JP6381839B1

JP6381839B1 - 原子炉停止装置、原子炉停止方法及び炉心設計方法

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Publication number: JP6381839B1
Application number: JP2018033909A
Authority: JP
Inventors: 健太清水
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019148518A

Abstract

【課題】制御棒の設置数が増加する場合であっても、制御棒を有効に活用して、原子炉停止性能の向上を図ることができる原子炉停止装置等を提供する。【解決手段】原子炉の炉心に挿入される複数の制御棒と、制御棒駆動装置と、安全保護系設備と、を備え、複数の制御棒は、原子炉の出力を制御するための一部の複数の制御棒からなる制御バンク１０３と、原子炉の出力を停止させるための他の一部の複数の制御棒からなる停止バンクと、を有し、停止バンクは、停止バンクにおける複数の制御棒のうち、一部の制御棒からなる第１停止バンク１０１と、他の一部の制御棒からなる第２停止バンク１０２と、をすくなくとも含み、安全保護系設備は、原子炉の異常時において、第１停止バンク１０１の制御棒と、第２停止バンク１０２の制御棒とを挿入タイミングを異ならせて炉心に挿入する。【選択図】図４

Description

本発明は、原子炉を停止させる原子炉停止装置、原子炉停止方法及び炉心設計方法に関するものである。

従来、原子炉に異常が発生してから原子炉トリップするまでの異常事象発生時に、その異常を判定し、異常の判定後、ランバック及び制御棒挿入等の緩和措置を行う原子炉の過渡緩和システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−０３０６９３号公報

ところで、原子力プラントの安全性を向上させるために、制御棒による原子炉停止性能を強化することが検討されている。具体的に、制御棒による原子炉停止性能を強化するために、原子炉内の制御棒の設置数を増加させることが検討されている。制御棒の設置数を増加させると、原子炉を停止するために必要な制御棒の数よりも、制御棒の設置数が多くなる場合があり、この場合、制御棒を有効に活用しきれない可能性がある。

そこで、本発明は、制御棒の設置数が増加する場合であっても、制御棒を有効に活用して、原子炉停止性能の向上を図ることができる原子炉停止装置、原子炉停止方法及び炉心設計方法を提供することを課題とする。

本発明の原子炉停止装置は、原子炉の炉心に挿入される複数の制御棒と、複数の前記制御棒を駆動させる制御棒駆動装置と、前記制御棒駆動装置による前記制御棒の駆動を制御する制御部と、を備え、複数の前記制御棒は、前記原子炉の出力を制御するための一部の複数の前記制御棒からなる制御バンクと、前記原子炉の出力を停止させるための他の一部の複数の前記制御棒からなる停止バンクと、を有し、前記停止バンクは、前記停止バンクにおける複数の前記制御棒のうち、一部の前記制御棒からなる第１停止バンクと、他の一部の前記制御棒からなる第２停止バンクと、をすくなくとも含み、前記制御部は、前記原子炉の異常時において、前記第１停止バンクの前記制御棒と、前記第２停止バンクの前記制御棒とを、挿入タイミングを異ならせて前記炉心に挿入することを特徴とする。

また、本発明の原子炉停止方法は、原子炉の炉心に挿入される複数の制御棒の駆動を制御する制御部によって、前記原子炉を停止する原子炉停止方法であって、複数の前記制御棒は、前記原子炉の出力を制御するための一部の複数の前記制御棒からなる制御バンクと、前記原子炉の出力を停止させるための他の一部の複数の前記制御棒からなる停止バンクと、を有し、前記停止バンクは、前記停止バンクにおける複数の前記制御棒のうち、一部の前記制御棒からなる第１停止バンクと、他の一部の前記制御棒からなる第２停止バンクと、をすくなくとも含み、前記原子炉の異常時において、前記第１停止バンクの前記制御棒と、前記第２停止バンクの前記制御棒とを、挿入タイミングを異ならせて前記炉心に挿入することを特徴とする。

これらの構成によれば、原子炉の異常時において、第１停止バンクの制御棒と、第２停止バンクの制御棒とを、挿入タイミングを異ならせて炉心に挿入することで、第１停止バンクの制御棒による原子炉停止機能と、第２停止バンクの制御棒による原子炉停止機能とを発揮させることができる。このため、複数の原子炉停止機能を発揮させることができるため、制御棒を有効に活用して、原子炉停止性能の向上を図ることができる。

また、前記制御部は、前記原子炉を停止させるための原子炉トリップ信号を取得すると、前記炉心への前記制御バンク及び前記第１停止バンクの前記制御棒の挿入を実行する一方で、前記炉心への前記第２停止バンクの前記制御棒の挿入を不実行とし、前記原子炉が再臨界となる事象を検知したときに出力される再臨界検知信号を取得すると、前記炉心への前記第２停止バンクの前記制御棒の挿入を実行することが、好ましい。

