JP2000241582A

JP2000241582A - 燃料集合体、燃料棒および原子炉の炉心

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Publication number: JP2000241582A
Application number: JP11039084A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ueda; 精植田; Shigeru Miyashita; 茂宮下; Yamato Hayashi; 大和林; Masatoshi Kawashima; 正俊川島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2000-09-08
Anticipated expiration: 2019-02-17
Also published as: JP4113994B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ボイド係数を改良する新規な原理に基づくＭＯ
Ｘを使用する燃料集合体，燃料棒および原子炉の炉心を
提供する。【解決手段】燃料集合体１を上流側から下流側に向けて
上流側ブランケット17，上流側主発熱領域16，低濃度領
域15，下流側主発熱領域13および下流側ブランケット14
により構成する。下流側ブランケット14に低散乱空間６
と減速材兼冷却材空間を設ける。冷却材のボイド率が高
まると、中性子移動面積（距離）が拡大し、分散配置さ
れる吸収材セグメントはより遠方の中性子まで吸収でき
るようになる。一方、吸収材セグメントの吸収能力は飽
和型であるため、中性子スペクトルが硬化しても殆ど減
少しないので、結局吸収能力が増大し、ボイド係数を負
の方向へ改良できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料集合体，燃料
棒および原子炉の炉心に係り、特にプルトニウム燃料を
用いて転換比を高めた原子炉において、冷却材のボイド
係数を改良することができる燃料集合体，燃料棒および
原子炉の炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体ナトリウム（Ｎａ）を冷却材とする
高速増殖炉（ＬＭＦＢＲ）の実用化が容易でない段階と
なっている。火災を起こしやすいＮａを用いないで燃料
の増殖または高い転換比が達成できる原子炉が設計でき
れば、より安全な原子力発電が可能となる。

【０００３】この考えから、Ｎａを用いないでＬＭＦＢ
Ｒの優れた特性を実現する方策が検討されているが、Ｌ
ＭＦＢＲの場合と同様に冷却材の喪失によって炉心の反
応度が高まるという「ボイド係数が正」という現象が起
こり易く、この現象が大きなネックとなって未だ満足な
炉心設計ができていないのが現状である。

【０００４】ボイド係数が正になる特性の原因を簡単に
まとめると、ボイド発生により中性子スペクトルが硬化
し（高いエネルギーへシフトし）、中性子「スペクトル
の上側」（高いエネルギー側）で中性子発生率対吸収率
比が増大する点と、中性子「スペクトルの下側」（低い
エネルギー側）において中性子吸収率が減少する点にあ
る。転換比または増殖比を高めることにより、炉心のボ
イド係数を正とした炉心においては、安全な原子炉の運
転が困難となることを容易に避けることができない。

【０００５】ボイド係数を負にする案の原理として、ボ
イド発生に伴う中性子の漏れを増大させる方法が知られ
ている。この原理を実現する構成として、細長い炉心と
して中性子漏洩を大きくする方法、燃料をかなり広い範
囲で排除して中性子漏洩を大きくする方法、偏平な炉心
として軸方向に中性子を漏洩させる偏平炉心、あるいは
内部に向けて中性子漏洩が可能な内部ブランケットを有
する軸方向非均質炉心が知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
々の構成では、炉心を大型にできないため、燃料装荷量
が少なく、原子炉容器内部の空間利用率が悪く、原子力
発電の経済性を悪化させる大きな原因となる課題があ
る。

【０００７】本発明者らは、上記課題を解決するために
前記原理を検討する際に、スペクトルの下側において中
性子吸収効果が減少する点に着目して、実現可能な「新
しい原理」が存在し得ることを見出した。

【０００８】すなわち、スペクトルが硬化しても中性子
吸収効果が減少しないようにし、ボイド率増大に伴って
中性子の移動距離が長くなる（面積が広くなる）特性を
利用できるような原子炉および燃料を設計できれば、新
しい原理が実現できることになる。

【０００９】スペクトルが硬化しても中性子吸収能力が
低下しない中性子吸収材を分散して配置すれば、このよ
うな「新しい原理」が実現可能である。つまり、この
「新しい原理」は、ボイド率増大に伴って中性子の移動
距離が増大することにより、分散して配置された中性子
吸収材の中性子をより良く吸収する特性を利用するもの
である。

【００１０】数値計算の結果、スペクトルが非常に硬い
小型のＬＭＦＢＲや、プルトニウム富化度が高い原子炉
などではこの「新しい原理」は適用困難であるが、原子
炉でスペクトルがあまり高くない領域（中速スペクトル
領域）では有望であることが明らかになった。また、本
原理を従来技術と組み合わせることにより、燃料装荷量
を増大させ、原子力発電の経済性向上に寄与できること
が明らかになった。

【００１１】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、前記特性を採用したボイド係数を改良するこ
とができ、軽水炉などのＮａを用いない高転換型または
増殖型の軽水あるいは重水を用いた安全な原子炉を設計
でき、もって核燃料の利用率を改良できる燃料集合体，
燃料棒および原子炉の炉心を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による燃料集合体
は、請求項１記載の如く、多数の燃料棒を規則的に配置
して構成された原子炉用の燃料集合体において、前記燃
料棒はその軸方向の一部に、中性子スペクトルが硬化し
ても中性子吸収効果の劣化が少ない中性子吸収能力の大
きい強中性子吸収材を含む吸収材セグメントを有する第
１の燃料棒と、前記強中性子吸収材を含む前記吸収材セ
グメントを含まない第２の燃料棒とからなり、少なくと
も第２の燃料棒はその主発熱物質がウランとプルトニウ
ムとの混合物であり、減速材対燃料比率を実効的に低減
して中性子の減速特性を抑制した構成としたことを特徴
とする。

【００１３】本発明による燃料集合体では、請求項２記
載の如く、冷却材として軽水と重水の混合物を用いるの
が好適である。重水によって軽水の密度を低減して、中
性子の減速特性を抑制することができる。

【００１４】また、請求項12記載の如く、冷却材として
軽水を用いるとともに、軽水対燃料体積比を常温におい
て１以下とするか、または請求項３記載の如く、燃料棒
の被覆管の肉厚を１ないし２mmとするのが好適である。
このようにして水対燃料の原子数比を低減して中性子の
減速特性を抑制することができる。

【００１５】本発明による燃料集合体に用いる第１の燃
料棒の強中性子吸収材は、請求項４記載の如く、少なく
とも天然ボロンまたはＢ10を濃縮した濃縮ボロンが主要
な中性子吸収物質であるか、請求項５記載の如く、ボロ
ンカーバイド（Ｂ₄Ｃ），六硼化ユーロピウム（ＥｕＢ
₆），ユーロピアとガドリニアの混合酸化物（Ｅｕ203
−Ｇｄ203 ），ＨｆＢ₂の少なくとも一または混合物で
あるか、請求項６記載の如く、中性子吸収物質と中性子
減速材との混合物または化合物であるか、または請求項
７記載の如く、ハフニウムの水素化物であることを特徴
とする。

【００１６】また、本発明による燃料集合体は、請求項
８記載の如く、強中性子吸収材を含む吸収材セグメント
の軸方向高さが略そろった複数本の第１の燃料棒を燃料
集合体内部に分散して配置したことを特徴とする。

【００１７】また、本発明による燃料集合体は、請求項
９記載の如く、前記第１の燃料棒の吸収材セグメントと
軸方向高さが略等しく、かつ長さが略等しい燃料物質濃
度を低減した低発熱空間からなる燃料低減セグメントを
有する第３の燃料棒を、前記第１の燃料棒に隣接する周
りの一部または全部を取り囲むように配置したことを特
徴とする。

