(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ウラン、ウラン濃縮工程において副生される劣化ウラン、使用済燃料の再処理によって回収される回収ウラン、或いはこれらの混合物のいずれかからなるプルトニウムを含まない第１の燃料棒と、プルトニウムを富化してなる第２の燃料棒と、内部を冷却材が流通するウォータロッドとを格子状に束ねてチャンネルボックスで包囲してなる原子炉の燃料集合体において、燃料集合体の隅部に位置する燃料棒の少なくとも一部は、可燃性毒物が添加された前記第１の燃料棒であり、かつこの燃料棒に隣接する位置に配置される燃料棒は可燃性毒物が添加されていない前記第１の燃料棒であることを特徴とする原子炉の燃料集合体。
【請求項２】
前記第１の燃料棒の少なくとも一部は、軸方向に可燃性毒物濃度またはウラン濃縮度のうちの少なくとも一つが異なる複数の領域を備えてなることを特徴とする請求項１記載の原子炉の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉の燃料集合体および炉心に係わり、特にプルトニウムを富化した燃料棒よりなる燃料集合体および炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、原子炉の核燃料サイクルにおいて、使用済燃料を再処理し使用済燃料中に含まれるプルトニウムを回収し、ＢＷＲに装荷して使用するプルサーマルが進められており、燃料の経済性の向上が図られている。以下、従来のＢＷＲのウラン燃料からなる燃料集合体に、ウラン酸化物を母材としてプルトニウム酸化物を混入した混合酸化物（ＭＯＸ）からなるペレットを封入してなるいわゆるＭＯＸ燃料を使用した一般的な場合について説明する。
【０００３】
図４は従来のＢＷＲの燃料集合体の縦断面図である。燃料集合体は、図示しない多数の燃料ペレットを封入した複数の燃料棒１と、この燃料棒１を内部に格子状に配列する四角筒状のチャンネルボックス２と、このチャンネルボックス２の上部にあって把手を有する上部タイプレート３と、前記チャンネルボックス２の下部にあって燃料全体の台座となる下部タイプレート４より構成されている。そして前記燃料棒束の軸方向数箇所に燃料棒１やチャンネルボックス２などの間隙を維持するためのスペーサ５が設けられている。
【０００４】
この燃料棒１の一部にＭＯＸを用いたＭＯＸ燃料集合体についてその従来の燃料棒配置について、以下説明する。図５は従来のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配置の一例を示す横断面図であり、特開平３−１２８４８２号公報の第６図を引用したものである。図において符号Ｐ１〜Ｐ６はプルトニウムを含む燃料棒であり、添字番号が大きいほどプルトニウム富化度が低くなっている。符号Ｇはプルトニウムを含まず、濃縮度４．９％のウラン燃料棒に可燃性毒物としてガドリニアを混入した燃料棒を示している。
【０００５】
この図に示す場合に代表されるように、近年主流として用いられつつあるＭＯＸ燃料集合体は、可燃性毒物を含まないＭＯＸ燃料棒と、可燃性毒物が添加されたウラン燃料棒の２種類の燃料棒のみから構成されている。その理由は、主に次の３点である。
【０００６】
（１）  ＭＯＸと、ガドリニアに代表される可燃性毒物との混合物の照射データが少なく、特性が十分に把握されていない。
（２）  プルトニウム酸化物やガドリニアはともにウラン酸化物に比べて熱伝導度が低いため、こうした物質の組み合わせは可能な限り回避したい。
（３）  プルトニウムは人体に対する毒性が極めて高く、また核物質防護措置も厳しいため、燃料集合体一体あたりの製造コスト、輸送コストが非常に高い。
【０００７】
従って、図５に示すように、ガドリニアを混入する燃料棒以外は全てＭＯＸ燃料棒とし、燃料集合体一体に装荷するプルトニウム装荷量をなるべく大きくして単位プルトニウム量当たりのコストを低減する必要がある。
【０００８】
