JPH04235386A - 原子炉の運転方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、経済性が高くしかも安
全性を向上させることができる沸騰水型原子炉の運転方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の炉心では、炉心下部か
ら上方に向かう冷却材の流れに沿って冷却材中にボイド
が発生するために、減速材の密度は炉心下部で大きく上
部で小さくなる。このために出力ピーキングが炉心下部
に生じやすく、これを低減することがこれまでの重要な
課題であった。ところが近年では、燃料要素の熱的・機
械的強度の向上に伴ない、出力ピーキングの許容範囲内
で、発電コスト低減のために燃料経済性を向上させるこ
とが要求されるようになってきた。

【０００３】この点からみると、前記した炉心上下方向
の減速材密度分布を燃料経済性の向上に利用することが
できる。その手段の一つとして、スペクトルシフト運転
では、運転サイクル初期から末期より少し前までは冷却
材の流量を低流量で運転することによって、冷却材中の
ボイドを増加させて中性子スペクトルを硬化させ、ウラ
ン２３８からプルトニウムへの転換を促進させる。さら
に運転サイクル末期にかけて流量を増大させることによ
って中性子スペクトルを硬化させて、炉心の実効増倍率
を高めるとともに、蓄積したプルトニウムを効率的に燃
焼させる。また、冷却材流量は運転サイクルを通じて一
定とし、燃料集合体の濃縮度あるいはガドリニア含有量
を上下方向で分布させることによって、初期から中期に
かけては出力分布を下方ピークで運転し、末期には出力
分布ピークとする。この方法においても、運転中には燃
料上部のウラン２３５の燃焼を抑制するとともにプラト
ニウムを蓄積し、末期においては燃料上部に十分残って
いるウラン２３５と蓄積したプルトニウムを効率的に燃
焼させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のごと
き運転を行なった炉心や燃料集合体を装荷した炉心では
、サイクル末期におけるスクラム特性が悪化するという
問題が生ずる。すなわち、原子炉内で何らかの異常が発
生した場合には、中性子吸収材（現行ではボロンが多く
用いられる）からなる制御棒をただちに炉心内に全挿入
することによって核分裂連鎖反応を抑制して原子炉を緊
急停止（スクラム）する。

【０００５】サイクルの初期から末期の少し前までは、
原子炉の出力および出力分布の調整のために、十本前後
の制御棒が炉内に挿入されている。これらの制御棒は炉
心下部からその全長の２／３〜３／４の部分が炉内に挿
入されているため、スクラムの際には、運転中制御棒が
とどいていない炉心中〜上部の比較的出力の高い部分に
、制御棒がただちに挿入されるために速やかに原子炉を
停止することができる。

【０００６】ところが、サイクル末期ではすべての制御
棒が炉心から引き抜かれている。従って、サイクル末期
の軸方向出力分布が上方ピークとなっている場合には、
制御棒が有効に核分裂連鎖反応を抑制できるためには、
制御棒が全引き抜きの状態から炉心上部まで到達しなけ
ればならず、スクラム開始から原子炉を停止するまでに
より長い時間が必要となる。特にスペクトルシフト運転
の場合には、サイクル末期よりも少し前に冷却材が低流
量の状態で一旦制御棒が全引き抜きの状態となり、その
後冷却材の流量を徐々に上げながらサイクル末期を迎え
ることになるので、制御棒未挿入の状態が比較的長く続
くことになる。以上のように、燃料経済性の観点からサ
イクル末期において出力分布を上方ピークとする場合に
は、安全上の問題が生じる可能性がある。

【０００７】サイクル末期においてスクラム特性を向上
させるための一つの方法として、何本かの制御棒を炉心
に挿入したままの状態でサイクル末期を迎えることが考
えられる。しかしながら、このような方法ではサイクル
末期の炉心の実効増倍率を低下させるので、原子炉の運
転期間が短くなるか、または出力を低下させなければな
らず、稼働率の低下を招くことになる。初期の計画どお
りの運転を実施するには、あらかじめ燃料の濃縮度を高
めるか、または燃料の取替体数を増す必要があり、燃料
のコストが上昇する。

【０００８】また、制御棒を中途挿入すると、その制御
棒の近くの燃料集合体における制御棒の先端のすぐ上の
部分では、炉心内の他の場所に比べて冷却材のボイドが
少ないため反応度が高くなるので、この部分に出力ピー
クが生じやすい。その結果、最大線出力密度（燃料棒の
単位長さ当たりの熱発生量）などの熱的余裕が減少する
ことになり、燃料の健全性を低下させることになる。

