JP5078981B2 - 原子炉炉心 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉炉心に係り、特に、冷却水流量調節装置を有する沸騰水型原子炉に適用するのに好適な原子炉炉心に関する。

沸騰水型原子炉(ＢＷＲ)に用いられる燃料集合体は、核分裂性物質を含む複数の燃料ペレットを被覆管内に充填した複数の燃料棒を正方格子状に束ね、このバンドルを外幅が約１４cmで横断面が正方形のチャネルボックスで取り囲むことによって構成されている。炉心は、ＢＷＲの原子炉圧力容器内に配置され、内部に複数の燃料集合体を装荷している。燃料ペレットを構成する核燃料物質として、濃縮ウランまたはプルトニウムを富化したウランが酸化物の化学形態で使用される。燃料棒は、核燃料物質の核分裂により加熱されるので、炉心に供給される軽水である冷却水（冷却材）によって冷却される。冷却水はポンプにより循環される。

熱的余裕は、最小限界出力比（ＭＣＰＲ）によって表され、燃料棒の被覆管表面において冷却水が膜沸騰状態に遷移し除熱効率が著しく低下し始める燃料棒出力、すなわち限界出力を実際の出力で割った値で定義される。この熱的余裕は、設計基準で決められた値を原子炉の運転中及び過渡時において下回らない様にする必要がある。熱的余裕は、炉心出力密度を増大することによって減少する。

原子炉の定格出力運転時では、燃料集合体の熱出力は、中性子の漏洩が多い炉心の最外層で最も低くなる。このため、従来技術では、炉心の最外層領域に配置される冷却水入口オリフィスの口径を、最外層領域よりも内側の領域でのその口径よりも小さくし、冷却水の流入抵抗を大きくしている。炉心において最外層領域以外の領域、すなわち、燃料集合体の出力が比較的高くなる内側領域において冷却水の流量が増大し、定格出力運転時での炉心の熱的余裕が確保される。

冷却水入口オリフィスの口径の調整は、特開平７−１８１２８０号公報にも記載されている。この従来技術は、最外層領域を除いて炉心を内側及び外側の２領域に分割し、炉心の半径方向においてその半径に対して７０％よりも外側の領域の冷却材入口オリフィスの口径を、その領域よりも内側の領域（中央領域）よりも小さくしている。これにより、相対的に出力の高い炉心半径に対して７０％よりも内側の領域での冷却水流量が増加し、炉心における熱的余裕が向上する。特開平７−１８１２８０号公報に記載された実施例においては、炉心滞在期間に応じて炉心内の燃料集合体を２つのグループに分割し、２種類の冷却材入口オリフィスを用い、より効率的に熱的余裕を向上させている。しかし、この従来技術では、定格運転時の熱的余裕を最大にするという観点において、後述する冷却水流量の増加に伴う燃料集合体の出力の上昇について何ら考慮されておらず、炉心領域の分割及び冷却水入口オリフィス口径の設定について必ずしも最適化されていなかった。

特開平７−１８１２８０号公報

低コストで炉心の出力密度を向上させるため、炉心システムを最小の変更により熱的余裕を向上させることが必要となる。また、燃料経済性を向上させるために原子炉の長期サイクル運転が必要であり、必然的に、運転サイクル終了後において炉心内に装荷された燃料集合体の取り替え体数が多くなる。おおむね炉心内の全燃料集合体数の２５％以上を取り替える必要があり、燃料交換のバッチ数は４以下となる。これは炉心内で炉心滞在１サイクル目の新燃料集合体の割合を増加させることになる。したがって、炉心において出力の高い燃料集合体が相対的に増加し、炉心の熱的余裕が厳しくなる。そこで、炉心滞在１サイクル目の燃料集合体の出力を低減し、炉心半径方向の出力ピークを平坦化することで熱的余裕を確保することが必要である。

発電コストの低減には炉心システムの変更を最小にすることにより熱的余裕を向上させ、出力密度を向上させることが有効となる。一方、原子力プラントの稼働率向上のためには長期サイクル運転が有効である。いずれの場合も燃料集合体の取り替え体数が多くなり、濃縮度５ｗｔ％以下の制限の下では、おおむね炉心内の全燃料集合体数の２５％以上(４バッチ以下)の取り替えが必要となる。これは、上記したように、炉心内で出力の高い燃料集合体の割合が相対的に増加し、熱的余裕が厳しい燃料集合体の割合が増加することになる。上記したように、炉心滞在１サイクル目の燃料集合体の出力を低減し、炉心半径方向の出力ピークを平坦化することで熱的余裕を確保することが必要である。

熱的余裕を向上させる方法として、燃料集合体あたりの冷却水（冷却材）の流量を調節する手段に着目し、燃料集合体ごとに相対的な冷却水の流量分布を付けることが考えられる。具体的には、熱的余裕を向上させたい燃料集合体に対して燃料集合体下部が挿入される燃料支持金具の冷却水入口のオリフィスの抵抗値を小さくすることによって、炉心滞在１サイクル目の燃料集合体内の冷却水流量を増加させ、熱的余裕を向上させることができる。

しかしながら、燃料集合体に供給される冷却水流量が増加すると燃料集合体のボイド率が低下し中性子が減速しやすくなる。沸騰水型原子炉において中性子が減速しやすくなると核分裂が促進されるため、その燃料集合体の出力は増大する。このため、燃料集合体に供給される冷却水流量が増加すると、同時に燃料集合体の相対的な出力が上昇するため、熱的余裕の向上において十分な効果が得られなかった。

