JP5717091B2 - Equipment equipped with a nuclear reactor - Google Patents
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Description
本発明は、原子炉を備える設備に関する。 The present invention relates to a facility including a nuclear reactor .
原子炉は、発電設備等に用いられている。原子炉は、高速中性子炉を含む。高速中性子炉は、主に高速中性子により核分裂性核種を核分裂させて出力を発生する原子炉であり、ナトリウム、鉛ビスマス合金等の重金属、またはガス等により炉心が冷却される。従来の技術の原子炉では、炉心全体で核分裂が生じるとともに出力が発生する。 Nuclear reactors are used in power generation facilities. The nuclear reactor includes a fast neutron reactor. A fast neutron reactor is a nuclear reactor that generates power by fissioning fissionable nuclides mainly with fast neutrons, and the core is cooled by heavy metals such as sodium and lead bismuth alloys, or gas. In conventional nuclear reactors, fission occurs and power is generated throughout the core.
原子炉の炉心の臨界の維持および出力の調整は、例えば制御棒によって行われる。制御棒は、中性子を吸収しやすい物質で形成されている。運転サイクルの初期には制御棒を炉心に挿入しておき、燃焼が進むとともに徐々に制御棒を引き抜くことにより、出力を維持しながら臨界状態を保っている。このように、原子炉の運転においては、原子炉の臨界を維持するための制御が必要である。運転サイクルの初期から運転サイクルの末期まで継続的に臨界の維持のための制御を行っている。 The maintenance of the criticality of the reactor core and the adjustment of the power are performed by, for example, control rods. The control rod is made of a material that easily absorbs neutrons. At the beginning of the operation cycle, the control rod is inserted into the reactor core, and as the combustion proceeds, the control rod is gradually pulled out to maintain the critical state while maintaining the output. Thus, in the operation of the nuclear reactor, control for maintaining the criticality of the nuclear reactor is necessary. From the beginning of the operation cycle to the end of the operation cycle, the control for continuously maintaining the criticality is performed.
特許第3463100号公報においては、運転サイクルで臨界を維持するための制御が不要な原子炉が開示されている。この原子炉は、CANDLE(Constant Axial Shape of Neutron Flux, Nuclide Densities and Power Shape During Life of Energy Production)燃焼法と呼ばれる燃焼法を採用している。CANDLE燃焼法では、炉心をおおよそ新燃料部、燃焼部、燃焼が進んだ部分に分けることができる。燃焼部は、燃焼とともに、出力に比例した速さで新燃料部に向かって移動する。CANDLE燃焼では、一つの運転サイクルが終了した後、次の運転サイクルを行なうために燃料を交換する。燃料を交換するときには、炉心軸の方向において燃焼の進んだ燃料を取り出し、取り出した側の端部と反対側の端部に新燃料を装荷することができる。 Japanese Patent No. 3463100 discloses a nuclear reactor that does not require control for maintaining criticality in an operation cycle. This nuclear reactor adopts a combustion method called CANDLE (Constant Axial Shape of Neutron Flux, Nuclide Densities and Power Shape During Life of Energy Production) combustion method. In the CANDLE combustion method, the core can be roughly divided into a new fuel part, a combustion part, and a part where combustion has progressed. The combustion section moves toward the new fuel section at a speed proportional to the output with combustion. In CANDLE combustion, after one operation cycle is completed, the fuel is changed to perform the next operation cycle. When the fuel is exchanged, the fuel which has been burned in the direction of the core axis can be taken out, and new fuel can be loaded on the end opposite to the taken-out end.
CANDLE燃焼法では、臨界調整を行なわなくてもよく、また、出力分布の調整をしなくても出力分布が、ほぼ一定に保たれる。このため、運転サイクルの初期から末期にわたって、制御棒の操作等のような炉心の反応度制御は行わなくても良いという特徴を有する。また反応度係数も変化せずに、燃焼とともに運転方法を変化させなくても良いという特徴を有する。 In the CANDLE combustion method, it is not necessary to adjust the criticality, and the output distribution is kept almost constant without adjusting the output distribution. For this reason, it has the characteristic that the reactivity control of the core, such as the operation of the control rod, does not have to be performed from the beginning to the end of the operation cycle. In addition, the reactivity coefficient does not change, and the operation method does not have to be changed with combustion.
原子炉の燃料の燃焼法としてCANDLE燃焼法を採用することにより、燃焼が進行しても炉心特性をほぼ一定にすることができて運転制御が簡単になり、事故の発生確率が低い原子炉を提供することができる。また、炉心に制御棒を配置しなくても良いために、運転期間中に制御棒が誤って引き抜かれるような事故の可能性が全くなくなる。また、燃料を取り出すときの燃焼度が高いことから、廃棄物の量を低減できる。 By adopting the CANDLE combustion method as the fuel combustion method for the nuclear reactor, the reactor core characteristics can be made almost constant even when combustion progresses, operation control is simplified, and a nuclear reactor with a low probability of accidents. Can be provided. Further, since there is no need to arrange the control rod in the core, there is no possibility of an accident that the control rod is accidentally pulled out during the operation period. In addition, the amount of waste can be reduced because of the high burnup when fuel is taken out.
CANDLE燃焼法では、第2サイクル以降の新燃料として、天然ウランまたは劣化ウランだけを用いて運転を行なうことができる。これらの燃料は、未臨界であることから輸送や貯蔵が容易になる。また、濃縮や再処理を行なわずに、ウランのおよそ40%をエネルギとして利用できることから、資源の有効利用ができる。また、第2サイクル以降の新燃料は、濃縮や再処理等が不要となることから、核拡散抵抗性が高いなどの特徴を有する。 In the CANDLE combustion method, operation can be performed using only natural uranium or degraded uranium as a new fuel after the second cycle. Since these fuels are subcritical, they can be easily transported and stored. Moreover, since about 40% of uranium can be used as energy without enrichment or reprocessing, resources can be used effectively. In addition, the new fuel after the second cycle has characteristics such as high proliferation resistance because it does not require enrichment or reprocessing.
原子炉は、発電設備や船舶等に配置される。原子炉は、運転期間中に要求される熱量に応じて出力が変更される場合がある。たとえば、発電設備においては、発電電力に対応して炉心の出力が変更される。従来の技術の原子炉においては、たとえば制御棒を炉心の内部に挿入したり引き抜いたりすることにより炉心の出力の制御を行っている。 The nuclear reactor is arranged in a power generation facility or a ship. The reactor may change its output depending on the amount of heat required during the operation period. For example, in a power generation facility, the output of the core is changed corresponding to the generated power. In a conventional nuclear reactor, the output of the core is controlled by inserting or withdrawing a control rod into the core, for example.
CANDL燃焼法を採用した炉心を備える原子炉においても、炉心に挿入する制御棒を配置することにより、炉心の出力を調整することができる。しかしながら、CANDLE燃焼法では、制御棒を挿入するための流路(チャンネル)を炉心に形成すると、臨界を達成するのが困難になる場合がある。従来の技術における炉心では、核分裂性のウランの濃度またはプルトニウムの濃度を大きくしたり、新燃料の燃料集合体の数を増加したりすることにより臨界を容易に達成することができた。CANDLE燃焼法においても濃縮ウラン等を新燃料に含めることができるが、濃縮ウラン等を使用せずに天然ウランまたは劣化ウランのみを新燃料として使用することが好ましい。 Even in a nuclear reactor including a core adopting the CANDL combustion method, the output of the core can be adjusted by arranging control rods to be inserted into the core. However, in the CANDLE combustion method, if a flow path (channel) for inserting a control rod is formed in the core, it may be difficult to achieve criticality. In the core of the prior art, criticality could be easily achieved by increasing the concentration of fissile uranium or plutonium or increasing the number of fuel assemblies of new fuel. In the CANDLE combustion method, enriched uranium or the like can be included in the new fuel, but it is preferable to use only natural uranium or degraded uranium as the new fuel without using enriched uranium or the like.
また、燃料を均一に燃焼させるには、径方向の出力分布が略一定であることが好ましい。ところが、制御棒を挿入するための流路を炉心に形成すると、炉心に燃料が装荷されていない空間が形成される。この空間においては、出力密度が小さくなってしまい、径方向出力分布が不均一になるという問題が生じる。 In order to burn the fuel uniformly, it is preferable that the radial power distribution is substantially constant. However, when the flow path for inserting the control rod is formed in the core, a space in which no fuel is loaded is formed in the core. In this space, there is a problem that the output density becomes small and the radial output distribution becomes non-uniform.
本発明は、燃料の燃焼とともに燃焼部が新燃料部に向かって移動する炉心を備え、制御棒を用いなくても出力調整を行うことができる原子炉を備える設備を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a facility including a nuclear reactor that includes a core in which a combustion section moves toward a new fuel section as fuel is burned, and that can perform power adjustment without using control rods. .
