JP4422690B2

JP4422690B2 - 自然循環式沸騰水型原子炉

Info

Publication number: JP4422690B2
Application number: JP2006053088A
Authority: JP
Inventors: 一弥石井; 肇男青山; 哲士日野
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007232505A; US20070201605A1

Description

本発明は、自然循環式沸騰水型原子炉に関するものである。

強制循環式沸騰水型原子炉では、炉心に装荷される燃料集合体を冷却する冷却材の炉心流量はポンプの出力によって決まり、各燃料集合体への流量配分は、各燃料集合体に対応して設けられたオリフィスのオリフィス圧損係数によって設定される。これらの各燃料集合体のオリフィス圧損係数の設定に関しては、例えば、燃料集合体のオリフィス圧損係数を、炉心中心部に近い内側領域より炉心の最外層領域で大きくする設定により、各燃料集合体へ冷却材の流量配分が最外層領域で少なく、内側領域で多くなるように最適化することで、熱的余裕を増大する技術が公開されている（特許文献１参照）。

一方、自然循環式沸騰水型原子炉では、冷却材の炉心流量は個々の燃料集合体の自然循環流動による流量の総和として決定される。つまり、個々の燃料集合体の冷却材の流量は他の燃料集合体の冷却材の流量に影響を与えない。このことより、強制循環式沸騰水型原子炉のように、最外層領域の冷却材の流量を少なくするようなオリフィス口径の設定をしても、内側領域の冷却材の流量は一定のままで増加することはなく、熱的余裕の増大には効果が無い。そこで、自然循環式沸騰水型原子炉に関しては、燃料集合体の出力特性に重点をおいて着目し、燃料集合体のオリフィス圧損係数を内側領域より最外層領域で小さくする設定により、最外層領域への冷却材の流量を多くして、最外層領域の出力を高めるという技術が公開されている（特許文献２参照）。
特開平７−１８１２８０号公報特開平１−１７６９９１号公報

しかし、自然循環式沸騰水型原子炉に関する従来技術によると最外層領域への冷却材の流量を多くすることで、最外層領域部の燃料集合体の出力を増大し、内側領域との出力分布の平坦化が図れるという効果の反面、炉心を再循環する冷却材の温度の上昇により炉心内部の熱的余裕が減少し、また、炉心の反応度が減少するという問題がある。

そこで、本発明は、炉心径方向の出力分布の平坦化を図るとともに、熱的余裕を増大することが可能な自然循環式沸騰水型原子炉を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、炉心に装荷された燃料集合体の炉心平面における配置を複数の領域に分割して、炉心平面の外周に近い領域で炉心の反応度への影響が大きい領域への冷却材の流量を多く、炉心の反応度への影響が小さい領域への冷却材の流量を少なく設定する自然循環式沸騰水型原子炉とした。

本発明によれば、炉心に装荷される燃料集合体への冷却材の流量配分が最適化され、炉心径方向の出力分布の平坦化を図るとともに、熱的余裕を増大することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る自然循環式沸騰水型原子炉（以下、原子炉という）を示す概略図である。原子炉１を構成する原子炉圧力容器６内には、複数の燃料集合体２１が装荷されている炉心７と、炉心７の外周を囲う筒状の炉心シュラウド８と、炉心７の上部を構成している上部格子板２３と、上部格子板２３上に立設してある筒状のチムニ１１と、チムニ１１上に装備されてチムニ１１の上端を覆うスタンドパイプ付きの気水分離器１２と、気水分離器１２を下部のスカート部で囲うように気水分離器１２の上方に装備された蒸気乾燥器１３とが炉内構造物として内蔵されている。さらに、原子炉圧力容器６には蒸気出口ノズル１５と給水入口ノズル１７とが装備されている。

炉心７には、炉心支持板２２と上部格子板２３の間に複数の燃料集合体２１が等間隔で装荷されている。また、燃料集合体２１の４本に１の割合で、制御棒（図示せず）が摺動可能に挿設され、該制御棒は、原子炉圧力容器６下部に原子炉圧力容器６外部から制御棒案内管２５を通り、操作可能に挿設される複数の制御棒駆動機構２６によって上下方向に操作され、炉心７の出力を制御する。

