JP2509671B2

JP2509671B2 - 原子炉の運転方法

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Publication number: JP2509671B2
Application number: JP63108296A
Authority: JP
Inventors: 精植田
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-04-30
Filing date: 1988-04-30
Publication date: 1996-06-26
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: JPH01277799A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は沸騰水型原子炉（以下BWRという）に好適な
原子炉の運転方法に係り、特にスペクトルシフト制御を
効果的に行なうことができる燃料集合体を装荷した原子
炉を安全確実に運転し、所望の時期に所望の燃料集合体
に対してスペクトルシフト操作を行なおうとする原子炉
の運転方法に関する。

（従来の技術）一般に、BWRの炉心は第８図の平面図に示すように矩
形の燃料セル１の複数を規則的に配列して装荷してい
る。

各燃料セル１は第９図に示すように構成されており、
図中破線で示す燃料セル１の矩形想像線の各内側コーナ
部に平面矩形の燃料集合体２をそれぞれ配置し、これら
燃料集合体２相互の十字状間隙には平面が十字状の制御
棒３が炉心の下方から制御棒駆動装置（図示せず）によ
り挿脱されるようになっている。

そして、従来の燃料集合体２は第10図に示すように構
成されており、角筒状のチャンネルボックス４内に燃料
バンドル５を収容している。

燃料バンドル５は燃料棒６の複数本を、例えば８行８
列の正方格子状に配列して、その中央部に燃料棒６より
例えば太径のウォータロッド７を配置し、これらの軸方
向に多段に配設された偏平角筒状のスペーサ８により束
状に結束している。

また各燃料棒６およびウォータロッド７の上端部には
上部端栓９が、下端部には下部端栓10がそれぞれ固着さ
れ、さらに、上部端栓９が上部タイプレート11に、下部
端栓10が下部タイプレート12にそれぞれ支持されてい
る。

下部タイプレート12はその開口12aから減速材と冷却
材としての機能を併有する炉水を図中矢印に示すように
内部に導入し、各燃料棒６相互間の間隙を下方から上方
へ向けて昇流させ、その際に各燃料棒６から放出される
熱を除去する一方で、加熱されて炉心上部へ流れ、気液
二相流となる。

そして、ウォータロッド７はその下端部の取入口7aよ
り炉水を内部へ導入し、軸方向上方へ案内して排出口7b
より外部へ流出させ、各燃料棒６の上端部に案内する。
ここに案内された、炉水は主として減速材として作用
し、緩やかに炉心下部からその上方へ流れ、炉心上部で
上記気液二相流と合流して混合される。なお、チャンネ
ルボックス４の外周部およびウォータクロス（図示せ
ず）によっても、炉水がウォータロッド７と同様に炉心
上方へ案内される。

ところで、BWRでは、原子炉出力が冷却材流量（再循
環流量）と図示しない制御棒の炉心への挿脱によって制
御される。

制御棒は近年では原子炉出力制御のために使用される
頻度が比較的少なく、主として冷却材流量の制御によっ
て出力制御が行なわれている。

これは燃料集合体１に対する熱的インパクトを低減
し、燃料棒４の健全性を確保する上でBWR特有の優れた
制御手段であることはよく知られている。

また、チャンネルボックス４内ではボイド（気泡）が
燃料集合体２上部へ行くほど多くなり、燃料集合体２の
発熱部上端付近ではボイド率が70％を超えることもあ
り、燃料集合体２の下端よりやや上方がボイド発生の最
下位量である。

そして、従来の燃料集合体１は、燃料棒６の健全性を
確保するために、その出力分布を、運転サイクルの初期
から末期まで全期間に亘って軸方向になるべく一様な状
態にする必要があった。

しかし、最近では燃料棒６の燃料被覆管内面にバリア
層を設けることにより、燃料棒６の健全性を著しく向上
させているので、運転サイクル全期間を通して軸方向出
力分布をなるべく一定かつ平坦に保つ必要性が大幅に低
下した。

BWRでは本来、炉心の上方へ行くに従ってボイド率が
高くなるので、出力分布は運転サイクル初期（以下BOC
という）で燃料集合体２の上端部が抑えられる一方、燃
料集合体２の下部に歪む。

