【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉炉心および燃料集合体に係り、特にウランとプルトニウムの混合燃料を充填したＭＯＸ燃料棒を備えた沸騰水型原子炉の燃料集合体およびこの燃料集合体を装荷した原子炉炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉等の軽水炉の炉心においては、主としてウラン酸化物を燃料ペレットに焼き固めて燃料被覆管に詰めた燃料棒を、スペーサによって格子状に束ねチャンネルボックスで包囲して組み立てた燃料集合体を炉心部内に装荷している。

【０００３】図23は、従来のこの種のウラン燃料集合体を示すもので、図中、符号ａはウラン燃料集合体のチャンネルボックスであり、このチャンネルボックスａ内には、二酸化ウランのみからなるウラン燃料棒ｂと可燃性毒物入りガドリニア燃料棒ｃとが８行８列に配置され、
燃料棒が４本分引き抜かれた中央部には大径のウォータロッドｄが配置される。 また、チャンネルボックスａの外側には、非沸騰水が流れる水ギャップ領域ｅがある。

【０００４】ウラン燃料棒ｂの核燃料は、天然ウランからウラン235 を濃縮した濃縮ウランであるが、その濃度（ウラン235 の重量割合）の異なるものが数種類使用されている。 図23中においては、燃料棒中に符号１，２，
３，４を付した４種類のウラン燃料棒ｂが用いられている。

【０００５】また、ガドリニア入り燃料棒ｃは、ガドリニウム酸化物（Gd ₂ Ｏ ₃ ) をウラン酸化物と混合して形成されており、大きな中性子吸収面積を有することから、初期の反応度を制御するために用いられている。 図
23においては、燃料棒中に符号Ｇを付した10本のガドリニア入り燃料棒ｃが用いられている。

【０００６】ところで、図23に示したウラン燃料集合体は原子炉の炉心部に装荷され、所定期間運転された後、
使用済み燃料となり、この使用済燃料は数年間冷却された後、再処理される。 再処理時に回収されるウランおよびプルトニウムは、再び軽水炉の核燃料としてリサイクルすることによって、ウラン資源の節約を図ることができる。

【０００７】その中のプルトニウムを軽水炉にリサイクルすることは、プルサーマルと呼ばれ、欧米では早くから実施された経験がある。 プルサーマルにおいて、プルトニウムは酸化物の形で母材となるウラン酸化物と混合され、混合酸化物（ＭＯＸ）としてペレット状に焼き固められる。 このペレットは燃料被覆管内に装填されてＭ
ＯＸ燃料棒となる。 この燃料棒を束ねチャンネルボックスで包囲してＭＯＸ燃料集合体を構成している。

【０００８】この燃料集合体は再び軽水炉に装荷され核燃料として使用される。 燃料としてのプルトニウムは、
同位体元素としては表１に示すものがある。

【０００９】

【表１】

【００１０】なお、表１において、σ _γは2200m/s の中性子に対する（ｎ，γ）反応断面積、Ｉ _γは（ｎ，γ）
反応の実効共鳴積分、σ _ｆは2200m/s の中性子に対する（ｎ，ｆ）反応断面積、Ｉ _ｆは（ｎ，ｆ）反応の実効共鳴積分である。 また、表１中に＊印を付した同位体元素は核分裂性元素である。

【００１１】表１において、 ²⁴¹ Ａｍはプルトニウム同位体元素ではないが、 ²⁴¹ Ｐｕが半減期14.7年でベータ崩壊することにより生成されるものである。 以下ではプルトニウム同位体元素に²⁴¹ Ａｍも含めて考慮することにする。

【００１２】ＭＯＸ燃料棒使用時の問題点の１つとして、ＭＯＸ燃料の場合は、プルトニウムの同位体元素割合（以後、プルトニウム組成と略称）を固定することが難しいことが挙げられる。

【００１３】すなわち、ＭＯＸ燃料は、使用済燃料を数年間冷却した後再処理しその際に回収されるプルトニウムを原料として作られているため、使用済燃料の履歴（初期濃縮度，取出燃焼度）および燃料棒製造後の経過時間によってプルトニウム組成が異なることになる。 しかし、燃料集合体ごとのプルトニウム組成が異なっていては、燃料設計および炉心管理が複雑となり過ぎる。

【００１４】そこで、現在では、１つの運転サイクルに装荷する燃料集合体のプルトニウム組成は、燃料製造時のプルトニウムを混合しＭＯＸ燃料棒を成型加工するなどにより、可能な限り同じ組成がとられるようにしている。 また、使用済燃料の履歴をある範囲内に限定することにより、プルトニウム組成の取り得る範囲を制限している。

【００１５】想定された範囲内のうちのどのようなプルトニウム組成の燃料集合体を用いても良好な炉心特性を保証するためには、プルトニウムの組成に応じた設計を行って集合体特性（反応度，局所ピーキング係数（ＬＰ
Ｆ））をできるだけ合わせる必要がある。 プルトニウムの組成に応じた集合体設計を行う場合、以下の２点に注意を払う必要がある。

【００１６】（１）所要の運転期間を満足させるため、
運転サイクル末期（ＥＯＣ）の炉心平均燃焼度時の無限増倍率をほぼ一致させる。 （２）燃焼初期のＬＰＦを同程度に揃える。

【００１７】一般に、核分裂性プルトニウム同位体割合が少ない（以下、低組成と略称）と、中性子吸収物質である²⁴⁰ Ｐｕや²⁴² Ｐｕの割合が大きくなるため、
（１）のようにＥＯＣ炉心平均燃焼度時の無限増倍率を一致させるためには、低組成ほど燃料集合体平均の核分裂性プルトニウム富化度（以下、Ｐｕｆ富化度と略称）
を高くし、 ²⁴⁰ Ｐｕや²⁴² Ｐｕによる反応度損失を補償しなければならない。

