沸騰水型原子炉では一般に、炉心の余剰反応度を１〜２％Δｋの適正な範囲に制御するために、燃料集合体を構成する一部の燃料棒にガドリニア等の可燃性毒物を含有させている。燃料集合体１体あたりの可燃性毒物入り燃料棒の本数は、サイクル初期における余剰反応度が適切な範囲内となるように、また可燃性毒物の濃度はサイクル長さを考慮して、それぞれ設定される。図１２に示した平均濃縮度２．１％の初装荷炉心において、燃料集合体２、３、４を構成する適切な本数の燃料棒を、濃度７．５％でガドリニアを混合した燃料棒とした場合、第１サイクルの余剰反応度は、１．５〜２％Δｋの範囲でほぼ一定して推移し、サイクル末期にはほぼゼロとなる。
【００１１】
ところが、初装荷燃料の平均濃縮度を高くすると、原子炉の運転期間が一定であっても、サイクル中期以降の余剰反応度が増大してしまう。たとえば図１２における初装荷燃料において各燃料集合体２、３、４、５の装荷体数を調整して平均濃縮度を２．７％とした場合の初装荷炉心では、余剰反応度がサイクル後半で３％Δｋを超える。
【００１２】
また、平均濃縮度を高くすると、一般に原子炉運転時の反応度と原子炉停止時の反応度との差が大きくなる。従って、平均濃縮度を従来よりも大幅に高めた初装荷炉心においては、仮に余剰反応度を適正な範囲内に制御できたとしても、十分な炉停止余裕を確保することが困難となる。ここで炉停止余裕とは、通常原子炉停止時には全ての制御棒が炉心に挿入されるのに対し、何らかの理由により１本の制御棒が炉心に挿入されないような場合、特に最大反応度価値の制御棒が挿入されない場合の未臨界度のことをいう。こうした場合においても原子炉を未臨界に保つことが設計上要求される。
【００１３】
こうした課題に対して、第１サイクル及び第２サイクルにおける余剰反応度を適正な範囲に制御するとともに、十分な炉停止余裕を確保することを目的とする発明が、特開平７−２４４１８４号公報に開示されている。同公報の請求項３及び４に記載された発明では、第１サイクルの炉停止余裕を確保するための手段として、低濃縮度燃料と高濃縮度燃料の炉内での配置を規定している。また同公報の請求項５乃至７に記載された発明では、第２サイクルの余剰反応度を低減しさらに燃料の燃焼効率を向上させるための手段として、第１サイクルから第２サイクルに移行する際の燃料の移動を規定している。また同公報の請求項９乃至１２に記載された発明では、第１サイクルと第２サイクルの余剰反応度を適正な範囲に制御するとともに炉心径方向の出力分布の歪みを平坦化するための手段として、初装荷燃料のうち最高濃縮度の燃料を可燃性毒物入り燃料棒の本数が異なる２種類の燃料からなるものとして、各燃料の炉心内での配置を規定している。また同公報の請求項１９及び２０に記載された発明では、第２サイクルにおける余剰反応度を低減するために、燃料集合体内での可燃性毒物入り燃料棒の配置を規定している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
余剰反応度を制御するために、可燃性毒物濃度を高く設定して可燃性毒物を長寿命化する方法がある。しかし可燃性毒物の濃度を過度に高めると燃料棒の熱伝導度が低下して燃料温度が上昇しやすくなるので、燃料の健全性を高く維持するためにも可燃性毒物の濃度は低い方が望ましい。
【００１５】
可燃性毒物の濃度を変えずに長寿命化する方法として、可燃性毒物入り燃料棒を、燃料集合体内においてウォータロッドに面しない位置に配置する方法がある。すなわち、可燃性毒物は減速した低エネルギーの中性子ほどよく吸収する性質があるので、中性子を減速する冷却水が多く存在するウォータロッドに面した位置を避けて配置することで、中性子の吸収を抑制し可燃性毒物としての効果を長期化させることができる。
【００１６】
一方、可燃性毒物入り燃料棒をウォータロッドに面する位置に配置した場合には、炉停止余裕が向上するという利点がある。高温の原子炉運転状態と比較して、水の密度が大きく低温の原子炉停止状態の方が、中性子の減速作用が大きい。そのため可燃性毒物入り燃料棒をウォータロッドの近くに配置した場合、可燃性毒物による中性子吸収効果は原子炉運転時よりも原子炉停止状態において大きくなり、その結果炉停止余裕が向上する。
【００１７】
特開平７−２４４１８４号公報に開示されている請求項１９及び２０記載の発明に係る燃料集合体では、少なくとも１本の可燃性毒物入り燃料棒がＸ方向及びＹ方向において他の４本の可燃性毒物入り燃料棒と面するように配置されている。すなわち、５本の可燃性毒物入り燃料棒が十字型に配置されている。この十字型配置の可燃性毒物入り燃料棒のうち、特に中央に位置する燃料棒においてその可燃性毒物の中性子吸収効果が抑制されるため、可燃性毒物によるこの効果を長期間持続させることができる。しかしながら、上述したようなウォータロッドに面する位置に可燃性毒物入り燃料棒を配置することから生じる利点や課題を考え、原子炉の炉心における余剰反応度の適切な制御と炉停止余裕の確保という２つの点を同時に改善するために、燃料集合体中のどの位置に可燃性毒物入り燃料棒を配置するべきかについては、従来は考慮されてこなかった。
【００１８】
