(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有されてなり、かつそれ自体が互いに異なる間隔をおいて炉心に配置される燃料集合体において、
前記ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒と、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高い濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒をそれぞれ有し、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒が、対角線によって２分された制御棒側の領域に反制御棒側の領域に比べて多く配置されるとともに、前記天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒が前記反制御棒側の領域にのみ配置されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、
前記ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒と、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高い濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒をそれぞれ有し、最外周から内側に２層目に位置する燃料棒群の四隅の少なくとも一部に、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒が配置されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、
前記燃料棒が、長尺燃料棒とそれより燃料有効部分が短い短尺燃料棒とから成るとともに、前記ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒と、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高い濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒をそれぞれ有し、かつ前記短尺燃料棒に隣接する位置の少なくとも一部に、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒が配置されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、
前記ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒と、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高い濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒をそれぞれ有し、最外周の四隅に隣接する位置の少なくとも一部に、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒が配置されており、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒の上下端を除く部分に含有される核分裂性物質の濃縮度は同一であり、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒を除く残りの燃料棒の上下端を除く部分に含有される核分裂性物質の濃縮度は、いずれも同一でありかつ前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒とは異なることを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料集合体と、ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが用いられた燃料集合体とがそれぞれ装荷された原子炉であって、前記天然ガドリニウムのみが用いられた燃料集合体での平均のガドリニア濃度が、前記した請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料集合体での平均のガドリニア濃度より大きいことを特徴とする原子炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料棒を有する燃料集合体および原子炉に係り、特に燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、燃料経済性を向上させた燃料集合体および原子炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウランや二酸化ウランを核燃料物質として用いる軽水炉では、燃料集合体は所要の初期ウラン濃縮度に設定されており、燃焼にしたがって炉の余剰反応度が減少する。この余剰反応度は、安全上の観点から過大にならないようにする必要があるため、燃焼に伴なって負の反応度が減少していく可燃性毒物と呼ばれる物質を、燃料に添加する方式が採られる。そして、主に沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）で、ときに加圧水形原子炉（ＰＷＲ）では、可燃性毒物として原子番号64のガドリニウムが用いられ、その酸化物であるガドリニアが核燃料物質に添加されている。
【０００３】
従来の燃料集合体の断面構造を、図９に示す。
【０００４】
この燃料集合体２１は、ウラン等の核燃料物質が封入された燃料棒２２，２３が、例えば正方格子状に配列されるとともに、出力運転時に沸騰しない冷却水が内部を流れるウォーターロッド２４が中央付近に配置され、さらにこれら全体がチャンネルボックス２５内に収納された構造を有している。そして、通常４体の燃料集合体２１ごとに１体の制御棒２６が配置されて、炉心が構成されている。ここで、制御棒２６の内部には、中性子吸収物質を封入した複数のポイズン棒２７が規則的に配置され格納されている。なお、燃料集合体における燃料棒の長さ、本数、形状、配置およびウォーターロッドの有無、本数、形状、配置などは、原子炉によって異なり、図９に示す燃料集合体に限定されるものではない。
【０００５】
また、燃料棒２２，２３では、燃料集合体内での位置により、核分裂性物質であるウランの濃縮度やガドリニアの濃度が設定されている。
【０００６】
図１０（ａ）は、制御棒２６の位置を左上とした場合の燃料棒２２，２３の配置を示す水平断面図である。このうちガドリニアを含有しない燃料棒２２を番号１，２，３，４，５，６およびV1，V2で、ガドリニアを含有する燃料棒（以下、ガドリニア燃料棒という。）２３をG1，G2，G3でそれぞれ示している。番号１，２，３，４，５，６およびG1，G2，G3は、長尺の燃料棒であり、番号V1，V2は長尺燃料棒より燃料有効部分が短い短尺燃料棒である。また、ＷＲはウォーターロッド２４を示す。
【０００７】
さらに、図１０（ｂ）は、燃料棒（１，２，３，４，５，６，V1，V2，G1，G2，G3）の垂直方向（軸方向）の核分裂性物質の濃縮度分布およびガドリニアの濃度分布を示す図である。
