(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料棒を束ねて構成する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、濃度が 1.0％以下の可燃性毒物を含有する領域を上部天然ウランブランケット部の直下に形成し、その領域の長さが燃料有効長さの13％以下である燃料棒を設けたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
前記燃料集合体において、濃度が 1.0％以下の可燃性毒物を含有する燃料棒の本数を１本または２本としたことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉用の燃料集合体に係り、特に燃料経済性および炉心特性を悪化させることなく、サイクル初期の冷温時炉停止余裕を向上した高燃焼度の燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉の炉心は多数の燃料集合体と、その間に挿抜自在に設けられた制御棒とにより形成されており、一般に沸騰水型原子炉に用いられる燃料集合体は、燃料被覆管内に酸化ウランなどの燃料ペレットを多数充填した複数の燃料棒から構成されている。
【０００３】
この燃料集合体の一例を図13（ａ）の縦断面図と、（ｂ）の（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、および（ｃ）の（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図に示す。
燃料集合体１は、それぞれ複数本の長尺燃料棒２と短尺燃料棒３、および１本または２本のウォーターロッド４を、軸方向に配置した複数のスペーサ５で正方格子状に束ねている。
【０００４】
また、この束ねた複数の燃料棒のうちで、長尺燃料棒２は外部スプリング６と共に上部タイプレート７と下部タイプレート８で、また、短尺燃料棒３は下部タイプレート８に固定されていて、この燃料棒の束は、周囲をチャンネルボックス９で包囲して構成される。
【０００５】
なお、前記チャンネルボックス９内における長尺燃料棒２と短尺燃料棒３、およびウォーターロッド４の長さと本数、さらに形状や配置については、それぞれ原子炉によって異なることから、上記図13に示す燃料集合体１に限定されるものではない。
【０００６】
ところで、原子炉燃料の設計における設計条件の一つに、運転サイクルを通じ冷温時炉停止余裕を 1.0％Δｋ以上確保するという条件があり、この炉停止余裕とは、最も反応度制御効果の大きい制御棒が一本引き抜かれ、他の制御棒がすべて挿入された状態における未臨界度を表すもので、原子炉安全性のために炉停止余裕は確保されなければならない。
【０００７】
また、一般に可燃性毒物を含まない燃料集合体の無限増倍率は、核分裂性物質の燃焼の進行に伴って燃焼度に対して直線的に減少することから、燃焼の初期において炉停止余裕は最も小さくなる。
【０００８】
これを解決するためには、燃料棒における燃料ペレットの幾つかには、ガドリニアなどの可燃性毒物を含有させ、この可燃性毒物は中性子を吸収する能力を備えていることから、燃焼初期には無限増倍率は低下して、必要な炉停止余裕を確保することができる。
【０００９】
しかし、燃焼が進行すると前記可燃性毒物は燃え尽きることから、中性子を吸収する能力がなくなるために、無限増倍率を低下させる効果はなくなる。即ち、可燃性毒物は燃焼期間中における無限増倍率の燃焼変化を平坦化する役割を果たしている。
【００１０】
しかしながら、過剰に可燃性毒物の含有量を増加させた場合には、サイクル末期にも可燃性毒物が残存することから、反応度を損失してしまうために、結果的に燃料経済性を低下させることになる。
また、軸方向で均一に可燃性毒物を含有させた場合には、炉心周辺部や上下部においては原子炉の出力が低いために、含有させた可燃性毒物の燃焼が中心部に比較して進まず、サイクル末期にも可燃性毒物が残存して反応度を損失する。
【００１１】
このような問題に対処するために、例えば特開昭59-102188 号公報「燃料集合体」や、特開昭60-259988 号公報「原子炉用燃料棒」においては、軸方向上半部の可燃性毒物入り燃料棒の本数を少なくしたり、あるいは可燃性毒物濃度を下げた上で、冷温時に軸方向で中性子束が最も高くなる下端から、19／24乃至21／24（シャットダウンゾーンと呼ぶ）までの範囲の軸方向上半部の一部領域にのみ、可燃性毒物高装填率領域あるいは高濃度領域を形成している。
【００１２】
このようにすることで、上半部の大部分は可燃性毒物の含有量が少ないために、サイクル末期における反応度の損失を少なくすることができ、なおかつ、冷温時に中性子束が大きくなる上半部の一部領域のみ可燃性毒物の含有量が多いため、炉心の過剰な反応度を効率よく抑制することが可能となり、必要な炉停止余裕を確保することができる。
【００１３】
また、冷温時に軸方向上部で中性子束が大きくなる理由としては、沸騰水型原子炉では出力運転中に炉心において冷却材である水中にボイドが形成されるが、このボイドは上部ほどボイド率が大きく、従って、形成されたボイドによる負の反応度効果により、相対的に上部より下部の出力が大きくなる傾向がある。
そこで、出力運転中の軸方向出力分布を平坦化するように、軸方向の濃縮度および可燃性毒物分布を最適化した設計がされているが、このことは逆にボイドがなくなる冷温時には、上部において出力分布が大きくなることを招いている。
