(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核分裂性物質を含む燃料を被覆管に充填した複数本の燃料棒を正方格子状に束ねた燃料要素束を角筒状のチャンネルボックスで覆ってなる沸騰水型原子炉の燃料集合体において、上下端を除く軸方向の少なくとも一部の断面において、燃料要素束の最外周に位置する全ての燃料棒の濃縮度を天然ウランと同等かまたはそれ以下とし、前記一部の断面における最外周以外に位置する全ての燃料棒の濃縮度は、前記最外周に位置する燃料棒の濃縮度よりも高くし、前記最外周に位置する燃料棒の濃縮度が天然ウランと同等かまたはそれ以下の部分を、燃料有効長の少なくとも上部１／２に設ける燃料集合体である第１の燃料を少なくとも複数体装荷してなることを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【請求項２】
請求項１に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記第１の燃料を装荷する位置を、炉心の最外周または運転中に炉心に挿入される制御棒の周囲とすることを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【請求項３】
請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、平均濃縮度の異なる複数種類の燃料集合体から構成するとともに、濃縮度が最高のもの以外の少なくとも一種類の燃料集合体を前記第１の燃料とすることを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【請求項４】
請求項３に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、濃縮度が最低の燃料集合体を、前記第１の燃料とすることを特徴とする沸騰水型原子炉の初装荷炉心。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉の初装荷炉心及びその構成に用いる燃料集合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、沸騰水型原子炉では発電コストの低減が重要な課題となっている。この課題への対応策として、燃料サイクルコストの低減、増出力化、運転期間の長期化等が検討されている。燃料サイクルコストを低減するためには、燃料集合体の平均取出燃焼度を高くすること（高燃焼度化）が有効である。高燃焼度化には、燃料集合体のウラン濃縮度を高める必要がある。また、増出力化、運転期間の長期化を図る上でも、燃料集合体のウラン濃縮度は高める必要がある。
【０００３】
初装荷炉心においては、炉心平均濃縮度を高めて炉内滞在期間を長くすることで、初装荷燃料の平均取出燃焼度を高くすることが検討されている。
【０００４】
一方、原子炉は一定期間ごとに燃え尽きた燃料を取り出して新しい燃料と交換する必要があるが、初装荷炉心では早期に取り出される燃料は燃焼度が進まないため、取り出される時期に見合った低い濃縮度にし、取出時期の遅い燃料は燃料集合体の平均濃縮度をあげ、取出燃焼度を高くすることによって、平均取出燃焼度を向上させている。このように燃料集合体の濃縮度を取出時期に見合ったものにするために、初装荷炉心は異なる平均濃縮度からなる燃料集合体によって構成されることが一般的である。
【０００５】
高燃焼度化による燃料集合体のウラン濃縮度の増加や、増出力化による炉心平均ボイド率の増加に起因して、炉心の冷温時と出力運転時の反応度差が増大する。また、熱中性子がウラン−２３５に吸収される割合が大きくなり、制御棒の制御材に吸収される割合が小さくなるため、制御棒価値が減少する。つまり、燃料集合体の濃縮度をあげることにより原子炉の炉停止余裕は減少する傾向にある。
特に濃縮度の異なる複数種類の燃料集合体から構成される初装荷炉心においては、制御セルに比較的濃縮度の低い低濃縮度燃料を装荷することが一般的である。炉心最外周を除くその他の領域には比較的濃縮度の高い高濃縮度燃料が装荷されるが、高濃縮度燃料には可燃性毒物としてガドリニア等が混合されるため、サイクル初期の無限増倍率としてはむしろ低濃縮度燃料の方が、高濃縮燃料よりも高くなる。このような場合には、低濃縮度燃料からなる制御セルに挿入される制御棒の反応度価値が大きくなりやすく、この制御棒の引き抜きを想定した場合に炉停止余裕が減少する傾向にある。
