JP2004257733A - 十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心に関わるものである。転換比を高めるため燃料棒間隙を狭くしたＭＯＸ燃料集合体の高経済性を維持したまま、ボイド反応度係数を負にして安全性も維持する。
【解決手段】炉心に装荷する燃料集合体の一部を空集合体１００に置き換えることにより、流量が減少してボイドが増加した時に、炉心上下方向への中性子漏洩量が増加して核分裂が抑制されるようにする。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、十字型制御棒を装荷する沸騰水型原子力発電における炉心に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
十字型制御棒を装荷する沸騰水型原子炉の炉心は図１に示すように、フォロワー付き制御棒（２０）とこれを囲む４体の核燃料物質を内包する燃料集合体（１０）とそれ等の間を流れる漏洩冷却材（３０）とで構成されている。図２は図１の部分を拡大したものである。燃料集合体（１０）は、ＭＯＸと呼ばれるプルトニウムの酸化物とウラン２３８を主成分とする天然ウランまたは劣化ウランの酸化物の混合酸化物からなる核燃料物質を内包する燃料棒（１２）を多数本正方格子状（まれに三角格子状）に配列しそれ等をチャンネルボックス（１１）で一体化している。燃料棒（１２）の間には発生した熱を原子炉の外に取り出すために液体と蒸気ボイドとが二相流（１３）となって流れている。液体の冷却材が下から入り上に流れるに従い、燃料棒から熱を吸収して蒸気になり蒸気ボイドと液体とが混在して流れる二相流（１３）となっている。図３は燃料集合体（１０）の拡大図である。フォロワー付き制御棒（２０）の上部は原子炉の性能を低下させる漏洩冷却材（３０）の水を排除するためのフォロワー（２１）で、その下は出力を制御するための中性子を吸収する性質の強い物質からなる制御棒（２２）である。燃料集合体（１０）の下端の燃料集合体冷却材流入口（１４）から液体の冷却材が流入し、蒸気ボイドを含む二相流（１３）となって上端からでていく。図４は燃料棒（１２）の概観図である。燃料棒（１２）は、ＭＯＸの直径約８ｍｍ長さ約１０ｍｍの核分裂性物質ペレット（１２１）の堆積と大気圧の約１０倍程度のヘリウム（１２３）を内封する直径約１０ｍｍ長さ２ｍ？４ｍの円筒形状をした中性子弱吸収材の金属の円筒形鞘である被覆管（１２２）からなっている。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
原子炉の炉心に装荷されている燃料集合体（１０）で核反応が起こると、核分裂し易いプルトニウムが消費される。吸収する一個の中性子当たり発生する中性子数Ｅは、プルトニウムでは速い中性子程大きくなる。Ｅが大きいと、プルトニウムの消費量に対するウラン２３８等が中性子を吸収して核分裂し易いプルトニウムを生成する割合である転換比ＢＲが高くなる。冷却材等の軽い物質が沢山あると、核分裂で生じた速度の速い中性子は軽い物質と衝突するたびに速度を落とすためＥが下がりＢＲが低下するため経済性上好ましくない。
蒸気の密度は液体の２０分の１以下と真空に近いため蒸気を敢えて蒸気ボイドと呼んでいる。中性子は軽い物質例えば液体の水により散乱されると速度を落とすが、同じ厚さの蒸気ボイドによっては真空に近いため殆ど散乱されないで中性子は速度を落とさない。通常時は二相流（１３）において液体の割合が多く、核分裂で生じた速度の速い中性子は液体の水と衝突する割合が多いため速度の遅い中性子が多い状態である。液体冷却材流入の減少等により液体である水の一部または全部が沸騰して蒸気ボイド割合が多くなると、核分裂で生じた速度の速い中性子は液体が減少した分その軽い物質と衝突する割合が減少するため速度を落し難くなり速度の速い中性子が多い状態になる。プルトニウムのＥは速い中性子程大きいため核分裂が活発になり出力が上昇する。これがボイド反応度係数を正にする仕組みでる。液体冷却材の減少による冷却不足と相俟って燃料棒温度が上昇するため、時には燃料が破損する恐れが生じる。
