(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料棒と少なくとも１本のウォータロッドあるいはウォータチャンネルを正方格子状に束ね、燃料交換時に一度に交換され同時に装荷される取替体数が全炉心の装荷体数の３０％より大きい沸騰水型原子炉用の取替用核燃料集合体において、
軸方向上下端のブランケットを除く中央部の大部分の領域に可燃性毒物を含有する燃料棒（Ｂ）を１本以上の異なる本数有する２種類以上の燃料集合体を有し、前記可燃性毒物を含有する燃料棒（Ｂ）のうち少なくとも１本は軸方向上端ブランケット直下の領域（Ｃ）に、可燃性毒物の濃度が前記領域（Ｃ）より下の軸方向領域の可燃性毒物平均濃度より低い領域を有し、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も多い前記燃料集合体の前記軸方向領域（Ｃ）の可燃性毒物平均濃度が、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も少ない前記燃料集合体の前記軸方向領域（Ｃ）の可燃性毒物平均濃度より高く、前記軸方向領域（Ｃ）の軸方向の長さが、燃料棒の燃料ペレットが充填されている有効長の４／２４以下であることを特徴とする沸騰水型原子炉用の取替用燃料集合体。
【請求項２】
前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も多い燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度が、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も少ない燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度よりも低いことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【請求項３】
前記軸方向上端ブランケット直下の領域（Ｃ）における可燃性毒物濃度が最も高い前記燃料棒（Ｂ）が、前記燃料集合体中の（２，２）の格子位置あるいはその対称位置あるいは前記ウォータロッドあるいはウォータチャンネルに接する位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉用の取替用燃料集合体に係り、特に、将来的に導入される出力が向上された原子炉の炉心、あるいは、現在の原子炉より運転サイクルが長期化された原子炉の炉心において、可燃性毒物の燃え残り増加によるサイクル末期での反応度の低下を防止でき、かつ、炉停止余裕を改善することができる沸騰水型原子炉用の取替用燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に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１５に示す。図１５(a)は燃料集合体の縦断面図、図１５(b)は図１５(a)におけるＢ−Ｂ矢視断面図、図１５(c)は図１５(a)におけるＣ−Ｃ矢視断面図を示す。
【０００４】
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。
【０００５】
また、この束ねられた複数の燃料棒のうち、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で固定されている。短尺燃料棒３は下部タイプレート８に固定されている。この燃料棒の束は、周囲をチャンネルボックス９で包囲されている。
【０００６】
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ため、燃料棒やウォータロッドの配置や本数は図１５に示す燃料集合体１に限定されるものではない。
【０００７】
原子炉は、炉心周辺部や上下部近傍で中性子の漏洩が大きく、それらの領域では炉心中心部に比べて一般的に核分裂性物質や可燃性毒物の燃焼が遅れる。
【０００８】
特に、沸騰水型原子炉では、チャンネルボックス内を流れる冷却材中にはボイドが発生しており、ボイド率は炉心上部程大きく炉心下部程小さいので、炉心上部における中性子の漏洩が大きい。
【０００９】
このため、炉心上部は炉心中心部に比べ出力が低く、核分裂性物質や可燃性毒物の燃焼が遅れる。