【０００６】
また、濃縮度の異なる燃料集合体を炉内に装荷することから、燃料集合体間の出力差が大きくなるため、熱的余裕が減少する傾向がある。
【０００７】
以上述べたように、初装荷炉心における高燃焼度化の課題としては、１）炉停止余裕の減少、２）熱的余裕の減少があげられる。
【０００８】
２）の対策として、例えば、特開平９−９００７７号公報では、4体の燃料集合体の真ん中に十字形の制御棒で構成された制御セルを備えた初装荷炉心において、制御セルを構成する燃料集合体の制御棒側のコーナーにウラン２３５の同位体存在比が天然ウランよりも低いウラン燃料を含む燃料棒を装荷することが述べられている。これは、高燃焼度化時に制御棒を長期間にわたって挿入した後で、制御棒を引抜いた時に制御棒側の出力が過大にならないようにする技術である。
しかしながら、上記１）の炉停止余裕の減少についての対策は、前記従来技術では考慮されていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高燃焼度化により燃料集合体の平均濃縮度が増加した初装荷炉心において、炉停止余裕及び熱的余裕を同時に改善できる燃料集合体及びこれを装荷した初装荷炉心を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、（１）本発明の沸騰水型原子炉の初装荷炉心では、上下端を除く軸方向の少なくとも一部の断面において、燃料要素束の最外周に位置する全ての燃料棒の濃縮度を天然ウランと同等かまたはそれ以下とし、前記一部の断面における最外周以外に位置する全ての燃料棒の濃縮度は、前記最外周に位置する燃料棒の濃縮度よりも高くし、前記最外周に位置する燃料棒の濃縮度が天然ウランと同等かまたはそれ以下の部分を、燃料有効長の少なくとも上部１／２に設ける燃料集合体である第１の燃料を少なくとも複数体装荷した構成とする。
【００１１】
（２）沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、前記第１の燃料を装荷する位置を、炉心の最外周または運転中に炉心に挿入される制御棒の周囲として構成する。
【００１２】
本発明の燃料集合体では、（３）上記（１），（２）に記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心を構成する前記燃料集合体のうち、平均濃縮度の異なる複数種類の燃料集合体から構成するとともに、濃縮度が最高のもの以外の少なくとも一種類の燃料集合体を前記第１の燃料として構成する。
【００１３】
（４）上記（３）記載の沸騰水型原子炉の初装荷炉心において、濃縮度が最低の燃料集合体を、前記第１の燃料として構成する。
【００１７】
上記の構成は、以下のように作用する。
【００１８】
冷温時−出力運転時反応度差等の核特性は、燃料の濃縮度に依存し、濃縮度が高くなるほど増大する傾向にある。
【００１９】
燃料要素束の最外周は、熱中性子束が高くなる燃料集合体間の水ギャップに面しているため、中性子インポータンスが高く、この領域の核特性が燃料集合体の核特性に重要な影響を及ぼす。すなわち、平均濃縮度が一定であれば、最外周の燃料棒の濃縮度が低いほど、冷温時―出力運転時反応度差が低減される。
【００２０】
図２は、後述する実施例の沸騰水型原子炉の初装荷炉心を構成する燃料集合体のうち、最も平均濃縮度が低い１．７％の燃料集合体を対象に、燃料要素束のうち、最外周に位置する燃料棒の平均濃縮度とそれ以外の燃料棒の平均濃縮度の比を横軸にとり、縦軸に冷温時−出力運転時の反応度差の差分を示したものである。
【００２１】
図２から、前記濃縮度比を0.8よりも小さくすれば、濃縮度が一様の場合（前記濃縮度比1.0）に比べて、冷温時−出力運転時反応度差が低減されることがわかる。
【００２２】
前記従来技術（特開平９−９００７７号公報）では燃料要素束のコーナーに位置する燃料棒を劣化ウランとしているが、前記濃縮度比としては０．８程度であり、冷温時−出力運転時反応度差の低減に関して十分な効果は得られない。
【００２３】
