軽水炉の炉心及び軽水炉用燃料集合体
【課題】安全上の制約条件を守りつつ核不拡散抵抗性をより大きくし、燃焼度をより高めることができ、かつ多重リサイクルが可能で超ウラン核種超ウラン核種を減少することができる軽水炉の炉心及び燃料集合体を提供する。
【解決手段】ＢＷＲの炉心流量が、炉心に装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合に応じて図２に示す特性から定まる設定炉心流量になるように調節される。ＢＷＲの各運転サイクルを通して炉心流量が設定炉心流量に保持される。このため、ＢＷＲ炉心から使用済み燃料集合体として取り出された時点でこの燃料集合体に含まれるＴＲＵの複数の同位元素の割合が、その燃料集合体がＢＷＲ炉心に装荷される新燃料集合体の状態で含まれるＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じになる。新燃料集合体に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上４０％未満の範囲で、全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％〜４５％の範囲にある。
【解決手段】ＢＷＲの炉心流量が、炉心に装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合に応じて図２に示す特性から定まる設定炉心流量になるように調節される。ＢＷＲの各運転サイクルを通して炉心流量が設定炉心流量に保持される。このため、ＢＷＲ炉心から使用済み燃料集合体として取り出された時点でこの燃料集合体に含まれるＴＲＵの複数の同位元素の割合が、その燃料集合体がＢＷＲ炉心に装荷される新燃料集合体の状態で含まれるＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じになる。新燃料集合体に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上４０％未満の範囲で、全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％〜４５％の範囲にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽水炉の炉心及び軽水炉用燃料集合体に係り、特に、沸騰水型原子炉の炉心に適用するのに好適な軽水炉の炉心及び軽水炉用燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの同位元素があるアクチニド核種は、軽水炉の炉心内に装荷された燃料集合体内の核燃料物質に含まれた状態で炉心内にて燃焼されるとき、核分裂及び中性子の吸収等の核変換により、同位元素間を順次移行する。アクチニド核種として、共鳴領域及び熱中性子に対して大きな核分裂断面積を有するいわゆる奇数核、及び高速中性子に対してのみ核分裂するいわゆる偶数核が存在するため、一般に燃焼とともに燃料集合体に含まれたアクチニド核種の各同位元素の存在割合が大きく変化する。この存在割合の変化は、炉心内における燃料集合体の装荷位置での中性子エネルギースペクトルに依存することが知られている。
【０００３】
現在の軽水炉は、低濃縮ウランを核燃料として使用している。しかしながら、天然のウラン資源は有限であるので、軽水炉に用いられる燃料集合体を、ウラン濃縮時の残渣である劣化ウランに、軽水炉の使用済み燃料集合体から抽出された超ウラン核種（以下、ＴＲＵという）を富化した核燃料物質を用いるリサイクル型燃料集合体に順次置き換えていく必要がある。商用炉が必要であると予想されるかなり長い期間にわたってＴＲＵは有効な資源としてリサイクルされ、その間、常にＴＲＵの量が増加するかほぼ一定に保たれていることが必要である。現在商用炉の大部分を占めている軽水炉で、核燃料の燃焼を通じて核分裂性Ｐｕ 量が増加またはほぼ一定である増殖炉を実現する技術が、特許文献１に記載されている。特許文献１及び非特許文献１に記載されている増殖炉を実現した軽水炉は、複数の燃料棒を三角格子で稠密に配列した、横断面が六角形をしている複数の燃料集合体を、炉心に配置している。この軽水炉の炉心は、燃料棒の稠密配置によって燃料棒周りの水の量を少なくして共鳴及び高速エネルギー中性子の割合を増やすとともに、ＴＲＵの混合酸化物燃料部の高さを低くしてその上下に劣化ウランのブランケット領域を配置し、安全基準である負のボイド係数を維持している。その炉心は、さらに、非特許文献２に記載されたパッフェ型炉心の概念を適用して炉心部を二段重ねとして経済性を確保しつつ、増殖比を１以上にしている。
【０００４】
ＴＲＵをリサイクルするためには使用済み燃料の再処理が不可欠である。しかしながら、民生用のＴＲＵが大量破壊兵器に転用される恐れから核不拡散に対する要求がますます厳しくなり、ＴＲＵリサイクル時の制約が厳しくなってきている。
【０００５】
また、将来のいつの日かに、核分裂炉に代わるより優れた発電システムが実用化されるときが必ず来るので、その時にはＴＲＵは濃縮ウランに相当するきわめて有用な核燃料から厄介ものの長寿命廃棄物に成り下がることになる。したがって、ＴＲＵの処分方法を準備することが原子力開発の最重要課題になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３４２８１５０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R. TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems. GLOBAL '９５ Versailles, France, September, 1995, P.938
【非特許文献２】G. A. Ducat et al., 「EVALUATION OF THE PARFAIT BLANKET CONCEPT FOR FAST BREEDER REACTORS」, MITNE-157, January, 1974
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在時点では、軽水炉の使用済み燃料に含まれたＴＲＵのうちＰｕのみを一度だけ燃焼させた実績はあるが、Ｐｕ及びＴＲＵのマルチリサイクルは不可能と考えられている。ＴＲＵの燃焼には高速中性子場が有効との考えから、未臨界体系と大型加速器を組み合わせて（ＡＤＳ） 正の反応度係数を持つ体系でも加速器からのビームを止めることで安全性を確保する方法とＦＢＲの二本立てで開発が進められている。しかしながら、これの開発は、ＴＲＵの一部減量のシナリオに留まっている。
【０００９】
特許文献１及び公開文献１に記載されているＴＲＵをリサイクルする軽水炉では、軽水炉の熱的制限としては燃料ペレットの中心温度を規定する最大線出力密度（ＭＬＨＧＲ）及び燃料棒被覆管のバーンアウトを防ぐ最小限界出力比（ＭＣＰＲ）があり、ＭＣＰＲの制限のために炉心性能の向上が妨げられていた。また、リサイクル時代に至る過程においては、ウラン燃料が装荷された、軽水炉の炉心から、各同位元素の割合が異なるＴＲＵが供給される。このため、安全上の重要な制約条件である各種の反応度係数が悪化して制約条件に対する裕度が減少するので、リサイクルを中断せざるをえなくなり、多重リサイクルが実現できなくなる可能性がある。
【００１０】
最近、世界的に核不拡散に対する関心が高くなり、大量破壊兵器に転用の可能性のあるＴＲＵの民生利用が困難になりつつある。このため、リサイクルするＴＲＵの中でＰｕ−２３９の割合が小さい核拡散抵抗性の高いＴＲＵをリサイクルできるシステムが求められている。
【００１１】
ＴＲＵを消滅させたいときにリサイクルを繰り返すと、核分裂性の奇数核種だけが先に消滅して高速エネルギーの中性子でしか核分裂しない偶数核種の割合が増大する。これにより、臨界性が保てなくなって核分裂連鎖反応を継続できなくなったり、安全上の制約条件である反応度係数が正になったりして、途中でＴＲＵの消滅作業を中途半端な状態で放棄せざるをえなくなる等で、多重リサイクルを実現する上での解決すべき課題を有している。
【００１２】
本発明の目的は、安全上の制約条件を守りつつ核不拡散抵抗性をより大きくし、燃焼度をより高めることができ、かつ多重リサイクルが可能で超ウラン核種を減少することができる軽水炉の炉心及び軽水炉用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】
【００１３】
上記した目的を達成できる本発明の特徴は、炉心に装荷された燃焼度ゼロの燃料集合体に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上４０％未満の範囲にあり、かつ、全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％以上４５％以下の範囲にあることにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安全上の制約条件を守りつつ核不拡散抵抗性をより大きくし、燃焼度をより高めることができ、かつ多重リサイクルが可能で超ウラン核種超ウラン核種を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】アクチニド核種の生成崩壊チェーンを示す説明図である。
【図２】相対炉心流量とＴＲＵ中のＰｕ２３９の割合（存在比）との関係を示す特性図である。
【図３】ＴＲＵ中のＰｕ２３９の存在比に対する水対燃料物質比の関係を示す特性図である。
【図４】ＴＲＵ中のＰｕ２３９の存在比と燃焼効率及びボイド係数の関係を示す特性図である。
【図５】本発明の好適な一実施例である実施例１の軽水炉の構成図である。
【図６】図５に示す炉心の横断面図である。
【図７】図６に示す燃料集合体格子を示す説明図である。
【図８】図６に示す炉心の平衡炉心状態における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図９】図８に示す平衡炉心におけるオリフィスの開口分布を示す説明図である。
【図１０】図６に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図１１】図７に示す燃料集合体の横断面における核分裂性Ｐｕの富化度が異なる各燃料棒の配置を示した説明図である。
【図１２】図５に示す炉心の軸方向における出力分布及びボイド率分布を示す説明図である。
【図１３】本発明の他の実施例である実施例２の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図１４】図１３に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図１５】本発明の他の実施例である実施例３の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図１６】実施例３の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図１７】図１６に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図１８】本発明の他の実施例である実施例４の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図１９】実施例４の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図２０】図１９に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図２１】本発明の他の実施例である実施例５の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図２２】実施例５の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図２３】本発明の他の実施例である実施例６の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図２４】実施例６の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図２５】図２４に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図２６】本発明の他の実施例である実施例７の軽水炉における炉心の横断面図である。
【図２７】図２６に示す炉心における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図２８】図２６に示す炉心の平衡炉心状態での燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図２９】図２８に示す平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図３０】本発明の他の実施例である実施例８の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図３１】実施例８の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図３２】図３１に示す平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図３３】本発明の他の実施例である実施例９の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図３４】実施例９の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図３５】図３４に示す平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図３６】本発明の他の実施例である実施例１０の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図３７】実施例１０の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図３８】本発明の他の実施例である実施例１１の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図３９】実施例１１の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図４０】本発明の他の実施例である実施例１２の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図４１】実施例１２の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図４２】本発明の他の実施例である実施例１３の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ＴＲＵを増殖することを目指したＮａ冷却高速炉は、増殖比を高くするため一回の核分裂あたりに発生する中性子数を表すν値が大きい高速中性子領域での場の中性子束が出来るだけ高くなるように設計されている。その高速炉は、臨界性を保つために重要な核分裂性Ｐｕ、すなわちＰｕ−２３９、Ｐｕ−２４１にのみ注目して設計されていた。軽水増殖炉でも、この考え方が踏襲され、場の中性子エネルギーを高くするために中性子を減速させる水の量を燃料棒の冷却に必要な最小限にとどめていた。しかし、熱中性子炉に分類されている軽水炉で冷却材として用いられる軽水は、他の炉型の重水、黒鉛、Ｎａ及びＰｂ等の冷却材と比べて、以下に示す二つの点で大きな特徴を有している。第１の特徴は、中性子の減速材である軽水の水素原子が中性子と同程度の質量を有しかつ高い減速能を有するので、偶数核種が奇数核種に移行するための中性子捕獲断面積の主要部分を占める共鳴及び熱エネルギー領域に多くの中性子を供給できることである。第２の特徴は、水素原子の散乱断面積が熱エネルギーから１０ｋｅＶ付近までは約２０バーンと大きな値であるが、その散乱断面積が１０ｋｅＶ付近から急激に減少し始めて２００ｋｅＶで１０バーン、４ＭｅＶ 以上で２バーン以下となりＮａの全断面積より小さくなって１０ＭｅＶでは１バーンにまで減少するので、０．１ＭｅＶ以上の高速中性子束は他の体系よりも高くなり、偶数核種の高速核分裂に寄与する高エネルギー領域にも多くの中性子を供給することができる。
【００１７】
発明者らは、上記した第１及び第２の特徴を十分考慮し、核分裂性ＰｕだけではなくＴＲＵ全核種に着目し、軽水炉の一種である沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の特徴である炉心冷却水が各燃料集合体のチャンネルボックスで分離されているため燃料集合体内部の構造が異なる燃料燃料集合体を一つの炉心に装荷することが可能であり、同位元素割合が異なる燃料集合体を炉心に装荷する必要がある場合にその集合体の水対燃料体積比を変えて中性子エネルギースペクトルを変化させて望ましい同位元素比に移行させながら使用したり、炉心流量制御により中性子エネルギースペクトルを変える機能を用いて同位元素割合を調整し、各サイク各サイクルの間でＴＲＵの同位元素比を実質的に一定でリサイクルすることにより、ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の存在比を一定値以下にすれば、負のボイド係数を保ちつつ十分な熱的余裕の下でＴＲＵを増加させたり一定に保ったり速やかに減少させたりできる軽水炉を提供できることを新たに見出した。
【００１８】
本発明はリサイクル型軽水炉の機能拡張及び性能向上をめざしたものである。このような本発明は、特許文献１に示す軽水炉で増殖炉としての性能を向上させる場合、及び不要になったときに長寿命放射性廃棄物として処分することが検討されているＴＲＵを核燃料として利用しつつ最後に一炉心分のＴＲＵ以外のＴＲＵをすべて核分裂させる場合において、ＴＲＵを含む燃料集合体の燃焼度をより高め、ＴＲＵの多重リサイクルを可能にするために成されたものである。
【００１９】
ここで、パッフェ型炉心の概要について説明する。パッフェ型炉心は、装荷される新燃料集合体（燃焼度がゼロ）として、下端部から上端部に向かって下部ブランケット領域、下部燃料領域、内部ブランケット領域、上部燃料領域及び上部ブランケット領域をこの順で配置した燃料集合体を用いている。このため、パッフェ炉心も、下端部から上端部に向かって下部ブランケット領域、下部燃料領域、内部ブランケット領域、上部燃料領域及び上部ブランケット領域が形成される。下部燃料領域及び上部燃料領域は、ＴＲＵ酸化物燃料（またはＴＲＵ酸化物とウラン酸化物の混合酸化物燃料）を含んでいる。なお、上部ブランケット領域と下部ブランケット領域の間に、内部ブランケット領域が存在しなく１つの燃料領域が存在する炉心を一領域炉心と称する。この一領域炉心の燃料領域もＴＲＵ酸化物燃料（またはＴＲＵ酸化物とウラン酸化物の混合酸化物燃料）を含んでいる。
【００２０】
本発明は、上記したリサイクル型の軽水炉及び軽水炉の炉心を対象としている。以下に、発明者らの検討結果を説明する。電気出力が１３５０ＭＷで、炉心に装荷されている７２０体の燃料集合体及び燃料集合体当り２７１本の燃料棒を有する増殖比１．０１のＢＷＲ炉心を例に挙げて説明する。
【００２１】
このＢＷＲ炉心では、特許文献１及び非特許文献１に記載されている上部及び下部ブランケット領域を除く上部及び下部燃料領域及び内部ブランケット領域を含む炉心部領域の燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔである燃料集合体をさらに高燃焼度化するとき、従来の燃料集合体のまま高燃焼度化すると、以下に示す問題が生じる。この問題は、臨界を保つための反応度の不足、Ｐｕの同位元素比の劣化、増殖比の低下、及び安全上の指標であるボイド係数が正になる等が原因で、ＴＲＵのリサイクルを途中で中止せざるを得なくなることである。すなわち、多重リサイクルが不可能になる。
【００２２】
上記のＢＷＲ炉心を有するＢＷＲを安全に運転しながらＴＲＵのリサイクルを続けるためには、ボイド係数を所定の範囲に保つ必要がある。発明者らは、検討の結果、ＢＷＲ固有の機能である炉心流量を所定の値に設定して炉心のボイド率を調整し、結果として中性子エネルギースペクトルを調整することによって、燃料集合体の燃焼度をより高めることができ、かつ、ＴＲＵの多重リサイクルを実現できることを新たに見出したのである。発明者らが見出した炉心流量の設定を行うことによって、ある運転サイクルでのＢＷＲの運転終了時における、ＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵの複数の同位元素の割合を、その運転サイクルでのＢＷＲの運転が開始できる状態、例えば、その運転サイクルでの運転開始直前における、そのＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じくすることができるという新たな知見が発明者らによって見出された。ボイド係数も、その運転サイクルにおいて所定の範囲（実質的に一定）に保持することが可能になる。そのＢＷＲ炉心には、上記の運転開始直前において、新燃料集合体（燃焼度がゼロである燃料集合体）、及び少なくとも１つの運転サイクルの間、炉心内に滞在した燃料集合体が装荷されている。ＢＷＲ炉心に装荷されたある燃料集合体に着目すれば、この燃料集合体は、使用済燃料としてＢＷＲ炉心から取り出されるまでの間に、炉心内で、例えば、４つの運転サイクルでの運転を経験することになる。発明者らが見出した上記の炉心流量の調整を行うことによって、ＢＷＲ炉心から使用済み燃料として取り出された時点でその燃料集合体が含んでいるＴＲＵの複数の同位元素の割合を、その燃料集合体がＢＷＲ炉心に装荷される新燃料集合体の状態で含んでいるＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じくすることができるのである。新燃料集合体は、原子炉内での運転を経験していない燃焼度がゼロの燃料集合体である。
【００２３】
上記したある運転サイクルでのＢＷＲの運転終了時における、ＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵの複数の同位元素の割合を、その運転サイクルでのＢＷＲの運転が開始できる状態における、そのＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じくすることを、便宜的に、ＴＲＵ同位元素の割合保持と称する。また、ＢＷＲ炉心から使用済み燃料として取り出された時点で燃料集合体が含んでいるＴＲＵの複数の同位元素の割合を、その燃料集合体がＢＷＲ炉心に装荷される新燃料集合体の状態で含んでいるＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じくすることも、ＴＲＵ同位元素の割合保持の別の見方である。
【００２４】
上記したＢＷＲでの上記した炉心流量の調節は、図２に示す特性によって定まる相対流量になるように行われる。図２は、炉心に装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合と相対炉心流量との関係を示している。図２は新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が異なるＴＲＵ同位元素の割合を保持できる炉心流量を求めたものである。発明者らは、軽水炉で発生した使用済燃料集合体に含まれるＴＲＵの各同位元素の組成を調査した結果、ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合に着目して炉心流量を設定すれば、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できることを新たに見出したものである。上記した炉心流量の設定は、各運転サイクルにおけるボイド係数を所定の範囲に保持するために行うものであって、炉心に装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合によって図２により定まる相対炉心流量（設定炉心流量という）に基づいて行われる。各運転サイクルにおいて、原子炉出力が少なくとも定格出力になった時点では炉心流量は少なくとも調整が完了して上記の設定炉心流量になっている。炉心流量は、運転サイクルが終了するまで、その設定炉心流量に保持される。このため、原子炉出力の制御は、制御棒を用いて行われる。
【００２５】
反応度の不足を解消する他の対策案として、各燃料棒においてＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合を大きくすることが考えられる。この他の対策案では、１つの運転サイクルの運転終了時での炉心内におけるＴＲＵの各同位元素の割合を、その運転サイクルの運転開始時でのその割合と実質的に同じにすることができなくなる。それらを実質的に同じにしようとすると、炉心流量を設定炉心流量から減らす必要があるので、熱的制限条件の一つであるＭＣＰＲの基準を満たせなくなる。発明者らの検討の結果、図２に示すように新燃料集合体に含まれる全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合を４５％以下に下げることにより、全ての制約条件を満たし増殖比１．０１を維持しつつ燃料集合体の高燃焼度化等の炉心性能の向上を図ることができると共に、ＴＲＵの多重リサイクルを実現することができた。なお、燃料集合体の燃焼度をより高め、かつＴＲＵの多重リサイクルを実現してＴＲＵの有効利用を図るためには、新燃料集合体に含まれる全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合を４０％以上で４５％以下の範囲にすることが望ましい。その割合をその範囲にすることによって、ＢＷＲ炉心内のＴＲＵの量を、運転サイクルの開始時よりも減少させること無く、運転サイクルの終了時まで一定に保持でき、場合によっては運転サイクル終了時に増大させることができる。
【００２６】
次に、電気出力が１３５０ＭＷで、燃料集合体１体当り３３１本の燃料棒を有する７２０体の燃料集合体が装荷されている他のＢＷＲ炉心を例に挙げて説明する。このＢＷＲ炉心は、ＴＲＵを消滅させる機能を有する。
【００２７】
ＴＲＵを減少させる目的でＴＲＵのリサイクルを繰り返す場合には、通常、奇数核種だけが先に燃えて途中で未臨界になり、ＴＲＵが燃え残るという問題が生じる。この問題は、発明者らが見出した上記したＴＲＵ同位元素の割合保持によってＴＲＵの各同位元素の割合を実質的に一定に保ち、ＴＲＵを燃焼させることによって解決できる。このため、燃料集合体の燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルを実現させることができる。しかし、ＴＲＵを減少させるためにはＴＲＵ中の全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合を低下させ、リサイクルのたびに新たにＵ−２３８から供給されるＰｕ−２３９の量を少なくする必要がある。
【００２８】
図３は、パッフェ型炉心及び一領域炉心において、装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合と、水対核燃料物質比（単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合）との関係を示している。図３に示されたこれら関係は、それぞれの炉心においてＴＲＵ同位元素の割合保持が実現されることを前提にして、発明者らが求めたものである。特性４１は、パッフェ型炉心に対するものであり、特性４２は一領域炉心に対するものである。図３に示すように新燃料集合体内の燃料棒を細径化することによってＴＲＵに対する水の割合が増加（水対核燃料物質比が低下）するので、共鳴領域及び熱エネルギー領域の各中性子が増加する。これらの中性子の増加によって偶数核種の中性子捕獲が進み、偶数核種から奇数核種への核変換効率が向上してＴＲＵの燃焼効率が増加する。したがって、ＴＲＵをより早く減少させることができる。なお、ＴＲＵの燃焼効率は、燃料集合体の寿命中における全核分裂量に対するＴＲＵの正味の減少量で定義される。
