JP7394047B2

JP7394047B2 - 炉心構造および原子炉

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Publication number: JP7394047B2
Application number: JP2020203982A
Authority: JP
Inventors: 慎二郎猪又; 道中里; 望村上; 晃一家山; 寛和杉浦; 洋谷口
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: JP2022091261A

Description

本開示は、炉心構造および原子炉に関する。

例えば、特許文献１には、炉心を構成する燃料集合体として、複数の燃料棒が、上部ノズルと下部ノズルとの間に配置され、グリッドにより保持されている構成が示されている。上部ノズルおよび下部ノズルは、燃料集合体の両端部に配置され、冷却材を流すように構成されている。下部ノズルは、原子炉容器内に設けられた下部炉心板あるいは下部炉心支持板の上に位置決めして置かれる。上部ノズルは、原子炉容器内に設けられた上部炉心板あるいは上部炉心支持板の下に位置決めされると共に上部炉心板あるいは上部炉心支持板に当接する押さえばねを有して燃料集合体を下部炉心板あるいは下部炉心支持板に押さえつけるように構成されている。

特開平１０－１２３２７４号公報

近年では、燃料棒の数や長さを減らすことなく炉心を小型化することが望まれている。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、小型化を図ることのできる炉心構造および原子炉を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る炉心構造は、複数の燃料棒が上部炉心板あるいは上部炉心支持板と下部炉心板あるいは下部炉心支持板との間に配置され、下端が前記下部炉心板あるいは下部炉心支持板の上面に直接置かれて支持されている。

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る原子炉は、原子炉容器と、上記の炉心構造を有して前記原子炉容器の内部に配置された炉心と、前記原子炉容器の内部に配置され前記原子炉容器の外部から二次冷却材が供給される一方で前記二次冷却材の蒸気が前記原子炉容器の外部に排出される蒸気発生器と、前記原子炉容器の内部に配置され前記二次冷却材と熱交換する一次冷却材を前記炉心と前記蒸気発生器とに循環させる一次冷却材ポンプと、前記原子炉容器の内部に配置され前記炉心に制御部材を抜き差しする制御部材駆動機構と、を備える。

本開示は、炉心の小型化を図ることができる。

図１は、実施形態に係る原子炉の模式図である。図２は、実施形態に係る炉内の模式図である。図３は、実施形態に係る炉心の一部拡大断面模式図である。図４は、実施形態に係る炉心の一部拡大断面模式図である。図５は、実施形態に係る炉心の断面模式図である。図６は、実施形態に係る炉心における制御部材の一部裁断模式図である。図７は、実施形態に係る炉心の拡大模式図である。図８は、実施形態に係る炉心における燃料棒の拡大底面図である。図９は、実施形態に係る炉心における燃料棒の拡大底面図である。図１０は、実施形態に係る炉心における燃料棒の拡大底面図である。図１１は、実施形態に係る炉心の他の例の断面模式図である。

以下に、本開示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。

図１は、実施形態に係る原子炉の模式図である。

実施形態の原子炉１は、原子炉容器２と、炉心支持構造物３と、制御部材駆動機構４と、蒸気発生器５と、一次冷却材ポンプ６と、を含み構成されている。

原子炉容器２は、炉心支持構造物３と、制御部材駆動機構４と、蒸気発生器５と、一次冷却材ポンプ６と、を全て内包するものである。原子炉容器２は、圧力容器であり、上方が開口した容器本体２Ａと、容器本体２Ａの上部の開口を塞ぐ容器蓋２Ｂと、により構成されている。容器蓋２Ｂは、容器本体２Ａに対して着脱可能に設けられている。容器本体２Ａは、下方が閉塞された円筒形状に形成されている。この原子炉容器２は、内部に一次冷却材が満たされる。一次冷却材は、例えば、軽水からなる。

炉心支持構造物３は、炉心７を支持するため、炉心槽３Ａと、上部炉心支持板３Ｂと、下部炉心支持板３Ｃと、を有する。炉心槽３Ａは、上下方向に延びる円筒形状に形成されている。上部炉心支持板３Ｂは、炉心槽３Ａの下部に設けられ、炉心７が構成される上方に配置されている。下部炉心支持板３Ｃは、炉心槽３Ａの下端に設けられ、炉心７が構成される下方に配置されている。なお、上部炉心支持板３Ｂに替えて上部炉心板としてもよい。また、下部炉心支持板３Ｃに替えて下部炉心板としてもよい。この炉心支持構造物３は、原子炉容器２の中心に配置されている。