この構成によれば、制御バンクの制御棒及び第１停止バンクの制御棒を炉心に挿入して原子炉トリップを行うことができる。また、制御バンクの制御棒及び第１停止バンクの制御棒が炉心に挿入された後、原子炉が再臨界状態へ移行する場合であっても、第２停止バンクの制御棒により原子炉の停止措置を行うことができる。このため、原子炉の安全性を向上させることができる。ここで、原子炉が再臨界へ移行する場合、原子炉の停止措置を行う装置として、ホウ酸水を注入するホウ酸水注入設備がある。第２停止バンクの制御棒は、ホウ酸水注入設備と共に設けてもよいし、第２停止バンクの制御棒を、ホウ酸水注入設備の代替機能として設けることで、ホウ酸水注入設備を省いてもよい。

また、前記制御棒は、第１制御棒と、前記第１制御棒よりも中性子吸収性能が高い第２制御棒と、を含み、前記第２停止バンクの前記制御棒は、前記第１停止バンクの前記制御棒に比して、前記第２制御棒の割合が多いことが、好ましい。

この構成によれば、第１停止バンクの制御棒の構成と、第２停止バンクの制御棒の構成とを異ならせることができるため、第１停止バンクの原子炉停止機能と、第２停止バンクの原子炉停止機能とを異ならせることができ、汎用性の高いものとすることができる。例えば、第２制御棒の割合が多い第２停止バンクの制御棒を、再臨界へ移行する原子炉の炉心に挿入することで、原子炉を迅速に未臨界状態へ移行させることができる。

また、前記炉心に含まれる燃料は、燃焼度が異なっており、前記第２停止バンクの前記制御棒は、前記燃焼度が最も小さい燃料に対して、前記第１停止バンクの前記制御棒よりも近い側に配置されていることが、好ましい。

この構成によれば、新燃料等の燃焼度が最も小さい燃料は、反応によって中性子を多く放出することから、第２制御棒の割合が多い第２停止バンクの制御棒を近くに配置することで、中性子を好適に吸収して反応を抑制できるため、原子炉を好適に停止することができる。

また、前記燃焼度が最も新しい燃料は、燃料交換時において前記原子炉内に新たに装荷される新燃料であり、前記第２停止バンクの前記制御棒は、前記新燃料に隣接して配置されていることが、好ましい。

この構成によれば、新燃料に対する第２停止バンクの制御棒の位置を適切な位置とすることができる。なお、第２停止バンクの制御棒は、新燃料に対して、水平方向に隣接して配置してもよいし、鉛直方向に隣接して配置してもよく、特に限定されない。

また、前記制御バンクの前記制御棒は、前記新燃料以外の燃料に配置されていることが、好ましい。

この構成によれば、新燃料以外の燃料は、燃焼が進んだ燃料となっている。そして、原子炉の出力を制御するにあたって、制御バンクの制御棒を、新燃料以外の燃料に抜き差しすることで、原子炉の出力制御を適切に行うことが可能となる。

また、前記制御バンクの前記制御棒の数と、前記第１停止バンクの前記制御棒の数と合わせた総数は、前記第２停止バンクの前記制御棒の数に比して多いことが、好ましい。

この構成によれば、制御棒の数が多い制御バンク及び第１停止バンクによって原子炉トリップを適切に行うことができる。なお、制御バンクと第１停止バンクとの制御棒の総数は、原子炉トリップ時において高温全出力状態から、高温停止状態に移行させることが可能な数とし、残りが、第２停止バンクの制御棒の数とすることがよい。

本発明の炉心設計方法は、原子炉内に装荷される燃料の装荷パターンを設計する炉心設計方法において、前記原子炉の炉心に挿入される複数の制御棒は、前記原子炉の出力を制御するための一部の複数の前記制御棒からなる制御バンクと、前記原子炉の出力を停止させるための他の一部の複数の前記制御棒からなる停止バンクと、を有し、前記停止バンクは、前記停止バンクにおける複数の前記制御棒のうち、一部の前記制御棒からなる第１停止バンクと、他の一部の前記制御棒からなる第２停止バンクと、を少なくとも含み、燃料交換時において前記原子炉内に新たに装荷される新燃料を、前記第１停止バンクの前記制御棒に比して、前記第２停止バンクの前記制御棒が近い側となるように配置することを特徴とする。

この構成によれば、制御バンク、第１停止バンク及び第２停止バンクの複数の制御棒に対する燃料の配置を、原子炉の停止を考慮した適切な配置とすることができる。

図１は、本実施形態に係る原子力施設の概略構成図である。図２は、図１の原子力施設に含まれる加圧水型原子炉を表す縦断面図である。図３は、本実施形態に係る原子炉停止装置周りの構成図である。図４は、本実施形態に係る制御棒ユニットの一例を示す概略図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［本実施形態］
図１は、実施形態１に係る原子力施設の概略構成図である。原子力施設（原子力設備）１は、原子炉２を有する。原子炉２は、例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）が用いられる。この加圧水型の原子炉２を用いた原子力施設１は、原子炉２を含む原子炉冷却系（一次冷却系）１００と、原子炉冷却系１００と熱交換するタービン系（二次冷却系）２００とで構成される。原子炉冷却系１００は、一次冷却材が流通し、タービン系２００は、二次冷却材が流通する。