図６は従来のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配置の別の一例を示す横断面図であり、前述の特開平３−１２８４８２号の第１図から引用したものである。図５と同様、符号Ｐ１〜Ｐ３はプルトニウムを含む燃料棒であり、符号Ｇは、プルトニウムを含まず、濃縮度４．５％のウラン燃料棒に可燃性毒物としてガドリニアを混入した燃料棒を示している。また、符号Ｕ１〜Ｕ３は濃縮度２．０〜３．５％のウラン燃料棒を示しており、燃料集合体の隅部及びその周辺に配置されている。
【０００９】
この場合において、可燃性毒物を含まないＭＯＸ燃料棒と可燃性毒物が添加されたウラン燃料棒以外に、可燃性毒物を含まないウラン燃料棒を用いているのは、以下の理由による。
【００１０】
（４）  燃料集合体の４つの隅部及びその周辺では一般に燃料棒の出力が大きくなるため、この部位における燃料棒についてはプルトニウム富化度を低く設定するのが一般的である。ところが、ＭＯＸペレットはウランペレットに比べて成形加工費が高いため、プルトニウム富化度の低いペレットを製造するのは経済的に非効率的である。
（５）  製造ラインにおいてペレットのプルトニウム富化度を変更する際はラインのクリーニングが必要であるが、そのコストが非常に高いため、富化度種類数を最小限に抑えることで製造に要する費用や時間をできるだけ抑えたいという要望がある。
【００１１】
このように、ＭＯＸ燃料を使用した燃料集合体の設計にあたっては、燃料特性以外に、コスト等に関する要求が考慮されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようなＭＯＸ燃料集合体の設計思想は、従来のウラン燃料集合体の設計思想の延長上にあるといえる。すなわち、ウラン燃料における各燃料棒のうち、Ｇｄを含んでいるものや濃縮度が特に低いものなどは、ＭＯＸ燃料棒として不適あるいは不経済であるため、このような燃料棒を除外して、残りのウラン燃料棒を相当する富化度のＭＯＸ燃料棒に置き換えた設計を行っている。
【００１３】
このような考え方は実績のあるウラン燃料設計に基づいているだけに設計としては穏当であるが、前述したＭＯＸ燃料の特殊事情に照らして考えると必ずしも最適な選択とは言えない。
【００１４】
すなわち、燃料集合体全体としてＰｕを多量に装荷し、かつＭＯＸ燃料棒の本数を少なくすることが、費用対効果の面から望ましい設計であるといえる。例えば上記従来の技術において（３）、（４）に述べたように、ＭＯＸ燃料集合体は輸送・製造コストが高いという点を考慮すれば、ＭＯＸペレットの富化度をなるべく高くすると同時に、１体の燃料に装荷するプルトニウム量をなるべく大きくすることが望ましい。コストの面のみからみれば、燃料内の核分裂性物質の大部分をプルトニウムとすることが理想的である。
【００１５】
ところが、上記従来の技術で図面を参照して述べた設計例を見ると、いずれの場合も、可燃性毒物を含む燃料棒には濃縮度が４％以上の濃縮ウランを用い、また可燃性毒物を含まないウランのみの燃料棒には濃縮度が２．０〜３．５％の濃縮ウランを用いている。こうした構成では、これらの燃料の反応度の相当量の部分をウラン燃料棒が担っており、その分、理想的な設計に比べてプルトニウム装荷量は減少していることは明らかである。
【００１６】
このことは言い換えれば、ウラン燃料棒に、ＭＯＸ燃料集合体並みの高い製造コスト、輸送コストをかけていることになり、その観点から経済性を著しく損なった設計になっていたとみることができる。
【００１７】
こうした観点からみて、図５や図６に示した場合に比べてより望ましい設計の一例を紹介する。図７は従来のＭＯＸ燃料集合体の燃料棒配置の別の一例を示す横断面図であり、特公平５−８３９８号公報の第７図から引用したものである。図７において符号Ｐ１〜Ｐ３はプルトニウムを含む燃料棒であり、添字番号が大きいほどプルトニウム富化度が低くなっている。符号Ｇは、プルトニウムを含まず、天然ウランからなるウラン燃料棒に可燃性毒物としてガドリニアを混入した燃料棒を示している。
【００１８】