本発明の目的は、燃料集合体内の冷却材流量の増加による燃料集合体の出力の増加を抑制し、熱的余裕を向上できる原子炉炉心を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、最外層領域と、最外層領域の内側に存在する炉心領域と、最外層領域及び前記炉心領域の下端部にそれぞれ配置された複数の燃料支持部材と、最外層領域及び炉心領域にそれぞれ装荷され、燃料支持部材に保持される複数の燃料集合体とを有し、
炉心領域に配置された複数の前記燃料集合体が、燃料支持部材内に形成され、開口部を有する第１抵抗体が設けられた第１冷却材通路に連絡される複数の第１燃料集合体、及び燃料支持部材内に形成され、開口部を有して第１抵抗体よりも圧力損失が大きい第２抵抗体が設けられた別々の第２冷却材通路にそれぞれ連絡される複数の第２燃料集合体を含んでおり、
複数の第１燃料集合体のそれぞれの４つの側面に隣り合う４体の燃料集合体が、３体及び４体のいずれかの第２燃料集合体を含んでおり、
炉心領域内で炉心領域の中心から最も遠くに位置する燃料集合体の軸心までの距離をＬとしたとき、炉心領域が、炉心中心を基点にした炉心領域の半径方向におけるＬ／√２の位置よりも内側に前記軸心が配置される燃料集合体が存在する内側領域、及び内側領域よりも外側に存在する外側領域を含んでおり、
内側領域は第１燃料集合体及び第２燃料集合体を配置し、外側領域は第１燃料集合体を配置せず第２燃料集合体を配置している。

圧力損失が第２抵抗体よりも小さい第１抵抗体が設けられる第１冷却水通路に連絡される第１燃料集合体１０の４つの側面に隣り合って配置される４体の燃料集合体が、第２抵抗体が設けられる別々の第２冷却水通路にそれぞれ連絡される３体及び４体のいずれかの第２燃料集合体を含んでいるので、冷却材流量が増加する第１燃料集合体に、冷却材流量が少なくて出力が低くなる３体及び４体のいずれかの第２燃料集合体が隣接することになる。このため、冷却材流量の増加する第１燃料集合体の出力の増加度合いは、３体及び４体のいずれかの第２燃料集合体の影響を受けて抑制され、原子炉炉心の熱的余裕が上昇する。

本発明によれば、燃料集合体内の冷却材流量の増加による燃料集合体の出力の増加を抑制し、熱的余裕を向上させることができる。

本発明の好適な一実施例である、ＢＷＲに適用した実施例１の原子炉炉心の１／４横断面図である。 図１に示す原子炉炉心が適用されるＢＷＲプラントの構成図である。 図１に示す原子炉炉心の一部の拡大図である。 原子炉炉心における内側炉心領域、外側炉心領域及び最外層領域を示す説明図である。 燃料支持金具に形成される低圧損の冷却水通路に連絡される燃料集合体の側面に隣り合って配置される、別の低圧損の冷却水通路に連絡される他の燃料集合体の体数と、その燃料集合体一体あたりの出力の増加割合を示した特性図である。 図５に示す別の低圧損の冷却水通路に連絡される他の燃料集合体の平均体数が０になる原子炉炉心における燃料集合体の配置を示す構成図である。 図５に示す別の低圧損の冷却水通路に連絡される他の燃料集合体の平均体数が１になる原子炉炉心における燃料集合体の配置を示す構成図である。 図５に示す別の低圧損の冷却水通路に連絡される他の燃料集合体の平均体数が２になる原子炉炉心における燃料集合体の配置を示す構成図である。 図５に示す別の低圧損の冷却水通路に連絡される他の燃料集合体の平均体数が３になる原子炉炉心における燃料集合体の配置を示す構成図である。 図５に示す別の低圧損の冷却水通路に連絡される他の燃料集合体の平均体数が４になる原子炉炉心における燃料集合体の配置を示す構成図である。 本発明の他の実施例である、ＢＷＲに適用した実施例１の原子炉炉心の１／４横断面図である。 本発明の他の実施例である、ＡＢＷＲに適用した実施例１の原子炉炉心の１／４横断面図である。 本発明の他の実施例である、ＡＢＷＲに適用した実施例１の原子炉炉心の１／４横断面図である。 本発明の他の実施例である、ＢＷＲに適用した実施例１の原子炉炉心の１／４横断面図である。

発明者らは、燃料集合体内の冷却材流量の増加時に燃料集合体の出力の増加を抑制する方法を検討した。この検討に当たって、発明者らは、ある燃料集合体の出力の上昇がその周囲に位置する燃料集合体の出力に影響されることに着目した。炉心の最外層領域では、中性子の漏れの効果により炉心の中央部に対して出力が低くなるため、熱的余裕を向上させる必要がない。このため、炉心において、炉心最外層領域よりも内側の領域に存在する燃料集合体に対し、冷却材流量の増加時での出力増加の抑制策の適用を試みた。

図４に示すように、炉心５の最外層領域９に装荷された燃料集合体を除き、炉心中心を基点にして最も遠い位置に装荷されている燃料集合体の中心と、炉心中心の間の距離をＬとする。図４に示す炉心５は炉心全体の１／４を示している。最外層領域９は、炉心５の最も外側に装荷された一層の燃料集合体で形成される。炉心５は、燃料集合体の中心軸の位置が炉心中心を基点にしてＬ／√２よりも内側に位置する燃料集合体が装荷されている内側炉心領域７、及び内側炉心領域７と最外層領域９の間に位置する外側炉心領域８を有している。√２はルート２を意味する。発明者らは、そのような炉心５において、運転サイクル初期及び運転サイクル末期で熱的余裕が厳しい燃料集合体が内側炉心領域７及び外側炉心領域８にそれぞれ存在する場合についても検討した。