一方、運転サイクル末期（以下EOCという）では燃料
集合体２の下部の核分裂性核種濃度が燃焼により減耗
し、燃料集合体２上部ではボイドにより減耗が遅れると
共にボイドによるスペクトル硬化のためにプルトニウム
がより多く蓄積され、そのために、炉心下方で出力が低
下し、燃料集合体２上端部で高くなる挙動を示してい
る。

（発明が解決しようとする課題）このような本来の性質をなるべく利用するのが燃料の
経済性として優れているが、従来は燃料健全性の確保な
いし向上のために、燃料集合体２下部に、より多くの可
燃性毒物を配置したり、燃料集合体上部の燃料濃縮度を
高めるなどして対処して来た。

しかし、これらは中性子経済の悪化を招き、あるいは
燃料の燃え残りによる燃料経済性の悪化を招いていた。

そこで本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
その目的はスペクトルシフト運転を安全確実に実施し、
原子炉運転の安全性と燃料経済性を同時に向上させるこ
とができる原子炉の運転方法を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記した原子炉の自然現象的な性質は再循環流量の調
節により、相当広範囲に調節されるものであり、BOCで
は炉心のより下方でボイドが発生するため、冷却材の圧
側損失が高くなり、その結果、冷却材炉心流量が低下し
やすくなり、一方、EOCでは丁度、これとは逆の挙動を
示す。

ところで、BOCで減速材として機能する水の密度を低
下させ、中性子スペクトルを硬化させ、それによってプ
ルトニウム生成を助長して蓄積し、このプルトニウムを
EOCで減速材（水）の密度を上昇させることにより、核
分裂を起させることができれば、核燃料の有効利用が図
れることはよく知られており、これを実施する手段とし
て、BWRでは冷却材流量制御法である。

これはBOCで冷却材炉心流量を下げることにより、燃
料集合体の下部で高出力とす一方、燃料集合体の上部で
ボイド割合を高くして、プルトニウムを生成蓄積するも
のである。

また、EOCでは炉心流量を増大させることにより、燃
料集合体２の上部で高出力とし、BOCで蓄積されたプル
トニウムと残存ウランを燃料させる。このような運転方
法はスペクトルシフト運転法と言われている。

BWRのBOCではウォータロッド７をボイド棒として、す
なわちウォータロッド７から水を排除するボイド棒と
し、また、EOCではウォータロッド７として利用できれ
ばスペクトルシフト運転はより効果的となり、燃料の経
済性を大幅に向上させることができる。このような特性
は加圧水型原子炉（PWR）においても全く同様である。

そこで本発明は、炉心に装荷される複数の燃料集合体
の減速材案内部材の下部に、放射線を吸収して発熱する
発熱体による炉水を加熱してボイドを発生させることに
より炉水の流路抵抗を制御する流路抵抗体を設け、上記
炉心の下方から制御棒を挿脱させる原子炉の運転方法に
おいて、原子炉運転サイクルの末期にて、これまで全引
抜もしくはほぼ全引抜状態にある制御棒を、その先端が
上記発熱体のほぼ上端に相当する位置に到達するまで挿
入し、上記減速材案内部材内のボイド率を低下させるこ
とを特徴とする。

（作用）運転サイクル初期では冷却材の炉心流量が比較的小さ
く、炉心のボイドが多いので、出力分布はボトムピーク
となっており、そのピーク領域に発熱体が位置するの
で、発熱体により加熱される炉水から発生するボイドの
発生率が向上し、流路抵抗体により減速材案内部材の流
路抵抗が、燃料棒周りの流路抵抗に比して高められ、両
者の流路抵抗差が増大している。

このために、減速材案内部材の排出口により燃料集合
体の下部に案内される減速材の流量が低下し、燃料集合
体の上端から下端までのボイド率が高められ、スペクト
ル硬化のためにプルトニウムが燃料集合体の上端から中
間部ないし下部までに多く生成、蓄積される。

一方、運転サイクル末期（EOC）では冷却材の炉心流
量が運転サイクル初期のときよりも増大され、炉心のボ
イドが低減されるので、出力分布はトップピークとなっ
ており、発熱体を有する流路抵抗体による減速材案内部
材の流路抵抗が、低減され、運転サイクル初期に蓄積さ
れたプルトニウムを燃焼する。