【０００９】本発明は、このような点を考慮してなされ
たもので、燃料経済性および出力ピークを悪化させるこ
となく、サイクル末期のスクラム特性を向上させること
ができる原子炉の運転方法を提供することを目的とする
。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成する手段として、１体の制御棒を４体の燃料集合体で
囲繞してなるセルを多数配列して構成される原子炉の炉
心において、前記セルのうちのいくつかを、そのセルに
属する４体の燃料集合体の下部の平均反応度が、炉心に
装荷される全燃料集合体の下部の平均反応度よりも低い
燃料集合体４体で構成される制御セルとし、かつ少なく
とも一部の制御セルにおいて、制御棒を前記反応度の低
い燃料集合体下部に相当する部位にのみ挿入した状態で
運転サイクルの末期を迎えるようにしたことを特徴とす
る。

【００１１】制御セルに用いる燃料集合体としては、最
も炉内滞在期間が長い燃料集合体かまたはその次に炉内
滞在期間が長い燃料集合体のいずれか４体、あるいは、
あらかじめ通常の燃料集合体とは別に用意した、サイク
ル末期において制御棒が挿入される部分に相当する下部
領域を低濃縮度としたものでもよい。ただし、後者の場
合、制御棒がの上端は燃料集合体の低濃縮度部分の上端
よりもやや低い位置まで挿入するものとする。

【００１２】

【作用】本発明に係る原子炉の運転方法においは、セル
のうちのいくつかが制御セルとして設定され、そのうち
の少なくとも一部の制御セルにおいは、制御棒が反応度
の低い燃料集合体下部に相当する部位にのみ挿入された
状態で、運転サイクルの末期を迎える。このため、サイ
クル末期において出力分布が上方ピークとなる炉心にお
いても、炉心下部に制御棒が挿入されるので、スクラム
によって直ちに原子炉を停止することが可能となる。し
かも、挿入されている制御棒を取り囲む燃料集合体の下
部は低反応度となっているので、炉心の実効増倍率の低
下を招くことはない。また、燃料集合体の出力ピークが
生じ易い挿入制御棒の先端直上部分も、燃料集合体の反
応度が低くなっているが、過大な出力ピークの上昇に到
ることもない。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図面を参照して
説明する。

【００１４】図１は、電気出力１３５万ｋｗの沸騰水型
原子炉の炉心の１／４の断面図であり、図中、符号Ａで
示す□が燃料集合体１体を表わし、全部で８７２体の燃
料集合体Ａが装荷されている。これら各燃料集合体Ａの
□内の数字は、その燃料集合体Ａの炉内滞在期間（サイ
クル数）を示しており、４が最も炉内滞在期間が長く、
３がその次に長い。本実施例においては、サイクル初期
から末期の少し前までは、冷却材流量を定格値の８０％
で運転し、サイクル末期では１１０％とするスペクトル
シフト運転が実施されるようになっている。

【００１５】また、前記各燃料集合体Ａは、例えば特開
昭６１−２４０１９３号公報に示されているように、サ
イクル末期の出力を上方ピークにするのに適した設計と
なっており、濃縮度およびガドリニアは、図２に示すよ
うに上下方向に分布している。　　前記炉心には、図１
に太枠で囲って示すように、３サイクル目の４体の燃料
集合体Ａとその中心の制御棒Ｃとからなる制御セルＢが
、４個用意されており、これら各制御セルＢに属する制
御棒Ｃは、サイクル末期では、その全長の１／３だけ炉
内に挿入されるようになっている。

【００１６】前記炉心にはまた、図１に太枠で囲って示
すように、３サイクル目または４サイクル目の４体の燃
料集合体Ａとその中心の制御棒Ｅとからなる運転セルＤ
が、１３個用意されており、これら各運転セルＤのうち
の一部または全部の制御棒Ｅは、その全長の２／３〜／
３／４を炉内に挿入し出力調整しながら運転が行なわれ
るようになっている。

【００１７】従来例として、本実施例と全く同一の条件
で、サイクル末期において制御棒を全引抜きとした例を
用い、この従来例と本実施例とにつき、サイクル末期の
炉心平均軸方向出力分布を図３に示し、またスクラム特
性を図４に示す。

【００１８】図３からも明らかなように、制御棒Ｃを炉
心の下部１／３の部分に挿入することにより、出力分布
はさらに上方ピークとなるが、高出力部のすぐ下まで制
御棒が挿入されているので、スクラムの際の実効増倍率
の低下は、図４に示すように従来例よりも速くなってい
る。