【０００８】
この図に示すように、核分裂性物質であるウランの濃縮度としてはＡ〜Ｇが使用され、ガドリニア濃度（添加割合）としてはａ〜ｃが使用されている。ウラン濃縮度の大小関係は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇであり、Ｇは天然ウランの濃縮度である。長尺燃料棒においては、上端および下端に、天然ウランのみが含まれる部分が配置されることがある。また、燃料棒によっては、軸方向で核分裂性物質の濃縮度に差を設ける場合がある。
【０００９】
ガドリニア燃料棒２３は、核燃料物質とガドリニアの両方を含んでおり、通常最外周以外の位置に配置されるが、最外周に配置される場合もある。ガドリニアの添加濃度の大小関係は、ａ＞ｂ＞ｃであり、ガドリニア燃料棒によっては軸方向で添加濃度の差を設けることもある。また、上端および下端に、ガドリニアを含まず天然ウランのみが含まれる部分が設けられる場合がある。
【００１０】
この図に示す燃料集合体は、隣り合う燃料集合体のチャンネルボックス外壁間の非沸騰水領域の幅が、制御棒挿入側で非挿入側よりも大きくなるように構成された燃料格子（以下、Ｄ格子と示す。）に適するように設計されたものである。よって、Ｄ格子炉心では、燃料集合体は左右に隣接する２つの燃料集合体と互いに異なる間隔をおいて装荷されている。
【００１１】
Ｄ格子では、燃料集合体の制御棒挿入側の方が非挿入側に比べて熱中性子束分布が大きく、局所出力が高くなりやすい傾向にあるため、燃料集合体の水平断面を対角線によって制御棒側と反制御棒側とに２分したとき、制御棒側の領域に配置された燃料棒では、反制御棒側の領域に配置された燃料棒に比べて、核分裂性物質（ウラン）の濃縮度を下げている。例えば、反制御棒側の最外周に置かれた燃料棒では、ウラン濃縮度を最も高いＡとしているのに対して、制御棒側の燃料棒ではそれ以下のＢ，Ｃ，Ｄに設定している。また、ガドリニア燃料棒２３においても、反制御棒側の領域に配置されているもので、ウラン濃縮度が最も高いＡとされているのに対して、制御棒側のガドリニア燃料棒ではそれより低いＢ，Ｃに設定されている。そして、燃料集合体（バンドル）での平均のウラン濃縮度は、3.96wt％となっている。
【００１２】
ところで、可燃性毒物として用いられる天然のガドリニウムは、質量数が154，155，156，157，158および160の６種類の同位体の混合物であり、各同位体の重量割合（同位体比）は、それぞれ2.1wt％，14.5wt％，20.3wt％，15.7wt％，25.0wt％および22.5wt％となっている。このうち質量数157のガドリニウム(Gd-157)は、全核種中で最大の熱中性子吸収断面積を有しており、質量数155のガドリニウム(Gd-155)も、Gd-157の1/4程度の大きな熱中性子吸収断面積を持つ。また、Gd-155およびGd-157が中性子を吸収して生成されるGd-156とGd-158の熱中性子吸収断面積は、Gd-155とGd-157の数万分の1程度である。
【００１３】
このように、それ自体の中性子吸収断面積が大きく、かつ中性子吸収で生成される同位体の吸収断面積が小さい場合には、中性子吸収（燃焼）により吸収断面積が大幅に減少するので、いわゆる可燃性毒物として利用することができる。天然のガドリニウムにおけるGd-157とGd-155の同位体比は、合計で30wt％程度であり、従来の燃料集合体では、天然ガドリニウムが可燃性毒物として用いられ、その酸化物である天然ガドリニアが核燃料物質に添加されている。
【００１４】
このようなガドリニアの添加量は、余剰反応度を適切に抑制するとともに、可燃性毒物による負の反応度がサイクル末期まで持続するように設定される。そのため、１サイクルの運転月数、出力密度等に合わせて、ガドリニアの濃度（添加濃度）を調整する必要がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ガドリニアを核燃料物質に混合すると、熱伝導度が低下するため、線出力密度（燃料棒の単位長さ当たりの熱出力）が同じでも、燃料棒の温度が上昇する。熱伝導度の低下はガドリニア濃度に比例するため、燃料棒を覆う被覆管の性能が劣化し過ぎないように、ガドリニアの添加濃度をあまり高くすることができない。そして、ガドリニア燃料棒では、ガドリニアを含有しない燃料棒に比べて、ウラン濃縮度を低くすることによってその出力を低くし、燃料棒の温度が過度に上昇しないように配慮している。
【００１６】
特に、ガドリニア燃料棒を以下に示す位置に配置する場合には、注意する必要がある。
【００１７】
（１）Ｄ格子における制御棒挿入側の領域。
（２）最外周から内側に２層目に位置する燃料棒群の四隅の位置。
（３）短尺燃料棒に隣接する位置。
（４）最外周、特にその四隅の位置。
すなわち、Ｄ格子では、制御棒挿入側の領域が、非挿入側の領域に比べて熱中性子束分布が大きく、局所出力が高くなりやすい傾向がある。また、前記した一般的な設計では、ガドリニア燃料棒は最外周を除く位置に配置されるが、最外周から内側に２層目の燃料棒群の四隅に位置する燃料棒が、最も出力が高くなりやすい。さらに、長尺燃料棒とそれより燃料有効部分が短い短尺燃料棒とから構成される燃料集合体においては、短尺燃料棒の核燃料物質が存在しない軸方向位置には減速材が存在するため、それに隣接する位置の燃料棒の出力が高くなりやすい。
【００１８】
したがって、前記した位置に配置されたガドリニア燃料棒では、出力の低い位置に配置された燃料棒よりも、さらにウラン濃縮度を低くするように配慮する必要がある。
【００１９】
しかしながら、近年、燃料経済性の向上等の観点から、炉心の高燃焼度化が図られており、燃料集合体の平均のウラン濃縮度を益々高くすることが要求されている。特にＤ格子燃料では、中性子束の径方向分布と濃縮度分布が一致せず、燃料経済性が悪いため、濃縮度を高くする必要が潜在的にある。それにもかかわらず、燃料製造施設の臨界安全性の制限などから、燃料ペレットに使用できるウランの最高濃縮度には4.9wt％という制限が設けられており、昨今の高燃焼度用の燃料集合体において、これ以上平均濃縮度を上げるためには、ガドリニア燃料棒に含まれるウランの濃縮度を上げる必要に迫られている。
【００２０】
さらに近年、ウランが転換してできたプルトニウムを有効利用するため、使用済燃料から再処理して得られたプルトニウムを富化したウラン・プルトニウムの混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）を装荷した燃料集合体が考えられている。
【００２１】
このようなＭＯＸ燃料では、ウラン燃料に比べて中性子スペクトルが硬く（低エネルギーの中性子の割合が少なく）、ガドリニアの中性子吸収割合が小さくなるため、ガドリニアを添加した燃料棒の本数を増やす必要がある。それに対して、特公平５−８３９８号においては、ガドリニア燃料棒を水平断面で最外周の四隅の位置に配置することにより、ガドリニアの制御能力を高め、ガドリニア燃料棒の本数を低減する技術が開示されている。
【００２２】
しかし、最外周の四隅の位置は最も出力が高くなりやすい位置である。また、ガドリニアも早く燃焼するため、添加量を上げる必要があり、かえってウランの濃縮度を低下させなくてはならなかった。