原子炉冷却系１００は、コールドレグ３ａおよびホットレグ３ｂを介して原子炉２に接続された蒸気発生器４を有する。ホットレグ３ｂには、加圧器５が設けられ、コールドレグ３ａは、一次冷却材ポンプ６が設けられている。そして、原子炉２、コールドレグ３ａ、ホットレグ３ｂ、蒸気発生器４、加圧器５および一次冷却材ポンプ６は、原子炉格納容器７に収容されている。

原子炉２は、上記したように加圧水型原子炉であり、その内部は一次冷却材で満たされる。一次冷却材は、中性子減速材として用いられるホウ素が溶解した軽水である。また、原子炉２は、原子炉容器１０の内部に、多数の燃料集合体８が収容され、この各燃料集合体８に対し、燃料集合体８の核分裂を制御する多数の制御棒９が抜差し可能に設けられている。この制御棒９は、燃料集合体８に対し、制御棒駆動装置２０により抜差し方向に駆動される。制御棒駆動装置２０により制御棒９が燃料集合体８へ差し込まれると、燃料集合体８における核反応は低下して停止する。一方で、制御棒駆動装置２０により制御棒９が引き抜かれると、燃料集合体８における核反応は増大して臨界状態となる。また、この制御棒駆動装置２０は、電力の供給が遮断され、電力喪失状態となると、制御棒９を燃料集合体８に差し込むように構成されている。

原子力施設１の原子炉冷却系１００における一連の動作について説明する。原子炉２内において、制御棒９により核分裂反応を制御しながら燃料集合体８を核分裂させると、核分裂により熱エネルギーが発生する。この熱エネルギーにより、原子炉２内の一次冷却材が加熱されると、加熱された一次冷却材は、一次冷却材ポンプ６によりホットレグ３ｂを介して蒸気発生器４に送られる。ホットレグ３ｂを通過する高温の一次冷却材は、加圧器５により加圧されることで沸騰が抑制され、高温高圧となった状態で、蒸気発生器４に流入する。蒸気発生器４に流入した高温高圧の一次冷却材は、二次冷却材と熱交換を行うことにより冷却され、冷却された一次冷却材は、一次冷却材ポンプ６によりコールドレグ３ａを介して原子炉２に送られる。そして、冷却された一次冷却材が原子炉２に流入することで、原子炉２が冷却される。このように、一次冷却材は、原子炉２と蒸気発生器４とを循環している。

タービン系２００は、蒸気管１１を介して蒸気発生器４に接続されたタービン１２、タービン１２に接続された復水器１３、および復水器１３と蒸気発生器４とを接続する給水管１４に介設された給水ポンプ１５、を有している。そして、タービン１２は、発電機１６が接続されている。

原子力施設１のタービン系２００における一連の動作について説明する。蒸気管１１を介して蒸気発生器４から蒸気がタービン１２に流入すると、タービン１２は回転を行う。タービン１２が回転すると、タービン１２に接続された発電機１６は、発電を行う。この後、タービン１２から流出した蒸気は復水器１３に流入する。復水器１３は、その内部に冷却管１７が配設されており、冷却管１７の一方には冷却水（例えば、海水）を供給するための取水管１８が接続され、冷却管１７の他方には冷却水を排水するための排水管１９が接続されている。この復水器１３は、タービン１２から流入した蒸気を冷却管１７により冷却することで、蒸気を液体に戻す。液体となった二次冷却材は、給水ポンプ１５により給水管１４を介して蒸気発生器４に送られる。蒸気発生器４に送られた二次冷却材は、蒸気発生器４において一次冷却材と熱交換を行うことにより再び蒸気となる。

図２は、図１の原子力発電プラントに含まれる加圧水型原子炉を表す縦断面図である。図２に示すように、加圧水型原子炉２において、原子炉容器１０は、その内部に炉内構造物が挿入できるように、原子炉容器本体５２とその上部に装着される原子炉容器蓋（上鏡）５３により構成されており、この原子炉容器本体５２に対して原子炉容器蓋５３が複数のスタッドボルト５４及びナット５５により開閉可能に固定されている。

原子炉容器本体５２は、原子炉容器蓋５３を取り外すことで上部が開口可能であり、下部が半球形状をなす下鏡５６により閉塞された円筒形状をなしている。原子炉容器本体５２は、上部に一次冷却水としての軽水（一次冷却材）を供給する入口ノズル５７と、軽水を排出する出口ノズル５８が形成されている。入口ノズル５７は、コールドレグ３ａが連結されている。出口ノズル５８は、ホットレグ３ｂが連結されている。

原子炉容器本体５２は、内部に炉心槽６１が配置されており、上部が原子炉容器本体５２の内壁面に支持されている。また、原子炉容器本体５２は、内部に上部炉心支持板６２が配置されており、上部炉心支持板６２は、上部が炉心槽６１の上部に支持されている。上部炉心支持板６２は、複数の炉心支持ロッド６３により上部炉心板６４が吊下げ支持されている。

