【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉の炉心を構成する燃料集合体に係り、特にプルトニウム−ウラン混合酸化物を燃料とする軽水炉用燃料集合体及びこれを利用した軽水炉炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉の炉心に用いる燃料集合体の従来技術の一例としては、沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）に用いる８×８型燃料集合体がある。 この燃料集合体は多数の細長い円筒状燃料棒とウォータロッドとを有するバンドルにより構成される。 燃料棒は、被覆管に円柱状のＵＯ
₂燃料ペレットを多数装填し上下両端を密閉した構造であり、ウォータロッドは下部に冷却水入口孔が、上部に冷却水出口孔が設けられ、冷却水がその内部を下方から上方へ流れる構造である。

【０００３】従来技術の８×８型ウラン燃料集合体の一例の水平方向断面図を図２１に示す。 図２１において、
この燃料集合体１９０は、８×８の格子状に配列されたウラン酸化物を燃料とする燃料棒１９２と、中央部に配置された２本のウォータロッド１９６と、これら燃料棒１９２及びウォータロッド１９６を取り囲むチャンネルボックス１９７とを有している。 燃料集合体１９０が炉心に装荷されるときその１つのコーナー部に隣接した位置は、十字型制御棒１９１を挿入するスペースとして用いられる。 従来技術の８×８型ウラン燃料集合体の他の例を図２２に示す。 この燃料集合体２００は、８×８の燃料棒配列の中央部に１本のウォータロッド２０６が配置されている。 このウォータロッド２０６は太径ウォータロッドであり、４本の燃料棒１９２を取り除いた領域に１本配置される。 その他は前記燃料集合体１９０と同じである。

【０００４】以上２つの従来技術例においては、燃料集合体は燃料健全性を損なわないように出力ピーキングを一定値以下に抑えて単位長さ当たりの出力すなわち線出力密度を制限値以下にする必要がある。 一方、近年ウラン資源の有効利用という観点から、軽水炉から取り出された使用済ウラン燃料中のプルトニウムを再び軽水炉へリサイクルするプルサーマル計画が進められている。 これは、ウラン燃料集合体中のウラン燃料棒の一部あるいは大部分をプルトニウムを富化した混合酸化物（ＭＯ
Ｘ：Mixed Oxide）燃料棒で置きかえたＭＯＸ燃料集合体を取替燃料としてウラン燃料集合体と一緒に軽水炉に装荷して使用するものである。 このときこのＭＯＸ燃料体の特性はウラン燃料に近い方が望ましい。 また、ウラン燃料設計は高燃焼度化の方向にありこれに伴いＭＯＸ
燃料設計も高富化度化、すなわち１体当りのプルトニウム装荷量をできるだけ大きくすることが望ましい。 しかし、ＭＯＸ燃料集合体においてプルトニウムの装荷割合を増加させた場合、ウランとプルトニウムの核特性の違いにより炉心特性上ウラン炉心との差違を生じる。 すなわち、核分裂性物質であるプルトニウム²³⁹ Ｐｕ， ²⁴¹
Ｐｕの熱中性子吸収断面積がウラン²³⁵ Ｕより大きいことや、プルトニウム²⁴⁰ Ｐｕによる中性子共鳴吸収が大きいことなどによって、ＭＯＸ燃料の中性子束スペクトルがウラン燃料の中性子束スペクトルよりも硬くなり中性子減速効果が低下する。 その結果、ボイド反応度係数絶対値の増大による過渡時の熱的余裕の低下、軸方向出力分布歪の増大、減速材反応度係数の減少、若しくは制御棒価値の低下に伴う炉停止余裕の低下等を生ずる。

【０００５】これらの特性の劣化については、核分裂性プルトニウム装荷量が全フィサイルすなわち全核分裂性物質の約１／３程度までである場合は許容範囲であり、
ウラン燃料体の構造設計を変えずにそのまま使用できる。 しかし核分裂性プルトニウム装荷量をそれ以上とする場合は燃料格子の水対燃料比を増加させ中性子減速効果を向上させる必要がある。

【０００６】このＭＯＸ燃料集合体での中性子減速効果を向上させる手段の公知例として、以下の２つがある。 原子炉用燃料集合体（特開昭６３−１７２９９０） この公知技術は、ＭＯＸ燃料集合体の中央部に配置された１本の太径ウォータロッド近傍の４本の燃料棒をこれと同径のウォータロッド４本に置きかえることにより、
ＭＯＸ燃料集合体のボイド反応度係数絶対値を減少させる。 沸騰水型原子炉（特開昭６３−２９３４９３） この公知技術は、中央部に配置するウォータロッドの径を増加させＭＯＸ燃料集合体の水対燃料比をウラン燃料集合体の水対燃料比よりも大きくすることにより、ＭＯ
Ｘ燃料集合体のボイド係数、軸方向出力分布、炉停止余裕等の諸特性をウラン燃料集合体と同等にする。