一つの燃料集合体の出力がこの燃料集合体の周囲に位置する燃料集合体の出力の影響を受けることに着目して、発明者らは、内側炉心領域７及び外側炉心領域８にそれぞれ装荷される複数の燃料集合体を、図６に示すように、第１グループの複数の燃料集合体１０及び第２グループの複数の燃料集合体１１にした。これらの燃料集合体は、炉心５の下端部に設置される燃料支持金具（燃料支持部材）に保持される。１つの燃料支持金具は、通常、４体の燃料集合体の下端部を保持し、それぞれの燃料集合体に冷却水を供給する４つの冷却水流路を形成している。燃料支持金具は、４つの冷却水通路の入口にそれぞれオリフィス（開口部を有する抵抗体）を設置している。燃料集合体１０に連絡される冷却水通路（第１冷却水通路という）の入口に設けられた第１オリフィスの口径は、燃料集合体１１に連絡される冷却水通路（第２冷却水通路という）の入口に設けられた第２オリフィスのそれよりも大きくなっている。すなわち、オリフィス係数は、第１オリフィスが第２オリフィスよりも小さくなっている。最外層領域９に配置された燃料集合体１２を保持する燃料支持金具において、この燃料集合体１２に連絡される冷却水通路（第３冷却水通路という）の入口に設けられた第３オリフィスのオリフィス係数は、第２オリフィスのそれよりも大きくなっている。

例えば、燃料集合体１０は炉心滞在１サイクル目、燃料集合体１１は炉心滞在２サイクル目、及び燃料集合体１２は炉心滞在３サイクル目の各燃料集合体である。燃料集合体１０の四面に燃料集合体１１が隣接している。第１オリフィスは第２オリフィスよりもオリフィス係数が小さいので、燃料集合体１１よりも燃料集合体１０により多くの冷却水が供給され、燃料集合体１０の出力が上昇しようとする。しかしながら、出力が高くなる燃料集合体１０の周囲に出力が低くなる燃料集合体１１を配置しているので、燃料集合体１０の出力上昇を抑制することが可能になる。

発明者らは、ある燃料集合体１０に隣接する他の燃料集合体１０の体数を変えた場合における前者の燃料集合体１０の出力増加割合の変化について、検討を行い、図５に示す新たな知見を得ることができた。ある燃料集合体１０に隣接する他の燃料集合体１０の体数は、炉心５の平均値である。隣接する他の燃料集合体１０の体数が０であるときの内側炉心領域７及び外側炉心領域８における燃料集合体１０，１１の配置を、図６に示す。すなわち、1つの燃料集合体１０の４つの側面に隣接する他の燃料集合体１０が存在しない。第１及び第２オリフィスの配置も、燃料集合体１０，１１の配置と同じである。隣接する他の燃料集合体１０の体数が１のとき、すなわち、１つの燃料集合体１０の１つの側面に他の燃料集合体１０が隣接しているときの燃料集合体１０，１１の配置を、図７に示す。隣接する他の燃料集合体１０の体数が２のときの燃料集合体１０，１１の配置を、図８に示す。隣接する他の燃料集合体１０の体数が３のときの燃料集合体１０，１１の配置を、図９に示す。隣接する他の燃料集合体１０の体数が４のときの燃料集合体１０，１１の配置を、図１０に示す。

炉心５は７６４体の燃料集合体が装荷されたＢＷＲ５型炉心であり、この炉心５を有するＢＷＲの電気出力は１１０万ｋＷである。炉心５の下端部に位置する各燃料支持金具に設けられた各オリフィスのオリフィス係数は、第３オリフィスを除き、オリフィス係数が一様な炉心に対して、第１オリフィスが−３８％、第２オリフィスが＋３２％である。しかしながら、炉心５全体の圧力損失は、オリフィス係数が一様な炉心と同等になっている。

特開平７−１８１２８０号公報に記載されている炉心では、高流量領域２２の燃料集合体及び低流量領域２１の燃料集合体が混在されて配置されている。高流量領域２２の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係数は、低流量領域２１の燃料集合体に対応して設けられたオリフィスのそれよりも大きい。高流量領域２２のある燃料集合体の側面に隣り合う他の燃料集合体（高流量領域２２の他の燃料集合体）の体数の平均は約２〜４である。

ある燃料集合体１０の側面に隣り合う燃料集合体１０の体数が異なるそれぞれのケース（図５参照）において、燃料集合体１０に対する平均冷却水流量の上昇割合は、オリフィス係数が一様の炉心と比較して約７．５％である。このとき、その１つの燃料集合体の出力上昇は図５のようになるため、例えば、図１０に示す隣接する他の燃料集合体１０の体数が４である場合では、熱的余裕が、オリフィス係数が一様である炉心に対して０．５％上昇する。これに対し、図６に示す隣接する他の燃料集合体１０の体数が０である場合では、熱的余裕が、オリフィス係数が一様である炉心に対して２．１％上昇する。発明者らは、図５に示す新たな知見に基づいて、ある燃料集合体１０に隣接する他の燃料集合体１０の体数を１以下、換言すれば、ある燃料集合体１０に隣接する、燃料集合体１０よりも出力が低い燃料集合体１１の体数を３体または４体にすれば、従来例と比べて燃料集合体１０において大きな出力増加割合の抑制効果が生じることを見出した。ある燃料集合体１０に隣接する他の燃料集合体１０の体数を１以下とすることは、換言すれば、ある燃料集合体の４つの側面に隣り合っている４体の燃料集合体が、３体及び４体のいずれかの燃料集合体１１を含んでいることでもある。

