(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-31
(45)【発行日】2022-11-09
(54)【発明の名称】燃料集合体
(51)【国際特許分類】
G21C 3/326 20060101AFI20221101BHJP
G21C 3/328 20060101ALI20221101BHJP
G21C 3/62 20060101ALI20221101BHJP
【ＦＩ】
G21C3/326
G21C3/328 200
G21C3/326 200
G21C3/62 700
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2019126796
(22)【出願日】2019-07-08
(65)【公開番号】P2021012116
(43)【公開日】2021-02-04
【審査請求日】2021-11-24
(73)【特許権者】
【識別番号】507250427
【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】横井 公洋
(72)【発明者】
【氏名】光安 岳
【審査官】大門 清
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６１－０７１３８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２２９９８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－０６８７８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開平０４－０５３５９２（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ２１Ｃ ３／３２６
Ｇ２１Ｃ ３／３２８
Ｇ２１Ｃ ３／６２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、核燃料物質を含む複数の燃料棒とを備え、
複数の燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒が、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、
前記複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
前記第１燃料棒の燃料有効長が前記燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が前記第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
前記第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填し
た物質充填領域を、前記第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する前記第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
前記第２燃料棒を、前記チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、制御棒と対向する前記側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に配置しており、
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい前記物質が、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス及び中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質の内の少なくとも一つであり、
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい前記固体物質が、前記物質充填領域である固体物質充填領域に充填されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項2】
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、核燃料物質を含む複数の燃料棒と、
前記上部燃料支持部材の１つのコーナー部に取り付けられて前記チャンネルボックスを前記上部燃料支持部材に取り付けているチャンネルファスナとを備え、
複数の燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒が、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、
前記複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
前記第１燃料棒の燃料有効長が前記燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が前記第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
前記第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、前記第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する前記第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
前記第２燃料棒を、前記チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、前記チャンネルファスナ側のコーナー部から一方向に伸びる前記側壁部の内面に面している、最外周領域の部分に配置しており、
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい前記物質が、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス及び中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質の内の少なくとも一つであり、
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい前記固体物質が、前記物質充填領域である固体物質充填領域に充填されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項3】
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、核燃料物質を含む複数の燃料棒とを備え、
複数の燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒が、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、
前記複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
前記第１燃料棒の燃料有効長が前記燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が前記第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
前記第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填し
た物質充填領域を、前記第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する前記第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
前記第２燃料棒を、前記チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、制御棒と対向する前記側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に配置しており、
前記第１燃料有効長の長さをＬとしたとき、前記第１燃料有効長の上端から下方に向かって伸びる前記物質充填領域の軸方向の長さを、２Ｌ／２４以上１８Ｌ／２４以下の範囲内の長さとし、
前記物質充填領域の軸方向の長さを、７Ｌ／２４以上１８Ｌ／２４以下の範囲内の長さとすることを特徴とする燃料集合体。
【請求項4】
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、核燃料物質を含む複数の燃料棒と、
前記上部燃料支持部材の１つのコーナー部に取り付けられて前記チャンネルボックスを前記上部燃料支持部材に取り付けているチャンネルファスナとを備え、
複数の燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒が、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、
前記複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
前記第１燃料棒の燃料有効長が前記燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が前記第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
前記第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、前記第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する前記第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
前記第２燃料棒を、前記チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、前記チャンネルファスナ側のコーナー部から一方向に伸びる前記側壁部の内面に面している、最外周領域の部分に配置しており、
前記第１燃料有効長の長さをＬとしたとき、前記第１燃料有効長の上端から下方に向かって伸びる前記物質充填領域の軸方向の長さを、２Ｌ／２４以上１８Ｌ／２４以下の範囲内の長さとし、
前記物質充填領域の軸方向の長さを、７Ｌ／２４以上１８Ｌ／２４以下の範囲内の長さとすることを特徴とする燃料集合体。
【請求項5】
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、核燃料物質を含む複数の燃料棒とを備え、
複数の燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒が、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、
前記複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
前記第１燃料棒の燃料有効長が前記燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が前記第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
前記第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填し
た物質充填領域を、前記第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する前記第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
前記第２燃料棒を、前記チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、制御棒と対向する前記側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に配置しており、