制御部材駆動機構４は、後述する制御部材１０を炉心７に対して挿入したり抜き出したりするものである。本実施形態の制御部材１０は、炉心７の複数位置に上から挿入される。このため制御部材駆動機構４は、各制御部材１０に対応し、炉心７の上方であって原子炉容器２の内部における最上部に至り配置されている。なお、制御部材駆動機構４は、炉心７への挿入方向に制御部材１０を付勢する付勢装置が設けられており、クラッチ機構などにより制御部材１０との駆動が絶たれた場合に自動的に炉心７に挿入される。このため、例えば、炉心７の炉心温度が設定する温度以上となった緊急時に、自動的に制御部材１０が炉心７に挿入されて炉心７の燃料棒８の反応度を下げることができる。

蒸気発生器５は、原子炉容器２の内部に配置され、炉心槽３Ａの周りを囲むように、例えば、伝熱管がヘリカル型に構成されている。蒸気発生器５は、伝熱管の内部に、原子炉容器２の外部から二次冷却材が供給される。蒸気発生器５は、一次冷却材と熱交換して二次冷却水を蒸発させて蒸気を発生させる。二次冷却材は、例えば、純水からなる。図には明示しないが、この蒸気発生器５は、管台を介して原子炉容器２の外部に通じている。管台は、蒸気発生器５で発生した蒸気を原子炉容器２の外部に送るものと、原子炉容器２の外部から蒸気発生器５に二次冷却材を供給するものと、がある。原子炉容器２の外部に蒸気を送る管台は、蒸気タービンに連結されている。蒸気タービンは、蒸気発生器５で発生した蒸気により駆動し、発電機で発電を行う。また、蒸気タービンは、復水器を有し、駆動に供した二次冷却水を冷却して凝縮させ、低圧の飽和液に戻す。この復水器は、蒸気発生器５に二次冷却材を供給する管台に連結されている。

一次冷却材ポンプ６は、炉心槽３Ａから蒸気発生器５へ一次冷却材を導く。一次冷却材ポンプ６は、図１に示すように、一次冷却材を、炉心槽３Ａの上方において炉心槽３Ａの内部から外部に送り、炉心槽３Ａの外部において下方に送り、炉心槽３Ａを下部炉心支持板３Ｃおよび上部炉心支持板３Ｂを経て下方から上方に通過するように循環させる。一次冷却材は、炉心槽３Ａを下方から上方に通過する過程で加熱され、炉心槽３Ａの外部において蒸気発生器５の二次冷却材と熱交換をし、再び炉心槽３Ａを下方から上方に通過する。炉心槽３Ａは、上方において一次冷却材を外部に送るため、貫通孔３Ａａが形成されている（図２参照）。

図２は、実施形態に係る炉内を示す模式図である。図３は、実施形態に係る炉心の一部拡大断面模式図である。図４は、実施形態に係る炉心の一部拡大断面模式図である。図５は、実施形態に係る炉心の断面模式図である。図６は、実施形態に係る炉心における制御部材の一部裁断模式図である。

上述した原子炉１に適用される炉心７は、図２に示すように、燃料棒８と、グリッド９と、制御部材１０と、制御部材案内管１１と、中性子反射体１２と、を含む。

燃料棒８は、詳細を後述するが、上下方向に延びる棒状に構成されている。燃料棒８は、図２に示すように、炉心槽３Ａの内部において、上部炉心支持板３Ｂと、下部炉心支持板３Ｃとの間で上下方向に延びる形態で複数設けられて炉心７を構成する。また、燃料棒８は、図３に示すように、個々が独立しており、上から視た平面視において、三角格子状に配置されている。三角格子状は、平面視で６０度の格子であり、燃料棒８は、当該三角格子状の交点に位置する。燃料棒８は、炉心槽３Ａの内部に設けられて炉心７を構成する全てが個々に独立して三角格子状に配置されている。なお、実施形態の燃料棒８は、炉心槽３Ａの内部に設けられて炉心７を構成する全てが個々に独立して三角格子状に配置されているが、炉心槽３Ａの内部に設けられて炉心７を構成する全てが個々に独立して格子状に配置されていることを排除しない。

グリッド９は、図２に示すように、上下方向の複数個所（実施形態では上下方向の２個所）に設けられている。グリッド９は、図４に示すように、個々の燃料棒８を上から挿入可能なセル９Ａを有している。セル９Ａは、挿入された各燃料棒８の間に隙間９Ａａを設け、当該隙間９Ａａに炉心槽３Ａを下方から上方に通過する一次冷却材が通過できるようにする。グリッド９は、セル９Ａに燃料棒８を保持する構成は有しておらず、セル９Ａに燃料棒８を自由な形態で挿入するのみである。セル９Ａは、上から視た平面視において、６角形状に形成されており、当該６角形状のセル９Ａが複数隣接して組み合わされることで、グリッド９全体がハニカム構造に構成されている。従って、グリッド９は、三角格子状に配置された個々の燃料棒８の間に隙間９Ａａを設けることができる。