【００１８】また、本発明による燃料集合体は、請求項
10記載の如く、前記第１の燃料棒の吸収材セグメントと
軸方向高さが略等しく、かつ長さが略等しい中性子減速
材領域とからなる減速材セグメントを有する第４の燃料
棒を、前記第１の燃料棒に隣接する周りの一部または全
部を取り囲むように配置したことを特徴とする。

【００１９】また、本発明による燃料集合体は、請求項
11記載の如く、前記第１の燃料棒に隣接する周りの一部
または全部を取り囲むように第３の燃料棒と第４の燃料
棒とを混合して配置したことを特徴とする。また、本発
明による燃料集合体は、請求項13記載の如く、吸収材セ
グメントの軸方向長さは燃料集合体の軸方向長さが10か
ら30cmであることを特徴とする。

【００２０】また、本発明による燃料集合体は、請求項
14記載の如く、燃料集合体の軸方向に燃料濃度を低下さ
せた低濃度領域を有する内部低濃度型燃料集合体では、
前記低濃度領域の内部または前記低濃度領域と主要発熱
部である通常領域との境界部の少なくとも一方の境界部
に前記吸収材セグメントが位置するように構成されたこ
とを特徴とする。

【００２１】また、本発明による燃料集合体は、請求項
15記載の如く、主要発熱部の内部にＺｒＨ₂，Ｚｒ
Ｄ₂，Ｃ，Ｂｅ，ＢｅＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂などの
中性子減速材をセグメント状に有する第５の燃料棒を分
散配置して構成したことを特徴とする。

【００２２】また、本発明による燃料集合体は、請求項
16記載の如く、低濃度領域を挟んで冷却材の上流側と下
流側に主要発熱部を有する燃料集合体において、下流側
に前記中性子減速材をセグメント状に配置した第５の燃
料棒を分散配置して構成したことを特徴とする。

【００２３】また、本発明による燃料集合体は、請求項
17記載の如く、前記内部低濃度領域を含まない燃料集合
体では、燃料集合体の主要発熱部の中央付近ないし中央
から±50cm程度以内に前記吸収材セグメントが位置する
ように構成したことを特徴とする。

【００２４】また、本発明による燃料集合体は、請求項
18記載の如く、主要発熱領域の冷却材下流側または上流
側の少なくとも一方側に低濃度領域を有する燃料集合体
では、燃料集合体の主要発熱領域と前記低濃度領域との
境界付近ないし低濃度領域に前記吸収材セグメントが位
置するように構成したことを特徴とする。

【００２５】本発明による原子炉の炉心は、請求項19記
載の如く、多数の燃料棒を規則的に配置して構成した燃
料集合体の燃料棒が、その軸方向の一部に中性子スペク
トルが硬化しても中性子吸収効果の劣化が少ない中性子
吸収能力の大きい強中性子吸収材を含む吸収材セグメン
トを有する第１の燃料棒と、前記強中性子吸収材を含む
前記吸収材セグメントを含まない第２の燃料棒とからな
り、少なくとも第２の燃料棒はその発熱物質がウランと
プルトニウムとの混合物であり、各燃料棒間に介在する
冷却材が軽水であり、燃料棒相互間の間隔を低減して中
性子の減速特性を抑制した構成である内部に吸収材セグ
メントを有する複数の燃料集合体を少なくとも炉心の一
部に装荷して構成したことを特徴とする。

【００２６】また、本発明による原子炉の炉心は、請求
項20記載の如く、燃料集合体の下流側ブランケットに中
性子の低散乱空間を設け、その空間を取り囲むように減
速材兼冷却材空間（水ギャップ）を設けた複数の燃料集
合体を装荷して構成したことを特徴とする。

【００２７】本発明による燃料集合体は、請求項21記載
の如く、前記減速材兼冷却材空間の横断面幅が0.5 〜３
cmであり、また請求項22記載の如く、前記低散乱空間は
燃料棒を短尺化して形成される空間に配置して構成した
ことを特徴とする。

【００２８】本発明による燃料棒は、請求項23記載の如
く、前記吸収材セグメントを有する燃料棒は吸収材セグ
メントと燃料物質スタック部との境界にウール状の水素
ゲッター物質を介在させて構成したことを特徴とする。

【００２９】また、本発明による燃料棒は、請求項24記
載の如く、前記減速材セグメントを含む燃料棒は、中性
子減速材部と燃料物質スタック部との境界を気密状に隔
離して構成したことを特徴とする。

【００３０】また、本発明になる燃料棒は、請求項25記
載の如く、前記減速材セグメントの中性子減速材が水素
非含有物質の場合には、減速材セグメントと燃料物質ス
タック部との境界にウール状の金属物質を介在させて構
成したことを特徴とする。

【００３１】本発明の原子炉の炉心に用いる燃料集合体
は、請求項19記載の如く、多数の燃料棒を規則的に配置
して構成された原子炉用の燃料集合体において、該燃料
棒はその軸方向の一部に中性子スペクトルが硬化しても
中性子吸収効果の劣化が少ない中性子吸収能力の大きい
強中性子吸収材を含む吸収材セグメントを有する第１の
燃料棒と、前記強中性子吸収材を含む前記吸収材セグメ
ントを含まない第２の燃料棒とからなり、少なくとも第
２の燃料棒はその発熱物質がウランとプルトニウムとの
混合物であり、減速材対燃料比率を実効的に低減して中
性子の減速特性を抑制した構成としたことを特徴とす
る。

【００３２】本発明の燃料集合体に用いる第１の燃料棒
の強中性子吸収材は、少なくとも天然ボロンまたはＢ10
を濃縮した濃縮ボロンが主要な中性子吸収物質である
が、ボロンカーバイド（Ｂ₄Ｃ），六硼化ユーロピウム
（ＥｕＢ₆），ユーロピアとガドリニアの混合酸化物
（Ｅｕ203 −Ｇｄ203 ），ＨｆＢ₂から選択された少な
くとも一種か、中性子吸収物質と中性子減速材との混合
物または化合物であるか、ハフニウムの水素化物であ
る。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明に係る燃料集合体および燃
料棒の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１
（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る燃料集合体の第１の実施
の形態を説明するためのもので、図１（ａ）は縦断面
図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ横断面図、図１
（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ横断面図、図１（ｄ）は図
１（ａ）のＤ−Ｄ横断面図である。

【００３４】燃料集合体１は正方形のチャンネルボック
ス２の内部に多数の燃料棒３を六角格子状に配列して構
成されている。なお、各々の燃料棒３の上下両端部は各
々上，下部タイプレート（図示せず）によって固定され
ている。冷却材と中性子減速材の機能を有する水が燃料
棒３，３相互間の間隙を、燃料集合体の下部（上流側）
から上部（下流側）に向けて流れている。

【００３５】本発明に係る燃料集合体１は、核燃料の転
換比ないし増殖率を高めるために、燃料棒３，３間の間
隔は許容できる範囲で狭くされており、この結果、減速
材対燃料体積比（以下単に体積比と呼ぶ）が小さくなっ
ている。

【００３６】この体積比は、減速材として水を用いる従
来の原子炉では２程度であったが、水を用いる本実施の
形態では１以下、目標としては0.5 ないしそれ以下であ
る。核燃料物質としては二酸化ウランに二酸化プルトニ
ウムを混合した混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸと呼ぶ）
のペレットが図示しない被覆管内に充填され、燃料棒３
が構成されている。