【０００７】また一方、ウラン燃料集合体におけるウォータロッドの配置についての公知例として以下の５つがある。 燃料集合体（特開昭６０−１０５９９０） この公知技術は、チャンネルボックスコーナー部の局所出力領域モニタ側すなわち制御棒の反対側に水ロッドを１〜３本配置し、局所出力領域モニタ出力の誤差減少による負荷率の向上と燃料の健全性の向上とを図る。 燃料集合体及び原子炉の炉心（特開昭５７−２３８９
１） この公知技術は、チャンネルボックスコーナー部の制御棒側に水ロッドを１〜５本配置することにより制御棒に隣接する燃料棒の熱負荷を低減し亀裂の発生を防止する。 燃料集合体（特開昭５７−５８３） この公知技術は、チャンネルボックスの制御棒側コーナー部に水ロッドを配置し、制御棒履歴効果による熱的余裕の減少を防止する。 燃料集合体（特開昭６０−２０１２８４） この公知技術は、燃料棒上部の一部をウォータロッドにしたものをチャンネルボックスのコーナー部に配置し、
炉停止余裕の改善及び軸方向出力分布の平坦化を図る。 原子炉（特開昭６０−２２２７９１） この公知技術は、炉心の中央から周辺にゆくに従って燃料集合体に配置されるウォータロッドの本数を多くし、
炉心最外周にチャンネルボックスのコーナー部を含む対角線上にウォータロッドを配置した燃料集合体を配置し、原子炉内燃焼度分布の均一化と省ウランとを図る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の公知例には以下の問題点が存在する。 すなわち、ウォータロッドの本数を増加させて燃料棒を減少させたことにより、燃料棒平均線出力密度が増加する。 したがって局所出力ピーキングをさらに下げて最大線出力密度の制限値を遵守する必要があり、燃料富化度分布の設計は複雑化する。 また、ウォータロッドの本数を増加させＭＯＸ燃料棒を減少させるので燃料集合体１体当りのプルトニウム装荷量も減少する。

【０００９】また上記の公知例は、混合型燃料集合体のボイド反応度係数は改善されているが、その値は依然−9.5［%K/K/%ホ゛イト゛］程度にとどまり、ウラン燃料集合体が約−8.3［%K/K/%ホ゛イト゛］であるのに比し改善効果は十分であるとは言えない。 また上記〜の公知例におけるウォータロッドの配置についての公知技術を中性子減速効果を向上させる手段に適用する場合には、以下の問題点が存在する。

【００１０】〜の公知例の適用は、ウォータロッドの配置が非対称であるので出力ピーキングが増加する。
の公知例の適用は、燃料棒上部の一部のみをウォータロッドにするのでは中性子減速効果の向上は不十分である。 の公知例の適用は、炉心最外周領域に配置される特殊な燃料集合体であり汎用性がない。 また開示はウラン燃料のみでありＭＯＸ燃料については触れていない。
以上、上記７つの問題点はＢＷＲに関するものである。
一方、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）においては、通常運転時の炉心は沸騰していないのでＢＷＲのようなボイド反応度係数は問題にならないが、水密度変化に対する反応度変化を示す指標として減速材温度係数がある。 ＭＯＸ
燃料を使用した場合、ＢＷＲにおけるボイド反応度係数と同様にこの減速材温度係数が悪化する。 その改善には、ＢＷＲにおけるボイド反応度係数の改善と同じく、
ＭＯＸ燃料棒をあまり減少させずにウォータロッドを設けることが有効である。

【００１１】本発明の目的は、ウラン燃料集合体の代わりにＭＯＸ燃料集合体を用いた場合にもプルトニウム装荷量を大幅に減らすことなく、線出力密度も大幅に高くすることなく、ボイド反応度係数若しくは減速材温度係数をウラン燃料集合体と同等にできる軽水炉用燃料集合体及びその燃料集合体を利用した軽水炉炉心を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、プルトニウムを主要な核分裂性物質として燃料度零の時においてプルトニウムを含む複数の燃料棒を有する軽水炉用燃料集合体において、水が充填される長さは少なくとも燃料有効長に対応する長さで内部を冷却水が流れる複数のウォータロッドを燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置の少なくともいずれかに回転対称に配列しかつ最外周から２層目でウォータロッドの配置された位置に隣接した位置には燃料棒を配置する構成を有する。

【００１３】また、この軽水炉用燃料集合体において、
ウォータロッドを燃料棒配列の各コーナー部又はそれに隣接する位置に１本づつ、または燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置に回転対称に２本づつ、または燃料棒配列の各コーナー部に隣接する両方の位置に２本づつ回転対称に配置してもよい。

【００１４】さらに、本発明は、プルトニウムを主要な核分裂性物質として燃焼度零の時においてプルトニウムを含む複数の燃料棒を有する軽水炉用燃料集合体において、固体減速材の充填された長さは少なくとも燃料有効長に対応する長さの複数の固体減速棒を燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置のいずれかに回転対称に配置しかつ最外周から２層目で前記固体減速棒の配置された位置に隣接した位置には燃料棒を配置する構成を有する。

【００１５】また、この軽水炉用燃料集合体において、
固体減速棒を燃料棒配列の各コーナー部又はそれに隣接する位置に１本づつ、または燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置に回転対称に２本づつ、または燃料棒配列の各コーナー部に隣接する両方の位置に２本づつ回転対称に配置してもよい。

【００１６】またさらに、本発明は、プルトニウムを主要な核分裂性物質として燃焼度零の時においてプルトニウムを含む複数の燃料棒と、燃焼度零の時において核分裂物質としてウランのみを含む複数の燃料棒とを有する軽水炉用燃料集合体において、水が充填される長さは少なくとも燃料有効長に対応する長さで内部を冷却水が流れる複数のウォータロッドを燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置の少なくともいずれかに回転対称に配置しかつ最外周から２層目で前記ウォータロッドの配置された位置に隣接した位置には燃料棒を配置する構成を有する。