【００１８】図24および表２および表３に３種類のプルトニウム組成をもつＭＯＸ燃料集合体の設計例を示す。
図24は燃料集合体Ａの水平断面を示す模式図で、図中チャンネルボックスａ内の番号１はウラン燃料棒、２〜６
はＭＯＸ燃料棒で、Ｇはガドリニア入り燃料棒を示し、
表２に各番号の燃料棒のウラン濃縮度またはＰｕｆ富化度を示す。

【００１９】この図では、制御棒挿入側と非挿入側の水ギャップ幅が異なる（以下、Ｄ格子燃料と呼称）ため、
同一濃縮度または同一Ｐｕｆ富化度であることを示す番号のパターン（以下、スプリット・パターンと呼称）
が、水ギャップ領域ｅの幅が等しい場合（図23）に比べ非対象になっている。

【００２０】表３は３種類のプルトニウム組成のうち核分裂性プルトニウムおよび²⁴¹ Ａｍの重量割合を示している。 ただし、 ²³⁸ Ｐｕ， ²⁴⁰ Ｐｕ， ²⁴²は省略する。

【００２１】表３において、低組成（62.1%Puf）は、の濃縮度2.2 ％のウラン燃料を燃焼度28GWd/t で取出し５
年冷却して燃料棒製造後２年が経過したものであり、標準組成（67.0%Puf) は、濃縮度3.0 ％のウラン燃料を燃焼度28GWd/t で取出し５年間冷却して燃料棒製造後２年が経過したものであり、また、高組成（74.6%Puf) は、
濃縮度3.0 ％のウラン燃料を燃焼度20GWd/t で取出し５
年間冷却して燃料棒製造後２年が経過したものである。

【００２２】

【表２】

【００２３】

【表３】

【００２４】表２に示したように、燃料集合体平均のＰ
ｕｆ富化度は、低組成燃料で3.12％、標準組成燃料で2.
90％、高組成燃料で2.69％となっており、低組成燃料ほど高くなっている。 また、個々の燃料棒のＰｕｆ富化度も同様に低組成燃料ほど高くなっており、Ｐｕｆ富化度が高い燃料棒ほどプルトニウム組成による差が顕著である。

【００２５】このプルトニウム組成の違いによるＰｕｆ
富化度の違いは、後述するように、余剰燃料棒を使用する際に問題となる。 なお、ウラン燃料棒およびＧｄ入りウラン燃料棒は燃料製造上の観点から共通設計となっている。

【００２６】図25に、これらの燃料集合体のボイド率40
％での無限増倍率の燃焼変化を示す。 これより、燃焼初期からＥＯＣ炉心平均燃焼度時までは高組成燃料ほど無限増倍率が大きく、ＥＯＣ炉心平均燃焼度時以降では低組成燃料ほど無限増倍率が大きくなっていることがわかる。

【００２７】燃焼初期では、中性子吸収物質である²⁴⁰
Ｐｕや²⁴² Ｐｕの割合が小さい高組成燃料の無限増倍率が大きく、燃焼後期では、核分裂性プルトニウムへの転換率が大きい（ ²³⁸ Ｕから²³⁹ Ｐｕへの転換および²⁴⁰
Ｐｕから²⁴¹ Ｐｕへの転換がより進行する）低組成燃料の無限増倍率が大きく燃焼勾配が緩やかになる。

【００２８】一方、ＬＰＦの燃焼特性は図26のようになり、（２）のように燃焼初期のＬＰＦを同程度に揃えた設計を行うと、燃焼が進むにつれて低組成燃料ほどＬＰ
Ｆが高くなる。 これは低組成燃料の方が集合体内部の中性子スペクトルの硬い位置の燃料棒の転換率が高くなり、燃焼後期の局所出力が大きくなるためである。

【００２９】以上述べたような燃料設計を行うと、ＥＯ
Ｃ炉心平均燃焼度時の無限増倍率を一致させているので、ＥＯＣの余剰反応度が等しくなり所要の運転期間を満足させることができる。 ただし、運転中の余剰反応度および炉停止余裕は、無限増倍率の燃焼特性の差により多少異なるが問題とはならない程度である。

【００３０】一方、熱的制限値である最大線出力密度については、一般に、ウラン燃料に比べてボイド係数が高いＭＯＸ燃料では運転サイクル初期で新燃料の軸方向出力分布が下方ピークとなり熱的に厳しくなる場合が多いが、燃焼初期のＬＰＦを同程度に揃えているので、サイクルを通じて最も厳しくなる運転サイクル初期（ＢＯ
Ｃ）の最大線出力密度を組成によらず同程度に抑えることができる。

【００３１】ところで、燃料集合体を製造する場合は、
予備の燃料棒を作成しておく必要がある。 例えば図24に示したＭＯＸ燃料集合体の設計例は、番号１を付した１
本のウラン燃料棒、番号２〜６を付した48本のＭＯＸ燃料棒、および符号Ｇを付した11本のガドリニア入り燃料棒で構成されている。

【００３２】ここで、１つの運転サイクルあたり60体の燃料集合体が装荷されるとし、３％の予備燃料棒を用意しておくと仮定すると、５種類のＭＯＸ燃料棒の予備燃料棒の本数は表４のようになる。

【００３３】

【表４】

【００３４】実際にはこれら予備の燃料棒は極く一部だけが使用されるので、Ｐｕｆ富化度の異なる５種類のＭ
ＯＸ燃料棒は、それぞれ、数本から数十本程度の余剰の燃料棒（以下、余剰燃料棒と呼ぶ）が残ることとなる。
これらの余剰燃料棒を次の運転サイクル以降で用いる燃料集合体に使用することができれば、それだけ燃料経済性も向上する。

【００３５】従来までのウラン燃料の場合は、ある運転サイクルで予備の燃料棒が余ったとしても、次のサイクルの燃料集合体の設計が同じであれば、同じ濃縮度のウラン燃料棒として使用することができた。