【００１４】
また、取替炉心においては、特に冷温時の上部の出力ピークは顕著であり、この理由としては、中性子の漏洩が大きな炉心周辺部や上下部では、出力が低くいことから、核分裂性物質や可燃性毒物の燃焼が遅れる。
特に炉心上部においては、前記ボイド率が大きくなるために中性子の減速が悪く、核分裂性物質や可燃性毒物の燃焼の遅れが顕著である。また、プルトニウムの生成においても、ボイド率が大きいため炉心上部において促進され、より高い割合でプルトニウムの蓄積が進む。
【００１５】
このように、核分裂性物質の燃焼の遅れや、プルトニウムの蓄積の影響により、燃焼の進んだ燃料が存在する取替炉心では、冷温時の反応度は炉心上部において最大となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
近年は原子力発電の運転経済性を向上するために、燃料の高燃焼度化が進められている。この高燃焼度燃料集合体においては、高燃焼度を達成するために核分裂性物質の初期濃縮度を大きくしており、従って、冷温時の無限増倍率が大きくなって、冷温時炉停止余裕が悪化する傾向が強くなる支障がある。
特に新燃料では、中性子吸収物質であるＳｍ（サマリウム）が生成されていないこともあり、サイクル初期において炉停止余裕が低下し易く、この傾向は炉心に装荷される全燃料が新燃料となる初装荷炉心において、より顕著である。
【００１７】
しかし、サイクル初期の炉停止余裕を確保するために、可燃性毒物の含有量を増加させると、サイクル末期に可燃性毒物が残存し、サイクル末期の反応度が低下してしまうので、燃料の経済性を低下させる結果となり、このような傾向は、高燃焼度化を行う際の炉心設計上の大きな制約となっていた。
【００１８】
本発明の目的とするところは、燃料棒の軸方向位置における可燃性毒物の含有領域から、原子炉におけるサイクル末期の反応度低下や運転中の炉心特性悪化がなく、燃焼初期の反応度のみを抑制してサイクル初期の冷温時炉停止余裕を改善した燃料集合体を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明に係る燃料集合体は、複数の燃料棒を束ねて構成する沸騰水型原子炉用の燃料集合体において、濃度が 1.0％以下の可燃性毒物を含有する領域を上部天然ウランブランケット部の直下に形成し、その領域の長さが燃料有効長さの13％以下である燃料棒を設けたことを特徴とする。
【００２０】
サイクル初期では冷温時に中性子束が大きくなる軸方向上半部領域に、濃度 1.0％以下の可燃性毒物を含む燃料棒があることから、効果的に過剰な反応度を抑制して炉停止余裕を改善する。
【００２１】
また、前記燃料棒の軸方向上半部領域における可燃性毒物の濃度は、サイクル中期までには完全に燃え尽きる程度の極薄い 1.0％以下であることから、サイクル中期までには可燃性毒物の効果はなくなり、これ以降は反応度を低下させることはない。
これにより、サイクル末期の反応度を低下させることがないので、サイクル初期の反応度のみを抑制して冷温時炉停止余裕を改善する。
【００２５】
請求項２記載の発明に係る燃料集合体は、前記燃料集合体において、濃度が 1.0％以下の可燃性毒物を含有する燃料棒を設ける本数を１本または２本としたことを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。なお、上記した従来技術と同じ構成部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。第１実施の形態において、図１（ａ）は高燃焼度燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、（ｂ）は燃料棒の燃料および含有可燃性毒物の軸方向分布図を示す。
【００３４】
なお、燃料集合体内では、軸方向や径方向に燃料である核分裂性物質の濃縮度や、可燃性毒物の濃度について分布が付けられているが、ここでは詳細な分布については省略して説明する。
また、本第１実施の形態については、上記図13に示した燃料集合体１に適用した場合と同様に、高燃焼度化して熱的余裕を改善させるために、燃料棒配列を通常の８行８列から、９行９列にして燃料棒本数を増加させている。
【００３５】
さらに、この燃料棒本数を増加させたことによる、冷却材流れの圧損増加を緩和するために、一部に一般的な長尺燃料棒２より約２／３短くした短尺燃料棒３を使用し、特に冷却材が二相流となることから圧損が増加する燃料上部において、冷却材の流路を拡大するようにしている。
【００３６】
即ち、図１（ａ）に示す燃料集合体10は、炉心内に挿抜自在で断面が十字状の制御棒11の周囲に配置して、ウラン燃料（以下、Ｕと略称する）の燃料棒を９行９列の正方格子配列とし、66本の長尺燃料棒として長尺燃料棒Ｕ1 を51本、可燃性毒物であるガドリニア（以下、Ｇｄと略称する）を含有した長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 を２本、および長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ2 の13本がある。さらに、８本の短尺燃料棒Ｕ2 と、２本の太径のウォータロッド４（Ｗ）の配置により構成している。
【００３７】
