JPH03103798A - 自然循環形沸騰水形原子炉に負荷追従／スペクトル・シフト能力を持たせる方式 - 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】 発明の背景 この発明は自然循環を利用する沸騰水形原子炉（ＢＷＲ
）　、更に具体的に云えば、負荷追従能力を持たせるこ
と並びに／又はこう云う設計の原子炉に於けるスペクト
ル・シフトを強めることに関する。

現存の大形ＢＷＲは強制循環゛形である。発電運転をし
ているＢＷＲでは、原子炉の冷却材は、最初はサブクー
ルされた液体（例えば水）の形をしているが、主冷却材
循環装置（例えばジェット・ポンプ或いは混合流モータ
駆動ボンブ）によって通路に沿って循環させられ、その
通路の一部分は（原子炉の一番下の部分にある）炉心下
側高圧室領域を含み、その後炉心を通って炉心と連通し
ている炉心上側高圧室に入る。炉心上側高圧室を出て行
く流れが、この後蒸気分Ｍ器の集成体に通ずる直立管を
通る。炉心を出て上側高圧室に入る原子炉冷却材は、蒸
気と水の２相混合物であり、その割合が燃料束からのエ
ネルギ出力、燃料束に入る冷却材のサブクーリングの程
度、及び束を通る流量の様な因子に応じて変化する。こ
の最後の因子は、循環ポンプの容量と、燃料束の形状及
び湿潤面が持つ流体力学的な流れ抵抗と、冷却材が炉心
燃料集成体に入る直前の流れに対する拘束を表わすオリ
フィス作用の程度とに関係する。

炉心流出物が炉心「側路」流と炉心上側高圧室で一緒に
なる。この側路流は、炉心下側（入口）高圧室から（炉
心シュラウドの内側ではあるカリ燃料集成体チャンネル
の外側の領域へ流れ、その後炉心に対する挿入度は種々
異なる十字形制御ブレードが占める領域へと全体的に上
向きに流れ、その後その格子状の形により燃料集成体を
規則的な配列に保つ上側格子部材（「頂部案内部」と呼
ばれる）を横切り、最後に炉心上側高圧室へ流れる原子
炉冷却材である。この冷却材の側路流は炉心上側高圧室
に吐出する時、実質的に飽和液体で構威され、場合によ
っては少量の蒸気を有する。

炉心上側高圧室内では、側路流と燃料束の出口流との２
種類の流出物が速やかに混合し、たちまちその出所が判
らなくなる。

機械的な蒸気の分離を利用して、炉心を出て行く蒸気／
水混合物から蒸気を分離することが出来る。早期のある
ＢＷＲの設計は自由表面蒸気分離を利用した。この場合
、家庭のやかんの場合と同じ様に、蒸気が独力で自由表
現から分離し、飽和した水がバルク冷却材の中にとＶま
る。ＢＷＲでは、これが立下がり環体に沿って循環する
。こう云う形式の蒸気分離は、蒸気が出て行く速度、即
ち利用し得る通路の流れ面積から取出した蒸気のバルク
平均速度が大きくない、即ち、約１８　８沢／秒程度で
ある限りは、実現可能である。蒸気が出て行く速度がこ
の値を越えると、許容し難い程高い水分含有量が蒸気と
共に運ばれて行く傾向がある。高い水分レベルが蒸気乾
燥器の水分乾燥能力を飽和させ、その結果原子炉を出て
行ってタービンに供給される蒸気の水分含有量が許容し
難い程高くなる。蒸気の水分含有量がタービンの蒸気の
流れの中で高くなり過ぎると、第１段タービン羽根の侵
食が加速され、タービンの効率が低下する。

原子炉の圧力容器（Ｒ　Ｐ　Ｖ）の断面積を十分に大き
くすれば、自由表面分離能力を達成することがＦｉｌ能
である。然し、コストの点から、直径が最小のＲＰＶを
使うことが要求され、この為、今日のＢＷＲの高エネル
ギ出力の蒸気発生レベルを扱う為に機械的な蒸気分離が
開発された。こう云う設計では、機械的な蒸気分離碁の
直ぐ下流側の湿った蒸気高圧室領域の中を移動する蒸気
のバルク平均速度は約５吠／秒である。

炉心の中心領域に群に分けてまとめられた燃料集成体は
、炉心の周辺領域に配置された束よりも、出口蒸気の品
質が一層高くなる傾向がある。それでも、蒸気分ｌｌＳ
ｌ器の直立管に入る流量並びに蒸気／水混合物の割合が
比較的一様であることが望ましい。直立管に入る特の蒸
気／水混合物を更に一様に近くし易くする為、直立管の
入口が例えば約５訳の距離だけ、燃料集成体から隔てら
れる。隣合った燃料集成体を出て行く水柱は、空所（ボ
イド）の程度が何れも異なるが、その間で起る乱流によ
る混合が、蒸気分離器の直立管に入る混合物を一層一様
に近くする様に作用する１つの機構である。然し、流れ
の混合の一様性を達成する上で更に重要なことは、何れ
もその端を蒸気分，！ｉｉ器に取付けた直立管が表わす
流体力学的な流れ抵抗である。直立管に入る流れの混合
物の完全な一様性は、よくても達成するのが困難であり
、燃料集成体の出口と直立管の入口の間を５沢離した場
合でも、原子炉の性能の評価に使われる設計の基準とは
ならない。