【００３６】しかしながら、ＭＯＸ燃料では運転サイクルが異なればプルトニウム組成が異り、また、燃料棒製造後の経過時間の長い余剰燃料棒ほど²⁴¹ Ａｍの蓄積が多く、中性子吸収体としての²⁴¹ Ａｍの効果（反応度の損失など）が大きくなる。 したがって、もとの燃料棒と余剰燃料棒のプルトニウム組成の違いによる効果、および余剰燃料棒の²⁴¹ Ａｍの蓄積量の違いによる効果を考慮して、余剰燃料棒の使用方法を考えておく必要がある。

【００３７】ＭＯＸ燃料で余剰燃料棒を使用する場合、
使用形態で考えると、もとの燃料集合体の一部に余剰燃料棒を混ぜて使う方法（少数分散装荷）と燃料集合体の大部分を余剰燃料棒で構成する方法（多数本集中装荷）
に分けられる。

【００３８】余剰燃料棒の少数本分散装荷に関連する従来の技術は、例えば特開平５−１４２３７１号公報（以下、公開公報と記す）に開示されている。 この公開公報の技術は余剰燃料棒の使用に限らず、一般に１つの燃料集合体に複数のプルトニウム組成からなる燃料棒の配置方法に関するものである。

【００３９】すなわち、基本的には、燃料集合体周辺部または軸方向下部などのように熱中性子束の高いところに、低プルトニウム組成を配置すれば、運転サイクルを通じて出力分布の平坦化が実現できると述べている。 そこで、この公開公報の技術を余剰燃料棒の配置位置に適用した例について以下に示す。

【００４０】標準組成のＭＯＸ燃料棒からなる燃料集合体（図24および表２参照）の一部に、表３に示した燃料棒製造後３年経過した低組成または高組成の余剰燃料棒を配置した場合を考える。 燃料集合体平均の反応度をできるだけ保存するために、余剰燃料棒は、もとの燃料集合体の燃料棒のＰｕｆ富化度に最も近いところに配置し、スプリット・パターンは図24から変更しないとする。

【００４１】ここでは、仮に、25本の余剰燃料棒（表３
で、２番の燃料棒を12本，３番の燃料棒を４本、４番を５本、５番を２本、６番を２本の計25本）を配置した。

【００４２】公開公報の技術では、熱中性子束の高いところに低組成の燃料棒を配置すればよいので、例えば、
図27に示した標準組成の燃料集合体の局所出力分布を考慮して、低組成の余剰燃料棒は同一Ｐｕｆ富化度のグループ内で局所出力の高い図28の○印の位置に、高組成の余剰燃料棒は同一Ｐｕｆ富化度のグループ内で局所出力の低い図30の○印の位置に配置する。

【００４３】この場合、局所出力分布は図29および図31
のようになり、余剰燃料棒を配置する前のもとの標準組成の燃料集合体におけるＬＰＦ（図27）により悪化する。

【００４４】これは、公開公報の技術ではＰｕｆ富化度はＬＰＦを低減するように自由な値が採れたのに対し、
ＭＯＸ燃料集合体の余剰燃料棒のＰｕｆ富化度は、低組成または高組成の燃料集合体で決められた値に限定され、低組成燃料ほど燃料棒のＰｕｆ富化度が高くなっているからである。

【００４５】

【発明が解決しようとする課題】上記公開公報に開示された従来の技術は、余剰燃料棒の少数本分散装荷の場合の使用方法として用いることができない。 したがって、
余剰燃料棒の少数本分散装荷に適した使用方法を、新たに考える必要がある。

【００４６】一方、余剰燃料棒の多数本集中装荷の場合は、少数本分散装荷の場合に比べ１集合体あたりの²⁴¹
Ａｍの蓄積量が多くなる。 例えば、図32は同じプルトニウム組成（標準組成）で燃料棒製造後の経過時間に４年の差がある２つの燃料集合体の無限増倍率（ボイド履歴は40％）の燃焼変化を示している。

【００４７】図32から明らかなように²⁴¹ Ａｍの効果によりＥＯＣ炉心平均燃焼度で１％Δｋ程度の反応度損失を生じている。 こうした低反応度特性をもつ燃料集合体の体数が増加すれば余剰反応度は低下するし、また、前記燃料集合体が集合体出力の低い位置に配置されれば、
集合体出力がさらに低下し、その分、周囲の燃料集合体出力が増加するので炉心の径方向ピーキングが悪化することになる。

【００４８】したがって、低反応度特性を補償するような燃料集合体の設計変更や、低反応度特性をもつ燃料集合体の炉心装荷位置を、ある程度限定しておく必要がある。 本発明の目的は、ある運転サイクルで生じた余剰燃料棒を、それ以降の運転サイクルの燃料集合体の一部または全部に混ぜて使う場合に好適な炉心およびその燃料集合体を提供することにある。 この場合、特に、プルトニウムの組成の違いによる効果と、余剰燃料棒の²⁴¹ Ａ
ｍの蓄積による効果の２つを考慮する必要がある。

【００４９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するための第１の発明は、ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度が異なる複数種類の第１群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ａと、ウラン燃料棒および第１群のＭＯＸ
燃料棒および第１群のＭＯＸ燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い第２群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ｂとが混合装荷された炉心において、燃料集合体ＢにおいてＰ２なる核分裂性プルトニウム富化度をもつ第２群のＭＯＸ燃料棒が、燃料集合体ＡにおいてＰ２
に最も近いＰ１なる核分裂性プルトニウム富化度をもつ第１群のＭＯＸ燃料棒の占める位置の中で、Ｐ２がＰ１
より大きい場合は熱中性子束が最も低い位置に配置され、Ｐ２がＰ１より小さい場合は熱中性子束が最も高い位置に配置されていることを特徴とする。

【００５０】第２の発明は、ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度が異なる複数種類の第１群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ａと、ウラン燃料棒および第１
群のＭＯＸ燃料棒および第１群のＭＯＸ燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い第２群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ｂとが混合装荷された原子炉炉心において、燃料集合体Ｂにおける第２群のＭＯＸ燃料棒が最外周位置を除く位置のみに配置されているか、または燃料集合体Ｂにおける最外周位置のＭＯＸ燃料棒が全て第２群のＭＯＸ燃料棒で構成されていることを特徴とする。