制御部材１０は、炉心槽３Ａの内部において、燃料棒８に沿って上下方向に挿入または引き抜き可能に設けられている。制御部材１０は、燃料棒８に沿って挿入された形態で、燃料棒８の長さに合わせて上部炉心支持板３Ｂと下部炉心支持板３Ｃとの間に配置される。図２から図５に示すように、炉心７において制御部材１０を配置する個所には、燃料棒８は配置されない。制御部材１０は、上述した制御部材駆動機構４によって、炉心７に対して挿入したり抜き出したりされる。制御部材１０は、中性子吸収体により形成されている。中性子吸収体は、例えば、ボロンカーバイト（炭化ホウ素：Ｂ_４Ｃ）を用いることができる。中性子吸収体からなる制御部材１０は、挿入により燃料棒８に対して接近し、引き抜きにより燃料棒８に対して離隔することで炉心７を構成する燃料棒８の反応度を制御でき、炉心７の炉心温度を制御できる。

制御部材１０は、図３および図５に示すように、燃料棒８の三角格子状に沿う板体１０Ａとして形成されている。制御部材１０は、挿入方向から視た平面視で、板体１０Ａを組み合わせた三等方配置板形状に形成されている。即ち、制御部材１０は、平面視で１２０°間隔で３つの板体１０Ａが組み合わせされた三等方配置板形状に形成され、各板体１０Ａが燃料棒８の三角格子状に沿って配置される。三等方配置板形状に形成された制御部材１０は、所定の燃料棒８の間に配置される。制御部材１０は、燃料棒８で構成される炉心７において、図５に示すように複数が等間隔で均等に配置されることで、各燃料棒８の反応度を一定に制御できる。なお、図には明示しないが、例えば、燃料棒８が格子状に配置される場合、制御部材１０は、燃料棒８の格子状に沿う板体１０Ａとして形成され、挿入方向から視た平面視で、当該板体１０Ａを組み合わせた十字形状に形成される。また、制御部材１０は、三等方配置板形状や十字形状に限らず、板体１０Ａの構成のみで一文字状に形成されて燃料棒８に沿って上下方向に挿入または引き抜き可能に設けられていてもよい。

制御部材１０は、図３および図６に示すように、板体１０Ａが制御材１０Ａａと、制御材１０Ａａを被覆する被覆材１０Ａｂとを有する。制御材１０Ａａは、中性子吸収体により形成されている。制御材１０Ａａは、矩形状のブロックとして複数に分割して形成され、各ブロックが格子１０Ａｃにより板体１０Ａの形状をなすように並べて配置されている、制御材１０Ａａを複数のブロックで構成することで、製造を容易にできる。被覆材１０Ａｂは、格子１０Ａｃと共に各制御材１０Ａａを纏めて被覆している。即ち、被覆材１０Ａｂは、板体１０Ａ（制御部材１０）の外郭をなす。被覆材１０Ａｂは、例えば、純鉄やステンレス鋼からなる。

制御部材案内管１１は、制御部材１０の炉心７への挿入や抜き出しの移動を案内する。制御部材案内管１１は、図２および図３に示すように、制御部材１０の平面視の形状の外形に合わせて筒状に形成されている。制御部材案内管１１は、上部炉心支持板３Ｂと下部炉心支持板３Ｃとの間に亘って配置される。制御部材案内管１１は、図４に示すように、グリッド９と溶接などで接合されている。この制御部材案内管１１は、可燃性毒物である例えば、酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）が添加されている。

中性子反射体１２は、炉心７の外周に配置されて各燃料棒８の周りを囲むように筒状に設けられている。中性子反射体１２は、反射材１２Ａと、補強材１２Ｂと、を含む。反射材１２Ａは、中性子反射体１２の筒状の内側に配置された内筒として構成されている。反射材１２Ａは、ベリリウム（Ｂｅ）を含んだ化合物である酸化ベリリウム（ＢｅＯ）や、アルミニウムを含んだ化合物である酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や、マグネシウム（Ｍｇ）を含んだ化合物である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。補強材１２Ｂは、反射材１２Ａの外周に設けられて、中性子反射体１２の筒状の外側に配置された外筒として構成されている。なお、中性子反射体１２は、反射材１２Ａのみの構成であってもよい。

図７は、実施形態に係る炉心の拡大模式図である。図８は、実施形態に係る炉心における燃料棒の拡大底面図である。図９は、実施形態に係る炉心における燃料棒の拡大底面図である。図１０は、実施形態に係る炉心における燃料棒の拡大底面図である。