発明者らは、内側炉心領域、及び内側炉心領域及び外側炉心領域のいずれかにおいて、該当する領域に存在する全燃料集合体１０のうち半数の燃料集合体１０に、１体及び０体の他の燃料集合体１０を隣り合せて配置することによって、供給される冷却水流量が多くなる燃料集合体１０の出力上昇を抑制できることを新たに見出した。この考え方を適用した実施例を以下に説明する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）プラントに適用した本発明の好適な一実施例である原子炉炉心を、図１〜図３を用いて説明する。まず、本実施例の原子炉炉心が適用されるＢＷＲシステムの構成を説明する。ＢＷＲプラントは、原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶと称する）２１を有する原子炉２０、インバータ電源装置２８及び炉心流量制御装置２９等を有する。原子炉２０は、ＲＰＶ２１内に炉心５Ａを配置しており、さらに、ＲＰＶ２１内に中性子検出器２６及び流量計２７を設けている。炉心５Ａは、ＲＰＶ２１内に設けられた炉心シュラウド３０によって取り囲まれている。気水分離器（図示せず）及び蒸気乾燥器（図示せず）が、ＲＰＶ２１内で炉心５Ａの上方に配置されている。複数のインターナルポンプ２４がＲＰＶ２１に取り付けられ、各インターナルポンプ２４のインペラ３２がＲＰＶ２１と炉心シュラウド３０の間に形成される環状のダウンカマ３１内に配置される。複数の燃料集合体２２が炉心５Ａに装荷され、各燃料集合体２２の下端部は炉心５Ａの下端部に設けられた燃料支持金具２３に保持される。１つの燃料支持金具２３は、４体の燃料集合体２２を保持する。炉心５Ａの周辺部で１つの燃料支持金具２３に４体の燃料集合体２２が保持できない場合には、１つの燃料支持金具で一体の燃料集合体２２を保持する場合もある。４体の燃料集合体２２を保持する燃料支持金具２３は、個々の燃料集合体２２に別々に冷却水を導く４つの冷却水通路（図示せず）を内部に形成している。それぞれの冷却水通路の入口には、オリフィス（図示せず）が設置されている。１体の燃料集合体を保持する燃料支持金具は、入口にオリフィスを設けて１体の燃料集合体に冷却水を導く１つの冷却水通路を形成している。

炉心５Ａの内側炉心領域７及び外側炉心領域８に配置される大部分の燃料支持金具２３は、２つの第１冷却水通路及び２つの第２冷却水通路を内部に形成している。第１冷却水通路の入口に第１オリフィスが設けられ、第２冷却水通路の入口に第２オリフィスが設けられている。燃料集合体１０の下端部が第１冷却水通路内に挿入され、燃料集合体１１の下端部が第２冷却水通路内に挿入されて、それぞれの燃料集合体が燃料支持金具２３によって保持される。

炉心５Ａの横断面の一部を図３に示す。炉心５Ａ内には複数の制御棒３２が配置されている。制御棒３２は、横断面が十字形をしており、複数の中性子吸収棒３３を有している。中性子吸収棒３３はＢ_４Ｃを充填している。４体の燃料集合体２２が、１本の制御棒３２を取り囲むように配置されている。１本制御棒３２を取り囲む４体の燃料集合体２２は、１つのセル３４を構成する。炉心５Ａは、複数のセル３４を含んでいる。燃料集合体２２は、横断面が正方形状をした筒状体であるチャンネルボックス３６内に７４本の燃料棒３５を９行９列の正方格子状に配置している。各燃料棒３５は、内部に核燃料物質で構成された複数の燃料ペレットを充填している。１本の制御棒３２の周囲に配置され、１つのセル３４を構成する４体の燃料集合体２２の下端部が、１つの燃料支持金具２３によって保持される。燃料集合体２２は、炉心５Ａ内に滞在して原子炉の運転を経験した運転サイクル数が後述するように異なっている。これらの燃料集合体２２は、燃焼度ゼロの新燃料集合体の状態において平均ウラン濃縮度が約４％であり、平均取出し燃焼度が約４５ＧＷｄ／ｔとなっている。

炉心５Ａ内に挿入されている複数の制御棒３２を炉心５Ａから引抜くことによって、原子炉出力が上昇する。インターナルポンプ２４を駆動させることによって、ダウンカマ３１内の冷却水が昇圧される。インペラ３２から吐出された冷却水は、下部プレナム２５、及び燃料支持金具２３に形成された各冷却水通路を通って各燃料集合体２２内に導かれる。この冷却水は、燃料集合体２２内の核燃料物質の核分裂によって加熱され、一部が蒸気になる。この蒸気は、気水分離器及び蒸気乾燥器で湿分を除去された後、ＲＰＶ２１からタービン（図示せず）に供給される。タービンは、この蒸気によって回転され、連結されている発電機（図示せず）を回転させる。タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水になる。この凝縮水は、給水として、ＲＰＶ２１内に供給される。 炉心流量制御装置２９は、各中性子検出器２６で計測された中性子束に基づいて原子炉出力を求め、求められた原子炉出力及び流量計２７で計測された炉心流量に基づいて、インバータ電源装置２８を制御する。この制御によって、インバータ電源装置２８はインターナルポンプ２４に供給する電流を調節し、インターナルポンプ２４の回転数を調節する。このように、炉心流量制御装置２９は、インターナルポンプ２４の回転数を調節し、炉心流量を制御する。炉心流量は、炉心に供給される冷却水の流量である。

