JPH01102394A

JPH01102394A - 自然循環型原子炉

Info

Publication number: JPH01102394A
Application number: JP62260871A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hatamiya; 重雄幡宮; Michio Murase; 道雄村瀬; Yoshiyuki Kataoka; 良之片岡; Toshiji Hiratsuka; 平塚　利治
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-16
Filing date: 1987-10-16
Publication date: 1989-04-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、炉心内外の静水頭差により循環流量が確保さ
れる自然循環型原子炉に係わり、とくに炉心ボイド率制
御によるスペクトルシフト運転が可能な自然循環型原子
炉に関する。

〔従来の技術〕

スペクトルシフト運転による燃料経済性向上を達成させ
るには、炉心のボイド率制御行う必要がある。炉心ボイ
ド率制御を行う手段としては、−数的に、循環流量を変
化させる方法と、炉心入口における冷却材のサブクール
度を変化させる方法がある。

強制循環型のＢＷＲでは、−数的に再循環ポンプにより
Ｗｉ環流量を変化させることができるので、前者の方法
によって炉心ボイド率制御を行っている。即ち循環流量
を変えると、炉心内水イド率が変わり水の原子による中
性子の減速効果が変化するため反応度が変わる９例えば
、循環流量を増大すればボイド率が下がり、中性子増倍
率が上がり、反応度を増加することができる。

ところで強制循環型のＢＷＲにおいては、再循環ポンプ
を使用せずに循環流量を変化させる方法として、特開昭
５５−６６７９６号に記載された給水ジェットポンプが
ある。これは給水配管を途中で分岐させ、一方を給水ジ
ェットポンプに接続し、これに給水される流量割合を変
えて、循環流量を変化させようとするものである。

一方、炉心入口における冷却材のサブクール度を変化さ
せる後者の方法としては、特開昭５９−１９５１９６号
に記載のように、炉水液面より下部の循環流路内と上部
の蒸気相内に熱交換器をそれぞれ設置する方法があり、
これは自然循環型の原子炉と対象としている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の自然循環型ＢＷＲでは、炉心構造と炉心水位によ
り炉心出力に応じた循環流量が決まり、炉心出力と独立
に循環流量を変化させることはできなかった。そのため
、炉心ボイド率を変化させ、反応度を制御するためには
、上記特開昭５９−１９５１９６号に記載のように、炉
心入口における冷却材のサブクール度を制御する必要が
あった。

しかしながら、上記従来技術のサブクール制御では循環
流路内と液面上部の蒸気相内に熱交換器を使用しており
、熱交換器とその捕機設備とが必要となり、これが建設
の増大要因となるという問題があった。

一方、自然循環炉ではないが、再循環ポンプを省略して
、給水流量により炉心の循環水を駆動させるという、上
記給水ジェットポンプにおいては、以下の問題点がある
。炉心循環流量のうち、発生蒸気となりタービンに送ら
れる量は循環流量の２０％程度である。この蒸気が復水
器、加熱器を径由して給水としてダウンカマに戻され、
その際ジェットポンプとして循環流を駆動しようとする
と、現在のジェットポンプの性能では、この流量を充分
に駆動するのは難しく、より高性能なジェットポンプの
開発が必要であると考えられる。

本発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであって、
その目的は、簡単な構造で炉心ボイド率制御によるスペ
クトルシフト運転を行うことのできる自然ＩＪｆｔＴＭ
型原子炉を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、シュラウドと圧力容器間のダウンカマ内で
かつ炉水位より下方に、複数の環状の給水スパージャを
それぞれ異なる高さに配置し、給水配管を複数の給水枝
管に分岐し、これら給水枝管を前記複数の給水スパージ
ャにそれぞれ接続すると共に、前記給水枝管に給水制御
手段を設けたことを特徴とする自然循環型原子炉によっ
て達成される。

〔作用〕

自然循環型原子炉においては、循環流量はシュラウド内
外の静水頭差即ち炉心上下の圧力差により決まる。タウ
ンカマ上方の給水スパージャに全給水量を給水した場合
には、ダウンカマ上方で循環水にサブクールが生じ、循
環水に伴われ流下してくる蒸気泡は、そのサブクールさ
れた液中で凝縮し、ダウンカマ上方の給水スパージャよ
り下方のダウンカマ部分では循環水中の蒸気泡の量は最
少となる。即ちダウンカマ内の平均ボイド率は最少とな
る。このためダウンカマ下部の静水頭は最大となり、炉
心上下の圧力差も最も大きくなる。