この構成においては、62本の燃料棒からなる燃料集合体におけるウラン燃料棒は、可燃性毒物を含む符号Ｇで示された４本のみである。これらの燃料棒Ｇは熱中性子束の大きい燃料集合体の隅部に配置されており、中性子吸収量が多いため、図５や図６に示した設計例に比べてウラン燃料棒の本数を少なくすることが可能となった。さらに、これらの燃料棒Ｇには、天然ウランを用いているので、濃縮ウランを使用した図５や図６の場合と比較して、燃料集合体内のウラン燃料棒に含まれるウラン２３５の量は非常に少なくなっている。
したがって、図７に示した設計により、この燃料の設計条件下においてプルトニウムの装荷量はほぼ最大化されているといえる。
【００１９】
しかしながらこの場合では、燃料集合体の４隅部にガドリニア入り燃料棒を配置しているために、燃焼初期においては、４隅部以外に配置されたプルトニウムを富化した燃料棒への熱中性子の供給は少なくなっている。すると、燃料集合体内の減速材による中性子減速の割合が相対的に高くなるため、沸騰状態の変化が反応度に与える影響が大きくなる。このようなボイド率変化に対する反応度変化の比はボイド係数と呼ばれ、その絶対値が大きくなると、原子炉内で過渡的な変化が起きた時の炉心出力変化が大きくなるために、燃料の健全性に悪影響を及ぼすことになる。またこのとき、安定性が悪化することも知られている。
【００２０】
また、この図７の設計では、ＭＯＸ燃料棒およびウラン燃料棒における濃縮度が全て軸方向に一様であり、運転条件によっては、ボイド率が低い燃料集合体下部に過度の出力ピーキングが発生する可能性がある。その観点からは、ウラン燃料棒には、天然ウランに代えて、軸方向の濃縮度分布を設定できる範囲でなるべく濃縮度の低い濃縮ウランを用いた方が良い場合もある。
【００２１】
さらに、こうしたＭＯＸ燃料の設計にあたっては、炉心運転の観点からも考慮すべき課題がある。すなわち、従来発電用原子力プラントは電力供給源としてベースロードに使われることが多く運転期間が比較的一定しているが、近年は様々な理由により、サイクル毎に運転期間の変動が大きくなりつつある。従って、運転期間が長いサイクルではそれだけ定検時に新燃料を多く装荷し、炉心への可燃性毒物の持ち込み量を増加させる必要があり、一般にはサイクル初期の炉心反応度が不足する傾向にある。また、運転期間が短いサイクルでは逆の事態が発生し、サイクル初期の炉心反応度が高過ぎることになる。よって、何れの場合においてもサイクル初期の炉心反応度の変動を小さくすることが求められる。
【００２２】
この対策の一つとして、ウラン燃料の場合には、可燃性毒物の混入量や濃縮度の異なる２種類の燃料を用いてその装荷割合を変更することにより、反応度調整を行っている。ＭＯＸ燃料についても同様の手法を用いることが望ましい。  しかし、ＭＯＸ燃料棒の製造にあたっては再処理工程を含めて長期的な計画を立てる必要があり、それだけ製造に要する時間が長く、原子炉運転の直前の運転計画変更に対して設計変更が間に合わないという特殊な事情がある。したがって、ＭＯＸ燃料に前述の反応度調整を行う場合は、燃料集合体内のウラン燃料棒を設計変更して対応しなければならない。
【００２３】
こうした観点から図５から図７までの３つの設計例について検討してみると、まず図５と図７については、ＭＯＸ燃料棒の変更無しではガドリニア本数を増加することができないことがわかる。また、図６の例ではガドリニアの有無に係わらず、既にウラン燃料棒に高い濃縮度を用いているので、さらにウラン濃縮度を増加した場合にはウラン燃料棒の出力が過度に高くなり、熱的余裕を損なう可能性がある。
【００２４】
本発明は上記の諸課題を解決するためになされたものであり、ＭＯＸ燃料集合体において、単位プルトニウム量当たりの製造コストを削減し、燃料経済性の高い燃料集合体を提供するとともに、炉心・燃料の健全性を確保し運転性を向上することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の発明は、天然ウラン、ウラン濃縮工程において副生される劣化ウラン、使用済燃料の再処理によって回収される回収ウラン、或いはこれらの混合物のいずれかからなるプルトニウムを含まない第１の燃料棒と、プルトニウムを富化してなる第２の燃料棒と、内部を冷却材が流通するウォータロッドとを格子状に束ねてチャンネルボックスで包囲してなる原子炉の燃料集合体において、燃料集合体の隅部に位置する燃料棒の少なくとも一部は、可燃性毒物が添加された前記第１の燃料棒であり、かつこの燃料棒に隣接する位置に配置される燃料棒は可燃性毒物が添加されていない前記第１の燃料棒であることを特徴とする原子炉の燃料集合体を提供する。
