JPH01172798A

JPH01172798A - 圧力管型原子炉

Info

Publication number: JPH01172798A
Application number: JP62333525A
Authority: JP
Inventors: Kunitoshi Kurihara; 栗原　国寿; Kazuo Azekura; 畦倉　和雄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-26
Filing date: 1987-12-26
Publication date: 1989-07-07

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、圧力管型原子炉に係り、さらに詳細には、重
水減速材領域に配列された制御捧廻りの炉心構造に関す
る。

〔従来の技術〕

従来提案に係る沸騰軽水冷却重水減速圧力管型原子炉の
燃料集合体は、第９図に示すように、複数の燃料棒１を
クラスター形状に束ねた構成をしており、これら複数の
燃料棒１は、圧力管２の内部に装荷されている。圧力管
２の内部には、冷却材である軽水６が、燃料棒１の間を
炉心下部から上部に向って流れ、燃料棒１内で核分裂に
より生じる熱を除去するものであって、カランドリア管
４の外部は、減速材である重水５によって満たされてお
り、この重水は、核分裂によって生じた高速中性子を、
中性子減速作用により低速の熱中性子にまで減速させて
、次の核分裂が生じる確率（核分裂断面積）を高める働
きをする。

そして、圧力管型原子炉の炉心構造は、第１０図に示す
ように、前記燃料集合体７が４角格子状に配置されてお
り、４体の燃料集合体７に囲まれた重水領域の中央部に
は、制御棒８あるいは中性子検出ｒｔ９が配置されてい
る。

また、制御棒は、第１１図に示すように、制御棒案内管
１２の中に挿入されるもので、制御棒案内管１２の炉心
部には、重水注入口２０が設けられており、重水注入口
２０の上方に設置されている重水注入配管１６から注入
された重水あるいは中性子吸収材（１０Ｂ等）入りの重
水は、制御棒案内管１２内を通って、炉心内の重水領域
１５に導びかれる。

さらに、第１１図に示す制御棒中性子吸収部１１は、第
１２図に示すように、保護管１７の内部に位置して、複
数本の中性子吸収棒（８４Ｃ等を充填）１９およびスペ
ーサー捧１８を幾層かのリング状に束ねた構造をしてい
る。

しかして、圧力管型原子炉は、前記したごとき炉心構造
を採用するものであり、たとえ定格出力運転中であって
も、第９図に符号２で示す各圧力管ごとに燃料交換が可
能となり、プラント利用率の向上化をはかることができ
る。また、第９図に示すように、圧力管２内における冷
却材（軽水）６の領域と、カランドリア管外部の減速材
（重水）領域５とが分離されているため、重水中に混入
する中性子吸収材（１０Ｂ等の液体ポイズン）の量を調
節して、炉心反応度を制御する運転法を適用することが
でき、原子炉運転中に挿入する制御棒の本数を低減する
ことが、できる。

ところで、重水の熱中性子に対する吸収断面積は、軽水
の１／１００以下と小さいので、重水減速材を用いた圧
力管型原子炉は、軽水炉に比べて中性子経済の面で優れ
ている。一方、冷却材である軽水が沸騰等によりボイド
化した時に投入されるボイド反応度は、軽水の減速機能
が喪失することによる負の反応度効果と、軽水の熱中性
子吸収′機能が喪失することによる正の反応度効果との
競合で決まるものであって、絶対値は非常に小さいが、
正の符号を持つ場合のあることが知られている。

そして、ボイド反応度係数が若干正の場合であっても、
ドツプラー反応度係数をも含めた出力係数を負の値とし
、また緊急炉停止等に対しても、その能力に十分余裕を
持たせることにより、安全上問題のない設計とすること
は可能であるが、他方、ボイド反応度をより負側に移行
させることも、原子炉安全上の裕度を増大するという面
で大きな意味があり、従来から数多くの方法が検討され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ボイド反応度を負側に移行させる方法の基本的な考え方
の１つとしては、燃料当りの重水減速材の割合を減らし
、中性子のエネルギースペクトルをハードにして（平均
エネルギーを高めて）、ボイド発生にともなう軽水の反
応度効果を緩和する方法がある。

