JPH07120581A

JPH07120581A - 沸騰水型原子炉

Info

Publication number: JPH07120581A
Application number: JP5263325A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kashiwai; 進一柏井; Terufumi Kawasaki; 照文河崎; Akihito Orii; 明仁折井; Masataka Hidaka; 政隆日高
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-10-21
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1995-05-12

Abstract

(57)【要約】【目的】再循環ポンプの能力を増大することなく、スペ
クトルシフト運転時の炉心冷却材流量の変化幅を増大
し、核燃料物質の消費をさらに節約できる沸騰水型原子
炉を提供する。【構成】上昇流路１と下降流路２とから成り、炉心の冷
却材流量によって内部のボイド率が変わるスペクトルシ
フトロッド４を燃料集合体５内に一本ないし複数本設置
し、燃料集合体の下方に伸び、その流路面積が燃料集合
体の流路面積より小さい冷却材案内管を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核燃料物質の消費を節
約するのに好適な沸騰水型原子炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、沸騰水型原子炉の核燃料物質
の消費を節約する方法の一つに、炉心内の核燃料物質の
燃焼度に応じて冷却材流量を変えるスペクトルシフト運
転法がある。スペクトルシフト運転法について説明する
前に核燃料物質の性質について述べる。沸騰水型原子炉
で用いられる核燃料物質中にはウラン２３５とウラン２
３８とが含まれているが、この割合は、ウラン２３５が
数％であり、残りの大部分はウラン２３８である。この
うち、炉心内の水で減速された熱中性子を吸収して核分
裂（燃焼）を起こすのはウラン２３５で、ウラン２３８
はほとんど核分裂を起こさない。しかし、ウラン２３８
は核分裂で生じた高エネルギ中性子（減速されない高速
中性子）を吸収してプルトニウム２３９に変わる。プル
トニウム２３９はウラン２３５と同じように減速された
熱中性子を吸収して核分裂を起こす。

【０００３】一方、炉心のボイド率（蒸気泡の体積率）
を高くすると水の体積率が減少するので、水で減速され
た熱中性子の割合が減少し、減速されない高速中性子の
割合が増加する。

【０００４】核燃料物質の性質と炉心のボイド率に対す
る熱中性子と高速中性子の割合を利用するのがスペクト
ルシフト運転法である。つまり、核燃料物質中にウラン
235が比較的多く残っている時期は、炉心の冷却材流量
を低下させてボイド率（蒸気泡の体積率）を高くし、熱
中性子の割合を減少させてウラン２３５を燃焼させる。
この間、熱中性子の割合を減少させた代わりに増大した
高速中性子でウラン２３８をプルトニウム２３９に転換
させる。核燃料物質中のウラン２３５が少なくなった時
期には炉心の冷却材流量を増大させて熱中性子の割合を
多くし、残りのウラン２３５とウラン２３８から転換し
たプルトニウム２３９を燃焼させる。炉心の冷却材流量
は、下限を熱的限界によって制限され、上限を再循環ポ
ンプの能力で制限される。沸騰水型原子炉が定格熱出力
の状態では定格の(１００％)冷却材流量を中心にある範
囲内の流量変化しか与えられない。例えば、炉心の冷却
材流量を定格の８０％から１２０％まで変化させると、
図２に示した炉心流量に対する炉心平均ボイド率の依存
性から炉心のボイド率は約９％変化することになる。