さらに、原子炉圧力容器６内には、冷却材Ｗとして軽水が気水分離器１２の途中の高さにまで入れられている。その冷却材Ｗは、原子炉１が運転されることにより、炉心７内で、燃料集合体２１に格納されている核燃料（図示せず）による核反応で生じる熱を受ける。その熱によって加熱された冷却材Ｗは、蒸気と水の気液二相流となって比重が軽くなるので、自然に上昇する。

そして、気液二相流状態になった冷却材Ｗはチムニ１１内を上昇しその後、上部の気水分離器１２を通過する際に、気液二相状態の冷却材Ｗは飽和水と蒸気に分離され、分離された飽和水は、炉心シュラウド８やチムニ１１と原子炉圧力容器６内の壁面との間の垂直な流路であるダウンカマ９へと導かれて流下する。

その一方、気水分離器１２で分離された蒸気は、更に湿分を除去するため蒸気乾燥器１３へと導かれ、蒸気乾燥器１３で充分に湿分が分離された後に上方へ抜け出て、蒸気出口ノズル１５を通り、蒸気を駆動エネルギーとするタービン２へと送られる。なお、気水分離器１２を設けずに、蒸気乾燥器１３のみで湿分分離を実施する場合もある。

タービン２を駆動した後の蒸気は、復水器３で凝縮されて水に戻された後、給水ポンプ４により給水加熱器５を経て、給水入口ノズル１７を通り原子炉圧力容器６内に給水として流入する。そこで、給水は飽和水と混合して再度冷却材Ｗとなる。

ここで、給水は飽和水より温度が低いため、冷却材Ｗの炉心流量における給水の割合が高いほうが冷却材Ｗの温度が低く、熱的余裕の増大に有効である。しかしながら、給水は原子炉の出力によって決まり、冷却材Ｗの炉心流量によらず一定量であるため、冷却材Ｗの炉心流量が増加すると、冷却材Ｗに占める飽和水の割合が高くなり、冷却材Ｗの温度が高くなるという現象が発生する。したがって、冷却材Ｗの炉心流量を設定する際には、冷却材Ｗの流量と温度のかねあいを考慮する必要がある。

図２の（ａ）は、燃料集合体の縦断面図であり、図２の（ｂ）は燃料集合体を上部から見た図である。燃料集合体２１は下部タイプレート２７と上部タイプレート３０の間で、複数の燃料棒２８（図２は、８×８＝６４本の態様を示す）を固定し、その周囲をチャンネルボックス２９が囲んでいる略角柱形状となっている。そして、炉心支持板２２に、制御棒案内管２５の上端に挿入される形で固設される燃料支持金具３６（図３参照）に下部タイプレート２７が嵌合して、炉心７に設置される。

図３は、炉心支持板への燃料集合体および燃料支持金具と制御棒案内管の設置方法を示す概略図である。なお、炉心の最外層領域とその他内側領域とで燃料支持金具３６の固定方法に違いがあるため、図３の（ａ）に内側領域の固定方法、図３の（ｂ）に最外層領域の固定方法を示す。

燃料支持金具３６は、中心部が中空で冷却材Ｗの流路３５を形成し、上端部には、上部貫通孔３３が形成されており、上部貫通孔３３に燃料集合体２１の下部タイプレート２７が嵌合される。また、燃料支持金具３６の下部には冷却材流入口３２が設けられ、冷却材Ｗは冷却材流入口３２から燃料支持金具３６の流路３５に流入し、さらに燃料集合体２１に取り入れられる。

図３の（ａ）に示すように、内側領域では、炉心支持板２２に制御棒案内管２５が固定され、内側領域の燃料支持金具３６ａは制御棒案内管２５の上部に固定される。制御棒案内管２５には、内側領域の燃料支持金具３６ａを固定したときに、その冷却材流入口３２と一致する位置に貫通孔３４を設けてあり、冷却材流入口３２の前面にオリフィス３１が設置されている。