前記第１燃料有効長の長さをＬとしたとき、前記物質充填領域の下端と前記第２燃料有効長の上端との境界の位置が、前記第１燃料有効長の上端から２Ｌ／２４だけ下方に位置する位置と、前記第１燃料有効長の上端から１８Ｌ／２４だけ下方に位置する位置の範囲内に存在する位置であり、
前記第２燃料有効長の上端と前記物質充填領域の下端の境界の位置が、前記第１燃料有効長の上端から７Ｌ／２４だけ下方に位置する位置と、前記第１燃料有効長の上端から１８Ｌ／２４だけ下方に位置する位置の範囲内に存在する位置であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項6】
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、核燃料物質を含む複数の燃料棒と、
前記上部燃料支持部材の１つのコーナー部に取り付けられて前記チャンネルボックスを前記上部燃料支持部材に取り付けているチャンネルファスナとを備え、
複数の燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒が、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、
前記複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
前記第１燃料棒の燃料有効長が前記燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が前記第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
前記第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、前記第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する前記第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
前記第２燃料棒を、前記チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、前記チャンネルファスナ側のコーナー部から一方向に伸びる前記側壁部の内面に面している、最外周領域の部分に配置しており、
前記第１燃料有効長の長さをＬとしたとき、前記物質充填領域の下端と前記第２燃料有効長の上端との境界の位置が、前記第１燃料有効長の上端から２Ｌ／２４だけ下方に位置する位置と、前記第１燃料有効長の上端から１８Ｌ／２４だけ下方に位置する位置の範囲内に存在する位置であり、
前記第２燃料有効長の上端と前記物質充填領域の下端の境界の位置が、前記第１燃料有効長の上端から７Ｌ／２４だけ下方に位置する位置と、前記第１燃料有効長の上端から１８Ｌ／２４だけ下方に位置する位置の範囲内に存在する位置であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項7】
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、核燃料物質を含む複数の燃料棒とを備え、
複数の燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒が、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、
前記複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
前記第１燃料棒の燃料有効長が前記燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が前記第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
前記第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填し
た物質充填領域を、前記第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する前記第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
前記第２燃料棒を、前記チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、制御棒と対向する前記側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に配置しており、
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい前記物質が、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス及び中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質の内の少なくとも一つであり、
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい前記ガスが、前記物質充填領域であるガス充填領域に充填され、
前記ガス充填領域が、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいＨｅガスを充填したＨｅ充填領域であり、
前記ガス充填領域が内部に形成された密封容器を、前記第２燃料棒内で前記第２燃料有効長の上端の上方に配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項8】
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、核燃料物質を含む複数の燃料棒と、
前記上部燃料支持部材の１つのコーナー部に取り付けられて前記チャンネルボックスを前記上部燃料支持部材に取り付けているチャンネルファスナとを備え、
複数の燃料スペーサによって束ねられた前記複数の燃料棒が、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、
前記複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
前記第１燃料棒の燃料有効長が前記燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が前記第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
前記第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、前記第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する前記第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
前記第２燃料棒を、前記チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、前記チャンネルファスナ側のコーナー部から一方向に伸びる前記側壁部の内面に面している、最外周領域の部分に配置しており、
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい前記物質が、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス及び中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質の内の少なくとも一つであり、
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい前記ガスが、前記物質充填領域であるガス充填領域に充填され、
前記ガス充填領域が、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいＨｅガスを充填したＨｅ充填領域であり、
前記ガス充填領域が内部に形成された密封容器を、前記第２燃料棒内で前記第２燃料有効長の上端の上方に配置することを特徴とする燃料集合体。
【請求項9】
前記固体物質充填領域が、黒鉛、ベリリウム、酸化ベリリウム及び炭化ベリリウムのいずれかを充填している領域である請求項１または２に記載された燃料集合体。
【請求項10】
前記燃料集合体の横断面において、前記最外周領域における核分裂性プルトニウムの平均富化度は、前記最外周領域よりも内側の中央領域における核分裂性プルトニウムの平均富化度よりも低くなっている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項11】
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を含む複数の第３燃料棒を備え、前記第３燃料棒は、前記最外周領域よりも内側に配置されている請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、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。
【背景技術】
【0002】
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充填し、密封された複数の燃料棒、燃料棒の上端部を支持する上部タイプレート、燃料棒の下端部を支持する下部タイプレート、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に向かって伸びており、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。
【0003】
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）とウランの混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）は、核燃料物質として使用される。核燃料物質であるＭＯＸ燃料を含む燃料集合体は、ＭＯＸ燃料集合体と呼ばれる。核資源の有効活用等の観点から、ＭＯＸ燃料集合体を原子炉の炉心に装荷して発電する、プルサーマル発電が実施される。
【0004】
ＭＯＸ燃料集合体のプルトニウム含有量を従来の燃料集合体よりも増加させる、高富化度化したＭＯＸ燃料集合体の使用が検討されている。高富化度化したＭＯＸ燃料集合体の燃焼初期においては、この燃料集合体は熱中性子を吸収しやすいため、炉心の中性子スペクトルが硬くなり、制御棒を挿入しても反応度が抑制しづらくなる。そのため、高富化度化したＭＯＸ燃料集合体を用いた原子炉では、制御棒の反応度抑制能力を示す、制御棒価値が低下する。
【0005】
このような問題を改善して制御棒価値を向上させる技術の一例が、特開平１０－３１１８８９号公報及び特開２００４－３６１２９６号公報に記載されている。
【0006】
特開平１０－３１１８８９号公報は、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。この燃料集合体は、正方配列の複数の燃料棒を有し、上端部及び下端部が上部タイプレート及び下部タイプレートに支持される燃料棒（以下、全長燃料棒という）の燃料有効長よりも短い燃料有効長を有する燃料棒(以下、部分長燃料棒という)を、燃料棒の正方配列の最外周領域の各辺に２本ずつ配置している。最外周領域よりも内側には、全長燃料棒のみが配置される。最外周の部分長燃料棒に隣接する燃料棒は、全長燃料棒とする。制御棒に隣接する燃料集合体の最外周を部分長燃料棒にする構造により、当該部で燃料棒に吸収される熱中性子が少なくなるため、制御棒で吸収される中性子が増え、制御棒価値が向上する。
【0007】