本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、初装荷燃料の平均濃縮度を高めた原子炉の炉心において、余剰反応度を適切な範囲に制御するとともに十分な炉停止余裕を確保し、さらに初装荷燃料の取出燃焼度を増大させることで燃料の経済性を大幅に向上させた原子炉の炉心を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない第１群の燃料棒と、核燃料物質及び可燃性毒物を含む第２群の燃料棒と、内部を冷却水が流れるウォータロッドとを格子状に束ねて構成された燃料集合体を複数具備する原子炉の炉心において、平均濃縮度が異なる少なくとも２種類の燃料集合体を具備し、かつこれらの燃料集合体のうち最高濃縮度の燃料集合体には、第１の燃料集合体と、前記第２群の燃料棒のうち前記ウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合が前記第１の燃料集合体より小さい第２の燃料集合体とが含まれ、炉心内には１本の制御棒とこれを包囲する４体の燃料集合体とから構成されるセルが多数配置されており、炉心最外周の少なくとも一部には前記第１の燃料集合体または前記第２の燃料集合体が装荷され、かつ前記炉心を、炉心最外周に位置する燃料集合体と前記炉心最外周に位置する燃料集合体を少なくとも１体含むセルを構成する燃料集合体とからなる炉心周辺領域と、この炉心周辺領域に属さない炉心内部領域とに分けたとき、前記炉心内部領域における第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比は、前記炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比より大きいことを特徴とする原子炉の炉心を提供する。
【００２０】
可燃性毒物を含む第２群の燃料棒のうち、ウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合の異なる２種類の燃料集合体の一例として、２種類の燃料集合体１５、１６の燃料棒配置を示す断面図を、それぞれ図８（ａ）及び（ｂ）に示す。また、各燃料集合体１５、１６の無限増倍率を示すグラフを図９に示す。
【００２１】
可燃性毒物を含む第２群の燃料棒１７及び１８を、図中では記号Ｇで表す。図８に示した燃料集合体１５、１６は、いずれも１０本の第２群の燃料棒を含む。またこの第２群の燃料棒Ｇのうちウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒（図中符号１８で示した。）の割合は、燃料集合体１５では２０％、燃料集合体１６では０％である。
【００２２】
図９はこれらの燃料集合体１５及び１６の無限増倍率の燃焼推移を示すグラフである。ここでは、燃料集合体１５及び１６の原子炉運転時の無限増倍率をそれぞれａ、ｂとし、また原子炉停止時の無限増倍率をそれぞれｃ、ｄとしている。またいずれの場合も制御棒が未挿入の状態である。原子炉停止時には実際は全ての制御棒が挿入されるが、炉停止余裕を考えるうえでは何らかの理由により１本の制御棒が挿入されない場合を想定する必要があるため、ここでは制御棒未挿入の条件下で考察する。
【００２３】
原子炉運転状態では、燃焼初期段階では燃料集合体１５に比べて燃料集合体１６の無限増倍率ｂが大きいが、燃焼が進むにつれて今度は燃料集合体１５の無限増倍率ａの方が大きくなる。従って燃料集合体１６の方が可燃性毒物の中性子吸収効果が小さく、可燃性毒物の寿命が長いことがわかる。一方原子炉停止状態では、燃焼初期から長期にわたり、燃料集合体１６に比べて燃料集合体１５の無限増倍率ｃが小さい。すなわち燃料集合体１５の方が炉停止余裕を改善する。
【００２４】
よってこれらの燃料集合体の特性を有効に用いることにより、炉停止余裕の改善と長期間にわたる余剰反応度の低減を同時に達成することができる。たとえば、炉心内で炉停止余裕が厳しくなりやすい場所には、第２群の燃料棒のうちウォータロッドに面した位置に配置された燃料棒の割合の比較的大きい燃料集合体１５を多く配置し、また炉停止余裕の面でそれほど厳しくない位置には燃料集合体１６を多く配置すると効果的である。
【００２５】
さらに本発明では、平均濃縮度が異なる少なくとも２種類の燃料集合体を具備し、かつこれらの燃料集合体のうち最高濃縮度の燃料集合体には、第１の燃料集合体と、前記第２群の燃料棒のうち前記ウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合が前記第１の燃料集合体より小さい第２の燃料集合体とが含まれることを特徴とする原子炉の炉心を提供する。
【００２６】
平均濃縮度が異なる２種類以上の燃料集合体が装荷された炉心では、最高濃縮度が装荷されているセルの位置において炉停止余裕が厳しくなりやすい。また、燃料の濃縮度を高くするほど中性子スペクトルがエネルギーの高い方へ移動する現象（中性子硬化）により、可燃性毒物による中性子吸収の効果は濃縮度の高い燃料ほど小さくなる。よって、炉心の余剰反応度を長期にわたって抑制するためには、最高濃縮度の燃料集合体に含まれる可燃性毒物の寿命を伸長させることが最も効果的である。従って、２種類以上に分類された最高濃縮度の燃料集合体において、第２群の燃料棒のうちウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合が異なるように設計することにより、炉停止余裕の改善と余剰反応度抑制効果の一層の長期化を図ることができる。
【００３４】
さらに本発明では、炉心内には１本の制御棒とこれを包囲する４体の燃料集合体とから構成されるセルが多数配置されており、かつ前記炉心を、炉心最外周に位置する燃料集合体と前記炉心最外周に位置する燃料集合体を少なくとも１体含むセルを構成する燃料集合体とからなる炉心周辺領域と、この炉心周辺領域に属さない炉心中心領域とに分けたとき、前記炉心内部領域における第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比は、前記炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比より大きいことを特徴とする原子炉の炉心を提供する。
