JPH02150797A - 高速中性子束低減装置 - 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】 １丘圀１ 本発明は、原子炉圧力容器（以下、「原子炉容器」とい
う）の炉内構造物に関し、特に、２段階式の低中性子フ
ルエンス炉内構造ＩＩ　ｍ立体に関するものである。

■９しと１月 典型的な原子炉発電プラントにおいては、熱を発生して
蒸気を作り、これによって発電を行わせるために、核分
裂が利用される。このような典型的な発電プラントの一
つ、例えば加圧木型原子炉では、核分裂性物質（一般に
ウラン２３５が濃縮されたウラン２３８）が、核分裂反
応を起こすために、中性子により衝撃が加えられる。こ
の核分裂過程は別の中性子を発生し、原子炉容器内で核
分裂反応を持続させる。このような原子炉容器において
は、核燃料が実質的に円筒形の圧力容器内に配置され、
ほぼ矩形の炉心を構成する。互いに密接して装荷された
核燃料（かかる核燃料は、正方形断面の燃料集合体内に
取り付けられる細長い燃料棒の形態をとる）と、原子炉
容器との間には、炉内構造物と一般に呼ばれる組立体が
ある。炉内構造物は、通常、上部炉心支持板と、下部炉
心支持板と、炉心槽とを備えている。炉心槽は、細長い
ほぼ円筒形の構造体であり、炉心と原子炉容器の円筒形
側壁との間に配置されている。

炉心と炉心槽との間の不規則な空間、いわゆるバッフル
・バレル領域には、種々の構造要素が配置されている（
第１図参照）。即ち、炉心槽に取り付けられたフォーマ
（バッフル板取付板）によって、炉心の長手方向に沿っ
て延びるバッフル板が、軸方向に互いに離隔された複数
の半径方向位置で支持されている。炉心槽よりも半径方
向外側には、内側から、熱遮蔽体、ダウンカマー環状空
間及び原子炉容器がある。バッフル板、フォーマ、炉心
槽及び熱遮蔽体は、通常、ステンレス鋼から作られ、ダ
ウンカマー環状空間、及び、バッフル板と炉心槽との間
の領域の大部分は、冷却材で殆ど占められている 炉心で発生した熱を取り出すために、原子炉冷却材、典
型的にはホウ酸水が原子炉容器内を流される。冷却材は
、原子炉容器内に入った後、炉心槽と原子炉容器とによ
り形成されたダウンカマー環状空間内を下方に流れ、下
部炉心支持板の下側の原子炉容器下部領域に至る６次い
で、冷却材は炉心内を上昇し、核燃料の核分裂により発
生された熱を収り出す。この加熱された冷却材は、原子
炉容器から流出して熱交換器（蒸気発生器）に流入し、
２次系ループで蒸気を発生させる。この蒸気は、タービ
ン発電機を駆動して発電を行うために使用される。この
後、冷却材は原子炉容器に戻り、新たな工程を開始する
。

核分裂が初めて生じた場合、発生した多数の中性子は、
１００万電子ボルト以上（Ｅ≧ＩＭｅＶ）の非常に大き
なエネルギを有する。この中性子は一般に高速中性子と
呼ばれている。核分裂反応を持続させるためには、この
高速中性子を減速（熱化ともいう）しなければならない
。原子炉容器内の冷却材は、非常に有効な中性子減速材
として作用する。高速中性子の一部は、原子炉容器内に
おける構造材料、核分裂生成物、制御棒或は冷却材に溶
解されたホウ素の形の「毒物」により吸収される。

従って、制御棒の挿入及び引抜きを更に行うことにより
、核分裂の割合を適切に制御することができ、原子力発
電プラントを効果的で経済的な態様で運転することがで
きる。

しかしながら°、核分裂過程の一部として、幾らかの中
性子は捕らえられず、炉心を通って炉心槽に移動し、最
終的には原子炉容器に至る。原子炉の連続運転は中性子
束の安定した供給源を必要とするので、このような形の
中性子の喪失は、原子力発電プラントの効率や、原子炉
容器本来の特性に悪影響を及ぼす可能性がある。近年、
このような中性子（「漏洩中性子」という）を再利用す
ることにより、原子炉の運転効率を向上させる試みがな
されている。この試みとして選ばれた手段は、炉心と炉
心槽との間の不規則な原子炉空間、即ちバッフル・バレ
ル領域に中性子反射体を設けるというものである。これ
は、原子炉容器及び周辺要素への照射による影響を減じ
るという利点もある。

