軽水炉の炉心及び制御棒
【課題】熱的余裕をより増大できる原子炉の軸方向非均質炉心を提供する。
【解決手段】パッフェ型炉心は、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域を有する。燃料集合体３０は、炉心の各領域を構成する上部ブランケット部３３、上部燃料部３１、内部ブランケット部３４、下部燃料部３２及び下部ブランケット部３５を有する。上部炉心領域、下部炉心領域のＰｕ−２３９の富化度は１８ｗｔ％である。制御棒７Ａは、フォロア部８、上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａを有する。制御棒１２Ａは、フォロア部８、上部領域１３Ａ及び下部領域１４Ａを有する。下部領域のＢ１０濃度は上部領域のその濃度よりも小さく、中央領域のＢ１０濃度は下部領域のその濃度よりも小さい。この構成により、最大線出力密度が低減され、熱的余裕が増大する。
【解決手段】パッフェ型炉心は、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域を有する。燃料集合体３０は、炉心の各領域を構成する上部ブランケット部３３、上部燃料部３１、内部ブランケット部３４、下部燃料部３２及び下部ブランケット部３５を有する。上部炉心領域、下部炉心領域のＰｕ−２３９の富化度は１８ｗｔ％である。制御棒７Ａは、フォロア部８、上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａを有する。制御棒１２Ａは、フォロア部８、上部領域１３Ａ及び下部領域１４Ａを有する。下部領域のＢ１０濃度は上部領域のその濃度よりも小さく、中央領域のＢ１０濃度は下部領域のその濃度よりも小さい。この構成により、最大線出力密度が低減され、熱的余裕が増大する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽水炉の炉心及び制御棒に係り、特に、高さ方向において、上から、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域を配置した軸方向非均質炉心であるパッフェ型炉心に適用するのに好適な軽水炉の炉心及び制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、高さ方向において、上から順に配置された、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域の５つの領域を含むパッフェ型炉心の概念を説明している。上部炉心領域及び下部炉心領域は、核分裂性物質を含んでいる。パッフェ炉心は、軸方向に５領域が存在する軸方向非均質炉心である。
【０００３】
また、特許文献１及び特許文献２は、燃料棒が三角稠密配列された六角形燃料集合体を用いて水対燃料体積比を０．６以下とすることによって、増殖比を１．０近傍または１．０以上とした軽水増殖炉の基本概念を記載している。これらの特許文献は、実施例として、パッフェ型炉心構成を採用した軽水増殖炉の炉心を説明している。この炉心に適用される制御棒についても記載している。この炉心は、上下端部に劣化ウランを含むブランケット領域を有し、高さ方向でそれらのブランケット領域間に核分裂性プルトニウムを含む炉心領域を配置している。この炉心領域は、高さ方向に３つの領域に分けられる。炉心領域は、高さ方向において中央部に核分裂性プルトニウム富化度６ｗｔ％未満の第２領域が配置され、第２領域の上方に核分裂性プルトニウム平均富化度６ｗｔ％以上の第１領域が配置される。第２領域と下部ブランケット領域の間の炉心領域は、核分裂性プルトニウム富化度６ｗｔ％以上の第３領域である。このような炉心に配置される燃料集合体は、横断面が六角形になっている。燃料集合体間に挿入される制御棒は、１２０度の間隔で配置された３枚の翼を有し、先端部に軽水より減速能が小さいフォロア部を配置している。
【０００４】
特許文献３は制御棒を記載している。この制御棒は、炉心に最初に挿入される端部（挿入端部）から、制御棒駆動装置側の端部（引き抜き端部）に向かって中性子吸収材であるボロン１０（Ｂ１０）の濃度を徐々に減少させている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２２２６９４号公報
【特許文献２】特開平８−２１８９０号公報
【特許文献３】特開平１０−２９３１８８号公報
【非特許文献１】GA DUCAT, et al. : Evaluation of the Parfait blanket Concept For Fast breeder Reactors,COO-2250-5,MITNE-157, Massachusetts Institute of Technology, January (1974)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パッフェ型炉心は、燃料集合体の炉心からの取出時における核分裂性プルトニウム（以下、Ｐｕｆという）と燃料集合体の炉心への装荷時におけるＰｕｆの比で定義されるＰｕｆ増殖比を１以上もしくは１に近づけることが可能な炉心である。Ｐｕｆ増殖比１を実現するため、パッフェ型炉心は軸方向における構成が現行ＢＷＲとは異なっている。
【０００７】
パッフェ型炉心は、軸方向において、上部ブランケット領域、内部ブランケット領域及び下部ブランケット領域を有し、上部ブランケット領域と内部ブランケット領域の間に上部燃料領域を、内部ブランケット領域と下部ブランケット領域との間に下部燃料領域をそれぞれ配置する。パッフェ型炉心は軸方向非均質炉心である。各ブランケット領域に含まれるＵ−２３８は、中性子を捕獲してＰｕｆであるＰｕ−２３９を新たに生成する。但し、Ｕ−２３８による中性子捕獲は比較的中性子エネルギーの大きな共鳴領域で顕著であるため、Ｐｕｆ増殖比向上のためには、炉心内の中性子エネルギーを高くする、すなわち中性子スペクトルを硬くする必要がある。中性子スペクトルを硬くするためには、中性子エネルギー低減の主原因である炉心内の軽水を極力減らす必要がある。しかしながら、軽水は減速材であると同時に冷却材であるため、パッフェ型炉心では、除熱性能、すなわち熱的余裕を維持しながら水対燃料実効体積比を低減しなければならない。したがって、パッフェ型炉心では、除熱性能を維持できる範囲で燃料棒間隙を現行ＢＷＲよりも小さくし、装荷する全ての燃料集合体の出力を可能な限り一致させ、燃料集合体間の熱的余裕のばらつきを低減することによって定格炉心流量の低減を実現している。
【０００８】
発明者らは、そのようなパッフェ型炉心を種々検討した結果、後述するように熱的余裕が減少するという新たな課題を見出した。
【０００９】
本発明の目的は、熱的余裕をより増大できる軽水炉の炉心及び制御棒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、軸方向において、上部炉心領域、内部ブランケット領域及び下部炉心領域がこの順に上部から配置され、上部炉心領域及び下部炉心領域が核分裂性プルトニウム、または核分裂性プルトニウム及びアクチノイド核種を含んでいる炉心領域と、炉心領域内に挿入され、中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する複数の原子炉出力調整用の制御棒とを備え、
中性子吸収材含有領域は上部領域及び下部領域を有し、上部領域における中性子吸収材の平均濃度に対する下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、制御棒が炉心領域に全挿入された状態で、上部領域と下部領域を画定する境界が、内部ブランケット領域の上端と内部ブランケット領域の下端との間に位置していることにある。
【００１１】
このような本発明は、上部領域における中性子吸収材の平均濃度に対する下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、上部領域と下部領域を画定する境界が、内部ブランケット領域の上端と内部ブランケット領域の下端との間に位置しているため、後述の第１の要点を改善することができる。第１の要点の改善に伴って、軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【００１２】
好ましくは、中性子吸収材含有領域が、上部領域と下部領域を画定する境界となる中央領域を有し、中央領域の中性子吸収材の平均濃度を下部領域のその平均濃度よりも低くし、中央領域の軸方向の長さを内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くすることが望ましい。中性子吸収材の平均濃度が下部領域のその平均濃度よりも低く、中央領域の軸方向の長さが内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっている中央領域を、上部領域と下部領域の間に配置しているので、後述の第２の要点を改善することができる。第２の要点の改善に伴って、軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【００１３】
好ましくは、複数の制御棒は、炉心領域の内側領域に挿入される複数の第１制御棒、及び内側領域を取り囲む、炉心領域の外側領域に挿入される複数の第２制御棒を含んでおり、第２制御棒における中性子吸収材の平均濃度に対する第１制御棒における中性子吸収材のその濃度の比率が、０．４７より大きく１．０未満の範囲内にあるとよい。第２制御棒における中性子吸収材の平均濃度に対する第１制御棒における中性子吸収材のその濃度の比率が、０．４７より大きく１．０未満の範囲内にあるので、後述の第３の要点を改善することができる。第３の要点の改善に伴って、軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【００１４】
前述したように発明者らは、軽水炉、例えば、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に適用される軸方向非均質炉心であるパッフェ型炉心において、熱的余裕が減少するという新しい課題の存在を見出した。さらに、発明者らは、その熱的余裕の減少をもたらす要因が３つあることを新たに見出した。発明者らが新たに見出した３つの要因を以下に詳細に説明する。
【００１５】
第一の要因は、パッフェ型炉心が図７（ａ）に示すように軸方向非均質炉心であるために、核分裂性物質をほとんど含まない３つのブランケット領域における出力は低く、相対的に、核分裂性物質を含む上部炉心領域１及び下部炉心領域２のそれぞれの領域における出力が増大することである（図６参照）。３つのブランケット領域は、上部ブランケット領域３、内部ブランケット領域４及び下部ブランケット領域５である。パッフェ型炉心の熱的余裕を向上させるには上部炉心領域１及び下部炉心領域２における出力の平坦化が必須となる。しかしながら、パッフェ型炉心は、上部炉心領域１と下部炉心領域２の間に内部ブランケット領域４が存在するため、上部炉心領域１と下部炉心領域２でボイド率が大きく異なる。パッフェ型炉心における軸方向のボイド率分布及び軸方向の出力分布の一例を図６に示す。下部炉心領域２の平均ボイド率が５５％程度であるのに対して、上部炉心領域１の平均ボイド率は８０％程度となっている。原子炉の出力はボイド率に依存するため、上部炉心領域１と下部炉心領域２のボイド率の相違は、炉心における軸方向の出力分布の歪みの原因となり、熱的余裕が減少する。
【００１６】
第二の要因は、制御棒が炉心から引き抜かれることで原子炉の運転サイクル中期において上部炉心領域１の出力が増大する可能性があることである。ＢＷＲでは、核燃料物質が燃焼することによって不足する反応度を補償するために、原子炉の運転中に原子炉出力調整用の制御棒を炉心から徐々に引き抜く操作を行う。ＢＷＲにおいては、炉心の上方に気水分離器及び蒸気乾燥器等の構造物が設置されるため、制御棒が、原子炉の底部に設置された制御棒駆動装置によって下方に向かって炉心から引き抜かれる。このため、パッフェ型炉心では制御棒の操作法によっては、制御棒が下部炉心領域２内に挿入されているが上部炉心領域１から引き抜かれている状態が、原子炉の運転サイクル中期において発生する可能性がある。このような状態が発生した場合、上部炉心領域１と下部炉心領域２の出力差が増大し、熱的余裕が減少する。原子炉における一つの運転サイクルとは、原子炉を起動してから、炉心内の燃料集合体の交換のために原子炉の運転を停止するまでの期間を意味する。
【００１７】
第三の要因は、半径方向の出力分布の平坦化と軸方向の出力分布の平坦化が両立しない可能性があることである。パッフェ型炉心では定格の炉心流量を低減するために半径方向の出力分布の平坦化は必須である。しかし、パッフェ型炉心に装荷する軸方向に非均質な燃料集合体は、ブランケット部と燃料部の出力割合が核燃料物質の燃焼と共に変化し、燃料部の出力割合が核燃料物質の燃焼に伴って減少する性質を有する。このため、炉心の半径方向の出力分布を平坦化、すなわち、燃料集合体の出力を均一化しても、燃焼初期の燃料集合体の燃料部の出力は燃焼末期に比べて高く、熱的余裕が減少する。
【００１８】