蒸気分離器集成体はドーム形又は平坦な頭を持つ基部を
有し、その上に直立管の配列が溶接され、例えば３段蒸
気分離器が各々の直立管の頂部に配置される。直立管の
１つの作用は、直径の大きい蒸気分離器を離隔すること
である。こう云う分離器は、一般的に特に密に拮込んだ
配置として配置される。隣合った分＃Ｉｔ器の外形は互
いに殆んど接触するばかりであり、この為、分離器の底
から吐出される分離された液体冷却材は、原子炉の縦軸
線から外向きへ一層「開放」した流路を持ち、ＲＰ■の
内周にある立下がり環状領域へ出て行く。

機城的な蒸気分離４を用いたエネルギ出力の大きい自然
循環形原子炉で直立管を使う２番目の目的は、所謂「立
下がり領域」にある直立管の外側の１相液体冷却材と並
置された、直列管の内側の２相（従って低密度の）冷却
材の垂直領域により、自然循環を促進する並置領域を作
ることである。

こ＼では、領域の高さが、原子炉内に於ける冷却材の流
れの循環に対する自然循環の合計駆動木頭の非常に重要
な一部分になる。

蒸気分離器集成体が炉心シュラウドの上側フランジの上
に乗っかっていて、炉心吐出高圧室（「炉心上側高圧室
」）領域のカバーを形成する。

分離器集成体と炉心シュラウドのフランジの間の封じが
金属間接触であり、ガスケット又はその他の交換封じ装
置を必要としない。一定軸流形蒸気分離器は可動部分が
なく、例えばステンレス鋼で作って、侵食及び腐食に耐
える様にする。

各々の分離器では、直立管の中を昇って行く蒸気／水混
合物（「直立管領域」〉が羽根に当たり、この羽根が混
合物に回転を加え、こうして渦を設定する。この時、遠
心力が３段の各々で蒸気から水を分離する。蒸気がこの
集成体の頂部から分離器を出て行き、乾燥器の下方にあ
る湿潤蒸気高圧室へ入る。分離された水は分離器の各段
の下端から出て行って、直立管を取巻くプール（「立下
がり領域」）に入り、立下がりの流れと一猪になる。

全ての分離器から出て行く蒸気は同じ水平平面内であっ
てもよいし、或いは分離器は中心が若干冠状になる様に
配置して、直立管を取巻くプールの冠状の水の勾配を捕
償することが出来る。

蒸気分離器集成体は長い押えボルトにより、炉心シュラ
ウドのフランジに締付けることが出来るし、或いは乾燥
機集成体と共に分離器を、原子炉を原子炉容器に組込む
時、原子炉の頭部と接触することによって炉心シュラウ
ドのフランジに押え付けることが出来る。蒸気分離器の
集成体の公称の容積外披が、炉心シュラウドのフランジ
と接触するその下側フランジの水平平面と、燃料集成体
の出口から５釈離す一部分となる円筒形の側面と、一番
外側の列の直立管の外接直径と、一番外側の列の蒸気分
離器の外接直径と、蒸気分離器の出口の全体的に水平の
平面とによって限定される。

現在「簡略沸騰水形原子炉Ｊ　　（ＳＢＷＲ）と呼ばれ
る設計のＢＷＲに於ける炉心上側高圧室領域には、その
他の機械的な装置、配管又は構造が実質的にない。これ
に対して、ＢＷＲ／６並びに「改良形沸騰水形原子炉Ｊ
　　（ＡＢＷＲ）形の設計の原子炉の炉心上側高圧室は
、一般的に炉心スプレーに対するスパージャ（多孔分散
管）とノズル、及び炉心溢水装置に対する分配ヘッダを
持っている。何れの形式の原子炉でも、こう云うスパー
ジャ／ヘツダは炉心上側高圧室の外周に配置されていて
、炉心シュラウドのフランジの下側に取付けられており
、その為、スパージャ／ヘッダには周辺の燃料集成体の
燃料補給取出し通路がなく、その為、炉心燃料補給作業
の間、取外されることがない。

特に自然循環形ＳＢＷＲについて云うと、冷却材の循環
を助ける循環ボンブがないことが認められよう。炉心内
での蒸気の発生が、蒸気と水の混合物を作り、これは蒸
気の空所（ボイド）がない為、飽和した又はサブクール
された水よりも密度が低い。この為、炉心内の沸騰作用
により浮力が生じ、それが炉心冷却材の上昇を誘発し、
炉心下側高圧室領域内で炉心の下方から到着する空所の
ない冷却材によって連続的に置換えられる。冷却材が炉
心を出て行く時、それが炉心上側高圧室領域内を上昇し
、その後直立管領域を通り、最後に蒸気分離器に入る。

直立管内部のこの空所のある混合物は、直立管の外部の
空所のない冷却材よりも更に密度が小さくなり、更に浮
力を発生して、潤滑剤の循環作用を更に強める。この；
ｆ！４程が冷却材の循環を促進する上で非常に効果があ
ることは、冷却材循環ポンプの運転を停止した場合の強
制循環形発電用原子炉で行なわれた試験報告から認めら
れる。比較的短い蒸気分離器の直立管でも、原子炉の２
５％の出力レベル並びに計画流量の３５％と云う冷却材
の流量は容易に且つ安全に維持することが出来る。