かかる試みの例としては、米国特許第４，７５１，０４
３号明細書、及び特願昭６０−２５４６３４号明細書に
開示されたものがある。簡単に説明するならば、これら
の明細書は、バッフル・バレル領域内の原子炉冷却材の
大部分をステンレス鋼やジルカロイ等の中性子反射材で
置き換え、漏洩中性子を炉心内の核燃料に向かって反射
する方法を開示している。

好ましくは、この領域の約９０％を反射材により占有す
べきとしている。

このように、炉心と炉心槽との間の領域に反射材を使用
することにより、喪失されたであろう中性子の多くが核
分裂過程を持続させるために反射されて炉心に戻されの
で、原子炉効率を向上させることができるが、それでも
なお、幾らがの高速中性子が反射体を通過して炉心槽及
び原子炉容器に達する可能性がある。−船釣には、バッ
フル・バレル領域は、冷却材減速媒体と、下部炉内構造
物のための種々の構造支持体とにより占められている。

下部炉内構造物の主機能を構造支持体において設計して
いた時代では、高速中性子に起因する原子炉容器の材料
の脆弱１ヒについては、現在はど理解されていなかった
。勿論、原子炉容器での高速中性子フルエンス（中性子
束の時間積分）による影響は、原子炉容器を設計する際
に考慮されている。しかし、現在の下部炉内構造物の構
成は、構造的機能を提供するのに最適化されているので
あって、原子炉容器の保護をより一層強化するようには
考えられていなかった。従来構成の下部炉内構造物にお
いては、炉心と原子炉容器との間のステンレス鋼要素（
バッフル板、フォーマ、炉心槽及び熱遮蔽体）により、
原子炉容器から離れていこうとする高速中性子を反射し
或は散乱させることによって、成る程度の中性子束を低
減させることができ、また、バッフル・バレル領域及び
ダウンカマー環状空間の水により高速中性子がやや減速
される。従って、反射材を通過する相当量の高速中性子
のエネルギが、適当な中性子遮蔽材料との相互作用によ
り減じられることができるならば、容器材料に悪影響を
及ぼすしきい値を越えるエネルギを有する中性子は殆ど
原子ｆ容器に達っしないこととなる。これによって、原
子炉の運転寿命は相当に延びる。

本発明の目的は、原子炉容器に達する高速中性子束のレ
ベルを低減する原子炉の炉内構造物の構成を提供するこ
とにある。

本発明の他の目的は、原子炉容器に達する高速中性子束
を低減するための手段を提供すること、及び、効果的な
発電を持続するのに有効な中性子のレベルを増加させる
ことにある。

本発明の更に別の目的は、原子炉容器に達する高速中性
子束を低減する手段を提供し、もって原子力発電プラン
トの有効運転寿命を延ばすことにある。

上記目的は本発明により達成される。本発明は、簡単に
述べるならば、比較的に密接して装荷された複数の細長
い構成要素から形成された炉心であり、ほぼ円筒形の炉
心槽により取り囲まれて、幾つかの領域が他の領域より
も前記炉心槽に近接するような不規則な空間を該炉心槽
との間で画成する前記炉心を有している原子炉圧力容器
において、前記原子炉圧力容器と衝突する高速中性子束
を低減するための装置を設けたことを特徴としている。

かかる高速中性子束低減装置は、２段階の構成となって
おり、即ち、高速中性子を反射して炉心内に戻すために
、炉心及び炉心槽の間の不規則な空間に配置された中性
子反射体と、前記反射体を通過した高速中性子のエネル
ギを減じるために、前記炉心槽の周囲に配置された中性
子エネルギ低減器とから成る。反射体の材料は、ステン
レス鋼、タングステン及び／又は酸化ジルコニウムから
構成される。また、中性子エネルギ低減器は、水素化チ
タンのような高密度水素含有材料から作られる。

