(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御棒側水ギャップの幅と反制御棒側の水ギャップの幅がほぼ等しい炉心に装荷される燃料集合体において、
核燃料ペレットが充填されて相互間の間隔が一定に配置された複数の燃料棒と、１本の中性子減速棒とを正方格子状に配列し、
燃料集合体の軸方向に垂直な横断面における前記中性子減速棒の中心が、前記燃料集合体の中心よりも制御棒が挿入されるコーナー側に偏って配置されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
制御棒側水ギャップの幅と反制御棒側の水ギャップの幅がほぼ等しい炉心に装荷される燃料集合体において、
核燃料ペレットが充填されて相互間の間隔が一定に配置された複数の燃料棒及び１本の中性子減速棒を正方格子状に束ねた燃料バンドルと、前記燃料棒の上端部及び下端部をそれぞれ保持する上部タイプレート及び下部タイプレートと、前記上部タイプレートの１つのコーナー部に前記燃料バンドルを覆う四角筒状のチャンネルボックスをチャンネルファスナにより固定する構造を備え、
燃料集合体の軸方向に垂直な横断面における前記中性子減速棒の中心が、前記燃料集合体の中心よりも前記チャンネルファスナが固定されるコーナー側に偏って配置されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】
請求項２において、前記複数の燃料棒は、核燃料ペレットが充填されている部分の長さである燃料有効長が相対的に短い短尺燃料棒を複数含み、該短尺燃料棒が前記チャンネルファスナが固定されるコーナー側よりもその反対側に多く配置されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
請求項３において、前記短尺燃料棒の少なくとも一部が、前記中性子減速棒に隣接する位置のうち、前記チャンネルファスナが固定されるコーナー側と反対側に配置されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項５】
請求項２乃至４の何れかにおいて、燃料集合体内をその対角線でチャンネルファスナが固定されるコーナー側の第１領域と反対側の第２領域とに分けた場合、燃料集合体の軸方向に垂直な横断面における前記第２領域内の燃料棒の平均ウラン濃縮度が、前記横断面における前記第１領域内の燃料棒の平均ウラン濃縮度よりも高いことを特徴とする燃料集合体。
【請求項６】
請求項２乃至５の何れかにおいて、前記複数の燃料棒は、可燃性毒物を添加した可燃性毒物入り燃料棒を複数含み、該可燃性毒物入り燃料棒が前記チャンネルファスナが固定されるコーナー側よりもその反対側に多く配置されていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかにおいて、前記複数の燃料棒が１０行１０列の正方格子状に配列され、前記中性子減速棒が３行３列の燃料棒を配置可能な領域に配置された１本の円筒状の水ロッドであることを特徴とする燃料集合体。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れかにおいて、前記複数の燃料棒が１１行１１列の正方格子状に配列され、前記中性子減速棒が４行４列の燃料棒を配置可能な領域に配置された１本の四角筒状の水ロッドであることを特徴とする燃料集合体。
【請求項９】
請求項１乃至６の何れかにおいて、前記燃料棒に含まれる核燃料が未燃焼時にプルトニウムを含むウラン燃料であることを特徴とする燃料集合体。
【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（ＢＷＲ）用の燃料集合体に係り、特に制御棒が挿入される側の水ギャップ幅（制御棒側水ギャップ幅）と、制御棒が挿入されない側の水ギャップ幅（反制御棒側水ギャップ幅）とがほぼ等しい炉心に装荷するのに好適な燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、軽水型原子炉では燃料経済性向上と廃棄物量低減（燃料集合体の取出数低減，使用済燃料の発生量低減）が重要な課題となっている。この課題に対応するには、燃料集合体の取出燃焼度を大きくすること（高燃焼度化）が効果的である。燃料集合体を高燃焼度化するためには、ウラン濃縮度を高める必要がある。これに起因して、冷温時と出力運転時の反応度差が増大し炉停止余裕が減少する傾向がある。また、炉内滞在期間の違いにより燃料集合体間の燃焼度差が大きくなるため、燃料集合体の最大出力（チャンネルピーキング係数）が増大し、熱的余裕が減少する傾向がある。
