JP6965200B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料集合体に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な燃料集合体に関する。

沸騰水型原子炉の炉心には、複数の燃料集合体が装荷されている。燃料集合体は、核燃料物質（例えば、酸化ウラン）を含む複数の燃料ペレットを封入した複数の燃料棒、燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート（上部燃料支持部材）、燃料棒の下端部を支持する下部タイプレート（下部燃料支持部材）、燃料棒間の間隔を保持する複数の燃料スペーサ、水ロッド、及び横断面が正方形状である角筒状のチャンネルボックスを有する。チャンネルボックスは、上端部が上部タイプレートに取り付けられて下部タイプレートへ向かい伸びており、軸方向に配置された複数の燃料スペーサによって束ねられた複数の燃料棒を取り囲んでいる。水ロッドは燃料集合体の横断面の中央部に配置され、水ロッドの周囲には、複数の燃料棒が配置される。水ロッドの下端部が下部タイプレートに支持され、水ロッドの上端部が上部タイプレートに支持される。各燃料棒は、被覆管を有し、この被覆管の下端部を下部端栓で封鎖して被覆管の上端部を上部端栓で封鎖しており、核燃料物質を含む複数の燃料ペレットを被覆管内に充填して構成される。被覆管内には、ガスプレナムが、それらの燃料ペレットが充填された領域の上方に形成される。

原子炉出力を制御するために、複数の制御棒が炉心内に挿入されている。また、燃料集合体内の一部の燃料棒は、可燃性毒物、例えば、ガドリニウム（Ｇｄ）を含むガドリニア：Ｇｄ₂Ｏ₃）が存在する燃料ペレットを内部に充填している。制御棒及び可燃性毒物は、核燃料物質の核***によって余分に発生した中性子を吸収する。可燃性毒物は、中性子の吸収により中性子を吸収しにくい物質に変わっていく。このため、炉心内に装荷された新燃料集合体（燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体）に含まれる可燃性毒物は、新燃料集合体が炉心に装荷されてから原子炉の或る運転期間が経過すると消滅する。可燃性毒物が消滅した燃料集合体は、核燃料物質が燃焼するにつれて反応度が単調に減少していく。炉心には、炉心内に滞在した運転サイクル数が異なる複数の燃料集合体が装荷されているため、炉心全体として原子炉の運転期間を通して臨界状態が維持される。

原子炉から取り出された使用済燃料集合体に含まれるウラン燃料を再処理して得られるプルトニウム（Ｐｕ）などの物質を核燃料物質とし、この核燃料物質を成型加工して用いた燃料集合体は、ＭＯＸ燃料集合体と呼ばれる。このＭＯＸ燃料集合体でも可燃性毒物が使用される。しかし、ＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心は中性子の平均エネルギーが高くなる(中性子のエネルギースペクトルが硬くなる)ため、可燃性毒物の中性子吸収効果は小さくなる。この現象は、ウラン燃料を用いた燃料集合体においても、濃縮度の高い核燃料物質を用いた場合にも起こる。

また、プルトニウムは再処理により取り出されるため、ウラン燃料と異なり、プルトニウム富化度を高めるための濃縮過程が必要ない。すなわち、ＭＯＸ燃料集合体の高富化度化は比較的低コストで可能となるため、高富化度ＭＯＸ燃料集合体による高燃焼度化がコスト低減に有効である。しかし、可燃性毒物を含むウラン燃料棒をＭＯＸ燃料集合体で用いると、ＭＯＸ燃料集合体におけるプルトニウム装荷量が減少するため、ＭＯＸ燃料集合体の高富化度化が妨げられる。このため、可燃性毒物を含有したウラン燃料棒の本数を最小限とするため、可燃性毒物の価値を高める必要がある。

燃料集合体相互間に存在する飽和水領域は、ボイドが発生する、燃料集合体の内部領域よりも水密度が高い。可燃性毒物の価値を高めるためには、燃料集合体の横断面において、その飽和水領域に隣接する最外周領域に、可燃性毒物を含む燃料棒を配置するとよい。さらに、燃料集合体の高燃焼度化と共に、長期サイクル運転を考えると、可燃性毒物を含む燃料棒内の可燃性毒物の濃度を増大させなければならない。燃料集合体の横断面で、最外周領域を除く中性子スペクトルの硬い位置に可燃性毒物を含む燃料棒を配置することによって、長期間に亘ってその燃料棒内の可燃性毒物を燃え尽きることなく維持することができるが、上記の理由により、可燃性毒物を含む燃料棒をその最外周領域に配置することが望ましい。可燃性毒物の、燃料棒内の核燃料物質への添加量は、可燃性毒物を含む燃料棒の製造性、及び可燃性毒物を含む燃料棒の熱伝導率の低下等の問題により上限がある。

低富化度のＭＯＸ燃料集合体では、冷却水中のボイド率が変化した場合における反応度変化を示す指標であるボイド反応度係数は負になる。低富化度のＭＯＸ燃料集合体におけるボイド反応度係数の絶対値は、ウランを含みプルトニウムを含まない燃料集合体のそれよりも大きくなる。これは、沸騰水型原子力プラントの運転時の平均的なボイド率よりもボイド率が低下した場合には、炉心に反応度が投入されるため、冷温停止時における反応度の増加量も大きくなり、炉停止余裕が低下することにつながる。したがって、一般的には、制御棒における中性子吸収量の増大、及び燃料集合体への可燃性毒物の添加量の増加により、低富化度のＭＯＸ燃料集合体におけるボイド反応度係数は、従来と同等となるように調整される。

そこで、特開２００２−１８９０９４号公報及び特開２００１−５６３８８号公報に記載された技術が提案されている。

特開２００２−１８９０９４号公報は、１本の部分長燃料棒、及びこの部分長燃料棒に隣接する、可燃性毒物を含有する２本の燃料棒を、燃料集合体の横断面における最外周領域に配置し（図４）、さらに、１本の部分長燃料棒、及びこの部分長燃料棒に隣接する、可燃性毒物を含有する２本の燃料棒を、水ロッドの周囲に配置する（図１）、沸騰水型原子力プラントに用いられる燃料集合体を記載する。燃料集合体の横断面における最外周領域は、燃料集合体のチャンネルボックスの内面に隣接して配置される複数の燃料棒が配置され、チャンネルボックスの内面から一列目の燃料棒配列が存在する領域である。部分長燃料棒の軸方向における長さは、可燃性毒物を含む燃料棒のその長さよりも短くなっている。その部分長燃料棒の真上の領域には、核燃料物質が配置されていなく、沸騰水型原子力プラントの運転時においてボイドを含む冷却水が流れ、沸騰水型原子力プラントの停止時において常温の水が満たされる。このような燃料集合体では、部分長燃料棒の上端よりも上方において可燃性毒物を含む燃料棒の周囲で冷却水の流れる領域が拡大したことになる。部分長燃料棒の真上の領域では、沸騰水型原子力プラントの運転時と沸騰水型原子力プラントの停止時（冷温時）とにおける熱中性子生成量の差が大きくなる。部分長燃料棒に可燃性毒物を含む燃料棒を隣接させることによって、部分長燃料棒の真上の領域にも可燃性毒物を含む燃料棒を隣接させることができ、冷温時において、可燃性毒物を含む燃料棒における可燃性毒物の価値を増大させることができ、炉停止余裕も向上できる。