本実施例の原子炉炉心である炉心５Ａ内での燃料集合体２２の配置を、図１を用いて説明する。炉心５Ａは、７６４体の燃料集合体２２を装荷しており、１９１本の制御棒３２を有する。ＢＷＲ５型炉心である炉心５Ａを有する原子炉２０を用いたＢＷＲプラントの電気出力は１１０万ｋＷである。１つの運転サイクルは２４ヶ月の運転期間であり、燃料交換のバッチ数は２．２バッチである。燃料交換は、ある運転サイクルと次の運転サイクルの間の原子炉停止期間に行われる。炉心５Ａに装荷されている７６４体の燃料集合体２２は、炉心５Ａの最外層領域９を除き、最外層領域９よりも内側に存在する内側炉心領域７及び外側炉心領域８（これらの領域については図４参照）に、前述した第１グループの複数の燃料集合体１０及び第２グループの複数の燃料集合体１１を配置している。最外層領域９は、炉心５Ａの最も外側に装荷された一層の燃料集合体２２によって形成される。本実施例における内側炉心領域７は、燃料集合体２２の中心軸の位置が炉心５Ａの中心を基点にしてＬ／√２よりも内側に軸心が配置されている燃料集合体２２が装荷されている領域である。外側炉心領域８は内側炉心領域７と最外層領域９の間に存在する。

炉心５Ａ内には、１サイクル目の運転サイクルでの運転を経験している燃料集合体２２（炉心滞在１サイクル目の燃料集合体という）、２サイクル目の運転サイクルでの運転を経験している燃料集合体２２（炉心滞在２サイクル目の燃料集合体という）、及び３サイクル目の運転サイクルでの運転を経験している燃料集合体２２（炉心滞在３サイクル目の燃料集合体という）が装荷されている。図１において、「１」が炉心滞在１サイクル目の燃料集合体２２、「２」が炉心滞在２サイクル目の燃料集合体２２、及び「３」が炉心滞在３サイクル目の燃料集合体２２を表している。これらの表現は、後述の実施例２〜実施例５においても同じである。炉心５Ａの最外層領域９に装荷される複数の燃料集合体２２、すなわち、複数の燃料集合体１２は、炉心滞在２サイクル目の燃料集合体２及び炉心滞在３サイクル目の燃料集合体３を含んでいる。本実施例の内側炉心領域７及び外側炉心領域８に配置される全ての燃料集合体１０は、燃料集合体１である。内側炉心領域７及び外側炉心領域８に配置される全ての燃料集合体１１は、燃料集合体２である。核分裂性物質の含有量、及び燃料集合体の出力は、燃料集合体１、燃料集合体２及び燃料集合体３の順に低くなっている。

燃料支持金具２３に形成される第１冷却水通路の入口に設けられた第１オリフィスの口径は、燃料支持金具２３に形成される第２冷却水通路の入口に設けられた第２オリフィスのそれよりも大きくなっている。すなわち、オリフィス係数は、第１オリフィスが第２オリフィスよりも小さくなっている。最外層領域９に配置された、炉心滞在２サイクル目及び炉心滞在サイクル３サイクル目の燃料集合体を含む燃料集合体１２を保持する燃料支持金具において、この燃料集合体１２に連絡される第３冷却水通路の入口に設けられた第３オリフィスのオリフィス係数は、第２オリフィスのそれよりも大きくなっている。これは、最外層領域９に配置された燃料集合体１２から炉心５Ａの外部に漏れる中性子の量が最も大きく、燃料集合体１２の出力が小さくなるからである。炉心５Ａの下端部に位置する各燃料支持金具に設けられた各オリフィスのオリフィス係数は、第３オリフィスを除き、オリフィス係数が一様な炉心に対して、第１オリフィスが−３８％、第２オリフィスが＋３２％となっている。第１オリフィスのオリフィス係数は、第２オリフィスのそれよりも小さくなっている。しかしながら、炉心５全体の圧力損失は、オリフィス係数が一様な炉心と同等になっている。

本実施例の特徴は、炉心５Ａの最外層領域９に装荷される燃料集合体１２を除いた残りの燃料集合体２２が、圧力損失が炉心平均よりも小さくなっている第１オリフィスを設けた第１冷却水通路に連絡される第一グループの燃料集合体１０、及び圧力損失が炉心平均よりも大きくなっている第２オリフィスを設けた第２冷却水通路に連絡される第二グループの燃料集合体１１を含んでおり、ある燃料集合体１０の４辺を形成する４つの側面に他の燃料集合体１０が隣接して配置されていないことである。ある燃料集合体１０の側面に隣接する他の燃料集合体１０は０体である。この場合の平均隣接体数αは０である。ここで、燃料集合体の側面に隣接とは、格子状に配列された燃料集合体の配列方向で隣接していることを意味する。ある燃料集合体１０の４つの側面には、燃料集合体１０よりも無限増倍率が低い燃料集合体１１がそれぞれ隣接して（対向して）配置される。なお、燃料集合体１０の２つの対角線方向では、その燃料集合体１０の４つのコーナー部にはコーナー部が隣接するように他の４体の燃料集合体１０が配置されている。２２が全て燃料集合体である。

内側炉心領域７および外側炉心領域８のいずれの領域においても、１つの燃料集合体１０の側面に対向する他の燃料集合体１０は実質的に０体であり、平均隣接体数αが０である。本実施例においては、炉心滞在期間が炉心平均よりも短い燃料集合体２２が燃料集合体１０である。

最外層領域を除いてオリフィス係数が一様な炉心と比較して、本実施例では、各燃料集合体１０における冷却水流量の平均の上昇割合は約７．５％となるが、各燃料集合体１０の出力の上昇割合は０．６％に抑制される。本実施例は、ある燃料集合体１０に隣り合う４体の燃料集合体が全て他の燃料集合体１０である場合に、ある燃料集合体１０の出力上昇割合が１．８になるのに対し、０．６％と抑制される。このため、炉心５Ａの熱的余裕は約２％上昇する。