炉心槽６１は、下方に下部炉心支持板６５が支持され、下部炉心支持板６５は、外周部が位置決め部材６６により原子炉容器本体５２の内壁面に位置決め支持されている。炉心槽６１は、下部に下部炉心板６７が支持されている。炉心６８は、炉心槽６１における上部炉心板６４と下部炉心板６７により区画された領域に多数の燃料集合体８が配置されて構成されている。炉心６８は、内部に多数の制御棒９が配置されており、この制御棒９は、複数がまとめられて制御棒クラスタ７１を構成し、燃料集合体８に挿入可能となっている。上部炉心支持板６２は、上部炉心支持板６２を貫通して上下に延出する多数の制御棒クラスタ案内管７２が固定されている。各制御棒クラスタ案内管７２は、下端部が上部炉心板６４に連結され、内部に制御棒クラスタ７１が挿通可能となっている。

原子炉容器蓋５３は、上部が半球形状をなし、上部に磁気式ジャッキの制御棒駆動装置２０が配置されている。複数の制御棒クラスタ案内管７２は、上端部が原子炉容器蓋５３の管台を通してその上方まで延出され、制御棒駆動装置２０から下方に延出された制御棒クラスタ駆動軸７４が、制御棒クラスタ案内管７２内に挿通されている。制御棒クラスタ駆動軸７４は、制御棒駆動装置２０により上下方向に移動可能であり、制御棒クラスタ案内管７２内を通って炉心６８まで延出され、制御棒クラスタ７１に連結されている。制御棒駆動装置２０は、制御棒クラスタ７１の各制御棒９を炉心６８に対して抜き差しすることで、原子炉出力を制御する。

原子炉容器本体５２は、下鏡５６を貫通する多数の計装管台７５が設けられ、この各計装管台７５は、炉内側の上端部に炉内計装案内管７６が連結される一方、炉外側の下端部にコンジットチューブ７７が連結されており、各炉内計装案内管７６に複数の連接板７８が取付けられている。シンブルチューブ７９は、コンジットチューブ７７内から計装管台７５及び炉内計装案内管７６内を通し、下部炉心支持板６５及び下部炉心板６７を貫通して炉心６８（燃料集合体８）まで挿通されている。

原子炉容器１０は、炉心６８の上方に上部プレナム８０が設けられ、下方に下部プレナム８１が設けられ、その間にダウンカマー部８２が形成されている。

また、原子力施設１は、原子炉冷却系１００及びタービン系２００を制御する制御系３００を備えている。制御系３００は、図示しない中央制御設備の他、安全保護系設備３０を含んで構成されている。図３に示すように、安全保護系設備３０は、原子力施設１に異常が発生した場合、原子力施設１が安全に停止するように、原子力施設１に設けられた各機器を制御している。

図３は、本実施形態に係る原子炉停止装置周りの構成図である。原子力施設１の制御系３００は、原子炉２に異常が発生した場合を想定して、原子炉２の核反応を非常停止させる原子炉停止装置３５を有している。原子炉停止装置３５は、上記の安全保護系設備（制御部）３０と、原子炉トリップ遮断器３７と、上記の制御棒駆動装置２０と、上記の制御棒９と、を備えている。

安全保護系設備３０は、ＣＰＵ等の演算装置やＨＤＤ等の記憶装置を搭載した、いわゆるデジタル設備であり、演算装置により記憶装置に記憶された各種プログラムを実行することで、原子力施設１の安全保護系を制御可能な設備となっている。なお、安全保護系とは、原子炉２の核反応を停止させる、原子力施設１を冷却する、原子力施設１からの放射性物質の漏洩を防ぐという機能を有する機能系統である。そして、安全保護系設備３０は、確実に作動可能で、且つ、厳しい環境下においても作動可能なように、動作保証が高いものとなっている。

安全保護系設備３０には、原子力施設１内に配設された各種検出センサが接続されており、各種検出センサから出力された検出信号に基づいて、原子力施設１に異常が発生したか否かを判断している。そして、安全保護系設備３０は、原子力施設１に異常が発生したと判断した場合、原子炉２を停止させるための原子炉トリップ信号を原子炉トリップ遮断器３７へ向けて発信する。

原子炉トリップ遮断器３７は、安全保護系設備３０から発信された原子炉トリップ信号に基づいて、制御棒駆動装置２０へ供給される電力を遮断するものである。

原子炉停止装置３５は、安全保護系設備３０から原子炉トリップ遮断器３７へ向けて、原子炉トリップ信号を出力する。すると、原子炉トリップ遮断器３７は、入力された原子炉トリップ信号に基づいて電力供給を遮断する開状態となり、制御棒駆動装置２０へ供給される電力を遮断する。制御棒駆動装置２０へ供給される電力が遮断されると、制御棒９の支持状態が解除されることで、制御棒９は、自重によって燃料集合体８に落下する。そして、燃料集合体８に制御棒９が挿し込まれることで、燃料の核反応を低下させて、原子炉２を停止させる。

図４は、本実施形態に係る制御棒ユニットの一例を示す概略図である。図４は、図３の炉心６８内の燃料集合体８及び制御棒クラスタ７１の配置の一例を炉心６８の上側から見たものである。制御棒ユニット９０は、各制御棒クラスタ７１を含む。燃料集合体８は、複数の新燃料９１と複数の使用済み燃料９２と、を含む。各制御棒クラスタ７１は、標準制御棒９４による制御棒クラスタ（以下、単に標準制御棒９４と称する）または第１の高性能制御棒９５による制御棒クラスタ（以下、単に第１の高性能制御棒９５と称する）と、第２の高性能制御棒９７による制御棒クラスタ（以下、単に第２の高性能制御棒９７と称する）と、のいずれかである。すなわち、制御棒ユニット９０は、標準制御棒９４及び第１の高性能制御棒９５のうち少なくとも一方と、第２の高性能制御棒９７と、を含む。なお、本実施形態では、上記の制御棒を用いたが、グレイロッドをさらに含む構成であってもよく、特に限定されない。