【００２８】
この構成により、ボイド係数を悪化させることなく燃料集合体における可燃性毒物入りウラン燃料棒の本数を最小限に抑え、プルトニウム装荷量を与えられた設計条件下で最大化することができる。
【００２９】
また、請求項２記載の発明は、第１の燃料棒の少なくとも一部は、軸方向に可燃性毒物濃度またはウラン濃縮度のうちの少なくとも一つが異なる複数の領域を備えてなることを特徴とする。この構成により、局所的に過度の出力を生じないよう集合体軸方向出力分布を調整し、燃料の健全性を高めることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態の燃料集合体を示したものであり、図１（ａ）は燃料集合体内の燃料配置を示す横断面図、（ｂ）は各燃料棒の軸方向濃縮度、ガドリニア分布を示す図である。なお、図中、従来の技術と同一部分は同一符号を附し、重複する説明は省略する。
【００３６】
図１（ａ）において、符号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３はプルトニウムを含むＭＯＸ燃料棒（全長燃料棒）、符号ＰＶはプルトニウムを含むＭＯＸ燃料棒（部分長燃料棒）、符号Ｕ１は天然ウランからなるウラン燃料棒、符号Ｇ１は天然ウランに可燃性毒物としてガドリニアを混入したウラン燃料棒を示している。また、燃料集合体の中央部には、符号Ｗで表される、内部を冷却材が流通するウォータロッドを配置する。
【００３７】
図１（ｂ）において符号ｐ１，ｐ２，ｐ３はプルトニウム富化度を示し、添字番号が大きいほどプルトニウム富化度は小さくなっている。また、ｅ１はウラン濃縮度を、ｇ１およびｇ２はガドリニア濃度を示し、ｇ２がｇ１より小さくなるよう設定する。
【００３８】
図１に示すように、燃料集合体の隅部に、ガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ１を配置する。各ガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ１に隣接して、２本のプルトニウムを含まない天然ウラン燃料棒Ｕ１を配置し、Ｕ１に隣接してプルトニウム富化度の低い燃料棒Ｐ３またはＰＶを配置する。また、このガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ１は、軸方向にガドリニア濃度を変化させており、下端部および上端部には天然ウランを用いているが、上端部を除く軸方向上部領域（ｅ１＋ｇ１）は、下端部を除く軸方向下部領域（ｅ１＋ｇ２）より、ガドリニア濃度を高く設定している。
【００３９】
また、燃料集合体の中央に設けられたウォータロッドＷに２方向で接する位置に天然ウラン燃料棒Ｕ１を配置し、このＵ１またはＷに隣接する位置にプルトニウム富化度の高い燃料棒Ｐ１を配置する。
【００４０】
すなわち、本実施の形態を例示した図１においては、プルトニウムを含まずかつウラン２３５の濃縮度の低い燃料棒Ｕ１またはＧ１が、チャンネルボックスに隣接しない位置としてウォータロッドに２面で隣接する位置に２本、またチャンネルボックスに隣接する位置に12本、それぞれ配置されている。また、チャンネルボックスに隣接する位置の12本のうち、４本が可燃性毒物としてガドリニアを含む燃料棒Ｇ１から構成されている。
【００４１】
なお、ここで用いる天然ウラン燃料棒Ｕ１またはガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ１のウラン濃縮度ｅ１の一例としては、特に天然ウランの平均的な値として約０．７％を想定している。しかし、これらの燃料棒Ｕ１，Ｇ１は燃料集合体の隅部に配置されるために、Ｕ１，Ｇ１の製造にあたっては通常の濃縮工程を経たウラン燃料棒の濃縮度より低い濃縮度からなる低濃縮ウランを使用する必要があるが、これは天然ウランには限定されない。