特開２００４－３６１２９６号公報に記載された燃料集合体は、高富化度のＭＯＸ燃料を充填した燃料棒を、横断面の中央部に配置し、燃料棒に劣化ウランの酸化物または２ｗｔ％以下の酸化プルトニウムを含むＭＯＸ燃料を充填した燃料棒を、制御棒に面して配置する。その燃料集合体は、チャンネルボックスを有し、チャンネルボックスの、制御棒に面する側壁部の内面または外面に固体減速材を付帯している。特開２００４－３６１２９６号公報に記載された燃料集合体は、特開平１０－３１１８８９号公報に記載された燃料集合体と同様に、制御棒で吸収される中性子の量を増加させ、制御棒価値を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開平１０－３１１８８９号公報
【文献】特開２００４－３６１２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特開平１０－３１１８８９号公報に記載された、複数の燃料棒を正方配列している燃料集合体は、燃料集合体の横断面において最外周領域においてコーナー部を除いた位置に２本の部分長燃料棒を隣接させて配置することにより、燃料集合体内の、部分長燃料棒よりも上方の部分で最外周領域における燃料棒の本数が減少する。この結果、その最外周領域での熱中性子の吸収量が減少し、その燃料集合体に隣接して配置された制御棒での熱中性子の吸収量が増えるため、制御棒価値が向上する。
【0010】
しかしながら、複数の部分長燃料棒を最外周領域に配置している、特開平１０－３１１８８９号公報に記載された燃料集合体では、燃料集合体内の最外周領域における、部分長燃料棒よりも上方の部分において、冷却材である軽水の割合が多くなるため、軽水によって吸収される中性子の量が、部分長燃料棒の上端よりも下方の部分でのその量に比べて多くなる。燃料集合体内の核燃料物質の燃焼が進むと、すなわち、運転サイクルの末期に近づくと、核燃料物質による熱中性子の吸収量が少なくなり、特に、燃料集合体内の最外周領域の、部分長燃料棒の真上の部分で軽水中の熱中性子束が増大し、その部分における軽水による熱中性子の吸収量が増加する。このため、運転サイクルの末期における制御棒価値が悪化する。
【0011】
また、複数の部分長燃料棒を最外周領域に配置することにより軽水による中性子の吸収量が増大するため、冷温時における燃料集合体への反応度添加量を示すスウィングが大きく減少する。制御棒価値を格段に向上させるために部分長燃料棒を燃料集合体の最外周領域へ多数配置した場合には、スウィング、すなわち、冷温時における燃料集合体への反応度添加量が大きく負となる。しかし、その反応度添加量が大きく負となるような燃料集合体は、ボイド係数が正となる可能性があり、安全設計上好ましくない。
【0012】
特開２００４－３６１２９６号公報では、前述のように、制御棒価値は向上する。一般的に、燃料棒内の核燃料物質による熱中性子の吸収は、Ｕ２３５等の核分裂性核種によるものが支配的である。しかし、中速中性子に対しては、Ｕ２３８等の親核種による共鳴吸収も存在する。そのため、特開２００４－３６１２９６号公報では、燃料集合体の横断面において、チャンネルボックスの、制御棒と対向する側壁部の内面に面する最外周領域の部分に配置された燃料棒に含まれる核分裂性核種の割合を、仮に０％としても、親核種等の中性子の共鳴吸収が制御棒価値へ与える影響は無視できない。
【0013】
本発明の目的は、運転サイクルを通して制御棒価値を向上でき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】
【0014】
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、上部燃料支持部材に上端部が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、核燃料物質を含む複数の燃料棒とを備え、複数の燃料スペーサによって束ねられた複数の燃料棒が、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、
複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
第１燃料棒の燃料有効長が燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
第２燃料棒を、チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、制御棒と対向する側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に配置することにある。
複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
第１燃料棒の燃料有効長が燃料集合体の第１燃料有効長であって、前記第２燃料棒の燃料有効長が第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
第２燃料棒を、チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、制御棒と対向する側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に配置することにある。
【0015】
第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、この第２燃料棒を、チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、制御棒と対向する側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に配置しているので、制御棒と対向する側壁部の内面に面する、最外周領域の部分における軽水が減少して軽水によって吸収される中性子の量が減少し、運転サイクルの末期においても制御棒価値が向上する。このため、運転サイクルを通して制御棒価値を向上させることができる。
【0016】
上記の目的は、下部燃料支持部材と、上部燃料支持部材と、上部燃料支持部材に上端部が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、核燃料物質を含む複数の燃料棒と、上部燃料支持部材の１つのコーナー部に取り付けられてチャンネルボックスを上部燃料支持部材に取り付けているチャンネルファスナとを備え、複数の燃料スペーサによって束ねられた複数の燃料棒が、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、
複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
第１燃料棒の燃料有効長が燃料集合体の第１燃料有効長であって、第２燃料棒の燃料有効長が第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
第２燃料棒を、チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、チャンネルファスナ側のコーナー部から一方向に伸びる側壁部の内面に面している、最外周領域の部分に配置することによっても達成できる。
複数の燃料棒が複数の第１燃料棒と第２燃料棒を含んでおり、
第１燃料棒の燃料有効長が燃料集合体の第１燃料有効長であって、第２燃料棒の燃料有効長が第１燃料有効長よりも短い第２燃料有効長であり、
第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、
第２燃料棒を、チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、チャンネルファスナ側のコーナー部から一方向に伸びる側壁部の内面に面している、最外周領域の部分に配置することによっても達成できる。
【0017】
第２燃料棒が、内部において、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質を充填した物質充填領域を、第１燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する第２燃料有効長の上端に亘って形成しており、第２燃料棒を、チャンネルボックスを構成する複数の側壁部のうち、チャンネルファスナ側のコーナー部から一方向に伸びる側壁部の内面に面している、最外周領域の部分に配置するので、チャンネルファスナ側のコーナー部から一方向に伸びる側壁部の内面に面する、最外周領域の部分における軽水が減少して軽水によって吸収される中性子の量が減少し、運転サイクルの末期においても制御棒価値が向上する。このため、運転サイクルを通して制御棒価値を向上させることができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、運転サイクルを通して制御棒価値を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図9】沸騰水型原子炉で用いられるケース１の燃料集合体の、部分長燃料棒の上端よりも上方の位置での横断面図である。
【図10】沸騰水型原子炉で用いられるケース２の燃料集合体の、部分長燃料棒の上端よりも上方の位置での横断面図である。
【図11】沸騰水型原子炉で用いられるケース３の燃料集合体の、部分長燃料棒の上端よりも上方の位置での横断面図である。
【図12】沸騰水型原子炉で用いられるケース４の燃料集合体の、部分長燃料棒の上端よりも上方の位置での横断面図である。
【図13】ケース１～４の燃料集合体の燃焼度平均した制御棒価値の比較の図である。
【図14】ケース４の燃料集合体水平断面を軸方向上端からある一定範囲設けた際の、制御棒価値の改善率（％）と軸方向範囲の関係を示す図である。
【図15】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の燃料集合体に含まれる各燃料棒の軸方向における核分裂性プルトニウム富化度分布を示す説明図である。
【図16】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。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明者等は、種々の検討を重ね、運転サイクルを通して制御棒価値を向上させることができる新たな燃料集合体を見出した。この検討結果及び新たに見出した燃料集合体の概要について以下に説明する。
【0021】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に用いられるＭＯＸ燃料集合体に用いられるＭＯＸ燃料（ウランとプルトニウムの混合酸化物燃料）において、核分裂性プルトニウムの富化度を高めた場合、前述したように、制御棒価値が減少するという問題が生じる。
【0022】
沸騰水型原子炉で用いられる制御棒は、中心軸から四方に伸びる、中性子吸収材を含む４枚のブレードを有する。この制御棒は横断面が十字形をしており、２枚のブレードが、炉心内で、燃料集合体のチャンネルボックス（横断面が正方形状の角筒）の１つのコーナー部から伸びる、チャンネルボックスの２つの側壁部に対向している。なお、そのチャンネルボックスは、４つの側壁部により構成される。
【0023】
制御棒価値の向上には、燃料集合体内の燃料棒で発生し、燃料集合体相互間に存在する水ギャップ領域等で熱エネルギーまで減速された中性子が、より多く制御棒まで到達し、この制御棒で吸収される必要がある。そのため、燃料集合体の横断面において、チャンネルボックスの側壁部のうち、制御棒と対向する側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に、熱中性子を吸収しやすい物質を配置しないという対策が考えられる。熱中性子を吸収しやすい代表的な物質としては、燃料棒に充填されたＵ２３５等の核分裂性核種がある。このため、燃料集合体の横断面において、チャンネルボックスの４つの側壁部のうち、制御棒と対向する側壁部の内面に面する、最外周領域の部分に配置される燃料棒に充填された核燃料物質の核分裂性プルトニウムの富化度を低下させることにより、制御棒価値が向上すると考えられる。
【0024】