炉心６８の内部の領域は、図４に示すように、横方向の座標を図４における右から左へＡからＲに分けて、縦方向の座標を図４における上から下へ１から１５に分けた格子状に区画されて、管理されている。炉心６８の内部の領域の各格子状の区画には、燃料集合体８として、燃焼度の異なる燃料である新燃料９１と使用済み燃料９２とのうちいずれかが配置されている。また、炉心６８の内部の各格子状の区画の一部には、各制御棒クラスタ７１として、標準制御棒９４または第１の高性能制御棒９５と、第２の高性能制御棒９７と、のいずれかが配置されている。なお、図４では、標準制御棒９４または第１の高性能制御棒９５と、第２の高性能制御棒９７と、の位置が簡易的に示されている。

新燃料９１は、燃料集合体８のうち、原子炉に配置する前に燃料として１度も核分裂に使用されていないものである。一方、使用済み燃料９２は、燃料集合体８のうち、少なくとも１度は燃料として核分裂に使用したものである。そのため、新燃料９１は、使用済み燃料９２と比較して、より多い量の中性子を放出し、核分裂反応を引き起こす。使用済み燃料９２は、新燃料９１と比較して、少ない量の中性子を放出する。加圧水型原子炉２では、炉心６８内に複数の新燃料９１と複数の使用済み燃料９２とが混ぜて挿入され、用いられる。

標準制御棒９４は、中性子吸収材料として、例えば、銀、インジウム及びカドミウムを含む合金（ＡＩＣ：Ag-In-Cd）が用いられている。ＡＩＣは、中性子吸収材料として、標準的な中性子吸収性能を有する。標準制御棒９４は、標準制御棒９４、第１の高性能制御棒９５、及び第２の高性能制御棒９７の中で最も標準的な制御棒である。標準制御棒９４は、標準の中性子吸収性能を有する。すなわち、標準制御棒９４は、中性子吸収性能が、第１の高性能制御棒９５より少し低く、第２の高性能制御棒９７より低く、全体として最も低いものとなっており、長手方向に一様である。

標準制御棒９４は、上記のような構成を有するため、炉心６８内での核分裂の反応度の安定した調整が可能なので、加圧水型原子炉２の通常運転時に加圧水型原子炉２の出力を好適に制御することができる。また、標準制御棒９４は、第２の高性能制御棒９７と比較して質量が高いので、第２の高性能制御棒９７よりも炉心６８内での落下特性が良いため、緊急に加圧水型原子炉２を停止する時、すなわち原子炉トリップ時に、加圧水型原子炉２が核沸騰限界（ＤＮＢ：Departure of Nuclear Boiling）を超えないように好適に保護することができる。ここで、加圧水型原子炉２の通常運転時に出力を制御する機能と、原子トリップ時にＤＮＢを超えないように保護する機能と、を合わせて制御保護性能と称する。標準制御棒９４は、高い制御保護性能を有する。

第１の高性能制御棒９５は、中性子吸収材料として、例えば、ＡＩＣの上部の３０％以上６０％未満の範囲内がＢ_４Ｃ（炭化ホウ素）に置換された構成のものが用いられている。Ｂ_４Ｃは、ＡＩＣよりも中性子吸収性能が高く、ＡＩＣよりも軽い材料である。そのため、第１の高性能制御棒９５は、標準制御棒９４よりも中性子吸収機能が高い。すなわち、第１の高性能制御棒９５は、中性子吸収性能が、標準制御棒９４より少し高く、第２の高性能制御棒９７より少し低く、全体として中程度である。また、第１の高性能制御棒９５は、Ｂ_４Ｃの置換が３０％以上６０％未満の範囲内であるため、標準制御棒９４よりも軽いものの、炉心６８内での落下特性が大きく落ちない。そのため、第１の高性能制御棒９５は、標準制御棒９４と同様に、高い制御保護性能を有する。

第２の高性能制御棒９７は、中性子吸収材料として、例えば、ＡＩＣの上部の６０％以上の範囲内がＢ_４Ｃ（炭化ホウ素）に置換された構成のものが用いられている。そのため、第２の高性能制御棒９７は、第１の高性能制御棒９５よりもさらに中性子吸収性能が高められたものである。すなわち、第２の高性能制御棒９７は、中性子吸収性能が、標準制御棒９４、第１の高性能制御棒９５のいずれよりも高い。そのため、第２の高性能制御棒９７は、反応度を急激に低減する調整をすることが可能なので、高い停止機能を有する。第２の高性能制御棒９７は、高い中性子吸収性能を有するので、反応度を急激に低減することで、蒸気管破断（ＳＬＢ：Steam Line Break）時に加圧水型原子炉２を好適に未臨界状態に維持する場合、全交流電源喪失（ＳＢＯ：Station Black Out）時に加圧水型原子炉２を好適に未臨界状態に維持する場合、及び加圧水型原子炉２を低温停止状態へ移行する場合にそれぞれ要求される所望の温度まで、炉心６８内の温度を低下させることができる。