【００３７】図１（ａ）に示す燃料集合体１の軸方向の
基本構成は、従来の高速炉の例にならって、下端部の冷
却材上流側に上流側ブランケット17，下流側の上端部に
下流側ブランケット14があり、両者の中間は高速炉のシ
ードに対応してＰｕ富化度の高い高濃度領域となってい
る。

【００３８】本実施の形態では図１（ａ）のＤ−Ｄ矢視
部で記した近傍に従来の高速炉の内部ブランケットを連
想させる低濃度領域15を配置している。低濃度領域15の
冷却材上流側は上流側主発熱部16，下流側は下流側主発
熱部13となっており、それらの横断面は図１（ｃ）で示
すように燃料棒３は規則正しく配列されている。

【００３９】低濃度領域15はブランケットでない点が従
来例と異なっており、図１（ｄ）に示すようにボロン10
（Ｂ10）の濃度を高めた濃縮ボロンを中性子吸収材とし
た、●印で記した吸収材セグメント４が分散して配置さ
れている。低濃度領域15のＰｕ濃度は上流側および下流
側主発熱部の濃度（通常Ｐｕの富化度は10〜20％）の１
／２ないし１／４程度とされる。

【００４０】燃料集合体１の下流側で図１（ａ）のＢ−
Ｂ横断面部および下流側ブランケット14部の横断面は図
１（ｂ）に示すようにチャンネルボックス２の内面に沿
って２列の燃料棒３，３が配列され、その内側に１列分
程度の燃料を排除した空間（減速材兼冷却材空間、以下
単に水ギャップと呼ぶ）５がある。

【００４１】さらに内部は燃料棒３の上部にガスプレナ
ム状の空間を設けて形成した多数の燃料棒３のガスプレ
ナム部を束ねて構成した低散乱空間６が設けられてい
る。なお、図１（ｂ），図１（ｃ）および図１（ｄ）に
おいて、チャンネルボックス２の内面に取付けられてい
る方形の部材は水排除材である。

【００４２】つぎに、図２および図３により図１に示し
た第１の実施の形態における燃料集合体の作用を説明す
る。図２は無限増倍率の計算値、図３はボイド反応度効
果計算結果を示している。37本の燃料棒を六角格子状に
束ねて構成した燃料バンドルにおいて、減速材の水の密
度を変え、中性子スペクトル計算を行ったものである。
計算においては説明を単純にするため、水の温度は20℃
に固定した。

【００４３】水密度が１の場合の体積比を0.45として計
算した。また、燃料棒３内の燃料として、減損ウランの
酸化物に６％または13％のＰｕを酸化物として混合した
ものを採用した。

【００４４】37本の燃料棒３が全て同じ組成の場合に対
する計算値を実線で示し、天然ボロンからなるＢ₄Ｃ粉
末を理論密度の70％で充填した１本の吸収材充填棒を配
置したときの計算値を破線で示した。なお、Ｂ10の濃度
はこの計算例の５倍以上に高めることができるため、以
下詳述する本実施の形態の作用はさらに高めることがで
きるが、ここでは最も厳しい条件として計算した。

【００４５】図２は無限増倍率Ｋ_∞の水密度の変化に伴
う変化を、図３は水の密度が減少していくにつれて計算
体系の反応度が変化する特性（ボイド反応度効果）が、
吸収材充填棒の有無によって変化する様子を示したもの
である。

【００４６】図２からは、通常の燃料棒と同じように長
い吸収材充填棒を用いると無限増倍率の低下により炉心
の反応度が大きく抑えられるため、短尺化して使用すべ
きことが分かる。

【００４７】図３からは、Ｐｕ富化度が高い（13％富
化）場合には、曲線ｂ₀とｂ₁が示すように水の密度が
減少するにつれて正方向へ増大しているため、ボイド反
応度効果は正であり、負方向への改良効果（ｂ₀からｂ
₁へのシフト）は微小であるが、Ｐｕ富化度が低い（６
％）場合には、水密度が低下するにつれて実線ａ₀から
破線ａ₁のように曲線の開きが大きくなっており、ボイ
ド係数は負の方向へ改良されていることが分かる。

【００４８】Ｐｕの富化度によって特性がこのように異
なるのは、Ｐｕ富化度が高くなるにつれて中性子スペク
トルが硬くなるため、吸収材の中性子吸収特性が減少し
てくるためである。

【００４９】この計算例では、天然ボロンＢ₄Ｃ粉末を
用いているが、濃縮ボロンを用いて吸収材セグメントの
飽和特性を向上させると、Ｐｕ富化度が13％程度に高く
なっても改良効果が現れてくる。両図から、吸収材充填
棒の長さ、すなわち吸収材セグメントはＰｕ富化度の比
較的低い部分において比較的短くすることが重要である
ことが分かる。

【００５０】図１に示した第１の実施の形態の低濃度領
域はこのような背景のもとに考慮されたものである。低
濃度領域に高速炉の内部ブランケットのように減損ウラ
ンを用いると炉心の燃焼の進行とともにＰｕが生成され
るため、ボイド効果の改良効果が燃焼とともに減少す
る。

【００５１】本実施の形態のようにＰｕの富化度を低下
させただけの場合には、燃焼が進行してもＰｕ濃度の増
加はなく、さらに中性子吸収材の吸収材濃度も高く保持
されているために、ボイド係数改良効果が劣化すること
はない。また、Ｐｕは富化度が低いとはいえ十分核分裂
を起こすので、炉心全体の出力分布を内部ブランケット
使用の場合のように悪化させることはない。

【００５２】本実施の形態によればボイド係数を負へ改
良させる新たな原理を採用できるようになるので、炉心
の軸方向長さを長くできるようになり、より多くの核燃
料を炉心に装荷できるようになり、原子力発電の経済性
が向上する。

【００５３】なお、図１（ａ）のＢ−Ｂ横断面部から下
流側のブランケット部には水ギャップ５と低散乱空間６
が設けられている。この部分は本実施の形態における必
須条件ではないが、中性子の下流側への漏れを調節する
機能を有しており、低濃度領域15と協調してボイド係数
を改良する性質を持たせることができる。

【００５４】ボイド率が増大すると水ギャップ５部が大
きくボイド化され、低散乱空間６を介して中性子は下流
側へ漏れる割合が増大し、核反応に寄与する中性子の量
が減少するため、ボイド係数改良に寄与させることがで
きる。ただし、この場合には核燃料を部分的に排除して
いるため、発熱部が減少するのでこの部分は小規模に止
めるのが好ましい。

【００５５】図４（ａ）〜（ｆ）は図１に示した第１の
実施の形態における燃料集合体の軸方向諸特性について
説明したものである。（ａ）は核分裂物質の濃度ε分布
であり、下端部（上流側）と上端部（下流部）は漏洩す
る中性子を捕獲してＰｕを生成させるために減損ウラン
を配置したブランケット、中央部は低濃度領域であって
ＭＯＸ燃料であり、その上下は高濃度領域である。
（ｂ）は中性子吸収材の吸収断面積Σ_aである。（ｃ）
は軸方向ボイド率分布である。

【００５６】（ｄ）は無限増倍率Ｋ_∞分布である。上下
ブランケット部の無限増倍率は当然低いが、吸収材を添
加した低濃度領域でもある程度低くなっている。ボイド
率が高くなった場合の無限増倍率を模式的に破線で示
す。図４（ｄ）中、（イ）はボイド率が高いときを示
し、（ロ）はボイド係数が正のため高くなるときを示し
ている。