その具体的な方法としては、燃料集合体間の格子ピッチ
を縮小して、重水減速材を減らす方法があるが、この方
法にあっては、構造強度や製造性の面から、前記した格
子ピッチの縮小に制約がある。

また、ボイド反応度を負側に移行させる他の方法しては
、重水領域内にボイドを発生させる装置を追加し１重水
の密度を低減する方法が考えられている（特開昭５８−
１３２６９２号公報参照）。

しかし、この方法では、ボイド制令が空間的に変動する
ため、この変動を容易に制御できるようにする点で改善
の余地がある。

さらに、ボイド反応度を負側に移行させるその（ｉの方
法としては、中”性子吸収断面積が小さく、かつ減速断
面積の小さい物質を重水中に混入する方法が考えられて
いる。

しかし、この方法も、要求される特性を有する物質の選
定が難しく、具体化されていないのが現状である。

本発明の目的は、原子炉安全上の裕度増大、すなわちボ
イド反応度の負側移行を［、！Ｉｔかつ確実に達成し得
ることに加えて、燃料経済性にすぐれた圧力管型原子炉
を提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的を達成するため１本発明は、重水減速材領域内
に燃料集合体と制御棒とを配列してなる圧力管型原子炉
において、前記制御棒を炉心から引き抜いた後の空間部
に重水が流入するのを阻止する重水流入阻止手段を備え
てなることを特徴とするものである。

また、本発明は、前記第１の構成に条件を付けるべく、
制御棒を炉心から引き抜いた後の空間部に重水が流入す
るのを阻止する重水流入阻止手段を、炉心周辺部の重水
領域内に複数装備したことを特徴とするものである。

〔作用〕

しかして、圧力管型原子炉にあっては、炉心に制御棒を
挿入すると、低エネルギーの熱中性子が制御棒の中性子
吸収材に吸収されるため、中性子エネルギースペクトル
がハードになり、ボイド反応度は負側に移行するが、制
御棒を引き抜いた場合、従来型原子炉の炉心構造にあっ
ては、制御棒が引き抜かれた後の案内管内に重水が流入
して中性子エネルギースペクトルがソフトになるため、
ボイド反応度は正側に戻ってしまう。

これに対し、本発明にあっては、制御棒を炉心から引き
抜いた後の空間部に重水が流入するのを阻止する重水流
入阻止手段を備えたことにより、中性子エネルギースペ
クトルがソフト化されることなく、原子炉安全上の裕度
増大、すなわちボイド反応度の負側移行を簡単かつ確実
に達成することができる。

また、本発明は、前記構成に条件を付けるべく、制御棒
を炉心から引き抜いた後の空間部に重水が流入するのを
阻止する重水流入阻止手段を、炉心周辺部の重水領域内
に複数装備したことにより、炉心周辺部のスペースを有
効に活用して、制御棒の本数を増やすことができ、炉心
平均のボイド反応度をより大巾に負側に移行させること
に加えて。

後述する理由により、燃料コストの低減、燃料管理の簡
素化等、燃料経済性にすぐれた圧力管型原子炉を提供す
ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を、第１図〜第３図にもとづいて詳細に説
明すると、第１図は本発明に係る圧力管型原子炉の一実
施例を示す制御棒要素８の縦断面図、第２図は第１図に
符号１１で示す中性子吸収部のＡ−Ａ断面図である。

第１図において、１１は制御棒中性子吸収部を示し、こ
の制御棒中性子吸収部１１は、制御棒挿入・引抜に際し
、制御棒案内管１２の内部を上下゛に駆動されるもので
あって、制御棒案内管１２の外部は、重水注入管２１に
よって取り囲まれており、重水注入管２１には、重水あ
るいは液体ポイズン入り重水（緊急炉停止時）を注入す
るため注入配管１６が接続されている。そして、制御棒
案内管１２は、第１１図に符叶２０で示す重水注入口を
有していない円管であり、重水領域１５から重水が流入
しないよう構成されており、したがって制御棒の挿入あ
るいは引抜き等の操作に拘わりなく、制御棒案内管２内
は、ボイド（中性子吸収部を冷却するためのガスが循環
中）となる、そして、第４図は制御棒案内管内ボイド化
によるボイド反応度変化の特性線図であり、第４図から
明らかなように、ボイド反応度は、案内管内重水をボイ
ド化することにより、全てのボイド率において、より負
側に移行する。なお、前記の解析結果は、４体の燃料集
合体ごとに１本の制御棒案内管を、それら４体の燃料集
合体に囲まれた重水領域の中央に配置した場合の効果に
相当する。