第２の高性能制御棒９７は、中性子吸収性能が高く、ＳＬＢ時又はＳＢＯ時に加圧水型原子炉２を未臨界状態に維持することができる。第２の高性能制御棒９７は、ホウ酸の使用量を低減して、あるいはホウ酸を全く使用することなく制御棒のみで、加圧水型原子炉２を低温停止状態へ移行することができる。ここで、ＳＬＢ時又はＳＢＯ時に加圧水型原子炉２を未臨界状態に維持する機能と、ホウ酸の使用量を低減して、あるいはホウ酸を全く使用することなく制御棒のみで、加圧水型原子炉２を低温停止状態へ移行する機能と、を合わせて停止性能と称する。第２の高性能制御棒９７は、停止性能を有する。

上記のような制御棒９は、原子炉２の出力を制御するための一部の複数の制御棒９からなる制御バンク１０３と、原子炉２の出力を停止させるための他の一部の複数の制御棒９からなる停止バンクとに分けられている。制御バンク１０３の制御棒は、正常運転時において、原子炉２の出力を制御するために使用される制御棒９である。停止バンクの制御棒９は、異常時において、原子炉２を停止するために使用される制御棒９である。

制御バンク１０３の制御棒９としては、高い制御保護性能を有する上記の標準制御棒９４または第１の高性能制御棒９５が適用される。なお、本実施形態では、制御バンク１０３の制御棒として、第１の高性能制御棒９５が適用される。制御バンク１０３の制御棒９は、制御系３００の中央制御設備から制御棒駆動装置２０が制御されることで、抜き差し動作が制御される。

停止バンクの制御棒９は、複数の制御棒９のうち、一部の制御棒９からなる第１停止バンク１０１と、他の一部の制御棒９からなる第２停止バンク１０２と、に分かれている。本実施形態では、第１停止バンク１０１と第２停止バンク１０２との二つに分けたが、二つ以上であってもよく、特に限定されない。第１停止バンク１０１の制御棒９としては、高い制御保護性能を有する第１の高性能制御棒９５が適用される。第２停止バンク１０２の制御棒としては、停止性能を有する第２の高性能制御棒９７が適用される。

このため、制御バンク１０３と第１停止バンク１０１の制御棒９が、第１の高性能制御棒（第１制御棒）９５となり、第２停止バンク１０２の制御棒９が、第２の高性能制御棒（第２制御棒）９７となる。このため、第２停止バンク１０２の制御棒９は、第１停止バンク１０１の制御棒９に比して、中性子の吸収性能が高いものとなる。なお、上記した制御バンク１０３、第１停止バンク１０１及び第２停止バンク１０２に適用される制御棒９の組み合わせは、一例であり、この構成に限定されない。例えば、制御バンク１０３の制御棒９を標準制御棒（第１制御棒）９４とし、第１停止バンク１０１の制御棒９を第１の高性能制御棒（第１制御棒）９５とし、第２停止バンク１０２の制御棒９を第２の高性能制御棒（第２制御棒）９７としてもよい。

ここで、安全保護系設備３０は、ＳＬＢ又はＳＢＯにおける原子炉トリップ時において、第１停止バンク１０１の制御棒９と第２停止バンク１０２の制御棒９との挿入タイミングを異ならせている。具体的に、安全保護系設備３０は、原子炉２を停止させるための原子炉トリップ信号を取得すると、炉心６８への制御バンク１０３及び第１停止バンク１０１の制御棒９の挿入を実行する一方で、炉心６８への第２停止バンク１０２の制御棒９の挿入を不実行とする。このため、図４に示すように、第１の高性能制御棒９５の全ては、燃料集合体８に挿入される位置（全挿入位置）となる一方で、第２の高性能制御棒９７の全ては、燃料集合体８に挿入されていない位置（全引抜位置）となる。

また、安全保護系設備３０は、制御バンク１０３及び第１停止バンク１０１の制御棒９が全挿入位置となった状態において、原子炉２が再臨界となる事象を検知し、この検知信号である再臨界検知信号を取得すると、炉心６８への第２停止バンク１０２の制御棒９の挿入を実行する。つまり、安全保護系設備３０は、原子炉２が未臨界状態から再臨界状態へ移行しようとすると、第２停止バンク１０２の制御棒９を燃料集合体８に挿入して、原子炉２が未臨界状態となるように制御する。このため、第２停止バンク１０２の制御棒９は、原子炉が再臨界へ移行するときに原子炉の停止措置を行うホウ酸水注入設備と、同等の機能を有するものとなっている。

ここで、制御バンク１０３の制御棒９の数と、第１停止バンク１０１の制御棒９の数と合わせた制御棒９（第１の高性能制御棒９５）の総数は、第２停止バンク１０２の制御棒９（第２の高性能制御棒９７）の数に比して多くなっている。具体的に、第１の高性能制御棒９５（の制御棒クラスタ７１）の数は、４４体であり、第２の高性能制御棒９７（の制御棒クラスタ７１）の数は、２４体である。