すなわち、EOCでは炉心流量を一定まで増大し、トッ
プピーク運転に移行した後、これまで、ほぼ完全に引抜
かれた状態の全引抜の制御棒を１本ずつないし所定の少
数本ずつ制御棒先端が発熱体のほぼ上端に相当する位置
に到着するまで、少しだけ炉心に下方から浅挿入する。

すると、中性子束が低下し、核分裂率が低下するの
で、核分裂と同時に放出される即発ガンマ線量率も低下
する。

したがって、発熱体に吸収される中性子量率およびガ
ンマ線量率も低下する。その結果、発熱体の発熱量が抑
えられ、発熱体におけるボイド発生量が抑制され、流路
抵抗体の抵抗が減少する。

その結果、減速材案内部材からボイドが排出され、そ
の内部は非沸騰水で満たされる。

このように減速材案内部材内部のボイドから非沸騰水
への移行は、制御棒をとり囲む４体の燃料集合体のみが
進行するので、炉心全体に及ぼす反応度の上昇は微小な
ものであり、極めて安全にスペクトルシフト運転を続け
ることができる。

次に、このようにして全燃料集合体に対する非沸騰水
への移行がし終了した後は、炉心流量を最終目的の近傍
またはやや下まで増大させ、トップピーク運転を確実な
ものとする。

しかる後に、制御棒を必要に応じて引抜いて行く。出
力分布は既にトップピーク状態が確立されており、制御
棒先端近傍の出力は既に下がっているため、制御棒引抜
きによる出力分布の変化の程度は小さく、しかも燃料へ
のインパクトも殆ど発生しない。

本発明はこのように、再循環流量の制御と制御棒の短
いストロークの挿脱により、スペクトルシフト運転を安
全確実に行なうことができる。

（実施例）以下本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

本発明はスペクトルシフト運転に好適な減速材案内部
材を有する燃料集合体を炉心に装荷する原子炉に適用さ
れるものであり、まず、その減速材案内部材を説明す
る。

第１図は減速材案内部材であるウォータロッド11の一
例の縦断面図であり、これは、例えば正方格子状に配列
された複数本の燃料棒の中央部に配置されて、これら燃
料棒と共に燃料スペーサにより束状に結束され、炉水を
減速材として燃料棒周りに案内する減速材案内部材に構
成されており、燃料棒有効長全長とほぼ等しいか、やや
短かい軸長を有する。

ウォータロッド11は外管12内に内管13を同軸状に収容
して２重管に構成し、外管12と内管13との間に環状流路
14を形成している。

また、内管13の図中上端には軸直角方向（幅方向）に
貫通する横孔13aを複数穿設して、環状流路14の上端部
と幅方向に連通させる一方、内管13の図中下端を下部タ
イプレート15の上面上における嵌通孔15aの外周部上に
載置している。

また、内管13の下端部内には両端開口の短軸管16を内
管固着し、この短軸管16の開口上端には流路抵抗体17を
内嵌固着する一方、その開口下端を下部タイプレート15
の若干下方まで延出させて取入口16aを形成している。

一方、内管13の外周には軸方向に所要の間隔をおいて
例えば環状で上下一対の内管保持用スペーサ18,18を外
嵌固着し、これら内管保持用スペーサ18,18の外周と外
管12内周面に固着して内管13を外管12に支持させてお
り、各内管保持用スペーサ18,18には炉水を通水させる
通水孔18a,18aを軸方向に穿設している。

外管12の閉塞底部の外周面には、この外管12の外周面
を図示しない複数の燃料棒と共に径方向に束状に結束す
る所要の燃料スペーサ19のやや上方にて、図中外側斜め
上方に開口する排出口12aを例えば径方向対称位置にて
穿設しており、これら排出口12aは例えば燃料棒有効発
熱部下端より1/4〜1/8L程度の箇所に位置している。

上記流路抵抗体17は燃料棒有効発熱部下端から例えば
約30〜90cm程度上方の出力分布のボトムピーク部ない
し、やや下端側に対応する部分であって、燃料スペーサ
19と下部タイプレート15との間に位置し、軸方向に通水
孔17aを貫通させている。

なお、燃料スペーサ19は排出口12aからの減速材排出
をより効果的かつ確実化する為に上述の配置としたが、
設計条件によっては燃料スペーサ19と排出口12aとの位
置関係を変えてもよい。