第３図は第１図に示す制御棒要素８を備えた圧力管型原
子炉の炉内構造を示す一部横断面図で、燃料集合体７を
４角格子状に減速材（重水）５の中に配置した構成であ
り、炉心中央領域において、それぞれ４体の燃料集合体
７に囲まれた重水領域の中央には、前記第１図に示す構
成よりなる制御棒要素８あるいは中性子検出器９が位置
しており、炉心周辺部の重水反射体領域にも、第１図に
示す構成よりなる周辺制御棒要素２７が位置している。

なお、前記のごとく、第１図に示す構成よりなる周辺制
御棒要素２７を設けることにより、炉心周辺部のスペー
スを有効に活用して、制御棒の本数を増やすことができ
、前記本発明の効果をより実効あるものとすることがで
きる。すなわち、炉心中央領域では、中性子検出器９を
も配置する必要があるため、制御棒の本数に制約を受け
るが、周辺制御棒要素２７を設けることにより、燃料集
合体７の４体におよそ１本の割合にまで、制御棒の本数
を増やすことができる。周辺制御棒要素２７を設けた効
果としては、前記以外に、出力分布を平坦化して炉心性
能を改善する点を挙げることができる。これを、炉心半
径方向の出力分布を示す第５図にもとづいて説明する。

すなわち、炉心周辺部には、中央部の炉心領域に比較し
て、多量の重水減速材を有する重水反射体が配置されて
いるので、従来例でＰｕ等の燃料富化度１種類の燃料集
合体を装荷した場合には、第５図に点線で示すように、
炉心領域周辺部で大きな出力ピークが生じるが、本発明
では、既述した周辺制御棒要素２７を設けることにより
、この出力ピークを抑えて出力分布を平坦化することが
できる。すなわち、従来にあっては、炉心径方向の出力
分布を平坦化のために、２種類以上の富化度の異なる燃
料集合体を装荷する等の対策が必要であるが、本発明に
あっては、１種類の燃料集合体でよく、燃料コストの低
減、燃料管理の簡素化をはかることができる。

なお１以上の説明では、第１図に示すように、制御棒案
内管１２の外側を重水注入管２１によって取り囲んだ場
合を例示したが１強度上の観点から、炉心上部支持板１
４にあける穴の径を大きくしないためには、制御棒案内
管１２および制御棒の直径を小さくすることが望ましい
。そして、そのためには、直径が小さくて制御棒反応度
の大きい制御棒が効果的であり、その−例を第６図に示
す。すなわち、第６図においては、制御棒反応度を増大
するために、中性子減速材として最も性能の優れた水素
を含む固体の金属水素化物（Ｚｒｆｈ　。

ＴｉＨｚ等）２２を充填し、中性子エネルギースペクト
ルをソフトにして、中性子吸収棒１９に吸収される中性
子の割合を高めている。なお、前記第６図の実施例にお
いては、中性子減速材として、固体の金属水素化物２２
を使用する場合について例示したが、これ以外に、液体
である軽水を容器内に密封して使用することも考えられ
る。また、中性子吸収棒に充填する吸収材として、天然
ボロンに代えて、濃縮ボロンやガドリニア（ＧｄｚＯａ
）等の強中性子吸収物質を使用することも有力な手段で
ある。

ここで、本発明の第３の実施例を第７図にもとづいて説
明する。

すなわち、第７図の実施例においては、制御棒案内管１
２の下部に案内管下部構造物２４を有し、その中空部に
連結された重水注入配管１６から注入された重水あるい
は液体ポイズン入り重水（緊急炉停止時）が重水注入口
２０を介して重水領域１５に流入する橋造となっている
。

しかして、前記した第７図の実施例によっても、第１図
の実施例と同様、制御棒案内管１２には、第１１図に符
号２０で示す重水注入口を有しておらず、したがって制
御棒案内管１２内には１重水が流入しないため、第１図
の実施例と同じ原理により、制御棒引抜時にも、ボイド
反応度を負側に移行させることができる。また、本実施
例においても、原子炉の炉心構成を第３図の場合と同様
にすることにより、第３図で説明した経済的改善効果を
得ることができる。