冷却材Ｗは、貫通孔３４からオリフィス３１、冷却材流入口３２を経て内側領域の燃料支持金具３６ａの流路３５を通って燃料集合体２１に取り込まれるが、オリフィス３１のオリフィス圧損係数によって、内側領域の燃料支持金具３６ａに取り込まれる冷却材Ｗの流量が設定されることになる。

すなわち、オリフィス３１の開口口径を大きくすると、オリフィス前後の圧力損失が小さくなるため、オリフィス３１を通過する冷却材Ｗの流量は増え、開口口径を小さくすると、オリフィス前後の圧力損失が大きくなるため、オリフィス３１を通過する冷却材Ｗの流量は減る。したがって、内側領域の燃料支持金具３６ａへの冷却材Ｗの流量を多くする場合は、オリフィス３１の開口口径を大きくする、すなわち圧損係数を小さく設定し、内側領域の燃料支持金具３６ａへの冷却材Ｗの流量を少なくする場合は、オリフィス３１の開口口径を小さくする、すなわち圧損係数を大きく設定することになる。

図３の（ｂ）に示すように、最外層領域には、制御棒（図示せず）が配置されないため、炉心支持板２２に最外層領域の燃料支持金具３６ｂが直接固定される。さらに、オリフィス３１は最外層領域の燃料支持金具３６ｂの底面の冷却材流入口３２に直接備わる形態となる。そして、冷却材Ｗは、オリフィス３１を経由して最外層領域の燃料支持金具３６ｂの流路３５を通り、燃料集合体２１に取り込まれるが、オリフィス３１のオリフィス圧損係数によって、最外層領域の燃料支持金具３６ｂに取り込まれる冷却材Ｗの流量が設定されるのは、内側領域と同じ構成である。

図４は、図１におけるＸ−Ｘ矢視断面図であり、燃料集合体の装荷形態を示している。なお、図４の格子の１マスが１の燃料集合体２１を示す。図示のとおり、燃料集合体２１は、炉心平面中心４０を中心に略円筒形状に装荷されている。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。図５は、炉心に装荷される燃料集合体を、図４の左上１／４に該当する領域のみ示した概略図である。図５で図示されない領域は、図５の図示領域を、炉心平面中心４０を中心として時計回りに９０°、１８０°、２７０°回転した図形として考えればよいので、簡略化のため１／４の図で説明する。

第１の実施形態においては、図５に示すように炉心７を３領域に分割する。すなわち、炉心７の最も外側１層を、請求項に記載するところの第０１領域として最外層領域５１、最外層領域５１の内側に設けられた２〜３層を、請求項に記載するところの第０２領域として外側領域５２、その他の領域を、請求項に記載するところの第０３領域として内側領域５３、の３領域に分割する。なお、第１の実施形態においては、最外層領域５１として最も外側の１層、外側領域５２として最外層領域５１の内側に設けられた２〜３層、としたが、各領域の層数はこれらに限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。

そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Ｗの炉内流量と冷却材Ｗの温度の関係および、炉内の反応度への影響度を考慮して、最外層領域５１、外側領域５２および、内側領域５３のオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。

まず、外側領域５２について燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定する。一般に外側領域５２の燃料集合体２１の出力は、内側領域５３の燃料集合体２１の出力に比べて低くなっているが、炉心７全体に対する反応度への影響は最外層領域５１よりは大きい。したがって、外側領域５２については燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を多くして燃料集合体２１の出力を増大させることが有効である。そこで、外側領域５２については、オリフィス圧損係数を内側領域５３より小さく設定して、外側領域５２への燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量の増加を図ることが好ましい。

次いで、最外層領域５１について燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定する。この領域は、外側領域５２と同様に燃料集合体２１の出力は内側領域５３の燃料集合体２１の出力に比べて低くなっているが、燃焼が進んだ燃料集合体２１が装荷される領域であり、また中性子の炉外への漏洩もあることから、炉心７全体に対する反応度への影響が内側領域５３に比べて小さい。したがって、最外層領域５１に関しては、燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を少なくして、冷却材Ｗの炉心流量を減少することが有効である。そこで、最外層領域５１については、オリフィス圧損係数を外側領域５２より大きく設定して、燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量の減少を図ることが好ましい。

