JP2009145093A

JP2009145093A - Ｂｗｒの耐震核燃料集合体

Info

Publication number: JP2009145093A
Application number: JP2007320359A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Shirakawa; 白川利久
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】BWRの炉心は柏崎刈羽原子力発電所で耐震性を証明したが、若干の核燃料集合体が正常位置からずれた疑念が生じた。BWRの炉心を改良して耐震性を更に高めたい。
【解決手段】従来の核燃料集合体（３０）の核燃料支持金具差込部（５０）を長くして長尺差込部（６０）とする。更に、従来の核燃料集合体（３０）のチャンネルボックス（３5）に制御棒（１００）の厚さを若干上回る厚さのチャンネル間隙帯（６１）を固着せしめ、チャンネル間隙帯（６１）の表面の同一高さ２箇所に半円殻バネ（６２）を固着せしめた耐震核燃料集合体（１３０）。
【選択図】図5

Description

本発明は、耐震性を向上したBWRの炉心構造に関する。

図１は沸騰水型原子炉（BWR）の炉心構造の概観図である（非特許文献１）。核燃料物質を内包している核燃料集合体（３０）の下端は炉心支持板(1)に装着されている着脱可能な核燃料支持金具（２）により支持され、上端はチャンネルボックス（３5）を介して上部格子板（３）にもたれかけさせている。上部格子板（３）の格子の間の４体の核燃料集合体（３０）の中央には上下に操作できる制御棒（１００）があり原子炉を制御する。
チャンネルボックス（３5）4面の内、制御棒（１００）中心から見て左右の外表面にはチャンネルパッド（３７）が固着されている。チャンネルパッド（３７）により制御棒（１００)が上下するための間隙を確保している。地震等により万一、核燃料集合体（３０）が動いて４体の核燃料集合体（３０）が中心に集まり間隙を塞ぐのを防止する。
チャンネルボックス（３5）は、チャンネルファスナ接合ピン（３９）で図２に記載せる上部結合板（３２）にネジ留めされている。制御棒反対側チャンネル接合ピン（４０）でもチャンネルボックス（３5）は上部結合板（３２）にネジ留めされている。
チャンネルファスナ案内羽根（３８）は、隣接せる核燃料集合体（３０）を互いに拘束しあい前後左右にずれるのを抑制している。
図２はBWRに装荷せる核燃料物質を内包する従来の核燃料集合体（３０）の概観図である（非特許文献２）。核燃料集合体（３０）は、多数本正方格子状に配列された核燃料物質を内封している円柱形状の核燃料棒（３１）と、それ等の上端及び下端を夫々支持する上部結合板（３２）及び下部結合板（３３）と、前記核燃料棒（３１）の高さ途中に位置して核燃料棒（３１）間の間隔を規制する数個のスペーサ（３４）と、これ等を４面で覆うチャンネルボックス（３5）とから構成される。
核燃料棒（３１）の上部端栓（４２）は上部結合板（３２）の穴に差し込まれ核燃料棒（３１）の平面位置が固定されている。核燃料棒（３１）の下部端栓（４３）は下部結合板（３３）に開けられた下部端栓差込口（４６）に差し込まれ核燃料棒（３１）の平面位置の固定と重量の支持をする。下部結合板（３３）と上部結合板（３２）は核燃料棒（３１）の内の数本により結合されている。
下部結合板（３３）の上部は下部端栓差込口（４６）と冷却材流入口（４７）が開けられていて、下部は短い円筒形の核燃料支持金具差込部（５０）となっている。
核燃料支持金具差込部（５０）は、図１に示した核燃料支持金具（２）上端の穴に差込
まれ核燃料集合体（３０）が支えられている。冷却材は核燃料支持金具（２）から核燃料支持金具差込部（５０）下端に入り、冷却材流入口（４７）を通って核燃料棒（３１）間隙を通って上昇する。
チャンネルボックス（３5）は、制御棒反対側チャンネル接合ピン（４０）によりネジ留めされている。更に、図１に記載せるチャンネルファスナ接合ピン（３９）でも上部結合板（３２）にネジ留めされている。
チャンネルボックス（３5）にはチャンネルパッド（３７）が固着されている。隣接せる核燃料集合体（３０）のチャンネルボックス（３5）にも固着せるチャンネルパッド（３７）同士により、制御棒（１００）が上下に動くことのできるように間隙を確保する。
核燃料集合体（３０）の移動は上部結合板（３２）に固定された上部トッテ（３６）をクレーン等で吊り下げる。
図３に核燃料集合体（３０）を上から見た場合と縦断面の図を示した。
図４は、炉心に装荷せる核燃料集合体（３０）が上部格子板（３）で囲まれている様子を上から見た炉心平面部分図である。上部格子板（３）で囲まれた４体の核燃料集合体（３０）は、チャンネルパッド（３７）とチャンネルファスナ案内羽根（３８）とにより隣接せる核燃料集合体（３０）が接近しすぎるのを抑制している。制御棒（１００）が上下に動けるための空隙を確保している。チャンネルボックス（３5）は、チャンネルファスナ接合ピン（３９）によりチャンネルファスナ案内羽根（３８）と共に上部結合板（３２）に結合されている。チャンネルボックス（３5）を上部結合板（３２）にしっかりと結合するために制御棒反対側チャンネル接合ピン（４０）でも上部結合板（３２）に結合している。
チャンネルファスナ案内羽根（３８）の持つバネ性能によりチャンネルボックス（３5）を適度に上部格子板（３）に押し付けて核燃料集合体（３０）を適度に固定している。
：原子力安全研究協会(編)、1998年「軽水炉燃料のふるまい」。：三島著、同文書院、1982年「核燃料工学」。