流路抵抗体17は通水孔17a周りに放射線吸収発熱体17b
を内蔵しており、BOC（運転サイクル初期）等のボトム
ピーク時に発熱する放射線吸収発熱体17bの発熱により
通水孔17aを通水する炉水を加熱してボイド（気泡）を
発生させ、このボイドにより流路抵抗体17の通水孔17a
の流路を調節して、通水孔17aの流路抵抗を制御するよ
うになっている。

上記放射線吸収発熱体17bの一例としては、中性子を
吸収して発熱する天然ウラン、微濃縮ウラン、減損ウラ
ン等がある。

その本質的な理由は全運転サイクを通じて残存ウラン
と生成蓄積したプルトニウムの核分裂性核種の合計が余
り変化しないからである。

これが全サイクルを通じて変化すると、運転サイクル
によって、また、運転サイクルの時期によって同一中性
子（γ線）レベルでもボイド率が変わるので、炉心運転
特性の変化に対して十分な対応を考慮する必要が生じる
ためである。

また、他の放射線吸収発熱体17bとしては中性子吸収
材であるボロンカーバイド（R₄Ｃ）、ハフニウム（H
f）、酸化ユーロピウム（Eu₂O₃）等があり、これらは中
性子を吸収して発熱する。

さらに、他の放射線吸収発熱体としてはγ線吸収体が
ある。中性子束が高ければ核分裂等に伴う即発ガンマ線
が比較的に高くなるので、そのγ線を吸収して発熱させ
てもよい。そのような物質としては、核外電子の多い
（したがって原子番号の大きい）元素が優れている。

但し、融点が低いもの、高い放射性を帯び易いものは
避けるべきである。上述のHf,HfO₂等はγ線吸収体とし
ても優れている。ウォータロッド11と同一材質のジルカ
ロイ、あるいはHfを少量含むZr−Hf合金などは原子炉で
の使用実績が充分あり、実用上優れている。

上記の例は外部から照射されたγ線を吸収する場合に
ついて記したが、中性子を吸収して発熱するものであっ
てもよい。この場合はあまり原子番号は大きくなく、鉄
に近いものがよい。しかし中性子吸収断面積が著るしく
小さければ役に立たない。上述のHf,HfO₂はこれらの点
でも優れている。

なお、第１図（Ａ）中、符号21は外管12の開口上端を
閉塞する上部端栓である。

次に、このように構成されたウォータロッド11を組み
込む燃料集合体を例えばBWR型原子炉の炉心に装荷した
場合の作用について説明する。

なお、このBWR型原子炉は炉心反応度を制御する制御
棒３（第８図および第９図参照）が炉心下方より挿脱さ
れるようになっている。

BWR型原子炉の炉心に装荷された燃料集合体の軸方向
出力分布は第２図（Ａ）に示すように分布し、その出力
ピークは、BOCでは燃料集合体の有効発熱部下端（以
下、燃料集合体の下端という）から1/4L付近までの下部
にあるが、運転サイクル中期（以下MOCという）からEOC
へ進行するに従って燃料集合体の上部へと次第に移行し
て行く。実際には制御棒操作も行なわれる為、この説明
から、いくらかずれるが、EOCでトップピークとするの
が好適であるのに変りはない。

このように軸方向出力分布の主たる原因は第２図
（Ｂ）で示すボイド率分布変化に起因し、燃料集合体の
下端からほぼ3/4L付近までのボイド率がBOCからMOC,EOC
へと進行するに従って順次低下する。これは一般に炉水
の炉心流量がBOCで最小であり、MOC,EOCへと順次進行す
るに従って増大し、冷却水流量の増大に伴い、ボイドを
炉心上部へ押し上げるためである。

したがって、BOCでは炉心流量が他の運転サイクルの
ときに比して比較的少ないが、炉心部の軸方向出力分布
が第２図（Ａ）に示すように炉心下部で高出力であり、
中性子束、γ線も増大するボトムピークを示している。

このために、中性子束、γ線等を吸収等した流路抵抗
体17の放射線吸収発熱体はその発熱量を増大させてい
る。

そこで、下部タイプレート15の下方の高圧炉水がウォ
ータロッド11の内管13の取入口16よりその内部へ取り入
れられて、図中矢印に示すように昇流し、流路抵抗体17
の通水孔17aを通水すると、上記したようにボトムピー
クにより既に発熱量を増大させている放射線吸収発熱体
17bにより炉水が加熱させてボイドをより多く発熱さ
せ、ボイド率を高める。