【００２３】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、バンドル平均の核分裂性物質の濃縮度を高め、燃料経済性を向上させた燃料集合体を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有されてなり、かつそれ自体が互いに異なる間隔をおいて炉心に配置される燃料集合体において、前記ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒と、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高い濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒をそれぞれ有し、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒が、対角線によって２分された制御棒側の領域に反制御棒側の領域に比べて多く配置されるとともに、前記天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒が前記反制御棒側の領域にのみ配置されることを特徴とする。
【００２５】
本発明の燃料集合体においては、質量数が奇数のガドリニウム同位体として、質量数157の同位体（Gd-157）のみの含有率が、天然ガドリニウムでの含有率よりも高い（濃縮された）ガドリニア燃料棒を用いても良いし、あるいはGd-157とGd-155の含有率がそれぞれ天然ガドリニウムのそれよりも高い（濃縮された）ガドリニア燃料棒を用いても良い。
【００２６】
このように構成される燃料集合体においては、中性子の吸収断面積の大きなGd-157とGd-155の少なくとも一方の含有率が天然ガドリニウムでの含有率よりも高いため、同じ反応度制御能力を有する場合においても、天然ガドリニウムを用いたものよりもガドリニアの添加量を低減することが可能である。そのため、出力の高くなりやすい制御棒側の領域にガドリニア燃料棒を配置する場合に、ウラン等の核分裂性物質の濃縮度を過度に低下させる必要がない。したがって、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、燃料集合体での平均の核分裂性物質濃縮度を高めることが可能である。
【００２７】
本発明の請求項２の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、前記ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒と、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高い濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒をそれぞれ有し、最外周から内側に２層目に位置する燃料棒群の四隅の少なくとも一部に、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒が配置されることを特徴とする。
【００２８】
このような構成の燃料集合体においては、ガドリニウムとして天然ガドリニウムを用いたものよりも、ガドリニア添加量を低減することが可能であるため、出力の高くなりやすい最外周から内側に２層目に位置する燃料棒群の四隅の位置に、ガドリニア燃料棒を配置する場合においても、ウラン等の核分裂性物質の濃縮度を過度に低下させる必要がない。したがって、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、核分裂性物質の平均濃縮度を高めることが可能である。
【００２９】
本発明の請求項３の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、前記燃料棒が、長尺燃料棒とそれより燃料有効部分が短い短尺燃料棒とから成るとともに、前記ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒と、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高い濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒をそれぞれ有し、かつ前記短尺燃料棒に隣接する位置の少なくとも一部に、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒が配置されることを特徴とする。
【００３０】
このような構成の燃料集合体においては、天然ガドリニウムを用いたものよりもガドリニア添加量を低減することが可能であるため、出力の高くなりやすい短尺燃料棒に隣接する位置に、ガドリニア燃料棒を配置する場合においても、核分裂性物質の濃縮度を過度に低下させる必要がない。したがって、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、核分裂性物質の平均濃縮度を高めることが可能である。
【００３１】
本発明の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、四隅に位置する燃料棒の少なくとも一部に、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムが含有されていることを特徴とすることができる。
【００３２】
このような構成の燃料集合体においては、天然ガドリニウムを用いたものよりもガドリニア添加量を低減することが可能であるため、出力の高くなりやすい横断面の四隅の位置にガドリニア燃料棒を配置する場合においても、核分裂性物質の濃縮度を過度に低下させる必要がない。したがって、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を損なうことなく、核分裂性物質の平均濃縮度を高めることが可能である。
【００３３】
さらに、ウランペレット製造においては、要する費用や時間をできるだけ抑制するために、ウラン濃縮度の種類数を最小限に抑えることが要求されている。燃料集合体での平均のウラン濃縮度を下げずに、濃縮度の種類を最小限にするためには、従来設計では出力が高くなりやすく、濃縮度を下げていた位置の濃縮度を高める必要がある。そして、そのためには、当該位置やそれに隣接する位置などにガドリニア燃料棒を配置して、その位置の燃料棒の出力を抑制する必要がある。この場合、質量数が奇数である同位体の含有率が天然ガドリニウムにおける同位体比よりも高いガドリニウムを使用することによって、その燃料棒自体のウラン濃縮度を過度に低下させることなく、それ以外の燃料棒におけるウラン濃縮度を高め、均一化を実現することが可能である。
【００３４】
すなわち、本発明の請求項４の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、前記ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが含有された燃料棒と、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高い濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒をそれぞれ有し、最外周の四隅に隣接する位置の少なくとも一部に、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒が配置されており、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒の上下端を除く部分に含有される核分裂性物質の濃縮度は同一であり、前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒を除く残りの燃料棒の上下端を除く部分に含有される核分裂性物質の濃縮度は、いずれも同一でありかつ前記濃縮ガドリニウムが含有された燃料棒とは異なることを特徴とする。