すなわち、第１の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
外側領域５２＜最外層領域５１
外側領域５２＜内側領域５３
なお、第１の実施形態においては、最外層領域５１と内側領域５３のオリフィス圧損係数に関しては、その大小関係を問わない。

前記第１の実施形態において、前記したオリフィス圧損係数の設定に基づいて、最外層領域５１のオリフィス圧損係数を、内側領域５３と等しく、外側領域５２のオリフィス圧損係数を、内側領域５３の約０．０５倍に設定した。その結果、出力ピーキングが約２％の減少、さらに熱的余裕が約３％の増大、サイクル末期での反応度が約０．１％の増大という効果が確認できた。前記数値は、炉心出力分布が平坦化され、熱的余裕と反応度が改善されていることを示している。

《第２の実施形態》
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、炉心に装荷される燃料集合体を、図４の左上１／４に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第１の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。

第２の実施形態においては、図６に示すように炉心７を３領域に分割する。すなわち、炉心７の最も外側１層を、請求項に記載するところの第０１領域として最外層領域６１、最外層領域６１の内側に設けられた２〜３層を、請求項に記載するところの第０２領域として外側領域６２、その他領域を、請求項に記載するところの第０３領域として内側領域６３、の３領域に分割する。なお、第１の実施形態と同様、各領域の層数は図示された層数に限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。

そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Ｗの炉内流量と冷却材Ｗの温度の関係および、炉内反応度の関係を考慮して、最外層領域６１、外側領域６２および、内側領域６３のオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。

まず、外側領域６２について燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定するが、第１の実施形態と同じ理由で、外側領域６２については、オリフィス圧損係数を内側領域６３より小さく設定して、外側領域６２への燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量の増加を図ることが好ましい。

次いで、最外層領域６１について燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定するが、この領域に関しても第１の実施形態と同じ理由で、オリフィス圧損係数を外側領域６２より大きく設定して、最外層領域６１の燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量の減少を図ることが好ましい。

さらに、第２の実施形態では最外層領域６１と、内側領域６３の関係についても考慮することを特徴とする。

すなわち、前記のとおり最外層領域６１の炉心の反応度への影響は小さいと考えられることから、冷却材Ｗの炉心流量を少なくして熱的余裕をより増大するために、最外層領域６１の流量が少なくなるように設定する。そこで、最外層領域６１については、オリフィス圧損係数を内側領域６３よりも大きく設定して、燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を減少することが好ましい。

すなわち、第２の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
外側領域６２＜内側領域６３＜最外層領域６１

前記第２の実施形態において、前記したオリフィス圧損係数の設定に基づいて、最外層領域６１のオリフィス圧損係数を、内側領域６３の約６倍、外側領域６２のオリフィス圧損係数を、内側領域６３の約０．０５倍に設定すると、炉心出力分布の平坦化と熱的余裕の改善に関して、第１の実施形態と同等以上の良好な結果が得られることがわかった。

《第３の実施形態》
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。図７は、炉心に装荷される燃料集合体を、図４の左上１／４に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第１の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。

第３の実施形態においては、図７に示すように炉心７を一旦３領域に分割する。すなわち、炉心７の最も外側１層を、請求項に記載するところの第０１領域として最外層領域７１、最外層領域７１の内側に設けられた２〜３層を、請求項に記載するところの第０２領域として外側領域７２、その他の領域を、請求項に記載するところの第０３領域として内側領域７３、の３領域に分割する。なお、第１の実施形態と同様、各領域の層数は図示された層数に限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。

さらに、第３の実施形態においては図７に示すように、外側領域７２を外側領域内の外側領域７２ａと、外側領域内の内側領域７２ｂの２領域に分割することを特徴とする。すなわち、第３の実施形態においては、炉心７を４領域に分割する。