【００１７】さらに、この軽水炉用燃料集合体において、ウォータロッドを燃料棒配列の各コーナー部又はそれに隣接する位置に１本づつ、燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置に回転対称に２本づつ、さらにまた燃料棒配列の各コーナー部に隣接する両方の位置に２本づつ回転対称に配置してもよい。

【００１８】さらに本発明は、プルトニウムを主要な核分裂性物質として燃焼度零の時においてプルトニウムを含む複数の燃料棒と、燃焼度零の時において核分裂物質としてウランのみを含む複数の燃料棒とを有する軽水炉用燃料集合体において、固体減速材の充填された長さが少なくとも燃料有効長に対応する長さの複数の固体減速棒を燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置の少なくともいずれかに回転対称に配置しかつ最外周から２層目で前記固体減速棒の配置された位置には隣接した位置には燃料棒を配置する構成を有する。

【００１９】またこの軽水炉用燃料集合体において、固体減速棒を燃料棒配列の各コーナー部又はそれに隣接する位置に１本づつ、または燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置に回転対称に２本づつ、または燃料棒配列の各コーナー部に隣接する両方の位置に２本づつ回転対称に配置してもよい。

【００２０】またさらに本発明では、燃焼度零の時において核分裂物質としてウランのみを含む複数の燃料棒を有する第１の燃料集合体と、プルトニウムを主要な核分裂として燃焼度零の時においてプルトニウムを含む複数の燃料棒を有する第２の燃料集合体とを有し、第２の燃料集合体で、充填物は少なくとも燃料有効長に対応する長さで充填される複数の減速棒を燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置の少なくともいずれかに回転対称に配置しかつ最外周から２層目で前記減速棒の配置された位置に隣接した位置には燃料棒を配置した構成を有する。

【００２１】またこの軽水炉炉心において、第２の燃料集合体は、第１の燃料集合体とほぼ同一の形状及び寸法を有してもよい。

【００２２】またさらに、この軽水炉炉心において、第２の燃料集合体は、前記減速棒を燃料棒配列の各コーナー部又はそれに隣接する位置に１本づつ、または燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置に回転対称に２本づつ、または燃料棒配列の各コーナー部に隣接する両方の位置に２本づつ回転対称に配置してもよい。

【００２３】以上のように構成した本発明においては、
ウォータロッドを燃料棒配列の各コーナー部及びそれに隣接する位置に少なくともいずれかに回転対称に配置し、かつ最外周から２目でウォータロッドの配置された位置に隣接した位置には燃料棒を配置することにより、
ウォータロッド１本当たりのボイド反応度係数の改善項かが高まり、この結果、プルトニウム装荷量と選出力密度の点において、ウラン燃料集合体と置き換えることのできるＭＯＸ燃料集合体を提供することができる。

【００２４】特に、ウォータロッドを燃料棒配列の各コーナー部にまたはそのコーナー部に隣接した格子位置に１本づつ配置することにより、ボイド反応度係数改善に必要なウォータロッドの追加数は最小にとどまるので、
ウラン燃料集合体と実質的に同等のＭＯＸ燃料集合体を提供することができるので良好である。

【００２５】また、上記ボイド反応度係数の改善効果を実質化するためには、このウォータロッドは燃料棒のほぼ全長に亘って核燃料物質が充填されている領域（これは燃料有効部と呼ばれる）と等しい長さを有することが必要である。

【００２６】

【実施例】本発明の実施例を図１〜図２０により説明する。 まず、本発明の原理を図１〜図３を用いて説明する。 図１は本発明の原理を説明するための実施例を示す。 図１において、本実施例のＭＯＸ燃料集合体は、８
×８の格子状に配列されたプルトニウム−ウラン混合酸化物を燃料とする燃料棒すなわちＭＯＸ燃料棒１３と、
中央部に配置された１本の太径ウォータロッド１５と、
８×８の燃料棒配列の各コーナー部に配置された４本のウォータロッド１６と、これら燃料棒１３、ウォータロッド１５，１６を取り囲むチャンネルボックス１７とを有している。

【００２７】ウォータロッド１５，１６は燃料棒１３のほぼ全長にわたって，燃料有効部と等しい長さを有している。 また燃料集合体１が炉心に装荷されるとき、その１つのコーナー部に隣接した位置は十字型制御棒１１を挿入するスペースとして用いられる。

【００２８】比較のため、前述した従来技術の特開昭６
３−２９３４９３号における８×８型ＭＯＸ燃料集合体の断面図を図２に示す。 この燃料集合体２は、前述した図２０に示したウラン燃料集合体において、ウラン燃料棒１９２をＭＯＸ燃料棒１３に置き換え、中央部の太径ウォータロッド２０６周辺の４本の燃料棒１９２を４本のウォータロッド２６に置きかえたもので、図１に示された前記ＭＯＸ燃料集合体１とは４本のウォータロッド１６及び２６の配置のみが異なり、その他の構成はほぼ同じである。