本実施例は、オリフィス係数が第２オリフィスよりも小さい第１オリフィスが設けられる第１冷却水通路に連絡される燃料集合体１０の４つの側面に、第２オリフィスが設けられる第２冷却水通路に連絡される出力の低い４体の燃料集合体１１が隣り合って配置されている。燃料集合体１０は、その内部に供給される冷却水流量が増加し出力も増加する。燃料集合体１１は、その内部に供給される冷却水流量が燃料集合体１０でのそれよりも少なく、出力も燃料集合体１０よりも低くなる。この結果、燃料集合体１０は、冷却水流量が増加するが、出力の低い４体の燃料集合体１１が燃料集合体１０の各側面に隣り合っているので、出力の上昇割合が上記のように抑制される。したがって、炉心５Ａの熱的余裕が約２％上昇するのである。

特開平７−１８１２８０号公報は燃料集合体内の冷却水流量の増大による熱的余裕の向上に着目しているのに対し、本実施例は、前述した出力上昇割合の抑制に着目しており、この出力上昇割合の抑制を考慮することによって、さらに熱的余裕を増大させることができる。

ＢＷＲに適用した本発明の他の実施例である実施例２の原子炉炉心を、図１１により説明する。炉心５Ｂが適用されるＢＷＲプラントは、炉心５Ｂを有する図１に示す原子炉２０を有している。本実施例の炉心５Ｂは、燃料集合体２２の中心軸の位置が炉心５Ｂの中心を基点にしてＬ／√２よりも内側に位置する燃料集合体２２が装荷されている領域である内側炉心領域７に、複数の燃料集合体１０，１１を配置し、内側炉心領域７と最外層領域９の間に位置する外側炉心領域８に、燃料集合体１０を配置せずに複数の燃料集合体１１を配置している。炉心５Ｂが適用されるＢＷＲプラントの他の構成は、実施例１と同じである。外側炉心領域８に配置される複数の燃料集合体１１は、燃料集合体１及び燃料集合体２を含んでいる。外側炉心領域８において、ほとんどの燃料集合体１ではこの燃料集合体１の４つの側面に燃料集合体２をそれぞれ隣り合わせて配置している。これらの燃料集合体１，２は、入口に第２オリフィスが設けられる第２冷却水通路にそれぞれ連絡されている。

内側炉心領域７では、実施例１の内側炉心領域７と同様に、燃料集合体１０の４つの側面に燃料集合体１１をそれぞれ隣り合わせて配置している。すなわち、燃料集合体１０の４つの側面には他の燃料集合体１０が隣接して配置されていない。このため、内側炉心領域７における平均隣接体数αは０である。内側炉心領域７に配置された燃料集合体１０は燃料集合体１であり、燃料集合体１１は燃料集合体２である。内側炉心領域７の燃料集合体１は、第１冷却水通路に連絡されている。また、内側炉心領域７の燃料集合体２は、第２冷却水通路に連絡されている。

本実施例においても、実施例１と同様に、最外層領域を除いてオリフィス係数が一様な炉心と比較して、各燃料集合体１０における冷却水流量の平均の上昇割合は約７．５％となるが、各燃料集合体１０の出力の上昇割合は０．６％に抑制される。このため、炉心５Ｂの熱的余裕は約２％上昇する。本実施例も、燃料集合体１０内の冷却水流量を増大させた場合であっても、実施例１と同じ理由で、オリフィスの圧力損失係数が一様な炉心に対して、熱的余裕を上昇させることができる。

ＢＷＲに適用した本発明の他の実施例である実施例３の原子炉炉心を、図１２により説明する。本実施例の炉心５Ｃは、最外層領域９よりも内側に存在する内側炉心領域７及び外側炉心領域８にそれぞれ燃料集合体１０，１１を配置している。炉心５Ｃが適用されるＢＷＲプラントは、原子炉２０としてＡＢＷＲを用いたＡＢＷＲプラントである。このＡＢＷＲプラントも、炉心５Ｃ以外は図２に示す実施例１のＢＷＲプラントの構成を有する。炉心５ＣはＡＢＷＲ型炉心である。

ＡＢＷＲプラントの電気出力は１３５万ｋＷであり、炉心５Ｃには平均取出燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔである８７２体の燃料集合体２２が装荷されている。制御棒３２は、２１８本設けられており、中性子吸収棒３３の替りにハフニウム型中性子吸収体を備えている。１つの運転サイクルの期間は１５ヶ月であり、燃料交換のバッチ数は３．８バッチである。このため、炉心５Ｃは、燃料集合体１〜３以外に、４サイクル目の運転サイクルでの運転を経験している燃料集合体２２（炉心滞在４サイクル目の燃料集合体という）が存在する。

炉心５Ｃは、最外層領域９に炉心滞在４サイクル目の燃料集合体４を装荷している。最外層領域９よりも内側の内側炉心領域７及び外側炉心領域８に複数の燃料集合体１０及び複数の燃料集合体１１を配置している。複数の燃料集合体１０は燃料集合体１である。複数の燃料集合体１１は、燃料集合体２，３及び４を含んでいる。１つの燃料集合体１０の４つの側面に、４体の燃料集合体１１が隣り合わせになって配置される。燃料集合体で１０である燃料集合体１は、入口に第１オリフィスを設けている第１冷却水通路に連絡されている。燃料集合体１１である燃料集合体２，３及び４は、入口に第２オリフィスを設けている第２冷却水通路に連絡されている。

燃料支持金具２３に設けられた各オリフィスのオリフィス係数は、最外層領域９に位置する第３オリフィスを除いて、オリフィス係数が一様な炉心に対して、第１オリフィスが−４１％、第２オリフィスが＋１９％となっている。第３オリフィスのオリフィス係数は、第２オリフィスのそれよりも大きくなっている。炉心５Ｃ全体の圧力損失は、オリフィス係数が一様な炉心と同等になっている。