【００５１】第３の発明は、ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度が異なる複数種類のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体において、プルトニウム富化度が異なる全ての種類のＭＯＸ燃料棒が、燃料集合体の最外周を除く位置に少なくとも１本配置されていることを特徴とする。

【００５２】第４の発明は、ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度が異なる複数種類のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体において、前記プルトニウム富化度が異なる全ての種類のＭＯＸ燃料棒が、燃料集合体断面内において制御棒の中心軸に向かう対角線上に少なくとも１
本配置されていることを特徴とする。

【００５３】第５の発明は、ウラン燃料棒および第１群のＭＯＸ燃料棒および第１群のＭＯＸ燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い第２群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体において、チャンネルボックスの対角線を境界にして燃料集合体の水平断面を制御棒側と非制御棒側に分割した場合、前記第２群のＭＯＸ燃料棒が制御棒側よりも非制御棒側に多く配置されていることを特徴とする。

【００５４】第６の発明は、ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度が異なる複数種類の第１群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ａと、ウラン燃料棒および第１
群のＭＯＸ燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い第２群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ｃとが混合装荷された炉心において、燃料集合体Ｃにおける各々の第２群のＭＯＸ燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度が、第１群のＭＯＸ燃料棒のうち燃料集合体Ａの同じ位置に配置されているＭＯＸ燃料棒の核分裂性プルトニウム富化度に最も近いことを特徴とする。

【００５５】第７の発明は、核分裂性プルトニウム同位体重量割合が燃料集合体Ａより低いかまたは等しい請求項６に記載の燃料集合体Ｃが、炉心最外周から３層目よりも内部に配置され、かつ原子炉の運転中に制御棒が挿入されるコントロール・セルに隣接しない位置に配置されていることを特徴とする。

【００５６】第８の発明は、ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度が異なる複数種類の第１群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ａと、ウラン燃料棒および第１
群のＭＯＸ燃料棒の燃料棒製造後の経過時間よりも長い第２群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ｃとが混合装荷された炉心において、ウラン燃料棒の本数が燃料集合体Ａと燃料集合体Ｃで異なるか、またはＭＯＸ燃料棒を核分裂性プルトニウム富化度の大きさ順に配置した場合に、各富化度に属する燃料棒の本数の構成割合が燃料集合体Ａと燃料集合体Ｃで異なることを特徴とする。

【００５７】第９の発明は、ウラン燃料棒およびプルトニウム富化度が異なる複数種類の第１群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ａと、ウラン燃料棒および第１
群のＭＯＸ燃料棒よりも燃料棒製造後の経過時間が長い第２群のＭＯＸ燃料棒で構成された燃料集合体Ｃとが混合装荷された炉心において、可燃性毒物入りウラン燃料棒の本数が燃料集合体Ａと燃料集合体Ｃとにおいて異なることを特徴とする。

【００５８】第10の発明は、核分裂性プルトニウム同位体重量割合が燃料集合体Ａより高い請求項６に記載の燃料集合体Ｃか、または請求項８または請求項９に記載の燃料集合体Ｃが、原子炉の運転中に制御棒が挿入されるコントロール・セルに隣接する位置、または炉心最外周ないし炉心最外周から３層目の位置に配置されていることを特徴とする。

【００５９】

【作用】はじめに、余剰燃料棒の少数本分散装荷を対象とした第１の発明から第５の発明について説明する。 燃料集合体ＡのＭＯＸ燃料棒の一部を余剰燃料棒と置き換えて燃料集合体Ｂを作成する場合、燃料集合体ＢのＬＰ
Ｆを悪化させないためには、置換された燃料棒のＰｕｆ
富化度（Ｐ１）と置換した余剰燃料棒のＰｕｆ富化度（Ｐ２）をできるだけ近くする必要がある。

【００６０】ただし、Ｐｕｆ富化度Ｐ２がＰ１より大きい場合は余剰燃料棒を置いた位置の局所出力が悪化する可能性があり、また、Ｐ２がＰ１より小さい場合は余剰燃料棒を置いた位置の局所出力が窪むことにより周囲の燃料棒の局所出力が増加する場合がある。

【００６１】したがって、Ｐｕｆ富化度がＰ１となっている何本かのＭＯＸ燃料棒のうちのどの位置に余剰燃料棒を配置するかを考慮しておかなければならない。 なお、余剰燃料棒の本数が少ない場合は²⁴¹ Ａｍによる反応度損失はわずかであるので、基本的にＬＰＦの悪化にのみ注意を払えばよい。

【００６２】第１の発明においては、Ｐ２とＰ１は最も近く、かつ、Ｐ２がＰ１より大きい場合は、熱中性子束が最も低い位置に余剰燃料棒が配置されるので、余剰燃料棒を配置した位置の局所出力が悪化する可能性は小さくなる。

【００６３】一方、Ｐ２がＰ１より小さい場合は、熱中性子束が最も高い位置に余剰燃料棒が配置されるので、
余剰燃料棒を配置した位置の局所出力の窪みがわずかとなり、それによって余剰燃料棒の周囲の局所出力が増加することは、ほとんど起こらなくなる。

【００６４】第２の発明は、第１の発明によっても燃料集合体ＢのＬＰＦが悪化する場合に対処するもので、図
24の燃料集合体の５番または６番の燃料棒のように燃料集合体の最外周位置にしか配置されない燃料棒がある場合に有効である。

【００６５】一般に、燃料集合体の最外周位置はＰｕｆ
富化度変化に対する燃焼初期のＬＰＦ変化の感度が大きいので、最外周位置にＰｕｆ富化度の異なる余剰燃料棒を配置すると、余剰燃料棒自身または余剰燃料棒の周囲の燃料棒の局所出力が増加しＬＰＦが悪化する可能性が高い。

【００６６】そこで、余剰燃料棒を燃料集合体Ｂの最外周位置を除く位置のみに配置するか、または、燃料集合体Ｂのすべての最外周位置をプルトニウム組成が等しくＰｕｆ富化度分布が十分に調整された余剰燃料棒で構成すれば、燃焼初期のＬＰＦの増加を防ぐことができる。