また、沸騰水型原子炉の燃料集合体において、最外周の燃料棒の濃縮度を低減する技術は一般的である。これは、熱的余裕確保の観点から、局所出力ピーキングの低減を目的としている。本発明の構成のように、天然ウランあるいは劣化ウランを大半の燃料棒に使用して前記濃縮度比を低減することが従来技術で考慮されていないのは、逆に局所出力ピーキングが増大すること（図２参照）から明らかである。
【００２４】
上記のように本発明の構成では、局所出力ピーキング係数については必ずしも最小とならないが、燃料要素束の最外周の濃縮度を低くする断面の軸方向位置を比較的出力が高くなりにくい軸方向上部に設けることや、本発明を適用する燃料集合体を平均濃縮度が比較的低いもの、または、装荷位置が最外周や制御セルなどの比較的出力が高くならない位置に限定しているため、熱的余裕としては十分に確保することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施例を示すものである。図１の燃料集合体において、燃料棒１〜３の上下端には天然ウランが装荷される。これはその他の実施例についても同様であるので、以下では、上下端を除いた領域の濃縮度分布についてのみ説明する。
【００２７】
燃料棒１の濃縮度は２．８％、燃料棒２の濃縮度は１．７％の燃料ペレットを使用し、燃料集合体最外周に位置する燃料棒３の濃縮度は天然ウラン（約０．７％）となっている。
【００２８】
燃料要素束の中心付近にはウォータロッド１１が配置され、燃料要素束はチャンネルボックス２１で覆われている。その外周には制御棒２２が挿入される。
【００２９】
本実施例では、最外周に位置する燃料棒の平均濃縮度と、それ以外の燃料棒の平均濃縮度との比は約０．２２であり、冷温時―出力運転時反応度差は、一様な濃縮度分布のものに比べ、約３％Δｋ低減される（図２参照）。
【００３０】
図３は、第２の実施例の燃料集合体を示すものである。
【００３１】
図３では、燃料棒１の濃縮度分布は２．４％で一様、燃料棒２の濃縮度は下部で２．０％、上部で１．６％、燃料棒３の濃縮度分布は下部で１．６％、上部で天然ウラン、燃料４の濃縮度分布は下部で１．４％、上部で天然ウランとなっている。ここで、燃料棒タイプＰは、燃料有効長が他の燃料棒よりも短い部分長燃料棒で、その濃縮度は１．６％である。
【００３２】
本実施例は、燃料上部のみに燃料要素束の最外周に位置する燃料棒３、４に天然ウランを装荷することによって、実施例１と同様の効果を得られるとともに、燃料下部では、下部断面の局所出力ピーキング係数を低減するため、熱的余裕を減少させることなく冷温時―出力運転時反応度差を低減できる。
【００３３】
本実施例では、最外周に位置する燃料棒の平均濃縮度と、それ以外の燃料棒の平均濃縮度の比は燃料集合体上部において約０．３２であり、冷温時−出力運転時反応度差に関して約２％Δｋの低減効果がある（図２参照）。
【００３４】
図４は、可燃性毒物と組み合わせた第３の本発明の実施例を示すものである。図４の燃料集合体は、燃料棒１の濃縮度分布は２．８％、燃料棒２の濃縮度分布は２．４％の燃料ペレットを使用し、燃料集合体最外周に位置する燃料棒３の濃縮度分布は天然ウランとなっている。ここで、燃料棒タイプＰは短尺燃料棒で濃縮度分布は２．２％、Ｇは可燃性毒物含有燃料棒で燃料棒の濃縮度は２．８％、可燃性毒物であるガドリニアの濃縮度は８．０％である。また、１１はウォータロッド、２１はチャンネルボックス、２２は制御棒である。本実施例は、実施例１と同様の効果を得られるとともに、可燃性毒物含有燃料棒を制御棒挿入側の反対側に配置することにより制御棒価値の減少を抑制する効果も得られる。本実施例では、最外周に位置する燃料棒の平均濃縮度と、それ以外の燃料棒の平均濃縮度の比は燃料集合体上部において約０．２１、燃料集合体下部において約０．２３であり、冷温時―出力運転時反応度差は、一様な濃縮度分布のものに比べ、約３％Δｋ低減される（図２参照）。
【００３５】
図５は、第４の本発明の実施例を示すものである。図５の燃料集合体は、燃料棒１の濃縮度分布は２．８％の燃料ペレットを使用し、燃料集合体最外周に位置する燃料棒２の濃縮度分布は天然ウランとなっている。ここで、燃料棒タイプＰは短尺燃料棒で濃縮度分布は１．７％である。また、１２はウォータボックス、２１はチャンネルボックス、２２は制御棒である。本実施例では実施例１と同様の効果が得られる。本実施例では、最外周に位置する燃料棒の平均濃縮度と、それ以外の燃料棒の平均濃縮度の比は燃料集合体上部において約０．２０、燃料集合体下部において約０．２２であり、冷温時―出力運転時反応度差は、一様な濃縮度分布のものに比べ、約３％Δｋ低減される（図２参照）。