【００１０】
上記問題に対して従前から、燃料棒の上端部もしくは下端部もしくはその両方において、含有される核分裂性物質の濃縮度を中央部領域よりも低下させた領域を設け、該領域を低反応度領域とすることが提案されていた。
【００１１】
該方法によれば、燃料棒の上下端部からの中性子の漏れを低減させることができ、効率的に核分裂性物質を燃焼させることができる。
【００１２】
また同方法は同時に、燃料棒の上下端部での核分裂性物質の燃え残りを低減させることができ、燃料経済性を向上させることができる。
【００１３】
しかし、前記燃料棒の上下端部に低反応度領域を設けても、特に上端部直下の領域では、中央部領域と比較し出力が低くて燃焼が進まないため、核分裂性物質や可燃性毒物が燃え残る傾向があった。
【００１４】
このため、従来の燃料棒では、中央部領域の核分裂物資の濃縮度よりも低い濃縮度の新たな核分裂物資の濃縮度領域を上端領域と中央部領域の間に設け、軸方向の核分裂物資の濃縮度分布を最適化することも提案されていた。
【００１５】
また、可燃性毒物についても同様に、燃料棒の上端領域と中央部領域の間に、可燃性毒物濃度を低下させた領域を設け、軸方向の可燃性毒物濃度を最適化していた。
【特許文献１】特公平３−７８９５４号公報
【特許文献２】特公平７−１０１２３７号公報
【特許文献３】特開平７−２３４２９３号公報
【特許文献４】特開平８−２４８１６２号公報
【特許文献５】特開平１１−２１１８７０号公報
【特許文献６】特許公報第２９６６８７７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、上記従来の燃料集合体では、将来的に沸騰水型原子炉で出力が向上された場合、あるいは、現在の沸騰水型原子炉より運転サイクルが長期化された場合に、運転サイクルの末期で炉停止余裕が低下し、あるいは、運転サイクルの末期で可燃性毒物が燃え残り、経済性を悪化させることが予想される。
【００１７】
一般に、原子炉停止時には全ての制御棒が炉心に挿入されて未臨界状態になるが、仮に１本の制御棒が挿入されていなくても未臨界状態を達成できることが設計上の条件となっており、指標として最も反応度価値の高い制御棒が挿入されなかった場合の未臨界度を炉停止余裕という。
【００１８】
近年、ますます原子力発電の経済性の向上が求められており、プラントあたりの出力を増加した出力向上や運転サイクルの長期化などの施策の実施が予定されている。これらの施策のためには、燃料棒の核分裂性物質の濃縮度を高める必要がある。
【００１９】
しかし、核分裂性物質の濃縮度の増加は、原子炉運転時と停止時との反応度差を拡大させ、原子炉停止時の実効増倍率が増大し、結果としては炉停止余裕の低下に繋がる。
【００２０】
また、長期サイクルや出力向上の施策は、一度の燃料集合体の取替体数を増加させ、新燃料を炉心の外周部にまで装荷せざるを得なくなり、そのような位置に装荷された新燃料では、上端部直下の領域において可燃性毒物が燃え残り、経済性を悪化させる原因ともなる。
【００２１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、将来的に導入されることが予想される出力向上あるいは長期運転化された原子炉炉心において、可燃性毒物の燃え残り増加によるサイクル末期での反応度低下を抑制しつつ、炉停止余裕を改善する燃料集合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明による沸騰水型原子炉用の取替用燃料集合体は、
複数の燃料棒と少なくとも１本のウォータロッドあるいはウォータチャンネルを正方格子状に束ね、燃料交換時に一度に交換され同時に装荷される取替体数が全炉心の装荷体数の３０％より大きい沸騰水型原子炉用の取替用核燃料集合体において、
軸方向上下端のブランケットを除く中央部の大部分の領域に可燃性毒物を含有する燃料棒（Ｂ）を１本以上の異なる本数有する２種類以上の燃料集合体を有し、前記可燃性毒物を含有する燃料棒（Ｂ）のうち少なくとも１本は軸方向上端ブランケット直下の領域（Ｃ）に、可燃性毒物の濃度が前記領域（Ｃ）より下の軸方向領域の可燃性毒物平均濃度より低い領域を有し、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も多い前記燃料集合体の前記軸方向領域（Ｃ）の可燃性毒物平均濃度が、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も少ない前記燃料集合体の前記軸方向領域（Ｃ）の可燃性毒物平均濃度より高く、前記軸方向領域（Ｃ）の軸方向の長さが、燃料棒の燃料ペレットが充填されている有効長の４／２４以下であることを特徴とする。