【００３５】
上記構成の燃料集合体においては、天然ガドリニウムを用いたものよりもガドリニア添加量を低減することが可能であるため、出力の高くなりやすい位置にガドリニア燃料棒を配置することができ、周辺の燃料棒の核分裂性物質の濃縮度を高め、燃料集合体全体での燃料ペレットの濃縮度をより均一にすることができる。そして、ペレット濃縮度の上限が決められている現状の場合、燃料集合体平均の濃縮度を最大限に高め、燃料経済性を向上することが可能になる。
【００３６】
このように、請求項１乃至４記載の発明では、質量数が奇数である同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムを用いることによって、核分裂性物質の濃縮度を高め、燃料経済性を高めることができる。
【００３７】
ところで、質量数が奇数である同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムは、また一方で、次のような作用・効果を有する。すなわち、ガドリニアの添加濃度は、運転サイクル末期にはガドリニウムが燃え尽きて反応度損失をもたらさないように決定されるが、ここで燃え尽きているガドリニウム同位体は、中性子吸収断面積の大きいGd-155およびGd-157であり、その他の同位体の含有量はわずかに減少しているかあるいは増加しているため、ガドリニウム全体としては中性子吸収効果が維持され、これが反応度損失をもたらしている。
【００３８】
しかし、例えばGd-157を天然存在比よりも高めた場合、Gd-157の中性子吸収によって生成されたGd-158に起因する中性子吸収がわずかにあるだけで、全体としての反応度損失は大幅に低減される。そこで、特に出力が低くガドリニウムの燃え残りが多い軸方向端部に、奇数質量数の同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムを配置することが望ましい。
【００３９】
すなわち、本発明の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、前記ガドリニウムが含有された燃料棒の少なくとも一部の軸方向の上端部と下端部の少なくとも一方に、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムが含有されていることを特徴とすることができる。このような構成の燃料集合体においては、サイクル末期での反応度損失を減少させ、燃料の燃焼効率を高めることが可能である。
【００４０】
さらに、質量数が奇数である同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムには、以下に示すような作用・効果もある。すなわち、中性子吸収断面積の大きいGd-157等の含有率を大きくすることにより、ガドリニア燃料棒１本当たりの反応度制御能力を高め、ひいては、燃料集合体１体当たりのガドリニア燃料棒の本数を減少させることができる。
【００４１】
一般に、ガドリニア燃料棒の本数を少なくすると、燃焼初期の燃料棒の出力ピーキング係数が小さくなり、燃料棒出力密度も小さくなるため、炉心特性上好ましい。また、従来設計でガドリニア燃料棒を隣接して配置する場合には、反応度制御能力が低減しガドリニア燃料棒の本数を増加させる必要があるが、そのようなガドリニア燃料棒の隣接配置を行う燃料集合体において、奇数質量数の同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムを用いることができる。
【００４２】
すなわち、本発明の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、前記ガドリニウムが含有された燃料棒の２本以上が面で隣接するように配置されており、かつ前記ガドリニウムの少なくとも一部に、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高いものが使用されていることを特徴とすることができる。
【００４３】
このような構成の燃料集合体においては、ガドリニア燃料棒が隣接して配置される場合においても、ガドリニア燃料棒の本数増加を抑えることができ、それにより燃料棒の出力ピーキング係数を抑え、燃料棒の熱的健全性を確保することが可能になる。
【００４４】
さらに、燃料集合体の核設計においては、燃料集合体１体当たりに装荷する核分裂性物質の量を増やしたいという要望がある。燃料棒間の間隔を一定とした場合、燃料棒の占める面積をできるだけ大きくするために、棒径の異なる２種類以上の燃料棒を用意し、それらを交互に並置する技術が開発されている。また、棒径の異なる複数種類の燃料棒を用いて燃料集合体を構成することには、その他の利点もある。
【００４５】
そして、このような構成の燃料集合体において、棒径の細い燃料棒にガドリニアを含有させる場合には、細径の燃料棒ではガドリニウムの燃え尽きが早いため、ガドリニアの添加量を増加させる必要がある。しかし、ガドリニア添加量を増加させると、前記したように熱伝導度が低下するため、熱的健全性の面からは好ましくない。しかし、棒径の細い燃料棒に、質量数が奇数である同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムを使用することにより、ガドリニア添加量を減少させることが可能である。
【００４６】
すなわち、本発明の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、前記燃料棒が少なくとも２種類の棒径を有し、かつ最も細径の燃料棒の少なくとも一部に、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムが含有されていることを特徴とすることができる。
【００４７】
このような構成の燃料集合体においては、棒径の細い燃料棒においてもガドリニア添加量を抑制することができ、これにより、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を確保することができる。
【００４８】
このように、本発明では、質量数が奇数である同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムを用いることによって、燃料経済性を高めることができる。
【００４９】
ところで、Gd-157のみからなるガドリニウムを用いた燃料集合体の無限増倍率は、天然ガドリニウムを用いた場合に比べて、鋭利で大きなピーク値を示し、炉停止余裕の悪化やチャンネルピーキングの増大など、炉心特性にとって好ましくない状態を招く。無限増倍率を比較的緩やかなピークにすることにより、上記課題に対処することができる。