これにより循環流量も最大となり、炉心ボイド率が最少
となる。

ダウンカマ下方の給水スパージャに全給水量を給水した
場合には、その部分よりも上方のダウンカマ内を流下す
る循環水にはサブクールが生じないので、その循環水中
の蒸気泡のサブクールによる凝縮も起こらず、ダウンカ
マ内の平均ボイド率は最大となる。このためダウンカマ
下部の静水頭は最少となり、炉心上下の圧力差が最少と
なり、循環流量が最大となって、炉心ボイド率が最大と
なる。

ダウンカマ上方の給水スパージャと下方の給水スパージ
ャとの給水割合を、上記全量給水以下で連動して変化さ
せた場合には、上記最大循環流量と最少循環流量との間
の給水割合に応じたｆｆｉ環流量が得られ、それに応じ
た炉心ボイド率が得られる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例による自然循環型原子炉を
示すもので、図中符号１は原子炉の圧力容器である。圧
力容器１内には炉心２が配置され、炉心２はシュラウド
３により囲まれ、シュラウド３と圧力容器１との間には
ダウンカマ４が形成されている。

圧力容器１には主蒸気配管５が接続され、主蒸気配管５
より取り出された蒸気はタービン６で仕事をした後、復
水器７で凝縮され、熱交換器８を通って給水ポンプ９で
昇圧され、給水配管１ｏに送られる。給水配管１０は途
中で２つの給水枝管１１．１２に分岐されている。

一方圧力容器１内において、シュラウド３と圧力容器１
間のダウンカマ４内でかつ炉水位より下方には、２つの
給水スパージャ１３．１４がそれぞれ異なる高さに配置
され、給水枝管の一方１１は上方の給水スパージャ１３
に接続され、もう−方の給水枝管１２は下方の給水スパ
ージャ１４に接続されている。即ち給水ポンプ９より給
水配管１２をへた給水に対しては、第１の系統の給水ス
パージャ１３と給水枝管１１と、第２の系統の給水スパ
ージャ１４と給水枝管１２とが設けられ、給水スパージ
ャ１３．１４から圧力容器１内に給水される。給水スパ
ージャ１３．１４は、後述するようにダウンカマ４内で
環状に配置されており、給水と循環水とが十分速やかに
混合されるようになっている。

給水枝管１１．１２にはそれぞれ給水弁１５゜１６が接
続され、これら給水弁１５．１６にはそれらの開度を制
御する流量制御装置１７が連携されている。上部の給水
スパージャ１３および下部の給水スパージャ１４への給
水割合は流量ＭＣｎ装置１７により給水弁１５．１６の
開度を連動させて変化させることにより任意に設定でき
る。

シュラウド３の炉心２より上方の上部の側面には、シュ
ラウド３内外を連通ずる流路として複数の孔１８が異な
る高さにか設けられている。

次にこの実施例構造における作用を第２図及び第３図を
参照して説明する。

自然循環型原子炉においては、循環流量はシュラウド内
外の静水頭差即ち炉心上下の圧力差により決まる。第２
図にはその炉心の圧力差がＰ２−Ｐｌで示されている。

まず、第１の系統の給水弁１５を全開とし、ダウンカマ
上方の給水スパージャ１３に全給水量を給水した場合に
は、タウンカマ上方で循環水にサブクールが生じ、循環
水に、伴われ流下してくる蒸気泡は、そのサブクールさ
れた液中で凝縮し、ダウンカマ上方の給水スパージャ１
３より下方のダウンカマ部分では循環水中の蒸気泡の量
は最少となる。即ちダウンカマ内の平均ボイド率は最少
となる。このためダウンカマ下部の静水頭は最大となり
、炉心上下の圧力差Ｐ２−Ｐ１　も最も大きくなる。こ
れにより循環流量も最大となり、炉心ボイド率が最少と
なる。

−例として、ダウンカマ４上方の給水スパージャ１３に
全給水量を給水し、それが混合した後での環境水の液サ
ブクール度は約１５度となり、液に伴われ流下してくる
蒸気泡はサブクール液中で凝縮し、上部給水スパージャ
より下方のダウンカマ部では液単相流となる。さらに、
シュラウド３内部の平均ボイド率を約０．６とすれは、
炉心上下の差圧Ｐ２−Ｐ１は約６５ｋｐａとなる。