【００２９】この２つのＭＯＸ燃料集合体１及び２のボイド反応度係数の比較を図３に示す。 Ａ点は図１のＭＯ
Ｘ燃料集合体１のボイド反応度係数を示し、Ｂ点は図２
のＭＯＸ燃料集合体２のボイド反応度係数を示す。 図に示されるようにボイド反応度係数は、全体のウォータロッドの本数が同じでもその配置により値が異なり、図１
に示すようにウォータロッド１６を各コーナー部に配置するほうが中心部周辺に配置するよりその絶対値はより小さく改善効果が大きい。 これは、ウォータロッドを中心より離してコーナー部に配置すると、チャンネルボックス外部の水ギャップ部のコーナー部付近の飽和水領域にウォータロッドを配置することになり、その結果ウォータロッドの持つ中性子吸収効果が大きくなって、ボイド率が変ったことによる燃料棒の中性子吸収変化が相対的に小さくなる、すなわち反応度変化が小さくなることによる。

【００３０】また、核分裂物質であるプルトニウムの中性子吸収断面積はウランより大きいので、ＭＯＸ燃料集合体においてウォータロッドの持つ中性子吸収効果を大きくすることは、燃料棒が持つ中性子吸収効果をより小さくすることにより、ボイド反応度変化を小さくする効果はウラン燃料集合体の場合よりも大きくなる。

【００３１】これまでのウラン燃料集合体の設計では、
燃料集合体内の局所出力分布の平坦化に重点がおかれていたので、ウォータロッドを燃料棒配列の中央に配置し熱中性子分布を平坦化し出力分布を平坦化してきた。 しかしながら、ＭＯＸ燃料集合体においては、ボイド反応度係数の低減が第一の課題であり、この解決にはウォータロッドの本数の増加による線出力密度の増加をできるだけ抑えることも必要となる。 したがって、ボイド反応度係数の低減効果がより大きいウォータロッドの配置を選択し、必要なウォータロッドの本数を極力抑えることが望ましい。

【００３２】本発明においては、４本のウォータロッド１６を燃料棒配列の各コーナー部に１本ずつ配置したので、上記のようにウォータロッド１本当たりのボイド反応度係数の改善効果が高まり、この結果、ボイド反応度係数改善に必要なウォータロッドの追加数は最小にとどまるので、プルトニウム装荷量と線出力密度の点でも、
ウラン燃料集合体と比べ遜色のない高富化度ＭＯＸ燃料集合体を提供することができる。

【００３３】図１に示す燃料集合体ではウォータロッド１６を燃料棒配列のコーナー部に配置したが、ウォータロッド１６をコーナー部に隣接した格子位置に配置しても、水ギャップ部のコーナー部付近の飽和水領域による中性子吸収の増大効果を、及び同様にウォータロッド１
本当たりのボイド反応度係数の改善効果を高められる。
ただし、この場合４本のウォータロッドを回転対称的に配置することが最大線出力密度の低減のためには重要である。 すなわち、ウォータロッドを非回転対称に配置すると、燃料集合体の横断面でみた出力分布も非回転対称となる結果、出力ピーキングが増加するという一般特性がある。 ウォータロッドを回転対称的に配置することにより出力ピーキングが低減でき、４本のウォータロッドを追加したことによる平均線出力密度の増加を抑制し、
最大線出力密度の増加を低減できる。

【００３４】また、ウォータロッドをコーナー部に配置した場合、このウォータロッドに隣接して、外周から２
層目の図１でｂで示す位置にさらにウォータロッドを配置しないようにする必要がある。 すなわち、コーナー部と２層目に互いに隣接してウォータロッドを２本配列した場合には、最外周部のコーナー部のウォータロッドに隣接したＭＯＸ燃料（図１にａで示す燃料棒）は２面をウォータロッドに接し、１面はチャンネルボックス外部の飽和水領域に接することになる。 このためこのＭＯＸ
燃料棒のまわりの中性子減速効果が大きくなり、特にＭ
ＯＸではウランよりも中性子減速効果の変化による出力変化が大きいことと相俟って、ａで示すＭＯＸ燃料棒の出力ピーキングが他に較べ著しく高くなってしまう。 よってこのような配置は線出力密度の増加を抑制する観点から好ましくない。

【００３５】また、上記ボイド反応度係数の改善効果を実質化するためには、ウォータロッド１６は燃料棒１３
のほぼ全長にわたって燃料有効部と等しい長さを有することが必要である。

【００３６】次に、上記原理に基づく本発明の第１の実施例を図４〜図１２により説明する。 本実施例は９×９
型ＭＯＸ燃料集合体に本発明を適用したものである。 図４において、本実施例の燃料集合体３は、細長い円筒状の燃料棒５３が多数本結束された結体（バンドル）により構成されている。 このバンドルはスペーサ４５によって燃料棒５３間が等間隔に保持されており、またバンドル内には燃料棒５３の他にウォータロッド５４，５６が組み込まれている。 このバンドルの外周はチャンネルボックス５７で包囲され、このチャンネルボックス５７は上部が上部タイプレート４３に、下部が下部タイプレート４４に接合されている。

【００３７】燃料棒５３は被覆管内に、プルトニウム−
ウラン混合酸化物の円柱状の燃料ペレットが多数装填されたものであり、この被覆管の上下両端は上部端栓４８
及び下部端栓４９で密封されている。 上部端栓４８は上部タイプレート４３中の支持空所に挿入することができる延長部を備えており、また下部端栓４９は下部タイプレート４４中の支持空所に嵌合する嵌合部を備えている。

【００３８】前記ウォータロッド５４，５６は下部に冷却水入口孔４０が設けられ、上部には冷却水出口孔４１
が設けられている。 そして、このウォータロッド５４，
５６内を冷却水が下方から上方へ流れる構成となっている。 また、これらウォータロッド５４，５６は燃料棒５
３のほぼ全長にわたって位置する長さを有している。