また、一般的に高燃焼度燃料集合体では、軸方向の中性子の漏れを少なくして経済性を上げるために、軸方向の上下端部に天然ウランブランケット部を設けているが、図１（ｂ）に示すように、長尺燃料棒Ｕ1 と長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 、および長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ2 には、下端部で燃料有効長の１／24の長さの領域に、下部天然ウランブランケット部12ａを、また上端部で２／24の長さの領域に、上部天然ウランブランケット部12ｂを形成している。
【００３８】
一般に燃料棒に封入した燃料ペレットには、余剰反応度制御のために可燃性毒物であるＧｄが含まれており、燃焼初期の反応度制御量は、可燃性毒物入り燃料棒本数にほぼ比例し、反応度制御が持続する期間は、可燃性毒物濃度にほぼ比例する。
従って、可燃性毒物の濃度は、取替燃料ではサイクル末期で丁度燃え尽きる程度の濃度にされており、通常の13〜15ヶ月運転の場合には3.0 〜5.0 ％程度である。
【００３９】
燃料集合体10については、Ｇｄ濃度が 3.5％の場合の例を示し、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ2 については、天然ウランブランケット部12ａ，12ｂを除く軸方向で、内部全域に濃度 3.5％のＧｄが含有されている。
【００４０】
また、この濃度 3.5％のＧｄを含有する長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ2 の本数は、炉心における余剰反応度を制御するために、適切に設定されている。即ち、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ2 の本数が多過ぎれば余剰反応度が低くなり、炉心に挿入する制御棒11の本数が少なくなるか、制御棒11の挿入深さを浅くする必要が生じる。
これにより、炉心の径方向あるいは軸方向の出力分布に歪みを生じて炉心特性が悪化する。
【００４１】
逆に長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ2 の本数が少な過ぎれば、余剰反応度が大きくなり、挿入する制御棒11の本数が多くなるか、あるいは挿入深さが深くなり、この場合も同じく炉心特性を悪化させてしまう。
従って、燃料集合体10においては、このようにして最適に設定されたＧｄ燃料棒の本数として、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ2 の本数を13本としている。
【００４２】
一方、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 の２本については、上部天然ウランブランケット部12ｂの直下部の燃料下端で、上半部の一部である有効長の20／24乃至22／24の領域において、濃度 1.0％のＧｄが含有されている。
また、前記燃料集合体10における集合体平均の核分裂性物質の濃縮度は、高燃焼度を達成するために、通常燃料より高い約 3.0重量％以上の 4.0％の高濃縮度としている。
【００４３】
このように構成された燃料集合体10を装荷した、取替炉心における典型的な冷温時炉停止余裕の燃焼変化を、図２の冷温時炉停止余裕特性図に示す。
ここで曲線13（実線）は、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 に濃度1.0 ％の可燃性毒物を含んだ燃料集合体10の場合で、曲線14（点線）は、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 に可燃性毒物を含まない場合、さらに曲線15（２点鎖線）は、平均濃縮度約3.7 ％とした従来設計の高燃焼度燃料集合体を装荷した場合を表わす。
【００４４】
この図２に示すように、一般に炉停止余裕の設計目標は、冷温時炉停止余裕（％Δｋ）が 1.0％Δｋ以上であり、平均濃縮度約 3.7％の従来設計の高燃焼度燃料集合体を装荷した場合には、曲線15で示すように設計目標を達成する。
しかしながら、平均濃縮度を約 4.0％にまで上げた場合には、曲線14で示すように、サイクル初期において冷温時炉停止余裕の 1.0％Δｋを割り込み、設計目標が達成できていないことが分かる。
【００４５】
一方、燃料集合体10の場合の曲線13では、前記濃度 1.0％の可燃性毒物を含まない場合（曲線14）と比較して、サイクル初期において冷温時炉停止余裕が約 0.3％Δｋ増加し、十分に設計目標を達成している。
このことから、前記燃料集合体10のように、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 の軸方向の上半部の一部領域に、濃度 1.0％の可燃性毒物を設けることにより、この可燃性毒物が効果的に中性子を吸収して、冷温時炉停止余裕が改善される。
【００４６】
なお、炉停止余裕改善のために長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 において、軸方向上半部の一部領域に特に設ける可燃性毒物の濃度を 1.0％以下とする必要性としては、前記燃料集合体10において、濃度が 1.0％の可燃性毒物を含む領域の断面における無限増倍率の燃焼変化を、図３の無限増倍率特性図に示す。