【０００３】
これに対して、特開平8−285977 号公報に、燃料集合体の外側から２層目のコーナー位置に可燃性毒物を含む短尺燃料棒を配置して、高燃焼度化を図りつつ熱的余裕を確保する第１の従来技術が記載されている。
【０００４】
また、特開昭64−31091 号公報に、制御棒側水ギャップ幅が反制御棒側水ギャップ幅よりも大きなＤ格子炉心用の燃料集合体において、燃料集合体内にインナーギャップを設けて炉停止余裕を増大し、燃料集合体内のインナーギャップまたは水ロッドを反制御棒側に偏らせて熱的余裕を確保する第２の従来技術が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来技術では、炉停止余裕の改善に関しては考慮されていない。また、第２の従来技術はＤ格子炉心用の燃料集合体に関するものであり、制御棒側水ギャップ幅と反制御棒側水ギャップ幅がほぼ等しい炉心用の燃料集合体に関しては考慮されていない。
【０００６】
本発明の第１の目的は、制御棒側水ギャップ幅と反制御棒側水ギャップ幅とがほぼ等しい炉心に装荷された場合に、炉停止余裕を増大できる高燃焼度化対応の燃料集合体を提供することにある。
【０００７】
本発明の第２の目的は、第１の目的に加えて、更に熱的余裕も増大できる高燃焼度化対応の燃料集合体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の目的を達成するための第１の発明は、制御棒側水ギャップの幅と反制御棒側の水ギャップの幅がほぼ等しい炉心に装荷される燃料集合体において、
核燃料ペレットが充填されて相互間の間隔が一定に配置された複数の燃料棒と、１本の中性子減速棒とを正方格子状に配列し、
燃料集合体の軸方向に垂直な横断面における前記中性子減速棒の中心を、前記燃料集合体の中心よりも制御棒が挿入されるコーナー側に偏って配置することにある。
【０００９】
第１の目的を達成するための第２の発明は、制御棒側水ギャップの幅と反制御棒側の水ギャップの幅がほぼ等しい炉心に装荷される燃料集合体において、
核燃料ペレットが充填されて相互間の間隔が一定に配置された複数の燃料棒及び１本の中性子減速棒を正方格子状に束ねた燃料バンドルと、前記燃料棒の上端部及び下端部をそれぞれ保持する上部タイプレート及び下部タイプレートと、前記上部タイプレートの１つのコーナー部に前記燃料バンドルを覆う四角筒状のチャンネルボックスをチャンネルファスナにより固定する構造を備え、
燃料集合体の軸方向に垂直な横断面における前記中性子減速棒の中心を、前記燃料集合体の中心よりも前記チャンネルファスナが固定されるコーナー側に偏って配置することにある。
【００１０】
第２の目的を達成するための第３の発明は、第２の発明において、前記複数の燃料棒が、核燃料ペレットが充填されている部分の長さである燃料有効長が相対的に短い短尺燃料棒を複数含み、該短尺燃料棒を前記チャンネルファスナが固定されるコーナー側よりもその反対側に多く配置する。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、前記短尺燃料棒の少なくとも一部を、前記中性子減速棒に隣接する位置のうち、前記チャンネルファスナが固定されるコーナー側と反対側に配置する。
【００１２】
第５の発明は、第２乃至第４の発明において、燃料集合体内をその対角線でチャンネルファスナが固定されるコーナー側の第１領域と反対側の第２領域とに分けた場合、燃料集合体の軸方向に垂直な横断面における前記第２領域内の燃料棒の平均ウラン濃縮度を、前記横断面における前記第１領域内の燃料棒の平均ウラン濃縮度より高くする。
【００１３】
第６の発明は、第２乃至第５の発明において、前記複数の燃料棒が可燃性毒物を添加した可燃性毒物入り燃料棒を複数含み、該可燃性毒物入り燃料棒を前記チャンネルファスナが固定されるコーナー側よりもその反対側に多く配置する。
【００１４】