【００２４】
また、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も多い燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度が、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も少ない燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度よりも低いようにすることができる。
【００２５】
前記軸方向上端ブランケット直下の領域（Ｃ）における可燃性毒物濃度が最も高い前記燃料棒（Ｂ）が、前記燃料集合体中の（２，２）の格子位置あるいはその対称位置あるいは前記ウォータロッドあるいはウォータチャンネルに接する位置に配置されているようにすることができる。
【発明の効果】
【００２６】
一般的に沸騰水型原子炉では、可燃性毒物を含有する燃料ペレットを充填した燃料棒の本数（以下、可燃性毒物入り燃料棒）が異なる通常２種類の取替用燃料集合体を装荷することにより、運転サイクル初期から中期までの余剰反応度特性や原子炉停止余裕を適切に制御し、柔軟に設計を行えるよう工夫がなされている。
【００２７】
しかし、プラントあたりの出力を増加した出力向上や運転サイクルの長期化などの施策を実施した場合は、一度に交換され装荷される取替用核燃料集合体の体数が大きくなり、炉心の外周部に新燃料が装荷される場合が生じてくる。
【００２８】
このような装荷位置ではサイクル末期においても燃料集合体の上端部直下の領域Ｃにおける可燃性毒物の残留する量が多くなる。
【００２９】
本発明は、軸方向中央部の可燃性毒物濃度に係わらず、一般的に出力の高い炉心中心部に装荷される可燃性毒物入り燃料棒の多い燃料集合体の上端部直下領域Ｃの可燃性毒物濃度を濃く、逆に出力の低い炉心外周部に装荷される可燃性毒物入り燃料棒の少ない燃料集合体では薄く設定することにより、運転サイクル末期においても、余剰反応度を低下させることなく、効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００３０】
また、前記軸方向領域（Ｃ）の軸方向の長さが、燃料棒の燃料ペレットが充填されている有効長の４／２４以下である本発明によれば、以下の通り、効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００３１】
一般的に沸騰水型原子炉では、出力運転中に炉心において冷却材中にボイドが形成されるが、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濃度分布を最適化した設計がされている。
【００３２】
しかし、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くことになる。
【００３３】
さらに近年、サイクル初期から中期にかけては軸方向出力分布を下方ピークとしてボイド率を高い軸方向上部におけるプルトニウムの生成を促進し、サイクル末期では逆に上方ピークとし、生成したプルトニウムを効率的に燃焼させ、またボイド率を低くすることにより反応度を高めるいわゆるスペクトルシフト運転を実施しているため、サイクル末期において冷温時の軸方向出力分布が上方ピークになる傾向が顕著である。
【００３４】
本発明は、燃性毒物濃度を高めた軸方向領域（Ｃ）の軸方向の長さが、燃料棒の燃料ペレットが充填されている有効長の４／２４以下であることにより、このような冷温時に上方ピークが顕著な領域で可燃性毒物濃度が有効に作用し、効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００３５】