【００１９】なお、本実施例では、制御棒Ｃが炉心に挿
入されているにもかかわらず、サイクル末期の炉心の実
効増倍率は、スペクトルシフト運転および燃料集合体の
効果により、サイクル末期において、燃料集合体の上部
にウラン２３５およびプルトニウムが多く存在している
ため、出力分布を上方ピークとすることにより、これら
の核分裂反応を効率的に行なわせることができ、この作
用が、制御棒Ｃの挿入による中性子吸収の増加に伴なう
実効増倍率の低下を、打ち消すためである。

【００２０】本実施例では、運転セルＤとは別に制御セ
ルＢを設定しているが、１３個の運転セルＤのうちいく
つかを制御セルとし、サイクル末期に制御棒Ｅを挿入す
るようにしてもよい。しかしながら、本実施例のように
、運転セルＤとは別に制御セルＢを設定することにより
、制御セルＢに属する燃料集合体Ａの燃焼を促進させ、
サイクル末期における燃料集合体Ａの反応度をより一層
低下させることができるので、サイクル末期において、
制御棒Ｃを挿入した際の炉心の実効増倍率の低下を小さ
く押さえることができる。

【００２１】また、いくつかの運転セルＤの制御棒Ｅに
加え、４個の制御セルＢの制御棒Ｃも、サイクル初期か
ら末期まで挿入したままで運転するようにしてもよい。 この場合には、運転サイクル全体を通してスクラム特性
を改善することができる。ただし、制御棒の挿入されて
いる部分は、中性子の吸収能力が早く劣化するので、少
なくとも制御棒の先端の１／３の部分は、ボロンよりも
吸収能力の寿命が長いハフニウム等で構成することが望
ましい。

【００２２】本実施例のように、炉内滞在期間が長く、
その全長に亘って反応度が十分低下した燃料集合体Ａに
よって制御セルＢを構成することにより、制御棒Ｃの上
端付近に生じる出力ピークを低減することができる。具
体的には、本実施例では、制御棒全引抜きの状態に比べ
、最大線出力密度の増大は０．８ｋｗ／ｆｔ　であるの
に対し、本実施例と同一の炉心のサイクル末期において
、炉内滞在期間が短い燃料集合体Ａが属するセルの制御
棒を挿入すると、最大線出力密度の増大は１．３ｋｗ／
ｆｔ　である。

【００２３】図５〜図７は、前記実施例において、サイ
クル末期に挿入する制御棒の本数を一定とし、その挿入
深度を変化させたときの、炉心の実効増倍率の変化、ス
クラム指標の変化、および最大線出力密度の増加をそれ
ぞれ示すものである。

【００２４】ここで、スクラム指標とは、図４に示した
制御棒挿入に伴なう炉心の実効増倍率の変化曲線を、制
御棒挿入深度が１／２になるところまで積分した量であ
り、スクラム特性の良否を表わす指標としてしばしば用
いられる。挿入深度が１／２までは、制御棒挿入による
実効増倍率の低下はないが、それ以上挿入すると、実効
増倍率は急速に減少するので経済性が悪化する。また、
制御棒挿入深度が１／２までは、挿入するほどスクラム
特性は改善されるが、反面最大線出力密度が増大する。 したがって、制御棒の挿入深度は１／２以下の範囲内で
、かつ最大線出力密度の制限が許す範囲内（これは燃料
集合体の特性やその他諸々の条件に左右される）で、な
るべく深く挿入することが望ましい。

【００２５】図８および図９は、本発明の第２実施例を
示すもので、前記第１実施例における制御セルＢと異な
る燃料配置の燃料集合体を用いて制御セルＢを構成する
ようにしたものである。

【００２６】すなわち、本実施例では、前記第１実施例
と電気出力および大きさが等しい原子炉であり、同じス
ペクトルシフト運転を行なっている。また、制御セルＢ
および運転セルＤも同一位置に設定されており、制御セ
ルＢ以外の位置に装荷されている燃料集合体Ａは、図２
に示す燃料配置となっている。ただし、制御セルＢに装
荷される燃料集合体Ａは、図９に示すように、下部の１
／４の部分を天然ウランとした燃料配置となっている。 そして、サイクル末期では、制御セルＢにおいて、制御
棒Ｃを炉心下端から５／２４の位置まで挿入するように
なっている。これにより、制御棒Ｃの先端が、燃料集合
体Ａの低濃縮度部分の上端よりも少し下に位置すること
になり、制御棒Ｃの先端付近の出力ピークの上昇を避け
ることができる。