本発明の第1の原子炉は、新燃料が装荷されている新燃料部と、新燃料部の一方の側に配置され、中性子を発生して燃料が燃焼する燃焼部とを備え、新燃料は天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方のウランを含み、ウランが中性子を吸収して生成されたプルトニウムが核分裂することにより出力を発生し、運転サイクルの初期から末期にかけて、燃焼部がほぼ一定の形状を保ちながら新燃料部に向かう方向に移動する炉心を備える。原子炉は、炉心内を流れる冷却材の温度が変化したときに、炉心の出力を変更可能な反応度が印加される反応度印加機構を備えており、炉心に流入する冷却材の温度を変化させる冷却材温度調整制御を行うことにより、炉心の出力が調整される。 A first nuclear reactor of the present invention includes a new fuel part loaded with a new fuel, and a combustion part disposed on one side of the new fuel part and generating neutrons to burn the fuel. Contains at least one of natural uranium and depleted uranium. Plutonium produced by uranium absorbing neutrons generates fission and generates an output. The combustion part is almost constant from the beginning to the end of the operation cycle. A core that moves in the direction toward the new fuel section while maintaining its shape is provided. The nuclear reactor is equipped with a reactivity application mechanism that applies a reactivity that can change the output of the core when the temperature of the coolant flowing in the core changes, and changes the temperature of the coolant flowing into the core. The output of the core is adjusted by performing the coolant temperature adjustment control.
上記発明においては、反応度印加機構は、燃料棒または燃料集合体を含む燃料体と、運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置され、複数の燃料体同士を互いに支持し、燃料体同士の間隔を定める間隔調整部材とを含み、間隔調整部材は、温度が上昇すると膨張する材質で形成されており、炉心内の冷却材の温度が上昇したときに間隔調整部材が膨張し、燃料体同士の間隔が大きくなることが好ましい。 In the above invention, the reactivity application mechanism is arranged in a fuel body including a fuel rod or a fuel assembly and a region included in the combustion portion at an early stage of the operation cycle, and supports the plurality of fuel bodies to each other, An interval adjusting member that defines an interval between them, and the interval adjusting member is formed of a material that expands when the temperature rises. When the temperature of the coolant in the core rises, the interval adjusting member expands, It is preferable that the space | interval between bodies becomes large.
上記発明においては、冷却材は、鉛の同位体のうち鉛208が主成分であることが好ましい。
In the above invention, the coolant is preferably composed mainly of
上記発明においては、炉心に流入する冷却材の流量が変化したときに、炉心内を流れる冷却材の温度が変化し、炉心の出力を変更可能な反応度が印加されるように形成されており、炉心に流入する冷却材の流量を変化させる冷却材流量調整制御を行うことにより、炉心の出力が調整されることが好ましい。 In the above invention, when the flow rate of the coolant flowing into the core changes, the temperature of the coolant flowing in the core changes, and the reactivity capable of changing the output of the core is applied. The output of the core is preferably adjusted by performing coolant flow rate adjustment control for changing the flow rate of the coolant flowing into the core.
本発明の第1の発電設備は、上記の第1の原子炉と、炉心により生じる熱により水蒸気を生成する蒸気発生器と、蒸気発生器にて生成された水蒸気が供給されて回転するタービンと、タービンに接続されている発電機とを備える。 A first power generation facility according to the present invention includes the first nuclear reactor, a steam generator that generates steam by heat generated by the core, a turbine that rotates by being supplied with steam generated by the steam generator, And a generator connected to the turbine.
本発明の第2の原子炉は、新燃料が装荷されている新燃料部と、新燃料部の一方の側に配置され、中性子を発生して燃料が燃焼する燃焼部とを備え、新燃料は天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方のウランを含み、ウランが中性子を吸収して生成されたプルトニウムが核分裂することにより出力を発生し、運転サイクルの初期から末期にかけて、燃焼部がほぼ一定の形状を保ちながら新燃料部に向かう方向に移動する炉心を備える。原子炉は、炉心内を流れる冷却材の温度が変化したときに、炉心の出力を変更可能な反応度が印加される反応度印加機構を備えており、炉心に流入する冷却材の流量が変化したときに、炉心内を流れる冷却材の温度が変化し、炉心の出力を変更可能な反応度が印加されるように形成されており、炉心に流入する冷却材の流量を変化させる冷却材流量調整制御を行うことにより、炉心の出力が調整される。 A second nuclear reactor according to the present invention includes a new fuel part loaded with a new fuel, and a combustion part disposed on one side of the new fuel part and generating neutrons to burn the fuel. Contains at least one of natural uranium and depleted uranium. Plutonium produced by uranium absorbing neutrons generates fission and generates an output. The combustion part is almost constant from the beginning to the end of the operation cycle. A core that moves in the direction toward the new fuel section while maintaining its shape is provided. The nuclear reactor is equipped with a reactivity application mechanism that applies a reactivity that can change the output of the core when the temperature of the coolant flowing in the core changes, and the flow rate of the coolant flowing into the core changes. The coolant flow rate that changes the flow rate of coolant flowing into the core is configured so that the temperature of the coolant flowing in the core changes and the reactivity that can change the output of the core is applied. By performing adjustment control, the output of the core is adjusted.
本発明の第2の発電設備は、上記の第2の原子炉と、炉心により生じる熱により水蒸気を生成する蒸気発生器と、蒸気発生器にて生成された水蒸気が供給されて回転するタービンと、タービンに接続されている発電機とを備える。 A second power generation facility according to the present invention includes the above-described second nuclear reactor, a steam generator that generates steam by heat generated by the core, a turbine that is rotated by being supplied with the steam generated by the steam generator, And a generator connected to the turbine.
本発明によれば、燃料の燃焼とともに燃焼部が新燃料部に向かって移動する炉心を備え、制御棒を用いなくても出力調整を行うことができる原子炉を備える設備を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an equipment provided with the nuclear reactor which equips the core which a combustion part moves toward a new fuel part with combustion of a fuel, and can perform output adjustment without using a control rod can be provided. .
(実施の形態1)
図1から図13を参照して、実施の形態1における原子炉および発電設備について説明する。本実施の形態における原子炉の炉心は、主に高速中性子によりプルトニウムの核分裂を発生させる高速中性子炉である。本実施の形態における原子炉は、発電設備に配置されており、原子炉から流出する冷却材の熱を用いて発電を行なっている。
(Embodiment 1)
With reference to FIG. 1 to FIG. 13, a nuclear reactor and power generation equipment in the first embodiment will be described. The core of the reactor in this embodiment is a fast neutron reactor that generates plutonium fission mainly by fast neutrons. The nuclear reactor in the present embodiment is arranged in a power generation facility, and generates power using the heat of the coolant flowing out from the nuclear reactor.
図1は、本実施の形態における発電設備の概略図である。本実施の形態における発電設備は、原子炉1を備える。原子炉1は、原子炉容器9と原子炉容器9の内部に配置されている炉心10とを含む。炉心10には、燃料が装荷されている。本実施の形態における炉心10は、鉛直方向が炉心の軸方向に相当する。原子炉1の内部には冷却材が供給され、炉心10の内部を冷却材が流れることにより、炉心10の熱が冷却材に伝達される。
FIG. 1 is a schematic diagram of power generation equipment in the present embodiment. The power generation facility in the present embodiment includes a
本実施の形態における冷却材は、中性子の減速能力や中性子の吸収能力が小さな材料を用いることができる。本実施の形態においては、冷却材として液体のナトリウム51が用いられている。原子炉の冷却材としては、ナトリウム冷却材の他に、鉛−ビスマス冷却材等の鉛系冷却材や、ヘリウム等のガス冷却材等を用いることができる。また、本実施の形態においては、中間熱交換器2から蒸気発生器3に熱を伝達する熱媒体としても液体のナトリウム52が用いられている。
As the coolant in this embodiment, a material having a small neutron moderating ability and a small neutron absorption ability can be used. In the present embodiment,
発電設備は、炉心10を流れる冷却材の熱を用いて、タービン4を回転させる蒸気を生成するための中間熱交換器2および蒸気発生器3を備える。冷却材の熱は、中間熱交換器2を介して蒸気発生器3に伝達される。
The power generation facility includes an intermediate heat exchanger 2 and a
ポンプ41を駆動することにより、冷却材として機能する1次系のナトリウム51は、矢印112に示すように原子炉容器9の内部に流入する。冷却材は、炉心10の内部を流通することにより温度が上昇する。温度が上昇した冷却材は、矢印111に示すように、中間熱交換器2に送られる。冷却材は、中間熱交換器2にて熱交換を行なった後に、ポンプ41により原子炉容器9の内部に供給される。
By driving the pump 41, the
中間熱交換器2から蒸気発生器3に熱を伝達する2次系のナトリウム52は、ポンプ42が駆動することにより、矢印114に示すように中間熱交換器2に供給される。2次系のナトリウム52は、冷却材と熱交換を行って温度が上昇する。温度が上昇した2次系のナトリウム52は、矢印113に示すように、蒸気発生器3に供給される。
The
本実施の形態における蒸気発生器3は、2次系のナトリウム52の熱により水53を加熱する。ポンプ43が駆動することにより、矢印116に示すように蒸気発生器3に水が供給される。蒸気発生器3において、2次系のナトリウム52と水とが熱交換を行なうことにより水蒸気が生成される。蒸気発生器3において熱交換を行った2次系のナトリウム52は、ポンプ42により中間熱交換器2に供給される。
本実施の形態における発電設備は、タービン4よび発電機5を備える。蒸気発生器3にて生成された水蒸気は、流量調整弁44を通って、矢印115に示すようにタービン4に供給される。流量調整弁44の開度を調整することにより、タービンに供給する蒸気流量を調整することができる。水蒸気は、タービン4を回転させる。タービン4の回転力が発電機5に伝達されることにより、発電機5が発電する。
The power generation facility in the present embodiment includes a turbine 4 and a generator 5. The steam generated by the
タービン4から流出する水蒸気および凝縮水は、復水器6に流入する。復水器6は、熱交換器6aを含む。熱交換器6aには、矢印118に示すように海水等の冷却水が供給されている。水蒸気は、復水器6において水53に戻される。復水器6から流出する水53は、ポンプ43により、蒸気発生器3に供給される。
Water vapor and condensed water flowing out from the turbine 4 flows into the
図2に、本実施の形態における原子炉の炉心の概略平面図を示す。図2は、炉心の4分の1を示している。本実施の形態における炉心10は、平面形状がほぼ正六角形状に形成されている。原子炉の炉心は、この形態に限られず、平面視したときに、ほぼ円形となる任意の形状または円形に形成することができる。 FIG. 2 shows a schematic plan view of the reactor core in the present embodiment. FIG. 2 shows a quarter of the core. The core 10 in the present embodiment is formed in a substantially hexagonal shape in plan view. The core of the nuclear reactor is not limited to this form, and can be formed in an arbitrary shape or a circle that is substantially circular when viewed in plan.