【００４７】
ここで曲線16（実線）は、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 に濃度1.0 ％の可燃性毒物を含んだ燃料集合体10の場合で、曲線17（点線）は、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 に可燃性毒物を含まない場合、さらに曲線18（２点鎖線）は、濃度3.0 ％の可燃性毒物を含んだ場合を表わしている。
【００４８】
この図３に示すように、燃料集合体10における長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 で、軸方向の上部領域に濃度 1.0％の可燃性毒物を含有させた場合の曲線16は、可燃性毒物を含まない場合の曲線17と比較して、燃焼初期においては可燃性毒物の効果により無限増倍率は低下する。
しかし、燃焼の進行に伴いその効果は次第に薄れ、燃焼度（ＧＷｄ／ｔ）が約５ＧＷｄ／ｔで、ほぼ完全に可燃性毒物の効果はなくなることが分かる。
【００４９】
一方、前記長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 における可燃性毒物濃度を 3.0％とした場合には、曲線18で示すように５ＧＷｄ／ｔ以降でも無限増倍率は低く、約10ＧＷｄ／ｔまでその効果は持続される。
従って、燃料集合体10を取替炉心に装荷した場合には、サイクル末期での１サイクル目の燃料の、 1.0％の濃度の可燃性毒物を含む断面における平均燃焼度は、約５ＧＷｄ／ｔ程度となっている。
【００５０】
このことから、サイクル末期で可燃性毒物が燃え残らないためには、約５ＧＷｄ／ｔまでには燃え尽きる必要があり、この場合の可燃性毒物の濃度は、 1.0％以下とする必要があることが分かる。
【００５１】
図４の反応度特性図は、前記長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 に含む可燃性毒物の濃度を変化させた場合のサイクル末期における反応度の低下量を示すもので、可燃性毒物濃度が 1.0％以下の場合には、濃度０％、即ち、可燃性毒物を含まない場合と比較して、反応度はほとんど低下しない。
【００５２】
しかし、これに対して可燃性毒物濃度を 3.0％とした場合では、反応度が約 0.1％Δｋ低下しており、このことから可燃性毒物濃度を 1.0％以下とすれば、サイクル末期の反応度はほとんど低下せず、従って、燃料の経済性を低下させることがないことが分かる。
【００５３】
また、燃料集合体10における長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 は、濃度 1.0％以下の可燃性毒物を含む領域を、可燃性毒物を含有しない燃料集合体を装荷した炉心で、冷温時における軸方向の中性子束分布が最も大きくなる位置を含む領域に形成した構成とする。
【００５４】
燃料集合体10で長尺Ｇｄ燃料棒における可燃性毒物の含有する軸方向領域長さは、長くなるほどその反応度制御量は大きくなり、炉停止余裕改善の効果は大きくなるが、燃料経済性の面においては、サイクル末期における反応度の損失につながるために好ましくない。
また、運転中の軸方向の出力分布や余剰反応度の観点からも、長尺Ｇｄ燃料棒における濃度が 1.0％の可燃性毒物を含む領域は、必要以上に長くしない方が、運転中の炉心特性に与える影響も少なく好ましい。
【００５５】
このためには、前記図１（ｂ）に示す燃料集合体10における長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 のように、濃度が 1.0％の可燃性毒物を冷温時に最も出力分布が大きくなる炉心の領域にのみ設けることによって、炉心特性を悪化させることなく効果的に出力ピークを抑え、かつ、必要以上の可燃性毒物を含有せずに、サイクル末期までには完全に可燃性毒物を燃やすことが可能となる。
【００５６】
さらに、燃料集合体10では、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 において、濃度 1.0％の可燃性毒物を含む領域を、上部天然ウランブランケット部12ｂの直下部に形成した構成としている。
一般に高燃焼度燃料集合体では、軸方向の中性子の漏れを少なくして燃料経済性を向上するために、軸方向の下上端部にそれぞれ、天然ウランブランケット部12ａ，12ｂが形成されている。
【００５７】
冷温時の炉心で中性子束は、軸方向上部で局所的にピークを持つが、この軸方向上端部に上部天然ウランブランケット部12ｂがある場合には、この上部天然ウランブランケット部12ｂにおける出力は低いために、上部天然ウランブランケット部12ｂの直下近傍で出力は大きくなる。
【００５８】
このために、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 のように、上部天然ウランブランケット12ｂの直下部に、濃度 1.0％以下の可燃性毒物を含む領域を設定することにより、効率的に炉停止余裕を確保すると共に、サイクル末期までに完全に可燃性毒物を燃やすことが可能となる。
【００５９】
図５の軸方向出力分布図に示すように、曲線19（実線）は燃料集合体10を取替炉心に装荷した場合で、また、曲線20（点線）は濃度 1.0％の可燃性毒物を含まない燃料集合体を装荷した冷温時のサイクル初期の炉心平均軸方向出力分布を表わす。