ＳＢＷＲ原子炉は、強制循環形ＢＷＲと僅かしか違いが
なく、主な違いは、直立管領域がＳＢＷＲでは（水頭の
差を一層高くする為に）ずつと長く、炉心の全体的な高
さは幾分短く（例えば最近の強制循環形原子炉に於ける
有効燃料長が１２．５沢であるのに対し、有効燃料長が
８乃至９吠であり）、炉心出力密度が幾分低いことであ
る。ＢＷＲ燃料束の入口に於けるオリフイス作用一流体
力学的な安定性を促進する手段一の厳しさを軽減するこ
とが出来る。燃料棒は、例えば６×６の燃料棒配列では
、燃料棒の直径を一層大きくすることが出来るが、強制
循環形原子炉では、燃料棒配列は８Ｘ８燃料棒配列であ
る場合が多い。燃料東当たりの設計流量並びに蒸気発生
器当たりの流量が、ＳＢＷＲ設計では幾分低下する。燃
料出口蒸気の品質は、２つの設計で大体同じである。

ＳＢＷＲ形の原子炉の設計では、スパージャ又は吐出ヘ
ッダが炉心上側高圧室内に設けられないが、ＡＢＷＲ原
子炉では、スパージャ又は吐出ヘッダが上側炉心高圧室
内に取付けられる。

研究されているある形式のＳＢＷＲ原子炉では、直立管
が非常に長いが、炉心上側高圧室が雇い。

他の形式で、その逆の場合がある。この発明は何れの形
式にも同じ様に用いることが出来る。

「負荷追従」は、ＢＷＲのエネルギ出力を増分的に変更
されるエネルギ出力の要求と釣合わせる作用である。こ
の要求の変化は、原子力発電所が結合されている回路網
によって起り、前の定常状態（平衡）の運転状態からの
変化を表わす。

例として、ＳＢＷＲが定格エネルギ出力の９０％で運転
されていると仮定する。炉心内には空所、即ち気泡の形
で蒸気が分布する。燃料集成体の一番下側の部分には、
炉心下側高圧室にサブクールされた液体状態が存在する
為に、空所のない冷却材があり、これが炉心に入る水の
源である。燃料集成体内の流路を途中まで行くと、蒸気
の発生が始まり、この為、燃料集成体の中を上向きに進
むにつれて、蒸気の割合が増加する様な蒸気／液体混合
物が発生する。炉心が燃料サイクルの寿命内で達した特
定の点に応じて、燃料集成体のチャンネルの直ぐ外側に
ある制御ブレードは炉心から種々の引出し状態にある。

原子カボイラからの蒸気出力がタービン発電機に結合さ
れ、この発電機が回路網に電気結合される。原子カボイ
ラ圧力調整制御装置が設けられており、その動作により
、タービンの蒸気制御弁の位置が変わって、原子炉蒸気
ドーム内で測定した原子カボイラの圧力を一定に保つ。

回路網の需要の変化、例えば発電所からより多くの電力
を要求する増分的な要求の増加があった場合、制御棒位
置ぎめ装置に信号が送られ、その粘東、未だ炉心から全
部引込められていないある制御ブレードが増分的に引込
められる。この引出しは、原子炉を一時的に更に反応性
を持つ様にする効果があり、中性子束を塘加し、それに
よって燃料棒全体にわたる核分裂の割合を一層高くする
。

短期的に、即ち数秒間、燃料材料（二酸化ウラン）の質
量が呈する熱容量が、その内部温度が上昇する時の燃料
棒全体にわたって発生される熱エネルギを吸収する（こ
の為、燃料の熱伝達が中性子束より遅れる。この過渡的
な応答特性は典型的に時定数７秒である）。然し、この
高い温度により、直ぐにこの時一層高くなった燃料被覆
温度から原子炉の冷却材への熱伝達が一層大きくなり、
この為、形成される蒸気量が増分的に増加する。更に、
燃料集成体内部で沸騰が最初に始まる点が、熱伝達が一
層大きくなることに応答して、若干下向きに移動する。

この様に前の沸騰鎮域に於ける空所が増分的に増えると
共に、沸騰の境界が下向きに移動する組合せにより、負
の反応度効果が生じ、それが原子炉を平衡した定常状態
の出力レベルに戻す。この出力レベルは、しかしながら
、発生する蒸気が増分的に多くなったレベルである。蒸
気発生率が一層大きくなったことに応答して、原子炉蒸
気ドーム内の圧力を一定に保つ為（制御装置の要求通り
に）、圧力調整装置がタービン制御弁を漸進的に増分的
に開き、こうしてタービンに対して放出する正味の蒸気
鑓を一層多くする。タービンを通過する蒸気流量が一層
多くなることにより、発電所からより多くの電力を要求
するきっかけとなった回路の需要に最終的に応答して、
所要の増分的な増加が発生される。

上に述べた原理は、他の形式の出力調整を理解するのに
も、原子力工学の当業者に拡張することが出来よう。上
に述べた例が、負荷需要の小さな増加に応答して起るこ
とは明らかである。勿論、原子炉の二ネルギ出力の調整
は、原子炉オペレータが、制御ブレードを炉心の中に一
層深く挿入するか或いは炉心から一層外へ引出すことに
より、手作業で実施することも出来る。

原子力発電所は上に述べた比較的小さな調節よりも、一
層大きな負荷需要の調整に応えることが要求される場合
が多い。現存の原子力発電所は、制御ブＬｌ−ドを引込
めるのに時間がか〜る点で欠点がある。制御ブレードを
群に分けて動かす（「連動した棒の移動」）時でも、群
を逐次的に動かすには時間がか〜る。制御ブレードの移
動によって負荷追従を行なうことの別の欠点は、制御ブ
レードがある場所の両端の近くの燃料内で起る加熱の過
渡状態が、時間が経つと、燃料被覆に望ましくない応力
サイクルを発生することがあることである。

