JP2003004884A - 沸騰水型熱中性子炉 - Google Patents

沸騰水型熱中性子炉

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JP2003004884A JP2002136432A JP2002136432A JP2003004884A JP 2003004884 A JP2003004884 A JP 2003004884A JP 2002136432 A JP2002136432 A JP 2002136432A JP 2002136432 A JP2002136432 A JP 2002136432A JP 2003004884 A JP2003004884 A JP 2003004884A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、炉停止余裕及び熱的余裕を増
大し、炉心単位体積当たりの原子炉出力を増加できる沸
騰水型熱中性子炉を提供することにある。 【解決手段】チャンネルボックスに囲まれ内部に水ロッ
ドを有する複数の燃料集合体が装荷された沸騰水型熱中
性子炉の炉心において、前記チャンネルボックスの周囲
に形成された水ギャップ領域及び前記水ロッド内の領域
を含む非沸騰水領域の合計横断面積Aと、前記チャンネ
ルボックス内で前記燃料棒及び前記水ロッドの外側に形
成される沸騰水領域の横断面積Bの関係が、B/(A+
B)≧0.75 を満足するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型熱中性子
炉(BWR)に関係し、更に熱的余裕の増大により発電
容量を増大するのに適した沸騰水型熱中性子炉に関係す
る。
【0002】
【従来の技術】従来のBWR炉心においては、隣接する
燃料集合体群の間に、十字型の制御棒を挿入するため
に、非沸騰水で満たされた水ギャップ領域が設けられて
いる。この水ギャップ領域は制御棒ブレード厚みの約2
倍の幅を有する。燃料集合体中央部には、中性子束分布
を平坦化するために、非沸騰水で満たされた水ロッドが
設けられている。これらの非沸騰水領域を設けることに
よって、炉心平均の水素対ウラン原子数比(以下、H/
U比と略記する)が、4〜5の範囲に調整され、所要ウ
ラン濃縮度が最小となる。その理由は主としてウラン資
源を節約するためである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
例えば、大幅に高燃焼度化を図った場合は、余剰反応度
が増大して炉停止余裕を確保することが困難となる。特
開昭63−82392 号公報に開示されたように、燃料集合体
の横断面積を従来のルート2倍にし、2つの広翼十字型
の制御棒で1つの燃料集合体を挟み、その制御棒を燃料
集合体の両側に挿入する大型格子炉心が考えられる。こ
の従来の大型格子炉心では、核分裂で発生した中性子を
十分に減速させるため、燃料集合体の内部に径の大きい
水ロッドが多数配置されている。しかしながら、このよ
うに燃料集合体内に冷却に寄与しない水が存在すること
は、熱的余裕の確保の観点からは好ましくなく、出力密
度を高めて経済性の向上を図るには適していない。
【0004】本発明の目的は、炉停止余裕及び熱的余裕
を増大し、炉心単位体積当たりの原子炉出力を増加でき
る沸騰水型熱中性子炉を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、水ギャップ領域及び水ロッド内の領域を含
む非沸騰水領域の合計横断面積Aとチャンネルボックス
内で燃料棒及び水ロッドの外側に形成される沸騰水領域
の横断面積Bの関係がB/(A+B)≧0.75を満足す
るように構成した炉心を有する。好ましくは、0.9≧
B/(A+B)≧0.75 に設定するのがよい。これによ
り十分な炉停止の余裕ができる。
【0006】上記目的を達成する本発明の運転方法の特
徴は、炉心の横断面における単位面積当たりの冷却材流
量を、少なくとも運転サイクルの一時期において、3.