このようにＢＲを高めて済性を向上させることと原子炉の安全設計上この係数をゼロまたは負にすることとを両立させることが望ましい。
燃料棒（１２）の配列を稠密にして冷却材を減少させてＢＲを向上させ、炉心高さを極端に低くしてボイド反応度係数を負にする扁平炉心がある。これは、蒸気ボイドが増加した場合燃料集合体上下端への中性子漏洩を極端に増加させてこの係数を負にすると言われている。しかし同一体積に対して面積の増大を招くため建設コスト上昇等の問題があるとされている。本発明は上記課題を解決するためになされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
図５は本発明の一実施例を示す炉心平面図である。十字型制御棒沸騰水型原子炉において、中心のフォロワー付き制御棒（２０）とこれを囲む４体の核燃料物質を内包する燃料集合体（１０）を空集合体（１００）で置き換え、先隣のフォロワー付き制御棒（２０）とこれを囲む４体の燃料集合体（１０）を空集合体（１００）で順次置き換えたことを特徴とする十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心である。図６は図５の一部を拡大表示したものである。空集合体（１００）は、燃料集合体のチャンネルボックス（１１）４体分相当の大きさのボックス（１０１）、浮き上がり防止のための錘（１０２）と空集合体二相流（１０３）とからなっている。図７は空集合体（１００）の詳細図である。上端は開とし下端は熱を除去するために冷却材流入のための燃料集合体冷却材流入口（１４）相当の位置や形状が同じの空集合体冷却材流入口（１０４）に空集合体冷却材流入口オリフィス（１０５）を設けて液体の流入量を調節する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図８は従来の炉心における通常運転時作用を模式的に説明するための図である。フォロワー付き制御棒等は省略した。燃料集合体（１０）の燃料棒（１２）で発生した中性子の大部分は、矢印で示すように隣接する燃料集合体（１０）の燃料棒（１２）に到達し核分裂に寄与する。液体冷却材喪失事故等で液体冷却材が少なくなって蒸気ボイドが多くなるとプルトニウムのＥが大きくなるため核分裂反応は加速度的に増加し、出力が加速度的に増加し燃料棒等の破損の恐れが生じる。そこで従来は、炉心高さを低く扁平にする案があった。液体が減少し速い中性子が増大しても大部分は炉心上部に漏洩し核分裂に寄与することが少なくなる。隣接する燃料集合体（１０）の燃料棒（１２）に到達する割合が減少し核分裂反応が加速度的に増大するのが抑制され出力増大も抑制されるとしていた。しかし、扁平化により体積に対して面積が大きくなるため建設コストが上昇するといった問題があった。
図９は本発明の空集合体（１００）装荷炉心における通常運転時作用を模式的に説明するための図である。燃料集合体（１０）の燃料棒（１２）で発生した中性子の大部分は、矢印で示すように隣接する空集合体（１００）の空集合体二相流（１０３）の液体で散乱され、隣接する燃料集合体（１０）の燃料棒（１２）に到達し核分裂活発化に寄与する。したがって、従来の炉心と大きくは変わらない。液体冷却材喪失事故等で液体冷却材が減少し蒸気ボイドが多くなる場合は、図１０に示すように燃料集合体（１０）の燃料棒（１２）で発生した中性子の大部分は、矢印で示すように隣接する空集合体（１００）を貫通し炉心外部に漏洩してしまう。空集合体（１００）の中の空集合体二相流（１０３）は蒸気ボイドが多くなり液体が減少しているため、中性子は物質と殆ど衝突すること無しに炉心上方または下方の外に漏洩し核分裂に寄与しない。したがって、炉心での核分裂割合が減少する。液体冷却材喪失事故等で液体冷却材が減少して蒸気ボイドが増加すると中性子漏洩量が増加するためボイド反応度係数が負になる。