強制循環形ＢＷＲにとって有効であることが判った別の
負荷：Ａ整手段は、循環流制御を使うことである。原子
炉の出力要求値に信号で伝えられた変化が、循環流を上
向き又は下向きに調節する制御装置に送られる。主循環
ポンプの速度を変えることにより、又は別の用途では、
流量制御弁によって低速ポンプの出力を絞ることにより
、循環流を調整する。変化した流量が、炉心内の空所の
量に割合急速な変化を招くと共に、炉心内の燃料集成体
の内部の沸騰境界の位置に同様な変化を招く。

例えば、原子炉のより多くの出力を要求する増分的な要
求に対する循環流制御装置の動作応答は、循環流量を高
めることになろう。これが現存する若干の空所を炉心か
ら掃引して除き、沸騰境界の位置を上昇させる。これに
よって、中性子束が増加し、・核分裂率が増加し、まも
なく発生される蒸気の合計量が一層多くなる。一層高い
エネルギ出力に応答して、炉心内の空所の「通常に近い
」レベルが再び現れると、原子炉の状態は「定常状態」
に復帰するが、然しこの時は一層高い出力レベルにある
。循環流制御の２つの利点は、原子炉出力の変化率を一
層速くすることが出来ること、並びに制御ブレードを動
かす必要がないから、燃料棒に目立って余分の応力サイ
クルのデューティが課せられないことである。

然し、今日まで、自然循環形原子炉は、負荷追従手段と
して、制御棒の移動しか利用することが出来なかった。

前に述べた様に、この負荷追従制御モード、即ち、制御
ブレードを移動することによって負荷追従を行なうこと
の欠点は、遅動装置になることである。それは、中性子
束の分布を所望のパターンに保ちながら、変化を行なう
為に、多数のブレードをある可変の少量だけ移動しなけ
ればならないからである。この為、種々の出力動作モー
ドでは、原子炉のエネルギ出力を制御自在にではあるが
、一層急速に変え、こうして負荷追従操作の幅の広い変
化が得られる様な能力上昇をもたらす別の方法が望まし
い。

強制循環形ＢＷＲで行なうことが出来る別の運転は「ス
ペクトル・シフト」と云う名前で知られている。中性子
の「スペクトル●シフト」は、炉心内の中性子のエネル
ギ・レベルのシフトであって、これは非核分裂性物質を
核分裂性物質に核交換反応をさせることが出来るもので
ある。典型的な強化は２３８Ｕから２３９Ｐｕへの核交
換反応である。当業者であれば、採鉱したウランの大抵
の源は、濃縮、変換及び富化の種々の操作を受け、例え
ば原子力発電所に使う燃料棒を形成するのに使う為の燃
料要素の形で核分裂物質を供給することを承知していよ
う。使う方法と関係する原子炉の形式に応じて、コスト
並びに／又は技術的な観点により、核燃料には依然とし
てある決まった量の非核分裂性物質が存在している。燃
料の内の核分裂性でない部分を核分裂性の形式に核交換
反応させることにより、原子炉は、燃料補給をせずに、
並びに／又はより少ない新鮮な燃料束を取付ける必要が
出て来るまでに、一層長い期間の間運転することが出来
る。この為、スペクトル・シフトは種々の原子炉にとっ
て望ましい運転モードであり拐る。強制循環形ＢＷＲで
は、再循環率を減少し、これによって炉心内の空所に割
合を高めることにより、スペクトル・シフトが達成され
る。こうして出力レベルが低下する。その為、制御棒を
引込めて、所望の原子炉の出力レベルを再び設定する。

空所の割合が一層高くなる時、中性子スペクトルが一層
高いエネルギ・レベルにシフトし、こうして非核分裂性
物質を核分裂性形式に核交換反応させる。自然循環形原
子炉は強制的な水の循環をせずに運転されるから、原子
炉をスペクトル・シフト・モードで運転する為には、他
の方式を開発する必要がある。

発明の要約 この発明は、スパージャ形自然循環形ＢＷＲで循環流制
御の望ましい特徴を達成する改良された方法を説明する
。こうすることにより、この方法を用いる原子炉は負荷
追従並びに／又はスペクトル・シフトの出力動作モード
を行なうことが出来る。最も広義に見ると、この方法は
、原子炉内の炉心入口サブクーリング又は循環流を変更
することにより、負荷追従並びに／又はスペクトル・シ
フト能力を達成する為に、原子炉内の異なる場所に２つ
の給水スパージャを用いることを基本とする。２番目の
給水スパージャを使うことより、駆動水頭が修正される
。これは、立下がり領域で蒸気が下向きに流れること又
は運ばれることは、異なる高さのところでクエンチング
されることにより、循環流量が異なることになり、こう
して出力レベルに影響を与える。更に、サブクーリング
を修正することは炉心内での空所の割合及び水の密度に
影響し、こうして炉心の出力レベルに影響する。

従って、この発明は、下側水入口並びに上側蒸気ドーム
に接続された上側蒸気出口を含む原子炉圧力容器（ＲＰ
Ｖ）の水入口にスパージャが取付けられ、このスパージ
ャがＲＰＶ内でその内周に沿って配置されている様な形
式の自然循環形沸騰水形原子炉を対象とする。ＲＰＶ内
でシュラウド内に炉心が収容されており、このシュラウ
ドがＲＰＶと共に、炉心の下方に配置された炉心下側高
圧室領域と流れが連通ずる環状領域を構成する。