この通水孔17aでボイド率が高まると、そのボイドに
よる通水路が狭溢化されるので、ここでの流路抵抗が増
大し、炉水の液相が減少する。

この液相を減少させてボイド率を高めた炉水は、さら
に上方へ昇流して上部端栓21の内端に衝突して径方向に
拡散し、各横孔13aを通って環状流路14の上端部に到達
して、さらに内管13の炉水圧により環状流路14を下向き
に転流して降下し、外管12底部の排出口12aの内側に到
達する。

この排出口12aの内側に到達した炉水の流速は内管13
の取入口16aから環状流路14へ転流し、ここをさらに降
下して長い流路を流れる間に、その流路抵抗により減速
されているので、この排出口12aの外側を昇流している
炉水の流速に比して低速であるこのために、排出口12aの外側の静圧の方がその内側
の静圧よりも低い差圧が形成され、その差圧により排出
口12aの内側の炉水が外側へ強制的に、連れ出され、排
出される。

したがって、BOCではウォータロッド11の排出口12aか
ら燃料棒下部周りへ案内される減速材の炉水の液相が低
減するので、炉水による中性子減速効果が低減し、燃料
棒にはプルトニウムが炉水の減少分だけ、より多く、生
成蓄積される。

またウォータロッド11の排出口12aは燃料集合体の下
端から1/4〜1/8L付近ないし、やや下端側付近で開口し
ているので、この1/4〜1/8Lないし、やや下端側から上
端までの間にて燃料棒内にプルトニウムの生成蓄積が行
なわれるので、プルトニウムの生成蓄積量の増大を図る
ことができる。

一方、EOCでは炉水の炉心流量がBOCのときよりも増大
される反面、炉心の軸方向出力分布がボトムピークに代
わってトップピークに移行する。

このために、ウォータロッド11の流路抵抗体17の放射
線吸収発熱体17bの発熱量が減少している。したがっ
て、内管13の取入口16aよりその内部へ取り入れられた
高圧炉水が流路抵抗体17の通水孔17aを通水する際に、
放射線吸収発熱体17bにより加熱されてボイドを発生さ
せるボイド発生率を低下させる。

そして、ボイドを減少させる一方で液相を増大させた
炉水に上記したように内管13内を昇流してから、環状流
路を流下して排出口12aの内側に到達する。

一方、排出口12aの外側を昇流する炉水は炉心流量の
増大に伴なってBOCのときよりも一段と流速を高めてい
るので、その分、排出口12aの内外の差圧がBOCのときよ
りも一段と増大する。このために、排出口12aの内側か
ら外側へ強制的に連れ出される炉水の流量も一段と増大
する。

したがって、EOCではウォータロッド11の排出口12aか
ら燃料棒下部周りへ案内される炉水の液相が増大するの
で、炉水による中性子減速効果が増大し、BOCで燃料棒
内に生成蓄積したプルトニウムを燃焼させることがで
き、その燃焼分だけ燃焼期間の延長を図ることができる
ので、燃料経済性の向上を図ることができる。

また、ウォータロッド11の排出口12aが燃料スペーサ1
9より下流側で開口しているので、このスペーサ19の下
流側における圧力損失により、排出口12aの外側の炉水
圧がさらに低下し、排出口12aの内外の差圧の増大を図
ることができ、その内側から外側へ連れ出す炉水の流量
の増大を図ることができる。

なお、ウォータロッド11の排出口12aの開口位置を取
入口16aの近傍まで、下げてもよく、これによれば排出
口12aの開口位置を下げる分だけ、燃料棒内のプルトニ
ウム生成蓄積領域の拡大を図ることができ、燃料経済性
の向上を図ることができる。

しかしながら、EOCで炉心流量を増大させ、出力ピー
クを炉心上部へ移行させる運転を続けて行くと、やがて
炉心全体が急にトップピークとなり、大きな反応度が印
加されるおそれがあり、原子炉安全運転に支障を来すこ
とが考えられる。