なお、錘（１０２）として天然ウランまたは劣化ウランまたはそれ等の合金または酸化物または窒化物のウラン２３８を主成分とする親物質高含有物をステンレスやジルコニウム合金で被覆して装荷する。ボイド反応度係数が負になると共に転換比向上にも寄与する。炉心中央に炉心長さの約１／２０の厚さにした場合においては、親物質高含有物が少ないにも関わらずボイド反応度係数が負になる。
上部または下部は炉心外部に近いため中性子は上部から漏洩する割合が大きいから空集合体二相流（１０３）の方が、散乱物質である水の減少による漏洩増加が顕著に現れるためボイド反応度係数を負にするのに効果的である。
高さ中央では炉心外との距離が離れているため漏洩の効果が小さいが、中性子数は多いためウラン２３８による転換比増大の効果は大きい。その上、ウラン２３８は中性子を強く吸収するため塊状の親物質高含有物は中性子を表面で吸収してしまう表面積吸収が主体である。親物質高含有物の厚さが薄くとも側面の面積の他に上面と下面の面積が加わり中性子吸収が大きくなる。したがって、少ない親物質高含有物量で高い転換比が期待できることにより経済性が向上する。
その他、錘（１０２）としてニッケル合金または酸化ニッケルまたはアルミナまたは酸化カリウムまたは窒化珪素をステンレスやジルコニウム合金で被覆して装荷する。ボイド反応度係数が更に負になる。炉心中央に炉心長さの約１／２０の厚さにした場合においては、少ない錘にも関わらずボイド反応度係数が負になる。
これ等の物質は１０キロエレクトロンボルト以上の速度の中性子に対し中性子速度が大きくなるほど中性子を吸収する割合が大きくなるためボイド反応度係数を更に負にすることができる。中央付近では蒸気ボイドが高いため通常運転時においても冷却材密度が小さい。中性子は水等の軽い物質による散乱を受け難くなっている。したがって、通常運転時でも中性子速度は１０キロエレクトロンボルト近傍である。冷却材減少事故等により液体が更に減少すれば中性子速度は１０キロエレクトロンボルト以上になる。アルミナ等は中性子をより多く吸収して核分裂反応を抑制しボイド反応度係数を負にする。
【０００６】
【発明の効果】
経済性向上のためプルトニウムの利用効率を高めるため、転換比を大きくするため燃料棒間隙の狭い配列をしたＭＯＸ燃料集合体において、炉心を扁平にしたコスト増加の犠牲を払わずに、液体冷却材喪失事故等で液体冷却材が減少し蒸気ボイドが増加してもボイド反応度係数を負にすることができるから原子炉出力上昇は抑制されるため、液体冷却効果減少によって生じる燃料棒温度上昇を抑制することができる。燃料棒の健全性が保たれ放射能が燃料棒内部に封入されたままである。原子炉の安全性が保たれたまま、転換比が大きく経済性の良い沸騰水型原子炉となる。なお、原子炉停止状態において空集合体には水が充満し、中性子吸収体となる。水は中性子吸収作用が重水や液体ナトリウムに比べて大きいためである。安全性が一層向上する。
【０００７】
【その他実施例１】
本発明の空集合体（１００）を装荷した十字型制御棒沸騰水型原子炉において、空集合体（１００）として図１１に示すような親物質装荷空集合体（２００）としたことを特徴とする。ボックス（１０１）の内側は空集合体二相流（１０３）が流れ、外側は親物質高含有物を被覆管で内封した親物質棒（２１２）で構成されている。
親物質高含有物は密度が高く重たいから錘にもなる。さらに、親物質高含有物の中の主成分であるウラン２３８は余剰中性子を吸収して燃料であるプルトニウムに変換されるから転換比が向上し経済性が増す。
液体が多い通常運転時においては、燃料集合体（１０）で発生した中性子は、直ぐに親物質棒（２１２）に吸収されて転換比向上に寄与するか反射されて燃料集合体（１０）に吸収されて核分裂に寄与する。
冷却材の液体分が少なくなると燃料集合体（１０）で発生した中性子は液体による速度の低下を受けないため厚さの薄い親物質高含有物を貫通し上方または下方に漏洩する。物質は一般に、速い中性子ほど反応する割合が小さくなるからである。核分裂への寄与が減少し核反応が抑制されて出力が低下する。ボイド反応度係数が負になる。安全性を損なうことなく転換比が向上して経済性がよくなる。