【００６７】ただし、余剰燃料棒を燃料集合体Ｂの最外周位置を除く位置に配置した場合は、Ｐｕｆ富化度が低い余剰燃料棒を本来Ｐｕｆ富化度が高い燃料集合体中央部に配置することになるので、燃料集合体平均のＰｕｆ
富化度が若干低下することになる。

【００６８】第３の発明は、第２の発明において燃料集合体Ｂの集合体平均Ｐｕｆ富化度が燃料集合体Ａより低下する点を改良したもので、あらかじめ燃料集合体Ａの中央部にすべての種類のＰｕｆ富化度をもつ燃料棒を少なくとも１本以上配置しておくので、Ｐ２のＰｕｆ富化度が低い余剰燃料棒を燃料集合体中央部に配置しても、
燃料集合体平均のＰｕｆ富化度は低下しなくてすむ。

【００６９】第４の発明においては、もとの燃料集合体Ａの対角線上に、すべての種類のＰｕｆ富化度もつ燃料棒を少なくとも１本以上配置しておくので、余剰燃料棒を奇数本配置する場合でも、対角線上に１本の余剰燃料棒を配置し残りの偶数本を対角線を挟む対称な位置に配置することが可能で、燃料集合体全体の局所出力分布の偏りを防ぎＬＰＦの増加を抑えることができる。

【００７０】第５の発明においては、炉停止余裕が厳しい場合は余剰燃料棒の配置により低温時の制御棒価値を悪化させることは許されないので、中性子吸収効果の大きい²⁴¹ Ａｍの蓄積した余剰燃料棒を非制御棒側に配置することにより、制御棒価値の悪化を防止できる。

【００７１】次に、余剰燃料棒の多数本集中装荷を対象とした第６の発明から第10の発明について説明する。 燃料集合体ＡのＭＯＸ燃料棒の全部を余剰燃料棒と置き換えて燃料集合体Ｂを作成する場合、燃料集合体の設計を変更して²⁴¹ Ａｍによる反応度損失を補償するか、または、反応度特性の異なる燃料集合体の炉心装荷位置を限定して炉心特性への影響を小さくする必要がある。

【００７２】第６の発明においては、余剰燃料棒からなる燃料集合体ＣのＰｕｆ富化度分布を燃料集合体ＡのＰ
ｕｆ富化度分布にできるだけ近くしたもので、燃料集合体Ａでは既にＬＰＦが十分に低減されるようにＰｕｆ富化度分布が調整してあるので、燃料集合体ＣでのＬＰＦ
は増加することはほとんどない。

【００７３】第７の発明においては、第６の発明で燃料集合体Ｃのプルトニウム組成が燃料集合体Ａより低い場合、または第６の発明で燃料集合体Ｃのプルトニウム組成が燃料集合体Ａと同じで、 ²⁴¹ Ａｍの蓄積量が大きい場合に、燃料集合体Ａより低い反応度特性をもつ燃料集合体Ｃを集合体出力の大きい位置に装荷することにより、径方向ピーキングを低下させることができる。 また、炉停止余裕の厳しい位置に配置すれば、炉停止余裕を改善することも可能である。

【００７４】第８の発明は、 ²⁴¹ Ａｍによる反応度損失を補償するためのもので、燃料集合体Ｃをウラン燃料棒と燃料製造後の経過時間が長い第２群のＭＯＸ余剰燃料棒で構成し、さらに、ウラン燃料棒の本数，濃縮度、または各富化度に属するＭＯＸ燃料棒本数の構成割合を調整することにより、燃料集合体Ｃの無限増倍率の燃焼特性を燃料集合体Ａに近づけることができる。

【００７５】第９の発明も、第８の発明と同様の目的で、燃料集合体Ｃにおける可燃性毒物入りウラン燃料棒の本数を燃料集合体Ａと変更することにより、特に、燃焼初期での反応度を調節できる。

【００７６】最後に、第10の発明は、第６の発明で燃料集合体Ｃのプルトニウム組成が燃料集合体Ａより高い場合、または、第８または第９の発明において反応度特性を補償した場合に、燃料集合体Ａと同程度または燃料集合体Ａより高い反応度特性をもつ燃料集合体Ｃを燃料集合体を集合体出力の小さい位置に装荷することにより、
燃料集合体Ｃの最大線出力密度が悪化することを防ぐことができる。

【００７７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 図１は、第１の発明に係る燃料集合体Ｂの第１実施例を示し、標準組成（表３）からなる燃料集合体Ａの一部の燃料棒を燃料棒製造後３年間経過した低組成（表３）の余剰燃料棒（○印）に置き換えて構成したものである。 各番号の濃縮度またはＰｕｆ富化度は表２に示した。

【００７８】余剰燃料棒は、本来、低組成燃料用に作られたもので、置換される燃料棒よりＰｕｆ富化度が高い。 そこで、図27に示した燃料集合体Ａの局所出力分布を参考に各番号の燃料棒の中で熱中性子束が最小となる燃料棒から順に25本配置した。 なお、同じ番号の燃料棒はＰｕｆ富化度が等しいので、同じ番号内で出力値が最小となる燃料棒で熱中性子束が最小となる。 燃料集合体Ｂの燃焼初期の局所出力分布は図２のようになる。 ＬＰ
Ｆで比較すると、もとの燃料集合体Ａでは1.199 、本発明による燃料集合体Ｂでは1.192 となり、ほとんど変わらないことがわかる。

【００７９】図３は、第１の発明に係る燃料集合体Ｂの第２実施例を示し、標準組成（表３）からなる燃料集合体Ａの一部の燃料棒を燃料製造後３年間経過した高組成（表３）の余剰燃料棒（○印）に置き換えて構成したものである。 ここで、各番号の濃縮度またはＰｕｆ富化度は表２に示した。

