JP2004093141A - Nuclear reactor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子炉の構造に関し、とくに、炉心反応度制御のための業務等を不要とする原子炉の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の原子炉では、炉心の過剰反応度を抑制し炉心の実効増倍率を1.0に維持するために、中性子吸収材を含む制御棒の挿入引抜き、あるいは1次冷却材中に中性子吸収材を溶解させて中性子吸収材濃度を変化させること等の反応度制御操作を行っている。
このような炉心の反応度制御のための運転操作は、原子炉を安全に運転する際に最も重要な技術の一つであり、現状ではコンピュータ制御による自動化運転が達成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような原子炉の自動化運転を行う一方、原子炉設備の万一の故障等に備え、熟練した技術、知識を有する複数の運転員が24時間体制で常時原子炉の運転状態を監視するとともに,必要な場合には手動により原子炉を運転する必要がある。そのため、手動運転可能に設備対応するとともに、手動運転のための運転員の訓練も必要となっている。
このような反応度制御のための運転員による原子炉監視業務は、原子炉の運転に必要な費用の主要な割合を占めている。
【0004】
一方、通常運転時の反応度変化は微小であり、これを常時検知し微妙な反応度制御操作を行うために、信頼性の高い精緻な構造、機能を有する設備が求められている。また、信頼性の高い原子炉にするために、反応度制御系の異常に伴う反応度投入あるいは反応度喪失が生じることを想定する必要がある。このような事態においても原子炉を安全に停止できるように、反応度を制御する制御棒を独立して複数設ける等、設備を独立多重化させる必要がある。このような精緻な反応度制御、反応度制御系の異常対応のための設備を導入することは、原子炉建設費の主要な割合を占めている。
【0005】
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、反応度制御のための原子炉監視業務が不要であり、精緻な反応度制御、反応度制御系の異常対応のための設備が不要な原子炉を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る原子炉は、炉心が複数に区分されたサブ炉心を備え、少なくとも、2つの前記サブ炉心に含まれる可燃性毒物装荷量が異なるものである。
また、複数のサブ炉心は、ひとつの中心サブ炉心と、この中心サブ炉心の周囲に放射状に配置された複数の周辺サブ炉心とに区分され、中心サブ炉心に含まれる可燃性毒物装荷量が、周辺サブ炉心に含まれる可燃性毒物装荷量よりも少なくすることができる。
サブ炉心間に制御棒を備え、この制御棒は、通常運転時には引き抜き状態で使用されることができる。
サブ炉心は、圧力管と、この圧力管の内部に、燃料集合体からなる炉心及び蒸気発生器とを備えた原子力蒸気供給カセットから構成することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る原子炉20の立断面図を図1に、平面断面図を図2に示す。
図2に端的に示されるように、軽水、重水またはグラファイトの減速材30が満たされる減速材タンク31内には、原子力蒸気供給カセット21が中心から放射状に7つ配置されている。
原子力蒸気供給カセット21は、図1に示されるように、それぞれ、圧力管22と、その内壁の中央から上方にかけて円周状に配置された蒸気発生器23とを備え、さらに、蒸気発生器23の下方には、燃料集合体を構成するカセット内炉心24を備えている。
圧力管22は、上下端を閉じた、例えば直径約50cm程度、長さ数メートルの細長円筒管であって、ステンレス鋼等の金属材料からなる圧力管ライナ25と、その外周面に、炭素繊維を巻いて強度を補強した強化繊維層26とを備えている。圧力管22とカセット内炉心24との間には、圧力管22内部に封入された1次冷却材28が下方に向かって流れるダウンカマー部27が形成されている。また、カセット内炉心24の上方には、カセット内炉心24によって加熱された1次冷却材28が上昇するライザー29が形成され、1次冷却材28が圧力管22内を矢印に示されるように循環するように構成されている。
【0008】
図2に示されるように、放射状に配置された原子力蒸気供給カセット21のカセット内炉心24のうち、中心にあるカセット内炉心24は、中心カセット内炉心24cを構成し、その周囲に円周上にあるカセット内炉心24は、周辺カセット内炉心24dを構成し、原子炉20全体としては、複数のカセット内炉心24を組み合わせたパッケージ内炉心が構成されている。
すなわち、この原子炉20は、原子炉全体の炉心が複数の原子力蒸気供給カセット21内に分割して配置され、中心カセット内炉心24cを中心サブ炉心とし、周辺カセット内炉心24dを周辺サブ炉心としたマルチサブ炉心構造を有する。
【0009】
ここで、中心カセット内炉心24cは、装荷量c1のウラン、プルトニウム等の核分裂性燃料、装荷量c2のホウ素等の可燃性毒物を含む。また、周辺カセット内炉心24dは、装荷量d1の核分裂性燃料、装荷量d2の可燃性毒物を含む。中心カセット内炉心24cと周辺カセット内炉心24dとの間の可燃性毒物装荷量の割合は、c2<d2の関係にあり、周辺カセット内炉心24dの可燃性毒物装荷量d2の方が、中心カセット内炉心24cの可燃性毒物装荷量c2よりも多くなるように構成されている。