また、沸騰水型原子炉で用いられる燃料集合体では、燃料棒内の核燃料物質に含まれる核分裂性核種（例えば、Ｕ２３５，Ｐｕ２３９等）の核分裂によって発生する中性子は、主に水ギャップ領域で減速される。この水ギャップ領域は、燃料集合体相互間に形成される。燃料集合体の最外周領域に配置された燃料棒内の核燃料物質による熱中性子の吸収は、制御棒価値を悪化させる要因となる。その燃料棒内には、Ｕ２３８等の親核種が存在しており、この親核種は、中速中性子を共鳴吸収する。すなわち、チャンネルボックスの４つの側壁部のうち、制御棒と対向する２つの側壁部のそれぞれの内面に面する、最外周領域の部分に配置される燃料棒に充填された核燃料物質の核分裂性プルトニウムの富化度を低下させるだけではなく、核燃料物質を排除することによって、制御棒価値はさらに改善できると考えられる。
【0025】
以上に述べたことを考慮すると、チャンネルボックスの、制御棒と対向する２つの側壁部のそれぞれの内面に面する、最外周領域の部分に配置される燃料棒内の核燃料物質の一部を排除することにより、その最外周の部分での熱中性子の吸収量が減り、制御棒価値が向上すると考えられる。ただし、その部分に配置される燃料棒内の一部の核燃料物質を排除する替りに、排除する核燃料物質と同量の軽水をその部分に設けると、最外周領域のその部分でその軽水による熱中性子の吸収が発生する。
【0026】
燃料集合体内で核燃料物質による熱中性子の吸収量が少なくなり、特に、燃料集合体内の最外周領域の上記の部分で軽水中の熱中性子束が増大し、その部分における軽水による熱中性子の吸収量が増加する。このため、運転サイクルの末期における制御棒価値が悪化する。
【0027】
その課題を解消するために、発明者らは、チャンネルボックスを構成する複数の側壁部（例えば、４つの側壁部）のうち、制御棒と対向する２つの側壁部のそれぞれの内面に面する、最外周領域の部分に配置される燃料棒内に、軽水よりも中性子吸収断面積が小さいガスを充填したガス充填領域を形成することを思い付いた。このガス充填領域をそれらの燃料棒内に形成することによって、制御棒価値を効果的に向上できるのではと考えた。
【0028】
発明者らは、以上の検討結果を基に、種々の燃料集合体による制御棒価値の向上度合いを評価した。以下にその評価結果について説明する。
【0029】
ケース１ないし４の４つのケースのそれぞれに対し、制御棒価値の向上度合いを評価した。ケース１では、一般的な沸騰水型原子炉で使用される燃料集合体、すなわち、図９に示す燃料集合体１０Ａが用いられる。図９は、燃料集合体１０Ａの上部、すなわち、燃料集合体１０Ａの後述の部分長燃料棒の上端よりも上方の位置での横断面を示している。燃料集合体１０Ａのチャンネルボックス１６は、４つの側壁部、すなわち、側壁部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ及び１６Ｄを有し、隣り合う側壁部同士が互いに繋がっている。側壁部１６Ａ及び１６Ｂのそれぞれが、水ギャップ領域４４内に存在する制御棒３３の２枚のブレードのそれぞれと対向している。燃料集合体１０Ａは、チャンネルボックス１６内に、１０行１０列に配列された複数の燃料棒１１を有する。１０行１０列に配列された全ての燃料棒１１は、下端部が下部タイプレート（図示せず）によって支持されて上端部が上部タイプレート（図示せず）によって支持される全長燃料棒１２であり、充填された核燃料物質に含まれる核分裂性プルトニウム（Ｐｕｆ）の富化度が５．６１ｗｔ％である燃料棒１である。チャンネルボックス１６内に配置された燃料棒１１の本数は、７８本である。図９のチャンネルボックス１６の内面から２列目の燃料棒配列の、燃料棒を示す丸印が記載されていない位置、及び燃料集合体１０Ａの横断面の中央部の、燃料棒を示す丸印が記載されていない位置には、全長燃料棒よりも軸方向の長さが短く、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い部分長燃料棒が配置される。燃料経済性、及び燃料集合体の横断面での出力平坦化のため、２本のウォーターロッドＷＲが燃料集合体の横断面の中央部に配置される。燃料集合体の横断面において、２本のウォーターロッドＷＲが占める領域は、８本の燃料棒１１の配置が可能な領域に相当する。
【0030】
後述の燃料集合体１０Ｂないし１０Ｄのそれぞれの燃料集合体でも、燃料集合体１０Ａの横断面と同じ位置に部分長燃料棒が配置される。
【0031】
以降に述べるケース２ないし４の各燃料集合体１０Ｂないし１０Ｄのそれぞれも、プルトニウム装荷量を同等にするため、燃料棒１１の本数をケース１の燃料集合体１０Ａと同じにしている。図１０、図１１および図１２のそれぞれは、燃料集合体１０Ｂ，１０Ｃ及び１０Ｄのそれぞれにおける、部分長燃料棒の上端より上方の位置での横断面を示している。
【0032】
ケース２では、図１０に示す燃料集合体１０Ｂが用いられる。燃料集合体１０Ｂは、燃料集合体１０Ａと同様に、１０行１０列に配列された複数の燃料棒１１として全長燃料棒１２を用いている。燃料集合体１０Ａでは、チャンネルボックス１６の内面に隣接する最外周領域３５、及び最外周領域３５よりも内側の中央領域のそれぞれに配置される燃料棒１１は、それぞれ燃料棒１であって核燃料物質に含まれる核分裂性プルトニウムの富化度が５．６１ｗｔ％と同じであるのに対し、燃料集合体１０Ｂでは、最外周領域３５に配置される燃料棒１１は全て燃料棒３であり、最外周領域３５よりも内側の中央領域に配置される燃料棒１１は全て燃料棒２である。各燃料棒３に充填された核燃料物質に含まれる核分裂性プルトニウムの富化度は、前述の燃料棒１に充填された核燃料物質のその富化度よりも低く、４．３０ｗｔ％であり、各燃料棒２に充填された核燃料物質に含まれる核分裂性プルトニウムの富化度は、前述の燃料棒１に充填された核燃料物質のその富化度よりも高く、６．７３ｗｔ％である。燃料集合体１０Ｂでは、最外周領域３５に配置される燃料棒３の核分裂性プルトニウムの富化度は、中央領域に配置される燃料棒２の核分裂性プルトニウムの富化度よりも低くなっている。しかしながら、燃料集合体１０Ｂにおける核分裂性プルトニウムの平均富化度は、燃料集合体１０Ａにおける核分裂性プルトニウムの平均富化度と同じである。
【0033】
燃料集合体１０Ｂでも、この燃料集合体の横断面の中央部に、燃料集合体１０ＡのウォーターロッドＷＲと同じ太さを有する２本のウォーターロッドＷＲを配置している。
【0034】
ケース３では、図１１に示す燃料集合体１０Ｃが用いられる。燃料集合体１０Ｃは、ケース１の燃料集合体１０Ａの横断面の中央に配置された２本のウォーターロッドＷＲの替りに燃料棒１１の外径と同じ外径を有する８本のウォーターロッドＷＲを有している。燃料集合体１０Ｃは、燃料集合体１０Ａの横断面の中央部で２本のウォーターロッドＷＲが配置された位置に８本の燃料棒１を配置し、８本のウォーターロッドＷＲは、チャンネルボックス１６の、制御棒３３と対向する２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する最外周領域３５のそれぞれの部分に、４本ずつ分けて配置される。７８本の燃料棒１及び８本のウォーターロッドＷＲが、図１１に示すように、１０行１０列に配列されている。燃料棒１の核分裂性プルトニウムの富化度は、燃料集合体１０Ａと同じく５．６１ｗｔ％である。また、燃料集合体１０Ｃにおける核分裂性プルトニウムの平均富化度は、燃料集合体１０Ａにおける核分裂性プルトニウムの平均富化度と同じである。
【0035】
ケース４では、図１２に示す燃料集合体１０Ｄが用いられる。燃料集合体１０Ｄは、燃料集合体１０Ｃにおいてチャンネルボックス１６の４つの側壁部のうち、制御棒３３と対向する２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分で、ウォーターロッドＷＲが配置された各位置に燃料棒Ｈ１を配置している。すなわち、燃料集合体１０Ｄは、チャンネルボックス１６の２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に燃料棒Ｈ１を配置している。燃料集合体１０Ｄでは、７８本の燃料棒１及び８本の燃料棒Ｈ１が、図１２に示すように、１０行１０列に配列されている。燃料棒１及び燃料棒Ｈ１のそれぞれの核分裂性プルトニウムの富化度は、燃料集合体１０Ａと同じく５．６１ｗｔ％である。燃料集合体１０Ｄにおける核分裂性プルトニウムの平均富化度も、燃料集合体１０Ａにおける核分裂性プルトニウムの平均富化度と同じである。燃料棒Ｈ１は、内部に核分裂性プルトニウムを含むＭＯＸ燃料（核燃料物質）を充填した核燃料物質充填領域、及びガス充填領域である、ヘリウムガスを充填したＨｅ充填領域を形成しており、その核燃料物質充填領域及びＨｅ充填領域のそれぞれのノード数は図２に示す燃料棒Ｈ２におけるそれらの領域のノード数と同じである。
【0036】
以上のケース１～ケース４の各燃料集合体について、燃料集合体の冷温時における制御棒価値を求め、燃焼度に対応して変化する制御棒価値の平均値を求めた。この得られた制御棒価値の平均値を図１３に示す。図１３に示されたケース１～４のそれぞれの燃料集合体に対する各制御棒価値は、燃料集合体１０Ａの、部分長燃料棒の上端よりも上方における図９に示された横断面での燃料棒配置、燃料集合体１０Ｂの、部分長燃料棒の上端よりも上方における図１０に示された横断面での燃料棒配置、燃料集合体１０Ｃの、部分長燃料棒の上端よりも上方における図１１に示された横断面での燃料棒配置、及び燃料集合体１０Ｄの、部分長燃料棒の上端よりも上方における図１２に示された横断面での燃料棒配置が各燃料集合体の軸方向において持続されるとして求められた。
【0037】
ケース１～４のうち、ケース４の、チャンネルボックス１６の４つの側壁部のうち、制御棒と対向する２つの側壁部の各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に、燃料棒Ｈ１を配置している燃料集合体１０Ｄ（ケース４）で、制御棒価値が最も大きくなった。燃料集合体１０Ｄで制御棒価値が最も大きくなる理由は、上記のように最外周領域３５に配置された燃料棒Ｈ１の作用により、最外周領域３５での核分裂性核種による熱中性子の吸収、Ｕ２３８等の親核種による中速中性子の吸収、及び軽水による中性子の吸収が減少するからである。
【0038】
次に、発明者らは、炉心の反応度を効率的に抑制するために、ケース４の燃料集合体１０Ｄにおいて図１２に示す横断面を軸方向のどの部分に設置するかを検討した。
【0039】
一般的に、冷温時の炉心においては、中性子束のピークは炉心の軸方向において上部に存在する。そのため、燃料集合体１０Ｄの、部分長燃料棒の上端よりも上方における図１２に示された横断面での燃料棒配置を、軸方向において、燃料集合体１０Ｄの上部に形成することにより、炉心の反応度を効率的に抑制できると考えられる。
【0040】
以上の検討を反映し、発明者らは、燃料集合体１０Ｄの上記の横断面での燃料棒配置を、燃料集合体１０Ｄの燃料有効長（第１燃料有効長）の上端からその下端に向かってどの程度の範囲に形成すればよいかを見極めるために、その燃料有効長の上端から下方に向かって、ノードに対応した制御棒価値の改善率を求め、この改善率がどのように変化するかを確認した。なお、炉心に装荷した燃料集合体が全てＭＯＸ燃料集合体である全ＭＯＸ平衡炉心の冷温時の出力分布を用いることによって、燃料集合体１０Ｄの、特定のノードにおける横断面を変更した際の制御棒価値の改善率を求めることができる。なお、プルトニウムを含んでいる燃料集合体１０Ｄの燃料有効長（第１燃料有効長）を軸方向において２４分割したときの一つが１ノードであり、この燃料有効長は２４ノードとなる。燃料集合体１０Ｄの燃料有効長をＬとしたとき、その１ノードの長さはＬ／２４である。
【0041】
燃料棒の燃料有効長は、燃料棒内で核燃料物質が充填されている領域の軸方向の長さである。また、燃料集合体の燃料有効長（第１燃料有効長）は、燃料集合体内で核燃料物質が存在している領域の軸方向の長さである。燃料集合体に燃料有効長が異なる複数の燃料棒が含まれている場合には、燃料有効長が最も長い燃料棒における燃料有効長が、その燃料集合体の燃料有効長となる。燃料有効長Ｌは、燃料集合体の燃料有効長及びこの燃料有効長と同じである燃料棒の燃料有効長を表している。
【0042】
