JPH0467158B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の技術分野 本発明は沸騰水形原子炉に係り、特に制御棒の
構造に関するものである。

(2) 従来技術 第１図ないし第５図を参照して説明する。

図中１は原子炉圧力容器であつて、約70Kg／cm²
の炉圧に耐えるように構成されている。

この原子炉圧力容器１内には炉心２が収容さ
れ、冷却材（軽水）は炉心２内に下方から流入
し、燃料の核反応による熱によつて沸騰し、水と
蒸気の２相流となつて炉心２の上方に送られる。

この水と蒸気の２相流は気水分離器３によつて
水と蒸気に分離される。

分離された蒸気は蒸気乾燥器４によつて湿分が
除去され、主蒸気管５を介してタービン（図示せ
ず）に送られる。

分離された水は給水スパージヤ６から供給され
る給水とともにジエツトポンプ７……により原子
炉圧力容器１内下部に送られ、ふたたび炉心２内
に下方から流入する。

上記炉心２は第２図および第３図に示す如く断
面十字形の制御棒８……の周囲に４体の燃料集合
体９……を装荷して単位格子１０……を構成し、
この単位格子１０……を第３図に示す如く格子状
に多数配列して構成される。なお、第３図中ひと
つのます目はひとつの単位格子１０……を示し、
ます目内の十字は制御棒８……を示す。

上記燃料集合体９……は燃料ペレツトを収容し
た燃料棒（図示せず）を８行８列の格子状に配置
して燃料バンドルを構成し、この燃料バンドルを
断面略正方形のチヤンネルボツクスで囲んだもの
で、冷却材はこのチヤンネルボツクス内を上方に
流れる。

この燃料集合体９……内を流れる冷却材（軽
水）は燃料棒で発生する熱を除去する冷却材とし
て作用するとともに核分裂反応で発生する高速中
性子を熱中性子に減速する減速材として作用す
る。

また燃料集合体９……間の間〓内にも炉水（軽
水）が存在しており、この炉水は減速材として作
用する。

上記制御棒８……はステンレス鋼の薄板をＵ字
状に成形して放射状に突出した４枚のブレード１
１……を有し、これらのブレード１１……内には
ステンレス鋼の細管からなる耐圧性のポイズンチ
ユーブ１２……が収容されている。そして、この
ポイズンチユーブ１２内には中性子吸収物質１３
たとえば炭化ホウ素B₄Cの粉末が充填され、中性
子を吸収するように構成されている。なお、上記
ポイズンチユーブ１２……は中性子吸収物質１３
が中性子を吸収することによつて発生する放射性
物質の拡散を防止する作用をなす。

また、上記炉心２の下方には制御棒案内管１４
……が設けられ、またこれら制御棒案内管１４…
…の下端には制御棒駆動機構１５……が接続され
ている。そして、上記制御棒８……は上記制御棒
案内管１４……に案内されて制御棒駆動機構１５
……によつて昇降駆動され、炉心２内の燃料集合
体９……間に挿入され、あるいは引抜かれる。

そして、この制御棒８……が挿入されると炉心
２内の中性子を吸収し、炉心２の反応度を制御し
て出力を制御する。なお、沸騰水形原子炉では炉
心２内を流れる冷却材の流量を変え、燃料集合体
９……内を流れる冷却材の蒸気と水の割合すなわ
ちボイド率を変え、炉心２内に存在する水の量を
変えて水対燃料比を変え、中性子の減速作用を制
御することによつて出力を制御することもなされ
る。

なお、上記制御棒８……は原子炉の運転時には
完全に引抜かれ、停止時にのみ炉心２に挿入され
る安全棒と、運転時に挿入され、炉心２の反応度
を制御する調整棒とに分けられ、通常は全制御棒
８……のうち20％程度の本数の制御棒８……が調
整用として使用される。なお、第３図には調整棒
として使用される制御棒８……の配置パターンを
示し、図中丸で囲んだ制御棒８……が調整棒とし
て使用されることを示す。

(3) 従来技術の問題点 従来は中性子吸収物質を充填した制御棒を炉心
内に挿入することによつて中性子を吸収し、炉心
の出力を制御する。このため、制御棒に吸収され
る中性子はまつたくの無駄となり、経済性が劣る
不具合があつた。すなわち、核分裂反応によつて
生じた中性子は次の核分裂反応を生起させるため
等に有効に利用する必要があり、この中性子の利
用効率を中性子経済と称する。そして、この中性
子経済を高めることにより燃料の効率的な燃焼、
利用を図ることができるものであるが、上述の如
く制御棒に吸収される中性子はまつたくの無駄と
なり、中性子経済が悪くなり、燃料の効率的な利
用を妨げるものであつた。