本発明の他の目的や特徴及び利点は、添付図面を参照し
て以下の詳細な説明を読むことにより、当業者にとり更
に明らかとなろう。

ｔ　　　の：ｎ 以下、図面を詳細に参照して、本発明の概念について更
に説明する。第１図は、典型的な従来の原子炉圧力容器
１０の構成を示すものである。ほぼ矩形ないしは正方形
断面の燃料集合体１３が配列され、比較的に稠密な炉心
１６を構成しており、この炉心１６は炉心槽１９により
囲まれている。ほぼ円筒形の炉心槽１９と炉心１６との
間には、バッフル・バレル領域と一般に呼ばれる領域２
２がある。この領域２２にはバッフル板２５及びフォー
マ２８があり、これらは燃料集合体１３のための構造バ
ウンダリを提供している。バッフル板２５及びフォーマ
２８は、炉心１６の全周にわたっており、炉心槽１９に
取り付けられている。また、熱遮蔽体３１が炉心槽１９
を囲繞している。熱遮蔽体３１と容器１０の側壁との間
にはダウンカマー環状空間３４が形成されている。この
ような典型的な従来構成においては、冷却材、最的には
ホウ成木と、バッフル・バレル領域２２の支持構造物で
ある少量の金属とにより、バッフル・バレル領域２２の
空間が満たされている１本発明による構成では、効果的
に原子炉容器１０への高速中性子の漏れを減じ且つこの
高速中性子を炉心に反射するために、バッフル・バレル
領域２２を主に金属から構成することとしている。

第２図は、バッフル・バレル領域２２に配置された半径
方向中性子反射体５０と、炉心槽１９の周囲であって熱
遮蔽体３１の適所に配置された中性子エネルギ低減器５
３もしくは高速中性子束低減器とを有する本発明による
構成の平面図である。尚、低減器５３は、既存の熱遮蔽
体３１に組み込まれても良い。

中性子の反射の後に中性子エネルギを低減するという２
段階過程により、原子炉容器１０の側壁と接する高速中
性子束（Ｅ≧ＩＭｅＶ）は大幅に減じられる。

第３図は、本発明による典型的な中性子反射体５０の断
面図である０反射体５０は、適当な反射材で作られたプ
レート５６であって、容器等に入れられていない形態（
いわゆる非包囲型）の禎重ね状態のプレート５６から構
成されるのが好ましい。反射体５０として用いられる金
属は、ステンレス鋼、タングステン、酸化ジルコニウム
、或は、所望の中性子反射特性を有する他の適当な材料
を含む群から選ばれるのが好適である。このような適当
な材料から成る複数のプレート５６は、積み重ねられて
タイロッド５９により互いに締結される。尚、タイロッ
ド５９は中性子反射体５０の上部プレート６２と下部プ
レート６３との間でボルト止めされる。流路穴〇６が各
プレート５６に設けられており、これらの流路穴６６は
、矢印６７で総括的に示される冷却材のための流路を提
供すべく、垂直に整列されている。

また、下部プレート６３には、反射体５０を通る上昇流
が一様化するように、ブレナム６９が設けられている。

反射材による中性子の反射は反射体５０内で熱を発生さ
せるので、ブレナム６９と、各プレート５６に設けられ
た流路穴６６とから成る流通構造によって、十分な冷却
を行う必要がある。

反射体５０は、炉心槽１９に恒久的に固定された支持ブ
ロック７２及びピン７５により、垂直に支持される。ま
た、上部プレート６２の垂直部分７８が炉心槽１９にボ
ルト８１により固定される。従って、反射体５０は片持
ち梁の如く支持される０反射体５０はその下部で、下部
炉心板９０の穴に嵌合される案内ピン８４により横方向
に支持される。尚、この案内ビン８４は、タイロッド５
９を延長したものであっても良い。反射体５０の上記構
成、及び反射体５０と下部炉心＠９０との関連性から、
反射材が高速中性子の反射により熱せられると、案内ビ
ン８４が穴８７内に熱的に伸びる。また、この設計概念
に基づくと、熱が発生した場合に、反射体５０も熱的に
伸長し、炉心槽１９に対して軸方向に動くことができる
。尚、流れを隔離するために反射体の回りに可能な限り
薄肉の構造波７！（図示しない）を設けることが望まし
く、また、炉心側に燃料集合体のための継ぎ目なし中間
層を設けるのが望ましい。

モジュール型の中性子反射体５０はこのような構成とな
っているので、容易に取ｊ寸は及び取外しを行うことが
できる０反射体５０を取り外す場合、まず、上部プレー
ト６２のボルト８１を外し、案内ピン８４が下部炉心板
９０から分離するよう十分に反射体５０を持ち上げ、支
持ブロック７２から離れるよう反射体５０を横方向にず
らした後に、再び垂直に持ち上げる。この非包囲構造の
場合、中性子束が最大となっている軸方向領域に、タイ
ロッド５９を除いて構造部材は全く設けられていないが
、その理由については以下で更に説明する。第４図は第
２図の反射体５０の一部を示す拡大平面図である。