【００５７】低濃度領域およびその周辺（イ）では、中
性子移動面積の増大により吸収材による中性子吸収効果
が増大するために低くなっている。一方、低濃度領域か
ら離れた（ロ）で示す上下の高濃度領域では本来正のボ
イド係数部であるため、無限増倍率は高くなっている。

【００５８】上端部の下流側ブランケットの下側の無限
増倍率が低下している部分は図１（ａ）のＢ−Ｂ横断面
部に対応し、核燃料物質を大幅に排除したために低下し
たものである。前述のようにこの部分は本実施の形態の
必須部分ではないが、中性子を漏洩させることにより、
本実施の形態と同様に、ボイド係数を負の方向へ改善す
る作用がある。

【００５９】（ｅ）は軸方向出力分布である。図４
（ｅ）中、（イ）はボイド率が高いときを示し、（ロ）
はボイド係数が正のため高くなるときを示している。ボ
イド率が高くなると破線で示すように変化する。

【００６０】炉心の下半分では通常ボイド率はあまり高
くなく、ボイド率もあまり増大しないので出力分布もあ
まり変化しないが、低濃度領域の吸収材の中性子吸収効
果が増大し空間的にも広がるため、（イ）で示す範囲で
は出力は低下し、（ロ）で示す下流側ではボイド率がか
なり高くなり、さらにボイド係数が正の領域であるため
若干出力が増大する領域も生じる。

【００６１】（ｆ）は中性子インポータンスの軸方向分
布である。軸方向に組成が一様な標準的な体系では余弦
（cos ）の２乗の分布になることはよく知られており、
本実施の形態でも基本的には標準の形になっているが、
吸収材を含む低濃度領域で若干低下している。全体とし
てインポータンスの高いところに低濃度領域を配置して
いるため、吸収材や低濃度領域の軸方向の長さを効果的
に短めに設定することができる。

【００６２】つぎに図５および図６により本発明に係る
燃料集合体の第２の実施の形態を説明する。図５は、図
１（ｄ）を拡大して図６と対比するために示した参考図
で、図６は、本実施の形態における燃料集合体１ａの要
部を示す横断面図で図５と対応し、同一部分には同一符
号を付している。本実施の形態が第１の実施の形態と異
なる点は、吸収材セグメント４の周りを取巻く６本の燃
料棒３のうちの半分を、空洞で代表されるような燃料低
減セグメント（Ｖ棒）７で置き換えて配置したことにあ
る。

【００６３】本実施の形態によれば、吸収材の効果をさ
らに高めることができる。この例では１本の吸収材セグ
メント４の周りに３本のＶ棒７が配置されているが、３
本に限定する必要はない。１本に減らすことも、６本に
増やすこともできるが、増やしすぎると核燃料物質の減
少につながるので、その点を考慮した設計が必要であ
る。

【００６４】つぎに図７により本発明に係る燃料集合体
の第３の実施の形態を説明する。本実施の形態における
燃料集合体１ｂは第２の実施の形態における燃料集合体
１ａの変形例で、１本の吸収材セグメント４の周りを３
本のＶ棒７と３本のＷ棒８で取り囲んでいることにあ
る。

【００６５】Ｗ棒８は減速材セグメントであり、水や固
体減速材であるＺｒＨ₂，ＺｒＤ₂，Ｃ，Ｂｅ，Ｂｅ
Ｏ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂などが中性子の減速材として
使用される。なお、本実施の形態ではＶ棒７とＷ棒８を
同数ずつ配置した例で示したが、これらを同数に配置す
る必要はなく、例えば全数をＷ棒８のみとすることもで
きる。

【００６６】つぎに図８により本発明に係る燃料集合体
の第４の実施の形態を説明する。図８は図１（ｄ）に対
応しており、本実施の形態における燃料集合体１ｃが第
１の実施の形態と異なる点は、より多数の吸収材セグメ
ント４を規則的かつ分散的に配置したことにある。本実
施の形態によれば、チャンネルボックス２内の燃料棒
３，３間に23本の吸収材セグメント４を規則的に分散配
置して本数を増大させることにより吸収効果が増大し、
よって低濃度領域の長さを低減できる。

【００６７】つぎに図９および図10により本発明に係る
燃料集合体の第５の実施の形態を説明する。図９は図１
（ｂ）を拡大して図10と対比するために示した参考図
で、図10は本実施の形態の燃料集合体１ｄの要部を示し
ている。本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点
は、燃料棒３の直径より大きい太径中空管９を多数束
ね、余分の隙間を細径管10で埋め、低散乱空間６を形成
したことにある。本実施の形態によれば、この空間６を
形成する構造材の量が低減できるので、低散乱空間６の
特性を改良することができる。

【００６８】つぎに図11により本発明に係る燃料集合体
の第６の実施の形態を説明する。本実施の形態が第５の
実施の形態と異なる点は、低散乱空間６を略正方形の断
面からなる容器11と、この容器11内に設けられる内部補
強材12とにより構成したことにある。本実施の形態によ
れば、より少ない構造材を用いて低散乱空間６を構成す
るので、より良い低散乱空間６を構成することができ
る。

【００６９】つぎに図12により本発明に係る燃料集合体
の第７の実施の形態を説明する。図12は図１（ａ）に対
応しており、本実施の形態が第１の実施の形態と異なる
点は、図１（ａ）のＢ−Ｂ横断面で示す下流側主発熱領
域13の上部を図１（ｃ）に示すように燃料棒３で全てを
満たしたことにある。また、下流側ブランケット14も同
じ構成としている。

【００７０】本実施の形態によれば、第１の実施の形態
と全く同じでこの部分だけが異なるとボイド係数の改良
に不十分な場合も生じるため、低濃度領域15の機能強化
が必要になるが、核燃料の装荷量を向上でき、ブランケ
ット燃料装荷量も増大できるので、出力分布の平坦化や
Ｐｕ増殖に寄与できる。

【００７１】つぎに図13により本発明に係る燃料集合体
の第８の実施の形態を説明する。図13は図１（ａ）に対
応しており、本実施の形態が第１の実施の形態と異なる
点は、主発熱領域18を多数に分割するように複数配置し
て、それらの領域18，18間に低濃度領域15を設けたこと
にある。本実施の形態によれば、ボイド係数を負に保っ
たまま燃料集合体の軸方向長さを格段に長くできるの
で、炉心への核燃料の装荷量を大幅に増大でき、原子力
発電の経済性を向上することができる。

【００７２】つぎに図14により本発明に係る燃料集合体
の第９の実施の形態を説明する。図14は図１（ａ）に対
応しており、本実施の形態が第１の実施の形態と異なる
点は、下流側ブランケット14と上流側ブランケット17と
の間に主発熱領域18を主体的に設け、主発熱領域18の上
端と下流側ブランケット14との間に低濃度領域15を設け
たことにある。

【００７３】本実施の形態は、主発熱領域のＰｕ富化度
がやや低く、ボイド係数の必要な改良の程度があまり大
きくない場合に特に好適であって、下流側ブランケット
と主発熱領域との間に吸収材セグメントを含む低濃度領
域を配置することで、燃料集合体の反応度的な損失を少
なくすることができる。

【００７４】なお、必要があれば、主発熱領域18のＰｕ
濃度が若干低い軸方向中央部の例えば±50cmあたりに、
10〜30cmの長さで吸収材セグメントを横断面方向に分散
配置しても本実施の形態の効果が得られる。