【００５０】
すなわち、本発明の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、前記ガドリニウムが含有された燃料棒が少なくとも２種類の棒径を有し、かつ前記ガドリニウムの少なくとも一部に、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高いものが使用されていることを特徴とすることができる。
【００５１】
このような構成の燃料集合体においては、ガドリニアの添加濃度が同一の場合においても、燃料棒径が異なるため、燃え尽きる燃焼度が異なる。そのため、無限増倍率がピークになる燃焼度が燃料棒によって異なり、燃料集合体全体としての無限増倍率の変化は緩やかなものになる。したがって、炉停止余裕の悪化やチャンネルピーキングの増大などが生じにくい。
【００５２】
さらに、質量数が奇数である同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムを用いる技術には、次のような解決すべき課題がある。すなわち、一本の燃料棒内において、軸方向でガドリニア濃度に差を設ける場合には、製造後に非破壊検査で軸方向のガドリニア濃度分布を検知できるように、最低限必要な濃度差を設ける必要である。一方、質量数が奇数であるガドリニウム同位体は、中性子吸収断面積が大きいため、ガドリニウムの含有率が少なく、そのため濃度差を設けることが難しい。
【００５３】
すなわち、本発明の燃料集合体は、格子状に束ねられた複数の燃料棒のうちの一部に、可燃性毒物としてガドリニウムが含有された燃料集合体において、前記ガドリニウムとして、質量数が奇数である少なくとも一部の同位体の含有率が天然存在比よりも高いものと天然ガドリニウムとがそれぞれ使用され、かつ前記天然ガドリニウムが含有された燃料棒は、上下端を除く軸方向部位で含有される前記天然ガドリニウム濃度に差があることを特徴とすることができる。
【００５４】
このような構成の燃料集合体においては、燃料棒の軸方向でガドリニア濃度に差を付ける必要がある場合に、天然ガドリニウムは比較的添加量が大きく、軸方向の濃度差を付けやすく、濃度差が検出可能である。一方、出力が大きな位置には、質量数が奇数である同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウムを使用すればよく、核分裂性物質の濃縮度を下げる必要はない。
【００５５】
なお、これらの発明は、Ｄ格子以外の燃料格子についても適用可能である。また、請求項３に記載された発明は、短尺燃料棒を有する燃料集合体にのみ適用することができるが、請求項３に記載された発明を除く発明は、短尺燃料棒の有無に関わらず適用可能である。
【００５６】
本発明の請求項５の原子炉は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料集合体と、ガドリニウムとして天然ガドリニウムのみが用いられた燃料集合体とがそれぞれ装荷された原子炉であって、前記天然ガドリニウムのみが用いられた燃料集合体での平均のガドリニア濃度が、前記した請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料集合体での平均のガドリニア濃度より大きいことを特徴とする。
【００５７】
濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体と、天然ガドリニウムのみを有する燃料集合体とを混在させた場合には、濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体の方が残留ガドリニアの反応度を低減することができるので、ガドリニアがなくなる燃焼度以降、すなわち燃料が装荷された第２サイクル以降の時点において、濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体の無限増倍率が、天然ガドリニウムのみを有する燃料集合体の無限増倍率より大きくなる。
【００５８】
原子炉では、炉心内位置の内側と外側では中性子の漏れにより外側の出力が低下してしまう性質があるが、例えば炉心内の外側の位置に濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体を配置することにより、その位置の出力を増大することができ、原子炉の出力を平坦化することができる。したがって、熱的な面から原子炉の安全性を高めることができる。
【００５９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
【００６０】
図１（ａ）は、本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態において、制御棒１１の位置を左上とした場合の燃料棒１２，１３の配置を示す水平方向の断面図である。
【００６１】
ガドリニアを含有しない燃料棒１２をタイプ別に番号１，２，３，４，５，６およびV1，V2で、ガドリニア燃料棒１３をG1，G2，G3でそれぞれ示している。燃料棒は、番号１，２，３，４，５，６で示す長尺燃料棒と、それより燃料有効部分が短い番号V1，V2で示す短尺燃料棒とから構成されている。ＷＲはウォーターロッド１４を示す。
【００６２】
第１の実施の形態の燃料集合体は、Ｄ格子炉心に装荷されるものを想定している。すなわち、燃料集合体同士が互いに異なる間隔をおいて炉心に配置されている。
【００６３】
図１（ｂ）は、燃料棒（１，２，３，４，５，６，V1，V2，G1，G2，G3）の垂直方向（軸方向）の核分裂性物質の濃縮度分布およびガドリニアの濃度分布を示す図である。この図に示すように、核分裂性物質の濃縮度としてはＡ〜Ｇが使用され、この濃縮度の大小関係は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇである。なお、核分裂性物質としては例えばウランがあり、ウランを用いる場合、核分裂性物質濃度はウラン２３５の濃縮度である。そして、Ｇは天然ウランの濃縮度であり、約0.2wt％である。長尺燃料棒においては、上端および下端にそれぞれ天然ウランのみが含まれる部分が配置されている。
【００６４】
また、ガドリニアの添加濃度としてはａ〜ｃおよびｄが使用されている。これらの間の大小関係は、ａ＞ｂ＞ｃ＞＞ｄであり、ｄはｃの1／2以下の値になっている。ガドリニア燃料棒G1においては、天然ウランのみから成る上下端部を除いて、軸方向に３つの区画に分かれ、各区画でガドリニア添加濃度が異なっている。ここで、ａ〜ｃは天然のガドリニウムの酸化物（天然ガドリニア）の添加濃度であるのに対して、ｄは、質量数が奇数である同位体の含有率が天然存在比よりも高いガドリニウム（以下、濃縮ガドリニウムと示す。）の酸化物の添加濃度である。この濃縮ガドリニウムの同位体比を、表１に示す。なお、このようなガドリニウムの特定同位体の濃縮は、原子レーザー法により行うことができる。
【００６５】
【表１】
0004351798.tif 000002
このように、第１の実施の形態では、燃料集合体の水平断面を対角線によって制御棒側と反制御棒側とに２分したとき、反制御棒側の領域（例えば最外周）に置かれた燃料棒では、ウラン濃縮度を最も高いＡとしているのに対して、制御棒側の領域に配置された燃料棒では、それ以下のＢ〜Ｆに設定されている。
【００６６】