また、特開２００１−５６３８８号公報は、特開２００２−１８９０９４号公報と同様に、１本の部分長燃料棒、及びこの部分長燃料棒に隣接する、可燃性毒物を含有する２本の燃料棒を、燃料集合体の横断面における最外周領域に配置する（図１）、沸騰水型原子力プラントに用いられる燃料集合体を記載する。特開２００１−５６３８８号公報に記載された燃料集合体では、１本の部分長燃料棒、及びこの部分長燃料棒に隣接する、可燃性毒物を含有する２本の燃料棒を、正方形状の最外周領域の４つの辺のそれぞれに配置し、その部分長燃料棒を、最外周領域の４つの辺のそれぞれの中央に配置している。

特開２００２−１８９０９４号公報 特開２００１−５６３８８号公報

特開２００２−１８９０９４号公報では、燃料集合体の横断面の最外周領域に、部分長燃料棒、及びこの部分長燃料棒に隣接させた、可燃性毒物を含む燃料棒を配置することによって、炉停止余裕を向上させている。部分長燃料棒は、一般的に、燃料集合体の下部領域に配置されるため、その下部領域で部分長燃料棒が発熱しており、この部分長燃料棒により下部領域で蒸気(ボイド)が発生する。この結果、部分長燃料棒の真上の領域では、燃料棒が存在しなくても部分長燃料棒の周囲の領域と同等のボイド率となる。部分長燃料棒の真上の領域の減速材の流路面積は、周囲の領域よりも大きいことから、沸騰水型原子力プラントの運転時と冷温時との水の個数の変化が大きくなる。冷温時に水により減速された中性子は隣接する可燃性毒物を含む燃料棒に吸収されやすくなるために、炉停止余裕が増大される。これは、特開２００２−１８９０９４号公報の図４に示された燃料集合体では、その運転時における、可燃性毒物を含む燃料棒内の可燃性毒物の価値が増大していないことを意味する。

また、特開２００１−５６３８８号公報に記載された燃料集合体は、部分長燃料棒、及びこれに隣接させた、可燃性毒物を含む燃料棒を、正方形状の最外周領域の４つの辺のそれぞれの中央に配置している。燃料集合体の相互間に形成される飽和水領域で生成される熱中性子は、最外周領域の四隅の各コーナーにおいて最も多くなり、最外周領域の４つの辺の中央では比較的少なくなるが、チャンネルボックス内部よりも多いために、運転時の可燃性毒物の価値は高くなる。しかし、部分長燃料棒が隣接することによる運転時の可燃性毒物の価値の変化は小さい。さらに、運転時における、燃料集合体の外部の飽和水領域では、ボイドが発生していないため、運転時と冷温時の水の密度差は小さい。このことは、運転時と冷温時の熱中性子生成量の変化が小さく、炉停止余裕を向上させる効果が小さくなる。しかし、特開２００２−１８９０９４号公報と同様に部分長燃料棒を隣接することで炉停止余裕を向上している。つまり、特開２００１−５６３８８号公報では、燃料集合体の最外周領域の４辺のそれぞれの中央に部分長燃料棒を配置することにより、さらなる炉停止余裕の向上を目ざしているが、前述のように運転時の可燃性毒物の価値を高める観点では、１本の可燃性毒物を含む燃料棒を燃料集合体の最外周領域の各辺に配置して得られる効果のみとなる。

本発明の目的は、炉停止余裕を増大させ、且つ可燃性毒物の価値を高めることができる燃料集合体を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、下部燃料支持部材と、上部燃料支持部材と、
上端部が上部燃料支持部材に取り付けられて下部燃料支持部材に向かって伸びている筒状のチャンネルボックスと、
下端部が下部燃料支持部材に支持されて上端部が上部燃料支持部材に支持され、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数の第１燃料棒と、
下端部が下部燃料支持部材に支持されて上端部が上部燃料支持部材に支持され、核燃料物質及び可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒と、
下端部が下部燃料支持部材に支持されて上端部が上部燃料支持部材に支持されていなく、第１燃料棒及び第２燃料棒よりも軸方向の長さが短くて核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数の第３燃料棒とを備え、
複数の第１燃料棒、複数の第２燃料棒及び複数の第３燃料棒が、チャンネルボックスの内側に配置された燃料集合体であって、
２本の前記第３燃料棒を、隣接させて、燃料集合体の横断面においてチャンネルボックスの内面に隣接する最外周領域に配置し、
隣接して配置された２本の第３燃料棒うちの少なくとも１本に、その最外周領域に配置された第２燃料棒を隣接させて配置することにある。

本発明によれば、最外周領域において、２本の第３燃料棒を隣接して配置し、隣接して配置された２本の第３燃料棒うちの少なくとも１本に、その最外周領域に配置された第２燃料棒を隣接させて配置しているため、隣接した２本の第３燃料棒の相互間に存在する冷却水領域の、原子力プラントの運転時におけるボイド率が大幅に低減される。このようにボイド率が低下するその冷却水領域では冷却水の減速作用により中性子の減速が促進され熱中性子を多く生成するため、その第３燃料棒に隣接して配置された第２燃料棒に含まれる可燃性毒物の価値を増大させることができる。さらに、原子力プラントの運転停止時、すなわち、冷温時において、最外周領域では隣接している２本の第３燃料棒の上端の真上の領域に飽和水領域が形成され、この飽和水領域の形成により、燃料集合体の相互間に形成された飽和水領域が、実質的に、拡張され、炉心内の制御棒に隣接する飽和水領域が増加される。このため、原子炉の炉停止余裕が向上する。

本発明によれば、炉停止余裕を増大させ、且つ可燃性毒物の価値を高めることができる。

本発明の好適な一実施例である、改良型沸騰水型原子力プラントに適用される実施例１の燃料集合体の横断面図であって、図３のＩ−Ｉ断面図である。 図１に示す燃料集合体に含まれる各燃料棒の核***性プルトニウム富化度及び可燃性毒物の濃度を示す説明図である。 図１に示す燃料集合体の縦断面図である。 図１に示す燃料集合体が装荷される、改良型沸騰水型原子力プラントの原子炉の縦断面図である。 隣り合う２本の部分長燃料棒、及びこれらの部分長燃料棒のそれぞれに別々に隣接する、可燃性毒物を含有する２本の燃料棒（全長燃料棒）が、燃料集合体の横断面における最外周領域に配置された状態（ケース１）を示す説明図である。 １本の部分長燃料棒、及びこの部分長燃料棒に隣接する、可燃性毒物を含有する２本の燃料棒（全長燃料棒）が、燃料集合体の横断面における最外周領域に配置された状態（ケース２）を示す説明図である。 図５に示すケース１及び図６に示すケース２のそれぞれに対する、燃料集合体の横断面における最外周領域に配置された各燃料棒とチャンネルボックスとの間のボイド率分布を示す説明図である。 図５に示すケース１及び図６に示すケース２のそれぞれに対する、燃料集合体の横断面における最外周領域に配置された各燃料棒とチャンネルボックスの内面から二列目に配置された各燃料棒との間のボイド率分布を示す説明図である。 本発明の好適な他の実施例である、改良型沸騰水型原子力プラントに適用される実施例２の燃料集合体の横断面図である。 図９に示す燃料集合体に含まれる各燃料棒の核***性プルトニウム富化度及び可燃性毒物の濃度を示す説明図である。 本発明の好適な他の実施例である、改良型沸騰水型原子力プラントに適用される実施例３の燃料集合体の横断面図である。 図１１に示す燃料集合体に含まれる各燃料棒の核***性プルトニウム富化度及び可燃性毒物の濃度を示す説明図である。 本発明の好適な他の実施例である、改良型沸騰水型原子力プラントに適用される実施例４の燃料集合体の横断面図である。 図１３に示す燃料集合体に含まれる各燃料棒の核***性プルトニウム富化度及び可燃性毒物の濃度を示す説明図である。