【００２９】
図４は、パッフェ型炉心及び一領域炉心において、装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合と、燃焼効率及びボイド係数との関係を示している。ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合と燃焼効率の関係は、パッフェ型を対象とした特性１０及び一領域炉心を対象とした特性４３で表される。ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合とボイド係数との関係は、パッフェ方炉心を対象とした、炉心取出燃焼度４７ＧＷｄ／ｔの特性１１及び炉心取出燃焼度６５ＧＷｄ／ｔの特性１２、及び一領域炉心を対象とした炉心取出燃焼度７５ＧＷｄ／ｔの特性４４で表される。図４に示すようにＰｕ−２３９が少なくなった体系でのボイド係数は、燃焼中のＴＲＵの各同位元素の割合が実質的に一定に保たれている限りにおいては、Ｐｕ−２３９が少なくなればなるほど正のボイド反応度成分を有する高速エネルギー成分が増殖比１の炉心より相対的に少なくなるので、負に維持される。また、炉心内の水の量は増殖比１の炉心におけるその量よりも多くなるのでＭＣＰＲについても問題ない。一方、パッフェ型炉心では全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合が８％未満になると高速エネルギー領域でしか核分裂しない偶数核種の割合が多くなるため臨界を維持するのに炉心の高さが高くなりボイド反応率が正になるので、軽水炉の安全基準を満たせなくなる。パッフェ型炉心よりも炉心の高さが低くボイド反応率がより負である一領域炉心も、全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合が３％未満になるとやはりボイド反応率が正になるので、軽水炉の安全基準を満たせなくなる。軽水炉の安全基準を満足すためには、全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合を、パッフェ方炉心で８％以上、一領域炉心で３％以上にする必要がある。炉心内のＴＲＵを減少させるためには、パッフェ型炉心は全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合を８％以上４０％未満にし、一領域炉心はその割合を３％以上４０％未満にしなければならない。しかし、一領域炉心は炉出力が小さいため、全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合が８％より大きいところでは、ＴＲＵの燃焼効率が少し高くても、ＴＲＵの正味の減少量が低下する。その割合を３％以上８％以下にすることによって、ＴＲＵの燃焼効率をさらに大きくすることができ、ＴＲＵの正味の減少量も増大させることができる。なお、全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合が、３％以上４０％未満の範囲で１５％以下になるとＴＲＵの燃焼効率が著しく大きくなるので、ＴＲＵを急激に減らすことができる。
【００３０】
どちらの炉心も、チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が５５％を超えると燃料棒相互の間隙が１ｍｍ未満となるので燃料集合体の組み立てが極めて困難になる。このため、単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は、５５％以下にする必要がある。その面積割合が３０％未満になると、燃料棒が細くなりすぎて横断面での核燃料物質の量が少なくなるので、燃料棒の長さを長くする必要があり、ボイド係数が正になる。したがって、その面積割合は３０％以上にしなければならない。
【００３１】
ＴＲＵを再処理してマイナーアクチニドを取り除いた核燃料物質を用いて製造した新燃料集合体を炉心（例えば、パッフェ型炉心）に装荷することも可能である。このような炉心においても、炉心内に装荷するその新燃料集合体に含まれる全Ｐｕ中のＰｕ−２３９の割合に対応して定められる設定炉心流量になるように炉心流量を調節することによって、上記したＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。核燃料物質としてマイナーアクチニドを取り除いた核燃料物質を用いる場合において、燃料集合体の燃焼度をより高め、かつＴＲＵの多重リサイクルを実現するためには、新燃料集合体に含まれる全Ｐｕ中のＰｕ−２３９の割合を３％以上５０％以下及びその全Ｐｕ中のＰｕ−２４０の割合を３５％以上４５％以下にする必要がある。Ｐｕ−２３９の割合が５０％を超えた場合には、除熱能力が低下するので、原子炉出力を定格出力よりも下げる必要がある。したがって、ＢＷＲが保有する発電能力を十分に活用することができなくなる。以上の理由により、そのＰｕ−２３９の割合は、５０％以下にする必要がある。また、全Ｐｕ中のＰｕ−２３９の割合が３％未満になるとボイド係数が正になるので、そのＰｕ−２３９の割合は３％以上にしなければならない。全Ｐｕ中のＰｕ−２４０の割合が４５％を超えるとボイド係数が正になるので、そのＰｕ−２４０の割合は４５％以下にしなければならない。また、全Ｐｕ中のＰｕ−２４０の割合が３５％未満になると、除熱能力が低下するので、ＢＷＲが保有する発電能力を十分に活用することができなくなる。したがって、そのＰｕ−２４０の割合は３５％以上にする必要がある。
【００３２】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３３】
本発明の好適な一実施例である実施例１の軽水炉を、図１、図５〜図１１及び表１を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、電気出力１３５０ＭＷ用の炉心を備え
【００３４】
【表１】
【００３５】
ているが、出力規模はこれに限定されるものではない。炉心に装荷された燃料集合体の体数を変更することによって、本実施例が適用できる他の出力規模の軽水炉を実現することができる。
【００３６】
本実施例の軽水炉である電気出力１３５０ＭＷ用のＢＷＲの概要を、図５に基づいて説明する。ＢＷＲ１９は、原子炉圧力容器２７内に、炉心２０、気水分離器２１、蒸気乾燥器２２を配置している。炉心２０は、パッフェ型炉心であり、原子炉圧力容器２７内で炉心シュラウド２５によって取囲まれている。気水分離器２１は炉心２０の上方に配置され、蒸気乾燥器２２は気水分離器２１の上方に配置される。複数のインターナルポンプ２６が原子炉圧力容器２７の底部に設置され、インターナルポンプ２６のインペラが原子炉圧力容器２７と炉心シュラウド２５との間に形成されるダウンカマ内に配置される。主蒸気配管２３及び給水配管２４が原子炉圧力容器２７に接続される。炉心２０には、図６に示すように、７２０体の燃料集合体１が装荷されている。３体の燃料集合体１に１本の割合でＹ字型の制御棒２が設けられ、２２３本の制御棒２が炉心２０内に挿入可能に配置されている。それぞれの制御棒２は原子炉圧力容器２７の底部に設けられた別々の制御棒駆動装置２９に連結されている。制御棒駆動装置２９は、モータ駆動であり、軸方向における制御棒２の移動を微調整することができる。制御棒駆動装置２９が、制御棒２の炉心２０からの引き抜き、及び制御棒２の炉心２０への挿入の各操作を実行する。中性子検出装置である複数の局所出力領域検出装置（ＬＰＲＭ）３２が炉心２０内に配置されている。これらのＬＰＲＭ３２は、平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ）３１に接続され、ＡＰＲＭ３１は制御棒駆動制御装置３０に接続される。
【００３７】
図７は燃料集合体格子の横断面を示している。燃料集合体１は、六角形の筒であるチャンネルボックス４内に、直径１０．１ｍｍの２７１本の燃料棒３を正三角形格子に配置している。燃料集合体１の横断面の形状は六角形をしており、燃料棒３の相互間の間隙が１．３ｍｍである。核燃料物質によって構成された複数の燃料ペレット（図示せず）が、軸方向に並ぶように、燃料棒３の被覆管（図示せず）内に配置されている。最外層の燃料棒列には９本の燃料棒３が配置される。チャンネルボックス４内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は５４％である。Ｙ字型制御棒２は、中心に位置するタイロッドから外側に向かって伸びる３枚の翼を有する。各翼は、Ｂ４Ｃ が充填された複数の中性子吸収棒を備えており、タイロッドの周囲に１２０度の間隔を持って配置される。制御棒２は、軽水より減速能が小さい物質である炭素で構成されたフォロアー部を、炉心２０に最初に挿入される挿入端部に設けている。
【００３８】
ＢＷＲ１９が運転されているとき、インターナルポンプ（冷却材供給装置）２６の回転によってダウンカマ内の冷却材が加圧されて炉心２０に供給される。炉心２０内に供給された冷却材は、各燃料集合体１内に導かれ、核分裂性物質の核分裂によって発生する熱で加熱されて一部が蒸気になる。気液二相流状態の冷却材は、炉心２０から気水分離器２１に導かれて蒸気が分離される。分離された蒸気は、蒸気乾燥器２２によって水分がさらに除去される。水分が除去された蒸気は、主蒸気配管２３を通ってタービン（図示せず）に供給され、タービンが回転される。タービンに連結された発電機（図示せず）が回転され、電力が発生する。タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて凝縮水となる。この凝縮水（給水）は、給水配管２４を通って原子炉圧力容器２７内に導かれる。気水分離器２２で分離された液体の冷却材は、ダウンカマ内で上記の給水と混合され、再び、インターナルポンプ２６で加圧される。
【００３９】
平衡炉心の状態にある炉心２０内での燃料集合体１の配置を、図８を用いて説明する。炉内滞在期間が最も長い、運転サイクルが４サイクル目である燃料集合体１Ｄが、中性子インポータンスの低い炉心最外周領域に配置される。その内側に位置する炉心外側領域には、中性子無限増倍率が最も高い、炉内滞在期間が１サイクル目である燃料集合体１Ａが装荷されており、炉心の半径方向における出力分布の平坦化を図っている。炉心内側領域には、炉内滞在期間が２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。このような分散配置によって、炉心内側領域における出力分布の平坦化を図っている。燃料集合体１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、それぞれ、図７及び後述の図１０及び図１１に示す燃料集合体１である。これらの燃料集合体の下部タイプレート（図示せず）は、炉心２０の下端部に配置されている炉心支持板（図示せず）に設けられる複数の燃料支持金具（図示せず）に支持される。燃料集合体に冷却材を導く冷却材通路が燃料支持金具内に形成されており、燃料支持金具に設置されたオリフィス(図示せず)がその冷却材通路の入口部に配置される。炉心２０は、半径方向において最外周領域６及びその内側に位置する内側領域１の二領域が形成される（図９参照）。燃料集合体１の出力が小さい最外周領域２に位置するオリフィスの口径は、内側領域１に位置するオリフィスの口径よりも小さくなっている。
【００４０】
燃料集合体１は、燃料有効長の部分に、その上端から下端に向かって、図１０に示すように、上部ブランケット領域５、上部燃料領域６、内部ブランケット領域７、下部燃料領域８及び下部ブランケット領域９の５つの領域を順次形成している。それぞれの領域の高さは、以下の通りである。上部ブランケット領域５の高さは１２０ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは２２７ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは４５０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは２２５ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは１８０ｍｍである。燃料集合体１が燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１の全ての燃料棒３は、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量１７２の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。なお、各ブランケット領域には劣化ウランのかわりに、天然ウランや、使用済み燃料集合体から回収される減損ウランを用いてもよい。
【００４１】
燃料集合体１は、図１１に示す５種類の燃料棒３を含んでいる。これらの燃料棒３は燃料棒３Ａ〜３Ｅである。燃料棒３Ａ〜３Ｅは図１１に示すように燃料集合体１内に配置される。燃料棒３Ａ〜３Ｅのそれぞれの上部燃料領域６及び下部燃料領域８にそれぞれ充填された混合酸化物燃料は、新燃料集合体の状態において、燃料棒３Ａで核分裂性Ｐｕの富化度が１０．７ｗｔ％、燃料棒３Ｂでその富化度が１３．５ｗｔ％、燃料棒３Ｃでその富化度が１６．８ｗｔ％、燃料棒３Ｄでその富化度が１８．２ｗｔ％及び燃料棒３Ｅでその富化度が１９．５ｗｔ％となっている。それぞれの燃料棒３の各ブランケット領域にはＴＲＵが存在しないが、それぞれの燃料棒３の上部燃料領域６及び下部燃料領域８の各混合酸化物燃料は表１に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１は、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４４ｗｔ％である。表１はまた、燃料集合体１が炉心２０から取り出された後、燃料貯蔵プールや燃料再処理施設に2年、燃料製造施設に1年、合計3年間炉外に滞在して、再度炉心に新燃料として装荷されるときのＴＲＵ組成でもある。
【００４２】
ある運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転を停止した後、平衡炉心である炉心２０内に配置された燃料集合体１のうち、例えば、４分の１の燃料集合体１が燃焼度ゼロの燃料集合体（新燃料集合体）１と交換される。新燃料集合体１が炉心２０に装荷された後、次の運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が開始される。この新燃料集合体１は、次の運転サイクルでは１サイクル目の燃料集合体となる。インターナルポンプ２６が駆動され、上記したように冷却材が炉心２０に供給される。炉心２０に供給される冷却材の流量（炉心流量）はミニマム流量になっている。インターナルポンプ２６の回転速度は炉心流量制御装置（冷却材流量制御装置）３３によって制御される。制御棒駆動制御装置３０からの制御信号に基づいて制御棒駆動装置２９が駆動され、制御棒２が炉心２０から引き抜かれる。臨界状態になったＢＷＲ１９の昇温昇圧が終了した後、さらに制御棒２が引き抜かれることによって原子炉出力が上昇する。制御棒２の引き抜きによる原子炉出力の上昇が一旦停止される。
【００４３】
炉心流量制御装置３３の記憶装置（図示せず）は、図２の特性を記憶している。オペレータは、入力装置（図示せず）から、上記の燃料交換時に炉心２０に装荷された新燃料集合体１に含まれる全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合のデータ（割合情報という）、すなわち、４４ｗｔ％を入力する。炉心流量制御装置３３は、入力された割合情報及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。割合情報である４４ｗｔ％に対応する設定炉心流量は、図２に示す特性によれば、相対炉心流量１．００になる。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６の回転速度を増加させ、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量制御装置３３は、炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転速度の増加を停止させ、炉心流量の増加を停止させる。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量は、炉心流量制御装置３３によって、その設定炉心流量に保持される。炉心流量が設定炉心流量まで増加されるのに伴って、原子炉出力も増加する。炉心流量の増加が停止された後、制御棒２の引き抜きが再開され、原子炉出力が設定出力である１００％まで上昇される。その運転サイクルの終了時に制御棒２が炉心２０内に挿入され、ＢＷＲ１９の運転が停止される。
【００４４】
ＢＷＲ１９が原子炉出力１００％で運転されている場合での、炉心２０の軸方向における出力分布及びボイド率分布を図１２に示す。炉心の平均ボイド率は６７％で、炉心出口の蒸気重量率は４１ｗｔ％である。ＢＷＲ１９が設定出力で運転されているとき、各ＬＰＲＭ３２は核分裂で発生する中性子の検出によって検出信号を出力する。ＡＰＲＭ３１は入力したこれらの検出信号を平均して原子炉出力を求め、この原子炉出力が制御棒駆動制御装置３０に入力される。制御棒駆動制御装置３０は、入力した原子炉出力が定格出力になるように、制御棒駆動装置２９を操作して制御棒２を炉心２０から引き抜く。このようにして、運転サイクルの期間中、原子炉出力が定格出力に保持される。
【００４５】
新燃料集合体１に含まれる全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４４ｗｔ％、及び設定炉心流量、すなわち、相対炉心流量が１．００である本実施例において、ＴＲＵ同位元素の割合保持が実現できる理由を、図１に示すアクチニド核種の生成崩壊チェーンを用いて以下に具体的に説明する。
【００４６】
新燃料集合体１に含まれている表１に示されたＴＲＵの複数の同位元素のそれぞれの絶対量は、その新燃料集合体１が炉心２０から使用済燃料集合体として取り出されるまでの炉内滞在期間（４つの運転サイクル）の間で減少する。しかしながら、アクチニド核種の生成崩壊チェーンに示す核変換が生じるので、炉心２０から使用済燃料集合体として取り出され、再度炉心に新燃料集合体として装荷されるときの燃料集合体１に含まれているＴＲＵの各同位元素の割合は、上記の新燃料集合体１のその割合と実質的に同じになる。上記のＴＲＵの代表的な同位元素として、表１に示されたＰｕ−２３９、Ｐｕ−２４０、Ｐｕ−２４１及びＡｍ−２４３を例に挙げて説明する。新燃料集合体１の上部燃料領域６及び下部燃料領域８に含まれているＰｕ−２３９の量はその新燃料集合体１が使用済燃料集合体として炉心２０から取り出されたときには減少している。しながら、４つの運転サイクルの期間中において、各ブランケット領域に存在するＵ−２３８が、中性子捕獲反応とそれに引き続くβ崩壊によりＰｕ−２３９に転換され、新たなＰｕ−２３９が生成される。Ｐｕ−２４０も、燃料集合体１が炉心２０から取り出された時点で上部燃料領域６及び下部燃料領域８において減少しているが、各ブランケット領域でＵ−２３８より新たに生成される。Ａｍ−２４３は、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在するＴＲＵの他の同位元素から新たに生成される割合とＡｍ−２４３の中性子捕獲による減少割合が釣り合っている。Ｐｕ−２４１は、上部燃料領域６及び下部燃料領域８での核分裂による減少量よりも、各ブランケット領域での生成量が多くなる。Ｐｕ−２４１は、新燃料集合体の状態よりも使用済燃料集合体において約２０％重量増加する。しかしながら、Ｐｕ−２４１は半減期１４．４年と比較的短い半減期を持っているので、炉心２０から使用済燃料集合体として取り出され、再度炉心に新燃料として装荷される間に崩壊により減少する。このため、使用済燃料集合体として取り出され、再度炉心に新燃料集合体として装荷されるときの燃料集合体に含まれたＴＲＵの各同位元素の割合は、新燃料集合体１におけるそれらの同位元素の割合と実質的に同じになる。なお、運転サイクルでのＢＷＲの運転終了時における、ＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵの複数の同位元素の割合も、その運転サイクルでのＢＷＲの運転が開始できる状態における、そのＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じになる。
【００４７】
本実施例によれば、炉心流量制御装置３３によって、炉心流量が、新燃料集合体１におけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である４４ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節される。この調節によって中性子エネルギースペクトルも調節され、上記したように、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に含まれるＴＲＵの該当する同位元素の減少及び各ブランケット領域におけるその同位元素の生成により、さらに、各ブランケット領域でほとんど生成されないＴＲＵの同位元素においては、この同位元素の消滅、及び上部燃料領域６及び下部燃料領域８に含まれるＴＲＵの他の同位元素からの生成により、上記したＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、安全上の制約条件を守りながら、核不拡散抵抗性をより大きくすることができる。本実施例は、ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４４ｗｔ％であるので、炉心２０から取り出された燃料集合体１内のＴＲＵの量を新燃料集合体１よりも増加させることができる。
【００４８】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器２７でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、上部及び下部ブランケット領域を除く上部及び下部燃料領域及び内部ブランケット領域を含む炉心部領域の取り出し燃焼度４５ＧＷｄ／ｔの、特許文献1に記載されている軽水炉増殖炉よりも高燃焼度化した炉心部領域の取り出し燃焼度５４ＧＷｄ／ｔ、上部及び下部ブランケット領域を含んだ炉心２０の取り出し燃焼度４７ＧＷｄ／ｔを実現する。さらに、本実施例は、ボイド係数が−２×１０−６Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵの各同位元素の割合を上記したように実質的に一定に保った状態で、増殖比１．０１を実現することができる。
【００４９】
本実施例は、原子炉出力が設定原子炉出力（例えば、定格出力）から低下したときの原子炉出力の制御は、炉心流量制御装置３３ではなく、制御棒駆動制御装置３０が制御棒駆動装置２９を制御して制御棒２を操作する（挿入する）ことによって行われる。したがって、本実施例は、ＴＲＵ同位元素の割合保持の実現、及び原子炉出力の制御を両立させることができる。
【実施例２】
【００５０】
本発明の他の実施例である実施例２の軽水炉を、図１３及び図１４、表２を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図１３に示す炉心
【００５１】
【表２】
【００５２】
２０Ａに、燃料集合体１を図１４に示す燃料集合体１Ｈに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同じ構成の説明は省略する。炉心２０Ａはパッフェ型炉心である。
【００５３】
炉心２０Ａに配置される燃料集合体１Ｈは、図１４に示す寸法及び表２に示すＴＲＵの組成を除いて実施例１で用いる燃料集合体１と同じ構成を有している。燃料集合体１Ｈも、単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が実施例１と同じ５４％である。炉心２０Ａは、平衡炉心の状態において図１３に示すように、燃料集合体１Ａ〜１Ｅを配置している。燃料集合体１Ｅは、炉内滞在期間が最も長い、運転サイクルが５サイクル目の燃料集合体であり、炉心２０Ａの炉心最外周領域に配置される。炉心最外周領域の内側に位置する炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。なお、炉心最外周領域には３体の燃料集合体１Ｄが配置される。このような燃料集合体の配置により、炉心２０Ａの半径方向における出力分布の平坦化が図られている。本実施例で用いられる燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｈである。ＴＲＵを再処理しマイナーアクチニドを取り除いたプルトニウム及びＡｍ−２４１、劣化ウランの混合酸化物燃料を用いることにより高燃焼度化を実現している。新燃料に含まれるＡｍ−２４１は、ＴＲＵを再処理しマイナーアクチニドを取り除いたプルトニウムが新燃料として炉心２０に装荷されるまでの間にプルトニウム中のＰｕ−２４１の崩壊により生成されたものである。
【００５４】
燃料集合体１Ｈは、燃料集合体１と同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している。図１４に示すように、上部ブランケット領域５の高さは２００ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは２１１ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは３１０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは２０７ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは２２０ｍｍである。燃料集合体１Ｈが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｈの全ての燃料棒３は、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵを再処理してマイナーアクチニドを取り除いたプルトニウム及び再処理後Ｐｕ−２４１の崩壊で生成したＡｍ−２４１の合計の重量を１００としたときに劣化ウランを重量１９８の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。燃料集合体１Ｊも、実施例１と同様に、燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。これらの燃料棒３Ａ〜３Ｅは燃料棒３である。上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表２に示す組成を有している。燃料集合体１Ｈは、新燃料集合体の状態で、全Ｐｕ及びＡｍ−２４１中のＰｕ−２３９の割合が４８．６ｗｔ％、全Ｐｕ及びＡｍ−２４１中のＰｕ−２４０の割合が３９．７ｗｔ％である。
【００５５】
炉心流量制御装置３３は、入力装置から入力された割合情報（全Ｐｕ及びＡｍ−２４１中のＰｕ−２３９の割合が４８．６ｗｔ％）及び図２と同様にＴＲＵを再処理しマイナーアクチニドを取り除いたＰｕ及びＡｍ−２４１を新燃料集合体として用いた炉心において、新燃料集合体中の全Ｐｕ及びＡｍ−２４１中のＰｕ−２３９の割合が異なる複数の炉心毎に全Ｐｕ及びＡｍ−２４１同位元素の割合を保持できる炉心流量を求めて得られた特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、実施例１と同様に、インターナルポンプ２６の回転速度を増加させ、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量制御装置３３は、炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転速度の増加を停止させる。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００５６】
