JPH06118191A - 反応度制御内挿物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＰＷＲにおける炉心軸方向出力分布の平坦化
を図り、軸方向ピーキングの緩和によって安全性を向上
させ、サイクル末期のＸｅ振動を抑制させ、原子炉停止
余裕を増大させる反応度制御内挿物を得る。 【構成】 燃料集合体の炉心上下方向に亙って内挿され
る中空の棒であって、この棒内部に、減速材と、該減速
材の密度と同程度の密度を有して前記燃料集合体が平坦
な出力分布を有した時に前記減速材中で略均一な浮遊分
布を形成する浮遊材群とを封止したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加圧水型原子炉における
炉心軸方向出力分布の平坦化を図る反応度制御内挿物に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】加圧水型原子炉（ＰＷＲ）において、通
常、軸方向ピーキングは装荷パターンによって決定され
ており、唯一制御可能な制御棒によるコントロールも、
通常はほぼ全引抜き状態であるために挿入する方向でし
かコントロールできないものであった。

【０００３】ところで、図７はサイクル初期（ＢＯＣ）
及びサイクル末期（ＥＯＣ）の炉心軸方向出力分布を示
す説明図である。図に示すように、サイクル初期では炉
心上下方向の中性子の漏れにより、炉心中央部で先に燃
焼が進み、サイクル末期では燃焼度の低い炉心上下部で
出力が出やすいために炉心上下端の出力が高くなること
が判る。

【０００４】更に、サイクル長さが長くなれば余計に、
炉心上下端の出力がより高くなり、 (1) 炉心上部における熱的余裕が減少する (2) Ｘｅ振動が発散性となり、制御を複雑化する などの問題があった。

【０００５】尚、Ｘｅ振動とは、中性子吸収性の核分裂
生成物であるＸｅの生成と消滅の時間的バランスの遷移
により、２０数時間程度の周期で起きる反応度の周期的
増減のことである。

【０００６】このため、冷却材中に中性子吸収物質のホ
ウ素を混入するケミカルシウムコントロールにおいて、
ボロン希釈のタイミングなどをうまくコントロールする
などが行われているが、前述の制御を複雑化する等の問
題は依然解決されないままである。

【０００７】ところで、水密度のフィードバック効果を
用いて反応度制御を行うことが知られている。これは、
水密度を調整することにより、炉心上部ほど高温で水密
度を低くさせ、減速効果が多少減って反応度を下げる方
向に働くフィードバックにより、バランスさせるもので
ある。

【０００８】一方、炉心の安全余裕を考慮すると、炉心
全体としては運転時のパラメータであるアキシャルオフ
セット（以下、ＡＯ）が運転中では、負で（炉心下部出
力＞上部出力）で燃焼させるため、炉心上部の燃焼度は
低い。尚、ＡＯは次の式で現わされるものである。 ＡＯ＝（炉心の上部出力−下部出力）／（上部出力＋下
部出力）

【０００９】しかしながら、停止（出力０％）へ移行す
ると、水密度フィードバックがなくなり、炉心上部の燃
焼度の低い部分で出力が出るため、中性子の再分布効果
で正の反応度が加わり、停止余裕を減少させる等の問題
があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＰＷＲにお
ける炉心軸方向出力分布の平坦化を図り、(1) 軸方向ピ
ーキングの緩和によって安全性を向上すること、(2) サ
イクル末期のＸｅ振動を抑制すること、(3) 原子炉停止
余裕を増大させること、を反応度が高まる部分に負の反
応度が付与される効果、即ち、負のフィードバック効果
により実現する反応度制御内挿物を得ることを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る反応度制御
内挿物では、燃料集合体の炉心上下方向に亙って内挿さ
れる中空の棒であって、該棒内部に、減速材と、該減速
材の密度と同程度の密度を有して前記燃料集合体が平坦
な出力分布を有した時に前記減速材中で略均一な浮遊分
布を形成する浮遊材群とを封止したものである。

【００１２】具体的には、前記浮遊材群が、炉心出口温
度の前記減速材密度から炉心入口温度の前記減速材密度
までに亙って段階的に変化させた密度を有し、段階的に
変化させた各密度で均等に分布させたものである。

【００１３】

【作用】本発明においては、燃料集合体の炉心上下方向
に亙って内挿される中空の棒であって、この棒内部に、
減速材と、該減速材の密度と同程度の密度を有して前記
燃料集合体が平坦な出力分布を有した時に前記減速材中
で略均一な浮遊分布を形成する浮遊材群とを封止したも
のであるため、減速材の密度及びこの密度の分布を利用
して、出力の高いところ、反応度の高いところを選択的
に反応度抑制する。