本発明者等は、種々の検討を重ね、炉停止余裕を向上させ、運転時の可燃性毒物の価値を高める新たな構成を見出した。この検討結果及び新たに見出した燃料集合体の概要を以下に説明する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）のＭＯＸ燃料のプルトニウム富化度を高めるためには、前述したように、できるだけ、可燃性毒物を含む燃料棒の本数を低減する必要がある。さらに、運転サイクルの長期化のためには、可燃性毒物の濃度を高める必要があるが、例えば、可燃性毒物として用いられるガドリニウム（Ｇｄ）は、一般的に、濃度１０ｗｔ％を上限として使用される場合が多い。この上限の濃度は、前述の燃料棒の製造性、及び可燃性毒物を含む燃料棒の熱伝導率の低下等の問題によって決められる。可燃性毒物を含む燃料棒の本数を低減するためには、燃性毒物を含む燃料棒を中性子吸収効果が大きい位置に配置すれば良い。そこで、本発明の発明者らは、燃料集合体の横断面の、チャンネルボックスの内面に隣接する最外周領域に、可燃性毒物を含む燃料棒を配置した。

一般的に、ＭＯＸ燃料集合体では、中性子の照射により生じる核***性プルトニウムの核***時におけるガス発生による燃料棒の内圧上昇を抑えるために、核***性プルトニウムが充填された燃料棒の上部に形成されるガスプレナムの長さを、ウランを含みプルトニウムを含まない燃料棒のガスプレナムの長さよりも長くし、その分、核***性プルトニウムが存在する燃料有効長の軸方向の長さを短くする。核***性プルトニウムが充填された燃料棒及びウランを含みプルトニウムを含まない燃料棒をそれぞれ含むＭＯＸ燃料集合体では、前者の燃料棒の燃料有効長の軸方向の長さは後者の燃料棒の燃料有効長の軸方向の長さよりも短いが、それらの燃料棒における燃料有効長の差は、後者の燃料棒の上端部に存在する、天然ウランを配置するブランケットの長さと同等であり、炉心特性への影響が小さい。

ＭＯＸ燃料集合体等の燃料集合体は、下端部が下部タイプレートに支持されて上端部が上部タイプレートに支持される複数の燃料棒（以下、便宜的に、全長燃料棒という）、下端部が下部タイプレートに支持されて上端部が上部タイプレートに支持されていなく、軸方向の長さが全長燃料棒の軸方向長さよりも短い複数の部分長燃料棒を有する。燃料集合体内に設置される部分長燃料棒は、燃料集合体の圧力損失を低減させ、同じ圧力損失の条件下では、燃料集合体内の燃料装荷量を増加させる。

ＭＯＸ燃料集合体においてプルトニウム富化度を高めるためには、部分長燃料棒を燃料集合体の横断面における最外周領域に配置すると良い。これは、燃料集合体の横断面における燃料棒単位の出力分布の平坦化の観点から、一般的なＭＯＸ燃料集合体では、最外周領域に配置された燃料棒に含まれるプルトニウム富化度を、燃料集合体におけるプルトニウム富化度の平均値よりも低くすることにより、燃料集合体相互間に存在する、ボイドが発生していない飽和水領域で生成した熱中性子による核***反応を抑制しており、燃料集合体内のプルトニウム富化度が高い燃料棒を部分長燃料棒にするよりも、プルトニウム富化度の低い燃料棒を部分長燃料棒にするほうが、結果的に、ＭＯＸ燃料集合体の平均のプルトニウム富化度を高められるからである。

さらに、発明者らは、沸騰水型原子力プラントの運転時の、最外周領域付近における燃料集合体内の部分長燃料棒の上端よりも上方でのボイド率分布に着目した。ケース１及びケース２のそれぞれの、そのボイド率分布について説明する。

ケース１は、隣り合う２本の部分長燃料棒、及びこれらの部分長燃料棒のそれぞれに別々に隣接する、可燃性毒物を含有する２本の燃料棒（全長燃料棒）が、燃料集合体の横断面における最外周領域に配置された燃料集合体（図５参照）を対象にしている。このケース１の燃料集合体は、本発明の燃料集合体に相当する。ケース２は、１本の部分長燃料棒、及びこの部分長燃料棒に隣接する、可燃性毒物を含有する２本の燃料棒（全長燃料棒）が、燃料集合体の横断面における最外周領域に配置された燃料集合体（図６参照）を対象にしている。このケース２の燃料集合体は、特開２００２−１８９０９４号公報及び特開２００１−５６３８８号公報に記載された燃料集合体に相当する。

図５及び図６に記載されたＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥのそれぞれは、燃料集合体内において、最外周領域に配置された各燃料棒（チャンネルボックスの内面から一列目に配置された各燃料棒）とチャンネルボックスの内面との間で、最外周領域に配置された各燃料棒の相互間に形成されるそれぞれの減速材領域（冷却水領域）（図５及び図６参照）を示している。また、図５及び図６に記載されたＦ，Ｇ，Ｈ，Ｉ及びＪのそれぞれは、燃料集合体内において、最外周領域に配置された各燃料棒とチャンネルボックスの内面から二列目に配置された各燃料棒との間で、この二列目に配置された各燃料棒の相互間に形成されるそれぞれの減速材領域（冷却水領域）（図５及び図６参照）を示している。

図７は、ケース１及びケース２のそれぞれに対して、各燃料棒の出力が同じである場合における、上記した減速材領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥのそれぞれでのボイド率を、減速材領域Ａのボイド率に対する相対値で示している。また、図８は、ケース１及びケース２のそれぞれに対して、各燃料棒の出力が同じである場合における、上記した減速材領域Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ及びＪのそれぞれでのボイド率を、減速材領域Ａのボイド率に対する相対値で示している。

最外周領域内で２本の部分長燃料棒が隣接したケース１では、部分長燃料棒の真上の領域で、核燃料物質が存在しない関係上、発生熱量が大きく低下するため、減速材領域Ｃ及びＨにおけるボイド率は、大きく低下し、最外周領域内で１本の部分長燃料棒が配置されたケース２の減速材領域Ｃ及びＨにおけるボイド率よりも低くなる。特に、ケース１における減速材領域Ｃのボイド率の、減速材領域Ａのボイド率からの低下度合いは、ケース２における減速材領域Ｃのボイド率の、減速材領域Ａのボイド率からの低下度合いの２倍よりも大きくなっている。また、ケース２では、減速材領域Ｃよりも燃料集合体の中心軸側に位置する減速材領域Ｈのボイド率は減速材領域Ａのボイド率と実質的に同じなのに対して、ケース１では、減速材領域Ｈのボイド率は減速材領域Ａのボイド率よりも低下している。