【００３５】
上述したように、第１の燃料集合体は主に炉停止余裕を改善する作用を有し、また第２の燃料集合体は主に可燃性毒物の寿命を伸長させる作用を有する。
図１０は、同一仕様の燃料集合体のみからなる原子炉の炉心における、原子炉停止時の制御棒価値の分布の一例を示す１／４炉心の構成図である。ここでは径方向での制御棒価値の最大値を１として、相対値を示した。この図より、炉心周辺領域に属するセルの制御棒価値は、炉心内部領域に属するセルと比べて著しく低いことがわかる。このため、炉心内部領域において可燃性毒物による炉停止余裕の改善効果を高くすることが要求される一方、炉心周辺領域においてはそれほど厳しい要求はなく、可燃性毒物による効果が小さい場合でも十分な炉停止余裕を確保することができる。
【００３６】
従って、炉心周辺領域には、第１の燃料集合体と比べて炉停止余裕の改善効果の小さい第２の燃料集合体を多く配置することができる。この炉心周辺領域では中性子の一部が炉心外に漏れ出すため、この位置に装荷された燃料集合体の出力が低く燃焼の進行が遅いので、可燃性毒物の寿命は相対的に長くなる。よってこの炉心周辺領域に配置された第２の燃料集合体に関しては可燃性毒物の寿命をさらに伸長させることができる。
【００３７】
また、図９によれば、燃焼初期から燃焼前半にわたって、第１の燃料集合体と比べて第２の燃料集合体の運転時の無限増倍率が大きいことがわかる。よって第２の燃料集合体を出力の低い炉心周辺領域に多く配置することにより、炉心内の径方向の出力分布の歪みを平坦化することができる。
【００３８】
さらに本発明では、炉心周辺領域においては第２の燃料集合体の体数が第１の燃料集合体の体数より多いことを特徴とする原子炉の炉心を提供する。また、炉心内部領域においては第１の燃料集合体の体数が第２の燃料集合体の体数より多いことを特徴とする原子炉の炉心を提供する。また、炉心周辺領域において装荷される最高濃縮度の燃料集合体は第２の燃料集合体であることを特徴とする原子炉の炉心を提供する。
【００３９】
炉心周辺領域に第２の燃料集合体を多く配置することにより、高い炉停止余裕を維持しつつも、炉心全体として可燃性毒物の寿命を伸長させることができる。また炉心内部領域に第１の燃料集合体を多く配置することにより、可燃性毒物の寿命を長く維持しつつも、炉停止余裕をさらに向上させることができる。同時に、第１の燃料集合体を配置することにより元来出力が大きい炉心内部領域の出力を下げ、径方向の出力分布の歪みをさらに平坦化することができる。
【００４０】
さらに本発明では、炉心内に多数配置されたセルの一部が反応度の低い燃料集合体４体からなるコントロールセルであり、かつ前記炉心内での前記コントロールセルに面するセルまたは最低濃縮度の燃料集合体を少なくとも１体含むセルに装荷される第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比が、前記炉心内部領域での前記コントロールセル以外の前記コントロールセルに面しないかつ最低濃縮度の燃料集合体を含まないセルに装荷される前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比よりも小さいことを特徴とする原子炉の炉心を提供する。
【００４１】
また本発明では、炉心内部領域において、第２の燃料集合体はコントロールセルに面するセルまたは最低濃縮度の燃料集合体を少なくとも１体含むセルにのみ装荷されていることを特徴とする原子炉の炉心を提供する。
【００４２】
図１１は、コントロールセル１４を２１個配置した原子炉の炉心における、原子炉停止時の制御棒価値の分布の一例を示す１／４炉心の構成図である。この炉心は図中太枠で示された位置１４に低濃縮度燃料集合体からなるコントロールセルを配置し、コントロールセル以外の位置には全て同一仕様の高濃縮度燃料集合体を配置した。またここでは径方向での制御棒価値の最大値を１として、相対値を示した。この図より、コントロールセルにおいては、高濃縮度燃料集合体のみからなるセルと比べて制御棒価値が小さいことがわかる。ただし、高濃縮度燃料集合体のみからなるセルのうちコントロールセルと面する位置にあるセルは、コントロールセルに面しないセルと比べて制御棒価値が１０〜２０％程度小さい。また、低濃縮度燃料集合体を少なくとも１体含むセルは相対的に制御棒価値が小さいので、十分な炉停止余裕がある。従って、このような制御棒価値が小さいセルに、炉停止余裕が相対的に厳しい第２の燃料集合体を多く配置することにより、十分な炉停止余裕を確保しつつ炉心全体としての可燃性毒物の寿命を伸長させることができる。
【００４３】
さらに本発明では、炉心内部領域における第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比を、第１サイクルにおいては炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比より大きく設定し、第２サイクルにおいては前記炉心周辺領域における前記第１の燃料集合体と第２の燃料集合体の体数の比より小さく設定することを特徴とする原子炉の炉心の運転方法を提供する。
【００４４】