【0010】
また、図2に示されるように、中心にある原子力蒸気供給カセット21の周囲には、制御棒32が中心カセット内炉心24cを覆うように円周上に6つ配置されている。制御棒32は、隣接する原子力蒸気供給カセット21間に延びる3つの板状部材からなり、図1に示されるように、カセット内炉心24に沿って上下方向に延びて、減速材タンク31の上方にある制御棒駆動装置33に接続されている。制御棒駆動装置33は制御棒32を上下に進退させる。
ここで、この原子炉20における制御棒32は、原子炉の緊急停止系設備として使用される。原子炉20の通常運転中は、上方に引き抜かれた全引き抜き状態にある。原子炉20の異常発生時である原子炉スクラム時、原子炉停止時には、制御棒32が下方まで挿入されることにより常にパッケージ内炉心が未臨界を確保できるように構成されている。
【0011】
減速材タンク31の外周面には断熱材34が巻かれ、その断熱材34の外側には水遮蔽タンク35が設けられている。水遮蔽タンク35内には遮蔽水36が満たされ、この遮蔽水36はそれぞれのカセット内炉心24から放射される中性子及びガンマ線を外部に対して遮蔽する。
【0012】
原子炉20の起動前において、圧力管22内に貯留される1次冷却材28の液面はH1の位置で、蒸気発生器23は水没した状態にあり、原子力蒸気供給カセット21の上部21bには気相部28aが形成されている。また、蒸気発生器23の2次冷却材43の供給排出経路として、途中に開閉弁41を備えた2次冷却材管44が配置され、図示しないタービン及びポンプに接続されている。さらに、原子力蒸気供給カセット21の上部21bには、配管39が貫通して配置され格納容器42内の減圧弁40に接続されている。
【0013】
一方、原子力蒸気供給カセット21の底部21aには、配管37が貫通して配置され、減速材タンク31の底面を貫通して水遮蔽タンク35内に設けられた非常用冷却水供給弁38に接続されている。
蒸気発生器23での熱交換を行うことができない場合等原子力蒸気供給カセット21の徐熱機能喪失時には、水遮蔽タンク35内の遮蔽水36を非常用冷却水供給弁38から原子力蒸気供給カセット21内に導入して、カセット内炉心24を冷却し、原子力蒸気供給カセット21内に発生した蒸気を減圧弁40により減圧して原子力蒸気供給カセット21の外部に放出するように構成されている。
また、格納容器42の外周には、格納容器42を空気冷却する空気流路45が形成されている。
【0014】
次に、この発明の実施の形態に係る原子炉の動作を説明する。
図1に示されるように、原子炉20の起動前において、制御棒32は制御棒駆動装置33により中心カセット内炉心24cを周囲から覆うように減速材タンク31の下方まで挿入され、パッケージ内炉心は未臨界状態になっている。その後、原子炉20の運転が開始され、制御棒32が上方へ引き抜かれ、全引き抜き状態になると燃焼が開始される。
燃焼が開始された後の、中心カセット内炉心24c、周辺カセット内炉心24dおよびこれらを合わせたパッケージ内炉心の燃焼に伴う反応度の経時変化のグラフを図3に示す。
燃焼開始当初は、中心カセット内炉心24cのみで核分裂連鎖反応を維持し、中心カセット内炉心24の反応度は正となっている。しかしながら、中心カセット内炉心24cの可燃性毒物装荷量c2は少なく中性子が少ないので、中心カセット内炉心24cで発生した中性子は周辺カセット内炉心24dに供給される。
【0015】
周辺カセット内炉心24dは、可燃性毒物装荷量c2が多いので、周辺カセット内炉心24dの反応度は負であるが、その後中性子が供給されるにつれて可燃性毒物が中性子と反応して消滅していく。可燃性毒物装荷量c2が少なくなるにつれて、周辺カセット内炉心24dの反応度が増加して、周辺カセット内炉心24d単独でも核分裂連鎖反応を維持できるようになる。さらに、燃焼が進行すると、中心カセット内炉心24c単独での反応度は低下するが、周辺カセット内炉心24dでの核分裂連鎖反応は維持される。
【0016】
次に、パッケージ内炉心全体の反応度の経時変化を見ると、パッケージ内炉心全体の発熱量を一定とした場合でも、0%近傍に維持され、自己制御性のみで反応度を制御しうる許容範囲内にある。
ここで、自己制御性とは、反応度が上昇しパッケージ炉内炉心の温度が上昇すると負の反応度変化を生じるドップラー効果や、反応度が上昇し減速材30の温度が上昇すると、減速材30の密度が変化して負の反応度変化を生じる減速材密度係数効果により、反応度が許容範囲を越えないで反応度0%近傍を維持できることであり、反応度フィードバック効果とも呼ぶ。
このように、カセット内炉心24の核分裂連鎖反応の時期をずらして、反応度が許容範囲を越えない範囲に維持すると、パッケージ内炉心全体の発熱量が大きく変化することなく、炉心固有の自己制御性のみで反応度制御が可能であり、制御棒の挿入引き出しによる反応度制御や、1次冷却材中の中性子吸収材濃度の変化による反応度制御は不要となる。
【0017】
図4は、パッケージ内炉心全体の発熱量を一定とした場合で、この実施の形態に係る原子炉の燃焼に伴う余剰反応度経時変化の評価例を示す。