ケース１では、最外周領域で隣接して配置された２本の部分長燃料棒間に存在する減速材領域Ｃの、沸騰水型原子力プラントの運転時におけるボイド率が大幅に低減される。このようにボイド率が低下する領域（例えば、減速材領域Ｃ）では中性子の減速が促進され熱中性子を多く生成するため、可燃性毒物を含む燃料棒をその領域の近傍に配置すれば、その燃料棒内の可燃性毒物の価値を増大させることができる。

また、二次的な効果として、燃料集合体の横断面において平均的なボイド率が同じである場合、最外周領域で２本の部分長燃料棒を互いに隣接させてボイド率を低下させると、燃料集合体の横断面における、２本の部分長燃料棒の周囲以外の領域（減速材領域Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＨ以外の領域）では、ボイド率が増大する。ボイド率の増大は、核燃料物質に含まれる核***性物質の核***を抑制するため、部分長燃料棒に隣接する、可燃性毒物を含む燃料棒内の可燃性毒物の実効的な価値を増大させると共に、可燃性毒物を含む燃料棒内の核***性物質、及び可燃性毒物を含む燃料棒に隣接する他の燃料棒に含まれる核***性物質を温存することができる。

原子炉の安全性を確保するための基準の一つに炉停止余裕がある。この炉停止余裕は、原子力プラントの運転停止時（冷温時）において、反応度価値の最も大きい制御棒１本が完全に炉心から引き抜かれたときでも、炉心を未臨界とし、臨界状態との実効増倍率の差を余裕としている。燃料集合体の横断面での最外周領域に２本の部分長燃料棒を隣接させて配置することによって、冷温時において、最外周領域では２本の部分長燃料棒の上端の真上の領域に飽和水領域が形成され、この飽和水領域の形成により、燃料集合体の相互間に形成された飽和水領域が、実質的に、拡張され、制御棒に隣接する飽和水領域が増加する。このため、原子炉の炉停止余裕が向上する。

さらに、発明者らは、燃料集合体の横断面における最外周領域での部分長燃料棒の配置位置についても検討した。その最外周領域は燃料集合体相互間に存在する飽和水領域に面しており、最外周領域に配置された各燃料棒は、燃料集合体の横断面において最外周領域以外の領域に配置された他の燃料棒よりも多くの熱中性子が供給される。つまり、少ない核燃料物質で多くのエネルギーを生成できる。この効果が最も大きな場所は、最外周領域のコーナー部である。部分長燃料棒配置位置では燃料集合体上部に核燃料物質が存在しないため、この効果を得られず、実効増倍率の損失となる。最外周領域において一つのコーナー部とこのコーナー部に隣り合う他のコーナー部を結んだ辺で両方のコーナー部から最も遠い位置(最外周領域においてその辺の中点)で実効増倍率の損失が小さくなる。このため、実効増倍率の損失を最小限にするためには、最外周領域において一つのコーナー部とこのコーナー部に隣り合う他のコーナー部を結んだ辺でこれらのコーナー部から遠い位置である、最外周領域における辺の中央部に部分長燃料棒を配置するのが望ましい。

上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に図面を用いて説明する。

なお、以下の各実施例の燃料集合体は、インターナルポンプを備えた改良型沸騰水型原子力プラント（ＡＢＷＲプラント）への適用を例にして説明するが、ＡＢＷＲプラントへの適用に限られるものではない。例えば、以下の各実施例の燃料集合体は、再循環ポンプ及び再循環系配管を有する再循環系、及びジェットポンプを備えた通常の沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）、及びチムニを設け、これにより冷却水の自然循環で炉心を冷却する自然循環型の沸騰水型原子力プラント等に適用することが可能である。

本発明の好適な一実施例である、改良型沸騰水型原子力プラントに適用される実施例１の燃料集合体を、図１、図２及び図３を用いて説明する。

本実施例の燃料集合体を説明する前に、この燃料集合体が適用される改良型沸騰水型原子力プラント（ＡＢＷＲプラント）の原子炉の概略構造を、図４に基づいて説明する。この原子炉２０は、原子炉圧力容器２１を有し、複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心２３を原子炉圧力容器２１内に配置している。原子炉圧力容器２１内において、円筒状の炉心シュラウド２２が炉心２３を取り囲み、炉心２３の上方に配置された気水分離器２４が炉心シュラウド２２の上端部に設置され、さらに、蒸気乾燥器２５が、気水分離器２４の上方に配置されて原子炉圧力容器２１の内面に設置される。環状のダウンカマ２７が、炉心シュラウド２２の外面と原子炉圧力容器２１の内面の間に形成される。ダウンカマ２７内に配置されたインターナルポンプ２６が、原子炉圧力容器２１の底部を貫通して下方に向かって伸びており、原子炉圧力容器２１に取り付けられる。主蒸気配管２９および給水配管３０が、原子炉圧力容器２１に接続される。

なお、図４には図示していないが、下部プレナム２８が、原子炉圧力容器２１内で炉心２３の下方に形成される。下部プレナム２８には、複数の制御棒案内管が配置されている。燃料集合体１０の核反応を制御する横断面が十字形をしている複数の制御棒３１（図１参照）が、それらの制御棒案内管内に別々に配置される。複数の制御棒駆動機構ハウジング（図示せず）が、原子炉圧力容器２１の底部に取り付けられ、その底部から下方に向かって伸びている。制御棒駆動機構（図示せず）が、それぞれの制御棒駆動機構ハウジング内に配置され、制御棒３１に連結されている。

炉心２３に装荷された複数の燃料集合体１０は、図３に示すように、複数の燃料棒１１、上部タイプレート（上部燃料支持部材）１４、下部タイプレート１５（下部燃料支持部材）、軸方向に配置される複数の燃料スペーサ１７及びチャンネルボックス１６を有する。

複数の燃料棒１１は、下端部が下部タイプレート１５に支持されて上端部が上部タイプレート１４に支持される複数の燃料棒１２、及び軸方向の長さが燃料棒（以下、便宜的に、全長燃料棒という）１２よりも短く、下端部が下部タイプレート１５に支持されて上端部が上部タイプレーと１４に支持されていない複数の部分長燃料棒１３を含んでいる。

各全長燃料棒１２及び各部分長燃料棒１３は、被覆管（図示せず）を有し、この被覆管の下端部を下部端栓（図示せず）で封鎖して被覆管の上端部を上部端栓（図示せず）で封鎖しており、核燃料物質を含む複数の燃料ペレット（図示せず）を被覆管内に充填して構成される。被覆管内には、ガスプレナム（図示せず）が、それらの燃料ペレットが充填された領域の上方に形成される。

本実施例では、複数の全長燃料棒１２が、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数の燃料棒、及び核燃料物質及び可燃性毒物を含む燃料棒を含んでいる。複数の部分長燃料棒は、前者の、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数の燃料棒である。