(4) 発明の目的 本発明は無駄に吸収される中性子を減らし、中
性子経済を向上させて燃料の利用効率を高めるこ
とを目的とする。

(5) 発明の構成 本発明は原子炉圧力容器と、この原子炉圧力容
器内に収納された炉心と、この炉心内に原子炉の
起動停止時のみ挿入引抜される安全棒と、上記炉
心内に原子炉の運転時に挿入引抜される調整棒と
を具備し、上記調整棒は、上記炉心の高さとほぼ
等しい軸方向長さを有し原子炉運転中に炉心内に
配置されて成る中性子吸収部と、この中性子非吸
収部の上部に調整棒全体の20ないし50％の軸方向
長さを有し原子炉運転中に上記炉心上部に配置さ
れ原子炉停止時に炉心内に配置されて成る中性子
吸収部とから構成されることを特徴とする沸騰水
形原子炉にある。

(6) 発明の第１実施例 第６図ないし第１３図ａ〜ｄを参照して説明す
る。

図中１０１は原子炉圧力容器であつて、約70
Kg／cm²の炉圧に耐えるように構成されている。

この原子炉圧力容器１０１内には炉心１０２が
収容され、冷却材（軽水）は炉心１０２内に下方
から流入し、燃料の核反応による熱によつて沸騰
し、水と蒸気の２相流となつて炉心１０２の上方
に送られる。

この水と蒸気の２相流は気水分離器１０３によ
つて水と蒸気に分離される。

分離された蒸気は蒸気乾燥器１０４によつて湿
分が除去され、主蒸気管１０５を介してタービン
（図示せず）に送られる。

分離された水は給水スパージヤ１０６から供給
される給水とともにジエツトポンプ１０７……に
より原子炉圧力容器１０１内下部に送られ、ふた
たび炉心１０２内に下方から流入する。

上記炉心１０２は断面十字形の制御棒１０８…
…の周囲に４体の燃料集合体１０９……を装荷し
て単位格子１１０……を構成し、この単位格子１
１０……を第８図に示す如く格子状に多数配列し
て構成される。なお、第８図中ひとつのます目は
ひとつの単位格子１１０……を示し、ます目内の
十字は制御棒１０８……を示す。

上記燃料集合体１０９……は燃料ペレツトを収
容した燃料棒（図示せず）を８行８列の格子状に
配置して燃料バンドルを構成し、この燃料バンド
ルを断面略正方形のチヤンネルボツクスで囲んだ
もので、冷却材はこのチヤンネルボツクス内を上
方に流れる。

この燃料集合体１０９……内を流れる冷却材
（軽水）は燃料棒で発生する熱を除去する冷却材
として作用するとともに核分裂反応で発生する高
速中性子を熱中性子に減速する減速材として作用
する。

また燃料集合体１０９……間の間〓内にも炉水
（軽水）が存在しており、この炉水は減速材とし
て作用する。

また、上記炉心１０２の下方には制御棒案内管
１１１……が設けられ、これら制御棒案内管１１
１……の下端には制御棒駆動機構１１２……が接
続されている。そして、上記制御棒１０８……は
上記制御棒案内管１１１……に案内されて制御棒
駆動機構１１２……によつて昇降駆動され、炉心
１０２内の燃料集合体１０９……間に挿入され、
あるいは引抜かれる。

そして、上記制御棒１０８……は原子炉の運転
時には完全に引抜かれ、停止時にのみ炉心１０２
に挿入される安全棒１０８ａ……と、運転時に挿
入され、炉心１０２の反応度を制御する調整棒１
０８ｂ……とに分けられている。なお、第８図に
は調整棒１０８ｂ……の配置パターンを示し、図
中丸で囲んだ制御棒が調整棒１０８ｂ……であ
る。

そして、上記安全棒１０８ａ……として使用さ
れる制御棒１０８……は従来と同様に第９図に示
す如くステンレス鋼の薄板をＵ字状に成形して放
射状に突出した４枚のブレード１１３……を有
し、これらのブレード１１３……内にはステンレ
ス鋼の細管からなる耐圧性のポイズンチユーブ１
１４……を収容したものである。そして、これら
のポイズンチユーブ１１４……内には全長にわた
つて中性子吸収物質たとえば炭化ホウ素B₄Cの粉
末が充填されている。

また、上記調整棒１０８ｂ……として使用され
る制御棒の全長L₀は炉心１０２の高さより長く
構成されている。そして、この調整棒１０８ｂ…
…は第１０図に示す如くその端部たとえば上端部
の一部が中性子吸収部１１５ａに形成され、ま
た、他の部分は中性子非吸収部１１５ｂに形成さ
れている。