図７から図１０を参照して燃料棒８の詳細について説明する。

燃料棒８は、上述したように、上下方向に延びる棒状に構成されている。燃料棒８は、図７に示すように、核燃料８Ａと、筒部材８Ｂと、上部端栓８Ｃと、下部端栓８Ｄと、弾性部材８Ｅと、を有する。

核燃料８Ａは、核燃料物質であるウランを含む。核燃料８Ａは、円柱形状をなすペレットをなし、１本の燃料棒８において複数設けられている。

筒部材８Ｂは、複数のペレットをなす核燃料８Ａを上下方向に沿って複数収納するように筒形状に形成されている。

上部端栓８Ｃは、略円柱形状に形成され筒部材８Ｂの上端に固定されて、筒部材８Ｂの筒形状の上端の開口を閉塞する。従って、上部端栓８Ｃは、燃料棒８の上端を構成する。

下部端栓８Ｄは、略円柱形状に形成され筒部材８Ｂの下端に固定されて、筒部材８Ｂの筒形状の下端の開口を閉塞する。従って、下部端栓８Ｄは、燃料棒８の下端を構成する。

弾性部材８Ｅは、筒部材８Ｂの内部において、最上位置の核燃料８Ａと上部端栓８Ｃとの間に設けられ、核燃料８Ａを筒部材８Ｂの下端側である下部端栓８Ｄに向けて弾性力により付勢する。従って、筒部材８Ｂの内部に収納された複数の核燃料８Ａは、弾性部材８Ｅによって下部端栓８Ｄに向けて押し付けられ上下方向への移動を規制されて支持される。

この燃料棒８は、炉心槽３Ａの下端に下部炉心支持板３Ｃが取り付けられ、炉心槽３Ａの内部にグリッド９、制御部材案内管１１および中性子反射体１２が配置された状態で、グリッド９のセル９Ａに上方から挿入される。燃料棒８は、下端を構成する下部端栓８Ｄが下部炉心支持板３Ｃの上面３Ｃｂの平坦部に直接置かれる形態で支持される。下部炉心支持板３Ｃには、上下方向に貫通する貫通孔３Ｃａが形成されているが、燃料棒８は、貫通孔３Ｃａを通過することなく、下部炉心支持板３Ｃの上面３Ｃｂの平坦部に直接置かれる。燃料棒８は、少なくとも下部端栓８Ｄの外径が貫通孔３Ｃａの内径よりも大きく形成されていることで貫通孔３Ｃａを通過しない。または、燃料棒８は、グリッド９のセル９Ａに挿入されて水平方向に移動が抑制されることで貫通孔３Ｃａの位置を避けて貫通孔３Ｃａを通過しない。燃料棒８の上方には上部炉心支持板３Ｂを配置する。上部炉心支持板３Ｂには、上下方向に貫通する貫通孔３Ｂａが形成されているが、燃料棒８は、貫通孔３Ｂａを通過することなく、上部炉心支持板３Ｂと下部炉心支持板３Ｃとの間に配置される。燃料棒８は、その上端を構成する上部端栓８Ｃと上部炉心支持板３Ｂとの間に間隔が形成される。燃料棒８は、少なくとも上部端栓８Ｃの外径が貫通孔３Ｂａの内径よりも大きく形成されていることで貫通孔３Ｂａを通過しない。または、燃料棒８は、グリッド９のセル９Ａに挿入されて水平方向に移動が抑制されることで貫通孔３Ｂａの位置を避けて貫通孔３Ｂａを通過しない。上部炉心支持板３Ｂの貫通孔３Ｂａおよび下部炉心支持板３Ｃの貫通孔３Ｃａは、図７に矢印で示すように、燃料棒８を配置した炉心７の内部に一次冷却材を通過させる。このようにして炉心７が構成される。また、図２に示すように制御部材駆動機構４が設置される。制御部材駆動機構４は、支持部材２０により炉心槽３Ａの上方位置にて支持される。

ここで、燃料棒８の下端を構成する下部端栓８Ｄは、円柱形状に形成されていることから、底面８Ｄａが平坦であり、側面８Ｄｂが環状に形成されている。図７から図１０に示すように、連通部としての切欠８Ｄｃが形成されている。切欠８Ｄｃは、下部端栓８Ｄの底面８Ｄａから側面８Ｄｂに通じて形成されている。切欠８Ｄｃは、筒部材８Ｂの内部には通じない。切欠８Ｄｃは、下部端栓８Ｄの底面８Ｄａから側面８Ｄｂに向かって外側に広がるようにテーパ状に形成されている。切欠８Ｄｃは、燃料棒８が下部炉心支持板３Ｃの上に直接置かれる構成において、下部端栓８Ｄの底面８Ｄａから側面８Ｄｂを下部炉心支持板３Ｃの貫通孔３Ｃａに通じさせる。従って、図７に矢印で示すように、一次冷却材は、下部炉心支持板３Ｃの下側から貫通孔３Ｃａを介して下部炉心支持板３Ｃを通過し、かつ切欠８Ｄｃを介して隣接する燃料棒８の隙間９Ａａに導かれる。そして、燃料棒８の隙間９Ａａに導かれた一次冷却材は、上部炉心支持板３Ｂの貫通孔３Ｂａを介して上部炉心支持板３Ｂを通過し炉心７の上方に送られる。