シ二ラウドの頭部内に形成された炉心上側高圧室が炉心
の頂部に配置される。スパー・ジャは炉心上側高圧室の
上方に配置される。ＢＷＲは、蒸気が、ＲＰＶのチムニ
ー内に収容された水の自由表面から独力で分離される様
な自然の蒸気／水の分離を利用する形式であってよい。

この代りに、ＢＷＲは、垂直に取付けられた複数個の直
立管がシュラウド頭部の頂部に取付けられて（モしてチ
ムニを構成し）、炉心上側高圧室及び上側蒸気ドームと
流体が連通ずる様な形式であってもよい。随意選択によ
り、蒸気分離器／乾燥器集成体を直立管の頂部に取付け
、直立管及びチムニーと流体が連通ずる様にしてもよい
。チムニーがチムニーの外側ｊこ配置された立下がり領
域（例えば直立管）と流体が連通して、水の流路を完或
する。

この発明による改良は、ＲＰＶ内の異なる高さの位置に
２番目のスパージャを設けることである。

この２番目のスパージャは立下がり領域内のある位置、
蒸気乾燥器／分離器集成体の直ぐ下の位置に配置しても
よいし、或いは炉心上側高圧室内に配置してもよい。適
当な弁を設けて、オペレータがＲＰＶ内での給水の流れ
を制御自在の質量及び流量に計量することが出来る様に
する。この発明を原子炉の設計に用いる例として、普通
の原子炉の内部に変更並びに／又は追加の部品を設けた
交代的な形式を説明する。

負荷追従能力を持たせる１つの運転モードでは、２つの
スパージャの間の給水の流れを調節し、こうして原子炉
が回路網の要求に応じて、出力を増減することが出来る
ようにする。スペクトル・シフトを強める交代的な運転
モードでは、２つのスパージャの間の水の流れは、サブ
クーリング又は循環率の１つ又は更に多くを下げる様に
弁を用いて配分し、こうして炉心内の空所の割合を増加
すると共に出力レベルを下げる。その後、制御棒を引込
めて、出力レベルを再び設定すると共に、スペクトル・
シフト動作を強める。３番目の運転モードでは、上に述
べた様にしてスペクトル◆シフトを強め、やはり回路網
の需要に応じて、２つのスパージャの間の給水の流れを
調節することによって、負荷追従能力を利用する。然し
、この運転モードの間、負荷追従能力の為にスペクトル
●シフトが犠牲にされることがあるが、負荷追従が完了
した後、スペクトル・シフトを再び設定することが出来
る。

強制循環形ＢＷＲでは、スペクトル・シフトを強める為
の手段を利用することが出来るが、こ＼で説明するサブ
クーリングの変更を余分のパラメータとして用い、これ
によってこの様に強化を容易にするのが有利であること
がある。従って、この発明による強制循環形ＢＷＲに於
ける二重スパージャ構成は、サブクーリングの修正を達
或すると共に、それに伴ってスペクトル●シフトを強め
る為に使うことが出来る。この様な使い方もこの発明の
別の一面である。

この発明の利点としては、スパージャ形自然循環形ＢＷ
Ｒに負荷追従能力を持たせる新規な手段を提供すること
が挙げられる。この発明の別の利点は、スパージャ形自
然循環形及び強制循環形ＢＷＲのスペクトル・シフト能
力を強める新規な手段である。この発明の更に別の利点
は、負荷追従モード、スペクトル・シフト●モード又は
それらのモードの組合せで運転することが出来る原子炉
の設計である。この発明の別の利点は、冷却材の，循環
流量に影響を与える為に、原子炉内の異なる点に対する
給水の調整を調荀自在にすることが出来ることである。

上記並びにその他の利点は、以下説明する所から当業者
に明らかになろう。

発明の詳しい説明 自然循環形ＢＷＲは循環装置又は外部ループを持ってい
ないから、循環流量を制御する為、又は流量調整を行な
う為に、外部循環ループに配置された流量制御弁を絞る
為の駆動原動機の速度の調整を利用することが出来ない
。従って、解決すべき問題は、スパージャ形ＢＷＲに於
て、有効な負荷追従能力を持たせ、並びに／又はスペク
トル・シフト能力を強めると共に、追加部品と云う形の
欠点が極く少なく、得られる利点を考慮して受入れるこ
との出来る様な改良された手段を工夫することである。

こ〜で考えている形式のＢＷＲの設計は、給水スパージ
ャを備えているから、余分のスパージャを追加すること
は、この様な原子炉の設計で既に用いられている設計の
考え方の範囲内に十分収まるものである。図面について
云うと、原子炉の内部の大部分は普通のものであって、
この発明の考えに従ったＢＷＲにするのに必要な変更に
とって、そういう部品が不必要であるので、図面では省
略してある。原子炉の内部、その構造及び動作は、周知
であり、例えば次の文献に例示されている。１９８１年
ニューヨーク州のファン・ノスランド社出版のグラスト
ン及びセソンスケ共苦「原子炉工学」第３版第７４８頁
乃至第７５３ｔ’Ｃ１９８８年５月１日乃至５日にわた
ってワシントン州シアトルで開イ窪されたアメリカン●
ニュークリア・ソサイエティ●トピカル・ミーティング
で発表されたウルフ及びウイルケンスの発表「沸騰水形
原子炉の設計と安全の改良」、１９８８年５月１日乃至
５口にワシントン州シアトルで開催されたアメリカン●
ニュークリア●ソサイエティ・トピカル●ミーティング
で発表されたダンカン及びマッキャンドレスの発表「高
級な簡単にした沸騰水形原子炉」、アメリカン・ニュー
クリア・ソサイエティ（イリノイ州，１９７７年）出版
のレイヒー及びムーディ共著「沸騰水形原子炉の熱的な
力学」、特に第２章、第１５頁乃至第４４頁参照。普通
のＢＷＲ，ＡＢＷＲ及びＳＢＷＲは何れもこれらの文献
に記載されている。