【００６０】
この図５における曲線19および曲線20とからも分かるように、軸方向ノードに対する炉心平均軸方向出力分布は、上部天然ウランブランケット部12ｂの直下の領域では比較的出力が大きい。
また、濃度 1.0％の可燃性毒物を含まない燃料集合体の曲線20に比較し、燃料集合体10における曲線19は、軸方向出力の最大値が低下して、効果的に出力ピークを抑制していることが分かる。
【００６１】
また、燃料集合体10の長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 においては、濃度 1.0％の可燃性毒物を含む領域の長さを、図１（ｂ）に示すように、燃料下端から有効長の19／24から22／24の領域で、燃料有効長さの13％以下に形成するように構成している。
【００６２】
燃料集合体で可燃性毒物を含有する燃料棒において、可燃性毒物を含有する軸方向領域長さは、長くなるほどその反応度制御量は大きくなるために、炉停止余裕の完全の効果は大きくなる。
従って、図６の炉停止余裕特性図に示すように、燃料集合体10における長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 で、濃度 1.0％の可燃性毒物を含む領域の長さを変えることにより、炉停止余裕の改善の度合いが変化する。
【００６３】
この時に、濃度 1.0％の可燃性毒物を含む領域は、燃料下端から有効長の21／24から22／24の領域（全長の４％）、および20／24から22／24の領域（全長の８％）、さらに19／24から22／24の領域（全長の13％）と長さを変えた。
この図６で示すように、濃度 1.0％の可燃性毒物を含む領域の長さが長くなるにつれて、炉停止余裕は上昇して炉停止余裕は改善されるが、その単位長さ当たりの効果は長くなるほど小さくなり、およそ13％近傍で飽和する傾向があることが分かる。
【００６４】
一方、濃度 1.0％の可燃性毒物を含む領域の長さが長くなるにつれて、炉心での反応度制御量が大きくなるため、必要以上に当該領域を長くすることは、運転中の軸方向出力分布や、運転中の余剰反応度が影響を受けて好ましくない。
【００６５】
このことから、前記燃料集合体10においては、濃度が 1.0％以下の可燃性毒物を含有する軸方向領域の長さを、燃料有効長さの13％以下とすることにより、運転中の炉心特性や余剰反応度に大きな影響を与えない範囲で、サイクル初期の反応度制御量を適切に設定することができると共に、サイクル初期の炉停止余裕を改善することができる。
【００６６】
次に、前記燃料集合体10において、濃度 1.0％以下の可燃性毒物を含有する長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 の本数を１本または２本として構成する。
可燃性毒物の含有する燃料棒の本数は、多くなるほどその反応度制御量は大きくなるため、炉停止余裕の改善の効果は大きくなる。
【００６７】
従って、図７の炉停止余裕特性図に示すように、燃料集合体10においては、濃度 1.0％の可燃性毒物を含む長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 の本数を変えることにより、本数が多くなるにつれて炉停止余裕は改善される。
しかしながら、その本数当たりの改善効果は、本数が多くなるほど小さくなり、およそ２本で飽和する傾向があることが分かる。
【００６８】
一方、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 の本数が多くなるにつれて、炉心における反応度制御量が大きくなるために、軸方向出力分布や運転中の余剰反応度が受ける影響は大きくなり好ましくない。
【００６９】
これらのことから、前記燃料集合体10においては、濃度 1.0％の可燃性毒物を含有する長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 の本数を、１本または２本に設定することにより、運転中の炉心特性や余剰反応度に大きな影響を与えない範囲で、サイクル初期の反応度制御量を適切に設定することができ、また、サイクル初期の炉停止余裕を改善することができる。
【００７０】
なお、前記燃料集合体10は、高燃焼度を達成するために設計された高燃焼度燃料集合体の一例であり、従って、前記長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ1 およびウォータロッド４の長さと、本数や形状および配置位置と、短尺燃料棒Ｕ2 や天然ウランブランケット部12ａ，12ｂの有無、さらに、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ2 の可燃性毒物の濃度は設計によって異なる。
【００７１】
また、本第１実施の形態は、燃料棒配列が９行９列で短尺燃料棒Ｕ2 があり、天然ウランブランケット部12ａ，12ｂを設置した燃料に適用した例であるが、上記の特性は、これに限定されるものではなく、燃料棒配列が８行８列や10行10列などの他の設計においても同様の効果が得られる。
【００７２】
第２実施の形態を図８（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。なお、上記第１実施の形態と同様の構成部分については詳細な説明を省略し、異なる部分について説明する。