本実施の形態における炉心10は、燃料体としての燃料集合体21を含む。本実施の形態においては、複数の燃料集合体21が規則的に配列されている。本実施の形態における複数の燃料集合体21には、同一の新燃料が装荷されている。本実施の形態においては、新燃料として劣化ウランが装荷されている。本実施の形態における炉心10の周りには、反射体が配置されていないが、この形態に限られず、炉心10の周りに反射体が配置されていても構わない。
The core 10 in the present embodiment includes a
図3に、本実施の形態における燃料集合体の概略斜視図を示す。燃料集合体21は、複数の燃料棒22を含む。燃料棒22は、長手方向の端部がノズル27により支持されている。または、燃料棒22は、燃料集合体21の内部に配置され、ノズル27に固定されている固定部材により支持されている。また、燃料棒22は、複数の支持格子25a,25bにより支持されている。支持格子25a,25bは、燃料棒22同士を互いに離して支持している。冷却材は、燃料棒22同士の間を流れて燃料棒22を冷却する。本実施の形態では支持格子により燃料棒同士の間の距離を保っているが、この形態に限られず、支持格子の代わりにワイヤースペーサー等を用いることができる。
FIG. 3 shows a schematic perspective view of the fuel assembly in the present embodiment. The
図4に、本実施の形態における燃料棒の概略斜視図を示す。図4では、燃料の燃焼が上側から下側に向かって移動する燃料棒を示している。また、被覆材の一部を破断して示している。本実施の形態における燃料棒22は、被覆材23を含む。被覆材23は、筒状に形成されている。被覆材23は、たとえばステンレス鋼で形成されている。燃料棒22は、燃料ペレット24a,24b,24cを含む。燃料ペレット24a,24b,24cは、被覆材23の内部に配置されている。燃料棒22は、栓29により封止されている。燃料ペレット24a,24b,24cは、コイルスプリング28により押圧されている。
FIG. 4 shows a schematic perspective view of the fuel rod in the present embodiment. FIG. 4 shows a fuel rod in which the combustion of fuel moves from the upper side to the lower side. In addition, a part of the covering material is shown broken. The
図4に示す燃料棒は、運転サイクルの初期の状態を示している。複数の燃料ペレット24a,24b,24cは、新燃料を含む燃料ペレット24a、燃焼途中の燃料ペレット24b、および燃焼が十分に進んだ燃料ペレット24cの順に配置されている。新燃料を含む燃料ペレット24aの部分により、炉心の新燃料部が画定される。燃焼途中の燃料ペレット24bの部分により、炉心の燃焼部が画定される。燃焼が進んだ燃料ペレット24cの部分により、炉心の燃焼が進んだ部分が画定される。
The fuel rod shown in FIG. 4 shows the initial state of the operation cycle. The plurality of
このように、本実施の形態における燃料棒22には、燃焼度が互いに異なる燃料ペレット24a,24b,24cが配置されている。一つの運転サイクルが終了した後には、たとえば、被覆材23を剥ぎ取り、燃焼が進んだ部分の燃料ペレットとそれ以外の燃料ペレットとを分離する。次に、新たな被覆材の内部に、新燃料を含む燃料ペレットおよび回収された燃料ペレット等を配置することにより、次の運転サイクルのための燃料棒を形成することができる。
As described above, the
または、燃料ペレットの回収方法としては、それぞれの部分ごとに燃料棒を切断した後に、被覆材23を剥ぎ取っても構わない。この方法によっても、燃焼部および燃焼が進んだ部分に配置されていた燃料ペレットを回収することができる。
Alternatively, as a method for collecting fuel pellets, the covering
図2から図4を参照して、本実施の形態における燃料集合体21の新燃料部に配置される燃料ペレットは、劣化ウランを含む。本実施の形態における燃料は、金属燃料であるが、この形態に限られず、例えば、窒化物燃料等を用いることができる。
2 to 4, the fuel pellets arranged in the new fuel portion of the
次に、本実施の形態における炉心の出力運転について説明する。本実施の形態においては、出力運転中に出力がほぼ一定に保たれる例について説明する。 Next, the output operation of the core in the present embodiment will be described. In the present embodiment, an example will be described in which the output is kept substantially constant during the output operation.
図5に、本実施の形態における炉心の燃焼の進行状況を説明する模式図を示す。図5は、炉心を軸方向に沿って切断したときの概略断面図である。図5は、複数回の運転サイクルを行なった後の第nサイクルの初期(BOC)の炉心と、第nサイクルの末期(EOC)の炉心とを示している。また、同一のサイクル長さおよび同一の燃料取替え方法で複数サイクル運転を行なった炉心を示している。径方向の位置rが零の軸が炉心軸である。 FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the progress of the combustion of the core in the present embodiment. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view when the core is cut along the axial direction. FIG. 5 shows an initial (BOC) core of the nth cycle after a plurality of operation cycles and an end (EOC) core of the nth cycle. Also shown is a core that has been operated for multiple cycles with the same cycle length and the same fuel replacement method. The axis where the radial position r is zero is the core axis.
本実施の形態における原子炉の炉心10は、運転サイクルの初期から末期にかけて燃焼部12が、新燃料部11に向けて移動する。すなわち、本実施の形態における炉心は、CANDLE燃焼を行なう。燃焼部12の移動する速度は、凡そ出力密度に比例し、燃料原子数密度に反比例する。
In the
本実施の形態における炉心の出力密度は、炉心の中央において高くなる。炉心の外周においては、中性子の漏れが多くなるために、径方向の外側に向かうほど出力密度が小さくなる。このため、燃焼部の軸方向の位置は、径方向の外側に向かうほど遅れた位置に配置される。 The power density of the core in the present embodiment is high at the center of the core. At the outer periphery of the core, neutron leakage increases, so the power density decreases toward the outside in the radial direction. For this reason, the position of the combustion part in the axial direction is arranged at a position that is delayed toward the outside in the radial direction.
本実施の形態における炉心10は、新燃料部11、燃焼部12および燃焼が進んだ部分13を含む。新燃料部11は、新燃料が配置されている部分である。燃焼部12は、自発的に中性子が発生し、燃料の燃焼が生じる部分である。燃焼部12では、核分裂が発生することにより実質に出力が生じている。燃焼が進んだ部分13は、燃焼が進んで、ほとんど出力を発生していない部分である。
The core 10 in the present embodiment includes a
第nサイクルの初期の炉心において、新燃料部11は、炉心10の下部に配置されている。燃焼部12は、新燃料部11の上側に配置されている。燃焼部12には、前サイクルで既に燃焼が始まっていた燃料が配置されている。
In the initial core of the nth cycle, the
本実施の形態においては、運転サイクルの初期に配置された燃焼部12は、燃焼を開始する部分になる。燃焼部12から燃料の燃焼が開始され、矢印101に示すように、新燃料部11に向かう方向に燃焼が進行する。第nサイクルの燃焼が進行して運転サイクルの末期になった場合には、燃焼部12が炉心10の下端まで進行する。本実施の形態においては、新燃料部11がほとんどなくなるまで燃焼を継続している。運転サイクルの末期では、新燃料部11が残っていても構わない。
In the present embodiment, the
図6に、本実施の形態における燃料の中性子フルエンスと無限中性子増倍率との関係を説明するグラフを示す。横軸が、中性子束を時間で積分した中性子フルエンスであり、縦軸が無限中性子増倍率kinfである。中性子フルエンスは、たとえば燃料の燃焼度に対応する量である。本実施の形態においては劣化ウランを燃料としている。劣化ウランは、たとえば、約99.8%のウラン238と、約0.2%のウラン235とを含む。ウラン238は、中性子を吸収することにより次の数1のように核変換する。ウラン238は、プルトニウム239に変換される。
中性子フルエンスが零の近傍では、ウラン238が中性子を吸収してプルトニウム239が生成されることにより、無限中性子増倍率が上昇する。所定の中性子フルエンスに達すると、プルトニウム239等の存在量のウラン238の存在量に対する比が一定に近づき、更に核分裂生成物(FP)が蓄積して、無限中性子増倍率が徐々に減少する。このように、本実施の形態における燃料は、燃焼の初期において無限中性子増倍率が増加し、その後に徐々に無限中性子増倍率が減少する特性を有する。 In the vicinity of zero neutron fluence, uranium 238 absorbs neutrons to generate plutonium 239, thereby increasing the infinite neutron multiplication factor. When a predetermined neutron fluence is reached, the ratio of the abundance of plutonium 239 and the like to the abundance of uranium 238 approaches a constant value, and fission products (FP) accumulate, and the infinite neutron multiplication factor gradually decreases. As described above, the fuel in the present embodiment has a characteristic that the infinite neutron multiplication factor increases at the initial stage of combustion, and then the infinite neutron multiplication factor gradually decreases.