第８図は本発明原子炉の第４の実施例を示す制御林要′
ＪＪ８の縦断面図である。

そして、第８図の実施例においては、制御棒中性子吸収
部１１の下部に炉心高さに等しい長さの制御棒下部構造
物２５を設けて、その内部を不活性ガスを封入した中空
部２６．とじている、なお、制御棒案内管１２には、第
１１図に示す従来例と同様、重水注入口２０が設けてあ
り、炉心上部から制御棒案内管１２丙に注入された重水
または液体ポイズン入り重水（緊急炉停止時）が重水領
域１５に注入される。しかし、制御棒引抜時には、前記
した炉心領域に制御棒下部構造物２５が位置し、これが
制御棒案内管１２内における重水の大部分を排除したま
まの状態を維持するので、これまた前記各実施例と同じ
原理により、ボイド反応度を負側に移行させることがで
きる。また、本実施例においても、）Ｊ′ＸＴ−炉の炉
心構成を第３図の場合と同様にすることにより、第３図
で説明した経済的改善効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上のごときであり、図示実施例の説明から明
らかなように、本発明によれば、重水減速材領域内に燃
料集合体と制御棒とを配列してなる圧力管型原子炉にお
いて、前記制御棒を炉心゛から引き抜いた後の空間部に
重水が流入するのを阻止する重水流入阻止手段を備えた
ことにより、中性子エネルギースペクトルがソフト化さ
れることなく、原子炉安全上の裕度増大、すなわちボイ
ド反応度の負側移行を簡単かつ確実に達成することがで
きる。

また、本発明は、前記構成に条件を付けるべく。

制御棒を炉心から引き抜いた後の空間部に重水が流入す
るのを阻止する重水流入阻止手段を、炉心周辺部の重水
領域内に複数装備したことにより、炉心周辺部のスペー
スを有効に活用して、制御棒の本数を増やすことができ
、炉心平均のボイド反応度をより大巾に負（ＩＪに移行
させることに加えて、前記実施例の項で述べた理由によ
り、燃料コストの低減、燃料管理の簡素化等、燃料経済
性にすぐれた圧力管型原子炉を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧力管型原子炉の一実施例を示す
制御棒要素８の縦断面図、第２図は第１図に符号１１で
示す中性子吸収部のＡ−Ａ断面図、第３図は第１図に示
す制御棒要素８を備えた圧力管型原子炉の炉内構造を示
す一部横断面図、第４図は制御棒案内管内ボイド化によ
るボイド反応度変化の特性線図、第５図は本発明原子炉
における炉心半径方向の出力分布を従来のそれと比較し
て示す図、第６図は本発明原子炉の第２の実施例を示す
中性子吸収部１１の横断面図、第７図は本発明原子炉の
第３の実施例を示す制御棒要素８の縦断面図、第８図は
本発明原子炉の第４の実施例を示す制御棒要素８の縦断
面図、第９図は圧力管型燃料集合体７の内部構造を示す
横断面図、第１０図は従来提案に係る圧力管型原子炉の
炉内構造を示す一部横断面図、第１１図は第１０図に示
す圧力管型原子炉に装備されている制御棒要素８の縦断
面図、第１２図は第１１図のＡ−Ａ断面図である。８・・・制御棒要素、１１・・・中性子吸収部、１２・
・・制御棒案内管、１５・・・重水領域、２７・・・周
辺制御棒第１閉第４閉第５０第７図 ′１ｆＪｑ圀第１０圀第１１図第７２５

Claims

【特許請求の範囲】１、重水減速材領域内に燃料集合体と制御棒とを配列し
てなる圧力管型原子炉において、前記制御棒を炉心から
引き抜いた後の空間部に重水が流入するのを阻止する重
水流入阻止手段を備えてなることを特徴とする圧力管型
原子炉。２、重水減速材領域内に燃料集合体と制御棒とを配列し
てなる圧力管型原子炉において、前記制御棒を炉心から
引き抜いた後の空間部に重水が流入するのを阻止する重
水流入阻止手段を、炉心周辺部の重水領域内に複数装備
したことを特徴とする圧力管型原子炉。