JPH01152393A - 自然循環方式沸騰水型原子炉 - Google Patents

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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は冷却水を自然循環させる自然循環方式沸騰水
型原子炉に関する。

（従来の技術） 第７図は従来の強制循環方式沸騰水型原子炉を示す概念
図である。

この強制循環方式沸騰水型原子炉１は、原子炉再循環ポ
ンプ３によって、原子炉圧力容器５内に収容された冷却
１７の一部を昇圧して駆動水とし、この駆動水をジェッ
トポンプ９の上方に導いて流下させ、冷却材７を炉心１
１の下方へ強制的に導くものである。この冷却材７は、
炉心１１内を上昇する間にその炉心１１の核反応熱によ
り気液二相流となり、気水分離器１３によって蒸気と水
に分離される。このうち蒸気は蒸気乾燥器１５により乾
燥され、図示しない主蒸気管を経てタービン（図示せず
）等へ導かれる。また、気水分離器１３および蒸気乾燥
器１５で分離された水は、ジエン１−ポンプ９の上部ま
で流下し、このジェットポンプ９により再び炉心１１の
下方へ送られる。

さて、上記炉心１１は燃料集合体１７が複数本配列して
構成され、この燃料集合体１７は、図示しない燃料棒が
例えばチャンネルボックス内に多数本正方格子状に配列
して形成される。ここで、炉心１１のうち燃料集合体１
７のチャンネルボックス内部をインナチャンネル部、燃
料集合体１７のチャンネルボックス外部をアウトチャン
ネル部と称する。冷却材は、全循環量の約９０％がイン
ナチャンネル部内を、その約１０％がアウトチャンネル
部内を流れるよう設計される。

また、燃料棒の核反応熱により発生するボイドは、イン
ナチャンネル部のみで生じ、アウトチャンネル部では発
生しないよう設計されている。これは、インナチャンネ
ル部でのボイド発生により、炉心１１の上部に行くに従
い中性子減速効果が減少するので、これを緩和するため
である。

さて、上述のような強制循環方式沸騰水型原子炉に対し
、原子炉圧力容器内の冷却水を、ボイドの発生による水
頭差を利用して自然循環させる自然循環方式沸騰水型原
子炉が提案されている。この自然循環方式沸騰水型原子
炉は、強制循環方式沸騰水型原子炉に比較し、プラント
サイズ等によっては、原子炉再循環ポンプを含む強制循
環ループが不要となり、経済的に有利な場合がある。

〈発明が解決しようとする問題点） ところが、自然循環方式沸騰水型原子炉の炉心を、従来
の強制循環方式沸騰水型原子炉の炉心構成とした場合に
は、アウトチャンネル部にもボイドが発生し、この７「
りトチヤンネル部では上方はどボイド率が大きくなる。

したがって、アラトチ１フンネル部でのボイドの発生に
より、第４図の実線Ｂで示ずように、炉心上部における
中性子減速効果が減少する。その結果、第５図の実線り
で示すように、炉心１１における上部の出力が相対的に
小さくなり、炉心１１の下部に著しく大きなピークを呈
する軸方向出力分布となる。

一方、過渡運転時には、負荷を遮断し主蒸気隔離弁をｍ
操作するが、この主蒸気隔離弁の閉作動により原子炉圧
力容器５内の圧力が上昇する。この圧力上界により、イ
ンナチャンネル部およびアウトチャンネル部で発生した
ボイドが潰れる。したがって、過渡連戦時にボイド率の
変化の程度が大きくなるので、中性子減速材としての冷
却材の密度の増加が大きくなり、その結果、中性子束が
茗しく増え出力上界幅が増大する。このように過渡時に
おいて燃料が過大な出力となると、燃料の健全性が損わ
れるおそれがあるため、運転余裕を大きくとる必要があ
り、過渡特性が低下する。

さらに、前述のように軸方向出力分布に著しい差があり
、また過渡特性が悪く運転余裕を大きくとる必要がある
ので、炉心１１の燃料集合体１７の配置に制約が生じ、
効率的な燃焼をさせることができない。すなわち、反応
度の高い多くの燃料集合体１７を、中性子束の低い炉心
１１の外周付近に配置して、炉心１１内の出力の歪みを
小さくする必要が生じ、その結果燃料経済性が低下する
。

この発明は、上記事実を考慮してなされたものであり、
軸方向の出力分布を平坦化することができるとともに、
過渡特性および燃料経済性を向上させることができる自
然循環方式沸騰水型原子炉を提供することを目的とする
。