この評価に使用された複数の原子力蒸気供給カセット21において、中心カセット内炉心24cには、装荷量c1として燃料棒約860本分に相当する10wt%の濃縮ウランが含まれ、可燃性毒物の装荷量c2は0であって、可燃性毒物は装荷されていない。周辺カセット内炉心24dには、装荷量d1として燃料棒約770本分(装荷量c1の約90%)に相当する10wt%の濃縮ウランが含まれている。さらに、周辺カセット内炉心24dには、約90本の可燃性毒物棒に相当する天然ホウ素が、装荷量d2の可燃性毒物として含まれている。
【0018】
このように構成された原子炉20の全体の燃焼は、取出平均燃焼度が70GWd/tの高燃焼度を達成する場合でも、図4に実線で示されるように、パッケージ内炉心の最大余剰反応度は約5%、余剰反応度変化率は0.1%/(GWd/t)である。したがって、これらの値は、破線で示される通常の原子炉の炉心の約1/5以下であり、非常に小さいものとなっている。
このように、中心カセット内炉心24cと周辺カセット内炉心24dとの可燃性毒物装荷量を異なるものにすることにより、各カセット内炉心24が単独で核分裂連鎖反応を維持できる時期をずらして、炉心固有の自己制御性のみでパッケージ内炉心の余剰反応度をほぼ0%に維持できる。
【0019】
以上のように、例えば、各カセット内炉心24の可燃性毒物装荷量を調整して、原子炉20の稼働開始から数年間は、中心カセット内炉心24cについて単独で核分裂連鎖反応を維持させ、その後の数年間は、複数の周辺カセット内炉心24dについて単独で核分裂連鎖反応を維持させるようにして、燃料交換をすることなく長期に亘って原子炉20を運転することができる。
また、分割されたサブ炉心は、原子力蒸気供給カセット21内に設けることができるので、サブ炉心ごとに装荷される可燃性毒物の量を異なるものにすることが容易である。さらに、原子力蒸気供給カセット21の数に応じて所望の発電量を得ることができる。
【0020】
以上に説明してきた本発明は、上記に限定されるものではなく、適宜改変して実施することができる。
例えば、上述した実施形態では、原子炉全体を複数の炉心に分割するために、複数の原子力蒸気供給カセット21を用いたが、これに限定されるものではなく、原子炉容器内に炉心がひとつのみしか存在しない従来からの原子炉において、炉心を複数に分割すると共に、分割された炉心に含まれる可燃性毒物の装荷量を異なるものにしてもよい。すなわち、このようなマルチサブ炉心構造は従来の原子炉においても適用可能である。
また、図1に示されるように、原子力蒸気供給カセット21に満たされる1次冷却材28の液面の高さはH1の位置であったが、液面の高さをH3の位置にし、蒸気発生器23がすべて露出するようにしてもよい。この場合、沸騰蒸気となった1次冷却材28により2次冷却材43との間で熱交換が行なわれる。すなわち、従来の沸騰水型軽水炉のように、原子力蒸気供給カセット21内での冷却材沸騰を利用することにより、炉心固有の自己制御性のみでの反応度制御がさらに容易になる。
【0021】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、原子炉全体の炉心が、複数に区分されたサブ炉心に区分され、少なくとも、2つのサブ炉心に含まれる可燃性毒物装荷量が異なるので、サブ炉心単独での核分裂連鎖反応を維持できる時期をずらして、原子炉全体の反応度を自己制御性のみで制御できる許容範囲に維持できる。したがって、反応度制御のための原子炉監視業務、精緻な反応度制御、反応度制御系の異常対応のための設備を不要にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態に係る原子炉の構造を示す立断面図である。
【図2】図1の原子炉の平面断面図である。
【図3】実施形態に係る原子炉の燃焼に伴う炉心の反応度の変化の概念を示すグラフである。
【図4】実施形態に係る原子炉の燃焼に伴う炉心の余剰反応度の変化の評価例を示すグラフである。
【符号の説明】
20…パッケージ型原子炉、21…原子力蒸気供給カセット、22…圧力管、23…蒸気発生器、24…カセット内炉心、24c…中心カセット内炉心、24d…周辺カセット内炉心、32…制御棒。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a nuclear reactor, and more particularly to a structure of a nuclear reactor that does not require operations for controlling the core reactivity.
[0002]
[Prior art]
In a conventional nuclear reactor, in order to suppress the excess reactivity of the core and maintain the effective multiplication factor of the core at 1.0, insertion and withdrawal of a control rod including a neutron absorber, or neutron absorber in the primary coolant Reactivity control operations such as changing the neutron absorbing material concentration by dissolving