次に、制御バンク１０３、第１停止バンク１０１及び第２停止バンク１０２の制御棒９と、新燃料９１及び使用済み燃料９２を含む燃料との位置関係について説明する。上記したように、炉心６８には、新燃料９１及び使用済み燃料９２が含まれている。第２停止バンク１０２の制御棒９は、燃焼度が最も小さい新燃料９１に対して、第１停止バンク１０１の制御棒９よりも近い側に配置されている。具体的に、第２停止バンク１０２の制御棒９は、新燃料９１に隣接して配置されている。つまり、第２停止バンク１０２の制御棒９は、新燃料９１からなる燃料集合体８に抜き差し可能に、新燃料９１の燃料集合体８の直上に隣接して配置されていてもよいし、新燃料９１の燃料集合体８に隣接する燃料集合体８に抜き差し可能に配置されていてもよい。一方で、制御バンク１０３の制御棒９は、新燃料９１以外の燃料となる使用済み燃料９２からなる燃料集合体８に抜き挿し可能に配置されている。

上記のように制御棒９が配置された制御棒ユニット９０が設けられる原子炉２において、原子炉２内に装荷される燃料の装荷パターンを設計する炉心設計方法においては、上記の制御棒９と燃料との位置関係を満たすように設計される。つまり、炉心設計方法においては、燃料交換時において原子炉２内に装荷される新燃料９１を、第１停止バンク１０１の制御棒９に比して、第２停止バンク１０２の制御棒９が近い側となるように配置する。具体的には、第２停止バンク１０２の制御棒９が抜き差しされる少なくとも１体の燃料集合体８を、新燃料９１の燃料集合体８となるように、また、制御バンク１０３の制御棒９が抜き差しされる少なくとも１体の燃料集合体８を、使用済み燃料９２の燃料集合体８となるように、炉心設計を行う。また、新燃料９１の燃料集合体８からみて、第２停止バンク１０２の制御棒９が、第１停止バンク１０１の制御棒９よりも近い側となるように、炉心設計を行う。

以上のように、本実施形態によれば、原子炉２の異常時において、第１停止バンク１０１の制御棒９と、第２停止バンク１０２の制御棒９とを、挿入タイミングを異ならせて炉心６８に挿入することで、第１停止バンク１０１の制御棒９による原子炉停止機能と、第２停止バンク１０２の制御棒９による原子炉停止機能とを発揮させることができる。このため、複数の原子炉停止機能を発揮させることができるため、制御棒９を有効に活用して、原子炉停止性能の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、原子炉トリップ時において、制御バンク１０３の制御棒９及び第１停止バンク１０１の制御棒９を炉心６８に挿入して原子炉２を停止させることができる。また、制御バンク１０３の制御棒９及び第１停止バンク１０１の制御棒９が炉心６８に挿入された後、原子炉２が再臨界状態へ移行する場合であっても、第２停止バンク１０２の制御棒９により原子炉２の停止措置を行うことができる。このため、原子炉２の安全性を向上させることができる。ここで、第２停止バンク１０２の制御棒９は、ホウ酸水注入設備と共に設けてもよいし、第２停止バンク１０２の制御棒９を、ホウ酸水注入設備の代替機能として設けることで、ホウ酸水注入設備を省いてもよい。

また、本実施形態によれば、第１停止バンク１０１の制御棒９の構成と、第２停止バンク１０２の制御棒９の構成とを異ならせることができるため、第１停止バンク１０１の原子炉停止機能と、第２停止バンク１０２の原子炉停止機能とを異ならせることができ、汎用性の高いものとすることができる。例えば、第１停止バンク１０１に比して高性能制御棒の割合が多い第２停止バンク１０２の制御棒９を、再臨界へ移行する原子炉２の炉心６８に挿入することで、原子炉２を迅速に未臨界状態へ移行させることができる。

また、本実施形態によれば、第２の高性能制御棒９７からなる第２停止バンク１０２の制御棒９を新燃料９１の近くに隣接して配置することで、中性子を好適に吸収して反応を抑制できるため、原子炉２を好適に停止することができる。

また、本実施形態によれば、制御バンク１０３の制御棒９を使用済み燃料に配置し、この燃料に抜き差しすることで、原子炉の出力制御を適切に行うことが可能となる。

また、本実施形態によれば、第１の高性能制御棒９５の数が多い制御バンク１０３及び第１停止バンク１０１によって原子炉トリップを適切に行うことができる。なお、制御バンク１０３と第１停止バンク１０１との制御棒９の総数は、原子炉トリップ時において高温全出力状態から、高温停止状態に移行させることが可能な数とし、残りが、第２停止バンク１０２の制御棒９の数とすることがよい。

また、本実施形態によれば、制御バンク１０３、第１停止バンク１０１及び第２停止バンク１０２の複数の制御棒９に対する燃料の配置を、原子炉２の停止を考慮した適切な配置とすることができる。