（発明の構成） （問題点を解決するための手段） この発明は、燃料集合体が複数本配列して構成された炉
心を有し、上記燃料集合体は多数本の燃料棒がチャンネ
ルボックスの内側に配列して構成された自然循環方式沸
騰水型原子炉において、上記チャンネルボックスの外側
に固体減速材が配置され、この固体減速材は、燃料集合
体の燃旧有効部上端からこの燃料有効部の少なくとも約
１／３を占めるよう配置されたものである。

（作用） したがって、この発明に係る自然循環方式沸底水型原子
炉によれば、固体減速材の存在により、７ウトチヤンネ
ル部における中性子減速効果が確保でき、軸方向出力分
布を平坦化することができる。

また、固体減速材がアウトチャンネル部に存在するので
、過渡時の圧力上昇によってもインナチャンネル部内の
ボイドのみが潰れボイド率の変化の程度が小ざい。この
ため、中性子束の増加量が小さく出力変動幅を減少でき
るので、運転余裕が増大し過渡特性を向上させることが
できる。

さらに、軸方向出力分布や過渡特性が向上するので、反
応度の高い燃料集合体を炉心内部に配置でき、燃焼効率
が増大して燃料経済性を向上させることができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの発明に係る自然循環方式沸騰水型原子炉の
一実施例を示す概念図である。この実施例において前記
従来例と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説
明を省略する。

自然循環方式沸騰水型原子炉２１では、冷却材７が炉心
２３内を上昇する間にボイドが発生し、これにより炉心
２３の内側と外側とに水頭差が生じる。冷却材７は、こ
の水頭差によりダウンカマ部２５を流下し、炉心２３へ
導かれる。

炉心２３を構成する燃料集合体２７には、第２図にも示
すように、そのチャンネルボックス２９の外側に固体減
速材３１が形成される。この固体減速材３１は黒鉛また
はジルコニウムハイドライドＺｒＨ２等から構成される
。また、燃料集合体２７の構成要素である燃料棒（図示
せず）は、長尺の被覆管に燃料ペレッ］・が充填して形
成される。

燃料集合体２７のうち、この燃料ペレットが充填された
部分を燃料有効部と称すると、上記固体減速材３１は、
燃料集合体２７の燃料有効部上端からこの燃料有効部の
少なくとも約１／３を占めるよう配置される。

また、一般に炉心２３では、第３図に示すように４枚の
ブレードを備えた制御棒３３が４体の燃料集合体２７に
つき１本の割合で挿入され、制御棒３３の各ブレードが
燃料集合体２７間に位置する。したがって、上記固体減
速材３１は、チャンネルボックス２９の４面のうち、制
御棒３３のブレードに対向しない外側の２面に固着され
る。但し、制御棒３３が燃料集合体２７の内部に挿入さ
れる構成のクラスタ型制御棒の場合には、チャンネルボ
ックス２９の４面の全てに固体減速材３１が固着される
。

さらに、固体減速材３１には、第２図および第３図に示
すように、冷却材７の流れ方向に流路３５が形成される
。この流路３５は、炉心２３のアウトチャンネル部でた
とえボイドが発生しても、この流路３５からボイドが上
方に逃げて冷却材の循環がスムーズになり、炉心２３の
上部が有効に冷却でき得るよう設けられる。

次に、作用効果を説明する。

燃Ｆｌ集合体２７のチャンネルボックス２９の上部に固
体減速材３１が設けられたことから、炉心２３のインナ
チャンネル部でボイドが発生して中性子減速効果が減少
しても、この中性子減速効果の減少を補償することがで
きる。固体減速材３１を取り付けたことによる軸方向中
性子減速効果の変化を第４図の実線へで示す。この第４
図の実線Ａから明らかなように、炉心２３のアウトチャ
ンネル部の上部に固体減速材３１が存在することは、軸
方向中性子減速効果の平坦化に有効であることがわかる
。このように、軸方向中性子減速効果が平坦化されてい
ることから、第５図の実線Ｃで示すように、軸方向出力
分布も平坦化される。

また、過渡運転時には負荷を遮断し、主蒸気隔離弁を開
操作するが、この主蒸気隔離弁の閉作動によって原子炉
圧力容ＰＪＳ内の圧力が上昇する。

しかし、燃料集合体２７の上部に固体減速材３１が配置
されているので、上記圧力上昇以前においては炉心２３
のインナチャンネル部にのみボイドが生じ、アウトチャ
ンネル部にはボイドが殆ど生じていない。したがって、
上記圧力上昇によってインナチャンネル部のボイドのみ
が潰れることになる。そのため、中性子減速材としての
冷却材の密度の増加が少なく、中性子束の増加量が少な
いので、過渡時における出力上昇幅を低減できる。