Such operation for controlling the reactivity of the core is one of the most important technologies for safely operating the reactor, and at present, automated operation by computer control has been achieved.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, while such automated operation of the reactor is being performed, multiple operators with expert skills and knowledge constantly monitor the operating state of the
Reactor monitoring activities by operators for such reactivity control account for a major proportion of the costs required to operate the reactor.
[0004]
On the other hand, the reactivity change during normal operation is very small, and in order to constantly detect the change and perform a delicate reactivity control operation, equipment having a highly reliable and precise structure and function is required. Further, in order to make the reactor highly reliable, it is necessary to assume that the reactivity input or loss occurs due to the abnormality of the reactivity control system. In such a situation, in order to safely stop the reactor, it is necessary to multiplex the facilities independently, for example, by providing a plurality of control rods for controlling the reactivity independently. Introducing equipment for such sophisticated reactivity control and abnormality handling of the reactivity control system accounts for a major proportion of the reactor construction cost.
[0005]
The present invention has been made to solve such a problem, and does not require a reactor monitoring operation for reactivity control, and has equipment for precise reactivity control and abnormality handling of the reactivity control system. An object is to provide an unnecessary nuclear reactor.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A nuclear reactor according to the present invention includes a sub-core having a plurality of divided cores, and at least two of the sub-cores have different amounts of burnable poisons.
Further, the plurality of sub-cores are divided into one central sub-core and a plurality of peripheral sub-cores radially arranged around the central sub-core, and the amount of burnable poison contained in the central sub-core is: The amount of burnable poison contained in the peripheral sub-core can be reduced.
A control rod is provided between the sub cores, and the control rod can be used in a withdrawn state during normal operation.