そして、上記中性子吸収部１１５ａは第１１図
に示す如く従来と同様にポイズンチユーブ１１６
……内に炭化ホウ素等の中性子吸収物質１１７が
充填されている。

また、上記中性子非吸収部１１５ｂでは第１２
図に示す如くブレード１１８……内には中空管１
１９……が収容されている。そして、この中空管
１１９……は両端部が密封されて内部に炉水が侵
入しないように水密性が与えられ、また炉圧によ
つて圧潰することがないような耐圧性が与えられ
ている。そして、この中空管１１９……内には中
性子を吸収しないガス等が充填されている。ま
た、調整棒１０８ｂ……のブレード１１８……、
中空管１１９……等は中性子吸収性のない材料た
とえばジルコニウム合金等で形成されている。

なお、前記中性子吸収部１１５ａの長さL₁は
調整棒１０８ｂ……の全長L₀の20〜50％に設定
され、また中性子非吸収部１１５ｂの長さL₂は
炉心１０２の高さと略等しく設定されている。

次にこの第１実施例の作用を説明する。

原子炉の起動前における安全棒１０８ａ……は
全て炉心１０２内に挿入されており、また調整棒
１０８ｂ……は第１３図ｂに示す如く中性子吸収
部１１５ａが全て炉心１０２内の上部に位置した
状態となつている。この状態から原子炉を起動さ
せる場合は、安全棒１０８ａ……を炉心１０２か
ら全て引き抜き、調整棒１０８ｂ……の中性子非
吸収部１１５ｂを第１３図ａに示す如く炉心１０
２内に全て挿入して中性子吸収部１１５ａを炉心
１０２の上方に突出する状態とし、必要な反応度
を炉心１０２に与える。

ここで、調整棒１０８ｂ……の中性子吸収部１
１５ａが炉心１０２の上方に突出すると炉心１０
２の反応度は第１３図ｂの状態に比べて上昇する
が、これと同時に中性子非吸収部１１５ｂが炉心
１０２内に挿入されるため、炉心１０２の水対燃
料比が低下し、中性子の減速作用が悪化する。こ
れにより炉心１０２の反応度は例えば第１３図ｄ
のように調整棒１０８ｂ……を炉心１０２ら全引
抜きした場合に比べて小さくなるので、第１３図
ａの状態で炉心１０２の反応度が低すぎる場合に
は調整棒１０８ｂを第１３図ｄの位置まで引抜
き、調整棒１０８ｂ……の挿入本数を減らすこと
により炉心１０２の反応度を上げることができ
る。したがつて、調整棒１０８ｂ……により炉心
１０２の反応度を制御することができる。

また、調整棒１０８ｂ……の中性子非吸収部１
１５ｂを炉心１０２内に全て挿入すると、炉心１
０２の水対燃料比が低下した分だけ高速中性子が
増加し、高速中性子は燃料中のウラン２３８に吸
収されてウラン２３８プルトニウム２３９に変換
するので、中性子経済が向上し、プルトニウム２
３９の生成に寄与して燃料の利用効率を高めるこ
とができる。

なお、この第１実施例では調整棒１０８ｂ……
のブレード１１８……や中空管１１９……を中性
子吸収の少ないジルコニウム合金で形成したので
中性子の吸収が極めて少なく、中性子経済が向上
する。

また、原子炉を停止させる場合には安全棒１０
８ａ……を炉心１０２内に全挿入するとともに調
整棒１０８ｂ……を第１３図ｂに示す如く引下
げ、その中性子吸収部１１５ａを炉心１０２の上
部に位置させることにより炉心１０２の反応度を
充分に低下させることができる。すなわち、この
ような調整棒１０８ｂ……は中性子非吸収部１１
５ｂ……により炉水を排除して反応度を制御する
ので、反応度制御作用は従来の制御棒よりも小さ
い。しかし、この第１実施例の如く上部に中性子
吸収部１１５ａを形成し、この中性子吸収部１１
５ａを第１３図ｂに示す如く炉心１０２内に位置
させればこの中性子吸収部１１５ａで中性子の吸
収が成されるので、調整棒１０８ｂ……の反応度
抑制作用を大きくすることができる。また、燃料
集合体１０９……内のボイド率は炉心１０２の上
部で大きいので、高速中性子の減速作用が小さ
い。従つて、炉心１０２の上部では高速中性子が
多く、ウラン２３８がプルトニウム２３９に変換
される率が大であり、炉心１０２の上部ではプル
トニウム２３９が多く生成され、反応度が高くな
つている。よつて、調整棒１０８ｂ……の中性子
吸収部１１５ａを炉心１０２の上部に位置させる
ことにより反応度抑制作用を最も大きくすること
ができる。