【００７３】
図８（ａ）は高燃焼度燃料集合体における燃料棒配置を示す横断面図で、（ｂ）は燃料棒の燃料および含有可燃性毒物の軸方向分布図を示す。燃料集合体21は、上記図13に示した高燃焼度燃料集合体１に適用した例で、66本の長尺燃料棒として長尺燃料棒Ｕ1 を58本、可燃性毒物であるＧｄを含有した長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ3 を２本、および長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ4 の６本がある。
さらに、８本の短尺燃料棒Ｕ2 と、２本の太径のウォータロッド４を配置して構成している。
【００７４】
また、図８（ｂ）のように長尺燃料棒Ｕ1 ，Ｇ3 ，Ｇ4 には、それぞれ下端部で燃料有効長の１／24の長さの領域に下部天然ウランブランケット部12ａが、上端部の燃料有効長で２／24の長さの領域に上部天然ウランブランケット部12ｂが設けられている。
さらに、第１群の燃料棒として６本の長尺燃料棒Ｇ4 においては、前記天然ウランブランケット部12ａ，12ｂを除く軸方向内部全域に、高濃度の可燃性毒物である7.0 ％のＧｄが含有されている。
【００７５】
また、第２群の燃料棒として長尺燃料棒Ｇ3 の２本については、上部天然ウランブランケット部12ｂの直下部で、燃料下端から有効長の20／24から22／24の領域において濃度 1.0％のＧｄが、それ以外の領域には高濃度の7.0 ％のＧｄが含まれている。
【００７６】
なおここでは、初装荷炉心用に用いられる燃料の例を示しており、この初装荷炉心用の燃料の可燃性毒物濃度は、余剰反応度制御の観点から取替燃料より高くするのが一般的であり、前記長尺燃料棒Ｇ3 における濃度1.0 ％とした領域以外のＧｄの濃度を3.0 ％以上に構成している。
また、前記燃料集合体21における核分裂性物質の平均濃縮度は、高燃焼度を達成するために、通常燃料より高い約 4.0％の高濃縮度となっている。
【００７７】
一般に、沸騰水型原子炉においては、出力運転中はボイドが形成され、上部ほどボイド率が大きく、このボイドによる負の反応度効果により、相対的に炉心の上部より下部の出力が大きくなる傾向がある。
特に初装荷炉心においては、すべての燃料が新燃料であり、ある程度軸方向下部の燃焼が進んだ２サイクル目以降の燃料が存在しないために、サイクルを通じて下部の出力ピークが出易く、この傾向は高燃焼度化を図った高濃縮度燃料において大きくなる。
【００７８】
また、前記燃料集合体21においては短尺燃料棒Ｕ2 を用いているが、このことは、さらに炉心下部における出力ピークを促進させることになる。
なお、この炉心下部の出力が大きくなる傾向を抑制するものとして、軸方向上部に可燃性毒物を含有しない燃料棒を設ける方法がある。
【００７９】
この例としては、図９（ａ）の燃料棒配置を示す横断面図と、（ｂ）の燃料棒の燃料および含有可燃性毒物の軸方向分布図に示す、燃料集合体22においては、66本の長尺燃料棒として長尺燃料棒Ｕ3 を58本、可燃性毒物であるＧｄを含有した長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ5 を２本、および長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ6 の６本がある。
さらに、８本の短尺燃料棒Ｕ2 と、２本の太径のウォータロッド４を配置して構成している。
【００８０】
また、図９（ｂ）のように長尺燃料棒Ｕ3 ，Ｇ5 ，Ｇ6 には、それぞれ下端部で燃料有効長の１／24の長さの領域に下部天然ウランブランケット部12ａが、上端部の燃料有効長の１／24の長さの領域に上部天然ウランブランケット部12ｂが設けられている。
さらに、６本の長尺燃料棒Ｇ6 においては、前記天然ウランブランケット部12ａ，12ｂを除く軸方向内部全域に、高濃度のＧｄ7.0 ％が含有されている。
【００８１】
しかし、長尺燃料棒Ｇ5 の２本については、上部天然ウランブランケット部12ｂ直下部で、燃料下端から有効長の20／24から22／24の軸方向上部の一部領域においては可燃性毒物を含まず、その他の領域は高濃度のＧｄ7.0 ％を含有させている。
これにより、炉心上部での出力を増加させると共に、炉心下部での出力ピークを緩和することができる。
【００８２】
しかしながら、本燃料集合体21においては長尺燃料棒Ｇ3 のように、前記燃料集合体22における長尺燃料棒Ｇ5 の軸方向上部で可燃性毒物を含有しない部分を、サイクル初期の冷温時炉停止余裕を増加させるために、濃度 1.0％以下の可燃性毒物を含む領域として形成している。
この結果から初装荷炉心では、特にサイクル初期において炉停止余裕が悪化する傾向があるが、燃料棒の上部領域に濃度 1.0％の可燃性毒物を入れることにより、炉停止余裕を改善することができる。
【００８３】
一方、前記長尺燃料棒Ｇ3 の上部領域に濃度 1.0％以下の可燃性毒物を含む領域を新たに形成することにより、サイクル初期では下方ピークが再び促進されるが、可燃性毒物濃度が 1.0％以下と低いことと、この可燃性毒物が 1.0％以下の領域の長さを必要最小限とすることで、運転中の炉心特性や余剰反応度に与える影響はほとんどない。
【００８４】