なお、図７では、２層の外側領域７２のうち、外側の１層を外側領域内の外側領域７２ａ、残りの１〜２層を外側領域内の内側領域７２ｂとしたが、各領域の層数は図示された層数に限定されるものではなく、外側領域７２の層数に応じて、必要に応じた層数を設定してもよい。

そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Ｗの炉内流量と冷却材Ｗの温度の関係および、炉内反応度の関係を考慮して、最外層領域７１、外側領域内の外側領域７２ａ、外側領域内の内側領域７２ｂおよび、内側領域７３のオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。

まず、外側領域７２について燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定するが、第１の実施形態と同じ理由で、燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量が内側領域７３より多くなるような設定にすることが好ましい。

ここで、本実施形態によると外側領域７２には、外側領域内の外側領域７２ａと外側領域内の内側領域７２ｂがあるので、それらの領域の燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を別々に設定する。外側領域内の外側領域７２ａと外側領域内の内側領域７２ｂはともに、外側領域７２内の領域であるから、内側領域７３よりは燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を多くする。また、外側領域内の外側領域７２ａと外側領域内の内側領域７２ｂの位置関係では、外側領域内の外側領域７２ａの方がより外側に位置するので、外側領域内の内側領域７２ｂより高い燃料集合体２１の出力を求められる。したがって、外側領域内の外側領域７２ａには、より多くの燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量が必要となる。このような冷却材Ｗの流量配分を実現するために、外側領域内の外側領域７２ａのオリフィス圧損係数を外側領域内の内側領域７２ｂのオリフィス圧損係数より小さく設定する。

次いで、最外層領域７１について燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定する。この領域は、第２の実施形態と同じ理由で、オリフィス圧損係数を内側領域７３より大きく設定して、最外層領域７１の燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を減少することが好ましい。

すなわち、第３の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
外側領域内の外側領域７２ａ＜外側領域内の内側領域７２ｂ＜
内側領域７３＜最外層領域７１

《第４の実施形態》
以下、炉心７での燃料集合体２１の滞在時間を考慮した、本発明の第４の実施形態について説明する。図８は、炉心に装荷される燃料集合体を、図４の左上１／４に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第１の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。

第４の実施形態においては、図８に示すように炉心７を一旦２領域に分割する。すなわち、炉心７の最も外側１層を、請求項に記載するところの第１１領域として最外層領域８１、その他の領域を、請求項に記載するところの第１２領域として内側領域８２、の２領域に略同心円状に分割する。なお、第４の実施形態においては、最外層領域８１として最も外側の１層、としたが、この層数は限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。

さらに、第４の実施形態においては、内側領域８２に装荷された燃料集合体２１のなかで炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａを集めて形成した領域（以下、長期滞在領域Ａと称する）を請求項に記載するところの第１３領域とすることを特徴とする。すなわち、第４の実施形態においては、炉心７を３領域に分割する。

ここで、第４の実施形態においては、燃料集合体２１の炉心滞在期間を滞在期間の短い方から滞在サイクル１（図８中、１で表記）、滞在サイクル２（図８中、２で表記）、滞在サイクル３（図８中、３で表記）の３段階に分類して、滞在サイクル３の燃料集合体２１を、炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａと定義する。なお、第４の実施形態においては、滞在サイクルを３段階に分類したが、必要に応じてもっと詳細な分類にしてもよい。また、滞在サイクル３の燃料集合体２１を炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａと定義したが、これも限定されるものではなく、必要に応じて任意の滞在サイクルの燃料集合体２１を、炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａと定義できる。

そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Ｗの炉内流量と冷却材Ｗの温度の関係および、炉内反応度への影響度を考慮して、最外層領域８１、内側領域８２および、長期滞在領域Ａのオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。

まず、長期滞在領域Ａについて燃料集合体２１ａ一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定する。長期滞在領域Ａは炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａを集めた領域であるから、燃焼が進んだ燃料集合体２１であり、燃料集合体２１ａの出力は小さい。したがって、長期滞在領域Ａについては燃料集合体２１ａ一体あたりの冷却材Ｗの流量を多くして出力を増量させることが好ましい。そこで、長期滞在領域Ａについては、オリフィス圧損係数を最外層領域８１、内側領域８２より小さく設定して、炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａ一体あたりの冷却材Ｗの流量の増加を図ることが好ましい。