【００１４】即ち、出力分布が平坦であれば、減速材密
度は炉心上下方向に亙って一定の割合で変化し、一定の
割合で変化している減速材密度と同一の密度の箇所で浮
遊材は留まり、浮遊材群は均一な分布を形成する。

【００１５】もし、出力分布が平坦でなければ（出力分
布に歪があると）、出力分布の高い箇所では単位長さ当
りの減速材密度の変化（増加）が著しくなり、単位長さ
当りの浮遊材の分布が密になる。この密になった浮遊材
によって排除された減速材の体積分だけ、減速効果が減
少し、出力分布の高い箇所の出力を下げることとなる。

【００１６】また、停止時には減速材の液温が下がり、
減速材密度が上がるので、ビーズは全て上部に集まり、
燃焼度の低い（反応度が高くなりやすい）炉心上部の液
状の減速材を排除する。

【００１７】具体的な減速材としては、中性子を減速す
る液体であればよく、炉水と同じ純水やサイクル初期で
反応度の抑制効果が期待できるほう酸水溶液等があげら
れる。

【００１８】また、浮遊材は前記減速材の所定の密度を
有して浮遊可能であれば、形状は、球状，円筒形，六角
柱等の種々の形状が取り得る。また、封入された中空の
棒内部での上下方向の動きが妨げられないならば如何な
る大きさも取り得る。また、材質は、中性子を吸収しな
いか、吸収しても減速材に比べて極僅かであれば、中空
合金，樹脂，中空ガラス等が取り得る。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の一実施例の構成を示す説明図
である。図１の一部拡大断面図に示す通り、本発明の反
応度制御内挿ロッド１は、従来のＢＰＲの中性子吸収物
質の代わりにステンレス被覆管２内に、減速材として水
３と、浮遊材群として浮遊ビーズ４とを詰める簡単な構
成からなる。

【００２０】具体的には、図１に示すように、従来のＢ
ＰＲ集合体と同様に反応度制御内挿ロッド１を必要本数
だけクラスター状に組んで燃料集合体の制御棒案内シン
ブル内に挿入できるようにする。本反応度制御内挿ロッ
ド１を配置しない制御棒案内シンブル位置ではプラグ棒
５を設ける点は通常のＢＰＲ集合体（中性子吸収棒集合
体）と同様である。

【００２１】尚、温度変化による水密度変化に対応する
ように、非凝縮性ガスと一緒に詰めてもよい。また、本
反応度制御内挿ロッド１は内部の減速材として炉水と同
じ液体を用いる場合には、内外を完全に遮断せず、浮遊
材を押し流さない範囲で内外の水のやり取りがあっても
よい。

【００２２】燃料集合体の炉心上下方向に亙って内挿さ
れる中空の棒２は、制御棒案内シンブルに挿入するＢＰ
Ｒ（バーナブル・ポイズン・ロッド）のような外形を有
し、所定の配置で制御棒案内シンブルに挿入して用い
る。

【００２３】前述のように、中空の棒の内部には、密度
コントロールした浮遊ビーズと純水の減速材とを封入し
た。この浮遊ビーズの密度及び個数は出力運転時の炉心
入口と出口温度に対応する水密度の範囲で均一に分布さ
せている。即ち、図２は浮遊ビーズの密度と個数との関
係を示す説明図であり、図に示すように、炉心出口温度
における水密度と炉心入口における水密度とに亙って各
密度に均一に浮遊ビーズの個数が分布する浮遊ビーズ群
を封入した。

【００２４】もし、出力分布が平坦であれば、反応度制
御内挿ロッド内部の水密度は炉心の上下に亙って一定の
割合で変化し、一定の割合で変化している水密度と同一
の密度の箇所で浮遊ビーズは留まり、浮遊ビーズ群は均
一な分布を形成する。一方、出力分布が平坦でなけれ
ば、出力分布の高い箇所では単位長さ当りの水密度の変
化が大きくなり、単位長さ当りの浮遊ビーズの分布が密
になる。

【００２５】図３は炉心軸方向位置と等水密度線との関
係を示す説明図であり、図に示すように、反応出力の高
い箇所では水密度の変化が大きくなり、均一に分布した
浮遊ビーズは密に並び、反応出力に低い箇所では水密度
の変化が小さいため、浮遊ビーズは粗に並ぶことが示さ
れている。