また、劣化ウランの未臨界度は大きいために、炉心の一部分を臨界以上にするためには、多くの中性子をウラン238に吸収させる必要がある。本実施の形態においては、このような条件を満たすように炉心の大きさを選定するとともに燃料集合体や燃料棒を設計している。 Moreover, since the subcriticality of depleted uranium is large, in order to make a part of the core more than critical, it is necessary to absorb many neutrons in the uranium 238. In the present embodiment, the size of the core is selected so as to satisfy such conditions, and the fuel assemblies and fuel rods are designed.
上記のような炉心の構成を採用することにより、CANDLE燃焼を実施することができる。すなわち、炉心の径方向の全体にわたって出力が生じ、炉心の軸方向の一部の領域において燃焼部が生成される炉心を形成することができる。 CANDLE combustion can be performed by adopting the core configuration as described above. That is, it is possible to form a core in which power is generated over the entire radial direction of the core and a combustion part is generated in a partial region in the axial direction of the core.
図7に、炉心高さを無限大にして燃焼を行なっているときの無限中性子増倍率のグラフを示す。横軸が炉心高さであり、縦軸が燃料の無限中性子増倍率を示している。本実施の形態においては、矢印101に示すように、燃焼部が新燃料部に向かって移動する。燃焼部は、無限中性子増倍率が1を超える領域を含む。実際の原子炉の炉心の高さは有限であり、この場合には、炉心の端部での無限中性子増倍率は、図7に示すグラフから僅かにずれる場合がある。
FIG. 7 shows a graph of the infinite neutron multiplication factor when burning at an infinite core height. The horizontal axis represents the core height, and the vertical axis represents the infinite neutron multiplication factor of the fuel. In the present embodiment, as indicated by an
図8に、本実施の形態における炉心の燃焼が進行する状態および燃料取り換えを説明するグラフを示す。図8には、第nサイクルの炉心の初期および末期のグラフと、第(n+1)サイクルの炉心の初期および末期のグラフが示されている。それぞれのグラフにおいては、炉心軸における出力密度、ウラン238の数密度および核分裂生成物の数密度が示されている。 FIG. 8 shows a graph for explaining the state in which the combustion of the core proceeds and the fuel replacement in the present embodiment. FIG. 8 shows an initial and final graph of the nth cycle core and an initial and final graph of the (n + 1) th cycle core. In each graph, the power density at the core axis, the number density of uranium 238, and the number density of fission products are shown.
図7および図8を参照して、出力密度の最大点は、矢印101に示すように、新燃料部11が配置されている炉心下部に向けて移動する。本実施の形態における燃焼は、炉心の上端から下端に向かう方向に移動する。燃焼部が移動していく速度、すなわち、出力密度の最大点が移動する速度は、例えば、1年間に数cmである。このように、ゆっくりと燃焼部が移動する。ウラン238の数密度は、核変換されることにより燃焼部の下流側で小さくなる。また、核分裂生成物の数密度は、核分裂が生じることにより燃焼部の下流側で大きくなる。本実施の形態においては、燃焼部が、炉心のほぼ下端に達したときに燃焼を終了している。
Referring to FIGS. 7 and 8, the maximum point of the power density moves toward the lower part of the core where the
第nサイクルが終了すると燃焼が進んだ部分の一部の燃料を取り出す。第(n+1)サイクルの初期の炉心では、矢印117に示すように、第nサイクルにおいて炉心の下部に配置されている燃焼部を炉心の上部に配置して、燃焼を開始する部分として使用する。第(n+1)サイクルの炉心においては、炉心の下部に新たな新燃料部11を配置する。このような燃料交換を行なうことにより、第(n+1)サイクルの炉心においても、第nサイクルの炉心と同様の燃焼を行なうことができる。
When the n-th cycle ends, a part of the fuel where combustion has progressed is taken out. In the core at the initial stage of the (n + 1) th cycle, as indicated by an
図9に、本実施の形態における炉心の概略部分断面図を示す。本実施の形態における炉心10は、バッフル板34の内部に配置されている。燃料集合体21は、長手方向が炉心10の軸方向とほぼ平行になるように配置されている。本実施の形態における原子炉1は、炉心内を流れる冷却材の温度が変化したときに、炉心10の出力を変更可能な反応度が印加される反応度印加機構を備える。
FIG. 9 shows a schematic partial cross-sectional view of the core in the present embodiment. The core 10 in the present embodiment is disposed inside the
炉心10の下端部には、集合体下端支持部材32が配置されている。燃料集合体21の下端は、集合体下端支持部材32に固定されている。集合体下端支持部材32は、燃料集合体21を固定すればよいために、構造材として優れた材質を採用することができる。炉心10の上端部には、集合体上端支持部材33が配置されている。集合体上端支持部材33は、燃料集合体21の上端を移動可能に支持するように形成されている。燃料集合体21の上端は、外側に向かって移動可能なように集合体上端支持部材33に支持されている。
An assembly lower
本実施の形態における炉心10は、複数の燃料集合体21同士を互いに支持する間隔調整部材としての間隔調整板31を備える。間隔調整板31は、複数の支持格子25a,25bのうち、支持格子25aの部分に配置されている(図3参照)。間隔調整板31が配置されていない部分においては、互いに隣り合う燃料集合体21の支持格子25b同士の間には隙間が形成されている。
The core 10 in the present embodiment includes a
図10に、本実施の形態における間隔調整板の概略平面図を示す。図9および図10を参照して、間隔調整板31は、燃料集合体21が挿入される穴部31aを有する。間隔調整板31の穴部31aは、燃料集合体21の支持格子25aに嵌合するように形成されている。本実施の形態における間隔調整板31は、炉心10に含まれる全ての燃料集合体21を支持するように形成されている。穴部31aに、燃料集合体21の支持格子25aが配置されることにより、隣り合う燃料集合体21同士を互いに拘束することができる。複数の燃料集合体21同士の間隔が定められる。
In FIG. 10, the schematic plan view of the space | interval adjustment board in this Embodiment is shown. Referring to FIGS. 9 and 10, the
本実施の形態における間隔調整板31は、温度が上昇すると膨張する材質により形成されている。間隔調整板31は、熱膨張率が大きな材質にて形成されている。また、本実施の形態における間隔調整板31は、集合体下端支持部材32よりも熱膨張率の大きな材質にて形成されている。熱膨張率の大きな材質としては、ステンレス鋼を例示することができ、たとえばステンレス鋼のうちSUS304またはSUS316(日本工業規格(JIS)に基づく)を採用することができる。
The
図9には、炉心の概略図に加えて、炉心の軸方向の出力密度および冷却材温度が示されている。実線により運転サイクルの初期(BOC)の状態が示されており、破線により運転サイクルの末期(EOC)の状態が示されている。出力密度の分布および冷却材温度の分布は、運転サイクルの初期から末期にかけて、矢印101に示すように、炉心の下端に向かって移動する。冷却材の温度は、炉心10の下端から上端に向かうにつれて上昇している。
FIG. 9 shows the power density in the axial direction of the core and the coolant temperature in addition to the schematic diagram of the core. The solid line indicates the initial (BOC) state of the operating cycle, and the broken line indicates the end (EOC) state of the operating cycle. The distribution of the power density and the distribution of the coolant temperature move toward the lower end of the core as indicated by an
本実施の形態における間隔調整板31は、運転サイクルの初期に燃焼部の領域に配置されている。特に、本実施の形態においては、運転サイクルを通して燃焼部の領域に配置されている。すなわち、間隔調整板31は、運転サイクルの初期においても末期においても、燃焼部の領域の内部に配置されている。間隔調整板31は、運転サイクルの期間中を通して冷却材の温度が高くなる領域に配置されている。
The
更に、本実施の形態における間隔調整板31は、炉心の軸方向において、運転サイクルの初期に出力密度がほぼ最大になる位置に配置されている。または、本実施の形態における間隔調整板31は、運転サイクルの初期において、炉心入口から炉心出口に向かう方向の冷却材の温度上昇が緩やかになった位置に配置されている。
Further, the
図11に、本実施の形態における炉心の他の概略部分断面図を示す。炉心10においては、冷却材が間隔調整板31に接触する。このため、冷却材の温度上昇に伴って、間隔調整板31の温度も上昇する。間隔調整板31は、温度が上昇すると矢印120に示すように、径方向の外側に向かって膨張する。
FIG. 11 shows another schematic partial cross-sectional view of the core in the present embodiment. In the
燃料集合体21は、間隔調整板31により拘束されている。また、本実施の形態の炉心10は、燃料集合体21の下端が集合体下端支持部材32に固定されている。間隔調整板31が膨張すると、矢印121に示すように、燃料集合体21の上端が径方向の外側に向かう。それぞれの燃料集合体21の上端の移動距離は、炉心軸(r=0)を中心として、径方向の外側に向かうにつれて徐々に大きくなる。
The
このように、冷却材の温度が上昇すると、それぞれの燃料集合体21同士の間隔が大きくなるために中性子の漏れが多くなる。炉心10の実効中性子増倍率を1未満にすることができて、炉心10に印加される反応度を負にすることができる。すなわち、本実施の形態における炉心10では、冷却材の温度が上昇したときには負の反応度が印加される。
As described above, when the temperature of the coolant rises, the interval between the
また、冷却材の温度が低下したときには、それぞれの燃料集合体21同士の間隔が小さくなるために中性子の漏れが少なくなる。炉心10には正の反応度が印加される。このように、本実施の形態における炉心10は、冷却材に関する温度係数を負にすることができる。
Further, when the temperature of the coolant is lowered, the interval between the
燃料の温度係数は、ドップラー効果等により容易に負になるが、その絶対値は小さい。本実施の形態における冷却材に関する温度係数は、絶対値の大きな負の値にすることができる。本実施の形態の冷却材に関する温度係数は、燃料の温度係数よりも非常に大きな負の値にすることができる。このために、他の構造材等の温度係数が正であっても、炉心全体の温度係数を容易に負にすることができる。 The temperature coefficient of the fuel easily becomes negative due to the Doppler effect or the like, but its absolute value is small. The temperature coefficient related to the coolant in the present embodiment can be a negative value having a large absolute value. The temperature coefficient related to the coolant of the present embodiment can be a negative value much larger than the temperature coefficient of the fuel. For this reason, even if the temperature coefficient of other structural materials or the like is positive, the temperature coefficient of the entire core can be easily made negative.