すなわち、第４の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
長期滞在領域Ａ＜最外層領域８１
長期滞在領域Ａ＜内側領域８２
なお、第４の実施形態においては、最外層領域８１と内側領域８２のオリフィス圧損係数に関しては、その大小関係を問わない。

《第５の実施形態》
以下、炉心７での燃料集合体２１の滞在時間を考慮した、本発明の第５の実施形態について説明する。図９は、炉心に装荷される燃料集合体を、図４の左上１／４に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第１の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。

第５の実施形態においては、図９に示すように炉心７を一旦２領域に分割する。すなわち、炉心７の最も外側１層を、請求項に記載するところの第１１領域として最外層領域９１、その他領域を、請求項に記載するところの第１２領域として内側領域９２、の２領域に略同心円状に分割とする。なお、第５の実施形態においては、最外層領域９１として最も外側の１層、としたが、この層数はこれらに限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。

さらに、第５の実施形態においては、内側領域９２に装荷された燃料集合体２１のなかで炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａを集めて形成した領域（以下、長期滞在領域Ｂと称する）を請求項に記載するところの第１３領域とすることを特徴とする。すなわち、第５の実施形態においては、炉心７を３領域に分割する。

ここで、第５の実施形態における燃料集合体２１の炉心滞在期間の分類および、炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａの定義については、第４の実施形態と同等とするためここでの説明は省略する。

そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Ｗの炉内流量と冷却材Ｗの温度の関係および、炉内反応度への影響度を考慮して、最外層領域９１、内側領域９２および、長期滞在領域Ｂのオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。

まず、長期滞在領域Ｂについては、第４の実施形態と同じ理由で、オリフィス圧損係数を最外層領域９１、内側領域９２より小さく設定して、炉心滞在期間の長い燃料集合体２１ａ一体あたりの冷却材Ｗの流量の増加を図ることが好ましい。

次いで、最外層領域９１について燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定する。この領域は、図９に示すとおり、滞在サイクル３の燃料集合体２１が装荷されており、かつ、最外層ということで中性子の炉外への漏洩の影響もあることから、炉心７全体に対する反応度への影響が少ない。したがって、最外層領域９１については燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を少なくして、冷却材Ｗの炉心流量の減少を図ることが好ましい。そこで、最外層領域９１については、オリフィス圧損係数を内側領域９２より大きく設定して、燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量の減少を図ることが好ましい。

すなわち、第５の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
長期滞在領域Ｂ＜内側領域９２＜最外層領域９１

《第６の実施形態》
以下、コントロールセルを用いた、本発明の第６の実施形態について説明する。原子炉１ではサイクル運転中、特定の位置の制御棒（図示せず）を用いて、余剰反応度および、炉心内出力分布の制御を行う。この特定の位置の制御棒の周囲に配置される４体の燃料集合体２１をコントロールセルと称する。図１０は、炉心に装荷される燃料集合体を、図４の左上１／４に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第１の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。

第６の実施形態は、コントロールセルを用いた炉心７に対応するものである。まず、図１０に示すように炉心７を一旦２領域に分割する。すなわち、炉心７の最も外側１層を、請求項に記載するところの第２１領域として最外層領域１０１、その他の領域を、請求項に記載するところの第２２領域として内側領域１０２、の２領域に略同心円状に分割する。なお、第６の実施形態においては、最外層領域１０１として最も外側の１層、としたが、この層数は限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。

さらに、第６の実施形態においては、内側領域１０２に装荷された燃料集合体２１のなかでコントロールセルの燃料集合体２１ｂを集めて形成した領域（以下、コントロール領域Ａと称する）を請求項に記載するところの第２３領域とすることを特徴とする。すなわち、第６の実施形態においては、炉心７を３領域に分割する。

そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Ｗの炉内流量と冷却材Ｗの温度の関係および、炉内反応度への影響度を考慮して、最外層領域１０１、内側領域１０２および、コントロール領域Ａのオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。

まず、コントロール領域Ａについて燃料集合体２１ｂ一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定する。コントロール領域Ａはコントロールセルの燃料集合体２１ｂであるが、コントロールセルには燃焼の進んだ燃料集合体２１を装荷することから、コントロール領域Ａの燃料集合体２１ｂの出力は小さい。したがって、コントロール領域Ａについては燃料集合体２１ｂ一体あたりの冷却材Ｗの流量を多くして出力を増量させることが好ましい。そこで、コントロール領域Ａについては、オリフィス圧損係数を最外層領域１０１、内側領域１０２より小さく設定して、コントロールセルの燃料集合体２１ｂ一体あたりの冷却材Ｗの流量の増加を図ることが好ましい。

すなわち、第６の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
コントロール領域Ａ＜最外層領域１０１
コントロール領域Ａ＜内側領域１０２
なお、第６の実施形態においては、最外層領域１０１と内側領域１０２のオリフィス圧損係数に関しては、その大小関係を問わない。

《第７の実施形態》
以下、コントロールセルを用いた、本発明の第７の実施形態について説明する。図１１は、炉心に装荷される燃料集合体を、図４の左上１／４に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第１の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。

第７の実施形態も第６の実施形態同様、コントロールセルを用いた炉心７に対応するものである。まず、図１１に示すように炉心７を一旦２領域に分割する。すなわち、炉心７の最も外側１層を、請求項に記載するところの第２１領域として最外層領域１１１、その他の領域を、請求項に記載するところの第２２領域として内側領域１１２、の２領域に略同心円状に分割する。なお、第７の実施形態においては、最も外側の１層を最外層領域１１１としたが、この層数は限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。

さらに、第７の実施形態においては、内側領域１１２に装荷された燃料集合体２１のなかでコントロールセルの燃料集合体２１ｂを集めて形成した領域（以下、コントロール領域Ｂと称する）を請求項に記載するところの第２３領域とすることを特徴とする。すなわち、第７の実施形態においては、炉心７を３領域に分割する。

そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Ｗの炉内流量と冷却材Ｗの温度の関係および、炉内反応度への影響度を考慮して、最外層領域１１１、内側領域１１２および、コントロール領域Ｂのオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。

まず、コントロール領域Ｂについては、第６の実施形態と同じ理由で、オリフィス圧損係数を最外層領域１１１、内側領域１１２より小さく設定して、コントロールセルの燃料集合体２１ｂ一体あたりの冷却材Ｗの流量の増加を図ることが好ましい。

次いで、最外層領域１１１について燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を設定する。この領域の燃料集合体２１の出力は内側領域１１２の燃料集合体２１の出力に比べて低くなっているが、前記のとおり燃焼が進んだ燃料集合体２１が装荷され、また中性子の炉外への漏洩もあることから、炉心７全体に対する反応度への影響が内側領域１１２に比べて小さい。したがって、最外層領域１１１に関しては、燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量を少なくして冷却材Ｗの炉心流量を減少することが有効である。そこで、最外層領域１１１については、オリフィス圧損係数を内側領域１１２より大きく設定して、燃料集合体２１一体あたりの冷却材Ｗの流量の減少を図ることが好ましい。

すなわち、第７の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
コントロール領域Ｂ＜内側領域１１２＜最外層領域１１１

《その他の実施形態》
以上、第１の実施形態から第７の実施形態まで説明したが、本発明の実施は前記記載内容に限定されるものではなく、他の形態による実施も考えられる。

例えば、第２の実施形態と第４の実施形態を組み合わせてもよい。この場合、最外層領域の第１領域、外側領域の第２領域、内側領域の第３領域に加えて、内側領域の中に装荷されている炉心滞在期間の長い燃料集合体を集めた領域を第４領域として、４つの領域でオリフィス圧損係数を設定することになる。第４領域のオリフィス圧損係数は、他領域の設定と同じでもよいし、異なった設定でもよく、好適な熱的余裕を得るための最適な設定にすればよい。

