JPH0439919B2

JPH0439919B2 -

Info

Publication number: JPH0439919B2
Application number: JP60117665A
Authority: JP
Inventors: Rerowa Kuroodo; Hooru Miro Jan; Gonzu Eritsuku
Original assignee: Fragema
Current assignee: Fragema
Priority date: 1984-05-30
Filing date: 1985-05-30
Publication date: 1992-07-01
Also published as: ES543603A0; JPS6150093A; FR2565396B1; ZA854077B; EP0167428A2; ATE47765T1; EP0167428B1; DE3574069D1; YU89385A; US4770840A; ES8702044A1; FR2565396A1; EP0167428A3; KR850008424A; KR910008353B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は軽水原子炉に関し、より詳しくは中性
子の異なるエネルギースペクトルで運転するよう
な原子炉を運転する方法に関する。

軽水原子炉は代表的に、並んで位置決めされた
垂直の燃料組立体で構成されている炉心を収容す
る圧力収納容器を有し、各燃料組立体は規則正し
い網状構造のノードに分布された燃料要素を有
し、各燃料要素は核分裂性物質とあるいは燃料親
形物質とを含んでいる。燃料要素は網状構造の一
部のノードのところで、制御用クラスタの可動な
棒を摺動自在に受け入れられている案内管に取り
換えられる。燃料組立体は、原子炉の各燃焼サイ
クルの後、少なくとも一部が他の燃料組立体で取
り換られる。

各燃料組立体には、燃料要素が冷却し減速する
ための水を流す間隙によつて分離されている。減
速率VM／VUは炉心内の核分裂性物質の容積
VUと減速材モジユールVMとの比として定義さ
れる。

現在運転中の在来の軽水原子炉は中性子のエネ
ルギースペクトルが熱的であるような減速率を有
している。軽水原子炉を改善し、燃料物質をより
良好に使用するために２つの方針が探られてい
る。両方の方針は減速率を少なくとも一時的に減
少させることを意味する。

第１の解決法は燃料がサイクル中燃焼するとき
に中性子のエネルギースペクトルを換えることで
ある。天然ウランの消費量と最初の濃縮度とを所
定の燃焼速度に対して減少させることができる。
特に重要であると思われるスペクトルシフト型原
子炉は仏国特許出願第8218011号（FR−Ａ−
2535509）に記載されている。この原子炉は構造
上、在来のPWRsに匹敵するが、例えば天然酸化
ウラン或いは劣化した酸化ウランのような燃料親
形物質を含む棒のクラスタからなる、中性子のス
ペクトルシフト用の機械的な装置を有している。
クラスタは、原子炉の運転中炉心の中へ挿入した
り或いは炉心から取り出したりするよう移動でき
る。燃料親形棒を組立体の案内管の中に導入する
ときに、棒は水を案内管から押し出し、炉心の減
速材の容積を減少させる。その結果炉心の運転サ
イクル中、中性子のエネルギースペクトルをシフ
トさせることができる。第１のサイクルの部分
中、燃料親形棒のクラスタが炉心の中に維持され
ている。これらのクラスタはエネルギースペクト
ルを高いエネルギーの方にシフトして核分裂物質
（プルトニウム）への燃料親形物質（ウラン238）
の変換速度を高める。サイクルの第２の部分中、
スペクトルシフトに貢献したクラスタを次第に取
除く。次いでサイクルの第１の部分中に形成され
た核分裂性物質を一部燃焼させる。変換速度は在
来の熱中性子PWRに対して約10％だけ増加する。

他の解決法は原子炉を常に低減速させることか
らなる。このとき、天然ウランと、約１の増殖率
をもつプルトニウムとからなる混合燃料を用いる
ことができる。しかしながら、減速率VM／VU
を必要なだけ減少させるには、燃料要素を燃料組
立体内に正方形の配列でなく三角形の配列で位置
決めすることが必要である。