第７の発明は、第１乃至第６の発明において、前記複数の燃料棒が１０行１０列の正方格子状に配列され、前記中性子減速棒を３行３列の燃料棒を配置可能な領域に配置された１本の円筒状の水ロッドとする。
【００１５】
第１又は第２の発明によれば、中性子減速棒の中心を燃料集合体の中心よりも制御棒が挿入されるコーナー側（制御棒側）、即ちチャンネルファスナが固定されるコーナー側
（チャンネルファスナ側）に偏って配置したことにより、その燃料集合体が装荷化された、制御棒側水ギャップの幅と反制御棒側の水ギャップの幅がほぼ等しい炉心において、熱中性子束がチャンネルファスナ側で高くなる。従って、中性子減速棒の中心を、燃料集合体の中心、又はチャンネルファスナ側の反対側（反チャンネルファスナ側）に配置した場合に比べて、制御棒価値を高くできる。よって、制御棒側水ギャップの幅と反制御棒側の水ギャップの幅がほぼ等しい炉心において、高燃焼度化を図りつつ炉停止余裕を増大できる。
【００１６】
第３の発明によれば、短尺燃料棒をチャンネルファスナ側よりもその反対側に多く配置したことにより、出力運転時には、短尺燃料棒上端より上側の燃料集合体の軸方向に垂直な横断面において、チャンネルファスナ側とその反対側の減速材（水）分布がほぼ均一になるため、局所出力分布を平坦化できる。また、冷温時には、短尺燃料棒上端より上側の領域のうち、反チャンネルファスナ側の領域で水密度が大幅に増大するため過減速となり、反応度上昇を低減できる。これに伴い、熱的余裕を増大できる。
【００１７】
第４の発明によれば、短尺燃料棒の少なくとも一部を、中性子減速棒に隣接する位置のうち反チャンネルファスナ側に配置したことにより、ボイド係数の絶対値を低減できる。
【００１８】
第５の発明によれば、中性子減速棒の影響で熱中性子束が比較的高くなる第１領域内の平均ウラン濃縮度を低く、熱中性子束が比較的低くなる第２領域内の平均ウラン濃縮度を高くしたことにより、出力運転時の局所出力分布をより平坦化でき、熱的余裕を更に増大できる。
【００１９】
第６の発明によれば、反チャンネルファスナ側に多く配置された可燃性毒物入り燃料棒の影響でチャンネルファスナ側の熱中性子束が相対的に増大するため、制御棒価値をより高めて炉停止余裕を更に増大できる。また、熱中性子束の比較的低い反チャンネルファスナ側に可燃性毒物入り燃料棒を多く配置したため、可燃性毒物の効果が長期間保たれるので、長期サイクル運転にも適する。
【００２０】
第７の発明によれば、中性子減速棒として円筒状の水ロッドを用いたことにより、四角筒状の水ロッドを用いた場合に比べて、出力運転時の中性子の無駄な吸収が減るため、中性子経済性を向上できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
（実施例１）
まず、本発明による燃料集合体の第１実施例を図１及び図２により説明する。本実施例は、制御棒側水ギャップ幅と反制御棒側水ギャップ幅とがほぼ等しい炉心に装荷される燃料集合体である。図１は第１実施例の横断面図、図２は第１実施例の概略縦断面図である。本燃料集合体は、図２に示すように、複数の燃料棒１０，燃料棒１０の上端及び下端を保持する上部タイプレート１４及び下部タイプレート１５，複数の燃料棒１０の間隔を一定に保持し軸方向に複数設けられるスペーサ１６，複数の燃料棒１０が束ねて構成される燃料バンドルを外側から覆う四角筒状のチャンネルボックス１３などから構成される。
【００２３】
図１に示すように、９１本の燃料棒１０が１０行１０列（１０×１０）の正方格子状に配列され、中央部の３行３列（３×３）の燃料棒（９本の燃料棒）が配置可能な領域に１本の四角筒型の水ロッド２１が配置されている。各燃料棒１０は、濃縮ウランの酸化物からなる複数の核燃料ペレットがジルカロイの被覆管内に充填されたものである。
【００２４】
図１に示すように、燃料集合体をその対角線１３ａで制御棒２４側と反制御棒側に領域分けした場合、水ロッド２１は制御棒側に偏って配置されている。言い換えれば、水ロッド２１の中心が燃料集合体の中心よりも制御棒が挿入されるコーナー側に偏って配置されている。図２に示すように、チャンネルボックス１３は、制御棒２４が挿入されるコーナー部において、チャンネルファスナ１７を上部タイプレート１４に取り付けられたコーナーポスト１８に固定することにより、燃料バンドルに固定される。即ち、制御棒側は、チャンネルファスナ側又はコーナーポスト側に対応している。