この構成によれば、第１サイクルでは、制御棒価値の小さい炉心周辺領域に第２の燃料集合体が多く装荷されることから、上述したように、炉停止余裕の改善と可燃性毒物の寿命の伸長という２つの課題を同時に達成できるとともに径方向出力分布を平坦化することができる。また第２サイクルでは、第１サイクルで炉心周辺領域に装荷されて燃焼の進行が遅くまだ多くの可燃性毒物を残している第２の燃料集合体の一部を、炉心全体の実効増倍率への寄与が大きい炉心内部領域に配置するため、余剰反応度を十分低くすることができる。また図９によれば、燃焼後半においては、第１の燃料集合体と比べて第２の燃料集合体の原子炉運転時の無限増倍率が大きいことがわかる。よって上記構成により、第２サイクルにおいて径方向出力分布の歪みを平坦化することができる。
【００４５】
さらに本発明では、炉心周辺領域において第１の燃料集合体の体数は、第１サイクルでは第２の燃料集合体の体数より少なくかつ第２サイクルでは第２の燃料集合体の体数より多いことを特徴とする原子炉の炉心の運転方法を提供する。また、炉心内部領域において第１の燃料集合体の体数は、第１サイクルでは第２の燃料集合体の体数より多くかつ第２サイクルでは第２の燃料集合体の体数より少ないことを特徴とする原子炉の炉心の運転方法を提供する。
【００４６】
この構成により、特に第２サイクルにおいて余剰反応度を低く制御しつつ径方向の出力分布の歪みを平坦化することができる。
さらに本発明では、炉心の最外周には最高濃縮度の燃料集合体として、第１サイクルでは第２の燃料集合体を、また第２サイクルでは第１の燃料集合体を装荷することを特徴とする原子炉の炉心の運転方法を提供する。
【００４７】
制御棒価値が小さい炉心周辺領域の中でも炉心最外周は、炉停止余裕への影響が少なく、かつ炉心内で径方向で最も出力の小さい領域にあたる。従って上記構成によれば、第１サイクルにおいては、炉停止余裕を悪化させることなく可燃性毒物の燃焼の進行を最大限に遅らせることができると同時に径方向の出力分布の歪みを平坦化することができる。また第２サイクルにおいては、余剰反応度をさらに低減させることができると同時に径方向の出力分布を平坦化させることができる。
【００４８】
さらに本発明では、第１サイクルから第２サイクルに移行する際に、炉心内部領域内の低濃縮度燃料集合体４体からなるコントロールセルに装荷された低濃縮度燃料集合体を、前記コントロールセル以外に装荷された低濃縮度燃料集合体と交換することを特徴とする原子炉の炉心の運転方法を提供する。
【００４９】
また本発明では、第１サイクルから第２サイクルに移行する際に、炉心周辺領域に装荷された第２の燃料集合体を、炉心内部領域に装荷された第１の燃料集合体と交換することを特徴とする原子炉の炉心の運転方法を提供する。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）は第１の実施形態に係る原子炉の１／４炉心の燃料配置構成図である。この炉心に装荷する燃料集合体の基本構成は図１３に示した従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体と同じである。図１（ａ）において記号Ａ及びＢは、それぞれ平均濃縮度３．７％の高濃縮度初装荷燃料集合体１９及び２０を表し、また記号Ｌは平均濃縮度１．６％の低濃縮度初装荷燃料集合体２１を表す。この高濃縮度燃料集合体１９、２０の平均濃縮度は、燃料交換時に装荷する取替燃料集合体の濃縮度と等しい。またこの初装荷炉心には、高濃縮度燃料集合体ＡとＢは合わせて６８８体、低濃縮度燃料集合体Ｌは１８４体装荷されており、初装荷炉心全体の平均濃縮度は３．３％である。
【００５１】
またこの炉心は、炉心最外周に位置する燃料集合体とこの炉心最外周に位置する燃料集合体を少なくとも１体含むセルを構成する燃料集合体とからなる炉心周辺領域３０と、この炉心周辺領域３０に属さない炉心内部領域３１とに分けられる。図１（ａ）中の２重線はこの炉心周辺領域３０と炉心内部領域３１との境界を示している。
【００５２】
図１（ａ）に太枠で示すように、低濃縮度燃料集合体２１が４体で構成されるコントロールセル１４が、炉心内に２１個配置されている。またコントロールセル１４以外にも、低濃縮度燃料集合体２１は炉心内にほぼ均等に装荷されている。
【００５３】
各燃料集合体の軸方向の濃縮度の分布の構成図を図２に示す。またここでは、可燃性毒物としてガドリニアを用いたガドリニア入り燃料棒を一部採用しており、この燃料棒の軸方向の分布構成についても示す。図２（ａ）は高濃縮度燃料集合体１９、２０の構成図、図２（ｂ）は低濃縮度燃料集合体２１の構成図、図２（ｃ）は取替燃料集合体の構成図である。この図において例えば「３．９ｅ，１０Ｇ７．０」とは、「濃縮度が３．９％で、かつ７．０％濃度のガドリニア入り燃料棒を１０本有する」ことを示す。またこれらの燃料集合体はいずれも図１３に示した燃料集合体と同様の形状の高燃焼度燃料集合体であり、全長２４ノードのうち上端部２ノード及び下端部１ノードに、図中斜線で示すガドリニアを含有しない天然ウラン領域が設けられている。また図中の矢印は、図１２に示した短尺燃料棒７の上端を示す。これらの燃料集合体のうち図２（ｂ）及び（ｃ）に示した低濃縮度燃料集合体２１及び取替燃料集合体２２は、特開平７−２４４１８４号公報に開示された発明で図７に示された燃料集合体と同一である。
【００５４】