パッフェ型炉心の熱的余裕を最大限に向上させるためには、上記した３つの要因をすべて改善する必要がある。しかしながら、上記した３つの要因のうち少なくとも１つの要因を改善することによっても、パッフェ型炉心の熱的余裕を従来よりも向上させることができる。
【００１９】
発明者らは、パッフェ型炉心が有する上記した３つの新たな要因の改善策を検討し、それぞれの改善策を新たに見出した。パッフェ型炉心、すなわち、軽水炉の軸方向非均質炉心の熱的余裕の向上に貢献する本発明は、発明者らが見出した改善策に基づいてなされたものである。個々の改善策を、具体的に説明する。
【００２０】
第１の要因に対して発明者らが新たに見出した改善策は、図７（ｂ）に示すように、軸方向において、上部領域１３及び下部領域１４の二領域の中性子吸収材含有領域（Ｂ１０含有領域）、及びフォロア部８を有する原子炉出力調整用の制御棒１２を用いることである。制御棒１２の挿入端部から引き抜き端部に向かって、フォロア部８、上部領域１３及び下部領域１４の順に配置される。この制御棒１２を、図７(ａ)に示す軸方向非均質炉心、例えばパッフェ型炉心に適用することによって、第１の要因に起因する熱的余裕の減少が改善され、パッフェ型炉心の熱的余裕が増大する。制御棒１２は、パッフェ型炉心の炉心領域６に装荷された燃料集合体間に挿入される。フォロア部８は、Ｂ１０を含んでいなく中性子の吸収が少ない材料によって構成されている。このフォロア部８は、制御棒１２が引き抜かれた燃料集合体間に減速材である軽水が流入することを防止してＰｕｆ増殖比を高める機能を有する。フォロア部８の軸方向の長さは、下部炉心領域２の下端から上部炉心領域１の上端までの長さにすることが望ましい。
【００２１】
ちなみに、パッフェ型炉心は、図７(ａ)に示すように、炉心の高さ方向（軸方向）に配置された、上部ブランケット領域３、内部ブランケット領域４及び下部ブランケット領域５を有し、さらに、上部炉心領域１及び下部炉心領域２を有する。上部炉心領域１は上部ブランケット領域３と内部ブランケット領域４の間に配置される。下部炉心領域２は内部ブランケット領域４と下部ブランケット領域５の間に配置される。上部ブランケット領域３、上部炉心領域１、内部ブランケット領域４、下部炉心領域２及び下部ブランケット領域５によって、炉心領域６が構成される。上部炉心領域１及び下部炉心領域２は少なくともＰｕｆを含んでいる。
【００２２】
発明者らは、制御棒１２の上部領域１３及び下部領域１４のそれぞれにおけるＢ１０の濃度について検討を行った。その結果、上部領域１３のＢ１０の平均濃度に対する下部領域１４のＢ１０平均濃度の比率を変えたとき、原子炉の運転サイクルを通して最大線出力密度が図８に示すように変化する特性を得た。この特性は、上部領域１３と下部領域１４の境界が炉心の軸方向において内部ブランケット領域４の真ん中に位置するときのものである。図８において、上部領域１３の平均Ｂ１０濃度に対する下部領域１４の平均Ｂ１０濃度の比が１になる場合は、上部領域１３及び下部領域１４のそれぞれの平均Ｂ１０濃度が等しいときである。これは、Ｂ１０含有領域が上部領域１３及び下部領域１４の区別がない一領域である従来の制御棒である。図８に示す結果により、パッフェ型炉心では、上部領域１３の平均Ｂ１０濃度に対する下部領域１４の平均Ｂ１０濃度の比率を０．２６より大きく１．０未満の範囲内の大きさにすることにより、最大線出力密度を従来よりも低減できることが分かった。
【００２３】
次に、発明者らは、上部領域１３と下部領域１４を画定する境界の位置について検討を行った。下部ブランケット領域５の下端を基準としたとき、炉心の軸方向における内部ブランケット領域４の上端の位置をｘ、内部ブランケット領域４の下端の位置をｙとする。制御棒１２のＢ１０含有領域の上端（上部領域１３の上端）を１、Ｂ１０含有領域の下端（下部領域１４の下端）を０としたとき、制御棒１２におけるその境界の位置を、下部ブランケット領域５の下端から上部ブランケット領域３の上端まで移動させて最大線出力密度を求めた。その境界の位置の上記移動に伴って、原子炉の運転サイクルを通した最大線出力密度は図９に示すように変化した。この結果に基づいて、制御棒１２における上部領域１３と下部領域１４を画定する上部炉心領域１及び下部炉心領域２はＰｕｆを含んでいる。境界の位置が、軸方向において、内部ブランケット領域４の上端とその領域４の下端の間、すなわち、内部ブランケット領域４内にあれば最大線出力密度を低減できるとの新たな知見を、発明者らは得ることができた。
【００２４】
また、第１の要因は、図７（ｃ）に示す、軸方向において、上部領域９、中央領域１０及び下部領域１１の三領域の中性子吸収材含有領域（Ｂ１０含有領域）、及びフォロア部８を有する原子炉出力調整用の制御棒７を用いることによっても改善できることが分かった。制御棒７の挿入端部から引き抜き端部に向かって、フォロア部８、上部領域９、中央領域１０及び下部領域１１の順に配置される。制御棒７を、図７(ａ)に示す軸方向非均質炉心、例えばパッフェ型炉心に適用することによって、第１の要因に起因する熱的余裕の減少が改善され、パッフェ型炉心の熱的余裕が増大する。すなわち、制御棒７においても、中央領域１０が軸方向において内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している場合に、上部領域１０の平均Ｂ１０濃度に対する下部領域１１のその濃度の比率を０．２６より大きく１．０未満の範囲内の大きさにすることにより、最大線出力密度を従来よりも低減でき、熱的余裕が増大することが分かった。
【００２５】
制御棒７においては、中央領域１０が上部領域１３と下部領域１４を画定する境界である。中央領域１０が軸方向において内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置していることは、制御棒１２と同様に、上部領域１３と下部領域１４を画定する境界が軸方向において内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置していることに該当する。
【００２６】
第２の要因に対して発明者らが新たに見出した改善策は、図７（ｃ）に示すように、制御棒７において、軸方向で上部領域９と下部領域１１の間に、下部領域１１の平均Ｂ１０濃度よりもその濃度が低い中央領域１０を配置することである。平均Ｂ１０濃度が下部領域１１のその濃度よりも低い中央領域１０を有する制御棒７を、図７(ａ)に示す軸方向非均質炉心、例えばパッフェ型炉心に適用することによって、第２の要因に起因する熱的余裕の減少が改善され、パッフェ型炉心の熱的余裕が増大する。
【００２７】
上記の平均Ｂ１０濃度を有する中央領域１０を設けることによって、第２の要因に起因する熱的余裕の減少を改善できる理由を、以下に説明する。原子炉の起動後において原子炉出力が定格出力よりも低下するとき、制御棒７が炉心から引き抜かれることによって原子炉出力は定格出力に保持される。この制御棒７の引き抜き操作によって、制御棒７の上部領域９が上部炉心領域１から引き抜かれるため、上部炉心領域１の出力が増大する。しかしながら、内部ブランケット領域４内に存在していた中央領域１０が内部ブランケット領域４から引き抜かれて下部炉心領域２内に挿入される。このため、下部炉心領域２の出力が増大する。
【００２８】
以上述べたように、原子炉の運転サイクル中期において、中央領域１０を有する制御棒７の引き抜き操作により、上部炉心領域１の出力が増加したときには、制御棒７の中央領域１０の下部炉心領域２への挿入が行われ、下部炉心領域２の出力が増大する。したがって、原子炉の運転サイクル中期において、上部炉心領域１における出力と下部炉心領域２における出力の差を低減することができる。これは、第２の要因を改善することにつながり、炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【００２９】
発明者らは、中央領域１０の軸方向の長さについて検討した。図１０は、その検討結果を示すものである。すなわち、内部ブランケット領域４の軸方向の長さに対する中央領域１０のその長さの比率を変えたとき、原子炉の運転サイクルを通して最大線出力密度が図１０に示すように変化する特性を得た。発明者らは、この特性に基づいて、内部ブランケット領域４の軸方向の長さに対する中央領域１０の軸方向の長さの比率を、０よりも大きく１未満の範囲内の大きさにすることにより、第２の要因を改善し熱的余裕を増大できることを見出したのである。図１０の特性は、中央領域１０の平均Ｂ１０濃度を０％にしたときのものである。中央領域１０の平均Ｂ１０濃度を下部領域１４のその濃度よりも小さい範囲内で変えた場合には、中央領域１０のその平均Ｂ１０濃度に対する最も低い最大線出力密度の値は、図１０におけるその値よりも増大する。しかしながら、中央領域１０の平均Ｂ１０濃度が下部領域１４のその濃度よりも小さい範囲内では、内部ブランケット領域４の軸方向の長さに対する中央領域１０の軸方向の長さの比率を、０よりも大きく１未満の範囲内の大きさにすることにより、第２の要因が改善され熱的余裕が増大することが分かった。
【００３０】
第３の要因に対して発明者らが新たに見出した改善策は、炉心内の燃焼度が大きい燃料集合体（炉心内の滞在期間が長い燃料集合体）に原子炉出力調整用の第１制御棒を隣接させ、燃焼度の小さい燃料集合体（炉心内の滞在期間が短い燃料集合体）に原子炉出力調整用の第２制御棒を隣接させることである。この改善策は、二種類の原子炉出力調整用の制御棒を用いる。図８(ａ)に示す軸方向非均質炉心、例えばパッフェ型炉心の中央部（内側領域）に第１制御棒を配置し、炉心の外周部（外側領域）に第２制御棒を配置する。また、第１制御棒の平均Ｂ１０濃度は第２制御棒のその濃度よりも小さくする。
【００３１】
発明者らは、第１制御棒及び第２制御棒のそれぞれのＢ１０濃度についてさらに詳細に検討した。この結果、第２制御棒の平均Ｂ１０濃度に対する第１制御棒の平均Ｂ１０濃度の比率を変えたとき、原子炉の運転サイクルを通して最大線出力密度が図１１に示すように変化する特性を得た。この特性は、前述の制御棒７を用いた場合のものである。図１１の結果に基づいて、第２制御棒の平均Ｂ１０濃度に対する第１制御棒のその濃度の比率を、０．４７より大きく１．０未満の範囲内の大きさにすることにより、最大線出力密度をさらに低減できることが分かった。制御棒１２の第２制御棒の平均Ｂ１０濃度に対する制御棒１２の第１制御棒の平均Ｂ１０濃度の比率を変えたときにおける最大線出力密度は、制御棒７と同様に、その比率が０．４７より大きく１．０未満の範囲内の大きさであるときに低減できる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、内部ブランケット領域を有する軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００３４】
本発明の好適な一実施例である軽水炉の炉心、具体的には、ＢＷＲに適用される軸方向非均質炉心であるパッフェ型炉心を、図面を用いて具体的に説明する。
【００３５】
本実施例のパッフェ型炉心を説明する前に、このパッフェ型炉心が適用されるＢＷＲを、図２を用いて説明する。ＢＷＲは、原子炉圧力容器１５を有し、原子炉圧力容器８内に、パッフェ型炉心１８、気水分離器１６及び蒸気乾燥器１７を設置している。さらに、原子炉圧力容器１５の底部に複数の制御棒駆動装置１９を設置している。パッフェ型炉心１８は、炉心領域６、及び炉心領域６内に挿入される原子炉出力調整用の複数の制御棒７Ａ，１２Ａを有する。原子炉出力は、制御棒７Ａ，１２Ａをパッフェ型炉心１８に挿入あるいは引き抜くことによって制御される。制御棒７Ａ，１２Ａは、モータ駆動（あるいは水圧駆動）の制御棒駆動装置１９によって駆動される。パッフェ型炉心１８に供給される冷却水（軽水）は、燃料集合体３０内のＰｕｆの核分裂で発生する熱によって加熱され、蒸気になる。この蒸気は、気水分離器１６及び蒸気乾燥器１７で湿分を除去された後、原子炉圧力容器１５に接続された主蒸気配管２０を経てタービン（図示せず）へ送られ、タービン（図示せず）を駆動する。タービンに連結された発電機の回転によって電力が発生する。タービンから排出された蒸気は復水器で凝縮され水になる。この水は、給水として給水配管２１によって原子炉圧力容器１５内に戻される。
【００３６】
パッフェ型炉心１８は、図１に示す複数の燃料集合体３０が装荷されて構成される炉心領域６（図７（ａ）参照）、及び図１に示す原子炉出力調整用の複数の制御棒７Ａ，１２Ａを備えている（図３参照）。制御棒７Ａ，１２Ａは炉心領域６に配置される。さらにパッフェ型炉心１８は炉心領域６に挿入される複数の制御棒２３を備える。パッフェ型炉心１８の炉心領域６は、図７(ａ)に示すように、軸方向において、上部から順に配置した、上部ブランケット領域３、上部炉心領域１、内部ブランケット領域４、下部炉心領域２及び下部ブランケット領域５を含んでいる。燃料集合体３０は、横断面が六角形の燃料集合体であり、７２０体が炉心領域６に装荷されている。制御棒７Ａ，１２Ａ，２３は横断面がＹ字型で１２０度の間隔で配置された３枚の翼を有する制御棒である。制御棒７Ａ，１２Ａ，２３は、合計２２３本設けられている。
【００３７】