【０００５】スペクトルシフト運転時に炉心のボイド率
の変化割合を大きくする方法の一つが特開昭63−73187
号公報に開示されている。これは、図３に基本構造を示
したが、下部タイプレート１の下に開口した冷却材上昇
流路２と下部タイプレート１の上に出口を持つ冷却材下
降流路３とを連結した水ロッド４（以下、スペクトルシ
フトロッドと呼ぶ）を用いるものである。このスペクト
ルシフトロッド４は、炉心の冷却材流量変化によって変
わる下部タイプレート１上下間の差圧に比例してロッド
内部の平均ボイド率（液位）が大幅に変わるものであ
る。図４に示したようなスペクトルシフトロッド４を九
本設けた燃料集合体５で、全スペクトルシフトロッド４
の横断面積が燃料集合体５の冷却材流路横断面積の３０
％を占めると、冷却材流量を定格の８０％から１２０％
まで変化させたとき、スペクトルシフトロッド４だけの
作用による燃料集合体５の平均ボイド率の変化幅は２
２.５％になると記されている。この値に、スペクトル
シフトロッド４の作用以外のボイド率変化分９％が加え
られるが、さらに大きなボイド率変化を与えることがで
きればスペクトルシフト運転の効果が増大し、核燃料物
質の消費をより節約することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、再循
環ポンプの能力を増大することなく、スペクトルシフト
運転時の炉心冷却材流量の変化幅を増大し、核燃料物質
の消費をさらに節約する沸騰水型原子炉を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図５に冷却材再循環ポン
プの流量−全揚程曲線の一例を示した。炉心の流動損失
を低下させれば、ポンプに要求される揚程が低下するの
で、冷却材の流量を増すことができる。炉心部の流動損
失を増す要素として燃料集合体入口オリフィス，下部タ
イプレート，燃料スペーサ及び上部タイプレート等があ
る。従来から、燃料スペーサや上部タイプレートの圧力
損失低減の提案がなされている。しかし、炉心の単相流
部の圧力損失に比べて二相流部の圧力損失が著しく大き
いと自然循環時に流量不安定が生じることがあるので、
流量安定化のために設けた燃料集合体入口オリフィスや
下部タイプレートの圧力損失低減の提案はほとんどな
い。しかし、燃料集合体の上流側に冷却材に慣性を与え
る冷却材案内管を設けることにより、炉心の流動安定性
を損なわずに燃料集合体入口部の圧力損失を低減できる
提案が特願平4−159134 号明細書に記されている。した
がって、スペクトルシフトロッドと冷却材案内管を併用
すれば上記の目的が達成できる。

【０００８】

【作用】本手段によれば、下部プレナム内の冷却材が冷
却材の案内管内を通過して燃料集合体内へ供給される。
冷却材案内管内の冷却材の流れの慣性は、その案内管の
Ｌ／Ａ（長さ／流路面積）に比例して大きくなるから、
その案内管の流路面積Ａを燃料集合体の流路面積より小
さくし、長さＬを制御棒駆動機構ハウジングの上端近傍
にまで延長してその慣性を大きくする。この作用によ
り、冷却材の流量振動が改善され、炉心の流量安定性が
良くなる。

【０００９】炉心の流量安定性が従来と同等で良いとす
るなら、冷却材案内管を用いたことによって炉心の流量
安定性が良くなった分だけ燃料集合体入口オリフィスや
下部タイプレートの圧力損失を小さくすることができ
る。炉心部の圧力損失が小さくなると、冷却材の最大流
量を増大できるので、流量変化範囲を広くすることがで
き、スペクトルシフトロッド内の平均ボイド率の変化幅
を大きくできる。

【００１０】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１に示した。原子
炉圧力容器の底板１０を貫通した制御棒駆動機構ハウジ
ング１１は底板１０に溶接される。この制御棒駆動機構
ハウジング１１の上には制御棒案内管１２が乗り、直立
する。制御棒案内管１２の内には下端部で制御棒駆動ロ
ッド１４に結合され、上下動が可能な十字型の制御棒ブ
レード１３が設置されている。制御棒案内管１２の下端
部には４個の冷却材入口孔１５が設けてある。各冷却材
入口孔１５に一端を固定した四本の冷却材案内管１６が
制御棒案内管１２の内にＪ字型に上に伸びている。この
冷却材案内管１６は十字型の制御棒ブレード１３の間、
つまり、燃料集合体５の下に位置する。制御棒案内管１
２の上に燃料集合体５を四体乗せることのできる燃料支
持金具１７を差し込むと、四本の冷却材案内管１６の上
端部が燃料支持金具１７の下端部に差し込まれる。燃料
支持金具１７の下端部の差込み部１８にはラビリンスが
設けてあり、差込み部１８の冷却材漏洩を抑制してい
る。燃料支持金具１７の上に四体の燃料集合体７５を乗
せる。燃料集合体５の下端の下部タイプレートの入口に
は圧力損失調整用の入口オリフィス２０を設ける。この
ように、一体の制御棒案内管１２に対して四体の燃料集
合体７から成るセットが７０セット程で原子炉炉心を構
成する。下部格子板２１は制御棒案内管１２の周囲の上
部を閉塞し、かつ、制御棒案内管１２の横振れを防止す
る。