図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）で記号Ａ及びＢを付して示した高濃縮度燃料集合体１９及び２０の燃料棒の配置を示す断面図である。これらの断面図は図１３（ａ）の燃料集合体におけるｃ−ｃ矢視方向位置での断面図である。図３で記号Ｇで示した燃料棒がガドリニア入り燃料棒である。また１から４までの番号を付した燃料棒は、ガドリニアを含まず、また番号の若い順に濃縮度が高い燃料棒を示す。燃料集合体１９と２０とでは、燃料集合体中に配置されるガドリニアを含まない燃料棒４種類及びガドリニア入り燃料棒の構造や燃料集合体中の本数は同じである。但し図３に示すように、燃料集合体１９では１１本のガドリニア入り燃料棒のうち５本がウォータロッドに面しているのに対し、燃料集合体２０では１１本のガドリニア入り燃料棒のうち１本がウォータロッドに面している。すなわち、ガドリニア入り燃料棒のうちウォータロッドに接する位置に配置されている燃料棒の割合は、燃料集合体１９が５／１１、燃料集合体２０が１／１１であるから、燃料集合体１９の方がその割合が高い。
【００５５】
また、図３に示した燃料集合体１９及び２０中にそれぞれ１本存在する、図中符号１８を付したガドリニア入り燃料棒Ｇは、２本のウォータロッド８に面している。この燃料棒１８については、図２に示した軸方向分布構成図において図中矢印で示した部分より上部にはガドリニアを含まないものとする。また、図３に示した燃料集合体１９及び２０中にそれぞれ２本存在する、図中符号２３を付したガドリニア入り燃料棒Ｇは、Ｘ方向及びＹ方向で４本のガドリニア入り燃料棒に接している。尚ここでＸ方向及びＹ方向とは図３に矢印で示した方向をさすものとする。
【００５６】
このような配置とした場合、燃料集合体中のガドリニアが燃え尽きたときの燃焼度は約２５ＧＷｄ／ｔとなる。一方、同濃度のガドリニア入り燃料棒を上述した図８に示した燃料配置とした場合に、燃料集合体中のガドリニアが燃え尽きたときの燃焼度は約２０ＧＷｄ／ｔである。従って、図３のようにガドリニア入り燃料棒を配置することにより、図８の場合と比較してガドリニアの寿命を約２０％伸長させることができる。
【００５７】
図４は高濃縮度燃料集合体１９、２０の無限増倍率の燃焼推移を示すグラフである。ここでは高濃縮度燃料集合体１９及び２０の原子炉運転時の無限増倍率をそれぞれａ、ｂとし、また原子炉停止状態の無限増倍率をそれぞれｃ、ｄとしている。またいずれの場合も制御棒が未挿入の状態である。図４からわかるように、燃焼初期においては、燃料集合体２０と比べて燃料集合体１９の方が原子炉停止時の無限増倍率が小さいため炉停止余裕を改善する。一方燃焼が進み燃焼度が１５ＧＷｄ／ｔ超の段階では燃料集合体１９と比べて燃料集合体２０の方が原子炉運転時の無限増倍率が小さくなる。よって燃料集合体２０の方が燃料中のガドリニアの寿命が長い。
【００５８】
図１（ｂ）は図１（ａ）に示した配置での、炉心周辺領域３０及び炉心内部領域３１における、記号Ａ及びＢで示される高濃縮度燃料集合体１９及び２０の体数を表す表である。ここに示すように、炉心周辺領域３０では燃料集合体１９と比べて燃料集合体２０の体数が多く、また炉心内部領域３１では燃料集合体２０と比べて燃料集合体１９の体数が多い。また、炉心内部領域３１における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比は、炉心周辺領域３０における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比より大きい。尚ここで、燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比とは、燃料集合体１９の体数を燃料集合体２０の体数で除した値である。
【００５９】
以上のような配置の結果、本実施形態に係る炉心は、初装荷燃料の平均濃縮度が３．３％と従来より高く設定しているにもかかわらず、約１〜２％Δｋの範囲内でほぼ一定した余剰反応度を示し、また１％Δｋ以上の十分な炉停止余裕を確保することができる。
【００６０】
以下本実施形態の作用について、図１に示した炉心において記号Ａ及びＢで示した２種類の高濃縮度燃料集合体１９、２０の位置に、全て燃料集合体１９を配置した場合あるいは全て燃料集合体２０を配置した場合と比較して説明する。図１に示した炉心において燃料集合体２０を全て燃料集合体１９で置き換えた炉心では、本実施形態と比較して炉停止余裕がやや改善されるが、炉心周辺領域の出力が低下するので径方向ピーキングが増大する。すなわち径方向の出力分布の歪みが大きくなる。また図１に示した炉心において燃料集合体１９を全て燃料集合体２０で置き換えた炉心では、本実施形態と比較して炉停止余裕が悪化するとともに、炉心内部領域の出力が増大するので径方向ピーキングが増大する。従って、本実施形態のように２種類の高濃縮度燃料１９、２０を適切な位置に配置することにより、径方向の出力分布の歪みを平坦化し、かつ十分な炉停止余裕を確保することができる。
【００６１】
以下本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。尚第１の実施形態と同様の構成部分については同一符号を付し詳細な説明を省略する。第２の実施形態に係る原子炉の炉心の運転方法においては、燃焼の第１サイクルと第２サイクルとで燃料配置のパタンが異なるため、第１サイクルから第２サイクルに移行する際に燃料配置を一部変更する。本実施形態の第１サイクルにおける原子炉の炉心は、第１の実施形態において図１に示した炉心と同じものである。第２サイクルにおける炉心について図５に示す。図５（ａ）は本実施形態の第２サイクルにおける原子炉の１／４炉心の燃料配置構成図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示した配置での、炉心周辺領域３０及び炉心内部領域３１における、記号Ａ及びＢで示された高濃縮度燃料集合体１９及び２０の体数を表す表である。