【００３６】
図６は、第５の本発明の実施例を示すものである。図６の燃料集合体は、燃料棒１の濃縮度分布は２．８％の燃料ペレットを使用し、燃料集合体最外周に位置する燃料棒２の濃縮度分布は天然ウランとなっている。また、１３はウォータクロス、２１はチャンネルボックス、２２は制御棒である。本実施例では実施例１と同様の効果が得られる。本実施例では、最外周に位置する燃料棒の平均濃縮度と、それ以外の燃料棒の平均濃縮度の比は約０．２０であり、冷温時―出力運転時反応度差は、一様な濃縮度分布のものに比べ、約３％Δｋ低減される（図２参照）。
【００３７】
上記の燃料集合体を装荷した初装荷炉心の実施例も考えられる。以下では初装荷炉心の実施例について説明する。
【００３８】
図7は、図１に示した燃料集合体を、炉心外周を除く低濃縮度燃料２３として、炉心に装荷した初装荷炉心の燃料装荷パターン例を示すものである。低濃縮度燃料２３は、制御セル２６と呼ばれる原子炉運転中に制御棒を挿入して反応度調整を行うことが多い場所に装荷してある。残りの領域のうち炉心外周を除く領域には、図９に濃縮度分布を示す高濃縮度燃料２５を装荷している。炉心外周には、図10に濃縮度分布を示す低濃縮度燃料（最外周装荷用）２４が装荷される。
【００３９】
制御セル２６は、図７に示した燃料装荷パターン例では３７個であるが、運転条件に応じて増減させる場合もある。
【００４０】
本実施例では、図１に示した燃料集合体を低濃縮度燃料（制御セル装荷用）２３として装荷することにより、炉停止余裕の改善を図ることができる。
【００４１】
図８は、図７に示した炉心の実施例において、最外周に装荷する燃料を平均濃縮度が約2.3％の中濃縮度燃料２７としたものである。中濃縮度燃料２７の濃縮度分布は図１１に示すように、低濃縮度燃料と同様、外周に天然ウランを配置している。本実施例の炉心では、上記の炉心の実施例に比べて最外周の濃縮度を増加しても炉停止余裕を確保できる。したがって、より高燃焼度化が可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、初装荷炉心の高燃焼度化にともない平均濃縮度が増加した燃料集合体において、炉停止余裕を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による燃料濃縮度及びガドリニア分布の例を示す図。
【図２】最外周に位置する燃料棒の平均濃縮度と、それ以外の燃料棒の平均濃縮度の比と冷温時−出力運転時の反応度差の差分と、局所出力ピーキング係数の関係を示す図。
【図３】第２の実施例による燃料濃縮度及びガドリニア分布の例を示す図。
【図４】第３の実施例による燃料濃縮度及びガドリニア分布の例を示す図。
【図５】第４の実施例による燃料濃縮度及びガドリニア分布の例を示す図。
【図６】第５の実施例による燃料濃縮度及びガドリニア分布の例を示す図。
【図７】第１の実施例の燃料を低濃縮度燃料として炉心に装荷した初装荷炉心の燃料装荷パターン例を示す図。
【図８】第１の実施例の燃料を低濃縮度燃料として炉心に装荷した初装荷炉心の燃料装荷パターン例（最外周の中濃縮度燃料２７にも本発明を適用した例）を示す図。
【図９】図７に示した初装荷炉心を構成する高濃縮度燃料の例を示す図。
【図１０】図７に示した初装荷炉心を構成する炉心外周用低濃縮度燃料の例を示す図。
【図１１】図８に示した初装荷炉心を構成する中濃縮度燃料の例を示す図。
【符号の説明】
１〜５燃料棒タイプ、１１…ウォータロッド、１２…ウォータクロス、２１…チャンネルボックス、２２…制御棒、２３…低濃縮度燃料、２４…低濃縮度燃料(炉心外周用）、２５…高濃縮度燃料、２６…制御セル、Ｐ…短尺燃料棒、Ｇ…可燃性毒物含有燃料棒。
【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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