本実施例も、炉心２０Ａに装荷される新燃料集合体１Ｈにおける全Ｐｕ中のＰｕ−２３９の割合である４８．６ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例も、炉心２０から取り出された燃料集合体１Ｈ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｈよりも増加させることができる。
【００５７】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器２７でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、実施例１よりも高燃焼度化した炉心２０Ａの取り出し燃焼度５１ＧＷｄ／ｔ、上部及び下部ブランケット領域を除いた炉心部領域での取り出し燃焼度６８ ＧＷｄ／ｔを実現することができる。本実施例は、ボイド係数が−３×１０−５Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、Ｐｕ及びＡｍ−２４１各同位元素の割合を実施例１で述べたように実質的に一定に保った状態で増殖比１．０１を実現することができる。
【実施例３】
【００５８】
本発明の他の実施例である実施例３の軽水炉を、図１５〜図１７、表３を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図１６に示す炉心２
【００５９】
【表３】
【００６０】
０Ｂに、燃料集合体１を図１５及び図１７に示す燃料集合体１Ｊに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同じ構成の説明は省略する。炉心２０Ｂはパッフェ型炉心である。
【００６１】
炉心２０Ｂに配置される燃料集合体１Ｊを、図１５を用いて説明する。燃料集合体１Ｊは、横断面が六角形をしており、チャンネルボックス４内に、直径９．２ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｊを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｊの相互間の間隙が１．１ｍｍである。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は５３％である。炉心２０Ｂは、平衡炉心の状態において図１６に示すように、燃料集合体１Ａ〜１Ｄを配置している。炉心２０と同様に、炉内滞在期間が最も長い、運転サイクルが４サイクル目の燃料集合体１Ｄは、炉心２０Ｂの炉心最外周領域に配置される。炉心最外周領域の内側に位置する炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｄが環状に配置された中間領域が存在する。炉心２０Ｂは半径方向における出力分布が平坦化されている。図１６に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｊである。
【００６２】
燃料集合体１Ｊは、燃料集合体１と同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図１７参照）。上部ブランケット領域５の高さは９０ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは２４１ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは２４１ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは９０ｍｍである。燃料集合体１Ｊが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｊの全ての燃料棒３Ｊは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量１５３の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。燃料集合体１Ｊも、実施例１と同様に、燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。これらの燃料棒３Ａ〜３Ｅは燃料棒３Ｊである。上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表３に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｊは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４０．１ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。
【００６３】
炉心流量制御装置３３は、入力装置から入力された割合情報（４０．１ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、実施例１と同様に、インターナルポンプ２６の回転速度を増加させ、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量制御装置３３は、炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転速度の増加を停止させる。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００６４】
本実施例も、炉心２０Ｂに装荷される新燃料集合体１ＪにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である４０．１ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例も、炉心２０Ｂから取り出された燃料集合体１Ｊ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｊよりも増加させることができる。
【００６５】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器で、ＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、炉心２０Ｂの取出燃焼度５３ＧＷｄ／ｔを達成することができ、−3×10−6Δk/k/%voidのボイド係数も実現することができる。本実施例は、ＭＣＰＲが１．３あり、上記したようにＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できて増殖比１．０１を実現することができる。
【実施例４】
【００６６】
本発明の他の実施例である実施例４の軽水炉を、図１８〜図２０、表４を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図１９に示す炉心２
【００６７】
【表４】
【００６８】
０Ｃに、燃料集合体１を図１８及び図２０に示す燃料集合体１Ｋに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同じ構成の説明は省略する。炉心２０Ｃもパッフェ型炉心である。
【００６９】
炉心２０Ｃに配置される燃料集合体１Ｋ（図１８参照）は、チャンネルボックス４内に、直径７．７ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｋを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｋの相互間の間隙が２．６ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｋが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は３６％である。炉心２０Ｃは、平衡炉心の状態において図１９に示すように、経験した運転サイクル数の異なる燃料集合体１Ａ〜１Ｄを配置している。４サイクル目の燃料集合体１Ｄは、炉心最外周領域に配置される。炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｃは半径方向における出力分布がより平坦化される。図１９に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｋである。
【００７０】
燃料集合体１Ｋは、燃料集合体１と同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図２０参照）。上部ブランケット領域５の高さは３０ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは１９４ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは１９４ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは３０ｍｍである。燃料集合体１Ｋが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｋの全ての燃料棒３Ｋは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量７の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。燃料集合体１Ｋも、燃料棒３Ｋである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表４に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｋは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１４．４ｗｔ％である。
【００７１】
炉心流量制御装置３３は、実施例１と同様に、割合情報（１４．４ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６を制御し、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転が停止される。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００７２】
本実施例も、炉心２０Ｃに装荷される新燃料集合体１ＫにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１４．４ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心２０Ｃから取り出された燃料集合体１Ｋ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｋよりも減少させることができる。
【００７３】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器で、ＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、炉心２０Ｃの取り出し燃焼度６５ＧＷｄ／ｔを達成できる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が４４％で、ボイド係数が−２×１０−４Δk/k/%voidで、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例５】
【００７４】
本発明の他の実施例である実施例５の軽水炉を、図２１、図２２、表５を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例４において炉心２０Ｃに配置する燃料集合
【００７５】
【表５】
【００７６】
体１Ｋを図２１、図２２に示す燃料集合体１Ｌに替えた構成を有し、他の構成は、実施例４と同じである。本実施例の構成は、実施例４と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【００７７】
燃料集合体１Ｌの構成を、図２１及び図２２を用いて説明する。燃料集合体１Ｌは、チャンネルボックス４内に、直径７．４ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｋを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｋの相互間の間隙が２．９ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｋが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は３１％である。本実施例における炉心の半径方向における燃料集合体１Ｌの配置は図１９に示す配置と同じである。
【００７８】
燃料集合体１Ｌは、燃料集合体１Ｋと同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図２２参照）。上部ブランケット領域５の高さは２０ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは２３７ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは２３７ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは２０ｍｍである。燃料集合体１Ｌが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｌの全ての燃料棒３Ｌは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に、ＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１３．３ｗｔ％である。上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵ及び劣化ウランの混合酸化物燃料を充填していない。各ブランケット領域はＴＲＵ酸化物燃料を含んでいない。燃料集合体１Ｌも燃料棒３Ｌである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各ＴＲＵ燃料は表５に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｌは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が８．５ｗｔ％である。
【００７９】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（８．５ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６を制御し、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転が停止される。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００８０】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＬにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である８．５ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｌ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｌよりも減少させることができる。
【００８１】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器で、ＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、炉心の取り出し燃焼度６５ＧＷｄ／ｔを実現できる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が５５%、ボイド係数が−３×１０−５Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例６】
【００８２】
本発明の他の実施例である実施例６の軽水炉を、図２３〜図２５、表６を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図２４に示す炉心２
【００８３】
【表６】
【００８４】
０Ｄに、燃料集合体１を図２３及び図２５に示す燃料集合体１Ｍに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例の軽水炉は電気出力が４５０ＭＷであり、炉心２０Ｄは一領域炉心である。
【００８５】
炉心２０Ｄに配置される燃料集合体１Ｍ（図２３参照）は、チャンネルボックス４内に、直径８．７ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｍを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｍの相互間の間隙が１．６ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｍが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４６％である。炉心２０Ｄにおける平衡炉心の状態を図２４に示す。４サイクル目の燃料集合体１Ｄは、炉心最外周領域に配置される。炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｄは半径方向における出力分布がより平坦化される。図２４に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｍである。
【００８６】
燃料集合体１Ｍは、燃料有効長の部分に３つの領域を形成している（図２５参照）。上部ブランケット領域５の高さは２０ｍｍで、下部ブランケット領域９の高さは２０ｍｍで、これらのブランケット領域の間に形成された燃料領域１５の高さは２０１ｍｍである。燃料集合体１Ｍは、燃焼度ゼロの新燃料集合体状態のとき、全ての燃料棒３Ｍの２つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、それらの燃料領域１５にＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は７．４ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｍも、燃料棒３Ｍである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。燃料領域１５に存在するＴＲＵ酸化物燃料は表６に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｍは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４．０ｗｔ％である。
【００８７】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（４．０ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６を制御し、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転が停止される。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００８８】
本実施例も、炉心２０Ｃに装荷される新燃料集合体１ＫにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である４．０ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心２０Ｄから取り出された燃料集合体１Ｋ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｋよりも減少させることができる。
【００８９】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器で電気出力４５０ＭＷを発生されるＢＷＲ１９において、炉心２０Ｄの取り出し燃焼度７５ＧＷｄ／ｔを達成できる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が８０％、ボイド係数が−４×１０−５Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例７】
【００９０】
本発明の他の実施例である実施例７の軽水炉を、図２６〜図２９、表７を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図２６、図２８に示
【００９１】
【表７】
【００９２】
す炉心２０Ｅに、燃料集合体１を図２７及び図２９に示す燃料集合体１Ｎに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例の軽水炉の電気出力は実施例１より低い８３０ＭＷであり、炉心２０Ｅはパッフェ型炉心である。
【００９３】
炉心２０Ｅに配置される横断面が正方形の燃料集合体１Ｎは、チャンネルボックス４Ａ内に、直径８．１ｍｍの１９６本の燃料棒３Ｎを正方格子に配置している。燃料棒３Ｎのピッチは９．４ｍｍであり、燃料棒１Ｎには１０本の燃料棒３Ｍが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４１％である。炉心２０Ｅは、炉心２０Ｅ内に８７２体が配置され、４体の燃料集合体１Ｎに一本の割合で十字型の制御棒２Ａを備えている。図２７のチャンネルボックス４Ａ外側のギャップ領域の十字型制御棒２Ａの挿入されない側には図示していないが、チャンネルボックス４Ａ外側のギャップ領域の水を排除する機能を有する水排除板が炉心上部格子板からつり下げられている。炉心２０Ｅにおける平衡炉心の状態を図２８に示す。４サイクル目の燃料集合体１ｄ及び５サイクル目の燃料集合体１ｅは、炉心最外周領域に配置される。炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１ｂ，１ｃ，１ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｅは半径方向における出力分布がより平坦化される。
【００９４】
燃料集合体１Ｎは、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図２９参照）。上部ブランケット領域５の高さは４０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは１８０ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは１７４ｍｍ、下部ブランケット領域９の高さは９０ｍｍである。燃料集合体１Ｎが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｎの全ての燃料棒３Ｎは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に、ＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１７．８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在するＴＲＵ酸化物燃料は表７に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｎは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１２．９ｗｔ％である。
【００９５】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（１２．９ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６を制御し、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転が停止される。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００９６】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＮにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１２．９ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｎ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｎよりも減少させることができる。
【００９７】
具体的に説明すると、本実施例によれば、電気出力８４８ＭＷを発生できる現行のＡＢＷＲにおいて、炉心２０Ｅの取り出し燃焼度４５ＧＷｄ／ｔを実現できる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が４３%、ボイド係数が−２×１０−５Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例８】
【００９８】
本発明の他の実施例である実施例８の軽水炉を、図３０〜図３２、表８を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図３１に示す炉心２
【００９９】
【表８】
【０１００】
０Ｆに、燃料集合体１を図３０及び図３２に示す燃料集合体１Ｐに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例の軽水炉は電気出力が１３５０ＭＷであり、炉心２０Ｆはパッフェ型炉心である。
【０１０１】
炉心２０Ｆに配置される燃料集合体１Ｐは、チャンネルボックス４内に、直径８．７ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｐを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｐの相互間の間隙が１．６ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｐが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４７％である。炉心２０Ｆは、平衡炉心の状態において。４サイクル目の燃料集合体１Ｄが炉心最外周領域に配置され、炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置される。炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｆは半径方向における出力分布がより平坦化される。図３１に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｐである。
【０１０２】