そこで本発明はこのような事態に陥るのを防止し、安
全確実に、しかも、緩やかにトップピークを形成させる
ように原子炉を運転する。

すなわち、本発明の一実施例は、原子炉運転のEOCに
移行する前の段階で、既に完全に引抜かれている全引抜
の制御棒、あるいはほぼ完全に引抜かれている全引抜状
態の制御棒を若干、例えば15cm〜60cm程度だけ炉心に挿
入する、いわゆる浅挿入（シャロー挿入）を行なう。

このために、制御棒の先端がウォータロッド11の放射
線吸収発熱体17bのほぼ先端高さまで挿入され、発熱体1
7aへ照射される放射線が低減する。

したがって、発熱体17aの発熱量が低下し、ここでの
ボイドの発生量が抑制されるので、流路抵抗体17の流路
抵抗が低減する。

その結果、ウォータロッド11内は非沸騰水により満た
され、この非沸騰水が当該ウォータロッド11周りの燃料
棒２の上部に排出される。

この現象は通常、浅挿入した制御棒周りの４体の燃料
集合体内でしか生じない。

このために、ウォータロッド11内の炉水がボイドから
非沸騰水へ移行することにより生ずる反応度上昇は極く
僅かな程度に抑制される。

すなわち、このような制御棒挿入操作を炉心全体に続
けて行くことにより緩やかに、しかも計画的にボイドか
ら非沸騰水への移行、つまり、スペクトルシフト操作を
安全に行なうことができる。

このようなスペクトルトシフト操作の前後の原子炉出
力分布を第３図（Ａ），（Ｂ）に示す。

第３図（Ａ）の実曲線ＡはEOCを迎える前の全引抜な
いし全引抜状態の制御棒の浅挿入前の出力分布を示し、
同（Ｂ）の実曲線Ｂは当該制御棒浅挿入によるスペクト
ルシフト操作を行なった直後の出力分布例を示してい
る。

第３図（Ｂ）の実曲線Ｂに示すように制御棒挿入によ
りウォータロッド11の発熱体17b周りの出力が制御棒挿
入前（スペクトルシフト操作前）の出力分布を示す破線
に比して局所的に低下する。

したがって、発熱体17bの発熱量も大幅に低下し、そ
のために、流路抵抗体17の抵抗が低減するので、ウォー
タロッド11内の炉水はボイドから非沸騰水に移行し、ス
ペクトルシフトが行なわれる。

このスペクトルシフトが炉心全体が終了した後は、そ
のまま運転を暫く続け、炉心がほぼトップピーク状態に
定着した後に、必要に応じて再び挿入した制御棒を全引
抜状態に引抜く。

これにより、BOCで生成、蓄積されたプルトニウムお
よび残存燃料を十分に燃焼させてEOCを終了する。

なお、炉心がほぼ完全にトップピーク状態に定着する
前に前記棒を引抜くと、トップピークの出力分布がずれ
ることも考えられるので、本実施例の方法が好都合であ
る。

なお、本発明に係る原子炉の運転方法の一実施例が適
用される燃料集合体のウォータロッド11およびその流路
抵抗体17は上記一例に限定されるものではなく、以下の
ものでもよい。

例えば流路抵抗体17を第４図（Ａ）（Ｂ）もしくは第
５図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように構成してもよい。

すなわち、流路抵抗体17は第３図（Ａ）の平面図、
（Ｂ）の縦断面図に示すように、放射線を吸収して発熱
する素材よりなる円柱体の本体30にその軸方向に通水孔
17aである複数の貫通孔31を穿設し、これら貫通孔31を
通水する炉水のボイドの多少に応じてその流路抵抗を連
続的に制御するように構成されている。

貫通孔31は第４図（Ａ）の平面図に示すように直径を
異にする複数のリング状貫通孔31aを同心円状に配設し
てもよい。また、本体30の図中上端部と下端部との外周
には外向きのフランジ32a,32bを突設し、このフランジ3
2a,32bの各外周をウォータロッド11の取付内周面に固着
している。

このために、本体30とウォータロッド11の取付内周面
との間に間隙が形成され、この間隙が発熱する本体30の
断熱層として作用するようになっている。

さらに、第５図（Ｂ），（Ｃ）には他の流路抵抗体4
2,43をそれぞれ示しており、前者42は両端開口で細径の
螺旋管42の開口下端をウォータロッド11の取入口16a側
に向けて固着している。