実施形態において、切欠８Ｄｃは、下部端栓８Ｄの周方向の複数個所に配置されている。図７および図８に示す下部端栓８Ｄの切欠８Ｄｃは、下部端栓８Ｄの周方向の４個所に形成され、下部端栓８Ｄの底面８Ｄａの平坦部が底面視で十字形状に形成されている。従って、図７および図８に示す下部端栓８Ｄは、下部炉心支持板３Ｃの貫通孔３Ｃａが平面視で格子状に配置され、かつ燃料棒８を平面視で格子状に配置した場合に、底面８Ｄａが下部炉心支持板３Ｃの上面３Ｃｂの平坦部に当接して置かれ、切欠８Ｄｃが４個所の貫通孔３Ｃａに対して上下方向に連通するように構成できる。また、図９に示す下部端栓８Ｄの切欠８Ｄｃは、下部端栓８Ｄの周方向の２個所に形成され、下部端栓８Ｄの底面８Ｄａの平坦部が底面視で一文字形状に形成されている。従って、図９に示す下部端栓８Ｄは、下部炉心支持板３Ｃの貫通孔３Ｃａが平面視で格子状に配置され、かつ燃料棒８を平面視で格子状に配置した場合に、底面８Ｄａが下部炉心支持板３Ｃの上面３Ｃｂの平坦部に当接して置かれ、切欠８Ｄｃが４個所の貫通孔３Ｃａに対して上下方向に連通するように構成できる。また、図１０に示す下部端栓８Ｄの切欠８Ｄｃは、下部端栓８Ｄの周方向の３個所に形成され、下部端栓８Ｄの底面８Ｄａの平坦部が底面視で三等方配置板形状に形成されている。従って、図１０に示す下部端栓８Ｄは、下部炉心支持板３Ｃの貫通孔３Ｃａが平面視で三角格子状に配置し、かつ燃料棒８を平面視で三角格子状に配置した場合に、底面８Ｄａが下部炉心支持板３Ｃの上面３Ｃｂの平坦部に当接して置かれ、切欠８Ｄｃが３個所の貫通孔３Ｃａに対して上下方向に連通するように構成できる。なお、連通部として、上記切欠８Ｄｃの他、図には明示しないが、下部端栓８Ｄの底面８Ｄａから側面８Ｄｂに通じて形成される貫通孔であってもよい。

図１１は、実施形態に係る炉心の他の例の断面模式図である。

図５に示す炉心７は、制御部材１０が平面視で三等方配置板形状に形成されているが、図１１示す炉心７は、制御部材１０’が平面視で円形状に形成されている。制御部材１０’は、上下方向に延びる円柱形状に形成され、図には明示しないが、円柱形状に分割された制御材が被覆材で纏めて被覆されている。制御部材１０’は、所定の燃料棒８の間に配置される。制御部材１０’は、燃料棒８で構成される炉心７において、図１１に示すように複数が等間隔で均等に配置されることで、各燃料棒８の反応度を一定に制御できる。また、制御部材１０’は、図には明示しないが、上下方向に延びる円筒形状の制御部材案内管に挿入または抜き出しできるように構成されている。この制御部材案内管は、平面視で三角格子状や格子状に配置された燃料棒８を配置しない部分に設けられてグリッド９に溶接などで接合される。なお、図１１に示す制御部材１０’は、１本の燃料棒８よりも太い構成としているが、１本の燃料棒８と同等の太さとしてよい。

上述したように、実施形態の炉心構造は、炉心７の全ての燃料棒８が独立して三角格子状に配置されている。

従って、実施形態の炉心構造によれば、燃料棒８を三角格子状の配置としたことにより、燃料集合体を用いた場合と比較して燃料棒８が稠密に構成される。このため、燃料集合体を用いた炉心と比較して、円柱炉心と炉心槽３Ａの余分な隙間を減らし、燃料装荷量を増加でき、かつ炉心からの中性子の漏えい量を低減できる。この結果、実施形態の炉心構造によれば、核燃料の充填率を向上させ、燃料装荷量の最大化を図ることができ、ひいては炉心７の小型化および炉心７の長寿命化を図ることができる。