大部分の低減速形原子炉は、２つの型式の燃料
組立体を有している。あるものは核分裂性組立体
と称され、主に核分裂性物質を含んでおり、他の
ものは燃料親形組立体と称され、中性子の衝撃の
作用の下で核分裂性物質に変換することのできる
物質を含んでいる。燃料親形組立体は一般的に炉
心の周辺に配置され核分裂性の組立体によつて生
成された中性子を集める。

スペクトルシフト型の利点（特にウラン消費量
の増大）と低減速形の利点（おそらく１よりも大
きなプルトニウムの増殖率、劣下ウランの可能な
用途、サイクル期間の増加）とを組合わせる提案
がなされている。仏国特許出願第8315591号は六
角形の炉心をもつ原子炉を開示しており、該原子
炉では低減速形原子炉に用いられるのに適した型
式の組立体とスペクトルシフト型原子炉用の燃料
組立体とが在来の熱中性子PWRsの燃料組立体内
で以前に生成されたプルトニウムを最適に利用す
るよう関係している。このプルトニウムは浪費さ
れた燃料組立体の再処理中回収される。

しかしながらこの解決法は複数の原子力発電プ
ラントをもつ公益事業体が少なくとも１つの発電
プラントを回収されたプルトニウムの用途に当て
なければならないことを要求している。

考慮すべき第１の問題は、低減速形原子炉に必
要とされるこの型式の燃料組立体は原子炉の内部
および制御装置に関連して熱中性子で運転するの
に用いられないから困難を克服することができな
いことを示唆している。

本発明の目的は、スペクトルシフト型の原子炉
の改良された運転方法を提供することである。よ
り詳しい目的は、夫々が特定の設計の異なる型式
の複数の原子炉の運転を必要とすることからなる
欠点を克服することである。

さらに本発明の他の目的は、全てが同じ形状を
もつ燃料要素からなる炉心をもつPWRの柔軟性
のある運転工程を提供することである。

この目的のために、原子炉の内部が、高増殖率
でかつ低減速形に運転するような第１の型式の燃
料組立体を受け入れることのできるよう或いは熱
的範囲から中間の範囲までのスペクトルシフトの
可能な案内管をもつ第２の型式の燃料組立体をも
受け入れることのできるように設計されている軽
水原子炉の運転方法を提供する。

もし、低減速形運転用の組立体がまたスペクト
ルシフトすることができるように設計されていて
燃料親形棒用の案内管があらゆる燃料組立体の同
じ場所に位置決めされているならば、原子炉の上
方内部とクラスタの制御機構とを何ら変更するこ
となく原子炉を熱中性子原子炉からプルトニウム
を生成する低減速形原子炉までの非常に広い減速
範囲内で連続した運転サイクルによつて運転させ
ることができる。

必要とされる異なる燃料組立体の一致性を達成
するために、全ての燃料組立体は、代表的に三角
形の同一の配列に従つて分布された燃料要素を有
している。原子炉を第１のサイクル中規則正しい
スペクトルシフトで運転する。燃料組立体は核分
裂性物質としてU235の富化されたウランを含ん
でいる。低減速形で作動する第２のサイクル中核
分裂性物質は酸化物UO₂−PUO₂のような天然ウ
ラン或いはプルトニウムを含む劣化ウランになろ
う。

単なる例示として、減速率の範囲を以下のよう
にすることができる。

VM／VU 持上げられた燃料親形クラスタ挿入された燃料親形クラスタ SSR ２ 1.5 UMR 1.4 1.1 略語SSとUMは夫々スペクトルシフト形での
運転と低減速形での運転に対応している。現在の
PWRsは一般的に約1.9の減速率で運転する。

本発明を実施するために、代表的には、圧力容
器に各燃料組立体位置用の制御棒作動機構を備え
ることが必要となろう。該機構の約2/3はスペク
トルシフト用である（燃料親形クラスタ）一方、
機構の1/3は通常の制御微調整のため安全のため
にある（吸収クラスタ）。運転機構は在来のもの
である。吸収クラスタは代表的にはラチエツト型
の電磁機構と関連している一方、燃料親形クラス
タは流体機構と関連している。