【００１１】冷却材再循環ポンプ（図示せず）で下部プ
レナム２２に送り込まれた冷却材は、下部格子板２１で
上部を閉塞されているので、矢印で示したように冷却材
入口孔１５から冷却材案内管１６に入り、加速されて慣
性を増しながら燃料支持金具１７に入り、燃料集合体５
に導かれる。

【００１２】炉心の流量不安定が心配されるのは冷却材
再循環ポンプがトリップした場合のように冷却材が自然
循環状態で、かつ、炉心熱出力が比較的高い場合であ
る。一方、炉心の圧力損失が問題になるのは冷却材流量
が多い場合である。

【００１３】炉心の流量安定性は減幅比と云う指標で表
される。減幅比とは、図６に示したような流量振動波の
ある山の高さＸ₀で次の山の高さＸ₁を割った値で、減幅
比が１未満で、小さい値の方が振動の減衰が速やかで、
安定性が良いことを示す。

【００１４】図７に自然循環流量(５.２６kg／ｓ）時の
燃料集合体入口圧損係数と減幅比の関係の解析結果を示
した。燃料集合体入口圧損係数は入口オリフィス２０と
下部タイプレート１９を合わせたもので、現行炉では２
８程度である。図７中の○印は現行炉の減幅比で、その
値は０.６２７になる。現行炉と同じ燃料集合体に内径
７０mm，長さ４ｍの冷却材案内管１６を付加した場合の
解析結果を実線で示し、内径８０mm，長さ４ｍの冷却材
案内管１６を付加した場合の解析結果を一点鎖線で示し
た。冷却材案内管１６の入口圧損係数は０.０６とし
た。実線のケースも、一点鎖線のケースも冷却材案内管
１６による冷却材の慣性増大の効果で減幅比は小さくな
る。燃料集合体入口圧損係数が２８の解析結果を比較す
ると、現行炉の減幅比が０.６２７であるのに対し、冷
却材案内管１６の内径が７０mmの場合の減幅比は０.３
８６で、冷却材案内管１６の内径が８０mmの場合の減
幅比は０.４６６である。このように、冷却材案内管１
６を用いることにより炉心の流量安定性が向上するが、
流量安定性を現行炉と同等で良いとするならば冷却材案
内管１６で流量安定性が向上した分だけ入口オリフィス
２０の孔を広げて入口圧損係数を小さくすることができ
る。入口圧損係数を小さくしていくと、減幅比は増大す
る。減幅比が現行炉と同等の値０.６２７になる入口圧
損係数は、冷却材案内管１６の内径が７０mmの場合は１
２.７、冷却材案内管１６の内径が８０mmの場合は１
８.６になる。

【００１５】現行の燃料集合体入口圧損係数は約２８で
あるが、このうち、入口オリフィス２０の圧損係数が約
１８である。したがって、入口オリフィス２０を取り去
ると入口圧損係数は約１０になり、内径が７０mmより若
干小さい冷却材案内管１６を使用すると減幅比が現行炉
と同等になる。冷却材案内管１６の内径を６０mmにする
と、入口圧損係数は１０以下になり、入口オリフィス２
０を取り去っただけでは実現できず、燃料支持金具１７
と下部タイプレート１９の低圧損化を図らなければなら
ない。

【００１６】一方、冷却材案内管１６の入口相当位置か
ら炉心出口までの圧力損失を計算すると図８に示した結
果が得られた。冷却材案内管１６がない現行炉では○印
で示したように入口圧損係数が２８であり、圧力損失は
１７８.１kPaになる。