0×103t/h/m2〜4.0×103t/h/m2 とす
ることである。
【0007】B/(A+B)≧0.75 の関係を満たすこ
とによって、炉心横断面における単位面積当たりの冷却
材流量を3.0×103t/h/m2 以上を確保できる。
好ましくは、B/(A+B)≦0.9 が満たされることに
よって従来と同等以上の炉停止余裕が確保される。
【0008】炉心の横断面における単位面積当たりの冷
却材流量を、少なくとも運転サイクルの一時期におい
て、3.0×103t/h/m2〜4.0×103t/h/
2とすることによって、炉心出口における蒸気流量を
増加、すなわち原子炉出力を増加できる。この原子炉出
力の増加は、冷却に寄与しない非沸騰水領域を減らして
沸騰水領域を増やすことで冷却水流路面積が大きくな
り、図5に示すように、炉心の圧力損失を増大させるこ
となく冷却水流量を増やすことによって達成できる。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明は、以下の検討結果に基づ
いてなされたものである。
【0010】図3に示すように、炉心の横断面の単位面
積当たりの冷却水流量が増えるにつれ、限界出力比が増
大し、熱的余裕が増える。得られた熱的余裕を活用し
て、限界出力比が一定となるように原子炉の熱出力を高
めると、電気出力に相当する炉心出口の蒸気流量は、炉
心横断面の単位面積当たりの冷却水流量の増加と共に増
大していく。しかしながら、再循環ポンプまたはインタ
ーナルポンプのキャビテーション現象を抑制するため
に、一定の入口サブクールをとることが一般的であるの
で、過度に流量を増やすと冷却水は沸騰する前に炉心出
口に到達してしまうことになり、蒸気流量は逆に減少す
る。
【0011】発明者等は、以上の考察から、炉心出口の
蒸気流量には最大値が存在すると考えた。種々の検討の
結果、図4に示すように、炉心横断面の単位面積当たり
の冷却水流量が3.0×103t/h/m2〜4.0×10
3t/h/m2の範囲で炉心出口の蒸気流量は、ほぼ最大
となることがわかった。換言すれば、3.0×103t/
h/m2〜4.0×103t/h/m2の範囲になるように
炉心横断面の単位面積当たりの冷却水流量を調節するこ
とにより、熱的余裕を確保しつつ、炉心単位体積あたり
の原子炉出力を増大できる。
【0012】(実施例1)本発明の実施例1である沸騰
水型熱中性子炉の運転方法を適用する沸騰水型熱中性子
炉の構造を、図1に基づいて説明する。
【0013】沸騰水型熱中性子炉においては、原子炉圧
力容器1内に炉心2が設けられ、炉心2に冷却水を供給
するインターナルポンプ3が設けられる。多数の燃料集
合体が炉心2内に装荷されている。中性子検出器4が炉
心2内に設置されている。インターナルポンプ3から吐
出されて炉心2内に供給される冷却水流量(炉心流量)を
検出する流量計5が設けられている。
【0014】冷却水はインターナルポンプ3によって昇
圧され、下部プレナム6を経由して炉心2内に達する。
この炉心2に供給される冷却水流量は、インターナルポ
ンプ3の回転速度が設定値になるように調節される。イ
ンターナルポンプ3の回転速度は、具体的には、制御装
置7が流量計5の出力に基づいてインバータ電源装置8
を制御することによって、調節される。
【0015】本実施例では、運転サイクル初期における
定格の炉心流量を3.0×103t/h/m2,運転サイ
クル末期での最大炉心流量を3.3×103t/h/m2
になるように調節する。これらは、炉心内で燃料集合体
が装荷されている部分の単位横断面積当たりの流量であ
る。本実施例では、運転サイクルの間、炉心内で燃料集
合体が装荷されている部分の単位横断面積当たりの冷却
水流量が3.0×103t/h/m2 になるように制御さ
れる。運転サイクルとは、原子炉が起動されてから燃料
交換のために停止されるまでの期間である。
【0016】本実施例の沸騰水型熱中性子炉は、出力約
800kW,水頭約40mの性能を有するインターナル
ポンプ3を12台備えている。
【0017】炉心2の詳細構成を図2を用いて、以下に