次に、第２の系統の給水弁１６を全開とし、ダウンカマ
下方の給水スパージャ１４に全給水量を給水した場合に
は、その部分よりも上方のダウンカマ４内を流下する循
環水にはサブクールが生じないので、その循環水中の蒸
気泡のサブクールによる凝縮も起こらず、タウンカマ内
の平均ボイド率は最大となる。このためダウンカマ下部
の静水頭は最少となり、炉心上下の圧力差Ｐ２−Ｐ１が
最少となり、循環流量が最大となって、炉心ボイド率が
最大となる。

一例として、ダウンカマ下方の給水スパージャ１４に全
給水量を給水した場合は、図示実施例ではシュラウド上
部の孔１８からも気泡が流入しているなめ、下部給水ス
パージャ１４より上方のダウンカマ部の平均ボイド率を
、通常より多少おおきめな値として０．３と仮定すれば
、炉心上下の差圧Ｐ２−Ｐ１は約４２　ｋ　ｐ　ａとな
る。

給水弁１５．１６の開度割合を上記全開以下で連動して
変化させ、ダウンカマ上方の給水スパージャＩ３と下方
の給水スパージャＩ４との給水δ１１合をそれに応じて
変化させた場合には、上記最大循環流量と最少循環流量
との間の給水割合に応じた循環流量が得られ、それに応
じた炉心ボイド率が得られる。

上記例では、ダウンカマ上方の給水スパージャに全量給
水した場合と、ダウンカマ下方の給水スパージャに全量
給水した場合とでは、炉心上下の圧力差は最大約５０％
変化させることができる。

これは循環流量を約２３％の範囲にわたって変化させな
ことに相当する。従って、給水弁１５．１６の開度割合
を上記のように制御することにより、循環流量を約２３
％にわたって変化させることができる。

第３図は上部と下部の給水スパージャ１３，１４の給水
割合を変化させた場合のダウンカマ４における循環水の
平均温度（サブクール度）と、静水頭の変化の一例を示
している。全給水量が一定なら、循環水の炉心入口温度
は一定となるが、上部と下部の給水スパージャ１３．１
４の給水割合の変化により、ダウンカマ部の液温がそれ
につれて変化しているのが分かる。なお上部給水スパー
ジャ１３の給水割合が低い場合に、循環水の平均温度か
変化せず、一定値を示しているのは、液のす、ブクール
が蒸気の潜熱吸収に費やされているためである。

以上のように、本実施例はダウンカマ４の上部と下部の
給水割合を変化させ、液サブクールにより蒸気泡をａ縮
させることにより、ダウンカマ４のボイド率制御を行い
、炉心上下のの差圧を変化させ、これにより炉心出力と
独立して循環流量を制御するものである。そしてこのよ
うに循環流量を制御することにより炉心ボイド率制御に
よるスペクトルシフト運転が行われ、燃料の高燃焼度化
による燃料経済性の向上を図ることができる。

またこの実施例では、孔１８によりシュラウド３内外が
連通しているため、シュラウド３内部からこの孔１８を
通ってダウンカマ４に蒸気泡が流出し、ダウンカマ３内
を循環水に伴って流下する気泡量は従来の自然循環型原
子炉より多くすることができ、これによりダウンカマ４
の平均ボイド率の変化を大きくし、炉心上下の差圧の制
御範囲ひいては循環流量の制御範囲を大きくとることが
できるという利点がある。

このように、従来、自然循環型原子炉においては、ダウ
ンカマ４の蒸気の巻き込み（キャリーアンダー）は循環
流量を減少させるものとして嫌われてきたが、本実施例
ではこの蒸気の巻き込みヱを意識的に増加させ、循環流
量の制御幅を拡大している。ただし、本実施例において
は、蒸気の巻き込み量を増加させてはいるが、ダウンカ
マ上方に給水スパージャ１３を設置してあり、それに給
水することによりボイドを潰すことができるため、ボイ
ドの影響を取り除くことができ、従来よりもむしろ高流
量を得ることが可能になる。

なお本発明は、このシュラウド上部側面の連通孔１８が
無い場合においても、シュラウド３の上端から循環水に
伴われて蒸気泡がダウンカマ３に流入するため何ら問題
なく成立するものである。

第４図は本発明の他の実施例による自然循環型原子炉を
示す。この実施例では、給水配管１０より３つの給水枝
管２０，２１．２２が分岐し、圧力容器１内には上中下
３段に３つの給水スパージャ２３．．２４．２５が配置
され、これら給水スパージャ２３．２４．２５に給水枝
管２０，２１゜２２がそれぞれ接続されている。給水配
管１０と３つの給水枝管２０，２１．２２との間には、
３つの給水枝管２０，２１．２２の１つを選択し、給水
配管１０からその選択された給水枝管に給水を行う給水
切り替え器２６が設けられている。

