JP4908012B2 - 沸騰水型原子炉 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉圧力容器下部に貫通口を設ける必要がなく安全性を向上させることができる沸騰水型原子炉に関するものである。

従来の沸騰水型原子炉について、ＡＢＷＲと呼ばれる改良型沸騰水型原子炉を例に、図６を参照して説明する。

従来の沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器１０１内に、炉心１０２を収容するシュラウド１０４が設けられている。このシュラウド１０４の下部および上部にはそれぞれ炉心支持板１０３および上部格子板１０６が配設され、これら炉心支持板１０３と上部格子板１０６との間には、多数の燃料集合体１０５が設置されている。シュラウド１０４の上部にはシュラウドヘッド１１２が設けられており、このシュラウドヘッド１１２の上部にはスタンドパイプ１１３を介して気水分離器１１４が設置されている。そして、この気水分離器１１４の上方には、蒸気乾燥器１１７が設置されている。

また、炉心支持板１０３の下方には、炉心１０２内に挿入される制御棒１０７を収納する制御棒案内管１２７と、制御棒１０７を駆動するための制御棒駆動機構１０８が設置されている。原子炉圧力容器１０１の下部外周には複数のインターナルポンプ１２４が周方向に離間して配設されている。

一方、蒸気乾燥器１１７の側方の原子炉圧力容器１０１壁面には、炉心１０２で発生した蒸気をタービンへ導く主蒸気管１１８が接続されている。また、原子炉圧力容器１０１のスタンドパイプ１１３側方には、この原子炉圧力容器１０１に冷却水を供給する給水配管１１９が接続されている。

このように構成された従来の沸騰水型原子炉においては、炉上部の冷却水はシュラウド１０４と原子炉圧力容器１０１に囲まれた環状空間からインターナルポンプ１２４に吸い込まれ、炉底部を経て炉心１０２で蒸気となり、スタンドパイプ１１３、気水分離器１１４、蒸気乾燥器１１７を通過して主蒸気管１１８でタービンに向かう。そして、タービンを回した蒸気は主復水器で冷却され水となって給水配管１１９から原子炉圧力容器１０１上部に戻る循環となっている。シュラウド１０４は、原子炉圧力容器１０１の下部からシュラウドサポート１２５およびポンプデッキ１２６により立設され、炉心１０２、シュラウドヘッド１１２および気水分離器１１４等の炉内機器を支持している。

このような従来の沸騰水型原子炉においては、原子炉圧力容器の下部を多数の制御棒駆動機構と炉心核計装管とが貫通することになり、原子炉圧力容器下部の潜在的冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）の可能性を増加させる要因となっていた。

一方、経済性の高い原子力発電所を実現するには、原子炉圧力容器内の燃料集合体をできる限り有効に収納して原子炉圧力容器を小型化し、更にその原子炉圧力容器を内包する原子炉格納容器およびそれを内包する原子炉建屋容積を小さくすることが必要である。ところが、従来の沸騰水型原子炉においては、原子炉圧力容器の下部に懸下された多数の制御棒駆動機構と炉心核計装管、およびそれらのケーブル、さらに引き抜きスペースが必要となり、これらの削減が格納容器小型化には有効な手段のひとつであった。
特開２００２−５５１８９号公報

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、原子炉圧力容器下部に貫通口を設ける必要がなく圧力容器下部の潜在的冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）の可能性を低下させて安全性を向上させること、および原子炉格納容器を小型化して経済性を向上させるために、制御棒駆動機構を圧力容器上部に設置し、炉内核計装管を原子炉圧力容器の炉心より上部から引出すこととし、それらを実現するための具体的な炉内支持構造と炉内機器を提供することを目的とする。