制御棒７Ａ，１２Ａ，２３の構成を、図４を用いて説明する。これらの制御棒は、制御棒の軸心に位置するタイロッド２４から三方向に向かって３枚のブレード２５がそれぞれ伸びている。隣り合うブレード２５の相互間の角度は１２０°である。それぞれのブレード２５は、タイロッド２４に取付けられた横断面がＵ字状のシース２６内に、１７本の中性子吸収棒２７を配置している。各中性子吸収棒２７は、ステンレス鋼製の被覆管内にＢ１０を含む中性子吸収材２８を充填している。制御棒２３は、原子炉の運転中に炉心から全引抜され、原子炉の運転停止時には炉心内に全挿入される。この制御棒２３は、原子炉停止用の制御棒であり、水圧駆動の制御棒駆動装置（図示せず）によって駆動される。
【００３８】
パッフェ型炉心１８を構成する燃料集合体３０について説明する。パッフェ型炉心１８の上部ブランケット領域３、上部炉心領域１、内部ブランケット領域４、下部炉心領域２及び下部ブランケット領域５は、燃料集合体３０によって構成される。燃料集合体３０は、上部より下部に向かって、図１に示すように、上部ブランケット部３３、上部燃料部３１、内部ブランケット部３４、下部燃料部３２及び下部ブランケット部３５を有する。上部ブランケット部３３の軸方向の長さは１３ｃｍ、上部燃料部３１の軸方向の長さは２２ｃｍ、内部ブランケット部３４の軸方向の長さは４５ｃｍ、下部燃料部３２の軸方向の長さは２２ｃｍ及び下部ブランケット部３５の軸方向の長さは１８ｃｍである。燃料集合体３０は、複数の燃料棒（図示せず）を有する。各燃料棒は、上部、内部及び下部ブランケット部３３，３４，３５に該当する位置に、劣化ウランを含む多数の劣化ウラン燃料ペレットを充填している。また、各燃料棒は、上部及び下部燃料部３１，３２に該当する位置に、劣化ウラン、プルトニウム及びアクチノイド核種の混合物を含む多数のＭＯＸ燃料ペレットを充填している。そのプルトニウムはＰｕｆを含有している。上部燃料部３１及び下部燃料部３２は、Ｐｕｆの平均富化度が１８ｗｔ％である。内部ブランケット領域４のＰｕｆの富化度は０ｗｔ％である。平均富化度１８ｗｔ％のＰｕｆを含む燃料集合体３０は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの新燃料集合体である。
【００３９】
上部、内部及び下部ブランケット部３３，３４，３５に該当する位置に充填される燃料ペレットは、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランによって構成してもよい。また、上部及び下部燃料部３１，３２に該当する位置に充填される燃料ペレットは、Ｐｕｆ及びアクチノイド核種を、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランに富化した核燃料物質によって構成してもよい。後者の燃料ペレットは、Ｐｕｆを、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランに富化した核燃料物質によって構成することも可能である。
【００４０】
パッフェ型炉心１８の上部ブランケット領域３は各燃料集合体３０の上部ブランケット部３３によって構成される。同様に、上部炉心領域１は上部燃料部３１によって構成され、内部ブランケット領域４は内部ブランケット部３４によって構成され、下部炉心領域２は下部燃料部３２によって構成され、及び下部ブランケット領域５は下部ブランケット部３５によって構成される。
【００４１】
パッフェ型炉心１８は、半径方向において、中央部（内側領域）及び中央部を取囲む外周部（外側領域）に分割される。中央部は、パッフェ型炉心１８の軸心を基点にした、パッフェ型炉心１８の半径の２分の１以内の領域である。このパッフェ型炉心１８は、外周部に燃焼度が小さくて余剰反応度の大きな燃料集合体３０を、中央部に燃焼度が大きくて余剰反応度の小さい燃料集合体（外周部に装荷される燃料集合体３０よりも炉心内の滞在期間が長い燃料集合体３０）を装荷することによって、半径方向の出力分布を平坦化している。例えば、外周部には、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの新しい燃料集合体３０及び２サイクル目の運転サイクルに入る燃料集合体３０が装荷されており、中央部には、３サイクル目以上の運転サイクルに入る燃料集合体３０が装荷されている。図３に示すように、制御棒７Ｂは外周部に配置され、制御棒７Ａは中央部に配置される。２２３本の制御棒のうち、原子炉出力調整用の制御棒７は全部で３７本であり、制御棒７Ａは１９本、制御棒７Ｂは１８本である。
【００４２】
制御棒７Ａは、図１に示すように、制御棒７Ａの挿入端部から引き抜き端部に向かって、フォロア部８、上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａをこの順に配置している。フォロア部８は、軽水より減速能が小さい物質である炭素によって構成され、シース２６内に設けられる。上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａのそれぞれの軸方向の長さは、３６ｃｍ、３３ｃｍ、４１ｃｍである。上部領域９ＡはＢ１０濃度が９０％の炭化硼素を充填し、中央領域１０ＡはＢ１０濃度が２０％の炭化硼素を充填し、下部領域１１ＡはＢ１０濃度が５０％である炭化硼素を充填している。上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａ、すなわち、中性子吸収材含有領域の軸方向における平均Ｂ１０濃度は、約５４％である。フォロア部８の下方に配置される各中性子吸収棒２７は、上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａのそれぞれに対応する位置に、Ｂ１０濃度９０％、２０％及び５０％の各炭化硼素をそれぞれ充填している。
【００４３】
制御棒１２Ａは、図１に示すように、挿入端部から引き抜き端部に向かって、フォロア部８、上部領域１３Ａ及び下部領域１４Ａをこの順に配置している。上部領域９Ｂ及び下部領域１１Ｂのそれぞれの軸方向の長さは、３６ｃｍ、７４ｃｍである。上部領域１３ＡはＢ１０濃度が８０％の炭化硼素を充填し、下部領域１１ＢはＢ１０濃度が７０％である炭化硼素を充填している。上部領域９Ａ及び下部領域１１Ａ、すなわち、中性子吸収材含有領域の軸方向における平均Ｂ１０濃度は、約７３％である。制御棒７Ｂの各中性子吸収棒２７も、制御棒７Ａと同様に、該当するＢ１０濃度の各炭化硼素を中性子吸収材含有領域に充填している。
【００４４】
制御棒７Ａは、上部領域９ＡのＢ１０濃度に対する下部領域１１Ａのその濃度の比率が約０．５６であり、中央領域１０Ａが内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している。また、制御棒１２Ａは、上部領域９ＡのＢ１０濃度に対する下部領域１１Ａのその濃度の比率が約０．８８であり、上部領域１３Ａと下部領域１４Ａの境界の位置が内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している。このため、パッフェ型炉心１８は、制御棒７Ａ，１２Ａのそれぞれの前述した機能により、前述の第１の要点を改善することができる。本実施例は、第１の要点の改善に伴って熱的余裕が増加する。
【００４５】
また、内部ブランケット領域３４の軸方向の長さに対する中央領域１０Ａのその長さの比率は、０．７３であり、中央領域１０ＡのＢ１０濃度は下部領域１１Ａよりも低くなっている。このような中央領域１０Ａを含む制御棒７Ａを有するパッフェ型炉心１８は、前述の第２の要点を改善することができる。本実施例は、第２の要点の改善に伴って熱的余裕が増大する。
【００４６】
本実施例は、制御棒１２Ａの軸方向の平均Ｂ１０濃度に対する制御棒７Ａのその平均濃度の比率が約０．７４である。外周部に制御棒１２Ａを配置し、中央部に制御棒７Ａを配置しているパッフェ型炉心１８は、前述の第３の要点を改善することができる。本実施例は、第３の要点の改善に伴って熱的余裕が増大する。
【００４７】
上記したように、第１、第２及び第３の要点を改善できるパッフェ型炉心１８は、一つの運転サイクル開始時からその運転サイクル終了時までの期間において、図５に実線で示すように、燃料集合体の最大線出力密度を著しく低減できる。本実施例は、破線で示す従来のパッフェ型炉心に比べて最大線出力密度を約６％低減できる。このため、本実施例は、原子炉の熱的余裕を著しく増大することができる。本実施例で用いられる制御棒７Ａ，１２Ａは、運転サイクル終了時にはフォロア部８を炉心内に残し、中性子吸収材含有領域が炉心、すなわち、下部ブランケット領域３５の下方に引き抜かれる。
【００４８】
中性子吸収材含有領域の軸方向におけるＢ１０濃度が一様な従来の制御棒（原子炉出力調整用）を配置した従来のパッフェ型炉心は、その制御棒の引き抜き状態に応じ、一つの運転サイクルの期間において、燃料集合体の最大線出力密度が図５に破線で示すように大きく変化する。しかしながら、制御棒７Ａ，１２Ａを用いた本実施例のパッフェ型炉心１８では、一つの運転サイクルの期間を通して最大線出力密度の変化幅を著しく低減することができる。
【００４９】
本実施例はパッフェ型炉心１８の外周部に制御棒１２Ａを配置しているが、中性子吸収材含有領域が軸方向二領域の制御棒１２Ａの替りに、中性子吸収材含有領域が軸方向三領域の制御棒７を外周部に配置することも可能である。この制御棒７は、第１、第２及び第３の要点を改善できる条件（例えば、中央領域１０のＢ１０濃度、中央領域１０の軸方向における位置及び長さ、制御棒７Ａの平均Ｂ１０濃度に対する制御棒７のその濃度の比率等）を満足している。
【００５０】
本実施例において、外周部に、制御棒１２Ａを配置せず替りに制御棒７Ａを配置しても良い。本例のパッフェ型炉心は、実施例２と同様に、原子炉出力調整用の制御棒である制御棒７Ａをパッフェ型炉心の外周部及び中央部に配置したものである。このパッフェ型炉心は、第３の要点を改善することはできないが、第１及び第２の要点を改善することができる。本例のパッフェ型炉心は、第１及び第２の要点を改善によって、熱的余裕を増大することができる。
【実施例２】
【００５１】
本発明の他の実施例である軽水炉の炉心、具体的には、ＢＷＲに適用されるパッフェ型炉心を、図１２及び図１３を用いて具体的に説明する。本実施例のパッフェ型炉心１８Ａは、複数の燃料集合体３０、及び制御棒１２Ｂ，２３を有する。燃料集合体３０は、実施例１で用いた燃料集合体３０と同じ構成を有する。原子炉出力調整用の制御棒１２Ｂは、上部領域１３Ｂ及び下部領域１４Ｂを有する。制御棒１２Ｂは、制御棒１２Ａにおける上部領域１３ＢのＢ１０濃度を９０％に変えた構成を有する。下部領域１４ＢのＢ１０濃度は７０％である。制御棒１２Ｂの他の構成は制御棒１２Ａと同じである。パッフェ型炉心１８Ａに配置された制御棒１２Ｂの本数は、３７本である。
【００５２】
本実施例では、制御棒１２Ｂは、上部領域１３ＢのＢ１０濃度に対する下部領域１４Ｂのその濃度の比率が約０．７８であり、上部領域１３Ｂと下部領域１４Ｂの境界の位置が内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲内に位置している。このため、パッフェ型炉心１８Ａは、制御棒１２Ｂのそれぞれの前述した機能により、前述の第１の要点を改善することができる。本実施例は、第１の要点の改善に伴って熱的余裕が増加する。
【００５３】
パッフェ型炉心１８Ａは、実施例１と同様に、半径方向において、外周部に燃焼度が小さくて余剰反応度が大きい燃料集合体３０を、中央部に燃焼度が大きくて余剰反応度が小さい燃料集合体を装荷することによって、半径方向の出力分布を平坦化している。本実施例における炉心の外周部は実施例１の炉心の外周部と同じ領域である。パッフェ型炉心１８Ａでは、半径方向の出力分布の歪みは軸方向の出力分布の歪みに比べて小さい。このため、パッフェ型炉心１８Ａは、図１１の特性に基づいて得られた条件を満足する制御棒を外周部に配置していないが、熱的余裕を増大させることができる。本実施例のパッフェ型炉心１８Ａは、第２及び第３の要点を改善することはできない。
【００５４】
上記したように、第１の要点を改善できるパッフェ型炉心１８Ａは、一つの運転サイクル開始時からその運転サイクル終了時までの期間において、図１４に実線で示すように、燃料集合体の最大線出力密度を低減できる。本実施例は、破線で示す従来のパッフェ型炉心に比べて最大線出力密度を約２％低減できる。このため、本実施例は、原子炉の熱的余裕を増大させることができる。また、制御棒１２Ｂを用いた本実施例のパッフェ型炉心１８では、一つの運転サイクルの期間を通して最大線出力密度の変化幅を、実施例１ほどではないが、従来のパッフェ型炉心に比べて低減することができる。
【実施例３】
【００５５】