また、本実施の形態における炉心は、炉心の形状を変化させて冷却材に関する温度係数を小さくしているために、燃料集合体の本数が多い大型の炉心においても、冷却材に関する温度係数を負にすることができる。 In addition, since the core in the present embodiment changes the shape of the core to reduce the temperature coefficient related to the coolant, the temperature coefficient related to the coolant is negative even in a large core having a large number of fuel assemblies. Can be.
図9を参照して、本実施の形態における間隔調整板31は、運転サイクルの初期に燃焼部に含まれる領域に配置されている。この構成により、出力や冷却材流量等が変化して冷却材の温度が変化したときに、冷却材の温度変化幅の大きな領域に間隔調整板31を配置することができて、間隔調整板31の膨張量を大きくすることができる。間隔調整板31が膨張したときの燃料集合体21同士の間隔を大きくすることができて、冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。
Referring to FIG. 9,
例えば、間隔調整板31を炉心10の下端の近傍に配置した場合には、運転サイクルの初期において間隔調整板31が燃焼部の外側に配置される。炉心10の下端の近傍では、核分裂による熱が冷却材に伝達されていないために、冷却材の温度変化幅が小さくなる。このために、間隔調整板31を十分に膨張させることができない。本実施の形態のように、間隔調整板31を燃焼部の領域に配置することにより、冷却材の温度が比較的高い領域に間隔調整板31を配置することができる。この領域では、冷却材の温度変化幅が大きくなるために、間隔調整板31を大きく膨張させることができる。冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。
For example, when the
また、間隔調整板31を燃焼部の領域に配置することにより、冷却材の温度変化幅が大きくなるために、間隔調整板31の体積が変化する速度が速くなる。冷却材の温度変化に応答性良く追従して、燃料集合体21同士の間隔を大きくしたり小さくしたりすることができる。すなわち、冷却材の温度変化に対する反応度の応答速度を向上させることができる。
Further, by arranging the
更に、本実施の形態における間隔調整板31は、運転サイクルの初期において冷却材温度が炉心出口の冷却材温度に近い値になる炉心の軸方向の位置に配置されている。冷却材温度は、主に燃焼部の出力密度が高くなる領域において、炉心入口から炉心出口に向けて大きく上昇する。図9を参照して、炉心は、炉心入口から炉心出口に向かって冷却材の温度が上昇する高上昇率領域131と、高上昇率領域131よりも温度の上昇率が小さくなる低上昇率領域132とを有する。低上昇率領域132は、高上昇率領域131よりも下流に配置される。図9には、運転サイクルの初期の高上昇率領域131および低上昇率領域132が示されている。
Further, the
本実施の形態における間隔調整板31は、運転サイクルの初期において冷却材の温度上昇が緩やかになる低上昇率領域132に配置されている。この構成を採用することにより、運転サイクルの初期から末期にかけて、間隔調整板31を低上昇率領域132内に配置することができる。運転サイクルの期間中に燃焼部が移動しても、間隔調整板31における冷却材温度があまり変化せず、膨張量も変化しない。このため、燃料の燃焼に伴う実効中性子増倍率の変化を抑制することができて、理想的なCANDLE燃焼を実現できる。また、燃料の燃焼に伴う冷却材に関する温度係数の変化を小さくすることができる。
The
更に、間隔調整板31は、冷却材温度が炉心出口の冷却材温度に近い値になる範囲のうち、燃料集合体21同士の間隔が不変の集合体下端支持部材32に近い位置に配置することが好ましい。本実施の形態においては、炉心入口に近い位置に配置することが好ましい。たとえば、間隔調整板31は、運転サイクルの初期において低上昇率領域132の炉心入口側の端部に配置されることが好ましい。この構成により、間隔調整板31が膨張したときに燃料集合体同士の間隔を大きくすることができて、冷却材に関する温度係数をより負の値にすることができる。なお、間隔調整板31の位置は、この形態に限られず、たとえば、炉心出口に配置されていても構わない。
Further, the
本実施の形態における炉心は、燃料集合体の下端が集合体下端支持部材により固定されているが、この形態に限られず、燃料集合体体の下端は、燃料集合体の上端と同様に、径方向に移動可能に支持されていても構わない。たとえば、集合体下端支持部材は、冷却材の温度に応じて熱膨張するように形成されていても構わない。燃料集合体の下端に配置される集合体下端支持部材は、間隔調整部材と同様の材質で形成されていても構わない。 In the core in the present embodiment, the lower end of the fuel assembly is fixed by the assembly lower end support member, but the present invention is not limited to this configuration, and the lower end of the fuel assembly has a diameter similar to the upper end of the fuel assembly. It may be supported so as to be movable in the direction. For example, the assembly lower end support member may be formed so as to thermally expand in accordance with the temperature of the coolant. The assembly lower end support member disposed at the lower end of the fuel assembly may be formed of the same material as the interval adjustment member.
本実施の形態において、間隔調整部材により間隔が調整される燃料体は燃料集合体を含むが、この形態に限られず、燃料体として燃料棒が採用されていても構わない。燃料棒を束にした燃料集合体が構成されておらずに、冷却材の流路が確保されるように燃料棒が直接的に間隔調整部材に支持されていても構わない。また、本実施の形態における間隔調整部材は、炉心に含まれる複数の燃料体のうち、全ての燃料体を支持するように形成されているが、この形態に限られず、一部の燃料体を支持するように形成されていても構わない。 In the present embodiment, the fuel body whose interval is adjusted by the interval adjusting member includes a fuel assembly, but is not limited to this form, and a fuel rod may be employed as the fuel body. The fuel assembly in which the fuel rods are bundled may not be configured, and the fuel rods may be directly supported by the interval adjusting member so as to ensure a coolant flow path. Further, the interval adjusting member in the present embodiment is formed so as to support all the fuel bodies among the plurality of fuel bodies included in the reactor core, but is not limited to this embodiment, and some fuel bodies are used. You may form so that it may support.
本実施の形態における間隔調整部材は、板状に形成されている間隔調整板を含むが、この形態に限られず、間隔調整部材は、互いに隣り合う燃料体同士の距離を温度に応じて調整するように形成されていれば構わない。たとえば、間隔調整部材は、線状に形成されたワイヤ等の部材を含んでいても構わない。または、間隔調整部材は、燃料集合体に取り付けられた熱膨張する塊状の部材であっても構わない。たとえば、間隔調整部材は、支持格子の外面に取り付けられた直方体状の部材を含み、燃料集合体が炉心に装荷されたときに、隣り合う燃料集合体の直方体状の部材同士が接触するように形成することができる。 Although the space | interval adjustment member in this Embodiment contains the space | interval adjustment plate currently formed in plate shape, it is not restricted to this form, A space | interval adjustment member adjusts the distance of mutually adjacent fuel bodies according to temperature. It does not matter as long as it is formed as described above. For example, the interval adjusting member may include a member such as a wire formed in a linear shape. Alternatively, the gap adjusting member may be a massive member that is thermally expanded and attached to the fuel assembly. For example, the interval adjusting member includes a rectangular parallelepiped member attached to the outer surface of the support grid so that the rectangular parallelepiped members of adjacent fuel assemblies come into contact with each other when the fuel assemblies are loaded on the core. Can be formed.
また、本実施の形態においては、炉心の軸方向の1箇所の位置に間隔調整板が配置されているが、この形態に限られず、複数の位置に間隔調整部材が配置されていても構わない。 Further, in the present embodiment, the interval adjusting plate is disposed at one position in the axial direction of the core, but the present invention is not limited to this configuration, and interval adjusting members may be disposed at a plurality of positions. .