【００７５】本発明に係る燃料集合体の実施の形態を第
１から第９の例にわたって説明したが、これらの他に幾
多の実施の形態があり、これらについて補足説明する。
上記各々の実施の形態では冷却材として水（軽水）の場
合について説明したが、重水あるいは重水と軽水との混
合物でも差支えない。特に軽水と重水との混合物を用い
た場合は、重水によって軽水の密度を低減して中性子の
減速特性を抑制することができる。

【００７６】また、上述の各燃料集合体の燃料棒の被覆
管の肉厚を、従来の場合（約0.8 mm）から拡大して、１
〜２mmとすることもできる。これにより、水対燃料の原
子数比を低減して中性子の減速特性を抑制することがで
きる。

【００７７】また、ボイド係数については、沸騰水型原
子炉を想定して説明したが、加圧水型原子炉の場合にお
いても冷却水が沸騰すると冷却材ボイドの状態が発生
し、上述したボイド係数の問題と同じ事態が想定され
る。また、強中性子吸収材としてはＢ₄Ｃのみを取り上
げて説明したが、ＥｕＢ₆，Ｅｕ203 −Ｇｄ203 ，Ｈｆ
Ｈ₂なども使用できる。

【００７８】吸収材セグメント４は低濃度領域15全般に
わたって配置することを想定したが、短めでも長めでも
良い。低濃度領域15が比較的長い場合には、吸収材セグ
メント４の位置はブランケットに隣接する場合のよう
に、低濃度領域15の一方側に偏る配置の方が良い場合も
考えられる。

【００７９】燃料低減セグメント（Ｖ棒）７の最も代表
的なものは気体であるが、本発明の場合、原子炉の中で
使用できるセラミック類はほとんど使用可能である。燃
料物質や親物質が含まれても差支えない。ただし中性子
散乱や吸収はあまり大きくない方が望ましいが、必須要
件ではない。

【００８０】減速材セグメント（Ｗ棒）８の減速材は
水，ＺｒＨ₂，ＺｒＤ₂，ＨｆＨ₂，Ｃ，Ｂｅ，Ｂｅ
Ｏ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂などがあるが、セグメントの
燃料集合体内部の軸方向位置はボイド率が高くなる冷却
材の流れの下流側に少数本分散して配置するのが好適で
ある。本数が多いとせっかく中性子スペクトルを硬くし
たのを軟化しすぎて転換比や増殖比の低減を来す。な
お、低濃度領域にも若干数配置しても差支えない。

【００８１】次に、本発明に係る燃料集合体に組込む燃
料棒の実施の形態を説明する。図15は図１に示す第１の
実施の形態の燃料集合体に用いた燃料棒の実施の形態で
ある。図15（ａ）はチャンネルボックス２近傍に配置さ
れている燃料棒３である。

【００８２】すなわち、被覆管19内に下部端栓20側、つ
まり下側（冷却材の流れの上流側）から、下部ブランケ
ットである減損酸化ウランペレット（下部ＤＵＯ₂）2
1，上流側主発熱領域を構成する上流側ＭＯＸペレット2
2，Ｐｕの濃度を低減してなる低濃度領域を構成するＭ
ＯＸ低濃度ペレット23，下流側主発熱領域を構成する下
流側ＭＯＸペレット24，下流側ブランケットを構成する
減損酸化ウランペレット（上部ＤＵＯ₂）25となってい
る。さらに、下流側は図１（ａ）で図示するのを省略し
たガスプレナム26となっており、上端は上部端栓27で封
止されている。

【００８３】図15（ｂ）は、図15（ａ）に示される燃料
棒の内側に配置され、下流側において減速材兼冷却材空
間（水ギャップ）を構成するために短尺化した短尺燃料
棒28であって、下流部がバニッシング部29となってい
る。下流側のＭＯＸ部が若干短尺化され、下流側減損ウ
ラン領域が除かれ、ガスプレナム26は下部端栓20側へ移
されている。このプレナム26はＭＯＸペレット22を支え
るリング状の金属管30と断熱ペレット31によって構成さ
れている。

【００８４】図15（ｃ）は、本発明の第１の燃料棒に対
応するものであるが、下流側に低散乱空間６を設けるた
めに長いガスプレナム32が設けられている。図15（ａ）
のＭＯＸ低濃度ペレット23のスタックの軸方向高さと略
合わせてＢ₄Ｃペレット33のスタックが配置されてい
る。このＢ₄Ｃペレット33が、濃縮ボロンを中性子吸収
材とした吸収材セグメントとして作用する。

【００８５】Ｂ₄Ｃペレット33のスタックの上下には金
属製ウール34が配置され、ＭＯＸペレット22，24とＢ₄
Ｃペレット33との万一の粉末発生時の混合を防止してい
る。金属製ウール34にはジルコニウムを用いることによ
って、Ｂ₄Ｃの核反応で僅かに発生するトリチウムを吸
着させることができる。

【００８６】図15（ｄ）は、本発明の第２の燃料棒に対
応するが、本発明の特徴を強化するためにＭＯＸ低濃度
ペレット23のスタックが設けられている。下流側には図
15（ｃ）の場合と同じ目的で長いガスプレナム32の低散
乱空間が設けられている。

【００８７】図16は、本発明に用いる各種燃料棒の標準
的な構成を模式的に説明したものであって、図16（ａ）
は図15（ｃ）に対応する本発明の第１の燃料棒、図16
（ｂ）は本発明の第２の燃料棒で、大部分を全長主発熱
型ＭＯＸ燃料35により占められている。

【００８８】図16（ｃ）は本発明の第３の燃料棒であっ
て、図６に示したＶ棒７に相当する。すなわち、図16
（ａ）におけるＢ₄Ｃペレット33からなる吸収材セグメ
ントと略同じ高さで略同じ長さにわたって燃料低減セグ
メント36を図15（ｂ）の下端に設けたガスプレナム26と
同様に構成されて、中間プレナム37を構成している。

【００８９】図16（ｄ）は本発明の第４の燃料棒であっ
て、図７に示したＷ棒８に相当する。すなわち、図16
（ａ）における吸収材セグメントと略同じ高さで略同じ
長さにわたって減速材セグメント38を構成している。こ
のような構成は非水素含有の減速材を用いる場合に使用
でき、水素を含む減速材の場合には、燃料充填空間と隔
離しなければならないのは当然である。

【００９０】図16（ｅ）は本発明の第５の燃料棒であっ
て、減速材セグメント配置部の構成は図16（ｄ）の場合
と同様である。ＭＯＸ低濃度ペレット23のスタックの下
流側に減速材セグメント38を設け、下流側種発熱領域に
おけるボイド係数改良に寄与するようになっている。図
16に示す構成はごく代表的な構成であって、本発明の思
想を実現するためにはいろいろな変形応用が当然予想さ
れる。

【００９１】つぎに図17，18および19により本発明に係
る原子炉の炉心の第１の実施の形態を説明する。図17
（ａ）は本実施の形態における原子炉の炉心を概略的に
示す横断面図、図17（ｂ）は図17（ａ）において“１”
の位置に装荷する燃料集合体の縦方向断面図、図17
（ｃ）は図17（ａ）の炉心における“１”以外の位置に
装荷する従来型の燃料集合体である。

【００９２】図17（ｂ）に示す燃料集合体は、原子炉の
安全確実な運転で最も必要な「炉心の冷却材ボイド係
数」を改良するために用いられているものであって、こ
の燃料集合体の設計によって、大幅にボイド係数を改良
することもできるし、小規模に改良することもできる。