本発明の他の実施例である軽水炉の炉心、具体的には、ＢＷＲに適用されるパッフェ型炉心を、図１５及び図１６を用いて具体的に説明する。本実施例のパッフェ型炉心１８Ｂは、複数の燃料集合体３０、及び原子炉出力調整用の制御棒１２Ａ，１２Ｃ、及び原子炉停止用の複数の制御棒２３を有する。燃料集合体３０は、実施例１で用いた燃料集合体３０と同じ構成を有する。制御棒１２Ａも実施例１で用いた制御棒１２Ａと同じ構成を有する。制御棒１２Ｃは、中性子吸収材含有領域に上部領域１３Ｃ及び下部領域１４Ｃを有する。上部領域１３ＣのＢ１０濃度は９０％であり、下部領域１４ＣのＢ１０濃度は５０％である。制御棒１２Ｃの他の構成は制御棒１２Ａと同じである。制御棒１２Ｃはパッフェ型炉心１８Ｂの中央部に配置され、制御棒１２Ａはパッフェ型炉心１８Ｂの外周部に配置される。本実施例における炉心の外周部は実施例１の炉心の外周部と同じ領域である。制御棒１２Ｃは１９本存在し、制御棒１２Ａは１８本存在する。ちなみに、制御棒２３の本数は１８６本である。
【００５６】
本実施例では、制御棒１２Ｃは、上部領域１３ＣのＢ１０濃度に対する下部領域１４Ｃのその濃度の比率が約０．５６であり、上部領域１３Ｂと下部領域１４Ｂの境界の位置が内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している。また、制御棒１２Ａは、実施例１で述べたように、前者の比率が約０．８８であり、後者の境界の位置も内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している。このため、パッフェ型炉心１８Ｂは、制御棒１２Ｃ，１２Ａのそれぞれの前述した機能により、前述の第１の要点を改善することができる。本実施例は、第１の要点の改善に伴って熱的余裕が増加する。
【００５７】
制御棒１２Ｃの軸方向の平均Ｂ１０濃度は６３％であり、制御棒１２Ａのその濃度は７３％である。本実施例は、制御棒１２Ａの軸方向の平均Ｂ１０濃度に対する制御棒７Ａのその濃度の比率が約０．８６である。外周部に制御棒１２Ａを配置し、中央部に制御棒１２Ｃを配置しているパッフェ型炉心１８Ｂは、前述の第３の要点を改善することができる。本実施例は、第３の要点の改善に伴って熱的余裕が増大する。
【００５８】
上記したように、第１及び第３の要点を改善できるパッフェ型炉心１８Ｂは、一つの運転サイクル開始時からその運転サイクル終了時までの期間において、図１７に実線で示すように、燃料集合体の最大線出力密度を低減できる。本実施例は、破線で示す従来のパッフェ型炉心に比べて最大線出力密度を約３％低減できる。このため、本実施例は、原子炉の熱的余裕を増大させることができる。また、制御棒１２Ｃ，１２Ａを用いた本実施例のパッフェ型炉心１８Ｂは、一つの運転サイクルの期間を通して最大線出力密度の変化幅を、実施例１ほどではないが、従来のパッフェ型炉心に比べて低減することができる。パッフェ型炉心１８Ｂにおけるその変化幅は、実施例１におけるその変化幅よりも大きくなるが、実施例２におけるその変化幅よりも小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施例１のパッフェ型炉心に装荷される燃料集合体及びその炉心に挿入される二種類の制御棒の構成図である。
【図２】実施例１のパッフェ型炉心が適用されるＢＷＲの概略構成図である。
【図３】本発明の好適な一実施例である実施例１のパッフェ型炉心の平面図である。
【図４】図１及び図３に示す制御棒の拡大横断面図である。
【図５】実施例１の運転サイクルにおける最大線出力密度の変化を示す特性図である。
【図６】パッフェ型炉心の軸方向での出力分布及びボイド率分布を示す説明図である。
【図７】パッフェ型炉心の課題の改善策として用いる制御棒を示し、（ａ）はパッフェ型炉心の概略縦断面図、（ｂ）は中性子吸収材含有領域が二領域である制御棒の概略構造図、（ｃ）は中性子吸収材含有領域が三領域である制御棒の概略構造図である。
【図８】制御棒の上部領域の平均Ｂ１０濃度に対する制御棒の下部領域のその濃度の比率と、最大線出力密度との関係を示す特性図である。
【図９】炉心軸方向における制御棒の上部領域と下部領域の境界の位置と、最大線出力密度との関係を示す特性図である。
【図１０】内部ブランケット領域の軸方向長さに対する制御棒の中央領域のその長さの比率と、最大線出力密度との関係を示す特性図である。
【図１１】パッフェ型炉心の外側領域に配置された制御棒の軸方向の平均Ｂ１０濃度に対するその炉心の内側領域に配置された制御棒のその濃度の比率と、最大線出力密度との関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の他の実施例である実施例２のパッフェ型炉心の平面図である。
【図１３】実施例２のパッフェ型炉心に装荷される燃料集合体及びその炉心に挿入される制御棒の構成図である。
【図１４】実施例２の運転サイクルにおける最大線出力密度の変化を示す特性図である。
【図１５】本発明の他の実施例である実施例３のパッフェ型炉心の平面図である。
【図１６】実施例３のパッフェ型炉心に装荷される燃料集合体及びその炉心に挿入される二種類の制御棒の構成図である。
【図１７】実施例３の運転サイクルにおける最大線出力密度の変化を示す特性図である。
【符号の説明】
【００６０】
１…上部炉心領域、２…下部炉心領域、３…上部ブランケット領域、４…内部ブランケット領域、５…下部ブランケット領域、６…炉心領域、７，７Ａ，１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，２３…制御棒、８…フォロア部、９，９Ａ，１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…上部領域、１０，１０Ａ…中央領域、１１，１１Ａ，１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…下部領域、１５…原子炉圧力容器、１８，１８Ａ，１８Ｂ…パッフェ型炉心、１９…制御棒駆動装置、２５…ブレード、２６…シース、２７…中性子吸収棒、３０…燃料集合体、３１…上部燃料部、３２…下部燃料部、３３…上部ブランケット部、３４…内部ブランケット部、３５…下部ブランケット部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽水炉の炉心及び制御棒に係り、特に、高さ方向において、上から、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域を配置した軸方向非均質炉心であるパッフェ型炉心に適用するのに好適な軽水炉の炉心及び制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、高さ方向において、上から順に配置された、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域の５つの領域を含むパッフェ型炉心の概念を説明している。上部炉心領域及び下部炉心領域は、核分裂性物質を含んでいる。パッフェ炉心は、軸方向に５領域が存在する軸方向非均質炉心である。
【０００３】
また、特許文献１及び特許文献２は、燃料棒が三角稠密配列された六角形燃料集合体を用いて水対燃料体積比を０．６以下とすることによって、増殖比を１．０近傍または１．０以上とした軽水増殖炉の基本概念を記載している。これらの特許文献は、実施例として、パッフェ型炉心構成を採用した軽水増殖炉の炉心を説明している。この炉心に適用される制御棒についても記載している。この炉心は、上下端部に劣化ウランを含むブランケット領域を有し、高さ方向でそれらのブランケット領域間に核分裂性プルトニウムを含む炉心領域を配置している。この炉心領域は、高さ方向に３つの領域に分けられる。炉心領域は、高さ方向において中央部に核分裂性プルトニウム富化度６ｗｔ％未満の第２領域が配置され、第２領域の上方に核分裂性プルトニウム平均富化度６ｗｔ％以上の第１領域が配置される。第２領域と下部ブランケット領域の間の炉心領域は、核分裂性プルトニウム富化度６ｗｔ％以上の第３領域である。このような炉心に配置される燃料集合体は、横断面が六角形になっている。燃料集合体間に挿入される制御棒は、１２０度の間隔で配置された３枚の翼を有し、先端部に軽水より減速能が小さいフォロア部を配置している。
【０００４】
特許文献３は制御棒を記載している。この制御棒は、炉心に最初に挿入される端部（挿入端部）から、制御棒駆動装置側の端部（引き抜き端部）に向かって中性子吸収材であるボロン１０（Ｂ１０）の濃度を徐々に減少させている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２２２６９４号公報
【特許文献２】特開平８−２１８９０号公報
【特許文献３】特開平１０−２９３１８８号公報
【非特許文献１】GA DUCAT, et al. : Evaluation of the Parfait blanket Concept For Fast breeder Reactors,COO-2250-5,MITNE-157, Massachusetts Institute of Technology, January (1974)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パッフェ型炉心は、燃料集合体の炉心からの取出時における核分裂性プルトニウム（以下、Ｐｕｆという）と燃料集合体の炉心への装荷時におけるＰｕｆの比で定義されるＰｕｆ増殖比を１以上もしくは１に近づけることが可能な炉心である。Ｐｕｆ増殖比１を実現するため、パッフェ型炉心は軸方向における構成が現行ＢＷＲとは異なっている。
【０００７】
パッフェ型炉心は、軸方向において、上部ブランケット領域、内部ブランケット領域及び下部ブランケット領域を有し、上部ブランケット領域と内部ブランケット領域の間に上部燃料領域を、内部ブランケット領域と下部ブランケット領域との間に下部燃料領域をそれぞれ配置する。パッフェ型炉心は軸方向非均質炉心である。各ブランケット領域に含まれるＵ−２３８は、中性子を捕獲してＰｕｆであるＰｕ−２３９を新たに生成する。但し、Ｕ−２３８による中性子捕獲は比較的中性子エネルギーの大きな共鳴領域で顕著であるため、Ｐｕｆ増殖比向上のためには、炉心内の中性子エネルギーを高くする、すなわち中性子スペクトルを硬くする必要がある。中性子スペクトルを硬くするためには、中性子エネルギー低減の主原因である炉心内の軽水を極力減らす必要がある。しかしながら、軽水は減速材であると同時に冷却材であるため、パッフェ型炉心では、除熱性能、すなわち熱的余裕を維持しながら水対燃料実効体積比を低減しなければならない。したがって、パッフェ型炉心では、除熱性能を維持できる範囲で燃料棒間隙を現行ＢＷＲよりも小さくし、装荷する全ての燃料集合体の出力を可能な限り一致させ、燃料集合体間の熱的余裕のばらつきを低減することによって定格炉心流量の低減を実現している。
【０００８】
発明者らは、そのようなパッフェ型炉心を種々検討した結果、後述するように熱的余裕が減少するという新たな課題を見出した。
【０００９】
本発明の目的は、熱的余裕をより増大できる軽水炉の炉心及び制御棒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、軸方向において、上部炉心領域、内部ブランケット領域及び下部炉心領域がこの順に上部から配置され、上部炉心領域及び下部炉心領域が核分裂性プルトニウム、または核分裂性プルトニウム及びアクチノイド核種を含んでいる炉心領域と、炉心領域内に挿入され、中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する複数の原子炉出力調整用の制御棒とを備え、
中性子吸収材含有領域は上部領域及び下部領域を有し、上部領域における中性子吸収材の平均濃度に対する下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、制御棒が炉心領域に全挿入された状態で、上部領域と下部領域を画定する境界が、内部ブランケット領域の上端と内部ブランケット領域の下端との間に位置していることにある。
【００１１】
このような本発明は、上部領域における中性子吸収材の平均濃度に対する下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、上部領域と下部領域を画定する境界が、内部ブランケット領域の上端と内部ブランケット領域の下端との間に位置しているため、後述の第１の要点を改善することができる。第１の要点の改善に伴って、軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【００１２】
好ましくは、中性子吸収材含有領域が、上部領域と下部領域を画定する境界となる中央領域を有し、中央領域の中性子吸収材の平均濃度を下部領域のその平均濃度よりも低くし、中央領域の軸方向の長さを内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くすることが望ましい。中性子吸収材の平均濃度が下部領域のその平均濃度よりも低く、中央領域の軸方向の長さが内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっている中央領域を、上部領域と下部領域の間に配置しているので、後述の第２の要点を改善することができる。第２の要点の改善に伴って、軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【００１３】