説明する。燃料集合体9は、ジルカロイ合金製の被覆管
内に濃縮ウラン酸化物からなる燃料物質を充填した燃料
棒10を束ねる。この束ねられた燃料棒をジルカロイで
できた外幅約20cmの断面が正方形の筒状のチャンネル
ボックス11で覆って燃料集合体を構成する。隣接する
燃料集合体9の間には、余剰反応度を制御し、また、原
子炉を安全に停止するために、炭化硼素を含む吸収棒1
2を束ねた十字型制御棒13が挿入される。燃料棒10
の直径は約12mm,燃料ペレット径は約10mm,燃料棒
10の間隔は約15mm,平均ウラン濃縮度が約6%の燃
料棒169本が、13行13例で配列されている。この
ときの沸騰水領域と(非沸騰水領域+沸騰水領域)の面積
比(以下、沸騰水領域割合という)は0.76であり従
来技術のC格子炉心の約0.68(従来の大型K格子炉
心でもほぼ同等)より大きく設定されている。このよう
な構成によって、従来技術に比べ冷却材流路面積が大き
くなる。そのため、炉心の圧力損失を一定とする条件の
下で、冷却水流量を3.0×103t/h/m2 まで大き
くしている。冷却材流量を大きくすると、図3に示した
ように限界出力比が増大し、熱的余裕が増える。すなわ
ち、得られた熱的余裕を活用して、図4に示したように
電気出力に相当する原子炉の出口蒸気流量をほぼ最大に
できる。
【0018】熱出力を一定として、冷却水流量を3.0
×103t/h/m2 まで大きくした場合、蒸気流量は
熱出力にほぼ比例するため一定である。これに対して、
液相の流量が増えるため、炉心の平均ボイド率は低減さ
れ、さらに炉心出口(炉心上部)のボイド率も低減され
る。炉心入口(炉心下部)のボイド率は冷却材流量によ
らずほぼ零で一定であるため、炉心上部と炉心下部のボ
イド率の差は、冷却材流量が増えるほど小さくなる。し
たがって、中性子の減速効果の差も小さくなり、軸方向
における出力分布が平坦化されるという効果が得られ
る。さらに、平均ボイド率が下がることにより、冷温時
における反応度の上昇幅も低減されるので、炉停止余裕
を大きくできる。
【0019】(実施例2)本発明の他の実施例である沸
騰水型熱中性子炉を以下に説明する。本実施例の沸騰水
型熱中性子炉は、炉心2が図2の構成の替りに図6の燃
料集合体15を装荷して構成される。燃料集合体15
は、正六角形の横断面の筒状のチャンネルボックス16
内に多数の燃料棒10を正三角形格子状に配置し、燃料
棒10の間に複数の制御棒案内管17を配置することに
より構成される。それぞれの制御棒案内管17内には、
クラスター制御棒が挿入される。
【0020】本実施例よれば、実施例1と異なり、燃料
集合体の外側に制御棒挿入用スペースが不要となる。そ
して、燃料集合体の大きさにかかわらず、非沸騰水領域
の割合を減らし、沸騰水領域の割合を0.76 程度に増
やすことができる。このような炉心を有する本実施例の
沸騰水型熱中性子炉においては、制御装置7により、運
転サイクルの期間中、炉心流量を3.0×103t/h/
2 (運転サイクル初期)〜4.0×103t/h/m
2(運転サイクル末期)に調節される。本実施例において
も、実施例1と同様な効果を得ることができる。
【0021】(実施例3)次に、燃料集合体を取囲む水
ギャップ内で燃料集合体の1つのコーナー部に面する側
に制御棒を挿入するC格子炉心を用いた沸騰水型熱中性
子炉の実施例を以下に説明する。
【0022】C格子炉心は、図7に示すように、図2に
示す燃料集合体の横断面積のルート2分の1の横断面積
を有する燃料集合体18が装荷されて構成される。制御
棒20が、隣接する4体の燃料集合体18の間に、挿入
される。燃料棒19においては、図8に示すように密封
された被覆管20内に燃料ペレット21が充填され、被
覆管20内の下端部にガスプレナム22が形成されてい
る。ガスプレナム22の軸方向の長さは、40cmであ
る。
【0023】本実施例によれば、燃料集合体18内で圧
力損失が相対的に小さい下部の単相流部の長さが増加
し、相対的に圧力損失の大きい二相流部の長さが短くな
り、炉心の圧力損失を約10%低減できる。
【0024】制御装置7は、インターナルポンプ6の回