本発明は、原子炉圧力容器の内底部に設けられ、炉心シュラウド、炉心支持板、中間格子板、上部格子板およびこれらによって支持された燃料集合体を有する炉心と、この炉心を構成する複数体の燃料集合体間に上方から下方に向けて挿入され、かつ下方から上方へ向けて引抜操作が行われる複数の制御棒と、原子炉圧力容器上部に設けられ、前記制御棒を制御棒駆動軸で連結して操作する制御棒駆動機構と、前記燃料集合体を固定保護する燃料チャンネルの上部を上部格子板の上まで延長して形成されるとともに、制御棒案内の機能を持たせた延長燃料チャンネルと、この延長燃料チャンネルの上方において前記炉心の上端開口を閉塞するとともに前記複数の制御棒駆動軸が上下動自在に通過するシュラウドヘッドと、このシュラウドヘッドの上方に設けられ、前記炉心から発生した二相流の気水分離を行う複数の気水分離器と、前記原子炉圧力容器内に設けられ、前記炉心から発生した蒸気を通過させて乾燥するドライヤと、前記炉心内に設けられ、中性子束を検出する炉内核計装と、前記炉心より上部の前記原子炉圧力容器の胴部に設置され、前記炉内核計装からの電気配線を取り出す取出口と、を備え、前記制御棒駆動機構、前記原子炉圧力容器に接続される配管および前記取出口を前記炉心よりも上方に配設したことを特徴とする。

本発明においては、前記シュラウドは前記原子炉圧力容器の下鏡に設置されたシュラウドサポート部に遠隔設置されることが好ましい。

本発明においては、前記制御棒を急速に挿入する際に、前記制御棒単体又は、前記制御棒及び前記制御棒と連結した制御棒駆動軸で自由落下するように構成されたことが好ましい。

本発明においては、前記原子炉圧力容器の胴部に上下方向の熱膨張差を吸収しうるシュラウドの横方向サポートを設置することが好ましい。

本発明においては、前記ドライヤは蒸気乾燥部分が前記原子炉圧力容器の内面に周方向に離間して配置されたことが好ましい。

本発明においては、前記制御棒を急速に挿入する際の衝撃を吸収する緩衝機構を前記制御棒の下端部及び、前記炉心支持板の下部に配置することが好ましい。

本発明においては、前記シュラウドヘッドから立ち上がる制御棒駆動軸下部案内管と前記圧力容器上蓋に設置される制御棒駆動軸上部案内管とを連結し、前記炉心から発生した二相流が前記気水分離器以外に漏れることを防止することが好ましい。

本発明においては、前記炉心の内部に加えて、前記シュラウドの外部又は前記原子炉圧力容器外に核計装を配置することが好ましい。

本発明においては、前記シュラウドヘッド直下部から蒸気案内筒を吊り下げたことが好ましい。

本発明によれば、原子炉圧力容器の内底部に設けられ、炉心シュラウド、炉心支持板、中間格子板、上部格子板およびこれらによって支持された燃料集合体を有する炉心と、この炉心を構成する複数体の燃料集合体間に上方から下方に向けて挿入され、かつ下方から上方へ向けて引抜操作が行われる複数の制御棒と、原子炉圧力容器上部に設けられ、前記制御棒を制御棒駆動軸で連結して操作する制御棒駆動機機構と、前記燃料集合体を固定保護する燃料チャンネルを延長して形成されるとともに、制御棒案内の機能を持たせた延長燃料チャンネルと、この延長燃料チャンネルの上方において前記炉心の上端開口を閉塞するとともに前記複数の制御棒駆動軸が上下動自在に通過するシュラウドヘッドと、このシュラウドヘッドの上方に設けられ、前記炉心から発生した二相流の気水分離を行う複数の気水分離器と、前記原子炉圧力容器内に設けられ、前記炉心から発生した蒸気を通過させて乾燥するドライヤとを備えているから、原子炉圧力容器下部に貫通口を設ける必要がなく圧力容器下部の潜在的冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）の可能性を低下させることができるとともに、原子炉格納容器を小型化して経済性を向上させることができる。

冷却水の炉内自然循環を可能とした場合には、再循環ポンプを必要とせず、したがって構成を極めてコンパクトにすることができ低コスト化を図ることができる。

前記原子炉圧力容器に接続される配管およびノズル類を前記炉心位置より上方に配置した場合には、原子炉圧力容器下部の潜在的冷却材喪失事故を防止し、安全性の高い原子炉を得ることができる。

原子炉の核計装配線引出部を前記炉心位置より上方の前記原子炉圧力容器の胴部に配置した場合には、原子炉圧力容器下部の貫通口を削減することができ、従って原子炉の安全性を向上させることができる。

前記シュラウドは前記原子炉圧力容器の下鏡に設置されたシュラウドサポート部に遠隔固定される場合には、シュラウドの設置を容易にすることができるとともに、圧力容器に直接固定されることによって耐震性を向上させることができる。