【００３９】燃料集合体３の水平方向の断面図を図５に示す。 燃料棒５３は９行９列（９×９）の格子状に規則正しく並べられている。 ウォータロッド５４は太径ウォータロッドであり７本の燃料棒を取り除いた領域に２本配置されている。 この太径ウォータロッド５４は、燃料集合体３中央部の中性子減速効果を大きくし局所出力分布を平坦化を図ることを主目的として設置されたものである。 ウォータロッド５６は燃料棒５３とほぼ同じ径を有し９×９の燃料棒格子状配列のコーナー部に４本配列されている。

【００４０】次に、本実施例の作用を説明する。 本実施例に対する第１の比較例として、従来技術の９×９型ウラン燃料集合体の一例を図６に示す。 この燃料集合体４
は、９×９の格子状に配列されたウラン燃料棒６５と、
中央部の２本の太径ウォータロッド６１と、これら燃料棒６５、ウォータロッド６１を取り囲むチャンネルボックス６７とを有している。

【００４１】太径ウォータロッド６１は、上記太径ウォータロッド５４と同様に局所出力分布の平均化を主目的として設けられたもので、９×９の燃料棒配列において中央部の７本の燃料棒を取り除いた領域に設けられ、燃料棒６５のほぼ全長にわたって燃料有効部と等しい長さを有している。

【００４２】この燃料集合体４は、図５に示された前記ＭＯＸ燃料集合体３とは、ウラン燃料棒の配列である点と、コーナー部もウォータロッドでなくウラン燃料棒６
５である点が異なる。

【００４３】さらに第２の比較例として、９×９型ＭＯ
Ｘ燃料集合体の一例を図７に示す。 この燃料集合体５
は、前述した図６に示したウラン燃料集合体４において、ウラン燃料棒６５をＭＯＸ燃料棒７３に置きかえたもので、図５に示された前記ＭＯＸ燃料集合体３とは、
コーナー部がウォータロッドでなくＭＯＸ燃料棒で７３
である点のみが異なり、その他の構成はほぼ同じである。

【００４４】以上において、図５に示したＭＯＸ燃料集合体３と、図６に示した第１の比較例であるウラン燃料集合体４と、図７に示した第２の比較例であるＭＯＸ燃料集合体５とのボイド反応度係数及び最大線出力密度の比較を図８に示す。 図において、Ｆ点が図５のＭＯＸ燃料集合体３を、Ａ点が図６のウラン燃料集合体４を、Ｂ
点が図８のＭＯＸ燃料集合体５を示す。 図示のように、
Ｆ点の本発明によるＭＯＸ燃料集合体３のボイド反応度係数は約−8.5［%K/K/%ホ゛イト゛］であり、Ａ点のウラン燃料集合体４の約−8.3［%K/K/%ホ゛イト゛］にほぼ等しい。 しかしＢ点のＭＯＸ燃料集合体５のボイド反応度係数は約−10.4［%K/K/%ホ゛イト゛］に達し、Ｆ点に比べるとその値は約３０％大きい。 一方最大線出力密度についてみるとＦ点のＭＯＸ燃料集合体３の最大線出力密度の値は約1
2.7［kW/ft］であり、Ａ点のウラン燃料集合体４の約1
2.0［kW/ft］にほぼ匹敵している。 またＢ点のＭＯＸ燃料集合体５の最大線出力密度はウラン燃料集合体４の値に等しく約12.0［kW/ft］である。

【００４５】したがって上記の比較の結果より、ウラン燃料集合体においてそのウラン燃料棒をそのままＭＯＸ
燃料棒に置きかえた場合、水対燃料の体積比が同じなので最大線出力密度の値は変わらないが、ボイド反応度係数の絶対値は約３０％増加している。 すなわち、ボイド反応度係数でみる限り、ウラン燃料からＭＯＸ燃料に置きかえることにより悪化する。 すなわちボイド反応度係数の改善のためにはウォータロッドの本数を増やさねばならず、そのことは最大線出力密度の増加を意味する。
しかし本実施例においては、上記の原理に従いウォータロッドを燃料棒配列の各コーナー部に配置することにより、線出力密度を大幅に高くすることなく、ボイド反応度係数をウラン燃料集合体と同等にすることができる。

【００４６】本実施例による上記ボイド反応度係数及び最大線出力密度改善効果を、以下にさらに具体的に説明する。 第３の比較例として、９×９型ＭＯＸ燃料集合体のさらに他の例を図９に示す。 この燃料集合体６は、前述した図７に示したＭＯＸ燃料集合体５において、ボイド反応度係数の絶対値の低減を図ることを目的に、中央部の２本の太径ウォータロッド６１の周辺部において１
辺が５列の燃料棒で構成される正方形の４つの頂点上に４本のウォータロッド９６を配置したもので、その他の構成はほぼ同じである。 この燃料集合体６のボイド反応度係数及び最大線出力密度の値は図８においてＧ点で示され、Ｂ点のＭＯＸ燃料集合体５と比較すると、ボイド反応度係数の値は約−10.2［%K/K/%ホ゛イト゛］と若干改善されるが、Ａ点に示したウラン燃料集合体４よりその絶対値は依然として２０％以上大きく、また燃料棒数が少なくなり平均線出力密度が増加した結果、最大線出力密度は増加して約12.7［kW/ft］となる。