本実施の形態における原子炉1は、炉心10内を流れる冷却材の温度が変化したときに、絶対値の大きな反応度を印加することができる。本実施の形態における原子炉1は、炉心10に流入する冷却材の温度を変化させる冷却材温度調整制御を行うことにより、炉心の出力を調整する。本実施の形態の炉心10は、冷却材に関する温度係数が絶対値の大きな負の値を有している。このために、炉心10に流入する冷却材の温度を上昇させることにより、絶対値の大きな負の反応度を炉心10に印加することができて、炉心10の出力を低下させることができる。または、炉心10に流入する冷却材の温度を低下させることにより、大きな正の反応度を炉心10に印加することができて、炉心10の出力を上昇させることができる。特に、本実施の形態においては、炉心の出力を数%程度変更する微調整のみではなく、たとえば、炉心の出力を数10%変更する粗調整を行うことができる。
本実施の形態においては、炉心10に流入する冷却材の温度を変化させるために、原子炉に接続されている装置の負荷を変化させる制御を行う。図1を参照して、本実施の形態における発電設備では、発電電力を変更する制御を行う。
In the present embodiment, in order to change the temperature of the coolant flowing into the
例えば、炉心10に流入する冷却材の温度を上昇させる場合には、負荷を小さくするために発電電力を減少させる。流量調整弁44の開度を小さくすることにより、タービン4に供給する蒸気流量が少なくなり、発電電力は小さくなる。蒸気発生器3における熱交換の熱量が小さくなる。中間熱交換器2と蒸気発生器3とを循環する2次系のナトリウム52の温度が上昇する。2次系のナトリウム52の温度が上昇することにより、中間熱交換器2から流出する1次系のナトリウム51(冷却材)の温度も上昇する。炉心10に流入する冷却材の温度が上昇し、炉心10の内部を流れる冷却材の温度が上昇する。または、炉心入口よりも炉心出口の方が冷却材の温度が高くなるが、炉心内の平均的な冷却材の温度が上昇する。平均的な冷却材の温度としては、炉心軸の方向に平均した冷却材の温度を例示することができる。炉心10は、冷却材に関する温度係数が負の値であるために、冷却材の温度が上昇すると、炉心10には負の反応度が印加される。この結果、炉心10の出力を低下させることができる。
For example, when the temperature of the coolant flowing into the
また、炉心10に流入する冷却材の温度を低下させる場合には、負荷を大きくするために、発電電力を増大させる。流量調整弁44の開度を大きくすることにより、タービン4に供給する蒸気流量が多くなり、発電電力が大きくなる。蒸気発生器3にて熱交換を行う熱量が多くなる。このため、2次系のナトリウム52および1次系のナトリウム51(冷却材)の温度が低下する。炉心10に流入する冷却材の温度が低下して、炉心10には正の反応度が印加される。この結果、炉心10の出力を上昇させることができる。
Further, when the temperature of the coolant flowing into the
このように、本実施の形態においては、原子炉1に接続される装置が消費する熱量を小さくすることにより、炉心10に流入する冷却材の温度を上昇させることができて、炉心10の出力を低下させることができる。また、原子炉1に接続される装置が消費する熱量を大きくすることにより、炉心10に流入する冷却材の温度を低下させることができて、炉心10の出力を上昇させることができる。
Thus, in the present embodiment, by reducing the amount of heat consumed by the device connected to the
このように、本実施の形態における原子炉は、制御棒を用いなくても炉心の出力を変更することができる。なお、原子炉としては、この形態に限られず、制御棒による反応度調整を併用しても構わない。 Thus, the reactor in the present embodiment can change the output of the core without using control rods. In addition, as a nuclear reactor, it is not restricted to this form, You may use the reactivity adjustment by a control rod together.
本実施の形態においては、タービンに供給する蒸気流量を調整することにより、炉心に流入する冷却材の温度を変化させているが、この形態に限られず、原子炉に供給する冷却材の温度を調整することができる任意の装置を採用することができる。例えば、図1を参照して、1次系のナトリウム51の循環流路、2次系のナトリウム52の循環流路および水および水蒸気の循環流路のうち、少なくとも1つの流路に熱交換器等を配置して熱媒体の温度を調整しても構わない。
In this embodiment, the temperature of the coolant flowing into the reactor core is changed by adjusting the flow rate of the steam supplied to the turbine. Any device that can be adjusted can be employed. For example, referring to FIG. 1, at least one of a circulation channel for
図12に、本実施の形態における冷却材温度調整制御のタイムチャートを示す。図12には、炉心の出力を低下させる制御を例示している。本実施の形態における原子炉は、通常の運転制御では、炉心の出力がほぼ一定になるように運転されている。 FIG. 12 shows a time chart of the coolant temperature adjustment control in the present embodiment. FIG. 12 illustrates control for reducing the output of the core. The nuclear reactor in the present embodiment is operated so that the output of the core is substantially constant in normal operation control.
図12には、実線にて炉心入口の冷却材温度をステップ状に上昇した場合を記載している。時刻t1までは、定常的な運転を行なっている。また、炉心に流入する冷却材の流量は、炉心の出力の変更期間中にも、ほぼ一定に保たれている。 FIG. 12 shows a case where the coolant temperature at the core inlet is increased stepwise by a solid line. Until time t1, steady operation is performed. Further, the flow rate of the coolant flowing into the core is kept substantially constant during the period of changing the power output of the core.
時刻t1において、発電電力を減少させる制御を行っている。炉心入口の冷却材温度はステップ状に上昇している。燃料温度および炉心出口の冷却材温度は、炉心入口の冷却材温度の上昇に伴って上昇する。燃料の温度は、冷却材の温度上昇に伴って炉心入口から炉心出口に向かって徐々に上昇するが、図12に示す燃料温度は、炉心10内の平均的な温度を示している。燃料の平均的な温度としては、冷却材の平均的な温度と同様に、炉心軸の方向に燃料温度を平均した値を例示することができる。
At time t1, control is performed to reduce the generated power. The coolant temperature at the core inlet rises stepwise. The fuel temperature and the coolant temperature at the core outlet increase as the coolant temperature at the core inlet increases. The fuel temperature gradually rises from the core inlet toward the core outlet as the coolant temperature rises. The fuel temperature shown in FIG. 12 indicates the average temperature in the
炉心入口の冷却材温度が上昇するために、炉心内の冷却材の平均的な温度も上昇する。本実施の形態における炉心では、冷却材に関する温度係数が絶対値の大きな負の値を有するために、炉心には負の反応度が印加される。このため、臨界が維持されている状態から未臨界の状態になり、炉心の出力は低下する。 As the coolant temperature at the core inlet increases, the average temperature of the coolant in the core also increases. In the core in the present embodiment, since the temperature coefficient related to the coolant has a negative value having a large absolute value, a negative reactivity is applied to the core. For this reason, the state where the criticality is maintained is changed to the subcritical state, and the output of the core is lowered.
炉心の出力の低下に伴って、一時的に上昇した燃料の温度が低下し、所定の温度でほぼ一定になる。また、炉心の出力の低下に伴って、一時的に上昇した炉心出口の冷却材温度も低下し、所定の温度でほぼ一定になる。炉心に印加される反応度は、一時的に低下するが、冷却材出口の温度の低下および燃料温度の低下に伴って、ほぼ零に戻る。すなわち、炉心は、未臨界状態から臨界状態に戻る。炉心の出力が低下した状態で、再び臨界状態に移行する。このように、炉心入口の冷却材温度を上昇することにより、炉心の出力を低下させることができる。 As the output of the core decreases, the temperature of the fuel that has risen temporarily decreases, and becomes substantially constant at a predetermined temperature. Further, as the output of the core decreases, the temperature of the coolant at the core outlet that has temporarily increased also decreases and becomes substantially constant at a predetermined temperature. The reactivity applied to the core temporarily decreases, but returns to almost zero as the coolant outlet temperature decreases and the fuel temperature decreases. That is, the core returns from the subcritical state to the critical state. When the power of the core is reduced, the critical state is entered again. As described above, by increasing the coolant temperature at the core inlet, the output of the core can be decreased.
図12には、破線にて炉心入口の冷却材温度を徐々に上昇した場合を記載している。炉心入口の冷却材温度を徐々に上昇させるためには、例えば、発電電力を徐々に低下させることができる。炉心入口の冷却材温度を徐々に上昇した場合には、炉心の出力を徐々に低下させることができる。炉心に印加される反応度は、ほぼ一定の零の状態が継続する。すなわち、炉心がほぼ臨界の状態を維持しながら炉心の出力を変更することができる。燃料温度および炉心出口の冷却材温度も、急激に変更せずに徐々に変化する。 FIG. 12 shows a case where the coolant temperature at the core inlet is gradually increased by a broken line. In order to gradually increase the coolant temperature at the core inlet, for example, the generated power can be gradually decreased. When the coolant temperature at the core inlet is gradually increased, the output of the core can be gradually decreased. The reactivity applied to the core continues to be almost constant at zero. That is, the power of the core can be changed while the core is maintained in a substantially critical state. The fuel temperature and the coolant temperature at the core outlet also change gradually without changing rapidly.
この様に、炉心に流入する冷却材温度を変化させる冷却材温度調整制御としては、炉心に流入する冷却材温度をステップ状に変化させたり、徐々に変化させたりすることができる。炉心の出力を上昇させる場合には、上記の制御の例とは反対に、炉心入口の冷却材温度をステップ状に低下させたり、徐々に低下させたりすることができる。 As described above, as the coolant temperature adjustment control for changing the coolant temperature flowing into the core, the coolant temperature flowing into the core can be changed stepwise or gradually. When increasing the output of the core, the coolant temperature at the core inlet can be lowered stepwise or gradually, contrary to the above control example.