【００９３】ボイド係数を改良するための新規な本燃料
集合体の構成の特徴は、局部的にプルトニウム濃度を低
減し、その近傍に中性子吸収材を分散配置する点にある
が、この構成によって炉心の反応度は若干低下し、燃料
の燃焼度を低下させる欠点もあるため、最適化設計を行
う必要がある。図17（ａ）の炉心はこのような背景のも
とに構成されたものである。

【００９４】図17（ｂ）に示す燃料集合体の軸方向の基
本構成は、下端部の冷却材上流側に上流側ブランケット
17，下流側の上端部に下流側ブランケット14があり、両
者の中間は、従来の燃料集合体では高速炉のシードに対
応してＰｕ富化度の高い高濃度燃料領域をなす内部ブラ
ンケットとなっているが、それとは異なりプルトニウム
濃度を低減した低濃度領域15が配置されている。図17
（ｃ）に模式的に示す燃料集合体は低濃度領域のない従
来の燃料集合体である。

【００９５】図18（ａ）〜（ｃ）は図17（ｂ）の燃料集
合体の横断面図の例であって、図18（ａ）は図17（ｂ）
のＡ−Ａ矢視横断面図、図18（ｂ）は図17（ｂ）のＢ−
Ｂ矢視横断面図、図18（ｃ）は図17（ｂ）のＣ−Ｃ矢視
横断面図、図19（ａ）〜（ｃ）は本発明の燃料集合体に
使用する燃料棒の例であって、図19（ａ）はチャンネル
ボックスの内面に沿って配列される燃料棒である。

【００９６】被覆管19内には下端（冷却材上流側）か
ら、減損ウランを用いた酸化ウランペレット（下部ＤＵ
Ｏ₂）21のスタック，上流側主発熱領域を構成する上流
側ＭＯＸペレット22のスタック，本発明で吸収材セグメ
ントの作用を確実なものにするという大きな役割を演じ
るＰｕの濃度を低減したＭＯＸ低濃度ペレット23のスタ
ック，下流側主発熱領域を構成する下流側ＭＯＸペレッ
ト24のスタック，上部ＤＵＯ₂25およびガスプレナム26
となっている。

【００９７】図19（ｂ）は図19（ａ）に示した燃料棒の
配列の内側に減速材兼冷却材空間（以下水ギャップと呼
ぶ）を構成するために、あるいは下流側の水排除容器を
配置するために短尺化された燃料棒の例であって、下流
側の上部ＤＵＯ₂25領域が取除かれている。

【００９８】図19（ｃ）は本発明の作用を発生させるた
めに特に重要な燃料棒であって、図19（ｂ）の場合と同
じ目的で短尺化されている。図19（ｂ）の燃料棒と異な
る点は、図19（ｂ）のＭＯＸ低濃度ペレット23のスタッ
クとほぼ同じ高さにＢ₄Ｃペレット33のスタックが上下
両側の金属製ウール34に挟んで配置されて「吸収材セグ
メント」を構成している点にある。

【００９９】金属製ウール34としてウール状にしたジル
コニウムを用いると、ボロンが中性子と反応して発生し
た少量のトリチウム（被覆管19を腐食させる可能性があ
る）を選択的に吸着するので、被覆管19の健全性が確保
される。金属製ウール34の他の目的は、燃料物質とＢ₄
Ｃの僅かながら発生する可能性のある粉末の混合を防止
することにある。

【０１００】ところで、本発明に係る燃料集合体は、核
燃料の転換比ないし増殖比を高めるために、燃料棒間の
間隔は許容できる範囲で狭くされており、この結果、減
速材対燃料体積比（以下単に体積比と呼ぶ）が小さくな
っている。

【０１０１】この体積比は、減速材として水を用いる従
来の原子炉では２程度であったが、水を用いる本実施例
では１以下、目標としては0.5 ないしそれ以下である。
核燃料物質としてはＭＯＸペレットが被覆管の中に充填
されている。

【０１０２】このようにすることによって、軽水冷却の
原子炉でも核燃料の高い転換または増殖が可能となる
が、水のボイド係数が正となる。よって、従来の原子炉
の構成で体積比を減ずると、安全な原子炉の運転が困難
となることを容易に避けることができなかった。

【０１０３】一方で、本発明の最大の特徴は、図17
（ｂ）のＣ−Ｃ矢視横断面部付近に従来の高速炉の内部
ブランケットを連想させる低濃度燃料領域を配置してい
る点にある。低濃度領域の冷却材上流側は上流側主発熱
部，下流側は下流側主発熱部となっており、それらの横
断面は図18（ｂ）で示すように燃料は規則正しく配列さ
れている。

【０１０４】低濃度燃料領域はブランケットでない点が
従来例と異なっており、図18（ｃ）に示すようにボロン
10（Ｂ10）の濃度を高めた濃縮ボロンを中性子吸収材と
した吸収材セグメントが分散して配置されている。低濃
度燃料領域のＰｕ濃度は上流側および下流側主発熱部の
濃度（通常Ｐｕの富化度は10〜20％）の１／２ないし１
／４程度とされる。

【０１０５】燃料集合体の下流側では図17（ｂ）のＡ−
Ａ矢視横断面は下流側ブランケット部で図18（ａ）に示
すようにチャンネルボックスの内面に沿って２列の燃料
棒が配列され、その内側に１列分程度の燃料を排除した
空間（減速材兼冷却材空間、すなわち、水ギャップ）が
あり、さらに内部は燃料棒を排除して方形断面からなる
容器11が配置されている。

【０１０６】この容器11の占める空間は中性子の散乱を
抑制し、必要に応じて炉心の外部（下流側）へ中性子を
漏洩させるために設けた中性子の低散乱空間である。こ
の容器11は中性子の散乱を大幅に抑えるのが目的である
が、内部を無理して真空にする必要はない。原子炉運転
中に変形が生じると炉心の反応度に影響が生じるため、
内部補強材12で補強された構造となっている。

【０１０７】水ギャップの厚みは、低散乱空間を経由し
て下流側へ中性子が漏洩する程度を必要なボイド係数の
調整量に対応して0.5 cmから３cm程度の範囲で調節す
る。なお、図18（ａ），（ｂ）および（ｃ）において、
チャンネルボックス２の内面に取付けられている多数の
方形部材は水排除材である。

【０１０８】燃料集合体は正方形のチャンネルボックス
２内に、多数の燃料棒を六角格子状に配列して構成され
ており、冷却材と中性子減速材の機能を有する水が燃料
棒相互間の間隙を、燃料集合体の下部から上部に向かっ
て流れている。

【０１０９】つぎに、図20により本発明に係る原子炉の
炉心の第２の実施の形態を説明する。図20は図17（ａ）
に対応しており、図17（ａ）では炉心の比較的内部で図
17（ｂ）で示すような燃料集合体を２体または４体まと
めて合計44体配置したが、本実施の形態では基本的には
図17（ｂ）に示した燃料集合体を炉心を十字型に切断す
るように配置し、不足分を図17（ｂ）に示した燃料集合
体を４体ずつまとめて、合計36体配置した構成となって
いる。

【０１１０】つぎに、図21により本発明に係る原子炉の
炉心の第３の実施の形態を説明する。図21は図17（ａ）
に対応しており、かかる配置は比較的大規模にボイド係
数を改良する際に好適であって、第１の実施の形態をさ
らに強調した構成になっている。すなわち、図17（ｂ）
に示した燃料集合体を２体ずつ対にして炉心を十字型に
切断し、かつ不足部分に６体ずつ配置して、合計68体配
置した構成となっている。