【００１７】冷却材案内管１６を付加すると、入口圧損
係数が２８では冷却材案内管１６による圧力損失分だけ
現行炉の圧力損失より大きくなる。入口オリフィス２０
の孔を広げて入口圧損係数を小さくすると炉心出口まで
の圧力損失は小さくなる。冷却材案内管１６の内径が７
０mmの場合、減幅比が現行炉の減幅比と同等になる入口
圧損係数１２.７での炉心出口までの圧力損失は１５
４.７kPaになり、現行炉の圧力損失よりも約１３％小さ
くなる。図９に示した冷却材再循環ポンプの流量−全揚
程曲線で、定格点より全揚程を１３％低下させると流量
は約１０％増加する。つまり、現行の燃料集合体の上流
側に内径が７０mmで長さが４ｍの冷却材案内管を付加
し、冷却材に慣性を与えることにより、自然循環時の流
量安定性を損なうことなく集合体入口圧損係数を１２.
７まで低下できる。このため、下部プレナム入口から
炉心出口までの圧力損失を約１３％低下でき、冷却材流
量を約１０％増加できる。したがって、スペクトルシフ
ト運転時の冷却材流量の変化幅は、これまでは８０％〜
１２０％であったが、８０％〜１３０％にすることがで
きる。

【００１８】図１０に下部タイプレート上下間差圧とス
ペクトルシフトロッド（水ロッド）内の平均ボイド率の
関係を示したが、下部タイプレート上下間差圧は流量の
二乗に比例する。従って、冷却材流量が定格流量の１２
０％から１３０％に１.０８倍になると、下部タイプレ
ート上下間差圧は１.１７倍になる。図１０の関係か
ら、流量変化幅が８０％から１２０％のときのボイド率
変化幅を１００％とすると、流量変化幅が８０％から１
３０％のときのボイド率変化幅は１２５％になる。

【００１９】特開昭63−73187 号公報に示されているよ
うに冷却材流量を定格の８０％から１２０％の範囲で変
化させると、炉心のボイド率は９％変化し、流路面積が
燃料集合体の流路面積の３０％を占めるスペクトルシフ
トロッドを用いると炉心のボイド率は９％＋２２.５％
＝３１.５％変化する。本発明では冷却材に慣性を与え
て炉心の流量振動を安定化させるために提案された冷却
材案内管をスペクトルシフトロッドと併用することによ
って炉心のボイド率を９％＋２２.５％×１.２５＝３
７.１％まで変化させることができる。

【００２０】本実施例では、スペクトルシフトロッドの
流路面積が燃料集合体の流路面積の３０％を占める場合
について述べたが、スペクトルシフトロッドの数や流路
面積が異なると炉心のボイド率変化幅も異なる。しか
し、スペクトルシフトロッドだけを使用した場合に比べ
て冷却材案内管を併用すれば、炉心のボイド率変化幅が
増加することは本実施例の説明で明らかである。

【００２１】本発明の第二の実施例を図１１に示した。
本実施例は、制御棒案内管が制御棒の流動振動を防止す
るために、制御棒と冷却材主流とを隔てる役割を持つこ
とに注目し、制御棒案内管を無くし、代わりに冷却材案
内管を採用したものである。本実施例は、制御棒駆動機
構ハウジング１１の頂部の段付部に仕切板２３を乗せ、
制御棒駆動機構ハウジング１１と仕切板２３の隙間を制
限することにより両者の間を流れる冷却材流量を少なく
する。仕切板２３には燃料集合体５の真下の位置に孔２
４を設け、孔２４に合わせて冷却材案内管２５を溶接ま
たは差し込みなどの方法で仕切板２３上に垂直に立て
る。冷却材案内管２５の上端には下部格子板２６ａと一
体の燃料支持金具２６を差し込み、燃料支持金具２６の
上部には燃料集合体５の下端が差し込まれる。

【００２２】冷却材再循環ポンプ（図示せず）から供給
された冷却材は、圧力容器の底板１０と仕切板２３との
間の流路から冷却材案内管２５、及び燃料支持金具２６
を通って燃料集合体５に入る。冷却材が冷却材案内管２
５内を通過するとき、第一の実施例と同様に冷却材の慣
性が増大し、流量安定性が向上する。

【００２３】第一の実施例は冷却材案内管１６の下端部
に９０度のベンドが有るのに対して本実施例の冷却材案
内管２５は直管である。したがって、定性的には第一の
実施例に比べて本実施例の方が圧力損失が小さく、流量
変化幅を大きくすることができるので、スペクトルシフ
ト運転時の炉心ボイド率の変化幅を大きくすることがで
きると考えられる。しかし、内径が７０mmの冷却材案内
管２５の９０度ベンドの定格流量での圧力損失を定量的
に求めると３kPa 程度で、図８に示した炉心出口までの
圧力損失１７８.１kPaに比べて非常に小さい。つまり、
冷却材案内管２５を直管にしてもスペクトルシフト運転
時の炉心ボイド率の変化幅の増加は期待できず、第一の
実施例と同等の効果しかないことが分かる。