燃料集合体１０Ｄの燃料有効長の２４ノードに亘って、燃料集合体１０Ｄの部分長燃料棒の上端よりも上方の位置での図１２に示された横断面における燃料棒配置が形成されたときの、制御棒価値の改善率を１００％とする場合において、図１２に示された横断面におけるその燃料棒配置が、燃料集合体１０Ｄの燃料有効長の上端から下方に向かう或るノード範囲で形成された際の、そのノード範囲に対する制御棒価値の改善率（％）の変化を、図１４に示す。
【0043】
燃料集合体１０Ｄの、部分長燃料棒の上端よりも上方の位置での図１２に示された横断面における燃料棒配置を、燃料有効長の上端から下方に向かう１８ノードの範囲に形成すれば、すなわち、チャンネルボックス１６の４つの側壁部のうち、制御棒と対向する２つの側壁部の各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に配置される複数の燃料棒Ｈ１の、燃料集合体１０Ｄの燃料有効長の上端から下方に向かって伸びるＨｅ充填領域の軸方向の長さを、１８ノード（１８Ｌ／２４）にすれば、制御棒価値の改善率は、図１４に示すように、１００％まで向上する。チャンネルボックス１６の、制御棒と対向する２つの側壁部の各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に配置される複数の燃料棒Ｈ１のＨｅ充填領域の長さを、１８ノード（１８Ｌ／２４）を超える長さにしても、燃料集合体１０Ｄの燃料インベントリーがさらに減少するだけであり、制御棒価値の改善率はさらに向上しない。
【0044】
燃料集合体１０Ｄにおいて、チャンネルボックス１６の、制御棒と対向する２つの側壁部の各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に配置される複数の燃料棒Ｈ１において、燃料集合体１０Ｄの燃料有効長の上端から下方に向かって伸びるＨｅ充填領域の軸方向の長さを、２ノード（２Ｌ／２４）以上にすれば、制御棒価値の改善率は、図１４に示すように、著しく増加する。ここで、制御棒価値の改善率とは、Ｈｅ充填領域の軸方向の長さを「０」であるときの制御棒価値に対する制御棒価値の増加割合である。なお、Ｈｅ充填領域の軸方向の長さを「０」であるときの制御棒価値は０％である。
【0045】
このため、燃料棒Ｈ１を含む燃料集合体１０Ｄでは、チャンネルボックス１６のそれらの側壁部の各内面に面する最外周領域３５のそれぞれの部分に配置される複数の燃料棒Ｈ１の、燃料集合体１０Ｄの燃料有効長の上端から下方に向かって伸びるＨｅ充填領域の軸方向の長さを、２ノード（２Ｌ／２４）以上１８ノード（１８Ｌ／２４）以下の範囲内の長さにすればよい。これにより、制御棒価値は著しく向上する。
【0046】
また、「チャンネルボックス１６のそれらの側壁部の各内面に面する最外周領域３５のそれぞれの部分に配置される複数の燃料棒Ｈ１の、燃料集合体１０Ｄの燃料有効長の上端から下方に向かって伸びるＨｅ充填領域の軸方向の長さを、２ノード（２Ｌ／２４）以上１８ノード（１８Ｌ／２４）以下の範囲内の長さにする」ことは、「ガス充填領域の下端と燃料棒Ｈ１の燃料有効長（第２燃料有効長）の上端との境界の位置が、燃料集合体１０Ｄの燃料有効長（第１燃料有効長）の上端から２Ｌ／２４だけ下方に位置する位置と、第１燃料有効長の上端から１８Ｌ／２４だけ下方に位置する位置の範囲内に存在する位置である」ことに該当する。
【0047】
チャンネルボックス１６の４つの側壁部のうち、制御棒と対向する２つの側壁部の各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に配置された燃料棒Ｈ１の、燃料集合体１０Ｄの燃料有効長の上端から下方に向かって伸びるＨｅ充填領域の軸方向の長さを、７ノード（７Ｌ／２４）の長さにすれば、図１４において点線で示すように、制御棒価値の改善率は、５０％を超える。
【0048】
好ましくは、そのＨｅ充填領域の軸方向の長さを、７ノード（７Ｌ／２４）以上１８ノード（１８Ｌ／２４）以下の範囲内の長さにすることよって、制御棒価値の改善率を５０％を超え１００％以下の範囲内にすることができ、制御棒価値がさらに向上する。
【0049】
また、「そのＨｅ充填領域の軸方向の長さを、７ノード（７Ｌ／２４）以上１８ノード（１８Ｌ／２４）以下の範囲内の長さにする」ことは、「第２燃料有効長の上端とＨｅ充填領域の下端の境界の位置が、第１燃料有効長の上端から７Ｌ／２４だけ下方に位置する位置と、第１燃料有効長の上端から１８Ｌ／２４だけ下方に位置する位置の範囲内に存在する位置である」ことに該当する。
【0050】
Ｈｅ充填領域は、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガスを充填したガス充填領域である。このガス充填領域に充填される、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガスとしては、Ｈｅガス、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガス及び空気のいずれかが用いられる。
【0051】
中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガスの替りに、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質を用いても、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス、例えば、Ｈｅガスで生じる効果を得ることができる。中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質としては、黒鉛、ベリリウム、酸化ベリリウム及び炭化ベリリウムのいずれかが用いられる。中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス及び中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質は、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質である。なお、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質としては、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス及び中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質の少なくとも一つを用いるとよい。
【0052】
中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス及び中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質等の、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい物質の充填領域（物質充填領域）の、燃料集合体の燃料有効長Ｌの上端から下方に向かって伸びる軸方向の長さは、２Ｌ／２４以上１８Ｌ／２４以下の範囲内の長さである。その物質充填領域の軸方向の長さは、好ましくは、７Ｌ／２４以上１８Ｌ／２４以下の範囲内の長さである。
【0053】
上記の検討結果を反映した、本発明の好適な実施例を、以下に図面を用いて説明する。
【実施例1】
【0054】
【0055】
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３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を取り囲む。さらに、炉心２３の上方に配置された上部格子板２４が炉心シュラウド２２に取り付けられ、炉心２３の下方に配置された炉心支持板２５が炉心シュラウド２２に取り付けられる。原子炉圧力容器２１内で上部格子板２４よりも上方に配置された気水分離器２６が、炉心シュラウド２２の上端部に設置される。さらに、蒸気乾燥器２７が、気水分離器２６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。
【0056】
環状のダウンカマ２８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２８内に配置されたインターナルポンプ３０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３１および給水配管３２が、原子炉圧力容器２１に接続される。
【0057】
下部プレナム２９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２９には、複数の制御棒案内管（図示せず）が配置されている。燃料集合体１０（図１参照）の核分裂を制御する、横断面が十字形をしている制御棒３３（図１１参照）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３３に連結されている。制御棒３３は中性子吸収材を含む４枚のブレードを有し、４枚のブレードは制御棒の中心軸から四方に向かって伸びている。
【0058】
炉心２３に装荷された複数の燃料集合体１０は、図４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）、軸方向に配置された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。
【0059】
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全長燃料棒１２、及び軸方向の長さが全長燃料棒１２よりも短く、下端部が下部タイプレート（下部燃料支持部材）１５に支持されて上端部が上部タイプレート（上部燃料支持部材）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。
【0060】
全長燃料棒１２及び部分長燃料棒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、核燃料物質を用いて製造された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。ガスプレナム（図示せず）が、被覆管内で、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。
【0061】
全ての燃料棒１１は、相互間に冷却水流路となる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。このチャンネルボックス１６は、互いに繋がっている４つの側壁部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ及び１６Ｄにより構成されている。側壁部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ及び１６Ｄを有するチャンネルボックス１６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は、上端部が上部タイプレート１４に取り付けられ、上部タイプレート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、上部タイプレート１４及び下部タイプレート１５のそれぞれの側面を取り囲んでいる。ハンドル２０Ａが、上部タイプレート１４の上面に設けられ、上部タイプレート１４から上方に向かって伸びている。
【0062】