【００４７】さらに第４の比較例として、９×９型ＭＯ
Ｘ燃料集合体のさらに他の例を図１０に示す。 この燃料集合体７は、上述した図８に示したＭＯＸ燃料集合体６
において、ウォータロッド９６の本数を増やし８本とし、それらのウォータロッド９６をさらに燃料棒配列の外周寄りの１辺が７列の燃料棒で構成される正方形の４
つの頂点及びその四辺の中点上に配置したものである。
この燃料集合体７のボイド反応度係数及び最大線出力密度の値は図８においてＣ点で示され、Ｇ点の燃料集合体６と比較すると、ボイド反応度係数の値は−9.5［%K/K/
%ホ゛イト゛］となり改善されるが、さらにウォータロッドの本数が多くなるので最大線出力密度が増加し約13.4［kW
/ft］となる。 これは、軽水炉における最大線出力密度の運転制限値が約13.4［kW/ft］であることを考慮すれば、運転制限値に対する余裕が全くなくなることを意味し、設計上好ましくない。

【００４８】さらに第５の比較例として、９×９型ＭＯ
Ｘ燃料集合体のさらに他の例を図１１に示す。 この燃料集合体８は、上述した図９に示したＭＯＸ燃料集合体７
において、ウォータロッド９６の本数は８本のまま変えず、それらのウォータロッド９６をさらに燃料棒配列の最外周列により構成される正方形の各辺上に２本ずつ配置したものである。 この場合のボイド反応度係数と最大線出力密度の値は図８のＤ点で表される。 ボイド反応度係数は、Ａ点のウラン燃料集合体４と同程度に改善されているが、最大線出力密度は、ウォータロッド数は８本のままであるのでＣ点のＭＯＸ燃料集合体７と同じ約1
3.4［kW/ft］である。 すなわち運転制限値に対しての余裕がないという問題は残存する。

【００４９】さらに第６の比較例として、９×９型ＭＯ
Ｘ燃料集合体のさらに他の例を図１２に示す。 この燃料集合体９は、上述した図１０に示したＭＯＸ燃料集合体８において、８本のウォータロッド９６を燃料棒配列の各コーナーに隣接する２つの格子位置に２本ずつ配置したものである。 この場合のボイド反応度係数と最大線出力密度は図８のＥ点で表される。 最大線出力密度は変わらないが、ボイド反応度係数はさらに改善され、その絶対値はウラン燃料集合体４のＡ点よりも低い値となる。

【００５０】以上において、図７,９,１０における各燃料集合体５，６，７のボイド反応度係数及び最大線出力密度の値を比較することにより、ウォータロッドの本数を増加と共にボイド反応度係数は改善されるが、同時に最大線出力密度も増加して運転制限値に対する余裕がなくなる。 したがってただウォータロッドの本数を増加させるだけでは目標とするＡ点のボイド反応度係数の値に達する前に最大線出力密度が設計上の限界に達してしまい、本発明の目的は達せられないことがわかる。 また図１０，１１，１２における各燃料集合体７，８，９のボイド反応度係数の値を比較することにより、ＭＯＸ燃料集合体のボイド反応度係数の絶対値は、ウォータロッドを燃料棒配列における外周寄りに配置するほど下がり、
さらに外周のうちでも各コーナー部に近づけて配置するほどより一層下がることがわかる。

【００５１】したがって本実施例の燃料集合体３においては、ウォータロッド５６の本数を４本にとどめることにより最大線出力密度を運転制限値13.4［kW/ft］以下である約12.7［kW/ft］に抑える一方、その４本のウォータロッド５６を燃料棒配列の各コーナー部に１本ずつ配置することにより、ボイド反応度係数の値は約−8.5
［%K/K/%ホ゛イト゛］とし、Ｅ点に示す図９の燃料集合体９
より若干絶対値が増加するものの、Ａ点に示す図５のウラン燃料集合体４と同程度の値にまで改善することができる。

【００５２】本実施例によれば、ＭＯＸ燃料集合体３において４本のウォータロッド５６を燃料棒配列の各コーナー部に１本ずつ配置するので、ボイド反応度係数及び最大線出力密度をウラン燃料集合体４と同程度にすることができる。

【００５３】本発明の第２の実施例を図１３に示す。 この燃料集合体１０は、図５に示した前記９×９型ＭＯＸ
燃料集合体３において、燃料棒配列の各コーナー部に配置されている４本のウォータロッド５６を、燃料棒配列の各コーナー部に隣接する２箇所の格子位置のどちらか一方に回転対称的に配置したものである。 すなわち燃料集合体３において４本のウォータロッド５６を、燃料棒配列中心から見て同一方向に向かって回転させ１列隣りの位置に移動させた構成となっている。 この燃料集合体１０のボイド反応度係数及び最大線出力密度の値は、図８において点Ｈで示され、点Ｆで示された第１の実施例である図５の燃料集合体３とほぼ等しい値をとる。 すなわち本実施例のＭＯＸ燃料体１０によっても、ボイド反応度係数及び最大線出力密度をウラン燃料集合体４と同程度にすることができる。