燃料集合体１Ｐは、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図３２参照）。上部ブランケット領域５の高さは９０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２４０ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２４０ｍｍ、下部ブランケット領域９の高さは９０ｍｍである。燃料集合体１Ｐが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｐの全ての燃料棒３Ｐは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量１０８の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｍも、燃料棒３Ｍである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。混合酸化物燃料は表８に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｐは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が３１．６ｗｔ％である。
【０１０３】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（３１．６ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１０４】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＰにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である３１．６ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｐ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｐよりも減少させることができる。
【０１０５】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、炉心２０Ｆの炉心取出燃焼度を５７Ｇｗｄ／ｔまで高めることができる。本実施例は、ボイド係数が−2×10−5Δk/k/%void、ＴＲＵの燃焼効率が１５％、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例９】
【０１０６】
本発明の他の実施例である実施例９の軽水炉を、図３３〜図３５、表９を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図３４に示す炉心２
【０１０７】
【表９】
【０１０８】
０Ｇに、燃料集合体１を図３３及び図３５に示す燃料集合体１Ｑに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。炉心２０Ｇはパッフェ型炉心である。
【０１０９】
炉心２０Ｇに配置される燃料集合体１Ｑは、チャンネルボックス４内に、直径８．５ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｑを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｑの相互間の間隙が１．８ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｑが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４５％である。炉心２０Ｇは、平衡炉心の状態において。４サイクル目の燃料集合体１Ｄが炉心最外周領域に配置され、炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置される。炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｇは半径方向における出力分布がより平坦化される。図３４に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｑである。
【０１１０】
燃料集合体１Ｑは、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図３５参照）。上部ブランケット領域５の高さは９０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２２４ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２２４ｍｍ、下部ブランケット領域９の高さは９０ｍｍである。燃料集合体１Ｑが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｑの全ての燃料棒３Ｑは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量７９の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｑも、燃料棒３Ｑである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。混合酸化物燃料は表９に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｑは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が２６．４ｗｔ％である。
【０１１１】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（２６．４ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１１２】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＱにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である２６．４ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｑ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｑよりも減少させることができる。
【０１１３】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、炉心２０Ｇの取出燃焼度を５８Ｇｗｄ／ｔまで増大できる。本実施例は、ボイド係数が−３×10−5Δk/k/%void、ＴＲＵの燃焼効率が２２％、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例１０】
【０１１４】
本発明の他の実施例である実施例１０の軽水炉を、図３６、図３７及び表１０を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例９において炉心２０Ｇに配置する燃
【０１１５】
【表１０】
【０１１６】
料集合体１Ｑを図３６、図３７に示す燃料集合体１Ｒに替えた構成を有し、他の構成は、実施例９と同じである。本実施例の構成は、実施例９と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【０１１７】
図３６及び図３７に示すように、燃料集合体１Ｒは、チャンネルボックス４内に、直径８．１ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｒを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｒの相互間の間隙が２．２ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｒが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４０％である。本実施例における炉心の半径方向における燃料集合体１Ｒの配置は図３４に示す配置と同じである。
【０１１８】
燃料集合体１Ｒは、燃料集合体１Ｑと同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図３７参照）。上部ブランケット領域５の高さは４０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２１２ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２１２ｍｍ、及び下部ブランケット領域９の高さは４０ｍｍである。燃料集合体１Ｒが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｒの全ての燃料棒３Ｒは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量３９の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｒも燃料棒３Ｒである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表１０に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｒは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１９．７ｗｔ％である。
【０１１９】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（１９．７ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１２０】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＲにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１９．７ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｒ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｒよりも減少させることができる。
【０１２１】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９にいて、炉心の取出燃焼度を５９ＧＷｄｔに高めることができる。本実施例は、ボイド係数が−４×10−5Δk/k/%void、ＴＲＵの燃焼効率が３４％、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例１１】
【０１２２】
本発明の他の実施例である実施例１１の軽水炉を、図３８、図３９及び表１１を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例４において炉心２０Ｃに配置する燃
【０１２３】
【表１１】
【０１２４】
料集合体１Ｋを図３８、図３９に示す燃料集合体１Ｓに替えた構成を有し、他の構成は、実施例４と同じである。本実施例の構成は、実施例４と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【０１２５】
図３８及び図３９に示すように、燃料集合体１Ｓは、チャンネルボックス４内に、直径７．６ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｓを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｓの相互間の間隙が２．７ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｓが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は３５％である。本実施例における炉心の半径方向における燃料集合体１Ｓの配置は図１９に示す配置と同じである。
【０１２６】
燃料集合体１Ｓは、燃料集合体１Ｋと同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図３９参照）。上部ブランケット領域５の高さは３５ｍｍ、上部燃料領域６の高さは１８９ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは１８９ｍｍ、及び下部ブランケット領域９の高さは３５ｍｍである。燃料集合体１Ｓが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｓの全ての燃料棒３Ｓは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に、ＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｓも燃料棒３Ｓである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各ＴＲＵ酸化物燃料は表１０に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｓは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１２．９ｗｔ％である。
【０１２７】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（１２．９ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１２８】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＳにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１２．９ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｓ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｓよりも減少させることができる。
【０１２９】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、炉心の炉心取り出し燃焼度６５Ｇｗｄ／ｔを実現することができる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が４７％、ボイド係数が−3×10−4Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例１２】
【０１３０】
本発明の他の実施例である実施例１２の軽水炉を、図４０、図４１及び表１２を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例４において炉心２０Ｃに配置する燃
【０１３１】
【表１２】
【０１３２】
料集合体１Ｋを図３８、図３９に示す燃料集合体１Ｔに替えた構成を有し、他の構成は、実施例４と同じである。本実施例の構成は、実施例４と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【０１３３】
燃料集合体１Ｔは、チャンネルボックス４内に、直径７．５ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｔを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｔの相互間の間隙が２．８ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｔが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は３４％である。本実施例における炉心の半径方向における燃料集合体１Ｔの配置は図１９に示す配置と同じである。
【０１３４】
燃料集合体１Ｔは、燃料集合体１Ｋと同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図４１参照）。上部ブランケット領域５の高さは３０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２０４ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２０４ｍｍ、及び下部ブランケット領域９の高さは３０ｍｍである。燃料集合体１Ｔが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｔの全ての燃料棒３Ｔは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に、ＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１６ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｔも燃料棒３Ｔである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各ＴＲＵ酸化物燃料は表１２に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｔは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１１．０ｗｔ％である。
【０１３５】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（１１．０ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１３６】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＴにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１１．０ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｔ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｔよりも減少させることができる。
【０１３７】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、炉心の取り出し燃焼度６５Ｇｗｄ／ｔを実現することができる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が５０％、ボイド係数が−2×10−4Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例１３】
【０１３８】
本発明の他の実施例である実施例１３の軽水炉を、図４２及び表１を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０に配置する燃料集合体１を図４２に示す燃料集合体１Ｕに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１４と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【０１３９】
燃料集合体１Ｕは、燃料集合体１の５つの領域を図４２に示すように形成したものである。燃料集合体１Ｕの他の構成は、燃料集合体１と同じである。燃料集合体１Ｕにおいて、上部ブランケット領域５の高さは１２０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２２６ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは４５０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２２４ｍｍ、及び下部ブランケット領域９の高さは１８０ｍｍである。燃料集合体１Ｓが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｕの全ての燃料棒は、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量１７２の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１ＵＳも燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表１に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｕは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４４ｗｔ％である。
【０１４０】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（４４ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１４１】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＵにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である４４ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｕ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１ＵＳよりも減少させることができる。
【０１４２】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、上部及び下部ブランケット領域を除く上部及び下部燃料領域及び内部ブランケット領域を含む炉心部領域の取り出し燃焼度４５Ｇｗｄ／ｔの、特許文献1に記載されている軽水炉増殖炉よりも高燃焼度化した炉心部領域の取り出し燃焼度５２Ｇｗｄ／ｔ、上部及び下部ブランケット領域を含んだ炉心の取り出し燃焼度４５Ｇｗｄ／ｔを実現することができる。本実施例は、ＭＣＰＲが１．３、ボイド係数が−2×10−5Δk/k/%voidになって実施例１より負の絶対値を大きくしつつ、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、増殖比１．０１を実現できる。
【符号の説明】
【０１４３】
１，１Ａ〜１Ｅ，１Ｈ，１Ｊ〜１Ｎ，１Ｐ〜１Ｕ，１ａ〜１ｅ…燃料集合体、２，２Ａ…制御棒、３，３Ａ，３Ｊ〜３Ｎ，３Ｐ〜３Ｔ…燃料棒、４，４Ａ…チャンネルボックス、５…上部ブランケット領域、６…上部燃料領域、７…内部ブランケット領域、８…下部燃料領域、９…下部ブランケット領域、１９…ＢＷＲ、２０，２０Ａ〜２０Ｇ…炉心、２６…インターナルポンプ、３０…制御棒駆動制御装置、３３…炉心流量制御装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽水炉の炉心及び軽水炉用燃料集合体に係り、特に、沸騰水型原子炉の炉心に適用するのに好適な軽水炉の炉心及び軽水炉用燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの同位元素があるアクチニド核種は、軽水炉の炉心内に装荷された燃料集合体内の核燃料物質に含まれた状態で炉心内にて燃焼されるとき、核分裂及び中性子の吸収等の核変換により、同位元素間を順次移行する。アクチニド核種として、共鳴領域及び熱中性子に対して大きな核分裂断面積を有するいわゆる奇数核、及び高速中性子に対してのみ核分裂するいわゆる偶数核が存在するため、一般に燃焼とともに燃料集合体に含まれたアクチニド核種の各同位元素の存在割合が大きく変化する。この存在割合の変化は、炉心内における燃料集合体の装荷位置での中性子エネルギースペクトルに依存することが知られている。
【０００３】
現在の軽水炉は、低濃縮ウランを核燃料として使用している。しかしながら、天然のウラン資源は有限であるので、軽水炉に用いられる燃料集合体を、ウラン濃縮時の残渣である劣化ウランに、軽水炉の使用済み燃料集合体から抽出された超ウラン核種（以下、ＴＲＵという）を富化した核燃料物質を用いるリサイクル型燃料集合体に順次置き換えていく必要がある。商用炉が必要であると予想されるかなり長い期間にわたってＴＲＵは有効な資源としてリサイクルされ、その間、常にＴＲＵの量が増加するかほぼ一定に保たれていることが必要である。現在商用炉の大部分を占めている軽水炉で、核燃料の燃焼を通じて核分裂性Ｐｕ 量が増加またはほぼ一定である増殖炉を実現する技術が、特許文献１に記載されている。特許文献１及び非特許文献１に記載されている増殖炉を実現した軽水炉は、複数の燃料棒を三角格子で稠密に配列した、横断面が六角形をしている複数の燃料集合体を、炉心に配置している。この軽水炉の炉心は、燃料棒の稠密配置によって燃料棒周りの水の量を少なくして共鳴及び高速エネルギー中性子の割合を増やすとともに、ＴＲＵの混合酸化物燃料部の高さを低くしてその上下に劣化ウランのブランケット領域を配置し、安全基準である負のボイド係数を維持している。その炉心は、さらに、非特許文献２に記載されたパッフェ型炉心の概念を適用して炉心部を二段重ねとして経済性を確保しつつ、増殖比を１以上にしている。
【０００４】
ＴＲＵをリサイクルするためには使用済み燃料の再処理が不可欠である。しかしながら、民生用のＴＲＵが大量破壊兵器に転用される恐れから核不拡散に対する要求がますます厳しくなり、ＴＲＵリサイクル時の制約が厳しくなってきている。
【０００５】
また、将来のいつの日かに、核分裂炉に代わるより優れた発電システムが実用化されるときが必ず来るので、その時にはＴＲＵは濃縮ウランに相当するきわめて有用な核燃料から厄介ものの長寿命廃棄物に成り下がることになる。したがって、ＴＲＵの処分方法を準備することが原子力開発の最重要課題になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３４２８１５０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R. TAKEDA et al., Proc. of International Conference on Evaluation of Emerging Nuclear Fuel Cycle Systems. GLOBAL '９５ Versailles, France, September, 1995, P.938
【非特許文献２】G. A. Ducat et al., 「EVALUATION OF THE PARFAIT BLANKET CONCEPT FOR FAST BREEDER REACTORS」, MITNE-157, January, 1974
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在時点では、軽水炉の使用済み燃料に含まれたＴＲＵのうちＰｕのみを一度だけ燃焼させた実績はあるが、Ｐｕ及びＴＲＵのマルチリサイクルは不可能と考えられている。ＴＲＵの燃焼には高速中性子場が有効との考えから、未臨界体系と大型加速器を組み合わせて（ＡＤＳ） 正の反応度係数を持つ体系でも加速器からのビームを止めることで安全性を確保する方法とＦＢＲの二本立てで開発が進められている。しかしながら、これの開発は、ＴＲＵの一部減量のシナリオに留まっている。
【０００９】
特許文献１及び公開文献１に記載されているＴＲＵをリサイクルする軽水炉では、軽水炉の熱的制限としては燃料ペレットの中心温度を規定する最大線出力密度（ＭＬＨＧＲ）及び燃料棒被覆管のバーンアウトを防ぐ最小限界出力比（ＭＣＰＲ）があり、ＭＣＰＲの制限のために炉心性能の向上が妨げられていた。また、リサイクル時代に至る過程においては、ウラン燃料が装荷された、軽水炉の炉心から、各同位元素の割合が異なるＴＲＵが供給される。このため、安全上の重要な制約条件である各種の反応度係数が悪化して制約条件に対する裕度が減少するので、リサイクルを中断せざるをえなくなり、多重リサイクルが実現できなくなる可能性がある。
【００１０】
最近、世界的に核不拡散に対する関心が高くなり、大量破壊兵器に転用の可能性のあるＴＲＵの民生利用が困難になりつつある。このため、リサイクルするＴＲＵの中でＰｕ−２３９の割合が小さい核拡散抵抗性の高いＴＲＵをリサイクルできるシステムが求められている。