なお、本実施形態では、原子炉トリップ時において、第１停止バンク１０１の制御棒９を燃料集合体８に挿入し、原子炉２の再臨界時において、第２停止バンク１０２の制御棒９を燃料集合体８に挿入したが、原子炉２の停止性能を高めることが可能な異なる挿入タイミングであれば、この構成に特に限定されない。

１原子力施設
２原子炉
３ａコールドレグ
３ｂホットレグ
４蒸気発生器
５加圧器
６一次冷却材ポンプ
７原子炉格納容器
８燃料集合体
９制御棒
１０原子炉容器
１１蒸気管
１２タービン
１３復水器
１４給水管
１５給水ポンプ
１６発電機
２０制御棒駆動装置
３０安全保護系設備
３５原子炉停止装置
３７原子炉トリップ遮断器
６８炉心
７１制御棒クラスタ
９０制御棒ユニット
９１新燃料
９２使用済み燃料
９４標準制御棒
９５第１の高性能制御棒
９７第２の高性能制御棒
１０１第１停止バンク
１０２第２停止バンク
１０３制御バンク

Claims

原子炉の炉心に挿入される複数の制御棒と、
複数の前記制御棒を駆動させる制御棒駆動装置と、
前記制御棒駆動装置による前記制御棒の駆動を制御する制御部と、を備え、
複数の前記制御棒は、前記原子炉の出力を制御するための一部の複数の前記制御棒からなる制御バンクと、前記原子炉の出力を停止させるための他の一部の複数の前記制御棒からなる停止バンクと、を有し、
前記停止バンクは、前記停止バンクにおける複数の前記制御棒のうち、一部の前記制御棒からなる第１停止バンクと、他の一部の前記制御棒からなる第２停止バンクと、をすくなくとも含み、
前記制御部は、
前記原子炉の異常時において、前記第１停止バンクの前記制御棒と、前記第２停止バンクの前記制御棒とを、挿入タイミングを異ならせて前記炉心に挿入することを特徴とする原子炉停止装置。
前記制御部は、
前記原子炉を停止させるための原子炉トリップ信号を取得すると、前記炉心への前記制御バンク及び前記第１停止バンクの前記制御棒の挿入を実行する一方で、前記炉心への前記第２停止バンクの前記制御棒の挿入を不実行とし、
前記原子炉が再臨界となる事象を検知したときに出力される再臨界検知信号を取得すると、前記炉心への前記第２停止バンクの前記制御棒の挿入を実行することを特徴とする請求項１に記載の原子炉停止装置。
前記制御棒は、第１制御棒と、前記第１制御棒よりも中性子吸収性能が高い第２制御棒と、を含み、
前記第２停止バンクの前記制御棒は、前記第１停止バンクの前記制御棒に比して、前記第２制御棒の割合が多いことを特徴とする請求項１または２に記載の原子炉停止装置。
前記炉心に含まれる燃料は、燃焼度が異なっており、
前記第２停止バンクの前記制御棒は、前記燃焼度が最も小さい燃料に対して、前記第１停止バンクの前記制御棒よりも近い側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の原子炉停止装置。
前記燃焼度が最も新しい燃料は、燃料交換時において前記原子炉内に新たに装荷される新燃料であり、
前記第２停止バンクの前記制御棒は、前記新燃料に隣接して配置されていることを特徴とする請求項４に記載の原子炉停止装置。
前記制御バンクの前記制御棒は、前記新燃料以外の燃料に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の原子炉停止装置。
前記制御バンクの前記制御棒の数と、前記第１停止バンクの前記制御棒の数と合わせた総数は、前記第２停止バンクの前記制御棒の数に比して多いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の原子炉停止装置。
原子炉の炉心に挿入される複数の制御棒の駆動を制御する制御部によって、前記原子炉を停止する原子炉停止方法であって、
複数の前記制御棒は、前記原子炉の出力を制御するための一部の複数の前記制御棒からなる制御バンクと、前記原子炉の出力を停止させるための他の一部の複数の前記制御棒からなる停止バンクと、を有し、
前記停止バンクは、前記停止バンクにおける複数の前記制御棒のうち、一部の前記制御棒からなる第１停止バンクと、他の一部の前記制御棒からなる第２停止バンクと、をすくなくとも含み、
前記原子炉の異常時において、前記第１停止バンクの前記制御棒と、前記第２停止バンクの前記制御棒とを、挿入タイミングを異ならせて前記炉心に挿入することを特徴とする原子炉停止方法。
原子炉内に装荷される燃料の装荷パターンを設計する炉心設計方法において、
前記原子炉の炉心に挿入される複数の制御棒は、前記原子炉の出力を制御するための一部の複数の前記制御棒からなる制御バンクと、前記原子炉の出力を停止させるための他の一部の複数の前記制御棒からなる停止バンクと、を有し、
前記停止バンクは、前記停止バンクにおける複数の前記制御棒のうち、一部の前記制御棒からなる第１停止バンクと、他の一部の前記制御棒からなる第２停止バンクと、を少なくとも含み、
燃料交換時において前記原子炉内に新たに装荷される新燃料を、前記第１停止バンクの前記制御棒に比して、前記第２停止バンクの前記制御棒が近い側となるように配置することを特徴とする炉心設計方法。