２本の水ロッドＷＲが、燃料集合体１０の横断面の中央部に配置され、周囲を複数の燃料棒１１によって取り囲まれる（図１参照）。これらの水ロッドＷＲの下端部が下部タイプレート１５に支持され、それらの上端部が上部タイプレーと１４に支持される。全ての燃料棒１１及び２本の水ロッドＷＲは、燃料棒１１の相互間、及び水ロッドＷＲとこれに隣接する燃料棒１１の間に所定幅のスペースを形成するように、燃料棒１１の軸方向において所定の間隔に配置された複数の燃料スペーサ１７によって束ねられている。複数の燃料スペーサ１７によって束ねられた燃料棒１１及び水ロッドＷＲの束は、横断面が正方形状の角筒であるチャンネルボックス１６内に配置される。なお、燃料棒１１の相互間、及び水ロッドＷＲとこれに隣接する燃料棒１１の間にそれぞれ形成された所定幅のスペースは、冷却水が流れる冷却水通路となる。

このチャンネルボックス１６は、上端部が上部タイプレーと１４に取り付けられ、上部タイプレーと１４から下部タイプレート１５に向かって伸びている。チャンネルボックス１６は、上部タイプレーと１４から下部タイプレート１５のそれぞれの側面を取り囲んでいる。

ハンドルが、上部タイプレート１４に設けられる。燃料集合体１０を炉心２３と燃料貯蔵プール（図示せず）との間で移送させる際、そのハンドルは、燃料交換機（図示せず）によって把持される。

燃料集合体１０は、図１に示すように、複数の燃料棒１１を、燃料集合体１０の横断面において、１０行１０列の正方格子でチャンネルボックス１６内に配置している。複数の燃料棒１１は、全長燃料棒１２である全長燃料棒１〜４、Ｇ１及びＧ２を含み、部分長燃料棒１３である部分長燃料棒Ｐ１及びＰ２を含む。全長燃料棒１〜４及び部分長燃料棒Ｐ１及びＰ２は、核燃料物質を含み可燃性毒物を含んでいない燃料棒である。全長燃料棒Ｇ１及びＧ２は、核燃料物質及び可燃性毒物を含む燃料棒である。全長燃料棒１〜４及び部分長燃料棒Ｐ１及びＰ２のそれぞれの核燃料物質は核***性プルトニウム（Ｐｕｆ）（例えば、Ｐｕ−２３９及びＰｕ−２４１等）を含んでおり、全長燃料棒Ｇ１及びＧ２のそれぞれの核燃料物質は核***性ウラン（例えば、Ｕ−２３５）を含んでおりプルトニウムを含んでいない。全長燃料棒Ｇ１及びＧ２は、可燃性毒物であるガドリニウム（Ｇｄ）を含むガドリニア（Ｇｄ₂Ｏ₃）を有する。燃料集合体１０は、図２に示すように、３０本の全長燃料棒１、１２本の全長燃料棒２、１６本の全長燃料棒３、４本の全長燃料棒４、それぞれ８本の全長燃料棒Ｇ１及びＧ２、６本の部分長燃料棒Ｐ１、及び８本の部分長燃料棒Ｐ２を有する。

全長燃料棒１〜４、Ｇ１及びＧ２、及び部分長燃料棒Ｐ１及びＰ２のそれぞれの核燃料物質及び可燃性毒物の組成を、図２を用いて説明する。

全長燃料棒１の核***性プルトニウム富化度は９．２ｗｔ％である。全長燃料棒２の核***性プルトニウム富化度は６．９ｗｔ％である。全長燃料棒３の核***性プルトニウム富化度は３．０ｗｔ％である。全長燃料棒４の核***性プルトニウム富化度は１．８ｗｔ％である。部分長燃料棒Ｐ１の核***性プルトニウム富化度は９．２ｗｔ％である。部分長燃料棒Ｐ２の核***性プルトニウム富化度は６．９ｗｔ％である。部分長燃料棒Ｐ１の軸方向の長さは、部分長燃料棒Ｐ２のその長さよりも短い。全長燃料棒Ｇ１では、ウラン濃縮度が４．９ｗｔ％であり、可燃性毒物であるガドリニウム（Ｇｄ）の濃度が７．０ｗｔ％である。全長燃料棒Ｇ２では、ウラン濃縮度が全長燃料棒Ｇ１と同じく４．９ｗｔ％であり、ガドリニウム（Ｇｄ）の濃度が１．５ｗｔ％である。なお、部分長燃料棒Ｐ２の上端と全長燃料棒１〜４の燃料有効長の上端との間での、燃料集合体１０の横断面における核***性プルトニウムの平均富化度は、５．３ｗｔ％である。また、部分長燃料棒Ｐ２の上端よりも下方での燃料集合体１０の横断面における核***性プルトニウムの平均富化度は、６．９ｗｔ％である。

全長燃料棒１〜４、Ｇ１及びＧ２は、下部タイプレート１５に支持される下端部、すなわち、下部端栓の下端から、上部タイプレート１４に支持される上端部、すなわち、上部端栓の上端までの長さは同じである。

全長燃料棒１〜４のそれぞれの燃料有効長の軸方向における長さは、全長燃料棒１〜４において同じであり、全長燃料棒Ｇ１及びＧ２の燃料有効長の軸方向における長さよりも、全長燃料棒Ｇ１及びＧ２の燃料有効長の軸方向における長さＬの１／２４だけ、すなわち、Ｌ／２４だけ短くなっている。全長燃料棒Ｇ１及びＧ２のそれぞれの燃料有効長の軸方向の長さは同じであり、全長燃料棒Ｇ１及びＧ２の燃料有効長の軸方向における長さＬは、３．７ｍである。全長燃料棒１〜４のそれぞれは、全長燃料棒Ｇ１及びＧ２よりも燃料有効長がＬ／２４だけ短い分、燃料棒内に形成されるガスプレナムの軸方向の長さが全長燃料棒Ｇ１及びＧ２のそれよりも長くなっている。燃料有効長は、燃料棒内において核燃料物質が充填されている領域の燃料棒軸方向における長さである。なお、部分長燃料棒Ｐ１の燃料有効長は、全長燃料棒１〜４の燃料有効長よりも短い。

全長燃料棒１〜４、Ｇ１及びＧ２、及び部分長燃料棒Ｐ１及びＰ２、及び２本の水ロッドＷＲのそれぞれは、図１に示すように、燃料集合体１０の横断面に配置される。それぞれの水ロッドＷＲは、燃料集合体１０の横断面において、４本の燃料棒１１が配置可能な領域を占有する。

複数の燃料集合体１０が装荷された炉心２３では、実質的に、互いに隣り合う４体の燃料集合体１０に対して１体の制御棒３１が配置される。この１体の制御棒３１は互いに隣り合う４体の燃料集合体１０の相互間に挿入される。その相互間への制御棒３１の挿入、及びその相互間からの制御棒の引抜きを行うことにより、原子炉出力が制御される。互いに隣り合う４体の燃料集合体１０では、それぞれの燃料集合体１０の横断面において存在する４つのコーナー部のうちの一つが、制御棒３１と向き合っている。

チャンネルボックス１６は、チャンネルファスナ（図示せず）によって上部タイプレート１４に取り付けられる。チャンネルファスナは、炉心２３に装荷された各燃料集合体１０の前述した４つのコーナー部のうち、制御棒３１と向き合う１つのコーナー部に配置される。互いに隣り合う４体の燃料集合体１０のそれぞれのコーナー部に配置された各チャンネルファスナは、互いに接触して、４体の燃料集合体１０相互間に制御棒３１が挿入できるように、隣り合う燃料集合体１の相互間の間隔を所定幅に維持する。