チャンネルボックス１６の上部タイプレート１４への取り付けは、チャンネルファスナ１８によって行われる。チャンネルボックス１６の上端部に設けられたチャンネルクリップ４３Ａ及び４３Ｂ（図７参照）のそれぞれが、上部タイプレート１４の４つのコーナー部のうちで２つのコーナー部に設けられ上部タイプレート１４の上面から上方に向かって伸びる２つのポストの上に置かれる。上部タイプレート１４の４つのコーナー部のうちで制御棒３３側に位置する１つのポスト１４Ａの上に置かれた、チャンネルボックス１６の上端部の１つのコーナー部に設けられたチャンネルクリップ４３Ａ（図７及び図８参照）が、チャンネルファスナ１８に係合されたねじ１９Ａによりポスト１４Ａに取り外し可能に固定される（図８参照）。このように、チャンネルファスナ１８は、チャンネルボックス１６をポスト１４Ａに固定される。他のチャンネルクリップ４３Ｂが、チャンネルボックス１６の横断面において、チャンネルクリップ４３Ａが設けられた、チャンネルボックス１６の一つのコーナー部を通る対角線方向でそのコーナー部と対向する他のコーナー部でチャンネルボックス１６の上端部に取り付けられている。チャンネルクリップ４３Ｂは、上部タイプレート１４の上面から上方に向かって伸びる他のポストの上に置かれる。
【0063】
１つのチャンネルファスナ１８は２つの板バネ１９を有する。各板バネ１９は、チャンネルボックス１６の側面に沿い、ポスト１４Ａの上端から下方に向かって伸びている。チャンネルファスナ１８の各板バネ１９は、チャンネルファスナ１８が取り付けられる燃料集合体１０において、チャンネルボックス１６の１つのコーナー部から直交する二方向に伸びる、チャンネルボックス１６の２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各外面に別々に対向して配置される。
【0064】
燃料集合体１０は、４体ずつ、上端部が上部格子板２４に形成された正方形の矩形孔内に挿入される。この矩形孔内に挿入された４体の燃料集合体１０において、隣り合う２体の燃料集合体１０に取り付けられた各チャンネルファスナ１８の１つの板バネ１９が、互いに接触し（図８参照）、該当する２体の燃料集合体１０を、上部格子板２４に形成されたその矩形孔に面する、上部格子板２４の側面に押圧する。上部格子板２４に形成された１つの矩形孔内に挿入された４体の燃料集合体は、それぞれに取り付けられたチャンネルファスナ１８の板バネ１９が、図７に示されるように、それぞれ接触することによって、上部格子板２４の、その矩形孔に面する側面に押し付けられる。このため、上部格子板２４に形成された１つの矩形孔内に挿入された４体の燃料集合体１０の相互間に、制御棒３３を挿入できる間隙、すなわち、水ギャップ領域４４が形成される。制御棒３３が燃料集合体１０の相互間に全挿入されたとき、制御棒３３の上端は、板バネ１９の下端よりも下方に位置する（図８参照）。
【0065】
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のうち複数の全長燃料棒１２は、７８本の燃料棒４及び８本の燃料棒（Ｈｅ燃料棒）Ｈ２を含んでいる（図２参照）。部分長燃料棒１３である燃料棒５は、１４本存在する（図２参照）。
【0066】
燃料棒４の燃料有効長は燃料有効長Ｌである。各燃料棒４は、図２に示すように、核分裂性プルトニウム（Ｐｕｆ）の富化度が５．６１ｗｔ％であるＭＯＸ燃料の複数の燃料ペレットを、燃料有効長Ｌの下端の位置から、燃料有効長Ｌの下端から２３Ｌ／２４の位置まで充填し、劣化ウランであるＵ2Ｏの複数の燃料ペレットを、燃料有効長Ｌの下端から２３Ｌ／２４の位置と燃料有効長Ｌの上端の間に充填している。各燃料棒Ｈ２の燃料有効長は２０Ｌ／２４である。各燃料棒Ｈ２は、核分裂性プルトニウムの富化度が５．６１ｗｔ％であるＭＯＸ燃料の複数の燃料ペレットを、燃料有効長の下端の位置から、燃料有効長の下端から２０Ｌ／２４の位置まで充填し、中性子吸収断面積が軽水よりも小さいガス、例えば、Ｈｅを充填したＨｅ充填領域４８（図５参照）を、燃料棒４の燃料有効長の下端から２０Ｌ／２４の位置から、燃料集合体１０の燃料有効長Ｌの上端に亘って形成している。Ｈｅ充填領域４８は、燃料棒４の燃料有効長Ｌ、すなわち、燃料集合体１０の燃料有効長Ｌの上端の位置とこの位置よりも下方の位置の間である４Ｌ／２４の範囲に形成される。Ｈｅ充填領域４８の軸方向の長さは、４Ｌ／２４である。燃料棒Ｈ２は、ＭＯＸ燃料等の核燃料物質を、そのＨｅ充填領域（燃料有効長の下端から２０Ｌ／２４の位置と燃料有効長Ｌの上端の間）４８に充填していない。燃料棒Ｈ２の燃料有効長は燃料棒４のそれよりも短くなっている。燃料棒Ｈ２の燃料有効長とガス充填領域であるＨｅ充填領域４８の軸方向長さの合計は、燃料棒４の燃料有効長Ｌと同じである。
【0067】
なお、燃料集合体１０の燃料有効長Ｌは、燃料集合体１０に含まれる、燃料有効長が最も長い燃料棒４の燃料有効長Ｌに等しい。
【0068】
燃料棒５は、燃料有効長が燃料棒４の燃料有効長Ｌの１４／２４であり、核分裂性プルトニウムの富化度が５．６１ｗｔ％であるＭＯＸ燃料の複数の燃料ペレットを、１４Ｌ／２４の燃料有効長に充填している。
【0069】
燃料集合体１０では、最外周領域３５における核分裂性プルトニウムの平均富化度と最外周領域３５よりも内側の中央領域における核分裂性プルトニウムの平均富化度は同じである。
【0070】
燃料棒４，５及びＨ２のそれぞれは、燃料ペレットから各燃料棒の被覆管の外面に接触する冷却水への熱の伝導を良好に維持するために、熱伝導率が高いヘリウムガスを密封された被覆管内に充填する。燃料棒内に熱伝導率が高いヘリウムガスを充填することは、従来から行われている。燃料棒４では、下端部が下部端栓により上端部が上部端栓により密封された被覆管内で、燃料有効長Ｌの上端よりも上方にヘリウムガスが充填されるガスプレナムが形成される。燃料棒５では、密封された被覆管内で、燃料棒５の燃料有効長（１４Ｌ／２４）の上端よりも上方にヘリウムガスが充填されるガスプレナム４９が形成される。燃料棒Ｈ２では、Ｈｅ充填領域４８の上端よりも上方に、すなわち、燃料棒４の燃料有効長Ｌの上端よりも上方に、ヘリウムガスが充填されるガスプレナム４９が形成される。さらに、燃料棒４，５及びＨ２のそれぞれでは、各燃料棒内で燃料ペレットの外面と被覆管の内面の間の間隙（第１間隙という）にもヘリウムガスが充填されている。
【0071】
制御棒３３が複数の燃料集合体１０の相互間に挿入されているとき、制御棒３３の２枚のブレードは、図１に示すように、チャンネルボックス１６の、制御棒３３に面する１つのコーナー部、すなわち、チャンネルファスナ１８が配置された、チャンネルボックス１６の１つのコーナー部から、直交する二方向に伸びる２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの外面に対向している。横断面が正方形状のチャンネルボックス１６は４つの側壁部を有しており、制御棒３３の二枚のブレードは、チャンネルボックス１６の４つの側壁部１６Ａ～１６Ｄのうち上記の１つのコーナー部から伸びる２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂに対向している。
【0072】
チャンネルボックス１６の４つの側壁部のうち、２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分、すなわち、チャンネルファスナ１８によって上部タイプレート１４に取り付けられたチャンネルボックス１６の、チャンネルファスナ１８側の１つのコーナー部から直交する二方向に伸びる２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に、図１に示すように、４本の燃料棒Ｈ２が配置される。それらの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分では、この部分の中央に２本の燃料棒Ｈ２が隣接して配置され、この２本の燃料棒Ｈ２からチャンネルファスナ１８側に１本の燃料棒４を介在させて１本の燃料棒Ｈ２が配置され、その２本の燃料棒Ｈ２からチャンネルファスナ１８とは反対側に他の１本の燃料棒４を介在させて１本の燃料棒Ｈ２が配置される。
【0073】
さらに、燃料集合体１０の横断面における、チャンネルボックス１６の内面から２列目の燃料棒配列（最外周領域３５に内側で隣接する燃料棒配列）に、１２本の燃料棒５が配置され、燃料集合体１０の横断面の中央に２本の燃料棒５がチャンネルボックス１６の１本の対角線の方向で隣接して配置される。燃料集合体の横断面では、燃料棒Ｈ２及び燃料棒５のそれぞれの配置位置以外の位置には、燃料棒４が配置される。
【0074】
燃料集合体１０の燃料棒Ｈ２では、図５に示すように、ヘリウムガスが、ガスプレナム４９、Ｈｅ充填領域４８、及び燃料ペレット４６の外面と被覆管４５の内面の間の第１間隙に充填されている。被覆管４５の上端部は、上部端栓４７によって封鎖されている。このため、ガスプレナム４９とＨｅ充填領域４８の間、及びＨｅ充填領域４８とその第１間隙の間には、それぞれを仕切る仕切り部材が配置されていない。図５に示された破線５０は、燃料集合体１０の燃料有効長の上端、すなわち、燃料棒４の燃料有効長の上端を示している。Ｈｅ充填領域４８は、燃料棒Ｈ２において、複数の燃料ペレット４６を充填した、被覆管４５内の核燃料物質充填領域の上端と破線５０で示される燃料集合体１０の燃料有効長の上端の間に形成され、ガスプレナム４９は、被覆管４５内で燃料集合体１０の燃料有効長の上端（破線５０）よりも上方に形成される。
【0075】
燃料棒Ｈ２内に、Ｈｅガスを充填するＨｅ充填領域４８の替りに、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガス及び空気のいずれかを充填するガス充填領域を形成してもよい。燃料棒Ｈ２内にこのようなガス充填領域を形成する場合には、ガス充填領域に充填したアルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスまたは空気が、ヘリウムガスが充填されるガスプレナム４９及び上記の第１間隙に拡散することを防ぐ必要がある。
【0076】
Ｈｅガス以外の、軽水よりも中性子吸収断面積が小さいガスとして、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガス及び空気のいずれかを用いた燃料集合体を以下に説明する。
【0077】
この燃料集合体は、チャンネルボックス１６の、制御棒３３に対向する側壁部１６Ａ及び１６Ｂの内面に面する最外周領域３５の部分に、Ｈｅ充填領域４８の替りにガス充填領域を形成した燃料棒Ｈ４を配置する。燃料棒Ｈ４を用いて燃料集合体１０では、燃料棒Ｈ４は、燃料棒Ｈ２を用いた前述の燃料集合体１０において燃料棒Ｈ２が配置された各位置に配置される。燃料棒Ｈ４を、図６を用いて説明する。
【0078】
燃料棒Ｈ４は、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガス及び空気のいずれかを内部に封入した、密封された円柱状のジルコニウム合金（例えば、ジルカロイ２）製の中空の容器５１を、燃料棒Ｈ４の密封された被覆管４５内で燃料棒Ｈ４の核燃料物質充填領域（複数の燃料ペレット４６を配置）の上端上に配置する。被覆管４５の上端部は上部端栓４７によって封鎖される。その容器５１は、燃料棒Ｈ４内で核燃料物質充填領域とガスプレナム４９の間に配置される。軽水よりも中性子吸収断面積が小さいガスを充填したガス充填領域４８Ａが、その容器５１内に形成されており、燃料棒Ｈ４内で核燃料物質充填領域とガスプレナム４９の間に存在する。燃料棒Ｈ４において、複数の燃料ペレット４６が充填された核燃料物質充填領域の軸方向長さとガス充填領域４８Ａが内部に形成された容器５１の軸方向長さの合計は、燃料棒Ｈ４を有する燃料集合体の燃料有効長と同じである。
【0079】
内部にガス充填領域４８Ａが形成された容器５１の外径は燃料棒Ｈ４の被覆管４５の内径よりも小さく、その容器５１の外面とその被覆管４５の内面の間に、間隙（第２間隙という）が形成される。この第２間隙によって、核燃料物質充填領域内の燃料ペレット４６の外面と被覆管４５の内面に形成される第１間隙とガスプレナム４９が連通される。ガス充填領域４８Ａを形成する容器５１が内部に配置された燃料棒Ｈ４でも、第１間隙及びガスプレナム４９にはヘリウムガスが充填される。ガス充填領域４８Ａを内部に形成する容器５１が燃料棒Ｈ４の被覆管４５内に配置されているため、この容器５１内に充填されたアルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスまたは空気が、第１間隙及びガスプレナム４９内のヘリウムガス中に拡散することを防止できる。
【0080】