【００２５】
本実施例では、制御棒側（チャンネルファスナ側，コーナーポスト側）に水ロッド２１を偏って配置したことにより、制御棒２４近傍の熱中性子束が増大するため、制御棒価値を高めることができる。従って、水ロッドを燃料集合体の中心又は反制御棒側に配置した場合に比べて、燃料集合体の高燃焼度化を図りつつ炉停止余裕を増大できる。これに伴い、燃料経済性を向上し使用済燃料の発生量を低減できる。
【００２６】
（実施例２）
次に、図３を用いて本発明による燃料集合体の第２実施例を説明する。図３は第２実施例の横断面図である。本実施例では、第１実施例において、燃料有効長（核燃料ペレットが充填されている部分の長さ）が異なる２種類の燃料棒を用いている。即ち、燃料有効長が相対的に長い長尺燃料棒１１と、燃料有効長が長尺燃料棒１１の約１５／２４と短い短尺燃料棒１２とを用いている。図３に示すように、８本の短尺燃料棒１２が燃料集合体の外側から２層目に配置されており、このうち１本が制御棒側に、５本が反制御棒側にそれぞれ配置されている。
【００２７】
本実施例でも、第１実施例と同様に、炉停止余裕を増大できる。更に、本実施例では以下の効果も得られる。短尺燃料棒は、一般的には軸方向の減速材（水）分布の平坦化に寄与するが、本実施例の場合、反制御棒側に短尺燃料棒１２を多く配置したことにより、軸方向に垂直な横断面における減速材分布も平坦化できるので、局所出力分布の平坦化及び冷温時の反応度上昇の低減にも寄与する。これに伴い、熱的余裕も増大できる。
【００２８】
（実施例３）
次に、図４を用いて本発明による燃料集合体の第３実施例を説明する。図４は第３実施例の横断面図である。本実施例では、第２実施例で分散させて配置していた短尺燃料棒１２を、四角筒型の水ロッド２１の周囲に集中して配置している。即ち、７本の短尺燃料棒１２が水ロッド２１に隣接する位置に配置されている。このうち５本の短尺燃料棒１２は、反制御棒側の領域に配置されている。
【００２９】
本実施例でも、第２実施例と同等の炉停止余裕の増大効果及び局所出力分布の平坦化による熱的余裕の増大効果が得られる。更に、本実施例では、水ロッドの横断面積が実効的に大きくなった場合と同様に、チャンネルボックス内の減速材のボイド率によらず十分な減速効果が得られるため、ボイド係数の絶対値を低減することもできる。
【００３０】
（実施例４）
次に、図５を用いて本発明による燃料集合体の第４実施例を説明する。図５は第４実施例の横断面図である。本実施例は、第２実施例で更に燃料棒の平均ウラン濃縮度（以下、単に濃縮度という）の分布を工夫したものである。本実施例の場合、濃縮度が異なる４種類の長尺燃料棒を用いており、濃縮度が約５ｗｔ％の燃料棒１と、濃縮度が約４ｗｔ％の燃料棒２と、濃縮度が約３ｗｔ％の燃料棒３と、濃縮度が約２ｗｔ％の燃料棒４とを配置している。燃料棒１ａは、第２実施例と同じ短尺燃料棒で、その濃縮度は約５ｗｔ％と最高にしている。その他の構成は第２実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００３１】
図５に示すように、最低濃縮度の燃料棒４が最外層の４つのコーナーに配置され、最外層でコーナー付近の位置には２番目に濃縮度の低い燃料棒３が配置されている。水ロッド２１に行方向又は列方向（図５の縦横方向）で隣接する位置には２番目に濃縮度の高い燃料棒２が配置され、水ロッド２１に斜め方向で隣接する位置には最高濃縮度の燃料棒１が配置されている。また、燃料集合体の軸方向に垂直な横断面において、対角線１３ａで分けられた反制御棒側領域内の燃料棒の平均ウラン濃縮度は、制御棒側領域内の燃料棒の平均ウラン濃縮度よりも高くなっている。
【００３２】
本実施例でも、第２実施例と同様の効果が得られる。更に、本実施例では、相対的に熱中性子束が少ない反制御棒側領域の平均濃縮度を制御棒側領域よりも高くしたことにより、局所出力分布をより効果的に平坦化できる。
【００３３】
（実施例５）