【００１１】
ＴＲＵを消滅させたいときにリサイクルを繰り返すと、核分裂性の奇数核種だけが先に消滅して高速エネルギーの中性子でしか核分裂しない偶数核種の割合が増大する。これにより、臨界性が保てなくなって核分裂連鎖反応を継続できなくなったり、安全上の制約条件である反応度係数が正になったりして、途中でＴＲＵの消滅作業を中途半端な状態で放棄せざるをえなくなる等で、多重リサイクルを実現する上での解決すべき課題を有している。
【００１２】
本発明の目的は、安全上の制約条件を守りつつ核不拡散抵抗性をより大きくし、燃焼度をより高めることができ、かつ多重リサイクルが可能で超ウラン核種を減少することができる軽水炉の炉心及び軽水炉用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】
【００１３】
上記した目的を達成できる本発明の特徴は、炉心に装荷された燃焼度ゼロの燃料集合体に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上４０％未満の範囲にあり、かつ、全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％以上４５％以下の範囲にあることにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安全上の制約条件を守りつつ核不拡散抵抗性をより大きくし、燃焼度をより高めることができ、かつ多重リサイクルが可能で超ウラン核種超ウラン核種を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】アクチニド核種の生成崩壊チェーンを示す説明図である。
【図２】相対炉心流量とＴＲＵ中のＰｕ２３９の割合（存在比）との関係を示す特性図である。
【図３】ＴＲＵ中のＰｕ２３９の存在比に対する水対燃料物質比の関係を示す特性図である。
【図４】ＴＲＵ中のＰｕ２３９の存在比と燃焼効率及びボイド係数の関係を示す特性図である。
【図５】本発明の好適な一実施例である実施例１の軽水炉の構成図である。
【図６】図５に示す炉心の横断面図である。
【図７】図６に示す燃料集合体格子を示す説明図である。
【図８】図６に示す炉心の平衡炉心状態における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図９】図８に示す平衡炉心におけるオリフィスの開口分布を示す説明図である。
【図１０】図６に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図１１】図７に示す燃料集合体の横断面における核分裂性Ｐｕの富化度が異なる各燃料棒の配置を示した説明図である。
【図１２】図５に示す炉心の軸方向における出力分布及びボイド率分布を示す説明図である。
【図１３】本発明の他の実施例である実施例２の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図１４】図１３に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図１５】本発明の他の実施例である実施例３の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図１６】実施例３の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図１７】図１６に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図１８】本発明の他の実施例である実施例４の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図１９】実施例４の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図２０】図１９に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図２１】本発明の他の実施例である実施例５の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図２２】実施例５の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図２３】本発明の他の実施例である実施例６の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図２４】実施例６の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図２５】図２４に示す炉心の平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図２６】本発明の他の実施例である実施例７の軽水炉における炉心の横断面図である。
【図２７】図２６に示す炉心における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図２８】図２６に示す炉心の平衡炉心状態での燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図２９】図２８に示す平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図３０】本発明の他の実施例である実施例８の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図３１】実施例８の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図３２】図３１に示す平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図３３】本発明の他の実施例である実施例９の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図３４】実施例９の軽水炉の平衡炉心における燃料集合体の配置を示す説明図である。
【図３５】図３４に示す平衡炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図３６】本発明の他の実施例である実施例１０の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図３７】実施例１０の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図３８】本発明の他の実施例である実施例１１の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図３９】実施例１１の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図４０】本発明の他の実施例である実施例１２の軽水炉における燃料集合体格子を示す説明図である。
【図４１】実施例１２の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【図４２】本発明の他の実施例である実施例１３の軽水炉の炉心に装荷する新燃料集合体の軸方向における核分裂性Ｐｕの富化度分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ＴＲＵを増殖することを目指したＮａ冷却高速炉は、増殖比を高くするため一回の核分裂あたりに発生する中性子数を表すν値が大きい高速中性子領域での場の中性子束が出来るだけ高くなるように設計されている。その高速炉は、臨界性を保つために重要な核分裂性Ｐｕ、すなわちＰｕ−２３９、Ｐｕ−２４１にのみ注目して設計されていた。軽水増殖炉でも、この考え方が踏襲され、場の中性子エネルギーを高くするために中性子を減速させる水の量を燃料棒の冷却に必要な最小限にとどめていた。しかし、熱中性子炉に分類されている軽水炉で冷却材として用いられる軽水は、他の炉型の重水、黒鉛、Ｎａ及びＰｂ等の冷却材と比べて、以下に示す二つの点で大きな特徴を有している。第１の特徴は、中性子の減速材である軽水の水素原子が中性子と同程度の質量を有しかつ高い減速能を有するので、偶数核種が奇数核種に移行するための中性子捕獲断面積の主要部分を占める共鳴及び熱エネルギー領域に多くの中性子を供給できることである。第２の特徴は、水素原子の散乱断面積が熱エネルギーから１０ｋｅＶ付近までは約２０バーンと大きな値であるが、その散乱断面積が１０ｋｅＶ付近から急激に減少し始めて２００ｋｅＶで１０バーン、４ＭｅＶ 以上で２バーン以下となりＮａの全断面積より小さくなって１０ＭｅＶでは１バーンにまで減少するので、０．１ＭｅＶ以上の高速中性子束は他の体系よりも高くなり、偶数核種の高速核分裂に寄与する高エネルギー領域にも多くの中性子を供給することができる。
【００１７】
発明者らは、上記した第１及び第２の特徴を十分考慮し、核分裂性ＰｕだけではなくＴＲＵ全核種に着目し、軽水炉の一種である沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の特徴である炉心冷却水が各燃料集合体のチャンネルボックスで分離されているため燃料集合体内部の構造が異なる燃料燃料集合体を一つの炉心に装荷することが可能であり、同位元素割合が異なる燃料集合体を炉心に装荷する必要がある場合にその集合体の水対燃料体積比を変えて中性子エネルギースペクトルを変化させて望ましい同位元素比に移行させながら使用したり、炉心流量制御により中性子エネルギースペクトルを変える機能を用いて同位元素割合を調整し、各サイク各サイクルの間でＴＲＵの同位元素比を実質的に一定でリサイクルすることにより、ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の存在比を一定値以下にすれば、負のボイド係数を保ちつつ十分な熱的余裕の下でＴＲＵを増加させたり一定に保ったり速やかに減少させたりできる軽水炉を提供できることを新たに見出した。
【００１８】
本発明はリサイクル型軽水炉の機能拡張及び性能向上をめざしたものである。このような本発明は、特許文献１に示す軽水炉で増殖炉としての性能を向上させる場合、及び不要になったときに長寿命放射性廃棄物として処分することが検討されているＴＲＵを核燃料として利用しつつ最後に一炉心分のＴＲＵ以外のＴＲＵをすべて核分裂させる場合において、ＴＲＵを含む燃料集合体の燃焼度をより高め、ＴＲＵの多重リサイクルを可能にするために成されたものである。
【００１９】
ここで、パッフェ型炉心の概要について説明する。パッフェ型炉心は、装荷される新燃料集合体（燃焼度がゼロ）として、下端部から上端部に向かって下部ブランケット領域、下部燃料領域、内部ブランケット領域、上部燃料領域及び上部ブランケット領域をこの順で配置した燃料集合体を用いている。このため、パッフェ炉心も、下端部から上端部に向かって下部ブランケット領域、下部燃料領域、内部ブランケット領域、上部燃料領域及び上部ブランケット領域が形成される。下部燃料領域及び上部燃料領域は、ＴＲＵ酸化物燃料（またはＴＲＵ酸化物とウラン酸化物の混合酸化物燃料）を含んでいる。なお、上部ブランケット領域と下部ブランケット領域の間に、内部ブランケット領域が存在しなく１つの燃料領域が存在する炉心を一領域炉心と称する。この一領域炉心の燃料領域もＴＲＵ酸化物燃料（またはＴＲＵ酸化物とウラン酸化物の混合酸化物燃料）を含んでいる。
【００２０】
本発明は、上記したリサイクル型の軽水炉及び軽水炉の炉心を対象としている。以下に、発明者らの検討結果を説明する。電気出力が１３５０ＭＷで、炉心に装荷されている７２０体の燃料集合体及び燃料集合体当り２７１本の燃料棒を有する増殖比１．０１のＢＷＲ炉心を例に挙げて説明する。
【００２１】
このＢＷＲ炉心では、特許文献１及び非特許文献１に記載されている上部及び下部ブランケット領域を除く上部及び下部燃料領域及び内部ブランケット領域を含む炉心部領域の燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔである燃料集合体をさらに高燃焼度化するとき、従来の燃料集合体のまま高燃焼度化すると、以下に示す問題が生じる。この問題は、臨界を保つための反応度の不足、Ｐｕの同位元素比の劣化、増殖比の低下、及び安全上の指標であるボイド係数が正になる等が原因で、ＴＲＵのリサイクルを途中で中止せざるを得なくなることである。すなわち、多重リサイクルが不可能になる。
【００２２】
上記のＢＷＲ炉心を有するＢＷＲを安全に運転しながらＴＲＵのリサイクルを続けるためには、ボイド係数を所定の範囲に保つ必要がある。発明者らは、検討の結果、ＢＷＲ固有の機能である炉心流量を所定の値に設定して炉心のボイド率を調整し、結果として中性子エネルギースペクトルを調整することによって、燃料集合体の燃焼度をより高めることができ、かつ、ＴＲＵの多重リサイクルを実現できることを新たに見出したのである。発明者らが見出した炉心流量の設定を行うことによって、ある運転サイクルでのＢＷＲの運転終了時における、ＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵの複数の同位元素の割合を、その運転サイクルでのＢＷＲの運転が開始できる状態、例えば、その運転サイクルでの運転開始直前における、そのＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じくすることができるという新たな知見が発明者らによって見出された。ボイド係数も、その運転サイクルにおいて所定の範囲（実質的に一定）に保持することが可能になる。そのＢＷＲ炉心には、上記の運転開始直前において、新燃料集合体（燃焼度がゼロである燃料集合体）、及び少なくとも１つの運転サイクルの間、炉心内に滞在した燃料集合体が装荷されている。ＢＷＲ炉心に装荷されたある燃料集合体に着目すれば、この燃料集合体は、使用済燃料としてＢＷＲ炉心から取り出されるまでの間に、炉心内で、例えば、４つの運転サイクルでの運転を経験することになる。発明者らが見出した上記の炉心流量の調整を行うことによって、ＢＷＲ炉心から使用済み燃料として取り出された時点でその燃料集合体が含んでいるＴＲＵの複数の同位元素の割合を、その燃料集合体がＢＷＲ炉心に装荷される新燃料集合体の状態で含んでいるＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じくすることができるのである。新燃料集合体は、原子炉内での運転を経験していない燃焼度がゼロの燃料集合体である。
【００２３】
上記したある運転サイクルでのＢＷＲの運転終了時における、ＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵの複数の同位元素の割合を、その運転サイクルでのＢＷＲの運転が開始できる状態における、そのＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じくすることを、便宜的に、ＴＲＵ同位元素の割合保持と称する。また、ＢＷＲ炉心から使用済み燃料として取り出された時点で燃料集合体が含んでいるＴＲＵの複数の同位元素の割合を、その燃料集合体がＢＷＲ炉心に装荷される新燃料集合体の状態で含んでいるＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じくすることも、ＴＲＵ同位元素の割合保持の別の見方である。
【００２４】
上記したＢＷＲでの上記した炉心流量の調節は、図２に示す特性によって定まる相対流量になるように行われる。図２は、炉心に装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合と相対炉心流量との関係を示している。図２は新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が異なるＴＲＵ同位元素の割合を保持できる炉心流量を求めたものである。発明者らは、軽水炉で発生した使用済燃料集合体に含まれるＴＲＵの各同位元素の組成を調査した結果、ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合に着目して炉心流量を設定すれば、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できることを新たに見出したものである。上記した炉心流量の設定は、各運転サイクルにおけるボイド係数を所定の範囲に保持するために行うものであって、炉心に装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合によって図２により定まる相対炉心流量（設定炉心流量という）に基づいて行われる。各運転サイクルにおいて、原子炉出力が少なくとも定格出力になった時点では炉心流量は少なくとも調整が完了して上記の設定炉心流量になっている。炉心流量は、運転サイクルが終了するまで、その設定炉心流量に保持される。このため、原子炉出力の制御は、制御棒を用いて行われる。
【００２５】
反応度の不足を解消する他の対策案として、各燃料棒においてＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合を大きくすることが考えられる。この他の対策案では、１つの運転サイクルの運転終了時での炉心内におけるＴＲＵの各同位元素の割合を、その運転サイクルの運転開始時でのその割合と実質的に同じにすることができなくなる。それらを実質的に同じにしようとすると、炉心流量を設定炉心流量から減らす必要があるので、熱的制限条件の一つであるＭＣＰＲの基準を満たせなくなる。発明者らの検討の結果、図２に示すように新燃料集合体に含まれる全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合を４５％以下に下げることにより、全ての制約条件を満たし増殖比１．０１を維持しつつ燃料集合体の高燃焼度化等の炉心性能の向上を図ることができると共に、ＴＲＵの多重リサイクルを実現することができた。なお、燃料集合体の燃焼度をより高め、かつＴＲＵの多重リサイクルを実現してＴＲＵの有効利用を図るためには、新燃料集合体に含まれる全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合を４０％以上で４５％以下の範囲にすることが望ましい。その割合をその範囲にすることによって、ＢＷＲ炉心内のＴＲＵの量を、運転サイクルの開始時よりも減少させること無く、運転サイクルの終了時まで一定に保持でき、場合によっては運転サイクル終了時に増大させることができる。
【００２６】
次に、電気出力が１３５０ＭＷで、燃料集合体１体当り３３１本の燃料棒を有する７２０体の燃料集合体が装荷されている他のＢＷＲ炉心を例に挙げて説明する。このＢＷＲ炉心は、ＴＲＵを消滅させる機能を有する。
【００２７】
ＴＲＵを減少させる目的でＴＲＵのリサイクルを繰り返す場合には、通常、奇数核種だけが先に燃えて途中で未臨界になり、ＴＲＵが燃え残るという問題が生じる。この問題は、発明者らが見出した上記したＴＲＵ同位元素の割合保持によってＴＲＵの各同位元素の割合を実質的に一定に保ち、ＴＲＵを燃焼させることによって解決できる。このため、燃料集合体の燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルを実現させることができる。しかし、ＴＲＵを減少させるためにはＴＲＵ中の全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合を低下させ、リサイクルのたびに新たにＵ−２３８から供給されるＰｕ−２３９の量を少なくする必要がある。
【００２８】
図３は、パッフェ型炉心及び一領域炉心において、装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合と、水対核燃料物質比（単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合）との関係を示している。図３に示されたこれら関係は、それぞれの炉心においてＴＲＵ同位元素の割合保持が実現されることを前提にして、発明者らが求めたものである。特性４１は、パッフェ型炉心に対するものであり、特性４２は一領域炉心に対するものである。図３に示すように新燃料集合体内の燃料棒を細径化することによってＴＲＵに対する水の割合が増加（水対核燃料物質比が低下）するので、共鳴領域及び熱エネルギー領域の各中性子が増加する。これらの中性子の増加によって偶数核種の中性子捕獲が進み、偶数核種から奇数核種への核変換効率が向上してＴＲＵの燃焼効率が増加する。したがって、ＴＲＵをより早く減少させることができる。なお、ＴＲＵの燃焼効率は、燃料集合体の寿命中における全核分裂量に対するＴＲＵの正味の減少量で定義される。
【００２９】
図４は、パッフェ型炉心及び一領域炉心において、装荷される新燃料集合体に含まれるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合と、燃焼効率及びボイド係数との関係を示している。ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合と燃焼効率の関係は、パッフェ型を対象とした特性１０及び一領域炉心を対象とした特性４３で表される。ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合とボイド係数との関係は、パッフェ方炉心を対象とした、炉心取出燃焼度４７ＧＷｄ／ｔの特性１１及び炉心取出燃焼度６５ＧＷｄ／ｔの特性１２、及び一領域炉心を対象とした炉心取出燃焼度７５ＧＷｄ／ｔの特性４４で表される。図４に示すようにＰｕ−２３９が少なくなった体系でのボイド係数は、燃焼中のＴＲＵの各同位元素の割合が実質的に一定に保たれている限りにおいては、Ｐｕ−２３９が少なくなればなるほど正のボイド反応度成分を有する高速エネルギー成分が増殖比１の炉心より相対的に少なくなるので、負に維持される。また、炉心内の水の量は増殖比１の炉心におけるその量よりも多くなるのでＭＣＰＲについても問題ない。一方、パッフェ型炉心では全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合が８％未満になると高速エネルギー領域でしか核分裂しない偶数核種の割合が多くなるため臨界を維持するのに炉心の高さが高くなりボイド反応率が正になるので、軽水炉の安全基準を満たせなくなる。パッフェ型炉心よりも炉心の高さが低くボイド反応率がより負である一領域炉心も、全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合が３％未満になるとやはりボイド反応率が正になるので、軽水炉の安全基準を満たせなくなる。軽水炉の安全基準を満足すためには、全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合を、パッフェ方炉心で８％以上、一領域炉心で３％以上にする必要がある。炉心内のＴＲＵを減少させるためには、パッフェ型炉心は全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合を８％以上４０％未満にし、一領域炉心はその割合を３％以上４０％未満にしなければならない。しかし、一領域炉心は炉出力が小さいため、全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合が８％より大きいところでは、ＴＲＵの燃焼効率が少し高くても、ＴＲＵの正味の減少量が低下する。その割合を３％以上８％以下にすることによって、ＴＲＵの燃焼効率をさらに大きくすることができ、ＴＲＵの正味の減少量も増大させることができる。なお、全ＴＲＵに占めるＰｕ−２３９の割合が、３％以上４０％未満の範囲で１５％以下になるとＴＲＵの燃焼効率が著しく大きくなるので、ＴＲＵを急激に減らすことができる。
【００３０】
どちらの炉心も、チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が５５％を超えると燃料棒相互の間隙が１ｍｍ未満となるので燃料集合体の組み立てが極めて困難になる。このため、単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は、５５％以下にする必要がある。その面積割合が３０％未満になると、燃料棒が細くなりすぎて横断面での核燃料物質の量が少なくなるので、燃料棒の長さを長くする必要があり、ボイド係数が正になる。したがって、その面積割合は３０％以上にしなければならない。
【００３１】
ＴＲＵを再処理してマイナーアクチニドを取り除いた核燃料物質を用いて製造した新燃料集合体を炉心（例えば、パッフェ型炉心）に装荷することも可能である。このような炉心においても、炉心内に装荷するその新燃料集合体に含まれる全Ｐｕ中のＰｕ−２３９の割合に対応して定められる設定炉心流量になるように炉心流量を調節することによって、上記したＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。核燃料物質としてマイナーアクチニドを取り除いた核燃料物質を用いる場合において、燃料集合体の燃焼度をより高め、かつＴＲＵの多重リサイクルを実現するためには、新燃料集合体に含まれる全Ｐｕ中のＰｕ−２３９の割合を３％以上５０％以下及びその全Ｐｕ中のＰｕ−２４０の割合を３５％以上４５％以下にする必要がある。Ｐｕ−２３９の割合が５０％を超えた場合には、除熱能力が低下するので、原子炉出力を定格出力よりも下げる必要がある。したがって、ＢＷＲが保有する発電能力を十分に活用することができなくなる。以上の理由により、そのＰｕ−２３９の割合は、５０％以下にする必要がある。また、全Ｐｕ中のＰｕ−２３９の割合が３％未満になるとボイド係数が正になるので、そのＰｕ−２３９の割合は３％以上にしなければならない。全Ｐｕ中のＰｕ−２４０の割合が４５％を超えるとボイド係数が正になるので、そのＰｕ−２４０の割合は４５％以下にしなければならない。また、全Ｐｕ中のＰｕ−２４０の割合が３５％未満になると、除熱能力が低下するので、ＢＷＲが保有する発電能力を十分に活用することができなくなる。したがって、そのＰｕ−２４０の割合は３５％以上にする必要がある。
【００３２】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３３】
本発明の好適な一実施例である実施例１の軽水炉を、図１、図５〜図１１及び表１を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、電気出力１３５０ＭＷ用の炉心を備え
【００３４】
【表１】
【００３５】
ているが、出力規模はこれに限定されるものではない。炉心に装荷された燃料集合体の体数を変更することによって、本実施例が適用できる他の出力規模の軽水炉を実現することができる。
【００３６】
本実施例の軽水炉である電気出力１３５０ＭＷ用のＢＷＲの概要を、図５に基づいて説明する。ＢＷＲ１９は、原子炉圧力容器２７内に、炉心２０、気水分離器２１、蒸気乾燥器２２を配置している。炉心２０は、パッフェ型炉心であり、原子炉圧力容器２７内で炉心シュラウド２５によって取囲まれている。気水分離器２１は炉心２０の上方に配置され、蒸気乾燥器２２は気水分離器２１の上方に配置される。複数のインターナルポンプ２６が原子炉圧力容器２７の底部に設置され、インターナルポンプ２６のインペラが原子炉圧力容器２７と炉心シュラウド２５との間に形成されるダウンカマ内に配置される。主蒸気配管２３及び給水配管２４が原子炉圧力容器２７に接続される。炉心２０には、図６に示すように、７２０体の燃料集合体１が装荷されている。３体の燃料集合体１に１本の割合でＹ字型の制御棒２が設けられ、２２３本の制御棒２が炉心２０内に挿入可能に配置されている。それぞれの制御棒２は原子炉圧力容器２７の底部に設けられた別々の制御棒駆動装置２９に連結されている。制御棒駆動装置２９は、モータ駆動であり、軸方向における制御棒２の移動を微調整することができる。制御棒駆動装置２９が、制御棒２の炉心２０からの引き抜き、及び制御棒２の炉心２０への挿入の各操作を実行する。中性子検出装置である複数の局所出力領域検出装置（ＬＰＲＭ）３２が炉心２０内に配置されている。これらのＬＰＲＭ３２は、平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ）３１に接続され、ＡＰＲＭ３１は制御棒駆動制御装置３０に接続される。