中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質として、黒鉛、ベリリウム、酸化ベリリウム及び炭化ベリリウムのいずれかを用いた燃料集合体について説明する。
【0081】
この燃料集合体は、チャンネルボックス１６の、制御棒３３に対向する側壁部１６Ａ及び１６Ｂの内面に面する最外周領域３５の部分に、中性子吸収断面積が軽水よりも小さい固体物質である、例えば、黒鉛を充填した固体物質充填燃料棒を配置している。固体物質充填燃料棒は、燃料棒Ｈ２またはＨ４に相当する燃料棒である。その固体物質充填燃料棒は、燃料棒Ｈ２を用いた前述の燃料集合体１０において燃料棒Ｈ２が配置された各位置に配置される。
【0082】
固体物質充填燃料棒は、被覆管４５内において、複数の燃料ペレット４６が配置された核燃料物質充填領域の上端よりも上方に、黒鉛、ベリリウム、酸化ベリリウム及び炭化ベリリウムのいずれか、例えば、黒鉛の複数のペレットを充填する。黒鉛の複数のペレットが充填された黒鉛充填領域、すなわち、固体物質充填領域の軸方向長さと複数の燃料ペレット４６が充填された核燃料物質充填領域の軸方向長さの合計は、固体物質充填燃料棒を有する燃料集合体の燃料有効長と同じである。
【0083】
黒鉛のペレットの外径は固体物質充填燃料棒の被覆管４５の内径よりも小さく、黒鉛のペレットの外面と固体物質充填燃料棒のその被覆管４５の内面の間に、間隙（第３間隙という）が形成される。固体物質充填燃料棒の被覆管４５内で、第１間隙、第３間隙及びガスプレナム４９には、Ｈｅガスが充填される。第１間隙とガスプレナム４９は第３間隙によって連絡される。
【0084】
なお、上記の固体物質充填領域の軸方向長さを短くし、固体物質充填領域の軸方向長さを短くした分だけ、固体物質充填領域の上方にＨｅ充填領域４８を形成してもよい。すなわち、固体物質充填燃料棒の被覆管４５内で、核燃料物質充填領域の上方に、固体物質充填領域及びＨｅ充填領域４８が形成される。固体物質充填燃料棒における核燃料物質充填領域、固体物質充填領域及びＨｅ充填領域４８のそれぞれの軸方向長さの合計は、固体物質充填燃料棒を有する燃料集合体の燃料有効長と同じである。また、核燃料物質充填領域、固体物質充填領域及びＨｅ充填領域４８のそれぞれが形成された固体物質充填燃料棒において、Ｈｅ充填領域４８を形成する替りに、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガス及び空気のいずれかを含むガス充填領域４８Ａを内部に形成した容器５１を、固体物質充填領域の上方に配置してもよい。核燃料物質充填領域、固体物質充填領域及び容器５１のそれぞれを密封した被覆管４５内に配置した固体物質充填燃料棒における、核燃料物質充填領域、固体物質充填領域及び容器５１のそれぞれの軸方向長さの合計は、この固体物質充填燃料棒を有する燃料集合体の燃料有効長と同じである。
【0085】
燃料交換及び保守点検が終了したＡＢＷＲプラントは、次の運転サイクルでの運転を実施するために再起動される。炉心２３から制御棒３３が引き抜かれて炉心２３が未臨界状態から臨界状態になり、炉心２３内の冷却水（以下、炉水という）が、炉心２３に装荷された各燃料集合体１０内の核燃料物質に含まれる核分裂性核種（例えば、Ｐｕ２３９等）の核分裂で生じる熱で加熱される。さらに、昇温昇圧過程を経て、原子炉出力を上昇させ、ＡＢＷＲプラントが定格運転状態（炉水温度が定格温度の２８０℃、原子炉圧力容器２１内の圧力が定格圧力）になる。ＡＢＷＲプラントの定格運転は、その運転サイクルが終了するまで継続される。
【0086】
運転中のＡＢＷＲプラントでは、原子炉圧力容器２１内の炉水は、インターナルポンプ３０で昇圧され、下部プレナム２９を経て炉心２３の装荷された各燃料集合体１０内に供給される。燃料集合体１０に供給される炉水は、各燃料集合体１０内の核燃料物質に含まれる核分裂性核種の核分裂で生じる熱で加熱される。加熱された炉水の一部が蒸気になる。この蒸気は炉心２３から気水分離器２６に導かれ、気水分離器２６において蒸気に含まれる水分が除去される。気水分離器２６から排出された蒸気は蒸気乾燥器２７に導かれ、蒸気に含まれる湿分が蒸気乾燥器２７で除去される。蒸気乾燥器２７から排出された蒸気は、主蒸気配管３１を経てタービン（図示せず）に導かれ、発電機（図示せず）に連結されたタービンを回転させる。タービンから排出された蒸気は復水器（図示せず）で凝縮されて水になり、この水は、給水として、給水配管３２を通り原子炉圧力容器２１に供給される。
【0087】
ＡＢＷＲプラントの炉心２３に装荷された燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体１０は、一般的に、４サイクルの運転サイクルの期間中、炉心２３に装荷される。運転サイクルごとに、この炉心２３に装荷されている全燃料集合体１０の１／４ずつが、４サイクル目の運転サイクルでの炉内滞在が終了した時点で、運転が停止されたＡＢＷＲプラントの炉心２３から使用済燃料集合体として取り出される。取り出された使用済燃料集合体と同じ体数の燃焼度０ＧＷｄ／ｔの燃料集合体１０が炉心２３に装荷される。
【0088】
ＡＢＷＲプラントの運転中、炉心内２３に装荷された燃料集合体１０の各燃料棒１１にいて、燃料ペレットに含まれた核分裂性核種（例えば、Ｐｕ２３９，Ｐｕ２４１等）の核分裂により発生した核分裂生成ガス（Ｘｅ，Ｋｒ等）が、被覆管内において、燃料ペレットから第１間隙に放出される。燃料集合体１０の燃焼度が増加するに伴って、すなわち、燃料集合体１０の炉内滞在期間が長くなるに伴って、燃料棒１４，５及びＨ１のそれぞれにおいて燃料ペレットから第１間隙に放出された核分裂生成ガスは、被覆管内に蓄積され、被覆管内の圧力を上昇させる。炉心２３に装荷された燃料集合体１０の各燃料棒の被覆管内の圧力は、４サイクル目の運転サイクルでのＡＢＷＲプラントの運転が終了するときに最も高くなる。燃料ペレットから放出された核分裂生成ガスは第１間隙からガスプレナム４９に導かれ各燃料棒内のガスプレナム４９に蓄積され、各燃料棒内のガスプレナム４９は被覆管内の圧力を低減するために形成されている。燃料棒Ｈ２では、燃料ペレットから放出された核分裂生成ガスは、第１間隙及びガスプレナム４９だけでなく、燃料棒Ｈ２内の第２間隙及びＨｅ充填領域４８内にも存在する。
【0089】
なお、前述したように、軽水よりも中性子吸収断面積が小さいガスを充填した容器５１を内部に配置した燃料棒Ｈ４においては、その容器５１の肉厚は、４サイクル目の運転サイクルでのＡＢＷＲプラントの運転が終了するときでも、核分裂生成ガスの蓄積により被覆管４５内で上昇した圧力によってもその容器５１が潰れないように設定される。内部にガス充填領域４８Ａを形成したその容器５１を燃料棒Ｈ４の被覆管４５内に配置する場合には、燃料ペレット４６から放出された核分裂生成ガスは、容器５１内に侵入することができず、被覆管４５内でその容器５１の外側に存在する。
【0090】
燃料棒４，５及びＨ２のそれぞれは、コイルバネをガスプレナム４９内に配置している。このコイルバネは、燃料集合体１０の輸送中に各燃料棒内の燃料ペレットが移動して損傷しないように、最も上方に位置する燃料ペレットの上端を燃料棒の下部端栓側に向かって押圧している。燃料棒Ｈ２では、そのコイルバネが、ガスプレナム４９及びＨｅ充填領域４８内に連続して配置され、最も上方に位置する燃料ペレットの上端を燃料棒の下部端栓側に向かって押圧している。燃料棒Ｈ２でも、Ｈｅ充填領域４８を、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスまたは空気を用いた燃料棒Ｈ４と同様に、密封された上記の容器５１内にヘリウムガスを充填して形成してもよい。ヘリウムガスを充填した容器５１を被覆管４５内で最も上方に位置する燃料ペレットの上に配置することによって、Ｈｅ充填領域４８をその燃料ペレット４６の上方でガスプレナム４９の下方に形成することができ、燃料棒Ｈ２のガスプレナム４９内に配置されたコイルバネの軸方向の長さを短くすることができる。このコイルバネは、ヘリウムガスを充填した容器５１を介して最も上方に位置する燃料ペレット４６の上端を押圧する。
【0091】
ＡＢＷＲプラントの運転中、炉心２３に装荷された燃料集合体１０に含まれる燃料棒４，５及びＨ２内の核燃料物質に含まれる核分裂性核種の核分裂によって発生した高速中性子の一部は、水ギャップ領域４４に存在する冷却水（軽水）等により減速されて熱中性子となり、炉心２３に挿入された制御棒３３に吸収される。チャンネルボックス１６の４つの側壁部１６Ａ～１６Ｄのうち側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分、すなわち、チャンネルファスナ１８によって上部タイプレート１４に取り付けられたチャンネルボックス１６の、チャンネルファスナ１８側の１つのコーナー部から直交する二方向に伸びる２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に配置された４本の燃料棒Ｈ２にＨｅ充填領域４８が形成されているために、最外周領域３５のそれらの部分では、Ｈｅ充填領域４８により核燃料物質の量及び冷却水（軽水）の量が減少し、核燃料物質及び冷却水による熱中性子の吸収が減少する。このため、制御棒３３に吸収される熱中性子が増加する。また、チャンネルボックス１６の側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する最外周領域３５のそれぞれの部分に燃料棒Ｈ２を配置することによって、その部分における冷却水（軽水）による熱中性子の吸収が減少するため、スウィング、すなわち、冷温時における燃料集合体への反応度添加量が大きく負になることを防止でき、燃料集合体１０のボイド係数を負に維持することができる。燃料棒Ｈ２を配置した燃料集合体１０は、冷温時における燃料集合体１０への反応度添加量を大きく負にすることなく、制御棒価値を向上させることができる。
【0092】
また、燃料集合体１０の横断面における最外周領域３５の上記した部分に燃料棒Ｈ２を配置しているため、各燃料棒内のＵ２３８等の親物質による中速中性子の吸収も減少する。各燃料棒内のＵ２３８等の親物質による中速中性子の吸収減少は、制御棒価値を向上させることになる。
【0093】
本実施例の燃料集合体１０は、前述したように、チャンネルボックス１６の４つの側壁部６Ａ～１６Ｄのうち、側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分、すなわち、チャンネルファスナ１８によって上部タイプレート１４に取り付けられたチャンネルボックス１６の、チャンネルファスナ１８側の１つのコーナー部から直交する二方向に伸びる側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に燃料棒Ｈ２を配置しており、さらに、その燃料棒Ｈ２では、軸方向において、Ｈｅ充填領域４８を、燃料集合体１０の燃料有効長の上端から、この上端の下方に位置する、燃料棒Ｈ２の燃料有効長の上端に亘って形成している。このため、本実施例の燃料集合体１０ではそれらの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する最外周領域３５のそれぞれの部分における冷却水（軽水）が燃料棒Ｈ２のＨｅ充填領域４８により排除されるので、横断面の最外周領域に部分長燃料棒を配置した、特開平１０－３１１８８９号公報に記載された燃料集合体とは異なり、燃料集合体１０は、それらの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する最外周領域３５のそれぞれの部分における冷却水（軽水）が減少し、冷却水（軽水）によって吸収される中性子の量が減少する。燃料集合体１０内の核燃料物質の燃焼が進むと、すなわち、運転サイクルの末期に近づくと、核燃料物質による熱中性子の吸収量が少なくなるが、運転サイクルの末期においても制御棒価値は、特開平１０－３１１８８９号公報に記載された従来の燃料集合体よりも向上する。このように、本実施例では、運転サイクルを通して制御棒価値を向上させることができる。
【0094】