したがって、細径の螺旋管42の流路抵抗は通水する炉
水のボイド率の高い程流路抵抗を連続的に増大せしめ、
ボイド率の低減に応じて流路抵抗を連続的に低減せしめ
ることができる。

また、後者の流路抵抗体43は有蓋円筒体の底部開口端
をウォータロッド11の取入口16a側に向けて同軸状に開
口させて固定し、取入口16aから取水した炉水を下向き
に転流させ、その下方へ流出させることにより、取水し
た炉水のボイド率が高いときに流路抵抗を高め、ボイド
率の低減と共に、流路抵抗を連続的に低減するように制
御しようとするものである。

第４図および第５図では、４種類の流路抵抗体につい
て説明したが、他にもいろいろ考えられる。例えばウォ
ータロッド11の外、内管12,13の内面を粗面にしたり、
スロート状としても効果を奏する。

さらに、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）の他の変形例を
示しており、これは内管13IIの下半部、例えば内管13II
の有効長Ｌの1/2より下方までの直径（幅）を所要径
（幅）に縮少する細径部13zを設け、必要に応じて外管1
2の下部を内管13IIの細径部13zに応じて縮少するもので
あり、これ以外は上記第１図（Ａ）で示す実施例と同様
の構成であるので、第１図（Ｂ）中、第１図（Ａ）と共
通する部分には同一符号を付して、その重複した部分の
説明を省略する。

このように内管13IIの下半部を細径化しすると、この
内管13IIの細径部13zの径（幅）と燃料棒の径との差が
下部タイプレート15付近で縮少し、両者の耐震上の対応
のアンバランスを低減することができ、燃料集合体とし
ての機械的強度の増減を図ることができる。

また、内管13IIの細径部13zの細径化により、その構
成素材のジルカロイの物量の低減を図ることができると
共に、この内管13IIの中性子吸収量を低減して中性子経
済の向上を図ることができる。

さらに、内管13IIの細径部13z周りに、その細径部13z
長さにほぼ匹敵する短尺型燃料棒（図示せず）を配設す
ることができるので、燃料の増大を図ることができる。

そして、上記ウォータロッド11の他の構成例としては
第６図（Ｂ）に示すように構成されたものがある。

このウォータロッド50は第６図（Ｂ）の要部縦断面図
に示すように構成され、これは第６図（Ａ）に示すよう
にBOCでは炉心の軸方向出力分布が炉心下部で高くな
り、かつ、中性子束とガンマ線束（即発ガンマ線）が高
くなるというボトムピークを示し、EOCではその逆のト
ップピークを示すという特性を利用したものである。

すなわち、ウォータロッド50はその内部に、主取入口
51の近傍にて縦断面が逆円錐台状の中空筒体で昇降自在
の昇降弁52を収容し、この昇降弁52の下底部は第６図
（Ｃ）の部分拡大図に示すように昇降棒53を介してコイ
ル状のバイメタルスプリング54に支持されている。

昇降弁52はその下底部に複数の小孔52aを軸方向に穿
設して、開口上端より炉水を排水し、バイメタルスプリ
ング54の伸縮に応じて上下方向に昇降し、バイメタルス
プリング54は所要の設定温度を超えて昇温したときに収
縮して、昇降弁52を下方に降下させ、昇降台52の大径上
端部外周面と主取入口51との間隙である炉水の流路を狭
隘化して、その流路抵抗を連続的に増大せしめるように
なっている。

また、バイメタルスプリング54の温度が設定温度以下
のときにバイメタルスプリング54が伸展して昇降弁52が
上昇し、その縮径下端部外周面が主取入口51の内側に対
向し、その対向間隙の流路を拡張し、その流路抵抗を連
続的に低減せしめるようになっている。

上記バイメタルスプリング54の外周のボトムピーク周
辺には放射線吸収発熱体55を内蔵する加熱リング56が遊
びを持って外嵌されて、ウォータロッド50の下部内周に
固着され、下端部外周には第６図（Ｂ）に示すように横
孔の補助取入口57が開口されている。なお、第６図
（Ｂ）中符号58は炉水の排出口である。