本実施の形態の反応度印加機構は、冷却材の温度変化により間隔調整部材が膨張したり収縮したりすることにより、冷却材に関する温度係数が絶対値の大きな負の値になるように形成されている。反応度印加機構としては、この形態に限られず、炉心の出力が変更可能な反応度が印加される任意の機構を採用することができる。たとえば、反応度印加機構は、冷却材に関する温度係数を絶対値がより大きな負の値にするために、鉛の同位体のうち208Pbを主成分とする冷却材を採用することが好ましい。 The reactivity application mechanism of the present embodiment is formed such that the temperature adjustment factor for the coolant becomes a negative value having a large absolute value when the interval adjusting member expands or contracts due to the temperature change of the coolant. ing. The reactivity application mechanism is not limited to this form, and any mechanism to which reactivity capable of changing the output of the core can be applied. For example, the reactivity application mechanism preferably employs a coolant mainly composed of 208 Pb of lead isotopes in order to make the temperature coefficient related to the coolant a negative value having a larger absolute value.
鉛は、高速中性子の散乱断面積が大きいことや捕獲断面積が小さいために高速炉の冷却材としては好適である。鉛は、鉛204、鉛206、鉛207、および鉛208の4つの同位体を有する。鉛208は、これらの同位体の中でも中性子の捕獲断面積が他の鉛の同位体よりも小さいために冷却材としては好適である。更に、鉛208は、他の鉛の同位体よりも冷却材に関する温度係数をより負側の値にすることができる。
Lead is suitable as a coolant for fast reactors because of its large scattering cross section of fast neutrons and small capture cross section. Lead has four isotopes of
図13に、鉛の同位体の非弾性散乱断面積のグラフを示す。横軸および縦軸は、対数目盛りで示されている。それぞれの鉛の同位体の非弾性散乱断面積は、所定の閾値を有する。例えば、鉛204および鉛206は、中性子エネルギが106eV程度のところで閾値を有する。この閾値よりも大きければ中性子は非弾性散乱されて減速される。 FIG. 13 shows a graph of the inelastic scattering cross section of the lead isotope. The horizontal axis and the vertical axis are shown on a logarithmic scale. The inelastic scattering cross section of each lead isotope has a predetermined threshold. For example, lead 204 and lead 206 have a threshold when the neutron energy is about 10 6 eV. If it is larger than this threshold, the neutron is inelastically scattered and decelerated.
高速炉の中性子スペクトルは、106eVよりも少し低い中性子エネルギにおいてピークを有する。たとえば、冷却材として鉛204および鉛206を用いた場合には、多くの中性子が冷却材により非弾性散乱されて減速される。このために、冷却材温度が上昇して冷却材の密度が減少した場合には、中性子の非弾性散乱の減速の効果が非常に小さくなる。中性子スペクトルが硬化して反応度が正側に変化する。
The neutron spectrum of the fast reactor has a peak at a neutron energy slightly lower than 10 6 eV. For example, when
これに対して、冷却材として鉛208を用いた場合には、非弾性散乱断面積の中性子エネルギの閾値が大きいために、中性子を非弾性散乱させる効果が鉛204等よりも小さい。このために、冷却材の温度が上昇して冷却材の密度が減少しても、中性子スペクトルが硬化する作用を鉛204等よりも小さくすることができる。反応度が正側に移行する作用を鉛204等よりも小さくすることができる。このため、冷却材として鉛208を用いた場合には、他の鉛204等を冷却材として用いた場合に比べて、冷却材に関する温度係数をより負側の値にすることができる。
On the other hand, when
このため、冷却材としては、鉛を同位体分離等することにより鉛208の含有率を高めた鉛208を主成分とする冷却材を採用することが好ましい。更に、冷却材に含まれる鉛のほぼ全てが鉛208であることが好ましい。この構成により、冷却材に関する温度係数を絶対値のより大きな負の値にすることができる。また、炉心の出力を容易に変更することができる。
For this reason, it is preferable to employ a coolant mainly composed of
本実施の形態における燃料は、炉心に装荷する新燃料として劣化ウランを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方を用いて、CANDLE燃焼を達成することができる。または、CANDLE燃焼を行なうことができる任意の高速中性子炉に、本発明を適用することができる。 The fuel in the present embodiment has been described by taking deteriorated uranium as an example of new fuel loaded in the core, but is not limited to this form, and at least one of natural uranium and deteriorated uranium is used to achieve CANDLE combustion be able to. Alternatively, the present invention can be applied to any fast neutron reactor capable of performing CANDLE combustion.
本実施の形態においては、運転サイクルの初期において前サイクルの燃焼部を新燃料部の上側に配置したが、この形態に限られず、新燃料部は、炉心の軸方向のうち、燃焼部のいずれか一方の端部に配置することができる。さらには、燃焼部の両側に新燃料部が配置されていても構わない。 In the present embodiment, the combustion part of the previous cycle is arranged above the new fuel part at the beginning of the operation cycle, but the present invention is not limited to this form, and the new fuel part is one of the combustion parts in the axial direction of the core. It can be arranged at either end. Furthermore, new fuel portions may be disposed on both sides of the combustion portion.
また、本実施の形態においては、運転サイクルの初期の燃焼を開始する部分は、前サイクルの運転サイクルの末期において、炉心の下部に配置されている燃料を使用しているが、この形態に限られず、運転サイクルの初期における燃焼を開始する部分は、中性子を自発的に発生するように形成されていれば構わない。たとえば、所定の濃度のプルトニウムや濃縮ウランなどを含む燃料が配置されていても構わない。更には、外部から中性子が供給されることにより、燃焼が開始されても構わない。 Further, in the present embodiment, the portion that starts the initial combustion of the operation cycle uses the fuel disposed in the lower part of the core at the end of the operation cycle of the previous cycle. However, the portion that starts combustion at the early stage of the operation cycle may be formed so as to spontaneously generate neutrons. For example, a fuel containing a predetermined concentration of plutonium, enriched uranium, or the like may be disposed. Furthermore, combustion may be started by supplying neutrons from the outside.
また、本実施の形態における炉心は、炉心の軸方向が鉛直方向と平行になっているが、この形態に限られず、炉心の軸方向は水平方向と平行になっていても構わない。すなわち、本実施の形態における炉心を横置きにしても構わない。 In the core in the present embodiment, the axial direction of the core is parallel to the vertical direction, but the present invention is not limited to this, and the axial direction of the core may be parallel to the horizontal direction. That is, the core in the present embodiment may be placed horizontally.
本実施の形態においては、発電設備に用いられる原子炉の炉心を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の設備の原子炉に本発明を適用することができる。たとえば、船舶等の動力源として本発明の原子炉を用いることができる。 In the present embodiment, the core of a nuclear reactor used for power generation equipment has been described as an example. However, the present invention is not limited to this embodiment, and the present invention can be applied to a nuclear reactor of any equipment. For example, the nuclear reactor of the present invention can be used as a power source for ships and the like.
(実施の形態2)
図14を参照して、実施の形態2における原子炉および発電設備について説明する。本実施の形態における原子炉および発電設備の構造は、実施の形態1と同様である。本実施の形態においては、炉心に流入する冷却材の流量を変化させる冷却材流量調整制御を行うことにより、炉心に印加される反応度を変化させて、炉心の出力を変更する。
(Embodiment 2)
Referring to FIG. 14, the reactor and power generation equipment in the second embodiment will be described. The structures of the nuclear reactor and power generation equipment in the present embodiment are the same as those in the first embodiment. In the present embodiment, the coolant flow rate adjustment control for changing the flow rate of the coolant flowing into the core is performed, thereby changing the reactivity applied to the core and changing the output of the core.
図1を参照して、炉心10に流入する冷却材の温度が一定のときに、炉心10に流入する冷却材の流量を変化させることにより、炉心出口の冷却材の温度を変化させることができる。この場合に、炉心10内の冷却材の平均的な温度が変化する。たとえば、炉心入口から炉心出口まで炉心の軸方向に冷却材の温度を平均した値が変化する。この結果、炉心10に対して正または負の反応度を印加することができる。
With reference to FIG. 1, when the temperature of the coolant flowing into the
たとえば、炉心10に流入する冷却材の流量を減少させることにより、炉心10内の冷却材温度を上昇させることができる。本実施の形態における原子炉の炉心は、絶対値の大きな負の冷却材に関する温度係数を有するために、炉心10内の冷却材温度を上昇させることにより、炉心10に対して負の反応度を印加することができる。この結果、炉心10の出力を低下させることができる。また、炉心10に流入する冷却材の流量を増加することにより、炉心10に対して正の反応度を印加することができて、炉心10の出力を上昇させることができる。
For example, the coolant temperature in the core 10 can be raised by reducing the flow rate of the coolant flowing into the
本実施の形態においては、炉心10に冷却材を供給するポンプ41の出力を変更することにより、炉心10に流入する冷却材の流量を変更している。また、本実施の形態においては、炉心10に流入する冷却材の流量を変更しても、炉心10に流入する冷却材の温度がほぼ一定になるように、原子炉に接続されている負荷を調整している。すなわち、発電電力を調整している。
In the present embodiment, the flow rate of the coolant flowing into the
図14に、本実施の形態における冷却材流量調整制御のタイムチャートを示す。図14には、炉心の出力を低下させる制御を例示している。図14では、実線にて炉心に流入する冷却材の流量をステップ状に変更した場合を記載している。時刻t1までは、定常的な運転を行なっている。 FIG. 14 shows a time chart of the coolant flow rate adjustment control in the present embodiment. FIG. 14 illustrates control for reducing the output of the core. FIG. 14 shows a case where the flow rate of the coolant flowing into the core is changed in a step shape by a solid line. Until time t1, steady operation is performed.