燃料集合体１０の横断面において、チャンネルボックス１６の内面に隣接する、正方形状の最外周領域内には、チャンネルボックス１６の内面から一列目に配置された３６本の燃料棒１１が配置される。換言すれば、チャンネルボックス１６の内面から一列目の全ての燃料棒１１が配置された領域が、燃料集合体１０の横断面における最外周領域である。この最外周領域の４つのコーナー部（燃料集合体１０の横断面の四隅に存在）には、それぞれ、核***性プルトニウムを含んでいる全長燃料棒１〜４、及び部分長燃料棒Ｐ１及びＰ２のうち核***性プルトニウム富化度が最も小さい１本の全長燃料棒４が配置される。最外周領域の隣り合うコーナー部を結ぶ直線、具体的には、その隣り合うコーナー部に配置されたそれぞれの全長燃料棒４の横断面の中心を結ぶ直線を、最外周領域の辺という。正方形状の最外周領域には、４つの辺が存在する。

最外周領域では、各辺の中点付近、すなわち、中央部に、２本の部分長燃料棒Ｐ２が互いに隣接して配置される。燃料集合体１０では、８本の可燃性毒物を含む全長燃料棒Ｇ１の全てが最外周領域に配置され、最外周領域の各辺には全長燃料棒Ｇ１が２本ずつ配置される。さらに、各辺では、それぞれの全長燃料棒Ｇ１が、別々の部分長燃料棒Ｐ２にコーナー部側で隣接して配置される。隣接する２本の部分長燃料棒Ｐ２の相互間には、他の燃料棒１１は１本も存在しない。全長燃料棒Ｇ２が、チャンネルボックス１６の内面から二列目の燃料棒配列の４つのコーナー部にそれぞれ配置される。残りの４本の全長燃料棒Ｇ２は、各水ロッドＷＲに２本ずつ隣接して配置される。

２本の水ロッドＷＲは、燃料集合体１０の制御棒３１に向き合っている１つのコーナー部を通る対角線と直交して他の２つのコーナー部を通る他の対角線上に配置される。部分長燃料棒Ｐ１は、図１に示すように、３本ずつ隣接して配置され、部分長燃料棒Ｐ１が３本ずつ隣接してなる、二組の部分長燃料棒群が、２本の水ロッドＷＲを間に挟むように、制御棒３１に向き合っている１つのコーナー部を通る対角線上に配置され、２本の水ロッドＷＲに、別々に、隣接して配置される。

インターナルポンプ２６から吐出された冷却水は、下部プレナム２８を経て炉心２３に供給される。炉心２３内では、冷却水は燃料集合体１０内に導かれる。すなわち、この冷却水は、下部タイプレート１５を通してチャンネルボックス１６の内側に流入し、燃料棒１１相互間、及び燃料棒１１と水ロッドＷＲの間にそれぞれ形成された冷却水通路を上昇する。この冷却水通路を上昇する間に、冷却水は、燃料棒１１内に存在する核燃料物質に含まれる核***性物質（核***性プルトニウムまたは核***性ウラン）の核***で生じる熱によって加熱される。冷却水の一部が蒸気になるため、冷却水は水及び蒸気を含む気液二相流となる。

この気液二相流が、燃料集合体１０の上端から排出され、すなわち炉心２３から排出され、気水分離器２４に流入する。気液二相流は、気水分離器２４で水と蒸気に分離される。分離された水は、気水分離器２４からダウンカマ２７に排出され、冷却水としてダウンカマ２７を下降し、インターナルポンプ２６で昇圧される。分離された蒸気は、気水分離器２４から蒸気乾燥器２５に導かれ、蒸気乾燥器２５内で湿分が除去される。湿分が除去されて蒸気乾燥器２５から排出された蒸気は、主蒸気配管２９を通して蒸気タービン（図示せず）に導かれ、蒸気タービンを回転させる。蒸気タービンに連結された発電機が回転し、電力を発生する。蒸気タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水となる。この凝縮水は、給水として、給水配管３０により原子炉圧力容器２１内に供給される。

本実施例は、燃料集合体１０の最外周領域で、２本の部分長燃料棒Ｐ１を隣接させて配置し、これらの部分長燃料棒Ｐ１のそれぞれに１本の可燃性毒物を含む全長燃料棒を隣接させて配置しているため、最外周領域において２本の部分長燃料棒Ｐ１が配置された領域での、ＡＢＷＲプラントの運転時におけるボイド率が、前述したように、最外周領域における他の領域、及びチャンネルボックスの内面から二列目の燃料棒列が配置される領域よりも大幅に低減される。このようにボイド率が低下する、２本の部分長燃料棒Ｐ１が配置された領域では、中性子の減速が促進され熱中性子を多く生成するため、２本の部分長燃料棒Ｐ１のそれぞれに隣接して配置された各全長燃料棒Ｇ１の可燃性毒物（ガドリニウム）による中性子吸収効果を高めることができ、それぞれの全長燃料棒Ｇ１に含まれる可燃性毒物の価値を、さらに、増大させることができる。本実施例は、最外周領域に１本の核***性物質を含み可燃性毒物を含まない部分長燃料棒を配置し、この部分長燃料棒に可燃性毒物を含む２本の全長燃料棒を隣接して配置した、特開２００２−１８９０９４号公報及び特開２００１−５６３８８号公報に記載された燃料集合体よりも著しく可燃性毒物の価値を高めることができる。また、隣接した２本の部分長燃料棒Ｐ２の真上の領域であってこれらの部分長燃料棒Ｐ２の上端よりも上方の領域では、ボイド率が低下し、熱中性子が生成されるため、それぞれの部分長燃料棒に隣接して配置された各全長燃料棒における可燃性毒物の価値がさらに高くなる。

本実施例では、燃料集合体１０の横断面での最外周領域に２本の部分長燃料棒Ｐ２を隣接させて配置することによって、冷温時において、最外周領域では２本の部分長燃料棒Ｐ２の上端の真上の領域に飽和水領域が形成され、この飽和水領域の形成により、燃料集合体１０の相互間に形成された飽和水領域が、実質的に、拡張され、炉心２３内で制御棒に隣接する飽和水領域が増加される。このため、原子炉２０の炉停止余裕が向上する。

最外周領域において一つのコーナー部とこのコーナー部に隣り合う他のコーナー部を結んだ辺で両方のコーナー部から最も遠い位置(最外周領域においてその辺の中点)において実効増倍率の損失が小さくなる。このため、最外周領域において一つのコーナー部とこのコーナー部に隣り合う他のコーナー部を結んだ辺でこれらのコーナー部から遠い位置である、最外周領域における辺の中央部に部分長燃料棒を配置することによって、実効増倍率の損失を最小限にすることができる。

本実施例は、３本の部分長燃料棒Ｐ１を含む二組の部分長燃料部群を、間に、２本の水ロッドＷＲを挟むように配置し、２本の水ロッドＷＲに隣接させているため、これらの部分長燃料部群の真上の領域における冷却水量が増加し、冷却水量の増加による中性子の減速により熱中性子の生成が増加する。このため、部分長燃料部群に隣接する複数の全長燃料棒１の、部分長燃料部群の真上の領域に隣接する部分（全長燃料棒１の上部領域）での出力が増加する。したがって、燃料集合体１０の軸方向の上部の出力が増加し、燃料集合体１０の軸方向における出力分布が平坦化される。