【００５４】本発明のＢＷＲの炉心に関する実施例を図１４に示す。 図はＢＷＲの炉心を上からみた図である。
この炉心は、５４８体の燃料集合体から構成され、図中の白色及び黒色の四角い枡のひとつひとつが燃料集合体である。 これら５４８体の燃料集合体のうち約１５６体が図５に示した本発明によるＭＯＸ燃料集合体３で、残りの約３９２体は図６に示したウラン燃料集合体４である。

【００５５】図１４に示した炉心のうち、何もかいてない四角い枡と斜線をひいた四角い枡で示した燃料集合体４体を囲むＰ部を拡大して示したのが図１５である。 炉心はこの図に示されるように、１体の制御棒を囲むように４体の燃料集合体を配置したものを基本単位として構成されている。 図１５の例では、４体の燃料集合体のうち、１体が図５に示したＭＯＸ燃料集合体３であり、残りの３本は図６に示したウラン燃料集合体４である。

【００５６】ＭＯＸ燃料集合体３は燃料棒配列のコーナー部にウォータロッドを持つが、ウラン燃料集合体４は燃料棒配列のコーナー部にはウォータロッドを持たないことが特徴である。

【００５７】図８において説明したように、Ｆ点で示されるＭＯＸ燃料集合体３のボイド反応係数は、Ａ点で示したウラン燃料集合体４のボイド反応度係数とほぼ同じになっている。 そのため、図１５に示すように、炉心を構成する一部のウラン燃料集合体をＭＯＸ燃料集合体に置き換えた炉心構成としても、炉心全体のボイド反応度係数は、全てがウラン燃料集合体で構成された炉心のボイド反応度係数と同一になる。 そして、圧力上昇や出力急上昇などにより炉心のボイド率が急変した時の反応度変化等の炉心過渡変化の挙動は全てがウラン燃料集合体で構成された炉心と同一となる。

【００５８】このことは、全てがウラン燃料集合体で構成された炉心で安全が確認されているのであれば、その一部をＭＯＸ燃料集合体に置き換えても全てウラン燃料集合体で構成された炉心と同じ安全性が確保されていることを意味し、炉心の安全上重要である。

【００５９】なお、図１５では４体の燃料集合体のうち１体がＭＯＸ燃料集合体で構成される例を示したが、上述のようにウラン燃料集合体とＭＯＸ燃料集合体のボイド反応度係数は同等であることから、４体の燃料集合体のうち２体をＭＯＸ燃料集合体に、さらには３体又は全てをＭＯＸ燃料集合体としても炉心全体のボイド反応度係数は影響を受けることはない。

【００６０】上述の説明では、燃料集合体内の燃料棒配列が９×９型の場合を例として説明した。 しかし、図１
に示す８×８型ＭＯＸ燃料集合体も図２２に示した８×
８型ウラン燃料集合体と同一のボイド反応度係数を持つため、図１６に示すように、燃料集合体の一部を８×８
型ＭＯＸ燃料集合体で構成しても、図１５で説明したのと同様に全てウラン燃料集合体で構成された炉心と同じ安全性を確保することができる。 このように本実施例によれば、ボイド反応度係数及び最大線出力密度をウラン燃料集合体と同等にできるＭＯＸ燃料集合体を利用した軽水炉炉心を提供できる。

【００６１】以上は、本発明の沸騰水型原子炉（ＢＷ
Ｒ）に関する実施例であるが、本発明の加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に関する実施例を図１７〜図２０により説明する。 本実施例は１７×１７型ＭＯＸ燃料集合体に本発明を適用したものである。 図１７において、本実施例の燃料集合体１５０は、燃料棒１５１及び１５２を上部ノズル１５３、下部ノズル１５４と支持格子１５８で支持固定し、１７行１７列の配列で規則正しく並べた構造を持つ。 この支持格子１５８中には制御棒クラスタ１５７
で支持された制御棒１５６が挿入できるように数本の制御棒案内管１５５が設けてある。 この制御棒案内管１５
５は、制御棒１５６が挿入されないときには、前述したウォータロッドと同じく内部を冷却材が流れる構造となっている。

【００６２】この燃料集合体１５０の断面図を図１８に示す。 この燃料集合体１５０は、１７×１７型の燃料棒配列において、中央部に中性子計装案内管１６３、その周辺部に制御棒案内管１５５並びに高富化度ＭＯＸ燃料棒１５１、外周部に中富化度ＭＯＸ燃料棒１５２が配置され、また燃料棒配列の各コーナー部にはウォータロッド１６７が配置されている。

【００６３】本実施例との第１の比較例として、従来技術の１７×１７型ＰＷＲ用ウラン燃料集合体の一例を図１９に示す。 このウラン燃料集合体１７０は、１７×１
７のウラン燃料棒１７１の配列において、中央部に中性子計装案内管１７３、その周囲に制御棒案内管１７２が配置されている。 この燃料集合体１７０は、図１８に示された前記ＭＯＸ燃料集合体１５０と比べるとウラン燃料棒の配列である点と、コーナー部もウォータロッドでなくウラン燃料棒１７１である点が異なる。

【００６４】本実施例との第２の比較例として、１７×
１７型ＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体の一例を図２０に示す。 このＭＯＸ燃料集合体１８０は、１７×１７の高富化度ＭＯＸ燃料棒１５１の配列において、中央部に中性子計装案内管１６３、その周辺部に制御棒案内管１５
５、外周部に中富化度ＭＯＸ燃料棒１５２、各コーナー部に低富化度ＭＯＸ燃料棒１８４が配置されており、富化度の異なる３種類の燃料棒から構成されることが特徴である。 この燃料集合体１８０は、図１８に示された前記ＭＯＸ燃料集合体１５０に比べると、コーナー部がウォータロッドでなく低富化度ＭＯＸ燃料棒１８４である点が異なる。