転速度を制御し、定格炉心流量を3.0×103t/h/
2 に制御する。本実施例においても、実施例1と同様
な効果が得られる。
【0025】(実施例4)本実施例は、上端部にガスプ
レナムを有する多数の燃料棒で構成された燃料集合体2
3が炉心に装荷された沸騰水型熱中性子炉を対象にした
ものである。この沸騰水型熱中性子炉の炉心は、図7に
示すC格子炉心である。燃料集合体の支持構造は、図9
に示される。すなわち、燃料集合体23の下部タイプレ
ートは、燃料支持金具24に支持される。冷却水案内管
25は、その上端部内に燃料支持金具24が挿入され、
その下端部が仕切り板26に取り付けられる。仕切り板
26は、原子炉圧力容器1に取り付けられる制御棒ハウ
ジング27に設置される。冷却水案内管25は、燃料集
合体の横断面積よりも小さい。冷却水は、冷却水案内管
25を通り燃料集合体23内に供給される。冷却水案内
管25を流れる冷却水の慣性により、燃料集合体23の
冷却水入口オリフィス口径を大きくしても熱水力的安定
性を確保し、炉心の圧力損失を低減できる。本実施例で
は、燃料集合体ピッチ約15cmに対して、冷却水案内管
の内径が約5cmである。
【0026】制御装置7は、インターナルポンプ6の回
転速度を制御することにより、定格炉心流量を3.0×
103t/h/m2 に制御する。従って、熱的余裕を増
やすことができ、本実施例も、実施例1と同様な効果が
得られる。
【0027】なお、実施例3及び4の低圧損のための技
術は、実施例1及び2に適用することも可能であり、冷
却材流量の増加や燃料の装荷量の増加を通じて、熱的余
裕増大に関し一層の効果が得られる。
【0028】(実施例5)この実施例は、図10の燃料
集合体28を装荷した炉心を備えた沸騰水型熱中性子炉
に関係する。燃料集合体28は、上部タイプレート29
及び下部タイプレート30を有し、燃料棒1の上端部及
び下端部が上部タイプレート29及び下部タイプレート
30に保持されている。複数の燃料スペーサ31が軸方
向に配置される。燃料棒群1の間にはそれよりも軸方向
の長さが短い部分長燃料棒32が配置される。部分長燃
料棒の配置によって圧力損失が実施例1よりも減少す
る。
【0029】このような沸騰水型熱中性子炉も、冷却水
流量が実施例1のように制御される。本実施例において
も、実施例1と同様な効果が期待できる。
【0030】(実施例6)実施例1においては、冷却水
流量の増加によって熱的余裕の増大を図った。これを活
用して出力密度を高めると、燃料装荷量を一定とすると
燃料の取替えの数を増やす必要があるため、燃料経済性
が損なわれる。
【0031】出力密度を高めた場合に、従来技術と同等
の燃料経済性を確保するためには、比出力(単位燃料重
量当たりの熱出力)を従来技術と同等にすればよい。図
4より、冷却水流量の増加によって、出力密度を約10
%増加させることができることがわかる。この場合に比
出力を一定にするためには、単位体積当たりの燃料の装
荷量を約10%以上増やせばよい。図11に示すよう
に、炉心横断面積の単位面積に占める非沸騰水領域の割
合を実施例1と同じにして、沸騰水領域の一部を燃料棒
に置き換えて、燃料棒の配列を13行13列から14行
14列にすると、燃料集合体35の単位体積当たりの燃
料装荷量が、特開昭63−82392 号公報に開示の従来技術
から推定される2.4kg/lから2.6kg/lまで、約1
0%増加できた。沸騰水領域の割合は、従来技術と同等
の0.68である。
【0032】制御装置7により、冷却水流量は、炉心横
断面の単位体積当たり3.0×103t/h/m2 に制御
される。
【0033】本実施例の炉心によれば、図12に示すよ
うに、冷却水流量を増やすことにより、出力密度を従来
の50kW/lから55kW/lに約10%高めて発電
容量を増大する場合にも、取替え体数を増やすことなく
対応でき、従来技術と同等の燃料経済性を確保できる。
【0034】(実施例7)以上説明した実施例は、運転
サイクルの初期から末期まで、従来技術に比べ冷却水流
量を増加して熱的余裕を増やした。本実施例において