第７図はさらに他のウォータロッド60の要部縦断面を
示しており、このウォータロッド60は、ジルコニウム合
金製の外管61内にジルコニウム製の内管62を同軸状に収
容して２重管に構成し、外、内管61,62の間に内管62の
内の流路よりも狭隘な環状流路を形成している。

内管62はその外周にリング状のオリフィス板63を上下
方向に所要の間隔をおいてそれぞれ外嵌固着し、各オリ
フィス板63にはボイドに対しては高抵抗で、液相に対し
ては低抵抗の孔径を有するオリフィス孔63aを周方向に
所要のピッチで穿設している。

内管62の縮径開口下端62aより上方でボトムピークに
対応する部分、例えばその縮径開口下端62aから30〜60c
m付近には発熱体64を配設している。

この発熱体103は例えばジルカロイ製の内管62の下端
部を厚肉に形成してなり、中性子、ガンマ線等を吸収し
て発熱するものであり、その外周面には軸方向に段溝を
繰り返す波形を形成して、外表面の面積拡大を図ってい
る。

内管62の上端部内には閉塞上端に穿設された複数の小
孔62bの近傍にて流路抵抗体17（第１図参照）を内嵌固
着し、この流路抵抗体17の下面側（上流側）にボイドを
溜めて、そのボイドの多少に応じて流路抵抗体17の流路
抵抗を連続的に制御するようになっている。

一方、外管61はその上端に固着した上部端栓65に排出
道66と排出孔67とを穿設して、外管61の上端部内と外部
とを連通させ、上部端栓65の内端面には排出路66の内側
開口端の両側にて内方へ突出する突起68,68を複数個な
いしリング状に突設している。

また、外管61はその下端に、下部端栓69を固着すると
共に、その下端部外周面に取入口70を開口させている。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、流量制御と制御棒操作
により減速材案内部材内をBOCおよびMOCではボイドと
し、EOCを迎えるに際しては計画的かつ安全確実に非沸
騰減速材で満たすことができる。

その結果、BOCからMOCでより多く蓄積させたプルトニ
ウムをEOCで効果的に燃焼させることができるので、燃
料経済性を向上させることができる。

しかも、EOCを迎えるに際しては全引抜等の制御棒を
浅挿入するので、減速材案内部材内の発熱体の発熱量を
抑えて、炉心のトップピークを安全確実に、かつ緩やか
に確立させることができ、原子炉運転の安全性の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る原子炉の運転方法
の一実施例が適用される原子炉の炉心に装荷される燃料
集合体のウォータロッドの縦断面図、第２図（Ａ），
（Ｂ）は一般的な燃料集合体の軸方向出力分布と、ボイ
ド率分布をそれぞれ示すグラフ、第３図（Ａ），（Ｂ）
は本発明の一実施例の実行前後の出力分布をそれぞれ示
すグラフ、第４図（Ａ）は第１図で示す流路抵抗体の一
例の平面図、第４図（Ｂ）は第４図（Ａ）の縦断面図、
第５図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は第４図で示す流路抵抗
体の他の例をそれぞれ示す図、第６図（Ａ）はBOCおよ
びEOCの出力分布を示すグラフ、第６図（Ｂ）は他のウ
ォータロッドの縦断面図、第６図（Ｃ）は同（Ｂ）の部
分拡大図、第７図はさらに他のウォータロッドの縦断面
図、第８図は一般的なBWR型原子炉の炉心の平面図、第
９図は第８図で示す燃料セルの１つを示す部分拡大図、
第10図は第８図で示す燃料セルに組み込まれる燃料集合
体の縦断面図である。 11,50,60…ウォータロッド（減速材案内部材）、12,61
…外管、12a…排出口、13,13II,62…内管、17…流路抵
抗体。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炉心に装荷される複数の燃料集合体の減速
材案内部材の下部に、放射線を吸収して発熱する発熱体
による炉水を加熱してボイドを発生させることにより炉
水の流路抵抗を制御する流路抵抗体を設け、上記炉心の
下方から制御棒を挿脱させる原子炉の運転方法におい
て、原子炉運転サイクルの末期にて、これまで全引抜も
しくはほぼ全引抜状態にある制御棒を、その先端が上記
発熱体のほぼ上端に相当する位置に到達するまで挿入
し、上記減速材案内部材内のボイド率を低下させること
を特徴とする原子炉の運転方法。