給水切り替え器２６により給水枝管２０に給水が切り替
えられた場合には、上方の給水スパージャ２３より給水
が行われ、ダウンカマ４の平均ボイド率が最少となり、
最大の循環流量が得られる。

給水枝管２１に給水が切り替えられた場合には、中間の
給水スパージャ２４より給水が行われ、平均ボイド率が
中間の値を示し、中間の循環流量が得られる。給水枝管
２２に給水が切り替えられた場合には、平均ボイド率か
最大となり、最少の循環流量が得られる。

この実施例では、第１図に示した実施例のような給水弁
の開度割合に応じた上部と下部の給水スパージャの給水
割合の制御によるボイド率制御を行うのではなく、給水
位置を変えることによるタウンカマ全体としての平均ボ
イド率制御である点が異なっており、制御装置を使用し
ていないなめ、第１図の実施例より構成が単純になると
いう利点がある。

第５図は給水スパージャ１３．１４及び２３゜２４．２
５の構造の具体例を示したものである。

給水によるダウンカマ４の平均ボイド率制御では、液サ
ブクールにより蒸気泡を凝縮させるため、給水と循環水
が速やかに均一に混合されることが望ましい、給水と循
環水の混合が不均一だと、ある場合には蒸気泡が凝縮す
るが、ある場合には凝縮が起こらないという可能性があ
り、ボイド率制御の安定性が悪くなる。そのためこの例
では、給水と循環水がダウンカマ４を流下してゆく間に
速やかに均一に混合されるように、環状の本体３０の下
方に等間隔に出口ノズル３１を備えた構造とし、その環
状の本体３０を圧力容器１の内壁に沿って設置するよう
にしている。

第６図は給水スパージャの別な例であり、本体を３つの
弧状部分３２，３３．３４で構成し、それらを接続板３
５で接続し、給水枝管１１．１２及び２０，２１．２２
の各々の先端も３つの部分３６．３７．３８に分岐し、
弧状部分３２．３３゜３４をそれぞれ稜間部分３６，３
７．３８に接続したものである。この給水スパージャも
、第５図に示すものと同様に圧力容器１の内壁に沿って
環状に設置される。この実施例においては、給水スパー
ジャをこのように分割することにより、給水枝管部分３
６．３７．３８から弧状部分３２，３３．３４内に入り
、実際にダウンカマ４に給水されるまでの距離が短くな
り、その間の給水の加熱が少なくなり、周方向に−様な
温度の水を給水することができるという利点かある。

以上述べたように、本発明の自然循環型原子炉は給水制
御により循環流量を制御し、炉心ボイド率制御を行って
スペクトルシフト運転を行うものであるが、自然循環型
原子炉は、炉心の水位を変化させることによっても循環
流量を制御することができ、給水制御にこの水位制御を
組み合わせることによって、循環流量の制御範囲を拡大
し、より効果的なスペクトルシフト運転を行うことがで
きる。

第７図は、第１図に示した実施例の自然循環型原子炉を
、ダウンカマ水位が通常よりも低く、上部の給水スパー
ジャ１３が蒸気中に露出するような低水位において運転
している状態を示す。この場合、ダウンカマ４内の水位
がシュラウド３の上端よりも低いので、炉水は、シュラ
ウド３の上端ではなく、シュラウド３の側面に設けられ
た、シュラウド内外を連通させる前述した複数の孔１８
を通ってダウンカマ４に流入し、この孔１８により循環
水が確保される。

この状態においては、上部の給水スパージャ１３が蒸気
中に露出しているので、上部スパージャ１３に給水する
と、蒸気中にサブクールを持った液が散布されるわけで
あり、蒸気の直接接触凝縮がおこり、発生させた蒸気を
有効に利用できないことになる。そこで、ダウンカマ水
位を下げて低循環流量で運転する場合には、第１図に示
した実施例における低循環流量での運転で説明したのと
同様に、ダウンカマ下部の給水スパージャ１４に給水を
して運転することになる。このように運転すると、ダウ
ンカマ上部には冷却水が存在しないため、第１図の実施
例で説明した給水制御のみの場合よりもダウンカマ内の
静水頭を小さくでき、循環流量をより低くすることが可
能となる。