【００８０】余剰燃料棒は、高組成燃料用に作られており、置換される燃料棒よりＰｕｆ富化度が低いので、各番号の燃料棒の中で熱中性子束が最大となる燃料棒から順に25本配置した。 燃料集合体Ｂの燃焼初期の局所出力分布は図４のようになる。 ＬＰＦで比較すると、もとの燃料集合体Ａでは1.199 、本実施例による燃料集合体Ｂ
では1.180 となり、むしろやや改善されている。

【００８１】図１および図３より、標準組成に低組成の余剰燃料棒を配置する場合は熱中性子束の低いところに、標準組成に高組成の余剰燃料棒を配置する場合は中性子束の高いところに配置すればよいことがわかる。

【００８２】図５および図７は、第２の発明に係る燃料集合体Ｂの第１および第２実施例を示す。 この燃料集合体は、制御棒挿入側と非挿入側の水ギャップ幅が同じ場合（Ｃ格子燃料）の設計例である。

【００８３】はじめに、Ｐｕ組成に応じた３種類の燃料集合体Ａ（図33参照）の濃縮度またはＰｕｆ富化度を表５に示す。 また、標準組成燃料の場合の燃焼初期の局所出力分布を図３４に示す。 ＬＰＦは燃焼初期で1.258 である。 なお、図33は３種類のプルトニウム組成をもつＣ
格子ＭＯＸ燃料集合体を示し、図34は図33における燃焼初期の局所出力分布である。

【００８４】

【表５】

【００８５】図５または図７に示す燃料集合体Ｂは、標準組成（表３）からなる燃料集合体Ａの一部の燃料棒を燃料製造後３年経過した低組成または高組成（表３）の余剰燃料棒（○印）に置き換えて構成したものである。

【００８６】第１の発明に従うと、３番の低組成余剰燃料棒は３番の標準組成燃料棒のうち熱中性子束の低い位置の燃料棒と置換されることになるので、図35のような構成となり、余剰燃料棒自身が最大の局所出力を出しＬ
ＰＦは燃焼初期で1.283 （図36）となる。 図35は標準的なプルトニウム組成をもつＣ格子ＭＯＸ燃料集合体の外周部に低組成の余剰燃料棒を配置した場合を示し、図36
は図35における燃焼初期の出力分布を示している。

【００８７】また、３番の高組成余剰燃料棒は３番の標準組成燃料棒のうち熱中性子束の高い位置の燃料棒と置換されることになるので、図37のような構成となり、余剰燃料棒に隣接する最外周位置の燃料棒の局所出力が悪化しＬＰＦは燃焼初期で1.271 （図38）となる。 図37は標準的なプルトニウム組成をもつＣ格子ＭＯＸ燃料集合体の外周部に高組成の余剰燃料棒を配置した場合を示し、図38は図37における燃焼初期の出力分布を示している。

【００８８】したがって、図33の２番から４番までの燃料棒のようにもとの燃料集合体Ａの最外周位置にしか配置されない燃料棒がある場合は、第１の発明に従ってＰ
ｕｆ富化度の近い余剰燃料棒を最外周位置に配置すると、燃料集合体ＢのＬＰＦが悪化する場合がある。

【００８９】一方、第２の発明に従って３番の低組成余剰燃料棒を集合体中央部に配置する（図５）と、ＬＰＦ
は燃焼初期で1.266 （図６）となり、燃料集合体の最外周位置に配置した場合（図36，ＬＰＦ＝1.283 ）より改善される。

【００９０】ただし、３番の高組成余剰燃料棒を燃料集合体中央部に配置した場合（図７）は、燃焼初期のＬＰ
Ｆは1.269 （図８）となり、燃料集合体外周部に配置した場合（図３８，ＬＰＦ＝1.271 ）と比べて改善されてはいるもののその効果は小さい。

【００９１】なお、第３および第４実施例では、Ｐｕｆ
富化度の高い燃料集合体中央部のＭＯＸ燃料棒をＰｕｆ
富化度の低い余剰燃料棒と置換するので、集合体平均のＰｕｆ富化度が多少低くなる問題がある。

【００９２】図９または図11は、第２の実施例に係る燃料集合体Ｂの第３または第４実施例を示し、標準組成（表３）からなる燃料集合体Ａの外周部の燃料棒をすべて燃料製造後３年経過した低組成または高組成（表３）
の余剰燃料棒（○印）に置き換えて構成したものである。

【００９３】燃料集合体Ｂの燃焼初期の局所出力分布は図10または図12のようになり、ＬＰＦで比較すると、第１の発明に従った場合の1.283 （図36）、1.271 （図3
8）に対して、本発明による燃料集合体Ｂで、低組成燃料棒に置換した場合は、1.268（図10）、高組成燃料棒に置換した場合は1.245 （図12）となっており、余剰燃料棒の本数が28本と多くなっているが、ＬＰＦは改善されている。

【００９４】以上のように、第２の発明は、第１の発明によっても燃料集合体ＢのＬＰＦが悪化する場合、すなわち、燃料集合体Ａにおいて最外周位置にしか配置されない種類の燃料棒がある場合に有効である。

【００９５】図13は第３の発明に係る燃料集合体の第１
実施例を示し、第２の発明において集合体平均のＰｕｆ
富化度が低下する問題を解決する１つの手段として、もとの燃料集合体Ａにおいて最外周位置にしか配置されない種類の燃料棒をなくしたものである。

【００９６】本実施例は図33に示したＣ格子燃料集合体に代わるもので、各番号の燃料棒の濃縮度またはＰｕｆ
富化度は表５に示した。 図13（ａ）では、Ｐｕｆ富化度の低い△印で示した２番から４番の燃料棒をあらかじめ燃料集合体Ａの中央部に用意している。

【００９７】したがって、図13（ｂ）に示した燃料集合体Ｂのように、何番のＰｕｆ富化度の余剰燃料棒がきても用意されている本数分は燃料集合体の中央部に配置でき、集合体平均のＰｕｆ富化度を大きく低下させることなく、燃焼初期のＬＰＦの悪化を防ぐことができる。