また、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も多い燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度が、前記燃料棒（Ｂ）の本数が最も少ない燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度よりも低い本発明によれば、以下の通り、効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００３６】
一般的に、可燃性毒物入り燃料棒本数が異なる通常２種類の取替用燃料集合体は、軸方向中央部に含有する可燃性毒物の濃度は、ほぼ同じか、あるいは運転サイクル期間が変化した場合においてもサイクルを通じて適切に余剰反応度を制御するため、可燃性毒物入り燃料棒本数の少ない燃料集合体の可燃性毒物濃度を濃く、逆に可燃性毒物入り燃料棒の多い燃料集合体の可燃性毒物濃度を薄く設定している。
【００３７】
これに対して、本発明は、運転サイクル期間が変わった場合においても柔軟に余剰反応度や炉停止余裕を制御できる一方、燃焼が促進されサイクル末期での可燃性毒物の燃え残り量が少ない位置に装荷される可燃性毒物入り燃料棒の多い燃料集合体の上端部直下領域Ｃの可燃性毒物濃度を高めることにより、効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００３８】
前記軸方向上端ブランケット直下の領域（Ｃ）における可燃性毒物濃度が最も高い前記燃料棒（Ｂ）が、前記燃料集合体中の（２，２）の格子位置あるいはその対称位置あるいは前記ウォータロッドあるいはウォータチャンネルに接する位置に配置されている本発明によれば、サイクル末期において効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００３９】
すなわち一般的に、可燃性毒物入り燃料棒は、（２，２）あるいはその対称位置あるいはウォータロッドあるいはウォータチャンネルに接する位置に配置されたときに、可燃性毒物の燃焼が促進される。
【００４０】
本発明は、上記位置に可燃性毒物濃度が最も高い燃料棒を配置することにより、サイクル末期においても可燃性毒物が適切に残存し、これにより、サイクル末期においても効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００４１】
このように、本発明によれば、燃料交換時に沸騰水型原子炉に同時に装荷される複数の取替用核燃料集合体において、将来的に導入されることが予想される出力向上されあるいは長期運転化された炉心において、可燃性毒物の燃え残り増加によるサイクル末期での反応度低下を抑制しつつ、炉停止余裕を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
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。
【００４３】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態を示す図であって、燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図である。
【００４４】
本実施形態では、図１に示すように、燃料交換時に沸騰水型原子炉に同時に装荷される２種類の取替用核燃料集合体（第１の燃料集合体と第２の燃料集合体）を有している。
【００４５】
第１の燃料集合体は５種類の燃料棒Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｇ１，Ｇ２を有し、第２の燃料集合体は４種類の燃料棒Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｇ２を有している。
【００４６】
燃料棒Ｇ１，Ｇ２は、軸方向上下端のブランケットを除く中央部の大部分の領域に可燃性毒物を含有しており、軸方向上端ブランケット直下の領域Ｃに、可燃性毒物の低濃度領域を有している。
【００４７】
２種類の取替用核燃料集合体（第１の燃料集合体と第２の燃料集合体）は、可燃性毒物を含む燃料棒の本数が多い第１の燃料集合体の軸方向領域Ｃの可燃性毒物平均濃度(g3×4+g4×10)÷14が、可燃性毒物を含む燃料棒の本数が少ない第２の燃料集合体の軸方向領域Ｃの可燃性毒物平均濃度g4よりも高いことを特徴としている。
【００４８】
また、本実施形態は、燃料交換時に一度に交換され同時に装荷される燃料集合体の取替体数は、全炉心装荷体数の３０％より大きくなっている。