【００４２】
すなわち、燃料棒Ｕ１，Ｇ１には、天然ウランに代えて、ウラン濃縮工程において副生される劣化ウランや、あるいは使用済燃料の再処理によって回収される回収ウランを用いることとしてもよい。また、燃料棒Ｕ１，Ｇ１には、天然ウラン、劣化ウラン、回収ウランのうち選択される組合せによる混合物を用いることとしてもよい。この場合は、混合物の精製後に濃縮工程を経ないで製作されるものとする。
【００４３】
劣化ウランや回収ウランを用いた場合でも、燃料棒Ｕ１，Ｇ１のウラン濃縮度は天然ウランと同様に低く設定することとする。天然ウランの濃縮度は約０．７％、劣化ウランの平均的濃縮度は０．２〜０．３％である。一方で回収ウランの濃縮度については、再処理前の使用済燃料の燃焼前の濃縮度や燃焼条件によって異なり、１．２％程度までの範囲となるものが一般的である。よって、低濃縮度としかつ燃料製造にかかる費用を低減するという高い効果を得るためにも、天然ウラン以外の燃料棒Ｕ１，Ｇ１のウラン濃縮度は約１．２％を超えない値に設定するのが好適である。
【００４４】
本実施の形態における作用効果として、４つの点について説明する。
（１）  本実施の形態において燃料集合体を構成するＭＯＸ以外の燃料棒は、燃料棒Ｕ１及びＧ１であり、全て天然ウランを使用したものであり、Ｕ２３５の量はごくわずかである。よって、従来の濃縮ウランを用いた場合と比較して、ＭＯＸ燃料棒中のプルトニウム量を大きくとることができる。
【００４５】
（２）  ガドリニアを含む燃料棒は、燃料集合体の隅部に配置された燃料棒Ｇ１のみである。Ｇ１を可燃性毒物としての価値が高くなる位置にのみ配置することで、燃料集合体中のガドリニア入り燃料棒本数を４本と少なくすることができる。
【００４６】
（３）  ガドリニア入り燃料棒Ｇ１に隣接して、天然ウラン燃料棒Ｕ１を配置している。これにより、Ｕ１の周囲で熱中性子束が高くなるために、燃料集合体の最外周より内側に配置されたＭＯＸ燃料棒Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，ＰＶに対して熱中性子束が十分供給され、ボイド係数を低くすることができる。また、このＵ１の配置によってガドリニア入り燃料棒Ｇ１への熱中性子束供給も増加するため、燃料棒Ｇ１によるガドリニア価値をさらに高めることができる。
【００４７】
（４）  中性子スペクトルが硬く燃料の燃焼効率が悪い燃料集合体内部に濃縮ウランを含まない天然ウラン燃料棒Ｕ１を２本配置することで、ＭＯＸ燃料棒におけるＭＯＸペレットの富化度を可能な限り高めている。またこの配置により、燃料集合体内部の中性子スペクトルを柔らかくする効果もある。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態により、燃料集合体中のプルトニウム装荷量を最大化しつつも、ＭＯＸペレットの富化度を高めることによってＭＯＸペレット製造量を最小化した経済性の良い燃料を実現することができる。さらに、ボイド係数を低くすることで、過渡変化時にも燃料健全性を損なうことがない、安定性の良い燃料を実現することができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、沸騰水型原子炉において一般的な９×９型燃料集合体を例にその配置構成を説明したが、この種の配置は10×10型等の他の型の燃料集合体に対しても適用可能である。また、17×17型のような加圧水型原子炉用燃料集合体に対しても同様の配置を与えることができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態の燃料集合体を示したものであり、図２（ａ）は燃料集合体内の燃料配置を示す横断面図、（ｂ）は各燃料棒の軸方向濃縮度、ガドリニア分布を示す図である。
【００５１】
図２に示す燃料集合体は、図１の場合におけるＭＯＸ燃料棒の数及び配置位置をそのまま流用し、かつウラン燃料棒Ｕ１の本数を減らすとともに、可燃性毒物であるガドリニアを添加した２種類の燃料棒を装荷してなるものである。