【００２７】このように、本実施例では、前記第１実施
例において制御棒を全引抜きした従来例に比べ、炉心の
実効増倍率は０．２％△ｋ低下するが、これは燃料集合
体Ａの平均濃縮度がやや減少したことに起因するもので
、実質的な実効増倍率の低下ではない。一方、スクラム
指標については、従来例に比べ０．０８だけその絶対値
が増大し、図５に相当する改善が得られる。また、最大
線出力密度の増大はない。

【００２８】なお、前記第２実施例では、制御セルＢ用
の燃料集合体Ａの下部の濃縮度を極端に天然ウラン（０
．７１１ｗ／ｏ）としたが、もう少し高く例えば１〜２
ｗ／ｏの濃縮度としてもよい。この場合、サイクル末期
において、なるべく燃料集合体Ａ下部の反応度を低下さ
せるために、制御セルＢ位置の制御棒Ｃの少なくとも中
心約１／３の部分の中性子吸収能力を、上部の中性子吸
収能力よりも小さくしておき、サイクル初期から末期の
少し前までは、この制御棒Ｃをその全長の２／３程度を
炉内に挿入して運転する。そして、これにより、制御セ
ルＢでは、燃料集合体Ａ上部の出力が押さえられる結果
、燃料集合体Ａ下部の燃焼が進み、サイクル末期では下
部の反応度を低下させることができる。

【００２９】ところで、サイクル末期において制御棒を
炉内に挿入する技術は、例えば特開昭６０−８７８４号
公報に開示されている。この技術は、サイクル末期の出
力分布が下方ピークとなるような燃料集合体を装荷した
炉心において、制御棒の先端が炉心全長の３／２４〜１
２／２４の範囲内まで挿入することにより出力分布を上
方ピークとし、冷却材のボイド率を減少させて炉心の実
効増倍率を高めるようにしたものである。

【００３０】これに対して、前記各実施例では、サイク
ル末期の出力分布が上方ピークとなるような燃料集合体
Ａを装荷した炉心あるいはスペクトルシフト運転を行な
う炉心を対象とし、やはりサイクル末期において制御棒
Ｃを部分的に挿入するが、挿入する制御棒Ｃは、下部の
反応度が低い燃料集合体Ａがその周囲に配置されている
制御棒のみに限定される。そして、これにより、炉心の
実効増倍率の低下および最大線出力密度の増大を招くこ
となく、スクラム特性を改善することが可能となる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、炉
心の実効増倍率の低下や最大線出力密度の増大等の弊害
を伴なうことなく、サイクル末期のスクラム特性を改善
することができるので、スペクトルシフト運転等サイク
ル末期で出力分布を上方ピークとすることができ、燃料
経済性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る原子炉の運転方法が
実施される原子炉炉心の１／４の断面図。

【図２】本発明の第１実施例で用いられる燃料集合体の
濃縮度およびガドリニア分布をする説明図。

【図３】本発明の第１実施例および従来例の原子炉のサ
イクル末期における炉心平均軸方向出力分布を示すグラ
フ。

【図４】本発明の第１実施例および従来例の原子炉のサ
イクル末期におけるスクラム特性を示すグラフ。

【図５】サイクル末期における制御棒挿入深度と実効増
倍率の変化との関係を示すグラフ。

【図６】サイクル末期における制御棒挿入深度とスクラ
ム指標の変化との関係を示すグラフ。

【図７】サイクル末期における制御棒挿入深度と最大線
出力密度の変化との関係を示すグラフ。

【図８】本発明の第２実施例に係る原子炉の運転方法が
実施される原子炉炉心の１／４の断面図。

【図９】本発明の第２実施例における制御セルに用いら
れる燃料集合体の濃縮度およびガドリニア分布を示す説
明図。

【符号の説明】

Ａ　　燃料集合体 Ｂ　　制御セル Ｃ　　制御棒 Ｄ　　運転セル Ｅ　　制御棒

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１体の制御棒を４体の燃料集合体で囲繞し
   てなるセルを、多数配列して構成される原子炉の炉心に
   おいて、前記セルのうちのいくつかを、そのセルに属す
   る４体の燃料集合体の下部の平均反応度が、炉心に装荷
   される全燃料集合体の下部の平均反応度よりも低い燃料
   集合体４体で構成される制御セルとし、かつ少なくとも
   一部の制御セルにおいて、制御棒を前記反応度の低い燃
   料集合体下部に相当する部位にのみ挿入した状態で運転
   サイクルの末期を迎えることを特徴とする原子炉の運転
   方法。