2007年夏に、BWRを擁する原子力発電所近傍で大地震があった。近隣地域では大きな被害がでた。しかし、原子炉本体にはほとんど異常が認められず、かつ、一基でなく複数基の原子炉が安全に停止した。BWRの原子力発電所は大地震に対して安全に停止した実績を積んだ訳である。しかし、少数の核燃料集合体（３０）が核燃料支持金具（２）から外れる事例があった。図２、図３に見るように、核燃料支持金具差込部（５０）が短く、縦揺れ地震動に対して核燃料集合体（３０）が大きく上下した場合には外れる可能性がある。
横揺れ地震動に対して核燃料集合体（３０）に固着せるチャンネルパッド（３７）またはチャンネルファスナ案内羽根（３８）が、隣接せる核燃料集合体（３０）のチャンネルパッド（３７）同士またはチャンネルファスナ案内羽根（３８）同士との衝突ができずにずれてしまい、制御棒（１００）が上下するための空隙を作れない恐れがある。
地震に対して安全に停止した実績を重視して、BWRをできるだけ変更せずに核燃料集合体（３０）が核燃料支持金具（２）から外れる事象を少なくしたい。

従来の核燃料集合体（３０）の核燃料支持金具差込部（５０）を長くして長尺差込部（６０）とする。更に、従来の核燃料集合体（３０）のチャンネルボックス（３5）に制御棒（１００）の厚さを若干上回る厚さのチャンネル間隙帯（６１）を１個固着せしめ、チャンネル間隙帯（６１）の表面の同一高さ２箇所に半円殻バネ（６２）を固着せしめた耐震核燃料集合体（１３０）に改良する。
従来の核燃料支持金具（２）の核燃料支持金具胴（２０４）を延長し延長核燃料支持金具胴（２１４）とし、差込口（２０３）に煙突（２１０）を敷設し、煙突（２１０）の上は煙突端差込口（２１３）と上部制御棒貫通口（２１２）が開いている上部金具上面（２１１）とした煙突付核燃料支持金具（２２０）で耐震核燃料集合体（１３０）を支持した耐震炉心とする。
縦揺れ地震動に対して、耐震核燃料集合体（１３０）の長尺差込部（６０）が煙突付核燃料支持金具（２２０）の煙突（２１０）と接触し続けることにより、耐震核燃料集合体（１３０）が煙突付核燃料支持金具（２２０）から外れ難くすることにより制御棒（１００）が動ける間隙を下部に確保する。横揺れ地震動に対しても下部の間隙は確保できる。
横揺れ地震動に対して耐震核燃料集合体（１３０）が左右にずれないように、各耐震核燃料集合体（１３０）の上部格子板（３）の中心から見て右側のチャンネルボックス（３5）１側面のみに、制御棒（１００）厚さよりも若干厚いチャンネル間隙帯（６１）を固着させ、チャンネル間隙帯（６１）に半円殻バネ（６２）を固着させ、当該耐震核燃料集合体（１３０）に隣接せる耐震核燃料集合体（１３０）のチャンネルボックス（３5）に接触させ互いの耐震核燃料集合体（１３０）が上部格子板（３）に押しつけあうことにより横方向へのずれを抑制し、制御棒（１００）が動ける間隙を上部に確保する。縦揺れ地震動に対しても上部の間隙は確保できる。
大きな地震に対して複数基の原子炉が安全に停止した実績を持ったBWRの炉心を改良して、制御棒（１００）が動ける間隙を上部と下部で確保し制御棒（１００）の挿入が妨げられることがない耐震性の高いBWRの耐震炉心。
上部金具上面（２１１）を純粋の銅や鉄やジルコニウムやカドミウムといった柔らかな素材で覆えば、耐震核燃料集合体（１３０）が浮いてから元に戻った時の衝撃を緩和することができる。
従来の核燃料支持金具胴（２０４）の内側に煙突（２１０）を付けることも考えられる。