１つの燃料集合体１０の４つの側面に、４体の燃料集合体１１が別々に隣り合うように配置されている。１つの燃料集合体１０の４つの側面に隣り合うこれらの燃料集合体１１は、ほとんどの燃料集合体１０に対して炉心滞在期間が異なる少なくとも２種類の燃料集合体２２である。外側炉心領域８の周辺部に位置する一部の燃料集合体１０は４つの側面のうち１つの側面に燃料集合体１０を隣り合わせて配置している。炉心５Ｃの内側炉心領域７および外側炉心領域８における平均隣接体数αはほぼ０である。

本実施例では、最外層領域を除いてオリフィス係数が一様な炉心と比較して、各燃料集合体１０における冷却水流量の平均上昇割合は約４．３％となるが、各燃料集合体１０の出力の上昇割合は０％に抑制される。この結果、炉心５Ｃの熱的余裕は約２％上昇する。バッチ数が４バッチに近い炉心であっても、燃料集合体１０の冷却水流量を増大させた場合で炉心の熱的余裕を向上させることができる。本実施例は、炉心の大きさ及び燃料交換のバッチ数が変わった場合でも、蒸気の効果を得ることができる。

ＢＷＲに適用した本発明の他の実施例である実施例４の原子炉炉心を、図１３により説明する。本実施例の炉心５Ｄは、最外層領域９よりも内側に存在する内側炉心領域７及び外側炉心領域８にそれぞれ燃料集合体１０，１１を配置している。炉心５Ｄが適用されるＢＷＲプラントは、実施例３と同様に、原子炉２０としてＡＢＷＲを用いたＡＢＷＲプラントである。このＡＢＷＲプラントも、炉心５Ｄ以外は図２に示す実施例１のＢＷＲプラントの構成を有する。炉心５ＤはＡＢＷＲ型炉心である。炉心５Ｄは、炉心５Ｃと、燃料集合体２２の配置、オリフィス係数及び燃料集合体１０が燃料集合体２を含んでいる点で異なっている。

炉心５Ｄも、燃料集合体２２の中心軸の位置が炉心５Ｂの中心を基点にしてＬ／√２よりも内側に位置する燃料集合体２２が装荷されている領域である内側炉心領域７、及び内側炉心領域７と最外層領域９の間に存在する外側炉心領域８を有する。炉心５Ｄの内側炉心領域７には、この内側炉心領域７の周辺部の一部を除いて、炉心５Ｃの内側炉心領域７と同様に燃料集合体１０及び燃料集合体１１が配置されている。炉心５Ｄの内側炉心領域７の周辺部の一部には、燃料集合体１０として燃料集合体２を配置している。このため、その周辺部の一部には、燃料集合体１０である燃料集合体１の２つの側面に燃料集合体１０である燃料集合体２をそれぞれ隣り合わせて配置している。炉心５Ｄは、その周辺部を除く内側炉心領域７の大部分では、燃料集合体１０である燃料集合体１の４つの側面に、燃料集合体１１を隣り合わせて配置している。このため、内側炉心領域７における平均隣接体数αはほぼ１になる。

炉心５Ｄの外側炉心領域８には、燃料集合体１０である燃料集合体１の２つの側面に燃料集合体１０である燃料集合体２をそれぞれ隣り合わせて配置する第１配置、及び燃料集合体１０である燃料集合体１の４つの側面に、燃料集合体１１をそれぞれ隣り合わせては位置する第２配置を有する。この第２配置においては、燃料集合体１０の４つの側面に、他の燃料集合体１０が隣り合わせで配置されてはいない。外側炉心領域８において、第２配置は第１配置よりも多くなっており、第１配置が最外層領域９側、第２配置が内側炉心領域７側に配置されている。外側炉心領域８における平均隣接体数αはほぼ１．５になる。

燃料集合体１０である燃料集合体１及び２は第１冷却水通路にそれぞれ連絡され、燃料集合体１１である燃料集合体２，３及び４は第２冷却水通路にそれぞれ連絡される。燃料支持金具２３に設けられた各オリフィスのオリフィス係数は、最外層領域９に位置する第３オリフィスを除いて、オリフィス係数が一様な炉心に対して、第１オリフィスが−４１％、第２オリフィスが＋３２％となっている。第３オリフィスのオリフィス係数は、第２オリフィスのそれよりも大きい。炉心全体の圧力損失は、オリフィス係数が一様な炉心と同等にしている。

このような本実施例は、内側炉心領域７の中央部において、ある燃料集合体１０に隣り合う４体の燃料集合体が全て燃料集合体１１になっており、さらに、後述するように、内側炉心領域７の外周部に位置する炉心滞在２サイクル目の燃料集合体１０に隣り合う２体の燃料集合体を燃料集合体１１にすることによって、最外層領域を除いてオリフィス係数が一様な炉心と比較して、各燃料集合体１０における冷却水流量の平均上昇割合は約４．５％になるが、各燃料集合体１０の出力の上昇割合は０．６％に抑制される。この結果、炉心５Ｄの熱的余裕は約２％上昇する。

内側炉心領域７の外周部に位置する炉心滞在２サイクル目の燃料集合体の熱的余裕が比較的厳しくなる場合、本実施例は、その炉心滞在２サイクル目の燃料集合体を、第１オリフィスを有する第１冷却水通路に連絡させる。これによって、内側炉心領域７の外周部に位置する炉心滞在２サイクル目の燃料集合体１０について、隣り合う２体の燃料集合体を他の燃料集合体１０、換言すれば、隣り合う他の２体の燃料集合体を燃料集合体１１にすることによって、図５に示すように、その炉心滞在２サイクル目の燃料集合体１０における出力増加割合を抑制することができる。