本発明の好適な他の実施例である、ＡＢＷＲプラントに適用される実施例２の燃料集合体を、図９及び図１０を用いて説明する。

本実施例の燃料集合体１０Ａは、実施例１の燃料集合体１０の２本の水ロッドＷＲのそれぞれに隣接して配置された２本の全長燃料棒Ｇ２のうち１本の全長燃料棒Ｇ２を、２本の水ロッドＷＲに隣接する二組の部分長燃料棒群のそれぞれにおいて、部分長燃料棒群の３本の部分長燃料棒Ｐ２に隣接して配置し、燃料集合体１０の上記二組の部分長燃料棒群のそれぞれにおいて、３本の部分長燃料棒Ｐ２に隣接して配置される全長燃料棒１を水ロッドＷＲに隣接して配置される構成を有する。すなわち、燃料集合体１０Ａでは、燃料集合体１０に比べて各水ロッドＷＲに隣接する全長燃料棒Ｇ２が１本少なくて全長燃料棒１が１本多くなっており、１本の全長燃料棒Ｇ２を、２本の水ロッドＷＲに隣接する二組の部分長燃料棒群のそれぞれにおいて、部分長燃料棒群の３本の部分長燃料棒Ｐ２に隣接して配置している。

燃料集合体１０Ａは、燃料集合体１０と同じく、３０本の全長燃料棒１、１２本の全長燃料棒２、１６本の全長燃料棒３、４本の全長燃料棒４、それぞれ８本の全長燃料棒Ｇ１及びＧ２、６本の部分長燃料棒Ｐ１、及び８本の部分長燃料棒Ｐ２を有する。このような燃料集合体１０Ａの、上記した１本の全長燃料棒１及び１本の全長燃料棒Ｇ２以外の他の全ての燃料棒１１、すなわち、２９本の全長燃料棒１、１２本の全長燃料棒２、１６本の全長燃料棒３、４本の全長燃料棒４、８本の全長燃料棒Ｇ１、７本の全長燃料棒Ｇ２、６本の部分長燃料棒Ｐ１、及び８本の部分長燃料棒Ｐ２の配置は、燃料集合体１０のそれらの配置と同じである。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は、実施例１の最外周領域において隣接する２本の部分長燃料棒Ｐ２のそれぞれに可燃性毒物を含む全長燃料棒Ｇ１を隣接して配置することと同様に、可燃性毒物を含む２本の全長燃料棒Ｇ２を、二組の部分長燃料棒群のそれぞれの３本の部分長燃料棒Ｐ２に隣接して配置することによっても、ＡＢＷＲプラントの運転時における可燃性毒物の価値を高めることができる。このため、本実施例は、最外周領域において隣接する２本の部分長燃料棒Ｐ２のそれぞれに可燃性毒物を含む全長燃料棒Ｇ１を隣接して配置することによって、さらに、可燃性毒物を含む２本の全長燃料棒Ｇ２を、二組の部分長燃料棒群のそれぞれの３本の部分長燃料棒Ｐ２に隣接して配置することによって、ＡＢＷＲプラントの運転時における可燃性毒物の価値を高めることができるため、ＡＢＷＲプラントの運転時における可燃性毒物の価値を、実施例１よりも高めることができる。

本発明の好適な他の実施例である、ＡＢＷＲプラントに適用される実施例３の燃料集合体を、図１１及び図１２を用いて説明する。

本実施例の燃料集合体１０Ｂは、実施例１の燃料集合体１０に用いられる４本の部分長燃料棒Ｐ１を４本の部分長燃料棒ＧＰに替え、全長燃料棒Ｇ２を燃料集合体１０から４本減らした構成を有する。燃料集合体１０Ｂでは、４本の全長燃料棒Ｇ２は、チャンネルボックス１６の内面から二列目の燃料棒配列の４つのコーナー部にそれぞれ配置される。部分長燃料棒ＧＰは、核燃料物質及び可燃性毒物を含む。部分長燃料棒ＧＰ内の核燃料物質は、プルトニウムを含んでいなく、核***性ウラン（例えば、Ｕ−２３５）及び非核***性ウラン（例えば、Ｕ−２３８）を含む。部分長燃料棒ＧＰでは、ウラン濃縮度が４．９ｗｔ％であり、ガドリニウムの濃度が１．５ｗｔ％である（図１２参照）。部分長燃料棒ＧＰの燃料有効長は、部分長燃料棒Ｐ１の燃料有効長とほぼ同じである。

本実施例における二組の部分長燃料棒群は、燃料集合体１０と同じように配置され、それぞれ、１本の部分長燃料棒Ｐ１及び２本の部分長燃料棒ＧＰを含む。２本の部分長燃料棒ＧＰは、１本の部分長燃料棒Ｐ１及び２本の水ロッドＷＲのそれぞれに隣接している。４本の部分長燃料棒ＧＰ以外の燃料棒１１、すなわち、３０本の全長燃料棒１、１２本の全長燃料棒２、１６本の全長燃料棒３、４本の全長燃料棒４、８本の全長燃料棒Ｇ１、４本の全長燃料棒Ｇ２、２本の部分長燃料棒Ｐ１、及び８本の部分長燃料棒Ｐ２の配置は、燃料集合体１０のそれらの配置と同じである。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、各部分長燃料棒ＧＰに含まれている可燃性毒物は、燃料集合体１０Ｂの軸方向における下部領域における中性子吸収材として作用するため、ボイド率が低いその下部領域で生成された熱中性子を効率的に吸収する。これにより、燃料集合体１０Ｂの軸方向における下部領域の出力を押さえることができ、燃料集合体１０Ｂの軸方向の出力分布を平坦化することができる。このため、本実施例は、実施例１よりも炉心の熱的余裕を増大できる。

本発明の好適な他の実施例である、ＡＢＷＲプラントに適用される実施例３の燃料集合体を、図１３及び図１４を用いて説明する。

本実施例の燃料集合体１０Ｃは、実施例１の燃料集合体１０に用いられる６本の部分長燃料棒Ｐ１を６本の部分長燃料棒ＧＰに替え、全長燃料棒Ｇ２を燃料集合体１０から４本減らした構成を有する。燃料集合体１０Ｃは、部分長燃料棒Ｐ１を含んでいない。燃料集合体１０Ｂでは、４本の全長燃料棒Ｇ２は、チャンネルボックス１６の内面から二列目の燃料棒配列の４つのコーナー部にそれぞれ配置される。部分長燃料棒ＧＰは、プルトニウムを含んでいなく、ウラン及び可燃性毒物を含む。部分長燃料棒ＧＰでは、ウラン濃縮度が４．９ｗｔ％であり、ガドリニウムの濃度が１．５ｗｔ％である（図１４参照）。部分長燃料棒ＧＰの燃料有効長は、燃料集合体１０に用いられる部分長燃料棒Ｐ１の燃料有効長とほぼ同じである。