【０１１１】なお、さらにボイド係数を改良する必要が
ある場合には、例えば炉心の周辺を除く全ての燃料集合
体に図17（ｂ）に示すような燃料集合体を使用しても良
い。またこの燃料集合体は最外周にも配置することがで
きる。さらに一段とボイド係数を改良する必要がある場
合には、１体の燃料集合体の軸方向に複数の低濃度領域
を設けたものを使用することもできる。

【０１１２】以上、本発明に係る原子炉の炉心の実施の
形態を多数の例にわたって説明したが、これらの他に多
数の例がある。ボイド係数については、沸騰水型原子炉
を想定して説明したが、加圧水型原子炉の場合において
も冷却水が沸騰すると、上述したボイド係数の問題と同
じ事態が想定される。また、強中性子吸収材としてはＢ
₄Ｃのみを取り上げて説明したが、ＥｕＢ₆，Ｅｕ203
−Ｇｄ203 ，ＨｆＨ₂なども使用できる。

【０１１３】吸収材セグメントは低濃度領域全般にわた
って配置することを想定したが、短めでも長めでも良
い。低濃度領域が比較的長い場合には、吸収材セグメン
トの位置はブランケットに隣接する場合のように低濃度
領域の一方側に偏る配置の方が良い場合も考えられる。
吸収材セグメントの周辺には燃料物質を排除した内部ガ
スプレナムのような低散乱セグメントを配置することも
できる。

【０１１４】また、吸収材セグメントの周りや例えば冷
却材流れの下流側などに、減速材のセグメントを配置す
ることもできる。減速材セグメントの減速材には水，Ｚ
ｒＨ₂，ＺｒＤ₂，ＨｆＨ₂，Ｃ，Ｂｅ，ＢｅＯ，Ａｌ
₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂などを用いることができる。

【０１１５】水素や重水素を含む減速材セグメントを燃
料棒の一部分に導入する場合には、燃料領域との間は区
画して燃料部へそれらのガスが侵入しないように燃料領
域に対して気密に構成しなければならないが、その他の
上記減速材ではウール状の金属物質を介在させて燃料物
質と区画することもできる。

【０１１６】

【発明の効果】本発明によれば、新しい原理のボイド係
数改良法が得られるので、軽水炉などのＮａを用いない
高転換型または増殖型の軽水あるいは重水を用いた安全
な原子炉を設計することができる。この結果、核燃料の
利用率を著しく改良することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る燃料集合体の第１の実施
の形態における燃料集合体の軸方向構成を概略的に示す
模式図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視方向横断面図、
（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視方向横断面図、（ｄ）は
（ａ）のＤ−Ｄ矢視方向横断面図。

【図２】本発明の作用を説明するための無限増倍率の計
算値をプロットして示すグラフ図。

【図３】本発明の作用を説明するためのボイド反応度効
果計算値をプロットして示すグラフ図。

【図４】（ａ）〜（ｆ）は本発明の第１の実施の形態の
燃料集合体の軸方向諸特性を図式的に説明するための図
で、（ａ）は核分裂核種濃度分布図、（ｂ）は吸収材の
吸収断面積の分布図、（ｃ）はボイド率分布図、（ｄ）
は無限増倍率分布図、（ｅ）は出力分布図、（ｆ）は中
性子のインポータンス分布図である。

【図５】図１（ｄ）を拡大して示す縦断面図。

【図６】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態の
要部を示す横断面図。

【図７】本発明に係る燃料集合体の第３の実施の形態の
要部を示す横断面図。

【図８】本発明に係る燃料集合体の第４の実施の形態を
示す横断面図。

【図９】図１（ｂ）の拡大して示す縦断面図。

【図１０】本発明に係る燃料集合体の第５の実施の形態
を示す横断面図。

【図１１】本発明に係る燃料集合体の第６の実施の形態
を示す横断面図。

【図１２】本発明に係る燃料集合体の第７の実施の形態
を概略的に示す模式図。

【図１３】本発明に係る燃料集合体の第８の実施の形態
を概略的に示す模式図。

【図１４】本発明に係る燃料集合体の第９の実施の形態
を概略的に示す模式図。

【図１５】（ａ）〜（ｄ）は図１に示す本発明の第１の
燃料集合体に組込む各種燃料棒の実施の形態を説明する
ための図で、（ａ）はチャンネルボックス近傍に配置す
る燃料棒を概略的に示す縦断面図、（ｂ）は下流側に水
ギャップを構成するために用いる短尺化された燃料棒を
概略的に示す縦断面図、（ｃ）はＢ₄Ｃペレットスタッ
クを一部に収納した燃料棒を概略的に示す縦断面図、
（ｄ）は燃料集合体の内部に配置するＭＯＸ低濃度領域
と冷却材の下流側にガスプレナムを有する燃料棒を概略
的に示す縦断面図。

【図１６】（ａ）〜（ｅ）は本発明に係る燃料集合体に
用いる標準的な燃料棒の実施の形態を説明するための図
で、（ａ）は第１の燃料棒を概略的に示す縦断面図、
（ｂ）は第２の燃料棒を概略的に示す縦断面図、（ｃ）
は第３の燃料棒を概略的に示す縦断面図、（ｄ）は第４
の燃料棒を概略的に示す縦断面図、（ｅ）は第５の燃料
棒を概略的に示す縦断面図。

【図１７】（ａ）は本発明に係る原子炉炉心の第１の実
施の形態を説明するための炉心配置図、（ｂ）は（ａ）
の“１”で示す本発明に係る燃料集合体の縦方向断面を
示す模式図、（ｃ）は従来の燃料集合体の縦方向断面を
示す模式図。

【図１８】（ａ）は図17（ｂ）のＡ−Ａ矢視方向横断面
図、（ｂ）は図17（ｂ）のＢ−Ｂ矢視方向横断面図、
（ｃ）は図17（ｂ）のＣ−Ｃ矢視方向横断面図。

【図１９】（ａ）〜（ｃ）は図17（ｂ）において本発明
に係る燃料集合体に組込む各種燃料棒の実施の形態を説
明するための図で、（ａ）はチャンネルボックス近傍に
配置する燃料棒を概略的に示す縦断面図、（ｂ）は短尺
化された燃料集合体の内部に配置するＭＯＸ低濃度領域
を有する燃料棒を概略的に示す縦断面図、（ｃ）はＢ₄
Ｃペレットスタックを一部に収納した燃料棒を概略的に
示す縦断面図。