その結果、運転および設計上の自由度が大きくなり、過
渡特性を向上させることができる。

さらに、燃料集合体２７に固体減速材３１を取り付けた
ことにより軸方向の出力分布の平坦化および過渡特性の
改善を図ることができることから、反応度の高い多くの
燃料集合体を、中性子束の多い炉心内部に配置すること
ができ、燃料を効率的に燃焼させることができる。その
結果、燃料経済性の向上を図ることができる。

また、固体減速材３１には流路３５が形成されているこ
とから、炉心２３のアウトチャンネル部でボイドが発生
しても、ボイドを上方に逃がずごとができる。したがっ
て、アウトチャンネル部における冷却材の流れがスムー
ズになり、炉心２３の上部を有効に冷却することができ
る。

さらに、燃料集合体２７におけるチャンネルボックス２
９の外側２面または４面に固体減速材３１が固着された
ことから、これらの固体減速材３１が水平方向の支持部
材としての機能を果し、燃料集合体２７の固定をより強
固なものにすることができる。そのため、燃料集合体２
７の振動を有効に防止することができる。

この実施例における燃料集合体２７では、従来の強制機
゛環方式沸騰水型原子炉の燃料集合体に設計上の大きな
変更を必要とせず、コストの上昇を来たすこともない。

第６図はこの発明に係る自然循環方式沸騰水型原子炉の
他の実施例における炉心の要部を示す斜視図である。こ
の実施例において前記従来例と同様な部分は同一の符号
を付す。

この他の実施例が前記実施例と貨なるのは、燃料集合体
３７のチャンネルボックス３９に固体減速４１４０が固
着されるのではなく、この固体減速材４０が燃料集合体
３７の上部を支持する上部支持格子板４１に垂下された
点である。つまり、この固体減速材４０は、前記固体減
速材３１と同様に黒鉛またはジルコニウムハイドライド
Ｚｒ　８２等から構成されるとともに、燃料集合体３７
の燃料有効部を、その上端から少なくとも約１７３を占
めるように配置される。また、流路４３は固体減速材４
０および上部支持格子板４１に、冷却材の流れ方向に貫
通して設けられる。

このような他の従来例においても前記実施例と同様に軸
方向出力分布の平坦化、過渡特性の向上および燃料経済
性の向上等を図ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係る自然循環方式沸騰水型原
子炉によれば、燃料集合体におけるチャンネルボックス
の外側に固体減速材が配置され、この固体減速材が燃料
集合体の燃料有効部上端からこの燃料有効部の少なくと
も約１／３を占めるよう配設されたことから、燃料集合
体のアウトチャンネル部における中性子減速効果を確保
して軸方向の出力分布を平坦化させることができるとと
もに、過ＩＩ時におけるボイド率変化の程度を低減し、
出力変動幅を減少できるので、″Ａ渡特性を向上させる
ことができる。

、さらに、これら軸方向出力分布や過渡特性が向上する
ので、反応度の高い燃料集合体を炉心内部に配置でき、
燃焼効率を増大して燃料経済性をも向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る自然循環方式沸騰水型原子炉の
一実施例を示す概念図、第２図は第１図の燃料集合体の
要部を示す斜視図、第３図は第１図の炉心構成の要部を
示す平面図、第４図は上記一実施例と従来例との軸方向
中性子減速効果の変化を示すグラフ、第５図は上記実施
例と従来例との軸方向出力分布を示すグラフ、第６図は
この発明に係る自然循環方式沸騰水型原子炉の他の実施
例における炉心の要部を示す斜視図、第７図は従来の強
制循環方式沸騰水型原子炉を示す概念図である。 ２１・・・自然循環方式沸騰水型原子炉、２３・・・炉
心、２７・・・燃料集合体、２９・・・チャンネルボッ
クス、３１・・・固体減速材。 第７図 第２図　　　　第３図 第６図 中性子、ＪＳ遼効釆 第４図 出力分部 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料集合体が複数本配列して構成された炉心を有し
   、上記燃料集合体は多数本の燃料棒がチャンネルボック
   スの内側に配列して構成された自然循環方式沸騰水型原
   子炉において、上記チャンネルボックスの外側に固体減
   速材が配置され、この固体減速材は、燃料集合体の燃料
   有効部上端からこの燃料有効部の少なくとも約１／３を
   占めるよう配置されたことを特徴とする自然循環方式沸
   騰水型原子炉。 ２、固体減速材はチャンネルボックスの外側に固着され
   た特許請求の範囲第１項記載の自然循環方式沸騰水型原
   子炉。 ３、固体減速材は、燃料集合体の上部を支持するための
   上部支持格子板に垂設された特許請求の範囲第１項記載
   の自然循環方式沸騰水型原子炉。 ４、固体減速材には、冷却材の流れ方向に流路が形成さ
   れた特許請求の範囲第１項から第３項にいずれか記載の
   自然循環方式沸騰水型原子炉。