また、反制御棒側の領域に配置されたガドリニア燃料棒G1には、天然ガドリニウムが添加・含有されている（ウラン濃縮度は最も高いＡ）のに対して、制御棒側の領域に配置されたガドリニア燃料棒G2およびG3には、Gd-155が30wt％、Gd-157が50wt％、それ以外が20wt％の同位体組成を有する濃縮ガドリニウムが含有されている。そして、Gd-155およびGd-157の中性子吸収断面積は極めて大きいため、同じ反応度制御能力を有するのに必要なガドリニア添加量は、天然ガドリニウムを使用する場合よりも少なくて済む。
【００６７】
したがってこの実施の形態では、濃縮ガドリニウムの酸化物である濃縮ガドリニアの添加濃度ｄは、天然ガドリニアの添加濃度であるａ〜ｃのうち最小値ｃの1/2以下となっており、大幅に低減している。そのため、これらのガドリニア燃料棒G2,G3におけるウラン濃縮度は、従来からの燃料集合体（図１０参照）に比べて大きなＡおよびＢとなっており、バンドル平均のウラン濃縮度も、従来の3.96wt％から4.03wt％へと、約0.08wt％増加している。そして、このような平均ウラン濃縮度の増加により、燃料集合体の取替体数は約1％少なくて済み、燃料経済性が向上している。
【００６８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００６９】
図２（ａ）は、本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態において、制御棒１１の位置を左上とした場合の燃料棒１２，１３の配置を示す水平方向の断面図である。長尺燃料棒を番号１，２，３，４，５，G1，G2，G3で、短尺燃料棒をV1，V2でそれぞれ示している。短尺燃料棒V2は、ガドリニアを含むガドリニア燃料棒でもある。また、ＷＲはウォーターロッド１４を示す。
【００７０】
さらに、図２（ｂ）は、燃料棒（１，２，３，４，５，V1，V2，G1，G2，G3）の軸方向の核分裂性物質（ウラン）の濃縮度分布およびガドリニアの濃度分布を示す図である。この図に示すように、ウランの濃縮度としてはＡ〜ＥおよびＧが使用され、この濃縮度の大小関係は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｇである。なお、Ｇは天然ウランの濃縮度である。そして、長尺燃料棒においては、上端および下端にそれぞれ天然ウランのみが含まれる部分が配置されている。
【００７１】
また、ガドリニアの添加濃度としてはａ〜ｃおよびｄが使用されている。これらの間の大小関係は、ａ＞ｂ＞ｃ＞＞ｄであり、ｄはｃの1／2以下の値になっている。ここで、ａ〜ｃは天然ガドリニアの添加濃度であるのに対して、ｄは、前記した表１に示す同位体比を有する濃縮ガドリニウムの酸化物の添加濃度である。また、ガドリニア燃料棒G1，G3においては、天然ウランのみから成る上下端部を除いて、軸方向に複数の区画に分かれ、各区画でガドリニア添加濃度が異なっている。
【００７２】
図に示すように、第２の実施の形態では、最外周から内側に２層目に位置する燃料棒群の四隅の位置に、濃縮ガドリニアが添加された短尺のガドリニア燃料棒V2が配置されている。濃縮ガドリニウムの同位体組成は、表１に示すように、Gd-155が30wt％、Gd-157が50wt％、その他の同位体が20wt％であり、短尺ガドリニア燃料棒V2における濃縮ガドリニアの添加濃度ｄは、天然ガドリニアが用いられたガドリニア燃料棒におけるガドリニア添加濃度ａ〜ｃのうち最小値ｃの1／2以下と、大幅に低くなっている。そのため、このガドリニア燃料棒V2におけるウラン濃縮度は、従来からの燃料集合体に比べて大きなＡとなっている。
【００７３】
また、この第２の実施の形態では、最外周から２層目の燃料棒群の四隅の位置に、ガドリニア燃料棒が配置されているので、出力が高くなりやすいこの四隅の位置の出力を低減することができ、それにより、この燃料棒におけるウラン濃縮度を上げることができる。短尺のガドリニア燃料棒では、軸方向の有効部以外の位置では、このようなガドリニアの出力抑制効果は現れないが、軸方向の出力分布は短尺燃料棒の有効部の存在する下部で最も高くなるので、前記した効果が十分に発揮される。
【００７４】
そして、このように最外周から内側２層目に位置する燃料棒群の四隅に配置された燃料棒のウラン濃縮度を上げたことにより、バンドル平均のウラン濃縮度が、従来の3.96wt％から3.98wt％へと約0.02wt％増加しており、燃料経済性も向上している。
【００７５】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００７６】
図３は、本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態において、制御棒１１の位置を左上とした場合の燃料棒１２，１３の配置を示す水平方向の断面図である。
【００７７】
図において、P1，P2，P3はそれぞれ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（P1＞P2＞P3）。G1は、プルトニウムを含まず、ウランに前記した表１に示す同位体比を有する濃縮ガドリニウムの酸化物（濃縮ガドリニア）を混入したガドリニア燃料棒を示している。また、ＷＲはウォーターロッド１４を示す。
【００７８】
この図に示すように、第３の実施の形態では、最外周の燃料棒群の四隅の位置に、濃縮ガドリニアが添加されたガドリニア燃料棒G1が配置されている。そして、このガドリニア燃料棒G1における濃縮ガドリニアの添加濃度は、天然ガドリニアが使用された従来設計の燃料集合体（特公平５−８３９８号参照）に比べて、大幅に低くなっている。また、このガドリニア燃料棒G1におけるウラン濃縮度は、従来からの燃料集合体で0.711wt％であったのが、前記した濃縮ガドリニウムの使用により、従来値よりはるかに高い2wt％とすることができる。
【００７９】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
【００８０】
図４（ａ）は、本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態において、制御棒１１の位置を左上とした場合の燃料棒１２，１３の配置を示す水平方向の断面図である。ガドリニアを含有しない燃料棒１２を番号１およびV1で、ガドリニア燃料棒１３をG1およびG2でそれぞれ示している。ここで、番号１で示す燃料棒は長尺燃料棒であり、V1で示す燃料棒は短尺燃料棒である。また、ＷＲはウォーターロッド１４を示す。
【００８１】
さらに、図４（ｂ）は、燃料棒（１，V1，G1，G2）の軸方向のウランの濃縮度分布およびガドリニアの濃度分布を示す図である。この図に示すように、ウランの濃縮度としてはＡ、ＢおよびＧが使用され、この濃縮度の大小関係は、Ａ＞Ｂ＞Ｇである。なお、Ｇは天然ウランの濃縮度である。長尺燃料棒においては、上端および下端にそれぞれ天然ウランのみが含まれる部分が配置されている。
【００８２】
また、ガドリニアの添加濃度としてはａ〜ｃおよびｄが使用されている。これらの間の大小関係は、ａ＞ｂ＞ｃ＞＞ｄであり、ｄはｃの1／2以下になっている。ここで、ａ〜ｃが天然ガドリニアの添加濃度であるのに対して、ｄは、前記した表１に示す同位体比を有する濃縮ガドリニウムの酸化物の添加濃度である。ガドリニア燃料棒G1においては、天然ウランのみから成る上下端部を除いて、軸方向に３つの区画に分かれ、各区画でガドリニア添加濃度が異なっている。