【００９８】図14は、第４の発明に係る燃料集合体の第１実施例を示し、対角線上に２番から６番までの５種類すべてのＭＯＸ燃料棒を配置している。 本実施例は図24
に示したＤ格子燃料集合体に代わるもので、各番号の燃料棒の濃縮度またはＰｕｆ富化度は表２に示した。

【００９９】本実施例により、余剰燃料棒を奇数本配置する場合でも、燃料集合体Ｂのように、制御棒の中心軸に向かう対角線上に１本の余剰燃料棒を配置すれば対角線を軸とした対称性は保たれるので、余剰燃料棒による出力分布の偏りを防ぐことができる。

【０１００】図15は、第５の発明に係る燃料集合体の第１実施例を示し、図33の標準組成をもつＣ格子燃料集合体の非制御棒側に燃料製造後６年の余剰燃料棒を集中配置している。 各番号の燃料棒の濃縮度またはＰｕｆ富化度は表５に示した。 本実施例により図39に示す余剰燃料棒を制御棒挿入側に集中配置した燃料集合体に比較して、冷温時の制御棒価値を 0.2％Δk/k 程度改善することができる。

【０１０１】図16は、第６の発明に係る燃料集合体のＬ
ＰＦおよび無限増倍率の燃料特性を示す。 この図16は、
燃料棒製造後の経過時間が２年間の標準組成をもつＤ格子燃料集合体Ｃと、燃料棒製造後の経過時間が６年間で低組成の余剰燃料棒で構成された図24に示すＤ格子燃料集合体Ａの場合である。

【０１０２】低組成の余剰燃料棒で構成された燃料集合体ＣのＬＰＦは、燃料集合体Ａで既にＰｕｆ富化度分布が十分に調整されているので、燃焼初期では燃料集合体Ａとほとんど変わらないが、燃焼後では、図26と同様に低組成燃料集合体Ｃで大きくなっている。 図26は図24における燃料集合体の無限増倍率の燃焼特性を示している。 また、無限増倍率は、プルトニウム組成の違いおよび²⁴¹ Ａｍの蓄積による負の反応度効果で、燃料集合体Ｃの方が燃焼期間を通じて低くなる。

【０１０３】図17は、第７の発明に係る原子炉炉心の第１実施例を示し、 548体の燃料集合体からなる炉心のうち回転対称な１／４炉心のうち、コントロール・セルおよび余剰燃料棒入り燃料集合体の装荷位置を示している。

【０１０４】この実施例では、プルトニウム組成が燃料集合体Ａより低く反応度特性が燃料集合体Ａより低い燃料集合体Ｃ（○で示す）を図17に示したように、コントロール・セル（□内にハッチングで示す）に隣接しない位置、例えば、燃焼後の径方向ピーキングの厳しい位置または炉停止余裕の厳しい位置に４体（全炉心で16体）
装荷している。

【０１０５】この実施例により、図16に見られるような無限増倍率特性を利用して、余剰燃料棒入り燃料集合体の集合体出力を抑えて径方向ピーキングを低減するか、
または、炉停止余裕を改善できる。 図16（ａ）はＬＰＦ
の燃焼変化、図16（ｂ）は無限増倍率の燃焼変化をそれぞれ示している。

【０１０６】図18は、第８の発明に係る燃料集合体の第１実施例を示す。 各番号の濃縮度またはＰｕｆ富化度は表５の標準組成の場合であり、燃料集合体Ｃのコーナー部分のウラン燃料棒の濃縮度は図18（ａ）に示した。 ここで、図18（ｂ）の燃料集合体Ａは図33と同一である。

【０１０７】本第８の発明は、 ²⁴¹ Ａｍによる反応度損失をウラン燃料棒の本数またはＭＯＸ燃料棒の本数の構成割合を調整することにより補償したものである。

【０１０８】図18では、燃料集合体Ｃをウラン燃料棒と燃料棒製造後の経過時間が６年間の余剰燃料棒で構成し、かつ、ウラン燃料棒を燃料集合体のコーナー部分に
10本配置し、ＭＯＸ燃料棒の本数の構成割合を変更している。

【０１０９】これにより、図19に示すように、運転サイクル末期での炉心平均燃焼度時の無限増倍率を燃料集合体Ａの場合と一致させることができる。 なお、燃料集合体Ｃでは、ウラン燃料棒の配置に伴い最外周のＭＯＸ燃料棒の配置を燃料集合体Ａから変更し、燃焼初期のＬＰ
Ｆをできるだけ低くしている。 燃料集合体Ａの1.258に対して、燃料集合体Ｃでは1.268 とやや増加している。

【０１１０】図20は、第９の発明に係る燃料集合体の第１の実施例を示す。 各番号の濃縮度またはＰｕｆ富化度は表３の標準組成の場合に相当する。

【０１１１】図32は標準的なプルトニウム組成をもつＭ
ＯＸ燃料集合体において、燃料製造後の経過時間が２年の場合と６年の場合の燃料集合体の無限増倍率と燃焼度との関係を示している。 図32に示したように、 ²⁴¹ Ａｍ
蓄積による負の反応度は燃焼初期で最も大きく、燃焼が進むとともに減少していく。

【０１１２】そこで、集合体平均Ｐｕｆ富化度が2.77wt
％の燃料集合体Ａの無限増倍率にできるだけ近づくように、燃料集合体Ｃのガドリニア入り燃料棒の本数を減らし、さらにＭＯＸ燃料棒の本数の構成割合を変更して、
集合体平均Ｐｕｆ富化度を2.90wt％まで、高めている。

【０１１３】これにより、図21に示すように、燃焼期間を通じて²⁴¹ Ａｍ蓄積蓄積の負の反応度効果を補償できる。 なお、燃焼初期のＬＰＦは、燃料集合体Ｃで1.190
、燃料集合体Ａで1.215 となっており、あまり変わらない。

【０１１４】なお、図18または図20はすべて標準組成の場合の実施例であるが、燃料集合体Ａと燃料集合体Ｃのプルトニウム組成が異なる場合は、組成の違いによる効果も考慮して、ウラン燃料棒およびガドリニア入り燃料棒の本数、濃縮度、またはＭＯＸ燃料棒の本数の構成割合を調節する必要がある。