さらに、特に初装荷炉心では、 100％出力での運転が始まる前の約１ＧＷｄ／ｔの期間には、低出力での起動試験が行われるために、軸方向出力分布が多少悪化しても炉心特性上問題はなく、濃度 1.0％の可燃性毒物を含有させた効果は、この起動試験期間中に小さくなり、 100％出力運転開始以降の軸方向出力分布への影響は小さい。
【００８５】
一般に初装荷炉心は、濃縮度の異なる複数の燃料、例えば高，中，低濃縮度の３種類の燃料により構成されるが、本燃料集合体21を高濃縮度燃料として用いた場合の初装荷炉心の冷温時炉停止余裕の燃焼変化の例を、図10の冷温時炉停止余裕特性図に示す。
【００８６】
ここで、曲線23（実線）は燃料集合体21を装荷した場合で、曲線24（点線）は燃料集合体21の代りに、燃料集合体22を装荷した場合を示す。なお、燃料集合体21，22は、いずれも高燃焼度を達成するために、初期濃縮度を通常の燃料集合体より高く設定してある。
このために、燃料集合体22で濃度 1.0％の可燃性毒物を含まない場合には、曲線24で示すように、特にサイクル初期での炉停止余裕が小さく、設計目標を満足していない。
【００８７】
一方、上部領域に濃度が 1.0％の可燃性毒物を設けた燃料集合体21の場合には、曲線23のように効果的に反応度を抑制することができ、特にサイクル初期で冷温時炉停止余裕が改善されて約 0.3〜 0.4％Δｋ増加しており、設計目標を満足することが分かる。
これにより、前記燃料集合体21においては、 100％出力運転中の出力の下方ピークを緩和すると共に、燃焼初期の反応度を抑制して、サイクル初期の冷温時炉停止余裕を改善することができる。
【００８８】
なおここでは、初装荷炉心に装荷した例を示したが、本発明の適用は初装荷炉心燃料に限らず、取替燃料であっても、運転中の炉心下部の出力ピークを抑制するために、可燃性毒物含有燃料棒の上部の可燃性毒物の濃度を１％以下とした場合には適用ができるものである。
また、このような燃料集合体21は、高燃焼度を達成するために設計された高燃焼度燃焼集合体で、燃料棒配列が９行９列とし天然ウランブランケット部を設けた一例である。
【００８９】
従って、燃料棒およびウォーターロッド４の長さや本数と、形状および配置位置、短尺燃料棒Ｕ2 あるいは天然ウランブランケット部12ａ，12ｂの有無、長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ4 の可燃性毒物の濃度、および長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ3 における下部の可燃性毒物の濃度は設計によって異なる。
【００９０】
第３実施の形態を図11（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。なお、上記第１実施の形態と同様の構成部分については、詳細な説明を省略し、異なる部分について説明する。
図11（ａ）の燃料棒配置の横断面図と、（ｂ）の燃料棒の燃料および含有可燃性毒物の軸方向分布図に示すように、燃料集合体25は、66本の長尺燃料棒として長尺燃料棒Ｕ3 を53本、可燃性毒物であるＧｄを含有した長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ7 を２本、および長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ8 の11本がある。さらに、８本の短尺燃料棒Ｕ2と、２本の太径のウォータロッド４を配置して構成している。
【００９１】
長尺燃料棒Ｕ3 ，Ｇ7 ，Ｇ8 には、いずれも下端部と上端部とにそれぞれ燃料有効長の１／24の領域に天然ウランブランケット部12ａ，12ｂが設けられている。
【００９２】
さらに、第１群の燃料棒である11本の長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ8 においては、上下部天然ウランブランケット部12ａ，12ｂを除く軸方向内部全域に、濃度 3.5％の可燃性毒物であるＧｄが含有されている。
【００９３】
一方、第２群の燃料棒である２本の長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ7 については、燃料下端から有効長の１／24から８／24の領域、および20／24から23／24の領域において、濃度 1.0％の可燃性毒物であるＧｄが含有されている。従って、その他の領域はＵのみである。
また、ここで前記燃料集合体25における核分裂性物質の平均濃縮度は、高燃焼度を達成するために、通常燃料より高い約 4.0％の高濃縮度とされている。
【００９４】
前記のような高燃焼度燃料集合体においては、燃料棒が増加したことによる冷却材流れの圧損の増加を緩和するために、一般的な長尺燃料棒より約２／３短くした短尺燃料棒を使用する場合がある。
しかし、可燃性毒物が前記長尺燃料棒の全長に含有された場合には、軸方向上半部と下半部では可燃性毒物入り燃料棒本数が等しくなり、燃焼初期における反応度制御量は、断面当たりの燃料棒本数が少なく、減速材量が多い上部において下部よりも大きくなる。
【００９５】
このために、結果的に炉心下部の出力が大きくなる傾向がある。そこで、炉心下部の出力が大きくなる傾向を抑制する対策として、特開平6-118188号公報「燃料集合体および沸騰水型原子炉炉心」では、前記短尺燃料棒が存在する軸方向下部領域の一部分に濃度の薄い可燃性毒物を形成し、出力運転中、特にサイクル初期の軸方向下部の出力ピークを緩和している。