なお、親物質棒（２１２）をボックス（１０１）の内側に１列またはボックス（１０１）の内側断面積の２５％以下に配列した場合にも同様の効果が得られる。
【０００８】
【その他実施例２】
本発明の空集合体（１００）において、図１２のように親物質棒（２１２）を中央に十字型に配列した十字型親物質集合体（３００）を特徴とする。ボックス（１０１）の内側は空集合体二相流（１０３）が流れ、親物質高含有物を被覆管で内封した親物質棒（２１２）を十字型に配列している。
親物質高含有物の中の主成分であるウラン２３８は数十エレクトロンボルト程度のそれ程速くはない速度の中性子を強く吸収する。液体が多い通常運転時では、燃料集合体（１０）で発生した中性子は、空集合体二相流（１０３）の液体によって散乱されて中央部にある親物質棒（２１２）に到達する割合が少なくなり吸収されにくい。ウラン２３８の吸収による影響が少ないため核分裂反応は高く維持される。冷却材流入が減少して液体が少なくなると、燃料集合体（１０）で発生した中性子は、液体で散乱することなく上方または下方に漏洩するか、厚い蒸気ボイドにより若干散乱されて速度が遅くなった中性子は親物質棒（２１２）に到達し吸収されるため核分裂への寄与が減少し核反応が抑制されて出力が低下する。ボイド反応度係数が負になる。
【０００９】
【その他実施例３】
本発明の空集合体（１００）において、図１３のように中空親物質棒（４１０）を配した中空物質集合体（４００）を特徴とする。ボックス（１０１）の内側は空集合体二相流（１０３）が流れている。中空親物質棒（４１０）は中空の親物質高含有物（４１４）と中空を補強するための補強円筒（４１５）と炉心圧力の１／３以下のヘリウムやアルゴン等の不活性ガス（４１３）または体積で３％以下の水が充填され、ジルコニウム合金等の被覆管（４１２）で密封されている。補強円筒（４１５）はジルコニウム合金やステンレス等の合金やジルコニアや炭化珪素や窒化珪素とする。補強円筒（４１５）も不活性ガス（４１３）を封入した密封構造とすると被覆管（４１２）の耐圧性を向上させ厚さを薄くすることができるため中性子を無駄に吸収することがなくなり転換比向上をもたらす。
液体が多い通常時は、中性子は液体により散乱されて燃料棒（１２）の核分裂に寄与する。液体が少なくなると、中性子は液体による速度の低下を受けないため中空で厚さが薄い中空の親物質高含有物（４１４）を貫通し不活性ガス（４１３）を通過して上方または下方に漏洩する。核分裂への寄与が減少し核反応が抑制されて出力が低下する。ボイド反応度係数が負になる。
中空親物質棒（４１０）を装荷するだけであるから、中空親物質集合体（４００）の製造コストは安い。
なお、ボックス（１０１）を設けずに中空親物質棒（４１０）のみとする図１４に示す中空親物質棒装荷ボックス無し集合体（５００）は更なるコスト低減をもたらす。ウラン２３８は中性子を強く吸収するため塊状の親物質高含有物は中性子を表面で吸収してしまう表面積吸収が主体である。親物質高含有物の厚さが薄いにもかかわらず中空であるため外側および内側の両側面により面積が２倍と大きいため、少ない親物質高含有物量で高い転換比が期待できるためコスト低減となる。
なお、中空親物質棒（４１０）において親物質高含有物を炉心中央に厚さが炉心長さの約１／２０に装荷した場合には更にコスト低減となる。中性子は炉心外との距離が短い上部や下部から漏洩し易いため空集合体二相流（１０３）が効果的である。高さ中央では炉心外との距離が離れているため漏洩の効果は小さく、親物質高含有物の中の主成分であるウラン２３８によるボイド反応度係数を負にする効果が勝る。
【００１０】
【その他実施例４】
本発明の空集合体（１００）を装荷した十字型制御棒沸騰水型原子炉のうちフォロワー付き制御棒（２０）が中心になく扁心しているＫ格子様炉心において、図１５に示すように中心４体の燃料集合体（１０）を空集合体（１００）で置き換え、先隣の４体の燃料集合体（１０）を空集合体（１００）で順次交換したことを特徴とする十字型制御棒沸騰水型原子炉のＫ格子様炉心。