好ましくは、複数の制御棒は、炉心領域の内側領域に挿入される複数の第１制御棒、及び内側領域を取り囲む、炉心領域の外側領域に挿入される複数の第２制御棒を含んでおり、第２制御棒における中性子吸収材の平均濃度に対する第１制御棒における中性子吸収材のその濃度の比率が、０．４７より大きく１．０未満の範囲内にあるとよい。第２制御棒における中性子吸収材の平均濃度に対する第１制御棒における中性子吸収材のその濃度の比率が、０．４７より大きく１．０未満の範囲内にあるので、後述の第３の要点を改善することができる。第３の要点の改善に伴って、軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【００１４】
前述したように発明者らは、軽水炉、例えば、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に適用される軸方向非均質炉心であるパッフェ型炉心において、熱的余裕が減少するという新しい課題の存在を見出した。さらに、発明者らは、その熱的余裕の減少をもたらす要因が３つあることを新たに見出した。発明者らが新たに見出した３つの要因を以下に詳細に説明する。
【００１５】
第一の要因は、パッフェ型炉心が図７（ａ）に示すように軸方向非均質炉心であるために、核分裂性物質をほとんど含まない３つのブランケット領域における出力は低く、相対的に、核分裂性物質を含む上部炉心領域１及び下部炉心領域２のそれぞれの領域における出力が増大することである（図６参照）。３つのブランケット領域は、上部ブランケット領域３、内部ブランケット領域４及び下部ブランケット領域５である。パッフェ型炉心の熱的余裕を向上させるには上部炉心領域１及び下部炉心領域２における出力の平坦化が必須となる。しかしながら、パッフェ型炉心は、上部炉心領域１と下部炉心領域２の間に内部ブランケット領域４が存在するため、上部炉心領域１と下部炉心領域２でボイド率が大きく異なる。パッフェ型炉心における軸方向のボイド率分布及び軸方向の出力分布の一例を図６に示す。下部炉心領域２の平均ボイド率が５５％程度であるのに対して、上部炉心領域１の平均ボイド率は８０％程度となっている。原子炉の出力はボイド率に依存するため、上部炉心領域１と下部炉心領域２のボイド率の相違は、炉心における軸方向の出力分布の歪みの原因となり、熱的余裕が減少する。
【００１６】
第二の要因は、制御棒が炉心から引き抜かれることで原子炉の運転サイクル中期において上部炉心領域１の出力が増大する可能性があることである。ＢＷＲでは、核燃料物質が燃焼することによって不足する反応度を補償するために、原子炉の運転中に原子炉出力調整用の制御棒を炉心から徐々に引き抜く操作を行う。ＢＷＲにおいては、炉心の上方に気水分離器及び蒸気乾燥器等の構造物が設置されるため、制御棒が、原子炉の底部に設置された制御棒駆動装置によって下方に向かって炉心から引き抜かれる。このため、パッフェ型炉心では制御棒の操作法によっては、制御棒が下部炉心領域２内に挿入されているが上部炉心領域１から引き抜かれている状態が、原子炉の運転サイクル中期において発生する可能性がある。このような状態が発生した場合、上部炉心領域１と下部炉心領域２の出力差が増大し、熱的余裕が減少する。原子炉における一つの運転サイクルとは、原子炉を起動してから、炉心内の燃料集合体の交換のために原子炉の運転を停止するまでの期間を意味する。
【００１７】
第三の要因は、半径方向の出力分布の平坦化と軸方向の出力分布の平坦化が両立しない可能性があることである。パッフェ型炉心では定格の炉心流量を低減するために半径方向の出力分布の平坦化は必須である。しかし、パッフェ型炉心に装荷する軸方向に非均質な燃料集合体は、ブランケット部と燃料部の出力割合が核燃料物質の燃焼と共に変化し、燃料部の出力割合が核燃料物質の燃焼に伴って減少する性質を有する。このため、炉心の半径方向の出力分布を平坦化、すなわち、燃料集合体の出力を均一化しても、燃焼初期の燃料集合体の燃料部の出力は燃焼末期に比べて高く、熱的余裕が減少する。
【００１８】
パッフェ型炉心の熱的余裕を最大限に向上させるためには、上記した３つの要因をすべて改善する必要がある。しかしながら、上記した３つの要因のうち少なくとも１つの要因を改善することによっても、パッフェ型炉心の熱的余裕を従来よりも向上させることができる。
【００１９】
発明者らは、パッフェ型炉心が有する上記した３つの新たな要因の改善策を検討し、それぞれの改善策を新たに見出した。パッフェ型炉心、すなわち、軽水炉の軸方向非均質炉心の熱的余裕の向上に貢献する本発明は、発明者らが見出した改善策に基づいてなされたものである。個々の改善策を、具体的に説明する。
【００２０】
第１の要因に対して発明者らが新たに見出した改善策は、図７（ｂ）に示すように、軸方向において、上部領域１３及び下部領域１４の二領域の中性子吸収材含有領域（Ｂ１０含有領域）、及びフォロア部８を有する原子炉出力調整用の制御棒１２を用いることである。制御棒１２の挿入端部から引き抜き端部に向かって、フォロア部８、上部領域１３及び下部領域１４の順に配置される。この制御棒１２を、図７(ａ)に示す軸方向非均質炉心、例えばパッフェ型炉心に適用することによって、第１の要因に起因する熱的余裕の減少が改善され、パッフェ型炉心の熱的余裕が増大する。制御棒１２は、パッフェ型炉心の炉心領域６に装荷された燃料集合体間に挿入される。フォロア部８は、Ｂ１０を含んでいなく中性子の吸収が少ない材料によって構成されている。このフォロア部８は、制御棒１２が引き抜かれた燃料集合体間に減速材である軽水が流入することを防止してＰｕｆ増殖比を高める機能を有する。フォロア部８の軸方向の長さは、下部炉心領域２の下端から上部炉心領域１の上端までの長さにすることが望ましい。
【００２１】
ちなみに、パッフェ型炉心は、図７(ａ)に示すように、炉心の高さ方向（軸方向）に配置された、上部ブランケット領域３、内部ブランケット領域４及び下部ブランケット領域５を有し、さらに、上部炉心領域１及び下部炉心領域２を有する。上部炉心領域１は上部ブランケット領域３と内部ブランケット領域４の間に配置される。下部炉心領域２は内部ブランケット領域４と下部ブランケット領域５の間に配置される。上部ブランケット領域３、上部炉心領域１、内部ブランケット領域４、下部炉心領域２及び下部ブランケット領域５によって、炉心領域６が構成される。上部炉心領域１及び下部炉心領域２は少なくともＰｕｆを含んでいる。
【００２２】
発明者らは、制御棒１２の上部領域１３及び下部領域１４のそれぞれにおけるＢ１０の濃度について検討を行った。その結果、上部領域１３のＢ１０の平均濃度に対する下部領域１４のＢ１０平均濃度の比率を変えたとき、原子炉の運転サイクルを通して最大線出力密度が図８に示すように変化する特性を得た。この特性は、上部領域１３と下部領域１４の境界が炉心の軸方向において内部ブランケット領域４の真ん中に位置するときのものである。図８において、上部領域１３の平均Ｂ１０濃度に対する下部領域１４の平均Ｂ１０濃度の比が１になる場合は、上部領域１３及び下部領域１４のそれぞれの平均Ｂ１０濃度が等しいときである。これは、Ｂ１０含有領域が上部領域１３及び下部領域１４の区別がない一領域である従来の制御棒である。図８に示す結果により、パッフェ型炉心では、上部領域１３の平均Ｂ１０濃度に対する下部領域１４の平均Ｂ１０濃度の比率を０．２６より大きく１．０未満の範囲内の大きさにすることにより、最大線出力密度を従来よりも低減できることが分かった。
【００２３】
次に、発明者らは、上部領域１３と下部領域１４を画定する境界の位置について検討を行った。下部ブランケット領域５の下端を基準としたとき、炉心の軸方向における内部ブランケット領域４の上端の位置をｘ、内部ブランケット領域４の下端の位置をｙとする。制御棒１２のＢ１０含有領域の上端（上部領域１３の上端）を１、Ｂ１０含有領域の下端（下部領域１４の下端）を０としたとき、制御棒１２におけるその境界の位置を、下部ブランケット領域５の下端から上部ブランケット領域３の上端まで移動させて最大線出力密度を求めた。その境界の位置の上記移動に伴って、原子炉の運転サイクルを通した最大線出力密度は図９に示すように変化した。この結果に基づいて、制御棒１２における上部領域１３と下部領域１４を画定する上部炉心領域１及び下部炉心領域２はＰｕｆを含んでいる。境界の位置が、軸方向において、内部ブランケット領域４の上端とその領域４の下端の間、すなわち、内部ブランケット領域４内にあれば最大線出力密度を低減できるとの新たな知見を、発明者らは得ることができた。
【００２４】
また、第１の要因は、図７（ｃ）に示す、軸方向において、上部領域９、中央領域１０及び下部領域１１の三領域の中性子吸収材含有領域（Ｂ１０含有領域）、及びフォロア部８を有する原子炉出力調整用の制御棒７を用いることによっても改善できることが分かった。制御棒７の挿入端部から引き抜き端部に向かって、フォロア部８、上部領域９、中央領域１０及び下部領域１１の順に配置される。制御棒７を、図７(ａ)に示す軸方向非均質炉心、例えばパッフェ型炉心に適用することによって、第１の要因に起因する熱的余裕の減少が改善され、パッフェ型炉心の熱的余裕が増大する。すなわち、制御棒７においても、中央領域１０が軸方向において内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している場合に、上部領域１０の平均Ｂ１０濃度に対する下部領域１１のその濃度の比率を０．２６より大きく１．０未満の範囲内の大きさにすることにより、最大線出力密度を従来よりも低減でき、熱的余裕が増大することが分かった。
【００２５】
制御棒７においては、中央領域１０が上部領域１３と下部領域１４を画定する境界である。中央領域１０が軸方向において内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置していることは、制御棒１２と同様に、上部領域１３と下部領域１４を画定する境界が軸方向において内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置していることに該当する。
【００２６】
第２の要因に対して発明者らが新たに見出した改善策は、図７（ｃ）に示すように、制御棒７において、軸方向で上部領域９と下部領域１１の間に、下部領域１１の平均Ｂ１０濃度よりもその濃度が低い中央領域１０を配置することである。平均Ｂ１０濃度が下部領域１１のその濃度よりも低い中央領域１０を有する制御棒７を、図７(ａ)に示す軸方向非均質炉心、例えばパッフェ型炉心に適用することによって、第２の要因に起因する熱的余裕の減少が改善され、パッフェ型炉心の熱的余裕が増大する。
【００２７】
上記の平均Ｂ１０濃度を有する中央領域１０を設けることによって、第２の要因に起因する熱的余裕の減少を改善できる理由を、以下に説明する。原子炉の起動後において原子炉出力が定格出力よりも低下するとき、制御棒７が炉心から引き抜かれることによって原子炉出力は定格出力に保持される。この制御棒７の引き抜き操作によって、制御棒７の上部領域９が上部炉心領域１から引き抜かれるため、上部炉心領域１の出力が増大する。しかしながら、内部ブランケット領域４内に存在していた中央領域１０が内部ブランケット領域４から引き抜かれて下部炉心領域２内に挿入される。このため、下部炉心領域２の出力が増大する。
【００２８】
以上述べたように、原子炉の運転サイクル中期において、中央領域１０を有する制御棒７の引き抜き操作により、上部炉心領域１の出力が増加したときには、制御棒７の中央領域１０の下部炉心領域２への挿入が行われ、下部炉心領域２の出力が増大する。したがって、原子炉の運転サイクル中期において、上部炉心領域１における出力と下部炉心領域２における出力の差を低減することができる。これは、第２の要因を改善することにつながり、炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【００２９】
発明者らは、中央領域１０の軸方向の長さについて検討した。図１０は、その検討結果を示すものである。すなわち、内部ブランケット領域４の軸方向の長さに対する中央領域１０のその長さの比率を変えたとき、原子炉の運転サイクルを通して最大線出力密度が図１０に示すように変化する特性を得た。発明者らは、この特性に基づいて、内部ブランケット領域４の軸方向の長さに対する中央領域１０の軸方向の長さの比率を、０よりも大きく１未満の範囲内の大きさにすることにより、第２の要因を改善し熱的余裕を増大できることを見出したのである。図１０の特性は、中央領域１０の平均Ｂ１０濃度を０％にしたときのものである。中央領域１０の平均Ｂ１０濃度を下部領域１４のその濃度よりも小さい範囲内で変えた場合には、中央領域１０のその平均Ｂ１０濃度に対する最も低い最大線出力密度の値は、図１０におけるその値よりも増大する。しかしながら、中央領域１０の平均Ｂ１０濃度が下部領域１４のその濃度よりも小さい範囲内では、内部ブランケット領域４の軸方向の長さに対する中央領域１０の軸方向の長さの比率を、０よりも大きく１未満の範囲内の大きさにすることにより、第２の要因が改善され熱的余裕が増大することが分かった。
【００３０】