本実施例における二組の部分長燃料棒群は、燃料集合体１０と同じように配置され、それぞれ、互いに隣接して配置された３本の部分長燃料棒ＧＰを含む。本実施例における二組の部分長燃料棒群は、実施例３の燃料集合体１０Ｂの各部分長燃料棒群に配置された１本の部分長燃料棒Ｐ１を部分長燃料棒ＧＰに替えた構成を有する。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、２本の水ロッドＷＲに隣接する部分長燃料棒ＧＰの本数が実施例３よりも増加するため、燃料集合体１０Ｃの軸方向における下部領域の出力を、実施例３における燃料集合体１０Ｂのその出力よりも抑制することができ、燃料集合体１０Ｃの軸方向の出力分布を燃料集合体１０Ｂよりも平坦化することができる。このため、本実施例は、実施例３よりも炉心の熱的余裕を増大できる。本実施例では、二組の部分長燃料棒群の全ての燃料棒を部分長燃料棒ＧＰにしているため、実施例３に比べて燃料の製造コストを低減することができる。

実施例１及び２の各燃料集合体における核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない全長燃料棒、核燃料物質及び可燃性毒物を含む他の全長燃料棒、及び核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない部分長燃料棒の配置、及び実施例３及び４の各燃料集合体における核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない全長燃料棒、核燃料物質及び可燃性毒物を含む他の全長燃料棒、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない部分長燃料棒、及び核燃料物質及び可燃性毒物を含む他の部分長燃料棒の配置のそれぞれは、核***性ウランを含み核***性プルトニウムを含んでいない核燃料物質を用いた燃料集合体にも適用することができる。

前述の実施例１ないし４では、最外周領域の４つの辺において、隣接する核***性物質を含み可燃性毒物を含まない２本の部分長燃料棒のそれぞれに、１本の可燃性毒物を含む全長燃料棒を隣接させて配置しているが、燃料集合体の横断面における制御棒に対向する１つのコーナー部を通る対角線に対して対称な二辺において、隣接する核***性物質を含み可燃性毒物を含まない２本の部分長燃料棒のそれぞれに１本の可燃性毒物を含む全長燃料棒を隣接させて配置してもよい。このように、制御棒に対向する１つのコーナー部を通る対角線に対して対称な二辺において、隣接する核***性物質を含み可燃性毒物を含まない２本の部分長燃料棒のそれぞれに１本の可燃性毒物を含む全長燃料棒を隣接させて配置した場合においても、その全長燃料棒に含まれる可燃性毒物の価値が、特開２００２−１８９０９４号公報及び特開２００１−５６３８８号公報に記載された従来の燃料集合体よりも高くなる。

さらに、前述の実施例１ないし４では、最外周領域において、隣接する核***性物質を含み可燃性毒物を含まない２本の部分長燃料棒のそれぞれに１本の可燃性毒物を含む全長燃料棒を隣接させて配置しているが、隣接する核***性物質を含み可燃性毒物を含まない２本の部分長燃料棒のいずれか１本に、１本の可燃性毒物を含む全長燃料棒を隣接させて配置してもよい。このように、隣接する核***性物質を含み可燃性毒物を含まない２本の部分長燃料棒のいずれか１本に、１本の可燃性毒物を含む全長燃料棒を隣接させて配置した場合においても、その全長燃料棒に含まれる可燃性毒物の価値が、特開２００２−１８９０９４号公報及び特開２００１−５６３８８号公報に記載された従来の燃料集合体よりも高くなる。

１〜４、Ｇ１，Ｇ２，１２…全長燃料棒、Ｐ１，Ｐ２，ＧＰ，１３…部分長燃料棒、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…燃料集合体、１２…燃料棒、１４…上部タイプレート、１５…下部タイプレート、１６…チャンネルボックス、１７…燃料スペーサ、ＷＲ…水ロッド、２０…原子炉、２１…原子炉圧力容器、２２…炉心シュラウド、２３…炉心、３１…制御棒。

Claims (6)

1. 下部燃料支持部材と、
   上部燃料支持部材と、
   前記上部燃料支持部材に上端部が取り付けられて前記下部燃料支持部材に向かって伸びている筒状のチャンネルボックスと、
   下端部が前記下部燃料支持部材に支持されて上端部が前記上部燃料支持部材に支持され、核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数の第１燃料棒と、
   下端部が前記下部燃料支持部材に支持されて上端部が前記上部燃料支持部材に支持され、核燃料物質及び可燃性毒物を含む複数の第２燃料棒と、
   下端部が前記下部燃料支持部材に支持されて上端部が前記上部燃料支持部材に支持されていなく、前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒よりも軸方向の長さが短くて前記核燃料物質を含み可燃性毒物を含まない複数の第３燃料棒とを備え、
   前記複数の第１燃料棒、前記複数の第２燃料棒及び前記複数の第３燃料棒が、前記チャンネルボックスの内側に配置された燃料集合体であって、
   ２本の前記第３燃料棒を、隣接させて、前記燃料集合体の横断面において前記チャンネルボックスの内面に隣接する最外周領域に配置し、
   隣接して配置された２本の前記第３燃料棒うちの少なくとも１本に、前記最外周領域に配置された前記第２燃料棒を隣接させて配置することを特徴とする燃料集合体。
2. 矩形状の前記最外周領域における、一つのコーナー部とこのコーナー部に隣り合う他のコーナー部を結ぶ辺の中央部に、隣接する２本の前記第３燃料棒を配置する請求項１に記載の燃料集合体。
3. 下端部が前記下部燃料支持部材に支持されて上端部が前記上部燃料支持部材に支持され、前記チャンネルボックス内に配置された水ロッドを備え、
   前記複数の第１燃料棒、前記複数の第２燃料棒及び前記複数の第３燃料棒が、前記水ロッドの周囲に配置され、
   前記水ロッドを、互いに隣接して配置された複数の前記第３燃料棒を含む二組の部分長燃料棒群の間に配置し、
   前記二組の部分長燃料棒群のそれぞれを、前記水ロッドに隣接させて配置している請求項１または２に記載の燃料集合体。
4. 少なくとも１本の前記第２燃料棒が、それぞれの前記部分長燃料棒群に含まれる前記第３燃料棒に隣接して配置される請求項３に記載の燃料集合体。
5. 前記二組の部分長燃料棒群は、前記第３燃料棒以外に、下端部が前記下部燃料支持部材に支持されて上端部が前記上部燃料支持部材に支持されていなく、前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒よりも軸方向の長さが短くて核燃料物質及び可燃性毒物を含む第４燃料棒を含んでいる請求項３に記載の燃料集合体。
6. 下端部が前記下部燃料支持部材に支持されて上端部が前記上部燃料支持部材に支持され、前記チャンネルボックス内に配置された水ロッド、及び下端部が前記下部燃料支持部材に支持されて上端部が前記上部燃料支持部材に支持されていなく、前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒よりも軸方向の長さが短くて核燃料物質及び可燃性毒物を含む複数の第４燃料棒を備え、
   前記複数の第１燃料棒、前記複数の第２燃料棒及び前記複数の第４燃料棒が、前記水ロッドの周囲に配置され、
   前記水ロッドを、互いに隣接して配置された、前記複数の第４燃料棒を含む二組の部分長燃料棒群の間に配置し、
   前記二組の部分長燃料棒群のそれぞれを、前記水ロッドに隣接させて配置しており、
   前記二組の部分長燃料棒群のそれぞれに含まれる、前記第１燃料棒及び前記第２燃料棒よりも軸方向の長さが短い部分長燃料棒の全てが、前記第４燃料棒である請求項１または２に記載の燃料集合体。

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