大方のフォロワー付き制御棒（２０）は、燃料集合体（１０）が３体と空集合体（１００）が１体で取り巻かれている。図１６に拡大図を示す。万一、制御棒１体が炉心に挿入されない事故が生じても、燃料集合体３体分の出力しか上昇しない。制御棒の中性子吸収能力に余裕が生じて安全性が増大する。
なお、図１７に示すように燃料集合体４体を一体化することも可能になる。拡大図の図１８に示すように一体型燃料集合体（５５０）と大型になり、燃料交換等の取り扱いが簡素化できるため管理コストの低減化を図ることができる。
【００１１】
【その他実施例６】
本発明の炉心図１において、図１９に示すように中心に空集合体（１００）を配置し、これから直角方向には核燃料集合体（１０）８体と空集合体（１００）を順次配置し、対角方向には核燃料集合体（１０）４体と空集合体（１００）を順次配置した、桂馬様に空集合体（１００）を配置したことを特徴とする十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心。図１７のＫ格子様炉心においても桂馬様に空集合体（１００）を配置することができる。
空集合体（１００）に対して燃料集合体（１０）の割合を高めることができる。その結果、同一炉心体積に対して出力を高めることができる。発電コストを低減することができる。
【００１２】
【その他実施例７】
十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心において、図２０に示すようにフォロワー付き制御棒（２０）の先端部を中心部よりも細くした台形フォロワー付き制御棒（２５）とする。
燃料集合体を一体化した大型燃料集合体において、チャンネルボックス（１１）は中性子照射による周囲長の延びにより４角形状が丸みを帯びるようになり、長期間使用すると中間部の膨らみが顕著になる。その結果、隣接する燃料集合体との漏洩冷却材（３０）間隙が狭くなり、制御棒の移動に摩擦が生じる恐れがある。本発明の台形フォロワー付き制御棒（２５）とすることにより、チャンネルボックス（１１）中間部で十分な間隙を確保することができるため、長期間使用しても制御棒の移動に摩擦が生じることがなく、安全性を損なう恐れがない。
フォロワー無しの制御棒も先端部を中心部よりも細くした台形制御棒とすることにより、長期間使用しても制御棒の移動に摩擦が生じることがなく、安全性を損なう恐れがない。
制御棒の片翼の長さがチャンネルボックス（１１）の１辺の半分以上の場合は、チャンネルボックス（１１）の１辺の中央部で最も細くする。
【００１３】
【その他実施例８】
核燃料物質を内包する燃料集合体（１０）を、濃縮ウランの合金または酸化物または窒化物、または窒化プルトニウムと窒化ウランの混合窒化物からなる核燃料物質を内包する燃料棒（１２）を多数本正方格子状（まれに三角格子状）に配列しそれ等をチャンネルボックス（１１）で一体化している。
濃縮ウランはアルファ線放射物であるプルトニウムよりも管理が容易でありかつ法律上の規制が少ない。したがって、燃料集合体（１０）の製造が簡単でありコストが安い。
窒化プルトニウムと窒化ウランの混合窒化物は、１０キロエレクトロンボルト以上の速度の中性子に対し中性子速度が大きくなるほど中性子を吸収する割合が大きくなる窒素を含むためボイド反応度係数を負にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心平面図
【図２】従来の十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心平面拡大図
【図３】従来の燃料集合体拡大図
【図４】従来の燃料棒の概観図
【図５】本発明の空集合体装荷十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心平面図
【図６】本発明の空集合体装荷十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心平面拡大図
【図７】本発明の空集合体の詳細図