【００５２】
図２において、符号Ｐ１〜Ｐ３およびＰＶは、図１の同符号のものと同じＭＯＸ燃料棒を示し、符号Ｕ１も図１と同じ天然ウランからなるウラン燃料棒を示す。符号Ｇ３は、ウラン燃料棒Ｕ１の下端部を除く軸方向下部領域に限定してガドリニアを混入した燃料棒を示す。また、ｅ１及びｅ２はウラン濃縮度を、ｇ３，ｇ４およびｇ５はガドリニア濃度を示す。
【００５３】
すなわち、本実施の形態を例示した図２においては、プルトニウムを含まずかつウラン２３５の濃縮度の低い燃料棒Ｕ１，Ｇ２またはＧ３が、チャンネルボックスに隣接しない位置としてウォータロッドに２面で隣接する位置に２本、またチャンネルボックスに隣接する位置に12本、それぞれ配置されている。また、チャンネルボックスに隣接する位置の12本のうち、７本が可燃性毒物としてガドリニアを含む燃料棒Ｇ２またはＧ３から構成されている。
【００５４】
また、図２（ｂ）において符号ｅ２はウラン濃縮度を示し、その値はｅ１より高く設定する。すなわち、ガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ２は、軸方向にガドリニア濃度とウラン濃縮度の両方を変化させており、下端部および上端部には天然ウランを用いているが、上端部を除く軸方向上部領域（ｅ２＋ｇ３）は、下端部を除く軸方向下部領域（ｅ１＋ｇ４）より、ウラン濃縮度を高く設定している。またこの２領域においてガドリニア濃度を異なるものと設定している。
【００５５】
したがって、図２に示した燃料集合体は、ガドリニア入りウラン燃料棒Ｇ２の上部領域において濃縮度を高く設定した分だけ、図１の燃料集合体よりウラン２３５の装荷量が多くなっており、反応度が高い。よって、原子炉の運転期間が増加した場合に、図２の燃料集合体を必要な割合だけ混ぜて、新燃料と同様の取扱いにより使用すれば、対応することができる。
【００５６】
また、反応度の増加による炉心特性の悪化を防ぐため、ガドリニア入り燃料棒数を増加して、燃焼初期から中期の反応度を抑えると同時に、上下濃縮度差によって軸方向下部のピーキング上昇を防ぐことができる。
【００５７】
燃料棒Ｇ２の軸方向上部領域の濃縮度ｅ２は、下部領域の濃縮度ｅ１より高く設定するというものの、一方で、前述したボイド係数改善の目的からも、なるべく低いことが望ましい。下部領域に天然ウランを使用した場合の濃縮度ｅ１は、約０．７％である。
【００５８】
通常、一本の燃料棒内に軸方向濃縮度分布がある場合は、製造後に非破壊検査を行う際に装置によって分布を感知できるよう、有為な濃縮度差を設ける必要がある。現状の感度の優れた燃料棒非破壊検査装置における分布検知限界が０．５％であることを考慮すれば、天然ウランの濃縮度ｅ１と濃縮度分布をつけるため、ｅ２の設定にあたっては約１．２％とするのが好適であり、ボイド係数改善のためにはそれ以下とするのが望ましい。
【００５９】
本実施の形態においては、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を奏するとともに、さらに、燃料経済性が良く、燃料健全性に優れたＭＯＸ燃料を用いながら、更に運転計画に柔軟に対応することができる炉心を実現することができる。
【００６０】
なお、本実施の形態においては、９×９型燃料集合体を例にその配置構成を説明したが、10×10型等の他の型の燃料集合体に対しても適用可能である。
（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態にかかる原子炉の炉心の燃料棒配置の一例を示す１／４横断面図である。本実施の形態の原子炉の炉心は、上記第１及び第２の実施の形態にかかる燃料集合体を用いて構成したものである。図３は、正方形で示した燃料集合体８を略円筒状に配列した炉心の１／４を上方から俯瞰したもので、符号９で示した十字は通常運転時に制御棒を挿入して反応度を調整する位置を示している。また、図中の正方形は１体の燃料集合体を表し、符号Ｕは従来使用されているプルトニウムを含まないウラン燃料棒のみからなるウラン燃料集合体、符号Ｌ及びＨはそれぞれ第１及び第２の実施の形態にかかるＭＯＸ燃料集合体をそれぞれ示している。