時刻t1において、炉心10に流入する冷却材の流量をステップ状に減少させている。炉心出口の冷却材温度は、炉心10の内部を流れる冷却材の流量が減少するために、一時的に上昇する。炉心内の冷却材の平均的な温度も上昇する。燃料温度は、冷却材の平均的な温度の上昇に伴って、一時的に上昇する。図14に示す燃料温度は、炉心内の平均的な温度を示している。
At time t1, the flow rate of the coolant flowing into the
本実施の形態における炉心10は、冷却材に関する温度係数が絶対値の大きな負の値であるために、炉心10には負の反応度が印加されて、炉心10の出力が低下する。炉心10の出力の低下に伴って、炉心出口の冷却材温度および燃料温度が低下して、ほぼ一定の温度になる。反応度は、炉心内の冷却材温度の低下および燃料温度の低下に伴って正側に移行し、ほぼ零に戻る。すなわち、炉心は一時的に未臨界状態になり、その後に臨界状態に戻る。炉心の出力は、時刻t1から低下して、所定の出力でほぼ一定になる。
In the core 10 according to the present embodiment, since the temperature coefficient related to the coolant is a negative value having a large absolute value, a negative reactivity is applied to the
このように、本実施の形態における原子炉の炉心は、炉心に供給する冷却材の流量を減少させることにより、炉心の出力を低下させることができる。 As described above, the core of the nuclear reactor according to the present embodiment can reduce the output of the core by reducing the flow rate of the coolant supplied to the core.
図14には、破線にて冷却材の流量を徐々に変更した場合を示している。冷却材の流量を徐々に変更した場合には、炉心の反応度は、ほぼ零の値に保たれる。炉心がほぼ臨界状態を維持しながら、炉心の出力を低下させることができる。冷却材流量を徐々に変化させると共に、炉心出口の冷却材温度および燃料温度も徐々に変化する。このように、炉心に流入する冷却材の流量を徐々に変化させても、炉心の出力を変更することができる。 FIG. 14 shows a case where the flow rate of the coolant is gradually changed by a broken line. When the flow rate of the coolant is gradually changed, the reactivity of the core is kept at a substantially zero value. The power of the core can be reduced while the core is maintained in a substantially critical state. While gradually changing the coolant flow rate, the coolant temperature and fuel temperature at the core outlet also change gradually. Thus, even if the flow rate of the coolant flowing into the core is gradually changed, the output of the core can be changed.
炉心の出力を上昇させる場合には、上記の制御の例とは反対に、炉心に流入する冷却材の流量をステップ状に増加させたり、徐々に増加させたりすることができる。 When increasing the output of the core, the flow rate of the coolant flowing into the core can be increased stepwise or gradually, contrary to the above control example.
本実施の形態においては、炉心に冷却材を供給するポンプの出力を変更することにより、炉心に流入する冷却材の流量を変化させているが、この形態に限られず、任意の機構により炉心に流入する冷却材の流量を変化させることができる。例えば、原子炉容器の内部に冷却材の流量を調整する装置を配置したり、燃料集合体の端部に冷却材の流量を調整する装置を配置したりしても構わない。 In this embodiment, the flow rate of the coolant flowing into the core is changed by changing the output of the pump that supplies the coolant to the core. The flow rate of the coolant flowing in can be changed. For example, a device for adjusting the flow rate of the coolant may be disposed inside the reactor vessel, or a device for adjusting the flow rate of the coolant may be disposed at the end of the fuel assembly.
その他の構成、作用および効果等については、実施の形態1と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。 Other configurations, operations, effects, and the like are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof will not be repeated here.
上記の実施の形態1の冷却材温度調整制御および実施の形態2の冷却材流量調整制御は、組み合わせて行うことができる。たとえば、冷却材流量調整制御を主制御として炉心の出力の変更を行っている期間中に、補助制御として冷却材流量調整制御を行うことができる。 The coolant temperature adjustment control of the first embodiment and the coolant flow rate adjustment control of the second embodiment can be performed in combination. For example, the coolant flow rate adjustment control can be performed as the auxiliary control during the period when the output of the core is changed using the coolant flow rate adjustment control as the main control.
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。 In the respective drawings described above, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals. In addition, said embodiment is an illustration and does not limit invention. In the embodiment, the change shown in a claim is included.
1 原子炉
2 中間熱交換器
3 蒸気発生器
4 タービン
5 発電機
6 復水器
10 炉心
11 新燃料部
12 燃焼部
13 燃焼が進んだ部分
21 燃料集合体
22 燃料棒
25a,25b 支持格子
31 間隔調整板
32 集合体下端支持部材
33 集合体上端支持部材
41〜43 ポンプ
44 流量調整弁
51,52 ナトリウム
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記原子炉に供給する冷却材の温度を調整可能な装置とを備え、
前記新燃料は、天然ウランおよび劣化ウランのうち少なくとも一方のウランを含み、
前記新燃料部は、前記新燃料が前記燃焼部で発生した中性子を吸収してプルトニウムに核変換されて前記燃焼部に変化し、
前記燃焼部は、前記プルトニウムが核分裂して熱出力が生じると共に、前記新燃料部が前記燃焼部に変化することにより、運転サイクルの初期から末期にかけて、ほぼ一定の形状を保ちながら前記新燃料部に向かう方向に移動し、
前記原子炉は、前記炉心内を流れる前記冷却材の温度が変化したときに、前記炉心の熱出力を変更可能な反応度が印加される反応度印加機構を含んでおり、
前記反応度印加機構は、燃料棒または燃料集合体を含む燃料体と、前記運転サイクルの初期に前記燃焼部に含まれる領域に配置され、複数の前記燃料体同士を互いに支持し、前記燃料体同士の間隔を定める間隔調整部材とを有し、
前記間隔調整部材は、温度が上昇すると膨張する材質で形成されており、
前記原子炉は、前記炉心内の前記冷却材の温度が上昇したときに前記間隔調整部材が膨張し、前記燃料体同士の間隔が大きくなって負の反応度が印加され、
前記冷却材の温度を調整可能な前記装置が前記炉心に流入する前記冷却材の温度を変化させる冷却材温度調整制御を行うことにより、前記炉心の熱出力が調整されることを特徴とする、原子炉を備える設備。 A new fuel part of the new fuel is loaded, the is disposed on one side of the core in the axial direction of the new fuel part, and the reactor comprising the reactor core comprising a combustion unit for combusting the fuel to generate neutrons ,
An apparatus capable of adjusting a temperature of a coolant supplied to the nuclear reactor,
The new fuel includes at least one of natural uranium and degraded uranium,
The new fuel part absorbs neutrons generated in the combustion part by the new fuel and is transmuted to plutonium to change into the combustion part,
The combustion unit, the thermal output is produced the plutonium and fission, the by new fuel part is changed to the combustion section, toward the end of the initial operation cycle, the new fuel part while maintaining a substantially constant shape Move in the direction towards
The reactor, when the temperature of the coolant flowing through the reactor core is changed, includes the reaction of applying mechanism heat output can change reactivity of the reactor core is applied,
The reactivity application mechanism is arranged in a fuel body including a fuel rod or a fuel assembly and a region included in the combustion unit at an early stage of the operation cycle, and supports the plurality of fuel bodies to each other, and the fuel body An interval adjusting member for determining an interval between each other,
The spacing adjusting member is formed of a material that expands when the temperature rises,
In the nuclear reactor, when the temperature of the coolant in the core rises, the interval adjusting member expands, the interval between the fuel bodies is increased, and negative reactivity is applied,
By performing the coolant temperature adjustable the device coolant temperature adjustment control for changing the temperature of the coolant flowing into the core of a, characterized in that the thermal output of the reactor core is adjusted, Equipment equipped with a nuclear reactor .
前記原子炉は、前記炉心に流入する前記冷却材の流量が変化したときに、前記炉心内を流れる前記冷却材の温度が変化し、前記炉心の熱出力を変更可能な反応度が印加されるように形成されており、
前記炉心に流入する前記冷却材の流量を変化させる冷却材流量調整制御を行うことにより、前記炉心の熱出力が調整されることを特徴とする、請求項1に記載の原子炉を備える設備。 With the flow rate adjustable pump of the coolant flowing into the core,
The reactor, when the flow rate of the coolant flowing into the core is changed, the temperature of the coolant flowing in the core is changed, the heat output can change reactivity of the reactor core is applied Is formed as
By performing the coolant flow adjustment control for changing the flow rate of the coolant flowing into the reactor core, characterized in that the thermal output of the reactor core is adjusted, installation comprising a nuclear reactor according to claim 1.
前記蒸気発生器にて生成された水蒸気が供給されて回転するタービンと、
前記タービンに接続されている発電機とを備えることを特徴とする、請求項1に記載の原子炉を備える設備。 A steam generator for generating steam by the heat generated in the reactor core,
A turbine steam generated in the steam generator is rotated is supplied,
The facility comprising the nuclear reactor according to claim 1, further comprising a generator connected to the turbine .
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