前記制御棒を急速に挿入する際に、前記制御棒単体又は、前記制御棒及び前記制御棒と連結した制御棒駆動軸で自由落下するように構成された場合には、従来のように水圧制御ユニットを必要とせず、したがって信頼性及び経済性に優れた制御棒駆動機構を提供することができる。

本発明の沸騰水型原子炉においては、原子炉圧力容器上蓋に制御棒駆動機構を設置するとともに、炉心の上端開口を閉塞しかつ複数の制御棒の駆動軸が上下動自在に挿通するシュラウドヘッドと、このシュラウドヘッドの上端にスタンドパイプを介して立設され炉心から発生した二相流の気水分離を行う複数の気水分離器と、この気水分離器上方の原子炉圧力容器内周部に設けられ、かつ気水分離器で分離された蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器とを備え、制御棒の上引抜挿入方式及び、原子炉圧力容器底部の貫通孔削減を可能としている。以下に、本発明の沸騰水原子炉の形態について図１ないし図５を参照して詳細に説明する。

第１の実施の形態
図１、図２、図３は、本発明の第１の実施の形態に係わる原子炉圧力容器の概略図である。

この図１に示すように、本実施の形態では原子炉圧力容器１０１内の最下端位置に炉心１０２を有している。

原子炉圧力容器１０１の底部近傍に、シュラウド１０３、炉心支持板１０４が設けられ、この炉心支持板１０４に多数の燃料集合体１０５が正方格子状の配列で立設支持され、燃料集合体１０５の上端部が上部格子板１０６によって固定され、これにより炉心１０２が構成されている。制御棒１０７は十字型制御棒であり、４体の燃料集合体１０５ごとに対応して規則的に配置されている。そして、制御棒１０７は、原子炉圧力容器１０１上蓋に設置された制御棒駆動機構１０８に連結した制御棒駆動軸１０９によって炉心１０２の上部から挿入されるようになっている。

炉心シュラウド１０３は、上部格子板１０６、中間格子板１１１及び炉心支持板１０４が原子炉圧力容器１０１の上部から設置可能な構造になっており、炉心支持板１０４には燃料集合体１０５を保護する延長燃料チャンネル１１０が設置され、燃料集合体１０５がその中に設置されている。

延長燃料チャンネル１１０の上部は上部格子板１０６上まで延長されている。これにより、制御棒１０７は延長燃料チャンネル１１０にガイドされ炉心１０２に上方から挿入されるようになっている。そして、各延長燃料チャンネル１１０の上部が上方向に開口し、炉心１０２で発生した気液二層流はこの延長燃料チャンネル１１０内部の二層流領域を介して上昇するようになっている。

延長燃料チャンネル１１０上方にはシュラウドヘッド１１２が設けられ、このシュラウドヘッド１１２の上端には、制御棒駆動軸１０９を案内する制御棒駆動軸下部案内管１１６が設置されている。また、シュラウドヘッド１１２の上端には、スタンドパイプ１１３が、制御棒駆動軸下部案内管１１６に干渉しないように設置され、このスタンドパイプ１１３には、炉心１０２から発生した二相流の気水分離を行う複数の気水分離器１１４が設けられている。さらにその上方には、制御棒駆動軸１０９を案内する制御棒駆動軸上部案内管１１５および制御棒駆動軸下部案内管１１６に干渉しないように、原子炉圧力容器１０１内周に沿って蒸気乾燥器１１７が配設されている。

シュラウドヘッド１１２から立ち上がる制御棒駆動軸下部案内管１１６と原子炉圧力容器１０１上蓋から設置される制御棒駆動軸上部案内管１１５とを連結し、炉心１０２から発生した二相流が気水分離器１１４以外に漏れることを防止する。

また、炉心内１０２内には中性子束を検出する炉内核計装１２２が設けられているが、この炉内核計装１２２からの電気配線は、炉心１０２下部から引き出され、内部に配線を引き回し可能な曲げ半径にて設置された炉内核計装配線案内管１２０の中を引き回される。そして、この電気配線は、炉心１０２より上部の原子炉圧力容器１０１の胴部に設置された取出口１２１より取り出される。