長い核燃料支持金具差込部（５０）と煙突（２１０）との接触面積が大きくなったことにより耐震核燃料集合体（１３０）は、地震動に対して煙突付核燃料支持金具（２２０）から外れ難くなる。
各耐震核燃料集合体（１３０）の上部格子板（３）の中心から見て右側のチャンネルボックス（３5）１側面のみに固着せるチャンネル間隙帯（６１）は、隣接せる耐震核燃料集合体（１３０）のチャンネルボックス（３5）に確実に接触し、チャンネル間隙帯（６１）の厚さ分の間隙が確実に確保できる。したがって、制御棒（１００）の上下動は妨げられることがない。

耐震性の高いBWRの炉心が提供できた。

図５は、本発明の耐震核燃料集合体（１３０）の概観図である。外側から見えない部分は点線で描いた。
従来の核燃料集合体（３０）の核燃料支持金具差込部（５０）を長くして長尺差込部（６０）とした。
従来の核燃料集合体（３０）のチャンネルパッド（３７）およびチャンネルファスナ案内羽根（３８）を削除し、代わりに、各核燃料集合体（３０）の上部格子板（３）の中心から見て右側のチャンネルボックス（３5）１側面のみに、チャンネル間隙帯（６１）を固着せしめた。チャンネル間隙帯（６１）の表面の同一高さ2箇所に半円殻バネ（６２）を固着せしめた。制御棒（１００）の中心に当たる部分には何もないため、制御棒（１００）が挿入される際、チャンネルボックス（３5）外側の冷却水が通り安くなり制御棒（１００）が抵抗無く挿入できる。
図６に耐震核燃料集合体（１３０）の縦断面と耐震核燃料集合体（１３０）を上から見た図を示した。チャンネル間隙帯（６１）の同一高さに2箇所に、半円殻バネ（６２）を固着せしめた。チャンネル間隙帯（６１）には、チャンネルボックス（３5）外側の冷却水が流れ易いように切欠（１３９）を入れた。
図７は、従来の核燃料支持金具（２）を改良した煙突付核燃料支持金具（２２０）の概観図である。従来の核燃料支持金具（２）は、核燃料支持金具胴（２０４）及び十字型の制御棒貫通口（２０２）と差込口（２０３）が開いている金具上面（２０１）からなっていた。従来の核燃料集合体（３０）の核燃料支持金具差込部（５０）を差込口（２０３）に差し込むことにより核燃料集合体（３０）は核燃料支持金具（２）に支持されていたものの、差込口（２０３）に差し込むというより載せていた程度であり外れやすかった。
本発明の煙突付核燃料支持金具（２２０）は、核燃料支持金具胴（２０４）を延長し延長核燃料支持金具胴（２１４）とし、差込口（２０３）には煙突（２１０）を敷設した。煙突（２１０）の上は、煙突端差込口（２１３）と上部制御棒貫通口（２１２）が開いている上部金具上面（２１１）とした。
かくて、縦揺れ地震動により耐震核燃料集合体（１３０）が上に動いたとしても、長尺差込部（６０）は煙突（２１０）の中を上に動き煙突端差込口（２１３）から外れることはない。横揺れ地震動に対しても長尺差込部（６０）は煙突（２１０）から外れることはない。
図８は、炉心に装荷せる耐震核燃料集合体（１３０）が上部格子板（３）で囲まれている様子を上から見た炉心平面部分図である。制御棒（１００）よりも厚いチャンネル間隙帯（６１）は隣接せる耐震核燃料集合体（１３０）との間隙の大半を占めるため、横揺れ地震動があっても制御棒（１００）の挿入を妨げることがない。半円殻バネ（６２）が隣接耐震核燃料集合体（１３０）のチャンネルボックス（３5）を上部格子板（３）側に押すことにより、互いに隣接する耐震核燃料集合体（１３０）は安定して立っている。チャンネルボックス（３5）外側の冷却水が切欠（１３９）部からも流れるため制御棒（１００）の冷却に支障を来たすことはない。
耐震核燃料集合体（１３０）の長尺差込部（６０）は、煙突付核燃料支持金具（２２０）の煙突（２１０）の中を上に動くことにより正常な位置から左右にはずれることなく上にのみ動き横方向拘束がなされ、上端をチャンネル間隙帯（６１）で横方向拘束がなされているため、いかなる地震動がきても左右にずれることはない。耐震核燃料集合体（１３０）は煙突付核燃料支持金具（２２０）から外れることがない。かくて、制御棒（１００）が動ける間隙は確保でき制御棒（１００）の挿入が妨げられることがない。
大きな地震に対して、複数基の原子炉が安全に停止した実績を持ったBWRの炉心構造に大きな変更を加えることなく、耐震性を更に高めることができた。