【００６５】以上において、ＰＷＲでは通常運転時の炉心は沸騰していないのでＢＷＲのようなボイド反応度係数は問題にならないが、水密度変化に対する反応度変化を示す指標としての減速材温度係数がある。 この減速材温度係数は、ＭＯＸ燃料を使用した場合、ウラン燃料を使用した場合に比べて負値で小さくなる特性がある。 この改善には、ＢＷＲにおけるボイド反応度係数と同様に、水対燃料体積比を増して中性子減速効果を増加させることが有効である。 したがってＰＷＲ用燃料集合体においても、内部を減速材（冷却材）が流れる構造を持つウォータロッドを設けることにより減速材温度係数を改善できる。 ただしＢＷＲの場合と同様に、最大線出力密度の増大を防止するには、ウォータロッドの本数の増加を極力抑えることが重要である。 なぜならば、一般に炉心内でＭＯＸ燃料集合体がウラン燃料集合体に隣接して配置される場合には、ウラン燃料とＭＯＸ燃料集合体の中性子スペクトルの違いからＭＯＸ燃料集合体の周辺部の燃料棒の出力が高くなる傾向にあり、最大線出力密度増大の一因となっているからである。 この傾向は特に燃料棒配列における各コーナー部の燃料棒でこの傾向が著しい。 したがって、前述した減速材温度係数の改善のためのウォータロッドの配置において、燃料棒配列における各コーナー部にそのウォータロッドを配置することが最大線出力密度を抑える上で特に有効である。

【００６６】したがって本実施例によれば、燃料棒配列の各コーナー部に４本のウォータロッド１６７を設けることにより、最大線出力密度の増大を抑えつつ減速材温度係数を改善することができる。 また、ＭＯＸ燃料棒としては高富化度燃料棒及び中富化度燃料棒の２種類のみで足り、低富化度ＭＯＸ燃料棒が不要となる。 したがって、ＭＯＸ燃料製造時の加工工程数が減少する。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、ウラン燃料集合体の代わりにＭＯＸ燃料集合体を用いた場合にも、プルトニウム装荷量を大幅に減らすことなく、線出力密度も大幅に高くすることなく、ボイド反応度係数若しくは減速材温度係数をウラン燃料集合体と同等にできる軽水炉用燃料集合体及びその燃料集合体を利用した軽水炉炉心を提供できる。 また、ＰＷＲにおいては、ＭＯＸ燃料棒の富化度種類を低減できるのでＭＯＸ燃料製造時の加工行程数を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の８×８型のＢＷＲ用Ｍ
ＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図２】従来技術の８×８型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体の一例を示す断面図。

【図３】本発明の図１の８×８型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体と従来技術の図２の８×８型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体とのボイド反応度係数の比較を示す図。

【図４】本発明の第２実施例の９×９型のＢＷＲ用ＭＯ
Ｘ燃料集合体を示す全体構造図。

【図５】図４の第２実施例の断面図。

【図６】第２実施例に対する第１の比較例である従来技術の９×９型のＢＷＲ用ウラン燃料集合体を示す断面図。

【図７】第２実施例に対する第２の比較例の９×９型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図８】図４の第２実施例の９×９型のＢＷＲ用ＭＯＸ
燃料集合体と、図６の第１の比較例の９×９型のＢＷＲ
用ウラン燃料集合体と、図７の第２の比較例の９×９型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体とにおけるボイド反応係数及び最大線出力密度の比較を示す図。

【図９】図４の第２実施例に対する第３の比較例の９×
９型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図１０】図４の第２実施例に対する第４の比較例の９
×９型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図１１】図４の第２実施例に対する第５の比較例の９
×９型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図１２】図４の第２実施例に対する第６の比較例の９
×９型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図１３】本発明の第３実施例の９×９型のＢＷＲ用Ｍ
ＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図１４】本発明のＢＭＲの炉心に関する実施例を示す図。

【図１５】図１４のＡ部を拡大して示した断面図。

【図１６】図１の８×８型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体と８×８型のウラン燃料集合体によって構成された、図１５に対応する炉心の一部分拡大図。

【図１７】本発明の第４実施例の１７×１７型ＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を示す全体構造図。

【図１８】図１７の第４実施例の１７×１７型ＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図１９】図１７の第４実施例に対する第１の比較例である従来技術の１７×１７型ＰＷＲ用ウラン燃料集合体を示す断面図。

【図２０】図１７の第４実施例に対する第２の比較例である従来技術の１７×１７型ＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体を示す断面図。

【図２１】従来技術の８×８型ＢＷＲ用ウラン燃料集合体を示す断面図。

【図２２】従来技術の他の８×８型ＢＷＲ用ウラン燃料集合体を示す断面図。

【符号の説明】

１ ８×８型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体 ３，１０ ９×９型のＢＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体 １３，５３ ＭＯＸ燃料棒 １５，５４，２０６ 太径のウォータロッド １６，２６，５６，１６７ ウォータロッド １５０ １７×１７型ＰＷＲ用ＭＯＸ燃料集合体 １５１ 高富度化ＭＯＸ燃料集合体 １５２ 中富度化ＭＯＸ燃料集合体

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