第３の要因に対して発明者らが新たに見出した改善策は、炉心内の燃焼度が大きい燃料集合体（炉心内の滞在期間が長い燃料集合体）に原子炉出力調整用の第１制御棒を隣接させ、燃焼度の小さい燃料集合体（炉心内の滞在期間が短い燃料集合体）に原子炉出力調整用の第２制御棒を隣接させることである。この改善策は、二種類の原子炉出力調整用の制御棒を用いる。図８(ａ)に示す軸方向非均質炉心、例えばパッフェ型炉心の中央部（内側領域）に第１制御棒を配置し、炉心の外周部（外側領域）に第２制御棒を配置する。また、第１制御棒の平均Ｂ１０濃度は第２制御棒のその濃度よりも小さくする。
【００３１】
発明者らは、第１制御棒及び第２制御棒のそれぞれのＢ１０濃度についてさらに詳細に検討した。この結果、第２制御棒の平均Ｂ１０濃度に対する第１制御棒の平均Ｂ１０濃度の比率を変えたとき、原子炉の運転サイクルを通して最大線出力密度が図１１に示すように変化する特性を得た。この特性は、前述の制御棒７を用いた場合のものである。図１１の結果に基づいて、第２制御棒の平均Ｂ１０濃度に対する第１制御棒のその濃度の比率を、０．４７より大きく１．０未満の範囲内の大きさにすることにより、最大線出力密度をさらに低減できることが分かった。制御棒１２の第２制御棒の平均Ｂ１０濃度に対する制御棒１２の第１制御棒の平均Ｂ１０濃度の比率を変えたときにおける最大線出力密度は、制御棒７と同様に、その比率が０．４７より大きく１．０未満の範囲内の大きさであるときに低減できる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、内部ブランケット領域を有する軽水炉の炉心の熱的余裕を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００３４】
本発明の好適な一実施例である軽水炉の炉心、具体的には、ＢＷＲに適用される軸方向非均質炉心であるパッフェ型炉心を、図面を用いて具体的に説明する。
【００３５】
本実施例のパッフェ型炉心を説明する前に、このパッフェ型炉心が適用されるＢＷＲを、図２を用いて説明する。ＢＷＲは、原子炉圧力容器１５を有し、原子炉圧力容器８内に、パッフェ型炉心１８、気水分離器１６及び蒸気乾燥器１７を設置している。さらに、原子炉圧力容器１５の底部に複数の制御棒駆動装置１９を設置している。パッフェ型炉心１８は、炉心領域６、及び炉心領域６内に挿入される原子炉出力調整用の複数の制御棒７Ａ，１２Ａを有する。原子炉出力は、制御棒７Ａ，１２Ａをパッフェ型炉心１８に挿入あるいは引き抜くことによって制御される。制御棒７Ａ，１２Ａは、モータ駆動（あるいは水圧駆動）の制御棒駆動装置１９によって駆動される。パッフェ型炉心１８に供給される冷却水（軽水）は、燃料集合体３０内のＰｕｆの核分裂で発生する熱によって加熱され、蒸気になる。この蒸気は、気水分離器１６及び蒸気乾燥器１７で湿分を除去された後、原子炉圧力容器１５に接続された主蒸気配管２０を経てタービン（図示せず）へ送られ、タービン（図示せず）を駆動する。タービンに連結された発電機の回転によって電力が発生する。タービンから排出された蒸気は復水器で凝縮され水になる。この水は、給水として給水配管２１によって原子炉圧力容器１５内に戻される。
【００３６】
パッフェ型炉心１８は、図１に示す複数の燃料集合体３０が装荷されて構成される炉心領域６（図７（ａ）参照）、及び図１に示す原子炉出力調整用の複数の制御棒７Ａ，１２Ａを備えている（図３参照）。制御棒７Ａ，１２Ａは炉心領域６に配置される。さらにパッフェ型炉心１８は炉心領域６に挿入される複数の制御棒２３を備える。パッフェ型炉心１８の炉心領域６は、図７(ａ)に示すように、軸方向において、上部から順に配置した、上部ブランケット領域３、上部炉心領域１、内部ブランケット領域４、下部炉心領域２及び下部ブランケット領域５を含んでいる。燃料集合体３０は、横断面が六角形の燃料集合体であり、７２０体が炉心領域６に装荷されている。制御棒７Ａ，１２Ａ，２３は横断面がＹ字型で１２０度の間隔で配置された３枚の翼を有する制御棒である。制御棒７Ａ，１２Ａ，２３は、合計２２３本設けられている。
【００３７】
制御棒７Ａ，１２Ａ，２３の構成を、図４を用いて説明する。これらの制御棒は、制御棒の軸心に位置するタイロッド２４から三方向に向かって３枚のブレード２５がそれぞれ伸びている。隣り合うブレード２５の相互間の角度は１２０°である。それぞれのブレード２５は、タイロッド２４に取付けられた横断面がＵ字状のシース２６内に、１７本の中性子吸収棒２７を配置している。各中性子吸収棒２７は、ステンレス鋼製の被覆管内にＢ１０を含む中性子吸収材２８を充填している。制御棒２３は、原子炉の運転中に炉心から全引抜され、原子炉の運転停止時には炉心内に全挿入される。この制御棒２３は、原子炉停止用の制御棒であり、水圧駆動の制御棒駆動装置（図示せず）によって駆動される。
【００３８】
パッフェ型炉心１８を構成する燃料集合体３０について説明する。パッフェ型炉心１８の上部ブランケット領域３、上部炉心領域１、内部ブランケット領域４、下部炉心領域２及び下部ブランケット領域５は、燃料集合体３０によって構成される。燃料集合体３０は、上部より下部に向かって、図１に示すように、上部ブランケット部３３、上部燃料部３１、内部ブランケット部３４、下部燃料部３２及び下部ブランケット部３５を有する。上部ブランケット部３３の軸方向の長さは１３ｃｍ、上部燃料部３１の軸方向の長さは２２ｃｍ、内部ブランケット部３４の軸方向の長さは４５ｃｍ、下部燃料部３２の軸方向の長さは２２ｃｍ及び下部ブランケット部３５の軸方向の長さは１８ｃｍである。燃料集合体３０は、複数の燃料棒（図示せず）を有する。各燃料棒は、上部、内部及び下部ブランケット部３３，３４，３５に該当する位置に、劣化ウランを含む多数の劣化ウラン燃料ペレットを充填している。また、各燃料棒は、上部及び下部燃料部３１，３２に該当する位置に、劣化ウラン、プルトニウム及びアクチノイド核種の混合物を含む多数のＭＯＸ燃料ペレットを充填している。そのプルトニウムはＰｕｆを含有している。上部燃料部３１及び下部燃料部３２は、Ｐｕｆの平均富化度が１８ｗｔ％である。内部ブランケット領域４のＰｕｆの富化度は０ｗｔ％である。平均富化度１８ｗｔ％のＰｕｆを含む燃料集合体３０は、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの新燃料集合体である。
【００３９】
上部、内部及び下部ブランケット部３３，３４，３５に該当する位置に充填される燃料ペレットは、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランによって構成してもよい。また、上部及び下部燃料部３１，３２に該当する位置に充填される燃料ペレットは、Ｐｕｆ及びアクチノイド核種を、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランに富化した核燃料物質によって構成してもよい。後者の燃料ペレットは、Ｐｕｆを、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランに富化した核燃料物質によって構成することも可能である。
【００４０】
パッフェ型炉心１８の上部ブランケット領域３は各燃料集合体３０の上部ブランケット部３３によって構成される。同様に、上部炉心領域１は上部燃料部３１によって構成され、内部ブランケット領域４は内部ブランケット部３４によって構成され、下部炉心領域２は下部燃料部３２によって構成され、及び下部ブランケット領域５は下部ブランケット部３５によって構成される。
【００４１】
パッフェ型炉心１８は、半径方向において、中央部（内側領域）及び中央部を取囲む外周部（外側領域）に分割される。中央部は、パッフェ型炉心１８の軸心を基点にした、パッフェ型炉心１８の半径の２分の１以内の領域である。このパッフェ型炉心１８は、外周部に燃焼度が小さくて余剰反応度の大きな燃料集合体３０を、中央部に燃焼度が大きくて余剰反応度の小さい燃料集合体（外周部に装荷される燃料集合体３０よりも炉心内の滞在期間が長い燃料集合体３０）を装荷することによって、半径方向の出力分布を平坦化している。例えば、外周部には、燃焼度０ＧＷｄ／ｔの新しい燃料集合体３０及び２サイクル目の運転サイクルに入る燃料集合体３０が装荷されており、中央部には、３サイクル目以上の運転サイクルに入る燃料集合体３０が装荷されている。図３に示すように、制御棒７Ｂは外周部に配置され、制御棒７Ａは中央部に配置される。２２３本の制御棒のうち、原子炉出力調整用の制御棒７は全部で３７本であり、制御棒７Ａは１９本、制御棒７Ｂは１８本である。
【００４２】
制御棒７Ａは、図１に示すように、制御棒７Ａの挿入端部から引き抜き端部に向かって、フォロア部８、上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａをこの順に配置している。フォロア部８は、軽水より減速能が小さい物質である炭素によって構成され、シース２６内に設けられる。上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａのそれぞれの軸方向の長さは、３６ｃｍ、３３ｃｍ、４１ｃｍである。上部領域９ＡはＢ１０濃度が９０％の炭化硼素を充填し、中央領域１０ＡはＢ１０濃度が２０％の炭化硼素を充填し、下部領域１１ＡはＢ１０濃度が５０％である炭化硼素を充填している。上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａ、すなわち、中性子吸収材含有領域の軸方向における平均Ｂ１０濃度は、約５４％である。フォロア部８の下方に配置される各中性子吸収棒２７は、上部領域９Ａ、中央領域１０Ａ及び下部領域１１Ａのそれぞれに対応する位置に、Ｂ１０濃度９０％、２０％及び５０％の各炭化硼素をそれぞれ充填している。
【００４３】
制御棒１２Ａは、図１に示すように、挿入端部から引き抜き端部に向かって、フォロア部８、上部領域１３Ａ及び下部領域１４Ａをこの順に配置している。上部領域９Ｂ及び下部領域１１Ｂのそれぞれの軸方向の長さは、３６ｃｍ、７４ｃｍである。上部領域１３ＡはＢ１０濃度が８０％の炭化硼素を充填し、下部領域１１ＢはＢ１０濃度が７０％である炭化硼素を充填している。上部領域９Ａ及び下部領域１１Ａ、すなわち、中性子吸収材含有領域の軸方向における平均Ｂ１０濃度は、約７３％である。制御棒７Ｂの各中性子吸収棒２７も、制御棒７Ａと同様に、該当するＢ１０濃度の各炭化硼素を中性子吸収材含有領域に充填している。
【００４４】
制御棒７Ａは、上部領域９ＡのＢ１０濃度に対する下部領域１１Ａのその濃度の比率が約０．５６であり、中央領域１０Ａが内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している。また、制御棒１２Ａは、上部領域９ＡのＢ１０濃度に対する下部領域１１Ａのその濃度の比率が約０．８８であり、上部領域１３Ａと下部領域１４Ａの境界の位置が内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している。このため、パッフェ型炉心１８は、制御棒７Ａ，１２Ａのそれぞれの前述した機能により、前述の第１の要点を改善することができる。本実施例は、第１の要点の改善に伴って熱的余裕が増加する。
【００４５】
また、内部ブランケット領域３４の軸方向の長さに対する中央領域１０Ａのその長さの比率は、０．７３であり、中央領域１０ＡのＢ１０濃度は下部領域１１Ａよりも低くなっている。このような中央領域１０Ａを含む制御棒７Ａを有するパッフェ型炉心１８は、前述の第２の要点を改善することができる。本実施例は、第２の要点の改善に伴って熱的余裕が増大する。
【００４６】
本実施例は、制御棒１２Ａの軸方向の平均Ｂ１０濃度に対する制御棒７Ａのその平均濃度の比率が約０．７４である。外周部に制御棒１２Ａを配置し、中央部に制御棒７Ａを配置しているパッフェ型炉心１８は、前述の第３の要点を改善することができる。本実施例は、第３の要点の改善に伴って熱的余裕が増大する。
【００４７】
上記したように、第１、第２及び第３の要点を改善できるパッフェ型炉心１８は、一つの運転サイクル開始時からその運転サイクル終了時までの期間において、図５に実線で示すように、燃料集合体の最大線出力密度を著しく低減できる。本実施例は、破線で示す従来のパッフェ型炉心に比べて最大線出力密度を約６％低減できる。このため、本実施例は、原子炉の熱的余裕を著しく増大することができる。本実施例で用いられる制御棒７Ａ，１２Ａは、運転サイクル終了時にはフォロア部８を炉心内に残し、中性子吸収材含有領域が炉心、すなわち、下部ブランケット領域３５の下方に引き抜かれる。
【００４８】
中性子吸収材含有領域の軸方向におけるＢ１０濃度が一様な従来の制御棒（原子炉出力調整用）を配置した従来のパッフェ型炉心は、その制御棒の引き抜き状態に応じ、一つの運転サイクルの期間において、燃料集合体の最大線出力密度が図５に破線で示すように大きく変化する。しかしながら、制御棒７Ａ，１２Ａを用いた本実施例のパッフェ型炉心１８では、一つの運転サイクルの期間を通して最大線出力密度の変化幅を著しく低減することができる。
【００４９】
本実施例はパッフェ型炉心１８の外周部に制御棒１２Ａを配置しているが、中性子吸収材含有領域が軸方向二領域の制御棒１２Ａの替りに、中性子吸収材含有領域が軸方向三領域の制御棒７を外周部に配置することも可能である。この制御棒７は、第１、第２及び第３の要点を改善できる条件（例えば、中央領域１０のＢ１０濃度、中央領域１０の軸方向における位置及び長さ、制御棒７Ａの平均Ｂ１０濃度に対する制御棒７のその濃度の比率等）を満足している。