また、第１３図ｃに示す如く調整棒１０８ｂ…
…を上下に移動させ、炉心１０２内に挿入されて
いる中性子非吸収部１１５ｂの長さを変えること
により炉心１０２の反応度の微調整を行なうこと
ができ、反応度調整の自由度が増大する。

また、調整棒１０８ｂ……を引抜く場合には第
１３図ｄに示す如く中性子吸収部１１５ａが炉心
１０２から引抜かれるまで引抜く。

(7) 発明の第２実施例 第１４図は炉心の一部を平面的に示したもの
で、この第２実施例では単位格子１１０……内の
制御棒はすべて安全棒１０８ａ……とし、従来と
同様に全長にわたつて中性子吸収物質を充填した
制御棒を用いる。また、調整棒１０８ｂ……は単
位格子１１０……間に配置され、この調整棒１０
８ｂ……は第１実施例と同様に上端部に中性子吸
収部を有し、その下方に中性子非吸収部を有する
ものである。従つて、この第２実施例は第１実施
例と同様の効果を得られるとともに、調整棒１０
８ｂ……を単位格子１１０……間に配置してある
ので停止余裕が充分にとれる。

(8) その他の変形例 前記各実施例では制御棒の中性子非吸収部内に
中性子吸収の少ないガス等を充填したが、ガスの
代りに中性子吸収性の小さい液体や固体物質を充
填してもよく、このようにすればブレード内に耐
圧性の中空管を収容したり、ブレード自体を耐圧
性の構造とする必要はない。

(9) 発明の効果 本発明は以上説明したように、原子炉圧力容器
と、この原子炉圧力容器内に収納された炉心と、
この炉心内に原子炉の起動停止字のみ挿入引抜さ
れる安全棒と、上記炉心内に原子炉の運転時に挿
入引抜される調整棒とを具備し、上記調整棒は、
上記炉心の高さとほぼ等しい軸方向長さを有し原
子炉運転中に炉心内に配置されて成る中性子吸収
部と、この中性子非吸収部の上部に調整棒全体の
20ないし50％の軸方向長さを有し原子炉運転中に
上記炉心上部に配置され原子炉停止時に炉心内に
配置されて成る中性子吸収部とから構成されるこ
とを特徴とする沸騰水形原子炉にある。従つて、
中性子吸収部を炉心の上方に突出させることによ
り炉心の水対燃料比を低下させることができ、水
対燃料比の低下分だけ高速中性子が増加してウラ
ン２３８をプルトニウム２３９に変換するので、
中性子経済が向上し、燃料の利用効率を高めるこ
とができる。また、出力を迅速に低下させたい場
合には上端部の中性子吸収部を炉心内に位置させ
た状態で制御棒を挿入すればよく、より効果的に
反応度を制御することができる。特に炉心の上部
ではプルトニウム２３９の蓄積により反応度が高
くなつているので、極めて効果的である等その効
果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は従来例を示し、第１図は
原子炉の概略構成図、第２図は炉心の一部を示す
平面図、第３図は炉心の概略的な平面図、第４図
は制御棒の斜視図、第５図は第４図の−線に
沿う断面図、第６図ないし第１３図ａ〜ｄは本発
明の第１実施例を示し、第６図は原子炉の概略構
成図、第７図は炉心の一部を示す平面図、第８図
は炉心の概略的な平面図、第９図は安全棒として
使用される制御棒の斜視図、第１０図は調整棒と
して使用される制御棒の斜視図、第１１図は第１
０図のXI−XI線に沿う断面図、第１２図は第１０
図のXII−XII線に沿う断面図、第１３図ａ〜ｄは調
整棒の作用を説明する模式的な図、第１４図は本
発明の第２実施例を示す図である。 １０１……原子炉圧力容器、１０２……炉心、
１０８……制御棒、１０８ａ……安全棒、１０８
ｂ……調整棒、１０９……燃料集合体、１１６…
…ポイズンチユーブ、１１７……中性子吸収物
質、１１８……ブレード、１１９……中空管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原子炉圧力容器と、この原子炉圧力容器内に
   収納された炉心と、この炉心内に原子炉の起動停
   止時のみ挿入引抜される安全棒と、上記炉心内に
   原子炉の運転時に挿入引抜される調整棒とを具備
   し、上記調整棒は、上記炉心の高さとほぼ等しい
   軸方向長さを有し原子炉運転中に炉心内に配置さ
   れて成る中性子吸収部と、この中性子非吸収部の
   上部に調整棒全体の20ないし50％の軸方向長さを
   有し原子炉運転中に上記炉心上部に配置され原子
   炉停止時に炉心内に配置されて成る中性子吸収部
   とから構成されることを特徴とする沸騰水形原子
   炉。