次に、図６を用いて本発明による燃料集合体の第５実施例を説明する。図６は第６実施例の横断面図である。本実施例は、第４実施例で更にガドリニア入り燃料棒（以下、Ｇｄ燃料棒という）の配置を工夫したものである。Ｇｄ燃料棒９は、平均ウラン濃縮度が約４ｗｔ％、平均ガドリニア濃度が約５ｗｔ％で、１６本のＧｄ燃料棒９が設けられている。１６本のＧｄ燃料棒９のうち１０本が反制御棒側領域に配置され、６本が制御棒側領域に配置されている。また、外側から２層目において、コーナーに配置された燃料棒１ａ（最高濃縮度の短尺燃料棒）に隣接する８ヶ所の位置にはＧｄ燃料棒９が配置されている。その他の構成は第２実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００３４】
本実施例でも、第４実施例と同様の効果が得られる。更に本実施例では、Ｇｄ燃料棒を反制御棒側領域に多く配置したことにより、制御棒側領域に比べて反制御棒側領域の方が中性子がより多く吸収される。このため、制御棒側領域の熱中性子束を相対的に増大できるので、第４実施例よりも制御棒価値及び炉停止余裕を増大できる。
【００３５】
（実施例６）
次に、図７を用いて本発明による燃料集合体の第６実施例を説明する。図７は第６実施例の横断面図である。本実施例は、図４の第３実施例で四角筒型の水ロッド２１に代えて円筒型の水ロッド２２を配置したものである。水ロッド２２の横断面積は、水ロッド２１の横断面積よりも小さい。その他の構成は第３実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００３６】
本実施例でも、第３実施例と同様の効果が得られる。更に本実施例では、第３実施例よりも水ロッドの横断面積を小さくしたことにより、出力運転時の水ロッドによる中性子の無駄な吸収を減らすことができるので、第３実施例よりも中性子経済性を向上することができる。
【００３７】
（実施例７）
次に、図８を用いて本発明による燃料集合体の第７実施例を説明する。図８は第７実施例の横断面図である。本実施例は、図１の第１実施例よりも高燃焼度化を図るために、１１行１１列（１１×１１）に燃料棒を配列して、燃料棒の数を増やしたものである。即ち、１０５本の燃料棒１１を１１×１１の正方格子状に配列し、中央部の４行４列（４×４）の燃料棒（１６本の燃料棒）が配置可能な領域に１本の四角筒型の水ロッド２３が配置されている。燃料集合体をその対角線１３ａで制御棒側と反制御棒側に領域分けした場合、水ロッド２３は制御棒側に偏って配置されている。従って、本実施例でも、第１の実施例と同等な効果が得られる。
【００３８】
尚、以上の実施例では核燃料物質として濃縮ウランを用いる例を説明したが、濃縮ウランの一部または全部をプルトニウムを富化したウランに置き換えた燃料を用いても良く、この場合も上記の各実施例と同様な効果が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
第１及び第２の発明によれば、制御棒側水ギャップ幅と反制御棒側水ギャップ幅とがほぼ等しい炉心に燃料集合体を装荷しても、高燃焼度化を図りつつ炉停止余裕を増大できる。第３の発明によれば、上記効果に加えて、更に熱的余裕も増大できる。
【００４０】
第４の発明によれば、更にボイド係数の絶対値を低減できる。第５の発明によれば、熱的余裕を更に増大できる。第６の発明によれば、炉停止余裕を更に増大できる。第７の発明によれば、四角筒状の水ロッドを用いた場合に比べて中性子経済性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料集合体の第１実施例の横断面図。
【図２】本発明による燃料集合体の第１実施例の概略縦断面図。
【図３】本発明による燃料集合体の第２実施例の横断面図。
【図４】本発明による燃料集合体の第３実施例の横断面図。
【図５】本発明による燃料集合体の第４実施例の横断面図。
【図６】本発明による燃料集合体の第５実施例の横断面図。
【図７】本発明による燃料集合体の第６実施例の横断面図。
【図８】本発明による燃料集合体の第７実施例の横断面図。
【符号の説明】
１，２，３，４，１０…燃料棒、１ａ，１２…短尺燃料棒、９…Ｇｄ燃料棒、１１…長尺燃料棒、１３…チャンネルボックス、１４…上部タイプレート、１５…下部タイプレート、１６…スペーサ、１７…チャンネルファスナ、１８…コーナーポスト、２１，２２，２３…水ロッド、２４…制御棒。
【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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