【００２６】実際に個々の状態について検証してみる。
図４は出力分布が平坦な場合の水密度分布と浮遊ビーズ
との関係を示す線図であり、図では浮遊ビーズ４を大き
く書いて、概念的に示している。図に示す通り、軸方向
出力分布がフラットな場合には水密度が上下にほぼ直線
上に変化するため、浮遊ビーズ４は軸方向に均一に分布
し、均一に水３を排除して、減速効果を落とし、出力を
下げる。

【００２７】図５は出力分布が平坦でない場合の水密度
分布と浮遊ビーズとの関係を示す線図であり、図に示す
通り、出力分布に歪がある場合には、浮遊ビーズ４は水
３の密度変化の大きいところ（即ち出力の高いところ）
へ集まるので、出力の高いところを選択的に水排除して
減速効果を落とし、出力を下げる。

【００２８】図６は原子炉停止時の水密度分布と浮遊ビ
ーズとの関係を示す線図であり、図に示す通り、停止時
は水温が下がり、水密度が上がるので、ビーズは全て上
部に集まり、燃焼度の低い（反応度が高くなりやすい）
炉心上部の水を排除する。

【００２９】現行のＰＷＲでは、水を排除すると負の反
応度効果を生じるので上に示したように、 運転時…出力の高い部分の出力規制（負のフィードバッ
ク） 停止時…燃焼度の低い炉新上部部分の反応度抑制（中性
子再分布効果抑制による停止余裕の増大） の効果があり、この運転中の負のフィードバック効果増
大と、それによる出力分布平坦化と熱的余裕の増大によ
り、次の効果を奏するものである。

【００３０】・Ｘｅ振動の抑制 ・負荷追従運転時の軸方向出力分布の安定化 ・炉心内の径方向に亙り、軸方向出力分布が揃うように
なるため、核設計が容易になる（２次元計算で近似可
能）

【００３１】また、停止余裕の増大により、 ・サイクル長の増大から、稼動率向上してサイクルコス
トの低減が図れる ・炉心設計上の自由度増大 ・安全性向上

【００３２】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、燃料集合
体の炉心上下方向に亙って内挿される中空の棒であっ
て、この棒内部に、減速材と、該減速材の密度と同程度
の密度を有して前記燃料集合体が平坦な出力分布を有し
た時に前記減速材中で略均一な浮遊分布を形成する浮遊
材群とを封止したものであるため、もし、出力分布が平
坦でなければ（出力分布に歪があると）、出力分布の高
い箇所では単位長さ当りの減速材密度の変化（増加）が
著しくなり、単位長さ当りの浮遊材の分布が密になる。
この密になった浮遊材によって排除された減速材の体積
分だけ、減速効果が減少し、出力分布の高い箇所の出力
を下げることとなる。

【００３３】また、停止時には減速材の液温が下がり、
減速材密度が上がるので、ビーズは全て上部に集まり、
燃焼度の低い（反応度が高くなりやすい）炉心上部の水
を排除して、出力の高いところ、反応度の高いところを
選択的に反応度抑制する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す説明図である。

【図２】浮遊ビーズの密度と個数との関係を示す説明図
である。

【図３】炉心軸方向位置と等水密度線との関係を示す説
明図である。

【図４】出力分布が平坦な場合の水密度分布と浮遊ビー
ズとの関係を示す線図である。

【図５】出力分布が平坦でない場合の水密度分布と浮遊
ビーズとの関係を示す線図である。

【図６】原子炉停止時の水密度分布と浮遊ビーズとの関
係を示す線図である。

【図７】サイクル初期及びサイクル末期の炉心軸方向出
力分布を示す説明図である。

【符号の説明】

１…反応度制御内挿ロッド ２…ステンレス被覆管 ３…水（減速材） ４…浮遊ビーズ（浮遊材群） ５…プラグ棒

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料集合体の炉心上下方向に亙って内挿
   される中空の棒であって、 該棒内部に、減速材と、該減速材の密度と同程度の密度
   を有して前記燃料集合体が平坦な出力分布を有した時に
   前記減速材中で略均一な浮遊分布を形成する浮遊材群と
   を封止したことを特徴とする反応度制御内挿物。
2. 【請求項２】 前記浮遊材群が、炉心出口温度の前記減
   速材密度から炉心入口温度の前記減速材密度までに亙っ
   て段階的に変化させた密度を有し、段階的に変化させた
   各密度で均等に分布させたものであることを特徴とする
   前記請求項１に記載の反応度制御内挿物。