【００４９】
図２に本発明による燃料集合体の装荷パターンの例を示す。
【００５０】
本発明による燃料集合体の装荷は、特公平３−７８９５４号公報の本文およびその第１２図に示される炉心外周部に高Ｇｄの燃料集合体を装荷し、炉心中央部に低Ｇｄの燃料集合体を装荷し、また、たとえば第４サイクルまで燃料集合体を使用する炉心ならば、定検時に第４サイクルの燃料集合体が取り出され、第３サイクルの燃料集合体が第４サイクル用のマス目に移され、その他の燃料集合体は移動しないというようにして定検時の燃料取替体数を最少にするミニマムシャッフリングという概念の装荷パターンと相違する。本発明による燃料集合体の装荷は、高Ｇｄ燃料集合体を炉心中央部に装荷し、低Ｇｄ燃料集合体は炉心外周部に装荷する。
【００５１】
ミニマムシャッフリングの装荷パターンは、一般に炉心外周部まで新燃料が装荷されるため、サイクル末期の反応度が低下することになり、燃料経済性が低下しやすい傾向がある。
【００５２】
これに対して、本発明による燃料集合体は、炉心中央部に高Ｇｄの燃料集合体を装荷し、かつ、運転サイクルの長期化に応えて燃料集合体の取替体数を多くし、より炉心中央部に新燃料が来るようにするために、図２に示すように、第１サイクルと第２サイクルの燃料集合体を炉心中央部に市松模様に装荷する。むろん、炉心中央部の装荷パターンは市松模様には限られず、市松模様の装荷パターンを含む混合配置であればよいが、本発明の装荷パターンによれば燃料取替体数が全炉心装荷体数の３０％を超える場合にも、サイクル末期の反応度の低下を適度に制御することができる。
【００５３】
以下、従来の燃料集合体と本発明の燃料集合体の効果を比較するために、図３，４に従来の燃料集合体の設計例１，２を示す。
【００５４】
図３，４に示した従来の燃料集合体の設計例１，２は、燃料交換時に沸騰水型原子炉に同時に装荷される２種類の取替用核燃料集合体（第１の燃料集合体と第２の燃料集合体）を有し、第１の燃料集合体と第２の燃料集合体はそれぞれ軸方向上下端のブランケットを除く中央部の大部分の領域に可燃性毒物を含有する燃料棒Ｇ１と燃料棒Ｇ２を有し、燃料棒Ｇ１，Ｇ２は軸方向上端ブランケット直下の領域Ｃに可燃性毒物の低濃度領域を有している。
【００５５】
図３に示した従来設計例１は、第１燃料集合体と第２燃料集合体の軸方向上端ブランケット直下の領域Ｃに設けられた可燃性毒物の濃度は同一であることを特徴とする。
【００５６】
図４に示した従来設計例２は、可燃性毒物を含む燃料棒の本数が多い第１燃料集合体の軸方向領域Ｃの可燃性毒物の平均濃度ｇ５が、可燃性毒物を含む燃料棒の本数が少ない第２燃料集合体の軸方向領域Ｃの可燃性毒物平均濃度ｇ４よりも低いことを特徴とする。
【００５７】
図５，６に、本発明による第１実施形態と上記従来設計例１，２を、同一炉心装荷パターンおよび制御棒パターンで装荷した場合の余剰反応度および炉停止余裕の燃焼変化を示す。
【００５８】
また図７に、ある炉心を例として、サイクル末期の燃料集合体相対出力を炉心径方向層別に平均化した値と、新燃料を炉心の中心から市松模様に装荷していった場合の前記炉心径方向層の各層に、はじめて新燃料が装荷される炉心装荷体数に対する新燃料割合を評価した結果を示す。炉心の大きさを135万kWe級と110万kWe級と80万kWe級とした３例を示している。炉心径方向の層とは、炉心を上方向から見て、中心から所定距離ごとに仮想の層を想定した場合の、それらの層をいう。
【００５９】
余剰反応度は運転期間を通して適切な量に制御される必要があるが、特に運転サイクル末期では一般的にゼロより大きくなるように設定する必要がある。
【００６０】
図５からわかるように、本発明の第１実施形態の余剰反応度は、運転サイクルの全般にわたって従来設計例１よりわずかに小さいものの従来設計例２とほぼ同等の余剰反応度を有し、運転サイクルの末期においては、従来設計例１とほぼ同等になり、従来設計例２と比較すれば余裕がある。
【００６１】
従来設計例２では、一般的に出力の低い炉心外周部に装荷される可燃性毒物を含む燃料棒の本数が少ない第２の燃料集合体の、上端部直下領域Ｃの可燃性毒物濃度を濃くなっているため、サイクル末期においては可燃性毒物の燃え残り量が増加し余剰反応度が低下する。すなわち、従来設計例２では、取替体数が全炉心装荷体数の３０％よりも大きいため、図７で示すところの平均相対出力が０．７５より小さい炉心径方向出力の層にこのような第２の燃料集合体の新燃料が装荷され、可燃性毒物の燃え残り量が多くなり余剰反応度が低下したと考えられる。