【００３７】
図７は燃料集合体格子の横断面を示している。燃料集合体１は、六角形の筒であるチャンネルボックス４内に、直径１０．１ｍｍの２７１本の燃料棒３を正三角形格子に配置している。燃料集合体１の横断面の形状は六角形をしており、燃料棒３の相互間の間隙が１．３ｍｍである。核燃料物質によって構成された複数の燃料ペレット（図示せず）が、軸方向に並ぶように、燃料棒３の被覆管（図示せず）内に配置されている。最外層の燃料棒列には９本の燃料棒３が配置される。チャンネルボックス４内の単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は５４％である。Ｙ字型制御棒２は、中心に位置するタイロッドから外側に向かって伸びる３枚の翼を有する。各翼は、Ｂ４Ｃ が充填された複数の中性子吸収棒を備えており、タイロッドの周囲に１２０度の間隔を持って配置される。制御棒２は、軽水より減速能が小さい物質である炭素で構成されたフォロアー部を、炉心２０に最初に挿入される挿入端部に設けている。
【００３８】
ＢＷＲ１９が運転されているとき、インターナルポンプ（冷却材供給装置）２６の回転によってダウンカマ内の冷却材が加圧されて炉心２０に供給される。炉心２０内に供給された冷却材は、各燃料集合体１内に導かれ、核分裂性物質の核分裂によって発生する熱で加熱されて一部が蒸気になる。気液二相流状態の冷却材は、炉心２０から気水分離器２１に導かれて蒸気が分離される。分離された蒸気は、蒸気乾燥器２２によって水分がさらに除去される。水分が除去された蒸気は、主蒸気配管２３を通ってタービン（図示せず）に供給され、タービンが回転される。タービンに連結された発電機（図示せず）が回転され、電力が発生する。タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて凝縮水となる。この凝縮水（給水）は、給水配管２４を通って原子炉圧力容器２７内に導かれる。気水分離器２２で分離された液体の冷却材は、ダウンカマ内で上記の給水と混合され、再び、インターナルポンプ２６で加圧される。
【００３９】
平衡炉心の状態にある炉心２０内での燃料集合体１の配置を、図８を用いて説明する。炉内滞在期間が最も長い、運転サイクルが４サイクル目である燃料集合体１Ｄが、中性子インポータンスの低い炉心最外周領域に配置される。その内側に位置する炉心外側領域には、中性子無限増倍率が最も高い、炉内滞在期間が１サイクル目である燃料集合体１Ａが装荷されており、炉心の半径方向における出力分布の平坦化を図っている。炉心内側領域には、炉内滞在期間が２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。このような分散配置によって、炉心内側領域における出力分布の平坦化を図っている。燃料集合体１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、それぞれ、図７及び後述の図１０及び図１１に示す燃料集合体１である。これらの燃料集合体の下部タイプレート（図示せず）は、炉心２０の下端部に配置されている炉心支持板（図示せず）に設けられる複数の燃料支持金具（図示せず）に支持される。燃料集合体に冷却材を導く冷却材通路が燃料支持金具内に形成されており、燃料支持金具に設置されたオリフィス(図示せず)がその冷却材通路の入口部に配置される。炉心２０は、半径方向において最外周領域６及びその内側に位置する内側領域１の二領域が形成される（図９参照）。燃料集合体１の出力が小さい最外周領域２に位置するオリフィスの口径は、内側領域１に位置するオリフィスの口径よりも小さくなっている。
【００４０】
燃料集合体１は、燃料有効長の部分に、その上端から下端に向かって、図１０に示すように、上部ブランケット領域５、上部燃料領域６、内部ブランケット領域７、下部燃料領域８及び下部ブランケット領域９の５つの領域を順次形成している。それぞれの領域の高さは、以下の通りである。上部ブランケット領域５の高さは１２０ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは２２７ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは４５０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは２２５ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは１８０ｍｍである。燃料集合体１が燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１の全ての燃料棒３は、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量１７２の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。なお、各ブランケット領域には劣化ウランのかわりに、天然ウランや、使用済み燃料集合体から回収される減損ウランを用いてもよい。
【００４１】
燃料集合体１は、図１１に示す５種類の燃料棒３を含んでいる。これらの燃料棒３は燃料棒３Ａ〜３Ｅである。燃料棒３Ａ〜３Ｅは図１１に示すように燃料集合体１内に配置される。燃料棒３Ａ〜３Ｅのそれぞれの上部燃料領域６及び下部燃料領域８にそれぞれ充填された混合酸化物燃料は、新燃料集合体の状態において、燃料棒３Ａで核分裂性Ｐｕの富化度が１０．７ｗｔ％、燃料棒３Ｂでその富化度が１３．５ｗｔ％、燃料棒３Ｃでその富化度が１６．８ｗｔ％、燃料棒３Ｄでその富化度が１８．２ｗｔ％及び燃料棒３Ｅでその富化度が１９．５ｗｔ％となっている。それぞれの燃料棒３の各ブランケット領域にはＴＲＵが存在しないが、それぞれの燃料棒３の上部燃料領域６及び下部燃料領域８の各混合酸化物燃料は表１に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１は、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４４ｗｔ％である。表１はまた、燃料集合体１が炉心２０から取り出された後、燃料貯蔵プールや燃料再処理施設に2年、燃料製造施設に1年、合計3年間炉外に滞在して、再度炉心に新燃料として装荷されるときのＴＲＵ組成でもある。
【００４２】
ある運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転を停止した後、平衡炉心である炉心２０内に配置された燃料集合体１のうち、例えば、４分の１の燃料集合体１が燃焼度ゼロの燃料集合体（新燃料集合体）１と交換される。新燃料集合体１が炉心２０に装荷された後、次の運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が開始される。この新燃料集合体１は、次の運転サイクルでは１サイクル目の燃料集合体となる。インターナルポンプ２６が駆動され、上記したように冷却材が炉心２０に供給される。炉心２０に供給される冷却材の流量（炉心流量）はミニマム流量になっている。インターナルポンプ２６の回転速度は炉心流量制御装置（冷却材流量制御装置）３３によって制御される。制御棒駆動制御装置３０からの制御信号に基づいて制御棒駆動装置２９が駆動され、制御棒２が炉心２０から引き抜かれる。臨界状態になったＢＷＲ１９の昇温昇圧が終了した後、さらに制御棒２が引き抜かれることによって原子炉出力が上昇する。制御棒２の引き抜きによる原子炉出力の上昇が一旦停止される。
【００４３】
炉心流量制御装置３３の記憶装置（図示せず）は、図２の特性を記憶している。オペレータは、入力装置（図示せず）から、上記の燃料交換時に炉心２０に装荷された新燃料集合体１に含まれる全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合のデータ（割合情報という）、すなわち、４４ｗｔ％を入力する。炉心流量制御装置３３は、入力された割合情報及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。割合情報である４４ｗｔ％に対応する設定炉心流量は、図２に示す特性によれば、相対炉心流量１．００になる。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６の回転速度を増加させ、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量制御装置３３は、炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転速度の増加を停止させ、炉心流量の増加を停止させる。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量は、炉心流量制御装置３３によって、その設定炉心流量に保持される。炉心流量が設定炉心流量まで増加されるのに伴って、原子炉出力も増加する。炉心流量の増加が停止された後、制御棒２の引き抜きが再開され、原子炉出力が設定出力である１００％まで上昇される。その運転サイクルの終了時に制御棒２が炉心２０内に挿入され、ＢＷＲ１９の運転が停止される。
【００４４】
ＢＷＲ１９が原子炉出力１００％で運転されている場合での、炉心２０の軸方向における出力分布及びボイド率分布を図１２に示す。炉心の平均ボイド率は６７％で、炉心出口の蒸気重量率は４１ｗｔ％である。ＢＷＲ１９が設定出力で運転されているとき、各ＬＰＲＭ３２は核分裂で発生する中性子の検出によって検出信号を出力する。ＡＰＲＭ３１は入力したこれらの検出信号を平均して原子炉出力を求め、この原子炉出力が制御棒駆動制御装置３０に入力される。制御棒駆動制御装置３０は、入力した原子炉出力が定格出力になるように、制御棒駆動装置２９を操作して制御棒２を炉心２０から引き抜く。このようにして、運転サイクルの期間中、原子炉出力が定格出力に保持される。
【００４５】
新燃料集合体１に含まれる全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４４ｗｔ％、及び設定炉心流量、すなわち、相対炉心流量が１．００である本実施例において、ＴＲＵ同位元素の割合保持が実現できる理由を、図１に示すアクチニド核種の生成崩壊チェーンを用いて以下に具体的に説明する。
【００４６】
新燃料集合体１に含まれている表１に示されたＴＲＵの複数の同位元素のそれぞれの絶対量は、その新燃料集合体１が炉心２０から使用済燃料集合体として取り出されるまでの炉内滞在期間（４つの運転サイクル）の間で減少する。しかしながら、アクチニド核種の生成崩壊チェーンに示す核変換が生じるので、炉心２０から使用済燃料集合体として取り出され、再度炉心に新燃料集合体として装荷されるときの燃料集合体１に含まれているＴＲＵの各同位元素の割合は、上記の新燃料集合体１のその割合と実質的に同じになる。上記のＴＲＵの代表的な同位元素として、表１に示されたＰｕ−２３９、Ｐｕ−２４０、Ｐｕ−２４１及びＡｍ−２４３を例に挙げて説明する。新燃料集合体１の上部燃料領域６及び下部燃料領域８に含まれているＰｕ−２３９の量はその新燃料集合体１が使用済燃料集合体として炉心２０から取り出されたときには減少している。しながら、４つの運転サイクルの期間中において、各ブランケット領域に存在するＵ−２３８が、中性子捕獲反応とそれに引き続くβ崩壊によりＰｕ−２３９に転換され、新たなＰｕ−２３９が生成される。Ｐｕ−２４０も、燃料集合体１が炉心２０から取り出された時点で上部燃料領域６及び下部燃料領域８において減少しているが、各ブランケット領域でＵ−２３８より新たに生成される。Ａｍ−２４３は、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在するＴＲＵの他の同位元素から新たに生成される割合とＡｍ−２４３の中性子捕獲による減少割合が釣り合っている。Ｐｕ−２４１は、上部燃料領域６及び下部燃料領域８での核分裂による減少量よりも、各ブランケット領域での生成量が多くなる。Ｐｕ−２４１は、新燃料集合体の状態よりも使用済燃料集合体において約２０％重量増加する。しかしながら、Ｐｕ−２４１は半減期１４．４年と比較的短い半減期を持っているので、炉心２０から使用済燃料集合体として取り出され、再度炉心に新燃料として装荷される間に崩壊により減少する。このため、使用済燃料集合体として取り出され、再度炉心に新燃料集合体として装荷されるときの燃料集合体に含まれたＴＲＵの各同位元素の割合は、新燃料集合体１におけるそれらの同位元素の割合と実質的に同じになる。なお、運転サイクルでのＢＷＲの運転終了時における、ＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵの複数の同位元素の割合も、その運転サイクルでのＢＷＲの運転が開始できる状態における、そのＢＷＲ炉心内に存在するＴＲＵのそれらの同位元素の割合と実質的に同じになる。
【００４７】
本実施例によれば、炉心流量制御装置３３によって、炉心流量が、新燃料集合体１におけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である４４ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節される。この調節によって中性子エネルギースペクトルも調節され、上記したように、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に含まれるＴＲＵの該当する同位元素の減少及び各ブランケット領域におけるその同位元素の生成により、さらに、各ブランケット領域でほとんど生成されないＴＲＵの同位元素においては、この同位元素の消滅、及び上部燃料領域６及び下部燃料領域８に含まれるＴＲＵの他の同位元素からの生成により、上記したＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、安全上の制約条件を守りながら、核不拡散抵抗性をより大きくすることができる。本実施例は、ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４４ｗｔ％であるので、炉心２０から取り出された燃料集合体１内のＴＲＵの量を新燃料集合体１よりも増加させることができる。
【００４８】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器２７でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、上部及び下部ブランケット領域を除く上部及び下部燃料領域及び内部ブランケット領域を含む炉心部領域の取り出し燃焼度４５ＧＷｄ／ｔの、特許文献1に記載されている軽水炉増殖炉よりも高燃焼度化した炉心部領域の取り出し燃焼度５４ＧＷｄ／ｔ、上部及び下部ブランケット領域を含んだ炉心２０の取り出し燃焼度４７ＧＷｄ／ｔを実現する。さらに、本実施例は、ボイド係数が−２×１０−６Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵの各同位元素の割合を上記したように実質的に一定に保った状態で、増殖比１．０１を実現することができる。
【００４９】
本実施例は、原子炉出力が設定原子炉出力（例えば、定格出力）から低下したときの原子炉出力の制御は、炉心流量制御装置３３ではなく、制御棒駆動制御装置３０が制御棒駆動装置２９を制御して制御棒２を操作する（挿入する）ことによって行われる。したがって、本実施例は、ＴＲＵ同位元素の割合保持の実現、及び原子炉出力の制御を両立させることができる。
【実施例２】
【００５０】
本発明の他の実施例である実施例２の軽水炉を、図１３及び図１４、表２を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図１３に示す炉心
【００５１】
【表２】
【００５２】
２０Ａに、燃料集合体１を図１４に示す燃料集合体１Ｈに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同じ構成の説明は省略する。炉心２０Ａはパッフェ型炉心である。
【００５３】
炉心２０Ａに配置される燃料集合体１Ｈは、図１４に示す寸法及び表２に示すＴＲＵの組成を除いて実施例１で用いる燃料集合体１と同じ構成を有している。燃料集合体１Ｈも、単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合が実施例１と同じ５４％である。炉心２０Ａは、平衡炉心の状態において図１３に示すように、燃料集合体１Ａ〜１Ｅを配置している。燃料集合体１Ｅは、炉内滞在期間が最も長い、運転サイクルが５サイクル目の燃料集合体であり、炉心２０Ａの炉心最外周領域に配置される。炉心最外周領域の内側に位置する炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。なお、炉心最外周領域には３体の燃料集合体１Ｄが配置される。このような燃料集合体の配置により、炉心２０Ａの半径方向における出力分布の平坦化が図られている。本実施例で用いられる燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｈである。ＴＲＵを再処理しマイナーアクチニドを取り除いたプルトニウム及びＡｍ−２４１、劣化ウランの混合酸化物燃料を用いることにより高燃焼度化を実現している。新燃料に含まれるＡｍ−２４１は、ＴＲＵを再処理しマイナーアクチニドを取り除いたプルトニウムが新燃料として炉心２０に装荷されるまでの間にプルトニウム中のＰｕ−２４１の崩壊により生成されたものである。
【００５４】
燃料集合体１Ｈは、燃料集合体１と同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している。図１４に示すように、上部ブランケット領域５の高さは２００ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは２１１ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは３１０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは２０７ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは２２０ｍｍである。燃料集合体１Ｈが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｈの全ての燃料棒３は、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵを再処理してマイナーアクチニドを取り除いたプルトニウム及び再処理後Ｐｕ−２４１の崩壊で生成したＡｍ−２４１の合計の重量を１００としたときに劣化ウランを重量１９８の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。燃料集合体１Ｊも、実施例１と同様に、燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。これらの燃料棒３Ａ〜３Ｅは燃料棒３である。上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表２に示す組成を有している。燃料集合体１Ｈは、新燃料集合体の状態で、全Ｐｕ及びＡｍ−２４１中のＰｕ−２３９の割合が４８．６ｗｔ％、全Ｐｕ及びＡｍ−２４１中のＰｕ−２４０の割合が３９．７ｗｔ％である。
【００５５】
炉心流量制御装置３３は、入力装置から入力された割合情報（全Ｐｕ及びＡｍ−２４１中のＰｕ−２３９の割合が４８．６ｗｔ％）及び図２と同様にＴＲＵを再処理しマイナーアクチニドを取り除いたＰｕ及びＡｍ−２４１を新燃料集合体として用いた炉心において、新燃料集合体中の全Ｐｕ及びＡｍ−２４１中のＰｕ−２３９の割合が異なる複数の炉心毎に全Ｐｕ及びＡｍ−２４１同位元素の割合を保持できる炉心流量を求めて得られた特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、実施例１と同様に、インターナルポンプ２６の回転速度を増加させ、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量制御装置３３は、炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転速度の増加を停止させる。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００５６】
本実施例も、炉心２０Ａに装荷される新燃料集合体１Ｈにおける全Ｐｕ中のＰｕ−２３９の割合である４８．６ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例も、炉心２０から取り出された燃料集合体１Ｈ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｈよりも増加させることができる。
【００５７】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器２７でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、実施例１よりも高燃焼度化した炉心２０Ａの取り出し燃焼度５１ＧＷｄ／ｔ、上部及び下部ブランケット領域を除いた炉心部領域での取り出し燃焼度６８ ＧＷｄ／ｔを実現することができる。本実施例は、ボイド係数が−３×１０−５Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、Ｐｕ及びＡｍ−２４１各同位元素の割合を実施例１で述べたように実質的に一定に保った状態で増殖比１．０１を実現することができる。
【実施例３】
【００５８】
本発明の他の実施例である実施例３の軽水炉を、図１５〜図１７、表３を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図１６に示す炉心２
【００５９】
【表３】
【００６０】
０Ｂに、燃料集合体１を図１５及び図１７に示す燃料集合体１Ｊに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同じ構成の説明は省略する。炉心２０Ｂはパッフェ型炉心である。
【００６１】
炉心２０Ｂに配置される燃料集合体１Ｊを、図１５を用いて説明する。燃料集合体１Ｊは、横断面が六角形をしており、チャンネルボックス４内に、直径９．２ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｊを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｊの相互間の間隙が１．１ｍｍである。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は５３％である。炉心２０Ｂは、平衡炉心の状態において図１６に示すように、燃料集合体１Ａ〜１Ｄを配置している。炉心２０と同様に、炉内滞在期間が最も長い、運転サイクルが４サイクル目の燃料集合体１Ｄは、炉心２０Ｂの炉心最外周領域に配置される。炉心最外周領域の内側に位置する炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｄが環状に配置された中間領域が存在する。炉心２０Ｂは半径方向における出力分布が平坦化されている。図１６に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｊである。
【００６２】
燃料集合体１Ｊは、燃料集合体１と同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図１７参照）。上部ブランケット領域５の高さは９０ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは２４１ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは２４１ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは９０ｍｍである。燃料集合体１Ｊが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｊの全ての燃料棒３Ｊは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量１５３の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。燃料集合体１Ｊも、実施例１と同様に、燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。これらの燃料棒３Ａ〜３Ｅは燃料棒３Ｊである。上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表３に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｊは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４０．１ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。
【００６３】
炉心流量制御装置３３は、入力装置から入力された割合情報（４０．１ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、実施例１と同様に、インターナルポンプ２６の回転速度を増加させ、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量制御装置３３は、炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転速度の増加を停止させる。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００６４】
本実施例も、炉心２０Ｂに装荷される新燃料集合体１ＪにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である４０．１ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例も、炉心２０Ｂから取り出された燃料集合体１Ｊ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｊよりも増加させることができる。
【００６５】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器で、ＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、炉心２０Ｂの取出燃焼度５３ＧＷｄ／ｔを達成することができ、−3×10−6Δk/k/%voidのボイド係数も実現することができる。本実施例は、ＭＣＰＲが１．３あり、上記したようにＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できて増殖比１．０１を実現することができる。
【実施例４】
【００６６】
本発明の他の実施例である実施例４の軽水炉を、図１８〜図２０、表４を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図１９に示す炉心２
【００６７】
【表４】
【００６８】
０Ｃに、燃料集合体１を図１８及び図２０に示す燃料集合体１Ｋに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同じ構成の説明は省略する。炉心２０Ｃもパッフェ型炉心である。