次に第１図について更に具体的に説明すると、原子炉の
圧力容器（ＲＰＶ）１０が入口１２から給水を取込み、
出口１４から蒸気を排出することが判る。入口１２にス
パージャ１６が接続されている。第２のスパージャ１８
が、その中に弁２２を設けた配管２０によってスパージ
ャｌ６に接続されている。スパージャ１６，１ｇは第２
図に更に詳しく示されている。第２図は、スパージャが
リング形のバイブであって、適当な開口を持ち、この開
口を介して給水がＲＰＶ　　１０内部に通過することが
判る。スパージャ並びにその開口の設計は普通のもので
あり、当業者に周知である。

普通のスパージャ形ＢＷＲは、給水をＲＰＶ１０の中へ
通す為のスパージャ１６しか持っていない。ＲＰＶ　　
１０内での流れ特性は、弁２２を適当に制御して、スパ
ージャ１６．１８の間で給水の流れを分割することによ
って、変えることが出来る。ＲＰＶ　　１０内の水を異
なる高さの所でクエンチングすることにより、駆動水頭
が修正され、こうして出力レベルに影響を与える。

前に全体的に説明し、特に引用した文献に具体的に記載
されているが、ＲＰＶ　　１０内の水の流路について云
うと、２４に示す立下がり領域内にあるサブクールされ
た水が、２８と記した環状領域内で、ＲＰＶ　　１０と
シュラウド２６の間を下向きに流れる。環体２８を流れ
る水がこの後３０に示した炉心下側高圧室領域へ流れる
。原子炉の内部部品の多くは、当業者に容易に明らかな
様に、普通のものであるので、図面を簡単にする為に、
第１図及び第３図には示してない。

この後、水がシュラウド２６内で炉心３２の下方に配置
された案内管領域を流れ、その後燃料オリフィスを通っ
て、燃料支持鋳物及びノーズピースの下側結合板を通り
越す。次に水が炉心３２内に配置された燃料集成体に入
り、そこで沸騰境界層が設定され、こうして燃料集或体
の中に下側の非沸騰領域と上側の沸騰領域とを作る。普
通の様に、必要に応じて、或いは望ましければ或いは普
通の様に便宜に応じて、流れの側路を行なう。

次に、水及び蒸気の混合物が、シュラウド頭部３６内に
形威されていて炉心３２の頂部に配置された炉心上側高
圧室３４に入る。炉心上側高圧室３４は炉心３２を出て
直立管３８に入る混合物の間を離隔する。直立管３８は
、シュラウド頭部３６の頂部に配置されていて、炉心上
側高圧室３４と流体が連通している。立下がり領域２４
がＲＰ■の壁１４とチムニーを形成する直立管３８の間
に形成されることが認められよう。直立管３８の代りに
、チムニーとして、種々の追加の局限部材又は方向ぎめ
手段／部材を使うことが出来ることは云うまでもない。

次に直立管３８を流れた混合物が、普通の様に又は普通
とは違う形で設けられる蒸気分離器／乾燥器集成体４０
に入る。分離器４０は、分離された水が立下がり管２４
に入り、蒸気が蒸気ドーム４２に入り、その後出口ｌ４
を介してＲＰＶ　　１０から取出されるように出口を連
通させる。立下がり管２４内の分離された水並びに発電
所のタービン・アイランド部分から入口１２に入る再循
環の給水がその後一緒になり、流れの循環が再び開始さ
れる。

以上の説明から、スパージャ１６及び１８の間の質量流
量と給水の流量を計量することが、ＲＰＶ　　１０に於
ける水の循環に影響を与え、こうして炉心３２のエネル
ギ出力に影響を与えることは容易に明らかであろう。前
に述べた様に、直立管３８及び分離器４０を使うことは
随意選択である。

チムニー２４内の水の自由表面を設定し、炉心３２から
取出され、随意選択によって直立管３８を通過する混合
物は、水の自由表面から直接的にドーム４２へ放出する
ことが出来る。蒸気を排出する自由表面又は図面に示し
た直立管／分離器集成体を使うかどうかに関係なく、多
重スパージャを使うことは、依然として原子炉内の流量
に影響を与え、従って炉心３２のエネルギ出力に影響を
与える。

第１図は、スパージャ１６．１８．５０の間で給水の流
れを配分する為に、夫々弁２２．４４を持つ配管２０．
４８を利用しているが、第３図は配管及び弁がＲＰＶ　
　１０の外部にある様な別の実施例を示している。第３
図について更に具体的に説明すると、給水入口１４がヘ
ッダ５２に接続されていて、このヘッダが給水を配管５
４，５６．５８に分配し、これらの配管が夫々弁６０．
６２．６４を備えていることが認められよう。配管５４
及び弁６０が給水をスパージャ１８へ通す。配管５６及
び弁６２が給水をスパージャ１６へ通す。