The sub-core can be constituted by a nuclear steam supply cassette including a pressure tube, a core made of a fuel assembly, and a steam generator inside the pressure tube.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a vertical sectional view of a
As shown in FIG. 2, seven nuclear
As shown in FIG. 1, each of the nuclear
The pressure pipe 22 is an elongated cylindrical pipe having a diameter of about 50 cm and a length of several meters, for example, having closed upper and lower ends. The
[0008]
As shown in FIG. 2, among the
That is, in the
[0009]
Here, the
[0010]
As shown in FIG. 2, six
Here, the
[0011]
A
[0012]
Before the start of the
[0013]
On the other hand, a
When the gradual heating function of the nuclear
An
[0014]
Next, the operation of the nuclear reactor according to the embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, before starting the
FIG. 3 shows a graph of the change over time of the reactivity accompanying the combustion of the core 24c in the central cassette, the
At the beginning of the combustion, the fission chain reaction is maintained only in the core 24c in the center cassette, and the reactivity of the core 24 in the center cassette is positive. However, since the amount of combustible poisons c2 in the core 24c in the center cassette is small and neutrons are small, neutrons generated in the core 24c in the center cassette are supplied to the
[0015]
The core 24d in the peripheral cassette has a large amount c2 of the burnable poison, so the reactivity of the core 24d in the peripheral cassette is negative. However, as the neutrons are supplied, the burnable poison reacts with the neutrons and disappears. Go. As the amount of burnable poison c2 decreases, the reactivity of the core 24d in the peripheral cassette increases, so that the fission chain reaction can be maintained by the
[0016]
Next, looking at the change over time in the reactivity of the entire core in the package, it can be seen that even if the calorific value of the entire core in the package is fixed, it is maintained at around 0% and the reactivity can be controlled only by self-control. In range.
Here, the self-controllability means the Doppler effect that causes a negative reactivity change when the reactivity increases and the temperature of the core in the package furnace increases, or the self-controllability decreases when the reactivity increases and the temperature of the
As described above, when the timing of the fission chain reaction of the core 24 in the cassette is shifted to maintain the reactivity within a range not exceeding the allowable range, the heating value of the entire core in the package does not greatly change and the self-control inherent in the core does not greatly change. The reactivity control can be performed only by the reactivity, and the reactivity control by inserting and extracting the control rod and the reactivity control by changing the neutron absorbing material concentration in the primary coolant become unnecessary.
[0017]
FIG. 4 shows an example of the evaluation of the change over time of the excess reactivity accompanying the combustion of the nuclear reactor according to the present embodiment, in a case where the calorific value of the entire core in the package is fixed.
In the plurality of nuclear
[0018]
As shown by the solid line in FIG. 4, the entire combustion of the
In this way, by making the amount of burnable poison loaded between the core 24c in the central cassette and the core 24d in the peripheral cassette different, the timing in which each core 24 in each cassette can independently maintain the fission chain reaction is shifted. The surplus reactivity of the core in the package can be maintained at almost 0% only by the inherent self-controllability.
[0019]
As described above, for example, the amount of burnable poisons in each
Further, since the divided sub-cores can be provided in the nuclear
[0020]
The present invention described above is not limited to the above, and can be implemented with appropriate modifications.
For example, in the above-described embodiment, a plurality of nuclear
Also, as shown in FIG. 1, the liquid level of the
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the core of the entire nuclear reactor is divided into a plurality of sub-cores, and at least the amount of burnable poison contained in the two sub-cores is different. By shifting the time at which a single fission chain reaction can be maintained, the reactivity of the entire reactor can be maintained within an allowable range that can be controlled only by self-control. Therefore, it is possible to obviate the need for reactor monitoring work for reactivity control, precise reactivity control, and equipment for responding to abnormalities in the reactivity control system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an elevational sectional view showing a structure of a nuclear reactor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan sectional view of the nuclear reactor of FIG.
FIG. 3 is a graph showing a concept of a change in reactivity of a reactor core accompanying combustion of a nuclear reactor according to the embodiment.
FIG. 4 is a graph showing an evaluation example of a change in excess reactivity of a reactor core accompanying combustion of a nuclear reactor according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference numeral 20: package type reactor, 21: nuclear steam supply cassette, 22: pressure tube, 23: steam generator, 24: core in cassette, 24c: core in central cassette, 24d: core in peripheral cassette, 32: control rod.
Claims (4)
少なくとも、2つの前記サブ炉心に含まれる可燃性毒物装荷量が異なる原子炉。A sub-core with a core divided into a plurality
At least two nuclear reactors having different amounts of burnable poisons contained in the sub-cores.
前記中心サブ炉心に含まれる可燃性毒物装荷量が、前記周辺サブ炉心に含まれる可燃性毒物装荷量よりも少ない請求項1に記載の原子炉。The plurality of sub-cores are divided into one central sub-core and a plurality of peripheral sub-cores radially arranged around the central sub-core,
The reactor according to claim 1, wherein the amount of burnable poison contained in the central sub-core is smaller than the amount of burnable poison contained in the peripheral sub-core.
この制御棒は、通常運転時には引き抜き状態で使用される請求項1または2に記載の原子炉。A control rod is provided between the sub cores,
The reactor according to claim 1, wherein the control rod is used in a drawn state during normal operation.
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