ここで、燃料棒８を稠密に配置することで、炉心小型化と炉心長寿命化を図ることができるが、燃料棒８を近づけ過ぎるとボイド反応度（void reactivity）が正になるため、ボイド反応度を負にできる距離で燃料棒８を配置する。ボイド反応度は、炉心の内部において、一次冷却材の沸騰その他の原因によるボイド（気泡）の発生あるいはボイド量の変化を通じて生じる反応度をいう。

また、実施形態の炉心構造では、所定の燃料棒８の間に配置された制御部材案内管１１と、制御部材案内管１１に挿入される制御部材１０と、を備え、制御部材１０は、燃料棒８の三角格子状の配置に沿う板体１０Ａとして形成され、制御部材案内管１１は、板体１０Ａとした制御部材１０を挿入可能に燃料棒８の三角格子状の配置に沿って設けられている。

従って、実施形態の炉心構造によれば、制御部材１０および制御部材案内管１１を三角格子状配置の燃料棒８と共存性を図ることができる。具体的には、三角格子状配置の燃料棒８に対して燃料棒８の排除領域の最小化を図り、燃料装荷量の増加に寄与できる。この結果、実施形態の炉心構造によれば、燃料棒８の三角格子状配置との親和性を向上でき、燃料構造強度の増加を図れる。例えば、図１１に示すように円柱形状の制御部材１０’は、三角格子状配置の燃料棒８に対して燃料棒８の排除領域の最小化が図れず、燃料棒８の三角格子状配置との親和性が低い。また、制御部材１０を板体１０Ａとして形成することで、制御部材１０の表面積を大きく確保でき、中性子吸収能力が高くなり制御部材１０の価値が高まる。例えば、表面積を大きく確保する構成として、図１１に示すように円柱形状の制御部材１０’が考えられるが、自己遮へい効果により円柱形状の内部は中性子の吸収が効き難くなる。これに対し、板体１０Ａとした制御部材１０であれば、表面から内部への厚さを薄くしつつ、表面積を大きくでき中性子吸収能力を確保できる。この結果、実施形態の炉心構造によれば、炉停止能力を確保し、制御部材１０の数を増加させず制御部材駆動機構４の数を低減できる構造成立性を両立できる。実施形態の炉心構造において、炉停止能力は、低温零出力時において全制御部材１０の挿入により所定の未臨界度を達成する。炉停止能力を確保するには、制御部材１０の数を増加させる必要があり、炉心７の大型化に繋がるが、実施形態の炉心構造によれば、炉停止能力を確保し、制御部材１０の数を増加させず制御部材駆動機構４の数を低減でき、炉心７の小型化に寄与できる。

また、実施形態の炉心構造では、制御部材１０は、挿入方向から視て板体１０Ａを組み合わせた三等方配置板形状に形成されている。

実施形態の炉心構造によれば、三等方配置板形状の制御部材１０により燃料棒８の三角格子状配置との親和性をより向上でき、燃料構造強度の増加をより図れる。

また、実施形態の炉心構造では、制御部材１０は、複数に分割された制御材１０Ａａと、各制御材１０Ａａを纏めて被覆する被覆材１０Ａｂと、を有する。

実施形態の炉心構造によれば、制御材１０Ａａを被覆材１０Ａｂにより覆うことで制御材１０Ａａへの中性子の照射による制御部材１０の寸法の変化を抑えることや、制御材１０Ａａから発生するガスの漏えいを抑えることができる。

また、実施形態の炉心構造では、制御部材案内管１１は、可燃性毒物が添加されている。

実施形態の炉心構造によれば、核燃料の燃焼の初期は反応度が余剰にあり、可燃性毒物で中性子を吸収するため、運転初期の余剰反応度を低減できる。一般的に運転初期の余剰反応度を低減するため、制御部材１０を増加させるが、実施形態の炉心構造によれば、必要とする制御部材１０の数を低減できる。また、可燃性毒物は、中性子吸収後は中性子を吸収しない核種に変換するため、運転初期後は反応度の低下を生じない。

また、実施形態の炉心構造では、炉心７の外周に配置されて各燃料棒８の周りを囲む中性子反射体１２を備え、中性子反射体１２は、酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムのいずれか１つを含む反射材１２Ａからなる。