一方、ダウンカマ４内の水位を上げて高循環流量で運転
する場合には、第１図の実施例における高ｆＩ環流量で
の運転と同様に、タウンカマ４の上部の給水スパージャ
１３に給水することによってダウンカマ４内に混入する
蒸気を凝縮し、ダウンカマ４内への蒸気混入による循環
流量の低下を防止することができる。

このように、前述した実施例で説明した給水制御と、ダ
ウンカマ４の水位制御を組み合わせることにより、さら
に広い流量制御範囲を得ることができ、スペクトルシフ
ト運転を一層効果的に行うことができる。

なお以上の給水制御と水位制御との組み合わせによる運
転を第１図に示した実施例との関連で説明したが、第４
図に示す実施例も同様に、給水制御と水位制御を組み合
わせて運転することができるものである。

〔発明の効果〕

以上明らかなように本発明の自然循環型原子炉によれば
、給水系統に簡単な変更を加えるだけの構成で、炉心出
力と独立に循環流量を制御して炉心ボイド率制御による
スペクトルシフト運転を行うことができ、これにより燃
料の高燃焼度化が図られ、原子炉の燃料経済性を向上で
きることができるものである６

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による自然循環型原子炉の概
略縦断面図であり、第２図はその自然循環型原子炉の操
作を説明する概念図であり、第３図はその自然循環型原
子炉における循環流量特性の一例を示す説明図であり、
第４図は本発明の別の実施例による自然循環型原子炉の
概略縦断面図であり、第５図および第６図はこれら実施
例の自然循環型原子炉に用いる給水スパージャの具体的
ｍ造を示す詳細図であり、第７図は本発明の自然循環型
原子炉の運転方法の応用例を説明するための同原子炉の
概略縦断面図である。符号の説明１・・・圧力容器　　　　　２・・・炉心３・・・シュ
ラウド　　　　４・・・ダウンカマ１０・・・給水配管
　　　　１１．１２・・・給水枝管１３．１４・・・給
水スパージャ１５．１６・・・給水弁（給水制御手段）出願人　　株
式会社　日立製作所代理人　　弁理士　春　日　　課１−−−−−一圧力容器２−−−−一−Ｆ心３−−−−−−　シュラウド４−−−−−−ダウンカマ１０−一−−−給水配管１１．１２−０−給水枝管１３．１４−一給氷スパージ中１５．１６−−−給水弁（給水制御子（支）第３図０　　０．２　　０．４　０．６　０．８１．。第５因第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧力容器及び炉心と、炉心を囲むシュラウドとよ
りなる自然循環型原子炉において、前記シュラウドと圧
力容器間のダウンカマ内でかつ炉水位より下方に、複数
の環状の給水スパージャをそれぞれ異なる高さに配置し
、給水配管を複数の給水枝管に分岐し、これら給水枝管
を前記複数の給水スパージャにそれぞれ接続すると共に
、前記給水枝管に給水制御手段を設けたことを特徴とす
る自然循環型原子炉。
（２）前記給水制御手段が各給水枝管に接続された給水
弁であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
自然循環型原子炉。
（３）前記給水弁を炉心流量制御手段に連携させ、高炉
心流量設定時には、ダウンカマ内上部に配置した前記給
水スパージャに接続された前記給水枝管の給水弁を開と
し、低炉心流量設定時には、ダウンカマ内下部に配置し
た前記給水スパージャに接続した前記給水枝管の給水弁
を開とするようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
第２項記載の自然循環型原子炉。
（４）前記給水スパージャと前記給水枝管を、ダウンカ
マ上部に配置した給水枝管とこれに接続した給水弁とか
らなる第１の系統と、ダウンカマ下部に配置した給水枝
管及びこれに接続した給水弁とからなる第２の系統との
２系統で構成し、これら２系統の給水弁を炉心流量制御
手段に連携させ、高炉心流量設定時には、第１の系統の
給水弁の開度を大とし、第２の系統の給水弁の開度を小
とし、低炉心流量設定時には第１の系統の給水弁の開度
を小とし、第２の系統の給水弁の開度を大とし、中間の
炉心流量設定時には、第１及び第２の系統の給水弁の開
度を、その設定中間流量に応じた開度割合となるように
したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の自然
循環型原子炉。
（５）前記給水制御手段が前記複数の給水枝管の１つを
選択して給水を行う給水切り替え手段であることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の自然循環型原子炉。
（６）前記シュラウドの炉心より上方の部分に、シュラ
ウド内外を連通する流路を異なる高さに複数設けたこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項から第５項のいずれ
か１つに記載の自然循環型原子炉。