【００５０】
本実施例において、外周部に、制御棒１２Ａを配置せず替りに制御棒７Ａを配置しても良い。本例のパッフェ型炉心は、実施例２と同様に、原子炉出力調整用の制御棒である制御棒７Ａをパッフェ型炉心の外周部及び中央部に配置したものである。このパッフェ型炉心は、第３の要点を改善することはできないが、第１及び第２の要点を改善することができる。本例のパッフェ型炉心は、第１及び第２の要点を改善によって、熱的余裕を増大することができる。
【実施例２】
【００５１】
本発明の他の実施例である軽水炉の炉心、具体的には、ＢＷＲに適用されるパッフェ型炉心を、図１２及び図１３を用いて具体的に説明する。本実施例のパッフェ型炉心１８Ａは、複数の燃料集合体３０、及び制御棒１２Ｂ，２３を有する。燃料集合体３０は、実施例１で用いた燃料集合体３０と同じ構成を有する。原子炉出力調整用の制御棒１２Ｂは、上部領域１３Ｂ及び下部領域１４Ｂを有する。制御棒１２Ｂは、制御棒１２Ａにおける上部領域１３ＢのＢ１０濃度を９０％に変えた構成を有する。下部領域１４ＢのＢ１０濃度は７０％である。制御棒１２Ｂの他の構成は制御棒１２Ａと同じである。パッフェ型炉心１８Ａに配置された制御棒１２Ｂの本数は、３７本である。
【００５２】
本実施例では、制御棒１２Ｂは、上部領域１３ＢのＢ１０濃度に対する下部領域１４Ｂのその濃度の比率が約０．７８であり、上部領域１３Ｂと下部領域１４Ｂの境界の位置が内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲内に位置している。このため、パッフェ型炉心１８Ａは、制御棒１２Ｂのそれぞれの前述した機能により、前述の第１の要点を改善することができる。本実施例は、第１の要点の改善に伴って熱的余裕が増加する。
【００５３】
パッフェ型炉心１８Ａは、実施例１と同様に、半径方向において、外周部に燃焼度が小さくて余剰反応度が大きい燃料集合体３０を、中央部に燃焼度が大きくて余剰反応度が小さい燃料集合体を装荷することによって、半径方向の出力分布を平坦化している。本実施例における炉心の外周部は実施例１の炉心の外周部と同じ領域である。パッフェ型炉心１８Ａでは、半径方向の出力分布の歪みは軸方向の出力分布の歪みに比べて小さい。このため、パッフェ型炉心１８Ａは、図１１の特性に基づいて得られた条件を満足する制御棒を外周部に配置していないが、熱的余裕を増大させることができる。本実施例のパッフェ型炉心１８Ａは、第２及び第３の要点を改善することはできない。
【００５４】
上記したように、第１の要点を改善できるパッフェ型炉心１８Ａは、一つの運転サイクル開始時からその運転サイクル終了時までの期間において、図１４に実線で示すように、燃料集合体の最大線出力密度を低減できる。本実施例は、破線で示す従来のパッフェ型炉心に比べて最大線出力密度を約２％低減できる。このため、本実施例は、原子炉の熱的余裕を増大させることができる。また、制御棒１２Ｂを用いた本実施例のパッフェ型炉心１８では、一つの運転サイクルの期間を通して最大線出力密度の変化幅を、実施例１ほどではないが、従来のパッフェ型炉心に比べて低減することができる。
【実施例３】
【００５５】
本発明の他の実施例である軽水炉の炉心、具体的には、ＢＷＲに適用されるパッフェ型炉心を、図１５及び図１６を用いて具体的に説明する。本実施例のパッフェ型炉心１８Ｂは、複数の燃料集合体３０、及び原子炉出力調整用の制御棒１２Ａ，１２Ｃ、及び原子炉停止用の複数の制御棒２３を有する。燃料集合体３０は、実施例１で用いた燃料集合体３０と同じ構成を有する。制御棒１２Ａも実施例１で用いた制御棒１２Ａと同じ構成を有する。制御棒１２Ｃは、中性子吸収材含有領域に上部領域１３Ｃ及び下部領域１４Ｃを有する。上部領域１３ＣのＢ１０濃度は９０％であり、下部領域１４ＣのＢ１０濃度は５０％である。制御棒１２Ｃの他の構成は制御棒１２Ａと同じである。制御棒１２Ｃはパッフェ型炉心１８Ｂの中央部に配置され、制御棒１２Ａはパッフェ型炉心１８Ｂの外周部に配置される。本実施例における炉心の外周部は実施例１の炉心の外周部と同じ領域である。制御棒１２Ｃは１９本存在し、制御棒１２Ａは１８本存在する。ちなみに、制御棒２３の本数は１８６本である。
【００５６】
本実施例では、制御棒１２Ｃは、上部領域１３ＣのＢ１０濃度に対する下部領域１４Ｃのその濃度の比率が約０．５６であり、上部領域１３Ｂと下部領域１４Ｂの境界の位置が内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している。また、制御棒１２Ａは、実施例１で述べたように、前者の比率が約０．８８であり、後者の境界の位置も内部ブランケット領域４の下端からその上端の範囲に位置している。このため、パッフェ型炉心１８Ｂは、制御棒１２Ｃ，１２Ａのそれぞれの前述した機能により、前述の第１の要点を改善することができる。本実施例は、第１の要点の改善に伴って熱的余裕が増加する。
【００５７】
制御棒１２Ｃの軸方向の平均Ｂ１０濃度は６３％であり、制御棒１２Ａのその濃度は７３％である。本実施例は、制御棒１２Ａの軸方向の平均Ｂ１０濃度に対する制御棒７Ａのその濃度の比率が約０．８６である。外周部に制御棒１２Ａを配置し、中央部に制御棒１２Ｃを配置しているパッフェ型炉心１８Ｂは、前述の第３の要点を改善することができる。本実施例は、第３の要点の改善に伴って熱的余裕が増大する。
【００５８】
上記したように、第１及び第３の要点を改善できるパッフェ型炉心１８Ｂは、一つの運転サイクル開始時からその運転サイクル終了時までの期間において、図１７に実線で示すように、燃料集合体の最大線出力密度を低減できる。本実施例は、破線で示す従来のパッフェ型炉心に比べて最大線出力密度を約３％低減できる。このため、本実施例は、原子炉の熱的余裕を増大させることができる。また、制御棒１２Ｃ，１２Ａを用いた本実施例のパッフェ型炉心１８Ｂは、一つの運転サイクルの期間を通して最大線出力密度の変化幅を、実施例１ほどではないが、従来のパッフェ型炉心に比べて低減することができる。パッフェ型炉心１８Ｂにおけるその変化幅は、実施例１におけるその変化幅よりも大きくなるが、実施例２におけるその変化幅よりも小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施例１のパッフェ型炉心に装荷される燃料集合体及びその炉心に挿入される二種類の制御棒の構成図である。
【図２】実施例１のパッフェ型炉心が適用されるＢＷＲの概略構成図である。
【図３】本発明の好適な一実施例である実施例１のパッフェ型炉心の平面図である。
【図４】図１及び図３に示す制御棒の拡大横断面図である。
【図５】実施例１の運転サイクルにおける最大線出力密度の変化を示す特性図である。
【図６】パッフェ型炉心の軸方向での出力分布及びボイド率分布を示す説明図である。
【図７】パッフェ型炉心の課題の改善策として用いる制御棒を示し、（ａ）はパッフェ型炉心の概略縦断面図、（ｂ）は中性子吸収材含有領域が二領域である制御棒の概略構造図、（ｃ）は中性子吸収材含有領域が三領域である制御棒の概略構造図である。
【図８】制御棒の上部領域の平均Ｂ１０濃度に対する制御棒の下部領域のその濃度の比率と、最大線出力密度との関係を示す特性図である。
【図９】炉心軸方向における制御棒の上部領域と下部領域の境界の位置と、最大線出力密度との関係を示す特性図である。
【図１０】内部ブランケット領域の軸方向長さに対する制御棒の中央領域のその長さの比率と、最大線出力密度との関係を示す特性図である。
【図１１】パッフェ型炉心の外側領域に配置された制御棒の軸方向の平均Ｂ１０濃度に対するその炉心の内側領域に配置された制御棒のその濃度の比率と、最大線出力密度との関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の他の実施例である実施例２のパッフェ型炉心の平面図である。
【図１３】実施例２のパッフェ型炉心に装荷される燃料集合体及びその炉心に挿入される制御棒の構成図である。
【図１４】実施例２の運転サイクルにおける最大線出力密度の変化を示す特性図である。
【図１５】本発明の他の実施例である実施例３のパッフェ型炉心の平面図である。
【図１６】実施例３のパッフェ型炉心に装荷される燃料集合体及びその炉心に挿入される二種類の制御棒の構成図である。
【図１７】実施例３の運転サイクルにおける最大線出力密度の変化を示す特性図である。
【符号の説明】
【００６０】
１…上部炉心領域、２…下部炉心領域、３…上部ブランケット領域、４…内部ブランケット領域、５…下部ブランケット領域、６…炉心領域、７，７Ａ，１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，２３…制御棒、８…フォロア部、９，９Ａ，１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…上部領域、１０，１０Ａ…中央領域、１１，１１Ａ，１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…下部領域、１５…原子炉圧力容器、１８，１８Ａ，１８Ｂ…パッフェ型炉心、１９…制御棒駆動装置、２５…ブレード、２６…シース、２７…中性子吸収棒、３０…燃料集合体、３１…上部燃料部、３２…下部燃料部、３３…上部ブランケット部、３４…内部ブランケット部、３５…下部ブランケット部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向において、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域がこの順に上部から配置され、前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が核分裂性プルトニウムを含んでいる炉心領域と、
前記炉心領域内に挿入され、中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する複数の原子炉出力調整用の制御棒とを備え、
前記中性子吸収材含有領域は上部領域及び下部領域を有し、前記上部領域における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、前記制御棒が前記炉心領域に全挿入された状態で、前記上部領域と前記下部領域を画定する境界が、前記内部ブランケット領域の上端と前記内部ブランケット領域の下端との間に位置していることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項２】
前記中性子吸収材含有領域が前記上部領域と前記下部領域を画定する境界となる中央領域を有し、前記中央領域の前記中性子吸収材の平均濃度が前記下部領域のその平均濃度よりも低くなっており、前記中央領域の軸方向の長さが前記内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっている請求項１に記載の軽水炉の炉心。
【請求項３】
前記複数の制御棒は、前記炉心領域の内側領域に挿入される複数の第１制御棒、及び前記内側領域を取り囲む、前記炉心領域の外側領域に挿入される複数の第２制御棒を含んでおり、前記第２制御棒における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記第１制御棒におけるその濃度の比率が、０．４７より大きく１．０未満の範囲内にある請求項１または請求項２に記載の軽水炉の炉心。
【請求項４】
軸方向において、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域がこの順に上部から配置され、前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が核分裂性プルトニウムを含んでいる炉心領域と、
前記炉心領域内に挿入され、中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する複数の原子炉出力調整用の制御棒とを備え、
前記中性子吸収材含有領域は軸方向において上部から上部領域、中央領域及び下部領域の順に配置されたこれらの領域を有し、前記上部領域における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、
前記中央領域における前記中性子吸収材の平均濃度が前記下部領域のその平均濃度よりも低くて、前記中央領域の軸方向の長さが前記内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっており、前記制御棒が前記炉心領域に全挿入された状態で、前記中央領域が、前記内部ブランケット領域の上端と前記内部ブランケット領域の下端との間に位置していることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項５】