【００８３】
これらの図に示すように、第４の実施の形態では、ガドリニア燃料棒G2を除く全て燃料棒で、ウラン濃縮度がＡの一種類とされている。また、（１，２）および（２，１）の座標位置とその対称位置に、濃縮ガドリニアを含むガドリニア燃料棒G2が配置され、これらの位置やその近傍の最外周コーナー位置の燃料棒の出力が抑制されている。そして、このガドリニア燃料棒G2では、濃縮ガドリニアの使用により、ウラン濃縮度を過度に低下させる必要がなくなり、その結果ウラン濃縮度をＡの次に高いＢとすることが可能となっている。このような設計により、燃料ペレット製造過程の費用と時間を最小限に抑えつつ、燃料集合体平均のウラン濃縮度を高めることが可能となる。
【００８４】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
【００８５】
図５（ａ）は、本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態において、制御棒１１の位置を左上とした場合の燃料棒１２，１３の配置を示す水平方向の断面図である。ガドリニアを含有しない燃料棒１２をタイプ別に番号１，２，３，４，５，６およびV1，V2で、ガドリニア燃料棒１３をG1，G2，G3でそれぞれ示している。燃料棒は、番号１，２，３，４，５，６，G1，G2，G3で示す長尺燃料棒と、番号V1，V2で示す短尺燃料棒とから構成されている。また、ＷＲはウォーターロッド１４を示す。
【００８６】
さらに、図５（ｂ）は、燃料棒（１，２，３，４，５，６，V1，V2，G1，G2，G3）の軸方向のウランの濃縮度分布およびガドリニアの濃度分布を示す図である。この図に示すように、ウランの濃縮度としてはＡ〜Ｇが使用され、この濃縮度の大小関係は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇである。Ｇは、天然ウランの濃縮度である。長尺燃料棒においては、上端および下端にそれぞれ天然ウランのみが含まれる部分が配置されている。
【００８７】
また、ガドリニアの添加濃度としてはａ〜ｃおよびｄが使用されている。これらの間の大小関係は、ａ＞ｂ＞ｃ＞＞ｄであり、ｄはｃの1／2以下になっている。ここで、ａ〜ｃは天然ガドリニアの添加濃度であるのに対して、ｄは、前記した表１に示す同位体比を有する濃縮ガドリニウムの酸化物の添加濃度である。さらに、ガドリニア燃料棒G1，G2，G3においては、天然ウランのみから成る上下端部を除いて、軸方向に複数の区画に分かれ、各区画でガドリニア添加濃度に差が設けられている。そして、上端の天然ウラン部の直下の区画で、濃縮ガドリニアが使用され、ウランに添加されている。
【００８８】
このように、第５の実施の形態では、ウランの濃縮度分布が従来からの燃料集合体と全く同じであるため、バンドル平均のウラン濃縮度も従来と同じ3.96wt％となっているが、各ガドリニア燃料棒において、出力が低く天然ガドリニウムを用いた場合には燃え残りが多い軸方向の端部に、濃縮ガドリニウムが添加されているので、サイクル末期での反応度が増加している。そしてこれにより、燃料経済性が向上している。
【００８９】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。
【００９０】
図６は、本発明に係る燃料集合体の第６の実施の形態において、制御棒１１の位置を左上とした場合の燃料棒１２，１３の配置を示す水平方向の断面図である。ガドリニアを含有しない燃料棒１２を番号１，２，３，４で、ガドリニア燃料棒１３をG1でそれぞれ示している。ガドリニアを含有しない燃料棒１２では、番号が小さいほどウラン濃縮度が高くなっている（１＞２＞３＞４）。ガドリニア燃料棒G1は、表２に示す同位体比を有する濃縮ガドリニウムの酸化物（濃縮ガドリニア）を含有している。また、ＷＲはウォーターロッド１４を示す。
【００９１】
【表２】
0004351798.tif 000003
この実施の形態では、最外周の燃料棒群の一部例えば（１，４）や（１，５）の座標位置に、最も高いウラン濃縮度を有する燃料棒が配置されており、これらの燃料棒の出力が過度に大きくならないように、最外周から内側に２層目の位置の一部例えば（２，３）や（２，４）の位置に、２本以上のガドリニア燃料棒G1が面で隣接するように配置されている。そして、これらのガドリニア燃料棒G1は、Gd-155が20wt％、Gd-157が60wt％、その他が20wt％の同位体組成を有する濃縮ガドリニウムを含むものである。このような実施の形態では、ガドリニア燃料棒の本数を抑えることができ、燃料棒の熱的健全性を確保することができる。
【００９２】
すなわち、従来の燃料集合体においてガドリニア燃料棒の面隣接配置を行う場合には、ガドリニウムの反応度制御能力が低下するため、例えば（４，４）の座標位置などにガドリニア燃料棒を数本増加させる必要がある。その結果、当該燃料棒の出力が下がり、逆にそれ以外の燃料棒の出力が上昇するため、燃料棒の出力ピーキング係数の悪化を招いていた。
【００９３】
しかし、第６の実施の形態では、面隣接配置されるガドリニア燃料棒において濃縮ガドリニウムが使用されているため、反応度制御能力が高く、ガドリニア燃料棒をさらに増加する必要がない。そのため、出力ピーキング係数を過度に大きくすることなく、燃料棒の熱的健全性を確保することができる。
【００９４】
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。
【００９５】
図７は、本発明に係る燃料集合体の第７の実施の形態において、制御棒１１の位置を左上とした場合の燃料棒１２，１３の配置を示す水平方向の断面図である。これらの燃料棒は、異なる２種類の棒径を有する。図において、ガドリニアを含有しない燃料棒１２を番号１，２，３，４で、ガドリニア燃料棒１３をG1およびG2でそれぞれ示している。これらの番号および記号に丸印がついているものは、棒径の細い燃料棒を示している。燃料棒１２では、番号が小さいほどウラン濃縮度が高くなっている（１＞２＞３＞４）。また、ガドリニア燃料棒１３のウラン濃縮度については、G1とG2でウラン濃縮度を同じにするか、あるいはG1のウラン濃縮度をG2のそれより大きくするのが好ましい。
【００９６】
また、ガドリニア燃料棒G1は、天然ガドリニアを含有し、G2は前記した表１に示す同位体比を有する濃縮ガドリニウムの酸化物を含有している。濃縮ガドリニアを有するガドリニア燃料棒G2のガドリニア濃度は、天然ガドリニアを有するガドリニア燃料棒G1のガドリニア濃度よりも小さく（1/2以下）なっている。なお、ＷＲはウォーターロッド１４を示す。
【００９７】
この実施の形態の燃料集合体では、棒径の異なる２種類の燃料棒が交互に配置されることにより、従来の燃料集合体よりも多くのウランが装荷されている。そして、棒径の細いガドリニア燃料棒では濃縮ガドリニウムを含有しているため、ガドリニア添加量を増加させる必要がなく、ガドリニア燃料棒の熱的健全性を確保することができる。
【００９８】
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。
【００９９】