この炉内核計装配線案内管１２０の組立は、原子炉圧力容器１０１にシュラウド１０３を設置する以前の作業性の良い状態で実施される。その後、炉心支持板１０４、中間格子板１１１、上部格子板１０６、炉内核計装配線案内管１２０の組立が完了した状態でシュラウド１０３が原子炉圧力容器１０１下部に遠隔締付可能なボルトにて固定される。シュラウド１０３は下部で固定されるとともにその上部でも支持される。すなわち、原子炉圧力容器１０１の胴部にはサポート１２９が設けられ、このサポート１２９によってもシュラウドは支持される。このサポート１２９は、シュラウドの熱膨張差による上下方向のずれは吸収するものの、横方向の移動は防止するようになされており、地震時のブレを防止し、制御棒駆動軸１０９の曲がりによる制御棒１０７の駆動異常が起きないようになっている。

このように構成することにより、制御棒駆動機構１０８貫通部、主蒸気管１１８、給水配管１１９、炉内核計装配線案内管１２０取出口１２１は、それぞれ原子炉圧力容器１０１の炉心１０２より上方に配設される。したがって、炉心１０２の下方には貫通孔、配管、弁、駆動機構類等が何ら設けられていないようにすることができ、非常に安全性の高い原子炉を得ることができる。

このような構成の原子炉圧力容器１０１において、運転時には、炉心１０２で発生した二層流が各延長燃料チャンネル１１０の内部空間を介して上昇し、蒸気は気水分離器１１４および蒸気乾燥器１１７を経て主蒸気管１１８から送出される。一方、水分は気水分離器１１４または蒸気乾燥器１１７を介して原子炉圧力容器１０１の炉壁内面に沿って下降し、炉心１０２に自然循環する。したがって、本実施形態によれば、炉心１０２が原子炉圧力容器１０１内の下部に位置するとともに炉心１０２の上に延長燃料チャンネル１１０が存在することにより、チムニー効果が発生し、これにより強い自然循環力を得ることができ、自然循環炉としての原子炉が達成される。

また、従来の原子炉圧力容器における再循環ポンプを必要としないため、構成を極めてコンパクトにすることができ、低コスト化により大きい経済的効果も得られる。一方、制御棒駆動機構１０８を原子炉圧力容器１０１上部に設置し、制御棒１０７を炉心１０２上部より挿抜するように構成しているから、従来のように原子炉内圧力に抗して水圧制御ユニットを用いて下方向から制御棒をスクラムさせる必要がなく、重力落下式を採用することが可能となる。したがって、信頼性及び経済性に優れた制御棒駆動機構１０８を提供することができる。

なお、制御棒のスクラムは、制御棒駆動軸１０９下端で制御棒１０７を切り離して自然落下させる方式と、制御棒駆動軸１０９と制御棒１０７を一体で自然落下する方式がある。また、スクラム時の衝撃力を吸収する緩衝機構を、必要に応じて制御棒１０７下端及び、炉心支持板１０３下部に配置してもよい。

第２の実施の形態
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる概略断面図である。本発明の第１の実施の形態において、炉内核計装１２２を、シュラウド１０４外周及び炉心１０２内部又は、原子炉圧力容器１０１外周に配置して、炉心１０２の核計装を実施するものである。本実施の形態によれば、第１の実施の形態にて必要であった炉内核計装配線案内管１２０及び、炉心１０２より上部の原子炉圧力容器１０１の胴部に設置された取出口１２１が不必要となり、より安価な構造の単純な原子炉が提供可能となる。

第３の実施の形態
図５は、本発明の第３の実施の形態に係わる原子炉圧力容器の縦断面図である。本発明第１の実施の形態において、延長燃料チャンネル１１０を、シュラウドヘッド１１２直下部から吊り下げたチムニー構造の蒸気案内筒１２８に変更した形態である。蒸気案内筒１２８は一体構造となっており、メンテナンス時にはシュラウドより取外して炉心１０２へのアクセスを実施することができる。また、チムニー構造を採用することにより、現状の沸騰水型原子炉で使用されているものと同様の構造の燃料集合体１０５を使用可能となり、安価な原子炉を提供することができる。