【図２０】本発明に係る原子炉の炉心の第２の実施の形
態を示す炉心配置図。

【図２１】本発明に係る原子炉の炉心の第３の実施の形
態を示す炉心配置図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…チャンネルボックス、３…燃料
棒、４…吸収材セグメント、５…水ギャップ、６…低散
乱空間、７…燃料低減セグメント（Ｖ棒）、８…減速材
セグメント（Ｗ棒）、９…太径中空管、10…細径管、11
…容器、12…内部補強材、13…下流側主発熱領域、14…
下流側ブランケット、15…低濃度領域、16…上流側主発
熱領域、17…上流側ブランケット、18…主発熱領域、19
…被覆管、20…下部端栓、21…下部ＤＵＯ₂、22…上流
側ＭＯＸペレット、23…ＭＯＸ低濃度ペレット、24…下
流側ＭＯＸペレット、25…上部ＤＵＯ₂、26…ガスプレ
ナム、27…上部端栓、28…短尺燃料棒、29…バニッシン
グ部、30…金属管、31…断熱ペレット、32…長いガスプ
レナム、33…Ｂ₄Ｃペレット、34…金属製ウール、35…
全長主発熱型ＭＯＸ燃料、36…燃料低減セグメント、37
…中間プレナム、38…減速材セグメント。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ２１Ｃ 3/324 Ｇ２１Ｃ 3/16 Ｄ 3/326 ＧＤＰＡ 7/00 3/30 Ｈ 7/06 ＷＹＸ 3/32 Ｇ (72)発明者林大和神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者川島正俊神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の燃料棒を規則的に配置して構成さ
れた原子炉用の燃料集合体において、前記燃料棒はその
軸方向の一部に、中性子スペクトルが硬化しても中性子
吸収効果の劣化が少ない中性子吸収能力の大きい強中性
子吸収材を含む吸収材セグメントを有する第１の燃料棒
と、前記強中性子吸収材を含む前記吸収材セグメントを
含まない第２の燃料棒とからなり、前記第２の燃料棒は
その発熱物質がウランとプルトニウムとの混合物であ
り、前記各燃料棒間に介在する冷却材が軽水であること
を特徴とする燃料集合体。
【請求項２】前記冷却材は軽水と重水との混合物であ
ることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【請求項３】前記燃料棒の被覆管の肉厚を１ないし２
mmとすることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【請求項４】前記第１の燃料棒の強中性子吸収材は少
なくとも天然ボロンまたはＢ10を濃縮した濃縮ボロンが
主要な中性子吸収物質であることを特徴とする請求項１
記載の燃料集合体。
【請求項５】前記第１の燃料棒の強中性子吸収材は、
ボロンカーバイド（Ｂ₄Ｃ），六硼化ユーロピウム（Ｅ
ｕＢ₆），ユーロピアとガドリニアの混合酸化物（Ｅｕ
203 −Ｇｄ203 ），ＨｆＢ₂の少なくとも一または混合
物であることを特徴とする請求項１ないし４記載の燃料
集合体。
【請求項６】前記第１の燃料棒の強中性子吸収材は中
性子吸収物質と中性子減速材との混合物または化合物で
あることを特徴とする請求項１ないし３記載の燃料集合
体。
【請求項７】前記第１の燃料棒の強中性子吸収材はハ
フニウムの水素化物であることを特徴とする請求項６記
載の燃料集合体。
【請求項８】前記強中性子吸収材を含む吸収材セグメ
ントの軸方向高さが略揃った複数本の第１の燃料棒をチ
ャンネルボックス内部に分散して配置したことを特徴と
する請求項１ないし３記載の燃料集合体。
【請求項９】前記第１の燃料棒の吸収材セグメントと
軸方向高さが略等しく、かつ長さが略等しい燃料物質濃
度を低減した低発熱空間からなる燃料低減セグメントを
有する第３の燃料棒を、前記第１の燃料棒に隣接する周
りの一部または全部を取り囲むように配置したことを特
徴とする請求項１ないし３記載の燃料集合体。
【請求項１０】前記第１の燃料棒の吸収材セグメント
と軸方向高さが略等しく、かつ長さが略等しい中性子減
速材領域とからなる減速材セグメントを有する第４の燃
料棒を、前記第１の燃料棒に隣接する周りの一部または
全部を取り囲むように配置したことを特徴とする請求項
１ないし３記載の燃料集合体。
【請求項１１】前記第１の燃料棒に隣接する周りの一
部または全部を取り囲むように第３の燃料棒と第４の燃
料棒とを混合して配置したことを特徴とする請求項１な
いし３記載の燃料集合体。
【請求項１２】冷却材は軽水であり、軽水対燃料体積
比は常温において１以下であることを特徴とする請求項
１記載の燃料集合体。
【請求項１３】前記吸収材セグメントの軸方向長さは
10ないし30cmであることを特徴とする請求項１ないし３
記載の燃料集合体。
【請求項１４】燃料集合体の軸方向に燃料濃度を低下
させた低濃度領域を有する内部低濃度型燃料集合体で
は、前記低濃度領域内部または前記領域と主要発熱部で
ある通常領域との境界部の少なくとも一方の境界部に前
記吸収材セグメントが位置するように構成されたことを
特徴とする請求項１ないし３記載の燃料集合体。
【請求項１５】前記主要発熱部の内部にＺｒＨ₂，Ｚ
ｒＤ₂，Ｃ，Ｂｅ，ＢｅＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂など
の中性子減速材をセグメント状に有する第５の燃料棒を
分散配置して構成したことを特徴とする請求項１ないし
３記載の燃料集合体。
【請求項１６】前記低濃度領域を挟んで冷却材の上流
側と下流側に主要発熱部を有する燃料集合体において、
下流側に前記中性子減速材をセグメント状に配置した第
５の燃料棒を分散配置して構成したことを特徴とする請
求項15記載の燃料集合体。
【請求項１７】前記内部低濃度領域を含まない燃料集
合体では、燃料集合体の主要発熱部の中央付近ないし中
央から±50cm程度以内に前記吸収材セグメントが位置す
るように構成したことを特徴とする請求項１ないし３記
載の燃料集合体。
【請求項１８】主要発熱部の冷却材下流側または上流
側の少なくとも一方側に低濃度領域を有する燃料集合体
では、燃料集合体の主要発熱部と前記低濃度領域との境
界付近ないし低濃度領域に前記吸収材セグメントが位置
するように構成したことを特徴とする請求項14記載の燃
料集合体。
【請求項１９】多数の燃料棒を規則的に配置して構成
した燃料集合体の燃料棒が、その軸方向の一部に、中性
子スペクトルが硬化しても中性子吸収効果の劣化が少な
い中性子吸収能力の大きい強中性子吸収材を含む吸収材
セグメントを有する第１の燃料棒と、前記強中性子吸収
材を含む前記吸収材セグメントを含まない第２の燃料棒
とからなり、第２の燃料棒はその主発熱物質がウランと
プルトニウムとの混合物であり、各燃料棒間に介在する
冷却材が軽水であり、燃料棒相互間の間隔を低減して中
性子の減速特性を抑制した構成である内部に吸収材セグ
メントを有する複数の燃料集合体を炉心の一部に装荷し
て構成したことを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項２０】前記燃料集合体は冷却材流れの下流側
のブランケット部であって、横断面方向の内部に中性子
の低散乱空間を設け、この空間を取り囲むように減速材
兼冷却材空間（水ギャップ）を設けたことを特徴とする
請求項19記載の原子炉の炉心。
【請求項２１】前記減速材兼冷却材空間（水ギャッ
プ）の横断面幅は0.5〜３cmであることを特徴とする請
求項19記載の原子炉の炉心。
【請求項２２】前記低散乱空間は燃料棒を短尺化して
形成される空間に配置して構成したことを特徴とする請
求項19記載の原子炉の炉心。
【請求項２３】前記吸収材セグメントの吸収材が水素
を含まない場合には、前記吸収材セグメントを有する燃
料棒は吸収材セグメントと燃料物質スタック部との境界
にウール状の水素ゲッター物質を介在させて構成したこ
とを特徴とする燃料棒。
【請求項２４】前記減速材セグメントの減速材が水素
を含む場合には、前記減速材セグメントを含む燃料棒
は、中性子減速材部と燃料物質スタックとの境界を気密
状に隔離して構成したことを特徴とする燃料棒。
【請求項２５】前記減速材セグメントの中性子減速材
が水素非含有物質の場合には、減速材セグメントと燃料
物質スタックとの境界にウール状金属物質を介在させて
構成したことを特徴とする燃料棒。