低中性子束フルエンス炉内構造物の第２段階について説
明すると、従来の熱遮蔽体３１の中性子エネルギ低減能
力、即ち熱化能力は、炉心槽１９に固定された中性子エ
ネルギ低減器５３の使用により向上される。この手段で
は、熱遮蔽体３１は省略されても良い。第２図には本発
明の高速中性子エネルギ低減器５３が示されている。炉
心１６はほぼ矩形ないしは正方形断面の燃料集合体１３
から構成され且つ炉心槽１９は円筒針であるので、原子
炉容器１０の領域には炉心１６が他の領域よりも炉心槽
１９に近接しているところがある。かかる領域毎に、中
性子エネルギ低減器５３は、水素含有材料９１を保持す
る小型容器から成るパネルと、ステンレス鋼９３から成
るパネルとに交互に分けられている。これらのパネルは
炉心槽１９の外周面に取り付けられ、熱遮蔽体３１の適
所に配置されるのが好ましい。水素含有材料９１を有す
る小型容器は、中性子束が最高となる炉心１６の領域（
一般に、炉心１６の「迫り出し領域Ｊと呼ばれている）
９６に概ね一致する方位角区域に配置されるのが好適で
ある。即ち、各迫り出し領域９６を覆うようにして延び
る３３５°〜２５°の区域、２４５°〜２９５ａの区域
、１５５°〜２０５°の区域及び６５°〜１１５°の区
域に、高密度水素含有材料９１を含む小型容器が配置さ
れる。

水素含有材料９１は、好ましくは、この目的に極めて合
致する特性を有する水素化チタンである。

ホウ酸水と同様に、水素化チタンは非常に有効な中性子
減速材であり、高エネルギ、即ち高速中性子の熱化に最
適である。更に、水素化チタンは、水素含有「金属」で
あるので、水よりも密度が高く、従ってホウ酸水のみの
場合よりも多くの高速エネルギ中性子と衝突し、速度を
下げる。このように、第１段階の中性子反射体５０を通
過した高速中性子は全て、第２段階の中性子エネルギ低
減器５３により減速され、原子炉容器１０への高速中性
子の影響は大幅に減じられることとなる。

炉心槽１９に水素化チタン材料を取り付けるために、複
数の水素化チタン製のプレートを反射体５０の場合と同
様にタイロッドにより互いに締結し、更にステンレス鋼
製の小型容器内に固定するのが好ましい、ステンレス鋼
における高速中性子の影響は十分に知られているので、
水素化チタンを囲むための構造材料としてステンレス鋼
を使用することは望ましい、従って、中性子エネルギ低
減器５３は、内部に水素化チタンの中性子束低減プレー
トを包含するステンレス鋼製容器として構成されるのが
好適である。この遮蔽容器は、公知手段により炉心槽１
９の外面に固定ないしはボルト止めされる。この構成に
おいては、水素化チタンを容易に取り出すことができ、
通常の原子炉運転中に他の構成要素に悪影響を及ぼすこ
ともない、尚、水素化チタンのパネルは溶接等により炉
心槽１９に直接固定されても良い。

前述したように、炉心１６の迫り出し領域（中性子束の
割合が最大となる領域）９６を含む方位角区域が特に保
護されるべきである。かかる領域９６において、第１段
階の中性子反射体５０はタングステン製の積重形のプレ
ート５６から構成されるのが好ましい。反射体５０の構
造は非包囲構造であるので、プレート５６以外の構造材
料は不必要である。従って、高速中性子を受けた場合に
その特性が完全に把握されている材料を用いることは、
さほど重要ではない。積重形のプレート５６を結合する
タイロッド５９と、支持ブロック７２及びピン７５だけ
が、そのような公知特性を有する材料から作られること
が必要である。よって、炉心１６の迫り出し領域９６に
近接する中性子反射体５０がタングステンから作られる
のが好ましい、高速中性子を受けた場合のタングステン
の材料特性はステンレス鋼はどは知られていないが、タ
ングステンはより有効な中性子反射体を提供するもので
ある。更に、これらの領域９６でタウンカマ−環状空間
３４に隣接して炉心槽１９に取り付けられた第２段階の
中性子エネルギ低減器５３は、他の領域よりも効果的な
中性子減速材から作られると良い、このために、これら
の領域９６では中性子エネルギ低減器５３のために水素
化チタンを使用し、他の全ての領域ではステンレス鋼を
使用するのが好ましい。このようにした場合、原子炉容
器１０の全周に照射される高エネルギ中性子束は一様と
なる。これは、中性子エネルギ低減器５３を万が一通過
した高エネルギ中性子の影響が、原子炉容器１０の全周
にわたりより一層均−となるので、非常に望ましい。