配管５８及び弁６４が給水をスパージャ５０へ通す。他
の全ての点で、第３図に示したＢＷＲの運転は第１図と
同じである。

スパージャ１８に代るものとして又はそれを補うものと
して、配管４８内に配置された弁４４が、炉心上側高圧
室３４内に配置されたスパージャ５０に給水を連通させ
ることが認められよう。計量された給水の流れをスパー
ジャ１６からスパージャ５０へ方向転換することにより
、調整された量のサブクール液体が炉心上側高圧室３４
に入って、燃料集成体から来る２相混合物並びに炉心３
２の飽和側路流と一猪になることが出来る。若干の蒸気
はクエンチングされ、一層大きな２相冷却材の正味の質
量が、直立管３８と、蒸気乾燥器／分離器４０の蒸気／
水分離器部分とが持つ一定の流れ抵抗によって処理され
なければならない。この時、炉心上側高圧室３４内の静
水圧は一層大きな値になる様に調節される。これは、こ
の一層大きな質量流量を直立管／分離器の固定部品に側
路することによる一層大きな流れ損失の為である。更に
、直立管３８と装置４０内にある蒸気分離器を通過する
均質な蒸気／水混合物の密度は一層高くなる。

これが直立管３８の外部の流体の柱、即ち立下がり管２
４と、直立管３８の内部の琉体の柱との間の浮力を小さ
くする。従って、自然循環用の圧送水頭が小さくなる。

炉心シュラウド２６の底では静水圧の増加は起っていな
いから、炉心下側高圧室３０と炉心上側高圧室３４の間
の差圧が減少する。従って、炉心３２内の循環流量が減
少する。

この為、炉心を通る冷却材循環流量の調節自在の調整が
直接的に行なわれる。更に、サブクールされる度合の小
さい水がスパージャ１２から入るから、炉心に入る流体
のサブクーリングが減少する。

従って、この原子炉によって発生される出力レベルは、
こ＼で説明した二重スパージャＢＷＲの適当な動作によ
って増減することが出来ることが理解されよう。スペク
トル・シフト動作では、二重スパージャＢＷＲは、サブ
クーリング並びに／又は循環率を減少して、炉心内の空
所の割合を高め、こうして原子炉の出力レベルを下げる
様に運転されることが理解されよう。図面に示してない
が、普通の制御棒を引出すことにより、出力レベルが再
び設定され、原子炉のスペクトル・シフト動作を強める
。普通の強制循環形ＢＷＲ内に２つのスパージャを用い
ることにより、オペレータはサブクーリングを修正し、
こうしてスペクトル●シフトの強化を計ることが出来る
ことが理解されよう。現存の強制循環形ＢＷＲの設計と
運転は周知であって、こ〜に引用した文献にも記載され
ており、こう云う原子炉についてこれ以上説明する必要
はなかろう。

前に述べた様に、この発明の多重スパージャＢＷＲをス
ペクトル・シフト・モードで運転する時でも、回路網の
需要並びに／又は原子炉からのその他の要求に応答して
、負荷追従が依然として可能である。スペクトル・シフ
トを犠牲にしなければならないか、並びに／又は制御棒
の移動が必要になるかもしれないが、然し主に多重スパ
ージャを介して原子炉に取込む給水の慎重な操作を通じ
て、負荷追従が達成し得ると考えられる。