【００６９】
炉心２０Ｃに配置される燃料集合体１Ｋ（図１８参照）は、チャンネルボックス４内に、直径７．７ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｋを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｋの相互間の間隙が２．６ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｋが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は３６％である。炉心２０Ｃは、平衡炉心の状態において図１９に示すように、経験した運転サイクル数の異なる燃料集合体１Ａ〜１Ｄを配置している。４サイクル目の燃料集合体１Ｄは、炉心最外周領域に配置される。炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｃは半径方向における出力分布がより平坦化される。図１９に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｋである。
【００７０】
燃料集合体１Ｋは、燃料集合体１と同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図２０参照）。上部ブランケット領域５の高さは３０ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは１９４ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは１９４ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは３０ｍｍである。燃料集合体１Ｋが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｋの全ての燃料棒３Ｋは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量７の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域にはその混合酸化物燃料が充填されていない。燃料集合体１Ｋも、燃料棒３Ｋである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表４に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｋは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１４．４ｗｔ％である。
【００７１】
炉心流量制御装置３３は、実施例１と同様に、割合情報（１４．４ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６を制御し、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転が停止される。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００７２】
本実施例も、炉心２０Ｃに装荷される新燃料集合体１ＫにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１４．４ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心２０Ｃから取り出された燃料集合体１Ｋ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｋよりも減少させることができる。
【００７３】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器で、ＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、炉心２０Ｃの取り出し燃焼度６５ＧＷｄ／ｔを達成できる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が４４％で、ボイド係数が−２×１０−４Δk/k/%voidで、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例５】
【００７４】
本発明の他の実施例である実施例５の軽水炉を、図２１、図２２、表５を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例４において炉心２０Ｃに配置する燃料集合
【００７５】
【表５】
【００７６】
体１Ｋを図２１、図２２に示す燃料集合体１Ｌに替えた構成を有し、他の構成は、実施例４と同じである。本実施例の構成は、実施例４と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【００７７】
燃料集合体１Ｌの構成を、図２１及び図２２を用いて説明する。燃料集合体１Ｌは、チャンネルボックス４内に、直径７．４ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｋを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｋの相互間の間隙が２．９ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｋが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は３１％である。本実施例における炉心の半径方向における燃料集合体１Ｌの配置は図１９に示す配置と同じである。
【００７８】
燃料集合体１Ｌは、燃料集合体１Ｋと同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図２２参照）。上部ブランケット領域５の高さは２０ｍｍであり、上部燃料領域６の高さは２３７ｍｍであり、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍであり、下部燃料領域８の高さは２３７ｍｍであり、下部ブランケット領域９の高さは２０ｍｍである。燃料集合体１Ｌが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｌの全ての燃料棒３Ｌは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に、ＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１３．３ｗｔ％である。上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵ及び劣化ウランの混合酸化物燃料を充填していない。各ブランケット領域はＴＲＵ酸化物燃料を含んでいない。燃料集合体１Ｌも燃料棒３Ｌである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各ＴＲＵ燃料は表５に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｌは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が８．５ｗｔ％である。
【００７９】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（８．５ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６を制御し、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転が停止される。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００８０】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＬにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である８．５ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｌ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｌよりも減少させることができる。
【００８１】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器で、ＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生させるＢＷＲ１９において、炉心の取り出し燃焼度６５ＧＷｄ／ｔを実現できる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が５５%、ボイド係数が−３×１０−５Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例６】
【００８２】
本発明の他の実施例である実施例６の軽水炉を、図２３〜図２５、表６を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図２４に示す炉心２
【００８３】
【表６】
【００８４】
０Ｄに、燃料集合体１を図２３及び図２５に示す燃料集合体１Ｍに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例の軽水炉は電気出力が４５０ＭＷであり、炉心２０Ｄは一領域炉心である。
【００８５】
炉心２０Ｄに配置される燃料集合体１Ｍ（図２３参照）は、チャンネルボックス４内に、直径８．７ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｍを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｍの相互間の間隙が１．６ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｍが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４６％である。炉心２０Ｄにおける平衡炉心の状態を図２４に示す。４サイクル目の燃料集合体１Ｄは、炉心最外周領域に配置される。炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｄは半径方向における出力分布がより平坦化される。図２４に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｍである。
【００８６】
燃料集合体１Ｍは、燃料有効長の部分に３つの領域を形成している（図２５参照）。上部ブランケット領域５の高さは２０ｍｍで、下部ブランケット領域９の高さは２０ｍｍで、これらのブランケット領域の間に形成された燃料領域１５の高さは２０１ｍｍである。燃料集合体１Ｍは、燃焼度ゼロの新燃料集合体状態のとき、全ての燃料棒３Ｍの２つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、それらの燃料領域１５にＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は７．４ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｍも、燃料棒３Ｍである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。燃料領域１５に存在するＴＲＵ酸化物燃料は表６に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｍは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４．０ｗｔ％である。
【００８７】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（４．０ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６を制御し、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転が停止される。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００８８】
本実施例も、炉心２０Ｃに装荷される新燃料集合体１ＫにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である４．０ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心２０Ｄから取り出された燃料集合体１Ｋ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｋよりも減少させることができる。
【００８９】
具体的に説明すると、本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器で電気出力４５０ＭＷを発生されるＢＷＲ１９において、炉心２０Ｄの取り出し燃焼度７５ＧＷｄ／ｔを達成できる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が８０％、ボイド係数が−４×１０−５Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例７】
【００９０】
本発明の他の実施例である実施例７の軽水炉を、図２６〜図２９、表７を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図２６、図２８に示
【００９１】
【表７】
【００９２】
す炉心２０Ｅに、燃料集合体１を図２７及び図２９に示す燃料集合体１Ｎに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例の軽水炉の電気出力は実施例１より低い８３０ＭＷであり、炉心２０Ｅはパッフェ型炉心である。
【００９３】
炉心２０Ｅに配置される横断面が正方形の燃料集合体１Ｎは、チャンネルボックス４Ａ内に、直径８．１ｍｍの１９６本の燃料棒３Ｎを正方格子に配置している。燃料棒３Ｎのピッチは９．４ｍｍであり、燃料棒１Ｎには１０本の燃料棒３Ｍが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４１％である。炉心２０Ｅは、炉心２０Ｅ内に８７２体が配置され、４体の燃料集合体１Ｎに一本の割合で十字型の制御棒２Ａを備えている。図２７のチャンネルボックス４Ａ外側のギャップ領域の十字型制御棒２Ａの挿入されない側には図示していないが、チャンネルボックス４Ａ外側のギャップ領域の水を排除する機能を有する水排除板が炉心上部格子板からつり下げられている。炉心２０Ｅにおける平衡炉心の状態を図２８に示す。４サイクル目の燃料集合体１ｄ及び５サイクル目の燃料集合体１ｅは、炉心最外周領域に配置される。炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１ａが配置され、炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１ｂ，１ｃ，１ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｅは半径方向における出力分布がより平坦化される。
【００９４】
燃料集合体１Ｎは、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図２９参照）。上部ブランケット領域５の高さは４０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは１８０ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは１７４ｍｍ、下部ブランケット領域９の高さは９０ｍｍである。燃料集合体１Ｎが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｎの全ての燃料棒３Ｎは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に、ＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１７．８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在するＴＲＵ酸化物燃料は表７に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｎは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１２．９ｗｔ％である。
【００９５】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（１２．９ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定する。炉心流量制御装置３３は、インターナルポンプ２６を制御し、炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。炉心流量が設定炉心流量になったとき、インターナルポンプ２６の回転が停止される。これ以降、その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【００９６】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＮにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１２．９ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｎ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｎよりも減少させることができる。
【００９７】
具体的に説明すると、本実施例によれば、電気出力８４８ＭＷを発生できる現行のＡＢＷＲにおいて、炉心２０Ｅの取り出し燃焼度４５ＧＷｄ／ｔを実現できる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が４３%、ボイド係数が−２×１０−５Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例８】
【００９８】
本発明の他の実施例である実施例８の軽水炉を、図３０〜図３２、表８を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図３１に示す炉心２
【００９９】
【表８】
【０１００】
０Ｆに、燃料集合体１を図３０及び図３２に示す燃料集合体１Ｐに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例の軽水炉は電気出力が１３５０ＭＷであり、炉心２０Ｆはパッフェ型炉心である。
【０１０１】
炉心２０Ｆに配置される燃料集合体１Ｐは、チャンネルボックス４内に、直径８．７ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｐを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｐの相互間の間隙が１．６ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｐが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４７％である。炉心２０Ｆは、平衡炉心の状態において。４サイクル目の燃料集合体１Ｄが炉心最外周領域に配置され、炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置される。炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｆは半径方向における出力分布がより平坦化される。図３１に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｐである。
【０１０２】
燃料集合体１Ｐは、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図３２参照）。上部ブランケット領域５の高さは９０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２４０ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２４０ｍｍ、下部ブランケット領域９の高さは９０ｍｍである。燃料集合体１Ｐが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｐの全ての燃料棒３Ｐは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量１０８の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｍも、燃料棒３Ｍである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。混合酸化物燃料は表８に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｐは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が３１．６ｗｔ％である。
【０１０３】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（３１．６ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１０４】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＰにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である３１．６ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｐ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｐよりも減少させることができる。
【０１０５】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、炉心２０Ｆの炉心取出燃焼度を５７Ｇｗｄ／ｔまで高めることができる。本実施例は、ボイド係数が−2×10−5Δk/k/%void、ＴＲＵの燃焼効率が１５％、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例９】
【０１０６】
本発明の他の実施例である実施例９の軽水炉を、図３３〜図３５、表９を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０を図３４に示す炉心２
【０１０７】
【表９】
【０１０８】
０Ｇに、燃料集合体１を図３３及び図３５に示す燃料集合体１Ｑに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。炉心２０Ｇはパッフェ型炉心である。
【０１０９】
炉心２０Ｇに配置される燃料集合体１Ｑは、チャンネルボックス４内に、直径８．５ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｑを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｑの相互間の間隙が１．８ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｑが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４５％である。炉心２０Ｇは、平衡炉心の状態において。４サイクル目の燃料集合体１Ｄが炉心最外周領域に配置され、炉心外側領域には１サイクル目の燃料集合体１Ａが配置される。炉心内側領域には２〜４サイクル目の各燃料集合体１Ｂ，１Ｃ，１Ｄがそれぞれ分散配置されている。炉心内側領域と炉心外側領域の間に、複数の燃料集合体１Ｂが環状に配置された中間領域が存在する。このような炉心２０Ｇは半径方向における出力分布がより平坦化される。図３４に示した燃料集合体１Ａ〜１Ｅは、それぞれ、燃料集合体１Ｑである。
【０１１０】
燃料集合体１Ｑは、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図３５参照）。上部ブランケット領域５の高さは９０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２２４ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２２４ｍｍ、下部ブランケット領域９の高さは９０ｍｍである。燃料集合体１Ｑが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｑの全ての燃料棒３Ｑは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量７９の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｑも、燃料棒３Ｑである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでいる。混合酸化物燃料は表９に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｑは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が２６．４ｗｔ％である。
【０１１１】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（２６．４ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１１２】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＱにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である２６．４ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｑ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｑよりも減少させることができる。
【０１１３】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、炉心２０Ｇの取出燃焼度を５８Ｇｗｄ／ｔまで増大できる。本実施例は、ボイド係数が−３×10−5Δk/k/%void、ＴＲＵの燃焼効率が２２％、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例１０】
【０１１４】
本発明の他の実施例である実施例１０の軽水炉を、図３６、図３７及び表１０を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例９において炉心２０Ｇに配置する燃
【０１１５】
【表１０】
【０１１６】
料集合体１Ｑを図３６、図３７に示す燃料集合体１Ｒに替えた構成を有し、他の構成は、実施例９と同じである。本実施例の構成は、実施例９と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【０１１７】