【００２４】第一の実施例は炉心下部の構造物に制御棒
案内管が有り、現行の沸騰水型原子炉にスペクトルシフ
トロッドと冷却材案内管を付加したものである。これに
対して、第二の実施例は炉心下部の構造が現行の沸騰水
型原子炉とは異なる。これは、冷却材案内管の発明であ
る特願平4−159134 号明細書に述べられているように、
大型化した燃料集合体の四辺に制御棒のブレードが配置
される新しい炉心配置や横断面が六角形の燃料集合体か
ら成る新しい炉心配置などに適した炉心下部の構造であ
る。このように、燃料集合体の形状や大きさ、または炉
心下部の構造の如何にかかわらずスペクトルシフトロッ
ドと冷却材案内管を採用すると、スペクトルシフトロッ
ドだけを採用した場合に比べて、再循環ポンプの能力を
増大することなく流量の変化幅を増大することができ、
核燃料物質の消費をさらに節約することができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、自然循環時の炉心冷却
材の流量安定性を損なうことなく炉心入口部の圧力損失
を低下することにより、スペクトルシフト運転時の冷却
材流量変化範囲を広げることができ、核燃料物質の消費
をさらに節約できる沸騰水型原子炉を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す沸騰水型原子炉の
部分断面図。

【図２】炉心冷却材流量と炉心の平均ボイド率の関係を
示すグラフ特性図。

【図３】本発明で使用する水ロッドの基本構造を示す断
面図。

【図４】水ロッド使用の一例を示す燃料集合体の横断面
図。

【図５】冷却材再循環ポンプの流量−全揚程特性図。

【図６】炉心の流量安定性の指標である減幅比の説明
図。

【図７】冷却材案内管による安定特性を示す燃料集合体
入口圧損係数と減幅比の特性図。

【図８】冷却材案内管による圧損特性を示す燃料集合体
入口圧損係数と炉心出口までの圧損の特性図。

【図９】全揚程低下による流量増加の関係を示す冷却材
再循環ポンプの特性図。

【図１０】流量変化幅と水ロッド内平均ボイド率変化幅
の関係を示す特性図。

【図１１】本発明の第二の実施例を示す沸騰水型原子炉
の部分断面図。

【符号の説明】

１…下部タイプレート、２…上昇流路、３…下降流路、
４…水ロッド、５…燃料集合体、１２…制御棒案内管、
１６，２５…冷却材案内管、１７，２６…燃料支持金
具、２０…入口オリフィス、２１…下部格子板、２２…
下部プレナム、２３…仕切板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者日高政隆茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の燃料棒を複数の燃料スペーサで束ね
てチャンネルボックスで囲った燃料集合体，前記燃料集
合体を複数体並べて構成した炉心，前記炉心の下部に前
記燃料集合体に冷却材を供給する流路を含む沸騰水型原
子炉において、前記燃料集合体の下部タイプレートの下
に前記冷却材の入口を開口した上昇流路と前記下部タイ
プレートの上に前記冷却材の出口を開口した下降流路と
から成り、前記炉心の前記冷却材の流量によって内部の
ボイド率が変わる水ロッドと前記燃料集合体に前記冷却
材を導くために前記燃料集合体の下方に伸ばし、その流
路面積が前記燃料集合体の流路面積より小さい冷却材案
内管とを併せて備えたことを特徴とする沸騰水型原子
炉。
【請求項２】請求項１において、前記冷却材案内管は、
前記冷却材の入口を制御棒案内管の下端近傍の側壁の外
側に開口し、前記制御棒案内管内の制御棒ブレードの間
を前記制御棒案内管に沿って上に伸び、上端部がシール
手段を介して燃料支持金具に差し込まれ、前記燃料支持
金具内に冷却材出口を開口している沸騰水型原子炉。
【請求項３】請求項１において、前記冷却材案内管は、
下部プレナムを上下に仕切る仕切板の下に前記冷却材の
入口を開口して仕切板上に直立させ、上端の冷却材出口
に燃料支持金具の前記冷却材の入口を合わせて重ねた沸
騰水型原子炉。