前記複数の制御棒は、前記炉心領域の内側領域に挿入される複数の第１制御棒、及び前記内側領域を取り囲む、前記炉心領域の外側領域に挿入される複数の第２制御棒を含んでおり、前記第２制御棒における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記第１制御棒におけるその濃度の比率が、０．４７より大きく１．０未満の範囲内にある請求項４に記載の軽水炉の炉心。
【請求項６】
前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域がアクチノイド核種を含んでいる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項７】
前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が、前記核分裂性プルトニウムを、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランに富化した核燃料を含んでいる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項８】
前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が、前記核分裂性プルトニウム及びアクチノイド核種を、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランに富化した核燃料を含んでいる請求項６に記載の軽水炉の炉心。
【請求項９】
前記中性子吸収材がボロン１０である請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項１０】
軸方向において、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域がこの順に上部から配置される炉心であって、前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が核分裂性プルトニウム、または前記核分裂性プルトニウム及びアクチノイド核種を含んでいる前記炉心に挿入される制御棒であって中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する制御棒において、
前記中性子吸収材含有領域は上部領域及び下部領域を有し、前記上部領域における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、前記上部領域と前記下部領域を画定する境界が、前記炉心に全挿入された状態で、前記内部ブランケット領域の上端と前記内部ブランケット領域の下端との間に位置していることを特徴とする制御棒。
【請求項１１】
前記中性子吸収材含有領域は、前記上部領域と前記下部領域を画定する境界となる中央領域を有し、前記中央領域の前記中性子吸収材の平均濃度が前記下部領域のその平均濃度よりも低くなっており、前記中央領域の軸方向の長さが前記内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっている請求項１０に記載の制御棒。
【請求項１２】
軸方向において、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域がこの順に上部から配置されている炉心であって、前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が核分裂性プルトニウム、または前記核分裂性プルトニウム及びアクチノイド核種を含んでいる前記炉心に挿入される制御棒であって中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する制御棒において、
前記中性子吸収材含有領域は軸方向において上部から上部領域、中央領域及び下部領域の順に配置されたこれらの領域を有し、前記上部領域における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、
前記中央領域における前記中性子吸収材の平均濃度が前記下部領域のその平均濃度よりも低くて、前記中央領域の軸方向の長さが前記内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっており、前記炉心に全挿入された状態で、前記中央領域が、前記内部ブランケット領域の上端と前記内部ブランケット領域の下端との間に位置していることを特徴とする制御棒。
【請求項１３】
前記中性子吸収材がボロン１０である請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の制御棒。
【請求項１】
軸方向において、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域がこの順に上部から配置され、前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が核分裂性プルトニウムを含んでいる炉心領域と、
前記炉心領域内に挿入され、中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する複数の原子炉出力調整用の制御棒とを備え、
前記中性子吸収材含有領域は上部領域及び下部領域を有し、前記上部領域における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、前記制御棒が前記炉心領域に全挿入された状態で、前記上部領域と前記下部領域を画定する境界が、前記内部ブランケット領域の上端と前記内部ブランケット領域の下端との間に位置していることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項２】
前記中性子吸収材含有領域が前記上部領域と前記下部領域を画定する境界となる中央領域を有し、前記中央領域の前記中性子吸収材の平均濃度が前記下部領域のその平均濃度よりも低くなっており、前記中央領域の軸方向の長さが前記内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっている請求項１に記載の軽水炉の炉心。
【請求項３】
前記複数の制御棒は、前記炉心領域の内側領域に挿入される複数の第１制御棒、及び前記内側領域を取り囲む、前記炉心領域の外側領域に挿入される複数の第２制御棒を含んでおり、前記第２制御棒における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記第１制御棒におけるその濃度の比率が、０．４７より大きく１．０未満の範囲内にある請求項１または請求項２に記載の軽水炉の炉心。
【請求項４】
軸方向において、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域がこの順に上部から配置され、前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が核分裂性プルトニウムを含んでいる炉心領域と、
前記炉心領域内に挿入され、中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する複数の原子炉出力調整用の制御棒とを備え、
前記中性子吸収材含有領域は軸方向において上部から上部領域、中央領域及び下部領域の順に配置されたこれらの領域を有し、前記上部領域における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、
前記中央領域における前記中性子吸収材の平均濃度が前記下部領域のその平均濃度よりも低くて、前記中央領域の軸方向の長さが前記内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっており、前記制御棒が前記炉心領域に全挿入された状態で、前記中央領域が、前記内部ブランケット領域の上端と前記内部ブランケット領域の下端との間に位置していることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項５】
前記複数の制御棒は、前記炉心領域の内側領域に挿入される複数の第１制御棒、及び前記内側領域を取り囲む、前記炉心領域の外側領域に挿入される複数の第２制御棒を含んでおり、前記第２制御棒における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記第１制御棒におけるその濃度の比率が、０．４７より大きく１．０未満の範囲内にある請求項４に記載の軽水炉の炉心。
【請求項６】
前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域がアクチノイド核種を含んでいる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項７】
前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が、前記核分裂性プルトニウムを、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランに富化した核燃料を含んでいる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項８】
前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が、前記核分裂性プルトニウム及びアクチノイド核種を、劣化ウラン、天然ウラン、減損ウラン、低濃縮ウランの少なくとも一つを含むウランに富化した核燃料を含んでいる請求項６に記載の軽水炉の炉心。
【請求項９】
前記中性子吸収材がボロン１０である請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項１０】
軸方向において、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域がこの順に上部から配置される炉心であって、前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が核分裂性プルトニウム、または前記核分裂性プルトニウム及びアクチノイド核種を含んでいる前記炉心に挿入される制御棒であって中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する制御棒において、
前記中性子吸収材含有領域は上部領域及び下部領域を有し、前記上部領域における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、前記上部領域と前記下部領域を画定する境界が、前記炉心に全挿入された状態で、前記内部ブランケット領域の上端と前記内部ブランケット領域の下端との間に位置していることを特徴とする制御棒。
【請求項１１】
前記中性子吸収材含有領域は、前記上部領域と前記下部領域を画定する境界となる中央領域を有し、前記中央領域の前記中性子吸収材の平均濃度が前記下部領域のその平均濃度よりも低くなっており、前記中央領域の軸方向の長さが前記内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっている請求項１０に記載の制御棒。
【請求項１２】
軸方向において、上部ブランケット領域、上部炉心領域、内部ブランケット領域、下部炉心領域及び下部ブランケット領域がこの順に上部から配置されている炉心であって、前記上部炉心領域及び前記下部炉心領域が核分裂性プルトニウム、または前記核分裂性プルトニウム及びアクチノイド核種を含んでいる前記炉心に挿入される制御棒であって中性子吸収材を含む中性子吸収材含有領域を有する制御棒において、
前記中性子吸収材含有領域は軸方向において上部から上部領域、中央領域及び下部領域の順に配置されたこれらの領域を有し、前記上部領域における前記中性子吸収材の平均濃度に対する前記下部領域におけるその平均濃度の比率が、０．２６より大きく１．０未満の範囲内にあり、
前記中央領域における前記中性子吸収材の平均濃度が前記下部領域のその平均濃度よりも低くて、前記中央領域の軸方向の長さが前記内部ブランケット領域の軸方向の長さよりも短くなっており、前記炉心に全挿入された状態で、前記中央領域が、前記内部ブランケット領域の上端と前記内部ブランケット領域の下端との間に位置していることを特徴とする制御棒。
【請求項１３】
前記中性子吸収材がボロン１０である請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の制御棒。
【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】
【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】
【公開番号】特開２００８−３２４６７（Ｐ２００８−３２４６７Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０４６２５（Ｐ２００６−２０４６２５）
【出願日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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