【００９６】
しかしながら、本燃料集合体25の長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ7 では、前記のような軸方向下部領域の一部分に可燃性毒物を形成した燃料において、さらにサイクル初期の冷温時炉停止余裕を増加させるために、軸方向下部領域の一部分に可燃性毒物を形成した同一の燃料棒の上部領域に濃度 1.0％以下の可燃性毒物を含む領域を形成している。
【００９７】
従って、前記軸方向上部に 1.0％濃度の可燃性毒物を形成するに際し、燃料集合体における燃料棒の種類を増加させる必要がないことから、部品点数が増加するなど製造上不利になることはなく、炉停止余裕を改善することができる。
【００９８】
このように構成された燃料集合体25による取替炉心において、冷温時炉停止余裕の燃焼変化の例を図12の冷温時炉停止余裕特性図に示す。なお、曲線26（実線）は燃料集合体25を装荷した場合で、曲線27（点線）は燃料集合体25において、前記第２群の燃料棒である長尺Ｇｄ燃料棒Ｇ7 の軸方向上部の濃度 1.0％の可燃性毒物を含まない場合を示す。
なお、燃料集合体25は高燃焼度を達成するために、初期濃縮度を通常の燃料集合体１より高く設定してある。
【００９９】
従って、曲線27に示すように長尺Ｇｄ燃料棒で、上部に濃度 1.0％の可燃性毒物を含まない場合には、特にサイクル初期において炉停止余裕が小さく、設計目標を満足していない。
一方、燃料集合体25においては、曲線26で示すように上部領域に濃度 1.0％の可燃性毒物を設けることにより、特にサイクル初期での冷温時炉停止余裕が改善されて約 0.2〜 0.3％Δｋ増加しており、設計目標を満足することが分かる。
【０１００】
これにより、本第３実施の形態によれば、サイクル初期での出力の下方ピークを緩和しつつ、燃焼初期の反応度を抑制してサイクル初期の冷温時炉停止余裕を改善することができる。
なお、これら上記の特性は、燃料棒配列が９行９列で、天然ウランブランケット部12ａ，12ｂを設けている場合に限定されるものではなく、燃料棒配列が８行８列や10行10列などの他の設計においても同様の効果が得られるものである。
【０１０１】
【発明の効果】
以上本発明によれば、沸騰水型原子炉に装荷した燃料集合体において、高燃料度を達成すると共に、燃料棒に含有させた可燃性毒物でサイクル末期の反応度を低下させることなく、燃焼初期の反応度のみを抑制してサイクル初期の冷温時炉停止余裕を改善する。
【０１０２】
また、過剰な反応度を効率よく抑制して炉停止余裕の改善と共に、燃料棒に含有させる可燃性毒物の軸方向領域および長さと、設置本数を適切に選定することから、サイクル末期までに完全に可燃性毒物を燃やして、燃料の経済性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施の形態の燃料集合体で、（ａ）は燃料棒配置の横断面図、（ｂ）は燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図２】本発明に係る第１実施の形態で、燃焼度に対する冷温時炉停止余裕特性図。
【図３】本発明に係る第１実施の形態で、燃焼度に対する無限増倍率特性図。
【図４】本発明に係る第１実施の形態で、可燃性毒物濃度に対するサイクル末期の反応度特性図。
【図５】本発明に係る第１実施の形態の軸方向出力分布図。
【図６】本発明に係る第１実施の形態で、濃度 1.0％の可燃性毒物領域に対する炉停止余裕特性図。
【図７】本発明に係る第１実施の形態で、濃度 1.0％の可燃性毒物含有燃料棒数に対する炉停止余裕特性図。
【図８】本発明に係る第２実施の形態の燃料集合体で、（ａ）は燃料棒配置の横断面図、（ｂ）は燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図９】第２実施の形態における比較例の燃料集合体で、（ａ）は燃料棒配置の横断面図、（ｂ）は燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図１０】本発明に係る第２実施の形態で、燃焼度に対する冷温時炉停止余裕特性図。
【図１１】本発明に係る第３実施の形態の燃料集合体で、（ａ）は燃料棒配置の横断面図、（ｂ）は燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図１２】本発明に係る第３実施の形態で、燃焼度に対する冷温時炉停止余裕特性図。
【図１３】高燃焼度の燃料集合体で（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図。
【符号の説明】
１，10，21，22，25…燃料集合体、２，Ｕ1 〜Ｕ3 …長尺燃料棒、３，Ｕ2 …短尺燃料棒、４…ウォーターロッド（Ｗ）、５…スペーサ、６…外部スプリング、７…上部タイプレート、８…下部タイプレート、９…チャンネルボックス、Ｇ1 〜Ｇ8 …長尺Ｇｄ燃料棒、11…制御棒、12ａ…下部天然ウランブランケット部、12ｂ…上部天然ウランブランケット部、13，16，19，23，26…曲線（実線）、14，17，20，24，27…曲線（点線）、15，18…曲線（一点鎖線）。
【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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