【００６２】
第１サイクルが終了し第２サイクルに移行する際には、初装荷燃料集合体と取替燃料集合体との交換は行わず、初装荷燃料集合体の配置の変更のみを行う。まず、第１サイクルにおいて炉心内部領域３１内のコントロールセル１４に装荷された低濃縮度燃料集合体２１を、コントロールセル以外に装荷された低濃縮度燃料集合体２１と交換する。第１サイクルに比べて余剰反応度が増加するのに備えて、第２サイクルでは符号１４ａで示した箇所に新しくコントロールセル４個を配置して全部で２５個としている。
【００６３】
また高濃縮度燃料集合体については、第１サイクルで炉心周辺領域３０に装荷されていた燃料集合体２０と第１サイクルで炉心内部領域３１に装荷されていた燃料集合体１９とを交換する。この結果、炉心の最外周には高濃縮度燃料集合体として、第１サイクルでは燃料集合体２０が配置されたが、第２サイクルでは燃料集合体１９が配置されることになる。またこの燃料集合体の交換により、炉心周辺領域３０及び炉心内部領域３１における燃料集合体１９及び２０の体数は、この交換により図１（ｂ）から図５（ｂ）の表に示すように変化する。すなわち、第１サイクルにおいて炉心内部領域３１における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比は、炉心周辺領域３０における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比より大きいが、第２サイクルにおいてはこの両者の大小関係が逆転している。
【００６４】
以下本実施形態の作用について説明する。第１サイクルにおいては第１の実施形態と同様の作用が得られる。第１サイクルでは炉心周辺領域３０は出力が低いため、炉心周辺領域３０に配置された燃料集合体２０は炉心内部領域３１に比べ相対的に燃焼が進まない。また上述したように燃料集合体２０内のガドリニアの寿命は燃料棒配置の作用により伸長されている。よって、燃料集合体２０内のガドリニアは第１サイクル終了時においてもまだ十分に残っている。従って第２サイクルにおいて、この燃料集合体２０を炉心内部領域３１に多く配置することによって、主に炉心内部領域３１に位置するガドリニアの作用により、余剰反応度を十分低くして適切な範囲内に制御することができる。
【００６５】
無限増倍率の推移を示した図４において、記号ｆ１及びｆ２は、それぞれ本実施形態における第１サイクル及び第２サイクルの燃焼期間を表すものとする。図４からわかるように、炉心内部領域３０に配置された燃料集合体１９の無限増倍率ａは、第１サイクルでは燃料集合体２０の無限増倍率ｂよりも小さいが、燃焼が進み第２サイクルへ移行すると逆転して燃料集合体２０の無限増倍率ｂよりも大きくなる。従って、第２サイクルにおいて、無限増倍率が大きい燃料集合体１９を炉心周辺領域３０に配置し、かつガドリニアを多く残している燃料集合体２０を炉心内部領域３１に多く配置することにより、炉心の径方向の出力分布の歪みを低減することができる。
【００６６】
以下本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。尚第１または第２の実施形態と同様の構成部分については同一符号を付し詳細な説明を省略する。図６（ａ）は第３の実施形態に係る原子炉の１／４炉心の燃料配置構成図である。第３の実施形態に係る原子炉の炉心には低濃縮度、中濃縮度、高濃縮度の３種類の濃縮度の初装荷燃料が用いられている。尚図中で記号Ａ、Ｂ、Ｌで示した燃料は第１の実施形態で詳述した燃料と同一であり、また記号Ｍは中濃縮度燃料２４を表す。
【００６７】
この炉心には記号Ｌで示した平均濃縮度１．６％の低濃縮度燃料集合体２１が２９６体、記号Ｍで示した平均濃縮度２．５％の中濃縮度燃料集合体２４が８４体、記号Ａ及びＢで示した平均濃縮度３．７％の高濃縮度燃料集合体１９及び２０が合わせて４９２体装荷されており、初装荷燃料集合体の全体の平均濃縮度は２．９％である。
【００６８】
低濃縮度燃料集合体２１は、炉心最外周と、炉心内部に離散的に配置されたコントロールセル１４に装荷されているほか、炉心内部領域３１にあって炉心最外周に近いセルにも一部装荷されている。また中濃縮度燃料集合体２４は、炉心内部領域３１のコントロールセル１４以外の低濃縮度燃料集合体２１を含むセルに装荷されている。
【００６９】
図６（ｂ）は図６（ａ）に示した配置での、炉心周辺領域３０及び炉心内部領域３１における、記号Ａ及びＢで示される高濃縮度燃料集合体１９及び２０の体数を表す表である。ここに示すように、炉心内部領域３１における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比は、炉心周辺領域３０における燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比より大きい。また、炉心内部領域３１でのコントロールセル１４に面するセルまたは低濃縮度燃料集合体２１を少なくとも１体含むセルに装荷される燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比は、炉心内部領域３１でのコントロールセル１４以外のコントロールセル１４に面しないかつ低濃縮度燃料集合体２１を含まないセルに装荷される燃料集合体１９と燃料集合体２０の体数の比よりも小さい。
【００７０】