は、図13に示すように、運転サイクル初期での冷却水
流量を従来と同等の約2.5×103t/h/m2 とし、
運転サイクル末期での冷却水流量を約3.3×103t/
h/m2 に、制御により制御される。
【0035】本実施例によれば、運転サイクルの期間を
通じて、熱的余裕を確保し、圧力損失の増大を抑制しつ
つ、スペクトルシフトによる余剰反応度制御及び反応度
利得による省ウラン効果がある。
【0036】
【発明の効果】本発明によれば、炉停止余裕及び熱的余
裕を増大させ、炉心単位体積当たりの原子炉出力を増加
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を適用する沸騰水型熱中性子
炉の構成図である。
【図2】図1の炉心の局部横断面図である。
【図3】炉心横断面の単位面積当たりの冷却水流量と限
界出力比増分及び平均ボイド率との関係を示す特性図で
ある。
【図4】炉心横断面の単位面積当たりの冷却水流量と炉
心出口における蒸気流量との関係を示す特性図である。
【図5】炉心横断面の単位面積当たりの冷却水流量と沸
騰水の領域割合との関係を示す特性図である。
【図6】本発明の他の実施例を適用する沸騰水型熱中性
子炉の炉心に装荷する燃料集合体の縦断面図である。
【図7】本発明の他の実施例を適用する沸騰水型熱中性
子炉の炉心の局部横断面図である。
【図8】図7の燃料棒の縦断面図である。
【図9】本発明の他の実施例を適用する沸騰水型熱中性
子炉の炉心に装荷する燃料集合体及び燃料支持構造の縦
断面図である。
【図10】本発明の他の実施例を適用する沸騰水型熱中
性子炉の炉心に装荷する燃料集合体の縦断面図である。
【図11】本発明の他の実施例に適用する沸騰水型熱中
性子炉の炉心の横断面図である。
【図12】燃料装荷量と燃料取替え体数との関係を示す
特性図である。
【図13】サイクル燃焼度と炉心横断面の単位面積当た
りの冷却水流量との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
1…原子炉圧力容器、2…炉心、3…インターナルポン
プ、7…制御装置、9,15,18,23,28,35
…燃料集合体、10…燃料棒、22…ガスプレナム、2
4…燃料支持金具、25…冷却水案内管、27…制御棒
ハウジング、32…部分長燃料棒。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 淳一 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 石橋 洋子 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 横溝 修 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】チャンネルボックスに囲まれ内部に水ロッ
    ドを有する複数の燃料集合体が装荷された沸騰水型熱中
    性子炉の炉心において、前記チャンネルボックスの周囲
    に形成された水ギャップ領域及び前記水ロッド内の領域
    を含む非沸騰水領域の合計横断面積Aと、前記チャンネ
    ルボックス内で前記燃料棒及び前記水ロッドの外側に形
    成される沸騰水領域の横断面積Bの関係が、B/(A+
    B)≧0.75 を満足する炉心を備えたことを特徴とす
    る沸騰水型熱中性子炉。
  2. 【請求項2】前記関係式が0.9≧B/(A+B)≧0.7
    5の関係を満足する請求項1の沸騰水型中性子炉の炉
    心。
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JP2008032696A (ja) * 2006-06-27 2008-02-14 Hitachi Ltd 原子炉の運転方法及び原子力発電プラント
JP2022091261A (ja) * 2020-12-09 2022-06-21 三菱重工業株式会社 炉心構造および原子炉

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