ベリリウムやアルミニウムやマグネシウムは、ステンレス鋼と比較して中性子吸収断面積が小さく、また、中性子吸収断面積に対する中性子散乱断面積が大きいため、中性子反射能力が高い。更に、この結果、実施形態の炉心構造によれば、中性子反射体１２の厚さをステンレス鋼よりも薄く形成できる。また、ベリリウムは、中性子反射機能の他に、中性子反応によって１つの中性子を消費して２つの中性子を放出し、２つのアルファ粒子に分裂する。このベリリウムの中性子反応は、消費する中性子よりも多くの中性子を放出して系内の中性子を増加させる。この結果、実施形態の炉心構造によれば、中性子反射効率が高く、臨界量に満たない核分裂性物質を臨界状態にしたり、臨界量での核分裂反応を増加させるため、核的特性（臨界性）が改善され、炉心長寿命化を図れる。

また、実施形態の炉心構造では、中性子反射体１２は、反射材１２Ａの外周にステンレス鋼の補強材１２Ｂをさらに含む。

反射材１２Ａのみの中性子反射体１２の場合、構造強度や遮蔽性能が不足し、強度や遮へい特性が低下する傾向にある。このため、実施形態の炉心構造によれば、ステンレス鋼の補強材１２Ｂで補強および遮へいをすることで、反射材１２Ａによる不足を補うことができる。

また、実施形態の炉心構造では、各燃料棒８が挿通されるセル９Ａを有するグリッド９を備え、グリッド９は、セル９Ａが６角形状に形成されたハニカム構造に構成されている。

セル９Ａに各燃料棒８が挿通されることで、複数の燃料棒８をそれぞれ独立して三角格子状に配置できる。セル９Ａは、挿通により各燃料棒８を固定せず、かつ個々に支持しない。また、セル９Ａは、各燃料棒８の間に一次冷却材が通過する隙間９Ａａを設ける。一般に、燃料棒８を支持する場合、グリッド９に燃料棒８を支える弾性部材を設けるが、これでは弾性部材を設ける分、燃料棒８の稠密化を図ることが難しい。従って、実施形態の炉心構造によれば、セル９Ａに燃料棒８を挿通するのみで、特別に支持する構成を持たない構成として、三角格子状の配置と共に稠密構造を実現している。また、実施形態の炉心構造によれば、セル９Ａに燃料棒８を挿通するのみで、特別に支持する構成を持たない構成として、稠密構造を実現しつつ、各燃料棒８の間に一次冷却材が通過する隙間９Ａａを生じさせることができる。

また、実施形態の炉心構造は、複数の燃料棒８が上部炉心支持板３Ｂと下部炉心支持板３Ｃとの間に配置され、下端が下部炉心支持板３Ｃの上に直接置かれて支持されている。

燃料集合体を用いる炉心構造では、燃料集合体の上端に上部ノズルが配置され下端に下部ノズルが配置され、さらに、燃料集合体を上部炉心支持板と下部炉心支持板との間に支持するバネ機構などの部品が設けられている。これに対し、実施形態の炉心構造は、燃料棒８を上部炉心支持板３Ｂと下部炉心支持板３Ｃとの間に配置し、燃料棒８の下端を下部炉心支持板３Ｃの上に直接置いて支持している。この結果、実施形態の炉心構造によれば、上部ノズルおよび下部ノズルやバネ機構などの部品を用いないことで、炉心７の高さを低減し小型化を図ることができる。

実施形態の下部端栓８Ｄは、燃料棒８の下端に固定され、底面８Ｄａから側面８Ｄｂに通じる連通部（切欠８Ｄｃ）が形成されている。

実施形態において、燃料棒８は、貫通孔３Ｃａが形成された下部炉心支持板３Ｃの上面３Ｃｂに直接置かれて支持される。この構造に対し、燃料棒８の下部端栓８Ｄは、切欠８Ｄｃにより、底面８Ｄａから側面８Ｄｂを下部炉心支持板３Ｃの貫通孔３Ｃａに通じさせる。このため、一次冷却材は、下部炉心支持板３Ｃの下側から貫通孔３Ｃａを介して下部炉心支持板３Ｃを通過し、かつ切欠８Ｄｃを介して隣接する燃料棒８の周囲に送られる。この結果、実施形態の下部端栓８Ｄによれば、燃料棒８の下端において底面８Ｄａから側面８Ｄｂに一次冷却材を通過させることができ、燃料棒８への一次冷却材の流路を確保することができる。