【００６２】
一方、本発明の第１実施形態では、従来設計例１と比較して可燃性毒物の炉心への持ち込み量が多く、サイクル初期から中期に至っては余剰反応度は低下するが、一般的に出力の高い炉心中心部に装荷される可燃性毒物を含む燃料棒の本数が多い第１の燃料集合体の、上端部直下領域Ｃの可燃性毒物濃度を濃くすることにより、サイクル末期においては可燃性毒物の燃え残り量の増加が最低限に抑えられ、余剰反応度が低下するまでには至らない。
【００６３】
図６から、本発明の第１実施形態のサイクル末期近傍の炉停止余裕は、大きく改善していることがわかる。
【００６４】
本発明の第１実施形態では、一般的に出力の高い炉心中心部に装荷される可燃性毒物を含む燃料棒の本数が多い第１の燃料集合体の、上端部直下領域Ｃの可燃性毒物濃度を濃くすることにより、運転サイクル末期においても効果的に反応度を制御することができるため、十分な炉停止余裕を確保することができるためである。
【００６５】
（第２の実施の形態）
図８は本発明の第２の実施の形態を示す図であって、燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図を示している。
【００６６】
本発明の第２実施形態は、燃料交換時に沸騰水型原子炉に同時に装荷される２種類の取替用核燃料集合体（第１の燃料集合体と第２の燃料集合体）を有し、第１の燃料集合体と第２の燃料集合体はそれぞれ可燃性毒物を含む燃料棒Ｇ１，Ｇ２と燃料棒Ｇ２を有している。燃料棒Ｇ１，Ｇ２は、軸方向上端ブランケット直下の軸方向領域Ｃの長さが、燃料ペレットが充填されている有効長の４／２４以下であることを特徴とする。
【００６７】
近年、サイクル初期から中期にかけては軸方向出力分布を下方ピークとしてボイド率を高い軸方向上部におけるプルトニウムの生成を促進し、サイクル末期では逆に上方ピークとし、生成したプルトニウムを効率的に燃焼させ、またボイド率を低くすることにより反応度を高めるいわゆるスペクトルシフト運転を実施しているため、サイクル末期において冷温時の軸方向出力分布が上方ピークになる傾向は顕著である。
【００６８】
図９に、上端部のブランケットを有効長の1/24とした、燃料棒本数が異なる２つの燃料集合体により構成された炉心におけるサイクル末期の冷温時炉心平均軸方向出力分布の例を示す。
【００６９】
いずれの例も、サイクル末期の出力分布は特に燃料の有効長の1/24から5/24の領域において高い出力分布を示していることがわかる。
【００７０】
従って、本発明の第２実施形態のように、燃料有効長の4/24以下の領域の可燃性毒物の濃度を高めることにより、効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００７１】
（第３の実施の形態）
図１０は本発明の第３の実施の形態を示す図であって、燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図を示す。
【００７２】
本発明の第３実施形態は、燃料交換時に沸騰水型原子炉に同時に装荷される２種類の取替用核燃料集合体（第１の燃料集合体と第２の燃料集合体）を有し、第１の燃料集合体は可燃性毒物を含む燃料棒Ｇ１を有し、第２の燃料集合体は可燃性毒物を含む燃料棒Ｇ２を有している。
【００７３】
燃料棒Ｇ１，Ｇ２は、可燃性毒物入り燃料棒本数が最も多い燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度（（g2×10）＋（g3×9）+（g4×3））÷22が、可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度（（g1×10）＋（g2×9）+（g5×3））÷22よりも低いことを特徴とする。
【００７４】
なお、図１０に示されるように、第１の燃料集合体のＧ１のg2,g3,g4はそれぞれ10,9,3個のノードを有し、第２の燃料集合体のＧ２のg1,g2,g5はそれぞれ10,9,3個のノードを有し、上記式はそれぞれ重み平均した燃料棒Ｇ１とＧ２の可燃性毒物の平均濃度である。
【００７５】