【図８】従来の炉心における通常運転時作用を示す模式図
【図９】本発明での空集合体を装荷した炉心における通常運転時作用を示す模式図
【図１０】本発明での空集合体を装荷した炉心におけるボイド増加時作用を示す模式図
【図１１】本発明の親物質装荷空集合体
【図１２】本発明の十字型親物質集合体
【図１３】本発明の中空親物質集合体
【図１４】本発明の中空親物質棒装荷ボックス無し集合体
【図１５】本発明の空集合体装荷十字型制御棒扁心沸騰水型原子炉のＫ格子様炉心平面図
【図１６】本発明の空集合体装荷十字型制御棒扁心沸騰水型原子炉のＫ格子様炉心平面拡大図
【図１７】本発明の空集合体装荷十字型制御棒扁心沸騰水型原子炉の燃料集合体４体一体型Ｋ格子様炉心平面図
【図１８】本発明の空集合体装荷十字型制御棒扁心沸騰水型原子炉の燃料集合体４体一体型Ｋ格子様炉心平面拡大図
【図１９】本発明の空集合体桂馬様装荷十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心平面図
【図２０】本発明の台形フォロワー付き制御棒を装荷した十字型制御棒沸騰水型原子炉のＫ格子様炉心平面拡大図
【符号の説明】
１０は燃料集合体
１１はチャンネルボックス
１２は燃料棒
１３は二相流
１４は燃料集合体冷却材流入口
２０はフォロワー付き制御棒
２１はフォロワー
２２は制御棒
２５は台形フォロワー付き制御棒
３０は漏洩冷却材
１００は本発明の空集合体
１０１はボックス
１０２は錘
１０３は空集合体二相流
１０４は空集合体冷却材流入口
１０５は空集合体冷却材流入口オリフィス
１２１は核分裂性物質ペレット
１２２は被覆管
１２３はヘリウム
２００は本発明の親物質装荷空集合体
２１２は親物質棒
３００は本発明の十字型親物質集合体
４００は本発明の中空親物質集合体
４１０は本発明の中空親物質棒
４１２は被覆管
４１３は不活性ガス
４１４は中空の親物質高含有物
４１５は補強円筒
５００は本発明の中空親物質棒装荷ボックス無し集合体
５５０は一体型燃料集合体

Claims (4)

1. ＭＯＸまたは濃縮ウランの酸化物からなる核燃料物質を内包する燃料集合体（１０）を装荷した十字型制御棒沸騰水型原子炉において、中心のフォロワー付き制御棒（２０）とこれを囲む４体の核燃料物質を内包する燃料集合体（１０）を、燃料集合体冷却材流入口（１４）相当の空集合体冷却材流入口（１０４）に空集合体冷却材流入口オリフィス（１０５）を設けた空集合体（１００）で置き換え、先隣のフォロワー付き制御棒（２０）とこれを囲む４体の燃料集合体（１０）を空集合体（１００）で順次置き換えたことを特徴とする十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心。
2. 請求項１の空集合体（１００）において、天然ウランまたは劣化ウランまたはそれ等の合金または酸化物または窒化物のウラン２３８を主成分とする親物質高含有物またはニッケル合金または酸化ニッケルまたは酸化カリウムまたはアルミナまたは窒化珪素をジルコニウム合金またはステンレスで被覆した錘（１０２）を装荷したことを特徴とする空集合体（１００）。
3. 請求項１の空集合体（１００）において、ボックス（１０１）に沿って外側または内側に親物質棒（２１２）を１列配列した親物質装荷空集合体（２００）またはボックス（１０１）の内側に親物質棒（２１２）を十字型に配列した十字型親物質装荷空集合体（３００）または内断面積の２５％以下に親物質棒（２１２）を配列した親物質装荷空集合またはボックス（１０１）の内側に中空親物質棒（４１０）を装荷した中空親物質集合体（４００）またはボックス（１０１）を付けずに中空親物質棒（４１０）を装荷した中空親物質棒装荷ボックス無し集合体（５００）。
4. フォロワー付き制御棒（２０）の先端部を中心部よりも細くした台形フォロワー付き制御棒（２５）または台形制御棒を装荷したことを特徴とする十字型制御棒沸騰水型原子炉の炉心。

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