図６（ａ）に示すように、炉心周辺領域３０に装荷される高濃縮度燃料集合体は全て燃料集合体２０である。また炉心内部領域３１では燃料集合体２０は、コントロールセル１４に面したセルや、あるいは炉心周辺領域３１に近くかつ低濃縮度燃料集合体２１を含むセルに装荷される。このような装荷位置においては制御棒価値は相対的に小さいので、原子炉運転時と原子炉停止時とで反応度の差が大きい燃料集合体２０を装荷しても炉停止余裕を悪化させることはない。一方、炉心内部領域３１の制御棒価値が大きい位置には、燃料集合体２０と比べて原子炉運転時と停止時とで反応度差が小さい燃料集合体１９を多く装荷している。これにより炉停止余裕を確保したうえで、ガドリニアの寿命を長期化することができる。
【００７１】
また本実施形態では、炉心最外周に低濃縮度燃料集合体２１を装荷することによって炉心外への中性子の漏れを低減し、中性子の利用効率を向上させている。この配置により炉心最外周における出力が極端に小さくなるきらいがあるが、その対策として、炉心最外周から２層目及び３層目に高濃縮度燃料集合体を装荷して、炉心の径方向出力分布の歪みを平坦化している。またこの２、３層目に配置する高濃縮度燃料集合体の殆どを、燃焼初期の無限増倍率が大きい燃料集合体２０としたため、径方向出力分布の歪みの低減効果はさらに大きくなる。
【００７２】
本実施形態では初装荷燃料集合体の全体の平均濃縮度が２．９％であり、第２の実施形態の３．３％よりも低く設定されている。そのため、初装荷燃料集合体の第１サイクルの燃焼が終了した後、低濃縮度燃料集合体２１のうち最も燃焼が進んだ５６体を選んで、図２（ｃ）に示した取替燃料集合体２２と交換して、第２サイクルの運転を行う。また、第１サイクルで炉心最外周を除く炉心周辺領域３０に装荷された燃料集合体２０を、炉心内部領域３１に装荷された燃料集合体１９と交換する。このとき第２サイクルでは、炉心最外周には低濃縮度燃料集合体２１が配置され、炉心最外周を除いた炉心周辺領域３０には燃料集合体１９が配置され、炉心内部領域３１内の高濃縮度燃料集合体の殆どを燃料集合体２０が占めることになる。従って第２サイクルにおいて、炉心の径方向の出力分布の歪みを平坦化できるとともに、炉心内部領域３１内における燃料集合体２０の作用により余剰反応度を低減することができる。
【００７３】
また、本実施形態の変形例として、炉心最外周に低濃縮度燃料２１に代えて中濃縮度燃料２４を装荷した初装荷炉心がある。この場合、炉心からの中性子漏れは第３の実施形態と比較していくらか増大するが、中濃縮度燃料集合体２４の作用により径方向の出力分布の歪みの低減効果はより大きくなる。
【００７４】
あるいはまた、本実施形態の他の変形例として、図１２に示した４種類の濃縮度の初装荷燃料集合体で構成される初装荷炉心がある。この場合、第３の実施形態において炉心内部領域３１内の低濃縮度燃料集合体２１の装荷位置には、４種類のうち最低濃縮度の燃料集合体または２番目に低い濃縮度の燃料集合体を装荷することで、炉停止余裕の向上を図ることができる。また、第１サイクルにおいて炉心最外周に装荷される燃料集合体としては、最低濃縮度燃料集合体に限らず、２番目に低い濃縮度の燃料集合体、３番目に低い濃縮度の燃料集合体あるいは最高濃縮度の燃料集合体を装荷することが考えられる。あるいはこれらの４種類の燃料を適切に組み合わせた配置も可能である。
【００７５】
以下本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。尚第１乃至第３の実施形態と同様の構成部分については同一符号を付し詳細な説明を省略する。本実施形態に係る原子炉の炉心は、第１乃至第３の実施形態における記号Ａ及びＢで示された高濃縮度燃料集合体１９及び２０を、それぞれ以下に詳述する高濃縮度燃料集合体２５及び２６に置き換えたものである。図７は、本実施形態に係る原子炉の炉心の高濃縮度燃料集合体の配置構成図である。ここで図７（ａ）が燃料集合体２５、図７（ｂ）が燃料集合体２６に関するものである。また記号Ｇがガドリニア入り燃料棒を表す。
【００７６】
図３に示した高濃縮度燃料集合体１９及び２０は、Ｘ方向及びＹ方向で４本のガドリニア入り燃料棒に接するガドリニア入り燃料棒２３をそれぞれ２本有していた。すなわち５本のガドリニア入り燃料棒２組がそれぞれ十字型に配置されていた。これに対して本実施形態では、燃料集合体２５及び２６において、ガドリニア入り燃料棒の十字型配置をなくし、各ガドリニア入り燃料棒が隣接しているガドリニア入り燃料棒が多くて２本となるよう配置されている。またガドリニア入り燃料棒のうちウォータロッド８に面する位置に配置されている燃料棒の割合は、燃料集合体２５は６／１１、燃料集合体２６は０／１０であるから、燃料集合体２５の方がその割合が高い。この燃料集合体２５中に２本存在する、図中符号１８を付したガドリニア入り燃料棒Ｇは、２本のウォータロッド８に面している。
【００７７】
本実施形態においては、燃料集合体１９及び２０をそれぞれ燃料集合体２５及び２６に置き換えた以外は、第１乃至第３の実施形態の炉心配置のいずれかを採用するものとする。
【００７８】
高濃縮度燃料集合体の燃料棒の配置変更によりガドリニアの寿命は短くなるが、ガドリニア入り燃料棒を燃料集合体内で均一に配置することにより、燃料集合体内の出力分布を平坦化することができるので、熱的余裕が向上する。
【００７９】
燃料集合体内において、一般にガドリニアの中性子吸収量が最大となる位置とウォータロッドに面する位置とは一致しないことが知られている。従って、燃料集合体２５においてウォータロッドに面する位置にガドリニア入り燃料棒を集中して配置しているため、場合によっては燃料集合体２６よりも燃焼初期の無限増倍率が大きくなることも起こり得る。しかし、本実施形態においては、燃料集合体２６にガドリニア入り燃料棒を１０本配置したのに対し、燃料集合体２５にはガドリニア入り燃料棒を１１本配置している。この構成により、燃料集合体２６と比べて燃料集合体２５の燃焼初期の無限増倍率を低く抑えている。