図８は、本発明に係る燃料集合体の第８の実施の形態において、制御棒１１の位置を左上とした場合の燃料棒１２，１３の配置を示す水平方向の断面図である。図において、ガドリニアを含有しない燃料棒１２を番号１，２，３，４，５で、ガドリニア燃料棒１３をG1およびG2でそれぞれ示している。ガドリニア燃料棒１３は、異なる２種類の棒径を有し、記号に丸印がついているものは棒径の細いガドリニア燃料棒を示している。ガドリニアを含まない燃料棒１２では、番号が小さいほどウラン濃縮度が高くなっている（１＞２＞３＞４＞５）。
【０１００】
ガドリニア燃料棒G1,G2はいずれも、前記した表１に示す同位体比を有する濃縮ガドリニウムの酸化物（濃縮ガドリニア）を含有している。濃縮ガドリニアの添加濃度は、いずれのガドリニア燃料棒G1，G2でも全て同じであり、通常の天然ガドリニアを含有するガドリニア燃料棒のガドリニア濃度よりも小さく（1/2以下）なっている。また、ガドリニア燃料棒１３のウラン濃縮度については、G1とG2でウラン濃縮度を同じにするか、あるいはG1のウラン濃縮度をG2のそれより大きくするのが好ましい。なお、ＷＲはウォーターロッド１４を示す。
【０１０１】
この実施の形態の燃料集合体では、ガドリニア燃料棒の棒径が異なることにより、ガドリニアの燃え尽きる燃焼度が異なっている。具体的には、棒径の細いガドリニア燃料棒G1がより早く燃え尽きる。またこの位置は出力も高いため、燃え尽きる燃焼度の差はより顕著になる。したがって、第８の実施の形態においては、燃料集合体全体で考えた場合の無限増倍率のピークの値が小さくなり、無限増倍率の変化も緩やかになっている。そのため、炉停止余裕の悪化およびチャンネルピーキングの増大といった問題を解決することができる。
【０１０２】
なお、以上の実施の形態では、９行９列の燃料集合体について説明したが、本発明はそれ以外の配列、特に９行９列より大きい配列数を有する燃料集合体においても、同様に有効である。また、濃縮されたガドリニウムを有するガドリニア燃料棒のみが使用された燃料集合体について説明したが、一部のガドリニア燃料棒を、天然ガドリニウムのみを有するものにしても良い。
【０１０３】
さらに、前記した第１乃至第８の実施の形態のいずれかに記載された濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体と、天然ガドリニウムを有する燃料集合体とをそれぞれ装荷することにより、原子炉を構成することができる。
【０１０４】
さらに、そのような原子炉では、天然ガドリニウムを有する燃料集合体での平均のガドリニア濃度を、濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体での平均のガドリニア濃度より大きくすることが望ましい。
【０１０５】
濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体と、天然ガドリニウムのみを有する燃料集合体を混在させた場合には、濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体の方が残留ガドリニアの反応度を低減することができるので、ガドリニアがなくなる燃焼度以降、すなわち燃料が装荷された第２サイクル以降の時点において、濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体の無限増倍率が、天然ガドリニウムのみを有する燃料集合体の無限増倍率より大きくなる。
【０１０６】
原子炉では、炉心内位置の内側と外側では中性子の漏れにより外側の出力が低下してしまう性質があるが、例えば炉心内の外側の位置に濃縮されたガドリニウムを有する燃料集合体を配置することにより、その位置の出力を増大することができ、原子炉の出力を平坦化することができる。したがって、熱的な面から原子炉の安全性を高めることができる。
【０１０７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ガドリニアによる残留反応度を低減することができ、同時に燃料の熱的性能も改善することができる。また、ガドリニア燃料棒の熱的健全性をそこなうことなく、バンドル平均の核分裂性物質の濃縮度を高め、燃料経済性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を示し、（ａ）は燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒の軸方向の核分裂性物質の濃縮度分布とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図２】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態を示し、（ａ）は燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒の軸方向の核分裂性物質の濃縮度分布とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図３】本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態において、燃料棒の配置を示す水平断面図。
【図４】本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態を示し、（ａ）は燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒の軸方向の核分裂性物質の濃縮度分布とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図５】本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態を示し、（ａ）は燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒の軸方向の核分裂性物質の濃縮度分布とガドリニアの濃度分布を示す図。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第６の実施の形態において、燃料棒の配置を示す水平断面図。
【図７】本発明に係る燃料集合体の第７の実施の形態において、燃料棒の配置を示す水平断面図。
【図８】本発明に係る燃料集合体の第８の実施の形態において、燃料棒の配置を示す水平断面図。
【図９】従来の燃料集合体の構造を示す横断面図。
【図１０】従来の燃料集合体の構造を示し、（ａ）は燃料棒の配置を示す水平断面図、（ｂ）は燃料棒の軸方向の核分裂性物質の濃縮度分布とガドリニアの濃度分布を示す図。
【符号の説明】
１１………制御棒、１２，１３………燃料棒、１４………ウォーターロッド
【図１】
0004351798.tif 000004
【図２】
0004351798.tif 000005
【図３】
0004351798.tif 000006
【図４】
0004351798.tif 000007
【図５】
0004351798.tif 000008
【図６】
0004351798.tif 000009
【図７】
0004351798.tif 000010
【図８】
0004351798.tif 000011
【図９】
0004351798.tif 000012
【図１０】
0004351798.tif 000013