本発明の他の観点によれば、隣接した垂直の燃
料組立体からなる炉心を圧力収納容器の中に有
し、各燃料組立体が三角形の配列のノードに分布
された燃料要素と案内管とからなる原子炉を提供
する。容器は制御クラスタを垂直方向に移動させ
るための機構を備えている。容器の上方内部はク
ラスタを案内するために用いられる。クラスタの
一部は、サイクル中中性子のスペクトルをシフト
するための燃料親形棒からなる。他の制御クラス
タは吸収物質を含んでいる。原子炉は各燃料組立
体の位置の上方に運転機構を有しており、各組立
体内の燃料要素の配列は、全てのノードが棒或い
は燃料要素によつて占めらるときに炉心が低減速
されるようになつている。組立体の少なくともい
くつかは網状構造の一部のノードのところに水で
満たされた管を有している。このような管の個数
および分布はこれらの管が原子炉の低減速形の運
転を可能にするようなものである。

本発明は単なる例示としてなされた一つの実施
例の以下の説明から良く理解されよう。

第１ａ図および第１ｂ図を参照すると、炉心１
は、原子炉の圧力収納容器（図示せず）内に受け
入れられた囲い２内に燃料組立体を有している。
燃料組立体は六角形の断面をもつ角柱形状をして
いる。これらは垂直方向に立つており、互いに隣
接した位置にある。中性子の重反射体３が燃料組
立体と炉心の囲い２との間に位置決めされてい
る。この反射体は、一般的に六角形状の炉心と円
形形状の囲い２との間の移行部を作るような形状
のステンレス鋼のブロツクからなつている。反射
体はまた燃料組立体の周りのじやま板をなし、炉
心の囲い２に取付けられている。

第１ａ図および第１ｂ図の炉心は、低減速形で
運転するようになつている。燃料組立体自体の構
造或いは燃料組立体と協働するクラスタの構造に
応じて、燃料組立体を３つのグループに分類する
ことができる。

燃料組立体４は核分裂性の燃料組立体である。
これらの燃料要素は、U235の富化された酸化ウ
ラン或いはPUの富化された酸化ウランを含んで
いる。燃料組立体は、これらの案内管が劣化した
酸化ウランのクラスタを受け入れるように位置決
めされている。棒が実際に炉心の中にあるとき
に、棒は炉心内の減速体の容積を減らし、原子炉
を仏国特許出願第8402329号に記載されているよ
うに運転させる。

組立体５はまた核分裂性の燃料組立体であり、
これらの案内管は、慣用的に原子炉の出力を調節
することのできる吸収棒のクラスタを受け入れて
いる。このような棒は、中性子の大きな捕獲断面
積をもつ物質を含んでいる。

組立体６は、天然ウランを含む要素によつて形
成された燃料親形組立体であり、核分裂性物質の
生成を可能にする。

第１ｂ図を参照すると、核分裂性の組立体４は
酸化ウランと酸化プルトニウムの混合物によつて
形成されたペレツトの支柱を収容する一連の核分
裂性要素７からなり、核分裂性要素７の核分裂性
物質は主にウラン235とプルトニウム239からな
る。

核分裂性要素７は正三角形の格子に配置されて
いる。六角形の断面をもつ組立体４の各々は炉心
の中央部において６つの他の核分裂性燃料組立体
４又は５によつて囲まれている。周辺では核分裂
性燃料組立体は３つの核分裂性燃料組立体４又は
５と３つの燃料親形組立体６とに隣接している。
組立体の燃料要素の組は炉心の断面において三角
形格子の規則正しい網状構造を形成している。各
燃料要素１は、その各端部分に、軸線方向のブラ
ンケツトを形成する天然酸化ウランのペレツトの
支柱を有しており、ブランケツトは、重反射体３
と同じ仕方で原子炉設備に向かう中性子の漏れを
制限している。

組立体４を形成する燃料要素７の網状構造で
は、格子の40個のノードが燃料要素７と同じ直径
の案内管８によつて占められる。

仏国特許出願第8402329号に記載されているよ
うに、案内管８は要素７間のスペースを増やし、
かくして案内管８が水で満たされるときに減速率
を高める。案内管８の存在によつて、燃料組立体
の機械的な強度の要求と熱流体的な振舞いの要求
との両立を保証している。