【００８０】
ところで、上述したように、燃料の健全性を保持するため、燃料内に配置されるガドリニア入り燃料棒の本数を少なくまたガドリニア濃度を低く抑える場合がある。ガドリニア濃度の上限を仮に１０％以下に抑える必要がある場合には、燃料集合体２５及び２６に用いられる全てのガドリニア入り燃料棒のガドリニア濃度を１０％とすることで、第２サイクルの余剰反応度を最大限に抑制することができる。また設定条件によっては、燃料集合体２５には濃度１０％のガドリニア入り燃料棒を、また燃料集合体２６には濃度１１％のガドリニア入り燃料棒を用いることが考えられる。この場合、第２サイクルにおいて炉心内部に燃料集合体２６が多く配置したことにより、第２サイクルにおける余剰反応度の抑制効果が一層高められる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、初装荷燃料集合体の全体の平均濃縮度を大幅に高めた原子炉の炉心において、燃料の健全性維持の観点から許容される範囲内で従来よりも可燃性毒物の濃度を高く設定し、燃焼初期から後期に至るまで余剰反応度を適切な範囲に制御しつつも同時に十分な炉停止余裕を確保することができるので、初装荷燃料集合体の取出燃焼度を増大させることで燃料の経済性を従来より大幅に向上させることができる。さらに本発明により、燃焼初期から長期にわたって径方向の出力分布の歪みを平坦化させることができるので、最大線出力密度を低く制御しペレット−被覆管相互作用を防止し、また最小限界出力比を適切な範囲に制御することで炉心の熱的余裕を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る原子炉の１／４炉心の燃料配置構成図、（ｂ）は（ａ）に示した配置での炉心周辺領域及び炉心内部領域における高濃縮度燃料集合体１９、２０の体数を示す表である。
【図２】（ａ）は高濃縮度燃料集合体１９、２０の軸方向の濃縮度及びガドリニア分布の構成図、（ｂ）は低濃縮度燃料集合体２１の軸方向の濃縮度及びガドリニア分布の構成図、（ｃ）は取替燃料集合体２４の軸方向の濃縮度及びガドリニア分布の構成図である。
【図３】（ａ）は高濃縮度燃料集合体１９の燃料棒配置を示す断面図、（ｂ）は高濃縮度燃料集合体２０の燃料集合体の燃料棒配置を示す断面図である。
【図４】本発明の第１乃至第３の実施形態に係る原子炉の炉心の高濃縮度燃料集合体１９、２０の無限増倍率の推移を示すグラフである。
【図５】（ａ）は本発明の第２の実施形態における第２サイクルに係る原子炉の１／４炉心の燃料配置構成図、（ｂ）は（ａ）に示した配置での炉心周辺領域及び炉心内部領域における高濃縮度燃料集合体１９、２０の体数を示す表である。
【図６】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る原子炉の１／４炉心の燃料配置構成図、（ｂ）は（ａ）に示した配置での炉心周辺領域及び炉心内部領域における高濃縮度燃料集合体１９、２０の体数を示す表である。
【図７】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る原子炉の炉心の高濃縮度燃料集合体２５の燃料棒配置を示す断面図、（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る原子炉の炉心の高濃縮度燃料集合体２６の燃料棒配置を示す断面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、可燃性毒物を含む燃料棒のうち、ウォータロッドに面する位置に配置されている燃料棒の割合の異なる２種類の燃料集合体の燃料棒配置を示す断面図である。
【図９】図８に示した燃料集合体の無限増倍率の推移を示すグラフである。
【図１０】同一仕様の燃料集合体のみからなる原子炉の炉心における、原子炉停止時の制御棒価値の分布の一例を示す１／４炉心の構成図である。
【図１１】２１個のコントロールセルを配備した原子炉の炉心における、原子炉停止時の制御棒価値の分布の一例を示す１／４炉心の構成図である。
【図１２】濃縮度の異なる４種類の初装荷燃料集合体により構成される、従来の沸騰水型原子炉の燃料配置の一例を示す１／４炉心の構成図である。
【図１３】（ａ）は沸騰水型原子炉の高燃焼度燃料集合体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視方向断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ矢視方向断面図である。
【符号の説明】
６  長尺燃料棒
７  短尺燃料棒
８  ウォータロッド
９  スペーサ
１０  上部タイプレート
１１  下部タイプレート
１２  チャンネルボックス
１３  制御棒
１４  コントロールセル
１９、２０、２５、２６  高濃縮度燃料集合体
２１  低濃縮度燃料集合体
２２  取替燃料集合体
２４  中濃縮度燃料集合体
３０  炉心周辺領域
３１  炉心内部領域
【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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【図１３】
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