【０１１５】図22は、第10の発明に係る原子炉炉心の第１実施例を示し、 548体の燃料集合体からなる炉心のうち回転対称な１／４炉心のうち、コントロール・セルおよび余剰燃料棒入り燃料集合体の装荷位置を示している。

【０１１６】ここでは、第６の発明でプルトニウム組成が燃料集合体Ａより高く反応度特性が燃料集合体Ａより高い燃料集合体Ｃか、または図18および図20で示した反応度補償後の燃料集合体Ｃを、集合体出力の低い炉心最外周から３層目までの位置またはコントロール・セルに隣接する位置に装荷している。 これにより、余剰燃料棒入りの燃料集合体Ｃが熱的に厳しくなることを防止できる。

【０１１７】なお、上記実施例では、燃料集合体においては、余剰燃料棒のプルトニウム組成または燃料棒製造後経過時間は１種類としたが２種類以上としてもよい。
また、炉心においては、余剰燃料棒入りの燃料集合体は１種類としたが２種類以上としてもよい。

【０１１８】

【発明の効果】本発明によれば、ある運転サイクルで生じた余剰のＭＯＸ燃料棒を、それ以降の運転サイクルの燃料集合体の一部または全部に混ぜて使う場合に、プルトニウム組成の違いによる効果および²⁴¹ Ａｍによる効果を考慮して、余剰燃料棒の集合体における配置位置または余剰燃料棒入り燃料集合体の炉心における装荷位置を限定する、あるいは、余剰燃料棒入り燃料集合体の設計変更を行うことにより、余剰燃料棒入り燃料集合体が炉心特性に及ぼす影響を小さくできる。 その結果、余剰燃料棒を無駄にすることなく利用できるので、資源の有効利用が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明に係る燃料集合体Ｂの第１実施例を示す図。

【図２】図１における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図３】第１の発明に係る燃料集合体Ｂの第２実施例を示す図。

【図４】図２における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図５】第２の発明に係る燃料集合体Ｂの第１実施例を示す図。

【図６】図５における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図７】第２の発明に係る燃料集合体Ｂの第２実施例を示す図。

【図８】図７における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図９】第２の発明に係る燃料集合体Ｂの第３実施例を示す図。

【図１０】図９における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図１１】第２の発明に係る燃料集合体Ｂの第４実施例を示す図。

【図１２】図１１における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図１３】第３の発明に係る燃料集合体の第１実施例で、（ａ）は燃料集合体Ａを、（ｂ）は燃料集合体Ｂをそれぞれ示す図。

【図１４】第４の発明に係る燃料集合体の第１実施例で、（ａ）は燃料集合体Ａを、（ｂ）は燃料集合体Ｂをそれぞれ示す図。

【図１５】第５の発明に係る燃料集合体の第１実施例を示す図。

【図１６】（ａ）は第６の発明に係る燃料集合体のＬＰ
Ｆの燃焼特性を示す特性図、（ｂ）は同じく無限増倍率の燃焼特性を示す特性図。

【図１７】第７の発明に係る燃料集合体の第１実施例を示す１／４炉心構成図。

【図１８】第８の発明に係る燃料集合体の第１実施例で、（ａ）は燃料集合体Ｃを、（ｂ）は燃料集合体Ａをそれぞれ示す図。

【図１９】図18における燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を示す特性図。

【図２０】第９の発明に係る燃料集合体の第１実施例で、（ａ）は燃料集合体Ｃを、（ｂ）は燃料集合体Ａをそれぞれ示す図。

【図２１】図20における燃料集合体の無限増倍率の燃焼変化を示す特性図。

【図２２】第10の発明に係る原子炉炉心の第１実施例を示す１／４炉心構成図。

【図２３】従来のウラン燃料集合体を示す横断面図。

【図２４】３種類のプルトニウム組成をもつＤ格子ＭＯ
Ｘ燃料集合体Ａを示す図。

【図２５】図24における燃料集合体の無限増倍率の燃焼特性を示す特性図。

【図２６】図24における燃料集合体のＬＰＦの燃焼特性を示す特性図。

【図２７】標準的なプルトニウム組成をもつＤ格子ＭＯ
Ｘ燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図２８】標準的なプルトニウム組成をもつＭＯＸ燃料集合体において、同一Ｐｕｆ富化度のグループ内で局所出力分布の高い位置に低組成の余剰燃料棒を配置した燃料集合体を示す図。

【図２９】図28における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図３０】標準的なプルトニウム組成をもつＭＯＸ燃料集合体において、同一Ｐｕｆ富化度のグループ内で局所出力分布の低い位置に高組成の余剰燃料棒を配置した燃料集合体を示す図。

【図３１】図30における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図３２】標準的なプルトニウム組成をもつＭＯＸ燃料集合体において、燃料製造後の経過時間が２年の場合と６年の場合の燃料集合体の無限増倍率と燃焼度との関係を比較した特性図。

【図３３】３種類のプルトニウム組成をもつＣ格子ＭＯ
Ｘ燃料集合体を示す図。

【図３４】標準的なプルトニウム組成をもつＣ格子ＭＯ
Ｘ燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図３５】標準的なプルトニウム組成をもつＣ格子ＭＯ
Ｘ燃料集合体の外周部に低組成の余剰燃料棒を配置した場合を示す図。

【図３６】図35における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図３７】標準的なプルトニウム組成をもつＣ格子ＭＯ
Ｘ燃料集合体の外周部に高組成の余剰燃料棒を配置した場合を示す図。

【図３８】図37における燃料集合体の燃焼初期の局所出力分布を示す図。

【図３９】制御棒挿入側に余剰燃料棒を配置した燃料集合体を示す図。

【符号の説明】

ａ…チャンネルボックス、ｂ…ウラン燃料棒、ｃ…ガドリニア入り燃料棒、ｄ…ウォータロッド、ｅ…水ギャップ領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 博之 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内