本発明の第３実施形態は、可燃性毒物を含む燃料棒の本数が多い第１の燃料集合体の軸方向領域Ｃの可燃性毒物平均濃度が、可燃性毒物を含む燃料棒の本数が少ない第２の燃料集合体の軸方向領域Ｃの可燃性毒物平均濃度よりも高く、かつ、上述したように、可燃性毒物入り燃料棒本数が最も多い燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度が、可燃性毒物入り燃料棒本数が少ない燃料集合体の軸方向上下端のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度よりも低くしたものである。  一般的に、可燃性毒物入り燃料棒本数が異なる通常２種類の取替用燃料集合体は、軸方向中央部に含有する可燃性毒物の濃度は、ほぼ同じか、あるいは運転サイクル期間が変化した場合においてもサイクルを通じて適切に余剰反応度を制御するため、可燃性毒物入り燃料棒本数の少ない燃料集合体の可燃性毒物濃度を濃く、逆に可燃性毒物入り燃料棒の多い燃料集合体の可燃性毒物濃度を薄く設定している。
【００７６】
すなわち、運転サイクル期間が長くなった場合には取替体数が多くなるため、炉心の新燃料の割合が多くなる。この際、炉心全体に持ち込まれる可燃性毒物量の変化量を小さくするため、可燃性毒物入り燃料棒本数の少ない燃料集合体の割合を多く装荷することになるが、余剰反応度をより長くなった運転サイクル期間を通して適切に制御するために、可燃性毒物濃度を濃くすることが一般的である。
【００７７】
図１１，１２に、本発明による第１実施形態と運転サイクル期間が長くなった場合に第１実施形態及び第３実施形態を、炉心に装荷した場合の余剰反応度および炉停止余裕の燃焼変化の例を示す。
【００７８】
図１１，１２から分かるように、第１実施形態において運転サイクル期間が長くなった場合、サイクル中期以降で余剰反応度が大きくなり、炉停止余裕を悪化させる。一方、第３実施形態を用いた場合には、長期サイクル運転において多く装荷される可燃性毒物入り燃料棒本数の少ない燃料集合体の軸方向上下端部のブランケットを除く中央部の可燃性毒物平均濃度は高く設定されているため、サイクル中期以降も余剰反応度を比較的小さく制御でき、結果として炉停止余裕を改善している。
【００７９】
本発明は、運転サイクル期間が変わった場合においても柔軟に余剰反応度や炉停止余裕を制御できる一方、燃焼が促進されサイクル末期での可燃性毒物の燃え残り量が少ない位置に装荷される可燃性毒物入り燃料棒の多い燃料集合体の上端部直下領域Ｃの可燃性毒物濃度を高めることにより、効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【００８０】
（第４の実施の形態）
図１３は本発明の第４の実施の形態を示す図であって、（ａ）は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可燃性毒物の軸方向分布図を示す。
【００８１】
本発明の第４実施形態は、燃料交換時に沸騰水型原子炉に同時に装荷される２種類の取替用核燃料集合体（第１の燃料集合体と第２の燃料集合体）を有し、第１の燃料集合体においては、軸方向上端ブランケット直下の領域Ｃにおける可燃性毒物濃度が最も高い燃料棒Ｇ１が（２，２）およびその対称位置およびウォータチャンネルに接する位置に配置され、第２の燃料集合体においては、該燃料集合体において領域Ｃにおける可燃性毒物濃度が最も高い燃料棒Ｇ２が（２，２）およびその対称位置およびウォータチャンネルに接する位置に配置されている。すなわち、本実施形態の燃料集合体は、領域Ｃにおける可燃性毒物濃度が最も高い燃料棒が（２，２）およびその対称位置およびウォータチャンネルに接する位置に配置されていることを特徴とする。
【００８２】
一般的に、燃料集合体の最外周を除くと、（２，２）およびその対称位置およびウォータロッドあるいはウォータチャンネルに接する位置の燃料棒の出力が高くなる傾向にあり、燃焼が促進されるため、可燃性毒物の燃焼も早い。
【００８３】
図１４(a)に図１１の燃料集合体を一例とし、全ての燃料棒に含まれる濃縮度を均一とした場合の局所出力ピーキング係数の燃焼変化の一例を示す。また同様に図１４(b)に図１５の燃料集合体を一例とした局所出力ピーキング係数の燃焼変化の一例を示す。
【００８４】
この結果から、（２，２）およびウォータロッドあるいはウォータチャンネルに接する位置の燃料棒の出力が、相対的に高いことが分かる。（２，２）の対称位置については、図１４（ａ），１４（ｂ）に示されていないが、（２，２）と同様に局所出力ピーキング係数が高いことが知られている。