構或材料について云うと、全ての部品はＢＷＲ内に使う
のに適した材料で製造されることが好ましい。更に、図
面に示し、こ〜で説明した種々の部品は、現場の知識に
従って変更又は修正することが出来、そういう変更が特
許請求の範囲によって定められたこの発明の範囲を実質
的に変えない限り、この発明の範囲内に含まれることを
承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はスパージャ形自然循環形ＢＷＲの簡略側面断面
図で、この発明を実施する為の幾つかの実際的な形式を
示す。第２図は第１図の線２−２で切った断面図である
。第３図は第１図と同様な図で、この発明の２番目の実
際的な形式を示す。 ［主な符号の説明］ １０：圧力容器、 １２．１８：スパージャ、 １４：蒸気出口、 ２０：配管、 ２２：弁、 ２４：立下がり領域、 ２６：シュラウド、 ２８：環状領域、 ３０：炉心下側高圧室領域、 ３２：炉心、 ３４：炉心上側′ｆ：１江室領域、 ３６：シュラウド・ヘッド、 ３８：直立管（チムニー）、 ４０：蒸気分離器、 ４２：蒸気ドーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内でシュラウド・ヘッド
   を持つシュラウド内に炉心が配置されていて、該シュラ
   ウドがＲＰＶと共に環状領域を構成し、該環状領域が、
   炉心の下方に配置された炉心下側高圧室領域と流れが連
   通し、前記ＲＰＶ内の蒸気出口に接続された上側蒸気ド
   ーム、前記シュラウド・ヘッド内に形成されていると共
   に前記炉心の頂部に配置されている炉心上側高圧室、及
   び前記シュラウド・ヘッド頂部に取付けられていて、前
   記炉心上側高圧室及び前記蒸気ドームと流体が連通する
   チムニーが設けられており、該チムニーの外側の領域が
   立下がり領域を構成し、前記ＲＰＶが該ＲＰＶの内周に
   沿って配置された第１のスパージャに接続された給水入
   口を持つ様な形式の自然循環形沸騰水形原子炉（ＢＷＲ
   ）に於て、前記ＲＰＶ内でその内周に沿って配置されて
   いて、弁を設けた配管によって前記第１のスパージャに
   接続された第２のスパージャを有し、該第２のスパージ
   ャは前記ＲＰＶ内で前記第１のスパージャとは異なる高
   さの位置に配置されている自然循環形沸騰水形原子炉。 ２、前記第２のスパージャが前記立下がり領域内に配置
   されている請求項１記載の自然循環形沸騰水形原子炉。 ３、前記第２のスパージャが前記環状領域内に配置され
   ている請求項１記載の自然循環形沸騰水形原子炉。 ４、前記第２のスパージャが前記炉心上側高圧室内に配
   置されている請求項１記載の自然循環形沸騰水形原子炉
   。 ５、前記第１及び第２のスパージャを接続する配管が前
   記ＲＰＶの内側に配置されている請求項１記載の自然循
   環形沸騰水形原子炉。 ６、前記第１及び第２のスパージャを接続する配管が前
   記ＲＰＶの外側に配置されている請求項１記載の自然循
   環形沸騰水形原子炉。 ７、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内で、シュラウド・ヘッ
   ドを持つシュラウド内に配置された炉心を有し、該シュ
   ラウドがＲＰＶと共に環状領域を構成し、該環状領域が
   、前記炉心の下方に配置された炉心下側高圧室領域と流
   れが連通し、前記ＲＰＶの蒸気出口に接続された上側蒸
   気ドーム、前記シュラウド・ヘッド内に形成されている
   と共に前記炉心の頂部に配置された炉心上側高圧室、及
   び前記シュラウド・ヘッド内の頂部に取付けられていて
   、前記炉心上側高圧室及び前記蒸気ドームと流体が連通
   するチムニーが設けられていて、該チムニーの外側の領
   域が立下がり領域を構成し、前記ＲＰＶが該ＲＰＶの内
   周に沿って配置された第１のスパージャに接続された給
   水入口を持つ様な形式のスパージャ形自然循環形沸騰水
   形原子炉（ＢＷＲ）に負荷追従能力を持たせる方法に於
   て、前記ＲＰＶ内にその内周に沿って第２のスパージャ
   を配置し、前記第１のスパージャを弁を設けた配管によ
   って該第２のスパージャに接続し、該第２のスパージャ
   は前記ＲＰＶ内で前記第１のスパージャとは異なる高さ
   の位置に配置されており、前記２つのスパージャの間の
   給水の流れを調節して負荷追従能力を持たせる段階を含
   む方法。 ８、前記第２のスパージャが前記立下がり領域内に配置
   されている請求項７記載の方法。９、前記第２のスパー
   ジャが前記環状領域内に配置されている請求項７記載の
   方法。 １０、前記第２のスパージャが前記炉心上側高圧室内に
   配置されている請求項７記載の方法。 １１、前記第１及び第２のスパージャを接続する配管が
   前記ＲＰＶの内側に配置されている請求項７記載の方法
   。 １２、前記第１及び第２のスパージャを接続する配管が
   前記ＲＰＶの外側に配置されている請求項７記載の方法
   。 １３、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内でシュラウド・ヘッ
   ドを持つシュラウド内に炉心が配置されていて、該炉心
   には燃料棒集成体及び制御棒が付設されており、該シュ
   ラウドがＲＰＶと共に環状領域を構成し、該環状領域が
   炉心の下方に配置された炉心下側高圧室と流れが連通し
   、前記ＲＰＶにある蒸気出口に接続された上側蒸気ドー
   ム、前記シュラウド・ヘッド内に形成されていて前記炉
   心の頂部に配置された炉心上側高圧室、及び前記シュラ
   ウド・ヘッドの頂部に取付けられていて、前記炉心上側
   高圧室及び前記蒸気ドームと流体が連通するチムニーが
   設けられていて、該チムニーの外側の領域が立下がり領
   域を構成し、前記ＲＰＶが該ＲＰＶの内周に沿って配置
   された第１のスパージャに接続される給水入口を持つ様
   な形式のスパージャ形沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）に於け
   るスペクトル・シフトを強める方法に於て、前記ＲＰＶ
   内に第２のスパージャを配置して、弁を設けた配管によ
   って第１のスパージャを第２のスパージャに接続し、該
   第２のスパージャはＲＰＶ内で第１のスパージャとは異
   なる高さの位置にあり、前記弁を用いて水の流れを前記
   第１及び第２のスパージャの間で配分して、サブクーリ
   ング率又は再循環率の１つ又は更に多くを下げ、こうし
   て炉心に於ける空所の割合を高めると共に出力レベルを
   下げ、制御棒を引込めて出力レベルを再び設定すると共
   にスペクトル・シフトを強める段階を含む方法。 １４、前記第２のスパージャが前記立下がり領域内に配
   置されている請求項１３記載の方法。 １５、前記第２のスパージャが前記環状領域内に配置さ
   れている請求項１３記載の方法。１６、前記第２のスパ
   ージャが前記炉心上側高圧室内に配置されている請求項
   １３記載の方法。 １７、前記第１及び第２のスパージャを接続する配管が
   前記ＲＰＶの内側に配置されている請求項１３記載の方
   法。 １８、前記第１及び第２のスパージャを接続する配管が
   前記ＲＰＶの外側に配置されている請求項１３記載の方
   法。 １９、給水の流れを前記第１及び第２のスパージャの間
   で再び配分して、負荷追従能力を持たせ、その後前記の
   水の流れを配分する段階及び制御棒を引込める段階を繰
   返して、スペクトル・シフトを強めることを含む請求項
   １３記載の方法。 ２０、ＢＷＲが自然循環形沸騰水形原子炉である請求項
   １３記載の方法。 ２１、ＢＷＲが強制循環形沸騰水形原子炉である請求項
   １３記載の方法。