今後とも、日本の多くの地域で地震が起きる。原子力発電所の耐震性は重要である。柏崎刈羽原子力発電所のBWRと同じタイプの原子力発電所は多々ある。本発明の耐震炉心は他の地域の原子力発電所にも適用できる。

従来の沸騰水型原子炉(BWR)の炉心構造の概観図。従来の核燃料集合体（３０）の概観図。核燃料集合体（３０）を上から見た場合と縦断面の図。炉心に装荷せる核燃料集合体（３０）が上部格子板（３）で囲まれている様子を上から見た炉心平面部分図。本発明の耐震核燃料集合体（１３０）の概観図。本発明の耐震核燃料集合体（１３０）を上から見た場合と縦断面の図。本発明の煙突付核燃料支持金具（２２０）の概観図。炉心に装荷せる耐震核燃料集合体（１３０）が上部格子板（３）で囲まれている様子を上から見た炉心平面部分図。

符号の説明

1炉心支持板。
2核燃料支持金具。
3上部格子板。
30核燃料集合体。
31核燃料棒。
32 上部結合板。
33 下部結合板。
34 スペーサ。
35チャンネルボックス。
36 上部トッテ。
37 チャンネルパッド。
38 チャンネルファスナ案内羽根。
39 チャンネルファスナ接合ピン。
40制御棒反対側チャンネル接合ピン。
43 下部端栓。
46 下部端栓差込口。
47 冷却材流入口。
50核燃料支持金具差込部。
60長尺差込部。
61 チャンネル間隙帯。
62 半円殻バネ。
100制御棒。
130 耐震核燃料集合体。
139 切欠。
201 金具上面。
202 制御棒貫通口。
203 差込口。
204 核燃料支持金具胴。
210 煙突。
211上部金具上面。
212 上部制御棒貫通口。
213 煙突端差込口。
214 延長核燃料支持金具胴。
220 煙突付核燃料支持金具。

Claims

核燃料支持金具差込部（５０）を長くして長尺差込部（６０）とし、制御棒（１００）の厚さを若干上回る厚さのチャンネル間隙帯（６１）をチャンネルボックス（３5）の１側面のみに固着せしめ、チャンネル間隙帯（６１）の表面の同一高さ２箇所に半円殻バネ（６２）を固着せしめたことを特徴とせるBWRの耐震核燃料集合体（１３０）。
核燃料支持金具胴（２０４）を延長し延長核燃料支持金具胴（２１４）とし、差込口（２０３）に敷設した煙突（２１０）の上を煙突端差込口（２１３）と上部制御棒貫通口（２１２）が開いている上部金具上面（２１１）とした煙突付核燃料支持金具（２２０）。