本発明の新規な２段階式構造による高速中性子束低減能
力を確認するために、中性子輸送の計算を行った。第２
図に示すような本発明の好適な実施例の幾何学的形状に
基づいた輸送モデルで計算を行った。第１段階の中性子
反射体５０は、迫り出し領域９６に隣接する部分ではタ
ングステン材料から成り、従来のバッフル・バレル領域
２２における他の部分ではステンレス鋼から成るものと
した。

また、第２段階の中性子エネルギ低減器５３は、水素化
チタンを含む小型容器で迫り出し領域９６を遮蔽し、他
の部分はステンレス鋼９３で遮蔽するものとした。計算
を行った結果、本発明の２段階式構造（第２図）に基づ
く高速中性子束に対する既存の構造（第１図）に基づく
高速中性子束の比として定義される高速中性子束低減係
数は、最大中性子束の部分で約３．１となることか分か
った。従って、２段階過程を有する本発明の構造は、ま
ず、原子炉容器に漏洩しようとする高速中性子を反射し
て炉心に戻し、これは、原子炉容器を保護すると共に、
炉心内の中性子経済を向上させる。更に、反射体を通過
した全ての高速中性子のエネルギを減じる第２段階は、
原子炉容器での高速中性子束の影響を最小化することに
より、原子力発電プラントの有効運転寿命を延ばす助け
となる。

第２段階の中性子エネルギ低減器５３は炉心槽１９の外
周に取り付けるものとして説明したが、既存の炉内構造
物の中には、そのようにすることが有効でないものもあ
る。別の実施例としては、中性子エネルギ低減器５３の
小型容器を、炉心槽１９に取り付けるのと同様にして、
ダウンカマー環状空間３４内で熱遮蔽体３１に取り付け
るものが考えられる。

更にまた、ダウンカマー環状空間３４を流れる冷却材の
流れに大きな影響を与えないために、迫り出し領域９６
に隣接する方位角区域で、熱遮蔽体３１に切欠きを設け
、その切欠きに水素化チタンの小型容器ないしはプレー
トを溶接等により設置するようにしても良い。このよう
な構成においては、熱遮蔽体３１がステンレス鋼から作
られているので、前記型式の小型容器をそこに取り付け
なくとも良い。

以上、本発明の特定の実施例について説明したが、開示
内容全体に基づいて種々の変更や変形がなされ得ること
は当業者ならば理解されよう。従って、前述した特定の
構成は例示に過ぎず、本発明の範囲として限定されるべ
きものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲及び
その均等範囲で定められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、典型的な従来の原子力発電プラントにおける
炉内構造物の一部領域を示す平面図、第２図は、バッフ
ル・バレル領域に配置された中性子反射体と、ダウンカ
マー環状空間内の熱遮蔽体に組み込まれた中性子エネル
ギ低減材とを用いている本発明による炉内構造物を示す
平面図、第３図は、バッフル・バレル領域が本発明によ
る中性子反射体に置き換えられた炉内構造物を部分的に
示す断面図、第４図は、原子炉容器内における本発明の
よる炉内構造物を部分的に示す平面図である０図中、 １０・・・原子炉圧力容器　１３・・・燃料集合体１６
・・・炉心　　　　　　１９・・・炉心槽５０・・・中
性子反射体 ５３・・・中性子エネルギ低減器 ５６・・・中性子反射材製のプレート ９１・・・水素含有材料　　９３・・・ステンレス鋼９
６・・・迫り出し領域 ＦＩＧ、Ｉ。 ＦＩＧ、　２゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 比較的に密接して装荷された複数の構成要素から形成さ
   れた炉心であり、ほぼ円筒形の炉心槽により取り囲まれ
   て、幾つかの領域が他の領域よりも前記炉心槽に近接す
   るような不規則な空間を該炉心槽との間で画成する前記
   炉心を有している原子炉圧力容器において、前記原子炉
   圧力容器と衝突する高速中性子束を低減するための高速
   中性子束低減装置であって、 （ｉ）高速中性子を反射して前記炉心内に戻すために、
   前記炉心と前記炉心槽との間の不規則な空間に配置され
   た中性子反射体と、 （ｉｉ）前記中性子反射体を通過した高速中性子のエネ
   ルギを減じるために、高密度水素含有材料から作られ前
   記炉心槽の周囲に配置された中性子エネルギ低減器と、 から成る高速中性子束低減装置。