以上説明したように、この沸騰水型原子炉にあっては、原子炉圧力容器１０１の内底部に設けられ、炉心シュラウド１０３、炉心支持板１０４、中間格子板１１１、上部格子板１０６およびこれらによって支持された燃料集合体１０５を有する炉心１０２と、この炉心１０２を構成する複数体の燃料集合体１０５間に上方から下方に向けて挿入され、かつ下方から上方へ向けて引抜操作が行われる複数の制御棒１０７と、原子炉圧力容器１０１上蓋部に設けられ、制御棒１０７を制御棒駆動軸１０９で連結して操作する制御棒駆動機機構１０８と、炉心１０２を構成する複数体配置の燃料集合体１０５を固定保護する燃料チャンネルを延長して形成されるとともに、制御棒案内の機能を持たせた延長燃料チャンネル１１０と、この延長燃料チャンネル１１０の上方において前記炉心１０２の上端開口を閉塞するとともに前記複数の制御棒駆動軸が上下動自在に通過するシュラウドヘッド１１２と、このシュラウドヘッド１１２の上端にスタンドパイプ１１３を介して立設され、炉心１０２から発生した二相流の気水分離を行う複数の気水分離器１１４と、原子炉圧力容器１０１内に設けられ、前記炉心１０２から発生した蒸気を通過させて乾燥するドライヤ蒸気乾燥器１１７とを備えているから、原子炉圧力容器下部に貫通口を設ける必要がなく圧力容器下部の潜在的冷却材喪失事故の可能性を低下させることができるとともに、原子炉格納容器を小型化して経済性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態である沸騰水型原子炉の概略を示す縦断面図。 図１において、Ａ−Ａ線に沿う断面を示す横断面図。 図１において、Ｂ−Ｂ線に沿う断面を示す横断面図。 本発明の第２の実施の形態である炉内核計装設置を示す図であって、図１におけるＣ−Ｃ線に沿う位置の断面を示す横断面図。 本発明の第３の実施の形態である沸騰水型原子炉の概略を示す縦断面図。 従来の沸騰水型原子炉の概略を示す縦断面図。

符号の説明

１０１ 原子炉圧力容器
１０２ 炉心
１０３ シュラウド
１０４ 炉心支持板
１０５ 燃料集合体
１０６ 上部格子板
１０７ 制御棒
１０８ 制御棒駆動機構
１０９ 制御棒駆動軸
１１０ 延長燃料チャンネル
１１１ 中間格子板
１１２ シュラウドヘッド
１１３ スタンドパイプ
１１４ 気水分離器
１１５ 制御棒駆動軸上部案内管
１１６ 制御棒駆動軸下部案内管
１１７ 蒸気乾燥器
１２０ 炉内核計装配線案内管
１２１ 取出口
１２２ 炉内核計装
１２５ シュラウドサポート
１２８ 蒸気案内筒

Claims (3)

1. 原子炉圧力容器の内底部に設けられ、炉心シュラウド、炉心支持板、中間格子板、上部格子板およびこれらによって支持された燃料集合体を有する炉心と、
   この炉心を構成する複数体の燃料集合体間に上方から下方に向けて挿入され、かつ下方から上方へ向けて引抜操作が行われる複数の制御棒と、
   原子炉圧力容器上部に設けられ、前記制御棒を制御棒駆動軸で連結して操作する制御棒駆動機構と、
   前記燃料集合体を固定保護する燃料チャンネルの上部を上部格子板の上まで延長して形成されるとともに、制御棒案内の機能を持たせた延長燃料チャンネルと、
   この延長燃料チャンネルの上方において前記炉心の上端開口を閉塞するとともに前記複数の制御棒駆動軸が上下動自在に通過するシュラウドヘッドと、
   このシュラウドヘッドの上方に設けられ、前記炉心から発生した二相流の気水分離を行う複数の気水分離器と、
   前記原子炉圧力容器内に設けられ、前記炉心から発生した蒸気を通過させて乾燥するドライヤと、
   前記炉心内に設けられ、中性子束を検出する炉内核計装と、
   前記炉心より上部の前記原子炉圧力容器の胴部に設置され、前記炉内核計装からの電気配線を取り出す取出口と、
   を備え、
   前記制御棒駆動機構、前記原子炉圧力容器に接続される配管および前記取出口を前記炉心よりも上方に配設したことを特徴とする沸騰水型原子炉。
2. 請求項１記載の沸騰水型原子炉において、前記シュラウドは前記原子炉圧力容器の下鏡に設置されたシュラウドサポート部に遠隔設置されることを特徴とする沸騰水型原子炉。
3. 請求項１記載の沸騰水型原子炉において、前記制御棒を急速に挿入する際に、前記制御棒単体又は、前記制御棒及び前記制御棒と連結した制御棒駆動軸で自由落下するように構成されたことを特徴とする沸騰水型原子炉。

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