減速率の増加を阻止し、かつ低減速形の作動を
可能にするために、案内管８は燃料親形要素のク
ラスタを受け入れるように配置され、燃料親形要
素のクラスタはこれらが挿入されるときにこのよ
うに装着された炉心の減速材の容積を減少させ、
かくして燃料親形要素のクラスタと核分裂性燃料
要素とに含まれているウラン238のプルトニウム
239への高い転換率を可能にしている。

燃料組立体５の案内管８は原子炉を制御するた
めの吸収要素のクラスタを受け入れるように配置
されている。

第２ａ図を参照すると、本発明に従つて前述し
た炉心の組立体４，５および６と同じ仕方で炉心
の囲い２に固定された重反射体３内に位置決めさ
れている燃料組立体で形成された原子炉の炉心９
の構造が示されている。

組立体４，５および６と同じ寸法で六角形の断
面をもつ角柱形状の２つの形式の組立体だけがじ
やま板の内側に配置されている。

組立体１０，１１の各々には、前述した実施例
におけるように、燃料要素１２の格子（要素７の
格子と同じである）の同じ位置のところで組立体
１１用の燃料親形要素のクラスタを或いは組立体
１０用の吸収要素のクラスタを受け入れるための
案内管１３が備わつている。

燃料親形要素のクラスタを組立体１１の案内管
１３の中へ導入することによつて、炉心内の減速
材の容積を減少させかくして仏国特許出願第
8118011号（FR−Ａ−2535509）に記載されてい
るものと同じ原子炉の運転を可能にしかくして中
性子のスペクトルの部分的な“硬化”を生じさせ
る。

第２ｂ図を参照すると、このような部分的な硬
化は、組立体１１が熱中性子のスペクトルで用い
られるようになつているから燃料親形要素のクラ
スタが案内管１３から取り除かれるときに必要と
される。

本発明によれば、減速率が熱中性子のスペクト
ルの在来の運転モードに適合するために、組立体
１０，１１は、燃料要素の網状構造の格子におい
て核分裂性要素１２を欠いた位置１４を有してお
り、このような位置は均質に分布している。

このように核分裂性要素を省くことによつて燃
料組立体１０，１１は前述した構造の組立体４，
５および６と同じ寸法で形成されるが、燃料組立
体１０，１１の減速率は高められかくして核分裂
反応を熱中性子のエネルギースペクトルで生じさ
せる。

しかしながら、核分裂性要素を欠いた位置１４
には水を収容する燃料要素１２の燃料被覆と同一
の燃料被覆即ち管が設けられ、その結果組立体１
１内の水の総量は組立体４内の水量と等しく、２
つの型式の組立体は、これらを流れる冷却水の損
失水頭に関する限り、結果的に同一である。

同様に端部にクロージユアプラグを有していな
いが冷却水を満たすことのできる開放管の形をし
ている、水で満たされた燃料被覆を設けることが
できる。

第３図を参照すると、本発明を、在来のPWRs
の構造と同様の一般的な構造をもつ原子炉に適用
することができる。カバー１６をもつ圧力容器１
５は炉心の囲い２を収容している。重反射体３
は、囲いの内側に位置決めされ、隣接した燃料組
立体からなる炉心を収容している。吸収棒のクラ
スタを受け入れるための燃料組立体１７と、燃料
親形棒のクラスタを受け入れるための燃料組立体
１８とだけが示されている。原子炉の上方内部
は、各燃料組立体位置の上方にクラスタガイド１
８を有している。運転機構２０がこのような各位
置の上方に位置決めされている。運転機構は、完
全に在来の既存しているものであるからここでは
説明しない。概して、油圧作動機構が燃料親形要
素のクラスタに用いられ、電磁作動機構が吸収棒
のクラスタに用いられよう。