そのほか、第２の実施形態と第６の実施形態の組み合わせ、第３の実施形態と第４の実施形態の組み合わせなど、適宜応用可能である。

さらには、各実施形態における内側領域を同心円状にさらに細分化し、多数の領域に分類して、各領域についてオリフィス圧損係数を細かに設定することも可能である。

自然循環式沸騰水型原子炉を示す概略図である。燃料集合体の構造図である。燃料支持金具の構造および、炉心支持板への燃料集合体と燃料支持金具の設置方法を示す概略図である。炉心を上部から見た時の燃料集合体の装荷形態を示す図である。第１の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。第２の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。第３の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。第４の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。第５の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。第６の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。第７の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。

符号の説明

１自然循環式沸騰水型原子炉（原子炉）
７炉心
２１燃料集合体
３１オリフィス
３５流路
３６燃料支持金具
５１、６１、７１、８１、９１、１０１、１１１最外層領域
５２、６２、７２外側領域
７２ａ外側領域内の外側領域
７２ｂ外側領域内の内側領域
５３、６３、７３、８２、９２、１０２、１１２内側領域
Ｗ冷却材

Claims

炉心に複数の燃料集合体を格子状に装荷し、
前記燃料集合体が載置され、冷却材が前記燃料集合体に流入するための流路を有する燃料支持金具に、
前記流路の冷却材の流量を調整するオリフィス、を備えた自然循環式沸騰水型原子炉であって、
前記炉心の炉心平面における前記燃料集合体の配置を、最外層の第０１領域と、前記第０１領域の内側に設けられた第０２領域と、前記第０２領域の内側に設けられた第０３領域と、に略同心円状に分割し、
前記第０２領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第０３領域の前記オリフィスの圧損係数よりも小さく設定し、かつ、前記第０１領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第０２領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
前記第０１領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第０３領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
前記燃料支持金具は、装荷される前記複数の燃料集合体と同数であり、前記オリフィスは、前記燃料支持金具に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
炉心に複数の燃料集合体を格子状に装荷し、
前記燃料集合体が載置され、冷却材が前記燃料集合体に流入するための流路を有する燃料支持金具に、
前記流路の冷却材の流量を調整するオリフィス、を備えた自然循環式沸騰水型原子炉であって、
前記炉心の炉心平面における前記燃料集合体の配置を、最外層の第１１領域と、前記第１１領域の内側に設けられた第１２領域と、に略同心円状に分割しかつ、前記第１２領域に装荷される前記燃料集合体の中で、前記炉心内への滞在時間の長い前記燃料集合体から構成される第１３領域と、に分割し、
前記第１３領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第１２領域の前記オリフィスの圧損係数よりも小さく設定し、かつ、前記第１１領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第１３領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
前記第１１領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第１２領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする請求項４に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
前記燃料支持金具は、装荷される前記複数の燃料集合体と同数であり、前記オリフィスは、前記燃料支持金具に設けられていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
炉心に複数の燃料集合体を格子状に装荷し、
前記燃料集合体が載置され、冷却材が前記燃料集合体に流入するための流路を有する燃料支持金具に、
前記流路の冷却材の流量を調整するオリフィスを備え、原子炉の運転中に長期間制御棒を挿入するコントロールセルを用いる自然循環式沸騰水型原子炉であって、
前記炉心の炉心平面における前記燃料集合体の配置を、最外層の第２１領域と、前記第２１領域の内側に設けられた第２２領域と、に略同心円状に分割しかつ、前記第２２領域に装荷される前記燃料集合体の中で、前記コントロールセルが設定された前記燃料集合体から構成される第２３領域の３領域と、に分割し、
前記第２３領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第２２領域の前記オリフィスの圧損係数よりも小さく設定し、かつ、前記第２１領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第２３領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
前記第２１領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第２２領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする請求項７に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
前記燃料支持金具は、装荷される前記複数の燃料集合体と同数であり、前記オリフィスは、前記燃料支持金具に設けられていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。