ＢＷＲに適用した本発明の他の実施例である実施例４の原子炉炉心を、図１４により説明する。本実施例の炉心５Ｅは、最外層領域９よりも内側に存在する内側炉心領域７及び外側炉心領域８にそれぞれ燃料集合体１０，１１を配置している。炉心５Ｅが適用されるＢＷＲプラントは、炉心５Ｅを有する図１に示す原子炉２０を有している。炉心５Ｅにおける内側炉心領域７と外側炉心領域８の境界は、実施例１と同じで、炉心５Ｅの中心を基点とするＬ／√２である。

炉心５Ｅの最外層領域９には、燃料集合体２及び３が配置されている。燃料集合体１及び１１は、共に、燃料集合体１及び２を含んでいる。炉心５Ｅの内側炉心領域７では、全ての燃料集合体１０は、１つの側面に他の燃料集合体１０を隣り合わせて配置している。すなわち、燃料集合体１０である１つの燃料集合体１の１つの側面に、燃料集合体１０である１体の燃料集合体２を隣り合わせて配置している。燃料集合体１０である燃料集合体１における他の３つの側面には、燃料集合体１１である３体の燃料集合体２が別々に隣り合わせて配置される。燃料集合体１０である燃料集合体２における他の３つの側面には、燃料集合体１１である３体の燃料集合体１が別々に隣り合わせて配置される。このような内側炉心領域７の平均隣接体数αは１になる。

外側炉心領域８も、大部分の領域で、内側炉心領域７と同様に、燃料集合体１０である燃料集合体１の１つの側面に、他の燃料集合体１０である燃料集合体２を隣り合わせて配置している。このような外側炉心領域８の平均隣接体数αはほぼ１になる。

燃料集合体１０である燃料集合体１及び２は第１冷却水通路にそれぞれ連絡され、燃料集合体１１である燃料集合体１及び２は第２冷却水通路にそれぞれ連絡される。燃料支持金具２３に設けられた各オリフィスのオリフィス係数は、最外層領域９に位置する第３オリフィスを除いて、オリフィス係数が一様な炉心に対して、第１オリフィスが−３８％、第２オリフィスが＋３３％となっている。第３オリフィスのオリフィス係数は、第２オリフィスのそれよりも大きい。炉心全体の圧力損失は、オリフィス係数が一様な炉心と同等である。

このような本実施例は、最外層領域９を除いてオリフィス係数が一様な炉心と比較して、各燃料集合体１０における冷却水流量の平均上昇割合は約６．５％になるが、各燃料集合体１０の出力の上昇割合は０．７％に抑制される。炉心５Ｅの熱的余裕は約２％上昇する。

炉心５Ｅにおいて、外側炉心領域８に燃料集合体１０を配置せずに複数の燃料集合体１１を配置し、内側炉心領域７に複数の燃料集合体１０及び１１をそれぞれ配置しても良い。この内側炉心領域７において、燃料集合体１０の１つの側面には他の燃料集合体１０が隣り合わせて配置されており、残りの３つの側面には燃料集合体１１がそれぞれ隣り合わせて配置されている。

１…炉心滞在１サイクル目の燃料集合体、２…炉心滞在２サイクル目の燃料集合体、３…炉心滞在３サイクル目の燃料集合体、４…炉心滞在４サイクル目の燃料集合体、５，５Ａ〜５Ｅ…炉心、７…内側炉心領域、８…外側炉心領域、９…最外層領域、１０，１１，１２，２２…燃料集合体、２０…原子炉、２１…原子炉圧力容器、２３…燃料支持金具、２４…インターナルポンプ。

Claims (5)

1. 最外層領域と、前記最外層領域の内側に存在する炉心領域と、前記最外層領域及び前記炉心領域の下端部にそれぞれ配置された複数の燃料支持部材と、前記最外層領域及び前記炉心領域にそれぞれ装荷され、前記燃料支持部材に保持される複数の燃料集合体とを有し、
   前記炉心領域に配置された複数の前記燃料集合体が、前記燃料支持部材内に形成され、開口部を有する第１抵抗体が設けられた第１冷却材通路に連絡される複数の第１燃料集合体、及び前記燃料支持部材内に形成され、開口部を有して前記第１抵抗体よりも圧力損失が大きい第２抵抗体が設けられた別々の第２冷却材通路にそれぞれ連絡される複数の第２燃料集合体を含んでおり、
   複数の第１燃料集合体のそれぞれの４つの側面に隣り合う４体の前記燃料集合体が、３体及び４体のいずれかの前記第２燃料集合体を含んでおり、
   前記炉心領域内で前記炉心領域の中心から最も遠くに位置する前記燃料集合体の軸心までの距離をＬとしたとき、前記炉心領域が、前記炉心中心を基点にした前記炉心領域の半径方向におけるＬ／√２の位置よりも内側に前記軸心が配置される前記燃料集合体が存在する内側領域、及び前記内側領域よりも外側に存在する外側領域を含んでおり、
   前記内側領域は前記第１燃料集合体及び前記第２燃料集合体を配置し、前記外側領域は前記第１燃料集合体を配置せず前記第２燃料集合体を配置していることを特徴とする原子炉炉心。
2. 前記４つの側面に隣り合う前記４体の燃料集合体が３体の前記第２燃料集合体を含んでいるとき、前記４体の燃料集合体のうち残りが前記第１燃料集合体である請求項１に記載の原子炉炉心。
3. ３体及び４体のいずれかの前記第２燃料集合体と隣り合っている前記第１燃料集合体は、前記炉心領域に配置される前記第１燃料集合体の総数の半数以上である請求項１または請求項２に記載の原子炉炉心。
4. ３体及び４体のいずれかの前記第２燃料集合体と隣り合っている前記第１燃料集合体は、前記内側領域に配置された全ての前記第１燃料集合体である請求項１に記載の原子炉炉心。
5. 前記第１燃料集合体は、炉心滞在期間が炉心平均よりも短い燃料集合体である請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の原子炉炉心。

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