図３６及び図３７に示すように、燃料集合体１Ｒは、チャンネルボックス４内に、直径８．１ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｒを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｒの相互間の間隙が２．２ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｒが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は４０％である。本実施例における炉心の半径方向における燃料集合体１Ｒの配置は図３４に示す配置と同じである。
【０１１８】
燃料集合体１Ｒは、燃料集合体１Ｑと同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図３７参照）。上部ブランケット領域５の高さは４０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２１２ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２１２ｍｍ、及び下部ブランケット領域９の高さは４０ｍｍである。燃料集合体１Ｒが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｒの全ての燃料棒３Ｒは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量３９の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｒも燃料棒３Ｒである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表１０に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｒは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１９．７ｗｔ％である。
【０１１９】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（１９．７ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１２０】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＲにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１９．７ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｒ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｒよりも減少させることができる。
【０１２１】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９にいて、炉心の取出燃焼度を５９ＧＷｄｔに高めることができる。本実施例は、ボイド係数が−４×10−5Δk/k/%void、ＴＲＵの燃焼効率が３４％、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例１１】
【０１２２】
本発明の他の実施例である実施例１１の軽水炉を、図３８、図３９及び表１１を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例４において炉心２０Ｃに配置する燃
【０１２３】
【表１１】
【０１２４】
料集合体１Ｋを図３８、図３９に示す燃料集合体１Ｓに替えた構成を有し、他の構成は、実施例４と同じである。本実施例の構成は、実施例４と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【０１２５】
図３８及び図３９に示すように、燃料集合体１Ｓは、チャンネルボックス４内に、直径７．６ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｓを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｓの相互間の間隙が２．７ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｓが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は３５％である。本実施例における炉心の半径方向における燃料集合体１Ｓの配置は図１９に示す配置と同じである。
【０１２６】
燃料集合体１Ｓは、燃料集合体１Ｋと同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図３９参照）。上部ブランケット領域５の高さは３５ｍｍ、上部燃料領域６の高さは１８９ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは１８９ｍｍ、及び下部ブランケット領域９の高さは３５ｍｍである。燃料集合体１Ｓが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｓの全ての燃料棒３Ｓは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に、ＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｓも燃料棒３Ｓである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各ＴＲＵ酸化物燃料は表１０に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｓは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１２．９ｗｔ％である。
【０１２７】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（１２．９ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１２８】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＳにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１２．９ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｓ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｓよりも減少させることができる。
【０１２９】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、炉心の炉心取り出し燃焼度６５Ｇｗｄ／ｔを実現することができる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が４７％、ボイド係数が−3×10−4Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例１２】
【０１３０】
本発明の他の実施例である実施例１２の軽水炉を、図４０、図４１及び表１２を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例４において炉心２０Ｃに配置する燃
【０１３１】
【表１２】
【０１３２】
料集合体１Ｋを図３８、図３９に示す燃料集合体１Ｔに替えた構成を有し、他の構成は、実施例４と同じである。本実施例の構成は、実施例４と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【０１３３】
燃料集合体１Ｔは、チャンネルボックス４内に、直径７．５ｍｍの３３１本の燃料棒３Ｔを正三角形格子に配置している。燃料棒３Ｔの相互間の間隙が２．８ｍｍであり、最外層の燃料棒列には１０本の燃料棒３Ｔが配置される。単位燃料棒格子の横断面積に占める燃料ペレットの横断面積の割合は３４％である。本実施例における炉心の半径方向における燃料集合体１Ｔの配置は図１９に示す配置と同じである。
【０１３４】
燃料集合体１Ｔは、燃料集合体１Ｋと同様に、燃料有効長の部分に５つの領域を形成している（図４１参照）。上部ブランケット領域５の高さは３０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２０４ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは５６０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２０４ｍｍ、及び下部ブランケット領域９の高さは３０ｍｍである。燃料集合体１Ｔが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｔの全ての燃料棒３Ｔは、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に、ＴＲＵ酸化物燃料を充填している。このＴＲＵ酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１６ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１Ｔも燃料棒３Ｔである燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各ＴＲＵ酸化物燃料は表１２に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｔは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が１１．０ｗｔ％である。
【０１３５】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（１１．０ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１３６】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＴにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である１１．０ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｔ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１Ｔよりも減少させることができる。
【０１３７】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、炉心の取り出し燃焼度６５Ｇｗｄ／ｔを実現することができる。本実施例は、ＴＲＵの燃焼効率が５０％、ボイド係数が−2×10−4Δk/k/%void、ＭＣＰＲが１．３であって、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、ＴＲＵを減少させることができる。
【実施例１３】
【０１３８】
本発明の他の実施例である実施例１３の軽水炉を、図４２及び表１を用いて以下に詳細に説明する。本実施例の軽水炉は、実施例１において炉心２０に配置する燃料集合体１を図４２に示す燃料集合体１Ｕに替えた構成を有し、他の構成は、実施例１４と同じである。本実施例の構成は、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例で用いられる炉心もパッフェ型炉心である。
【０１３９】
燃料集合体１Ｕは、燃料集合体１の５つの領域を図４２に示すように形成したものである。燃料集合体１Ｕの他の構成は、燃料集合体１と同じである。燃料集合体１Ｕにおいて、上部ブランケット領域５の高さは１２０ｍｍ、上部燃料領域６の高さは２２６ｍｍ、内部ブランケット領域７の高さは４５０ｍｍ、下部燃料領域８の高さは２２４ｍｍ、及び下部ブランケット領域９の高さは１８０ｍｍである。燃料集合体１Ｓが燃焼度ゼロの新燃料集合体のとき、その燃料集合体１Ｕの全ての燃料棒は、３つのブランケット領域に劣化ウランを充填し、上部燃料領域６及び下部燃料領域８にはＴＲＵの重量を１００としたときに劣化ウランを重量１７２の割合で混合した混合酸化物燃料を充填している。この混合酸化物燃料の核分裂性Ｐｕの富化度は１８ｗｔ％である。各ブランケット領域はＴＲＵを含んでいない。燃料集合体１ＵＳも燃料棒３Ａ〜３Ｅを含んでおり、上部燃料領域６及び下部燃料領域８に存在する各混合酸化物燃料は表１に示す組成のＴＲＵを含んでいる。燃料集合体１Ｕは、新燃料集合体の状態で、全ＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合が４４ｗｔ％である。
【０１４０】
炉心流量制御装置３３は、割合情報（４４ｗｔ％）及び図２に示す特性に基づいて定まる設定炉心流量を設定し、インターナルポンプ２６を制御して炉心流量を設定炉心流量になるまで増加させる。その運転サイクルでのＢＷＲ１９の運転が停止されるまで、炉心流量はその設定炉心流量に保持される。
【０１４１】
本実施例も、炉心に装荷される新燃料集合体１ＵにおけるＴＲＵ中のＰｕ−２３９の割合である４４ｗｔ％によって定まる設定炉心流量になるように調節されるので、実施例１と同様に、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現できる。したがって、本実施例は、燃焼度をより高めることができ、かつＴＲＵの多重リサイクルが可能になる。本実施例は、炉心から取り出された燃料集合体１Ｕ内のＴＲＵの量を新燃料集合体１ＵＳよりも減少させることができる。
【０１４２】
本実施例によれば、現行のＡＢＷＲとほぼ同じ大きさの原子炉圧力容器でＡＢＷＲと同じ電気出力１３５０ＭＷを発生するＢＷＲ１９において、上部及び下部ブランケット領域を除く上部及び下部燃料領域及び内部ブランケット領域を含む炉心部領域の取り出し燃焼度４５Ｇｗｄ／ｔの、特許文献1に記載されている軽水炉増殖炉よりも高燃焼度化した炉心部領域の取り出し燃焼度５２Ｇｗｄ／ｔ、上部及び下部ブランケット領域を含んだ炉心の取り出し燃焼度４５Ｇｗｄ／ｔを実現することができる。本実施例は、ＭＣＰＲが１．３、ボイド係数が−2×10−5Δk/k/%voidになって実施例１より負の絶対値を大きくしつつ、ＴＲＵ同位元素の割合保持を実現でき、増殖比１．０１を実現できる。
【符号の説明】
【０１４３】
１，１Ａ〜１Ｅ，１Ｈ，１Ｊ〜１Ｎ，１Ｐ〜１Ｕ，１ａ〜１ｅ…燃料集合体、２，２Ａ…制御棒、３，３Ａ，３Ｊ〜３Ｎ，３Ｐ〜３Ｔ…燃料棒、４，４Ａ…チャンネルボックス、５…上部ブランケット領域、６…上部燃料領域、７…内部ブランケット領域、８…下部燃料領域、９…下部ブランケット領域、１９…ＢＷＲ、２０，２０Ａ〜２０Ｇ…炉心、２６…インターナルポンプ、３０…制御棒駆動制御装置、３３…炉心流量制御装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超ウラン核種の複数の同位元素を含む複数の燃料集合体が装荷されている軽水炉の炉心において、装荷された燃焼度ゼロの前記燃料集合体は、この燃料集合体に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上４０％未満の範囲にあり、かつ、全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％以上４５％以下の範囲にあることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項２】
前記炉心から取り出された前記燃料集合体内に存在する前記超ウラン核種の複数の同位元素の割合が前記炉心に装荷される燃焼度ゼロの前記燃料集合体内に存在する前記複数の同位元素の割合と同一になる請求項１に記載の軽水炉の炉心。
【請求項３】
チャンネルボックス及びこのチャンネルボックス内に配置された複数の燃料棒を有する前記燃料集合体は、前記チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める、前記燃料棒内の燃料ペレットの横断面積の割合が３０％以上５５％以下である請求項１または請求項２に記載の軽水炉の炉心。
【請求項４】
上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域、下部燃料領域及び下部ブランケット領域が、軸方向において、この順に、上方より配置されている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項５】
上部ブランケット領域、燃料領域及び下部ブランケット領域が、軸方向において、この順に上方より配置されている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項６】
超ウラン核種の複数の同位元素を含む核燃料物質を有し、燃焼度ゼロのとき、前記核燃料物質に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上４０％未満の範囲にあり、かつ、全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％以上４５％以下の範囲にあることを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
【請求項７】
前記炉心から取り出されたときに前記核燃料物質に含まれる前記超ウラン核種の複数の同位元素の割合が前記炉心に装荷される燃焼度ゼロのときに前記核燃料物質に含まれる前記複数の同位元素の前記割合と同一になる請求項６に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項８】
１５
チャンネルボックス及びこのチャンネルボックス内に配置された複数の燃料棒を有し、前記チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める、前記燃料棒内の燃料ペレットの横断面積の割合が３０％以上５５％以下である請求項６または請求項７に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項９】
上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域、下部燃料領域及び下部ブランケット領域が、軸方向において、この順に上方より燃料有効長の領域に配置されている請求項６ないし請求項８のいずれか１項に軽水炉用記載の燃料集合体。
【請求項１０】
上部ブランケット領域、燃料領域及び下部ブランケット領域が、軸方向において、この順に上方より燃料有効長の領域に配置されている請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項１１】
燃焼度ゼロの状態では、各前記ブランケット領域は劣化ウランを含み前記超ウラン核種を含んでいなく、各前記燃料領域は前記同位元素を含む前記核燃料物質を含んでいる請求項９または請求項１０に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項１２】
超ウラン核種を含む複数の燃料集合体が装荷されている軽水炉の炉心において、前記炉心に装荷された燃焼度ゼロの前記燃料集合体に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上１５％以下の範囲にあり、かつ、前記全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％以上４５％以下の範囲にあり、チャンネルボックス及びこのチャンネルボックス内に配置された複数の燃料棒を有する前記燃料集合体は、前記チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める、前記燃料棒内の燃料ペレットの横断面積の割合が３０％以上５５％以下の範囲にあり、前記炉心から取り出された前記燃料集合体内に存在する前記超ウラン核種中に占めるＰｕ−２３９の割合が、３％以上１５％以下になることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項１３】
チャンネルボックス及びこのチャンネルボックス内に配置された複数の燃料棒を有する前記燃料集合体は、前記チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める、前記燃料棒内の燃料ペレットの横断面積の割合が３０％以上５５％以下の範囲にある請求項１２に記載の軽水炉の炉心。
【請求項１】
超ウラン核種の複数の同位元素を含む複数の燃料集合体が装荷されている軽水炉の炉心において、装荷された燃焼度ゼロの前記燃料集合体は、この燃料集合体に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上４０％未満の範囲にあり、かつ、全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％以上４５％以下の範囲にあることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項２】
前記炉心から取り出された前記燃料集合体内に存在する前記超ウラン核種の複数の同位元素の割合が前記炉心に装荷される燃焼度ゼロの前記燃料集合体内に存在する前記複数の同位元素の割合と同一になる請求項１に記載の軽水炉の炉心。
【請求項３】
チャンネルボックス及びこのチャンネルボックス内に配置された複数の燃料棒を有する前記燃料集合体は、前記チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める、前記燃料棒内の燃料ペレットの横断面積の割合が３０％以上５５％以下である請求項１または請求項２に記載の軽水炉の炉心。
【請求項４】
上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域、下部燃料領域及び下部ブランケット領域が、軸方向において、この順に、上方より配置されている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項５】
上部ブランケット領域、燃料領域及び下部ブランケット領域が、軸方向において、この順に上方より配置されている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軽水炉の炉心。
【請求項６】
超ウラン核種の複数の同位元素を含む核燃料物質を有し、燃焼度ゼロのとき、前記核燃料物質に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上４０％未満の範囲にあり、かつ、全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％以上４５％以下の範囲にあることを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
【請求項７】
前記炉心から取り出されたときに前記核燃料物質に含まれる前記超ウラン核種の複数の同位元素の割合が前記炉心に装荷される燃焼度ゼロのときに前記核燃料物質に含まれる前記複数の同位元素の前記割合と同一になる請求項６に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項８】
１５
チャンネルボックス及びこのチャンネルボックス内に配置された複数の燃料棒を有し、前記チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める、前記燃料棒内の燃料ペレットの横断面積の割合が３０％以上５５％以下である請求項６または請求項７に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項９】
上部ブランケット領域、上部燃料領域、内部ブランケット領域、下部燃料領域及び下部ブランケット領域が、軸方向において、この順に上方より燃料有効長の領域に配置されている請求項６ないし請求項８のいずれか１項に軽水炉用記載の燃料集合体。
【請求項１０】
上部ブランケット領域、燃料領域及び下部ブランケット領域が、軸方向において、この順に上方より燃料有効長の領域に配置されている請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項１１】
燃焼度ゼロの状態では、各前記ブランケット領域は劣化ウランを含み前記超ウラン核種を含んでいなく、各前記燃料領域は前記同位元素を含む前記核燃料物質を含んでいる請求項９または請求項１０に記載の軽水炉用燃料集合体。
【請求項１２】
超ウラン核種を含む複数の燃料集合体が装荷されている軽水炉の炉心において、前記炉心に装荷された燃焼度ゼロの前記燃料集合体に含まれる全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２３９の割合が３％以上１５％以下の範囲にあり、かつ、前記全てのＰｕ中に占めるＰｕ−２４０の割合が３５％以上４５％以下の範囲にあり、チャンネルボックス及びこのチャンネルボックス内に配置された複数の燃料棒を有する前記燃料集合体は、前記チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める、前記燃料棒内の燃料ペレットの横断面積の割合が３０％以上５５％以下の範囲にあり、前記炉心から取り出された前記燃料集合体内に存在する前記超ウラン核種中に占めるＰｕ−２３９の割合が、３％以上１５％以下になることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項１３】
チャンネルボックス及びこのチャンネルボックス内に配置された複数の燃料棒を有する前記燃料集合体は、前記チャンネルボックス内の単位燃料棒格子の横断面積に占める、前記燃料棒内の燃料ペレットの横断面積の割合が３０％以上５５％以下の範囲にある請求項１２に記載の軽水炉の炉心。
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
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【図５】
【図６】
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【図９】
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【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
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【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
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【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【公開番号】特開２０１３−３３０６５（Ｐ２０１３−３３０６５Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４３３０６（Ｐ２０１２−２４３３０６）
【出願日】平成２４年１１月５日（２０１２．１１．５）
【分割の表示】特願２００９−２６２４９９（Ｐ２００９−２６２４９９）の分割
【原出願日】平成１９年２月２８日（２００７．２．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月５日（２０１２．１１．５）
【分割の表示】特願２００９−２６２４９９（Ｐ２００９−２６２４９９）の分割
【原出願日】平成１９年２月２８日（２００７．２．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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