第４図を参照すると、燃料親形棒のクラスタは
吸収棒のクラスタ（ハツチングで示す）の約２倍
の個数である。

同じ原子炉を複数の運転モードのいずれかによ
つて運転させることのできることが認められよ
う。

例えば、低減速形原子炉の第１の装填物に必要
とされるプルトニウム量を減らすために、在来の
スペクトルシフト型炉心を用いて１つ或いはそれ
以上の運転サイクルを行なうことができる。在来
のスペクトルシフト型炉心は、スペクトルシフト
用の燃料親形クラスタ即ち一部のサイクル中中性
子流れを部分的に硬化させるための燃料親形クラ
スタを備えている。かくして、例として本発明の
方法は作業者が原子炉の作業順序を選択すること
を可能にして、炉心を形成する要素は、以下の工
程を行なうことによつて寸法に関して同一である
か或いは適合している。

燃料組立体１０，１１で形成された炉心９を装
填する。容器の蓋を閉じた後、燃料親形クラスタ
と吸収棒のクラスタとを案内管１３の中へ完全に
挿入する。次いで吸収棒のクラスタを引き出すこ
とによつて核分裂反応を開始させる。

次いで８ケ月の期間中、原子炉を部分的に硬化
されるスペクトルで作動する。クラスタ並びに核
分裂性要素１２内に含まれた燃料親形物質を核分
裂性物質に変換する。

燃料親形クラスタをこの期間の終了時に取り除
いて２ケ月の期間、生成された核分裂性物質の一
部を用いて原子炉を熱中性子のエネルギースペク
トルで運転する。

このサイクルの終了時に原子炉を運転停止した
後、組立体１０，１１の一部を新しい組立体１０
１１で取り換えることによつて同じサイクルを再
び行なつても良いし或いは異なる運転モードを選
んでも良い。

かくして、核分裂性物質の生成を増すために或
いは核分裂性物質の富化された燃料組立体を使用
するために、或いは最終的にウランによつて形成
された原料のサイクルを節約するために、組立体
１０，１１の全部を或いはこれらの一部を組立体
４，５および６で置き換えて炉心を装填し、容器
を閉じて核分裂反応を開始した後、高い転換率で
運転させる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、スペクトルシフトとプルトニウム
の高い増殖率とをもつ低減速形の運転のために設
計された原子炉の炉心の一部を示す概略水平断面
図である。第１ｂ図は第１ａ図の炉心の燃料組立
体の水平断面図である。第２ａ図は、第１ａ図に
示したものと同じ原子炉であるが、熱的範囲まで
のスペクトルシフトで運転するような原子炉の炉
心の一部の概略水平断面図である。第２ｂ図は第
２ａ図のに示した炉心の燃料組立体の水平断面図
である。第３図は、第１ａ図又は第２ｂ図に示し
た炉心を受け入れるための原子炉の一部の概略垂
直断面図である。第４図は、クラスタの可能な分
布を示す、第３図の原子炉のフレナムの高さのと
ころでの概略平面図である。１，９……炉心、２……囲い、３……重反射
体、４，５，６，１０，１１……燃料組立体、７
……核分裂性要素、８……案内管、１２……燃料
要素、１３……案内管、１５……圧力容器、２０
……運転機構。