【００８５】
一般的に局所出力ピーキング係数は、濃縮度分布に依存するが、出力向上や運転サイクルの長期化などの施策を実施した場合、燃料集合体の外周部を除くほとんど全ての燃料棒の濃縮度を取り扱い規制の上限ぎりぎりまで増加する必要性が生じてくることが考えられ、図１４（ａ），１４（ｂ）に示すような（２，２）およびウォータロッドあるいはウォータチャンネルに接する位置の燃料棒およびその対称位置の燃料棒の出力がますます高くなる傾向にあるといえる。
【００８６】
本発明では、燃焼が促進されサイクル末期での可燃性毒物の燃え残り量が少なくなる位置の燃料棒の上端部直下の領域Ｃの可燃性毒物濃度を高めることにより、サイクル末期においても効果的に冷温時の炉停止余裕を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明に係る第１実施の形態の燃料集合体を構成する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実施形態の燃料集合体の燃料棒の装荷パターンを示す図。
【図３】従来技術の一例による燃料集合体の燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図（従来設計例１）。
【図４】従来技術の一例による燃料集合体の燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図（従来設計例２）。
【図５】本発明の第１実施形態と従来設計例の余剰反応度の燃焼変化を示したグラフ。
【図６】本発明の第１実施形態と従来設計例の炉停止余裕の燃焼変化を示したグラフ。
【図７】燃料集合体相対出力と新燃料割合の関係を示したグラフ。
【図８】本発明に係る第２実施の形態の燃料集合体を構成する燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図９】燃料棒本数が異なる２つの燃料集合体により構成された炉心におけるサイクル末期の冷温時炉心平均軸方向の出力分布の例を示すグラフ。
【図１０】本発明に係る第３実施の形態の燃料集合体を構成する燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図１１】本発明の第１実施形態と長期サイクル運転時の第１実施形態と第３実施形態の余剰反応度の燃焼変化を示したグラフ。
【図１２】本発明の第１実施形態と長期サイクル運転時の第１実施形態と第３実施形態の炉停止余裕の燃焼変化を示したグラフ。
【図１３】本発明に係る第４実施の形態の燃料集合体を構成する燃料棒の燃料および可燃性毒物の軸方向分布図。
【図１４（ａ）】図１１の燃料集合体を例とした全ての燃料棒に含まれる濃縮度を均一とした場合の局所出力ピーキング係数の燃焼変化の例を示すグラフ。
【図１４（ｂ）】図１５の燃料集合体を例とした全ての燃料棒に含まれる濃縮度を均一とした場合の局所出力ピーキング係数の燃焼変化の例を示すグラフ。
【図１５】燃料集合体の縦断面図（ａ）、縦断面図（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図（ｂ）、および、縦断面図（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図（ｃ）。
【符号の説明】
【００８８】
１  燃料集合体
２  長尺燃料棒
３  短尺燃料棒
４  ウォータロッド
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
【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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【図１４（ａ）】
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【図１４（ｂ）】
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【図１５】
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