また、実施形態の下部端栓８Ｄでは、連通部（切欠８Ｄｃ）は、底面８Ｄａから側面８Ｄｂに向かって外側に広がって形成されている。

実施形態の下部端栓８Ｄによれば、一次冷却材を燃料棒８の周囲に沿って導くことができる。

また、実施形態の下部端栓８Ｄでは、連通部（切欠８Ｄｃ）は、周方向に複数配置されている。

実施形態の下部端栓８Ｄによれば、一次冷却材を複数個所で燃料棒８の周囲に送ることができる。

また、実施形態の下部端栓８Ｄでは、底面８Ｄａが平坦に形成されている。

実施形態の下部端栓８Ｄによれば、燃料棒８を安定して載置することができる。

また、実施形態の下部端栓８Ｄでは、切欠８Ｄｃは、周方向の４個所に形成され、底面８Ｄａが底面視で十字形状に形成されている。

実施形態の下部端栓８Ｄによれば、一次冷却材を複数個所で燃料棒８の周囲に送ることができ、かつ燃料棒８を安定して載置することができる。

また、実施形態の燃料棒８は、上述した下部端栓８Ｄが下端に固定され、貫通孔３Ｃａが形成された下部炉心支持板３Ｃの上面３Ｃｂに直接置かれて支持される。

実施形態の燃料棒８によれば、燃料集合体を用いた場合比較して上部ノズルおよび下部ノズルやバネ機構などの部品を用いないことで、炉心７の高さを低減し小型化を図ることができる。

また、実施形態の原子炉１は、原子炉容器２と、上述した炉心構造を有して原子炉容器２の内部に配置された炉心７と、原子炉容器２の内部に配置され原子炉容器２の外部から二次冷却材が供給される一方で二次冷却材の蒸気が原子炉容器２の外部に排出される蒸気発生器５と、原子炉容器２の内部に配置され二次冷却材と熱交換する一次冷却材を炉心７と蒸気発生器５とに循環させる一次冷却材ポンプ６と、原子炉容器２の内部に配置され炉心７に制御部材１０を抜き差しする制御部材駆動機構４と、を備える。

実施形態の原子炉１によれば、炉心７の小型化を図り、かつ小型の炉心７を備えつつ、蒸気発生器５、一次冷却材ポンプ６、制御部材駆動機構４と、原子炉容器２の内部に配置した一体型に構成できる。

１原子炉
２原子炉容器
２Ａ容器本体
２Ｂ容器蓋
３炉心支持構造物
３Ａ炉心槽
３Ａａ貫通孔
３Ｂ上部炉心支持板
３Ｂａ貫通孔
３Ｃ下部炉心支持板
３Ｃａ貫通孔
３Ｃｂ上面
４制御部材駆動機構
５蒸気発生器
６一次冷却材ポンプ
７炉心
８燃料棒
８Ａ核燃料
８Ｂ筒部材
８Ｃ上部端栓
８Ｄ下部端栓
８Ｄａ底面
８Ｄｂ側面
８Ｄｃ切欠（連通部）
８Ｅ弾性部材
９グリッド
９Ａセル
９Ａａ隙間
１０制御部材
１０Ａ板体
１０Ａａ制御材
１０Ａｂ被覆材
１０Ａｃ格子
１１制御部材案内管
１２中性子反射体
１２Ａ反射材
１２Ｂ補強材
２０支持部材

Claims

上部炉心板あるいは上部炉心支持板と、下部炉心板あるいは下部炉心支持板とを備える炉心構造であって、
複数の燃料棒が前記上部炉心板あるいは前記上部炉心支持板と前記下部炉心板あるいは前記下部炉心支持板との間に配置され、下端が前記下部炉心板あるいは前記下部炉心支持板の上面に直接置かれて支持され、上端と前記上部炉心支持板との間に間隔が形成される、炉心構造。
前記燃料棒が独立して三角格子状に配置されている、請求項１に記載の炉心構造。
所定の前記燃料棒の間に配置された制御部材案内管と、前記制御部材案内管に挿入される制御部材と、を備え、
前記制御部材は、前記燃料棒の三角格子状の配置に沿う板体として形成され、前制御部材案内管は、板体である前記制御部材を挿入可能に前記燃料棒の三角格子状の配置に沿って設けられている、請求項２に記載の炉心構造。
前記制御部材は、挿入方向から視て前記板体を組み合わせた三等方配置板形状に形成されている、請求項３に記載の炉心構造。
各前記燃料棒が挿通されるセルを有するグリッドを備え、
前記グリッドは、前記セルが６角形状に形成されたハニカム構造に構成されている、請求項２から４のいずれか１項に記載の炉心構造。
原子炉容器と、
請求項１から５のいずれか１項に記載の炉心構造を有して前記原子炉容器の内部に配置された炉心と、
前記原子炉容器の内部に配置され前記原子炉容器の外部から二次冷却材が供給される一方で前記二次冷却材の蒸気が前記原子炉容器の外部に排出される蒸気発生器と、
前記原子炉容器の内部に配置され前記二次冷却材と熱交換する一次冷却材を前記炉心と前記蒸気発生器とに循環させる一次冷却材ポンプと、
前記原子炉容器の内部に配置され前記炉心に制御部材を抜き差しする制御部材駆動機構と、
を備える、原子炉。