Claims

【特許請求の範囲】１互いに隣接する垂直の燃料組立体から成る炉
心と、燃料親形棒から成る中性子スペクトル変動
クラスタと中性子吸収物質の棒から成る制御クラ
スタとを垂直に案内するための内部構造物とを有
し、前記中性子スペクトル変動クラスタおよび制
御クラスタは所定の固定配置を有する軽水原子炉
を運転する方法であつて、 (a) 炉心の作動の第１のサイクル中、炉心は第１
のタイプの燃料組立体から成り、第１のタイプ
の各燃料組立体は規則正しい配列のノード位置
に配置された燃料棒を有しており、これらの燃
料棒は幾つかのノード位置で前記中性子スペク
トル変動クラスタおよび制御クラスタを案内す
るための案内管１３に置換されており、幾つか
のノード位置１４では案内管と燃料棒が共にな
く、炉心の作動の第１のサイクルの初期段階中に
は中性子スペクトル変動クラスタを炉心に入
れ、第１のサイクルが一部経過した後は中性子
スペクトル変動クラスタを炉心の外に出して中
性子のエネルギースペクトルを熱的範囲まで変
化させる方法において、 (b) 他の作動サイクル中、完全に低減速状態で、
炉心内の第１のタイプの燃料組立体の少なくと
も幾つかを第２のタイプの燃料組立体に置換し
て変換速度を高め、第２のタイプの各燃料組立体は、第１のタイ
プの燃料組立体と同じ配列の同じノード位置に
配置された燃料棒と、第１のタイプの燃料組立
体では絶えず水で満たされる配列のノード位置
に配置された追加の燃料棒と、第１のタイプの
燃料組立体の案内管と同じノード位置に設置さ
れた案内管とを有しており、炉心の作動の他のサイクルの初期段階中には
中性子スペクトル変動クラスタを炉心に入れ、
他のサイクルが一部経過した後は中性子スペク
トル変動クラスタを炉心の外に出して、中性子
のスペクトルを熱的範囲よりも常に高いエネル
ギーまで変化させる、ことを特徴とする軽水原子炉の運転方法。２互いに隣接する垂直の燃料組立体から成る炉
心と、燃料親形棒から成る中性子スペクトル変動
クラスタと中性子吸収物質の棒から成る制御クラ
スタとを垂直に案内するための内部構造物とを有
し、前記中性子スペクトル変動クラスタおよび制
御クラスタは所定の固定配置を有する軽水原子炉
を運転する方法であつて、 (a) 炉心の作動の第１のサイクル中、炉心は第１
のタイプの燃料組立体から成り、第１のタイプ
の各燃料組立体は規則正しい配列のノード位置
に配置された燃料棒を有しており、これらの燃
料棒は幾つかのノード位置で前記中性子スペク
トル変動クラスタおよび制御クラスタを案内す
るための案内管１３に置換されており、幾つか
のノード位置１４では案内管と燃料棒が共にな
く、炉心の作動の第１のサイクルの初期段階中に
は中性子スペクトル変動クラスタを炉心に入
れ、第１のサイクルが一部経過した後は中性子
スペクトル変動クラスタを炉心の外に出して中
性子のエネルギースペクトルを熱的範囲まで変
化させる方法において、 (b) 他の作動サイクル中、完全に低減速状態で、
炉心内の第１のタイプの燃料組立体の少なくと
も幾つかを第２のタイプの燃料組立体に置換し
て変換速度を高め、第２のタイプの各燃料組立体は、第１のタイ
プの燃料組立体と同じ配列の同じノード位置に
配置された燃料棒と、第１のタイプの燃料組立
体では絶えず水で満たされる配列のノード位置
に設置された追加の燃料棒と、第１のタイプの
燃料組立体の案内管と同じノード位置に設置さ
れた案内管とを有しており、炉心の作動の他のサイクルの初期段階中には
中性子スペクトル変動クラスタを炉心に入れ、
他のサイクルが一部経過した後は中性子スペク
トル変動クラスタを炉心の外に出して、中性子
のスペクトルを熱的範囲よりも常に高いエネル
ギーまで変化させる、ことを特徴とする軽水原子炉の運転方法を実施す
るための原子炉であつて、互いに隣接する燃料組立体から成る炉心と、制
御クラスタを案内するための上部内部構造物１８
と、スペクトル変動クラスタとを収容する圧力容
器と、制御クラスタとスペクトル変動クラスタと
を垂直に駆動する機構２０とを備えた原子炉にお
いて、各組立体の位置と整合して前記駆動機構が設置
され、各組立体中の棒は、配列の全ノード位置が
占拠された時に炉心が低減速されるように配列さ
れ、少なくとも第１のタイプの組立体の幾つか
は、配列の或るノード位置で、水を収容する管を
備えており、該管は原子炉を熱的範囲で作動させ
るような数及び配置とされて成ることを特徴とす
る原子炉。