燃料棒Ｈ４を有する燃料集合体、黒鉛充填領域等の固体物質充填領域を形成した固体物質充填燃料棒を有する燃料集合体、及びＨｅ充填領域４８及びガス充填領域４８Ａのいずれか及びその固体物質充填領域のそれぞれを形成した燃料棒を有する燃料集合体は、燃料棒Ｈ２を有する燃料集合体１０で生じる各効果を得ることができる。
【実施例2】
【0095】
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の燃料集合体を、図１５を用いて説明する。
【0096】
本実施例の燃料集合体は、横断面における燃料棒配置が実施例１の燃料集合体１０の図１に示された横断面における燃料棒配置と同じであり、この横断面で燃料棒１１が１０行１０列に配置されている。本実施例の燃料集合体は、実施例１の燃料集合体と同様に、７８本の燃料棒４、部分長燃料棒である１４本の燃料棒５及び８本の燃料棒Ｈ２を有する。本実施例の燃料集合体は、燃料棒Ｈ２が実施例１の燃料集合体１０における燃料棒Ｈ２と異なっており、燃料棒４及び５のそれぞれが実施例１の燃料集合体１０における燃料棒４及び５のそれぞれと同じである。本実施例の燃料集合体の燃料棒Ｈ２、及び燃料集合体１０における燃料棒Ｈ２は、核分裂性プルトニウムの富化度が５．６１ｗｔ％と同じであるが、燃料有効長とＨｅ充填領域４８の境界の位置が異なっている。燃料集合体１０の燃料棒Ｈ２における燃料有効長とＨｅ充填領域４８の境界の位置が燃料集合体の燃料有効長Ｌの下端から２０Ｌ／２４の位置にあるのに対し、本実施例の燃料集合体の燃料棒Ｈ２における燃料有効長とＨｅ充填領域４８の境界の位置が燃料集合体の燃料有効長Ｌの下端から１６Ｌ／２４の位置にある。この結果、燃料集合体の燃料有効長の上端を起点とした、本実施例の燃料集合体におけるＨｅ充填領域４８のノード数は、実施例１の燃料集合体１０のＨｅ充填領域４８のノード数よりも４だけ多くなる。本実施例におけるＨｅ充填領域４８の軸方向の長さは、８Ｌ／２４である。
【0097】
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、本実施例では、Ｈｅ充填領域４８の軸方向の長さが実施例１の燃料集合体１０のＨｅ充填領域４８のその長さよりも長いため、本実施例における制御棒価値は、実施例１におけるそれよりも大きくなる。また、本実施例では、４８が長い分、炉心の軸方向におけるＨｅ充填領域４８が位置する部分において、制御棒３３による反応度制御能力が向上し、冷温時における炉心２３の中性子束ピークを抑制することができる。このため、炉心２３の反応度は大きく抑制され、実施例１よりも炉停止余裕が向上する。
【0098】
本実施例の燃料集合体において、燃料棒Ｈ２のＨｅ充填領域４８の替りに、内部にガス充填領域４８Ａが形成された容器５１、黒鉛、ベリリウム、酸化ベリリウム及び炭化ベリリウムのいずれかの複数のペレットを充填した固体物質充填領域、及びＨｅ充填領域４８及び容器５１のいずれか及び固体物質充填領域の両方を、核燃料物質充填領域の上端よりも上方に配置してもよい。
【実施例3】
【0099】
【0100】
本実施例の燃料集合体１０Ｅは、図１６に示すように、複数の燃料棒１１を、燃料集合体１０Ｅの横断面において、１０行１０列の正方格子で横断面が正方形状の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である燃料棒６、７及びＨ３を含み、部分長燃料棒１３である燃料棒８を含む。燃料集合体１０Ｅは、図１７に示すように、燃料棒６を５０本、燃料棒７を２８本、燃料棒８を１４本、及び燃料棒Ｈ３を８本含んでいる。
【0101】
燃料棒６及び７の燃料有効長は、実施例１の燃料集合体１０の燃料棒４の燃料有効長と同じであり、Ｌとなっている。燃料棒６では、核分裂性プルトニウムの富化度が６．７３ｗｔ％であるＭＯＸ燃料の複数の燃料ペレットを燃料有効長Ｌの下端の位置から２３Ｌ／２４の位置まで充填し、劣化ウランであるＵ2Ｏの複数の燃料ペレットを燃料有効長Ｌの下端から２３Ｌ／２４の位置と燃料有効長Ｌの上端の間に充填している。燃料棒７では、核分裂性プルトニウムの富化度が４．３０ｗｔ％であるＭＯＸ燃料の複数の燃料ペレットを燃料有効長Ｌの下端の位置から２３Ｌ／２４の位置まで充填し、劣化ウランであるＵ2Ｏの複数の燃料ペレットを燃料有効長Ｌの下端から２３Ｌ／２４の位置と燃料有効長Ｌの上端の間に充填している。
【0102】
各燃料棒Ｈ３の燃料有効長は１６Ｌ／２４である。各燃料棒Ｈ３は、核分裂性プルトニウムの富化度が４．３０ｗｔ％であるＭＯＸ燃料の複数の燃料ペレットを、燃料有効長の下端の位置から、燃料有効長の下端から１６Ｌ／２４の位置まで充填し、Ｈｅ充填領域４８を、燃料棒Ｈ３の燃料有効長の下端、すなわち、燃料集合体１０Ｅの燃料有効長Ｌの下端から１６Ｌ／２４の位置から、燃料集合体１０Ｅの燃料有効長Ｌの上端に亘って形成している。Ｈｅ充填領域４８は、燃料棒６の燃料有効長Ｌ、すなわち、燃料集合体１０Ｅの燃料有効長Ｌの上端の位置から、この燃料有効長Ｌの上端から８Ｌ／２４だけ下方にある位置に亘って形成される。Ｈｅ充填領域４８の軸方向の長さは、８Ｌ／２４である。燃料棒Ｈ３は、ＭＯＸ燃料等の核燃料物質を、そのＨｅ充填領域（燃料有効長Ｌの下端から１６Ｌ／２４の位置と燃料有効長Ｌの上端の間）４８に充填していない。燃料棒Ｈ３の燃料有効長は燃料棒６及び７のそれよりも短くなっている。燃料棒Ｈ３の燃料有効長とガス充填領域であるＨｅ充填領域４８の軸方向長さの合計は、燃料棒６及び７の燃料有効長Ｌ、すなわち、燃料集合体１０Ｅの燃料有効長Ｌと同じである。
【0103】
燃料棒８は、燃料有効長が燃料棒６の燃料有効長Ｌの１４／２４であり、核分裂性プルトニウムの富化度が６．７３ｗｔ％であるＭＯＸ燃料の複数の燃料ペレットを、１４Ｌ／２４の燃料有効長に充填している。
【0104】
燃料棒６，７及び８は、被覆管内で燃料有効長の上端よりも上方にガスプレナム４９を形成している。燃料棒Ｈ３は、被覆管内でＨｅ充填領域４８の上方にガスプレナム４９を形成している。これらのガスプレナム４９には、ヘリウムガスが充填されている。また、燃料棒６，７，８及びＨ３では、燃料ペレットの外面と被覆管の内面の間に形成される第１間隙にもヘリウムガスが充填されている。燃料棒Ｈ３では、ガスプレナム４９、Ｈｅ充填領域４８および第１間隙が連通している。
【0105】
燃料集合体１０Ｅの横断面において、複数の燃料棒７が、図１６に示すように、チャンネルボックス１６の内面に隣接している最外周領域３５に配置される。複数の燃料棒Ｈ３は、チャンネルボックス１６の、制御棒３３と対向する２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分、すなわち、チャンネルファスナ１８によって上部タイプレート１４に取り付けられたチャンネルボックス１６の、チャンネルファスナ１８側の１つのコーナー部から直交する二方向に伸びる２つの側壁部１６Ａ及び１６Ｂの各内面に面する、最外周領域３５のそれぞれの部分に、図１６に示すように、４本ずつ配置される。
【0106】
複数の燃料棒６が、燃料集合体１０Ｅの横断面における、最外周領域３５よりも内側の領域（以下、中央領域という）に配置される。この中央領域には、複数の燃料棒８が配置される。燃料集合体１０Ｅの横断面における、チャンネルボックス１６の内面から２列目の燃料棒配列（最外周領域３５に内側で隣接する燃料棒配列）に、１２本の燃料棒８が配置され、燃料集合体１０Ｅの横断面の中央に２本の燃料棒８が、チャンネルボックス１６の、制御棒３３に面する一つのコーナー部を通る１本の対角線の方向において隣接して配置される。燃料集合体１０Ｅの中央領域では、燃料棒Ｈ３が配置された位置以外には、燃料棒６が配置される。
【0107】
本実施例の燃料集合体１０Ｅでは、最外周領域３５における核分裂性プルトニウムの平均富化度（例えば、４．３０ｗｔ％）は、最外周領域３５の内側である中央領域における核分裂性プルトニウムの平均富化度（例えば、６．７３ｗｔ％）よりも低くなっている。
【0108】
燃料棒Ｈ３内には、Ｈｅ充填領域４８の替りに、実施例１における燃料棒Ｈ２と同様に、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガス及び空気いずれかを密封した容器５１を配置してもよい。
【0109】
本実施例の燃料集合体１０Ｅにおいて、燃料棒Ｈ３における燃料有効長の上端とＨｅ充填領域４８の下端との境界の位置を、実施例１の燃料集合体１０の燃料棒Ｈ２における燃料有効長の上端とＨｅ充填領域４８の下端との境界の位置、すなわち、燃料有効長の下端から２０Ｌ／２４の位置にしてもよい。
【0110】
なお、燃料集合体１０及び１０Ｅでは、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガス及び空気いずれかを充填したガス充填領域が内部に形成され、最外周領域３５に配置された燃料棒（例えば、燃料棒Ｈ２またはＨ３）における燃料有効長の上端とそのガス充填領域の下端との境界の位置を、好ましくは、燃料集合体の燃料有効長Ｌの上端の位置から、下方に向かって２Ｌ／２４～１８Ｌ／２４（２Ｌ／２４以上１８Ｌ／２４以下）の範囲内の位置に設定するとよい。
【0111】
本実施例は、実施例１及び２で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例では、燃料集合体１０Ｅの最外周領域３５における核分裂性プルトニウムの平均富化度を燃料集合体１０Ｅの中央領域におけるその平均富化度よりも低くすることにより、最外周領域３５における中性子の吸収をさらに抑制できる。このため、本実施例では、実施例１よりも制御棒価値をさらに向上させることができる。また、燃料集合体１０Ｅの最外周領域３５において、ガス充填領域（例えば、Ｈｅ充填領域４８）を有する燃料棒Ｈ３に隣接する他の燃料棒の出力は、燃料棒Ｈ３が隣に存在しない場合に比べて上昇する。最外周領域３５に配置された燃料棒の核分裂性プルトニウムの富化度を低下させることにより、燃料棒Ｈ３に隣接する燃料棒の出力ピークを抑制することができる。このため、本実施例の燃料集合体１０Ｅは、実施例１の燃料集合体１０よりも熱的余裕を改善することができる。
【0112】
本実施例の燃料集合体１０Ｅにおいて、燃料棒Ｈ２のＨｅ充填領域４８の替りに、内部にガス充填領域４８Ａが形成された容器５１、黒鉛、ベリリウム、酸化ベリリウム及び炭化ベリリウムのいずれかの複数のペレットを充填した固体物質充填領域、及びＨｅ充填領域４８及び容器５１のいずれか及び固体物質充填領域の両方を、核燃料物質充填領域の上端よりも上方に配置してもよい。
【0113】
以上に述べた実施例１ないし３の各燃料集合体は、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）だけでなく、再循環系ポンプを備えた沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）にも適用することができる。
【符号の説明】
【0114】
１～８，１１，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…燃料棒、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…燃料集合体、１２…全長燃料棒、１３…部分長燃料棒、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３…Ｈｅ燃料棒、１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ…燃料集合体、１４…上部タイプレート（上部燃料棒支持部材）、１５…下部タイプレート（下部燃料棒支持部材）、１６…チャンネルボックス、１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…側壁部、１８…チャンネルファスナ、１９…板バネ、２０…原子炉、２１…原子炉圧力容器、２２…炉心シュラウド、２３…炉心、２４…上部格子板、２５…炉心支持板、３３…制御棒、４８…Ｈｅ充填領域、４８Ａ…ガス充填領域。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】