【００６１】
図３に示すように、ＭＯＸ燃料集合体Ｌ及びＨは、それぞれ隣接する４方向にウラン燃料集合体Ｕが装荷されている。図３は炉心の１／４横断面図であるが、図示しない炉心位置においても、ＭＯＸ燃料集合体の隣接する４方向には、プルトニウムを含まないウラン燃料集合体Ｕを配置することとする。
【００６２】
ＭＯＸ燃料集合体Ｌ及びＨは、図１及び図２において符号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，ＰＶで示されるＭＯＸ燃料棒の各種類の本数が同じであるばかりか、富化度の異なる複数のＭＯＸ燃料棒の配置位置が共通している。すなわち、ＭＯＸ燃料集合体Ｌ及びＨは、ＭＯＸ燃料棒に関しては全く同一の設計からなり、その違いは濃縮度の低いウラン燃料棒及びガドリニアを含むウラン燃料棒の構成が異なるのみである。すなわち、両燃料集合体Ｌ，Ｈの相違点は、ウラン燃料棒の濃縮度、濃縮度の軸方向分布、及びこのウラン燃料棒のうち可燃性毒物を含む燃料棒の本数、あるいはこの可燃性毒物の濃度や、可燃性毒物濃度の軸方向分布に関する点であるといえる。（なお、これらの要素のうち何れかを同一の設計とすることも可能である。）
このように、ＭＯＸ燃料棒を共通の仕様とし、製造期間の短いウラン燃料棒の設計を変えることにより、両ＭＯＸ燃料集合体Ｌ，Ｈの体数比を容易に変更することが可能で、炉心設計の変更に容易に対応することができる。
【００６３】
また、前述したように、第２の実施の形態にかかるＭＯＸ燃料集合体Ｈは、ガドリニア含有量が多く、また燃料下部の出力ピーキングを抑えた設計となっているので、熱的余裕が大きいうえに、平均核分裂性物質濃度が高いのでサイクル末期には炉心反応度に対する寄与が大きい。一方、第１の実施の形態にかかるＭＯＸ燃料集合体Ｌは、Ｈに比べてガドリニア含有量が少ないため、出力が低く燃焼度が進みにくい場所に配置してもサイクル末期までにガドリニアが燃焼し尽くすので炉心の反応度損失を招くことがない。
【００６４】
したがって本実施の形態では、図３にその炉心配置の一例を示すように、Ｌを炉心周辺部や運転時に挿入される制御棒の周辺に、Ｈをその他の熱的余裕の小さい部分に配置することで、熱的余裕が大きいうえにサイクル末期に反応度の高い炉心が実現されるだけでなく、運転計画の変更等に対応して柔軟に炉心の出力分布や反応度を調整することができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＯＸ燃料の製造コストを最小限に抑えながらプルトニウム装荷量を増大し、過渡特性、安定性、運転融通性、運転特性に優れた燃料集合体及び原子炉の炉心を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明にかかる燃料集合体の第１の実施の形態の燃料棒配置を示す図、（ｂ）は各燃料棒の軸方向濃縮度分布、ガドリニア分布を示す図。
【図２】（ａ）は本発明にかかる燃料集合体の第２の実施の形態の燃料棒配置を示す図、（ｂ）は各燃料棒の軸方向濃縮度分布、ガドリニア分布を示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態にかかる原子炉の炉心の燃料棒配置の一例を示す１／４横断面図。
【図４】従来の燃料集合体を一部断面で示す立面図。
【図５】従来のＭＯＸ燃料集合体の一例の横断面図。
【図６】従来のＭＯＸ燃料集合体の一例の横断面図。
【図７】従来のＭＯＸ燃料集合体の一例の横断面図。
【符号の説明】
１…燃料棒、２…チャンネルボックス、３…上部タイプレート、
４…下部タイプレート、５…スペーサ、６…ウォータロッド、
７…制御棒、８…燃料集合体、
９…通常運転時に反応度を調整するため挿入される制御棒位置。
【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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